JP2005509149A - 自己校正用慣性測定システムの方法及び装置 - Google Patents

Abstract

慣性測定ユニット（１０）内にプロセッサ（３４）を設け、そして内部的に慣性測定ユニットの校正係数を決めかつ記憶（１１）して自己校正するために信号を直接プロセッサに伝送（３５）することによって、慣性測定ユニットと遠隔プロセッサとの間で信号を伝送するスリップリングを用いる必要なしに多軸速度テーブル（１４）上で慣性測定ユニット（１０）をテストするシステム。

Description

本発明は、回転プラットホームに装着した一つ以上の運動感知装置の出力を受ける信号プロセッサを用いた校正システムにおけるスリップリング（slip ring）の必要性をなくする改良に関する。感知装置は、回転運動の既知の条件を受け、そして出力は既知の条件と比較され、それらの間の誤差を決定して、補正係数を作り、出力に加えて、既知の条件を一層正確に表示させる。好ましい実施の形態において、本発明は、速度テーブル（rate table）に装着した複数の慣性測定ユニット（inertial measurement units;ＩＭＵ）用の校正装置、及び一層特に、複数のＩＭＵから信号プロセッサへ信号を伝送するためにスリップリング接続の使用を避ける自給式システムに用いられる。

今まで、複数のＩＭＵの校正には、多軸速度テーブルにテスト中のＩＭＵを装着すること、種々の軸（例えばピッチ、ロール及びヨーのような三つの垂直軸）において種々の既知の温度及び他の環境条件でＩＭＵに予定の既知の運動（例えば速度及び加速度）を付与すること、これらの入力環境条件に対するＩＭＵの応答を決めること、及びスリップリング組立体を介してこのような値を表す出力信号を、テストソフトウエアを含む遠隔コンピュータすなわちプロセッサに伝送することを必要とし、テストソフトウエアはＩＭＵ出力を予定の既知の値と比較して誤差を決定し、出力における誤差を補正するのに用いられ得る校正係数を発生する。校正係数はＩＭＵの内部の記憶装置に記憶され、そして種々の速度及び温度などにおいて別のＩＭＵ出力から補正値を加減算するためＩＭＵにおける校正ソフトウエアと共に用いられる。

本発明を理解する上で必要ではないが、補正値を算出するのに従来技術の動作を考察ことは有効であると考えられる。ＩＭＵにおける不正確さの三つの主な原因は、目盛係数、偏り及びミスアライメントである。これら三つのファクターは、また温度と共に変化することができ、従って温度の変動は第４のフアクターと考えられ得る。他にもあるが、これらファクターは、加速度計のような単一軸センサーが現実に用いられるベースに装着されると仮定し、かつこのベースが速度テーブル及び炉に装着されると仮定すると、単純性のために最も重要である。加速度計の感知軸が重力軸線に平行となるようにベースが取付けられるとすると、速度テーブルを動かすことなしにＩＭＵは直立の場合には“＋１ｇ”、逆の場合には“−１ｇ”を表す信号を発生すべきである。（１gより大きい出力は遠心分離機において受けるようなテーブルの回転によって生じられる。）例えば＋１．０％の目盛係数誤差があるとすると、＋１ｇでは出力は＋１．０１ｇとなり、また−１ｇでは出力は−１．０１ｇとなる。

従って、この誤差を補正するには、出力を１．００／１．０１＝０．９９倍する。例えば＋０．２ｇの偏り誤差があったとすれば、＋１ｇでは出力は１．２ｇとなり、また−１ｇでは出力は−０．８ｇとなる。この誤差を補正するためには、出力から値（１．２＋（−０．８））／２＝０．４／２＝０．２ｇが引き算される。ミスアライメント誤差は、感知軸が、完全なアライメントで０．０ｇの出力を発生する重力場に垂直である場合に通常決められる。ミスアライメントに対する補正係数は、加速度計が０ｇ方向に位置する入力取付け軸のまわりで回転される際に加速度計から加速度誤差を観察することにより決められる。ミスアライメントの補正係数は、直交座標系の他の二つの加速度軸出力の僅かな割合（部分）を用いて計算される。

これらテストの全ては、実際の使用において遭遇することになる全ての温度に対する適切な補正係数が記憶装置に含まれるように多数の種々の温度において再実行される。温度の他に、湿度、高度及び出力に影響し得る振動のような他の環境条件が存在することは認識されるべきである。全ての場合に、全ての出力信号は、スリップリング組立体を介してプロセッサに送られ、そこで補正係数が決められ、そして全ての補正係数はプロセッサからスリップリング組立体を介してＩＭＵにおける記憶装置に送られなければならない。

三軸加速度計を備えたIMUレベルで動作すると、上記の簡単化されたテストは三つ全ての軸に沿って繰り返されることになるが、比較的複雑化しても、結果はなお全て三つの軸における主誤差に対してしかも遭遇する全ての温度で補正するＩＭＵにおける参照表である。テストは三つの主要軸に対して斜めの軸に沿って新しいベクトル出力の得られ得る簡単化したＩＭＵの場合より一層進歩したアルゴリズムを使用できることが理解されるべきである。そして新しいベクトルは数学的に解析され、ＩＭＵに対して種々のｇ力を多数回繰り返して加える必要なしに、三つの主要軸に沿った所望の情報を提供する。

いずれにしても使用したプロセッサアルゴリズムに関係なく、ＩＭＵの出力値を読取るのにスリップリング組立体を使用する必要性は、特に非常に多数のＩＭＵ（例えば３２個の装置）を同時に校正するのが望ましい場合、そのような組立体は非常に高価であるので、相当な問題となる。

本発明は、校正係数決めるのにテストソフトウエアを使用できそして顧客の使用のためにＩＭＵ出力を変更するのに校正ソフトウエアを使用できる内部プロセッサを備えたＩＭＵを構築することにより外部プロセッサへ供給するためにIMUから信号を得るのにスリップリング組立体の必要性をなくすことにある。これによりまた外部遠隔プロラッサが不要となり、校正プロセスが簡単となり、コストの大幅な低減となる。

上記の参照刊行物に記載のものと同様な従来技術のシステムは図１に示される。図１において、実際の使用で遭遇することになる種々の温度のような所望の環境は矢印６で示す。この環境は、当該技術分野において知られたヒーター、クーラー又は炉（図示していない）によって得られる。内部メモリ１１を備えたジャイロスコープ又は加速度計のようなＩＭＵ１０、或いは多数のジャイロスコープ及び加速度計から成る複合装置は図示したようにプラットホーム１２に取付けられ、プラットホーム１２は多軸速度ブル１４に接続され、多軸速度ブル１４の目的は、IMUがどのどのように応答するかを決めるため種々の軸においてＩＭＵを種々動かすことにある。

軸１６は図示したように速度テーブル１４とプラットホーム１２との間に接続され、そして多数のスリップリング１８をスリップリング組立体１９の一部として支持する。スリップリング１８は、矢印２１で示すＩＭＵ１０の出力を受けるように線２１を介して接続される。出力２１は、矢印２２として示す線を介して信号を遠隔コンピュータ又はプロセッサ２４へ搬送する。プロセッサ２４は、上述のように、ＩＭＵの出力信号を速度テーブルによって提供された入力運動の既知の予定の値と比較し、そして誤差を決めるように作動し、所望の校正係数を計算する。

テストの結果において、プロセッサはスリップリング１８を介して内部メモリ１１へ校正係数を伝送し、又は好ましくは、速度テーブルは停止され、プロセッサ２４は、矢印２６として示す線を介して校正係数をダウンロードするように接続される。その後、ＩＭＵ１０は記憶した校正係数値で作動し、種々の温度における出力２１を変更し、それによりＩＭＵ１０で検出した運動に対する比較的正確な値が顧客の使用のために得られるようにする。再校正した出力をチェックするのが望ましい場合には、テストは再度行なわれ、そして新しい出力は再び既知の環境入力に対してチェックされ、より一層正確な校正係数を記憶装置１１に記憶する。

図２は本発明の装置を示す。図２において、環境６、内部メモリ１１及び出力２１を備えたＩＭＵ１０、プラットホーム１２、速度テーブル１４及び軸１６は図１の場合と同じであるが、軸１６は以下に説明するようにスリップリングを担持するのにもはや必要でない。ＩＭＵ１０は図示したように、図１の場合と同様にプラットホーム１２上に装着されるが、図２ではスリップリング１８、コネクタ２０及びスリップリング組立体１９は取除かれる。図１のプロセッサ２４も取除かれ、そして同様に作用するプロセッサ３４がＩＭＵ１０の内部に示される。

プロセッサ３４は図１のプロセッサ２４と同様に作動するが、ＩＭＵの出力２０及び双方向矢印３５で示すようにＩＭＵの内部メモリ１１に内部で接続される。プロセッサ３４はＩＭＵの出力信号２１を、速度テーブルで提供される入力運動及び温度の既知の予定の環境値と比較し、そして所望の校正係数を計算するように作動する。本発明では、テスト中に校正係数は直ちにＩＭＵの内部メモリ１１に記憶され得るので、信号をプロセッサに搬送するのに又は校正信号を内部メモリに戻すのに、（或いは、校正係数を記憶するためにテストの結果を待つのに）スリップリングを利用することはもはや必要でない。

図１の場合のように、ＩＭＵ１０は種々の温度においてＩＭＵ１０の出力２０を変更するように記憶した校正係数値で作動でき、それにより、再校正値がすでにＩＭＵの記憶装置に記憶されているので、速度テーブルを止めることなく、校正値をＩＭＵの記憶装置に伝送するなくしかもテストを再開することなしに、速度テーブルフ入力の既知の環境値に対してＩＭＵ１０で検知した運動に対する一層正確な値が確立され得る。このことはまた、所望の温度環境を再構築するのに必要な時間を節約できる。また、外部処理するために各ＩＭＵをスリップリングに接続する困難さなしに多数のＩＭＵを同時にテストでき、コスト、時間及び複雑さを大幅に低減できることが認識されるべきである。

図３には、改良したＩＭＵ校正テストの動作のフローチャートを示す。図３において、ブロック５０は、第１の段階が準備ステーションにＩＭＵを装着することにあることを表す。準備ステーションは単に、各IMUに使用すべきテスト及び校正ソフトウエアがロードされ、そしてＩＭＵの受けることになる予定の速度テーブル値及び温度が入力される初期場所である。これは、ブロック５２で示す次の段階において行われる。ブロック５２は、ブロック５４からの校正環境情報並びにブロック５６からのテスト及び校正ソフトウエアがＩＭＵにダウンロードされることを示す。必要な情報及びソフトウエアを各ＩＭＵにダウンロードした後、次の段階は、速度テーブルにＩＭＵを装着し、そしてブロック５８で示すようにテストを開始することにある。テスト中、次のブロック６０に示すように、内部のＩＭＵプロセッサはＩＭＵ出力を読取り、誤差を決定し、補正係数を計算し、そして補正係数を内部メモリに記憶する。その後、ＩＭＵは校正ソフトウエアを用いて、記憶した補正係数に従って出力を変化させて顧客の使用のために一層正確な値を提供する。

従って、本発明はテストするのに伴う複雑さ、コスト及び時間を大幅に低減したＩＭＵ用の改良型校正テストシステムを提供することが分かる。当然、本発明は、回転テーブル上でテストされ、誤差を検出しかつそれらの誤差を将来補正するため装置に記憶する遠隔プロセッサに出力信号を伝送するのにスリップリングを使用するＩＭＵ以外の校正装置に応用できる。更に、上記の構造及びプロセスを変更することも当業者によってなされ得る。例えば、ソフトウエア及び環境情報は、ＩＭＵを速度テーブルに装填した後、ＩＭＵにロードでき、温度以外の環境条件（例えば振動又は高度条件）はテスト装置に付与され得る。従って、本発明は好ましい実施の形態の説明に関して用いた特別な例示のものに限定されるものではない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって定義され得る。

ＩＭＵを校正するための従来技術のシステムを示す概略線図。 本発明の校正システムを示す概略線図。 本発明を用いたＩＭＵの校正用のフロー線図である。

Claims (15)

1. テストステーション（１４）が予め決定された運動速度のような既知の環境条件の入力を慣性測定ユニット（１０）に供給し且つ慣性測定ユニットの出力をモニタして出力と入力との誤差を測定し、その差から校正係数を発生するテストステーション（１４）を使用する慣性測定ユニット（１０）を校正するシステムにおいて、
   慣性測定ユニット内に設けられ、既知の環境条件の入力でプログラミングされたプロセッサ（３４）と、
   慣性測定ユニット内に設けられ、慣性測定ユニットの出力を受けるようにプロセッサを接続し、それによりプロセッサで出力を既知の環境条件の入力と比較して校正係数を発生させるコネクタ手段（３５）と、
   慣性測定ユニット内に設けられ、慣性測定ユニットで測定した環境条件に対する真の値をより正確に表す出力を発生するのに使用する校正係数を受けるように接続するコネクタ手段（３５、１１）と、を含むことを特徴とする装置。
2. 前記環境条件は少なくとも１つの予め決定された軸線のまわりの運動速度を含む請求項１記載の装置。
3. 前記環境条件は三つの相互に垂直な軸線のまわりの運動速度を含む請求項１記載の装置。
4. 前記環境条件は更に温度を含む請求項３記載の装置。
5. 請求項１記載の装置であって、前記誤差は、目盛係数、偏り及びミスアライメントによって生じられ得、出力と既知の環境条件の入力との比較が、誤差を決定すること、誤差を低減するのに必要な補正係数を計算すること及びその結果を使用して所望の校正係数を形成することを含む請求項１記載の装置。
6. 前記校正係数を受けるように接続した手段は慣性測定ユニット内に設けられた記憶装置（１１）を含む請求項１記載の装置。
7. 前記校正係数を受けるように接続した手段は、慣性測定ユニット内に設けられた記憶装置（１１）を含む請求項５記載の装置。
8. 慣性測定ユニット（１０）で校正テストを行う方法において、
   Ａ．慣性測定ユニット内にプロセッサ（３４）を設ける段階と、
   Ｂ．慣性測定ユニットの出力を受け、補正係数を形成するようにプロセッサを接続（３５）する段階と、
   Ｃ．慣性測定ユニット内に補正係数を記憶（１１）する段階と、を含む方法。
9. 更に、Ｄ．補正係数に従って慣性測定ユニットの出力を変更して一層正確な出力を発生する段階を含む請求項８記載の方法。
10. 更に、Ａ１．テストテーブル（１４）に慣性測定ユニットを装着して予定の既知の入力値を慣性測定ユニットに供給する段階を含む請求項８記載の方法。
11. 前記段階Ｄは、慣性測定ユニットの出力を既知の入力値と比較して補正係数を発生することを含む請求項９記載の方法。
12. 更に、Ｄ．補正係数に従って慣性測定ユニットの出力を変更して一層正確な出力を発生する段階を含む請求項１０記載の方法。
13. 更に、Ａ１．三軸テーブル（１０、１２、１８、１４）に慣性測定ユニットを装着して予定の既知の入力速度値を慣性測定ユニットに供給する段階を含む請求項８記載の方法。
14. 前記段階Ａ１は慣性測定ユニットに種々の温度（６）を供給することを含む請求項１３記載の方法。
15. 多軸速度テーブル（１４）に装着され、種々の既知の環境条件を受け、多数の慣性測定ユニット（例えば１０）の出力と複数の既知の環境条件との差を決め、一層の精度を達成するように出力を変更するのに用いられる多数の補正係数を計算する、多数の慣性測定ユニットを用いた校正テスト装置であって、
    各慣性測定ユニットの内部に接続され、各々既知の環境条件をもつようにプログラムされたプロセッサ（例えば３４）と、
    プロセッサに出力を供給する接続手段（例えば３５）と、を有し、各プロセッサは既知の環境条件を出力と比較し所望の補正係数を計算するように作動可能である校正テスト装置。
    
    

Images