JP2019525335A - 空間内で物体を位置決めする装置 - Google Patents

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Abstract

本発明は、計測装備に関連しており、６自由度で空間を自由に移動する物体の座標及び角度値を計測する手段を作るのに使用できる。本発明は、特に、訓練システム、ロボット工学、ならびに拡張仮想現実及び複合現実システムにおいて、座標入力装置としてヒューマン−マシンインターフェイスに適用できる。技術成果は、センサを備えているプラットフォームの移動に起因する重力ベクトルの方向の計測誤差を無くすことによって計測精度を向上させるものである。水平な平面内に静止して配置されているインダクタンスコイルと、インダクタンスコイルの電源と、計算ユニットと、移動している物体上に配置されており、３成分磁力計と、３成分加速度計と、３成分ジャイロスコープと、を有しているセンサを備えているプラットフォームと、を有し、インダクタンスコイルの電源は、クロック発生器によって制御されているコイル電流レギュレータを有しており、計算ユニットは、磁力計のクロッキング及びインダクタンスコイルによって発生した磁界パルスの位相への磁力計の計測位相の同期を確実にする位相同期ループを実現するように構成されている請求される装置が存在する。【選択図】 図１

Description

本発明は、計測装備に関連しており、６自由度で空間を自由に移動する物体の座標及び角度値を計測する手段を作るのに使用できる。本発明は、特に、訓練システム、ロボット工学、ならびに拡張仮想現実及び複合現実システム、また、ゲーム産業（マニピュレータ、ゲームコントローラ等として）、製造部門（工業装備作業部品を位置決めする装置、プロセス制御）、及びＣＡＤ設計（入力システム、設計プロセス制御）において、座標入力装置としてヒューマン−マシンインターフェイスに適用可能である。
空間内で物体を位置決めする装置が知られている（特許文献１、Ｃｈｅｒｎｙｓｈｏｖ Ｅ．Ｓ．、Ｇ０１Ｃ２１／０８、２０１５年２月２７日公開）。必須の特徴の組についてのこの発明は、請求している発明に最も近く、プロトタイプのために採用されている。既知の装置は、インダクタンスコイル（磁界源）、制御電流レギュレータ、デジタル３成分磁力計、デジタル３成分加速度計、及び計算ユニットからなる。既知の装置は、加速度計によって重力ベクトルを計測し、磁力計によって地球の磁界の誘導ベクトル及び水平面内に静止して配置されているインダクタンスコイルの磁界誘導ベクトルを計測することによって物体の位置を求める。
ロシア国特許出願公開第２５４２７９３号明細書
Ｒａａｂ Ｆ．、Ｂｌｏｏｄ Ｅ．、Ｓｔｅｉｎｅｒ Ｏ．、Ｊｏｎｅｓ Ｈ．、Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ（磁気位置及び方向追跡システム）、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ、Ｖｏｌ．ＡＥＳ−１５、Ｎｏ．５、１９７９年９月、Ｐ．７０９〜７１７ Ｚａｌｍａｎｚｏｎ Ｌ．Ａ．、Ｆｏｕｒｉｅｒ、Ｗａｌｓｈ、Ｈａａｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｆｉｅｌｄｓ（フーリエ、ウォルシュ、ハール変換及び制御、通信、及びその他の分野でのその応用）、Ｍ．：Ｓｃｉｅｎｃｅ．Ｃｈ．ｅｄ．ｐｈｙｓ．−ｍａｔ．ｌｉｔ、１９８９年、Ｐ４９６ Ｃｈｙｅ Ｅ．Ｕ．、Ｃｈｅｒｎｙｓｈｏｖ Ｅ．Ｓ．、Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｎｅｒｔｉａｌ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ａｎ ｏｂｊｅｃｔ（物体の位置及び方向を求める磁性慣性法）、Ｂｕｌｌｅｔｉｎ ｏｆ Ｐａｃｉｆｉｃ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ、２０１４年、Ｎｏ．１（３２）、Ｐ６９〜７８ Ｃｈｅｒｎｙｓｈｏｖ Ｅ．Ｓ．、Ｏｔｃｈｅｓｋｙ Ｓ．Ａ．、Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｍｏｖｅｍｅｎｔｓ（運動追跡のための微小電子機械システム）、Ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｓｓｕｅｓ ｉｎ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｗｏｒｋ ａｎｄ ｅｄｕｃａｔｉｏｎａｌ ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ：ａ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｐａｐｅｒｓ ｏｎ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ａｎｄ Ｐｒａｃｔｉｃａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｊａｎｕａｒｙ ３１、２０１３：ｉｎ １３ ｐａｒｔｓ、Ｐａｒｔ ８、Ｔａｍｂｏｖ：Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ ｈｏｕｓｅ ｏｆ Ｔａｍｂｏｖ Ｒｅｇｉｏｎａｌ Ｐｕｂｌｉｃ Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ Ｂｕｓｉｎｅｓｓ−Ｓｃｉｅｎｃｅ−Ｓｏｃｉｅｔｙ、２０１３年、Ｐ１４７〜１４８ Ｙａｒｏｓｌａｖｓｋｙ Ｌ．Ｐ．、Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ ｄｉｇｉｔａｌ ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ（デジタル画像処理入門）、Ｍ．：Ｓｏｖ．ｒａｄｉｏ、１９７９年、Ｐ３１２ Ｚｈｅｌａｍｓｋｉｉ Ｍ．Ｖ．、Ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｆｉｅｌｄ ｆｏｒ ｌｏｃａｌ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｉｎ ｅｎｃｌｏｓｅｄ ｓｐａｃｅｓ（閉空間内での局所的移動のため位置決め場の構成の特徴）、Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ、２０１４年、Ｎｏ．７、Ｐ４０〜４５、Ｚｈｅｌａｍｓｋｉｉ Ｍ．Ｖ．、Ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｆｉｅｌｄ ｆｏｒ ｌｏｃａｌ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｉｎ ｅｎｃｌｏｓｅｄ ｓｐａｃｅｓ（閉空間内での局所的移動のため位置決め場の構成の特徴）、Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ、２０１４年、Ｖｏｌ．５７、Ｎｏ．７、Ｐ．７９１〜７９９
プロトタイプの欠点は、移動した時にセンサを備えているプラットフォームにおける自体の加速度の存在に起因する重力ベクトル方向の加速度計による計測誤差の存在による低い動的精度に帰着させることができる。また、計算ユニットと電流安定器との間の通信線の存在は、装置の人間工学的設計に悪影響があり、物体の移動の自由を制限するかもしれない。
本発明の目的は、動的計測精度が向上し、人間工学が向上し、機能（拡張性及びモジュール性）が向上していることでプロトタイプとは異なる、移動している物体の位置及び方向を求めるための、構成が単純で使用が容易な装置を作ることである。
技術成果は、センサを備えているプラットフォームの移動に起因する重力ベクトルの方向の計測誤差を無くすことによって計測精度を向上させるものである。
重力ベクトルの方向の計測の誤差を無くすことは、計測値が加速度計の計測値の修正に以降で使用される３成分ジャイロスコープをセンサを備えている移動プラットフォームが追加で備えることによって達成される。
請求される発明を使用して達成される追加の効果は、計算ユニットと電源との間の通信線が不要になることである。
計算ユニットと電源との間の通信線が不要になることは、所与の周波数を使用して制御コイル電流レギュレータに電流反転信号を供給するクロック発生器を電源が追加で備え、磁力計のクロッキング及び磁力計の計測位相のインダクタンスコイルによって発生する磁界パルスの位相との同期の保証のための位相同期ループユニットを計算ユニットが追加で備えることによって達成される。
請求される装置は、水平な平面内に静止して配置されているインダクタンスコイルと、インダクタンスコイルの電源と、計算ユニットと、移動している物体上に配置されており、３成分磁力計と、３成分加速度計と、３成分ジャイロスコープと、を有しているセンサを備えているプラットフォームと、を有し、インダクタンスコイルの電源は、クロック発生器によって制御されているコイル電流レギュレータを有しており、計算ユニットは、磁力計のクロッキング及びインダクタンスコイルによって発生した磁界パルスの移相への磁力計の計測位相の同期を確実にする位相同期ループを実現するように構成されている。
特定の実施態様において、計算ユニットは、磁界周波数成分選択ユニットと；磁力計の計測用の位相同期ループユニットと；センサを備えているプラットフォームの方向角度を計算するユニットと；センサを備えているプラットフォームの回転補償ユニットと；センサを備えているプラットフォームの座標計算ユニットと、を有していてもよい。
他の特定の実施態様において、クロック発生器の出力は、電流レギュレータの入力に接続されており、電流レギュレータの出力は、インダクタンスコイルの端子に接続されている。
他の特定の実施態様において、磁力計の出力は、磁界周波数成分選択ユニットの入力に接続されている。
他の特定の実施態様において、磁界周波数成分選択ユニットの第１の出力は、位相同期ループ周波数制御ユニットの入力に接続されており、第２の出力は、回転補償ユニットの第１の入力に接続されており、第３の出力は、方向角度計算ユニットに接続されている。
他の特定の実施態様において、位相同期ループ周波数制御ユニットの出力は、磁力計の入力に接続されている。
他の特定の実施態様において、ジャイロスコープの出力は、方向角度計算ユニットの第２の入力に接続されている。
他の特定の実施態様において、加速度計の出力は、方向角度計算ユニットの第３の入力に接続されている。
他の特定の実施態様において、方向角度計算ユニットの出力は、回転補償ユニットの第２の入力に接続されており、その出力は、座標計算ユニットの入力に接続されている。
図１は、装置の模式的な構造の図である。 図２は、時間に対するインダクタンスコイル電流のグラフである。 図３は、数個の磁界源及び数個の独立している位置決めされる物体を有しているシステムのトポロジである
請求される装置は、水平な平面内に静止して配置され、所与の周波数を備えているクロック発生器３から電流の極性を変更する信号を受信する制御電流レギュレータ２に接続されているインダクタンスコイル１（磁界源）からなる。制御電流レギュレータ２は、クロック発生器３と共に、インダクタンスコイル１の電源を構成している。
デジタル３成分磁力計５、ジャイロスコープ６、及び加速度計７が、プラットフォーム８上に配置されている。センサ８を備えているプラットフォームは、移動している物体に剛性をもって固定されている。磁力計５、ジャイロスコープ６、及び加速度計７は、計算ユニット１４とやり取りし；計算ユニット１４は、磁界周波数成分選択ユニット９；位相同期ループユニット１０；センサを備えているプラットフォームの方向角度計算ユニット１１；センサを備えているプラットフォームの回転補償ユニット１２；及びセンサを備えているプラットフォームの座標計算ユニット１３を有している。磁力計５の出力は、磁界周波数成分選択ユニット９の入力に接続されており、その第１の出力は、位相同期ループユニット１０の入力に接続されており、第２の出力は、回転補償ユニット１２の第１の入力に接続されており、第３の出力は、方向角度計算ユニット１１に接続されており、位相同期ループユニット１０の出力は、磁力計５の入力に接続されており、ジャイロスコープ６の出力は、方向角度計算ユニット１１の第２の入力に接続されており、加速度計７の出力は、方向角度計算ユニット１１の第３の入力に接続されており、方向角度計算ユニット１１の出力は、回転補償ユニット１２の第２の入力に接続されており、その出力は、座標計算ユニット１３の入力に接続されている。
誘導コイル１は、絶縁されている電線を円柱状のベース上に巻くことによって作ったり、印刷回路基板上で導体を同心状に巻いて製造された平面状のコイルの形態で作ったり、他の方法で作ったりすることができる。その場合、強磁性体のコアの使用は好ましくないが、それは、地球磁界の著しい局所的な歪みにつながるからである。しかし、コイルが小さく、装置の動作時に、センサを十分にコイルから離すことができる場合には許容できる。
インダクタンスコイル１の直径、巻数、及び導体の断面は、装置の作業領域に必要な半径、電力消費、ならびにコイルの重量及び大きさを確保するように、解決する問題に基づいて決められる。一般的な場合、巻きの直径及び数の増加は、コイル電流が比例して減少せずに、作業領域の増加につながり、同時に、重量及び大きさが減少し、コイルの能動的抵抗の増加に比例して電力消費が増加する。エネルギー消費を減少させるためには、導体の断面を増加させることが必要であって、それがまた重量及び大きさを減少させ、コイルの原価に際だって影響するかもしれない。
作業領域は、センサを備えているプラットフォーム８の位置決めが行われるインダクタンスコイル１の周囲の空間の領域を意味する。作業領域の大きさは、インダクタンスコイル１、電源４、及び磁力計５の特性だけでなく、要求される計測精度に依存する。一次近似において、計測誤差は、磁力計からインダクタンスコイル１までの距離の２乗に比例し（非特許文献１）、そのため、要求される計測精度を保証するためには、装置の作業領域の大きさを制限する必要がある。作業領域の外側では、計測の精度は、１個または数個の座標において要求される値よりも低くなる。さらに距離が増加すると、磁力計で計測される磁界の誘導値が、磁力計の感度／誤差レベル未満へ減少することになり、それによって、センサを備えているプラットフォームの座標を求めることができなくなる。
インダクタンスコイル１の時定数も、重要な特性であるが、それは、時定数がコイル電流極性切換の期間を決め、それが今度は、装置の実現可能な最大計測周波数に影響するからである。時定数を減少させること、つまり、インダクタンスを減少させて、及び／または能動的電気抵抗を増加させて、極性切換の期間を減少させることが必要である。
電流レギュレータ２の制御部及びクロック発生器３は、既知の構成に従って、個別の電子部品上で組み立てる、またはマイクロコントローラを使用して実装することができる。第２の場合、クロック発生器は、マイクロコントローラのサブプログラムを表すことになる。
磁力計５は、ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）技法を使用したデジタル出力を備えているチップの形態、または、３個の直交する感知素子だけでなく、増幅及びアナログ−デジタル信号変換回路を含んでいる組み立て品の形態で作られている任意の既知の型式（磁気抵抗センサ、ホール効果センサ）の３成分磁界誘導センサで表すことができる。前提条件は、磁力計が、外部信号で計測を開始する単一の計測モードを有することである。磁力計の適切なモデルは、ＳＴＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ＬＩＳ３ＭＤＬ、ＭＥＭＳＩＣ ＭＭＣ３４１６ｘＰＪ、及び同様なモデルである。
ジャイロスコープ６及び加速度計７は、ＭＥＭＳ技法に従って作られており、デジタル出力を備えているチップの形態の３成分センサを表している。
原価、質量、及び大きさについて、最も好ましい選択肢は、３成分磁力計、３成分ジャイロスコープ、及び３成分加速度計を含んでいる、単一のデジタルＭＥＭＳチップの形態に作られている、複合センサの使用である。そのようなセンサは、たとえば、ＳＴＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ＬＳＭ９ＤＳ１である。
センサを備えているプラットフォーム８は、磁力計５、ジャイロスコープ６、及び加速度計７が配置されているプリント回路基板を表している。ＭＥＭＳ技法によって作られているデジタルセンサを使用する場合、プラットフォーム８は、１５×１５×３ｍｍ未満の寸法とすることができる。
計算ユニット１４は、マイクロコントローラまたはパーソナル／シングルボードコンピュータで表すことができるのに対して、計算ユニットの内部ユニット９、１０、１１、１２、及び１３はサブプログラムを表している。計算ユニットは、空間内の所与の点での人工磁界ベクトルの値の情報に基づいて物体の座標を求めるアルゴリズムを、物体の方向を求めるアルゴリズムと共に実装する。
装置の電力を組織化する様々な方法がある。計算ユニットの電力ユニット（図１には示していない）は、計算ユニットと同じ筐体に両方を配置することも、それとは別個に配置することもできる。計算ユニットがパーソナルコンピュータによって表される場合、要求される特性を備えている電源ユニットを概して有している。計算ユニットは、センサにも電力を供給できる。
請求される装置は、以下のように動作する。
制御電流レギュレータ２は、コイル１に、交互の正及び負の極性の電流信号ｉ（ｔ）を供給する（図２）。信号ｉ（ｔ）の極性は、クロック発生器３によって発生する周期的な制御信号によって決まる。コイル１を通過する電流が、磁界を発生する。コイル１の人工磁界が、地球磁界に追加され、磁力計５が、総磁界の磁気誘導ベクトルを計測する。ジャイロスコープ６は、センサを備えているプラットフォームの角速度を計測するのに対して、加速度計７は、センサを備えているプラットフォームに作用している重力ベクトルを計測する。
磁力計５の最高計測周波数ｆｍａｇは、磁界周波数成分選択ユニット９及び位相同期ループユニット１０の正しい動作のためには、以下の条件を満たさなければならない。
ここで、Ｔ０はインダクタンスコイル１の信号周期である（図２参照）。
ジャイロスコープ６及び加速度計７の計測周波数は標準化されておらず、問題を解決するのに任意の適切なものとすることができる。たとえば、人間の動きの効率的なデジタル化のためには、計測周波数は２００Ｈｚで十分である。
センサ５、６、及び７のデジタル形態での読み取り値は、計算ユニット１４に送信される。
簡略化のために、センサ５、６、及び７の座標系は、移動プラットフォーム８に関連付けられている座標系と一致していることを仮定している。そうでない場合、センサの読み取り値は、計算ユニット１４において、移動プラットフォームに関連付けられている単一の座標系で表されなければならない。
計算ユニットは、センサを備えているプラットフォーム８の座標及び方向を求めるために以下の動作を行う。
磁界周波数成分選択ユニット９は、インダクタンスコイル１の信号周期の整数倍（少なくとも１周期）について、磁力計５の各軸の計測値の累積値を生成し、それから、磁界の定数成分−地球磁界の誘導ベクトル及び、磁界の変数成分−誘導コイルの磁界誘導ベクトルＢＳを選択する。ウォルシュ関数（非特許文献２）が基本となるフーリエ変換が、この目的のために使用される。他の変換方法を使用してもよい。
変換の結果、磁力計５の計測値の３軸に対応している磁界変数成分の３成分の各々の振幅と位相の値が得られる。
この場合、成分の位相は、その符号を以下のように特徴付けている：２個の計測成分の位相が一致した場合、成分は同じ符号を有しており；位相がπ（半周期）だけ異なる場合、成分は反対の符号を有しており；πの位相跳躍は、成分の符号の変化に該当している。したがって、ベクトルＢＳは、２個の反対の方向を持ち得る。ベクトルＢＳの方向の明確な決定は、空間内でのセンサの位置及び方向に関連する位相の不明確さによって妨げられる。
位相の不明確さは、いくつかの方法によって無くすことができる。
具体的には、物体の初期の位置及び方向についての粗い事前情報を知ることができる（座標の所与の部分に位置し、所与の方向を有している）。そのような場合、位相の不明確さを、計測の開始後、即座に取り除くことができる。それから、位相同期ループユニット１０は、センサを備えているプラットフォーム８がインダクタンスコイル１の磁界内にある限り、信号位相を追跡することになる。
他の選択肢は、インダクタンスコイル１の信号内の特定の時間パターンの使用であって、それによって計測された信号位相の曖昧さを求めることができる。最も簡単なパターンは、正及び負の信号パルスの異なる継続期間とすることができる。
磁界変数成分の３成分の各々の位相値が、磁力計の計測値の周波数を調整することによって、指定された信号位相と計測された信号位相との間の誤差を最小化するアルゴリズム（たとえば、ＰＩＤ制御アルゴリズム）が実行される位相同期ループユニット１０にそれから送信される。
磁力計を、計測開始の外部信号によって単一の計測モードで起動すべきであって、その場合、計測開始のための信号生成周期を変更することによって、計算ユニットがその計測周波数を柔軟に変更可能である。
ユニット１０の動作の結果、磁力計５計測値の周波数及び位相は、インダクタンスコイル１信号の周波数及び位相に対応することになる。
計算の次の段階において、地球の磁場の誘導ベクトルのＢＥ値は、ユニット９から方向角度計算ユニット１１に転送され、方向角度計算ユニット１１は、ジャイロスコープ６及び加速度計７の計測値も受信する。
加速度計７の計測値は、重力ベクトルを表している。使用されるセンサの低精度特性のせいだけでなく、様々な外乱（電子装備、振動、及びセンサを備えているプラットフォームの加速する移動からの取り込み）の影響のせいで、ＢＥ及びＧの値は、非常に雑音が多くなることがある。そのため、装置の動的特性を減少させることなく計測精度を改善するには、ベクトルＢＥ及びＧの方向の相補フィルタリングのためにジャイロスコープ６の計測値を使用する必要がある。
回転行列（非特許文献３）を使用して、ジャイロスコープの計測値を積分することによって得られた角度でベクトルを回転させる。ジャイロスコープの計測期間及びベクトルＢＥ及びＧの計測期間をＴ０に等しくする。すると、再帰相補フィルタ（非特許文献４）は、次の形態を有することになる：
ここで、ＢＥｆ−地球の磁界のフィルタリングされた誘導ベクトル；δ−フィルタ係数でδ＜＜１；Ｗｘ、Ｗｙ、Ｗｚ−それぞれ、ｘ、ｙ、及びｚ軸の周りの計測されたジャイロスコープ回転速度、Ｔ０−ジャイロスコープの計測周期；Ｒｘ（ＷｘＴ０）−ｘ軸を中心にした角度ＷｘＴ０の回転の行列；Ｒｙ（ＷｙＴ０）−ｙ軸を中心にした角度ＷｙＴ０の回転の行列；Ｒｚ（ＷｚＴ０）−ｚ軸を中心にした角度ＷｚＴ０の回転の行列；Ｇｆ−フィルタリングされた重力ベクトル。
方向角度は、ベクトルＢＥｆ及びＧｆの方向において、既知の態様（非特許文献３）で計算される。
次に、物体の得られた方向角度が、回転補償ユニット１２において、インダクタンスコイルの磁界誘導ベクトルＢＳを、磁力計５の座標系から固定されているインダクタンスコイル１に関連付けられている座標系へ変換するために使用される。ベクトルＢＳを、この目的のために、物体の方向の得られた角度とは反対の角度だけ回転される。ベクトルの回転は、回転行列を使用して実行される。
ここで、ＢＳ０−インダクタンスコイル１に関連付けられている座標系におけるインダクタンスコイルの磁界誘導ベクトル（φ＝θ＝ψ＝０における）；φ、θ、ψ−物体の方向の得られた角度（それぞれ、バンク、ピッチ、及びヨーの角度）；ＲＺ（−ψ）−ｚ軸を中心とした−ψの角度の回転の行列；Ｒｙ（−θ）−ｙ軸を中心とした−θの角度の回転の行列；Ｒｘ（−φ）−ｘ軸を中心とした−φの角度の回転の行列。
それから、ベクトルＢＳ０は、座標計算ユニット１３に送信される。ベクトルＢＳ０は、以下の形態を有しているとする。
インダクタンスコイル１は、水平に位置しているので、球面座標系におけるベクトルＢＳ０の方向の方位角（インダクタンスコイル１座標系のｘ０ｙ平面へのベクトル投影とｘ軸との間の角度）は、配置される物体の方位角座標φに一致する。
物体の残りの座標は、解析的に（非特許文献１）または表に固有の関数（非特許文献３）を使用して得ることができる。第２の場合、表は、インダクタンスコイル１の座標系の垂直なｚ軸（コイルの対称軸）を通過する垂直平面の点の配列の精度を表している。各点は、その点でインダクタンスコイルによって発生する磁気誘導ベクトルに関連付けられている。ベクトルの計算は、ビオサバールの法則を使用して行うことができる。大きさ及び方向がベクトルＢＳ０に最も近い磁気誘導ベクトル、またその物体の座標を求めるための座標値を表内で見つける必要がある。それから、たとえば、共１次内挿法（特許文献５）を使用して、所望の物体座標を求めることができる。
装置の説明した構造及び動作の原理によって、位置決めされる物体の数の柔軟な増加及び装置の作業領域の拡大が可能になる。図３は、システムトポロジのオプションを示しており、数個の磁界源及び数個の独立しているセンサを備えているプラットフォームを示している。
最新のコンピュータ技術によって、センサを備えているプラットフォーム（位置２２、２３、２４）の各々について独立している小さいコンピュータユニット（位置２５、２６、２７）を使用できる。このアプローチは、計算ユニットとインダクタンスコイルの電源との間の通信線が無いことと共に、装置の構造を一切変更することなく、配置可能な物体の数を不定に増加させることを可能にする。
別個に配置されている数個のインダクタンスコイル（位置１５、１６、及び１７）を使用して、装置の作業領域を拡大することができる。この場合、コイル信号は、数個のコイルの作業領域の間の境界の位置でそれらの混合を防止するために、周波数または時間によって分離されていなければならない。特定のコイルの信号の選択は、ウォルシュ関数（非特許文献２）の形態を元にしたフーリエ変換またはその他の方法を使用して実行することができる。
隣接しているインダクタンスコイルの信号間の不定な位相の差は、あるインダクタンスコイルの作業領域から他のインダクタンスコイルの作業領域に物体を移動させたときに装置の位相同期ループ周波数制御ユニットの非同期につながることがある。コイルの電源の信号は、この問題を無くすために、互いに同期していなければならない。
この目的を達成するための最も適切な方法は、制御コイル電流レギュレータ（位置１８、１９、及び２０）を、必要な周波数及び位相の信号を生成する１個の共通のクロック発生器２１の出力に接続することである。
一般的な場合、少なくとも４個の異なる信号の周波数（周波数分割）または位相（時分割）を有している磁界源の交番が、任意の大きさ及び形状の作業領域を作るために必要である（非特許文献６）。しかし、「不感」帯の存在が許される場合、２個または３個の異なる周波数／位相を有している磁界源の交番も可能である。
１ インダクタンスコイル
２ 制御電流レギュレータ
３ クロック発生器
４ 電源
５ 磁力計
６ ジャイロスコープ
７ 加速度計
８ センサを備えているプラットフォーム
９ 磁界周波数成分選択ユニット
１０ 位相同期ループユニット
１１ 方向角度計算ユニット
１２ 回転補償ユニット
１３ 座標計算ユニット
１４ 計算ユニット
１５ インダクタンスコイル１
１６ インダクタンスコイル２
１７ インダクタンスコイルＮ
１８ 制御電流レギュレータ１
１９ 制御電流レギュレータ２
２０ 制御電流レギュレータＮ
２１ クロック発生器
２２ センサを備えているプラットフォーム１
２３ センサを備えているプラットフォーム２
２４ センサを備えているプラットフォームＭ
２５ 計算ユニット１
２６ 計算ユニット２
２７ 計算ユニットＭ

Claims (9)

  1. 水平な平面内に静止して配置されているインダクタンスコイルと、
    インダクタンスコイルの電源と、
    計算ユニットと、
    移動している物体上に配置されており、３成分磁力計と、３成分加速度計と、３成分ジャイロスコープと、を有している、センサを備えているプラットフォームと、
    を有し、
    インダクタンスコイルの電源は、クロック発生器によって制御されているコイル電流レギュレータを有しており、計算ユニットは、磁力計のクロッキング及びインダクタンスコイルによって発生した磁界パルスの位相への磁力計の計測位相の同期を確実にする位相同期ループを実現するように構成されている、
    空間内で物体を位置決めする装置。
  2. 計算ユニットは、磁界周波数成分選択ユニットと、磁力計の計測用の位相同期ループを実現するユニットと、センサを備えているプラットフォームの方向角度を計算するユニットと、センサを備えているプラットフォームの回転補償ユニットと、センサを備えているプラットフォームの座標を計算するユニットと、を有している、請求項１に記載の装置。
  3. クロック発生器の出力は、電流レギュレータの入力に接続されており、電流レギュレータの出力は、インダクタンスコイル端子に接続されている、請求項１に記載の装置。
  4. 磁力計の出力は、磁界周波数成分選択ユニットの入力に接続されている、請求項２に記載の装置。
  5. 磁界周波数成分選択ユニットの第１の出力は、位相同期ループを実現するユニットの入力に接続されており、第２の出力は、回転補償ユニットの第１の入力に接続されており、第３の出力は、方向角度を計算するユニットに接続されている、請求項４に記載の装置。
  6. 位相同期ループを実現するユニットの出力は、磁力計の入力に接続されている、請求項４に記載の装置。
  7. ジャイロスコープの出力は、方向角度を計算するユニットの第２の入力に接続されている、請求項２に記載の装置。
  8. 加速度計の出力は、方向角度を計算するユニットの第３の入力に接続されている、請求項２に記載の装置。
  9. 方向角度を計算するユニットの出力は、回転補償ユニットの第２の入力に接続されており、その出力は、座標を計算するユニットの入力に接続されている、請求項２に記載の装置。
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