JP3504529B2 - 構造物、地盤等変位監視用ジャイロ装置 - Google Patents
構造物、地盤等変位監視用ジャイロ装置Info
- Publication number
- JP3504529B2 JP3504529B2 JP09401899A JP9401899A JP3504529B2 JP 3504529 B2 JP3504529 B2 JP 3504529B2 JP 09401899 A JP09401899 A JP 09401899A JP 9401899 A JP9401899 A JP 9401899A JP 3504529 B2 JP3504529 B2 JP 3504529B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- output
- accelerometer
- gyro
- measured
- tilt angle
- 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.)
- Expired - Fee Related
Links
Landscapes
- Gyroscopes (AREA)
- Testing Or Calibration Of Command Recording Devices (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、土木や建築関係な
どで使用される構造物、地盤等変位監視用ジャイロ装置
において、特に被測定面の傾斜角に加えて移動量を測定
可能な構造物、地盤等変位監視用ジャイロ装置に関す
る。 【０００２】 【従来の技術】土木関係などの地盤監視装置において、
地盤の動揺による傾斜測定面の傾斜角を測定する傾斜計
として、ジャイロが用いられている。このジャイロは地
中を掘削した穴にパイプを埋込み、このパイプの傾きを
測定するだけのものである。 【０００３】一方、建築関係などの建造物監視装置にお
いて、例えば電車や自動車が通行する橋梁の動揺による
傾斜測定面の傾斜角や加速度を測定する傾斜計として、
ジャイロや加速度計が用いられている。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】しかし、前者の地盤監
視装置で用いられている傾斜計では、パイプ全体が地盤
と共に横滑りをした場合には傾斜角としては検出されな
いので、地盤に横滑りなどの異常が発生しても異常とし
て検出することができなかった。特にシールド工法など
で、地盤のシールドを行っている矢板の監視に前述した
ような傾斜計が使用されることがあるが、矢板がずれた
ときなどの移動量が検出されないため、矢板が許容滑り
量を超え、シールドの継ぎ目が破れると、その間から土
砂や水などが内部へ侵入して災害が発生する可能性があ
る。 【０００５】また、後者の建造物監視装置に用いられて
いる傾斜計では、橋及び橋桁の移動量や橋と橋桁の間の
移動量の計測ができないため、橋桁の上に固定された橋
が地震などで数センチ程度の移動してもその変位を吸収
できる構造になっているが、許容値を超えた場合には橋
桁より橋が落下してしまう。過去の大地震では幾多の橋
が落下し、大きな災害となっている。 【０００６】本発明は上記のような事情に鑑みてなされ
たもので、傾斜角と移動による変位とを同一のセンサー
システムで各々分離して測定できる構造物、地盤等変位
監視用ジャイロ装置を提供することを目的とする。 【０００７】 【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するため、次のような手段により構造物、地盤等変位
監視用ジャイロ装置を構成する。 【０００８】 請求項１に対応する発明は、被測定面の
傾斜方向と平行した入力軸を持つ加速度計と、被測定面
と平行し、かつ前記加速度計の入力軸と直交した入力軸
を持つジャイロと、前記加速度計の出力と前記ジャイロ
の出力に基き演算を実行して傾斜角を測定する傾斜角測
定手段と、前記加速度計より出力される加速度値を前記
傾斜角測定手段で測定された傾斜角の重力加速度成分に
より補正して水平方向加速度値を得る手段と、この手段
より得られる水平方向加速度値を２回積分して水平方向
の移動距離を測定する移動量測定手段と、この移動量測
定手段に設けられ前記加速度値に含まれる誤差分による
前記水平方向の移動距離の発散を防止する手段とを備
え、前記傾斜角測定手段は、加速度計の出力から測定面
の傾斜角を演算する演算手段と、傾斜角と測定傾斜角と
の差を演算する減算手段と、その差に利得を掛算する掛
算手段と、前記差を積分して掛算手段の出力に加算し、
その加算された値とジャイロの出力との差を積分して測
定傾斜角として出力する積分手段とから構成され、前記
発散防止手段は、ハイパスフィルタまたは加速度値また
は速度値の所定の範囲を不感帯としたものである。 【０００９】 【００１０】 【００１１】 【００１２】 【００１３】 【００１４】 従って、上記請求項１に対応する発明に
あっては、加速度計の出力を測定傾斜角を演算して得ら
れる重力加速度成分により補正して水平方向の移動によ
る加速度を求め、この加速度を２回積分するようにした
ので、被測定体の軸方向に対する移動量を測定すること
ができ、また加速度計の出力から測定面の傾斜角を演算
し、この傾斜角と測定傾斜角との差に利得を掛算してジ
ャイロの出力との差を求め、この差を積分して測定傾斜
角として出力するようにしたので、傾斜測定面が動揺し
ている場合においても、その傾斜測定面傾斜角を正確に
測定することができる。 【００１５】 【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面を
参照して説明する。 【００１６】図１は本発明による構造物、地盤等変位監
視用ジャイロ装置の第１の実施の形態を示すブロック図
である。 【００１７】図１において、１は測定すべき傾斜測定面
の傾斜方向と平行した入力軸を持つ加速度計、２は傾斜
測定面と平行し、かつ加速度計１の入力軸と直交した入
力軸を持つジャイロ（ここでは光ファイバジャイロ，Ｆ
ＯＧ）である。 【００１８】また、３は加速度計１の出力ａとジャイロ
２の出力ｄθ／ｄｔが入力される演算部で、この演算部
３はこれら加速度計１及びジャイロ２の出力に基いて移
動量を求める移動量演算手段と、角速度を求める角速度
演算手段と、傾斜角を求める傾斜角演算手段とを有して
いる。 【００１９】なお、加速度計１、ジャイロ装置２及び角
速度を求める角速度演算手段と、傾斜角を求める傾斜角
演算手段は特許（特許第２７３３５９７号）として成立
している。 【００２０】図２は図１の演算部３の詳細な構成例を示
すブロック図である。 【００２１】この演算部３は、図２に示すように傾斜角
θ及び角速度を求める手段として、演算手段２１、第１
の積分手段２２、掛算手段２３、第２の積分手段２４及
び減算手段２５，２６を備え、移動量を求める手段とし
て、演算手段２７、減算手段２８、ハイパスフィルタ２
９、第３の積分手段３０、ハイパスフィルタ３１及び第
４の積分手段３２を備えている。 【００２２】図２において、加速度計１の出力ａが演算
手段２１に入力されると、この演算手段２１は加速度計
１の出力ａと重力加速度ｇとから、（１）式により傾斜
測定面の傾斜角（仮の傾斜角）θ'を演算し、この傾斜
角θを出力する。 【００２３】 θ'＝sin-1（ａ／ｇ） ・・・（１） この傾斜角θ'と第１の積分手段２２から出力される測
定傾斜角θとが減算手段２５に入力され、これらの差Δ
θが出力される。この差Δθが掛算手段２３に入力され
ると、この掛算手段２３ではΔθに利得Ｋ１を掛算す
る。 【００２４】また、減算手段２５から出力される傾斜角
θ'と測定傾斜角θとの差Δθが第２の積分手段２４に
入力され、この第２の積分手段２４の出力と掛算手段２
３の出力が加算されて減算手段２６に入力される。な
お、第２の積分手段２４はΔθを積分して利得Ｋ２を掛
算する場合を例示している。 【００２５】減算手段２３では第２の積分手段２４の出
力及び掛算手段２３の出力の加算値とジャイロ２の出力
ｄθ／ｄｔとの差を求め、この差は前述の第１の積分手
段２２に入力される。この第１の積分手段２２はその差
を積分（１／Ｓ）して測定傾斜角θを出力する。 【００２６】一方、第１の積分手段２２より出力される
測定傾斜角θが演算手段２７に入力される。この演算手
段２７は測定傾斜角θと重力加速度ｇとから重力加速度
成分を求めるものである。 【００２７】この演算手段２７で求められた重力加速度
成分と加速度計１の出力ａとを減算手段２８に入力して
加速度計１の出力ａから重力加速度成分を補償し、その
出力をハイパスフィルタ２９を通して第３の積分手段３
０に入力する。さらに、第３の積分手段３０の出力をハ
イパスフィルタ３１を通して第４の積分手段３２に入力
し、この第４の積分手段３２より移動量Ｌを出力する。 【００２８】次に上記のように構成されたジャイロ装置
の作用を述べる。 【００２９】まず、角速度を求める角速度演算手段と、
傾斜角を求める傾斜角演算手段について述べる。 【００３０】（ａ）被測定体に動揺加速度及び傾斜角に
変化がない場合 加速度計１の出力ａが演算手段２１により（１）式に基
いて求められた傾斜角θ'は被測定面の既存の傾斜角を
表す。また、傾斜角の変化がないため、ジャイロ２の出
力ｄθ／ｄｔは零であり、測定傾斜角θの初期値は零と
なっている。 【００３１】このとき減算手段２５より出力される傾斜
角θ'と測定傾斜角θとの差Δθは利得Ｋ１にて第１の
積分手段２２に負帰還されることで測定傾斜角θは傾斜
角θ'に徐々に近付き、θ＝θ'となったときにΔθ＝０
となり、第１の積分手段２２への入力は零となる。つま
り、θはθ'の値を維持する。 【００３２】（ｂ）動揺加速度がない状態で、傾斜角が
変化した場合 被測定面の傾斜角がθ１からθ２へ変化したとき、ジャ
イロ２の出力ｄθ／ｄｔはθ１からθ２への角速度を示
すので、測定傾斜角θはθ１からθ２へ正しく変化す
る。一方、演算手段２１より出力される傾斜角θ'は動
揺加速度がないので、正しくθ１からθ２へ変化する。 【００３３】上記のことから、常にθ＝θ'であり、Δ
θ＝０となる。つまり、掛算手段２３の出力は零とな
り、第１の積分手段２２には何等帰還されない。従っ
て、測定傾斜角θは傾斜角が変化しても常に正しい傾斜
角を示す。 【００３４】（ｃ）被測定面の傾斜角がθ１で変化のな
い状態で、その動揺傾斜方向に動揺加速度が印加された
場合 傾斜角に変化がないため、ジャイロ２の出力ｄθ／ｄｔ
は零である。 【００３５】加速度計１の出力ａは重力加速度ｇの傾斜
方向成分ａ１と動揺加速度ａ１Hとの合成であるから、
ａ＝ａ１＋ａ１H＝ａ１＋Ａsinωｔとなる。 【００３６】従って、傾斜角θ'は θ'＝sin-1｛（ａ１＋Ａsinωｔ)／ｇ｝ ・・・（２） となる。動揺速度ａHの最大値Ａは、一般に重力加速度
ｇの１／１０以下であり、即ちＡ<<ｇの関係にある。 【００３７】従って、上記（２）式は（３）式のように
近似することができる。 【００３８】 θ'≒sin-1（ａ１／ｇ）＋tan-1{Ａsinωｔ／（ｇ2−ａ１2）1/2} ＝θ１＋tan-1{Ａsinωｔ／（ｇ2−ａ１2）1/2} （３） 傾斜角θ'と測定傾斜角θとの関係は、ｄθ／ｄｔ＝０
より図３のように表され、1次フィルタの形となる。時
定数は１／Ｋ１であり、このフィルタのカットオフ周波
数ｆ0は、ｆ0＝Ｋ１／２πとなる。 【００３９】従って、カットオフ周波数ｆ0が動揺加速
度ａ１Hの角振動数ωより十分小さくなるように利得Ｋ
１を設定すれば、傾斜角θ'の動揺分はこのローパスフ
ィルタ効果により減少して測定傾斜角θに出力されない
ことになる。つまり、上記（３）式の右辺２項が減少す
ることにより、θ'≒θ１となり、測定傾斜角θはこの
θ'の値を維持し、正しい傾斜角θ１を示すことにな
る。 【００４０】（ｄ）傾斜測定面が実際に動揺して、傾斜
角変化及び動揺加速度の両方が存在する場合 この場合は前述した（ｂ），（ｃ）での作用の複合であ
り、それらと同様に測定傾斜角θは正しい傾斜角を示
す。 【００４１】一方、減算手段２５から出力される傾斜角
θ'と測定傾斜角θとの差Δθが第２の積分手段２４に
入力し、この第２の積分手段２４の出力と掛算手段２３
の出力とを加算して減算手段２６に加えることで、ドリ
フト誤差の大きさを自動的に推定し、補正する機能を有
している。 【００４２】ここで、その作用について述べる。ジャイ
ロ２のドリフト誤差δｄθ／ｄｔとそれによる測定傾斜
角誤差δθとの関係は図４のようにに示すことができ
る。 【００４３】図４において、δθが第２の積分手段２４
で積分されて第１の積分手段２２に負帰還されることに
より、δθは減少して行く。第２の積分手段２４の出力
がδθ／ｄｔと等しくなったとき、第１の積分手段２２
への入力は零となって、第２の積分手段２４の出力はδ
θ／ｄｔを維持する。即ち、第２の積分手段２４はドリ
フト誤差δθ／ｄｔを推定したことになり、それが第１
の積分手段２２へ負帰還されることにより、ドリフト誤
差δθ／ｄｔが補正される。 【００４４】従って、測定傾斜角誤差δθが零となるた
め、測定傾斜角θはジャイロ２のドリフト誤差δｄθ／
ｄｔの影響を受けず、正しい傾斜角を示すことになる。 【００４５】次に移動量を求める移動量演算機能につい
て述べる。 【００４６】加速度計１の出力ａと、第１の積分手段２
２より得られる傾斜角θを演算手段２７で演算して得ら
れる重力加速度成分とを減算手段２８に入力し、加速度
計１の出力ａから重力加速度成分を補正することによ
り、水平方向の移動による加速度ａｔが出力される。即
ち、加速度計１の出力ａは図５に示すベクトル図からも
明らかなように、 ａ＝ａｔ・ｃｏｓθ＋ｇ・ｓｉｎθ ・・・（３） で表すことができる。但し、ｇは重力加速度である。 【００４７】上記（３）式より ａｔ＝（ａ−ｇ・ｓｉｎθ）／ｃｏｓθ ・・・（４） となる。 【００４８】上記減算手段２８より得られる水平方向の
加速度ａｔをハイパスフィルタ２９を通して第３の積分
手段３０に入力し、さらにこの第３の積分手段の出力を
ハイパスフィルタ３１を通して第４の積分手段３２に入
力することで、水平方向の加速度ａｔはそれぞれ２回積
分される。 【００４９】このように水平方向の加速度ａｔを２回積
分すると、（５）式からも明なように水平方向の移動変
位Ｌが分かる。 【００５０】 Ｌ＝∫∫（ａｔ）ｄｔｄｔ （５） ここで、上記第３の積分手段３０及び第４の積分手段３
２で常時積分演算が継続されていると、加速度計１の出
力ａの中に含まれている加速度計１のバイアス信号など
の誤差分も一緒に積分されるため、時間と共に誤差が増
大し、発散となることがある。 【００５１】本実施の形態では、第３の積分手段３０及
び第４の積分手段３２の前段にそれぞれハイパスフィル
タ２９，３１を設けているので、加速度計１のバイアス
信号などの直流的な成分がカットされ、積分出力が発散
することはなくなる。 【００５２】図６はハイパスフィルタを設けたときの加
速度と第３の積分手段３０より出力される速度、第４の
積分手段３２より得られる移動変位をそれぞれ示すタイ
ムチャートである。 【００５３】この図から分かるように加速度計１の出力
にバイアス信号などの直流的な成分が含まれていても、
ハイパスフィルタ２９，３１を通すことによりカットさ
れるので、移動量の測定値が発散することなく、変化す
る移動量を測定することが可能となる。 【００５４】このように上記第１の実施の形態では、被
測定体の測定面の傾斜方向と平行した入力軸を持つ加速
度計１と、傾斜測定面と平行し、かつ加速度計１の入力
軸と直交した入力軸を持つジャイロ２と、加速度計１の
出力ａから測定面の傾斜角θ'を演算する演算手段２１
と、傾斜角θ'と測定傾斜角θとの差を演算する減算手
段２５と、その差に利得を掛算する掛算手段２３と、上
記差を積分して掛算手段の出力に加算し、その加算され
た値とジャイロ２の出力との差を積分して測定傾斜角θ
として出力するようにしたので、傾斜測定面が動揺して
いる場合においても、その傾斜測定面傾斜角を正確に測
定することができる。 【００５５】また、ジャイロ２のドリフト誤差が推定さ
れて補正されるので、ドリフト誤差に起因する傾斜角の
誤差がなくなり、高精度の傾斜角を得ることができる。 【００５６】一方、加速度計１の出力ａを上記測定傾斜
角θを演算して得られる重力加速度成分により補正して
水平方向の移動による加速度ａｔを求め、この加速度ａ
ｔを第３の積分手段３０で積分し、さらにその積分出力
を第４の積分手段３２によりするようにしたので、被測
定体の軸方向に対する移動量（移動変位）Ｌを測定する
ことができる。 【００５７】さらに、水平方向の移動による加速度ａｔ
を第３の積分手段３０、第４の積分手段３２にする前
に、ハイパスフィルタ２９，３１により加速度計１のバ
イアスなどの直流的な成分を除去するようにしているの
で、積分出力が発散することがなく、高精度に移動変位
を測定することができる。 【００５８】上記第１の実施の形態では、移動量演算手
段として、第３の積分手段３０及び第４の積分手段３２
及びその入力段にハイパスフィルタ２９、３１をそれぞ
れ設けるようにしたが、ハイパスフィルタ２９、３１に
代えて不感帯を設けるようにしてもよい。 【００５９】図７は不感帯を設けたときの加速度と第３
の積分手段３０より出力される速度、第４の積分手段３
２より得られる移動変位をそれぞれ示すタイムチャート
である。 【００６０】この図から分かるように加速度計１の出力
にバイアス信号などの直流的な成分が含まれていても、
不感帯を設けることにより常時の加速度ａｔは不感帯以
内のため、積分結果が発散することがなく、また不感帯
を超えた時のみ加速度値が積分されるので、その期間に
おける移動量を得ることができる。 【００６１】このような構成の本発明によるジャイロ装
置を土木関係などの地盤監視装置や建築関係などの建造
物監視装置に適用することにより次のような効果を得る
ことができる。 【００６２】即ち、地盤監視装置において、シールド工
法などで地盤のシールドを行っている矢板を監視する場
合、傾斜角と移動量が同一のセンサーシステムから得る
ことができるので、傾斜角に異常がなくても移動量に異
常があれば、シールド工法の矢板が外圧または内圧の作
用によって滑っていると判断することが可能になり、矢
板が大きく傾斜する前に異常値として報知することがで
きる。従って、シールド内で作業をしている作業者の避
難などが早期に実施できるので、人身事故を低減するこ
とができると共に、防災上大きな効果を得ることができ
る。 【００６３】また、建造物監視装置において、鉄道車両
や自動車などが通行する橋梁において、橋桁の上に固定
された橋の移動量を監視する場合、傾斜角の他に最初の
地点からの移動量を同一のセンサーシステムにて計測で
きるので、センサーを適宜個所に設置して置くことによ
り、橋及び橋桁が許容値を超えて変位したか否かを判定
することができる。従って、橋の移動量が許容値を超え
たときには、交通などを直ちにストップさせることも可
能となり、防災上大きな効果を得ることができる。 【００６４】 【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、傾斜
角と移動による変位とを同一のセンサーシステムで各々
分離して測定できる構造物、地盤等変位監視用ジャイロ
装置を提供できる。
どで使用される構造物、地盤等変位監視用ジャイロ装置
において、特に被測定面の傾斜角に加えて移動量を測定
可能な構造物、地盤等変位監視用ジャイロ装置に関す
る。 【０００２】 【従来の技術】土木関係などの地盤監視装置において、
地盤の動揺による傾斜測定面の傾斜角を測定する傾斜計
として、ジャイロが用いられている。このジャイロは地
中を掘削した穴にパイプを埋込み、このパイプの傾きを
測定するだけのものである。 【０００３】一方、建築関係などの建造物監視装置にお
いて、例えば電車や自動車が通行する橋梁の動揺による
傾斜測定面の傾斜角や加速度を測定する傾斜計として、
ジャイロや加速度計が用いられている。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】しかし、前者の地盤監
視装置で用いられている傾斜計では、パイプ全体が地盤
と共に横滑りをした場合には傾斜角としては検出されな
いので、地盤に横滑りなどの異常が発生しても異常とし
て検出することができなかった。特にシールド工法など
で、地盤のシールドを行っている矢板の監視に前述した
ような傾斜計が使用されることがあるが、矢板がずれた
ときなどの移動量が検出されないため、矢板が許容滑り
量を超え、シールドの継ぎ目が破れると、その間から土
砂や水などが内部へ侵入して災害が発生する可能性があ
る。 【０００５】また、後者の建造物監視装置に用いられて
いる傾斜計では、橋及び橋桁の移動量や橋と橋桁の間の
移動量の計測ができないため、橋桁の上に固定された橋
が地震などで数センチ程度の移動してもその変位を吸収
できる構造になっているが、許容値を超えた場合には橋
桁より橋が落下してしまう。過去の大地震では幾多の橋
が落下し、大きな災害となっている。 【０００６】本発明は上記のような事情に鑑みてなされ
たもので、傾斜角と移動による変位とを同一のセンサー
システムで各々分離して測定できる構造物、地盤等変位
監視用ジャイロ装置を提供することを目的とする。 【０００７】 【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するため、次のような手段により構造物、地盤等変位
監視用ジャイロ装置を構成する。 【０００８】 請求項１に対応する発明は、被測定面の
傾斜方向と平行した入力軸を持つ加速度計と、被測定面
と平行し、かつ前記加速度計の入力軸と直交した入力軸
を持つジャイロと、前記加速度計の出力と前記ジャイロ
の出力に基き演算を実行して傾斜角を測定する傾斜角測
定手段と、前記加速度計より出力される加速度値を前記
傾斜角測定手段で測定された傾斜角の重力加速度成分に
より補正して水平方向加速度値を得る手段と、この手段
より得られる水平方向加速度値を２回積分して水平方向
の移動距離を測定する移動量測定手段と、この移動量測
定手段に設けられ前記加速度値に含まれる誤差分による
前記水平方向の移動距離の発散を防止する手段とを備
え、前記傾斜角測定手段は、加速度計の出力から測定面
の傾斜角を演算する演算手段と、傾斜角と測定傾斜角と
の差を演算する減算手段と、その差に利得を掛算する掛
算手段と、前記差を積分して掛算手段の出力に加算し、
その加算された値とジャイロの出力との差を積分して測
定傾斜角として出力する積分手段とから構成され、前記
発散防止手段は、ハイパスフィルタまたは加速度値また
は速度値の所定の範囲を不感帯としたものである。 【０００９】 【００１０】 【００１１】 【００１２】 【００１３】 【００１４】 従って、上記請求項１に対応する発明に
あっては、加速度計の出力を測定傾斜角を演算して得ら
れる重力加速度成分により補正して水平方向の移動によ
る加速度を求め、この加速度を２回積分するようにした
ので、被測定体の軸方向に対する移動量を測定すること
ができ、また加速度計の出力から測定面の傾斜角を演算
し、この傾斜角と測定傾斜角との差に利得を掛算してジ
ャイロの出力との差を求め、この差を積分して測定傾斜
角として出力するようにしたので、傾斜測定面が動揺し
ている場合においても、その傾斜測定面傾斜角を正確に
測定することができる。 【００１５】 【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面を
参照して説明する。 【００１６】図１は本発明による構造物、地盤等変位監
視用ジャイロ装置の第１の実施の形態を示すブロック図
である。 【００１７】図１において、１は測定すべき傾斜測定面
の傾斜方向と平行した入力軸を持つ加速度計、２は傾斜
測定面と平行し、かつ加速度計１の入力軸と直交した入
力軸を持つジャイロ（ここでは光ファイバジャイロ，Ｆ
ＯＧ）である。 【００１８】また、３は加速度計１の出力ａとジャイロ
２の出力ｄθ／ｄｔが入力される演算部で、この演算部
３はこれら加速度計１及びジャイロ２の出力に基いて移
動量を求める移動量演算手段と、角速度を求める角速度
演算手段と、傾斜角を求める傾斜角演算手段とを有して
いる。 【００１９】なお、加速度計１、ジャイロ装置２及び角
速度を求める角速度演算手段と、傾斜角を求める傾斜角
演算手段は特許（特許第２７３３５９７号）として成立
している。 【００２０】図２は図１の演算部３の詳細な構成例を示
すブロック図である。 【００２１】この演算部３は、図２に示すように傾斜角
θ及び角速度を求める手段として、演算手段２１、第１
の積分手段２２、掛算手段２３、第２の積分手段２４及
び減算手段２５，２６を備え、移動量を求める手段とし
て、演算手段２７、減算手段２８、ハイパスフィルタ２
９、第３の積分手段３０、ハイパスフィルタ３１及び第
４の積分手段３２を備えている。 【００２２】図２において、加速度計１の出力ａが演算
手段２１に入力されると、この演算手段２１は加速度計
１の出力ａと重力加速度ｇとから、（１）式により傾斜
測定面の傾斜角（仮の傾斜角）θ'を演算し、この傾斜
角θを出力する。 【００２３】 θ'＝sin-1（ａ／ｇ） ・・・（１） この傾斜角θ'と第１の積分手段２２から出力される測
定傾斜角θとが減算手段２５に入力され、これらの差Δ
θが出力される。この差Δθが掛算手段２３に入力され
ると、この掛算手段２３ではΔθに利得Ｋ１を掛算す
る。 【００２４】また、減算手段２５から出力される傾斜角
θ'と測定傾斜角θとの差Δθが第２の積分手段２４に
入力され、この第２の積分手段２４の出力と掛算手段２
３の出力が加算されて減算手段２６に入力される。な
お、第２の積分手段２４はΔθを積分して利得Ｋ２を掛
算する場合を例示している。 【００２５】減算手段２３では第２の積分手段２４の出
力及び掛算手段２３の出力の加算値とジャイロ２の出力
ｄθ／ｄｔとの差を求め、この差は前述の第１の積分手
段２２に入力される。この第１の積分手段２２はその差
を積分（１／Ｓ）して測定傾斜角θを出力する。 【００２６】一方、第１の積分手段２２より出力される
測定傾斜角θが演算手段２７に入力される。この演算手
段２７は測定傾斜角θと重力加速度ｇとから重力加速度
成分を求めるものである。 【００２７】この演算手段２７で求められた重力加速度
成分と加速度計１の出力ａとを減算手段２８に入力して
加速度計１の出力ａから重力加速度成分を補償し、その
出力をハイパスフィルタ２９を通して第３の積分手段３
０に入力する。さらに、第３の積分手段３０の出力をハ
イパスフィルタ３１を通して第４の積分手段３２に入力
し、この第４の積分手段３２より移動量Ｌを出力する。 【００２８】次に上記のように構成されたジャイロ装置
の作用を述べる。 【００２９】まず、角速度を求める角速度演算手段と、
傾斜角を求める傾斜角演算手段について述べる。 【００３０】（ａ）被測定体に動揺加速度及び傾斜角に
変化がない場合 加速度計１の出力ａが演算手段２１により（１）式に基
いて求められた傾斜角θ'は被測定面の既存の傾斜角を
表す。また、傾斜角の変化がないため、ジャイロ２の出
力ｄθ／ｄｔは零であり、測定傾斜角θの初期値は零と
なっている。 【００３１】このとき減算手段２５より出力される傾斜
角θ'と測定傾斜角θとの差Δθは利得Ｋ１にて第１の
積分手段２２に負帰還されることで測定傾斜角θは傾斜
角θ'に徐々に近付き、θ＝θ'となったときにΔθ＝０
となり、第１の積分手段２２への入力は零となる。つま
り、θはθ'の値を維持する。 【００３２】（ｂ）動揺加速度がない状態で、傾斜角が
変化した場合 被測定面の傾斜角がθ１からθ２へ変化したとき、ジャ
イロ２の出力ｄθ／ｄｔはθ１からθ２への角速度を示
すので、測定傾斜角θはθ１からθ２へ正しく変化す
る。一方、演算手段２１より出力される傾斜角θ'は動
揺加速度がないので、正しくθ１からθ２へ変化する。 【００３３】上記のことから、常にθ＝θ'であり、Δ
θ＝０となる。つまり、掛算手段２３の出力は零とな
り、第１の積分手段２２には何等帰還されない。従っ
て、測定傾斜角θは傾斜角が変化しても常に正しい傾斜
角を示す。 【００３４】（ｃ）被測定面の傾斜角がθ１で変化のな
い状態で、その動揺傾斜方向に動揺加速度が印加された
場合 傾斜角に変化がないため、ジャイロ２の出力ｄθ／ｄｔ
は零である。 【００３５】加速度計１の出力ａは重力加速度ｇの傾斜
方向成分ａ１と動揺加速度ａ１Hとの合成であるから、
ａ＝ａ１＋ａ１H＝ａ１＋Ａsinωｔとなる。 【００３６】従って、傾斜角θ'は θ'＝sin-1｛（ａ１＋Ａsinωｔ)／ｇ｝ ・・・（２） となる。動揺速度ａHの最大値Ａは、一般に重力加速度
ｇの１／１０以下であり、即ちＡ<<ｇの関係にある。 【００３７】従って、上記（２）式は（３）式のように
近似することができる。 【００３８】 θ'≒sin-1（ａ１／ｇ）＋tan-1{Ａsinωｔ／（ｇ2−ａ１2）1/2} ＝θ１＋tan-1{Ａsinωｔ／（ｇ2−ａ１2）1/2} （３） 傾斜角θ'と測定傾斜角θとの関係は、ｄθ／ｄｔ＝０
より図３のように表され、1次フィルタの形となる。時
定数は１／Ｋ１であり、このフィルタのカットオフ周波
数ｆ0は、ｆ0＝Ｋ１／２πとなる。 【００３９】従って、カットオフ周波数ｆ0が動揺加速
度ａ１Hの角振動数ωより十分小さくなるように利得Ｋ
１を設定すれば、傾斜角θ'の動揺分はこのローパスフ
ィルタ効果により減少して測定傾斜角θに出力されない
ことになる。つまり、上記（３）式の右辺２項が減少す
ることにより、θ'≒θ１となり、測定傾斜角θはこの
θ'の値を維持し、正しい傾斜角θ１を示すことにな
る。 【００４０】（ｄ）傾斜測定面が実際に動揺して、傾斜
角変化及び動揺加速度の両方が存在する場合 この場合は前述した（ｂ），（ｃ）での作用の複合であ
り、それらと同様に測定傾斜角θは正しい傾斜角を示
す。 【００４１】一方、減算手段２５から出力される傾斜角
θ'と測定傾斜角θとの差Δθが第２の積分手段２４に
入力し、この第２の積分手段２４の出力と掛算手段２３
の出力とを加算して減算手段２６に加えることで、ドリ
フト誤差の大きさを自動的に推定し、補正する機能を有
している。 【００４２】ここで、その作用について述べる。ジャイ
ロ２のドリフト誤差δｄθ／ｄｔとそれによる測定傾斜
角誤差δθとの関係は図４のようにに示すことができ
る。 【００４３】図４において、δθが第２の積分手段２４
で積分されて第１の積分手段２２に負帰還されることに
より、δθは減少して行く。第２の積分手段２４の出力
がδθ／ｄｔと等しくなったとき、第１の積分手段２２
への入力は零となって、第２の積分手段２４の出力はδ
θ／ｄｔを維持する。即ち、第２の積分手段２４はドリ
フト誤差δθ／ｄｔを推定したことになり、それが第１
の積分手段２２へ負帰還されることにより、ドリフト誤
差δθ／ｄｔが補正される。 【００４４】従って、測定傾斜角誤差δθが零となるた
め、測定傾斜角θはジャイロ２のドリフト誤差δｄθ／
ｄｔの影響を受けず、正しい傾斜角を示すことになる。 【００４５】次に移動量を求める移動量演算機能につい
て述べる。 【００４６】加速度計１の出力ａと、第１の積分手段２
２より得られる傾斜角θを演算手段２７で演算して得ら
れる重力加速度成分とを減算手段２８に入力し、加速度
計１の出力ａから重力加速度成分を補正することによ
り、水平方向の移動による加速度ａｔが出力される。即
ち、加速度計１の出力ａは図５に示すベクトル図からも
明らかなように、 ａ＝ａｔ・ｃｏｓθ＋ｇ・ｓｉｎθ ・・・（３） で表すことができる。但し、ｇは重力加速度である。 【００４７】上記（３）式より ａｔ＝（ａ−ｇ・ｓｉｎθ）／ｃｏｓθ ・・・（４） となる。 【００４８】上記減算手段２８より得られる水平方向の
加速度ａｔをハイパスフィルタ２９を通して第３の積分
手段３０に入力し、さらにこの第３の積分手段の出力を
ハイパスフィルタ３１を通して第４の積分手段３２に入
力することで、水平方向の加速度ａｔはそれぞれ２回積
分される。 【００４９】このように水平方向の加速度ａｔを２回積
分すると、（５）式からも明なように水平方向の移動変
位Ｌが分かる。 【００５０】 Ｌ＝∫∫（ａｔ）ｄｔｄｔ （５） ここで、上記第３の積分手段３０及び第４の積分手段３
２で常時積分演算が継続されていると、加速度計１の出
力ａの中に含まれている加速度計１のバイアス信号など
の誤差分も一緒に積分されるため、時間と共に誤差が増
大し、発散となることがある。 【００５１】本実施の形態では、第３の積分手段３０及
び第４の積分手段３２の前段にそれぞれハイパスフィル
タ２９，３１を設けているので、加速度計１のバイアス
信号などの直流的な成分がカットされ、積分出力が発散
することはなくなる。 【００５２】図６はハイパスフィルタを設けたときの加
速度と第３の積分手段３０より出力される速度、第４の
積分手段３２より得られる移動変位をそれぞれ示すタイ
ムチャートである。 【００５３】この図から分かるように加速度計１の出力
にバイアス信号などの直流的な成分が含まれていても、
ハイパスフィルタ２９，３１を通すことによりカットさ
れるので、移動量の測定値が発散することなく、変化す
る移動量を測定することが可能となる。 【００５４】このように上記第１の実施の形態では、被
測定体の測定面の傾斜方向と平行した入力軸を持つ加速
度計１と、傾斜測定面と平行し、かつ加速度計１の入力
軸と直交した入力軸を持つジャイロ２と、加速度計１の
出力ａから測定面の傾斜角θ'を演算する演算手段２１
と、傾斜角θ'と測定傾斜角θとの差を演算する減算手
段２５と、その差に利得を掛算する掛算手段２３と、上
記差を積分して掛算手段の出力に加算し、その加算され
た値とジャイロ２の出力との差を積分して測定傾斜角θ
として出力するようにしたので、傾斜測定面が動揺して
いる場合においても、その傾斜測定面傾斜角を正確に測
定することができる。 【００５５】また、ジャイロ２のドリフト誤差が推定さ
れて補正されるので、ドリフト誤差に起因する傾斜角の
誤差がなくなり、高精度の傾斜角を得ることができる。 【００５６】一方、加速度計１の出力ａを上記測定傾斜
角θを演算して得られる重力加速度成分により補正して
水平方向の移動による加速度ａｔを求め、この加速度ａ
ｔを第３の積分手段３０で積分し、さらにその積分出力
を第４の積分手段３２によりするようにしたので、被測
定体の軸方向に対する移動量（移動変位）Ｌを測定する
ことができる。 【００５７】さらに、水平方向の移動による加速度ａｔ
を第３の積分手段３０、第４の積分手段３２にする前
に、ハイパスフィルタ２９，３１により加速度計１のバ
イアスなどの直流的な成分を除去するようにしているの
で、積分出力が発散することがなく、高精度に移動変位
を測定することができる。 【００５８】上記第１の実施の形態では、移動量演算手
段として、第３の積分手段３０及び第４の積分手段３２
及びその入力段にハイパスフィルタ２９、３１をそれぞ
れ設けるようにしたが、ハイパスフィルタ２９、３１に
代えて不感帯を設けるようにしてもよい。 【００５９】図７は不感帯を設けたときの加速度と第３
の積分手段３０より出力される速度、第４の積分手段３
２より得られる移動変位をそれぞれ示すタイムチャート
である。 【００６０】この図から分かるように加速度計１の出力
にバイアス信号などの直流的な成分が含まれていても、
不感帯を設けることにより常時の加速度ａｔは不感帯以
内のため、積分結果が発散することがなく、また不感帯
を超えた時のみ加速度値が積分されるので、その期間に
おける移動量を得ることができる。 【００６１】このような構成の本発明によるジャイロ装
置を土木関係などの地盤監視装置や建築関係などの建造
物監視装置に適用することにより次のような効果を得る
ことができる。 【００６２】即ち、地盤監視装置において、シールド工
法などで地盤のシールドを行っている矢板を監視する場
合、傾斜角と移動量が同一のセンサーシステムから得る
ことができるので、傾斜角に異常がなくても移動量に異
常があれば、シールド工法の矢板が外圧または内圧の作
用によって滑っていると判断することが可能になり、矢
板が大きく傾斜する前に異常値として報知することがで
きる。従って、シールド内で作業をしている作業者の避
難などが早期に実施できるので、人身事故を低減するこ
とができると共に、防災上大きな効果を得ることができ
る。 【００６３】また、建造物監視装置において、鉄道車両
や自動車などが通行する橋梁において、橋桁の上に固定
された橋の移動量を監視する場合、傾斜角の他に最初の
地点からの移動量を同一のセンサーシステムにて計測で
きるので、センサーを適宜個所に設置して置くことによ
り、橋及び橋桁が許容値を超えて変位したか否かを判定
することができる。従って、橋の移動量が許容値を超え
たときには、交通などを直ちにストップさせることも可
能となり、防災上大きな効果を得ることができる。 【００６４】 【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、傾斜
角と移動による変位とを同一のセンサーシステムで各々
分離して測定できる構造物、地盤等変位監視用ジャイロ
装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による構造物、地盤等変位監視用ジャイ
ロ装置の第１の実施の形態を示すブロック図。 【図２】図１の演算部３の詳細な構成例を示すブロック
図。 【図３】同実施の形態において、ジャイロ出力が零の時
の傾斜角θ'と測定傾斜角θとの関係を示す図。 【図４】同実施の形態において、ドリフト誤差δｄθ／
ｄｔと測定傾斜角誤差δθとの関係を示す図。 【図５】同実施の形態において、加速度計の出力、重力
加速度成分、水平方向野移動による加速度の関係を示す
ベクトル図。 【図６】同実施の形態において、２重積分による移動演
算機能にハイパスフィルタを設けた場合の加速度、速
度、移動変位をそれぞれ示すタイムチャート。 【図７】同実施の形態において、２重積分による移動演
算機能に不感帯を設けた場合の加速度、速度、移動変位
をそれぞれ示すタイムチャート。 【符号の説明】 １：加速度計 ２：ジャイロ ３：演算部 ２１，２７：演算手段 ２２：第１の積分手段 ２３：掛算手段 ２４：第２の積分手段 ２５，２６，２８：減算手段 ２９，３１：ハイパスフィルタ ３０：第３の積分手段 ３２：第４の積分手段
ロ装置の第１の実施の形態を示すブロック図。 【図２】図１の演算部３の詳細な構成例を示すブロック
図。 【図３】同実施の形態において、ジャイロ出力が零の時
の傾斜角θ'と測定傾斜角θとの関係を示す図。 【図４】同実施の形態において、ドリフト誤差δｄθ／
ｄｔと測定傾斜角誤差δθとの関係を示す図。 【図５】同実施の形態において、加速度計の出力、重力
加速度成分、水平方向野移動による加速度の関係を示す
ベクトル図。 【図６】同実施の形態において、２重積分による移動演
算機能にハイパスフィルタを設けた場合の加速度、速
度、移動変位をそれぞれ示すタイムチャート。 【図７】同実施の形態において、２重積分による移動演
算機能に不感帯を設けた場合の加速度、速度、移動変位
をそれぞれ示すタイムチャート。 【符号の説明】 １：加速度計 ２：ジャイロ ３：演算部 ２１，２７：演算手段 ２２：第１の積分手段 ２３：掛算手段 ２４：第２の積分手段 ２５，２６，２８：減算手段 ２９，３１：ハイパスフィルタ ３０：第３の積分手段 ３２：第４の積分手段
フロントページの続き
(72)発明者 田口 喜一郎
神奈川県藤沢市藤沢２−３−18 関東航
空計器株式会社内
(72)発明者 大河原 孝
神奈川県川崎市幸区堀川町66番２ 東芝
エンジニアリング株式会社内
(56)参考文献 特開 平９−133526（ＪＰ，Ａ)
特開 平８−21751（ＪＰ，Ａ)
特開 平10−253359（ＪＰ，Ａ)
特開 昭62−102114（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01C 9/00
G01C 19/00
G01D 21/00
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 被測定面の傾斜方向と平行した入力軸を
持つ加速度計と、被測定面と平行し、かつ前記加速度計
の入力軸と直交した入力軸を持つジャイロと、前記加速
度計の出力と前記ジャイロの出力に基き演算を実行して
傾斜角を測定する傾斜角測定手段と、前記加速度計より
出力される加速度値を前記傾斜角測定手段で測定された
傾斜角の重力加速度成分により補正して水平方向加速度
値を得る手段と、この手段より得られる水平方向加速度
値を２回積分して水平方向の移動距離を測定する移動量
測定手段と、この移動量測定手段に設けられ前記加速度
値に含まれる誤差分による前記水平方向の移動距離の発
散を防止する手段とを備え、前記傾斜角測定手段は、加速度計の出力から測定面の傾
斜角を演算する演算手段と、傾斜角と測定傾斜角との差
を演算する減算手段と、その差に利得を掛算する掛算手
段と、前記差を積分して掛算手段の出力に加算し、その
加算された値とジャイロの出力との差を積分して測定傾
斜角として出力する積分手段とから構成され、 前記発散防止手段は、ハイパスフィルタまたは加速度値
または速度値の所定の範囲を不感帯としたものである、 ことを特徴とする構造物、地盤等変位監視用ジャイロ装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP09401899A JP3504529B2 (ja) | 1999-03-31 | 1999-03-31 | 構造物、地盤等変位監視用ジャイロ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP09401899A JP3504529B2 (ja) | 1999-03-31 | 1999-03-31 | 構造物、地盤等変位監視用ジャイロ装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000283762A JP2000283762A (ja) | 2000-10-13 |
| JP3504529B2 true JP3504529B2 (ja) | 2004-03-08 |
Family
ID=14098794
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP09401899A Expired - Fee Related JP3504529B2 (ja) | 1999-03-31 | 1999-03-31 | 構造物、地盤等変位監視用ジャイロ装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3504529B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4676001B2 (ja) * | 2006-06-02 | 2011-04-27 | 三菱電機株式会社 | 車両用傾斜角度検出装置およびこの装置を使用したロールオーバ判定装置 |
| JP2011242246A (ja) * | 2010-05-18 | 2011-12-01 | Tamagawa Seiki Co Ltd | 地震加速度の検出方法 |
| DE102010053582A1 (de) * | 2010-12-06 | 2012-06-06 | Northrop Grumman Litef Gmbh | System und Verfahren zur Überwachung von mechanisch gekoppelten Strukturen |
| JP5763827B1 (ja) * | 2014-11-05 | 2015-08-12 | Ｊｉｐテクノサイエンス株式会社 | 橋梁通行可否判定システム |
| CN104792306B (zh) * | 2014-11-28 | 2017-03-08 | 郑州合智汇金电子科技有限公司 | 一种倾角测量方法 |
| JP6502782B2 (ja) * | 2015-07-31 | 2019-04-17 | Ｋｙｂ株式会社 | バンク角度検知装置およびバンク角度検知方法 |
-
1999
- 1999-03-31 JP JP09401899A patent/JP3504529B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2000283762A (ja) | 2000-10-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR100885416B1 (ko) | 일체형 가속도계·각속도계 구동 시스템 | |
| US7284408B2 (en) | Sensor system | |
| TWI482946B (zh) | 旋轉速率感測器用的補償電路與其補償方法 | |
| KR20160040654A (ko) | 운동 구조물의 운동 및 진동을 결정하기 위한 시스템 및 방법 | |
| US9823112B2 (en) | Real-time structural measurement (RTSM) for control devices | |
| JP3504529B2 (ja) | 構造物、地盤等変位監視用ジャイロ装置 | |
| JP2005283481A (ja) | センサシステム | |
| Günday | OMA of RC industrial building retrofitted with CFRP using SSI | |
| US7257512B1 (en) | Methods and systems for vibropendulous error compensation of acceleration sensors | |
| JP4822337B2 (ja) | 建築構造物の診断方法 | |
| KR101564020B1 (ko) | 이동체의 전자세 예측 방법 및 이를 이용한 전자세 예측 장치 | |
| RU2509289C2 (ru) | Азимутальная ориентация платформы трехосного гиростабилизатора по приращениям угла прецессии гироблока | |
| JP2926140B2 (ja) | 傾斜角度測定装置 | |
| JP2696427B2 (ja) | 移動体の傾斜角度計測装置 | |
| JP2011242246A (ja) | 地震加速度の検出方法 | |
| US20140067318A1 (en) | Inclination determination system | |
| JP3277802B2 (ja) | クレーン | |
| JP3153352B2 (ja) | 振れ角検出方法および装置およびその応用装置 | |
| WO2018012064A1 (ja) | 角度計測装置 | |
| JP3354259B2 (ja) | 構造体の曲げモーメント計測装置 | |
| RU2062987C1 (ru) | Гирогоризонт | |
| JPH04204059A (ja) | 角加速度及び角速度検出装置 | |
| JP2004219079A (ja) | 傾斜角計測装置および傾斜角計測方法 | |
| RU2734277C1 (ru) | Датчик угловой скорости на базе динамически настраиваемого гироскопа | |
| RU2273858C1 (ru) | Трехкомпонентный измеритель угловой скорости |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20031111 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20031210 |
|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313115 |
|
| R360 | Written notification for declining of transfer of rights |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R360 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |