JP2021067494A - Gravity direction displacement calculation device - Google Patents
Gravity direction displacement calculation device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2021067494A JP2021067494A JP2019191266A JP2019191266A JP2021067494A JP 2021067494 A JP2021067494 A JP 2021067494A JP 2019191266 A JP2019191266 A JP 2019191266A JP 2019191266 A JP2019191266 A JP 2019191266A JP 2021067494 A JP2021067494 A JP 2021067494A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- acceleration
- gravity
- displacement
- time
- frequency
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
本開示は、加速度センサを利用する重力方向の変位又は速度の計算技術に関する。 The present disclosure relates to a technique for calculating displacement or velocity in the direction of gravity using an acceleration sensor.
ブイの加速度センサを利用して、波高を計算することができる(特許文献1を参照。)。一般的に、加速度センサを利用して、重力方向の変位又は速度を計算することができる。 The wave height can be calculated by using the buoy's accelerometer (see Patent Document 1). In general, accelerometers can be used to calculate displacement or velocity in the direction of gravity.
しかし、ブイは、破損及び盗難を被りやすく、メンテナンスの投資を要している。そして、ブイの加速度センサの台数を多くすることは難しいため、データ数を多くして波高を高精度に計算することが難しい。一般的に、加速度センサの台数を多くすることが難しければ、データ数を多くして重力方向の変位又は速度を高精度に計算することが難しい。 However, buoys are vulnerable to damage and theft and require investment in maintenance. Since it is difficult to increase the number of buoy accelerometers, it is difficult to increase the number of data and calculate the wave height with high accuracy. In general, if it is difficult to increase the number of acceleration sensors, it is difficult to increase the number of data and calculate the displacement or velocity in the direction of gravity with high accuracy.
そこで、前記課題を解決するために、本開示は、装置の破損及び盗難を被りにくくし、装置のメンテナンスの投資を抑えながら、加速度センサの台数を多くすることにより、データ数を多くして重力方向の変位又は速度を高精度に計算することを目的とする。 Therefore, in order to solve the above-mentioned problems, the present disclosure increases the number of acceleration sensors by increasing the number of acceleration sensors while making the device less susceptible to damage and theft and suppressing the investment for maintenance of the device, thereby increasing the number of data and gravitational force. The purpose is to calculate the displacement or velocity in the direction with high accuracy.
前記課題を解決するために、携帯端末の加速度センサを利用して、重力方向の変位又は速度を計算する。しかし、携帯端末の加速度センサは、重力方向とは無関係に配置され得るし、重力方向の加速度のみならず、水平振動の加速度を受け得る。そこで、各軸方向の加速度の時間平均を計算し、重力方向の加速度を抽出し、水平振動の加速度を除去する。そして、各軸方向の加速度の時間平均の合成ベクトル方向を重力方向に設定し、各軸方向の加速度の瞬時値を重力方向及び水平方向の加速度の瞬時値に座標変換する。 In order to solve the above problem, the displacement or velocity in the direction of gravity is calculated by using the acceleration sensor of the mobile terminal. However, the accelerometer of the mobile terminal can be arranged independently of the direction of gravity and can receive not only the acceleration in the direction of gravity but also the acceleration of horizontal vibration. Therefore, the time average of the acceleration in each axial direction is calculated, the acceleration in the gravity direction is extracted, and the acceleration in the horizontal vibration is removed. Then, the composite vector direction of the time average of the acceleration in each axial direction is set in the gravity direction, and the instantaneous value of the acceleration in each axial direction is coordinate-converted into the instantaneous value of the acceleration in the gravity direction and the horizontal direction.
具体的には、本開示は、携帯端末の加速度センサから3軸方向の加速度の情報を取得する加速度取得部と、各軸方向の加速度の時間平均を計算する平均計算部と、各軸方向の加速度の時間平均の合成ベクトル方向を重力方向に設定するように、各軸方向の加速度を前記重力方向及び水平方向の加速度に変換する方向変換部と、前記重力方向の加速度に基づいて、前記重力方向の変位又は速度を計算する変位計算部と、を備えることを特徴とする重力方向変位計算装置である。 Specifically, in the present disclosure, an acceleration acquisition unit that acquires acceleration information in three axial directions from an acceleration sensor of a mobile terminal, an average calculation unit that calculates the time average of acceleration in each axial direction, and an average calculation unit in each axial direction. Synthesis of time average of acceleration The direction change unit that converts the acceleration in each axial direction into the acceleration in the gravity direction and the horizontal direction so as to set the vector direction in the gravity direction, and the gravity based on the acceleration in the gravity direction. It is a gravity direction displacement calculation device characterized by comprising a displacement calculation unit for calculating a directional displacement or a velocity.
この構成によれば、携帯端末はブイ等の専用装置と比べて、破損及び盗難を被りにくく、メンテナンスの投資を抑えられて、携帯端末の加速度センサの台数を多くすることにより、データ数を多くして重力方向の変位又は速度を高精度に計算することができる。 According to this configuration, the mobile terminal is less susceptible to damage and theft than a dedicated device such as a buoy, maintenance investment is suppressed, and the number of data is increased by increasing the number of acceleration sensors of the mobile terminal. Therefore, the displacement or velocity in the direction of gravity can be calculated with high accuracy.
そして、重力方向の加速度のデータとして、3軸方向の加速度のデータから1軸方向の加速度のデータへと削減することができる。さらに、重力方向の検出処理として、各時刻毎に各軸方向の加速度の合成ベクトル方向を重力方向に一々設定するのではなく、各軸方向の加速度の時間平均の合成ベクトル方向を重力方向に一度に設定することができる。 Then, as the acceleration data in the gravity direction, the acceleration data in the triaxial direction can be reduced to the acceleration data in the uniaxial direction. Furthermore, as the detection process of the gravity direction, instead of setting the composite vector direction of the acceleration in each axial direction one by one in the gravity direction at each time, the composite vector direction of the time average of the acceleration in each axial direction is once set in the gravity direction. Can be set to.
また、本開示は、前記平均計算部は、各軸方向の加速度の変動周期のうちの最も支配的な又は最も長周期の変動周期と比べて長い期間に渡って、各軸方向の加速度の時間平均を計算することを特徴とする重力方向変位計算装置である。 Further, in the present disclosure, the average calculation unit describes the time of acceleration in each axial direction over a period longer than that of the most dominant or longest fluctuation cycle of acceleration in each axial direction. It is a gravity direction displacement calculation device characterized by calculating an average.
この構成によれば、水平振動の加速度をより高精度に除去することができる。 According to this configuration, the acceleration of horizontal vibration can be removed with higher accuracy.
また、本開示は、前記方向変換部は、各軸方向の加速度の時間平均の合成ベクトル長さを重力加速度で正規化するように、各軸方向の加速度を前記重力加速度で正規化することを特徴とする重力方向変位計算装置である。 Further, in the present disclosure, the direction changing unit normalizes the acceleration in each axial direction by the gravitational acceleration so that the composite vector length of the time average of the acceleration in each axial direction is normalized by the gravitational acceleration. It is a characteristic gravity direction displacement calculation device.
この構成によれば、重力方向の変位又は速度をより高精度に計算することができる。 According to this configuration, the displacement or velocity in the direction of gravity can be calculated with higher accuracy.
重力方向の加速度の計測結果から、直流成分である重力成分や加速度センサの直流ドリフト成分を除去し、重力方向の変位又は速度の振動成分を低周波側の計測限界まで抽出する。ここで、時間領域の低周波除去処理では、時系列データから多項式近似結果(例えば、重力方向の変位の時系列データに対する重力加速度×時間2/2。)を減算する。一方で、周波数領域の低周波除去処理では、周波数スペクトルから低周波成分(例えば、重力成分の0Hzや加速度センサの直流ドリフト成分の0Hz近傍。)を除去する。そして、時間領域及び周波数領域の低周波除去処理は、ハイパスフィルタと異なり、過渡応答を示さないため、重力方向の変位又は速度の振動成分を短時間で抽出することができる。 From the measurement result of the acceleration in the gravity direction, the gravity component which is a DC component and the DC drift component of the acceleration sensor are removed, and the displacement in the gravity direction or the vibration component of the velocity is extracted to the measurement limit on the low frequency side. Here, the low frequency removal processing in the time domain, the time from the time series data polynomial approximation result (e.g., gravitational acceleration × time for the time-series data in the gravity direction of displacement 2/2.) Subtracts. On the other hand, in the low frequency removal process in the frequency domain, low frequency components (for example, around 0 Hz of the gravity component and 0 Hz of the DC drift component of the accelerometer) are removed from the frequency spectrum. Unlike the high-pass filter, the low-frequency removal process in the time domain and the frequency domain does not show a transient response, so that the vibration component of the displacement or velocity in the gravity direction can be extracted in a short time.
具体的には、本開示は、前記重力方向の加速度、速度又は変位の時系列データから、前記重力方向の加速度、速度又は変位の多項式近似結果を減算することにより、前記重力方向の加速度、速度又は変位の時系列データから、重力成分を除去する、又は、当該重力成分及び前記加速度センサの直流ドリフト成分を除去する時間領域の低周波除去部をさらに備えることを特徴とする重力方向変位計算装置である。 Specifically, the present disclosure presents the acceleration, velocity in the gravity direction by subtracting the polynomial approximation result of the acceleration, velocity or displacement in the gravity direction from the time series data of the acceleration, velocity or displacement in the gravity direction. Alternatively, the gravity direction displacement calculation device is further provided with a low frequency removing portion in a time region for removing the gravity component from the time-series data of the displacement, or removing the gravity component and the DC drift component of the acceleration sensor. Is.
この構成によれば、重力方向の加速度の計測結果が、直流成分である重力成分や加速度センサの直流ドリフト成分を含んでも、過渡応答を示す低周波除去処理を用いず、重力方向の変位又は速度の振動成分を低周波側の計測限界まで短時間で抽出することができる。 According to this configuration, even if the measurement result of the acceleration in the gravity direction includes the gravity component which is a DC component and the DC drift component of the acceleration sensor, the displacement or velocity in the gravity direction is not used and the low frequency removal process showing the transient response is not used. The vibration component can be extracted in a short time up to the measurement limit on the low frequency side.
そして、時間領域の低周波除去処理では、周波数領域の低周波除去処理と比べて、計算量を削減することはできないものの、精度を向上させることができる。 In the low frequency removal process in the time domain, the calculation amount cannot be reduced as compared with the low frequency removal process in the frequency domain, but the accuracy can be improved.
また、本開示は、前記重力方向の加速度、速度又は変位の周波数スペクトルで、前記加速度センサの直流ドリフト成分を抑圧することにより、又は、前記加速度センサの直流ドリフト成分及び重力成分を抑圧することにより、前記重力方向の加速度、速度又は変位の周波数スペクトルから、前記加速度センサの直流ドリフト成分を除去する、又は、前記加速度センサの直流ドリフト成分及び当該重力成分を除去する周波数領域の低周波除去部をさらに備えることを特徴とする重力方向変位計算装置である。 Further, the present disclosure discloses that the frequency spectrum of acceleration, velocity or displacement in the direction of gravity suppresses the DC drift component of the acceleration sensor, or suppresses the DC drift component and gravity component of the acceleration sensor. , The DC drift component of the acceleration sensor is removed from the frequency spectrum of the acceleration, velocity or displacement in the gravity direction, or the DC drift component of the acceleration sensor and the low frequency removing portion of the frequency region for removing the gravity component are removed. It is a displacement calculation device in the direction of gravity, which is further provided.
この構成によれば、重力方向の加速度の計測結果が、直流成分である重力成分や加速度センサの直流ドリフト成分を含んでも、過渡応答を示す低周波除去処理を用いず、重力方向の変位又は速度の振動成分を低周波側の計測限界まで短時間で抽出することができる。 According to this configuration, even if the measurement result of the acceleration in the gravity direction includes the gravity component which is a DC component and the DC drift component of the acceleration sensor, the displacement or velocity in the gravity direction is not used and the low frequency removal process showing the transient response is not used. The vibration component can be extracted in a short time up to the measurement limit on the low frequency side.
そして、周波数領域の低周波除去処理では、時間領域の低周波除去処理と比べて、精度を向上させることはできないものの、計算量を削減することができる。 In the low frequency removal process in the frequency domain, the accuracy cannot be improved as compared with the low frequency removal process in the time domain, but the amount of calculation can be reduced.
また、本開示は、前記加速度センサの静止時の任意方向の加速度、速度又は変位の周波数スペクトルに基づいて、前記加速度センサの直流ドリフト周波数を計測する低周波計測部をさらに備えることを特徴とする重力方向変位計算装置である。 Further, the present disclosure is further provided with a low frequency measuring unit for measuring the DC drift frequency of the acceleration sensor based on the frequency spectrum of the acceleration, velocity or displacement in an arbitrary direction when the acceleration sensor is stationary. It is a displacement calculation device in the direction of gravity.
この構成によれば、重力方向の加速度の計測処理に先立って、加速度センサの静止時を見計らって、加速度センサの直流ドリフト周波数を計測することができる。 According to this configuration, it is possible to measure the DC drift frequency of the acceleration sensor by observing the stationary state of the acceleration sensor prior to the measurement process of the acceleration in the gravity direction.
また、本開示は、前記低周波計測部は、前記加速度センサの静止時の前記任意方向の加速度、速度又は変位の時系列データから、重力成分を周波数変換前に除去することを特徴とする重力方向変位計算装置である。 Further, the present disclosure is characterized in that the low frequency measuring unit removes a gravity component from time series data of acceleration, velocity or displacement in the arbitrary direction when the acceleration sensor is stationary before frequency conversion. It is a directional displacement calculation device.
この構成によれば、加速度センサの直流ドリフト成分が、直流成分である重力成分に埋もれるときでも、加速度センサの直流ドリフト周波数を計測することができる。 According to this configuration, the DC drift frequency of the acceleration sensor can be measured even when the DC drift component of the acceleration sensor is buried in the gravity component which is the DC component.
また、本開示は、前記変位計算部は、前記重力方向の加速度の時系列データを時間で2回又は1回だけ積分することにより、前記重力方向の変位又は速度を計算することを特徴とする重力方向変位計算装置である。 Further, the present disclosure is characterized in that the displacement calculation unit calculates the displacement or velocity in the gravity direction by integrating the time-series data of the acceleration in the gravity direction only twice or once in time. It is a displacement calculation device in the direction of gravity.
この構成によれば、時間領域の加速度積分処理では、周波数領域の加速度積分処理と比べて、計算量を削減することはできないものの、精度を向上させることができる。 According to this configuration, the acceleration integration process in the time domain cannot reduce the amount of calculation as compared with the acceleration integration process in the frequency domain, but the accuracy can be improved.
また、本開示は、前記変位計算部は、前記重力方向の加速度の周波数スペクトルを2πf(fは周波数。)又はj2πf(jは虚数単位。)の2乗又は1乗で除算することにより、前記重力方向の変位又は速度を計算することを特徴とする重力方向変位計算装置である。 Further, in the present disclosure, the displacement calculation unit divides the frequency spectrum of the acceleration in the direction of gravity by the square or the first power of 2πf (f is a frequency) or j2πf (j is an imaginary unit). It is a gravity direction displacement calculation device characterized by calculating a displacement or a velocity in the gravity direction.
この構成によれば、周波数領域の加速度積分処理では、時間領域の加速度積分処理と比べて、精度を向上させることはできないものの、計算量を削減することができる。そして、2πf又はj2πfの除算により高周波成分である体動成分等を抑圧することができる。なお、あらかじめ1/(2πf)又は1/(j2πf)を計算しておくことにより、より計算量の多い2πf又はj2πfの2乗又は1乗の除算を、より計算量の少ない1/(2πf)又は1/(j2πf)の2乗又は1乗の乗算に置き換えることができる。
According to this configuration, the acceleration integration process in the frequency domain cannot improve the accuracy as compared with the acceleration integration process in the time domain, but the amount of calculation can be reduced. Then, the body movement component or the like, which is a high frequency component, can be suppressed by dividing by 2πf or j2πf. By calculating 1 / (2πf) or 1 / (j2πf) in advance, division of 2πf or j2πf squared or 1st, which requires more calculation, can be performed with
また、本開示は、前記重力方向の加速度、速度又は変位の時系列データを、前記重力方向の加速度、速度又は変位の周波数スペクトルに変換するにあたり、前記重力方向の加速度、速度又は変位の時系列データに、中央が平坦な窓関数を乗算する周波数変換部をさらに備えることを特徴とする重力方向変位計算装置である。 Further, the present disclosure discloses the time series of acceleration, velocity or displacement in the direction of gravity in converting the time series data of acceleration, velocity or displacement in the direction of gravity into the frequency spectrum of acceleration, velocity or displacement in the direction of gravity. It is a displacement calculation device in the direction of gravity, which further includes a frequency conversion unit that multiplies the data by a window function having a flat center.
この構成によれば、周波数スペクトルを時系列データに逆変換したときに、窓関数の中央の平坦な期間では、時系列データの振幅の抑圧を低減することができる。 According to this configuration, when the frequency spectrum is inversely transformed into the time series data, the suppression of the amplitude of the time series data can be reduced in the flat period in the center of the window function.
また、本開示は、前記周波数変換部は、前記重力方向の加速度、速度又は変位の時系列データを、前記重力方向の加速度、速度又は変位の周波数スペクトルに変換するにあたり、前記重力方向の加速度、速度又は変位の時系列データに、ハーフオーバラップハン窓関数を乗算することを特徴とする重力方向変位計算装置である。 Further, in the present disclosure, when the frequency conversion unit converts the time-series data of the acceleration, velocity or displacement in the gravity direction into the frequency spectrum of the acceleration, velocity or displacement in the gravity direction, the acceleration in the gravity direction, It is a gravity direction displacement calculation device characterized by multiplying the time series data of velocity or displacement by a half overlap Han window function.
この構成によれば、ハーフオーバラップハン窓関数では、矩形窓関数と比べて、中央の期間を同様に平坦にすることができ、サイドロープレベルをより低減することができる。 According to this configuration, in the half-overlap Han window function, the central period can be similarly flattened and the side rope level can be further reduced as compared with the rectangular window function.
また、本開示は、前記変位計算部は、船員が所有する前記携帯端末の前記加速度センサを利用して計測された前記重力方向の加速度に基づいて、船舶が存在する位置の波高を計算することを特徴とする重力方向変位計算装置である。 Further, in the present disclosure, the displacement calculation unit calculates the wave height at the position where the ship exists based on the acceleration in the direction of gravity measured by using the acceleration sensor of the mobile terminal owned by the sailor. It is a gravity direction displacement calculation device characterized by.
この構成によれば、携帯端末を利用して、波高を高精度に計算することができる。 According to this configuration, the wave height can be calculated with high accuracy by using a mobile terminal.
このように、本開示は、装置の破損及び盗難を被りにくくし、装置のメンテナンスの投資を抑えながら、加速度センサの台数を多くすることにより、データ数を多くして重力方向の変位又は速度を高精度に計算することができる。 As described above, the present disclosure increases the number of data by increasing the number of accelerometers while reducing the damage and theft of the device and suppressing the investment in the maintenance of the device, thereby increasing the displacement or velocity in the direction of gravity. It can be calculated with high accuracy.
添付の図面を参照して本開示の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本開示の実施の例であり、本開示は以下の実施形態に制限されるものではない。 Embodiments of the present disclosure will be described with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below are examples of the embodiments of the present disclosure, and the present disclosure is not limited to the following embodiments.
(重力方向変位計算装置の構成)
本開示の携帯端末を利用する波高計算方法を図1に示す。本開示の重力方向変位計算装置の構成を図2に示す。本開示の重力方向変位計算処理の手順を図3に示す。
(Structure of gravity direction displacement calculation device)
FIG. 1 shows a wave height calculation method using the mobile terminal of the present disclosure. The configuration of the gravity direction displacement calculation device of the present disclosure is shown in FIG. The procedure of the gravity direction displacement calculation processing of the present disclosure is shown in FIG.
重力方向変位計算装置Gは、加速度取得部1、平均計算部2、方向変換部3、変位計算部4、低周波除去部5、周波数変換部6、周波数逆変換部7、変位計算部8、重力除去部9、周波数変換部10及び低周波計測部11を備え、図3、4、9、12、15に示すプログラムをコンピュータにインストールすることにより実現することができる。
The gravity direction displacement calculation device G includes an
重力方向変位計算装置Gは、船員が所有する携帯端末Mの加速度センサを利用して計測された重力方向の加速度に基づいて、船舶Sが存在する位置の波高を計算する。図1の上段では、重力方向変位計算装置Gは、携帯端末Mに搭載されず、携帯端末Mと無線通信する。図1の下段では、重力方向変位計算装置Gは、携帯端末Mに搭載される。 The gravity direction displacement calculation device G calculates the wave height at the position where the ship S exists based on the acceleration in the gravity direction measured by using the acceleration sensor of the mobile terminal M owned by the sailor. In the upper part of FIG. 1, the gravity direction displacement calculation device G is not mounted on the mobile terminal M and wirelessly communicates with the mobile terminal M. In the lower part of FIG. 1, the gravity direction displacement calculation device G is mounted on the mobile terminal M.
携帯端末Mの加速度センサが、重力方向の加速度のみならず、水平振動の加速度を受け得るならば、例えば、波高を計算する用途等において、本開示を適用することができる。 If the acceleration sensor of the mobile terminal M can receive not only the acceleration in the direction of gravity but also the acceleration of horizontal vibration, the present disclosure can be applied, for example, in the application of calculating the wave height.
加速度取得部1は、携帯端末Mの加速度センサから3軸方向の加速度の情報を取得する(ステップS1)。方向変換部3は、各軸方向の加速度を重力方向及び水平方向の加速度に変換する(ステップS2)。ステップS1、S2の詳細は、図4〜8を用いて説明する。
The
変位計算部4は、重力方向の加速度に基づいて、重力方向の変位又は速度を計算する(ステップS3)。低周波除去部5は、重力成分や加速度センサの直流ドリフト成分を除去する(ステップS3)。ステップS3の詳細は、図9〜19を用いて説明する。
The
(加速度方向変換処理の手順)
本開示の加速度方向変換処理の手順を図4に示す。本開示の加速度方向変換処理の概念を図5、6に示す。本開示の加速度方向変換処理の具体例を図7、8に示す。
(Procedure of acceleration direction conversion process)
The procedure of the acceleration direction conversion process of the present disclosure is shown in FIG. The concept of the acceleration direction conversion process of the present disclosure is shown in FIGS. Specific examples of the acceleration direction conversion process of the present disclosure are shown in FIGS. 7 and 8.
加速度方向変換処理では、携帯端末Mの加速度センサを利用して、重力方向の変位又は速度を計算する。しかし、携帯端末Mの加速度センサは、船員のポケット等に入れられるため、重力方向とは無関係に配置され得るし、船舶Sの重心Cから距離Rだけ離れているため、重力方向の加速度のみならず、水平振動の加速度を受け得る。 In the acceleration direction conversion process, the displacement or velocity in the direction of gravity is calculated by using the acceleration sensor of the mobile terminal M. However, since the acceleration sensor of the mobile terminal M is put in a sailor's pocket or the like, it can be arranged regardless of the direction of gravity, and since it is separated from the center of gravity C of the ship S by a distance R, if only the acceleration in the direction of gravity is used. However, it can receive the acceleration of horizontal vibration.
図5の上段に示したように、水平方向をX、Y軸方向とし、重力方向をZ軸方向とし、携帯端末Mの面内方向をx、y軸方向とし、携帯端末Mの他の方向をz軸方向とする。図5の上段及び図6の上中段に示したように、Z軸とz軸とは、不一致であり得る。 As shown in the upper part of FIG. 5, the horizontal direction is the X and Y axis directions, the gravity direction is the Z axis direction, the in-plane direction of the mobile terminal M is the x and y axis directions, and the other directions of the mobile terminal M. Is the z-axis direction. As shown in the upper part of FIG. 5 and the upper middle part of FIG. 6, the Z-axis and the z-axis can be inconsistent.
特許文献1では、各軸方向の加速度の瞬時値ax、ay、azの合成ベクトル方向を重力方向に設定する。しかし、各軸方向の加速度の瞬時値ax、ay、azの合成ベクトル長さ√(ax 2+ay 2+az 2)は、重力加速度gより大きく、重力方向の加速度のみならず、水平振動の加速度を含んでいる。よって、各軸方向の加速度の瞬時値ax、ay、azの合成ベクトル方向を重力方向に設定しても、各軸方向の加速度の瞬時値ax、ay、azを重力方向及び水平方向の加速度の瞬時値に正しく座標変換することができない。
In
本開示では、各軸方向の加速度の時間平均ax−bar、ay−bar、az−barの合成ベクトル方向を重力方向に設定する。すると、各軸方向の加速度の時間平均ax−bar、ay−bar、az−barの合成ベクトル長さ√(ax−bar2+ay−bar2+az−bar2)は、重力加速度gに等しく、重力方向の加速度のみ含み、水平振動の加速度を含まない。よって、各軸方向の加速度の時間平均ax−bar、ay−bar、az−barの合成ベクトル方向を重力方向に設定すれば、各軸方向の加速度の瞬時値ax、ay、azを重力方向及び水平方向の加速度の瞬時値に正しく座標変換することができる。
In the present disclosure, the combined vector direction of the time averages of accelerations in each axial direction a x − bar, a y − bar, and a z − bar is set in the direction of gravity. Then, time average a x -bar acceleration in each axis direction, a y -bar, composite vector length of a z -bar √ (a x -bar 2 + a y -
図6の中下段に示したように、x軸、y軸及びz軸をx’軸、y’軸及びz’軸に座標変換する。図6の上下段に示したように、Z軸とz’軸とは、一致している。 As shown in the lower middle part of FIG. 6, the x-axis, y-axis and z-axis are coordinate-converted to the x'-axis, y'-axis and z'-axis. As shown in the upper and lower rows of FIG. 6, the Z axis and the z'axis coincide with each other.
加速度取得部1は、携帯端末Mの加速度センサから3軸方向の加速度ax、ay、azの情報を取得する(ステップS11)。図7の上段では、y軸とZ軸とが、ほぼ一致しており、xz平面とXY平面とが、ほぼ一致している。そして、y軸方向の加速度の時間平均ay−barは、本来の0[G]と大きく異なり、x軸方向の加速度の時間平均ax−barは、本来の0[G]と若干異なり、z軸方向の加速度の時間平均az−barは、本来の1[G]と大きく異なる。なお、時間平均は、数10秒に渡って計算されている。 The acceleration acquisition unit 1 acquires information on accelerations a x , a y , and a z in the three axial directions from the acceleration sensor of the mobile terminal M (step S11). In the upper part of FIG. 7, the y-axis and the Z-axis are substantially the same, and the xz plane and the XY plane are substantially the same. The time average a y- bar of the acceleration in the y-axis direction is significantly different from the original 0 [G], and the time average a x- bar of the acceleration in the x-axis direction is slightly different from the original 0 [G]. The time average az- bar of acceleration in the z-axis direction is significantly different from the original 1 [G]. The time average is calculated over several tens of seconds.
平均計算部2は、各軸方向の加速度ax、ay、azの変動周期のうちの最も支配的な又は最も長周期の変動周期と比べて長い期間に渡って、各軸方向の加速度の時間平均ax−bar、ay−bar、az−barを計算する(ステップS12)。ここで、最も支配的な変動周期とは、周期はさておき振幅が最も大きい変動の周期をいう。そして、最も長周期の変動周期とは、振幅はさておき周期が最も長い変動の周期をいう。つまり、重力方向の加速度を高精度に抽出する一方で、水平振動の加速度を高精度に除去したいのである。
The
図7の下段の正規化前では、x軸方向の加速度の時間平均ax−barは、0.015[G]であり、y軸方向の加速度の時間平均ay−barは、0.998[G]であり、z軸方向の加速度の時間平均az−barは、−0.181[G]である。そして、各軸方向の加速度の時間平均ax−bar、ay−bar、az−barの合成ベクトル長さ√(ax−bar2+ay−bar2+az−bar2)は、1.015[G]である。
Before normalization in the lower part of FIG. 7, the time average a x- bar of the acceleration in the x-axis direction is 0.015 [G], and the time average a y- bar of the acceleration in the y-axis direction is 0.998. It is [G], and the time average az −bar of the acceleration in the z-axis direction is −0.181 [G]. Then, time average a x -bar acceleration in each axis direction, a y -bar, composite vector length of a z -bar √ (a x -bar 2 + a y -
方向変換部3は、各軸方向の加速度の時間平均ax−bar、ay−bar、az−barの合成ベクトル長さ√(ax−bar2+ay−bar2+az−bar2)を重力加速度gで正規化するように、各軸方向の加速度ax、ay、azを重力加速度gで正規化する(ステップS13)。つまり、重力方向の加速度を高精度に計算したいのである。
図7の下段の正規化後では、x軸方向の加速度の時間平均ax−barは、0.015[G]であり、y軸方向の加速度の時間平均ay−barは、0.984[G]であり、z軸方向の加速度の時間平均az−barは、−0.178[G]である。そして、各軸方向の加速度の時間平均ax−bar、ay−bar、az−barの合成ベクトル長さ√(ax−bar2+ay−bar2+az−bar2)は、1.000[G]である。
After normalization in the lower part of FIG. 7, the time average a x- bar of the acceleration in the x-axis direction is 0.015 [G], and the time average a y- bar of the acceleration in the y-axis direction is 0.984. It is [G], and the time average az −bar of the acceleration in the z-axis direction is −0.178 [G]. Then, time average a x -bar acceleration in each axis direction, a y -bar, composite vector length of a z -bar √ (a x -bar 2 + a y -
方向変換部3は、各軸方向の加速度の時間平均ax−bar、ay−bar、az−barの合成ベクトル方向を重力方向に設定するように、各軸方向の加速度ax、ay、azを重力方向及び水平方向の加速度に変換する(ステップS14)。
The
図8の上段では、x軸、y軸及びz軸をx’軸、y’軸及びz’軸に座標変換するにあたり、ロール回転角r(x軸が回転軸。)は、数1で表され、ピッチ回転角p(y軸が回転軸。)は、数2で表され、ロール回転・ピッチ回転後のz’軸方向の加速度az’は、数3で表される。なお、ロール回転・ピッチ回転後のx’、y’軸方向の加速度ax’、ay’は、重力方向の加速度を計測する目的では特に計算する必要はない。
図8の下段では、z’軸とZ軸とが、ほぼ一致しており、x’y’平面とXY平面とが、ほぼ一致している。そして、z’軸方向の加速度の時間平均az’−barは、本来の1[G]とほぼ等しく、x’軸方向の加速度の時間平均ax’−barは、本来の0[G]とほぼ等しく、y’軸方向の加速度の時間平均ay’−barは、本来の0[G]とほぼ等しい。なお、時間平均は、数10秒に渡って計算されている。 In the lower part of FIG. 8, the z'axis and the Z axis substantially coincide with each other, and the x'y'plane and the XY plane substantially coincide with each other. Then, -bar 'time average a z of acceleration in the axial direction' z is the original 1 [G] and approximately equal, x -bar 'time average a x of the axial acceleration' is the original 0 [G] When substantially equal, -bar 'time average a y acceleration of the axial' y is approximately equal to the original 0 [G]. The time average is calculated over several tens of seconds.
このように、携帯端末Mはブイ等の専用装置と比べて、破損及び盗難を被りにくく、メンテナンスの投資を抑えられて、携帯端末Mの加速度センサの台数を多くすることにより、データ数を多くして重力方向の変位又は速度を高精度に計算することができる。 In this way, the mobile terminal M is less susceptible to damage and theft than a dedicated device such as a buoy, maintenance investment is suppressed, and the number of data is increased by increasing the number of acceleration sensors of the mobile terminal M. Therefore, the displacement or velocity in the direction of gravity can be calculated with high accuracy.
そして、重力方向の加速度のデータとして、3軸方向の加速度のデータから1軸方向の加速度のデータへと削減することができる。さらに、重力方向の検出処理として、各時刻毎に各軸方向の加速度の合成ベクトル方向を重力方向に一々設定するのではなく、各軸方向の加速度の時間平均の合成ベクトル方向を重力方向に一度に設定することができる。 Then, as the acceleration data in the gravity direction, the acceleration data in the triaxial direction can be reduced to the acceleration data in the uniaxial direction. Furthermore, as the detection process of the gravity direction, instead of setting the composite vector direction of the acceleration in each axial direction one by one in the gravity direction at each time, the composite vector direction of the time average of the acceleration in each axial direction is once set in the gravity direction. Can be set to.
また、各軸方向の加速度の時間平均を計算することにより、水平振動の加速度をより高精度に除去することができる。また、各軸方向の加速度の時間平均の合成ベクトル長さを正規化することにより、重力方向の変位又は速度をより高精度に計算することができる。 Further, by calculating the time average of the acceleration in each axial direction, the acceleration of the horizontal vibration can be removed with higher accuracy. Further, by normalizing the composite vector length of the time average of the acceleration in each axial direction, the displacement or velocity in the gravitational direction can be calculated with higher accuracy.
(第1の変位計算処理の手順)
本開示の第1の変位計算処理の手順を図9に示す。本開示の第1の変位計算処理の具体例を図10、11に示す。第1の変位計算処理は、あくまでも一例に過ぎない。
(Procedure of the first displacement calculation process)
The procedure of the first displacement calculation process of the present disclosure is shown in FIG. Specific examples of the first displacement calculation process of the present disclosure are shown in FIGS. 10 and 11. The first displacement calculation process is just an example.
そして、重力方向の加速度の計測結果から、直流成分である重力成分や加速度センサの直流ドリフト成分を除去し、重力方向の変位又は速度の振動成分を低周波側の計測限界まで抽出する。ここで、時間領域の低周波除去処理として、時系列データから多項式近似結果(例えば、重力方向の変位の時系列データに対する重力加速度×時間2/2。)を減算する。よって、時間領域の低周波除去処理は、ハイパスフィルタと異なり、過渡応答を示さないため、重力方向の変位又は速度の振動成分を短時間で抽出することができる。 Then, the gravity component which is a DC component and the DC drift component of the acceleration sensor are removed from the measurement result of the acceleration in the gravity direction, and the displacement in the gravity direction or the vibration component of the velocity is extracted to the measurement limit on the low frequency side. Here, as the low-frequency removal processing in the time domain, the time from the time series data polynomial approximation result (e.g., gravitational acceleration × time 2/2 with respect to time-series data in the gravity direction of the displacement.) Subtracts. Therefore, unlike the high-pass filter, the low-frequency removal process in the time domain does not show a transient response, so that the vibration component of the displacement or velocity in the gravity direction can be extracted in a short time.
変位計算部4は、重力方向の加速度azの時系列データを時間で2回だけ積分することにより、重力方向の変位zの時系列データを計算する(ステップS21)。図10の上段から図10の中段にかけて、2回積分の処理が実行されている。
The
低周波除去部5は、重力方向の変位zの時系列データから、重力方向の変位zの多項式近似結果を減算することにより、重力方向の変位zの時系列データから、重力成分を除去する(ステップS22)。図10の中段から図10の下段にかけて、重力方向の変位zの多項式近似結果をgt2/2として、重力除去の処理が実行されている。
The low
周波数変換部6は、重力方向の変位zの時系列データを、重力方向の変位zの周波数スペクトルに変換するにあたり、重力方向の変位zの時系列データに、ハーフオーバラップハン窓関数(図18、19を用いて後述。)を乗算する(ステップS23)。図10の下段から図11の上段にかけて、窓関数乗算の処理が実行されている。
When converting the time-series data of the displacement z in the gravity direction into the frequency spectrum of the displacement z in the gravity direction, the
低周波除去部5は、重力方向の変位zの周波数スペクトルで、加速度センサの直流ドリフト成分を抑圧することにより、重力方向の変位zの周波数スペクトルから、加速度センサの直流ドリフト成分を除去する(ステップS24)。図11の上段から図11の中段にかけて、周波数変換の処理及びドリフト除去の処理が実行されている。加速度センサの直流ドリフト成分の周波数閾値(図15〜17を用いて後述。)を0.05Hzに設定しているため、変動周期が20秒以下である重力方向の変位zの変動を計測することができる。
The low
周波数逆変換部7は、重力方向の変位zの周波数スペクトルを、重力方向の変位zの時系列データに逆変換する(ステップS25)。図11の中段から図11の下段にかけて、周波数逆変換の処理が実行されている。ハーフオーバラップハン窓関数(図18、19を用いて後述。)が、時間t=20s〜60sにおいて平坦であるため、重力方向の変位zの時系列データは、時間t=20s〜60sにおいて振幅が減少していない。
The frequency
第1の変位計算処理は、あくまでも一例に過ぎない。変位計算部4、低周波除去部5、周波数変換部6及び周波数逆変換部7は、重力方向の変位z又は速度vzの時系列データを正しく計算することができるならば、どのような順序で処理を実行してもよい。
The first displacement calculation process is just an example.
低周波除去部5は、重力方向の加速度az、速度vz又は変位zの時系列データから、重力方向の加速度az、速度vz又は変位zの多項式近似結果を減算することにより、重力方向の加速度az、速度vz又は変位zの時系列データから、重力成分を除去する、又は、重力成分及び加速度センサの直流ドリフト成分を除去してもよい。
Low-
変位計算部4は、重力方向の加速度azの時系列データを時間で2回又は1回だけ積分することにより、重力方向の変位z又は速度vzを計算してもよい。周波数変換部6は、重力方向の加速度az、速度vz又は変位zの時系列データを、重力方向の加速度az、速度vz又は変位zの周波数スペクトルに変換するにあたり、重力方向の加速度az、速度vz又は変位zの時系列データに、ハーフオーバラップハン窓関数を乗算してもよい。
このように、重力方向の加速度の計測結果が、直流成分である重力成分や加速度センサの直流ドリフト成分を含んでも、過渡応答を示す低周波除去処理を用いず、重力方向の変位又は速度の振動成分を低周波側の計測限界まで短時間で抽出することができる。 In this way, even if the measurement result of the acceleration in the gravity direction includes the gravity component which is a DC component and the DC drift component of the acceleration sensor, the displacement or velocity vibration in the gravity direction is not used without using the low frequency removal process which shows a transient response. The components can be extracted in a short time up to the measurement limit on the low frequency side.
そして、時間領域の低周波除去処理では、周波数領域の低周波除去処理と比べて、計算量を削減することはできないものの、精度を向上させることができる。さらに、時間領域の加速度積分処理では、周波数領域の加速度積分処理と比べて、計算量を削減することはできないものの、精度を向上させることができる。 In the low frequency removal process in the time domain, the calculation amount cannot be reduced as compared with the low frequency removal process in the frequency domain, but the accuracy can be improved. Further, the acceleration integration process in the time domain cannot reduce the amount of calculation as compared with the acceleration integration process in the frequency domain, but the accuracy can be improved.
(第2の変位計算処理の手順)
本開示の第2の変位計算処理の手順を図12に示す。本開示の第2の変位計算処理の具体例を図13、14に示す。第2の変位計算処理は、あくまでも一例に過ぎない。
(Procedure for second displacement calculation process)
The procedure of the second displacement calculation process of the present disclosure is shown in FIG. Specific examples of the second displacement calculation process of the present disclosure are shown in FIGS. 13 and 14. The second displacement calculation process is just an example.
そして、重力方向の加速度の計測結果から、直流成分である重力成分や加速度センサの直流ドリフト成分を除去し、重力方向の変位又は速度の振動成分を低周波側の計測限界まで抽出する。ここで、周波数領域の低周波除去処理として、周波数スペクトルから低周波成分(例えば、重力成分の0Hzや加速度センサの直流ドリフト成分の0Hz近傍。)を除去する。よって、周波数領域の低周波除去処理は、ハイパスフィルタと異なり、過渡応答を示さないため、重力方向の変位又は速度の振動成分を短時間で抽出することができる。 Then, the gravity component which is a DC component and the DC drift component of the acceleration sensor are removed from the measurement result of the acceleration in the gravity direction, and the displacement in the gravity direction or the vibration component of the velocity is extracted to the measurement limit on the low frequency side. Here, as a low frequency removal process in the frequency domain, a low frequency component (for example, near 0 Hz of the gravity component or 0 Hz of the DC drift component of the acceleration sensor) is removed from the frequency spectrum. Therefore, unlike the high-pass filter, the low-frequency removal process in the frequency domain does not show a transient response, so that the vibration component of the displacement or velocity in the gravity direction can be extracted in a short time.
周波数変換部6は、重力方向の加速度azの時系列データを、重力方向の加速度azの周波数スペクトルに変換するにあたり、重力方向の加速度azの時系列データに、ハーフオーバラップハン窓関数(図18、19を用いて後述。)を乗算する(ステップS31)。図13の上段から図13の下段にかけて、窓関数乗算の処理が実行されている。
低周波除去部5は、重力方向の加速度azの周波数スペクトルで、加速度センサの直流ドリフト成分及び重力成分を抑圧することにより、重力方向の加速度azの周波数スペクトルから、加速度センサの直流ドリフト成分及び重力成分を除去する(ステップS32)。図13の下段から図14の上段にかけて、周波数変換の処理、ドリフト除去の処理及び重力除去の処理(後述の2回積分の処理も含む。)が実行されている。加速度センサの直流ドリフト成分の周波数閾値(図15〜17を用いて後述。)を0.05Hzに設定しているため、変動周期が20秒以下である重力方向の変位zの変動を計測することができる。
The low
変位計算部4は、重力方向の加速度azの周波数スペクトルを2πf(fは周波数。)又はj2πf(jは虚数単位。)の2乗で除算することにより、重力方向の変位zの周波数スペクトルを計算する(ステップS33)。なお、j2πfの2乗での除算時には、2πfの2乗での除算時と比べて、重力方向の変位zの周波数スペクトルは振幅の符号が反転するだけである。図13の下段から図14の上段にかけて、2回積分の処理(前述の周波数変換の処理、ドリフト除去の処理及び重力除去の処理も含む。)が実行されている。
The
周波数逆変換部7は、重力方向の変位zの周波数スペクトルを、重力方向の変位zの時系列データに逆変換する(ステップS34)。図14の上段から図14の下段にかけて、周波数逆変換の処理が実行されている。ハーフオーバラップハン窓関数(図18、19を用いて後述。)が、時間t=20s〜60sにおいて平坦であるため、重力方向の変位zの時系列データは、時間t=20s〜60sにおいて振幅が減少していない。
The frequency
第2の変位計算処理は、あくまでも一例に過ぎない。変位計算部4、低周波除去部5、周波数変換部6及び周波数逆変換部7は、重力方向の変位z又は速度vzの時系列データを正しく計算することができるならば、どのような順序で処理を実行してもよい。
The second displacement calculation process is just an example.
低周波除去部5は、重力方向の加速度az、速度vz又は変位zの周波数スペクトルで、加速度センサの直流ドリフト成分を抑圧することにより、又は、加速度センサの直流ドリフト成分及び重力成分を抑圧することにより、重力方向の加速度az、速度vz又は変位zの周波数スペクトルから、加速度センサの直流ドリフト成分を除去する、又は、加速度センサの直流ドリフト成分及び重力成分を除去してもよい。
The low
変位計算部4は、重力方向の加速度azの周波数スペクトルを2πf又はj2πfの2乗又は1乗で除算することにより、重力方向の変位z又は速度vzを計算してもよい。なお、j2πfの1乗での除算時には、2πfの1乗での除算時と比べて、重力方向の速度vzの周波数スペクトルは実数ではなく複素数となる。しかし、j2πfの1乗での除算時でも、その複素数の実部を取れば、2πfの1乗での除算時と同様に、重力方向の速度vzの周波数スペクトルを得られる。周波数変換部6は、重力方向の加速度az、速度vz又は変位zの時系列データを、重力方向の加速度az、速度vz又は変位zの周波数スペクトルに変換するにあたり、重力方向の加速度az、速度vz又は変位zの時系列データに、ハーフオーバラップハン窓関数を乗算してもよい。
このように、重力方向の加速度の計測結果が、直流成分である重力成分や加速度センサの直流ドリフト成分を含んでも、過渡応答を示す低周波除去処理を用いず、重力方向の変位又は速度の振動成分を低周波側の計測限界まで短時間で抽出することができる。 In this way, even if the measurement result of the acceleration in the gravity direction includes the gravity component which is a DC component and the DC drift component of the acceleration sensor, the displacement or velocity vibration in the gravity direction is not used without using the low frequency removal process which shows a transient response. The components can be extracted in a short time up to the measurement limit on the low frequency side.
そして、周波数領域の低周波除去処理では、時間領域の低周波除去処理と比べて、精度を向上させることはできないものの、計算量を削減することができる。さらに、周波数領域の加速度積分処理では、時間領域の加速度積分処理と比べて、精度を向上させることはできないものの、計算量を削減することができる。さらに、2πf又はj2πfの除算により高周波成分である体動成分等を抑圧することができる。なお、あらかじめ1/(2πf)又は1/(j2πf)を計算しておくことにより、より計算量の多い2πf又はj2πfの2乗又は1乗の除算を、より計算量の少ない1/(2πf)又は1/(j2πf)の2乗又は1乗の乗算に置き換えることができる。
In the low frequency removal process in the frequency domain, the accuracy cannot be improved as compared with the low frequency removal process in the time domain, but the amount of calculation can be reduced. Further, the acceleration integration process in the frequency domain cannot improve the accuracy as compared with the acceleration integration process in the time domain, but the amount of calculation can be reduced. Further, the body movement component which is a high frequency component can be suppressed by dividing by 2πf or j2πf. By calculating 1 / (2πf) or 1 / (j2πf) in advance, division of 2πf or j2πf squared or 1st, which requires more calculation, can be performed with
(直流ドリフト周波数計測処理の手順)
本開示の直流ドリフト周波数計測処理の手順を図15に示す。本開示の直流ドリフト周波数計測処理の具体例を図16、17に示す。この処理は、あくまでも一例に過ぎない。
(Procedure for DC drift frequency measurement processing)
The procedure of the DC drift frequency measurement process of the present disclosure is shown in FIG. Specific examples of the DC drift frequency measurement process of the present disclosure are shown in FIGS. 16 and 17. This process is just an example.
加速度センサの直流ドリフト周波数は、個体差があり経年変化もある。そこで、加速度センサの静止時を見計らって、加速度センサの直流ドリフト周波数を計測する。 The DC drift frequency of the accelerometer varies from individual to individual and changes over time. Therefore, the DC drift frequency of the accelerometer is measured by observing the stationary state of the accelerometer.
加速度取得部1は、加速度センサの静止時の3軸方向の加速度ax、ay、azの情報を取得する(ステップS41)。図16の上段において、携帯端末Mが陸上の机上等で静止しているため、z軸方向の加速度azは重力加速度gに近くなり、x、y軸方向の加速度ax、ayは0に近くなる。もっとも、携帯端末Mが船員のポケット内等で静止しているならば、各軸方向の加速度ax、ay、azはそれぞれ有限値を取り得る。 The acceleration acquisition unit 1 acquires information on accelerations a x , a y , and a z in the three axial directions when the acceleration sensor is stationary (step S41). In the upper part of FIG. 16, since the mobile terminal M is stationary on a desk or the like on land, the acceleration a z in the z axis direction is close to the gravitational acceleration g, x, the y-axis direction acceleration a x, a y is 0 Become closer to. However, if the mobile terminal M is stationary in a sailor's pocket or the like, the accelerations a x , a y , and a z in each axial direction can each take a finite value.
重力除去部9は、加速度センサの静止時の任意方向の加速度(ここでは、z軸方向の加速度az)の時系列データから、重力成分を周波数変換前に除去する(ステップS42)。図16の上段から図16の中段にかけて、z軸方向の加速度azの時系列データから、z軸方向の加速度azの時間平均−9.86[m/s2]が減算されている。
周波数変換部10は、任意方向の加速度(ここでは、z軸方向の加速度az)の時系列データを、任意方向の加速度の周波数スペクトルに変換するにあたり、任意方向の加速度の時系列データに、任意の窓関数(ここでは、通常のハン窓関数)を乗算する(ステップS43)。図16の中段から図16の下段にかけて、窓関数乗算の処理が実行されている。図16の下段から図17の上段にかけて、周波数変換の処理が実行されている。
変位計算部8は、任意方向の加速度(ここでは、z軸方向の加速度az)の周波数スペクトルを2πf(fは周波数。)又はj2πf(jは虚数単位。)の2乗で除算することにより、任意方向の変位(ここでは、z軸方向の変位z)の周波数スペクトルを計算する(ステップS44)。図17の上段から図17の下段にかけて、2回積分の処理が実行されている。 Displacement calculating unit 8 (in this case, the acceleration a z in the z axis direction) any direction of the acceleration by (the j of imaginary unit.) Or J2paif (frequency. The f) frequency spectrum 2πf of dividing the square of the , The frequency spectrum of the displacement in the arbitrary direction (here, the displacement z in the z-axis direction) is calculated (step S44). From the upper part of FIG. 17 to the lower part of FIG. 17, the process of integration is executed twice.
低周波計測部11は、加速度センサの静止時の任意方向の変位(ここでは、z軸方向の変位z)の周波数スペクトルに基づいて、加速度センサの直流ドリフト周波数を計測する(ステップS45)。図17の下段において、加速度センサの直流ドリフト成分の周波数閾値を0.025Hzに設定しているため、重力方向の変位zの誤差0.05mの範囲内で、変動周期が40秒以下である重力方向の変位zの変動を計測することができる。
The low
ここで、図17の上段において、任意方向の加速度(ここでは、z軸方向の加速度az)の周波数スペクトルでは、(2πf)2又は(j2πf)2の除算が実行されていないため、高周波成分が十分に抑圧されておらず、加速度センサの直流ドリフト成分の周波数閾値を設定しにくい。 Here, in the upper part of FIG. 17, (in this case, the acceleration a z in the z axis direction) any direction of the acceleration in the frequency spectrum of, for not running division of (2 [pi] f) 2 or (J2paif) 2, the high frequency component Is not sufficiently suppressed, and it is difficult to set the frequency threshold of the DC drift component of the accelerometer.
しかし、図17の下段において、任意方向の変位(ここでは、z軸方向の変位z)の周波数スペクトルでは、(2πf)2又は(j2πf)2の除算が実行されているため、高周波成分が十分に抑圧されており、加速度センサの直流ドリフト成分の周波数閾値を設定しやすい。 However, in the lower part of FIG. 17, in the frequency spectrum of the displacement in the arbitrary direction (here, the displacement z in the z-axis direction ), the division of (2πf) 2 or (j2πf) 2 is executed, so that the high frequency component is sufficient. It is easy to set the frequency threshold of the DC drift component of the acceleration sensor.
以上の処理は、あくまでも一例に過ぎない。変位計算部8、重力除去部9、周波数変換部10及び低周波計測部11は、加速度センサの直流ドリフト成分の周波数閾値を正しく設定することができるならば、どのような順序で処理を実行してもよい。
The above processing is just an example. The
低周波計測部11は、加速度センサの静止時の任意方向の加速度、速度又は変位の周波数スペクトルに基づいて、加速度センサの直流ドリフト周波数を計測してもよい。重力除去部9は、加速度センサの静止時の任意方向の加速度、速度又は変位の時系列データから、重力成分を周波数変換前に除去してもよい。変位計算部8については、変位計算部4とほぼ同様である。周波数変換部10については、周波数変換部6とほぼ同様である。
The low
このように、重力方向の加速度の計測処理に先立って、加速度センサの静止時を見計らって、加速度センサの直流ドリフト周波数を計測することができる。そして、加速度センサの直流ドリフト成分が、直流成分である重力成分に埋もれるときでも、重力成分を周波数変換前に除去すれば、加速度センサの直流ドリフト周波数を計測することができる。 In this way, prior to the measurement process of the acceleration in the direction of gravity, the DC drift frequency of the acceleration sensor can be measured by observing the stationary state of the acceleration sensor. Then, even when the DC drift component of the acceleration sensor is buried in the gravity component which is the DC component, the DC drift frequency of the acceleration sensor can be measured by removing the gravity component before frequency conversion.
(ハーフオーバラップハン窓関数の構成)
本開示のハーフオーバラップハン窓関数の構成を図18に示す。本開示のハーフオーバラップハン窓関数の効果を図19に示す。
(Structure of half overlap Han window function)
The configuration of the half overlap Han window function of the present disclosure is shown in FIG. The effect of the half-overlap Han window function of the present disclosure is shown in FIG.
周波数変換部6は、重力方向の加速度az、速度vz又は変位zの時系列データを、重力方向の加速度az、速度vz又は変位zの周波数スペクトルに変換する。このときに、周波数変換部6は、重力方向の加速度az、速度vz又は変位zの時系列データに、中央が平坦な窓関数を乗算する。より良くは、周波数変換部6は、重力方向の加速度az、速度vz又は変位zの時系列データに、ハーフオーバラップハン窓関数を乗算する。
図18の上段では、時間領域のハーフオーバラップハン窓関数wn(t)を示す。wna(t)は、正規化時間−1.0〜0.0でのハン窓関数であり、数4で表され、wnb(t)は、正規化時間−0.5〜0.5でのハン窓関数であり、数5で表され、wnc(t)は、正規化時間0.0〜1.0でのハン窓関数であり、数6で表され、wn(t)は、wna(t)、wnb(t)及びwnc(t)の和として、数7で表される。wn(t)は、正規化時間−0.5〜0.5での平坦な部分を有している。
図18の下段では、周波数領域のハーフオーバラップハン窓関数Wnb(f)を示す。Wnb(f)は、wn(t)のフーリエ変換として、数8で表される。図18の下段では、周波数領域の通常のハン窓関数も示す。時間領域の通常のハン窓関数は、正規化時間−1.0〜1.0でのハン窓関数であり、正規化時間−0.5〜0.5での平坦な部分を有していない。周波数領域のハーフオーバラップハン窓関数Wnb(f)では、周波数領域の通常のハン窓関数と比べて、サイドロープレベルをより低減することができる。
図19では、重力方向の変位zの時系列データを重力方向の変位zの周波数スペクトルに変換するときに、重力方向の変位zの時系列データにハーフオーバラップハン窓関数、通常のハン窓関数又は矩形窓関数を乗算している。そして、重力方向の変位zの周波数スペクトルから加速度センサの直流ドリフト成分及び重力成分を除去した後に、重力方向の変位zの周波数スペクトルを重力方向の変位zの時系列データに逆変換している。 In FIG. 19, when the time-series data of the displacement z in the gravity direction is converted into the frequency spectrum of the displacement z in the gravity direction, the half-overlap Han window function and the normal Han window function are converted into the time-series data of the displacement z in the gravity direction. Or the rectangular window function is multiplied. Then, after removing the DC drift component and the gravity component of the acceleration sensor from the frequency spectrum of the displacement z in the gravity direction, the frequency spectrum of the displacement z in the gravity direction is inversely converted into the time-series data of the displacement z in the gravity direction.
重力方向の変位zの時系列データにハーフオーバラップハン窓関数したときには、重力方向の変位zの時系列データに通常のハン窓関数又は矩形窓関数を乗算したときと比べて、正規化時間−0.5〜0.5に対応する時間t=20s〜60sにおいて、周波数逆変換後の重力方向の変位zの時系列データの振幅の抑圧を低減することができる。 When the half-overlap Han window function is applied to the time-series data of the displacement z in the gravity direction, the normalization time-compared to the case where the time-series data of the displacement z in the gravity direction is multiplied by the normal Han window function or the rectangular window function. In the time t = 20s to 60s corresponding to 0.5 to 0.5, the suppression of the amplitude of the time-series data of the displacement z in the gravity direction after the inverse frequency conversion can be reduced.
このように、重力方向の加速度az、速度vz又は変位zについて、周波数スペクトルを時系列データに逆変換したときに、窓関数の中央の平坦な期間では、時系列データの振幅の抑圧を低減することができる。そして、重力方向の加速度az、速度vz又は変位zについて、ハーフオーバラップハン窓関数では、矩形窓関数と比べて、中央の期間を同様に平坦にすることができ、サイドロープレベルをより低減することができる。 In this way, when the frequency spectrum is inversely converted into time-series data for acceleration az , velocity vz or displacement z in the direction of gravity, the amplitude suppression of the time-series data is suppressed in the flat period at the center of the window function. Can be reduced. Then, with respect to the acceleration az , velocity vz or displacement z in the direction of gravity, the half-overlap Han window function can similarly flatten the central period and make the side rope level more flat compared to the rectangular window function. It can be reduced.
なお、wna(t)、wnb(t)及びwnc(t)を別個に時系列データに乗算したうえで、周波数逆変換後の時系列データを加算したときには、周波数逆変換後の時系列データに不連続点が生じ得る。しかし、wna(t)、wnb(t)及びwnc(t)の和であるwn(t)を一度に時系列データに乗算したうえで、周波数逆変換後の時系列データを出力したときには、周波数逆変換後の時系列データに不連続点が生じない。 When wna (t), wnb (t) and wnc (t) are separately multiplied by the time series data and then the time series data after the frequency inverse conversion is added, the time series data after the frequency inverse conversion is added. Discontinuities can occur. However, when wn (t), which is the sum of wna (t), wnb (t), and wnc (t), is multiplied by the time series data at once, and then the time series data after the inverse frequency transformation is output, the frequency is used. No discontinuity occurs in the time series data after the inverse transformation.
また、ハーフオーバラップハン窓関数を時系列データに乗算したときには、通常のハン窓関数を時系列データに乗算したときと比べて、窓関数の中央の平坦な期間では、周波数逆変換後の時系列データの振幅の抑圧を低減できるため、同精度の周波数逆変換後の時系列データを出力するために、長時間の周波数変換前の時系列データを取得せずともよい。 Also, when the half-overlap Han window function is multiplied by the time series data, compared to when the normal Han window function is multiplied by the time series data, in the flat period in the center of the window function, the time after frequency inverse conversion Since the suppression of the amplitude of the series data can be reduced, it is not necessary to acquire the time series data before the frequency conversion for a long time in order to output the time series data after the frequency inverse conversion with the same accuracy.
本開示の重力方向変位計算装置は、携帯端末の加速度センサが、重力方向の加速度のみならず、水平振動の加速度を受け得るならば、例えば、波高を計算する用途等において、適用することができる。 The gravitational direction displacement calculation device of the present disclosure can be applied, for example, in an application for calculating wave height, if the acceleration sensor of the mobile terminal can receive not only the acceleration in the gravitational direction but also the acceleration of horizontal vibration. ..
S:船舶
M:携帯端末
C:重心
G:重力方向変位計算装置
1:加速度取得部
2:平均計算部
3:方向変換部
4:変位計算部
5:低周波除去部
6:周波数変換部
7:周波数逆変換部
8:変位計算部
9:重力除去部
10:周波数変換部
11:低周波計測部
S: Ship M: Mobile terminal C: Center of gravity G: Gravity direction displacement calculation device 1: Acceleration acquisition unit 2: Average calculation unit 3: Direction conversion unit 4: Displacement calculation unit 5: Low frequency removal unit 6: Frequency conversion unit 7: Frequency inverse conversion unit 8: Displacement calculation unit 9: Gravity removal unit 10: Frequency conversion unit 11: Low frequency measurement unit
Claims (12)
各軸方向の加速度の時間平均を計算する平均計算部と、
各軸方向の加速度の時間平均の合成ベクトル方向を重力方向に設定するように、各軸方向の加速度を前記重力方向及び水平方向の加速度に変換する方向変換部と、
前記重力方向の加速度に基づいて、前記重力方向の変位又は速度を計算する変位計算部と、
を備えることを特徴とする重力方向変位計算装置。 An acceleration acquisition unit that acquires acceleration information in the three axial directions from the acceleration sensor of the mobile terminal,
An average calculation unit that calculates the time average of acceleration in each axial direction,
Combining time averages of acceleration in each axial direction A direction changing unit that converts acceleration in each axial direction into acceleration in the gravity direction and horizontal direction so as to set the vector direction in the direction of gravity.
A displacement calculation unit that calculates the displacement or velocity in the direction of gravity based on the acceleration in the direction of gravity.
Gravity direction displacement calculation device characterized by being provided with.
ことを特徴とする、請求項1に記載の重力方向変位計算装置。 The average calculation unit calculates the time average of the acceleration in each axial direction over a period longer than the most dominant or longest fluctuation cycle of the acceleration in each axial direction. The gravitational direction displacement calculation device according to claim 1.
ことを特徴とする、請求項1又は2に記載の重力方向変位計算装置。 The direction changing unit is characterized in that the acceleration in each axial direction is normalized by the gravitational acceleration so that the composite vector length of the time average of the acceleration in each axial direction is normalized by the gravitational acceleration. The gravitational direction displacement calculation device according to 1 or 2.
ことを特徴とする、請求項1から3のいずれかに記載の重力方向変位計算装置。 Gravity from the time-series data of acceleration, velocity or displacement in the direction of gravity by subtracting the polynomial approximation result of acceleration, velocity or displacement in the direction of gravity from the time-series data of acceleration, velocity or displacement in the direction of gravity. The direction of gravity according to any one of claims 1 to 3, further comprising a low frequency removing portion in a time region for removing the component or removing the gravity component and the DC drift component of the acceleration sensor. Displacement calculator.
ことを特徴とする、請求項1から4のいずれかに記載の重力方向変位計算装置。 Acceleration in the direction of gravity by suppressing the DC drift component of the acceleration sensor or by suppressing the DC drift component and gravity component of the acceleration sensor in the frequency spectrum of acceleration, velocity or displacement in the direction of gravity. , The accelerometer's DC drift component is removed from the velocity or displacement frequency spectrum, or the accelerometer's DC drift component and a low frequency removing portion in a frequency region for removing the gravity component are further provided. The gravity direction displacement calculation device according to any one of claims 1 to 4.
ことを特徴とする、請求項4又は5に記載の重力方向変位計算装置。 4 or 5 according to claim 4, further comprising a low frequency measuring unit for measuring the DC drift frequency of the accelerometer based on the frequency spectrum of the acceleration, velocity or displacement in an arbitrary direction of the accelerometer at rest. The gravity direction displacement calculation device described in.
ことを特徴とする、請求項6に記載の重力方向変位計算装置。 The sixth aspect of claim 6, wherein the low-frequency measuring unit removes a gravity component from time-series data of acceleration, velocity, or displacement in the arbitrary direction when the acceleration sensor is stationary, before frequency conversion. Gravity direction displacement calculation device.
ことを特徴とする、請求項1から7のいずれかに記載の重力方向変位計算装置。 The displacement calculation unit is characterized in that the displacement or velocity in the gravity direction is calculated by integrating the time-series data of the acceleration in the gravity direction only twice or once in time. Gravity direction displacement calculation device according to any one of.
ことを特徴とする、請求項1から7のいずれかに記載の重力方向変位計算装置。 The displacement calculation unit divides the frequency spectrum of the acceleration in the gravity direction by the square or the first power of 2πf (f is a frequency) or j2πf (j is an imaginary unit), thereby causing the displacement or velocity in the gravity direction. The gravity direction displacement calculation device according to any one of claims 1 to 7, wherein the calculation is performed.
ことを特徴とする、請求項5又は9に記載の重力方向変位計算装置。 When converting the time-series data of acceleration, velocity or displacement in the gravity direction into the frequency spectrum of acceleration, velocity or displacement in the gravity direction, the center is flat in the time-series data of acceleration, velocity or displacement in the gravity direction. The gravity direction displacement calculation device according to claim 5 or 9, further comprising a frequency conversion unit for multiplying a window function.
ことを特徴とする、請求項10に記載の重力方向変位計算装置。 The frequency conversion unit converts the time-series data of acceleration, speed or displacement in the direction of gravity into the frequency spectrum of acceleration, speed or displacement in the direction of gravity, and the time-series of acceleration, speed or displacement in the direction of gravity. The gravity direction displacement calculation device according to claim 10, wherein the data is multiplied by a half overlap Han window function.
ことを特徴とする、請求項1から11のいずれかに記載の重力方向変位計算装置。 The displacement calculation unit calculates the wave height at the position where the ship is present based on the acceleration in the direction of gravity measured by using the acceleration sensor of the mobile terminal owned by the sailor. Item 4. The gravity direction displacement calculation device according to any one of Items 1 to 11.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019191266A JP2021067494A (en) | 2019-10-18 | 2019-10-18 | Gravity direction displacement calculation device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019191266A JP2021067494A (en) | 2019-10-18 | 2019-10-18 | Gravity direction displacement calculation device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2021067494A true JP2021067494A (en) | 2021-04-30 |
Family
ID=75637011
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2019191266A Pending JP2021067494A (en) | 2019-10-18 | 2019-10-18 | Gravity direction displacement calculation device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2021067494A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115112102A (en) * | 2022-06-14 | 2022-09-27 | 清华大学深圳国际研究生院 | Drifting buoy type wave information observation device |
-
2019
- 2019-10-18 JP JP2019191266A patent/JP2021067494A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115112102A (en) * | 2022-06-14 | 2022-09-27 | 清华大学深圳国际研究生院 | Drifting buoy type wave information observation device |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20140303907A1 (en) | Systems and methods for dynamic force measurement | |
CN109891251B (en) | Information processing apparatus | |
JP2012503194A (en) | How to process measurements from accelerometers | |
JP6455827B2 (en) | Respiration rate detection device, respiration rate detection method, and program storage medium | |
JP2014512045A (en) | Method, device, and apparatus for activity classification using temporal scaling of time-based features | |
CN112693578B (en) | Heave motion parameter forecasting method for semi-submersible type ocean platform based on heave acceleration | |
JP2018077200A (en) | Signal processor, inertial sensor, acceleration measurement method, electronic apparatus and program | |
Liu et al. | Identification of pseudo-natural frequencies of an axially moving cantilever beam using a subspace-based algorithm | |
Peng et al. | Phase-based noncontact vibration measurement of high-speed magnetically suspended rotor | |
JP2021067494A (en) | Gravity direction displacement calculation device | |
JP2014025702A (en) | Fatigue testing machine | |
JP2005038018A (en) | Number of step arithmetic device | |
US20150241243A1 (en) | Method for counting steps and electronic apparatus using the same | |
JP2014178226A (en) | System and method for calculating instrumental seismic intensity | |
Peng et al. | Phase-based video measurement for active vibration suppression performance of the magnetically suspended rotor system | |
CN112749366B (en) | Motor fault feature extraction method based on coherent noise suppression | |
CN105701278A (en) | Modal parameter acquisition method | |
JP5305202B2 (en) | Underwater electric field measuring device and underwater electric field measuring method | |
CN111353415A (en) | Detection method of harmonic component in impulse response | |
KR101420519B1 (en) | Device and Method for Measuring dynamic characteristic of air bearing | |
CN111486943B (en) | Industrial robot vibration state analysis method, system and device and readable storage medium | |
JP2021067495A (en) | Vibration-direction displacement calculating device | |
US20130342469A1 (en) | Touch intensity based on accelerometer readings | |
Onuorah et al. | Development of a Vibration Measurement Device based on a MEMS Accelerometer | |
Zhang et al. | Data Processing Based on Low-Precision IMU Equipment to Predict Wave Height and Wave Period |