平成2年度 研究報告 大分県工業試験場

鱒型型翠」

】

視点移動に関する研究（第1報）

理）の利用は重要な鍵となっているが、本研究では

生哉忍FA（工場内自動化）において視覚センサ（画像処幸哲

田

1 はじめに原藤本

小佐橋

電子部

2 視点移動機構の制御

2．1 サーボの特性、制御回路
視点移動機構のアクチュエータには無線制御用の視覚センサを機械的に走査させることによる探索、小型直流サーーボモー【夕（以下、サーボという）を使

視野の拡大、制御の最適化について検討を行うため用した。このサーボの特徴は出力／重量（容積）比に視点移動機構を製作し、制御特性の解析と計測、に非常に優れ、安価で入手が容易であり、トルクも小型化の研究を行った。

川Okgf魯Cmを超えるものもあり、ホビーだけでなく今回は制御について検討するために画像処理は用

航空・船舶の実験、映画や舞台装置の可動部にも使いず、2次元位置センサ（PSD）を聞い、（臼玉塾）われている。 一方、欠点として、工作機械の様な精2軸視．与移動機構を製作して比例制御による点光源度は得られず、長期間の信頼性に劣る。の追尾を試み、ターゲットの光源を手で動かし、スサーボはモータ、減速歯車、出力軸に直結したポムーズに追尾できるようになった。アクチエエ、一夕

テンシオメータ、超小型プリント基板回路などで構には無線制御操舵用（模型飛行機。ヘリコプタなど）に使われている小型サーボモータを使用した。この成されている。馬区動は周期23ms、パルス幅1．5±（）．5種のサーボモータは本来オープン。ループ制御で使より、内部の制御回路によりパルス幅に比例した角われるが、フィードバック制御で用いるために改良度に出力軸を回転させる。表1に使用したサーボのを行い、制御回路を付加した。（試作した視点移動機仕様を、図1にサーボ馬区勤用インターフェース（直構を写真1に示す。）

流．／パルス信号変換恒Ⅰ路）を示す。

ms（機種より異なる）のパルス信号を与えることに

表1X軸、Y軸サ州ポ仕様（Y 奉献（Ⅹ 事由）型 番：‡J主〉州S143
メーカー

喜√P劇S5101
双葉電子⊥業㈱

サイズmnl二 28＊13＊29 38。5＊19。5＊34．5
重量：19g電源：

動作角度：＝測度42g4せ）6V±45度

ト ルノ う7：1．9kgf8Cm 4kgf⑳（：汀l
乱作適ノ隻：（＝8s／／6（）⊂ （）．24sノ／鮒

写真1（目玉型）2軸視点移動機構
10平成2年度 研究報告 大分県工業試験場

Rl

8．うー1，◎（ms）但椙調牒

Rl■＋R2■

2ち．8（ms）

周顛；磨整

禦警・81− 1／弧14日49＝。

2SA1815
ー ポ9

（∨）

㊤…Ⅰ「」

「苛￠p 7・5k2【）k㊥；ⅠU「寺1ち鋸①−「5（V）

Y軸T

2／4LSB⑦

二……壬二㊨＋1 ⊥2 ＋5（mS）
1wパ＝1 切払・−2（ろ◎（mS）
周翔㌢＝2ち」鋸（ms）

図1サーボ駆動用インターフェース回路
2− 2 視点移動ステップ応答試験① Ve＝Ⅴ】La。（dI／dt）−Ra。Ⅰ

視点移動機構Ⅹ軸の動作角を100とした時のステ（Ⅴ：印加電圧、Ⅰ：電流、La：アーマチュ

ップ応答を図2に示す。以下、この結果について考ア。インダクタンス、Ra：アーマチュア抵抗）察を行う。
モータの回転は入力パルス信号に同期して電源使用したモータの電気的時定数（0．14s）が機械的時定数（28ms）の1／200で、Laの項の影響が十分を十5Vまたは5Vに切り替えてスイッチング制に小さく、本解析では（La＝0）としている。

御している。モータ逆起電力（Ve）は次式で表されまた、Veはモータ回転速度に比例している。

る。

② Ve＝王ほ◎n（ke：逆起電力定数、n：回転数）

位置検出装置出力 【（動作角度＝…q）「Ⅰ5（∨）＼＼＼kポテンシオメータ
出力

Ⅰ2日（mv）

小㌦

モタ逆起電力（Ve＝＝∨一RaX三）皿Ⅰ2舶／〕； 15（∨）（＼／′）

電流宰アマテュ分割により検出して速度制御がなされている。
サーボ出力軸の回転について見ると、モータに電流が流れ始めてから約20ms（位置検出装置出力）遅れて動き出している。この遅れは歯車の遊び、軸受

モ山一ウ印加電圧

抵抗（州RaX三図でモータに電流が流れていない時にモータ電源端子に発生している電圧は逆起電力であり、これを時「∬」 」‡5（∨）

Raこニ8．8n

勿1日8 （一口s）

図2 サ脚ボモ叫タ スチップ応答

けのガタなどによる。応答は90msでほぼ終了しているが、モータの不感帯のため目標位置に完全には到達できていない。
ポテンシオメータ出力を見ると軸の回転に相当する電圧にモータ電流出力が重なった様な出力になっているが、これは電源電圧の変動によるものと思わ11

平成2年度 研究報告 大分県工業試験場
れる。モータはサンプリング制御によっており、丁度この間の変動はサンプリング区間ではないため、位置検出には支障がない。

表2 位置検出装置仕様
セ ンサ 2次元PSD（S2044）
浜松ホトニクス㈱製

次にサーボの伝達関数を求める。サーボは（本体の基準位置に対する）回転角に比例した長さのパルス信号を与えることによって駆動されるが、1制御周期でみるとパルス信号を受け取った直後に回転角（ポテンシオメータ）、速度（モータ逆起電力）をサンプリングし、回転指令角からそれらを差し引き、それに比例する間隔で電源を正／逆にスイッチングし、回転を制御している。制御周期が23ms、スイッチング間隔の上限が約20ms、負荷を含むモータの機

械的時定数が35msのため、1制御周期の問にモータ回転速度が大きく変動する場合が考えられるが、解析を簡略化するためにモータ回転速度の変化が小さい場合に限ってサーボの伝達関数を求めると通常のモ山夕電源電圧をアナログ制御した場合に近似で有効受光面サイズ：4．7mmX4．7mm
分光感度特性：（ピークの5％）300／㌧1100（nm）
ピーク波長ニ900（nlTl）

レ ンズ コンパクトITVレンズ（f25mmFl．4）
酒井硝子エンジニアリング㈱製
赤外透過フィルタ（IR80）使用

ターゲット用赤外LED（TLNlO5王∋）東芝製
検出方法 パルス光同期検出
周波数 Max．436Hz
範 囲 200mⅢ＊200mm（距離1m）
距 離 標準1m Max5m
精 度 平均値 ±0．2％（中心部±0．1％）
バラツキ±0．1％

きる。
③ n（s）／（K（s）。VO）＝1／（ke。（s。tm＋1））（VO：モータ電源電圧、K（s）：パルス幅デュ

表 示 Ⅹ9 Y変移（表示範囲±1500）
受光強度（アナログレボルトメータ）

ーティ比［IK（s）Ⅰ＝0〜1］、S：ラプラス変換変数、tm：機械的時定数）

3 視点移動機構による点光源の追尾試験
3。1 試験装置について

ク図を、図4にフィードバック制御回路を示す。

3。2 点光源の追尾試験について

ターゲットの光源を手で持って追尾を試み、うま本試験のために製作した2次元PSDによる位置く追尾させることができ、定常状態に移ってから1検出装置と視点移動機構を用いて点光源の追尾試験

秒程の遅れはあるが位置偏差をほぼ0にできた。ま装置を構成し、応答特性等を調べた。写真2に試作た、視野から光源を外すと視点移動機構は違った方した位置検出装置の写真を、表2にその仕様を示す。

向を向くが、改めて視野の中に入れてやると直ちにまた、写真3に追尾試験装置を、図3に制御ブロツ追尾を再開させることができた。

写真2 2次元PSDによる位置検出装置−12

写真3 追尾試験装軍

平成2年度 研究報告 大分県工業試験場
一一皿冊【Wl二、（ポテンシオ変移）（モータ逆起電力）時分割喜十測

jコニw速度検出♭山（サンプリンブ別電りニ仙ヱ〔＿一享子‡言厩監「二㌣て重義」⊥．【去＝」ヤ「ノ T＼ L・頭声中型」竺三

」十−ボモM勺内部敬司監「iう（積分）2：次元PSDによる位置偏莞根出
弓 ム×

屯置偏差

二・検出 ！

タmゲット光源L【図3 視点移動（X軸）制御プセッタ図？￣、、￣ 、 ■ ■

喝 源
十5（∨）

サmポモータの型式 FP【Slヰ5（双鯛子二葉（株〉）

12klkB」￠．El〃 レ／1／4しMヨ4B918王1「軒≡ 垂二∴FIL∈そ二三竺竺三】（BE）

図4 視点移動フィ嘘ドバック制御回路〜13 h平成2年度 研究報告 大分県工業試験場

＋2㊤

（∨）

×軸＋5位置検出装置出力 勿（動作角度二約50）【5GAIN 田（dB）−2◎

モ【タ印加電圧（逆起電力を含む）l一・lこ〕a∽．81 8．1

8−5 （s）

図5 X軸位置決めステップ応答

118 18窃（rad／s）＋方／2

PHASE 8（rad）

Y軸位置検出装置出力【兄／2（動作角度＝約50）⑦∽．5 （s）

図7 X朝構U御系ボ仙ド緑図

図6 Y軸位置決めステップ応答で推定され（参考文献2）plO7）、0。3sと計算される制御特性を把握するためにステップ応答を調べが、実測値（約仇15s）の方が小さめの値となった。

た。位置の切り替えは2偶のLEDの発光を電気的に切り替えて行った。動作角は約5て、応答特性は5 ま と め（今後の課題）

位置検出装置の出力（位置偏差、サンプリング218

2次元PSDによる位置検出装置と視点移動機構Hz）で記録した。Ⅹ軸について図5に、Y軸についにより点光源の追尾試験装置を構成し、基本的な制て図6に示す。

御特性を把握し、追尾試験にも成功した。しかし、制御系の−一部（サーボ）にサンプ1」ング制御が用い3。3制御特性の解析られているにもかかわらず、解析を簡略化するため制御特性をボード線図で表すためにサ山ボを分解に連続制御として扱ったこと、試験結果と解析結果してモータ無負荷回転数、減速歯車機構のギヤ比、を比較すると必ずしも十分な精度とは言えないこと

負荷を含んだ機械的時定数、内部回路の速度フィーなど、課題が残された。さらに、画像処理結果によ

ドバック及び位置ゲインなどの制御パラメータを実り視点移動制御を行った場合、サンプリング制御の測し、Ⅹ軸制御系についてボード繰回を作成したの扱いになるが、処理速度が非常に遅くなるために制で図7に示す。解析ではモータの伝達関数は2．2③式御の最適化が必要である。次の段階ではサンプリンに依り、減速歯車の遊び、モふ夕の不感帯、摩擦抵

グ制御理論の適応について検討したい。

抗、一部回路の非線形性、サーボがサンプリング制御されていることについては考慮していない。回路の調整はステップ応答実験（図5）の時と同じである。ボード線図によると、揖p＝4rad／／s（0．6如／s）で3dB（1．4）のピークをもち、それ以上の角速度ではゲインは下がる仙仙・方で、制御系の帯域はゲインが¶Ⅳ3〔ib以F になる角速度、8rad／s（1．3r／ノ

参考文献
1）「自動制御の理論と演習」市川邦彦 著（産業図書）

2）「サーボ機構」大島康次郎9 荒木献次 著（オーム社）

3）「DCサ山ボモータの制御方法」越野昌謙 著s）である。この位の帯域であれば、サーボが約就闇z（トランジスタ技術別冊 センサ色インターフでサンプリング制御されている制限は小さいと思わ

ユーシング No．2 P．187〜2001983年4月れる。ステップ応答の立ち上がり時間（1（ト90％）
はピ山ク／定常比が1．3へ」．5の時に概略1．3／揖p
14 wⅥm初版）

4）浜松ホトニクス㈱ PSDデータ