JP2022158099A - 反転作動型慣性検出装置及び測量装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加速度センサ、ジャイロセンサ等の慣性センサのオフセット、或はドリフトを除去し、安定性を保証した反転作動型慣性検出装置を提供する。【解決手段】外フレーム２と内フレーム３が設けられ、内フレームの傾斜及び回転を検出する慣性検出ユニット４が設けられ、内フレームは外フレームに第１軸５を介して回転自在に支持され、慣性検出ユニットは前記第１軸と直交する第２軸７を介して内フレームに回転自在に支持され、第１軸に外フレームと内フレーム間の回転角を検出する第１エンコーダ１２、第２軸に内フレームと慣性検出ユニット間の回転角を検出する第２エンコーダ１７、演算処理部は、慣性検出ユニットが水平になる様に駆動し、それぞれのエンコーダの出力に基づき慣性検出ユニットを少なくとも一回１８０゜反転若しくは一回転の反転動作をさせ、反転前後の前記慣性検出ユニットが出力する検出信号に基づき、傾斜と回転を検出する。【選択図】図１

Description

本発明は慣性センサを用いた反転作動型慣性検出装置、該反転作動型慣性検出装置を具備する測量装置に関するものである。

測量装置では装置の整準の為、或は装置の傾斜を測定する為に傾斜検出装置が設けられる。

高精度の水平、微小な傾斜を検出する傾斜検出装置として自由液面の傾斜、或は液体に封入した気泡の動きを利用したチルトセンサ、或は動的な傾斜を高応答性で検出する加速度センサ等がある。

チルトセンサは高精度の水平を検出するが応答性が悪く、動的な装置には使用することが難しかった。又、最近の加速度センサはＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）で構成されて高応答性が保証されるが、環境変化（温度、気圧、湿度等）や経時変化によるドリフトが問題となり、安定性に欠けるという問題があった。

一方、最近ではＭＥＭＳで構成されたジャイロセンサもあり、ジャイロセンサと加速度センサとが一体化されたものもある。この回転検出の為のジャイロセンサも加速度センサと同様、製造上のオフセット及び環境変化（温度、気圧、湿度等）や経時変化によるドリフトが問題あり、安定性に欠けると言う問題があった。

特許第６５４１３６５号公報 特開２０１６－１５１４２３号公報 特開２０１７－９０２４４号公報 特開２０１７－１０６８１３号公報 特開２０１８－２８４６４号公報

本発明は、加速度センサ、ジャイロセンサ等の慣性センサのオフセット、或はドリフトを除去し、安定性を保証した反転作動型慣性検出装置及び該反転作動型慣性検出装置を具備する測量装置を提供するものである。

本発明は、外フレームの内部に内フレームが設けられ、該内フレームの内部に水平に対する傾斜及び回転を検出する慣性センサを有する慣性検出ユニットが設けられ、前記内フレームは前記外フレームに第１軸を介して回転自在に支持され、前記慣性検出ユニットは前記第１軸と直交する第２軸を介して前記内フレームに回転自在に支持され、前記第１軸に前記外フレームと前記内フレーム間の回転角を検出する第１エンコーダが設けられ、前記第２軸に前記内フレームと前記慣性検出ユニット間の回転角を検出する第２エンコーダが設けられ、各軸をそれぞれ回転させる様、各軸にそれぞれ設けた回転動力と、前記慣性検出ユニットからの検出結果に基づき前記各回転動力をそれぞれ駆動制御する演算処理部とを具備し、該演算処理部は、前記慣性検出ユニットが水平に対する傾斜に応じて発する信号に基づき該慣性検出ユニットが水平になる様、前記各回転動力を駆動し、前記第１軸、第２軸に関して、それぞれのエンコーダの出力に基づき前記慣性検出ユニットを少なくとも一回１８０゜反転若しくは一回転の反転動作をさせ、反転前後の前記慣性検出ユニットが出力する検出信号に基づき、傾斜と回転を検出する様構成された反転作動型慣性検出装置に係るものである。

又本発明は、前記１８０゜反転若しくは回転動作を環境変化より十分速い速度で繰返す反転作動型慣性検出装置に係るものである。

又本発明は、時間計測手段を更に有し、前記慣性検出ユニットを回転動作させることで、第１エンコーダと第２エンコーダで得られる回転角と、前記時間計測手段で取得される前記回転角に対応する時間とに基づき、前記回転角を角速度に変換し、変換された角速度に基づき、前記慣性検出ユニットの回転検出特性を較正する様構成された反転作動型慣性検出装置に係るものである。

更に又本発明は、上記いずれかの反転作動型慣性検出装置と、光波距離測定を行う測距部と、測距光軸を偏向し、測距光を測定点に視準させる光軸偏向部と、測距光軸の視準方向を検出する測定方向検出部と、前記反転作動型慣性検出装置を具備した測量装置に係るものである。

本発明によれば、外フレームの内部に内フレームが設けられ、該内フレームの内部に水平に対する傾斜及び回転を検出する慣性センサを有する慣性検出ユニットが設けられ、前記内フレームは前記外フレームに第１軸を介して回転自在に支持され、前記慣性検出ユニットは前記第１軸と直交する第２軸を介して前記内フレームに回転自在に支持され、前記第１軸に前記外フレームと前記内フレーム間の回転角を検出する第１エンコーダが設けられ、前記第２軸に前記内フレームと前記慣性検出ユニット間の回転角を検出する第２エンコーダが設けられ、各軸をそれぞれ回転させる様、各軸にそれぞれ設けた回転動力と、前記慣性検出ユニットからの検出結果に基づき前記各回転動力をそれぞれ駆動制御する演算処理部とを具備し、該演算処理部は、前記慣性検出ユニットが水平に対する傾斜に応じて発する信号に基づき該慣性検出ユニットが水平になる様、前記各回転動力を駆動し、前記第１軸、第２軸に関して、それぞれのエンコーダの出力に基づき前記慣性検出ユニットを少なくとも一回１８０゜反転若しくは一回転の反転動作をさせ、反転前後の前記慣性検出ユニットが出力する検出信号に基づき、傾斜と回転を検出する様構成されたので、慣性センサのオフセット、或はドリフトを除去し、安定して傾斜と回転を検出することができる。

又本発明によれば、上記反転作動型慣性検出装置と、光波距離測定を行う測距部と、測距光軸を偏向し、測距光を測定点に視準させる光軸偏向部と、測距光軸の視準方向を検出する測定方向検出部と、前記反転作動型慣性検出装置を具備したので、測量装置の水平に対する傾斜、回転角を慣性センサを用いて高精度に、且つ安定して検出することができるという優れた効果を発揮する。

本発明の実施例に係る反転作動型慣性検出装置を示す概略平面図である。 該反転作動型慣性検出装置の概略構成図である。 該反転作動型慣性検出装置に於ける慣性センサの模式図である。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）はピッチング反転時、ローリング反転時の慣性センサの姿勢状態を示す説明図である。 ピッチング反転動作、ローリング反転動作を時系列に示す線図である。 ピッチング反転動作、ローリング反転動作の他の態様を時系列に示す線図である。 ピッチング反転動作、ローリング反転動作の更に他の態様と、該更に他の態様に於ける加速度センサからの出力状態を時系列に示す線図である。 前記反転作動型慣性検出装置を具備した測量装置の概略構成図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

図１、図２は、本発明の実施例に係る反転作動型慣性検出装置の概略図である。

図１は本発明の実施例に係る反転作動型慣性検出装置１を示す概略平面図であり、図２は該実施例に係る反転作動型慣性検出装置１の概略構成図である。

矩形枠形状の外フレーム２の内部に矩形枠形状の内フレーム３が設けられ、該内フレーム３の内部に慣性検出ユニット４が設けられ、該慣性検出ユニット４に慣性センサ２１が設けられている。

該慣性センサ２１は３軸の加速度センサ２１ａとジャイロセンサ２１ｂとで構成され、加速度センサ２１ａとジャイロセンサ２１ｂは別々に構成されてもよく、或は加速度センサ２１ａとジャイロセンサ２１ｂが一体化された一体型慣性センサであってもよい。更に、本実施例ではＭＥＭＳで構成された一体型慣性センサとなっている。

又、前記反転作動型慣性検出装置１が傾斜を検出すべき装置（対象装置）（図示せず）に設けられる場合は、対象装置のフレーム等、構造部材に前記外フレーム２が取付けられる。

前記内フレーム３の上面、下面から第１軸５，５が突設され、該第１軸５，５は前記外フレーム２に設けられた軸受６，６を介して前記外フレーム２に回転自在に支持されている。前記第１軸５，５は第１軸心を有し、前記内フレーム３は前記第１軸５，５を中心に３６０゜回転自在となっている。

前記慣性検出ユニット４には第２軸７が設けられ、該第２軸７の両端部は、前記内フレーム３に設けられた軸受８，８に回転自在に嵌合する。前記慣性検出ユニット４は前記第２軸７を介して前記内フレーム３に回転自在に支持される。前記第２軸７は前記第１軸心と直交する第２軸心を有し、前記慣性検出ユニット４は前記第２軸７を中心に３６０゜回転自在となっている。

而して、前記慣性検出ユニット４は前記外フレーム２に対して２軸方向に回転自在に支持されており、前記内フレーム３を回転自在に支持する機構、前記慣性検出ユニット４を回転自在に支持する機構はジンバル機構を構成する。而して、前記慣性検出ユニット４は前記外フレーム２に対してジンバル機構を介して支持され、更に前記内フレーム３の回転を制約する機構は存在していないので、前記慣性検出ユニット４は前記外フレーム２に対して全方向に自在に回転し得る様になっている。

前記第１軸５，５の一方、例えば下側の第１軸５には第１被動ギア９が嵌着され、該第１被動ギア９には第１駆動ギア１０が噛合している。又、前記外フレーム２の下面には第１回転動力（以下第１モータ１１と称す）が設けられ、前記第１駆動ギア１０は前記第１モータ１１の出力軸に嵌着されている。

前記第１軸５，５の他方には第１エンコーダ１２が設けられ、該第１エンコーダ１２は前記内フレーム３の前記外フレーム２に対する横方向の回転角を検出する様に構成されている。

前記第２軸７の一端部には、第２被動ギア１４が嵌着され、該第２被動ギア１４には第２駆動ギア１５が噛合している。又、前記内フレーム３の側面（図示では左側面）には第２回転動力（以下第２モータ１６と称す）が設けられ、前記第２駆動ギア１５は前記第２モータ１６の出力軸に嵌着されている。

前記第２軸７の他端部には第２エンコーダ１７が設けられ、該第２エンコーダ１７は前記内フレーム３に対する前記慣性検出ユニット４の縦方向の回転角を検出する様に構成されている。

前記第１エンコーダ１２、前記第２エンコーダ１７は、演算処理部１９に電気的に接続されている。

前記慣性センサ２１は、前記演算処理部１９に電気的に接続され、前記慣性センサ２１からの信号は前記演算処理部１９に入力される様になっている。

前記慣性センサ２１の加速度センサ２１ａは直交する水平２軸（Ｘ軸、Ｙ軸）の加速度及び該水平２軸に直交する（紙面に対して垂直）鉛直方向の１軸（Ｚ軸）の加速度、計３軸方向の加速度を検出する様になっている。又、前記慣性センサ２１のジャイロセンサ２１ｂは水平２軸に対する回転及び該水平２軸に直交する（紙面に対して垂直）鉛直軸に対する回転を検出する様になっている。ここで、水平２軸とは、図１に於ける前記第１軸５と前記第２軸７であり、前記第１軸５を中心とする回転（傾斜）をピッチング、前記第２軸７を中心とする回転（傾斜）をローリングとし、前記鉛直方向の軸を中心とする回転をヨーイングとする。

前記反転作動型慣性検出装置１について、図２により更に説明する。

前記反転作動型慣性検出装置１は、前記第１エンコーダ１２、前記第２エンコーダ１７、前記慣性センサ２１、前記演算処理部１９、前記第１モータ１１、前記第２モータ１６の他に、更に記憶部２３、入出力制御部２４を具備している。

前記演算処理部１９としては本実施例に特化されたＣＰＵ、或は汎用性ＣＰＵ、埋込みＣＰＵ等が用いられ、前記演算処理部１９にはクロック発生器等、時間計測手段が内蔵されている。又、前記記憶部２３としてはＲＡＭ、ＲＯＭ等の半導体メモリが用いられる。

前記記憶部２３には、前記外フレーム２に対する前記慣性検出ユニット４の傾斜を検出の為の演算プログラム、前記慣性センサ２１のオフセットやドリフトを除去するプログラム、前記第１モータ１１、前記第２モータ１６を駆動制御する為のプログラム等のプログラムが格納され、又演算データ（即ち、検出した傾斜角データ、角速度データ、回転角データ）等のデータ類が格納される。

前記入出力制御部２４は、前記演算処理部１９から出力される制御指令に基づき前記第１モータ１１、前記第２モータ１６を駆動し、前記演算処理部１９で演算した傾斜角データ及び回転に関するデータを検出信号として出力する。

前記慣性センサ２１は、水平２軸に関する傾斜と傾斜方向、及び水平２軸に関する回転と鉛直軸に関する回転（水平回転）を検出する。ここで、前記対象装置の構造部材に対する機構的なピッチングは前記第１エンコーダ１２が検出する回転方向（傾斜方向）、機構的なローリングは前記第２エンコーダ１７が検出する回転方向（傾斜方向）にそれぞれ対応しており、前記対象装置が静止している場合には、機構的なピッチングとローリングは前記慣性センサ２１の検出するピッチングとローリングと一致していなければならない。この一致は、慣性センサ２１の感度キャリブレーションを行う場合の有用な一致条件となる。

前記演算処理部１９は、前記慣性センサ２１からの検出結果に基づき、傾斜角、傾斜方向を演算し、更に該傾斜角、傾斜方向に相当する前記第１エンコーダ１２の回転角、前記第２エンコーダ１７の回転角を演算する。

尚、前記外フレーム２と前記慣性センサ２１は、機構的に前記第１エンコーダ１２の出力と前記第２エンコーダ１７の出力で関連づけられ、所定の基準角（例えば回転角０゜）からの回転角を示す様に設定される。

以下、前記反転作動型慣性検出装置１の作用について説明する。

前記反転作動型慣性検出装置１（前記外フレーム２）が水平に対して傾斜すると、前記慣性センサ２１が傾斜に応じた信号を出力する。

前記演算処理部１９は、前記慣性センサ２１のからの信号（加速度センサ２１ａからの信号）に基づき、傾斜角、傾斜方向を演算し、更に演算結果に基づき傾斜角、傾斜方向を０にする為の、前記第１モータ１１、前記第２モータ１６の回転量を演算し、前記入出力制御部２４を介して前記第１モータ１１、前記第２モータ１６をそれぞれ演算された回転量分だけ回転させる駆動指令を発する。

前記第１モータ１１、前記第２モータ１６の駆動により、演算された傾斜角、傾斜方向の逆に傾斜する様、前記第１モータ１１、前記第２モータ１６が駆動され、モータの駆動量（回転角）は前記第１エンコーダ１２、前記第２エンコーダ１７によって検出され、回転角が前記演算結果となったところで前記第１モータ１１、前記第２モータ１６の駆動が停止される。

更に、前記慣性センサ２１が水平を検出する様、前記第１モータ１１、前記第２モータ１６の回転が微調整される。

この状態では、前記外フレーム２が傾斜した状態で、前記慣性検出ユニット４が水平に制御され、前記演算処理部１９は前記第１エンコーダ１２の出力と前記第２エンコーダ１７の出力に基づき前記対象装置の水平からの傾斜角を演算する。又、前記慣性センサ２１からの信号（ジャイロセンサ２１ｂからの信号）によるピッチング、ローリング、ヨーイングの角速度を演算処理（積分処理）し、それぞれの回転角に変換する。

前記演算処理部１９は、前記第１エンコーダ１２、前記第２エンコーダ１７で検出した回転角に基づき演算した傾斜角と、ピッチング、ローリング、ヨーイングの各回転角を前記反転作動型慣性検出装置１の検出信号（傾斜角データ）として外部に出力する。

更に、前記慣性センサ２１の検出信号をリアルタイムで前記演算処理部１９にフィードバックし、前記慣性センサ２１の水平を維持する様に前記第１モータ１１、前記第２モータ１６を制御すれば、前記外フレーム２の動的な傾斜変化をリアルタイムで検出することができる。

ところで、前記慣性センサ２１は、製造上のオフセット及び環境変化（温度、気圧、湿度等）や経時変化によるドリフトが生じる。

本実施例に於ける反転作動型慣性検出装置１のオフセット及びドリフト除去について以下に説明する。

図３は、図１に於ける前記慣性センサ２１を抽出し、模式化した図である。

図３中、Ｘ軸は前記第１軸５に相当し、Ｙ軸は前記第２軸７に相当し、Ｘ軸、Ｙ軸を含む平面に対して垂直な軸をＺ軸とする。又、Ｘ軸を中心とする回転はピッチング、Ｙ軸を中心とする回転はローリング、Ｚ軸を中心とする回転はヨーイングとする。

又、前記慣性センサ２１中に示されるｘ，ｙ，ｚの矢印は、前記慣性センサ２１に含まれる加速度センサ２１ａの加速方向を示し、ｘ，ｙ，ｚはそれぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸と一致している。該加速度センサ２１ａは３軸に対応したｘ，ｙ，ｚの加速度信号を出力する。又、φ、κ、γの矢印は前記慣性センサ２１に含まれるジャイロセンサ２１ｂが検出する回転方向を示し、該ジャイロセンサ２１ｂは、ピッチング（φ）、ローリング（κ）、ヨーイング（γ）の角速度信号を出力する。

本実施例では、Ｘ軸、Ｙ軸にそれぞれモータ及びエンコーダが連結されているので、慣性検出ユニット４をＸ軸、Ｙ軸に関してそれぞれ強制的に、且つ正確に１８０゜反転、或は連続回転させることができる。又、反転、回転については、環境変化の影響を受けない様、環境変化より充分速い速度に設定される。

図４（Ａ）、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）、図４（Ｄ）は、前記対象装置に対する前記慣性センサ２１の姿勢状態を示す。

図４（Ａ）は、動作開始時の状態を示し、その時の前記第１エンコーダ１２、前記第２エンコーダ１７の出力（Ｘ軸を中心とする回転角、Ｙ軸を中心とする回転角）と、前記慣性センサ２１（加速度センサ２１ａ：ｘ，ｙ，ｚ、ジャイロセンサ２１ｂ：φ、κ、γ）の出力を測定する。

次に、Ｘ軸を中心に１８０゜のピッチング反転（図４（Ｂ））し、更にＹ軸を中心に１８０゜のローリング反転（図４（Ｃ））すると、前記慣性検出ユニット４の前後、左右が反転する。次に、Ｘ軸を中心に１８０゜のピッチング反転（図４（Ｄ））し、更にＹ軸を中心に１８０゜のローリング反転すると元の姿勢状態（動作開始時の姿勢状態）（図４（Ａ））に戻る。

図４（Ａ）の姿勢状態から、２軸（Ｘ軸、Ｙ軸）反転した姿勢状態が図４（Ｃ）に示されている。

２軸反転動作させ、２軸反転動作の前後の前記慣性センサ２１の加速度センサ２１ａの出力の差を取ると、該加速度センサ２１ａのオフセットと長期ドリフト成分が除去され、前記加速度センサ２１ａの出力差による２倍の傾斜角差が得られる。

或は、姿勢状態（Ａ）と姿勢状態(Ｃ)の反転動作に於ける前記加速度センサ２１ａの出力差が０になる様にピッチングとローリングの反転を繰返し制御することで、前記慣性検出ユニット４を水平状態にすることができる。尚、２軸反転動作の前後平均値はオフセットと長期ドリフト成分を意味する。

又、姿勢状態（Ａ）から姿勢状態（Ｂ）への反転動作に於ける前記慣性センサ２１のジャイロセンサ２１ｂ；φ，γの反転動作前後の差、姿勢状態（Ｂ）から姿勢状態（Ｃ）への反転動作に於ける前記ジャイロセンサ２１ｂ；κ，γの反転動作前後の差、姿勢状態（Ｃ）から姿勢状態（Ｄ）への反転動作に於ける前記ジャイロセンサ２１ｂ；φ，γの反転動作前後の差、姿勢状態（Ｄ）から姿勢状態（Ａ）への反転動作に於ける前記ジャイロセンサ２１ｂ；κ，γの反転動作前後の差を取ることにより、ジャイロセンサ２１ｂのφ，κ，γのそれぞれについてオフセットと長期ドリフト成分を除去し、２倍の角速度を得ることができる。尚、反転動作の前後平均値はオフセットと長期ドリフト成分を意味する。

図５は、図４に示されるピッチングとローリングの反転動作を時系列に示したものであり、ピッチングの反転動作とローリングの反転動作が交互に繰返されるものである。図５中、（Ａ）、(Ｂ)、（Ｃ）、（Ｄ）はそれぞれ、図４（Ａ）、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）、図４（Ｄ）に示される姿勢状態に対応していることを示す。

ピッチングとローリングの反転動作は、交互の反転に限定されるものではない。例えば、図６に示される様に、１回のピッチング反転動作の度に複数回のローリング反転動作でもよい。

前記反転動作は切替えの反転動作（スイッチング反転動作、即ち間欠回転による反転）に限定されるものではなく、図７に示す様に、１軸をスイッチング反転動作、他の軸を連続回転の反転動作（連続回転動作）でもよい。

図７は、前記慣性検出ユニット４の回転動作を時系列に示すグラフであり、ピッチング回転については、スイッチング反転動作（０゜又は１８０゜）が繰返された場合を示している。ローリング回転については、ローリング回転を連続回転動作（０゜～３６０゜（０゜）～３６０゜（０゜）～３６０゜…）とした場合を示し、１度のピッチング回転に対して複数回のローリング回転を行う場合を示している。

図７に於いて、ピッチングについてはスイッチング反転動作を繰返し、この反転動作で得られる加速度センサ２１ａの出力ｙに基づきピッチング回転方向で前記慣性センサ２１を水平に制御している。

ローリングについてはローリングの連続回転動作が行われ、この連続回転動作により加速度センサ２１ａの出力ｘは正弦波の波形を出力する。加速度センサ２１ａの出力ｘが零の位置はローリングが水平状態を示し、この時の前記慣性センサ２１の姿勢状態は、図７中、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）のいずれかである。例えば、姿勢状態（Ａ）はピッチング回転角度０゜、ローリング回転角度０゜である。

又、図７に示す様にピッチングの反転動作に伴い、加速度センサ２１ａの出力ｘの正弦波が反転する。

尚、ジャイロセンサ２１ｂのκとγはローリングは連続回転動作により、水平面に対する対応が入れ替わるので、加速度センサ２１ａによる水平検出を基に、水平時のジャイロの角速度γを時間積分し、ヨーイングの角度変化（水平回転角）を求める。或は水平に対する傾きをローリング回転角で算出し、傾きに対応したジャイロの角速度κと角速度γの合成演算（例えば合成比率）による水平角速度を求め、時間積分して水平回転角を求める。

水平時のジャイロセンサ２１ｂの角速度γを時間積分してヨーイングの角度変化（水平回転角変化）を求めることができるが、この場合も姿勢の反転状態に基づいて差をとることで、オフセットと長期ドリフト成分を除去した２倍の角速度を基に、時間積分して角度変化を得ることができる。なおローリングの反転状態検出は前記第２エンコーダ１７に同期して行う。

又図示はしないが、ピッチング、ローリングの両方を連続回転動作にし、加速度センサ２１ａの出力ｘ，ｙ，ｚで水平状態を検出し、水平時の水平回転角変化を求めても良い。或は、水平に対する傾きをピッチング、ローリングの回転角で算出し、傾きに対応したジャイロセンサ２１ｂの出力φ、κ、γの合成演算（例えば合成比率）により水平回転を求めても良い。この時のピッチング、ローリングの回転数は、回転の識別上、回転比率を数倍以上にすることが望ましい。なお、この場合も姿勢の反転状態に基づいて差をとることで、オフセットと長期ドリフト成分を除去し、２倍の角速度を得ることができる。

ところで、ジャイロセンサ２１ｂ；φ，κ，γの感度特性は精度と安定性が、高精度計測に問題となる。本実施例に於いては、ジャイロセンサ２１ｂφ，κ，γの感度特性も較正することができる。

前記第１モータ１１、前記第２モータ１６により、前記慣性センサ２１を略定速で回転させ、各モータの回転角を前記第１エンコーダ１２、前記第２エンコーダ１７によってそれぞれ検出し、前記演算処理部１９に内蔵された時間計測手段により角速度に変換し、変換された角速度を対応するジャイロ；φ，κ，γと比較することで、感度特性を較正できる。

感度特性較正例を説明する。前記第１モータ１１と前記第２モータ１６を略定速回転させ、第１エンコーダ１２と前記第２エンコーダ１７の回転角を時間計測と共に検出し、正確な角速度を求める。

この時、ピッチング回転（前記第１モータ１１によるＸ軸回りの回転）に比べてローリング回転（前記第２モータ１６によるＹ軸回りの回転）を十分速く回転させる。

ここで、前記第２エンコーダ１７によるローリング（Ｙ軸回りの回転）の角速度とジャイロセンサ２１ｂの出力φを比較することで感度較正を行うことができる。

又、ジャイロセンサ２１ｂの出力κ，γはローリング（Ｙ軸回りの回転）に伴い、９０°位相の正弦波状の２つの信号となる。これら２つの信号の最大値及び最小値はピッチング（前記第１モータ１１によるＸ軸回りの回転）の角速度であり、Ｘ軸回りの回転面に対してジャイロセンサ２１ｂ（κ，γ）の検出面が正対時に最大値を示し、反対面時に最小値を示すので、ジャイロセンサ２１ｂの出力κ，γと比較することで感度較正を行うことができる。

次に、図８を参照して上記反転作動型慣性検出装置１を具備する測量装置３３について説明する。尚、該測量装置３３は３脚、移動車、更には飛行体等への搭載が用途に応じて適用される。

該測量装置３３は、主に、測距部５１、測定方向撮像部５３、前記演算制御部５４、本体記憶部５５、前記反転作動型慣性検出装置１、測定方向検出部５６、光軸偏向モータドライバ５８、表示部６０、光軸偏向部６１を具備している。これらは筐体６２に収納され、一体化されている。

又、前記反転作動型慣性検出装置１の前記外フレーム２は、前記筐体６２に固定されるか、或は該筐体６２に固定された構造部材に固定され、前記筐体６２即ち前記測量装置３３と一体となっている。

前記演算制御部５４としては本実施例に特化されたＣＰＵ、或は汎用性ＣＰＵ、埋込みＣＰＵ等が用いられる。又、前記本体記憶部５５としてはＲＡＭ、ＲＯＭ等の半導体メモリ、ＨＤＤ等の磁気記録メモリ、光学記録メモリが用いられる。又前記演算制御部５４の一部の機能を前記演算処理部１９として割当ててもよい。

前記本体記憶部５５には、本実施例を実行する為のプログラム、例えば測距プログラム、追尾プログラム、画像処理プログラム、光軸偏向制御プログラム、前記反転作動型慣性検出装置１のキャリブレーションを実行する為のプログラム等の種々のプログラムが格納されている。前記演算制御部５４は、格納された前記プログラムを展開し、実行する。又、前記本体記憶部５５には、測定データ、画像データ等の種々のデータが格納される。

前記演算制御部５４は、前記光軸偏向モータドライバ５８を介して前記光軸偏向部６１を制御する。更に前記演算制御部５４は、前記光軸偏向部６１を介して測距光軸２８の偏向を制御し、前記測距部５１、測定方向撮像部５３の同期制御等を行う。

前記反転作動型慣性検出装置１は、前記慣性検出ユニット４が水平に制御され、或は該慣性検出ユニット４の水平が検出された場合の前記第１エンコーダ１２、前記第２エンコーダ１７による回転角の検出、前記慣性センサ２１による加速度、角速度の検出を行い、検出結果は前記演算制御部５４に入力される。該演算制御部５４は、検出結果に基づき、前記測量装置３３の水平に対する倒れ角（鉛直角）と水平回転角を求める。

該測距光軸２８上に前記光軸偏向部６１が配設される。該光軸偏向部６１の中心を透過する真直な光軸は基準光軸Ｏとなっている。該基準光軸Ｏは、前記光軸偏向部６１によって偏向されなかった時の前記測距光軸２８と合致し、前記筐体６２に対して所定の関係となっている。

尚、前記光軸偏向部６１としては、特許文献２、特許文献３、特許文献４に開示されたものを使用することができる。

以下、該光軸偏向部６１について略述する。

該光軸偏向部６１は、光学プリズムで構成された一対のディスクプリズム７１，７２を具備する。該ディスクプリズム７１，７２は、それぞれ同径の円板形（或は円に外接する多角形）であり、前記測距光軸２８上に該測距光軸２８と直交して同心に配置され、所定間隔で平行に配置されている。前記ディスクプリズム７１，７２はそれぞれ前記基準光軸Ｏを中心に回転可能に設けられており、各ディスクプリズム７１，７２はそれぞれモータによって個別に且つ独立して回転される様構成され、モータは前記光軸偏向モータドライバ５８によって駆動され、該光軸偏向モータドライバ５８を介して前記ディスクプリズム７１，７２の回転角、回転方向、回転速度等が前記演算制御部５４によって制御される様構成されている。而して、前記ディスクプリズム７１，７２の回転を制御することで、前記基準光軸Ｏを基準として０°から最大偏角（例えば±３０°）迄の任意の角度に前記測距光軸２８を偏向することができる。

前記測距部５１は、光波距離計としての機能を有し、測距光６７を測定点、或は測定対象に射出し、測定点、或は測定対象からの反射測距光６８を受光し、測距光の往復時間に基づき光波距離測定を実行する。

又、前記光軸偏向部６１により前記測距光軸２８を偏向することで、測定点への視準、測定点の変更が行われる。

前記光軸偏向部６１による前記測距光軸２８の変更により、前記基準光軸Ｏを固定した状態で（即ち、前記測量装置３３を固定した状態で）前記光軸偏向部６１の変更範囲内の測定が可能となる。

更に、前記測距光６７を連続して照射しつつ、前記ディスクプリズム７１，７２を連続的に駆動し、連続的に偏向することで、前記測距光６７を所定のパターンで２次元スキャンさせることができる。又、前記測距光６７をパルス発光させ、パルス光毎の測距を行うことで、スキャン軌跡に沿った点群データを取得することができる。

前記測定方向検出部５６は、前記ディスクプリズム７１，７２のそれぞれの回転角を検出し、前記測距光軸２８の測定方向（視準方向）、即ち前記基準光軸Ｏに対する前記測距光軸２８の偏向角、偏向方向をリアルタイムで検出する。従って、測距時の前記基準光軸Ｏに対する前記測距光軸２８の角度、方向が検出（測角）できる。

測定方向検出結果（測角結果）は、測距結果に関連付けられて前記演算制御部５４に入力され、該演算制御部５４は測距結果、測角結果とを関連付けて前記本体記憶部５５に格納する。

前記測定方向撮像部５３は前記基準光軸Ｏと既知の関係、即ち、前記測定方向撮像部５３の撮像光軸７５は前記基準光軸Ｏと平行で光軸間の距離が既知となっている。又、前記測定方向撮像部５３は、前記光軸偏向部６１の最大偏角（例えば±３０°）よりも大きい画角を有するカメラであり、前記光軸偏向部６１による最大偏向範囲を含む画像データを取得する。又、前記測定方向撮像部５３は、動画像、又は連続画像が取得可能である。

前記測定方向撮像部５３の撮像素子は、画素の集合体であるＣＣＤ、或はＣＭＯＳセンサであり、各画素は画像素子上での位置が特定できる様になっている。例えば、各画素は、前記撮像光軸７５を原点とした座標系での画素座標を有し、該画素座標によって画像素子上での位置が特定される。

前記表示部６０は、前記測定方向撮像部５３により取得した画像を表示し、測定状態、測定結果等を表示する。尚、前記表示部６０をタッチパネルとして操作部と兼用してもよい。

以上説明した測量装置３３の実施例では水平に対する傾きと、水平回転角は反転作動型慣性検出装置１の検出結果から取得し、距離は測距部５１の測距結果から取得しているが、前記測量装置３３の位置情報については該測量装置３３にＧＮＳＳを設け、該ＧＮＳＳからの位置情報と反転作動型慣性検出装置１による装置の傾斜及び水平回転を組合わせてもよい。

１ 反転作動型慣性検出装置
２ 外フレーム
３ 内フレーム
４ 傾斜検出ユニット
１１ 第１モータ
１２ 第１エンコーダ
１６ 第２モータ
１７ 第２エンコーダ
１９ 演算処理部
２１ 慣性センサ
２１ａ 加速度センサ
２１ｂ ジャイロセンサ
２３ 記憶部
３３ 測量装置
５１ 測距部
５３ 測定方向撮像部
５４ 演算制御部
５５ 本体記憶部
６１ 光軸偏向部

Claims (4)

1. 外フレームの内部に内フレームが設けられ、該内フレームの内部に水平に対する傾斜及び回転を検出する慣性センサを有する慣性検出ユニットが設けられ、前記内フレームは前記外フレームに第１軸を介して回転自在に支持され、前記慣性検出ユニットは前記第１軸と直交する第２軸を介して前記内フレームに回転自在に支持され、前記第１軸に前記外フレームと前記内フレーム間の回転角を検出する第１エンコーダが設けられ、前記第２軸に前記内フレームと前記慣性検出ユニット間の回転角を検出する第２エンコーダが設けられ、各軸をそれぞれ回転させる様、各軸にそれぞれ設けた回転動力と、前記慣性検出ユニットからの検出結果に基づき前記各回転動力をそれぞれ駆動制御する演算処理部とを具備し、該演算処理部は、前記慣性検出ユニットが水平に対する傾斜に応じて発する信号に基づき該慣性検出ユニットが水平になる様、前記各回転動力を駆動し、前記第１軸、第２軸に関して、それぞれのエンコーダの出力に基づき前記慣性検出ユニットを少なくとも一回１８０゜反転若しくは一回転の反転動作をさせ、反転前後の前記慣性検出ユニットが出力する検出信号に基づき、傾斜と回転を検出する様構成された反転作動型慣性検出装置。
2. 前記１８０゜反転若しくは回転動作を環境変化より十分速い速度で繰返す請求項１に記載の反転作動型慣性検出装置。
3. 時間計測手段を更に有し、前記慣性検出ユニットを回転動作させることで、第１エンコーダと第２エンコーダで得られる回転角と、前記時間計測手段で取得される前記回転角に対応する時間とに基づき、前記回転角を角速度に変換し、変換された角速度に基づき、前記慣性検出ユニットの回転検出特性を較正する様構成された請求項１に記載の反転作動型慣性検出装置。
4. 請求項１～請求項３のいずれかの反転作動型慣性検出装置と、光波距離測定を行う測距部と、測距光軸を偏向し、測距光を測定点に視準させる光軸偏向部と、測距光軸の視準方向を検出する測定方向検出部と、前記反転作動型慣性検出装置を具備した測量装置。

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