JPH0783660A - 姿勢角センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ３６０度の範囲に亘って移動体の姿勢角を計
測でき、移動体の機能を充分に発揮できるようにする。 【構成】 非磁性体からなる円筒リング容器１１の内部
に液体１２及び磁石１３を封入する。磁石１３は、１８
０度以下の円弧状に形成したもので、液体１２中で浮力
により浮くように比重が調整され、円筒リング容器１１
内をエンドレスに回転可能である。円筒リング容器１１
と、その中央部に装着される磁気センサ１５は互いに固
定され、姿勢を計測する移動体に取り付けられる。移動
体の姿勢に応じて円筒リング容器１１及び磁気センサ１
５が回転した際、磁石１３は常に重力により円筒リング
容器１１内の最下部に位置する。従って、磁石１３から
の磁束を磁気センサ１５で検出することにより、円筒リ
ング容器１１の姿勢角を３６０度の範囲に亘って計測で
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、水中ロボット等の自由
度の高い移動体の姿勢角を検出するセンサに係り、特に
その姿勢が±１８０度と全周に亘る姿勢を取る場合の姿
勢角センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、水中ロボット等の移動体の傾斜を
計測する姿勢角センサには、重りの回転を回転角検出手
段で計測するものがある。図７は、磁気抵抗素子を用い
た姿勢角センサの一例を示すもので、円弧状をなす２つ
の磁気抵抗素子１ａ，１ｂと、この磁気抵抗素子１ａ，
１ｂに近接して回転可能に設けられた半円状の永久磁石
２からなり、この永久磁石２の回動位置に応じた磁気抵
抗素子１ａ，１ｂの抵抗値Ｒａ，Ｒｂの変化を検出する
ことにより、移動体の傾斜に比例する重りの回転角を計
測している。

【０００３】図８は、歪ゲージを用いた姿勢角センサの
例を示したものである。同図（ａ）に示すように片持ば
り５で重り６を吊り下げると共に、片持ばり５の中央部
に歪ゲージ７を装着している。そして、同図（ｂ）に示
すように重り６により片持ばり５が振られると、そのと
き片持ばり５に生じる歪みを歪ゲージ７で計測して移動
体の傾斜角を検出する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のように重り
の回転を検出する方式の姿勢角センサでは、図７及び図
８の何れの場合も計測範囲があり、３６０度に亘っての
計測が出来ない。このため従来の姿勢角センサは、全姿
勢を取るような移動体には適用できないという問題があ
った。従って、機能上は直立や回転などができる移動体
であっても、制御のための姿勢角検出手段がなく、移動
体の機能を有効に利用できなかった。本発明は上記実情
に鑑みてなされたもので、３６０度の範囲に亘って移動
体の姿勢角を計測できる姿勢角センサを提供することを
目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る姿勢角セン
サは、非磁性体により形成された円筒リング容器と、こ
の円筒リング容器内に液体と共に移動可能に封入され、
重力に従って常に該円筒リング容器内の下部に位置する
磁性材と、上記円筒リング容器の中央部に設けられ、該
円筒リング容器の姿勢角に応じて上記磁性材からの磁束
を検出する磁気センサとを具備したことを特徴とする。

【０００６】

【作用】円筒リング容器と磁気センサは、互いに固定さ
れており、姿勢を計測する移動体例えば水中ロボットに
取り付けられる。移動体の姿勢に応じて円筒リング容器
及び磁気センサが回転しても、内部の磁性材は常に重力
により円筒リング容器内の最下部に位置する。磁性材の
動きは、円筒リング容器の回転を制限するものではな
く、移動体の動きに応じてエンドレスに回転可能であ
る。従って、磁気センサは、円筒リング容器内部に生ず
る磁束の方向、即ち傾斜を３６０度の範囲で計測する。

【０００７】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。（第１実施例）図１は、本発明の第１実施例に係
る姿勢角センサの構成図で、（ａ）は正面断面図、
（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図である。

【０００８】同図において、１１は非磁性体からなる円
筒をリング状に形成した中空の円筒リング容器で、その
内部に液体１２及び磁性材例えば磁石１３を封入してい
る。液体１２は、円筒リング容器１１の中に気泡ができ
る程度に充填される。

【０００９】また、磁石１３は、例えば１８０度以下の
円弧状に形成したもので、その両端が各々Ｎ，Ｓ極に磁
化され、液体１２中で浮力により浮くような比重に調整
される。この場合、必要に応じて磁石１３に浮力を持た
せる浮き１４を付加する。

【００１０】そして、上記円筒リング容器１１の中央部
には、磁気センサ１５が装着される。円筒リング容器１
１と磁気センサ１５は、互いに固定されており、姿勢を
計測する移動体例えば水中ロボットに取り付けられる。
移動体の姿勢に応じて円筒リング容器１１及び磁気セン
サ１５が回転しても、内部の磁石１３は常に重力により
円筒リング容器１１内の最下部で浮くことになる。円弧
状に形成された磁石１３の動きは、円筒リング容器１１
の回転を制限するものではなく、移動体の動きに応じて
エンドレスに回転可能である。

【００１１】この時の磁石１３の磁力線の分布を図２に
示す。磁石１３のＮ，Ｓ極間で磁力線は分布し、円筒リ
ング容器１１の中央部に概略平行磁束領域を作る。磁石
１３の寸法は、円筒リング容器１１の中央部で平行磁束
に近くなるように設定される。

【００１２】上記磁気センサ１５は、一般に地球の磁気
方位を計測するセンサと同じ働きをするが、この実施例
では磁石１３から発する磁束を計測する。地磁気に対し
て磁石１３の発生する磁界が大きければ、地磁気の影響
を無視できる。また、円筒リング容器１１全体を磁気シ
ールド材で囲むようにすれば、地磁気の影響を無くして
更に精度を向上することができる。

【００１３】上記磁気センサ１５は、例えばフラックス
ゲート型のものが用いられ、図３に詳細を示すようにト
ロイダルコア１５１に直交する方向に２個のコイル、即
ちＸコイル１５２、Ｙコイル１５３が巻装され、更にバ
イアスをかけるための励磁コイル１５４が巻装された構
成となっている。

【００１４】そして、上記磁気センサ１５により計測さ
れた信号は、図４に示す処理回路により処理される。図
４において、２１は発振器で、この発振器２１から出力
される交流信号は、分周器２２に入力されて周波数ｆ
（Ｈｚ）と２ｆ（Ｈｚ）の信号に分周される。この分周
器２２で分周されたｆ（Ｈｚ）の信号により、アンプ２
３を介して励磁コイル１５４が駆動される。これにより
励磁コイル１５４からバイアス用の磁束が発生し、Ｘコ
イル１５２及びＹコイル１５３に与えられる。

【００１５】Ｘコイル１５２及びＹコイル１５３は、磁
石１３からの磁束を検出し、磁束量に応じた信号を出力
する。このＸコイル１５２及びＹコイル１５３により検
出された信号は、各々アンプ２４，２５で増幅された
後、位相検波器２６，２７に入力され、分周器２２から
の２ｆ（Ｈｚ）の信号を基準として検波される。この位
相検波器２６，２７で検波された信号は、積分器２８，
２９で直流化された後、アンプ３０，３１で増幅され、
出力信号Ｅｘ，Ｅｙとして取り出される。

【００１６】この場合、図３に示すように磁石１３によ
る磁場強度をＨ、その磁束に対する磁気センサ１５の傾
き角をθとすると、アンプ３０，３１の出力信号Ｅｘ，
Ｅｙは、 Ｅｘ＝Ｈｃｏｓθ Ｅｙ＝Ｈｓｉｎθ となり、次式により磁束の方向と磁気センサ１５のなす
角度θが求まる。

【００１７】θ＝ｔａｎ^-1（Ｅｘ÷Ｅｙ） 磁石１３は、円筒リング容器１１内を３６０度の範囲で
移動できるので、磁石１３による磁束の方向と磁気セン
サ１５のなす角度θ、即ち、計測対象である移動体の傾
斜角度が３６０度の範囲で求めることができる。

【００１８】（第２実施例）次に本発明の第２実施例を
図５により説明する。この第２実施例は、図５（ａ），
（ｂ）に示すように円筒リング容器１１の中に入れる磁
性材として磁石１３の代わりに磁性流体４１を用いたも
のである。磁性流体４１の比重は、液体１２の比重より
大きくする必要がある。また、液体１２は、磁性流体４
１と混濁しないような特性のものを選択する。磁性流体
４１の量は、第１実施例と同様に円筒リング容器１１の
中央部で概略の平行磁束ができる量とする。更に、円筒
リング容器１１内には、気泡が入らないように液体１２
を充填する。

【００１９】このような構成とすることにより、円筒リ
ング容器１１を回転すれば円筒内で比重の大きい磁性流
体４１は常に下部に集まる。また、円筒リング容器１１
の中央部に配置する磁気センサ１５としては、上記第１
実施例で示した以外にも、例えばホール素子を用いるこ
とができる。図５（ｃ）に示すようにホール素子４２
は、素子の面に貫通する磁束のうち、その直交成分に比
例した信号を出力するので、図５（ａ）に示すように
Ｘ，Ｙ２つのホール素子４２ａ，４２ｂを用いて磁性流
体４１の作る磁束の方向θを測定できる。

【００２０】即ち、供給される磁界をＨとすると、Ｘ，
Ｙホール素子４２ａ，４２ｂを用いて得られる出力信号
Ｅｘ，Ｅｙは、 Ｅｘ＝Ｈｃｏｓθ Ｅｙ＝Ｈｓｉｎθ となる。

【００２１】これは第１実施例の出力と同様である。以
上により姿勢角センサを図５のように配置すれば、円筒
リング容器１１の周方向の回転を伴う姿勢角を検出する
ことができる。

【００２２】上記した本発明による姿勢角センサを直交
方向に２個配置すれば、移動体のピッチング、ローリン
グの２軸の傾斜をそれぞれ３６０度の全範囲で計測でき
る。完全に立体球の中で自由な方向を検出するために
は、図６に示すように第１ないし第３の姿勢角センサ５
１，５２，５３を３軸方向に１個ずつ設けることが望ま
しい。但し、図６に示すように１軸は円筒リング容器１
１が水平になり、このセンサの出力は不定となる。

【００２３】上記のように不定となるセンサの信号を弁
別して有効な２軸のセンサを選択するためには、各姿勢
角センサ５１，５２，５３に、その重力方向を検出する
第１ないし第３の加速度センサ６１，６２，６３を設け
る。図６において、Ｘ方向及びＹ方向に向いている第
１，第２の加速度センサ６１，６２の検出値は、水中を
移動するようなロボットでは航行の加速度が小さいので
ほぼ零に近い。しかし、Ｚ方向に向いている第３の加速
度センサ６３は、地球の重力を検知し、９．８ｍ／ｓ²
に近い加速度を検知する。従って、図６の状態において
は、第３の加速度センサ６３が設けられている第３の姿
勢角センサ５３の検出信号を省き、第１、第２の姿勢角
センサ５１，５２の検出信号を用いて姿勢角を演算す
る。これにより有効な２軸の姿勢角センサを選択して移
動体の姿勢角を正しく検出することができる。

【００２４】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、３
６０度の範囲に亘って移動体の姿勢角を計測することが
できる。従って、計測レンジに制約がなくなり、その航
行制御により移動体に自由な姿勢をとらせることが可能
となり、移動体の機能を充分に発揮させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の第１の実施例に係る姿勢角セ
ンサの正面断面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線矢視
断面図。

【図２】同実施例における磁性材の磁気分布を示す図。

【図３】同実施例における磁気センサの詳細を示す構成
図。

【図４】同実施例における磁気センサ検出信号に対する
処理回路のブロック図。

【図５】本発明の第２の実施例に係る姿勢角センサの構
成図。

【図６】本発明の応用例を示す図。

【図７】従来の磁気抵抗素子による姿勢角センサの構成
図。

【図８】従来の歪ゲージによる姿勢角センサの構成図。

【符号の説明】

１１ 円筒リング容器 １２ 液体 １３ 磁石 １４ 浮き １５ 磁気センサ １５１ トロイダルコア １５２ Ｘコイル １５３ Ｙコイル １５４ 励磁コイル ２１ 発振器 ２２ 分周器 ２３〜２５ アンプ ２６，２７ 位相検波器 ２８，２９ 積分器 ３０，３１ アンプ ４１ 磁性流体 ４２，４２ａ，４２ｂ ホール素子 ５１〜５３ 姿勢角センサ ６１〜６３ 加速度センサ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 非磁性体により形成された円筒リング容
   器と、この円筒リング容器内に液体と共に移動可能に封
   入され、重力に従って常に該円筒リング容器内の下部に
   位置する磁性材と、上記円筒リング容器の中央部に設け
   られ、該円筒リング容器の姿勢角に応じて上記磁性材か
   らの磁束を検出する磁気センサとを具備したことを特徴
   とする姿勢角センサ。