(57)【要約】      （修正有）【課題】子午線に対する静止した移動体の方位角を計測するための測量を行うものであって、小型で低価格なジャイロ装置を提供する。【解決手段】軸線Ｘ軸に平行な基台１０と、該基台１０に回転可能に配置され、回転軸線がＸ軸に対して垂直なＺ軸と平行をなす回転台２０Ｃ，２０Ｄと、Ｘジャイロ１１Ｇ、Ｘ加速度計１１Ａ及び方位発信器１３Ｙを含むセンサ部１と、前記回転台２０Ｃ、２０Ｄを回転させるための駆動装置２２と、前記センサ部１から出力された信号より前記基台１０の方位、Ｘジャイロ１１Ｇのドリフト及びＸ加速度計１１Ａのバイアスを演算する演算部３と、を備える。【選択図】  図１
2004212162.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線Ｘ軸に平行な基台と、該基台に回転可能に配置され、回転軸線がＸ軸に対して垂直なＺ軸と平行をなす複数の回転台と、Ｘジャイロ及びＸ加速度計を含むセンサ部と、回転台の回転角を検出する方位発信器と、前記回転台を回転させるための駆動装置と、前記センサ部から出力された信号より前記基台の方位、Ｘジャイロのドリフト及びＸ加速度計のバイアスを演算する演算部と、を備え、
前記センサ部のＸ軸は、その入力軸線または測定軸線がＺ軸に直交する平面内にて回転するように、回転台に装着されており、
前記演算部は、前記駆動装置を制御する回転制御部と、回転台の回転角をパラメータとしてＸジャイロ及びＸ加速度計の出力を記憶するデータ計測記憶部と、データ計測記憶部からの出力によりＸジャイロのドリフト及びＸ加速度計のバイアスを演算するドリフト・バイアス演算部と、データ計測記憶部からの出力並びに前記演算されたドリフト及びバイアスにより前記基台の方位を演算する方位演算部と、を有することを特徴とするジャイロ装置。
【請求項２】
軸線Ｘ軸に平行な基台と、該基台に回転可能に配置され、回転軸線がＸ軸に対して垂直なＺ軸と平行をなす回転台と、該回転台に装着され回転台の回転軸線に直交する入力軸線を有する１つ以上のジャイロ及び１つ以上の加速度計を含むセンサ部と、回転台の回転角を検出する方位発信器と、前記回転台を回転させるための駆動装置と、前記センサ部から出力された信号より前記基台の方位を演算する演算部と、を備え、
前記演算部は、前記駆動装置を制御する回転制御部と、回転台の回転角をパラメータとして前記ジャイロ及び前記加速度計の出力を記憶するデータ計測記憶部と、データ計測記憶部からの出力により基台の方位を演算する方位演算部とを有するジャイロ装置において、
予め、ジャイロ装置の複数回の方位角計測結果から標準偏差が定義されており、
前記定義された標準偏差から、計測位置における方位角計測結果の平均値の計測誤差と最小の計測回数との関係を統計的手法により求め、所望の計測誤差以内となる該最小の計測回数を特定するか、または、計測回数から計測誤差を特定することができるようになったことを特徴とするジャイロ装置。
【請求項３】
軸線Ｘ軸に平行な基台と、該基台に回転可能に配置され、回転軸線がＸ軸に対して垂直なＺ軸と平行をなす回転台と、該回転台に装着され回転台の回転軸線に直交する入力軸線を有する１つ以上のジャイロ及び１つ以上の加速度計を含むセンサ部と、回転台の回転角を検出する方位発信器と、前記回転台を回転させるための駆動装置と、前記センサ部から出力された信号より前記基台の方位を演算する演算部と、を備え、
前記演算部は、前記駆動装置を制御する回転制御部と、回転台の回転角をパラメータとして前記ジャイロ及び前記加速度計の出力を記憶するデータ計測記憶部と、データ計測記憶部からの出力により基台の方位を演算する方位演算部とを有するジャイロ装置を用いて、子午線に対する基台の方位角を求める方位角検出方法であって、
予めジャイロ装置の複数回の方位角計測結果から標準偏差を定義し、
前記定義された標準偏差から、計測位置における方位角計測結果の平均値の計測誤差と最小の計測回数との関係を統計的手法により求め、所望の計測誤差以内となる該最小の計測回数を特定するか、または、計測回数から計測誤差を特定することを特徴とする方位角検出方法。
【請求項４】
軸線Ｘ軸に平行な基台と、該基台に装着された１つ以上のジャイロ及び１つ以上の加速度計を含むセンサ部と、前記センサ部から出力された信号より前記基台の方位を演算する演算部と、を備え、前記演算部は、前記ジャイロ及び前記加速度計の出力を記憶するデータ計測記憶部と、データ計測記憶部からの出力により基台の方位を演算する方位演算部とを有しており、移動体に基台が装着されるジャイロ装置を用いて、移動体の移動距離毎に計測した進行方位角と、移動距離から移動体の位置を求める位置算出方法であって、
予めジャイロ装置の複数回の方位角計測結果から標準偏差を定義し、
前記定義された標準偏差から、求めた移動体の位置誤差と最小の計測回数との関係を統計的手法により求め、所望の位置誤差以内となる該最小の計測回数を特定するか、または、計測回数から位置誤差を特定することを特徴とする位置算出方法。
【請求項５】
軸線Ｘ軸に平行な基台と、該基台に回転可能に配置され、回転軸線がＸ軸に対して垂直なＺ軸と平行をなす回転台と、該回転台に装着され回転台の回転軸線に直交する入力軸線を有する１つ以上のジャイロ及び１つ以上の加速度計を含むセンサ部と、回転台の回転角を検出する方位発信器と、前記回転台を回転させるための駆動装置と、前記センサ部から出力された信号より前記基台の方位を演算する演算部と、を備え、
前記演算部は、前記駆動装置を制御する回転制御部と、回転台の回転角をパラメータとして前記ジャイロ及び前記加速度計の出力を記憶するデータ計測記憶部と、データ計測記憶部からの出力によりジャイロのドリフト又は加速度計のバイアスを演算するドリフト・バイアス演算部と、前記基台の方位を演算する方位演算部と、を有しており、子午線に対する基台の方位角を求めるジャイロ装置において、
前記演算部は、回転台の複数の回転角において演算された前記バイアスまたはドリフトの標準偏差または最大差を求め、設定された閾値とバイアスまたはドリフトの標準偏差または最大差との大小関係を判定する計測精度判定部を備え、計測精度判定部にて、標準偏差または最大差が設定された閾値よりも大きいと判定された場合に計測中に振動、動きが存在したと判断して、計測された計測値の精度判定を行うことを特徴とするジャイロ装置。
【請求項６】
軸線Ｘ軸に平行な基台と、該基台に回転可能に配置され、回転軸線がＸ軸に対して垂直なＺ軸と平行をなす回転台と、該回転台に装着され回転台の回転軸線に直交する入力軸線を有する１つ以上のジャイロ及び１つ以上の加速度計を含むセンサ部と、回転台の回転角を検出する方位発信器と、前記回転台を回転させるための駆動装置と、前記センサ部から出力された信号より前記基台の方位を演算する演算部と、を備え、
前記演算部は、前記駆動装置を制御する回転制御部と、回転台の回転角をパラメータとして前記ジャイロ及び前記加速度計の出力を記憶するデータ計測記憶部と、データ計測記憶部からの出力によりジャイロのドリフト又は加速度計のバイアスを演算するドリフト・バイアス演算部と、前記基台の方位を演算する方位演算部と、を有するジャイロ装置における計測精度の判定を行う方法であって、
回転台の複数の回転角において演算された前記バイアスまたはドリフトの標準偏差または最大差を求め、設定された閾値とバイアスまたはドリフトの標準偏差または最大差との大小関係を判定し、標準偏差または最大差が設定された閾値よりも大きいと判定された場合に計測中に振動、動きが存在したと判断して、計測された計測値の精度を判定することを特徴とするジャイロ装置における計測精度判定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、子午線に対する静止した物体の方位角を計測するための測量用のジャイロ装置、例えば地下掘削機のような移動体の進行方位検出に好適なジャイロ装置に関し、さらに、ジャイロ装置を用いて推進工法における地下掘削機のような移動体の距離掘削毎に計測された進行方位と、移動距離とから移動体の位置を算出する位置検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、子午線に対する静止した物体の方位角を計測するための測量用のジャイロ装置として、鉛直軸線周りに回転可能に基台に支持された回転台と、回転台に装着され回転台の回転軸線に直交する入力軸線を有するジャイロと、回転台に装着され、回転台の回転軸線とジャイロの入力軸線の双方に直交する入力軸線を有する加速度計と、を有し、加速度計によってジャイロの入力軸線周りの基台の回転角を測定し、該回転角の微分値を用いてジャイロの入力軸線周りの基台の回転角変化率に起因する方位角の誤差を補正するようにしたものが知られている（特許文献１参照。）。この特許文献１のジャイロ装置は、トランシットの上端に装着されるものとなっており、１つの回転台にジャイロ及び加速度計からなるセンサ部が装着される。
【０００３】
以上のような子午線に対する静止した物体の方位角を計測することができる測量用のジャイロ装置では、移動体の進行方位を検出し、及びその進行方位と移動距離により移動体の位置を算出することができるが、その精度は、ジャイロ装置の仕様に記載されている方位計測精度、例えば±１度といった誤差量ΔΦをそのまま計測誤差とせざるを得ず、推進工法のようにある距離掘削毎に計測された進行方位Φと移動距離ｌとにより移動体の位置を算出する場合においても、総移動距離をＬ（Ｌ＝ｌ１＋ｌ２＋…ｌｎ：ｎは自然数）とすると、その位置誤差εはΔΦに依存し、
【０００４】
【数１】
2004212162.tif 000003
となる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−１１３４８号公報（第１欄第２行ないし第１２行、第１欄第３０行ないし第３２行、第５欄第４７行ないし第４９行、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ジャイロ装置には、センサ部に機械式、光学式等の様々な形式のものが使用されるが、１つの回転台にジャイロと加速度計からなるセンサ部が装着されているために、回転台の半径が大きくなり、構造的に小口径化が困難であるという問題があった。また、計測精度を高くしようとすると、センサ部が大型化し、方位計測するための時間が長くなるという欠点があった。特に、地下掘削機のような移動体の進行方位検出及び計測された進行方位と移動量より移動体の位置を算出するためのジャイロ装置においては、小型且つ小口径で、短時間で計測することが要求されていたが、方位精度の確保が小型化を妨げる共に、短時間で計測することができず、価格の低減を困難にしていた。
【０００７】
また、一般的に、精度が良い計測をするために、計測担当者は、複数回の計測を行い、平均値を採用することが多い。しかしながら、果たしてその平均値がどの程度の計測精度なのかは不明であるため、必要以上に計測を行って計測時間が長くなったり、または、必要な計測回数に達していないために、所望の計測精度が保証されていない計測を行う可能性もあった。
【０００８】
また、測量用のジャイロ装置は、地球自転角速度、重力加速度という微小物理量から方位検出するという計測方式であるため、計測中は静止状態に維持される必要があり、方位計測中にわずかな振動等の外乱が加わると、方位計測誤差が発生する。しかしながら、計測された方位計測結果からでは、静止中であったかどうか判定できず、その計測状態の把握には、専門的な知識を必要とした。
【０００９】
本発明の第１の目的は、子午線に対する静止した移動体の方位角を計測するための測量を行うものであって、小型で小口径で低価格なジャイロ装置を提供することである。
【００１０】
また、本発明の第２の目的は、ジャイロ装置によって、必要な計測精度を達成するために、適切な回数の計測を行うことができ、高い計測精度を得ることができるジャイロ装置、その方位角検出方法、及び位置算出方法を提供することである。
【００１１】
さらに、本発明の第３の目的は、計測が静止状態で行われたかどうかを自動的に判定することができるジャイロ装置及び計測精度判定方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、軸線Ｘ軸に平行な基台と、該基台に回転可能に配置され、回転軸線がＸ軸に対して垂直なＺ軸と平行をなす複数の回転台と、Ｘジャイロ及びＸ加速度計を含むセンサ部と、回転台の回転角を検出する方位発信器と、前記回転台を回転させるための駆動装置と、前記センサ部から出力された信号より前記基台の方位、Ｘジャイロのドリフト及びＸ加速度計のバイアスを演算する演算部と、を備え、
前記センサ部のＸ軸は、その入力軸線または測定軸線がＺ軸に直交する平面内にて回転するように、回転台に装着されており、
前記演算部は、前記駆動装置を制御する回転制御部と、回転台の回転角をパラメータとしてＸジャイロ及びＸ加速度計の出力を記憶するデータ計測記憶部と、データ計測記憶部からの出力によりＸジャイロのドリフト及びＸ加速度計のバイアスを演算するドリフト・バイアス演算部と、データ計測記憶部からの出力並びに前記演算されたドリフト及びバイアスにより前記基台の方位を演算する方位演算部と、を有することを特徴とする。
【００１３】
センサ部がＸジャイロ及びＸ加速度計で構成され、複数の回転台に個々に装備されるために、ジャイロ装置を小型、小口径且つ低価格で構成することができる。
【００１４】
また、請求項２記載の発明は、軸線Ｘ軸に平行な基台と、該基台に回転可能に配置され、回転軸線がＸ軸に対して垂直なＺ軸と平行をなす回転台と、該回転台に装着され回転台の回転軸線に直交する入力軸線を有する１つ以上のジャイロ及び１つ以上の加速度計を含むセンサ部と、回転台の回転角を検出する方位発信器と、前記回転台を回転させるための駆動装置と、前記センサ部から出力された信号より前記基台の方位を演算する演算部と、を備え、
前記演算部は、前記駆動装置を制御する回転制御部と、回転台の回転角をパラメータとして前記ジャイロ及び前記加速度計の出力を記憶するデータ計測記憶部と、データ計測記憶部からの出力により基台の方位を演算する方位演算部とを有するジャイロ装置において、
予め、ジャイロ装置の複数回の方位角計測結果から標準偏差が定義されており、
前記定義された標準偏差から、計測位置における方位角計測結果の平均値の計測誤差と最小の計測回数との関係を統計的手法により求め、所望の計測誤差以内となる該最小の計測回数を特定するか、または、計測回数から計測誤差を特定することができるようになったことを特徴とする。
【００１５】
この構成により、所望の計測精度を得るために必要な計測回数を求めることができ、または計測回数から計測精度を求めることができるために、適正な計測時間で適正な方位角計測を行うことができる。ジャイロ装置のセンサ部を大型化して計測精度を確保しなくても、所望の計測精度を得ることができる。
【００１６】
また、請求項３記載の発明は、軸線Ｘ軸に平行な基台と、該基台に回転可能に配置され、回転軸線がＸ軸に対して垂直なＺ軸と平行をなす回転台と、該回転台に装着され回転台の回転軸線に直交する入力軸線を有する１つ以上のジャイロ及び１つ以上の加速度計を含むセンサ部と、回転台の回転角を検出する方位発信器と、前記回転台を回転させるための駆動装置と、前記センサ部から出力された信号より前記基台の方位を演算する演算部と、を備え、
前記演算部は、前記駆動装置を制御する回転制御部と、回転台の回転角をパラメータとして前記ジャイロ及び前記加速度計の出力を記憶するデータ計測記憶部と、データ計測記憶部からの出力により基台の方位を演算する方位演算部とを有するジャイロ装置を用いて、子午線に対する基台の方位角を求める方位角検出方法であって、
予めジャイロ装置の複数回の方位角計測結果から標準偏差を定義し、
前記定義された標準偏差から、計測位置における方位角計測結果の平均値の計測誤差と最小の計測回数との関係を統計的手法により求め、所望の計測誤差以内となる該最小の計測回数を特定するか、または、計測回数から計測誤差を特定することを特徴とする。
【００１７】
この構成により、所望の計測精度を得るために必要な計測回数を求めることができ、または計測回数から計測精度を求めることができるために、適正な計測時間で適正な方位角計測を行うことができる。ジャイロ装置のセンサ部を大型化して計測精度を確保しなくても、所望の計測精度を得ることができる。
【００１８】
また、請求項４記載の発明は、軸線Ｘ軸に平行な基台と、該基台に装着された１つ以上のジャイロ及び１つ以上の加速度計を含むセンサ部と、前記センサ部から出力された信号より前記基台の方位を演算する演算部と、を備え、前記演算部は、前記ジャイロ及び前記加速度計の出力を記憶するデータ計測記憶部と、データ計測記憶部からの出力により基台の方位を演算する方位演算部とを有しており、移動体に基台が装着されるジャイロ装置を用いて、移動体の移動距離毎に計測した進行方位角と、移動距離から移動体の位置を求める位置算出方法であって、
予めジャイロ装置の複数回の方位角計測結果から標準偏差を定義し、
前記定義された標準偏差から、求めた移動体の位置誤差と最小の計測回数との関係を統計的手法により求め、所望の位置誤差以内となる該最小の計測回数を特定するか、または、計測回数から位置誤差を特定することを特徴とする。
【００１９】
この構成により、所望の位置精度を得るために必要な計測回数を求めることができ、または計測回数から位置精度を求めることができるために、適正な計測回数で適正な位置検出を行うことができる。ジャイロ装置のセンサ部の計測精度を高くしなくとも、所望の計測精度を得ることができる。
【００２０】
請求項５記載の発明は、軸線Ｘ軸に平行な基台と、該基台に回転可能に配置され、回転軸線がＸ軸に対して垂直なＺ軸と平行をなす回転台と、該回転台に装着され回転台の回転軸線に直交する入力軸線を有する１つ以上のジャイロ及び１つ以上の加速度計を含むセンサ部と、回転台の回転角を検出する方位発信器と、前記回転台を回転させるための駆動装置と、前記センサ部から出力された信号より前記基台の方位を演算する演算部と、を備え、
前記演算部は、前記駆動装置を制御する回転制御部と、回転台の回転角をパラメータとして前記ジャイロ及び前記加速度計の出力を記憶するデータ計測記憶部と、データ計測記憶部からの出力によりジャイロのドリフト又は加速度計のバイアスを演算するドリフト・バイアス演算部と、前記基台の方位を演算する方位演算部と、を有しており、子午線に対する基台の方位角を求めるジャイロ装置において、
前記演算部は、回転台の複数の回転角において演算された前記バイアスまたはドリフトの標準偏差または最大差を求め、設定された閾値とバイアスまたはドリフトの標準偏差または最大差との大小関係を判定する計測精度判定部を備え、計測精度判定部にて、標準偏差または最大差が設定された閾値よりも大きいと判定された場合に計測中に振動、動きが存在したと判断して、計測された計測値の精度判定を行うことを特徴とする。
【００２１】
計測が静止状態で行われなかった場合には、複数の回転角において演算されたバイアスまたはドリフトの標準偏差、または最大値が閾値よりも大きくなるはずである。計測精度判定部により、設定された閾値とバイアスまたはドリフトの標準偏差または最大値との大小関係を判定することにより、計測が静止状態で行われたかどうかを自動的に判定することができる。
【００２２】
請求項６記載の発明は、軸線Ｘ軸に平行な基台と、該基台に回転可能に配置され、回転軸線がＸ軸に対して垂直なＺ軸と平行をなす回転台と、該回転台に装着され回転台の回転軸線に直交する入力軸線を有する１つ以上のジャイロ及び１つ以上の加速度計を含むセンサ部と、回転台の回転角を検出する方位発信器と、前記回転台を回転させるための駆動装置と、前記センサ部から出力された信号より前記基台の方位を演算する演算部と、を備え、
前記演算部は、前記駆動装置を制御する回転制御部と、回転台の回転角をパラメータとして前記ジャイロ及び前記加速度計の出力を記憶するデータ計測記憶部と、データ計測記憶部からの出力によりジャイロのドリフト又は加速度計のバイアスを演算するドリフト・バイアス演算部と、前記基台の方位を演算する方位演算部と、を有するジャイロ装置における計測精度の判定を行う方法であって、
回転台の複数の回転角において演算された前記バイアスまたはドリフトの標準偏差または最大差を求め、設定された閾値とバイアスまたはドリフトの標準偏差または最大差との大小関係を判定し、標準偏差または最大差が設定された閾値よりも大きいと判定された場合に計測中に振動、動きが存在したと判断して、計測された計測値の精度を判定することを特徴とする。
【００２３】
計測が静止状態で行われなかった場合には、複数の回転角において演算されたバイアスまたはドリフトの標準偏差、または最大値が閾値よりも大きくなるはずである。設定された閾値とバイアスまたはドリフトの標準偏差または最大値との大小関係を判定することにより、計測が静止状態で行われたかどうかを自動的に判定することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。図１に示すように、本実施形態によるジャイロ装置１００は、移動体に装着されるケーシング５０と、ケーシング５０内に収容されケーシング５０に対して直接または防振座を介して固定された基台１０とを有する。ケーシング５０は円筒部５１と両端の円板部５２を含み、全体として中心軸線を有する円筒状をなしている。円筒部５１の外径は少なくとも８０ｍｍ以下、好ましくは６０ｍｍ以下である。
【００２５】
ここで、ケーシング５０又は基台１０に座標系を設定する。ケーシング５０の円筒部５１の中心軸線に沿ってＸ軸、基台１０に垂直にＺ軸、Ｘ軸とＺ軸に直交し且つ基台１０に平行にＹ軸をとる。このように設定した座標系は、ジャイロ装置を装着した移動体に設定した座標系とみなすことができるから、これを以下に移動体座標系と称する。基台１０の基準方位、即ち、移動体の方位はＸ軸の正の方向である。一方、地球表面に設けた座標系をローカル座標系又は局地座標系と称する。ローカル座標系とは、地球表面上の点を原点とし、水平面に沿って子午線方向にＸＬ軸、東西方向にＹＬ軸、鉛直上方にＺＬ軸とする座標系である。
【００２６】
ジャイロ装置１００は、基台１０に装着されたＸ加速度計１１Ａ、Ｚ加速度計１３Ａと、Ｘジャイロ１１Ｇ及び方位発信器１３Ｙの複数のセンサから構成されるセンサ部１を有する。図において各センサに付された矢印は入力軸線又は測定軸線の方向を示す。
【００２７】
ジャイロとしては、機械式、光学式いずれのジャイロをも使用することができる。
【００２８】
基台１０には複数の回転台が設けられている。図１の例では２つの回転台２０Ｃ、２０Ｄが設けられ、Ｘジャイロ１１Ｇは第１の回転台２０Ｃ上に装着され、Ｘ加速度計１１Ａは、第２の回転台２０Ｄ上に装着されている。方位発信器１３Ｙは複数の回転台２０Ｃ、２０Ｄの少なくとも１つの上に装着されている。
【００２９】
基台１０には、複数の回転台２０Ｃ、２０Ｄを回転させるために方位サーボモ―タ２２が設けられ、方位サーボモータ２２の回転を複数の回転台に伝達するために、適当な伝動装置、例えばバックラッシュレス歯車伝動装置２３や歯付ベルト２４が設けられる。方位サーボモータ２２及び伝動装置は、駆動装置を構成し、全ての回転台２０Ｃ、２０Ｄを同期的に回転駆動する。従って、回転台２０Ｃ、２０Ｄの回転角を検出する方位発信器１３Ｙは、ただ１つの回転台に配置すればよく、全ての回転台に装着する必要はない。
【００３０】
回転台２０Ｃ、２０Ｄは一定の回転速度、例えば、１０°／秒にて、±１８０°の回転角の範囲で回転する。回転台２０Ｃ、２０Ｄの回転角が±１８０°に限定されているため、回転台２０Ｃ、２０Ｄに装着されたＸジャイロ１１Ｇ、Ｘ加速度計１１Ａ及び方位発信器１３Ｙからのケーブル又はワイヤは縺れることがない。また、図１に示すように基台１０には演算部３を構成する回路基板が装着されている。
【００３１】
本実施形態では、センサ部１を構成するＸジャイロ１１Ｇ、Ｘ及びＺ加速度計１１Ａ、１３Ａ並びに方位発信器１３Ｙは、ケーシング５０の中心軸線即ちＸ軸上、またはＸ軸に整合して配置されている。回転台２０Ｃ、２０Ｄの回転軸線は、Ｚ軸と平行をなし、Ｘ軸上に配置されている。
【００３２】
図２は、本実施形態のジャイロ装置の構成ブロック図である。ジャイロ装置１００は、図１を参照して説明したセンサ部１と演算部３とを有する。ここで、センサ部１の各センサの入力軸線又は測定軸線（矢印）について説明すると、回転台２０Ｃ、２０Ｄの回転角が０である状態で、Ｘ加速度計１１Ａ及びＸジャイロ１１Ｇは、その入力軸線又は測定軸線が移動体座標系のＸ軸の正の方向に整合するように配置される。Ｚ加速度計１３Ａ及び方位発信器１３Ｙは、その入力軸線が移動体座標系のＺ軸の負の方向に整合するように配置される。
【００３３】
Ｘ加速度計１１Ａは回転台２０Ｃ、２０Ｄの回転角が０である状態で移動体座標系のＸ軸方向の加速度を検出し、Ｘジャイロ１１Ｇは移動体座標系のＸ軸回りの角速度ωＸを検出する。Ｚ加速度計１３Ａは移動体座標系のＺ軸方向の加速度を検出する。Ｚ加速度計１３Ａは基台１０の上下（天地）判別に使用される。方位発信器１３ＹはＸ軸に対する回転台２０Ｃ、２０Ｄの回転角φを検出する。
【００３４】
本実施形態のジャイロ装置１００は、移動体が移動しているときには、計測を休止しているが、移動体が静止している場合には、地球自転から北を探す測量ジャイロ装置として機能する。そして、この測量ジャイロ装置から得られた方位は、移動体の位置を求めるために供される。そのために、ジャイロ装置１００のセンサ部１は、位置を測定するべき移動体に直接装着される。移動体は、例えば、地下掘削機の先導体とすることができる。ジャイロ装置１００のセンサ部１は、移動体と共に運動し、移動体の方位及び姿勢と同一の方位及び姿勢をとる。
移動体のＸ軸周りの回転（ロール回転）により、ロール角が１０°以上の場合、移動体のロール角を±１０°以内、望ましくは±５°以内に調整することにより、高精度に計測することができる。
移動体がＸ軸周りに回転することなく、上下判別を必要としない場合、Ｚ加速度計を使用しない構成とすることができる。
【００３５】
そして、ジャイロ装置１００は、回転台２０に短い時間で、±１８０度のローテーションをかけ、演算部３にて、ジャイロのドリフト及び加速度計のバイアスを計測し、ジャイロ及び加速度計の誤差成分が除去された方位角及び姿勢角を得るものであり、こうして、センサ部１の温度及び経年変化による計測誤差を低減させることができる。
【００３６】
このために、演算部３は、図３に示すように、回転制御部７１と、シークエンサ部７２と、データ計測記憶部７３と、方位演算部７４と、ドリフト・バイアス演算部７５とを有する。
【００３７】
次に、図５〜図７を参照して、本実施形態のジャイロ装置１００の方位計測の原理について説明する。図５に示すように、地球の北半球における緯度λの地点Ｐを考える。地球の中心をＯとし、地点Ｐを通る子午線が赤道面と交わる点をＰＯとし、地球の自転軸線をＯＰＮとする。地点Ｐの緯度λは∠ＰＯＰＯである。地点Ｐにおける水平面Ｈは地球面に対する接平面である。尚、移動体が掘削に伴って地中の地点にあっても、便宜的に接平面の概念を用いる。
【００３８】
地球の自転角速度べクトルΩＥは図示のように自転軸線ＯＰＮ方向を向いている。地球の自転角速度べクトルΩＥは、水平面Ｈ上で真北方向（矢印Ｎ）の水平成分ＨＥＲ（Ｈｏｒｉｚｏｎｔａ１  Ｅａｒｔｈ  Ｒａｔｅ）、即ち、ΩＥｃｏｓλと、垂直成分ＶＥＲ（Ｖｅｒｔｉｃａ１  Ｅａｒｔｈ  Ｒａｔｅ）、即ち、ΩＥｓｉｎλとに分解することができる。
【００３９】
図６に示すように、地点Ｐの水平面Ｈ上にジャイロ装置１００、即ち、移動体が配置されていると仮定する。移動体の方位は上述のようにＸ軸に整合している。移動体の掘削部の方位角∠ＮＰＰｘをΦとし、Ｘジャイロ１１Ｇの入力軸線をＸＧＳとする。
【００４０】
移動体の方位Ｐｘに対するＸジャイロ１１Ｇの入力軸線の回転角をφとする。回転台２０Ｃの回転角は、Ｘジャイロ１１Ｇの入力軸線の回転角φに等しいとすると、Ｘジャイロ１１Ｇの入力軸線の方位角∠ＮＰＰＸＧＳはΦ＋φである。
【００４１】
Ｘジャイロ１１Ｇは、地球の自転角速度べクトルΩＥの入力軸線ＸＧＳ方向の成分を検出する。従って、Ｘジャイロ１１Ｇの出力ωＸは次のように表わされる。
【００４２】
【数２】
2004212162.tif 000004
ここに、ΩＥは地球の自転角速度、λは緯度である。Φは移動体の掘削部の方位、即ち、Ｘ軸の子午線に対する角度、φは移動体の方位に対するＸジャイロ１１Ｇの回転角、ＵＸはＸジャイロ１１Ｇのドリフト、ΔＦはＸジャイロ１１Ｇのスケールファクタ誤差である。尚、本実施形態では、ジャイロ装置１００が静止している時に方位計測を行うため、Ｙ軸回りの回転角速度及びＸ軸回りの回転角速度はゼロである。
【００４３】
理想状態以外では、実際の計測においてＸジャイロ１１Ｇの入力軸線は、水平面に対して傾斜角ＡＸだけ傾斜しており、Ｘジャイロの出力ωＸは次のように表される（図７参照）。
【００４４】
【数３】
2004212162.tif 000005
しかし、緯度λは既知であり、傾斜角ＡＸもＸ加速度計１１Ａにより既知であるため、演算部３にて座標変換を行うことにより、（１）式を基に方位角Φを求めることができる。以下にその方位角Φを算出する原理を説明する。
【００４５】
回転台２０Ｃ、２０ＤをＺ軸回りに回転させて、一定の回転角度φ（＝２π／２ｎ（ｒａｄ）：ｎは自然数）毎に停止させ、ＸＹ平面内の地球自転角速度（１５°／ｈ）の水平成分と垂直成分及び傾斜角を計測する。回転台２０を１回転させることによって２ｎ個の測定値ωＸｉ（ｉ＝１〜２ｎ）が得られる。
【００４６】
【数４】
2004212162.tif 000006
緯度λが既知であり、傾斜角ＡＸｉもＸ加速度計１１Ａより既知であり、後述のように、演算部３において、Ｘジャイロ１１ＧのドリフトＵＸとＸ加速度計１１Ａの出力に含まれるバイアスΔＡＸが求まるので、（２）式のうち、第２項及び第３項並びに第１項のｃｏｓＡＸｉが求まる。ここで、
【００４７】
【数５】
2004212162.tif 000007
とおくと、ω’Ｘｉは、
【００４８】
【数６】
2004212162.tif 000008
と表され、水平面に変換した形になる。このとき、ΔＦΩＥｃｏｓλｃｏｓ（Φ＋φｉ）を誤差変動ΔＥｉとみて、これに関する最小二乗近似法を用いて、基台１０の方位角Φを求めると、
【００４９】
【数７】
2004212162.tif 000009
となる。上式は、Ｘジャイロ１１ＧのドリフトＵＸ及びスケールファクタ誤差ΔＦを含んでおらず、これらの誤差の影響を受けることなく方位を演算することができる。
【００５０】
次に、Ｘジャイロ１１Ｇに含まれるドリフトＵＸを求める原理を説明する。移動体がＸジャイロ１１Ｇの入力軸線ＸＧＳに直交するＹＧＳの回りに回転角ＡＸだけ回転偏倚した場合を考察する。図７を参照して説明すると、図７は、Ｚ軸及びＸジャイロ１１Ｇの入力軸線ＸＧＳによって形成される面を示す。Ｘジャイロの出力ωＸは前述のように、次のように表わされる。
【００５１】
【数８】
2004212162.tif 000010
ここで、ＡＸは水平面Ｈに対するＸジャイロ１１Ｇの入力軸線ＸＧＳの傾斜角である。傾斜角ＡＸはＸ加速度計１１Ａによって検出される。
【００５２】
回転台２０Ｃ、２０ＤをＺ軸回りに回転させて、一定の回転角度φ（＝２π／２ｎ（ｒａｄ）：ｎは自然数）毎に停止させ、ＸＹ平面内の地球自転角速度（１５°／ｈ）の水平成分と垂直成分及び傾斜角を計測する。回転台を１回転させることによって２ｎ個の測定値ωＸｉ（ｉ＝１〜２ｎ）が得られると同時に、２ｎ個の測定値ＡＸｉ（ｉ＝１〜２ｎ）が得られる。これらの測定値の中で、回転角φが互いにπ（＝１８０°）異なるデータに注目する。
【００５３】
例えば、回転角φの場合のＸジャイロ１１Ｇの出力信号をωＸｉ（ｉ＝１〜２ｎ）、回転角φ＋πの場合のＸジャイロ１１Ｇの出力信号をωＸｉ＋ｎとすると、これらは次のように表される。
【００５４】
【数９】
2004212162.tif 000011
ここにＡＸｉ、ＡＸｉ＋ｎはそれぞれ回転台の回転角がφとφ＋πの場合における、水平面Ｈに対するＸジャイロ１１ＧのＹ軸回りの傾斜角である。この２つの傾斜角ＡＸｉ、ＡＸｉ＋ｎの間には、幾何学的に次のような関係がある。
【００５５】
【数１０】
2004212162.tif 000012
この（７）式を、上記（６）式に代入して変形すると次の関係式が得られる。
【００５６】
【数１１】
2004212162.tif 000013
これらの式より次の関係式が求められる。
【００５７】
【数１２】
2004212162.tif 000014
こうして、Ｘジャイロ１１ＧのドリフトＵＸを求めることができる。
【００５８】
次に、Ｘ加速度計１１Ａの出力信号ＡＸに含まれるバイアスΔＡＸを検出し、真のＹＧＳ軸回りの傾斜角Ａ’Ｘを検出する原理を説明する。
【００５９】
回転台２０Ｃ、２０ＤをＺ軸回りに回転させて、一定の回転角度φ（＝２π／２ｎ（ｒａｄ）：ｎは自然数）毎に停止させ、ＸＹ平面内の地球自転角速度（１５°／ｈ）の水平成分と垂直成分及び傾斜角を計測する。回転台を１回転させることによって２ｎ個の測定値ωＸｉ（ｉ＝１〜２ｎ）が得られると同時に、２ｎ個の測定値ＡＸｉ（ｉ＝１〜２ｎ）が得られる。ジャイロのドリフトを求めた場合と同様に、これらの測定値の中で、回転角φが互いにπ（＝１８０°）異なるデータに注目し、回転角φの場合のＸ加速度計１１Ａの出力信号をＡＸｉ（ｉ＝１〜２ｎ）、回転角φ＋πの場合のＸ加速度計１１Ａの出力信号をＡＸｉ＋ｎとすると、これらは次のように表される。
【００６０】
【数１３】
2004212162.tif 000015
ここにＡ’Ｘｉ、Ａ’Ｘｉ＋ｎは、前述のように、バイアスΔＡＸがゼロの場合に、それぞれ回転台の回転角がφとφ＋πの場合における、水平面Ｈに対するＸジャイロ１１ＧのＹＧＳ軸回りの傾斜角である。この２つの傾斜角Ａ’Ｘｉ、Ａ’Ｘｉ＋ｎの間には、（７）式の関係がある。よって、（９）式から次の関係式が得られる。
【００６１】
【数１４】
2004212162.tif 000016
従って、回転台の回転角がφのとき、真のＹＧＳ軸回りの傾斜角Ａ’Ｘｉ及びＸ加速度計１１ＡのバイアスΔＡＸは次の式によって表される。
【００６２】
【数１５】
2004212162.tif 000017
回転台２０Ｃ、２０Ｄの回転角φ＝９０°のときに計測される傾斜角が、移動体のロール傾斜角Ａｒとなり、回転台の回転角φ＝０°のときに計測される傾斜角が、移動体のピッチ傾斜角Ａｐとなる。
【００６３】
本実施形態によると、回転台２０Ｃ、２０Ｄを１回転させることによって２ｎ組の測定値ωＸｉ（ｉ＝１〜２ｎ）が得られるのと同時に、２ｎ個の測定値ＡＸｉ（ｉ＝１〜２ｎ）が得られる。従って、回転台２０Ｃ、２０Ｄの回転角φが互いに１８０°異なる測定値はｎ組である。ｎ組の測定値からｎ組のＵＸ、ΔＡＸが得られる。これらの平均値を求めることにより、より正確なデータＵＸ、ΔＡＸの値が得られる。また、Ａ’Ｘと回転台の回転角φより、ジャイロ装置の姿勢角であるピッチ傾斜角Ａｐとロール傾斜角Ａｒを算出することができる。
【００６４】
図３を参照して演算部３の動作を説明する。回転制御部７１は、回転台の回転角φが設定回転角φＳに等しくなるように、方位サーボモータ２２を制御する。回転制御部７１は、シークエンサ部７２によって生成された設定回転角φＳの指令信号に基づき方位サーボモータ２２を作動させる。方位サーボモータ２２が作動して回転台２０Ｃ、２０Ｄが回転軸線回りに回転する。方位発信器１３Ｙは回転台の回転角φを検出しそれを回転制御部７１に出力する。方位発信器１３Ｙの出力信号φが設定回転角φＳに等しくなると、データ計測記憶部７３は回転台２０Ｃ、２０Ｄの回転角φＳのデータを回転台の回転角として記憶する。
【００６５】
即ち、データ計測記憶部７３は、回転台の設定回転角φＳを記憶すると共に、Ｘジャイロ１１Ｇの出力信号ωＸ、及びＸ加速度計１１Ａより出力された傾斜角ＡＸ（時計方向を＋とする。）のデータを記憶する。次にシークエンサ部７２は、新たな設定回転角φＳ＝φＳ＋△φの信号を生成して回転制御部７１に供給する。回転制御部７１は方位発信器１３Ｙの出力信号φが新たな設定回転角φＳに等しくなるように、方位サーボモータ２２を作動させる。
【００６６】
方位発信器１３Ｙの出力信号φが新たな設定回転角φＳに等しくなると、デ―タ計測記憶部７３は、同様に、Ｘジャイロ１１Ｇ、Ｘ加速度計１１Ａより出力された信号及び回転台の回転角のデータを記憶する。
【００６７】
こうして、データ計測記情部７３は設定回転角φＳ毎に、データωＸｉ、ＡＸｉ（ｉ＝１〜２ｎ）を順次記憶する。データ計測記憶部７３に記憶された多数のデータφｉ、ωＸｉ、ＡＸｉ（ｉ＝１〜２ｎ）は順次、方位演算部７４及びドリフト・バイアス演算部７５に供給される。
【００６８】
ドリフト・バイアス演算部７５は、（８）式〜（１１）式を用い、ジャイロドリフトＵＸ、傾斜角Ａ’Ｘ、加速度計バイアスΔＡＸ及び姿勢角Ａｐ、Ａｒを演算し、方位演算部７４はジャイロドリフトＵＸ、傾斜角Ａ’Ｘ、及び加速度計バイアスΔＡＸを用い、（３）式〜（５）式を用いて、移動体の方位Φを演算する。こうして、Ｘジャイロ１１Ｇ及びＸ加速度計１１Ａ、Ｚ加速度計１３Ａのみから方位Φを求めることができるので、センサ部１を小型化することができ、ケーシング５０を小口径化することができ、低価格で構成することができる。
【００６９】
（第２実施形態）
次に、図８ないし図１１を参照して、第２実施形態に係るジャイロ装置１００及びこのジャイロ装置１００を用いた方位角検出方法を説明する。上述のようにジャイロ装置１００は、ジャイロコンパスのように連続的に方位角を出力するのではなく、回転台２０Ｃ上のＸジャイロ１１ＧをＺ軸回りに一定の回転角度φ（＝２π／２ｎ（ｒａｄ）：ｎは自然数）毎に停止させ、ＸＹ平面内の地球自転角速度（１５°／ｈ）の水平成分と垂直成分及び傾斜角を計測し、回転台が１回転することにより、一回の方位計測結果、ピッチ傾斜角Ａｐ、ロール傾斜角Ａｒが検出される。つまり、連続的に複数回計測を行っても、一定時間間隔をもって間欠的に計測結果が得られる。この複数回の方位計測結果の分布の一例を表したものが図９である。地球自転角速度という物理量を毎回計測し、方位角を算出しており、個々の計測結果は独立であるため、方位計測結果の母集団は、正規分布Ｎ（μ，σ２）に従う。ここで、μは母集団の平均値、σ２は分散である。
【００７０】
方位計測をｍ回行い、計測結果Φ１、Φ２、…Φｍを得たとする。標本平均ΦＡＶは、
【００７１】
【数１６】
2004212162.tif 000018
で表され、この標本平均ΦＡＶは、平均値μ、分散σ２／ｍの正規分布Ｎ（μ，σ２／ｍ）に従うから、
【００７２】
【数１７】
2004212162.tif 000019
は、平均値０、分散１の正規分布Ｎ（０，１）に従う。これにより、例えば、確率０．９５での信頼区間は、正規分布表により、
【００７３】
【数１８】
2004212162.tif 000020
となり、これは、
【００７４】
【数１９】
2004212162.tif 000021
となる。これは、σが既知であると、ｍ回の方位計測結果の平均値を求めることにより、この区間内にμが０．９５の確率で含まれているという区間推定を行うことができるということを意味する。
【００７５】
信頼度は、正規分布表により０．９、０．９９…等の任意の値が選択可能である。また、ｎ回の計測回数が少ない場合（統計学的にはｎ＜３０）は、ｔ分布に従うとして区間推定を行う。
【００７６】
本実施形態による方法では、ジャイロ装置の標準偏差σを既知として予め定義しておくことにより、計測位置における複数回の計測結果の平均値が、所望する計測精度範囲内となる最小の計測回数ｍを（１３）式、（１４）式または類似の式による統計的手法により求めることができる。図１０は、標準偏差に応じた、信頼度０．９５の計測回数と誤差との関係を表すグラフである。
【００７７】
本実施形態の演算部３は、図８に示すように、回転制御部７１と、シークエンサ部７２と、データ計測記憶部７３と、方位演算部７４と、ドリフト・バイアス演算部７５と、そのジャイロ装置１００の標準偏差σで所定の信頼度における計測回数ｍと誤差ΔΦとの関係を記憶する標準偏差記憶部７６と、を有する。標準偏差σは予め、複数の方位角計測結果から求められている。所望の誤差範囲を設定すると、標準偏差記憶部７６が、（１３）式、（１４）式または類似の式から計測回数ｍを算出して、シークエンサ部７２に出力して、シークエンサ部７２がその計測回数ｍから、回転台をｍ回方位計測させるように制御する。自動的にｍ回の方位計測を行い、その平均値ΦＡＶを算出する。
【００７８】
または、標準偏差記憶部７６は、各信頼度における計測回数ｍと誤差ΔΦとの関係を記憶することもでき、所望の信頼度及び誤差範囲を設定すると、標準偏差記憶部７６が、（１３）式、（１４）式または類似の式から計測回数ｍを算出して、シークエンサ部７２に出力して、シークエンサ部７２がその計測回数ｍから、回転台をｍ回方位計測させるように制御するようにしてもよい。または、計測回数を設定すると、標準偏差記憶部７６が、所定の信頼度における、設定された計測回数に対応する誤差範囲を出力するようにしてもよい。これにより、計測担当者は正確な計測精度を知ることができる。
【００７９】
本実施形態による方位角検出方法によると、ジャイロ装置１００のセンサ部１の性能を向上させることなく、最小の計測回数で所望の計測精度（信頼区間）向上を図ることができる。
【００８０】
本実施形態による方位角検出方法は、ジャイロ装置の回転台が１つまたは複数というような構造的な違いに依らず、一回の計測時間が短いジャイロ装置に有効である。計測時間は、１０分以下、望ましくは５分以下である。
【００８１】
（第３実施形態）
次に、上記ジャイロ装置１００のセンサ部１を地下掘削機のような移動体に取り付けて、その移動体の位置を求める移動体位置算出方法を図１１ないし図１３を参照して、説明する。地下掘削機２００のような移動体は、図４に示すように、元押し装置２０２から配管２０３を掘削孔に挿入するとともに、先端の掘削装置により掘削し、前進する。掘削は、元押し装置２０２のストロークで配管２０３の長さまで掘削すると、停止し、ストロークを戻し新たな配管２０３を接続し、掘削するという作業を繰り返す。このとき得られる情報としては、掘削停止時の各測定点においてジャイロ装置１００が計測する方位角、ピッチ傾斜角Ａｐ及びロール傾斜角Ａｒと元押し装置２０２から得られる配管２０３の移動量（即ち、挿入ストローク）である。
【００８２】
図１２は、原点及び測定点Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２、…、ＰＭと、計測ごとの移動体の移動量ｌ１、ｌ２、…、ｌＭによって形成される軌跡を示す。原点Ｏは位置算出の原点に設けられる。説明を簡略化するために図１２のＸ軸は、水平面に沿って子午線方向に整合し、Ｙ軸は緯度方向に整合し、測定点Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２、…、ＰＭは水平面に存在すると仮定した２次元的な配置とする。
【００８３】
各測定点Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２、…、ＰＭの座標を（ｘ０，ｙ０）、（ｘ１，ｙ１）、（ｘ２，ｙ２）、…、（ｘＭ，ｙＭ）とし、各測定点での方位角をΦ１、Φ２、…、ΦＭとする。各測定点の座標（ｘｉ，ｙｉ）は、次のように表される。
【００８４】
【数２０】
2004212162.tif 000022
ここで、実際の掘削において移動量ｌ１、ｌ２、…、ｌＭは、一定の間隔となることから、（１５）式は、次のように表される。
【００８５】
【数２１】
2004212162.tif 000023
Ｌ（＝ｌ１＋ｌ２＋…＋ｌＭ）は総移動量である。実際の地下掘削機の削孔軌跡は、方位角Φ１、Φ２、…、ΦＭが十分小さく、ｘｉ≫ｙｉの場合が多い。そこで、理解し易いように、この近似を（１６）式に適用すると、（ｘＭ，ｙＭ）は次のように近似できる。
【００８６】
【数２２】
2004212162.tif 000024
ここで、Φａは、Ｘ軸とＰＭＯとがなす角度である。つまり、方位角の変化量の積算値は、最終測定点ＰＭとＸ軸がつくる角度に一致する。
【００８７】
方位角Φ１、Φ２、…、ΦＭに含まれる計測誤差ΔΦ１、ΔΦ２、…、ΔΦＭとすると、（１７）式は次のように表される。
【００８８】
【数２３】
2004212162.tif 000025
方位計測による位置誤差は、（１８）式のｙＭの第２項である。つまり、各測定点での方位角Φ１、Φ２、…、ΦＭに含まれる計測誤差ΔΦ１、ΔΦ２、…、ΔΦＭの積算値と総移動量Ｌの積となり、最終的な位置誤差εは、Ｘ軸とＰＭＯとがなす角度Φａの角度誤差ΔΦａと総移動量Ｌの積により次のように求めることができる。
【００８９】
【数２４】
2004212162.tif 000026
ここで、ΔｘＭ、ΔｙＭは、座標（ｘＭ，ｙＭ）の位置誤差である。角度誤差ΔΦａと計測誤差ΔΦ１、ΔΦ２、…、ΔΦＭとの関係は、（１８）式より次のように表される。
【００９０】
【数２５】
2004212162.tif 000027
Ｍ回計測の誤差平均が、角度誤差ΔΦａであれば所望する位置誤差であるとすると、これは、図９と共に説明した方位角検出方法で示した（１２）式と同一の形式であり、角度誤差ΔΦａが、計測誤差ΔΦ１、ΔΦ２、…、ΔΦＭの標本平均であることを示している。従って、上述のようにΔΦａは、平均値μ、分散σ２／ＭのＮ（μ，σ２／Ｍ）に従うから、
【００９１】
【数２６】
2004212162.tif 000028
は、平均値０、分散１の正規分布Ｎ（０，１）に従う。これにより、例えば、確率０．９５での信頼区間は、正規分布表により、
【００９２】
【数２７】
2004212162.tif 000029
となり、これは、
【００９３】
【数２８】
2004212162.tif 000030
となる。これは、σが既知であると、Ｍ回の方位計測結果の平均値を求めることにより、この区間内にμが０．９５の確率で含まれているという区間推定を行うことができるということを意味する。
【００９４】
信頼度は、正規分布表により０．９、０．９９…等の任意の値が選択可能である。また、Ｍ回の計測回数が少ない場合（統計学的にはＭ＜３０）は、ｔ分布に従うとして区間推定を行う。
【００９５】
本実施形態による方法では、ジャイロ装置の標準偏差σを既知として予め定義しておくことにより、移動体が所望する位置誤差以内となる角度誤差ΔΦａを（１９）式により求め、最小の計測回数Ｍを（２０）式、（２１）式または類似の式による統計的手法により求めることができる。図１３は、掘削距離を様々に変えたときの、標準偏差＝０．３５の場合の信頼度０．９５の計測回数と位置誤差との関係を表すグラフである。
【００９６】
本実施形態の演算部３は、図１１に示すように、回転制御部７１と、シークエンサ部７２と、データ計測記憶部７３と、方位演算部７４と、ドリフト・バイアス演算部７５と、そのジャイロ装置１０の標準偏差σで所定の信頼度における計測回数Ｍと位置誤差εとの関係を記憶する標準偏差記憶部７７と、を有する。所望の誤差範囲を設定すると、標準偏差記憶部７７が、計測回数Ｍを算出する。
【００９７】
または、標準偏差記憶部７７は、各信頼度における計測回数Ｍと誤差ΔΦとの関係を記憶することもでき、所望の信頼度及び誤差範囲を設定すると、標準偏差記憶部７７が、（２０）式、（２１）式または類似の式から計測回数Ｍを算出するようにしてもよい。または、計測回数を設定すると、標準偏差記憶部７７が、所定の信頼度における、設定された計測回数に対応する誤差範囲を出力するようにしてもよい。これにより、計測担当者は正確な計測精度を知ることができる。
【００９８】
尚、以上の説明は、簡略化のために２次元配置で説明したが、各測定点Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２、…、ＰＭの座標を（ｘ０，ｙ０，ｚ０）、（ｘ１，ｙ１，ｚ１）、（ｘ２，ｙ２，ｚ２）、…、（ｘＭ，ｙＭ，ｚＭ）とし、各測定点での方位角をΦ１、Φ２、…、ΦＭ、ピッチ傾斜角Ａｐを、Ａｐ１、Ａｐ２、…、ＡｐＭ、ロール傾斜角Ａｒを、Ａｒ１、Ａｒ２、…、ＡｒＭとすることにより、同様にして３次元での位置誤差と計測回数との関係を算出することができる。ここでは、詳細説明は省略する。
【００９９】
本実施形態による方位角検出方法によると、ジャイロ装置１００のセンサ部１の性能を向上させることなく、最小の計測回数で所望の位置精度（信頼区間）向上を図ることができる。
【０１００】
本実施形態による位置算出方法は、ジャイロ装置の回転台が１つまたは複数というように構造的な違いに依らず、一回の計測時間が短いジャイロ装置に有効である。計測時間は、１０分以下、望ましくは５分以下である。
【０１０１】
（第４実施形態）
ところで、本発明のジャイロ装置においては、地球自転角速度、重力加速度という微小物理量から方位検出するという計測方法であるために、静止中に計測する必要があり、方位計測中にわずかな振動等の外乱が加わると方位計測誤差が発生する。よって、方位計測中に静止中であったかどうかを判定して、計測精度を判定する判定方法及びその判定機能を備えたジャイロ装置について説明する。
【０１０２】
上述のようにジャイロ装置１００は、回転台２０Ｃ上のＸジャイロ１１ＧをＺ軸回りに一定の回転角度φ（＝２π／２ｎ（ｒａｄ）：ｎは自然数）毎に停止させ、ＸＹ平面内の地球自転角速度（１５°／ｈ）の水平成分と垂直成分及び傾斜角を計測し、回転台が１回転することにより、２ｎ個の測定値ωＸｉ（ｉ＝１〜２ｎ）及び２ｎ個の測定値ＡＸｉ（ｉ＝１〜２ｎ）を得る。これらの測定値の中で、回転角φが互いにπ（＝１８０°）異なるデータを使用し、（８）式及び（１１）式よりｎ個のＸジャイロ１１ＧのドリフトＵＸｊ（ｊ＝１〜ｎ）とＸ加速度計１１ＡのバイアスΔＡＸｊ（ｊ＝１〜ｎ）とが求められる。
【０１０３】
回転台が１回転する方位計測中に振動等の外乱が加わることなく方位計測ができた場合は、ドリフトＵＸｊ及びバイアスΔＡＸｊは以下の関係式が成り立つ。
【０１０４】
【数２９】
2004212162.tif 000031
しかしながら、方位計測中に外乱が加わると、（２２）式の関係が成り立たず、各データに差が生じる。そこで、各データの差の最大値またはｎ個のデータの標準偏差を求め、ある閾値以下の場合、計測中に外乱が加わることなく、正常に計測されたと判定できる。
【０１０５】
Ｘ加速度計１１Ａのバイアスの平均値ΔＡＸＡＶ、バイアスの標準偏差ΔＡＸｓｔｄ及びバイアスの最大差ΔＡＸｍａｘの算出式を次に示す。
【０１０６】
【数３０】
2004212162.tif 000032
ここでΔＡ１Ｘｌｉｍは標準偏差の判定の閾値、ΔＡＸｍａｘ、ΔＡＸｍｉｎは、ΔＡＸｊ（ｊ＝１〜ｎ）の最大値と最小値であり、ΔＡ２Ｘｌｉｍは最大差の判定の閾値である。
【０１０７】
また、Ｘジャイロ１１Ｇのドリフトの平均値ＵＸＡＶ、ドリフトの標準偏差ＵＸｓｔｄ及びドリフトの最大差ΔＵＸｍａｘの算出法を次に示す。
【０１０８】
【数３１】
2004212162.tif 000033
ここでＵ１Ｘｌｉｍは標準偏差の判定の閾値、ＵＸｍａｘ、ＵＸｍｉｎは、ＵＸｊ（ｊ＝１〜ｎ）の最大値と最小値であり、Ｕ２Ｘｌｉｍは最大差の判定の閾値である。
【０１０９】
これらのΔＡ１Ｘｌｉｍ、ΔＡ２Ｘｌｉｍ、Ｕ１Ｘｌｉｍ、Ｕ２Ｘｌｉｍの閾値は、Ｘジャイロ１１Ｇ、Ｘ加速度計１１Ａのバイアス安定性、ジャイロ装置の運用環境、使用法に依存するが、実験より容易に求めることができる。これらの閾値のすべて用いることもできるが、１つ以上の任意の閾値を用いることもできる。
【０１１０】
本実施形態の演算部３は、図１４に示すように、回転制御部７１と、シークエンサ部７２と、データ計測記憶部７３と、方位演算部７４と、ドリフト・バイアス演算部７５と、その計測精度を判定する計測精度判定部７８と、を有する。計測精度判定部７８には、ΔＡ１Ｘｌｉｍ、ΔＡ２Ｘｌｉｍ、Ｕ１Ｘｌｉｍ、Ｕ２Ｘｌｉｍの閾値の少なくとも１つが予め実験により設定されており、（２３）式または（２４）式の不等式の真偽の判定を行い、その中の不等式のいずれかまたは全てが真になった場合に、計測中に振動、動きが存在したものとし、または、その中の不等式の全てが偽となった場合に、計測中に振動、動きは存在しなかったものとして、その旨を表示する判定信号を出力する。
【０１１１】
以上本発明の例を説明したが、本発明は特許請求の範囲に記載された発明の範囲にてさまざまな変形例が可能であることは当業者によって理解されよう。ここで、用いられている加速度計の作用は傾斜計の作用に等しく、本明細書における加速度計は、傾斜計を含む概念であることを念のため付け加えておく。
【０１１２】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によると、センサ部が、Ｘジャイロ及びＸ，Ｚ加速度計及び方位発信器で構成されるために、ジャイロ装置を小型且つ低価格で構成することができる。このジャイロ装置は、掘削用の地下掘削機先端のように人が接近することが困難な物体または移動体に装着するのに、非常に適したものとすることができる。
【０１１３】
請求項２または３記載の発明によれば、適正な計測時間で適正な方位角検出を行うことができ、信頼性が高い方位計測を行うことができる。
【０１１４】
請求項４記載の発明によれば、適正な計測回数で適正な位置検出を行うことができ、信頼性が高い位置計測を行うことができる。
【０１１５】
請求項５または６記載の発明によれば、計測が静止状態で行われたかどうかを自動的に判定することができる。
【０１１６】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るジャイロ装置の主要部の例を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係るジャイロ装置の全体の構成例を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係るジャイロ装置の演算部の構成例を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施形態に係るジャイロ装置が装着される地下掘削機の構成例を示す図である。
【図５】地球の自転角速度ベクトルを説明するための説明図である。
【図６】Ｘジャイロによって検出する地球の自転角速度の成分を説明するための説明図である。
【図７】ジャイロ装置が傾斜した場合のＸ，Ｙジャイロによって検出する地球の自転角速度べクトルの成分を説明するための説明図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係るジャイロ装置の演算部の構成例を示すブロック図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係るジャイロ装置の方位測定結果の分布の一例を表すグラフである。
【図１０】本発明の第２実施形態に係るジャイロ装置の計測回数と誤差との関係を表すグラフである。
【図１１】本発明の第３実施形態に係るジャイロ装置の演算部の構成例を示すブロック図である。
【図１２】本発明の第３実施形態に係るジャイロ装置が取り付けられた移動体の原点及び測定点Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２、…、ＰＭと、計測ごとの移動体の移動量ｌ１、ｌ２、…、ｌＭによって形成される軌跡を示すグラフである。
【図１３】本発明の第３実施形態に係るジャイロ装置の計測回数と位置誤差との関係を表すグラフである。
【図１４】本発明の第４実施形態に係るジャイロ装置の演算部の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  センサ部
３  演算部
１０  基台
１１Ａ、１３Ａ  加速度計
１１Ｇ  ジャイロ
１３Ｙ  方位発信器
２０Ｃ、２０Ｄ  回転台
２２  方位サーボモータ（駆動装置）
７１  回転制御部
７３  データ計測記憶部
７４  方位演算部
７５  ドリフト・バイアス演算部
７８  計測精度判定部
１００  ジャイロ装置
２００  地下掘削機（移動体）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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