JP4070879B2

JP4070879B2 - Electronic magnetic compass

Info

Publication number: JP4070879B2
Application number: JP15111198A
Authority: JP
Inventors: 定雄佐藤; 仁前野; 秀二和田
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 1998-06-01
Filing date: 1998-06-01
Publication date: 2008-04-02
Anticipated expiration: 2018-06-01
Also published as: JPH11344339A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気センサ等を用いた電子磁気コンパスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
舶用機器にはオートパイロット(自動操舵)装置や物標監視用のレーダ等があり、これらのいずれの機器も自船の方位を知るための方位計が用いられている。舶用の方位計としては、ジャイロコンパス、マグネットコンパスおよび最近では電子磁気コンパスも使用されるようになっている。この舶用方位計には、車載用カーナビゲーションに用いられているものと違って格段に高い精度と応答特性が要求される。
即ち、陸上のカーナビゲーションにおいては、マップマッチング技術を併用できるために方位計自身にはそれ程に高い性能を必要としないのに対して、舶用の方位計では、それ自身で所定の精度を満たさなくてはならないからである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の電子磁気コンパスでは、後で示すように、磁気の外乱等の影響により検出方位にふらつきが多く含まれるため、短い時間内での精度が悪く(応答性が悪く)、特にレーダ等への適用は困難であった。
【０００４】
従って本発明は、高精度でかつ応答特性の良い電子磁気コンパスを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
図６は、船舶の直進時における各方位計の出力を示した図であり、▲１▼は、電子磁気コンパスで検出された磁気方位、▲２▼は、積分方位計で検出された積分方位を示す。この積分方位計とは、鉛直方向を軸とする角速度(図１２参照)を検出し、それを積分して積分方位として得るものである。▲３▼は、磁気方位▲１▼および積分方位▲２▼との比較のための真値を示すものとしてジャイロコンパスによる検出方位(ジャイロ方位)を示している。いずれの検出方位においても似通った大きな振幅Ｐが含まれるがこれは、船体の動揺(ロールおよびピッチ)によるものである。この動揺成分を取り除くために、磁気方位▲１▼からジャイロ方位▲３▼を差し引くことにより、動揺成分を排除した磁気方位を11に示し、同様に積分方位▲２▼からジャイロ方位▲３▼を差し引いた積分方位を12に示す。
【０００６】
この磁気方位11は、ほぼ一定の方位を示すが短周期のふらつきＱが含まれており、これが短周期での精度及び応答特性を低くしている。一方、積分方位12は、そのようなふらつきＱは含まれず、従って応答性は良いが、角速度センサを用いる場合には積分時の誤差(積分誤差)が累積されるために直線的に増大している。尚、船が航行方位を変化させているような場合には、方位変化に伴う感度誤差(方位誤差)も含まれるが、ここでは直進航行の場合であるためその方位誤差は考慮しなくてもよい。
【０００７】
このように、磁気方位の検出精度は、短い時間で見れば悪いが長い時間で見れば良く、一方、積分方位の検出精度は、短い時間で見れば良いが長い時間でみれば悪い。本発明は、積分方位θｓにおける方位ずれを、長い時間で見れば精度の良い磁気方位θｍで補正することにより、積分方位本来の短時間での精度の良さを確保した上で長い時間での精度をも高めようとするものである。
【０００８】
磁気方位θｍのデータから短周期のふらつきを排除して、長い時間で見たときの正確な方位を取り出すためにローパスフィルタを用いた。このようにして得た正確な磁気方位と積分方位との差分Δθが、積分方位における長い時間でみたときの方位誤差に相当する。従って、元の積分方位θｓから差分Δθを差し引くことで長い時間でみても方位ずれのない積分方位θが得られる。
【０００９】
しかしこのローパスフィルタを回路に挿入したことにより、ローパスフィルタ通過に伴う遅延時間が生じ、これが新たに誤差を発生させていることが判明した。そこで本発明では、角速度を積分する際の基準値をオフセットすることにより、その誤差を相殺してより正確な方位を得るようにした。
【００１０】
本第２発明は、磁気センサにおける方位方向の誤差を補正する電子磁気コンパスを提供する。
真の方位Ｔdegiがわかれば、その方位で得られた磁気方位θmとの差分を求めることにより、磁気センサの方位方向での誤差がわかる。その方位方向での誤差をテーブル化しておけば、実際の運用時に検出した磁気方位をテーブルで補正することにより正確な磁気方位を得ることができる。しかしながら真の方位を知ることは容易ではない。本発明では、真の方位Ｔdegiを知るために、角速度センサによる積分方位θsを用いるようにしたが、上述のように、この積分方位θs自身に方位誤差を含む。従って本システムで得られる出力方位θにも誤差が含まれることになるが、この出力方位θの値から船が１旋回したことは正確に知ることができる。そこで、船が１旋回したときの積分方位の変化量から３６０°を差し引くことにより、１旋回の間に生じた積分方位の誤差がわかり、この誤差は一次直線で示されることから、各積分方位における誤差を求めることができ、よって各積分方位θsにおける真の方位Ｔdegiを得ることができる。
【００１１】
尚、上記各磁気方位θmにはふらつきが含まれるため、上記誤差にもふらつきが含まれることになる。このふらつきを排除するために、本発明では、前記誤差の成分を、フーリエ変換および逆フーリエ変換の手法を用い、ふらつきを排除した誤差のデータから方位補正テーブルを作成している。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の１実施形態を示した制御ブロック図である。１は、３軸磁気センサであり、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸とにそれぞれ配された３組みの検出コイルを備える。２は、動揺成分としてピッチおよびロールを検出する２軸傾斜センサであり、ここでは、傾斜による液面変化をその液面から突き出た複数本のキャパシタプレート相互間の静電容量変化から自身の傾斜(ピッチおよびロール)を計測する仕組みの傾斜センサを用いた。
【００１３】
３は、垂直方向の軸に対する角速度を検出する角速度センサであり、圧電ジャイロ、振動ジャイロ、レートジャイロあるいは音叉ジャイロといったものがある。４は、各センサ１，２，３で検出された信号をデジタル変換するＡ／Ｄ変換器である。
【００１４】
６は、傾斜角補正回路であり、２軸傾斜センサ２で検出した傾斜角に基づき、３軸磁気センサ１で検出されたＸ，ＹおよびＺ軸方向の地磁気から水平方向Ｘ₀、Ｙ₀および垂直方向Ｚ₀の成分を求める。７は、水平方向および垂直方向の地磁気から現在の方位(磁気方位)θｍを求める磁気方位計算回路である。
【００１５】
８は、角速度センサ３で検出された角速度を積分することで方位(積分方位)θｓ'を出力する角速度積分回路である。９は、２軸傾斜センサ２で検出した傾斜角に基づき、現傾斜時の積分方位θｓ'から水平方向における積分方位θｓを求める傾斜角補正回路である。
【００１６】
磁気方位演算回路７より得られる磁気方位θｍおよび傾斜角補正回路９より得られる積分方位θｓは、元来、同一の方位を示すものであるが、角速度センサ３よりの角速度を積分する際に生じる積分誤差のために、両者の方位に差が生じる。１０はその差分Δθを求める差分回路である。
【００１７】
前記磁気方位θｍには短周期のふらつきが含まれているため、差分Δθにもふらつきが含まれる。１１は、そのふらつきを除去するためのローパスフィルタである。１２は、積分誤差Δθを含む積分方位θｓからローパスフィルタ１１よりの差分を減じることで積分誤差を除去して、本電子磁気コンパスとしての出力方位θを求める減算回路である。
【００１８】
ところで、外乱による方位のふらつきのみを有効的に除去すべく、ローパスフィルタ１１の定数を求めている過程で、ローパスフィルタ１１を挿入したことにより新たに誤差が生じていることを見い出した。即ち、ローパスフィルタ１１の出力をΔθ'とすると、ローパスフィルタ１１で生じる時間遅延により、Δθ≠Δθ'となる。従って誤差Δθを含む積分方位θｓから差分Δθ'を差し引いても、更に(Δθｓ−Δθ'＝Δθ₀)の誤差が残ることによる。１４は、この誤差Δθ₀を排除するために設けたオフセット補正値演算回路であり、サンプリング回路１３でサンプリングされたローパスフィルタ１１の出力Δθ'に基づき、前記角速度積分回路８に対して積分時の基準値をオフセットさせるためのオフセット補正値を与える。但しこのオフセット補正は、船が１方向に航行していることが前提となっており、１５は、方位出力θの変化から船が直進航行しているかを判定する直進航行判定回路である。以上述べた各要素６〜１５は、実際の装置においてＣＰＵ２１で実現される。
【００１９】
以上で本発明の構成とそのおおまかな動作を説明したが、本発明でポイントとしているオフセット補正を以下詳しく述べる。図２は、ローパスフィルタ１１における“入力”に対する“出力”の応答特性を示し、“誤差”は両者間の差分を示したものである。この誤差の変化率を示したが“誤差微分値”であり、“誤差静定時間”後は、誤差微分値がほぼ一定のため、誤差もほぼ一定値となっている。このような定常誤差に起因する方位出力θにおける誤差は、図３に示されるように時間と共に増加するランプ関数となり、次式で示される。
ｙ(ｔ)＝ａ・ｔ
ａは、誤差関数の比例定数であり、あるｔs時間あたりの積分方位誤差Δdwdegは次式(１)で与えられる。
Δdwdeg＝ａ・ｔs …(１)
となる。
【００２０】
一方、ｔs時間あたりの積分方位量Ｓdegは、図３における斜線部の面積で与えられ、次式(２)で示される。
dwdeg＝(ｓ−deg0)・ｔs・ｋ …(２)
ｓ：ｔs間の角速度平均値
deg0：基準値
ｋ：角速度センサの感度
【００２１】
この(２)式は、前述の時間遅延を考慮していないため、dwdegには、誤差Δdwdegを含む。この誤差Δdwdegを相殺できるような基準値degrを新たに設定すると、このときに求められるの積分方位量dwdeg'は、次式(３)で示される。
dwdeg'＝(ｓ−degｒ)・ｔs・ｋ …(３)
ここで、dwdeg−dwdeg'＝Δdwdeg
の関係から、degr-deg0＝ａ/ｋが得られる。このdegr-deg0＝εdeg0をオフセット補正値とし、積分時に、前記基準値deg0をεdeg0だけオフセットすれば、前記時間遅延による積分誤差を排除できる。
【００２２】
次に実際に行われる方位補正の動作を図４のフローチャートを参照して説明する。まず、船を１方向に航行させた状態でステップＳ１でローパスフィルタ１１が初期化された後、ステップＳ２にて、ローパスフィルタ１１の出力がサンプリング回路１３によってサンプリングされ、直近１５秒分のサンプリングデータが常に蓄えられる。ステップＳ３ではローパスフィルタ１１の初期化後６０秒経過したかが判定され、６０秒以内であればステップＳ２に戻りサンプリングを継続するが６０秒を経過している時はステップＳ４に進む。
【００２３】
ステップＳ４では、本装置の方位出力θから航行方位の変化が検出され、ステップＳ５では、直進航行判定回路１５によって直進の航行であるかが判定される。ここでの方位検出には直進航行が前提となっているため、直進でないと判定されたときはステップＳ２に戻り、データのサンプリングを最初からやり直すが、直進航行のときはステップＳ６に進み、前述したような内容に従ってオフセット補正値が計算され、ステップＳ７にて、角速度積分回路８における積分基準値がオフセットされる。その後はステップＳ１に戻ることにより、積分基準値の補正は、直進航行時、１分毎に行われる。ここでローパスフィルタの初期化からオフセット補正までに１分を設定したのは、図２で誤差を一定値(つまり図３の積分誤差における傾きａを一定値)にならしめるための措置である。
【００２４】
図７はローパスフィルタ１１に適した帯域特性を持たせた時の出力方位θを示す。▲１▼〜▲３▼および11は図６のものと同じである。13が本装置で得られた積分方位θであり、ほぼ一定の方位を示し、かつ、磁気方位11に含まれていた短周期のふらつきも排除されている。つまり、図６の積分方位12において、方位が直線的にずれるという欠点が解消されている。
【００２５】
本実施形態では、磁気センサに３軸のものを用い、それに２軸傾斜センサの組み合わせが、センサ自身を常に水平に保持する機構(例えばジンバル機構)を持つ場合、磁気センサはＸ軸およびＹ軸の検出コイルからなる２軸のものでよく、２軸傾斜センサも不要である。
【００２６】
又、本実施形態では、磁気方位θmに含まれる短周期のふらつきを除去するために、ローパスフィルタ１１を差分回路１０の出力側に設けたが、図５に示すように、磁気方位演算回路７の出力側に設けてもよい。但し、この場合、差分回路１０の入力側で、両方位で時間のずれが生じるので、傾斜角補正回路９の出力側にも同じ特性のフィルタを挿入する。
【００２７】
以上述べた発明は、磁気センサおよび角速度センサによるハイブリッドタイプの電子磁気コンパスにおいて、角速度を積分する際の積分誤差を補正するものであったが、本第２発明は、磁気センサ１における方位方向で生じる感度誤差を補正するものであり、図８にそのブロック構成を示す。この図８では磁気方位θｍにおける方位方向の誤差を補正するための方位補正データを格納した方位補正テーブル１６が新たに備えられている。この方位補正テーブル１６の作成を図９のフローチャートを参照して説明する。
【００２８】
船を例えば時計回りに旋回させる間に以下のステップを実行する。ステップＳ１１では、本装置の出力方位θが０°になったかが判定され、０°になったとき、ステップＳ1２で時間ｔが０にリセットされる。次のステップＳ１３では、磁気方位演算回路７より出力される磁気方位θｍがいずれかのサンプル角度degになったかが判定される。
【００２９】
本発明の実施形態では、後で高速フーリエ変換(ＦＦＴ)を行うためにサンプル点数を１２８点しているためサンプル角度degは、360/128＝2.8125°のステップとなる。

【００３０】
ステップＳ１３において、磁気方位θmがいずれかのサンプル角度degiを示したとき、ステップＳ１４に進み、表１のごとく、そのときの時間ｔi(この場合はｔ₁)と傾斜角補正回路９よりの積分方位θdegi(この場合θdeg₁)が記憶される。尚、磁気方位θmと出力方位θとで誤差により、最初に合致するサンプル角度deg₁がdeg₀(＝０°)にならずに例えばdeg₃(＝5.625°)となることもあるが、このような場合でも最終的には同じ補正結果が得られるので不都合はない。
【００３１】
ステップＳ１５では、出力方位θが３６０°を超えたか、つまり船が３６０°旋回したかが判定される。船の旋回が３６０°未満のときはステップ１３に戻り、次のサンプリング角度でのデータ(ｔ₂、θdeg₂)を記憶するが、３６０°を超えたときは、ステップ１６に進み、一旋回した時の時間ｔ₁₂₈と積分方位θdegi＋₁₂₇(この場合、θdeg₁₂₈)とが記憶される。
【００３２】
さて、あるｔs時間あたりの積分方位量θdegは、上記(２)式において、積分基準値degrを０とし、角速度センサの感度ｋを(ｋ＋ｅk)とすることにより、
θdeg＝ｓ・ｔs・(ｋ＋ｅk) …(11)
となる。ｅkは角速度センサで生じる誤差である。(11)式を書き換えると、
θdeg＝(ｓ・ｋ)ｔs＋(ｓ・ｅk)ｔs …(12)
となり、この右式における第１項が真値成分、第２項が角速度センサ自身の誤差成分である。
この誤差成分は、(１)式と同様に、ａ・ｔsで示される。
θdeg＝(ｓ・ｋ)ｔs＋ａ・ｔs …(13)
この(13)から１旋回したときの積分方位θdegi+₁₂₇は、“(ｓ・ｋ)ｔs”と、“ｔs”とに360、ｔ₁₂₈を代入して得られる。
θdegi+₁₂₇＝360＋ａ・ｔ₁₂₈ …(14)
これより、ａ＝(θdegi+₁₂₇−360)／ｔ₁₂₈ …(15)
が得られる。
【００３３】
図９に戻り、ステップＳ１７では、(15)式を用いて、角速度センサの誤差を示す比例定数ａが演算される。積分方位θdegiでの真値方位をＴdegiとすると、
Ｔdegi＝θdegi−ａ・ｔi …(16)
が得られる。よって、各磁気方位degiでの方位誤差Ｅrrdegiは、
Ｅrrdegi＝Ｔdegi−degi …(17)
で得られる。
【００３４】
ステップＳ１８ではこの(16)式を用いて、θdeg₁、θdeg₂…θdeg₁₂₈の各積分方位における真値Ｔdeg₁、Ｔdeg₂…Ｔdeg₁₂₈が求められ、そして、(17)式により、各磁気方位degiにおける方位誤差Ｅrrdegiが求められる。
【００３５】
以上の各データの一覧を次表に示す。
【表１】

【００３６】
ところで上記の磁気方位θｍは、ふらつきのために正確ではないので、このθm自身に補正が必要であり、本発明ではＦＦＴを用いて行なっている。即ち、ステップＳ１９では、まず、図１０に示す“元の誤差分布”を参照することにより、周期１３度程度の波形に振幅変調をかけて“元の誤差分布”のデータに重畳した。この“誤差を重畳した誤差分布”に対してＦＦＴを用いて周波数軸上にパワースペクトルに分解する。
【００３７】
ステップＳ２０では、ＦＦＴ結果から高い周波数成分を取り除き、その後、逆ＦＦＴを行って図１１のごとく磁気方位における誤差分布のデータを得る。
【００３８】
ステップＳ２１では、図１１の各磁気方位に対する誤差分布のデータが方位補正テーブル１６に記憶される。
【００３９】
実際の運用時には、磁気方位演算回路７から出力された磁気方位θｍは方位補正テーブル１６に取り込まれることにより、この方位補正テーブル１６から補正された磁気方位が出力される。対応する磁気方位がテーブルにないときは、各磁気方位degiを検出した時間ｔiがわかっているので補間処理により随意の磁気方位に対する誤差を求めることができる。
【００４０】
図１２は、本装置を自動操舵装置に適用した場合のシステム図を示している。本装置５１で検出された積分方位、つまり船体方位と、指令方位との差が針路ずれ角演算回路５２にて演算される。その針路ずれ角と舵角検出回路５３で検出された現舵角とから舵の操作量が操舵角演算回路５４にて演算される。その操作量に基づき、操舵制御装置５５は、舵を油圧により駆動する操舵装置５６に制御信号を送出する。
【００４１】
【発明の効果】
本発明は、短い時間で見れば応答性は良いが長い時間でみれば精度が悪い積分方位を、長い時間で見れば検出精度の良い磁気方位で補正したので、積分方位本来の短時間での精度の良さを保持した上で長い時間での精度を高めることができる。又、磁気方位のデータから、長い時間で見たときの方位を取り出すために、ローパスフィルタを採用したが、このローパスフィルタの挿入により新たな誤差が発生するが、その誤差に対しては、角速度を積分する際の基準値をオフセットすることにより対処して、より正確な方位を得ている。本第２発明は、真の方位を知り、その真の方位から磁気センサにおける方位方向の誤差を求め、誤差テーブルを作成するものであり、真の方位Ｔdegiを知るために、船を１旋回させたときの積分方位量と３６０°との差分から積分方位計での誤差を求め、その誤差に基づき各磁気方位に対する真の方位を求め、真の方位と磁気方位との差分から各磁気方位における誤差を求めている。尚、上記各磁気方位θmにはふらつきが含まれるため、上記誤差にもふらつきが含まれることになる。このふらつきを排除するために、本発明では、前記誤差の成分を、フーリエ変換および逆フーリエ変換の手法を用い、ふらつきを排除した誤差のデータからより正確な方位補正テーブルを作成している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施形態を示した制御ブロック図
【図２】図１のローパスフィルタにおける応答特性を示した図
【図３】ローパスフィルタの挿入により発生する積分誤差を補正するためにオフセット補正値の算出法を示した図
【図４】図１の装置の制御動作を示すフローチャート
【図５】本発明の別の実施形態を示した制御ブロック図
【図６】磁気方位および積分方位の特性図
【図７】本発明で得られた積分方位の特性図
【図８】本第２発明の実施形態を示した制御ブロック図
【図９】図８の装置の制御動作を示すフローチャート
【図１０】ＦＦＴを行う過程を示した図
【図１１】ＦＦＴを行う過程を示した図
【図１２】本発明を自動操舵装置に適用したときのシステム図
【符号の説明】
１３軸磁気センサ
２２軸傾斜センサ
３角速度センサ
４Ａ／Ｄ変換器
６傾斜角補正回路
７磁気方位演算回路
８角速度積分回路
９傾斜角補正回路
１０差分回路
１１ローパスフィルタ
１２減算回路
１３サンプリング回路
１４オフセット補正値補正回路
１５直進航行判定回路
１６方位補正テーブル[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electronic magnetic compass using a magnetic sensor or the like.
[0002]
[Prior art]
Marine equipment includes autopilot (automatic steering) devices, radars for monitoring targets, etc. All of these equipment use compass to know the direction of the ship. As a compass for a ship, a gyrocompass, a magnet compass, and recently, an electronic magnetic compass is also used. This marine compass is required to have remarkably high accuracy and response characteristics unlike those used for in-vehicle car navigation.
In other words, in land-based car navigation, map matching technology can be used together, so the compass itself does not require such high performance, whereas the compass for ships does not satisfy the specified accuracy by itself. Because it must not.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, as shown later, the conventional electro-magnetic compass has many fluctuations in the detection direction due to the influence of magnetic disturbances, etc., so the accuracy in a short time is poor (poor responsiveness), especially for radar etc. Application of was difficult.
[0004]
Accordingly, an object of the present invention is to provide an electronic magnetic compass with high accuracy and good response characteristics.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
FIG. 6 is a diagram showing the output of each compass when the ship is traveling straight ahead. (1) is the magnetic orientation detected by the electronic compass, and (2) is the integrated orientation detected by the integral compass. Indicates. The integral azimuth meter detects an angular velocity (see FIG. 12) with the vertical direction as an axis, and integrates it to obtain an integral azimuth. (3) indicates a detection direction (gyro direction) by the gyro compass as a true value for comparison with the magnetic direction (1) and the integration direction (2). A large amplitude P that is similar in any of the detected orientations is included, but this is due to the motion (roll and pitch) of the hull. In order to remove this fluctuation component, by subtracting the gyro direction (3) from the magnetic direction (1), the magnetic direction from which the fluctuation component is eliminated is shown in 11, and similarly, the integration direction (2) to the gyro direction (3) are shown. The subtracted integration direction is shown in 12.
[0006]
This magnetic orientation 11 shows a substantially constant orientation, but includes a short-period wobbling Q, which lowers the accuracy and response characteristics in a short cycle. On the other hand, the integral azimuth 12 does not include such a fluctuation Q and therefore has good responsiveness. However, when an angular velocity sensor is used, an error during integration (integration error) is accumulated and linearly increases. Yes. In addition, when the ship changes its navigation direction, it includes a sensitivity error (direction error) due to the change in direction. Good.
[0007]
As described above, the detection accuracy of the magnetic azimuth is bad when viewed in a short time but may be viewed in a long time. On the other hand, the detection accuracy of the integration azimuth may be viewed in a short time but is bad when viewed in a long time. The present invention corrects an azimuth shift in the integral azimuth θs with a magnetic azimuth θm that is accurate when viewed in a long time, thereby ensuring accuracy in a short time while securing the original azimuth accuracy in a short time. It is going to raise.
[0008]
A low-pass filter was used to eliminate the short-period fluctuation from the magnetic azimuth θm data and to extract the correct azimuth when viewed in a long time. The difference Δθ between the accurate magnetic azimuth and the integral azimuth thus obtained corresponds to an azimuth error when viewed in a long time in the integral azimuth. Therefore, by subtracting the difference Δθ from the original integration direction θs , an integration direction θ without any direction deviation can be obtained even in a long time.
[0009]
However, it has been found that the insertion of the low-pass filter into the circuit causes a delay time associated with the passage of the low-pass filter, which newly causes an error. Therefore, in the present invention, by offsetting the reference value when integrating the angular velocity, the error is offset and a more accurate bearing is obtained.
[0010]
The second invention provides an electromagnetic compass that corrects an error in the azimuth direction in a magnetic sensor.
If the true azimuth Tdegi is known, an error in the azimuth direction of the magnetic sensor can be found by obtaining a difference from the magnetic azimuth θm obtained in that azimuth. If the errors in the azimuth direction are tabulated, an accurate magnetic azimuth can be obtained by correcting the magnetic azimuth detected during actual operation with the table. However, knowing the true orientation is not easy. In the present invention, in order to know the true azimuth Tdegi, the integration azimuth θs by the angular velocity sensor is used. However, as described above, the integration azimuth θs itself includes an azimuth error. Therefore, an error is included in the output azimuth θ obtained by this system, but it can be accurately known that the ship has made one turn from the value of the output azimuth θ. Therefore, by subtracting 360 ° from the amount of change in the integral azimuth when the ship makes one turn, the error in the integral azimuth that occurred during one turn can be found, and this error is indicated by a linear line. Thus, the true azimuth Tdegi in each integration azimuth θs can be obtained.
[0011]
Since each magnetic orientation θm includes fluctuation, the error also includes fluctuation. In order to eliminate this wobbling, in the present invention, an azimuth correction table is created from the error data from which the wobbling is eliminated by using the Fourier transform and inverse Fourier transform techniques for the error components.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a control block diagram showing an embodiment of the present invention. Reference numeral 1 denotes a three-axis magnetic sensor, which includes three sets of detection coils respectively arranged on the X axis, the Y axis, and the Z axis. Reference numeral 2 denotes a two-axis tilt sensor that detects pitch and roll as a fluctuation component. Here, the change in the liquid level due to the tilt is detected from the capacitance change between a plurality of capacitor plates protruding from the liquid level. A tilt sensor with a mechanism for measuring (pitch and roll) was used.
[0013]
Reference numeral 3 denotes an angular velocity sensor that detects an angular velocity with respect to an axis in the vertical direction, such as a piezoelectric gyro, a vibration gyro, a rate gyro, or a tuning fork gyro. Reference numeral 4 denotes an A / D converter that digitally converts signals detected by the

sensors

1, 2, and 3.
[0014]
Reference numeral 6 denotes an inclination angle correction circuit, which is based on the inclination angle detected by the biaxial inclination sensor 2 from the X, Y and Z axis direction geomagnetism detected by the triaxial magnetic sensor 1 to the horizontal directions X ₀ , Y ₀ and The component in the vertical direction Z ₀ is obtained. Reference numeral 7 denotes a magnetic azimuth calculation circuit for obtaining a current azimuth (magnetic azimuth) θm from horizontal and vertical geomagnetism.
[0015]
Reference numeral 8 denotes an angular velocity integrating circuit that outputs an azimuth (integral azimuth) θs ′ by integrating the angular velocities detected by the angular velocity sensor 3. Reference numeral 9 denotes an inclination angle correction circuit for obtaining the horizontal integration azimuth θs from the integration azimuth θs ′ at the current inclination based on the inclination angle detected by the biaxial inclination sensor 2.
[0016]
The magnetic azimuth θm obtained from the magnetic azimuth calculation circuit 7 and the integration azimuth θs obtained from the tilt angle correction circuit 9 originally show the same azimuth, but are generated when the angular velocity from the angular velocity sensor 3 is integrated. Due to the integration error, a difference occurs between the two directions. A difference circuit 10 obtains the difference Δθ.
[0017]
Since the magnetic azimuth θm includes short-period fluctuations, the difference Δθ also includes fluctuations. Reference numeral 11 denotes a low-pass filter for removing the fluctuation. Reference numeral 12 denotes a subtracting circuit that removes the integration error by subtracting the difference from the low-pass filter 11 from the integration direction θs including the integration error Δθ to obtain the output direction θ as the present electronic magnetic compass.
[0018]
By the way, in the process of obtaining the constant of the low-pass filter 11 in order to effectively remove only the fluctuation of the azimuth due to the disturbance, it has been found that a new error has occurred due to the insertion of the low-pass filter 11. That is, if the output of the low-pass filter 11 is Δθ ′, Δθ ≠ Δθ ′ due to the time delay generated in the low-pass filter 11. Therefore, even if the difference Δθ ′ is subtracted from the integration direction θs including the error Δθ, an error of (Δθs−Δθ ′ = Δθ ₀ ) remains. Reference numeral 14 denotes an offset correction value calculation circuit provided to eliminate this error Δθ _0. Based on the output Δθ ′ of the low-pass filter 11 sampled by the sampling circuit 13, the angular velocity integration circuit 8 is integrated. An offset correction value for offsetting the reference value is given. However, this offset correction is based on the premise that the ship is navigating in one direction, and 15 is a straight-ahead navigation determination circuit that determines whether the ship is navigating straight from a change in the bearing output θ. Each element 6-15 mentioned above is implement | achieved by CPU21 in an actual apparatus.
[0019]
The configuration and the general operation of the present invention have been described above. The offset correction that is a point of the present invention will be described in detail below. FIG. 2 shows a response characteristic of “output” to “input” in the low-pass filter 11, and “error” shows a difference between the two. The change rate of this error is shown as “error differential value”, and after the “error settling time”, the error differential value is substantially constant, so that the error is also substantially constant. The error in the azimuth output θ due to such a steady error becomes a ramp function that increases with time as shown in FIG.
y (t) = a · t
a is a proportionality constant of the error function, and the integration azimuth error Δdwdeg per certain ts time is given by the following equation (1).
Δdwdeg = a · ts (1)
It becomes.
[0020]
On the other hand, the integral azimuth amount Sdeg per ts time is given by the area of the hatched portion in FIG. 3 and is expressed by the following equation (2).
dwdeg = (s−deg0) · ts · k (2)
s: Average angular velocity between ts
deg0: Reference value k: Sensitivity of angular velocity sensor
Since this equation (2) does not consider the above-described time delay, dwdeg includes an error Δdwdeg. When a reference value degr that can cancel out this error Δdwdeg is newly set, the integral azimuth amount dwdeg ′ obtained at this time is expressed by the following equation (3).
dwdeg ′ = (s−degr) · ts · k (3)
Where dwdeg−dwdeg ′ = Δdwdeg
From this relationship, degr-deg0 = a / k is obtained. If this degr−deg0 = εdeg0 is used as an offset correction value and the reference value deg0 is offset by εdeg0 during integration, the integration error due to the time delay can be eliminated.
[0022]
Next, the azimuth correction operation actually performed will be described with reference to the flowchart of FIG. First, after the ship is sailed in one direction, the low-pass filter 11 is initialized in step S1, and then in step S2, the output of the low-pass filter 11 is sampled by the sampling circuit 13 and the sampling data for the latest 15 seconds. Are always stored. In step S3, it is determined whether 60 seconds have elapsed since the initialization of the low-pass filter 11. If within 60 seconds, the process returns to step S2 to continue sampling, but if 60 seconds have elapsed, the process proceeds to step S4.
[0023]
In step S4, a change in navigation azimuth is detected from the azimuth output θ of this apparatus. In step S5, it is determined by the straight-ahead navigation determination circuit 15 whether the vehicle is traveling straight. Since it is assumed that the vehicle is traveling straight in this direction detection, when it is determined that the vehicle is not traveling straight, the process returns to step S2, and data sampling is started again from the beginning. However, when the vehicle travels straight, the process proceeds to step S6. The offset correction value is calculated according to the contents as described above, and the integration reference value in the angular velocity integration circuit 8 is offset in step S7. Thereafter, by returning to step S1, the integral reference value is corrected every minute during straight-ahead navigation. Here, 1 minute is set from the initialization of the low-pass filter to the offset correction in order to make the error constant in FIG. 2 (that is, the slope a in the integral error in FIG. 3 is constant).
[0024]
FIG. 7 shows the output azimuth θ when the band characteristic suitable for the low-pass filter 11 is given. (1) to (3) and 11 are the same as those in FIG. Reference numeral 13 denotes the integral azimuth θ obtained by this apparatus, which shows a substantially constant azimuth, and the short-period wobble included in the magnetic azimuth 11 is also eliminated. That is, the defect that the azimuth is shifted linearly in the integration azimuth 12 in FIG. 6 is solved.
[0025]
In this embodiment, when a three-axis magnetic sensor is used and the combination of the two-axis tilt sensor has a mechanism (for example, a gimbal mechanism) that always keeps the sensor itself horizontal, the magnetic sensor has an X-axis and a Y-axis. It is possible to use a two-axis sensor composed of a detection coil, and a two-axis tilt sensor is also unnecessary.
[0026]
In the present embodiment, the low-pass filter 11 is provided on the output side of the difference circuit 10 in order to remove the short-period fluctuation included in the magnetic orientation θm. However, as shown in FIG. May be provided on the output side. However, in this case, since a time lag occurs at both sides on the input side of the difference circuit 10, a filter having the same characteristic is also inserted on the output side of the inclination angle correction circuit 9.
[0027]
The invention described above corrects the integration error when integrating the angular velocity in the hybrid type electronic magnetic compass using the magnetic sensor and the angular velocity sensor. However, the second invention relates to the azimuth direction in the magnetic sensor 1. The resulting sensitivity error is corrected, and FIG. 8 shows a block configuration thereof. In FIG. 8, an azimuth correction table 16 storing azimuth correction data for correcting an error in the azimuth direction in the magnetic azimuth θm is newly provided. The creation of the azimuth correction table 16 will be described with reference to the flowchart of FIG.
[0028]
The following steps are carried out while turning the ship clockwise, for example. In step S11, it is determined whether or not the output direction θ of the present apparatus has become 0 °. When the output orientation θ has become 0 °, the time t is reset to 0 in step S12. In the next step S13, it is determined whether the magnetic azimuth θm output from the magnetic azimuth calculation circuit 7 has reached any sample angle deg.
[0029]
In the embodiment of the present invention, since the number of sample points is 128 for performing Fast Fourier Transform (FFT) later, the sample angle deg is a step of 360/128 = 2.8125 °.

[0030]
In step S13, when the magnetic orientation θm indicates any sample angle degi, the process proceeds to step S14, and as shown in Table 1, the time ti (in this case, t ₁ ) and the integration from the tilt angle correction circuit 9 are performed. The direction θdegi (in this case θdeg ₁ ) is stored. Note that due to an error between the magnetic azimuth θm and the output azimuth θ, the first matching sample angle deg ₁ may be deg ₃ (= 5.625 °) instead of deg ₀ (= 0 °). Even in such a case, there is no inconvenience since the same correction result is finally obtained.
[0031]
In step S15, it is determined whether the output direction θ exceeds 360 °, that is, whether the ship has turned 360 °. When the turn of the ship is less than 360 °, the process returns to step 13 and the data (t ₂ , θdeg ₂ ) at the next sampling angle is stored, but when it exceeds 360 °, the process proceeds to step 16 and one turn is made. The time t ₁₂₈ and the integration direction θdegi + ₁₂₇ (in this case, θdeg ₁₂₈ ) are stored.
[0032]
Now, the integral azimuth amount θdeg per certain ts time is obtained by setting the integration reference value degr to 0 and the sensitivity k of the angular velocity sensor to (k + ek) in the above equation (2).
θdeg = s · ts · (k + ek) (11)
It becomes. ek is an error generated in the angular velocity sensor. Rewriting equation (11)
θdeg = (s · k) ts + (s · ek) ts (12)
In the right equation, the first term is the true value component and the second term is the error component of the angular velocity sensor itself.
This error component is represented by a · ts as in the equation (1).
θdeg = (s · k) ts + a · ts (13)
Integrating azimuth θdegi + ₁₂₇ of (13) when first turning from a "(s · k) ts" , obtained by substituting the 360, t ₁₂₈ in the "ts".
θdegi + ₁₂₇ = 360 + at ₁₂₈ (14)
Than _{this, a = (θdegi + 127 -360} ) / t 128 ... (15)
Is obtained.
[0033]
Returning to FIG. 9, in step S17, the proportionality constant a indicating the error of the angular velocity sensor is calculated using the equation (15). When the true value direction in the integral direction θdegi is Tdegi,
Tdegi = θdegi-a · ti (16)
Is obtained. Therefore, the direction error Errdegi at each magnetic direction degi is
Errdegi = Tdegi-degi (17)
It is obtained by.
[0034]
In step S18 using the equation (16), Shitadeg _1, a true value Tdeg _1, Tdeg ₂ ... Tdeg ₁₂₈ at each integration orientation θdeg ₂ ... θdeg ₁₂₈ is determined, and, by (17), each magnetic bearing An azimuth error Errdegi in degi is obtained.
[0035]
The list of each data is shown in the following table.
[Table 1]

[0036]
By the way, since the magnetic orientation θm is not accurate due to the fluctuation, the θm itself needs to be corrected, and in the present invention, it is performed using FFT. That is, in step S19, first, by referring to the “original error distribution” shown in FIG. 10, a waveform having a period of about 13 degrees is subjected to amplitude modulation and superimposed on the “original error distribution” data. This “error distribution with error superimposed” is decomposed into a power spectrum on the frequency axis using FFT.
[0037]
In step S20, high frequency components are removed from the FFT result, and then inverse FFT is performed to obtain error distribution data in the magnetic orientation as shown in FIG.
[0038]
In step S <b> 21, error distribution data for each magnetic orientation in FIG. 11 is stored in the orientation correction table 16.
[0039]
In actual operation, the magnetic direction θm output from the magnetic direction calculation circuit 7 is taken into the direction correction table 16, whereby the corrected magnetic direction is output from the direction correction table 16. When the corresponding magnetic orientation is not in the table, the time ti at which each magnetic orientation degi is detected is known, so that an error for an arbitrary magnetic orientation can be obtained by interpolation processing.
[0040]
FIG. 12 shows a system diagram when this apparatus is applied to an automatic steering apparatus. A difference between the integrated azimuth detected by the apparatus 51, that is, the hull azimuth and the command azimuth is calculated by the course deviation angle calculation circuit 52. A steering angle calculation circuit 54 calculates a steering operation amount from the course deviation angle and the current steering angle detected by the steering angle detection circuit 53. Based on the operation amount, the steering control device 55 sends a control signal to the steering device 56 that drives the rudder by hydraulic pressure.
[0041]
【The invention's effect】
The present invention corrects the integration azimuth with good responsiveness when viewed in a short time, but with poor accuracy when viewed over a long time, and with the magnetic azimuth with high detection accuracy when viewed in a long time. The accuracy in a long time can be improved while maintaining good accuracy. In addition, a low-pass filter has been adopted to extract the azimuth when viewed from a long time from the magnetic azimuth data. However, a new error occurs due to the insertion of this low-pass filter. This is dealt with by offsetting the reference value when integrating, to obtain a more accurate bearing. According to the second aspect of the present invention, the true heading is known, the heading error in the magnetic sensor is obtained from the true heading, and an error table is created. In order to know the true heading Tdegi, the ship is turned once. The error in the integral azimuth meter is obtained from the difference between the integral azimuth amount and 360 ° at the time, the true azimuth for each magnetic azimuth is obtained based on the error, and the difference between the true azimuth and the magnetic azimuth We are looking for errors. Since each magnetic orientation θm includes fluctuation, the error also includes fluctuation. In order to eliminate this fluctuation, in the present invention, a more accurate azimuth correction table is created from the error data from which the fluctuation is eliminated by using the Fourier transform and inverse Fourier transform techniques for the error component.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a control block diagram showing an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram showing response characteristics in the low-pass filter of FIG. 1. FIG. 3 is for correcting an integral error caused by insertion of the low-pass filter. FIG. 4 is a flowchart showing a method for calculating an offset correction value. FIG. 4 is a flowchart showing a control operation of the apparatus shown in FIG. 1. FIG. 5 is a control block diagram showing another embodiment of the present invention. FIG. 7 is a characteristic diagram of the integration direction obtained in the present invention. FIG. 8 is a control block diagram showing an embodiment of the second invention. FIG. 9 is a flowchart showing a control operation of the apparatus in FIG. FIG. 10 is a diagram showing a process of performing an FFT. FIG. 11 is a diagram showing a process of performing an FFT. FIG. 12 is a system diagram when the present invention is applied to an automatic steering apparatus.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 3-axis magnetic sensor 2 2-axis inclination sensor 3 Angular velocity sensor 4 A / D converter 6 Inclination angle correction circuit 7 Magnetic direction calculation circuit 8 Angular velocity integration circuit 9 Inclination angle correction circuit 10 Difference circuit 11 Low-pass filter 12 Subtraction circuit 13 Sampling circuit 14 Offset correction value correction circuit 15 Straight travel determination circuit 16 Direction correction table

Claims

A magnetic azimuth sensor that detects the magnetic azimuth θm by measuring geomagnetism, an angular azimuth sensor that detects the angular velocity about the vertical direction, and outputs the integrated azimuth θs from the integrated value, and the magnetic azimuth θm and the integral azimuth θs a difference means for obtaining the difference [Delta] [theta], in order to remove the fluctuation of short-period contained in the magnetic azimuth .theta.m, a filter provided on the output side of the differential means, the output value [Delta] [theta] of the filter from the integration side position theta s' is a child magnetic compass collector that includes a subtraction means for obtaining an output azimuth θ by subtracting,
In order to correct the error ( Δθ−Δθ ′) due to the filter passage , the above Δθ ′ is sampled during straight traveling , and a value for offsetting the reference value for integrating the angular velocity is calculated from the slope of the straight line indicating Δθ. An electronic magnetic compass comprising an offset value calculation means for performing an offset every predetermined time .

2. The magnetic compass according to claim 1, wherein a filter is inserted on the output side of each of the magnetic azimuth meter and the integral azimuth meter in place of the filter.

The magnetic compass is a 3-axis magnetic sensor ( 1 ) And tilt sensor ( 2 ) And magnetic azimuth calculating means for obtaining horizontal and vertical components based on the tilt data detected by the tilt sensor for the three-axis direction magnetism detected by the three-axis magnetic sensor ( 7 ) The electronic magnetic compass according to claim 1, comprising:

Magnetic orientation θ measured by geomagnetism m Detecting the magnetic azimuth sensor and the angular velocity around the vertical direction s Integration azimuth meter that outputs s Value of magnetic orientation θ m An electronic magnetic compass that obtains an output direction θ by correcting with the value of
Every time the magnetic direction θm reaches a predetermined sample angle in the process of turning the ship, the time t at that time i And integration azimuth θs is memorized and time t z And integration direction θ degz And the slope a indicating the error in the integration direction is
a = ( θ degz -360 ) / T z And using this a, the magnetic orientation θ m True orientation T with respect to degi Seeking T degi −θ m To obtain an azimuth error in each magnetic azimuth θm and create an azimuth correction table.

Each magnetic orientation θ m By processing the component of the azimuth error in using a method of Fourier transform and inverse Fourier transform, the azimuth error θ m The electromagnetic compass according to claim 4, wherein a wobbling error included in the sine is eliminated and an azimuth correction table is created based on the data.