米国特許情報 | 欧州特許情報 | 国際公開(PCT)情報 | Google の米国特許検索
 
     特許分類
A 農業
B 衣類
C 家具
D 医学
E スポ−ツ;娯楽
F 加工処理操作
G 机上付属具
H 装飾
I 車両
J 包装;運搬
L 化学;冶金
M 繊維;紙;印刷
N 固定構造物
O 機械工学
P 武器
Q 照明
R 測定; 光学
S 写真;映画
T 計算機;電気通信
U 核技術
V 電気素子
W 発電
X 楽器;音響


  ホーム -> 測定; 光学 -> 日本航空電子工業株式会社

発明の名称 慣性測定装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−33479(P2001−33479A)
公開日 平成13年2月9日(2001.2.9)
出願番号 特願平11−211490
出願日 平成11年7月27日(1999.7.27)
代理人 【識別番号】100066153
【弁理士】
【氏名又は名称】草野 卓 (外1名)
【テーマコード(参考)】
2F029
【Fターム(参考)】
2F029 AA02 AB03 AC03 AC05 AC12 AD02 
発明者 増田 雄一
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 移動体の回転駆動装置の回転角度或いは回転数に基づいて基準速度を検出する基準速度検出装置を有し、移動体の加速度を検出する直交3軸に配置した加速度計を有し、移動体の回転角速度を検出する直交3軸に配置したレートジャイロを有し、基準速度検出装置を含むこれら7個のセンサのデータに基づいて移動体の姿勢角、速度、位置を演算する演算処理装置を有し、回転駆動装置の回転に基づいて検出された基準速度に対して3軸の加速度計と、3軸のレートジャイロから演算された移動体の慣性速度との間の差分をレートジャイロの誤差、姿勢角の誤差、速度の誤差としてフィードバックし、基準速度と慣性速度の差分が大きくなった時に差分のフィードバックをオフし、基準速度と慣性速度の差分が小さくなった時に差分のフィードバックを再びオンする慣性測定装置において、基準速度検出装置の検出する基準速度と3軸の加速度計および3軸のレートジャイロとから演算された慣性速度の差分が大きくなったと判定されるまでの時間TB の間にフィードバックしたフィードバック量を加算したフィードバック戻し量を、フィードバックをオンからオフにする時のフィードバック量から減算することを特徴とする慣性測定装置。
【請求項2】 請求項1に記載される慣性測定装置において、基準速度検出装置の検出する基準速度および3軸の加速度計と3軸のレートジャイロとから演算された慣性速度の差分が大きくなったと判定されるまでの時間の間にフィードバックしたフィードバック量を加算し、極性反転して出力するフィードバック戻し量演算部を具備し、慣性速度と基準速度の差分をレート入力部である加算部に帰還する積分回路を具備し、フィードバックをオンからオフにする時にオンしてフィードバック戻し量演算部の出力を積分回路に印加するフィードバック量戻しスイッチを具備することを特徴とする慣性測定装置。
【請求項3】 請求項1および請求項2の内の何れかに記載される慣性測定装置において、基準速度と慣性速度の差分が大きくなったと判定されるまでの時間は、基準速度と慣性速度の差分が微小閾値を超えてから、フィードバックをオンからオフにする閾値に達する迄の時間であることを特徴とする慣性測定装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、慣性測定装置に関し、特に、廉価であると共に、小型で、精度良く姿勢角、速度、位置を検出する慣性測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の慣性測定装置は、内部に使用するレートジャイロのバイアス誤差に起因して測定される姿勢角が時間とともに増加する欠点を有している。この誤差はレートジャイロが廉価である程顕著に現われる。即ち、バイアス誤差の小さいジャイロ程高価格であり、外形寸法も大きくなる。そして、廉価なレートジャイロを使用して精度よく測定を実施するには、短時間の内に測定を完了させる必要があった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上述した通り、慣性測定を精度よく実施するには高価な慣性装置を使用するか或は、廉価なレートジャイロを使用して極く短時問の内に測定を完了しなければならない。この発明は、比較的に廉価なレートジャイロを使用し、長時間に亘って測定を実施して高精度な測定結果を得る上述の問題を解消した慣性測定装置を提供するものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】請求項1:移動体10の回転駆動装置30の回転角度或は回転数に基づいて基準速度を検出する基準速度検出装置3を有し、移動体10の加速度を検出する直交3軸に配置した加速度計2X 、2Y 、2Z を有し、移動体10の回転角速度を検出する直交3軸に配置したレートジャイロ1X 、1Y 、1Z を有し、基準速度検出装置3を含むこれら7個のセンサのデータに基づいて移動体10の姿勢角、速度、位置を演算する演算処理装置4を有し、回転駆動装置30の回転に基づいて検出された基準速度に対して3軸の加速度計と、3軸のレートジャイロから演算された移動体10の慣性速度との間の差分をレートジャイロの誤差、姿勢角の誤差、速度の誤差としてフィードバックし、基準速度と慣性速度の差分が大きくなった時に差分のフィードバックをオフし、基準速度と慣性速度の差分が小さくなった時に差分のフィードバックを再びオンする慣性測定装置において、基準速度検出装置3の検出する基準速度および3軸の加速度計と3軸のレートジャイロとから演算された慣性速度の差分が大きくなったと判定されるまでの時間TB の間にフィードバックしたフィードバック量を加算したフィードバック戻し量を、フィードバックをオンからオフにする時のフィードバック量から減算する慣性測定装置を構成した。
【0005】そして、請求項2:請求項1に記載される慣性測定装置において、基準速度検出装置3の検出する基準速度および3軸の加速度計と3軸のレートジャイロとから演算された慣性速度の差分が大きくなったと判定されるまでの時間TB の間にフィードバックしたフィードバック量を加算し、極性反転して出力するフィードバック戻し量演算部53を具備し、慣性速度と基準速度の差分をレート入力部である加算部40に帰還する積分回路49を具備し、フィードバックをオンからオフにするときにオンしてフィードバック戻し量演算部53の出力を積分回路49に印加するフィードバック量戻しスイッチ52を具備する慣性測定装置を構成した。
【0006】また、請求項3:請求項1および請求項2の内の何れかに記載される慣性測定装置において、基準速度と慣性速度の差分が大きくなったと判定されるまでの時間TB は、基準速度と慣性速度の差分が微小閾値VJ1を超えてから、フィードバックをオンからオフにする閾値VJ に達する迄の時間である慣性測定装置を構成した。
【0007】
【発明の実施の形態】この発明の実施の形態を図1を参照して説明する。図1において、10は移動体である車両を示す。この車両10は、回転駆動装置である車軸30により車輪を介して駆動走行せしめられる。車両10には、以下において説明される慣性装置が載置されている。
【0008】1X は車両10の矢印により示される前方を入力軸とするレートを検出するジャイロを示す。1Y は車両10の矢印により示される右方を入力軸とするレートを検出するジャイロを示す。1Z は車両10の矢印により示される下方を入力軸とするレートを検出するジャイロを示す。
【0009】2X は車両10の矢印により示される前方を入力軸とする加速度を検出する加速度計を示す。2Y は車両10の矢印により示される右方を入力軸とする加速度を検出する加速度計を示す。2Z は車両10の矢印により示される下方を入力軸とする加速度を検出する加速度計を示す。
【0010】以上の3個のジャイロ1X 、1Y 、および1Z の3本の入力軸は互いに直交している。そして、3個の加速度計2X 、2Y 、および2Z の3本の入力軸は互いに直交している。また、ジャイロ1X の入力軸と加速度計2X の入力軸は互いに平行である。ジャイロ1Y の入力軸と加速度計2Y の入力軸は互に平行である。ジャイロ1Z の入力軸と加速度計2Z の入力軸は互に平行である。
【0011】3は車両10の車軸30に取り付けられるロータリエンコーダその他の基準速度検出装置であり、車両10の進行方向の速度を検出する。4は演算処理部を示す。演算処理部4は、3個の加速度計と3個のジャイロと基準速度検出装置より成る合計7個のセンサとの間のインタフェース、CPU、ROM、RAM、演算処理出力するインタフェースより成る。この演算処理部4は、ジャイロ1、加速度計2、基準速度検出装置3より成る合計7個のセンサの出力するデータを入力し、これら入力データに基づいてストラップダウン型の慣性演算、基準速度のフィードバック制御、その他の演算処理を実行する。
【0012】図2および図3を参照して慣性演算とフィードバック制御を説明する。図2において、先ず、レート入力部を構成する加算部40に対して左端からジャイロ1Y により検出されたレートが入力される。このレートは加算部40から積分回路41に入力し積分され、姿勢角が得られる。42は姿勢角に重力加速度G=9. 8[m/s2 ]を積算する積算部である。この姿勢角だけ進行方向に関して入力軸が傾斜した加速度計2X で検出された加速度の内の重力を含んだ成分が(G×姿勢角)によりキャンセルされ、加算部43から前方加速度として出力された後、積分回路44に入力して積分され、慣性装置の慣性速度が得られる。この慣性速度は、一方において、積分回路46に入力して積分され、前方位置を知ることができる。この慣性速度は、ジャイロ1Y の検出するレートに誤差があると、積算補正される姿勢角に誤差が含まれることになるので、2回積分されることにより発散する。ここで、この慣性速度は、他方において、加算器45の一方の端子に入力され、これから他方の端子に入力される基準速度検出装置の検出する基準速度を減算して両者の差分を求める。
【0013】ところで、ジャイロレートに誤差:δω[rad/sec ]が含まれていると、速度誤差δV(t)[m/sec]は、次式の通りとなる。
δV(t)=δωG×t2 /2ここで、図2の如くフィードバックループを組むことにより、姿勢角と速度誤差δV(t)の発散を抑制することができる。50はオン/オフを切り替える切り替えスイッチを示す。この切り替えスイッチ50は、加算器45の出力する慣性速度と基準速度の差分に応じてオン/オフ切り替えられる。
【0014】47は加算器45の出力する慣性速度と基準速度の差分にゲインKv を乗算して加算部43に帰還するフィードバックである。48は慣性速度と基準速度の差分にゲインKe を乗算して加算部40に帰還するフィードバックである。49は慣性速度と基準速度の差分を積算しゲインKw を乗算して加算部40に帰還する積分回路である。この帰還積分回路49の出力はジャイロのバイアス誤差の推定値となる量であり、切り替えスイッチ50により差分のフィードバックをオフにしてもバイアスが安定している間は精度よく測定をすることができる。
【0015】図3において、51は速度差分判定部であり、慣性速度と基準速度の差分が一定範囲、即ち、閾値VJ を超えたと判定した時に、この判定出力により切り替えスイッチ50をオフに解放すると同時に、モメンタリスイッチより成るフィードバック量戻しスイッチ52を一瞬間だけオンに閉成する。53はフィードバック戻し量演算部であり、TB 秒分差分格納バッファ531および合計&極性反転演算部532より成る。ここで、TB とは、基準速度と慣性速度の差分が微小閾値VJ1を超えてから、フィードバックをオンからオフにする閾値VJ に達する迄の時間をいう。このTB 秒分差分格納バッファ531はTB 秒に亘って離散的に多数回実行されていたフィードバックの各フィードバック量のそれぞれを格納するバッファである。そして、合計&極性反転演算部532は、TB 秒分差分格納バッファ531に格納されている各フィードバック量をすべて加算したフィードバック戻し量を演算し、この加算されたフィードバック戻し量の極性を反転して出力する演算部である。
【0016】フィードバック47、フィードバック48、および帰還積分回路49は切り替えスイッチ50を介して加算器45の出力に接続し、フィードバック戻し量演算部53も切り替えスイッチ50を介して加算器45の出力に接続している。そして、フィードバック47、フィードバック48、および帰還積分回路49のそれぞれは、フィードバック量戻しスイッチ52を介してフィードバック戻し量演算部53の出力に接続している。
【0017】図4をも参照して、慣性測定装置の動作を説明する。車両10が車輪のタイヤの滑り易い路上を走行する様な時に、車両10は一定速度で走行しているにもかかわらず、タイヤがスリップして回転数が一時的に増加する場合を考える。この場合、図4において◆によりプロットされる曲線により示されるが如き基準速度と慣性速度の差分を発生する。即ち、基準速度と慣性速度の差分は通常は殆ど0に収斂しているのであるが、基準速度検出装置3の検出する基準速度に以上の誤差が含まれると、この様な大きな差分を発生する場合がある。この差分が発生しているにも関わらず慣性測定装置が切り替えスイッチ50をオンのままフィードバックを持続して動作すると、慣性装置の発生する慣性速度は図4において△によりプロットされる結果1の曲線により示される変化をする。
【0018】ここで、基準速度と慣性速度の差分の閾値VJ を設定し、差分が閾値VJ を超えた時、これに応答して切り替えスイッチ50をオフに切り替え、フィードバックをオフにした時の慣性装置の慣性速度は、図4において▲によりプロットされる効果1の曲線により示される変化をする。この効果1の曲線は、差分が存在しても切り替えスイッチ50をオンのままフィードバックを継続した結果1の曲線と比較して速度誤差は大きく減少している。
【0019】ところで、この発明の慣性測定装置は、速度差分判定部51が慣性速度と基準速度の差分が一定範囲である閾値VJ を超えたと判定した時、この判定出力により切り替えスイッチ50をオフに解放すると同時に、モメンタリスイッチより成るフィードバック量戻しスイッチ52を一瞬間だけオンする。切り替えスイッチ50がオフしたことにより差分のフィードバックはオフとされる。そして、フィードバック量戻しスイッチ52がオンした瞬間、合計&極性反転演算部532は極性の反転したフィードバック戻し量を出力する。即ち、切り替えスイッチ50がオフした瞬間、極性の反転したフィードバック減算が合計&極性反転演算部532から、フィードバック47を介して加算部43にフィードバックされ、フィードバック48を介して加算部40にフィードバックされ、帰還積分回路49を介して加算部40にフィードバックされる。これにより、慣性測定装置は、この瞬間、TB 秒における差分に対応する補正を実行した、即ち、フィードバックをオンからオフにする時のフィードバック量から、基準速度検出装置3の検出する基準速度と3軸の加速度計と3軸のレートジャイロとから演算された慣性速度の差分が大きくなったと判定されるまでの時間TB の間にフィードバックしたフィードバック量を減算した結果である一定のフィードバック量を帰還積分回路49を介して加算部40にフィードバックした状態の慣性速度を発生する。この帰還積分回路49の出力はジャイロのバイアス誤差の推定値となる量であり、切り替えスイッチ50によえう差分のフィードバックをオフにしてもバイアスが安定している間は精度よく測定をすることができる。そして、この瞬間以降暫くの間、差分は閾値VJ を超えた状態を持続するので切り替えスイッチ50はオフを持続する。そして、TB 秒分差分格納バッファ531および合計&極性反転演算部531の双方はそ値を0にクリアされ、慣性測定装置は先の一定のフィードバック量を付与された状態の純慣性測定状態を継続する。差分が閾値VJ ’に低下したところで、速度差分判定部51は出力を消滅して切り替えスイッチ50はオンに復帰し、慣性測定装置は通常のフィードバック動作状態に復帰する。この場合の慣性速度は、図4において○によりプロットされる効果2の曲線により示されの変化をする。効果2の曲線は、効果1の曲線と比較して、速度誤差は更に減少している。
【0020】基準速度と慣性速度の差分を判定する閾値VJ 、VJ ’、フイードバツクをオンからオフに切り替える時にフィードバックしている基準速度の誤差分を戻す時間TB は、慣性測定装置に使用するセンサの性能と基準速度の誤差の特性の関係に基づいて決定する。
【0021】
【発明の効果】以上の通りであって、慣性装置に基準速度検出装置の検出する基準速度を入力し、慣性速度と基準速度の差分を慣性測定装置の内部においてレート誤差、姿勢角誤差、速度誤差としてフィードバックするので、姿勢角の誤差および速度の誤差が発散しない。従って、長時間に亘って測定することができ、比較的に安価なセンサを使用しても高精度の測定を実施することができる。車軸を基準速度の検出に使用する場合、車輪のスリップに起因して基準速度に誤差が発生すればこれは慣性装置の誤差となるが、慣性装置の検出速度と基準速度の間の差が或る閾値より大きくなることによりこれを慣性測定装置内で基準速度検出装置が基準速度の誤差発生状態にあるものと判断して、慣性装置と基準速度との間の誤差のフィードハックをオフにすることにより、基準速度を利用しない慣性装置のみによる純慣性測定状態とする。これにより、基準速度検出装置の検出する基準速度に一時的に異常が発生しても、これによる影響を軽減して高精度の測定をすることができる。フィードバックがオフの状態、即ち、純慣性測定状態で誤差が未だに小さい内に、慣性装置の検出速度と基準速度検出装置の検出する基準速度の間の差か再び或る閾値より小さくなれば、基準速度が正常に戻ったものと認識し、慣性装置と基準速度との間の誤差のフィードバックをオンに復帰することにより長時間に亘って精度の良い測定を継続して実行することができる。
【0022】この発明は、基準速度検出装置の検出する基準速度と慣性装置の出力する慣性速度の差分が或る閾値以上になった時、基準速度検出装置が基準速度の誤差発生状態にあるものと判断するが、判断の直前までの基準速度と慣性速度の差分が閾値に達する過程における差分による慣性装置に対する誤ったフィードバック量を減算するフィードバック戻し量演算部を具備することにより、フィードバックをオフする時のフィードバック量を未だ精度の比較的良好な状態における一定のフィードバック量に戻して慣性測定装置のオフ状態の動作を実行して、高精度の測定を実施することができる。




 

 


     NEWS
会社検索順位 特許の出願数の順位が発表

URL変更
平成6年
平成7年
平成8年
平成9年
平成10年
平成11年
平成12年
平成13年


 
   お問い合わせ info@patentjp.com patentjp.com   Copyright 2007-2013