JP4256227B2

JP4256227B2 - 傾斜角検出装置

Info

Publication number: JP4256227B2
Application number: JP2003280065A
Authority: JP
Inventors: 日出樹遠藤; 和弘森口; 隆哉松瀬
Original assignee: 株式会社光電製作所
Priority date: 2003-07-25
Filing date: 2003-07-25
Publication date: 2009-04-22
Anticipated expiration: 2023-07-25
Also published as: JP2005043313A

Description

本発明は、海上の船体などの傾斜角を静的な重力感度に基づいて検出する傾斜角検出装置に関するものである。

従来、超音波送受波器を用いて海中の魚群や海底の地形を探査する超音波探査装置が汎用されてきた。この超音波探査用の超音波送受波器は、通常、送受波面を水平にして、船舶の舷側や船底などに固定される。実際には、波浪によって船体が動揺あるいは揺動すると、送受波器の送受波面が水平面に対して傾き、真下に送信したはずの超音波が鉛直線に対して傾いた方向に送信される。この結果、海中の魚群の位置が誤って検出されたり、実際には水平な海底が傾斜しているかのように誤って検出されたりする。

このような、船体の揺動に基づく誤検出を防ぐために、船体の揺動を検出する揺動検出装置を船体に取付け、検出した船体の傾斜角によって超音波探査結果を補正するという傾斜角による補正手法が用いられてきた。

従来、超音波探査用に設定される直交三軸と、揺動検出用に設定される直交三軸の方向が正確に一致していないと、補正精度を保つことができなくなくなると考えられてきた（例えば、特許文献１の〔０００３〕参照）。この結果、超音波送受波器と揺動検出装置を船底などの同一箇所に設置したり、各装置をＺ軸（鉛直）方向のみにずらして舷側に設置したり（例えば、特許文献１の図６参照）、各装置を鉛直方向に離れた状態でどちらも水平状態を保つようにリンク機構を利用して船首部分に設置したりしてきた（例えば、特許文献１の図１参照）。

さらに、超音波探査装置の取付け位置と、加速度計を用いた揺動検出装置とを両検出系に共通に設定した直交三軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の各軸方向に所定量（Ｗ，Ｌ，ｈ）だけずらして配置し、超音波探査装置で探査した反射物体の位置や波高を、揺動検出装置で検出したロール角やピッチ角と間隔（Ｗ，Ｌ，ｈ）を含む補正式を用いて補正する技術も開示されている（例えば、特許文献２，３参照）。

特開２００１−１５１１９０号公報（〔０００３〕、図６、図１）特開平５−０１９０５３号公報（図３、式（１）、（２））特開平５−０３４４５０号公報（図３、式（１）、（２））

上述した従来の超音波による探査結果を揺動検出結果で補正する方法のうち、超音波送受波器と揺動検出装置とを船底などの同一箇所に設置する方法は、取付け箇所が海中に没する箇所のため多大な労力がかかり、さらに、取付け後の調整や修理にも多大な労力がかかるという問題がある。また、超音波送受波器と揺動検出装置とをＺ軸（鉛直）方向にのみずらして舷側に設置したり、リンク機構を利用して船首部分に設置したりする方法でも、揺動検出装置を船体の外部に設置することから、その取付けに多大な労力を要するという問題がある。

超音波探査装置の取付け位置と、加速度計を用いた揺動検出装置とを両検出系に共通に設定した直交三軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の各軸方向に所定量（Ｗ，Ｌ，ｈ）だけずらして配置する方法も、超音波探査装置を船底に、揺動検出装置を船室に設置する場合などにおいて、所定のずれ量（Ｗ，Ｌ，ｈ）の正確な値を検出することが困難なため、補正の精度が低下するという問題がある。したがって、本発明の目的は、取付けに労力がかからず、超音波探査装置との取付け位置のずれ量などの正確な値を必要としない、揺動検出用などの傾斜角検出装置を提供することにある。

上記従来技術の課題を解決する本発明の傾斜角検出装置は、傾斜角を検出しようとする物体から仮想的な平面Ｐを切り出し、直交２軸（Ｘ軸，Ｙ軸）を含み前記平面Ｐと任意の角度（θx₀，θy₀）を保って交差する（Ｘ，Ｙ）平面を定義し、この（Ｘ，Ｙ）平面の各軸方向に作用する重力成分（Ｇｘ，Ｇｙ）を検出する重力成分検出手段と、前記平面Ｐ上の任意の方向に想定された傾斜指示軸Ａαの水平面に対する傾斜角（ωα）を、この平面Ｐと平行な仮想的な（Ｘ₀ ，Ｙ₀）平面上のＸ₀軸と前記傾斜指示軸Ａαとがなす角度（θ）およびこれら軸方向の重力成分として検出されるはずの重力成分（Ｇｘ₀，Ｇｙ₀）に基づき、ωα＝ sin^-1 (Ｇｘ₀cos θ＋Ｇｙ₀sin θ) として算定する傾斜角算定部とを備えている。そして、前記傾斜角算定部は、前記平面Ｐが水平な状態で実測される前記Ｘ軸、Ｙ軸方向の重力成分（Ｇｘ₀₀，Ｇｙ₀₀）から前記（Ｘ，Ｙ）平面と前記平面Ｐとの交差角度（θx₀，θy₀）を、θx₀＝sin ^-1 Ｇｘ₀₀，θy₀＝sin ^-1Ｇy ₀₀ として検出し、これら（θx₀，θy₀）からＧxa＝Ｇz tan θx₀，Ｇya＝Ｇz tan θy₀ にしたがって補正値（Ｇxa，Ｇya）を算定し、前記実測された重力成分（Ｇｘ，Ｇｙ）のそれぞれから対応の補正値（Ｇxa，Ｇya）を減算した補正済みの重力成分を、前記Ｇｘ₀，Ｇｙ₀に代入することにより前記ωαを算定するように構成されている。

本発明の傾斜角検出装置は、船体など傾斜角を検出しようとする物体を仮想的な平面Ｐで代表させ、この平面Ｐと任意の角度を保って交差する（Ｘ，Ｙ）平面の各軸方向に作用する重力成分（Ｇｘ，Ｇｙ）を検出し、上記任意の交差角度を平面Ｐが水平状態にある場合の重力成分から検出し、この交差角度を用いて（Ｘ，Ｙ）平面を平面Ｐと平行にするための重力成分（Ｇｘ，Ｇｙ）に対する補正値を算定し、この補正値と重力成分（Ｇｘ，Ｇｙ）の実測値とを用いて所望の傾斜角を検出する構成であるから、取付けに労力がかからず、超音波探査装置などとの取付け位置のずれ量などの正確な値を必要としない、傾斜角検出装置を提供することができる。

図１は、本発明の傾斜角検出装置の構成を示す機能ブロック図である。この傾斜角検出装置は、Ｘ軸方向に作用する重力成分Ｇｘを検出するＸ軸成分センサ、Ｙ軸方向に作用する重力成分Ｇｙを検出するＹ軸成分センサを備えた重力成分センサと、演算部と、初期情報記憶部と、情報入力部とから構成されている。

まず、本発明の傾斜角検出装置では、重力成分センサを構成する加速度センサの検出する加速度は重力による静的成分のみであるという前提に立っている。すなわち、物体の運動にともなって発生する動的成分が実質的に除去された静的成分のみが検出される。このような条件は、傾斜角を検出しようとする船体などの物体の動きが十分に緩慢なため、その動きによって生ずる加速度が重力の加速度に比べて無視できるほど小さい場合などに成立する。あるいは、物体の動きにともなう加速度の動的成分の大きさは重力のそれに比べては無視できないが、センサの後段に設置された濾波器によってこの動的成分が実質的に除去可能であり、その結果、この濾波後の動的成分が重力による静的成分に比べて無視できるようになった場合などにも成立する。

図２に示すように、直交２軸（Ｘ軸，Ｙ軸）を含む（Ｘ，Ｙ）平面が設定される。重力のＸ軸成分Ｇｘは、重力成分センサを設置するＸ軸方向に作用する重力の成分である。重力のＹ軸成分Ｇｙは、重力成分センサを設置するＹ軸方向に作用する重力の成分である。（Ｘ，Ｙ）平面が水平の場合、重力のＸ軸成分ＧｘもＹ軸成分Ｇｙも共に０となる。Ｘ軸，Ｙ軸が順次鉛直上方を向いた場合、重力のＸ軸成分Ｇｘ，Ｙ軸成分Ｇｙは順次１ｇ（ｇは重力の加速度）となる。さらに、Ｘ軸，Ｙ軸が順次鉛直下方を向いた場合、重力のＸ軸成分Ｇｘ，Ｙ軸成分Ｇｙは順次−１ｇとなる。

上述のような重力成分センサの構成の最も単純なモデルは、滑らかな内壁を有する円筒内部にこの内壁に沿って滑らかに摺動可能な球形の錘を収容し、この錘と円筒の一方の端面との間をつるまきバネで連結したものである。このつるまきバネの伸縮量やバネの指示部に加わる圧力や引張力などから重力成分が検出される。

演算部では、前段の重力成分センサから出力される重力のＸ軸成分ＧｘとＹ軸成分Ｇｙとから、次式にしたがって、Ｘ軸とＹ軸のそれぞれが水平面となす角度ωｘ，ωｙが算定される。
ωｘ＝ sin^-1Ｇｘ， ωｙ＝ sin^-1Ｇｙ・・・(1)

ここで、簡単のため、傾斜角を検出しようとする船体などの物体を、図３に例示するように、この物体から切り出した最も単純な形状の平面Ｐで代表するものとする。この平面Ｐは、船体のローリング軸とピッチング軸などを含んでいる。この平面Ｐ上に、直交Ｘ₀軸，Ｙ₀軸で定義される仮想的な（Ｘ₀，Ｙ₀）平面と、平面Ｐの任意の基準軸Θとを設定する。基準軸ΘとＸ₀軸とのなす角度をθ₀とする。この角度θ₀は、平面Ｐ上に仮想的な（Ｘ₀，Ｙ₀）平面を設定した時点で定まる角度であり、以後固定値を保つ。図１の情報入力部は、この角度θ₀を初期値として、図１の初期値保存部に入力し、初期値記憶部はこれを保存する。

次に、図４に示すように、物体を代表する平面Ｐの傾斜状態を重力成分の大小によって示すために、平面Ｐ上に適宜な向きの傾斜指示軸Ａαを設定する。この傾斜指示軸Ａαと、平面Ｐ上の基準軸Θとの角度をθ₁とすれば、この傾斜指示軸ＡαとＸ₀軸とのなす角度θは、
θ＝θ₀＋θ₁ ・・・(2)
となる。

重力のＸ₀軸成分の実測値をＧｘ₀、Ｙ₀軸成分の実測値をＧｙ₀とし、傾斜指示軸Ａα成分をＧαとすれば、
Ｇα＝Ｇｘ₀ cosθ ＋Ｇｙ₀ sinθ ・・・(3)
となる。傾斜指示軸Ａαが水平面となす角をωαとすれば、(3) 式から、
ωα＝ sin^-1Ｇα
＝ sin^-1（Ｇｘ₀ cosθ ＋Ｇｙ₀ sinθ）・・・(4)
となる。（４）式は、平面Ｐ上に設定される仮想的な（Ｘ₀，Ｙ₀）平面上の重力成分（Ｇｘ₀，Ｇｙ₀）と、角度θとが判明すれば、平面Ｐ上の傾斜指示軸Ａαが水平面に対してなす角度ωαが算定可能であることを示している。

以上の説明においては、傾斜角を測定しようとする物体を代表する平面Ｐ上に、仮想的な（Ｘ₀，Ｙ₀）平面を設定した。すなわち、傾斜指示軸Ａαが（Ｘ₀，Ｙ₀）平面上に存在する場合を想定した。ここで、本発明の傾斜角検出装置が実測する加速度は、物体の運動によって発生する動的な成分ではなく、静的な成分（重力の加速度）であるという点に留意されたい。この場合、仮想的な平面Ｐを含む平面と、仮想的な（Ｘ₀，Ｙ₀）平面を、各平面の平行状態を保ったままＸ，Ｙ軸方向に任意の長さにわたってずらしたり、それぞれの平面の法線方向に任意の長さにわたってずらした場合でも、（３）式の関係が成立する。なぜならば、静的状態では、異なる二つの座標系のいずれにおいても重力は同じ方向に作用するからである。

ちなみに、実測の対象が動的な加速度であれば、ある座標系の実測値を他の座標系の実測値に変換するには、座標値のずれ量を含むテンソル量などによって表現される複雑な変換係数が必要になる。これに対して、本発明の傾斜角検出装置では、測定の対象が重力の加速度という静的な加速度であるため、二つの平面座標系の実測値の変換係数は、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向のずれ量に関係なく、両平面が平行な関係にある限り、（３）式に示したように、角度θのみで記述される。

従って、仮想的な平面Ｐと平行に、角度検出装置を構成するプリント基板（平面）を設定し、このプリント基板上にＸ₀軸とＹ₀軸を設定して各軸に重力成分センサを設置し、重力成分Ｇｘ₀，Ｇｙ₀を実測によって求めることにより、（３）式、（４）式にしたがって傾斜指示軸が水平面に対してなす角度ωαを求めることができる。しかしながら、船舶など傾斜測定対象物を代表する仮想的な平面Ｐに対して、これと平行に（Ｘ₀，Ｙ₀）平面を設定すること、従って、この（Ｘ₀，Ｙ₀）平面を含むようにプリント基板を設定することは、従来技術の問題点として述べたように、困難である。

そこで、本発明の傾斜角検出装置では、まず、船舶から切り取った仮想的な平面Ｐと任意の角度を保って交差するプリント基板などの適宜な平面上に（Ｘ，Ｙ）平面が設定される。そして、この（Ｘ，Ｙ）平面を仮想的な平面Ｐと平行に設置した場合に実測されるはずの重力成分、すなわち、上述した（Ｘ₀，Ｙ₀）平面上で実測される重力成分（Ｇｘ₀，Ｇｙ₀）を、平面Ｐと平行の関係にない実際の（Ｘ，Ｙ）平面で実測される重力成分（Ｇｘ，Ｇｙ）を補正することによって算定する。

まず、図５に示すように、Ｘ軸とＸ₀ 軸とのなす角度をθx₀とし，Ｙ軸とＹ₀ 軸とのなす角度をθy₀とする。これらの角度θx₀，θy₀は、平面Ｐが水平な状態で実際の平面（Ｘ，Ｙ）上で得られる重力成分の実測値Ｇx₀₀，Ｇy₀₀と、（１）式とから次のように与えられる。
θx₀＝ sin^-1Ｇx₀₀，θy₀＝ sin^-1Ｇy₀₀ ・・・(5)

次に、図５に示すように、平面Ｐ上に設定された仮想的な（Ｘ₀ ，Ｙ₀ ）平面に垂直なＺ₀ 軸を導入し、平面Ｐに交差する実際の（Ｘ，Ｙ）平面に垂直なＺ軸を導入する。地表の任意の点に作用する重力の成分の合成値は１ｇであるから、
〔Ｇｘ²＋Ｇｙ²＋Ｇｚ²〕^1/2＝１（ｇ）・・・(6)
となる。これを変形すると、
Ｇｚ＝〔１−（Ｇｘ²＋Ｇｙ²）〕^1/2 ・・・(6) ’
を得る。

Ｚ₀ 軸方向の重力成分をＧz₀とし、この重力成分Ｇz₀のＸ−Ｚ平面への正射影をＧz₀zxとする。このＧz₀zxのＸ軸への正射影が、重力成分Ｇxaである。Ｘ軸とＸ₀ 軸とのなす角θx₀は、Ｚ軸と重力成分Ｇz₀zxとのなす角に等しいので、このＧxaは、図５と図６に示すように、重力成分Ｇｚと角度θx₀とから次のように求めることができる。
Ｇxa＝Ｇz tan θx₀ ・・・(7)
図６を参照すると、平面Ｐと交差する（Ｘ，Ｙ）平面上で実測した重力成分Ｇｘから補正値Ｇxaを減算することにより、Ｘ軸を平面Ｐと平行な仮想的な平面のＸ₀ 軸に重ね合わせることができる。

同様に、重力の成分Ｇｚと角θy₀とからＹ軸補正値Ｇyaが次のように算定される。
Ｇya＝Ｇz tan θy₀ ・・・(8)
そして、平面Ｐと交差する平面上で実測した重力成分ＧｙからこのＹ軸補正値Ｇyaを減算することによって、Ｙ軸を平面Ｐと平行な仮想的な（Ｘ₀，Ｙ₀）平面上のＹ₀軸に重合わせることができる。これら重力成分の補正による二軸の重ね合わせによって（Ｘ，Ｙ）平面が（Ｘ₀，Ｙ₀）平面に重ね合わせられる。

補正後の重力のＸ軸成分Ｇx₀，Ｙ軸成分Ｇy₀は、それぞれ次式で与えられる。
Ｇx₀＝Ｇx −Ｇxa ・・・(9)
Ｇy₀＝Ｇy −Ｇya ・・・(10)
このようにして求めたＧx₀とＧy₀を（３）式に代入してＧαを算定し、（４）式から傾斜角ωαを求めることができる。

以上、加速度センサを使用して重力成分を測定する例を説明した。しかしながら、この加速度センサの代わりに、重力成分をこれに基づいて生ずる変位によって測定する変位センサを使用することもできる。任意の方向の重力成分が検出可能なものでありさえすれば、どのような原理のセンサであってもよい。

図７は、本発明の一実施例の傾斜角検出装置の構成を示す機能ブロック図である。この傾斜角検出装置は、Ｘ軸，Ｙ軸重力成分センサ１ｘ，１ｙ、ローパスフィルタ２ｘ，２ｙ、増幅回路３ｘ，３ｙ、サンプリング回路４ｘ，４ｙ、演算部５、初期値記憶部６、情報入力部７および制御部８を備えている。

Ｘ軸，Ｙ軸加速度センサ１ｘ，１ｙのそれぞれから出力される重力成分Ｇｘ，Ｇｙは、それぞれローパスフィルタ２ｘ，２ｙに供給され、ここで船体の揺動によって生じる交流成分が除去される。これら交流成分が除去された重力成分Ｇｘ，Ｇｙは、増幅回路（ＡＭＰ）３ｘ，３ｙで増幅され、サンプリング回路（ＳＰＬ）４ｘ，４ｙでサンプリングされディジタル信号に変換され、演算部５に供給される。演算部５は、サンプリング回路４ｘ，４ｙから受け取ったディジタル信号と、初期値記憶部６から読出した初期値に基づき、ローリング角θr とピッチング角θp を算定する。上記一連の動作は、制御部８の制御のもとに行われる。

この傾斜角検出装置で検出されたローリング角θr とピッチング角θp とを用いて、超音波探査装置の検出結果などに対する補正が行われる。このような超音波探査装置は、例えば、図８に示すように、船底のＸ軸方向（舷側方向）に距離Ｌを保って配置された２個の矩形状の超音波トランスジューサＴＤ１，ＴＤ２を備えている。各トランスジューサから同時に超音波信号が放射される。一方のトランスジューサＴＤ１の中心から距離Ｒ離れた方位角θＸの位置に反射物体Ｗが存在するものとする。他方のトランスジューサＴＤ２と反射物体Ｗとの距離をＲ＋δＲとおくと、δＲ＝Ｌ sinθｘとなる。超音波信号の水中の伝播速度をｃ、各トランスジューサが反射信号を受信するまでの時間の差をδｔとすれば、δｔ＝δＲ／ｃ＝Ｌ sinθｘ／ｃとなる。反射物体への方位角は、θｘ＝ sin^-1（δｔ・ｃ／Ｌ）となる。

図７に示した傾斜角検出装置は、上述した超音波探査装置の表示器の内部に設置され、ローリング角θr とピッチング角θp を検出する。この検出されたローリング角θr を用いて反射物体の方位角θｘの船体の舷側方向についての補正が行われる。

図９の平面図に示すように、上記超音波探査装置の表示器の内部に設置されるプリント基板ＰＢ上に重力成分センサが設置される。図１０は、このプリント基板を内蔵する表示器を船内に設置した状態を示している。船体の横方向の傾斜角をローリング角θr とし、このローリング角θr を重力成分から検出するために設定する重力成分軸を舷側軸Ａｒとする。また、船体の船首尾方向の傾斜角をピッチング角θp とし、このピッチング角θp を重力成分から検出するために設定する重力成分軸を船首尾軸Ａｐとする。すなわち、舷側軸Ａｒの水平面に対する傾斜角からローリング角θr が検出され、船首尾軸Ａｐの水平面に対する傾斜角からピッチング角θp が検出される。

式（３）のＧαをそれぞれＧｒ，Ｇｐで置き換えると
Ｇr ＝Ｇx₀ cosθ＋Ｇy₀ sinθ ・・・（11)
Ｇp ＝Ｇx₀ cos（θ＋90°) ＋Ｇy₀ sin（θ＋90°）
＝−Ｇx₀ sinθ＋Ｇy₀ cosθ ・・・（12）
そして、（11），(12)式中の（Ｇx₀, Ｇy₀）を、（５）〜（10）式にしたがって、実測値( Ｇx ，Ｇy ）から補正係数( Ｇxa，Ｇya）を減算した値で置き換えることにより、θxoとθyoの影響を補正したＧr とＧp を求めることができる。ただし、Ｇx₀₀ とＧy₀₀ の検出は、船体を水平の状態に保って、従って、船舶が凪の港湾内などに停泊中のローリング角θr もピッチング角θp も十分に小さな状態で行う。

ローリング角θr とピッチング角θp は、（１）式から、
θr ＝ sin^-1Ｇr ・・・(13)
θp ＝ sin^-1Ｇp ・・・(14)
となる。

上述の実施例について、実験による検証結果を以下に示す。この実験で採用した測定の原理と具体的な実験装置とをそれぞれ図１１と図１２に示す。ローリング角θr とピッチング角θp の検出対象は船体を模擬する平面Ｐの傾斜角であり、その上にＸ軸、Ｙ軸重力成分センサを取付けている。平面Ｐのローリング角θr を重力成分から検出するための重力成分軸Ａｒと、ピッチング角θp を重力成分から検出するための重力成分軸Ａｐは、任意の傾斜角で固定することができる。また、平面Ｐ上のＸ軸，Ｙ軸重力成分センサのＸ軸とＹ軸も任意の角度で固定することができる。Ｘ軸，Ｙ軸重力成分センサからは傾斜角に応じた電圧値が出力されており、その値をデータプロセッサ（パソコン）に取り込み、重力加速度への変換、補正およびローリング角，ピッチング角の算出を行った。

本検証ではθを 300°、θx₀を 0°、θy₀を15°に設定し、θy₀の影響を補正しない場合と、補正した場合のローリング角θr とピッチング角θp の検出結果を調べた。θx₀に関しては０°のためＸ軸補正値Ｇxaが０となり、補正不要である。また、ローリング角θr は60°〜−60°の範囲を15°刻みで変化させ、ピッチング角θp は０°に固定した。

以下のデータは、本実施例の傾斜角検出装置のローリング角に対する出力の測定結果であり、Ｘ軸の重力成分をＧx , 補正前のＹ軸の重力成分をＧy 、Ｙ軸補正値Ｇya、（10) 式から求めた補正後のＹ軸の重力成分をＧy₀としている。Ｙ軸補正値Ｇyaは（６）’式と（８）式から次のように算定する。
Ｇya＝〔１−（Ｇｘ²＋Ｇｙ²）〕^1/2tan θy₀ ・・・(15)

実際のθr Ｇx Ｇy Ｇya Ｇy₀
60 0.47 −0.59 0.18 −0.77
45 0.39 −0.39 0.22 −0.61
30 0.29 −0.17 0.25 −0.42
0 0.01 0.29 0.26 0.03
− 30 −0.24 0.64 0.20 0.44
− 45 −0.36 0.77 0.14 0.63
− 60 −0.46 0.84 0.077 0.76
上記重力成分の単位は、すべて、１ｇ(980cm/s²）である。

次に、(11)式と(13)式からローリング角θr を求める。補正しないローリング角θr は次式により求める。
θr ＝sin ー1（Ｇx₀ cosθ＋Ｇy₀ sinθ) ・・・(16)
補正したローリング角θr は次式より求める。
θr ＝sin ー1（Ｇx₀ cosθ＋Ｇy₀ sinθ) ・・・(17)
その結果を以下に示す。

実際のθr 補正前のθr 補正後のθr
60 48.2 64.4
45 32.2 46.3
30 17.0 30.6
0 − 14.2 − 1.2
− 30 − 42.4 − 30.1
− 45 − 57.9 − 46.5
− 60 − 73.2 − 62.6
上記数値の単位はすべて角度である。補正後のデータは実際のローリング角にかなり接近していることが判る。

次に、(12)式と(14)式からピッチング角θp を算定する。補正前のピッチング角θp は次式により算定する。
θp ＝ sinー1（−Ｇx₀ sinθ＋Ｇy₀ cosθ）・・・(18)
補正後のピッチング角θp は次式により算定する。
θp ＝ sinー1（−Ｇx₀ sinθ＋Ｇy₀ cosθ）・・・(19)
この結果を、以下に示す。

実際のθp 補正前のθp 補正後のθp
０ 6.43 1.26
０ 8.21 1.88
０ 9.56 2.36
０ 8.84 1.35
０ 6.44 0.70
０ 4.20 0.19
０ 1.24 − 1.05
上記数値の単位はすべて角度である。補正後のピッチング角は実際のピッチング角「０」にかなり接近していることが判る。

以上、船体の揺動の状況を把握する場合を例にとって本発明の傾斜角検出装置を説明した。しかしながら、風や地震などによって緩慢に揺動する建物や鉄塔などの揺動の状態を測定する目的などに本発明の装置を適用できることは明らかである。

本発明の傾斜角検出装置の構成を示す機能ブロック図である。図１の重力成分センサが取付けられる直交２軸を含む（Ｘ，Ｙ）平面と、各センサで検出される重力の各軸成分（Ｇx ，Ｇy ）の関係を示す概念図。船体など傾斜角検出対象の物体から切り出される仮想的な平面Ｐと、この上に設定される仮想的な（Ｘ₀，Ｙ₀）平面の関係を示す概念図である。仮想的な平面Ｐの傾斜角を示す重力の傾斜指示軸成分Ｇαと、仮想的な（Ｘ₀，Ｙ₀）平面上で検出されるはずの重力成分（Ｇx₀，Ｇy₀）との関係を示す概念図である。重力成分が実測される（Ｘ，Ｙ）平面と平面Ｐと平行状態にある仮想的な（Ｘ₀，Ｙ₀）平面との間の角度と重力成分の関係を説明するための概念図である。実測される重力成分Ｇx に対する補正値Ｇxaの算定方法を説明する概念図である。本発明の一実施例の傾斜角検出そ構成を示す機能ブロック図である。図７の傾斜角検出装置で検出結果が利用される位相差式の超音波探査装置の構成の一例を示す概念図である。図８の超音波探査装置の表示器の内部に設置されるプリント基板ＰＢ上に重力成分センサが設置される例を示す概念図である。図９のプリント基板を内蔵する表示器を船内に設置した状態を示す概念図である。本発明の効果を実証するために構成された実験装置の構成を示す概念図である。上記実験装置の具体的な構成を示す概念図である。

符号の説明

Ｐ傾斜角検出対象の物体から切り出した仮想的な平面Ｐ
X₀，Y₀平面Ｐ上に設定される仮想的な( X₀，Y₀) 平面を定める直交２軸
X,Y プリント基板PB上などに設定され、重力成分の実測が行われる( X ，Y)平面を定める直交２軸
Gx₀ 重力のX₀軸成分
Gy₀ 重力のY₀軸成分
Gx 重力のX 軸成分
Gy 重力のY 軸成分
A α 平面Ｐの水平面に対する傾斜角を示す傾斜指示軸
θx₀ X 軸と X₀軸のなす角度
θy₀ Y 軸と Y₀軸のなす角度 Gxa 重力のX 軸成分に対する補正値
Gya 重力のY 軸成分に対する補正値
Ar 水平面に対する傾斜角によって船体のローリング角θr を示す舷側軸
Ap 水平面に対する傾斜角によって船体のピッチング角θp を示す船首尾軸

Claims

傾斜角を検出しようとする物体から仮想的な平面Ｐを切り出し、直交２軸（Ｘ軸，Ｙ軸）を含み前記平面Ｐと任意の角度（θx₀，θy₀）を保って交差する（Ｘ，Ｙ）平面を定義し、この（Ｘ，Ｙ）平面の各軸方向に作用する重力成分（Ｇｘ，Ｇｙ）を検出する重力成分検出手段と、
前記平面Ｐ上の任意の方向に想定された傾斜指示軸Ａαの水平面に対する傾斜角（ωα）を、この平面Ｐと平行な仮想的な（Ｘ₀，Ｙ₀）平面上のＸ₀軸と前記傾斜指示軸Ａαとがなす角度（θ）およびこれら軸方向の重力成分として検出されるはずの重力成分（Ｇｘ₀，Ｇｙ₀）に基づき、ωα＝ sin^-1( Ｇ x₀cos θ＋Ｇｙ₀sin θ) として算定する傾斜角算定部とを備え、
この傾斜角算定部は、前記平面Ｐが水平な状態で実測される前記Ｘ軸、Ｙ軸方向の重力成分（Ｇｘ₀₀，Ｇｙ₀₀）から前記（Ｘ，Ｙ）平面と前記平面Ｐとの交差角度（θx₀，θy₀）を、θx₀＝sin ^-1Ｇｘ₀₀，θy₀＝sin ^-1 Ｇy₀₀ として検出し、これら（θx₀，θy₀）からＧxa＝Ｇz tan θx₀，Ｇya＝Ｇz tan θy₀ にしたがって補正値（Ｇxa，Ｇya）を算定し、前記実測された重力成分（Ｇｘ，Ｇｙ）のそれぞれから対応の補正値 ( Ｇxa，Ｇya）を減算した補正済みの重力成分を、前記Ｇｘ₀，Ｇｙ₀に代入することにより前記ωαを算定することを特徴とする傾斜角検出装置。
請求項１において、
前記重力成分検出手段は、加速度計と、この加速度計から出力される高周波成分を除去する濾波器とを備えたことを特徴とする傾斜角検出装置。
請求項１または２のいずれかにおいて、
前記物体は船体であり、前記傾斜指示軸はローリング角θr とピッチング角θp の指示軸であることを特徴とする傾斜角検出装置。