JP2019207181A - Azimuth angle calibration system and azimuth angle calibration method - Google Patents

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Abstract

To eliminate the need for movement to a point where an angle error becomes a specific quantity.SOLUTION: An azimuth angle calibration system 1 comprises an arithmetic unit 4 for acquiring azimuth angle information on the basis of the information of an azimuth angle detector of an underwater moving body 2, and an estimation system 5. The estimation system 5 includes a steering device 6 of the underwater moving body 2, a measuring device 7, an azimuth angle estimation device 8, and a determiner 9. The azimuth angle estimation device 8 performs an update process of updating, by an iterative least square method, the inclination and dispersion from reference direction of movement locus of the underwater moving body 2 on the basis of the movement start position of the underwater moving body that moves in a movement direction indicated by the steering device 6 and information pertaining to the moved position, and further performs a computation process of computing the angle of inclination to the reference direction of movement locus and a process of estimating the azimuth angle of the underwater moving body 2 on the basis of the computation result and the history of moved positions of the underwater moving body 2. When the dispersion decreases to a set value or below, the determiner 9 sends azimuth angle estimation information to the arithmetic unit 4 for the purpose of calibration.SELECTED DRAWING: Figure 1

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.

特開2012−215547号公報JP 2012-215547 A

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 Patent Document 1 requires that the moving body move from the first point to the second point where the position or angle error is a specific amount.

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 Patent Document 1 for calibrating azimuth information of a remotely operated underwater vehicle.

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.

方位角較正システムの実施形態を示す概要図である。1 is a schematic diagram illustrating an embodiment of an azimuth calibration system. 方位角較正システムにおける推定システムで実施する方位角推定処理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the azimuth angle estimation process implemented with the estimation system in an azimuth angle calibration system.

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 reference numeral 1 in FIG. 1, and includes a gyro sensor 3 as an azimuth angle detection device provided in the underwater moving body 2, and an arithmetic device 4 that receives sensor values from the gyro sensor 3. The configuration includes an estimation system 5 that estimates the azimuth angle of the underwater vehicle 2.

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 underwater vehicle 2 indicates the nose direction of the underwater vehicle 2 as an angle from a certain reference azimuth. In the present embodiment, the azimuth serving as a reference for indicating the azimuth angle of the underwater vehicle 2 will be described as the positive direction of the x axis in the xy orthogonal coordinate system shown in FIG. 2 (the right direction in FIG. 2). Note that the xy orthogonal coordinate system shown in FIG. 2 is set in the use area of the underwater vehicle 2, and may be a coordinate system fixed to the earth such as latitude and longitude, or the underwater vehicle 2 The coordinate system set according to the shape of the used area and the structure to be the used area may be used.

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 body 2 and sending the angular velocity detection result to the arithmetic device 4 as a sensor value.

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 underwater vehicle 2 as a propulsion or steering control device (not shown) of the underwater vehicle 2, a control device 6 for remotely operating the underwater vehicle 2, A function of sending the azimuth information of the underwater vehicle 2 to various devices is provided.

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ψの推定情報を受け取る機能と、受け取った方位角ψ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 estimation system 5 as described below, using the estimated information of the received azimuth [psi N, the sensor value of the gyro sensor 3 A function for calibrating the azimuth angle information acquired based on this is provided.

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 estimation system 5 includes an underwater vehicle 2, a control device 6 for the underwater vehicle 2, a measurement device 7 that measures data used for detecting the position of the underwater vehicle 2, an azimuth angle estimation device 8, and a determiner 9 It is set as the structure provided with these.

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 underwater vehicle 2 is a propulsion device (not shown) that includes a propulsion device capable of generating a thrust including a front-rear direction component and a thrust including a left-right direction component, and at least maintaining an azimuth angle. , It is possible to move forward, backward, left and right.

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 underwater vehicle 2 can achieve forward, backward, leftward, and rightward movements while maintaining the azimuth angle of the underwater vehicle 2, the type, number, and arrangement of the underwater vehicle are as follows: It may be set arbitrarily.

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 underwater vehicle 2 may be configured to include a rudder (not shown) used for changing the direction of the aircraft, that is, the azimuth angle.

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 control device 6 is a device that gives a movement instruction to the underwater moving body 2 in accordance with an operation of a pilot (not shown). The control device 6 has a function capable of instructing the underwater moving body 2 to move forward, backward, leftward, and rightward at least while maintaining the azimuth angle. If this function is provided, the control device 6 may be of any configuration such as a configuration having a controller such as a pad type or a joystick type, a configuration having a display device such as a VR goggles, or the like. .

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 mobile body 2 are simply forward, backward, leftward, and rightward movements of the underwater mobile body 2 for convenience of explanation. This is called moving.

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 control device 6 and the underwater mobile body 2 give instructions for forward, backward, leftward, and rightward movement from the control device 6 to the underwater mobile body 2, the underwater mobile body 2 moves in the instructed direction from the movement start position. It is adjusted to move forward, backward, left, and right. At this time, if the environment of the use area of the underwater moving body 2 is an environment in which there is a disturbance affecting the underwater moving body 2, the underwater moving body 2 moves while correcting the influence of the disturbance received on its own aircraft. The control device 6 and the underwater vehicle 2 are adjusted so as to move forward, reverse, left, and right from the start position.

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 control device 6 and the underwater vehicle 2 may be connected by wire, or may exchange information such as a movement instruction by means other than wired connection.

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 measuring device 7 uses an imaging sonar (also referred to as an acoustic camera) which is a kind of active sonar.

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 measuring device 7 is installed in the use area of the underwater moving body 2. At this time, the measurement device 7 performs measurement so that the measurement range includes from the position where the operation of the underwater moving body 2 starts to the target position of the movement of the underwater moving body 2 in the use area of the underwater moving body 2. The arrangement and orientation of the measurement range of the device 7 are set. Thereby, the coordinates of the installation position of the measuring device 7 in the xy orthogonal coordinate system set in the use area of the underwater vehicle 2 are clarified. Further, based on the specification of the measurement device 7, the measurement range of the measurement device 7 in the xy orthogonal coordinate system is also clarified.

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 device 7 can obtain an image overlooking the measurement range, and can obtain an image of the underwater moving body 2 that is an object that exists in the measurement range and generates an echo in the image. .

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 device 7 in the present embodiment outputs information on the image overlooking the measurement range as image data including information on the position of the underwater moving body 2. Therefore, the estimation system 5 of the present embodiment is configured to include an image processing unit 10 as a position estimation device that receives image data including information on the position of the underwater moving body 2 from the measurement device 7. The function of estimating the position of the underwater moving body 2 by performing image processing of image data received from the measuring device 7 is provided.

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 device 7, the image of the underwater moving body 2 that generates an echo has a luminance value different from the surroundings. By the way, the image data also includes an image of a fixed object other than the underwater moving body 2 that generates an echo existing in the measurement range of the measurement device 7.

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 image processing unit 10 performs background difference processing based on a plurality of image data received from the measuring device 7 at a certain time difference, and only pixel information of the image of the underwater moving body 2 that is a moving object is obtained from the entire image. To extract.

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 image processing unit 10 obtains the position of the underwater moving body 2 as pixel position information by obtaining the luminance gravity center of the extracted image of the underwater moving body 2.

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 measurement device 7 in the xy orthogonal coordinate system are clear. Therefore, the information is stored in the image processing unit 10 in advance.

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 image processing unit 10 can convert the position information of the pixel indicating the position of the underwater moving body 2 into the position coordinate information in the xy orthogonal coordinate system, and the position coordinates in the xy orthogonal coordinate system after the conversion Is estimated as the coordinates of the position of the underwater vehicle 2.

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 image processing unit 10 has a function of sending information on the position of the underwater vehicle 2 estimated by the above processing to the azimuth angle estimation device 8.

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 image processing unit 10 may have a configuration including an arithmetic unit dedicated to image processing, or may be implemented as one of the functions in the azimuth angle estimation device 8 or other devices having a calculation function. .

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 angle estimation device 8 will be described, and an azimuth angle calibration method performed by the azimuth angle calibration system of the present embodiment will be described.

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 angle estimation device 8 has a function of performing azimuth angle estimation processing based on information on the estimated position of the underwater moving body 2 received from the image processing unit 10.

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 angle estimation apparatus 8 performs an initialization process in advance on the following parameters required for calculation of the estimation process.

たとえば、傾きφN−1=0、分散PN−1=10、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φおよび分散P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 control device 6 performs a process of instructing any one of forward movement, reverse movement, left movement, and right movement of the underwater moving body 2. Along with this processing, the azimuth estimation device 8 has a function of receiving, from the control device 6, information related to the moving direction of the underwater moving body 2 instructed by the control device 6.

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 body 2 can be obtained from the image data of the measuring device 7 or the like. For this reason, as the moving direction of the underwater moving body 2, a direction that does not cause interference with surrounding fixed objects even if the underwater moving body 2 is moved from the current position may be selected.

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 control device 6 by an operator (not shown). Further, the control device 6 is provided with a start switch and a program for azimuth angle estimation processing, and when the start switch is operated, the control device 6 moves forward, backward, leftward and rightward of the underwater vehicle 2. Alternatively, a direction in which interference with peripheral fixed objects does not occur even when the underwater vehicle 2 is moved from the current position may be selected, and an instruction to move in that direction may be issued. The start switch may be a physical switch or a switch operated on the screen.

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 underwater vehicle 2 starts moving in the direction instructed by the control device 6 from the current position.

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(x、y)とする。 The azimuth estimation device 8 detects the position of the underwater moving body 2 at the start of movement based on the information received from the image processing unit 10, and sets the position as coordinates (x 0 , y 0 ).

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(x、y)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 azimuth estimation device 8 determines the position of the underwater vehicle 2 estimated by the image processing unit 10 based on the image data output from the measurement device 7 for each set step after the start of the azimuth estimation processing. The information is received, and the position is set as coordinates (x N , y N ). N indicates the number of steps after the start of the azimuth angle estimation process. Note that the period of the step may be constant or may not be constant.

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φと、分散Pを更新する処理を行う。 Next, the azimuth estimation device 8 performs a process of updating the inclination φ N of the movement trajectory and the variance P N by the successive least square method using the following two equations.

Figure 2019207181
Figure 2019207181

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 mobile body 2 is affected by disturbances and other various influences and the actual movement trajectory 11 of the underwater mobile body 2 meanders, the underwater mobile body The trajectory of movement 2 can be estimated as a straight line 12 as shown by a two-dot chain line in FIG.

傾きφと、分散Pが更新されると、方位角推定装置8は、次の式により、傾きφ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θ[rad]を演算する処理を行う。 When the slope φ N and the variance P N are updated, the azimuth estimation device 8 uses the following formula to set the positive direction of the x-axis as the reference (0 [rad]) with respect to the slope φ N and counterclockwise Processing for calculating an angle θ N [rad] with the direction being positive is performed.

Figure 2019207181
Figure 2019207181

なお、tan−1は、角度θ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θ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 underwater vehicle 2 has moved, it is necessary to convert from 0 [rad] in the direction of 2π [rad].

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(x,y)と、推定中の位置の座標(x、y)とを用いて、水中移動体2が座標(x,y)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 azimuth estimation device 8 uses the coordinates (x 0 , y 0 ) of the position at the start of movement in the azimuth estimation process and the coordinates (x N , y N ) of the position being estimated to move underwater. The quadrant 2 is moved from the coordinates (x 0 , y 0 ) to which quadrant, and the angle is corrected.

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ψ[rad]を算出する処理を行う。 Further, when correcting the angle, the azimuth angle estimation device 8 is one of the forward, backward, leftward, and rightward movement directions of the underwater moving body 2 indicated by the control device 6 at the start of the azimuth angle estimation process. Based on whether or not the azimuth angle ψ N [rad] of the underwater vehicle 2 is calculated.

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、「x−x>0」という第1条件、および、「y−y>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 underwater vehicle 2 has moved is identified based on the first condition “x N −x 0 > 0” based on the history of the position where the underwater vehicle 2 has moved, and “y N The second condition “−y 0 > 0” is used, and the determination is made according to whether each condition is true or false. When both conditions are true, it can be determined that the underwater vehicle 2 has moved to the first quadrant. Further, when the first condition is true and the second condition is false, it can be specified that the underwater vehicle 2 has moved to the fourth quadrant. When the first condition is false and the second condition is true, it can be specified that the underwater vehicle 2 has moved to the second quadrant. If both conditions are false, it can be determined that the underwater vehicle 2 has moved to the third quadrant.

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ψ[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 underwater vehicle 2 instructed by the control device 6 at the start of the azimuth angle estimation process is forward, the azimuth angle estimating device 8 follows the following Table 1 and the azimuth angle ψ of the underwater vehicle 2 N [rad] is calculated. In the table, T is true, and F is a false determination result (the same applies to Tables 2, 3, and 4 described later).

Figure 2019207181
Figure 2019207181

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ψ[rad]を算出する処理を行う。 When the moving direction of the underwater vehicle 2 indicated by the control device 6 at the start of the azimuth angle estimation process is reverse, the azimuth angle estimation device 8 follows the following Table 2 and the azimuth angle ψ N of the underwater vehicle 2 Processing to calculate [rad] is performed.

Figure 2019207181
Figure 2019207181

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ψ[rad]を算出する処理を行う。 When the moving direction of the underwater vehicle 2 instructed by the control device 6 at the start of the azimuth angle estimation process is to the left, the azimuth angle estimating device 8 follows the following Table 3 and the azimuth angle ψ of the underwater vehicle 2 N [rad] is calculated.

Figure 2019207181
Figure 2019207181

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ψ[rad]を算出する処理を行う。 When the moving direction of the underwater vehicle 2 indicated by the control device 6 at the start of the azimuth angle estimation process is rightward movement, the azimuth angle estimation device 8 follows the following Table 4 and the azimuth angle ψ of the underwater vehicle 2 N [rad] is calculated.

Figure 2019207181
Figure 2019207181

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ψ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 underwater vehicle 2 is calculated according to the movement direction of the underwater vehicle 2 indicated by the control device 6 and the determination results of the first condition and the second condition shown in each table. The relationship with the equation may be stored in the azimuth estimation device 8.

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−1φの計算ができないため、角度θ[rad]を演算で求めることはできない。しかし、φの値が大きくなることからは、角度θ[rad]がπ/2付近となることが分かる。 Meanwhile, if the moving direction of the underwater vehicle 2 along the y-axis direction, because it can not calculate the tan -1 phi N, can not be determined angle θ N [rad] in operation. However, since the value of phi N is large, it is seen that the angle θ N [rad] is near [pi / 2.

そこで、方位角推定装置8は、φの値についての閾値が設定される機能と、φの値が閾値を超えた場合には、角度θ[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 device 8 has a function of a threshold for the value of phi N is set, when the value of phi N exceeds the threshold, the angle θ N [rad] be regarded as [pi / 2 A function to perform processing is provided. Note that the threshold value in this case is appropriately set according to the estimation accuracy of the position of the underwater vehicle 2 and the accuracy required for estimation of the azimuth angle.

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、(y−y)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 azimuth estimation device 8 calculates (y N −y 0 ) based on the history of the position where the underwater vehicle 2 has moved, and if the calculation result is a positive value, the underwater vehicle 2 If the movement direction is estimated to be the positive direction of the y-axis, and the calculation result is a negative value, the movement direction of the underwater moving body 2 is estimated to be the negative direction of the y-axis. Yes.

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θに代入することで、水中移動体の方位角ψ[rad]を算出する。 The azimuth estimation device 8 substitutes the movement direction of the underwater vehicle 2 thus obtained for θ N in the equations when the first and second conditions in the first to fourth tables are both true. Thus, the azimuth angle ψ N [rad] of the underwater moving object is calculated.

これにより、方位角推定装置8は、水中移動体2の方位角ψを求めることができる。 Thus, the azimuth angle-estimating device 8 can determine the azimuth angle [psi N of underwater vehicle 2.

方位角推定装置8は、水中移動体2の方位角ψが求まると、その結果を方位角ψ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Pの結果と共に、判断器9へ送る処理を行う。 When the azimuth angle estimation device 8 finds the azimuth angle ψ N of the underwater vehicle 2, the result is used as estimation information of the azimuth angle ψ N and the result of the variance P N obtained by the sequential least square method at the same number of steps. , Processing to be sent to the determiner 9 is performed.

その後、方位角推定装置8は、傾きについて、φN−1=φとし、分散について、PN−1=P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(x、y)とする処理から、水中移動体2の方位角ψを算出する処理までを繰り返し実施する。 After that, the azimuth estimation device 8 sets φ N−1 = φ N for the inclination and P N−1 = P N for the variance, advances one step, and outputs the image data output by the measurement device 7. Information on the position of the underwater moving body 2 estimated based on the position is received from the image processing unit 10 and the azimuth angle ψ N of the underwater moving body 2 is calculated from the processing using the position as coordinates (x N , y N ). Repeat until the process.

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P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ψの推定情報と、分散Pの結果を受け取ると、そのうちの分散Pについて、分散P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。 Determination unit 9 from the azimuth estimation device 8, and the estimate of the azimuth angle [psi N, receives the results of dispersion P N, the dispersion P N of which, or less than threshold value square root is set Distributed P N It has a function of performing a process of determining whether or not.

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P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Pと同時に方位角推定装置8より受け取った方位角ψの推定情報を、演算装置4へ送る機能を備えている。 Moreover, determination unit 9, by the determination process, the square root of the variance P N is the threshold alpha [rad] determination result that less is obtained, received from the dispersion P N at the same time as the azimuth angle estimating apparatus 8 orientation the estimate of the angular [psi N, and a function of sending to the computing device 4.

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ψ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 estimation system 5 estimates the azimuth angle ψ N of the underwater vehicle 2 based on the position information of the underwater vehicle 2 detected by the measuring device 7 provided outside the underwater vehicle 2. It is not affected by errors caused by accumulation of integration errors with the passage of time, which has been caused by the method of calculating the azimuth angle by integrating the sensor values of the gyro sensor.

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ψ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 determiner 9 estimation system 5, for azimuth information based on the sensor value of the gyro sensor 3 is calibrated, the accuracy of the azimuth angle information Falls within the range of ± α [rad].

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ψ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 angle calibration system 1 according to the present embodiment performs the azimuth angle calibration method according to the above-described procedure, so that the arithmetic device 4 obtains the azimuth obtained by the arithmetic device 4 based on the sensor value of the gyro sensor 3. even the error has occurred on the corner information, using the estimate of the azimuth angle [psi N arithmetic unit 4 receives from the estimation system 5, it is possible to calibrate the azimuth information to a state that satisfies the accuracy desired.

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ψを推定することができる。 At this time, the estimation system 5, based on information on the position of the underwater vehicle 2 to move in response to the instruction of the moving direction from the steering apparatus 6, it is possible to estimate the azimuth angle [psi N of underwater vehicle 2.

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 underwater vehicle 2 to a point where the angle error is a specific amount is not required.

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ψ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 estimation system 5 is used to satisfy the desired accuracy. The effect that the azimuth angle information can be calibrated can be obtained.

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 estimation system 5, the four directions of forward, reverse, left movement, and right movement were shown as the movement directions instructed to the underwater vehicle 2 by the control device 6. On the other hand, as an application example of the azimuth angle estimation process performed by the estimation system 5, an arbitrary moving direction may be instructed to the underwater moving body 2 by the control device 6.

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 body 2 by the control device 6, the angle to the instructed moving direction is set to, for example, an angle β (= 0 in the counterclockwise direction with reference to the nose direction. ˜2π [rad]) and information on the angle β is stored.

次に、前記実施形態と同様に、方位角推定装置8は、角度θ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θ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ψ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ψ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 angle estimating device 8, the processes to estimate the angle theta N. Next, the azimuth angle estimation device 8 is based on the angle θ N and the history of the position where the underwater vehicle 2 has moved, regardless of the first condition and the second condition, and the movement direction instructed to the underwater vehicle 2. using the first table indicated formula, in place of the azimuth angle [psi N of underwater vehicle 2 performs a process for determining the azimuth underwater vehicle 2 has moved. Thereafter, the azimuth angle estimating device 8, from the direction in which the underwater vehicle 2 obtained has moved, by performing a process of pulling the said angle beta, if to perform the process of obtaining the azimuth angle [psi N of underwater vehicle 2 Good.

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ψ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 estimation system 5, the maneuvering device 6 instructs the underwater moving body 2 to move at a certain angular velocity as a movement including a rotational movement. 5, the position of the underwater vehicle 2 that moves in accordance with the instruction is detected, the movement direction of the underwater vehicle 2 that moves at the instructed angular velocity is obtained from the change in the position, and the underwater vehicle 2 is moved based on the obtained movement direction. it is conceivable to estimate the azimuth angle [psi N mobile 2.

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 control device 6, the azimuth angle estimation device 8, and the determination device 9 in the estimation system 5 are described separately, but any two of the control device 6, the azimuth angle estimation device 8, and the determination device 9, or Of course, three may be provided together as a function in a certain device.

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 device 7 that measures data used for detecting the position of the underwater moving body 2 is exemplified by an imaging sonar. On the other hand, the position of the underwater vehicle 2 is detected, and data that makes it possible to specify the coordinates of the position of the underwater vehicle 2 in the orthogonal coordinate system set in the use area of the underwater vehicle 2 is measured. Of course, the measuring device 7 may employ an active sonar other than the imaging sonar, or a measuring device other than the active sonar. In this case, the data output from the measuring device 7 is processed by the position estimation device according to the format of the data to estimate the position of the underwater moving body 2 and the position of the estimated underwater moving body 2 is estimated. Information may be sent to the azimuth estimation device 8.

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 underwater vehicle 2 by the control device 6. On the other hand, the azimuth angle calibration system and the azimuth angle calibration method of the present disclosure, when performing the azimuth angle estimation process in consideration of the type of the propulsion device of the underwater mobile body 2, the motion performance of the underwater mobile body 2, etc. As a movement direction that can be instructed to the underwater moving body 2 by the control device 6, only one direction among the four directions of forward movement, backward movement, left movement, and right movement, or two or three directions can be designated. Also good. In this case, the azimuth estimation device 8 only needs to store a table corresponding to the instructable direction from the first to fourth tables.

判断器9は、方位角推定装置8より受け取る分散P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ψ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Pについて、前回のステップで受け取った分散P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ψ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P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P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ψ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 azimuth estimating device 8 showed estimate of the azimuth angle [psi N received simultaneously, as a function of sending to the computing device 4. In contrast, determination unit 9, the dispersion P N receive from azimuth estimating unit 8, a function of determining the rate of change of the dispersion P N received in the previous step, the change rate is below the set value, the estimate of the azimuth angle [psi N, or as a function of sending to the computing device 4. This dispersion P N, in order not changed at all if there step has elapsed, it becomes less certain value rate of change of dispersion P N is set, used to calibrate the azimuth information in the arithmetic unit 4 This is because it can be determined to have converged to a possible accuracy of the azimuth angle [psi N.

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ψ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。 Underwater vehicle 2 in accordance with the moving direction of the instruction by the control apparatus 6, while maintaining the azimuth angle [psi N, if provided with movable in the indicated direction feature underwater vehicle of any type other than underwater robot Of course, the body 2 may be used, and the purpose of use is not particularly limited.

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、φ 傾き、P 分散、θ 角度、ψ 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)

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.
前記計測装置は、イメージングソーナーとした
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.
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
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.
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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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112630724A (en) * 2020-10-30 2021-04-09 哈尔滨工程大学 High-resolution target azimuth estimation method suitable for UUV platform
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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