(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子と固定子を含み、装置のスピン軸を形成するモータと、
回転子に接続された第１のプロペラと、
固定子に接続され、モータ駆動に応じて第１のプロペラとは逆方向に回転する第２のプロペラと、
第１のプロペラ上の第１のターゲットセンサと、
第２のプロペラ上の第２のターゲットセンサと、
第１のプロペラまたは第２のプロペラの少なくともいずれか一方に取り付けられることによって、装置の質量の中心を装置のスピン軸からずらす不均衡構造と、
第１および第２のターゲットセンサによって供給される信号に基づいてモータの回転速度を制御するコントローラと、
モータおよびコントローラのための少なくとも１つの電源と、
を備えることを特徴とするトラッキング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、制御可能な１自由度を有し、３自由度で動くことができるトラッキング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
トラッキング装置は、惑星探査、移動リモートセンシング、人、動物、自動車などの地上をベースにする移動主体の追跡、飛行物体の追跡、自動的に配置可能な外辺部のセンサ、玩具、例えばステージ上の役者や携帯電話のユーザのためのユーザを追いかける音声入出力装置、移動するユーザを追いかけるコンピュータ入力装置、高性能爆弾などの分野で使用することができる。しかし、トラッキング装置が３次元空間で移動するためには、複雑な推進および制御のシステムが必要である。このため、トラッキング装置は費用と寸法が増大するという結果になる。
【０００３】
真核単細胞をもつ微生物は、釣り合い浮き媒体(neutrally buoyant mediuam)内のトラッキング装置として機能するが、１自由度のみを制御できる。しかし、微生物は３次元空間で動くことができ、食物源や光のような感知された刺激物の方へ動いたり、それから離れたりする。微生物は１自由度を制御し、本来、螺旋形で前進する。微生物は、１自由度の動きの速度を単純なフィードバックシステムを介して変調することによって、刺激物を追跡する。微生物は回転するので、刺激物を正弦曲線的に感知する。感知した刺激物に直接比例するように回転速度を変調することによって、微生物は、変調の感知に応じて、歳差運動、すなわち、加えられた外力による微生物の軸の動きにより、刺激物の方へ動いたり、それから離れたりする。単細胞をもつ微生物の動きは、Ｈｕｇｈ  Ｃ．ＣｒｅｎｓｈａｗによりＢｕｌｌｅｔｉｎ  ｏｆ  Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ  Ｂｉｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．５５，Ｎｏ．１，ｐｐ．１９７‐２１２（１９９３）に公表された“Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ  ｂｙ  Ｈｅｌｉｃａｌ  Ｍｏｔｉｏｎ−Ｉ．Ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｈｅｌｉｃａｌ  Ｍｏｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｏｒｇａｎｉｓｍｓ  ｗｉｔｈ  ｕｐ  ｔｏ  Ｓｉｘ  Ｄｅｇｒｅｅｓ  ｏｆ  Ｆｒｅｅｄｏｍ”に、より完全な形で記載されている。本論文は、その全体の参照により本願明細書に援用する。
【０００４】
プロペラ駆動の航空機玩具および娯楽装置は、例えば米国特許第４，２７１，６２９号および第３，６０３，０３３号から既知である。Ｇｏｏｄｗｉｎによる米国特許第５，５３３，９２０号は、ゴムバンドモータによって駆動する前後のプロペラと、プロペラの回転を制御するために使用できるロックとリリースの機構を備えるプロペラ駆動の飛行玩具を開示する。Ｍｕｅｌｌｅｒによる米国特許第３，６０３，０３３号は、ダクトに駆動プロペラを据え付けた回転翼航空機の玩具を開示する。上昇用ロータブレード（lifting rotor blade）がダクトの上端から伸びている。ダクトとブレードは、トルクによって、プロペラと反対に回転する。従って、ブレードの揚力は、垂直推進用のプロペラによって提供される揚力を増大させる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の飛行玩具は、複雑なトランスミッションを含み、ターゲットを追跡することができない。また、飛行玩具はオペレータによる開始と監督を必要とし、限定されたタイプの電源でのみ作動できる。
【０００６】
本発明は、ターゲットへの明白な方向づけなしに1自由度で動きを制御することによって、重力下で並進３自由度で動くことができるトラッキング装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るトラッキング装置は、回転子と固定子を含み、装置のスピン軸を形成するモータと、回転子に接続された第１のプロペラと、固定子に接続され、モータ駆動に応じて第１のプロペラとは逆方向に回転する第２のプロペラと、第１のプロペラ上の第１のターゲットセンサと、第２のプロペラ上の第２のターゲットセンサと、第１のプロペラまたは第２のプロペラの少なくともいずれか一方に取り付けられることによって、装置の質量の中心を装置のスピン軸からずらす不均衡構造と、第１および第２のターゲットセンサによって供給される信号に基づいてモータの回転速度を制御するコントローラと、モータおよびコントローラのための少なくとも１つの電源と、備えることを特徴とする。
本発明に従ったトラッキング装置のさまざまな実施形態では、トラッキング装置は、モータと、モータの固定子と回転子に逆の方向に回転するように取り付けた逆の感知をする上部と底部のプロペラを含む。ターゲットセンサは、プロペラ上に備えられ、ターゲットセンサからの信号がモータとプロペラの回転を制御するコントローラに供給される。トラッキング装置は、モータとコントローラのための電源も含む。
【０００８】
本発明の特徴と利点などは、本発明に従ったシステムと方法のさまざまな実施形態の以下の詳細な説明に記載され、またはそこから明らかである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に従ったトラッキング装置１００の第１の実施形態の透視図である。モータ１１０は、モータ１１０の固定子に接続した上部プロペラ１２０と、モータ１１０の回転子に接続した底部プロペラ１３０を有する。しかし、上部プロペラ１２０は回転子に接続してもよいし、底部プロペラは固定子に接続してもよいことを認識されたい。上部プロペラ１２０は底部プロペラ１３０の感知と反対の感知になる。例えば、上部プロペラ１２０が右回りであれば、底部プロペラ１３０は左回りになり、その逆も成り立つ。上部プロペラ１２０と底部プロペラ１３０は反対の方向へ回転するので、それらは同じ方向、例えば垂直方向に力を供給する。
【００１０】
フィン１２５は上部プロペラ１２０のチップに取り付けられている。フィン１２５は一般的に、上部プロペラ１２０の回転子の方向に正接する。フィン１２５はトラッキング装置１００を安定させ、それによってトラッキング装置１００のスピン軸（spinning axis）１７０は一般的に垂直な向きを維持する。図１に示されるように、トラッキング装置１００は２つのブレードの上部プロペラ１２０を有する。図２は本発明に従ったトラッキング装置１０１の第２の実施形態を示す。ここでは、上部プロペラ１２１は４つのブレードのプロペラである。このように、４つのフィン１２５はブレード１２４のチップに備えられる。複数のブレードをいくつでも使用してよいことを認識されたい。
【００１１】
図１と図２に示されるように、おもり１２６がフィン１２５の１つに取り付けられる。このように、おもり１２６はスピン軸１７０からずれている。おもり１２６によって、トラッキング装置１００，１０１は、垂直になっている螺旋の主軸とともに、螺旋に動く。図３に示されているように、本発明に従ったトラッキング装置１０２の第３の実施形態では、おもり１２６がフィン１２５の１つに取り付けられる代わりに、おもり１２７が上部プロペラ１２０のシャフト１２３に取り付けられる。さまざまな実施形態では、おもり１２７が上部プロペラ１２０に対して自由に回転できる。
【００１２】
上部および／または底部プロペラ１２０と１３０を不均衡にするために使用できる既知、または今後開発される装置、構造、機構、材料またはその類のいかなるものでも、おもり１２５，１２７の代わりに使用できることを認識されたい。すなわち、トラッキング装置１００〜１０２が質量の中心をスピン軸１７０に合わせていないかぎり、トラッキング装置のスピン軸１７０は重力場に対して角度を有することになる。そこで、質量の中心が回転するかぎり、またはそうではなく、スピン軸１７０に対して相対的に動くことができるかぎり、スピン軸１７０は重心の回りを前進することになる。
【００１３】
従って、プロペラブレード１２４および／またはフィン１２５のどれかを、他のプロペラブレード１２４および／またはフィン１２５とは異なった密度の材料から作ることによって、プロペラブレード１２４および／またはフィン１２５のどれかを、他のプロペラブレード１２４および／またはフィン１２５とは異なった寸法で作ることによって、プロペラブレード１２４および／またはフィン１２５のどれかに、他のプロペラブレード１２４および／またはフィン１２５とは異なった量の揚力を提供させることによって、これらの組み合わせ、および／または本願明細書で既述の挙げられたさまざまな実施形態と組み合わせるか、または組み合わせずに、トラッキング装置１００〜１０２を不均衡にするための他のすべての既知の技術によって、トラッキング装置１００〜１０２を不均衡にすることができる。
【００１４】
２つのターゲットセンサ１４０，１５０は、それぞれ上部プロペラ１２０と底部プロペラ１３０に備えられる。ターゲットセンサ１４０，１５０は、光、音、磁場、無線周波数またはその他の電磁気放射、熱、核放射などのすべての現象によって、または他の既知、または今後発見される重大な結果をもたらすすべての現象によって感知できるターゲット２００を検出する。このように、ターゲット２００は、音声エネルギー、光エネルギー、１つ以上の磁場、無線周波数放射、その他の電磁気放射、核放射線、熱エネルギー、振動エネルギー、太陽エネルギーなどの源となることができる。それに加えて、またはその代わりに、ターゲットセンサ１４０，１５０は、汎地球測位システム（ＧＰＳ）からの信号に応答してもよい。
【００１５】
ターゲットセンサ１４０，１５０はコントローラ１６０に信号を提供する。信号は、ターゲット２００からのセンサ１４０，１５０の距離に対応する。電源１１５は電力をモータ１１０とコントローラ１６０に提供する。電源１１５は、例えば、１つ以上の従来のバッテリ、または圧縮スプリング、またはねじれたゴムバンド、または高圧ガス、または可燃性燃料であってもよい。モータ１１０とコンロトーラ１６０には、それぞれ、別々の１つまたは複数の電源が供給されてもよいことも認識されたい。ターゲットセンサ１４０，１５０は、トラッキング装置１００，１０１，１０２を惑星が回転するにつれて太陽を追跡できるようにする太陽電池であってもよい。このような太陽電池は太陽を感知することに加えてモータ１１０とコントローラ１６０への電源としても機能しうる。
【００１６】
コントローラ１６０はモータ１１０を制御し、上部プロペラ１２０と底部プロペラ１３０の間の速度差ωを変調する。変調は、ターゲットセンサ１４０，１５０によって供給される信号間の差に対応する。さまざまな実施形態では、コントローラ１６０が上部プロペラ１２０と底部プロペラ１３０の間の速度差を以下のように決定する。
【００１７】
ω＝ａ・ΔＳ＋ｂ
ここでは、ａはゲインファクターであり、ΔＳはセンサ１４０からの信号とセンサ１５０からの信号の間の差であり、ｂはオフセット値である。オフセット値ｂは、トラッキング装置１００〜１０２が飛び続けることができるように、速度差を維持するために必要である。さまざまな実施形態では、ゲインファクターａとオフセット値ｂは、トラッキング装置１００〜１０２の特定のパラメータ、例えば装置の重さに応じて、経験に基づいて選ばれた値である。
【００１８】
トラッキング装置１００のスピン軸１７０が、ターゲット２００の方へより向いていると、ターゲットセンサ１４０により提供される信号１４０の増大により、速度差ωは増大する。トラッキング装置の１００のスピン軸１７０がターゲット２００よりはずれた方を向いていると、ターゲットセンサ１４０により提供される信号Ｓ１４０の減少により、速度差ωは減少する。速度差ωの増大によって、トラッキング装置１００は、おもり１２６により生じるスピン軸１７０の歳差運動によりターゲット２００の方へ加速することになる。速度差ωの減少はトラッキング装置１００を減速させることになる。ターゲット２００がトラッキング装置の軸方向の上にある場合は、コントローラ１６０は、トラッキング装置１００を、コントローラ１６０がトラッキング装置１００の速度を低下させることになる点であるターゲット２００を通過するまで、速度と螺旋上昇を増大させることになる。さまざまな模範的なトラッキング装置１００〜１０２はターゲットの方へ動くように記載されてきたが、さまざまな模範的なトラッキング装置はターゲットからはずれるように制御できることを認識されたい。
【００１９】
図４は、本発明に従ったさまざまな模範的なトラッキング装置１００〜１０２の水平運動を示す。トラッキング装置はＸ‐Ｙ面の座標（０，０）で始まり、Ｘ‐Ｙ面でターゲット水平座標（０，８）およびＺ方向での不特定ターゲット垂直位置に置かれたターゲット２００の方へ動く。スピン軸１７０が歳差運動をするので、ターゲットセンサが１４０がターゲット２００の方へより向けられる点があり、ターゲットセンサ１４０がターゲット２００からより離れた方へ向けられる点もある。
【００２０】
ターゲットセンサ１４０がターゲット２００の方へより向く度に、コントローラ１６０は上部プロペラ１２０と底部プロペラ１３０の回転速度を増し、それによって、トラッキング装置１００〜１０２はターゲット２００の方へ動き、縦の高さを増すことになる。ターゲットセンサ１４０がターゲット２００から離れた方へより向く度に、コントローラ１６０はプロペラ１２０と１３０の回転速度を低下させ、それによってトラッキング装置１００〜１０２をターゲット２００から離れた方向へ動かし、縦の高さを減らす。
【００２１】
コントローラ１６０は、プロペラ１２０，１３０の回転速度を制御することによってトラッキング装置の縦の高さを直接制御する。しかし、トラッキング装置１００〜１０２の水平動作は、スピン軸１７０の歳差運動によって制御される。
【００２２】
本願明細書に開示される発明に従ったさまざまな模範的なトラッキング装置１００〜１０２は、移動リモートセンサにおいて、惑星探査のために、人、動物、軍需品、軍隊、および／または車両などの地上をベースにする移動主体を追跡するために、環境状態および／または気象パターンを追跡するために、自動的に配置可能なパラメータセンサにおいて、表示用ロボットピクセルまたは高性能トナーにおいて、「盛りを過ぎた」偵察のため、人目につかない監視のために、レーザー誘導のスマート爆弾またはスタン手榴弾、玩具、ロボペット、移動するユーザについて回るコンピュータ入力装置（例えば音声を使って）において使用してもよい。本願明細書に開示される発明に従ったさまざまな模範的なトラッキング装置１００〜１０２は、たった１つのモータを含み、トランスミッションがなく、コントローラが単一なので、トラッキング装置１００〜１０２の費用と複雑さは、先に開示された従来の装置に比して少なくなっている。
【００２３】
さまざまな模範的な装置１００〜１０２がトラッキング装置として開示されているが、さまざまな模範的な装置１００〜１０２は、玩具または娯楽装置として、ターゲットセンサを備えて、または備えずに機能できることを認識されたい。
【００２４】
図１から図３に示されるコントローラ１６０は、物理的に明白なハードウェア回路またはＡＳＩＣとして、あるいはＦＰＧＡ、ＰＤＬ、ＰＬＡまたはＰＡＬを使って、あるいは離散的論理素子または離散的回路素子を使って、実装することができることを理解されたい。図１から図３に示されるコントローラ１６０が取る特定の形態は、設計の選択であり、当業者には明らかで、予測できるであろう。例えば、コントローラ１６０は、３つの信号処理演算増幅器、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、パワートランジスタおよびパワー抵抗を含んでもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係るトラッキング装置の第１の実施形態を概略的に示す透視図である。
【図２】  本発明に係るトラッキング装置の第２の実施形態を概略的に示す透視図である。
【図３】  本発明に係るトラッキング装置の第３の実施形態を概略的に示す透視図である。
【図４】  本発明に係るトラッキング装置の実施形態の動きを示す図である。
【符号の説明】
１００，１０１，１０２  トラッキング装置、１１０  モータ、１１５  電源、１２０，１２１  上部プロペラ、１２３  シャフト、１２４  ブレード、１２５  フィン、１２６，１２７  おもり、１３０  底部プロペラ、１４０，１５０ターゲットセンサ、１６０  コントローラ、１７０  スピン軸、２００  ターゲット。
【図１】
0004028717.tif 000002
【図２】
0004028717.tif 000003
【図３】
0004028717.tif 000004
【図４】
0004028717.tif 000005