JP2008216266A - Rotary angle measuring instrument and method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回転角度計測装置、回転角度計測プログラム及び回転角度計測方法に関する。特に、計測場所によらず方位角を正確に計測することができるとともに、コストを削減するのに好適な回転角度計測装置、回転角度計測プログラム及び回転角度計測方法に関する。 The present invention relates to a rotation angle measurement device, a rotation angle measurement program, and a rotation angle measurement method. In particular, the present invention relates to a rotation angle measurement device, a rotation angle measurement program, and a rotation angle measurement method that can accurately measure the azimuth angle regardless of the measurement location and are suitable for reducing costs.
図8は、地上座標系(xg,yg,zg)における地磁気成分を示したものである。
地上座標軸xg,yg,zgは、それぞれ南北方向、東西方向および鉛直方向を向いており、地磁気全磁力Mの地上座標軸xg,yg,zg方向の成分Mxg,Myg,Mzgは、それぞれ南北成分および東西成分、並びに鉛直分力と呼ばれる地磁気成分であり、また、xg?yg平面に平行な成分は、水平分力と呼ばれる。さらに、水平分力とxg軸と の間になす角Dを偏角、地磁気全磁力Mと水平分力との間になす角Iを伏角と呼ぶ。なお、一般に方位磁石が指す北の方向は水平分力の方向のことであり、磁北と呼ばれる。
従来、方位角を計測する技術としては、次に示すような2つの方位角計測装置があった。
第1の方位角計測装置は、互いに直交する方向の地磁気成分を検出する2軸の磁気センサを備え、方位角計測装置を水平面に置き、磁気センサから取得した2軸出力に基づいて方位角を計測するようになっている。
FIG. 8 shows the geomagnetic component in the ground coordinate system (xg, yg, zg).
The ground coordinate axes xg, yg, and zg are oriented in the north-south direction, the east-west direction, and the vertical direction, respectively. The components Mxg, Myg, and Mzg of the geomagnetic total magnetic force M in the ground coordinate axes xg, yg, and zg directions are the north-south component and the east-west direction, respectively. A component and a geomagnetic component called a vertical component force, and a component parallel to the xg? Yg plane is called a horizontal component force. Further, an angle D formed between the horizontal component force and the xg axis is called a declination, and an angle I formed between the geomagnetic total magnetic force M and the horizontal component force is called a dip angle. In general, the north direction indicated by the compass is the direction of horizontal component force and is called magnetic north.
Conventionally, as a technique for measuring an azimuth angle, there are the following two azimuth angle measurement apparatuses.
The first azimuth measuring device includes a biaxial magnetic sensor that detects geomagnetic components in directions orthogonal to each other, places the azimuth measuring device on a horizontal plane, and calculates the azimuth based on the biaxial output obtained from the magnetic sensor. It comes to measure.
次に、第2の方位角計測装置の構成を、図9乃至図11を参照しながら説明する。
図9は、従来の方位角計測装置における磁気センサの取付構造を示す透視図である。
図9において、第2の方位角計測装置には、方位角計測装置の縦方向をx軸としてx軸方向の地磁気成分を検出するx軸磁気センサHEx、方位角計測装置の横方向をy軸としてy軸方向の地磁気成分を検出するy軸磁気センサHEyおよび方位角計測装置の厚さ方向をz軸としてz軸方向の地磁気成分を検出するz軸磁気センサHEzが設けられている。x軸磁気センサHEx、y軸磁気センサHEyおよびz軸磁気センサHEzは、ホール素子等からなり、各感磁面が各軸に対して垂直になるように配置され、各軸方向の地磁気成分に応じた大きさのセンサ信号を出力するようになっている。
Next, the configuration of the second azimuth measuring device will be described with reference to FIGS.
FIG. 9 is a perspective view showing a magnetic sensor mounting structure in a conventional azimuth measuring device.
In FIG. 9, the second azimuth measuring device includes an x-axis magnetic sensor HEx that detects a geomagnetic component in the x-axis direction with the vertical direction of the azimuth measuring device as the x-axis, and the horizontal direction of the azimuth measuring device as the y-axis. The y-axis magnetic sensor HEy for detecting the geomagnetic component in the y-axis direction and the z-axis magnetic sensor HEz for detecting the geomagnetic component in the z-axis direction with the thickness direction of the azimuth measuring device as the z-axis are provided. The x-axis magnetic sensor HEEx, the y-axis magnetic sensor HEy, and the z-axis magnetic sensor HEz are composed of Hall elements and the like, and are arranged so that each magnetosensitive surface is perpendicular to each axis, and the geomagnetic component in each axis direction is A sensor signal of a corresponding magnitude is output.
図10は、従来の方位角計測装置における傾斜角センサの取付構造を示す透視図である。
図10において、第2の方位角計測装置には、xg?yg平面に対するy軸の傾斜角η およびxg?yg平面に対するx軸の傾斜角φを検出する傾斜角センサ17が設けられており、傾斜角センサ17は、傾斜角ηに応じた大きさのセンサ信号および傾斜角φに応じた大きさのセンサ信号をそれぞれ出力するようになっている。
FIG. 10 is a perspective view showing a mounting structure of an inclination angle sensor in a conventional azimuth measuring device.
In FIG. 10, the second azimuth measuring device is provided with an
図11は、従来の方位角計測装置の構成を示すブロック図である。
図11において、第2の方位角計測装置には、3軸磁気センサ11、磁気センサ駆動電源部12、マルチプレクサ部13、磁気センサ増幅部14、磁気センサA/D変換部15、感度・オフセット補正部16、傾斜角センサ17、傾斜角センサ増幅部18、傾斜角センサA/D変換部19、測定データ補正部20および方位角計算部21が設けられている。
FIG. 11 is a block diagram showing a configuration of a conventional azimuth measuring device.
In FIG. 11, the second azimuth measuring device includes a triaxial
3軸磁気センサ11には、x軸磁気センサHEx、y軸磁気センサHEyおよびz軸磁気センサHEzが設けられている。
マルチプレクサ部13は、x軸磁気センサHEx、y軸磁気センサHEyおよびz軸磁気センサHEzをそれぞれ切り換えるためのもので、磁気センサ駆動電源部12から出力された駆動電圧を、x軸磁気センサHEx、y軸磁気センサHEyおよびz軸磁気センサHEzにそれぞれ印加し、x軸磁気センサHEx、y軸磁気センサHEyおよびz軸磁気センサHEzから出力されたセンサ信号を時分割的に磁気センサ増幅部14に出力する。
The three-axis
The
磁気センサA/D変換部15は、x軸磁気センサHEx、y軸磁気センサHEyおよびz軸磁気センサHEzからのセンサ信号をA/D変換し、変換したディジタルデータをそれぞれx軸地磁気測定データ、y軸地磁気測定データおよびz軸地磁気測定データとして感度・オフセット補正部16に出力する。
感度・オフセット補正部16は、磁気センサA/D変換部15からのx軸地磁気測定データ、y軸地磁気測定データおよびz軸地磁気測定データに基づいて、x軸磁気センサHEx、y軸磁気センサHEyおよびz軸磁気センサHEzのオフセットおよび感度補正係数を算出し、算出したオフセットおよび感度補正係数に基づいて、x軸地磁気測定データ、y軸地磁気測定データおよびz軸地磁気測定データを補正する。
The magnetic sensor A / D converter 15 A / D converts sensor signals from the x-axis magnetic sensor HEx, the y-axis magnetic sensor HEy, and the z-axis magnetic sensor HEz, and converts the converted digital data into x-axis geomagnetic measurement data, The y-axis geomagnetism measurement data and the z-axis geomagnetism measurement data are output to the sensitivity /
The sensitivity /
傾斜角センサA/D変換部19は、傾斜角センサ17からのセンサ信号をA/D変換し、変換したディジタルデータを傾斜角測定データとして測定データ補正部20に出力する。
測定データ補正部20は、傾斜角センサA/D変換部19からの傾斜角測定データに基づいて、感度・オフセット補正部16からのx軸地磁気測定データ、y軸地磁気測定データおよびz軸地磁気測定データを補正する。
The tilt angle sensor A / D conversion unit 19 A / D converts the sensor signal from the
The measurement
方位角計算部21は、測定データ補正部20からのx軸地磁気測定データ、y軸地磁気測定データおよびz軸地磁気測定データに基づいて方位角を算出する。
なお、第2の方位角計測装置に近い技術としては、例えば、特許文献1に開示されている方位出力装置がある。
特許文献1の方位出力装置は、3次元地磁気センサからの地磁気情報X,Y,Zと、傾斜センサで検出された傾斜量α,βを用いて、非水平状態による測定誤差が補正された方位θmgを算出する。また、偏角値出力部からの偏角値Dを用いて、真方位θtrを算出し、算出した真方位θtrを提示する。
The
As a technique close to the second azimuth measuring device, for example, there is an azimuth output device disclosed in Patent Document 1.
The azimuth | direction output apparatus of patent document 1 is the azimuth | direction where the measurement error by the non-horizontal state was corrected using geomagnetic information X, Y, Z from a three-dimensional geomagnetic sensor, and inclination amount (alpha), (beta) detected by the inclination sensor. θmg is calculated. Further, the true direction θtr is calculated using the declination value D from the declination value output unit, and the calculated true direction θtr is presented.
これにより、水平状態でなくても傾斜による誤差のない方位測定を行なうことができるとともに、真方位を提示することができる。
また、測定地域の地磁気の大きさや、伏角の情報を用いるものとして、特許文献2の発明、特許文献3の発明及び特許文献4の発明が提案されている。
Moreover, the invention of patent document 2, the invention of patent document 3, and the invention of patent document 4 are proposed as information using the magnitude | size of the geomagnetism of a measurement area | region, and the information of a dip.
しかしながら、上記従来の第1の方位角計測装置にあっては、方位角計測装置を水平面に置く必要があるため、水平が確保できないような場所では方位角を正確に計測することができないという問題があった。
また、上記従来の第2の方位角計測装置にあっては、方位角計測装置を水平面に置く必要はないが、その代わりに方位角計測装置の傾斜角η,φを計測する必要があるため、傾斜角センサ17、傾斜角センサ増幅部18および傾斜角センサA/D変換部19が設けられている。したがって、コストの上昇を招くという問題があった。
そこで、本発明は、計測場所によらず方位角を正確に計測することができるとともに、コストを削減するのに好適な回転角度計測装置、回転角度計測プログラム及び回転角度計測方法を提供することを目的とする。
However, in the conventional first azimuth measuring device, it is necessary to place the azimuth measuring device on a horizontal plane, and therefore, the problem that the azimuth angle cannot be accurately measured in a place where the level cannot be secured. was there.
In the second conventional azimuth measuring device, it is not necessary to place the azimuth measuring device on a horizontal plane, but instead, it is necessary to measure the inclination angles η and φ of the azimuth measuring device. An
Accordingly, the present invention provides a rotation angle measurement device, a rotation angle measurement program, and a rotation angle measurement method that can accurately measure the azimuth angle regardless of the measurement location and are suitable for reducing costs. Objective.
上述した従来の問題点を解決すべく下記の発明を提供する。
本発明に係る請求項1に記載の回転角計測装置は、互いに直交する方向の磁気成分を検出する3軸の磁気検出手段と、1つの直線を回転軸として回転した3個以上の異なる前記磁気検出手段の姿勢状態において、前記磁気検出手段によって検出された互いに異なる3個以上の3軸出力データに基づいて、前記回転の回転角度データ及び前記回転軸を算出する回転角度算出手段と、を備えていることを特徴とする。
The following invention is provided to solve the above-mentioned conventional problems.
The rotation angle measuring device according to claim 1 of the present invention is a three-axis magnetic detection means for detecting magnetic components in directions orthogonal to each other, and three or more different magnets rotated around one straight line as a rotation axis. Rotation angle calculation means for calculating rotation angle data of the rotation and the rotation axis based on three or more different three-axis output data detected by the magnetic detection means in the posture state of the detection means. It is characterized by.
このような構成であれば、例えば、ユーザが回転角度計測装置を手に持って環境磁界を測定するとき、磁気検出手段によって、互いに直交する方向の磁気成分が検出される。磁気検出手段によって、異なる3個以上の姿勢状態における、互いに異なる3個以上の3軸出力データが検出される。そして、回転角度算出手段によって互いに異なる3個以上の3軸出力データに基づいて、回転の回転角度データ及び回転軸が算出される。 With such a configuration, for example, when the user measures the environmental magnetic field while holding the rotation angle measurement device, magnetic components in directions orthogonal to each other are detected by the magnetic detection means. The magnetic detection means detects three or more different three-axis output data in three or more different posture states. Then, the rotation angle data and the rotation axis of rotation are calculated based on three or more different three-axis output data by the rotation angle calculation means.
また、本発明に係る請求項2に記載の回転角度計測装置は、互いに直交する方向の磁気成分を検出する3軸の磁気検出手段と、前記磁気検出手段の第1の姿勢状態を、前記磁気成分を検出するための前記磁気検出手段の座標系と、3軸の座標軸及び座標原点の相対関係が既知である3軸座標系の1つの座標軸を回転軸として回転した前記第1の姿勢状態とは異なる前記磁気検出手段の姿勢状態を第2の姿勢状態とし、前記第1の姿勢状態の前記磁気検出手段によって検出された第1の3軸出力データ、及び前記第2の姿勢状態の前記磁気検出手段によって検出された前記第1の3軸出力データとは異なる第2の3軸出力データに基づいて、前記回転の回転角度データ及び前記回転軸を算出する回転角度算出手段と、を備えていることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, there is provided the rotation angle measuring apparatus according to the present invention, wherein the three-axis magnetic detection means for detecting magnetic components in directions orthogonal to each other, and the first posture state of the magnetic detection means are set as the magnetic state. A coordinate system of the magnetic detection means for detecting a component, and the first posture state rotated around one coordinate axis of a three-axis coordinate system in which the relative relationship between the three coordinate axes and the coordinate origin is known; A different posture state of the magnetic detection means is set as a second posture state, the first three-axis output data detected by the magnetic detection means in the first posture state, and the magnetism in the second posture state. Rotation angle calculation means for calculating the rotation angle data of the rotation and the rotation axis based on second triaxial output data different from the first triaxial output data detected by the detection means. It is characterized by being That.
このような構成であれば、例えば、ユーザが回転角度計測装置を手に持って方位角を測定するとき、磁気検出手段によって、互いに直交する方向の磁気成分が検出される。回転角度計測装置の第1の姿勢状態を、磁気成分を検出するための磁気検出手段の座標系と、3軸の座標軸及び座標原点の相対関係が既知である3軸座標系の1つの座標軸を回転軸として回転した第1の姿勢状態とは異なる回転角度計測装置の姿勢状態を第2の姿勢状態としたとき、磁気検出手段によって、第1の姿勢状態における磁気成分である第1の3軸出力データ及び第2の姿勢状態における磁気成分である第1の3軸出力データとは異なる第2の3軸出力データが検出される。そして、回転角度算出手段によって、第1の3軸出力データ及び第2の3軸出力データに基づいて、回転の回転角度データ及び回転軸が算出される。 With such a configuration, for example, when the user measures the azimuth while holding the rotation angle measurement device in hand, the magnetic components in the directions orthogonal to each other are detected by the magnetic detection means. The first posture state of the rotation angle measuring device is expressed by a coordinate system of a magnetic detection means for detecting a magnetic component, and one coordinate axis of a three-axis coordinate system in which the relative relationship between the three coordinate axes and the coordinate origin is known. When the posture state of the rotation angle measuring device different from the first posture state rotated as the rotation axis is set to the second posture state, the first three axes that are magnetic components in the first posture state are detected by the magnetic detection means. Second triaxial output data different from the first triaxial output data which is the output data and the magnetic component in the second posture state is detected. Then, the rotation angle calculation means calculates rotation angle data and a rotation axis based on the first three-axis output data and the second three-axis output data.
また、本発明に係る請求項3に記載の回転角度計測プログラムは、互いに直交する方向の磁気成分を検出する3軸の磁気検出手段を利用可能なコンピュータに実行させるためのプログラムであって、1つの直線を回転軸として回転した3個以上の異なる前記磁気検出手段の姿勢状態において、前記磁気検出手段によって検出された互いに異なる3個以上の3軸出力データに基づいて、前記回転の回転角度データ及び前記回転軸を算出する回転角度算出手段を実現させる処理を前記コンピュータに実行させるためのプログラムであることを特徴とする。
このような構成であれば、コンピュータによってプログラムが読み取られ、読み取られたプログラムによって、コンピュータが処理を実行すると、本発明に係る請求項1に記載の回転角度計測装置と同等の作用が得られる。
A rotation angle measurement program according to a third aspect of the present invention is a program for causing a computer that can use a three-axis magnetic detection means for detecting magnetic components in directions orthogonal to each other to be executed. Rotation angle data of the rotation based on three or more different three-axis output data detected by the magnetic detection means in the posture state of three or more different magnetic detection means rotated about one straight line as a rotation axis And a program for causing the computer to execute processing for realizing a rotation angle calculation means for calculating the rotation axis.
If it is such a structure, when a program will be read by computer and a computer will perform a process by the read program, the effect | action equivalent to the rotation angle measuring device of Claim 1 which concerns on this invention will be acquired.
また、本発明に係る請求項4に記載の方位角計測方法は、互いに直交する方向の磁気成分を検出する3軸の磁気検出手段を利用可能なコンピュータに実行させるためのプログラムであって、前記磁気検出手段の第1の姿勢状態を、前記磁気成分を検出するための前記磁気検出手段の座標系と、3軸の座標軸及び座標原点の相対関係が既知である3軸座標系の1つの座標軸を回転軸として回転した前記第1の姿勢状態とは異なる前記磁気検出手段の姿勢状態を第2の姿勢状態とし、前記第1の姿勢状態の前記磁気検出手段によって検出された第1の3軸出力データ、及び前記第2の姿勢状態の前記磁気検出手段によって検出された前記第1の3軸出力データとは異なる第2の3軸出力データに基づいて、前記回転の回転角度データ及び前記回転軸を算出する回転角度算出手段を実現させる処理を前記コンピュータに実行させるためのプログラムであることを特徴とする。
このような構成であれば、コンピュータによってプログラムが読み取られ、読み取られたプログラムによって、コンピュータが処理を実行すると、本発明に係る請求項2に記載の回転角度計測装置と同等の作用が得られる。
An azimuth angle measuring method according to claim 4 of the present invention is a program for causing a computer that can use three-axis magnetic detection means for detecting magnetic components in directions orthogonal to each other to be executed, and The first posture state of the magnetic detection means is defined as one coordinate axis of a coordinate system of the magnetic detection means for detecting the magnetic component, a three-axis coordinate system in which the relative relationship between the three coordinate axes and the coordinate origin is known. The first attitude state detected by the magnetic detection means in the first attitude state is defined as the attitude state of the magnetic detection means different from the first attitude state rotated about the rotation axis. Based on the output data and the second three-axis output data different from the first three-axis output data detected by the magnetic detection means in the second posture state, the rotation angle data and the rotation of the rotation Characterized in that it is a program for executing a process to realize the rotation angle calculating means for calculating the computer.
If it is such a structure, when a program will be read by computer and a computer will perform a process by the read program, the effect | action equivalent to the rotation angle measuring device of Claim 2 which concerns on this invention will be acquired.
また、本発明に係る請求項5に記載の回転角度計測方法は、互いに直交する方向の磁気成分を検出する3軸の磁気検出手段を利用して、1つの直線を回転軸として回転した3個以上の異なる前記磁気検出手段の姿勢状態において、前記磁気検出手段によって検出された互いに異なる3個以上の3軸出力データを取得する3軸出力データ取得工程と、互いに異なる3個以上の前記3軸出力データに基づいて、前記回転の回転角度データ及び前記回転軸を算出する回転角度算出工程と、を備えていることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a rotation angle measuring method according to the fifth aspect of the present invention, which uses three axes of magnetic detection means for detecting magnetic components in directions orthogonal to each other and rotates three straight axes as a rotation axis. A three-axis output data acquisition step of acquiring three or more different three-axis output data detected by the magnetic detection means in the different posture states of the magnetic detection means, and three or more different three axes And a rotation angle calculation step of calculating the rotation angle data of the rotation and the rotation axis based on the output data.
また、本発明に係る請求項6に記載の回転角度計測方法は、互いに直交する方向の磁気成分を検出する3軸の磁気検出手段を利用して、前記磁気検出手段の第1の姿勢状態を、前記磁気成分を検出するための前記磁気検出手段の座標系と、3軸の座標軸及び座標原点の相対関係が既知である3軸座標系の1つの座標軸を回転軸として回転した前記第1の姿勢状態とは異なる前記磁気検出手段の姿勢状態を第2の姿勢状態とし、第1の姿勢状態の前記磁気検出手段によって第1の3軸出力データを取得する第1の3軸出力データ取得工程と、第2の姿勢状態の前記磁気検出手段によって前記第1の3軸出力データとは異なる第2の3軸出力データを取得する第2の3軸出力データ取得工程と、前記第1の3軸出力データ、及び前記第2の3軸出力データに基づいて、前記回転の回転角度データ及び前記回転軸を算出する回転角度算出工程と、を備えていることを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a rotation angle measuring method according to the present invention, wherein the first posture state of the magnetic detection means is determined using a triaxial magnetic detection means for detecting magnetic components in directions orthogonal to each other. The first coordinate system is rotated about one coordinate axis of a coordinate system of the magnetic detection means for detecting the magnetic component and a three-axis coordinate system in which the relative relationship between the coordinate axes of the three axes and the coordinate origin is known. A first three-axis output data acquisition step of acquiring a first three-axis output data by the magnetic detection unit in the first posture state, wherein the posture state of the magnetic detection unit different from the posture state is set as a second posture state. A second three-axis output data acquisition step of acquiring second three-axis output data different from the first three-axis output data by the magnetic detection means in the second posture state, and the first three Axis output data and the second three-axis output Based on the data, and characterized in that it comprises a rotation angle calculating step of calculating the rotation angle data and the rotation axis of the rotation.
この発明の一実施態様を、図面を参照しながら説明する。
図1乃至図5、及び図8を参照して、本発明に係る方位角計測装置、方位角計測プログラム及び方位角計測方法の実施の形態を説明する。
図1は、本発明に係る方位角計測装置100における磁気センサの取付構造を示す透視図である。
図1に示すように、方位角計測装置100は、方位角計測装置100の縦方向をx軸としてx軸方向の地磁気成分を検出するx軸磁気センサHEx、方位角計測装置100の横方向をy軸としてy軸方向の地磁気成分を検出するy軸磁気センサHEyおよび方位角計測装置100の厚さ方向をz軸としてz軸方向の地磁気成分を検出するz軸磁気センサHEzが設けられている。x軸磁気センサHEx、y軸磁気センサHEyおよびz軸磁気センサHEzは、ホール素子等からなり、各感磁面が各軸に対して垂直になるように配置され、各軸方向の地磁気成分に応じた大きさのセンサ信号を出力するようになっている。
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
An embodiment of an azimuth measuring device, an azimuth measuring program, and an azimuth measuring method according to the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a perspective view showing a mounting structure of a magnetic sensor in an
As shown in FIG. 1, the
図2は、本発明に係る方位角計測装置100の姿勢状態を示す図である。
図2に示すように、地上座標系を(xg,yg,zg)とし、方位角計測装置100の3軸座標系(以下、計測装置座標系という)を(x,y,z)としたとき、方位角計測装置100の姿勢状態を傾斜角α、傾斜角η及び方位角θによって表す。
ここで、計測装置座標系と地上座標系とが最初に一致しているとして、方位角計測装置100を、まず計測装置座標系のz軸の周りに、z軸正方向から原点を見て左回りに角度θだけ回転させ、次に計測装置座標系のy軸の周りに、y軸正方向から原点を見て右回りに角度αだけ回転させ、最後に計測装置座標系のx軸の周りに、x軸正方向から原点を見て左回りに角度ηだけ回転させたときに、θを方位角、α及びηを傾斜角という。
FIG. 2 is a diagram showing a posture state of the
As shown in FIG. 2, when the ground coordinate system is (xg, yg, zg) and the three-axis coordinate system of the azimuth measuring device 100 (hereinafter referred to as the measuring device coordinate system) is (x, y, z). The attitude state of the
Here, assuming that the measurement device coordinate system and the ground coordinate system match first, the azimuth
方位角θは、地上座標系のxg軸と計測装置座標系のx軸を地上座標系のzg−yg平面に射影した軸とのなす角であり、傾斜角αは、計測装置座標系のx軸を地上座標系のzg−yg平面に射影した軸とx軸とのなす角であり、傾斜角ηは、x軸の周りの所定の基準位置からの回転角度である。
ここでは、方位角計測装置100を計測装置座標系のy軸の周りに(−α)回転させて、計測装置座標系のx−y平面と、地上座標系のxg−yg平面とが一致するとき、方位角計測装置100は基準位置であるという。
The azimuth angle θ is an angle formed by an axis formed by projecting the xg axis of the ground coordinate system and the x axis of the measurement apparatus coordinate system onto the zg-yg plane of the ground coordinate system, and the inclination angle α is the x of the measurement apparatus coordinate system. The angle formed between the axis projected on the zg-yg plane of the ground coordinate system and the x axis, and the inclination angle η is a rotation angle from a predetermined reference position around the x axis.
Here, the
図3は、本発明に係る方位角計測装置100の構成を示すブロック図である。
図3に示すように、方位角計測装置100には、3軸磁気センサ31、磁気センサ駆動電源部32、マルチプレクサ部33、磁気センサ増幅部34、磁気センサA/D変換部35、感度・オフセット補正部36、傾斜角情報算出部37、傾斜角情報記憶部38、傾斜角補正計算部39および方位角計算部40が設けられている。
3軸磁気センサ31には、x軸磁気センサHEx、y軸磁気センサHEyおよびz軸磁気センサHEzが設けられている。
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of the
As shown in FIG. 3, the
The triaxial
マルチプレクサ部33は、x軸磁気センサHEx、y軸磁気センサHEyおよびz軸磁気センサHEzをそれぞれ切り換えるためのもので、磁気センサ駆動電源部32から出力された駆動電圧を、x軸磁気センサHEx、y軸磁気センサHEyおよびz軸磁気センサHEzにそれぞれ印加し、x軸磁気センサHEx、y軸磁気センサHEyおよびz軸磁気センサHEzから出力されたセンサ信号を時分割的に磁気センサ増幅部34に出力する。
The
磁気センサ増幅部34は、x軸磁気センサHEx、y軸磁気センサHEyおよびz軸磁気センサHEzからのセンサ信号を増幅させて、磁気センサA/D変換部35に出力する。
磁気センサA/D変換部35は、磁気センサ増幅部34によって増幅されたx軸磁気センサHEx、y軸磁気センサHEyおよびz軸磁気センサHEzからのセンサ信号をA/D変換し、変換したディジタルデータをそれぞれx軸地磁気測定データ、y軸地磁気測定データおよびz軸地磁気測定データとして感度・オフセット補正部36に出力する。
The
The magnetic sensor A /
感度・オフセット補正部36は、磁気センサA/D変換部35からのx軸地磁気測定データ、y軸地磁気測定データおよびz軸地磁気測定データに基づいて、x軸磁気センサHEx、y軸磁気センサHEyおよびz軸磁気センサHEzのオフセットおよび感度補正係数を算出し、算出したオフセットおよび感度補正係数に基づいて、x軸地磁気測定データ、y軸地磁気測定データおよびz軸地磁気測定データを補正する。
The sensitivity / offset
傾斜角情報算出部37は、感度・オフセット補正部36からのx軸地磁気測定データ、y軸地磁気測定データおよびz軸地磁気測定データに基づいて、基準となる傾斜角からの角度差Δαを算出し、算出した角度差Δαと基準となる傾斜角とに基づいて傾斜角αを算出し、算出した傾斜角αを示す傾斜角情報を傾斜角情報記憶部38に格納する。
傾斜角補正計算部39は、傾斜角情報記憶部38の傾斜角情報に基づいて、感度・オフセット補正部36からのx軸地磁気測定データ、y軸地磁気測定データおよびz軸地磁気測定データを補正する。
方位角計算部40は、傾斜角補正計算部39からのx軸地磁気測定データ、y軸地磁気測定データおよびz軸地磁気測定データに基づいて、方位角θを算出する。
The tilt angle
The tilt angle
The azimuth
次に、図4、図5及び図8を参照して、角度差Δα、傾斜角α及び方位角θの算出方法の詳細を説明する。
図4は、方位角計測装置100の姿勢状態を定める図である。 図4に示すように、方位角計測装置100において、方位角θと傾斜角αで方位角計測装置の姿勢状態を定める。なお、y軸は、xg?yg平面と常に平行であり、また、傾斜 角α=90°のときは、x軸とzg軸は平行であるものとする。すると、地上座標系(xg,yg,zg)と計測装置座標系(x,y,z)の間には、原点の相違による平行移動成分を除いて、下式(1)に示すような座標変換式が成立する。
Next, details of a method for calculating the angle difference Δα, the inclination angle α, and the azimuth angle θ will be described with reference to FIGS.
FIG. 4 is a diagram for determining the posture state of the
また、図8において記述した地磁気全磁力Mの地上座標系の成分Mxg,Myg,Mzgは、下式(2)、(3)及び(4)により表される。 Further, the components Mxg, Myg, Mzg of the ground coordinate system of the geomagnetic total magnetic force M described in FIG. 8 are expressed by the following equations (2), (3), and (4).
従って、地磁気全磁力Mの計測装置座標系の成分Mx,My,Mz、即ち、3軸磁気センサ31の3軸出力データMx,My,Mzは、下式(5)、(6)及び(7)により表される。
Therefore, the components Mx, My, Mz of the measuring device coordinate system of the geomagnetic total magnetic force M, that is, the three-axis output data Mx, My, Mz of the three-axis
ここで、図4に示すように、方位角θを固定したままで、既知の傾斜角α0及び、方位角を測定したい傾斜角α1において地磁気の測定を行なう。既知の傾斜角α0における地磁気の測定によって得られた3軸方向の成分データを、地磁気測定データMx0,My0,Mz0とし、方位角θを測定したい傾斜角α1における地磁気の測定によって得られた3軸方向の成分データを、地磁気測定データMx1,My1,Mz1として表す。
上述したように、方位角計測装置100の姿勢状態を、方位角θを固定したまま、傾斜角α0から傾斜角α1へ変化させる操作は、y軸に平行で原点を通る直線を回転軸とする、この回転軸の周りの回転操作である。即ち、この回転操作によって、x方向とz方向の成分は変化するが、y方向の成分は変化しない。
Here, as shown in FIG. 4, with the azimuth angle θ fixed, geomagnetism is measured at a known tilt angle α 0 and tilt angle α 1 at which the azimuth angle is desired to be measured. The triaxial component data obtained by the geomagnetism measurement at the known tilt angle α 0 is obtained as the geomagnetism measurement data M x0 , M y0 , M z0, and obtained by the geomagnetism measurement at the tilt angle α1 for which the azimuth angle θ is to be measured. The obtained three-axis component data is represented as geomagnetic measurement data M x1 , M y1 , M z1 .
As described above, the operation of changing the attitude state of the azimuth
図5は、方位角計測装置100の姿勢状態を変化させる操作の一例を示す図である。
図5に示すように、ユーザが一定の方向を向いたまま、肘の角度を変えることにより、方位角計測装置100の姿勢状態を変化させる操作を容易に実施できる。また、より実用的な操作は、方位角計測装置100を水平な姿勢状態から始め、方位角計測装置100の操作画面をユーザの見易い角度まで持ってくる動作によって、方位角計測装置100の姿勢状態を変化させる操作である。
上述した2つの異なる傾斜角α0と傾斜角α1との間の傾斜角の角度差Δαを、Δα=α1−α0とすると、地磁気測定データMx0,My0,Mz0と地磁気測定データMx1,My1,Mz1とは、下式(8)を満たすことになる。
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of an operation for changing the posture state of the
As shown in FIG. 5, an operation for changing the posture state of the
If the angle difference Δα between the two different inclination angles α 0 and α 1 described above is Δα = α 1 −α 0 , the geomagnetic measurement data M x0 , My 0 , M z0 and the geomagnetic measurement The data M x1 , M y1 , and M z1 satisfy the following formula (8).
即ち、式(8)を変形すると、下式(9)及び(10)が得られる。 That is, when the formula (8) is transformed, the following formulas (9) and (10) are obtained.
従って、式(9)及び(10)より角度差Δαを求めることができる。
更に、下式(11)によって、角度差Δα及び既知の傾斜角αに基づいて、傾斜角αが求められる。
Therefore, the angle difference Δα can be obtained from the equations (9) and (10).
Further, the inclination angle α is obtained based on the angle difference Δα and the known inclination angle α by the following equation (11).
上述した方法によって算出された傾斜角α(=α)を固定したまま、方位角計測装置100が計測したい方位を向いた時の地磁気測定データMx,My,Mzに対して、下式(12)によって、傾斜角補正された地磁気測定データMx´,My´,Mz´を得ることができる。
With respect to the geomagnetism measurement data Mx, My, and Mz when the
式(12)に式(5)、(6)及び(7)を代入することにより、下式(13)、(14)及び(15)が得られる。 By substituting the equations (5), (6), and (7) into the equation (12), the following equations (13), (14), and (15) are obtained.
従って、下式(16)により方位角(θ−D)、即ち、磁北方向を基準とした方位角θを得ることができる。 Therefore, the azimuth angle (θ−D), that is, the azimuth angle θ based on the magnetic north direction can be obtained by the following equation (16).
次に、本実施の形態の動作を説明する。
図5に示すように、方位角計測装置100の方位角θ(またはθ?D)を測定する場合、ユーザは方位角計測装置100を手に持って、傾斜角情報取得の開始の操作を行なう。まず、ユーザは肘を角度α0にすることによって、方位角計測装置100の姿勢状態を、 既知(例えば水平)の傾斜角α0に固定し、既知の傾斜角α0を方位角計測装置100に入力し、地磁気の測定を行なう。測定によって得られた地磁気測定データMx0,My0,Mz0は、図1の傾斜角情報算出部37へ送られる。また、入力された傾斜角α0は、傾斜角情報記憶部38に記憶される。
Next, the operation of the present embodiment will be described.
As shown in FIG. 5, when measuring the azimuth angle θ (or θ? D) of the
次に、図5に示すように、ユーザは肘を角度α1に変化させることにより、方位角計測装置100の姿勢状態を、傾斜角α0を測定したときの方位角を固定したまま、方位角を 測定したい傾斜角α1(通常、方位角θを計測する姿勢状態)に固定し、地磁気の測定を行なう。測定によって得られた地磁気測定データMx1,My1,Mz1は、図1の傾斜角情報算出部37へ送られる。
Next, as shown in FIG. 5, the user changes the elbow to the angle α 1 , so that the orientation state of the
次に、傾斜角情報算出部37は、上述の式(9)及び(10)を利用して、既知の傾斜角α0において得られた地磁気測定データMx0,My0,Mz0、及び方位角θを測定したい傾斜角α1において得られた地磁気測定データMx1,My1,Mz1に基づいて、傾斜角の角度差Δαを算出し、式(11)を利用して、既知の傾斜角α0、及び傾斜角の角度差Δαに基づいて、傾斜角α1を算出する。算出された傾斜角情報である傾斜角α1は、傾斜角記憶部38に記憶される。ここで、傾斜角情報を得た旨の通知を方位角計測装置100が表示し、測定したい傾斜角α(=α1)での方位角θを測定することが可能となる。
Next, the tilt angle
次に、方位角θを測定する場合には、ユーザは肘を傾斜角α(=α)に固定したまま、肘を通る身長方向の軸の周りを回転させて、上述の方位角θを計測したい方向に方位角計測装置100を位置付け、方位角の計測開始の操作を行なう。まず、地磁気の測定を行なうと、得られた地磁気測定データMx,My,Mzは、図1に示す傾斜角補正計算部39へ送られる。ここで、2度目の傾斜角α1で測定された地磁気測定データMx1,My1 ,Mz1をそのまま使用することも可能である。このとき、地磁気の測定を行なう必要はない。次に、傾斜角補正計算部39によって、上述の式(12)により傾斜角補正された地磁気測定データMx´,My´,Mz´が算出され、図1の方位角計算部40へ送られる。方位角計算部40によって、上述の式(16)を利用して方位角θが算出される。
Next, when measuring the azimuth angle θ, the user measures the azimuth angle θ described above by rotating the elbow at a tilt angle α (= α) and rotating around the height axis passing through the elbow. The
このようにして、本実施の形態では、ユーザが方位角計測装置100を手に持って、肘の角度を変えて、既知の傾斜角α0と、方位角を測定したい傾斜角α1とにおける地磁気測定データを3軸磁気センサ31から取得し、傾斜角の角度差Δαを算出し、算出した角度差Δαと傾斜角α0とに基づいて、傾斜角α1を算出する。そして、ユーザは肘を傾斜角α(=α1)に固定したまま、肘を通る身長方向の軸の周りを回転させて、改めて、地磁気測定データを3軸磁気センサ31から取得し、傾斜角αに基づいて方位角θを算出するようになっている。ここで、傾斜角α1で測定された地磁気測定データMx1,My1,Mz1をそのまま使用するときは、改めて、地磁気測定データを3軸磁気センサ31から取得せず、傾斜角α(=α1)に基づいて方位角θを算出するようになっている。
これにより、地上座標系のxg軸と計測装置座標系のx軸を地上座標系のxg−yg平面に射影した軸とのなす角度θを固定したまま、方位角計測装置100の姿勢状態を変化させるだけで傾斜角αを計測することができる。
Thus, in this embodiment, the user is held in the hand of the
As a result, the attitude state of the
次に、図6を参照して、回転角度計測装置、回転角度計測プログラム及び回転角度計測方法の実施の形態を説明する。
図6は、本発明に係る回転角度計測装置200の構成を示すブロック図である。
図6に示すように、回転角度計測装置200は、3軸磁気センサ51、磁気センサ駆動電源部52、マルチプレクサ部53、磁気センサ増幅部54、磁気センサA/D変換部55、感度・オフセット補正部56及び回転角度算出部57が設けられている。
3軸磁気センサ51には、x軸磁気センサHEx、y軸磁気センサHEyおよびz軸磁気センサHEzが設けられている。
Next, an embodiment of a rotation angle measurement device, a rotation angle measurement program, and a rotation angle measurement method will be described with reference to FIG.
FIG. 6 is a block diagram showing the configuration of the rotation angle measuring apparatus 200 according to the present invention.
As shown in FIG. 6, the rotation angle measuring apparatus 200 includes a three-axis
The triaxial
マルチプレクサ部53は、x軸磁気センサHEx、y軸磁気センサHEyおよびz軸磁気センサHEzをそれぞれ切り換えるためのもので、磁気センサ駆動電源部52から出力された駆動電圧を、x軸磁気センサHEx、y軸磁気センサHEyおよびz軸磁気センサHEzにそれぞれ印加し、x軸磁気センサHEx、y軸磁気センサHEyおよびz軸磁気センサHEzから出力されたセンサ信号を時分割的に磁気センサ増幅部54に出力する。
The
磁気センサ増幅部54は、x軸磁気センサHEx、y軸磁気センサHEyおよびz軸磁気センサHEzからのセンサ信号を増幅させて、磁気センサA/D変換部55に出力する。
磁気センサA/D変換部55は、磁気センサ増幅部54によって増幅されたx軸磁気センサHEx、y軸磁気センサHEyおよびz軸磁気センサHEzからのセンサ信号をA/D変換し、変換したディジタルデータをそれぞれx軸地磁気測定データ、y軸地磁気測定データおよびz軸地磁気測定データとして感度・オフセット補正部56に出力する。
The
The magnetic sensor A /
感度・オフセット補正部56は、磁気センサA/D変換部55からのx軸地磁気測定データ、y軸地磁気測定データおよびz軸地磁気測定データに基づいて、x軸磁気センサHEx、y軸磁気センサHEyおよびz軸磁気センサHEzのオフセットおよび感度補正係数を算出し、算出したオフセットおよび感度補正係数に基づいて、x軸地磁気測定データ、y軸地磁気測定データおよびz軸地磁気測定データを補正する。
回転角度算出部57は、感度・オフセット補正部56からのx軸地磁気測定データ、y軸地磁気測定データおよびz軸地磁気測定データに基づいて、回転軸の周りの回転角Δαを算出する。
The sensitivity / offset
The rotation
次に、図7を参照して、回転角度の算出方法の詳細を説明する。
まず、回転角度計測装置200の異なる3個の姿勢状態において、3軸磁気センサ51によって地磁気測定データを測定した場合の回転角度の算出方法の一例について説明する。
極座標系によって表される回転軸(1,φA,θA)の周りに回転角度計測装置200をα回転したとき、回転前の3軸磁気センサ51によって測定された地磁気測定データをMとし、回転後の3軸磁気センサ51によって測定された地磁気測定データをM’とすると、地磁気測定データMと地磁気測定データM’との関係は下式(17)を満たすことになる。ここで、地磁気測定データM及び地磁気測定データM’は、3次元ベクトルによって表される。また、変換行列Tは、下式(18)、(19)及び(20)によって表される。
Next, the details of the calculation method of the rotation angle will be described with reference to FIG.
First, an example of a calculation method of the rotation angle when the geomagnetic measurement data is measured by the triaxial
When the rotation angle measuring device 200 is rotated about the rotation axis (1, φ A , θ A ) represented by the polar coordinate system, the geomagnetic measurement data measured by the three-axis
上述の地磁気測定データMと地磁気測定データM’との関係は、3次元空間上の点Mを、回転軸(1,φA,θA)の周りに(−α)回転させた点を点M’としたときの、点Mと点M’との関係と同じである。
従って、回転軸(1,φA,θA)の周りに回転角度計測装置200をα12回転したとき、回転前の3軸磁気センサ51によって測定された地磁気測定データをM1とし、回転後の3軸磁気センサ51によって測定された地磁気測定データをM2とし、更に回転軸(1,φA,θA)の周りに回転角度計測装置200をα23回転したとき、回転後の3軸磁気センサ51によって測定された地磁気測定データをM3とすると、磁気測定データM1、磁気測定データM2及び磁気測定データM3の関係は、3次元空間上の点M1を、回転軸(1,φA,θA)の周りに(−α12)回転させた点を点M2とし、更に回転軸(1,φA,θA)の周りに(−α23)回転させた点を点M3としたときの点M1、点M2及び点M3の関係と同じである。
The relationship between the geomagnetic measurement data M and the geomagnetic measurement data M ′ described above is a point obtained by rotating the point M in the three-dimensional space (−α) around the rotation axis (1, φ A , θ A ). This is the same as the relationship between the point M and the point M ′ when M ′.
Accordingly, the rotation shaft (1, φ A, θ A ) when the alpha 12 rotates the rotational angle measuring device 200 around the geomagnetic measurement data measured by the three-axis
図7は、3次元空間上の点Mを、回転軸(1,φ1A,θA)の周りに(−α12)回転させた点を点M2とし、更に回転軸(1,φA,θA)の周りに(−α23)回転させた点を点M3としたときの点M1、点M2及び点M3の関係を示す図である。 図7に示すように、点M1、点M2及び点M3は、同一平面上にあり、更に1つの円の円周上にある。回転軸(1,φA,θA)は、3次元空間の座標原点を通る、点M1、点M2及び点M3によって作られる平面の法線であり、この法線は、上述の円の中心点を通る。
点M1、点M2及び点M3によって作られる平面の法線ベクトルnは、即ち、3軸直交座標系によって表される回転軸nは、下式(21)により表される。
In FIG. 7, a point obtained by rotating the point M in the three-dimensional space (−α 12 ) around the rotation axis (1, φ 1A , θ A ) is defined as a point M 2 , and the rotation axis (1, φ A is a diagram showing the relationship between (-.alpha. 23) points M 1 when the point is rotated to a point M 3, points M 2 and point M 3 around theta a). As shown in FIG. 7, the point M 1 , the point M 2, and the point M 3 are on the same plane and further on the circumference of one circle. The rotation axes (1, φ A , θ A ) are normals of a plane formed by the points M 1 , M 2, and M 3 passing through the coordinate origin of the three-dimensional space, and these normals are Pass through the center point of the circle.
The normal vector n of the plane formed by the points M 1 , M 2 and M 3 , that is, the rotation axis n represented by the three-axis orthogonal coordinate system is represented by the following equation (21).
従って、平面上の任意の点xは、下式(22)によって表され、円の中心点Cは、下式(23)によって表される。 Therefore, an arbitrary point x on the plane is represented by the following expression (22), and the center point C of the circle is represented by the following expression (23).
従って、回転軸(1,φA,θA)の周りに回転角度計測装置200をαij回転したとき、回転前の3軸磁気センサ51によって測定された地磁気測定データをMiとし、回転後の3軸磁気センサ51によって測定された地磁気測定データをMjとすると、回転角度αijは、下式(24)及び(25)によって得られる。
Accordingly, the rotation shaft (1, φ A, θ A ) when rotated alpha ij rotational angle measuring device 200 around the geomagnetic measurement data measured by the three-axis
次に、回転角度計測装置200の異なる4個以上の姿勢状態において、3軸磁気センサ51によって地磁気測定データを測定した場合の回転角度の算出方法の一例について説明する。
上述したように、地磁気測定データMiと地磁気測定データMjとの関係は、点Miを回転軸(1,φA,θA)の周りに回転させた点を点Mjとしたときの点Miと点Mjとの関係と同じであることから、測定した地磁気測定データMiに対応付けられる点Miによって作られる平面の方程式を、x+by+cz+d=0、ax+y+cz+d=0、又は、ax+by+z+d=0として、最小自乗法によって未知数a、b、c及びdを求める。ここで、平面の方程式は一般にax+by+cz+d=0により表されるが、未知数a、b、c及びdの少なくとも1つを1とする。即ち、測定した適当な3個の地磁気測定データMiを式(21)に代入し、法線ベクトルnのx成分、y成分、又はz成分の絶対値が0より十分大きい成分の係数を、1とする。
点Miを、求めた平面上に射影した点を点Mi’としたとき、点Mi’は、下式(26)によって表される。
Next, an example of a calculation method of the rotation angle when the geomagnetic measurement data is measured by the triaxial
As described above, the relationship between the geomagnetic measured data M i and the geomagnetic measured data M j is the point M i rotary shaft (1, φ A, θ A ) when the point M j points rotated about the Since the relationship between the point M i and the point M j is the same, the equation of the plane created by the point M i associated with the measured geomagnetic measurement data M i is expressed as x + by + cz + d = 0, ax + y + cz + d = 0, or Assuming that ax + by + z + d = 0, unknowns a, b, c, and d are obtained by the method of least squares. Here, the plane equation is generally expressed by ax + by + cz + d = 0, but at least one of the unknowns a, b, c, and d is 1. That is, an appropriate three geomagnetic measured data M i measured into equation (21), x component of the normal vector n, y component, or the absolute value of z component coefficients large enough component than 0, Set to 1.
The point M i, 'when the point M i' point M i of the points projected on a plane determined is represented by the following equation (26).
また、法線ベクトルはn=(a,b,c)となるので、円の中心点Cは、下式(27)によって表される。 Since the normal vector is n = (a, b, c), the center point C of the circle is expressed by the following equation (27).
従って、回転軸(1,φA,θA)の周りに回転角度計測装置200をαij回転したとき、回転前の3軸磁気センサ51によって測定された地磁気測定データをMiとし、回転後の3軸磁気センサ51によって測定された地磁気測定データをMjとすると、回転角度αijは、下式(28)及び(29)によって得られる。
Accordingly, the rotation shaft (1, φ A, θ A ) when rotated alpha ij rotational angle measuring device 200 around the geomagnetic measurement data measured by the three-axis
次に、任意の座標系Xrotと計測装置座標系XMとの座標軸及び座標原点の相対関係が既知である場合の回転角度の算出方法の一例について説明する。ここで、計測装置座標系XMとは、回転角度計測装置200の3軸座標系である。
座標系Xrot及び計測装置座標系XMは、下式(30)及び(31)を満たしているとする。
Next, an example of a calculation method of the rotation angle when the relative relationship between the coordinate axis and the coordinate origin of the arbitrary coordinate system X rot and the measurement apparatus coordinate system X M is known will be described. Here, the measurement device coordinate system X M is a three-axis coordinate system of the rotation angle measurement device 200.
It is assumed that the coordinate system X rot and the measurement apparatus coordinate system X M satisfy the following expressions (30) and (31).
即ち、座標系Xrotは、計測装置座標系XMを、まずz軸の周りにθ回転し、次にy軸の周りにφ回転し、最後にx軸の周りにη回転させて出来る座標系である。
回転角度計測装置200の第1の姿勢状態における3軸磁気センサ51によって測定された地磁気測定データをM1とし、座標系Xrotのいずれかの1つの座標軸を回転軸として、座標系Xrot及び計測装置座標系XMを、α回転させたときの、3軸磁気センサ51によって測定された地磁気測定データをM2とし、地磁気測定データM1を座標系Xrotに座標変換した値を変換値Mrot1とし、地磁気測定データM2を座標系Xrotに座標変換した値を変換値Mrot2としたとき、変換値Mrot1及び変換値Mrot2は、下式(32)及び(33)によって表される。
That is, the coordinate system X rot is a coordinate formed by first rotating the measurement apparatus coordinate system X M around the z axis by θ, then rotating around the y axis, and finally rotating around the x axis by η. It is a system.
The geomagnetic measurement data measured by the three-axis
ここで、変換値Mrot1と変換値Mrot2と関係は、x軸が回転軸の場合は、下式(34)及び(37)によって表され、y軸が回転軸の場合は、下式(35)及び(38)によって表され、z軸が回転軸の場合は、下式(36)及び(39)によって表される。 Here, the relationship between the conversion value M rot1 and the conversion value M rot2 is expressed by the following equations (34) and (37) when the x-axis is a rotation axis, and when the y-axis is a rotation axis, the following equation ( 35) and (38), and when the z-axis is a rotation axis, they are represented by the following equations (36) and (39).
式(32)及び(33)を利用して、地磁気測定データをM1及び地磁気測定データをM2より変換値Mrot1及び変換値Mrot2を求め、変換値Mrot1と変換値Mrot2との間の成分の変化が0又は、十分に小さい値の成分を求める。この求めた成分を表す座標軸が回転軸となる。
得られた回転軸に対応する式(37)、(38)又は(39)のいずれか1つを利用して、回転角度αが得られる。
Using equation (32) and (33), M 1 and geomagnetism measuring data geomagnetic measurement data calculated conversion value M rot and converted value M ROT2 than M 2, the converted value M rot and the conversion value M ROT2 A component whose component change between them is 0 or a sufficiently small value is obtained. The coordinate axis representing the obtained component becomes the rotation axis.
The rotation angle α is obtained using any one of the equations (37), (38), or (39) corresponding to the obtained rotation axis.
次に、本実施の形態の動作を説明する。
回転角度計測装置200の回転角度Δαを測定する場合、ユーザは回転角度計測装置200を手に持って、傾斜角情報取得の開始の操作を行なう。まず、ユーザは肘を角度α0にすることによって、回転角度計測装置200の姿勢状態を、既知(例えば水平)の傾斜角α0に固定し、既知の傾斜角α0を回転角度計測装置200に入力し、地磁気の測定を行なう。測定によって得られた地磁気測定データMx0,My0,Mz0は、図6の傾斜角情報 算出部57へ送られる。
Next, the operation of the present embodiment will be described.
When measuring the rotation angle Δα of the rotation angle measurement device 200, the user holds the rotation angle measurement device 200 in his hand and performs an operation for starting the acquisition of the tilt angle information. First, the user fixes the posture state of the rotation angle measurement device 200 to a known (eg, horizontal) inclination angle α 0 by setting the elbow to an angle α 0 , and the known inclination angle α 0 is set to the rotation angle measurement device 200. To measure geomagnetism. The geomagnetic measurement data M x0 , M y0 , and M z0 obtained by the measurement are sent to the tilt angle
次に、ユーザは肘を角度α1に変化させることにより、回転角度計測装置200の姿勢状態を、傾斜角α0を測定したときの方位角を固定したまま、傾斜角α1に固定し、地磁気の測定を行なう。測定によって得られた地磁気測定データMx1,My1,Mz1は、図6の傾斜角情報算出部57へ送られる。
次に、傾斜角情報算出部57は、上述の式(9)及び(10)を利用して、既知の傾斜角α0において得られた地磁気測定データMx0,My0,Mz0及び傾斜角α1において得られた地磁気測定データMx1,My1,Mz1に基づいて、傾斜角の角度差Δα、即ち、回転角度Δαを算出される。
Next, by changing the elbow to the angle α 1 , the user fixes the posture state of the rotation angle measuring device 200 to the tilt angle α 1 while fixing the azimuth angle when the tilt angle α 0 is measured, Measure geomagnetism. The geomagnetic measurement data M x1 , M y1 , and M z1 obtained by the measurement are sent to the tilt angle
Next, the tilt angle
上述の回転角度計測装置、回転角度計測プログラム及び回転角度計測方法の実施の形態において、3軸磁気センサ51は、請求項1、2、3、4、5又は6に記載の磁気検出手段に対応し、回転角度算出部57は、請求項1、2、3又は4に記載の回転角度算出手段に対応している。
上述の実施の形態においては、図2に示したように、あおり角(α)を変化させた場合であるが、ひねり角(η)を変化させた場合も類似の理論により、ひねり角を算出することができる。
In the embodiment of the rotation angle measurement device, rotation angle measurement program, and rotation angle measurement method described above, the three-axis
In the above-described embodiment, as shown in FIG. 2, the tilt angle (α) is changed, but the twist angle is calculated by a similar theory when the twist angle (η) is changed. can do.
また、上述の実施の形態においては、図2に示したように、地上座標系(xg,yg,zg)を水平面上の2軸及び鉛直軸としているが、任意の地上座標系であっても類似の理論で、回転角(θ、α、η)を算出することができる。
また、上述の実施の形態においては、3軸磁気センサ31及び3軸磁気センサ51として、ホール素子を用いた場合を例にとって説明したが、軸磁気センサ31及び3軸磁気センサ51が必ずしもホール素子に限定されることなく、例えば、フラックスゲートセンサなどを用いるようにしても良い。
In the above-described embodiment, as shown in FIG. 2, the ground coordinate system (xg, yg, zg) is the two axes on the horizontal plane and the vertical axis, but any ground coordinate system may be used. The rotation angle (θ, α, η) can be calculated by a similar theory.
In the above-described embodiment, the case where Hall elements are used as the triaxial
また、上述の方位角計測装置、方位角計測プログラム及び方位角計測方法の実施の形態においては、感度・オフセット補正計算部36、傾斜角情報算出部37、傾斜角補正計算部39及び方位角計算部40で行なう処理をハードウェアにより実現しても良いし、方位角計測装置100を、CPU、ROM及びRAMをバス接続したコンピュータとして構成し、CPUがその処理を実行するようにしても良い。この場合、ROMに予め格納されている制御プログラムを実行するように構成しても良いし、これらの手順を示したプログラムを記録した情報記録媒体から、そのプログラムをRAMに読み込んで実行するようにしても良い。
In the embodiments of the azimuth measuring device, the azimuth measuring program, and the azimuth measuring method described above, the sensitivity / offset
また、上述の回転角度計測装置、回転角度計測プログラム及び回転角度計測方法の実施の形態においては、感度・オフセット補正計算部56及び回転角度算出部57で行なう処理をハードウェアにより実現しても良いし、回転角度計測装置200を、CPU、ROM及びRAMをバス接続したコンピュータとして構成し、CPUがその処理を実行するようにしても良い。この場合、ROMに予め格納されている制御プログラムを実行するように構成しても良いし、これらの手順を示したプログラムを記録した情報記録媒体から、そのプログラムをRAMに読み込んで実行するようにしても良い。
In the embodiment of the rotation angle measurement device, rotation angle measurement program, and rotation angle measurement method described above, the processing performed by the sensitivity / offset
ここで、情報記録媒体とは、RAM、ROM等の半導体記録媒体、FD、HD等の磁気記憶型記録媒体、CD、CDV、LD、DVD等の光学的読取方式記録媒体、MO等の磁気記憶型/光学的読取方式記録媒体であって、電子的、磁気的、光学等の読み取り方法のいかんにかかわらず、コンピュータによって読み取り可能な情報記録媒体であれば、あらゆる情報記録媒体を含むものである。
なお、上述の実施態様は説明のためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。従って、当業者であればこれらの各要素もしくは全要素をこれと均等なものによって置換した実施態様を採用することが可能であるが、これらの実施態様も本発明の範囲に含まれる。
Here, the information recording medium is a semiconductor recording medium such as RAM or ROM, a magnetic storage type recording medium such as FD or HD, an optical reading type recording medium such as CD, CDV, LD, or DVD, or a magnetic storage such as MO. Any type / optical reading type recording medium, including any information recording medium that can be read by a computer, regardless of electronic, magnetic, optical, or other reading methods.
In addition, the above-mentioned embodiment is for description and does not limit the scope of the present invention. Accordingly, those skilled in the art can employ embodiments in which each or all of these elements are replaced by equivalents thereof, and these embodiments are also included in the scope of the present invention.
11,31,51 3軸磁気センサ
HEx x軸ホール素子
HEy y軸ホール素子
HEz z軸ホール素子
12,32,52 磁気センサ駆動電源部
13,33,53 マルチプレクサ部
14,34,54 磁気センサ増幅部
15,35,55 磁気センサA/D変換部
16,36,56 感度・オフセット補正部
37 傾斜角算出部
38 傾斜角情報記憶部
20,39 測定データ補正部
21,40 方位角計算部
57 回転角度算出部
11, 31, 51 3-axis magnetic sensor HEx x-axis Hall element HEy y-axis Hall element HEz z-
Claims (6)
1つの直線を回転軸として回転した3個以上の異なる前記磁気検出手段の姿勢状態において、前記磁気検出手段によって検出された互いに異なる3個以上の3軸出力データに基づいて、前記回転の回転角度データ及び前記回転軸を算出する回転角度算出手段と、
を備えていることを特徴とする回転角度計測装置。 Triaxial magnetic detection means for detecting magnetic components in directions orthogonal to each other;
The rotation angle of the rotation based on three or more different three-axis output data detected by the magnetic detection means in the posture state of three or more different magnetic detection means rotated about one straight line as a rotation axis Rotation angle calculating means for calculating data and the rotation axis;
A rotation angle measuring device comprising:
前記磁気検出手段の第1の姿勢状態を、前記磁気成分を検出するための前記磁気検出手段の座標系と、3軸の座標軸及び座標原点の相対関係が既知である3軸座標系の1つの座標軸を回転軸として回転した前記第1の姿勢状態とは異なる前記磁気検出手段の姿勢状態を第2の姿勢状態とし、
前記第1の姿勢状態の前記磁気検出手段によって検出された第1の3軸出力データ、及び前記第2の姿勢状態の前記磁気検出手段によって検出された前記第1の3軸出力データとは異なる第2の3軸出力データに基づいて、前記回転の回転角度データ及び前記回転軸を算出する回転角度算出手段と、
を備えていることを特徴とする回転角度計測装置。 Triaxial magnetic detection means for detecting magnetic components in directions orthogonal to each other;
The first posture state of the magnetic detection means is defined as one of a coordinate system of the magnetic detection means for detecting the magnetic component and one of a three-axis coordinate system in which the relative relationship between the three coordinate axes and the coordinate origin is known. The posture state of the magnetic detection means different from the first posture state rotated about the coordinate axis as a rotation axis is set as a second posture state,
The first three-axis output data detected by the magnetic detection means in the first posture state is different from the first three-axis output data detected by the magnetic detection means in the second posture state. Rotation angle calculation means for calculating rotation angle data of the rotation and the rotation axis based on second triaxial output data;
A rotation angle measuring device comprising:
1つの直線を回転軸として回転した3個以上の異なる前記磁気検出手段の姿勢状態において、前記磁気検出手段によって検出された互いに異なる3個以上の3軸出力データに基づいて、前記回転の回転角度データ及び前記回転軸を算出する回転角度算出手段を実現させる処理を前記コンピュータに実行させるためのプログラムであることを特徴とする回転角度計測プログラム。 A program for causing a computer capable of using three-axis magnetic detection means for detecting magnetic components in directions orthogonal to each other to execute the method,
The rotation angle of the rotation based on three or more different three-axis output data detected by the magnetic detection means in the posture state of three or more different magnetic detection means rotated about one straight line as a rotation axis A rotation angle measurement program, which is a program for causing the computer to execute processing for realizing rotation angle calculation means for calculating data and the rotation axis.
前記磁気検出手段の第1の姿勢状態を、前記磁気成分を検出するための前記磁気検出手段の座標系と、3軸の座標軸及び座標原点の相対関係が既知である3軸座標系の1つの座標軸を回転軸として回転した前記第1の姿勢状態とは異なる前記磁気検出手段の姿勢状態を第2の姿勢状態とし、
前記第1の姿勢状態の前記磁気検出手段によって検出された第1の3軸出力データ、及び前記第2の姿勢状態の前記磁気検出手段によって検出された前記第1の3軸出力データとは異なる第2の3軸出力データに基づいて、前記回転の回転角度データ及び前記回転軸を算出する回転角度算出手段を実現させる処理を前記コンピュータに実行させるためのプログラムであることを特徴とする回転角度計測プログラム。 A program for causing a computer capable of using three-axis magnetic detection means for detecting magnetic components in directions orthogonal to each other to execute the method,
The first posture state of the magnetic detection means is defined as one of a coordinate system of the magnetic detection means for detecting the magnetic component and one of a three-axis coordinate system in which the relative relationship between the three coordinate axes and the coordinate origin is known. The posture state of the magnetic detection means different from the first posture state rotated about the coordinate axis as a rotation axis is set as a second posture state,
The first three-axis output data detected by the magnetic detection means in the first posture state is different from the first three-axis output data detected by the magnetic detection means in the second posture state. The rotation angle is a program for causing the computer to execute processing for realizing the rotation angle calculation means for calculating the rotation angle data and the rotation axis based on the second three-axis output data. Measurement program.
1つの直線を回転軸として回転した3個以上の異なる前記磁気検出手段の姿勢状態において、前記磁気検出手段によって検出された互いに異なる3個以上の3軸出力データを取得する3軸出力データ取得工程と、
互いに異なる3個以上の前記3軸出力データに基づいて、前記回転の回転角度データ及び前記回転軸を算出する回転角度算出工程と、
を備えていることを特徴とする回転角度計測方法。 Utilizing a triaxial magnetic detection means for detecting magnetic components in directions perpendicular to each other,
A three-axis output data acquisition step of acquiring three or more different three-axis output data detected by the magnetic detection means in a posture state of three or more different magnetic detection means rotated about one straight line as a rotation axis When,
A rotation angle calculation step of calculating rotation angle data of the rotation and the rotation axis based on three or more different three-axis output data;
A rotation angle measuring method characterized by comprising:
前記磁気検出手段の第1の姿勢状態を、前記磁気成分を検出するための前記磁気検出手段の座標系と、3軸の座標軸及び座標原点の相対関係が既知である3軸座標系の1つの座標軸を回転軸として回転した前記第1の姿勢状態とは異なる前記磁気検出手段の姿勢状態を第2の姿勢状態とし、
第1の姿勢状態の前記磁気検出手段によって第1の3軸出力データを取得する第1の3軸出力データ取得工程と、
第2の姿勢状態の前記磁気検出手段によって前記第1の3軸出力データとは異なる第2の3軸出力データを取得する第2の3軸出力データ取得工程と、
前記第1の3軸出力データ、及び前記第2の3軸出力データに基づいて、前記回転の回転角度データ及び前記回転軸を算出する回転角度算出工程と、
を備えていることを特徴とする回転角度計測方法。 Utilizing a triaxial magnetic detection means for detecting magnetic components in directions perpendicular to each other,
The first posture state of the magnetic detection means is defined as one of a coordinate system of the magnetic detection means for detecting the magnetic component and one of a three-axis coordinate system in which the relative relationship between the three coordinate axes and the coordinate origin is known. The posture state of the magnetic detection means different from the first posture state rotated about the coordinate axis as a rotation axis is set as a second posture state,
A first three-axis output data acquisition step of acquiring first three-axis output data by the magnetic detection means in the first posture state;
A second triaxial output data acquisition step of acquiring second triaxial output data different from the first triaxial output data by the magnetic detection means in the second posture state;
A rotation angle calculation step of calculating rotation angle data of the rotation and the rotation axis based on the first three-axis output data and the second three-axis output data;
A rotation angle measuring method characterized by comprising:
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