JP3849250B2 - 磁気式３次元トラッカー - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、可動体の時々刻々の３次元的な位置および姿勢角（向き又は姿勢）をリアルタイムで測定する磁気式３次元トラッカーに係り、可動体の位置および姿勢角の測定精度を向上させるための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気式３次元トラッカーは、例えば、操縦中のパイロットの頭部の動きを、時々刻々捕捉するのに用いられている。ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）を装着した戦闘機パイロットは、半透明バイザーを通して見える外界情報と、半透明バイザーに映し出される各種情報を同時に確認しながら操縦を行う。パイロットが被っているヘルメットには３次元トラッカーの受信アンテナ（磁気センサ）が取り付けられていて、この受信アンテナから出力される磁界検出信号に基づきパイロットの頭部の動きが時々刻々捕捉されるとともに、３次元トラッカーによる捕捉結果に基づき、ミサイルを敵機の方に向ける自動制御が行われる。
【０００３】
磁気式３次元トラッカーの場合、パイロットからは離れて定位置に固定されているとともに１０ｋＨｚ程度の周波数の交流磁界を放射す放射アンテナと、パイロットのヘルメットに取り付けられているとともに放射アンテナからの交流磁界を受信する受信アンテナとを備え、受信アンテナから出力される磁界検出信号を解析処理することにより、パイロットの頭の位置・姿勢角を時々刻々求出する構成となっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の磁気式３次元トラッカーは、位置・姿勢角の測定精度が十分でないという問題がある。まわりにある金属物体に生じる渦電流が測定誤差を引き起こすからである。
まわりに金属物体がある場合、放射アンテナから放射される１０ｋＨｚ程度の交流磁界によって、金属物体に放射アンテナの交流磁界と同じ周波数の渦電流が生じると同時に、渦電流による２次的交流磁界が金属物体から放出される。一方、受信アンテナの方では、放射アンテナの交流磁界と一緒に２次的交流磁界も同時に検出されるので、受信アンテナの磁界検出信号は放射アンテナの交流磁界成分に同じ周波数で２次的交流磁界成分が重畳することになる。つまり、受信アンテナの磁界検出信号には、パイロットの頭部の動きとは無関係な金属物体の渦電流による２次的交流磁界成分が含まれることになり、これが位置・姿勢角の測定結果に誤差を生じさせて測定精度を低下させる。
【０００５】
この発明は、上記の事情に鑑み、位置・姿勢角の測定対象である可動体まわりの金属物体に生じる渦電流に起因する測定誤差を解消することができる磁気式３次元トラッカーを提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するため、この発明の磁気式３次元トラッカーは、可動体の時々刻々の３次元的な位置および姿勢角（向き）をリアルタイムで測定するトラッカーであって、測定対象である可動体からは離れて定位置に固定されているとともに交流磁界を放射する交流磁界放射手段と、可動体に一体的に取り付けられているとともに交流磁界を受信する交流磁界受信手段と、交流磁界受信手段から出力される磁界検出信号を解析処理することにより、測定対象の可動体の位置・姿勢角を求出する位置・姿勢角求出手段とを備えている磁気式３次元トラッカーにおいて、交流磁界放射手段に周波数の異なる交流磁界を放射させる励振駆動手段と、交流磁界放射手段から放射される周波数の異なる交流磁界に伴って交流磁界受信手段で検出される異なる周波数の磁界検出信号に基づき、前記可動体のまわりで発生する渦電流磁界による検出磁界分を求出する渦電流磁界求出手段と、交流磁界受信手段から出力される磁界検出信号から渦電流による検出磁界分を差し引いて補正磁界信号を得て位置・姿勢角求出手段へ出力する渦電流磁界除去手段とを備えている。
【０００７】
〔作用〕
次に、この発明の磁気式３次元トラッカーにおいて、３次元的な位置および姿勢角の測定対象である可動体のまわりの金属物体に生じる渦電流が引き起こす測定誤差を解消させる際の作用について説明する。
この発明の磁気式３次元トラッカーでは、励起駆動手段により、定位置に固定されている交流磁界放射手段から周波数の異なる交流磁界を放射させるとともに、可動体に一体的に取り付けられている交流磁界受信手段により、各周波数の交流磁界を受信し、それぞれ磁界検出信号を得た後、これらの磁界検出信号に基づき、渦電流磁界求出手段により、可動体のまわりで発生する渦電流による検出磁界分を求出する。そして、渦電流磁界除去手段により、交流磁界受信手段で得られた磁界検出信号から渦電流による検出磁界分を差し引いた補正磁界信号を得て、これを位置・姿勢角求出手段へ送る。位置・姿勢角求出手段では、補正磁界信号に基づく解析処理が行われ、測定対象の可動体の位置・姿勢角が求出される。
【０００８】
上の渦電流磁界求出ならびに渦電流磁界除去の理解容易のために、より具体的な説明を重ねて行う。
金属物体が、例えば、半径ａ，厚さｂ，電気抵抗率ρの金属板の場合、金属板から放出される渦電流磁界は、２π2 μ0 Ｂａ4 ｂｆ ／（８ρ）で示される磁気モーメントに比例する。μ0 は磁気透磁率，Ｂは交流磁界の振幅であり，ｆは交流磁界の周波数である。したがって、渦電流磁界は周波数ｆに比例するものとなる。金属物体の形状が変わっても事情は同様である。
交流磁界の周波数ｆ１の時の交流磁界受信手段の磁界検出信号Ｓ１とし、交流磁界の周波数ｆ２の時の交流磁界受信手段の磁界検出信号Ｓ２とする（ｆ１＞ｆ２）とする。又、ΔＳ＝Ｓ２−Ｓ１、Δｆ＝ｆ２−ｆ１である。そして、金属物体が無い状態で磁界検出信号Ｓ１＝磁界検出信号Ｓ２となるようセットしておく。
【０００９】
こうしておくと、測定対象の可動体のまわりに金属物体がある場合は、渦電流磁界によって磁界検出信号Ｓ１，Ｓ２の間に周波数差に比例する差が生じ、磁界検出信号Ｓ１，Ｓ２は１Ｈｚあたり、ΔＳ／Δｆの渦電流による検出磁界分を含むものとなる。したがって、磁界検出信号Ｓ１について言えば、渦電流磁界求出手段により（ΔＳ／Δｆ）・ｆ１の渦電流による検出磁界分を求出しておいて、渦電流磁界除去手段により〔Ｓ１−（ΔＳ／Δｆ）・ｆ１〕なる演算を行えば、渦電流による検出磁界分が除去された補正磁界信号が得られる。この補正磁界信号に基づき、位置・姿勢角求出手段で位置・姿勢角の求出が行われる。位置・姿勢角求出のもととなった補正磁界信号は渦電流による検出磁界分が除かれていることから、得られた位置・姿勢角の求出結果は、渦電流に起因する誤差を含まず、精度が十分なものとなる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施例を図面を参照しながら説明する。図１は実施例に係る磁気式３次元トラッカーの全体構成を示すブロック図、放射アンテナから出る交流磁界の周波数変化の１サイクル分の説明図である。
【００１１】
実施例の磁気式３次元トラッカーは、図１に示すように、位置および姿勢角（向き）の測定対象であるパイロットの頭部ＨＤからは離れて定位置に固定されているとともに交流磁界を放射するループ状の放射アンテナ（交流磁界放射手段）１と、パイロットの頭部ＨＤに被せられているヘルメットＨＭへ一体的に取り付けられているとともに交流磁界を受信するループ状の受信アンテナ（交流磁界受信手段）２とを備えている。放射アンテナ１は互いに直交する３つのコイル１ａ〜１ｃで構成され、受信アンテナ（磁気センサ）２も互いに直交する３つのコイル２ａ〜２ｃで構成されており、最終的には、放射アンテナ１を基準として受信アンテナ２の位置（α，β，γ）および姿勢角（Ψ，θ，φ）の６つのパラメータを求めることで、頭部ＨＤの時々刻々の動きを把握することになる。なお、実施例の場合、位置（α，β，γ）は球面座標表示であり、姿勢角（Ψ，θ，φ）はオイラ角表示である。
【００１２】
放射アンテナ１には、マルチプレクサ３を介して励起駆動部（励起駆動手段）４が接続されている。マルチプレクサ３は放射アンテナ１の各コイル１ａ〜１ｃを順に励起駆動部４に切替え接続する機能を果たす。励起駆動部４は、高周波発信部５と交流増幅部６とからなり、コントローラ７からの指令信号に基づいて高周波発信部５から出力される周波数ｆ１または周波数ｆ２の高周波信号が、交流増幅部６で増幅された後、マルチプレクサ３で選ばれたコイル１ａ〜１ｃのひとつに励振用の交流電力として供給される。勿論、順に交流電力を受けたコイル１ａ〜１ｃからは交流磁界が次々に放射される。
【００１３】
高周波発信部５は、図２（ａ）に示すように、各コイル１ａ〜１ｃから周波数ｆ１の交流磁界が順に放射されたあと周波数ｆ２の交流磁界が順に放射されるよう高周波信号の周波数を変化させるか、あるいは、図２（ｂ）に示すように、ひとつのコイルから周波数ｆ１の交流磁界が放射されたあと続いて、そのコイルから直ぐに周波数ｆ２の交流磁界が放射されてから、次のコイルに切り換えられて同様に交流磁界が放射されるよう高周波信号の周波数を変化させるかのいずれかの構成とされる。
交流磁界の周波数ｆ１，ｆ２の具体的数値としては、周波数ｆ１＝１０ｋＨｚ、周波数ｆ２＝２０ｋＨｚが例示されるが、受信アンテナ２がフェライトを用いたものであれば、感度の良好な範囲である１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの間から周波数ｆ１，ｆ２を選ぶのがよい。また、交流磁界の放射期間は、時々刻々の頭部ＨＤの動きを捉える場合、１００ｍＳＥＣ前後で計測すればよいから、例えば、図２に示すように、周波数ｆ１，ｆ２の各交流磁界の放射期間ＴＵを１０ｍＳＥＣ程度とし、１放射サイクルＴＳを６０ｍＳＥＣとする。
【００１４】
一方、受信アンテナ２には、マルチプレクサ８を介して検波増幅部９が接続されている。マルチプレクサ８は、コントローラ７の指令に従って、交流磁界の各放射期間ＴＵ毎に受信アンテナ２の各コイル２ａ〜２ｃを検波増幅部９に順に切替え接続する。したがって、放射アンテナ１のコイル１ａから放射された交流磁界は、受信アンテナ２の全コイル２ａ〜２ｃで受信されるとともに、マルチプレクサ８の働きにより、各コイル２ａ〜２ｃ毎の磁気検出信号が検波増幅部９に順に送り込まれる。
【００１５】
なお、実施例の場合、励起駆動部４から供給される交流電力の振幅が、受信アンテナ２のまわりに金属物体が無い状態では、周波数ｆ１の交流磁界による磁界検出信号と、周波数ｆ２の交流磁界による磁界検出信号が等しくなるように、調整される。
【００１６】
さらに、実施例の磁気式３次元トラッカーでは、図１に示すように、検波増幅部９の後に、ＡＤ変換部（図示省略）を介して、検波増幅部９から送出されてくる周波数ｆ１および周波数ｆ２の磁界検出信号に基づき、渦電流磁界による検出磁界分を求出する渦電流磁界求出部１０と、渦電流磁界求出部１０の後段に、磁界検出信号から渦電流による検出磁界分を差し引いて補正磁界信号を得る渦電流磁界除去部１１が順に接続されている。そして、渦電流磁界除去部１１を後には、渦電流磁界除去部１１からの補正磁界信号を解析することにより頭部ＨＤの位置・姿勢角を求出する位置・姿勢角求出部１２を備えている。
なお、渦電流磁界求出部１０や渦電流磁界除去部１１および位置・姿勢角求出部１２は、渦電流磁界による検出磁界分や位置・姿勢角などを求出するのに必要な演算を実行する機能を備えるものであり、コンピュータ（ＣＰＵ）およびその制御プログラムを中心に構成されているものである。
【００１７】
続いて、上述の構成を有する実施例のトラッカーによる頭部ＨＤの時々刻々の位置・姿勢角の求出動作を具体的に説明する。
頭部ＨＤの位置・姿勢角を求めることは、実質的に放射アンテナ１を原点として受信アンテナ２の時々刻々の位置と姿勢角を求めることである。以下、放射アンテナ１を原点とするＸ，Ｙ，Ｚ直交座標系を想定し、受信アンテナ２の位置は球面座標（α，β，γ）で求め、また姿勢角はオイラー角度（Ψ，θ，φ）で求めるようにする。
【００１８】
まず、渦電流による検出磁界分の求出について説明する。交流磁界の発生形態は、図２（ｂ）に示すとおり、放射アンテナ１のひとつのコイルから周波数ｆ１（＝１０ｋＨｚ）の交流磁界を放射したあと続いて、そのコイルから直ぐに周波数ｆ２（＝２０ｋＨｚ）の交流磁界を放射してから、次のコイルに切り換えて同様に交流磁界を放射する。放射アンテナ１から交流磁界が放射されるに伴って、受信アンテナ２で受信された信号は検波・増幅部９を経てＡＤ変換部（図示省略）でＡＤ変換されてから渦電流磁界求出部１０へ送り込まれる。
【００１９】
放射アンテナ１から交流磁界を放射して得られる磁界検出信号は、周波数ｆ１（＝１０ｋＨｚ）の放射による磁界検出信号Ｓ１＝（Ｓ1X，Ｓ1Y，Ｓ1Z）と、周波数ｆ２（＝２０ｋＨｚ）の放射による磁界検出信号Ｓ２＝（Ｓ2X，Ｓ2Y，Ｓ2Z）である。
但し、Ｓ1XはＸ軸用コイル１ａから周波数ｆ１の交流磁界を放射した時に各コイル２ａ〜２ｃからそれぞれ得られる３つの信号であり、Ｓ1YはＹ軸用コイル１ｂから周波数ｆ１の交流磁界を放射した時に各コイル２ａ〜２ｃからそれぞれ得られる３つの信号であり、Ｓ1ZはＺ軸用コイル１ｃから周波数ｆ１の交流磁界を放射した時に各コイル２ａ〜２ｃからそれぞれ得られる３つの信号であって、各々、Ｓ1X＝（S1XX,S1XY,S1XZ）…（１），Ｓ1Y＝（S1YX,S1YY,S1YZ）…（２），Ｓ1Z＝（S1ZX,S1ZY,S1ZZ）…（３）と示される。
又、Ｓ2Xはコイル１ａから周波数ｆ２の交流磁界を放射した時に各コイル２ａ〜２ｃからそれぞれ得られる３つの信号であり、Ｓ2Yはコイル１ｂから周波数ｆ２の交流磁界を放射した時に各コイル２ａ〜２ｃからそれぞれ得られる３つの信号であり、Ｓ2Zはコイル１ｃから周波数ｆ２の交流磁界を放射した時に各コイル２ａ〜２ｃからそれぞれ得られる３つの信号であって、Ｓ2X＝（S2XX,S2XY,S2XZ）…（４），Ｓ2Y＝（S2YX,S2YY,S2YZ）…（５），Ｓ2Z＝（S2ZX,S2ZY,S2ZZ）…（６）と示される。
【００２０】
そして、渦電流磁界求出部１０は、渦電流による検出磁界分Ｈｎを得るために、 Ｈｎ＝（ΔＳ／Δｆ）・ｆ１ …（７）
という演算を実行する。上の式（７）中、ΔＳは磁界検出信号Ｓ１，Ｓ２の差（＝Ｓ２−Ｓ１）であって、下の式（８）のマトリックスで示すとおりであり、Δｆは周波数ｆ１，ｆ２の差（＝ｆ２−ｆ１）である。検出磁界分Ｈｎは、次の渦電流磁界除去部１１に送出される。
なお、放射アンテナ１のまわりに金属物体のない場合には、Ｓ２＝Ｓ１であり、ΔＳ＝０となるので、Ｈｎ＝０である。
【００２１】
【数１】
【００２２】
そして、渦電流磁界除去部１１では、補正磁界信号Ｈを得るために、
Ｈ＝Ｓ１−Ｈｎ＝Ｓ１−（ΔＳ／Δｆ）・ｆ１ …（９）
を得る。なお、式（９）の補正磁界信号Ｈは、下の式（１０）で示すマトリックスで示されるものである。これで、測定対象まわりの金属物体に生じる渦電流による検出磁界分を除去できたことになり、補正磁界信号Ｈは次段の位置・姿勢角求出部１２に送られる。
【００２３】
【数２】
【００２４】
実施例のトラッカーの渦電流磁界求出部１０および渦電流磁界除去部１１の場合、具体的には、次のようにして処理が進行することになる。
Ｘ軸用コイル１ａからの周波数ｆ１の交流磁界の放射によりＳ1X＝（S1XX,S1XY,S1XZ）を得るとともに、Ｘ軸用コイル１ａからの周波数ｆ２の交流磁界の放射によりＳ2X＝（S2XX,S2XY,S2XZ）を得て、渦電流磁界求出部１０では、（７）式に従って、
ＨｎXX＝〔（S2XX−S1XX）／Δｆ〕・ｆ１
ＨｎXY＝〔（S2XY−S1XY）／Δｆ〕・ｆ１
ＨｎXZ＝〔（S2XZ−S1XZ）／Δｆ〕・ｆ１
が求められ、ついで渦電流磁界除去部１１では、（９）式に従って、
ＨXX＝S1XX−ＨｎXX
ＨXY＝S1XY−ＨｎXY
ＨXZ＝S1YZ−ＨｎXY
が求められる。
【００２５】
次に、Ｙ軸用コイル１ｂからの周波数ｆ１の交流磁界と周波数ｆ２の交流磁界の放射が行われて、Ｓ1Y＝（S1YX,S1YY,S1YZ）およびＳ2Y＝（S2YX,S2YY,S2YZ）が得られ、上と同様、ＨYX, ＨYY, ＨYZが求められた後、さらに、Ｚ軸用コイル１ｃからの周波数ｆ１の交流磁界と周波数ｆ２の交流磁界の放射が行われて、Ｓ1Z＝（S1ZX,S1ZY,S1ZZ）およびＳ2Z＝（S2ZX,S2ZY,S2ZZ）が得られ、上と同様、ＨZX, ＨZY, ＨZZが求められる。これで、補正磁界信号Ｈが求められたことになるのである。
上の補正磁界信号の求出過程の流れを図３のフローチャートに纏めて示す。
【００２６】
次に、補正磁界信号Ｈに基づく位置・姿勢角求出を説明する。原則的には下記の手順に従って、位置・姿勢角を求出することになる。
一般に放射アンテナ１が発生する伝達ベクトルＨ１と受信アンテナ２により得られる検出ベクトルＨ２とは、伝達関数Ｔを媒介として下の式（１１）に示すとおりに結び付けられる。
Ｈ２＝Ｔ・Ｈ１ …（１１）
受信アンテナ２の位置と方位が正確に知られている場合は、それらのデータを伝達関数に代入して、伝達関数を逆変換した逆伝達関数Ｔ-1を得る。逆伝達関数Ｔ-1と検出ベクトルＨ２の積は、下の式（１２）に示すように、伝達ベクトルＨ１に一致する。
Ｈ１＝Ｔ-1・Ｈ２ …（１２）
そして、受信アンテナ２の位置と姿勢角が正確に知られていない場合は、誤差信号を発生させて、伝達関数に代入する値を改善し、これを反復継続しよい一致を示す時のデータを正確な位置および姿勢角とするのであるが、以下、伝達関数Ｔに関し、具体的に説明する。
【００２７】
伝達関数Ｔは、下の式（１３）に示すように、受信アンテナ２の姿勢角に関する姿勢伝達関数ＴA と受信アンテナ２の位置に関する磁界伝達関数ＴB の積で表される。
Ｔ＝ＴA ・ＴB …（１３）
さらに、姿勢伝達関数ＴA は、下の式（１４）に示すように、受信アンテナ２の方位角Ψ，ピッチング角θ，ローリング角φのそれぞれのマトリックスの積からなる。
ＴA ＝ＴA1・ＴA2・ＴA3 …（１４）
方位角ΨのマトリックスＴA3は下の式（１５）で示すとおりであり、ピッチング角θのマトリックスＴA2は下の式（１６）で示すとおりであり，ローリング角φのマトリックス下ＴA1は下の式（１７）で示すとおりである。
【００２８】
【数３】
【００２９】
又、磁界伝達関数ＴB は、下の式（１８）でもって示される。
ＴB ＝（Ｃ／γ3 ）Ｔp -1・Ｊ・Ｔp …（１８）
Ｃは放射アンテナ１のコイル特性で決まる定数であり、γは勿論、放射アンテナ１と受信アンテナ２との距離（球面座標のγ）、Ｔp は下の式（１９）で示されるマトリックであって、式中のα，βは球面座標のα，βである。また、Ｊは下の式（２０）で示されるマトリックである。
【００３０】
【数４】
【００３１】
そして、位置・姿勢角求出部１２では、以下のように解析処理が進行し位置・姿勢角が求出されることになる。
先ず、式（９）の補正磁界信号Ｈに基づき、Ｈ２X ＝（ＨXX, ＨXY, ＨXZ），Ｈ２Y ＝（ＨYX, ＨYY, ＨYZ），Ｈ２Z ＝（ＨZX, ＨZY, ＨZZ）を得る。
次に、受信センサ２の位置（α，β，γ）および姿勢角（Ψ，θ，φ）の適当な仮データを選定する。
【００３２】
続いて、姿勢角（Ψ，θ，φ）の仮データを式（１５）〜（１７）に代入するとともに、式（１４）の演算を実行し、姿勢伝達関数ＴA を得る。又、位置（α，β，γ）の仮データを、式（１９）に代入するとともに、式（１８）の演算を実行し、磁界伝達関数ＴB を得る。ついで、伝達関数Ｔおよび逆伝達関数Ｔ-1を算出する。
【００３３】
さらに、式（１２）に従って、Ｈ１calc,X＝Ｔ-1・Ｈ２X ，Ｈ１calc,Y＝Ｔ-1・Ｈ２Y ，Ｈ１calc,Z＝Ｔ-1・Ｈ２Z を算出する。
【００３４】
そして、算出したＨ１calc,X，Ｈ１calc,Y，Ｈ１calc,Zと、放射コイル１から発信した実際のＨ１X ，Ｈ２Y ，Ｈ２Z を比較し、一致（同一ないし差が一定以内）すれば、先の仮のデータを求める位置および姿勢角と認定し、一致しないのであれば、仮のデータを変更し上記の過程を繰り返す。
上の位置・姿勢角求出過程の流れを図４のフローチャートに纏めて示す。
【００３５】
このように、実施例の磁気式３次元トラッカーでは、渦電流による検出磁界分が除かれた補正磁界信号Ｈに基づいて位置・姿勢角が求められるので、求出結果には渦電流に起因する誤差が含まれなくなることから、測定精度が十分なものとなる。
【００３６】
この発明は上記実施の形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。
（１）上記実施例では、放射アンテナ１から出力される異なる周波数の交流磁界が周波数ｆ１，ｆ２の２個であったが、異なる周波数の交流磁界が３個以上であってもよい。
【００３７】
（２）実施例のトラッカーは、パイロットの頭部の動きを捕捉するものであったが、この発明の磁気式３次元トラッカーは、特定の用途に限定されるものではない。
【００３８】
（３）実施例は仮のデータを代入して演算結果の一致を調べる解析方式であったが、補正磁界信号Ｈにおける９個の方程式を解く解析方式の構成のものも、変形例として挙げられる。
【００３９】
（４）実施例では、渦電流磁界除去部により、Ｈ＝Ｓ１−（ΔＳ／Δｆ）・ｆ１なる演算を行ったが、Ｈ＝Ｓ２−（ΔＳ／Δｆ）・ｆ２なる演算を行うようにしてもよい。
【００４０】
【発明の効果】
この発明の磁気式３次元トラッカーによれば、測定対象である可動体のまわりに測定誤差を引き起こす渦電流を生じる邪魔な金属物体がある場合でも、渦電流磁界求出手段により渦電流による検出磁界分が求出されるとともに、渦電流磁界除去手段により磁界検出信号から渦電流による検出磁界分が差し引かれた適切な補正磁界信号に基づき、可動体の位置および姿勢角が求出される構成であるので、求出された位置・姿勢角は渦電流に起因する誤差は含まれず、測定結果の精度が十分なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例に係る磁気式３次元トラッカーの全体構成を示すブロック図である。
【図２】放射アンテナから出る交流磁界の周波数変化の１サイクル分の説明図である。
【図３】補正磁界信号の求出過程の流れを示すフローチャートである。
【図４】位置・姿勢角求出過程の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ …放射アンテナ
２ …受信アンテナ
４ …励起駆動部
１０ …渦電流磁界求出部
１１ …渦電流磁界除去部
１２ …位置・姿勢角求出部
【発明の属する技術分野】
この発明は、可動体の時々刻々の３次元的な位置および姿勢角（向き又は姿勢）をリアルタイムで測定する磁気式３次元トラッカーに係り、可動体の位置および姿勢角の測定精度を向上させるための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気式３次元トラッカーは、例えば、操縦中のパイロットの頭部の動きを、時々刻々捕捉するのに用いられている。ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）を装着した戦闘機パイロットは、半透明バイザーを通して見える外界情報と、半透明バイザーに映し出される各種情報を同時に確認しながら操縦を行う。パイロットが被っているヘルメットには３次元トラッカーの受信アンテナ（磁気センサ）が取り付けられていて、この受信アンテナから出力される磁界検出信号に基づきパイロットの頭部の動きが時々刻々捕捉されるとともに、３次元トラッカーによる捕捉結果に基づき、ミサイルを敵機の方に向ける自動制御が行われる。
【０００３】
磁気式３次元トラッカーの場合、パイロットからは離れて定位置に固定されているとともに１０ｋＨｚ程度の周波数の交流磁界を放射す放射アンテナと、パイロットのヘルメットに取り付けられているとともに放射アンテナからの交流磁界を受信する受信アンテナとを備え、受信アンテナから出力される磁界検出信号を解析処理することにより、パイロットの頭の位置・姿勢角を時々刻々求出する構成となっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の磁気式３次元トラッカーは、位置・姿勢角の測定精度が十分でないという問題がある。まわりにある金属物体に生じる渦電流が測定誤差を引き起こすからである。
まわりに金属物体がある場合、放射アンテナから放射される１０ｋＨｚ程度の交流磁界によって、金属物体に放射アンテナの交流磁界と同じ周波数の渦電流が生じると同時に、渦電流による２次的交流磁界が金属物体から放出される。一方、受信アンテナの方では、放射アンテナの交流磁界と一緒に２次的交流磁界も同時に検出されるので、受信アンテナの磁界検出信号は放射アンテナの交流磁界成分に同じ周波数で２次的交流磁界成分が重畳することになる。つまり、受信アンテナの磁界検出信号には、パイロットの頭部の動きとは無関係な金属物体の渦電流による２次的交流磁界成分が含まれることになり、これが位置・姿勢角の測定結果に誤差を生じさせて測定精度を低下させる。
【０００５】
この発明は、上記の事情に鑑み、位置・姿勢角の測定対象である可動体まわりの金属物体に生じる渦電流に起因する測定誤差を解消することができる磁気式３次元トラッカーを提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するため、この発明の磁気式３次元トラッカーは、可動体の時々刻々の３次元的な位置および姿勢角（向き）をリアルタイムで測定するトラッカーであって、測定対象である可動体からは離れて定位置に固定されているとともに交流磁界を放射する交流磁界放射手段と、可動体に一体的に取り付けられているとともに交流磁界を受信する交流磁界受信手段と、交流磁界受信手段から出力される磁界検出信号を解析処理することにより、測定対象の可動体の位置・姿勢角を求出する位置・姿勢角求出手段とを備えている磁気式３次元トラッカーにおいて、交流磁界放射手段に周波数の異なる交流磁界を放射させる励振駆動手段と、交流磁界放射手段から放射される周波数の異なる交流磁界に伴って交流磁界受信手段で検出される異なる周波数の磁界検出信号に基づき、前記可動体のまわりで発生する渦電流磁界による検出磁界分を求出する渦電流磁界求出手段と、交流磁界受信手段から出力される磁界検出信号から渦電流による検出磁界分を差し引いて補正磁界信号を得て位置・姿勢角求出手段へ出力する渦電流磁界除去手段とを備えている。
【０００７】
〔作用〕
次に、この発明の磁気式３次元トラッカーにおいて、３次元的な位置および姿勢角の測定対象である可動体のまわりの金属物体に生じる渦電流が引き起こす測定誤差を解消させる際の作用について説明する。
この発明の磁気式３次元トラッカーでは、励起駆動手段により、定位置に固定されている交流磁界放射手段から周波数の異なる交流磁界を放射させるとともに、可動体に一体的に取り付けられている交流磁界受信手段により、各周波数の交流磁界を受信し、それぞれ磁界検出信号を得た後、これらの磁界検出信号に基づき、渦電流磁界求出手段により、可動体のまわりで発生する渦電流による検出磁界分を求出する。そして、渦電流磁界除去手段により、交流磁界受信手段で得られた磁界検出信号から渦電流による検出磁界分を差し引いた補正磁界信号を得て、これを位置・姿勢角求出手段へ送る。位置・姿勢角求出手段では、補正磁界信号に基づく解析処理が行われ、測定対象の可動体の位置・姿勢角が求出される。
【０００８】
上の渦電流磁界求出ならびに渦電流磁界除去の理解容易のために、より具体的な説明を重ねて行う。
金属物体が、例えば、半径ａ，厚さｂ，電気抵抗率ρの金属板の場合、金属板から放出される渦電流磁界は、２π2 μ0 Ｂａ4 ｂｆ ／（８ρ）で示される磁気モーメントに比例する。μ0 は磁気透磁率，Ｂは交流磁界の振幅であり，ｆは交流磁界の周波数である。したがって、渦電流磁界は周波数ｆに比例するものとなる。金属物体の形状が変わっても事情は同様である。
交流磁界の周波数ｆ１の時の交流磁界受信手段の磁界検出信号Ｓ１とし、交流磁界の周波数ｆ２の時の交流磁界受信手段の磁界検出信号Ｓ２とする（ｆ１＞ｆ２）とする。又、ΔＳ＝Ｓ２−Ｓ１、Δｆ＝ｆ２−ｆ１である。そして、金属物体が無い状態で磁界検出信号Ｓ１＝磁界検出信号Ｓ２となるようセットしておく。
【０００９】
こうしておくと、測定対象の可動体のまわりに金属物体がある場合は、渦電流磁界によって磁界検出信号Ｓ１，Ｓ２の間に周波数差に比例する差が生じ、磁界検出信号Ｓ１，Ｓ２は１Ｈｚあたり、ΔＳ／Δｆの渦電流による検出磁界分を含むものとなる。したがって、磁界検出信号Ｓ１について言えば、渦電流磁界求出手段により（ΔＳ／Δｆ）・ｆ１の渦電流による検出磁界分を求出しておいて、渦電流磁界除去手段により〔Ｓ１−（ΔＳ／Δｆ）・ｆ１〕なる演算を行えば、渦電流による検出磁界分が除去された補正磁界信号が得られる。この補正磁界信号に基づき、位置・姿勢角求出手段で位置・姿勢角の求出が行われる。位置・姿勢角求出のもととなった補正磁界信号は渦電流による検出磁界分が除かれていることから、得られた位置・姿勢角の求出結果は、渦電流に起因する誤差を含まず、精度が十分なものとなる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施例を図面を参照しながら説明する。図１は実施例に係る磁気式３次元トラッカーの全体構成を示すブロック図、放射アンテナから出る交流磁界の周波数変化の１サイクル分の説明図である。
【００１１】
実施例の磁気式３次元トラッカーは、図１に示すように、位置および姿勢角（向き）の測定対象であるパイロットの頭部ＨＤからは離れて定位置に固定されているとともに交流磁界を放射するループ状の放射アンテナ（交流磁界放射手段）１と、パイロットの頭部ＨＤに被せられているヘルメットＨＭへ一体的に取り付けられているとともに交流磁界を受信するループ状の受信アンテナ（交流磁界受信手段）２とを備えている。放射アンテナ１は互いに直交する３つのコイル１ａ〜１ｃで構成され、受信アンテナ（磁気センサ）２も互いに直交する３つのコイル２ａ〜２ｃで構成されており、最終的には、放射アンテナ１を基準として受信アンテナ２の位置（α，β，γ）および姿勢角（Ψ，θ，φ）の６つのパラメータを求めることで、頭部ＨＤの時々刻々の動きを把握することになる。なお、実施例の場合、位置（α，β，γ）は球面座標表示であり、姿勢角（Ψ，θ，φ）はオイラ角表示である。
【００１２】
放射アンテナ１には、マルチプレクサ３を介して励起駆動部（励起駆動手段）４が接続されている。マルチプレクサ３は放射アンテナ１の各コイル１ａ〜１ｃを順に励起駆動部４に切替え接続する機能を果たす。励起駆動部４は、高周波発信部５と交流増幅部６とからなり、コントローラ７からの指令信号に基づいて高周波発信部５から出力される周波数ｆ１または周波数ｆ２の高周波信号が、交流増幅部６で増幅された後、マルチプレクサ３で選ばれたコイル１ａ〜１ｃのひとつに励振用の交流電力として供給される。勿論、順に交流電力を受けたコイル１ａ〜１ｃからは交流磁界が次々に放射される。
【００１３】
高周波発信部５は、図２（ａ）に示すように、各コイル１ａ〜１ｃから周波数ｆ１の交流磁界が順に放射されたあと周波数ｆ２の交流磁界が順に放射されるよう高周波信号の周波数を変化させるか、あるいは、図２（ｂ）に示すように、ひとつのコイルから周波数ｆ１の交流磁界が放射されたあと続いて、そのコイルから直ぐに周波数ｆ２の交流磁界が放射されてから、次のコイルに切り換えられて同様に交流磁界が放射されるよう高周波信号の周波数を変化させるかのいずれかの構成とされる。
交流磁界の周波数ｆ１，ｆ２の具体的数値としては、周波数ｆ１＝１０ｋＨｚ、周波数ｆ２＝２０ｋＨｚが例示されるが、受信アンテナ２がフェライトを用いたものであれば、感度の良好な範囲である１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの間から周波数ｆ１，ｆ２を選ぶのがよい。また、交流磁界の放射期間は、時々刻々の頭部ＨＤの動きを捉える場合、１００ｍＳＥＣ前後で計測すればよいから、例えば、図２に示すように、周波数ｆ１，ｆ２の各交流磁界の放射期間ＴＵを１０ｍＳＥＣ程度とし、１放射サイクルＴＳを６０ｍＳＥＣとする。
【００１４】
一方、受信アンテナ２には、マルチプレクサ８を介して検波増幅部９が接続されている。マルチプレクサ８は、コントローラ７の指令に従って、交流磁界の各放射期間ＴＵ毎に受信アンテナ２の各コイル２ａ〜２ｃを検波増幅部９に順に切替え接続する。したがって、放射アンテナ１のコイル１ａから放射された交流磁界は、受信アンテナ２の全コイル２ａ〜２ｃで受信されるとともに、マルチプレクサ８の働きにより、各コイル２ａ〜２ｃ毎の磁気検出信号が検波増幅部９に順に送り込まれる。
【００１５】
なお、実施例の場合、励起駆動部４から供給される交流電力の振幅が、受信アンテナ２のまわりに金属物体が無い状態では、周波数ｆ１の交流磁界による磁界検出信号と、周波数ｆ２の交流磁界による磁界検出信号が等しくなるように、調整される。
【００１６】
さらに、実施例の磁気式３次元トラッカーでは、図１に示すように、検波増幅部９の後に、ＡＤ変換部（図示省略）を介して、検波増幅部９から送出されてくる周波数ｆ１および周波数ｆ２の磁界検出信号に基づき、渦電流磁界による検出磁界分を求出する渦電流磁界求出部１０と、渦電流磁界求出部１０の後段に、磁界検出信号から渦電流による検出磁界分を差し引いて補正磁界信号を得る渦電流磁界除去部１１が順に接続されている。そして、渦電流磁界除去部１１を後には、渦電流磁界除去部１１からの補正磁界信号を解析することにより頭部ＨＤの位置・姿勢角を求出する位置・姿勢角求出部１２を備えている。
なお、渦電流磁界求出部１０や渦電流磁界除去部１１および位置・姿勢角求出部１２は、渦電流磁界による検出磁界分や位置・姿勢角などを求出するのに必要な演算を実行する機能を備えるものであり、コンピュータ（ＣＰＵ）およびその制御プログラムを中心に構成されているものである。
【００１７】
続いて、上述の構成を有する実施例のトラッカーによる頭部ＨＤの時々刻々の位置・姿勢角の求出動作を具体的に説明する。
頭部ＨＤの位置・姿勢角を求めることは、実質的に放射アンテナ１を原点として受信アンテナ２の時々刻々の位置と姿勢角を求めることである。以下、放射アンテナ１を原点とするＸ，Ｙ，Ｚ直交座標系を想定し、受信アンテナ２の位置は球面座標（α，β，γ）で求め、また姿勢角はオイラー角度（Ψ，θ，φ）で求めるようにする。
【００１８】
まず、渦電流による検出磁界分の求出について説明する。交流磁界の発生形態は、図２（ｂ）に示すとおり、放射アンテナ１のひとつのコイルから周波数ｆ１（＝１０ｋＨｚ）の交流磁界を放射したあと続いて、そのコイルから直ぐに周波数ｆ２（＝２０ｋＨｚ）の交流磁界を放射してから、次のコイルに切り換えて同様に交流磁界を放射する。放射アンテナ１から交流磁界が放射されるに伴って、受信アンテナ２で受信された信号は検波・増幅部９を経てＡＤ変換部（図示省略）でＡＤ変換されてから渦電流磁界求出部１０へ送り込まれる。
【００１９】
放射アンテナ１から交流磁界を放射して得られる磁界検出信号は、周波数ｆ１（＝１０ｋＨｚ）の放射による磁界検出信号Ｓ１＝（Ｓ1X，Ｓ1Y，Ｓ1Z）と、周波数ｆ２（＝２０ｋＨｚ）の放射による磁界検出信号Ｓ２＝（Ｓ2X，Ｓ2Y，Ｓ2Z）である。
但し、Ｓ1XはＸ軸用コイル１ａから周波数ｆ１の交流磁界を放射した時に各コイル２ａ〜２ｃからそれぞれ得られる３つの信号であり、Ｓ1YはＹ軸用コイル１ｂから周波数ｆ１の交流磁界を放射した時に各コイル２ａ〜２ｃからそれぞれ得られる３つの信号であり、Ｓ1ZはＺ軸用コイル１ｃから周波数ｆ１の交流磁界を放射した時に各コイル２ａ〜２ｃからそれぞれ得られる３つの信号であって、各々、Ｓ1X＝（S1XX,S1XY,S1XZ）…（１），Ｓ1Y＝（S1YX,S1YY,S1YZ）…（２），Ｓ1Z＝（S1ZX,S1ZY,S1ZZ）…（３）と示される。
又、Ｓ2Xはコイル１ａから周波数ｆ２の交流磁界を放射した時に各コイル２ａ〜２ｃからそれぞれ得られる３つの信号であり、Ｓ2Yはコイル１ｂから周波数ｆ２の交流磁界を放射した時に各コイル２ａ〜２ｃからそれぞれ得られる３つの信号であり、Ｓ2Zはコイル１ｃから周波数ｆ２の交流磁界を放射した時に各コイル２ａ〜２ｃからそれぞれ得られる３つの信号であって、Ｓ2X＝（S2XX,S2XY,S2XZ）…（４），Ｓ2Y＝（S2YX,S2YY,S2YZ）…（５），Ｓ2Z＝（S2ZX,S2ZY,S2ZZ）…（６）と示される。
【００２０】
そして、渦電流磁界求出部１０は、渦電流による検出磁界分Ｈｎを得るために、 Ｈｎ＝（ΔＳ／Δｆ）・ｆ１ …（７）
という演算を実行する。上の式（７）中、ΔＳは磁界検出信号Ｓ１，Ｓ２の差（＝Ｓ２−Ｓ１）であって、下の式（８）のマトリックスで示すとおりであり、Δｆは周波数ｆ１，ｆ２の差（＝ｆ２−ｆ１）である。検出磁界分Ｈｎは、次の渦電流磁界除去部１１に送出される。
なお、放射アンテナ１のまわりに金属物体のない場合には、Ｓ２＝Ｓ１であり、ΔＳ＝０となるので、Ｈｎ＝０である。
【００２１】
【数１】
そして、渦電流磁界除去部１１では、補正磁界信号Ｈを得るために、
Ｈ＝Ｓ１−Ｈｎ＝Ｓ１−（ΔＳ／Δｆ）・ｆ１ …（９）
を得る。なお、式（９）の補正磁界信号Ｈは、下の式（１０）で示すマトリックスで示されるものである。これで、測定対象まわりの金属物体に生じる渦電流による検出磁界分を除去できたことになり、補正磁界信号Ｈは次段の位置・姿勢角求出部１２に送られる。
【００２３】
【数２】
実施例のトラッカーの渦電流磁界求出部１０および渦電流磁界除去部１１の場合、具体的には、次のようにして処理が進行することになる。
Ｘ軸用コイル１ａからの周波数ｆ１の交流磁界の放射によりＳ1X＝（S1XX,S1XY,S1XZ）を得るとともに、Ｘ軸用コイル１ａからの周波数ｆ２の交流磁界の放射によりＳ2X＝（S2XX,S2XY,S2XZ）を得て、渦電流磁界求出部１０では、（７）式に従って、
ＨｎXX＝〔（S2XX−S1XX）／Δｆ〕・ｆ１
ＨｎXY＝〔（S2XY−S1XY）／Δｆ〕・ｆ１
ＨｎXZ＝〔（S2XZ−S1XZ）／Δｆ〕・ｆ１
が求められ、ついで渦電流磁界除去部１１では、（９）式に従って、
ＨXX＝S1XX−ＨｎXX
ＨXY＝S1XY−ＨｎXY
ＨXZ＝S1YZ−ＨｎXY
が求められる。
【００２５】
次に、Ｙ軸用コイル１ｂからの周波数ｆ１の交流磁界と周波数ｆ２の交流磁界の放射が行われて、Ｓ1Y＝（S1YX,S1YY,S1YZ）およびＳ2Y＝（S2YX,S2YY,S2YZ）が得られ、上と同様、ＨYX, ＨYY, ＨYZが求められた後、さらに、Ｚ軸用コイル１ｃからの周波数ｆ１の交流磁界と周波数ｆ２の交流磁界の放射が行われて、Ｓ1Z＝（S1ZX,S1ZY,S1ZZ）およびＳ2Z＝（S2ZX,S2ZY,S2ZZ）が得られ、上と同様、ＨZX, ＨZY, ＨZZが求められる。これで、補正磁界信号Ｈが求められたことになるのである。
上の補正磁界信号の求出過程の流れを図３のフローチャートに纏めて示す。
【００２６】
次に、補正磁界信号Ｈに基づく位置・姿勢角求出を説明する。原則的には下記の手順に従って、位置・姿勢角を求出することになる。
一般に放射アンテナ１が発生する伝達ベクトルＨ１と受信アンテナ２により得られる検出ベクトルＨ２とは、伝達関数Ｔを媒介として下の式（１１）に示すとおりに結び付けられる。
Ｈ２＝Ｔ・Ｈ１ …（１１）
受信アンテナ２の位置と方位が正確に知られている場合は、それらのデータを伝達関数に代入して、伝達関数を逆変換した逆伝達関数Ｔ-1を得る。逆伝達関数Ｔ-1と検出ベクトルＨ２の積は、下の式（１２）に示すように、伝達ベクトルＨ１に一致する。
Ｈ１＝Ｔ-1・Ｈ２ …（１２）
そして、受信アンテナ２の位置と姿勢角が正確に知られていない場合は、誤差信号を発生させて、伝達関数に代入する値を改善し、これを反復継続しよい一致を示す時のデータを正確な位置および姿勢角とするのであるが、以下、伝達関数Ｔに関し、具体的に説明する。
【００２７】
伝達関数Ｔは、下の式（１３）に示すように、受信アンテナ２の姿勢角に関する姿勢伝達関数ＴA と受信アンテナ２の位置に関する磁界伝達関数ＴB の積で表される。
Ｔ＝ＴA ・ＴB …（１３）
さらに、姿勢伝達関数ＴA は、下の式（１４）に示すように、受信アンテナ２の方位角Ψ，ピッチング角θ，ローリング角φのそれぞれのマトリックスの積からなる。
ＴA ＝ＴA1・ＴA2・ＴA3 …（１４）
方位角ΨのマトリックスＴA3は下の式（１５）で示すとおりであり、ピッチング角θのマトリックスＴA2は下の式（１６）で示すとおりであり，ローリング角φのマトリックス下ＴA1は下の式（１７）で示すとおりである。
【００２８】
【数３】
又、磁界伝達関数ＴB は、下の式（１８）でもって示される。
ＴB ＝（Ｃ／γ3 ）Ｔp -1・Ｊ・Ｔp …（１８）
Ｃは放射アンテナ１のコイル特性で決まる定数であり、γは勿論、放射アンテナ１と受信アンテナ２との距離（球面座標のγ）、Ｔp は下の式（１９）で示されるマトリックであって、式中のα，βは球面座標のα，βである。また、Ｊは下の式（２０）で示されるマトリックである。
【００３０】
【数４】
そして、位置・姿勢角求出部１２では、以下のように解析処理が進行し位置・姿勢角が求出されることになる。
先ず、式（９）の補正磁界信号Ｈに基づき、Ｈ２X ＝（ＨXX, ＨXY, ＨXZ），Ｈ２Y ＝（ＨYX, ＨYY, ＨYZ），Ｈ２Z ＝（ＨZX, ＨZY, ＨZZ）を得る。
次に、受信センサ２の位置（α，β，γ）および姿勢角（Ψ，θ，φ）の適当な仮データを選定する。
【００３２】
続いて、姿勢角（Ψ，θ，φ）の仮データを式（１５）〜（１７）に代入するとともに、式（１４）の演算を実行し、姿勢伝達関数ＴA を得る。又、位置（α，β，γ）の仮データを、式（１９）に代入するとともに、式（１８）の演算を実行し、磁界伝達関数ＴB を得る。ついで、伝達関数Ｔおよび逆伝達関数Ｔ-1を算出する。
【００３３】
さらに、式（１２）に従って、Ｈ１calc,X＝Ｔ-1・Ｈ２X ，Ｈ１calc,Y＝Ｔ-1・Ｈ２Y ，Ｈ１calc,Z＝Ｔ-1・Ｈ２Z を算出する。
【００３４】
そして、算出したＨ１calc,X，Ｈ１calc,Y，Ｈ１calc,Zと、放射コイル１から発信した実際のＨ１X ，Ｈ２Y ，Ｈ２Z を比較し、一致（同一ないし差が一定以内）すれば、先の仮のデータを求める位置および姿勢角と認定し、一致しないのであれば、仮のデータを変更し上記の過程を繰り返す。
上の位置・姿勢角求出過程の流れを図４のフローチャートに纏めて示す。
【００３５】
このように、実施例の磁気式３次元トラッカーでは、渦電流による検出磁界分が除かれた補正磁界信号Ｈに基づいて位置・姿勢角が求められるので、求出結果には渦電流に起因する誤差が含まれなくなることから、測定精度が十分なものとなる。
【００３６】
この発明は上記実施の形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。
（１）上記実施例では、放射アンテナ１から出力される異なる周波数の交流磁界が周波数ｆ１，ｆ２の２個であったが、異なる周波数の交流磁界が３個以上であってもよい。
【００３７】
（２）実施例のトラッカーは、パイロットの頭部の動きを捕捉するものであったが、この発明の磁気式３次元トラッカーは、特定の用途に限定されるものではない。
【００３８】
（３）実施例は仮のデータを代入して演算結果の一致を調べる解析方式であったが、補正磁界信号Ｈにおける９個の方程式を解く解析方式の構成のものも、変形例として挙げられる。
【００３９】
（４）実施例では、渦電流磁界除去部により、Ｈ＝Ｓ１−（ΔＳ／Δｆ）・ｆ１なる演算を行ったが、Ｈ＝Ｓ２−（ΔＳ／Δｆ）・ｆ２なる演算を行うようにしてもよい。
【００４０】
【発明の効果】
この発明の磁気式３次元トラッカーによれば、測定対象である可動体のまわりに測定誤差を引き起こす渦電流を生じる邪魔な金属物体がある場合でも、渦電流磁界求出手段により渦電流による検出磁界分が求出されるとともに、渦電流磁界除去手段により磁界検出信号から渦電流による検出磁界分が差し引かれた適切な補正磁界信号に基づき、可動体の位置および姿勢角が求出される構成であるので、求出された位置・姿勢角は渦電流に起因する誤差は含まれず、測定結果の精度が十分なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例に係る磁気式３次元トラッカーの全体構成を示すブロック図である。
【図２】放射アンテナから出る交流磁界の周波数変化の１サイクル分の説明図である。
【図３】補正磁界信号の求出過程の流れを示すフローチャートである。
【図４】位置・姿勢角求出過程の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ …放射アンテナ
２ …受信アンテナ
４ …励起駆動部
１０ …渦電流磁界求出部
１１ …渦電流磁界除去部
１２ …位置・姿勢角求出部
Claims (1)
- 可動体の時々刻々の３次元的な位置および姿勢角（向き）をリアルタイムで測定するトラッカーであって、測定対象である可動体からは離れて定位置に固定されているとともに交流磁界を放射する交流磁界放射手段と、可動体に一体的に取り付けられているとともに交流磁界を受信する交流磁界受信手段と、交流磁界受信手段から出力される磁界検出信号を解析処理することにより、測定対象の可動体の位置・姿勢角を求出する位置・姿勢角求出手段とを備えている磁気式３次元トラッカーにおいて、交流磁界放射手段に周波数の異なる交流磁界を放射させる励振駆動手段と、交流磁界放射手段から放射される周波数の異なる交流磁界に伴って交流磁界受信手段で検出される異なる周波数の磁界検出信号に基づき、前記可動体のまわりで発生する渦電流磁界による検出磁界分を求出する渦電流磁界求出手段と、交流磁界受信手段から出力される磁界検出信号から渦電流による検出磁界分を差し引いて補正磁界信号を得て位置・姿勢角求出手段へ出力する渦電流磁界除去手段とを備えていることを特徴とする磁気式３次元トラッカー。
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1997
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