JPH04168314A - 移動体の傾斜角度計測装置 - Google Patents

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〕 本発明は移動体、特に建設機械の傾斜角度を正確に計測
することができる装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、建設機械の傾斜角度（車体のピッチング角）を検
出する方法としては、建設機械にジャイロを搭載し、該
ジャイロ内部のロータの回転軸の角度変位を検出するこ
とにより建設機械の傾斜角度を検出するものがある。し
かし、ジャイロは、建設機械に搭載されると、振動、シ
ョックの影響を受け、ｎ１定値に誤差が生しること、高
価であること、起動に時間がかかる等の問題点がある。

そこで、ロータの回転軸の角度変位を検出する原理に基
づくジャイロではなくて、建設機械内部に重錘を吊り下
げ、該建設機械の基準方向に対する前記重錘の吊り下げ
方向の傾きを検出する、いわゆる重力検出型の傾斜計を
用いて傾斜角度を検出することが考えられる。傾斜計は
ジャイロよりも安価であり、起動に時間がかからないと
いう点て有利であるが、重力検出であるため、重錘に地
球の重力のみか加わる静的な使用条件ではそれほど問題
はないものの、搭載建設機械が発進等して加速度が発生
するなどの動的な条件下では該加速度や振動の影響を受
けて、出力される傾斜角は真の値と等しくならないこと
が多い。

そこで、ピエゾ効果を利用した角速度センサを用い、該
角速度センサの検出角速度を積分して傾斜角度を求める
ことが考えられる。これによれば上記ジャイロおよび傾
斜計を使用することによる問題点は解決される。

Ｅ発明が解決しようとする課題〕 しかし、上記角速度センサの出力を積分する方法では角
速度センサの出力に含まれるオフセット分やドリフト分
も一緒に累算されることになり、積分している時間が長
い程積分出力に含まれるドリフト分、つまり累積誤差が
大きくなるという問題が招来する。

本発明はこうした実情に鑑みてなされたものであり、角
速度センサの出力に基づき得られる傾斜角度に含まれる
誤差を低減でき傾斜角度をより正確に求めることを第１
の目的とし、しかも傾斜角度を絶対角度として計測する
ことを第２の目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

そこで本発明の第１発明では、移動体の傾斜角速度を検
出する傾斜角速度検出手段を有し、該傾斜角速度検出手
段の出力に基づいて前記移動体の傾斜角度を；１測する
移動体の傾斜角度３１測装置において、前記傾斜角速度
検出手段の検出信号を低域フィルタに加え、該低域フィ
ルタから前記移動体の傾斜角度を出力するようにしてい
る。

また、本発明の第２発明では、同様の移動体の傾斜角度
計１１！＋装置において、前記移動体の傾斜角度を検出
する傾斜角度計測装置と、前記傾斜角速度検出手段の検
出信号を第１の低域フィルタに加えるとともに、前記傾
斜角度検出手段の検出信号を第２の低域フィルタに加え
、これら第１および第２の低域フィルタの出力を加算す
ることにより前記移動体の傾斜角度を計測するようにし
ている。

また、本発明の第３発明では、同様の移動体の傾斜角度
計測装置において前記傾斜角速度検出手段の検出信号が
人力され、前記移動体の傾斜角度を出力する低域フィル
タと、前記移動体が停止しているときの前記移動体の傾
斜角度を検出する傾斜゛角度検出手段と、前記傾斜角度
検出手段の検出値と前記低域フィルタの出力とを加算し
て、該加算値を前記移動体の傾斜角度として出力する加
算手段とを前記移動体に具えるようにしている。

〔作用〕

すなわち、上記第１発明の構成によれば、傾斜角速度検
出手段の検出信号を低域フィルタに加えることにより該
低域フィルタから移動体の傾斜角度が出力される。傾斜
角速度検出手段の検出信号にはオフセットやドリフトに
よる誤差が含まれている。そこで、傾斜角速度検出手段
の検出信号を積分することにより傾斜角度を求めること
かできるが、上記誤差も一緒に積分するため積分出力に
は累積誤差が含まれることになる。この累積誤差（ドリ
フト）は積分出力信号の周波数成分上、低周波数域にあ
ることが解析の結果明らかになった。

したがって、傾斜角速度検出手段の出力を積分し、さら
にバイパスフィルタリング処理を施すことによりドリフ
トが低減されることになる。このことは傾斜角速度検出
手段の出力信号にローパスフィルタリング処理を施すこ
とと等価である。よって第１発明では、傾斜角速度検出
手段の検出信号を低域フィルタに加えることにより該低
域フィルタからドリフトが低減された移動体の傾斜角度
が出力される。この場合、積分処理を施すことなくドリ
フトを低減できることになる。

第２発明ではつぎの点に着目している。すなわち、傾斜
角度検出手段は移動体の加速度や振動の影響を受ける動
的な条件下ではその検出値にはこうした加速度等の影響
による誤差が含まれるが、これは傾斜角度検出手段から
出力される周波数成分上、高周波領域にあることが解析
の結果明らかになった。そこで傾斜角度検出手段の出力
後段にローパスフィルタリング処理を施すことにより上
記振動や加速度の影響を除去した信号を出力できること
になる。しかし、周波数成分上、高周波領域の部分が不
足することになる。ここで上記第１発明で最終的に得ら
れる信号は「傾斜角速度検出手段の出力を積分し、さら
にバイパスフィルタリング処理を施す」のと同等である
から高周波領域成分を有している。そこで、傾斜角速度
検出手段の検出信号が第１の低域フィルタに加えられて
、該第１の低域フィルタから出力された信号と、−方、
傾斜角度検出手段の検出信号が第２の低域フィルタに加
えられて、該第２の低域フィルタから出力された信号と
を加算することによりドリフトが低減された移動体の傾
斜角度が得られる。

また、第３発明の構成によれば、移動体が停止されたと
きに傾斜角度検出手段によって移動体の傾斜角度が直接
検出される。そして移動体の移動に伴う移動体の傾斜角
度は第１の発明の構成によって計測される。そこで、両
者を加算することにより、傾斜角度が絶対値として得ら
れる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明に係る移動体の傾斜角度（
１測装置の実施例について説明する。なお、実施例では
傾斜角度（ピッチング角）を計測する移動体としてブル
ドーザを想定している。

第１図（ａ）は第１の実施例の傾斜角度計測装置の構成
を示すブロック図であり、同図に示す実施例装置はブル
ドーザに搭載される。同図に示すように角速度センサ１
は、ピエゾ効果を利用したいわゆるピエゾエレクトリッ
クジャイロであり、共振しているピエゾエレクトリック
結晶がコリオリカを受けることにより角速度に応じてブ
ルドーザの傾斜角速度θを検出する。検出結果は逐次、
ローパスフィルタ２に加えられる。ところで、角速度セ
ンサ１の検出信号θにはオフセットやドリフトによる誤
差が含まれている。そこで、第１図（ｂ）に示すように
角速度センサ１の検出信号δを積分器３で積分すること
により傾斜角度を求めることができるが、上記誤差も一
緒に積分するため積分出力θ′には累積誤差が含まれる
ことになる。この累積誤差（ドリフト）は積分出力信号
θ′の周波数成分上、低周波数域にあることが解析の結
果明らかになった。したがって、角速度センサ１の出力
θを積分器３で積分し、さらにバイパスフィルタ４て低
域周波数成分を減衰させ、高域周波数成分を通過させる
ことによりドリフトが低減されることになる。これを人
出力の伝達関数で考えて見ると。積分器３の人出力の伝
達関数は１／Ｓであり、バイパスフィルタ４の入出力に
伝達関数はＴｓ／（１＋Ｔｓ）となる。これらを乗算す
ることにより、角速度センサ１の出力δを人力とし、角
度θを出力する要素の伝達関数は明らかに、Ｔ／（１＋
Ｔｓ）となる。この伝達関数はローパスフィルタの伝達
関数を示す。よって、第１図（ａ）に示すように角速度
センサ１の後段に伝達関数Ｔ／　（１＋　Ｔ　ｓ　）の
ローパスフィル２を設け、該ローパスフィルタ２によっ
て角速度センサ１の出力θの高域周波数成分を減衰させ
、低域周波数成分を通過させることにより、ドリフト分
が低減された傾斜角度θを得ることができる。しかも、
この場合は同図（ｂ）に示す構成と異なり、積分器３を
必要としないのでコスト等の面で利点が得られる。

つぎに第２の実施例について説明する。なお、以下、第
１図に示す要素と同等の機能のものは同符号を付与する
ことにより説明は省略する。

第２図は第２の実施例の傾斜角度計測装置の構成を示す
ブロック図であり、同図に示す実施例装置はブルドーザ
に搭載される。同図に示すように角速度センサ１の出力
θは逐次、ローパスフィルタ２に加えられる。ローパス
フィルタ２は上記第１の実施例と同様にドリフト分が除
去された傾斜角度θ１を出力する。一方、角度センサ５
は、いわゆる重力型の傾斜計であり、同センサ５の内部
に自由に動けるように吊り下げられた重錘（振り子）に
重力（重力加速度）が加わったときの上記重錘の吊り下
げ方向（重力方向）の車体の基準方向に対する角変位を
検出することによりブルドーザの傾斜角度θ−′を検出
する。検出結果θ−一はローパスフィルタ２′に加えら
れる。ローパスフィルタ２．２′の各出力θ１、θ２は
加算部６で加算され、ブルドーザの傾斜角度θが出力さ
れる。ところで、角度センサ５はブルドーザが走行・作
業を行うことにより加速度や振動の影響を受ける動的な
条件下では同センサ５の検出値θ′″にはこうした加速
度等の影響による誤差が含まれるが、これはセンサ５か
ら出力される信号θ″−の周波数成分上、高周波領域に
あることが解析の結果明らかになった。そこで角度セン
サ５の出力信号θ−′がローパスフィルタ２−に加えら
れることによりローパスフィルタ２″から信号θ−′の
うち上記振動や加速度の誤差を含む高域周波数成分が減
衰されて、低域周波数成分のみの信号θ２が出力される
。しかし、周波数成分上、信号θ２では高周波領域の部
分が不足することになる。

ここにローパスフィルタ２から出力される信号θ１は第
１の実施例で述べたように「角速度を積分し、さらにバ
イパスフィルタリング処理を施す」のと同等であるから
高周波領域成分を有している。

そこで、信号θ１と信号θ２とを加算部６て加算するこ
とによりドリフトが低減された傾斜角度θが得られるこ
とになる。

つぎに以上のようにドリフトを低減できるとともに傾斜
角度を絶対角度（たとえば平坦面を基準零とする）とし
て計測することができる第３の実施例について説明する
。

第３図に示す傾斜角度計測装置は第１図、第２図に示す
装置と同様にブルドーザに搭載される。

なお、以下第１図、第２図に示す符号と同符号は同機能
を示す。

同図に示すように角速度センサ１、角度センサ５の各出
力θ、θ。は、傾斜角演算処理装置８に加えられる。ト
ルコン出力軸回転数センサ７はブルドーザのトルクコン
バータの出力軸（変速機の人力軸）に付設され、該軸の
回転数Ｎ。を検出して、検出結果を傾斜角演算処理装置
８に加える。

傾斜角演算処理装置８は角速度センサ１、角度センサ５
およびトルコン出力軸回転数センサ７の各出力み、θ。

およびＮ。に基づいｔ後述する演算処理を行い、ブルド
ーザの傾斜角度の絶対値θａ１つまりブルドーザが走行
する勾配面の傾斜角度の絶対値θａを出力する。

以下、傾斜角演算処理装置８て行われる処理について説
明する。まず、この傾斜角演算処理装置８を含む傾斜角
度計測装置の電源がオンされたものとすると、まず作業
停止判定器１０では、トルコン出力軸回転数センサ７の
出力Ｎ。を入力して、現在の回転数Ｎ。が設定回転数以
下であることを判断することによりブルドーザが現在走
行・作業を停止していることを判定する。すなわち、作
業停止判定器１７はブルドーザが行う作業の開始前であ
ることを判定するものである。いま、電源投入直後でブ
ルドーザによる運転開始前であるので、入力回転数Ｎ。

が設定回転数以下であり、これに応じてメモリ９に対し
て記憶信号Ｍが出力される。

メモリ９に記憶信号Ｍが入力されると、これに応じて角
度セ°ンサ５で現在検出した角度θ。を同メモリ９に記
憶、格納する処理を実行する。このように運転開始前に
角度センサ５の出力θ。を記憶しているのは、重力検出
型の角度センサ５では、運転開始前のようなブルドーザ
が静的な状態下で正確な検出値が得られるからである。

逆にいえばブルドーザが走行・作業を開始して振動、加
速度等が発生すると角度センサ５の検出値にはこれら振
動、加速度等に起因する誤差が含まれることになるから
である。

やがて、ブルドーザが作業を開始すると、ローパスフィ
ルタ２−′は角速度センサ１の検出値δを逐次人力して
、入力傾斜角速度θの高周波数領域を減衰させるととも
に、低周波数領域を通過させ、ドリフト分が除去された
信号θ１を出力する。

加算部１１ではメモリ９に記憶された角度θ。とローパ
スフィルタを通過した角度θ、とが加算され、メモリ９
の記憶値θ。を初期値として作業実施中の逐次の傾斜角
度が絶対角度θａとして出力される。

なお、実施例では、トルコン出力軸回転センサ７を用い
て走行・作業が停止していることを判定するようにして
いるが、要は作業停止を検出することができるセンサで
あれば任意である。

なおまた、実施例ではブルドーザの傾斜角度を直接検出
するセンサとして、吊り下げられた重錘の基準に対する
吊り下げ方向の傾きを検出する原理に基づくものとして
説明したが、この種のいわゆる重力検出型のセンサの構
造としては、重錘を吊り下げるのではなく重錘を所定に
軸に対して回動自在とすることも考えられる。その他、
重錘を加わる重力に対して変位自在とする構成は任意に
考えられる。また、重力検出型のセンサとしては重錘等
固体に限定されることなく液体を使用する実施も可能で
ある。たとえば所定の容器内に液面が傾斜自在となるよ
うに液体を入れてこの液体の基準面に対する液面の傾き
を検出することによりブルドーザの傾斜角度を検出する
ことが考えられる。要は重力検出型のセンサとしては、
センサ内に、重力が加わる方向に応じて傾斜する固体ま
たは液体を配設し、これら固体または液体の傾斜角度を
検出ことができる構成であればよい。

また、実施例では適用対象をブルドーザとしているが、
これに限定されることなくあらゆる建設機械、さらには
あらゆる移動体に適用可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば傾斜角速度検出手段
で検出された傾斜角速度に基づき傾斜角度を計測する際
に、傾斜角速度検出手段の後段でフィルタ処理を施すだ
けで移動体の傾斜角度が正確に計測される。さらに、移
動体の停止中に傾斜角検出手段によって傾斜角度を検出
し、これにフィルタ処理を施した傾斜角度を加算するよ
うにしたので、傾斜角度が絶対角度として得られるよう
になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る移動体の傾斜角度計測装置の第１
の実施例の構成を示すブロック図、第２図は本発明に係
る移動体の傾斜角度計測装置の第２の実施例の構成を示
すブロック図、第３図は本発明に係る移動体の傾斜角度
計測装置の第３の実施例の構成を示すブロック図である
。 １・・・角速度センサ、２．２−１２−″・・・ローハ
スフィルタ、５・・・角度センサ、６．１１・・・加算
部、７・・・トルコン出力軸回転数センサ、１ｏ・・・
作業停止判定器。 第１図

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）移動体の傾斜角速度を検出する傾斜角速度検出手
   段を有し、該傾斜角速度検出手段の出力に基づいて前記
   移動体の傾斜角度を計測する移動体の傾斜角度計測装置
   において、前記傾斜角速度検出手段の検出信号を低域フ
   ィルタに加え、該低域フィルタから前記移動体の傾斜角
   度を出力するようにした移動体の計測装置。
2. （２）前記傾斜角速度検出手段は、ピエゾエレクトリッ
   クジャイロである請求項（１）記載の移動体の傾斜角度
   計測装置。
3. （３）移動体の傾斜角速度を検出する傾斜角速度検出手
   段を有し、該傾斜角速度検出手段の出力に基づいて前記
   移動体の傾斜角度を計測する移動体の傾斜角度計測装置
   において、前記移動体の傾斜角度を検出する傾斜角度検
   出手段と、 前記傾斜角速度検出手段の検出信号を第１の低域フィル
   タに加えるとともに、前記傾斜角度検出手段の検出信号
   を第２の低域フィルタに加え、これら第１および第２の
   低域フィルタの出力を加算することにより前記移動体の
   傾斜角度を計測するようにした移動体の傾斜角度計測装
   置。
4. （４）前記傾斜角速度検出手段は、ピエゾエレクトリッ
   クジャイロである請求項（３）記載の移動体の傾斜角度
   計測装置。
5. （５）前記傾斜角度検出手段は、重力が加わる方向に応
   じて傾斜する固体または液体を配設し、これら固体また
   は液体の傾斜角度を検出することにより前記移動体の傾
   斜角度を検出するものである請求項（３）記載の移動体
   の傾斜角度計測装置。
6. （６）移動体の傾斜角速度を検出する傾斜角速度検出手
   段を有し、該傾斜角速度検出手段の出力に基づいて前記
   移動体の傾斜角度を計測する移動体の傾斜角度計測装置
   において、前記傾斜角速度検出手段の検出信号が入力さ
   れ、前記移動体の傾斜角度を出力する低域フィルタと、
   前記移動体が停止しているときの前記移動体の傾斜角度
   を検出する傾斜角度検出手段と、 前記傾斜角度検出手段の検出値と前記低域フィルタの出
   力とを加算して、該加算値を前記移動体の傾斜角度とし
   て出力する加算手段と を前記移動体に具えた移動体の傾斜角度計測装置。
7. （７）前記傾斜角速度検出手段は、ピエゾエレクトリッ
   クジャイロである請求項（６）記載の移動体の傾斜角度
   計測装置。
8. （８）前記傾斜角度検出手段は、重力が加わる方向に応
   じて傾斜する固体または液体を配設し、これら固体また
   は液体の傾斜角度を検出することにより前記移動体の傾
   斜角度を検出するものである請求項（６）記載の移動体
   の傾斜角度計測装置。