JPH0518750A - 全範囲傾斜方位測定装置 - Google Patents

全範囲傾斜方位測定装置

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JPH0518750A
JPH0518750A JP3168245A JP16824591A JPH0518750A JP H0518750 A JPH0518750 A JP H0518750A JP 3168245 A JP3168245 A JP 3168245A JP 16824591 A JP16824591 A JP 16824591A JP H0518750 A JPH0518750 A JP H0518750A
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azimuth
gravity
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Takao Yamaguchi
隆男 山口
Hajime Nishizawa
一 西沢
Toshiki Kumakura
俊己 熊倉
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C17/00Compasses; Devices for ascertaining true or magnetic north for navigation or surveying purposes
    • G01C17/02Magnetic compasses
    • G01C17/28Electromagnetic compasses
    • G01C17/30Earth-inductor compasses

Abstract

(57)【要約】 【目的】 方位計と傾斜計とを一体化すると共に、可動
部のない固体型の全範囲傾斜方位測定装置を提供する。 【構成】 走行体の3軸に固体型の傾斜センサ、方位セ
ンサをもつ測定部と、この傾斜センサの出力によりジン
バル機構を数式化して数学的水平盤を形成し、この水平
盤上の直交2軸より方位角を求める計算部と、これと傾
斜計の前後傾斜角、左右傾斜角とを合わせて表示する表
示部とを設けた。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は方位及び傾斜角の測定装
置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来方位計と傾斜計とは別個に形成され
ており、且ついづれも可動部を有する機構構成であっ
た。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】このように方位計と傾
斜計とが別体であると取扱いに不便であると共に、可動
部があるために、耐久性に欠ける難点があった。
【0004】本発明は、上述の点に鑑み、可動部のない
固体化され且つ方位、傾斜の機能が複合された全範囲型
の傾斜方位計測装置を得ようとするものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、走行体の3軸
に固体型の傾斜センサ、方位センサをもつ測定部と、こ
の傾斜センサの出力によりジンバル機構を数式化して数
学的水平盤を形成し、この水平盤上の直交2軸より方位
角を求める計算部と、これと傾斜計の前後傾斜角、左右
傾斜角とを合わせて表示する表示部よりなる。
【0006】
【実施例】図1は、本発明の一実施例による計測部に用
いる重力検出センサの例を示す一部断面図である。図に
おいて、OSCは高周波電源、C1 及びC2 はコンデン
サ、D1 及びD2 はダイオード、L1 及びL2 はそれぞ
れダストコアを芯に持つコイル、Sは円形ダイヤフラ
ム、mは例えば真鍮製の重り、1はケース、2及び3は
出力端子である。重りmはダイヤフラムSの中心に設け
られ、ダイヤフラムSの周縁はケース1の円壁に支持固
定される。コイルL1 及びL2 は、高周波電源OSCを
持つブリッジ回路の隣接する1対のインダクタンス・ア
ームを構成する。これら2つのインダクタンスに対向す
るブリッジ・アームに、電源OSCからみて単方向性を
もつ、2つの整流器D1 及びD2 が接続される。
【0007】このような構成において、ダイヤフラムS
の重りmが中心線Z方向の力Pを受けて、変位すると、
各コイルL1 及びL2 と重りmの真鍮金属面との間の間
隙に差を生じ、コイルL1 及びL2のインダクタンスに
差を生じて、出力端子2、3間に出力電流を発生する。
すなわち、本例は変位計型のセンサである。この場合、
図2に示すようにセンサの中心線Zが重力Gの方向と角
度φをなすときは、cosφが荷重Pとして重りmに加
わるので、出力電流は荷重Gcosφによる間隙変化に
対応するものとなる。
【0008】図3は、本例の計測部に用いる地磁気検出
センサの例を示す斜視図である。本例は既知のホール素
子型のセンサである。図において、5は半導体ホール素
子、6−1、6−2、7は電極を示す。1対の電極6−
1、6−2に沿って定電流Iを流しておき、主面と直角
の方向に磁束Bを加えると、電流I及び磁束Bの両方に
直角な軸方向に電圧VH を発生する。この電圧VHを電
極7より取出す。この場合、次の関係が成り立つ。
【0009】
【数1】 ただし、KH はホール常数である。
【0010】よって4図に示すようにホール素子5の直
角軸線Zが局所の地球磁場の磁束Fの方向となす角度を
ψとすると、Fcosψの磁束(上記磁束Bに相当す
る。)に比例する電圧が得られる。
【0011】なお、上述においては、重力検出センサと
して高周波変位検出方式の中央に重錘をもつダイヤフラ
ム型重力計を、地磁気検出センサとして、ホール素子型
のものを説明したが、必要とする精度と出力が得られる
ものであれば、他の型の重力計、磁束計を使用すること
が出来る。
【0012】図5は、本例の計測部の斜視図である。本
例においては、上述の如き重力検出センサ及び磁束検出
センサを運行体(乗物に限らず進行する人間も含む。)
の直交3軸X,Y,Zにそれぞれ1個づつ各中心線を3
軸の軸線に一致させて取付ける。図において、IX ,I
Y ,IZ は重力検出センサ、MX ,MY ,MZ は地磁気
検出センサを示す。このように取り付けられた各種重力
計及び地磁気磁束の方向と運行体のX,Y,Z3軸とが
なす角の余弦値に相当する重力分力及び磁束分力をそれ
ぞれ出力する。
【0013】本例ではXYZ3軸の重力センサ、及び磁
束センサの出力により機構式のジンバルコンパスをモデ
ルとした数学ジンバル方式により方位角及び傾斜角を算
出する。すなわち、先ず3軸重力センサよりデッキ前後
傾斜角β及びジンバル左右傾斜角αを算出し、図5に示
す如くはじめに直交3軸O−XYZをY軸のまわりにβ
だけ回転した位置にある直交軸をO−X′Y′Z′と
し、続けてO−X′Y′Z′をX′軸のまわりにαだけ
回転した位置にある直交座標系をO−ξηζとする。こ
の時O−ξηζはOξη面は包囲線にて示される水平面
となりOζ線は鉛直線となる。この座標転換式を次に示
す。
【0014】
【数2】
【0015】
【数3】
【0016】
【数4】
【0017】
【数5】
【0018】この〔数5〕式の関係式はO−XYZ座標
系とO−ξηζ座標系の各軸間の方向余弦の関係を示す
こととなる。次に方向余弦表を表1に示す。
【0019】
【表1】
【0020】又図6に水平面O−ξη面上に方位角θを
もつ方位線FH が示されており、又鉛直線Oζ上に重力
線OW、垂直磁束FV が示されている。
【0021】尚この走行体座標系O−XYZより水平面
−鉛直線座標O−ξηζへの転換は図7に示す機構型の
振子重錘Mをもったジンバル支持の方位コンパスの数学
的モデルとみることができる。
【0022】同図において走行体O−XYZの甲板上の
Y−Y軸により支持される外ジンバルがβ角にて重錘M
により振子制御されて直交軸ξ−ξ線を水平に指向させ
る。またξ−ξ軸により支承される内環は同じく重錘M
によりα角にて振子制御されるので内環部O−ξηζ座
標はさきのβ制御に加えてα制御を受けて水平姿勢に保
持される。内環部内にて磁針をもつ方位盤はOζ軸を中
心にθ回動して指北する。
【0023】数学ジンバルの転換式によるX,Y,Z系
とξηζ系の重力センサ、磁束センサ間の関係はXYZ
系の各軸重力センサ出力をI1 ,I2 ,I3 とすれば
【0024】
【数6】
【0025】
【数7】
【0026】
【数8】
【0027】又、XYZ系の各軸磁束センサの出力値を
1 ,N2 ,N3 とすれば
【0028】
【数9】
【0029】
【数10】
【0030】
【数11】
【0031】上記の如く本例においては走行体のXYZ
3軸の重力センサ、磁束センサの出力の中に数学ジンバ
ルの機能が構築されているので、各データ間の数学的操
作により方位角、ピッチ角、ロール角を求めることがで
きる。以下、この演算処理について説明する。
【0032】演算A 先ず、α、βを求める。この場合、デッキ傾斜角を
α0 、β0 としジンバル傾斜角をα、βとすれば
【0033】
【数12】
【0034】〔数6〕式、〔数8〕式より
【0035】
【数13】
【0036】
【数14】
【0037】
【数15】
【0038】つづいてα、βを用いて磁束センサの出力
値N1 ,N2 ,N3 を操作する。
【0039】演算B 先ず内容式〔数9〕式のN1 の出力、内容式〔数11〕
式のN3の出力にcosβ、sinβ値を与えて、演算
式〔数16〕式及び演算式〔数17〕式によりβを消去
してFH cosθ及びN4 を求める。
【0040】
【数16】
【0041】
【数17】
【0042】この演算式〔数16〕式及び演算式〔数1
7〕式のβ消去の数学的処置は図6のベクトル図にては
Y軸のβ回転によるX′Y′Z′系の成立であり、この
場合X′=ξ、Y′=Yとなる。
【0043】又このβ消去は図7の機構ジンバルにては
外ジンバルのβ制御に該当する。
【0044】演算C 演算Bにて求められた内容式〔数17〕式のN4 値と内
容式〔数10〕式のセンサN2 の出力値にcosα、s
inαを与えて〔数18〕式の演算によりαを消去して
H sinθを求める。
【0045】
【数18】
【0046】この〔数18〕式の演算によるαの消去は
図6のベクトル線図よりみればx′y′z′系のx′軸
α回転によるξηζ系の成立であり、図7の機構図より
みれば、内部ジンバルのα制御による水平盤の成立であ
る。
【0047】演算D 演算CによりO−ξηζ系が求められたので水平面O−
ζη面内にて〔数16〕式のFH cosθ及び〔数1
8〕式のFH sinθを用いて〔数19〕式により方位
角θが求められる。
【0048】
【数19】
【0049】〔数19〕式の数学処理は図6のベクトル
線図における方位線の合成であり、図7の機構にては磁
針の指北動作である。
【0050】前記の演算結果によりθ、α、βの表示を
行う。この場合デッキ前後傾斜角β 0 は常にジンバル前
後傾斜角βと同一であるがデッキ左右傾斜角α0 はジン
バル左右傾斜角と同一ではない。
【0051】従って、左右傾斜角表示には表示対象によ
っていずれかを選択できる。一般に実体表示にはαがよ
く、ディジタル表示にはα0 が望ましい。いずれの場合
も表示目的に対応して、直観性にすぐれた方を採用す
る。上記の演算フローチャートを図8に示す。
【0052】上述の如く本発明においては数学ジンバル
を用いて3軸の重力センサ及び磁束センサの出力につい
て演算操作を行うことにより方位、前後、左右傾斜を算
出し、これらの複合表示を行うことができる。数学ジン
バルの構築には特別のプログラムを必要とせず、磁束及
び重力の6センサの出力の中に構成されているので演算
操作は簡易にてコンピュータとしては8ビット級のマイ
クロコンピュータにて充分であり、且つ高速度に出力が
求められる。
【0053】又、本発明のジンバルは数学的に構築され
ているため、方位は当然としてα、β又はα0 、β傾斜
は全範囲型にて反転、横転、宙返り、高速回転等姿勢に
全く関係なく方位が表示され、又姿勢もおくれなく表示
できる全範囲型の傾斜、方位計測装置である。又、3軸
センサ部を含め全装置が小型、簡易に構成されているの
で、人体を初め、小型走行体運動体に容易に装着でき
る。
【0054】
【発明の効果】本発明は数学ジンバルによる水平面を求
めているが、このジンバル構成のプログラムは磁束セン
サ、重力センサの出力の中に含まれており、各出力の相
互の操作により傾斜角、方位角が求められるため、プロ
グラムが簡単にして演算が迅速に行いうる。
【0055】また、方位、前後傾斜、左右傾斜の3元表
示が全範囲形であり、数学的ジンバルのため高速且つ正
確である。
【0056】さらに、センサ、コンピュータを含め全体
に可動部がなく、小型、簡易の携帯型である。
【0057】さらにまた、従来の方位計、傾斜計と異な
り方位、縦横傾斜の複合測定装置である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に適用される重力センサを一
部断面で示す構成図である。
【図2】図1の例の重力センサの動作説明図である。
【図3】本発明の一実施例に適用される地磁気センサを
示す斜視図である。
【図4】図3の例の地磁気センサの動作説明図である。
【図5】一実施例の計測部を示す斜視図である。
【図6】一実施例による走行体座標O−XYZと走行体
上に数学的に形成された空間座標系O−ξηζとの関係
を示すベクトル図である。
【図7】一実施例による数学ジンバルのモデルとなる機
構型ジンバル構造の説明図である。
【図8】一実施例の説明に供するフローチャート図であ
る。
【符号の説明】
X,Y,Z 走行体の直交3軸 IX ,IY ,IZ 重力検出センサ MX ,MY ,MZ 磁束検出センサ α ジンバル左右傾斜角 β 前後傾斜角 θ 方位角 W 重力ベクトル

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 【請求項1】 走行体の前後、左右、上下の直交XYZ
    3軸に重力及び地磁気磁束の各軸分力を計測する重力セ
    ンサ、磁束センサをもつ磁束及び重力3軸において、 重力3軸より、走行体の前後傾斜角、及び左右傾斜角を
    算定し、ジンバル機構の数字モデルとして、はじめにY
    軸のまわりに前後傾斜角を第1回転角として回転し、続
    いてX軸のまわりに左右傾斜角に前後傾斜角の余弦値を
    乗じた回転角を第2回転角として回転して数字的水平面
    0ξη面鉛直線0ζを有する0−ξηζ座標を構成し、
    該座標系の磁束3軸の水平面直交2軸0ξ、0η線の磁
    束分力より方位角を算出し、これと前後傾斜角及び左右
    傾斜角とをあわせて表示する固体形の全範囲傾斜方位測
    定装置。
JP3168245A 1991-07-09 1991-07-09 全範囲傾斜方位測定装置 Pending JPH0518750A (ja)

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