JP6677576B2 - Method and apparatus for estimating position / posture of suspended moving object using acceleration signal - Google Patents

Method and apparatus for estimating position / posture of suspended moving object using acceleration signal Download PDF

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Description

本発明は、計測機器やカメラ等の物体をワイヤーや紐等を用いて吊り下げて、上下に昇降させた際の位置や姿勢を、物体自身に取り付けた加速度センサの信号を用いて精度良く推定する方法及び装置に関するものである。   The present invention accurately estimates the position and orientation when an object such as a measuring instrument or a camera is suspended using a wire or a string and vertically moved up and down using a signal of an acceleration sensor attached to the object itself. And a method and apparatus for performing the method.

従来より、物体や空間内面の形状を測定するための技術が種々提案されている(例えば、特許文献1、特許文献2、特許文献3参照)。   2. Description of the Related Art Conventionally, various techniques for measuring the shape of an object or the inner surface of a space have been proposed (for example, see Patent Literature 1, Patent Literature 2, and Patent Literature 3).

特許文献1に記載された技術は、複数台のカメラを備えた光学式モーションキャプチャと、9軸センサを備えたセンサモジュールとを備えた動作計測において、光学式マーカと同一体節上にセンサモジュールを設け、センサモジュールに対する光学式マーカの位置関係を記憶しておく。そして、世界座標系における隠れた光学式マーカの座標値を、センサモジュールに対する光学式マーカの位置関係と、世界座標系におけるセンサモジュールの座標値と、センサモジュールの9軸センサによって取得された回転行列を用いて計算されるセンサモジュール座標系と世界座標系間の変換行列とを用いて推定する。   The technology described in Patent Literature 1 is based on an optical motion capture system including a plurality of cameras and a motion measurement including a sensor module including a nine-axis sensor. Is provided, and the positional relationship of the optical marker with respect to the sensor module is stored. Then, the coordinate value of the hidden optical marker in the world coordinate system is represented by the positional relationship of the optical marker with respect to the sensor module, the coordinate value of the sensor module in the world coordinate system, and the rotation matrix acquired by the 9-axis sensor of the sensor module. Is estimated using the sensor module coordinate system calculated using the above and a transformation matrix between the world coordinate system.

特許文献2に記載された技術は、角速度に基づいて、演奏操作中のスティック部の回転軸方向を推定し、スティック部の長手方向の軸成分を除いた角速度に基づいて、スティック部の先端部の角速度を算出し、推定された直近の回転軸方向及び算出されたスティック部の先端部の直近の角速度に基づいて、所定時間後のスティック部のワールド座標系の位置を算出する。そして、加速度に基づいて、移動距離を算出し、算出された当該位置及び算出された当該移動距離に基づいて、所定時間後のスティック部のワールド座標系の位置を補正する。   The technique described in Patent Literature 2 estimates a rotation axis direction of a stick unit during a playing operation based on an angular velocity, and determines a tip end of the stick unit based on an angular velocity excluding a longitudinal axis component of the stick unit. Is calculated, and the position of the stick unit in the world coordinate system after a predetermined time is calculated based on the estimated closest rotational axis direction and the calculated closest angular speed of the tip of the stick unit. Then, the moving distance is calculated based on the acceleration, and the position of the stick unit in the world coordinate system after a predetermined time is corrected based on the calculated position and the calculated moving distance.

特許文献3に記載された技術は、撮像手段の視点を変えて測定対象物の画像を入力し、第1視点で測定して入力した画像の複数の特徴点を抽出し、第2視点で測定して入力した画像の特徴点に相当する対応点を抽出する。そして、2視点における重力方向と重力回りの角度を入力し、2視点における重力方向と角度から各視点における撮像手段の姿勢を算出し、姿勢値と特徴点及び対応点から第1視点と第2視点における各特徴点と対応点を通る視線ベクトルを算出し、視線ベクトルと特徴点及び対応点に基づき第1視点から第2視点までの並進運動ベクトルを算出し、並進運動ベクトルと視線ベクトルにより測定対象物の3次元形状を算出する。   The technique described in Patent Literature 3 changes the viewpoint of an imaging unit, inputs an image of a measurement target, measures a first viewpoint, extracts a plurality of feature points of the input image, and measures a second viewpoint. Then, corresponding points corresponding to the feature points of the input image are extracted. Then, the gravitational direction and the angle around gravity at the two viewpoints are input, the posture of the imaging means at each viewpoint is calculated from the gravitational direction and the angle at the two viewpoints, and the first viewpoint and the second viewpoint are calculated from the posture values, the feature points, and the corresponding points. A gaze vector that passes through each feature point and corresponding point at the viewpoint is calculated, a translational motion vector from the first viewpoint to the second viewpoint is calculated based on the gaze vector, the feature point, and the corresponding point, and measured by the translational motion vector and the gaze vector. The three-dimensional shape of the object is calculated.

特開2016−6415号公報JP-A-2006-6415 特開2013−213947号公報JP 2013-213947 A 特開平11−37736号公報JP-A-11-37736

ところで、物体の加速度から位置を算出する場合には、加速度を二度積分する必要がある。このため、加速度信号を用いて物体の位置を推定する従来の手法では、得られた加速度を積算する際に、信号ノイズや姿勢・速度誤差等の影響が増幅されるため、高い精度で位置や姿勢を推定することが困難であった。   By the way, when calculating the position from the acceleration of the object, it is necessary to integrate the acceleration twice. For this reason, in the conventional method of estimating the position of the object using the acceleration signal, when integrating the obtained acceleration, the effects of signal noise, posture / speed errors, and the like are amplified, so that the position and the position are accurately estimated. It was difficult to estimate the posture.

特許文献1〜特許文献3に記載された技術は、種々の手法を用いて物体の位置を推定するものであるが、信号ノイズや姿勢・速度誤差等の影響を排除することについては考慮されておらず、高い精度で位置や姿勢の推定を行うことができるとは言い難かった。   The techniques described in Patent Literatures 1 to 3 estimate the position of an object using various methods, but consideration is given to eliminating the effects of signal noise, attitude / speed errors, and the like. It was difficult to say that the position and orientation could be estimated with high accuracy.

本発明は、上述した事情に鑑み提案されたもので、高い精度で位置や姿勢の推定を行うことが可能な加速度信号を用いた吊り下げ移動物体の位置・姿勢推定方法及び推定装置を提供することを目的とする。   The present invention has been proposed in view of the above circumstances, and provides a method and an apparatus for estimating the position and orientation of a suspended moving object using an acceleration signal capable of estimating the position and orientation with high accuracy. The purpose is to:

本発明に係る加速度信号を用いた吊り下げ移動物体の位置・姿勢推定方法及び推定装置は、上述した目的を達成するため、以下の特徴点を有している。すなわち、本発明に係る加速度信号を用いた吊り下げ移動物体の位置・姿勢推定方法は、互いに直行する三軸方向の加速度を測定する加速度センサを装着した物体を上下方向に移動させて、加速度信号を取得する工程と、取得した加速度信号からノイズを除去する工程と、ノイズを除去した加速度信号に対して、速度補正、揺れ補正、回転補正を行う工程と、補正後の加速度信号に基づいて物体の位置及び姿勢を推定する工程とを含むことを特徴とするものである。   A method and apparatus for estimating the position and orientation of a suspended moving object using an acceleration signal according to the present invention have the following features in order to achieve the above object. That is, the position / posture estimation method of a suspended moving object using the acceleration signal according to the present invention is configured to move an object equipped with an acceleration sensor for measuring accelerations in three axial directions perpendicular to each other in an up-down direction, thereby obtaining an acceleration signal. Obtaining noise, removing noise from the obtained acceleration signal, performing speed correction, shaking correction, and rotation correction on the noise-removed acceleration signal, and detecting an object based on the corrected acceleration signal. And a step of estimating the position and orientation of the object.

本発明に係る加速度信号を用いた吊り下げ移動物体の位置・姿勢推定装置は、互いに直行する三軸方向の加速度を測定する加速度センサを備えた計測手段と、計測手段を吊り下げて、上下方向に移動させる移動手段と、計測手段から受信した計測信号に基づいて、計測手段の位置及び姿勢を推定する推定手段とを備えている。そして、推定手段は、受信した計測信号のノイズを除去するフィルタ部と、フィルタ部によりフィルタ処理した計測信号に対して、速度補正、揺れ補正、回転補正を行う補正部とを備えたことを特徴とするものである。   An apparatus for estimating the position and orientation of a suspended moving object using an acceleration signal according to the present invention includes: a measuring unit having an acceleration sensor for measuring accelerations in three axial directions perpendicular to each other; And estimating means for estimating the position and orientation of the measuring means based on the measurement signal received from the measuring means. The estimating means includes a filter unit for removing noise from the received measurement signal, and a correction unit for performing speed correction, shake correction, and rotation correction on the measurement signal filtered by the filter unit. It is assumed that.

また、本発明に係る加速度信号を用いた吊り下げ移動物体の位置・姿勢推定方法及び推定装置において、移動可能に吊り下げた物体は、計測機器またはカメラとすることが可能である。   In the method and apparatus for estimating the position and orientation of a suspended moving object using an acceleration signal according to the present invention, the movable object may be a measuring device or a camera.

本発明に係る加速度信号を用いた吊り下げ移動物体の位置・姿勢推定方法及び推定装置によれば、三軸の加速度センサを用いて吊り下げ移動物体の位置及び姿勢の推定を行うが、この際、加速度センサから受信した加速度信号のノイズ除去処理及び速度、揺れ、回転の補正処理を行うことにより、高い精度で位置や姿勢の推定を行うことが可能となる。   According to the method and apparatus for estimating the position and orientation of a suspended moving object using the acceleration signal according to the present invention, the position and orientation of the suspended moving object are estimated using a three-axis acceleration sensor. By performing a noise removal process and a speed, swing, and rotation correction process of the acceleration signal received from the acceleration sensor, it is possible to estimate the position and orientation with high accuracy.

本発明の実施形態に係る加速度信号を用いた吊り下げ移動物体の位置・姿勢推定方法の概略フローチャート。4 is a schematic flowchart of a method for estimating the position and orientation of a suspended moving object using an acceleration signal according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る加速度信号を用いた吊り下げ移動物体の位置・姿勢推定装置の概略ブロック図。1 is a schematic block diagram of a position / posture estimation device for a suspended moving object using an acceleration signal according to an embodiment of the present invention. ローカル座標とグローバル座標の説明図。FIG. 4 is an explanatory diagram of local coordinates and global coordinates. 補正前速度と補正後速度の一例を示す説明図。Explanatory drawing which shows an example of the speed before correction and the speed after correction. 鉛直方向移動量の推定結果と実際の計測結果の比較を示す説明図。FIG. 4 is an explanatory diagram showing a comparison between an estimation result of a vertical movement amount and an actual measurement result. 物体の揺れの補正例を示す説明図。FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating an example of correcting a shake of an object. 物体の回転の補正例を示す説明図。FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating an example of correcting rotation of an object.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る加速度信号を用いた吊り下げ移動物体の位置・姿勢推定方法及び推定装置を説明する。図1〜図7は本発明の実施形態に係る加速度信号を用いた吊り下げ移動物体の位置・姿勢推定方法及び推定装置を説明するもので、図1は位置・姿勢推定方法の概略フローチャート、図2は位置・姿勢推定装置の概略ブロック図、図3はローカル座標とグローバル座標の説明図、図4は補正前速度と補正後速度の一例を示す説明図、図5は鉛直方向移動量の推定結果と実際の計測結果の比較を示す説明図、図6は物体の揺れの補正例を示す説明図、図7は物体の回転の補正例を示す説明図である。   Hereinafter, a method and an apparatus for estimating the position and orientation of a suspended moving object using an acceleration signal according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 to 7 illustrate a position / posture estimation method and an estimation device of a suspended moving object using an acceleration signal according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 is a schematic flowchart of the position / posture estimation method. 2 is a schematic block diagram of a position / posture estimating device, FIG. 3 is an explanatory diagram of local coordinates and global coordinates, FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of a pre-correction speed and a post-correction speed, and FIG. FIG. 6 is an explanatory diagram showing a comparison between a result and an actual measurement result, FIG. 6 is an explanatory diagram showing an example of correction of shaking of an object, and FIG. 7 is an explanatory diagram showing an example of correction of rotation of the object.

<吊り下げ移動物体の位置・姿勢推定方法及び推定装置の概要>
本発明の実施形態に係る吊り下げ移動物体の位置・姿勢推定方法及び推定装置は、加速度の信号ノイズに対してローパスフィルタやカルマンフィルタ等のフィルタ処理を施すとともに、物体の移動速度に対して誤差の補正を行う。また、物体をワイヤーや紐等を用いて吊り下げた場合、物体には揺れ(振り子運動)や回転(ヨーイング)が発生するため、加速度周期等から回転角、揺れの幅等を推定し補正する。これにより、物体の位置・姿勢を精度良く推定することが可能となる。
<Outline of position / posture estimation method and estimation device of suspended moving object>
A method and apparatus for estimating the position and orientation of a suspended moving object according to an embodiment of the present invention perform a filtering process such as a low-pass filter or a Kalman filter on acceleration signal noise, and an error of the moving speed of the object. Make corrections. When an object is suspended using a wire, a string, or the like, the object is shaken (pendulum motion) or rotated (yawing). . This makes it possible to accurately estimate the position and orientation of the object.

なお、加速度センサから出力される信号には、重力成分、並進加速度成分、回転運動の成分(遠心加速度成分、接線加速度成分)が混在しており、1つの加速度センサ信号だけではこれらを分離することができない。このため、本発明では三軸の加速度センサ(3Dモーションセンサ等)を用いることを前提としている。   Note that the signal output from the acceleration sensor contains a gravitational component, a translational acceleration component, and a rotational motion component (centrifugal acceleration component, tangential acceleration component), and these signals must be separated by only one acceleration sensor signal. Can not. Therefore, in the present invention, it is assumed that a three-axis acceleration sensor (such as a 3D motion sensor) is used.

<吊り下げ移動物体の位置・姿勢推定方法の詳細>
本発明の実施形態に係る吊り下げ移動物体の位置・姿勢推定方法は、図1に示すように、互いに直行する三軸方向の加速度を測定する加速度センサを装着した物体を上下方向に移動させて、加速度信号を受信(取得)する工程(S1)と、受信(取得)した加速度信号からノイズを除去する工程(S2)と、ノイズを除去した加速度信号に対して、速度補正、揺れ補正、回転補正を行う工程(S3、S4、S5)と、補正後の加速度信号に基づいて物体の位置及び姿勢を推定する工程(S6)とを含んでいる。
<Details of position / posture estimation method for suspended moving object>
The position / posture estimation method of a suspended moving object according to the embodiment of the present invention is to move an object equipped with an acceleration sensor that measures acceleration in three axes perpendicular to each other vertically as shown in FIG. Receiving (acquiring) the acceleration signal (S1), removing noise from the received (acquired) acceleration signal (S2), and performing speed correction, vibration correction, rotation on the acceleration signal from which the noise has been removed. It includes a step of performing correction (S3, S4, S5) and a step of estimating the position and orientation of the object based on the corrected acceleration signal (S6).

<吊り下げ移動物体の位置・姿勢推定装置の概要>
上述した吊り下げ移動物体の位置・姿勢推定方法に使用する位置・姿勢推定装置は、図2に示すように、計測手段11と、移動手段12と、推定手段13とを備えており、推定手段13は、フィルタ部13aと、補正部13bとを備えている。
<Outline of position and orientation estimation device for suspended moving object>
As shown in FIG. 2, the position / posture estimating apparatus used in the above-described method for estimating the position / posture of a suspended moving object includes a measuring unit 11, a moving unit 12, and an estimating unit 13; 13 includes a filter unit 13a and a correction unit 13b.

計測手段11は、互いに直行する三軸方向の加速度を測定する加速度センサを備えており、吊り下げ移動物体に取り付けられている。移動手段12は、計測手段11を吊り下げて、上下方向に移動させるための装置で、例えば、計測手段11を吊り下げるワイヤや紐等と、ワイヤや紐等の巻き取り及び巻き出しを行う装置とからなる。   The measuring means 11 includes an acceleration sensor for measuring accelerations in three axial directions perpendicular to each other, and is attached to a suspended moving object. The moving unit 12 is a device for suspending and moving the measuring unit 11 in the vertical direction. For example, a device for hanging and unwinding a wire or a string suspending the measuring unit 11 and a wire or a string. Consists of

推定手段13は、計測手段11から受信した計測信号に基づいて、フィルタ処理及び補正処理を行って、計測手段11の位置及び姿勢を推定する。この推定手段13は、受信した計測信号のノイズを除去するフィルタ部13aと、フィルタ部13aによりフィルタ処理した計測信号に対して、速度補正、揺れ補正、回転補正を行う補正部13bとを備えている。フィルタ部13aは、加速度の信号ノイズに対してローパスフィルタやカルマンフィルタ等のフィルタ処理を施す。補正部13bは、コンピュータ及びこれにインストールされたプログラムにより構成されており、所定の演算を行うことにより、速度補正、揺れ補正、回転補正を行う。   The estimating unit 13 performs a filtering process and a correcting process based on the measurement signal received from the measuring unit 11 to estimate the position and the posture of the measuring unit 11. The estimating means 13 includes a filter unit 13a for removing noise from the received measurement signal, and a correction unit 13b for performing speed correction, shaking correction, and rotation correction on the measurement signal filtered by the filter unit 13a. I have. The filter unit 13a performs filter processing such as a low-pass filter or a Kalman filter on the acceleration signal noise. The correction unit 13b includes a computer and a program installed in the computer, and performs a predetermined calculation to perform speed correction, shake correction, and rotation correction.

<上下方向移動量の推定方法>
図3に示すように、ある物体のローカル座標系をx-y-z、グローバル座標系をX-Y-Zとする。この物体に加速度センサ(計測手段11)を取り付けて移動させると、その移動に伴った加速度が発生する。なお、物体自体に加速度センサを取り付けることから、計測される加速度は物体のローカル座標系x-y-zの各軸方向の加速度αx(t),αy(t),αz(t)である。この物体のローカル座標系の各軸がグローバル座標に対してθx,θy,θz回転しているとすると、グローバル座標系における加速度αx(t),αy(t),αz(t)は、この物体の回転を考慮して下記式(1)のように求められる。
<Method of estimating the amount of vertical movement>
As shown in FIG. 3, the local coordinate system of a certain object is xyz, and the global coordinate system is XYZ. When an acceleration sensor (measurement means 11) is attached to this object and moved, acceleration accompanying the movement is generated. Since the acceleration sensor is attached to the object itself, the measured acceleration is the acceleration α x (t), α y (t), α z (t) in each axis direction of the local coordinate system xyz of the object. It is. Assuming that each axis of the local coordinate system of this object is rotated by θ x , θ y , θ z with respect to the global coordinates, accelerations α x (t), α y (t), α z ( t) is obtained as in the following equation (1) in consideration of the rotation of the object.

Figure 0006677576
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なお、計測される加速度信号αx(t),αy(t),αz(t)にはノイズが含まれるため、ローパスフィルタやカルマンフィルタ等のフィルタ処理を施す。ここで、この物体を上下に昇降させる場合を対象として、鉛直Z方向の加速度αz(t)に着目する。また、物体は移動開始前後では停止していると考える。この場合、物体の鉛直Z方向(グローバル座標系)の移動速度νz(t)は、上記式(1)に示す鉛直Z方向の加速度αz(t)を積分することにより、下記式(2)のように求められる。 Since the measured acceleration signals α x (t), α y (t), and α z (t) include noise, filter processing such as a low-pass filter or a Kalman filter is performed. Here, for the case where the object is moved up and down, attention is paid to the acceleration α z (t) in the vertical Z direction. Also, it is assumed that the object is stopped before and after the movement starts. In this case, the moving velocity ν z (t) of the object in the vertical Z direction (global coordinate system) is obtained by integrating the acceleration α z (t) in the vertical Z direction shown in the above equation (1), by the following equation (2). ).

Figure 0006677576
Figure 0006677576

上記式(2)において、Δtは加速度の計測間隔時間、gは重力加速度である。この物体の移動速度νz(t)は、移動開始前後は物体が停止状態にあると考えることから、計測終了時(ここでは、t=tLと仮定する)では移動速度がゼロにならければならない。しかしながら、実際に移動開始前後に物体を停止させて計測した加速度から、上記式(1)および上記式(2)を用いて移動速度νz(t)を算出すると、計測終了時(t=tL)の移動速度νz(tL)はゼロにならない(図4参照)。これは、上記式(2)に示した加速度を積算してゆく過程で、計測誤差が蓄積するためである。 In the above equation (2), Δt is an acceleration measurement interval time, and g is a gravitational acceleration. Since the object moving speed ν z (t) is considered to be in the stopped state before and after the start of the movement, the moving speed becomes zero at the end of the measurement (here, it is assumed that t = t L ). Must. However, when the movement speed ν z (t) is calculated from the acceleration actually measured by stopping the object before and after the start of movement using the above equations (1) and (2), the measurement end time (t = t L) the moving speed [nu z of (t L) is not zero (see FIG. 4). This is because measurement errors accumulate in the process of accumulating the acceleration shown in the above equation (2).

そこで、この計測誤差が一次関数に従うと仮定し、上記式(2)により求めた計測終了時(t=tL)の移動速度νz(tL)を用いて、次のような補正関数H(t)を作成する(下記式(3))。下記式(3)は速度補正に関する式である。 Therefore, assuming that the measurement error follows a linear function, the following correction function H is obtained using the moving speed ν z (t L ) at the end of measurement (t = t L ) obtained by the above equation (2). (T) is created (Equation (3) below). The following equation (3) is an equation relating to speed correction.

Figure 0006677576
Figure 0006677576

この補正関数H(t)を用いて、計測終了時の移動速度がゼロになるよう、移動速度を下記式(4)のように補正する。図4に、補正前の移動速度と補正後の移動速度の一例を示す。   Using this correction function H (t), the moving speed is corrected as in the following equation (4) so that the moving speed at the end of the measurement becomes zero. FIG. 4 shows an example of the moving speed before correction and the moving speed after correction.

Figure 0006677576
Figure 0006677576

物体の鉛直方向の移動量Z(t)は、補正後の移動速度を用いて、下記式(5)のように積分することで求める。   The vertical movement amount Z (t) of the object is obtained by integrating the corrected movement speed as in the following equation (5).

Figure 0006677576
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図5は、加速度センサ(三次元モーションセンサ;3DMS)で計測した加速度から求めた鉛直方向移動量の推定結果と、物体の鉛直方向移動量をトータルステーションで計測した結果を比較した例である。3DMSから推定した鉛直方向移動量は、トータルステーションの測定結果とほぼ一致しており、その誤差は約2mの引き上げ量(移動量)に対して1%未満である。   FIG. 5 is an example in which the estimation result of the vertical movement amount obtained from the acceleration measured by the acceleration sensor (three-dimensional motion sensor; 3DMS) is compared with the result of measuring the vertical movement amount of the object by the total station. The vertical movement amount estimated from the 3DMS is almost the same as the measurement result of the total station, and the error is less than 1% for the lifting amount (movement amount) of about 2 m.

<水平方向移動量の推定方法>
ワイヤや紐等を用いて吊り下げた物体を上下に昇降させる場合、その物体の運動は単振り子運動であると捉えることができる。水平方向の移動量が、振り子の支点から物体までの長さL(t)に対して微小であると考えると、ローカル座標系の水平方向移動量x(t),y(t)は、各軸の回転角θx,θyを用いて、下記式(6)により表わされる。
<Method of estimating the amount of horizontal movement>
When an object suspended using a wire, a string, or the like is moved up and down, the movement of the object can be regarded as a simple pendulum movement. Assuming that the horizontal movement amount is small relative to the length L (t) from the fulcrum of the pendulum to the object, the horizontal movement amounts x (t) and y (t) of the local coordinate system are each It is expressed by the following equation (6) using the rotation angles θ x and θ y of the shaft.

Figure 0006677576
Figure 0006677576

また、振り子の長さL(t)は物体を鉛直方向に移動させることで変化し、計測開始前の支点から物体までの長さをLiniとすれば、下記式(7)のように表わされる。 Further, the length L (t) of the pendulum changes by moving the object in the vertical direction. If the length from the fulcrum to the object before the start of measurement is L ini , the length is expressed as the following equation (7). It is.

Figure 0006677576
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上記式(7)において、Z(t)は、式(4)に示す鉛直方向の移動量である。なお、物体をワイヤや紐等で吊り下げた場合、例えば風やコリオリ力等の影響により、移動開始前の物体には若干の揺れが生じる。そこで、各軸の回転角θx,θy,θzから移動開始前の振り子の周期Tiniを測定すれば、初期長さLiniを周期Tiniから、下記式(8)で求めることができる。式(6)、式(7)、式(8)は、揺れ補正に関する式である。 In the above equation (7), Z (t) is the amount of vertical movement shown in equation (4). When the object is hung by a wire, a string, or the like, the object before the start of movement slightly shakes due to, for example, the influence of wind or Coriolis force. Therefore, if the period T ini of the pendulum before the movement is measured from the rotation angles θ x , θ y , θ z of each axis, the initial length L ini can be obtained from the period T ini by the following equation (8). it can. Expressions (6), (7), and (8) are expressions relating to shake correction.

Figure 0006677576
Figure 0006677576

物体をワイヤや紐等を用いて吊り下げた場合、このワイヤや紐等のよじれの影響により物体は回転するため、この回転量についても補正する必要がある。この時のz軸周りの回転(ヨーイング)角をθzとすると、グローバル座標系の水平方向移動量X(t),Y(t)は、下記式(9)のように求められる。式(9)は、ヨーイング補正に関する式である。 When an object is suspended using a wire, a string, or the like, the object rotates due to the kinking of the wire, the string, or the like. Therefore, the amount of rotation needs to be corrected. Assuming that the rotation (yaw) angle around the z-axis at this time is θ z , the horizontal movement amounts X (t) and Y (t) in the global coordinate system are obtained as in the following equation (9). Equation (9) is an equation relating to yawing correction.

Figure 0006677576
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図6及び図7は、計測装置に加速度センサを搭載し、それぞれ水平方向の移動量と回転(ヨーイング)を補正した事例である。図6及び図7から明らかなように、本発明によれば、物体の揺れ及び回転(回転)を適切に補正することができる。   FIGS. 6 and 7 show examples in which an acceleration sensor is mounted on the measurement device and the horizontal movement amount and the rotation (yaw) are respectively corrected. As is clear from FIGS. 6 and 7, according to the present invention, the swing and rotation (rotation) of the object can be appropriately corrected.

<計測手段>
先に説明したが、計測手段11は、移動物体に取り付ける加速度センサ(三次元モーションセンサ;3DMSS)部分と、計測した加速度を処理するパーソナルコンピュータ等から構成される。
<Measurement means>
As described above, the measuring unit 11 includes an acceleration sensor (three-dimensional motion sensor; 3DMSS) portion attached to the moving object, a personal computer for processing the measured acceleration, and the like.

<適用例>
本発明に係る加速度信号を用いた吊り下げ移動物体の位置・姿勢推定方法及び推定装置は、例えば、地下資源を採掘した後に放置された鉱山廃鉱の地下空洞や、廃棄された地下施設の空間の形状を迅速かつ正確に計測することにより、空洞充填工事を行う際に、充填材配合設計、充填材施工等を円滑に行う装置及び方法に適用することができる。
<Application example>
A method and an apparatus for estimating the position and orientation of a suspended moving object using an acceleration signal according to the present invention include, for example, an underground cavity of a mine abandoned mine abandoned after mining underground resources, and a space of a discarded underground facility. By measuring the shape quickly and accurately, the present invention can be applied to an apparatus and a method for smoothly performing a filler compounding design, a filler construction, and the like when performing a cavity filling work.

このような装置及び方法は、例えば、特開2015−230301号公報に記載されている。特開2015−230301号公報に記載された空間内面形状の計測装置は、測定手段と、位置検出手段と、収容手段と、移動手段と、形状演算手段とを備えている。この計測装置は、種々の態様からなる空間内面形状を計測するための装置であり、地盤内に存在する空洞、トンネル、貯水タンク、下水管等の空間内面形状を計測することができる。   Such an apparatus and method are described, for example, in JP-A-2015-230301. The measuring device for measuring the inner surface shape of a space described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-230301 is provided with a measuring unit, a position detecting unit, a storing unit, a moving unit, and a shape calculating unit. This measuring device is a device for measuring the inner shape of a space in various modes, and can measure the inner shape of a space such as a cavity, a tunnel, a water storage tank, and a sewer pipe existing in the ground.

また、特開2015−230301号公報に記載された空間内面形状の計測方法は、このような構成からなる空間内面形状の計測装置を用いて、計測対象となる空間内に、レーザー光の照射部と、広角レンズと、撮像素子と、位置検出手段とが一体に収容された収容手段を設置する。空間内面形状を計測するには、計測対象となる空間内で、収容手段を移動させるとともに、その位置を検出しながら、空間内面に対して円環状にレーザー光を照射し、空間内面に形成されたレーザー光像を広角レンズにより撮像面に結像させて画像データとして出力する。そして、出力された画像データと、当該画像データの検出位置データとに基づいて、演算処理を行うことにより空間内面の形状を求めるようになっている。   A method for measuring the inner surface shape of a space described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-230301 discloses a method for irradiating a laser beam into a space to be measured using a measuring device for the inner surface shape of a space having such a configuration. And a housing means in which the wide-angle lens, the image sensor, and the position detecting means are housed integrally. To measure the shape of the inner surface of the space, the housing means is moved in the space to be measured, and while detecting its position, the inner surface of the space is irradiated with laser light in an annular shape to form the inner surface of the space. The formed laser light image is formed on an imaging surface by a wide-angle lens and output as image data. Then, based on the output image data and the detected position data of the image data, the shape of the inner surface of the space is obtained by performing an arithmetic process.

<本発明の有利な効果>
本発明では、物体自身に取り付けた加速度センサの信号のみを利用するため、人が入ることが出来ない場所(例えば、狭隘空間や危険個所等)や、GNSS等の電波を受信できない場所(例えば、屋内や地下等)であっても、遠隔操作で物体の位置・姿勢を推定することが可能である。また、高精度で位置・姿勢を推定することができるため、計測装置やカメラ等へ適用することにより、高い精度で計測を行うことができる。
<Advantageous effects of the present invention>
In the present invention, since only the signal of the acceleration sensor attached to the object itself is used, a place where a person cannot enter (for example, a narrow space or a dangerous place) or a place where radio waves such as GNSS cannot be received (for example, Even if it is indoors or underground, it is possible to remotely estimate the position and orientation of the object. In addition, since the position and orientation can be estimated with high accuracy, measurement can be performed with high accuracy by applying the present invention to a measuring device, a camera, or the like.

10 位置・姿勢推定装置
11 計測手段
12 移動手段
13 推定手段
13a フィルタ部
13b 補正部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Position / posture estimation apparatus 11 Measuring means 12 Moving means 13 Estimating means 13a Filter section 13b Correction section

Claims (4)

互いに直行する三軸方向の加速度を測定する加速度センサを装着した物体を上下方向に移動させて、加速度信号を取得する工程と、
前記取得した加速度信号からノイズを除去する工程と、
前記ノイズを除去した加速度信号に対して、速度補正、揺れ補正、回転補正を行う工程と、
前記補正後の加速度信号に基づいて前記物体の位置及び姿勢を推定する工程と、
を含むことを特徴とする加速度信号を用いた吊り下げ移動物体の位置・姿勢推定方法。
A step of moving an object equipped with an acceleration sensor for measuring accelerations in three axes perpendicular to each other in the vertical direction to obtain an acceleration signal,
Removing noise from the obtained acceleration signal;
For the acceleration signal from which the noise has been removed, a step of performing velocity correction, vibration correction, and rotation correction,
Estimating the position and orientation of the object based on the corrected acceleration signal,
A position / posture estimation method of a suspended moving object using an acceleration signal.
前記物体は、計測機器またはカメラであることを特徴とする請求項1に記載の加速度信号を用いた吊り下げ移動物体の位置・姿勢推定方法。   The method according to claim 1, wherein the object is a measuring device or a camera. 互いに直行する三軸方向の加速度を測定する加速度センサを備えた計測手段と、
前記計測手段を吊り下げて、上下方向に移動させる移動手段と、
前記計測手段から受信した計測信号に基づいて、前記計測手段の位置及び姿勢を推定する推定手段と、を備え、
前記推定手段は、
前記受信した計測信号のノイズを除去するフィルタ部と、
前記フィルタ部によりフィルタ処理した計測信号に対して、速度補正、揺れ補正、回転補正を行う補正部と、を備えたことを特徴とする加速度信号を用いた吊り下げ移動物体の位置・姿勢推定装置。
Measuring means having an acceleration sensor for measuring accelerations in three axes perpendicular to each other,
A moving unit that suspends the measuring unit and moves the measuring unit up and down,
Estimating means for estimating the position and orientation of the measuring means based on the measurement signal received from the measuring means,
The estimating means includes:
A filter unit for removing noise of the received measurement signal,
A position / posture estimating apparatus for a suspended moving object using an acceleration signal, comprising: a correction unit configured to perform speed correction, shaking correction, and rotation correction on the measurement signal filtered by the filter unit. .
前記物体は、計測機器またはカメラであることを特徴とする請求項3に記載の加速度信号を用いた吊り下げ移動物体の位置・姿勢推定装置。   The position / posture estimating device of a suspended moving object according to claim 3, wherein the object is a measuring device or a camera.
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