(57)【要約】【課題】複数の制御対象のモデル化を低い次数かつ少ない計算量で容易に行うことができ、非線形な制御対象にも適用可能であり、簡易に構成可能な状態フィードバック制御装置を提供する。【解決手段】制御対象１２００〜１２０ｍの位置を検出する複数の位置検出手段と、速度データおよび速度指令値に基づいて、フィードバック制御を行い、前記制御対象１２００〜１２０ｍの速度をそれぞれ制御する速度制御器１１０１〜１１０ｍと、位置データおよび位置指令値を用いて、フィードバック制御を行い、得られる速度指令値を前記速度制御器１１０１〜１１０ｍにそれぞれ出力する位置制御器１０００とを備え、前記制御対象１２００〜１２０ｍと、前記速度制御器１１０１〜１１０ｍとを含めてそれぞれ１次遅れ系でモデル化し、前記位置制御器１０００は、前記１次遅れ系のモデルを使用して状態フィードバック制御を行う。【選択図】図１
2005078327.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の制御対象の位置を検出する複数の位置検出手段と、
前記複数の制御対象にそれぞれ対応して設けられ、入力される速度データおよび速度指令値データに基づいて、フィードバック制御を行い、前記制御対象の速度を制御する複数の速度制御器と、
前記位置検出手段の検出結果に基づいて得られる位置データおよび予め設定された位置指令値データを用いてフィードバック制御を行い、得られる速度指令値データを前記複数の速度制御器にそれぞれ出力する位置制御器とを備え、
前記複数の制御対象と、前記複数の速度制御器とを含めてそれぞれ１次遅れ系でモデル化し、
前記位置制御器は、前記１次遅れ系のモデルを使用して状態フィードバック制御を行うよう構成されていることを特徴とする状態フィードバック制御装置。
【請求項２】
前記入力される速度データは、前記位置検出手段により検出された位置データから求める請求項１に記載の状態フィードバック制御装置。
【請求項３】
複数の制御対象の位置を検出する複数の位置検出手段と、
前記複数の制御対象の速度を求めることが可能な物理量を検出する複数の検出手段と、
前記複数の制御対象にそれぞれ対応して設けられ、前記検出手段の検出結果に基づいて得られる速度データおよび入力される速度指令値データに基づいて、フィードバック制御を行い、前記制御対象の速度を制御する複数の速度制御器と、
前記位置検出手段の検出結果に基づいて得られる位置データおよび予め設定された位置指令値データを用いてフィードバック制御を行い、得られる速度指令値データを前記複数の速度制御器にそれぞれ出力する位置制御器とを備え、
前記複数の制御対象と、前記複数の速度制御器とを含めてそれぞれ１次遅れ系でモデル化し、
前記位置制御器は、前記１次遅れ系のモデルを使用して状態フィードバック制御を行うよう構成されていることを特徴とする状態フィードバック制御装置。
【請求項４】
前記複数の検出手段は、前記制御対象の速度を検出する請求項３に記載の状態フィードバック制御装置。
【請求項５】
前記制御対象および前記速度制御器を含む速度フィードバック制御器の特性は、下記式（１）で表され、
下記式（２）に示す状態方程式により、
下記式（３）のように近似的にモデル化される請求項１ないし４のいずれかに記載の状態フィードバック制御装置。
【数１】
2005078327.tif 000014
【数２】
2005078327.tif 000015
【数３】
2005078327.tif 000016
【請求項６】
前記速度制御器は、ＰＩＤ制御器またはファジー制御器である請求項１ないし５のいずれかに記載の状態フィードバック制御装置。
【請求項７】
前記制御対象は、アクチュエータである請求項１ないし６のいずれかに記載の状態フィードバック制御装置。
【請求項８】
複数の回転翼や姿勢変更手段と、該回転翼や該姿勢変更手段を回転させる複数のアクチュエータとを備えた浮揚体の制御に用いるものである請求項１ないし７のいずれかに記載の状態フィードバック制御装置。
【請求項９】
前記浮揚体のヨー角度、ヨー角速度、ロール角度、ロール角速度、ピッチ角度、ピッチ角速度、および高さのうちの少なくとも１つを制御する請求項８に記載の状態フィードバック制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、状態フィードバック制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、多入力多出力型に適応可能な状態フィードバック制御装置は、その制御対象を物理パラメータで同定したのち、線形化して状態空間モデルとして表現したものを利用して構成していた。
例えば、状態フィードバック制御を高次系システムに適用した、多入力多出力型の状態フィードバック制御装置に関する技術が開示されている。（特許文献１および特許文献２参照）
【０００３】
このように、多入力多出力型の複雑な制御対象を制御するために状態フィードバック制御器を構成する場合には、その制御対象を物理パラメータで同定した後、線形化して状態空間モデルとして表現して利用している。すなわち、状態フィードバック制御器を構成するには、その制御対象をモデル化（数式化）することが不可欠である。
しかしながら、従来の多入力多出力型に適応可能な状態フィードバック制御装置においては、制御対象が複雑になるとモデル化することが非常に難しくなる。従って、多入力多出力型に適応可能な状態フィードバック制御装置を実際に構成できないことが多い。
【０００４】
また、実際のモデルは次数が高い（３次以上）ので、それを利用して構成される状態フィードバック制御も複雑になって計算量が増加する。これにより、多入力多出力型に適応可能な状態フィードバック制御装置を実際に実現することは困難となる。
また、従来の状態フィードバック制御は微妙な調整が困難であり、モデルの感度が高いので、モデルが時系列で変化するような制御対象に対しては適応が困難である。
また、基本的には、非線形な制御対象や制御対象の非線形領域には適応不可能である。
【０００５】
【特許文献１】特開平５−５３６０２号公報
【０００６】
【特許文献２】特開平５−５３６０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、複数の制御対象のモデル化を低い次数（２次以下）かつ少ない計算量で容易に行うことができ、非線形な制御対象にも適用可能であり、簡易に構成することができる状態フィードバック制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の状態フィードバック制御装置は、複数の制御対象の位置を検出する複数の位置検出手段と、
前記複数の制御対象にそれぞれ対応して設けられ、入力される速度データおよび速度指令値データに基づいて、フィードバック制御を行い、前記制御対象の速度を制御する複数の速度制御器と、
前記位置検出手段の検出結果に基づいて得られる位置データおよび予め設定された位置指令値データを用いてフィードバック制御を行い、得られる速度指令値データを前記複数の速度制御器にそれぞれ出力する位置制御器とを備え、
前記複数の制御対象と、前記複数の速度制御器とを含めてそれぞれ１次遅れ系でモデル化し、
前記位置制御器は、前記１次遅れ系のモデルを使用して状態フィードバック制御を行うよう構成されていることを特徴とする。
これにより、複雑な制御対象をモデル化することができる。また、非線形な制御対象や制御対象の非線形領域にも適応可能となる。
本発明の状態フィードバック制御装置では、前記入力される速度データは、前記位置検出手段により検出された位置データから求めることが好ましい。
これにより、センサの数を減らすことができ、コストを低減することができる。
【０００９】
本発明の状態フィードバック制御装置は、複数の制御対象の位置を検出する複数の位置検出手段と、
前記複数の制御対象の速度を求めることが可能な物理量を検出する複数の検出手段と、
前記複数の制御対象にそれぞれ対応して設けられ、前記検出手段の検出結果に基づいて得られる速度データおよび入力される速度指令値データに基づいて、フィードバック制御を行い、前記制御対象の速度を制御する複数の速度制御器と、
前記位置検出手段の検出結果に基づいて得られる位置データおよび予め設定された位置指令値データを用いてフィードバック制御を行い、得られる速度指令値データを前記複数の速度制御器にそれぞれ出力する位置制御器とを備え、
前記複数の制御対象と、前記複数の速度制御器とを含めてそれぞれ１次遅れ系でモデル化し、
前記位置制御器は、前記１次遅れ系のモデルを使用して状態フィードバック制御を行うよう構成されていることを特徴とする。
これにより、複雑な制御対象をモデル化することができる。また、非線形な制御対象や制御対象の非線形領域にも適応可能となる。
【００１０】
本発明の状態フィードバック制御装置では、前記複数の検出手段は、前記制御対象の速度を検出することが好ましい。
これにより、制御対象を好適に制御することができる。
本発明の状態フィードバック制御装置では、前記制御対象および前記速度制御器を含む速度フィードバック制御器の特性は、下記式（１）で表され、
下記式（２）に示す状態方程式により、
下記式（３）のように近似的にモデル化されることが好ましい。
【数１】
2005078327.tif 000003
【数２】
2005078327.tif 000004
【数３】
2005078327.tif 000005
これにより、状態フィードバック制御の微妙な調整ができ、モデルの感度が高くても状態フィードバック制御の適応が可能となる。
【００１１】
本発明の状態フィードバック制御装置では、前記速度制御器は、ＰＩＤ制御器またはファジー制御器であることが好ましい。
これにより、速度フィードバック制御器を簡易な構成とすることができ、複雑な制御対象をモデル化する場合には、速度フィードバック制御器の次数を低く抑え、かつ、計算量を少なくすることができる。
【００１２】
本発明の状態フィードバック制御装置では、前記制御対象は、アクチュエータであることが好ましい。
かかる構成により、複雑なメカ体等に好適に適用できる。
本発明の状態フィードバック制御装置では、複数の回転翼や姿勢変更手段と、該回転翼や該姿勢変更手段を回転させる複数のアクチュエータとを備えた浮揚体の制御に用いるものであることが好ましい。
かかる構成により、浮揚体の姿勢制御に適用できる。
本発明の状態フィードバック制御装置では、前記浮揚体のヨー角度、ヨー角速度、ロール角度、ロール角速度、ピッチ角度、ピッチ角速度、および高さのうちの少なくとも１つを制御することが好ましい。
かかる構成により、浮揚体の姿勢制御にさらに好適に適用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図１〜図９を参照して本発明の状態フィードバック制御装置を説明する。なお、この実施形態は例示として挙げるものであり、これにより本発明の内容を限定的に解釈すべきではない。
図１は、本発明の状態フィードバック制御装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【００１４】
本発明の状態フィードバック制御装置は、制御対象群１２００と、速度制御器群１１００と、位置制御器１０００とを備える。
制御対象群１２００は、複数の制御対象１２０１〜１２０ｍ（ｍ＝１、２、３、・・・、ｎ）を有している。これらの複数の制御対象１２０１〜１２０ｍは、速度制御器１１０１〜１１０ｍのうちの対応する速度制御器からの制御により、その速度が制御される。
速度制御器群１１００は、複数の速度制御器１１０１〜１１０ｍを有しており、複数の速度制御器１１０１〜１１０ｍは複数の制御対象１２０１〜１２０ｍにそれぞれ対応して設けられている。各速度制御器１１０１〜１１０ｍは、制御対象１２０１〜１２０ｍを実際に測定した速度データを、位置制御器１０００から出力される速度指令値データから減算した値に基づいて、制御対象１２０１〜１２０ｍの速度を制御する。
ここで、速度指令値データとは、各制御対象１２０１〜１２０ｍを所定の速度で動作させるためのデータ（指示データ）である。
【００１５】
なお、速度制御器１１０１〜１１０ｍには、ＰＩＤ制御器またはファジー制御器等のより簡易な構成を用いることが好ましい。これにより、制御対象１２０１〜１２０ｍおよび速度制御器１１０１〜１１０ｍから構成される速度フィードバック制御器を簡易な構成とすることができる。これにより、複雑な制御対象をモデル化する場合には、速度フィードバック制御器の次数を低く抑え、かつ、計算量を少なくすることができる。
【００１６】
位置制御器１０００には、複数の制御対象１２０１〜１２０ｍそれぞれに対応する位置データを入力する。この位置データおよび予め設定された位置指令値データＲを用いて状態フィードバック制御を行い、得られる速度指令値データを速度制御器１１０１〜１１０ｍに出力する。これにより、制御対象１２０１〜１２０ｍの位置制御がなされる。
ここで、位置指令値データＲ１〜Ｒｎは、複数の制御対象１２０１〜１２０ｍを、たとえば、絶対方位に対して所定の位置に移動させるためのデータ（指示データ）である。また、位置データは、図示しない位置検出手段により検出されて位置制御器１０００に入力される。
【００１７】
図１に示す位置制御器１０００においては、Ｋはフィードバックゲインを、Ｈはオブザーバー（観測器）ゲインを、ｕは入力を、Ｓは自乗数を、ｘは状態変数を、ｘ（ｎ）は状態変数ｘをｎ回微分したものを、Ａ、Ｂ、Ｃは状態変数ｘの各要素の行列ベクトルを示す。
なお、本実施形態においては、状態変数ｘの代わりに、オブザーバー（観測器）による推定値ｘ’を用いて状態フィードバック制御を行っている。
【００１８】
次に、状態フィードバック制御器である、位置制御器の構成方法について説明する。
まず、複数の制御対象１２０１〜１２０ｍに対して、速度制御器１１０１〜１１０ｍをそれぞれ構成する。
なお、この速度制御器１１０１〜１１０ｍは、フィードバック制御器で構成されている。
この速度フィードバック制御器の構成については特に限定されないが、ＰＩＤ制御や、ファジー制御により構成されるのが好ましい。これにより、フィードバック制御器を簡易な構成とすることができる。
さらに、制御対象１２０１〜１２０ｍを含んで成る複数の速度フィードバック制御器の全てをそれぞれ１次遅れ系にてモデル化する。
【００１９】
このとき、前記速度フィードバック制御器を含めた状態フィードバック制御器の特性は、式（１）で表すことができる。
【数４】
2005078327.tif 000006
これにより、位置制御器を式（３）のように、低次かつ、簡易的なモデルで構成することができる。
【数５】
2005078327.tif 000007
【００２０】
次に式（３）を式（２）に示す状態方程式により、記述する。
【数６】
2005078327.tif 000008
式（２）は、一般的な状態フィードバック制御における状態方程式であるため、数式についての詳細な説明は省略する。
【００２１】
一般的に、状態変数ｘは、入力をｕ、フィードバック係数行列をＫ（ゲインを表す）とするときに、式（４）で表される。
【数７】
2005078327.tif 000009
式（４）を式（５）に代入することにより、式（６）が得られる。
【数８】
2005078327.tif 000010
【数９】
2005078327.tif 000011
式（６）のＫを調整することにより、位置制御器の安定性（収束性）や応答性を求めることができる。
さらに、この状態フィードバック制御器に観測器（オブザーバー）を用いて本実施形態の位置制御器全体のシステムを構成する。
また、フィードバック係数行列Ｋを乗算した値は、新たな速度指令値データとして、１１０１〜１１０ｍのうちの対応する速度制御器に出力される。
【００２２】
上述したように、本発明の状態フィードバック制御装置は、制御対象および速度制御器により構成する複数の速度フィードバック制御器の全てを、それぞれ１次遅れ系にてモデル化し、これらを使用して状態フィードバック制御を行う構成とするので、ロボット等の複雑なメカ体や複数の制御対象が干渉し合うような複雑な制御対象を簡易にモデル化することができる。また、状態フィードバック制御の微妙な調整ができるので、モデルの感度が高くてモデルが時系列で変化するような制御対象に対しても適応が可能となる。また、非線形な制御対象や制御対象の非線形領域にも適応可能となる。
【００２３】
なお、本発明の状態フィードバック制御装置における状態フィードバック制御には、その他の先進制御等も含まれるものである。
また、速度制御器の代わりに角速度制御器を用い、位置制御器の代わりに角度制御器を用いる構成としても良い。
また、本実施形態では、速度データは、実際に測定したものを用いたが、これに限らず、例えば、位置データなど他の物理量から演算して求めた速度データを用いてもよい。
【００２４】
本発明の状態フィードバック制御装置の制御対象としては特に限定されないが、例えばアクチュエータを用いることができる。具体的には、たとえば、本発明の状態フィードバック制御装置の制御対象として浮揚体の複数の回転翼や、姿勢変更手段を回転駆動させる複数のアクチュエータを用いることにより、浮揚体が複数のロータを回転駆動して空中に浮揚している間、浮揚体の空中での姿勢を容易に制御することが可能になる。
【００２５】
ここで、図１に示す本発明の状態フィードバック制御装置を浮揚体の姿勢制御に適用した場合の模式的なブロック構成を図２に示す。図２に示す構成は、図１に示す構成とほぼ同様であるので、相違点のみを説明する。
制御対象群１２００は、浮揚体のヨー（θｚ）１２０１、ロール（θｙ）１２０２、ピッチ（θｘ）１２０３、および高さ（ｚ）１２０４を制御対象として有している。すなわち、浮揚体は、ヨー（θｚ）、ロール（θｙ）、ピッチ（θｘ）、および高さ（ｚ）をそれぞれ制御するための複数のアクチュエータを備えている。
【００２６】
速度制御器群１１００は、ヨー（θｚ）１２０１、ロール（θｙ）１２０２、ピッチ（θｘ）１２０３、および高さ（ｚ）１２０４を制御するための速度制御器１１０１、１１０２、１１０３、１１０４を有している。
また、位置制御器１０００には、位置指令値データとして、ヨー（θｚ）１２０１、ロール（θｙ）１２０２、ピッチ（θｘ）１２０３、および高さ（ｚ）１２０４のそれぞれの位置を制御するための位置指令値データθｚ、θｙ、θｘ、ｚが入力される。位置制御器１０００は、ヨー（θｚ）１２０１、ロール（θｙ）１２０２、ピッチ（θｘ）１２０３、および高さ（ｚ）１２０４の位置指令値データおよび測定した位置データを用いて、本発明の状態フィードバック制御を行う。これにより、後述するように、浮揚体のヨー（θｚ）１２０１、ロール（θｙ）１２０２、ピッチ（θｘ）１２０３については角度および角速度が好適に制御され、高さ（ｚ）１２０４については位置および速度が好適に制御される。
なお、図２では、浮揚体の姿勢制御のためにヨー（θｚ）、ロール（θｙ）、ピッチ（θｘ）、および高さ（ｚ）を用いているが、制御対象は、これらに限定されるものではない。
【００２７】
次に、図２に示す状態フィードバック制御装置の制御処理を説明する。図３は、図２に示す状態フィードバック制御装置における状態フィードバック制御の処理を示すフローチャートである。まず、図２に示す状態フィードバック制御装置では、位置制御器１０００および速度制御器１１０１〜１１０４の各パラメータを初期化すると共に、積分器および微分器（図示せず）の値を初期化する（ステップＳ１０１）。位置制御器１０００、速度制御器１１０１〜１１０４、積分器、および微分器が初期化された状態で、４個の位置検出手段（図示せず）により検出した現在の位置は、サンプリングされて位置データ（アナログ信号）としてセンサ信号入力手段に出力され、４個の速度検出手段（図示せず）により検出した現在の速度はサンプリングされて速度データ（アナログ信号）としてセンサ信号入力手段（図示せず）に出力される（ステップＳ１０２）。
【００２８】
センサ信号入力手段はＡＤＣ（アナログ／デジタルコンバータ）およびカウンタ等から成り、位置データおよび速度データをアナログデ―タからデジタルデータに変換（Ａ/Ｄ変換）する。ＡＤＣによってＡ/Ｄ変換された実測角速度データを、実測速度データとして記憶部（図示せず）に格納する。同様にして、ＡＤＣによってＡ/Ｄ変換された実測位置データを記憶部に格納する。（ステップＳ１０３、Ｓ１０４）。
【００２９】
なお、本実施形態においては、検出手段によりサンプリングされた位置データを用いたが、本発明では、実測速度データを積分器により積分処理することにより得た位置データを用いてもよい。
また、本実施形態においては、検出手段によりサンプリングされた速度データを用いたが、本発明では、実測位置データを微分器により微分処理することにより得た速度データを用いてもよい。
【００３０】
浮揚体は、図示しないリモートコントローラなどからユーザ（操縦者）によって入力され、送信されるヨー（θｚ）１２０１、ロール（θｙ）１２０２、ピッチ（θｘ）１２０３、および高さ（ｚ）１２０４を位置制御するための位置指令値データθｚ、θｙ、θｘ、ｚを受信し（ステップＳ１０５）、この位置指令値データから、記憶部に格納されている実測位置をそれぞれ減算する（ステップＳ１０６）。
【００３１】
ここで、ステップＳ１０７において、上記処理で得られた減算結果（位置差データ）が異常な値であるか否かを判断する。位置差データが異常値である場合には、ステップＳ１０１に移行し（戻り）、再度、位置制御器１０００、速度制御器１１０１〜１１０４、積分器、および微分器を初期化し、同様の処理を繰り返す。一方、位置指令値データが異常値でない（正常な）場合には、ステップＳ１０８に移行する。
【００３２】
ステップＳ１０８では、制御対象である、浮揚体のヨー（θｚ）１２０１、ロール（θｙ）１２０２、ピッチ（θｘ）１２０３、および高さ（ｚ）１２０４と、それらに対応する速度制御器１１０１、１１０２、１１０３、１１０４とを含めて、それぞれ１次遅れ系、式（１）にてモデル化する。
【数１０】
2005078327.tif 000012
【００３３】
次に、式（１）にて得られたモデルに対し、状態方程式（２）を用いて記述し（ステップＳ１０９）、位置制御器１０００を状態フィードバック制御アルゴリズムにしたがい構成する。
なお、この処理は、リアルタイムにモデル化を有する場合にのみ行うべき状態フィードバック制御のための処理である。すなわち、リアルタイムにモデル化を有していない場合には、オフラインで前記方法により状態フィードバック制御器を構成しておく。
【数１１】
2005078327.tif 000013
【００３４】
前記ステップＳ１０３、Ｓ１０４により得られた、位置指令値データと実測位置データとを、前記状態フィードバック制御器に入力し、出力された速度指令値を記憶部に格納する。（ステップＳ１０８）
ここで、ステップＳ１１０において、記憶部に格納されている速度指令値データ（速度データ）が異常値であるか否かを判断する。速度指令値データが異常値である場合には、ステップＳ１０１に移行し（戻り）、再度、位置制御器１０００、速度制御器１１０１〜１１０４、積分器、および微分器を初期化し、同様の処理を繰り返す。一方、速度指令値データが異常値でない（正常な）場合には、ステップＳ１１１に移行する。
【００３５】
速度指令値データが異常値でない場合、すなわち、速度指令値データが正常値である場合には、その速度指令値データを出力する。この速度指令値から、ＡＤＣによってサンプリングされた実測速度データを減算し（ステップＳ１１１）、その減算結果を速度制御器１１０１〜１１０４に入力する。
入力された減算結果（速度データ）に基づいて、浮揚体の速度をＰＩＤ制御して、速度差制御信号を出力する（ステップＳ１１２）。
浮揚体は、上記速度差制御信号を基に、対応するアクチュエータ（振動体）に駆動指令を出力し、アクチュエータを回転駆動することによって、回転翼や姿勢制御手段を制御する（ステップＳ１１３）。
【００３６】
次に、浮揚体に対して、本発明の状態フィードバック制御装置を実際に用いた場合の実験値を示す。図６〜図９は、初期状態において０（ｒａｄ）を向いている浮揚体に、０．５秒の時点で位置指令値を入れた際の、ヨー角度、ヨー角速度、ロール角度、ロール角速度、ピッチ角度、ピッチ角速度、位置（高さ）、速度のステップ応答を示す図である。
図６（Ａ）は、浮揚体のヨー角度（実験値）のステップ応答を示し、図６（Ｂ）は、浮揚体のヨー角速度（実験値）のステップ応答を示す。図７（Ａ）は、浮揚体のロール角度（実験値）のステップ応答を示し、図７（Ｂ）は、浮揚体のロール角速度（実験値）のステップ応答を示す。図８（Ａ）は、浮揚体のピッチ角度（実験値）のステップ応答を示し、図８（Ｂ）は、浮揚体のピッチ角速度（実験値）のステップ応答を示す。図９（Ａ）は、浮揚体の位置（実験値）のステップ応答を示し、図９（Ｂ）は、浮揚体の角度（実験値）のステップ応答を示す。この図６〜図９に示すように、操縦者から位置指令値が入力されたとき、浮揚体は追従して、ヨー角度、ヨー角速度、ロール角度、ロール角速度、ピッチ角度、ピッチ角速度、位置、速度がそれぞれ変化するが、互いの干渉は小さく抑えられている。そして、迅速にその指令された位置に収束し、浮揚体の回転がほぼ止まることが分かる。
【００３７】
以下、図４および図５を参照して、本発明の状態フィードバック制御装置により姿勢制御される浮揚体を説明する。なお、この浮揚体は例示として挙げるものであり、これにより本発明の状態フィードバック制御装置の内容を限定的に解釈すべきではない。
図４は、本発明の浮揚体の一実施形態を示す斜視図である。図４において、図示のように、互いに直交するｘ軸、ｙ軸およびｚ軸（ｘ−ｙ−ｚ座標）を想定する。この場合、ｚ軸は、ロータの回転中心線（軸）と一致または平行になるように想定される。
【００３８】
浮揚体１は、基部２と、基部２に対し回転可能に設置され、回転翼３４を備えたロータ（第１のロータ）３と、ロータ３を回転駆動する振動体４と、基部２に対し回転可能に設置され、回転翼５４を備えたロータ（第２のロータ）５と、ロータ５を回転駆動する振動体４と、重心の移動により浮揚体１の姿勢を変更する姿勢変更手段１６とを有している。ロータ３と、ロータ５とは、互いに反対方向に回転し、かつ、同軸的に設けられている。すなわち、この浮揚体１は、２重反転ロータを備えている。
【００３９】
回転翼５４は、回転翼３４より上側に位置している。また、回転翼３４と回転翼５４とは、ともに、基板２１の上側に位置している。ロータ３が後述する振動体４の駆動により平面視で（上側から見たとき）時計回りに回転すると、回転翼３４、５４には、揚力（回転中心線にほぼ平行で上向きの力）が作用する。
ロータ５は、振動体４の駆動により、ロータ３と反対方向、すなわち、図示しない平面視で（上側から見たとき）反時計回りに回転する。
【００４０】
ロータ３が時計回りに回転すると、回転翼３４に揚力が作用し、また、ロータ５がロータ３と反対方向に回転すると、回転翼５４に揚力が作用し、これらの揚力により、浮揚体１は、空中に浮揚（飛行）する。
なお、図示の構成では、ロータ３とロータ５とは、直径や、回転翼の枚数（２枚）、回転翼の形状等の条件が同じになっているが、直径、回転翼の枚数、回転翼の形状等の条件が互いに異なるものであってもよい。また、ロータ３とロータ５とが同軸的に設けられていないもの（並設されたもの）であってもよい。
【００４１】
次に、姿勢変更手段１６について説明する。
図４に示す姿勢変更手段１６は、重心の移動により、浮揚体１の姿勢を変更（調節）することで、ロータ３および５の回転中心軸を鉛直線（重力の方向）に対して所定方向に所定角度傾斜させるもの（傾きを調節するもの）である。
姿勢変更手段１６は、回転翼３４および５４の下方に位置している。すなわち、基部２の基板２１の下側には、十字状をなす基板１６１が設置（固定）されており、姿勢変更手段１６は、この基板１６１に設置（固定）されている。この場合、基板１６１は、その十文字を形成する一方の帯状体がｘ軸と平行となり、他方の帯状体がｙ軸と平行となるように配置されている。
【００４２】
また、姿勢変更手段１６は、錘要素１４を所定の軸に沿って移動させるリニアアクチュエータであり、錘要素（錘）１４と、錘要素１４をｘ軸方向に移動（変位）させるｘ軸方向移動手段（ｘ軸方向変位手段）１６ｘと、移動手段および錘要素１４をｙ軸方向に移動（変位）させるｙ軸方向移動手段（ｙ軸方向変位手段）１６ｙとを有している。
なお、前記ｘ軸方向移動手段（ｘ軸方向変位手段）１６ｘおよびｙ軸方向移動手段（ｙ軸方向変位手段）１６ｙで、浮揚体１に対して錘要素１４を変位させる変位手段が構成される。錘要素１４はスライダ１７５の下端に設置（固定）されている。この錘要素１４およびスライダ１７５が錘として作用する。
【００４３】
ｘ軸方向移動手段１６ｘは、錘要素１４のｘ軸方向の位置（移動量）を検出する位置検出手段（移動量検出手段）を有している。
振動体４が駆動し、これに伴って、センサからはパルス（パルス信号）が出力される。このパルスは、後述する駆動制御回路９のθｙ制御回路９２ｙに供給（入力）され、θｙ制御回路９２ｙは、そのパルスを計数し、計数値（パルス数）に基づいて、錘要素１４のｘ軸方向の移動量を得、その移動量から錘要素１４のｘ軸方向の位置を求める。前記錘要素１４の移動量や位置の情報は、錘要素１４をｘ軸方向へ移動させる際の所定の制御や処理に利用される。
【００４４】
次に、ｙ軸方向移動手段１６ｙについて説明するが、ｘ軸方向移動手段１６ｘとの相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。
ｙ軸方向移動手段１６ｙは、錘要素１４およびｘ軸方向移動手段１６ｘのｙ軸方向の位置（移動量）を検出する位置検出手段（移動量検出手段）を有している。
図４に示すように、ｙ軸方向移動手段１６ｙは、基板１６１のｙ軸と平行な帯状体の下側に設置（固定）されている。また、このｙ軸方向移動手段１６ｙのスライダ１７５の下端には、前記ｘ軸方向移動手段１６ｘが設置（固定）されている。このｙ軸方向移動手段１６ｙのスライダ１７５、ｘ軸方向移動手段１６ｘおよび錘要素１４が錘として作用する。
【００４５】
振動体４が振動すると、これに伴って、センサからは、パルス（パルス信号）が出力される。このパルスは、後述する駆動制御回路９のθｘ制御回路９２ｘに供給（入力）され、θｘ制御回路９２ｘは、そのパルスを計数し、計数値（パルス数）に基づいて、錘要素１４のｙ軸方向の移動量を得、その移動量から錘要素１４のｙ軸方向の位置を求める。前記錘要素１４の移動量や位置の情報は、錘要素１４をｙ軸方向へ移動させる際の所定の制御や処理に利用される。
【００４６】
次に、錘要素１４について説明する。
図５に示すように、錘要素１４は、球状のケーシング１４１を有しており、このケーシング１４１内には、駆動制御回路９と、姿勢制御センサ８と、無線通信用の図示しない送受信部と、これら駆動制御回路９、姿勢制御センサ８および送受信部等の浮揚体１の各部に電力を供給する電池（浮揚体１のエネルギーを蓄積するエネルギー蓄積手段）１５とが収納（内蔵）されている。
すなわち、駆動制御回路９、姿勢制御センサ８、送受信部および電池１５等が、姿勢変更手段１６の錘要素１４の一部を構成する。これにより、専用の錘の部分（錘としてのみ作用する部分）の重さを軽くすることができるので、浮揚体１を軽量化することができ、浮揚体１のペイロード（荷重）を大きくとることができる。
【００４７】
姿勢制御センサ８は、Ｚ軸の回り（θｚ方向）の回転を検出するジャイロセンサとＺ軸方向（高さ）を検出する加速度センサ（ジャイロセンサと、加速度センサの組み合わせ）８１ｚと、Ｘ軸の回り（θｘ方向）の回転を検出するジャイロセンサとθｘおよびＸ軸方向の加速度を検出する加速度センサ（ジャイロセンサと、加速度センサの組み合わせ）８１ｘと、Ｙ軸の回り（θｙ方向）の回転を検出するジャイロセンサとθｙおよびＹ軸方向の加速度を検出する加速度センサ（ジャイロセンサと加速度センサの組み合わせ）８１ｙとで構成されている。
【００４８】
また、駆動制御回路９は、θｚ検出回路９１ｚと、θｘ検出回路９１ｘと、θｙ検出回路９１ｙと、θｚ制御回路９２ｚと、θｘ制御回路９２ｘと、θｙ制御回路９２ｙと、第１の駆動回路９３１と、第２の駆動回路９３２と、ｙ駆動回路９３ｙと、ｘ駆動回路９３ｘと、ｙ軸方向移動手段１６ｙの振動体４の通電される電極を切り替える図示しないスイッチ（切替スイッチ）と、ｘ軸方向移動手段１６ｘの振動体４の通電される電極を切り替える図示しないスイッチ（切替スイッチ）とで構成されている。
また、θｚ制御回路９２ｚと、θｘ制御回路９２ｘと、θｙ制御回路９２ｙとは、それぞれ本発明による状態フィードバック制御器（位置指令器）と、速度制御器とによって構成されている。
【００４９】
第１の駆動回路９３１は、ロータ３を回転駆動する振動体４に接続され、第２の駆動回路９３２は、ロータ５を回転駆動する振動体４に接続されている。
また、ｙ駆動回路９３ｙは、前記電極を切り替えるスイッチを介してｙ軸方向移動手段１６ｙの振動体４に接続され、ｘ駆動回路９３ｘは、前記電極を切り替えるスイッチを介してｘ軸方向移動手段１６ｘの振動体４に接続されている。
また、電池１５としては、例えば、１次電池、２次電池（蓄電池）、燃料電池、太陽電池（光電変換素子と２次電池とを組み合わせたもの）等が挙げられる。
【００５０】
このような浮揚体１に対し、地上（床）には、図示しない操作部（コントローラ）が設けられており、この操作部と浮揚体１とは、無線で通信することができ、前記操作部から浮揚体１を無線で遠隔操作（ロータ３および５の回転数の調整、錘要素１４のｘ軸方向およびｙ軸方向の位置の調整等）をすることができるようになっている。
そして、この浮揚体１では、ジャイロセンサと加速度センサ８１ｚによるθｚ方向およびＺ軸方向の検出値と、Ｚ軸方向の指示値（高さ指示値）と、Ｚ軸の回りの指示値（θｚ方向の指示値）とに基づいて、ロータ３およびロータ５の回転数（回転速度）をそれぞれ制御する。
【００５１】
すなわち、Ｚ軸方向の指示値がθｚ制御回路９２ｚへ入力されると、そのＺ軸方向の指示値（高さ）になるように、第１の駆動回路９３１および第２の駆動回路９３２を介して、ロータ３および５を回転駆動する各振動体４の駆動が制御される。これにより、浮揚体１を上昇または下降させることができ、また、所定の高さに保持することができる。
また、θｚ方向の指示値がθｚ制御回路９２ｚへ入力されると、そのθｚ方向の指示値（向き）になるように、第１の駆動回路９３１および第２の駆動回路９３２を介して、ロータ３および５を回転駆動する各振動体４の駆動が制御される。これにより、浮揚体１をθｚ方向に、正逆いずれの方向へも所定量（所定角度）回転させることができ、θｚ方向に、所定の角度（向き）に保持することができる。
【００５２】
また、ジャイロセンサと加速度センサ８１ｚでθｚ方向の回転が検出されると、そのジャイロセンサと加速度センサ８１ｚからθｚ検出回路９１ｚに検出信号が入力され、θｚ検出回路９１ｚでθｚ方向の検出値が得られる。その検出値は、θｚ制御回路９２ｚへ入力され、θｚ制御回路９２ｚにより、θｚ方向の検出値が０になるように、第１の駆動回路９３１および第２の駆動回路９３２を介して、ロータ３および５を回転駆動する各振動体４の駆動が制御される。これにより、浮揚体１の急激な（突発的な）θｚ方向の回転を防止または抑制することができ、浮揚体１を安定的に浮揚させることができる。
また、この浮揚体１では、ジャイロセンサと加速度センサ８１ｘによるθｘ方向の検出値と、Ｙ軸方向の指示値とに基づいて、錘要素１４のＹ軸方向の位置を制御する。
【００５３】
すなわち、Ｙ軸方向の指示値がθｘ制御回路９２ｘへ入力されると、そのＹ軸方向の指示値になるように、ｙ駆動回路９３ｙを介して、ｙ軸方向移動手段１６ｙの振動体４の駆動が制御される。これにより、錘要素１４およびｘ軸方向移動手段１６ｘがＹ軸方向へ移動し、浮揚体１の重心がＹ軸方向へ移動して、浮揚体１の各ロータ３および５の回転中心線が、ＹＺ平面内で所定角度回転し、鉛直線に対してｙ軸に向って所定角度傾斜する。
このようにして、浮揚体１を前記回転中心線の傾斜方向に移動（飛行）させることができる。
【００５４】
また、ジャイロセンサと加速度センサ８１ｘとでθｘ方向の回転が検出されると、そのジャイロセンサと加速度センサ８１ｘとからθｘ検出回路９１ｘに検出信号が入力され、θｘ検出回路９１ｘでθｘ方向の検出値が得られる。その検出値は、θｘ制御回路９２ｘへ入力され、θｘ制御回路９２ｘにより、θｘ方向の検出値が０になるように、駆動回路を介して、ｙ軸方向移動手段１６ｙの振動体４の駆動が制御される。これにより、浮揚体１の急激な（突発的な）θｘ方向の回転を防止または抑制することができ、浮揚体１を安定的に浮揚させることができる。
また、この浮揚体１では、ジャイロセンサと加速度センサ８１ｙによるθｙ方向の検出値と、Ｘ軸方向の指示値とに基づいて、錘要素１４のＸ軸方向の位置を制御する。
【００５５】
すなわち、Ｘ軸方向の指示値がθｙ制御回路９２ｙへ入力されると、そのＸ軸方向の指示値になるように、ｘ駆動回路９３ｘを介して、ｘ軸方向移動手段１６ｘの振動体４の駆動が制御される。これにより、錘要素１４がＸ軸方向へ移動し、浮揚体１の重心がＸ軸方向へ移動して、浮揚体１の各ロータ３および５の回転中心線が、ＸＺ平面内で所定角度回転し、鉛直線に対してｘ軸に向って所定角度傾斜する。
このようにして、浮揚体１を前記回転中心線の傾斜方向に移動（飛行）させることができる。
【００５６】
また、ジャイロセンサ８１ｙでθｙ方向の回転が検出されると、そのジャイロセンサ８１ｙからθｙ検出回路９１ｙに検出信号が入力され、θｙ検出回路９１ｙでθｙ方向の検出値が得られる。その検出値は、θｙ制御回路９２ｙへ入力され、θｙ制御回路９２ｙにより、θｙ方向の検出値が０になるように、駆動回路を介して、ｘ軸方向移動手段１６ｘの振動体４の駆動が制御される。これにより、浮揚体１の急激な（突発的な）θｙ方向の回転を防止または抑制することができ、浮揚体１を安定的に浮揚させることができる。
以上説明したように、この浮揚体１は、姿勢変更手段１６により、その姿勢を変更、すなわち、姿勢を制御することができるものであるが、これに本発明の状態フィードバック制御装置を適用することにより、より簡易な構成により、浮揚体１を任意の方向（任意の位置）に容易に移動（飛行）させることができる。
【００５７】
以上、本発明の状態フィードバック制御装置を図示の各実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、状態フィードバック制御装置を構成する各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構成のものと置換することができる。また、本発明の状態フィードバック制御装置に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の状態フィードバック制御装置の一実施形態の構成を模式的に示すブロック図である。
【図２】図１に示す状態フィードバック制御装置を浮揚体に適用した際の構成を模式的に示すブロック図である。
【図３】図２に示す状態フィードバック制御装置の制御処理を示すフローチャートである。
【図４】図２に示す状態フィードバック制御装置を適用する浮揚体の斜視図である。
【図５】図４に示す浮揚体の姿勢変更手段の回路構成を示すブロック図である。
【図６】図３に示す浮揚体のヨー角度およびヨー角速度のステップ応答を示す図である。
【図７】図３に示す浮揚体のロール角度およびロール角速度のステップ応答を示す図である。
【図８】図３に示す浮揚体のピッチ角度およびピッチ角速度のステップ応答を示す図である。
【図９】図３に示す浮揚体の位置および高さのステップ応答を示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１……浮揚体  ２……基部  ２１……基板  ３……ロータ  ３４……回転翼  ４……振動体  ５……ロータ  ５４……回転翼  ８……姿勢制御センサ  ８１ｘ、８１ｙ、８１ｚ……ジャイロセンサ  ９……駆動制御回路  ９１ｘ……θｘ検出回路  ９１ｙ……θｙ検出回路  ９１ｚ……θｚ検出回路  ９２ｘ……θｘ制御回路  ９２ｙ……θｙ制御回路  ９２ｚ……θｚ制御回路  ９３１……第１の駆動回路  ９３２……第２の駆動回路  ９３ｘ……ｘ駆動回路  ９３ｙ……ｙ駆動回路  １４……錘要素  １４１……ケーシング  １５……電池  １６……姿勢変更手段  １６ｘ……ｘ軸方向移動手段  １６ｙ……ｙ軸方向移動手段  １６１……基板  １７５……スライダ  １０００……位置制御器  １１００……速度制御器群  １１０１〜１１０ｎ……速度制御器  １２００……制御対象群  １２０１〜１２０ｎ……制御対象  Ｓ１０１〜Ｓ１１３……ステップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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