(57)【要約】      （修正有）【課題】特定の回転軸で大きなモータトルクを必要とせず、全天に渡り目標の自動追尾を可能とする追尾装置を提供する。【解決手段】追尾装置は、ベース１０３、第１及び第２ジンバル１０１、１０２、球面駆動部１１１・・１３１、２１２・・２３２、駆動保持部１０４、目標位置認識部１０６、第１及び第２角度センサ２１１、２２１、及び制御部２０２を備える。第１及び第２ジンバルは夫々、互いに直交する第１及び第２ジンバル軸１１０、１２０を中心に回転する。球面駆動部は、第１または第２ジンバルに接触するホイール１１１・・１３１を含み、ホイールに接触しているジンバルを所望の位置に回転させる。目標位置認識部は、目標の位置データを検出する。第１及び第２角度センサは夫々、第１及び第２ジンバルの第１及び第２回転角度を検出する。制御部は、位置データ、第１及び第２回転角度に基づいて、球面駆動部を制御して目標を追尾する。【選択図】図２
2014175774.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
土台となるベースと、
前記ベースに支持され、第１ジンバル軸を中心に回転する第１ジンバルと、
前記第１ジンバルに支持され、前記第１ジンバル軸に直交する第２ジンバル軸を中心に回転し、前記第１ジンバルと合体して１つの球形胴体を形成し、該第１ジンバル軸と第２ジンバル軸との交点が該球形胴体の中心となる第２ジンバルと、
前記第１ジンバルまたは前記第２ジンバルに接触して一定の間隔で３箇所以上に設置されるホイールを含む球面駆動部であって、該ホイールに接触しているジンバルを所望の位置に回転させる球面駆動部と、
前記ベースに支持され、前記ホイールを前記第１ジンバルまたは前記第２ジンバルに押圧する駆動保持部と、
目標の位置データを検出する目標位置認識部と、
前記第１ジンバルの前記ベースに対する第１回転角度を検出する第１角度センサと、
前記第２ジンバルの前記第１ジンバルに対する第２回転角度を検出する第２角度センサと、
前記位置データ、前記第１回転角度、及び前記第２回転角度に基づいて、前記球面駆動部を制御して前記目標を追尾する制御部と、を備える追尾装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記位置データ、前記第１回転角度、及び前記第２回転角度に基づいて、前記第１ジンバル及び前記第２ジンバルそれぞれの角速度指令を計算し、該角速度指令に基づいて前記ホイールごとに対応する角速度指令を計算する請求項１に記載の追尾装置。
【請求項３】
光源と、
前記第１ジンバル及び前記第２ジンバルの内部に設置され、前記光源からの光を前記目標に導く導光系と、をさらに具備し、
前記制御部が前記目標を追尾するに従って、該目標に光が照射される請求項１または請求項２に記載の追尾装置。
【請求項４】
前記導光系は、前記第１ジンバル内に３つのミラーと、前記第２ジンバル内の中心に１つのミラーと、それぞれのミラーの間を光が通る導光路と、を具備する請求項３に記載の追尾装置。
【請求項５】
前記球面駆動部は、前記球形胴体を回転駆動するだけでなく、該回転駆動の方向とは異なる方向への移動が可能であるホイールと、該ホイールを回転駆動するホイール駆動部と、を備える請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の追尾装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、全方向に渡り移動する目標（ターゲット）に対してカメラ等の目標認識センサを追尾させるための追尾装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、空港やプラントなど大型施設、及び発電所や水道施設などのライフラインに関わる施設での保安設備、並びにＩＴＳなどの交通情報支援システムなどにおいて、ＩＴＶカメラ等を用いて対象物を追跡し、継続した監視や詳細な情報を入手するシステムが多く商品化されている。これらのシステムは、地上設置型だけでなく、プラットホームとして車両、船舶または航空機などを想定し、小型かつ耐振性を考慮した構造で、振動及び動揺に対する外乱抑圧を行っている。更に、複数の対象物を順次、追尾できるように、旋回速度を高速化し、対象物への指向を短時間に行えることが重要になってきている。
【０００３】
このような移動体画像追尾システムでは、全方向に渡り移動する目標に対して追尾するために、ジンバル構造を用いていることが多い。ジンバル構造では少なくとも２軸以上を備える必要がある。２軸ジンバルでは、対象物が天頂、もしくは天頂付近を通過する場合にはＡＺ軸は瞬時に正面から背面へ向かうため１８０度近く回転する必要があり、モータトルクには制限があるためこの動作の実現は難しく、連続した追跡ができなくなるというジンバルロックと呼ばれる現象の課題がある。このため２軸ジンバル構造では、ジンバルロックが生じる天頂付近には指向することができず、全方向に渡り目標を連続して追尾することの実現が難しい。
【０００４】
また、従来の画像追尾システムでは、３軸ジンバル構造を用いることで、動作の自由度を増やし、角速度が過大とならないように、動きをＡｚ軸とｘＥＬ軸との動作に分配することで、実現可能なジンバル可動範囲を超えることなく、ジンバルロックを避け、全方向に渡り連続的に追尾させようとしている。
【０００５】
また、ジンバル構造の回転軸を直接駆動しない機構としては、ジンバルで拘束された球体に対して圧電素子を使って摩擦により球面駆動する機構が提案されている。
【０００６】
また、２軸ジンバル構造の胴体に一部に対して、振動アクチュエータで球面駆動を行う機構が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１０６９１０号公報
【特許文献２】特開２００９−４４８５６号公報
【特許文献３】特開２００７−２２１９７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このように従来では、小型化や目標を追尾するための制御則が複雑になるという課題がある。例えば、３軸ジンバル構造の場合には、モータ等の駆動手段も増えるため、小型化や低コスト化が難しい。また、カメラ等を搭載するためｘＥＬ軸の負荷慣性が大きく、Ａｚ軸とｘＥＬ軸との軸干渉の影響も生じる可能性があり、３軸ジンバル構造特有の課題が生じてしまう。さらに、冗長軸によりＡｚ軸の角速度を緩和することは可能であるが、依然として他の軸と比べて必要となるＡｚ軸の角速度は大きいため、必要となる駆動トルクも大きくなってしまう課題がある。
【０００９】
また、従来のジンバル構造の回転軸を直接駆動しない方式では、球面駆動の上に球状の被駆動面を備えていて、球面の外側に運動拘束であるジンバル構造を備えているため、可動範囲を広くすることができないという課題があった。例えば、球面駆動の支持部がジンバルのフレームの可動範囲を制約して、全天に渡りカメラを指向させることが難しいという課題がある。
【００１０】
また、２軸ジンバル構造の胴体の一部に対して、振動アクチュエータで球面駆動を行う方式では可動範囲の課題はないが、電気系や光学系の通路が確保できず、産業機器への応用が難しいという課題がある。例えば、水平軸が振動子固定軸周りに形成されていて、被駆動体である球体にカメラを搭載した場合には、その電気配線をジンバル内に通すことができないという課題がある。特に、光学系をジンバル内部に備えたい産業応用には、適用することができないという課題がある。
【００１１】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、特定の回転軸で大きなモータトルクを必要とせず、全天に渡り目標の自動追尾を可能とした追尾装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
実施形態によれば、追尾装置は、ベース、第１ジンバル、第２ジンバル、球面駆動部、駆動保持部、目標位置認識部、第１角度センサ、第２角度センサ、及び制御部を備える。ベースは、この装置の土台となる。第１ジンバルは、ベースに支持され、第１ジンバル軸を中心に回転する。第２ジンバルは、第１ジンバルに支持され、第１ジンバル軸に直交する第２ジンバル軸を中心に回転し、第１ジンバルと合体して１つの球形胴体を形成し、第１ジンバル軸と第２ジンバル軸との交点が球形胴体の中心となる。球面駆動部は、第１ジンバルまたは第２ジンバルに接触して一定の間隔で３箇所以上に設置されるホイールを含む球面駆動部であって、ホイールに接触しているジンバルを所望の位置に回転させる。駆動保持部は、ベースに支持され、ホイールを第１ジンバルまたは第２ジンバルに押圧する。目標位置認識部は、目標の位置データを検出する。第１角度センサは、第１ジンバルのベースに対する第１回転角度を検出する。第２角度センサは、第２ジンバルの第１ジンバルに対する第２回転角度を検出する。制御部は、位置データ、第１回転角度、及び第２回転角度に基づいて、球面駆動部を制御して目標を追尾する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態の追尾装置の斜視図。
【図２】図１の追尾装置の正面での断面図及びブロック線図。
【図３Ａ】図１の追尾装置をＸ軸正方向から見た図。
【図３Ｂ】図１の追尾装置をＺ軸負方向から見た底面透視図。
【図４】図１のベースを基準とした球面座標系と目標位置認識部の座標系との関係を示す図。
【図５Ａ】図１の追尾装置をＹ軸負方向から見た透視図。
【図５Ｂ】図１の追尾装置をＺ軸正方向から見た、各ホイールでの駆動方向ベクトルを示す上面透視図。
【図５Ｃ】図１の追尾装置をＺ軸正方向から見た、Ｘ方向へ転動させる場合を示す上面透視図。
【図５Ｄ】図１の追尾装置をＺ軸正方向から見た、Ｙ方向へ転動させる場合を示す上面透視図。
【図６】実施形態のカメラ視野と移動体との追尾誤差を示す図。
【図７】目標の移動に追尾するための制御系を説明するブロック線図。
【図８】目標物へ光を照射するトラッキングシステムの概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係る追尾装置について詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、同一の番号を付した部分については同様の動作を行うものとして、重ねての説明を省略する。  
実施形態の追尾装置は、移動する目標物を追跡するトラッキングシステムに適用したものである。このトラッキングシステムは移動する目標物へ光を照射するように設定されていてもよい。
【００１５】
本実施形態の追尾装置について図１、図２、図３Ａ、及び図３Ｂを参照して説明する。図１は、Ｚ軸正方向を天頂方向としたベクトル（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（１，１，１）の方向から見た追尾装置の斜視図である。図２は追尾装置の正面図及びブロック線図である。図３ＡはＸ軸正方向から見た側面図であり、図３ＢはＺ軸負方向から見た底面透視図である。ただし、図１、図２、図３Ａ、及び図３Ｂのそれぞれに示した座標系は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の方向を定義した全て同じ座標系である。図２の第１ジンバル１０１、第２ジンバル１０２、ベース１０３、駆動保持部１０４、第２及び第３ホイール１２１，１３１は断面を示していて、図２は、Ｘ軸に垂直な面であって第２及び第３ホイール１２１，１３１が存在する面での断面図である。  
本実施形態の追尾装置は、第１及び第２ジンバル１０１，１０２、ベース１０３、駆動保持部１０４、圧縮バネ１０５、目標位置認識部（カメラセンサ）１０６、第１、第２及び第３ホイール１１１，１２１，１３１、追尾誤差検出部２０１、制御部２０２、第１及び第２角度センサ２１１，２２１、第１、第２及び第３ホイール駆動部２１２，２２２，２３２を備えている。なお便宜上、ホイールと対応するホイール駆動部とを合わせて球面駆動部と呼ぶ。
【００１６】
ベース１０３は、この追尾装置の土台であり、積載面上に追尾装置に含まれる全ての装置部分を適切に設置するためのものである。ベース１０３はこの追尾装置を固定する建造物等に設置される。建造物は例えば、外壁、内壁、天井、屋上がある。
【００１７】
第１ジンバル１０１は、一体形成され、ベース１０３に接続し支持されている。ベース１０３の積載面方向を水平方向とすれば、第１ジンバル１０１は垂直方向に向けて設置されている。さらに第１ジンバル１０１は、回転自由である第１回転軸としての第１ジンバル軸１１０を中心に回転する。この第１回転軸はベース１０３の積載面に関して垂直である。第１ジンバル１０１は例えば、Ｕ字形に一体形成されている。  
第２ジンバル１０２は、一体形成され、第１ジンバル１０１に接続し支持されている。第２ジンバル１０２は、第１回転軸と直交する第２回転軸としての第２ジンバル軸１２０を中心に回転する。第２回転軸はベース１０３の積載面に関して平行である。第２ジンバル１０２は例えば、球形に形成されている。  
また、第１及び第２ジンバル１０１，１０２は、これらが合体して１つの球形胴体を形成する。第１回転軸と第２回転軸との交点は例えば、この球形胴体の中心となる。
【００１８】
駆動保持部１０４は、ベース１０３上に設置されていて、第１、第２及び第３ホイール１１１，１２１，１３１と接続している。駆動保持部１０４は、これらの第１、第２及び第３ホイール１１１，１２１，１３１を押圧して第２ジンバル１０２に密着させる。駆動保持部１０４には例えば圧縮バネ１０５が取り付けられており、バネの復元力によりベース１０３に対して第１、第２及び第３ホイール１１１，１２１，１３１を図２の例では上に押し上げることで、第１、第２及び第３ホイール１１１，１２１，１３１を球形胴体に押圧した状態に保持することができる。この結果、第１、第２及び第３ホイール１１１，１２１，１３１が駆動保持部１０４の圧縮バネ１０５により最適な力で球形胴体に押し付けられることで、第１、第２及び第３ホイール１１１，１２１，１３１は、球形胴体との間の摩擦力を利用して駆動力を伝達することができる。
【００１９】
第１、第２及び第３ホイール１１１，１２１，１３１は、駆動保持部１０４上に設置され、これらは第１ジンバル１０１または第２ジンバル１０２に接触している。第１、第２及び第３ホイール１１１，１２１，１３１が動くことによって接触しているジンバルを動かす。このホイールの数は、３以上であり、特に３、４、６が適用される可能性が高い。
【００２０】
球面駆動部は、第１及び第２ジンバル１０１，１０２を移動させることが可能なホイール（例えばオムニホイール）（第１、第２及び第３ホイール１１１，１２１，１３１）と、ホイールを回転駆動するホイール駆動部（第１、第２及び第３ホイール駆動部２１２，２２２，２３２）とで構成されている。なお、図１、図２、図３Ａ、及び図３Ｂでは例えば、ベース１０３に水平なある水平面上の仮想的な円に沿って等間隔に１２０度で３つのホイールを配置した場合を図示している。オムニホイールは、ホイールの対象である球形胴体を回転駆動するだけでなく、この駆動の方向とは異なる方向への移動が可能なホイール（回転体）の総称である。オムニホイールの回転軸にはホイール駆動部の回転軸が備わっており、ホイール駆動部によってオムニホイールのホイール本体部が回転される。球面駆動部が、球形胴体に対して所望の方向に所望の距離だけ転動させることができる。すなわち、ホイールに接触しているジンバルを所望の位置に回転させることができる。ホイールが球形胴体に押圧されるように、球面駆動部は回転バネを備えていてもよい。
【００２１】
目標位置認識部１０６は、目標の位置を認識するための装置であり、目標認識センサとも呼ばれ例えばカメラセンサであり、目標を検出して画像データを得る。目標位置認識部１０６は、第２ジンバル１０２に設置され、特に第１ジンバル軸１１０に近いある範囲内に設置される。
【００２２】
追尾誤差検出部２０１は、目標位置認識部１０６から取得した画像データに画像処理を施して追尾誤差検出値を検出する。追尾誤差検出部２０１は、一般的には２値化により白黒画像にし、目標の特徴点を抽出することでカメラ視野内の位置が識別され、視野中心からの２方向のずれ量（ΔＸ，ΔＹ）を追尾誤差検出値とする。これらの画像処理を含めた処理時間が追尾誤差検出値を得るサンプリング時間となる。追尾誤差検出値については後に図６を参照して説明する。
【００２３】
第１及び第２角度センサ２１１，２２１はそれぞれ、第１ジンバル軸１１０及び第２ジンバル軸１２０に対応して設置されている。第１角度センサ２１１は、ベース１０３に対する第１ジンバル１０１の回転角度を検出する。第２角度センサ２２１は、第１ジンバル１０１に対する第２ジンバル１０２の回転角度を検出する。
【００２４】
制御部２０２は、第１及び第２角度センサ２１１，２２１から２つの角度を入力して目標位置認識部１０６の向きを認識し、追尾誤差検出部２０１から取得した追尾誤差検出値をゼロにするように、第１、第２及び第３ホイール駆動部２１２，２２２，２３２に指示を出し、第１、第２及び第３ホイール１１１，１２１，１３１を駆動する。換言すれば、制御部２０２は、２つの角度を使用して目標位置認識部１０６と同一の座標系での仮想的な位置データを計算し、仮想的な位置データと目標位置認識部１０６が出力した位置データとを一致させるように球面駆動部を制御する。制御部２０２は、目標を追尾するように制御するためには、追尾誤差を小さくするような角速度を発生させる追尾制御則で追尾する。
【００２５】
次に、ベース１０３に対する目標位置認識部１０６の指向方向（カメラ指向方向）について図４を参照して説明する。  
第１ジンバル軸１１０と第２ジンバル軸１２０とは同一交点を有しているため、各回転軸は、第２ジンバル１０２上に備わった目標位置認識部１０６であるカメラの座標系Σcとは回転変換の関係のみを有している。従って、カメラ指向方向はベース１０３を基準とした球面座標系上に位置する。
【００２６】
次に、球形胴体とオムニホイールと駆動方向ベクトルとの関係について図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ、及び図５Ｄを参照して説明する。  
図５ＡはＹ軸（図５でのｙ０軸）負方向から見た図である。図５Ｂ、図５Ｃ、及び図５ＤはＺ軸（図５でのｚ０軸）正方向から見た図であり上面図である。例えば、球形胴体の半径Ｒ、天頂方向であるＺ軸の正方向に対する取り付け角度φ、等間隔１２０度で３つのオムニホイール（ｉ＝１〜３）を取り付ける場合について説明する。球形胴体と各ホイールとの接点座標Ｐｉ（ｉ＝１〜３）は、次式で表される。
【数１】
2014175774.tif 000003
【００２７】
また、各点における駆動方向ベクトルｓｉ（ｉ＝１〜３）は、次式で表される。
【数２】
2014175774.tif 000004
【００２８】
これらの関係を用いると、ベース１０３の直交座標系での各軸周りの次に示される角速度ωｊ（ｊ＝ｘ，ｙ，ｚ）と、ホイールの周速度ｖｓｉ（ｉ＝１〜３）との関係が次式の［式３］で表される。
【数３】
2014175774.tif 000005
【００２９】
【数４】
2014175774.tif 000006
【００３０】
この式から、球形胴体で所望の角速度を得るためのモータ回転速度を決めることができる。
【００３１】
例えば、球形胴体をＸ方向（図５Ｃでは、ｘ０方向）に転動させたいときは、球形胴体にωｙ周りの角速度を与える。このとき、［式３］より、ｖｓｉ（ｉ＝１〜３）は以下のようになる。
【数５】
2014175774.tif 000007
【００３２】
球形胴体をＸ方向に転動させる場合には、図５Ｃのように、ｓ２とｓ３が反対のモータ回転速度を与えるように各ホイールを回転させる。
【００３３】
また、球形胴体をＹ方向に転動させたいときは、球形胴体にωｘ周りの角速度を与える。このとき、［式３］より、ｖｓｉ（ｉ＝１〜３）は以下のようになる。
【数６】
2014175774.tif 000008
【００３４】
球形胴体をＹ方向に転動させる場合には、図５Ｄのように、ｓ１に対して、ｓ２とｓ３には半分大きさで反対のモータ回転速度を与えるように各ホイールを回転させる。
【００３５】
次に、カメラ画像の視野と目標との関係について図６を参照して説明する。  
第２ジンバル１０２上に備わった目標位置認識部１０６であるカメラの座標系Σｃで目標をカメラ視野内で捕捉している場合には、カメラ中心からのずれ量として追尾誤差検出値（ΔＸ，ΔＹ）が得られる。追尾誤差検出値は、一般的には画像情報から得られた特徴点に対して重心を計算することによって求められる。
【００３６】
次に、本実施形態の追尾制御系について図７を参照して説明する。図７は、目標の移動に追尾するための制御系を説明するブロック線図である。  
球面駆動部１１１，１２１，１３１，２１２，２２２，２３２により球形胴体（第１及び第２ジンバル１０１，１０２）が駆動されると、第１及び第２ジンバル１０１，１０２が転動され、第２ジンバル１０２上の目標位置認識部１０６が転動し、目標位置認識部（カメラセンサ）１０６が目標を含んだ画像データを取得し、追尾誤差検出部２０１が目標の位置データである追尾誤差検出値（ΔＸ，ΔＹ）を得る。第１及び第２ジンバル１０１，１０２にはそれぞれ第１及び第２角度センサ２１１，２２１が備わっており、第１及び第２角度センサ２１１，２２１がそれぞれ角度データ（θ１，θ２）を得る。すなわち、θ１が第１ジンバル軸１１０を中心とした回転角度であり、θ２が第２ジンバル軸１２０を中心とした回転角度である。  
制御部２０２は、この追尾誤差検出値と、角度データとに基づき、球面駆動部を駆動させるための角速度指令を生成する。
【００３７】
目標位置認識部１０６が目標を追尾するように制御されるためには、追尾誤差を小さくするような角速度を発生させる追尾制御則で追尾することが必要となる。制御部２０２が追尾誤差検出値（ΔＸ，ΔＹ）、及び角度データ（θ１，θ２）を入力する。追比例ゲインである追尾ゲインＫｃを定数とすると、２軸ジンバルとしての角速度指令（ω１，ω２）は、次式の［式４］で表される。
【数７】
2014175774.tif 000009
【００３８】
ここで、Ｋｃは追尾ゲインである。また、secθは、θに関する正割関数であり、θ＝９０度で無限大となる。
【００３９】
２軸ジンバルとしての角速度指令を球面駆動で実現するためには、第１、第２及び第３ホイール１１１，１２１，１３１がベース１０３に固定された駆動保持部１０４により球形胴体に押圧された状態となっているため、第１及び第２ジンバル１０１，１０２の姿勢に応じて角速度指令を分配することで実現することができる。従って、球面駆動の角速度指令ωｊｒ（ｊ＝ｘ，ｙ，ｚ）は次式の［式５］で表される。
【数８】
2014175774.tif 000010
【００４０】
すなわち、制御部２０２は、位置データである追尾誤差検出値（ΔＸ，ΔＹ）、及び角度データ（θ１，θ２）を入力し、これらに基づいて［式４］を使用して第１及び第２ジンバル１０１，１０２それぞれの角速度指令（ω１，ω２）を計算し、この角度指令に基づいて［式５］を使用して第１、第２及び第３ホイール１１１，１２１，１３１ごとの角速度指令ωｊｒ（ｊ＝ｘ，ｙ，ｚ）を計算する。
【００４１】
次に、本実施形態での目標物へ光を照射するトラッキングシステムについて図８を参照して説明する。  
図８は、第１ジンバル１０１から第２ジンバル１０２へかけて構成されている導光系を説明する図である。この図８は図２と同じ正面図であり、第１及び第２ジンバル１０１，１０２の断面概略図を示している。第１ジンバル１０１から第２ジンバル１０２へかけて、クーデ光学系８００を形成するミラー８０１，８０２，８０３，８０４、導光路、及び光源８０５が配置されている。導光路は光源からの光を通過することができるようになっている路である。図８の例では、ミラーは、第１ジンバル１０１に３つ（８０１，８０２，８０３）、第２ジンバルに１つ（８０４）配置されていて、導光路は図８の太い点線で示されている。導光路は、例えば空洞、または所望の光を透過する材質でできた路である。図８では、ミラー８０１及び８０２がベース１０３に含まれているように見えるが、図８のこの部分は透視図であり、これらは第１ジンバル１０１に組み込まれる。第１ジンバル１０１は例えば、ベース１０３の内側に円柱状にくり抜いてある空洞にはめ込まれていて、この空洞内で第１ジンバル軸１１０の周りに回転する。
【００４２】
第１及び第２ジンバル１０１，１０２の転動により、ミラー８０１，８０２，８０３，８０４もジンバル姿勢に合わせて回転する。光源８０５がベース１０３の側より光を照射（図８ではＺ軸負方向から照射）することで、クーデ光学系により本実施形態の追尾装置がどのような姿勢でも、目標に光を照射することができる。本実施形態の光学系では第２ジンバル１０２の中心から照射されているが、照射軸をずらすことも可能である。
【００４３】
また、目標は、例えばカメラである目標位置認識部８０６を使用して追尾される。目標位置認識部８０６は図８の例のように、光学系による光を妨げないために、第２ジンバル１０２の中心から通常ずらして設置される。また、照射軸が第２ジンバル１０２の中心からずれていれば、目標位置認識部８０６を第２ジンバル１０２の中心を通る位置に設置してもよい。さらに、導光路を妨げない位置であれば、目標位置認識部８０６をどこに設置してもかまわない。第２ジンバル１０２の中心を含む面上であるが、導光路を妨げない位置にとして、例えば導光路の出口から円周方向にずれた位置がある。このずれた位置に目標位置認識部８０６を設置することもできる。
【００４４】
また、この光学系での光の入射方向を反対に利用すると、第２ジンバル１０２の導光路から入射した映像を、ベース１０３に取り付けた目標位置認識部（例えばカメラ）で捉えることで、第２ジンバル１０２上に目標位置認識部１０６を取り付けない構成も可能になる。
【００４５】
以上の実施形態によれば、球面駆動部によって目標を追尾するため、一つの駆動軸に大きなトルクを必要としないため小型化や軽量化ができる。球形胴体とホイールとの摩擦力で駆動するため、球形胴体の径とホイールの径との関係による減速機と等価な効果を得ることができる。さらに、３つ以上のホイールの組み合わせにより、第１、第２ジンバルの球形胴体を転動させるため、従来のように第１回転軸用の駆動装置のみに高出力なトルク性能を必要とせず、均等な性能を有する３つ以上のホイールで実現することができる。さらに、球面駆動部は被駆動対象であるジンバル内には備わっていないため、従来よりも負荷慣性を削減することができる。
【００４６】
また、カメラ等が搭載された球形胴体のジンバルを球面駆動で転動させることで、全方向に渡り移動する目標に対してカメラ等の目標認識センサを自動的に追尾させることができる。
【００４７】
さらにまた、ジンバル機構内にクーデ光学系を配することで、自動的に追尾した目標に対して光を照射することができる。
【００４８】
またこの実施形態によれば、特定の回転軸に大きな角速度を発生させることなく、目標の画像追尾が可能となるため、画像監視装置等の移動体を追尾する機器に適用することができる。また、全天に渡って指向させつつ、導光が可能となるので、レーザーピーニング装置や３次元加工機、そして映像表示装置等の照射系を指向させる機器に適用することができる。また、任意の可動体で受けた光や電波等を固定部への搬送が可能となるので、集光型太陽発電やアンテナの受信系を指向させる機器に適用することができる。
【００４９】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。例えば、３つのホイールに限定されたものではなく、等間隔に６つのホイールを持たせた構成が可能であることは容易に類推することができる。
【００５０】
また、２軸ジンバルとしての角速度指令に追従する２軸ジンバルとしてのトルク指令を、球面駆動のトルク指令に分配する構成が可能であることは容易に類推することができる。
【００５１】
さらに、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に渡る構成要素を適宜組み合わせてもよい
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５２】
１０１・・・第１ジンバル、１０２・・・第２ジンバル、１０３・・・ベース、１０４・・・駆動保持部、１０５・・・圧縮バネ、１０６・・・目標位置認識部、１１０・・・第１ジンバル軸、１１１・・・第１ホイール、１２１・・・第２ホイール、１３１・・・第３ホイール、１１１，１２１，１３１，２１２，２２２，２３２・・・球面駆動部、１２０・・・第２ジンバル軸、２０１・・・追尾誤差検出部、２０２・・・制御部、２１１・・・第１角度センサ、２２１・・・第２角度センサ、２１２・・・第１ホイール駆動部、２２２・・・第２ホイール駆動部、２３２・・・第３ホイール駆動部、８００・・・クーデ光学系、８０１，８０２，８０３，８０４・・・ミラー、８０５・・・光源。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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