JPH03285111A - 位置計測装置 - Google Patents

位置計測装置

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JPH03285111A
JPH03285111A JP8660890A JP8660890A JPH03285111A JP H03285111 A JPH03285111 A JP H03285111A JP 8660890 A JP8660890 A JP 8660890A JP 8660890 A JP8660890 A JP 8660890A JP H03285111 A JPH03285111 A JP H03285111A
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JP
Japan
Prior art keywords
reference point
guide tube
running body
measuring
accelerometer
Prior art date
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Pending
Application number
JP8660890A
Other languages
English (en)
Inventor
Tatsuya Nakamura
達也 中村
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
Agency of Industrial Science and Technology
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Publication date
Application filed by Agency of Industrial Science and Technology filed Critical Agency of Industrial Science and Technology
Priority to JP8660890A priority Critical patent/JPH03285111A/ja
Publication of JPH03285111A publication Critical patent/JPH03285111A/ja
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野1 この発明は空間的な目標地点の位置及び方向を計測する
位置計測装置に関するものである。
このような位置計測装置は例えば、水中や地中で作業機
械を誘導する必要がある場合などに利用される。
[従来の技術J 地上、空中の空間中の目標の位置や方向を計測するため
の技術としては、従来から直接物差しを使用する計測技
術や光学技術を利用する三角測量がある。
[発明が解決しようとする課題] しかるに水中、地中または地上、空中においても入り組
んだ空間などで目標とする地点の位置や方向を光や物差
しなどを用いて直接測定することが困難な空間における
計測の手段に上記の従来の計測技術を利用することは困
難である。またこれらの計測に使用するセンサには分解
能と測定レンジという性能仕様があるが、これらのセン
サの性能を十分に活かした高精度な位置測定が困難であ
る。
この発明は上記の如き事情に鑑みてなされたものであっ
て、入り組んだ空間においてもセンサの性能を十分活か
した高精度な位置測定を可能にする位置測定装置を提供
することを目的とするものである。
[課題を解決するための手段] この目的に対応して、この発明の位置計測装置は、可撓
性のガイドチューブと、前記ガイドチューブ内を走行可
能な走行体を有し、前記走行体は、前記走行体に固定し
た座標系の各座標軸に方向測定用の加速度計を取り付け
、かつ各座標軸の回りの角速度を測定するジャイロを備
えていることを特徴としている。
[作用] ガイドチューブ内を地上基準点から機械基準点まで、若
しくは機械基準点から地上基準点まで上記走行物体を走
行させる。走行物体の位置方向をジャイロ及び加速度計
の出力に基づいて慣性航法の原理により求めることによ
り目標地点の位置方向を測定する。また走行を制御する
ことにより測定精度を向上できる。
[実施例] 以下、この発明の詳細を一実施例を示す図面について説
明する。
一第1図はこの発明を掘削機を地中で誘導する場合に適
用した実施例が示されている。
第1及び第2図において、1は位置計測装置であり、位
置計測装置1は、可撓性のガイドチューブ2と、ガイド
チューブ2内を走行可能な走行体3を備えている。ガイ
ドチューブ2の一端は機械基準点Aに固定し、(t!!
端は地上基準点Bに固定して、掘削機6が進行する地中
の穴7内に導入されている。走行体3は第2図に示すよ
うに、走行体3に固定した座標系の各座標軸に方向測定
用の加速度計4a、4b、4cを備えており、かつ各座
標軸の回りの角速度を測定するジャイロ5a。
5b、5cを備えている。走行体3は駆動のための牽引
ケーブル9を備えている。但し走行用車輪10が駆動輪
の場合にはケーブル9を必要としない。また車輪以外の
手段で走行させてもよい。要するに滑かな走行ができ走
行を制御できればよい。
センサーの設置場所としては走行体3に固定した座標系
をX、Y、Z、とするとき、X、軸上にX、方向測定用
の加速度計4aを、Y、軸上にY、方向測定用の加速度
計4bを、Z、軸上にZ、方向測定用の加速度計4Cを
設置し、それぞれの座標を(X、、010)、(0、Y
b、0)、(0,0、Zb)とする。またジャイロ5a
5b、5cはX、軸まわりの角速度ωlb”b軸まわり
の角速度ω26、Zb軸まわりの角速度ω3゜を測定す
るように、それぞれXb軸、Yb軸、Zb軸に設置する
。このように走行体にジャイロ及び加速度計を固定した
方式はストラップダウン方式と呼ばれ装置を小型化でき
る。
次にこのように構成された位置計測装置において、位置
の測定、その位置の方向の測定をする場合の操作は次の
通りである。
第1図に示すようにガイドチューブ2の端を機械基準点
Aに固定し、他の端を地上基準点Bに固定する。そして
、ガイドチューブ2内を地上基準点Bから機械基準点A
まで、若しくは機械基準点へから地上基準点Bまで走行
体3を走行させる。
(方向計算) 慣性座標系XYZに対する変換行列をTとする。
王は次のように定義される。
但し、IXS I9、■7はそれぞれX、軸単位ベクト
ルの慣性座標系に対するX成分、Y成分、Z成分、mx
 、my 、mzはそれぞれYb軸単位ベクトルのX成
分、Y成分、Z成分、nx、ny、n はそれぞれZb
@単位ベクトルのX成分、Y成分、Z成分である。
物体の方向は変換行列Tによって定まる。ジャイロによ
り測定した角速度と下の時間微分との関従って物体の方
向は(2)式を積分することにより求める。
(2)式を直接積分することもできるが、方向の自由度
は3であるのに王の要素は9個で冗長である。そこで固
定座標系の方向をロール角φ、ビッチ角θ、ヨー角ψで
表現すると丁は次のj:うに表せる。
れば、次式が成立する。
(12r/dt2= d2r /dt2+ d2rb/
dt2+ 2ωx(drb/ dt) +(dω/dt
)Xrb十ω× (ωXrb) (5) またω1b、 ω2b−3bと dφ/dt dθ/dt (4)式を用いてω1b、ω2b、ω3bからdφ/d
t、dθ/dtS dψ/diに変換して、φ、θ、ψ
に関して積分を実行する。
(位置計算) ある点Pの慣性座標系XYzでの位置ベクトルをr、物
体に固定した座標系x、y、z、の原点の慣性座標系で
の位置ベクトルをr。、点Pの物体に1定した座標系で
の位置ベクトルをr、とすである。いまrは加速度計の
位置を表しているとすれば、加速度計は物体に固定して
いるので、d2r /dt2−0.  drb/dt=
0(7ン またxb方向加速度測定用加速度計の位置は(X、 、
O,O)であり(5)式右辺の(dω/dt)X r 
 はベクトル積の関係からrbに垂す 直であるから、xb酸成分Oである。同様にYb方向加
速度測定用加速度計に対しては、この項のYb成分は0
,2.方向加速度測定用加速度計に対しては、この項の
Zb酸成分Oとなる。
また(5)式右辺のω×(ωXrb)は、Xb方向加速
度測定用加速度計に対しては、xb酸成分次のようにな
る。
(ωX(ωxr))のXb酸成 分 2 一一(ω2b  +ω3b)Xb   (8−1)また
Y、方向加速度測定用加速度計に対してY、成分は、 (ω×(ω×r ))のYb成分 2 =〜(ω1b  +ω3b)yb   (8−2>であ
り、2.方向加速度測定用加速度計に対してZb酸成分
、 (ωX(ω×r ))のZb酸成 分 2 一一(ω1b  +ω2b  )Zb   (8−3)
である。
またそれぞれの加速度計で測定した加速度をalb、a
2b、a3bとし、重力加速度のXb、Yb、Z、成分
をQlf)、Q2b−Q3bとすれば、(5)式左辺の
X、成分は a1b+91b         (9−1)であり、
Y、成分は a2b+g2b(9−2) であり、Zb酸成分 a3b+93b         (9−3)となる。
以上(5)〜(9)式から、x、y、z、座標系の原点
r の加速度が求められ、次式で表され(10) 2     2     2     2[d  r 
 /dt  ]bはd  ro/dt  のXb、Y6
、Zb座標系での表現であることを表す。更に変換行列
Tによって、慣性座標系での値を求める。
従って(11)式をもとに加速度を2目積分して原点の
位置r。を求める。
以上の位置・方向の計算を第3図に示す。計算ブロック
Cは(4)式を02は(8)式を、C3は(3)式を表
す。
こうして、この発明によれば、ガイドチューブをフレキ
シブルな構造とすることにより入り組んだ空間での位置
測定が可能となる。またガイドチューブにより外界と隔
絶するため水中や地中等の計測が可能となる。更に本発
明において特に重要な点は位置計測誤差を最小とするよ
うな走行制御を行うことによりセンサーの性能を十分に
活かした高精度な位置測定が可能となることである。
このことを加速度を例にとり説明する。センサーには分
解能と測定レンジという性能仕様がある。
一般に同一性能のセンサーでは測定レンジが定まればそ
れに対応して分解能も定まる。今加速度計の測定レンジ
をr、分解能をpとする。センサーの性能はrに対する
比で表されるので、その比をkとすると、 p=kr              (12)となる
。簡単のために走行物体は1次元走行する場合を例にと
り、移動距離を加速度計を用いて測定することを考える
。走行時間をtとするとき位置測定誤差はtの自乗に比
例するので位置測定誤差ΔXは ΔX=cpt2 =ckrt2(13) となる。但しCは比例係数である。
いま測定レンジrの加速度で走行制御することを考える
と、目標地点までの移動時間を最小にするのが最も測定
精度がよいので、出発点から中間地点まではr/2の加
速度で加速し、中間地点から目標地点までは−r/2の
加速度で減速する走行制御パターンが最も測定精度がよ
い。このときの目標地点までの距離をXとすると、 X=2x(1/2)(r/2>(t/2)”=rt2/
8       (14) となるので、 ΔX=8ckX          (15)が1りら
れる。(15)式は上記走行パターンをとれば、位置測
定精度は測定レンジに無関係でセンザー性能に依存する
ことを表している。
また一般の3次元的な位置測定の場合も同様で、測定レ
ンジが定まっている場合には、2点間の測定レンジ内で
最小時間で走行するのが最善である。
このように与えられたセンサーの性能に応じた走行パタ
ーンで走行させることにより位置Jll定精度を最適に
することができる。
[発明の効果] 走行物体の位置方向を慣性航法の原理により求めること
により目標地点の位置方向な測定することができる。ま
た、ガイドチューブをフレキシブルな構造とすることに
より入り組んだ空間での位置測定が可能となる。またガ
イドチューブにより外界と隔絶するため水中や地中など
での計測が可能となる。更に本発明において特に重要な
点は位置計測誤差を最小とするような走行制御を行うこ
とによりセンサーの性能を十分に活かした高精度な位置
測定が可能となることである。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の位置計測装置を示すM4成説明図、
第2図は走行体の構成説明図、及び第3図は位置・方向
の計算過程を示すブロック図である。 1・・・位置計測装置、  2・・・ガイドチューブ、
3・・・走行体、 A・・・機械基準点、  B・・・地上基準点、4a、
4b、4c、−・・加速度計、 5a、5b、5C−’yヤイロ 6・・・掘削機、  7・・・穴、  8・・・走行車
輪指定代理人 工業技術院機械技術研究所長 曽田長一部 第 図 第2 図 本 中 尤イr方狗力O辻度t4 u万゛M回申L^d度11

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 可撓性のガイドチューブと、前記ガイドチューブ内を走
    行可能な走行体を有し、前記走行体は、前記走行体に固
    定した座標系の各座標軸に方向測定用の加速度計を取り
    付け、かつ各座標軸の回りの角速度を測定するジャイロ
    を備えていることを特徴とする位置測定装置
JP8660890A 1990-03-30 1990-03-30 位置計測装置 Pending JPH03285111A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002528734A (ja) * 1998-11-04 2002-09-03 イディアグ 体の表面ラインを検出する測定構造体
US9976410B2 (en) 2014-01-24 2018-05-22 Kyushu Univerisity, National University Corporation Method for measuring underground boring position and underground boring position measuring apparatus

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