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JP4713263B2 - Mobile tracking optical space communication system - Google Patents
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Description

本発明は、相対位置姿勢が大きく変化し得る送信端末と受信端末間で空間中にレーザー光を伝播させて通信を行う光空間通信システムにおいて、送信端末と受信端末間の相対位置・姿勢を送信端末及び受信端末内部の情報のみを基にして推定し光軸合わせのためのフィードバック制御則を推定値に応じて調整することにより光軸の一致を安定的に維持することの可能な移動追尾式光空間通信システムに関するものである。   The present invention transmits a relative position and orientation between a transmitting terminal and a receiving terminal in an optical space communication system in which laser light is propagated in space between a transmitting terminal and a receiving terminal in which the relative position and orientation can change greatly. A movement tracking type capable of stably maintaining the coincidence of the optical axes by adjusting the feedback control law for optical axis alignment according to the estimated value by estimating based only on the information inside the terminal and the receiving terminal The present invention relates to an optical space communication system.

例えばビル−ビル間光空間通信のような通常の光空間通信では2つの送受信機を固定的に対向配置し風や振動などによる微小な軸ズレの影響を補正するメカニズムが採用されている。一方、端末の移動を伴う光空間通信では広範囲な相対位置変化に伴う軸ズレに対応する光軸調整機構が不可欠となる(例えば、非特許文献1参照。)。この場合送受信機間の距離や向きの変化を光軸調整サーボシステムに正しく反映させることが軸合わせの精度を保つ上で重要となる。このことは仮に送受信機の180度の相対的な向きの変化が無視されれば光軸調整のフィードバックが逆方向に作用しサーボ機構の用を成さないことを考えれば明らかである。このような相対位置・姿勢情報を例えば1つの移動局に対して複数の固定局を用意して三角測量の原理で提供することが考えられるが、構成が冗長であり周囲の状況によっては常に三角測量が可能であるとは限らない。また、端末の移動による光軸のズレをフィードバックにより抑制する場合、移動速度等に応じた基準位置からのオフセットが発生するという問題も生じてくる。   For example, in a normal optical space communication such as a building-to-building optical space communication, a mechanism is adopted in which two transmitters / receivers are fixedly arranged opposite to each other to correct the influence of a small axis shift caused by wind or vibration. On the other hand, in optical space communication involving movement of a terminal, an optical axis adjustment mechanism that corresponds to an axial shift accompanying a wide range of relative position changes is indispensable (see, for example, Non-Patent Document 1). In this case, it is important to accurately reflect the change in the distance and direction between the transceivers in the optical axis adjustment servo system in order to maintain the alignment accuracy. This is apparent from the fact that if the change in the relative direction of 180 degrees of the transmitter / receiver is ignored, the feedback of the optical axis adjustment acts in the reverse direction and does not use the servo mechanism. It is conceivable that such relative position / attitude information is provided by the principle of triangulation by preparing a plurality of fixed stations for one mobile station, for example. Surveying is not always possible. Further, when the deviation of the optical axis due to the movement of the terminal is suppressed by feedback, there arises a problem that an offset from the reference position according to the moving speed or the like occurs.

Koichi Yoshida,Tatsuro Yano,and Takeshi Tsujimura:“Automatic Optical Axis Alignment for Active Free Space Optics”,SICE Annual Conference in Sapporo,August4-6,2004,Hokkaido Institute of Tecnology,Japan,p.2035-2040Koichi Yoshida, Tatsuro Yano, and Takeshi Tsujimura: “Automatic Optical Axis Alignment for Active Free Space Optics”, SICE Annual Conference in Sapporo, August 4-6, 2004, Hokkaido Institute of Tecnology, Japan, p.2035-2040

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、新たな外部装置などを用いることなく送受信機内部の情報のみに基いてダイナミックに変化する送信端末と受信端末間の相対位置と姿勢を推定し光軸合わせのためのフィードバック制御則をオンラインで調整して光軸の一致を安定的に維持することを可能にする移動追尾式光空間通信システムを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and estimates the relative position and orientation between a transmitting terminal and a receiving terminal that change dynamically based only on information inside the transceiver without using a new external device or the like. It is an object of the present invention to provide a mobile tracking optical space communication system that can adjust a feedback control law for optical axis alignment online to stably maintain optical axis coincidence.

上記目的を達成するために本発明の移動追尾式光空間通信システムは、相対位置が変化し得る移動端末と静止端末との間で空間中にレーザ光を伝播させて通信を行う光空間通信システムであって、これらの端末のうち送信側となる端末に送信用レーザ光源によるレーザ光の発射方向(パン・チルト角)が調整可能なように2自由度の第1の可動式反射鏡を備え、受信側となる端末に前記送信側となる端末から到達したレーザ光の向きを調整し直列に配置された2つのビームスプリッタへ導く2自由度の第2の可動式反射鏡と最初のビームスプリッタにより2分した一方の分岐光を次のビームスプリッタによりさらに2分したレーザ光それぞれの照射位置を検知する2つのPSD(Position Sensing Device)を備え、最初のビームスプリッタによる他方の分岐光を受信用PD(Photo Detector)で受光することが可能な光空間通信システムにおいて、
前記静止端末からみた移動端末の三次元位置ベクトルと、前記静止端末からみた移動端末の相対姿勢をノルム1の四元数で表したベクトルとを合わせた7次元の相対位置姿勢ベクトルに、各々が三次元で表される、前記静止端末からみた移動端末の相対速度、移動端末の角速度、加速度及び角加速度ベクトルを加えた19次元の状態ベクトルを定義し、
前記第1及び第2の可動式反射鏡の角度と前記PSDにより捉えられたビームスポット位置の時系列データ上で時間的に隣り合う2組のデータを同じ相対位置姿勢で観測されたデータとみなした等式と、前記移動端末上に設置された慣性センサにより得られる加速度及び角速度に関する等式及び四元数のノルムが1に拘束される等式から導出される観測方程式を基に拡張カルマンフィルタを構成して前記状態ベクトルを推定し、
前記ビームスポット位置の基準位置からの誤差をフィードバックして光軸合わせを行うために用意された、前記第1及び第2の可動式反射鏡の角度と前記PSDにより捉えられたビームスポット位置とを関連付けるヤコビ行列で表される制御則を、前記拡張カルマンフィルタにより推定された状態ベクトルに含まれる相対位置姿勢ベクトルにより逐次更新することを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, a mobile tracking optical space communication system according to the present invention is an optical space communication system that performs communication by propagating laser light in space between a mobile terminal and a stationary terminal whose relative position can change. Of these terminals, a terminal on the transmitting side is provided with a first movable reflector having two degrees of freedom so that the laser beam emission direction (pan / tilt angle) by the laser beam source for transmission can be adjusted. , the receiving side comprising a second movable reflecting mirror 2 degrees of freedom to adjust the orientation of the laser light arriving from said a transmitting terminal to a terminal leading to two beam splitters arranged in series and the first beam splitter Two PSDs (Position Sensing Devices) that detect the irradiation position of one of the split beams divided into two by the next beam splitter and further divided into two by the next beam splitter. In capable space optical communication system by receiving a split light by the receiving PD (Photo Detector),
Wherein the three-dimensional position vector of the mobile terminal as viewed from a stationary terminal, a 7-dimensional relative position and orientation vector relative posture by combining the vector expressed in quaternion norm first mobile terminal as viewed from the stationary terminal, are each A 19-dimensional state vector, which is expressed in three dimensions, is defined by adding the relative velocity of the mobile terminal viewed from the stationary terminal , the angular velocity of the mobile terminal , the acceleration, and the angular acceleration vector,
Regarded as the first and second movable mirror angle and the observed two sets of data adjacent on at the time the time-series data of the captured beam spot position by PSD at the same relative position and orientation data and equality and, an extended Kalman filter based on an observation equation that the equations and quaternion norm concerning the acceleration and angular velocity obtained by the installed inertial sensors on the mobile terminal is derived from the equations to be bound to 1 Construct and estimate the state vector;
Said prepared by feeding back an error from the reference position of the beam spot position in order to perform optical axis alignment, a beam spot position captured by the said first and second angles of movable mirror PSD The control law represented by the associated Jacobian matrix is sequentially updated with the relative position and orientation vector included in the state vector estimated by the extended Kalman filter .

また本発明は、前記移動追尾式光空間通信システムにおいて、前記拡張カルマンフィルタにより推定された状態ベクトルに含まれる、前記静止端末からみた移動端末の相対速度及び移動端末の角速度から追尾に必要な前記第1及び第2の可動式反射鏡の回転速度を逆算し、この算出された回転速度を当該第1及び第2の可動式反射鏡の回転速度指令値のバイアス値として用いて、前記移動端末の移動に伴う、受信側となる端末におけるビームスポット位置の予め設定した基準位置に対するオフセットを補正することを特徴とするものである。 The present invention, in the mobile tracking type optical wireless communication system, wherein included in the state vector estimated by extended Kalman filter, wherein the required tracking the relative velocity and the mobile terminal velocity of the mobile terminal as viewed from the stationary terminal back to find the rotational speed of the first and second movable mirror, with a rotational speed this calculated as the bias value of the rotational speed instruction value of the first and second movable mirror, the mobile terminal It is characterized in that the offset amount of the beam spot position at the receiving terminal with respect to the preset reference position accompanying the movement is corrected.

本発明によれば、移動を伴う光空間通信システムの送信端末と受信端末間の相対位置・姿勢を新たな外部装置等の付加なしに送信端末及び受信端末の内部情報のみによって検出可能という効果がある。   According to the present invention, it is possible to detect the relative position / attitude between the transmitting terminal and the receiving terminal of an optical space communication system involving movement only by internal information of the transmitting terminal and the receiving terminal without adding a new external device or the like. is there.

特に、端末の姿勢を表す四元数を組み合わせて状態ベクトルを定義し拡張カルマンフィルタを適用することによって耐ノイズ性に優れた相対位置・姿勢の滑らかな推定が可能となる。これにより光軸調整サーボシステムを適切に作動させることができるとともに移動局の現在位置情報に基いてユーザーにとって有益な情報を提供したり最も適切な固定局への切替を促したりするといった付加価値の創出が期待できるという効果がある。   In particular, by defining a state vector by combining quaternions representing the posture of the terminal and applying an extended Kalman filter, it is possible to smoothly estimate the relative position and posture with excellent noise resistance. As a result, the optical axis adjustment servo system can be properly operated, and the value added such as providing useful information for the user based on the current position information of the mobile station and prompting the switch to the most appropriate fixed station. There is an effect that the creation can be expected.

以下図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。
図1は本発明が対象とする移動追尾式光空間通信システムを示す構成説明図である。図1では送信端末側が移動する場合であり、送信端末11にはレーザー光Lを発射する送信用LD(Laser Diode)が設けられ、前記送信用LDからのレーザー光照射位置にはモーターD1の回転軸に取り付けられたミラー(反射鏡)M1が設けられる。前記モーターD1の回転軸に直交するように回転軸が配置されたモーターD2の回転軸にはミラーM2が設けられる。ミラーM2はミラーM1からの反射光が照射される位置に設けられる。この場合、送信用LDからのレーザー光Lの発射方向がモーターD2の回転軸方向になるように配置する。送信用LDからミラーM1上のモーターD1の回転軸に対応する位置にレーザー光Lを発射して、2自由度の可動式反射鏡であるミラーM1及びミラーM2での反射を経て受信側へ送出する。送信用LDによるレーザー光の発射方向(パン・チルト角)はモーターD1,D2を回転してミラーM1,M2の角度を変化させることにより調整できる。送信端末11には慣性センサ13が設けられ、慣性センサ13は送信端末11の移動に伴う加速度を検出する加速度センサ14及び角速度を検出する角速度センサ15より構成される。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating a mobile tracking optical space communication system targeted by the present invention. In FIG. 1, the transmission terminal side moves, and the transmission terminal 11 is provided with a transmission LD (Laser Diode) that emits a laser beam L, and the rotation of the motor D1 is positioned at the laser beam irradiation position from the transmission LD. A mirror (reflecting mirror) M1 attached to the shaft is provided. A mirror M2 is provided on the rotation axis of the motor D2 in which the rotation axis is arranged so as to be orthogonal to the rotation axis of the motor D1. The mirror M2 is provided at a position where the reflected light from the mirror M1 is irradiated. In this case, it arrange | positions so that the emission direction of the laser beam L from LD for transmission may turn into the rotating shaft direction of the motor D2. The laser beam L is emitted from the transmitting LD to a position corresponding to the rotation axis of the motor D1 on the mirror M1, and is transmitted to the receiving side after being reflected by the mirror M1 and the mirror M2, which are two-degree-of-freedom movable reflectors. To do. The emitting direction (pan / tilt angle) of the laser beam by the transmission LD can be adjusted by rotating the motors D1 and D2 to change the angles of the mirrors M1 and M2. The transmission terminal 11 is provided with an inertial sensor 13, and the inertial sensor 13 includes an acceleration sensor 14 that detects acceleration accompanying movement of the transmission terminal 11 and an angular velocity sensor 15 that detects angular velocity.

受信端末12に送信側から到達したレーザー光LはモーターD3の回転軸に取り付けられたミラーM3に入射される。前記モーターD3の回転軸に直交するように回転軸が配置されたモーターD4の回転軸にはミラーM4が設けられる。ミラーM4はミラーM3からの反射光が照射される位置に設けられる。ミラーM4からの反射光が照射される位置には直列に配置された2つのビームスプリッターS1,S2が設けられる。2自由度の可動式反射鏡であるミラーM3及びミラーM4は送信側から到達したレーザー光Lの向きを調整し直列に配置された2つのビームスプリッターS1,S2へ導く。最初のビームスプリッターS1により2分した一方の分岐光を次のビームスプリッターS2によりさらに2分したレーザー光Lそれぞれの照射位置には2つのPSD(Position Sensing Device)1,PSD2が設けられ、PSD1,PSD2はそれぞれレーザー光Lを検知する。最初のビームスプリッターS1による他方の分岐光を受光する位置には受信用PD(Photo Detector)が設けられる。   The laser light L reaching the receiving terminal 12 from the transmission side is incident on a mirror M3 attached to the rotation shaft of the motor D3. A mirror M4 is provided on the rotation axis of the motor D4, the rotation axis of which is arranged so as to be orthogonal to the rotation axis of the motor D3. The mirror M4 is provided at a position where the reflected light from the mirror M3 is irradiated. Two beam splitters S1 and S2 arranged in series are provided at a position where the reflected light from the mirror M4 is irradiated. The mirrors M3 and M4, which are two-degree-of-freedom movable reflectors, adjust the direction of the laser light L that has arrived from the transmission side and guide it to two beam splitters S1 and S2 arranged in series. Two PSDs (Position Sensing Devices) 1 and PSD2 are provided at the irradiation positions of the laser light L, which is obtained by dividing one branched light divided by the first beam splitter S1 and further divided into two by the next beam splitter S2. Each PSD 2 detects the laser beam L. A receiving PD (Photo Detector) is provided at a position where the other branched light from the first beam splitter S1 is received.

送信端末11及び受信端末12にはそれぞれ制御部C1,C2が設けられ、電波または赤外線などによる通常の無線LANにより互いの情報を交換できるようなインターフェイスを持っている。   The transmission terminal 11 and the reception terminal 12 are provided with control units C1 and C2, respectively, and have interfaces that can exchange information with each other by a normal wireless LAN using radio waves or infrared rays.

いま、受信端末12への到達光がミラーM3で反射されさらにミラーM4で反射されたレーザー光が直列に配置された2つのビームスプリッターS1,S2を貫通するようにモーターD3,D4の回転角が調整されているものとする。このときビームスプリッターS1のプリズム斜面P1に対する受信用PDの鏡像をPD′、ビームスプリッターS2のプリズム斜面P2に対するPSD2の鏡像をPSD2′とするとき、PSD1とPSD2′が重ならないように配置されていればミラーM4からの反射光とPD′の光軸との関係はミラーM4からの反射光とPSD1及びPSD2′受光面との交点の座標によりパラメトライズされることがわかる。従って、ミラーM4からの反射光とPDの光軸が一致する場合の2つのPSD1及びPDS2上のレーザースポット座標を基準点とすれば、送信端末11及び受信端末12の相対位置が変化して光軸が外れたときもPSD1及びPDS2上のレーザースポットが基準点に戻るようにモーターM3,M4の回転角を調整することにより常に光軸を一致させることが可能となる。   Now, the rotation angle of the motors D3 and D4 is such that the light reaching the receiving terminal 12 is reflected by the mirror M3 and the laser light reflected by the mirror M4 passes through the two beam splitters S1 and S2 arranged in series. It shall be adjusted. At this time, when the mirror image of the receiving PD with respect to the prism slope P1 of the beam splitter S1 is PD 'and the mirror image of PSD2 with respect to the prism slope P2 of the beam splitter S2 is PSD2', the PSD1 and PSD2 'are arranged so as not to overlap. For example, the relationship between the reflected light from the mirror M4 and the optical axis of PD ′ is parametrized by the coordinates of the intersection of the reflected light from the mirror M4 and the PSD1 and PSD2 ′ light receiving surfaces. Accordingly, if the laser spot coordinates on the two PSDs 1 and PDS2 when the reflected light from the mirror M4 coincides with the optical axis of the PD are used as reference points, the relative positions of the transmission terminal 11 and the reception terminal 12 change and the light Even when the axis is off, the optical axes can always be matched by adjusting the rotation angles of the motors M3 and M4 so that the laser spots on the PSD1 and PDS2 return to the reference point.

本発明の第1の実施形態例は以下の通りである。
図1に示すような光空間通信システムにおいて、送信端末11からみた受信端末12の位置ベクトルに相対姿勢をノルム1の四元数で表したものを合わせた7次元の位置姿勢ベクトルに相対速度、角速度、加速度及び角加速度ベクトルを加えた19次元の状態ベクトルを定義し、可動式反射鏡であるミラーM1〜M4の角度とPSD1及びPSD2により捉えられたビームスポット位置の時系列データ上で時間的に隣り合う2組をある時刻において同時に観測されたものとみなした等式と移動端末11上に設置された慣性センサ13の加速度センサ14及び角速度センサ15の出力に関する等式及び四元数のノルムに関する等式から導出される観測方程式を基に拡張カルマンフィルタを構成して前記状態ベクトルを推定し、ビームスポットの基準位置からの誤差をフィードバックして光軸合わせを行うための制御則を推定された相対位置姿勢により調整する移動追尾式光空間通信システムを提供することができる。前記拡張カルマンフィルタを構成して状態ベクトルを推定するのは、制御部C1,C2で実行される。また、前記制御則は、制御部C1,C2の中で演算処理されるもので、状態推定の結果に応じてそのパラメータが変化する。
The first embodiment of the present invention is as follows.
In the optical space communication system as shown in FIG. 1, the relative velocity is set to a 7-dimensional position / orientation vector obtained by combining the position vector of the receiving terminal 12 viewed from the transmission terminal 11 with the relative attitude represented by the quaternion of the norm 1. A 19-dimensional state vector is defined by adding angular velocity, acceleration, and angular acceleration vector, and the time of the time series data on the angle of the mirrors M1 to M4, which are movable reflectors, and the beam spot position captured by PSD1 and PSD2 That are considered to be observed simultaneously at a certain time, equations for the outputs of the acceleration sensor 14 and the angular velocity sensor 15 of the inertial sensor 13 installed on the mobile terminal 11, and the norm of the quaternion The state vector is estimated by constructing an extended Kalman filter based on the observation equation derived from the equation for It is possible to provide a mobile tracking type optical wireless communication system for adjusting the estimated relative position and orientation of the control law for performing optical axis alignment by feeding back the error from reference position. The control units C1 and C2 execute the extended Kalman filter to estimate the state vector. Further, the control law is calculated in the control units C1 and C2, and its parameters change according to the result of state estimation.

すなわち、送信端末11及び受信端末12のモーターD1〜D4の回転角をΘ(=[θ…θ)、並進3自由度回転3自由度の相対位置姿勢をX∈Rとしたときの2つのPSD1、PSD2上のビームスポット位置Y=[yを次のように表す。
Y=h(X,Θ) (1)
That is, the rotation angle of the motors D1 to D4 of the transmission terminal 11 and the reception terminal 12 is Θ (= [θ 1 ... Θ 4 ] T ), and the relative position and orientation of the translational 3 degrees of freedom rotation 3 degrees of freedom is X∈R 6 . The beam spot position Y = [y 1 y 2 ] T on the two PSD1 and PSD2 is expressed as follows.
Y = h (X, Θ) (1)

モーター回転角の変化によるビームスポットの変化に比べて相対位置姿勢の変化によるYへの影響を無視できるものとすれば、モーター回転速度とYの時間微分との関係はヤコビ行列Jを用いて次のように記述できる。

Figure 0004713263
If the influence on the Y due to the change of the relative position and posture is negligible compared to the change of the beam spot due to the change of the motor rotation angle, the relationship between the motor rotation speed and the time derivative of Y is Can be described as follows.
Figure 0004713263

このとき、光軸の一致を得るためのモーターへの制御則を次のように設計できる。

Figure 0004713263
ただし、κは比例ゲイン、Yは光軸が一致している場合の基準となるPSD1、PSD2出力値ベクトルを表している。具体的なJの計算法は非特許文献1に記述されている。一方、制御則中のJは送信端末11及び受信端末12の相対位置姿勢Xの関数となっておりこれが変化していく場合にはその適切な推定値をオンラインで得る必要がある。2つのPSD1、PSD2出力の瞬時値データだけではミラーM2からミラーM3へ至る光線方向の距離とその周りの回転角を決定することはできないが、送信端末11側モーターD1,D2の微小変化に対応するPSD1、PSD2上のビームスポットの微小変化に対応させることができればその距離と回転角が求められ従って送信端末11及び受信端末12の相対位置姿勢が決定できることになる。この概念的な推定法は拡張カルマンフィルタを用いることによってシステマティックに実現できる。 At this time, the control law for the motor to obtain the coincidence of the optical axes can be designed as follows.
Figure 0004713263
However, kappa p is a proportional gain, Y 0 represents the PSD1, PSD2 output value vector as a reference when the optical axes are coincident. A specific calculation method of J is described in Non-Patent Document 1. On the other hand, J in the control law is a function of the relative position and orientation X of the transmitting terminal 11 and the receiving terminal 12, and when this changes, it is necessary to obtain an appropriate estimated value online. Although only the instantaneous value data of the PSD1 and PSD2 outputs cannot determine the distance in the direction of the light beam from the mirror M2 to the mirror M3 and the rotation angle around it, it corresponds to the minute change of the motor D1 and D2 on the transmission terminal 11 side. If the beam spot on PSD1 and PSD2 can be made to cope with a minute change, the distance and the rotation angle can be obtained. Therefore, the relative position and orientation of the transmission terminal 11 and the reception terminal 12 can be determined. This conceptual estimation method can be systematically realized by using an extended Kalman filter.

送信端末Σからみた受信端末Σの位置と姿勢を受信端末12上のPSD1、PSD2で捉えられたビームスポット軌跡の時系列測定値から拡張カルマンフィルタを用いて推定する。ただし、回転(姿勢)行列はノルム1の四元数
q=[q(qq=1)により表現する。ノルム1の複素数が2次元の回転を表すようにノルム1の四元数は3次元の回転を表すことができ、回転行列との間に次のような関係式が成立する。

Figure 0004713263
It estimated using an extended Kalman filter from the time series measurements of beam trajectories captured by PSD1, PSD2 on position and receiving the attitude terminal 12 of the receiving terminal sigma R as viewed from the transmitting terminal sigma T. However, the rotation (posture) matrix is expressed by a quaternion q = [q 1 q 2 q 3 q 4 ] T (q T q = 1) of the norm 1. The quaternion of norm 1 can represent a three-dimensional rotation so that the complex number of norm 1 represents a two-dimensional rotation, and the following relational expression holds between the rotation matrix and the quaternion.
Figure 0004713263

ここで、r=[xyz]を含め推定すべき位置姿勢に関する状態ベクトルχを次のように再定義する。

Figure 0004713263
Here, the state vector χ related to the position and orientation to be estimated including r = [xyz] T is redefined as follows.
Figure 0004713263

さらに、ΣからみたΣの移動速度ベクトルをυ=[υυυ,Σ上で定義される加速度、角速度、角加速度ベクトルをそれぞれα=[ααα,ω=[ωωω,Ω=[ΩΩΩとし、これらを合わせた状態ベクトルをΧで表す。

Figure 0004713263
Furthermore, sigma T a moving velocity vector of the viewed from Σ R υ = [υ x υ y υ z] T, Σ acceleration defined on R, angular velocity, respectively the angular acceleration vector α = [α 1 α 2 α 3 T , ω = [ω 1 ω 2 ω 3 ] T , Ω = [Ω 1 Ω 2 Ω 3 ] T, and a state vector obtained by combining these is represented by Χ.
Figure 0004713263

このとき、qの時間微分はωと次のような関係式で結ばれている。

Figure 0004713263
At this time, the time derivative of q is connected to ω by the following relational expression.
Figure 0004713263

ここでχを十分小さなサンプリング時間dtで離散化することを考えて位置姿勢の変化に関するダイナミックな状態遷移モデルを次のように導入する。

Figure 0004713263
各変数の添え字κは時系列上のサンプリング数を示す。ミラーM1〜M4の回転角とPSD1、PSD2上のビームスポット位置それぞれの微小変化量を対応させるため、1サンプリング時間でのΧκの変化は微小であると仮定し連続する2サンプルの観測データ(Yκ−1,Θκ−1),(Yκ,Θκ)はΧκのときに同時に観測されたデータとみなす。また、移動端末は加速度と角速度を検出可能であるものとすれば観測方程式は次のように構成される。
Figure 0004713263
Here, considering that χ is discretized with a sufficiently small sampling time dt, a dynamic state transition model relating to a change in position and orientation is introduced as follows.
Figure 0004713263
The subscript κ of each variable indicates the number of samplings in time series. To correspond to the rotation angle and PSD1, each small variation beam spot position on PSD2 mirror M1 to M4, 2 samples of observation data assuming continuous with changes in the chi kappa at 1 sampling time is small ( Y κ-1, Θ κ- 1), (Y κ, Θ κ) is regarded as the same time observed data when the chi kappa. If the mobile terminal can detect acceleration and angular velocity, the observation equation is constructed as follows.
Figure 0004713263

観測ベクトル最後の要素は姿勢を表す四元数qのノルムが1であることに対応している。w,νはそれぞれシステムノイズと観測ノイズベクトルを表す。   The last element of the observation vector corresponds to the norm of the quaternion q representing the posture being 1. w and ν represent system noise and observation noise vector, respectively.

ここで、wκ,νκは平均値ベクトル0で互いに独立としその共分散行列がそれぞれΣ,Συで与えられるものとすれば次のような拡張カルマンフィルタを適用することにより状態推定が可能となる。

Figure 0004713263
Here, if w κ and ν κ are independent of each other by the mean value vector 0 and their covariance matrices are given by Σ w and Σ υ , respectively, state estimation can be performed by applying the following extended Kalman filter. It becomes.
Figure 0004713263

従って、移動端末11の位置姿勢χがオンラインで推定できるため式(3)のヤコブ行列Jの計算にはこの推定値を用いることができる。また、ここでは拡張カルマンフィルタによる推定に加速度センサ14と角速度センサ15を用いたが、他の慣性センサ(システム)に置き換えた場合でも観測方程式をこれに合わせて書き換えることにより同様な推定が可能となる。例えば、複数の加速度センサを用いた場合Σからみた2つの加速度センサの位置をr,r、それぞれのセンサ出力をα,αとすると、
R(q)(α−α)=Ω×(r−r)+ω×(ω×(r−r))が成り立つためωやΩを推定するのに必要な加速度センサの配置や出力成分を考慮して観測方程式を構成すればよい。
Therefore, since the position and orientation χ of the mobile terminal 11 can be estimated online, this estimated value can be used for the calculation of the Jacob matrix J of Equation (3). Here, the acceleration sensor 14 and the angular velocity sensor 15 are used for the estimation by the extended Kalman filter. However, even if the acceleration sensor 14 and the angular velocity sensor 15 are replaced with other inertial sensors (systems), the same estimation can be performed by rewriting the observation equation accordingly. . For example, r 1 to the position of the two acceleration sensors viewed from when sigma R using a plurality of acceleration sensors, r 2, the respective sensor output alpha 1, when the alpha 2,
Since R (q) (α 2 −α 1 ) = Ω × (r 2 −r 1 ) + ω × (ω × (r 2 −r 1 )) holds, the acceleration sensor necessary for estimating ω and Ω What is necessary is just to comprise an observation equation in consideration of arrangement and output components.

次に、本発明の第2の実施形態例について説明する。
本発明の第1の実施形態例に係る移動追尾式光空間通信システムにおいて、拡張カルマンフィルタにより推定された移動端末11の相対速度と角速度から追尾に必要な可動式反射鏡M1〜M4の回転速度を逆算し、前記可動式反射鏡M1〜M4の回転速度指令値のバイアス値として用いてビームスポットの端末11の移動に伴う基準位置からのオフセットを補正する移動追尾式光空間通信システムを提供することができる。
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
In the mobile tracking optical space communication system according to the first embodiment of the present invention, the rotational speeds of the movable reflectors M1 to M4 required for tracking are calculated from the relative speed and angular speed of the mobile terminal 11 estimated by the extended Kalman filter. Provided is a mobile tracking optical space communication system that reversely calculates and corrects an offset of a beam spot from a reference position associated with movement of a terminal 11 using a bias value of a rotational speed command value of the movable reflectors M1 to M4. Can do.

式(1)の時間微分においてΧの変化の影響が無視できない場合、式(2)に代わって次式について考える必要がある。

Figure 0004713263
If the influence of wrinkle change cannot be ignored in the time differentiation of equation (1), it is necessary to consider the following equation instead of equation (2).
Figure 0004713263

このとき、式(3)を用いれば

Figure 0004713263
の影響を無視できない場合、式(14)の第2項がY→Yの収束にオフセットとして表れ軸ズレの要因となる。そこで、次の制御則を考える。
Figure 0004713263
ただし、
Figure 0004713263
は拡張カルマンフィルタによる推定値を用いればよい。また、
Figure 0004713263
は式(13)Hκの部分行列を用いることができる。式(15)を式(14)へ代入すれば、
Figure 0004713263
の推定値が正しい場合、これによるオフセットの影響を相殺してY→Yを得ることが分かる。 At this time, if Expression (3) is used,
Figure 0004713263
If the influence of the above cannot be ignored, the second term of the equation (14) appears as an offset in the convergence of Y → Y 0 and becomes a factor of axis deviation. Therefore, consider the following control law.
Figure 0004713263
However,
Figure 0004713263
The estimated value by the extended Kalman filter may be used. Also,
Figure 0004713263
Can use the submatrix of Equation (13) H κ . Substituting equation (15) into equation (14),
Figure 0004713263
If the estimated value is correct, it can be seen that Y → Y 0 is obtained by offsetting the influence of the offset.

なお、本発明は、上記実施形態例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。また、上記実施形態例に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態例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。更に、異なる実施形態例に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the above embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiment examples may be appropriately combined.

本発明が対象とする移動追尾式光空間通信システムを示す構成説明図である。It is a configuration explanatory view showing a mobile tracking optical space communication system targeted by the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

11…送信端末、12…受信端末、13…慣性センサ、14…加速度センサ、15…角速度センサ、LD…レーザーダイオード(レーザー光源)、D1〜D4…モーター、M1〜M4…ミラー、PD…ホトディテクタ、PSD1,PSD2…ポジションセンスデバイス、S1,S2…ビームスプリッター、C1,C2…制御部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Transmission terminal, 12 ... Reception terminal, 13 ... Inertial sensor, 14 ... Acceleration sensor, 15 ... Angular velocity sensor, LD ... Laser diode (laser light source), D1-D4 ... Motor, M1-M4 ... Mirror, PD ... Photo detector , PSD1, PSD2 ... position sense device, S1, S2 ... beam splitter, C1, C2 ... control unit.

Claims (2)

相対位置が変化し得る移動端末と静止端末との間で空間中にレーザ光を伝播させて通信を行う光空間通信システムであって、送信側となる端末に送信用レーザ光源によるレーザ光の発射方向(パン・チルト角)が調整可能なように2自由度の第1の可動式反射鏡を備え、受信側となる端末に前記送信側となる端末から到達したレーザ光の向きを調整し直列に配置された2つのビームスプリッタへ導く2自由度の第2の可動式反射鏡と最初のビームスプリッタにより2分した一方の分岐光を次のビームスプリッタによりさらに2分したレーザ光それぞれの照射位置を検知する2つのPSD(Position Sensing Device)を備え、最初のビームスプリッタによる他方の分岐光を受信用PD(Photo Detector)で受光することが可能な光空間通信システムにおいて、
前記静止端末からみた移動端末の三次元位置ベクトルと、前記静止端末からみた移動端末の相対姿勢をノルム1の四元数で表したベクトルとを合わせた7次元の相対位置姿勢ベクトルに、各々が三次元で表される、前記静止端末からみた移動端末の相対速度、移動端末の角速度、加速度及び角加速度ベクトルを加えた19次元の状態ベクトルを定義し、
前記第1及び第2の可動式反射鏡の角度と前記PSDにより捉えられたビームスポット位置の時系列データ上で時間的に隣り合う2組のデータを同じ相対位置姿勢で観測されたデータとみなした等式と、前記移動端末上に設置された慣性センサにより得られる加速度及び角速度に関する等式及び四元数のノルムが1に拘束される等式から導出される観測方程式を基に拡張カルマンフィルタを構成して前記状態ベクトルを推定し、
前記ビームスポット位置の基準位置からの誤差をフィードバックして光軸合わせを行うために用意された、前記第1及び第2の可動式反射鏡の角度と前記PSDにより捉えられたビームスポット位置とを関連付けるヤコビ行列で表される制御則を、前記拡張カルマンフィルタにより推定された状態ベクトルに含まれる相対位置姿勢ベクトルにより逐次更新することを特徴とする移動追尾式光空間通信システム。
An optical spatial communication system that performs communication by propagating a laser beam in space between a mobile terminal and a stationary terminal whose relative position can change, and emitting a laser beam from a transmitting laser light source to a terminal serving as a transmission side A first movable reflector with two degrees of freedom is provided so that the direction (pan / tilt angle) can be adjusted, and the direction of the laser light reaching from the terminal serving as the transmitting side is adjusted in series to the terminal serving as the receiving side. Irradiation position of each of the laser beams obtained by dividing one split light divided into two by the second beam splitter into the second beam splitter and the second movable reflector having two degrees of freedom guided to the two beam splitters arranged in In an optical space communication system that has two PSDs (Position Sensing Devices) that detect light and can receive the other branched light from the first beam splitter by a receiving PD (Photo Detector) ,
Wherein the three-dimensional position vector of the mobile terminal as viewed from a stationary terminal, a 7-dimensional relative position and orientation vector relative posture by combining the vector expressed in quaternion norm first mobile terminal as viewed from the stationary terminal, are each A 19-dimensional state vector, which is expressed in three dimensions, is defined by adding the relative velocity of the mobile terminal viewed from the stationary terminal , the angular velocity of the mobile terminal , the acceleration, and the angular acceleration vector,
Regarded as the first and second movable mirror angle and the observed two sets of data adjacent on at the time the time-series data of the captured beam spot position by PSD at the same relative position and orientation data and equality and, an extended Kalman filter based on an observation equation that the equations and quaternion norm concerning the acceleration and angular velocity obtained by the installed inertial sensors on the mobile terminal is derived from the equations to be bound to 1 Construct and estimate the state vector;
Said prepared by feeding back an error from the reference position of the beam spot position in order to perform optical axis alignment, a beam spot position captured by the said first and second angles of movable mirror PSD A mobile tracking optical space communication system , wherein a control law represented by an associated Jacobian matrix is sequentially updated with a relative position and orientation vector included in a state vector estimated by the extended Kalman filter .
請求項1に記載の移動追尾式光空間通信システムにおいて、
前記拡張カルマンフィルタにより推定された状態ベクトルに含まれる、前記静止端末からみた移動端末の相対速度及び移動端末の角速度をもとに、追尾に必要な前記第1及び第2の可動式反射鏡の回転速度を逆算し、この算出された回転速度を当該第1及び第2の可動式反射鏡の回転速度指令値のバイアス値として用いて、前記移動端末の移動に伴う、受信側となる端末におけるビームスポット位置の予め設定した基準位置に対するオフセットを補正することを特徴とする移動追尾式光空間通信システム。
The mobile tracking optical space communication system according to claim 1,
The included in the state vector estimated by extended Kalman filter, based on the angular velocity of the relative velocity and the mobile terminal of the mobile terminal as viewed from the stationary terminal, the rotation of the first and second movable reflectors required tracking Backward calculation of the speed, and using the calculated rotation speed as a bias value of the rotation speed command value of the first and second movable reflectors , the beam at the terminal on the receiving side accompanying the movement of the mobile terminal A mobile tracking optical space communication system characterized by correcting an offset amount of a spot position with respect to a preset reference position.
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