JP4196842B2 - Attitude angle detection method and attitude angle detection device - Google Patents
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Description
本発明は、回転体の姿勢角検出方法および姿勢角検出装置に係り、特に、空間安定化機構等のサーボ系においてロール、ヨー、ピッチの3軸回りの姿勢角を検出する際に、ロール、ヨー、ピッチの各軸が機構的拘束のないピボット要素等を回転中心要素とする回転体の姿勢角検出方法および姿勢角検出装置に関する。 The present invention relates to a posture angle detection method and a posture angle detection device of a rotating body, and in particular, when detecting posture angles around three axes of roll, yaw, and pitch in a servo system such as a space stabilization mechanism, The present invention relates to a posture angle detection method and a posture angle detection device for a rotating body in which each axis of yaw and pitch is a pivot element having no mechanical constraint as a rotation center element.
空間安定化機構のペイロード等の回転体は、ロール(x軸回り)、ヨー(z軸回り)、ピッチ(y軸回り)の回転動作は機構的に拘束されて独立したそれぞれの軸で行われ、各軸に取り付けられたエンコーダ、レゾルバ等の角度検出器によって姿勢角を検出する方法が一般的に用いられている。しかしながら、小型軽量化、スペース制約等のためには、ロール、ヨー、ピッチそれぞれ独立した軸を設けるのではなく、回転中心要素として球面軸受け等のピボット要素を用いた構成とするのが有効である。この場合、ロール、ヨー、ピッチ各軸が機構的に存在しないため、従来の機構的に拘束された軸に取り付けられた角度検出器では姿勢角の検出は不可能であった。例えば、特許文献1には、PSD(Position Sensitive Device:半導体位置検出装置)を用いた姿勢制御装置が示されている。これは、小型化が要求される装置にも好適しつつ、小型化に伴うモータの出力不測を解消するもので、撮像部の一方の端部に配置され角度検出器で検出された角度に応じて選択的に発光するLED(Light-Emitting Diode:発光ダイオード)と、このLEDから発光される光を受光しその受光位置に応じた出力を発生するPSDとの間の相対関係により、撮像部の姿勢角度を検出するようにしている。ここでは、LED及びPSDは、機構的に拘束されたジンバル軸に取り付けられた角度検出器の補助的な役目をしている。
上記のように、従来、回転体の姿勢角は機構的に拘束された軸となるジンバル軸回りの角度を検出することにより行っている。しかしながら、回転中心要素が球面軸受け等のピボット要素の場合は、上記のジンバル軸に相当する機構的に拘束された軸が存在しないため、従来の方法はそのまま適用できない。これに対応するため、LED、PSDなどの位置検出装置を回転の自由度の数だけ増設する方法も考えられるが、装置量が増大しスペース効率およびコストの面で好ましくない。また、LEDはコヒーレント光ではなく、直進性に問題を生じるため位置検出精度において好ましくない。 As described above, conventionally, the posture angle of a rotating body is detected by detecting an angle around a gimbal axis that is a mechanically constrained axis. However, when the rotation center element is a pivot element such as a spherical bearing, there is no mechanically constrained axis corresponding to the above-described gimbal axis, so the conventional method cannot be applied as it is. In order to cope with this, a method of adding position detection devices such as LEDs and PSDs by the number of degrees of freedom of rotation is conceivable. Further, the LED is not coherent light, and causes a problem in straightness, which is not preferable in position detection accuracy.
本発明は、回転体が3次元空間で回転する際の姿勢角検出方法および姿勢角検出装置において、回転中心要素がピボット要素で、ロール、ヨー、ピッチの各回転軸が機構的に拘束されない場合でも、2次元位置検出素子を用いて回転体の姿勢角を効率的に検出できる姿勢角検出方法および姿勢角検出装置を提供することを目的とする。 The present invention relates to a posture angle detection method and posture angle detection device when a rotating body rotates in a three-dimensional space, in which the rotation center element is a pivot element and the roll, yaw, and pitch rotation axes are not mechanically constrained However, it is an object of the present invention to provide a posture angle detection method and a posture angle detection device that can efficiently detect the posture angle of a rotating body using a two-dimensional position detection element.
第一の発明は、回転体がピボット要素を介して支持機構に取り付けられ、レーザ光源が、前記レーザ光源を源とする二つのレーザ光線の光軸が前記回転体の回転中心要素で直交するように前記回転体に固定され、前記各レーザ光線に対応して前記レーザ光線を受光して受光位置を検出する2次元位置検出装置を設け、前記2次元位置検出装置は、前記2次元位置検出装置の位置検出面の中心で受光する前記レーザ光線の光軸が前記位置検出面に対して直交するように前記支持機構に固定され、前記2次元位置検出装置で検出される受光位置情報を基に、前記回転体が前記回転中心要素を中心として回転する際の姿勢角を算出する、ように構成した。 In the first invention, the rotating body is attached to the support mechanism via the pivot element, and the laser light source is configured such that the optical axes of the two laser beams originating from the laser light source are orthogonal to the rotation center element of the rotating body. A two-dimensional position detection device that is fixed to the rotating body and receives the laser beam corresponding to each of the laser beams and detects a light receiving position, and the two-dimensional position detection device is the two-dimensional position detection device. The optical axis of the laser beam received at the center of the position detection surface is fixed to the support mechanism so as to be orthogonal to the position detection surface, and based on light reception position information detected by the two-dimensional position detection device The posture angle when the rotating body rotates around the rotation center element is calculated.
第一の発明によれば、レーザ光線に対応して設けられる2次元位置検出装置を用いて、回転体の回転と連動して回転するレーザ光線の受光位置情報を検出することにより、ピボット要素を介して3次元空間内を回転する回転体についても、その姿勢角を効率的に検出できる。 According to the first invention, by using the two-dimensional position detection device provided corresponding to the laser beam, the pivot element is detected by detecting the light receiving position information of the laser beam rotating in conjunction with the rotation of the rotating body. The posture angle of the rotating body rotating in the three-dimensional space can be detected efficiently.
第二の発明は、上記第一の発明において、前記2次元位置検出装置の位置検出面の中心を原点とする2次元座標系を前記位置検出面上に定義して位置検出2次元座標系とし、 前記回転体の回転中心要素を始点として前記位置検出2次元座標系の原点へ向かうベクトルをx軸とし、回転中心要素を始点として前記位置検出2次元座標系で定義される2軸に平行となるベクトルをそれぞれy軸およびz軸とする3次元座標系を定義して位置検出3次元座標系とし、前記位置検出2次元座標系で検出される前記レーザ光線の受光位置情報を基に、前記位置検出3次元座標系おける前記回転体の姿勢を示す単位光線ベクトル情報を生成し、前記各2次元位置検出装置に対応して生成される二つの前記単位光線ベクトル情報を基に前記回転体の姿勢角を算出する、ように構成した。 A second invention is the position detection two-dimensional coordinate system defined in the first invention, wherein a two-dimensional coordinate system having the origin at the center of the position detection surface of the two-dimensional position detection device is defined on the position detection surface. A vector from the rotation center element of the rotating body to the origin of the position detection two-dimensional coordinate system is set as the x axis, and the rotation center element is set as the start point and is parallel to the two axes defined by the position detection two-dimensional coordinate system. A position detection three-dimensional coordinate system is defined by defining a three-dimensional coordinate system having the vectors y and z, respectively, and based on the light receiving position information of the laser beam detected by the position detection two-dimensional coordinate system, Unit ray vector information indicating the posture of the rotator in the position detection three-dimensional coordinate system is generated, and based on the two unit ray vector information generated corresponding to each of the two-dimensional position detectors, Attitude angle Calculated for, configured as.
第二の発明によれば、支持機構に固定された二つの2次元位置検出装置の位置検出面に定義される2次元座標系を基に、受光した二つのレーザ光線の受光位置情報を検出し、それを、3次元空間で回転する回転体の姿勢角を算出し易いようにするために3次元座標系の単位光線ベクトル情報に変換するもので、二つの2次元座標系での受光位置情報を測定するだけで3次元座標系での回転体の姿勢を効率よく算出できるようになる。 According to the second invention, the light receiving position information of the two received laser beams is detected based on the two-dimensional coordinate system defined on the position detection surfaces of the two two-dimensional position detecting devices fixed to the support mechanism. In order to make it easy to calculate the attitude angle of a rotating body that rotates in a three-dimensional space, it is converted into unit ray vector information in a three-dimensional coordinate system, and light receiving position information in two two-dimensional coordinate systems It is possible to efficiently calculate the posture of the rotating body in the three-dimensional coordinate system simply by measuring.
第三の発明は、上記第二の発明に関して、前記位置検出3次元座標系において、前記回転体の回転中心要素から前記位置検出2次元座標の原点までの距離をxとし、前記位置検出2次元座標系において前記レーザ光線を受光した際の受光位置を示す二つの座標値をそれぞれyおよびzとし、前記単位光線ベクトル情報は、前記位置検出3次元座標系の原点を始点とし3次元座標(x,y,z)を終点とするベクトルを単位ベクトルへ正規化したベクトル情報とする、ように構成した。 According to a third invention, with respect to the second invention, in the position detection three-dimensional coordinate system, the distance from the rotation center element of the rotating body to the origin of the position detection two-dimensional coordinate is x, and the position detection two-dimensional Two coordinate values indicating the light receiving position when the laser beam is received in the coordinate system are y and z, respectively, and the unit beam vector information is a three-dimensional coordinate (x , Y, z) as vector information normalized to a unit vector.
第三の発明によれば、3次元空間内の回転体の姿勢角の算出を、互いに直交する二つの単位ベクトルの座標情報の計算に単純化することができ、効率的な姿勢角算出が可能になる。 According to the third invention, the calculation of the posture angle of the rotating body in the three-dimensional space can be simplified to the calculation of the coordinate information of two unit vectors orthogonal to each other, and an efficient posture angle calculation is possible. become.
第四の発明は、上記の発明に関して、前記支持機構に固定されるx軸、y軸、z軸からなる3次元座標系を定義して支持機構固定座標系とし、前記回転体の姿勢角を、前記支持機構固定座標系において、x軸の正方向の右回りの回転を示すロール角、z軸の正方向の右回りの回転を示すヨー角、および、y軸の正方向の右回りの回転を示すピッチ角、の順に3軸回転する3軸回転角として表現する、ように構成した。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a support mechanism fixed coordinate system by defining a three-dimensional coordinate system composed of an x axis, a y axis, and a z axis fixed to the support mechanism, and the attitude angle of the rotating body is In the support mechanism fixed coordinate system, a roll angle indicating clockwise rotation in the positive direction of the x axis, a yaw angle indicating clockwise rotation in the positive direction of the z axis, and a clockwise rotation in the positive direction of the y axis. The pitch angle indicating rotation is expressed as a triaxial rotation angle that rotates three axes in order.
第四の発明によれば、3次元空間内の回転体の姿勢を、ロール角、ヨー角、ピッチ角の3軸回りの回転角の組み合わせとして表現することができ、姿勢角の算出過程がより分かりやすく表現できるようになり、より効率的な姿勢角算出が可能となる。 According to the fourth invention, the posture of the rotating body in the three-dimensional space can be expressed as a combination of rotation angles around the three axes of the roll angle, the yaw angle, and the pitch angle. It becomes possible to express in an easy-to-understand manner, and more efficient posture angle calculation becomes possible.
本発明によれば、機構的に軸拘束のない回転中心要素が球面軸受け等のピボット要素の場合でも、二つの2次元位置検出装置での受光位置情報の測定により、3次元空間における回転体の姿勢角を検出することができる。また、姿勢角の算出は、二つの2次元位置検出装置での受光位置情報を基にして、直交する二つの単位ベクトルとなる単位光線ベクトル、および、ロール角、ヨー角、ピッチ角の3軸回転角に関する計算に単純化され、効率的な姿勢角算出が可能となる。 According to the present invention, even when the rotation center element that has no mechanical constraint is a pivot element such as a spherical bearing, the measurement of the light receiving position information by the two two-dimensional position detection devices enables the rotation of the rotating body in the three-dimensional space. The attitude angle can be detected. Also, the calculation of the attitude angle is based on the light receiving position information in the two two-dimensional position detection devices, and the unit ray vector that becomes two orthogonal unit vectors, and the three axes of roll angle, yaw angle, and pitch angle. This simplifies the calculation related to the rotation angle and enables efficient posture angle calculation.
図1は、本発明の姿勢角検出装置の構成(1)である。 FIG. 1 shows the configuration (1) of the attitude angle detection device of the present invention.
支持機構に固定される支持機構固定座標系xyzを、x軸201、y軸202(紙面に垂直に立っている)、z軸203により構成する。
A support mechanism fixed coordinate system xyz fixed to the support mechanism includes an
レーザ光源4、5は、ピボット要素である回転中心要素1を中心に回転する回転体に固定され、それが発するレーザ光線の光軸は回転中心要素1で直交するように配置される。
The
2次元位置検出装置6、7は支持機構に固定され、レーザ光源4、5それぞれから発光されるレーザ光線をその位置情報検出面で受光し、その受光点の位置情報を検出して、ロール角(x軸回り)、ヨー角(z軸回り)、ピッチ角(y軸回り)の3軸回りの角度で表現される回転体の姿勢角を算出する。ここで、ロール角は支持機構に固定された座標系のx軸201の正の向きを向いて右回りの回転角とし、ヨー角は支持機構に固定された座標系のz軸203の正の向きを向いて右回りの回転角とし、ピッチ角は支持機構に固定された座標系のy軸202の正の向きを向いて右回りの回転角とする。図1では、y軸202は紙面に垂直に立っており、その垂直に立っている方向が正の向きとなる。なお、2次元位置検出素子としては、PSDまたはCCD(Charge Coupled Device:電荷結合素子)デバイスを利用することが可能である。
The two-dimensional position detection devices 6 and 7 are fixed to a support mechanism, receive laser beams emitted from the
回転体と共に回転するレーザ光源4、5が発するレーザ光線の光軸は、回転中心要素1で互いに直交し、二つのレーザ光線の光軸は、初期状態として、それぞれ、2次元位置検出装置6、7の位置検出面の中心に垂直に交わっている。ベクトル2、3は、それぞれ、回転中心要素1を始点としてレーザ光線の光軸に沿ってレーザ光源4、5に向かうベクトルであり、回転体の回転運動に連動して、図1に示す初期状態から移動する。ただし、ベクトルの始点と二つのベクトルが直交した状態は維持される。
The optical axes of the laser beams emitted from the
図1では、回転体に固定されるレーザ光源4,5が初期状態にある場合を示しており、2次元位置検出装置6、7およびレーザ光源4、5は3次元空間内のxz平面上に配置されている。2次元位置検出装置6、7は、回転中心要素1から2次元位置検出装置6、7の位置検出面の中心に向かう二つのベクトル(図1の初期状態ではベクトル2、3と一致している)が、それぞれ、xz平面上でx軸の正方向に対して+45[deg]および+135[deg]の角度になるように支持機構に固定して配置されている。ここで、記号[deg]は角度を示す単位で、円周を360に等分した場合の1単位の円周の中心角を示す(以下同様)。
FIG. 1 shows a case where the
レーザ光源4、5は回転体に固定されており、その光軸が回転中心要素1で互いに直交した状態のまま、回転中心要素1を中心にして3次元の回転を行うが、回転体は、二つのレーザ光線の各光軸が2次元位置検出装置6または7の位置検出面に交差する範囲内で回転するものとする。
The
図2は、本発明の姿勢角検出装置の構成(2)で、図1に示したレーザ光源4、5の構成例を示すもので、レーザ発光素子8から発せられたレーザ光が、集光レンズ9で集光される様子を示している。
FIG. 2 shows a configuration example (2) of the attitude angle detection device according to the present invention, which shows a configuration example of the
上記の図1の構成では、わかり易く表現するために、初期状態として二つのレーザ光線の光軸が支持機構固定座標系におけるxz座標面上にあり、二つの2次元位置検出装置はx軸の正方向に対して+45[deg]および +135[deg]の角度に支持機構に固定的に配置されている場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。以降の説明では、初期状態としては、回転中心要素1で互いに直交する光軸が3次元空間内の任意の位置にある場合を前提にして、回転体の姿勢角算出原理を示す。 In the configuration of FIG. 1 described above, for easy understanding, the optical axes of the two laser beams are on the xz coordinate plane in the support mechanism fixed coordinate system as an initial state, and the two two-dimensional position detection devices have a positive x-axis position. Although the case where the support mechanism is fixedly arranged at the angles of +45 [deg] and +135 [deg] with respect to the direction is shown, the present invention is not limited to this. In the following description, the principle of calculating the attitude angle of the rotating body will be described on the assumption that the optical axes orthogonal to each other in the rotation center element 1 are at arbitrary positions in the three-dimensional space as the initial state.
図3は、座標系定義の概念図であり、2次元位置検出装置の位置検出面に定義される位置検出2次元座標系と、それを基に定義される位置検出3次元座標系AxAyAzを示している。 FIG. 3 is a conceptual diagram of the coordinate system definition. The position detection two-dimensional coordinate system defined on the position detection surface of the two-dimensional position detection apparatus, and the position detection three-dimensional coordinate system A x A defined based on the position detection two-dimensional coordinate system. y A z is shown.
軸101、軸102は、2次元位置検出装置6の位置検出面上に定義される位置検出2次元座標系の座標軸である。
The
また、Ax軸は、回転中心要素1を原点とし、2次元位置検出装置6の位置検出面の中心に向かうベクトルとして定義され、該位置検出面に対して垂直に交差している。Ay 軸、Az軸は、回転中心要素1を始点とし、それぞれ、軸101、軸102と同じ向きとなるベクトルとして定義する。上記のようにして定義されるAx軸、Ay軸、Az 軸から構成される座標系を位置検出3次元座標系AxAyAzと定義する。
The A x axis is defined as a vector having the rotation center element 1 as the origin and going toward the center of the position detection surface of the two-dimensional position detection device 6, and intersects the position detection surface perpendicularly. The A y axis and the A z axis are defined as vectors starting from the rotation center element 1 and having the same orientation as the
回転体が3軸回転することにより、レーザ光源4から発せられるレーザ光線の光軸、つまり、回転中心要素1から2次元位置検出装置6の位置検出面へ向かうベクトル2が変位し、その変位は、2次元位置検出装置6の位置検出面に定義される位置検出2次元座標系での受光位置の変位として検出される。
When the rotating body rotates three axes, the optical axis of the laser beam emitted from the laser light source 4, that is, the
位置検出2次元座標系での受光位置の座標を、101軸上の値をPy、102軸上の値をPzで表すと、位置検出2次元座標系では原点(0,0)から(Py,Pz)への変位として検出され、これを位置検出3次元座標系AxAyAz上で見ると、回転中心要素1から2次元位置検出装置6の位置検出面の中心までの距離をdとして、座標(d,0,0)から座標(d,Py,Pz)への変位として表現できる。
位置検出3次元座標系AxAyAzにおいて、原点(0,0,0)から上記の座標(d,Py,Pz)へのベクトルを単位ベクトルに正規化した単位光線ベクトルsP(図3のベクトル2に相当)を、
When the coordinates of the light receiving position in the position detection two-dimensional coordinate system are represented by P y on the 101 axis and P z on the 102 axis, the origin (0, 0) is ( P y , P z ), which is detected as a displacement to the position detection three-dimensional coordinate system A x A y A z, from the rotation center element 1 to the center of the position detection surface of the two-dimensional position detection device 6 Is a distance from the coordinates (d, 0, 0) to the coordinates (d, P y , P z ).
The position detecting 3-dimensional coordinate system A x A y A z, the origin (0,0,0) from the coordinates (d, P y, P z ) unit vector were normalized to the unit vector of the ray vector s P (Corresponding to
と定義する。ここで、|SP|=1で、SPxは、回転中心要素1から2次元位置検出装置6の位置検出面の中心までの距離dを単位ベクトルのAx成分になるように正規化したものであり、SPyおよびSPzは、それぞれ、2次元位置検出装置6の位置検出面での位置検出量を単位ベクトルのAy成分およびAz成分になるように正規化したものである。 It is defined as Here, | S P | in = 1, S P x is normalized so that A x component of the unit vector a distance d from the center of rotation element 1 to the center of the position detection surface of the two-dimensional position detecting apparatus 6 S P y and S P z are values obtained by normalizing the position detection amounts on the position detection surface of the two-dimensional position detection device 6 so as to become the A y component and the A z component of the unit vector, respectively. It is.
もう一つの2次元位置検出装置7についても同様にして位置検出3次元座標系BxByBz を定義し、座標系BxByBzにおいて、図1に示した回転中心要素1を通るレーザ光源 5から発するレーザ光線の光軸上、つまり、回転中心要素1から2次元位置検出装置7の位置検出面に向かうベクトルを単位ベクトルに正規化した単位光線ベクトルsQを、
Similarly for the other two-dimensional position detection device 7, a position detection three-dimensional coordinate system B x B y B z is defined. In the coordinate system B x B y B z, the rotation center element 1 shown in FIG. A unit beam vector s Q obtained by normalizing a vector from the rotation center element 1 toward the position detection surface of the two-dimensional position detection device 7 to a unit vector on the optical axis of the laser beam emitted from the passing
と定義する。 It is defined as
次に、位置検出3次元座標系AxAyAzのAx軸、Ay軸、Az 軸の支持機構固定座標系xyzにおける単位ベクトルを、それぞれ、Aex、Aey 、Aez とし、位置検出3次元座標系
BxByBz のBx軸、By軸、Bz軸の支持機構固定座標系xyzにおける単位ベクトルを、それぞれ、Bex、Bey、Bez とすると、位置検出3次元座標系AxAyAzおよび位置検出3次元座標系BxByBz から、支持機構固定座標系 xyzへの変換行列は、それぞれ、
Next, A x-axis of the position detection three-dimensional coordinate system A x A y A z, A y -axis, the unit vector in the support mechanism fixed coordinate system xyz of A z-axis, respectively, A e x, A e y , A ez and position detection 3D coordinate system
If the unit vectors in the support mechanism fixed coordinate system xyz of B x B y B z of B x axis, B y axis, and B z axis are B e x , B e y , and B e z , respectively, position detection 3D The transformation matrices from the coordinate system A x A y A z and the position detection three-dimensional coordinate system B x B y B z to the support mechanism fixed coordinate system xyz are respectively:
となり、位置検出3次元座標系で表した単位光線ベクトルSP、 SQを支持機構固定座標系xyzで表した単位光線ベクトルP、Qは、 Next, the unit ray vector S P expressed by the position detecting 3-dimensional coordinate system, S Q unit light vector P expressed in the support mechanism fixed coordinate system xyz, Q is
となり、これにより、位置検出3次元座標系AxAyAzおよび位置検出3次元座標系
BxByBz による座標軸成分から、支持機構固定座標系 xyzによる座標軸成分を求めることができる。
Thus, the position detection three-dimensional coordinate system A x A y A z and the position detection three-dimensional coordinate system
From the coordinate axis component by B x B y B z, the coordinate axis component by the support mechanism fixed coordinate system xyz can be obtained.
図4は座標系変換の概念図で、上記の単位光線ベクトルPおよびQと、位置検出3次元座標系AxAyAz、位置検出3次元座標系BxByBz 、および支持機構固定座標系 xyzとの関係の概要を示したものである。 FIG. 4 is a conceptual diagram of coordinate system conversion. The unit ray vectors P and Q, the position detection three-dimensional coordinate system A x A y A z, the position detection three-dimensional coordinate system B x B y B z, and the support mechanism The outline of the relationship with the fixed coordinate system xyz is shown.
2次元位置検出装置6に対しては、回転中心要素1を始点としてその位置検出面の中心に直交するベクトルをAx軸とし、その位置検出面に定義される2次元座標系の座標軸101および102と平行な、回転中心要素1を始点とするベクトルをそれぞれAy軸、および、Az 軸として、位置検出3次元座標系AxAyAzを構成する。2次元位置検出装置7に対しても、同様にして、位置検出3次元座標系BxByBzを構成する。
For two-dimensional position detecting apparatus 6, a vector orthogonal to the center of the position detection surface center of rotation element 1 as the starting point and A x-axis,
次に、互いに直交する単位光線ベクトルP、Qの姿勢角を定義する。支持機構固定座標系xyz系において、直交する2つの単位ベクトル[1 0 0]Tおよび[0 0 1]Tが、その直交関係を維持した状態で3軸回転して、直交する単位光線ベクトルP、Q になったとした場合のロール角(x軸回りの回転角)α、ヨー角(z軸回りの回転角)β、ピッチ角(y軸回りの回転角)γの組を、直交する単位光線ベクトルP、Qの姿勢角と定義し、以降
"(α,β,γ)"と表記する。
Next, the posture angles of the unit ray vectors P and Q orthogonal to each other are defined. In the support mechanism fixed coordinate system xyz system, two unit vectors [1 0 0] T and [0 0 1] T which are orthogonally rotated by three axes while maintaining the orthogonal relationship, are orthogonal to each other. , Q, a unit of orthogonally intersecting a set of roll angle (rotation angle around x axis) α, yaw angle (rotation angle around z axis) β, and pitch angle (rotation angle around y axis) γ It is defined as the attitude angle of ray vectors P and Q, and so on
It is written as “(α, β, γ)”.
このとき、x 軸回りのロール角αの回転行列をRx(α)、z 軸回りのヨー角βの回転行列を Rz(β)、y 軸回りのピッチ角γの回転行列をRy(γ)と表記すると、3軸回転時の回転行列は次のように表される。 At this time, the rotation matrix of the roll angle α around the x axis is R x (α), the rotation matrix of the yaw angle β around the z axis is R z (β), and the rotation matrix of the pitch angle γ around the y axis is R y When expressed as (γ), the rotation matrix at the time of three-axis rotation is expressed as follows.
上記の式(2)と、姿勢角の定義より直交する単位ベクトル[1 0 0]T、[0 0 1]T が、それぞれ、ロール角α、ヨー角β、ピッチ角γの順に3軸回転して、直交する単位 光線ベクトルP、Qになることから、 The unit vectors [1 0 0] T and [0 0 1] T that are orthogonal to the above equation (2) and the definition of the attitude angle rotate in three axes in the order of roll angle α, yaw angle β, and pitch angle γ, respectively. Since the orthogonal unit ray vectors P and Q become
が得られ、これを基にして、単位光線ベクトルP、Qに関して、支持機構固定座標系
xyzの座標軸成分と、姿勢角(α,β,γ)の成分についての次の関係式が得られる 。
Based on this, the following relational expressions for the coordinate axis component of the support mechanism fixed coordinate system xyz and the posture angle (α, β, γ) components are obtained for the unit light vectors P and Q.
上記の式(4)により、単位光線ベクトルP、Qの支持機構固定座標系xyzの座標軸成分から、単位光線ベクトルP、Qの姿勢角(α,β,γ)を求めることができる。 From the above equation (4), the posture angles (α, β, γ) of the unit light vectors P, Q can be obtained from the coordinate axis components of the support mechanism fixed coordinate system xyz of the unit light vectors P, Q.
ここで、arctan2(Y,X) はロボット工学等で用いられる関数で、tan-1(Y/X)を拡張したものである。角度をラジアンで表示した場合、tan-1(Y/X)の値域が Here, arctan2 (Y, X) is a function used in robotics or the like, and is an extension of tan -1 (Y / X). When the angle is displayed in radians, the range of tan -1 (Y / X) is
であり、X=0の場合に対応できないのに対し、arctan2(Y,X)は、引数Y、Xの符号から象限を特定し、 Arctan2 (Y, X) specifies the quadrant from the signs of the arguments Y and X, while X = 0 is not supported.
の値域を持ち、X=0 の場合にもY の符号に応じて、 Even if X = 0, depending on the sign of Y,
を出力する。 Is output.
次に、回転中心要素1を始点として、支持機構に固定された2次元位置検出装置6,7の位置検出面の中心方向を指す互いに直交する単位ベクトル、つまり、初期状態の単位光線ベクトルP0、Q0が、回転体の3軸回転により直交する単位光線ベクトルP、Qになった場合を考える。例えば、図1に示した互いに直交するベクトル2、3が、それぞれ、初期状態の単位光線ベクトルP0、Q0に相当する。 Next, with the rotation center element 1 as the starting point, unit vectors that are orthogonal to each other and point in the center direction of the position detection surfaces of the two-dimensional position detection devices 6 and 7 fixed to the support mechanism, that is, the unit ray vector P 0 in the initial state. , Q 0 becomes unit beam vectors P, Q orthogonal to each other by three-axis rotation of the rotating body. For example, a vector couple mutually orthogonal as shown in FIG. 1, respectively, corresponds to a unit of the initial state light vector P0, Q 0.
初期状態の直交する単位光線ベクトルP0、Q0の姿勢角を(α0,β0,γ0)とし、直交する単位光線ベクトルP、Qの姿勢角を(α,β,γ)とする。そして、回転体が3軸回転した際の姿勢角の各成分、つまり、ロール角、ヨー角、ピッチ角の変化量を、それぞれ、Δα、Δβ、Δγと表記し、この姿勢角変化分の回転を行う回転行列をΔR(Δα,Δβ,Δγ)と表記すると、 The attitude angle of the unit light vector P0, Q 0 to the initial state orthogonal (α 0, β 0, γ 0) and the unit light vector P orthogonal, the attitude angle of Q (α, β, γ) to. The components of the posture angle when the rotating body rotates three axes, that is, the change amounts of the roll angle, the yaw angle, and the pitch angle are expressed as Δα, Δβ, and Δγ, respectively. A rotation matrix for performing is expressed as ΔR (Δα, Δβ, Δγ),
であることから、 Because
となり、さらに、回転行列の特性として、その逆行列は転置行列に等しいことから、 Furthermore, as a characteristic of the rotation matrix, the inverse matrix is equal to the transpose matrix, so
となり、回転体の互いに直交する単位光線ベクトルの初期姿勢角(α0,β0,γ0)が分かれば、上記式(4)で求めた回転後の回転体の互いに直交する単位光線ベクトルの姿勢角(α,β,γ)を基に、回転行列ΔR(Δα,Δβ,Δγ)を求めることができる。 If the initial posture angles (α 0 , β 0 , γ 0 ) of the orthogonal unit ray vectors of the rotator are known, the unit ray vectors of the rotated rotator after the rotation obtained by the above equation (4) are obtained. Based on the attitude angles (α, β, γ), a rotation matrix ΔR (Δα, Δβ, Δγ) can be obtained.
次に、上記で求めた回転行列ΔR(Δα,Δβ,Δγ)を基に、ロール角Δα、ヨー角Δβ、ピッチ角Δγを算出するためには、直交する単位ベクトル[1 0 0]T、[0 0 1]Tが、それぞれ、ロール角Δα、ヨー角Δβ、ピッチ角Δγだけ3軸回転してできる直交する単位ベクトル
e1、e2の姿勢角(Δα,Δβ,Δγ)を、式(4)を用いて求めればよい。
Next, in order to calculate the roll angle Δα, the yaw angle Δβ, and the pitch angle Δγ based on the rotation matrix ΔR (Δα, Δβ, Δγ) obtained above, orthogonal unit vectors [1 0 0] T , [0 0 1] T represents the posture angles (Δα, Δβ, Δγ) of orthogonal unit vectors e 1 , e 2 that are obtained by rotating three axes by the roll angle Δα, the yaw angle Δβ, and the pitch angle Δγ, respectively. What is necessary is just to obtain | require using (4).
つまり、まず、支持機構固定座標系xyz上でのx軸方向の単位ベクトルex=[1 0 0]T、および、z軸方向の単位ベクトルez=[0 0 1]T を回転行列ΔR(Δα,Δβ,Δγ)で変換して、 That is, first, the unit vector e x = [1 0 0] T in the x-axis direction on the support mechanism fixed coordinate system xyz and the unit vector e z = [0 0 1] T in the z -axis direction are converted into a rotation matrix ΔR. Convert with (Δα, Δβ, Δγ),
を得、次に、この直交する単位ベクトルe1=[e1x,e1y,e1z]Tおよびe2=[e2x,e2y,e2z]Tと、その姿勢角(Δα,Δβ,Δγ)の成分に対して式(4)を適用すると、 Next, the orthogonal unit vectors e 1 = [e 1x , e 1y , e 1z ] T and e 2 = [e 2x , e 2y , e 2z ] T and their attitude angles (Δα, Δβ, Applying equation (4) to the component of Δγ)
となり、これを基にして最終的な3軸姿勢角の変位量Δα、Δβ、Δγを算出できる。 Based on this, the final displacement amounts Δα, Δβ, Δγ of the three-axis attitude angles can be calculated.
以上が、本発明による姿勢角算出の原理である。 The above is the principle of posture angle calculation according to the present invention.
次に、上記の式(1)〜(6)を用いて、2次元位置検出装置の位置検出面での受光位置の検出データから回転体の姿勢角の変化量を求める場合の、算出手順の実施例を示す。 Next, a calculation procedure for obtaining the amount of change in the posture angle of the rotating body from the detection data of the light receiving position on the position detection surface of the two-dimensional position detection device using the above formulas (1) to (6). An example is shown.
以下の実施例は、上記の姿勢角算出原理を用いた算出手順の過程を示すことが目的であり、算出した結果は計算過程で丸め誤差が混入していることから若干の誤差が含まれているが、本発明の本質には影響しない。 The following embodiment is intended to show the process of the calculation procedure using the above attitude angle calculation principle, and the calculated result includes a slight error because a rounding error is mixed in the calculation process. However, this does not affect the essence of the present invention.
図5は本発明の実施例(1)の全体図であり、図6は、図5に示す本発明の実施例(1)の中の主要部分を拡大表示したものである。 FIG. 5 is an overall view of the embodiment (1) of the present invention, and FIG. 6 is an enlarged view of the main part in the embodiment (1) of the present invention shown in FIG.
レーザ光源301、302は、それが発するレーザ光線の光軸が、回転中心要素1(球面軸受け)で互いに直交する形で回転体305に固定されている。ここでは、2次元位置検出装置としてPSDを用いた例を示しており、PSD304、303は、回転中心要素1からそれらの位置検出面の中心への垂線が互いに直交する形で支持機構306に固定されている。支持機構306については前記支持機構固定座標系xyzが定義され、PSD304については前記位置検出3次元座標系AxAyAzが定義され、PSD303については前記位置検出3次元座標系BxByBzが定義される。
The
図5、6に示す実施例(1)では、回転中心要素1から、PSD304、303の位置検出面の中心に向かう単位ベクトル、つまり、互いに直交する単位光線ベクトルをそれぞれP0、Q0とすると、その姿勢角は(0[deg],0[deg],+45[deg])になっている。つまり、初期状態の直交する単位光線ベクトルP0、Q0は、支持機構固定座標系xyzにおいて、互いに直交する単位ベクトル[1 0 0]Tおよび[0 0 1]Tを、y軸回り(y軸の正方向に向かって右回り)に+45[deg]回転させたものと同じである。
In the embodiment (1) shown in FIGS. 5 and 6, assuming that the unit vectors from the rotation center element 1 to the centers of the position detection surfaces of the
一方、PDS304の位置検出3次元座標系AxAyAzは、支持機構固定座標系xyzと一致していた座標系がy軸回りに+45[deg]度回転してできたものとして定義し、また、PDS303の位置検出3次元座標系BxByBzは、支持機構固定座標系xyzと一致していた座標系がy軸回りに-45[deg]回転してできたものとして定義する。
On the other hand, the position detection three-dimensional coordinate system A x A y A z of the
このとき、位置検出3次元座標系AxAyAzおよび位置検出3次元座標系BxByBzにそれぞれ対応する座標変換行列AT、BTは次のようになる。 At this time, coordinate transformation matrices A T and B T respectively corresponding to the position detection three-dimensional coordinate system A x A y A z and the position detection three-dimensional coordinate system B x B y B z are as follows.
また、PSD304の位置検出2次元座標系で測定される位置検出値は、定義より、前記位置検出3次元座標系AxAyAzにおけるy軸方向およびz軸方向の変位として表され、PSD303の位置検出2次元座標系で測定される位置検出値は、前記位置検出3次元座標系BxByBzにおけるy軸方向およびz軸方向の変位として表される。
Further, the position detection value measured in the position detection two-dimensional coordinate system of the
また、図5、6に示す実施例(1)では、位置検出3次元座標系AxAyAzおよび位置検出3次元座標系BxByBzのいずれにおいても、x軸の値、つまり、回転中心要素1からPSD304およびPSD303の位置検出面までの距離は、d=40[mm]に固定されている。ここで、[mm]は、長さをミリメートルの単位で表示することを示す(以下同様)。
In the embodiment (1) shown in FIGS. 5 and 6, the value of the x-axis in both the position detection three-dimensional coordinate system A x A y A z and the position detection three-dimensional coordinate system B x B y B z That is, the distance from the rotation center element 1 to the position detection surfaces of
上記の実施例(1)の条件を基に、回転体305の直交する単位光線ベクトルが初期姿勢角(0[deg],0[deg],+45[deg])から姿勢角(α,β,γ)へ回転した際の変位姿勢角(Δα,Δβ,Δγ)を本発明による姿勢角算出原理を用いて算出する際のシミュレーション実施例を、以下の(1)および(2)に示す。
(1)変位姿勢角算出シミュレーション1
回転体305がピッチ軸(y軸202)回りに回転した結果のPSDの位置検出面に定義される位置検出2次元座標系での位置検出値が次の通りであったとする。ここで、位置検出値は、"(位置検出3次元座標系のy軸方向の値, 位置検出3次元座標系のz軸方向の値)"の形式で表記する。
Based on the condition of the above embodiment (1), the orthogonal unit ray vector of the
(1) Displacement posture angle calculation simulation 1
Assume that the position detection values in the position detection two-dimensional coordinate system defined on the PSD position detection surface as a result of the rotation of the
・PSD304: (0.00[mm],+3.50[mm])
・PSD303: (0.00[mm],+3.50[mm])
ここで、位置検出3次元座標系におけるx軸の値、つまり、回転中心要素1からPSD304およびPSD303の位置検出面までの距離は、d=40[mm]に固定されていることから、位置検出3次元座標系AxAyAzにおいて、PSD304の位置検出面における検出点を示すベクトルは(+40[mm] 0.00[mm] +3.50[mm])Tとなり、これを単位ベクトルに正規化した位置検出3次元座標系座標系AxAyAzにおける単位光線ベクトルSPは、
-PSD304: (0.00 [mm], + 3.50 [mm])
-PSD303: (0.00 [mm], + 3.50 [mm])
Here, the value of the x-axis in the position detection three-dimensional coordinate system, that is, the distance from the rotation center element 1 to the position detection surfaces of
となる。 It becomes.
同様にして、位置検出3次元座標系座標系BxByBzにおける、PSD303の位置検出面における検出点を示すベクトルは(+40[mm] 0.00[mm] +3.50[mm])Tとなり、これを単位ベクトルに正規化した位置検出3次元座標系座標系BxByBzにおける単位光線ベクトルSQは、 Similarly, in the position detection three-dimensional coordinate system coordinate system B x B y B z, the vector indicating the detection point on the position detection surface of the PSD 303 is (+40 [mm] 0.00 [mm] +3.50 [mm]) T The unit ray vector S Q in the position detection three-dimensional coordinate system B x B y B z normalized to the unit vector is
となる。 It becomes.
前記式(1)〜(6)および実施例(1)に適用される式(7)より、直交する単位光線ベクトルSPおよびSQを、支持機構固定座標系xyzで表現した互いに直交する単位光線ベクトルPおよびQは、 Units from the applied formula (7), the unit ray vector S P and S Q are orthogonal, perpendicular to each other were represented by a supporting mechanism fixed coordinate system xyz on the equation (1) to (6) and Example (1) Ray vectors P and Q are
となる。この結果を前記式(4)に適用すると、回転体305に連動して回転する互いに直交する単位光線ベクトルPおよびQの姿勢角(α,β,γ)は、
It becomes. When this result is applied to the above equation (4), the posture angles (α, β, γ) of the orthogonal unit light vectors P and Q that rotate in conjunction with the
となり、これから From now on
が得られる。 Is obtained.
上記の結果より、回転体305に連動して回転する直交する単位光線ベクトルPおよびQの3軸回りの回転行列Rx(α)、Rz(β)、Ry(γ)は、
From the above results, the rotation matrices R x (α), R z (β), R y (γ) around the three axes of the orthogonal unit light vectors P and Q rotating in conjunction with the
となる。 It becomes.
同様にして、直交する単位光線ベクトルPおよびQの初期状態の姿勢角(α0,β0,γ0)は
(0[deg],0[deg],+45[deg])であることから、初期姿勢角の3軸回りの回転行列Rx(α0)、Rz(β0)、Ry(γ0)は、
Similarly, since the posture angles (α 0 , β 0 , γ 0 ) in the initial state of the orthogonal unit ray vectors P and Q are (0 [deg], 0 [deg], +45 [deg]). , Rotation matrices R x (α 0 ), R z (β 0 ), R y (γ 0 ) around three axes of initial posture angles are
となる。 It becomes.
以上の結果を前記式(5)に適用することにより、直交する単位光線ベクトルPおよびQの姿勢角の変化分の回転に対応する回転行列ΔR(Δα,Δβ,Δγ)は、 By applying the above result to the equation (5), the rotation matrix ΔR (Δα, Δβ, Δγ) corresponding to the rotation of the change in the posture angle of the orthogonal unit ray vectors P and Q is
となる。 It becomes.
一方、直交する単位ベクトル[1 0 0]Tおよび[0 0 1]Tが、姿勢角(Δα,Δβ,Δγ)だけ回転して直交するベクトルe1およびe2になったとすると、 On the other hand, if the orthogonal unit vectors [1 0 0] T and [0 0 1] T are rotated by the posture angles (Δα, Δβ, Δγ) to become orthogonal vectors e 1 and e 2 ,
となり、これを前記式(6)に適用すると、 When this is applied to the equation (6),
が得られる。 Is obtained.
以上より、回転体305の回転に連動して、回転体305の直交する単位光線ベクトルが、初期姿勢角(α0,β0,γ0)=(0[deg],0[deg],+45[deg])から回転した際のPSD304およびPSD303での位置検出値が
・PSD304: (0.00[mm],+3.50[mm])
・PSD303: (0.00[mm],+3.50[mm])
であった場合は、回転による単位光線ベクトルの変位姿勢角(Δα,Δβ,Δγ) は、(0.0[deg],0.0[deg], -5.003[deg])と算出できる。
From the above, in conjunction with the rotation of the
-PSD303: (0.00 [mm], + 3.50 [mm])
In this case, the displacement posture angle (Δα, Δβ, Δγ) of the unit light vector due to rotation can be calculated as (0.0 [deg], 0.0 [deg], −5.003 [deg]).
次に、実施例(1)における二番目の変位姿勢角算出例を示す。
(2)変位姿勢角算出シミュレーション2
上記の実施例(1)において、回転体305がピッチ軸(y軸202)回りに回転した結果のPSDでの位置検出値が次の通りであったとする。
Next, a second displacement posture angle calculation example in the embodiment (1) is shown.
(2) Displacement attitude
In the above embodiment (1), it is assumed that the position detection values in the PSD as a result of the rotation of the
・PSD304: (+2.97[mm],-2.15[mm])
・PSD303: (0.002[mm],-2.15[mm])
PSD304に定義された位置検出3次元座標系AxAyAzにおけるPSD304の位置検出面での検出点を示すベクトルは、上記の変位姿勢角シミュレーション1と同様にして、(40[mm], +2.97[mm], -2.15[mm])Tとなり、これを単位ベクトルに正規化した位置検出3次元座標系AxAyAzの単位光線ベクトルSPは、
-PSD304: (+2.97 [mm],-2.15 [mm])
-PSD303: (0.002 [mm],-2.15 [mm])
A vector indicating a detection point on the position detection surface of the
となる。同様にして、PSD303に定義された位置検出3次元座標系BxByBzを基にしたPSD303の位置検出面での検出点を示すベクトルは(+40[mm], +0.002[mm], -2.15[mm])Tとなり、これを単位ベクトルに正規化した位置検出3次元座標系BxByBzの単位光線ベクトルSQは、 It becomes. Similarly, vectors indicating detection points on the position detection surface of PSD 303 based on the position detection three-dimensional coordinate system B x B y B z defined in PSD 303 are (+40 [mm], +0.002 [mm]. , -2.15 [mm]) T , and the unit ray vector S Q of the position detection three-dimensional coordinate system B x B y B z normalized to the unit vector is
となる。 It becomes.
また、位置検出3次元座標系AxAyAz、および、位置検出3次元座標系BxByBz から、支持機構固定座標系 xyz 系への回転行列ATおよびBTは、上記変位姿勢角算出シミュレーション1と同様で、 In addition, the rotation matrices A T and B T from the position detection three-dimensional coordinate system A x A y A z and the position detection three-dimensional coordinate system B x B y B z to the support mechanism fixed coordinate system xyz system are as described above. Same as displacement attitude angle calculation simulation 1,
であり、前記式(1)より、支持機構固定座標系 xyz 系での直交する単位光線ベクトルPおよびQは、 From the above equation (1), the orthogonal unit ray vectors P and Q in the support mechanism fixed coordinate system xyz system are
となる。上記の結果を前記式(4)に適用すると、直交する単位光線ベクトルPおよびQの姿勢角(α,β,γ)は、 It becomes. Applying the above result to the equation (4), the posture angles (α, β, γ) of the orthogonal unit ray vectors P and Q are
となり、これから From now on
が得られる。 Is obtained.
上記の結果より、互いに直交する単位光線ベクトルPおよびQの3軸周りの回転行列
Rx(α)、Rz(β)、Ry(γ)は、
From the above results, the rotation matrices R x (α), R z (β), R y (γ) around the three axes of the unit ray vectors P and Q orthogonal to each other are
となる。同様にして、互いに直交する単位光線ベクトルPおよびQの初期状態の姿勢角
(α0,β0,γ0)は、(0[deg],0[deg],+45[deg])であることから、
It becomes. Similarly, the posture angles (α 0 , β 0 , γ 0 ) in the initial state of the unit ray vectors P and Q orthogonal to each other are (0 [deg], 0 [deg], +45 [deg]). From that
が得られ、初期姿勢角の3軸回りの回転行列Rx(α0)、Rz(β0)、Ry(γ0)は、 The rotation matrices R x (α 0 ), R z (β 0 ), R y (γ 0 ) around the three axes of the initial posture angle are
となる。 It becomes.
以上の結果を前記式(5)に適用することにより、直交する単位光線ベクトルPおよびQが、その初期姿勢角(α0,β0,γ0) =(0[deg],0[deg],+45[deg])の位置から、姿勢角の変化分(Δα,Δβ,Δγ)の回転を行う際の回転行列ΔR(Δα,Δβ,Δγ)は、 By applying the above result to the above equation (5), the orthogonal unit ray vectors P and Q have their initial attitude angles (α 0 , β 0 , γ 0 ) = (0 [deg], 0 [deg] , +45 [deg]), the rotation matrix ΔR (Δα, Δβ, Δγ) when rotating the change in posture angle (Δα, Δβ, Δγ) is
となる。一方、直交する単位ベクトル[1 0 0]Tおよび[0 0 1]Tが、姿勢角
(Δα,Δβ,Δγ)だけ回転して直交ベクトルe1およびe2になったとすると、
It becomes. On the other hand, orthogonal unit vectors [1 0 0] T and [0 0 1] T
If it is rotated by (Δα, Δβ, Δγ) to become orthogonal vectors e 1 and e 2 ,
となり、これを前記式(6)に適用すると、 When this is applied to the equation (6),
が得られる。 Is obtained.
以上より、回転体305と連動して回転する直交する単位光線ベクトルが初期姿勢角
(α0,β0,γ0)=(0[deg],0[deg],+45[deg])から回転して現在の姿勢角(α,β,γ)へ変位した際の変位姿勢角(Δα,Δβ,Δγ) は、(+3.0037[deg],+2.9979[deg],+2.9916[deg])と算出できる。
From the above, the orthogonal unit light vector rotating in conjunction with the
以上が、図5、6に示した本発明の実施例(1)についての変位姿勢角算出シミュレーションの実施例である。 The above is the embodiment of the displacement attitude angle calculation simulation for the embodiment (1) of the present invention shown in FIGS.
次に、もう一つの実施例である実施例(2)について説明する。 Next, another embodiment (2) will be described.
図7は本発明の実施例(2)である。 FIG. 7 shows an embodiment (2) of the present invention.
単一のレーザ光源401、ハーフ・ミラー402、および、ミラー403〜407は、回転中心要素1(球面軸受け)を中心に回転する回転体に固定され、PSD410,411は支持機構412に固定されている。この実施例(2)では、図5、6に示した実施例(1)と比較すると、レーザ光源を単一にでき小型ミラーを適用することにより省スペース化が可能な構成にできる利点がある。レーザ光源401から発光されるレーザ光線はハーフ・ミラー402及びミラー403〜407によって2つのレーザ光線408、409に分割され、PSD410、411で受光される。ここで、レーザ光線408および409の光軸は回転中心要素1において互いに直交している。
The single
支持機構412については、x軸201、y軸202(紙面に垂直に立っている)、z軸203の3軸から成る支持機構固定座標系xyzが定義され、PSD411については位置検出3次元座標系AxAyAzが定義され、PSD410については位置検出3次元座標系
BxByBzが定義される。
For the support mechanism 412, a support mechanism fixed coordinate system xyz consisting of three axes of
B x B y B z is defined.
レーザ光線408、409は回転体と連動して回転するが、図7では、その初期状態が示されている。つまり、レーザ光線408を示すベクトルは、回転中心要素1からPSD411の中心方向に向かうベクトルを初期ベクトルとし、レーザ光線409を示すベクトルは、回転中心要素1からPSD410の中心に向かうベクトルを初期ベクトルとし、回転体に固定された状態で、互いに直交した関係を維持したまま回転する。
The
回転中心要素1からPSD411、410の中心に向かう単位ベクトルを、それぞれP0、Q0で表すと、それらは互いに直交しており、支持機構固定座標系xyzを基準としたロール角(x軸回り)、ヨー角(z軸回り)、ピッチ角(y軸回り)で示される姿勢角を“(ロール角,ヨー角,ピッチ角)”形式で表現すると、図7より、ベクトルP0、Q0は、支持機構固定座標系xyzにおいて、互いに直交する単位ベクトル[1 0 0]Tおよび[0 0 1]Tを、y軸回り(y軸の正方向に向かって右回り)に-45[deg]回転させたものと同じであり、姿勢角の定義から、互いに直交する単位ベクトルP0、Q0の姿勢角は(0[deg],0[deg],-45[deg])とみなすことができる。 When unit vectors from the rotation center element 1 toward the centers of the PSDs 411 and 410 are expressed by P 0 and Q 0 , respectively, they are orthogonal to each other, and the roll angle (about the x axis around the support mechanism fixed coordinate system xyz) ), The posture angle indicated by the yaw angle (around the z-axis) and the pitch angle (around the y-axis) are expressed in the form of “(roll angle, yaw angle, pitch angle)”, and the vectors P 0 and Q 0 are expressed from FIG. Is a unit vector [1 0 0] T and [0 0 1] T that are orthogonal to each other in the support mechanism fixed coordinate system xyz by −45 [deg] around the y axis (clockwise in the positive direction of the y axis). ] From the definition of the attitude angle, it is assumed that the attitude angles of the unit vectors P 0 and Q 0 that are orthogonal to each other are (0 [deg], 0 [deg], -45 [deg]) Can do.
また、図7より、PDS411に定義される位置検出3次元座標系AxAyAzは、支持機構固定座標系xyzと一致していた座標系がy軸回りに-45[deg]度回転してできたものとして定義され、PDS303に定義される位置検出3次元座標系BxByBzは、支持機構固定座標系xyzと一致していた座標系がy軸回りに-135[deg]回転してできたもの定義される。このとき、位置検出3次元座標系AxAyAzおよび位置検出3次元座標系BxByBzにそれぞれ対応する座標変換行列AT、BTは次のようになる。 7, the position detection three-dimensional coordinate system A x A y A z defined in the PDS 411 is rotated by −45 [deg] degrees around the y axis in the coordinate system that coincides with the support mechanism fixed coordinate system xyz. The position detection three-dimensional coordinate system B x B y B z defined in the PDS 303 is defined as a coordinate system that coincides with the support mechanism fixed coordinate system xyz about −135 [deg ] Rotation is defined. At this time, the coordinate transformation matrices A T and B T respectively corresponding to the position detection three-dimensional coordinate system A x A y A z and the position detection three-dimensional coordinate system B x B y B z are as follows.
PSD411の位置検出面で測定されるレーザ光線408の位置検出値は、前記位置検出3次元座標系AxAyAzにおけるy軸方向およびz軸方向の変位として検出され、PSD410の位置検出面で測定されるレーザ光線409の位置検出値は、前記位置検出3次元座標系BxByBzにおけるy軸方向およびz軸方向の変位として検出される。また、位置検出3次元座標系AxAyAzおよび位置検出3次元座標系BxByBzのいずれにおいても、x軸方向の位置はd=40[mm]に固定されている。
The position detection value of the laser beam 408 measured on the position detection surface of the PSD 411 is detected as a displacement in the y-axis direction and the z-axis direction in the position detection three-dimensional coordinate system A x A y A z, and the position detection surface of the PSD 410 The position detection value of the
上記の実施例(2)の条件で、回転体に定義される直交する単位光線ベクトルが初期姿勢角(0[deg],0[deg],+45[deg])から姿勢角(α,β,γ)へ回転した際の変位姿勢角
(Δα,Δβ,Δγ)を本発明による姿勢角算出原理を用いて算出する際のシミュレーション実施例を、以下の(3)および(4)に示す。
(3)変位姿勢角算出シミュレーション3
回転体がピッチ軸(y軸202)回りに回転した結果のPSDの位置検出面における位置検出値が次の通りであったとする。
Under the condition of the above embodiment (2), the orthogonal unit ray vector defined in the rotating body is changed from the initial posture angle (0 [deg], 0 [deg], +45 [deg]) to the posture angle (α, β , γ) displacement attitude angle when rotating to
Examples of simulation when calculating (Δα, Δβ, Δγ) using the attitude angle calculation principle according to the present invention are shown in the following (3) and (4).
(3) Displacement attitude
Assume that the position detection values on the position detection surface of the PSD as a result of the rotation of the rotating body around the pitch axis (y-axis 202) are as follows.
・PSD411:(0.0[mm], +3.50[mm])
・PSD410:(0.0[mm],+3.50[mm])
回転中心要素1(球面軸受け)を中心に位置検出3次元座標系AxAyAzを基にしたPSD411の位置検出面における位置検出点のベクトルは(+40[mm] 0.00[mm] +3.50[mm])Tとなり、これを単位ベクトルに正規化した単位光線ベクトルSPは、
・ PSD411: (0.0 [mm], +3.50 [mm])
-PSD410: (0.0 [mm], +3.50 [mm])
Vector position detection points in the position detection surface of the rotating central element 1 (spherical bearing) based on a position detection three-dimensional coordinate system A x A y A z about the PSD411 is (+40 [mm] 0.00 [mm ] + 3.50 [mm]) T, and the unit light vector S P obtained by normalizing this unit vector,
となる。同様にして、PSD410についての位置検出3次元座標系BxByBzにおける単位光線ベクトルSQは、 It becomes. Similarly, the unit ray vector S Q in the position detection three-dimensional coordinate system B x B y B z for the PSD 410 is
となる。 It becomes.
また、前記式(8)より、位置検出3次元座標系AxAyAz、および、位置検出3次元座標系BxByBz から、支持機構固定座標系 xyzへの変換行列ATおよびBTは、 Further, from the above equation (8), the transformation matrix A T from the position detection three-dimensional coordinate system A x A y A z and the position detection three-dimensional coordinate system B x B y B z to the support mechanism fixed coordinate system xyz. And B T are
であることから、前記式(1)より、支持機構固定座標系 xyzにおける直交する単位光線ベクトルPおよびQは、 Therefore, from the above equation (1), the orthogonal unit ray vectors P and Q in the support mechanism fixed coordinate system xyz are
となる。上記の結果を前記式(4)に適用すると、直交する単位光線ベクトルPおよびQの姿勢角(α,β,γ)は、 It becomes. Applying the above result to the equation (4), the posture angles (α, β, γ) of the orthogonal unit ray vectors P and Q are
となり、これから From now on
が得られる。 Is obtained.
上記の結果より、回転体に固定されて回転する直交する単位光線ベクトルPおよびQの3軸回りの回転行列Rx(α)、Rz(β)、Ry(γ)は、 From the above results, the rotation matrices R x (α), R z (β), R y (γ) around the three axes of the orthogonal unit ray vectors P and Q that are fixed to the rotating body and rotate are:
となる。同様にして、互いに直交する単位光線ベクトルPおよびQの初期状態の姿勢角
(α0,β0,γ0)は(0[deg],0[deg],-45[deg])であることから、
It becomes. Similarly, the posture angles (α 0 , β 0 , γ 0 ) in the initial state of the unit ray vectors P and Q orthogonal to each other are (0 [deg], 0 [deg], −45 [deg]). From
が得られ、初期姿勢角(α0,β0,γ0)の3軸回りの回転行列Rx(α0)、Rz(β0)、Ry(γ0)は、 Is obtained, the initial attitude angle (α 0, β 0, γ 0) of the three axes of rotation matrix R x (α 0), R z (β 0), R y (γ 0) is
となる。 It becomes.
以上の結果を、前記式(5)に適用することにより、直交する単位光線ベクトルPおよびQの姿勢角変位分の回転を行う回転行列ΔR(Δα,Δβ,Δγ)は、 By applying the above results to the above equation (5), a rotation matrix ΔR (Δα, Δβ, Δγ) that rotates the orthogonal unit ray vectors P and Q by the posture angle displacement is
となる。一方、直交する単位ベクトル[1 0 0]Tおよび[0 0 1]Tが、姿勢角(Δα,Δβ,Δγ)だけ回転して直交ベクトルe1およびe2になったとすると、 It becomes. On the other hand, if the orthogonal unit vectors [1 0 0] T and [0 0 1] T are rotated by posture angles (Δα, Δβ, Δγ) to become orthogonal vectors e 1 and e 2 ,
となり、これを前記式(6)に適用すると、 When this is applied to the equation (6),
が得られる。つまり、直交する単位光線ベクトルPおよびQの変位姿勢角(Δα,Δβ,Δγ)は、(0.0[deg],0.0[deg], -5.0035[deg])となる。
(4)変位姿勢角算出シミュレーション4
図7に示す本発明の実施例(2)において、回転体が初期状態から回転した結果のPSDにおける位置検出値が次の通りであったとする。
Is obtained. That is, the displacement attitude angles (Δα, Δβ, Δγ) of the orthogonal unit ray vectors P and Q are (0.0 [deg], 0.0 [deg], −5.0035 [deg]).
(4) Displacement posture angle calculation simulation 4
In the embodiment (2) of the present invention shown in FIG. 7, it is assumed that the position detection values in the PSD as a result of the rotation of the rotating body from the initial state are as follows.
PSD411:(0.002[mm], -2.15 [mm])
PSD410:(-2.97[mm], -2.15 [mm])
回転中心要素1(球面軸受け)を中心に位置検出3次元座標系AxAyAzを基にしたPSD411における検出値が示すベクトルは[+40[mm] +0.002[mm] -2.15[mm]]Tとなり、これを単位ベクトルに正規化した単位光線ベクトルSPは、
PSD411: (0.002 [mm], -2.15 [mm])
PSD410: (-2.97 [mm], -2.15 [mm])
The vector indicated by the detected value in PSD 411 based on the position detection three-dimensional coordinate system A x A y A z around the rotation center element 1 (spherical bearing) is [+40 [mm] +0.002 [mm] -2.15 [mm ]] T, and the normalized unit light vector S P is the unit vector of this,
となる。同様にして、PSD410についての位置検出3次元座標系BxByBzの単位光線ベクトルSQは、 It becomes. Similarly, the unit ray vector S Q of the position detection three-dimensional coordinate system B x B y B z for the PSD 410 is
となる。 It becomes.
また、位置検出3次元座標系AxAyAz、および、位置検出3次元座標系BxByBz 系から、支持機構固定座標系 xyz 系への変換行列ATおよびBTは、上記の変位姿勢角算出シミュレーション1、2と同様にして、
Further, the transformation matrices A T and B T from the position detection three-dimensional coordinate system A x A y A z and the position detection three-dimensional coordinate system B x B y B z system to the support mechanism fixed coordinate system xyz system are: Similar to the displacement attitude
となり、前記式(1)より、支持機構固定座標系xyzにおける直交する単位光線ベクトルPおよびQは、 From the above equation (1), the orthogonal unit light vectors P and Q in the support mechanism fixed coordinate system xyz are
となる。上記の結果を前記式(4)に適用すると、直交する単位光線ベクトルPおよびQの姿勢角(α,β,γ)は、 It becomes. Applying the above result to the equation (4), the posture angles (α, β, γ) of the orthogonal unit ray vectors P and Q are
となり、これから From now on
が得られる。 Is obtained.
上記の結果より、回転体305と連動して回転する直交する単位光線ベクトルPおよびQの3軸周りの回転行列Rx(α)、Rz(β)、Ry(γ)は、
From the above results, the rotation matrices R x (α), R z (β), R y (γ) around the three axes of the orthogonal unit ray vectors P and Q that rotate in conjunction with the
となる。同様にして、直交する単位光線ベクトルPおよびQの初期状態の姿勢角
(α0,β0,γ0)は、(0[deg],0[deg],-45[deg])であることから、
It becomes. Similarly, the posture angles (α 0 , β 0 , γ 0 ) in the initial state of the orthogonal unit ray vectors P and Q are (0 [deg], 0 [deg], −45 [deg]). From
が得られ、初期姿勢角の3軸回りの回転行列Rx(α0)、Rz(β0)、Ry(γ0)は、 The rotation matrices R x (α 0 ), R z (β 0 ), R y (γ 0 ) around the three axes of the initial posture angle are
となる。 It becomes.
以上の結果を前記式(5)に適用することにより、直交する単位光線ベクトルPおよびQの姿勢角変位分の回転を行う回転行列ΔR(Δα,Δβ,Δγ)は、 By applying the above result to the above equation (5), a rotation matrix ΔR (Δα, Δβ, Δγ) for performing rotation of the orthogonal unit ray vectors P and Q by the posture angle displacement is
となる。一方、直交する単位ベクトル[1 0 0]Tおよび[0 0 1]Tが、姿勢角(Δα,Δβ,Δγ)だけ回転して直交ベクトルe1およびe2になったとすると、 It becomes. On the other hand, if the orthogonal unit vectors [1 0 0] T and [0 0 1] T are rotated by posture angles (Δα, Δβ, Δγ) to become orthogonal vectors e 1 and e 2 ,
となり、これを前記式(6)に適用すると、 When this is applied to the equation (6),
となり、回転体と連動して回転する直交する単位光線ベクトルPおよびQが、その初期姿勢角(0[deg],0[deg],-45[deg])の姿勢から回転した場合の、初期姿勢角からの変位姿勢角として、(+3.000[deg],+2.996[deg],+3.003[deg])が得られる。 When the orthogonal unit ray vectors P and Q that rotate in conjunction with the rotating body rotate from their initial attitude angles (0 [deg], 0 [deg], -45 [deg]) (+3.000 [deg], +2.996 [deg], +3.003 [deg]) is obtained as the displacement posture angle from the posture angle.
以上に詳述した本発明の実施の形態では、レーザ光線とそれを受光して位置を検出する2次元位置検出装置を実施例として示したが、直進性のある光線とそれを受光して位置を検出できる2次元位置検出装置であれば、レーザ光線に限定されずに本発明は適用可能である。 In the embodiment of the present invention described in detail above, the laser beam and the two-dimensional position detection device that receives the laser beam and detects the position are shown as an example. The present invention can be applied to any two-dimensional position detection apparatus that can detect the above without being limited to the laser beam.
また、説明をわかり易くするために、変位姿勢角算出のシミュレーション例では、支持機構固定座標系xyzのxz平面に二つの2次元位置検出装置の位置検出面の中心と回転中心要素が含まれる場合で説明したが、本発明の姿勢角算出の原理はこれに限定されずに適用できる。つまり、回転体の初期姿勢を示す直交する単位光線ベクトルP0、Q0は、任意に設定することができる。 In order to make the explanation easy to understand, in the simulation example of the displacement attitude angle calculation, the xz plane of the support mechanism fixed coordinate system xyz includes the center of the position detection surface and the rotation center element of the two two-dimensional position detection devices. Although explained, the principle of posture angle calculation of the present invention can be applied without being limited to this. That is, the orthogonal unit ray vectors P 0 and Q 0 indicating the initial posture of the rotating body can be arbitrarily set.
上記の実施例では、2次元位置検出装置として、PSDを用いた例を示したが、これに限定されることはなく、CCD素子などの他の手段でも可能である。 In the above-described embodiment, an example using a PSD as a two-dimensional position detection device has been described. However, the present invention is not limited to this, and other means such as a CCD element may be used.
以上詳細に述べた本発明の実施の態様は、以下の付記の通りである。
(付記1)回転体がピボット要素を介して支持機構に取り付けられ、
レーザ光源が、前記レーザ光源を源とする二つのレーザ光線の光軸が前記回転体の回転中心要素で直交するように前記回転体に固定され、
前記各レーザ光線に対応して前記レーザ光線を受光して受光位置を検出する2次元位置検出装置を設け、
前記2次元位置検出装置は、前記2次元位置検出装置の位置検出面の中心で受光する前記レーザ光線の光軸が前記位置検出面に対して直交するように前記支持機構に固定され、
前記2次元位置検出装置で検出される受光位置情報を基に、前記回転体が前記回転中心要素を中心として回転する際の姿勢角を算出する、
ことを特徴とする姿勢角検出方法。
(付記2)付記1に記載の姿勢角検出方法において、
前記2次元位置検出装置の位置検出面の中心を原点とする2次元座標系を前記位置検出面上に定義して位置検出2次元座標系とし、
前記回転体の回転中心要素を始点として前記位置検出2次元座標系の原点へ向かうベクトルをx軸とし、回転中心要素を始点として前記位置検出2次元座標系で定義される2軸に平行となるベクトルをそれぞれy軸およびz軸とする3次元座標系を定義して位置検出3次元座標系とし、
前記位置検出2次元座標系で検出される前記レーザ光線の受光位置情報を基に、前記位置検出3次元座標系おける前記回転体の姿勢を示す単位光線ベクトル情報を生成し、
前記各2次元位置検出装置に対応して生成される二つの前記単位光線ベクトル情報を基に前記回転体の姿勢角を算出する、
ことを特徴とする姿勢角検出方法。
(付記3)付記2に記載の姿勢角検出方法において、
前記位置検出3次元座標系において、前記回転体の回転中心要素から前記位置検出2次元座標の原点までの距離をxとし、前記位置検出2次元座標系において前記レーザ光線を受光した際の受光位置を示す二つの座標値をそれぞれyおよびzとし、
前記単位光線ベクトル情報は、前記位置検出3次元座標系の原点を始点とし3次元座標(x,y,z)を終点とするベクトルを単位ベクトルへ正規化したベクトル情報とする、
ことを特徴とする姿勢角検出方法。
(付記4)付記1ないし付記3のいずれかに記載の姿勢角検出方法において、
前記支持機構に固定されるx軸、y軸、z軸からなる3次元座標系を定義して支持機構固定座標系とし、
前記回転体の姿勢角を、前記支持機構固定座標系において、x軸の正方向の右回りの回転を示すロール角、z軸の正方向の右回りの回転を示すヨー角、および、y軸の正方向の右回りの回転を示すピッチ角、の順に3軸回転する3軸回転角として表現する、
ことを特徴とする姿勢角検出方法。
(付記5)付記1に記載の姿勢角検出方法において、
前記回転体に固定されるレーザ光源は二個のレーザ光源から成り、
前記二個のレーザ光源が発する二個のレーザ光線は、その光軸が前記回転体の回転中心要素で互いに直交するように配置される、
ことを特徴とする姿勢角検出方法。
(付記6)付記1に記載の姿勢角検出方法において、
前記回転体に固定されるレーザ光源は一個のレーザ光源から成り、
前記一個のレーザ光源が発するレーザ光線は、ハーフミラーおよびミラーを介して二個のレーザ光線に分岐され、前記分岐された二個のレーザ光線の光軸が前記回転体の回転中心要素で互いに直交するように配置される、
ことを特徴とする姿勢角検出方法。
(付記7)支持機構にピボット要素を介して取り付けられる回転体と、
前記回転体に固定されるレーザ光源と、
前記レーザ光源を源とする二つのレーザ光線の光軸を前記回転体の回転中心要素で直交 するように配置する手段と、
前記各レーザ光線に対応して設けられ、前記レーザ光線を受光して受光位置情報を検出する2次元位置検出装置と、
前記2次元位置検出装置を、前記2次元位置検出装置が位置検出面の中心で受光する前記レーザ光線の光軸が前記位置検出面に対して直交するように前記支持機構に固定する手段と、
前記2次元位置検出装置で検出される受光位置情報を基に、前記回転体が前記回転中心要素を中心として回転する際の姿勢角を算出する手段を備える、
ことを特徴とする姿勢角検出装置。
(付記8)付記7に記載の姿勢角検出装置において、
前記2次元位置検出装置の位置検出面の中心を原点として前記位置検出面に定義される2次元座標系である位置検出2次元座標系と、
前記回転体の回転中心要素を始点として前記位置検出2次元座標系の原点へ向かうベクトルをx軸とし、回転中心要素を始点として前記位置検出2次元座標系で定義される2軸に平行となるベクトルをそれぞれy軸およびz軸として定義される3次元座標系である位置検出3次元座標系と、
前記位置検出3次元座標系で検出される前記レーザ光線の受光位置情報を基に、前記位置検出3次元座標系における前記回転体の姿勢を示す単位光線ベクトル情報を生成する手段と、
前記各2次元位置検出装置に対応して生成される二つの前記単位光線ベクトル情報を基に前記回転体の姿勢角を算出する手段を備える、
ことを特徴とする姿勢角検出装置。
(付記9)付記8に記載の姿勢角検出装置において、
前記位置検出3次元座標系において、前記回転体の回転中心要素から前記位置検出2次元座標の原点までの距離をxとし、前記位置検出2次元座標系において前記レーザ光線を受光した際の受光位置を示す二つの座標値をそれぞれyおよびzとし、前記位置検出3次元座標系の原点を始点とし3次元座標(x,y,z)を終点とするベクトルを単位ベクトルへ正規化したベクトル情報を前記単位光線ベクトル情報とする手段を備える、
ことを特徴とする姿勢角検出装置。
(付記10)付記7ないし付記9のいずれかに記載の姿勢角検出装置において、
前記支持機構に固定して定義されるx軸、y軸、z軸からなる3次元座標系である支持機構固定座標系と、
前記回転体の姿勢角を、前記支持機構固定座標系において、x軸の正方向の右回りの回転を示すロール角、z軸の正方向の右回りの回転を示すヨー角、および、y軸の正方向の右回りの回転を示すピッチ角、の順に3軸回転する3軸回転角で表現する手段を備える、
ことを特徴とする姿勢角検出装置。
(付記11)付記7に記載の姿勢角検出装置において、
前記回転体に固定されるレーザ光源は二個のレーザ光源から成り、
前記二個のレーザ光源が発する二個のレーザ光線は、その光軸が前記回転体の回転中心要素で互いに直交するように配置される、
ことを特徴とする姿勢角検出装置。
(付記12)付記7に記載の姿勢角検出装置において、
前記回転体に固定されるレーザ光源は一個のレーザ光源から成り、
前記一個のレーザ光源が発するレーザ光線は、ハーフミラーおよびミラーを介して二個のレーザ光線に分岐され、前記分岐された二個のレーザ光線の光軸が前記回転体の回転中心要素で互いに直交するように配置される、
ことを特徴とする姿勢角検出装置。
(付記13)付記7に記載の姿勢角検出装置において、
前記2次元位置検出装置は、半導体位置検出装置(PSD)で構成される、
ことを特徴とする姿勢角検出装置。
(付記14)付記7に記載の姿勢角検出方法において、
前記3次元位置検出装置は、電荷結合素子(CCD)で構成される、
ことを特徴とする姿勢角検出装置。
The embodiment of the present invention described in detail above is as follows.
(Supplementary Note 1) The rotating body is attached to the support mechanism via the pivot element,
A laser light source is fixed to the rotating body so that optical axes of two laser beams originating from the laser light source are orthogonal to each other at a rotation center element of the rotating body,
A two-dimensional position detection device for detecting the light receiving position by receiving the laser beam corresponding to each laser beam is provided,
The two-dimensional position detection device is fixed to the support mechanism so that the optical axis of the laser beam received at the center of the position detection surface of the two-dimensional position detection device is orthogonal to the position detection surface,
Based on light reception position information detected by the two-dimensional position detection device, a posture angle when the rotating body rotates around the rotation center element is calculated.
A posture angle detection method characterized by the above.
(Supplementary note 2) In the attitude angle detection method according to supplementary note 1,
Defining a two-dimensional coordinate system having the origin of the center of the position detection surface of the two-dimensional position detection device on the position detection surface to form a position detection two-dimensional coordinate system;
A vector from the rotation center element of the rotating body to the origin of the position detection two-dimensional coordinate system is set as the x axis, and the rotation center element is set as the start point and is parallel to two axes defined by the position detection two-dimensional coordinate system. Define a three-dimensional coordinate system with vectors as y-axis and z-axis, respectively, to obtain a position detection three-dimensional coordinate system,
Based on light reception position information of the laser beam detected in the position detection two-dimensional coordinate system, unit beam vector information indicating the posture of the rotating body in the position detection three-dimensional coordinate system is generated,
Calculating the posture angle of the rotating body based on the two pieces of unit light vector information generated corresponding to each of the two-dimensional position detection devices;
A posture angle detection method characterized by the above.
(Appendix 3) In the attitude angle detection method according to
In the position detection three-dimensional coordinate system, the distance from the rotation center element of the rotating body to the origin of the position detection two-dimensional coordinate is x, and the light receiving position when the laser beam is received in the position detection two-dimensional coordinate system Let y and z be two coordinate values indicating
The unit ray vector information is vector information obtained by normalizing a vector starting from the origin of the position detection three-dimensional coordinate system and having the three-dimensional coordinates (x, y, z) as an end point into a unit vector.
A posture angle detection method characterized by the above.
(Appendix 4) In the attitude angle detection method according to any one of appendices 1 to 3,
Define a three-dimensional coordinate system consisting of an x-axis, a y-axis, and a z-axis fixed to the support mechanism to form a support mechanism fixed coordinate system,
In the support mechanism fixed coordinate system, the posture angle of the rotating body is a roll angle indicating clockwise rotation in the positive direction of the x axis, a yaw angle indicating clockwise rotation in the positive direction of the z axis, and a y axis. Expressed as a three-axis rotation angle that rotates three axes in the order of the pitch angle indicating clockwise rotation in the positive direction.
A posture angle detection method characterized by the above.
(Supplementary note 5) In the attitude angle detection method according to supplementary note 1,
The laser light source fixed to the rotating body is composed of two laser light sources,
The two laser beams emitted from the two laser light sources are arranged so that their optical axes are orthogonal to each other at the rotation center element of the rotating body,
A posture angle detection method characterized by the above.
(Supplementary note 6) In the attitude angle detection method according to supplementary note 1,
The laser light source fixed to the rotating body is composed of one laser light source,
The laser beam emitted from the one laser light source is split into two laser beams via a half mirror and a mirror, and the optical axes of the two laser beams branched are orthogonal to each other at the rotation center element of the rotating body. Arranged to
A posture angle detection method characterized by the above.
(Appendix 7) a rotating body attached to the support mechanism via a pivot element;
A laser light source fixed to the rotating body;
Means for arranging the optical axes of two laser beams originating from the laser light source so as to be perpendicular to the rotation center element of the rotating body;
A two-dimensional position detection device that is provided corresponding to each laser beam and receives the laser beam to detect light reception position information;
Means for fixing the two-dimensional position detection device to the support mechanism so that an optical axis of the laser beam received by the two-dimensional position detection device at the center of the position detection surface is orthogonal to the position detection surface;
Based on the light receiving position information detected by the two-dimensional position detection device, comprising means for calculating a posture angle when the rotating body rotates around the rotation center element,
A posture angle detection device characterized by the above.
(Supplementary note 8) In the posture angle detection device according to supplementary note 7,
A position detection two-dimensional coordinate system which is a two-dimensional coordinate system defined on the position detection surface with the center of the position detection surface of the two-dimensional position detection device as an origin;
A vector from the rotation center element of the rotating body to the origin of the position detection two-dimensional coordinate system is set as the x axis, and the rotation center element is set as the start point and is parallel to two axes defined by the position detection two-dimensional coordinate system. A position detection three-dimensional coordinate system, which is a three-dimensional coordinate system in which vectors are defined as a y-axis and a z-axis, respectively;
Means for generating unit beam vector information indicating the posture of the rotating body in the position detection three-dimensional coordinate system based on the light-receiving position information of the laser beam detected in the position detection three-dimensional coordinate system;
Means for calculating a posture angle of the rotating body based on the two pieces of unit light vector information generated corresponding to each of the two-dimensional position detection devices;
A posture angle detection device characterized by the above.
(Supplementary note 9) In the posture angle detection device according to
In the position detection three-dimensional coordinate system, the distance from the rotation center element of the rotating body to the origin of the position detection two-dimensional coordinate is x, and the light receiving position when the laser beam is received in the position detection two-dimensional coordinate system Vector information obtained by normalizing a vector starting from the origin of the position detection three-dimensional coordinate system and having the three-dimensional coordinates (x, y, z) as an end point to a unit vector. Means for providing the unit ray vector information;
A posture angle detection device characterized by the above.
(Supplementary Note 10) In the posture angle detection device according to any one of Supplementary Notes 7 to 9,
A support mechanism fixed coordinate system that is a three-dimensional coordinate system composed of an x-axis, a y-axis, and a z-axis that are defined fixedly to the support mechanism;
In the support mechanism fixed coordinate system, the posture angle of the rotating body is a roll angle indicating clockwise rotation in the positive direction of the x axis, a yaw angle indicating clockwise rotation in the positive direction of the z axis, and a y axis. Including a means for expressing a three-axis rotation angle that rotates three axes in the order of a pitch angle indicating clockwise rotation in the positive direction.
A posture angle detection device characterized by the above.
(Supplementary note 11) In the posture angle detection device according to supplementary note 7,
The laser light source fixed to the rotating body is composed of two laser light sources,
The two laser beams emitted from the two laser light sources are arranged so that their optical axes are orthogonal to each other at the rotation center element of the rotating body,
A posture angle detection device characterized by the above.
(Supplementary note 12) In the posture angle detection device according to supplementary note 7,
The laser light source fixed to the rotating body is composed of one laser light source,
The laser beam emitted from the one laser light source is split into two laser beams via a half mirror and a mirror, and the optical axes of the two laser beams branched are orthogonal to each other at the rotation center element of the rotating body. Arranged to
A posture angle detection device characterized by the above.
(Supplementary note 13) In the posture angle detection device according to supplementary note 7,
The two-dimensional position detection device includes a semiconductor position detection device (PSD).
A posture angle detection device characterized by the above.
(Supplementary note 14) In the posture angle detection method according to supplementary note 7,
The three-dimensional position detection device includes a charge coupled device (CCD).
A posture angle detection device characterized by the above.
1 回転中心要素(ピボット要素)
2,3 ベクトル
4,5, レーザ
6,7 2次元位置検出装置
8 レーザ発光素子
9 集光用レンズ
101,102 2次元位置検出装置の位置検出面上の座標軸
103 位置検出3次元座標系AxAyAzのAx軸
104 位置検出3次元座標系AxAyAzのAy軸
105 位置検出3次元座標系AxAyAzのAz軸
201 支持機構固定座標系xyzのx軸
202 支持機構固定座標系xyzのy軸
203 支持機構固定座標系xyzのz軸
301,302 レーザ光源
303,304 PSD
401 レーザ光源
402 ハーフ・ミラー
403,404,405,406,407 ミラー
408,409 レーザ光線
410,411 PSD
412 支持機構
1 Center of rotation (pivot element)
2,3 vector
4,5, laser
6,7 Two-dimensional position detector
8 Laser emitter
9 Condensing lens
101,102 Coordinate axes on the position detection surface of the two-dimensional position detection device
103 Position detection 3D coordinate system A x A y A z A x axis
104 position detection three-dimensional coordinate system A x A y A A y-axis and z
105 position detection three-dimensional coordinate system A x A y A A z-axis of the z
201 x axis of support mechanism fixed coordinate system xyz
202 y-axis of support mechanism fixed coordinate system xyz
203 Z axis of support mechanism fixed coordinate system xyz
301,302 Laser light source
303,304 PSD
401 Laser light source
402 Half Mirror
403,404,405,406,407 Mirror
408,409 Laser beam
410,411 PSD
412 Support mechanism
Claims (5)
レーザ光源が、前記レーザ光源を源とする二つのレーザ光線の光軸が前記回転体の回転中心要素で直交するように前記回転体に固定され、
前記各レーザ光線に対応して前記レーザ光線を受光して受光位置を検出する2次元位置検出装置を設け、
前記2次元位置検出装置は、前記2次元位置検出装置の位置検出面の中心で受光する前記レーザ光線の光軸が前記位置検出面に対して直交するように前記支持機構に固定され、
前記2次元位置検出装置で検出される受光位置情報を基に、前記回転体が前記回転中心要素を中心として回転する際の姿勢角を算出する、
ことを特徴とする姿勢角検出方法。 The rotating body is attached to the support mechanism via a pivot element;
A laser light source is fixed to the rotating body so that optical axes of two laser beams originating from the laser light source are orthogonal to each other at a rotation center element of the rotating body,
A two-dimensional position detection device for detecting the light receiving position by receiving the laser beam corresponding to each laser beam is provided,
The two-dimensional position detection device is fixed to the support mechanism so that the optical axis of the laser beam received at the center of the position detection surface of the two-dimensional position detection device is orthogonal to the position detection surface,
Based on light reception position information detected by the two-dimensional position detection device, a posture angle when the rotating body rotates around the rotation center element is calculated.
A posture angle detection method characterized by the above.
前記2次元位置検出装置の位置検出面の中心を原点とする2次元座標系を前記位置検出面上に定義して位置検出2次元座標系とし、
前記回転体の回転中心要素を始点として前記位置検出2次元座標系の原点へ向かうベクトルをx軸とし、回転中心要素を始点として前記位置検出2次元座標系で定義される2軸に平行となるベクトルをそれぞれy軸およびz軸とする3次元座標系を定義して位置検出3次元座標系とし、
前記位置検出2次元座標系で検出される前記レーザ光線の受光位置情報を基に、前記位置検出3次元座標系おける前記回転体の姿勢を示す単位光線ベクトル情報を生成し、
前記各2次元位置検出装置に対応して生成される二つの前記単位光線ベクトル情報を基に前記回転体の姿勢角を算出する、
ことを特徴とする姿勢角検出方法。 The attitude angle detection method according to claim 1,
Defining a two-dimensional coordinate system having the origin of the center of the position detection surface of the two-dimensional position detection device on the position detection surface to form a position detection two-dimensional coordinate system;
A vector from the rotation center element of the rotating body to the origin of the position detection two-dimensional coordinate system is set as the x axis, and the rotation center element is set as the start point and is parallel to two axes defined by the position detection two-dimensional coordinate system. Define a three-dimensional coordinate system with vectors as y-axis and z-axis, respectively, to obtain a position detection three-dimensional coordinate system,
Based on light reception position information of the laser beam detected in the position detection two-dimensional coordinate system, unit beam vector information indicating the posture of the rotating body in the position detection three-dimensional coordinate system is generated,
Calculating the posture angle of the rotating body based on the two pieces of unit light vector information generated corresponding to each of the two-dimensional position detection devices;
A posture angle detection method characterized by the above.
前記位置検出3次元座標系において、前記回転体の回転中心要素から前記位置検出2次元座標の原点までの距離をxとし、前記位置検出2次元座標系において前記レーザ光線を受光した際の受光位置を示す二つの座標値をそれぞれyおよびzとし、
前記単位光線ベクトル情報は、前記位置検出3次元座標系の原点を始点とし3次元座標(x,y,z)を終点とするベクトルを単位ベクトルへ正規化したベクトル情報とする、
ことを特徴とする姿勢角検出方法。 In the posture angle detection method according to claim 2,
In the position detection three-dimensional coordinate system, the distance from the rotation center element of the rotating body to the origin of the position detection two-dimensional coordinate is x, and the light receiving position when the laser beam is received in the position detection two-dimensional coordinate system Let y and z be two coordinate values indicating
The unit ray vector information is vector information obtained by normalizing a vector starting from the origin of the position detection three-dimensional coordinate system and having the three-dimensional coordinates (x, y, z) as an end point into a unit vector.
A posture angle detection method characterized by the above.
前記支持機構に固定されるx軸、y軸、z軸からなる3次元座標系を定義して支持機構固定座標系とし、
前記回転体の姿勢角を、前記支持機構固定座標系において、x軸の正方向の右回りの回転を示すロール角、z軸の正方向の右回りの回転を示すヨー角、および、y軸の正方向の右回りの回転を示すピッチ角、の順に3軸回転する3軸回転角として表現する、
ことを特徴とする姿勢角検出方法。 In the attitude angle detection method according to any one of claims 1 to 3,
Define a three-dimensional coordinate system consisting of an x-axis, a y-axis, and a z-axis fixed to the support mechanism to form a support mechanism fixed coordinate system,
In the support mechanism fixed coordinate system, the posture angle of the rotating body is a roll angle indicating clockwise rotation in the positive direction of the x axis, a yaw angle indicating clockwise rotation in the positive direction of the z axis, and a y axis. Expressed as a three-axis rotation angle that rotates three axes in the order of the pitch angle indicating clockwise rotation in the positive direction.
A posture angle detection method characterized by the above.
前記回転体に固定されるレーザ光源と、
前記レーザ光源を源とする二つのレーザ光線の光軸を前記回転体の回転中心要素で直交 するように配置する手段と、
前記各レーザ光線に対応して設けられ、前記レーザ光線を受光して受光位置情報を検出する2次元位置検出装置と、
前記2次元位置検出装置を、前記2次元位置検出装置が位置検出面の中心で受光する前記レーザ光線の光軸が前記位置検出面に対して直交するように前記支持機構に固定する手段と、
前記2次元位置検出装置で検出される受光位置情報を基に、前記回転体が前記回転中心要素を中心として回転する際の姿勢角を算出する手段を備える、
ことを特徴とする姿勢角検出装置。
A rotating body attached to the support mechanism via a pivot element;
A laser light source fixed to the rotating body;
Means for arranging the optical axes of two laser beams originating from the laser light source so as to be perpendicular to the rotation center element of the rotating body;
A two-dimensional position detection device that is provided corresponding to each laser beam and receives the laser beam to detect light reception position information;
Means for fixing the two-dimensional position detection device to the support mechanism so that an optical axis of the laser beam received by the two-dimensional position detection device at the center of the position detection surface is orthogonal to the position detection surface;
Based on the light receiving position information detected by the two-dimensional position detection device, comprising means for calculating a posture angle when the rotating body rotates around the rotation center element,
A posture angle detection device characterized by the above.
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