JP2015165190A - ジャイロレートオフセット除去方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ジャイロレートオフセットの変動に追従し、簡易な構成で、かつジャイロの反転にも追従するとともに、地球自転のようなジャイロの反転に追従しないレートオフセット成分をも除去することができる、簡便なジャイロレートオフセット除去方法、ジャイロ装置を提供する。【解決手段】ジャイロ１と、位置保障された測定対象面２及び前記測定対象面２との位置が保障された基準エッジ５ａとの位置関係を利用しながら前記ジャイロ１を前記測定対象面２に垂直な反転軸３ｃを中心に周期的に反転させ、ジャイロレートオフセットの変動に追従してジャイロレートオフセットを除去するとともに、前記ジャイロ１の反転前後のジャイロ角度検出値の差分値の時間変化量から、前記ジャイロ１の反転に関係なく加わるジャイロレートオフセット成分を検出し、除去する。【選択図】図３

Description

本発明は、ジャイロを用いた角度検出において大きな誤差要因となるレートオフセット（角速度誤差）を除去する方法に関する。ジャイロレートオフセット（単に、レートオフセットということもある）とは、ジャイロが静止状態では角速度出力値が０でなければならないところ、実際に出力される角速度値（信号値）のことである。

回転角度をジャイロにより検出測定する場合にレートオフセットが存在すると、検出角速度を積分して得られる検出角度にはオフセット値が時間的に積分された角度誤差も含まれることになる。従って、正確な角度検出、測定を実施するためには、ジャイロは、レートオフセットが極く小さくなければならない。

従来のレートオフセットの除去方法として、次の技術が知られている。
（１）ジャイロを一定時間静止させ、得られた信号をレートオフセットと定め、その後の測定値から静止状態の信号（値）を測定値から差し引く方法。
（２）図１に示すように、ジャイロ角度検出方向と直交する方向に、周期的にジャイロを搖動し、得られた信号からレートオフセット分を除去する方法（特許文献１）。
（３）図２に示すように、ジャイロ角度検出方向と直交する方向に、ジャイロを反転させ得られた信号からレートオフセット分を除去する方法（特許文献２）。

しかしながら、上記従来のレートオフセット除去方法（１）は、ジャイロレートオフセットの変動に追従した除去をすることができない。（２）の方法では、レートオフセット値の変動に追従し除去することが可能であるが装置が複雑となる。（３）の方法では、ジャイロの反転に追従するレートオフセット成分を除去することができるが、地球自転のように、ジャイロの反転に追従しないレートオフセット成分を除去することができない。

特開２００８−２３３０９５号公報 特開２００９−０９２５８３号公報

そこで、本発明は、ジャイロレートオフセットの変動に追従し、簡易な構成で、かつジャイロの反転にも追従するとともに、地球自転のようなジャイロの反転に追従しないレートオフセット成分をも除去することができる、簡便なジャイロレートオフセット除去方法、ジャイロ装置を提供することを目的とする。

ジャイロの反転測定によるジャイロドリフト除去・抑制の検討を行う中で、ジャイロレートオフセットが簡便に検出され、除去可能である、当該発明を完成するに至った。
具体的には、上記の課題を解決するために、本発明は、
（１）
ジャイロと、位置保障された測定対象面及び前記測定対象面との位置が保障された基準エッジとの位置関係を利用しながら前記ジャイロを前記測定対象面に垂直な反転軸を中心に周期的に反転させ、ジャイロレートオフセットの変動に追従してジャイロレートオフセットを除去するとともに、
前記ジャイロの反転前後のジャイロ角度検出値の差分値の時間変化量から、前記ジャイロの反転に関係なく加わるジャイロレートオフセット成分を検出し、除去することを特徴とするジャイロレートオフセット除去方法。
（２）
前記基準エッジが、１本の基準バー又は２本の基準バーであることを特徴とする（１）に記載のジャイロレートオフセット除去方法。
（３）
前記基準エッジが、１本の基準バーと１点又は１本の柱、或いは、３点又は３本の柱であることを特徴とする（１）に記載のジャイロレートオフセット除去方法。
（４）
ジャイロレートオフセット変動、ジャイロ反転及びジャイロ反転に追随しないジャイロレートオフセットを除去できるジャイロ装置であって、
測定対象面に載置される底面、側面を備えた枠と、
前記枠に固定したジャイロと、
前記測定対象面に対して垂直な位置に固定された第一基準エッジと、
前記第一基準エッジと直角をなして前記測定対象面に対して垂直な位置に固定された第三基準エッジと、
を備え、
ジャイロレートオフセットを検出するに際し、
前記枠の対向する２面を、交互に前記第一基準エッジ及び第三基準エッジに当接させる反転を繰り返すことを特徴とするジャイロ装置。
（５）
ジャイロレートオフセット変動、ジャイロ反転及びジャイロ反転に追随しないジャイロレートオフセットを除去できるジャイロ装置のジャイロユニットであって、
測定対象面に載置される底面、前記底面に垂直に起立する第一面、前記底面に垂直に起立しかつ前記第一面に平行な第二面、前記第一面及び第二面に対して直角で前記底面に連設する第三面、前記第一面及び第二面に対して直角かつ前記第三面と平行で前記底面に連設する第四面を備えた枠と、
前記枠に固定されたジャイロと、
からなることを特徴とするジャイロユニット。
、である。

本発明は、上記構成であるので、以下の効果を発揮する。ジャイロレートオフセットの変動に追従し、簡易な構成で、かつジャイロの反転にも追従するとともに、地球自転のようなジャイロの反転に追従しないレートオフセット成分をも除去することができる、簡便なジャイロレートオフセット除去方法、ジャイロ装置を提供することができた。

すなわち、本発明ではジャイロを位置保障された測定対象面と測定対象面との位置が保障基準エッジの位置関係を用いて、前記ジャイロを周期的に測定対象面に垂直な反転軸を中心に測定対象面と平行な面内で反転させることで、変動するレートオフセットの除去を可能としつつ、装置の複雑化を避けることができた。さらに、ジャイロの反転時前後のジャイロ角度検出値差分値の時間変化量から、ジャイロの反転とは無関係に加わるレートオフセット成分をも検出し除去することができる。

基準エッジとしては、２本の基準エッジ、例えば第一、第三基準エッジ、の併用、それらは、直交されていても、直交されていなくてもよく、また、それらの基準エッジの一方を単体で用いることもできる。２本の基準エッジを併用すると、ジャイロの位置が一意に簡単に決められるため、反転操作が楽になり、望ましい。

さらに、基準エッジとして、１本の基準エッジと１点又は測定対象面に垂直な柱も採用できる。さらには３点又は３本の柱の基準であっても同様に基準エッジとなる。加えて、２点と１本の柱、１点と２本の柱も採用できる。これらであれば枠と２本の基準エッジほどの組み立て精度を要しない。いずれにしても、ジャイロが同一面で位置保障され１８０°の反転が可能であればよい。

従来（特許文献１）の周期的にジャイロを搖動し、得られた信号からレートオフセットを除去した角度値を導出する技術の説明図である。 従来（特許文献２）の周期的にジャイロを反転し、得られた信号からレートオフセットを除去する方法の説明図である。 本発明であるジャイロレートオフセット除去方法に用いる、ジャイロ装置１の斜視写真（Ａ）、及び反転軸３ｃを回転中心として、ジャイロ４を固定した枠３（ジャイロユニット１ａ）を反転方向３ｄに交互に１８０°反転させて、ジャイロ角度検出軸４ａを回転中心としたジャイロ４の傾き角度を測定する場合の模式図（Ｂ）（Ｃ）である。図３（Ｂ）の枠３を１８０°反転方向３ｄに反転させると、図３（Ｃ）になる。 ジャイロ装置を反転させて、ジャイロレートオフセットを検出するモデルのジャイロ角度検出軸方向から見た図である。 ジャイロレートオフセット成分の導出式である。 同一位置にて、図３の枠の反転の繰り返しを１時間行った場合に得られたジャイロ角度出力θ（ｔ）の測定値である。 図６の測定値（ジャイロ角度出力θ（ｔ））から求められた反転前後のジャイロ角度出力θ（ｔ）の差である。傾斜分を直線（ａ）、直線（ｂ）で示した。この図は、図５の（４）、（５）式で示される関係に相当する。 振動グラフは、図６の測定値（ジャイロ角度出力θ（ｔ））から求められた１周期離れたジャイロ角度出力θ（ｔ）の差である。白抜きラインは、移動平均処理により高周波ノイズ分を除去した値である。直線（ｃ）は、ジャイロレートオフセット成分のジャイロ反転に追従する成分ｒoに比例する成分（（６）式の右辺―２Δｔ・ｒo）である。

以下、添付の図面３−８を参照し、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、本発明は下記実施例に限定されるものではない。

図３の写真に示すように、ジャイロレートオフセット変動、ジャイロ反転及びジャイロ反転に追随しないジャイロレートオフセットの検出（導出）、除去に使用されるジャイロ装置１は、測定対象面２に載置されると、枠３と、ジャイロ４と、基準プレート５と、基準バー６と、からなる。なお、枠３とジャイロとで、ジャイロユニット１ａを形成する。

測定対象面２は、設置位置が保障されている。即ち、測定対象面２は、ジャイロ４の反転動作の間は、位置（方位、傾き）が変化しない。なお、測定対象面２の近傍の他の測定対象面でジャイロレートオフセットを除去した後、実際の測定対象面２で測定することもできる。

枠３は、測定対象面２に載置される底面、前記底面に垂直に起立する第一面３ａ、前記底面に垂直に起立しかつ第一面３ａに平行な第二面３ｂ、第一面３ａ及び第二面３ｂに対して直角で前記底面に連設する第三面３ｅ、第一面３ａ及び第二面３ｂに対して直角かつ第三面３ｅと平行で前記底面に連設する第四面３ｆを備える。

ここでは、枠３は内部空洞で、第三面３ｅ、第四面３ｆはそれぞれ開口部を有し、連通する。枠３に前記開口部を備えることで、ジャイロ４の設置、配線４ｃの引き出しが容易になる。また、上面にも板が嵌められている。そして、第一面３ａと第二面３ｂは同形で、上面と底面も同形である。

このような枠３であれば、検出すべき角度に合わせて、ジャイロユニット１ａの必要な面（第一〜第四面、上面、底面）を向け、測定対象面２に設置すればよい。なお、ジャイロ４が基準エッジに対して、位置保障されて反転できれば、当該枠の形状に限定されるものではない。

測定対象面２に垂直なジャイロ４の反転軸３ｃを中心とする反転方向３ｄに、ジャイロ４を測定対象面２において１８０°反転させることで、測定対象面２と平行なジャイロ角度検出軸４ａを中心とする回転方向であるジャイロ角度検出方向４ｂに不要な角度変化を与えない。反転に際して、ジャイロを測定対象面２に接触させながら反転させると、不要な角度変化を一層抑えることができる。

ジャイロ４は、物体の角度や角速度を検出する計測器で、ジャイロスコープ、ジャイロセンサとも呼ばれる。検出信号を計算機（図示省略）に配線４ｃを介して送信する。

ここでは、枠３の底面に平行かつ第一面３ａと第二面３ｂを貫通するジャイロ角度検出軸４ａとジャイロ角度検出軸４ａと直交するジャイロ４の反転軸３ｃとの交点位置に中心を位置させ底面を第一面３ａの内側に固定したジャイロ４とした。これにより、ジャイロ角度検出軸４ａを回転中心としたジャイロ角度検出方向４ｂの基準２ａに対する回転角を測定することができる。ジャイロ４は自己の位置基準を備えるため、基準２ａは任意に設定できる。この場合、反転せずに検出されるジャイロ角出力信号には、基準２ａに対する実際の検出すべき角度成分（後述のθ_ｒ）の他に、後述のθ_ｏとｒ_ｏとｒ_ｇをも含む。

基準プレート５は、ここでは、測定対象面２に垂直な側面が第一基準エッジ５ａ及び第二基準エッジ５ｂとなり、測定対象面２にボルト５ｃなどで固定され、位置保障されている。枠３の面に当接し、ジャイロ４の反転中位置保障されていれば、測定対象面２に固定されていなくてもよい。

基準バー６は、ここでは、測定対象面２に垂直な側面が第三基準エッジ６ａとなり、基準プレート５の第二基準エッジ５ｂに当接した上で、測定対象面２にボルトなどで固定され、位置保障されている。枠３の面に当接し、ジャイロ４の反転中位置保障されていれば、測定対象面２に固定されていなくてもよい。また、基準バー６に当接しなくてもよい。

基準プレート５と基準バー６との当接で形成される第一基準エッジ５ａと第三基準エッジ６ａとの角度は９０°である。枠３の第一面３ａと第三面３ｅ、第三面３ｅと第二面３ｂ、第一面３ａと第四面４ｆとの角度もそれぞれ９０°で、枠３の底面を測定対象面２に接触させながら、枠３の第一面３ａ及び第三面３ｅと、第二面３ｂ及び第四面３ｆの組み合わせを、交互に第一基準エッジ５ａ及び第三基準エッジ６ａに当接させる反転を繰り返し、ジャイロレートオフセット成分を検出する。

ここでは、基準プレート５及び基準バー６、すなわち、第一基準エッジ５ａと第三基準エッジ６ａは、別体としたが、一体としてもよい。

ジャイロ装置１では、図３に示すように、ジャイロ４を備える枠３を、水平方向に対する角度検出のためのジャイロ角度検出軸４ａと直交する反転軸３ｃを中心に周期的に１８０°反転（反転方向３ｄ）させることで、ジャイロレートオフセットの変動に追従してジャイロレートオフセットを除去することができる。

このとき、基準エッジにより、ジャイロの反転軸３ｃを反転中心とする反転方向３ｄへの反転角度（１８０°）と反転前後のジャイロ４の位置関係を保障し、さらに、測定対象面２に接触させながらジャイロ４を反転させ、無用な角度変化をジャイロ角度検出方向４ｂに与えないようにすることで、特許文献１のジャイロレートオフセット方法において問題となる装置の複雑化を避けた上で、反転時の誤差を軽減することができる。

さらに、反転前後のジャイロ４の角度検出値差分値の時間変化量から、ジャイロ４の反転とは無関係なレートオフセット成分を検出し、除去することができる。

次に、図４のモデル、図５の式を参照して、ジャイロレートオフセット成分の導出、除去方法について説明する。

ここでは、図４に示すように、検出すべき角度をθ_ｒ、ジャイロ角度オフセットをθ_ｏ、ジャイロ４の反転に追従するレートオフセット成分をｒ_ｏ、地球自転の影響などジャイロ４の反転に追従しないレートオフセット成分をｒ_ｇとする。

このときジャイロ４が、その角度検出面内にある反転軸３ｃに対して一定の時間間隔Δｔで反転方向３ｄに反転するものと考えると、時刻ｔおよびｔ＋Δｔでのジャイロ角度出力θ（ｔ）、θ（ｔ＋Δｔ）はそれぞれ、図５の（１）、（２）式のように表される。（１）、（２）式から（３）〜（６）式が導き出せる。

（３）式は、測定対象物の角度θ_ｒの導出式である。（４）、（５）式は反転前後のジャイロ角度出力の差、（６）式は１周期離れたジャイロ角度出力の差を表している。

（４）、（５）式それぞれの右辺第３項の２ｒ_ｇ・ｔ、および、−２ｒ_ｇ・ｔは、時間ｔの比例項であり、（４）、（５）式の関係を時間ｔのグラフで示した場合、反転間隔Δｔで入れ替わる直線の傾き成分となる。一方、（６）式右辺第１項の−２・ｔ・ｒ_ｏはジャイロ４の反転に追従するレートオフセット成分項であり、（６）式の関係を時間ｔのグラフで示した場合、直線のオフセット成分となる。

すなわち、（４）、（５）式を示すグラフの傾きから、ジャイロ４の反転に追従しないレートオフセット成分ｒ_ｇが導出できる。また、（６）式の関係を示すグラフのオフセットから、ジャイロ４の反転に追従するレートオフセット成分ｒ_ｏが導出できることを示す。

次に、図３のジャイロ装置１、図５の式を用いて、ジャイロレートオフセット成分の検出について検討した結果を説明する。

時間間隔Δｔ＝６０ｓの反転測定を行い、その効果を検証した。ここでは、反転方向３ｄ（反転軸３ｃ）と独立したジャイロ角度検出方向４ｄ（ジャイロ角度検出軸４ａ）を持つことから反転測定に対する制約が少なく、高精度、かつ、機械的に堅牢な光ファイバジャイロ（ＦＯＧ）ユニットを用いた。測定は、２３±１℃で空調制御された恒温室内の石定盤上に設置された光学プレート（測定対象面２）上にて行われた。

実験では、図３に示されるようにジャイロ４の基準側面（第一面３ａ及び第二面３ｂ、第三面３ｅ及び第四面３ｆ）が、基準エッジ（第一基準エッジ５ａ、第三基準エッジ６ａ）への当接面となるように、ジャイロ４を光学プレート上の枠３に設置し、その底面が常に光学プレートに接触するように反転することで、ジャイロ角度検出方向４ｂへ不要な角度変化を与えることの無い反転測定を実現した。

同一位置にて反転を繰返し１時間行った場合に得られたジャイロ角度出力θ（ｔ）を図６に示す。一方、図６に示されるジャイロ角度出力θ（ｔ）から求められた（４）、（５）式で示される、反転前後のジャイロ角度出力の差、および、（６）式で示される１周期離れたジャイロ角度出力の差をそれぞれ図７、８に示す。

図７に示された関係から、各反転測定回におけるｒ_ｇの値を求めると、ｒ_ｇ＝−５５±１５（標準偏差）μｒａｄ／ｓとなる。

一方、図８に示された関係から各反転測定回におけるｒ_ｏの値を求めると、ｒ_ｏ＝６１±３９（標準偏差）μｒａｄ／ｓとなる。ｒ_ｇの値については、測定地点の緯度約３６°と角度検出面の子午線からの偏角約９０°から導出した５９μｒａｄ／ｓに近い値となっている。

これらの値を（３）式に代入することで、ｒ_ｏ、ｒ_ｇの影響を受けることなく測定対象の角度θ_ｒを求めることができる。すなわち、測定値からジャイロレートオフセットを除去できることとなる。この場合、繰返し１時間行われた各反転測定回で得られた角度は、θ_ｒ＝９.１±０.４（標準偏差）ｍｒａｄとなる。

本発明であるジャイロレートオフセット除去方法は、方位測定、慣性航法、角度測定、形状測定、測量技術に応用でき、既存機器に大きな改造を施すことなく、高精度で、前記技術に適用することができる。

１ ジャイロ装置
１ａ ジャイロユニット
２ 測定対象面
２ａ 基準
３ 枠
３ａ 第一面
３ｂ 第二面
３ｃ 反転軸
３ｄ 反転方向
３ｅ 第三面
３ｆ 第四面
４ ジャイロ
４ａ ジャイロ角度検出軸
４ｂ ジャイロ角度検出方向
４ｃ 配線
５ 基準プレート
５ａ 第一基準エッジ
５ｂ 第二基準エッジ
５ｃ ボルト
６ 基準バー
６ａ 第三基準エッジ

Claims (5)

1. ジャイロと、位置保障された測定対象面及び前記測定対象面との位置が保障された基準エッジとの位置関係を利用しながら前記ジャイロを前記測定対象面に垂直な反転軸を中心に周期的に反転させ、ジャイロレートオフセットの変動に追従してジャイロレートオフセットを除去するとともに、
   前記ジャイロの反転前後のジャイロ角度検出値の差分値の時間変化量から、前記ジャイロの反転に関係なく加わるジャイロレートオフセット成分を検出し、除去することを特徴とするジャイロレートオフセット除去方法。
2. 前記基準エッジが、１本の基準バー又は２本の基準バーであることを特徴とする請求項１に記載のジャイロレートオフセット除去方法。
3. 前記基準エッジが、１本の基準バーと１点又は１本の柱、或いは、３点又は３本の柱であることを特徴とする請求項１に記載のジャイロレートオフセット除去方法。
4. ジャイロレートオフセット変動、ジャイロ反転及びジャイロ反転に追随しないジャイロレートオフセットを除去できるジャイロ装置であって、
   測定対象面に載置される底面、側面を備えた枠と、
   前記枠に固定したジャイロと、
   前記測定対象面に対して垂直な位置に固定された第一基準エッジと、
   前記第一基準エッジと直角をなして前記測定対象面に対して垂直な位置に固定された第三基準エッジと、
   を備え、
   ジャイロレートオフセットを検出するに際し、
   前記枠の対向する２面を、交互に前記第一基準エッジ及び第三基準エッジに当接させる反転を繰り返すことを特徴とするジャイロ装置。
5. ジャイロレートオフセット変動、ジャイロ反転及びジャイロ反転に追随しないジャイロレートオフセットを除去できるジャイロ装置のジャイロユニットであって、
   測定対象面に載置される底面、前記底面に垂直に起立する第一面、前記底面に垂直に起立しかつ前記第一面に平行な第二面、前記第一面及び第二面に対して直角で前記底面に連設する第三面、前記第一面及び第二面に対して直角かつ前記第三面と平行で前記底面に連設する第四面を備えた枠と、
   前記枠に固定されたジャイロと、
   からなることを特徴とするジャイロユニット。