JPH08285602A - 傾斜面方位測定装置 - Google Patents

傾斜面方位測定装置

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JPH08285602A
JPH08285602A JP12872495A JP12872495A JPH08285602A JP H08285602 A JPH08285602 A JP H08285602A JP 12872495 A JP12872495 A JP 12872495A JP 12872495 A JP12872495 A JP 12872495A JP H08285602 A JPH08285602 A JP H08285602A
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JP
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coordinate
axis
equation
line
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JP12872495A
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Takao Yamaguchi
隆男 山口
Hajime Nishizawa
一 西沢
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 従来の固体3軸の方位角算出汎用の座標変換
式を傾斜面方位角算出専用の座標変換式に変更して、こ
の用途の拡張をはかる。 【構成】 実在XYZ座標体の最大傾斜Mにて、傾斜す
る底面(X0Y面)と水平面との交切線と床面上の基準
方位線0Xとの挟角S並びに該交切線と水平面上の基準
指北方位線0Xとの挟角FのM、S、F3角パラメー
タをもつ実在XYZ座標休を、コンピュータ基準指北水
平面鉛直線X座標系に変換する手段により
M、S、Fを算出するオムニレンジ傾斜面方位測定装置

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】 測量機器、観測機器、ナビゲー
ション機器等に利用できる。
【0002】
【従来の技術】(1)3軸固体コンパス 特許番号
特許第1388724 (2)地形等高線地図データ測定装置 M910015
3 (3)ジンパルレスコンパス Y050215 (4)座標変換装置 YN94030
01
【0003】
【発明が解決しようとする課題】 上記の技術はいずれ
も重力3軸XYZ座標を初めにY軸つづけてX軸、もし
くは初めにX軸つづけてY軸のまわりにY軸はピッチ
角、X軸はロール角関連値にて回転し、コンピュータ水
平鉛直座標ξηζを求める座標変換式を用いている。一
方3軸に磁束センサにより前記の水平面直交ξηζ線が
方位基準線水平磁束Hの正余弦値を表すものとしてコン
パス方位角を前述の座標変換式により算定している。こ
れは重力関係にては鉛直水平関係を求めるに対しては充
分なる条件であり又方位角関係にてはコンパス方位角算
定には充分な条件であるが、ここには傾斜画方位算出の
条件は含まれていない。従って傾斜面方位は従来の技術
にては変換式より算出されたコンパス方位角より傾斜面
方位角を別個の力学関連式より算出している。このため
に傾斜方位角は変換式により直接算出されたコンパス方
位角に対して精度及びレスポンスが低下する。特に傾斜
面方位角が地測、天測における固定事象の場合には計測
手段として自在に変化するコンパス方位角より上記の固
定データを導出する不利を免れない。また空間を自由に
走行する走行体にて反転、宙返り又は横転、スクリュー
運動時には傾斜面の方位角の設定制御が必要になるも、
従来の方式にてはこの傾斜面方位の設定が行えない。
【0004】
【課題を解決するための手段】 本発明においては傾斜
面方位角を座標変換式により直接算出するために実在X
YZ座標の3軸重力センサと3軸磁束センサ入力をコン
ピュータ基準水平指北X座標に座標変換す
る。この水平指北X、Y、Z座標の内容は、重力
系は重力をGとしてX(0)、 Y(0)、Z
(G)となり、磁束系にては水平磁束をH、鉛直磁束
をUとしてX(H)、Y(0)、Z(U)とな
る。即ち、実在XYZ座標を初めにZ軸を中心にX0Y
面(D面)上の0X線を最大傾斜方向に直交する位置ま
でのS角だけ回転し、該位置を0−X’線とし、該0
X’を中心としてM角だけD面を回転してD面と水平面
と一致させる。回転中心の0X線はD面と水平面との交
切線となり双方に共通しているが、これを水平面上では
0X”とし、つづいて水平面に直交する鉛直0Z線を
中心に0X”線を水平面上にてF角だけ回転して、0
X”を指北0X線と一致させる。この座標変換手段に
より入力W1、W2、W3及びN1、N2、N3座標値
を基準指北水平座標値に変換することにより、変換パラ
メータ3角M、S、Fを演算決定する。即ち、重力系変
換式によりS角及びM角を算出し、これを磁束系変換式
に導入してF角を求める。
【0005】
【作用】 上記変換手段により、傾斜方位角F角は変換
式により直接求めることになり在来型に比して算出の速
度及び精度を向上させることができ、また走行体の姿勢
制御のための傾斜方位の設定動作も可能になる。またこ
の方式にては変換式よりはコンパス方位は算出できない
が解析的手法により変換式より算出されたF角を用いて
S角と合算してコンパス方位を容易に算出することが可
能である。
【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−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は円形ダイアフラ
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はダイアフラムSの中心に設け
られ、ダイアフラムSの周辺はケース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−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
るブリツジ・アームに、高周波電源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、ダイアフラム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、Gcosφ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は半導体型ホール
素子、6−1、6−2、7は電極を示す。一対の電極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より取り出す。この場合KHをホール常数として
次の[数1]の関係が成り立つ。
【0009】
【数1】
【0010】よって図4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
φとすると、Fcosφ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アフラ
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、上述の如き重力センサP1、P2、P3、
磁束センサS1、S2、S3を直交3軸走行体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
させて取り付ける。この場合、各重力センサよりの出力
はW1、W2、W3であり、各磁束センサよりの出力は
N1、N2、N3である。
【0013】
【座標変換式】 空間基準指北空間座標系をX
とし、実在座標系をXYZとする。0−X
をZ軸のまわりにF角だけ回転した位置にある直交軸を
0−X’Y’Z’とする。0−X’Y’Z’をX’軸の
まわりにMだけ回転した位置にある直交軸を0−X”
Y”Z”とする。また0−X”Y”Z”をZ”軸のまわ
りにS角だけ回転した位置にある実在座標軸を0−XY
Zとする。空間、実在両座標(X)、(XY
Z)間の関係を変換式[数2]にて示す。
【0014】
【数2】
【0015】[数3]に[数2]の展開式を示す。
【0016】
【数3】
【0017】[数3]の展開式の逆配列を[数4]に示
す。
【0018】
【数4】
【0019】[数5]に[数4]のマトリクスをΔにて
示す。
【0020】
【数5】
【0021】[数5]により[数4]を[数6]に置換
する。
【0022】
【数6】
【0023】[数6]における、XYZ座標系には各軸
に重力センサW1、W2、W3及び磁束センサN1、N
2、N3をもつ。[数7]及び[数8]にXYZ軸を重
力系、磁束系それぞれ各軸の内容をセンサにより示して
いる。
【0024】
【数7】
【0025】
【数8】
【0026】又この場合には重力系、磁束系それぞれ空
間座標Xの内容を重力系は重力を1としてX
(0)、Y(0)、Z(1)にて、又磁束系はH
を水平磁束Uを垂直磁束としてX(H)、Y(0)
(U)にて示している。このG(1)及びT、U、
Hの値は[数9][数10][数11][数12]によ
りてW1、W2、W3、N1、N2、N3により算出さ
れる。[数10]のTは総磁束を示している。
【0027】
【数9】
【0028】
【数10】
【0029】
【数11】
【0030】
【数12】
【0031】[数7]の重力系変換式を分解して[数1
3][数14][数15]にてXYZ各軸重力センサW
1、W2、W3の内容を、変換パラメータS、Mの正余
弦値にて示している。
【0032】
【数13】
【0033】
【数14】
【0034】
【数15】
【0035】又、[数8]の磁束系変換式を分解して
[数16][数17][数18]に各軸N1、N2、N
3の内容をH、U及び変換パラメータS、M、Fの正余
弦値を用いて表すことができる。
【0036】
【数16】
【0037】
【数17】
【0038】
【数18】
【0039】重力系各センサの内容より[数19][数
20]によりてパラメータS、Mが求められる。
【0040】
【数19】
【0041】[数20][数21]により、S1及びS
2が決定される。
【0042】
【数20】
【0043】
【数21】
【0044】
【数22】
【0045】[数23][数24]によりM1、M2が
決定される。
【0046】
【数23】
【0047】
【数24】
【0048】重力センサよりのS1、S2、M1、M2
を磁束センサN1、N2、N3の内容に加減乗除の算法
を行う。即ち[数25]によりN1の内容にS1を乗算
し、該乗算値にN2の内容とS2の乗算値を加算して、
これをN4とする。
【0049】
【数25】
【0050】続いて[数26]によりN3の内容にM1
を乗算し該乗算値よりN4の内容とM2の乗算値を減算
し該減算値をK1値とする。
【0051】
【数26】 K1の内容は[数27]に示す如く、水平磁束HとFの
正弦値の乗算値となっている。
【0052】
【数27】
【0053】一方[数28]によりN1の内容にS2値
を乗算し、該値より、N2の内容にS1を乗じた乗算値
を減算して、この出力値をK2とする。
【0054】
【数28】
【0055】このK2の内容は[数29]に示す如く、
水平磁束HとFの余弦値との乗算値となる。
【0056】
【数29】
【0057】従って[数30]によりK1値を分子、K
2値を分母とする除算値の逆正接函数がパラメータF値
となる。
【0058】
【数30】
【0059】これより[数31][数32]によりFの
正余弦値F1及びF2が決定される。
【0060】
【数31】
【0061】
【数32】
【0062】上述の如く本発明の座標変換装置にては、
入力重力系W1、W2、W3、磁束系N1、N2、N3
の6入力にてパラメータ3角S、M、Fが測定され、続
いて傾斜面の方位(ヘッディング)Vは[数33]によ
り、またコンパス方位θは[数34]により関連力学解
析考察より容易に算出することができる。
【0063】
【数33】
【0064】
【数34】
【0065】上述の算出は、実体XYZ座標体の三次元
空間におけるいかなる姿勢、態様に拘らず、該本体座標
体がコンピュータ標準指北水平座標Xに変換
されることを示している。この場合重力系変換部は入力
W1、W2、W3により空間水平面は重力1としてX
(0)、Y(0)、Z(1)に変換され、磁束系変
換部は入力N1、N2、N3より水平磁束H、鉛直磁束
Uとして、X(H)、Y(0)、Z(U)に変換
される。[図6]に変換装置及び関連解析式による演算
フローチャートに示している。
【0066】[図7]はM、S、F座標変換手段に関連
する座標系説明図にして、実在座標系XYZのX0Y面
をD面とし、コンピュータ基準指北水平面座標系X
のX0Y面をH面とした両座標軸が示され
ている。D面、H面両面の交切線はAB線にてこれと
直交する最大傾斜方向線H面上にてC’線、D
面上にてCC’線の両線が最大傾斜角Mをはさんで相対
応している。又、D面上のXYZ座標の直交XY線は、
H面上の最大傾斜方向に対して対象の位置に直交ξη線
をもつ空間座標ξηζが示されている。尚図面にはパラ
メータ3角の前述のM角の外のS角、F角2角及び、コ
ンパス方位θ角、ヘッディングV角、D面上の0X線と
最大傾斜方向線CC’との挟角φ及びこれと対象位置に
あるH面上の0ξ線と最大傾斜方向線C’線と
の挟角φ’は[数35][数36]に示す如くともに同
一に値を示している。
【0067】
【数35】
【0068】
【数36】
【0069】(座標変換手段の応用) [図8]は測量
機器、観測機器への応用に関する説明図にして傾角Mの
斜面Dの側面図を示す。水平面はHにして斜面Dの直
交軸0Z線は空間固定線となる。0Z線の坂下傾角Nは
傾角Mと補角関係をもつ。
【0070】(測量機器への応用) 上方0Z軸底面X
0Y面のXYZ座標体の底面を傾斜面上に任意姿勢で置
くだけで、該傾斜面の地図等高線方位及び段差を測定で
きる測定器
【0071】(天測機器への応用) 正面盤X0Y面、
深さ0Z軸のXYZ座標体の0Z軸(光軸又は視線)を
目標点に合致させるだけで計器の姿勢に拘らず目標点の
緯度(高さ)及び経度を測定できる観測機器。
【0072】(走行体の傾斜方位の設定、制御への応
用) 空中を反転、横転運動を行う走行体には、走行方
位の設定、制御を行うことが可能となる。又荒天時に漁
船等の波浪による傾斜方位とコンパス方位の双方の自動
設定制御が安全操船上必要となる。
【0073】
【発明の効果】 この新たに開発された座標変換手段に
より直接傾斜方位が求められるため、従来のコンパス方
位より算出された場合に比して精度、レスポンスが増大
し、又漁船等の荒天時の安全操船のための傾斜方位の設
定、制御に応用することが可能になり、実用上の効果が
大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の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]の地磁気センサの動作説明図であ
る。
【図5】 一実施例における計測部の構成を示す説明図
である。
【図6】 本発明の座標変換手段に関する演算のフロー
チャートである。
【図7】 本発明の座標変換手段の座標系を示す説明図
であり、最大傾斜角Mを挟む最大傾斜方位線のH面上
のC−C’線、D面上のC−C’線及び両面の交切
線A−B線を示している。
【図8】 最大傾斜角Mを持つ斜面D面の側画図であ
る。D面に直交するZ線は空間固定線となる。
【符号の説明】
X、Y、Z 実在直交3軸座標体 D面、
X0Y面 X コンピュータ基準指北水平面直
交3軸座標体 H面、X0Y ξ、η、ζ、 XYZに対応する鉛直水平座標
系 W1、W2、W3 重力検出センサ N1、N2、N3 地球磁束検出センサ F角 水平面H面内における指北0
線よりH面D面との交切線A−B線までの角度 S角 D面上におけるH面とD面の
交切線A−B線と0X線との間に挟む角度 M角 最大傾斜角 C角 コンパス方位角 V角 ヘッディング角 A−B線 H面、D面の交切線 C−C’ H面上の傾斜方位線 C−C’ D面上の傾斜方位線

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 本体直交3軸に、重力分力W1、W2、
    W3、並びに磁束分力N1、N2、N3をもつ上方軸0
    Z床面X0Y(D面)の0−XYZ座標軸をZ軸まわり
    に0X線をD面上にて最大傾斜方向に直交する位置まで
    の角度Sにて回転した位置にある直交座標を0−X’
    Y’Z’座標とし、0−X’Y’Z’座標軸を、0X’
    のまわりに最大傾斜角Mにて回転し、D面を水平面に一
    致させた位置の直交座標軸を0−X”Y”Z”とする。
    続いて該0−X”Y”Z”座標軸を0Z”(鉛直0Z
    線)を中心にX”0 Y”面を水平面上にて、水平面の
    方位基準線にいたる角Fだけ回転して空間指北基準線0
    、水平面X0Y、鉛直線0Zのコンピュータ
    基準空間座標0−Xが求められる。該座標変
    換手段により該重力系3ケ、磁束系3ケの入力値を用い
    てパラメータ3角F、M、Sを求めることを特長とする
    座標変換手段。
  2. 【請求項2】 上方0Z軸底面X0YのXYZ座標体の
    底面を傾斜面上に任意姿勢にて置くだけで該傾斜面の地
    図等高線方位及び段差が渕定できる請求項1の座標変換
    手段を応用した測定器。
  3. 【請求項3】 正面館X0Y面の深さ0ZのXYZ座標
    体の0Z軸(光軸又は視軸)を目標点に合致させるだけ
    で計器の姿勢に拘らず目標点の緯度(高さ)及び経度を
    測定できる請求項1の座標変換手段を応用した測定器。
  4. 【請求項4】 空間を反転、横転等の自在運行する運動
    体の傾斜方位設定、制御に請求項1の座標変換乎段を適
    用した制御装置。
JP12872495A 1995-04-19 1995-04-19 傾斜面方位測定装置 Pending JPH08285602A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104613947A (zh) * 2015-01-16 2015-05-13 同济大学 一种节理组结构面产状综合测量仪
CN106546229A (zh) * 2016-10-27 2017-03-29 中国葛洲坝集团第工程有限公司 一种便于现场指挥的测量放样方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104613947A (zh) * 2015-01-16 2015-05-13 同济大学 一种节理组结构面产状综合测量仪
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