JP2019207181A - Azimuth angle calibration system and azimuth angle calibration method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水中移動体に備えた演算装置で算出される水中移動体の方位角情報を較正する方位角較正システムおよび方位角較正方法に関するものである。 The present invention relates to an azimuth angle calibration system and an azimuth angle calibration method for calibrating azimuth angle information of an underwater moving body calculated by an arithmetic device provided in the underwater moving body.
水中ロボットのような水中移動体を移動させる手法の一つとしては、操縦者が操縦装置を用いて水中移動体を遠隔操作する手法がある。 One technique for moving an underwater mobile body such as an underwater robot is a technique in which a pilot remotely controls the underwater mobile body using a control device.
この種の水中移動体の操縦装置は、操作対象となる水中移動体の機体の前後左右の方向を基準として、前進、後進、左移動、右移動などのように、水中移動体の移動方向を指示する形式のものが、一般的である。 This type of underwater vehicle control device changes the direction of movement of the underwater vehicle, such as forward, backward, leftward, and rightward, with reference to the front / rear / left / right directions of the underwater vehicle to be operated. The type of instruction is common.
操縦装置を用いて、水中移動体を或る目標方向(方位)へ移動させる操作を行う場合は、水中移動体の機首の方向である方位角の情報を取得し、方位角と目標方向との角度の差に応じて、操縦装置で水中移動体の移動方向を指示する必要がある。 When performing an operation of moving the underwater moving body in a certain target direction (azimuth) using the control device, information on the azimuth, which is the nose direction of the underwater moving body, is obtained. It is necessary to instruct the moving direction of the underwater moving body with the control device according to the difference in angle.
そのため、水中移動体には、自機の方位角を検出する装置が装備されている。方位角を検出する装置としては、演算装置が、ジャイロセンサから出力される角速度のセンサ値を受け取り、その角速度のセンサ値を積分することにより方位角を算出する方式のものが、多く用いられている。 Therefore, the underwater moving body is equipped with a device that detects the azimuth angle of its own aircraft. As an apparatus for detecting an azimuth angle, an apparatus in which an arithmetic unit receives an angular velocity sensor value output from a gyro sensor and calculates the azimuth angle by integrating the angular velocity sensor value is often used. Yes.
しかし、この種の方位角検出装置では、ジャイロセンサのセンサ値が誤差を含んでいるため、誤差を含んだセンサ値の積分により、時間の経過と共に積分誤差が蓄積し、その影響で移動体の方位角の検出結果にも誤差が生じてしまう。 However, in this type of azimuth angle detection device, since the sensor value of the gyro sensor includes an error, integration error accumulates over time due to the integration of the sensor value including the error. An error also occurs in the detection result of the azimuth angle.
なお、ジャイロのゼロ点オフセットを較正するキャリブレーション方法は、従来提案されている(たとえば、特許文献1参照)。 A calibration method for calibrating the zero point offset of the gyro has been conventionally proposed (see, for example, Patent Document 1).
これは、移動体が第1の地点から、位置または角度の誤差が特定量となる第2の地点へ移動した場合に、加速度センサとジャイロセンサの出力を用いたデッドレコニングにより第2の地点で得られる位置または角度を推定して、特定量との差分を計算し、その差分を用いてセンサの較正を行うものとされている。 This is because when the moving object moves from the first point to the second point where the position or angle error is a specific amount, dead reckoning using the outputs of the acceleration sensor and the gyro sensor is used at the second point. The obtained position or angle is estimated, a difference from a specific amount is calculated, and the sensor is calibrated using the difference.
ところで、特許文献1に示された手法は、移動体が、第1地点から、位置または角度の誤差が特定量となる第2の地点へ移動する必要がある。
By the way, the method disclosed in
しかし、水中ロボットのような水中移動体は、周囲の水の動きの影響を受けやすいため、遠隔操作による移動では、移動開始位置から、角度の誤差が特定量となる地点に高い精度で移動させること自体が難しい。よって、特許文献1に示された手法を、遠隔操作式の水中移動体の方位角情報の較正に用いることは困難である。
However, underwater vehicles such as underwater robots are easily affected by the movement of surrounding water, so when moving by remote control, move from the movement start position to a point where the angle error is a specific amount with high accuracy. That itself is difficult. Therefore, it is difficult to use the technique disclosed in
そこで、本発明は、水中移動体を、角度の誤差が特定量となる地点への移動を要することなく、水中移動体の方位角情報を較正することができる方位角較正システムおよび方位角較正方法を提供しようとするものである。 Therefore, the present invention provides an azimuth angle calibration system and an azimuth angle calibration method that can calibrate azimuth angle information of an underwater vehicle without requiring movement of the underwater vehicle to a point where the angle error is a specific amount. Is to provide.
本発明は、前記課題を解決するために、水中移動体に備えた方位角検出装置と、前記方位角検出装置より受け取る情報を基に方位角情報を取得する演算装置と、推定システムと、を備え、前記推定システムは、前記水中移動体の操縦装置と、前記水中移動体の位置の検出に用いるデータを計測する計測装置と、方位角推定装置と、判断器と、を備え、前記方位角推定装置は、前記操縦装置より、該操縦装置で指示された前記水中移動体の移動方向に関する情報を受け取る機能と、前記計測装置で計測されたデータを基に推定された前記水中移動体の位置の情報を受け取る機能と、前記水中移動体の位置の情報を基に、前記操縦装置の指示により移動を開始する前記水中移動体の移動開始時の位置の情報を取得する機能と、設定されたステップごとに前記水中移動体が移動した位置の情報を取得する機能と、前記水中移動体の移動軌跡の基準となる方向からの傾きと、分散とを、逐次最小二乗法により更新する更新処理を行う機能と、前記移動軌跡の基準となる方向に対する傾きの角度を演算する演算処理を行う機能と、前記水中移動体が移動した位置の履歴と、前記演算処理の結果を基に、前記水中移動体の方位角を推定する処理を行う機能と、を備え、前記判断器は、前記方位角推定装置より、前記方位角の推定情報と、前記分散の結果を受け取る機能と、前記分散が設定された値以下の場合に前記方位角の推定情報を前記演算装置へ送る機能、または、前記分散の変化率が設定された値以下の場合に前記方位角の推定情報を前記演算装置へ送る機能と、を備え、前記演算装置は、前記推定システムで推定される前記方位角の推定情報を受け取る機能と、前記方位角の推定情報を用いて、前記方位角情報を較正する機能を備えた構成を有する方位角較正システムとする。 In order to solve the above problems, the present invention provides an azimuth angle detection device provided in an underwater vehicle, an arithmetic device that acquires azimuth angle information based on information received from the azimuth angle detection device, and an estimation system. The estimation system includes: a control device for the underwater mobile body; a measurement device for measuring data used for detecting the position of the underwater mobile body; an azimuth angle estimation device; The estimation device has a function of receiving information on a movement direction of the underwater moving body instructed by the maneuvering device, and a position of the underwater moving body estimated based on data measured by the measuring device. A function of receiving the information of the underwater mobile body, a function of acquiring the position information of the underwater mobile body at the start of movement based on the information on the position of the underwater mobile body and starting the movement according to an instruction from the control device, Step In addition, an update process is performed in which the function of acquiring the position information of the underwater moving body, the inclination from the reference direction of the movement trajectory of the underwater moving body, and the variance are sequentially updated by the least square method. Based on a function, a function of calculating an angle of inclination with respect to a reference direction of the movement trajectory, a history of positions where the underwater moving object has moved, and a result of the calculating process. And a function for performing processing for estimating the azimuth angle of the azimuth angle, and the decision unit is configured to receive the azimuth angle estimation information and the variance result from the azimuth angle estimation device, and the variance is set. A function of sending the azimuth angle estimation information to the arithmetic device when the value is equal to or less than a value, or a function of sending the azimuth angle estimation information to the arithmetic device when the variance change rate is equal to or less than a set value; The arithmetic unit comprises A function of receiving the estimate of the azimuth estimated by the estimation system, using the estimated information of the azimuth, and azimuth calibration system has a configuration in which the function to calibrate the azimuth angle information.
前記計測装置は、イメージングソーナーとした構成としてもよい。 The measurement device may be configured as an imaging sonar.
前記操縦装置は、前記方位角推定処理により、前記水中移動体に、前進、後進、左移動、右移動のいずれかの方向への移動方向を指示する機能を備えた構成としてもよい。 The steering device may be configured to have a function of instructing the moving body in any one of forward, backward, leftward, and rightward directions by the azimuth angle estimation process.
また、水中移動体に備えた方位角検出装置より受け取る情報を基に方位角情報を取得する演算装置と、推定システムとを備え、前記推定システムは、操縦装置の指示で移動する前記水中移動体の方位角を推定する方位角推定装置と、判断器とを備え、前記方位角推定装置が、前記操縦装置より前記水中移動体に指示した移動方向に関する情報を受け取る処理と、前記水中移動体の位置の検出に用いるデータを計測する計測装置で計測されたデータを基に推定された前記水中移動体の位置の情報を受け取る処理と、前記操縦装置の指示により移動を開始する前記水中移動体の移動開始時の位置の情報を取得する処理と、設定されたステップごとに前記水中移動体が移動した位置の情報を取得する処理と、前記水中移動体の移動軌跡の基準となる方向からの傾きと、分散とを、逐次最小二乗法により更新する更新処理と、前記移動軌跡の前記基準となる方向に対する傾きの角度を演算する演算処理と、前記水中移動体が移動した位置の履歴と、前記演算処理の結果を基に、前記水中移動体の前記方位角を推定する処理と、を行い、前記判断器が、前記分散が設定された値以下の場合に前記方位角の推定情報を前記演算装置へ送る処理、または、前記分散の変化率が設定された値以下の場合に前記方位角の推定情報を前記演算装置へ送る処理を行い、前記演算装置が、前記推定システムで推定される前記方位角の推定情報を受け取る処理と、前記方位角の推定情報を用いて、前記方位角情報を較正する処理を行うようにする方位角較正方法とする。 In addition, the underwater mobile body includes an arithmetic device that acquires azimuth angle information based on information received from an azimuth angle detection device provided in the underwater mobile body, and an estimation system, and the estimation system moves according to instructions from a control device. An azimuth angle estimation device that estimates the azimuth angle of the vehicle, and a determiner, wherein the azimuth angle estimation device receives information on the movement direction instructed to the underwater vehicle from the control device; A process of receiving information on the position of the underwater moving body estimated based on data measured by a measuring device that measures data used for position detection; and the movement of the underwater moving body that starts moving according to an instruction from the control device A process for obtaining information on the position at the start of movement, a process for obtaining information on the position at which the underwater mobile object has moved for each set step, and a reference for the movement trajectory of the underwater mobile object Update processing for sequentially updating the inclination and variance from the direction by the least square method, calculation processing for calculating the angle of the inclination relative to the reference direction of the movement locus, and the position of the position where the underwater moving body has moved A history and a process of estimating the azimuth angle of the underwater moving body based on the result of the arithmetic processing are performed, and the estimator estimates the azimuth angle when the variance is equal to or less than a set value. A process of sending information to the computing device, or a process of sending the azimuth angle estimation information to the computing device when the rate of change of the variance is less than or equal to a set value; It is set as the azimuth angle calibration method which performs the process which receives the estimation information of the said azimuth angle estimated, and the process which calibrates the said azimuth angle information using the said azimuth angle estimation information.
本発明の方位角較正システムおよび方位角較正方法によれば、水中移動体を、角度の誤差が特定量となる地点への移動を要することなく、水中移動体の方位角情報を較正することができる。 According to the azimuth angle calibration system and the azimuth angle calibration method of the present invention, it is possible to calibrate the azimuth angle information of the underwater vehicle without requiring the underwater vehicle to move to a point where the angle error becomes a specific amount. it can.
以下、本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、方位角較正システムの実施形態を示す概要図である。図2は、方位角較正システムにおける推定システムで使用する水中移動体の位置情報の概要を示す図である。 FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an embodiment of an azimuth calibration system. FIG. 2 is a diagram showing an outline of position information of the underwater moving body used in the estimation system in the azimuth calibration system.
本実施形態の方位角較正システムは、図1に符号1で示すもので、水中移動体2に備えた方位角検出装置としてのジャイロセンサ3と、ジャイロセンサ3よりセンサ値を受け取る演算装置4と、水中移動体2の方位角を推定する推定システム5とを備えた構成とされている。
The azimuth angle calibration system of the present embodiment is denoted by
水中移動体2の方位角とは、水中移動体2の機首の方向を、或る基準となる方位からの角度で示すものである。本実施形態では、水中移動体2の方位角を示すための基準となる方位を、図2に示すxy直交座標系におけるx軸の正の方向(図2では右方向)として説明する。なお、図2に示すxy直交座標系は、水中移動体2の使用領域に設定されるもので、緯度と経度のような地球に固定された座標系であってもよいし、水中移動体2の使用領域の形状や、使用領域となる構造物に応じて設定された座標系であってもよい。
The azimuth angle of the
ジャイロセンサ3は、水中移動体2の角速度を検出し、角速度の検出結果をセンサ値として演算装置4へ送る機能を備えている。
The gyro sensor 3 has a function of detecting the angular velocity of the underwater moving
演算装置4は、ジャイロセンサ3より受け取るセンサ値を積分することにより、水中移動体2の方位角に関する情報(以下、方位角情報という)を取得する機能を備えている。 The arithmetic device 4 has a function of acquiring information related to the azimuth angle of the underwater moving body 2 (hereinafter referred to as azimuth angle information) by integrating sensor values received from the gyro sensor 3.
また、演算装置4は、取得した水中移動体2の方位角情報を、水中移動体2の図示しない推進用や操舵用の制御装置、水中移動体2の遠隔操作を行う操縦装置6、その他、水中移動体2の方位角情報を利用する各種機器へ送る機能を備えている。
Further, the arithmetic device 4 uses the acquired azimuth angle information of the
更に、演算装置4は、後述するように推定システム5で推定される方位角ψNの推定情報を受け取る機能と、受け取った方位角ψNの推定情報を用いて、ジャイロセンサ3のセンサ値に基づいて取得した方位角情報を較正する機能を備えている。
Further, the arithmetic unit 4 has a function of receiving the estimate of the azimuth angle [psi N estimated by the
推定システム5は、水中移動体2と、水中移動体2の操縦装置6と、水中移動体2の位置の検出に用いるデータを計測する計測装置7と、方位角推定装置8と、判断器9と、を備えた構成とされている。
The
水中移動体2は、図示しない推進装置として、前後方向の成分を含む推力、および、左右方向の成分を含む推力を発生可能な推進装置を備えた構成として、少なくとも、方位角を保持した状態で、前進と後進と左移動と右移動が可能な構成を備えている。
The
水中移動体2に備える推進装置は、水中移動体2の方位角を保持した状態での前進、後進、左移動、右移動を実現できれば、推進装置の形式、数、水中移動体における配置は、任意に設定してよい。
If the propulsion device provided in the
また、水中移動体2は、機体の向き、すなわち、方位角を変更するために用いる図示しない舵を備えた構成としてもよい。
Moreover, the
操縦装置6は、図示しない操縦者の操作に応じて、水中移動体2に移動の指示を与える装置である。操縦装置6は、水中移動体2に対して、少なくとも、方位角を保持した状態での前進、後進、左移動、右移動を指示することが可能な機能を備えている。この機能を備えていれば、操縦装置6は、パッド形式、ジョイスティック形式などのコントローラを備えた構成、VRゴーグルなどの表示装置を備えた構成、その他、任意の機器構成でよいことは勿論である。
The
なお、以下の説明では、水中移動体2の方位角を保持した状態での前進、後進、左移動、右移動は、説明の便宜上、単に、水中移動体2の前進、後進、左移動、右移動という。
In the following description, the forward, backward, leftward, and rightward movements while maintaining the azimuth angle of the underwater
操縦装置6と水中移動体2は、操縦装置6から水中移動体2に前進、後進、左移動、右移動の指示を行うと、水中移動体2が、移動開始位置から、指示された方向に前進、後進、左移動、右移動するように調整されている。この際、水中移動体2の使用領域の環境が、水中移動体2に影響する外乱が存在する環境である場合は、水中移動体2が、自機に受ける外乱の影響を修正しながら、移動開始位置から前進、後進、左移動、右移動するように、操縦装置6と水中移動体2が調整される。
When the
操縦装置6と水中移動体2は、有線接続されていてもよいし、有線接続以外の手段で移動の指示などの情報の授受を行うものであってもよい。
The
計測装置7は、本実施形態では、アクティブソーナーの一種であるイメージングソーナー(音響カメラとも称す)を用いている。
In this embodiment, the
計測装置7は、水中移動体2の使用領域に設置される。この際、計測装置7は、水中移動体2の使用領域にて、水中移動体2の運用を開始する位置から、水中移動体2の移動の目標位置までが計測範囲に含まれるように、計測装置7の計測範囲の配置と向きが設定されている。これにより、水中移動体2の使用領域に設定されたxy直交座標系における計測装置7の設置位置の座標は明らかとなる。また、計測装置7の仕様を基に、xy直交座標系における計測装置7の計測範囲も明らかとなる。
The
計測装置7としてのイメージングソーナーは、計測範囲を俯瞰した画像を得ることができ、その画像中に、計測範囲内に存在してエコーを生じる物体である水中移動体2の像を得ることができる。
The imaging sonar as the measuring
そのため、本実施形態における計測装置7は、計測範囲を俯瞰した画像の情報を、水中移動体2の位置の情報を含んだ画像データとして出力する。そこで、本実施形態の推定システム5は、計測装置7より水中移動体2の位置の情報を含んだ画像データを受け取る位置推定装置としての画像処理部10を備えた構成とし、画像処理部10が、計測装置7より受け取る画像データの画像処理を行って、水中移動体2の位置を推定する機能を備えるようにしてある。
Therefore, the measuring
計測装置7で得られる画像データにて、エコーを生じる水中移動体2の像は、周囲と異なる輝度値を持っている。ところで、画像データは、計測装置7の計測範囲に存在しているエコーを生じる水中移動体2以外の固定物の像も含んでいる。
In the image data obtained by the measuring
そこで、画像処理部10は、計測装置7より或る時間差で受け取る複数の画像データを基に、背景差分の処理を行い、画像全体から、移動物である水中移動体2の像のピクセル情報のみを抽出する。
Therefore, the
次いで、画像処理部10は、抽出された水中移動体2の像の輝度重心を求めることで、水中移動体2の位置情報を、ピクセルの位置情報として得る。
Next, the
前記したように、xy直交座標系における計測装置7の設置位置および計測範囲は明らかである。よって、その情報は、画像処理部10に予め格納しておく。
As described above, the installation position and measurement range of the
これにより、画像処理部10は、水中移動体2の位置を示すピクセルの位置情報を、xy直交座標系における位置座標の情報へ変換することができ、この変換後のxy直交座標系における位置座標を、水中移動体2の位置の座標として推定する処理を行う。
Thereby, the
画像処理部10は、以上の処理により推定された水中移動体2の位置の情報を、方位角推定装置8へ送る機能を備える。
The
なお、画像処理部10は、画像処理専用の演算器を備えた構成としてもよいし、方位角推定装置8や、その他の演算機能を有する装置に、機能の一つとして実装されていてもよい。
Note that the
次に、方位角推定装置8の機能の説明を行うと共に、本実施形態の方位角較正システムで実施する方位角較正方法について説明する。
Next, functions of the azimuth
方位角推定装置8は、画像処理部10から受け取る水中移動体2の推定された位置の情報を基に、方位角推定処理を行う機能を備えている。
The azimuth
この方位角推定処理を行う場合は、方位角推定装置8は、推定処理の計算に必要とされる以下のパラメータについて、事前に初期化の処理を行う。
When performing this azimuth angle estimation process, the azimuth
たとえば、傾きφN−1=0、分散PN−1=103、忘却係数ρ=0.1とする。 For example, it is assumed that the gradient φ N−1 = 0, the variance P N−1 = 10 3 , and the forgetting factor ρ = 0.1.
なお、傾きφN−1の値は、初期値を与えることが目的であるため、後述する各式の数値計算が成立すれば、0以外の任意の値としてもよい。分散PN−1は、後述する逐次最小二乗法を実施する場合は、なるべく大きめの値を設定しておくことが一般的である。 Note that the value of the inclination φ N−1 is intended to give an initial value, and therefore may be an arbitrary value other than 0 as long as numerical calculation of each expression described later is established. The variance P N−1 is generally set to a value as large as possible when the sequential least square method described later is performed.
忘却係数ρは、0から1の範囲で定めればよい。この際、忘却係数ρは、値が1に近くなる程、後述する傾きφNおよび分散PNの計算にて、ノイズに対しては強くなるが、過去のステップの影響が大きくなる。一方、忘却係数ρの値が0に近くなる程、過去のステップの影響は小さくなるが、ノイズに対しては弱くなる。したがって、忘却係数ρの値は、過去のステップの影響の大きさと、ノイズに対する耐性のバランスを考慮して、適宜設定すればよい。 The forgetting factor ρ may be determined in the range of 0 to 1. At this time, as the value of the forgetting factor ρ is closer to 1, it becomes stronger against noise in the calculation of the slope φ N and the variance P N described later, but the influence of the past steps becomes larger. On the other hand, the closer the value of the forgetting factor ρ is to 0, the smaller the influence of past steps, but the weaker against noise. Therefore, the value of the forgetting factor ρ may be set appropriately in consideration of the balance between the influence of past steps and the resistance to noise.
この状態で、方位角推定処理を開始する場合は、操縦装置6にて、水中移動体2の前進、後進、左移動、右移動のいずれかを指示する処理を行う。この処理に伴い、方位角推定装置8は、操縦装置6で指示された水中移動体2の移動方向に関する情報を、操縦装置6より受け取る機能を備えている。
In this state, when starting the azimuth angle estimation process, the
この際、たとえば、計測装置7の画像データなどからは、水中移動体2の周辺に存在する固定物の情報を得ることができる。そのため、水中移動体2の移動方向としては、水中移動体2を現在位置から移動させても周辺の固定物との干渉が生じない方向を選定するようにすればよい。
At this time, for example, information on a fixed object existing around the underwater moving
移動方向の指示は、操縦装置6を図示しない操作者が手動で操作することで行うようにすればよい。また、操縦装置6に、方位角推定処理の開始スイッチとプログラムとを備えて、開始スイッチが操作されると、操縦装置6が、水中移動体2の前進、後進、左移動、右移動のうち、水中移動体2を現在位置から移動させても周辺の固定物との干渉が生じない方向を選定して、その方向への移動の指示を行うようにしてもよい。なお、開始スイッチは、物理的なスイッチでもよいし、画面上で操作するスイッチでもよい。
The direction of movement may be instructed by manually operating the
これにより、水中移動体2は、現在位置から操縦装置6によって指示された方向への移動を開始する。
Thereby, the
方位角推定装置8は、画像処理部10より受け取る情報を基に、移動開始時の水中移動体2の位置を検出して、その位置を座標(x0、y0)とする。
The
次に、方位角推定装置8は、方位角推定処理の開始後の設定されたステップごとに、計測装置7が出力する画像データを基に画像処理部10で推定された水中移動体2の位置の情報を受け取り、その位置を座標(xN、yN)とする。Nは、方位角推定処理の開始後のステップ数を示す。なお、ステップの周期は、一定であってもよいし、一定でなくてもよい。
Next, the
次いで、方位角推定装置8は、次の2つの式を用いて、逐次最小二乗法により移動軌跡の傾きφNと、分散PNを更新する処理を行う。
Next, the
この処理によれば、図2に示すように、水中移動体2が外乱やその他の様々な影響を受けて、実際の水中移動体2の移動軌跡11が蛇行していたとしても、水中移動体2の移動の軌跡を、図2に二点鎖線で示す如き直線12として推定することができる。
According to this process, as shown in FIG. 2, even if the underwater
傾きφNと、分散PNが更新されると、方位角推定装置8は、次の式により、傾きφNについて、x軸の正の方向を基準(0[rad])とし、反時計回り方向を正とする角度θN[rad]を演算する処理を行う。
When the slope φ N and the variance P N are updated, the
なお、tan−1は、角度θNを、−π/2[rad]からπ/2[rad]の範囲でしか推定できない。この範囲は、図2のxy直交座標系では、或る位置を基準とする第1象限と第4象限の範囲となる。そのため、推定された角度θNについては、実際に水中移動体2が移動した、0[rad]から2π[rad]の方向に変換する必要がある。
Note that tan −1 can estimate the angle θ N only in the range of −π / 2 [rad] to π / 2 [rad]. This range is the range of the first quadrant and the fourth quadrant with reference to a certain position in the xy orthogonal coordinate system of FIG. Therefore, the estimated angle theta N actually is
そこで、方位角推定装置8は、方位角推定処理の移動開始時の位置の座標(x0,y0)と、推定中の位置の座標(xN、yN)とを用いて、水中移動体2が座標(x0,y0)から、いずれの象限へ移動したかを特定し、角度を補正する処理を行う。
Therefore, the
更に、方位角推定装置8は、この角度の補正を行う際、方位角推定処理の開始時に操縦装置6により指示した水中移動体2の移動方向が、前進、後進、左移動、右移動のいずれであるかを基に、水中移動体2の方位角ψN[rad]を算出する処理を行う。
Further, when correcting the angle, the azimuth
具体的には、水中移動体2が移動した象限の特定は、水中移動体2が移動した位置の履歴を基に、「xN−x0>0」という第1条件、および、「yN−y0>0」という第2条件を用いて、それぞれの条件が真と偽のいずれであるかに応じて判断する。両条件が共に真の場合は、水中移動体2は第1象限に移動したと特定できる。また、第1条件が真、第2条件が偽の場合は、水中移動体2は第4象限に移動したと特定できる。第1条件が偽、第2条件が真の場合は、水中移動体2は第2象限に移動したと特定できる。両条件が共に偽の場合は、水中移動体2は第3象限に移動したと特定できる。
Specifically, the quadrant where the
そこで、方位角推定装置8は、方位角推定処理の開始時に操縦装置6により指示した水中移動体2の移動方向が前進の場合は、次の第1表に従い、水中移動体2の方位角ψN[rad]を算出する処理を行う。なお、表中のTは真、Fは偽の判断結果を示す(後述する第2表、第3表、第4表も同様)。
Therefore, when the moving direction of the
方位角推定装置8は、方位角推定処理の開始時に操縦装置6により指示した水中移動体2の移動方向が、後進の場合は、次の第2表に従い、水中移動体2の方位角ψN[rad]を算出する処理を行う。
When the moving direction of the
方位角推定装置8は、方位角推定処理の開始時に操縦装置6により指示した水中移動体2の移動方向が、左移動の場合は、次の第3表に従い、水中移動体2の方位角ψN[rad]を算出する処理を行う。
When the moving direction of the
方位角推定装置8は、方位角推定処理の開始時に操縦装置6により指示した水中移動体2の移動方向が、右移動の場合は、次の第4表に従い、水中移動体2の方位角ψN[rad]を算出する処理を行う。
When the moving direction of the
なお、前記各表に示した、操縦装置6により指示した水中移動体2の移動方向と、前記第1条件と第2条件の判断結果に応じて水中移動体2の方位角ψNを算出する式との関連は、方位角推定装置8に格納しておけばよい。
Note that the azimuth angle ψ N of the
ところで、水中移動体2の移動方向がy軸方向に沿う場合は、tan−1φNの計算ができないため、角度θN[rad]を演算で求めることはできない。しかし、φNの値が大きくなることからは、角度θN[rad]がπ/2付近となることが分かる。
Meanwhile, if the moving direction of the
そこで、方位角推定装置8は、φNの値についての閾値が設定される機能と、φNの値が閾値を超えた場合には、角度θN[rad]をπ/2と見做す処理を行う機能を備えている。なお、この場合の閾値は、水中移動体2の位置の推定精度や、方位角の推定に要求される精度に応じて、適宜設定される。
Therefore, the azimuth angle-estimating
更に、方位角推定装置8は、水中移動体2が移動した位置の履歴を基に、(yN−y0)の計算を行い、計算結果が正の値である場合は、水中移動体2の移動方向がy軸の正の方向であると推定し、計算結果が負の値である場合は、水中移動体2の移動方向がy軸の負の方向であると推定する機能を備えている。
Furthermore, the
方位角推定装置8は、このように求めた水中移動体2の移動方向を、前記第1表から第4表における前記第1条件および第2条件が共に真の場合の式におけるθNに代入することで、水中移動体の方位角ψN[rad]を算出する。
The
これにより、方位角推定装置8は、水中移動体2の方位角ψNを求めることができる。
Thus, the azimuth angle-estimating
方位角推定装置8は、水中移動体2の方位角ψNが求まると、その結果を方位角ψNの推定情報として、同じステップ数における逐次最小二乗法で得られた分散PNの結果と共に、判断器9へ送る処理を行う。
When the azimuth
その後、方位角推定装置8は、傾きについて、φN−1=φNとし、分散について、PN−1=PNとしてから、ステップを1つ進めて、計測装置7が出力した画像データを基に推定された水中移動体2の位置の情報を、画像処理部10から受け取り、その位置を座標(xN、yN)とする処理から、水中移動体2の方位角ψNを算出する処理までを繰り返し実施する。
After that, the
これにより、ステップ数が進むにつれて、逐次最小二乗法で得られる分散PNの値は、次第に減少する。 Thus, as the number of steps proceeds, the value of dispersion P N obtained sequentially by the least square method, gradually decreases.
判断器9は、方位角推定装置8より、方位角ψNの推定情報と、分散PNの結果を受け取ると、そのうちの分散PNについて、分散PNの二乗根が設定された閾値以下か否かを判断する処理を行う機能を備えている。
この際、閾値は、演算装置4に求められる方位角情報の精度に応じて設定される。具体的には、演算装置4に所望される方位角情報の較正の精度が、±α[rad]の場合、閾値はα[rad]に設定される。 At this time, the threshold is set according to the accuracy of the azimuth angle information required for the arithmetic device 4. Specifically, when the accuracy of calibration of the azimuth angle information desired by the arithmetic device 4 is ± α [rad], the threshold is set to α [rad].
更に、判断器9は、前記判断処理により、分散PNの二乗根が閾値α[rad]以下であるという判断結果が得られると、その分散PNと同時に方位角推定装置8より受け取った方位角ψNの推定情報を、演算装置4へ送る機能を備えている。
Moreover,
なお、推定システム5は、水中移動体2の外部に備えた計測装置7で検出する水中移動体2の位置の情報を基に、水中移動体2の方位角ψNを推定しているため、ジャイロセンサのセンサ値を積分して方位角を算出する手法で生じていたような、時間の経過に伴う積分誤差の蓄積に起因する誤差の影響を受けることはない。
Note that the
これにより、演算装置4では、推定システム5の判断器9より受け取る方位角ψNの推定情報を用いて、ジャイロセンサ3のセンサ値に基づく方位角情報が較正されるため、方位角情報の精度が±α[rad]の範囲に収まるようになる。
Thus, the arithmetic unit 4, by using the estimate of the azimuth angle [psi N receive from
したがって、本実施形態の方位角較正システム1は、前記した手順による方位角較正方法を実施することにより、演算装置4にて、ジャイロセンサ3のセンサ値に基づいて演算装置4で取得される方位角情報に誤差が生じていたとしても、演算装置4が推定システム5より受け取る方位角ψNの推定情報を用いて、所望される精度を満たす状態に方位角情報を較正することができる。
Therefore, the azimuth
この際、推定システム5では、操縦装置6より移動方向の指示を受けて移動する水中移動体2の位置の情報を基に、水中移動体2の方位角ψNを推定することができる。
At this time, the
したがって、本実施形態の方位角較正システムおよび方位角較正方法では、水中移動体2を、角度の誤差が特定量となる地点へ移動させる処理は必要としない。
Therefore, in the azimuth angle calibration system and the azimuth angle calibration method of the present embodiment, a process of moving the
本実施形態の方位角較正システムおよび方位角較正方法を適用する対象は、ジャイロセンサ3のセンサ値を基に方位角情報を取得する演算装置4を例示した。これに対し、本開示の方位角較正システムおよび方位角較正方法は、たとえば、磁気方位計を用いる形式の方位角検出装置、あるいは、GPS情報を用いる方式の方位角検出装置、その他のジャイロセンサ3以外の方位角検出装置からの情報を基に、方位角情報を取得する方式の演算装置4を対象として、方位角の較正を行うようにしてもよいことは勿論である。この場合も、演算装置4で取得される方位角情報に誤差が生じていたとしても、演算装置4が推定システム5より受け取る方位角ψNの推定情報を用いて、所望される精度を満たす状態に方位角情報を較正することができる、という効果を得ることができる。
The object to which the azimuth angle calibration system and the azimuth angle calibration method of the present embodiment are applied is exemplified by the arithmetic unit 4 that acquires azimuth angle information based on the sensor value of the gyro sensor 3. On the other hand, the azimuth angle calibration system and the azimuth angle calibration method of the present disclosure include, for example, an azimuth angle detection device of a type using a magnetic azimuth meter, an azimuth angle detection device of a system using GPS information, and other gyro sensors 3. Of course, the azimuth angle may be calibrated with respect to the arithmetic device 4 that acquires azimuth angle information based on information from other azimuth angle detection devices. In this case as well, even if there is an error in the azimuth angle information acquired by the calculation device 4, the estimated accuracy of the azimuth angle ψ N received by the calculation device 4 from the
前記実施形態では、推定システム5にて方位角推定処理を行うときに、操縦装置6により水中移動体2に指示する移動方向として、前進、後進、左移動、右移動の4方向を示した。これに対し、推定システム5で行う方位角推定処理の応用例としては、操縦装置6により、水中移動体2に、任意の移動方向を指示するようにしてもよい。
In the said embodiment, when performing the azimuth angle estimation process in the
この場合は、操縦装置6により水中移動体2に移動方向を指示した時点で、機首の方向を基準として、指示した移動方向までの角度を、たとえば、反時計回り方向の角度β(=0〜2π[rad])として検出して、その角度βの情報を記憶する。
In this case, when the moving direction is instructed to the underwater moving
次に、前記実施形態と同様に、方位角推定装置8は、角度θNを推定するまでの処理を行う。次いで、方位角推定装置8は、角度θNと、水中移動体2が移動した位置の履歴を基に、前記第1条件および第2条件と、水中移動体2に指示した移動方向に関わらず前記第1表に示された式を用いて、水中移動体2の方位角ψNに代えて、水中移動体2が移動した方位を求める処理を行う。その後、方位角推定装置8は、求めた水中移動体2が移動した方位から、前記角度βを引く処理を行うことで、水中移動体2の方位角ψNを求める処理を行うようにすればよい。
Then, similarly to the above embodiment, the azimuth
また、推定システム5で行う方位角推定処理の別の応用例としては、操縦装置6により、水中移動体2に、回転移動が含まれる移動として、或る角速度での移動を指示し、推定システム5では、その指示に従って移動する水中移動体2の位置を検出して、その位置の変化から、指示された角速度で移動する水中移動体2の移動方向を求め、求めた移動方向を基に水中移動体2の方位角ψNを推定することも考えられる。
As another application example of the azimuth angle estimation process performed by the
なお、本開示の方位角較正システムおよび方位角較正方法は、前記各実施形態にのみ限定されるものではない。 Note that the azimuth angle calibration system and the azimuth angle calibration method of the present disclosure are not limited to the above embodiments.
図1では、推定システム5における操縦装置6と方位角推定装置8と判断器9を別々に記載したが、操縦装置6と方位角推定装置8と判断器9のうちのいずれか2つ、または、3つが、或る装置に機能としてまとめて備えられていてもよいことは勿論である。
In FIG. 1, the
水中移動体2の位置の検出に用いるデータを計測する計測装置7は、イメージングソーナーを例示した。これに対し、水中移動体2の位置を検出し、水中移動体2の使用領域に設定される直交座標系にて、水中移動体2の位置の座標を特定することが可能となるデータを計測する機能を備えていれば、計測装置7は、イメージングソーナー以外のアクティブソーナー、あるいは、アクティブソーナー以外の計測装置を採用してもよいことは勿論である。この場合、計測装置7から出力されるデータは、そのデータの形式に応じた位置推定装置で処理を行って、水中移動体2の位置を推定し、その推定された水中移動体2の位置の情報が、方位角推定装置8へ送られるようにすればよい。
The measuring
実施形態では、操縦装置6により水中移動体2に指示する移動方向として、前進、後進、左移動、右移動の4方向を備える場合について説明した。これに対し、本開示の方位角較正システムおよび方位角較正方法は、水中移動体2の推進装置の形式、水中移動体2の運動性能などを考慮して、方位角推定処理を行うときに、操縦装置6により水中移動体2に指示可能な移動方向として、前進、後進、左移動、右移動の4方向のうち、いずれか一つの方向のみ、あるいは、2または3方向を指示可能なものとしてもよい。この場合、方位角推定装置8は、前記第1表から第4表のうち、指示可能な方向に対応する表のみを格納していればよい。
In the embodiment, a case has been described in which four directions of forward movement, backward movement, left movement, and right movement are provided as movement directions instructed to the
判断器9は、方位角推定装置8より受け取る分散PNが設定された閾値以下になると、同時に受け取った方位角ψNの推定情報を、演算装置4へ送る機能を備えるものとして示した。これに対し、判断器9は、方位角推定装置8より受け取る分散PNについて、前回のステップで受け取った分散PNからの変化率を求める機能と、変化率が設定された値以下になると、方位角ψNの推定情報を、演算装置4へ送る機能を備えるものとしてもよい。これは、分散PNは、あるステップが経過すると全く変化しなくなるため、分散PNの変化率が設定した或る一定の値以下になることで、演算装置4における方位角情報の較正に使用可能な精度の方位角ψNに収束したと判断することができるためである。
Determiner 9 and becomes equal to or less than the threshold value dispersion P N is set to receive from the
水中移動体2は、操縦装置6による移動方向の指示に従い、方位角ψNを保持した状態で、指示された方向に移動可能な機能を備えていれば、水中ロボット以外のいかなる形式の水中移動体2であってもよく、また、使用目的は特に限定されないことは勿論である。
本開示の方位角較正システムおよび方位角較正方法は、更に、方位角を変更することなく、前後方向と左右方向への移動が可能な移動体であれば、所謂ドローンといわれるような空中を飛行する形式の移動体や、地上を移動する移動体にて、既存の方位角検出装置からの情報を基に演算装置4が取得する方位角情報の較正にも応用することが可能である。 The azimuth angle calibration system and the azimuth angle calibration method of the present disclosure further fly in the air so-called drone as long as the mobile body can move in the front-rear direction and the left-right direction without changing the azimuth angle. It is possible to apply to calibration of azimuth angle information acquired by the arithmetic unit 4 based on information from an existing azimuth angle detection device in a mobile body of the above type or a mobile body moving on the ground.
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。 In addition, it goes without saying that various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
2 水中移動体、3 ジャイロセンサ(方位角検出装置)、4 演算装置、5 推定システム、6 操縦装置、7 計測装置、8 方位角推定装置、9 判断器、11 移動軌跡、φN 傾き、PN 分散、θN 角度、ψN 方位角 2 Underwater moving object, 3 Gyro sensor (azimuth angle detection device), 4 Arithmetic device, 5 Estimation system, 6 Steering device, 7 Measuring device, 8 Azimuth angle estimation device, 9 Judgment device, 11 Movement locus, φ N inclination, P N dispersion, θ N angle, ψ N azimuth
Claims (4)
前記方位角検出装置より受け取る情報を基に方位角情報を取得する演算装置と、
推定システムと、を備え、
前記推定システムは、
前記水中移動体の操縦装置と、
前記水中移動体の位置の検出に用いるデータを計測する計測装置と、
方位角推定装置と、
判断器と、を備え、
前記方位角推定装置は、
前記操縦装置より、該操縦装置で指示された前記水中移動体の移動方向に関する情報を受け取る機能と、
前記計測装置で計測されたデータを基に推定された前記水中移動体の位置の情報を受け取る機能と、
前記水中移動体の位置の情報を基に、前記操縦装置の指示により移動を開始する前記水中移動体の移動開始時の位置の情報を取得する機能と、
設定されたステップごとに前記水中移動体が移動した位置の情報を取得する機能と、
前記水中移動体の移動軌跡の基準となる方向からの傾きと、分散とを、逐次最小二乗法により更新する更新処理を行う機能と、
前記移動軌跡の基準となる方向に対する傾きの角度を演算する演算処理を行う機能と、
前記水中移動体が移動した位置の履歴と、前記演算処理の結果を基に、前記水中移動体の方位角を推定する処理を行う機能と、を備え、
前記判断器は、
前記方位角推定装置より、前記方位角の推定情報と、前記分散の結果を受け取る機能と、
前記分散が設定された値以下の場合に前記方位角の推定情報を前記演算装置へ送る機能、または、前記分散の変化率が設定された値以下の場合に前記方位角の推定情報を前記演算装置へ送る機能と、を備え、
前記演算装置は、
前記推定システムで推定される前記方位角の推定情報を受け取る機能と、
前記方位角の推定情報を用いて、前記方位角情報を較正する機能を備えたこと
を特徴とする方位角較正システム。 An azimuth angle detection device provided for the underwater vehicle,
An arithmetic device that acquires azimuth information based on information received from the azimuth detection device;
An estimation system,
The estimation system includes:
A control device for the underwater vehicle;
A measuring device for measuring data used for detecting the position of the underwater moving body;
An azimuth estimation device;
A judgment device, and
The azimuth estimation device is
A function of receiving, from the control device, information related to the moving direction of the underwater moving body instructed by the control device;
A function of receiving information on the position of the underwater moving body estimated based on data measured by the measuring device;
Based on the information on the position of the underwater moving body, a function of acquiring position information at the start of movement of the underwater moving body that starts moving according to an instruction from the control device;
A function of acquiring information on a position where the underwater moving body has moved for each set step;
A function of performing an update process of sequentially updating the inclination and variance from the reference direction of the movement trajectory of the underwater moving body by a least square method;
A function of performing a calculation process of calculating an angle of inclination with respect to a reference direction of the movement locus;
A function of performing a process of estimating an azimuth angle of the underwater moving body based on a history of a position where the underwater moving body has moved and a result of the calculation process;
The judging device is
From the azimuth angle estimation device, a function to receive the azimuth angle estimation information and the result of the dispersion,
A function of sending the azimuth angle estimation information to the computing device when the variance is less than a set value, or the computation of the azimuth angle estimation information when the variance change rate is less than a set value. A function to send to the device,
The arithmetic unit is:
A function of receiving estimation information of the azimuth angle estimated by the estimation system;
An azimuth calibration system comprising a function of calibrating the azimuth information using the estimated azimuth information.
請求項1に記載の方位角較正システム。 The azimuth angle calibration system according to claim 1, wherein the measurement device is an imaging sonar.
請求項1または2に記載の方位角較正システム。 The said control apparatus was equipped with the function which instruct | indicates the moving direction to any one of a forward movement, a reverse movement, a left movement, and a right movement to the said underwater moving body by the said azimuth angle estimation process. Azimuth calibration system.
前記推定システムは、操縦装置の指示で移動する前記水中移動体の方位角を推定する方位角推定装置と、判断器とを備え、
前記方位角推定装置が、
前記操縦装置より前記水中移動体に指示した移動方向に関する情報を受け取る処理と、
前記水中移動体の位置の検出に用いるデータを計測する計測装置で計測されたデータを基に推定された前記水中移動体の位置の情報を受け取る処理と、
前記操縦装置の指示により移動を開始する前記水中移動体の移動開始時の位置の情報を取得する処理と、
設定されたステップごとに前記水中移動体が移動した位置の情報を取得する処理と、
前記水中移動体の移動軌跡の基準となる方向からの傾きと、分散とを、逐次最小二乗法により更新する更新処理と、
前記移動軌跡の前記基準となる方向に対する傾きの角度を演算する演算処理と、
前記水中移動体が移動した位置の履歴と、前記演算処理の結果を基に、前記水中移動体の前記方位角を推定する処理と、を行い、
前記判断器が、
前記分散が設定された値以下の場合に前記方位角の推定情報を前記演算装置へ送る処理、または、前記分散の変化率が設定された値以下の場合に前記方位角の推定情報を前記演算装置へ送る処理を行い、
前記演算装置が、
前記推定システムで推定される前記方位角の推定情報を受け取る処理と、
前記方位角の推定情報を用いて、前記方位角情報を較正する処理を行うこと
を特徴とする方位角較正方法。 An arithmetic device that acquires azimuth angle information based on information received from an azimuth angle detection device provided in the underwater moving body, and an estimation system,
The estimation system includes an azimuth angle estimation device that estimates an azimuth angle of the underwater moving body that moves according to an instruction from a control device, and a determiner.
The azimuth estimation device is
A process of receiving information on a moving direction instructed to the underwater moving body from the control device;
Processing for receiving information on the position of the underwater moving body estimated based on data measured by a measuring device that measures data used for detecting the position of the underwater moving body;
A process of acquiring information on a position at the start of movement of the underwater moving body that starts moving according to an instruction from the control device;
Processing for acquiring information on the position where the underwater moving body has moved for each set step;
An update process for sequentially updating the inclination and variance from the reference direction of the movement trajectory of the underwater moving body by the least square method;
A calculation process for calculating an angle of inclination with respect to the reference direction of the movement locus;
Based on the history of the position where the underwater moving body has moved and the result of the calculation process, the azimuth angle of the underwater moving body is estimated, and
The judgment device is
A process of sending the azimuth angle estimation information to the computing device when the variance is less than or equal to a set value, or the computation of the azimuth angle estimation information when the variance change rate is less than or equal to a set value. Process to send to the device,
The arithmetic unit is
Receiving the estimated information of the azimuth angle estimated by the estimation system;
A method for calibrating the azimuth angle information using the estimated azimuth angle information.
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CN113484832A (en) * | 2021-07-29 | 2021-10-08 | 西安电子科技大学 | System error registration method for ground-based radar networking |
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2018
- 2018-05-30 JP JP2018103181A patent/JP2019207181A/en active Pending
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