JP2015175697A

JP2015175697A - 電子測角器及び測角プログラム

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Publication number: JP2015175697A
Application number: JP2014051566A
Authority: JP
Inventors: 裕英出村; Hirohide Demura; 真吾相田; Shingo Aida
Original assignee: University of Aizu
Current assignee: University of Aizu
Priority date: 2014-03-14
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2015-10-05
Anticipated expiration: 2034-03-14
Also published as: JP6338268B2

Abstract

【課題】小型携帯可能で、空間上任意の２直線の成す角度を計測する電子測角器とプログラムを提供する。
【解決手段】少なくとも、一の直線辺とディスプレイ面を有する筐体と、前記筐体内に、前記筐体の姿勢情報を出力するセンサと、前記センサにより出力される前記筐体の姿勢情報に基づき、空間上の２軸の成す角度を算出する処理手段を有し、前記処理手段は、前記筐体の一の直線辺が第１の軸に対応づけられるとき、前記センサの姿勢情報に基づき、前記第１の軸をＹ軸とした世界座標系を求め、前記センサは、前記筐体の一の直線辺が第２の軸に対応づけられるとき、前記第２の軸方向と、前記第２の軸上の一の点の、前記世界座標系における空間座標を計測し、前記処理手段は、前記第２の軸の方向が、前記世界座標系のＸＹＺ各軸と平行で無い場合、前記Ｙ軸に対応する第１の軸と前記第２の軸との成す角度を算出する。
【選択図】図３

Description

本発明は、電子測角器及びこれに使用する測角プログラムに関する。特に、空間上で離間した２直線の交叉する角度の測定を可能とする電子測角器と、当該電子測角器での測定角度を求めるためのプログラムに関する。

従来から角度を容易に測定する道具として分度器が用いられている。かかる分度器は、専ら一平面にある２つの直線の成す角度を測定するために用いられている。

一方、建築構造物における柱と組木等における水平、垂直の管理、あるいは重量機器、精密機器等の設置の際の水平、垂直の管理のために、基準面（線）に対して成す角度を表示する電子傾斜計が用いられている。

また、医療施設において、被験者の身体傾斜を測定する角計測器に関する技術が提案されている（特許文献１）。特許文献１に記載の技術は、身体の特定部位に当てられる２つの腕を備え、前記２つの腕の中間に、ジャイロセンサを有する角度計を備える。２つの腕を固定する支持部材を骨盤線と、左右の胸鎖関節を結ぶ直線に順次対応づけて、ジャイロセンサの出力である角速度を積分して、基準線を中心に回転角を特定して、被験者の回旋を測定する装置である。

特開２００８−２９５５２７号公報

上記電子傾斜計にあっては、専ら一直線の基準線と成す角度を測定するものである。さらに、特許文献１に記載の装置にあっては、基準線となる支持部材の両端に２つの腕を備え、中央に角度計を備えるものであり、装置が大型化され、特定の身体傾斜角の計測用に特化されている。

したがって、空間上に離れた２軸の成す角度の計測を可能とし、しかも小型携帯可能の装置でかかる測定を可能とするものは、これまでに提案されていない。

よって、本願発明の目的は、第１に小型携帯可能で、空間上任意の２直線の成す角度を計測可能とする電子測角器を提供することにある。さらに、かかる小型携帯機器にインストールされて、電子測角器として空間上任意の２直線の成す角度を計測可能とするプログラムを提供することにある。

上記課題を解決するための本発明に従う電子測角器は、一の側面として、少なくとも、一の直線辺とディスプレイ面を有する筐体と、前記筐体内に、前記筐体の姿勢情報を出力するセンサと、前記センサにより出力される前記筐体の姿勢情報に基づき、２軸の成す角度を算出する処理手段を有する。前記処理手段は、前記筐体の一の直線辺が第１の軸に対応づけられるとき、前記センサの姿勢情報に基づき、前記第１の軸をＹ軸とした世界座標系を求め、前記センサは、前記筐体の一の直線辺が第２の軸に対応づけられるとき、前記第２の軸方向と、前記第２の軸上の一の点の、前記世界座標系における空間座標を計測し、前記処理手段は、前記第２の軸方向により第２の軸の直線の式を求めて、前記第２の軸の方向が、前記世界座標系のＸＹＺ各軸と平行であるか否かを判定し、前記第２の軸の方向が、前記世界座標系のＸＹＺ各軸と平行で無い場合、前記処理手段は、前記Ｙ軸に対応する第１の軸と前記第２の軸に直交する軸を算出し、さらに、前記処理手段は、前記第２の軸上の一の点と、これを前記第１の軸に投影した点を結ぶ直線を、前記第１の軸と前記第２の軸に直交する軸に射影して、前記第１の軸と第２の軸との距離を算出し、前記第１の軸と第２の軸を回転軸としたときの前記第１の軸と第２の軸の成す角度を算出することを特徴とする。

さらに、前記一の側面において、前記処理手段は、前記第１の軸と前記第２の軸に直交する軸は、前記第１の軸のベクトルと第２のベクトルとの外積により求めること特徴とする。

また、前記一の側面において、前記処理手段は、前記第２の軸上の一の点と、これを前記第１の軸に投影した点を結ぶ直線ベクトルと前記第１の軸と前記第２の軸に直交する軸の単位ベクトルとの内積により、前記第１の軸と第２の軸との距離を算出することを特徴とする。

さらにまた、前記一の側面において、前記ディスプレイ面に、前記算出された前記第１の軸と第２の軸との距離及び前記第１の軸と第２の軸の成す角度を表示することを特徴とする。

上記本発明の特徴構成により、空間上に離れた２軸の成す角度の計測を容易とする携帯可能の小型機器が提供される。これにより、建築関係、医療関係等において、広範囲の利用応用が可能である電子測角器が得られる。

本発明に従う電子測角器１の機器構成の一実施例概念図である。電子測角器の回路構成の一実施例機能ブロックを示す図である。図２に例示した構成例の電子測角器１の処理手順を説明する実施例動作フロー図である。初期画面の一例を表示する図である。電子測角器の起動時の姿勢を世界座標系として初期起動することを説明する図である。計測スクリーンの一例を示す図である。計測者が、電子測角器の辺を第１の軸に沿って対応づける様子を示す図である。世界座標系のＹ軸を第１の軸方向に対応させた図である。計測者が、電子測角器の辺を第２の軸に沿って対応づける様子を示す図である。電子測角器の辺が第２の軸に対応づけられたときの、世界座標系の座標値を説明する図である。計測過程における計測スクリーンに各軸方向のベクトル値を表示することを説明する図である。第１の軸と第２の軸間の距離を説明する図である。第１の軸と第２の軸間の角度を説明する図である。

以下図面に従い、本発明原理に基づく電子測角器の実施例を説明する。なお、実施例説明は、本発明の理解のためであり、本発明の保護の範囲は、これら実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されたもの、及びこれに近似するものにも及ぶ。

図１は、本発明に従う電子測角器１の機器構成の一実施例概念図である。図１において、（Ａ）は機器正面図、（Ｂ）は側面図、及び（Ｃ）は上面図である。電子測角器は、少なくとも機器正面にタッチパネル機能を有するディスプレイ面１０を有し、少なくとも機器の一側面は直線状の辺１１（強調のため太線で表示している）を有する。

さらに、機器側面等には電子測角器１に電源を投入・遮断する図示しないパワースイッチが設けられる。

電子測角器１の内部には、図２により説明する本発明の機能を実現する回路構成が実装されている。図２は、かかる電子測角器１の回路構成の一実施例機能ブロックを示す図である。バス（ＢＵＳ）を通して、それぞれの機能ブロックが接続されている。

ＣＰＵ３は、処理手段であって、書込み、消去可能なＥＰＲＯＭ４に格納されるプログラムを実行して本発明に従う角度計測の演算処理を実行する。ＲＡＭ５は、ＣＰＵ２による演算過程のデータを一時保持するメモリである。

ＣＰＵ３により演算処理されてディスプレイ２のディスプレイ面１０に表示する画像が描画されるビデオメモリ（ＶＲＡＭ）６を有し、ＶＲＡＭ６に描画された画像データは、ディスプレイ２に所定周期で読み出されてディスプレイ面１０上に表示される。

また、ディスプレイ面１０は、静電容量を利用するタッチセンサが形成されており、インタフェース７を通して、タッチセンサで検知されるセンサ位置に対応する入力信号がＣＰＵ３に入力される。

内蔵センサ８は、種々の機能センサであり、本発明に対応して、機器の移動、傾き等を検知するための、ＭＥＭＳで形成されたジャイロや加速度センサを有する。

無線通信部９は、ＣＰＵ３による演算結果を送出する送信機能部である。ここで、電子測角器として専用の特定機器により構成しても良く、ＥＥＰＲＯＭ４に適宜プログラムのインストールが可能であって、且つ電話通信機能、インターネット通信機能を合わせ持つ機器として、いわゆるスマートフォンにより実現することも可能である。

後者の機能を有する場合は、無線通信部９は、かかる電話通信機能、インターネット通信機能を実現する機能部である。

図３は、図２に例示した構成例の電子測角器１の処理手順を説明する実施例動作フロー図である。

以下、本発明に従う電子測角器１の処理動作をこの動作フローに対応して説明する。

[ステップＳ１]
電子測角器１の電源を投入し、あるいはスマートフォンにおいて、本発明の測角プログラムを起動すると、ＣＰＵ３により初期画面データが生成され、ＶＲＡＭ６に初期画面データが描画され、所定周期で読み出されて、ディスプレイ面１０に初期画面が表示される。

図４は、かかる初期画面の一例を表示する図であり、ディスプレイ面１０上にプログラムのアドバタイズ画像と計測開始を指示する計測開始ボタン２０が表示される。

[ステップＳ２]
ディスプレイ面１０の初期画面に有する計測開始ボタン２０を測定者がタッチする。ディスプレイ面１０のタッチセンサはこれを検知してインタフェース７を通してＣＰＵ３に検知信号を送る。

ＣＰＵ３は、前記検知信号を受けて、図６に示す計測スクリーンをディスプレイ２のディスプレイ面１０に表示させる。さらに、ＣＰＵ３は、内蔵センサ８を起動させる。

内蔵センサ８は、図５に示すように、電子測角器１の起動時の姿勢を世界座標系として初期起動する。Ｙ軸方向に電子測角器１の長辺方向即ち、辺１１の方向が対応し、Ｘ軸方向に電子測角器１の短辺方向が対応づけられる。

この世界座標系と電子測角器１の関係は、後に再設定が行われるために、ディスプレイ面１０上に表示される図６に示す計測スクリーンにおいて、計測数値は表示さない。図６に示すように、計測スクリーンには、基準設定ボタン５１及び計測ボタン５２の位置が表示される。

[ステップＳ３]
ここで、空間上の２つの軸、例えば柱と什器の辺との成す角度を求めようとするときは、柱と什器のそれぞれの辺をＡ軸、Ｂ軸として考える。計測者は、先ず電子測角器１の辺１１をＡ軸に沿って対応づける。この様子が、図７に示される。電子測角器１のディスプレイ面１０を計測者側に向けて、柱の辺線、即ちＡ軸に電子測角器１の辺１１を対応させる。

[ステップＳ４]
図８（Ａ）に示す様に電子測角器１の辺１１がＡ軸に対応づけられると内蔵センサ８は、Ａ軸をＹ軸として図８（Ｂ）に示す様に世界座標系（右手系ＸＹＺ座標系）データを生成する。計測者が、計測スクリーン（図６）における基準設定ボタン５１をタッチすると、図８（Ｂ）に示す様に、ＣＰＵ３は、内蔵センサ８の出力に基づき、Ａ軸をＹ軸として世界座標系を再設定し、ＲＡＭ５に再設定データが保持される。

[ステップＳ５]
ついで、計測者は、什器の縁辺であるＢ軸に電子測角器１の辺１１を対応づける。この様子が、図９に示される。

[ステップＳ６]
図１０（Ａ）に示す様に、電子測角器１の辺１１がＢ軸に対応づけられると、機器内蔵センサ８は、Ｂ軸上の一点αの世界座標系の座標値を求め出力する。図では、点αは、電子測角器１の一頂角が対応している。

計測者が計測スクリーン（図６）における計測ボタン５２をタッチすると、ＣＰＵ３は、内蔵センサ８からの座標値を受け、世界座標系におけるＢ軸の直線の式を求める。

この時、Ｂ軸の方向ベクトル(Vector_B)は、内蔵センサ８のジャイロセンサの姿勢変化から与え、Ｂ軸上の点αは内蔵センサ８の３軸加速度計に基づく偏位の積算で与える。

空間座標系のＸＹＺ各軸と平行で無い場合は、Ｂ軸の直線は次式のように与えられる。

図１０（Ｂ）は、上記式に対応して世界座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）とＢ軸の直線との関係を示す図である。

[ステップ７]
上記によりＢ軸の直線の式が求められると、図１１に示す様にＣＰＵ３は、Ｂ軸の方向をディスプレイ面１０の計測スクリーン上の表示エリア５３に、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対応して各軸方向のベクトル値を表示する。これにより、ＸＹＺ各軸とＢ軸が平行であるかが識別可能である。例えば、Ｘ軸、Ｚ軸方向ベクトルが０であれば、Ｙ軸に平行である。

なお、この表示エリア５３のＢ軸のベクトル表示は、後に説明する表示エリア５４の距離算出と同時に表示するようにしてもよい。

[ステップＳ８]
ＣＰＵ３は、Ｂ軸がＸＹＺ軸と平行な場合と平行で無い場合とを分ける。

ステップＳ７で、Ｂ軸がＸ軸またはＺ軸と平行な場合は、求めるＡ軸（世界座標系Ｙ軸）とＢ軸の成す角度は９０度（直角）である。また、Ｙ軸と平行な場合は０度である。

一方、図１０（Ｂ）に示す様にＢ軸がＸＹＺ各軸のいずれにも平行でない場合、Ａ軸（世界座標系Ｙ軸：図８参照）とＢ軸に直交するＣ軸方向（図１３）を算出する。

ここで、Ａ軸方向の単位ベクトル：Ａ^→＝（０，１，０）、及びＢ軸方向の単位ベクトル：Ｂ^→＝（Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚ）である。このときＡ軸とＢ軸に直交するＣ軸の方向は、単位ベクトルＡ^→と単位ベクトルＢ^→の外積により求めることができる。

すなわち、Ａ^→×Ｂ^→＝（Ｂｚ，０，−Ｂｘ）
またここで、単位ベクトルＡ^→と単位ベクトルＢ^→のなす角度をθとすると、上記外積の大きさは以下のように表される。

｜Ａ^→×Ｂ^→｜＝｜Ａ^→｜｜Ｂ^→｜sinθ＝sinθ
上の２つの式から、 sinθ＝√（Ｂｘ²＋Ｂｚ²）である、これからＡ軸とＢ軸のなす角度θを求めることができる。

[ステップＳ９]
次にＣＰＵ３は、前記Ｂ軸の点αと、点αをＡ軸に投影した点α’の２点を結ぶ直線ＤをＣ軸に射影してＡ、Ｂ軸間の距離ｄを算出する。さらに、上記ステップＳ８で求められたＡ軸とＢ軸のなす角度θと、算出した距離ｄとを計測スクリーンの表示エリア５４（図１１）に表示する。

ここで、図１３に示す、Ａ、Ｂ軸間の距離ｄの算出について更に説明する。

Ｂ軸上の点：α^→＝（ＸB，ＹB，ＺB）,Ａ軸上への投影点： α’^→＝（０，ＹB，０）とすると、Ｃ軸方向の単位ベクトル：Ｃ^→＝Ａ^→×Ｂ^→／sinθ＝（Ｂｚ，０，−Ｂｘ）／√（Ｂｘ²＋Ｂｚ²）で表される。

点αと点α’を結ぶベクトル：Ｄ^→＝α^→−α’^→＝（ＸB，０，ＺB）であり、このときＡ軸とＢ軸間の距離ｄは、ベクトルＤ^→と単位ベクトルＣ^→の内積によって求められる。すなわち、
ｄ＝Ｄ^→・Ｃ^→＝（ＢｚＸB−ＢｘＺB）／√（Ｂｘ²＋Ｂｚ²）となる。

以上説明したように、本発明にしたがう電子測角器は、空間上離間した２つ線の成す角度を容易に計測することが可能である。

さらに、本発明に従うプログラムをスマートフォンにインストールすることにより、容易に当該スマートフォンを電子測角器として使用することが可能である。

上記により、本発明の電子測角器を用いて、空間上の２軸の成す角度及び２軸間の距離を容易に計測することが可能であり、計測対象とする２軸は、何ら適用を制限されること無く建築、医療等広範囲の分野において使用が可能である。

また、通信機能を備えることにより、計測した角度データを遠隔値に送ることも可能である。

１電子測角器
２ディスプレイ
３ＣＰＵ
４ＥＥＰＲＯＭ
５ＲＡＭ
６ＶＲＡＭ
７インタフェース
８内蔵センサ
９無線通信部
１０ディスプレイ面
１１電子測角器の直線辺

Claims

少なくとも、一の直線辺とディスプレイ面を有する筐体と、
前記筐体内に、前記筐体の姿勢情報を出力するセンサと、前記センサにより出力される前記筐体の姿勢情報に基づき、空間上の２軸の成す角度を算出する処理手段を有し、
前記処理手段は、前記筐体の一の直線辺が第１の軸に対応づけられるとき、前記センサの姿勢情報に基づき、前記第１の軸をＹ軸とした世界座標系を求め、
前記センサは、前記筐体の一の直線辺が第２の軸に対応づけられるとき、前記第２の軸方向と、前記第２の軸上の一の点の、前記世界座標系における空間座標を計測し、
前記処理手段は、前記第２の軸方向により第２の軸の直線の式を求めて、前記第２の軸方向が、前記世界座標系のＸＹＺ各軸と平行であるか否かを判定し、
前記第２の軸の方向が、前記世界座標系のＸＹＺ各軸と平行で無い場合、前記処理手段は、前記第１の軸との第２の軸の成す角度を算出する、
ことを特徴とする電子測角器。
請求項１において、
前記処理手段は、
前記第１の軸方向の単位ベクトルと、前記第２の軸方向の単位ベクトルの外積により、前記第１の軸と第２の軸に直交する軸方向を求め、
さらに、前記第１の軸方向の単位ベクトルと前記第２の軸方向の単位ベクトルのなす角度を、前記第１の軸方向の単位ベクトルと,前記第２の軸方向の単位ベクトルとの外積により求める、
ことを特徴とする電子測角器。
請求項２において、
前記処理手段は、
前記第２の軸上の点αと、点αを前記第１の軸に投影した点α’の２点を結ぶ直線を前記第１の軸と第２の軸に直交する軸に射影して前記第１の軸と前記第２の軸との距離ｄを、
前記第１の軸と第２の軸に直交する軸の単位ベクトルと, 前記第２の軸の点αと、点αを前記第１の軸に投影した点α’の２点を結ぶ直線の単位ベクトルの内積によって求める、
ことを特徴とする電子測角器。
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記ディスプレイ面に、前記算出された前記第１の軸と第２の軸との距離及び前記第１の軸と第２の軸の成す角度を表示する、
ことを特徴とする電子測角器。
少なくとも、一の直線辺とディスプレイ面を有する筐体と、前記筐体内に、前記筐体の姿勢情報を出力するセンサと、前記センサにより出力される前記筐体の姿勢情報に基づき、２軸の成す角度を算出する処理手段を有空間上の２軸の成す角度を計測する電子測角器に有するメモリに格納されるプログラムであって、
前記処理手段により、前記筐体の一の直線辺が第１の軸に対応づけられるとき、前記センサの姿勢情報に基づき、前記第１の軸をＹ軸とした世界座標系を求める工程と、
前記センサにより、前記筐体の一の直線辺が第２の軸に対応づけられるとき、前記第２の軸方向と、前記第２の軸上の一の点の、前記世界座標系における空間座標を計測する工程と、
前記処理手段により、前記第２の軸方向により第２の軸の直線の式を求めて、前記第２の軸の方向が、前記世界座標系のＸＹＺ各軸と平行であるか否かを判定し、前記第２の軸の方向が、前記世界座標系のＸＹＺ各軸と平行で無い場合、前記第１の軸と,前記第２の軸の成す角度を算出する工程を実行させる、
ことを特徴とするプログラム。
請求項５において、
前記処理手段により、
前記第１の軸方向の単位ベクトルと、前記第２の軸方向の単位ベクトルの外積により、前記第１の軸と第２の軸に直交する軸方向を求める工程と、
さらに、前記第１の軸方向の単位ベクトルと前記第２の軸方向の単位ベクトルのなす角度を、前記第１の軸方向の単位ベクトルと,前記第２の軸方向の単位ベクトルとの外積により求める工程を実行させる、
ことを特徴とするプログラム。
請求項６において、
前記処理手段により、
前記第２の軸上の点αと、点αを前記第１の軸に投影した点α’の２点を結ぶ直線を前記第１の軸と第２の軸に直交する軸に射影して前記第１の軸と前記第２の軸との距離ｄを、
前記第１の軸と第２の軸に直交する軸の単位ベクトルと, 前記第２の軸の点αと、点αを前記第１の軸に投影した点α’の２点を結ぶ直線の単位ベクトルの内積によって求めさせる、
ことを特徴とするプログラム。