技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于配置在地下挖掘机的挖掘部而对挖掘位置进行测量的测量装置。
相关背景技术
[0002] 作为用于在地下挖掘机的挖掘部配置的测量装置的现有技术，已知在专利文献1中记载的测量装置和在非专利文献1中记载的测量装置等。这些测量装置均具备三轴的加速度传感器、三轴的磁传感器和信息处理器。图1是表示专利文献1的图5所示的处理流程的图。图2是表示非专利文献1的图1所示的测量装置的构成的图。在专利文献1中，在每完成一杆的挖掘时都进行测量。也就是说，在挖掘的停止时求出挖掘部的前端的位置。另一方面，在非专利文献1中表示的是测量装置不仅在挖掘的停止中，在挖掘中也能够进行测量。在非专利文献1的说明中表示的是在实际的挖掘环境下，由挖掘带来的“振动”和“旋转”二者同时作用于整个地下挖掘机，排除这些影响而对倾斜角和方位角进行运算的方法。具体地说，采用对外来干扰具有较强耐性的无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filter)，针对每个时间步骤反复进行预测处理和修正处理，由此能够精度良好地对倾斜角和方位角等状态量进行运算。在预测处理中，相对于一个步骤前的状态量，使用考虑到挖掘时刀具的振动和旋转的物理模型而对当前时刻下的状态量进行预测。在修正处理中，相对于预测值，使用在当前时刻能够得到的加速度传感器和磁传感器的数据进行修正，以使得外来干扰的影响最小。
[0003] 专利文献1：WO2015/111713号公报
[0004] 非专利文献：有田宽史、山田孝纯、井上雄介，“デジタル·ディレクショナル·模块の開発(Development of Digital Directional Module；数字定向模块的开发)”,航空电子技报(JAE Technical Report),No.39,2017.3，互联网链接https://www.jae.com/corporate/rd/tech-report/39/
具体实施方式
[0013] 以下，对本发明的实施方式详细地进行说明。需要说明的是，对于具有相同功能的构成部标注相同附图标记，省略重复的说明。
[0014] [实施例1]
[0015] 图3是表示本发明的测量装置的功能构成的图。图4是表示基于第一测量模块的输出数据求出挖掘部的位置和姿态，并且对第二测量模块的校正数据进行评价的处理的流程的图。图5是表示基于第二测量模块的输出数据求出挖掘部的位置和姿态的处理的流程的图。
[0016] 测量装置100是用于在地下挖掘机的挖掘部配置的测量装置。测量装置100具备第一测量模块110、第二测量模块120以及信息处理器130。测量装置100构成为能够从在挖掘部内配置的电池(未图示)供电即可。第一测量模块110具有用于高精度地进行测量的三轴的第一加速度传感器111、三轴的第一磁传感器112以及AD转换器113。第一加速度传感器111对预先确定的X轴、Y轴、Z轴方向的加速度进行测量。第一磁传感器112对预先确定的X轴、Y轴、Z轴方向的地磁进行测量。AD转换器113对第一加速度传感器111和第一磁传感器
112的输出进行AD转换，得到数字信号的输出数据。需要说明的是，AD转换器113可以配置在第一测量模块110的外部。具体地说，使用非专利文献1所示的加速度传感器和磁传感器就能够实现高精度的测量。但是，如果在挖掘中持续使用非专利文献1所示的加速度传感器和磁传感器，则耗电量变大，更换在挖掘部内配置的电池的频度变高。并且，非专利文献1所示的加速度传感器和磁传感器虽然能够以高精度进行测量，但动态范围小。因此，如果较强地受到由挖掘造成的振动、冲击、旋转的影响，则存在测量值饱和的风险。
[0017] 第二测量模块120具有用于在挖掘中进行测量的三轴的第二加速度传感器121、三轴的第二磁传感器122以及AD转换器123。第二加速度传感器121和第二磁传感器122是MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)方式的传感器。第二加速度传感器121对预先确定的X轴、Y轴、Z轴方向的加速度进行测量。第二磁传感器122对预先确定的X轴、Y轴、Z轴方向的地磁进行测量。AD转换器123对第二加速度传感器121和第二磁传感器122的输出进行AD转换，得到数字信号的输出数据。需要说明的是，AD转换器123可以配置在第二测量模块120的外部。并且，第二测量模块120除了第二加速度传感器121和第二磁传感器122之外可以具备与MEMS方式不同的传感器。
[0018] 信息处理器130对第一测量模块110和第二测量模块120进行控制，并且基于第一测量模块110或第二测量模块120的输出数据求出挖掘部的位置和姿态。例如，信息处理器130具备第一校正部131、第二校正部132、评价部133、记录部134、第一计算部135、第二计算部136以及第一电源控制部137。记录部134记录用于对第一加速度传感器111、第一磁传感器112、第二加速度传感器121、第二磁传感器122进行校正的校正数据。校正数据在出厂前记录于记录部134即可。
[0019] 首先，参照图4，对基于第一测量模块110的输出数据求出挖掘部的位置和姿态，并且对第二测量模块120的校正数据进行评价的处理的流程进行说明。第一加速度传感器111对预先确定的X轴、Y轴、Z轴方向的加速度进行测量，第一磁传感器112对预先确定的X轴、Y轴、Z轴方向的地磁进行测量(S110)。然后，测量的结果被数字化，作为第一测量模块110的输出数据输入到信息处理器130。第二加速度传感器121对预先确定的X轴、Y轴、Z轴方向的加速度进行测量，第二磁传感器122对预先确定的X轴、Y轴、Z轴方向的地磁进行测量(S120)。然后，测量的结果被数字化，作为第二测量模块120的输出数据输入到信息处理器130。
[0020] 第一校正部131基于在记录部134中记录的校正数据对第一测量模块110的输出数据进行校正(S131)。第二校正部132基于在记录部134中记录的校正数据对第二测量模块120的输出数据进行校正(S1321)。需要说明的是，第一校正部131和第二校正部132可以从在挖掘部设置的温度传感器(未图示)等获取温度数据等与周围的状态相关的数据而用于校正。
[0021] 评价部133对在步骤S131中进行了校正的第一测量模块110的输出数据和在步骤S1321中进行了校正的第二测量模块120的输出数据进行比较，求出进行了校正的第二测量模块120的输出数据的误差(S133)。也就是说，对进行了校正的第二测量模块120的输出数据进行评价。例如，可以将求出的误差记录于记录部134，在后述第二测量模块120的输出数据的校正的处理(S1322)或第二计算部136的计算的处理(S136)中进行修正。该情况下，信息处理器130基于第一测量模块110的输出数据对第二测量模块120的输出数据的误差进行修正。并且，例如，可以根据所求出的误差，对记录部134所存储的校正数据自身进行修正。该情况下，信息处理器130基于第一测量模块110的输出数据，对在记录部134中记录的第二测量模块120的校正数据进行修正。
[0022] 第一计算部135根据在步骤S131中进行了校正的第一测量模块110的输出数据求出挖掘部的位置和姿态(S135)。也就是说，信息处理器130基于第一测量模块110的输出数据求出挖掘部的位置和姿态。在挖掘的停止中进行图4所示的处理的情况下，例如，使用专利文献1所示的计算即可。在挖掘中进行图4所示的处理的情况下，例如，采用非专利文献1所示的使用无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filter)的方法即可。其中，由于第一测量模块110能够以高精度进行测量，因此一般来说加速度的动态范围较小。因此，在较强地受到由挖掘造成的振动、冲击、旋转的影响时，希望避免图4的处理。
[0023] 需要说明的是，信息处理器130可以具备第二电源控制部138。例如，在步骤S120的处理结束后到下一步骤S120的处理开始之间，第二电源控制部138可以切断从在挖掘部内配置的电池向第二测量模块120的通电来使第二测量模块120的电源为关。通过该处理，能够使第二测量模块120中的电能消耗停止。但是，第二测量模块120由于具有MEMS方式的传感器而耗电量小。因此，可以不设置第二电源控制部138。
[0024] 对挖掘中的处理流程进行说明。在开始进行挖掘前，信息处理器130的第一电源控制部137切断从在挖掘部内配置的电池向第一测量模块110的通电而使第一测量模块110的电源为关。通过该处理，能够使第一测量模块110中的电力消耗停止。接着，参照图5，对基于第二测量模块120的输出数据求出挖掘部的位置和姿态的处理的流程进行说明。第二加速度传感器121对预先确定的X轴、Y轴、Z轴方向的加速度进行测量，第二磁传感器122对预先确定的X轴、Y轴、Z轴方向的地磁进行测量(S120)。然后，所测量的结果被数字化，作为第二测量模块120的输出数据而输入到信息处理器130。
[0025] 第二校正部132基于在记录部134中记录的校正数据对第二测量模块120的输出数据进行校正(S1322)。需要说明的是，第二校正部132也可以从在挖掘部设置的温度传感器(未图示)等获取与温度数据等周围的状况相关的数据而用于校正。并且，在步骤S1322的校正中，在记录部134中记录有第二测量模块120的输出数据的误差的情况下，可以进行误差的量的修正。
[0026] 第二计算部136根据在步骤S1322中进行了校正的第二测量模块120的输出数据求出挖掘部的位置和姿态(S136)。也就是说，信息处理器130基于第二测量模块120的输出数据求出挖掘部的位置和姿态。在步骤S136的计算中，采用非专利文献1所示的使用无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filter)的方法即可。并且，在记录部134中记录第二测量模块120的输出数据的误差，在步骤S1322中没有使用误差时，在进行计算时，可以对通过步骤S1322得到的校正后的输出数据进行修正。
[0027] 第二测量模块120的第二加速度传感器121和第二磁传感器122是MEMS传感器，耗电量小。因此，能够降低挖掘中的电能消耗。一般来说，相对于30～60分钟的挖掘时间，使挖掘停止的时间为1分钟左右，因此能够抑制挖掘中的电能消耗从而减小整体的耗电量。因此，能够延长对在挖掘部内配置的电池进行更换的间隔。并且，虽然与第一测量模块110的第一加速度传感器111和第一磁传感器112相比测量精度低，但能够扩大动态范围。也就是说，即使受到挖掘中的振动、冲击、旋转的影响，测量值饱和的风险也较低。因此，在挖掘中也能够获知挖掘部的位置和姿态。
