JP4546695B2 - Gyro device - Google Patents

Description

となる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−１１３４８号公報（第１欄第２行ないし第１２行、第１欄第３０行ないし第３２行、第５欄第４７行ないし第４９行、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ジャイロ装置には、センサ部に機械式、光学式等の様々な形式のものが使用されるが、１つの回転台にジャイロと加速度計からなるセンサ部が装着されているために、回転台の半径が大きくなり、構造的に小口径化が困難であるという問題があった。また、計測精度を高くしようとすると、センサ部が大型化し、方位計測するための時間が長くなるという欠点があった。特に、地下掘削機のような移動体の進行方位検出及び計測された進行方位と移動量より移動体の位置を算出するためのジャイロ装置においては、小型且つ小口径で、短時間で計測することが要求されていたが、方位精度の確保が小型化を妨げる共に、短時間で計測することができず、価格の低減を困難にしていた。
【０００７】
また、一般的に、精度が良い計測をするために、計測担当者は、複数回の計測を行い、平均値を採用することが多い。しかしながら、果たしてその平均値がどの程度の計測精度なのかは不明であるため、必要以上に計測を行って計測時間が長くなったり、または、必要な計測回数に達していないために、所望の計測精度が保証されていない計測を行う可能性もあった。
【０００８】
また、測量用のジャイロ装置は、地球自転角速度、重力加速度という微小物理量から方位検出するという計測方式であるため、計測中は静止状態に維持される必要があり、方位計測中にわずかな振動等の外乱が加わると、方位計測誤差が発生する。しかしながら、計測された方位計測結果からでは、静止中であったかどうか判定できず、その計測状態の把握には、専門的な知識を必要とした。
【００１０】
本発明の目的は、ジャイロ装置によって、必要な計測精度を達成するために、適切な回数の計測を行うことができ、高い計測精度を得ることができるジャイロ装置、その方位角検出方法、及び位置算出方法を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、軸線Ｘ軸に平行な基台と、該基台に回転可能に配置され、回転軸線がＸ軸に対して垂直なＺ軸と平行をなす回転台と、該回転台に装着され回転台の回転軸線に直交する入力軸線を有する１つ以上のジャイロ及び１つ以上の加速度計を含むセンサ部と、回転台の回転角を検出する方位発信器と、前記回転台を回転させるための駆動装置と、前記センサ部から出力された信号より前記基台の方位を演算する演算部と、を備え、
前記演算部は、前記駆動装置を制御する回転制御部と、回転台の回転角をパラメータとして前記ジャイロ及び前記加速度計の出力を記憶するデータ計測記憶部と、データ計測記憶部からの出力により基台の方位を演算する方位演算部とを有するジャイロ装置において、
予め、ジャイロ装置の複数回の方位角計測結果から標準偏差が定義されており、該定義された標準偏差から統計的手法に基づいて求めた、計測位置において計測される方位角計測結果の平均値の計測誤差と、最小の計測回数との関係を記憶すると共に、記憶された前記関係に基づき、設定された所望の計測誤差以内となる最小の計測回数を特定するか、または、設定された計測回数から計測誤差を特定する標準偏差記憶部を備え、
前記特定された最小の計測回数、計測位置において実行された方位角計測のそれぞれの方位角計測結果の平均値を求めるか、または前記設定された計測回数、計測位置において実行された方位角計測のそれぞれの方位角計測結果の平均値を求めると共に設定された計測回数に対応する前記特定された計測誤差を出力する、ことを特徴とする。
【００１５】
この構成により、所望の計測精度を得るために必要な計測回数を求めることができ、または計測回数から計測精度を求めることができるために、適正な計測時間で適正な方位角計測を行うことができる。ジャイロ装置のセンサ部を大型化して計測精度を確保しなくても、所望の計測精度を得ることができる。
【００１６】
また、請求項２記載の発明は、軸線Ｘ軸に平行な基台と、該基台に回転可能に配置され、回転軸線がＸ軸に対して垂直なＺ軸と平行をなす回転台と、該回転台に装着され回転台の回転軸線に直交する入力軸線を有する１つ以上のジャイロ及び１つ以上の加速度計を含むセンサ部と、回転台の回転角を検出する方位発信器と、前記回転台を回転させるための駆動装置と、前記センサ部から出力された信号より前記基台の方位を演算する演算部と、を備え、
前記演算部は、前記駆動装置を制御する回転制御部と、回転台の回転角をパラメータとして前記ジャイロ及び前記加速度計の出力を記憶するデータ計測記憶部と、データ計測記憶部からの出力により基台の方位を演算する方位演算部とを有するジャイロ装置を用いて、子午線に対する基台の方位角を求める方位角検出方法であって、
予め、ジャイロ装置の複数回の方位角計測結果から標準偏差を定義し、
前記定義された標準偏差から統計的手法に基づいて求めた、計測位置において計測される方位角計測結果の平均値の計測誤差と、最小の計測回数との関係を記憶し、
記憶された前記関係に基づき、設定された所望の計測誤差以内となる最小の計測回数を特定するか、または、設定された計測回数から計測誤差を特定し、
前記特定された最小の計測回数、計測位置において方位角計測を実行し、それぞれの方位角計測結果の平均値を求めるか、または前記設定された計測回数、計測位置において方位角計測を実行し、それぞれの方位角計測結果の平均値を求めると共に設定された計測回数に対応する前記特定された計測誤差を出力する、ことを特徴とする。
【００１７】
この構成により、所望の計測精度を得るために必要な計測回数を求めることができ、または計測回数から計測精度を求めることができるために、適正な計測時間で適正な方位角計測を行うことができる。ジャイロ装置のセンサ部を大型化して計測精度を確保しなくても、所望の計測精度を得ることができる。
【００１８】
また、請求項３記載の発明は、軸線Ｘ軸に平行な基台と、該基台に装着された１つ以上のジャイロ及び１つ以上の加速度計を含むセンサ部と、前記センサ部から出力された信号より前記基台の方位を演算する演算部と、を備え、前記演算部は、前記ジャイロ及び前記加速度計の出力を記憶するデータ計測記憶部と、データ計測記憶部からの出力により基台の方位を演算する方位演算部とを有しており、移動体に基台が装着されるジャイロ装置を用いて、移動体の移動距離毎に計測した進行方位角と、移動距離から移動体の位置を求める位置算出方法であって、
予め、ジャイロ装置の複数回の方位角計測結果から標準偏差を定義し、
前記定義された標準偏差から統計的手法に基づいて求めた、計測される方位角計測結果を用いて求めた移動体の位置誤差と、最小の計測回数との関係を記憶し、
記憶された前記関係に基づき、設定された所望の位置誤差以内となる最小の計測回数を特定するか、または設定された計測回数から位置誤差を特定し、
前記特定された最小の計測回数、方位角計測を実行し、それぞれの方位角計測結果から位置を求めるか、または前記設定された計測回数、方位角計測を実行し、それぞれの方位角計測結果から位置を求めると共に設定された計測回数に対応する前記特定された位置誤差を出力する、ことを特徴とする。
【００１９】
この構成により、所望の位置精度を得るために必要な計測回数を求めることができ、または計測回数から位置精度を求めることができるために、適正な計測回数で適正な位置検出を行うことができる。ジャイロ装置のセンサ部の計測精度を高くしなくとも、所望の計測精度を得ることができる。
【００２０】
また、軸線Ｘ軸に平行な基台と、該基台に回転可能に配置され、回転軸線がＸ軸に対して垂直なＺ軸と平行をなす回転台と、該回転台に装着され回転台の回転軸線に直交する入力軸線を有する１つ以上のジャイロ及び１つ以上の加速度計を含むセンサ部と、回転台の回転角を検出する方位発信器と、前記回転台を回転させるための駆動装置と、前記センサ部から出力された信号より前記基台の方位を演算する演算部と、を備え、
前記演算部は、前記駆動装置を制御する回転制御部と、回転台の回転角をパラメータとして前記ジャイロ及び前記加速度計の出力を記憶するデータ計測記憶部と、データ計測記憶部からの出力によりジャイロのドリフト又は加速度計のバイアスを演算するドリフト・バイアス演算部と、前記基台の方位を演算する方位演算部と、を有しており、子午線に対する基台の方位角を求めるジャイロ装置において、
前記演算部は、回転台の複数の回転角において演算された前記バイアスまたはドリフトの標準偏差または最大差を求め、設定された閾値とバイアスまたはドリフトの標準偏差または最大差との大小関係を判定する計測精度判定部を備え、計測精度判定部にて、標準偏差または最大差が設定された閾値よりも大きいと判定された場合に計測中に振動、動きが存在したと判断して、計測された計測値の精度判定を行うことができる。
【００２１】
計測が静止状態で行われなかった場合には、複数の回転角において演算されたバイアスまたはドリフトの標準偏差、または最大値が閾値よりも大きくなるはずである。計測精度判定部により、設定された閾値とバイアスまたはドリフトの標準偏差または最大値との大小関係を判定することにより、計測が静止状態で行われたかどうかを自動的に判定することができる。
【００２２】
また、軸線Ｘ軸に平行な基台と、該基台に回転可能に配置され、回転軸線がＸ軸に対して垂直なＺ軸と平行をなす回転台と、該回転台に装着され回転台の回転軸線に直交する入力軸線を有する１つ以上のジャイロ及び１つ以上の加速度計を含むセンサ部と、回転台の回転角を検出する方位発信器と、前記回転台を回転させるための駆動装置と、前記センサ部から出力された信号より前記基台の方位を演算する演算部と、を備え、
前記演算部は、前記駆動装置を制御する回転制御部と、回転台の回転角をパラメータとして前記ジャイロ及び前記加速度計の出力を記憶するデータ計測記憶部と、データ計測記憶部からの出力によりジャイロのドリフト又は加速度計のバイアスを演算するドリフト・バイアス演算部と、前記基台の方位を演算する方位演算部と、を有するジャイロ装置における計測精度の判定を行う方法であって、
回転台の複数の回転角において演算された前記バイアスまたはドリフトの標準偏差または最大差を求め、設定された閾値とバイアスまたはドリフトの標準偏差または最大差との大小関係を判定し、標準偏差または最大差が設定された閾値よりも大きいと判定された場合に計測中に振動、動きが存在したと判断して、計測された計測値の精度を判定することができる。
【００２３】
計測が静止状態で行われなかった場合には、複数の回転角において演算されたバイアスまたはドリフトの標準偏差、または最大値が閾値よりも大きくなるはずである。設定された閾値とバイアスまたはドリフトの標準偏差または最大値との大小関係を判定することにより、計測が静止状態で行われたかどうかを自動的に判定することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。図１に示すように、本実施形態によるジャイロ装置１００は、移動体に装着されるケーシング５０と、ケーシング５０内に収容されケーシング５０に対して直接または防振座を介して固定された基台１０とを有する。ケーシング５０は円筒部５１と両端の円板部５２を含み、全体として中心軸線を有する円筒状をなしている。円筒部５１の外径は少なくとも８０ｍｍ以下、好ましくは６０ｍｍ以下である。
【００２５】
ここで、ケーシング５０又は基台１０に座標系を設定する。ケーシング５０の円筒部５１の中心軸線に沿ってＸ軸、基台１０に垂直にＺ軸、Ｘ軸とＺ軸に直交し且つ基台１０に平行にＹ軸をとる。このように設定した座標系は、ジャイロ装置を装着した移動体に設定した座標系とみなすことができるから、これを以下に移動体座標系と称する。基台１０の基準方位、即ち、移動体の方位はＸ軸の正の方向である。一方、地球表面に設けた座標系をローカル座標系又は局地座標系と称する。ローカル座標系とは、地球表面上の点を原点とし、水平面に沿って子午線方向にＸ_L軸、東西方向にＹ_L軸、鉛直上方にＺ_L軸とする座標系である。
【００２６】
ジャイロ装置１００は、基台１０に装着されたＸ加速度計１１Ａ、Ｚ加速度計１３Ａと、Ｘジャイロ１１Ｇ及び方位発信器１３Ｙの複数のセンサから構成されるセンサ部１を有する。図において各センサに付された矢印は入力軸線又は測定軸線の方向を示す。
【００２７】
ジャイロとしては、機械式、光学式いずれのジャイロをも使用することができる。
【００２８】
基台１０には複数の回転台が設けられている。図１の例では２つの回転台２０Ｃ、２０Ｄが設けられ、Ｘジャイロ１１Ｇは第１の回転台２０Ｃ上に装着され、Ｘ加速度計１１Ａは、第２の回転台２０Ｄ上に装着されている。方位発信器１３Ｙは複数の回転台２０Ｃ、２０Ｄの少なくとも１つの上に装着されている。
【００２９】
基台１０には、複数の回転台２０Ｃ、２０Ｄを回転させるために方位サーボモ―タ２２が設けられ、方位サーボモータ２２の回転を複数の回転台に伝達するために、適当な伝動装置、例えばバックラッシュレス歯車伝動装置２３や歯付ベルト２４が設けられる。方位サーボモータ２２及び伝動装置は、駆動装置を構成し、全ての回転台２０Ｃ、２０Ｄを同期的に回転駆動する。従って、回転台２０Ｃ、２０Ｄの回転角を検出する方位発信器１３Ｙは、ただ１つの回転台に配置すればよく、全ての回転台に装着する必要はない。
【００３０】
回転台２０Ｃ、２０Ｄは一定の回転速度、例えば、１０°／秒にて、±１８０°の回転角の範囲で回転する。回転台２０Ｃ、２０Ｄの回転角が±１８０°に限定されているため、回転台２０Ｃ、２０Ｄに装着されたＸジャイロ１１Ｇ、Ｘ加速度計１１Ａ及び方位発信器１３Ｙからのケーブル又はワイヤは縺れることがない。また、図１に示すように基台１０には演算部３を構成する回路基板が装着されている。
【００３１】
本実施形態では、センサ部１を構成するＸジャイロ１１Ｇ、Ｘ及びＺ加速度計１１Ａ、１３Ａ並びに方位発信器１３Ｙは、ケーシング５０の中心軸線即ちＸ軸上、またはＸ軸に整合して配置されている。回転台２０Ｃ、２０Ｄの回転軸線は、Ｚ軸と平行をなし、Ｘ軸上に配置されている。
【００３２】
図２は、本実施形態のジャイロ装置の構成ブロック図である。ジャイロ装置１００は、図１を参照して説明したセンサ部１と演算部３とを有する。ここで、センサ部１の各センサの入力軸線又は測定軸線（矢印）について説明すると、回転台２０Ｃ、２０Ｄの回転角が０である状態で、Ｘ加速度計１１Ａ及びＸジャイロ１１Ｇは、その入力軸線又は測定軸線が移動体座標系のＸ軸の正の方向に整合するように配置される。Ｚ加速度計１３Ａ及び方位発信器１３Ｙは、その入力軸線が移動体座標系のＺ軸の負の方向に整合するように配置される。
【００３３】
Ｘ加速度計１１Ａは回転台２０Ｃ、２０Ｄの回転角が０である状態で移動体座標系のＸ軸方向の加速度を検出し、Ｘジャイロ１１Ｇは移動体座標系のＸ軸回りの角速度ω_Xを検出する。Ｚ加速度計１３Ａは移動体座標系のＺ軸方向の加速度を検出する。Ｚ加速度計１３Ａは基台１０の上下（天地）判別に使用される。方位発信器１３ＹはＸ軸に対する回転台２０Ｃ、２０Ｄの回転角φを検出する。
【００３４】
本実施形態のジャイロ装置１００は、移動体が移動しているときには、計測を休止しているが、移動体が静止している場合には、地球自転から北を探す測量ジャイロ装置として機能する。そして、この測量ジャイロ装置から得られた方位は、移動体の位置を求めるために供される。そのために、ジャイロ装置１００のセンサ部１は、位置を測定するべき移動体に直接装着される。移動体は、例えば、地下掘削機の先導体とすることができる。ジャイロ装置１００のセンサ部１は、移動体と共に運動し、移動体の方位及び姿勢と同一の方位及び姿勢をとる。
移動体のＸ軸周りの回転（ロール回転）により、ロール角が１０°以上の場合、移動体のロール角を±１０°以内、望ましくは±５°以内に調整することにより、高精度に計測することができる。
移動体がＸ軸周りに回転することなく、上下判別を必要としない場合、Ｚ加速度計を使用しない構成とすることができる。
【００３５】
そして、ジャイロ装置１００は、回転台２０に短い時間で、±１８０度のローテーションをかけ、演算部３にて、ジャイロのドリフト及び加速度計のバイアスを計測し、ジャイロ及び加速度計の誤差成分が除去された方位角及び姿勢角を得るものであり、こうして、センサ部１の温度及び経年変化による計測誤差を低減させることができる。
【００３６】
このために、演算部３は、図３に示すように、回転制御部７１と、シークエンサ部７２と、データ計測記憶部７３と、方位演算部７４と、ドリフト・バイアス演算部７５とを有する。
【００３７】
次に、図５〜図７を参照して、本実施形態のジャイロ装置１００の方位計測の原理について説明する。図５に示すように、地球の北半球における緯度λの地点Ｐを考える。地球の中心をＯとし、地点Ｐを通る子午線が赤道面と交わる点をＰ_Oとし、地球の自転軸線をＯＰ_Nとする。地点Ｐの緯度λは∠ＰＯＰ_Oである。地点Ｐにおける水平面Ｈは地球面に対する接平面である。尚、移動体が掘削に伴って地中の地点にあっても、便宜的に接平面の概念を用いる。
【００３８】
地球の自転角速度べクトルΩ_Eは図示のように自転軸線ＯＰ_N方向を向いている。地球の自転角速度べクトルΩ_Eは、水平面Ｈ上で真北方向（矢印Ｎ）の水平成分ＨＥＲ(Horizonta1 Earth Rate)、即ち、Ω_Eｃｏｓλと、垂直成分ＶＥＲ(Vertica1 Earth Rate)、即ち、Ω_Eｓｉｎλとに分解することができる。
【００３９】
図６に示すように、地点Ｐの水平面Ｈ上にジャイロ装置１００、即ち、移動体が配置されていると仮定する。移動体の方位は上述のようにＸ軸に整合している。移動体の掘削部の方位角∠ＮＰＰｘをΦとし、Ｘジャイロ１１Ｇの入力軸線をＸ_GSとする。
【００４０】
移動体の方位Ｐｘに対するＸジャイロ１１Ｇの入力軸線の回転角をφとする。
回転台２０Ｃの回転角は、Ｘジャイロ１１Ｇの入力軸線の回転角φに等しいとすると、Ｘジャイロ１１Ｇの入力軸線の方位角∠ＮＰＰＸ_GSはΦ＋φである。
【００４１】
Ｘジャイロ１１Ｇは、地球の自転角速度べクトルΩ_Eの入力軸線Ｘ_GS方向の成分を検出する。従って、Ｘジャイロ１１Ｇの出力ω_Xは次のように表わされる。
【００４２】
【数２】

ここに、Ω_Eは地球の自転角速度、λは緯度である。Φは移動体の掘削部の方位、即ち、Ｘ軸の子午線に対する角度、φは移動体の方位に対するＸジャイロ１１Ｇの回転角、Ｕ_XはＸジャイロ１１Ｇのドリフト、ΔＦはＸジャイロ１１Ｇのスケールファクタ誤差である。尚、本実施形態では、ジャイロ装置１００が静止している時に方位計測を行うため、Ｙ軸回りの回転角速度及びＸ軸回りの回転角速度はゼロである。
【００４３】
理想状態以外では、実際の計測においてＸジャイロ１１Ｇの入力軸線は、水平面に対して傾斜角Ａ_Xだけ傾斜しており、Ｘジャイロの出力ω_Xは次のように表される（図７参照）。
【００４４】
【数３】

しかし、緯度λは既知であり、傾斜角Ａ_XもＸ加速度計１１Ａにより既知であるため、演算部３にて座標変換を行うことにより、（１）式を基に方位角Φを求めることができる。以下にその方位角Φを算出する原理を説明する。
【００４５】
回転台２０Ｃ、２０ＤをＺ軸回りに回転させて、一定の回転角度φ（＝２π／２ｎ(rad)：ｎは自然数）毎に停止させ、ＸＹ平面内の地球自転角速度（１５°／ｈ）の水平成分と垂直成分及び傾斜角を計測する。回転台２０を１回転させることによって２ｎ個の測定値ω_Xi（ｉ＝１〜２ｎ）が得られる。
【００４６】
【数４】

緯度λが既知であり、傾斜角Ａ_XiもＸ加速度計１１Ａより既知であり、後述のように、演算部３において、Ｘジャイロ１１ＧのドリフトＵ_XとＸ加速度計１１Ａの出力に含まれるバイアスΔＡ_Xが求まるので、（２）式のうち、第２項及び第３項並びに第１項のcosA_Xiが求まる。ここで、
【００４７】
【数５】

とおくと、ω’_Xiは、
【００４８】
【数６】

と表され、水平面に変換した形になる。このとき、ΔＦΩ_Ecosλcos（Φ＋φ_i）を誤差変動ΔＥ_iとみて、これに関する最小二乗近似法を用いて、基台１０の方位角Φを求めると、
【００４９】
【数７】

となる。上式は、Ｘジャイロ１１ＧのドリフトＵ_X及びスケールファクタ誤差ΔＦを含んでおらず、これらの誤差の影響を受けることなく方位を演算することができる。
【００５０】
次に、Ｘジャイロ１１Ｇに含まれるドリフトＵ_Xを求める原理を説明する。移動体がＸジャイロ１１Ｇの入力軸線Ｘ_GSに直交するＹ_GSの回りに回転角Ａ_Xだけ回転偏倚した場合を考察する。図７を参照して説明すると、図７は、Ｚ軸及びＸジャイロ１１Ｇの入力軸線Ｘ_GSによって形成される面を示す。Ｘジャイロの出力ω_Xは前述のように、次のように表わされる。
【００５１】
【数８】

ここで、Ａ_Xは水平面Ｈに対するＸジャイロ１１Ｇの入力軸線Ｘ_GSの傾斜角である。傾斜角Ａ_XはＸ加速度計１１Ａによって検出される。
【００５２】
回転台２０Ｃ、２０ＤをＺ軸回りに回転させて、一定の回転角度φ（＝２π／２ｎ(rad)：ｎは自然数）毎に停止させ、ＸＹ平面内の地球自転角速度（１５°／ｈ）の水平成分と垂直成分及び傾斜角を計測する。回転台を１回転させることによって２ｎ個の測定値ω_Xi（ｉ＝１〜２ｎ）が得られると同時に、２ｎ個の測定値Ａ_Xi（ｉ＝１〜２ｎ）が得られる。これらの測定値の中で、回転角φが互いにπ（＝１８０°）異なるデータに注目する。
【００５３】
例えば、回転角φの場合のＸジャイロ１１Ｇの出力信号をω_Xi（ｉ＝１〜２ｎ）、回転角φ＋πの場合のＸジャイロ１１Ｇの出力信号をω_Xi+nとすると、これらは次のように表される。
【００５４】
【数９】

ここにＡ_Xi、Ａ_Xi+nはそれぞれ回転台の回転角がφとφ＋πの場合における、水平面Ｈに対するＸジャイロ１１ＧのＹ軸回りの傾斜角である。この２つの傾斜角Ａ_Xi、Ａ_Xi+nの間には、幾何学的に次のような関係がある。
【００５５】
【数１０】

この（７）式を、上記（６）式に代入して変形すると次の関係式が得られる。
【００５６】
【数１１】

これらの式より次の関係式が求められる。
【００５７】
【数１２】

こうして、Ｘジャイロ１１ＧのドリフトＵ_Xを求めることができる。
【００５８】
次に、Ｘ加速度計１１Ａの出力信号Ａ_Xに含まれるバイアスΔＡ_Xを検出し、真のＹ_GS軸回りの傾斜角Ａ’_Xを検出する原理を説明する。
【００５９】
回転台２０Ｃ、２０ＤをＺ軸回りに回転させて、一定の回転角度φ（＝２π／２ｎ(rad)：ｎは自然数）毎に停止させ、ＸＹ平面内の地球自転角速度（１５°／ｈ）の水平成分と垂直成分及び傾斜角を計測する。回転台を１回転させることによって２ｎ個の測定値ω_Xi（ｉ＝１〜２ｎ）が得られると同時に、２ｎ個の測定値Ａ_Xi（ｉ＝１〜２ｎ）が得られる。ジャイロのドリフトを求めた場合と同様に、これらの測定値の中で、回転角φが互いにπ（＝１８０°）異なるデータに注目し、回転角φの場合のＸ加速度計１１Ａの出力信号をＡ_Xi（ｉ＝１〜２ｎ）、回転角φ＋πの場合のＸ加速度計１１Ａの出力信号をＡ_Xi+nとすると、これらは次のように表される。
【００６０】
【数１３】

ここにＡ’_Xi、Ａ’_Xi+nは、前述のように、バイアスΔＡ_Xがゼロの場合に、それぞれ回転台の回転角がφとφ＋πの場合における、水平面Ｈに対するＸジャイロ１１ＧのＹ_GS軸回りの傾斜角である。この２つの傾斜角Ａ’_Xi、Ａ’_Xi+nの間には、（７）式の関係がある。よって、（９）式から次の関係式が得られる。
【００６１】
【数１４】

従って、回転台の回転角がφのとき、真のＹ_GS軸回りの傾斜角Ａ’_Xi及びＸ加速度計１１ＡのバイアスΔＡ_Xは次の式によって表される。
【００６２】
【数１５】

回転台２０Ｃ、２０Ｄの回転角φ＝９０°のときに計測される傾斜角が、移動体のロール傾斜角Ａｒとなり、回転台の回転角φ＝０°のときに計測される傾斜角が、移動体のピッチ傾斜角Ａｐとなる。
【００６３】
本実施形態によると、回転台２０Ｃ、２０Ｄを１回転させることによって２ｎ組の測定値ω_Xi（ｉ＝１〜２ｎ）が得られるのと同時に、２ｎ個の測定値Ａ_Xi（ｉ＝１〜２ｎ）が得られる。従って、回転台２０Ｃ、２０Ｄの回転角φが互いに１８０°異なる測定値はｎ組である。ｎ組の測定値からｎ組のＵ_X、ΔＡ_Xが得られる。これらの平均値を求めることにより、より正確なデータＵ_X、ΔＡ_Xの値が得られる。また、Ａ’_Xと回転台の回転角φより、ジャイロ装置の姿勢角であるピッチ傾斜角Ａｐとロール傾斜角Ａｒを算出することができる。
【００６４】
図３を参照して演算部３の動作を説明する。回転制御部７１は、回転台の回転角φが設定回転角φ_Sに等しくなるように、方位サーボモータ２２を制御する。回転制御部７１は、シークエンサ部７２によって生成された設定回転角φ_Sの指令信号に基づき方位サーボモータ２２を作動させる。方位サーボモータ２２が作動して回転台２０Ｃ、２０Ｄが回転軸線回りに回転する。方位発信器１３Ｙは回転台の回転角φを検出しそれを回転制御部７１に出力する。方位発信器１３Ｙの出力信号φが設定回転角φ_Sに等しくなると、データ計測記憶部７３は回転台２０Ｃ、２０Ｄの回転角φ_Sのデータを回転台の回転角として記憶する。
【００６５】
即ち、データ計測記憶部７３は、回転台の設定回転角φ_Sを記憶すると共に、Ｘジャイロ１１Ｇの出力信号ω_X、及びＸ加速度計１１Ａより出力された傾斜角Ａ_X（時計方向を＋とする。）のデータを記憶する。次にシークエンサ部７２は、新たな設定回転角φ_S＝φ_S＋△φの信号を生成して回転制御部７１に供給する。回転制御部７１は方位発信器１３Ｙの出力信号φが新たな設定回転角φ_Sに等しくなるように、方位サーボモータ２２を作動させる。
【００６６】
方位発信器１３Ｙの出力信号φが新たな設定回転角φ_Sに等しくなると、デ―タ計測記憶部７３は、同様に、Ｘジャイロ１１Ｇ、Ｘ加速度計１１Ａより出力された信号及び回転台の回転角のデータを記憶する。
【００６７】
こうして、データ計測記情部７３は設定回転角φ_S毎に、データω_Xi、Ａ_Xi（ｉ＝１〜２ｎ）を順次記憶する。データ計測記憶部７３に記憶された多数のデータφ_i、ω_Xi、Ａ_Xi（ｉ＝１〜２ｎ）は順次、方位演算部７４及びドリフト・バイアス演算部７５に供給される。
【００６８】
ドリフト・バイアス演算部７５は、（８）式〜（１１）式を用い、ジャイロドリフトＵ_X、傾斜角Ａ’_X、加速度計バイアスΔＡ_X及び姿勢角Ａｐ、Ａｒを演算し、方位演算部７４はジャイロドリフトＵ_X、傾斜角Ａ’_X、及び加速度計バイアスΔＡ_Xを用い、（３）式〜（５）式を用いて、移動体の方位Φを演算する。こうして、Ｘジャイロ１１Ｇ及びＸ加速度計１１Ａ、Ｚ加速度計１３Ａのみから方位Φを求めることができるので、センサ部１を小型化することができ、ケーシング５０を小口径化することができ、低価格で構成することができる。
【００６９】
（第２実施形態）
次に、図８ないし図１１を参照して、第２実施形態に係るジャイロ装置１００及びこのジャイロ装置１００を用いた方位角検出方法を説明する。上述のようにジャイロ装置１００は、ジャイロコンパスのように連続的に方位角を出力するのではなく、回転台２０Ｃ上のＸジャイロ１１ＧをＺ軸回りに一定の回転角度φ（＝２π／２ｎ(rad)：ｎは自然数）毎に停止させ、ＸＹ平面内の地球自転角速度（１５°／ｈ）の水平成分と垂直成分及び傾斜角を計測し、回転台が１回転することにより、一回の方位計測結果、ピッチ傾斜角Ａｐ、ロール傾斜角Ａｒが検出される。つまり、連続的に複数回計測を行っても、一定時間間隔をもって間欠的に計測結果が得られる。この複数回の方位計測結果の分布の一例を表したものが図９である。地球自転角速度という物理量を毎回計測し、方位角を算出しており、個々の計測結果は独立であるため、方位計測結果の母集団は、正規分布Ｎ（μ，σ²）に従う。ここで、μは母集団の平均値、σ²は分散である。
【００７０】
方位計測をｍ回行い、計測結果Φ₁、Φ₂、…Φ_mを得たとする。標本平均Φ_AVは、
【００７１】
【数１６】

で表され、この標本平均Φ_AVは、平均値μ、分散σ²／ｍの正規分布Ｎ（μ，σ²／ｍ）に従うから、
【００７２】
【数１７】

は、平均値０、分散１の正規分布Ｎ（０，１）に従う。これにより、例えば、確率０．９５での信頼区間は、正規分布表により、
【００７３】
【数１８】

となり、これは、
【００７４】
【数１９】

となる。これは、σが既知であると、ｍ回の方位計測結果の平均値を求めることにより、この区間内にμが０．９５の確率で含まれているという区間推定を行うことができるということを意味する。
【００７５】
信頼度は、正規分布表により０．９、０．９９…等の任意の値が選択可能である。また、ｎ回の計測回数が少ない場合（統計学的にはｎ＜３０）は、ｔ分布に従うとして区間推定を行う。
【００７６】
本実施形態による方法では、ジャイロ装置の標準偏差σを既知として予め定義しておくことにより、計測位置における複数回の計測結果の平均値が、所望する計測精度範囲内となる最小の計測回数ｍを（１３）式、（１４）式または類似の式による統計的手法により求めることができる。図１０は、標準偏差に応じた、信頼度０．９５の計測回数と誤差との関係を表すグラフである。
【００７７】
本実施形態の演算部３は、図８に示すように、回転制御部７１と、シークエンサ部７２と、データ計測記憶部７３と、方位演算部７４と、ドリフト・バイアス演算部７５と、そのジャイロ装置１００の標準偏差σで所定の信頼度における計測回数ｍと誤差ΔΦとの関係を記憶する標準偏差記憶部７６と、を有する。標準偏差σは予め、複数の方位角計測結果から求められている。所望の誤差範囲を設定すると、標準偏差記憶部７６が、（１３）式、（１４）式または類似の式から計測回数ｍを算出して、シークエンサ部７２に出力して、シークエンサ部７２がその計測回数ｍから、回転台をｍ回方位計測させるように制御する。自動的にｍ回の方位計測を行い、その平均値Φ_AVを算出する。
【００７８】
または、標準偏差記憶部７６は、各信頼度における計測回数ｍと誤差ΔΦとの関係を記憶することもでき、所望の信頼度及び誤差範囲を設定すると、標準偏差記憶部７６が、（１３）式、（１４）式または類似の式から計測回数ｍを算出して、シークエンサ部７２に出力して、シークエンサ部７２がその計測回数ｍから、回転台をｍ回方位計測させるように制御するようにしてもよい。または、計測回数を設定すると、標準偏差記憶部７６が、所定の信頼度における、設定された計測回数に対応する誤差範囲を出力するようにしてもよい。これにより、計測担当者は正確な計測精度を知ることができる。
【００７９】
本実施形態による方位角検出方法によると、ジャイロ装置１００のセンサ部１の性能を向上させることなく、最小の計測回数で所望の計測精度（信頼区間）向上を図ることができる。
【００８０】
本実施形態による方位角検出方法は、ジャイロ装置の回転台が１つまたは複数というような構造的な違いに依らず、一回の計測時間が短いジャイロ装置に有効である。計測時間は、１０分以下、望ましくは５分以下である。
【００８１】
（第３実施形態）
次に、上記ジャイロ装置１００のセンサ部１を地下掘削機のような移動体に取り付けて、その移動体の位置を求める移動体位置算出方法を図１１ないし図１３を参照して、説明する。地下掘削機２００のような移動体は、図４に示すように、元押し装置２０２から配管２０３を掘削孔に挿入するとともに、先端の掘削装置により掘削し、前進する。掘削は、元押し装置２０２のストロークで配管２０３の長さまで掘削すると、停止し、ストロークを戻し新たな配管２０３を接続し、掘削するという作業を繰り返す。このとき得られる情報としては、掘削停止時の各測定点においてジャイロ装置１００が計測する方位角、ピッチ傾斜角Ａｐ及びロール傾斜角Ａｒと元押し装置２０２から得られる配管２０３の移動量（即ち、挿入ストローク）である。
【００８２】
図１２は、原点及び測定点Ｐ₀、Ｐ₁、Ｐ₂、…、Ｐ_Mと、計測ごとの移動体の移動量ｌ₁、ｌ₂、…、ｌ_Mによって形成される軌跡を示す。原点Ｏは位置算出の原点に設けられる。説明を簡略化するために図１２のＸ軸は、水平面に沿って子午線方向に整合し、Ｙ軸は緯度方向に整合し、測定点Ｐ₀、Ｐ₁、Ｐ₂、…、Ｐ_Mは水平面に存在すると仮定した２次元的な配置とする。
【００８３】
各測定点Ｐ₀、Ｐ₁、Ｐ₂、…、Ｐ_Mの座標を（ｘ₀，ｙ₀）、（ｘ₁，ｙ₁）、（ｘ₂，ｙ₂）、…、（ｘ_M，ｙ_M）とし、各測定点での方位角をΦ₁、Φ₂、…、Φ_Mとする。各測定点の座標（ｘ_i，ｙ_i）は、次のように表される。
【００８４】
【数２０】

ここで、実際の掘削において移動量ｌ₁、ｌ₂、…、ｌ_Mは、一定の間隔となることから、（１５）式は、次のように表される。
【００８５】
【数２１】

Ｌ（＝ｌ₁＋ｌ₂＋…＋ｌ_M）は総移動量である。実際の地下掘削機の削孔軌跡は、方位角Φ₁、Φ₂、…、Φ_Mが十分小さく、ｘ_i≫ｙ_iの場合が多い。そこで、理解し易いように、この近似を（１６）式に適用すると、（ｘ_M，ｙ_M）は次のように近似できる。
【００８６】
【数２２】

ここで、Φ_aは、Ｘ軸とＰ_MＯとがなす角度である。つまり、方位角の変化量の積算値は、最終測定点Ｐ_MとＸ軸がつくる角度に一致する。
【００８７】
方位角Φ₁、Φ₂、…、Φ_Mに含まれる計測誤差ΔΦ₁、ΔΦ₂、…、ΔΦ_Mとすると、（１７）式は次のように表される。
【００８８】
【数２３】

方位計測による位置誤差は、（１８）式のｙ_Mの第２項である。つまり、各測定点での方位角Φ₁、Φ₂、…、Φ_Mに含まれる計測誤差ΔΦ₁、ΔΦ₂、…、ΔΦ_Mの積算値と総移動量Ｌの積となり、最終的な位置誤差εは、Ｘ軸とＰ_MＯとがなす角度Φ_aの角度誤差ΔΦ_aと総移動量Ｌの積により次のように求めることができる。
【００８９】
【数２４】

ここで、Δｘ_M、Δｙ_Mは、座標（ｘ_M，ｙ_M）の位置誤差である。角度誤差ΔΦ_aと計測誤差ΔΦ₁、ΔΦ₂、…、ΔΦ_Mとの関係は、（１８）式より次のように表される。
【００９０】
【数２５】

Ｍ回計測の誤差平均が、角度誤差ΔΦ_aであれば所望する位置誤差であるとすると、これは、図９と共に説明した方位角検出方法で示した（１２）式と同一の形式であり、角度誤差ΔΦ_aが、計測誤差ΔΦ₁、ΔΦ₂、…、ΔΦ_Mの標本平均であることを示している。従って、上述のようにΔΦ_aは、平均値μ、分散σ²／ＭのＮ（μ，σ²／Ｍ）に従うから、
【００９１】
【数２６】

は、平均値０、分散１の正規分布Ｎ（０，１）に従う。これにより、例えば、確率０．９５での信頼区間は、正規分布表により、
【００９２】
【数２７】

となり、これは、
【００９３】
【数２８】

となる。これは、σが既知であると、Ｍ回の方位計測結果の平均値を求めることにより、この区間内にμが０．９５の確率で含まれているという区間推定を行うことができるということを意味する。
【００９４】
信頼度は、正規分布表により０．９、０．９９…等の任意の値が選択可能である。また、Ｍ回の計測回数が少ない場合（統計学的にはＭ＜３０）は、ｔ分布に従うとして区間推定を行う。
【００９５】
本実施形態による方法では、ジャイロ装置の標準偏差σを既知として予め定義しておくことにより、移動体が所望する位置誤差以内となる角度誤差ΔΦ_aを（１９）式により求め、最小の計測回数Ｍを（２０）式、（２１）式または類似の式による統計的手法により求めることができる。図１３は、掘削距離を様々に変えたときの、標準偏差＝０．３５の場合の信頼度０．９５の計測回数と位置誤差との関係を表すグラフである。
【００９６】
本実施形態の演算部３は、図１１に示すように、回転制御部７１と、シークエンサ部７２と、データ計測記憶部７３と、方位演算部７４と、ドリフト・バイアス演算部７５と、そのジャイロ装置１０の標準偏差σで所定の信頼度における計測回数Ｍと位置誤差εとの関係を記憶する標準偏差記憶部７７と、を有する。所望の誤差範囲を設定すると、標準偏差記憶部７７が、計測回数Ｍを算出する。
【００９７】
または、標準偏差記憶部７７は、各信頼度における計測回数Ｍと誤差ΔΦとの関係を記憶することもでき、所望の信頼度及び誤差範囲を設定すると、標準偏差記憶部７７が、（２０）式、（２１）式または類似の式から計測回数Ｍを算出するようにしてもよい。または、計測回数を設定すると、標準偏差記憶部７７が、所定の信頼度における、設定された計測回数に対応する誤差範囲を出力するようにしてもよい。これにより、計測担当者は正確な計測精度を知ることができる。
【００９８】
尚、以上の説明は、簡略化のために２次元配置で説明したが、各測定点Ｐ₀、Ｐ₁、Ｐ₂、…、Ｐ_Mの座標を（ｘ₀，ｙ₀，ｚ₀）、（ｘ₁，ｙ₁，ｚ₁）、（ｘ₂，ｙ₂，ｚ₂）、…、（ｘ_M，ｙ_M，ｚ_M）とし、各測定点での方位角をΦ₁、Φ₂、…、Φ_M、ピッチ傾斜角Ａｐを、Ａｐ₁、Ａｐ₂、…、Ａｐ_M、ロール傾斜角Ａｒを、Ａｒ₁、Ａｒ₂、…、Ａｒ_Mとすることにより、同様にして３次元での位置誤差と計測回数との関係を算出することができる。ここでは、詳細説明は省略する。
【００９９】
本実施形態による方位角検出方法によると、ジャイロ装置１００のセンサ部１の性能を向上させることなく、最小の計測回数で所望の位置精度（信頼区間）向上を図ることができる。
【０１００】
本実施形態による位置算出方法は、ジャイロ装置の回転台が１つまたは複数というように構造的な違いに依らず、一回の計測時間が短いジャイロ装置に有効である。計測時間は、１０分以下、望ましくは５分以下である。
【０１０１】
（第４実施形態）
ところで、本発明のジャイロ装置においては、地球自転角速度、重力加速度という微小物理量から方位検出するという計測方法であるために、静止中に計測する必要があり、方位計測中にわずかな振動等の外乱が加わると方位計測誤差が発生する。よって、方位計測中に静止中であったかどうかを判定して、計測精度を判定する判定方法及びその判定機能を備えたジャイロ装置について説明する。
【０１０２】
上述のようにジャイロ装置１００は、回転台２０Ｃ上のＸジャイロ１１ＧをＺ軸回りに一定の回転角度φ（＝２π／２ｎ(rad)：ｎは自然数）毎に停止させ、ＸＹ平面内の地球自転角速度（１５°／ｈ）の水平成分と垂直成分及び傾斜角を計測し、回転台が１回転することにより、２ｎ個の測定値ω_Xi（ｉ＝１〜２ｎ）及び２ｎ個の測定値Ａ_Xi（ｉ＝１〜２ｎ）を得る。これらの測定値の中で、回転角φが互いにπ（＝１８０°）異なるデータを使用し、（８）式及び（１１）式よりｎ個のＸジャイロ１１ＧのドリフトＵ_Xj（ｊ＝１〜ｎ）とＸ加速度計１１ＡのバイアスΔＡ_Xj（ｊ＝１〜ｎ）とが求められる。
【０１０３】
回転台が１回転する方位計測中に振動等の外乱が加わることなく方位計測ができた場合は、ドリフトＵ_Xj及びバイアスΔＡ_Xjは以下の関係式が成り立つ。
【０１０４】
【数２９】

しかしながら、方位計測中に外乱が加わると、（２２）式の関係が成り立たず、各データに差が生じる。そこで、各データの差の最大値またはｎ個のデータの標準偏差を求め、ある閾値以下の場合、計測中に外乱が加わることなく、正常に計測されたと判定できる。
【０１０５】
Ｘ加速度計１１Ａのバイアスの平均値ΔＡ_XAV、バイアスの標準偏差ΔＡ_Xstd及びバイアスの最大差ΔＡ_Xmaxの算出式を次に示す。
【０１０６】
【数３０】

ここでΔＡ_1Xlimは標準偏差の判定の閾値、ΔＡ_Xmax、ΔＡ_Xminは、ΔＡ_Xj(j=1〜n)の最大値と最小値であり、ΔＡ_2Xlimは最大差の判定の閾値である。
【０１０７】
また、Ｘジャイロ１１Ｇのドリフトの平均値Ｕ_XAV、ドリフトの標準偏差Ｕ_Xstd及びドリフトの最大差ΔＵ_Xmaxの算出法を次に示す。
【０１０８】
【数３１】

ここでＵ_1Xlimは標準偏差の判定の閾値、Ｕ_Xmax、Ｕ_Xminは、Ｕ_Xj（ｊ＝１〜ｎ）の最大値と最小値であり、Ｕ_2Xlimは最大差の判定の閾値である。
【０１０９】
これらのΔＡ_1Xlim、ΔＡ_2Xlim、Ｕ_1Xlim、Ｕ_2Xlimの閾値は、Ｘジャイロ１１Ｇ、Ｘ加速度計１１Ａのバイアス安定性、ジャイロ装置の運用環境、使用法に依存するが、実験より容易に求めることができる。これらの閾値のすべて用いることもできるが、１つ以上の任意の閾値を用いることもできる。
【０１１０】
本実施形態の演算部３は、図１４に示すように、回転制御部７１と、シークエンサ部７２と、データ計測記憶部７３と、方位演算部７４と、ドリフト・バイアス演算部７５と、その計測精度を判定する計測精度判定部７８と、を有する。計測精度判定部７８には、ΔＡ_1Xlim、ΔＡ_2Xlim、Ｕ_1Xlim、Ｕ_2Xlimの閾値の少なくとも１つが予め実験により設定されており、（２３）式または（２４）式の不等式の真偽の判定を行い、その中の不等式のいずれかまたは全てが真になった場合に、計測中に振動、動きが存在したものとし、または、その中の不等式の全てが偽となった場合に、計測中に振動、動きは存在しなかったものとして、その旨を表示する判定信号を出力する。
【０１１１】
以上本発明の例を説明したが、本発明は特許請求の範囲に記載された発明の範囲にてさまざまな変形例が可能であることは当業者によって理解されよう。ここで、用いられている加速度計の作用は傾斜計の作用に等しく、本明細書における加速度計は、傾斜計を含む概念であることを念のため付け加えておく。
【０１１３】
【発明の効果】
本発明によれば、適正な計測回数及び計測時間で適正な方位角検出または位置検出を行うことができ、信頼性が高い方位計測または位置計測を行うことができる。
【０１１６】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るジャイロ装置の主要部の例を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係るジャイロ装置の全体の構成例を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係るジャイロ装置の演算部の構成例を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施形態に係るジャイロ装置が装着される地下掘削機の構成例を示す図である。
【図５】地球の自転角速度ベクトルを説明するための説明図である。
【図６】Ｘジャイロによって検出する地球の自転角速度の成分を説明するための説明図である。
【図７】ジャイロ装置が傾斜した場合のＸ，Ｙジャイロによって検出する地球の自転角速度べクトルの成分を説明するための説明図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係るジャイロ装置の演算部の構成例を示すブロック図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係るジャイロ装置の方位測定結果の分布の一例を表すグラフである。
【図１０】本発明の第２実施形態に係るジャイロ装置の計測回数と誤差との関係を表すグラフである。
【図１１】本発明の第３実施形態に係るジャイロ装置の演算部の構成例を示すブロック図である。
【図１２】本発明の第３実施形態に係るジャイロ装置が取り付けられた移動体の原点及び測定点Ｐ₀、Ｐ₁、Ｐ₂、…、Ｐ_Mと、計測ごとの移動体の移動量ｌ₁、ｌ₂、…、ｌ_Mによって形成される軌跡を示すグラフである。
【図１３】本発明の第３実施形態に係るジャイロ装置の計測回数と位置誤差との関係を表すグラフである。
【図１４】本発明の第４実施形態に係るジャイロ装置の演算部の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ センサ部
３ 演算部
１０ 基台
１１Ａ、１３Ａ 加速度計
１１Ｇ ジャイロ
１３Ｙ 方位発信器
２０Ｃ、２０Ｄ 回転台
２２ 方位サーボモータ（駆動装置）
７１ 回転制御部
７３ データ計測記憶部
７４ 方位演算部
７５ ドリフト・バイアス演算部
７８ 計測精度判定部
１００ ジャイロ装置
２００ 地下掘削機（移動体）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a surveying gyro device for measuring the azimuth angle of a stationary object with respect to the meridian, for example, a gyro device suitable for detecting the traveling direction of a moving object such as an underground excavator, and further using the gyro device. The present invention relates to a position detection method for calculating a position of a moving body from a traveling direction measured every distance excavation of the moving body such as an underground excavator in the propulsion method and a moving distance.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a gyroscope for surveying to measure the azimuth angle of a stationary object with respect to the meridian, a turntable supported by a base so as to be rotatable around a vertical axis, and a rotation axis of the turntable mounted on the turntable A gyro having an orthogonal input axis, and an accelerometer mounted on the turntable and having an input axis perpendicular to both the rotation axis of the turntable and the input axis of the gyro, and the accelerometer around the input axis of the gyro It is known that the rotation angle of the base is measured and the azimuth angle error caused by the rotation angle change rate of the base around the input axis of the gyro is corrected using the differential value of the rotation angle. (See Patent Document 1). The gyro apparatus disclosed in Patent Document 1 is attached to the upper end of a transit, and a sensor unit including a gyro and an accelerometer is attached to one rotary base.
[0003]
In a gyroscope for surveying that can measure the azimuth angle of a stationary object with respect to the meridian as described above, the traveling direction of the moving body is detected, and the position of the moving body is calculated from the traveling direction and the moving distance. However, the accuracy is azimuth measurement accuracy described in the specifications of the gyro device, for example, the error amount ΔΦ such as ± 1 degree must be used as the measurement error as it is, and it is measured for every distance excavation like the propulsion method. Even when the position of the moving object is calculated based on the travel azimuth φ and the movement distance l, the total movement distance is expressed as L (L = l₁+ L₂+ ... l_n: N is a natural number), the position error ε depends on ΔΦ,
[0004]
[Expression 1]

It becomes.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-6-11348 (column 1, lines 2 to 12, column 1, lines 30 to 32, column 5, lines 47 to 49, FIG. 1)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the gyro device, various types such as a mechanical type and an optical type are used for the sensor unit. However, since the sensor unit including the gyro and the accelerometer is mounted on one rotary table, the gyro device is rotated. There is a problem that the radius of the table becomes large and it is structurally difficult to reduce the diameter. Further, when trying to increase the measurement accuracy, there is a disadvantage that the sensor unit is enlarged and the time for measuring the orientation becomes longer. In particular, in a gyro device for detecting the moving direction of a moving object such as an underground excavator and calculating the position of the moving object from the measured moving direction and moving amount, it is small and has a small diameter and can be measured in a short time. However, ensuring the azimuth accuracy hinders downsizing and cannot be measured in a short time, making it difficult to reduce the price.
[0007]
In general, in order to perform measurement with high accuracy, a measurement person often performs measurement a plurality of times and adopts an average value. However, since it is unclear how much the average value is the measurement accuracy, the measurement time is longer than necessary and the measurement time is too long or the required number of measurements has not been reached. There was also the possibility of performing measurements for which accuracy was not guaranteed.
[0008]
In addition, the gyro device for surveying is a measurement method that detects the direction from a minute physical quantity such as the earth rotation angular velocity and the gravitational acceleration, so it needs to be kept stationary during the measurement. If a disturbance is applied, an azimuth measurement error occurs. However, it was not possible to determine whether or not the vehicle was stationary from the measured azimuth measurement result, and specialized knowledge was required to grasp the measurement state.
[0010]
  Main departureLight eyesSpecifically, a gyro device capable of performing an appropriate number of measurements and achieving high measurement accuracy in order to achieve the necessary measurement accuracy by the gyro device, its azimuth angle detection method, and position calculation method Is to provide.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, the present invention includes a base parallel to the axis X-axis, a turntable that is rotatably arranged on the base, and whose rotation axis is parallel to the Z-axis perpendicular to the X-axis. A sensor unit including one or more gyros and one or more accelerometers that are mounted on the turntable and have an input axis perpendicular to the rotation axis of the turntable; a direction transmitter that detects the rotation angle of the turntable; A driving device for rotating the turntable, and a calculation unit that calculates the orientation of the base from the signal output from the sensor unit;
  The calculation unit includes a rotation control unit that controls the driving device, a data measurement storage unit that stores outputs of the gyro and the accelerometer using a rotation angle of a turntable as a parameter, and an output from the data measurement storage unit. In a gyro apparatus having an azimuth calculation unit for calculating the azimuth of a table,
  The standard deviation is defined in advance from the results of multiple azimuth measurements of the gyroscope,TheFrom the defined standard deviationCalculated based on statistical methods,At the measurement positionMeasuredThe relationship between the average measurement error of the azimuth measurement result and the minimum number of measurementsAnd set based on the stored relationshipSpecify the minimum number of measurements that is within the desired measurement error, orSetIdentify measurement errors from the number of measurementsStandard deviation storage unit
  The average value of each azimuth measurement result of the specified minimum measurement count and azimuth measurement performed at the measurement position is obtained, or the azimuth measurement performed at the set measurement count and measurement position. Obtaining an average value of each azimuth measurement result and outputting the specified measurement error corresponding to the set number of measurements;It is characterized by that.
[0015]
With this configuration, the number of measurements necessary to obtain the desired measurement accuracy can be obtained, or the measurement accuracy can be obtained from the number of measurements. it can. The desired measurement accuracy can be obtained without enlarging the sensor part of the gyro device and ensuring the measurement accuracy.
[0016]
  The invention described in claim 2 includes a base parallel to the axis X-axis, a turntable rotatably arranged on the base, and a rotation axis parallel to the Z-axis perpendicular to the X-axis, A sensor unit including one or more gyros and one or more accelerometers that are mounted on the turntable and have an input axis perpendicular to the rotation axis of the turntable; an azimuth transmitter that detects a rotation angle of the turntable; A driving device for rotating the turntable, and a calculation unit that calculates the orientation of the base from the signal output from the sensor unit,
  The calculation unit includes a rotation control unit that controls the driving device, a data measurement storage unit that stores outputs of the gyro and the accelerometer using a rotation angle of a turntable as a parameter, and an output from the data measurement storage unit. An azimuth angle detection method for obtaining an azimuth angle of a base with respect to a meridian using a gyro device having an azimuth calculation unit for calculating the azimuth of a table,
  Define the standard deviation from the azimuth angle measurement results of the gyro device multiple times in advance.
  From the defined standard deviationCalculated based on statistical methods,At the measurement positionMeasuredMeasurement error of average value of azimuth measurement result and,The relationship with the minimum number of measurementsRemember,
  Set based on the stored relationshipSpecify the minimum number of measurements that is within the desired measurement error, orSetIdentify measurement error from number of measurementsAnd
  Execute azimuth measurement at the specified minimum number of measurement times and measurement position, and obtain an average value of each azimuth measurement result, or execute azimuth measurement at the set number of measurement times and measurement position, The average value of each azimuth measurement result is obtained and the specified measurement error corresponding to the set number of measurements is output.It is characterized by that.
[0017]
With this configuration, the number of measurements necessary to obtain the desired measurement accuracy can be obtained, or the measurement accuracy can be obtained from the number of measurements. it can. The desired measurement accuracy can be obtained without enlarging the sensor part of the gyro device and ensuring the measurement accuracy.
[0018]
  According to a third aspect of the present invention, there is provided a base parallel to the axis X axis, a sensor unit including one or more gyros and one or more accelerometers mounted on the base, and an output from the sensor unit. A calculation unit that calculates the orientation of the base from the received signal, the calculation unit based on the output from the data measurement storage unit and the data measurement storage unit that stores the outputs of the gyro and the accelerometer. An azimuth calculating unit for calculating the azimuth of the base, and using the gyro device in which the base is mounted on the mobile body, the mobile body is calculated from the traveling azimuth angle measured for each mobile body travel distance and the mobile distance. A position calculation method for obtaining the position of
  Define the standard deviation from the azimuth angle measurement results of the gyro device multiple times in advance.
  From the defined standard deviationUsing the measured azimuth measurement results obtained based on statistical methodsThe position error of the moving object,The relationship with the minimum number of measurementsRemember,
  Set based on the stored relationshipSpecify the minimum number of measurements that is within the desired position error, orSetIdentify position error from number of measurementsAnd
  The specified minimum number of measurement times and azimuth angle measurement are performed, and the position is obtained from each azimuth angle measurement result, or the set number of measurement times and azimuth angle measurement is performed, and from each azimuth angle measurement result Obtaining the position and outputting the specified position error corresponding to the set number of measurements;It is characterized by that.
[0019]
With this configuration, the number of measurements necessary to obtain the desired position accuracy can be obtained, or the position accuracy can be obtained from the number of measurements, so that the proper position detection can be performed with the appropriate number of measurements. . A desired measurement accuracy can be obtained without increasing the measurement accuracy of the sensor unit of the gyro device.
[0020]
  AlsoA base parallel to the axis X-axis, a rotary base arranged rotatably on the base, the rotary axis parallel to the Z-axis perpendicular to the X-axis, and a rotary base mounted on the rotary base A sensor unit including one or more gyros and one or more accelerometers having an input axis perpendicular to the rotation axis, an azimuth transmitter for detecting a rotation angle of the turntable, and a drive device for rotating the turntable And a calculation unit that calculates the orientation of the base from the signal output from the sensor unit,
  The calculation unit includes a rotation control unit that controls the driving device, a data measurement storage unit that stores outputs of the gyro and the accelerometer using a rotation angle of a turntable as a parameter, and a gyro according to an output from the data measurement storage unit. In the gyro apparatus for calculating the azimuth angle of the base with respect to the meridian, the drift / bias calculation unit for calculating the drift or accelerometer bias, and the azimuth calculation unit for calculating the azimuth of the base,
  The calculation unit obtains a standard deviation or maximum difference of the bias or drift calculated at a plurality of rotation angles of the turntable, and determines a magnitude relationship between the set threshold and the standard deviation or maximum difference of the bias or drift. A measurement accuracy determination unit is provided, and when the measurement accuracy determination unit determines that the standard deviation or the maximum difference is larger than the set threshold value, it is determined that vibration and movement existed during the measurement. Perform accuracy assessment of measured valuesCan.
[0021]
If the measurement is not performed in a stationary state, the standard deviation or maximum value of the bias or drift calculated at a plurality of rotation angles should be larger than the threshold value. By determining the magnitude relationship between the set threshold value and the standard deviation or maximum value of the bias or drift by the measurement accuracy determination unit, it can be automatically determined whether or not the measurement has been performed in a stationary state.
[0022]
  AlsoA base parallel to the axis X-axis, a rotary base arranged rotatably on the base, the rotary axis parallel to the Z-axis perpendicular to the X-axis, and a rotary base mounted on the rotary base A sensor unit including one or more gyros and one or more accelerometers having an input axis perpendicular to the rotation axis, an azimuth transmitter for detecting a rotation angle of the turntable, and a drive device for rotating the turntable And a calculation unit that calculates the orientation of the base from the signal output from the sensor unit,
  The calculation unit includes a rotation control unit that controls the driving device, a data measurement storage unit that stores outputs of the gyro and the accelerometer using a rotation angle of a turntable as a parameter, and a gyro according to an output from the data measurement storage unit. A drift / bias calculation unit for calculating a drift of an accelerometer or an azimuth calculation unit for calculating an azimuth of the base, and a method for determining measurement accuracy in a gyro device having:
  The standard deviation or maximum difference of the bias or drift calculated at a plurality of rotation angles of the turntable is obtained, the magnitude relationship between the set threshold and the standard deviation or maximum difference of the bias or drift is determined, and the standard deviation or maximum is determined. When it is determined that the difference is larger than the set threshold value, it is determined that vibration and movement exist during measurement, and the accuracy of the measured value is determined.Can.
[0023]
If the measurement is not performed in a stationary state, the standard deviation or maximum value of the bias or drift calculated at a plurality of rotation angles should be larger than the threshold value. By determining the magnitude relationship between the set threshold value and the standard deviation or maximum value of the bias or drift, it is possible to automatically determine whether the measurement has been performed in a stationary state.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the gyro device 100 according to the present embodiment includes a casing 50 mounted on a moving body, and a base housed in the casing 50 and fixed to the casing 50 directly or via a vibration isolation seat. 10 and. The casing 50 includes a cylindrical portion 51 and disc portions 52 at both ends, and has a cylindrical shape having a central axis as a whole. The outer diameter of the cylindrical part 51 is at least 80 mm or less, preferably 60 mm or less.
[0025]
Here, a coordinate system is set on the casing 50 or the base 10. An X axis is taken along the central axis of the cylindrical portion 51 of the casing 50, a Z axis is perpendicular to the base 10, and a Y axis is perpendicular to the X axis and the Z axis and parallel to the base 10. Since the coordinate system set in this way can be regarded as a coordinate system set for the mobile body equipped with the gyro device, it is hereinafter referred to as a mobile body coordinate system. The reference azimuth of the base 10, that is, the azimuth of the moving body is the positive direction of the X axis. On the other hand, a coordinate system provided on the earth surface is referred to as a local coordinate system or a local coordinate system. The local coordinate system is a point on the earth's surface as the origin, and X in the meridian direction along the horizontal plane._LAxis, Y in east-west direction_LZ, vertically above the axis_LA coordinate system with axes.
[0026]
The gyro apparatus 100 includes a sensor unit 1 that includes an X accelerometer 11A and a Z accelerometer 13A mounted on a base 10, and a plurality of sensors such as an X gyro 11G and an azimuth transmitter 13Y. In the figure, the arrow attached to each sensor indicates the direction of the input axis or the measurement axis.
[0027]
As the gyro, either a mechanical gyro or an optical gyro can be used.
[0028]
The base 10 is provided with a plurality of turntables. In the example of FIG. 1, two turntables 20C and 20D are provided, the X gyro 11G is mounted on the first turntable 20C, and the X accelerometer 11A is mounted on the second turntable 20D. The direction transmitter 13Y is mounted on at least one of the plurality of turntables 20C and 20D.
[0029]
The base 10 is provided with an azimuth servo motor 22 for rotating the plurality of turntables 20C and 20D, and an appropriate transmission device, for example, for transmitting the rotation of the azimuth servomotor 22 to the plurality of turntables. A backlashless gear transmission 23 and a toothed belt 24 are provided. The azimuth servo motor 22 and the transmission device constitute a drive device, and rotate and drive all the turntables 20C and 20D synchronously. Therefore, the azimuth transmitter 13Y that detects the rotation angle of the turntables 20C and 20D may be disposed on only one turntable, and does not need to be mounted on all turntables.
[0030]
The turntables 20C and 20D rotate within a range of rotation angles of ± 180 ° at a constant rotation speed, for example, 10 ° / second. Since the rotation angles of the turntables 20C and 20D are limited to ± 180 °, cables or wires from the X gyro 11G, the X accelerometer 11A, and the direction transmitter 13Y mounted on the turntables 20C and 20D can be drawn. There is no. Further, as shown in FIG. 1, a circuit board constituting the calculation unit 3 is mounted on the base 10.
[0031]
In the present embodiment, the X gyros 11G, X and Z accelerometers 11A, 13A and the azimuth transmitter 13Y constituting the sensor unit 1 are arranged on the central axis of the casing 50, that is, on the X axis or aligned with the X axis. Yes. The rotation axes of the turntables 20C and 20D are parallel to the Z axis and are arranged on the X axis.
[0032]
FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the gyro apparatus according to the present embodiment. The gyro apparatus 100 includes the sensor unit 1 and the calculation unit 3 described with reference to FIG. Here, the input axis line or measurement axis line (arrow) of each sensor of the sensor unit 1 will be described. When the rotation angle of the turntables 20C and 20D is 0, the X accelerometer 11A and the X gyro 11G have their input axis lines. Or it arrange | positions so that a measurement axis line may align with the positive direction of the X-axis of a mobile body coordinate system. The Z accelerometer 13A and the azimuth transmitter 13Y are arranged such that their input axes are aligned with the negative direction of the Z axis of the moving object coordinate system.
[0033]
The X accelerometer 11A detects the acceleration in the X-axis direction of the moving body coordinate system with the rotation angle of the turntables 20C and 20D being 0, and the X gyro 11G has an angular velocity ω around the X axis of the moving body coordinate system._XIs detected. The Z accelerometer 13A detects the acceleration in the Z-axis direction of the moving object coordinate system. The Z accelerometer 13A is used for determining the top and bottom (top and bottom) of the base 10. The direction transmitter 13Y detects the rotation angle φ of the turntables 20C and 20D with respect to the X axis.
[0034]
The gyro apparatus 100 of the present embodiment pauses measurement when the moving body is moving, but functions as a surveying gyro apparatus that searches for the north from the earth rotation when the moving body is stationary. The orientation obtained from the surveying gyro device is used to determine the position of the moving body. For this purpose, the sensor unit 1 of the gyro apparatus 100 is directly attached to a moving body whose position is to be measured. The moving body can be a leading conductor of an underground excavator, for example. The sensor unit 1 of the gyro apparatus 100 moves together with the moving body and takes the same azimuth and posture as the azimuth and posture of the moving body.
When the roll angle is 10 ° or more due to the rotation of the moving body around the X axis (roll rotation), the moving body's roll angle is adjusted within ± 10 °, preferably within ± 5 °. can do.
If the moving body does not rotate around the X axis and does not require vertical discrimination, the Z accelerometer may not be used.
[0035]
Then, the gyro apparatus 100 rotates the rotary table 20 by ± 180 degrees in a short time, and the arithmetic unit 3 measures the gyro drift and the accelerometer bias to remove the error components of the gyro and the accelerometer. The obtained azimuth angle and posture angle are obtained, and thus measurement errors due to temperature and aging of the sensor unit 1 can be reduced.
[0036]
For this purpose, the calculation unit 3 includes a rotation control unit 71, a sequencer unit 72, a data measurement storage unit 73, an azimuth calculation unit 74, and a drift / bias calculation unit 75, as shown in FIG.
[0037]
Next, with reference to FIGS. 5 to 7, the principle of azimuth measurement of the gyro apparatus 100 of the present embodiment will be described. Consider a point P at latitude λ in the northern hemisphere of the earth as shown in FIG. Let the center of the earth be O and the point where the meridian passing through point P intersects the equator plane is P_OAnd the rotation axis of the earth is OP_NAnd Latitude λ of point P is ∠POP_OIt is. A horizontal plane H at the point P is a tangential plane with respect to the earth surface. Note that the concept of a tangential plane is used for convenience even when the moving body is at a point in the ground accompanying excavation.
[0038]
Earth rotation angular velocity vector Ω_EIs the rotation axis OP as shown_NFacing the direction. Earth rotation angular velocity vector Ω_EIs the horizontal component HER (Horizontal Earth Rate) on the horizontal plane H (arrow N), that is, Ω_Ecos λ and vertical component VER (Vertica1 Earth Rate), that is, Ω_EIt can be decomposed into sin λ.
[0039]
As shown in FIG. 6, it is assumed that the gyro device 100, that is, the moving body is arranged on the horizontal plane H at the point P. The orientation of the moving body is aligned with the X axis as described above. The azimuth angle ∠ NPPx of the excavation part of the moving object is Φ, and the input axis of the X gyro 11G is X_GSAnd
[0040]
The rotation angle of the input axis of the X gyro 11G with respect to the moving body direction Px is φ.
If the rotation angle of the turntable 20C is equal to the rotation angle φ of the input axis of the X gyro 11G, the azimuth angle ∠NPPX of the input axis of the X gyro 11G_GSIs Φ + φ.
[0041]
X gyro 11G is the earth rotation angular velocity vector Ω_EInput axis X_GSThe direction component is detected. Therefore, the output ω of the X gyro 11G_XIs expressed as follows.
[0042]
[Expression 2]

Where Ω_EIs the rotational angular velocity of the earth, and λ is the latitude. Φ is the orientation of the excavation part of the moving body, that is, the angle with respect to the meridian of the X axis, φ is the rotation angle of the X gyro 11G with respect to the orientation of the moving body, U_XIs the drift of the X gyro 11G, and ΔF is the scale factor error of the X gyro 11G. In this embodiment, since the azimuth measurement is performed when the gyro apparatus 100 is stationary, the rotational angular velocity around the Y axis and the rotational angular velocity around the X axis are zero.
[0043]
Except for the ideal state, in actual measurement, the input axis of the X gyro 11G has an inclination angle A with respect to the horizontal plane._XThe X gyros output ω_XIs expressed as follows (see FIG. 7).
[0044]
[Equation 3]

However, the latitude λ is known and the tilt angle A_XSince it is already known from the X accelerometer 11A, the azimuth angle Φ can be obtained based on the equation (1) by performing coordinate conversion in the calculation unit 3. The principle of calculating the azimuth angle Φ will be described below.
[0045]
The turntables 20C and 20D are rotated around the Z-axis and stopped at a certain rotation angle φ (= 2π / 2n (rad): n is a natural number), and the earth rotation angular velocity in the XY plane (15 ° / h) Measure horizontal and vertical components and tilt angle. By rotating the turntable 20 once, 2n measured values ω_Xi(I = 1 to 2n) is obtained.
[0046]
[Expression 4]

Latitude λ is known and tilt angle A_XiIs also known from the X accelerometer 11A, and, as will be described later, in the calculation unit 3, the drift U of the X gyro 11G_XAnd the bias ΔA included in the output of the X accelerometer 11A_XIn the equation (2), the second term, the third term, and the first term cosA_XiIs obtained. here,
[0047]
[Equation 5]

Ω ’_XiIs
[0048]
[Formula 6]

It is expressed as a horizontal plane. At this time, ΔFΩ_Ecosλcos (Φ + φ_i) For error variation ΔE_iBy using the least square approximation method related thereto, the azimuth angle Φ of the base 10 is obtained.
[0049]
[Expression 7]

It becomes. The above equation is the drift U of X gyro 11G_XAnd the scale factor error ΔF is not included, and the azimuth can be calculated without being affected by these errors.
[0050]
Next, the drift U included in the X gyro 11G_XThe principle for obtaining is described. The moving body is the input axis X of the X gyro 11G_GSY orthogonal to_GSRotation angle A around_XConsider the case of only rotational deviation. Referring to FIG. 7, FIG. 7 shows the Z axis and the input axis X of the X gyro 11G._GSThe surface formed by is shown. X gyro output ω_XAs described above, is expressed as follows.
[0051]
[Equation 8]

Where A_XIs the input axis X of the X gyro 11G with respect to the horizontal plane H_GSThe inclination angle. Inclination angle A_XIs detected by the X accelerometer 11A.
[0052]
The turntables 20C and 20D are rotated around the Z-axis and stopped at a certain rotation angle φ (= 2π / 2n (rad): n is a natural number), and the earth rotation angular velocity in the XY plane (15 ° / h) Measure horizontal and vertical components and tilt angle. By rotating the turntable once, 2n measured values ω_Xi(I = 1 to 2n) is obtained and at the same time 2n measured values A_Xi(I = 1 to 2n) is obtained. Of these measured values, attention is paid to data in which the rotation angles φ are different from each other by π (= 180 °).
[0053]
For example, the output signal of the X gyro 11G at the rotation angle φ is ω_Xi(I = 1 to 2n) and the output signal of the X gyro 11G in the case of the rotation angle φ + π is ω_{Xi + n}Then, these are expressed as follows.
[0054]
[Equation 9]

A here_Xi, A_{Xi + n}Are inclination angles around the Y axis of the X gyro 11G with respect to the horizontal plane H when the rotation angles of the turntable are φ and φ + π, respectively. These two inclination angles A_Xi, A_{Xi + n}There is the following geometric relationship between them.
[0055]
[Expression 10]

Substituting this equation (7) into the above equation (6) and transforming it yields the following relational expression.
[0056]
## EQU11 ##

The following relational expression is obtained from these expressions.
[0057]
[Expression 12]

Thus, the drift U of the X gyro 11G_XCan be requested.
[0058]
Next, the output signal A of the X accelerometer 11A_XBias ΔA included in_XDetects true Y_GSInclination angle A 'around the axis_XThe principle of detecting will be described.
[0059]
The turntables 20C and 20D are rotated around the Z-axis and stopped at a certain rotation angle φ (= 2π / 2n (rad): n is a natural number), and the earth rotation angular velocity in the XY plane (15 ° / h) Measure horizontal and vertical components and tilt angle. By rotating the turntable once, 2n measured values ω_Xi(I = 1 to 2n) is obtained and at the same time 2n measured values A_Xi(I = 1 to 2n) is obtained. As in the case of obtaining the gyro drift, paying attention to data in which the rotation angle φ is different from each other by π (= 180 °) in these measured values, the output signal of the X accelerometer 11A in the case of the rotation angle φ is A_Xi(I = 1 to 2n), the output signal of the X accelerometer 11A in the case of the rotation angle φ + π is A_{Xi + n}Then, these are expressed as follows.
[0060]
[Formula 13]

A ’here_Xi, A ’_{Xi + n}Is the bias ΔA as described above._XWhen the rotation angle of the turntable is φ and φ + π, the Y of the X gyro 11G with respect to the horizontal plane H is respectively_GSThe tilt angle around the axis. These two inclination angles A '_Xi, A ’_{Xi + n}There is a relationship of the expression (7). Therefore, the following relational expression is obtained from the expression (9).
[0061]
[Expression 14]

Therefore, when the rotation angle of the turntable is φ, true Y_GSInclination angle A 'around the axis_XiAnd the bias ΔA of the X accelerometer 11A_XIs represented by the following equation.
[0062]
[Expression 15]

The tilt angle measured when the rotation angle φ of the turntables 20C and 20D is 90 ° becomes the roll tilt angle Ar of the moving body, and the tilt angle measured when the rotation angle φ = 0 ° of the turntable is It becomes the pitch inclination angle Ap of the moving body.
[0063]
According to the present embodiment, 2n sets of measured values ω are obtained by rotating the turntables 20C and 20D once._XiAt the same time that (i = 1 to 2n) is obtained, 2n measured values A_Xi(I = 1 to 2n) is obtained. Accordingly, there are n sets of measurement values in which the rotation angles φ of the turntables 20C and 20D differ from each other by 180 °. n sets of measured values to n sets of U_X, ΔA_XIs obtained. By calculating these average values, more accurate data U_X, ΔA_XThe value of is obtained. A ’_XThe pitch inclination angle Ap and the roll inclination angle Ar, which are the attitude angles of the gyro device, can be calculated from the rotation angle φ of the turntable.
[0064]
The operation of the calculation unit 3 will be described with reference to FIG. The rotation control unit 71 determines that the rotation angle φ of the turntable is the set rotation angle φ._SThe azimuth servo motor 22 is controlled so as to be equal to. The rotation control unit 71 sets the set rotation angle φ generated by the sequencer unit 72._SThe direction servo motor 22 is operated based on the command signal. The azimuth servo motor 22 operates to rotate the turntables 20C and 20D around the rotation axis. The direction transmitter 13Y detects the rotation angle φ of the turntable and outputs it to the rotation control unit 71. The output signal φ of the bearing transmitter 13Y is the set rotation angle φ_SIs equal to the rotation angle φ of the turntables 20C and 20D._SIs stored as the rotation angle of the turntable.
[0065]
That is, the data measurement storage unit 73 sets the set rotation angle φ of the turntable._SAnd the output signal ω of the X gyro 11G_X, And the tilt angle A output from the X accelerometer 11A_XThe data of (clockwise is set to +) is stored. Next, the sequencer unit 72 sets a new set rotation angle φ_S= Φ_SA signal of + Δφ is generated and supplied to the rotation control unit 71. The rotation control unit 71 determines that the output signal φ of the direction transmitter 13Y is a new set rotation angle φ._SThe azimuth servo motor 22 is operated so as to be equal to.
[0066]
The output signal φ of the direction transmitter 13Y is a new set rotation angle φ._S, The data measurement storage unit 73 similarly stores the signals output from the X gyro 11G and the X accelerometer 11A and the rotation angle data of the turntable.
[0067]
In this way, the data measurement information section 73 sets the set rotation angle φ_SFor each data ω_Xi, A_Xi(I = 1 to 2n) are sequentially stored. A large number of data φ stored in the data measurement storage unit 73_i, Ω_Xi, A_Xi(I = 1 to 2n) are sequentially supplied to the azimuth calculation unit 74 and the drift / bias calculation unit 75.
[0068]
The drift / bias calculator 75 uses the equations (8) to (11) to calculate the gyro drift U_X, Inclination angle A '_X, Accelerometer bias ΔA_XAnd the attitude angles Ap, Ar are calculated, and the azimuth calculation unit 74 is a gyro drift U_X, Inclination angle A '_X, And accelerometer bias ΔA_XUsing (3) to (5), the azimuth φ of the moving object is calculated. Thus, since the azimuth φ can be obtained only from the X gyro 11G, the X accelerometer 11A, and the Z accelerometer 13A, the sensor unit 1 can be reduced in size, the casing 50 can be reduced in diameter, and the price can be reduced. Can be configured.
[0069]
(Second Embodiment)
Next, the gyro device 100 according to the second embodiment and the azimuth angle detection method using the gyro device 100 will be described with reference to FIGS. As described above, the gyro device 100 does not output the azimuth angle continuously like a gyro compass, but the X gyro 11G on the turntable 20C is rotated at a certain rotation angle φ (= 2π / 2n ( rad): n is a natural number), and the horizontal component, vertical component and tilt angle of the earth rotation angular velocity (15 ° / h) in the XY plane are measured. As a result of the azimuth measurement, the pitch inclination angle Ap and the roll inclination angle Ar are detected. That is, even if measurement is continuously performed a plurality of times, measurement results can be obtained intermittently at regular time intervals. FIG. 9 shows an example of the distribution of the azimuth measurement results obtained a plurality of times. Since the physical quantity of the earth rotation angular velocity is measured every time and the azimuth is calculated, and the individual measurement results are independent, the population of the azimuth measurement results has a normal distribution N (μ, σ²) Where μ is the mean value of the population and σ²Is distributed.
[0070]
Azimuth measurement is performed m times and the measurement result Φ₁, Φ₂... Φ_mSuppose that Sample mean Φ_AVIs
[0071]
[Expression 16]

This sample mean Φ_AVIs the mean value μ and variance σ²/ M normal distribution N (μ, σ²/ M)
[0072]
[Expression 17]

Follows a normal distribution N (0,1) with an average value of 0 and a variance of 1. Thus, for example, the confidence interval with probability 0.95 is obtained from the normal distribution table,
[0073]
[Expression 18]

And this is
[0074]
[Equation 19]

It becomes. This means that if σ is already known, it is possible to estimate the interval that μ is included in this interval with a probability of 0.95 by obtaining an average value of m orientation measurement results. Means.
[0075]
As the reliability, any value such as 0.9, 0.99... Can be selected from the normal distribution table. When the number of measurement times n is small (statistically n <30), the interval estimation is performed according to the t distribution.
[0076]
In the method according to this embodiment, by defining the standard deviation σ of the gyro device as known in advance, the average number m of the measurement results at the measurement position is within the desired measurement accuracy range m. Can be obtained by a statistical method using equation (13), equation (14), or a similar equation. FIG. 10 is a graph showing the relationship between the number of measurements with a reliability of 0.95 and the error according to the standard deviation.
[0077]
As shown in FIG. 8, the calculation unit 3 of the present embodiment includes a rotation control unit 71, a sequencer unit 72, a data measurement storage unit 73, an azimuth calculation unit 74, a drift / bias calculation unit 75, and its gyro. A standard deviation storage unit 76 for storing the relationship between the number of measurements m at a predetermined reliability and the error ΔΦ with the standard deviation σ of the apparatus 100. The standard deviation σ is obtained in advance from a plurality of azimuth angle measurement results. When the desired error range is set, the standard deviation storage unit 76 calculates the number of times of measurement m from the equation (13), the equation (14), or a similar equation, and outputs it to the sequencer unit 72. Control is performed so that the turntable is measured m times from the number of measurements m. Automatic azimuth measurement is performed m times, and the average value Φ_AVIs calculated.
[0078]
Or the standard deviation memory | storage part 76 can also memorize | store the relationship between the frequency | count m of measurement in each reliability, and error (DELTA) (PHI), and if a desired reliability and error range are set, the standard deviation memory | storage part 76 will be (13). The number of times of measurement m is calculated from the equation (14) or a similar equation, and is output to the sequencer unit 72 so that the sequencer unit 72 controls the turntable to measure m times from the number of times of measurement m. It may be. Alternatively, when the number of measurements is set, the standard deviation storage unit 76 may output an error range corresponding to the set number of measurements at a predetermined reliability. Thereby, the person in charge of measurement can know accurate measurement accuracy.
[0079]
According to the azimuth angle detection method according to the present embodiment, a desired measurement accuracy (confidence interval) can be improved with the minimum number of measurements without improving the performance of the sensor unit 1 of the gyro apparatus 100.
[0080]
The azimuth angle detection method according to the present embodiment is effective for a gyro device with a short measurement time regardless of structural differences such as one or a plurality of turntables of the gyro device. The measurement time is 10 minutes or less, desirably 5 minutes or less.
[0081]
(Third embodiment)
Next, a moving body position calculation method for obtaining the position of the moving body by attaching the sensor unit 1 of the gyro apparatus 100 to a moving body such as an underground excavator will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 4, the moving body such as the underground excavator 200 inserts the pipe 203 from the main pushing device 202 into the excavation hole and excavates the excavation device at the tip, and advances. When the excavation is excavated to the length of the pipe 203 by the stroke of the main pushing device 202, the operation is stopped, the stroke is returned, a new pipe 203 is connected, and excavation is repeated. As information obtained at this time, the azimuth angle, pitch inclination angle Ap and roll inclination angle Ar measured by the gyro apparatus 100 at each measurement point when excavation is stopped, and the movement amount of the pipe 203 obtained from the main pushing apparatus 202 (that is, Insertion stroke).
[0082]
FIG. 12 shows the origin and measurement point P.₀, P₁, P₂... P_MAnd the moving amount l of the moving body for each measurement₁, L₂... l_MThe locus formed by is shown. The origin O is provided at the origin of position calculation. To simplify the explanation, the X axis in FIG. 12 is aligned in the meridian direction along the horizontal plane, the Y axis is aligned in the latitude direction, and the measurement point P₀, P₁, P₂... P_MIs a two-dimensional arrangement assumed to exist on a horizontal plane.
[0083]
Each measurement point P₀, P₁, P₂... P_MThe coordinates of (x₀, Y₀), (X₁, Y₁), (X₂, Y₂), ..., (x_M, Y_M) And the azimuth angle at each measurement point is Φ₁, Φ₂, ..., Φ_MAnd The coordinates of each measurement point (x_i, Y_i) Is expressed as follows.
[0084]
[Expression 20]

Here, the movement amount l in actual excavation₁, L₂... l_MIs a constant interval, the equation (15) is expressed as follows.
[0085]
[Expression 21]

L (= l₁+ L₂+ ... + l_M) Is the total amount of movement. The drilling trajectory of the actual underground excavator is the azimuth angle Φ₁, Φ₂, ..., Φ_MIs small enough, x_i>> y_iIn many cases. Therefore, for easy understanding, when this approximation is applied to the equation (16), (x_M, Y_M) Can be approximated as follows:
[0086]
[Expression 22]

Where Φ_aIs the X axis and P_MThe angle formed by O. That is, the integrated value of the change in azimuth is the final measurement point P_MAnd the angle formed by the X axis.
[0087]
Azimuth Φ₁, Φ₂, ..., Φ_MMeasurement error included in₁, ΔΦ₂..., ΔΦ_MThen, the equation (17) is expressed as follows.
[0088]
[Expression 23]

The position error due to azimuth measurement is expressed by y in equation (18)._MThis is the second term. That is, the azimuth angle Φ at each measurement point₁, Φ₂, ..., Φ_MMeasurement error included in₁, ΔΦ₂..., ΔΦ_MThe final position error ε is the product of the integrated value of L and the total movement amount L._MAngle Φ formed by O_aAngle error of ΔΦ_aAnd the total amount of movement L can be obtained as follows.
[0089]
[Expression 24]

Where Δx_M, Δy_MIs the coordinate (x_M, Y_M) Position error. Angle error ΔΦ_aAnd measurement error ΔΦ₁, ΔΦ₂..., ΔΦ_MIs expressed as follows from the equation (18).
[0090]
[Expression 25]

The error average of M measurements is the angle error ΔΦ_aIf this is the desired position error, this is the same format as the equation (12) shown in the azimuth angle detection method described with reference to FIG._aIs the measurement error ΔΦ₁, ΔΦ₂..., ΔΦ_MIt shows that it is the sample average of. Therefore, as described above, ΔΦ_aIs the mean value μ and variance σ²/ M N (μ, σ²/ M),
[0091]
[Equation 26]

Follows a normal distribution N (0,1) with an average value of 0 and a variance of 1. Thus, for example, the confidence interval with probability 0.95 is obtained from the normal distribution table,
[0092]
[Expression 27]

And this is
[0093]
[Expression 28]

It becomes. This means that if σ is already known, it is possible to estimate a section that μ is included in this section with a probability of 0.95 by obtaining an average value of M orientation measurement results. Means.
[0094]
As the reliability, any value such as 0.9, 0.99... Can be selected from the normal distribution table. When the number of M measurements is small (statistically, M <30), the section estimation is performed according to the t distribution.
[0095]
In the method according to the present embodiment, the standard error σ of the gyro device is previously defined as known, so that the angle error ΔΦ that is within the position error desired by the mobile object._aCan be obtained from the equation (19), and the minimum number M of times of measurement can be obtained by a statistical method using the equation (20), the equation (21), or a similar equation. FIG. 13 is a graph showing the relationship between the number of measurements with a reliability of 0.95 and the position error when the standard deviation = 0.35 when the excavation distance is variously changed.
[0096]
As shown in FIG. 11, the calculation unit 3 of the present embodiment includes a rotation control unit 71, a sequencer unit 72, a data measurement storage unit 73, an azimuth calculation unit 74, a drift / bias calculation unit 75, and its gyroscope. A standard deviation storage unit 77 for storing the relationship between the number of measurements M at a predetermined reliability and the position error ε with the standard deviation σ of the apparatus 10; When a desired error range is set, the standard deviation storage unit 77 calculates the number of times of measurement M.
[0097]
Or the standard deviation memory | storage part 77 can also memorize | store the relationship between the frequency | count M of measurement in each reliability, and error (DELTA) (PHI), and if a desired reliability and error range are set, the standard deviation memory | storage part 77 will be (20). You may make it calculate the frequency | count M of a measurement from Formula, (21) Formula, or a similar formula. Alternatively, when the number of times of measurement is set, the standard deviation storage unit 77 may output an error range corresponding to the set number of times of measurement with a predetermined reliability. Thereby, the person in charge of measurement can know accurate measurement accuracy.
[0098]
Although the above description has been given in a two-dimensional arrangement for the sake of simplicity, each measurement point P₀, P₁, P₂... P_MThe coordinates of (x₀, Y₀, Z₀), (X₁, Y₁, Z₁), (X₂, Y₂, Z₂), ..., (x_M, Y_M, Z_M) And the azimuth angle at each measurement point is Φ₁, Φ₂, ..., Φ_M, Pitch inclination angle Ap, Ap₁, Ap₂... Ap_M, Roll inclination angle Ar, Ar₁, Ar₂... Ar_MThus, the relationship between the three-dimensional position error and the number of measurements can be calculated in the same manner. Detailed description is omitted here.
[0099]
According to the azimuth angle detection method according to the present embodiment, it is possible to improve the desired position accuracy (reliability interval) with the minimum number of measurements without improving the performance of the sensor unit 1 of the gyro apparatus 100.
[0100]
The position calculation method according to the present embodiment is effective for a gyro device with a short measurement time regardless of structural differences such as one or a plurality of turntables of the gyro device. The measurement time is 10 minutes or less, desirably 5 minutes or less.
[0101]
(Fourth embodiment)
By the way, in the gyro device of the present invention, since it is a measurement method of detecting the direction from a microphysical quantity such as the earth rotation angular velocity and the gravitational acceleration, it is necessary to measure while stationary, and disturbance such as slight vibration during the direction measurement. Will add bearing measurement error. Therefore, a determination method for determining whether or not the camera is stationary during the azimuth measurement and determining the measurement accuracy and a gyro apparatus having the determination function will be described.
[0102]
As described above, the gyro apparatus 100 stops the X gyro 11G on the turntable 20C at a certain rotation angle φ (= 2π / 2n (rad): n is a natural number) around the Z axis, and the earth in the XY plane. By measuring the horizontal and vertical components and the tilt angle of the rotation angular velocity (15 ° / h), and by rotating the turntable once, 2n measured values ω_Xi(I = 1 to 2n) and 2n measured values A_Xi(I = 1 to 2n) is obtained. Among these measured values, data having rotation angles φ different from each other by π (= 180 °) are used, and the drift U of n X gyros 11G from the equations (8) and (11)._Xj(J = 1 to n) and the bias ΔA of the X accelerometer 11A_Xj(J = 1 to n) is obtained.
[0103]
If azimuth measurement is possible without disturbance such as vibration during azimuth measurement in which the turntable makes one rotation, drift U_XjAnd bias ΔA_XjThe following relational expression holds.
[0104]
[Expression 29]

However, if a disturbance is applied during azimuth measurement, the relationship of equation (22) does not hold, and a difference occurs in each data. Therefore, the maximum value of the difference between each data or the standard deviation of n pieces of data is obtained, and if it is less than a certain threshold value, it can be determined that the measurement is normally performed without adding disturbance during the measurement.
[0105]
Average bias ΔA of X accelerometer 11A_XAV, Bias standard deviation ΔA_XstdAnd maximum bias difference ΔA_XmaxThe calculation formula is as follows.
[0106]
[30]

Where ΔA_1XlimIs the standard deviation threshold, ΔA_Xmax, ΔA_XminIs ΔA_Xj(j = 1 to n) are the maximum and minimum values, and ΔA_2XlimIs a threshold for determining the maximum difference.
[0107]
Also, the average value U of the drift of the X gyro 11G_XAVStandard deviation of drift U_XstdAnd drift maximum difference ΔU_XmaxThe calculation method is as follows.
[0108]
[31]

Where U_1XlimIs the standard deviation threshold, U_Xmax, U_XminU_XjThe maximum and minimum values (j = 1 to n), and U_2XlimIs a threshold for determining the maximum difference.
[0109]
These ΔA_1Xlim, ΔA_2Xlim, U_1Xlim, U_2XlimThe threshold value depends on the bias stability of the X gyro 11G and the X accelerometer 11A, the operating environment of the gyro apparatus, and the usage method, but can be easily obtained from experiments. All of these thresholds can be used, but one or more arbitrary thresholds can also be used.
[0110]
As shown in FIG. 14, the calculation unit 3 of the present embodiment includes a rotation control unit 71, a sequencer unit 72, a data measurement storage unit 73, an azimuth calculation unit 74, a drift / bias calculation unit 75, and a measurement thereof. And a measurement accuracy determination unit 78 for determining accuracy. The measurement accuracy determination unit 78 includes ΔA_1Xlim, ΔA_2Xlim, U_1Xlim, U_2XlimIf at least one of the thresholds of the above is set by experiment in advance, the inequality of the equation (23) or (24) is determined to be true and false, and any or all of the inequalities are true, If there is vibration or movement during measurement, or if all of the inequalities are false, a judgment signal is displayed to indicate that vibration and movement did not exist during measurement. Output.
[0111]
Although examples of the present invention have been described above, it will be understood by those skilled in the art that the present invention can be modified in various ways within the scope of the invention described in the claims. Here, the action of the accelerometer used is equal to the action of the inclinometer, and it is added for the sake of safety that the accelerometer in this specification is a concept including an inclinometer.
[0113]
【The invention's effect】
  BookAccording to the invention, properNumber of measurements andProper azimuth detection in measurement timeOr position detectionAzimuth measurement with high reliabilityOr position measurementIt can be performed.
[0116]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a main part of a gyro device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the overall configuration of a gyro apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration example of a calculation unit of the gyro device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example of an underground excavator to which the gyro device according to the embodiment of the present invention is attached.
FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining a rotation angular velocity vector of the earth.
FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining a component of an earth rotation angular velocity detected by an X gyro;
FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining the components of the rotation angular velocity vector of the earth detected by the X and Y gyros when the gyro device is tilted.
FIG. 8 is a block diagram illustrating a configuration example of a calculation unit of a gyro device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a graph showing an example of a distribution of azimuth measurement results of the gyro device according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the number of measurements and an error of the gyro device according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a block diagram illustrating a configuration example of a calculation unit of a gyro device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 12 shows the origin and measurement point P of a moving body to which a gyro device according to a third embodiment of the present invention is attached.₀, P₁, P₂... P_MAnd the moving amount l of the moving body for each measurement₁, L₂... l_MIt is a graph which shows the locus | trajectory formed by.
FIG. 13 is a graph showing the relationship between the number of measurements and the position error of the gyro device according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a block diagram illustrating a configuration example of a calculation unit of a gyro device according to a fourth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Sensor part
3 Calculation unit
10 base
11A, 13A accelerometer
11G gyro
13Y bearing transmitter
20C, 20D turntable
22 Azimuth servo motor (drive device)
71 Rotation control unit
73 Data measurement storage
74 Direction calculator
75 Drift / Bias Calculator
78 Measurement accuracy judgment unit
100 Gyro device
200 Underground excavator (moving body)

Claims (3)

A base parallel to the axis X-axis, a rotary base arranged rotatably on the base, the rotary axis parallel to the Z-axis perpendicular to the X-axis, and rotation of the rotary base mounted on the rotary base A sensor unit including one or more gyros having an input axis perpendicular to the axis and one or more accelerometers, an azimuth transmitter for detecting a rotation angle of the turntable, and a driving device for rotating the turntable An arithmetic unit that calculates the orientation of the base from the signal output from the sensor unit,
The calculation unit includes a rotation control unit that controls the driving device, a data measurement storage unit that stores outputs of the gyro and the accelerometer using a rotation angle of a turntable as a parameter, and an output from the data measurement storage unit. In a gyro apparatus having an azimuth calculation unit for calculating the azimuth of a table,
Previously, a plurality of times azimuth measurement result of the gyro device and standard deviation are defined and determined on the basis of statistical methods from the standard deviation is the definition, the azimuth measurement result is measured have you the measurement position The relationship between the average measurement error and the minimum number of measurements is stored, and based on the stored relationship , the minimum number of measurements that falls within the set desired measurement error is specified or set. A standard deviation storage unit that identifies measurement errors from the number of measurements
The average value of each azimuth measurement result of the specified minimum measurement count and azimuth measurement performed at the measurement position is obtained, or the azimuth measurement performed at the set measurement count and measurement position. A gyro apparatus characterized by obtaining an average value of each azimuth measurement result and outputting the specified measurement error corresponding to the set number of measurements . A base parallel to the axis X-axis, a rotary base arranged rotatably on the base, the rotary axis parallel to the Z-axis perpendicular to the X-axis, and rotation of the rotary base mounted on the rotary base A sensor unit including one or more gyros having an input axis perpendicular to the axis and one or more accelerometers, an azimuth transmitter for detecting a rotation angle of the turntable, and a driving device for rotating the turntable An arithmetic unit that calculates the orientation of the base from the signal output from the sensor unit,
The calculation unit includes a rotation control unit that controls the driving device, a data measurement storage unit that stores outputs of the gyro and the accelerometer using a rotation angle of a turntable as a parameter, and an output from the data measurement storage unit. An azimuth angle detection method for obtaining an azimuth angle of a base with respect to a meridian using a gyro device having an azimuth calculation unit for calculating the azimuth of a table,
Define the standard deviation from the azimuth angle measurement results of the gyro device multiple times in advance.
The calculated based on statistical methods from the defined standard deviation, and stores the measurement error of the mean of the azimuth measurement result is measured have you in the measurement position, the relationship between the minimum number of measurements,
Based on the stored relationship, specify the minimum number of measurements that is within the set desired measurement error, or specify the measurement error from the set number of measurements ,
Execute azimuth measurement at the specified minimum number of measurement times and measurement position, and obtain an average value of each azimuth measurement result, or execute azimuth measurement at the set number of measurement times and measurement position, An azimuth angle detection method characterized by obtaining an average value of each azimuth angle measurement result and outputting the specified measurement error corresponding to a set number of measurements . A base parallel to the axis X, a sensor unit including one or more gyros and one or more accelerometers mounted on the base, and a direction of the base from a signal output from the sensor unit A calculation unit that calculates, the calculation unit includes a data measurement storage unit that stores the outputs of the gyro and the accelerometer, and an azimuth calculation unit that calculates the azimuth of the base by the output from the data measurement storage unit And a position calculation method for determining the position of the moving body from the traveling azimuth angle measured for each moving distance of the moving body and the moving distance using a gyro device having a base mounted on the moving body. ,
Define the standard deviation from the azimuth angle measurement results of the gyro device multiple times in advance.
The relationship between the position error of the moving body obtained using the measured azimuth angle measurement result obtained from the defined standard deviation based on a statistical method and the minimum number of measurements is stored.
Based on the stored relationship, specify the minimum number of measurements that falls within the set desired position error, or specify the position error from the set number of measurements ,
The specified minimum number of measurement times and azimuth angle measurement are performed, and the position is obtained from each azimuth angle measurement result, or the set number of measurement times and azimuth angle measurement is performed, and from each azimuth angle measurement result A position calculation method characterized by obtaining a position and outputting the specified position error corresponding to a set number of measurements .

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