JP4978100B2 - Positioning device and initialization method - Google Patents
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Description
本発明は、人工衛星から送られてくる信号,角速度及び加速度をもとに位置を測定する測位装置及びその初期化方法に関する。 The present invention relates to a positioning device that measures a position based on signals, angular velocities, and accelerations sent from an artificial satellite and an initialization method thereof.
従来、例えば特開平8−21740号公報に記載の技術では、慣性航法機器の角速度と加速度のデータ,GPS受信機の位置と速度のデータをもとに、慣性航法機器の角速度と加速度のバイアスの推定量を算出し、補正を行い、位置,方位及び姿勢を算出、即ち、初期化する処理を行う。 Conventionally, in the technique described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-21740, the angular velocity and acceleration bias of the inertial navigation device is based on the angular velocity and acceleration data of the inertial navigation device and the position and velocity data of the GPS receiver. An estimation amount is calculated, correction is performed, and a position, orientation, and orientation are calculated, that is, initialization processing is performed.
また特開2001−264105号公報に記載の技術では、慣性航法機器の角速度と加速度のデータをもとに、レベリング,コースアライメント及びファインアライメントを実施し、方位及び姿勢を算出、即ち、初期化する。 In the technique described in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-264105, leveling, course alignment, and fine alignment are performed based on the angular velocity and acceleration data of inertial navigation equipment, and the azimuth and orientation are calculated, that is, initialized. .
特表平9−500700号公報に記載の技術では、ショベルにおいて静止状態から筐体を回転させ、筐体上の位置出力手段が出力する位置をもとに回転中心の位置,方位及び姿勢を算出する。 In the technique described in Japanese Patent Publication No. 9-500700, the housing is rotated from a stationary state with an excavator, and the position, orientation and orientation of the rotation center are calculated based on the position output by the position output means on the housing. To do.
特許文献1に記載の技術は、方位及び姿勢の初期値が実際と大きく異なると、位置,方位及び姿勢を算出するの(初期化)に長い時間を要する。
The technique described in
特許文献2に記載の技術は、静止している場合に位置,方位及び姿勢を算出することができるが、移動や回転している場合、位置,方位及び姿勢を算出することができない。
The technique described in
特許文献3に記載の技術は、クローラ上の筐体が回転している場合にのみ位置,方位及び姿勢を算出することができるが、クローラが動作し、移動している場合には位置,方位及び姿勢を算出することができない。
The technique described in
本発明の第一の目的は、初期化時間を短縮することである。 The first object of the present invention is to shorten the initialization time.
本発明の第二の目的は、慣性航法機器の初期化において、作業に取り掛かる前の車両動作にかかわらず、慣性航法機器の初期化を可能にする。 The second object of the present invention is to enable initialization of inertial navigation equipment regardless of vehicle operation before starting work in initialization of inertial navigation equipment.
上記の第一の目的は、互いに直行する3軸の角速度と、互いに直行する3軸の加速度を出力する慣性センサ手段と、宇宙あるいは地上から測位情報を発信する衛星の信号を受信し、位置及び速度を出力する受信手段と、クローラを稼動させる移動レバーがオフで、クローラの上にある筐体を回転させる回転レバーがオンである場合、前記受信手段からの出力位置をもとに筐体の位置,方位及び姿勢を計算し、前記移動レバーがオンである場合、前記受信手段の出力位置及び速度、前記慣性センサ手段の出力角速度及び加速度をもとに前記出力角速度及び加速度のドリフト量と、位置,速度,方位及び姿勢の誤差量を計算し、前記ドリフト量及び前記誤差量だけ補正して、筐体の位置,方位及び姿勢を計算する演算手段を備えたことを特徴とする測位装置により達成される。 The first object is to receive inertial sensor means for outputting three-axis angular velocity orthogonal to each other and three-axis acceleration orthogonal to each other, and a satellite signal for transmitting positioning information from space or the ground. When the receiving means for outputting the speed and the moving lever for operating the crawler are off and the rotating lever for rotating the casing on the crawler is on, the position of the casing is determined based on the output position from the receiving means. Calculate the position, azimuth and orientation, and when the moving lever is on, the output angular velocity and acceleration drift amount based on the output position and velocity of the receiving means, the output angular velocity and acceleration of the inertial sensor means, Computation means is provided for calculating the position, velocity, azimuth, and orientation error amounts, correcting the drift amount and the error amount, and calculating the position, orientation, and orientation of the housing. It is achieved by the positioning device.
上記の第一の目的は、前記移動レバー及び前記回転レバーがオフである場合、慣性センサ手段の出力角速度及び加速度をもとに筐体の位置,方位及び姿勢を計算する前記演算手段を備えたことを特徴とする上記の測位装置により達成される。 The first object is provided with the calculation means for calculating the position, orientation and orientation of the housing based on the output angular velocity and acceleration of the inertial sensor means when the moving lever and the rotation lever are off. This is achieved by the positioning device described above.
上記の第一の目的は、クローラを稼動させる移動レバーがオフで、クローラの上にある筐体を回転させる回転レバーがオンである場合、宇宙あるいは地上から測位情報を発信する衛星の信号を受信する受信手段の出力位置及び速度をもとに筐体の位置,方位及び姿勢を計算し、前記移動レバーがオンである場合、前記受信手段の出力位置及び速度、前記慣性センサ手段の出力角速度及び加速度をもとに前記出力角速度及び加速度のドリフト量と、位置,速度,方位及び姿勢の誤差量を計算し、前記ドリフト量及び前記誤差量だけ補正して、筐体の位置,方位及び姿勢を計算することを特徴とする測位装置の初期化方法により達成される。 The first purpose is to receive satellite signals that transmit positioning information from space or the ground when the moving lever that operates the crawler is off and the rotating lever that rotates the housing on the crawler is on. Calculating the position, orientation and orientation of the housing based on the output position and speed of the receiving means, and when the moving lever is on, the output position and speed of the receiving means, the output angular speed of the inertial sensor means and Calculate the output angular velocity and acceleration drift amount based on the acceleration, and the position, velocity, azimuth, and orientation error amount, and correct the drift amount and the error amount to obtain the position, orientation, and orientation of the housing. This is achieved by a positioning device initialization method characterized by calculating.
上記の第一の目的は、前記移動レバー及び前記回転レバーがオフである場合、慣性センサ手段の出力角速度及び加速度をもとに筐体の位置,方位及び姿勢を計算することを特徴とする請求項3の測位装置の初期化方法により達成される。
The first object of the present invention is to calculate the position, orientation and orientation of the housing based on the output angular velocity and acceleration of the inertial sensor means when the moving lever and the rotating lever are off. This is achieved by the positioning device initialization method of
上記の第二の目的は、互いに直行する3軸の角速度と、互いに直行する3軸の加速度を出力する慣性センサ手段と、宇宙あるいは地上から測位情報を発信する衛星の信号を受信し、位置及び速度を出力する受信手段と、クローラを稼動させる移動レバーがオフで、クローラの上にある筐体を回転させる回転レバーがオンである場合、前記受信手段からの出力位置をもとに筐体の位置,方位及び姿勢を計算し、筐体が所定の角度回転した後、前記筐体の位置,方位及び姿勢を初期値として、所定の時間、前記受信手段の出力位置及び速度、前記慣性センサ手段の出力角速度及び加速度をもとに前記出力角速度及び加速度のドリフト量と、位置,速度,方位及び姿勢の誤差量を計算し、前記ドリフト量及び前記誤差量だけ補正して、筐体の位置,方位及び姿勢を計算する演算手段を備えたことを特徴とする測位装置により達成される。 The second object is to receive inertial sensor means for outputting three-axis angular velocity orthogonal to each other and three-axis acceleration orthogonal to each other, and a satellite signal for transmitting positioning information from space or the ground. When the receiving means for outputting the speed and the moving lever for operating the crawler are off and the rotating lever for rotating the casing on the crawler is on, the position of the casing is determined based on the output position from the receiving means. After calculating the position, azimuth and orientation and rotating the casing by a predetermined angle, the position, orientation and orientation of the casing are set as initial values, the output position and speed of the receiving means, the inertial sensor means Based on the output angular velocity and acceleration, the output angular velocity and acceleration drift amount and the position, velocity, azimuth, and posture error amounts are calculated, and the drift amount and the error amount are corrected to obtain the position of the housing, It is achieved by positioning apparatus characterized by comprising a calculating means for calculating the position and orientation.
上記の第二の目的は、クローラを移動させる移動レバーがオフで、クローラの上にある筐体を回転させる回転レバーがオンである場合、宇宙あるいは地上から測位情報を発信する衛星の信号を受信し、位置及び速度を出力する受信手段をもとに筐体の位置,方位及び姿勢を計算し、筐体が所定の角度回転した後、前記筐体の位置,方位及び姿勢を初期値として、前記移動レバーがオンである場合、所定の時間、前記受信手段の出力位置及び速度、前記慣性センサ手段の出力角速度及び加速度をもとに前記出力角速度及び加速度のドリフト量と、位置,速度,方位及び姿勢の誤差量を計算し、前記ドリフト量及び前記誤差量だけ補正して、筐体の位置,方位及び姿勢を計算することを特徴とする測位装置の初期化方法により達成される。 The second purpose is to receive satellite signals that send positioning information from space or the ground when the moving lever that moves the crawler is off and the rotating lever that rotates the housing on the crawler is on. Then, the position, orientation, and orientation of the housing are calculated based on the receiving means that outputs the position and speed, and after the housing is rotated by a predetermined angle, the position, orientation, and orientation of the housing are set as initial values. When the moving lever is on, the output angular velocity and acceleration drift amount, position, velocity, and direction based on the output position and velocity of the receiving means, the output angular velocity and acceleration of the inertial sensor means for a predetermined time. And an error amount of the attitude is calculated, and the position, orientation, and attitude of the casing are calculated by correcting only the drift amount and the error amount.
本発明の測位装置及びその初期化方法によれば、回転レバーや移動レバーの状態によって初期化方法を自動的に選択するため、操縦者が初期化方法を選択する操作が不要であり、初期化方法の選択ミスを防ぐことができる。 According to the positioning device and the initialization method of the present invention, since the initialization method is automatically selected according to the state of the rotary lever and the moving lever, the operator does not need to select the initialization method. Misselection of methods can be prevented.
また、本発明の測位装置及びその初期化方法によれば、回転レバー及び移動レバーの状態をもとに方位及び姿勢の初期値の算出の開始及び移動アライメントの開始を判断するため、誤った動作でアライメントを行ってしまい、誤った方位及び姿勢を算出するミスを防ぐことができる。 Further, according to the positioning device and the initialization method of the present invention, an erroneous operation is performed to determine the start of calculation of the initial value of the azimuth and the posture and the start of the movement alignment based on the state of the rotating lever and the moving lever. Thus, it is possible to prevent an error in calculating the wrong direction and orientation.
初期化時間を短縮する第一の目的は、移動レバー及び回転レバーの状態を監視し、移動アライメントの前に方位及び姿勢の初期値を算出することにより実現される。 The first object of shortening the initialization time is realized by monitoring the state of the moving lever and the rotating lever and calculating the initial values of the azimuth and posture before the moving alignment.
作業に取り掛かる前の車両動作に捕われず、慣性航法機器の初期化するという第二の目的は、移動レバー及び回転レバーの状態によって初期化方法を選択することにより実現される。 The second object of initializing the inertial navigation device without being caught by the vehicle operation before starting work is realized by selecting the initialization method according to the state of the moving lever and the rotating lever.
図1に本発明の測位装置の一実施例の構成を示す。本発明の一実施例は、移動局測位装置100と、操作駆動装置110と、通信回線120と、基準局測位装置130とを備えている。移動局測位装置100は、通信手段102,受信手段101,慣性センサ手段
103,演算手段104,記憶手段105,表示手段106とを備えている。
FIG. 1 shows the configuration of an embodiment of the positioning apparatus of the present invention. One embodiment of the present invention includes a mobile station positioning device 100, an operation driving device 110, a communication line 120, and a reference
受信手段101は、アンテナ203を含んでおり、ダウンコンバート,アナログ・デジタル・コンバート,直交検波,C/A(Coarse/Acquisition) コード生成,相関検出,復号,遅延ロックループ,位相ロックループの処理機能を備えている。測位衛星から送られてきた信号(測位信号)をアンテナ203で受信し、軌道情報や測位衛星状態の情報などを含む航法メッセージを検出し、擬似距離(衛星からの距離),搬送波位相積算値及びドップラ周波数などの観測データを測定し、この観測データをもとにアンテナ203の位置及び速度を算出する。GPS衛星や擬似衛星などの測位衛星は宇宙あるいは地上から測位のための信号を発信する装置である。アンテナ203は、図2に示すように車両の筐体
202に取り付けられている。取り付け位置は操縦席上でも構わない。
The receiving means 101 includes an
電話機,衛星通信機,無線機などの通信手段102は、通信回線120を経由して、基準局測位装置130からの観測データを受信手段101に送信する。ジャイロや加速度などの慣性センサ手段103は、三次元の角速度と三次元の加速度を出力する。
A
CPU(Central Processing Unit、中央演算処理装置)などの演算手段104は、受信手段101からの位置及び速度,慣性センサ手段103の角速度及び加速度,回転レバー111及び移動レバー114の状態をもとに、慣性センサ装置の初期化を行う。また、筐体202の位置,姿勢及び方位を算出する。メモリやハードディスクなどの記憶手段
105は、受信機の出力位置などを記憶している。ディスプレイなどの表示手段106は、回転レバー111及び移動レバー114の操作指示を表示する。
The calculation means 104 such as a CPU (Central Processing Unit) is based on the position and speed from the reception means 101, the angular velocity and acceleration of the inertial sensor means 103, the state of the rotation lever 111 and the movement lever 114. Initialize the inertial sensor device. Further, the position, orientation and orientation of the
操作駆動装置110は、回転レバー111,制御手段112,駆動手段113,移動レバー114,制御手段115,駆動手段116とを備えている。回転レバー111は、図2に示す操縦席,アーム,ショベルなどからなる筐体202を回転させる操作を行うスイッチである。回転レバー111がオンになると演算手段104と制御手段112にオンである信号(オン信号)が送られる。
The operation driving device 110 includes a rotation lever 111, a control unit 112, a
CPUなどの制御手段112は、回転レバー111のオン信号を受け取ると、駆動手段113に稼動信号を送る。エンジン,モータや油圧機器などの駆動手段113は、制御手段112の稼動信号を受け取ると、筐体202を回転させる。移動レバー114は、図2に示すクローラ201を稼動させる操作を行うスイッチである。移動レバー114がオンになると演算手段104と制御手段115にオンである信号(オン信号)が送られる。制御手段115は、移動レバー114のオン信号を受け取ると、駆動手段116に稼動信号を送る。油圧バルブやモータなどの駆動手段116は、制御手段115の稼動信号を受け取ると、クローラ201を回転させる。
When the control means 112 such as a CPU receives an ON signal of the rotation lever 111, it sends an operation signal to the drive means 113. When the driving means 113 such as an engine, a motor, or a hydraulic device receives an operation signal from the control means 112, the driving means 113 rotates the
電話回線,衛星通信回線,無線などの通信回線120は、基準局測位装置130の観測データを移動局測位装置100に送る。基準局測位装置130は、受信手段131,通信手段132とを備えている。受信手段131は、アンテナ203を含んでおり、ダウンコンバート,アナログ・デジタル・コンバート,直交検波,C/Aコード生成,相関検出,復号,遅延ロックループ,位相ロックループの処理機能を備えている。測位衛星から送られてきた信号(測位信号)をアンテナ203で受信し、軌道情報や測位衛星状態の情報などを含む航法メッセージを検出し、擬似距離(衛星からの距離),搬送波位相積算値及びドップラ周波数などの観測データを測定する。電話機,衛星通信機,無線機などの通信手段132は、通信回線120を経由して、受信手段131からの観測データを移動局測位装置100に送信する。
A communication line 120 such as a telephone line, a satellite communication line, or a radio sends observation data of the reference
図1に示す本発明の測位装置の基準局測位装置130の動作手順を、図3を用いて説明する。
ステップ301:受信手段131は、測位衛星からの信号をアンテナ203で受信し、ダウンコンバート,アナログ・デジタル・コンバート,直交検波,C/Aコード生成,相関検出,復号の処理を行うことにより軌道情報などの航法メッセージ,受信時刻,擬似距離及びドップラ周波数を検出する。相関検出の信号をもとに遅延ロックループ,位相ロックループの処理を行うことにより、搬送波位相積算値を検出する。これらの観測データを通信手段132に送る。
ステップ302:受信手段131は、航法メッセージ,受信時刻,擬似距離,ドップラ周波数及び搬送波位相積算値などの観測データを通信手段132に送り、通信手段132は観測データを通信回線120を通して、移動局測位装置100に送信する。
The operation procedure of the reference
Step 301: The receiving means 131 receives a signal from a positioning satellite by the
Step 302: The reception means 131 sends observation data such as navigation message, reception time, pseudo distance, Doppler frequency and carrier wave phase integrated value to the communication means 132, and the communication means 132 transmits the observation data to the mobile station via the communication line 120. Transmit to device 100.
図1に示す本発明の測位装置の移動局測位装置100の動作手順を、図4を用いて説明する。
ステップ401:回転レバー111及び移動レバー114はオンかオフかの状態の信号を演算手段104に送る。回転レバー111がオンで、移動レバー114がオフである場合、ステップ402に進み、移動レバー114がオンである場合、ステップ407に進む。
ステップ402:通信手段102は、通信回線120を経由して送られてきた基準局測位装置130の観測データを受信し、受信手段101に送る。受信手段101は、測位衛星からの信号をアンテナ203で受信し、ダウンコンバート,アナログ・デジタル・コンバート,直交検波,C/Aコード生成,相関検出,復号の処理を行うことにより軌道情報などの航法メッセージ,受信時刻,擬似距離及びドップラ周波数を検出する。相関検出の信号をもとに遅延ロックループ,位相ロックループの処理を行うことにより、搬送波位相積算値を検出する。これらの移動局測位装置100の観測データと基準局測位装置130の観測データをもとに、リアルタイム・キネマティック測位を行い、受信手段101のアンテナ位置501を算出する。受信手段101は、アンテナ位置501を演算手段104に送る。
ステップ403:演算手段104は、受信手段101からのアンテナ位置501を受け取り、記憶手段105に送る。記憶手段105は、アンテナ位置501を記憶する。
ステップ404:アンテナ位置501が3つ以上ある場合、ステップ405に進み、ない場合、ステップ401に進む。
ステップ405:演算手段104は、図5に示すアンテナ位置501をもとに回転中心
502の位置,筐体202の方位及び姿勢を算出する。
ステップ406:筐体202の回転角度503が所定の角度以上である場合、ステップ
413に進み、所定の角度未満である場合、ステップ401に進む。
ステップ407:慣性センサ手段103は、三次元の角速度及び加速度を出力し、演算手段104に送る。
ステップ408:演算手段104は、三次元の角速度及び加速度を受け取る。角速度及び加速度のドリフト量を引いた三次元の角速度及び加速度と、位置,速度,方位及び姿勢の誤差量をもとにストラップダウン演算を行い、位置,速度,方位及び姿勢を算出する。算出後、角速度及び加速度のドリフト量と、位置,速度,方位及び姿勢の誤差量をゼロとする。ここで、角速度及び加速度のドリフト量,位置,速度,方位及び姿勢の誤差量の初期値はゼロである。
ステップ409:受信手段101の出力周期は慣性センサ手段103の出力周期よりも長いため、慣性センサ手段103の出力があっても受信手段101の出力がない場合がある。このため、受信手段101の出力タイミングである場合、ステップ410へ進み、出力タイミングでない場合、ステップ401に進む。
ステップ410:通信手段102は、通信回線120を経由して送られてきた基準局測位装置130の観測データを受信し、受信手段101に送る。受信手段101は、測位衛星からの信号をアンテナ203で受信し、ダウンコンバート,アナログ・デジタル・コンバート,直交検波,C/Aコード生成,相関検出,復号の処理を行うことにより軌道情報などの航法メッセージ,受信時刻,擬似距離及びドップラ周波数を検出する。相関検出の信号をもとに遅延ロックループ,位相ロックループの処理を行うことにより、搬送波位相積算値を検出する。これらの移動局測位装置100の観測データと基準局測位装置130の観測データをもとに、リアルタイム・キネマティック測位を行い、位置を算出する。また、ドップラ周波数をもとに速度を算出する。受信手段101は、位置及び速度を演算手段104に送る。
ステップ411:演算手段104は、受信手段101から位置及び速度を受け取り、ステップ408で算出した位置,速度,方位及び姿勢をもとに、カルマンフィルタを用いて、角速度及び加速度のドリフト量と、位置,速度,方位及び姿勢の誤差量を算出する。
ステップ412:移動時間が所定の時間よりも大きい場合、ステップ413へ進み、所定の時間以下である場合、ステップ401に進む。
ステップ413:慣性センサ手段103の初期化処理を終了する。
The operation procedure of the mobile station positioning device 100 of the positioning device of the present invention shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG.
Step 401: A signal indicating whether the rotating lever 111 and the moving lever 114 are on or off is sent to the computing means 104. If the rotating lever 111 is on and the moving lever 114 is off, the process proceeds to step 402. If the moving lever 114 is on, the process proceeds to step 407.
Step 402: The communication means 102 receives the observation data of the reference
Step 403: The computing means 104 receives the antenna position 501 from the receiving means 101 and sends it to the storage means 105. The storage unit 105 stores the antenna position 501.
Step 404: If there are three or more antenna positions 501, the process proceeds to step 405. Otherwise, the process proceeds to step 401.
Step 405: The computing means 104 calculates the position of the
Step 406: If the rotation angle 503 of the
Step 407: The inertial sensor means 103 outputs a three-dimensional angular velocity and acceleration and sends them to the computing means 104.
Step 408: The computing means 104 receives the three-dimensional angular velocity and acceleration. The strapdown calculation is performed based on the three-dimensional angular velocity and acceleration obtained by subtracting the drift amount of the angular velocity and acceleration and the error amount of the position, velocity, orientation, and orientation, and the position, velocity, orientation, and orientation are calculated. After calculation, the drift amount of angular velocity and acceleration and the error amount of position, velocity, direction and orientation are set to zero. Here, initial values of error amounts of angular velocity and acceleration drift, position, velocity, azimuth, and orientation are zero.
Step 409: Since the output cycle of the receiving means 101 is longer than the output cycle of the inertial sensor means 103, there may be no output of the receiving means 101 even if there is an output of the inertial sensor means 103. For this reason, when it is the output timing of the receiving means 101, it progresses to step 410, and when it is not an output timing, it progresses to step 401.
Step 410: The communication means 102 receives the observation data of the reference
Step 411: The calculating means 104 receives the position and velocity from the receiving means 101, and based on the position, velocity, azimuth and attitude calculated in Step 408, the Kalman filter is used to calculate the angular velocity and acceleration drift amount, position, Calculate the speed, heading, and posture error.
Step 412: If the moving time is longer than the predetermined time, the process proceeds to Step 413, and if it is less than the predetermined time, the process proceeds to Step 401.
Step 413: The initialization process of the inertial sensor means 103 is terminated.
図4に示す本発明の測位装置の一実施例の移動局測位装置100の動作手順のステップ412において、カルマンフィルタの推定誤差共分散が所定の値よりも小さくなったときに初期化を終了しても構わない。 In step 412 of the operation procedure of the mobile station positioning device 100 of one embodiment of the positioning device of the present invention shown in FIG. 4, the initialization is terminated when the estimated error covariance of the Kalman filter becomes smaller than a predetermined value. It doesn't matter.
図4に示す本発明の測位装置の一実施例の移動局測位装置100の動作手順において、慣性センサ手段103の角速度のドリフト量の性能が5°/時間以下である場合、図6に示す静止アライメントの動作手順のステップ601〜ステップ606を追加すると、静止した状態でも慣性センサ手段103の初期化が可能となる。 In the operation procedure of the mobile station positioning device 100 of the embodiment of the positioning device of the present invention shown in FIG. 4, when the performance of the drift amount of the angular velocity of the inertial sensor means 103 is 5 ° / hour or less, the stationary shown in FIG. If steps 601 to 606 of the alignment operation procedure are added, the inertial sensor means 103 can be initialized even in a stationary state.
図1に示す本発明の測位装置の一実施例の動作手順を、図6を用いて説明する。
ステップ401:回転レバー111及び移動レバー114はオンかオフかの状態を演算手段104に送る。回転レバー111がオンで、移動レバー114がオフである場合、ステップ402に進み、移動レバー114がオンである場合、ステップ408に進み、回転レバー111がオフで、移動レバー114がオフである場合、ステップ601に進む。
ステップ601:慣性センサ手段103は、三次元の角速度及び加速度を出力し、演算手段104に送る。
ステップ602:レベリング及びコースアライメントが終了した場合、ステップ605に進み、終了していない場合、ステップ603に進む。
ステップ603:演算手段104は、三次元の加速度をもとに重力方向を検出し、水平面を算出し、レベリング処理を実施する。
ステップ604:演算手段104は、三次元の角速度をもとに自転による角速度を測定し、自転による角速度をもとに自転方向を検出し、真北方向を算出し、コースアライメントを実施する。
ステップ605:演算手段104は、三次元の角速度及び加速度を観測量,方位及び姿勢を状態量として、カルマンフィルタを用いて、方位及び姿勢を算出する。この処理はファインアライメントである。
ステップ606:カルマンフィルタの推定誤差共分散が所定の値よりも小さい場合、ステップ413に進み、所定の値以上である場合、ステップ401に進む。
The operation procedure of one embodiment of the positioning apparatus of the present invention shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG.
Step 401: The rotation lever 111 and the moving lever 114 are sent to the computing means 104 as to whether they are on or off. If the rotating lever 111 is on and the moving lever 114 is off, the process proceeds to step 402. If the moving lever 114 is on, the process proceeds to step 408, where the rotating lever 111 is off and the moving lever 114 is off. The process proceeds to step 601.
Step 601: The inertial sensor means 103 outputs a three-dimensional angular velocity and acceleration and sends them to the computing means 104.
Step 602: If leveling and course alignment are completed, the process proceeds to step 605. If not completed, the process proceeds to step 603.
Step 603: The computing means 104 detects the direction of gravity based on the three-dimensional acceleration, calculates the horizontal plane, and performs leveling processing.
Step 604: The computing means 104 measures the angular velocity due to rotation based on the three-dimensional angular velocity, detects the rotation direction based on the angular velocity due to rotation, calculates the true north direction, and performs course alignment.
Step 605: The computing means 104 calculates the azimuth and orientation using the Kalman filter, with the three-dimensional angular velocity and acceleration as the observation amount, and the azimuth and orientation as the state quantity. This process is fine alignment.
Step 606: If the estimated error covariance of the Kalman filter is smaller than a predetermined value, the process proceeds to step 413. If it is equal to or larger than the predetermined value, the process proceeds to step 401.
図1に示す本発明の測位装置の一実施例において、基準局測位装置130,通信回線
120,通信手段102を削除し、受信手段101が単独測位で位置及び速度を算出しても、慣性センサ手段103の初期化を行うことができる。
In the embodiment of the positioning apparatus of the present invention shown in FIG. 1, the inertial sensor means even if the reference
ショベルなどの車両の作業前の動作として、作業場所までの移動やその場での旋回などがある。図4に示す本発明の測位装置の一実施例の動作手順によれば、回転レバー111や移動レバー114の状態によって初期化方法を自動的に選択するため、ショベルなどの車両の作業前の動作がどのようなものでも慣性センサ手段103の初期化が可能である。また、操縦者が初期化方法を選択する操作が不要であり、選択ミスを防ぐことができる。 Examples of operations before excavation of a vehicle such as an excavator include movement to a work place and turning on the spot. According to the operation procedure of the embodiment of the positioning device of the present invention shown in FIG. 4, since the initialization method is automatically selected according to the state of the rotating lever 111 and the moving lever 114, the operation of the excavator or the like before the work is performed. However, it is possible to initialize the inertial sensor means 103. In addition, the operator does not need to select an initialization method, and selection errors can be prevented.
図1に示す本発明の測位装置の移動局測位装置100の動作手順を、図7及び図8を用いて説明する。
ステップ701:回転レバー111及び移動レバー114はオンかオフかの状態の信号を演算手段104に送る。回転レバー111がオンで、移動レバー114がオフである場合、ステップ703に進み、それ以外の場合、ステップ702に進む。
ステップ702:演算手段104は、表示情報(操作指示)「回転レバー111をオンにし、移動レバー114をオフにしてください。」を表示手段106に送る。表示手段106は表示情報(操作指示)「回転レバー111をオンにし、移動レバー114をオフにしてください。」を出力する。
ステップ703:通信手段102は、通信回線120を経由して送られてきた基準局測位装置130の観測データを受信し、受信手段101に送る。受信手段101は、測位衛星からの信号をアンテナ203で受信し、ダウンコンバート,アナログ・デジタル・コンバート,直交検波,C/Aコード生成,相関検出,復号の処理を行うことにより軌道情報などの航法メッセージ,受信時刻,擬似距離及びドップラ周波数を検出する。相関検出の信号をもとに遅延ロックループ,位相ロックループの処理を行うことにより、搬送波位相積算値を検出する。これらの移動局測位装置100の観測データと基準局測位装置130の観測データをもとに、リアルタイム・キネマティック測位を行い、受信手段101のアンテナ位置501を算出する。受信手段101は、アンテナ位置501を演算手段104に送る。
ステップ704:演算手段104は、受信手段101からのアンテナ位置501を受け取り、記憶手段105に送る。記憶手段105は、アンテナ位置501を記憶する。
ステップ705:アンテナ位置501が3つ以上ある場合、ステップ706に進み、ない場合、ステップ701に進む。
ステップ706:演算手段104は、図5に示すアンテナ位置501をもとに回転中心
502の位置,筐体202の方位及び姿勢を算出する。
ステップ707:筐体202の回転角度503が所定の角度以上である場合、ステップ
708に進み、所定の角度未満である場合、ステップ701に進む。
ステップ708:回転レバー111及び移動レバー114はオンかオフかの状態の信号を演算手段104に送る。回転レバー111あるいは移動レバー114がオンである場合、ステップ710に進み、それ以外の場合、ステップ709に進む。
ステップ709:演算手段104は、表示情報(操作指示)「回転レバー111あるいは移動レバー114をオンにしてください。」を表示手段106に送る。表示手段106は表示情報(操作指示)「回転レバー111あるいは移動レバー114をオンにしてください。」を出力する。
ステップ710:慣性センサ手段103は、三次元の角速度及び加速度を出力し、演算手段104に送る。
ステップ711:演算手段104は、三次元の角速度及び加速度を受け取る。角速度及び加速度のドリフト量を引いた三次元の角速度及び加速度と、位置,速度,方位及び姿勢の誤差量をもとにストラップダウン演算を行い、位置,速度,方位及び姿勢を算出する。算出後、角速度及び加速度のドリフト量と、位置,速度,方位及び姿勢の誤差量をゼロとする。ここで、角速度及び加速度のドリフト量と、位置,速度,方位及び姿勢の誤差量の初期値はゼロである。
ステップ712:受信手段101の出力周期は慣性センサ手段103の出力周期よりも長いため、慣性センサ手段103の出力があっても受信手段101の出力がない場合がある。このため、受信手段101の出力タイミングである場合、ステップ713へ進み、出力タイミングでない場合、ステップ708に進む。
ステップ713:通信手段102は、通信回線120を経由して送られてきた基準局測位装置130の観測データを受信し、受信手段101に送る。受信手段101は、測位衛星からの信号をアンテナ203で受信し、ダウンコンバート,アナログ・デジタル・コンバート,直交検波,C/Aコード生成,相関検出,復号の処理を行うことにより軌道情報などの航法メッセージ,受信時刻,擬似距離及びドップラ周波数を検出する。相関検出の信号をもとに遅延ロックループ,位相ロックループの処理を行うことにより、搬送波位相積算値を検出する。これらの移動局測位装置100の観測データと基準局測位装置130の観測データをもとに、リアルタイム・キネマティック測位を行い、位置を算出する。また、ドップラ周波数をもとに速度を算出する。受信手段101は、位置及び速度を演算手段104に送る。
ステップ714:演算手段104は、受信手段101から位置及び速度を受け取り、ステップ711で算出した位置,速度,方位及び姿勢をもとに、カルマンフィルタを用いて、角速度及び加速度のドリフト量を算出する。
ステップ715:移動時間が所定の時間よりも大きい場合、ステップ716へ進み、所定の時間以下である場合、ステップ708に進む。
ステップ716:慣性センサ手段103の初期化処理を終了する。
The operation procedure of the mobile station positioning device 100 of the positioning device of the present invention shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS.
Step 701: A signal indicating whether the rotation lever 111 and the movement lever 114 are on or off is sent to the computing means 104. If the rotating lever 111 is on and the moving lever 114 is off, the process proceeds to step 703; otherwise, the process proceeds to step 702.
Step 702: The calculation means 104 sends display information (operation instruction) “Please turn on the rotating lever 111 and turn off the moving lever 114” to the display means 106. The display means 106 outputs display information (operation instruction) “turn on the rotating lever 111 and turn off the moving lever 114”.
Step 703: The communication means 102 receives the observation data of the reference
Step 704: The computing means 104 receives the antenna position 501 from the receiving means 101 and sends it to the storage means 105. The storage unit 105 stores the antenna position 501.
Step 705: If there are three or more antenna positions 501, go to Step 706, otherwise go to Step 701.
Step 706: The computing means 104 calculates the position of the
Step 707: If the rotation angle 503 of the
Step 708: A signal indicating whether the rotation lever 111 and the movement lever 114 are on or off is sent to the computing means 104. If the rotating lever 111 or the moving lever 114 is on, the process proceeds to step 710; otherwise, the process proceeds to step 709.
Step 709: The calculation means 104 sends display information (operation instruction) “Please turn on the rotating lever 111 or the moving lever 114” to the display means 106. The display means 106 outputs display information (operation instruction) “Please turn on the rotating lever 111 or the moving lever 114”.
Step 710: The inertial sensor means 103 outputs a three-dimensional angular velocity and acceleration and sends them to the computing means 104.
Step 711: The computing means 104 receives a three-dimensional angular velocity and acceleration. The strapdown calculation is performed based on the three-dimensional angular velocity and acceleration obtained by subtracting the drift amount of the angular velocity and acceleration and the error amount of the position, velocity, orientation, and orientation, and the position, velocity, orientation, and orientation are calculated. After calculation, the drift amount of angular velocity and acceleration and the error amount of position, velocity, direction and orientation are set to zero. Here, the initial values of the drift amounts of the angular velocity and acceleration and the error amounts of the position, velocity, direction, and orientation are zero.
Step 712: Since the output cycle of the receiving means 101 is longer than the output cycle of the inertial sensor means 103, there may be no output of the receiving means 101 even if there is an output of the inertial sensor means 103. Therefore, if it is the output timing of the receiving means 101, the process proceeds to step 713, and if it is not the output timing, the process proceeds to step 708.
Step 713: The communication means 102 receives the observation data of the reference
Step 714: The calculating means 104 receives the position and velocity from the receiving means 101, and calculates the angular velocity and acceleration drift amounts using the Kalman filter based on the position, velocity, azimuth and orientation calculated in step 711.
Step 715: If the travel time is longer than the predetermined time, proceed to Step 716, and if it is less than the predetermined time, proceed to Step 708.
Step 716: The initialization process of the inertial sensor means 103 is terminated.
図8に示す本発明の測位装置の一実施例の移動局測位装置100の動作手順のステップ715において、カルマンフィルタの推定誤差共分散が所定の値よりも小さくなったときに初期化を終了しても構わない。 In step 715 of the operation procedure of the mobile station positioning device 100 of one embodiment of the positioning device of the present invention shown in FIG. 8, the initialization is terminated when the estimated error covariance of the Kalman filter becomes smaller than a predetermined value. It doesn't matter.
図1に示す本発明の測位装置の一実施例において、基準局測位装置130,通信回線
120,通信手段102を削除し、受信手段101が単独測位で位置及び速度を算出しても、慣性センサ手段103の初期化を行うことができる。
In the embodiment of the positioning apparatus of the present invention shown in FIG. 1, the inertial sensor means even if the reference
移動アライメントにおいて、方位及び姿勢の初期値が実際と大きく異なると、初期化するのに長い時間を要してしまう。図7及び図8に示す本発明の測位装置の一実施例の動作手順によれば、移動アライメントの前にクローラ201上の筐体202を回転させて、受信手段101の位置をもとに方位及び姿勢の初期値を算出し、移動アライメントの初期値とするため、カルマンフィルタの収束が短くなり、慣性センサ手段103の初期化に要する時間を短縮することができる。
In the moving alignment, if the initial values of the azimuth and the posture are greatly different from the actual values, it takes a long time to initialize. According to the operation procedure of the embodiment of the positioning apparatus of the present invention shown in FIGS. 7 and 8, the
筐体202の回転により方位及び姿勢を求める方法や静止アライメントの後、受信手段101と慣性センサ手段103の複合航法を行うと、航法モード直後ではカルマンフィルタの推定誤差共分散が大きく出力位置,方位及び姿勢の精度が悪くなる。図7及び図8に示す本発明の測位装置の一実施例の動作手順によれば、移動アライメントにより、推定誤差共分散を小さくできるため、航法モードを始めたときに出力位置,方位及び姿勢の精度が良くなる。
After the method of obtaining the azimuth and orientation by rotating the
図7及び図8に示す本発明の測位装置の一実施例の動作手順によれば、回転レバー111及び移動レバー114の状態をもとに方位及び姿勢の初期値の算出の開始及び移動アライメントの開始を判断するため、誤った動作でアライメントを行ってしまい、誤った方位及び姿勢を算出するミスを防ぐことができる。 According to the operation procedure of the embodiment of the positioning apparatus of the present invention shown in FIGS. 7 and 8, the calculation of the initial value of the azimuth and the posture and the movement alignment are based on the state of the rotating lever 111 and the moving lever 114. Since the start is determined, alignment is performed by an incorrect operation, and an error in calculating an incorrect azimuth and orientation can be prevented.
測位装置をショベルに適用することにより、慣性航法機器の初期化時間を短縮することができる。また、作業前の動作に捕らわれず、初期化が可能になる。 By applying the positioning device to the excavator, the initialization time of the inertial navigation device can be shortened. Also, initialization is possible without being caught by the operation before work.
100…移動局測位装置、101,131…受信手段、102,132…通信手段、
103…慣性センサ手段、104…演算手段、105…記憶手段、106…表示手段、
110…操作駆動装置、111…回転レバー、112,115…制御手段、113,116…駆動手段、114…移動レバー、120…通信回線、130…基準局測位装置、201…クローラ、202…筐体、203…アンテナ。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Mobile station positioning apparatus, 101, 131 ... Reception means, 102, 132 ... Communication means,
103 ... Inertial sensor means, 104 ... Calculation means, 105 ... Storage means, 106 ... Display means,
DESCRIPTION OF SYMBOLS 110 ... Operation drive device, 111 ... Rotating lever, 112, 115 ... Control means, 113, 116 ... Drive means, 114 ... Moving lever, 120 ... Communication line, 130 ... Reference station positioning device, 201 ... Crawler, 202 ... Housing, 203: Antenna.
Claims (6)
宇宙あるいは地上から測位情報を発信する衛星の信号を受信し、位置及び速度を出力する受信手段と、
クローラを稼動させる移動レバーがオフで、クローラの上にある筐体を回転させる回転レバーがオンである場合、前記受信手段からの出力位置をもとに筐体の位置,方位及び姿勢を計算し、前記移動レバーがオンである場合、前記受信手段の出力位置及び速度、前記慣性センサ手段の出力角速度及び加速度をもとに前記出力角速度及び加速度のドリフト量と、位置,速度,方位及び姿勢の誤差量を計算し、前記ドリフト量及び前記誤差量だけ補正して、筐体の位置,方位及び姿勢を計算する演算手段と、
を備えたことを特徴とする測位装置。 An inertial sensor means for outputting an acceleration of three axes perpendicular to the angular velocity and each other physicians three axes orthogonal to each other,
Receiving means for receiving a satellite signal for transmitting positioning information from space or the ground, and outputting a position and velocity;
When the moving lever that operates the crawler is off and the rotating lever that rotates the casing on the crawler is on, the position, orientation, and orientation of the casing are calculated based on the output position from the receiving means. When the moving lever is on, the output angular velocity and acceleration drift amount and the position, velocity, azimuth, and attitude of the receiving device based on the output position and velocity of the receiving device and the output angular velocity and acceleration of the inertial sensor device the amount of error is calculated and corrected by the drift amount and the error amount, the position of the housing, a calculating means for calculating the orientation and attitude,
A positioning device comprising:
前記移動レバーがオンである場合、前記受信手段の出力位置及び速度、互いに直行する3軸の角速度と互いに直行する3軸の加速度とを出力する慣性センサ手段の出力角速度及び加速度をもとに前記出力角速度及び加速度のドリフト量と、位置,速度,方位及び姿勢の誤差量を計算し、
前記ドリフト量及び前記誤差量だけ補正して、筐体の位置,方位及び姿勢を計算することを特徴とする測位装置の初期化方法。 When the moving lever that operates the crawler is off and the rotating lever that rotates the housing on the crawler is on, the output position and speed of the receiving means that receives the signal of the satellite that transmits positioning information from space or the ground Calculate the position, orientation, and orientation of the chassis based on
When the movable lever is on, the output position and speed of the receiving means, the three-axis angular velocity orthogonal to each other and the three-axis acceleration orthogonal to each other are output based on the output angular velocity and acceleration of the inertial sensor means. Calculate the amount of drift in the output angular velocity and acceleration, and the amount of error in the position, velocity, direction, and orientation.
A positioning device initialization method, wherein the position, orientation, and orientation of a housing are calculated by correcting only the drift amount and the error amount.
宇宙あるいは地上から測位情報を発信する衛星の信号を受信し、位置及び速度を出力する受信手段と、
クローラを稼動させる移動レバーがオフで、クローラの上にある筐体を回転させる回転レバーがオンである場合、前記受信手段からの出力位置をもとに筐体の位置,方位及び姿勢を計算し、筐体が所定の角度回転した後、前記筐体の位置,方位及び姿勢を初期値として、所定の時間、前記受信手段の出力位置及び速度、前記慣性センサ手段の出力角速度及び加速度をもとに前記出力角速度及び加速度のドリフト量と、位置,速度,方位及び姿勢の誤差量を計算し、前記ドリフト量及び前記誤差量だけ補正して、筐体の位置,方位及び姿勢を計算する演算手段を備えたことを特徴とする測位装置。 An inertial sensor means for outputting an acceleration of three axes perpendicular to the angular velocity and each other physicians three axes orthogonal to each other,
Receiving means for receiving a satellite signal for transmitting positioning information from space or the ground, and outputting a position and velocity;
When the moving lever that operates the crawler is off and the rotating lever that rotates the casing on the crawler is on, the position, orientation, and orientation of the casing are calculated based on the output position from the receiving means. After the casing is rotated by a predetermined angle, the position, orientation and orientation of the casing are set as initial values, and the output position and speed of the receiving means, the output angular speed and acceleration of the inertial sensor means are determined for a predetermined time. The calculation means for calculating the drift amount of the output angular velocity and acceleration and the error amount of the position, velocity, azimuth and posture, and correcting the drift amount and the error amount to calculate the position, azimuth and posture of the housing. A positioning device comprising:
前記筐体が所定の角度回転した後、前記筐体の位置,方位及び姿勢を初期値として、前記移動レバーがオンである場合、所定の時間、前記受信手段の出力位置及び速度、互いに直行する3軸の角速度と互いに直行する3軸の加速度とを出力する慣性センサ手段の出力角速度及び加速度をもとに前記出力角速度及び加速度のドリフト量と、位置,速度,方位及び姿勢の誤差量を計算し、
前記ドリフト量及び前記誤差量だけ補正して、筐体の位置,方位及び姿勢を計算することを特徴とする測位装置の初期化方法。 When the moving lever that moves the crawler is off and the rotating lever that rotates the housing on the crawler is on, the output position and speed of the receiving means for receiving the satellite signals that transmit positioning information from space or the ground Calculate the position, orientation, and orientation of the chassis based on
After the housing is rotated a predetermined angle, the position of the housing, the orientation and the posture as an initial value, when the moving lever is on, a predetermined time, the output position and velocity of the receiving means, mutually orthogonal Based on the output angular velocity and acceleration of the inertial sensor means that outputs the triaxial angular velocity and the orthogonal triaxial acceleration, the drift amount of the output angular velocity and acceleration, and the error amount of the position, velocity, direction and orientation are calculated. And
A positioning device initialization method, wherein the position, orientation, and orientation of a housing are calculated by correcting only the drift amount and the error amount.
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