JP2021060285A

JP2021060285A - Angular velocity sensor device and angular velocity sensor correction method

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Publication number: JP2021060285A
Application number: JP2019184644A
Authority: JP
Inventors: 秀樹東; Hideki Azuma; 英文後藤; Hidefumi Goto; 伊藤　仁; Hitoshi Ito; 仁伊藤
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2019-10-07
Filing date: 2019-10-07
Publication date: 2021-04-15

Abstract

To accurately compensate for an offset error when using an angular velocity sensor.SOLUTION: An angular velocity sensor device comprises: a first sensor module 21 for detecting angular velocity around an X-axis and inclination angles in a Y-axis direction and a Z-axis direction in a state where a substrate 20 is horizontally arranged; a second sensor module 22 for detecting angular velocity around a Z-axis in the state where the substrate 20 is horizontally arranged; and a third sensor module 23 for detecting angular velocity around a Y-axis and inclination angles in an X-axis direction and the Z-axis direction in the state where the substrate 20 is horizontally arranged. An offset error of the second sensor module 22 is corrected on the basis of the angular velocity detected in the second sensor module 22 and the inclination angles detected in the first sensor module 21 in a state where the substrate 20 is vertically arranged.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

この発明は、アンテナ装置等に用いられる角速度センサ装置および角速度センサ補正方法に関する。 The present invention relates to an angular velocity sensor device and an angular velocity sensor correction method used for an antenna device or the like.

角速度センサは、ジャイロセンサや振動ジャイロなどと呼ばれ、衛星通信アンテナの姿勢制御や、車両の位置検出など各種の分野で用いられている。例えば、船舶に搭載されるアンテナ装置の場合、角速度センサは、傾斜計とともに衛星を追尾するために用いられている。すなわち、衛星の位置情報と、ＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）から得られる船舶の位置情報とを基にアンテナの向きを決める（例えば、特許文献１、２参照。）。このとき、アンテナ装置は、アンテナの仰角を固定し、方位方向にアンテナを３６０度回転して衛星を探す。 Angular velocity sensors are called gyro sensors and vibration gyros, and are used in various fields such as attitude control of satellite communication antennas and position detection of vehicles. For example, in the case of an antenna device mounted on a ship, an angular velocity sensor is used to track a satellite together with an inclinometer. That is, the direction of the antenna is determined based on the position information of the satellite and the position information of the ship obtained from GPS (Global Positioning System) (see, for example, Patent Documents 1 and 2). At this time, the antenna device fixes the elevation angle of the antenna and rotates the antenna 360 degrees in the directional direction to search for a satellite.

しかし、海上の船舶は波の影響等で揺れることがある。また、船舶は航行しているので、舳先も変わる。このために、アンテナを仰角に固定する際や、方位方向にアンテナを回転させる際に、船舶の揺れを補償する必要がある。 However, ships on the sea may shake due to the influence of waves. Also, since the ship is sailing, the destination will change. For this reason, it is necessary to compensate for the shaking of the ship when fixing the antenna at an elevation angle or when rotating the antenna in the directional direction.

船舶の揺れには、ピッチ（Ｐｉｔｃｈ）、ロール（Ｒｏｌｌ）、ヨー（Ｙａｗ）、ターン（Ｔｕｒｎ）がある。ピッチ、ロールは船舶の上下左右の揺れであり、ヨー、ターンは船舶の舳先が変わる水平方向の揺れである。ピッチ、ロールについては、重力方向を基に船舶の傾斜を検出する傾斜計と、慣性により船舶の傾斜を検出する角速度センサとが用いられる。また、ヨー、ターンについては、慣性により船舶の傾斜を検出する角速度センサが用いられる。ここで、重力方向とは、重力により物体が引っ張られる方向である。 Ship sway includes pitch, roll, yaw, and turn. Pitch and roll are vertical and horizontal sway of the ship, and yaw and turn are horizontal sway that changes the tip of the ship. For pitch and roll, an inclinometer that detects the inclination of the ship based on the direction of gravity and an angular velocity sensor that detects the inclination of the ship by inertia are used. For yaw and turn, an angular velocity sensor that detects the inclination of the ship by inertia is used. Here, the direction of gravity is the direction in which an object is pulled by gravity.

特開２００４−５３３８４号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-53384 特開平１１−３２６５１０号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 11-326510

ところで、先に述べた、船舶の揺れを補償する方法には次のような課題がある。すなわち、船舶の揺れの中でピッチ、ロールについては、傾斜計と角速度センサを用いるため、角速度センサのオフセット誤差を傾斜計で補正することができ、精度の良い補償を行うことができる。一方、ヨー、ターンは、水平方向の揺れであるため角速度センサだけを用いており、この角速度センサのオフセット誤差を補正することができず、精度の良い補償を行うことができない。このような課題は、角速度センサに特有のものであり、車両の位置検出等に角速度センサを用いる場合にも同様に発生する。 By the way, the above-mentioned method of compensating for the shaking of a ship has the following problems. That is, since the inclinometer and the angular velocity sensor are used for the pitch and roll in the shaking of the ship, the offset error of the angular velocity sensor can be corrected by the inclinometer, and accurate compensation can be performed. On the other hand, since yaw and turn sway in the horizontal direction, only the angular velocity sensor is used, and the offset error of this angular velocity sensor cannot be corrected, and accurate compensation cannot be performed. Such a problem is peculiar to the angular velocity sensor, and similarly occurs when the angular velocity sensor is used for position detection of a vehicle or the like.

そこで、この発明の目的は、角速度センサを用いる際に、精度良くオフセット誤差を補償することを可能にする、角速度センサ装置および角速度センサ補正方法を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide an angular velocity sensor device and an angular velocity sensor correction method that can accurately compensate for an offset error when using an angular velocity sensor.

前記の課題を解決するために、請求項１の発明は、基板上に配設され、前記基板が水平に配置された状態で、Ｘ軸回りの角速度とＹ軸方向およびＺ軸方向の傾斜角を検出する第１のセンサモジュールと、前記基板上に配設され、前記基板が水平に配置された状態で、Ｚ軸回りの角速度を検出する第２のセンサモジュールと、前記基板上に配設され、前記基板が水平に配置された状態で、Ｙ軸回りの角速度とＸ軸方向およびＺ軸方向の傾斜角を検出する第３のセンサモジュールと、前記基板を回転させる基板駆動部と、前記基板駆動部で前記基板を垂直に配置した状態で、前記第２のセンサモジュールで検出される角速度と前記第１のセンサモジュールまたは前記第３のセンサモジュールで検出される傾斜角とに基づいて、該第２のセンサモジュールのオフセット誤差を校正する処理部と、を備えるとする角速度センサ装置である。 In order to solve the above-mentioned problems, the invention of claim 1 is arranged on a substrate, and in a state where the substrate is arranged horizontally, an angular velocity around the X-axis and an inclination angle in the Y-axis direction and the Z-axis direction. The first sensor module for detecting the angular velocity and the second sensor module for detecting the angular velocity around the Z axis in a state where the substrate is arranged horizontally and arranged on the substrate. A third sensor module that detects the angular velocity around the Y-axis and the inclination angles in the X-axis direction and the Z-axis direction in a state where the substrate is horizontally arranged, a substrate driving unit that rotates the substrate, and the above. With the board vertically arranged in the board drive unit, based on the angular velocity detected by the second sensor module and the tilt angle detected by the first sensor module or the third sensor module. An angular velocity sensor device including a processing unit for calibrating an offset error of the second sensor module.

請求項１の発明では、同一基板上に、第１のセンサモジュールと第２のセンサモジュールと第３のセンサモジュールとが配設されている。この基板を垂直に配置すると、第２のセンサモジュールが水平軸（Ｘ軸またはＹ軸）回りの角速度を検出可能になる。この状態で、第２のセンサモジュールで検出された角速度を所定時間積分した角度と、第１のセンサモジュールまたは第３のセンサモジュールで検出された傾斜角とに基づいて、第２のセンサモジュールの角速度検出のオフセット誤差が校正される。 In the invention of claim 1, the first sensor module, the second sensor module, and the third sensor module are arranged on the same substrate. When this substrate is arranged vertically, the second sensor module can detect the angular velocity around the horizontal axis (X-axis or Y-axis). In this state, the angle of the second sensor module is based on the angle obtained by integrating the angular velocity detected by the second sensor module for a predetermined time and the inclination angle detected by the first sensor module or the third sensor module. The offset error of the angular velocity detection is calibrated.

請求項２の発明は、請求項１に記載の角速度センサ装置において、前記基板が搭載される運動体をＺ軸回りに回転させる運動体駆動部を備え、前記処理部は、前記基板駆動部で前記基板を垂直に配置した状態で、前記第１のセンサモジュールまたは前記第３のセンサモジュールで検出されるＺ軸回りの角速度を打ち消すように、前記運動体駆動部で前記運動体を回転させて、前記オフセット誤差を校正する、ことを特徴とする。 According to the second aspect of the present invention, in the angular velocity sensor device according to the first aspect, the angular velocity sensor device includes a moving body driving unit that rotates a moving body on which the substrate is mounted about the Z axis, and the processing unit is the substrate driving unit. With the substrate arranged vertically, the moving body is rotated by the moving body driving unit so as to cancel the angular velocity around the Z axis detected by the first sensor module or the third sensor module. , The offset error is calibrated.

請求項３の発明は、基板上に、該基板が水平に配置された状態で、Ｘ軸回りの角速度とＹ軸方向およびＺ軸方向の傾斜角を検出する第１のセンサモジュールと、Ｚ軸回りの角速度を検出する第２のセンサモジュールと、Ｙ軸回りの角速度とＸ軸方向およびＺ軸方向の傾斜角を検出する第３のセンサモジュールとが配設され、前記基板を垂直に配置した状態で、前記第２のセンサモジュールで検出される角速度と前記第１のセンサモジュールまたは前記第３のセンサモジュールで検出される傾斜角とに基づいて、該第２のセンサモジュールのオフセット誤差を校正する、ことを特徴とする角速度センサ補正方法である。 The invention of claim 3 comprises a first sensor module that detects an angular velocity around the X-axis and an inclination angle in the Y-axis direction and the Z-axis direction in a state where the substrate is horizontally arranged on the substrate, and a Z-axis. A second sensor module for detecting the angular velocity around the Y-axis and a third sensor module for detecting the angular velocity around the Y-axis and the inclination angles in the X-axis direction and the Z-axis direction were arranged, and the substrate was arranged vertically. In the state, the offset error of the second sensor module is calibrated based on the angular velocity detected by the second sensor module and the tilt angle detected by the first sensor module or the third sensor module. This is an angular velocity sensor correction method characterized by the above.

請求項４の発明は、請求項３に記載の角速度センサ補正方法において、前記基板を垂直に配置した状態で、前記第１のセンサモジュールまたは前記第３のセンサモジュールで検出されるＺ軸回りの角速度を打ち消すように、前記基板が搭載される運動体をＺ軸回りに回転させて、前記オフセット誤差を校正する、ことを特徴とする。 The invention of claim 4 is the angular velocity sensor correction method according to claim 3, wherein the substrate is vertically arranged, and the Z-axis is detected by the first sensor module or the third sensor module. The moving body on which the substrate is mounted is rotated around the Z axis so as to cancel the angular velocity, and the offset error is calibrated.

請求項１および請求項３の発明によれば、基板を垂直に配置することで、第２のセンサモジュールが水平軸回りの角速度を検出可能となる。このため、この状態で第２のセンサモジュールで検出された角速度による角度と、第１のセンサモジュールまたは第３のセンサモジュールで検出された傾斜角とを比較することで、第２のセンサモジュールのオフセット誤差を精度良く校正、補償することが可能となる。 According to the first and third aspects of the invention, by arranging the substrates vertically, the second sensor module can detect the angular velocity around the horizontal axis. Therefore, by comparing the angle due to the angular velocity detected by the second sensor module in this state with the tilt angle detected by the first sensor module or the third sensor module, the second sensor module can be used. It is possible to calibrate and compensate for the offset error with high accuracy.

請求項２および請求項４の発明によれば、第１のセンサモジュールまたは第３のセンサモジュールで検出されるＺ軸回りの角速度を打ち消すように、運動体を回転させてオフセット誤差を校正するため、第２のセンサモジュールのオフセット誤差をより精度高く校正、補償することが可能となる。例えば、基板が搭載される運動体が船舶のアンテナで、船舶が海上の波などで旋回力（旋回加速度）を受ける場合でも、この旋回力による角速度が第１のセンサモジュールまたは第３のセンサモジュールで検出される。そして、この角速度を打ち消すようにアンテナ（運動体）が回転されるため、旋回力の影響が抑制・軽減され、オフセット誤差をより精度高く校正することが可能となる。 According to the second and fourth aspects of the invention, in order to calibrate the offset error by rotating the moving body so as to cancel the angular velocity around the Z axis detected by the first sensor module or the third sensor module. , The offset error of the second sensor module can be calibrated and compensated with higher accuracy. For example, even when the moving body on which the substrate is mounted is a ship's antenna and the ship receives a turning force (swivel acceleration) due to waves on the sea, the angular velocity due to this turning force is the first sensor module or the third sensor module. Is detected by. Then, since the antenna (moving body) is rotated so as to cancel this angular velocity, the influence of the turning force is suppressed and reduced, and the offset error can be calibrated with higher accuracy.

この発明の概要を説明するための図であり、角速度センサ装置のセンサ基板を水平に配置した状態を示す斜視図である。It is a figure for demonstrating the outline of this invention, and is the perspective view which shows the state which the sensor substrate of the angular velocity sensor apparatus is arranged horizontally. 図１のセンサ基板を垂直に配置した状態を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the state which the sensor substrate of FIG. 1 is arranged vertically. この発明の実施の形態に係る角速度センサ装置のセンサ基板を水平に配置した状態を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the state which the sensor substrate of the angular velocity sensor device which concerns on embodiment of this invention is arranged horizontally. 図３のセンサ基板を垂直に配置した状態を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the state which the sensor substrate of FIG. 3 is arranged vertically. この発明の実施の形態に係る角速度センサ装置を搭載したアンテナを示す正面図（ａ）と側面図（ｂ）である。It is a front view (a) and a side view (b) which show the antenna which mounted the angular velocity sensor device which concerns on embodiment of this invention. この発明の実施の形態に係る角速度センサ装置を示す概略構成ブロック図である。It is a schematic block diagram which shows the angular velocity sensor device which concerns on embodiment of this invention. 図３のセンサ基板が水平に配置された状態における、図５のアンテナ周辺を示す平面図である。FIG. 5 is a plan view showing the periphery of the antenna of FIG. 5 in a state where the sensor substrate of FIG. 3 is arranged horizontally. 図３のセンサ基板が垂直に配置された状態における、図５のアンテナ周辺を示す平面図である。FIG. 5 is a plan view showing the periphery of the antenna of FIG. 5 in a state where the sensor substrate of FIG. 3 is vertically arranged. この発明の実施の形態におけるジャイロ積分角の時間的変化を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the time change of the gyro integration angle in embodiment of this invention. この発明の実施の形態において、旋回補正制御を行わない場合のアンテナの旋回状態を示す図（ａ）と、アンテナと船舶の関係を示す図（ｂ）である。In the embodiment of the present invention, there is a diagram (a) showing the turning state of the antenna when the turning correction control is not performed, and a diagram (b) showing the relationship between the antenna and the ship. この発明の実施の形態において、旋回補正制御を行った場合のアンテナの旋回状態を示す図（ａ）と、アンテナと船舶の関係を示す図（ｂ）である。In the embodiment of the present invention, there is a diagram (a) showing the turning state of the antenna when the turning correction control is performed, and a diagram (b) showing the relationship between the antenna and the ship.

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。 Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiment.

図１〜図１１は、この発明の実施の形態を示し、まず、この発明の概要を説明する。図１および図２は、この発明の概要を説明するための図であり、角速度センサ装置１のセンサ基板（基板）２０を水平に配置した状態を示す斜視図と、センサ基板２０を垂直に配置した状態を示す斜視図である。 1 to 11 show embodiments of the present invention, and first, an outline of the present invention will be described. 1 and 2 are views for explaining the outline of the present invention, and are a perspective view showing a state in which the sensor substrate (board) 20 of the angular velocity sensor device 1 is arranged horizontally, and the sensor substrate 20 is arranged vertically. It is a perspective view which shows the state which was done.

基板２０上には、第１のセンサモジュール２１と第２のセンサモジュール２２と第３のセンサモジュール２３とが配設されている。第１のセンサモジュール２１は、基板２０が水平に配置された状態で、Ｘ軸回りの角速度を検出するＸ角速度センサ２１１と、Ｙ軸方向の傾斜角を検出するＸＹ傾斜計２１２と、Ｚ軸方向の傾斜角を検出するＸＺ傾斜計２１３とを備える。第２のセンサモジュール２２は、基板２０が水平に配置された状態で、Ｚ軸回りの角速度を検出するＺ角速度センサ２２１を備える。第３のセンサモジュール２３は、基板２０が水平に配置された状態で、Ｙ軸回りの角速度を検出するＹ角速度センサ２３１と、Ｘ軸方向の傾斜角を検出するＹＸ傾斜計２３２と、Ｚ軸方向の傾斜角を検出するＹＺ傾斜計２３３とを備える。ここで、各センサモジュール２１、２２、２３は、角速度センサと傾斜計を一体的に備えてもよいし、それぞれ別体の計器・センサとして備えてもよい。 A first sensor module 21, a second sensor module 22, and a third sensor module 23 are arranged on the substrate 20. The first sensor module 21 includes an X angular velocity sensor 211 that detects an angular velocity around the X axis, an XY inclinometer 212 that detects an inclination angle in the Y axis direction, and a Z axis in a state where the substrate 20 is arranged horizontally. It is provided with an XZ inclinometer 213 that detects the inclination angle in the direction. The second sensor module 22 includes a Z angular velocity sensor 221 that detects an angular velocity around the Z axis in a state where the substrate 20 is arranged horizontally. The third sensor module 23 includes a Y angular velocity sensor 231 that detects an angular velocity around the Y axis, a YX inclinometer 232 that detects an inclination angle in the X axis direction, and a Z axis in a state where the substrate 20 is arranged horizontally. It is provided with a YZ inclinometer 233 that detects the inclination angle in the direction. Here, each of the sensor modules 21, 22 and 23 may be provided with the angular velocity sensor and the inclinometer integrally, or may be provided as separate instruments / sensors.

第２のセンサモジュール２２のＺ角速度センサ２２１のオフセット誤差を校正する場合、まず、図１の水平状態から基板２０を回転させて（この例ではＹ軸回りに回転させて）、図２に示すように、基板２０を垂直に配置する。この状態では、第２のセンサモジュール２２のＺ角速度センサ２２１がＸ軸回りの角速度を検出可能となり、第１のセンサモジュール２１のＸＹ傾斜計２１２がＺ軸方向の傾斜角を検出可能となる。このため、Ｚ角速度センサ２２１で検出された角速度を所定時間積分した角度と、ＸＹ傾斜計２１２で検出された傾斜角とに基づいて、Ｚ角速度センサ２２１のオフセット誤差を校正する。 When calibrating the offset error of the Z angular velocity sensor 221 of the second sensor module 22, first, the substrate 20 is rotated from the horizontal state of FIG. 1 (rotated around the Y axis in this example), and is shown in FIG. As described above, the substrate 20 is arranged vertically. In this state, the Z angular velocity sensor 221 of the second sensor module 22 can detect the angular velocity around the X axis, and the XY inclinometer 212 of the first sensor module 21 can detect the tilt angle in the Z axis direction. Therefore, the offset error of the Z angular velocity sensor 221 is calibrated based on the angle obtained by integrating the angular velocity detected by the Z angular velocity sensor 221 for a predetermined time and the tilt angle detected by the XY tilt meter 212.

さらに、外から旋回力・旋回加速度を受ける場合があり、この場合には、上記のようにして基板２０を垂直に配置した状態で、第１のセンサモジュール２１のＸ角速度センサ２１１で検出されるＺ軸回りの角速度を打ち消すように、基板２０をＺ軸回りに回転させて、上記のようなオフセット校正を行うものである。 Further, there is a case where a turning force / turning acceleration is received from the outside. In this case, the substrate 20 is vertically arranged as described above, and is detected by the X angular velocity sensor 211 of the first sensor module 21. The substrate 20 is rotated around the Z axis so as to cancel the angular velocity around the Z axis, and the offset calibration as described above is performed.

次に、具体的な実施の形態について説明する。 Next, a specific embodiment will be described.

図３は、この実施の形態に係る角速度センサ装置１のセンサ基板２０を水平に配置した状態を示す斜視図であり、図４は、センサ基板２０を垂直に配置した状態を示す斜視図である。この角速度センサ装置１は、運動体の角速度の検出などを行う装置であり、この実施の形態では、衛星通信用のアンテナ１０１が運動体であり、このアンテナ１０１が船舶１００に搭載され、アンテナ１０１に角速度センサ装置１が配設されている。また、アンテナ１０１の姿勢制御や衛星の追尾制御などについては、従来と同等であり、オフセット誤差の校正が従来と異なるため、主にオフセット誤差の校正について以下に説明する。 FIG. 3 is a perspective view showing a state in which the sensor substrate 20 of the angular velocity sensor device 1 according to this embodiment is arranged horizontally, and FIG. 4 is a perspective view showing a state in which the sensor substrate 20 is arranged vertically. .. The angular velocity sensor device 1 is a device that detects the angular velocity of a moving body. In this embodiment, the antenna 101 for satellite communication is a moving body, and the antenna 101 is mounted on the ship 100, and the antenna 101 is mounted on the ship 100. The angular velocity sensor device 1 is arranged in. Further, the attitude control of the antenna 101, the tracking control of the satellite, and the like are the same as the conventional ones, and the offset error calibration is different from the conventional one. Therefore, the offset error calibration will be mainly described below.

アンテナ１０１は、図５に示すように、円盤状のパラボラアンテナで、Ｘ軸回り（ロール方向）と、Ｙ軸回り（ピッチ方向）と、Ｚ軸回り（ヨー方向）に回転自在となっている。ここで、Ｚ軸は、重力方向つまり垂直方向に延びる軸であり、Ｘ軸は、Ｚ軸に垂直な平面内における一方向の軸であり、Ｙ軸は、Ｚ軸に垂直な平面内においてＸ軸に垂直な軸である。 As shown in FIG. 5, the antenna 101 is a disk-shaped parabolic antenna that is rotatable around the X-axis (roll direction), around the Y-axis (pitch direction), and around the Z-axis (yaw direction). .. Here, the Z-axis is an axis extending in the direction of gravity, that is, in the vertical direction, the X-axis is a unidirectional axis in a plane perpendicular to the Z-axis, and the Y-axis is an X in a plane perpendicular to the Z-axis. The axis is perpendicular to the axis.

角速度センサ装置１は、図６に示すように、主として、第１のセンサモジュール２１と、第２のセンサモジュール２２と、第３のセンサモジュール２３と、第１の傾斜計３１と、第２の傾斜計３２と、ロールモータ４１と、ピッチモータ４２と、ヨ―モータ（運動体駆動部）４３と、基板モータ（基板駆動部）４４と、これらの制御やオフセット校正などを行う処理部１１と、を備える。ここで、この実施の形態では、２つの傾斜計３１、３２を備える場合について例示するが、これらは本願発明の必須の構成要素ではなく、３つのセンサモジュール２１、２２、２３で本願発明を実施することができる。 As shown in FIG. 6, the angular velocity sensor device 1 mainly includes a first sensor module 21, a second sensor module 22, a third sensor module 23, a first inclinometer 31, and a second. An inclinometer 32, a roll motor 41, a pitch motor 42, a yaw motor (moving body drive unit) 43, a board motor (board drive unit) 44, and a processing unit 11 that controls these and performs offset calibration and the like. , Equipped with. Here, in this embodiment, the case where two inclinometers 31 and 32 are provided will be illustrated, but these are not essential components of the present invention, and the present invention is carried out by three sensor modules 21, 22 and 23. can do.

３つのセンサモジュール２１〜２３と２つの傾斜計３１、３２は、図３、図４に示すように、１つのセンサ基板２０上に配設されている。センサ基板２０は、略四角形の板状体で、後述するように、第２のセンサモジュール２２のオフセット校正時を除いては、板面が水平に延びるように水平配置されている。なお、処理部１１は、センサ基板２０上に配設してもよいし、他の部材に配設してもよい。 The three sensor modules 21 to 23 and the two inclinometers 31 and 32 are arranged on one sensor substrate 20 as shown in FIGS. 3 and 4. The sensor substrate 20 is a substantially quadrangular plate-like body, and is horizontally arranged so that the plate surface extends horizontally except at the time of offset calibration of the second sensor module 22, as will be described later. The processing unit 11 may be arranged on the sensor substrate 20 or may be arranged on another member.

各センサモジュール２１〜２３は、１軸ジャイロと２軸傾斜計が１つになったモジュールである。すなわち、第１のセンサモジュール２１は、図３に示すように、センサ基板２０が水平に配置された状態で、Ｘ軸回りの角速度（傾く瞬間の角速度）を検出する角速度センサと、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の傾斜角を検出する傾斜計を含むセンサモジュールである。なお、この実施の形態では、正負で出力されるＸ軸の傾斜角を使用する。同様に、第２のセンサモジュール２２は、センサ基板２０が水平に配置された状態で、Ｚ軸回りの角速度とＸ軸方向およびＹ軸方向の傾斜角を検出するセンサモジュールである。また、第３のセンサモジュール２３は、センサ基板２０が水平に配置された状態で、Ｙ軸回りの角速度とＸ軸方向およびＺ軸方向の傾斜角を検出するセンサモジュールであり、正負で出力されるＹ軸の傾斜角を使用する。これらのセンサモジュール２１〜２３は、例えば、１軸ジャイロの検出範囲が±１５０°／秒で、２軸傾斜計の検出範囲が±９０°となっている。 Each sensor module 21 to 23 is a module in which a 1-axis gyro and a 2-axis inclinometer are combined into one. That is, as shown in FIG. 3, the first sensor module 21 has an angular velocity sensor that detects an angular velocity around the X-axis (an angular velocity at the moment of tilting) in a state where the sensor substrate 20 is horizontally arranged, and a Y-axis direction. And a sensor module that includes a tilt meter that detects the tilt angle in the Z-axis direction. In this embodiment, the inclination angle of the X-axis, which is output as positive or negative, is used. Similarly, the second sensor module 22 is a sensor module that detects the angular velocity around the Z axis and the inclination angles in the X-axis direction and the Y-axis direction in a state where the sensor substrate 20 is arranged horizontally. Further, the third sensor module 23 is a sensor module that detects the angular velocity around the Y-axis and the inclination angles in the X-axis direction and the Z-axis direction in a state where the sensor board 20 is horizontally arranged, and is output in positive and negative directions. Use the tilt angle of the Y-axis. In these sensor modules 21 to 23, for example, the detection range of the uniaxial gyro is ± 150 ° / sec, and the detection range of the biaxial inclinometer is ± 90 °.

第１の傾斜計３１は、センサ基板２０が水平に配置された状態で、Ｘ軸回り（ロール方向）の傾斜角（重力加速度方向の傾き角度）を検出するセンサであり、第２の傾斜計３２は、センサ基板２０が水平に配置された状態で、Ｙ軸回り（ピッチ方向）の傾斜角を検出するセンサである。これらの傾斜計３１、３２は、例えば、その検出範囲が±３０°（原理上は±１８０°可能）となっている。また、上記のように、センサモジュール２１〜２３には２軸傾斜計を備えるが、第２のセンサモジュール２２のオフセット校正時を除いて、検出精度が高い傾斜計３１、３２を使用する。このように、この実施の形態では、通常時においては、検出精度が高い傾斜計３１、３２を使用することができる。 The first tilt meter 31 is a sensor that detects the tilt angle (tilt angle in the gravitational acceleration direction) around the X axis (roll direction) in a state where the sensor substrate 20 is horizontally arranged, and is a second tilt meter. Reference numeral 32 denotes a sensor that detects an inclination angle around the Y axis (pitch direction) in a state where the sensor substrate 20 is arranged horizontally. The detection range of these inclinometers 31 and 32 is, for example, ± 30 ° (in principle, ± 180 ° is possible). Further, as described above, the sensor modules 21 to 23 are provided with a two-axis inclinometer, but the inclinometers 31 and 32 having high detection accuracy are used except at the time of offset calibration of the second sensor module 22. As described above, in this embodiment, inclinometers 31 and 32 having high detection accuracy can be used in the normal state.

このようなセンサモジュール２１〜２３と傾斜計３１、３２からなる慣性センサが配設されたセンサ基板２０は、図７、図８に示すように、アンテナ１０１の背面１０１ａ側に回転自在に配設されている。すなわち、アンテナ１０１の背面１０１ａに支持板１１２が配設され、この支持板１１２に回転板１１１が、Ｙ軸（ピッチ軸）に平行な回転軸ＹＡを軸心に回転自在に支持されている。そして、この回転板１１１の板面上にセンサ基板２０が載置され、回転板１１１の回転に伴ってセンサ基板２０が回転する。 As shown in FIGS. 7 and 8, the sensor substrate 20 on which the inertial sensor including the sensor modules 21 to 23 and the inclinometers 31 and 32 is arranged is rotatably arranged on the back surface 101a side of the antenna 101. Has been done. That is, a support plate 112 is arranged on the back surface 101a of the antenna 101, and the rotating plate 111 is rotatably supported on the supporting plate 112 about the rotating shaft YA parallel to the Y axis (pitch axis). Then, the sensor substrate 20 is placed on the plate surface of the rotating plate 111, and the sensor substrate 20 rotates as the rotating plate 111 rotates.

ここで、第２のセンサモジュール２２のオフセット校正時を除いては、図７に示すように、板面が水平に延びるようにセンサ基板２０が水平配置され、オフセット校正時においては、図８に示すように、板面が垂直に延びるようにセンサ基板２０が垂直配置される。また、この実施の形態では、センサ基板２０が水平配置された状態で、センサモジュール２１〜２３と傾斜計３１、３２が下方を向くように配設されている。さらに、このようなセンサ基板２０は、アンテナ１０１の背面１０１ａ側の中心部に配設されている。 Here, except at the time of offset calibration of the second sensor module 22, the sensor substrate 20 is horizontally arranged so that the plate surface extends horizontally as shown in FIG. 7, and at the time of offset calibration, FIG. 8 shows. As shown, the sensor substrate 20 is vertically arranged so that the plate surface extends vertically. Further, in this embodiment, the sensor modules 21 to 23 and the inclinometers 31 and 32 are arranged so as to face downward in a state where the sensor substrate 20 is horizontally arranged. Further, such a sensor substrate 20 is arranged at the center of the antenna 101 on the back surface 101a side.

ロールモータ４１は、アンテナ１０１をロール方向に回転させるためのモータと駆動機構であり、ピッチモータ４２は、アンテナ１０１をピッチ方向に回転させるためのモータと駆動機構であり、ヨ―モータ４３は、アンテナ１０１をヨー方向に回転させるためのモータと駆動機構である。基板モータ４４は、センサ基板２０つまり回転板１１１を回転軸ＹＡ回りに回転させるモータと駆動機構である。 The roll motor 41 is a motor and a drive mechanism for rotating the antenna 101 in the roll direction, the pitch motor 42 is a motor and a drive mechanism for rotating the antenna 101 in the pitch direction, and the yaw motor 43 is. A motor and a drive mechanism for rotating the antenna 101 in the yaw direction. The substrate motor 44 is a motor and a drive mechanism for rotating the sensor substrate 20, that is, the rotating plate 111 around the rotating shaft YA.

処理部１１は、ロールモータ４１、ピッチモータ４２およびヨ―モータ４３を制御して、アンテナ１０１の姿勢制御などを行う制御機能と、センサモジュール２１〜２３のオフセット誤差を校正する校正機能（校正プログラム）などを備えるが、制御機能については従来と同等であるため、校正機能について説明する。また、従来どおり、第１のセンサモジュール２１のオフセット誤差は、第１のセンサモジュール２１の正負で出力される傾斜角を用いることで校正することができ、第３のセンサモジュール２３のオフセット誤差は、第３のセンサモジュール２３の正負で出力される傾斜角を用いることで校正することができる。一方、Ｚ軸回りの動揺（ヨー動揺）には、重力加速度方向の成分がないため、傾斜計３１、３２で校正することができない。このため、第２のセンサモジュール２２のジャイロのオフセット誤差を、次のような角速度センサ補正方法によって校正する。 The processing unit 11 has a control function of controlling the roll motor 41, the pitch motor 42, and the yaw motor 43 to control the attitude of the antenna 101, and a calibration function (calibration program) for calibrating the offset error of the sensor modules 21 to 23. ) Etc., but since the control function is the same as the conventional one, the calibration function will be described. Further, as in the conventional case, the offset error of the first sensor module 21 can be calibrated by using the tilt angle output by the positive and negative of the first sensor module 21, and the offset error of the third sensor module 23 can be determined. , It can be calibrated by using the tilt angle output by the positive and negative of the third sensor module 23. On the other hand, since the sway around the Z axis (yaw sway) has no component in the gravitational acceleration direction, it cannot be calibrated by the inclinometers 31 and 32. Therefore, the offset error of the gyro of the second sensor module 22 is calibrated by the following angular velocity sensor correction method.

まず、基板モータ４４を起動して、図４に示すように、回転板１１１つまりセンサ基板２０を回転軸ＹＡ回りに回転させて垂直に配置する。この状態では、第１のセンサモジュール２１がＺ軸回り（ヨー方向）の角速度を検出可能となり、第２のセンサモジュール２２がＸ軸回り（ロール方向）の角速度を検出可能となり、第３のセンサモジュール２３がＹ軸回り（ピッチ方向）の角速度を検出可能となる。すなわち、第１のセンサモジュール２１と第２のセンサモジュール２２、つまり、ヨーとロールが入れ替わる。 First, the substrate motor 44 is started, and as shown in FIG. 4, the rotating plate 111, that is, the sensor substrate 20 is rotated around the rotation axis YA and arranged vertically. In this state, the first sensor module 21 can detect the angular velocity around the Z axis (yaw direction), the second sensor module 22 can detect the angular velocity around the X axis (roll direction), and the third sensor. The module 23 can detect the angular velocity around the Y axis (pitch direction). That is, the first sensor module 21 and the second sensor module 22, that is, the yaw and the roll are exchanged.

また、第１の傾斜計３１は、重力加速度方向の成分がなくなるためいずれの傾斜角も検出することができず、第２の傾斜計３２は、９０°回転することで検出範囲外となるため機能しない。 Further, the first inclinometer 31 cannot detect any inclination angle because the component in the gravitational acceleration direction disappears, and the second inclinometer 32 is out of the detection range when rotated by 90 °. Doesn't work.

そして、第２のセンサモジュール２２で検出される角速度と、第１のセンサモジュール２１で検出される傾斜角とに基づいて、第２のセンサモジュール２２のオフセット誤差を校正する。すなわち、アンテナ１０１つまりセンサ基板２０が静止した状態でも、オフセット誤差が存在するため、第２のセンサモジュール２２で検出された角速度を所定時間積分した角度は、図９の誤差ラインＬ２で示すように、時間の経過とともに上昇する。一方、第１のセンサモジュール２１の傾斜計で検出される傾斜角（校正基準）は、図９の理想ラインＬ１で示すように、ゼロのままとなる。従って、誤差ラインＬ２と理想ラインＬ１との差分（校正値）を減算することで、第２のセンサモジュール２２のジャイロのオフセット誤差を校正する。 Then, the offset error of the second sensor module 22 is calibrated based on the angular velocity detected by the second sensor module 22 and the inclination angle detected by the first sensor module 21. That is, since an offset error exists even when the antenna 101, that is, the sensor substrate 20 is stationary, the angle obtained by integrating the angular velocity detected by the second sensor module 22 for a predetermined time is shown by the error line L2 in FIG. , Rise over time. On the other hand, the tilt angle (calibration reference) detected by the inclinometer of the first sensor module 21 remains zero as shown by the ideal line L1 in FIG. Therefore, the offset error of the gyro of the second sensor module 22 is calibrated by subtracting the difference (calibration value) between the error line L2 and the ideal line L1.

ところで、図１０（ａ）に示すように、アンテナ１０１および角速度センサ装置１が搭載された船舶１００が海上の波などで旋回力・旋回加速度を受けると、アンテナ１０１に作用する遠心力がばらつく。この結果、第１のセンサモジュール２１の傾斜計で検出される重力方向の傾斜角（校正基準）に誤差が生じる。すなわち、図１０（ｂ）に示すように、船舶１００が半径Ｒで角速度ωの円運動を受ける場合、次の誤差角θ_eが生じる。
θ_e＝ｔａｎ^−１（ω^２Ｒ／ｇ）
ｇ：重力加速度
ここで、図１０（ａ）では、アンテナ１０１の黒丸から示された実線矢印方向に、遠心力がばらついていることを示している。 By the way, as shown in FIG. 10A, when the ship 100 on which the antenna 101 and the angular velocity sensor device 1 are mounted receives a turning force / turning acceleration due to a wave on the sea or the like, the centrifugal force acting on the antenna 101 varies. As a result, an error occurs in the inclination angle (calibration reference) in the gravity direction detected by the inclinometer of the first sensor module 21. That is, as shown in FIG. 10B, when the ship 100 undergoes a circular motion with a radius R and an angular velocity ω, the following error angle θ _e occurs.
θ _e = tan ^-1 (ω ² R / g)
g: Gravity acceleration Here, in FIG. 10A, it is shown that the centrifugal force varies in the direction of the solid arrow indicated by the black circle of the antenna 101.

このため、処理部１１は、第１のセンサモジュール２１で検出されるＺ軸回りの角速度を打ち消すように、ヨ―モータ４３でアンテナ１０１をヨー方向に回転させながら、第２のセンサモジュール２２のオフセット誤差を校正する。すなわち、センサ基板２０を垂直配置した状態では、第１のセンサモジュール２１がＺ軸回りの角速度、つまり、船舶１００の旋回による角速度を検出できる。このため、図１１（ａ）に示すように、第１のセンサモジュール２１で検出される角速度（図中、アンテナ１０１の黒丸から示された実線矢印）を打ち消して、アンテナ１０１に作用する遠心力が一定になるように、ヨ―モータ４３でアンテナ１０１をヨー方向（図中、アンテナ１０１の黒丸から示された破線矢印方向）に回転させる。 Therefore, the processing unit 11 rotates the antenna 101 in the yaw direction with the yaw motor 43 so as to cancel the angular velocity around the Z axis detected by the first sensor module 21, and the second sensor module 22 Calibrate the offset error. That is, when the sensor substrate 20 is vertically arranged, the first sensor module 21 can detect the angular velocity around the Z axis, that is, the angular velocity due to the turning of the ship 100. Therefore, as shown in FIG. 11A, the centrifugal force acting on the antenna 101 cancels the angular velocity (solid arrow indicated by the black circle of the antenna 101 in the figure) detected by the first sensor module 21. The antenna 101 is rotated by the yaw motor 43 in the yaw direction (in the figure, in the direction of the broken arrow arrow indicated by the black circle of the antenna 101) so that

すなわち、図１１（ｂ）に示すように、アンテナ１０１の旋回をキャンセルする方向Ｄにアンテナ１０１をＺ軸回りに回転させる。このような旋回補正制御を行うことで、第１のセンサモジュール２１の傾斜計の重力方向の検出ばらつきが抑制され、傾斜角（校正基準）が適正に検出される。そして、適正な傾斜角に基づいて、第２のセンサモジュール２２の角速度（校正対象）のオフセット誤差を校正する。 That is, as shown in FIG. 11B, the antenna 101 is rotated about the Z axis in the direction D for canceling the rotation of the antenna 101. By performing such rotation correction control, the detection variation in the gravity direction of the inclinometer of the first sensor module 21 is suppressed, and the inclination angle (calibration reference) is properly detected. Then, the offset error of the angular velocity (calibration target) of the second sensor module 22 is calibrated based on the appropriate inclination angle.

なお、オフセット校正時を除く運用時においては、多軸プラットフォーム方式によってセンサ基板２０が常に水平配置されるようになっている。 In operation except during offset calibration, the sensor substrate 20 is always arranged horizontally by the multi-axis platform method.

このように、この角速度センサ装置１および角速度センサ補正方法によれば、センサ基板２０を垂直に配置することで、第２のセンサモジュール２２がＸ軸回り（水平軸回り）の角速度を検出可能となる。このため、この状態で第２のセンサモジュール２２のジャイロで検出された角速度による角度と、第１のセンサモジュール２１の傾斜計で検出された傾斜角とを比較することで、第２のセンサモジュール２２のジャイロのオフセット誤差を精度良く校正、補償することが可能となる。 As described above, according to the angular velocity sensor device 1 and the angular velocity sensor correction method, by arranging the sensor substrate 20 vertically, the second sensor module 22 can detect the angular velocity around the X axis (horizontal axis). Become. Therefore, by comparing the angle due to the angular velocity detected by the gyro of the second sensor module 22 with the tilt angle detected by the tilt meter of the first sensor module 21 in this state, the second sensor module It is possible to accurately calibrate and compensate for the offset error of the 22 gyros.

また、第１のセンサモジュール２１で検出されるＺ軸回りの角速度を打ち消すように、アンテナ１０１を回転させてオフセット誤差を校正するため、第２のセンサモジュール２２のオフセット誤差をより精度高く校正、補償することが可能となる。すなわち、センサ基板２０が配設されたアンテナ１０１が搭載された船舶１００が、海上の波などで旋回力・旋回加速度を受ける場合でも、この旋回力による角速度が第１のセンサモジュール２１で検出される。そして、この角速度を打ち消すようにアンテナ１０１が回転されるため、旋回力の影響が抑制・軽減され、オフセット誤差をより精度高く校正することが可能となる。 Further, in order to calibrate the offset error by rotating the antenna 101 so as to cancel the angular velocity around the Z axis detected by the first sensor module 21, the offset error of the second sensor module 22 is calibrated with higher accuracy. It becomes possible to compensate. That is, even when the ship 100 on which the antenna 101 on which the sensor substrate 20 is arranged receives a turning force / turning acceleration due to a wave on the sea or the like, the angular velocity due to the turning force is detected by the first sensor module 21. Ru. Since the antenna 101 is rotated so as to cancel this angular velocity, the influence of the turning force is suppressed and reduced, and the offset error can be calibrated with higher accuracy.

このような効果は、将来、衛星通信が高速化する際により顕著となる。すなわち、高速化するにはアンテナ１０１を大型化し利得を上げる必要があるが、アンテナビーム幅が狭くなる。この結果、高精度なアンテナ制御が要求されるが、オフセット誤差をより精度高く校正することが可能になることで、このような要求に対応することが可能となる。 Such an effect will become more remarkable when satellite communication speeds up in the future. That is, in order to increase the speed, it is necessary to increase the size of the antenna 101 to increase the gain, but the antenna beam width becomes narrow. As a result, highly accurate antenna control is required, but by making it possible to calibrate the offset error with higher accuracy, it is possible to meet such a requirement.

さらに、処理部１１の校正プログラムを変更するだけで、オフセット誤差を精度良く校正、補償することが可能なため、新たな部品の追加などを行う必要がなく、コストを低減・抑制することができる。 Further, since the offset error can be calibrated and compensated with high accuracy only by changing the calibration program of the processing unit 11, it is not necessary to add new parts and the cost can be reduced / suppressed. ..

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、１つの処理部１１が制御機能や校正機能などを備えているが、処理部１１を複数の処理部（ＣＰＵ）で構成してもよい。また、上記の実施の形態では、Ｙ軸に平行な回転軸ＹＡ回りにセンサ基板２０を回転させて垂直配置しているが、Ｘ軸に平行な回転軸回りにセンサ基板２０を回転させて垂直配置し、ヨーとピッチを入れ替えてもよい。 Although the embodiment of the present invention has been described above, the specific configuration is not limited to the above-described embodiment, and even if there is a design change or the like within a range that does not deviate from the gist of the present invention. Included in the invention. For example, in the above embodiment, one processing unit 11 has a control function, a calibration function, and the like, but the processing unit 11 may be composed of a plurality of processing units (CPUs). Further, in the above embodiment, the sensor substrate 20 is rotated and vertically arranged around the rotation axis YA parallel to the Y axis, but the sensor substrate 20 is rotated around the rotation axis parallel to the X axis and vertically arranged. You may arrange and swap the yaw and pitch.

この発明は、アンテナ装置に限定されることはなく、角速度センサを用いる各種の装置、例えば、車両に搭載されているカーナビゲーション、工作機械、ロボットアームなどに利用可能である。 The present invention is not limited to the antenna device, and can be used for various devices using an angular velocity sensor, for example, a car navigation system, a machine tool, a robot arm, etc. mounted on a vehicle.

１角速度センサ装置
１１処理部
２１第１のセンサモジュール
２２第２のセンサモジュール
２３第３のセンサモジュール
３１第１の傾斜計
３２第２の傾斜計
４１ロールモータ
４２ピッチモータ
４３ヨ―モータ（運動体駆動部）
４４基板モータ（基板駆動部）
２０センサ基板（基板）
１００船舶
１０１アンテナ（運動体）
1 Angle speed sensor device 11 Processing unit 21 1st sensor module 22 2nd sensor module 23 3rd sensor module 31 1st inclinometer 32 2nd inclinometer 41 Roll motor 42 Pitch motor 43 Yaw motor (moving body) Drive part)
44 Board motor (board drive unit)
20 Sensor board (board)
100 Ship 101 Antenna (moving body)

Claims

A first sensor module, which is arranged on a substrate and detects an angular velocity around the X-axis and an inclination angle in the Y-axis direction and the Z-axis direction in a state where the substrate is arranged horizontally,
A second sensor module, which is arranged on the substrate and detects the angular velocity around the Z axis in a state where the substrate is arranged horizontally,
A third sensor module, which is arranged on the substrate and detects the angular velocity around the Y-axis and the inclination angles in the X-axis direction and the Z-axis direction in a state where the substrate is horizontally arranged,
A board drive unit that rotates the board and
Based on the angular velocity detected by the second sensor module and the tilt angle detected by the first sensor module or the third sensor module in a state where the substrate is vertically arranged by the substrate driving unit. , A processing unit that calibrates the offset error of the second sensor module,
An angular velocity sensor device comprising.

It is provided with a moving body driving unit that rotates the moving body on which the substrate is mounted around the Z axis.
The processing unit cancels the angular velocity around the Z axis detected by the first sensor module or the third sensor module in a state where the substrate is vertically arranged by the substrate driving unit. The moving body is rotated by the drive unit to calibrate the offset error.
The angular velocity sensor device according to claim 1.

With the substrate horizontally arranged on the substrate, the first sensor module that detects the angular velocity around the X-axis and the inclination angles in the Y-axis direction and the Z-axis direction, and the first sensor module that detects the angular velocity around the Z-axis. A second sensor module and a third sensor module that detects the angular velocity around the Y-axis and the inclination angles in the X-axis direction and the Z-axis direction are arranged.
With the substrate arranged vertically, the second sensor module is based on the angular velocity detected by the second sensor module and the tilt angle detected by the first sensor module or the third sensor module. Calibrate the offset error of the sensor module,
An angular velocity sensor correction method characterized by this.

With the board arranged vertically, the moving body on which the board is mounted is moved around the Z axis so as to cancel the angular velocity around the Z axis detected by the first sensor module or the third sensor module. Rotate to calibrate the offset error,
The angular velocity sensor correction method according to claim 3, wherein the angular velocity sensor is corrected.