JPH08512125A - 妨害金属がある場所で物体の位置と向きを測定する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 物体の位置と向きを測定する方法を、その方法を達成するための装置と共に開示する。この方法および装置は、磁界発生器のごく近くにある金属物体によって生じる金属作用を減少させる。金属作用は、回転磁界ベクトルを作り出す磁界発生器を利用し、次にその磁界ベクトルが、既知の基準点と位置を測定するセンサとの間で伝わるのに要する時間を測定することによって減少される。回転磁界ベクトルの周波数を一定に保ち、この磁界ベクトルが前述の距離だけ伝わるのに要する時間を測定することによって、基準軸とセンサの方に向いたベクトルとの角度を決定することができる。適切な角度を測定した後で、センサの位置を決定するために計算が行われる。さらに、複数のセンサを利用して、互いに対するセンサの向きを決定することもできる。

Description

【発明の詳細な説明】 妨害金属がある場所で物体の位置と向きを測定する方法および装置 発明の分野 本発明は、自由空間において離れた場所にあるセンサの位置を決定する方法お よび装置に関する。さらに具体的には、本発明は、航空機のパイロットによって 使用される目標設定装置などの照準装置の目視線の位置と向きを決定する装置お よび方法に関する。 発明の背景 自由空間における物体の位置と向きの決定には多数の応用例がある。具体的な 応用例としては、様々な航空機と関連して使用される目標設定システム、位置検 出装置を利用してカーソルを位置決めするコンピュータ周辺機器、およびその他 の多数の位置指定用途が含まれる。通常は、１つまたは複数のセンサをヘルメッ トなどの装置に取り付け、既知の基準点に対するそれらのセンサの位置を決定す る。航空機の目標設定の応用例では、複数のセンサをパイロットのヘルメットに 配置し、これらのセンサの位置を決定する。複数のセンサの位置が既知ならば、 航空機の基準軸に対するパイロットのヘルメットの向きを算出することができる 。この場合、パイロットのヘルメットの向きを利用して、ある種の装置をパイロ ットの目視線とほぼ同じ方向に向けることができる。 物体の位置および向きを決定する従来の１つの手法は、磁気送信器および受信 器を利用することである。通常、磁気信号が、既知の基準点から既知の値で送ら れる。自由空間に配置された受信器またはセンサが磁気信号をセンスし、センス した磁界信号の強さと向きに基づいて、受信器の位置を算出する。この種の用途 に使用される受信器は、磁界の３つの直交成分を検出できる３軸磁気センサであ る。 これらの磁気送信器およびセンサが航空機の操縦室で使用されるときは、その 領域内の大量の金属を考慮に入れて調整を行わなければならない。磁気送信器の 極めて近くに金属物体があると、磁界の強さと均一性が著しく変化することがあ る。航空機には大量の金属があるため、その金属の渦電流が、操縦室内のあらゆ る位置において送信磁界を歪ませる磁界を生成する。これらの渦電流のため、セ ンサによって受信された信号は、真の位置を示さない。これらの金属の作用は、 操縦室内でセンサの位置と向きを決定しようとする際に深刻なエラーを引き起こ す。 金属作用の問題に対する１つの解決策は、関係する領域をマップするものであ った。より具体的には、操縦室内で測定を行い、そこで既知の信号を発生し、セ ンサを既知の位置に配置してセンサ信号を得る。次にこのセンサ信号を記憶し、 それにより操縦室内全体の磁界の特性を決定する。したがって、磁界特性を一度 決定した後は、金属作用による誤差を補償することができる。 金属作用の問題に対するもう１つの解決策は、磁気信号ではなく光信号を利用 するものである。この応用例では、操縦室内の既知の位置から光信号を発生させ 、光センサで光信号を受け取る。光信号の使用には、いくつかの不都合が伴う。 １つの不都合な点は、センサと送信器の間に自由径路が必要なことである。送信 器と受信器の間に物体があると、装置が動作不能になり無効になる。さらに、受 信器は、動作領域が制限されている。たとえば、光信号がパイロット頭部の真後 ろ側にあたり、光センサがパイロットのヘルメットの真後ろに配置されていると き、パイロットが頭を回すと、光信号は遠すぎて受信されない。したがって、多 数の光センサと多数の光信号源が必要である。 発明の概要 本発明は、磁界を利用してセンサの位置と向きを検出する。磁界は一定の物体 および一定の材料を通して放射することができ、したがって送信器とセンサの間 に見通しのきく径路がある必要はない。さらに、磁界送信器およびセンサは、適 切な遮蔽および保護によってうまく保護することができる。 磁界を利用するシステムの精度を低下させる金属作用を減少させるために、本 発明は、プローブ信号として均一な磁界ではなく回転磁界ベクトルを作り出す。 この磁界ベクトルは、予め定義された周波数で回転する。磁界ベクトルが、既知 の基準点と磁界ベクトルがセンサと遭遇する点との間を通るのに必要な期間を測 定する。回転磁界ベクトルが既知の基準点とセンサとの間で伝わるのに必要な時 間を知り、かつ回転磁界ベクトルの周波数を知ることによって、既知の基準ベク トルと送信器からセンサに直接延びる位置ベクトルの間の角度を決定することが できる。 本発明においては、３軸磁気送信器を使用し、したがって３つの直交軸の回り に回転磁界ベクトルを作り出す機能が可能になる。この場合、３つの直交軸に対 する角度を測定することによって、送信器に対するセンサの位置を決定すること ができる。 本発明では、直交３軸磁界センサを使用する。３軸磁界センサそれぞれの軸か ら出力を獲得し、その３つの出力に基づき二乗和平方根演算を実行することによ って、回転磁界ベクトルがセンサといつ遭遇したかを示す信号が得られる。 磁界センサは、回転磁界ベクトルがセンサと遭遇する時間を決定する際にのみ 関与する。したがって、磁界センサは、検出した磁界の振幅または向きには関係 しない。３つの直交出力に基づいて二乗和平方根演算を実行することによって、 回転磁界ベクトルがセンサと遭遇する時間を示す波形が生成される。二乗和平方 根を利用するのは、受信振幅に対する感度よりも雑音に対する感度の方が小さく なるからである。 本発明は磁界センサによってセンスされた磁界信号の大きさの影響をあまり受 けないため、この位置検出方法は、金属作用の影響を受けにくい。 複数のセンサを使用して、それらの各センサの磁界送信器に対する相対位置を 決定することにより、センサの向きを算出することができる。これらの位置およ び向きはすべて、測定した相対角度に基づいて算出される。そのような角度を利 用する位置および向きの決定方法は、必要な計算が少なく、計算の複雑さが軽減 される。 本発明の一目的は、物体の位置および向きを測定するために渦電流および金属 作用の影響が少ない装置を作成することである。 本発明の他の目的は、計算の複雑さが軽減され計算の量が少なくて済む位置決 定方法を提供することである。 図面の簡単な説明 本発明のその他の目的および利点は、以下の図面を参照して後の詳細な説明を 読むことにより理解することができる。 第１図は、本発明を実施したシステムのブロック図である。 第２図は、パイロットのヘルメットに取り付けられた２つの磁界センサの位置 および向きを決定するために利用される本発明の方法の説明図である。 第３図は、本発明の磁界送信器を駆動するために使用される信号発生器の回路 図である。 第４図は、必要な磁界を発生させる１つの方式を示すグラフである。 第５図は、磁界を検出し二乗和平方根出力を作成するために使用される電気回 路を示す回路図である。 第６図は、磁界送信器によって作成される信号と二乗和平方根出力の間の関係 を示すグラフである。 第７図は、本発明の第２の実施形態のブロック図である。 発明の詳細な説明 本発明は、自由空間における物体の位置と向きを決定する方法および装置を提 供する。より具体的には、本発明は、複数の磁気センサと共に多軸磁界送信器を 利用して、航空機の操縦室におけるパイロットのヘルメットの位置と向きを決定 する。複数のセンサは、互いに既知の距離と向きでヘルメットに接続される。こ れらの各センサの位置を決定することによって、ヘルメットの位置と向きも決定 することができる。この場合、パイロットのヘルメットの位置と向きを利用して 、兵器、視覚強化装置、航行機器などの他の装置を制御することができる。 次に、第１図を参照し、本発明の概念を実施したシステムのブロック図を示す 。磁界信号の送信および受信は、マイクロプロセッサまたは分散型デジタル信号 プロセッサ１０によって制御される。マイクロプロセッサ１０は、適切な信号を 生成して磁界送信器２０を駆動する駆動信号発生器１２と通信する。第１図から 分かるように、送信器２０は、３つの直交するコイル、Ｘコイル２２、Ｙコイル ２４、Ｚコイル２６を含む。 送信器２０は、第１の受信器またはセンサ３０、および第２の受信器またはセ ンサ３２によって受信される適切な回転磁界ベクトルを作成する。前述のように 、第１の受信器３０と第２の受信器３２は、パイロットのヘルメット３４に取り 付けられる。第１の受信器３０と第２の受信器３２によって受信されたこれらの 信号は、第１の増幅回路網３６と第２の増幅回路網３８に送られる。第１の増幅 回路網３６と第２の増幅回路網３８は、次に第１の信号処理段４０と第２の信号 処理段４２にそれぞれ送られる増幅出力を生成する。第１の信号処理段４０は、 マイクロプロセッサ１０に戻される出力を有する。同様に、第２の信号処理段４ ２も、マイクロプロセッサ１０に戻される出力を有する。その後、マイクロプロ セッサ１０は、受信した各信号セットごとに適切な角度を算出することができる 。次に、第１のセンサ３０と第２のセンサ３２の位置と向きに関する情報、さら にはヘルメットの位置と向きに関する情報を、マイクロプロセッサ１０から出力 ４６を介して周辺装置に送ることができる。 駆動信号発生器１２をより具体的に調べると、異なる信号をメモリにロードし 、次にそのロードした信号に適合させて送信器２０を駆動できるようにするのに 必要な構成要素をすべて含む。マイクロプロセッサ１０は、波形をメモリにロー ドするかあるいは波形をメモリからトリガして生成するのに必要な論理を含むロ ード／クロック論理装置５０に信号を提供する。ロード／クロック論理装置５０ は、Ｘメモリ５２、Ｙメモリ５４、およびＺメモリ５６に接続される。Ｘメモリ ５２は、次に送信器２０のＸコイル２２に送られる適切な信号を記憶することが できる。同様に、Ｙメモリ５４は、Ｙコイル２４に送られる信号を含み、Ｚメモ リ５６はＺコイル２６に送られる信号を含む。Ｘメモリ５２の出力は、デジタル ・アナログ（Ｄ／Ａ）変換器５８に接続される。同様に、Ｙメモリ５４の出力は 、第２のデジタル・アナログ（Ｄ／Ａ）変換器６０に接続される。最後に、Ｚメ モリ５６の出力は、第３のデジタル・アナログ（Ｄ／Ａ）変換器６２に接続され る。第１のＤ／Ａ変換器５８、第２のＤ／Ａ変換器６０、および第３のＤ／Ａ変 換器６２はすべて、それらの接続されたメモリ内に記憶された信号をアナログ信 号に変換するために使用される。第１のＤ／Ａ変換器５８の出力は、第１の乗算 Ｄ／Ａ変換器６４の第１の入力に送られる。第２のＤ／Ａ変換器６０は第２の乗 算Ｄ／Ａ変換器６６に接続され、第３のＤ／Ａ変換器６２は第３の乗算Ｄ／Ａ変 換器６８に接続される。各乗算Ｄ／Ａ変換器６４、６６、６８は、それぞれ第２ の入力７０、７２、７４を有し、それらの入力はすべてマイクロプロセッサ１０ に接続されている。これらのＤ／Ａ変換器の第２の入力７０、７２、および７４ によって、マイクロプロセッサは、送信器２０の各コイルに送られる信号の大き さを動的に調整できる。この調整は、送信器２０の直交する３つのコイルの不均 一さのため、また利得を送信器２０と受信器（第１の受信器３０または第２の受 信器３２）の間の距離の関数として調整するために必要である。乗算Ｄ／Ａ変換 器６４は、Ｘ駆動増幅器７８に接続された出力を有する。Ｘ駆動増幅器７８は、 送信器２０のＸコイル２２を駆動するために必要な増幅と電流を提供する。同様 に、第２の乗算Ｄ／Ａ変換器６６は、送信器２０のＹコイル２４を駆動するのに 使用するＹ駆動増幅器８０に接続された出力を備える。最後に、第３の乗算Ｄ／ Ａ変換器は、出力が、送信器２０のＺコイル２６を駆動するのに必要な増幅を提 供するＺ駆動増幅器８２に接続されている。Ｘ駆動増幅器７８の出力は、マイク ロプロセッサ１０に接続されたサンプリング接続８４に接続される。サンプリン グ接続８４は、マイクロプロセッサ１０に基準信号を送るために使用される。サ ンプリング接続８４は、Ｙ駆動増幅器８０の出力、またはＺ駆動増幅器８２の出 力、あるいはそれらの任意の組合せに接続できることは当業者には理解されよう 。 前に述べたように、送信器２０は、直交して配置された３つの個別のコイルを 備える。これらのコイルは、個別に電圧を加えて所望の特性を有する磁界を作成 することができる。次に、第４図を参照すると、所望の回転磁界ベクトルを作成 するための適切な波形が示されている。この図は、各直交コイルに送られて回転 磁界ベクトルを生じさせる波形のグラフを示す。 期間ｔ₁に、Ｚ軸のまわりで回転する回転磁界ベクトルを作成するのに必要な 駆動信号を示す。第４図に示すように、Ｘ駆動増幅器７８は正弦波信号９０を出 力し、一方Ｙ駆動増幅器８０は第２の正弦波信号９２を出力する。Ｘ正弦波信号 ９０とＹ正弦波信号９２の位相を９０度ずらすことによって、自由空間において 磁界ベクトル９４がｚ軸の回りで回転することになる。 期間ｔ₂の間、Ｙ駆動増幅器８０は、同様の正弦波信号９２をＹコイル２４に 出力し、Ｚコイル増幅器８２は、Ｚ正弦波信号９６を出力する。期間ｔ₂の間、 Ｙ正弦波信号９２とＺ正弦波信号９６は位相が９０度ずれ、その場合、回転磁界 ベクトル９４をＸ軸の回りで回転させることになる。最後に、期間ｔ₃の間は、 Ｘ駆動増幅器７８はＸ正弦波信号９０をＸコイル２２に出力し、Ｚコイル増幅器 ８２はＺ正弦波信号９６をＺコイル２６に出力する。期間ｔ₃の間、Ｚ正弦波信 号９６とＸ正弦波信号９０は位相が９０度ずれ、この場合は、回転磁界ベクトル ９４をＹ軸の回りで回転させることになる。 要約すると、Ｘコイル２２、Ｙコイル２４、およびＺコイル２６に適正な電圧 信号を印加することによって、適切な軸の回りで回転する磁界ベクトルを得るこ とができる。Ｘ正弦波信号９０、Ｙ正弦波信号９２、およびＺ正弦波信号９６が すべて同じ周波数であり、それにより同じ周波数で回転する磁界ベクトルが作成 される点に留意されたい。この周波数を一定に保つことによって、磁界ベクトル ９４が所与の期間にある量だけ回転することがわかる。 次に、第２ａ図、第２ｂ図、および第２ｃ図を参照すると、測定した角度をど のように利用してパイロットのヘルメットの位置と向きを決定するかを説明する のに役立つ図が示されている。第２ａ図に示したように、送信器２０は、既知の 基準点に配置され、ＸおよびＹ軸に沿って向きが決められている。Ｘコイル２２ およびＹコイル２４を適切に駆動することによって、Ｚ軸（ページの中に入る方 向）の回りに回転する回転磁界ベクトルが作成される。第２ａ図に示すように、 回転磁界ベクトル９４は、時計回りの方向に回転する。基準点として正のＹ軸が 任意に選択され、回転磁界ベクトル９４がＹ軸と第１のセンサ３０の間で伝わる のに必要な時間が測定される。同様に、回転磁界ベクトル９４がＹ軸と第２のセ ンサ３２との間で伝わるのに必要な時間も測定される。これらの時間の測定値と 回転磁界ベクトル９４の周波数から、角度Θ₁およびΘ₂を決定することができる 。 第２ｂ図は、回転磁界ベクトル９４がＹ軸の回りに回転する同様の図を示す。 第２ｂ図では、回転磁界ベクトルを反時計回りの方向に回転するように示す。こ の場合は、基準点としてＸ軸が選択され、回転磁界ベクトル９４が基準Ｘ軸と第 １のセンサ３０との間で伝わるのに必要な時間が決定される。同様に、回転磁界 ベクトルが基準Ｘ軸と第２のセンサ３２との間で伝わるのに必要な時間も決定さ れる。この場合も、これらの時間の測定値と回転磁界ベクトル９４の周波数から 、角度Φ₁およびΦ₂を決定することができる。 最後に、第２ｃ図は、Ｘ軸の回りで反時計回りの方向に伝わる回転磁界ベクト ル９４を示す。ここでは、基準としてＹ軸が選択され、回転磁界ベクトル９４が Ｙ軸と第１のセンサ３０の間で伝わるのに必要な期間が測定される。同様に、回 転磁界ベクトル９４がＹ軸と第２のセンサ３２との間で伝わる時間も測定される 。これらの時間の測定値から、角度β₁およびβ₂を決定することができる。 当業者なら理解するように、必要な角度がすべて測定されると、第１のセンサ ３０および第２のセンサ３２の位置を送信器２０を基準にして容易に決定するこ とができる。これらの位置を決定する方法は多数あり、さらにそれらの方法がす べて等しく役立つことに注意されたい。したがって、座標Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１を有 する第１のセンサ３０の位置と、座標Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２を有する第２のセンサ３ ２の位置は既知である。センサ３０および３２の互いに対する距離と向きを知る ことによって、ヘルメットの位置および向きを決定することができる。 さらにまた、パイロットのヘルメットの位置と向きを、ハードウェアの様々な 組合せを利用して決定することもできることが理解されよう。本発明の１つの代 替実施形態は、パイロットのヘルメットに取り付けられた３つの受信器を利用し 、回転磁界ベクトルを２つだけ利用する。送信器３０は、２軸または３軸の回転 磁界ベクトルを含む様々な多数の種類の磁気信号を発生させることができるマイ クロプロセッサ１０によって駆動される。 次に、第３図を参照すると、駆動信号発生器１２のより詳細な回路図が示され ている。駆動信号発生器１２が、マイクロプロセッサ１０から多数の信号を受け 取る。具体的には、駆動信号発生器１２は、データ信号１００、クロック信号１ ０２、およびアドレス信号１０４を受け取る。これらの入力（データ線１００、 クロック信号１０２、およびアドレス線１０４）によって、マイクロプロセッサ １０は、特定の波形を信号発生器のメモリにロードしこれらの波形をトリガする ことができ、その結果として、生成された適切な信号が送信器２０の３つのコイ ル２２、２４、２６に送られる。 ロード／クロック論理装置５０は、第１のラッチ１０８と第２のラッチ１１０ とを含む。２つのラッチを使用することにより、データ線１００（８ビット幅） で受け取ったデータを結合して、第１のラッチ１０８と第２のラッチ１１０の組 合わせから１２ビットのデータ信号を与えることができる。次に、２つのラッチ １０８および１１０から出力されたデータは、Ｘメモリ５２、Ｙメモリ５４、ま たはＺメモリ５６のいずれかに送られる。 発生器アドレス線１０４で受け取った信号は、プログラム式アレイ論理装置（ ＰＡＬ）１１２に入力される。第１のＰＡＬ１１２は、信号を適切なメモリ・ブ ロックに向けるアドレス操作のために使用される。 クロック信号１０２が、第２のＰＡＬ１１４に入力される。第２のＰＡＬは、 第３のＰＡＬ１１６と共に、データ転送のタイミングを調整するために使用され る。 第３図に示したように、Ｘメモリ５２は、第１のＸメモリ・ブロック１２０と 第２のＸメモリ・ブロック１２２の２つの８ビット・メモリ・ブロックを含む。 同様に、Ｙメモリ５４は、第１のＹメモリ・ブロック１２４と第２のＹメモリ・ ブロック１２６とを含み、最後に、Ｚメモリ５６は、第１のＺメモリ・ブロック １２８と第２のＺメモリ・ブロック１３０とを含む。 Ｘメモリ５２、Ｙメモリ５４およびＺメモリ５６はすべて、１２ビットのデー タを処理し同時に８ビットのメモリ装置を利用できるようにする独立した２つの メモリ・ブロックを含む。それぞれのメモリ・ブロック１２０、１２２、１２４ 、１２６、１２８および１３０はすべて、１２ビットのデータの処理を可能にす るのに必要なデータ線およびアドレス線が接続されている。 Ｘメモリ５２は、信号を第１のＤ／Ａ変換器５８に出力する。同様に、Ｙメモ リ５４は、第２のＤ／Ａ変換器６０に出力し、一方Ｚメモリ５６は、第３のＤ／ Ａ変換器６２に出力する。これらのＤ／Ａ変換器５８、６０、６２はそれぞれ、 メモリに記憶されたデジタル信号をアナログ信号に変換するために使用される。 その後に、適切なアナログ信号が次の装置に出力される。 第１のＤ／Ａ変換器５８は、そのアナログ出力をＸバッファ増幅器１３４に出 力し、次にＸバッファ増幅器１３４は、アナログ信号を第１の乗算Ｄ／Ａ変換器 ６４に送る。同様に、第２のＤ／Ａ変換器６０は、そのアナログ出力がＹバッフ ァ増幅器１３６に接続されており、Ｙバッファ増幅器１３６は次にアナログ信号 を第２の乗算Ｄ／Ａ変換器６６に送る。最後に、第３のＤ／Ａ変換器６２は、そ のアナログ出力がＺバッファ増幅器１３８に接続されており、Ｚバッファ増幅器 １３８は次にアナログ信号を第３の乗算Ｄ／Ａ変換器６８に送る。 第１の乗算Ｄ／Ａ変換器６４は、Ｘバッファ増幅器１３４からのアナログ信号 を、第１のＰＡＬ１１２からのアドレス信号と第１のラッチ１０８および第２の ラッチ１１０からのデータ信号と共に受け取る。ＰＡＬ１１２からのアドレス信 号とラッチ１０８および１１０からのデータ信号とによって、マイクロプロセッ サ１０は、Ｘバッファ増幅器１３４から送られたアナログ信号のレベルを調整す ることができる。これにより、第１の乗算Ｄ／Ａ変換器６４が必要に応じて出力 を動的に調整することができるようになる。 第１の乗算Ｄ／Ａ変換器６４は、その出力をＸ駆動増幅器７８に提供する。Ｘ 駆動増幅器７８は、出力がＸコイル２２に接続された演算増幅器および電力ドラ イバ１４０からなる。また、演算増幅器１４０の出力には、第１のキャパシタ１ ４２および抵抗１４４を有するフィルタ構成が接続されている。キャパシタ１４ ２および抵抗１４４は負帰還構成で接続され、演算増幅器１４０の出力の適切な フィルタリングを可能にする。また、Ｘコイル２２は、負荷抵抗１４８と共に第 ２のフィルタ・キャパシタ１４６に直列に接続されている。 第２の乗算Ｄ／Ａ変換器６６と第３の乗算Ｄ／Ａ変換器６８は、第１の乗算Ｄ ／Ａ変換器６４と同様に構成されている。それらの出力はそれぞれ、Ｙ駆動増幅 器８０とＺ駆動増幅器８２に接続されている。Ｙ駆動増幅器８０とＺ駆動増幅器 ８２は、Ｙ駆動増幅器７８のものと同様に構成されている。 次に、第５図を参照すると、第１の増幅回路網３６または第２の増幅回路網３ ８、ならびに第１の信号処理段４０または第２の信号処理段４２のより詳細な回 路図が示されている。 第１のセンサ３０と第２のセンサ３２は共に、それぞれの直交軸に沿って向き を合わせた磁界に対して特に感度がよい３つの直交する構成のコイルを備える。 各コイルの感度の軸を、都合上、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸と呼ぶ。各コイルは、 検出装置を接続できる２つの出力を備える。第１のセンサ３０のＸコイルは、Ｘ ピックオフ増幅器１６４の２つの入力端子１６０と１６２に接続される。Ｘピッ クオフ増幅器１６４は、Ｘセンサ・コイル１５２に誘導される電流の量をセンス するように構成される。 Ｘピックオフ増幅器１６４の出力には、第１のフィルタ・キャパシタ１７０と 第１のフィルタ抵抗１７２が接続される。第１のフィルタ・キャパシタ１７０の 出力は次に、Ｘアナログ乗算器１７６に送られる。Ｘアナログ乗算器は、その入 力にある信号の二乗に等しいアナログ信号を出力するように構成される。本実施 形態においては、アナログ乗算器はアナログ素子ＡＤ５３４である。Ｘアナログ 乗算器１７６からの出力は、次に加算増幅器１８０に送られる。 また、第１の増幅回路網３６は、Ｙセンサ・コイル１５４に接続された１８４ および１８６の２つの入力、ならびにＺセンサ・コイルに接続された１８８およ び１９０の２つの入力を備える。Ｙ高入力１８４とＹ低入力１８６は、Ｙセンサ ・コイル１５４に誘導された電流を示す電圧信号を出力するＹピックオフ増幅器 １９２に接続される。同様に、Ｚピックオフ増幅器１９４は、Ｚ高入力１８８お よびＺ低入力１９０に接続され、Ｚセンサ・コイル１５６に誘導される電流の量 を示す信号を出力する。Ｙピックオフ増幅器１９２からの出力は、フィルタ・キ ャパシタ１７０およびフィルタ抵抗１７２を介して送られ、Ｙアナログ乗算器１ ９６に入力する。同様に、Ｚピックオフ増幅器１９４からの出力は、フィルタ・ キャパシタ１７０とフィルタ抵抗１７２に送られる。フィルタ・キャパシタ１７ ０からの出力は、次にＺアナログ乗算器１９８に送られる。Ｙアナログ乗算器１ ９６とＺアナログ乗算器１９８は、Ｘアナログ乗算器１７６のものと同じように 構成され、その入力で受け取ったアナログ電圧信号の二乗に相当する出力を提供 する。Ｙアナログ乗算器１９６からの出力は、加算増幅器１８０の第２の入力に 送られる。同様に、Ｚアナログ乗算器１９８からの出力は、加算増幅器１８０の 第３の入力に送られる。 加算増幅器１８０は周知の構成で構成され、アナログ入力電圧の合計の逆数と 等しいアナログ出力電圧を出力する。加算増幅器１８０の出力は、反転増幅器２ ００に接続される。反転増幅器２００は、入力信号と大きさが等しいが極性が逆 の出力信号を出力するように構成される。 反転増幅器２００の出力は次に、アナログ乗算器２０２の入力に送られる。ア ナログ乗算器２０２は、入力で受け取ったアナログ信号の平方根に相当する出力 を提供するように構成される。アナログ乗算器２０２または平方根乗算器２０２ の出力は、第２のフィルタ・キャパシタ２０８に接続された出力を有するバッフ ァ増幅器２０６に接続される。フィルタ・キャパシタ２０８の出力は、第２の抵 抗２１０に接続される。また、第２のキャパシタ２０８の出力は、利得増幅器２ １２に接続される。利得増幅器２１２は、出力段に必要な信号調整増幅を出力す るように構成される。 第５図に示した回路図は、１つのセンサからの信号を処理するのに必要な回路 を示す。たとえば、第５図に示した回路は、第１のセンサ３０などに接続するこ とができ、したがって第１の増幅回路網３６および第１の信号処理段４０の一部 分となる。第２の増幅回路網３８および第２の信号処理段４２は、第１の増幅回 路網３６および第１の信号処理段４０と同一であることを理解されたい。 第１の増幅回路網３６および第１の信号処理部４０の動作を要約すると、各ブ ロックの機能性を全体にわたって確かめることが有効である。Ｘアナログ乗算器 １７６の入力において、アナログ電圧レベルは、センスされた磁界のＸ成分（Ｘ 絶対値信号）を示す。第１のアナログ乗算器１７６の出力では、アナログ信号電 圧は、Ｘ絶対値信号の二乗に等しい。同様に、Ｙアナログ乗算器１９６の出力は Ｙ絶対値信号の二乗に等しく、Ｚアナログ乗算器１９８の出力はＺ絶対値信号の 二乗に等しい大きさを有する。これらの信号は次に、加算増幅器１８０および反 転増幅器２００に入力され、その結果Ｘの二乗とＹの二乗とＺの二乗を加えた和 （Ｘ²＋Ｙ²＋Ｚ²）に等しい信号となる。この信号をアナログ乗算器２０２に入 力することによって、Ｘの二乗とＹの二乗とＺの二乗を加えた和の平方根（二乗 和平方根信号またはＲＳＳ信号）（√（Ｘ²＋Ｙ²＋Ｚ²））に相当する信号とな る。この信号は次に、ＤＣ成分がフィルタ回路網２０８および２１０によって取 り除かれて利得増幅器２１２の出力で使用可能となる。 二乗和平方根信号は、回転磁界ベクトル９４が第１のセンサ３０と遭遇した時 間を示すために利用される。二乗和平方根信号（ＲＳＳ信号）はセンサの向きに 依存せず、回転磁界ベクトル９４を表す良い指標となるものである。この信号を 次に、ＲＳＳ信号のピークを検出するためにマイクロプロセッサ１０に入力して 、回転磁界ベクトルが第１のセンサ３０と遭遇する時間を示すことができる。同 じように、第２のセンサ３２による回転磁界ベクトル９４の検出が実施される。 本実施形態において、ＲＳＳ信号は、多数のアナログ部品を利用して作成され る。同等の信号は、デジタル信号プロセッサまたはマイクロプロセッサなどの他 の方法を利用して作成できることを理解されたい。 次に、第６ａ図、第６ｂ図、および第６ｃ図を参照し、本発明の信号の関係を 説明する例となる波形を示す。第６ａ図は、センサが送信器２０に対して４５度 の角度で配置され同じ平面にあるときの適切な波形を示す。第６ａ図に示したよ うに、Ｘコイルは、正弦波信号２２０を受け取り、一方Ｙコイルは、Ｘ信号２２ ０と位相のずれた同様の正弦波信号２２２を受信する。これらの２つの信号は、 時計回りの方向に回転する回転磁界ベクトルを作成する。Ｚコイル２２４が受け 取る信号がゼロであることに注意されたい。第５図に示した信号処理回路網から 受け取った出力信号２２６は、そのＤＣ成分がある状態で示した。この信号は、 ３つのセンサ・コイルから受け取った二乗和平方根信号である。第６ａ図に示し たように、ＲＳＳ信号２２６は、Ｙが０に等しくＸが１に等しい基準点から４５ 度の時間にピークになる。 次に第６ｂ図を参照すると、センサをＸ軸上で直接位置決めしたときの適切な 波形が示されている。この場合、基準点は、磁界ベクトルが負のＹ軸に沿って向 いている点であるように選択される。この場合、ＲＳＳ信号２２６は、角度９０ 度に相当する時間にピークになる。これは、予想と一致する。 第６ｃ図を参照すると、センサを負のＹ軸上に位置決めしたときの適切な波形 に関する図が示されている。この場合、基準点は、磁界ベクトル９４が正のＹ軸 に沿って向けられ、また磁界ベクトル９４が時計回りの方向に回転する時間にな るように選択される。ＲＳＳ信号２２６は、１８０度に相当する時間にピークに なることに留意されたい。 第７図を参照し、本発明の代替実施形態を示す。この実施形態は、前述の原理 を利用するが、複数周波数の磁界の利用を高めたものである。（第１図に示した ものと同じ要素は、引き続き同じ参照番号で示す。）この場合は、マイクロプロ セッサ１０は、駆動信号発生器１２にいくつかの信号を提供する。これらの信号 によって、駆動信号発生器１２に、送信器２０の３つのコイル（Ｘコイル２２、 Ｙコイル２４、およびＺコイル２６）を駆動する能力が提供される。しかし、こ の実施形態では、駆動信号発生器１２には、２つの周波数成分を含む駆動信号が ロードされる。送信器２０は、１つの低周波成分と１つの高周波成分を有する複 合信号によって駆動されることになる。送信器をそのように駆動するとやはり回 転磁界ベクトルが作成されるが、第１の磁界ベクトルは高い周波数で回転し、一 方第２の回転磁界ベクトルは低い周波数で回転する。この実施形態では、送信器 の低周波成分は渦電流作用のレベルよりも低く（３０〜１００ヘルツ）、その結 果、操縦室内の金属作用がある程度解消されることになる。複合信号の第２の成 分は、約１１Ｋｈｚで作動する。複数周波数の送信器信号および複数周波数の回 転磁界ベクトルを利用する概念は、受信器３０および３２の位置および向きを極 めて高い周波数（１１Ｋｈｚ）で継続的に更新しながら高い周波数を修正して渦 電流の作用を定期的に更新するというものである。低周波成分は、渦電流の作用 がエラーを引き起こすレベルよりも低く、それにより位置の正確な測定を提供す る。 複数の周波数成分を利用する目的を達成するために、信号処理と信号調整を少 し変更しなければならない。この場合は、第１の受信器３０と第２の受信器３２ が、送信器２０によって生成された磁界をセンスする。これらの信号は次に、第 １の増幅回路網３６および第２の増幅回路網３８に送られる。一方、第１の増幅 回路網３６と第２の増幅回路網３８の出力は、受信信号の異なる周波数成分を分 離するために、第１のフィルタ回路網２３０および第２のフィルタ回路網２３２ に接続される。第１のフィルタ回路網２３０は、高周波出力を第１の高周波処理 段２４０に提供し、一方第２のフィルタ回路網２３２は、高周波出力を第２の高 周波処理段２４２に提供する。同様に、第１のフィルタ回路網２３０は、低周波 出力を第１の低周波処理段２４４に提供し、一方第２のフィルタ回路網２３２は 、低周波出力を第２の低周波処理段２４６に提供する。すべての処理段（第１の 高周波処理段２４０、第２の高周波処理段２４２、第１の低周波処理段２４４、 および第２の低周波処理段２４６）は、第１の受信器３０および第２の受信器３ ２がセンスした信号からＲＳＳ信号を導き出すのに必要な回路または処理を提供 する。その後、これらのＲＳＳ信号は、プロセッサ１０に伝えられる。 受信信号の各周波数成分ごとに個別の処理段を使用したが、この目的を達成す る方法が多数存在することは当業者には理解されよう。たとえば、信号を信号処 理段に多重送信してもよく、あるいはすべての信号処理をデジタル信号プロセッ サで行ってもよい。 この第２の実施形態を実施するためにその他の変更を必要とする場合があるこ とに注意されたい。具体的には、駆動増幅器７８、８０、および８２の出力段か ら、フィルタ回路網４２および４４を取り除くこともできる。同様に、回路全体 に渡って、類似のフィルタリング態様を調整しなければならない。 本発明をかなり詳細に説明したが、説明した特定の細部に対して一定の修正を 加えることができることを理解されたい。併記した請求の範囲の範囲および精神 に含まれるすべての修正を特許請求する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．予め定められた空間における物体の位置と向きを決定する検出装置であって 、 予め定められた空間における既知の位置で既知の向きに配置され、回転磁界ベ クトルを有する磁界を発生させる磁界発生手段と、 位置をセンスする物体に取り付けられ、回転磁界ベクトルをセンスし回転磁界 ベクトルに応答して信号を発生させる第１のセンサ手段と、 位置をセンスする物体に取り付けられ、回転磁界ベクトルをセンスし回転磁界 ベクトルに応答して信号を発生させる第２のセンサ手段と、 送信手段および第１のセンサ手段に接続され、回転磁界ベクトルが基準点と第 １のセンサ手段との間で伝わる第１の期間をセンスし、かつ送信手段および第２ のセンサ手段に接続され、回転磁界ベクトルが基準点と第２のセンサ手段との間 で伝わる第２の期間を測定するタイミング手段と、 第１の期間に基づいて第１のセンサ手段の位置を算出し、第２の期間に基づい て第２のセンサ手段の位置を算出し、さらに第１のセンサ手段および第２のセン サ手段の位置に基づいて物体の向きを算出する算出手段と を含む検出装置。 ２．磁界発生手段が、回転磁界ベクトルを作り出すために、直交コイルの軸と整 列する成分を有する磁界を発生させる３つの直交コイルと、直交コイルに電圧を 加える駆動信号発生器とを備えた送信手段を含むことを特徴とする請求の範囲第 １項に記載の検出装置。 ３．第１のセンサ手段が、各センサ・コイルの受感軸に沿って向いた磁界の存在 下で電流がそれぞれ誘導される３つの直交配置されたセンサ・コイルを備えた磁 気センサと、各センサ・コイル中で誘導された電流をセンスしその誘導電流を示 す複数の電気信号を生成する増幅回路網と、その電気信号を受け取り複数の電気 信号の二乗和平方根を示す出力電気信号を生成する信号処理段とを含むことを特 徴とする請求の範囲第１項に記載の検出器。 ４．３つのセンサ・コイルが、Ｘコイル、Ｙコイル、およびＺコイルであること を特徴とする請求の範囲第３項に記載の検出装置。 ５．各コイルが検出増幅器に接続され、検出増幅器が、磁界によって各コイル中 に誘導される電流の量を示す電圧信号を生成できることを特徴とする請求の範囲 第３項に記載の検出装置。 ６．磁界発生手段がさらに、Ｘ波形を記憶するＸメモリと、Ｙ波形を記憶するＹ メモリと、Ｚ波形を記憶するＺメモリとを含み、Ｘメモリは、その出力が、記憶 したＸ波形に従ってＸコイルを駆動するＸコイル駆動手段に接続され、Ｙメモリ は、その出力が、記憶したＹ波形に従ってＹコイルを駆動するＹコイル駆動手段 に接続され、Ｚメモリは、その出力が、記憶したＺ波形に従ってＺコイルを駆動 するＺコイル駆動手段に接続され、Ｘコイル駆動手段が送信器のＸコイルに接続 され、Ｙコイル駆動手段が送信器のＹコイルに接続され、Ｚコイル駆動手段が送 信器のＺコイルに接続されたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の検出装 置。 ７．空間における物体の位置を決定する検出装置であって、 既知の位置に配置され、所定周波数で回転する複数の回転磁界ベクトルを発生 させる送信手段と、 位置を決定する物体に接続され、センスした磁界を示すセンサ信号を出力する 出力を備えた磁界ベクトルをセンスする手段と、 複数の回転磁界ベクトルが複数の既知の基準点と検出手段との間を伝わるのに 必要な複数の期間を測定するタイミング手段と、 測定された複数の期間に基づいて検出手段の位置を算出する算出手段と を含む検出装置。 ８．複数の回転磁界ベクトルが、第１の面で回転する第１の回転磁界ベクトル、 第２の面で回転する第２の回転磁界ベクトル、および第３の面で回転する第３の 回転磁界ベクトルであることを特徴とする請求の範囲第７項に記載の検出装置。 ９．送信手段が、複数の回転磁界ベクトルを発生させるために直交して配置され たＸコイル、Ｙコイル、およびＺコイルを備えることを特徴とする請求の範囲第 ７項に記載の検出装置。 １０．第１の面と第２の面と第３の面とが直交関係にあることを特徴とする請求 の範囲第８項に記載の検出装置。 １１．検出手段が、第１のセンサ軸と同じ向きでセンスした磁界を示す第１の信 号と、第２のセンサ軸と同じ向きでセンスした磁界を示す第２の信号と、第３の センサ軸と同じ向きでセンスした磁界を示す第３の信号とを生成することができ る３軸磁界センサであることを特徴とする請求の範囲第７項に記載の検出装置。 １２．第１の信号、第２の信号、および第３の信号が、第１の信号と第２の信号 と第３の信号の二乗和平方根に相当するセンサ信号を生成するように処理される ことを特徴とする請求の範囲第１１項に記載の検出装置。 １３．送信手段が、波形を記憶するメモリと、そのメモリに接続され磁界発生コ イルを駆動するコイル駆動手段とを備えることを特徴とする請求の範囲第９項に 記載の検出装置。 １４．メモリが、Ｘ波形を記憶するＸメモリと、Ｙ波形を記憶するＹメモリと、 Ｚ波形を記憶するＺメモリとからなることを特徴とする請求の範囲第１３項に記 載の検出装置。 １５．コイル駆動手段が、Ｘメモリに接続されたＸコイルを駆動するためのＸデ ジタル・アナログ変換器とＸデジタル・アナログ変換器に接続されたＸ駆動増幅 器、Ｙメモリに接続されたＹコイルを駆動するためのＹデジタル・アナログ変換 器とＹデジタル・アナログ変換器に接続されたＹ駆動増幅器、およびＺメモリに 接続されたＺコイルを駆動するためのＺデジタル・アナログ変換器とＺデジタル ・アナログ変換器に接続されたＺ駆動増幅器からなることを特徴とする請求の範 囲第１４項に記載の検出装置。 １６．Ｘデジタル・アナログ変換器、Ｙアナログ・デジタル変換器、およびＺア ナログ・デジタル変換器が、それらの出力を動的に基準化できる乗算デジタル・ アナログ・デジタル変換器であることを特徴とする請求の範囲第１５項に記載の 検出装置。 １７．空間における物体の位置を決定する方法であって、 既知の位置に配置された磁界発生器を使って、第１の平面において所定の周波 数で回転する第１の磁界ベクトルを有する第１の磁界ベクトルを発生させる段階 と、 第１の磁界ベクトルが既知の第１の基準点から位置を測定する物体に接続され たセンサまで伝わるのに必要な期間を測定する段階と、 第１の平面において磁界ベクトルから第１の既知の基準点に向けられたベクト ルと磁界発生器からセンサに向けられたベクトルとの間の第１の角度を算出する 段階と、 磁界発生器を使って、第２の平面において所定の周波数で回転する第２の磁界 ベクトルを有する第２の回転磁界を発生させる段階と、 第２の磁界ベクトルが既知の第２の基準点からセンサまで伝わるのに必要な期 間を測定する段階と、 第２の平面において磁界ベクトルから第２の既知の基準点に向いたベクトルと 磁界発生器からセンサに向いたベクトルとの間の第２の角度を算出する段階と、 磁界発生器を使って、第３の平面において所定の周波数で回転する第３の磁界 ベクトルを有する第３の回転磁界を発生させる段階と、 第３の磁界ベクトルが既知の第３の基準点からセンサまで伝わるのに必要な期 間を測定する段階と、 第３の平面において磁界ベクトルから第３の既知の基準点に向いたベクトルと 磁界発生器からセンサに向いたベクトルとの間の第３の角度を算出する段階と、 第１の角度、第２の角度、および第３の角度を利用して磁界発生器に対する物 体の位置を算出する段階と を含む方法。 １８．算出手段が、複数の時間測定値を受け取り、所定の回転周波数に基づいて 時間測定値を複数の回転角に変換することを特徴とする請求の範囲第１７項に記 載の方法。 １９．算出手段が、複数の算出した角度に基づいて検出手段の位置を算出するこ とを特徴とする請求の範囲第１８項に記載の方法。 ２０．第１の平面と第２の平面と第３の平面が互いに直交していることを特徴と する請求の範囲第１７項に記載の方法。 ２１．空間におけるセンサの位置を決定する位置検出装置であって、 組み合わせて複数の回転磁界ベクトルを構成するように関係付けられた複数の 磁界を発生し、さらに、複数の回転磁界ベクトルが所定の基準点を通る時間を示 す基準信号を生成する手段を有する磁界発生手段と、 複数の磁界をセンスし、センスした磁界の強さを示すセンサ信号を提供する磁 界受信器手段と、 受信器手段に接続され、センサ信号を受け取りセンサ信号を解釈して回転磁界 ベクトルが受信器手段といつ交わるかを決定し、さらに、磁界発生手段に接続さ れ、基準信号を受け取り、基準信号とセンサ信号が回転磁界ベクトルの検出を示 す時間との間の期間を決定するタイミング手段と、 送信器手段と予め定義された基準点と受信器手段との間の角度の関係を決定す る算出手段と を含む位置検出装置。 ２２．磁界発生手段が、 互いに直角をなして配置された第１のコイルおよび第２のコイルを備えた送信 器手段と、 送信器手段に送られる信号を発生させる駆動信号発生器手段とを含み、送信器 手段に信号を送ることによって回転磁界ベクトルが生じることを特徴とする請求 の範囲第２１項に記載の位置検出装置。 ２３．生成された信号が高周波成分と低周波成分とを有し、それにより高周波回 転磁界ベクトルと低周波回転磁界ベクトルとが作成されることを特徴とする請求 の範囲第２２項に記載の位置検出装置。 ２４．磁界受信器手段が、 ３つの直交する受信器コイルを備えた受信器と、 ３つの直交するコイルから誘導信号を受け取り、受信器によってセンスされた 磁界を示し、送信された信号の低周波成分から得られた低周波成分と送信された 信号の高周波成分から得られた高周波成分とをそれぞれ有する３つの電圧信号を 生成する増幅器手段と、 電圧信号の高周波成分から電圧信号の低周波成分を分離するフィルタ手段と、 フィルタ手段から電圧信号を受け取って電圧信号の二乗和平方根を示すＲＳＳ 信号を生成する信号処理手段とを含み、それにより磁界ベクトルが受信器のとこ ろにあるときにＲＳＳ信号がピークになることを特徴とする請求の範囲第２３項 に記載の位置検出装置。 ２５．タイミング手段が、基準信号とＲＳＳ信号とを受け取り、各信号を受け取 る間の期間を決定することを特徴とする請求の範囲第２４項に記載の位置検出装 置。 ２６．送信器手段が、複数の磁界を３つの直交する方向に発生させることができ 、さらに３つの直交軸の回りで回転する複数の回転磁界ベクトルを作り出すこと ができることを特徴とする請求の範囲第２１項に記載の位置検出装置。 ２７．複数の磁界生成信号が、高周波成分と低周波成分を有し、それにより高周 波回転ベクトルと低周波回転ベクトルを作成することを特徴とする請求の範囲第 ２６項に記載の位置検出装置。