JP2021051060A

JP2021051060A - 計測装置

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Publication number: JP2021051060A
Application number: JP2020119621A
Authority: JP
Inventors: 寛史有田; Hiroshi Arita
Original assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Current assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Priority date: 2019-09-25
Filing date: 2020-07-13
Publication date: 2021-04-01
Anticipated expiration: 2040-07-13
Also published as: EP3798372B1; US11505915B2; CN112556688A; EP3798372A1; US20210087787A1; JP7401404B2; CN112556688B

Abstract

【課題】計測装置の消費電力を低減する。【解決手段】本発明の計測装置は、地中掘削機の掘削部に配置するための計測装置である。本発明の計測装置は、第１計測モジュール、第２計測モジュール、情報処理プロセッサを備える。第１計測モジュールは、高精度に計測するための３軸の第１加速度センサと３軸の第１磁気センサを有する。第２計測モジュールは、掘削中に計測するための３軸の第２加速度センサと３軸の第２磁気センサを有する。情報処理プロセッサは、第１計測モジュールと第２計測モジュールを制御するとともに、第１計測モジュールまたは第２計測モジュールの出力データに基づいて掘削部の位置と姿勢を求める。また、第２加速度センサと第２磁気センサは、ＭＥＭＳセンサである。【選択図】図３

Description

本発明は、地中掘削機の掘削部に配置され、掘削位置を計測するための計測装置に関する。

地中掘削機の掘削部に配置される計測装置の従来技術として、特許文献１に記載された計測装置および、非特許文献１に記載された計測装置などが知られている。どちらの計測装置も、３軸の加速度センサと３軸の磁気センサと情報処理プロセッサを備えている。図１は特許文献１の図５に示された処理フローを示す図である。図２は非特許文献１の図１に示された計測装置の構成を示す図である。特許文献１では、ロッド１本分の掘削が終了するごとに、計測が行われている。つまり、掘削の停止中に掘削部の先端の位置を求めている。一方、非特許文献１には、計測装置は掘削の停止中だけでなく、掘削中にも計測可能であることが示されている。非特許文献１の説明では、実際の掘削環境下では、掘削による“振動”と“回転”が両方同時に地中掘削機全体に加わることが示され、これらの影響を除去して、傾斜角と方位角を演算する方法が示されている。具体的には、外乱に強い耐性を持つUnscented Kalman Filterを採用し、予測プロセスと補正プロセスを時間ステップ毎に繰り返すことで、傾斜角と方位角などの状態量を精度良く演算している。予測プロセスでは、１ステップ前の状態量に対して、掘削時のツールの振動と回転を考慮した物理モデルを適用して現在時刻での状態量を予測している。補正プロセスでは、予測値に対して、現在時刻で得られた加速度センサと磁気センサのデータを使って、外乱ノイズの影響が最小となるように補正している。

国際公開２０１５／１１１７１３号

有田寛史, 山田孝純, 井上雄介, "デジタル・ディレクショナル・モジュールの開発 (Development of Digital Directional Module)", 航空電子技報 (JAE Technical Report), No.39, 2017.3. ［２０２０年４月１６日検索］、インターネット<https://www.jae.com/corporate/rd/tech-report/39/>．

非特許文献１には掘削中にも計測可能であることが示されているが、掘削中にも電力を消費することになる。本発明は、計測装置の消費電力の低減を目的とする。

本発明の計測装置は、地中掘削機の掘削部に配置するための計測装置である。本発明の計測装置は、第１計測モジュール、第２計測モジュール、情報処理プロセッサを備える。第１計測モジュールは、高精度に計測するための３軸の第１加速度センサと３軸の第１磁気センサを有する。第２計測モジュールは、掘削中に計測するための３軸の第２加速度センサと３軸の第２磁気センサを有する。情報処理プロセッサは、第１計測モジュールと第２計測モジュールを制御するとともに、第１計測モジュールまたは第２計測モジュールの出力データに基づいて掘削部の位置と向きを求める。また、第２加速度センサと第２磁気センサは、ＭＥＭＳセンサである。

本発明の計測装置によれば、掘削中には消費電力が小さいＭＥＭＳセンサを用いるので、計測装置の消費電力を低減できる。

特許文献１の図５に示された掘削停止のときの計測処理のフローを示す図。非特許文献１の図１に示された計測装置の構成を示す図。本発明の計測装置の機能構成を示す図。第１計測モジュールの出力データに基づいて掘削部の位置と姿勢を求めると共に、第２計測モジュールの校正データを評価する処理のフローを示す図。第２計測モジュールの出力データに基づいて掘削部の位置と姿勢を求める処理のフローを示す図。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。

図３は、本発明の計測装置の機能構成を示す図である。図４は、第１計測モジュールの出力データに基づいて掘削部の位置と姿勢を求めると共に、第２計測モジュールの校正データを評価する処理のフローを示す図である。図５は、第２計測モジュールの出力データに基づいて掘削部の位置と姿勢を求める処理のフローを示す図である。

計測装置１００は、地中掘削機の掘削部に配置するための計測装置である。計測装置１００は、第１計測モジュール１１０、第２計測モジュール１２０、情報処理プロセッサ１３０を備える。計測装置１００は、掘削部内に配置された電池（図示されていない）から給電される構成にすればよい。第１計測モジュール１１０は、高精度に計測するための３軸の第１加速度センサ１１１と３軸の第１磁気センサ１１２とＡＤ変換器１１３を有する。第１加速度センサ１１１は、あらかじめ定めたＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の加速度を計測する。第１磁気センサ１１２は、あらかじめ定めたＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の地磁気を計測する。ＡＤ変換器１１３は、第１加速度センサ１１１と第１磁気センサ１１２の出力をＡＤ変換し、デジタル信号の出力データを得る。なお、ＡＤ変換器１１３は、第１計測モジュール１１０の外部に配置してもよい。具体的には、非特許文献１に示された加速度センサと磁気センサを利用すれば、高精度の計測が可能である。ただし、非特許文献１に示された加速度センサと磁気センサを掘削中も使い続けると、消費電力が大きくなり、掘削部内に配置された電池を交換する頻度が高くなってしまう。また、非特許文献１に示された加速度センサと磁気センサは、高精度に計測できるが、ダイナミックレンジは狭い。したがって、掘削による振動、衝撃、回転の影響を強く受けると、計測値が飽和してしまうリスクもある。

第２計測モジュール１２０は、掘削中に計測するための３軸の第２加速度センサ１２１と３軸の第２磁気センサ１２２とＡＤ変換器１２３を有する。第２加速度センサ１２１と第２磁気センサ１２２は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）方式のセンサである。第２加速度センサ１２１は、あらかじめ定めたＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の加速度を計測する。第２磁気センサ１２２は、あらかじめ定めたＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の地磁気を計測する。ＡＤ変換器１２３は、第２加速度センサ１２１と第２磁気センサ１２２の出力をＡＤ変換し、デジタル信号の出力データを得る。なお、ＡＤ変換器１２３は、第２計測モジュール１２０の外部に配置してもよい。また、第２計測モジュール１２０は、第２加速度センサ１２１と第２磁気センサ１２２の他にもＭＥＭＳ方式の別のセンサを備えてもよい。

情報処理プロセッサ１３０は、第１計測モジュール１１０と第２計測モジュール１２０を制御するとともに、第１計測モジュール１１０または第２計測モジュール１２０の出力データに基づいて掘削部の位置と姿勢を求める。例えば、情報処理プロセッサ１３０は、第１校正部１３１、第２校正部１３２、評価部１３３、記録部１３４、第１計算部１３５、第２計算部１３６、第１電源制御部１３７を備える。記録部１３４は、第１加速度センサ１１１、第１磁気センサ１１２、第２加速度センサ１２１、第２磁気センサ１２２を校正するための校正データを記録している。校正データは、出荷前に工場で記録部１３４に記録しておけばよい。

まず、図４を参照しながら、第１計測モジュール１１０の出力データに基づいて掘削部の位置と姿勢を求めると共に、第２計測モジュール１２０の校正データを評価する処理のフローを説明する。第１加速度センサ１１１が、あらかじめ定めたＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の加速度を計測し、第１磁気センサ１１２が、あらかじめ定めたＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の地磁気を計測する（Ｓ１１０）。そして、計測された結果はデジタル化され、第１計測モジュール１１０の出力データとして情報処理プロセッサ１３０に入力される。第２加速度センサ１２１が、あらかじめ定めたＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の加速度を計測し、第２磁気センサ１２２が、あらかじめ定めたＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の地磁気を計測する（Ｓ１２０）。そして、計測された結果はデジタル化され、第２計測モジュール１２０の出力データとして情報処理プロセッサ１３０に入力される。

第１校正部１３１は、記録部１３４に記録された校正データに基づいて第１計測モジュール１１０の出力データを校正する（Ｓ１３１）。第２校正部１３２は、記録部１３４に記録された校正データに基づいて第２計測モジュール１２０の出力データを校正する（Ｓ１３２１）。なお、第１校正部１３１と第２校正部１３２は、掘削部に備えられている温度センサ（図示していない）などから温度データなどの周囲の状況に関するデータも取得し、校正に利用してもよい。

評価部１３３は、ステップＳ１３１で校正された第１計測モジュール１１０の出力データと、ステップＳ１３２１で校正された第２計測モジュール１２０の出力データとを比較し、校正された第２計測モジュール１２０の出力データの誤差を求める（Ｓ１３３）。つまり、校正された第２計測モジュール１２０の出力データの評価を行う。例えば、求めた誤差を記録部１３４に記録し、後述する第２計測モジュール１２０の出力データの校正の処理（Ｓ１３２２）または第２計算部１３６の計算の処理（Ｓ１３６）で、補正を行ってもよい。この場合は、情報処理プロセッサ１３０は、第１計測モジュール１１０の出力データに基づいて、第２計測モジュール１２０の出力データの誤差を補正することになる。また、例えば、求めた誤差にしたがって、記録部１３４が記憶している校正データ自体を補正してもよい。この場合は、情報処理プロセッサ１３０は、第１計測モジュール１１０の出力データに基づいて、記録部１３４に記録された第２計測モジュール１２０の校正データを補正することになる。

第１計算部１３５は、ステップＳ１３１で校正された第１計測モジュール１１０の出力データから掘削部の位置と姿勢を求める（Ｓ１３５）。つまり、情報処理プロセッサ１３０は、第１計測モジュール１１０の出力データに基づいて掘削部の位置と姿勢を求める。図４に示した処理を掘削の停止中に行う場合は、例えば、特許文献１に示された計算を利用すればよい。図４に示した処理を掘削中に行う場合は、例えば、非特許文献１に示されたUnscented Kalman Filterを用いた方法を採用すればよい。ただし、第１計測モジュール１１０は高精度で計測できるので、一般的には加速度のダイナミックレンジは狭い。したがって、掘削による振動、衝撃、回転の影響を強く受けているときには、図４の処理は避ける方が望ましい。

なお、情報処理プロセッサ１３０は、第２電源制御部１３８も備えてもよい。例えば、ステップＳ１２０の処理が終了後から次のステップＳ１２０の処理を開始するまでの間、第２電源制御部１３８は、掘削部内に配置された電池から第２計測モジュール１２０への給電を切ることで、第２計測モジュール１２０の電源をオフにしてもよい。この処理により、第２計測モジュール１２０での電力消費を止めることができる。ただし、第２計測モジュール１２０は、ＭＥＭＳ方式のセンサを有しているので、消費電力は小さい。したがって、第２電源制御部１３８を設けなくてもよい。

掘削中の処理フローについて説明する。掘削を開始する前に、情報処理プロセッサ１３０の第１電源制御部１３７は、掘削部内に配置された電池から第１計測モジュール１１０への給電を切ることで、第１計測モジュール１１０の電源をオフにする。この処理により、第１計測モジュール１１０での電力消費を止めることができる。次に、図５を参照しながら、第２計測モジュール１２０の出力データに基づいて掘削部の位置と姿勢を求める処理のフローを説明する。第２加速度センサ１２１が、あらかじめ定めたＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の加速度を計測し、第２磁気センサ１２２が、あらかじめ定めたＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の地磁気を計測する（Ｓ１２０）。そして、計測された結果はデジタル化され、第２計測モジュール１２０の出力データとして情報処理プロセッサ１３０に入力される。

第２校正部１３２は、記録部１３４に記録された校正データに基づいて第２計測モジュール１２０の出力データを校正する（Ｓ１３２２）。なお、第２校正部１３２は、掘削部に備えられている温度センサ（図示していない）などから温度データなどの周囲の状況に関するデータも取得し、校正に利用してもよい。また、ステップＳ１３２２の校正では、記録部１３４に第２計測モジュール１２０の出力データの誤差が記録されている場合は、誤差分の補正を行ってもよい。

第２計算部１３６は、ステップＳ１３２２で校正された第２計測モジュール１２０の出力データから掘削部の位置と姿勢を求める（Ｓ１３６）。つまり、情報処理プロセッサ１３０は、第２計測モジュール１２０の出力データに基づいて掘削部の位置と姿勢を求める。ステップＳ１３６の計算では、非特許文献１に示されたUnscented Kalman Filterを用いた方法を採用すればよい。また、記録部１３４に第２計測モジュール１２０の出力データの誤差が記録され、ステップＳ１３２２で誤差が使用されていないときは、計算する際に、ステップＳ１３２２で得た構成された出力データを補正してもよい。

第２計測モジュール１２０の第２加速度センサ１２１と第２磁気センサ１２２はＭＥＭＳセンサなので、小消費電力である。したがって、掘削中の電力消費を低減できる。一般的には、掘削時間３０〜６０分に対して掘削を停止している時間は１分程度なので、掘削中の電力消費を抑えることで全体の消費電力を小さくできる。よって、掘削部内に配置されている電池を交換する間隔を長くできる。また、第１計測モジュール１１０の第１加速度センサ１１１と第１磁気センサ１１２に比べると計測精度は低いが、ダイナミックレンジを広くできる。つまり、掘削中の振動、衝撃、回転の影響を受けても計測値が飽和してしまうリスクが低い。したがって、掘削中も掘削部の位置と姿勢を知ることができる。

１００計測装置１１０第１計測モジュール
１１１第１加速度センサ１１２第１磁気センサ
１１３，１２３ＡＤ変換器１２０第２計測モジュール
１２１第２加速度センサ１２２第２磁気センサ
１３０情報処理プロセッサ１３１第１校正部
１３２第２校正部１３３評価部
１３４記録部１３５第１計算部
１３６第２計算部１３７第１電源制御部
１３８第２電源制御部

Claims

地中掘削機の掘削部に配置するための計測装置であって、
高精度に計測するための３軸の第１加速度センサと３軸の第１磁気センサを有する第１計測モジュールと、
掘削中に計測するための３軸の第２加速度センサと３軸の第２磁気センサを有する第２計測モジュールと、
前記第１計測モジュールと前記第２計測モジュールを制御するとともに、前記第１計測モジュールまたは前記第２計測モジュールの出力データに基づいて前記掘削部の位置と姿勢を求める情報処理プロセッサ
を備え、
前記第２加速度センサと前記第２磁気センサは、ＭＥＭＳセンサである
ことを特徴とする計測装置。
請求項１記載の計測装置であって、
前記情報処理プロセッサは、前記第１計測モジュールの出力データに基づいて、前記第２計測モジュールの出力データの誤差を補正する
ことを特徴とする計測装置。
請求項１記載の計測装置であって、
前記情報処理プロセッサは、前記第１計測モジュールの出力データに基づいて、前記第２計測モジュールの校正データを補正する
ことを特徴とする計測装置。
請求項１から３のいずれかに記載の計測装置であって、
前記情報処理プロセッサは、前記第１計測モジュールの電源をオフにする機能を有する
ことを特徴とする計測装置。
請求項１から４のいずれかに記載の計測装置であって、
当該計測装置は、地中掘削機の掘削部に配置された電池から給電される
ことを特徴とする計測装置。