JP3316013B2 - 傾斜計 - Google Patents

傾斜計

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JP3316013B2
JP3316013B2 JP34583592A JP34583592A JP3316013B2 JP 3316013 B2 JP3316013 B2 JP 3316013B2 JP 34583592 A JP34583592 A JP 34583592A JP 34583592 A JP34583592 A JP 34583592A JP 3316013 B2 JP3316013 B2 JP 3316013B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、傾斜計に関し、特に動
揺中又は振動中のような外乱を受けやすい被測定物の傾
斜角を測定することができる傾斜計に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の傾斜計としては、図3に示した電
解液傾斜計や図4に示したサーボ加速度計によって傾斜
角を測定するものがある。図3の電解液傾斜計は、ガラ
ス管30の中に電極31を配置し、粘性のある電解液3
2と気泡33を封入して構成される。ガラス管30が傾
斜すると気泡33が中心位置より移動し、それによって
電極31,31間のインピーダンスが変化するので、こ
のインピーダンスの差を検出して傾斜信号として出力す
るものである。
【0003】図4のサーボ加速度計は、フレキシャヒン
ジ40に支持されたビーム41と、ビーム41を挟んで
対向する発光ダイオードと受光ダイオードからなる偏位
ピックアップ42と、ビームの回りに配置されたトルカ
コイル43と、トルカコイル43の両側に配置されたト
ルカマグネット44と、偏位ピックアップ42からの電
気信号を受けてトルカコイル43に電流を流すサーボア
ンプ45と、サーボアンプ45からの出力を積分する1
次遅れフィルタ46から構成される。加速度が加わると
ビーム41が偏位し、偏位ピックアップ42に加速度の
大きさに応じた電流が発生する。この電流はサーボアン
プ45で増幅、補償されトルカコイル43に流れ、トル
カマグネット44とで構成される磁気回路により偏位さ
れたビーム41を元の平衡点に戻す働きをする。トルカ
電流は加えられた加速度に比例するので、この出力を1
次遅れフィルタ46でフィルタして傾斜信号として出力
するものである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、例えば
図5に示したようにクレーンによって吊り下げられた吊
り荷21のような動揺又は振動等の外乱がある環境で傾
斜角を測定する場合に、電解液傾斜計において、電解液
の粘性を高くすれば外乱の影響を受け難くすることがで
きる反面、傾斜信号の出力に遅れが出てしまい実際の傾
斜との誤差が発生するという問題がある。逆に、粘性を
小さくすれば外乱の影響を受け易くなってしまうという
問題がある。
【0005】また、サーボ加速度計を使用した傾斜角測
定においても、1次遅れフィルタの時定数を大きくする
と外乱加速度の影響を受け難くすることができる反面、
傾斜信号の出力に遅れが出るという問題がある。本発明
は、かかる問題点に鑑みなされたもので、傾斜信号の出
力が遅れることなくかつ外乱の影響を受け難い傾斜計を
提供することを目的とする。
【0006】
【0007】
【課題を解決するための手段】 上記目的を達成するため
本発明による傾斜計は、移動体に設けられた被測定物
の傾斜角を出力傾斜角信号として出力するものであっ
て、被測定物の傾斜角を検出して検出傾斜角信号を出力
する傾斜検出器と、被測定物の角速度を検出して検出角
速度信号を出力する角速度検出器と、移動体の移動速度
を検出して速度信号を出力する速度検出器と、傾斜検出
器からの検出傾斜角信号、速度検出器からの速度信号及
び角速度検出器からの検出角速度信号とから出力傾斜角
信号を出力する演算手段と、を備え、該演算手段は、速
度検出器からの速度信号を微分して加速度信号を出力す
る微分手段と、微分手段からの加速度信号を傾斜角度信
号に変換して誤差傾斜角信号として出力する変換手段
と、出力傾斜角信号及び誤差傾斜角信号を傾斜検出器か
らの検出傾斜角信号から減算し、差信号として出力する
減算手段と、該差信号に係数を乗算する乗算手段と、該
乗算手段の出力を角速度検出器からの検出角速度信号に
加算する加算手段と、該加算手段からの出力を積分し、
出力傾斜角信号として出力する積分手段と、を有するこ
とを特徴とする。前記演算手段は、さらに前記減算手段
からの差信号を積分する第2積分手段とを有し、前記加
算手段は、第2積分手段からの出力を角速度検出器から
の検出角速度信号に加算することができる。
【0008】
【作用】角速度検出器からは検出角速度信号ωが検出さ
れ、傾斜検出器からは検出傾斜角信号θ’が出力され
る。また速度検出器で検出された速度信号からは誤差傾
斜角信号θ”が得られる。これらの出力ω、θ’、θ”
から演算手段において傾斜計の出力傾斜角信号θを出力
する。演算手段では、出力傾斜角信号θ及び誤差傾斜角
信号θ”と検出傾斜角信号θ’の減算が行われ、差信号
θ’−θ−θ”=Eは係数K倍されて、検出角速度信号
ωに加算される。検出角速度信号ωは加算された後、積
分され、出力傾斜角信号θとなる。
【0009】差信号Eを係数K倍して検出角速度信号ω
に加算することによって、傾斜角の変化という角速度検
出器からの相対的な信号を、傾斜角検出器からの絶対的
な傾斜角の信号に拘束していく。角速度検出器からの検
出角速度信号を積分手段で積分するので出力が遅れるこ
とがなく、傾斜角検出器からの検出傾斜角信号が外乱に
よって誤差を持っていても差信号Eを係数K倍する拘束
ループを構成してフィルタリングを行っているので外乱
の影響を受け難くすることができる。
【0010】また、差信号Eは、積分され検出角速度信
号ωに加算手段によって加算される。この差信号Eの積
分信号は、角速度検出器の持つオフセットによる誤差を
修正する。
【0011】
【実施例】以下、図面を参照して本発明による傾斜計の
実施例を説明する。図1は本発明の実施例の説明のため
の構成を表すブロック図、図2は本実施例のブロック図
である。図において、本実施例の傾斜角は全体的には角
速度検出器1、傾斜検出器2、速度検出器4及び演算手
段3から構成される。図1は、図2に対して速度検出器
4を省略した構成となっており、まず、速度検出器4の
無い構成で説明する。
【0012】角速度検出器1は、具体的にはレートジャ
イロ等から構成され、検出角速度信号ωを出力する。傾
斜検出器2は、具体的には、先に述べたような電解液レ
ベル計、サーボ加速度計又は静電型レベル計等の従来の
傾斜計で構成される。角速度検出器1と傾斜検出器2の
検出軸は一致するように配置する。角速度検出器1と傾
斜検出器2からの両信号は、演算手段3へ入力され、演
算手段3からの出力傾斜角信号θが演算されて出力され
る。演算手段3は、傾斜検出器2からの信号を検出傾斜
角信号θ’に変換する変換器11と、出力傾斜角信号θ
と検出傾斜角信号θ’の差信号Eを出力する減算器1
2、差信号Eに係数Kを乗算する乗算器13、差信号E
を積分しK/T倍(Tは積分の時定数)する積分器1
4、乗算器13と積分器14との出力を加算する加算器
15、加算器15からの出力を検出角速度信号ωに加算
する加算器16及び加算器16からの出力を積分する積
分器17とを備える。
【0013】傾斜検出器2であるサーボ加速度計の出力
は、傾斜角がθ’であるときにその出力はgsin θ’
(gは重力加速度)となる。傾斜検出器2からの信号を
検出傾斜角信号θ’に変換する変換器11によって、si
n -1 /gを演算することによって検出傾斜角θ’に変換
する。傾斜検出器2の出力である検出傾斜角信号θ’と
出力傾斜角信号θとの差が減算器12によって差信号E
として出力される。
【0014】この差信号Eは、乗算器13と積分器14
に入力され、乗算器13では係数Kと乗算され、積分器
14では積分されK/T倍される。加算器15では、こ
れら乗算器13と積分器14との出力を加算して、加算
器16に送り、加算器16では、検出角速度信号ωと加
算器15からの出力が加算され積分器17へ入力されて
出力傾斜角信号θとして出力される。
【0015】以上の処理を式で表すと以下のようにな
る。 E=θ’−θ ・・(1) θ=1/s{ω+KE+(K/Ts)・E} ・・(2) (2)式に(1)式を代入し、さらにラプラス演算子s
を書き換えて積分式で表すと、
【0016】
【数1】
【0017】となる。(3)式において第2項目は、角
速度検出器からの相対的な傾斜角の変化信号を傾斜検出
器からの絶対的な検出傾斜角信号θ’に近づけていっ
て、出力傾斜角信号θと検出傾斜角信号θ’との差を無
くしていこうとする項である。また、第3項目は角速度
検出器の出力のオフセットによる誤差を差し引くための
ものである。角速度検出器であるレートジャイロは、入
力角速度が零であっても誤差がありオフセットを持つ。
このオフセットが積分されると時間と共に誤差が増大し
ていってしまう。そこで、オフセットによる検出傾斜角
信号θ’と出力傾斜角信号θの差を積分してオフセット
の値に近づけていって、そのオフセットをキャンセルし
ている。
【0018】従って、出力傾斜角信号は、傾斜検出器の
検出傾斜角信号の出力値に拘束され、さらに角速度検出
器のオフセットの修正がされつつ検出角速度信号を積分
することによって求められる。傾斜検出器は外乱加速度
の影響を受けるので、被測定物の受ける外乱加速度や被
測定物の傾斜速度等によって適宜係数K、Tを変えるこ
とによって傾斜検出器の出力をフィルタリングすること
ができる。係数Kを大きくする(係数Tも大きくする)
と(3)式の第2項目の効果が大となり、出力傾斜角信
号は検出傾斜角信号に早く近づくことになる。一方、T
のみを大きくすると、積分の時定数が大きくなるので傾
斜検出器の出力が低周波の外乱を受けてもその影響をあ
まり受けない。
【0019】このように、本実施例では傾斜検出器の外
乱加速度による影響をフィルタリングによって小さくす
ることができると共に、出力傾斜角信号は角速度検出器
の検出角速度信号を積分することによって求めているの
で出力の遅れがないという効果が得られる。さらに、角
速度検出器のオフセットによる誤差発生も傾斜検出器の
検出傾斜角信号を用いて修正することができる。精度的
にも、出力傾斜角信号を傾斜検出器の検出傾斜角信号に
拘束させていくので静的な絶対値傾斜は傾斜検出器の精
度と同等に得られる。
【0020】図2は、外乱加速度だけでなくある程度の
大きさの加速度の影響を受けるような環境でも正確に傾
斜角を測定することができるようにしたものである。例
えば、図6に示したように移動する移動体から懸吊され
た吊り荷21の傾斜角を求める場合に利用される。図1
の構成に加えて、さらに移動体の移動速度を検出する速
度検出器4を備え、速度検出器4からの出力は演算手段
3へと供給される。また、演算手段3は、さらに速度検
出器4の出力を微分する微分器18と微分器18からの
出力を角度に換算する変換器19を備える。
【0021】微分器18で移動体の水平加速度αを求
め、さらに変換器19で傾斜検出器2からの検出傾斜角
の補正を行うべく角度に変換する。本実施例では、水平
方向に加速度を持つ移動体について考慮しているので、
移動体の水平加速度αによって発生する傾斜検出器2の
誤差傾斜角θ”は、α=gtan θ”の関係にある。変換
器19ではtan -1/gの演算を行うことによって誤差傾
斜角θ”を求め、減算器12にて誤差傾斜角θ”を減算
する。従って、減算器12からの差信号Eは、 E=θ’−θ−θ” となる。以下の処理は、図1の構成と同一であり、外乱
加速度に対する傾斜検出器2からの出力のフィルタリン
グについては、図1の構成と同じ操作により同じ効果が
得られる。
【0022】
【発明の効果】以上のように本発明では、被測定物の傾
斜角を検出して検出傾斜角信号を出力する傾斜検出器
と、被測定物の角速度を検出して検出角速度信号を出力
する角速度検出器と、移動体の移動速度を検出して速度
信号を出力する速度検出器と、傾斜検出器からの検出傾
斜角信号、速度検出器からの速度信号及び角速度検出器
からの検出角速度信号とから出力傾斜角信号を出力する
演算手段とを備え、演算手段において、出力傾斜角信号
と速度信号から得た誤差傾斜角信号とを傾斜検出器から
の検出傾斜角信号から減算した差信号に、係数を乗算し
て角速度検出器からの検出角速度信号に加算して、これ
らを積分して出力傾斜角信号とすることとしたので、移
動する移動体のような外乱加速度だけでなくある程度の
大きさの加速度の影響を常に受けるような環境下に被測
定物がある場合でも、正確に傾斜角を測定することがで
きる。
【0023】また、上記演算手段は、さらに上記減算手
段からの差信号を積分して角速度検出器からの検出角速
度に加算すれば、角速度検出器のオフセットによる誤差
を修正することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例の説明のための構成を表すブロ
ック図である。
【図2】本発明の実施例のブロック図である。
【図3】従来の傾斜計である電解液傾斜計の説明図であ
る。
【図4】従来の傾斜計であるサーボ傾斜計の説明図であ
る。
【図5】傾斜計の使用例を示す図である。
【図6】図2の傾斜計の使用例を示す図である。
【符号の説明】
1 角速度検出器 2 傾斜検出器 3 演算手段 4 速度検出器 12 減算器 13 乗算器 14 積分器(第2積分手段) 16 加算器 17 積分器 18 微分器 19 変換器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−141970(JP,A) 特開 昭52−37466(JP,A) 実開 昭60−168012(JP,U)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 移動体に設けられた被測定物の傾斜角を
    出力傾斜角信号として出力する傾斜計であって、 被測定物の傾斜角を検出して検出傾斜角信号を出力する
    傾斜検出器と、 被測定物の角速度を検出して検出角速度信号を出力する
    角速度検出器と、 移動体の移動速度を検出して速度信号を出力する速度検
    出器と、 傾斜検出器からの検出傾斜角信号、速度検出器からの速
    度信号及び角速度検出器からの検出角速度信号とから出
    力傾斜角信号を出力する演算手段と、 を備え、該演算手段は、 速度検出器からの速度信号を微分して加速度信号を出力
    する微分手段と、 微分手段からの加速度信号を傾斜角度信号に変換して誤
    差傾斜角信号として出力する変換手段と、 出力傾斜角信号及び誤差傾斜角信号を傾斜検出器からの
    検出傾斜角信号から減算し、差信号として出力する減算
    手段と、 該差信号に係数を乗算する乗算手段と、 該乗算手段の出力を角速度検出器からの検出角速度信号
    に加算する加算手段と、 該加算手段からの出力を積分し、出力傾斜角信号として
    出力する積分手段と、を有することを特徴とする傾斜
    計。
  2. 【請求項2】 前記演算手段は、さらに前記減算手段か
    らの差信号を積分する第2積分手段とを有し、前記加算
    手段は第2積分手段からの出力を角速度検出器からの検
    出角速度信号に加算することを特徴とする請求項1記載
    の傾斜計。
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