JP2014062801A

JP2014062801A - 太陽センサ

Info

Publication number: JP2014062801A
Application number: JP2012207725A
Authority: JP
Inventors: 直樹 ▲高▼塚; Naoki Takatsuka; Takeya Shima; 岳也島
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2014-04-10

Abstract

【課題】従来の太陽センサは、例えば３つの光センサのうち１個の光センサが故障した場合であっても、個々の光センサの故障を分離する機能を有しておらず、１個のフォトディテクタの損傷で２軸分の太陽方位角を検出できなくなり、太陽センサの全機能を喪失してしまうという問題があった。
【解決手段】４個以上の光センサを有する太陽センサにおいて、３個の光センサから２軸の太陽方位角を算出することで、１個の光センサが故障しても残りの３個以上の光センサで２軸の太陽方位角を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽方位角を検知するための太陽センサに関する。

太陽センサは、ピラミッド型に配置した４個のフォトディテクタから構成され、４個のフォトディテクタは、それぞれ太陽光入射角に応じて出力が変化し、対となる２個のディテクタの出力の差から、２軸の太陽方位角を算出する（例えば、特許文献１参照）。

特表２０１０−５３７２１４号公報

従来の太陽センサは、光センサとして４個のフォトディテクタを搭載する。このフォトディテクタのうち対となる２個のフォトディテクタの出力から太陽方位角を算出する。この方法では、４個のフォトディテクタのうち１個のフォトディテクタのみが故障した場合であっても、２軸の太陽方位角を算出する機能を喪失してしまうという問題がある。

また、機能喪失を回避するために、冗長系として同等の太陽センサを複数台搭載することは可能であるが、このことがシステム全体の重量増加につながる。また、複数台の太陽センサ間のフォトディテクタ信号を冗長構成に接続するインターフェース回路を設けるため、システム構成が複雑になるという問題もあった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、１個の光センサが故障しても、２軸の太陽方位角を算出する機能を喪失することのない、より簡易な冗長構成の太陽センサを得ることを目的とする。

本発明による太陽センサは、太陽光の入射方向に応じて出力が変化する少なくとも４つ以上の光センサと、上記光センサの取り付け面の法線ベクトルが互いに異なる方向となるように、上記光センサを配置する構造体と、上記各光センサの出力信号からそれぞれの太陽方向を求め、求めた太陽方向が概略一致する少なくとも３つの光センサを正常な光センサとして選択し、選択した正常な光センサを用いて、２軸の太陽方位角を推定する演算部と、を備えたものである。

本発明によれば、１個の光センサが故障しても、故障していない光センサの組み合わせを自律的に検知する、もしくは故障している光センサを排除することで、同じ構造体に設けられた残りの光センサを用いて、機能を喪失することなく２軸の太陽方位角を算出することができるので、冗長性を有した簡潔な太陽センサを得ることができる。

実施の形態１による簡略化した太陽センサの構成図である。実施の形態１による光センサ１と演算部３とそれをつなぐ信号検出ライン４を示す図である。実施の形態１による２軸の太陽方位角を算出する処理を示した図である。実施の形態１による太陽センサ１０に固定された基準座標系と任意の２つの光センサ１から構成される座標系を示した図である。

実施の形態１．
図１は、本発明に係る実施の形態１による簡略化した太陽センサの構成を示す図である。図１において、実施の形態１の太陽センサ１０は、少なくとも４個の複数の光センサ（例えばフォトディテクタ）１と、光センサ１が配設された構造体であるハウジング２と、光センサ１に接続された演算部３から構成される。太陽センサ１０は、太陽方位角を検知する。また、太陽センサ１０は、光センサ１の故障を自律的に検出し、１つの光センサ１が故障しても２軸の太陽方位角を検出することのできる冗長系を構成している。光センサ１は、例えばフォトディテクタからなる。各光センサ１を構成するそれぞれのフォトディテクタは、法線ベクトルが異なるように、ハウジング２に配置されている。なお、光センサ１は１個のハウジング２に取付けられていても、独立したハウジング２に取付けられていてもよい。ハウジング２は、各光センサ１の取り付け面（その法線ベクトル）が互いに交差する傾斜面を有している。例えば、ハウジング２は、光センサ１の取り付け面が多角錘の斜面の一部を形成するように、一体的に形成された構造体からなる。

図２は、光センサ１と演算部３とをつなぐ信号検出ライン４を示した図である。光センサ１毎に信号検出ライン４が接続され、各信号検出ライン４が演算部３に接続される。光センサ１の出力信号は、信号検出ライン４を介して演算部３に出力される。ここで、光センサ１の１つが故障しても他の光センサ１の性能に影響を及ぼさないよう、各光センサ１と演算部は電気的に独立している。演算部３は、光センサ１の出力信号から２軸の太陽方位角を計算し、各軸の太陽方位角をそれぞれ検知する。演算部３は、光センサ１の配置によって、各光センサ１から太陽光の入射方向に応じた出力を得る。演算部３は、各光センサ１の出力信号の組み合わせから、２軸の太陽方位角を算出する。

図３は、演算部３において、太陽センサ１０の光センサ１から２軸の太陽方位角を算出する処理フローを示す図である。演算部３は、太陽方向ベクトル算出処理部３１と、光センサ選択処理部３２と、太陽方位角推定処理部３４の３つの処理部を備えている。すなわち、演算部３における２軸の太陽方位角を算出する処理は、太陽方向ベクトル算出処理部３１と、光センサ選択処理部３２、太陽方位角推定処理部３３の順序で３段階に行われる。

まず、太陽方向ベクトル算出処理部３１は、少なくとも４個以上の光センサ１の中の、任意の３個の光センサ１から太陽方向単位ベクトルを算出する。ここでは、３個の光センサ１の組み合わせの数だけ太陽方向ベクトルが算出される。例えば、４個の光センサ１からは４つの太陽方向ベクトルが算出される。
なお、４個の光センサ１の出力を用いて、対となる２つの光センサ１の出力差から太陽方向ベクトルを算出することも可能である。

ここで、光センサ１の出力Ｖと、光センサ１の法線と太陽方向とのなす角θの関係は、一般に式１のような偶関数で与えられる。なお、この偶関数は理想的には余弦曲線となる。

式１において、ａ_ｉは光センサ１固有の出力係数、ｎは出力の近似数である。光センサ１の出力を検知することができれば、式１より光センサ１と太陽のなす角を算出することができる。

図４は太陽センサ１０に固定された基準座標系と任意の２個の光センサ１から構成される座標系を説明する図である。図４において、Ｘ_Ｂ、Ｙ_Ｂ、Ｚ_Ｂは太陽センサ１０に固定された基準座標系であり、Ｘ_ｉ ^ｊ、Ｙ_ｉ ^ｊ、Ｚ_ｉ ^ｊは任意の２個の光センサｉと光センサｊから構成される座標系である。

２個の光センサ１の法線は、平面Ｙ_ｉ ^ｊ−Ｚ_ｉ ^ｊ上にあり、２つの法線の中線にＺ_ｉ ^ｊ軸が位置するよう定義する。また、それぞれの光センサはＺ_ｉ ^ｊ軸に対して傾斜τ_ｉ、ｊで配置されている。

ここで、光センサｉ、光センサｊの出力から、式１を用いて得られた光センサ１の法線と太陽方向のなす角をそれぞれθ_ｉ、θ_ｊとすると、光センサ１から構成される座標系における太陽方向単位ベクトルr _ｉ、ｊは、式２と式３の２通りで与えることができる。

任意の２個の光センサから構成される座標系から、太陽センサに固定された基準座標系への座標変換行列をＣ^Ｂ _ｉ、ｊとすると、太陽センサ１０に固定された基準座標系における太陽方向単位ベクトルは式４で与えられる。

ここで、一般に２個の光センサ１から太陽方向単位ベクトルとして、２つの解の候補を得ることができる。３個目の光センサ１をｋとし、光センサｉと光センサｋの出力を用いて上記と同様の計算を実行すると、太陽方向単位ベクトルとして２つの解の候補^＋ｒ^Ｂ _ｉ、ｋ、⁻ｒ^Ｂ _ｉ、ｋを得ることができる。

３個の光センサ１の出力が正常である場合、上記で得られた４つの太陽方向単位ベクトルの候補^＋ｒ^Ｂ _ｉ、j、⁻ｒ^Ｂ _ｉ、j 、^＋ｒ^Ｂ _ｉ、ｋ、⁻ｒ^Ｂ _ｉ、ｋの中で概ね一致するものが存在し、概ね一致したものを太陽方向ベクトルとして決定することができる。この各光センサ１で得られた太陽方向単位ベクトルの複数の解の候補は、光センサ選択処理部３２に出力される。

つぎに、光センサ選択処理部３２では、正常な値を出力する光センサ１の組み合わせと異常な値を出力する光センサ１の組み合わせを検出し、使用可能な光センサ１の組み合わせを選択する。上記３個の光センサ１を用いた太陽方向単位ベクトルの計算で示したように、３個の光センサ１が全て正常である場合、当該３個の光センサ１から算出された４つの解の候補のうち２つの太陽方向単位ベクトルは概ね一致し、太陽方向を決定することができる。しかしながら、３個の光センサ１のうち１つが故障していて出力が異常である場合、４つの解の候補の中で一致するものはない。よって、太陽方向単位ベクトルの候補のうち、２つの解が概ね一致する少なくとも３つの光センサ１の組み合わせを、自律的に正常な光センサ１の組み合わせとして選択する。

例えば、４個の光センサ１の中から任意の３個の光センサ１の組み合わせを選択し、選択した組み合わせから求められる２つの解の太陽方向単位ベクトルの一致有無を判定する。当該判定の結果、上記選択した組み合わせから求められる２つの解の太陽方向単位ベクトルが概ね一致する場合、当該光センサ１の組み合わせを、太陽方向単位ベクトルが一致する正常な光センサ１の組み合わせと判定する。
他方、上記判定の結果、上記選択した組み合わせから求められる太陽方向単位ベクトルが一致しない場合、当該組み合わせの光センサ１の組み合わせを、異常な光センサ１を含んだ組み合わせであると判定する。

つぎに、太陽方位角推定処理部３３は、光センサ選択処理部３２にて正常と判定された組み合わせを構成する少なくも３つの光センサ１について、太陽方向ベクトル算出処理部３１にて得られた多数の太陽方向ベクトルの中から尤もらしい太陽方向ベクトルを推定する。これによって太陽方位角を一意に決定する。なお、光センサ選択処理部３２にて異常と判定された光センサ１の組み合わせの出力は利用しない。

一般に光センサ１の特性上、個々の光センサ１間のばらつきや、太陽光の入射角度による出力信号にばらつきがあり、そこから算出された太陽方位角の精度を悪化させる作用がある。ここでは、光センサ１の出力信号の信号強度が強い方がより精度が高い特性を利用し、光センサ１で得られる太陽光の強度を指標とする特定の評価関数を与える。この評価関数を用いて、正常と判定された組み合わせを構成する光センサ１の中から、最も信号強度の高い少なくとも３つの光センサ１を選び、選んだ少なくとも３つの光センサ１から太陽方向ベクトルを求めて、求めた太陽方向ベクトルから基準座標系における２軸の太陽方位角を算出する。このようにして定量的に高精度な太陽方位角を算出することができる。

上記太陽センサ１０を用いることで、１個の光センサ１が故障しても、自律的に故障した光センサ１を検知および排除して、残りの３個以上の光センサ１で２軸の太陽方位角を検出する。かくして、２軸の太陽方位角を算出する機能を喪失せずに、冗長システムの太陽センサ１０を構築することができる。

このように実施の形態１による太陽センサ１０は、太陽光の入射方向に応じて出力が変化する少なくとも４つ以上の光センサ１と、上記光センサ１の取り付け面の法線ベクトルが互いに異なる方向となるように、上記光センサ１を配置する構造体であるハウジング２と、上記各光センサ１の出力信号からそれぞれの太陽方向を求め、求めた太陽方向が概略一致する少なくとも３つの光センサ１を正常な光センサ１として選択し、選択した正常な光センサ１を用いて、２軸の太陽方位角を推定する演算部３と、を備えたことを特徴とする。また、上記演算部３は、上記選択した正常な光センサ１のうち少なくとも３個の光センサ１の出力から、それぞれ光センサ１の取り付け面の法線と太陽方向のなす角を算出し、当該算出したなす角から太陽方向を求める。

これによって、実施の形態１による太陽センサ１０は、搭載する光センサ１を取り付けるハウジング２の構造の複雑化を抑制することができる。例えば各光センサ１を別体の構造体（センサヘッド部）に取り付けた冗長構成とする必要がなく、センサ取り付け面が多面体をなす１つのセンサヘッド部に複数の光センサ１を取り付けて冗長系を構成することができる。このためセンサヘッド部の台数を削減することができ、延いては重量低減と低コスト化を図ることができる。

また、実施の形態１による太陽センサ１０は、光センサ１を均等に配置する必要がなく、配置に対しての自由度が高い。このようにして、配置制約に限定されない光センサ１の配置でも、複数の太陽方位角の中から尤もらしい太陽方位角を推定することができるので、高精度な太陽方位角を導出することが可能となる。

１光センサ、２ハウジング、３演算部、４信号検出ライン。

Claims

太陽光の入射方向に応じて出力が変化する少なくとも４つ以上の光センサと、
上記光センサの取り付け面の法線ベクトルが互いに異なる方向となるように、上記光センサを配置する構造体と、
上記各光センサの出力信号からそれぞれの太陽方向を求め、求めた太陽方向が概略一致する少なくとも３つの光センサを正常な光センサとして選択し、選択した正常な光センサを用いて、２軸の太陽方位角を推定する演算部と、
を備えた太陽センサ。
上記演算部は、上記選択した正常な光センサのうち少なくとも３個の光センサの出力から、それぞれ光センサの取り付け面の法線と太陽方向のなす角を算出し、当該算出したなす角から太陽方向を求める請求項１記載の太陽センサ。