JP4676706B2 - 慣性装置及びそのレベリング方法 - Google Patents

Description

この発明は、慣性装置とそのレべリング方法に関するものである。

シリコンマイクロマシニング技術（MEMS: Micro Electro Mechanical System）の発展により、シリコンベースで小型の慣性装置（以下、MEMS−INSと呼ぶ。INSはInertial Navigation Systemの略称）が量産可能となった。これらのセンサは精度が悪いため、単独では慣性航法に使用するのは難しい。しかしながら、低価格で周辺回路と一体形成できる可能性があるなどの利点があり、今後はMEMS−INSを慣性航法に利用して様々な分野への適用が期待されている。

慣性装置を慣性航法に利用する際は、まず初期値を設定する必要がある。例えば、ノーススレーブ局地水平座標系（X：北、Y：東、Z：鉛直下側方向）を、基準の航法座標系として、同基準航法座標に対する、当該移動体側の座標軸である直交３軸XYZ系の初期の角度関係を検知することで、移動体は基準航法座標内での航行が可能となる。上記角度関係を決めるには、水平面と方位角（北方向）を知る必要がある。ここで、水平面、すなわち重力加速度方向ベクトルに垂直な平面を求めることをレベリングと呼び、通常加速度計の出力を利用して行われる。方位角は、ジャイロによりアースレートを検出して算出する。MEMS−INSのように、慣性センサ自体の精度があまり良くない場合は、いかにそのセンサの出力を補正して利用できるかが課題となる。

従来、慣性装置のレベリングは、特許文献１にも記載されているように、静止状態で受感する重力加速度から地表座標系と慣性装置の３軸直交座標系との角度関係を検出することによって行われていた（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−２７１０８８号公報（第１−第５頁）

また、慣性装置の初期値を補正する方法として、特許文献２に示されているように、慣性航法に必要な物理量や慣性力を検出する慣性検出手段を有した移動体を、移動母体に取付けて行う方法があった。この方法では、移動体を基準航法座標系内で航行させるときに、移動体に移動母体側から動揺又は回転等の動作を意図的に付与し、同動作を移動体と移動母体の夫々の慣性検出手段で検出する。ここで、検出された移動母体側の慣性検出手段の検出値を基準にして、移動体側の慣性検出手段の検出値を補正し、慣性検出手段の航法座標における初期座標値を設定することによって、慣性装置の初期値を補正していた（例えば、特許文献２参照）。

特開平６−１１３５４号公報（第１−第７頁）

従来の慣性航法装置では、レベリングにより求められるロール角θ_Ｒとピッチ角θ_Ｐは、静止した状態での加速度計の出力値から、それぞれ数１、数２によって計算されていた。ただし、ここでのロール角θ_Ｒとピッチ角θ_Ｐはノーススレーブ局地水平座標系に対する角度、ａ_x、ａ_ｙ、ａ_ｚは3軸加速度計の出力である。

通常、一つの固定した姿勢で、数１、数２によりレベリング処理が行われるが、加速度計に初期バイアスがあると、正確なロール角とピッチ角を求めることができない。特に、MEMS−INSのように精度の良くない慣性装置では、初期バイアスも大きいため、正確にレベリングが行えないという問題点があった。

この発明は、係る課題を解決するために為されたものであり、慣性装置の初期バイアスの影響を除去して、正確にレべリングを行うことを目的とする。

この発明による慣性装置は、直交３軸方向の加速度を計測する加速度計と、上記加速度計をロール方向とピッチ方向にそれそれ所定角度回転させる駆動装置と、上記駆動装置の動作によって加速度計がロール方向とピッチ方向にそれぞれ所定角度回転した状態で、上記加速度計で計測された加速度に基いて、加速度計の初期バイアスを演算し出力する演算器とを備えたものである。

この発明によれば、慣性装置の姿勢状態に関わらず、慣性装置の初期バイアスを正確に求めることができ、正確なレべリングを行うことが可能となる。

実施の形態１．
この発明では、複数の姿勢での直交３軸の加速度計出力を利用してレベリングを行い、同時に、加速度計の初期バイアス成分δａ_ｘ、δａ_ｙ、δａ_ｚを計算することを特徴とする。図１は、この発明を実施するための慣性装置の構成を示す、３面図（（ａ）上面図、（ｂ）正面図、（ｃ）右側面図）である。なお、この実施の形態の説明においては、Z軸（ヨー軸）の正方向を下方向と呼び、Z軸の負方向を上方向と呼ぶ。

図において、慣性装置２は、図示しない直交３軸の加速度計およびジャイロが内部に搭載されており、プラットフォーム１に固定される。慣性装置２は、内部の加速度計およびジャイロで計測した加速度と角速度を出力する。プラットフォーム１は複数のアクチュエータ４に支持されて、機体フレーム５上に設置される。プラットフォーム１には、上面の四隅の端部と、下面の四隅の端部に、電気的接点７（図３で後述する、7-a1、7-a2、7-a3、7-a4と、7-b1、7-b2、7-b3、7-b4）が設けられている。

機体フレーム５には、４つのストッパー３が設けられている。各ストッパー３は、夫々上下２枚の電極（上側電極３-a1、 ３-a2、 ３-a3、 ３-a4、下側電極３-b1、 ３-b2、 ３-b3、 ３-b4）で構成されている。各ストッパー３の上下２つの電極間で、プラットフォーム１の上下面の電気的接点７が挟まれるように、プラットフォーム１の四隅の端部の位置に対応して、それぞれストッパー３が配置されている。

これによって、プラットフォーム１の上面の電気的接点（図２で後述する7-a1、7-a2、7-a3、7-a4）をストッパー３の上側電極（３-a1、 ３-a2、 ３-a3、 ３-a4）のいずれかに接触させるか、プラットフォーム１の下面の電気的接点７（図２で後述する7-ｂ1、7-ｂ2、7-ｂ3、7-ｂ4）をストッパー３の下側電極（３-b1、 ３-b2、 ３-b3、 ３-b4）のいずれかに接触させることができる。

アクチュエータ４は制御装置６で制御されて、プラットフォーム１を上下動させる。ストッパー３の各電極（３-a1、 ３-a2、 ３-a3、 ３-a4、及び３-b1、 ３-b2、 ３-b3、 ３-b4）は、制御装置６にケーブルで接続されている。また、慣性装置２の計測信号の出力端子（図示せず）およびプラットフォーム１の電気的接点７は、制御装置６にケーブルで接続されている。制御装置６では、電気的接点７のいずれの接点が、ストッパー３の電極（３-b1、 ３-b2、 ３-b3、 ３-b4、及び３-b1、 ３-b2、 ３-b3、 ３-b4）と接触しているのかを検出する。アクチュエータ４と、プラットフォーム１及びストッパー３と、制御装置６とは駆動装置を構成する。

次に動作について説明する。
制御装置６の制御によって、プラットフォーム１の端部がアクチュエータ４のＺ軸方向への上下動（伸縮）によって移動させられ、プラットフォーム１が回転移動する。プラットフォーム１の端部４箇所のいずれか２つの電気的接点７がストッパー３に触れると、プラットフォーム１の回転が停止する。これによって、プラットフォーム１の電気的接点７がストッパー３に触れた状態が検知される。
制御装置６は、ストッパー３の電極とプラットフォーム２の電気的接点７とが接しているかどうかを検知する。これによって、ストッパー３の所望の電極がプラットフォーム２の所望の電気的接点７と接触するように、アクチュエータ４の動作を制御する。アクチュエータ４としては様々な方法が考えられるが、小型なアクチュエータ４を得るには制御電圧を印加することによってＺ軸方向に伸縮する圧電素子を用いるのが良い。

次に、ストッパー３とプラットフォーム１が接していることを検知するための検知手段の構成と、制御装置６の構成について説明する。
図２は、プラットフォーム１の電気的接点７の一例を示す斜視図である。図において、プラットフォーム１の上面（表面）の四隅には、電極7-a1、7-a2、7-a3、7-a4がそれぞれ設けられている。また、プラットフォーム１の下面（裏面）の四隅には、電極7-ｂ1、7-ｂ2、7-ｂ3、7-ｂ4がそれぞれ設けられている。図中で、電極7-a1、7-a2及び7-b1、7- b2は、プラットフォーム１のX軸方向に配置されている。また、電極7-a1、7-a4及び7-b1、7- b4は、プラットフォーム１のY軸方向に配置されている。

図３は、電気的接点７の通電状態によってストッパー３とプラットフォーム１の接触状態を判定するための回路構成図の一例と、制御装置６の構成例を示す。
図において、制御装置６は論理回路（IC）６１と、シーケンサ６２と、演算回路６３で構成される。演算回路６３は慣性装置２に接続される。ストッパー３の電極（３-b1、 ３-b2、 ３-b3、 ３-b4）の各接点と、電気的接点７（7-a1、7-a2、7-a3、7-a4と、7-b1、7-b2、7-b3、7-b4）の各接点とが、所謂リミットスイッチ（LS）１０を構成している。このリミットスイッチ１０の特定の接点（例えば、電極３−ｂ１と電気的接点７−ｂ１）が導通（ON）状態となったとき、この特定の接点からの出力信号は論理回路６１に出力される。

また、リミットスイッチ１０における他の特定の接点（例えば、電極３−ａ１と電気的接点７−ａ１）が非導通（OFF）の状態であるとき、その接点からは出力信号が出ない。これによって、論理回路（IC）６１は、リミットスイッチ１０の各接点における導通のオン・オフ状態（ステータス）を検出する。また、論理回路６１で計測された各接点のステータスはステータスデータとしてシーケンサ６２に出力される。また、このステータスデータは、論理回路６１から演算回路６３に出力される。

シーケンサ６２は入力されたステータスデータに基いて、アクチュエータ４の制御のための動作指令を出力する。また、シーケンサ６２は論理回路６１からのステータスデータに基いて、外部制御機器に状態出力信号を出力する。外部制御機器はこの状態出力信号に基いてレベリング用データ取得開始のタイミングの目安を図る。また、演算回路６３は、論理回路６１からのステータスデータと、慣性装置２からの加速度計の出力と、ジャイロの出力が入力される。

次に、レベリング時における処理のフローチャートを図４に示す。ここでは、加速度計のレべリング処理を例として説明する。また、図５（ｂ）にロール方向に既知の角度だけ回転させた姿勢を示し、図５（ｃ）にピッチ方向に既知の規定角度だけ回転させた姿勢を示す。同図中で、図５（ａ）は慣性装置２を上面から見た図を示す。このレべリング処理を行う際、機体フレーム５の姿勢を調整することによって、慣性装置のＺ軸を概ね重力加速度方向に向け、このときの機体フレーム５の姿勢を一定に保持しておく。

まず、ステップＳ１において、レべリング開始とともに始めにプラットフォーム１は通常姿勢を取る。通常姿勢とは、レベリング後の慣性装置が取る姿勢で、図１に示すように、プラットフォーム１の同じ面の電気的接点（図１の例では下面の電気的接点7-b1、7-b2、7-b3、7-b4）が、4つともストッパーに接している状態である。

この状態は、リミットスイッチ１０からのステータスデータに基いて、制御装置６によって検知される。この状態で、ステップＳ２において加速度計の出力を一定時間測定する。計測された加速度計の出力（ａ_ｘ、ａ_ｙ、ａ_ｚ）は、制御装置６の演算回路６３に出力される。演算回路６３では、ステップＳ３において、加速度計の出力（ａ_ｘ、ａ_ｙ、ａ_ｚ）を、数３及び数４に示される演算式に代入する。なお、数３、４において、θ_Ｒ、θ_Ｐ、δａ_ｘ、δａ_ｙ、δａ_ｚは未知数である。

次に、ステップＳ４で、図５（ｂ）に示すように、ロール方向（慣性装置２のＸ軸まわり）に既知の規定角度δＲだけ回転させる。このとき、ロール角方向への回転は、２つの電気的接点7-a2、7-a3をストッパー３の電極3-a2、3-a3と接触させて、他の２つの電気的接点7-b1、7-b4をストッパー３の電極3-b1、3-b4と接触させた状態とすることで、回転角度を規定の角度δＲに設定することができる。
このロール方向に既知の角度δＲだけ回転させた姿勢で、ステップＳ５において加速度計の出力を一定時間計測する。計測された加速度計の出力（ａ_ｘ、Ｒ、ａ_ｙ、Ｒ、ａ_ｚ、Ｒ）は、制御装置６の演算回路６３に出力される。演算回路６３では、ステップＳ６において、加速度計の出力（ａ_ｘ、Ｒ、ａ_ｙ、Ｒ、ａ_ｚ、Ｒ）を、数５及び数６に示される演算式に代入する。なお、数５、６において、θ_Ｒ、θ_Ｐ、δａ_ｘ、δａ_ｙ、δａ_ｚは未知数である。

次に、ステップＳ７で、慣性装置２のＸ軸まわりに既知の角度−δＲだけ回転させて、姿勢を通常姿勢に戻す（この状態は、接点の接触状態をステップＳ１と同様の状態とすることによって検出できる）。
さらに、ステップＳ８で、図５（ｃ）に示すように、ピッチ方向（慣性装置２のＹ軸まわり）に既知の規定角度δＰだけ回転させる。このとき、ピッチ角方向への回転は、２つの電気的接点7a−1、7a−2をストッパー３の電極3−b1、3−b 2と接触させ、２つの電気的接点7−b3、7−b4をストッパー３の電極3−b3、3−b4と接触させることによって得られる。これにより、ピッチ角方向への回転角度を規定の角度δＰに設定することができる。
このピッチ方向に既知の角度δＰだけ回転させた姿勢で、ステップＳ９において加速度計の出力を測定する。計測された加速度計の出力（ａ_ｘ、Ｐ、ａ_ｙ、Ｐ、ａ_ｚ、Ｐ）は、制御装置６の演算回路６３に出力される。
演算回路６３では、ステップＳ１０において、加速度計の出力（ａ _ｘ、Ｐ 、ａ _ｙ、Ｐ 、ａ _ｚ、Ｐ ）を、数７及び数８に示される演算式に代入する。なお、数７、８において、θ_Ｒ、θ_Ｐ、ａ_ｘ、δａ_ｙ、δａ_ｚは未知数である。

最後に、ステップＳ１２おいて通常姿勢に戻す（既知の角度−δＰだけ回転させる）とともに、ステップＳ３、Ｓ６、Ｓ１０で得られた数３〜数８の演算式を連立して解く。これによって、通常姿勢における水平面基準の初期角度（ピッチ角θＰとロール角θＲ）、および３軸加速度センサの初期バイアス（δax、δay、δaz）が求められ、ステップ１３において求められた初期角度と初期バイアスが外部機器に出力されて、レべリング処理が終了する。

以上により、この実施の形態によれば、慣性装置の姿勢状態に関わらず、慣性装置の初期バイアスを正確に求めることができ、レべリングを精度良く行うことができる。このため、MEMS−INSのように精度の良くない慣性装置であっても、慣性装置の初期バイアスの影響を除去して、加速度の正確な計測を行うことが可能となる。

この発明の実施の形態１による慣性装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態１におけるプラットフォームに設けた電気的接点を示す図である。 この発明の実施の形態１による制御装置６の構成図である。 この発明の実施の形態１におけるレベリング処理のフローチャートである この発明の実施の形態１によるレベリング時の角度オフセットの方法を示す図である。

符号の説明

１ プラットフォーム、２ 慣性装置、３ ストッパー、４ アクチュエータ、５ 機体フレーム、６ 制御装置、７ 電気的接点。

Claims (5)

1. 直交３軸方向の加速度を計測する加速度計と、
   上記加速度計をロール方向とピッチ方向にそれぞれ、可動角度の制限により既知の所定角度回転させる駆動装置と、
   上記駆動装置の動作によって、上記加速度計を通常姿勢状態からロール方向とピッチ方向にそれぞれ既知の所定角度回転させることにより、
   通常姿勢状態、ロール方向へ既知の所定のロール角度回転した状態、およびピッチ方向へ既知の所定のピッチ角度回転した状態のそれぞれの状態で、上記加速度計により計測された重力加速度と、上記既知の所定のロール角度と上記既知の所定のピッチ角度に基いて、当該加速度計の初期バイアスを演算する演算器と
   を備えた慣性装置。
2. 直交３軸方向の加速度を計測する加速度計と、
   上記加速度計をロール方向とピッチ方向にそれぞれ所定角度回転させる駆動装置と、
   上記駆動装置の動作によって加速度計がロール方向とピッチ方向にそれぞれ所定角度回転した状態で、上記加速度計で計測された重力加速度に基いて、当該加速度計の初期バイアスを出力する演算器とを備え、
   上記駆動装置は、
   上記加速度計を搭載するプラットフォームと、
   上記プラットフォームの端部４箇所を、上記加速度計のヨー軸方向に移動可能に支持するアクチュエータと、
   上記プラットフォームの各端部の移動区間を制限するストッパと、
   を具備した慣性装置。
3. 上記プラットフォームは端部４箇所の表裏面にそれぞれ端子を有し、
   上記ストッパは上記プラットフォームの各端部の表裏面を、それぞれ間に挟む一対の電極を４対有して、
   各一対の電極と各端子との接触状態に応じて、上記プラットフォームの回転状態を検出する制御装置を備えたことを特徴とした請求項２記載の慣性装置。
4. 上記演算器は、上記加速度計の重力方向に対する初期角度を演算することを特徴とした請求項２記載の慣性装置。
5. 加速度計の直交３軸方向の重力加速度を計測し、当該加速度計の重力に垂直な平面を求める慣性装置のレべリング方法であって、
   通常姿勢状態、およびロール方向とピッチ方向のそれぞれの可動角度の制限によって、上記加速度計を通常姿勢状態から既知の所定角度回転させたそれぞれの状態で、
   それぞれの重力加速度を計測する第１のステップ、
   上記第１のステップで計測されたそれぞれの重力加速度と、上記加速度計をロール方向とピッチ方向にそれぞれ回転させる、それぞれの既知の所定角度とに基いて、上記加速度計の重力に垂直な平面を求める第２のステップ、
   によって処理する慣性装置のレべリング方法。

Images