WO2021240787A1 - 地中探査装置 - Google Patents

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WO2021240787A1
WO2021240787A1 PCT/JP2020/021357 JP2020021357W WO2021240787A1 WO 2021240787 A1 WO2021240787 A1 WO 2021240787A1 JP 2020021357 W JP2020021357 W JP 2020021357W WO 2021240787 A1 WO2021240787 A1 WO 2021240787A1
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ground penetrating
penetrating radar
movement
unit
underground exploration
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章志 望月
昌幸 津田
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日本電信電話株式会社
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    • H02P6/04—Arrangements for controlling or regulating the speed or torque of more than one motor

Definitions

  • the present invention relates to a ground penetrating radar.
  • Ground penetrating radar that explores the ground using electromagnetic waves is known.
  • Ground penetrating radar is used for various purposes such as to grasp the state of the ground and to search for underground reserves.
  • the underground exploration device is manually used in consideration of exploration in areas where vehicles are prohibited from entering, such as on sidewalks and inside buildings, and in areas where obstacles need to be avoided when vehicles are difficult to drive. It has a cart-type structure with wheels for movement.
  • Information in the ground can be obtained by moving the above-mentioned ground penetrating radar straight in the measurement area to be explored and scanning the antenna in the ground penetrating radar with respect to the ground.
  • the underground exploration device linearly, the underground exploration is measured, and at the same time, the wheel rotation amount is measured by the encoder, and the measurement data of the underground exploration is associated with the movement distance data obtained from the wheel rotation amount.
  • the state and position of the underground space can be accurately grasped (see Non-Patent Document 1).
  • the underground exploration device In order to grasp the state and position of the underground space with high accuracy, the underground exploration device is moved back and forth and left and right along multiple linear measurement lines with different measurement positions and measurement directions, and multiple measured data are collected. In addition, it is necessary to analyze the underground condition. At this time, it is necessary to grasp the relative positions of multiple measurement lines, but in order to know this relative position, it is necessary to perform the preliminary work of drawing the measurement lines in the measurement area and the two-dimensional coordinates in the measurement area. The start and end positions of each measurement line must be determined in advance in the system.
  • Non-Patent Documents 1 and 2 it takes a lot of time to perform the above-mentioned preliminary work, determination of the start point position and end point position of each measurement line, and alignment work between the end point of the previous measurement line and the start point of the next measurement line.
  • omnidirectional moving wheels such as omni wheels and mecanum wheels that can move in all directions, it is possible to move continuously in two dimensions within the measurement area, and it is possible to continue freely with two axes of freedom. Since the scanning can be performed, the above-mentioned prior work can be eliminated (see Non-Patent Documents 1 and 2).
  • Emerson R. Almeida 4 outsiders, “Analysis of GPR field parameters for root mapping in Brazil ’s caatinga environment”, Proc. Of the 2018 International conference of Ground Penetrating Radar Z. Liu, 3 outsiders, “Novel Walking-Intention Recognition Method for Omnidirectional Walking Support Robot”, 2017 International Conference on Computer Technology, Electronics and Communication (ICCTEC), Dalian, China, 2017, p.1048-p.1052 N. Matsumoto, 3 outsiders, “Motion Control of a Walking Support Robot Based on Gait Analysis”, 2019 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO), Dali, China, 2019, p.1881-p.1885
  • the ground penetrating radar moves in any direction within the 360-degree direction, so it is difficult for the ground penetrating radar to go straight by human power, and it is not possible to scan straight or while going straight. There was a problem that the scannability of the ground penetrating radar was very poor, such as the occurrence of skidding and turning motion and the unstable posture.
  • ground penetrating radar is generally a heavy object. That is, since the ground penetrating radar is quite heavy, it is difficult to handle the ground penetrating radar manually, and there is also a problem that a large amount of human power is required to scan the ground penetrating radar.
  • the initial operation from the stationary state requires a lot of force, and there is no solution to the handling.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a technique capable of improving the work efficiency of ground penetrating radar.
  • the underground exploration device of one aspect of the present invention is an underground exploration device for exploring the ground using electromagnetic waves, and is arranged at 120-degree intervals with a radar unit for underground exploration including an antenna and a transmitter / receiver.
  • a radar unit for underground exploration including an antenna and a transmitter / receiver.
  • Three omnidirectional moving wheels that are rotatably fixed to each of the three wheel axes and can move the underground exploration device in any direction by changing the rotation direction and rotation speed of each wheel, and the three wheels.
  • Three motors that rotate the wheels in a predetermined direction at a predetermined speed, three encoders that measure the amount of rotation of each of the three wheels, and three torque sensors that measure the torque of each of the three wheels.
  • An acceleration sensor that measures the acceleration of the underground exploration device, a gyro sensor that measures the tilt angle and angular speed of the underground exploration device, and a terminal that controls the radar unit and the three motors, respectively.
  • the terminal includes a first communication unit that receives measurement data measured by the three encoders, the three torque sensors, the acceleration sensor, and the gyro sensor and stores them in the first storage unit, and the terminal.
  • a calculation unit that calculates the external force against the underground exploration device based on each measurement data and calculates the amount of movement of the underground exploration device based on each measurement data, and the three motors according to the external force, respectively.
  • the first control unit to rotate, the second communication unit that receives the measurement data of the underground exploration measured by the radar unit, and the measurement data of the underground exploration are associated with the movement amount of the underground exploration device. 2
  • a second control unit for storing in a storage unit is provided.
  • FIG. 1 is a top view showing the configuration of the ground penetrating radar.
  • FIG. 2 is a configuration diagram showing a functional block configuration of the terminal.
  • FIG. 3 is a diagram showing a driving method for each movement mode of the ground penetrating radar.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram of the driving principle of the ground penetrating radar in all directions.
  • FIG. 5 is a flow chart showing the operation of the ground penetrating radar.
  • FIG. 6 is a flow chart showing an example of an external force with respect to the selection direction.
  • FIG. 7 is a flow chart showing the operation of the ground penetrating radar.
  • FIG. 8 is a configuration diagram showing the hardware configuration of the terminal.
  • the present invention is capable of two-dimensional scanning and measurement of movement amount (movement distance), and performs power assist (torque assist by motor drive) in the movement direction of an underground exploration device equipped with an omnidirectional movement mechanism. Disclose the technology. This facilitates the transportation and handling of the ground penetrating radar by human power, and can improve the work efficiency of the ground penetrating radar.
  • the moving direction of the ground penetrating radar is such that the ground penetrating radar moves only in one direction which is the moving direction of one moving mode selected from the plurality of moving modes having different moving directions.
  • the present invention also provides power assist (torque driven by a motor) so that the direction of external force (human force, gravitational gravity, etc.) with respect to the ground penetrating radar matches the direction of movement in one selected movement mode.
  • power assist torque driven by a motor
  • the moving direction of the ground penetrating radar can be corrected so that the trajectory in the selected moving direction does not shift, so that the work efficiency of the ground penetrating radar can be further improved.
  • the present invention discloses a technique for outputting warning information when the moving speed of the ground penetrating radar is close to the upper limit moving speed.
  • the movement speed of the ground penetrating radar can be optimized, the deterioration of the quality of the measurement data of the ground penetrating radar can be suppressed, and the possibility of avoiding the remeasurement of the ground penetrating radar is increased. Work efficiency can be further improved.
  • FIG. 1 is a top view of the ground penetrating radar 100 according to the present embodiment.
  • the ground penetrating radar 100 is a ground penetrating radar for exploring the ground using electromagnetic waves, and includes a cart-type structure with wheels.
  • the underground exploration device 100 includes a radar unit 1, three wheels 2a to 2c, three motors 3a to 3c, three encoders 4a to 4c, three torque sensors 5a to 5c, and an acceleration sensor 6.
  • a gyro sensor 7, a battery 8, a housing 9, and a terminal 10 are provided.
  • the radar unit 1 is a radar unit for underground exploration, and is composed of an antenna and a transmitter / receiver that transmit electromagnetic waves toward the ground and receive the electromagnetic waves reflected in the ground.
  • the three wheels 2a to 2c are rotatably fixed to the three wheel shafts arranged at intervals of 120 degrees, and the underground exploration device 100 can be arbitrarily adjusted by changing the rotation direction and rotation speed (rotation amount) of each wheel.
  • It is an omnidirectional moving type wheel that can move in the direction of.
  • the wheel 2a includes a disk-shaped wheel that rotates about a wheel shaft, and a plurality of tubular small rollers mounted on the circumference of the wheel at an angle of about 45 degrees with respect to the wheel shaft. Be prepared.
  • the angle of the small roller with respect to the wheel axis may be 30 degrees, 60 degrees, 90 degrees, or any other angle.
  • the wheel 2a may be configured by stacking a plurality of wheels apart from each other.
  • the underground exploration device 100 can be moved in any direction.
  • the three wheels 2a to 2c can be realized by using an omni wheel, a mecanum wheel, or the like.
  • the three motors 3a to 3c have a function of rotating the three wheels 2a to 2c in a predetermined direction at a predetermined speed. That is, the three motors 3a to 3c apply a driving force and a braking force to the three wheels 2a to 2c.
  • the motor 3a changes the rotation direction of the wheel 2a by changing the sign of the voltage with respect to the wheel 2a, and changes the rotation speed (rotation amount) of the wheel 2a by changing the magnitude of the voltage with respect to the wheel 2a.
  • the three motors 3a to 3c can control the moving direction of the underground exploration device 100 in any direction by adjusting the rotation direction and the rotation speed of the wheels 2a to 2c, respectively.
  • the three motors 3a to 3c can be realized by using a commercially available motor.
  • the three encoders 4a to 4c are attached near the wheel shafts of the three wheels 2a to 2c, respectively, and have a function of measuring each rotation amount of the three wheels 2a to 2c.
  • the three encoders 4a to 4c can be realized by using a commercially available rotary encoder.
  • the three torque sensors 5a to 5c are attached near the wheel shafts of the three wheels 2a to 2c, respectively, and have a function of measuring the torque of each of the three wheels 2a to 2c.
  • the three torque sensors 5a to 5c can be realized by using a commercially available torque sensor.
  • a motor 3, an encoder 4, and a torque sensor 5 are required for each wheel 2.
  • the acceleration sensor 6 is installed at the center position of the underground exploration device 100 and has a function of measuring the acceleration of the underground exploration device 100.
  • the acceleration sensor 6 can be realized by using a commercially available acceleration sensor.
  • the gyro sensor 7 is installed at the center position of the underground exploration device 100 and has a function of measuring the tilt angle (tilt posture) and the angular velocity (turning motion) of the underground exploration device 100.
  • the gyro sensor 7 can be realized by using a commercially available gyro sensor.
  • One acceleration sensor 6 and one gyro sensor 7 are required for each ground penetrating radar 100.
  • the battery 8 is for the radar unit 1, the three motors 3a to 3c, the three encoders 4a to 4c, the three torque sensors 5a to 5c, the acceleration sensor 6, the gyro sensor 7, and the terminal 10. , Equipped with a function to supply power.
  • the battery 8 can be realized by using a commercially available battery.
  • the housing 9 forms the body of the underground exploration device 100, and has a radar unit 1, three axles, three motors 3a to 3c, three encoders 4a to 4c, and three torque sensors 5a to 5c. ,
  • the acceleration sensor 6, the gyro sensor 7, and the battery 8 are provided inside.
  • the terminal 10 is installed on a frame with a pair of handles 11 for both hands for manually moving the ground penetrating radar 100 (housing 9), and the radar unit 1 and the three motors 3a to 3b are respectively. It has a function to control.
  • the terminal 10 is a computer with a touch panel function, and as shown in FIG. 2, includes a motor control unit 10A and an underground exploration unit 10B.
  • the motor control unit 10A includes a first communication unit 21, a first storage unit 22, a calculation unit 23, a display unit 24, a third storage unit 25, and a first control unit 26.
  • the first communication unit 21 receives each measurement data measured by the three encoders 4a to 4c, the three torque sensors 5a to 5c, the acceleration sensor 6, and the gyro sensor 7, and obtains each measurement data. 1 It has a function of storing in the storage unit 22.
  • the first storage unit 22 has a function of storing each of the above measurement data.
  • the calculation unit 23 reads each of the above measurement data from the first storage unit 22, calculates the external force (human power, gravity, etc.) applied to the ground penetrating radar 100 based on the measurement data, and calculates the external force (human power, gravity, etc.). It has a function of passing the value of the external force to the first control unit 26.
  • the calculation unit 23 reads each of the above measurement data from the first storage unit 22, calculates the movement amount (movement distance) of the underground exploration device 100 based on each measurement data, and calculates the movement amount (movement distance) of the underground exploration device 100. It has a function of passing the moving amount of the above to the second control unit 32.
  • calculation unit 23 has a function of passing information regarding the movement direction of one movement mode selected by the user from the plurality of movement modes displayed on the display unit 24 to the first control unit 26.
  • the calculation unit 23 reads each of the above measurement data from the first storage unit 22, calculates the movement speed of the ground penetrating radar 100 based on each measurement data, and the movement speed is close to the upper limit movement speed. In this case, it has a function of outputting warning information indicating that the ground penetrating radar 100 is close to the upper limit moving speed to the display unit 24.
  • the moving speed of the ground penetrating radar 100 can be optimized, the deterioration of the quality of the measurement data of the ground penetrating radar can be suppressed, and the possibility of avoiding the remeasurement of the ground penetrating radar is increased. It is possible to improve the work efficiency of.
  • the display unit 24 reads out the movement mode information indicating a plurality of movement modes having different movement directions from the third storage unit 25, displays the movement mode information on the touch panel screen, and displays the movement mode information in the movement direction of one movement mode selected by the user. It has a function of notifying the calculation unit 23 of information about the above.
  • the display unit 24 has a function of displaying the above warning information on the touch panel screen.
  • the display unit 24 may output a warning sound based on the warning information.
  • the third storage unit 25 has a function of storing the movement mode information (movement mode information indicating a plurality of movement modes having different movement directions).
  • the first control unit 26 has a function of receiving the value of an external force (human power, gravity, etc.) with respect to the ground penetrating radar 100 from the calculation unit 23, and rotating each of the three motors 3a to 3c according to the value of the external force. For example, when the ground penetrating radar 100 is not driven by a motor and is moved by an external force, the three motors 3a to 3c are driven according to the external force (power assist; torque assist by motor drive). This facilitates the transportation and handling of the ground penetrating radar 100 by human power, and makes it possible to improve the work efficiency of the ground penetrating radar.
  • an external force human power, gravity, etc.
  • the first control unit 26 receives information on the movement direction of one movement mode selected by the user from the calculation unit 23, and causes the underground exploration device 100 to move only in one direction which is the selected movement direction. It has a function of controlling each rotation direction and each rotation speed of the three motors 3a to 3c (rotation limit control, etc.). As a result, the straightness of the ground penetrating radar 100 can be maintained and the wobbling can be suppressed, so that the work efficiency of the ground penetrating radar can be further improved.
  • the first control unit 26 receives the value of the external force on the underground exploration device 100 from the calculation unit 23, and further receives the information on the movement direction of one movement mode selected by the user from the calculation unit 23, and the external force of the external force. It has a function to control each rotation direction and each rotation speed of the three motors 3a to 3c (power assist; torque assist by motor drive) so that the direction matches the movement direction of the selected one movement mode. .. As a result, the moving direction of the ground penetrating radar 100 can be corrected so that the trajectory in the selected moving direction does not shift, so that the work efficiency of the ground penetrating radar can be further improved.
  • the ground penetrating unit 10B includes a second communication unit 31, a second control unit 32, and a second storage unit 33.
  • the second communication unit 31 has a function of transmitting and receiving various signals and various data used by the second control unit 32 for underground exploration. For example, the second communication unit 31 transmits a start signal or an end signal of the ground penetrating radar to the radar unit 1 and receives the measurement data of the ground penetrating radar measured by the radar unit 1.
  • the second control unit 32 has a function of executing underground exploration. Further, the second control unit 32 has a function of receiving the movement amount (movement distance) of the underground exploration device 100 calculated during the execution of the underground exploration from the calculation unit 23. For example, the second control unit 32 transmits a ground penetrating radar start signal to the radar unit 1 via the second communication unit 31, and the ground penetrating radar measurement data returned from the radar unit 1 is used as an underground exploration device. It is stored in the second storage unit 33 in association with the movement amount of 100.
  • the second storage unit 33 has a function of storing the measurement result information of the underground exploration including the measurement data of the underground exploration and the movement amount (movement distance) of the underground exploration device 100.
  • the measurement result information of this underground exploration is displayed on the touch panel screen on the display unit 24.
  • the functional block configuration of the terminal 10 shown in FIG. 2 is an example.
  • One functional unit may include a plurality of functional units, or one functional unit may be divided into a plurality of functional units.
  • omnidirectional movable wheels such as omni wheels and mecanum wheels are used as the three wheels 2a to 2c.
  • Each wheel 2a to 2c has three motors 3a to 3c for driving each wheel, three encoders 4a to 4c for managing the amount of rotation of each wheel, and three torque sensors for managing the torque of each wheel. 5a to 5c are provided.
  • the three wheels 2a to 2c are arranged so that their rotation directions differ by 120 degrees.
  • the calculation unit 23 of the terminal 10 calculates the movement direction vector and the movement speed vector of the underground exploration device 100 by an external force based on the rotation amount and the wheel diameter of each wheel 2a to 2c, and two-dimensionally on the measurement area. The moving distance of the underground exploration device 100 is calculated. Next, the calculation unit 23 calculates the voltage value required for driving the motor based on the speed information and the torque information. Finally, the first control unit 26 controls each of the three encoders 4a to 4c using the signal of the voltage value.
  • the motor is controlled by the driving force of the person as a trigger, and the power assist is performed for the driving force of the person. Further, the speed information (movement direction vector, movement speed vector) is utilized as feedback information, and power assist is performed so that the movement direction of the underground exploration device 100 matches the selected one direction.
  • the ground penetrating radar 100 is further provided with an acceleration sensor 6 and a gyro sensor 7.
  • the calculation unit 23 of the terminal 10 collects acceleration data and tilt angle and angular velocity data, calculates the movement direction and the degree of flicker of the underground exploration device 100 based on the acceleration data, and grounds based on the tilt angle and angular velocity data.
  • the tilting posture and turning motion value of the medium exploration device 100 are calculated.
  • the terminal 10 utilizes the data as feedback information for the balance adjustment of the ground penetrating radar 100.
  • the ground penetrating radar 100 is further equipped with a radar unit 1 for transmitting and receiving electromagnetic waves.
  • the second control unit 32 of the terminal 10 instructs the radar unit 1 to give a measurement start command for starting the ground penetrating radar, and saves and displays the measurement data of the ground penetrating radar.
  • the ground penetrating radar 100 controls the motor based on an external force. This makes it possible to scan with less human power, scan only in a desired direction or a designated direction, and scan at a desired speed.
  • the moving direction that can be scanned by the ground penetrating radar 100 is set in advance as a "moving mode" so that only one moving mode can be selected.
  • driving force can be generated by rotating the motor, and static force can also be generated by stopping the motor.
  • the rotation direction and rotation speed (rotation amount) of each wheel are uniquely determined by the movement direction of forward, backward, rightward, leftward, and turning.
  • the 100 can be easily moved in the desired direction. Further, when all three wheels are stopped, a stopped state can be created. Further, if the braking force is not applied to all three wheels, it is possible to create a free state in which two-dimensional and turning motion is possible.
  • a "moving mode" is provided for manual scanning.
  • the movement mode includes nine types of movement directions (FIG. 3A).
  • the nine types of movement directions are, for example, forward, backward, left, right, right turn, left turn, stop, free, and arbitrary. Since the moving direction of the ground penetrating radar 100 is determined by the synthesis of the moving direction vectors of the wheels 2a to 2c, in order to realize each moving direction, each wheel should be controlled as shown in FIG. 3A. Just do it.
  • FIG. 3A when the direction of the arrow shown in FIG. 3B is the forward rotation direction of each wheel, the rotation direction of each wheel in each movement direction ⁇ 0 (stop), + (forward rotation). ),-(Reversal) ⁇ is shown.
  • the rotation of the wheel 2a is limited (locked) to "0"
  • the rotation direction of the wheel 2b is limited to "+”
  • the rotation direction of the wheel 2c is limited to "-”.
  • the magnitude of the voltage with respect to the two wheels 2b and 2c is equally limited (locked) so that the rotation speeds of the two wheels 2b and 2c are equal.
  • the timing of applying each voltage to the two wheels 2b and 2c is limited (locked) to the simultaneous timing.
  • the ground penetrating radar 100 will go straight in the forward direction. Since a plurality of small rollers are attached to each wheel 2a to 2c at an angle of about 45 degrees with respect to each wheel axis, the wheels of the two non-parallel left and right wheels 2b and 2c rotate in the forward direction at the same time. , The multiple small rollers provided on each wheel also rotate together. The small roller of the wheel 2a also rotates. Since the slightly inward propulsive force due to the rotation of each of the two wheels 2b and 2c also acts both outward due to the rotation of the small roller, the ground penetrating radar 100 will go straight forward. ..
  • the ground penetrating radar 100 can be stopped by stopping all the wheels 2a to 2c.
  • the ground penetrating radar 100 can be freely scanned by removing the restrictive restraints of all the wheels 2a to 2c.
  • the arbitrary mode is a mode in which the direction and speed to be moved can be arbitrarily determined. In either mode, the moving direction is limited to only one direction, so that linear scanning without flicker is possible.
  • the three wheels 2a to 2c V1 to V3 of each required speed are represented by the equation (1) from the relative positions between the three wheels 2a to 2c.
  • r is a distance (specified value) from the center of the housing 9 to each wheel 2a to 2c.
  • FIG. 5 is a flow chart showing the operation of the ground penetrating radar 100.
  • the movement direction is selected by the movement mode information.
  • the three motors 3a to 3c are controlled so as to move only in the selected moving direction, and a driving force or a braking force is applied to the wheels 2a to 2c. This keeps the trajectory in the selected direction of travel. It will be described in detail below.
  • Step S101 First, the display unit 24 of the terminal 10 displays the movement mode information indicating nine types of movement modes having different movement directions on the touch panel screen. After that, the display unit 24 notifies the calculation unit 23 of information regarding the movement direction of one movement mode selected by the user from the nine types of movement modes. In this embodiment, it is assumed that the forward direction is selected. Then, it is assumed that the user is performing the ground penetrating radar while manually advancing the ground penetrating radar 100.
  • FIG. 6A shows a case where a human force (driving force for acceleration) having a slightly right forward moving direction is applied to the selected forward direction. In this case, the human power is separated into the forward direction and the right direction.
  • FIG. 6B shows a case where a human force (deceleration braking force) having a slightly right-backward moving direction is applied to the selected forward direction. In this case, the human power is separated into the rear direction and the right direction. Then, the calculation unit 23 passes the component in the moving direction obtained by human power and the orthogonal component thereof to the first control unit 26.
  • Step S104 the first control unit 26 controls the magnitude of acceleration / deceleration of the motor based on the magnitude of the moving direction component. Specifically, the first control unit 26 controls the driving force or braking force of the motor with a force proportional to the magnitude of the moving direction component.
  • the motor is driven so as to move in the same direction (forward direction) as the accelerated direction of the ground penetrating radar 100.
  • the motor is driven so as to move in the same direction (rear direction) as the decelerating direction of the ground penetrating radar 100.
  • the ground penetrating device 100 can be easily accelerated or decelerated.
  • the first control unit 26 controls the motor so as to cancel the force in the orthogonal component direction.
  • the motor is driven with the same magnitude as the orthogonal component so that the ground penetrating radar 100 moves to the left.
  • the acceleration / deceleration motor is not driven. Acceleration / deceleration is performed only when an external force is applied, and constant velocity motion is performed in other cases, enabling stable measurement at a constant speed.
  • the first control unit 26 may use the minute change in acceleration measured by the acceleration sensor 6 for fine adjustment of the motor driving force.
  • the acceleration sensor 6 obtains a highly sensitive directional component that cannot be obtained by the speed vector of the wheel 2, and by reflecting it as a fine adjustment of the motor control, stable running can be realized.
  • the first control unit 26 may generate a motor driving force so as to cancel the inclination with respect to the inclination measured by the gyro sensor 7.
  • FIG. 7 is a flow chart showing the operation of the ground penetrating radar 100.
  • the ground penetrating radar 100 can synthesize the velocity vectors of the three wheels, calculate the velocity vector of the ground penetrating radar 100, and monitor the velocity of the ground penetrating radar 100.
  • An upper limit movement speed is set for the movement speed of the ground penetrating radar 100, warning information is output when the upper limit is approached, and the motor is controlled so as not to exceed the upper limit movement speed. It will be described in detail below.
  • Step S201 First, the calculation unit 23 holds the upper limit movement speed of the ground penetrating radar 100 input by the user. Then, it is assumed that the user is performing the ground penetrating radar while manually moving the ground penetrating radar 100 in a desired direction.
  • Step S203 the calculation unit 23 calculates the moving speed of the ground penetrating radar 100 based on each received measurement data.
  • Step S204 the calculation unit 23 determines whether or not the calculated movement speed of the ground penetrating radar 100 is close to the upper limit movement speed. If the moving speed of the ground penetrating radar 100 is close to the upper limit moving speed, the process proceeds to step S205, and if it is not close to the upper limit moving speed, the process ends.
  • Step S205 When the moving speed of the underground exploration device 100 is close to the upper limit moving speed, the calculation unit 23 outputs warning information indicating that the underground exploration device 100 is close to the upper limit moving speed to the display unit 24. ..
  • Step S205 Further, when the moving speed of the ground penetrating radar 100 is close to the upper limit moving speed, the first control unit 26 reduces the rotation speed of each of the motors 3a to 3c so as not to exceed the upper limit moving speed.
  • the ground penetrating radar 100 may output warning information indicating that the ground penetrating radar 100 has exceeded the upper limit moving speed when the moving speed exceeds the upper limit moving speed.
  • a physical on / off switch may be individually prepared for an emergency stop so that all three wheels 2a to 2c can be stopped. This makes it possible to improve safety in an emergency.
  • the stop mode may be always set, the handle 11 may be provided with a contact sensor or the like, and the movement mode may be selected only when the contact sensor authenticates, and the stop mode may be canceled and scanning may be performed. By making it an authentication type, the theft of the ground penetrating device 100 can be prevented.
  • the calculation unit 23 of the terminal 10 is based on each measurement data measured by the three encoders 4a to 4c, the three torque sensors 5a to 5c, the acceleration sensor 6, and the gyro sensor 7.
  • the external force for the underground exploration device 100 is calculated, and the first control unit 26 rotates each of the three motors 3a to 3c according to the external force, so that the transportation and handling of the underground exploration device by human power becomes easy.
  • the work efficiency of underground exploration can be improved.
  • the ground penetrating radar 100 is moved so that the first control unit 26 moves only in one direction, which is the movement direction of one movement mode selected from the plurality of movement modes. Since each rotation direction and each rotation speed of the three motors 3a to 3c are controlled, the straightness of the ground penetrating radar 100 can be maintained and the wobbling (side slip, turning, etc. while traveling straight) can be suppressed. Work efficiency can be further improved.
  • each of the three motors 3a to 3c is such that the first control unit 26 matches the direction of the external force with respect to the underground exploration device 100 to the moving direction of the selected one moving mode. Since torque assist control that controls the rotation direction and each rotation speed is performed, the movement direction of the underground exploration device 100 can be corrected so that the trajectory in the selected movement direction does not shift, and the work efficiency of the underground exploration is further improved. It can be further improved.
  • the calculation unit 23 warns that the ground penetrating radar 100 is close to the upper limit movement speed. Is output, so that the movement speed of the ground penetrating radar can be optimized, the deterioration of the quality of the measurement data of the ground penetrating radar can be suppressed, and the possibility of avoiding the remeasurement of the ground penetrating radar is increased. Work efficiency can be further improved.
  • the ground penetrating radar 100 capable of two-dimensional scanning and turning motion eliminates the burden of pre-work and alignment work, and can improve work efficiency. Further, the underground exploration device 100 detects a force for driving / braking by a person, drives the motor so that the driving force or the braking force is generated only in a determined moving direction, and controls the amount of rotation of each wheel. , The wobbling during scanning is reduced, and the straightness is improved. Although the ground penetrating radar 100 is a heavy object, it detects the force driven by a person and supplements the driving force with a motor, so that the force applied to scanning can be saved.
  • the scanning speed can be grasped by monitoring the amount of rotation of each wheel, and the speed can be controlled so as not to exceed the maximum scanning speed by motor control.
  • skidding and turning information can be obtained from the information of the acceleration sensor and the gyro sensor, it is possible to reduce the measurement error that cannot be reflected by the moving distance obtained from the amount of rotation of the wheel, which is useful for improving the accuracy of the moving distance. Since it is controlled by a motor, it is possible to move at a constant velocity.
  • the present invention is not limited to the above embodiment.
  • the present invention can be modified in a number of ways within the scope of the gist of the present invention.
  • the terminal 10 of the present embodiment described above includes a CPU (Central Processing Unit, processor) 901, a memory 902, and a storage (HDD: Hard Disk Drive, SSD: Solid State Drive) 903.
  • a CPU Central Processing Unit, processor
  • memory 902 Memory
  • storage 903 storage devices.
  • each function of the terminal 10 is realized by the CPU 901 executing a predetermined program loaded on the memory 902.
  • Terminal 10 may be implemented on one computer.
  • the terminal 10 may be implemented by a plurality of computers.
  • the terminal 10 may be a virtual machine mounted on a computer.
  • the program for the terminal 10 can be stored in a computer-readable recording medium such as an HDD, SSD, USB (Universal Serial Bus) memory, CD (Compact Disc), or DVD (Digital Versatile Disc).
  • the program for terminal 10 can also be distributed via a communication network.

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Abstract

電磁波を用いて地中を探査する地中探査装置１００において、アンテナと送受信器とを含む地中探査用のレーダユニット１と、１２０度間隔で配置された３つの車輪軸にそれぞれ回転可能に固定され、各車輪の回転方向及び回転速度を変えることで前記地中探査装置を任意の方向に移動可能な全方位移動型の３つの車輪２ａ～２ｃと、前記３つの車輪２ａ～２ｃをそれぞれ所定の方向に所定の速度で回転させる３つのモータ３ａ～３ｃと、前記レーダユニット１と前記３つのモータ３ａ～３ｃとをそれぞれ制御するターミナル１０と、を備え、前記ターミナル１０は、３つのエンコーダ４ａ～４ｃと３つのトルクセンサ５ａ～５ｃと加速度センサ６とジャイロセンサ７とで計測された各計測データ基に前記地中探査装置１００に対する外力を計算する演算部２３と、前記外力に応じて前記３つのモータ３ａ～３ｃをそれぞれ回転させる第１制御部２６と、を備える。

Description

地中探査装置
　本発明は、地中探査装置に関する。
　従来、電磁波を用いて地中を探査する地中探査装置が知られている。地中探査装置は、地中の状態を把握するため、地中の埋蔵物を探査するためなど、様々な目的で用いられている。また、地中探査装置は、歩道上や建物内のような車両侵入禁止エリア、車両走行が困難な建造物の際、障害物を避ける必要のあるエリアなどで探査する場合を考慮し、人力で動かすため車輪付きのカート型構造を備えている。
　上記地中探査装置を探査対象の計測エリア内で直進させ、地面に対して地中探査装置内のアンテナを走査させることで、地中の情報を得ることができる。例えば、地中探査装置を直線的に動かしながら地中探査の計測を行うと同時にエンコーダで車輪の回転量を計測し、地中探査の計測データを車輪の回転量より求めた移動距離データに関連付けて保存しておくことで、地下空間の状態及び位置を正確に把握することができる（非特許文献１参照）。
　地下空間の状態及び位置を高精度に把握するためには、計測位置や計測方向の異なる複数の直線状の計測線に沿って地中探査装置を前後左右に動かし、計測した複数の計測データを併せた上で地中の状態を解析する必要がある。このとき、複数の計測線同士の相対位置を把握しておく必要があるが、この相対位置を知るためには、計測エリア内に計測線を描く事前作業を行い、計測エリア内の２次元座標系で各計測線の始点位置及び終点位置を事前に決定しなければならない。
　しかし、上記事前作業、各計測線の始点位置及び終点位置の決定、前の計測線の終点と次の計測線の始点との位置合わせ作業などを行うには、多くの時間を必要とする。この点、オムニホイールやメカナムホイールなど全方位に移動可能な全方位移動車輪を用いることで、計測エリア内を２次元的に連続移動可能となり、２軸の自由度を持たせて自由に継続して走査できるので、上記事前作業を不要にできる（非特許文献１，２参照）。
Emerson R. Almeida、外４名、"Analysis of GPR field parameters for root mapping in Brazil’s caatinga environment"、Proc. of the 2018 International conference of Ground Penetrating Radar Z. Liu、外３名、"Novel Walking-Intention Recognition Method for Omnidirectional Walking Support Robot"、2017 International Conference on Computer Technology, Electronics and Communication (ICCTEC)、Dalian、China、2017年、p.1048-p.1052 N. Matsumoto、外３名、"Motion Control of a Walking Support Robot Based on Gait Analysis"、2019 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO)、Dali、China、2019年、p.1881-p.1885
　しかしながら、全方位移動車輪を用いると地中探査装置は３６０度方位内で任意の方位に移動するため、人力で地中探査装置を直進させることは難しく、まっすぐに走査できなかったり、直進中に横滑りや旋回運動が発生してふらついて姿勢が安定しなかったりと、地中探査装置の走査性が非常に悪いという課題があった。
　また、最近では小型の地中探査装置も開発されているが、探査対象物や探査深度によってアンテナのサイズを使い分ける必要があり、深い位置を探査したい場合には大きいサイズのアンテナを必要とし、装置規模も大きくなる。また、装置規模によらず、一般に地中探査装置は重量物である。すなわち、地中探査装置にはかなりの重量があるため、人力による地中探査装置の取り回しは大変であり、地中探査装置を走査させるためには大きな人力を要するという課題もあった。この点、車輪を大型化して走行面との接触抵抗を小さくすることで、地中探査装置の動作開始時に必要な推進力を小さくする工夫も考えられる。しかし、静止状態からの初動作には多くの力を要し、取り回しへの解決策はない。
　また、最近では地中探査装置の処理速度は高速化しており、地中探査の計測データの取得間隔を短縮可能であるが、所定の上限を超えて地中探査装置を走査させると計測データの抜けが発生し、計測データの質の低下につながるので、上限を超えての走査は避けなければならない。しかし、人力による地中探査装置の走査では走査速度を一定に維持することは難しく、速度超過になりやすいという課題もあった。
　本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、地中探査の作業効率を改善可能な技術を提供することである。
　本発明の一態様の地中探査装置は、電磁波を用いて地中を探査する地中探査装置において、アンテナと送受信器とを含む地中探査用のレーダユニットと、１２０度間隔で配置された３つの車輪軸にそれぞれ回転可能に固定され、各車輪の回転方向及び回転速度を変えることで前記地中探査装置を任意の方向に移動可能な全方位移動型の３つの車輪と、前記３つの車輪をそれぞれ所定の方向に所定の速度で回転させる３つのモータと、前記３つの車輪の各回転量をそれぞれ計測する３つのエンコーダと、前記３つの車輪の各トルクをそれぞれ計測する３つのトルクセンサと、前記地中探査装置の加速度を計測する加速度センサと、前記地中探査装置の傾斜角及び角速度を計測するジャイロセンサと、前記レーダユニットと前記３つのモータとをそれぞれ制御するターミナルと、を備え、前記ターミナルは、前記３つのエンコーダと前記３つのトルクセンサと前記加速度センサと前記ジャイロセンサとで計測された各計測データを受信して第１記憶部に記憶させる第１通信部と、前記各計測データを基に前記地中探査装置に対する外力を計算し、前記各計測データを基に前記地中探査装置の移動量を計算する演算部と、前記外力に応じて前記３つのモータをそれぞれ回転させる第１制御部と、前記レーダユニットで計測された地中探査の計測データを受信する第２通信部と、前記地中探査の計測データを前記地中探査装置の移動量に関連付けて第２記憶部に記憶させる第２制御部と、を備える。
　本発明によれば、地中探査の作業効率を向上可能な技術を提供できる。
図１は、地中探査装置の構成を示す上面図である。 図２は、ターミナルの機能ブロック構成を示す構成図である。 図３は、地中探査装置の移動モードごとの駆動方法を示す図である。 図４は、地中探査装置の全方位への駆動原理の説明図である。 図５は、地中探査装置の動作を示すフロー図である。 図６は、選択方向に対する外力の例を示すフロー図である。 図７は、地中探査装置の動作を示すフロー図である。 図８は、ターミナルのハードウェア構成を示す構成図である。
　以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
　［発明の概要］
　本発明は、２次元走査及び移動量（移動距離）の計測が可能であり、全方位移動機構を備えた地中探査装置の移動方向に対して、パワーアシスト（モータ駆動によるトルク補助）を行う技術を開示する。これにより、人力による地中探査装置の運搬及び取り回しが楽になり、地中探査の作業効率を向上できる。
　また、本発明は、移動方向の異なる複数の移動モードの中から選択された一の移動モードの移動方向である一方向のみに地中探査装置が移動するように、地中探査装置の移動方向を一方向のみに制限（回転制限など）を行う技術を開示する。これにより、地中探査装置の直進性を維持でき、ふらつき（直進中での横滑り、旋回など）を抑制できるので、地中探査の作業効率を更に向上できる。
　また、本発明は、地中探査装置に対する外力（人的な人力、重力的な重力など）の方向が選択された一の移動モードの移動方向に一致するように、パワーアシスト（モータ駆動によるトルク補助）を行う技術を開示する。これにより、選択された移動方向への軌道がずれないように地中探査装置の移動方向を修正できるので、地中探査の作業効率をより更に向上できる。
　また、本発明は、地中探査装置の移動速度が上限移動速度に近接した場合に警告情報を出力する技術を開示する。これにより、地中探査装置の移動速度の適正化が図られ、地中探査の計測データの質の低下を抑制でき、地中探査の再計測を回避できる可能性が高まるので、地中探査の作業効率をより更に向上できる。
　［地中探査装置の構成］
　本実施形態に係る地中探査装置の構成について説明する。
　図１は、本実施形態に係る地中探査装置１００の上面図である。地中探査装置１００は、電磁波を用いて地中を探査する地中探査装置であり、車輪付きのカート型構造を備える。例えば、地中探査装置１００は、レーダユニット１と、３つの車輪２ａ～２ｃと、３つのモータ３ａ～３ｃと、３つのエンコーダ４ａ～４ｃと、３つのトルクセンサ５ａ～５ｃと、加速度センサ６と、ジャイロセンサ７と、バッテリー８と、筐体９と、ターミナル１０と、を備える。
　レーダユニット１は、地中探査用のレーダユニットであり、地中に向けて電磁波を送信し、地中で反射した電磁波を受信するアンテナ及び送受信器で構成される。
　３つの車輪２ａ～２ｃは、１２０度間隔で配置された３つの車輪軸にそれぞれ回転可能に固定され、各車輪の回転方向及び回転速度（回転量）を変えることで地中探査装置１００を任意の方向に移動可能な全方位移動型の車輪である。例えば、車輪２ａは、車輪軸を中心に回転する円盤状のホイールと、そのホイールの円周上に車輪軸に対して約４５度の角度で取り付けられた筒状の複数の小型ローラーと、を備える。小型ローラーの車輪軸に対する角度は、３０度、６０度、９０度、その他の角度でもよい。また、車輪２ａは、複数のホイールを離間して重ねて構成してもよい。このように、３つの車輪２ａ～２ｃは、各ホイールの円周上に複数の小型ローラーを備えるので、１２０度の異なる向きで配置されている場合でも、各車輪の回転方向及び回転速度を変えることで、地中探査装置１００を任意の方向に移動可能である。例えば、３つの車輪２ａ～２ｃは、オムニホイール、メカナムホイールなどを用いて実現可能である。
　３つのモータ３ａ～３ｃは、３つの車輪２ａ～２ｃをそれぞれ所定の方向に所定の速度で回転させる機能を備える。つまり、３つのモータ３ａ～３ｃは、３つの車輪２ａ～２ｃに対して駆動力及び制動力を与える。例えば、モータ３ａは、車輪２ａに対する電圧の正負を変えることで車輪２ａの回転方向を変え、車輪２ａに対する電圧の大きさを変えることで車輪２ａの回転速度（回転量）を変える。３つのモータ３ａ～３ｃが、各車輪２ａ～２ｃの回転方向及び回転速度をそれぞれ調整することで、地中探査装置１００の移動方向を任意の方向に制御できる。例えば、３つのモータ３ａ～３ｃは、市販のモータを用いて実現可能である。
　３つのエンコーダ４ａ～４ｃは、３つの車輪２ａ～２ｃの各車輪軸付近にそれぞれ取り付けられ、３つの車輪２ａ～２ｃの各回転量をそれぞれ計測する機能を備える。例えば、３つのエンコーダ４ａ～４ｃは、市販のロータリーエンコーダを用いて実現可能である。
　３つのトルクセンサ５ａ～５ｃは、３つの車輪２ａ～２ｃの各車輪軸付近にそれぞれ取り付けられ、３つの車輪２ａ～２ｃの各トルクをそれぞれ計測する機能を備える。例えば、３つのトルクセンサ５ａ～５ｃは、市販のトルクセンサを用いて実現可能である。
　モータ３と、エンコーダ４と、トルクセンサ５とは、１つの車輪２ごとに、それぞれ１つずつ必要である。
　加速度センサ６は、地中探査装置１００の中心位置に設置され、地中探査装置１００の加速度を計測する機能を備える。例えば、加速度センサ６は、市販の加速度センサを用いて実現可能である。
　ジャイロセンサ７は、地中探査装置１００の中心位置に設置され、地中探査装置１００の傾斜角（傾き姿勢）及び角速度（旋回運動）を計測する機能を備える。例えば、ジャイロセンサ７は、市販のジャイロセンサを用いて実現可能である。
　加速度センサ６と、ジャイロセンサ７とは、１つの地中探査装置１００ごとに、それぞれ１つずつ必要である。
　バッテリー８は、レーダユニット１と、３つのモータ３ａ～３ｃと、３つのエンコーダ４ａ～４ｃと、３つのトルクセンサ５ａ～５ｃと、加速度センサ６と、ジャイロセンサ７と、ターミナル１０とに対して、電力を供給する機能を備える。例えば、バッテリー８は、市販のバッテリーを用いて実現可能である。
　筐体９は、地中探査装置１００の体部を形成し、レーダユニット１と、３つの車軸と、３つのモータ３ａ～３ｃと、３つのエンコーダ４ａ～４ｃと、３つのトルクセンサ５ａ～５ｃと、加速度センサ６と、ジャイロセンサ７と、バッテリー８とを内部に搭載する機能を備える。
　ターミナル１０は、地中探査装置１００（筐体９）を人力で動かすための両手用の一対のハンドル１１付きのフレーム上に設置され、レーダユニット１と、３つのモータ３ａ～３ｂと、をそれぞれ制御する機能を備える。ターミナル１０は、タッチパネル機能付きのコンピュータであり、図２に示すように、モータ制御部１０Ａと、地中探査部１０Ｂと、を備える。
　モータ制御部１０Ａについて説明する。モータ制御部１０Ａは、第１通信部２１と、第１記憶部２２と、演算部２３と、表示部２４と、第３記憶部２５と、第１制御部２６と、を備える。
　第１通信部２１は、３つのエンコーダ４ａ～４ｃと、３つのトルクセンサ５ａ～５ｃと、加速度センサ６と、ジャイロセンサ７とで計測された各計測データを受信し、その各計測データを第１記憶部２２に記憶させる機能を備える。
　第１記憶部２２は、上記各計測データを記憶しておく機能を備える。
　演算部２３は、第１記憶部２２から上記各計測データを読み出して、その各計測データを基に地中探査装置１００に対して与えられている外力（人力、重力など）を計算し、その外力の値を第１制御部２６に渡す機能を備える。
　また、演算部２３は、第１記憶部２２から上記各計測データを読み出して、その各計測データを基に地中探査装置１００の移動量（移動距離）を計算し、その地中探査装置１００の移動量を第２制御部３２に渡す機能を備える。
　また、演算部２３は、表示部２４に表示された複数の移動モードの中からユーザが選択した一の移動モードの移動方向に関する情報を第１制御部２６に渡す機能を備える。
　また、演算部２３は、第１記憶部２２から上記各計測データを読み出して、その各計測データを基に地中探査装置１００の移動速度を計算し、その移動速度が上限移動速度に近接した場合、地中探査装置１００が上限移動速度に近接していることを示す警告情報を表示部２４に出力する機能を備える。これにより、地中探査装置１００の移動速度の適正化が図られ、地中探査の計測データの質の低下を抑制でき、地中探査の再計測を回避できる可能性が高まるので、地中探査の作業効率を向上可能となる。
　表示部２４は、第３記憶部２５から移動方向の異なる複数の移動モードを示す移動モード情報を読み出して、その移動モード情報をタッチパネル画面に表示し、ユーザが選択した一の移動モードの移動方向に関する情報を演算部２３に通知する機能を備える。
　また、表示部２４は、上記警告情報をタッチパネル画面に表示する機能を備える。表示部２４は、音声機能が内蔵されている場合、警告情報を基に警告音を出力してもよい。
　第３記憶部２５は、上記移動モード情報（移動方向の異なる複数の移動モードを示す移動モード情報）を記憶しておく機能を備える。
　第１制御部２６は、演算部２３から地中探査装置１００に対する外力（人力、重力など）の値を受け取り、その外力の値に応じて３つのモータ３ａ～３ｃをそれぞれ回転させる機能を備える。例えば、地中探査装置１００がモータ駆動されておらず外力により動いている際に、その外力に応じて３つのモータ３ａ～３ｃを駆動（パワーアシスト；モータ駆動によるトルク補助）する。これにより、人力による地中探査装置１００の運搬及び取り回しが楽になり、地中探査の作業効率を向上可能となる。
　また、第１制御部２６は、演算部２３からユーザが選択した一の移動モードの移動方向に関する情報を受け取り、その選択した移動方向である一方向のみに地中探査装置１００が移動するように、３つのモータ３ａ～３ｃの各回転方向及び各回転速度をそれぞれ制御（回転制限制御など）する機能を備える。これにより、地中探査装置１００の直進性を維持でき、ふらつきを抑制できるので、地中探査の作業効率を更に向上可能となる。
　また、第１制御部２６は、演算部２３から地中探査装置１００に対する外力の値を受け取るとともに、演算部２３からユーザが選択した一の移動モードの移動方向に関する情報を更に受け取り、その外力の方向が当該選択された一の移動モードの移動方向に一致するように、３つのモータ３ａ～３ｃの各回転方向及び各回転速度をそれぞれ制御（パワーアシスト；モータ駆動によるトルク補助）する機能を備える。これにより、選択された移動方向への軌道がずれないように地中探査装置１００の移動方向を修正できるので、地中探査の作業効率をより更に向上可能となる。
　次に、地中探査部１０Ｂについて説明する。地中探査部１０Ｂは、第２通信部３１と、第２制御部３２と、第２記憶部３３と、を備える。
　第２通信部３１は、第２制御部３２が地中探査を行うために使用する各種信号及び各種データを送受信する機能を備える。例えば、第２通信部３１は、地中探査の開始信号又は終了信号をレーダユニット１に送信し、レーダユニット１で計測された地中探査の計測データを受信する。
　第２制御部３２は、地中探査を実行する機能を備える。また、第２制御部３２は、演算部２３から地中探査の実行中に計算された地中探査装置１００の移動量（移動距離）を受け取る機能を備える。例えば、第２制御部３２は、第２通信部３１を介して地中探査の開始信号をレーダユニット１に送信し、レーダユニット１から返信された地中探査の計測データを、地中探査装置１００の移動量に関連付けて第２記憶部３３に記憶させる。
　第２記憶部３３は、地中探査の計測データと地中探査装置１００の移動量（移動距離）とを含む地中探査の計測結果情報を記憶する機能を備える。この地中探査の計測結果情報は、表示部２４でタッチパネル画面に表示される。
　図１及び図２に示した装置構成を備えることで、人力によって前後左右の２次元走査が可能であり、走行軌跡の記録が可能であり、２次元走査しながら計測エリア内の地中探査の計測データを表示可能であり、地中探査の作業効率を向上可能である、地中探査装置１００を実現できる。
　なお、図２に示したターミナル１０の機能ブロック構成は、一例である。１つの機能部が複数の機能部を備えてもよいし、１つの機能部を複数の機能部に分割してもよい。
　［地中探査装置の基本動作］
　次に、地中探査装置１００の基本動作について説明する。
　図１に示したように、本実施形態では、３つの車輪２ａ～２ｃとして、オムニホイールやメカナムホイールなどの全方位移動型の車輪を用いる。各車輪２ａ～２ｃには、それぞれ、各車輪を駆動する３つのモータ３ａ～３ｃと、各車輪の回転量を管理する３つのエンコーダ４ａ～４ｃと、各車輪のトルクを管理する３つのトルクセンサ５ａ～５ｃと、が具備されている。３つの車輪２ａ～２ｃは、その回転方向が１２０度ずつ異なるように配置されている。
　まず、ターミナル１０の演算部２３は、各車輪２ａ～２ｃの回転量と車輪径を基に外力による地中探査装置１００の移動方向ベクトル及び移動速度ベクトルを計算し、計測エリアにおける２次元上の地中探査装置１００の移動距離を計算する。次に、演算部２３は、その速度情報やトルク情報を基にモータ駆動に必要な電圧値を計算する。最後に、第１制御部２６は、その電圧値の信号を用いて３つのエンコーダ４ａ～４ｃをそれぞれ制御する。
　基本的には、人の駆動力をトリガーにモータ制御を行い、その人の駆動力に対してパワーアシストを行う。また、上記速度情報（移動方向ベクトル、移動速度ベクトル）をフィードバック情報として活用し、地中探査装置１００の移動方向が選択された一方向に一致するようにパワーアシストを行う。
　また、地中探査装置１００には、図１に示したように、加速度センサ６と、ジャイロセンサ７と、が更に具備されている。ターミナル１０の演算部２３は、加速度データと傾斜角及び角速度データとを収集し、加速度データを基に地中探査装置１００の移動方向やフラツキ度を計算し、傾斜角及び角速度データを基に地中探査装置１００の傾き姿勢や旋回運動値を計算する。ターミナル１０は、それらのデータを地中探査装置１００のバランス調整用にフィードバック情報として活用する。
　また、地中探査装置１００には、図１に示したように、電磁波を送受信するためのレーダユニット１が更に具備されている。ターミナル１０の第２制御部３２は、地中探査の開始するための計測開始命令をレーダユニット１に指示し、地中探査の計測データを保存して表示する。
　すなわち、本実施形態に係る地中探査装置１００は、外力に基づきモータを制御する。これにより、少ない人力で走査すること、所望の方向又は指定の方向のみに走査すること、所望の速度で走査することができる。地中探査装置１００が走査可能な移動方向については、事前に「移動モード」として設定しておき、１つの移動モードのみの選択を許容するようにする。
　［移動モード］
　モータ制御では、モータを回転させることで駆動力を生み出すことができ、モータを停止させることで静止力を生み出すこともできる。３輪による全方位移動型の車輪の場合、前進、後退、右進行、左進行、旋回の移動方向によって、各車輪の回転方向及び回転速度（回転量）は一意に決まるため、地中探査装置１００を所望の方向へ容易に移動可能である。また、３輪とも静止させると、停止状態を作ることができる。さらに、３輪とも制動力をかけない状態にすれば、２次元及び旋回運動が可能なフリー状態を作ることができる。
　本実施形態では、地中探査装置１００の移動方向を一方向のみに制限（ロック）するため、手動走査向けに「移動モード」を提供する。移動モードは、９種類の移動方向を備える（図３（ａ））。９種類の移動方向とは、例えば、前方向、後方向、左方向、右方向、右旋回、左旋回、停止、自由、任意である。地中探査装置１００の移動方向は各車輪２ａ～２ｃの持つ移動方向ベクトルの合成によって決まるため、それぞれの移動方向を実現するためには、各車輪を図３（ａ）に示すように制御すればよい。図３（ａ）には、図３（ｂ）に示した矢印の方向を各車輪の正回転方向とした場合に、移動方向ごとの各車輪の回転方向｛０（停止），＋（正転），－（逆転）｝が示されている。
　例えば、地中探査装置１００を前方向に直進させる場合、車輪２ａの回転を「０」、車輪２ｂの回転方向を「＋」、車輪２ｃの回転方向を「－」に制限（ロック）する。また、図３には示していないが、２つの車輪２ｂ，２ｃの回転速度が等しくなるように、２つの車輪２ｂ，２ｃに対する電圧の大きさを等しく制限（ロック）する。さらに、２つの車輪２ｂ，２ｃに対する各電圧印加のタイミングを同時のタイミングに制限（ロック）する。
　これらの制限をかけた状態で地中探査装置１００を移動させると、地中探査装置１００は前方向に直進する。各車輪２ａ～２ｃには各車輪軸に対して約４５度の角度で複数の小型ローラーが取り付けられているので、非平行な左右２つの車輪２ｂ，２ｃの各ホイールが前方向に回転すると同時に、その各ホイールにそれぞれ備わる複数の小型ローラーも併せて回転する。また、車輪２ａの小型ローラーも回転する。２つの車輪２ｂ，２ｃの各ホイールの回転によるやや両内向きへの推進力が、小型ローラーの回転により両外向きにも作用するので、地中探査装置１００は前方向に直進することになる。
　その他、停止モードでは、全ての車輪２ａ～２ｃを停止することで、地中探査装置１００を停止することができる。自由モードでは、全ての車輪２ａ～２ｃの制限拘束を取り払うことで、地中探査装置１００を自由に走査できる。任意モードは、移動したい方向及び速度を任意に決められるモードである。いずれのモードにおいても、移動方向は一方向のみに限定されるため、フラツキのない直線的な走査が可能となる。
　　［移動モードの選択例１］
　例えば、狭い空間の計測エリアや障害物のある計測エリアを探査する場合、一方向のみの走査では難しく、地中探査装置１００を小回りさせる必要がある。このような場合、自由モードを選択し、モータによる駆動力又は制動力のアシストや制限（ロック）を実施せず、手動で自由に地中探査装置１００を動かせるようにする。自由モードで走査することで、容易に探査を実行できる。
　　［移動モードの選択例２］
　例えば、長距離区間を含む計測エリアを探査する場合、前モード、後モード、左モード、右モードを選択する。これにより、モータによるアシストで地中探査装置１００を直線的に動かすことができ、かつ、直角に動かすこともできるので、平行な計測線を容易に得ることができる。得られるデータ間隔が整っていることで、計測データの統合化が容易で、統合データの質が向上する。また、従来では一方向のみの走査可能であったが、全方位移動機構を備えるので、地中探査装置１００を一筆書きで往復探査でき、作業時間を劇的に短縮できる。
　［地中探査装置の全方向への駆動原理］
　次に、３輪で地中探査装置１００を任意の方向へ動作可能な駆動原理について説明する。
　例えば、図４に示すように、右方向への移動に必要な速度をＶｘ、上方向への移動に必要な速度をＶｙ、左旋回に必要な速度をＶθとすると、３つの車輪２ａ～２ｃに対して必要な各速度のＶ１～Ｖ３は、３つの車輪２ａ～２ｃ間の相対位置より式（１）で示される。ｒは、筐体９の中心から各車輪２ａ～２ｃまでの距離（規定値）である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　このとき、Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖθに対して所望の移動方向に応じた値を代入して計算し、計算したＶ１～Ｖ３で各車輪２ａ～２ｃをそれぞれ駆動することで、地中探査装置１００を所望の移動方向へ駆動できる。例えば、地中探査装置１００を前方向に動かす場合、Ｖｘ＝０，Ｖｙ＝１，Ｖθ＝０を式（１）に代入する。式（１）を計算すると、Ｖ１＝０，Ｖ２≒０．８７、Ｖ３≒－０．８７になるので、これらの速度値で各車輪２ａ～２ｃをそれぞれ駆動すればよい。
　［選択した移動方向への補助動作］
　次に、選択した移動方向へのモータ駆動による移動方向の補助動作について説明する。
　図５は、地中探査装置１００の動作を示すフロー図である。３輪型の全方位移動機構を備える地中探査装置１００を手動走査する際に、移動方向を移動モード情報で選択する。そして、選択した移動方向のみに移動するように、３つのモータ３ａ～３ｃをそれぞれ制御し、各車輪２ａ～２ｃに駆動力又は制動力を与える。これにより、選択された移動方向への軌道を維持する。以下詳述する。
　ステップＳ１０１；
　まず、ターミナル１０の表示部２４は、移動方向の異なる９種類の移動モードを示す移動モード情報をタッチパネル画面に表示する。その後、表示部２４は、その９種類の移動モードの中からユーザが選択した一の移動モードの移動方向に関する情報を演算部２３に通知する。本実施例では、前方向が選択されたと仮定する。そして、ユーザは、人力により地中探査装置１００を前進させながら地中探査を実行していると仮定する。
　ステップＳ１０２；
　次に、第１通信部２１は、人力による地中探査装置１００の前進移動に基づき、３つのエンコーダ４ａ～４ｃと、３つのトルクセンサ５ａ～５ｃと、加速度センサ６と、ジャイロセンサ７とで計測された各計測データを受信する。
　ステップＳ１０３；
　次に、演算部２３は、受信した各計測データを基に地中探査装置１００に対する人力を計算し、その人力を上記選択された移動方向への成分とその直交成分とに分離する。図６（ａ）は、選択された前方向に対して、やや右前向きの移動方向を有する人力（加速の駆動力）が加えられた場合を示す。この場合、その人力を前方向と右方向とに分離する。図６（ｂ）は、選択された前方向に対して、やや右後向きの移動方向を有する人力（減速の制動力）が加えられた場合を示す。この場合、その人力を後方向と右方向とに分離する。そして、演算部２３は、人力より求めた移動方向への成分とその直交成分とを第１制御部２６に渡す。
　ステップＳ１０４；
　最後に、第１制御部２６は、移動方向成分の大きさに基づいてモータの加減速の大きさを制御する。具体的には、第１制御部２６は、移動方向成分の大きさに比例した力でモータの駆動力又は制動力を制御する。図６（ａ）の場合、地中探査装置１００を加速させた方向と同じ方向（前方向）に移動するようにモータを駆動する。図６（ｂ）の場合、地中探査装置１００を減速させた方向と同じ方向（後方向）に移動するようにモータを駆動する。これにより、地中探査装置１００を容易に加減速させることができる。
　また、第１制御部２６は、直交成分方向の力を打ち消すようにモータを制御する。図６（ａ），（ｂ）の場合、地中探査装置１００が左方向に移動するように、当該直交成分の大きさと同じ大きさでモータを駆動する。移動速度がゼロの場合は、加減速のモータ駆動は行わない。外力が加わった場合のみ加減速し、それ以外は等速運動することで、速度一定の安定した計測が可能となる。
　その他、第１制御部２６は、加速度センサ６で計測された加速度の微小変化をモータ駆動力の微小調整に利用してもよい。加速度センサ６によって車輪２による速度ベクトルでは得られない高感度な方向成分が得られ、モータ制御の微調整分として反映させることで、安定した走行を実現することができる。
　また、第１制御部２６は、ジャイロセンサ７で計測された傾きに対して、その傾きを打ち消すようにモータ駆動力を発生させてもよい。ジャイロセンサ７によって地中探査装置１００の傾き姿勢を算出し、すべりやすい方向に対して滑りにくい向きに補正する力を発生させることで、斜面等でも直線運動させることができる。
　［移動速度に伴う警告動作］
　次に、地中探査装置の移動速度が上限移動速度に近づいた場合の警告動作について説明する。
　図７は、地中探査装置１００の動作を示すフロー図である。地中探査装置１００は、３輪の速度ベクトルを合成し、地中探査装置１００の速度ベクトルを計算し、地中探査装置１００の速度をモニタリングすることができる。地中探査装置１００の移動速度に上限移動速度を設け、その上限に近づいた場合には警告情報を出力し、上限移動速度を超えないようにモータを制御する。以下詳述する。
　ステップＳ２０１；
　まず、演算部２３は、ユーザが入力した地中探査装置１００の上限移動速度を保持する。そして、ユーザは、人力により地中探査装置１００を所望の方向に移動させながら地中探査を実行していると仮定する。
　ステップＳ２０２；
　次に、第１通信部２１は、人力による地中探査装置１００の前進移動に基づき、３つのエンコーダ４ａ～４ｃと、３つのトルクセンサ５ａ～５ｃと、加速度センサ６と、ジャイロセンサ７とで計測された各計測データを受信する。
　ステップＳ２０３；
　次に、演算部２３は、受信した各計測データを基に地中探査装置１００の移動速度を計算する。
　ステップＳ２０４；
　次に、演算部２３は、計算した地中探査装置１００の移動速度が上限移動速度に近接しているか否かを判定する。地中探査装置１００の移動速度が上限移動速度に近接している場合は、ステップＳ２０５へ進み、上限移動速度に近接していない場合は、処理を終了する。
　ステップＳ２０５；
　地中探査装置１００の移動速度が上限移動速度に近接している場合、演算部２３は、地中探査装置１００が上限移動速度に近接していることを示す警告情報を表示部２４に出力する。
　ステップＳ２０５；
　また、地中探査装置１００の移動速度が上限移動速度に近接している場合、第１制御部２６は、上限移動速度を超えないように各モータ３ａ～３ｃの回転速度を低下させる。
　なお、地中探査装置１００は、その移動速度が上限移動速度を超過した場合に、地中探査装置１００が上限移動速度に超過したことを示す警告情報を出力してもよい。
　［その他の構成］
　緊急停止用に個別に物理的なオンオフスイッチを用意し、３つ全ての車輪２ａ～２ｃを停止にできるようにしてもよい。これにより、非常時での安全性を高めることができる。また、常に停止モードとしておき、ハンドル１１に接触センサ等を備えておき、その接触センサで認証されたときのみ移動モードを選択でき、停止モードを解除して走査させるようにしてもよい。認証式にすることで、地中探査装置１００の盗難防止にもなる。
　［効果］
　本実施形態によれば、ターミナル１０の演算部２３が、３つのエンコーダ４ａ～４ｃと、３つのトルクセンサ５ａ～５ｃと、加速度センサ６と、ジャイロセンサ７とで計測された各計測データを基に地中探査装置１００に対する外力を計算し、第１制御部２６が、その外力に応じて３つのモータ３ａ～３ｃをそれぞれ回転させるので、人力による地中探査装置の運搬及び取り回しが楽になり、地中探査の作業効率を向上できる。
　また、本実施形態によれば、第１制御部２６が、複数の移動モードの中から選択された一の移動モードの移動方向である一方向のみに地中探査装置１００が移動するように、３つのモータ３ａ～３ｃの各回転方向及び各回転速度をそれぞれ制御するので、地中探査装置１００の直進性を維持でき、ふらつき（直進中での横滑り、旋回など）を抑制できる、地中探査の作業効率を更に向上できる。
　また、本実施形態によれば、第１制御部２６が、地中探査装置１００に対する外力の方向が選択された一の移動モードの移動方向に一致するように、３つのモータ３ａ～３ｃの各回転方向及び各回転速度をそれぞれ制御するトルク補助制御を行うので、選択された移動方向への軌道がずれないように地中探査装置１００の移動方向を修正でき、地中探査の作業効率をより更に向上できる。
　また、本実施形態によれば、演算部２３が、地中探査装置１００の移動速度が上限移動速度に近接した場合、地中探査装置１００が上限移動速度に近接していることを示す警告情報を出力するので、地中探査装置の移動速度の適正化が図られ、地中探査の計測データの質の低下を抑制でき、地中探査の再計測を回避できる可能性が高まり、地中探査の作業効率をより更に向上できる。
　すなわち、２次元走査及び旋回運動が可能である本実施形態に係る地中探査装置１００であれば、事前作業や位置合わせ作業等の負担がなくなり、作業効率を向上できる。また、地中探査装置１００は、人が駆動・制動する力を検出し、決められた移動方向のみに駆動力又は制動力が生じるようにモータを駆動させ、各車輪の回転量を制御するため、走査時のふらつきが低減され、直進性が向上する。重量物である地中探査装置１００ではあるが、人が駆動する力を検出し、モータによって駆動力を補うため、走査に掛かる力を省力化できる。
　各車輪の回転量をモニタリングすることで走査速度を把握し、モータ制御によって最大走査速度を超えないように速度制御ができる。加速度センサやジャイロセンサによって走査状態や姿勢状態をモニタリングし、必要に応じてモータ制御へ反映させることで、安定した走査・姿勢でのデータ計測が可能となる。また、加速度センサ及びジャイロセンサの情報で横滑りや旋回情報が得られるので、車輪の回転量から得られる移動距離で反映できない計測誤差を減らすことができ、移動距離の高精度化にも役立つ。モータ制御であることから等速運動することも可能である。
　［ターミナルのハードウェア構成］
　本発明は、上記実施形態に限定されない。本発明は、本発明の要旨の範囲内で数々の変形が可能である。
　上記説明した本実施形態のターミナル１０は、例えば、図８に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit、プロセッサ）９０１と、メモリ９０２と、ストレージ（ＨＤＤ：Hard Disk Drive、ＳＳＤ：Solid State Drive）９０３と、通信装置９０４と、入力装置９０５と、出力装置９０６と、を備えた汎用的なコンピュータシステムを用いて実現できる。メモリ９０２及びストレージ９０３は、記憶装置である。当該コンピュータシステムにおいて、ＣＰＵ９０１がメモリ９０２上にロードされた所定のプログラムを実行することにより、ターミナル１０の各機能が実現される。
　ターミナル１０は、１つのコンピュータで実装されてもよい。ターミナル１０は、複数のコンピュータで実装されてもよい。ターミナル１０は、コンピュータに実装される仮想マシンであってもよい。ターミナル１０用のプログラムは、ＨＤＤ、ＳＳＤ、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリ、ＣＤ（Compact Disc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）などのコンピュータ読取り可能な記録媒体に記憶できる。ターミナル１０用のプログラムは、通信ネットワークを介して配信することもできる。
　１：レーダユニット
　２ａ～２ｃ：車輪
　３ａ～３ｃ：モータ
　４：エンコーダ
　５：トルクセンサ
　６：加速度センサ
　７：ジャイロセンサ
　８：バッテリー
　９：筐体
　１０：ターミナル
　１０Ａ：モータ制御部
　１０Ｂ：地中探査部
　１１：ハンドル
　２１：第１通信部
　２２：第１記憶部
　２３：演算部
　２４：表示部
　２５：第３記憶部
　２６：第１制御部
　３１：第２通信部
　３２：第２制御部
　３３：第２記憶部
　９０１：ＣＰＵ
　９０２：メモリ
　９０３：ストレージ
　９０４：通信装置
　９０５：入力装置
　９０６：出力装置

Claims (4)

  1. 　電磁波を用いて地中を探査する地中探査装置において、
    　アンテナと送受信器とを含む地中探査用のレーダユニットと、
    　１２０度間隔で配置された３つの車輪軸にそれぞれ回転可能に固定され、各車輪の回転方向及び回転速度を変えることで前記地中探査装置を任意の方向に移動可能な全方位移動型の３つの車輪と、
    　前記３つの車輪をそれぞれ所定の方向に所定の速度で回転させる３つのモータと、
    　前記３つの車輪の各回転量をそれぞれ計測する３つのエンコーダと、
    　前記３つの車輪の各トルクをそれぞれ計測する３つのトルクセンサと、
    　前記地中探査装置の加速度を計測する加速度センサと、
    　前記地中探査装置の傾斜角及び角速度を計測するジャイロセンサと、
    　前記レーダユニットと前記３つのモータとをそれぞれ制御するターミナルと、を備え、
    　前記ターミナルは、
    　前記３つのエンコーダと前記３つのトルクセンサと前記加速度センサと前記ジャイロセンサとで計測された各計測データを受信して第１記憶部に記憶させる第１通信部と、
    　前記各計測データを基に前記地中探査装置に対する外力を計算し、前記各計測データを基に前記地中探査装置の移動量を計算する演算部と、
    　前記外力に応じて前記３つのモータをそれぞれ回転させる第１制御部と、
    　前記レーダユニットで計測された地中探査の計測データを受信する第２通信部と、
    　前記地中探査の計測データを前記地中探査装置の移動量に関連付けて第２記憶部に記憶させる第２制御部と、
    　を備える地中探査装置。
  2. 　移動方向の異なる複数の移動モードを示す移動モード情報を記憶しておく第３記憶部を更に備え、
    　前記第１制御部は、
    　前記複数の移動モードの中から選択された一の移動モードの移動方向である一方向のみに前記地中探査装置が移動するように、前記３つのモータの各回転方向及び各回転速度をそれぞれ制御する請求項１に記載の地中探査装置。
  3. 　前記第１制御部は、
    　前記地中探査装置に対する前記外力の方向が前記選択された一の移動モードの移動方向に一致するように、前記３つのモータの各回転方向及び各回転速度をそれぞれ制御するトルク補助制御を行う請求項２に記載の地中探査装置。
  4. 　前記演算部は、
    　前記地中探査装置の移動速度が上限移動速度に近接した場合、前記地中探査装置が前記上限移動速度に近接していることを示す警告情報を出力する請求項１乃至３のいずれかに記載の地中探査装置。
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