JP2002296037A - Gyrocompass device - Google Patents

Gyrocompass device

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JP2002296037A
JP2002296037A JP2001099814A JP2001099814A JP2002296037A JP 2002296037 A JP2002296037 A JP 2002296037A JP 2001099814 A JP2001099814 A JP 2001099814A JP 2001099814 A JP2001099814 A JP 2001099814A JP 2002296037 A JP2002296037 A JP 2002296037A
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貴志 小山
Akioshi Uchida
朗忍 内田
Susumu Ebihara
将 海老原
Yasuo Takada
泰雄 高田
Takeshi Hojo
武 北條
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gyrocompass device appropriately usable for laying a sewer pipe. SOLUTION: This gyrocompass device has; a cylindrical casing having a center axis line; a base disposed in the casing; a sensor part mounted on the base and comprising X, Y, and Z gyros, X, Y, and Z accelerometers, and a direction transmitter; a computation part for converting signals outputted from the sensor part into signals in a globe-surface coordinate system; and a drift/bias computation part for computing the direction of the base, the drift of the gyros, and a bias of acceleration, from the signals outputted from the sensor part in a survey mode, wherein the base has a plurality of turntables disposed along the center axis line and a drive for synchronously rotating the plurality of turntables, and the sensor part is mounted on the turntables so that its input axis line or measuring axis line is aligned with the center axis line.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、地下又は水中の物
体のように人が接近することが困難な物体又は移動体の
位置を検出するのためのジャイロコンパス装置に関し、
特に、下水道管等の比較的小さな径の管を推進工法によ
って敷設する場合に使用して好適なジャイロコンパス装
置及び方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gyro compass device for detecting the position of an object or a moving object, such as an object underground or underwater, to which a person has difficulty in approaching.
In particular, the present invention relates to a gyrocompass device and method suitable for use when laying a pipe having a relatively small diameter such as a sewer pipe by a propulsion method.

【0002】[0002]

【従来の技術】下水管等の比較的小さな径の管を地下に
敷設する場合、地中を掘り進みながら同時に管を配置す
る推進工法が知られている。この工法では、配管の始点
と終点で地面に縦穴を掘削するが、配管に沿って地面を
掘り起こす必要がないため、交通を妨害しない等の利点
がある。
2. Description of the Related Art When laying a pipe having a relatively small diameter, such as a sewer pipe, underground, a propulsion method is known in which the pipe is simultaneously arranged while digging underground. In this method, a vertical hole is excavated in the ground at the start point and the end point of the pipe. However, there is no need to dig the ground along the pipe, so that there is an advantage that traffic is not obstructed.

【0003】図9を参照して、推進工法及びそれに使用
される掘削装置の例を説明する。この掘削装置は、先端
に掘削刃201を有する先導管202と、先導管202
の後端に装着された案内部材203と、多数の連接した
ヒューム管210A、210B、210C、210D
と、元押し装置220とを有する。元押し装置220は
配管の始点の縦穴に配置される。ヒューム管内には、作
泥材供給管205、土砂排出管206及び土砂排出ポン
プ207が配置されている。
Referring to FIG. 9, an example of a propulsion method and an excavator used for the method will be described. The excavator includes a leading conduit 202 having a cutting blade 201 at a tip, and a leading conduit 202.
A guide member 203 attached to the rear end of the fume tubes 210A, 210B, 210C, 210D
And a main pushing device 220. The main pushing device 220 is arranged in a vertical hole at the starting point of the pipe. Inside the fume pipe, a sludge supply pipe 205, a sediment discharge pipe 206, and a sediment discharge pump 207 are arranged.

【0004】掘削刃によって横穴を掘削するとき、掘削
刃201の先端には作泥材供給管205より作泥材、例
えば水が噴出される。掘削された土砂は、止水性土砂と
流動性土砂(スラリー)に分離し、流動性土砂は、土砂
排出ポンプ207によって汲み上げられ、土砂排出管2
06を経由して外部に排出される。
When a horizontal hole is excavated by the excavating blade, a mud material, for example, water is jetted from a mud material supply pipe 205 to the tip of the excavating blade 201. The excavated sediment is separated into water-blocking sediment and fluid sediment (slurry), and the fluid sediment is pumped up by a sediment discharge pump 207, and the sediment discharge pipe 2
06 to the outside.

【0005】図9Aは所定の位置まで掘り進み、先導管
202の背後にヒューム管列210A、210B、21
0C、210Dが配置された状態を示す。尚、掘削の開
始時には、元押し装置220には先導管202のみが配
置される。図9Bは、この状態より、1個のヒューム管
の長さに相当する寸法だけ掘り進んだ状態を示す。元押
し装置220によってヒューム管列210A、210
B、210C、210Dを前方に押しながら、掘削刃2
01によって掘削する。それによって、先導管及びヒュ
ーム管列全体が前進する。次に、図9Cに示すように、
元押し装置220のピストンを後退させ、最後端のヒュ
ーム管210Dの後端に次のヒューム管210Eを配置
する。
FIG. 9A shows a dug to a predetermined position, where fume tube rows 210A, 210B, 21
This shows a state where 0C and 210D are arranged. At the start of excavation, only the leading conduit 202 is arranged in the main pushing device 220. FIG. 9B shows a state where the body is dug from this state by a dimension corresponding to the length of one fume tube. The fume tube rows 210A, 210 are
B, 210C, 210D while pushing forward,
Drill by 01. Thereby, the front conduit and the entire fume tube row are advanced. Next, as shown in FIG. 9C,
The piston of the main pushing device 220 is retracted, and the next fume tube 210E is arranged at the rear end of the last fume tube 210D.

【0006】これを繰返し、終点の縦穴に先導管202
が到着すると、先導管202、作泥材供給管205、土
砂排出管206及び排出ポンプ207を回収する。それ
によって、始点から終点までヒューム管によって形成さ
れた配管が完成する。
[0006] This is repeated, and the front pipe 202 is inserted into the vertical hole at the end point.
Arrives, the front pipe 202, the sludge supply pipe 205, the sediment discharge pipe 206, and the discharge pump 207 are collected. Thereby, the pipe formed by the fume pipe from the start point to the end point is completed.

【0007】先導管にはジャイロコンパス装置が設けら
れ、常に、現在位置が検出される。現在位置が予定の位
置より偏倚すると、進行方向の修正がなされる。掘削方
向を変化させることによって、先導管の進行方向を調節
することができる。こうして、先導管の進行方向を調節
しながら掘削することによって、始点から終点まで正確
な配管が敷設される。
[0007] A gyrocompass device is provided in the leading conduit, and the current position is always detected. When the current position deviates from the expected position, the traveling direction is corrected. By changing the excavation direction, the traveling direction of the leading conduit can be adjusted. In this way, by excavating while adjusting the traveling direction of the leading conduit, an accurate pipe is laid from the start point to the end point.

【0008】近年、推進工法によって比較的長い距離に
亘って配管を敷設する場合が多い。このような場合、進
行方向の僅かな誤差でも、終点における誤差が大きくな
る。例えば、先導管の進行方向が予定進路より1度ずれ
た状態で、100m掘り進むと、終点では予定進路より
約1.74mずれる。通常、誤差は数cm以内であるこ
とが望ましい。
In recent years, pipes are often laid over a relatively long distance by a propulsion method. In such a case, even a slight error in the traveling direction increases the error at the end point. For example, when digging 100 m with the traveling direction of the leading conduit deviated by one degree from the planned course, the end point is shifted by about 1.74 m from the planned course. Usually, it is desirable that the error is within several cm.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】掘削装置の先導管のよ
うな地下又は水中の物体の位置を検出するために、ジャ
イロコンパス装置が使用される。ジャイロコンパス装置
には、電磁波方式、ジャイロ等の様々な形式のものが使
用されるが、小型且つ小口径で、精度が高く且つ価格が
安いものがなかった。特に、振動、高温、高湿度の環境
にて使用可能な小型且つ小口径のジャイロコンパス装置
は価格が高い欠点があった。
Gyro-compass devices are used to detect the location of underground or underwater objects, such as excavator rigs. Various types of gyro compass devices, such as an electromagnetic wave type and a gyro, are used, but none of them are small, small in diameter, high in accuracy, and inexpensive. In particular, a small and small-diameter gyrocompass device that can be used in an environment of vibration, high temperature, and high humidity has a drawback that the price is high.

【0010】本発明は、小型且つ小口径で、測定精度が
高く且つ価格が安いジャイロコンパス装置を提供するこ
とを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a gyrocompass device which is small, small in diameter, high in measurement accuracy and inexpensive.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明によると、ジャイ
ロコンパス装置は、中心軸線を有する円筒状のケーシン
グと、該ケーシング内に配置された基台と、該基台に装
着されXYZジャイロ、XYZ加速度計及び方位発信器
を含むセンサ部と、コンパスモードでは上記センサ部か
ら出力された信号を地球表面座標系の信号に変換する演
算部と、測量モードでは上記センサ部から出力された信
号より上記基台の方位、ジャイロのドリフト及び加速度
のバイアスを演算するドリフト・バイアス演算部と、を
有し、上記基台は上記中心軸線に沿って配置された複数
の回転台と該複数の回転台を同期的に回転させるための
駆動装置とを有し、上記センサ部はその入力軸線又は測
定軸線が上記中心軸線に整合するように上記回転台に装
着されている。
According to the present invention, there is provided a gyrocompass apparatus comprising: a cylindrical casing having a center axis; a base disposed in the casing; and an XYZ gyro, XYZ mounted on the base. A sensor unit including an accelerometer and an azimuth transmitter, a computing unit that converts a signal output from the sensor unit in the compass mode to a signal of the earth surface coordinate system, and a signal output from the sensor unit in the surveying mode. And a drift / bias calculator for calculating the bias of the base, the drift of the gyro and the acceleration, and the base includes a plurality of turntables arranged along the center axis and the plurality of turntables. A driving device for rotating the sensor unit synchronously, and the sensor unit is mounted on the turntable such that an input axis or a measurement axis thereof is aligned with the center axis.

【0012】本発明によると、上記XYZジャイロはT
DG(チューンドドライジャイロ)より構成されてい
る。
According to the present invention, the XYZ gyro is T
It is composed of DG (Tuned Dry Gyro).

【0013】本発明によると、上記演算部は上記基台に
設けられた座標系より地球表面座標系に変換する座標変
換マトリックスを演算する座標変換マトリックス演算部
と該座標変換マトリックスを使用して地球表面座標系の
加速度を演算するローカル加速度演算部と地球表面座標
系の方位及び姿勢を演算するローカル方位姿勢演算部と
を有する。
According to the present invention, the calculation unit calculates a coordinate conversion matrix for converting a coordinate system provided on the base into a coordinate system of the earth's surface, and the earth using the coordinate conversion matrix. It has a local acceleration calculator for calculating the acceleration in the surface coordinate system and a local azimuth / posture calculator for calculating the azimuth and attitude in the earth surface coordinate system.

【0014】本発明によると、上記ドリフト・バイアス
演算部は、上記回転台の回転を制御する回転制御部と上
記回転台の方位角をパラメータとして上記XYZジャイ
ロ及びXYZ加速度計の出力を記憶するデータ計測記憶
部と該データ計測記憶部からの出力より上記XYZジャ
イロ及びXYZ加速度計の出力のドリフト及びバイアス
を演算する演算部と上記基台の方位を演算する方位演算
部とを有し、上記回転台の複数の回転角における上記セ
ンサ部の出力より上記センサ部のバイアス及びドリフト
を検出するように構成されている。
According to the present invention, the drift / bias calculation section includes a rotation control section for controlling the rotation of the turntable and data for storing the outputs of the XYZ gyro and the XYZ accelerometer using the azimuth of the turntable as a parameter. A measurement storage unit, a calculation unit for calculating the drift and bias of the output of the XYZ gyro and the XYZ accelerometer from the output from the data measurement storage unit, and an azimuth calculation unit for calculating the azimuth of the base; A bias and a drift of the sensor unit are detected from outputs of the sensor unit at a plurality of rotation angles of the table.

【0015】本発明によると、上記円筒状のケーシング
の外径は80mm以下である。
According to the present invention, the outer diameter of the cylindrical casing is 80 mm or less.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】図1及び図2を参照して本発明の
ジャイロコンパス装置の例を説明する。本例のジャイロ
コンパス装置は、ケーシング50とケーシング内に収容
された基台10と有する。ケーシング50は円筒部51
と両端の円板部52を含む。本例によると、円筒部51
の外径は少なくとも80mm以下、好ましくは60mm
以下である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An example of a gyro compass device of the present invention will be described with reference to FIGS. The gyrocompass device of the present example includes a casing 50 and a base 10 housed in the casing. The casing 50 has a cylindrical portion 51.
And disk portions 52 at both ends. According to this example, the cylindrical portion 51
Outer diameter of at least 80 mm or less, preferably 60 mm
It is as follows.

【0017】ケーシング50又は基台10に座標系を設
定する。ケーシングの円筒部の中心軸線に沿ってx軸、
基台10に平行にy軸、基台10に垂直にz軸をとる。
このように設定した座標は、ジャイロコンパス装置を装
着した移動体に設定した座標とみなすことができるか
ら、これを以下に移動体座標と称する。基台10の基準
方位、即ち、移動体の方位はx軸の正の方向である。一
方、地球表面の設けた座標をローカル座標又は局地座標
と称する。ローカル座標とは、地球表面上の点を原点と
し、水平面に沿って子午線方向にx軸、緯度方向にy
軸、鉛直上方にz軸とする座標系である。
A coordinate system is set on the casing 50 or the base 10. X-axis along the central axis of the cylindrical part of the casing,
The y-axis is taken parallel to the base 10, and the z-axis is taken perpendicular to the base 10.
Since the coordinates set in this way can be regarded as the coordinates set for the moving body on which the gyrocompass device is mounted, the coordinates are hereinafter referred to as moving body coordinates. The reference direction of the base 10, that is, the direction of the moving body is the positive direction of the x-axis. On the other hand, the coordinates provided on the earth's surface are referred to as local coordinates or local coordinates. Local coordinates refer to the origin on a point on the earth's surface, the x-axis along the meridian along the horizontal plane, and the y-axis along the latitude.
This is a coordinate system in which the axis and the z-axis are vertically above.

【0018】本例のジャイロコンパス装置は更に、基台
10に装着されたX加速度計11A、Y加速度計12A
及びZ加速度計13Aと、Xジャイロ11G、Yジャイ
ロ12G及びZジャイロ13Gと、方位発信器13Yと
を有し、これらはジャイロコンパス装置のセンサ部を構
成している。各センサに付された矢印は入力軸線又は測
定軸線の方向を示す。
The gyro compass device of this embodiment further includes an X accelerometer 11A and a Y accelerometer 12A mounted on the base 10.
And a Z accelerometer 13A, an X gyro 11G, a Y gyro 12G, a Z gyro 13G, and an azimuth transmitter 13Y, which constitute a sensor unit of the gyro compass device. The arrow attached to each sensor indicates the direction of the input axis or the measurement axis.

【0019】ジャイロとしてTDG(チューンドドライ
ジャイロ)を使用してよい。TDGは互いに直交する2
つの入力軸線を有するジャイロからなる。従って、TD
Gを用いる場合、XYジャイロからなる第1のジャイロ
とYZジャイロからなる第2のジャイロを用いる。Xジ
ャイロとして第1のジャイロを使用し、Zジャイロとし
て第2のジャイロを使用する。Yジャイロとして、第1
のジャイロを使用しても第2のジャイロを使用してもよ
いが、ここでは第1のジャイロを使用する。
As the gyro, a TDG (Tuned Dry Gyro) may be used. TDG is 2 orthogonal to each other
It consists of a gyro with two input axes. Therefore, TD
When G is used, a first gyro composed of an XY gyro and a second gyro composed of a YZ gyro are used. The first gyro is used as the X gyro, and the second gyro is used as the Z gyro. The first as Y gyro
The second gyro may be used, or the first gyro is used here.

【0020】基台10には複数の回転台が設けられてい
る。図1の例では2つの回転台20A、20Bが設けら
れ、第1のジャイロ、即ち、XYジャイロは第1の回転
台20A上に装着され、X加速度計及びY加速度計は第
2の回転台20B上に装着されている。図2の例では3
つの回転台20C、20D、20Eが設けられ、第1の
ジャイロ、即ち、XYジャイロは第1の回転台20C上
に装着され、X加速度計は第2の回転台20D上に装着
され、Y加速度計は第3の回転台20E上に装着されて
いる。方位発信器13Y(図1のみ図示、図2では省略
されている。)は複数の回転台の少なくとも一つに装着
されている。
The base 10 is provided with a plurality of turntables. In the example of FIG. 1, two turntables 20A and 20B are provided, a first gyro, that is, an XY gyro is mounted on the first turntable 20A, and an X accelerometer and a Y accelerometer are mounted on a second turntable. 20B. In the example of FIG.
The first gyro, ie, the XY gyro, is mounted on the first turntable 20C, the X accelerometer is mounted on the second turntable 20D, and the Y acceleration is provided. The meter is mounted on the third turntable 20E. The azimuth transmitter 13Y (shown only in FIG. 1 and omitted in FIG. 2) is mounted on at least one of the plurality of turntables.

【0021】複数の回転台を回転させるために方位サー
ボモータが設けられ、方位サーボモータの回転を複数の
回転台に伝達するために、適当な伝動装置、例えばバッ
クラッシュレス歯車伝動装置又はバックラッシュレスベ
ルト伝動装置が使用される。全ての回転台は同期的に回
転する、即ち、互いに同一の相対角にて同一方向に且つ
同一回転速度にて回転する。従って、回転台の回転角を
検出するために、上述のように、方位発信器13Yは、
ただ1つの回転台に配置すればよく、全ての回転台に装
着する必要はない。
An azimuth servomotor is provided for rotating the plurality of turntables, and a suitable transmission, such as a backlashless gear transmission or backlash, is provided for transmitting the rotation of the azimuth servomotor to the plurality of turntables. A re-belt transmission is used. All turntables rotate synchronously, i.e. rotate in the same direction at the same relative angle and at the same rotational speed. Therefore, in order to detect the rotation angle of the turntable, as described above, the azimuth transmitter 13Y
It is only necessary to dispose it on one turntable, and it is not necessary to mount it on all turntables.

【0022】本例によると、回転台は一定の回転速度、
例えば、10°/秒にて、±180°の回転角にて回転
する。回転台の回転角が±180°に限定されているた
め、回転台に装着されたジャイロ、加速度計及び方位発
信器からのケーブル又はワイヤが縺れることがない。図
3に示すように基台には演算部2、3を構成する回路基
板が装着されている。
According to this example, the turntable has a constant rotation speed,
For example, it rotates at a rotation angle of ± 180 ° at 10 ° / sec. Since the rotation angle of the turntable is limited to ± 180 °, the cables or wires from the gyro, the accelerometer, and the azimuth transmitter mounted on the turntable are not entangled. As shown in FIG. 3, a circuit board constituting the operation units 2 and 3 is mounted on the base.

【0023】本例によると、ジャイロコンパス装置のセ
ンサ部を構成しているX、Y及びZ加速度計11A、1
2A、13A、X、Y及びZジャイロ11G、12G、
13G及び方位発信器13Yは、ケーシング50の中心
軸線上に即ちx軸上に又はx軸に整合して配置されてい
る。回転台20A、20B、20C、20D、20Eの
回転軸線はx軸上に配置されている。
According to this embodiment, the X, Y, and Z accelerometers 11A, 11A,
2A, 13A, X, Y and Z gyros 11G, 12G,
13G and the azimuth transmitter 13Y are arranged on the central axis of the casing 50, that is, on the x-axis or in alignment with the x-axis. The rotation axes of the turntables 20A, 20B, 20C, 20D, and 20E are arranged on the x-axis.

【0024】図3を参照して本例のジャイロコンパス装
置の概要を説明する。ジャイロコンパス装置は、センサ
部1と演算部2とドリフト・バイアス演算部3とを有す
る。センサ部1の構成は図1及び図2を参照して説明し
た。ここでは、各センサの入力軸線又は測定軸線(矢
印)について説明する。X加速度計11A及びXジャイ
ロ11Gは、その入力軸線が移動体座標系のx軸の正の
方向に整合するように、配置され、Y加速度計12A及
びYジャイロ12Gは、その入力軸線が移動体座標系の
y軸の正の方向に整合するように、配置される。Z加速
度計13A、Zジャイロ13G及び方位発信器13Y
は、その入力軸線が移動体座標系のz軸の正の方向に整
合するように配置される。
The outline of the gyro compass device of this embodiment will be described with reference to FIG. The gyro compass device includes a sensor unit 1, a calculation unit 2, and a drift / bias calculation unit 3. The configuration of the sensor unit 1 has been described with reference to FIGS. Here, the input axis or the measurement axis (arrow) of each sensor will be described. The X accelerometer 11A and the X gyro 11G are arranged so that their input axes are aligned with the positive direction of the x-axis of the moving body coordinate system. It is arranged so as to match in the positive direction of the y-axis of the coordinate system. Z accelerometer 13A, Z gyro 13G and azimuth transmitter 13Y
Are arranged such that their input axes are aligned in the positive direction of the z-axis of the moving body coordinate system.

【0025】X加速度計11Aは移動体座標系のx軸方
向の加速度を検出し、Xジャイロは移動体座標系のx軸
周りの角速度ωX を検出する。Y加速度計12Aは移動
体座標系のy軸方向の加速度を検出し、Yジャイロ12
Gは移動体座標系のy軸周りの角速度ωY を検出する。
Z加速度計13Aは移動体座標系のz軸方向の加速度を
検出し、Zジャイロ13Gは移動体座標系のz軸周りの
角速度ωZ を検出する。方位発信器13Yは移動体の方
位(x軸)に対する回転台20の回転角φを検出する。
The X accelerometer 11A detects acceleration in the x-axis direction of the moving body coordinate system, and the X gyro detects an angular velocity ω X about the x-axis of the moving body coordinate system. The Y accelerometer 12A detects acceleration in the y-axis direction of the moving body coordinate system, and
G detects the angular velocity ω Y about the y-axis of the moving object coordinate system.
Z accelerometer 13A detects the acceleration in the z-axis direction of the moving body coordinate system, Z gyro 13G detects an angular velocity omega Z around the z axis of the moving body coordinate system. The azimuth transmitter 13Y detects a rotation angle φ of the turntable 20 with respect to the azimuth (x-axis) of the moving body.

【0026】上述のように、第1及び第2のジャイロと
してTDGを使用する場合、Xジャイロ及びYジャイロ
は第1のジャイロに含まれ、Yジャイロ及びZジャイロ
は第2のジャイロに含まれるが、ここでは、別個のジャ
イロとして図示した。
As described above, when TDG is used as the first and second gyros, the X gyro and the Y gyro are included in the first gyro, and the Y gyro and the Z gyro are included in the second gyro. Here, it is illustrated as a separate gyro.

【0027】本例のジャイロコンパス装置は、移動体が
移動している場合には、ストラップダウン方式のジャイ
ロコンパスとして機能し、移動体が静止している場合に
は、測量コンパスとして機能する。即ち、本例のジャイ
ロコンパス装置は、コンパスモードと測量モードの2つ
のモードにて作動することができる。
The gyrocompass device of this embodiment functions as a strap-down gyrocompass when the moving body is moving, and functions as a surveying compass when the moving body is stationary. That is, the gyro compass device of the present example can operate in two modes: the compass mode and the survey mode.

【0028】本例のジャイロコンパス装置のセンサ部
は、位置を測定すべき移動体に直接装着される。移動体
は、例えば、掘削装置の先導体であってよい。ジャイロ
コンパス装置のセンサ部は、移動体の運動と共に運動
し、移動体の方位及び姿勢と同一の方位及び姿勢をと
る。このような構造は一般にストラップダウン方式と称
される。
The sensor section of the gyro compass device of this embodiment is directly mounted on a moving body whose position is to be measured. The moving body may be, for example, a leading conductor of a drilling rig. The sensor unit of the gyro compass device moves with the movement of the moving body, and takes the same direction and posture as the direction and posture of the moving body. Such a structure is generally called a strap down system.

【0029】本例のジャイロコンパス装置がストラップ
ダウン方式のコンパスモードとして使用される場合に
は、演算部2はセンサ部1からの移動体座標系の出力信
号を入力し、ローカル座標系の方位及び姿勢角を演算す
る。コンパスモードでは、回転台をコンパス周期と比べ
て十分短い時間で、±180°のローテーションをかけ
るため、ジャイロ及び加速度計の誤差成分が除去された
方位角及び姿勢角が得られる。従って、センサの温度及
び経年変化による方位誤差を低減させることができる。
尚、方位角及び姿勢角の演算に、ドリフト・バイアス演
算部3より得られるジャイロのドリフト及び加速度計の
バイアスを使用してもよい。
When the gyro compass device of this embodiment is used as a strap-down compass mode, the arithmetic unit 2 receives the output signal of the moving body coordinate system from the sensor unit 1 and inputs the azimuth and azimuth of the local coordinate system. Calculate the attitude angle. In the compass mode, the rotary table is rotated by ± 180 ° in a sufficiently short time as compared with the compass cycle, so that the azimuth angle and the attitude angle from which the error components of the gyro and the accelerometer are removed can be obtained. Therefore, it is possible to reduce the azimuth error due to the temperature and aging of the sensor.
The gyro drift and the accelerometer bias obtained from the drift / bias calculator 3 may be used for the calculation of the azimuth and the attitude angle.

【0030】本例のジャイロコンパス装置が静止状態に
て測量モードとして使用される場合には、ドリフト・バ
イアス演算部3はジャイロのドリフト及び加速度計のバ
イアスを演算し、更に移動体の方位角及び姿勢角を演算
し出力する。
When the gyro compass device of this embodiment is used in the survey mode in a stationary state, the drift / bias calculator 3 calculates the drift of the gyro and the bias of the accelerometer, and further calculates the azimuth and the azimuth of the moving body. Calculate and output attitude angle.

【0031】図4を参照して演算部2の構成及びストラ
ップダウン方式のコンパスモードの動作を説明する。演
算部2は座標変換マトリックス演算部(CTM演算部)
201とローカル方位姿勢演算部202とローカル加速
度演算部203とコンパス・修正演算部204を含む。
CTM演算部201は、X、Y及びZジャイロから出力
された移動体座標系の角速度を入力して座標変換マトリ
ックス(CTM)を演算し出力する。上述のように、回
転台の±180°のローテーションによって、X及びY
ジャイロの出力の誤差は除去されている。
Referring to FIG. 4, the configuration of the arithmetic unit 2 and the operation in the compass mode of the strap-down system will be described. The operation unit 2 is a coordinate conversion matrix operation unit (CTM operation unit)
201, a local azimuth / posture calculation unit 202, a local acceleration calculation unit 203, and a compass / correction calculation unit 204.
The CTM operation unit 201 inputs the angular velocity of the moving object coordinate system output from the X, Y, and Z gyros, and calculates and outputs a coordinate transformation matrix (CTM). As described above, the rotation of the turntable by ± 180 ° allows X and Y rotation.
The error in the gyro output has been removed.

【0032】座標変換マトリックス(CTM)は、移動
体座標をローカル(局地)座標に変換するための3×3
行列である。CTMは既知でありここでは説明しない。
詳細は例えば本願出願と同一の出願人によって平成5年
1月6日に出願された特願平5−779号を参照された
い。
A coordinate transformation matrix (CTM) is a 3 × 3 for transforming the coordinates of a moving object into local (local) coordinates.
It is a matrix. CTM is known and will not be described here.
For details, see, for example, Japanese Patent Application No. 5-779, filed on January 6, 1993 by the same applicant as the present application.

【0033】ローカル加速度演算部203は、X、Y及
びZ加速度計11A、12A、13Aから出力された移
動体座標系の加速度と座標変換マトリックス(CTM)
演算部201から出力された座標変換マトリックス(C
TM)と方位発信器13Yから出力された回転台の回転
角信号を入力して、ローカル座標系の加速度を演算す
る。
The local acceleration calculator 203 calculates the acceleration of the moving body coordinate system output from the X, Y and Z accelerometers 11A, 12A and 13A and a coordinate conversion matrix (CTM).
The coordinate transformation matrix (C
TM) and the rotation angle signal of the turntable output from the azimuth transmitter 13Y, and calculates the acceleration in the local coordinate system.

【0034】コンパス修正演算部204はローカル加速
度演算部203から出力されたローカル座標系加速度と
方位発信器13Yから出力された回転台の回転角信号を
入力してコンパスの制御演算及び方位角の修正演算を
し、制御信号であるトルキング信号を生成し、それを座
標変換マトリックス(CTM)演算部201へ出力す
る。
The compass correction calculation unit 204 inputs the local coordinate system acceleration output from the local acceleration calculation unit 203 and the rotation angle signal of the turntable output from the azimuth transmitter 13Y to control the compass and correct the azimuth. An arithmetic operation is performed to generate a torque signal, which is a control signal, which is output to a coordinate transformation matrix (CTM) operation unit 201.

【0035】ローカル方位姿勢演算部202は、座標変
換マトリックス(CTM)演算部201から出力された
演算結果よりローカル座標系の方位角と姿勢角(ロール
角及びピッチ角)を演算する。こうして演算されたロー
カル座標系の方位角と姿勢角は、回転台の±180°の
ローテーションによってXYジャイロ及びXY加速度計
の誤差が除去されている。
The local azimuth / posture calculation unit 202 calculates the azimuth and the posture angle (roll angle and pitch angle) of the local coordinate system from the calculation result output from the coordinate conversion matrix (CTM) calculation unit 201. With respect to the azimuth and attitude angle of the local coordinate system calculated in this manner, the errors of the XY gyro and the XY accelerometer are removed by rotating the turntable by ± 180 °.

【0036】図5、図6及び図7を参照して測量モード
の動作を説明する。図5に示すように、地球の北半球に
おける緯度λの地点Pを考える。地球の中心をOとし、
地点Pを通る子午線が赤道面と交わる点をPO とし、地
球の自転軸線をOPN とする。地点Pの緯度λは∠PO
O である。地点Pにおける水平面Hは地球面に対する
接平面である。
The operation in the survey mode will be described with reference to FIGS. 5, 6 and 7. As shown in FIG. 5, consider a point P at latitude λ in the northern hemisphere of the earth. Let O be the center of the earth,
The point at which the meridian passing through the point P intersects the equatorial plane is P O , and the rotation axis of the earth is OP N. Latitude λ of point P is ∠PO
Is a P O. The horizontal plane H at the point P is a tangent plane to the earth surface.

【0037】地球の自転角速度ベクトルΩE は図示のよ
うに自転軸線OPN 方向を向いている。地球の自転角速
度ベクトルΩE は、水平面H上で真北方向(矢印N)の
水平成分HER(Horizontal Earth Rate)、即ち、
ΩE cosλと、垂直成分(Vertical Earth Rate)
、即ち、ΩE sinλとに分解することができる。
The rotation angular velocity vector Ω E of the earth is oriented in the direction of the rotation axis OP N as shown in the figure. The rotation angular velocity vector Ω E of the earth is a horizontal component HER (Horizontal Earth Rate) in the true north direction (arrow N) on the horizontal plane H, that is,
Ω E cosλ and vertical component (Vertical Earth Rate)
That is, it can be decomposed into Ω E sinλ.

【0038】図6に示すように、地点Pの水平面H上に
ジャイロコンパス装置、即ち、移動体が配置されている
と仮定する。移動体の方位は上述のようにx軸に整合し
ている。移動体の方位角∠NPxをΦとする。Xジャイ
ロの入力軸線をPXGS、Yジャイロの入力軸線をP
GS、Zジャイロの入力軸線をPZGSとする。
As shown in FIG. 6, it is assumed that a gyrocompass device, that is, a moving body is arranged on a horizontal plane H at a point P. The azimuth of the moving object is aligned with the x-axis as described above. The azimuth ∠NPx of the moving body is Φ. X gyro input axis is PX GS , Y gyro input axis is P
The input axes of Y GS and Z gyro are PZ GS .

【0039】移動体の方位Pxに対するXジャイロの入
力軸線の回転角をφとする。回転台の回転角は、Xジャ
イロの入力軸線の回転角φに等しいと仮定する。Xジャ
イロの入力軸線の方位角∠NPXGSはΦ+φである。Y
ジャイロの入力軸線の方位角∠NPYGSはΦ+φ+90
°である。
It is assumed that the rotation angle of the input axis of the X gyro with respect to the azimuth Px of the moving body is φ. It is assumed that the rotation angle of the turntable is equal to the rotation angle φ of the input axis of the X gyro. The azimuth ∠NPX GS of the input axis of the X gyro is Φ + φ. Y
Gyro input axis azimuth angle 入 力 NPY GS is Φ + φ + 90
°.

【0040】Xジャイロは地球の自転角速度ベクトルΩ
E の入力軸線PXGS方向の成分を検出し、Yジャイロは
地球の自転角速度ベクトルΩE の入力軸線PYGS方向の
成分を検出し、Zジャイロは地球の自転角速度ベクトル
ΩE の入力軸線PZGS方向の成分を検出する。従って、
X、Y、Zジャイロの出力ωX 、ωY 、ωz は次のよう
に表わされる。
X gyro is the rotation angular velocity vector Ω of the earth
Detecting an input axis PX GS direction component of E, Y gyro detects an input axis PY GS direction component of the Earth's rotation angular velocity vector Omega E, Z gyro input axis PZ GS of the Earth's rotation angular velocity vector Omega E The direction component is detected. Therefore,
The outputs ω X , ω Y , ω z of the X, Y, Z gyros are expressed as follows.

【0041】[0041]

【数1】ωX =ΩE cos λ cos( Φ+φ) +UX ωY =ΩE cos λ sin( Φ+φ) +UY ωZ =−ΩE sin λ+UZ Ω X = Ω E cos λ cos (Φ + φ) + U X ω Y = Ω E cos λ sin (Φ + φ) + U Y ω Z = −Ω E sin λ + U Z

【0042】ここに、ΩE は地球の自転角速度、λは緯
度である。Φは移動体の方位、即ち、x軸の子午線に対
する回転角、φは移動体の方位に対するXジャイロの回
転角、UX 、UY 、UZ はそれぞれジャイロのドリフト
である。Zジャイロの出力ω z に負号が付いているの
は、入力軸線の方向がz軸の負の方向を向くように、Z
ジャイロを装着したからである。尚、本例では、y軸周
りの回転角速度及びx軸周りの回転角速度はゼロ、即
ち、dθ/dt=0、dσ/dt=0とする。
Where ΩEIs the rotational angular velocity of the earth, λ is latitude
Degrees. Φ is the azimuth of the moving object, that is,
Is the rotation angle of the gyro with respect to the azimuth of the moving object.
Turning angle, UX, UY, UZAre gyro drifts
It is. Output ω of Z gyro zHas a minus sign
Is such that the direction of the input axis is oriented in the negative direction of the z-axis.
This is because the gyro was attached. In this example, the circumference of the y axis is
The rotational angular velocity around the x axis and the rotational angular velocity
That is, dθ / dt = 0 and dσ / dt = 0.

【0043】上述の例はジャイロコンパス装置、即ち、
移動体が水平面H上に配置されている場合であるが、移
動体が傾斜した場合を考察する。移動体がXジャイロの
入力軸線PXGS周りに回転角σだけ回転偏倚した場合を
考察する。
The above example is a gyro compass device,
A case where the moving body is arranged on the horizontal plane H, and a case where the moving body is inclined will be considered. Consider a case where the moving body is rotationally biased around the input axis PX GS of the X gyro by the rotation angle σ.

【0044】図7を参照して説明する。図7はXジャイ
ロの入力軸線PXGS及びYジャイロの入力軸線PYGS
よって形成される面を示す。X、Y、Zジャイロの出力
ωX、ωY 、ωZ は次のように表わされる。
A description will be given with reference to FIG. FIG. 7 shows the plane formed by the input axis PX GS of the X gyro and the input axis PY GS of the Y gyro. The outputs ω X , ω Y , ω Z of the X, Y, Z gyros are expressed as follows.

【0045】[0045]

【数2】ωX =ΩE cos λ cos( Φ+φ) +UX ωY =−ΩE sin λ sinσ+ΩE cos λ sin( Φ+φ)c
osσ+mg sinσ+qg cosσ+UY ωZ =−ΩE sin λ cosσ−ΩE cos λ sin( Φ+φ)s
inσ−mg cosσ+qg sinσ+UZ
Ω X = Ω E cos λ cos (Φ + φ) + U X ω Y = −Ω E sin λ sin σ + Ω E cos λ sin (Φ + φ) c
osσ + mg sinσ + qg cosσ + U Y ω Z = -Ω E sin λ cosσ-Ω E cos λ sin (Φ + φ) s
inσ-mg cosσ + qg sinσ + U Z

【0046】ここに、σは水平面Hに対する移動体の入
力軸線PXGS周りの傾斜角である。傾斜角σはY加速度
計によって検出される。mgはジャイロロータの重心の
偏倚に起因するマスアンバランス、qgは相手軸の入力
角速度変化に起因するクロストーク量である。これらは
TDG特有の誤差である。X、Y、Zジャイロの出力ω
X 、ωY 、ωZ より移動体の方位角Φを求めるために
は、ジャイロのドリフトUX 、UY 、UZ を求める必要
がある。以下に、ジャイロのドリフトUX 、UY、UZ
を求める方法を説明する。
Here, σ is the inclination angle of the moving body about the input axis PX GS with respect to the horizontal plane H. The inclination angle σ is detected by the Y accelerometer. mg is a mass imbalance caused by the deviation of the center of gravity of the gyro rotor, and qg is a crosstalk amount caused by a change in the input angular velocity of the partner shaft. These are errors specific to TDG. X, Y, Z gyro output ω
In order to determine the azimuth angle Φ of the moving object from X , ω Y , ω Z , it is necessary to determine the gyro drifts U X , U Y , U Z. The gyro drift U X , U Y , U Z
A method for obtaining the following will be described.

【0047】回転台を一定の回転角度Δφ=2π/n毎
に(例えば、n=6として60°毎に)回転させては停
止し、3つのジャイロの出力信号ωX 、ωY 、ωZ 及び
Y加速度計の出力信号σを測定する。回転台を1回転さ
せることによってn組の測定値ωXi、ωYi、ωZi、σi
(i=1〜n)が得られたものとする。これらの測定値
のなかで、回転角φが互いに180°異なるデータに注
目する。例えば、回転角φの場合のX、Y、Zジャイロ
の出力信号をωX1、ωY1、ωZ1、回転角φ+πの場合の
X、Y、Zジャイロの出力信号をωX2、ωY2、ωZ2をと
すると、これらは次のように表される。
The rotary table is stopped after being rotated at a constant rotation angle Δφ = 2π / n (for example, every 60 ° with n = 6) and output signals ω X , ω Y , ω Z of three gyros And the output signal σ of the Y accelerometer is measured. By rotating the turntable once, n sets of measured values ω Xi , ω Yi , ω Zi , σ i
(I = 1 to n) are obtained. Among these measured values, attention is paid to data in which the rotation angles φ are different from each other by 180 °. For example, the output signals of the X, Y, Z gyro for the rotation angle φ are ω X1 , ω Y1 , ω Z1 , and the output signals of the X, Y, Z gyro for the rotation angle φ + π are ω X2 , ω Y2 , ω Assuming that Z2 , these are expressed as follows.

【0048】[0048]

【数3】ωX1=ΩE cos λ cos (Φ+φ) +UX ωX2=ΩE cos λ cos (Φ+φ+π) +UX Ω X1 = Ω E cos λ cos (Φ + φ) + U X ω X2 = Ω E cos λ cos (Φ + φ + π) + U X

【0049】ωY1=−ΩE sin λ sinσ1 +ΩE cos λ
sin (Φ+φ)cosσ1+mg sinσ1 +qg cosσ1
Y ωY2=−ΩE sin λ sinσ2 +ΩE cos λ sin (Φ+φ
+π)cosσ2+mg sinσ2 +qg cosσ2 +UY
Ω Y1 = −Ω E sin λ sin σ 1 + Ω E cos λ
sin (Φ + φ) cosσ 1 + mg sinσ 1 + qg cosσ 1 +
U Y ω Y2 = −Ω E sin λ sin σ 2 + Ω E cos λ sin (Φ + φ
+ Π) cosσ 2 + mg sinσ 2 + qg cosσ 2 + U Y

【0050】ωZ1=−ΩE sin λ cosσ1 −ΩE cos λ
sin( Φ+φ)sinσ1−mg cosσ1 +qg sinσ1
Z ωZ2=−ΩE sin λ cosσ2 −ΩE cos λ sin( Φ+
φ)sinσ2−mg cosσ2 +qg sinσ2 +UZ
Ω Z1 = −Ω E sin λ cos σ 1 −Ω E cos λ
sin (Φ + φ) sinσ 1 −mg cosσ 1 + qg sinσ 1 +
U Z ω Z2 = −Ω E sin λ cosσ 2 −Ω E cos λ sin (Φ +
φ) sinσ 2 -mg cosσ 2 + qg sinσ 2 + U Z

【0051】ここにσ1 、σ2 はそれぞれ回転台の回転
角がφとφ+πの場合における、水平面Hに対する移動
体又は基台10のXジャイロの入力軸線周りの傾斜角で
ある。この2つの傾斜角σ1 、σ2 の間には、幾何学的
に次のような関係がある。
Here, σ 1 and σ 2 are the inclination angles of the movable body or the base 10 around the input axis of the X gyro with respect to the horizontal plane H when the rotation angles of the turntable are φ and φ + π, respectively. There is a geometrical relationship between the two inclination angles σ 1 and σ 2 as follows.

【0052】[0052]

【数4】σ1 =−σ2 [Equation 4] σ 1 = −σ 2

【0053】これを数3の式に代入して変形すると次の
関係が得られる。
The following relationship is obtained by substituting this into the equation (3) and transforming it.

【0054】[0054]

【数5】ωX1=ΩE cos λ cos( Φ+φ) +UX ωX2=−ΩE cos λ cos( Φ+φ) +UX Ω X1 = Ω E cos λ cos (Φ + φ) + U X ω X2 = −Ω E cos λ cos (Φ + φ) + U X

【0055】ωY1=−ΩE sin λ sinσ1 +ΩE cos λ
sin( Φ+φ) cos σ1+mg sinσ1 +qg cosσ1
+UY ωY2=ΩE sin λ sinσ1 −ΩE cos λ sin( Φ+φ)
cos σ1−mg sinσ1 +qg cosσ1 +UY
Ω Y1 = −Ω E sin λ sin σ 1 + Ω E cos λ
sin (Φ + φ) cos σ 1 + mg sin σ 1 + qg cos σ 1
+ U Y ω Y2 = Ω E sin λ sinσ 1 −Ω E cos λ sin (Φ + φ)
cos σ 1 -mg sinσ 1 + qg cosσ 1 + U Y

【0056】ωZ1=−ΩE sin λ cosσ1 −ΩE cos λ
sin( Φ+φ) sin σ1−mg cosσ1 +qg sinσ1
+UZ ωZ2=−ΩE sin λ cosσ1 +ΩE cos λ sin( Φ+
φ) sin σ1−mg cosσ1 −qg sinσ1 +UZ
Ω Z1 = −Ω E sin λ cos σ 1 −Ω E cos λ
sin (Φ + φ) sin σ 1 −mg cosσ 1 + qg sinσ 1
+ U Z ω Z2 = −Ω E sin λ cosσ 1 + Ω E cos λ sin (Φ +
φ) sin σ 1 −mg cosσ 1 −qg sinσ 1 + U Z

【0057】これらの6個の式より、6個の未知数
X 、UY 、UZ 、mg、qg、Φを求めることができ
る。先ず、これらの式より次の関係式が求められる。
From these six equations, six unknowns U X , U Y , U Z , mg, qg, and Φ can be obtained. First, the following relational expressions are obtained from these expressions.

【0058】[0058]

【数6】ωX1+ωX2=2UX ωX1−ωX2=2ΩE cos λ cos( Φ+φ) ωY1+ωY2=2UY +2qg cosσ1 ωY1−ωY2=2ΩE 〔−sin λ sinσ1 +cos λ sin(
Φ+φ) cos σ1 〕+2mg sinσ1 ωZ1+ωZ2=−2ΩE sin λ cosσ1 −2mg cosσ1
+2UZ ωZ1−ωZ2=−2ΩE cos λ sin( Φ+φ) sin σ1
2qg sinσ1 +2UZ
Ω X1 + ω X2 = 2U X ω X1 −ω X2 = 2Ω E cos λ cos (Φ + φ) ω Y1 + ω Y2 = 2U Y + 2qg cosσ 1 ω Y1 −ω Y2 = 2Ω E [−sin λ sin σ 1 + cos λ sin (
Φ + φ) cos σ 1] + 2mg sinσ 1 ω Z1 + ω Z2 = -2Ω E sin λ cosσ 1 -2mg cosσ 1
+ 2U Z ω Z1 −ω Z2 = -2Ω E cos λ sin (Φ + φ) sin σ 1 +
2qg sinσ 1 + 2U Z

【0059】次にこれらの6個の式より、6個の未知数
X 、UY 、UZ 、mg、qg、Φを求めることができ
る。
Next, from these six equations, six unknowns U X , U Y , U Z , mg, qg, and Φ can be obtained.

【0060】[0060]

【数7】UX =(ωX1+ωX2)/2 UY =(ωY1+ωY2)/2−qg cosσ1Z =(ωZ1+ωZ2)/2+ΩE sin λ cosσ1 +mg
cosσ1 Φ= cos-1〔(1/2ΩE )(ωX1−ωX2)〕/(cos
λ) 〕−φ qg=〔(ωY1+ωY2)/2−UY 〕/cos σ1 mg=(ΩE /sin σ1 )〔−sin λ sinσ1 +cos λ
sin( Φ+φ) cos σ1〕−(ωY1−ωY2)/2sin σ1
U X = (ω X1 + ω X2 ) / 2 U Y = (ω Y1 + ω Y2 ) / 2-qg cosσ 1 U Z = (ω Z1 + ω Z2 ) / 2 + Ω E sin λ cosσ 1 + mg
cosσ 1 Φ = cos -1 [(1 / 2Ω E ) (ω X1 −ω X2 )] / (cos
λ)] − φ qg = [(ω Y1 + ω Y2 ) / 2−U Y ] / cos σ 1 mg = (Ω E / sin σ 1 ) [− sin λ sin σ 1 + cos λ
sin (Φ + φ) cos σ 1 ] − (ω Y1 −ω Y2 ) / 2 sin σ 1

【0061】移動体の方位角ΦはXジャイロの出力ωX
(数6の式の第2式)より求めた。本例のように、Xジ
ャイロの入力軸線の傾斜がゼロの場合にはそれでよい。
しかしながら、Xジャイロの入力軸線の傾斜がゼロでな
い場合には、Yジャイロの出力ωY (数6の式の第4
式)より求める。
The azimuth angle Φ of the moving object is the output ω X of the X gyro.
(The second equation of Equation 6). If the inclination of the input axis of the X gyro is zero as in this example, it is sufficient.
However, when the inclination of the input axis of the X gyro is not zero, the output ω Y of the Y gyro (fourth equation in Equation 6)
Equation).

【0062】[0062]

【数8】Φ= sin-1〔{(ωY1−ωY2)−2mg sinσ
1 }/2ΩE +sin λ sinσ1 〕]/cos λ cosσ1
−φ
[Equation 8] Φ = sin −1 [{(ω Y1 −ω Y2 ) −2 mg sin σ
1 } / 2Ω E + sin λ sinσ 1 ]] / cos λ cosσ 1 ]
−φ

【0063】ここで、簡略化のため、マスアンバランス
mg及びクロストーク量qgを既知として無視すると次
の関係が求められる。
Here, for the sake of simplicity, if the mass unbalance mg and the crosstalk amount qg are known and ignored, the following relationship is obtained.

【0064】[0064]

【数9】UX =(ωX1+ωX2)/2 UY =(ωY1+ωY2)/2 UZ =(ωZ1+ωZ2)/2+ΩE sin λ cosσ1 Φ= sin-1〔{(1/2ΩE )(ωY1−ωY2)+sin λ
sinσ1 }/(cosλcosσ1)〕−φ
U X = (ω X1 + ω X2 ) / 2 U Y = (ω Y1 + ω Y2 ) / 2 U Z = (ω Z1 + ω Z2 ) / 2 + Ω E sin λ cosσ 1 Φ = sin −1 [{( 1 / 2Ω E ) (ω Y1 −ω Y2 ) + sin λ
sinσ 1 } / (cosλcosσ 1 )] − φ

【0065】次にY加速度計の出力信号σに含まれるバ
イアスΔσを検出し、真のx軸周りの傾斜角σを検出す
る方法を説明する。同様に、回転台を一定の回転角度Δ
φ=2π/n毎に(例えば、n=6として60°毎に)
回転させては停止し、Y加速度計の出力信号σM を測定
する。回転台を1回転させることによってn組の測定値
σMi(i=1〜n)が得られたものとする。これらの測
定値のなかで、回転角φが互いに180°異なるデータ
に注目する。例えば、回転角φの場合のY加速度計の出
力信号をσM1、回転角φ+πの場合のY加速度計の出力
信号をσM2とすると次のように表される。
Next, a method of detecting the bias Δσ included in the output signal σ of the Y accelerometer and detecting the true tilt angle σ around the x-axis will be described. Similarly, the turntable is rotated at a constant rotation angle Δ
Every φ = 2π / n (for example, every 60 ° as n = 6)
The rotation is stopped, and the output signal σ M of the Y accelerometer is measured. It is assumed that n sets of measured values σ Mi (i = 1 to n) are obtained by rotating the turntable once. Among these measured values, attention is paid to data in which the rotation angles φ are different from each other by 180 °. For example, if the output signal of the Y accelerometer at the rotation angle φ is σ M1 and the output signal of the Y accelerometer at the rotation angle φ + π is σ M2 , the following expression is obtained.

【0066】[0066]

【数10】σM1=σ1 +Δσ σM2=σ2 +Δσ## EQU10 ## σ M1 = σ 1 + Δσ σ M2 = σ 2 + Δσ

【0067】ここに、σ1 、σ2 は上述のように、バイ
アスΔσがゼロの場合に、回転角がφの場合とφ+πの
場合の回転台10のx軸周りの傾斜角である。この2つ
のx軸周りの傾斜角σ1 、σ2 の間には数4の式の関係
がある。従って、数9の式より次の関係が得られる。
Here, σ 1 and σ 2 are the inclination angles of the turntable 10 around the x-axis when the bias Δσ is zero and the rotation angle is φ and φ + π, as described above. There is a relationship of equation 4 between the two inclination angles σ 1 and σ 2 around the x-axis. Therefore, the following relationship is obtained from the equation (9).

【0068】[0068]

【数11】σM1−σM2=σ1 −σ2 =2σ1 σM1+σM2=σ1 +σ2 +2Δσ=2ΔσEquation 11] σ M1 -σ M2 = σ 1 -σ 2 = 2σ 1 σ M1 + σ M2 = σ 1 + σ 2 + 2Δσ = 2Δσ

【0069】従って、回転台の回転角がφのとき真のx
軸周りの傾斜角σ1 及びY加速度計のバイアスΔσは次
の式によって表される。
Therefore, when the rotation angle of the turntable is φ, the true x
The tilt angle σ 1 about the axis and the bias Δσ of the Y accelerometer are represented by the following equations.

【0070】[0070]

【数12】σ1 =(σM1−σM2)/2 Δσ=(σM1+σM2)/2Σ 1 = (σ M1 −σ M2 ) / 2 Δσ = (σ M1 + σ M2 ) / 2

【0071】回転台の回転角がφのとき真のy軸周りの
傾斜角θ1 及びX加速度計のバイアスΔθは同様な方法
によって求められ、数12と同様な式によって与えられ
るがここでは詳細に説明しない。
When the rotation angle of the turntable is φ, the true tilt angle θ 1 around the y-axis and the bias Δθ of the X accelerometer are obtained by the same method, and are given by the same expressions as in Expression 12, but are described in detail here. Not explained.

【0072】本例によると、回転台を1回転させること
によってn組の測定値ωXi、ωYi、ωZi、σi 、θ
i (i=1〜n)が得られる。従って、回転台の回転角
φが互いに180°異なる測定値はn/2組である。n
/2組の測定値からn/2組のデータΦ、UX 、UY
Z 、σ1 、Δσ、Δθが得られる。従ってこれらの平
均値又は最小二乗近似値を求めることによってより正確
なΦ、UX 、UY 、UZ 、σ1 、Δσ、θ1 、Δθの値
が得られる。
According to this example, n sets of measured values ω Xi , ω Yi , ω Zi , σ i , θ are obtained by rotating the turntable once.
i (i = 1 to n) is obtained. Therefore, there are n / 2 sets of measurement values in which the rotation angles φ of the turntable differ from each other by 180 °. n
N / 2 sets of data Φ, U X , U Y ,
U Z , σ 1 , Δσ, Δθ are obtained. Therefore, more accurate values of Φ, U X , U Y , U Z , σ 1 , Δσ, θ 1 , Δθ can be obtained by obtaining the average value or the least square approximation value.

【0073】図8を参照してドリフト・バイアス演算部
3の構成及び動作を説明する。ドリフト・バイアス演算
部3は回転制御部71とシークエンサ部72とデータ計
測記憶部73と方位演算部74と演算部75とを有す
る。
Referring to FIG. 8, the configuration and operation of the drift / bias calculator 3 will be described. The drift / bias calculation unit 3 includes a rotation control unit 71, a sequencer unit 72, a data measurement storage unit 73, a direction calculation unit 74, and a calculation unit 75.

【0074】回転制御部71は回転台の回転角φが設定
回転角φS に等しくなるように機能する。回転制御部7
1はシークエンサ部72によって生成された設定回転角
φSを方位サーボモータ22に供給する。方位サーボモ
ータ22が作動して回転台が回転軸線周りに回転する。
方位発信器13Yは回転台の回転角φを検出しそれを回
転制御部71に出力する。方位発信器13Yの出力信号
φが設定回転角φS に等しくなると、データ計測記憶部
73は回転台のデータを計測して記憶する。
[0074] The rotation control unit 71 functions as the rotation angle of the turntable phi is equal to the set rotation angle phi S. Rotation control unit 7
1 supplies the set rotation angle φ S generated by the sequencer unit 72 to the azimuth servomotor 22. The azimuth servomotor 22 operates to rotate the turntable about the rotation axis.
The azimuth transmitter 13Y detects the rotation angle φ of the turntable and outputs it to the rotation control unit 71. When the output signal phi azimuth transmitter 13Y is equal to the set rotation angle phi S, data measurement storage unit 73 and stores measured turntable data.

【0075】データ計測記憶部73は、X、Y、Zジャ
イロの出力信号ωX 、ωY 、ωZ 、設定回転角φS =φ
及びXY加速度計より出力された傾斜角θ、σ(時計方
向を+とする。)を入力する。次にシークエンサ部72
は新たな設定回転角φS =φ S +Δφを生成して回転制
御部71に供給する。回転制御部71は方位発信器13
Yの出力信号φが新たな設定回転角φS に等しくなるよ
うに、方位サーボモータを作動する。
The data measurement storage unit 73 stores X, Y, Z
Iro output signal ωX, ΩY, ΩZ, Set rotation angle φS= Φ
And the inclination angles θ and σ output from the XY accelerometer (clockwise
The direction is set to +. ). Next, the sequencer section 72
Is the new set rotation angle φS= Φ S+ Δφ to generate rotation control
It is supplied to the control unit 71. The rotation control unit 71 includes the direction transmitter 13
Y output signal φ is the new set rotation angle φSWill be equal to
Operate the azimuth servo motor as shown.

【0076】こうして、方位発信器13Yの出力信号φ
が新たな設定回転角φS に等しくなると、データ計測記
憶部73はジャイロのデータを計測して記憶する。従っ
て、データ計測記憶部73は設定回転角φS 毎のデータ
を記憶する。
Thus, the output signal φ of the azimuth transmitter 13Y
Is equal to the new set rotation angle φ S , the data measurement storage unit 73 measures and stores the gyro data. Therefore, data measurement storage unit 73 stores the data for each set rotational angle phi S.

【0077】データ計測記憶部73は、設定方位角φS
=φi 毎にデータωXi、ωYi、ωZ i 、σi 、θi (i
=1〜n)を順次記憶する。データ計測記憶部73に記
憶された多数のデータφi 、ωXi、ωYi、ωZi、σi
θi (i=1〜n)は順次、方位演算部74及び演算部
75に供給される。数7〜数12の式によって、演算部
75はジャイロドリフトUX 、UY 、UZ 及び加速度計
バイアスΔσ、Δθと姿勢角σ、θを演算し、方位演算
部74は回転台の方位Φを演算する。
The data measurement storage unit 73 stores the set azimuth angle φS
= ΦiData ω for eachXi, ΩYi, ΩZ i, Σi, Θi(I
= 1 to n) are sequentially stored. Recorded in the data measurement storage unit 73
Many data φ rememberedi, ΩXi, ΩYi, ΩZi, Σi,
θi(I = 1 to n) are the direction calculation unit 74 and the calculation unit sequentially
75. The arithmetic unit is calculated by the equations of Equations 7 to
75 is gyro drift UX, UY, UZAnd accelerometer
Compute bias Δσ, Δθ and attitude angle σ, θ to calculate azimuth
The unit 74 calculates the direction Φ of the turntable.

【0078】再び図1及び図2を参照して本発明の第2
の例を説明する。上述の例はストラップダウン方式のジ
ャイロコンパス装置であったが、以下に説明する例はセ
ミストラップダウン方式のジャイロコンパス装置であ
る。
Referring again to FIGS. 1 and 2, the second embodiment of the present invention will be described.
Will be described. The above example is a gyrocompass device of a strap-down type, but the example described below is a gyrocompass device of a semi-strap-down type.

【0079】基台10の両端にはロール軸53が装着さ
れている。このロール軸53はケーシングの円板52に
回転可能に装着されている。基台10をロール軸53周
りに回転させるために無接点DST(ダイレクト・サー
ボ・トルカ)が使用されてよい。また、回転台に装着さ
れたセンサへの電源供給及び信号の送受信にはロータリ
トランスが使用されてよい。更に、ジャイロコンパス装
置には、基台10をロール軸53周りに制御する機構が
設けられ、それによって基台10は常に所定のロール位
置(水平位置)に保持される。従って、ジャイロコンパ
ス装置のセンサ部は、所定のロール位置に保持された状
態にて、移動体の運動と共に運動し、移動体の姿勢と同
一の姿勢をとる。これを、ここではセミストラップダウ
ン方式と称するものとする。
The roll shafts 53 are mounted on both ends of the base 10. The roll shaft 53 is rotatably mounted on the disk 52 of the casing. A non-contact DST (direct servo torquer) may be used to rotate the base 10 around the roll axis 53. In addition, a rotary transformer may be used for power supply to the sensor mounted on the turntable and transmission and reception of signals. Further, the gyro compass device is provided with a mechanism for controlling the base 10 around the roll axis 53, whereby the base 10 is always held at a predetermined roll position (horizontal position). Therefore, the sensor unit of the gyro compass device moves together with the movement of the moving body while being held at the predetermined roll position, and assumes the same posture as the moving body. This is referred to herein as a semi-strap down system.

【0080】セミストラップダウン方式では、基台及び
ジャイロコンパス装置がXジャイロの入力軸線PXGS
りに常に所定の回転位置にある。従って、上述の議論に
おいて、回転角σ=0とすればよい。
[0080] In the semi-strapdown system, the base and the gyro compass device is always predetermined rotational position in the input axis PX GS around the X gyro. Therefore, in the above discussion, the rotation angle σ may be set to zero.

【0081】以上本発明の例を説明したが、本発明は特
許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変形例
が可能であることは当業者によって理解されよう。
Although the embodiments of the present invention have been described above, it will be understood by those skilled in the art that the present invention can be variously modified within the scope of the invention described in the claims.

【0082】[0082]

【発明の効果】本発明によると、地下又は水中の物体の
位置を測定するための小型且つ小口径の精度が高く且つ
価格が安いジャイロコンパス装置を提供することができ
る利点がある。
According to the present invention, there is an advantage that it is possible to provide a small-sized, small-diameter, high-accuracy and low-cost gyrocompass device for measuring the position of an object underground or underwater.

【0083】本発明によると、下水管のように、地下又
は水中の比較的小径の管の位置を正確に且つ地面を掘り
起こすことなく測定することができる利点がある。
According to the present invention, there is an advantage that the position of a relatively small-diameter pipe underground or underwater, such as a sewer pipe, can be measured accurately and without excavating the ground.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明のジャイロコンパス装置の主要部の例を
示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing an example of a main part of a gyro compass device of the present invention.

【図2】本発明のジャイロコンパス装置の他の例の主要
部の例を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing an example of a main part of another example of the gyro compass device of the present invention.

【図3】本発明のジャイロコンパス装置の全体の構成例
を示す図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the overall configuration of a gyrocompass device according to the present invention.

【図4】本発明のジャイロコンパス装置の演算部の構成
例を示す図である。
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example of an arithmetic unit of the gyro compass device of the present invention.

【図5】地球の自転角速度ベクトルを説明するための説
明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining a rotation angular velocity vector of the earth.

【図6】XYZジャイロによって検出する地球の自転角
速度ベクトルの成分を説明するための説明図である。
FIG. 6 is an explanatory diagram for describing components of a rotation angular velocity vector of the earth detected by an XYZ gyro.

【図7】ジャイロコンパス装置が傾斜した場合のXYZ
ジャイロによって検出する地球の自転角速度ベクトルの
成分を説明するための説明図である。
FIG. 7 shows XYZ when the gyro compass device is inclined.
FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining components of a rotation angular velocity vector of the earth detected by a gyro.

【図8】本発明のジャイロコンパス装置のドリフト・バ
イアス演算部の構成例を示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing a configuration example of a drift / bias calculation unit of the gyro compass device of the present invention.

【図9】従来の掘削装置の例を説明するための説明図で
ある。
FIG. 9 is an explanatory diagram for explaining an example of a conventional excavator.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10・・・ 基台、 11A、12A、13A・・・ 加速度
計、 11G、12G、13G・・・ ジャイロ、 13Y
・・・ 方位発信器、 20・・・ 回転台、 50・・・ ケーシ
ング、 51・・・ 円筒部 、52・・・ 円板部、 53・・
・ ロール軸、 201・・・ 掘削刃、 202・・・ 先導
管、 203・・・ 案内部材、 210A,210B,2
10C,210D,210E・・・ ヒューム管、 220
・・・ 元押し管、205・・・ 供給管、 206・・・ 排出
管、 207・・・ ポンプ
10 Base, 11A, 12A, 13A Accelerometer, 11G, 12G, 13G Gyro, 13Y
... azimuth transmitter, 20 ... turntable, 50 ... casing, 51 ... cylindrical part, 52 ... disk part, 53 ...
・ Roll shaft, 201: excavating blade, 202: leading pipe, 203: guide member, 210A, 210B, 2
10C, 210D, 210E ... Hume tube, 220
... Main push pipe, 205 ... Supply pipe, 206 ... Drain pipe, 207 ... Pump

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 海老原 将 東京都大田区南蒲田2丁目16番46号 株式 会社トキメック内 (72)発明者 高田 泰雄 東京都大田区南蒲田2丁目16番46号 株式 会社トキメック内 (72)発明者 北條 武 東京都大田区南蒲田2丁目16番46号 株式 会社トキメック内 Fターム(参考) 2F029 AA08 AB03 AC03 AD01 2F105 AA10 BB13  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing from the front page (72) Inventor Masaru Ebihara 2-16-46 Minami Kamata, Ota-ku, Tokyo Inside Tokimec Co., Ltd. (72) Inventor Yasuo Takada 2--16-46 Minami Kamata, Ota-ku, Tokyo Inside Tokimec Corporation (72) Inventor Takeshi Hojo 2-16-46 Minami Kamata, Ota-ku, Tokyo F-term in Tokimec Corporation (Reference) 2F029 AA08 AB03 AC03 AD01 2F105 AA10 BB13

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 中心軸線を有する円筒状のケーシング
と、該ケーシング内に配置された基台と、該基台に装着
されXYZジャイロ、XYZ加速度計及び方位発信器を
含むセンサ部と、コンパスモードでは上記センサ部から
出力された信号を地球表面座標系の信号に変換する演算
部と、測量モードでは上記センサ部から出力された信号
より上記基台の方位、ジャイロのドリフト及び加速度の
バイアスを演算するドリフト・バイアス演算部と、を有
し、上記基台は上記中心軸線に沿って配置された複数の
回転台と該複数の回転台を同期的に回転させるための駆
動装置とを有し、上記センサ部はその入力軸線又は測定
軸線が上記中心軸線に整合するように上記回転台に装着
されていることを特徴とするジャイロコンパス装置。
1. A cylindrical casing having a central axis, a base disposed in the casing, a sensor unit mounted on the base and including an XYZ gyro, an XYZ accelerometer and an azimuth transmitter, and a compass mode. In the calculation section, a signal output from the sensor section is converted into a signal of the earth surface coordinate system, and in the surveying mode, a azimuth of the base, a gyro drift, and a bias of acceleration are calculated from the signal output from the sensor section. A drift / bias calculation unit, and the base has a plurality of turntables arranged along the central axis and a driving device for synchronously rotating the plurality of turntables, The gyro compass device, wherein the sensor unit is mounted on the turntable such that an input axis or a measurement axis thereof is aligned with the center axis.
【請求項2】 上記XYZジャイロはTDG(チューン
ドドライジャイロ)より構成されていることを特徴とす
る請求項1記載のジャイロコンパス装置。
2. The gyro compass device according to claim 1, wherein said XYZ gyro is constituted by a TDG (Tuned Dry Gyro).
【請求項3】 上記演算部は上記基台に設けられた座標
系より地球表面座標系に変換する座標変換マトリックス
を演算する座標変換マトリックス演算部と該座標変換マ
トリックスを使用して地球表面座標系の加速度を演算す
るローカル加速度演算部と地球表面座標系の方位及び姿
勢を演算するローカル方位姿勢演算部とを有することを
特徴とする請求項1記載のジャイロコンパス装置。
3. The operation unit includes: a coordinate conversion matrix operation unit that calculates a coordinate conversion matrix for converting a coordinate system provided on the base into an earth surface coordinate system; and an earth surface coordinate system using the coordinate conversion matrix. 2. The gyro compass device according to claim 1, further comprising: a local acceleration calculator for calculating the acceleration of the gyro and a local azimuth and orientation calculator for calculating the azimuth and orientation of the earth surface coordinate system.
【請求項4】 上記ドリフト・バイアス演算部は、上記
回転台の回転を制御する回転制御部と上記回転台の方位
角をパラメータとして上記XYZジャイロ及びXYZ加
速度計の出力を記憶するデータ計測記憶部と該データ計
測記憶部からの出力より上記XYZジャイロ及びXYZ
加速度計の出力のドリフト及びバイアスを演算する演算
部と上記基台の方位を演算する方位演算部とを有し、上
記回転台の複数の回転角における上記センサ部の出力よ
り上記センサ部のバイアス及びドリフトを検出するよう
に構成されていることを特徴とする請求項1記載のジャ
イロコンパス装置。
4. The drift / bias calculation unit includes a rotation control unit that controls rotation of the turntable and a data measurement storage unit that stores outputs of the XYZ gyro and the XYZ accelerometer using the azimuth of the turntable as a parameter. XYZ gyro and XYZ from the output from the data measurement storage unit
A calculating unit for calculating the drift and bias of the output of the accelerometer; and an azimuth calculating unit for calculating the azimuth of the base, wherein the bias of the sensor unit is calculated based on the output of the sensor unit at a plurality of rotation angles of the turntable. The gyro compass device according to claim 1, wherein the gyro compass device is configured to detect a drift and a drift.
【請求項5】 上記円筒状のケーシングの外径は80m
m以下であることを特徴とする請求項1記載のジャイロ
コンパス装置。
5. The outer diameter of the cylindrical casing is 80 m.
The gyro compass device according to claim 1, wherein m is equal to or less than m.
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