(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
球状胴体と、
前記球状胴体の底部に支持され、垂直方向に向けられる第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する第２ジンバルと、
前記第２ジンバルに支持され、前記第１ジンバル軸と前記第２ジンバル軸との直交点において該第２ジンバル軸と直交する第３ジンバル軸を中心に回転する第３ジンバルと、
前記第３ジンバルに支持され、前記第３ジンバル軸に直交する第４ジンバル軸を中心に回転する可動体と、
前記可動体に接続し、前記球状胴体に接触した状態で３箇所以上に設けられ、前記可動体を所望の方向に移動させる球体駆動部と、
前記第３ジンバルと前記可動体とを直接的または間接的に拘束し、前記球体駆動部を前記球状胴体に押圧した状態に保持する駆動保持部と、
前記可動体に支持され、目標の位置データを出力する目標位置認識部と、
前記底部に対する前記第１ジンバルの第１回転角度を検出する第１角度センサと、
前記第１ジンバルに対する前記第２ジンバルの第２回転角度を検出する第２角度センサと、
前記第２ジンバルに対する前記第３ジンバルの第３回転角度を検出する第３角度センサと、
前記第３ジンバルに対する前記可動体の第４回転角度を検出する第４角度センサと、
前記第３ジンバルを回転中心に戻す回転バネ駆動部と、
前記位置データ、及び前記第１回転角度から前記第４回転角度までを使用して、前記目標を追尾するように前記球体駆動部を制御する制御部と、を具備する追尾装置。
【請求項２】
前記球体駆動部は、回転駆動の方向と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して前記球状胴体上において前記可動体を移動させるホイール駆動部を備える請求項１に記載の追尾装置。
【請求項３】
光源をさらに具備し、
前記第１ジンバルから前記第３ジンバルまでの内部及び前記可動体の内部に導光系を設置し、前記光源からの光を該導光系に導き、目標に光を照射するように該導光系を設定する請求項１または請求項２に記載の追尾装置。
【請求項４】
前記球体駆動部は前記球状胴体の内部にホイールを介して接触し前記第３ジンバルと前記可動体とを拘束し、前記駆動保持部は前記第３のジンバルと前記可動体との間にバネを備え、該バネによって前記球体駆動部を前記球状胴体に押圧する請求項１から請求項３のいずれか1項に記載の追尾装置。
【請求項５】
前記可動体は永久磁石を備え、
前記球体駆動部は前記球状胴体の外部にホイールを介して接触し前記第３ジンバルと前記可動体とを拘束し、前記駆動保持部はコイルを備え、電磁気力によって前記球体駆動部を前記球状胴体に押圧する請求項１から請求項３のいずれか1項に記載の追尾装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記球状胴体に対して所望の方向に前記可動体を移動させる駆動方向ベクトルの座標系と、前記位置データの座標系とが同一の座標系になるように、設定する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の追尾装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記第１回転角度から前記第４回転角度までを使用して前記目標位置認識部と同一の座標系での仮想的な位置データを計算し、該仮想的な位置データと前記目標位置認識部が出力した位置データとを一致させるように前記球体駆動部を制御する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の追尾装置。
【請求項８】
前記球体駆動部は、前記球状胴体に接触して回転する回転体と、前記球状胴体に該回転体を押圧する回転バネとを備える請求項１から請求項６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、従来技術としては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、全方向にわたり連続的に追尾させようとしている。
【０００５】
他に、ジンバル構造を取らない従来技術としては、球体状のケーシングを摩擦転動機構が全方向に回転自由に駆動する機構が提案されている。
【０００６】
また、球体状の可動体に対して摩擦を利用して回転させる機構としては、中空体で表面部が弾性体で構成された球状回転体を転動させることで移動する搬送装置が提案されている。
【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２００５−１１４０３５号公報
【特許文献３】特開２００９−２３４５２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このような従来技術では、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、他の軸と比べて必要となる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を用いていない方式では、ジンバルロックのような課題はないが、移動体画像追尾システムとしては自動化が難しいという課題がある。例えば、目標が画像に入るまで人為的に遠隔操作にて球体を駆動する必要があり、カメラの指向方向の情報も取得する要素を有していないため、画像から得られた情報を用いて自動的に追尾することが難しい。また、球状ケーシング内のカメラ等とは無線で通信しているため、可動時間も限定的となる課題がある。
【００１０】
また、従来の球体を駆動させる機構では移動装置等には利用が可能であるが、移動体画像追尾システムとしては応用が難しいという課題がある。例えば、テーブルを水平にしながら移動するように球体を駆動するため、任意の方向にカメラを指向させることが難しいという課題がある。
【００１１】
発明が解決しようとする課題は、上記に鑑みてなされたものであって、大きな角速度を必要とせず、全天に渡り目標の自動追尾を可能とする、移動体の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、球状胴体と、第１から第３ジンバルと、可動体と、球体駆動部と、駆動保持部と、目標位置認識部と、第１から第４角度センサと、回転バネ駆動部と、制御部と、を備えている。第１ジンバルは、前記球状胴体の底部に支持され、垂直方向に向けられる第１ジンバル軸を中心に回転する。第２ジンバルは、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する。第３ジンバルは、前記第２ジンバルに支持され、前記第１ジンバル軸と前記第２ジンバル軸との直交点において該第２ジンバル軸と直交する第３ジンバル軸を中心に回転する。可動体は、前記第３ジンバルに支持され、前記第３ジンバル軸に直交する第４ジンバル軸を中心に回転する。球体駆動部は、前記可動体に接続し、前記球状胴体に接触した状態で３箇所以上に設けられ、前記可動体を所望の方向に移動させる。駆動保持部は、前記第３ジンバルと前記可動体とを接続し、前記球体駆動部を前記球状胴体に押圧した状態に保持する。目標位置認識部は、前記可動体に支持され、目標の位置データを出力する。第１角度センサは、前記底部に対する前記第１ジンバルの第１回転角度を検出する。第２角度センサは、前記第１ジンバルに対する前記第２ジンバルの第２回転角度を検出する。第３角度センサは、前記第２ジンバルに対する前記第３ジンバルの第３回転角度を検出する。第４角度センサは、前記第３ジンバルに対する前記可動体の第４回転角度を検出する。回転バネ駆動部は、前記第３ジンバルを回転中心に戻す。制御部は、前記位置データ、及び前記第１回転角度から前記第４回転角度までを使用して、前記目標を追尾するように前記球体駆動部を制御する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態の追尾装置のブロック図。
【図２】（ａ）は図１の追尾装置の斜視透視図であり、（ｂ）は正面透視図であり、（ｃ）は側面透視図であり、（ｄ）は上面図である。
【図３】（ａ）は目標位置認識部が水平方向を向いる場合での図１の追尾装置が含む第１から第３ジンバルと可動体それぞれの回転軸を示す図であり、（ｂ）は目標位置認識部が天頂方向を向いる場合での図１の追尾装置が含む第１から第３ジンバルと可動体それぞれの回転軸を示す図である。
【図４】球状胴体１５０に対する可動体１４１の位置を示す概略図。
【図５】（ａ）は正面透視図でありホイールの位置を示し、（ｂ）は上面図であり各ホイールでの駆動方向ベクトルを示し、（ｃ）は上面図であり可動体をｘ方向に転動させたい場合を示し、（ｄ）は上面図であり可動体をｙ方向に転動させたい場合を示す。
【図６】可動体が、上方を指向している状態から、奥行き方向である左斜め方向に移動する場合の斜視透視図を示し、（ａ）は初期状態を示し、（ｂ）は可動体が左斜め方向に移動している状態を示し、（ｃ）は左斜め方向への移動の進行と共に第１及び第２ジンバルが回転する状態を示し、（ｄ）は第３ジンバルを回転中心に戻し第１及び第２ジンバルそれぞれが回転する状態を示す。
【図７】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８】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９】目標物へ光を照射するトラッキングシステムの概略図。
【図１０】（ａ）は第２の実施形態の追尾装置を示す斜視透視図であり、（ｂ）は第２の実施形態の追尾装置を示す正面透視図である。
【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、移動体画像追尾システムを、移動する目標物へ光を照射するトラッキングシステムに適用したものである。
【００１５】
（第１の実施形態）  
本実施形態の追尾装置について図１、図２を参照して説明する。図１は追尾装置のブロック図であり、図２は透視図であり、（ａ）はＺ軸正方向を天頂方向としたベクトル（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（１，−１，１）の方向から見た斜視図であり、（ｂ）はＹ軸負方向から見た正面図であり、（ｃ）はＸ軸負方向から見た側面図であり、（ｄ）はＺ軸正方向から見た上面図である。ただし、図２（ａ）にＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の方向は定義してあり、図２のそれぞれの図面にＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の方向を示してある。  
本実施形態の追尾装置は、第１、第２及び第３ジンバル１１１，１２１，１３１、可動体１４１、ベース１０１、第１、第２、第３及び第４角度センサ１１２，１２２，１３２，１４２、球状胴体１５０、ホイール１５１，１５２，１５３、駆動保持部１５５、目標位置認識部１６１、追尾誤差検出部１６２、制御部１６３、第１、第２及び第３ホイール駆動部１７１，１７２，１７３を含んでいる。なお、ホイールと対応するホイール駆動部とを合わせて球体駆動部と呼ぶ。
【００１６】
本実施形態では、球状胴体１５０の内部に、第１、第２及び第３ジンバル１１１，１２１，１３１、可動体１４１、ベース１０１、第１、第２、第３及び第４角度センサ１１２，１２２，１３２，１４２、ホイール１５１，１５２，１５３、駆動保持部１５５、目標位置認識部１６１、追尾誤差検出部１６２、制御部１６３、第１、第２及び第３ホイール駆動部１７１，１７２，１７３が設置されている。球状胴体１５０は、目標位置認識部１６１で目標を認識することができる材質でできている。球状胴体１５０は例えば、目標位置認識部１６１が取得する予定になっている光に関して透明な材質からなる。
【００１７】
第１ジンバル１１１は、球状胴体１５０の底部のベース１０１に支持され、垂直方向に向けられ回転自由である第１回転軸１１０としての第１ジンバル軸を中心に回転する。第２ジンバル１２１は、第１ジンバル１１１に支持され、この第１回転軸１１０と直交する水平方向に設けられ、回転自由である第２回転軸１２０としての第２ジンバル軸を中心に回転する。第３ジンバル１３１は、第２ジンバル１２１に支持され、第１ジンバル軸と第２ジンバル軸との直交点において、この第２回転軸１２０と直交する水平方向に設けられ、回転自由である第３回転軸１３０としての第３ジンバル軸を中心に回転する。図１の第３回転軸１３０は、図１の紙面に直交する。  
また、第３回転軸１３０に関しては、回転バネ駆動が備えてある。回転バネ駆動部は、その復元力によって第３ジンバル１３１を回転中心に戻す。例えば、図１で第３ジンバル１３１が第３回転軸１３０に関して右回りまたは左回りに少し動いた場合に、この回転バネ駆動部が、第３ジンバル１３１を回転中心に戻そうとして、第２ジンバル１２１及び第１ジンバル１１１を回転させることになる。回転バネ駆動部は、第３ジンバルの軸に接続されていてもよいし、第３ジンバル１３１または駆動保持部１５５に付属していてもよい。
【００１８】
ベース１０１は、第１ジンバル１１１に接続していて、第１ジンバル１１１、第２ジンバル１２１、第３ジンバル１３１、駆動保持部１５５、可動体１４１、及び目標位置認識部１６１を支えて、平面上に追尾装置を設置するための土台となる。
【００１９】
可動体１４１は、駆動保持部１５５を介して第３ジンバル１３１に接続する。可動体１４１は、第３回転軸１３０と直交する方向に設けられ、回転自由に支持される第４回転軸としての可動軸１４０を中心に回転する。可動体１４１には可動体１４１を動かすための球体駆動部が少なくとも３箇所以上に設置されている。球体駆動部は、第３ジンバルと可動体を拘束している。球体駆動部は、球状胴体１５０に対して可動体１４１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１５１，１５２，１５３）と、ホイールを回転駆動するホイール駆動部１７１，１７２，１７３とで構成されている。なお、図１、図２（ａ）から図２（ｄ）では例えば等間隔１２０度で３つのオムニホイール１５１，１５２，１５３を配置した場合を図示している。オムニホイールは、ホイールである球体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。球体駆動部が、可動体１４１を球状胴体１５０に対して所望の方向に転動させることができる。ホイールが球状胴体に押圧されるように、球体駆動部は回転バネを備えていてもよい。
【００２０】
さらに、可動体１４１には目標の位置データを出力する目標位置認識部１６１が設置されている。目標位置認識部１６１は目標認識センサとも呼び、例えばカメラセンサであり、目標を認識して画像データを得る。
【００２１】
また、駆動保持部１５５は、第３ジンバル１３１と可動体１４１とを接続し、第３ジンバル１３１と可動体１４１とのそれぞれを相対的に回転自由にするだけでなく、球体駆動部のうちのホイールを球状胴体１５０に押圧した状態に保持する。この結果、可動体１４１はスムースに球状胴体１５０に沿って動くことが可能になる。駆動保持部１５５には例えば、圧縮バネが取り付けられており、バネの復元力により第３ジンバル１３１に対して可動体１４１を図１の例では上に押し上げることで、オムニホイールを球状胴体１５０の内側に押圧した状態に保持する。従って、オムニホイールが駆動保持部１５５のバネにより最適な力で球状胴体１５０に押し付けられることで、球体駆動部は、球状胴体１５０とオムニホイール１５１，１５２，１５３との間の摩擦力を利用して、第１、第２及び第３ホイール駆動部１７１，１７２，１７３からの駆動力を伝達することができる。また、駆動保持部１５５はベアリングやエンコーダであり、これらを介して第３ジンバル１３１と可動体１４１とを連結する。
【００２２】
第１から第４回転軸１１０，１２０，１３０，１４０には、それぞれの回転軸に対応して第１から第４角度センサ１１２，１２２，１３２，１４２が備わっている。第１角度センサ１１２は、ジンバル固定部であるベース１０１に対する第１ジンバル１１１の回転角度を検出する。第２角度センサ１２２は、第１ジンバル１１１に対する第２ジンバル１２１の回転角度を検出する。第３角度センサ１３２は、第２ジンバル１２１に対する第３ジンバル１３１の回転角度を検出する。第４角度センサ１４２は、第３ジンバルに対する可動体１４１の回転角度を検出する。第４角度センサ１４２は例えばエンコーダである。
【００２３】
追尾誤差検出部１６２は、目標位置認識部１６１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１６２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７を参照して説明する。
【００２４】
制御部１６３は、第１、第２、第３及び第４角度センサ１１２，１２２，１３２，１４２から４つの角度を入力して、目標位置認識部１６１の向きを認識し、追尾誤差検出部１６２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１７１，１７２，１７３に指示を出し、ホイール１５１，１５２，１５３を駆動する。換言すれば、制御部１６３は、４つの角度を使用して目標位置認識部１６１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１６１が出力した位置データとを一致させるように球体駆動部を制御する。
【００２５】
次に、球状胴体１５０に対する、第１、第２及び第３ジンバル１１１，１２１，１３１と可動体１４１それぞれの第１から第４回転軸１１０，１２０，１３０，１４０の概要について図３を参照して説明する。図３（ａ）は目標位置認識部１６１が水平方向を向いている場合を示し、図３（ｂ）は目標位置認識部１６１が天頂方向を向いている場合を示している。なお、図２は可動体１４１が上方を指向している、すなわち目標位置認識部１６１が天頂方向を向いている場合である。
【００２６】
球状胴体１５０の座標系Σ０を基準として、球状胴体１５０と第１ジンバル１１１との第１回転軸１１０、第１ジンバル１１１と第２ジンバル１２１との第２回転軸１２０、第２ジンバル１２１と第３ジンバル１３１との第３回転軸１３０、第３ジンバル１３１と可動体１４１との第４回転軸１４０が備わっている。これら各回転軸には、角度センサが備わっている。第１角度センサ１１２は、第１ジンバル１１１の球状胴体１５０に対する回転角度θ１を検出する。第２角度センサ１２２は、第２ジンバル１２１の第１ジンバル１１１に対する回転角度θ２を検出する。第３角度センサ１３２は、第３ジンバル１３１の第２ジンバル１２１に対する回転角度θ３を検出する。第４角度センサ１４２は、可動体１４１の第３ジンバル１３１に対する回転角度θ４を検出する。また、第３回転軸１３０には回転バネ駆動部が備わっており、第３ジンバル１３１が外力により回転自由であるが、回転中心に戻す復元力を備えている。
【００２７】
次に、球状胴体１５０に対する可動体１４１の位置について図４を参照して説明する。  
各回転軸は、同一交点を有しているため、可動体１４１上に備わった目標位置認識部１６１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、可動体１４１は球状胴体１５０を基準とした球面座標系上に位置する。
【００２８】
次に、球状胴体１５０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５を参照して説明する。  
図５の（ａ）は正面図であり、図２の（ｂ）に対応している、図５の（ｂ）は上面図であり、図２の（ｄ）に対応している。なお、図５（ｂ）では、可動体１４１が上方を指向し、かつ球状胴体１５０の座標系Σ０とカメラの座標系Σｃとが同じである姿勢の状態を図示している。例えば、球状胴体１５０の半径Ｒ、天頂方向であるｚ０軸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。球状胴体１５０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】
0005665677.tif 000002
【００２９】
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】
0005665677.tif 000003
【００３０】
これらの関係を用いると、可動体１４１のカメラ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】
0005665677.tif 000004
【００３１】
【数４】
0005665677.tif 000005
【００３２】
この式から、可動体１４１上のカメラ座標系における可動体１４１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。
【００３３】
例えば、可動体１４１をｘ方向に転動させたいときは、可動体１４１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】
0005665677.tif 000006
【００３４】
図５（ｃ）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。
【００３５】
また、ｙ方向に転動させたいときは、可動体１４１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】
0005665677.tif 000007
【００３６】
図４（ｄ）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。
【００３７】
次に、可動体１４１が球体駆動部により球状胴体１５０上を駆動する動作が行われたときのジンバルの姿勢の変化について図６を参照して説明する。  
可動体１４１が上方を指向している状態から、図６の奥行き方向である左斜め方向（（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（−１，１，０）の方向）に可動体１４１が移動する場合を図示している。図２（ｂ）と同様に正面方向をＹ軸負方向としている。図６（ａ）は最初の状態を示しており、可動体１４１が上方を指向している場合には、第３ジンバル１３１も上方を指向している。次に図６（ｂ）のように、球体駆動部の動作によって可動体１４１が左斜め方向に移動を開始すると、可動体１４１の動きに従い連結されている第１から第３ジンバルも受動的に駆動される。このとき、可動体１４１に最も近い第３ジンバル１３１が最初に回転する。図６（ｃ）のように、可動体１４１が左斜め方向に移動が進行すると、他の第１及び第２ジンバルもそれぞれの軸に関して回転する。このとき、第３回転軸１３０に関しては回転バネが駆動して、第３回転軸１３０を回転中心に戻す復元力が働く。従って、この力が第１及び第２ジンバル１１１，１２１をそれぞれ回転させる力に分配される。図６（ｄ）のようにさらに、移動が進行すると、第３回転軸１３０に関して第３ジンバル１３１を回転中心に戻し、第１及び第２ジンバル１１１，１２１のみに回転角度が生じる状態になる（従動動作による回転）。このように本実施形態の追尾装置は、第３回転軸１３０に関して回転バネが駆動することにより受動的な冗長性を有しており、天頂付近をジンバルが指向している場合に対しても、可動体１４１の移動に対して従動的に第１から第３ジンバルを回転させることができる。
【００３８】
次に、カメラ画像の視野と目標との関係について図７を参照して説明する。  
可動体１４１上に備わった目標位置認識部１６１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。
【００３９】
次に、本実施形態の追尾制御系について図８を参照して説明する。図８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。  
球体駆動部により可動体１４１が球状胴体１５０上に駆動されると、可動体１４１上の目標位置認識部１６１が転動し、目標位置認識部１６１が目標を含んだ画像データを取得し、追尾誤差検出部１６２が目標の位置データである追尾誤差検出値（ΔＸ，ΔＹ）を得る。また、可動体１４１の転動に対して従動的に第１から第３ジンバル１１１，１２１，１３１も駆動される。ジンバル１１１，１２１，１３１及び可動体１４１には第１から第４角度センサ１１２，１２２，１３２，１４２が備わっており、可動体１４１の姿勢による角度データ（θ１，θ２，θ３，θ４）が得られる。
【００４０】
制御部１６３では、この追尾誤差検出値と、角度データとに基づき、球体駆動部を駆動させるための角速度指令を生成する。
【００４１】
目標位置認識部１６１で目標を追尾するように可動体１４１を制御するためには、カメラの座標系と駆動方向ベクトルの座標系とが同一であり、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のみで追尾することが可能となる。追尾誤差検出値（ΔＸ，ΔＹ）を入力、追比例ゲインである追尾ゲインＫｃを定数とすると、可動体１４１の角速度指令ωｊｒ（ｊ＝ｘ，ｙ，ｚ）は次式で表される。
【数７】
0005665677.tif 000008
【００４２】
また、目標位置認識部１６１で目標を捉えていない状態で、任意の方向に可動体１４１を指向させる必要がある。指定し易い球面座標系での角度（θｒ１，θｒ２）から、目標の位置ベクトルを（ｅＴ＿ｘ，ｅＴ＿ｙ，ｅＴ＿ｚ）とすると、関係式が次式で表される。
【数８】
0005665677.tif 000009
【００４３】
本実施形態の追尾装置はジンバルに対応して角度センサを備えているため、可動体１４１の指向方向を検出することが可能である。第１から第３ジンバル１１１，１２１，１３１、ならびに可動体１４１の角度データを（θ１，θ２，θ３，θ４）とする。また、球状胴体１５０の座標系Σ０から見た目標の位置ベクトルは、座標系Σ０の原点からカメラ座標系Σｃの原点への視軸ベクトルと、仮想的にジンバル上に備わったカメラ座標系Σｃから見た目標位置の仮想追尾誤差ベクトル（ｄｌｔＸ，ｄｌｔＹ）との和となる。ここで、各回転軸の次に示すそれぞれの座標変換行列が［式６］で表される。
【数９】
0005665677.tif 000010
【００４４】
【数１０】
0005665677.tif 000011
【００４５】
球状胴体１５０の座標系Σ０から、カメラ座標系Σｃへの変換行列は、次式で表される。
【数１１】
0005665677.tif 000012
【００４６】
以上の関係から、目標の位置ベクトルと機構姿勢との内積と、目標の位置ベクトルとの関係が、次式で表される。ここで、ｄｏｔ＿ｅＴ＿ｅＸは目標の位置ベクトルｅＴとジンバル上カメラの水平方向の単位ベクトルｅＸとの内積を示し、ｄｏｔ＿ｅＴ＿ｅＹは目標の位置ベクトルｅＴとジンバル上カメラの垂直方向の単位ベクトルｅＹとの内積を示し、ｄｏｔ＿ｅＴ＿ｅＥは目標の位置ベクトルｅＴとジンバル上カメラの視軸ベクトルの単位ベクトルｅＥとの内積を示すとする。また、｜ｅＴ｜＝｜ｅＥ｜＝１である。
【数１２】
0005665677.tif 000013
【００４７】
従って、仮想的なジンバル上に備わったカメラから見た目標位置の仮想追尾誤差（ｄｌｔＸ，ｄｌｔＹ）が、次式で表される。
【数１３】
0005665677.tif 000014
【００４８】
この追尾誤差（ｄｌｔＸ，ｄｌｔＹ）を[式４]の（ΔＸ，ΔＹ）に入力して、[式４]の角速度生成則を適用することにより、目標の位置へ指向することが可能となる。
【００４９】
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９を参照して説明する。  
図９は、第１から第３ジンバル１１１，１２１，１３１内、可動部１４１内に構成された導光系９０２を説明する図である。この図９は図２（ｂ）と同じ正面図であり、球状胴体１５０、第１から第３ジンバル１１１，１２１，１３１、ならびに可動体１４１の断面概略図を示している。第１から第３ジンバル１１１，１２１，１３１にはクーデ光学系を形成するミラー９０１や導光路、光源９０３が配置されており、可動体１４１には導光路が配置されている。導光路は光源９０３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９の例では、ミラー９０１は、第１ジンバル１１１に３つ、第３ジンバル１３１に１つ配置されていて、導光路は図９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。
【００５０】
可動体１４１の転動により従動的にジンバルが回転する際に、ミラー９０１もジンバル姿勢に合わせて回転する。ベース１１０側より光を照射することで、クーデ光学系により可動体１４１の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可動体１４１の中心から照射されているが、可動体１４１内に導光路を形成して、照射軸をずらすことも可能である。また、光学系を反対に利用すると、可動体１４１から入射された映像を、ベース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、可動体１４１上に目標位置認識部を取り付けない構成も可能である。
【００５１】
以上の第１の実施形態によれば、球体駆動部によって目標を追尾するため、ジンバルロックの課題を回避することが可能となり、一つの駆動軸に大きな角速度を必要としないため小型化や軽量化ができる。また、カメラ等が搭載された可動体を球体駆動で転動させることで従動的に駆動されるジンバル機構により、指向方向を検知することが可能であり、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。
【００５２】
さらに、可動体上にカメラ等の目標認識センサを備えているため、画像から得られる目標の位置と可動体の駆動方向ベクトルとが同一の座標系となり、画像追尾の制御則を簡素化することができる。
【００５３】
またさらに、従動的に駆動されるジンバル機構と４つの角度センサにより指向方向と可動体の姿勢を検知することが可能であり、任意の方向の目標位置ベクトルに対する可動体上のカメラで見た仮想的な追尾誤差を計算することにより、任意の方向に指向させることができる。
【００５４】
さらにまた、ジンバル機構とこれに連結した可動体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。
【００５５】
（第２の実施形態）  
本実施形態の追尾装置について図１０（ａ）及び（ｂ）を参照して説明する。図１０（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態の追尾装置の概要を説明する図である。図１０（ａ）はＺ軸正方向を天頂方向としたベクトル（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（１，−１，１）の方向から見た斜視図、図１０（ｂ）はＹ軸負方向から見た正面図である。第２の実施形態の追尾装置は、可動体１４１がホイールを介して球状胴体の外側表面に接触している状態で可動体１４１が自在に球状胴体上を移動することが、第１の実施形態の追尾装置とは異なる。
【００５６】
本実施形態の追尾装置は、球状胴体１００１、カバー１００２、駆動保持部１００３、第１、第２及び第３ジンバル１１１，１２１，１３１、可動体１４１、ベース１０１、第１、第２、第３及び第４角度センサ１１２，１２２，１３２，１４２、ホイール１５１，１５２，１５３、目標位置認識部１６１、追尾誤差検出部１６２、制御部１６３、第１、第２及び第３ホイール駆動部１７１，１７２，１７３を含んでいる。図１０（ａ）または（ｂ）に全ての装置部分は記載されていないが、図１と同様の装置部分を含む。以下、第１の実施形態の追尾装置とは異なる部分について説明する。
【００５７】
可動体１４１は、球状胴体１００１の外側に配置され、ホイール１５１，１５２，１５３を介して球状胴体１００１の外面に接する。可動体１４１は球状胴体１００１の外面上を自在に移動する。可動体１４１には第１の実施形態と同様に球体駆動部と目標位置認識部１６１が取り付けられている。第１、第２及び第３ジンバル１１１，１２１，１３１は、球状胴体１００１の内側に配置されていて第１の実施形態での動作と同様である。可動体１４１は駆動保持部１００３を介して第３ジンバルと接続している。第３回転軸１３０に関しては、回転バネ駆動が備えてあることも第１の実施形態と同様である。回転バネ駆動部は、その復元力によって第３ジンバル１３１を回転中心に戻す。駆動保持部１００３は、第３のジンバル１３１に取り付けられて球体駆動部を球状胴体１５０に押圧した状態に保持する。駆動保持部１００３は可動体１４１と第３ジンバル１３１とを接続し、第３ジンバル１３１と可動体１４１とのそれぞれを相対的に回転自由にする。
【００５８】
可動体１４１は、駆動保持部１５５を介して第３ジンバル１３１に接続する。可動体１４１は、第３回転軸１３０と直交する垂直方向に設けられ、回転自由に支持される第４回転軸としての可動軸１４０を中心に回転する。可動体１４１は例えば永久磁石部を有し、駆動保持部１００３は例えばコイルを含むように設定する。この場合にコイルに電流を流すことにより電磁石として作用して可動体１４１を第３ジンバル１３１に接続することができ、さらに可動軸１４０を中心として駆動保持部１５５は回転自由に可動体１４１を支持することが可能になる。また、電磁石の吸引力により第３ジンバル１３１に対して可動体１４１を球状胴体１００１に引きつけることで、オムニホイールを球状胴体１００１に押圧した状態に保持する。
【００５９】
従って、球体駆動部は、オムニホイールが駆動保持部１５５の電磁石により最適な力で球状胴体１００１に押し付けられることで、球状胴体１００１とオムニホイールとの間の摩擦力を利用して、ホイール駆動部からの駆動力を伝達することができる。
【００６０】
本実施形態では可動体１４１が球状胴体１００１の外部に存在するので、可動体１４１が可動軸１４０を中心として回転した場合の回転角度は、第１の実施形態の場合とは異なる手法で測定されてもよい。例えば、第４角度センサ１４２は、例えば光エンコーダであり、光によって球状胴体１００１を透過させることにより、可動体１４１の第３のジンバルに対する回転角度を光学的に検出してもよい。
【００６１】
また、カバー１００２は、可動体１４１、目標位置認識部１６１、球体駆動部、球状胴体１００１、及びベース１０１を含むような大きさと形を持ち、目標位置認識部１６１で目標を認識することができる材質でできている。カバー１００２は例えば、目標位置認識部１６１が取得する予定になっている光に関して透明な材質からなる。
【００６２】
以上の第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。ジンバルが球状胴体内部にあり可動体及び球体駆動部が球状胴体外部にあるので、ジンバルと、可動体及び球体駆動部とを別々にメンテナンスしやすい。ジンバルと可動体及び球体駆動部とは球状胴体内部と外部とで分離されているので、球体駆動部にある動力部（例えばモータ）等の配線がジンバルに絡まることがない。逆に、第１の実施形態は、球状胴体内部にジンバル、可動体及び球体駆動部が入っているので、配線等が球状胴体外部に出ることはない。
【００６３】
また、この発明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１４１で受けた光や電波等をベース等の固定部へ搬送することが可能となるので、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。
【００６４】
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軸ジンバル構造に限定されたものではなく、２軸ジンバル構造に弾性体で可動体１４１を連結するような冗長性を持たせた構成が可能あることは容易に類推することができる。また、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、異なる実施形態にわた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】
【００６５】
１０１・・・ベース、１１０，１２０，１３０，１４０・・・回転軸、１１１，１２１，１３１・・・ジンバル、１４１・・・可動体、１１２，１２２，１３２，１４２・・・角度センサ、１５０，１００１・・・球状胴体、１５１，１５２，１５３・・・ホイール、１５５，１００３・・・駆動保持部、１６１・・・目標位置認識部、１６２・・・追尾誤差検出部、１６３・・・制御部、１７１，１７２，１７３・・・ホイール駆動部、９０１・・・ミラー、９０２・・・導光系、１００２・・・カバー。
【図１】
0005665677.tif 000015
【図２】
0005665677.tif 000016
【図３】
0005665677.tif 000017
【図４】
0005665677.tif 000018
【図５】
0005665677.tif 000019
【図６】
0005665677.tif 000020
【図７】
0005665677.tif 000021
【図８】
0005665677.tif 000022
【図９】
0005665677.tif 000023
【図１０】
0005665677.tif 000024