JP2022062947A - Magnetism generation source estimation device, and magnetism generation source estimation method - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、磁気センサで計測した磁気を用いて、磁気発生源の位置を推定する技術に関する。 The present invention relates to a technique for estimating the position of a magnetic source using magnetism measured by a magnetic sensor.
特許文献1には、複数の磁気センサを用いた位置・姿勢検出装置が記載されている。 Patent Document 1 describes a position / attitude detecting device using a plurality of magnetic sensors.
特許文献1の装置は、複数の磁気センサで検出した磁気を用いて、磁気マーカの位置、姿勢を算出する。 The apparatus of Patent Document 1 calculates the position and orientation of the magnetic marker using the magnetism detected by a plurality of magnetic sensors.
しかしながら、特許文献1の装置では、複数の磁気センサは、変形しないケースに固定されている。すなわち、複数の磁気センサの位置は、変化しない。 However, in the apparatus of Patent Document 1, a plurality of magnetic sensors are fixed to a case that does not deform. That is, the positions of the plurality of magnetic sensors do not change.
このように、特許文献1に示すような従来の構成は、磁気センサの位置が変化しない状態にて、磁気を発生する対象物(磁気発生源)の位置を推定する。このため、磁気センサの設置対象物が変形し、磁気センサの位置が変化すると、従来の構成は、磁気発生源の位置を、精度良く推定できない。 As described above, in the conventional configuration as shown in Patent Document 1, the position of the object (magnetic source) that generates magnetism is estimated while the position of the magnetic sensor does not change. Therefore, when the object to be installed of the magnetic sensor is deformed and the position of the magnetic sensor changes, the conventional configuration cannot accurately estimate the position of the magnetic source.
したがって、本発明の目的は、磁気センサの設置対象物が変形しても、磁気発生源の位置を精度良く推定することにある。 Therefore, an object of the present invention is to accurately estimate the position of the magnetic source even if the object to be installed of the magnetic sensor is deformed.
この発明の磁気発生源推定装置は、複数の磁気センサ、センサ位置推定部、および、磁気発生源推定部を備える。複数の磁気センサは、変形可能な構造体に設置され、それぞれに磁気発生源の発生する磁気量を計測する。センサ位置推定部は、構造体の変形による複数の磁気センサの変位後の位置を推定する。磁気発生源推定部は、センサ位置推定部で推定した複数の磁気センサの変位後の位置と、計測された磁気量と、を用いて、磁気発生源の位置を推定する。 The magnetic source estimation device of the present invention includes a plurality of magnetic sensors, a sensor position estimation unit, and a magnetic source estimation unit. A plurality of magnetic sensors are installed in a deformable structure, and each of them measures the amount of magnetic charge generated by a magnetic source. The sensor position estimation unit estimates the positions of a plurality of magnetic sensors after displacement due to deformation of the structure. The magnetic source estimation unit estimates the position of the magnetic source using the positions of the plurality of magnetic sensors estimated by the sensor position estimation unit after displacement and the measured magnetic amount.
この構成では、構造体が変形しても、変形後における複数の磁気センサの位置が精度良く得られる。これにより、構造体の変形の影響を受けず、磁気発生源と複数の磁気センサとの位置関係が精度良く得られる。 In this configuration, even if the structure is deformed, the positions of the plurality of magnetic sensors after the deformation can be obtained with high accuracy. As a result, the positional relationship between the magnetic source and the plurality of magnetic sensors can be accurately obtained without being affected by the deformation of the structure.
この発明によれば、磁気センサの設置対象物が変形しても、磁気発生源の位置を精度良く推定できる。 According to the present invention, even if the object to which the magnetic sensor is installed is deformed, the position of the magnetic source can be estimated accurately.
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係る磁気発生源推定装置および磁気発生源推定方法について、図を参照して説明する。図1は、第1の実施形態に係る磁気発生源推定装置の構成の一例を示す機能ブロック図である。
(First Embodiment)
The magnetic source estimation device and the magnetic source estimation method according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a functional block diagram showing an example of the configuration of the magnetic source estimation device according to the first embodiment.
図1に示すように、磁気発生源推定装置10は、複数のセンサ素子(センサ素子311、センサ素子312、センサ素子313、センサ素子314、センサ素子321、センサ素子322、センサ素子323、センサ素子324)、および、演算装置80を備える。複数のセンサ素子311-314、321-324のそれぞれは、演算装置80に接続する。
As shown in FIG. 1, the magnetic
(構造体20の構造、複数のセンサ素子311-314、321-324の構造体20への設置態様、および、複数のセンサ素子311-314、321-324の処理)
複数のセンサ素子311-314、321-324のそれぞれは、磁気センサと慣性センサとを備える。例えば、センサ素子311は、磁気センサ311Mと慣性センサ311Iとを備える。複数のセンサ素子は、構造体20に設置される。
(Structure of
Each of the plurality of sensor elements 311-314 and 321-324 includes a magnetic sensor and an inertial sensor. For example, the
図2(A)は、第1の実施形態に係る磁気発生源推定装置が利用される構造体の端面図および側面図であり、図2(B)は、第1の実施形態に係る構造体の断面図である。図2(B)に示す断面図は、端面に平行な面で切った断面図(端面断面図)と、端面に直交する面で切った断面図(側面断面図)である。 FIG. 2A is an end view and a side view of a structure in which the magnetic source estimation device according to the first embodiment is used, and FIG. 2B is a structure according to the first embodiment. It is a cross-sectional view of. The cross-sectional view shown in FIG. 2B is a cross-sectional view cut along a plane parallel to the end face (end face cross-sectional view) and a cross-sectional view cut along a plane orthogonal to the end face (side cross-sectional view).
図2(A)、図2(B)に示すように、複数のセンサ素子311-314、321-324は、構造体20に設置される。構造体20は、弾性変形可能な円筒形状である。ここで、弾性変形可能とは、応力がかかることによって、湾曲、部分的な凹み、収縮、伸張することである。また、この場合の弾性変形可能とは、かかる応力の大きさに応じて、変形量が変化することである。構造体20は、例えば所定の弾性率を有し、可撓性を有する樹脂からなる。また、構造体20は、透磁性を有する。
As shown in FIGS. 2A and 2B, the plurality of sensor elements 311-314 and 321-324 are installed in the
構造体20は、それぞれ円形の一方端面と他方端面とを有する。構造体20は、一方端端面と他方端面とを結ぶ方向に沿って延びる形状である。すなわち、一方端端面と他方端面とを結ぶ方向が、構造体20の延伸方向である。
The
構造体20は、内壁面201と外壁面202とを有する。内壁面201に囲まれる空間が、構造体20の中空部200となる。なお、構造体20は、円筒形状に限らず、弾性変形可能なものであればよい。しかしながら、構造体20は、中空を有する形状等のように、内部の状態が、外部からの撮像によって容易に把握できないものであると、本願発明の構成はより有効である。
The
複数のセンサ素子311-314、321-324は、構造体20の外壁面202に設置される。この際、複数のセンサ素子311-314、321-324は、構造体20に設置されて磁気発生源の発する磁場(磁界)を検出可能に設置される。
The plurality of sensor elements 311-314 and 321-324 are installed on the
より具体的な設置の一例として、複数のセンサ素子311-314は、構造体20の延伸方向における第1の位置に設置される。複数のセンサ素子311-314は、構造体20の周方向に沿って間隔を空けて設置される。例えば、複数のセンサ素子311-314は、周方向に沿って、90°の角度間隔で設置される。
As an example of more specific installation, the plurality of sensor elements 311-314 are installed at the first position in the stretching direction of the
複数のセンサ素子321-324は、構造体20の延伸方向における第2の位置に設置される。第2の位置は、第1の位置に対して、延伸方向に所定距離で離れた位置である。複数のセンサ素子321-324は、構造体20の周方向に沿って間隔を空けて設置される。例えば、複数のセンサ素子321-324は、周方向に沿って、90°の角度間隔で設置される。
The plurality of sensor elements 321-324 are installed at the second position in the stretching direction of the
複数のセンサ素子311-314、321-324の磁気センサは、センサ素子の設置位置の磁場(磁界)を計測する。各磁気センサは、磁気計測値(磁界強度等)を、演算装置80に出力する。この際、各磁気センサは、それぞれが属するセンサ素子の識別情報を関連付けして、磁気計測値を出力する。
The magnetic sensors of the plurality of sensor elements 311-314 and 321-324 measure the magnetic field (magnetic field) at the installation position of the sensor element. Each magnetic sensor outputs a magnetic measurement value (magnetic field strength, etc.) to the
複数のセンサ素子311-314、321-324の慣性センサは、センサ素子にかかる慣性力による物理量を計測する。各慣性センサは、計測した物理量を、演算装置80に出力する。より具体的には、慣性センサは、加速度センサおよび角速度センサを備える。加速度センサは、センサ素子にかかる加速度を計測する。加速度は、3軸加速度である。各加速度センサは、計測した加速度を、演算装置80に出力する。
The inertial sensors of the plurality of sensor elements 311-314 and 321-324 measure physical quantities due to the inertial force applied to the sensor elements. Each inertial sensor outputs the measured physical quantity to the
角速度センサは、センサ素子にかかる角速度を計測する。角速度は、3軸周りの角速度である。各角速度センサは、計測した角速度を、演算装置80に出力する。
The angular velocity sensor measures the angular velocity applied to the sensor element. The angular velocity is the angular velocity around three axes. Each angular velocity sensor outputs the measured angular velocity to the
図3は、センサ素子の直交3軸の設定の一態様を示す図である。図3に示すように、センサ素子300(複数のセンサ素子311-314、321-324と同じ構成のセンサ素子)には、互いに直交するxs軸(センサ系x軸)、ys軸(センサ系y軸)、および、zs軸(センサ系z軸)が設定されている。zs軸は、センサ素子300の筐体の主面(構造体20への設置面)に対して直交する軸であり、xs軸およびys軸は、センサ素子300の筐体の主面に平行な軸である。
FIG. 3 is a diagram showing one aspect of setting the three orthogonal axes of the sensor element. As shown in FIG. 3, the sensor element 300 (sensor element having the same configuration as a plurality of sensor elements 311-314 and 321-324) has an xs axis (sensor system x axis) and an ys axis (sensor system y) orthogonal to each other. Axis) and zs axis (sensor system z axis) are set. The zs axis is an axis orthogonal to the main surface of the housing of the sensor element 300 (the installation surface on the structure 20), and the xs axis and the ys axis are parallel to the main surface of the housing of the
加速度センサは、xs軸方向の加速度、ys軸方向の加速度、および、zs軸方向の加速度を、上述の3軸加速度として計測する。 The acceleration sensor measures the acceleration in the xs-axis direction, the acceleration in the ys-axis direction, and the acceleration in the zs-axis direction as the above-mentioned three-axis acceleration.
角速度センサは、xs軸周りの角速度θs、ys軸周りの角速度φs、および、zs軸周りの角速度ψsを、上述の3軸角速度として計測する。 The angular velocity sensor measures the angular velocity θs around the xs axis, the angular velocity φs around the ys axis, and the angular velocity ψs around the zs axis as the above-mentioned three-axis angular velocity.
なお、加速度の3軸と角速度の3軸とは一致していなくてよい。ただし、加速度の3軸と角速度の3軸が一致することで、後述の加速度の校正処理が容易になる。 The three axes of acceleration and the three axes of angular velocity do not have to coincide. However, when the three axes of acceleration and the three axes of angular velocity match, the acceleration calibration process described later becomes easy.
各センサ素子の加速度センサおよび角速度センサは、それぞれが属するセンサ素子の識別情報を関連付けして、加速度および角速度を出力する。また、加速度センサおよび角速度センサの各組は、それぞれが属するセンサ素子の磁気センサの磁気計測値と同期が可能なように、加速度および角速度を出力する。 The acceleration sensor and the angular velocity sensor of each sensor element associate the identification information of the sensor element to which each sensor element belongs, and output the acceleration and the angular velocity. Further, each set of the acceleration sensor and the angular velocity sensor outputs the acceleration and the angular velocity so as to be synchronized with the magnetic measurement value of the magnetic sensor of the sensor element to which the acceleration sensor and the angular velocity sensor belong.
(演算装置80の構成および処理)
演算装置80は、例えば、パーソナルコンピュータ、マイクロコンピュータ等によって実現される。演算装置80は、磁気計測値記憶部81、センサ位置推定部82、および、磁気発生源推定部83を備える。
(Configuration and processing of arithmetic unit 80)
The
磁気計測値記憶部81は、複数のセンサ素子の磁気センサに接続する。磁気計測値記憶部81は、複数のセンサ素子311-314、321-324の磁気センサが計測した磁気計測値を、受信して記憶する。この際、磁気計測値記憶部81は、複数のセンサ素子311-314、321-324の識別情報と、それぞれに計測した磁気計測値とを関連付けして記憶する。
The magnetic measurement
なお、磁気計測値記憶部81は、省略することが可能である。この場合、複数のセンサ素子311-314、321-324の磁気センサが計測した磁気計測値は、磁気発生源推定部83で受信される。
The magnetic measurement
センサ位置推定部82は、複数のセンサ素子311-314、321-324の慣性センサに接続する。なお、以下では、慣性センサが加速度センサと角速度センサからなる場合を具体例として説明する。センサ位置推定部82は、複数のセンサ素子311-314、321-324から、加速度計測値および角速度計測値を受信する。
The sensor
センサ位置推定部82は、予め設定した座標系において、複数のセンサ素子311-314、321-324の位置座標を推定する。
The sensor
図4は、センサ位置推定部で設定されている座標系の一例での位置座標例を示す図である。図4に示すように、センサ位置推定部82では、構造体20が変形していない状態(静止状態:基準状態)において、所定の基準点の座標を、基準原点Poに設定する。より具体的には、構造体20の中空部200内における延伸方向に延びる中心軸上の1点が、基準原点Poに設定される。また、延伸方向に平行な方向がz軸方向に設定され、z軸方向に直交し、互いに直交する2方向が、それぞれx軸方向とy軸方向に設定される。
FIG. 4 is a diagram showing a position coordinate example in an example of the coordinate system set by the sensor position estimation unit. As shown in FIG. 4, the sensor
複数のセンサ素子311-314、321-324には、この座標系において、基準状態での位置座標Pssおよび姿勢ATssが設定されている。具体的に、センサ素子311には、位置座標Pss311、姿勢ATss311が設定され、センサ素子312には、位置座標Pss312、姿勢ATss312が設定され、センサ素子313には、位置座標Pss313、姿勢ATss313が設定され、センサ素子314には、位置座標Pss314、姿勢ATss314が設定される。センサ素子321には、位置座標Pss321、姿勢ATss321が設定され、センサ素子322には、位置座標Pss322、姿勢ATss322が設定され、センサ素子323には、位置座標Pss323、姿勢ATss323が設定され、センサ素子324には、位置座標Pss324、姿勢ATss324が設定される。
In this coordinate system, the position coordinates Pss and the attitude ATss in the reference state are set in the plurality of sensor elements 311-314 and 321-324. Specifically, the
また、センサ位置推定部82は、基準原点Poによって設定される座標系と、複数のセンサ素子311-314、321-324の座標系との関係を予め記憶している。そして、センサ位置推定部82は、例えば、これらの座標系間の変換行列等を記憶している。
Further, the sensor
センサ位置推定部82は、センサ素子からの加速度、角速度に変化の有無を検出する。センサ位置推定部82は、位置推定対象のセンサ素子において、基準状態から加速度、角速度に変化がなければ、基準状態の位置座標を、センサ素子の位置座標として出力する。
The sensor
センサ位置推定部82は、位置推定対象のセンサ素子において、基準状態から加速度、角速度に変化があれば、基準状態の位置座標、加速度、角速度を用いて、変化後の位置座標を推定する。そして、センサ位置推定部82は、推定した変化後の位置座標を、センサ素子の位置座標として出力する。
If there is a change in acceleration and angular velocity from the reference state in the sensor element to be positioned, the sensor
また、センサ位置推定部82は、位置推定対象のセンサ素子において、ある状態(例えば、構造体20が変形した状態)から加速度、角速度に変化がなければ、この状態の位置座標を、継続して、センサ素子の位置座標として出力する。
Further, if there is no change in acceleration and angular velocity from a certain state (for example, a state in which the
また、センサ位置推定部82は、位置推定対象のセンサ素子において、ある状態(例えば、構造体20が変形した状態)から加速度、角速度に更なる変化があれば、ある状態の位置座標、加速度、角速度を用いて、更なる変化後の位置座標を推定する。そして、センサ位置推定部82は、推定した更なる変化後の位置座標を、センサ素子の位置座標として出力する。
Further, if there is a further change in the acceleration and the angular velocity from a certain state (for example, a state in which the
(加速度、角速度に変化があるときの位置座標の推定方法の一例)
センサ位置推定部82は、加速度、角速度に変化があるとき、より具体的には、次の方法によって、センサ素子の位置座標を推定する。センサ位置推定部82は、基準状態でのセンサ素子の位置座標Pssおよび姿勢ATssとともに、センサ素子で計測した加速度を取得する。この基準状態では、センサ素子は変位していないので、センサ位置推定部82は、この基準状態での加速度を重力加速度として抽出し、記憶する。
(Example of estimation method of position coordinates when there is a change in acceleration and angular velocity)
When the acceleration and the angular velocity change, the sensor
センサ位置推定部82は、順次入力される角速度を積算(一階積分)することで、姿勢変化量を推定する。センサ位置推定部82は、基準状態での姿勢ATssを、姿勢変化量で補正(例えば、加算)することで、センサ素子の変位後の姿勢を推定する。
The sensor
センサ位置推定部82は、姿勢を用いて、重力加速度を補正する。センサ位置推定部82は、姿勢を推定する角速度と平行して取得した加速度を、補正した重力加速度で校正する。例えば、計測した3軸加速度から、補正した重力加速度を減算する。
The sensor
センサ位置推定部82は、補正後の加速度を積算することで、速度を算出し、この速度を積算することで、センサ素子の位置変化量を推定する。言い換えれば、センサ位置推定部82は、補正後の加速度を二階積分することで、センサ素子の位置変化量を推定する。
The sensor
センサ位置推定部82は、基準状態での位置座標Pssを、位置変化量で補正(例えば、加算)することで、センサ素子の変位後の位置座標を推定する。
The sensor
なお、上述の説明では、基準状態からの変位の場合を示したが、ある状態から別の状態に変位する場合も、上述の処理において、基準状態の物理量を、ある状態の物理量に置き換えることで、センサ位置推定部82は、センサ素子の変位後の位置座標を推定できる。
In the above description, the case of displacement from the reference state is shown, but even when displacement from one state to another state, the physical quantity in the reference state is replaced with the physical quantity in a certain state in the above processing. , The sensor
そして、このような処理を行うことによって、センサ位置推定部82は、構造体20が変形しても、複数のセンサ素子311-314、321-324の位置座標を、精度良く推定できる。
By performing such processing, the sensor
センサ位置推定部82は、設定または推定した複数のセンサ素子311-314、321-324の位置座標を、磁気発生源推定部83に出力する。
The sensor
磁気発生源推定部83は、複数のセンサ素子311-314、321-324の磁気計測値と、複数のセンサ素子311-314、321-324の位置座標とを用いて、磁気発生源90の位置を推定する。
The magnetic
磁気発生源推定部83は、概略的には、次の概念から、磁気発生源90の位置座標を推定する。磁気発生源90の磁気量が分かると、磁気発生源90の位置、磁気発生源90の姿勢(磁気モメントMの立体角)に応じた磁界強度が分かる。すなわち、センサ素子の磁気センサが計測する磁気計測値によって、磁気発生源90の位置、磁気発生源90の姿勢(磁気モメントMの立体角)を一意に算出できる。磁気発生源90の位置座標P90は、x軸座標、y軸座標、z軸座標によって決まる。すなわち、磁気発生源90の位置座標P90は、3個の未知数を有する。また、磁気発生源90の姿勢は、立体角を表す姿勢角θ、φからなる2個の未知数を有する。したがって、5個以上のセンサ素子の位置座標と、5個以上のセンサ素子と磁気発生源90との距離が分かれば、これら5個の未知数、すなわち、磁気発生源90の位置座標および磁気発生源90の姿勢を、最小二乗法等を用いて推定できる。
The magnetic
これを利用し、磁気発生源推定部83は、複数のセンサ素子311-314、321-324の磁気計測値と、磁気発生源90の磁気量から、磁気発生源90の姿勢とともに、磁気発生源90の位置座標P90を推定する。
Utilizing this, the magnetic
具体的には、磁気発生源推定部83は、構造体20が変形している状態と、構造体20が変形していない状態とで、次のように、磁気発生源90の位置座標P90を推定する。
Specifically, the magnetic
図5は、構造体が変形していない状態での磁気発生源と複数のセンサ素子との位置関係の一例を示す図である。図6は、構造体が変形している状態での磁気発生源と複数のセンサ素子との位置関係の一例を示す図である。 FIG. 5 is a diagram showing an example of the positional relationship between the magnetic source and the plurality of sensor elements in a state where the structure is not deformed. FIG. 6 is a diagram showing an example of the positional relationship between the magnetic source and the plurality of sensor elements in a state where the structure is deformed.
図5、図6に示すように、構造体20の中空部200には、磁気発生源90が挿入される。磁気発生源90は、例えば、棒状体900の先端に取り付けられている。この棒状体900の挿入によって、磁気発生源90は、構造体20の中空部200内に挿入される。これは、例えば、血管等の臓器内にカテーテルを挿入した状態を模擬したものに対応する。
As shown in FIGS. 5 and 6, a
(構造体20が変形していない状態)
図5に示す例では、磁気発生源90は、構造体20の内壁面201の接触しおらず、構造体20は変形していない。
(The state where the
In the example shown in FIG. 5, the
構造体20が変形していないと、複数のセンサ素子311-314、321-324の位置座標および姿勢は、基準状態のままであり、加速度、角速度の変化は無い。この場合、磁気発生源推定部83には、基準状態での複数のセンサ素子311-314、321-324の位置座標が入力される。磁気発生源推定部83は、これらの位置座標と、各センサ素子の磁気計測値を用いて、磁気発生源90の位置座標P90を推定する。
If the
(構造体20が変形している状態)
図6に示す例では、磁気発生源90は、構造体20の内壁面201に接触しており、棒状体900および磁気発生源90から受ける応力によって、構造体20は変形している。
(The state where the
In the example shown in FIG. 6, the
構造体20が変形することによって、複数のセンサ素子311-314、321-324の位置座標および姿勢は、基準状態から変化する。これにより、加速度および角速度も変化する。センサ位置推定部82は、この加速度および角速度の変化を用いて、上述のように、複数のセンサ素子311-314、321-324の変位後の位置座標および姿勢を算出する。例えば、図6の場合、センサ位置推定部82は、センサ素子311からの加速度および角速度を用いて、センサ素子311の変位後の位置座標Psb311、姿勢ATsb311を算出する。同様に、センサ位置推定部82は、センサ素子312からの加速度および角速度を用いて、センサ素子312の変位後の位置座標Psb312、姿勢ATsb312を算出し、センサ素子313からの加速度および角速度を用いて、センサ素子313の変位後の位置座標Psb313、姿勢ATsb313を算出し、センサ素子314からの加速度および角速度を用いて、センサ素子314の変位後の位置座標Psb314、姿勢ATsb314を算出する。さらに、同様に、センサ位置推定部82は、センサ素子321の変位後の位置座標Psb321、姿勢ATsb321、センサ素子322の変位後の位置座標Psb322、姿勢ATsb322、センサ素子323の変位後の位置座標Psb323、姿勢ATsb323、および、センサ素子324の変位後の位置座標Psb324、姿勢ATsb324を算出する。センサ位置推定部82は、これら算出した複数のセンサ素子311-314、321-324の変位後の位置座標を、磁気発生源推定部83に出力する。
When the
磁気発生源推定部83は、これらの変位後の位置座標と、各センサ素子の磁気計測値を用いて、磁気発生源90の位置座標P90を推定する。
The magnetic
このように、本実施形態の構成を用いることによって、構造体20の変形の有無にかかわらず、磁気発生源90の位置座標P90を、精度良く推定できる。
As described above, by using the configuration of the present embodiment, the position coordinates P 90 of the
なお、この際、磁気発生源推定部83は、磁気発生源90の位置座標P90の推定に用いるセンサ素子を、所定の条件に基づいて組み合わせるとよい。例えば、磁気発生源推定部83は、磁気計測値が大きなセンサ素子を組み合わせたり、磁気計測値が大きく異なるセンサ素子を組み合わせたり、延伸方向の異なる位置のセンサ素子を組み合わせる等の処理を行ってもよい。これらの処理を行うことによって、磁気発生源推定部83は、推定精度を向上することが可能になる。なお、この組合せ方は一例であり、他の組合せ方も適宜可能である。
At this time, the magnetic
また、上述の説明では、磁気発生源90の発する磁気量が既知の場合を示したが、磁気量が未知の場合でも、磁気発生源90の位置座標P90を推定できる。この場合、磁気発生源推定部83は、6個以上のセンサ素子の磁気計測値と位置座標を用い、磁気発生源90の位置座標P90、姿勢角θ、φ、および磁気量を未知数として、推定演算を行う。
Further, in the above description, the case where the magnetic charge generated by the
この構成および処理によって、磁気発生源推定装置10は、磁気発生源90の位置座標P90とともに、磁気発生源90の発する磁気量も、精度良く推定できる。
With this configuration and processing, the magnetic
(磁気発生源推定方法)
図7は、第1の実施形態に係る磁気発生源の推定方法のメインフローを示すフローチャートである。図8は、位置推定の具体的なフローチャートである。なお、図7、図8に示す処理における具体的な内容において、上述の構成の説明により容易に理解できるものについては、具体的な説明は省略する。
(Magnetic source estimation method)
FIG. 7 is a flowchart showing the main flow of the method for estimating the magnetic source according to the first embodiment. FIG. 8 is a specific flowchart of position estimation. In the specific contents of the processes shown in FIGS. 7 and 8, the specific contents that can be easily understood by the above-mentioned explanation of the configuration will be omitted.
磁気発生源推定装置10のセンサ位置推定部82は、複数のセンサ素子311-314、321-324の初期位置(基準状態での位置座標)を記憶する(S11)。
The sensor
複数のセンサ素子311-314、321-324は、磁気発生源90からの磁気を、それぞれに計測する(S121)。磁気計測値記憶部81は、複数のセンサ素子311-314、321-324の磁気計測値を記憶する(S122)。
The plurality of sensor elements 311-314 and 321-324 measure the magnetism from the
複数のセンサ素子311-314、321-324は、加速度および角速度をそれぞれに計測する(S131)。センサ位置推定部82は、複数のセンサ素子311-314、321-324が計測した加速度および角速度と、直前の状態の位置座標とを用いて、複数のセンサ素子311-314、321-324を推定し(S132)、更新する。
The plurality of sensor elements 311-314 and 321-324 measure acceleration and angular velocity, respectively (S131). The sensor
より具体的には、基準状態(静止状態:構造体20が変形していない状態)からの変化の場合、複数のセンサ素子311-314、321-324は、基準状態の加速度を計測しており(S311)、センサ位置推定部82は、これらの基準状態の加速度から重力加速度を抽出し、記憶する(S312)。
More specifically, in the case of a change from the reference state (stationary state: the state in which the
センサ位置推定部82は、各センサ素子の角速度を用いて、各センサ素子の姿勢変化量を推定する(S313)。センサ位置推定部82は、姿勢変化量から、各センサ素子の姿勢を推定する(S314)。センサ位置推定部82は、姿勢を用いて、重力加速度を補正し(S315)、この補正した重力加速度を用いて、計測加速度を校正する(S316)。
The sensor
センサ位置推定部82は、校正した計測加速度を用いて、位置変化量を推定する(S317)。センサ位置推定部82は、基準状態の位置座標と位置変化量を用いて、位置座標を推定する(S318)。
The sensor
磁気発生源推定部83は、推定した複数のセンサ素子311-314、321-324の位置座標と磁気計測値を用いて、磁気発生源90の位置座標P90を推定する(S14)。この際、磁気発生源推定部83は、磁気発生源90の位置座標P90とともに、磁気発生源90の発する磁気量も推定できる。
The magnetic
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態に係る磁気発生源推定装置および磁気発生源推定方法について、図を参照して説明する。図9は、第2の実施形態に係る磁気発生源推定装置の構成の一例を示す機能ブロック図である。図10は、第2の実施形態に係る磁気発生源推定装置が利用される構造体の端面図および側面図である。
(Second embodiment)
The magnetic source estimation device and the magnetic source estimation method according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 9 is a functional block diagram showing an example of the configuration of the magnetic source estimation device according to the second embodiment. FIG. 10 is an end view and a side view of a structure in which the magnetic source estimation device according to the second embodiment is used.
図9に示すように、第2の実施形態に係る磁気発生源推定装置10Aは、第1の実施形態に係る磁気発生源推定装置10に対して、慣性センサに代えて、歪みセンサを用いた点で異なる。磁気発生源推定装置10Aの他の構成は、磁気発生源推定装置10と同様であり、同様の箇所の説明は省略する。
As shown in FIG. 9, the magnetic
磁気発生源推定装置10Aは、複数の磁気センサ(磁気センサ311M、磁気センサ312M、磁気センサ313M、磁気センサ314M、磁気センサ321M、磁気センサ322M、磁気センサ323M、磁気センサ324M)、複数の歪みセンサ(歪みセンサ41、歪みセンサ42、歪みセンサ43、歪みセンサ43)、演算装置80Aを備える。複数の歪みセンサ41-44が、本発明の「変形検出センサ」に対応する。
The magnetic
演算装置80Aは、磁気計測値記憶部81、センサ位置推定部82A、および、磁気発生源推定部83を備える。
The
図10に示すように、複数の磁気センサ311M-314M、321M-324M、および、歪みセンサ41-44は、構造体20に設置される。
As shown in FIG. 10, the plurality of
複数の磁気センサ311M-314M、321M-324Mは、構造体20の外壁面202に設置される。この際、複数の磁気センサ311M-314M、321M-324Mは、構造体20に設置されて磁気発生源の発する磁場(磁界)を検出可能に設置される。概略的には、複数の磁気センサ311M-314M、321M-324Mは、第1の実施形態に係る複数のセンサ素子311-314、321-324と同様の設置で、構造体20に設置される。
The plurality of
複数の磁気センサ311M-314M、321M-324Mは、磁気計測値を、磁気計測値記憶部81に出力する。
The plurality of
複数の歪みセンサ41-44は、長尺状で弾性を有するフィルム形状である。複数の歪みセンサ41-44の弾性率は、構造体20の弾性率よりも低いことが好ましい。これにより、複数の歪みセンサ41-44は、構造体20の変形に、より正確に追従して、構造体20の変形を精度良く検出できる。複数の歪みセンサ41-44は、構造体20の外壁面202に設置される。
The plurality of strain sensors 41-44 have a long and elastic film shape. The elastic modulus of the plurality of strain sensors 41-44 is preferably lower than the elastic modulus of the
複数の歪みセンサ41-44は、長尺方向が構造体20の延伸方向に平行になるように、構造体20に設置される。複数の歪みセンサ41-44は、構造体20の周方向に沿って間隔を空けて設置される。例えば、複数の歪みセンサ41-44は、周方向に沿って、90°の角度間隔で設置される。この際、複数の歪みセンサ41-44の設置位置と、複数の磁気センサ311M-314M、321M-324Mの設置位置とは、重ならない。
The plurality of strain sensors 41-44 are installed in the
図11は、第2の実施形態の磁気発生源推定装置において、構造体が変形している状態を示す図である。図11に示すように、構造体20が変形すると、複数の歪みセンサ41-44は、構造体20の変形に応じた形状で変形し、歪む。
FIG. 11 is a diagram showing a state in which the structure is deformed in the magnetic source estimation device of the second embodiment. As shown in FIG. 11, when the
複数の歪みセンサ41-44は、歪み状態(例えば、歪み量と歪みの方向)に応じた検出信号を発生する。複数の歪みセンサ41-44は、歪み検出信号を、センサ位置推定部82Aに出力する。
The plurality of strain sensors 41-44 generate detection signals according to the strain state (for example, the amount of strain and the direction of strain). The plurality of strain sensors 41-44 output the strain detection signal to the sensor
センサ位置推定部82Aは、基準状態での複数の磁気センサ311M-314M、321M-324Mの位置座標Pssを記憶している。また、センサ位置推定部82Aは、例えば、歪みセンサ41-44の検出信号の組合せと、構造体20における磁気センサ311M-314M、321M-324Mの位置での変位量(ベクトル量)との関係を記憶している。
The sensor
センサ位置推定部82Aは、歪みセンサ41-44の検出信号から、構造体20における磁気センサ311M-314M、321M-324Mの位置での変位量を検出し、この変位量と、複数の磁気センサ311M-314M、321M-324Mの位置座標Pssとから、複数の磁気センサ311M-314M、321M-324Mの変位後の位置座標を推定する。センサ位置推定部82Aは、推定した複数の磁気センサ311M-314M、321M-324Mの変位後の位置座標を、磁気発生源推定部83に出力する。
The sensor
磁気発生源推定部83は、磁気センサ311M-314M、321M-324Mの変位後の位置座標と、磁気センサ311M-314M、321M-324Mの磁気計測値とを用いて、磁気発生源90の位置座標P90を推定する。
The magnetic
このような構成および処理によって、磁気発生源推定装置10Aは、構造体20の変形の有無によらず、磁気発生源90の位置座標P90を、精度良く推定できる。
With such a configuration and processing, the magnetic
(磁気発生源推定方法)
図12は、第2の実施形態に係る磁気発生源の推定方法のメインフローを示すフローチャートである。なお、図12に示す処理における具体的な内容において、上述の構成の説明により容易に理解できるものについては、具体的な説明は省略する。
(Magnetic source estimation method)
FIG. 12 is a flowchart showing the main flow of the method for estimating the magnetic source according to the second embodiment. In the specific contents of the process shown in FIG. 12, those that can be easily understood by the above-mentioned explanation of the configuration will be omitted.
磁気発生源推定装置10Aのセンサ位置推定部82Aは、複数のセンサ素子311-314、321-324の初期位置(基準状態での位置座標)を記憶する(S11)。
The sensor
複数の磁気センサ311M-314M、321M-324Mは、磁気発生源90からの磁気を、それぞれに計測する(S121)。磁気計測値記憶部81は、複数の磁気センサ311M-314M、321M-324Mの磁気計測値を記憶する(S122)。
The plurality of
複数の歪みセンサ41-44は、それぞれの設置位置での構造体20の歪み状態を検出する(S151)。センサ位置推定部82Aは、複数の歪みセンサ41-44が検出した歪み状態と、直前の状態の位置座標とを用いて、複数のセンサ素子311-314、321-324を推定し(S152)、更新する。
The plurality of strain sensors 41-44 detect the strain state of the
磁気発生源推定部83は、推定した複数のセンサ素子311-314、321-324の位置座標と磁気計測値を用いて、磁気発生源90の位置座標P90を推定する(S14)。この際、磁気発生源推定部83は、磁気発生源90の位置座標P90とともに、磁気発生源90の発する磁気量も推定できる。
The magnetic
(第3の実施形態)
本発明の第3の実施形態に係る磁気発生源推定装置について、図を参照して説明する。図13は、第3の実施形態に係る磁気発生源推定装置が利用される構造体の端面図および側面図である。
(Third embodiment)
The magnetic source estimation device according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 13 is an end view and a side view of a structure in which the magnetic source estimation device according to the third embodiment is used.
図13に示すように、第3の実施形態に係る磁気発生源推定装置は、第2の実施形態に係る磁気発生源推定装置10Aに対して、歪みセンサの設置態様において異なる。第3の実施形態に係る磁気発生源推定装置の他の構成は、磁気発生源推定装置10Aと同様であり、同様の箇所の説明は省略する。
As shown in FIG. 13, the magnetic source estimation device according to the third embodiment differs from the magnetic
複数の歪みセンサ41-44は、構造体20の壁内に設置される。言い換えれば、複数の歪みセンサ41-44は、構造体20に内蔵され、一体成形されている。このような構成であっても、複数の歪みセンサ41-44は、構造体20の変形を検出できる。したがって、磁気発生源推定装置は、構造体20の変形の有無によることなく、磁気発生源90の位置座標P90を精度良く推定できる。
The plurality of strain sensors 41-44 are installed in the wall of the
また、この構成では、複数の歪みセンサ41-44は、構造体20の外周面に直交する方向から観て、複数の磁気センサ311M-314M、321M-324Mに重ならないように設置される。これにより、磁気発生源90が発し、複数の磁気センサ311M-314M、321M-324Mが計測する磁界への複数の歪みセンサ41-44の影響は、抑制できる。したがって、磁気発生源推定装置は、複数の磁気センサ311M-314M、321M-324Mの計測精度の劣化を抑制できる。
Further, in this configuration, the plurality of strain sensors 41-44 are installed so as not to overlap the plurality of
(第4の実施形態)
本発明の第4の実施形態に係る磁気発生源推定装置について、図を参照して説明する。図14は、第4の実施形態に係る磁気発生源推定装置が利用される構造体の端面図および側面図である。
(Fourth Embodiment)
The magnetic source estimation device according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 14 is an end view and a side view of a structure in which the magnetic source estimation device according to the fourth embodiment is used.
図14に示すように、第4の実施形態に係る磁気発生源推定装置は、第3の実施形態に係る磁気発生源推定装置に対して、歪みセンサの設置態様において異なる。第4の実施形態に係る磁気発生源推定装置の他の構成は、第3の実施形態に係る磁気発生源推定装置と同様であり、同様の箇所の説明は省略する。 As shown in FIG. 14, the magnetic source estimation device according to the fourth embodiment differs from the magnetic source estimation device according to the third embodiment in the installation mode of the strain sensor. Other configurations of the magnetic source estimation device according to the fourth embodiment are the same as those of the magnetic source estimation device according to the third embodiment, and the description of the same parts will be omitted.
第4の実施形態に係る磁気発生源推定装置は、第3の実施形態に係る磁気発生源推定装置に対して、歪みセンサ51および歪みセンサ52をさらに備える。歪みセンサ51および歪みセンサ52は、複数の歪みセンサ41-44と同様に、長尺状のフィルム形状であり、弾性を有する。歪みセンサ51および歪みセンサ52の弾性率は、構造体20の弾性率よりも低い。
The magnetic source estimation device according to the fourth embodiment further includes a
歪みセンサ51および歪みセンサ52は、長尺方向が構造体20の周方向に平行になるように、構造体20に設置される。歪みセンサ51および歪みセンサ52は、構造体20の壁内に設置される。歪みセンサ51の設置位置と歪みセンサ52の設置位置は、構造体20の延伸方向において異なる。
The
このような構成によって、歪みセンサの個数を多くでき、より自由度が高い設置が可能になる。これにより、複数の歪みセンサ41-44、51、52によって、構造体20の変形は、より精度良く検出できる。したがって、磁気発生源推定装置は、構造体20の変形の有無によることなく、磁気発生源90の位置座標P90を、より精度良く推定できる。
With such a configuration, the number of distortion sensors can be increased, and installation with a higher degree of freedom becomes possible. As a result, the deformation of the
また、この構成では、複数の歪みセンサ41-44、51、52は、構造体20の外周面に直交する方向から観て、複数の磁気センサ311M-314M、321M-324Mに重ならないように設置される。これにより、磁気発生源90が発し、複数の磁気センサ311M-314M、321M-324Mが計測する磁界への複数の歪みセンサ41-44、51、52の影響は、抑制できる。したがって、磁気発生源推定装置は、複数の磁気センサ311M-314M、321M-324Mの計測精度の劣化を抑制できる。
Further, in this configuration, the plurality of strain sensors 41-44, 51, 52 are installed so as not to overlap the plurality of
なお、上述の各実施形態に示したセンサ素子、磁気センサ、慣性センサ、歪みセンサの設置位置、個数は一例であり、他の設置位置、個数を用いることも可能である。また、上述の各実施形態では、慣性センサを用いる態様と、歪みセンサを用いる態様とを個別に示した。しかしながら、慣性センサと歪みセンサの両方を用いることも可能である。 The installation positions and numbers of the sensor elements, magnetic sensors, inertial sensors, and strain sensors shown in each of the above embodiments are examples, and other installation positions and numbers can be used. Further, in each of the above-described embodiments, the mode in which the inertial sensor is used and the mode in which the strain sensor is used are individually shown. However, it is also possible to use both an inertial sensor and a strain sensor.
10、10A:磁気発生源推定装置
20:構造体
41、42、43、51、52:歪みセンサ
80、80A:演算装置
81:磁気計測値記憶部
82、82A:センサ位置推定部
83:磁気発生源推定部
90:磁気発生源
200:中空部
201:内壁面
202:外壁面
300、311、313、314、321、322、323、324:センサ素子
311I:慣性センサ
311M、312M、313M、314M、321M、322M、323M、324M:磁気センサ
900:棒状体
10, 10A: Magnetic source estimation device 20:
Claims (14)
前記構造体の変形による前記複数の磁気センサの変位後の位置を推定するセンサ位置推定部と、
前記センサ位置推定部で推定した前記複数の磁気センサの変位後の位置と、前記計測された磁気と、を用いて、前記磁気発生源の位置を推定する磁気発生源推定部と、
を備える、磁気発生源推定装置。 Multiple magnetic sensors installed in a deformable structure that measure the magnetism generated by each magnetic source,
A sensor position estimation unit that estimates the position of the plurality of magnetic sensors after displacement due to deformation of the structure, and a sensor position estimation unit.
A magnetic source estimation unit that estimates the position of the magnetic source using the positions after displacement of the plurality of magnetic sensors estimated by the sensor position estimation unit and the measured magnetism.
A magnetic source estimation device.
前記センサ位置推定部は、
前記複数の慣性センサの計測結果を用いて、前記複数の磁気センサの変位後の位置を推定する、
請求項1に記載の磁気発生源推定装置。 A plurality of inertial sensors for measuring physical quantities due to inertial forces related to the plurality of magnetic sensors are provided.
The sensor position estimation unit is
Using the measurement results of the plurality of inertial sensors, the positions of the plurality of magnetic sensors after displacement are estimated.
The magnetic source estimation device according to claim 1.
前記センサ位置推定部は、
前記加速度センサが計測した加速度を用いて、前記磁気センサの変位後の位置を推定する、
請求項2に記載の磁気発生源推定装置。 The inertial sensor includes an accelerometer.
The sensor position estimation unit is
Using the acceleration measured by the acceleration sensor, the position of the magnetic sensor after displacement is estimated.
The magnetic source estimation device according to claim 2.
前記センサ位置推定部は、
前記角速度センサが計測した角速度を用いて、前記磁気センサの姿勢を推定し、
前記推定した姿勢を用いて補正した重力加速度で前記加速度を校正し、
校正した加速度を用いて、前記磁気センサの変位後の位置を推定する、
請求項3に記載の磁気発生源推定装置。 The inertial sensor includes an angular velocity sensor.
The sensor position estimation unit is
Using the angular velocity measured by the angular velocity sensor, the attitude of the magnetic sensor is estimated.
The acceleration is calibrated with the gravitational acceleration corrected using the estimated posture.
Using the calibrated acceleration, the position of the magnetic sensor after displacement is estimated.
The magnetic source estimation device according to claim 3.
前記慣性センサは、3軸慣性センサであり、
前記磁気センサの3軸の方向と前記慣性センサの3軸の方向とは、それぞれに一致する、
請求項2乃至請求項4のいずれかに記載の磁気発生源推定装置。 The magnetic sensor is a 3-axis magnetic sensor.
The inertial sensor is a 3-axis inertial sensor.
The directions of the three axes of the magnetic sensor and the directions of the three axes of the inertial sensor coincide with each other.
The magnetic source estimation device according to any one of claims 2 to 4.
請求項2乃至請求項5のいずれかに記載の磁気発生源推定装置。
The magnetic sensor and the inertial sensor are housed in an integral housing.
The magnetic source estimation device according to any one of claims 2 to 5.
前記センサ位置推定部は、
前記変形検出センサの検出結果を用いて、前記複数の磁気センサの変位後の位置を推定する、
請求項1に記載の磁気発生源推定装置。 A deformation detection sensor for detecting the deformation state of the structure is provided.
The sensor position estimation unit is
Using the detection result of the deformation detection sensor, the positions of the plurality of magnetic sensors after displacement are estimated.
The magnetic source estimation device according to claim 1.
前記センサ位置推定部は、
前記歪みセンサによって検出した歪み量を用いて、前記複数の磁気センサの変位後の位置を推定する、
請求項7に記載の磁気発生源推定装置。 The deformation detection sensor includes a strain sensor.
The sensor position estimation unit is
Using the amount of strain detected by the strain sensor, the positions of the plurality of magnetic sensors after displacement are estimated.
The magnetic source estimation device according to claim 7.
請求項8に記載の磁気発生源推定装置。 The strain sensor has an elastic film shape.
The magnetic source estimation device according to claim 8.
請求項9に記載の磁気発生源推定装置。 The strain sensor is built in the structure and integrally molded.
The magnetic source estimation device according to claim 9.
請求項9または請求項10に記載の磁気発生源推定装置。 The elastic modulus of the strain sensor is lower than the elastic modulus of the structure.
The magnetic source estimation device according to claim 9 or 10.
請求項7乃至請求項11のいずれかに記載の磁気発生源推定装置。 The plurality of magnetic sensors and the deformation detection sensor are installed at different positions when the structure is viewed in a direction orthogonal to the outer surface.
The magnetic source estimation device according to any one of claims 7 to 11.
前記複数の磁気センサで計測された磁気量を用いて、前記磁気発生源が発する磁気量を推定する、
請求項1乃至請求項12のいずれかに記載の磁気発生源推定装置。 The magnetic source estimation unit is
Using the magnetic charge measured by the plurality of magnetic sensors, the magnetic charge generated by the magnetic source is estimated.
The magnetic source estimation device according to any one of claims 1 to 12.
前記構造体の変形による前記複数の磁気センサの変位後の位置を推定するステップと、
前記推定した前記複数の磁気センサの変位後の位置と、前記計測された磁気と、を用いて、前記磁気発生源の位置を推定するステップと、
を有する、磁気発生源推定方法。 A step to measure the magnetism generated by a magnetic source with multiple magnetic sensors installed in a deformable structure,
A step of estimating the position of the plurality of magnetic sensors after displacement due to the deformation of the structure, and
A step of estimating the position of the magnetic source using the estimated positions of the plurality of magnetic sensors after displacement and the measured magnetism.
A method for estimating a magnetic source.
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