(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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量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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
【非特許文献１】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.2035-2040
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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。
【０００６】
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量を補正することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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（＝［θ１…θ４］Ｔ）、並進３自由度回転３自由度の相対位置姿勢をＸ∈Ｒ６としたときの２つのＰＳＤ１、ＰＳＤ２上のビームスポット位置Ｙ＝［ｙ１ｙ２］Ｔを次のように表す。
Ｙ＝ｈ（Ｘ，Θ）                      （１）
【００１５】
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。
【数１】
0004713263.tif 000002
【００１６】
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。
【数２】
0004713263.tif 000003
ただし、κｐは比例ゲイン、Ｙ０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。
【００１７】
送信端末ΣＴからみた受信端末ΣＲ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＝［ｑ１ｑ２ｑ３ｑ４］Ｔ（ｑＴｑ＝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。
【数３】
0004713263.tif 000004
【００１８】
ここで、ｒ＝［ｘｙｚ］Ｔ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。
【数４】
0004713263.tif 000005
【００１９】
さらに、ΣＴからみたΣＲの移動速度ベクトルをυ＝［υｘυｙυｚ］Ｔ，ΣＲ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＝［α１α２α３］Ｔ，ω＝［ω１ω２ω３］Ｔ，Ω＝［Ω１Ω２Ω３］Ｔとし、これらを合わせた状態ベクトルをΧで表す。
【数５】
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【００２０】
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。
【数６】
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【００２１】
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。
【数７】
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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。
【数８】
0004713263.tif 000009
【００２２】
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。
【００２３】
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Σｗ，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。
【数９】
0004713263.tif 000010
【００２４】
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ΣＲからみた２つの加速度センサの位置をｒ１，ｒ２、それぞれのセンサ出力をα１，α２とすると、
Ｒ（ｑ）（α２−α１）＝Ω×（ｒ２−ｒ１）＋ω×（ω×（ｒ２−ｒ１））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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【数１０】
0004713263.tif 000011
【００２７】
このとき、式（３）を用いれば
【数１１】
0004713263.tif 000012
の影響を無視できない場合、式（１４）の第２項がＹ→Ｙ０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。
【数１２】
0004713263.tif 000013
ただし、
【数１３】
0004713263.tif 000014
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、
【数１４】
0004713263.tif 000015
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、
【数１５】
0004713263.tif 000016
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→Ｙ０を得ることが分かる。
【００２８】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】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。
【符号の説明】
【００３０】
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。
【図１】
0004713263.tif 000017