计测装置、计测方法、记录介质与流程

1.本发明涉及使用来自被配置在地下挖掘机的挖掘部上的加速度传感器和磁传感器的输出来求出姿态的计测装置、计测方法、记录介质。


背景技术：

2.作为以往技术，已知专利文献1(us 2019/0353023 a1)所示的技术。在专利文献1中示出了使用两个传感器组，校准或者校正测量数据。图1是表示专利文献1的图4所示的校正动作的处理的例子。另外，在非专利文献1(安藤卓郎(takuro ando)，高砂常義(tsuneyoshi takasuna)、「母線
とその
解析(metal enclosed bus and its analysis)」，日立評論、第39巻第6号pp11～16，昭和32年(1957年)6月.)中，示出在屏蔽交变磁场的导电体中产生涡流。另外，在专利文献1中也指出，在挖掘中因地磁的影响，在存在于挖掘部内的导电体中产生涡流。


技术实现要素：

3.在专利文献1中，介绍了在传感器组的数据被改坏的情况下的各种技术。然而，在专利文献1中，未明确表示正确地计测挖掘中的挖掘部的姿态的方法。近年来，为了提高效率，要求即使在挖掘中也计测姿态，但是在挖掘中的测量存在误差大的问题。本发明的目的是提供正确地计测挖掘中的挖掘部的姿态的技术。
4.本发明的计测装置使用从配置在地下挖掘机的挖掘部的至少3轴的加速度传感器中输出的加速度数据、和从配置在地下挖掘机的挖掘部的至少3轴的磁传感器中输出的磁场数据来求出姿态。本发明的计测装置具有姿态估计部和相位校正量计算部。姿态估计部基于加速度数据和磁场数据求出挖掘部的姿态。相位校正量计算部求出重力工具面和磁力工具面之间的偏移量，并设为估计偏移。更具体地说，姿态估计部将基于加速度数据的重力工具面设为计测重力工具面，将基于磁场数据的磁力工具面设为计测磁力工具面，将计测重力工具面和计测磁力工具面之间的偏移量与估计偏移量的差异量设为相位校正量，将以相位校正量校正了磁场数据而得的数据设为校正后磁场数据，并求出基于加速度数据和校正后磁场数据的姿态。
5.发明的效果
6.按照本发明的计测装置，求出与在挖掘时覆盖挖掘部的金属制的外壳中所产生的涡流的影响等所造成的磁场相位的变化对应的相位校正量，使用相位校正量求出姿态，所以即使在挖掘中也可以正确地计测挖掘部的姿态。
附图说明
7.图1是表示以往技术的校正动作的处理的例子的图。
8.图2是表示一边控制没有金属制的外壳的挖掘部的转速一边固定姿态下使用从配置在该挖掘部的3轴的加速度传感器中输出的加速度数据、和从配置在该挖掘部的3轴的磁
传感器中输出的磁场数据来求出的倾斜角的图。
9.图3是表示一边控制没有金属制的外壳的挖掘部的转速一边固定姿态下使用从配置在该挖掘部的3轴的加速度传感器中输出的加速度数据、和从配置在该挖掘部的3轴的磁传感器中输出的磁场数据来求出的方位角的图。
10.图4是表示一边控制具有金属制的外壳的挖掘部的转速一边固定姿态下使用从配置在该挖掘部的外壳内的3轴的加速度传感器中输出的加速度数据、和从配置在该挖掘部的外壳内的3轴的磁传感器中输出的磁场数据来求出的倾斜角的图。
11.图5是表示一边控制具有金属制的外壳的挖掘部的转速一边固定姿态下使用从配置在该挖掘部的外壳内的3轴的加速度传感器中输出的加速度数据、和从配置在该挖掘部的外壳内的3轴的磁传感器中输出的磁场数据来求出的方位角的图。
12.图6是表示本发明的计测系统的功能结构例的图。
13.图7是表示本发明的计测方法的处理流程的例子的图。
14.图8是表示一边控制具有金属制的外壳的挖掘部的转速一边固定姿态下使用从配置在该挖掘部的外壳内的3轴的加速度传感器中输出的加速度数据、和配置在该挖掘部的外壳内的从3轴的磁传感器中输出的磁场数据，以本发明的计测方法求出的倾斜角的图。
15.图9是表示一边控制具有金属制的外壳的挖掘部的转速一边固定姿态下使用从配置在该挖掘部的外壳内的3轴的加速度传感器中输出的加速度数据、和从配置在该挖掘部的外壳内的3轴的磁传感器中输出的磁场数据，以本发明的计测方法求出的方位角的图。
16.图10是表示计算机的功能结构例的图。
具体实施方式
17.以下，详细地说明本发明的实施方式。另外，对具有相同的功能的结构部附加相同的附图标记，省略重复说明。
18.【实施例1】
19.＜分析＞
20.作为本发明的对象的计测装置，使用从地下挖掘机的挖掘部上配置的3轴的加速度传感器中输出的加速度数据(a
x
，ay，az)和从3轴的磁传感器中输出的磁场数据(m
x
，my，mz)，来求出姿态。az是挖掘方向的加速度分量。a
x
和ay是与挖掘方向垂直的加速度分量且相互正交。mz是挖掘方向的磁力分量。m
x
和my是与挖掘方向垂直的磁力分量且相互正交。因此，使用从在实际的地下挖掘机的挖掘部上配置的3轴的加速度传感器中输出的加速度数据(a
x
，ay，az)和从3轴的磁传感器中输出的磁场数据(m
x
，my，mz)，在静止时和旋转时两方求出倾斜角和方位角。虽然没有表示结果的图，但是倾斜角的计测值不因静止时还是旋转时而变化。另一方面，方位角得到了在开始旋转时计测值从静止时的计测值产生变化这样的结果。即，可以预测由于挖掘部的旋转，方位角产生了误差。
21.接着，示出为了确认预测而进行的实验的结果。一边控制没有金属制的外壳的挖掘部的转速一边固定姿态下，使用从配置在该挖掘部的3轴的加速度传感器中输出的加速度数据(a
x
，ay，az)、和从配置在该挖掘部的3轴的磁传感器中输出的磁场数据(m
x
，my，mz)来求出倾斜角和方位角，将求出的倾斜角在图2中表示，将求出的方位角在图3中表示。另外，一边控制有金属制的外壳的挖掘部的转速一边固定姿态下，使用从配置在该挖掘部的外壳
内的3轴的加速度传感器中输出的加速度数据(a
x
，ay，az)、和从配置在该挖掘部的外壳内的3轴的磁传感器中输出的磁场数据(m
x
，my，mz)来求出倾斜角和方位角，将求出的倾斜角在图4中表示，将求出的方位角在图5中表示。图2和图4的左侧的纵轴表示倾斜角(deg)，图3和图5的左侧的纵轴表示方位角(deg)。图2～5的右侧的纵轴表示设定的挖掘部的转速(rpm)，横轴表示测量的时刻(时：分：秒)。中空的圆表示使用挖掘部在静止时的加速度数据(a
x
，ay，az)和磁场数据(m
x
，my，mz)来求出的结果(静止时的计测值)。方形表示使用加速度数据(a
x
，ay，az)和磁场数据(m
x
，my，mz)定期地继续求出的结果。另外，在挖掘部在旋转时，在加速度数据(a
x
，ay，az)和磁场数据(m
x
，my，mz)中包含起因于振动等的各种干扰，所以将倾斜角和方位角预先包含在卡尔曼滤波器的状态量中，将加速度数据(a
x
，ay，az)和磁场数据(m
x
，my，mz)作为输入，使用卡尔曼滤波器(kalman filter)求出倾斜角和方位角。
22.这里，(a
x
，ay，az)是起因于重力的加速度数据，az是挖掘方向的重力加速度分量，a
x
和ay是与挖掘方向垂直的重力加速度分量且相互正交。这时，倾斜角(inc)如以下那样定义。
[0023][0024]
即，在求出倾斜角的计算中不使用磁场数据(m
x
，my，mz)。由图2和图4的结果可知，在仅通过加速度数据进行的求出倾斜角的计算中，不受金属制的外壳的影响，以及在挖掘部处于静止时和处于旋转时都估计相同的倾斜角。另一方面，方位角(azm)如以下那样定义。
[0025][0026]
在求出方位角的计算中使用加速度数据(a
x
，ay，az)和磁场数据(m
x
，my，mz)两者。由图3的结果可知，在没有金属制的外壳的挖掘部的情况下，在静止时和旋转时都表示大致相同的方位角。在图5中，在挖掘部以100rpm旋转时，与静止时相比变化0.5度左右方位角，在以200rpm旋转时，与静止时相比变化1.0度左右方位角。从图5的结果可知，在金属制的外壳中配置了加速度传感器和磁传感器的情况下，根据挖掘部的转速，估计值受到影响。从图2～5的结果可知，金属制的外壳的旋转对在内部配置的磁传感器计测的磁场数据产生影响。
[0027]
如上述那样，在非专利文献1中表示在屏蔽交变磁场的导电体中产生涡流。在本发明的情况下，虽然地磁固定，但是金属制的外壳旋转。认为由于该旋转，与屏蔽交变磁场的情况相同的那样，在外壳中产生了涡流。另外，在非专利文献1中，如下表示将d设为圆筒的直径、将d设为圆筒的厚度、将ρ设为金属的电阻率、将f设为磁场的频率、将μ0设为空气的导磁率、将j设为虚数单位时的、圆筒内部的磁场的强度hi与没有圆筒时的磁场的强度ho的关系。
[0028][0029]
由于在右边的分母中存在虚数部，所以可知磁场的相位变化。实际的地下挖掘机的挖掘部被金属制的外壳覆盖。因此，若使用旋转着的挖掘部内计测的加速度数据和磁场数据，不考虑磁场的相位的变化而求出方位角，则在方位角中包含许多误差。由此，在使用从配置在地下挖掘机的挖掘部的3轴的加速度传感器中输出的加速度数据(a
x
，ay，az)、和从配置在地下挖掘机的挖掘部的3轴的磁传感器中输出的磁场数据(m
x
，my，mz)来求出姿态(倾斜角、方位角、俯角等)时，需要考虑当挖掘部在旋转时磁场的相位变化的情况。
[0030]
＜实施例＞
[0031]
图6表示本发明的计测系统的功能结构例。在图7中表示本发明的计测方法的处理流程的例子。本发明的计测系统10具有计测装置100、至少3轴的加速度传感器310、至少3轴的磁传感器320。至少3轴的加速度传感器310和至少3轴的磁传感器320被配置在地下挖掘机的挖掘部内。挖掘部被金属制的外壳覆盖，至少3轴的加速度传感器310和至少3轴的磁传感器320被容纳在金属制的外壳内。理论上，若有来自3轴的加速度传感器310和3轴的磁传感器320的数据，则以下说明的计测系统起作用。但是，以提高精度等为目的，可以对1轴具备多个加速度传感器或者磁传感器，也可以具备4轴或者5轴等加速度传感器、磁传感器。因此，在上述的说明中表现为“至少3轴”。以下，说明具备3轴的加速度传感器310和3轴的磁传感器320的情况。
[0032]
计测装置100使用从配置在地下挖掘机的挖掘部的3轴的加速度传感器310输出的加速度数据(a
x
，ay，az)、和从配置在地下挖掘机的挖掘部的3轴的磁传感器320输出的磁场数据(m
x
，my，mz)来求出姿态。另外，就加速度数据(a
x
，ay，az)和磁场数据(m
x
，my，mz)而言，不是使用从3轴的加速度传感器310和3轴的磁传感器320直接输出的数据，而使用进行了滤波处理、温度校正等处理后的数据。计测装置100由程序控制，并具备处理信息的处理器105。处理器105具有姿态估计部110、相位校正量计算部170以及存储器190。姿态估计部110基于加速度数据和磁场数据来求出挖掘部的姿态。另外，“姿态”包含倾斜角(inc)和方位角(azm)、俯角(dip)。另外，az是挖掘方向的加速度分量。a
x
和ay是与挖掘方向垂直的加速度分量且相互正交。mz是挖掘方向的磁力分量。m
x
和my是与挖掘方向垂直的磁力分量且相互正交。另外，在挖掘部处于旋转时，在加速度数据(a
x
，ay，az)和磁场数据(m
x
，my，mz)中包含起因于振动等的各种干扰。姿态估计部110利用卡尔曼滤波器等以往技术除去干扰分量，基于起因于重力的加速度数据(a
x
，ay，az)和磁场数据(m
x
，my，mz)，求出倾斜角(inc)、方位角(azm)、俯角(dip)、重力工具面(gtf)，磁力工具面(mtf)。
[0033]
姿态估计部110将挖掘部处于静止时的加速度数据(a
x
，ay，az)和磁场数据(m
x
，my，mz)作为输入，并求出姿态等的初始值(s101)。具体地说，如以下那样求出作为初始值的倾斜角(inc0)、方位角(azm0)、俯角(dip0)、重力工具面(gtf0)、磁力工具面(mtf0)即可。
[0034][0035][0036][0037][0038][0039]
在挖掘部处于旋转期间，相位校正量计算部170基于姿态估计部110求出的姿态，求出重力工具面和磁力工具面之间的偏移量，并作为估计偏移量(tfo)来记录在存储器190中(s170)。例如，在挖掘部处于旋转期间，将从最近求出的倾斜角(inc)、方位角(azm)、俯角(dip)求出的偏移量更新为新的估计偏移量(tfo)即可。具体的计算方法等在后叙述。在图7所示的步骤s101中，姿态估计部110将基于挖掘部处于静止时的加速度数据(a
x
，ay，az)和磁场数据(m
x
，my，mz)求出的重力工具面(gtf)和从磁力工具面(mtf)求出的偏移设为估计偏移量(tfo)，记录在存储器190中。具体地说，如tfo＝mtf－gtf那样求出重力工具面(gtf)、磁力工具面(mtf)、估计偏移量(tfo)即可。
[0040]
计测装置100取得从配置在地下挖掘机的挖掘部的3轴的加速度传感器310中输出的加速度数据(a
x
，ay，az)、和从配置在地下挖掘机的挖掘部的3轴的磁传感器320中输出的磁场数据(m
x
，my，mz)(s300)。姿态估计部110将加速度数据(a
x
，ay，az)和磁场数据(m
x
，my，mz)作为输入，并利用卡尔曼滤波器等以往技术除去干扰分量，求出作为姿态的倾斜角(inc)、方位角(azm)、俯角(dip)、重力工具面(gtf)、磁力工具面(mtf)(s110)。只要可以除去干扰分量，也可以是卡尔曼滤波器以外的以往技术。在使用卡尔曼滤波器的情况下，例如，在卡尔曼滤波器的状态量中预先包含倾斜角(inc)、方位角(azm)、俯角(dip)、重力工具面(gtf)，将加速度数据(a
x
，ay，az)和磁场数据(m
x
，my，mz)作为输入，并使用卡尔曼滤波器求出作为状态量的倾斜角(inc)、方位角(azm)、俯角(dip)、重力工具面(gtf)即可。在卡尔曼滤波器的状态量中也可以包含其它状态量。例如，也可以将重力工具面(gtf)的旋转速度设为状态量。这里，将(a
x
，ay，az)设为在加速度数据(a
x
，ay，az)中包含的重力分量的加速度数据(a
x
，ay，az)。计测重力工具面(mgtf)、计测磁力工具面(mmtf)、加速度数据(a
x
，ay，az)、磁场数据(m
x
，my，mz)的关系如以下那样。
[0041][0042][0043]
如在分析中说明的那样，由于在旋转时在金属制的外壳中产生的涡流的影响等，磁力工具面的相位发生变化。因此，将计测重力工具面(mgtf)和计测磁力工具面(mmtf)的偏移量与估计偏移量(tfo)的差异量设为相位校正量(pdm)，如以下那样定义。
[0044]
pdm＝mmtf－mgtf－tfo
[0045]
另外，估计偏移量(tfo)是在存储器190中记录的数据。即，图7所示的处理的循环的第1次是在步骤s101中求出的估计偏移量(tfo)，在处理的循环的第2次以后中，是在前1次的循环的步骤s170中求出的估计偏移量(tfo)。
[0046]
用相位校正量校正了磁场数据(m
x
，my，mz)的校正后磁场数据(m
x
，my，mz)具有下式那样的关系。
[0047]mx
＝m
x
cos(pdm)-mysin(pdm)
[0048]my
＝m
x
sin(pdm) mycos(pdm)
[0049]mz
＝mz[0050]
磁力工具面(mtf)受到挖掘部的旋转的影响(涡流的影响、磁传感器自身的相位延迟等)，但是难以受到其它原因造成的干扰的影响，所以在步骤s110中姿态估计部110如
[0051][0052]
那样使用校正后磁场数据(m
x
，my，mz)求出即可。
[0053]
基于加速度数据(a
x
，ay，az)和校正后磁场数据(m
x
，my，mz)，倾斜角(inc)、方位角(azm)、俯角(dip)具有以下那样的关系。
[0054][0055][0056][0057]
相位校正量计算部170从姿态估计部110求出的倾斜角(inc)、方位角(azm)、俯角(dip)，如
[0058][0059]
其中
[0060]
s＝cos(dip)
·
cos(inc)
·
cos(azm)-sin(dip)
·
sin(inc)
[0061]
那样求出估计偏移量tfo，并更新存储器190中记录的估计偏移量tfo(s170)。然后，返回步骤s300。若通过步骤s170更新估计偏移量(tfo)，则也可以追踪在挖掘部处于旋转期间变化了的重力工具面和磁力工具面之间的偏移量，因此可以正确地求出姿态。
[0062]
＜实验＞
[0063]
一边控制有金属制的外壳的挖掘部的转速一边固定挖掘部的姿态下，使用从配置在该挖掘部的外壳内的3轴的加速度传感器中输出的加速度数据(a
x
，ay，az)、和从配置在该挖掘部的外壳内的3轴的磁传感器中输出的磁场数据(m
x
，my，mz)，通过还包含在实施例中说明的步骤s170的本发明的计测方法求出的倾斜角表示在图8中，将求出的方位角表示在图9中。图8的左侧的纵轴表示倾斜角(deg)，图9的左侧的纵轴表示方位角(deg)。图8和图9的右侧的纵轴表示设定的挖掘部的转速(rpm)，横轴表示测量的时刻(时：分：秒)。中空的圆表示使用挖掘部处于静止时的加速度数据(a
x
，ay，az)和磁场数据(m
x
，my，mz)来求出的结果(静止时的计测值)。方形表示使用加速度数据(a
x
，ay，az)和磁场数据(m
x
，my，mz)定期地继续求出的结果。另外，将倾斜角和方位角包含在卡尔曼滤波器的状态量中，将加速度数据(a
x
，ay，az)和磁场数据(m
x
，my，mz)作为输入，并使用卡尔曼滤波器求出倾斜角和方位角。从图8和图9可知，可以估计即使在挖掘部处于旋转时也不受金属制的外壳的影响的倾斜角和方位角。因此，可知可以充分降低旋转时在金属制的外壳中产生的涡流的影响。
[0064]
按照本发明的计测装置，由于求与在挖掘时覆盖挖掘部的金属制的外壳中产生的涡流的影响所造成的磁场的相位的变化、因旋转引起的磁传感器自身的相位延迟等对应的相位校正量，并使用相位校正量来求出姿态，因此可以减轻由于挖掘部的旋转所产生的影响。由此，即使在挖掘中也可以正确地计测挖掘部的姿态。
[0065]
[程序，记录介质]
[0066]
上述的各种处理可以通过在图10所示的计算机2000的记录部2020中读入由于使上述方法的各步骤执行的程序，使控制部2010、输入部2030、输出部2040、显示部2050等动作来实施。
[0067]
记述了该处理内容的程序可以记录在计算机可读取的记录介质中。作为计算机可读取的记录介质，例如可以是磁记录装置、光盘、光磁记录介质、半导体存储器等任意介质。
[0068]
而且，该程序的流通例如通过销售、转让、租借等记录了该程序的dvd、cd-rom等可拆装型记录介质来进行。进而，也可以设为将该程序存储在服务器计算机的存储装置中，经由网络，通过将该程序从服务器计算机转发到其它计算机，使该程序流通的结构
[0069]
执行这样的程序的计算机例如首先将可拆装型记录介质中记录的程序或者从服务器计算机转发的程序暂时存储在自己的存储装置中。然后，在执行处理时，该计算机读取自己的记录装置中存储的程序，执行按照读取的程序的处理。而且，作为该程序其它执行方式，计算机也可以从可拆装型记录介质直接读取程序，执行按照该程序的处理，进而，也可以在每次从服务器计算机对该计算机转发程序时，逐次执行按照接受的程序的处理。而且，
也可以设为通过不进行从服务器计算机向该计算机的程序的转发，仅通过该执行指令和结果取得来实现处理功能的、所谓asp(application service provider，应用服务提供商)型的服务，执行上述的处理的结构。而且，本方式中的程序中，包含供电子计算机的处理用的信息即基于程序的信息(虽然不是对于计算机的直接的指令，但是具有规定计算机的处理的性质的数据等)。
[0070]
另外，在本方式中，设为通过在计算机上执行规定的程序来构成本装置，但是也可以硬件性地实现这些处理内容的至少一部分。