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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-07-26
(45)【発行日】2022-08-03
(54)【発明の名称】レーザ追尾装置およびレーザ追尾装置の制御方法
(51)【国際特許分類】
G01S 17/66 20060101AFI20220727BHJP
G01B 9/02 20220101ALI20220727BHJP
G05D 3/12 20060101ALI20220727BHJP
【ＦＩ】
G01S17/66
G01B9/02
G05D3/12 306Z
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2018171341
(22)【出願日】2018-09-13
(65)【公開番号】P2020041970
(43)【公開日】2020-03-19
【審査請求日】2021-08-05
(73)【特許権者】
【識別番号】000137694
【氏名又は名称】株式会社ミツトヨ
(74)【代理人】
【識別番号】110000637
【氏名又は名称】特許業務法人樹之下知的財産事務所
(72)【発明者】
【氏名】原 慎一
【審査官】東 治企
(56)【参考文献】
【文献】特表２０１３－５０５４５２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－０２５４８３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－２２９０６６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－０２１７５８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６３－１２０３１４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０６－２８９９１５（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｓ ７／４８－７／５１
Ｇ０１Ｓ １７／００－１７／９５
Ｇ０１Ｂ ９／００－１１／３０
Ｇ０１Ｃ ３／００－３／３２
Ｇ０５Ｄ ３／００－３／２０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射された出射光とターゲットで反射された反射光との光軸ずれ量を検出する光軸ずれ検出部と、
入力されるトルク指令に基づいて前記レーザ光源を回転させる回転機構と、
前記レーザ光源が回転する角速度を検出する角速度検出部と、
前記光軸ずれ量に基づいて速度指令を出力する速度指令部と、
前記速度指令と前記角速度との速度偏差を積分する積分器を有し、前記速度偏差の積分値に基づいて積分制御値を算出し、前記積分制御値を含む前記トルク指令を出力するトルク指令部と、
前記光軸ずれ量および前記角速度の各絶対値がそれぞれ閾値以下に到達した場合に、前記積分器を初期状態にリセットするリセット部と、を備えることを特徴とするレーザ追尾装置。
【請求項2】
請求項１に記載のレーザ追尾装置であって、前記リセット部は、前記光軸ずれ量および前記角速度がそれぞれ０に到達した場合に、前記積分器をリセットすることを特徴とするレーザ追尾装置。
【請求項3】
レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射された出射光とターゲットで反射された反射光との光軸ずれ量を検出する光軸ずれ検出部と、
入力されるトルク指令に基づいて前記レーザ光源を回転させる回転機構と、
前記レーザ光源が回転する角速度を検出する角速度検出部と、
前記光軸ずれ量に基づいて速度指令を出力する速度指令部と、
前記速度指令と前記角速度との速度偏差を積分する積分器を有し、前記速度偏差の積分値に基づいて積分制御値を算出し、前記積分制御値を含む前記トルク指令を出力するトルク指令部と、を備えるレーザ追尾装置において、
前記光軸ずれ量および前記角速度の各絶対値がそれぞれ閾値以下に到達した場合に、前記積分器を初期状態にリセットする処理を実施することを特徴とするレーザ追尾装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、レーザ追尾装置およびレーザ追尾装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、移動体に固定されたターゲットに対してレーザ光を照射し、ターゲットを追尾するようにレーザ光の照射方向を変更するレーザトラッカー等のレーザ追尾装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載のレーザトラッカーは、レーザ干渉計と、レーザ干渉計から出力されるレーザ光（出射光）の光軸方向を任意の方向に向ける二軸回転機構と、ターゲットとしての再帰反射体で反射された戻り光（反射光）の光軸のずれを検出する検出センサーとを備える。このレーザトラッカーは、検出センサーによって出射光と入射光とのずれを検出し、出射光と入射光とが同軸となるように二軸回転機構をフィードバック制御し、再帰反射体の中心に出射光が照射されるように追尾させる。
特許文献１に記載のレーザトラッカーは、レーザ干渉計と、レーザ干渉計から出力されるレーザ光（出射光）の光軸方向を任意の方向に向ける二軸回転機構と、ターゲットとしての再帰反射体で反射された戻り光（反射光）の光軸のずれを検出する検出センサーとを備える。このレーザトラッカーは、検出センサーによって出射光と入射光とのずれを検出し、出射光と入射光とが同軸となるように二軸回転機構をフィードバック制御し、再帰反射体の中心に出射光が照射されるように追尾させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２００９－２２９０６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、特許文献１等に記載のレーザトラッカーは、工作機械や三次元測定装置において、テーブルに対する主軸の動的位置を測定することに用いられる場合がある。このような場合、主軸に設けられたターゲットは一方向へ移動するのみではなく、一旦停止してから逆方向へ移動することがある。
しかし、特許文献１等に記載のレーザトラッカーでは、ターゲットが停止前とは逆方向に移動再開する場合、停止前と同じ方向に移動再開する場合に比べて、ターゲットの移動再開に応じる応答速度が遅く、ターゲットに対するレーザ光の追尾遅れ量が大きくなる。すなわち、特許文献１等に記載のレーザトラッカーでは、ターゲットが移動停止と移動再開を繰り返す際、ターゲットの移動方向に応じて追尾特性のばらつきが生じる。
しかし、特許文献１等に記載のレーザトラッカーでは、ターゲットが停止前とは逆方向に移動再開する場合、停止前と同じ方向に移動再開する場合に比べて、ターゲットの移動再開に応じる応答速度が遅く、ターゲットに対するレーザ光の追尾遅れ量が大きくなる。すなわち、特許文献１等に記載のレーザトラッカーでは、ターゲットが移動停止と移動再開を繰り返す際、ターゲットの移動方向に応じて追尾特性のばらつきが生じる。
【0005】
本発明は、追尾特性のばらつきを抑制可能なレーザ追尾装置およびレーザ追尾装置の制御方法を提供することを目的する。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明のレーザ追尾装置は、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射された出射光とターゲットで反射された反射光との光軸ずれ量を検出する光軸ずれ検出部と、入力されるトルク指令に基づいて前記レーザ光源を回転させる回転機構と、前記レーザ光源が回転する角速度を検出する角速度検出部と、前記光軸ずれ量に基づいて速度指令を出力する速度指令部と、前記速度指令と前記角速度との速度偏差を積分する積分器を有し、前記速度偏差の積分値に基づいて積分制御値を算出し、前記積分制御値を含む前記トルク指令を出力するトルク指令部と、前記光軸ずれ量および前記角速度の各絶対値がそれぞれ閾値以下に到達した場合に、前記積分器を初期状態にリセットするリセット部と、を備えることを特徴とする。
【0007】
本発明では、速度指令部が、光軸ずれ検出部に検出された光軸ずれ量に基づいて速度指令を出力し、トルク指令部が、角速度検出部に検出された角速度と速度指令との速度偏差を積分器によって積分する。そして、トルク指令部は、速度偏差の積分値に基づいて積分制御値を算出し、当該積分制御値を含むトルク指令を出力する。
ターゲットが移動開始した際、積分器が速度偏差の積分値を蓄積して積分制御値を増加させることにより、回転機構に始動トルクを発生させるトルク指令が出力される。これにより、レーザ光源がターゲットの動的位置を追尾するように、回転機構が駆動制御される。
ターゲットが移動開始した際、積分器が速度偏差の積分値を蓄積して積分制御値を増加させることにより、回転機構に始動トルクを発生させるトルク指令が出力される。これにより、レーザ光源がターゲットの動的位置を追尾するように、回転機構が駆動制御される。
【0008】
ここで、仮に、従来技術と同様に積分器がリセットされない場合、ターゲットが移動を一旦停止した後においても、積分器は回転機構に始動トルクを発生させるために蓄積した積分値を維持しており、積分制御値は、０（リセット値）ではなく所定値に維持される。
よって、ターゲットが移動停止前とは逆の方向に移動再開する場合、トルク指令部は、所定値に維持されている積分制御値を、当該所定値とは正負が逆の値（回転機構に逆方向の始動トルクを発生させる値）にまで変化させる必要がある。このため、ターゲットが移動再開してから回転機構が始動するまでにかかる時間が、初回のターゲット移動開始時と比べて長くなる。
一方、ターゲットが移動停止前と同じ方向に移動再開する場合、トルク指令部は、所定値に維持されていた積分制御値を利用できるため、回転機構を回転させるためのトルク指令を即座に出力できる。このため、ターゲットが移動再開してから回転機構が始動するまでにかかる時間が、初回のターゲット移動開始時と比べて短くなる。
よって、ターゲットが移動停止前とは逆の方向に移動再開する場合、トルク指令部は、所定値に維持されている積分制御値を、当該所定値とは正負が逆の値（回転機構に逆方向の始動トルクを発生させる値）にまで変化させる必要がある。このため、ターゲットが移動再開してから回転機構が始動するまでにかかる時間が、初回のターゲット移動開始時と比べて長くなる。
一方、ターゲットが移動停止前と同じ方向に移動再開する場合、トルク指令部は、所定値に維持されていた積分制御値を利用できるため、回転機構を回転させるためのトルク指令を即座に出力できる。このため、ターゲットが移動再開してから回転機構が始動するまでにかかる時間が、初回のターゲット移動開始時と比べて短くなる。
【0009】
これに対して、本発明では、リセット部が光軸ずれ量および角速度の各絶対値が各閾値以下に到達した場合に、積分器を初期状態にリセットする。なお、光軸ずれ量および角速度の各閾値は、任意に設定できるが、例えば回転機構が回転を停止する直前に到達する範囲内に設定してもよいし、０に設定してもよい。
このような構成によれば、ターゲットが移動を一旦停止した後、停止前と逆の方向に移動再開する場合、または、停止前とは同じ方向に移動再開する場合のいずれであっても、トルク指令部は、積分制御値をリセット値から変化させればよい。このため、ターゲットが移動再開してから回転機構が始動するまでにかかる時間、すなわちターゲットの移動再開に応じる応答速度は、上記両者の場合で互いに等しくなる。これにより、レーザトラッカーでは、ターゲットの移動方向による追尾特性のばらつきが抑制される。
このような構成によれば、ターゲットが移動を一旦停止した後、停止前と逆の方向に移動再開する場合、または、停止前とは同じ方向に移動再開する場合のいずれであっても、トルク指令部は、積分制御値をリセット値から変化させればよい。このため、ターゲットが移動再開してから回転機構が始動するまでにかかる時間、すなわちターゲットの移動再開に応じる応答速度は、上記両者の場合で互いに等しくなる。これにより、レーザトラッカーでは、ターゲットの移動方向による追尾特性のばらつきが抑制される。
【0010】
本発明のレーザ追尾装置において、前記リセット部は、前記光軸ずれ量および前記角速度がそれぞれ０に到達した場合に、前記積分器をリセットすることが好ましい。
本発明では、ターゲットが移動停止せず一方向への移動を継続する場合には、積分制御値が維持されるため、応答性の低下を抑制できる。
本発明では、ターゲットが移動停止せず一方向への移動を継続する場合には、積分制御値が維持されるため、応答性の低下を抑制できる。
【0011】
本発明のレーザ追尾装置の制御方法は、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射された出射光とターゲットで反射された反射光との光軸ずれ量を検出する光軸ずれ検出部と、入力されるトルク指令に基づいて前記レーザ光源を回転させる回転機構と、前記レーザ光源が回転する角速度を検出する角速度検出部と、前記光軸ずれ量に基づいて速度指令を出力する速度指令部と、前記速度指令と前記角速度との速度偏差を積分する積分器を有し、前記速度偏差の積分値に基づいて積分制御値を算出し、前記積分制御値を含む前記トルク指令を出力するトルク指令部と、を備えるレーザ追尾装置において、前記光軸ずれ量および前記角速度の各絶対値がそれぞれ閾値以下に到達した場合に、前記積分器を初期状態にリセットする処理を実施することを特徴とする。
本発明によれば、上述した本発明のレーザ追尾装置による効果と同様の効果を奏することができる。
本発明によれば、上述した本発明のレーザ追尾装置による効果と同様の効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本発明の一実施形態に係るレーザトラッカーの構成を示す模式図。
【図2】本実施形態のレーザトラッカーの内部構成を示すブロック図。
【図3】本実施形態のレーザトラッカーの第１駆動制御部を示すブロック図。
【図4】本実施形態のレーザトラッカーの第２駆動制御部を示すブロック図。
【図5】本実施形態のレーザトラッカーにおける駆動制御方法を示すフローチャート。
【図6】比較例におけるターゲットの位置、第１モータの角速度、光軸ずれ量、および、トルク指令について、経時変化の例を示すグラフである。
【図7】比較例におけるターゲットの位置、第１モータの角速度、光軸ずれ量、および、トルク指令について、経時変化の他の例を示すグラフである。
【図8】本実施形態におけるターゲットの位置、第１モータの角速度、光軸ずれ量、および、トルク指令について、経時変化の例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明の一実施形態について説明する。
図１において、本実施形態のレーザトラッカー１は、三次元空間を移動するターゲット６の動的位置を追尾しつつ、レーザトラッカー１からターゲット６までの距離を測長する装置である。
ターゲット６は、例えばレトロリフレクタなどの再帰反射体であり、移動機構（図示省略）のヘッド５に装着される。移動機構がヘッド５を駆動することにより、ターゲット６は三次元空間を移動する。移動機構の具体例としては、ヘッド５としての主軸をテーブルに対して三次元移動させる工作機械や三次元測定装置等が挙げられる。
図１において、本実施形態のレーザトラッカー１は、三次元空間を移動するターゲット６の動的位置を追尾しつつ、レーザトラッカー１からターゲット６までの距離を測長する装置である。
ターゲット６は、例えばレトロリフレクタなどの再帰反射体であり、移動機構（図示省略）のヘッド５に装着される。移動機構がヘッド５を駆動することにより、ターゲット６は三次元空間を移動する。移動機構の具体例としては、ヘッド５としての主軸をテーブルに対して三次元移動させる工作機械や三次元測定装置等が挙げられる。
【0014】
［レーザトラッカー１の構成］
図１および図２を参照して、レーザトラッカー１の構成について説明する。
レーザトラッカー１は、二軸回転機構２と、二軸回転機構２によって支持されたレーザ干渉計３と、二軸回転機構２を駆動制御する制御部４と備える。
図１および図２を参照して、レーザトラッカー１の構成について説明する。
レーザトラッカー１は、二軸回転機構２と、二軸回転機構２によって支持されたレーザ干渉計３と、二軸回転機構２を駆動制御する制御部４と備える。
【0015】
二軸回転機構２は、図１に示すように、ベース２１、第１支持部２２および第２支持部２３を備える。
ベース２１は、例えば工作機械や三次元測定装置等のステージ上に載置（または固定）される。
第１支持部２２は、ベース２１によって軸Ａ１を回転中心として回転可能に支持されている。軸Ａ１は、例えば、ステージの上面に対して直交する軸となる。
第２支持部２３は、第１支持部２２によって軸Ａ２を回転中心として回転可能に支持されている。軸Ａ２は、軸Ａ１に対して交差（本実施形態では直交）する軸である。
軸Ａ１と軸Ａ２との交点は、レーザトラッカー１における測定基準点となる。
ベース２１は、例えば工作機械や三次元測定装置等のステージ上に載置（または固定）される。
第１支持部２２は、ベース２１によって軸Ａ１を回転中心として回転可能に支持されている。軸Ａ１は、例えば、ステージの上面に対して直交する軸となる。
第２支持部２３は、第１支持部２２によって軸Ａ２を回転中心として回転可能に支持されている。軸Ａ２は、軸Ａ１に対して交差（本実施形態では直交）する軸である。
軸Ａ１と軸Ａ２との交点は、レーザトラッカー１における測定基準点となる。
【0016】
また、二軸回転機構２は、図２に示すように、第１駆動部２４および第２駆動部２５を備える。
第１駆動部２４は、第１支持部２２を回転駆動する第１モータ２４１と、第１支持部２２の回転角を検出する第１エンコーダ２４２とを有する。第１エンコーダ２４２は、所定の原点位置からの第１支持部２２の回転角（方位角θ）を検出する。
第２駆動部２５は、第２支持部２３を回転駆動する第２モータ２５１と、第２支持部２３の回転角を検出する第２エンコーダ２５２とを有する。第２エンコーダ２５２は、所定の原点位置からの第２支持部２３の回転角（仰角φ）を検出する。
第１駆動部２４は、第１支持部２２を回転駆動する第１モータ２４１と、第１支持部２２の回転角を検出する第１エンコーダ２４２とを有する。第１エンコーダ２４２は、所定の原点位置からの第１支持部２２の回転角（方位角θ）を検出する。
第２駆動部２５は、第２支持部２３を回転駆動する第２モータ２５１と、第２支持部２３の回転角を検出する第２エンコーダ２５２とを有する。第２エンコーダ２５２は、所定の原点位置からの第２支持部２３の回転角（仰角φ）を検出する。
【0017】
レーザ干渉計３は、図１に示すように、二軸回転機構２の第２支持部２３に支持されている。レーザ干渉計３の姿勢は、第１支持部２２および第２支持部２３の各回転によって変更される。具体的には、レーザ干渉計３によるレーザ光の出射方向は、第１支持部２２の回転によって方位角が変更され、第２支持部２３の回転によって仰角が変更される。
【0018】
また、レーザ干渉計３は、図２に示すように、レーザ光源３１、受光部３２および光軸ずれ検出部３３を備える。
レーザ光源３１は、任意の方角（方位角θ、仰角φ）に向けてレーザ光（出射光Ｌｏ）を出射する。ターゲット６で再帰反射されたレーザ光（反射光Ｌｒ）は、レーザ干渉計３に入射する。
受光部３２は、出射光Ｌｏと反射光Ｌｒとの干渉光を受光して、干渉光に応じた受光信号を制御部４に出力する。
レーザ光源３１は、任意の方角（方位角θ、仰角φ）に向けてレーザ光（出射光Ｌｏ）を出射する。ターゲット６で再帰反射されたレーザ光（反射光Ｌｒ）は、レーザ干渉計３に入射する。
受光部３２は、出射光Ｌｏと反射光Ｌｒとの干渉光を受光して、干渉光に応じた受光信号を制御部４に出力する。
【0019】
光軸ずれ検出部３３は、出射光Ｌｏと反射光Ｌｒとの間の光軸ずれ量を検出し、制御部４に出力する。光軸ずれ検出部３３が検出する光軸ずれ量は、第１支持部２２の回転方向（方位角方向）の光軸ずれ量ｄ１と、第２支持部２３の回転方向（仰角方向）の光軸ずれ量ｄ２（図１参照）とを含んでいる。
なお、光軸ずれ検出部３３の具体的構成については、従来の構成を利用できる。例えば特開２００７－３０９６７７号公報に記載された構成を採用する場合、光軸ずれ検出部３３は、出射光Ｌｏと反射光Ｌｒとのそれぞれを半透過鏡によって光スポット位置検出素子に反射させ、光スポット位置検出素子における出射光Ｌｏのスポット位置と反射光Ｌｒのスポット位置との位置のずれ量を検出する。
なお、光軸ずれ検出部３３の具体的構成については、従来の構成を利用できる。例えば特開２００７－３０９６７７号公報に記載された構成を採用する場合、光軸ずれ検出部３３は、出射光Ｌｏと反射光Ｌｒとのそれぞれを半透過鏡によって光スポット位置検出素子に反射させ、光スポット位置検出素子における出射光Ｌｏのスポット位置と反射光Ｌｒのスポット位置との位置のずれ量を検出する。
【0020】
制御部４は、図２に示すように、レーザ干渉計３および二軸回転機構２にそれぞれ接続されており、測長部４１、第１駆動制御部４２および第２駆動制御部４３を有する。
測長部４１は、レーザ干渉計３からの受光信号に基づいて測定基準点からターゲット６までの距離を演算する。
測長部４１は、レーザ干渉計３からの受光信号に基づいて測定基準点からターゲット６までの距離を演算する。
【0021】
第１駆動制御部４２および第２駆動制御部４３は、レーザ干渉計３から出射されるレーザ光がターゲット６を追尾するように二軸回転機構２を駆動制御する。
具体的には、第１駆動制御部４２が、方位角方向に対し、光軸ずれ量ｄ１に基づいて第１モータ２４１を駆動制御する。第２駆動制御部４３は、仰角方向に対し、光軸ずれ量ｄ２に基づいて第２モータ２５１を駆動制御する。
具体的には、第１駆動制御部４２が、方位角方向に対し、光軸ずれ量ｄ１に基づいて第１モータ２４１を駆動制御する。第２駆動制御部４３は、仰角方向に対し、光軸ずれ量ｄ２に基づいて第２モータ２５１を駆動制御する。
【0022】
［駆動制御部の構成］
次に、第１駆動制御部４２および第２駆動制御部４３の各構成について説明する。なお、第１駆動制御部４２および第２駆動制御部４３は、駆動制御対象が異なること以外、ほぼ同様の構成を有する。このため、以下では、図３を参照して、主に第１駆動制御部４２について説明する。
次に、第１駆動制御部４２および第２駆動制御部４３の各構成について説明する。なお、第１駆動制御部４２および第２駆動制御部４３は、駆動制御対象が異なること以外、ほぼ同様の構成を有する。このため、以下では、図３を参照して、主に第１駆動制御部４２について説明する。
【0023】
図３に示すように、第１駆動制御部４２は、角速度検出部４２１、速度指令部４２２、トルク指令部４２３およびリセット部４２４を有している。
角速度検出部４２１は、第１エンコーダ２４２により検出された方位角θの変化から、レーザ干渉計３の軸Ａ１周りの回転角度（回転量）を算出し、単位時間当たりの回転角度からレーザ干渉計３の角速度（回転速度）ω１を算出する。
角速度検出部４２１は、第１エンコーダ２４２により検出された方位角θの変化から、レーザ干渉計３の軸Ａ１周りの回転角度（回転量）を算出し、単位時間当たりの回転角度からレーザ干渉計３の角速度（回転速度）ω１を算出する。
【0024】
速度指令部４２２は、光軸ずれ検出部３３から受信した光軸ずれ量ｄ１と目標値０との位置偏差に基づいた比例制御によって、第１モータ２４１の目標速度を示す角速度指令ωｒ１を算出する。
【0025】
トルク指令部４２３は、角速度検出部４２１に検出された角速度ω１と角速度指令ωｒ１との速度偏差に基づいた比例積分制御によって、第１モータ２４１に発生させるトルクに応じたトルク指令Ｔｅ１を算出する。
具体的には、トルク指令部４２３は、角速度ω１と角速度指令ωｒ１との差である速度偏差を算出し、当該速度偏差を比例制御指令とする。また、速度偏差の積分値を算出し、当該積分値に対して積分ゲインを乗算することによって、積分制御値を算出する。そして、積分制御値と比例制御指令との和に対して所定のゲインを乗算することによってトルク指令Ｔｅ１を算出し、第１モータ２４１に出力する。
ここで、トルク指令部４２３は、速度偏差の積分値を演算するための積分器４４を含んで構成されている。
具体的には、トルク指令部４２３は、角速度ω１と角速度指令ωｒ１との差である速度偏差を算出し、当該速度偏差を比例制御指令とする。また、速度偏差の積分値を算出し、当該積分値に対して積分ゲインを乗算することによって、積分制御値を算出する。そして、積分制御値と比例制御指令との和に対して所定のゲインを乗算することによってトルク指令Ｔｅ１を算出し、第１モータ２４１に出力する。
ここで、トルク指令部４２３は、速度偏差の積分値を演算するための積分器４４を含んで構成されている。
【0026】
以上の構成によれば、光軸ずれ量ｄ１が０になるように算出されたトルク指令Ｔｅ１が第１モータ２４１に入力される。第１モータ２４１は、入力されたトルク指令Ｔｅ１に応じたトルクを発生し、第１支持部２２を回転駆動する。これにより、第１支持部２２の回転方向（方位角方向）において、出射光Ｌｏがターゲット６を追尾することができる。
【0027】
リセット部４２４は、積分器４４の積分コンデンサの電荷を放電するリセット回路を含んで構成されており、光軸ずれ量ｄ１および角速度ω１がそれぞれ０に到達したタイミングにおいて、トルク指令部４２３の積分器４４を初期状態にリセットする。
リセット部４２４により積分器４４がリセットされると、積分器４４が算出する速度偏差の積分値は０になり、当該積分値に積分ゲインを乗算して算出される積分制御値も０になる。
リセット部４２４により積分器４４がリセットされると、積分器４４が算出する速度偏差の積分値は０になり、当該積分値に積分ゲインを乗算して算出される積分制御値も０になる。
【0028】
以上の説明は、方位角θを仰角φに、光軸ずれ量ｄ１を光軸ずれ量ｄ２に読み替えて、第２駆動制御部４３に適用できる。
具体的には、図４に示すように、第２駆動制御部４３は、角速度検出部４３１、速度指令部４３２、トルク指令部４３３およびリセット部４３４を有している。角速度検出部４３１は、第２エンコーダ２５２により検出された仰角φの変化から仰角方向の角速度ω２を算出し、速度指令部４３２は、光軸ずれ量ｄ２に基づいて角速度指令ωｒ２を算出する。トルク指令部４３３は、角速度ω２および角速度指令ωｒ２に基づいて、第２モータ２５１へのトルク指令Ｔｅ２を算出する。リセット部４３４は、光軸ずれ量ｄ２および角速度ω２がそれぞれ０に到達したタイミングにおいて、トルク指令部４３３の積分器４５を初期状態にリセットする。
具体的には、図４に示すように、第２駆動制御部４３は、角速度検出部４３１、速度指令部４３２、トルク指令部４３３およびリセット部４３４を有している。角速度検出部４３１は、第２エンコーダ２５２により検出された仰角φの変化から仰角方向の角速度ω２を算出し、速度指令部４３２は、光軸ずれ量ｄ２に基づいて角速度指令ωｒ２を算出する。トルク指令部４３３は、角速度ω２および角速度指令ωｒ２に基づいて、第２モータ２５１へのトルク指令Ｔｅ２を算出する。リセット部４３４は、光軸ずれ量ｄ２および角速度ω２がそれぞれ０に到達したタイミングにおいて、トルク指令部４３３の積分器４５を初期状態にリセットする。
【0029】
［駆動制御方法］
図５に示すフローチャートを参照し、第１駆動制御部４２を例として、第１モータ２４１の駆動制御方法について説明する。
図５に示すように、レーザトラッカー１を起動すると、第１駆動制御部４２は、方位角方向において、出射光Ｌｏと反射光Ｌｒとの光軸ずれ量ｄ１が０になるように、第１モータ２４１を駆動制御し、出射光Ｌｏの出射方向を調整してターゲット６に位置合わせする（ステップＳ１）。
図５に示すフローチャートを参照し、第１駆動制御部４２を例として、第１モータ２４１の駆動制御方法について説明する。
図５に示すように、レーザトラッカー１を起動すると、第１駆動制御部４２は、方位角方向において、出射光Ｌｏと反射光Ｌｒとの光軸ずれ量ｄ１が０になるように、第１モータ２４１を駆動制御し、出射光Ｌｏの出射方向を調整してターゲット６に位置合わせする（ステップＳ１）。
【0030】
その後、第１駆動制御部４２は、検出したターゲット６に対してレーザ光を追尾させる制御を開始する（ステップＳ２）。具体的には、角速度検出部４２１、速度指令部４２２およびトルク指令部４２３によって、光軸ずれ量ｄ１が０になるように算出したトルク指令Ｔｅ１を出力し、第１モータ２４１の駆動を制御する。
【0031】
追尾制御中、リセット部４２４は、光軸ずれ量ｄ１が０になったか否かを判断し（ステップＳ３）、ＹＥＳの場合、角速度ω１が０になったか否かを判断する（ステップＳ４）。ステップＳ４においてＹＥＳの場合、リセット部４２４は、積分器４４を初期状態にリセットし（ステップＳ５）、ステップＳ３に戻る。
すなわち、追尾制御中、リセット部４２４は、光軸ずれ量ｄ１および角速度ω１の監視を継続し、両方の値が０になった場合に積分器４４をリセットすることを繰り返す。
なお、ステップＳ３とステップＳ４とは逆の順序であってもよい。また、以上の説明は、第２駆動制御部４３による第２モータ２５１の駆動制御方法に対しても適用できる。
すなわち、追尾制御中、リセット部４２４は、光軸ずれ量ｄ１および角速度ω１の監視を継続し、両方の値が０になった場合に積分器４４をリセットすることを繰り返す。
なお、ステップＳ３とステップＳ４とは逆の順序であってもよい。また、以上の説明は、第２駆動制御部４３による第２モータ２５１の駆動制御方法に対しても適用できる。
【0032】
［比較例との比較］
本実施形態におけるレーザトラッカー１の追尾特性について、比較例を用いて具体的に説明する。
なお、比較例のレーザトラッカーは、本実施形態のリセット部４２４，４３４を備えないこと以外、本実施形態と同様の構成を備えるものとし、本実施形態と同じ符号を利用して説明を行う。また、以下では、第１モータ２４１を駆動制御する際の追尾特性を例として説明する。
本実施形態におけるレーザトラッカー１の追尾特性について、比較例を用いて具体的に説明する。
なお、比較例のレーザトラッカーは、本実施形態のリセット部４２４，４３４を備えないこと以外、本実施形態と同様の構成を備えるものとし、本実施形態と同じ符号を利用して説明を行う。また、以下では、第１モータ２４１を駆動制御する際の追尾特性を例として説明する。
【0033】
まず、比較例のレーザトラッカーについて説明する。
図６において、任意の時刻ｔ０にてターゲット６が一方向に移動開始し、光軸ずれ量ｄ１の絶対値が増加した場合、トルク指令Ｔｅ１は、光軸ずれ量ｄ１を０にするように算出されて増加する。トルク指令Ｔｅ１により発生するトルクが始動トルクを超えたとき（時刻ｔ１）、第１モータ２４１が始動し、角速度ω１の絶対値が増加を始める。なお、トルク指令Ｔｅ１は、積分器４４が速度偏差の積分値を蓄積して積分制御値を増加させることにより、始動トルクを超える値となる。
ここで、ターゲット６が移動開始した時刻から第１モータ２４１が始動する時刻までの時間を始動準備時間とする場合、時刻ｔ０から時刻ｔ１までが始動準備時間Ｔｐ１１となる。
そして、角速度ω１が所定速度に達した後（時刻ｔ２後）、比例制御されたトルク指令Ｔｅ１により、角速度ω１が安定し、光軸ずれ量ｄ１が一定の追尾遅れ量Ｄ１１で推移する。
図６において、任意の時刻ｔ０にてターゲット６が一方向に移動開始し、光軸ずれ量ｄ１の絶対値が増加した場合、トルク指令Ｔｅ１は、光軸ずれ量ｄ１を０にするように算出されて増加する。トルク指令Ｔｅ１により発生するトルクが始動トルクを超えたとき（時刻ｔ１）、第１モータ２４１が始動し、角速度ω１の絶対値が増加を始める。なお、トルク指令Ｔｅ１は、積分器４４が速度偏差の積分値を蓄積して積分制御値を増加させることにより、始動トルクを超える値となる。
ここで、ターゲット６が移動開始した時刻から第１モータ２４１が始動する時刻までの時間を始動準備時間とする場合、時刻ｔ０から時刻ｔ１までが始動準備時間Ｔｐ１１となる。
そして、角速度ω１が所定速度に達した後（時刻ｔ２後）、比例制御されたトルク指令Ｔｅ１により、角速度ω１が安定し、光軸ずれ量ｄ１が一定の追尾遅れ量Ｄ１１で推移する。
【0034】
任意の時刻ｔ３にてターゲット６の移動が停止した場合、光軸ずれ量ｄ１および角速度ω１がそれぞれ０に収束し始める。ここで、光軸ずれ量ｄ１および角速度ω１の各値が０に到達する時刻を時刻ｔ４とする。
【0035】
一方、トルク指令Ｔｅ１の絶対値は、ターゲット６の移動が停止した時刻ｔ３から減少を開始するが、０に収束する様子はなく、時刻ｔ４においても所定値を維持している。
これは、積分器４４が、始動トルクを発生させるために蓄積した積分値を維持していることに起因する。すなわち、時刻ｔ４において、トルク指令Ｔｅ１の成分である比例制御指令および積分制御値のうち、比例制御指令は０に収束しているが、積分制御値は所定値を維持している。
これは、積分器４４が、始動トルクを発生させるために蓄積した積分値を維持していることに起因する。すなわち、時刻ｔ４において、トルク指令Ｔｅ１の成分である比例制御指令および積分制御値のうち、比例制御指令は０に収束しているが、積分制御値は所定値を維持している。
【0036】
その後、任意の時刻ｔ５にてターゲット６が停止前と同じ方向に移動再開した場合、積分器４４には積分値が蓄積されているため、トルク指令Ｔｅ１は、小幅の変化によって、始動トルクを超えるトルクを発生させる値となり、第１モータ２４１が始動する（時刻ｔ６）。この場合の始動準備時間Ｔｐ１２（時刻ｔ５から時刻ｔ６）は、初回の始動準備時間Ｔｐ１１（時刻ｔ０から時刻ｔ１）よりも短くなる。また、移動再開後のターゲット６の速度が初回移動時の速度と同じ場合、移動再開後の追尾遅れ量Ｄ１２は、初回の追尾遅れ量Ｄ１１よりも小さくなる。
【0037】
一方、図７に示すように、任意の時刻ｔ５にてターゲット６が停止前とは逆方向に移動再開した場合、トルク指令Ｔｅ１は、プラス側（またはマイナス側）の所定値からマイナス側（またはプラス側）の所定値（第１モータ２４１に逆方向の始動トルクを発生させる値）にまで変化する。この変化のための時間により、始動準備時間Ｔｐ１３（時刻ｔ５からｔ６）は、初回の始動準備時間Ｔｐ１１（時刻ｔ０から時刻ｔ１）よりも長くなる。また、移動再開後のターゲット６の速度が初回移動時の速度と同じ場合、移動再開後の追尾遅れ量Ｄ１３は、初回の追尾遅れ量Ｄ１１よりも大きくなる。
【0038】
以上のように、比較例のレーザトラッカーでは、ターゲット６が停止前とは逆方向に移動再開する場合、停止前と同じ方向に移動再開する場合に比べて、ターゲット６の移動再開に応じる第１モータ２４１の応答速度が遅くなる。また、移動再開後のターゲット６の速度が初回移動時の速度と同じ場合であっても、ターゲット６に対する追尾遅れ量が大きくなる。
【0039】
次に、本実施形態のレーザトラッカー１について説明する。
本実施形態では、図８に示すように、ターゲット６が移動停止して光軸ずれ量ｄ１および角速度ω１の各値が０に到達する時刻ｔ４の直前まで、比較例と同様の駆動制御が行われる。具体的には、トルク指令Ｔｅ１の絶対値は、ターゲット６の移動が停止した時刻ｔ３から減少を開始するが、０に収束する様子はなく、時刻ｔ４の直前まで所定以上の積分制御値を維持している。
本実施形態では、図８に示すように、ターゲット６が移動停止して光軸ずれ量ｄ１および角速度ω１の各値が０に到達する時刻ｔ４の直前まで、比較例と同様の駆動制御が行われる。具体的には、トルク指令Ｔｅ１の絶対値は、ターゲット６の移動が停止した時刻ｔ３から減少を開始するが、０に収束する様子はなく、時刻ｔ４の直前まで所定以上の積分制御値を維持している。
【0040】
しかし、本実施形態では、時刻ｔ４にて光軸ずれ量ｄ１および角速度ω１の各値が０に到達すると、リセット部４２４が上述したステップＳ３～Ｓ５の処理を実施する。これにより、時刻ｔ４において、トルク指令Ｔｅ１は０になる。
【0041】
その後、任意の時刻ｔ５にて、ターゲット６が移動再開したとき、積分器４４はリセットされた状態にある。このため、ターゲット６が停止前と同じ方向に移動再開する場合（図８中の点線）、および、ターゲット６が停止前とは逆方向に移動再開する場合（図８中の実線）のいずれの場合であっても、トルク指令Ｔｅ１は初期値の０から変化する。そして、トルク指令Ｔｅ１により発生するトルクが始動トルクを超えたとき（時刻ｔ６）、第１モータ２４１が始動する。
【0042】
このような本実施形態では、図８における点線または実線のいずれの場合であっても、第１モータ２４１が始動するための始動準備時間Ｔｐ２（時刻ｔ５からｔ６）は、初回の始動準備時間Ｔｐ１（時刻ｔ０から時刻ｔ１）と等しくなる。すなわち、ターゲット６の移動再開に応じる第１モータ２４１の応答速度は、両者の場合で互いに等しくなる。
また、移動再開後のターゲット６の速度が初回移動時の速度と同じ場合、図８における点線または実線のいずれの場合であっても、ターゲット６が移動再開した後の追尾遅れ量Ｄ２ａ，Ｄ２ｂは、初回の追尾遅れ量Ｄ１と等しくなる。
したがって、本実施形態のレーザトラッカー１では、比較例のレーザトラッカーと比べて、ターゲット６の移動方向による追尾特性のばらつきが抑制される。
また、移動再開後のターゲット６の速度が初回移動時の速度と同じ場合、図８における点線または実線のいずれの場合であっても、ターゲット６が移動再開した後の追尾遅れ量Ｄ２ａ，Ｄ２ｂは、初回の追尾遅れ量Ｄ１と等しくなる。
したがって、本実施形態のレーザトラッカー１では、比較例のレーザトラッカーと比べて、ターゲット６の移動方向による追尾特性のばらつきが抑制される。
【0043】
［本実施形態の効果］
本実施形態のレーザトラッカー１において、リセット部４２４は、光軸ずれ量ｄ１および角速度ω１の各絶対値が０に到達した場合に積分器４４を初期状態にリセットする。同様に、リセット部４３４は、光軸ずれ量ｄ２および角速度ω２の各絶対値が０に到達した場合に積分器４５を初期状態にリセットする。
このため、ターゲット６が停止前と逆の方向に移動再開する場合、または、停止前と同じ方向に移動再開する場合のいずれの場合であっても、トルク指令部４２３，４３３は、積分制御値をリセット値から変化させればよい。このため、本実施形態のレーザトラッカー１において、ターゲット６の移動再開に応じる応答速度は、上記両者の場合で互いに等しくなる。これにより、レーザトラッカー１では、ターゲット６の移動方向による追尾特性のばらつきが抑制される。
また、本実施形態では、ターゲット６が移動停止せず一方向への移動を継続する場合には、積分制御値が維持されるため、応答性の低下を抑制できる。
本実施形態のレーザトラッカー１において、リセット部４２４は、光軸ずれ量ｄ１および角速度ω１の各絶対値が０に到達した場合に積分器４４を初期状態にリセットする。同様に、リセット部４３４は、光軸ずれ量ｄ２および角速度ω２の各絶対値が０に到達した場合に積分器４５を初期状態にリセットする。
このため、ターゲット６が停止前と逆の方向に移動再開する場合、または、停止前と同じ方向に移動再開する場合のいずれの場合であっても、トルク指令部４２３，４３３は、積分制御値をリセット値から変化させればよい。このため、本実施形態のレーザトラッカー１において、ターゲット６の移動再開に応じる応答速度は、上記両者の場合で互いに等しくなる。これにより、レーザトラッカー１では、ターゲット６の移動方向による追尾特性のばらつきが抑制される。
また、本実施形態では、ターゲット６が移動停止せず一方向への移動を継続する場合には、積分制御値が維持されるため、応答性の低下を抑制できる。
【0044】
［変形例］
なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲の変形等は本発明に含まれるものである。
なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲の変形等は本発明に含まれるものである。
【0045】
上記実施形態において、リセット部４２４は、光軸ずれ量ｄ１および角速度ω１が０に到達した場合に、積分器４４をリセットするが、本発明はこれに限られない。
例えば、リセット部４２４は、光軸ずれ量ｄ１および角速度ω１の各絶対値がそれぞれ閾値以下に到達した場合に、積分器４４をリセットしてもよい。なお、光軸ずれ量ｄ１および角速度ω１の各閾値は、任意に設定できるが、例えば第１モータ２４１が回転を停止する直前に到達する値に設定してもよい。
このような変形例では、第１モータ２４１が完全に回転を停止する前に積分器４４をリセットすることで、ターゲット６が移動再開してから回転機構が始動するまでにかかる時間をより短縮できる。
例えば、リセット部４２４は、光軸ずれ量ｄ１および角速度ω１の各絶対値がそれぞれ閾値以下に到達した場合に、積分器４４をリセットしてもよい。なお、光軸ずれ量ｄ１および角速度ω１の各閾値は、任意に設定できるが、例えば第１モータ２４１が回転を停止する直前に到達する値に設定してもよい。
このような変形例では、第１モータ２４１が完全に回転を停止する前に積分器４４をリセットすることで、ターゲット６が移動再開してから回転機構が始動するまでにかかる時間をより短縮できる。
【0046】
また、上記実施形態において、リセット部４２４は、光軸ずれ量ｄ１および角速度ω１の各絶対値が０に到達し、その後、光軸ずれ量ｄ１が直前とは正負逆の値に変化した場合に、積分器４４をリセットしてもよい。なお、積分器４４をリセットするタイミングは、光軸ずれ量ｄ１が直前とは正負逆の値に変化したことを検出した直後のタイミングであることが好ましい。
このような変形例では、ターゲット６が停止前と同じ方向に移動再開する場合、積分制御値がリセットされず、積分制御値は蓄積された所定値から変化する。このため、ターゲット６の移動再開に応じる応答速度を、初回のターゲット移動開始時よりも向上できる。一方、ターゲット６が停止前とは逆の方向に移動再開する場合、リセット部４２４は、光軸ずれ量ｄ１が直前とは正負逆の値に変化したことを検出したタイミングで積分器４４をリセットする。これにより、積分制御値をリセット値から変化させることができるため、積分器４４をリセットせずに積分制御値が所定値から比例積分制御により変化する場合よりも、ターゲット６の移動再開に応じる応答速度を向上できる。
上記変形例では、ターゲット６が停止前と同じ方向に移動再開する場合と、ターゲット６が停止前とは逆の方向に移動再開する場合との間で、ターゲット６を追尾する応答速度の差異があるが、当該差異は従来技術よりも低減されたものである。
このため、ターゲット６が停止前と同じ方向に移動再開する場合における応答速度を重視する場合には、このような変形例をとってもよい。
このような変形例では、ターゲット６が停止前と同じ方向に移動再開する場合、積分制御値がリセットされず、積分制御値は蓄積された所定値から変化する。このため、ターゲット６の移動再開に応じる応答速度を、初回のターゲット移動開始時よりも向上できる。一方、ターゲット６が停止前とは逆の方向に移動再開する場合、リセット部４２４は、光軸ずれ量ｄ１が直前とは正負逆の値に変化したことを検出したタイミングで積分器４４をリセットする。これにより、積分制御値をリセット値から変化させることができるため、積分器４４をリセットせずに積分制御値が所定値から比例積分制御により変化する場合よりも、ターゲット６の移動再開に応じる応答速度を向上できる。
上記変形例では、ターゲット６が停止前と同じ方向に移動再開する場合と、ターゲット６が停止前とは逆の方向に移動再開する場合との間で、ターゲット６を追尾する応答速度の差異があるが、当該差異は従来技術よりも低減されたものである。
このため、ターゲット６が停止前と同じ方向に移動再開する場合における応答速度を重視する場合には、このような変形例をとってもよい。
【0047】
なお、リセット部４２４について上述した各変形例は、リセット部４３４についても同様に適用できる。
【0048】
上記実施形態において、レーザトラッカー１は、レーザ干渉計３を回転させる二軸回転機構２を有するものであるが、本発明はこれに限られない。すなわち、レーザトラッカー１は、レーザ干渉計３を回転させる一軸回転機構を有していてもよく、レーザ光の出射方向は、方位角または仰角いずれかが変更されてもよい。
【0049】
上記実施形態では、本発明のレーザ追尾装置として、ターゲット６に対してレーザ光を追尾させて、ターゲット６と測定基準点との距離を計測するレーザトラッカー１を例示したが、これに限定されない。例えば、本発明のレーザ追尾装置は、測長機能を有さず、ターゲット６を追尾するのみの装置であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【0050】
本発明は、ターゲットに対してレーザ光を追尾させるレーザ追尾装置およびレーザトラッカー等に利用できる。
【符号の説明】
【0051】
１…レーザトラッカー、２…二軸回転機構、２１…ベース、２２…第１支持部、２３…第２支持部、２４…第１駆動部、２４１…第１モータ、２４２…第１エンコーダ、２５…第２駆動部、２５１…第２モータ、２５２…第２エンコーダ、３…レーザ干渉計、３１…レーザ光源、３２…受光部、３３…光軸ずれ検出部、４…制御部、４１…測長部、４２…第１駆動制御部、４３…第２駆動制御部、４２１，４３１…角速度検出部、４２２，４３２…速度指令部、４２３，４３３…トルク指令部、４２４，４３４…リセット部、４４…積分器、５…ヘッド、６…ターゲット、Ａ１，Ａ２…軸、ｄ１，ｄ２…光軸ずれ量、Ｄ１，Ｄ２ａ，Ｄ２ｂ，Ｄ１１，Ｄ１２，Ｄ１３…追尾遅れ量、Ｌｏ…出射光、Ｌｒ…反射光、ｔ１～ｔ５…時刻、Ｔｅ１，Ｔｅ２…トルク指令、θ…方位角、φ…仰角、ω１，ω２…角速度、ωｒ１，ωｒ２…角速度指令。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】