JP2023101310A - Method for calculating calibration value - Google Patents

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Abstract

To propose a method for calculating a calibration value for calibrating an error occurring in a gyroscope of an inertial sensor used for a slewing construction machine.SOLUTION: A method for calculating a calibration value includes: a slewing angle acquisition step S1 of acquiring a slewing angular velocity by using an inertial sensor provided on a slewing construction machine; a slewing speed calculation step S2 of calculating a slewing speed N from the slewing angular velocity; an error ratio calculation step S3 of calculating a ratio SF of an error in the slewing speed N; a calibration section selection step S4 of selecting a section of the slewing speed to be calibrated; a correction function definition step S5 of determining a correction function for calibrating the slewing speed N included in the section based on the ratio SF of the error; a correction coefficient calculation step S6 of calculating a correction coefficient by using the correction function; and a calibration value calculation step S7 of calculating a calibration value of the slewing speed N from the correction coefficient.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明は、建設機械に使用される慣性センサのジャイロの校正に使用する校正値の算出方法に関する。 The present invention relates to a method of calculating a calibration value used for calibrating a gyro of an inertial sensor used in construction machinery.

旋回式建設機械を利用した建設工事において、旋回式建設機械に設置された2台のターゲットを2台のトータルステーションにより自動追尾することで、旋回式建設機械の旋回方向を検出するとともに、旋回式建設機械のブーム、アーム、ヘッド部に取り付けた傾斜計により傾斜角を検出することで、施工管理を行う場合がある。
一方、トータルステーションによる自動追尾では、旋回式建設機械の旋回時にターゲットを正しく視準できないことがある。
しかし、旋回式建設機械の旋回部に高精度な慣性センサが備わっていれば、慣性センサによる測定値と照らし合わせることで、トータルステーションによる視準ミスを検知し、トータルステーションを自動復帰させることができる。
慣性センサは、3軸のジャイロと3軸の加速度センサからなるセンサで、主に慣性航法等に用いられ三次元位置の自己診断に用いられる。
慣性センサでは、ジャイロのドリフトによる誤差が蓄積する。このような誤差に対し、例えば、特許文献1や特許文献2に示すように、慣性センサの校正方法が開示されている。特許文献1や特許文献2に記載の校正方法は、ゼロ点バイアスおよびスケールファクターの温度依存特性などを最適化するための最小二乗を用いたパラメータの設定方法である。
ここで、旋回式建設機械では、旋回部がプラス側とマイナス側の両方に動くことで、ジャイロの誤差もプラスとマイナスに生じる。そのため、旋回式建設機械に用いる慣性センサにおいては、一律に校正することができなかった。
In construction work using a swinging construction machine, two targets installed on the swinging construction machine are automatically tracked by two total stations to detect the turning direction of the swinging construction machine and In some cases, construction management is performed by detecting the tilt angle with an inclinometer attached to the boom, arm, or head of the machine.
On the other hand, in automatic tracking by a total station, the target may not be collimated correctly when the swing-type construction machine turns.
However, if a high-precision inertial sensor is installed in the swing section of a swing-type construction machine, collimation errors by the total station can be detected and the total station can be automatically reset by comparing the measured values with the inertial sensor.
The inertial sensor is a sensor composed of a 3-axis gyro and a 3-axis acceleration sensor, and is mainly used for inertial navigation and the like for self-diagnosis of a three-dimensional position.
Inertial sensors accumulate errors due to gyro drift. To cope with such errors, methods for calibrating inertial sensors are disclosed, for example, as shown in Patent Document 1 and Patent Document 2. The calibration methods described in Patent Literature 1 and Patent Literature 2 are parameter setting methods using least squares for optimizing the temperature dependence characteristics of the zero-point bias and scale factor.
Here, in a swing-type construction machine, the swing part moves in both the plus side and the minus side, so that gyro errors occur in both the plus and minus directions. Therefore, it has been impossible to uniformly calibrate the inertial sensors used in swing-type construction machines.

特開2011-209000号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-209000 特開2011-209001号公報Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2011-209001

本発明は、旋回式建設機械に用いる慣性センサのジャイロに生じる誤差を校正するための校正値の算出方法を提案することを課題とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to propose a calibration value calculation method for calibrating an error occurring in a gyro of an inertial sensor used in a swing-type construction machine.

前記課題を解決するための本発明のジャイロ校正方法は、慣性センサにより旋回角速度を取得する工程と、前記旋回角速度から旋回速度Nを算出する工程と、前記旋回速度Nの誤差の割合SFを算出する工程と、校正する前記旋回速度Nの区間を検出する工程と、前記誤差の割合SFから前記区間における補間関数を求める工程と、前記補間関数を用いて補正係数を算出する工程と、前記補正係数から校正値を算出する工程とを備えている。
かかるジャイロ校正方法によれば、ジャイロの個別の特性を把握したうえで校正することができるため、ジャイロ(慣性センサ)を高精度に校正することができる。一律に校正するのではなく、旋回速度に応じて校正するため、建設機械のように、プラス側とマイナス側の両方に生じる誤差に対して校正することを可能としている。
A gyro calibration method according to the present invention for solving the above-mentioned problems comprises the steps of acquiring a turning angular velocity by an inertial sensor, calculating a turning velocity N from the turning angular velocity, and calculating an error ratio SF of the turning velocity N. a step of detecting an interval of the turning speed N to be calibrated; a step of obtaining an interpolation function in the interval from the error ratio SF; a step of calculating a correction coefficient using the interpolation function; and calculating a calibration value from the coefficients.
According to such a gyro calibration method, the gyro (inertial sensor) can be calibrated with high accuracy because the gyro can be calibrated after grasping the individual characteristics of the gyro. Since calibration is not performed uniformly, but according to the turning speed, it is possible to calibrate for errors that occur on both the plus side and the minus side like construction machinery.

なお、前記旋回速度Nは、式1を利用して、慣性センサの旋回角度ωの積分値(旋回角速度積分値)θと旋回時間Tとの割合により算出するのが望ましい。
また、前記慣性センサがエンコーダを有する試験装置の旋回試験用テーブルに取り付けられている場合には、前記誤差の割合SFは、式2を利用して、前記旋回角速度積分値θと、前記エンコーダにより検出された前記旋回試験用テーブルの回転角(エンコーダ回転角)θeとから算出するのが望ましい。
The turning speed N is desirably calculated from the ratio between the integral value of the turning angle ω of the inertial sensor (turning angular speed integrated value) θ and the turning time T using Equation 1.
Further, when the inertial sensor is attached to a turning test table of a test device having an encoder, the error rate SF is calculated by using the equation 2 and the turning angular velocity integrated value θ and the encoder. It is desirable to calculate from the detected rotation angle (encoder rotation angle) θe of the turning test table.

Figure 2023101310000002
Figure 2023101310000002

本発明の校正値の算出方法を使用すれば、一律に校正することができないジャイロの誤差を校正することが可能となり、ひいては、当該ジャイロを介して旋回式建設機械の移動を的確に把握することで、より正確な施工を実施することが可能となる。 By using the calibration value calculation method of the present invention, it becomes possible to calibrate gyro errors that cannot be uniformly calibrated, and by extension, it is possible to accurately grasp the movement of the swing-type construction machine through the gyro. This makes it possible to carry out more accurate construction.

本実施形態の旋回式建設機械による施工状況を示す概略図である。It is a schematic diagram showing a construction situation by the turning type construction machine of the present embodiment. 本実施形態の掘削補助システムを示すブロック図である。1 is a block diagram showing an excavation assistance system of this embodiment; FIG. 旋回角に対する慣性センサの誤差の割合を示すグラフである。4 is a graph showing the rate of error of an inertial sensor with respect to turning angle; 実施例に使用した試験装置の模式図である。1 is a schematic diagram of a test apparatus used in Examples. FIG. ジャイロ校正方法の手順を示すフローチャートである。4 is a flow chart showing the procedure of a gyro calibration method; 旋回角度と誤差の割合の関係の例を示すグラフである。7 is a graph showing an example of a relationship between a turning angle and an error rate; 旋回角度とセンサ補正値の関係の例を示すグラフである。7 is a graph showing an example of a relationship between a turning angle and a sensor correction value; 区間ごとの補正関数の例を示すグラフである。7 is a graph showing an example of a correction function for each section; 再現実験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the reproduction experiment result. 再現実験結果の時間と旋回角度の誤差との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the time of a reproduction experiment result, and the error of a turning angle.

本実施形態では、旋回式建設機械1を利用して山岳トンネルを施工する場合について説明する。図1に旋回式建設機械1による施工状況を示す。図1に示すように、旋回式建設機械1は、発破後の切羽(トンネル先端部)において、掘削直後の切羽面やトンネル壁面に残存する浮石の除去(コソク)に使用する。
本実施形態の旋回式建設機械1は、いわゆるバックホウであって、走行体11と、走行体11上に縦軸を中心に回転可能に設けられた旋回体12と、旋回体12に横軸を中心に回動可能に取り付けられたブーム13と、ブーム13の先端部に横軸を中心に回動可能に取り付けられたアーム14と、アーム14の先端部に横軸を中心に回動可能に取り付けられたヘッド部15とを備えている。ヘッド部15は、いわゆるアタッチメントであって、本実施形態のヘッド部15は、ノミ16を備えた油圧式のブレーカーである。
In this embodiment, a case of constructing a mountain tunnel using the swing-type construction machine 1 will be described. FIG. 1 shows a construction situation by a swing-type construction machine 1. As shown in FIG. As shown in FIG. 1, the slewing construction machine 1 is used to remove loose stones remaining on the face (tunnel tip) after blasting and on the face and tunnel walls immediately after excavation.
The slewing construction machine 1 of this embodiment is a so-called backhoe, and includes a traveling body 11, a revolving body 12 provided on the traveling body 11 so as to be rotatable about a vertical axis, and a horizontal axis on the revolving body 12. A boom 13 rotatably attached to the center, an arm 14 attached to the tip of the boom 13 rotatably about the horizontal axis, and a tip of the arm 14 rotatably about the horizontal axis. and a head portion 15 attached thereto. The head portion 15 is a so-called attachment, and the head portion 15 of this embodiment is a hydraulic breaker provided with a chisel 16 .

旋回式建設機械1によるコソク作業は、掘削補助システム2を利用して、ノミ16の先端位置を把握した状態で行う。ノミ16の先端位置を的確に把握できれば、旋回式建設機械1を適切に操作できるようになるので、効率的かつ精度の高いトンネル施工が可能となる。一方、ノミ16の先端位置を把握するためには旋回式建設機械1の位置および向きを正確に把握する必要があるが、旋回式建設機械1の測定に視準ミスがあるとノミ16の先端位置を正確に制御することができない。そのため、本実施形態の掘削補助システム2は、視準ミスを自動的に補完して、ノミ16の先端位置を制御する。
図2に掘削補助システム2の概要を示す。図2に示すように、本実施形態の掘削補助システム2は、二台のターゲット3と、二台のトータルステーション4と、三軸加速度センサ5と、慣性センサ6と、コンピュータ7とを備えている。
The excavation assistance system 2 is used to carry out the excavation work with the revolving construction machine 1 while grasping the tip position of the chisel 16 . If the position of the tip of the chisel 16 can be accurately grasped, the swing type construction machine 1 can be operated appropriately, which enables efficient and highly accurate tunnel construction. On the other hand, in order to grasp the tip position of the chisel 16, it is necessary to accurately grasp the position and orientation of the swing construction machine 1. Inability to precisely control position. Therefore, the auxiliary excavation system 2 of this embodiment automatically compensates for the collimation error and controls the tip position of the chisel 16 .
FIG. 2 shows an outline of the auxiliary excavation system 2. As shown in FIG. As shown in FIG. 2, the auxiliary excavation system 2 of this embodiment includes two targets 3, two total stations 4, a three-axis acceleration sensor 5, an inertial sensor 6, and a computer 7. .

ターゲット3は、図1に示すように、旋回式建設機械1の旋回体12の後部に固定されている。本実施形態では、二台のターゲット3,3が、旋回体12の上面に間隔をあけて配設されている。ターゲット3は、反射プリズムを備えており、トータルステーション4から照射された光波を、トータルステーション4に向けて反射する。本実施形態では、全周方向(ターゲット3を中心とした360°の方向)から測定可能なターゲットプリズムを使用する。 The target 3 is fixed to the rear part of the revolving body 12 of the revolving construction machine 1, as shown in FIG. In this embodiment, two targets 3, 3 are arranged on the upper surface of the revolving body 12 with a gap therebetween. The target 3 has a reflecting prism and reflects the light wave emitted from the total station 4 toward the total station 4 . In this embodiment, a target prism that can be measured from all circumferential directions (360° directions centering on the target 3) is used.

トータルステーション4は、図1に示すように、旋回式建設機械1の後方に据え付けられていて、ターゲット3を自動追尾する。本実施形態では、二台のトータルステーション4を据え付けて、それぞれのトータルステーション4が異なるターゲット3の測量を行う。すなわち、一方のトータルステーション4により一方のターゲット3を自動追尾し、他方のトータルステーション4により他方のターゲット3を自動追尾する。
トータルステーション4は、ターゲット3の位置を計測し、図示しない通信手段を介して計測結果をコンピュータ7に送信する。
The total station 4, as shown in FIG. 1, is installed behind the rotary construction machine 1 and automatically tracks the target 3. As shown in FIG. In this embodiment, two total stations 4 are installed, and each total station 4 surveys a different target 3 . That is, one target 3 is automatically tracked by one total station 4 and the other target 3 is automatically tracked by the other total station 4 .
The total station 4 measures the position of the target 3 and transmits the measurement results to the computer 7 via communication means (not shown).

三軸加速度センサ5は、図1に示すように、ブーム13、アーム14およびヘッド部15にそれぞれ取り付けられている。各三軸加速度センサ5は、取付位置において三軸加速度を検出する。三軸加速度は、互いに直交する3つの軸(X軸、Y軸、Z軸)方向の加速度である。X軸およびY軸は、水平面内において互いに直交する軸であり、Z軸は、水平面に垂直な軸(鉛直軸)である。三軸加速度センサ5により計測された三軸加速度は、通信手段(図示せず)を介してコンピュータ7に送信される。 The three-axis acceleration sensor 5 is attached to each of the boom 13, the arm 14, and the head portion 15, as shown in FIG. Each triaxial acceleration sensor 5 detects triaxial acceleration at the mounting position. Triaxial acceleration is acceleration in directions of three axes (X-axis, Y-axis, and Z-axis) perpendicular to each other. The X-axis and the Y-axis are axes orthogonal to each other in the horizontal plane, and the Z-axis is an axis (vertical axis) perpendicular to the horizontal plane. The triaxial acceleration measured by the triaxial acceleration sensor 5 is transmitted to the computer 7 via communication means (not shown).

慣性センサ6は、旋回体12に設けられている。慣性センサ6は、旋回体12の三軸加速度および三軸回転角速度を検出する。三軸回転角速度は、互いに直交する3つの軸(X軸、Y軸、Z軸)周りの角加速度である。慣性センサ6は、ジャイロ(三軸ジャイロ)、加速度計(三軸加速度計)を備えている。ジャイロは、旋回体12の三軸回転角速度を検出する。加速度計は、取付位置において三軸加速度を検出する。慣性センサ6の計測結果は、コンピュータ7に送信される。 The inertial sensor 6 is provided on the revolving body 12 . The inertial sensor 6 detects triaxial acceleration and triaxial rotational angular velocity of the revolving body 12 . The triaxial rotational angular velocity is angular acceleration around three mutually orthogonal axes (X-axis, Y-axis, and Z-axis). The inertial sensor 6 includes a gyro (three-axis gyro) and an accelerometer (three-axis accelerometer). The gyro detects triaxial rotational angular velocities of the revolving body 12 . The accelerometer senses three-axis acceleration at the mounting position. A measurement result of the inertial sensor 6 is transmitted to the computer 7 .

コンピュータ7は、算出手段71、視準ミス判定手段72および記憶手段73を備えている。算出手段71は、旋回式建設機械1のヘッド部15に設けられたノミ16の先端位置を算出する。また、視準ミス判定手段72は、トータルステーション4による計測のミスを検知する。さらに、記憶手段73は、トータルステーション4、三軸加速度センサ5、慣性センサ6から送信された計測結果や、算出手段71および視準ミス判定手段72の計算結果等を記憶する。 The computer 7 comprises a calculation means 71 , a collimation error determination means 72 and a storage means 73 . The calculation means 71 calculates the tip position of the chisel 16 provided on the head portion 15 of the swing-type construction machine 1 . Also, the collimation error determination means 72 detects an error in measurement by the total station 4 . Further, the storage means 73 stores the measurement results transmitted from the total station 4, the three-axis acceleration sensor 5, and the inertia sensor 6, the calculation results of the calculation means 71 and the collimation error determination means 72, and the like.

算出手段71は、トータルステーション4から送信された測定結果に基づいて各ターゲット3の座標を算出し、両ターゲット3,3の座標から旋回式建設機械1の向きや傾きを算出する。トータルステーション4は、主に現場座標系での旋回式建設機械1の三次元座標を求め、慣性センサ6で旋回体12のピッチング角とローリング角を求め、結果として旋回式建設機械1の三次元座標と方向角と傾きが検出される。
また、算出手段71は、三軸加速度センサ5から送信されたデータ(ブーム13、アーム14およびヘッド部15の三軸加速度)に基づいて三軸加速度センサ5の取付位置(ブーム13、アーム14またはヘッド部15)におけるピッチング角およびローリング角を算出する。ピッチング角およびローリング角を算出したら、算出結果(三軸加速度センサ5の取付位置におけるピッチング角、ローリング角)およびトータルステーション4の計測結果に基づいてノミ16の先端位置を算出する。
さらに、本実施形態の算出手段71は、一方のトータルステーション4の視準ミスが検知された場合に、他方のトータルステーション4による計測結果と、慣性センサ6による計測結果とを利用して、ノミ16の先端位置を算出する。すなわち、算出手段71は、以下の手順によって視準ミスを補完する。まず、ターゲット3の測定座標からヨー角を算出し、慣性センサ6の計測結果に基づいて算出されたヨー角との差分を求める。次に、慣性センサ6の計測結果から算出されたヨー角と差分値とを利用して、実ヨー角を算出する。そして、正常に測定したトータルステーション4の測定結果と、実ヨー角とを用いて、ノミ16の先端位置を算出する。
The calculation means 71 calculates the coordinates of each target 3 based on the measurement results transmitted from the total station 4, and calculates the orientation and inclination of the swing construction machine 1 from the coordinates of both targets 3,3. The total station 4 mainly obtains the three-dimensional coordinates of the swing construction machine 1 in the site coordinate system, obtains the pitching angle and rolling angle of the swing body 12 with the inertial sensor 6, and as a result obtains the three-dimensional coordinates of the swing construction machine 1. and direction angle and tilt are detected.
Further, the calculation means 71 calculates the mounting position of the triaxial acceleration sensor 5 (boom 13, arm 14 or The pitching angle and rolling angle of the head portion 15) are calculated. After calculating the pitching angle and rolling angle, the tip position of the chisel 16 is calculated based on the calculation result (the pitching angle and rolling angle at the mounting position of the triaxial acceleration sensor 5) and the measurement result of the total station 4. FIG.
Further, when the collimation error of one total station 4 is detected, the calculation means 71 of the present embodiment uses the measurement result of the other total station 4 and the measurement result of the inertial sensor 6 to Calculate the tip position. That is, the calculation means 71 compensates for the collimation error by the following procedure. First, the yaw angle is calculated from the measured coordinates of the target 3, and the difference from the yaw angle calculated based on the measurement result of the inertial sensor 6 is obtained. Next, using the yaw angle calculated from the measurement result of the inertial sensor 6 and the difference value, the actual yaw angle is calculated. Then, the tip position of the chisel 16 is calculated using the measurement result of the total station 4 which is normally measured and the actual yaw angle.

視準ミス判定手段72は、予め記憶されたターゲット3同士の位置関係(ターゲット3同士の距離、一方のターゲット3の対する他方のターゲット3の位置等)である実位置関係と、トータルステーション4により測定されたターゲット3の座標から求まるターゲット3同士の位置関係である測定位置関係とを比較する。比較の結果、実位置関係のターゲット同士の距離と、計測位置関係のターゲット3同士の距離が異なっている場合、視準ミス判定手段72は、いずれか一方または両方のトータルステーション4による計測にミスがあるとして、信号を発信する。信号は通信手段を介してオペレータや作業所等に送信される。
なお、視準ミス判定手段72は、慣性センサ6により測定された三軸加速度および三軸回転角速度から算出される旋回体のヨー角を利用して、測定位置関係を算出する。これにより、一方のターゲット3に対する他方のターゲット3の位置を把握することができる。そのため、両トータルステーション4,4が測定するべきターゲット3とは異なるターゲット3を測定している場合(一方のトータルステーション4が他方のターゲット3を測定し、他方のトータルステーション4が一方のターゲット3を測定している場合)であって、ターゲット3同士の間隔が正しい数値である場合に、トータルステーション4による視準ミスを検知する。
The collimation error determination means 72 compares the actual positional relationship, which is a prestored positional relationship between the targets 3 (the distance between the targets 3, the position of one target 3 with respect to the other target 3, etc.), and the actual positional relationship measured by the total station 4. The measured positional relationship, which is the positional relationship between the targets 3 determined from the coordinates of the targets 3 thus obtained, is compared. As a result of the comparison, if the distance between the targets in the actual positional relationship is different from the distance between the targets 3 in the measured positional relationship, the collimation error determination means 72 determines that either one or both of the total stations 4 made an error in the measurement. Send a signal if there is. The signal is transmitted to an operator, work place, etc. via communication means.
The collimation error determination means 72 uses the yaw angle of the revolving body calculated from the three-axis acceleration and the three-axis rotation angular velocity measured by the inertial sensor 6 to calculate the measured positional relationship. Thereby, the position of the other target 3 with respect to the one target 3 can be grasped. Therefore, when both total stations 4, 4 are measuring a target 3 different from the target 3 to be measured (one total station 4 is measuring the other target 3, and the other total station 4 is measuring one target 3). collimation error by the total station 4 is detected when the distance between the targets 3 is a correct value.

ここで、慣性センサ6では、旋回角速度に応じて誤差が発生する。図3は、慣性センサ82の誤差の割合(慣性センサの旋回角と実際の旋回角との誤差の割合)SFの例を示す。図3は、4種類の慣性センサ(A~D)について、誤差の割合SFを示したものである。図3に示すように、誤差の割合SFは、一定に増減するのではなく、旋回角速度により変化する。また、慣性センサ6に生じる誤差は、慣性センサ6の種類によって個別に独自の特性があり、旋回角速度の大きさによっても変化する。そのため、慣性センサ6の誤差は、一律に校正するのではなく、旋回式建設機械1の旋回角速度の大きさに見合った所定の区間毎に適切に校正する必要がある。
算出手段71は、予め定義されたジャイロの補正関数f(x)を用いてジャイロの校正を行う。補正関数f(x)は、試験装置8を利用して、慣性センサ6のジャイロ特性を把握した上で定義する。図4に試験装置8の概要を示す。図4に示すように、試験装置8は、慣性センサ6が設置される旋回テーブル(旋回試験用テーブル)81と、旋回テーブル81を旋回させるサーボモータ82と、旋回テーブル81(サーボモータ82)の回転データ(角度や移動量)を検出するエンコーダ83とからなる。試験装置8は、旋回テーブル81の回転速度を自由に設定できる機能を有している。そして、旋回テーブル81を一定の速度で旋回させ、慣性センサ6の出力データを収集解析する。
Here, in the inertial sensor 6, an error occurs according to the turning angular velocity. FIG. 3 shows an example of the rate of error of the inertial sensor 82 (the rate of error between the turning angle of the inertial sensor and the actual turning angle) SF. FIG. 3 shows error ratios SF for four types of inertial sensors (A to D). As shown in FIG. 3, the error ratio SF does not increase or decrease constantly, but changes with the turning angular velocity. Further, the error generated in the inertial sensor 6 has unique characteristics depending on the type of the inertial sensor 6, and changes depending on the magnitude of the turning angular velocity. Therefore, the error of the inertial sensor 6 should not be calibrated uniformly, but should be appropriately calibrated for each predetermined section corresponding to the magnitude of the swing angular velocity of the swing type construction machine 1 .
The calculation means 71 performs gyro calibration using a predefined gyro correction function f(x). The correction function f(x) is defined after grasping the gyroscopic characteristics of the inertial sensor 6 using the test device 8 . FIG. 4 shows an outline of the test device 8. As shown in FIG. As shown in FIG. 4, the test apparatus 8 includes a turning table (turning test table) 81 on which the inertia sensor 6 is installed, a servomotor 82 for turning the turning table 81, and a rotating table 81 (servomotor 82). It is composed of an encoder 83 for detecting rotation data (angle and movement amount). The test device 8 has a function of freely setting the rotation speed of the swivel table 81 . Then, the turning table 81 is turned at a constant speed, and the output data of the inertial sensor 6 is collected and analyzed.

図5にジャイロ校正方法の手順を示す。ジャイロ校正方法は、図5に示すように、旋回角度取得工程S1と、旋回速度算出工程S2と、誤差割合算出工程S3と、校正区間選択工程S4と、補正関数定義工程S5と、補正係数算出工程S6と、校正値算出工程S7とを備えている。
旋回角度取得工程S1は、慣性センサ6により旋回角速度を取得する工程である。試験装置8に慣性センサ6をセットして、旋回テーブル81を低速旋回させた際のデータを収集する。旋回速度は、旋回式建設機械1の旋回速度を想定した大きさとする。
FIG. 5 shows the procedure of the gyro calibration method. As shown in FIG. 5, the gyro calibration method includes a turning angle acquisition step S1, a turning speed calculation step S2, an error ratio calculation step S3, a calibration section selection step S4, a correction function definition step S5, and a correction coefficient calculation step. It includes a step S6 and a calibration value calculation step S7.
The turning angle acquisition step S<b>1 is a step of acquiring a turning angular velocity by the inertial sensor 6 . The inertia sensor 6 is set in the test device 8 to collect data when the turning table 81 is turned at low speed. The slewing speed is assumed to be the slewing speed of the slewing construction machine 1 .

旋回速度算出工程S2は、旋回角速度から旋回速度Nを算出する工程である。旋回速度Nは、旋回時間T内で時間Δtごとに慣性センサ6で取得された旋回角速度ωの積分値(旋回角速度積分値)θを前記旋回時間Tで除すことにより算出する(式1)。 The turning speed calculation step S2 is a step of calculating the turning speed N from the turning angular speed. The turning speed N is calculated by dividing the integral value (turning angular speed integrated value) θ of the turning angular speed ω obtained by the inertial sensor 6 at each time Δt within the turning time T by the turning time T (Equation 1). .

Figure 2023101310000003
Figure 2023101310000003

誤差割合算出工程S3は、旋回速度Nの誤差の割合SFを算出する工程である。誤差の割合SFは、式2を利用して、エンコーダ83で取得されたエンコーダ回転角θeと、慣性センサ6で取得された旋回角速度ωの積分値(旋回角速度積分値)θとから算出する。
なお、誤差の割合SF<0の場合、慣性センサ測定値が実際の旋回速度よりも大きく出力されていることを意味し、SF>0の場合は、慣性センサ測定値が実際の旋回速度よりも少なく出力されていることを意味する。図6に旋回速度と誤差の割合SFの関係の例を示す。
The error ratio calculation step S3 is a step of calculating an error ratio SF of the turning speed N. FIG. The error ratio SF is calculated using Equation 2 from the encoder rotation angle θe obtained by the encoder 83 and the integrated value of the turning angular velocity ω (turning angular velocity integrated value) θ obtained by the inertial sensor 6 .
If the error rate SF < 0, it means that the inertial sensor measurement value is output larger than the actual turning speed. It means less output. FIG. 6 shows an example of the relationship between the turning speed and the error rate SF.

Figure 2023101310000004
Figure 2023101310000004

校正区間選択工程S4は、校正する旋回速度の区間(選定区間)を選択する工程である。まず、試験装置8で得られた誤差の割合SFから慣性センサ6の実測値を補正するためのセンサ補正値HSF(=1+SF)を求める。図7に旋回速度とセンサ補正値HSFとの関係を示す。次に、補正関数を定義する選定区間を選定する。 The calibration section selection step S4 is a step of selecting a turning speed section (selection section) to be calibrated. First, a sensor correction value HSF (=1+SF) for correcting the actual measurement value of the inertial sensor 6 is obtained from the error rate SF obtained by the test device 8 . FIG. 7 shows the relationship between the turning speed and the sensor correction value HSF. Next, a selection interval that defines a correction function is selected.

補正関数定義工程S5は、センサ補正値HSF(誤差の割合SF)に基づいて、選定区間に含まれる旋回速度Nを校正するための補正関数f(x)を求める工程である。選定区間を関数化すること(すなわち、選定区間ごとに補正関数f(x)を定義すること)で、連続性を確保する。図8に示すように、例えば、測定P1から測点P2までの区間(選定区間)Aにおける補正関数f(x1)を定義する。同様に、測点P2から測点P3までの区間B、測点P3から測点P4までの区間C、測点P4から測点P5までの区間D、測点P5から測点P6までの区間Eにおける補正関数f(x2)~f(x6)をそれぞれ定義する。 The correction function definition step S5 is a step of obtaining a correction function f(x) for calibrating the turning speed N included in the selected section based on the sensor correction value HSF (error ratio SF). Continuity is ensured by converting the selected section into a function (that is, defining a correction function f(x) for each selected section). As shown in FIG. 8, for example, a correction function f(x1) is defined in a section (selected section) A from measurement P1 to measurement point P2. Similarly, section B from measuring point P2 to measuring point P3, section C from measuring point P3 to measuring point P4, section D from measuring point P4 to measuring point P5, section E from measuring point P5 to measuring point P6 Define the correction functions f(x2) to f(x6) in .

補正係数算出工程S6は、補正関数f(x)を用いて補正係数kを算出する工程である。補正係数kは、校正するセンサ出力値ωを補正関数f(x)に代入することにより算出する。すなわち、慣性センサ6からの出力(角速度)が、区間A~Eの何れに含まれるかを検出し、その区間に対応する補正関数f(x)を用いて補正係数kを算出する(式3参照)。
k=f(ω) ・・・式3
The correction coefficient calculation step S6 is a step of calculating the correction coefficient k using the correction function f(x). The correction coefficient k is calculated by substituting the sensor output value ω to be calibrated into the correction function f(x). That is, it detects which of the sections A to E the output (angular velocity) from the inertial sensor 6 is included in, and calculates the correction coefficient k using the correction function f(x) corresponding to that section (equation 3 reference).
k=f(ω) Equation 3

校正値算出工程S7は、補正係数kから旋回速度Nの校正値ω0を算出する工程である。
校正値ω0は、式4に示すように、補正係数kと実測の角速度(センサ出力値ω)とを乗算して算出する。
ω0=k×ω ・・・式4
The calibration value calculation step S7 is a step of calculating a calibration value ω0 of the turning speed N from the correction coefficient k.
The calibration value ω0 is calculated by multiplying the correction coefficient k and the measured angular velocity (sensor output value ω) as shown in Equation 4.
ω0=k×ω Expression 4

以上、本実施形態の掘削補助システム2を利用した施工方法によれば、トータルステーション4の視準ミスを適切に検出して、建設機械による掘削作業の施工誤差を最小限に抑えることができる。トータルステーション4の視準ミスの補完は、掘削補助システム2により自動的に実行されるため、複雑な計算や操作を測定者が実施する手間を省略できる。このとき、ジャイロの個別の特性を把握したうえで、ジャイロ(慣性センサ6)を高精度に校正できる。ジャイロの校正は、一律に行うのではなく、旋回速度に応じた補正係数kを利用して校正するため、建設機械のように、プラス側とマイナス側の両方に生じる誤差に対して校正することを可能としている。ゆえに、ジャイロの精度を高めることが可能となる。なお、本実施形態では、補正関数f(x)を実施工前に予め定義しておき、実施工時のジャイロの校正に活用する。 As described above, according to the construction method using the auxiliary excavation system 2 of the present embodiment, collimation errors of the total station 4 can be appropriately detected, and construction errors in excavation work by the construction machine can be minimized. Compensation for the collimation error of the total station 4 is automatically executed by the auxiliary excavation system 2, which saves the operator the trouble of performing complicated calculations and operations. At this time, the gyro (inertial sensor 6) can be calibrated with high precision after grasping the individual characteristics of the gyro. The gyro is not calibrated uniformly, but is calibrated using the correction coefficient k according to the turning speed, so it is possible to calibrate for errors that occur on both the positive and negative sides like construction machinery. is possible. Therefore, it is possible to improve the accuracy of the gyro. Note that in the present embodiment, the correction function f(x) is defined in advance before the actual construction, and is used for calibrating the gyro during the actual construction.

以下、試験装置8を用いて旋回動作を試験装置8で再現し、慣性センサ6の校正前と校正後の性能を比較した結果を示す。真の旋回角は、エンコーダ83により検出されたエンコーダ回転角θeとする。
図9に再現試験結果を示す。約320秒間の作業時間での旋回において、校正後の最終旋回角は、エンコーダ回転角θeと重なっている。一方、校正前の慣性センサ6の最終旋回角は、図9に示すように、エンコーダ回転角θeよりも少し大きく検出されている。図10に校正前および校正後の旋回角度とエンコーダ回転角θeとの差分を示す。図10に示すように、校正前は、エンコーダ回転角θeと大きな誤差が生じたが、校正後の誤差はわずかであった。
したがって、本実施形態の慣性センサ校正方法によれば、慣性センサ6を高精度に校正できることが確認できた。また、慣性センサ6は、個別に独自の特性があり、個々の特性を把握して構成する必要があるが、本実施形態の慣性センサ校正方法を利用することで、比較的簡易に校正できる。
The results of comparing the performance of the inertial sensor 6 before and after calibration by reproducing the turning motion with the test device 8 are shown below. The true turning angle is the encoder rotation angle θe detected by the encoder 83 .
FIG. 9 shows the results of the reproduction test. During the turning with a working time of about 320 seconds, the final turning angle after calibration overlaps with the encoder rotation angle θe. On the other hand, the final swing angle of the inertial sensor 6 before calibration is detected to be slightly larger than the encoder rotation angle θe, as shown in FIG. FIG. 10 shows the difference between the turning angle and the encoder rotation angle θe before and after calibration. As shown in FIG. 10, there was a large error in the encoder rotation angle θe before calibration, but the error after calibration was small.
Therefore, it was confirmed that the inertial sensor 6 can be calibrated with high accuracy according to the inertial sensor calibration method of the present embodiment. In addition, each inertial sensor 6 has its own unique characteristics, and it is necessary to comprehend each characteristic and configure it. However, by using the inertial sensor calibration method of the present embodiment, calibration can be performed relatively easily.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前述の実施形態に限られず、前記の各構成要素については本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、旋回式建設機械1がバックホウの場合について説明したが、旋回式建設機械1を構成する機械は、旋回体を有するものであれば限定されるものではない。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and each of the constituent elements described above can be modified as appropriate without departing from the scope of the present invention.
For example, in the above embodiment, the case where the swing type construction machine 1 is a backhoe has been described, but the machine that constitutes the swing type construction machine 1 is not limited as long as it has a swing structure.

1 旋回式建設機械
2 掘削補助システム
3 ターゲット
4 トータルステーション
5 三軸加速度センサ
6 慣性センサ
7 コンピュータ
71 算出手段
72 視準ミス判定手段
8 試験装置
81 旋回テーブル(旋回試験用テーブル)
82 サーボモータ
83 エンコーダ
S1 旋回角度取得工程
S2 旋回速度算出工程
S3 誤差割合算出工程
S4 校正区間選択工程
S5 補正関数定義工程
S6 補正係数算出工程
S7 校正値算出工程
REFERENCE SIGNS LIST 1 swing-type construction machine 2 excavation auxiliary system 3 target 4 total station 5 triaxial acceleration sensor 6 inertia sensor 7 computer 71 calculation means 72 collimation error determination means 8 test apparatus 81 swivel table (swivel test table)
82 Servo motor 83 Encoder S1 Turning angle acquisition process S2 Turning speed calculation process S3 Error ratio calculation process S4 Calibration section selection process S5 Correction function definition process S6 Correction coefficient calculation process S7 Calibration value calculation process

Claims (3)

ジャイロの校正に使用する校正値の算出方法であって、
慣性センサにより旋回角速度を取得する工程と、
前記旋回角速度から旋回速度Nを算出する工程と、
前記旋回速度Nの誤差の割合SFを算出する工程と、
校正する旋回速度の区間を選択する工程と、
前記誤差の割合SFに基づいて、前記区間に含まれる前記旋回速度Nを校正するための補正関数を求める工程と、
前記補正関数を用いて補正係数を算出する工程と、
前記補正係数から前記旋回速度Nの校正値を算出する工程と、を備えていることを特徴とする、校正値の算出方法。
A method for calculating a calibration value used for calibrating a gyro,
obtaining a turning angular velocity with an inertial sensor;
a step of calculating a turning speed N from the turning angular speed;
a step of calculating an error ratio SF of the turning speed N;
a step of selecting a turning speed section to be calibrated;
obtaining a correction function for calibrating the turning speed N included in the section based on the error ratio SF;
calculating a correction factor using the correction function;
and calculating a calibration value of the turning speed N from the correction coefficient.
前記旋回速度Nは、旋回時間T内で時間Δtごとに前記慣性センサで取得された旋回角速度ωの積分値θを前記旋回時間Tで除すことにより算出することを特徴とする、請求項1に記載の校正値の算出方法。 The turning speed N is calculated by dividing an integrated value θ of the turning angular velocity ω obtained by the inertial sensor every time Δt within the turning time T by the turning time T. Calculation method of the calibration value described in . 前記慣性センサは、エンコーダを有する試験装置の旋回試験用テーブルに取り付けられており、
前記誤差の割合SFは、式1を利用して、前記エンコーダで取得された前記旋回試験用テーブルの回転角θeと、前記積分値θとから算出することを特徴とする、請求項2に記載の校正値の算出方法。
Figure 2023101310000005
The inertial sensor is attached to a turning test table of a test device having an encoder,
3. The method according to claim 2, wherein the error ratio SF is calculated from the rotation angle θe of the turning test table obtained by the encoder and the integrated value θ using Equation 1. How to calculate the calibration value of
Figure 2023101310000005
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