CN107621831A - 光源追踪装置及其光源追踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光源追踪装置。该装置包括：旋转机构，可在外部驱动力作用下使得其表面上至少一个位置点的法线指向空间中一定范围内的任一方向；光传感器阵列，设置于旋转机构表面其中一个所述位置点处；永磁体，其与所述旋转机构机械耦合，旋转机构表面的所述位置点的法线指向随该永磁体的磁极指向变化而变化；电磁铁阵列，用于在所述永磁体所在位置处产生方向可控的磁场；控制单元，用于根据光传感器阵列所采集的信号控制所述永磁体所在位置处的磁场方向，进而控制所述永磁体的磁极指向。本发明还公开了上述装置的光源追踪方法。相比现有技术，本发明具有结构简单、实现成本低廉且便于微型化的优点，尤其适用于无线光通信方面的应用。

Description

光源追踪装置及其光源追踪方法

技术领域

本发明涉及一种光源追踪装置及其光源追踪方法。

背景技术

无线可见光通信技术利用室内照明设备代替无线LAN局域网基站发射信号，速率可达每秒数十兆至数百兆，未来可能与光纤通信速率相当，是便捷、可行的室内无线接入方式之一。宏观角度上，光的沿直线传播的特性限制了对发射和接受的对准产生了新的、更高的要求，如何实现自动接收机-光源自动对准及实时追踪成了一个重要课题。

现有的光源自动对准技术(例如最常见的用于太阳能板自动指向太阳的追踪系统)通常是利用多个电机分别驱动多轴旋转系统来实现光源追踪，但此种方式存在系统结构复杂，难以小型化、轻量化的问题，实现成本较高，阻碍了在无线光通信方面的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种结构简单、实现成本低廉且便于微型化的光源追踪装置，适用于无线光通信。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种光源追踪装置，包括：

旋转机构，可在外部驱动力作用下使得其表面上至少一个位置点的法线指向空间中一定范围内的任一方向；

光传感器阵列，设置于旋转机构表面其中一个所述位置点处；

永磁体，其与所述旋转机构机械耦合，旋转机构表面的所述位置点的法线指向随该永磁体的磁极指向变化而变化；

电磁铁阵列，用于在所述永磁体所在位置处产生方向可控的磁场；

控制单元，用于根据光传感器阵列所采集的信号控制所述永磁体所在位置处的磁场方向，进而控制所述永磁体的磁极指向。

作为其中一个优选方案，所述旋转机构是由转轴相互垂直的内、外两个旋转体构成的二维滚环系统。

进一步优选地，所述二维滚环系统的内旋转体为球体。

进一步优选地，所述永磁体与所述内旋转体相对固定。

作为其中又一个优选方案，所述旋转机构包括一个莲蓬状旋转部件、杆状支承件、夹持片层和支撑底座，莲蓬状旋转部件的根部通过所述杆状支承件固定于支撑底座上。

进一步优选地，所述旋转机构还包括可激励所述支撑底座发生振动的励振装置。

进一步优选地，所述永磁体与所述莲蓬状旋转部件的轴线相对固定。

优选地，所述光传感器阵列为呈等边三角形排布的三个相同的光传感器。

优选地，所述电磁铁阵列包括三组电磁铁，各组电磁铁在所述永磁体所在位置处产生的磁场方向相互正交。

以上任一技术方案所述装置的光源追踪方法，包括以下步骤：

步骤1、令所述旋转机构旋转，使得光传感器阵列所在位置点处法线指向遍历所述空间中一定范围内的所有方向，同时获取每一方向下所述光传感器阵列采集到的光信号；

步骤2、控制单元选出光信号最强的方向作为光源的方向，通过所述电磁铁阵列控制所述永磁体所在位置处的磁场方向，该磁场产生的磁力驱动永磁体磁极指向与所述磁场方向趋同，进而带动光传感器阵列所在位置处法线指向随旋转机构旋转至光源的方向。

进一步地，该方法还包括以下步骤：

步骤3、通过比较光传感器阵列中各光传感器所采集光信号的变化情况，确定光源位置相对于光传感器阵列所在位置点处法线指向的变化，并通过所述电磁铁阵列驱动光传感器阵列所在位置处法线指向光源新的位置。

相比现有技术，本发明技术方案及其改进和优选方案具有以下有益效果：

本发明巧妙利用磁场进行取向确立，相对于现有电动机控制有极大的原理上的简化，并可以较低成本实现寻找光源-对准光源-跟踪光源的效果，适合于无线光通信方面的应用；整体看来，本发明具有利用工业化生产的低成本和微型化的潜能。

附图说明

图1为本发明装置中旋转机构的一种具体结构；

图2为永磁体和光传感器阵列在图1所示旋转机构中的一个设置实例；

图3为图1所示旋转机构所对应电磁铁阵列的一个设置实例；

图4为本发明装置中旋转机构和电磁铁阵列的另一种具体结构；

图5为本发明装置中旋转机构和电磁铁阵列的又一种具体结构；

图6为光传感器阵列的一种优选结构；

图7为利用图6所示光传感器阵列实现光源跟踪的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明针对无线光通信的需求，提出了一种光源追踪装置，利用电磁铁阵列与永磁体组成磁力驱动系统，通过永磁体磁极的取向驱动旋转机构旋转，从而实现光源的自动对准；并进一步利用光传感器阵列中各光传感器所采集光信号的变化情况，确定光源位置，进而实现对光源的实时追踪。相比现有电机驱动的光源追踪技术，本发明具有结构简单、实现成本低廉且便于微型化的优点，尤其适用于无线光通信的应用。

本发明光源追踪装置，包括：

旋转机构，可在外部驱动力作用下使得其表面上至少一个位置点的法线指向空间中一定范围内的任一方向；

光传感器阵列，设置于旋转机构表面其中一个所述位置点处；

永磁体，其与所述旋转机构机械耦合，旋转机构表面的所述位置点的法线指向随该永磁体的磁极指向变化而变化；

电磁铁阵列，用于在所述永磁体所在位置处产生方向可控的磁场；

控制单元，用于根据光传感器阵列所采集的信号控制所述永磁体所在位置处的磁场方向，进而控制所述永磁体的磁极指向。

上述装置的光源追踪方法，包括以下步骤：

步骤1、令所述旋转机构旋转，使得光传感器阵列所在位置点处法线指向遍历所述空间中一定范围内的所有方向，同时获取每一方向下所述光传感器阵列采集到的光信号；

步骤2、控制单元选出光信号最强的方向作为光源的方向，通过所述电磁铁阵列控制所述永磁体所在位置处的磁场方向，该磁场产生的磁力驱动永磁体磁极指向与所述磁场方向趋同，进而带动光传感器阵列所在位置处法线指向随旋转机构旋转至光源的方向。

进一步地，该方法还包括以下步骤：

步骤3、通过比较光传感器阵列中各光传感器所采集光信号的变化情况，确定光源位置相对于光传感器阵列所在位置点处法线指向的变化，并通过所述电磁铁阵列驱动光传感器阵列所在位置处法线指向光源新的位置。

上述旋转机构可采用现有的二维滚环系统、三维滚环系统等。图1显示了旋转机构的一种具体结构。如图1所示，该旋转机构是由转轴相互垂直的内、外两个旋转体构成的二维滚环系统，不同于最常见的内、外旋转体均为圆环的二维滚环系统，本实施例中的内旋转体为球体。光传感器阵列设置于该球体表面。设其中外旋转体的旋转角速度为ω₁＝dθ/dt而内旋转体的旋转角速度为则可得，在δt＝2π/max{ω₁，ω₂}的时间中，角速度大的旋转方向旋转了一周，角速度小的方向旋转了δt·min{ω₁，ω₂}的角度。合理设定两个旋转角速度，就可以使光传感器阵列的指向在一定时间内以一定的空间采样率遍历θ∈(-π/2，π/2)的角度范围。为了准确掌握旋转机构的旋转情况，在内、外旋转体的转轴位置分别布置了一个旋转传感器，用于捕捉旋转角度信号并发送给控制单元；信号在每一级旋转体内部通过导线传输，在每个转轴位置通过导电滑环传输。

所述永磁体的作用是在磁场作用下沿磁场方向取向，从而带动旋转机构旋转，最终使得光传感器阵列指向光源方向。因此，永磁体应与所述旋转机构机械耦合，旋转机构表面的所述位置点的法线指向随该永磁体的磁极指向变化而变化。如图2所示，本实施例中的永磁体为与二维滚环系统的内旋转球体相对固定的棒状永磁体，其N极指向与光传感器阵列指向相同。

本发明利用电磁铁阵列来实现对永磁体指向的控制，图3显示了一种优选的电磁铁阵列布局，其包括三组电磁铁，各组电磁铁在所述永磁体所在位置处产生的磁场方向(分别记为X、Y、Z方向)相互正交。通过对三组电磁铁的电流进行分别控制，可实现永磁体所在位置处X、Y、Z方向磁场强度分量的控制，从而实现该处磁场方向的精确控制。

图4显示了旋转机构和电磁铁阵列的另一种具体结构。如图4所示，该旋转机构也属于二维旋转系统，由两个旋转体拼接而成；底座起支撑作用的同时，作为上部整体的固定转轴，上部整体可以绕该转轴在方向上旋转360°，上部的整体分成两部分，其中下半部的顶端有一个水平方向的转轴，使得上半部可以绕该转轴在θ方向上旋转(注，方向和θ方向的定义参照图3)；上半部旋转体的中部设置有一个光电传感器阵列，考虑到下半旋转体的遮挡，光电传感器阵列的指向有效范围为：θ∈(0，π/2)。

图5显示了旋转机构和电磁铁阵列的又一种具体结构。如图5所示，该旋转机构包括一个莲蓬状旋转部件、杆状支承件、夹持片层和支撑底座，莲蓬状旋转部件的根部通过所述杆状支承件固定于支撑底座上。光传感器阵列设置于莲蓬状旋转部件的表面。永磁体可与莲蓬状旋转部件相对固定设置，优选地，永磁体与所述莲蓬状旋转部件的轴线相对固定。拨动支撑底座，可使得莲蓬状旋转部件与杆状支承件整体做振动，从而使得光传感器阵列的指向遍历一定的空间角度范围。还可进一步设置该励振装置，例如与支撑底座机械耦合的压电陶瓷片，压电陶瓷片在交流激励电流的作用下可激励莲蓬状旋转部件与杆状支承件整体形成非规则的振动，使得该装置中的光传感器阵列的正方向能够遍历θ∈(θ₀，π/2)的范围。

下面以图1～图3所示光源追踪装置为例来进一步说明本发明如何实现光源的位置确定以及自动对准。

首先给图1的旋转机构施加扰动，使其内、外两级旋转体差速转动；控制单元按照采样频率定期采集形式为[PIN1光电流，PIN2光电流，PIN3光电流，旋转传感器1(外旋转体旋转角度θ)，旋转传感器2(内旋转体旋转角度)]向量的信息并存储，PIN1～PIN3表示光传感器；采样时间结束后，光电传感器阵列指向已遍历了空间中的各个方向；控制单元比较挑选出(PIN1光电流+PIN2光电流+PIN3光电流)值最大的向量，或者PIN1光电流提取该向量的(θ)，将其进行极坐标-直角坐标变换，并归一化，得到分别对应电磁铁阵列中X、Y、Z方向电磁铁的三路控制信号(T₁，T₂，T₃)，根据三路控制信息对三组电磁铁的电流进行控制；电磁体阵列构建目的指向的磁场，引动旋转体中的永磁体指向目的方向，从而实现该系统的光源寻找+自动对准功能。

对于其他结构的本发明装置，其光源寻找+自动对准功能的实现过程类似，都是先使得旋转体表面的光电传感器阵列指向遍历其所能指向的所有方向，同时采集每一方向下所述光传感器阵列采集到的光信号数据，再结合旋转传感器(或位移传感器)采集的数据；选出光信号最强的方向作为光源的方向，然后根据光源方向生成电磁铁阵列的控制信号，对电磁铁阵列进行控制，电磁体阵列构建目的指向的磁场，引动旋转体中的永磁体指向目的方向，从而实现该系统的光源寻找+自动对准功能。

实现自动对准之后，还应该能实现自动跟踪，以防止光源位置偏移导致光信号接收出现问题。本发明通过比较光传感器阵列中各光传感器所采集光信号的变化情况，确定光源位置相对于光传感器阵列所在位置点处法线指向的变化，并通过所述电磁铁阵列驱动光传感器阵列所在位置处法线指向光源新的位置。为了以最少的光传感器实现实时跟踪功能，本发明优选的光传感器阵列为呈等边三角形排布的三个相同的光传感器，如图6所示，图中的光传感器阵列分布于旋转体的赤道附近。具体实现光源实时跟踪的过程如下：

在自动对准结束后，存储器释放存储空间，但要保留形式为[PIN1光电流，PIN2光电流，PIN3光电流，旋转传感器1，旋转传感器2]向量，记为Data0＝(P1，P2，P3，R1，R2)，为最终对准光源条件下的数据。

将可能出现光源偏离当前指向的情况分为3种，实际情况可能为三者之一的单独出现或者三者中的两者共同出现，如图7所示，图中的圆圈表示光传感器的有效光区，在有效光区内的光生电流>设定的阈值电流。

第一种情况下(图7上部所示)，PIN1离开有效光区，PIN1的光生电流＜阈值电流；则建立极坐标下的目标向量其中R1为外旋转体转轴处传感器记录的旋转角度，R2为内旋转体转轴处传感器记录的角度，r为内旋转体的半径，是常数，用于坐标变换，δθ和是设定的微调参数，其中C为设定常数；将该目标向量经过极坐标-直角坐标变换并归一化，可得到直角坐标系下的目标向量(T1，T2，T3)；用该向量控制三对电磁铁，即可实现使PIN1回到有效光区的效果；

第二种情况下(图7中间所示)，PIN2离开有效光区，PIN2的光生电流＜阈值电流；则建立极坐标下的目标向量[(R1+δθ)，R2，r]，其中R1为外旋转体转轴处传感器记录的旋转角度，R2为内旋转体转轴处传感器记录的角度，r为内旋转体的半径，是常数，用于坐标变换，δθ是设定的微调参数，δθ＝C，C为设定常数，与第一种情况等值；将该目标向量经过极坐标-直角坐标变换并归一化，可得到直角坐标系下的目标向量(T1，T2，T3)；用该向量控制三对电磁铁，即可实现使PIN2回到有效光区的效果；

第三种情况下(图7下部所示)，PIN3离开有效光区，PIN3的光生电流＜阈值电流；则建立极坐标下的目标向量其中R1为外旋转体转轴处传感器记录的旋转角度，R2为内旋转体转轴处传感器记录的角度，r为内旋转体的半径，是常数，用于坐标变换，δθ和是设定的微调参数，其中C为设定常数；将该目标向量经过极坐标-直角坐标变换并归一化，可得到直角坐标系下的目标向量(T1，T2，T3)；用该向量控制三对电磁铁，即可实现使PIN3回到有效光区的效果。

综上可知，本发明利用磁场进行取向确立，相对于现有电动机控制有极大的原理上的简化，并可以较低成本实现寻找光源-对准光源-跟踪光源的效果，适合于无线光通信方面的应用，具有较好的大规模应用前景。

Claims (11)

1.一种光源追踪装置，其特征在于，包括：

旋转机构，可在外部驱动力作用下使得其表面上至少一个位置点的法线指向空间中一定范围内的任一方向；

光传感器阵列，设置于旋转机构表面其中一个所述位置点处；

永磁体，其与所述旋转机构机械耦合，旋转机构表面的所述位置点的法线指向随该永磁体的磁极指向变化而变化；

电磁铁阵列，用于在所述永磁体所在位置处产生方向可控的磁场；

控制单元，用于根据光传感器阵列所采集的信号控制所述永磁体所在位置处的磁场方向，进而控制所述永磁体的磁极指向。

2.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述旋转机构是由转轴相互垂直的内、外两个旋转体构成的二维滚环系统。

3.如权利要求2所述装置，其特征在于，所述二维滚环系统的内旋转体为球体。

4.如权利要求2所述装置，其特征在于，所述永磁体与所述内旋转体相对固定。

5.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述旋转机构包括一个莲蓬状旋转部件、杆状支承件、夹持片层和支撑底座，莲蓬状旋转部件的根部通过所述杆状支承件固定于支撑底座上。

6.如权利要求5所述装置，其特征在于，所述旋转机构还包括可激励所述支撑底座发生振动的励振装置。

7.如权利要求5所述装置，其特征在于，所述永磁体与所述莲蓬状旋转部件的轴线相对固定。

8.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述光传感器阵列为呈等边三角形排布的三个相同的光传感器。

9.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述电磁铁阵列包括三组电磁铁，各组电磁铁在所述永磁体所在位置处产生的磁场方向相互正交。

10.如权利要求1～9任一项所述装置的光源追踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、令所述旋转机构旋转，使得光传感器阵列所在位置点处法线指向遍历所述空间中一定范围内的所有方向，同时获取每一方向下所述光传感器阵列采集到的光信号；

步骤2、控制单元选出光信号最强的方向作为光源的方向，通过所述电磁铁阵列控制所述永磁体所在位置处的磁场方向，该磁场产生的磁力驱动永磁体磁极指向与所述磁场方向趋同，进而带动光传感器阵列所在位置处法线指向随旋转机构旋转至光源的方向。

11.如权利要求10所述方法，其特征在于，还包括以下步骤：

步骤3、通过比较光传感器阵列中各光传感器所采集光信号的变化情况，确定光源位置相对于光传感器阵列所在位置点处法线指向的变化，并通过所述电磁铁阵列驱动光传感器阵列所在位置处法线指向光源新的位置。