JP2006126148A - 方位姿勢検出装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ジャイロ信号を用いて座標変換行列を逐次求めて加速度信号の座標変換を行い、該加速度信号からレベル誤差修正値を演算し、GPS方向信号及び磁気方位信号を用いて、方位誤差修正値を演算する方位誤差修正値を演算し、レベル誤差及び方位誤差が修正された前記座標変換行列からロール角、ピッチ角、及び方位角の演算を行うものにおいて、方位誤差修正は、GPS方向信号の信頼性が高い条件下においては、GPS方向信号を用いて方位誤差修正値を求めると共に、GPS方向信号と磁気方位信号との差異を演算し、GPS方向信号の信頼性が高くない条件下で且つ磁気方位信号の信頼性が低くない条件下では、前記演算していたGPS方向信号と磁気方位信号との差異と、磁気方位信号とを用いて方位誤差修正値を求める。
【選択図】図5
Description
前記演算手段は、
前記ジャイロ信号を用いて、ジャイロ及び加速度計が取り付けられたボディ座標系からローカル座標系への座標変換行列を逐次求めて更新する座標変換行列更新部と、
前記座標変換行列更新部からの座標変換行列を用いて前記加速度信号の座標変換を行う座標変換部と、
座標変換部で変換された加速度信号を用いて、レベル誤差修正値を演算するレベル誤差修正値演算部と、
GPS方向信号及び磁気方位信号を用いて、方位誤差修正値を演算する方位誤差修正値演算部と、
レベル誤差修正値及び方位誤差修正値によって修正された前記座標変換行列からロール角、ピッチ角及び方位角の演算を行う姿勢方位角演算部と、
を備え、前記方位誤差修正値演算部は、GPS方向信号の信頼性が高い条件下においては、GPS方向信号を用いて方位誤差修正値を求めると共に、GPS方向信号と磁気方位信号との差異を演算し、GPS方向信号の信頼性が高くない条件下で且つ磁気方位信号の信頼性が高い条件下では、前記演算していたGPS方向信号と磁気方位信号との差異と、磁気方位信号とを用いて方位誤差修正値を求めることを特徴とする。
(1)座標変換行列の更新
座標変換行列更新部20で行われる座標変換行列の更新とは、ボディ座標系とローカル座標系の関係を時々刻々計算することである。具体的な計算方法は任意の方法を採用することができるが、この実施形態においては、以下に概要を示すクォータニオンを使用している。
・まず、Z軸まわりに方位角ξだけ回転させる。
・次に、Y軸まわりにピッチ角θだけ回転させる。
・最後にX軸まわりにロール角φだけ回転させる。
このとき、ボディ座標系からローカル座標系へ座標変換行列の各要素は次のように表される。
(ア)<qb b'(t)>は、ボディ座標系の更新であるが、ジャイロが検出したサンプリング周期の変化角度(角速度より計算)により更新される。
(イ)<ql’ l(t)>は、ローカル座標系の更新であるが、レベリング誤差および方位誤差の修正演算(後に、(3),(4)で示す)により更新される。
ただし、各軸で使用する角度(角速度)は、センサの誤差(バイアス誤差、スケールファクタ誤差等)を既に補正した値を使用する。
座標変換部22で行われる座標変換とは、(1)の座標変換行列更新部20で求めたクォータニオンを用いて、式29によりボディ座標系における任意のベクトルをローカル座標系に座標変換することである。即ち、加速度計11A、12A、13Aにより検出されたボディ座標系加速度ベクトル<Abody>(X加速度、Y加速度、Z加速度)を、次式によりローカル座標系加速度ベクトル<Alocal>(東西加速度、南北加速度、鉛直加速度)に座標変換する。
レベル誤差修正値演算部24は、(2)の座標変換部22で求めたローカル座標系加速度のうち、東西加速度および南北加速度の重力加速度成分をゼロに収束するように、即ちローカル座標系が水平になるように、式31におけるΦn(t)、Φe(t)(ローカル座標系の北および東方向の修正角度)を求めるものである。
次に、方位誤差修正値演算部26で行う方位誤差の修正は、ア)GPS受信機14からのGPS方向(direction : 運動方向)に追従させる状態と、イ)磁気方位センサ15からの磁気方位に(基準(北)はGPS方向基準と合わせる)追従させる状態と、の2状態を切替えて行う。これらの状態遷移を示すフローチャートを図4に示す。
GPS受信機14から得られるGPS速度が閾値以上であり(ステップS12)、方位角変化が閾値以下であり(ステップS14)、GPS方向と磁気方位との差が閾値以下である(ステップS16)場合に、GPS方向の信頼性が高いと判定して、GPS方向を追従する処理を行う(ステップS20)。これらの条件を満足しているときに、GPS方向と本方位姿勢検出装置10のある軸とが一致しているとみなせると考えられるからである。これらの条件以外、またはこれらの条件のいずれか少なくとも1つの条件を満足するときにステップS20に進むようにしてもよい。
図4のフローチャートにおいて、GPS受信機14から得られるGPS速度が閾値より小さく、方位角変化が閾値より大きく、またはGPS方向と磁気方位の差が閾値以上である場合には、GPS方向の信頼性よりも磁気方位の信頼性が高いと判定して、磁気方位を追従する処理を行なう。但し、このときに、完全に磁気方位に追従させるのではなく、GPS方向を追従する処理を行なっているときに計算していたGPS方向−磁気方位の1次フィルタ値を用いる。即ち、(方位−磁気方位)−(GPS方向−磁気方位の1次フィルタ値)を方位誤差とみなし、この方位誤差が0に収束するように、式31におけるΦz(t)(ローカル座標系の鉛直方向の修正角度)を計算する。
姿勢方位角演算部28では、式26,27,28を用いて、クォータニオンより、姿勢角(ロール、ピッチ)および方位角を計算し、表示部18に更新周期で表示出力する。
11G Xジャイロ
12G Yジャイロ
13G Zジャイロ
11A X加速度計
12A Y加速度計
13A Z加速度計
14 GPS受信機(GPS手段)
15 磁気方位センサ
16 データ演算部
20 座標変換行列更新部
22 座標変換部
24 レベル誤差修正値演算部
26 方位誤差修正値演算部
28 姿勢方位角演算部
Claims (5)
- 3軸まわりの角速度をそれぞれ検出するジャイロと、3軸方向の加速度をそれぞれ検出する加速度計と、GPSを使用して移動体の移動方向を検出するGPS手段と、磁気方位角を検出する磁気方位センサと、ジャイロから出力される角速度信号、加速度計から出力される加速度信号、GPS手段から出力されるGPS方向信号及び磁気方位センサから出力される磁気方位信号が入力されてロール角、ピッチ角及び方位角の演算を行う演算手段と、を有し、移動体に搭載されて移動体の方位姿勢を検出する方位姿勢検出装置において、
前記演算手段は、
前記ジャイロ信号を用いて、ジャイロ及び加速度計が取り付けられたボディ座標系からローカル座標系への座標変換行列を逐次求めて更新する座標変換行列更新部と、
前記座標変換行列更新部からの座標変換行列を用いて前記加速度信号の座標変換を行う座標変換部と、
座標変換部で変換された加速度信号を用いて、レベル誤差修正値を演算するレベル誤差修正値演算部と、
GPS方向信号及び磁気方位信号を用いて、方位誤差修正値を演算する方位誤差修正値演算部と、
レベル誤差修正値及び方位誤差修正値によって修正された前記座標変換行列からロール角、ピッチ角及び方位角の演算を行う姿勢方位角演算部と、
を備え、前記方位誤差修正値演算部は、GPS方向信号の信頼性が高い条件下においては、GPS方向信号を用いて方位誤差修正値を求めると共に、GPS方向信号と磁気方位信号との差異を演算し、GPS方向信号の信頼性が高くない条件下で且つ磁気方位信号の信頼性が高い条件下では、前記演算していたGPS方向信号と磁気方位信号との差異と、磁気方位信号とを用いて方位誤差修正値を求めることを特徴とする方位姿勢検出装置。 - 前記GPS方向信号の信頼性が高い条件は、移動体の速度が所定値以上であること、求めた方位角の変化が第2所定値以下であること、GPS方向信号と磁気方位信号との差異が第3所定値以下であること、の少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項1記載の方位姿勢検出装置。
- 前記方位誤差修正値演算部は、GPS方向信号の信頼性が高い条件下においては、方位角とGPS方向との差を表す値を方位誤差修正値とすることを特徴とする請求項1または2記載の方位姿勢検出装置。
- 前記方位誤差修正値演算部は、GPS方向信号の信頼性が高くない条件下で且つ磁気方位信号の信頼性が高い条件下においては、方位角と、磁気方位角から前記差異に基づく値を差し引いた値との差を表す値を方位誤差修正値とすることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の方位姿勢検出装置。
- 前記レベル誤差修正演算部は、GPS手段から出力されるGPS速度信号を用いて、加速度信号からの加速度から運動加速度を除去して、レベル誤差修正値を求める、ことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の方位姿勢検出装置。
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