JP6626175B2 - 空間位置計測装置、空間位置計測方法及び空間位置計測プログラム - Google Patents
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Description
また、画像解析による位置計測技術では、CCDカメラ等で撮影した画像をコンピュータにより演算処理することになるため、光学計測系が大規模になり、コンピュータの演算処理の負荷も高く、リアルタイム処理が制約される課題があった。
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図1に示すように第1実施形態に係る空間位置計測装置10は、第1物体21(図2)に設けられた3以上の送信センサSj(j=1,2,3)から送信元を識別可能に超音波を送信させる送信部12と、第2物体22(図2)に設けられた2以上の受信センサMi(i=1,2,3)が受信した超音波を検出する検出部13と、導出部14が導いた超音波の伝搬時間ti,j(図4)に基づいて送信センサSj及び受信センサMiの距離ri,j(図3)を演算し保持部16に保持させる距離演算部15と、送信センサSj(j=1,2,3)の群及び受信センサMi(i=1,2,3)の群のうちいずれか一方の位置が固定された座標系において他方の位置座標を距離ri,jに基づいて演算する座標演算部17と、を備えている。
据付を正常状態に修正するには、まず、この不良状態を短時間で正確に把握することが要求される。特に原子力プラント等の放射線管理区域内において、機器位置ずれ(芯ずれ)を矯正する作業や機器位置合わせを実施する作業を短時間化することは、作業員の被ばく量の低減につながる。
第1物体21及び第2物体22のそれぞれに、空間位置計測装置10の送信センサSj(j=1,2,3)及び受信センサMi(i=1,2,3)を据え付けた後は、作業員は線量の低い場所へ移動して、遠隔にて高精度の計測をリアルタイムで実施することができる。
この場合、受信センサMi(i=1,2,3)は、搭載されている識別情報に基づいて、受信した超音波の送信元の送信センサSjを識別することが可能であるため、切替部12bは不要となる。
そして、後述する演算式に基づいて、この送信センサS1と、全ての受信センサMi(i=1,2,3)との距離r1,1,r2,1,r3,1が求められる。
同様に、送信センサS2,S3から送信された超音波により、受信センサMi(i=1,2,3)との距離r1,2,r2,2,r3,2,r1,3,r2,3,r3,3(図示略)が求められる。
このようにして求められた、複数の距離ri,jに基づいて、送信センサSj及び受信センサMiのうちいずれか一方に対する他方の相対位置関係が導かれる。
また、第1物体21及び第2物体22の間の方向関係のみを導きたい場合、送信センサSjは少なくとも3個、受信センサMiは少なくとも2個存在していればよい。すなわち、受信センサMi(i=1,2)という構成であってもよい。
伝搬時間導出部14(図1)は、送信側の超音波の波形のピーク時点と受信側の超音波の波形のピーク時点とから、送信センサSjから受信センサMiへの超音波の伝搬時間ti,jを導く。
そして、全ての送信センサSj及び受信センサMiの組み合わせについて距離ri,jを演算し保持部16に保持させる。
ri,j=(v+αT)ti,j …(1)
これは、送信センサSjから受信センサMiまで、超音波が直線的に伝播する経路以外に、第1物体21又は第2物体22の表面を経由して伝播する経路や反射波によるエコー効果があるためである。
つまり、気体や液体等の媒体を通過するよりも、固体を通過する場合の方が、超音波が高速に伝播し、さらに減衰しにくいために、受信波形はブロード化する傾向がある。
この受信波形のブロード化が進行すると、超音波の伝搬時間ti,jの導出の正確性が低下する。
この超音波の伝搬抑制部材としては、具体的にラバー等が挙げられる。
そして、受信センサMiで受信された超音波の周波数スペクトルは、図5に示すように、ブロード形状を示す。
そして、検出部13で検出された超音波の特定の周波数成分を抽出し、この周波数成分の受信強度に基づいて伝搬時間ti,jを決定する。
なお、抽出される周波数成分は、第1物体21及び第2物体22の間に介在する媒質(空気又は液体)を伝搬する超音波の主要な周波数成分とする。また、この周波数成分は、検出部13で検出された超音波の波形をFFT(高速フーリエ変換)解析することにより、抽出される。
ここで、送信センサSjの座標を(Xj,Yj,Zj)とし、受信センサMiの座標を(xi,yi,zi)と設定すると、両座標の距離ri,jは、次式(2)のように表される。
ri,j= √{(Xj−xi)2+ (Yj−yi)2+ (Zj−zi)2 } …(2)
この座標変数(xi,yi,zi)を、初期値(xi-0,yi-0,zi-0)と修正値(Δxi,Δyi,Δzi)との和として次式(3a)(3b)(3c)のように表す。
xi=xi-0+Δxi …(3a)
yi=yi-0+Δyi …(3b)
zi=zi-0+Δzi …(3c)
Δrij=∂rij/∂xi・Δxi+∂rij/∂yi・Δyi+∂rij/∂zi・Δzi …(4a)
=rij−√{(Xj−xi-0)2+ (Yj−yi-0)2+ (Zj−zi-0)2 } …(4b)
さらに、送信センサSj(j=1,2,3)について、式(4a)は、図6の行列式(6a)で表わされ、さらに行列式(6b)のように展開される。
このように導いた座標変数(xi,yi,zi)を、初期値(xi-0,yi-0,zi-0)に置き換えて、式(5)(6)の演算を(Δxi,Δyi,Δzi)が規定値を下回って収束するまで繰り返す(例えば、1mmを規定値とした場合、|Δxi|<1mm、|Δyi|<1mm、|Δzi|<1mmに至った時点で収束したと判定する、など)。
なお、便宜的に受信センサMiの群について、一括りに式(3)〜(6)を記述しているが、受信センサMiの各演算は同時並行で独立して実施される。つまりM1、M2、M3の収束演算に際して演算の繰り返し回数は、それぞれ異なる演算回数、異なる演算所要時間となる場合がある。よって、受信センサMiの2つもしくは3つの座標が同時に正確な値を保持するためには、一定の時定数が必要となる。
このような繰り返し演算の結果得られた座標変数(xi,yi,zi)を座標演算部17(図1)の出力とする。
aX+bY+cZ+d=0 …(7)
aX1+bY1+cZ1+d=0 …(8a)
aX2+bY2+cZ2+d=0 …(8b)
aX3+bY3+cZ3+d=0 …(8c)
eX+fY+gZ+h=0 …(9)
eX1+fY1+gZ1+h=0 …(10a)
eX2+fY2+gZ2+h=0 …(10b)
eX3+fY3+gZ3+h=0 …(10c)
ここで、送信センサSjの群を含む平面方程式の法線ベクトルn1は(a,b,c)で表され、受信センサMiの群を含む平面方程式の法線ベクトルn2は(e,f,g)で表される。
さらに、第1物体21及び第2物体22の相対角度θは、この二つの法線n1,n2の交差角で表されるために、図6の式(11a)(11b)に従って演算される。
第1物体21に設けられた複数の送信センサSj(j=1〜J)のうち、まず第1送信センサS1から超音波を送信させる(S11,S12)。
送信された超音波は、第2物体22に設けられた全ての受信センサMi(i=1〜I)により受信され、それぞれの伝搬時間ti,1に基づいて送信センサS1から受信センサMi(i=1〜I)までのそれぞれの距離ri,1を演算する(S13〜S15)。
さらに、第2〜第J送信センサSj(j=2〜J)についても、順繰りに超音波を送信することにより、受信センサMi(i=1〜I)までのそれぞれの距離ri,jを演算する(S16)。
送信センサSjの群の座標(Xj,Yj,Zj)(j=1〜J)を含む平面方程式を導出し、受信センサMiの群の座標(xi,yi,zi)(i=1〜I)含む平面方程式を導出する(S18)。
この際、ある平面に4つ以上の送信センサSj、もう一方の平面に4つ以上の受信センサMiを装着し、平面方程式を求める際に最小二乗法を用いて、過剰決定にて平面方程式の算出精度を向上させることもできる。
送信センサSjの群を含む平面方程式の法線n1と、受信センサMiの群を含む平面方程式の法線n2と、に基づいて、第1物体21及び第2物体22の相対角度θを演算する(S19)。
図8に基づいて、第2実施形態に係る空間位置計測装置を説明する。
第2実施形態に係る空間位置計測装置は、送信センサSjの群及び受信センサMiの群は、それぞれ第1物体21及び第2物体22に着脱自在なアタッチメント23に配置されている。
なお、図8において図2と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
これにより、第1物体21及び第2物体22に対する送信センサSjの群及び受信センサMiの群の取り付けが容易になる。
(1)金属溶接時の溶接棒の入射角度について、再現性、リアルタイム制御性の確保と製造再現性の向上。
(2)自動車の駆動部に配備されているサスペンション、ユニバーサルジョイント及びロボットに配備される自在関節部の位置・角度・向きの状態把握。
(3)CAD(Computer Aided Design)システムのデータ入力ツールにおける位置・角度・向きの情報入力。
(4)コンピュータシステムやコンピュータゲームシステムの三次元的な情報ポインタの操作ツール(コントローラ)における位置・角度・向きの情報入力。
(5)超音波探傷(UT:Ultrasonic Testing)システムにおいて、プローブを自在な位置・角度・向きに配備して観測することを可能にする撮影自由度の向上。
(6)外観探傷(VT:Visual Testing)システムにおいて、CCDカメラやCMOSカメラを自在な位置・角度・向きに配備して観測することを可能にする撮影自由度の向上。
(7)自在な位置・角度・向きから計測することを可能にする渦電流探傷(ET:Eddy Current Testing)システム。
(8)自在な位置・角度・向きから計測することを可能にする放射線透過探傷(RT:Radiographic Testing)システム。
(9)光学カメラ(テレビカメラ含む)、顕微鏡、望遠鏡、プリズム、鏡、光ファイバーケーブルの先端、レーダー発信装置、レーザー発信装置、放射線計数管、光電子増倍管、分光器(グレーティング)といった観測装置類の配置における位置・角度・向きの再現性向上。
(10)光学カメラ(テレビカメラ含む)、顕微鏡、望遠鏡、プリズム、鏡、光ファイバーケーブルの先端、レーダー発信装置、レーザー発信装置、放射線計数管、光電子増倍管、分光器(グレーティング)といった観測装置類における位置・角度・向き(オリエンテーション)のリアルタイム制御。
(11)X線(γ線、中性子線)CTシステムにおいて、照射ヘッドとインテンシファイア(ガイガーカウンタやシンチレーション検出器など)の機械的軌道を、円軌道に限定することなく、自在な位置・角度・向きに配備して撮影することによる撮影自由度の向上。
(12)MRIシステムにおいて、核磁気共鳴装置やインテンシファイア(電波受信機など)の位置・角度・向きを自在に配備して観測することによる撮影自由度の向上。
また、空間位置計測装置の構成要素は、コンピュータのプロセッサで実現することも可能であり、空間位置計測プログラムにより動作させることが可能である。
Claims (5)
- 第1物体に設けられた3つの送信センサSj(j=1,2,3)から、AM,FM,CDMA,TDMA,FDMAのうちいずれか一つの変調を施しさらに送信元を識別可能な識別情報を搭載した超音波を、送信させる送信部と、
第2物体に設けられた3つの受信センサMi(i=1,2,3)が受信した超音波を検出する検出部と、
前記受信センサが受信した超音波の特定の周波数成分を抽出する抽出部と、
前記第1物体及び前記第2物体の間に介在する媒質を伝搬する超音波の主要な前記周波数成分の受信強度に基づいて前記送信センサSjから前記受信センサMiへの前記超音波の伝搬時間ti,j を導出する導出部と、
前記伝搬時間ti,jに基づいて前記送信センサSj及び前記受信センサMiの距離ri,jを数式(1)に基づいて演算する距離演算部と、
ri,j=(v+αT)ti,j (1)
<数式(1)において、
T;温度、α;係数、
v;T=0において、前記送信センサSjと前記受信センサMiとの間に介在する媒質における前記超音波の伝搬速度>
前記送信センサSjの群及び前記受信センサMiの群のうちいずれか一方の位置座標(Xj,Yj,Zj)が固定された座標系において他方の位置座標(xi,yi,zi)を前記距離ri,jに基づいて数式(1)−(10)に従い逐次計算法により演算する座標演算部と、
<数式(1)−(10)において、前記位置座標(xi,yi,zi)の初期値(xi-0,yi-0,zi-0)が予め設定されており、数式(2)(3)(4)(5)(6)(7)で修正値(Δxi,Δyi,Δzi)を演算し、この修正値(Δxi,Δyi,Δzi)を数式(8)(9)(10)に代入して前記位置座標(xi,yi,zi)を演算し、この演算した位置座標(xi,yi,zi)を初期値(xi-0,yi-0,zi-0)に置き換えて数式(1)−(10)の演算を繰り返して規定値を下回る修正値(Δxi,Δyi,Δzi)の収束値を得て、この修正値(Δxi,Δyi,Δzi)の収束値を数式(8)(9)(10)に代入して位置座標(xi,yi,zi)の収束値を得る>
前記位置座標(Xj,Yj,Zj)を含む第1平面の方程式(aX+bY+cZ+d=0)と前記位置座標(xi,yi,zi)の収束値を含む第2平面の方程式(ex+fy+gz+h=0)とを導出する導出部と、
前記第1平面の方程式から得られる法線ベクトル(a,b,c)及び前記第2平面の方程式から得られる法線ベクトル(e,f,g)に基づいて、前記第1物体及び前記第2物体の相対角度を演算する相対角度演算部と、を備えることを特徴とする空間位置計測装置。
- 請求項1に記載の空間位置計測装置において、
前記送信センサは、前記超音波の前記第1物体への伝搬を抑制する部材を介して前記第1物体に設けられていることを特徴とする空間位置計測装置。 - 請求項1に記載の空間位置計測装置において、
前記送信センサの群及び前記受信センサの群は、それぞれ第1物体及び第2物体に着脱自在なアタッチメントに配置されていることを特徴とする空間位置計測装置。 - 第1物体に設けられた3つの送信センサSj(j=1,2,3)から、AM,FM,CDMA,TDMA,FDMAのうちいずれか一つの変調を施しさらに送信元を識別可能な識別情報を搭載した超音波を、送信させるステップと、
第2物体に設けられた3つの受信センサMi(i=1,2,3)が受信した超音波を検出するステップと、
前記受信センサが受信した超音波の特定の周波数成分を抽出するステップと、
前記第1物体及び前記第2物体の間に介在する媒質を伝搬する超音波の主要な前記周波数成分の受信強度に基づいて前記送信センサSjから前記受信センサMiへの前記超音波の伝搬時間ti,j を導出するステップと、
前記伝搬時間ti,jに基づいて前記送信センサSj及び前記受信センサMiの距離ri,jを数式(1)に基づいて演算するステップと、
ri,j=(v+αT)ti,j (1)
<数式(1)において、
T;温度、α;係数、
v;T=0において、前記送信センサSjと前記受信センサMiとの間に介在する媒質における前記超音波の伝搬速度>
前記送信センサSj及び前記受信センサMiのうちいずれか一方の位置座標(Xj,Yj,Zj)が固定された座標系において他方の位置座標(xi,yi,zi)を前記距離ri,jに基づいて数式(1)−(10)に従い逐次計算法により演算するステップと、
<数式(1)−(10)において、前記位置座標(xi,yi,zi)の初期値(xi-0,yi-0,zi-0)が予め設定されており、数式(2)(3)(4)(5)(6)(7)で修正値(Δxi,Δyi,Δzi)を演算し、この修正値(Δxi,Δyi,Δzi)を数式(8)(9)(10)に代入して前記位置座標(xi,yi,zi)を演算し、この演算した位置座標(xi,yi,zi)を初期値(xi-0,yi-0,zi-0)に置き換えて数式(1)−(10)の演算を繰り返して規定値を下回る修正値(Δxi,Δyi,Δzi)の収束値を得て、この修正値(Δxi,Δyi,Δzi)の収束値を数式(8)(9)(10)に代入して位置座標(xi,yi,zi)の収束値を得る>
前記位置座標(Xj,Yj,Zj)を含む第1平面の方程式(aX+bY+cZ+d=0)と前記位置座標(xi,yi,zi)の収束値を含む第2平面の方程式(ex+fy+gz+h=0)とを導出するステップと、
前記第1平面の方程式から得られる法線ベクトル(a,b,c)及び前記第2平面の方程式から得られる法線ベクトル(e,f,g)に基づいて、前記第1物体及び前記第2物体の相対角度を演算するステップと、を含むことを特徴とする空間位置計測方法。
- コンピュータに、
第1物体に設けられた3つの送信センサSj(j=1,2,3)から、AM,FM,CDMA,TDMA,FDMAのうちいずれか一つの変調を施しさらに送信元を識別可能な識別情報を搭載した超音波を、送信させるステップ、
第2物体に設けられた3つの受信センサMi(i=1,2,3)が受信した超音波を検出するステップ、
前記受信センサが受信した超音波の特定の周波数成分を抽出するステップ、
前記第1物体及び前記第2物体の間に介在する媒質を伝搬する超音波の主要な前記周波数成分の受信強度に基づいて前記送信センサSjから前記受信センサMiへの前記超音波の伝搬時間ti,j を導出するステップ、
前記伝搬時間ti,jに基づいて前記送信センサSj及び前記受信センサMiの距離ri,jを数式(1)に基づいて演算するステップ、
ri,j=(v+αT)ti,j (1)
<数式(1)において、
T;温度、α;係数、
v;T=0において、前記送信センサSjと前記受信センサMiとの間に介在する媒質における前記超音波の伝搬速度>
前記送信センサSj及び前記受信センサMiのうちいずれか一方の位置座標(Xj,Yj,Zj)が固定された座標系において他方の位置座標(xi,yi,zi)を前記距離ri,jに基づいて数式(1)−(10)に従い逐次計算法により演算するステップ、
<数式(1)−(10)において、前記位置座標(xi,yi,zi)の初期値(xi-0,yi-0,zi-0)が予め設定されており、数式(2)(3)(4)(5)(6)(7)で修正値(Δxi,Δyi,Δzi)を演算し、この修正値(Δxi,Δyi,Δzi)を数式(8)(9)(10)に代入して前記位置座標(xi,yi,zi)を演算し、この演算した位置座標(xi,yi,zi)を初期値(xi-0,yi-0,zi-0)に置き換えて数式(1)−(10)の演算を繰り返して規定値を下回る修正値(Δxi,Δyi,Δzi)の収束値を得て、この修正値(Δxi,Δyi,Δzi)の収束値を数式(8)(9)(10)に代入して位置座標(xi,yi,zi)の収束値を得る>
前記位置座標(Xj,Yj,Zj)を含む第1平面の方程式(aX+bY+cZ+d=0)と前記位置座標(xi,yi,zi)の収束値を含む第2平面の方程式(ex+fy+gz+h=0)とを導出するステップ、
前記第1平面の方程式から得られる法線ベクトル(a,b,c)及び前記第2平面の方程式から得られる法線ベクトル(e,f,g)に基づいて、前記第1物体及び前記第2物体の相対角度を演算するステップ、を実行させることを特徴とする空間位置計測プログラム。
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