JP2023040931A - Position measuring device for moving object - Google Patents
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Description
本発明は、ジャイロセンサ及び加速度センサを用いて、移動体の位置を高い精度でリアルタイムに計測することができるようにした、位置計測装置に関するものである。 The present invention relates to a position measuring device that uses a gyro sensor and an acceleration sensor to measure the position of a moving object in real time with high accuracy.
移動体の位置計測装置は、例えば、建築物の地下地盤強化のための薬液注入孔の形成や、地下へのガス、電気等の配管のための削孔の形成に、計画経路に沿った掘削が行われるように、掘削装置の掘削用ロッド等の先端位置を把握する目的で使用されている。このような場合、精度よく先端位置を計測するためには、使用されているジャイロセンサや加速度センサから生じるドリフトや、地中に敷設した長いケーブル等から拾われた外乱要因によるノイズ誤差を少なくする必要がある。
従来、このようなセンサから生じる誤差を除去する方法として、移動体が、止まっているか又は動きが少なく安定状態にある場合の保存したセンサデータから、最小二乗法を使って、時間の関数としてドリフト成分等の誤差成分を算出し、センサから得られるデータから当該関数分を差し引くことで、ドリフト等の誤差成分を含まないデータを作成し、このデータを用いて移動体の位置の計算を行っていた(例えば、特許文献1参照)。
For example, the position measuring device of a moving object is used for forming a chemical solution injection hole for strengthening the underground foundation of a building, drilling a hole for pipes such as gas and electricity to the underground, and excavating along a planned route. It is used for the purpose of grasping the tip position of a drilling rod or the like of a drilling rig. In such cases, in order to measure the tip position with high accuracy, noise errors due to drift caused by the gyro sensor and acceleration sensor used and disturbance factors picked up from long cables laid underground should be reduced. There is a need.
Conventionally, a method for removing errors arising from such sensors is to use least-squares methods to extract drift as a function of time from stored sensor data when the vehicle is stationary or in a steady state with little movement. By calculating the error components such as components and subtracting the function component from the data obtained from the sensor, data that does not include error components such as drift is created, and this data is used to calculate the position of the moving object. (See Patent Document 1, for example).
また、特許文献2には、加速度検出装置において、車両が所定距離走行する毎に加速度センサの出力を平均化してドリフト量を算出し、このドリフト量に基づいてゼロ点補正が行われることが開示されている。すなわち、加速度センサの出力値とドリフト量の前回値との重み付けの和としてドリフト量を算出し、加速度センサの出力値からこのドリフト量を減算してセンサ出力値としている。ここで重み付け係数は所定の定数が用いられている。
このような方法では、将来のドリフト量を逐次計算して予測するものではないため、現実のドリフト量との誤差が大きくなる可能性がある。
Further,
In such a method, since the future drift amount is not calculated and predicted sequentially, there is a possibility that the error from the actual drift amount becomes large.
解決しようとする問題点は、非動作中のジャイロセンサや加速センサからの誤差成分の解析結果を反映させていたり、補正値が過去の実績から予め定められているような構成となっているため、動作中にリアルタイムでの誤差の傾向が分析されておらず、実情に合った正確な移動体の位置計測が行われていない点である。 The problem to be solved is that the analysis result of the error component from the non-operating gyro sensor and acceleration sensor is reflected, and the correction value is predetermined based on past results. , the trend of error in real time is not analyzed during operation, and accurate position measurement of the moving object is not performed in accordance with the actual situation.
物体にかかる動きや回転の情報を検出するデバイスとして、一般にジャイロセンサや加速度センサが用いられるが、姿勢位置の情報を得るためには、それぞれ長所、短所がある。ジャイロセンサでは、検出した角速度を積分するため、誤差成分累積してドリフトが生じ、加速度センサでは、動きがある場合に重力以外の成分も加わってしまう。これらの誤差成分を取り除くために、ジャイロセンサでは、ハイパスフィルタ(HPF)を通し、加速度センサには、ローパスフィルタ(LPF)を通すことで、解決できる。これらを組み合わせたフィルタとして、カルマンフィルタやMadgwickfilterなどの相補フィルタが知られている。すなわち、カットオフ周波数fc以下ではジャイロセンサからのドリフトによるオフセット分が除去され、カットオフ周波数fc以上では加速度センサからの高周波成分を除去することができる。 A gyro sensor or an acceleration sensor is generally used as a device for detecting motion and rotation information of an object, but each has advantages and disadvantages in obtaining posture position information. Since the gyro sensor integrates the detected angular velocity, error components accumulate and drift occurs, and the acceleration sensor adds components other than gravity when there is movement. To remove these error components, the gyro sensor is passed through a high-pass filter (HPF) and the acceleration sensor is passed through a low-pass filter (LPF). Complementary filters such as Kalman filters and Madgwick filters are known as filters that combine these filters. That is, the offset due to the drift from the gyro sensor can be removed below the cutoff frequency fc, and the high frequency component from the acceleration sensor can be removed above the cutoff frequency fc.
本発明は、ジャイロセンサや加速度センサからのノイズを、相補フィルタを用いて予めキャンセルしてから、移動体の移動中に発生する、ドリフト等の誤差の傾向を逐次予測しながら補正することで、移動体の位置を高い精度で、リアルタイムに計測することができるようにすることを、主要な特徴とする。 According to the present invention, noise from a gyro sensor or an acceleration sensor is canceled in advance using a complementary filter, and then correction is performed while predicting the trend of errors such as drift that occur during the movement of a moving object. The main feature is to be able to measure the position of a moving object in real time with high accuracy.
本発明の移動体の位置計測装置は、移動中に逐次、センサからの信号を予め相補フィルタでノイズを除去してから、関数計測を行って、その関数でドリフト等の傾向を予測しながら補正するため、移動体の移動途中にドリフト等の発生する傾向が変わっても、対応する関数で予測ができ、位置の計測が正確に行われるという利点がある。 The position measuring device of the moving object according to the present invention removes noise from the signal from the sensor in advance with a complementary filter during movement, performs function measurement, and corrects while predicting trends such as drift using that function. Therefore, even if the tendency of occurrence of drift or the like changes during the movement of the moving object, prediction can be made with the corresponding function, and there is an advantage that the position can be measured accurately.
移動体のセンサからのドリフト誤差の補正を、短時間に予測と補正を繰り返して行うことで、移動中の正確な位置の計測を実現した。 Accurate position measurement during movement is achieved by repeating prediction and correction in a short time to correct the drift error from the sensor of the moving body.
以下、図面により本発明の位置計測装置を詳細に説明する。
図1は、本発明に係る移動体の位置計測装置の要部を示すブロック図であり、1はジャイロセンサ及び加速度センサからなるセンサ、2はセンサ1からの信号を所定の時間間隔でサンプリング回路3又は相補フィルタ8に交互に切り替えるゲート回路、3は所定のサンプリング時間によりサンプリングを行うサンプリング回路、4は相補フィルタ、5は関数推測回路、6は周波数設定回路、7は相補フィルタ8の係数を設定する回路、9は関数回路5から推測された関数及び周波数設定回路6により設定された周波数に基づき相補フィルタ8からの信号を補正する補正回路、10は補正回路9で補正された信号から所定の演算により移動体の位置を計測処理する回路を、それぞれ示す。
Hereinafter, the position measuring device of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing the essential parts of a position measuring apparatus for a mobile object according to the present invention. 1 is a sensor comprising a gyro sensor and an acceleration sensor, and 2 is a circuit for sampling signals from the sensor 1 at predetermined time intervals. 3 is a sampling circuit that performs sampling at a predetermined sampling time; 4 is a complementary filter; 5 is a function estimation circuit; 6 is a frequency setting circuit; 9 is a correction circuit for correcting the signal from the
最初に、センサ1からの信号、すなわちジャイロセンサ及び加速度センサから検出された信号は、ゲート回路2を介して、サンプリング回路3に入力される。サンプリング回路3に接続されている時間は、10秒前後であり、サンプリングに必要な任意の時間が設定される。なお、センサ1から出力された信号は、ゲート回路2により、サンプリング回路3と後述する相補フィルタ8に交互に切り替えて入力されるように構成されている。
First, a signal from the sensor 1, that is, a signal detected by the gyro sensor and the acceleration sensor is input to the sampling circuit 3 via the
次に、サンプリング回路3でジャイロセンサ及び加速度センサの出力をサンプリングした後、サンプリングされたデータは、相補フィルタ4に入力され、ノイズが除去される。
相補フィルタ4により出力されるピッチ角θ(n+1)は、後述する相補フィルタ8も同様であるが、ジャイロからのピッチ角変化をΔθg、加速度によるピッチ角θα、係数をkとすると、
式 θ(n+1)=k×(θ(n)+Δθg)+(1-k)×θα(n+1)
により求められる。
係数kの値を大きくすると、ジャイロセンサ出力値のドリフト量に与える影響が加速度センサの出力値よりも大きくなる。
なお、相補フィルタ4の係数kは、デフォルトとして、0.96が予め設定されている。
Next, after the sampling circuit 3 samples the outputs of the gyro sensor and the acceleration sensor, the sampled data is input to the
The pitch angle θ(n+1) output by the
Formula θ(n+1)=k×(θ(n)+Δθg)+(1−k)×θα(n+1)
required by
When the value of the coefficient k is increased, the effect on the drift amount of the gyro sensor output value becomes greater than the output value of the acceleration sensor.
Note that the coefficient k of the
相補フィルタ4の出力は、関数推測回路5、周波数設定回路6、係数設定回路7に入力される。図2は、本発明の関数推測回路及び周波数設定回路の動作を説明する図である。
関数推測回路5では、相補フィルタ4から出力されるサンプリングされたデータがサンプリング時間内(10秒前後)に時間に対してどのような傾向にあるのか、関数推測される。最小二乗法、一次関数、二次関数などにより関数近似を行い、この関数を用いてドリフト等の誤差成分の将来生ずる誤差を推測する。したがって、短い時間内(10秒程度)にドリフト等の誤差の傾向を逐次推測するため、誤差の傾向が変わっても、すなわち、近似関数が変わっても、傾向に追従する正確な推測が可能となる。
The output of
The function estimation circuit 5 estimates the tendency of the sampled data output from the
周波数設定回路6では、関数推測回路5で推測された関数により求められた値とサンプリング値との誤差分(ゆらぎ)を、周波数として捉えて、所定の周波数を決定する。推測された関数に対してどれだけずれているのかを傾きの角度などから計算し、ずれの値が予め定めた値よりも大きい場合に、ゆらぎがあるものとして(図2中の波形部分)、所定の周波数を決定する。なお、ずれの大きさに応じて、いくつかの周波数から選択できるように構成してもよい。
図2では、推測と補正が10秒前後で交互に繰り返されている様子を示している。すなわち、時間t2~t3の間に推測された関数(一次関数)とゆらぎに対応する周波数で、次の時間t3~t4の間にセンサからの信号が補正されることになる。
The
Figure 2 shows how the estimation and correction are alternately repeated every 10 seconds or so. That is, the signal from the sensor is corrected during the next time t3-t4 by the function (linear function) estimated during the time t2-t3 and the frequency corresponding to the fluctuation.
係数設定回路7では、相補フィルタ8の係数値を決定する。相補フィルタ8は、前述の相補フィルタ4と同様の構成であり、フィルタの出力を決定するために、前述の式で係数kの値を求める必要がある。相補フィルタ4からの出力データにばらつきが大きい場合には、係数kの値を小さくして、相補フィルタ8のピッチ角がジャイロによる寄与率を小さくする。デフォルトでは0.96ぐらいであるが、0.7ぐらいまで下げるのが好ましい。ばらつきの検出には、所定の閾値を設けておき、ばらつきが大きい場合には、相補フィルタ8の係数kの値を変えられるように構成する。
The coefficient setting circuit 7 determines coefficient values of the
次に、ゲート回路2でセンサ1からの信号がサンプリング回路3から相補フィルタ8へ切り換えられると、相補フィルタ8を介してノイズ分の軽減がされた信号が出力されて、補正回路9で関数推測回路5と周波数決定回路6によって補正されることになる。すなわち、補正回路9では、関数推測回路5で推測された関数に基づく予想値が所定期間(10秒程度)適用されて、信号から差し引かれ、また、周波数設定回路6によって決定された周波数のローパスフィルタによりゆらぎ成分が除かれる。このようにして補正回路9の出力信号は、ドリフト等の誤差成分が除かれたものとなり、この出力信号をもとにして、計測処理回路10で所定の計算がされ、移動体の位置が求められる。
Next, when the signal from the sensor 1 is switched from the sampling circuit 3 to the
図3は、本発明に係る補正回路の出力タイミングを説明する説明図である。前述の補正回路9の出力タイミングは、図中の計測出力1のaで示すように、断続的に出力されることになるが、同様のセンサをもう一台設置して、補正するタイミングをずらして同様の回路で処理を行うと、もう一台のセンサでは、計測出力2のbで示すタイミングで出力させることができる。このように2台のセンサで構成すれば、計測出力1と計測出力2とを合わせることで連続して位置情報が得られるようできるため、よりリアルタイムに位置の計測が可能となる。また、計測出力3は、同様のセンサを3台設置した場合の各補正回路の出力を示すものであるが、センサが1台又は2台の場合と比べて、出力cのタイミングが遅くなるため、サンプリングする時間が長くでき、多くのサンプリングデータから関数の近似やゆらぎの周波数が求められ、より正確な計測データの出力が得られるようになる。これらのタイミングは、各センサのゲート回路2により、設定が可能である。
FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining the output timing of the correction circuit according to the present invention. The output timing of the
ジャイロセンサ及び加速度センサからの信号を、ドリフト等を除去した精度の高い情報としてリアルタイムで検出して測定できるため、例えば、掘削装置などを使用する土木事業において、発掘の計画経路が目視などで容易に確認できないような現場にとって、センサからの信号が長いケーブルを介した場合と無線で通信する場合で誤差の大きさが異なるような場合にも正確な位置の測定が可能である。また、センサと測定器の間に設ける付属部品又はセンサが一体となった部品に、本発明の技術を採用することで、既存の各種計測器の精度を高めることもできる。本発明は、当該分野およびリアルタイムで誤差の補正が要求されるような分野において、産業上の利用可能性が高い。 Signals from the gyro sensor and acceleration sensor can be detected and measured in real time as highly accurate information with drift etc. removed. For example, in civil engineering projects that use excavators, etc., the planned route for excavation can be easily determined by visual inspection. Accurate position measurement is possible even if the size of the error is different between when the signal from the sensor is transmitted via a long cable and when the signal is communicated wirelessly. Moreover, by adopting the technique of the present invention for an accessory provided between a sensor and a measuring instrument or a part integrated with a sensor, it is possible to improve the accuracy of various existing measuring instruments. INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention has high industrial applicability in this field and in fields where error correction is required in real time.
1 センサ
2 ゲート回路
3 サンプリング回路
4 相補フィルタ
5 関数推測回路
6 周波数設定回路
7 係数設定回路
8 相補フィルタ
9 補正回路
10 計測処理回路
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