JP3634058B2 - 傾斜角測定装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、傾斜角測定装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の傾斜角測定装置49としては、例えば図5に示されるようなものがあり、これに示されるものは、サーボ型加速度計50を用いて傾斜による重力加速度成分を計測及び出力するものである。このサーボ型加速度計50の出力値には傾斜角の値以外にバイアス値及びスケールファクタ値のずれも入っているので、これらのずれを修正するために、バイアス調整部52及びスケールファクタ調整部54によりバイアス調整及びスケールファクタ調整を行い、調整された値をA/D変換器56によりアナログ−デジタル変換してCPU58に読み込ませるている。また、温度の変化によりバイアス値が変化するため、傾斜角測定時の温度を温度センサ60により計測し、A/D変換器56によりアナログ−デジタル変換してCPU58に読み込ませ、あらかじめCPU58に登録されている温度とバイアス値の関係(バイアス温度感度)に基づいて、読み込んだ温度データから修正バイアス値を設定し、スケールファクタ値、修正バイアス値及びサーボ型加速度計50の出力値から三角関数を用いて傾斜角を算出している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の傾斜角測定装置49では、長期間にわたって使用する場合、経年変化によって初期に調整されたバイアス値、スケールファクタ値、バイアス温度感度やケースアライメント値などが変化してしまい、正確な傾斜角が測定できなくなるため、正確な傾斜角を得るためには、一定期間ごとに傾斜角測定装置49を校正しなければならないという問題がある。
また、サーボ型加速度計50の取付が固定であるため、1軸方向の傾斜角しか測定することができず、2軸方向以上の傾斜を測定するためには、2個以上のサーボ型加速度計50を取り付けなければならないという問題もある。
【0004】
なお、バイアス値及びケースアライメント値に関しては、特開昭50−129253号公報に示されるように、入力軸が被測定面の傾斜方向と一致するように加速度計を配して出力を測定した後、入力軸を180度回転させて出力を測定し、これらの出力を差し引くことによりバイアス値及びケースアライメント値を削除する方法が開示されているが、この場合でも、スケールファクタ値は変化してしまうため、これを一定期間ごとに校正しなければならない。
また、加速度計を180度回転させて配し直す必要があり、これによる取付誤差が発生する恐れがある。
本発明は、このような課題を解決するためのものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、本発明のうちで請求項1記載の発明は、駆動手段によって回転駆動される旋回台と、旋回台の上に装着される傾斜計と、傾斜計から出力される傾斜角に対応した測定値から傾斜角を演算すると共に前記駆動手段を制御する制御部と、前記旋回台に基準傾斜角を選択的に与える基準傾斜角設定機構部と、を備え、
前記制御部は、前記旋回台に基準傾斜角を与えない状態で、被測定軸に傾斜計が一致するように旋回台を回転させたときの傾斜計からの測定値と、前記旋回台をさらに180度回転させたときの傾斜計からの測定値とを減算して2で割った値と、前記旋回台に基準傾斜角設定機構部により被測定軸方向に基準傾斜角を与えた状態で、被測定軸に傾斜計が一致するように旋回台を回転させたときの傾斜計からの測定値と、前記旋回台をさらに180度回転させたときの傾斜計からの測定値とを減算して2で割った値と、基準傾斜角とを用いて傾斜計のスケールファクタを求めると共に、
前記旋回台に基準傾斜角を与えない状態で、被測定軸に傾斜計が一致するように旋回台を回転させたときの傾斜計からの測定値と、前記旋回台をさらに180度回転させたときの傾斜計からの測定値とを減算して2で割った値と前記求められたスケールファクタを用いて被測定軸の傾斜角を演算する、
ことを特徴としたものである。
【0006】
本発明の原理を説明すると、傾斜角を測定したい方向に旋回台を回転させて傾斜計の出力により傾斜角θ[rad]を求め、この後、旋回台を180度回転させたときの傾斜計の出力により傾斜角−θ[rad]を求める。このとき、傾斜角に関しては極性の反転した2つの値が得られ、バイアス値B[G]やケースアライメント角Kθ[rad]に関しては極性の同じ値が得られる。Kθ及びθが微少角の場合、sin(Kθ±θ)≒Kθ±θであるため、1回目の測定値Maは、
【数1】
によって示され、2回目の測定値Mbは、
【数2】
によって示される。なお、Sはスケールファクタ値S[V/G]であり、g[G]は重力加速度である。また、K=g・Kθとおいた(Kはケースアライメント値[G])。
従って、2つの測定値を減算することにより、正確な傾斜角θは、
【数3】
によって得られる。
【0007】
また、θが微少角でない場合(Kθは微少角とする)、測定値Ma及びMbはそれぞれ
【数4】
及び
【数5】
によって示されるため、この場合の正確な傾斜角θは、
【数6】
によって得られる。
【0008】
スケールファクタ値Sの校正に関しては、基準傾斜角設定機構部により基準傾斜角α[rad]の傾斜を旋回台の被測定軸方向に与え、被測定軸に傾斜計が一致するように旋回台を回転させたときの傾斜計からの測定値Ma’と、被測定軸方向に基準傾斜角αを旋回台に与えたままさらに180度旋回台を旋回させたときの傾斜計からの測定値Mb’とを減算して2で割った値と、基準傾斜角αの傾斜を旋回台に与えない状態で、被測定軸に傾斜計が一致するように旋回台を回転させたときの傾斜計からの測定値Maと、旋回台をさらに180度旋回させたときの傾斜計からの測定値Mbとを減算して2で割った値と、を減算して基準傾斜角αで割ることにより傾斜計のスケールファクタの校正値Sが得られる。
まず、被測定軸方向に基準傾斜角αを旋回台に与えたときの傾斜計の測定値Ma’[V]は、
【数7】
によって得られ、基準傾斜角αを旋回台に与えたままで旋回台を180度旋回させたときの傾斜計の測定値Mb’[V]は、
【数8】
によって得られる。
(4)式から(5)式を減算して2で割ると、
【数9】
となる。ただし、cosKθ=cosα=cosθ=1とした。さらに、得られたM’からMを減算することでスケールファクタの校正値S[V/G]が求められる。
【数10】
【0009】
以上から、傾斜計のバイアス値、ケースアライメント値及びスケールファクタ値の変化に対応することができる。
また、傾斜計を旋回台に装着したことにより、1つの傾斜計で2軸以上の方向の傾斜角を測定することができる。
【0010】
また、本発明のうちで請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明において、前記制御部が、旋回台が90度ずつ回転したときの傾斜計からの各測定値を用いて、直交する2軸の傾斜角をそれぞれ演算し、これらの傾斜角から旋回台が回転することによって形成する面における最大傾斜角を求めることを特徴とする。
【0011】
直交する2軸の傾斜角P,Qを求めれば、その2軸の間の範囲内にある(または2軸のうちのどちらかの)水平軸を特定することができ、その水平軸に直交する最大傾斜軸及びその最大傾斜角を一義的に求めることができる。
【0012】
また、本発明のうちで請求項3記載の発明は、請求項1記載の発明において、前記制御部が、旋回台を回転させながら傾斜計からの測定値を連続的に受けて傾斜角を演算し、その中で最大または最小となる傾斜角を旋回台が回転することによって形成する面における最大傾斜角とすることを特徴とする。
【0013】
旋回台を回転させながら傾斜計からの測定値を受けて傾斜角を求めるため、このときの傾斜計の出力が最大となる方位を旋回台の最大傾斜方位及び最大傾斜角として求めることができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
図1及び図2に本発明の実施の形態を示す。
本発明の傾斜角測定装置11は、傾斜計であるサーボ型加速度計10と、加速度計10が装着される旋回台12と、サーボ型加速度計10に接続される制御部14と、制御部14によって制御される駆動手段であるステッピングモータ16と、旋回台12に基準傾斜角を与える基準傾斜角設定機構部17とを備える。
旋回台12は、旋回台12に一体に取り付けられたギヤ12aがモータ16の出力軸に取り付けられた駆動ギア16aと噛み合っており、モータ16によって軸13の回りに回転することが可能である。また、旋回台12の側周面にはピン12bが設けられると共に、該ピン12bに対応して旋回台12よりも外側に光素子26が固定設置されている。これらは、光素子26の発光素子と受光素子の間をピン12bが通過することを検知して、旋回台12の回転角度をリセットするためのものである。
基準傾斜角設定機構部17は、そのロッド17aが伸縮して旋回台12に予め決められた基準傾斜角を与えることができる。これに対応して回転軸13はヒンジ13aによって傾斜可能となっている。
【0015】
制御部14は、上記光素子26からの信号を受信してピン12bが通過したことを検知する位置検出回路28、モータ16を駆動するモータ駆動回路18、基準傾斜角設定機構部17を駆動する基準角設定機構駆動回路19、加速度計10から出力される測定値に対応する信号を増幅する増幅器22、増幅器22からの出力をアナログ−デジタル変換するA/D変換器24、A/D変換器24から得られる加速度計10からの測定値から傾斜角を演算すると共に、モータ駆動回路18及び基準角設定機構駆動回路19を制御する演算処理装置(CPU)20、演算処理装置(CPU)20の演算結果を外部へ出力するインターフェイス(I/F)32により構成されている。
尚、本例では、基準角設定機構駆動回路19を備え、演算処理装置(CPU)20の指令に基づいて基準傾斜角設定機構部17を駆動することとしているが、旋回台12が所定の角度に達すると機械スイッチにより、自動的に基準傾斜角設定機構部17が作動して旋回台12に基準傾斜角を与えてそのまま保持し、さらに、旋回台12を所定の角度へ回転させると別の機械スイッチによりこの基準傾斜角を解除するようにすることもできる。
【0016】
図2に示されるように、サーボ型加速度計10は、±15Vの直流電源34、サーボアンプ36、偏位ピックアップ38、ビーム40、マグネット42、トルカコイル44、フレキシャヒンジ46により構成されている。加速度がビーム40に作用するとその慣性力でビーム40が平衡点から偏位するので、その偏位量を偏位ピックアップ38で電気信号に変換し、サーボアンプ36を通してトルカコイル44に電流を流して、ビーム40を元の位置に復元する力を発生させる。この電流がビームに作用した加速度に比例することから電流を計測することにより、加速度、延いては傾斜角を測定するものである。
【0017】
次に、本実施の形態の作用について説明する。
まず、傾斜角測定装置11の電源投入と同時に演算処理装置(CPU)20のROMに予め格納されているプログラム、または外部からの指令に基づき、旋回台12を回転させるべくモータ駆動回路18へ信号が出力される。旋回台12が回転して、ピン12bが光素子26を通過したことが位置検出回路28によって検知されると、演算処理装置(CPU)20は、旋回台12の回転角度をリセットし、以降はモータ駆動回路18から出力されるパルス数をカウントすることにより、旋回台12の回転角度を検出、制御する。
【0018】
次に、測定したい軸方向に旋回台12を回転させ、その位置(図4中a点)でサーボ型加速度計10により測定値Maを測定する。なお、この測定値Maは、バイアス値及びケースアライメント値の誤差が含まれているため、正確な傾斜信号ではない。次に、旋回台12を180度回転させ、その位置(図4中b点)でサーボ型加速度計10により測定値Mbを測定する。なお、この測定値Mbもバイアス値及びケースアライメント値の誤差が含まれているため、正確な傾斜信号ではない。これらMa及びMbは、傾斜角θの極性が逆になっている。サーボ型加速度計10から出力されたMa及びMbは、増幅器22によって増幅され、A/D変換器24によってアナログ−デジタル変換された後、CPU20により、(3)式又は(3)’式の演算が行われ、傾斜角成分のみ求められる。
【0019】
また、スケールファクタ値を校正するために、基準角設定機構駆動回路19を介して基準傾斜角設定機構部17を作動させ、旋回台12に基準傾斜角αを与える(図3参照)。この基準傾斜角αを与えた状態で、測定値Ma及びMbを測定した位置において再びサーボ型加速度計10により測定値Ma’及びMb’を測定する。測定値Ma’及びMb’は、増幅器22によって増幅され、A/D変換器24によってアナログ−デジタル変換された後、CPU20により、(7)式の演算が行われ、スケールファクタの校正値Sが求められる。
この後、CPU20では、スケールファクタの校正値Sを用いて正確な傾斜角が求められ、この傾斜角がI/F32を介して出力される。
【0020】
次に、傾斜角及びスケールファクタ値の別の校正方法について説明する。
旋回台12に基準傾斜角αを与えたときのM’の値を、基準傾斜角αを与えていないときのMの値で割ると、(3)”式及び(6)式から傾斜角θは、
【数11】
になる。但し、cosKθ=1とした。
(8)式により得られた傾斜角θを(3)”式に代入してスケールファクタの校正値Sが得られる。
【数12】
尚、基準傾斜角αは測定軸の方向によって変化するので、任意の被測定軸の傾斜角を測定しようとする場合には、旋回台12の回転角度と基準傾斜角αの関係を予め求めておくとよい。
【0021】
本発明の傾斜角測定装置11によって、旋回台12が回転することによって形成される面における最大傾斜方位φと傾斜角θを次のように求めることができる。
まず、図4(a)に示したように、a点及びb点の2点の測定からa−b軸の水平面からの傾斜Pを求め、a点から90度離れたc点及びc点から180度離れたd点の2点の測定からc−d軸の水平面からの傾斜Rを求める。今、最大傾斜方位をOBとし、水平軸がOAであるとすると、OBはOAに直交するため、まず、回転軸OAの方位を求めることにする。OAは、傾斜面X’OY’の回転軸となるから、OA軸を紙面に垂直な軸として表した図4(b)からわかるように、球面三角形XAX’と球面三角形YAY’から
【数13】
であり、
【数14】
となる。
R=0のとき、すなわちc−d軸が水平軸であるときは、
【数15】
となる。最大傾斜方位φは、OXを0度方位として、
【数16】
で表される。また、最大傾斜角θは、
【数17】
となり、φ=π/2のとき、θ=Rとなる。
こうして、90度ずつ離れた任意の4点で測定を行うことで、最大傾斜方位φと最大傾斜角θを求めることができる。
【0022】
旋回台12の最大傾斜方位φと、最大傾斜角θを求める他の方法としては、旋回台12を回転させながらサーボ型加速度計10の出力を測定し、サーボ型加速度計10の出力が最大又は最小となる方位を最大傾斜方位φとして求め、最大傾斜角θは、最大傾斜方位軸線上の2点の測定値と、基準傾斜角αを旋回台12に与えて測定した結果と、から求めることもできる。
【0023】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のうち請求項1記載の発明は、制御部により旋回台の回転を制御して180度回転角度が異なるときの傾斜計の測定値同士の減算を行って2で割ることによりバイアス値及びケースアライメント値を含まない傾斜角を得ることができ、また、旋回台に基準傾斜分の傾斜角を与えて、180度角度が異なるときの傾斜計の測定値同士を減算して2で割った値と、基準傾斜分の傾斜角を旋回台に与えずに180度角度が異なるときの傾斜計の測定値同士を減算して2で割った値と、基準傾斜角とを用いてスケールファクタ値の校正値を得ることができる。
【0024】
また、傾斜計を旋回台に装着したことにより、任意の方向の傾斜角を1つの傾斜計で測定することができ、これにより、傾斜計を180度回転させて配し直す必要がないため、取付誤差が発生することもない。
【0025】
また、直交する2軸の傾斜角を求めることができるので、これらから、最大傾斜角及び最大傾斜方位を一義的に求めることが可能になる。
また、旋回台を回転させながら傾斜計からの測定値を受けて傾斜角を求めることができるため、その中から最大傾斜方位と最大傾斜角を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の傾斜角測定装置の実施の形態を示すブロック図である。
【図2】図1の加速度計の回路図である。
【図3】図1の旋回台に基準傾斜角を与えた状態を示す説明図である。
【図4】最大傾斜方位と最大傾斜角を求める原理を示す説明図であり、(a)は旋回台の斜視図であり、(b)は旋回台の側面図である。
【図5】従来の傾斜角測定装置を示す図である。
【符号の説明】
10 サーボ型加速度計(傾斜計)
12 旋回台
14 制御部
16 モータ(駆動手段)
17 基準傾斜角設定機構部
Claims (3)
- 駆動手段によって回転駆動される旋回台と、旋回台の上に装着される傾斜計と、傾斜計から出力される傾斜角に対応した測定値から傾斜角を演算すると共に前記駆動手段を制御する制御部と、前記旋回台に基準傾斜角を選択的に与える基準傾斜角設定機構部と、を備え、
前記制御部は、前記旋回台に基準傾斜角を与えない状態で、被測定軸に傾斜計が一致するように旋回台を回転させたときの傾斜計からの測定値と、前記旋回台をさらに180度回転させたときの傾斜計からの測定値とを減算して2で割った値と、前記旋回台に基準傾斜角設定機構部により被測定軸方向に基準傾斜角を与えた状態で、被測定軸に傾斜計が一致するように旋回台を回転させたときの傾斜計からの測定値と、前記旋回台をさらに180度回転させたときの傾斜計からの測定値とを減算して2で割った値と、基準傾斜角とを用いて傾斜計のスケールファクタを求めると共に、
前記旋回台に基準傾斜角を与えない状態で、被測定軸に傾斜計が一致するように旋回台を回転させたときの傾斜計からの測定値と、前記旋回台をさらに180度回転させたときの傾斜計からの測定値とを減算して2で割った値と前記求められたスケールファクタを用いて被測定軸の傾斜角を演算する、
ことを特徴とする傾斜角測定装置。 - 前記制御部は、旋回台が90度ずつ回転したときの傾斜計からの各測定値を用いて、直交する2軸の傾斜角をそれぞれ演算し、これら傾斜角から旋回台が回転することによって形成する面における最大傾斜角を求めることを特徴とする請求項1記載の傾斜角測定装置。
- 前記制御部は、旋回台を回転させながら傾斜計からの測定値を連続的に受けて傾斜角を演算し、その中で最大となる傾斜角を旋回台が回転することによって形成する面における最大傾斜角とすることを特徴とする請求項1記載の傾斜角測定装置。
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