JPH087621B2

JPH087621B2 - 光空間伝送システムのデュアルサーボ制御装置

Info

Publication number: JPH087621B2
Application number: JP1302016A
Authority: JP
Inventors: 博土井; 定廣津谷; 光仁亀井; 陽一郎前田
Original assignee: 工業技術院長
Priority date: 1989-11-22
Filing date: 1989-11-22
Publication date: 1996-01-29
Anticipated expiration: 2011-01-29
Also published as: JPH03163609A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は移動体との通信を光空間伝送方式で行う場
合の、レーザビームの方位制御技術に関するものであ
る。

［従来の技術］第７図は、例えば計測自動制御学会論文集vol.23,No.
10,PP.1017−1023（1987）で報告されている、従来のレ
ーザビームの方位制御装置の構成を示す斜視図である。
ただし、この文献には写真が掲載されていたため、ほぼ
同じ構成をもつ日本ロボット学会誌vol.6,No.1,PP.26−
34（1988）の図を用いて説明する。図において、（２）
はレーザビーム、（９）はレーザ発振器、（10）は追尾
ミラー、（41）はコリメート用レンズ、（42）は直角プ
リズム、（43）はハーフミラー、（44）は全反射ミラ
ー、（45）はこの追尾ミラー（10）を直交した２軸で駆
動するハーモニックギアをもった２台のステッピングモ
ータ、（46）は通信の相手側に設けられたコーナーキュ
ーブ、（47）は戻ってきたレーザビーム（２）を集光す
るレンズ、（48）は戻ってきたレーザビーム（２）の位
置を検出する二次元ポジションセンサである。

次に動作について説明する。

第７図において、レーザ発振器（９）より発射された
レーザビーム（２）は、コリメート用レンズ（41）、直
角プリズム（42）、ハーフミラー（43）及び全反射ミラ
ー（44）を経て、追尾ミラー（10）の中心に入る。追尾
ミラー（10）は直交した２台のステッピングモータ（4
5）によりハーモニックギアを介して駆動される。これ
によりレーザビーム（２）を三次元空間の任意の方位に
制御可能となる。レーザビーム（２）が相手側のコーナ
ーキューブ（46）を照射したとき、そこからの反射光は
コーナーキューブ（46）の中心からのずれ量の２倍だけ
ずれて、追尾ミラー（10）に戻される。そして全反射ミ
ラー（44）、ハーフミラー（43）を経てレンズ（47）で
集光され、二次元ポジションセンサ（48）により検出さ
れる。二次元ポジションセンサ（48）の受光位置情報
と、ステッピングモータ（45）の操作量から算出される
追尾ミラー（10）の角度情報を、図示されていないマイ
クロコンピュータに入力する。マイクロコンピュータで
は入力された情報からステッピングモータ（45）の操作
量を決定し、レーザービーム（２）がコーナーキューブ
（46）の中心を指向するよう、追尾ミラー（10）を制御
する。

第８図（ａ）（ｂ）は各々、コーナーキューブ（46）
を10m離した位置に設置し、半径0.26m,角速度57.3deg/s
で回転させた時の、ステッピングモータ（45）の直交す
る２軸の追従特性であり、横軸は、時間、縦軸はずれ角
を示し、第８図（ａ）はパン（水平）方向、第８図
（ｂ）はチルト（上下）方向のずれ角である。回転が一
定のところでは、±0.01deg以内で追従していることが
わかる。しかし、回転の最初のところでは、コーナーキ
ューブ（46）が大きな加速度をもつため、追従誤差が大
きくなっている。

［発明が解決しようとする課題］従来のレーザビームの方位制御装置は以下のように構
成されているので、大きな加速度をもつ移動体に対して
は追従誤差が大きくなる問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので、高速な応答と高い分解能を同時にもつ光空
間伝送システムのデュアルサーボ制御装置を得ることを
目的とする。

［課題を解決するための手段］この発明に係わる光空間伝送システムのデュアルサー
ボ制御装置は、受光されたレーザビームの位置を光位置
検出器で検出し、光位置検出器により検出されたビーム
位置と設定された指令位置との差に応じて、精密偏向系
により、発射するレーザビームを偏向制御する追尾ミラ
ーを回転させるとともに、この精密偏向系から出力され
た上記追尾ミラーの回転角を角度センサーにより検出し
て、この回転角に応じて、分解能が上記精密偏向系より
粗い粗偏向系により、上記精密偏向系と同軸上で、上記
追尾ミラーを回転させるようにしたものである。

［作用］この発明における光空間伝送システムのデュアルサー
ボ制御装置は、２種類の分解能の異なるアクチュエータ
を用い、両者を同時に制御することにより、高速な応答
と高い分解能を同時に達成する。

［実施例］以下、この発明の一実施例を図について説明する。第
１図はこの発明の一実施例による光空間伝送システムの
デュアルサーボ制御装置を示すブロック構成図である。
第１図において、（３）は受光されたレーザビームの位
置を検出する光位置検出器、（21）は移動体の走行に起
因する外乱ｄである。（22）は光位置検出器（３）によ
り検出されたビーム位置の偏差、（23）はｕ＝０に設定
されたデュアルサーボ制御装置の指令入力、（24）は比
例ゲインG_2p′，積分ゲインG_2iを有する比例積分制御器
である。（25）は伝達関数H₂（ｓ）を有する精密偏向系
であり、発射するレーザビームを偏向制御する追尾ミラ
ーを回転させる。（26）は精密偏向系（25）から出力さ
れた追尾ミラーの回転角θ_２、（27）は回転角Ｑ_２（2
6）を検出する角度センサ、（28）は比例ゲインG_1pを有
する比例制御器、（29）は伝達関数H₁（ｓ）を有する粗
偏向系であり、精密偏向系（25）と同軸上で、上記追尾
ミラーを回転させる。（30）は粗偏向系（29）から出力
された追尾ミラーの回転角θ_１、（31）は２台の対向す
る通信局間の距離Ｌである。

第２図は光空間伝送システムの基本構成を示す構成図
である。第２図において、（１）は通信を行なう送受信
部、（２）は送受信部（１）から発射されたレーザビー
ム、（３）は受光されたレーザビーム（２）の位置を検
出する光位置検出器、（４）はレーザビーム（２）を方
位制御する偏向系、（５）は通信局に姿勢の変動を与え
る姿勢変動発生部、（６）は通信局を移動させる移動体
である。２台の通信局は同一の構成をもち、対向して設
置されており、例えば、移動体（６）上に設けられたロ
ボット局（７）と、それに対向して設置された中継局
（８）からなる。

第３図は、光空間伝送システムにおけるレーザビーム
の方位制御動作を実現する偏向系の基本構成を示す構成
図である。第３図において、（２）はレーザビーム、
（３）は通信する相手側に設けられたレーザービーム
（２）の位置を検出するための光位置検出器、（９）は
レーザ発振器、（10）はレーザビーム（２）を方位制御
する追尾ミラー、（11）はレーザビーム（２）をパン
（水平）方向に方位制御する第１軸の粗偏向系、（12）
はレーザビーム（２）をチルト（上下）方向に方位制御
する第２軸の粗偏向系であり、これら粗偏向系は、例え
ばダイレクトドライブモータよりなる。（13）は第１軸
の粗偏向系（11）より高い分解能をもつ、パン（水平）
方向の第１軸の精密偏向系、（14）は第２軸の粗偏向系
（12）より高い分解能をもつ、チルト（上下）方向の第
２軸の精密偏向系であり、これら精密偏向系としては、
例えば分解能が0.006°以上のピエゾアクチュエータが
ある。対向している２台の通信局は同一の構成をしてお
り、第３図では省略しているが、レーザビーム（２）を
方位制御している通信局には光位置検出器（３）が、光
位置検出器（３）のある通信局にはレーザビーム（２）
を方位制御するシステムが設けられている。

また、第４図は精密偏向系と角度センサーの構成例を
示す構成図であり、パン（水平）方向、またはチルト
（上下）方向の何れか一方向について示している。第４
図において、（15）は支点、（16）はピエゾアクチュエ
ータ、（17）は間隔センサであり、追尾ミラー（10）と
の間隔を検出することにより、追尾ミラー（10）の回転
角を検出する。（18）は追尾ミラー（10）を、支点（1
5）とピエゾアクチュエータ（16）と共に支持するバネ
である。

次に、動作について説明する。

第２図において、ロボット局（７）の送受信部（１）
から発射されたレーザビーム（２）は追尾ミラー（10）
により反射され、中継局（８）の光位置検出器（３）で
その位置を検出される。その結果は中継局（８）の送受
信部（１）から送信され、ロボット局（７）の送受信部
（１）で受信され、レーザビーム（２）の方位制御を行
う偏向系（４）にフィードバックされる。同一の動作は
中継局（８）から発射されたレーザビーム（２）につい
ても行われる。レーザビーム（２）はいくつかの波長を
設けることが可能であり、通信データはその波長から適
宜利用すればよい。また、光位置検出器（３）で検出さ
れる用途に１波長を使用することも可能である。姿勢変
動発生部（５）は、移動体（６）上に設けられ、移動体
（６）の背面内の直交する２軸について正弦波の角度変
動を与え、脚歩行に伴う姿勢の変動を模擬する。

第３図において、レーザ発振器（９）より発射された
レーザビーム（２）は、追尾ミラー（10）により反射さ
れ、追尾ミラー（10）を介して、第１軸の粗偏向系（1
1）、第２軸の粗偏向系（12）、第１軸の精密偏向系（1
3）、及び第２軸の精密偏向系（14）の４個のアクチュ
エータにより方位制御されている。第１軸の粗偏向系
（11）及び第２の軸の粗偏向系（12）は、高速性が要求
される場合には、例えばダイレクトドライブモータが用
いられる。また、第１軸の精密偏向系（13）及び第２軸
の精密偏向系（14）は、例えばピエゾアクチュエータで
構成される。レーザビーム（２）は通信の相手側に設け
られた光位置検出器（３）を照射し、光位置検出器
（３）の中心とレーザビーム（２）の中心との偏差がｘ
偏差（水平方向）、ｙ偏差（上下方向）として出力され
る。この出力は、図示されていない光送信器と光受信器
により、相手側から伝送され、レーザビーム（２）の方
位制御に使用される。なお、光位置検出器（３）は、例
えば光検出器を４個組み合わせた４分割型光検出器で構
成される。

次に、制御動作についてパン方向とチルト方向のいず
れか一方向について説明する。

第１図において、移動体の移動に伴って外乱ｄ（21）
が発生すると、それまでの偏差との差が光位置検出器
（３）により偏差（22）として検出される。この偏差
（22）はフィードバックされ、ｕ＝０と設定された指令
入力（23）との差が、比例積分制御器（24）を通して、
比例積分処理され、精密偏向系（25）の指令値となっ
て、精密偏向系（25）が追尾ミラー（10）で追従を始め
る。フィードバックは、光空間伝送システムでは２台の
送受信部（１）を用いて行われるが、デュアルサーボ制
御装置の方式としては本質的でない。精密偏向系（25）
から出力された追尾ミラー（10）の回転角θ_２（26）は
角度センサ（27）により検出される。第４図は精密偏向
系と角度センサの構成例を示すものであり、比例積分制
御器（24）からの出力値に従って、支点（15）の片側で
ピエゾアクチュエータ（16）が駆動され、追尾ミラー
（10）が傾く。一方、支点（15）の反対側では、例えば
静電容量式の間隔センサ（17）で、非接触に追尾ミラー
（10）の変位を検出し、追尾ミラー（10）の回転角を求
める。この回転角が比例制御器（28）を通して比例処理
され、この値が指令値として粗偏向系（29）に与えられ
る。これを受けて粗偏向系（29）が、精密偏向系（25）
と同軸上で、精密偏向系（25）と同じ方向に動き出し、
精密偏向系（25）が可動範囲を逸脱しないように追尾ミ
ラー（10）の回転角を常にゼロに復帰させようとする。
粗偏向系（29）は回転角θ_１（30）を出力し、結局、絶
対座標系からみた追尾ミラー（10）の回転角は（θ１＋
θ_２）となる。そして、この（θ_１＋θ_２）と外乱ｄ
（21）との差の正接tan（θ_１＋θ_２−ｄ）に通信局間
の距離Ｌ（31）を乗じたものが偏差（22）として光位置
検出器（３）で検出される。ここで、精密偏向系（25）
から出力される粗偏向系（29）への指令値θ_２（26）が
角度データであるのに対し、粗偏向系（29）ではこの値
を速度指令値として用いている。

なお、機械系の共振等をなくしデュアルサーボ制御装
置の特性を向上させるために、第１図の適切な位置にフ
ィルタを挿入することも可能である。

以上、制御動作について説明したが、偏差（22）、粗
偏向系（29）、精密偏向系（25）は、パン（水平）方向
の場合には、それぞれｘ偏差、第１軸の粗偏向系（1
1）、第１軸の精密偏向系（13）に対応し、チルト（上
下）方向の場合には、それぞれｙ偏差、第２軸の粗偏向
系（12）、第２軸の精密偏向系（14）に対応する。

第５図（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は各々、この発明の
一実施例によるデュアルサーボ制御装置により得られ
る、移動体（６）の走行時の、追従特性である。実験で
は、通信局（７）（８）間の距離が3mで、移動体（６）
の静止時に制御を開始しておき、周波数1Hzの姿勢変動
を振幅10°まで徐々に大きくする（区間Ａ）。姿勢変動
が定常状態になったとき、移動体（６）を速度2.5km/h
で走行させる（区間Ｂ）。そして、通信局間の距離が9m
になると移動体（６）の走行を停止させ、姿勢変動を徐
々に小さくし、停止させた（区間Ｃ）。第５図（ａ）
（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示された測定結果は、移動体
（６）上に設けられた通信局であるロボット局（７）
と、それに対向して設置された通信局である中継局
（８）の光位置検出器（３）の、偏差信号を示してい
る。その結果、ロボット局（７）の偏向系（４）は姿勢
変動を直接受けるため、中継局（８）で検出されるｘ偏
差及びｙ偏差（22）が大きくなっている（第５図（ａ）
（ｂ））。光位置検出器（３）の出力は、2.5Vで7.5mm
に設定されており、追従誤差は最も大きい中継局のｙ偏
差でも6mm以下と、高速かつ高精度なレーザビーム
（２）の方位制御が確認された。

なお、上記実施例において、各偏向系に指令値を出力
する制御器としては、精密偏向系に対して比例積分制御
器、粗偏向系に対して比例制御器を用いたが、第６図に
示すように、これを入れかえて精密偏向系（25）に対し
て積分制御器（28）、粗偏向系（29）に対して比例積分
制御器（24）を用いてもよい。

［発明の効果］以上のように、この発明によれば受光されたレーザビ
ームの位置を光位置検出器で検出し、光位置検出器によ
り検出されたビーム位置と設定された指令位置との差に
応じて、精密偏向系により、発射するレーザビームを偏
向制御する追尾ミラーを回転させるとともに、この精密
偏向系から出力された上記追尾ミラーの回転角を角度セ
ンサーにより検出して、この回転角に応じて、分解能が
上記精密偏向系より粗い粗偏向系により、上記精密偏向
系と同軸上で、上記追尾ミラーを回転させるようにした
ので、常に高速な応答と高い分解能を同時に達成できる
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による光空間伝送システム
のデュアルサーボ制御装置を示すブロック構成図、第２
図はこの発明の一実施例に係わる光空間伝送システムの
基本構成を示す構成図、第３図はこの発明の一実施例に
係わる偏向系の基本構成を示す構成図、第４図はこの発
明の一実施例に係わる精密偏向系と角度センサーの構成
例を示す構成図、第５図（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は各
々、この発明の一実施例によるデュアルサーボ制御装置
により得られる追従特性を示す特性図、第６図はこの発
明の他の実施例による光空間伝送システムのデュアルサ
ーボ制御装置を示すブロック構成図、第７図は従来のレ
ーザビームの方位制御装置を示す斜視図、及び第８図
（ａ）（ｂ）は各々従来のレーザビームの方位制御装置
により得られる追従特性を示す特性図である。（１）は送受信部、（２）はレーザビーム、（３）は光
位置検出器、（４）は偏向系、（10）は追尾ミラー、
（11）は第１軸の粗偏向系、（12）は第１軸の精密偏向
系、（13）は第２軸の粗偏向系、（14）は第２軸の精密
偏向系、（16）はピエゾアクチュエータ、（17）は間隔
センサ、（22）は偏差、（24）は比例積分制御器、（2
5）は精密偏向系、（27）は角度センサ、（28）は比例
制御器、（29）は粗偏向系である。なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０４Ｂ 3/60 10/10 10/105 10/22 (56)参考文献特開昭55−142307（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−90442（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】受光されたレーザビームの位置を検出する
光位置検出器、この光位置検出器により検出されたビー
ム位置と設定された指令位置との差を入力する第１比例
積分制御器、第１比例積分制御器の出力値に応じて、発
射するレーザビームを偏向制御する追尾ミラーを回転さ
せる精密偏向系、この精密偏向系から出力された上記追
尾ミラーの回転角を検出する角度センサ、この角度セン
サの出力値を入力する第２比例制御器、及び第２比例制
御器の出力値に応じて、上記精密偏向系と同軸上で、上
記追尾ミラーを回転させる、分解能が上記精密偏向系よ
り粗い粗偏向系を備えた光空間伝送システムのデュアル
サーボ制御装置。