JP6227320B2 - Laser center position estimation apparatus, wireless power transmission system, and laser center position estimation method - Google Patents
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Description
本発明は、レーザ中心位置推定装置、無線電力伝送システム、及びレーザ中心位置推定方法に関するものである。 The present invention relates to a laser center position estimation device, a wireless power transmission system, and a laser center position estimation method.
近年、レーザビームにより送電する無線電力伝送システムの開発が進んでいる。
この無線電力伝送システムの一例としては、宇宙空間上で太陽光発電を行い、生成した電力をレーザビームに変換した後、地上に配置された受光装置である光電変換設備へ照射し、光電変換設備で電力に変換する宇宙太陽発電システム（Space Solar Power System、以下、「ＳＳＰＳ」という。）が挙げられる。また、同様の方法で光電変換設備を有する離島へ本土からレーザを照射する離島電力伝送システム等が挙げられる。
In recent years, development of a wireless power transmission system that transmits power using a laser beam has been advanced.
As an example of this wireless power transmission system, photovoltaic power generation is performed in outer space, the generated power is converted into a laser beam, and then irradiated to a photoelectric conversion facility, which is a light receiving device arranged on the ground. Space Solar Power System (hereinafter referred to as “SSPS”) that converts power into electricity. Moreover, the remote island power transmission system etc. which irradiate a laser from the mainland to the remote island which has a photoelectric conversion equipment by the same method are mentioned.
特許文献１には、マイクロ波ビームによる送電方法であるもののクローズドループ制御について記載されている。クローズドループ制御は、地上の受電システムがビームの位置ずれ量を推定し、位置ずれ量に関する情報を送電システムに送信し、宇宙の送電システムが、受信した位置ずれ量に関する情報に基づいてビームの送電方向を補正するものである。これにより、高精度にビーム方向制御が可能となる。
上述したレーザビームにより送電する無線電力伝送システムでは、地上でレーザビームの到達位置を検出する場合、レーザビームのエネルギー分布からレーザビームの中心位置を推定する。具体的には、レーザビームの目標中心位置を挟んで対称（等間隔）に２つのパワーメータを配置し。レーザビームの強度を計測する。もし、レーザビームの中心位置が目標中心位置からずれていれば、ずれた方向に位置するパワーメータが他方に位置するパワーメータよりも高い強度を計測することとなる。これにより、レーザビームの中心位置が推定される。 In the wireless power transmission system that transmits power using the laser beam described above, when the arrival position of the laser beam is detected on the ground, the center position of the laser beam is estimated from the energy distribution of the laser beam. Specifically, two power meters are arranged symmetrically (equally spaced) across the target center position of the laser beam. Measure the intensity of the laser beam. If the center position of the laser beam is shifted from the target center position, the power meter positioned in the shifted direction measures higher intensity than the power meter positioned on the other side. Thereby, the center position of the laser beam is estimated.
しかしながら、装置の設置場所の振動や大気の揺動によってレーザビームがゆらぎ、レーザビームの中心軸（光軸）がずれる場合がある。 However, the laser beam may fluctuate due to the vibration of the installation location of the apparatus or the fluctuation of the atmosphere, and the center axis (optical axis) of the laser beam may shift.
特許文献２に記載されている大気中で送受光を行う空間光伝送装置は、装置の受光光軸の光軸ずれに基づいて光軸方向可変部に光軸ずれ補正信号を送って受光光軸の方向を制御する際に、受光光学系に設けたホログラムの回折格子によって１つの受光ビームから複数の回折光を発生させる。そして、空間光伝送装置は、受光ビームスポット位置検出受光素子の受光面上に複数の回折光スポットを形成し、自装置のビーム取込口である入射瞳上の強度分布が不均一な場合でも、受光ビームスポットの光強度中心を光束中心に近付けることによって光軸ずれの補正を行う。
The spatial light transmission device that transmits and receives light in the atmosphere described in
特許文献２に記載の方法は、回折現象を用いた光軸ずれ補正であり、無線電力伝送システムに適用することは難しい。
The method described in
さらに、レーザビームは大気を通過する際に大気のレンズ効果により、レーザビームの強度分布が乱れ、中心位置そのものを正しく推定できない場合が新たに見出された。 Furthermore, when the laser beam passed through the atmosphere, the laser beam intensity distribution was disturbed by the atmospheric lens effect, and the center position itself could not be estimated correctly.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、受電装置に照射されたレーザビームの中心位置を高精度に検出できる、レーザ中心位置推定装置、無線電力伝送システム、及びレーザ中心位置推定方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and a laser center position estimation device, a wireless power transmission system, and a laser center that can detect the center position of a laser beam irradiated to a power receiving device with high accuracy. An object is to provide a position estimation method.
上記課題を解決するために、本発明のレーザ中心位置推定装置、無線電力伝送システム、及びレーザ中心位置推定方法は以下の手段を採用する。 In order to solve the above problems, the laser center position estimation apparatus, wireless power transmission system, and laser center position estimation method of the present invention employ the following means.
本発明の第一態様に係るレーザ中心位置推定装置は、電力をレーザビームに変換する送電装置、及び前記送電装置から発せられた前記レーザビームが照射される受電装置を備える無線電力伝送システムのレーザ中心位置推定装置であって、前記受電装置の受光面における前記レーザビームの目標中心位置を挟んで対称にそれぞれ配置され、前記レーザビームの強度を計測する計測手段と、前記計測手段によって計測された前記レーザビームの強度を用いて、同一の前記計測手段における前記レーザビームの強度の時間平均、及び隣り合う複数の前記計測手段における前記レーザビームの強度の空間平均の少なくとも一方を算出する平均値算出手段と、前記平均値算出手段によって平均化された前記レーザビームの強度に基づいて、前記レーザビームの中心位置を推定する中心位置推定手段と、を備える。 A laser center position estimation device according to a first aspect of the present invention includes a power transmission device that converts electric power into a laser beam, and a laser of a wireless power transmission system that includes a power reception device that is irradiated with the laser beam emitted from the power transmission device. A center position estimation device, which is symmetrically arranged across a target center position of the laser beam on the light receiving surface of the power receiving device, and measures the intensity of the laser beam, and is measured by the measurement unit Using the intensity of the laser beam, an average value calculation for calculating at least one of a time average of the intensity of the laser beam in the same measuring unit and a spatial average of the intensity of the laser beam in a plurality of adjacent measuring units And the laser based on the intensity of the laser beam averaged by the average value calculating means Comprising a center position estimation means for estimating a center position of the over-time, the.
本構成によれば、無線電力伝送システムは、電力をレーザビームに変換する送電装置、及び送電装置から発せられたレーザビームが照射される受電装置を備える。
受電装置の受光面におけるレーザビームの目標中心位置を挟んで対称に計測手段が配置され、この計測手段によってレーザビームの強度が計測される。
According to this configuration, the wireless power transmission system includes a power transmission device that converts electric power into a laser beam, and a power reception device that is irradiated with a laser beam emitted from the power transmission device.
Measuring means are arranged symmetrically across the target center position of the laser beam on the light receiving surface of the power receiving device, and the intensity of the laser beam is measured by this measuring means.
ここで、送電装置から発せられたレーザビームは、大気のレンズ効果と大気擾乱の影響を受け、受電装置に照射されるまでに強度分布にばらつきを生じることとなる。
この強度分布のばらつきは、受電装置に照射されたレーザビームの中心位置の推定に誤差を生じさせる。
Here, the laser beam emitted from the power transmission device is affected by the atmospheric lens effect and atmospheric turbulence, and the intensity distribution varies until the power reception device is irradiated.
This variation in the intensity distribution causes an error in the estimation of the center position of the laser beam irradiated to the power receiving apparatus.
そこで、本構成は、計測手段で計測されたレーザビームの強度の時間平均、及びレーザビームの強度の空間平均の少なくとも一方を、平均値算出手段によって算出する。これにより、レーザビームの強度分布のばらつきは、平均化されるので、レーザビームの中心位置の推定において、ばらつきの影響が抑制される。
そして、中心位置推定手段によって、平均化されたレーザビームの強度に基づいて、レーザビームの中心位置が推定される。
Therefore, in this configuration, at least one of the time average of the intensity of the laser beam measured by the measuring unit and the spatial average of the intensity of the laser beam is calculated by the average value calculating unit. As a result, variations in the intensity distribution of the laser beam are averaged, so that the influence of the variation is suppressed in estimating the center position of the laser beam.
Then, the center position of the laser beam is estimated by the center position estimating means based on the averaged intensity of the laser beam.
従って、本構成によれば、受電装置に照射されたレーザビームの中心位置を高精度に検出できる。 Therefore, according to this structure, the center position of the laser beam irradiated to the power receiving apparatus can be detected with high accuracy.
上記第一態様では、前記レーザビームの径が２０ｍ以上であることが好ましい。 In the first aspect, the diameter of the laser beam is preferably 20 m or more.
径が２０ｍ以上のレーザビームは、強度にスペックルノイズが多く発生する一方で、中心位置が大気のレンズ効果によってほとんど曲げられない。このため、平均値を算出する処理でスペックルノイズを除く本構成によれば、レーザビームの中心位置を高精度に検出できる。 A laser beam having a diameter of 20 m or more generates a lot of speckle noise in intensity, but the center position is hardly bent by the atmospheric lens effect. For this reason, according to the present configuration excluding speckle noise in the process of calculating the average value, the center position of the laser beam can be detected with high accuracy.
上記第一態様では、前記中心位置推定手段が、前記目標中心位置を挟んで左右対称に配置された前記計測手段による前記レーザビームの強度の差に基づいて、前記レーザビームの中心位置を算出することが好ましい。 In the first aspect, the center position estimating means calculates the center position of the laser beam based on a difference in intensity of the laser beam by the measuring means arranged symmetrically with respect to the target center position. It is preferable.
本構成によれば、レーザビームの中心位置を簡易に推定できる。 According to this configuration, the center position of the laser beam can be easily estimated.
上記第一態様では、前記中心位置推定手段が、前記レーザビームの予め定められた基準強度の分布と前記計測手段による前記レーザビームの強度の分布との差に基づいて、前記レーザビームの中心位置を算出することが好ましい。 In the first aspect, the center position estimation unit is configured to determine the center position of the laser beam based on a difference between a predetermined reference intensity distribution of the laser beam and the intensity distribution of the laser beam by the measurement unit. Is preferably calculated.
本構成によれば、レーザビームの中心位置を簡易に推定できる。 According to this configuration, the center position of the laser beam can be easily estimated.
本発明の第二態様に係る無線電力伝送システムは、電力をレーザビームに変換する送電装置と、前記送電装置から発せられた前記レーザビームが照射される受電装置と、上記記載のレーザ中心位置推定装置と、を備える。 A wireless power transmission system according to a second aspect of the present invention includes a power transmission device that converts electric power into a laser beam, a power reception device that is irradiated with the laser beam emitted from the power transmission device, and the laser center position estimation described above. An apparatus.
本発明の第三態様に係るレーザ中心位置推定方法は、電力をレーザビームに変換する送電装置、及び前記送電装置から発せられた前記レーザビームが照射される受電装置を備える無線電力伝送システムのレーザ中心位置推定方法であって、前記受電装置の受光面における前記レーザビームの目標中心位置を挟んで対称にそれぞれ配置された計測手段により、前記レーザビームの強度を計測する第１工程と、計測した前記レーザビームの強度を用いて、同一の前記計測手段における前記レーザビームの強度の時間平均、及び隣り合う複数の前記計測手段における前記レーザビームの強度の空間平均の少なくとも一方を算出する第２工程と、平均化した前記レーザビームの強度に基づいて、前記レーザビームの中心位置を推定する第３工程と、を含む。 A laser center position estimation method according to a third aspect of the present invention includes a power transmission device that converts electric power into a laser beam, and a laser of a wireless power transmission system that includes a power reception device that is irradiated with the laser beam emitted from the power transmission device. A center position estimating method, comprising: a first step of measuring the intensity of the laser beam by means of measuring means arranged symmetrically with respect to the target center position of the laser beam on the light receiving surface of the power receiving device; A second step of calculating at least one of a time average of the intensity of the laser beam in the same measuring unit and a spatial average of the intensity of the laser beam in a plurality of adjacent measuring units using the intensity of the laser beam. And a third step of estimating a center position of the laser beam based on the intensity of the averaged laser beam. No.
本発明によれば、受電装置に照射されたレーザビームの中心位置を高精度に検出できる、という優れた効果を有する。 According to the present invention, there is an excellent effect that the center position of the laser beam irradiated to the power receiving apparatus can be detected with high accuracy.
以下に、本発明に係るレーザ中心位置推定装置、無線電力伝送システム、及びレーザ中心位置推定方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of a laser center position estimation device, a wireless power transmission system, and a laser center position estimation method according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図１は、本実施形態に係る無線電力伝送システム１０の構成図である。本実施形態に係る無線電力伝送システム１０は、一例として、宇宙太陽発電システム（ＳＳＰＳ）である。
FIG. 1 is a configuration diagram of a wireless
無線電力伝送システム１０は、主に、宇宙空間の定められた軌道に位置する軌道上モジュール１２及び、地上に配置される光電変換設備１４で構成される。
The wireless
軌道上モジュール１２は、太陽電池パネル１６を搭載した人口衛星であり、太陽光によって発電した電力をレーザビーム１８に変換する送電装置である。
The on-
光電変換設備１４は、送電装置である軌道上モジュール１２から発せられたレーザビーム１８が照射される受電装置である。そして、光電変換設備１４は、受光面２０に照射されたレーザビーム１８を電力へ変換し、地上の商用電力網２２へ送電する。
The
受光面２０は、光電変換素子で構成されており、受光面２０の略中央がレーザビーム１８の目標中心位置である。すなわち、レーザビーム１８は、目標中心位置で最大の強度（光度）となるように照射される。
The
図２に示されるように、受光面２０にはレーザビーム１８の強度を計測するレーザ計測器２４が、目標中心位置を挟んで対称に配置される。
図２では、一例として、目標中心位置を挟んで左右対称に１対のレーザ計測器２４が受光面２０に設けられている。しかし、これに限らず、２対以上のレーザ計測器２４が受光面２０に設けられてもよい。なお、本実施形態に係るレーザ計測器２４の配置位置は、一例として、ガウス分布に基づく強度分布（ビームプロファイル）を有するレーザビーム１８の中心位置が目標中心位置と一致したと仮定した場合に、レーザビーム１８の最大強度の半値（５０％）となる強度を計測する位置である。
As shown in FIG. 2,
In FIG. 2, as an example, a pair of
図３は、レーザ計測器２４の構成図である。
レーザ計測器２４は、集光レンズ２６及び光強度検出部２８を備える。これにより、集光レンズ２６によって集光されたレーザビーム１８の一部が、光強度検出部２８に入射し、その強度を計測される。なお、光強度検出部２８は、例えば、時定数が１ｍｓｅｃ以下とされる光電変換素子、あるいは時定数０．１ｓｅｃ以下とされる光パワーメータ等である。
FIG. 3 is a configuration diagram of the
The
また。光電変換設備１４は、図１に示されるようにモニタ装置３０を備えている。モニタ装置３０は、レーザ計測器２４の光強度検出部２８から出力されるレーザビーム１８の強度（以下「受光強度」という。）を示す受光強度信号に基づいて、レーザビーム１８の目標中心位置からの位置ずれ量等を検知する。
Also. The
無線電力伝送システム１０は、クローズドループ制御を行う。クローズドループ制御は、光電変換設備１４がレーザビーム１８の位置ずれ量を推定し、位置ずれ量に関する情報である補正データを軌道上モジュール１２に送信する。そして、軌道上モジュール１２が、受信した補正データに基づいてレーザビーム１８の照射方向を補正する。
The wireless
図４は、無線電力伝送システム１０のクローズドループ制御に関する機能ブロック図である。
FIG. 4 is a functional block diagram relating to closed-loop control of the wireless
モニタ装置３０は、信号処理部３２、演算処理部３４、及び送信部３６を備える。
The
信号処理部３２は、光強度検出部２８から出力される受光強度信号に対して、アナログ・デジタル変換等の各種信号処理を行う。
The
演算処理部３４は、信号処理後の受光強度信号に基づいて、受光面２０でのレーザビーム１８の中心位置の推定値（以下「推定中心位置」という。）を算出する中心位置推定処理を行う。そして、推定中心位置と目標中心位置との差が、位置ずれ量として算出される。
なお、推定中心位置は、例えば、目標中心位置を挟んで左右対称に配置されたなるレーザ計測器２４によるレーザビーム１８の受光強度信号の差（以下「受光強度差」という。）に基づいて算出される。この中心位置推定処理については詳細を後述する。
The
The estimated center position is calculated based on, for example, a difference in received light intensity signal of the
そして、演算処理部３４は、位置ずれ量に基づいて、軌道上モジュール１２から発せられるレーザビーム１８の制御角度（以下「ビーム制御角度」という。）を算出するコマンド算出処理を行う。
Then, the
送信部３６は、算出されたビーム制御角度を補正データとして軌道上モジュール１２へ送信する。
The
軌道上モジュール１２は、受信部４０、演算処理部４２、ビーム角度調整ミラー４４を備える。
The on-
受信部４０は、送信された補正データを受信する。
The receiving
演算処理部４２は、ビーム角度調整ミラー４４の角度を変えるアクチュエータの制御量（以下「アクチュエータ値」という。）を、受信した補正データに基づいて算出する制御量算出処理を行う。
The
ビーム角度調整ミラー４４は、入射したレーザビーム１８を反射する。そして、ビーム角度調整ミラー４４は、その角度が制御されることによって、受光面２０に対するレーザビーム１８の照射位置を移動させる。
The beam
ビーム角度調整ミラー４４によって反射されたレーザビーム１８は、副鏡４６によって集光された後に、反射鏡４８によって主鏡５０へ導光され、主鏡５０によって地上の受光面２０へ照射される。
The
図５は、クローズドループ制御の流れを示すブロック図である。 FIG. 5 is a block diagram showing a flow of closed loop control.
まず、受光面２０での推定中心位置Ｘｓと目標中心位置ＸＴとの差分ＸＴ−Ｓが算出される。そして、演算処理部３４で実行されるコマンド算出処理によって、ビーム制御角度θＣが差分ＸＴ−Ｓに基づいて算出される。
First, the difference X T-S of the estimated center position X s and the target center position X T on the
ビーム制御角度θＣは、光電変換設備１４から軌道上モジュール１２へ補正データとして送信されるが、このデータ通信には遅れが生じる。
The beam control angle θ C is transmitted as correction data from the
そして、演算処理部４２で実行される制御量算出処理によって、ビーム制御角度θＣに基づいてアクチュエータ値θＡが算出される。ビーム角度調整ミラー４４は、アクチュエータ値θＡに応じた角度に変更され、レーザビーム１８が受光面２０に照射される。このとき、アクチュエータ誤差等の制御誤差θＡＥが生じ、また、レーザビーム１８は、大気変動等による外乱ＸＳの影響を受ける。その結果、受光面２０でのレーザビーム１８の中心位置の真値はＸＲとなる。
Then, the control amount calculation process executed by the
受光面２０に照射されたレーザビーム１８の強度はレーザ計測器２４で計測される。そして、演算処理部３４による計測処理によって、受光強度差ΔＰＳ１２が算出される。受光強度差ΔＰＳ１２には、光強度検出部２８の受光強度の誤差等の計測誤差ΔＰＳ１２Ｅが加味される。
その後、演算処理部３４による中心位置推定処理によって、受光強度差ΔＰＳ１２に基づいて推定中心位置Ｘｓが算出される。なお、中心位置推定処理では、受光強度差ΔＰＳ１２から所定の周波数のノイズを除去するフィルタ処理等を含む。
The intensity of the
Thereafter, the estimated center position X s is calculated based on the received light intensity difference ΔP S12 by the center position estimation process by the
このように、無線電力伝送システム１０は、受光面２０でのレーザビーム１８の中心位置が目標中心位置と一致するように、フィードバック制御を行う。
Thus, the wireless
また、上述したように、軌道上モジュール１２から受光面２０に照射されたレーザビーム１８は、大気変動等の外乱を受ける。
Further, as described above, the
具体的には、レーザビーム１８は、主に、大気のレンズ効果の影響を受ける。
図６は、軌道高度６１０ｋｍに打ち上げられた衛星「きらり」から地上へ照射されたレーザビーム１８の中心位置の目標中心位置からの位置ずれ量の計算結果を示したグラフである。レーザビーム１８の送光エネルギーは５３ｍＷであり、送光ビーム幅は５μｒａｄである（http://www.mext.go.jp/b_menu/shingi/uchuu/reports/08031301/003.pdf）。
Specifically, the
FIG. 6 is a graph showing a calculation result of the amount of positional deviation from the target center position of the center position of the
図６における実線は、目標中心位置（０ｍ）にレーザビーム１８の最大強度が位置する場合の強度分布である。一方、破線は、受光面２０における実際のレーザビーム１８の強度分布であり、レーザビーム１８の最大強度が目標中心位置からずれている。
そして、受光面２０でのレーザビーム１８の径は、最大強度の１／ｅ２において約３ｍであり、その位置ずれ量は約＋１ｍである。
The solid line in FIG. 6 is the intensity distribution when the maximum intensity of the
The diameter of the
このように、受光面２０でのレーザビーム１８の径が約３ｍの場合、主に大気のレンズ効果によりレーザビーム１８の軌道が約＋１ｍ曲げられる。位置ずれ量とレーザビーム１８の径との比では約３０％である。
Thus, when the diameter of the
一方、図７は、受光面２０でのレーザビーム１８の径が２０ｍの場合における、レーザビーム１８の強度分布のシミュレーション結果を示したグラフである。この場合、受光面２０でのレーザビーム１８の位置ずれ量は、＋０．２４ｍであり、位置ずれ量とレーザビーム１８の径との比では約０．０１２％である。
On the other hand, FIG. 7 is a graph showing a simulation result of the intensity distribution of the
また、図８は、受光面２０でのレーザビーム１８の径が８０ｍの場合における、レーザビーム１８の強度分布のシミュレーション結果を示したグラフである。この場合、受光面２０でのレーザビーム１８の位置ずれ量は、−１．２２ｍであり、位置ずれ量とレーザビーム１８の径との比では約０．０１５％である。
FIG. 8 is a graph showing a simulation result of the intensity distribution of the
上述のように、径が２０ｍ以上のレーザビーム１８における位置ずれ量は、径が３ｍのレーザビーム１８に比べて非常に小さい。
すなわち、径が２０ｍ以上のレーザビーム１８の中心位置は、大気のレンズ効果によってほとんど曲げられない。しかしながら、図７，８から分かるように、レーザビーム１８の強度にスペックルノイズが多く発生している。径が２０ｍ未満のレーザビーム１８におけるスペックルノイズは、径が２０ｍ以上のレーザビーム１８に比べ少ない。
As described above, the positional deviation amount in the
That is, the center position of the
このように、径が２０ｍ以上のレーザビーム１８は、強度にスペックルノイズが多く発生する一方で、中心位置が大気のレンズ効果によってほとんど曲げられないことが、新たに発見された。
As described above, it was newly discovered that the
この理由は、以下の様に推察される。 The reason is presumed as follows.
まず、大気のレンズ効果とは、大気に大小様々な大きさのレンズが仮想的に配置されていると考えられる。 First, the atmospheric lens effect is considered to be that lenses of various sizes are virtually arranged in the atmosphere.
径が小さいレーザは、一つの仮想レンズでもその作用を受けやすい。すなわち、径が小さいレーザビーム１８は、相対的に大きな一つの仮想レンズを通過することによって軌道が曲げられ易い。その結果、径が小さいレーザビーム１８は、受光面２０でのレーザビーム１８の中心位置が目標中心位置に対してずれることとなる。
A laser having a small diameter is easily affected by even one virtual lens. That is, the path of the
しかし、レーザビーム１８の径が大きくなると、大気中の仮想レンズは相対的に小さくなる。このため、径の大きなレーザビーム１８は、一つの仮想レンズの作用によって軌道が曲げられ難くなる一方、同時に複数の仮想レンズを通過することによる作用を受け易くなると考えられる。その結果、径が大きなレーザビーム１８は、全体の軌道が曲げられる替わりに、仮想レンズを通過した部分ごとに集束又は発散される。そして、大気は常に揺らぐ（大気擾乱）ので、仮想レンズの位置や大きさも変化する。このため、径が大きなレーザビーム１８は、大気のレンズ効果と大気擾乱の影響を受け、強度分布にばらつきが生じることとなる。この強度分布のばらつきが、スペックルノイズとして現れると考えられる。
However, as the diameter of the
このようにして生じた強度分布のばらつきは、光電変換設備１４に照射されたレーザビーム１８の中心位置の推定に誤差を生じさせる。
The variation in the intensity distribution thus generated causes an error in the estimation of the center position of the
そこで、本実施形態に係る光電変換設備１４の演算処理部３４は、強度分布のばらつきを平均化させるために、図９に示されるように平均値算出部６０、及び中心位置推定部６２を備える。
Therefore, the
平均値算出部６０は、受光強度の時間平均、及びレーザビーム１８の強度の空間平均の少なくとも一方を算出する。
平均値算出部６０により、強度分布のばらつきは、平均化されるので、レーザビーム１８の中心位置の推定において、ばらつきの影響が抑制される。
The average
Since the variation of the intensity distribution is averaged by the average
図１０は、平均化される前のレーザビーム１８の強度分布を示すグラフである。そして、図１１は、時間平均化後のレーザビーム１８の強度分布を示すグラフであり、図１２は、時間平均化及び空間平均化後のレーザビーム１８の強度分布を示すグラフである。
FIG. 10 is a graph showing the intensity distribution of the
時間平均は、同一のレーザ計測器２４による受光強度の平均である。時間平均を行う場合には、目標中心位置を挟んで左右対称に配置されたレーザ計測器２４が最低１対あればよい。一方、空間平均は、隣り合う複数のレーザ計測器２４による受光強度の平均である。空間平均を行う場合には、目標中心位置を挟んで左右対称に配置されたレーザ計測器２４が最低２対あればよい。
The time average is an average of received light intensity by the same
中心位置推定部６２は、平均値算出部６０によって平均化されたレーザビーム１８の強度に基づいて、レーザビーム１８の中心位置を推定する。
The center
図１１，１２から分かるように、時間平均及び空間平均を行うことにより、平均化する前に比べて、スペックルノイズは小さくなり、目標中心位置をより正確に推定できる。
具体的には、図１０から図１２の中心位置の真値は−１．２２ｍである一方、図１０に示される平均化前の推定中心位置は、−１３．５ｍと推定される。そして、図１１に示される時間平均化後の推定中心位置は、−１０．１ｍと推定され、図１２に示される時間平均化及び空間平均化後の推定中心位置は、−５．２ｍと推定される。このように、平均化後により、推定中心位置は真値に近づく。
As can be seen from FIGS. 11 and 12, by performing the time average and the spatial average, speckle noise becomes smaller than before averaging, and the target center position can be estimated more accurately.
Specifically, the true value of the center position in FIGS. 10 to 12 is −1.22 m, while the estimated center position before averaging shown in FIG. 10 is estimated to be −13.5 m. The estimated center position after time averaging shown in FIG. 11 is estimated to be −10.1 m, and the estimated center position after time averaging and spatial averaging shown in FIG. 12 is estimated to be −5.2 m. Is done. Thus, the estimated center position approaches the true value after averaging.
次に、中心位置推定部６２による中心位置推定処理の詳細について説明する。
Next, details of the center position estimation processing by the center
図１３は、上述した中心位置推定処理（以下「中心位置推定処理_Ａ」という。）の説明に要する図である。 FIG. 13 is a diagram necessary for explaining the above-described center position estimation process (hereinafter referred to as “center position estimation process_A”).
中心位置推定処理_Ａは、まず、目標中心位置を挟んで左右対称に配置されたレーザ計測器２４によるレーザビーム１８の強度の受光強度差（δP_j＝Pright_j−Pleft_j）に基づいて、レーザビーム１８の中心位置を算出する（δR_j＝H-1(Pright_j−Pleft_j)）。
中心位置推定処理_Ａは、レーザビーム１８の受光強度をガウス分布と仮定した場合に、左右の受光強度差が略０となることを利用したものである。
そして、中心位置推定処理_Ａは、左右対称に配置されたレーザ計測器２４毎に算出した中心位置の平均値（δR＝average(δP_j)）を推定中心位置とする。
In the center position estimation process_A, first, the
The center position estimation process_A utilizes the fact that the difference between the left and right received light intensity is substantially zero when the received light intensity of the
Then, in the center position estimation process_A, an average value (δR = average (δP_j)) of the center positions calculated for the
また、中心位置推定処理は、中心位置推定処理_Ａに限らず、他の処理で行われてもよい。 The center position estimation process is not limited to the center position estimation process_A, and may be performed by other processes.
図１４は、中心位置推定処理_Ｂの説明に要する図である。
中心位置推定処理_Ｂは、レーザビーム１８の予め定められた基準強度の分布とレーザ計測器２４による受光強度の分布との差に基づいて、レーザビーム１８の中心位置を算出する。
FIG. 14 is a diagram necessary for explaining the center position estimation process_B.
The center position estimation process_B calculates the center position of the
図１４において、黒丸（●）で示される強度が、受光強度（Preal_i）である。一方、四角（□又は■）で示される強度が、基準強度（Pref_i）である。
中心位置推定処理_Ｂは、各基準強度と受光強度との差の合計値が最も小さくなるように、基準強度分布の位置を調整し、調整後の基準強度分布の中心位置をレーザビーム１８の中心位置と推定する。すなわち、中心位置推定処置_Ｂによる推定中心位置δＲは、下記（１）式で表わされる。
In the center position estimation process _B, the position of the reference intensity distribution is adjusted so that the total value of the differences between the respective reference intensities and the received light intensity is minimized, and the center position of the adjusted reference intensity distribution is set to the
なお、図１４において白四角（□）は、中心位置が目標中心位置と同じ基準強度分布であり、黒四角（■）が調整後の基準強度分布である。 In FIG. 14, the white square (□) is the reference intensity distribution whose center position is the same as the target center position, and the black square (■) is the adjusted reference intensity distribution.
ここで、中心位置推定処理_Ａ，_Ｂの処理に係る関係式を一般化すると以下となる。
Ｈｘ（δｘ）＝Ｇ（ｘ２−δｘ）−Ｇ（ｘ１−δｘ）
Ｈｙ（δｙ）＝Ｇ（ｙ２−δｙ）−Ｇ（ｙ１−δｙ）
Ｆｘ（δＰｘ）＝Ｈ−１（δＰｘ）
Ｆｙ（δＰｙ）＝Ｈ−１（δＰｙ）
Here, the relational expressions related to the processing of the center position estimation processing _A and _B are generalized as follows.
Hx (δx) = G (x 2 −δx) −G (x 1 −δx)
Hy (δy) = G (y 2 −δy) −G (y 1 −δy)
Fx (δPx) = H −1 (δPx)
Fy (δPy) = H −1 (δPy)
ｘとｙは、受光面２０においてレーザ計測器２４が配置されている座標の位置（ｍ）を示す。δｘとδｙは、レーザビーム１８の中心位置の誤差（ｍ）を示す。
Ｇｘはレーザビーム１８の分布を定義する関数であり、位置（ｘ）を引数として受光強度を出力する。
Ｈｘは中心位置の誤差に対する受光強度差を定義する関数であり、中心位置誤差（δｘ）を引数としてｘ１とｘ２の２地点で計測される受光強度差（δＰ）を出力する。
Ｆｘは、Ｈｘの逆関数であり、受光強度差に対する中心位置の誤差を定義する。
x and y indicate the coordinate position (m) where the
Gx is a function that defines the distribution of the
Hx is a function that defines a difference in received light intensity with respect to an error in the center position, and outputs a difference in received light intensity (δP) measured at two points x 1 and x 2 with the center position error (δx) as an argument.
Fx is an inverse function of Hx and defines an error of the center position with respect to the difference in received light intensity.
本実施形態に係るクローズドループ制御（ビーム方向制御）では、上記関係式から導き出されるＦｘ関数を用いて、レーザ計測器２４による受光強度の差から、中心位置誤差を計算する。
In the closed loop control (beam direction control) according to the present embodiment, the center position error is calculated from the difference in received light intensity by the
以上説明したように、本実施形態に係る無線電力伝送システム１０は、電力をレーザビーム１８に変換する光電装置である軌道上モジュール１２、及び軌道上モジュール１２から発せられたレーザビーム１８が照射される受電装置である光電変換設備１４を備える。
光電変換設備１４の受光面２０は、レーザビーム１８の目標中心位置を挟んで対称に配置され、レーザビーム１８の強度を計測するレーザ計測器２４を備える。そして、光電変換設備１４は、計測したレーザビーム１８の強度の時間平均、及びレーザビーム１８の強度の空間平均の少なくとも一方を算出し、平均化したレーザビーム１８の強度に基づいて、レーザビーム１８の中心位置を推定する。
As described above, the wireless
The
従って、無線電力伝送システム１０は、受電装置に照射されたレーザビーム１８の中心位置を高精度に検出できる。
Therefore, the wireless
以上、本発明を、上記各実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記各実施形態に多様な変更又は改良を加えることができ、該変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。 As mentioned above, although this invention was demonstrated using said each embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. Various changes or improvements can be added to the above-described embodiments without departing from the gist of the invention, and embodiments to which the changes or improvements are added are also included in the technical scope of the present invention.
例えば、上記各実施形態では、本発明をＳＳＰＳに適用する形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、例えば本島に設けられた送電装置からレーザビーム１８を離島に配置される受電装置へ送電する離島電力伝送システムに適用する形態としてもよい。
For example, in each of the above embodiments, the embodiment in which the present invention is applied to SSPS has been described. However, the present invention is not limited to this, and for example, the
また、上記各実施形態で説明した各種処理の流れも一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内において不要なステップを削除したり、新たなステップを追加したり、処理順序を入れ替えたりしてもよい。 The flow of various processes described in the above embodiments is also an example, and unnecessary steps are deleted, new steps are added, and the processing order is changed within a range not departing from the gist of the present invention. May be.
１０ 無線電力伝送システム
１２ 軌道上モジュール
１４ 光電変換設備
１８ レーザビーム
２０ 受光面
２４ レーザ計測器
３０ モニタ装置
６０ 平均値算出部
６２ 中心位置推定部
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記受電装置の受光面における前記レーザビームの目標中心位置を挟んで対称にそれぞれ配置され、前記レーザビームの強度を計測する計測手段と、
前記計測手段によって計測された前記レーザビームの強度を用いて、同一の前記計測手段における前記レーザビームの強度の時間平均、及び隣り合う複数の前記計測手段における前記レーザビームの強度の空間平均の少なくとも一方を算出する平均値算出手段と、
前記平均値算出手段によって平均化された前記レーザビームの強度に基づいて、前記レーザビームの中心位置を推定する中心位置推定手段と、
を備えるレーザ中心位置推定装置。 A laser center position estimating device of a wireless power transmission system comprising: a power transmission device that converts electric power into a laser beam; and a power reception device that is irradiated with the laser beam emitted from the power transmission device,
Measuring means for measuring the intensity of the laser beam, which are arranged symmetrically with respect to the target center position of the laser beam on the light receiving surface of the power receiving device,
Using the intensity of the laser beam measured by the measuring unit, at least the time average of the intensity of the laser beam in the same measuring unit and the spatial average of the intensity of the laser beam in a plurality of adjacent measuring units An average value calculating means for calculating one;
Center position estimating means for estimating the center position of the laser beam based on the intensity of the laser beam averaged by the average value calculating means;
A laser center position estimating apparatus.
前記送電装置から発せられた前記レーザビームが照射される受電装置と、
請求項１から請求項４の何れか１項記載のレーザ中心位置推定装置と、
を備える無線電力伝送システム。 A power transmission device that converts electric power into a laser beam;
A power receiving device irradiated with the laser beam emitted from the power transmitting device;
The laser center position estimation device according to any one of claims 1 to 4,
A wireless power transmission system comprising:
前記受電装置の受光面における前記レーザビームの目標中心位置を挟んで対称にそれぞれ配置された計測手段により、前記レーザビームの強度を計測する第１工程と、
計測した前記レーザビームの強度を用いて、同一の前記計測手段における前記レーザビームの強度の時間平均、及び隣り合う複数の前記計測手段における前記レーザビームの強度の空間平均の少なくとも一方を算出する第２工程と、
平均化した前記レーザビームの強度に基づいて、前記レーザビームの中心位置を推定する第３工程と、
を含むレーザ中心位置推定方法。 A method for estimating a laser center position of a wireless power transmission system comprising: a power transmission device that converts electric power into a laser beam; and a power reception device that is irradiated with the laser beam emitted from the power transmission device,
A first step of measuring the intensity of the laser beam by means of measuring means arranged symmetrically with respect to the target center position of the laser beam on the light receiving surface of the power receiving device;
Using the measured intensity of the laser beam, at least one of a time average of the intensity of the laser beam in the same measuring unit and a spatial average of the intensity of the laser beam in a plurality of adjacent measuring units is calculated. Two steps,
A third step of estimating a center position of the laser beam based on the averaged intensity of the laser beam;
A laser center position estimation method including:
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