JP5243956B2 - リアルタイムバイアス推定器に基づく慣性機器のための自己較正 - Google Patents

Description

本発明は、ジャイロスコープ及び加速度計のような慣性機器に関し、より具体的には、そのような機器のバイアス誤差補正に関する。

慣性機器の性能はバイアスによって劣化し、バイアスは、理想的でない慣性機器によって行われる測定の、完全な、又は理想的な機器によって行われる測定からの偏差の指標である。たとえば、ジャイロスコープのバイアスは、角速度０におけるジャイロスコープの読み値と、完全なジャイロスコープによって測定される０との間の差によって求められる。バイアスドリフトは、時間とともに環境条件等が変化する結果として生じるバイアスの変化率である。

慣性機器においてバイアス及び／又はバイアスドリフトを補償する１つの方法は、既知の精度の別の情報源から得られる情報に基づいて、慣性機器のバイアス補正調整を定期的に行うことである。たとえば、慣性機器と同じ場所に配置される全地球測位衛星（ＧＰＳ）受信機によって処理されるＧＰＳ信号を用いて、既知の時間間隔にわたって、一連の位置を求めることができる。このＧＰＳ情報を利用して、慣性機器のバイアス誤差補正信号を定期的に較正し直して、その出力をＧＰＳデータに一致させることができる。しかしながら、動作環境によっては、ＧＰＳ信号を常に受信できるとは限らないので、ＧＰＳデータに基づいて慣性機器の出力を補正することに常に頼ることができるとは限らない。それゆえ、ＧＰＳ情報等から導出されるような正確な位置情報の別個の情報源を必要とすることなく、慣性機器のバイアス及びバイアスドリフトを最小限に抑えることが必要とされている。

本発明の目的はこのような要求を満たすことである。

１つの例示的な慣性測定装置は、自己較正バイアス補正信号を組み込んでいる。第１の慣性機器及び第２の慣性機器が、測定される慣性属性（特性）を表す、それぞれの入力信号を生成する。バイアス推定器が、第１のバイアス補正信号及び第２のバイアス補正信号を生成する。第１の加算ノード及び第２の加算ノードが、それぞれの入力信号と、それぞれの第１のバイアス補正信号及び第２のバイアス補正信号とを受信する。第１の加算ノード及び第２の加算ノードは、それぞれの加算された信号を生成し、その信号は、第１の慣性機器及び第２の慣性機器に結合される。第１の慣性機器及び第２の慣性機器は、それぞれの加算された信号に基づいて、慣性属性の値を表す、それぞれの出力信号を生成する。バイアス推定器が、それぞれの第１の時間間隔中及び第２の時間間隔中に行われる第１の測定及び第２の測定に基づいて、第１のバイアス補正信号及び第２のバイアス補正信号を計算し、第１のバイアス誤差信号及び第２のバイアス誤差信号のうちの一方の符号が、第１の時間間隔中の一方の状態から、第２の時間間隔中の他方の状態に変更される。

１つの例示的な方法は、例示的な慣性測定装置に関して概括的に上述したようなステップを実施する。
本発明の例示的な実施態様の特徴は、本明細書の説明、特許請求の範囲及び添付の図面から明らかになるであろう。

本発明の１つの態様は、慣性機器のバイアスの、既知の精度の別の情報源から得られなければならない情報に頼る補償は困難であるということを認識することにある。そのような認識の一部には、慣性機器を備える乗物の動作条件が、多くの場合に、既知の精度の外部情報源から情報を得ることを困難にするか、又は不可能にすることを正しく理解することが含まれる。本発明による例示的な自己較正慣性機器は、そのような課題を克服するために作成された。本明細書において用いられる場合、「自己較正」は、慣性機器装置が、既知の精度の外部情報源に基づく入力を必要とすることなく、自らバイアス補正を実施できる能力を指している。しかしながら、慣性機器の較正を確認又はリセットするために、外部情報源からの不定期の較正を利用できることは理解されよう。

図１は、ジャイロスコープＡ及びＢにそれぞれ関連付けられるバイアス信号誤差極性１０及び１２を示す例示的なグラフである。説明される例示的な実施態様ではジャイロスコープが用いられるが、任意のタイプの慣性機器、たとえば、ジャイロスコープ、加速度計等が、以下の説明から理解されるような改善から利益を得ることは明らかであろう。バイアス誤差信号は、ジャイロスコープにおける誤差補正のための手段を提供し、ジャイロスコープによって受信される入力に基づいて、ジャイロスコープからの出力が、検知される属性をさらに正確に表すようになる。

バイアス誤差信号１０及び１２のそれぞれは２つの状態、すなわち標準状態及び反転状態を有し、それらはジャイロスコープの検知された入力値とバイアス誤差信号との間の符号関係に対応する。たとえば、＋関係は、バイアス信号が、検知された入力信号に加算されることを表し、−関係は、バイアス信号が、検知された入力信号から減算されることを表す。「標準」関係は、実施される誤差補正のタイプに応じて、＋又は−のいずれかの関係になり得る。「反転」関係は、標準関係とは反対の符号を表す。この例では、標準及び反転はそれぞれ＋及び−に対応する。

そのグラフは、４つの異なる測定間隔、Ｍｅａｓ１〜Ｍｅａｓ４を表す。各測定間隔は、バイアス誤差信号１０及び１２の４つの異なる状態組み合わせのうちの１つを表す。各バイアス誤差信号は２つの状態、標準及び反転を有する。ジャイロスコープＡ及びＢの動作中に、それぞれのバイアス誤差信号１０及び１２を標準状態と反転状態との間で配列（順序付け）して、４つの異なる測定間隔によって表される４つの異なる状態組み合わせが全て生じるようにすることができる。ジャイロスコープの出力が利用される特定の用途及びサンプリング時間に応じて、配列する速度を調整して、特定の用途を満たすことができる。後にさらに詳細に説明するように、２つの測定間隔中に得られる情報が、自己較正過程の一部として利用され、それゆえ、順序付ける速度（レート）は、新たな較正情報を計算することができる最大速度を規定する。バイアス誤差の対応する計算による、図１に示されるような状態の４つの組み合わせ全てによって配列することが望ましいことがあるが、２つのバイアス信号のうちの一方の符号しか変化しない２つの時間間隔でも、バイアス誤差の計算を行うだけの十分な情報をもたらすであろう。

図２は、本発明による、自己較正慣性機器の具体的な一実施形態の例示的なブロック図である。本明細書において用いられる場合、入力線、及びその線によって搬送される入力信号を、同じ参照番号を用いて指示することがあるが、適切な意味は、文脈から明らかになるであろう。慣性機器２０及び２２は、測定される属性（特性）を表す、それぞれの入力信号２８及び３４を受信する。この例では、ジャイロスコープによって測定される属性は、度単位で測定される角度位置である。この図は、本発明の一実施形態の動作を説明するのを助けるために与えられており、物理的な構造と全く同一には対応しないことは理解されよう。たとえば、入力２４及び２６は通常、慣性機器２０及び２２内にあるデバイスによって生成され、加算ノードも、慣性機器の内部にあり得る。慣性機器２０及び２２は、互いに、測定される属性に関する共通の軸又は面２１を共有するように配向（方向付け）される。それゆえ、慣性機器２０及び２２が完全であるとすると、それぞれが、検知される属性に関して、同じ配向（方向性）を有する同じ属性を検知するので、同一の出力値を生成することになるであろう。たとえば、慣性機器がジャイロスコープであるとすると、各ジャイロスコープは（それぞれが完全なジャイロスコープであると仮定すると）、度単位の同じ値を有する出力を生成するであろう。

入力２４は、加算ノード５４によって、検知された入力信号２８とバイアス信号４８（ＢｉａｓＡ）とを合成したものである。同様に、入力２６は、加算ノード５２によって、検知された入力信号３４とバイアス信号５０（ＢｉａｓＢ）とを合成したものである。バイアス信号３０及び３６を用いて、誤差補正がもたらされ、結果として、慣性機器２０及び２２によってそれぞれ、より正確な出力４０及び４２が生成される。バイアス推定器４４が、入力２４（ＭｅａｓＡ）及び２６（ＭｅａｓＢ）と、出力４０及び４２とを受信する。バイアス生成器は、誤差補正バイアス信号３０及び３６を生成する。またバイアス生成器は、計算された出力値４６を生成し、その値は、後述するように、出力４０、若しくは出力４２、又は出力４０と４２とを合成したものを含むことがある。

図２に示される構成要素は、別個の部品として実装される必要はない。たとえば、２つの別個の慣性機器がそれぞれ必要な構成要素の全てを含むことがあり、その場合、必要とされる情報が各慣性機器内に収容されるそれぞれのバイアス推定器間で共有される。別法では、必要とされる機能の全てが、ただ１つの集積デバイス内に収容されることがあり、そのデバイスは、２つの慣性機器及びバイアス推定器の機能を含むことになる。

２つの機器、この例示的な実施形態ではジャイロスコープ（ジャイロ）が、検知される属性に関して同じ軸に沿って配置され、説明したように配列（順序付け）される場合には、バイアス誤差は直に観測できることがある。いずれのジャイロとも、測定間隔Ｍｅａｓ１〜Ｍｅａｓ４のそれぞれにわたって安定して動作している。いずれのジャイロとも、同じ軸を中心とする回転を検知する。それぞれｉ番目の測定間隔中にジャイロＡ及びＢによって行われる測定ＭｅａｓＡ及びＭｅａｓＢは以下のようになる。

第１の間隔及び第２の間隔について、以下の式が成り立つ。

又は、その式は以下のように表すことができる。

それは以下のような形をとる。

［Ｈ］行列は（式９）によって示されるような正則行列である。

それゆえ、４つの変数、Ｗｉｎ（１）、Ｗｉｎ（２）、ＢｉａｓＡ及びＢｉａｓＢは個別に観測することができる。

これは式１１のように展開される。

具体的な実施形態に関して、デジタル形式の実施態様は、２つの並列な機器入力／チャネルＷｉｎ（Ａ）及びＷｉｎ（Ｂ）からの慣性機器測定の入力及び出力に対応するカウント、すなわち数値を含むであろう。これらの入力は、２つのジャイロ間に存在することがある任意の倍率（スケールファクタ：scale factor）の差を補償されているであろう。バイアス推定器４４は、概ねリアルタイムに、必要とされる入力を処理して、出力を生成することが好ましい。バイアス推定器は、上記の説明に従って、自己バイアス機能を支援し、バイアス信号３０及び３６の値を計算する。バイアス推定器の一部を構成することがあるフィルタを用いて、いくつかのサンプルにわたって平均を計算すること等によって、バイアス信号３０及び３６の平滑化された値を計算することが好ましい。バイアス補償された測定値Ｗｏｕｔ（Ａ）及びＷｏｕｔ（Ｂ）は、システム慣性測定データ／値を含み、それは、他の関数／パラメータを計算する際に用いるために外部デバイスに供給される。またバイアス推定器によって計算されることがある出力Ｗｏｕｔ（Ｃ）が、外部デバイスに供給されることが好ましい。出力Ｗｏｕｔ（Ｃ）は、Ｗｏｕｔ（Ａ）及びＷｏｕｔ（Ｂ）の両方が入手できる場合、すなわちいずれも測定間隔間に存在するようなバイアス極性遷移期間内にない場合には、Ｗｏｕｔ（Ａ）及びＷｏｕｔ（Ｂ）の平均であり、Ｗｏｕｔ（Ａ）及びＷｏｕｔ（Ｂ）のうちの一方がバイアス極性遷移期間内にある場合には、Ｗｏｕｔ（Ａ）及びＷｏｕｔ（Ｂ）のうちの他方だけを使用する。

ジャイロスコープに関して説明した上記の実施態様は、検知される入力とバイアス誤差とが同じように反転することができる、一対の並列な加速度計にも同じく適用することができる。

図３は、１つの例示的なバイアス推定器４４のブロック図である。マイクロプロセッサ６２が、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）６４及びランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）６６によって支援される。マイクロプロセッサ６２は入力／出力モジュール６８に接続され、入力／出力モジュール６８は、図示されるように、デジタル信号を受信及び送信するのを支援する。マイクロプロセッサ６２は、格納されているプログラム制御命令下で動作し、そのプログラム制御命令は最初にＲＯＭ６４内に含まれることが好ましい。動作上の命令及びデータは、マイクロプロセッサ６２が処理するためにＲＡＭ６６に格納される。上述の機能及び計算を実施するために、マイクロプロセッサ６２に適した制御命令を与える方法は、当業者には理解されよう。図２及び図３を比較すると、加算点３２及び３８は、マイクロプロセッサ６２上で実行されるソフトウエアによって実現され、図３の「ジャイロＡ」及び「ジャイロＢ」はそれぞれ、図２に示されるような、加算点５４及び５２を含む。別法では、それらの機構及び計算は、特定用途向け集積回路内で、又は他の形態のハードウエア実施態様内で実施することができる。バイアス推定器によって必要とされる機能及び計算に加えて、慣性機器によって必要とされる追加の機能も、単一のデバイスの中に組み込まれることがある。

本明細書において、本発明の例示的な実施態様を詳細に図示及び説明したが、本発明の精神から逸脱することなく、種々の変更、追加、置換等を行うことができることは当業者には明らかであろう。たとえば、いくつかの代替形態は上述されている。

本発明の範囲は特許請求の範囲において規定される。

２つの例示的なジャイロスコープのバイアス信号の極性を示すグラフである。 本発明の１つの例示的な実施形態の代表的な図である。 図２に示される例示的なバイアス推定器のブロック図である。

Claims (7)

1. 慣性測定装置であって、
   測定される慣性属性を表す第１の検知信号を生成するための第１の手段及び測定される慣性属性を表す第２の検知信号を生成するための第２の手段と、
   第１のバイアス誤差信号と前記第１の検知信号とを合成して第１の出力信号を生成するように構成されている手段、及び第２のバイアス誤差信号と前記第２の検知信号とを合成して第２の出力信号を生成するように構成されている手段と、
   前記第１の出力信号及び前記第２の出力信号を受信し、前記第１の手段に対応する第１のバイアス補正信号及び前記第２の手段に対応する第２のバイアス補正信号を生成するように構成されているバイアス推定器手段と、
   を備え、
   前記バイアス推定器手段は、第１の時間間隔中及び第２の時間間隔中に前記第１の手段によって行われる第１の測定並びに前記第１の時間間隔中及び前記第２の時間間隔中に前記第２の手段によって行われる第２の測定に基づいて、前記第１の時間間隔中及び前記第２の時間間隔中に前記第１のバイアス補正信号及び前記第２のバイアス補正信号を計算し、前記第１のバイアス誤差信号及び前記第２のバイアス誤差信号のうちの一方のバイアス誤差信号の符号が、前記第１の時間間隔中の一方の状態から、前記第２の時間間隔中の他方の状態に変化させられ、
   前記バイアス推定器手段は、前記第１のバイアス補正信号と前記第１の出力信号との合成に基づいて第１の補正された出力信号を生成し、前記第２のバイアス補正信号と前記第２の出力信号との合成に基づいて第２の補正された出力信号を生成するように構成され、前記第１のバイアス誤差信号及び前記第２のバイアス誤差信号のうちの状態が変化した一方には関連付けられない、前記第１の補正された出力信号及び前記第２の補正された出力信号のうちの１つが使用のために選択される、慣性測定装置。
2. 前記第１のバイアス誤差信号及び前記第２のバイアス誤差信号のうちの前記一方のバイアス誤差信号とは異なる、前記第１のバイアス誤差信号及び前記第２のバイアス誤差信号のうちの他方のバイアス誤差信号は、前記第１の時間間隔中及び前記第２の時間間隔中に状態が変化しない符号を有する、請求項１に記載の慣性測定装置。
3. 前記バイアス推定器手段は、式
   ＭｅａｓＡ（１）＝ＷｉｎＡ（１）＋ＢｉａｓＡ
   ＭｅａｓＢ（１）＝ＷｉｎＢ（１）＋ＢｉａｓＢ
   ＭｅａｓＡ（２）＝ＷｉｎＡ（２）−ＢｉａｓＡ
   ＭｅａｓＢ（２）＝ＷｉｎＢ（２）＋ＢｉａｓＢ
   に基づいて、前記第１のバイアス補正信号及び前記第２のバイアス補正信号を計算し、ここで、ＷｉｎＡ（１）及びＷｉｎＢ（１）は前記第１の時間間隔中に測定される前記第１の検知信号及び前記第２の検知信号であり、ＷｉｎＡ（２）及びＷｉｎＢ（２）は前記第２の時間間隔中に測定される前記第１の検知信号及び前記第２の検知信号であり、ＢｉａｓＡ及びＢｉａｓＢは前記第１のバイアス誤差信号及び前記第２のバイアス誤差信号であり、ＭｅａｓＡ（１）、ＭｅａｓＢ（１）、ＭｅａｓＡ（２）及びＭｅａｓＢ（２）は、それぞれ、前記第１の時間間隔中に前記第１の手段によって行われる前記第１の測定、前記第１の時間間隔中に前記第２の手段によって行われる前記第２の測定、前記第２の時間間隔中に前記第１の手段によって行われる前記第１の測定、及び前記第２の時間間隔中に前記第２の手段によって行われる前記第２の測定である、請求項２に記載の慣性測定装置。
4. 前記第１の手段及び前記第２の手段はそれぞれ、測定される前記慣性属性に対して同じ物理的配向を有する慣性機器を含み、それにより、前記第１の手段及び前記第２の手段が同じ慣性属性を測定しているようにする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の慣性測定装置。
5. 慣性測定装置において自己較正バイアス信号を利用するための方法であって、
   決定される同じ慣性属性を各々が表す第１の検知信号及び第２の検知信号を生成するステップであって、該第１の検知信号及び該第２の検知信号は、同じ場所において検知される同じパラメータに基づいて、それぞれ第１の手段及び第２の手段によって生成される、ステップと、
   第１のバイアス誤差信号と前記第１の検知信号とを合成して第１の出力信号を生成し、第２のバイアス誤差信号と前記第２の検知信号とを合成して第２の出力信号を生成するステップと、
   前記第１の出力信号に対応する第１のバイアス補正信号及び前記第２の出力信号に対応する第２のバイアス補正信号を生成するステップと、
   第１の時間間隔中及び第２の時間間隔中に前記第１の手段によって行われる第１の測定並びに前記第１の時間間隔中及び前記第２の時間間隔中に前記第２の手段によって行われる第２の測定に基づいて、前記第１の時間間隔中及び前記第２の時間間隔中に前記第１のバイアス補正信号及び前記第１の時間間隔中及び前記第２の時間間隔中に前記第２のバイアス補正信号を計算するステップであって、前記第１のバイアス誤差信号の符号が、前記第１の時間間隔中の一方の状態から、前記第２の時間間隔中の別の状態に変更される、ステップと、
   前記第１の出力信号及び前記第１のバイアス補正信号に基づいて前記慣性属性の値を表す第１の補正された出力信号を生成し、前記第２の出力信号及び前記第２のバイアス補正信号に基づいて前記慣性属性の値を表す第２の補正された出力信号を生成するステップであって、前記第１のバイアス誤差信号及び前記第２のバイアス誤差信号のうちの状態が変更された一方には関連付けられない、前記第１の補正された出力信号及び前記第２の補正された出力信号のうちの１つが使用のために選択される、ステップと、
   を含む方法。
6. 前記第２のバイアス誤差信号の符号は、前記第１の時間間隔中及び前記第２の時間間隔中に状態が変化しない、請求項５に記載の方法。
7. 前記計算するステップは、式
   ＭｅａｓＡ（１）＝ＷｉｎＡ（１）＋ＢｉａｓＡ
   ＭｅａｓＢ（１）＝ＷｉｎＢ（１）＋ＢｉａｓＢ
   ＭｅａｓＡ（２）＝ＷｉｎＡ（２）−ＢｉａｓＡ
   ＭｅａｓＢ（２）＝ＷｉｎＢ（２）＋ＢｉａｓＢ
   に基づいて、前記第１のバイアス補正信号及び前記第２のバイアス補正信号を計算することを含み、ここで、ＷｉｎＡ（１）及びＷｉｎＢ（１）は前記第１の時間間隔中に測定される前記第１の検知信号及び前記第２の検知信号であり、ＷｉｎＡ（２）及びＷｉｎＢ（２）は前記第２の時間間隔中に測定される前記第１の検知信号及び前記第２の検知信号であり、ＢｉａｓＡ及びＢｉａｓＢは前記第１のバイアス誤差信号及び前記第２のバイアス誤差信号であり、ＭｅａｓＡ（１）、ＭｅａｓＢ（１）、ＭｅａｓＡ（２）及びＭｅａｓＢ（２）は、それぞれ、前記第１の時間間隔中に前記第１の手段によって行われる前記第１の測定、前記第１の時間間隔中に前記第２の手段によって行われる前記第２の測定、前記第２の時間間隔中に前記第１の手段によって行われる前記第１の測定、及び前記第２の時間間隔中に前記第２の手段によって行われる前記第２の測定である、請求項６に記載の方法。

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