JP7088719B2 - Gnss装置 - Google Patents

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Description

本発明は、GNSS装置、特にチルトセンサを備えたGNSS装置に関する。
近年、チルトセンサを内蔵したGNSS装置が測量の現場で使用されている。
例えば特許文献1の装置は、電子チルトセンサ、撮像装置、および表示部を備え、電子チルトセンサによって検出された傾きから装置の鉛直下方位置を撮像データとともに表示部に表示している。
特開2012―225696号
しかし、チルトセンサが内蔵されたGNSS装置は、近年リリースされたばかりで、画面の表示が分かりづらく、操作しにくいことが問題となっている。
本発明は、このような事情に鑑みて成されたものであり、操作しやすく使い勝手のよい電子チルトセンサを備えたGNSS装置の提供を目的とする。
前記目的を達成するために、本発明のある態様のGNSS装置では、傾きを計測可能なチルトセンサと、方向を計測可能な電子コンパスと、位置情報を取得可能なGNSSアンテナと、情報を表示可能な表示部とを備え、前記チルトセンサまたは前記電子コンパスが調整のためにキャリブレーションを要求したときに、前記表示部の画面に注意を示すアイコンが表示され、前記アイコンがタップされると前記表示部の画面がキャリブレーション画面に移行するよう構成した。
この態様によれば、必要な場合にはすぐにキャリブレーション画面に移動できるため、作業性がよく、使い勝手がよい。
好ましくは、前記表示部は、前記チルトセンサで計測された傾きを電子気泡管として表示し、前記電子気泡管の気泡を、前記チルトセンサで計測した傾きのレベルに応じた色で表示するものとする。
この態様によれば、気泡の色でGNSS装置の傾きの具合を判断でき、視認性が良く、作業者が理解しやすく、ユーザーフレンドリーである。
好ましくは、前記チルトセンサおよび前記GNSSアンテナはポールに取付けられ、前記チルトセンサが計測した前記ポールの傾きおよび前記GNSSアンテナの取付け高さから、前記GNSSアンテナが取得した位置情報を基に、前記ポール接地点の位置情報を算出する補正機能を備え、前記表示部は、前記補正機能を使用する場合と、前記補正機能を使用しない場合とでは、異なる色の気泡で前記電子気泡管を表示するものとする。
この態様によれば、補正機能がONであるかOFFであるかを作業者が一目で判断できる。
好ましくは、前記GNSSアンテナが位置情報取得時においても、前記チルトセンサまたは電子コンパスが調整のためにキャリブレーションを要求したときには、前記注意を示すアイコンが表示部に表示されるものとする。
位置情報取得時であっても、キャリブレーション必要時にその旨が表示され、タップすればすぐにキャリブレーションを実施できるため、無駄な動作が必要なく、使い勝手がよい。
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、操作しやすく使い勝手のよいチルトセンサを備えたGNSS装置が提供できる。
実施の形態に係るGNSS装置を示す概略図である。 同GNSS装置のブロック図である。 受信機の軸および傾きを説明するための説明図である。 補正値の算出方法を説明するための説明図である。 表示部の表示画面の一例である。 表示部の表示画面の一例である。 表示部の表示画面の一例である。 表示部の表示画面の一例である。 表示部の表示画面の一例である。 表示部の表示画面の一例である。 電子気泡管の気泡の色について説明するための説明図である。 GNSS装置の動作フローチャートである。 キャリブレーション処理のフローチャートである。
以下、本開示の構成の具体的な実施形態を、図面を参照しながら説明する。実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
(実施形態)
図1は本発明の実施形態に係るGNSS装置1の概略図であり、図2はGNSS装置1のブロック図である。
GNSS装置1は、GNSS(全地球的航法衛星システム:Global Nagigation Satellaite System)を使用した測位システムである。本実施形態では、GNSSのうちの1つとしてGPS(全地球的測位システム:Global Positioning System)を利用して測位している。
GNSS装置1は、受信機2とコントローラ3とポール4を備える。受信機2とコントローラ3は別体として構成され、無線あるいはケーブルにより有線で接続される。
ポール4は上端に水平面を有し、水平面から脚が垂設されている。ポール4の水平面の中心(接地点Pの鉛直線上)に受信機2は支承される。
(受信機2)
受信機2はGPS衛星から発信された信号を受信する装置であり、GNSSアンテナ21と、GNSS受信機22と、チルトセンサ23と、電子コンパス24、通信部25を有する。
GNSSアンテナ21は電波を受信する装置であり、GPS衛星から発信されるGPS信号を受信し、受信したGPS信号をGNSS受信機22に入力する。
GNSS受信機22は、受信した電波(GPS信号)を電気信号に変換する。変換された信号は後述の通信部25を介してコントローラ3の演算制御部へ入力される。
チルトセンサ23は、基準状態からの傾斜角を計測するセンサである。本実施形態では、チルトセンサ23は加速度を計測可能な加速度センサで構成され、重力加速度を計測して傾きを測定する。図3に示すように、受信機2の底面が水平面に水平に置かれた状態(水平状態)を基準状態として設定され、受信機2の水平状態からの水平面に沿う一方向周り(図3中のXk軸周り)の傾きTiltXと、水平面に沿う一方向と直交する他方向周り(図3中のYk軸周り)の傾きTiltYとを計測することが可能となっている。なお、傾斜角を計測可能であれば、加速度センサに限られず、例えばジャイロセンサで構成してもよい。
電子コンパス24は、半導体を用いた方位センサであり、南北の地磁気を検出して方角を算出する。MR素子を使用したものやGMR素子を使用したものなど、公知のものを使用し、その種類は問わない。
通信部25は、コントローラ3の通信部32との間で無線通信が可能なデータ送受信装置である。GNSS受信機22に入力されたGPS信号や、チルトセンサ23および電子コンパス24で計測されたデータを通信部32へ送信し、またコントローラ3からの命令を受信する。
チルトセンサ23や電子コンパス24は、使用に際してときにキャリブレーションを必要とする。搭載されているセンサが高感度であり、外気の磁界や電波の影響を受けやすく、微妙なセンサに影響を与え、狂わせることがあり、これを正常な状態にもどすために、微調整(キャリブレーション)が必要となる。チルトセンサ23および電子コンパス24の特性上、受信機2使用開始時にはキャリブレーションは必須となる。
(コントローラ3)
コントローラ3は、受信機2が受信した信号から三次元測位データを算出する装置であり、表示部31と、通信部32と、入力部33と、記憶部34と、演算制御部35を備える。
表示部31と入力部33はGNSS装置1のインターフェースである。入力部33では各種の動作指示の入力が、表示部では指令の設定や観測状況および操作結果の確認が可能である。本実施形態では、表示部31はタッチパネル式であり、作業者が画面をタップすることで命令を入力することが可能であり、入力部33を兼ねている。
通信部32は、通信部25同様無線のデータ送受信装置であり、演算制御部35の制御で、通信部25からデータを受信と命令の送信が可能である。
演算制御部35は、例えばCPU、ROM、RAM等を集積回路に実走したマイクロコントローラであり、表示部31への命令の実施や、受信機2が受信したGPS信号を使用しての三次元測位データの算出等、GNSS装置1全体を制御する。GPS信号からの三次元測位データ算出は、様々な方法があるが、従来から知られているものであるため、詳細な説明は省略する。記憶部34には、上記演算処理のための各種プログラムが格納されている。
(傾斜補正)
演算制御部35は、受信したGPS信号から、受信機2設置点(図3の原点0)の高精度な三次元測位データ(座標)を算出する。しかしこれはあくまで受信機2の設置点の座標であって、実際に測量の場で算出すべきはポール4の接地点Pである。このため、チルトセンサ23および電子コンパス24の検出結果を基に補正値を求めて、原点Oの座標を補正して接地点Pの座標を算出する。以下、この補正を傾斜補正と称する。
図4は補正値の算出方法を説明するための説明図である。受信機2の原点Oの座標(X,Y,Z)からポール4の接地点P(X’,Y’,Z’)を算出するため、まずチルトセンサ23が計測した傾き(Tilt X),(Tilt Y)とポール4の垂直高Ahから、受信機2のローカル座標軸における相対的な差分(dXk,dYk,dZk)を求める。
図4(A)および図4(B)に示すように、
dXk = Ah×sin(Tilt Y) …(1)
dYk = Ah×sin(-Tilt X) …(2)
またポール4の三次元的な傾斜角をTilt A、差分をdAとすると(図4(C)および図4(D)参照)、
dA = sqrt(dXkdXk + dYk×dYk) …(3)
Tilt A = Asin(dA / Ah) …(4)
dZk =Ah-Ah×sin(Tilt A) …(5)
以上により相対的な差分(dXk,dYk,dZk)が求められる。
次に、電子コンパス24の測定したずれ角度T(受信機2の軸Ykの方向と実際の方向Yとのずれ角度)を利用して、受信機2の座標軸を回転させ、グローバル座標での補正値(Xd、Yd、Zd)を求める。
図4(E)に示すように、
Xd = dXk×cos(T) - dYk×sin(T) …(6)
Yd = dXk×sin(T) + dYk×cos(T) …(7)
Zd = dZk …(8)
よって、ポール4の接地点Pの座標(X’,Y’,Z’)は、以下の通りとなる。
X’ = X - Xd …(9)
Y’ = Y - Yd …(10)
Z’ = Z + Zd …(11)
上記計算式を用いて、ポール4の接地点Pの座標を算出する傾斜補正を行う。
傾斜補正が行われている場合、表示部31には受信機2の三次元位置データとして、接地点Pが表示される。傾斜補正が行われない場合、受信機2の原点Oからポール4の垂直高Ah分垂下した仮想原点O’ (図4(F)参照)が三次元位置データとして表示される。
(表示部31の表示画面)
図5~図10は、表示部31の表示結果の一例である。
図5の画面エリア41は、リアルタイムキネマティック(RTK)観測画面を示し、三角形の記号43が既知点を、ピンの記号42が自身の観測点を示し、作業者は位置関係を視覚的に把握できる。画面エリア44は、受信機2から計測された受信機2の三次元位置データ(時刻JSTおよび座標X,Y,H)を示す。
画面エリア44の三次元位置データは、算出された受信機2の仮想原点O’の座標を表示させることも、傾斜補正によってポール4の接地点Pの座標を表示されることも選択的に可能である。傾斜補正を行っている場合には、下部に「傾斜補正中」の表示46が表示される。
アイコン47はチルトセンサ23の異常や不調が検知された場合にのみ表示され、アイコン48は電子コンパス24の異常や不調が検出された場合にのみ表示され、どちらもキャリブレーションを要求するためのものである。アイコン47またはアイコン48をタップすることで、画面は図7に示すキャリブレーション画面に遷移する。
従来の画面表示では、キャリブレーションを促す記号が表示されても、メニュー画面からしかキャリブレーション画面へ移動できないため、一度メニュー画面に戻り、そこからキャリブレーションを選択してキャリブレーション画面へ移動する必要があり、手間がかかっていた。アイコン47、アイコン48をタップすることで、直接キャリブレーション画面へ移動できるため、操作性が向上した。
電子気泡管45は、チルトセンサ23で計測された傾斜データを基に表示される。気泡45Aが中央にあれば基準面に対して水平であり、作業者が直感的に受信機2の傾斜状態を捉えられるようになっている。
電子気泡管45の気泡45Aは、受信機2(ポール4)の傾斜角度のレベルによって異なる色で表示される。図11は気泡45Aの表示の一例を示す。傾斜補正において、傾斜補正を行う傾斜角度の範囲は設定可能であり、例えば範囲上限を5°、10°、15°から選択、または所望の角度を入力できるよう構成されている。図11(A),(B)では傾斜補正の上限を15°に設定した場合を示す。
図11(A)に示すように、気泡45Aは傾斜補正の範囲内外で異なる色で表示される。傾斜補正ありの設定の場合で、傾斜角度が0~15°未満であれば緑色の気泡45Aが表示され、傾斜角度が15°以上であれば赤色の気泡45Aが表示される。現在の受信機2の傾斜角度が、傾斜補正の範囲外であるか範囲内であるかで色を異ならしめることで、作業者が状態を一目で理解できるようになっている。
また傾斜補正なしの設定の場合でも、判断基準として同じ15°を使用し、傾斜角度が0°~15°未満であれば、青色の気泡45Aが表示され、傾斜角度が15°以上であれば、赤色の気泡45Aが表示される。傾斜補正の設定のON/OFFを気泡45Aの色を異ならしめることで、設定の状態を一目で理解できるようになっている。また、過大な傾斜角度(15°以上)の場合には、どちらも赤色の気泡45Aを表示し、作業者に注意を促している。
図11(B)は気泡45Aの別の表示例であり、受信機2(ポール4)の傾斜のレベルにより、色の濃度を変化せて傾斜レベルを示している。傾斜角度が5°ごとに、気泡45Aの色はその濃度を徐々に上げる。傾斜角度が0°~5°の範囲内であれば、気泡に色はなく白丸で表示され、角度が大きくなるごとに色の濃度が高くなり、15°以上になり、傾斜補正範囲外となると黒丸で表示される。傾斜角度のレベルを作業者は色の濃度により理解できるようになっている。
気泡45Aの色により使用者は設定や状態を判断でき、視認性が良くユーザーフレンドリーな構成となっている。
図6は、静止観測時の画面であり、信号を受信しているGPS衛星の数や、エポック数など、受信状態を表示している。入力欄51にはアンテナ高、即ちポール4の垂直高Ahを入力するようになっている。静止観測時の画面においても、下部に電子気泡管45や表示46が表示され、キャリブレーションを要求する場合はアイコン47、アイコン48が表示される。静止観測時においても、注意喚起が一目で分かるため認識性がよく、またこれらアイコン(47、48)をタップすることで、キャリブレーション画面へ移動でき、操作性が良い。
図7はキャリブレーション画面であり、レベル・コンパス・コンパスアライメントの調子を示し、調整な必要な項目に対してNG表示(一例として図中ではコンパスの項目)をして作業者に分かりやすく注意を訴えている。
各項目の「調整」ボタン(54,55,56)を作業者がタップすることで、各キャリブレーション実行画面(図8、図9、図10)へ移行する。項目ごとにキャリブレーションの方法は異なる。各キャリブレーション実行画面とともに、キャリブレーションの方法を説明する。
図8は、レベル・キャリブレーション実行画面である。レベル・キャリブレーションでは、作業者は受信機2を水平面に載置して、開始ボタン57をタップする。受信機2をキャリブレーション実行中に動かす必要はなく、内部で自動実施される。
図9は、コンパス・キャリブレーション実行画面である。コンパス・キャリブレーションでは、作業者は、開始ボタン58をタップしてキャリブレーションを開始し、受信機2を縦方向(軸Xk周り)に360°回転させて、つづけて横方向(軸Zk周り)に90°回転させる。縦方向360°回転と横90°回転を4回繰り返す。
図10は、コンパスアライメント・キャリブレーション実行画面である。コンパスアライメント・キャリブレーションでは、作業者はまず受信機2を水平面に載置し、開始ボタン59をタップする。作業者はキャリブレーションが完了するまで受信機を横方向(軸Zk周り)に回し続ける。
いずれも、作業者が各動作を実施して、キャリブレーションが成功すると、画面にOKと表示され、これをタップすると図7のキャリブレーション画面へ移行する。キャリブレーションが成功した項目ではOKの文字が表示される。
(動作フロー)
次に、図12、図13を参照して、GNSS装置1の動作フローを説明する。
まず、ステップS101で、作業者は例えば傾斜補正範囲などの設定やGPS受信機の種類、アンテナの種類、RTK観測処理の種類などのGPS観測パラメータを入力部33より入力する。
次に、ステップS102で、受信機2とコントローラ3の各通信部が通信を開始し、ステップS101で入力された項目が命令として各通信部を介して受信機2に入力される。
次に、ステップS103で、キャリブレーション処理を実施する。
キャリブレーション処理を、図13を参照して詳細に説明する。
まず、ステップS201で、チルトセンサ23および電子コンパス24の状態を取得する。取得されたレベル・コンパス・コンパスアライメントの状態は表示部31に表示される(図7参照)。
次に、ステップS202で、レベルの調整が必要な場合は、ステップS203に移動し、不要な場合にはステップS204に移動する。
ステップS203で、作業者はレベル・キャリブレーションを実施する(図8参照)。キャリブレーションに成功すると、表示部31にその旨が表示され、ステップS201に戻る。
次に、ステップS204で、コンパスの調整が必要な場合は、ステップS205に移動し、不要な場合はステップS206に移動する。
ステップS205で、作業者はコンパス・キャリブレーションを実施する(図9参照)。キャリブレーションに成功すると、表示部31にその旨が表示され、ステップS201に戻る。
次に、ステップS206では、コンパスアライメントの調整が必要な場合は、ステップS207に移動し、不要な場合にはキャリブレーション処理は終了する。
ステップS207で、作業者はコンパスアライメント・キャリブレーションを実施する(図10参照)。キャリブレーションに成功すると、表示部31にその旨が表示され、ステップS201に戻る。
各項目の調整が不要となるまでステップS201~ステップS207を繰り返す。全ての項目で調整が不要となると、キャリブレーション処理は終了し、元のステップS103に戻り、ステップS104へ移動する。
次に、ステップS104で、表示部31に静止観測の画面(図6参照)が表示される。入力欄51にアンテナ高さとしてポール4の垂直高Ahを入力する。
次に、ステップS105で、受信機2はGPS衛星からの信号受信を開始する。
次に、ステップS106で、受信機2はGPS衛星からGPS信号を取得し、取得したGPS信号はコントローラ3へ送信される。演算制御部35は、取得したGPS信号から、受信機2の設置位置である原点Oの三次元位置データを算出する。
次に、ステップS107で、チルトセンサ23は受信機2(ポール4)の傾斜を、電子コンパス24は受信機2の方向を、それぞれ計測する。計測されたデータは、コントローラ3へ送信される。
次に、ステップS108で、ステップS107で取得したデータを基に、表示部31に電子気泡管45が表示される(図6参照)。ステップS101で入力された傾斜補正の範囲、およびステップS107で計測した傾斜角を基にした気泡の色で気泡45Aは表示される(図11参照)。
次に、ステップS109で、ステップS107で検出したポール4の傾斜角度、およびステップS104で入力したポール4の垂直高Ahから、傾斜補正を実施し、ポール4の接地点Pの座標を算出する。
次に、ステップS110で、ステップS109で算出されたポール4の接地点Pの座標を、画面エリア41にピンの記号42として図示し、画面エリア44に数値として表示する(図5参照)。
次に、ステップS111で、作業者は座標値の記録など、指示をコントローラ3から入力する。
次に、ステップS112で、キャリブレーションを自発的に行う場合、またはアイコン47,アイコン48が表示されてキャリブレーションを要求され実施する場合は、ステップS113に移動し、キャリブレーションを実施しない場合、または要求されていない場合はステップS114に進む。
ステップS113で、作業者が各アイコンをタップする、もしくはメニュー画面からキャリブレーションの実施を指示すると、表示部31の画面はキャリブレーション画面に移動し、キャリブレーション処理を開始する。ステップS103同様、キャリブレーション処理としてステップS201~ステップS207を実施し、キャリブレーション処理が終了するとステップS106に戻る。
ステップS114で、次の観測点で観測をするなど、動作を継続する場合はステップS106へ戻り、新しい観測点の位置データ取得を行い、ステップS106~ステップS114を繰り返し、継続の必要が無ければ動作を終了する。
上記のように構成することで、チルトセンサ23を備えたGNSS装置1操作時の無駄な操作が減り、操作性が向上した。また動作時の各種表示の視認性が向上し、インターフェースが改善された。
以上、本発明の好ましい実施形態について述べたが、上記の実施形態は本発明の一例であり、これらを当業者の知識に基づいて変形させることが可能であり、そのような形態も本発明の範囲に含まれる。
1 GNSS装置
2 受信機
3 コントローラ
4 ポール
21 GNSSアンテナ
23 チルトセンサ
24 電子コンパス
31 表示部
45 電子気泡管
45A 気泡
47 アイコン
48 アイコン
Ah ポール4の垂直高

Claims (4)

  1. 傾きを計測可能なチルトセンサと、方向を計測可能な電子コンパスと、位置情報を取得可能なGNSSアンテナと、情報を表示可能な表示部とを備え、
    前記チルトセンサ、前記電子コンパス、前記GNSSアンテナは、受信機に備えられ、前記表示部は、前記受信機とは別体に構成されるコントローラに備えられ、
    前記受信機はポールに取付けられ、前記チルトセンサが計測した前記ポールの傾きおよび前記GNSSアンテナの取付け高さから、前記GNSSアンテナが取得した位置情報を基に、前記ポール接地点の位置情報を算出する補正機能を有し、
    リアルタイムキネマティック観測を実施可能に構成され、前記リアルタイムキネマティック観測の際に、
    前記チルトセンサまたは前記電子コンパスが調整のためにキャリブレーションを要求したときに、前記表示部の画面にキャリブレーションを促すアイコンが表示され、使用者が前記アイコンをタップすると直接前記表示部の画面がキャリブレーション画面に移行する、
    ことを特徴とするGNSS装置。
  2. 前記表示部は、前記チルトセンサで計測された傾きを電子気泡管として表示し、前記電子気泡管の気泡を、前記チルトセンサで計測した傾きのレベルに応じた色で表示する、
    ことを特徴とする請求項1に記載のGNSS装置。
  3. 前記表示部は、前記補正機能を使用する場合と、前記補正機能を使用しない場合とでは、異なる色の気泡で前記電子気泡管を表示する、
    ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のGNSS装置。
  4. 静止観測の際に、前記GNSSアンテナが位置情報取得時においても、前記チルトセンサまたは前記電子コンパスが調整のためにキャリブレーションを要求したときには、前記キャリブレーションを促すアイコンが前記表示部に表示される、
    ことを特徴とする請求項1~請求項3のいずれか一項に記載のGNSS装置。
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