JP2018028511A - Method and device for measuring dynamic sensitivity matrix of inertia sensor - Google Patents

Method and device for measuring dynamic sensitivity matrix of inertia sensor Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To measure a dynamic sensitivity matrix by obtaining a non-linear item up to a high-order item according to target accuracy necessary for an inertia sensor.SOLUTION: A method for measuring a dynamic sensitivity matrix is provided in which a vibration table is controlled by a vibration table control device, translational vibration or rotational vibration is applied to a multi-axis inertia sensor that is fixed to the vibration table, and a signal processing calculator measures a dynamic sensitivity matrix from an output value of the inertia sensor that is obtained by the application of the vibration. The signal processing calculator selects an excitation amplitude vector in which a McLaughlin power-transformed vector becomes linearly independent, applies vibration to the inertia sensor by the selected excitation amplitude vector, obtains a non-linear item up to a high-order item according to target accuracy necessary for the inertia sensor, and measures the dynamic sensitivity matrix.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、多軸の慣性センサにおける動的感度マトリクスを計測する方法およびその装置に関する。   The present invention relates to a method and apparatus for measuring a dynamic sensitivity matrix in a multi-axis inertial sensor.

多軸の慣性センサは、加速度センサ、ジャイロ、または両者を結合したIMU(Inertial Measurement System)であって、多軸ベクトル量センサといえる。加速度センサが計測する加速度はベクトル量であり、ジャイロが計測する角速度もベクトル量であり、IMUの場合は最大6軸のベクトル量を計測する。また、コンボセンサとも言われるIMUは、地球磁場も計測するので、9軸を計測する場合もある。このような多軸の慣性センサとして、近年、シリコンの微細半導体加工技術で製造されたMEMS(Micro-Electro-Mechanical System)センサが、広く利用されている。   The multi-axis inertial sensor is an acceleration sensor, a gyro, or an IMU (Inertial Measurement System) that combines both, and can be said to be a multi-axis vector quantity sensor. The acceleration measured by the acceleration sensor is a vector quantity, and the angular velocity measured by the gyro is also a vector quantity. In the case of an IMU, a vector quantity of up to six axes is measured. The IMU, also called a combo sensor, also measures the earth's magnetic field, so it may measure nine axes. In recent years, MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) sensors manufactured by silicon fine semiconductor processing technology have been widely used as such multi-axis inertial sensors.

MEMS慣性センサは、自動車の自動運転技術への応用、社会インフラ保全のための振動検知への利用、人体の振動に対する暴露モニタリングへの利用等が期待されている。このような応用においては、慣性センサの計測精度を確保することが重要である。しかしながら、現状では、一軸の加速度の標準しか供給されておらず、角速度の標準が供給されていない。   MEMS inertial sensors are expected to be applied to automated driving technology for automobiles, used for vibration detection for social infrastructure maintenance, and used for monitoring exposure to human body vibration. In such applications, it is important to ensure the measurement accuracy of the inertial sensor. However, at present, only the uniaxial acceleration standard is supplied, and the angular velocity standard is not supplied.

慣性センサの感度の校正では、計測装置として一軸の振動台を使い、慣性センサに振動を加える方向と慣性センサの感度軸とを一致させるので、加速度はベクトルとはみなされず、感度は複素数で表されるだけである。従って、入力加速度(角速度)をレーザ干渉計により計測しても、正弦波に近似をするので非線形性は計測できない、といった問題が残されている。また、地球磁場も計測するIMUに対しては、加速度や角速度を発生する振動台から漏れる磁場が、地球磁場より数桁大きいので、計測方法にも工夫が必要であるのが現状である。   In calibration of inertial sensor sensitivity, a uniaxial shaking table is used as a measurement device, and the direction in which vibration is applied to the inertial sensor coincides with the sensitivity axis of the inertial sensor, so acceleration is not considered a vector, and sensitivity is expressed as a complex number. It is only done. Therefore, there is a problem that even if the input acceleration (angular velocity) is measured by a laser interferometer, the nonlinearity cannot be measured because it approximates a sine wave. In addition, for an IMU that also measures the earth's magnetic field, the magnetic field leaking from the shaking table that generates acceleration and angular velocity is several orders of magnitude larger than the earth's magnetic field.

慣性センサの出力は、電圧を単位とする信号であり、加速度は、この信号を変換して得られたベクトルの集合として表される。慣性センサの数学的機能は、実ベクトル空間を信号ベクトル空間に射影することであり、線形性を仮定すれば、ベクトルをベクトルに変換できるのはマトリックスだけである。従来は、静的線形性が考慮されているだけであって、動的線形性は考慮されておらず、計測に際しても定常的な計測のみであった。そこで、線形性を仮定した動的感度をマトリックスで表すための手法が、特許文献1〜2に開示されている。   The output of the inertial sensor is a signal in units of voltage, and the acceleration is expressed as a set of vectors obtained by converting this signal. The mathematical function of the inertial sensor is to project the real vector space to the signal vector space, and assuming linearity, only a matrix can convert a vector to a vector. Conventionally, only static linearity is taken into consideration, dynamic linearity is not taken into account, and only stationary measurement is performed. Therefore, Patent Documents 1 and 2 disclose a technique for representing dynamic sensitivity assuming linearity in a matrix.

特許4853937号公報Japanese Patent No. 485937 特許4924933号公報Japanese Patent No. 4924933

しかしながら、実ベクトル空間から信号ベクトル空間への射影は常に線形とは限らず、実際の慣性センサは非線形性を有している。例えば、一部の高精度MEMS慣性センサは、静的な感度を5次の多項式で近似した時の係数が表されていたが、動的な場合に非線形項を高次まで一般的に求めるための方法は確立されていなかった。そのために、動的線形性を考慮するのみならず、非線形項を含めた慣性センサの校正方法も確立されていないという問題があった。   However, the projection from the real vector space to the signal vector space is not always linear, and an actual inertial sensor has nonlinearity. For example, in some high-precision MEMS inertial sensors, the coefficient when static sensitivity is approximated by a fifth-order polynomial is expressed. The method of was not established. Therefore, there is a problem that not only dynamic linearity is considered but also a method for calibrating inertial sensors including nonlinear terms has not been established.

本発明の目的は、非線形項を高次の項まで解析した結果、n次(n≧2)の感度がマトリックスでまとめられること、および慣性センサの必要とする目標計測精度に応じて高次の項まで求める必要があることを示し、計測するため方法およびその装置を提供することにある。   The object of the present invention is to analyze the non-linear term up to the higher order term. As a result, the n-th order (n ≧ 2) sensitivities are collected in a matrix, and the higher-order order according to the target measurement accuracy required by the inertial sensor. It is to provide a method and apparatus for indicating and measuring that it is necessary to obtain a term.

本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、振動台制御装置により振動台を制御して、前記振動台に固定された多軸の慣性センサに並進振動または回転振動を印加し、信号処理用計算機が、振動の印加によって得られた前記慣性センサの出力値から動的感度マトリクスを計測する方法において、前記信号処理用計算機は、前記出力値のベクトルをマクローリン展開し、フーリエ級数に展開するステップと、フーリエ級数に展開されたexp(jωt)の冪数の等しい項について、それぞれ係数行列と加振振幅ベクトルの積として表し、1次の項の加振振幅ベクトルを、2次以上の項の加振振幅ベクトルにマクローリン冪変換するステップと、マクローリン冪変換されたベクトルが線形独立となる加振振幅ベクトルを選択するステップと、選択された加振振幅ベクトルにより、前記慣性センサに振動を加え、前記慣性センサの必要とする目標精度に応じて、非線形項を高次の項まで求めることにより、動的感度マトリクスを計測するステップとを実行することを特徴とする。   In an embodiment of the present invention, in order to achieve such an object, in one embodiment, a vibration table is controlled by a vibration table controller, and translational vibration or rotational vibration is applied to a multi-axis inertial sensor fixed to the vibration table. In the method in which the signal processing computer measures the dynamic sensitivity matrix from the output value of the inertial sensor obtained by applying the vibration, the signal processing computer expands the vector of the output value in a macrolin manner, The step of expanding to the Fourier series and the term having the same power of exp (jωt) expanded to the Fourier series are expressed as the product of the coefficient matrix and the excitation amplitude vector, respectively, and the excitation amplitude vector of the first order term is expressed as follows: A step of performing macro-Linning conversion into an excitation amplitude vector of a second-order or higher term, and an excitation amplitude vector in which the vector subjected to macro-Linning conversion is linearly independent are selected. By applying vibration to the inertial sensor according to the step and the selected excitation amplitude vector, the dynamic sensitivity matrix is obtained by obtaining nonlinear terms up to higher-order terms according to the target accuracy required by the inertial sensor. And a step of measuring.

本発明によれば、動的線形性を考慮するのみならず、慣性センサの必要とする目標精度に応じて、非線形項を高次の項まで求めることにより、慣性センサの計測精度を飛躍的に向上させることが可能となる。   According to the present invention, not only dynamic linearity is taken into account, but also the non-linear term is obtained up to a higher-order term according to the target accuracy required by the inertial sensor, thereby dramatically improving the measurement accuracy of the inertial sensor. It becomes possible to improve.

本発明の一実施形態にかかる計測装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the measuring device concerning one Embodiment of this invention. 計測装置の振動台に必要な三軸6自由度を示す構成図である。It is a block diagram which shows the triaxial 6 degrees of freedom required for the vibration stand of a measuring device. 本発明の一実施形態にかかる計測方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the measuring method concerning one Embodiment of this invention.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。最初に解析方法を説明し、その後、具体的な計測装置と計測方法について述べる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. First, an analysis method will be described, and then a specific measurement apparatus and measurement method will be described.

(線形マトリックス感度)
IMUの場合、最大6軸の自由度を有するが、マトリックスの大きさが大きくなり、紙面の大きさと比較して不便なので、ここでは3軸の場合について説明する。なお、3軸とも加速度を計測するのか、1軸だけ加速度を計測し、残り2軸は角速度を計測するというような配分は、以下の説明では問題にならない。
(Linear matrix sensitivity)
In the case of the IMU, the degree of freedom is 6 axes at the maximum, but the size of the matrix is large, which is inconvenient as compared with the size of the paper surface. The distribution in which acceleration is measured for all three axes or only one axis is measured and angular velocity is measured for the remaining two axes is not a problem in the following description.

Figure 2018028511
Figure 2018028511

慣性センサへの入力を(1−1)で定義し、かつ複素数表示にするために指数関数を導入して、(1−2)で入力ベクトルを定義する。慣性センサの出力は、入力の定義に従った書き方ではなく、一般的な書き方に留めておく。センサの出力を表す関数fx,fy,fzが連続で、無限回微分可能であると考えることは妥当であるから、(2)式をマクローリン展開すると、以下の式を得る。 The input to the inertial sensor is defined by (1-1), and an exponential function is introduced to display a complex number, and the input vector is defined by (1-2). The output of the inertial sensor is not written according to the input definition, but is written in a general way. Since it is reasonable to think that the functions fx, fy, and fz representing the output of the sensor are continuous and can be differentiated infinitely, when the equation (2) is expanded to Macrolin, the following equation is obtained.

Figure 2018028511
Figure 2018028511

書き下ろすと、

Figure 2018028511
If you write down,
Figure 2018028511

となる。(4)式の計算では、偏微分の入れ替えは可能であるとした。(4)式の第二項までが線形領域であり、第三項以降は非線形領域である。その理由は、線形領域では、定数項と入力の一次の項しか現れていないのに対して、第三項以降では、入力の二次以上の高次の項が現れているからである。 It becomes. In the calculation of equation (4), it is assumed that partial differentiation can be replaced. The fourth term of the equation (4) is a linear region, and the third and subsequent terms are nonlinear regions. The reason is that, in the linear region, only the constant term and the first-order term of the input appear, whereas the third and subsequent terms show the second-order and higher-order terms of the input.

out(t),zout(t)についても、(4)式のfxをfy,fzの各々に交換すれば、yout(t)またはzout(t)を求めることができる。また,(4)式の第三項以降では、原点での値という意味でのx=y=z=0を省略した。入力ベクトルである(1)式の第二式を(4)式に代入すると、最初の[]はexp(jωt)でくくることができ、二番目の[]はexp(j2ωt)でくくることができ、三番目の[]はexp(j3ωt)でくくることができる。同様に、より高次の項についても可能になる。基本的に周波数特性を考えるので、xout(t),yout(t),zout(t)をフーリエ級数に展開できると考えられる。 For y out (t) and z out (t), y out (t) or z out (t) can be obtained by replacing fx in the equation (4) with fy and fz. In the third and subsequent terms of equation (4), x = y = z = 0 in the sense of a value at the origin is omitted. When the second expression of the expression (1), which is an input vector, is substituted into the expression (4), the first [] can be expressed by exp (jωt), and the second [] can be expressed by exp (j2ωt). And the third [] can be wrapped with exp (j3ωt). Similarly, higher order terms are possible. Since frequency characteristics are basically considered, it is considered that x out (t), y out (t), and z out (t) can be expanded into a Fourier series.

Figure 2018028511
Figure 2018028511

そこで、(4)式、(5)式のexp(jωt)の冪数の等しい項を比較すると、以下の3式が導かれる。 Therefore, when the terms with the same power of exp (jωt) in the equations (4) and (5) are compared, the following three equations are derived.

Figure 2018028511
Figure 2018028511

(6)式はX軸に関する関数fxについて計算した結果得られた式である。同様の計算をY軸に関する関数fyについて行うと(9)式が得られ、Z軸に関する関数fzについて行うと(10)式が得られる。 Expression (6) is an expression obtained as a result of calculation for the function fx related to the X axis. When the same calculation is performed for the function fy for the Y axis, the equation (9) is obtained, and when the calculation is performed for the function fz for the Z axis, the equation (10) is obtained.

Figure 2018028511
Figure 2018028511

(6)式、(9)式、(10)式において、1次項の式が全部出たことになる。そこで、次の置き換えをする。 In the expressions (6), (9), and (10), all the expressions of the first-order terms are obtained. Therefore, the following replacement is performed.

Figure 2018028511
Figure 2018028511

表1において、Sの下付き添え字の左側は出力軸であり、右側は入力軸を表す。そこで、表1の記号を用いて(6)式、(9)式、(10)式を書きなおすと、(11)式が得られる。原点での値であることを下添え字で表すことは省略する。 In Table 1, the left side of the subscript S is the output axis, and the right side is the input axis. Therefore, when the expressions (6), (9), and (10) are rewritten using the symbols in Table 1, the expression (11) is obtained. The value at the origin is not shown in the subscript.

Figure 2018028511
Figure 2018028511

ここで求めるべき未知数は、Sxx,Sxy,Sxz,Syx,Syy,Syz,Szx,Szy,Szzである。(11)式の係数行列をS1 3と表すこととする。 The unknowns to be obtained here are Sxx, Sxy, Sxz, Syx, Syy, Syz, Szz, Szy, Szz. The coefficient matrix of the equation (11) is represented as S 1 3 .

Figure 2018028511
Figure 2018028511

を加振振幅ベクトルと呼ぶことにする。(11)式の右辺のベクトルは、複素数ベクトルである。(11)式は一回の加振を表している。一回の加振で導かれる数式は3本で、未知数は9個であるから、加振を三回行えば式の数と未知数の数は一致するので、解を導ける可能性が生まれる。そこで,以下のように記号を定める。 Is called the excitation amplitude vector. The vector on the right side of equation (11) is a complex vector. Equation (11) represents one excitation. Since there are three equations and nine unknowns derived by one excitation, the number of equations and the number of unknowns match if the excitation is performed three times, so that the possibility of deriving a solution arises. Therefore, the symbols are defined as follows.

Figure 2018028511
Figure 2018028511

表2の1回目の加振の入出力関係を(11)式に代入すると(11−1)式が得られ、2回目の加振の入出力関係を(11)式に代入すると(11−2)式が得られ、3回目の入出力関係を(11)式に代入すると(11−3)式が得られる。 When the input / output relationship of the first excitation in Table 2 is substituted into the equation (11), the equation (11-1) is obtained, and when the input / output relationship of the second excitation is substituted into the equation (11) (11− Equation (2) is obtained, and when the third input / output relationship is substituted into Equation (11), Equation (11-3) is obtained.

Figure 2018028511
Figure 2018028511

(11−1)式、(11−2)式、(11−3)式を未知数Sxx,Sxy,Sxz,Syx,Syy,Syz,Szx,Szy,Szzについて整理すると、次の連立一次方程式が得られる。 When the equations (11-1), (11-2), and (11-3) are arranged with respect to the unknowns Sxx, Sxy, Sxz, Six, Syy, Syz, Szz, Szy, Szz, the following simultaneous linear equations are obtained. It is done.

Figure 2018028511
Figure 2018028511

(12)式が解けるためには、係数行列の行列式がゼロであってはならない。規則的に並んでいることを考慮して、係数行列式を計算する。 In order for Equation (12) to be solved, the determinant of the coefficient matrix must not be zero. The coefficient determinant is calculated in consideration of the regular arrangement.

Figure 2018028511
Figure 2018028511

(13)式の最初の行交換では、第二行と第四行を交換し、第三行と第七行を交換している。次の行交換は、第六行と第八行を交換している。最終的な行列式の3乗がゼロであってはならないといことは、入力加速度の加振振幅ベクトルが線形独立であればよいことを意味する。線形独立な加振振幅ベクトルで加振すれば、一次の項に相当する線形マトリックス感度は、一意に決まることを意味する。 In the first line exchange of the equation (13), the second line and the fourth line are exchanged, and the third line and the seventh line are exchanged. In the next line exchange, the sixth and eighth lines are exchanged. The fact that the cube of the final determinant must not be zero means that the excitation amplitude vector of the input acceleration may be linearly independent. If vibration is performed with a linearly independent excitation amplitude vector, the linear matrix sensitivity corresponding to the first order term is uniquely determined.

(マクローリン冪変換)
(7)式は、X軸に関する関数fxについて計算した結果得られた式である。同様の計算をY軸に関する関数fyについて行うと(14)式が得られ、同じく同様の計算をZ軸に関する関数fzについて行うと(15)式が得られる。
(Macroline conversion)
Expression (7) is an expression obtained as a result of calculation regarding the function fx related to the X axis. If the same calculation is performed for the function fy for the Y axis, the equation (14) is obtained, and if the same calculation is performed for the function fz for the Z axis, the equation (15) is obtained.

Figure 2018028511
Figure 2018028511

ここで、新たに記号を表3のように定める。   Here, symbols are newly defined as shown in Table 3.

Figure 2018028511
Figure 2018028511

そこで、(7)式、(14)式、(15)式をまとめると(16)式を得る。 Therefore, when Expression (7), Expression (14), and Expression (15) are put together, Expression (16) is obtained.

Figure 2018028511
Figure 2018028511

(16)式において未知数S*,*は18個であり、一回の加振で導かれる方程式は3本しかないので、方程式の数と未知数の数を一致させるためには、6回加振をしなければならない。(16)式の係数行列を、S2 3で表すこととする。 In equation (16), there are 18 unknowns S *, * , and there are only 3 equations derived by one excitation. Therefore, in order to match the number of equations with the number of unknowns, 6 excitations are required. Have to do. The coefficient matrix of the equation (16) is represented by S 2 3 .

記法の簡単化のために、加振振幅ベクトル   To simplify the notation, the excitation amplitude vector

Figure 2018028511
Figure 2018028511

変換する変換を「マクローリン冪変換」と呼ぶことにする。マクローリンを使う理由は、マクローリン展開が議論の出発点にあるからである。「冪」の意味は、変換されるベクトルの成分の冪が変換後のベクトルの要素になるからである。変換されたベクトルで成分を並べる順番は、マクローリン級数展開での二次の偏微分係数を並べる順番に対応していなかればならないという条件がある。このとき、3成分のベクトルに対する二次のマクローリン冪変換であると言う意味で、変換をM2 3と表す。表2に相当する定義は、表4となる。 The conversion to be converted will be referred to as “Macrolyn 冪 conversion”. The reason for using macrolin is that the macrolin development is the starting point for discussion. The meaning of “冪” is that the 冪 of the vector component to be converted becomes an element of the converted vector. There is a condition that the order in which the components are arranged in the converted vector must correspond to the order in which the secondary partial differential coefficients are arranged in the Macrolin series expansion. At this time, the transformation is expressed as M 2 3 in the sense that it is a second-order Macrolin- 冪 transformation for a three-component vector. The definition corresponding to Table 2 is Table 4.

Figure 2018028511
Figure 2018028511

この入出力関係を(16)式に代入して、未知数について整理すると、(17)式が得られる。 Substituting this input / output relationship into equation (16) and organizing unknowns yields equation (17).

Figure 2018028511
Figure 2018028511

(17)式では、加振振幅ベクトルのマクローリン冪変換ベクトルは6成分であるから、係数行列は18×18の正方行列である。06は、ゼロを6個並べたゼロベクトルである。2行と4行を入れ替え、3行と7行を入れ替え、12行と16行を入れ替え、15行と17行を入れ替える。係数行列は次のようになる In the equation (17), since the Macrolin- 冪 transformation vector of the excitation amplitude vector has 6 components, the coefficient matrix is an 18 × 18 square matrix. 0 6 is a zero vector in which six zeros are arranged. Swap 2 and 4 rows, swap 3 and 7 rows, swap 12 and 16 rows, swap 15 and 17 rows. The coefficient matrix is

Figure 2018028511
Figure 2018028511

次に、4行と10行を入れ替え、5行と13行を入れ替え、6行と12行を入れ替える。 Next, the 4th line and the 10th line are exchanged, the 5th line and the 13th line are exchanged, and the 6th line and the 12th line are exchanged.

Figure 2018028511
Figure 2018028511

さらに、10行目と7行目を入れ替え、13行目と8行目を入れ替え、11行目と14行目を入れ替え、12行目と15行目を入れ替える。 Further, the 10th and 7th lines are exchanged, the 13th and 8th lines are exchanged, the 11th and 14th lines are exchanged, and the 12th and 15th lines are exchanged.

Figure 2018028511
Figure 2018028511

さらに、9行と13行を入れ替え、10行と14行を入れ替える。 Further, the 9th line and the 13th line are exchanged, and the 10th line and the 14th line are exchanged.

Figure 2018028511
Figure 2018028511

最後に、13行と15行を入れ替え、得られた13行と14行を入れ替える。 Finally, the 13th and 15th lines are exchanged, and the 13th and 14th lines obtained are exchanged.

Figure 2018028511
Figure 2018028511

となるので、6個の加振振幅ベクトルのマクローリン冪変換ベクトルが一次独立であれば求解可能であることになる。すなわち、そのような3成分のベクトルを6個見つければよい。この6個のベクトルは、一次独立である必要はない。 Therefore, if the Macrolin- で あ れ ば transformation vectors of the six excitation amplitude vectors are linearly independent, the solution can be obtained. That is, it suffices to find six such three-component vectors. These six vectors need not be linearly independent.

また、(13−3)式、(17)式が表すように、係数行列式は正方行列になる。(13)式、(17)式が一般に正方行列を持つ連立一次方程式になることについて次に述べる。   Further, as represented by the equations (13-3) and (17), the coefficient determinant is a square matrix. Next, it will be described that the equations (13) and (17) generally become simultaneous linear equations having a square matrix.

Figure 2018028511
Figure 2018028511

という形式になっている。行列式が計算できて、求解条件を導くためには、行列Aが常に正方行列であることを、証明する必要がある。行列Xは、求める感度行列の成分が未知数として縦ベクトルに並んだ形である。一次(線形)項の場合には、行列Aは正方行列になることは、自明である。ここでは、高次の項を求める場合でも行列Aが正方行列になることを示す。 It is in the form of In order to be able to calculate the determinant and derive the solution condition, it is necessary to prove that the matrix A is always a square matrix. The matrix X has a form in which the components of the sensitivity matrix to be obtained are arranged in a vertical vector as unknowns. In the case of a first-order (linear) term, it is obvious that the matrix A is a square matrix. Here, it is shown that the matrix A is a square matrix even when a higher-order term is obtained.

軸数をnとし、m次の感度マトリックスを求めるとする。Mm n変換したベクトルの成分数をkと置く。一軸あたりの非線形マトリックス感度の個数もkであることから、未知数となるベクトルのすべての要素の個数はknである。(17)式にみられるように、係数行列には、加振振幅ベクトルのマクローリン冪変換ベクトルが階段状に並ぶので、係数行列の行数はknとなる。 Assume that the number of axes is n and an m-th order sensitivity matrix is obtained. The number of components in M m n converted vector placing and k. Since the number of nonlinear matrix sensitivities per axis is also k, the number of all elements of the unknown vector is kn. As can be seen from the equation (17), the coefficient matrix has kn in the number of rows of the coefficient matrix because the matrix-transformation vector of the excitation amplitude vector is arranged stepwise.

一方、係数行列の行ベクトルの個数は、ベクトルBの成分個数に等しい。ベクトルBの成分個数は、方程式の全個数を意味するので、未知数の総数に等しく、同時に係数行列の列ベクトルの個数に等しい。以上のことから、係数行列の行ベクトルの個数も列ベクトルの個数も等しいので正方行列である。   On the other hand, the number of row vectors of the coefficient matrix is equal to the number of components of vector B. Since the number of components of the vector B means the total number of equations, it is equal to the total number of unknowns and at the same time equal to the number of column vectors of the coefficient matrix. From the above, since the number of row vectors and the number of column vectors of the coefficient matrix are equal, the matrix is a square matrix.

表5に、三軸慣性センサの二次項のマクローリン冪変換を示す。   Table 5 shows the macrolin conversion of the quadratic term of the triaxial inertial sensor.

Figure 2018028511
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としたときの一次独立性を調べる。 The primary independence is investigated.

Figure 2018028511
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従って、表5の加振振幅ベクトルのマクローリン冪変換ベクトルは、一次独立であるから求解は可能となる。なお、一次項の場合には、加振振幅ベクトルそのものが線形独立であることが必要十分条件であったので、線形領域のマクローリン冪変換は、単位行列である。このことから(4)式を写像で一般化すると、以下の式で表すことが可能になる。 Accordingly, since the Macrolin- 冪 conversion vector of the excitation amplitude vector in Table 5 is linearly independent, it can be solved. In the case of the first-order term, since it was necessary and sufficient that the excitation amplitude vector itself is linearly independent, the Macrolin- 冪 transform in the linear region is a unit matrix. From this fact, when formula (4) is generalized by mapping, it can be expressed by the following formula.

Figure 2018028511
Figure 2018028511

(21)式中の (21) in the formula

Figure 2018028511
Figure 2018028511

は、線形領域に対応する線形写像と非線形領域に対応する非線形写像の線形結合表現になっている。(21)式の Is a linear combination representation of a linear map corresponding to the linear region and a nonlinear map corresponding to the nonlinear region. (21)

Figure 2018028511
Figure 2018028511

または(5)式中の直流分のベクトルは、出力信号の時間平均を計算すれば求められる。 Alternatively, the DC component vector in equation (5) can be obtained by calculating the time average of the output signal.

表6は,慣性センサの軸数と、各軸における一次項(線形項)から非線形項までの感度の個数を記述している。   Table 6 describes the number of axes of the inertial sensor and the number of sensitivities from the primary term (linear term) to the nonlinear term on each axis.

Figure 2018028511
Figure 2018028511

6軸慣性センサの場合、線形項の記述には、軸あたり6個の感度があり、全部では軸数倍の36に過ぎないが、5次の非線形項では192個の感度が出てくる。感度全体ではこれの6倍であって、1152個の感度が出てくる。何次の項まで求める必要があるのかは、センサの動作原理に基づく、非線形性の強弱と計測の必要精度による。一軸あたりの非線形感度の個数を表す数値は、マクローリン冪変換されたベクトルの成分の個数であり、マクローリン冪変換されたベクトルをその数値分だけ一次独立にしなければならない。 In the case of a 6-axis inertial sensor, the description of the linear term has 6 sensitivities per axis, which is only 36 times the total number of axes, but 192 sensitivities appear in the fifth-order nonlinear term. The overall sensitivity is 6 times this, and 1152 sensitivities appear. The number of terms that need to be determined depends on the strength of nonlinearity and the required accuracy of measurement based on the sensor operating principle. The numerical value indicating the number of nonlinear sensitivities per axis is the number of components of the vector that has been subjected to the macrolin conversion, and the vector that has been subjected to the macrolin conversion must be linearly independent by that numerical value.

任意の数のゼロ乗は1であることを考えると、0次のマクローリン冪変換ベクトルは、成分がいかなる値を取ろうとも、(22)〜(26)式に示すように定義するのが合理的である。   Considering that any number of zero powers is 1, it is reasonable to define the 0th order Macrolin- 冪 transformation vector as shown in the equations (22) to (26) regardless of the values of the components. Is.

Figure 2018028511
Figure 2018028511

0次のマクローリン冪変換を上記のように定義すると、(21)式におけるバイアス項は、ベクトルではなくてマトリックスで定義すると、慣性センサの写像という数学的機能を、簡潔に表現することが可能となる。バイアス感度として以下のように定義する。 If the zero-order Macrolin- 冪 transform is defined as described above, the mathematical function of mapping of the inertial sensor can be expressed succinctly when the bias term in equation (21) is defined not by a vector but by a matrix. Become. The bias sensitivity is defined as follows.

Figure 2018028511
Figure 2018028511

を(bx,by,bz)と書くとすると、ベクトルでは書かずに、(28)式のようにマトリックスで定義すると、(32)式が導かれる。 If (bx, by, bz) is written, it is not written in the vector, but if it is defined by a matrix like the expression (28), the expression (32) is derived.

Figure 2018028511
Figure 2018028511

(32)式は、線形領域と非線形領域の両方の領域において、動的入力を動的出力に変換する写像を表している。2軸の場合、4軸の場合、5軸の場合、6軸の場合についても、同様に以下に記述する。 Expression (32) represents a mapping for converting a dynamic input into a dynamic output in both the linear region and the nonlinear region. In the case of 2 axes, the case of 4 axes, the case of 5 axes, and the case of 6 axes are also described below.

Figure 2018028511
Figure 2018028511

(計測装置の構成)
図1に、本発明の一実施形態にかかる計測装置の構成を示す。計測装置は、除振装置8に載置された筐体18に組み込まれている計測装置本体と、制御装置19とから構成されている。計測装置本体には、計測の対象となる慣性センサ4を設置する振動台6が設けられ、6個の導電型アクチュエータ1〜3により振動台6を支えている。アクチュエータ1〜3と振動台6とは、球面軸受けを介したリンク機構7(一部は図示を省略)で結合されている。リンク機構7は、振動台6を機械的に拘束しないように設計されている。
(Configuration of measuring device)
FIG. 1 shows a configuration of a measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. The measurement device includes a measurement device main body incorporated in a housing 18 mounted on the vibration isolation device 8 and a control device 19. The measurement apparatus main body is provided with a vibration table 6 on which an inertial sensor 4 to be measured is installed, and the vibration table 6 is supported by six conductive actuators 1 to 3. The actuators 1 to 3 and the vibration table 6 are coupled by a link mechanism 7 (partially omitted) via a spherical bearing. The link mechanism 7 is designed so as not to mechanically restrain the vibration table 6.

X軸アクチュエータ2a,2bのそれぞれと、Y軸アクチュエータ3a,3bのそれぞれは、相対して設置され、加振用のロッドの中心軸がオフセットして配置されている。例えば、X軸アクチュエータ2a,2bがプッシュ・プルで動作するときは、振動台6に並進振動を加え、プッシュ・プッシュまたはプル・プルで動作するときは、振動台6に回転振動を加えることになる。Z軸のアクチュエータ1a,1bも、加振用のロッドの中心軸は、オフセットして配置されており、振動台6に並進振動と回転振動とを加えることができる。   Each of the X-axis actuators 2a and 2b and each of the Y-axis actuators 3a and 3b are installed to face each other, and the center axis of the exciting rod is offset. For example, when the X-axis actuators 2a and 2b are operated by push-pull, translational vibration is applied to the vibration table 6, and when the X-axis actuators 2a and 2b are operated by push-push or pull-pull, rotational vibration is applied to the vibration table 6. Become. The Z-axis actuators 1 a and 1 b are also arranged with the center axis of the excitation rod offset, so that translational vibration and rotational vibration can be applied to the vibration table 6.

このような構成により、振動台6は、図2に示す座標系において、三軸6自由度の方向に振動することができ、慣性センサ4に加速度、角速度を加えることができる。振動台6は、第1に、運動の自由度に制限がない、すなわち6自由度までの運動を同時に発生できること、第2に、図2に示す座標系の原点を移動する、すなわち座標原点を中心とする回転振動、または任意の方向の併進振動において、原点をX軸方向、Y軸方向、Z軸方向に移動可能であることが求められる。この機能が必要になる理由は、測定対象のIMUに対して座標原点と慣性中心を一致させる必要があるからである。また、例えばZ軸方向に振動台を正弦波で加振したとき、垂直な方向に相当するX軸方向またはY軸方向に不規則な振動が生じることがあり、これをクロストークという。振動台6のクロストークは、1/1000以下であることが望ましい。   With such a configuration, the vibration table 6 can vibrate in the direction of three axes and six degrees of freedom in the coordinate system shown in FIG. 2, and acceleration and angular velocity can be applied to the inertial sensor 4. The shaking table 6 firstly has no restriction on the degree of freedom of movement, that is, it can simultaneously generate movements up to six degrees of freedom, and secondly, it moves the origin of the coordinate system shown in FIG. It is required that the origin can be moved in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction in rotational vibration around the center or translational vibration in any direction. The reason why this function is necessary is that the origin of coordinates and the center of inertia need to coincide with the IMU to be measured. Further, for example, when a vibrating table is vibrated with a sine wave in the Z-axis direction, irregular vibration may occur in the X-axis direction or Y-axis direction corresponding to the vertical direction, which is called crosstalk. The crosstalk of the vibration table 6 is desirably 1/1000 or less.

制御装置19を含む制御系は、ディジタル計算機をフィードバックループの中に含み、加振中の振動台6の運動を測定し、実際の運動と運動の目標値とを比較する機能を有し、実際の運動と運動の目標値との誤差に基づいてフィードバック制御を行う。振動台6の運動の測定は、振動台6に設置されたミラーなどの光学素子5と光学計測装置10とを使用したり、振動台6に設置された制御用慣性センサ9とシグナルコンディショナ12とを使用する。光学計測装置10とシグナルコンディショナ12の出力は、過渡信号記録装置13を介して、信号処理用計算機15に入力される。   The control system including the control device 19 includes a digital computer in a feedback loop, has a function of measuring the motion of the shaking table 6 during excitation, and comparing the actual motion with the target value of the motion. Feedback control is performed based on the error between the motion of the robot and the target value of the motion. The movement of the shaking table 6 is measured using an optical element 5 such as a mirror and an optical measuring device 10 installed on the shaking table 6, or a control inertia sensor 9 and a signal conditioner 12 installed on the shaking table 6. And use. The outputs of the optical measuring device 10 and the signal conditioner 12 are input to the signal processing computer 15 via the transient signal recording device 13.

マトリックス感度が定義されている制御用慣性センサ9を、振動台6に載置し、慣性センサ4の出力を、シグナルコンディショナ11と過渡信号記録装置13を介して、信号処理用計算機15に入力する。振動台制御装置16は、制御用参照信号14(運動の目標値)と信号処理用計算機15の出力(実際の運動)とを比較して、各アクチュエータに対する制御値を計算し、電流増幅装置17を介して、各アクチュエータを制御する。   A control inertial sensor 9 in which matrix sensitivity is defined is placed on the vibration table 6, and the output of the inertial sensor 4 is input to the signal processing computer 15 via the signal conditioner 11 and the transient signal recording device 13. To do. The shaking table control device 16 compares the control reference signal 14 (target value of motion) with the output of the signal processing computer 15 (actual motion), calculates a control value for each actuator, and a current amplifying device 17. The actuators are controlled via the.

図1において、冷却装置、温度制御装置等の付属的装置は、図示を省略している。振動台6の振動は、潤滑油の温度などの計測装置本体の状態に左右されるので、所定の測定温度範囲内に制御することが望ましい。また、上述したフィードバック制御において、温度などの環境条件を加味した最適制御パラメータを計算するアルゴリズムを実装することも考えられる。   In FIG. 1, illustrations of auxiliary devices such as a cooling device and a temperature control device are omitted. Since the vibration of the vibration table 6 depends on the state of the measuring device body such as the temperature of the lubricating oil, it is desirable to control it within a predetermined measurement temperature range. In addition, in the feedback control described above, it is conceivable to implement an algorithm for calculating optimum control parameters taking into account environmental conditions such as temperature.

なお、慣性センサの計測作業の効率化の点から、振動台6の面積は広いことが望ましい。複数個の慣性センサがセットされているトレイを振動台6にローディング、アンローディングするロボット装置との同期運転により、測定にかかるコストを削減することができる、測定にかかる時間も短縮することができる。   In addition, it is desirable that the area of the vibration table 6 is large from the viewpoint of increasing the efficiency of measurement work of the inertial sensor. By synchronous operation with a robot apparatus that loads and unloads a tray in which a plurality of inertial sensors are set on the vibration table 6, the cost for measurement can be reduced, and the time required for measurement can also be reduced. .

(計測方法と制御アルゴリズム)
上記の解析方法の原理で述べたとおり、非線形項が求まるための必要十分条件は、必要な個数分の一次独立なマクローリン冪変換されたベクトルに対応する実際の加振振幅ベクトルを求めることである。
(Measurement method and control algorithm)
As described in the principle of the analysis method above, the necessary and sufficient condition for obtaining the nonlinear term is to obtain the actual excitation amplitude vector corresponding to the necessary number of first-order independent Macrolin-transformed vectors. .

マクローリン冪変換した時に線形独立になる加振振幅ベクトルを必要個数見つける方法として、以下の方法が考えられる。最初に、加振振幅ベクトルのマクローリン冪変換ベクトルが線形独立であるか否かは、行列式を計算すればよい。この事実は、(13−3)式、(17)式の係数行列が正方行列であることから明らかである。   The following method can be considered as a method for finding the required number of excitation amplitude vectors that are linearly independent when the Macrolin- 冪 conversion is performed. First, it is only necessary to calculate a determinant to determine whether or not the Macrolin- 冪 transformation vector of the excitation amplitude vector is linearly independent. This fact is clear from the fact that the coefficient matrix of the equations (13-3) and (17) is a square matrix.

次に、必要個数の加振振幅ベクトルを見つけ出す方法について述べる。現状では、条件を満たす加振振幅ベクトルを演繹的に導き出すことができないので、計算機で試行錯誤を重ねて見つけ出すアルゴリズムを記述する。6軸の慣性センサを対象とする。並進加速度の3座標をX,Y,Zとし、角速度の3座標変数を、P,Q,Rとする。計測装置が発生する加速度、角速度のダイナミックレンジが、仮に1000倍あると仮定する。加振振幅ベクトル(X,Y,Z,P,Q,R)と書くと、5次の非線形項を計算する場合には、表7に示すように、6成分の192個のベクトルを見つけることが必要になる。   Next, a method for finding the necessary number of excitation amplitude vectors will be described. At present, it is not possible to a priorily derive the excitation amplitude vector that satisfies the conditions, so an algorithm that finds it by trial and error on a computer is described. The target is a six-axis inertial sensor. The three coordinates of translational acceleration are X, Y, and Z, and the three coordinate variables of angular velocity are P, Q, and R. Assume that the dynamic range of acceleration and angular velocity generated by the measuring device is 1000 times. When the excitation amplitude vector (X, Y, Z, P, Q, R) is written, when calculating the fifth-order nonlinear term, 192 vectors of 6 components are found as shown in Table 7. Is required.

Figure 2018028511
Figure 2018028511

図3に、本発明の一実施形態にかかる計測方法を示す。第1の方法は、ループを使う計算方法である。この方法では、192回のループが6重に出ている。これは、表5に示すように、6成分のベクトルの5次のマクローリン冪変換が192個の成分を持つからである。6軸であれば、4次の場合には126個になるが、軸数が同じなので計算のループは6重で変わらない。4軸で5次の場合には、表5からわかるように、56回のループが4重の計算ループになる。計測装置の信号処理用計算機15において、この計算を行ってもよいし、外部の計算機を使用したり、複数の計算機でクラスタ処理を行ってもよい。   FIG. 3 shows a measurement method according to an embodiment of the present invention. The first method is a calculation method using a loop. In this method, 192 loops appear in 6 layers. This is because, as shown in Table 5, the fifth-order Macrolin transform of a six-component vector has 192 components. In the case of 6 axes, the number of axes is 126, but the number of axes is the same, so the calculation loop does not change with 6 layers. In the case of 4th order and 5th order, as can be seen from Table 5, 56 loops become a quadruple calculation loop. This calculation may be performed in the signal processing computer 15 of the measuring device, an external computer may be used, or cluster processing may be performed by a plurality of computers.

第2の方法は、乱数を使う計算方法である。ダイナミックレンジが500であるとすると、192個の6成分の加振振幅ベクトルの各成分に、[0 1]の乱数を発生させ、500倍して有効数字を3桁、4桁と加振振幅ベクトルの発生装置に合わせた数値を配置する。配置し終わったところで、各加振振幅ベクトルに対応したマクローリン冪変換ベクトルを計算し、192×192の正方行列が得られ、行列式を計算する。行列式がゼロでなければ、192個の加振振幅ベクトルは求まったことになる。行列式がゼロになった場合には、線形独立でないので、乱数計算を続行して行列式計算を続ける。   The second method is a calculation method using random numbers. If the dynamic range is 500, a random number of [01] is generated for each component of the 192 six-component excitation amplitude vectors, multiplied by 500, and the excitation amplitude is 3 digits and 4 digits. Arrange numerical values according to the vector generator. When the arrangement is completed, a Macrolin-Long transformation vector corresponding to each excitation amplitude vector is calculated, a 192 × 192 square matrix is obtained, and a determinant is calculated. If the determinant is not zero, 192 excitation amplitude vectors are obtained. When the determinant becomes zero, it is not linearly independent, so the random number calculation is continued and the determinant calculation is continued.

本実施形態によれば、多軸の慣性センサの機械的構造に由来する非線形共振を検出することができる。動的感度マトリックスを適用して、動的線形性を考慮するのみならず、非線形性まで定量化することができるので、慣性センサの動的モデルがより精緻になることにより、センサ出力から非線形性をも考慮して入力信号を推定することができるので、慣性センサの計測精度を飛躍的に向上させることができる。   According to the present embodiment, it is possible to detect nonlinear resonance resulting from the mechanical structure of a multi-axis inertial sensor. The dynamic sensitivity matrix can be applied not only to consider dynamic linearity but also to quantify non-linearity, so the dynamic model of the inertial sensor becomes more elaborate, so the nonlinearity from the sensor output Since the input signal can be estimated in consideration of the above, the measurement accuracy of the inertial sensor can be dramatically improved.

1 Z軸アクチュエータ
2 X軸アクチュエータ
3 Y軸アクチュエータ
4 慣性センサ
5 光学素子
6 振動台
7 リンク機構
8 除振装置
9 制御用慣性センサ
10 光学計測装置
11,12 シグナルコンディショナ
13 過渡信号記録装置
14 制御用参照信号
15 信号処理用計算機
16 振動台制御装置
17 電流増幅装置
18 筐体
19 制御装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Z-axis actuator 2 X-axis actuator 3 Y-axis actuator 4 Inertial sensor 5 Optical element 6 Shaking table 7 Link mechanism 8 Vibration isolator 9 Control inertia sensor 10 Optical measuring device 11, 12 Signal conditioner 13 Transient signal recording device 14 Control Reference signal 15 Signal processing computer 16 Shaking table control device 17 Current amplification device 18 Case 19 Control device

Claims (3)

振動台制御装置により振動台を制御して、前記振動台に固定された多軸の慣性センサに並進振動または回転振動を印加し、信号処理用計算機が、振動の印加によって得られた前記慣性センサの出力値から動的感度マトリクスを計測する方法において、前記信号処理用計算機は、
前記出力値のベクトルをマクローリン展開し、フーリエ級数に展開するステップと、
フーリエ級数に展開されたexp(jωt)の冪数の等しい項について、それぞれ係数行列と加振振幅ベクトルの積として表し、1次の項の加振振幅ベクトルを、2次以上の項の加振振幅ベクトルにマクローリン冪変換するステップと、
マクローリン冪変換されたベクトルが線形独立となる加振振幅ベクトルを選択するステップと、
選択された加振振幅ベクトルにより、前記慣性センサに振動を加え、前記慣性センサの必要とする目標精度に応じて、非線形項を高次の項まで求めることにより、動的感度マトリクスを計測するステップと
を実行することを特徴とする動的感度マトリクスを計測する方法。
The shaking table is controlled by a shaking table control device, and translational vibration or rotational vibration is applied to a multi-axis inertial sensor fixed to the shaking table, and the signal processing computer obtains the inertial sensor obtained by applying the vibration. In the method of measuring the dynamic sensitivity matrix from the output value of the signal processing computer, the signal processing computer,
Expanding the vector of the output values into a Maclaurin expansion and expanding it into a Fourier series;
The terms with the same power of exp (jωt) expanded to the Fourier series are expressed as the product of the coefficient matrix and the excitation amplitude vector, respectively. A macrolin conversion to an amplitude vector;
Selecting an excitation amplitude vector in which the Macrolin-transformed vector is linearly independent;
A step of measuring a dynamic sensitivity matrix by applying vibration to the inertial sensor according to a selected excitation amplitude vector and obtaining a nonlinear term up to a high-order term according to a target accuracy required by the inertial sensor. A method of measuring a dynamic sensitivity matrix characterized by performing and.
多軸の慣性センサの動的感度マトリクスを計測する装置において、
振動台に固定された慣性センサに並進振動または回転振動を印加する振動台制御装置と、
振動の印加によって得られた前記慣性センサの出力値から動的感度マトリクスを計測する信号処理用計算機であって、
振動の印加によって得られた前記慣性センサの出力値のベクトルをマクローリン展開し、フーリエ級数に展開し、
フーリエ級数に展開されたexp(jωt)の冪数の等しい項について、それぞれ係数行列と加振振幅ベクトルの積として表し、1次の項の加振振幅ベクトルを、2次以上の項の加振振幅ベクトルにマクローリン冪変換し、
マクローリン冪変換されたベクトルが線形独立となる加振振幅ベクトルを選択し、
選択された加振振幅ベクトルにより、前記慣性センサに振動を加え、前記慣性センサの必要とする目標精度に応じて、非線形項を高次の項まで求めることにより、動的感度マトリクスを計測する信号処理用計算機と
を備えたことを特徴とする動的感度マトリクスを計測する装置。
In a device for measuring the dynamic sensitivity matrix of a multi-axis inertial sensor,
A vibration table controller for applying translational vibration or rotational vibration to an inertial sensor fixed to the vibration table;
A signal processing computer for measuring a dynamic sensitivity matrix from an output value of the inertial sensor obtained by applying vibration,
Expand the vector of the output value of the inertial sensor obtained by applying the vibration to Macrolin's expansion, expand it to Fourier series,
The terms with the same power of exp (jωt) expanded to the Fourier series are expressed as the product of the coefficient matrix and the excitation amplitude vector, respectively. Maclaurin conversion to amplitude vector
Select the excitation amplitude vector that makes the Macrolin-transformed vector linearly independent,
A signal for measuring the dynamic sensitivity matrix by applying vibration to the inertial sensor according to the selected excitation amplitude vector and obtaining a nonlinear term up to a higher order term according to the target accuracy required by the inertial sensor. An apparatus for measuring a dynamic sensitivity matrix characterized by comprising a processing computer.
前記振動台は、三軸6自由度の振動を前記慣性センサに加えることを特徴とする請求項2に記載の動的感度マトリクスを計測する装置。   The apparatus for measuring a dynamic sensitivity matrix according to claim 2, wherein the shaking table applies a vibration of six degrees of freedom to the inertial sensor.
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