JP4139899B2 - Optical tilt measuring method and optical tilt sensor - Google Patents
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Description
本発明は、光学式傾斜計測方法、及び光学式傾斜センサに関する。 The present invention relates to an optical tilt measurement method and an optical tilt sensor.
模型航空機の操縦においては、その機体の姿勢を維持することが重要である。従来、風による外乱に対しては、操縦者が目視にて傾斜を読み当て舵を打っていた。この方法では、最終的には、操縦者の目視によって外乱による機体の姿勢の傾斜を修正することになるが、機体が遠方にある場合には、目視自体が非常に困難になり、当て舵の操作量に過不足があったり、操作が遅れることがある。 In maneuvering a model aircraft, it is important to maintain the attitude of the aircraft. Conventionally, the driver has read the inclination visually and hit the rudder against disturbance caused by wind. This method eventually corrects the inclination of the attitude of the aircraft due to disturbance by the operator's visual observation, but when the aircraft is far away, the visual observation itself becomes very difficult, and The operation amount may be excessive or insufficient, or the operation may be delayed.
一方、従来ジャイロセンサを傾斜に対する外乱を検出するために使用し、瞬間的な外力を打ち消す方向に舵を自動的に操作する手法がある。この方法では、瞬間的な傾斜の乱れに対しては有効であるが、ジャイロセンサは角加速度、すなわち回転させる外力の検出を行うものであり、これを2回積分することでどのくらい傾斜したかという回転角度の検出は可能であるが、その精度は極めて低い。さらに、ゆっくりとした(低周波)外乱に対しては誤差が累積し、有効に機能しないという欠点がある。このような問題に鑑み、光ファイバージャイロやリングレーザジャイロなどを使用することも検討されているが、これらは非常に高価であって、一般の模型航空機用センサとしては不適格である。 On the other hand, there is a method in which a conventional gyro sensor is used to detect a disturbance with respect to a tilt, and the rudder is automatically operated in a direction to cancel the instantaneous external force. This method is effective for momentary tilt disturbances, but the gyro sensor detects angular acceleration, that is, external force to be rotated, and how much it is tilted by integrating this twice. Although the rotation angle can be detected, its accuracy is extremely low. In addition, for slow (low frequency) disturbances, errors accumulate and have the disadvantage of not functioning effectively. In view of such a problem, use of an optical fiber gyroscope, a ring laser gyroscope, or the like has also been studied. However, these are very expensive and are not suitable as a general model aircraft sensor.
本発明は、模型飛行機などの物体の地上に対する絶対的な傾斜度合いを廉価な装置を用いて検出することを目的とする。 An object of the present invention is to detect the absolute inclination of an object such as a model airplane with respect to the ground using an inexpensive device.
上記目的を達成すべく、本発明は、
所定の物体に対して光学センサを取り付ける工程と、
前記光学センサを用いて、前記物体に対する太陽の位置を幾何学的に算出し、第1のパラメータベクトルとする工程と、
前記物体に対して参照軸を設け、第2のパラメータベクトルとする工程と、
地上に対する前記太陽の位置を第3のパラメータベクトルとする工程と、
地上に対する前記参照軸の位置を第4のパラメータベクトルとする工程と、
前記第1のパラメータベクトルから前記第4のパラメータベクトルまでの各パラメータベクトルと、前記第1のパラメータベクトル及び前記第3のパラメータベクトルの、前記光学センサの前記地上に対する所定の座標軸における回転行列による相関と、前記第2のパラメータベクトル及び前記第4のパラメータベクトルの、前記回転行列による相関とに基づいて、前記物体の地上に対する絶対的な傾斜度合いを導出する工程と、
を具えることを特徴とする、光学式傾斜計測方法に関する。
In order to achieve the above object, the present invention provides:
Attaching an optical sensor to a predetermined object;
Using the optical sensor to geometrically calculate the position of the sun with respect to the object, to provide a first parameter vector;
Providing a reference axis for the object to provide a second parameter vector;
Setting the position of the sun relative to the ground as a third parameter vector;
Setting the position of the reference axis with respect to the ground as a fourth parameter vector;
Correlation of each parameter vector from the first parameter vector to the fourth parameter vector , the first parameter vector, and the third parameter vector by a rotation matrix in a predetermined coordinate axis with respect to the ground of the optical sensor And deriving an absolute inclination degree of the object with respect to the ground based on the correlation between the second parameter vector and the fourth parameter vector by the rotation matrix ;
It is related with the optical inclination measuring method characterized by comprising.
また、本発明は、
所定の物体に対して取り付けられ、前記物体に対する太陽の位置を第1のパラメータベクトルとして幾何学的に算出するための光学センサと、
前記物体に対する参照軸を第2のパラメータベクトルとして規定するための参照軸規定手段と、
地上に対する前記太陽の位置を第3のパラメータベクトルとして導出するための太陽位置検出手段と、
地上に対する前記参照軸の位置を第4のパラメータベクトルとして導出するための参照軸検出手段と、
前記第1のパラメータベクトルから前記第4のパラメータベクトルまでの各パラメータベクトルと、前記第1のパラメータベクトル及び前記第3のパラメータベクトルの、前記光学センサの前記地上に対する所定の座標軸における回転行列による相関と、前記第2のパラメータベクトル及び前記第4のパラメータベクトルの、前記回転行列による相関とに基づいて、前記物体の地上に対する絶対的な傾斜度合いを導出する演算手段と、
を具えることを特徴とする、光学式傾斜センサに関する。
The present invention also provides:
An optical sensor attached to a predetermined object for geometrically calculating the position of the sun relative to the object as a first parameter vector ;
Reference axis defining means for defining a reference axis for the object as a second parameter vector ;
Solar position detecting means for deriving the position of the sun relative to the ground as a third parameter vector;
Reference axis detection means for deriving the position of the reference axis with respect to the ground as a fourth parameter vector;
Correlation of each parameter vector from the first parameter vector to the fourth parameter vector, the first parameter vector, and the third parameter vector by a rotation matrix in a predetermined coordinate axis with respect to the ground of the optical sensor And a calculation means for deriving an absolute inclination degree of the object with respect to the ground based on the correlation between the second parameter vector and the fourth parameter vector by the rotation matrix;
The present invention relates to an optical tilt sensor.
本発明者らは、傾斜度合いを計測すべき物体に対して光学センサ及び参照軸規定手段を設け、それぞれ前記物体に対する太陽の位置及び参照軸を導出し、さらに所定の位置検出手段で前記太陽及び前記参照軸の地上に対する位置を導出し、これらの相関関係を用いるという全く新規な方法で前記物体の地上に対する絶対的な傾斜度合いを計測することに成功した。 The present inventors provide an optical sensor and a reference axis defining means for an object whose degree of inclination is to be measured, derive the position of the sun and the reference axis with respect to the object, respectively, and further detect the sun and the reference position with a predetermined position detecting means. The position of the reference axis with respect to the ground was derived, and the absolute inclination of the object with respect to the ground was successfully measured by a completely new method using these correlations.
本発明によれば、従来のような高価なジャイロセンサを使用しないので、前記導出に基づいて、模型飛行機などの物体の絶対的な傾斜度合いをリアルタイムで検出することができる。 According to the present invention, since an expensive gyro sensor as in the prior art is not used, the absolute inclination of an object such as a model airplane can be detected in real time based on the derivation.
以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について、最良の形態に基づいて詳細に説明する。 The details of the present invention and other features and advantages will be described in detail below based on the best mode.
図1は、本発明の光学式傾斜センサに用いる光学センサの好ましい態様を示す分解構成図である。図1に示す光学センサ10は、二次元位置検出器11と、この上方に設けられたピンホール12Aを有するカバー12と、検出器11及びカバー12間において、凸部を下方にして検出器11の上面と接触するようにして設けられた半球レンズ13とを具えている。図1に示す光学センサ10は、傾斜を計測すべき物体に取り付けられ、前記物体に対する太陽の位置を幾何学的に算出するために用いられる。
FIG. 1 is an exploded configuration diagram showing a preferred embodiment of an optical sensor used in the optical tilt sensor of the present invention. The
具体的には、カバー12におけるピンホール12Aを介して太陽光を取り込み、二次元位置検出器11で受光し、その二次元的な受光位置に対する前記太陽光の方位角及び仰角を導出することによって、前記物体に対する前記太陽の位置を幾何学的に算出する。
Specifically, sunlight is taken in through the
なお、半球レンズ13は本発明においては必ずしも要求されるものではないが、光学センサ10に対する太陽光の入射角(仰角)θが小さい場合、図2(a)に示すように、半球レンズ13が存在しない場合においては、前記太陽光を二次元位置検出器11で受光することができず、その結果、前記物体に対する前記太陽の位置を幾何学的に算出することができなくなってしまう。
The
一方、図2(b)に示すように、半球レンズ13が存在する場合においては、前記太陽光の入射角θが十分に小さい場合においても、前記太陽光の半球レンズ13による屈折の効果によって、半球レンズ13を透過後、前記太陽光は下方へ向けて屈折するようになるので、前記太陽光を二次元位置検出器11で受光できるようになる。この結果、前記物体に対する前記太陽光の位置を幾何学的に算出することができるようになる。
On the other hand, as shown in FIG. 2B, in the case where the
次に、図1に示す光学センサ10を用いた太陽位置の幾何学的算出方法について説明する。図3は、図1に示す光学センサ10を用いた、前記太陽の、前記物体に対する方位角φを導出する方法を説明するための図である。なお、図3においては、光学センサ10を上方から見た様子を示している。また、方位角φは、光学センサ10の、ピンホール12Aを中心として互いに直交するXY座標に関して定義される。
Next, a method for geometrically calculating the solar position using the
方位角φと二次元位置検出器11における太陽光の検出位置(x,y)とが、図3(a)及び(d)に示すような関係にある場合、方位角φと検出位置(x,y)とは、
一方、方位角φと二次元位置検出器11における太陽光の検出位置(x,y)とが、図3(b)及び(c)に示すような関係にある場合、方位角φと検出位置(x,y)とは、
図4は、図1に示す光学センサ10を用いた、前記太陽の、前記物体に対する仰角θを導出する方法を説明するための図である。なお、図4においては、光学センサ10を側方から見た様子を示している。太陽光が図4に示すように、仰角θで光学センサ10に入射し、二次元位置検出器11で検出位置(x,y)で受光される場合、仰角θは
なる関係式で表すことができる。ここで、hは半球レンズ13の厚さであり、n1は大気(空気)中の屈折率であり、n2は半球レンズ13の屈折率であり、r=(x2+y2)1/2である。
FIG. 4 is a diagram for explaining a method of deriving the elevation angle θ of the sun with respect to the object using the
It can be expressed by the following relational expression. Here, h is the thickness of the
このようにして、前記物体に対する前記太陽の位置が方位角φ及び仰角θによって定義され、前記物体に対する前記太陽のベクトル(第1のパラメータベクトル)
を導出することができる。
In this way, the position of the sun relative to the object is defined by the azimuth angle φ and the elevation angle θ, and the sun vector (first parameter vector) relative to the object.
Can be derived.
本発明の光学式傾斜センサは、図1に示す光学センサに加えて参照軸規定手段を具える。この参照軸規定手段は、前記物体に対して光学センサ10同様に取り付けられ、前記物体に対して参照軸を設定する。前記参照軸規定手段は、例えば加速度センサから構成することができ、この場合、前記参照軸としては前記物体に対する重力加速度の方向を規定することになる。また、前記参照軸規定手段は、例えば地磁気センサから構成することができ、この場合、前記参照軸としては前記物体に対する極方向を規定することになる。
The optical tilt sensor of the present invention includes reference axis defining means in addition to the optical sensor shown in FIG. The reference axis defining means is attached to the object in the same manner as the
なお、前記加速度センサ及び前記地磁気センサとしては、汎用のものを用いることができる。 A general-purpose sensor can be used as the acceleration sensor and the geomagnetic sensor.
このように、前記物体に対して、加速度センサ又は地磁気センサなどの参照軸規定手段を設けることにより、前記物体に対する重力加速度の方向又は極方向などの参照軸(第2のパラメータベクトル)
を導出することができる。
Thus, by providing a reference axis defining means such as an acceleration sensor or a geomagnetic sensor for the object, a reference axis (second parameter vector) such as the direction of gravitational acceleration or the polar direction with respect to the object.
Can be derived.
一方、地上を基準とした座標系XYZでの太陽の位置ベクトル(第3のパラメータベクトル)を
とし、前記参照軸の位置ベクトル(第4のパラメータベクトル)を
として、前記物体の、前記座標系XYZにおける各軸回りの回転角度をα、β、γとすると、前記第1のパラメータベクトル及び前記第3のパラメータベクトル、並びに前記第2のパラメータベクトル及び前記第4のパラメータベクトルの間には、
なる関係式が成立する。なお、Rは回転行列であり、
なる関係式が成立する。
On the other hand, the sun position vector (third parameter vector) in the coordinate system XYZ based on the ground
And the reference axis position vector (fourth parameter vector)
Assuming that the rotation angles of the object around the respective axes in the coordinate system XYZ are α, β, and γ, the first parameter vector, the third parameter vector, the second parameter vector, and the second parameter vector Between the four parameter vectors,
The following relational expression holds. R is a rotation matrix,
The following relational expression holds.
また、前記第1のパラメータベクトル及び前記第2のパラメータベクトルは、互いに重なり合うことなく、さらに前記第2のパラメータベクトルが不変であるとき、これらパラメータベクトルの外積ベクトル(I式)を考えると、
なる関係式が成立し、これより、回転行列Rは、
なる関係式で算出することができる。
In addition, when the first parameter vector and the second parameter vector do not overlap each other and the second parameter vector is invariant, when considering an outer product vector (Equation I) of these parameter vectors,
From this, the rotation matrix R is
It can be calculated by the following relational expression.
この場合、第1のパラメータベクトルから第4のパラメータベクトル、及び外積ベクトルは既知となるから、(8)式より回転行列Rを算出することができ、この結果、前記物体の、前記地上に設けた前記座標系XYZにおける各軸回りの回転角度α、β、γは以下のような関係式で算出することができるようになる。
したがって、前記物体の、前記座標系XYZの各軸回りの回転角度、すなわち(9)〜(11)式より、前記物体の、前記地上に対する絶対的な傾斜度合いを導出することができるようになる。 Therefore, the absolute inclination degree of the object with respect to the ground can be derived from the rotation angle of the object around each axis of the coordinate system XYZ, that is, the equations (9) to (11). .
以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。 As described above, the present invention has been described in detail based on the embodiments of the present invention with specific examples. However, the present invention is not limited to the above contents, and all modifications and changes are made without departing from the scope of the present invention. It can be changed.
本発明は、模型航空機や無人ロボットの姿勢制御、自動航行に使用できる傾斜・方位センサなどとして好適に用いることができる。 The present invention can be suitably used as an inclination / orientation sensor that can be used for attitude control and automatic navigation of model aircraft and unmanned robots.
10 光学センサ
11 二次元位置検出器
12 カバー
12A ピンホール
13 半球レンズ
DESCRIPTION OF
Claims (16)
前記光学センサを用いて、前記物体に対する太陽の位置を幾何学的に算出し、第1のパラメータベクトルとする工程と、
前記物体に対して参照軸を設け、第2のパラメータベクトルとする工程と、
地上に対する前記太陽の位置を第3のパラメータベクトルとする工程と、
地上に対する前記参照軸の位置を第4のパラメータベクトルとする工程と、
前記第1のパラメータベクトルから前記第4のパラメータベクトルまでの各パラメータベクトルと、前記第1のパラメータベクトル及び前記第3のパラメータベクトルの、前記光学センサの前記地上に対する所定の座標軸における回転行列による相関と、前記第2のパラメータベクトル及び前記第4のパラメータベクトルの、前記回転行列による相関とに基づいて、前記物体の地上に対する絶対的な傾斜度合いを導出する工程と、
を具えることを特徴とする、光学式傾斜計測方法。 Attaching an optical sensor to a predetermined object;
Using the optical sensor to geometrically calculate the position of the sun with respect to the object, to provide a first parameter vector;
Providing a reference axis for the object to provide a second parameter vector;
Setting the position of the sun relative to the ground as a third parameter vector;
Setting the position of the reference axis with respect to the ground as a fourth parameter vector;
Correlation of each parameter vector from the first parameter vector to the fourth parameter vector , the first parameter vector, and the third parameter vector by a rotation matrix in a predetermined coordinate axis with respect to the ground of the optical sensor And deriving an absolute inclination degree of the object with respect to the ground based on the correlation between the second parameter vector and the fourth parameter vector by the rotation matrix ;
An optical tilt measuring method comprising:
前記物体に対する参照軸を第2のパラメータベクトルとして規定するための参照軸規定手段と、
地上に対する前記太陽の位置を第3のパラメータベクトルとして導出するための太陽位置検出手段と、
地上に対する前記参照軸の位置を第4のパラメータベクトルとして導出するための参照軸検出手段と、
前記第1のパラメータベクトルから前記第4のパラメータベクトルまでの各パラメータベクトルと、前記第1のパラメータベクトル及び前記第3のパラメータベクトルの、前記光学センサの前記地上に対する所定の座標軸における回転行列による相関と、前記第2のパラメータベクトル及び前記第4のパラメータベクトルの、前記回転行列による相関とに基づいて、前記物体の地上に対する絶対的な傾斜度合いを導出する演算手段と、
を具えることを特徴とする、光学式傾斜センサ。 An optical sensor attached to a predetermined object for geometrically calculating the position of the sun relative to the object as a first parameter vector ;
Reference axis defining means for defining a reference axis for the object as a second parameter vector ;
Solar position detecting means for deriving the position of the sun relative to the ground as a third parameter vector;
Reference axis detection means for deriving the position of the reference axis with respect to the ground as a fourth parameter vector;
Correlation of each parameter vector from the first parameter vector to the fourth parameter vector, the first parameter vector, and the third parameter vector by a rotation matrix in a predetermined coordinate axis with respect to the ground of the optical sensor And a calculation means for deriving an absolute inclination degree of the object with respect to the ground based on the correlation between the second parameter vector and the fourth parameter vector by the rotation matrix;
An optical tilt sensor characterized by comprising:
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