JP4629895B2 - Gyrocompass device - Google Patents

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泰雄 高田
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地下又は水中の物体のように人が接近することが困難な物体又は移動体の位置を検出するのためのジャイロコンパス装置に関し、特に、下水道管等の比較的小さな径の管を推進工法によって敷設する場合に使用して好適なジャイロコンパス装置及び方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
下水管等の比較的小さな径の管を地下に敷設する場合、地中を掘り進みながら同時に管を配置する推進工法が知られている。この工法では、配管の始点と終点で地面に縦穴を掘削するが、配管に沿って地面を掘り起こす必要がないため、交通を妨害しない等の利点がある。
【0003】
図9を参照して、推進工法及びそれに使用される掘削装置の例を説明する。この掘削装置は、先端に掘削刃201を有する先導管202と、先導管202の後端に装着された案内部材203と、多数の連接したヒューム管210A、210B、210C、210Dと、元押し装置220とを有する。元押し装置220は配管の始点の縦穴に配置される。ヒューム管内には、作泥材供給管205、土砂排出管206及び土砂排出ポンプ207が配置されている。
【0004】
掘削刃によって横穴を掘削するとき、掘削刃201の先端には作泥材供給管205より作泥材、例えば水が噴出される。掘削された土砂は、止水性土砂と流動性土砂(スラリー)に分離し、流動性土砂は、土砂排出ポンプ207によって汲み上げられ、土砂排出管206を経由して外部に排出される。
【0005】
図9Aは所定の位置まで掘り進み、先導管202の背後にヒューム管列210A、210B、210C、210Dが配置された状態を示す。尚、掘削の開始時には、元押し装置220には先導管202のみが配置される。図9Bは、この状態より、1個のヒューム管の長さに相当する寸法だけ掘り進んだ状態を示す。元押し装置220によってヒューム管列210A、210B、210C、210Dを前方に押しながら、掘削刃201によって掘削する。それによって、先導管及びヒューム管列全体が前進する。次に、図9Cに示すように、元押し装置220のピストンを後退させ、最後端のヒューム管210Dの後端に次のヒューム管210Eを配置する。
【0006】
これを繰返し、終点の縦穴に先導管202が到着すると、先導管202、作泥材供給管205、土砂排出管206及び排出ポンプ207を回収する。それによって、始点から終点までヒューム管によって形成された配管が完成する。
【0007】
先導管にはジャイロコンパス装置が設けられ、常に、現在位置が検出される。現在位置が予定の位置より偏倚すると、進行方向の修正がなされる。掘削方向を変化させることによって、先導管の進行方向を調節することができる。こうして、先導管の進行方向を調節しながら掘削することによって、始点から終点まで正確な配管が敷設される。
【0008】
近年、推進工法によって比較的長い距離に亘って配管を敷設する場合が多い。このような場合、進行方向の僅かな誤差でも、終点における誤差が大きくなる。例えば、先導管の進行方向が予定進路より1度ずれた状態で、100m掘り進むと、終点では予定進路より約1.74mずれる。通常、誤差は数cm以内であることが望ましい。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
掘削装置の先導管のような地下又は水中の物体の位置を検出するために、ジャイロコンパス装置が使用される。ジャイロコンパス装置には、電磁波方式、ジャイロ等の様々な形式のものが使用されるが、小型且つ小口径で、精度が高く且つ価格が安いものがなかった。特に、振動、高温、高湿度の環境にて使用可能な小型且つ小口径のジャイロコンパス装置は価格が高い欠点があった。
【0010】
本発明は、小型且つ小口径で、測定精度が高く且つ価格が安いジャイロコンパス装置を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、ジャイロコンパス装置は、中心軸線を有する円筒状のケーシングと、該ケーシング内に配置された基台と、該基台に装着されXYZジャイロ、XYZ加速度計及び方位発信器を含むセンサ部と、コンパスモードでは上記センサ部から出力された信号を地球表面座標系の信号に変換する演算部と、測量モードでは上記センサ部から出力された信号より上記基台の方位、ジャイロのドリフト及び加速度のバイアスを演算するドリフト・バイアス演算部と、を有し、上記基台は上記中心軸線に沿って配置された複数の回転台と該複数の回転台を同期的に回転させるための駆動装置とを有し、上記センサ部はその入力軸線又は測定軸線が上記中心軸線に整合するように上記回転台に装着されている。
【0012】
本発明によると、上記XYZジャイロはTDG(チューンドドライジャイロ)より構成されている。
【0013】
本発明によると、上記演算部は上記基台に設けられた座標系より地球表面座標系に変換する座標変換マトリックスを演算する座標変換マトリックス演算部と該座標変換マトリックスを使用して地球表面座標系の加速度を演算するローカル加速度演算部と地球表面座標系の方位及び姿勢を演算するローカル方位姿勢演算部とを有する。
【0014】
本発明によると、上記ドリフト・バイアス演算部は、上記回転台の回転を制御する回転制御部と上記回転台の方位角をパラメータとして上記XYZジャイロ及びXYZ加速度計の出力を記憶するデータ計測記憶部と該データ計測記憶部からの出力より上記XYZジャイロ及びXYZ加速度計の出力のドリフト及びバイアスを演算する演算部と上記基台の方位を演算する方位演算部とを有し、上記回転台の複数の回転角における上記センサ部の出力より上記センサ部のバイアス及びドリフトを検出するように構成されている。
【0015】
本発明によると、上記円筒状のケーシングの外径は80mm以下である。
【0016】
【発明の実施の形態】
図1及び図2を参照して本発明のジャイロコンパス装置の例を説明する。本例のジャイロコンパス装置は、ケーシング50とケーシング内に収容された基台10と有する。ケーシング50は円筒部51と両端の円板部52を含む。本例によると、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。
【0017】
ケーシング50又は基台10に座標系を設定する。ケーシングの円筒部の中心軸線に沿ってx軸、基台10に平行にy軸、基台10に垂直にz軸をとる。このように設定した座標は、ジャイロコンパス装置を装着した移動体に設定した座標とみなすことができるから、これを以下に移動体座標と称する。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、地球表面の設けた座標をローカル座標又は局地座標と称する。ローカル座標とは、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軸、緯度方向にy軸、鉛直上方にz軸とする座標系である。
【0018】
本例のジャイロコンパス装置は更に、基台10に装着されたX加速度計11A、Y加速度計12A及びZ加速度計13Aと、Xジャイロ11G、Yジャイロ12G及びZジャイロ13Gと、方位発信器13Yとを有し、これらはジャイロコンパス装置のセンサ部を構成している。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。
【0019】
ジャイロとしてTDG(チューンドドライジャイロ)を使用してよい。TDGは互いに直交する2つの入力軸線を有するジャイロからなる。従って、TDGを用いる場合、XYジャイロからなる第1のジャイロとYZジャイロからなる第2のジャイロを用いる。Xジャイロとして第1のジャイロを使用し、Zジャイロとして第2のジャイロを使用する。Yジャイロとして、第1のジャイロを使用しても第2のジャイロを使用してもよいが、ここでは第1のジャイロを使用する。
【0020】
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20A、20Bが設けられ、第1のジャイロ、即ち、XYジャイロは第1の回転台20A上に装着され、X加速度計及びY加速度計は第2の回転台20B上に装着されている。図2の例では3つの回転台20C、20D、20Eが設けられ、第1のジャイロ、即ち、XYジャイロは第1の回転台20C上に装着され、X加速度計は第2の回転台20D上に装着され、Y加速度計は第3の回転台20E上に装着されている。方位発信器13Y(図1のみ図示、図2では省略されている。)は複数の回転台の少なくとも一つに装着されている。
【0021】
複数の回転台を回転させるために方位サーボモータが設けられ、方位サーボモータ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又はバックラッシュレスベルト伝動装置が使用される。全ての回転台は同期的に回転する、即ち、互いに同一の相対角にて同一方向に且つ同一回転速度にて回転する。従って、回転台の回転角を検出するために、上述のように、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。
【0022】
本例によると、回転台は一定の回転速度、例えば、10°/秒にて、±180°の回転角にて回転する。回転台の回転角が±180°に限定されているため、回転台に装着されたジャイロ、加速度計及び方位発信器からのケーブル又はワイヤが縺れることがない。図に示すように基台には演算部2、3を構成する回路基板が装着されている。
【0023】
本例によると、ジャイロコンパス装置のセンサ部を構成しているX、Y及びZ加速度計11A、12A、13A、X、Y及びZジャイロ11G、12G、13G及び方位発信器13Yは、ケーシング50の中心軸線上に即ちx軸上に又はx軸に整合して配置されている。回転台20A、20B、20C、20D、20Eの回転軸線はx軸上に配置されている。
【0024】
図3を参照して本例のジャイロコンパス装置の概要を説明する。ジャイロコンパス装置は、センサ部1と演算部2とドリフト・バイアス演算部3とを有する。センサ部1の構成は図1及び図2を参照して説明した。ここでは、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。X加速度計11A及びXジャイロ11Gは、その入力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、Y加速度計12A及びYジャイロ12Gは、その入力軸線が移動体座標系のy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、Zジャイロ13G及び方位発信器13Yは、その入力軸線が移動体座標系のz軸のの方向に整合するように配置される。
【0025】
X加速度計11Aは移動体座標系のx軸方向の加速度を検出し、Xジャイロは移動体座標系のx軸周りの角速度ωX を検出する。Y加速度計12Aは移動体座標系のy軸方向の加速度を検出し、Yジャイロ12Gは移動体座標系のy軸周りの角速度ωY 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し、Zジャイロ13Gは移動体座標系のz軸周りの角速度ωZ を検出する。方位発信器13Yは移動体の方位(x軸)に対する回転台20の回転角φを検出する。
【0026】
上述のように、第1及び第2のジャイロとしてTDGを使用する場合、Xジャイロ及びYジャイロは第1のジャイロに含まれ、Yジャイロ及びZジャイロは第2のジャイロに含まれるが、ここでは、別個のジャイロとして図示した。
【0027】
本例のジャイロコンパス装置は、移動体が移動している場合には、ストラップダウン方式のジャイロコンパスとして機能し、移動体が静止している場合には、測量コンパスとして機能する。即ち、本例のジャイロコンパス装置は、コンパスモードと測量モードの2つのモードにて作動することができる。
【0028】
本例のジャイロコンパス装置のセンサ部は、位置を測定すべき移動体に直接装着される。移動体は、例えば、掘削装置の先導体であってよい。ジャイロコンパス装置のセンサ部は、移動体の運動と共に運動し、移動体の方位及び姿勢と同一の方位及び姿勢をとる。このような構造は一般にストラップダウン方式と称される。
【0029】
本例のジャイロコンパス装置がストラップダウン方式のコンパスモードとして使用される場合には、演算部2はセンサ部1からの移動体座標系の出力信号を入力し、ローカル座標系の方位及び姿勢角を演算する。コンパスモードでは、回転台をコンパス周期と比べて十分短い時間で、±180°のローテーションをかけるため、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が得られる。従って、センサの温度及び経年変化による方位誤差を低減させることができる。尚、方位角及び姿勢角の演算に、ドリフト・バイアス演算部3より得られるジャイロのドリフト及び加速度計のバイアスを使用してもよい。
【0030】
本例のジャイロコンパス装置が静止状態にて測量モードとして使用される場合には、ドリフト・バイアス演算部3はジャイロのドリフト及び加速度計のバイアスを演算し、更に移動体の方位角及び姿勢角を演算し出力する。
【0031】
図4を参照して演算部2の構成及びストラップダウン方式のコンパスモードの動作を説明する。演算部2は座標変換マトリックス演算部(CTM演算部)201とローカル方位姿勢演算部202とローカル加速度演算部203とコンパス・修正演算部204を含む。CTM演算部201は、X、Y及びZジャイロから出力された移動体座標系の角速度を入力して座標変換マトリックス(CTM)を演算し出力する。上述のように、回転台の±180°のローテーションによって、X及びYジャイロの出力の誤差は除去されている。
【0032】
座標変換マトリックス(CTM)は、移動体座標をローカル(局地)座標に変換するための3×3行列である。CTMは既知でありここでは説明しない。詳細は例えば本願出願と同一の出願人によって平成5年1月6日に出願された特願平5−779号を参照されたい。
【0033】
ローカル加速度演算部203は、X、Y及びZ加速度計11A、12A、13Aから出力された移動体座標系の加速度と座標変換マトリックス(CTM)演算部201から出力された座標変換マトリックス(CTM)と方位発信器13Yから出力された回転台の回転角信号を入力して、ローカル座標系の加速度を演算する。
【0034】
コンパス修正演算部204はローカル加速度演算部203から出力されたローカル座標系加速度と方位発信器13Yから出力された回転台の回転角信号を入力してコンパスの制御演算及び方位角の修正演算をし、制御信号であるトルキング信号を生成し、それを座標変換マトリックス(CTM)演算部201へ出力する。
【0035】
ローカル方位姿勢演算部202は、座標変換マトリックス(CTM)演算部201から出力された演算結果よりローカル座標系の方位角と姿勢角(ロール角及びピッチ角)を演算する。こうして演算されたローカル座標系の方位角と姿勢角は、回転台の±180°のローテーションによってXYジャイロ及びXY加速度計の誤差が除去されている。
【0036】
図5、図6及び図7を参照して測量モードの動作を説明する。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PO とし、地球の自転軸線をOPN とする。地点Pの緯度λは∠POPO 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。
【0037】
地球の自転角速度ベクトルΩE は図示のように自転軸線OPN 方向を向いている。地球の自転角速度ベクトルΩE は、水平面H上で真北方向(矢印N)の水平成分HER(Horizontal Earth Rate)、即ち、ΩE cosλと、垂直成分(Vertical Earth Rate) 、即ち、ΩE sinλとに分解することができる。
【0038】
図6に示すように、地点Pの水平面H上にジャイロコンパス装置、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。移動体の方位角∠NPxをΦとする。Xジャイロの入力軸線をPXGS、Yジャイロの入力軸線をPYGS、Zジャイロの入力軸線をPZGSとする。
【0039】
移動体の方位Pxに対するXジャイロの入力軸線の回転角をφとする。回転台の回転角は、Xジャイロの入力軸線の回転角φに等しいと仮定する。Xジャイロの入力軸線の方位角∠NPXGSはΦ+φである。Yジャイロの入力軸線の方位角∠NPYGSはΦ+φ+90°である。
【0040】
Xジャイロは地球の自転角速度ベクトルΩE の入力軸線PXGS方向の成分を検出し、Yジャイロは地球の自転角速度ベクトルΩE の入力軸線PYGS方向の成分を検出し、Zジャイロは地球の自転角速度ベクトルΩE の入力軸線PZGS方向の成分を検出する。従って、X、Y、Zジャイロの出力ωX 、ωY 、ωz は次のように表わされる。
【0041】
【数1】
ωX =ΩE cos λ cos( Φ+φ) +UX
ωYΩE cos λ sin( Φ+φ) +UY
ωZ =−ΩE sin λ+UZ
【0042】
ここに、ΩE は地球の自転角速度、λは緯度である。Φは移動体の方位、即ち、x軸の子午線に対する回転角、φは移動体の方位に対するXジャイロの回転角、UX 、UY 、UZ はそれぞれジャイロのドリフトである。Zジャイロの出力ωz に負号が付いているのは、入力軸線の方向がz軸の負の方向を向くように、Zジャイロを装着したからである。尚、本例では、y軸周りの回転角速度及びx軸周りの回転角速度はゼロ、即ち、dθ/dt=0、dσ/dt=0とする。
【0043】
上述の例はジャイロコンパス装置、即ち、移動体が水平面H上に配置されている場合であるが、移動体が傾斜した場合を考察する。移動体がXジャイロの入力軸線PXGS周りに回転角σだけ回転偏倚した場合を考察する。
【0044】
図7を参照して説明する。図7はXジャイロの入力軸線PXGS及びYジャイロの入力軸線PYGSによって形成される面を示す。X、Y、Zジャイロの出力ωX 、ωY 、ωZ は次のように表わされる。
【0045】
【数2】
ωX =ΩE cos λ cos( Φ+φ) +UX
ωY =−ΩE sin λ sinσΩE cos λ sin( Φ+φ)cosσ+mg sinσ+qg cosσ+UY
ωZ =−ΩE sin λ cosσ−ΩE cos λ sin( Φ+φ)sinσ−mg cosσ+qg sinσ+UZ
【0046】
ここに、σは水平面Hに対する移動体の入力軸線PXGS周りの傾斜角である。傾斜角σはY加速度計によって検出される。mgはジャイロロータの重心の偏倚に起因するマスアンバランス、qgは相手軸の入力角速度変化に起因するクロストーク量である。これらはTDG特有の誤差である。X、Y、Zジャイロの出力ωX 、ωY 、ωZ より移動体の方位角Φを求めるためには、ジャイロのドリフトUX 、UY 、UZ を求める必要がある。以下に、ジャイロのドリフトUX 、UY 、UZ を求める方法を説明する。
【0047】
回転台を一定の回転角度Δφ=2π/n毎に(例えば、n=6として60°毎に)回転させては停止し、3つのジャイロの出力信号ωX 、ωY 、ωZ 及びY加速度計の出力信号σを測定する。回転台を1回転させることによってn組の測定値ωXi、ωYi、ωZi、σi (i=1〜n)が得られたものとする。これらの測定値のなかで、回転角φが互いに180°異なるデータに注目する。例えば、回転角φの場合のX、Y、Zジャイロの出力信号をωX1、ωY1、ωZ1、回転角φ+πの場合のX、Y、Zジャイロの出力信号をωX2、ωY2、ωZ2をとすると、これらは次のように表される。
【0048】
【数3】
ωX1=ΩE cos λ cos (Φ+φ) +UX
ωX2=ΩE cos λ cos (Φ+φ+π) +UX
【0049】
ωY1=−ΩE sin λ sinσ1 ΩE cos λ sin (Φ+φ)cosσ1+mg sinσ1 +qg cosσ1 +UY
ωY2=−ΩE sin λ sinσ2 ΩE cos λ sin (Φ+φ+π)cosσ2+mg sinσ2 +qg cosσ2 +UY
【0050】
ωZ1=−ΩE sin λ cosσ1 −ΩE cos λ sin( Φ+φ)sinσ1
−mg cosσ1 +qg sinσ1 +UZ
ωZ2=−ΩE sin λ cosσ2 −ΩE cos λ sin( Φ+φ)sinσ2
−mg cosσ2 +qg sinσ2 +UZ
【0051】
ここにσ1 、σ2 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に対する移動体又は基台10のXジャイロの入力軸線周りの傾斜角である。この2つの傾斜角σ1 、σ2 の間には、幾何学的に次のような関係がある。
【0052】
【数4】
σ1 =−σ2
【0053】
これを数3の式に代入して変形すると次の関係が得られる。
【0054】
【数5】
ωX1=ΩE cos λ cos( Φ+φ) +UX
ωX2=−ΩE cos λ cos( Φ+φ) +UX
【0055】
ωY1=−ΩE sin λ sinσ1 ΩE cos λ sin( Φ+φ) cos σ1+mg sinσ1 +qg cosσ1 +UY
ωY2=ΩE sin λ sinσ1 ΩE cos λ sin( Φ+φ) cos σ1−mg sinσ1 +qg cosσ1 +UY
【0056】
ωZ1=−ΩE sin λ cosσ1 −ΩE cos λ sin( Φ+φ) sin σ1
−mg cosσ1 +qg sinσ1 +UZ
ωZ2=−ΩE sin λ cosσ1 +ΩE cos λ sin( Φ+φ) sin σ1
−mg cosσ1 −qg sinσ1 +UZ
【0057】
これらの6個の式より、6個の未知数UX 、UY 、UZ 、mg、qg、Φを求めることができる。先ず、これらの式より次の関係式が求められる。
【0058】
【数6】
ωX1+ωX2=2UX
ωX1−ωX2=2ΩE cos λ cos( Φ+φ)
ωY1+ωY2=2UY +2qg cosσ1
ωY1−ωY2=2ΩE 〔−sin λ sinσ1 cos λ sin( Φ+φ) cos σ1 〕+2mg sinσ1
ωZ1+ωZ2=−2ΩE sin λ cosσ1 −2mg cosσ1 +2UZ
ωZ1−ωZ2=−2ΩE cos λ sin( Φ+φ) sin σ1 +2qg sinσ1 +2UZ
【0059】
次にこれらの6個の式より、6個の未知数UX 、UY 、UZ 、mg、qg、Φを求めることができる。
【0060】
【数7】
X =(ωX1+ωX2)/2
Y =(ωY1+ωY2)/2−qg cosσ1
Z =(ωZ1+ωZ2)/2+ΩE sin λ cosσ1 +mg cosσ1
Φ= cos-1〔(1/2ΩE )(ωX1−ωX2)〕/(cosλ) 〕−φ
qg=〔(ωY1+ωY2)/2−UY 〕/cos σ1
mg=(ΩE /sin σ1 )〔−sin λ sinσ1 +cos λ sin( Φ+φ) cos σ1 〕−(ωY1−ωY2)/2sin σ1
【0061】
移動体の方位角ΦはXジャイロの出力ωX (数6の式の第2式)より求めた。本例のように、Xジャイロの入力軸線の傾斜がゼロの場合にはそれでよい。しかしながら、Xジャイロの入力軸線の傾斜がゼロでない場合には、Yジャイロの出力ωY (数6の式の第4式)より求める。
【0062】
【数8】
Φ= sin-1−[{(ωY1−ωY2)−2mg sinσ1 }/2ΩE +sin
λ sinσ 1 /cos λ cosσ1 〕−φ
【0063】
ここで、簡略化のため、マスアンバランスmg及びクロストーク量qgを既知として無視すると次の関係が求められる。
【0064】
【数9】
X =(ωX1+ωX2)/2
Y =(ωY1+ωY2)/2
Z =(ωZ1+ωZ2)/2+ΩE sin λ cosσ1
Φ= sin-1{(1/2ΩE )(ωY1−ωY2)+sin λ sinσ1 }/(cosλcosσ1)〕−φ
【0065】
次にY加速度計の出力信号σに含まれるバイアスΔσを検出し、真のx軸周りの傾斜角σを検出する方法を説明する。同様に、回転台を一定の回転角度Δφ=2π/n毎に(例えば、n=6として60°毎に)回転させては停止し、Y加速度計の出力信号σM を測定する。回転台を1回転させることによってn組の測定値σMi(i=1〜n)が得られたものとする。これらの測定値のなかで、回転角φが互いに180°異なるデータに注目する。例えば、回転角φの場合のY加速度計の出力信号をσM1、回転角φ+πの場合のY加速度計の出力信号をσM2とすると次のように表される。
【0066】
【数10】
σM1=σ1 +Δσ
σM2=σ2 +Δσ
【0067】
ここに、σ1 、σ2 は上述のように、バイアスΔσがゼロの場合に、回転角がφの場合とφ+πの場合の回転台10のx軸周りの傾斜角である。この2つのx軸周りの傾斜角σ1 、σ2 の間には数4の式の関係がある。従って、数9の式より次の関係が得られる。
【0068】
【数11】
σM1−σM2=σ1 −σ2 =2σ1
σM1+σM2=σ1 +σ2 +2Δσ=2Δσ
【0069】
従って、回転台の回転角がφのとき真のx軸周りの傾斜角σ1 及びY加速度計のバイアスΔσは次の式によって表される。
【0070】
【数12】
σ1 =(σM1−σM2)/2
Δσ=(σM1+σM2)/2
【0071】
回転台の回転角がφのとき真のy軸周りの傾斜角θ1 及びX加速度計のバイアスΔθは同様な方法によって求められ、数12と同様な式によって与えられるがここでは詳細に説明しない。
【0072】
本例によると、回転台を1回転させることによってn組の測定値ωXi、ωYi、ωZi、σi 、θi (i=1〜n)が得られる。従って、回転台の回転角φが互いに180°異なる測定値はn/2組である。n/2組の測定値からn/2組のデータΦ、UX 、UY 、UZ 、σ1 、Δσ、Δθが得られる。従ってこれらの平均値又は最小二乗近似値を求めることによってより正確なΦ、UX 、UY 、UZ 、σ1 、Δσ、θ1 、Δθの値が得られる。
【0073】
図8を参照してドリフト・バイアス演算部3の構成及び動作を説明する。ドリフト・バイアス演算部3は回転制御部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と演算部75とを有する。
【0074】
回転制御部71は回転台の回転角φが設定回転角φS に等しくなるように機能する。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φS を方位サーボモータ22に供給する。方位サーボモータ22が作動して回転台が回転軸線周りに回転する。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φS に等しくなると、データ計測記憶部73は回転台のデータを計測して記憶する。
【0075】
データ計測記憶部73は、X、Y、Zジャイロの出力信号ωX 、ωY 、ωZ 、設定回転角φS =φ及びXY加速度計より出力された傾斜角θ、σ(時計方向を+とする。)を入力する。次にシークエンサ部72は新たな設定回転角φS =φS +Δφ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φS に等しくなるように、方位サーボモータを作動する。
【0076】
こうして、方位発信器13Yの出力信号φが新たな設定回転角φS に等しくなると、データ計測記憶部73はジャイロのデータを計測して記憶する。従って、データ計測記憶部73は設定回転角φS 毎のデータを記憶する。
【0077】
データ計測記憶部73は、設定方位角φS =φi 毎にデータωXi、ωYi、ωZ i 、σi 、θi (i=1〜n)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φi 、ωXi、ωYi、ωZi、σi 、θi (i=1〜n)は順次、方位演算部74及び演算部75に供給される。数7〜数12の式によって、演算部75はジャイロドリフトUX 、UY 、UZ 及び加速度計バイアスΔσ、Δθと姿勢角σ、θを演算し、方位演算部74は回転台の方位Φを演算する。
【0078】
再び図1及び図2を参照して本発明の第2の例を説明する。上述の例はストラップダウン方式のジャイロコンパス装置であったが、以下に説明する例はセミストラップダウン方式のジャイロコンパス装置である。
【0079】
基台10の両端にはロール軸53が装着されている。このロール軸53はケーシングの円板52に回転可能に装着されている。基台10をロール軸53周りに回転させるために無接点DST(ダイレクト・サーボ・トルカ)が使用されてよい。また、回転台に装着されたセンサへの電源供給及び信号の送受信にはロータリトランスが使用されてよい。更に、ジャイロコンパス装置には、基台10をロール軸53周りに制御する機構が設けられ、それによって基台10は常に所定のロール位置(水平位置)に保持される。従って、ジャイロコンパス装置のセンサ部は、所定のロール位置に保持された状態にて、移動体の運動と共に運動し、移動体の姿勢と同一の姿勢をとる。これを、ここではセミストラップダウン方式と称するものとする。
【0080】
セミストラップダウン方式では、基台及びジャイロコンパス装置がXジャイロの入力軸線PXGS周りに常に所定の回転位置にある。従って、上述の議論において、回転角σ=0とすればよい。
【0081】
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様々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。
【0082】
【発明の効果】
本発明によると、地下又は水中の物体の位置を測定するための小型且つ小口径の精度が高く且つ価格が安いジャイロコンパス装置を提供することができる利点がある。
【0083】
本発明によると、下水管のように、地下又は水中の比較的小径の管の位置を正確に且つ地面を掘り起こすことなく測定することができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のジャイロコンパス装置の主要部の例を示す図である。
【図2】本発明のジャイロコンパス装置の他の例の主要部の例を示す図である。
【図3】本発明のジャイロコンパス装置の全体の構成例を示す図である。
【図4】本発明のジャイロコンパス装置の演算部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】XYZジャイロによって検出する地球の自転角速度ベクトルの成分を説明するための説明図である。
【図7】ジャイロコンパス装置が傾斜した場合のXYZジャイロによって検出する地球の自転角速度ベクトルの成分を説明するための説明図である。
【図8】本発明のジャイロコンパス装置のドリフト・バイアス演算部の構成例を示す図である。
【図9】従来の掘削装置の例を説明するための説明図である。
【符号の説明】
10・・・ 基台、 11A、12A、13A・・・ 加速度計、 11G、12G、13G・・・ ジャイロ、 13Y・・・ 方位発信器、 20・・・ 回転台、 50・・・ ケーシング、 51・・・ 円筒部 、52・・・ 円板部、 53・・・ ロール軸、 201・・・ 掘削刃、 202・・・ 先導管、 203・・・ 案内部材、 210A,210B,210C,210D,210E・・・ ヒューム管、 220・・・ 元押し管、205・・・ 供給管、 206・・・ 排出管、 207・・・ ポンプ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gyrocompass device for detecting the position of an object or a moving body that is difficult for humans to approach, such as an object under the ground or underwater, and in particular, a relatively small diameter pipe such as a sewer pipe. The present invention relates to a gyrocompass apparatus and method suitable for use in laying by a propulsion method.
[0002]
[Prior art]
When a pipe having a relatively small diameter, such as a sewage pipe, is laid underground, a propulsion method is known in which pipes are placed simultaneously while digging underground. This method excavates a vertical hole in the ground at the start and end points of the pipe, but there is an advantage such as not obstructing traffic because there is no need to dig up the ground along the pipe.
[0003]
With reference to FIG. 9, the example of a propulsion construction method and the excavator used for it is demonstrated. This excavating apparatus includes a leading conduit 202 having an excavating blade 201 at the tip, a guide member 203 attached to the rear end of the leading conduit 202, a large number of connected fume tubes 210A, 210B, 210C, and 210D, and a pushing device. 220. The main pushing device 220 is disposed in a vertical hole at the starting point of the pipe. A mud material supply pipe 205, a sediment discharge pipe 206, and a sediment discharge pump 207 are arranged in the fume pipe.
[0004]
When excavating the horizontal hole with the excavating blade, a mud material such as water is ejected from the mud material supply pipe 205 to the tip of the excavating blade 201. The excavated earth and sand are separated into water-stopping earth and fluid sand (slurry), and the fluid earth and sand are pumped up by the earth and sand discharge pump 207 and discharged to the outside through the earth and sand discharge pipe 206.
[0005]
FIG. 9A shows a state in which the fume tube rows 210A, 210B, 210C, and 210D are disposed behind the leading conduit 202 by digging to a predetermined position. At the start of excavation, only the leading conduit 202 is disposed in the main pushing device 220. FIG. 9B shows a state in which a state corresponding to the length of one fume tube has been dug from this state. While the fume tube rows 210A, 210B, 210C, 210D are pushed forward by the main pushing device 220, the excavating blade 201 excavates. Thereby, the leading conduit and the entire fume tube row are advanced. Next, as shown in FIG. 9C, the piston of the main pushing device 220 is retracted, and the next fume tube 210E is disposed at the rear end of the rearmost fume tube 210D.
[0006]
This is repeated, and when the tip conduit 202 arrives at the vertical hole at the end point, the tip conduit 202, the mud material supply pipe 205, the earth and sand discharge pipe 206, and the discharge pump 207 are recovered. Thereby, the piping formed by the fume pipe from the start point to the end point is completed.
[0007]
The leading conduit is provided with a gyrocompass device, and the current position is always detected. If the current position deviates from the planned position, the traveling direction is corrected. By changing the direction of excavation, the direction of travel of the leading conduit can be adjusted. Thus, by excavating while adjusting the traveling direction of the leading conduit, accurate piping is laid from the start point to the end point.
[0008]
In recent years, piping is often laid over a relatively long distance by a propulsion method. In such a case, the error at the end point becomes large even with a slight error in the traveling direction. For example, if the digging is performed 100 m in a state where the traveling direction of the leading conduit is deviated once from the planned route, the end point is deviated from the planned route by about 1.74 m. Usually, the error is preferably within several centimeters.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
A gyrocompass device is used to detect the position of an underground or underwater object, such as a drilling device's tip conduit. Various types of gyrocompass devices such as an electromagnetic wave method and a gyroscope are used, but there is no small size, small diameter, high accuracy, and low price. In particular, a small and small-diameter gyrocompass device that can be used in an environment of vibration, high temperature, and high humidity has a drawback of high cost.
[0010]
An object of the present invention is to provide a gyrocompass device that is small and has a small diameter, high measurement accuracy, and low price.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, a gyrocompass device includes a cylindrical casing having a central axis, a base disposed in the casing, and a sensor including an XYZ gyro, an XYZ accelerometer, and an azimuth transmitter mounted on the base. In the compass mode, a calculation unit that converts the signal output from the sensor unit into a signal of the earth surface coordinate system, and in the surveying mode, the orientation of the base, the gyro drift and the signal output from the sensor unit A drift / bias calculation unit for calculating an acceleration bias, and the base includes a plurality of turntables arranged along the central axis and a drive device for synchronously rotating the plurality of turntables The sensor unit is mounted on the turntable so that its input axis or measurement axis is aligned with the central axis.
[0012]
According to the present invention, the XYZ gyro is composed of a TDG (tuned dry gyro).
[0013]
According to the present invention, the calculation unit includes a coordinate conversion matrix calculation unit for calculating a coordinate conversion matrix for converting from a coordinate system provided on the base to an earth surface coordinate system, and an earth surface coordinate system using the coordinate conversion matrix. A local acceleration calculation unit for calculating the acceleration of the earth, and a local azimuth / posture calculation unit for calculating the azimuth and posture of the earth surface coordinate system.
[0014]
According to the present invention, the drift / bias calculation unit includes a rotation control unit that controls the rotation of the turntable, and a data measurement storage unit that stores the outputs of the XYZ gyro and the XYZ accelerometer using the azimuth angle of the turntable as a parameter. And an arithmetic unit for calculating drift and bias of the output of the XYZ gyro and XYZ accelerometer from an output from the data measurement storage unit, and an azimuth arithmetic unit for calculating the azimuth of the base, The bias and drift of the sensor unit are detected from the output of the sensor unit at the rotation angle.
[0015]
According to the present invention, the outer diameter of the cylindrical casing is 80 mm or less.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An example of the gyrocompass device of the present invention will be described with reference to FIGS. The gyrocompass apparatus of this example includes a casing 50 and a base 10 accommodated in the casing. The casing 50 includes a cylindrical portion 51 and disc portions 52 at both ends. According to this example, the outer diameter of the cylindrical portion 51 is at least 80 mm or less, preferably 60 mm or less.
[0017]
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 of the casing, a y-axis is parallel to the base 10, and a z-axis is perpendicular to the base 10. Since the coordinates set in this way can be regarded as the coordinates set for the mobile body equipped with the gyrocompass device, these are hereinafter referred to as mobile body coordinates. 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, the coordinates provided on the surface of the earth are referred to as local coordinates or local coordinates. A local coordinate is a coordinate system in which a point on the earth surface is an origin, an x axis is in the meridian direction, a y axis is in the latitude direction, and a z axis is vertically upward along the horizontal plane.
[0018]
The gyrocompass device of this example further includes an X accelerometer 11A, a Y accelerometer 12A and a Z accelerometer 13A, an X gyro 11G, a Y gyro 12G and a Z gyro 13G, and an azimuth transmitter 13Y. These constitute the sensor unit of the gyrocompass device. The arrow attached to each sensor indicates the direction of the input axis or the measurement axis.
[0019]
A TDG (tuned dry gyro) may be used as the gyro. The TDG is composed of a gyro having two input axes orthogonal to each other. Therefore, when using TDG, the 1st gyroscope which consists of XY gyros and the 2nd gyroscope which consists of YZ gyros are used. The first gyro is used as the X gyro and the second gyro is used as the Z gyro. As the Y gyro, the first gyro may be used or the second gyro may be used. Here, the first gyro is used.
[0020]
The base 10 is provided with a plurality of turntables. In the example of FIG. 1, two turntables 20A and 20B are provided, the first gyro, ie, the XY gyro, is mounted on the first turntable 20A, and the X and Y accelerometers are the second turntable. It is mounted on 20B. In the example of FIG. 2, three turntables 20C, 20D, and 20E are provided, and the first gyro, ie, the XY gyro, is mounted on the first turntable 20C, and the X accelerometer is on the second turntable 20D. The Y accelerometer is mounted on the third turntable 20E. The direction transmitter 13Y (shown only in FIG. 1 and omitted in FIG. 2) is mounted on at least one of the plurality of turntables.
[0021]
An azimuth servo motor is provided for rotating a plurality of turntables, and a suitable transmission device, such as a backlashless gear transmission or a backlashless belt transmission, for transmitting the rotation of the azimuth servomotor to the plurality of turntables. The device is used. All the turntables rotate synchronously, that is, rotate in the same direction at the same relative angle and at the same rotational speed. Therefore, in order to detect the rotation angle of the turntable, as described above, the azimuth transmitter 13Y has only to be arranged on one turntable and does not need to be mounted on all turntables.
[0022]
  According to this example, the turntable rotates at a rotation speed of ± 180 ° at a constant rotation speed, for example, 10 ° / second. Since the rotation angle of the turntable is limited to ± 180 °, cables or wires from the gyroscope, the accelerometer, and the bearing transmitter attached to the turntable are not twisted. Figure2As shown in FIG. 2, the circuit board constituting the calculation units 2 and 3 is mounted on the base.
[0023]
According to this example, the X, Y and Z accelerometers 11A, 12A, 13A, X, Y and Z gyro 11G, 12G, 13G and the direction transmitter 13Y constituting the sensor unit of the gyro compass device are Arranged on the central axis, that is, on the x-axis or aligned with the x-axis. The rotation axes of the turntables 20A, 20B, 20C, 20D, and 20E are arranged on the x axis.
[0024]
  The outline of the gyrocompass apparatus of this example will be described with reference to FIG. The gyrocompass apparatus includes a sensor unit 1, a calculation unit 2, and a drift / bias calculation unit 3. The configuration of the sensor unit 1 has been described with reference to FIGS. 1 and 2. Here, the input axis or measurement axis (arrow) of each sensor will be described. The X accelerometer 11A and the X gyro 11G are arranged so that their input axes are aligned with the positive direction of the x axis of the moving body coordinate system, and the Y accelerometer 12A and the Y gyro 12G have their input axes aligned with the moving body. It arrange | positions so that it may align with the positive direction of the y-axis of a coordinate system. The Z accelerometer 13A, Z gyro 13G, and azimuth transmitter 13Y have their input axes on the z axis of the moving object coordinate system.negativeIt arrange | positions so that it may align with the direction of.
[0025]
The X accelerometer 11A detects the acceleration in the x-axis direction of the moving body coordinate system, and the X gyro is the angular velocity ω around the x axis of the moving body coordinate system.XIs detected. The Y accelerometer 12A detects the acceleration in the y-axis direction of the moving object coordinate system, and the Y gyro 12G detects the angular velocity ω around the y axis of the moving object coordinate system.YIs detected. The Z accelerometer 13A detects the acceleration in the z-axis direction of the moving object coordinate system, and the Z gyro 13G detects the angular velocity ω around the z axis of the moving object coordinate system.ZIs detected. The direction transmitter 13Y detects the rotation angle φ of the turntable 20 with respect to the direction (x axis) of the moving body.
[0026]
As described above, when the TDG is used as the first and second gyros, the X gyro and the Y gyro are included in the first gyro and the Y gyro and the Z gyro are included in the second gyro, This is illustrated as a separate gyro.
[0027]
The gyrocompass device of this example functions as a strap-down gyrocompass when the moving body is moving, and functions as a surveying compass when the moving body is stationary. That is, the gyro compass device of this example can operate in two modes, a compass mode and a survey mode.
[0028]
The sensor unit of the gyro compass device of this example is directly attached to a moving body whose position is to be measured. The moving body may be, for example, a leading conductor of a drilling device. The sensor unit of the gyrocompass device moves with the movement of the moving body, and takes the same direction and posture as the moving body. Such a structure is generally called a strap-down method.
[0029]
When the gyrocompass device of this example is used as a strap-down type compass mode, the calculation unit 2 inputs the output signal of the moving body coordinate system from the sensor unit 1, and determines the azimuth and attitude angle of the local coordinate system. Calculate. In the compass mode, the turntable is rotated by ± 180 ° in a sufficiently short time compared to the compass period, so that an azimuth angle and attitude angle from which error components of the gyroscope and the accelerometer are removed can be obtained. Therefore, it is possible to reduce the azimuth error due to the temperature and aging of the sensor. Note that the gyro drift and accelerometer bias obtained from the drift / bias calculator 3 may be used for the calculation of the azimuth angle and the attitude angle.
[0030]
When the gyro compass device of this example is used as a surveying mode in a stationary state, the drift / bias calculation unit 3 calculates the gyro drift and the accelerometer bias, and further calculates the azimuth angle and attitude angle of the moving object. Calculate and output.
[0031]
With reference to FIG. 4, the structure of the calculating part 2 and the operation | movement of the compass mode of a strapdown system are demonstrated. The calculation unit 2 includes a coordinate transformation matrix calculation unit (CTM calculation unit) 201, a local orientation / posture calculation unit 202, a local acceleration calculation unit 203, and a compass / correction calculation unit 204. The CTM calculation unit 201 inputs the angular velocity of the moving body coordinate system output from the X, Y, and Z gyros, and calculates and outputs a coordinate transformation matrix (CTM). As described above, the error of the output of the X and Y gyros is eliminated by the rotation of ± 180 ° of the turntable.
[0032]
The coordinate transformation matrix (CTM) is a 3 × 3 matrix for transforming moving body coordinates into local (local) coordinates. CTM is known and will not be described here. For details, see, for example, Japanese Patent Application No. 5-779 filed on Jan. 6, 1993 by the same applicant as the present application.
[0033]
The local acceleration calculation unit 203 includes the acceleration of the moving body coordinate system output from the X, Y, and Z accelerometers 11A, 12A, and 13A and the coordinate conversion matrix (CTM) output from the coordinate conversion matrix (CTM) calculation unit 201. The rotation angle signal of the turntable output from the direction transmitter 13Y is input to calculate the acceleration of the local coordinate system.
[0034]
The compass correction calculation unit 204 inputs the local coordinate system acceleration output from the local acceleration calculation unit 203 and the rotation angle signal of the turntable output from the azimuth transmitter 13Y, and performs compass control calculation and azimuth correction calculation. Then, a torque signal, which is a control signal, is generated and output to the coordinate transformation matrix (CTM) calculation unit 201.
[0035]
The local azimuth / attitude calculation unit 202 calculates the azimuth angle and posture angle (roll angle and pitch angle) of the local coordinate system from the calculation result output from the coordinate transformation matrix (CTM) calculation unit 201. The azimuth angle and the attitude angle of the local coordinate system calculated in this way are free from errors of the XY gyroscope and the XY accelerometer by the rotation of ± 180 ° of the turntable.
[0036]
The survey mode operation will be described with reference to FIGS. 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 POAnd the rotation axis of the earth is OPNAnd Latitude λ of point P is ∠POPOIt is. A horizontal plane H at the point P is a tangential plane with respect to the earth surface.
[0037]
Earth rotation angular velocity vector ΩEIs the rotation axis OP as shownNFacing the direction. Earth rotation angular velocity vector ΩEIs the horizontal component HER (Horizontal Earth Rate) in the direction of true north (arrow N) on the horizontal plane H, that is, ΩEcos λ and vertical component (Vertical Earth Rate), that is, ΩEIt can be decomposed into sin λ.
[0038]
As shown in FIG. 6, it is assumed that a gyrocompass device, that is, a moving body is arranged on a horizontal plane H at a point P. The orientation of the moving body is aligned with the x-axis as described above. Let the azimuth angle NPx of the moving body be Φ. PX input axis of X gyro PXGS, PY the input axis of the Y gyroGS, The input axis of the Z gyro is PZGSAnd
[0039]
A rotation angle of the input axis of the X gyro with respect to the azimuth Px of the moving body is φ. It is assumed that the rotation angle of the turntable is equal to the rotation angle φ of the input axis of the X gyro. X gyro input axis azimuth ∠ NPXGSIs Φ + φ. Y gyro input axis azimuth angle NPYGSIs Φ + φ + 90 °.
[0040]
X gyro is the Earth's rotation angular velocity vector ΩEInput axis PXGSDirectional component is detected, Y gyro is the earth rotation angular velocity vector ΩEInput axis PYGSThe direction gyro is detected and the Z gyroEInput axis PZGSThe direction component is detected. Therefore, the output ω of the X, Y, Z gyroX, ΩY, ΩzIs expressed as follows.
[0041]
[Expression 1]
ωX = ΩE cos λ cos (Φ + φ) + UX
ωY =ΩE cos λ sin (Φ + φ) + UY
ωZ = -ΩE sin λ + UZ
[0042]
Where ΩEIs the rotational angular velocity of the earth, and λ is the latitude. Φ is the orientation of the moving body, that is, the rotation angle with respect to the meridian of the x axis, φ is the rotation angle of the X gyro with respect to the orientation of the moving body, UX, UY, UZIs the gyro drift respectively. Z gyro output ωzThe negative sign is attached because the Z gyro is mounted so that the direction of the input axis is in the negative direction of the z axis. In this example, the rotational angular velocity around the y axis and the rotational angular velocity around the x axis are zero, that is, dθ / dt = 0 and dσ / dt = 0.
[0043]
The above example is a gyrocompass device, that is, a case where the moving body is arranged on the horizontal plane H, but consider a case where the moving body is inclined. The input axis PX of the moving body is X gyroGSConsider a case where the rotation is biased around the rotation angle σ.
[0044]
This will be described with reference to FIG. FIG. 7 shows the input axis PX of the X gyroGSAnd Y gyro input axis PYGSThe surface formed by is shown. X, Y, Z gyro output ωX, ΩY, ΩZIs expressed as follows.
[0045]
[Expression 2]
ωX = ΩE cos λ cos (Φ + φ) + UX
ωY = -ΩE sin λ sinσΩE cos λ sin (Φ + φ) cosσ + mg sinσ + qg cosσ + UY
ωZ = -ΩE sin λ cosσ−ΩE cos λ sin (Φ + φ) sinσ-mg cosσ + qg sinσ + UZ
[0046]
Where σ is the input axis PX of the moving body with respect to the horizontal plane HGSThe tilt angle around. The tilt angle σ is detected by a Y accelerometer. mg is a mass unbalance caused by deviation of the center of gravity of the gyro rotor, and qg is a crosstalk amount caused by a change in the input angular velocity of the counterpart shaft. These are TDG specific errors. X, Y, Z gyro output ωX, ΩY, ΩZIn order to obtain the azimuth angle Φ of the moving body, the gyro drift UX, UY, UZIt is necessary to ask. The gyro drift UX, UY, UZA method for obtaining the value will be described.
[0047]
The rotating table is stopped by rotating at a certain rotation angle Δφ = 2π / n (for example, every 60 ° with n = 6), and the output signals ω of the three gyros are stopped.X, ΩY, ΩZAnd the output signal σ of the Y accelerometer. N sets of measured values ω by rotating the turntable onceXi, ΩYi, ΩZi, Σi(I = 1 to n) shall be obtained. Of these measured values, attention is paid to data whose rotation angles φ differ from each other by 180 °. For example, the output signal of the X, Y, Z gyro for the rotation angle φ is ωX1, ΩY1, ΩZ1The output signal of the X, Y, Z gyro for the rotation angle φ + π is ωX2, ΩY2, ΩZ2These are expressed as follows.
[0048]
[Equation 3]
ωX1= ΩEcos λ cos (Φ + φ) + UX
ωX2= ΩEcos λ cos (Φ + φ + π) + UX
[0049]
ωY1= -ΩE sin λ sinσ1 ΩE cos λ sin (Φ + φ) cosσ1+ Mg sinσ1 + Qg cosσ1 + UY
ωY2= -ΩE sin λ sinσ2 ΩE cos λ sin (Φ + φ + π) cosσ2+ Mg sinσ2 + Qg cosσ2 + UY
[0050]
ωZ1= -ΩEsin λ cosσ1−ΩEcos λ sin (Φ + φ) sinσ1
−mg cosσ1+ Qg sinσ1+ UZ
ωZ2= -ΩEsin λ cosσ2−ΩEcos λ sin (Φ + φ) sinσ2
−mg cosσ2+ Qg sinσ2+ UZ
[0051]
Where σ1, Σ2Are the inclination angles around the input axis of the X gyro of the movable body or the base 10 with respect to the horizontal plane H when the rotation angles of the turntable are φ and φ + π, respectively. These two inclination angles σ1, Σ2There is the following geometric relationship between them.
[0052]
[Expression 4]
σ1= −σ2
[0053]
Substituting this into the equation (3) for transformation yields the following relationship.
[0054]
[Equation 5]
ωX1= ΩEcos λ cos (Φ + φ) + UX
ωX2= -ΩEcos λ cos (Φ + φ) + UX
[0055]
ωY1= -ΩE sin λ sinσ1 ΩE cos λ sin (Φ + φ) cos σ1+ Mg sinσ1 + Qg cosσ1 + UY
ωY2= ΩE sin λ sinσ1 +ΩE cos λ sin (Φ + φ) cos σ1−mg sinσ1 + Qg cosσ1 + UY
[0056]
ωZ1= -ΩEsin λ cosσ1−ΩEcos λ sin (Φ + φ) sin σ1
−mg cosσ1+ Qg sinσ1+ UZ
ωZ2= -ΩEsin λ cosσ1+ ΩEcos λ sin (Φ + φ) sin σ1
−mg cosσ1-Qg sinσ1+ UZ
[0057]
From these six equations, six unknowns UX, UY, UZ, Mg, qg, and Φ can be obtained. First, the following relational expression is obtained from these expressions.
[0058]
[Formula 6]
ωX1+ ΩX2= 2UX
ωX1−ωX2= 2ΩE cos λ cos (Φ + φ)
ωY1+ ΩY2= 2UY + 2qg cosσ1
ωY1−ωY2= 2ΩE [-Sin λ sinσ1 cos λ sin (Φ + φ) cos σ1 ] + 2mg sinσ1
ωZ1+ ΩZ2= -2ΩE sin λ cosσ1 -2mg cosσ1 + 2UZ
ωZ1−ωZ2= -2ΩE cos λ sin (Φ + φ) sin σ1 + 2qg sinσ1 + 2UZ
[0059]
Next, from these six equations, six unknowns UX, UY, UZ, Mg, qg, and Φ can be obtained.
[0060]
[Expression 7]
UX= (ΩX1+ ΩX2) / 2
UY= (ΩY1+ ΩY2) / 2-qg cosσ1
UZ= (ΩZ1+ ΩZ2) / 2 + ΩEsin λ cosσ1+ Mg cosσ1
Φ = cos-1[(1 / 2ΩE) (ΩX1−ωX2)] / (Cosλ)] -φ
qg = [(ωY1+ ΩY2) / 2-UY] / Cos σ1
mg = (ΩE/ Sin σ1) [-Sin λ sinσ1+ Cos λ sin (Φ + φ) cos σ1]-(ΩY1−ωY2) / 2sin σ1
[0061]
The azimuth angle Φ of the moving object is the output ω of the X gyroXIt was calculated | required from (2nd Formula of Formula 6). If the inclination of the input axis of the X gyro is zero as in this example, that is sufficient. However, if the slope of the input axis of the X gyro is not zero, the output ω of the Y gyroYIt is calculated from (the fourth equation of the equation 6).
[0062]
[Equation 8]
Φ = sin-1[− [{(ΩY1−ωY2) -2mg sinσ1 } / 2ΩE + Sin
λsinσ 1 ]/ Cos λ cosσ1 ] -Φ
[0063]
Here, for simplification, if the mass unbalance mg and the crosstalk amount qg are ignored as known, the following relationship is obtained.
[0064]
[Equation 9]
UX = (ΩX1+ ΩX2) / 2
UY = (ΩY1+ ΩY2) / 2
UZ = (ΩZ1+ ΩZ2) / 2 + ΩE sin λ cosσ1
Φ = sin-1[{(1 / 2ΩE ) (ΩY1−ωY2) + Sin λ sinσ1 } / (Cosλcosσ1)]-Φ
[0065]
Next, a method of detecting the bias Δσ included in the output signal σ of the Y accelerometer and detecting the inclination angle σ around the true x axis will be described. Similarly, if the turntable is rotated every fixed rotation angle Δφ = 2π / n (for example, every 60 ° with n = 6), the rotation table stops and the output signal σ of the Y accelerometer is stopped.MMeasure. N sets of measured values σ by rotating the turntable onceMi(I = 1 to n) shall be obtained. Of these measured values, attention is paid to data whose rotation angles φ differ from each other by 180 °. For example, the output signal of the Y accelerometer for the rotation angle φ is σM1The output signal of the Y accelerometer when the rotation angle is φ + π is σM2Then, it is expressed as follows.
[0066]
[Expression 10]
σM1= Σ1+ Δσ
σM2= Σ2+ Δσ
[0067]
Where σ1, Σ2Is the tilt angle around the x-axis of the turntable 10 when the rotation angle is φ and φ + π when the bias Δσ is zero, as described above. Tilt angle σ around these two x-axes1, Σ2There is a relation of the formula 4 in between. Therefore, the following relationship is obtained from the equation (9).
[0068]
## EQU11 ##
σM1−σM2= Σ1−σ2= 2σ1
σM1+ ΣM2= Σ1+ Σ2+ 2Δσ = 2Δσ
[0069]
Therefore, when the rotation angle of the turntable is φ, the inclination angle σ around the true x-axis1And the bias Δσ of the Y accelerometer is expressed by the following equation.
[0070]
[Expression 12]
σ1= (ΣM1−σM2) / 2
Δσ = (σM1+ ΣM2) / 2
[0071]
When the rotation angle of the turntable is φ, the tilt angle θ around the true y axis1And the X accelerometer bias [Delta] [theta] is determined in a similar manner and is given by the same equation as Equation 12, but will not be described in detail here.
[0072]
According to this example, n sets of measured values ω are obtained by rotating the turntable once.Xi, ΩYi, ΩZi, Σi, Θi(I = 1 to n) is obtained. Accordingly, there are n / 2 sets of measured values in which the rotation angles φ of the turntables are different from each other by 180 °. n / 2 sets of data Φ, U from n / 2 sets of measured valuesX, UY, UZ, Σ1, Δσ, Δθ are obtained. Therefore, by obtaining these average values or least square approximation values, more accurate Φ, UX, UY, UZ, Σ1, Δσ, θ1, Δθ is obtained.
[0073]
The configuration and operation of the drift / bias calculation unit 3 will be described with reference to FIG. The drift / bias 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 calculation unit 75.
[0074]
In the rotation control unit 71, the rotation angle φ of the turntable is set to the set rotation angle φ.SFunctions to be equal to The rotation control unit 71 sets the set rotation angle φ generated by the sequencer unit 72.SIs supplied to the azimuth servo motor 22. The azimuth servo motor 22 operates to rotate the turntable 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 φSThe data measurement storage unit 73 measures and stores the data of the turntable.
[0075]
The data measurement storage unit 73 outputs the output signal ω of the X, Y, Z gyro.X, ΩY, ΩZ, Set rotation angle φS= Φ and the tilt angle θ and σ output from the XY accelerometer (the clockwise direction is set to +) are input. Next, the sequencer unit 72 sets a new set rotation angle φS= ΦS+ 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 is operated so as to be equal to.
[0076]
Thus, the output signal φ of the direction transmitter 13Y is changed to a new set rotation angle φ.SThe data measurement storage unit 73 measures and stores the gyro data. Accordingly, the data measurement storage unit 73 stores the set rotation angle φSStore every data.
[0077]
The data measurement storage unit 73 has a set azimuth angle φS= ΦiEvery data ωXi, ΩYi, ΩZ i, Σi, Θi(I = 1 to n) are sequentially stored. A large number of data φ stored in the data measurement storage unit 73i, ΩXi, ΩYi, ΩZi, Σi, Θi(I = 1 to n) are sequentially supplied to the azimuth calculation unit 74 and the calculation unit 75. The arithmetic unit 75 can calculate the gyro drift U by the formulas (7) to (12).X, UY, UZThe accelerometer biases Δσ and Δθ and the attitude angles σ and θ are calculated, and the azimuth calculating unit 74 calculates the azimuth Φ of the turntable.
[0078]
With reference to FIGS. 1 and 2 again, a second example of the present invention will be described. The above-described example is a strap-down type gyrocompass device, but the example described below is a semi-strapdown-type gyrocompass device.
[0079]
Roll shafts 53 are attached to both ends of the base 10. This roll shaft 53 is rotatably mounted on a disc 52 of the casing. A contactless DST (direct servo torquer) may be used to rotate the base 10 around the roll axis 53. A rotary transformer may be used for supplying power to the sensor mounted on the turntable and transmitting / receiving signals. Further, the gyrocompass device is provided with a mechanism for controlling the base 10 around the roll shaft 53, whereby the base 10 is always held at a predetermined roll position (horizontal position). Accordingly, the sensor unit of the gyrocompass device moves with the movement of the moving body while being held at a predetermined roll position, and assumes the same posture as the moving body. This is referred to herein as a semi-strap down method.
[0080]
In the semi-strap down method, the base and the gyrocompass device are connected to the X-gyro input axis PX.GSAlways around a predetermined rotational position. Therefore, in the above discussion, the rotation angle σ = 0 may be set.
[0081]
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.
[0082]
【The invention's effect】
According to the present invention, there is an advantage that it is possible to provide a gyrocompass device that is small in size and has a high accuracy of a small diameter and is inexpensive for measuring the position of an object in the ground or underwater.
[0083]
According to the present invention, there is an advantage that the position of a relatively small diameter pipe such as a sewer pipe can be measured accurately and without digging up the ground.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an example of a main part of a gyrocompass device according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an example of a main part of another example of the gyrocompass device of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing an example of the overall configuration of a gyrocompass device according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example of a calculation unit of the gyrocompass device of the present invention.
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 vector detected by an XYZ gyro;
FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining the components of the rotation angular velocity vector of the earth detected by the XYZ gyro when the gyro compass device is tilted.
FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration example of a drift / bias calculation unit of the gyrocompass device of the present invention;
FIG. 9 is an explanatory diagram for explaining an example of a conventional excavator;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Base, 11A, 12A, 13A ... Accelerometer, 11G, 12G, 13G ... Gyro, 13Y ... Direction transmitter, 20 ... Turntable, 50 ... Casing, 51・ ・ ・ Cylindrical part, 52 ・ ・ ・ Disc part, 53 ・ ・ ・ Roll shaft, 201 ・ ・ ・ Excavation blade, 202 ・ ・ ・ Tip conduit, 203 ・ ・ ・ Guide member, 210A, 210B, 210C, 210D, 210E ... Hume pipe, 220 ... Main push pipe, 205 ... Supply pipe, 206 ... Discharge pipe, 207 ... Pump

Claims (5)

中心軸線を有する円筒状のケーシングと、該ケーシング内に配置された基台と、該基台に装着されXYZジャイロ、XYZ加速度計及び方位発信器を含むセンサ部と、コンパスモードでは上記センサ部から出力された信号を地球表面座標系の信号に変換する演算部と、測量モードでは上記センサ部から出力された信号より上記基台の方位、ジャイロのドリフト及び加速度のバイアスを演算するドリフト・バイアス演算部と、を有し、上記基台は上記中心軸線に沿って配置された複数の回転台と該複数の回転台を同期的に回転させるための駆動装置とを有し、上記センサ部はその入力軸線又は測定軸線が上記中心軸線に整合するように上記回転台に装着されていることを特徴とするジャイロコンパス装置。A cylindrical casing having a central axis, a base disposed in the casing, a sensor unit mounted on the base and including an XYZ gyro, an XYZ accelerometer, and a direction transmitter; An arithmetic unit that converts the output signal into a signal on the Earth's surface coordinate system, and a drift bias calculation that calculates the base orientation, gyro drift, and acceleration bias from the signal output from the sensor unit in the survey mode. And the base includes a plurality of turntables arranged along the central axis and a driving device for synchronously rotating the plurality of turntables. A gyrocompass device, wherein the gyrocompass device is mounted on the turntable so that an input axis or a measurement axis is aligned with the central axis. 上記XYZジャイロはTDG(チューンドドライジャイロ)より構成されていることを特徴とする請求項1記載のジャイロコンパス装置。2. The gyro compass apparatus according to claim 1, wherein the XYZ gyro is composed of a TDG (tuned dry gyro). 上記演算部は上記基台に設けられた座標系より地球表面座標系に変換する座標変換マトリックスを演算する座標変換マトリックス演算部と該座標変換マトリックスを使用して地球表面座標系の加速度を演算するローカル加速度演算部と地球表面座標系の方位及び姿勢を演算するローカル方位姿勢演算部とを有することを特徴とする請求項1記載のジャイロコンパス装置。The computing unit computes the acceleration of the earth surface coordinate system using the coordinate transformation matrix computing unit for computing a coordinate transformation matrix for transforming the coordinate system provided on the base to the earth surface coordinate system and the coordinate transformation matrix. 2. The gyrocompass device according to claim 1, further comprising a local acceleration calculation unit and a local azimuth / posture calculation unit that calculates the azimuth and posture of the earth surface coordinate system. 上記ドリフト・バイアス演算部は、上記回転台の回転を制御する回転制御部と上記回転台の方位角をパラメータとして上記XYZジャイロ及びXYZ加速度計の出力を記憶するデータ計測記憶部と該データ計測記憶部からの出力より上記XYZジャイロ及びXYZ加速度計の出力のドリフト及びバイアスを演算する演算部と上記基台の方位を演算する方位演算部とを有し、上記回転台の複数の回転角における上記センサ部の出力より上記センサ部のバイアス及びドリフトを検出するように構成されていることを特徴とする請求項1記載のジャイロコンパス装置。The drift / bias calculation unit includes a rotation control unit that controls the rotation of the turntable, a data measurement storage unit that stores outputs of the XYZ gyro and the XYZ accelerometer using the azimuth angle of the turntable as a parameter, and the data measurement storage A calculation unit that calculates drift and bias of the output of the XYZ gyro and XYZ accelerometer from an output from the unit, and an azimuth calculation unit that calculates the azimuth of the base, and the above at a plurality of rotation angles of the turntable 2. The gyro compass device according to claim 1, wherein the gyro compass device is configured to detect a bias and a drift of the sensor unit from an output of the sensor unit. 上記円筒状のケーシングの外径は80mm以下であることを特徴とする請求項1記載のジャイロコンパス装置。The gyrocompass device according to claim 1, wherein an outer diameter of the cylindrical casing is 80 mm or less.
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