JP6516042B2 - Signal processing device, detection device, sensor, electronic device and moving body - Google Patents

Signal processing device, detection device, sensor, electronic device and moving body Download PDF

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Description

本発明は、信号処理装置、検出装置、センサー、電子機器及び移動体等に関する。   The present invention relates to a signal processing device, a detection device, a sensor, an electronic device, a moving object, and the like.

デジタルカメラ、スマートフォン等の電子機器や車、飛行機等の移動体には、外的な要因で変化する物理量を検出するためのジャイロセンサーが組み込まれている。このようなジャイロセンサーは、角速度等の物理量を検出し、いわゆる手振れ補正、姿勢制御、GPS自律航法などに用いられる。   BACKGROUND ART Gyro sensors for detecting physical quantities that change due to external factors are incorporated in electronic devices such as digital cameras and smartphones, and mobile bodies such as cars and airplanes. Such a gyro sensor detects a physical quantity such as angular velocity, and is used for so-called image stabilization, attitude control, GPS autonomous navigation, and the like.

ジャイロセンサーは、検出した角速度等の物理量を検出電圧信号として出力する。その検出電圧信号を受け取ったアプリケーション側は、検出電圧信号により得られた角速度等をソフトウェア処理により積算して、角度や速度、距離などを求める。   The gyro sensor outputs the detected physical quantity such as angular velocity as a detection voltage signal. The application that has received the detected voltage signal integrates the angular velocity and the like obtained by the detected voltage signal by software processing to determine the angle, the velocity, the distance, and the like.

特開2004−347505号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 2004-347505 特開2002−236302号公報JP 2002-236302 A

さて、物理量トランスデューサーからの検出電圧信号には、例えば物理量トランスデューサーの温度特性等に起因するDCオフセットが存在する。DCオフセットは、検出電圧信号から所望の情報を得る際に誤差の原因となるという課題がある。例えば、上述したジャイロセンサーでは、角度等を求める際にDCオフセットを含んだ検出電圧信号を積算するので、誤差が非常に大きくなってしまう。   Now, in the detection voltage signal from the physical quantity transducer, there is a DC offset due to, for example, the temperature characteristic of the physical quantity transducer. There is a problem that the DC offset causes an error when obtaining desired information from the detection voltage signal. For example, in the above-described gyro sensor, since the detection voltage signal including the DC offset is integrated when the angle or the like is obtained, the error becomes very large.

DCオフセットを除去する手法として、特許文献1には、検出電圧信号をハイパスフィルターで処理する手法が開示されている。また、特許文献2には、検出電圧信号に所定電圧のバイアスを加える手法が開示されている。しかしながら、特許文献1の手法ではハイパスフィルターの特性が固定であるため、その特性が検出電圧信号の過渡応答性に影響するという課題がある。特許文献2の手法ではDCオフセットの変化に対して追従させることが困難であるという課題がある。   As a method of removing a DC offset, Patent Document 1 discloses a method of processing a detection voltage signal with a high pass filter. Further, Patent Document 2 discloses a method of adding a bias of a predetermined voltage to a detection voltage signal. However, in the method of Patent Document 1, since the characteristic of the high-pass filter is fixed, there is a problem that the characteristic affects the transient response of the detection voltage signal. The method of Patent Document 2 has a problem that it is difficult to follow changes in DC offset.

本発明の幾つかの態様によれば、過渡応答性や追従性を向上したDC成分の抽出が可能な信号処理装置、検出装置、センサー、電子機器及び移動体等を提供できる。   According to some aspects of the present invention, it is possible to provide a signal processing device, a detection device, a sensor, an electronic device, a moving body, and the like capable of extracting a DC component with improved transient response and followability.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または態様として実現することが可能である。   The present invention has been made to solve at least a part of the above-mentioned problems, and can be realized as the following modes or embodiments.

本発明の一態様は、入力信号に応じて動的に変化する観測ノイズ及びシステムノイズを推定するノイズ推定部と、前記観測ノイズ及び前記システムノイズに基づいてカルマンフィルター処理を行って、前記入力信号のDC成分を抽出するカルマンフィルターと、を含む信号処理装置に関係する。   One aspect of the present invention is a noise estimation unit that estimates observation noise and system noise that dynamically change according to an input signal, and Kalman filtering based on the observation noise and the system noise to obtain the input signal. And a Kalman filter for extracting a DC component of

本発明の一態様によれば、ノイズ推定部が観測ノイズ及びシステムノイズを入力信号に応じて動的に変化させてカルマンフィルターに供給し、カルマンフィルターが、その動的に変化する観測ノイズ及びシステムノイズを受けてカルマンフィルター処理を行う。このように観測ノイズ及びシステムノイズをカルマンフィルターの外部から供給することで、カルマンフィルターの特性を制御でき、過渡応答性や追従性を向上したDC成分の抽出が可能になる。   According to one aspect of the present invention, the noise estimation unit dynamically changes observation noise and system noise in accordance with an input signal and supplies it to the Kalman filter, and the Kalman filter dynamically changes the observation noise and system. Performs Kalman filter processing in response to noise. By supplying observation noise and system noise from the outside of the Kalman filter in this way, it is possible to control the characteristics of the Kalman filter, and it becomes possible to extract a DC component with improved transient response and followability.

また本発明の一態様では、前記ノイズ推定部は、前記入力信号に基づいて前記観測ノイズを推定し、推定した前記観測ノイズに対してゲイン処理を行うことで前記システムノイズを推定してもよい。   In one aspect of the present invention, the noise estimation unit may estimate the system noise by estimating the observation noise based on the input signal and performing gain processing on the estimated observation noise. .

このようにすれば、入力信号に応じて観測ノイズを動的に変化させることができ、その観測ノイズに対するゲイン処理によりシステムノイズを調整できる。これにより、カルマンフィルターを所望の特性となるように制御することが可能となる。   In this way, observation noise can be dynamically changed according to the input signal, and system noise can be adjusted by gain processing on the observation noise. This makes it possible to control the Kalman filter to have a desired characteristic.

また本発明の一態様では、前記ノイズ推定部は、前記入力信号を2乗平均し、前記2乗平均後の信号に対してリミッター処理を行うことで前記観測ノイズを推定してもよい。   In one aspect of the present invention, the noise estimation unit may estimate the observation noise by performing a mean square of the input signal and performing a limiter process on the signal after the mean square.

現実の観測では観測ノイズがゼロとなることはない。この点、本発明の一態様によれば、入力信号から推定した観測ノイズが仮にゼロとなったとしても、リミッター処理により観測ノイズの下限値を制限できるので、ゼロでない観測ノイズをカルマンフィルターに出力できる。   Observation noise does not become zero in real observation. In this respect, according to one aspect of the present invention, even if the observation noise estimated from the input signal becomes zero, the lower limit value of the observation noise can be limited by the limiter processing, so non-zero observation noise is output to the Kalman filter. it can.

また本発明の一態様では、前記ノイズ推定部は、前記カルマンフィルターの収束状態におけるローパスフィルター動作のターゲットカットオフ周波数に基づいて設定されるゲインにより、前記観測ノイズに対して前記ゲイン処理を行ってもよい。   In one aspect of the present invention, the noise estimation unit performs the gain processing on the observation noise with a gain set based on a target cutoff frequency of a low pass filter operation in a convergence state of the Kalman filter. It is also good.

カルマンフィルターが動作を開始してから十分に時間が経過すると、カルマンフィルターはローパスフィルター特性を含むフィルター特性に収束する。この収束状態において、ローパスフィルター特性のカットオフ周波数は、ゲイン処理のゲインにより決定される。即ち、ターゲットカットオフ周波数に基づいてゲインを設定しておくことで、収束状態において所望のカットオフ周波数のローパスフィルター特性を得ることができる。   When sufficient time has passed since the Kalman filter started to operate, the Kalman filter converges on the filter characteristics including the low pass filter characteristics. In this convergence state, the cutoff frequency of the low pass filter characteristic is determined by the gain of gain processing. That is, by setting the gain based on the target cutoff frequency, it is possible to obtain low-pass filter characteristics of a desired cutoff frequency in the convergence state.

また本発明の一態様では、前記ノイズ推定部は、前記入力信号に対してハイパスフィルター処理を行い、前記ハイパスフィルター処理後の信号に基づいて前記観測ノイズを増加させる処理を行ってもよい。   In one aspect of the present invention, the noise estimation unit may perform high-pass filter processing on the input signal and may perform processing to increase the observation noise based on the signal after the high-pass filter processing.

入力信号がDCではなく変動している場合、カルマンフィルターのDC成分の推定精度が低下する。この点、本発明の一態様によれば、ハイパスフィルター処理後の入力信号に基づいて観測ノイズを増加させることで、カルマンゲインが小さくなり、カルマンフィルターが観測値を信頼する度合いを低下させることができる。これにより、DC成分の推定精度を向上できる。   If the input signal is not DC but fluctuates, the estimation accuracy of the DC component of the Kalman filter is reduced. In this respect, according to one aspect of the present invention, by increasing the observation noise based on the input signal after high-pass filter processing, the Kalman gain becomes smaller, and the degree of confidence of the Kalman filter decreases. it can. Thereby, the estimation accuracy of the DC component can be improved.

また本発明の一態様では、前記ノイズ推定部は、前記ハイパスフィルター処理後の信号に対してピークホールド処理を行い、ピークホールド処理後の信号に基づいて前記観測ノイズを増加させてもよい。   In one aspect of the present invention, the noise estimation unit may perform peak hold processing on the signal after the high-pass filter processing, and increase the observation noise based on the signal after the peak hold processing.

入力信号が変動しているとき、ハイパスフィルター処理後の信号がゼロになることがある。信号がゼロのときには観測ノイズが増加しないので観測値の信頼度が上がり、DC成分の推定精度が低下する。この点、本実施形態の一態様によれば、ピークホールド処理によって信号がゼロになることを抑制できるので、入力信号が変動している間は観測ノイズを増加させ、DC成分の推定精度を向上できる。   When the input signal is fluctuating, the signal after high-pass filtering may be zero. When the signal is zero, the observation noise does not increase, so the reliability of the observation value increases and the estimation accuracy of the DC component decreases. In this respect, according to one aspect of the present embodiment, it is possible to suppress that the signal becomes zero by the peak hold processing, so observation noise is increased while the input signal is fluctuating, and the estimation accuracy of the DC component is improved. it can.

本発明の他の態様は、物理量トランスデューサーを駆動する駆動回路と、前記物理量トランスデューサーからの検出信号を受けて、物理量に応じた物理量信号を検出する検出回路と、前記物理量信号を前記入力信号として前記DC成分を抽出する、上記のいずれかに記載の信号処理装置と、を含む検出装置に関係する。   Another aspect of the present invention is a drive circuit for driving a physical quantity transducer, a detection circuit for receiving a detection signal from the physical quantity transducer and detecting a physical quantity signal according to the physical quantity, and the physical quantity signal as the input signal And a signal processing apparatus according to any of the above, which extracts the DC component as

本発明の更に他の態様は、上記に記載の検出装置と、前記物理量トランスデューサーと、を含むセンサーに関係する。   Yet another aspect of the present invention relates to a sensor comprising the detection device described above and the physical quantity transducer.

本発明の更に他の態様は、上記のいずれかに記載の信号処理装置を含む電子機器に関係する。   Yet another aspect of the present invention relates to an electronic device including the signal processing device described in any of the above.

本発明の更に他の態様は、上記のいずれかに記載の信号処理装置を含む移動体に関係する。   Yet another aspect of the present invention relates to a mobile including the signal processing device according to any of the above.

電子機器の基本構成例。The example of basic composition of electronic equipment. 信号処理装置の構成例。The structural example of a signal processing apparatus. 信号処理装置の第1の詳細な構成例。The 1st example of detailed composition of a signal processing device. 信号処理装置の第2の詳細な構成例。The 2nd detailed example of composition of a signal processing device. ピークホールド処理についての説明図。Explanatory drawing about a peak hold process. 信号処理装置の第3の詳細な構成例。The 3rd detailed example of composition of a signal processing device. DC指定値と偏差と最大偏差値についての説明図。Explanatory drawing about DC designated value, deviation, and the maximum deviation value. 信号処理装置の第4の詳細な構成例。The 4th detailed example of composition of a signal processing device. ジャイロセンサーのDCオフセットの温度特性についての説明図。Explanatory drawing about the temperature characteristic of DC offset of a gyro sensor. 温度変化によるDCオフセットの時間変化についての説明図。Explanatory drawing about the time change of DC offset by temperature change. ジャイロセンサーと電子機器の構成例。Configuration example of a gyro sensor and an electronic device. 検出装置の構成例。The structural example of a detection apparatus. 移動体の構成例。Configuration example of a mobile.

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. The present embodiment described below does not unduly limit the contents of the present invention described in the claims, and all the configurations described in the present embodiment are essential as the solution means of the present invention. Not necessarily.

1.信号処理装置
以下、物理量トランスデューサーの物理量信号からDCオフセットを抽出する場合を例にとり、本実施形態の信号処理装置について説明する。なお、物理量トランスデューサーの物理量信号に限らず、入力信号からDC成分を抽出するものであれば本実施形態を適用可能である。
1. Signal Processing Device Hereinafter, the signal processing device of the present embodiment will be described by taking the case of extracting a DC offset from the physical quantity signal of the physical quantity transducer as an example. Note that the present embodiment is applicable not only to the physical quantity signal of the physical quantity transducer, but also to any apparatus for extracting a DC component from the input signal.

図1に、本実施形態の信号処理装置100が適用された電子機器の基本構成例を示す。電子機器は、物理量トランスデューサー15と検出回路60と信号処理装置100と処理部520を有する。   FIG. 1 shows an example of the basic configuration of an electronic device to which the signal processing apparatus 100 of the present embodiment is applied. The electronic device includes the physical quantity transducer 15, the detection circuit 60, the signal processing device 100, and the processing unit 520.

物理量トランスデューサー15は、例えば角速度、加速度、角加速度或いは速度等の物理量を電気信号(電圧、電流)に変換するものである。物理量トランスデューサー15としては、ジャイロセンサーにおける振動子や、加速度センサーなどの種々のデバイス(センサー)を想定できる。検出回路60は、物理量トランスデューサー15からの検出信号TQ(電流信号、電圧信号等)に基づいて、角速度、加速度、角加速度又は速度等の物理量の検出処理(同期検波等)を行って、その物理量に応じた物理量信号PI(検出データ)を信号処理装置100に出力する。   The physical quantity transducer 15 converts physical quantities such as angular velocity, acceleration, angular acceleration, or velocity into an electrical signal (voltage, current). As the physical quantity transducer 15, various devices (sensors) such as a vibrator in a gyro sensor or an acceleration sensor can be assumed. The detection circuit 60 performs detection processing (synchronous detection, etc.) of a physical quantity such as angular velocity, acceleration, angular acceleration or velocity based on the detection signal TQ (current signal, voltage signal, etc.) from the physical quantity transducer 15. A physical quantity signal PI (detection data) corresponding to the physical quantity is output to the signal processing apparatus 100.

信号処理装置100は、物理量信号PIからDC成分DCQを抽出し、そのDC成分DCQを物理量信号PIから減算し、その減算後の信号を出力信号PQ(出力データ)として出力する。図1では、便宜的に減算部を信号処理装置100の外に記載している。DC成分DCQは、物理量信号PIから取り出したい所望の信号成分よりも周波数が低い成分である。例えば物理量トランスデューサー15がジャイロセンサーである場合、物理量信号PIにはオフセットが含まれており、そのオフセットを基準とする変化が実際の信号成分となる。この信号成分の周波数は、ジャイロセンサーが検出した動きの周波数に対応している。オフセットは温度変化等によって時間的に変動するため周波数ゼロではないが、動きの周波数に比べれば低い周波数である。   The signal processing apparatus 100 extracts a DC component DCQ from the physical quantity signal PI, subtracts the DC component DCQ from the physical quantity signal PI, and outputs the signal after subtraction as an output signal PQ (output data). In FIG. 1, the subtraction unit is described outside the signal processing device 100 for convenience. The DC component DCQ is a component whose frequency is lower than a desired signal component desired to be extracted from the physical quantity signal PI. For example, when the physical quantity transducer 15 is a gyro sensor, the physical quantity signal PI includes an offset, and a change based on the offset becomes an actual signal component. The frequency of this signal component corresponds to the frequency of movement detected by the gyro sensor. The offset is not zero frequency because it varies with time due to temperature change etc., but it is a low frequency compared to the motion frequency.

処理部520は、検出装置20からの出力信号PQをそのまま使用する場合もあるが、この出力信号PQの積分処理を行ってその積分結果値を使用する場合がある。物理量トランスデューサー15がジャイロセンサーである場合を例にとると、検出装置20は、振動子からの信号に基づいて角速度データを処理部520に出力する。そして処理部520は、角速度データの積分処理(積算処理)を行って、角度データを求める。信号処理装置100によってDC成分が除かれているため、積分処理を行っても誤差の小さい正確な角度データを得ることができる。   The processing unit 520 may use the output signal PQ from the detection device 20 as it is, but may integrate the output signal PQ and use the integration result value. For example, when the physical quantity transducer 15 is a gyro sensor, the detection device 20 outputs angular velocity data to the processing unit 520 based on the signal from the vibrator. Then, the processing unit 520 performs integration processing (integration processing) of angular velocity data to obtain angle data. Since the DC component is removed by the signal processing apparatus 100, accurate angle data with a small error can be obtained even if integration processing is performed.

さて、本実施形態の第1の比較例として、上述したハイパスフィルターを用いてDC成分を除去する手法が考えられる。しかしながら、DC成分を除去するために、非常に低い周波数にカットオフを設定した場合、ハイパスフィルターが収束するまでに時間が掛かるという課題がある。収束時間を改善するために、ある程度の周波数にカットオフを設定しなければならず、そのため信号の通過帯域が制限されるという課題がある。例えばジャイロセンサーでは、ゆっくりした動きが検出しにくくなってしまう。   Now, as a first comparative example of the present embodiment, a method of removing a DC component using the above-described high pass filter can be considered. However, when the cutoff is set to a very low frequency in order to remove the DC component, there is a problem that it takes time for the high pass filter to converge. In order to improve the convergence time, the cutoff must be set to a certain frequency, which causes a problem that the pass band of the signal is limited. For example, with a gyro sensor, it is difficult to detect slow movement.

第2の比較例として、適応型フィルターを用いて、DC成分による誤差を収束させる手法が考えられる。例えば、ジャイロセンサーとは別の慣性センサーからの情報に基づいて、ジャイロセンサーで測定した角度等の誤差を収束させる。しかしながら、この手法では、適応的にフィルター特性が変わるものの、別の慣性センサーが必要となるという課題がある。   As a second comparative example, a method may be considered in which an error due to a DC component is converged using an adaptive filter. For example, based on information from an inertial sensor other than the gyro sensor, an error such as an angle measured by the gyro sensor is converged. However, although this method adaptively changes the filter characteristics, there is a problem that another inertial sensor is required.

図2に、上記のような課題を解決できる本実施形態の信号処理装置100の構成例を示す。なお、以下では概要を説明し、詳細な構成・動作については後述する。また、以下では物理量トランスデューサー15がジャイロセンサーである場合を例に説明するが、上述したように物理量トランスデューサー15はジャイロセンサーに限定されない。   FIG. 2 shows an example of the configuration of the signal processing apparatus 100 according to the present embodiment that can solve the problems as described above. The outline will be described below, and the detailed configuration and operation will be described later. Furthermore, although the case where the physical quantity transducer 15 is a gyro sensor will be described as an example below, as described above, the physical quantity transducer 15 is not limited to a gyro sensor.

図2に示す信号処理装置100は、ノイズ推定部110とカルマンフィルター120と減算部121を含む。   The signal processing apparatus 100 shown in FIG. 2 includes a noise estimation unit 110, a Kalman filter 120, and a subtraction unit 121.

ノイズ推定部110は、物理量信号PIを入力信号(入力データ)として受けて、その入力信号PIに応じて動的に変化する観測ノイズσmeas及びシステムノイズσsysを推定する。具体的には、ノイズ推定部110は、入力信号PIから観測ノイズσmeas及びシステムノイズσsysを生成し、入力信号PIの値或はその変化に応じて観測ノイズσmeas及びシステムノイズσsysを変化させる。 The noise estimation unit 110 receives the physical quantity signal PI as an input signal (input data), and estimates observation noise σ meas and system noise σ sys dynamically changing according to the input signal PI. Specifically, the noise estimation unit 110 generates observation noise σ meas and system noise σ sys from the input signal PI, and changes observation noise σ meas and system noise σ sys according to the value of the input signal PI or its change. Change.

カルマンフィルター120は、観測ノイズσmeas及びシステムノイズσsysに基づいてカルマンフィルター処理を行って、入力信号PIのDC成分DCQを抽出する。減算部121は、入力信号PIからDC成分DCQを減算し、出力信号PQを出力する。カルマンフィルター処理とは、観測値及びシステムの状態を表す変数にノイズ(誤差)が含まれると仮定し、過去から現在までに取得した観測値を用いてシステムの最適な状態を推定する処理である。本実施形態の場合、観測値はジャイロセンサーの物理量信号PIであり、推定する変数はDC成分DCQである。具体的には、観測更新(観測過程)と時間更新(予測過程)を繰り返し行って状態を推定する。観測更新は、観測値と時間更新の結果を用いてカルマンゲイン、推定値、誤差共分散を更新する過程である。時間更新は、観測更新の結果を用いて、次の時刻での推定値、誤差共分散を予測する過程である。 The Kalman filter 120 performs Kalman filtering based on the observation noise σ meas and the system noise σ sys to extract a DC component DCQ of the input signal PI. The subtraction unit 121 subtracts the DC component DCQ from the input signal PI, and outputs an output signal PQ. Kalman filter processing is processing that estimates the optimal state of the system using observed values acquired from the past to the present, assuming that noise (error) is included in the observation value and the variable representing the state of the system. . In the case of this embodiment, the observed value is the physical quantity signal PI of the gyro sensor, and the variable to be estimated is the DC component DCQ. Specifically, the state is estimated by repeatedly performing observation update (observation process) and time update (prediction process). The observation update is a process of updating the Kalman gain, the estimated value, and the error covariance using the observation value and the time update result. The time update is a process of predicting an estimated value at the next time and an error covariance using the result of the observation update.

一般的なカルマンフィルターでは、誤差共分散の初期値及びシステムノイズを既知のものとして予め与えておく。誤差共分散は観測更新や時間更新により値が更新されていく。このように、一般的なカルマンフィルターでは、更新の繰り返しの途中で新たに観測ノイズやシステムノイズが外部から与えられるものではない。   In a general Kalman filter, initial values of error covariance and system noise are given in advance as known ones. The error covariance is updated by observation update and time update. As described above, in the general Kalman filter, observation noise and system noise are not newly given from the outside in the middle of repeated updating.

一方、本実施形態では観測ノイズσmeas及びシステムノイズσsysを動的に変化させ、カルマンフィルター120に外部から供給する。下式(6)〜(10)で後述するように、観測ノイズσmeas及びシステムノイズσsysはカルマンゲインg(k)等の内部変数に影響を与える。即ち、観測ノイズσmeas及びシステムノイズσsysを制御することでカルマンフィルター120のフィルター特性を制御できることを意味している。本実施形態では、これを利用することで、ジャイロセンサーの物理量信号PIのDC成分が変化していないときには通過帯域を低周波数にしておき、信号成分の通過帯域を低周波側に広げることができる。また、DC成分が変化したときには観測ノイズσmeas及びシステムノイズσsysを変化させて通過帯域を広げ、DC成分の変化に追従させることができる。このようにして、新たな慣性センサーを追加することなく、物理量信号PIの変化に対する過渡応答性や、DC成分の変化に対する追従性を向上できる。 On the other hand, in the present embodiment, the observation noise σ meas and the system noise σ sys are dynamically changed and supplied to the Kalman filter 120 from the outside. As described later in Equations (6) to (10) below, the observation noise σ meas and the system noise σ sys affect internal variables such as the Kalman gain g (k). That is, it means that the filter characteristics of the Kalman filter 120 can be controlled by controlling the observation noise σ meas and the system noise σ sys . In this embodiment, by using this, when the DC component of the physical quantity signal PI of the gyro sensor is not changed, the pass band can be set to a low frequency, and the pass band of the signal component can be extended to the low frequency side. . In addition, when the DC component changes, the observation noise σ meas and the system noise σ sys can be changed to widen the pass band and follow the change of the DC component. In this way, it is possible to improve the transient response to the change of the physical quantity signal PI and the followability to the change of the DC component without adding a new inertial sensor.

具体的には、図3で後述するように、ノイズ推定部110は、入力信号PIに基づいて観測ノイズσmeasを推定し、その推定した観測ノイズσmeasに対してゲイン処理を行うことでシステムノイズσsysを推定する。 Specifically, as described later with reference to FIG. 3, the noise estimation unit 110 estimates the observation noise σ meas based on the input signal PI, and performs a gain process on the estimated observation noise σ meas . Estimate the noise σ sys .

このようにすれば、入力信号PIに応じて観測ノイズσmeas及びシステムノイズσsysを動的に変化させることができ、カルマンフィルター120の特性を入力信号PIに応じて制御できる。また、ゲイン処理のゲインを変更することでシステムノイズσsysを調整できるので、それによってカルマンフィルター120を所望の特性となるように制御することが可能である。 In this way, the observation noise σ meas and the system noise σ sys can be dynamically changed according to the input signal PI, and the characteristics of the Kalman filter 120 can be controlled according to the input signal PI. In addition, since the system noise σ sys can be adjusted by changing the gain of the gain processing, it is possible to control the Kalman filter 120 so as to have a desired characteristic.

より具体的には、ノイズ推定部110は、カルマンフィルター120の収束状態におけるローパスフィルター動作のターゲットカットオフ周波数に基づいて設定されるゲインにより、観測ノイズσmeasに対してゲイン処理を行う。 More specifically, the noise estimation unit 110 performs gain processing on the observation noise σ meas with a gain set based on the target cutoff frequency of the low-pass filter operation in the convergence state of the Kalman filter 120.

カルマンフィルター120が動作を開始してから十分に時間が経過すると、下式(14)等に示すようにカルマンゲイン等の内部変数が一定値に収束し、カルマンフィルター120はローパスフィルター特性を含むフィルター特性に収束する。この収束状態において、ローパスフィルターのカットオフ周波数fは、下式(17)〜(19)に示すようにゲインGA1により決定される。逆に言えば、所望のカットオフ周波数fが得られるようにゲインGA1を設定しておくことで、カルマンフィルター120が収束状態となったときに、その所望のカットオフ周波数fのローパスフィルター特性を得ることができる。 When time passes sufficiently after the Kalman filter 120 starts to operate, as shown in the following equation (14) etc., an internal variable such as the Kalman gain converges to a constant value, and the Kalman filter 120 is a filter including low pass filter characteristics Converge on the characteristic. In this convergence state, the cutoff frequency f c of the low pass filter is determined by the gain GA1 as shown in the following equations (17) to (19). Conversely, by setting the gain GA1 to obtain the desired cutoff frequency f c , when the Kalman filter 120 is in the convergence state, a low pass filter of the desired cutoff frequency f c Characteristics can be obtained.

本実施形態ではカルマンフィルター120を用いることで、収束状態において例えば0.1mHz程度の非常に低いカットオフ周波数を得ることができる。これにより、ジャイロセンサーの物理量信号PIから非常に低周波数の成分のみをDC成分DCQとして抽出でき、そのDC成分DCQを減算することで、低周波側の帯域を損なうことなく動きの信号成分を出力信号PQとして出力できる。   In the present embodiment, by using the Kalman filter 120, it is possible to obtain a very low cutoff frequency of, for example, about 0.1 mHz in the convergence state. As a result, only very low frequency components can be extracted as DC components DCQ from the physical quantity signal PI of the gyro sensor, and by subtracting the DC components DCQ, motion signal components can be output without losing the low frequency band. It can be output as the signal PQ.

図3で後述するように、ノイズ推定部110は、入力信号PIを2乗平均し、その2乗平均後の信号に対してリミッター処理を行うことで観測ノイズσmeasを推定する。 As will be described later with reference to FIG. 3, the noise estimation unit 110 estimates the observation noise σ meas by subjecting the input signal PI to the mean square and performing a limiter process on the signal after the mean square.

例えば図3では、2乗平均の際に非常に低い周波数のローパスフィルター133で平滑化を行い、物理量信号PIから動きの信号成分を除去するので、ノイズ成分の2乗平均を残すことができる。このように、入力信号PIを2乗平均することで、入力信号PIから観測ノイズσmeasを抽出できる。 For example, in FIG. 3, since smoothing is performed with a very low frequency low pass filter 133 at the time of root mean square to remove the signal component of motion from the physical quantity signal PI, the root mean square noise component can be left. As described above, the observation noise σ meas can be extracted from the input signal PI by squaring the input signal PI.

仮に観測ノイズσmeasがゼロになった場合には、下式(8)から分るようにカルマンゲインg(k)=1となり、下式(9)から分るように推定値x(k)=観測値y(k)となってカルマンフィルター120は観測値y(k)をそのまま出力してしまう。しかしながら、実際には観測ノイズσmeasがゼロであることはない。この点、本実施形態ではリミッター処理により観測ノイズσmeasをゼロより大きい値に制限できる。例えば、最小限の観測ノイズとして、ジャイロセンサーの出力信号TQをA/D変換したときの量子化ノイズが考えられるので、その量子化ノイズを見積もった値をリミット値に設定しておけばよい。 If the observation noise σ meas becomes zero, the Kalman gain g (k) = 1, as can be seen from the following equation (8), and the estimated value x (k), as can be understood from the following equation (9) As the observation value y (k), the Kalman filter 120 outputs the observation value y (k) as it is. However, in practice, the observation noise σ meas is never zero. In this respect, in the present embodiment, the observation noise σ meas can be limited to a value larger than zero by limiter processing. For example, since the quantization noise when A / D-converting the output signal TQ of the gyro sensor is considered as the minimum observation noise, a value obtained by estimating the quantization noise may be set as the limit value.

また図4で後述するように、ノイズ推定部110は、入力信号PIに対してハイパスフィルター処理を行い、そのハイパスフィルター処理後の信号に基づいて観測ノイズσmeasを増加させる処理を行う。即ち、第2の推定部140が、ハイパスフィルター処理後の入力信号PIから生成した信号を観測ノイズσmeasに加算することで、観測ノイズσmeasを増加させる。 Further, as described later with reference to FIG. 4, the noise estimation unit 110 performs high-pass filter processing on the input signal PI, and performs processing of increasing the observation noise σ meas based on the signal after the high-pass filter processing. That is, the second estimation unit 140, by adding the signals generated from the input signal PI after high-pass filtering the observation noise sigma meas, increase the observed noise sigma meas.

ジャイロセンサーが動きを検出した場合、入力信号PIの値が変動してDCではなくなるため、DC成分を抽出するという目的において観測値の信頼性が低下する。このとき、ハイパスフィルター処理後の入力信号PIに基づいて観測ノイズσmeasを増加させることで、下式(8)から分るように、カルマンゲインg(k)を小さくできる。下式(9)から分るように、カルマンゲインg(k)が小さくなると、カルマンフィルター120は過去の推定値x-(k)を信頼する。即ち、ジャイロセンサーの物理量信号PIがDCでない場合には、観測値である物理量信号PIの信頼度を下げて、真値に近いと考えられる過去の推定値をDC成分DCQとして出力できる。 When the gyro sensor detects a motion, the value of the input signal PI fluctuates and becomes not DC, so the reliability of the observed value decreases for the purpose of extracting the DC component. At this time, by increasing the observation noise σ meas based on the input signal PI after the high-pass filter processing, the Kalman gain g (k) can be reduced as can be understood from the following equation (8). As understood from the following equation (9), when the Kalman gain g (k) becomes smaller, the Kalman filter 120 trusts the past estimated value x (k). That is, when the physical quantity signal PI of the gyro sensor is not DC, the reliability of the physical quantity signal PI which is the observed value is lowered, and the past estimated value considered to be close to the true value can be output as the DC component DCQ.

具体的には、ノイズ推定部110は、ハイパスフィルター処理後の信号に対してピークホールド処理を行い、そのピークホールド処理後の信号に基づいて観測ノイズσmeasを増加させる。 Specifically, the noise estimation unit 110 performs peak hold processing on the signal after the high-pass filter processing, and increases the observation noise σ meas based on the signal after the peak hold processing.

上述のように、ジャイロセンサーが動きを検出した場合にはカルマンフィルター120に過去の推定値を信頼させることでDC成分の推定精度を向上できる。このとき、ピークホールド処理を行うことで更に精度良くDC成分を推定できる。   As described above, when the gyro sensor detects a motion, the estimation accuracy of the DC component can be improved by making the Kalman filter 120 rely on the past estimated value. At this time, the DC component can be more accurately estimated by performing the peak hold process.

例えば図4ではハイパスフィルター処理後の信号を2乗平均し、その2乗平均後の信号に対してピークホールド処理を行う。図5に示すように、ハイパスフィルター処理後の信号がゼロのときには2乗平均後の信号もゼロとなる。このような信号に基づいて観測ノイズσmeasを増加させると、信号がゼロのときには観測ノイズσmeasが増加しないことになり、下式(8)から分るように、カルマンゲインg(k)が大きくなる。そうすると、下式(9)から分るように、カルマンフィルター120は信頼性が低い観測値y(k)を信頼してしまい、不正確なDC成分が出力される可能性がある。 For example, in FIG. 4, the signal after high-pass filter processing is subjected to the square average, and the peak hold processing is performed on the signal after the square average. As shown in FIG. 5, when the signal after the high-pass filter processing is zero, the signal after the root mean square also becomes zero. Increasing the observation noise sigma meas Based on such signal, the signal becomes the observation noise sigma meas is at zero does not increase, as can be seen from the following equation (8), Kalman gain g (k) is growing. Then, as understood from the following equation (9), the Kalman filter 120 may rely on the unreliable observed value y (k), and an incorrect DC component may be output.

この点、本実施形態ではピークホールド処理を行うことで、2乗平均後の信号がゼロとなることを抑制できる。そして、その信号を用いて観測ノイズσmeasを増加させることで、ジャイロセンサーが動きを検出しているときにはカルマンフィルター120に過去の推定値を信頼させてDC成分の推定精度を向上できる。 In this respect, by performing the peak hold process in the present embodiment, it is possible to suppress that the signal after the mean square becomes zero. Then, by increasing the observation noise σ meas using the signal, it is possible to improve the estimation accuracy of the DC component by making the Kalman filter 120 reliable in the past estimated value when the movement of the gyro sensor is detected.

2.信号処理装置の第1の詳細構成
次に、信号処理装置の詳細な構成・動作について説明する。図3に、信号処理装置100の第1の詳細な構成例を示す。信号処理装置100は、ノイズ推定部110、カルマンフィルター120、ローパスフィルター171、遅延部172、ローパスフィルター173、減算部121を含む。
2. First Detailed Configuration of Signal Processing Device Next, the detailed configuration and operation of the signal processing device will be described. FIG. 3 shows a first detailed configuration example of the signal processing device 100. As shown in FIG. The signal processing apparatus 100 includes a noise estimation unit 110, a Kalman filter 120, a low pass filter 171, a delay unit 172, a low pass filter 173, and a subtraction unit 121.

カルマンフィルター120は、遅延部172から入力される入力信号を観測値として、線形カルマンフィルターによりDC成分を抽出する。線形カルマンフィルターの基本的な式は下式(1)〜(5)となる。
The Kalman filter 120 extracts a DC component by a linear Kalman filter, using the input signal input from the delay unit 172 as an observation value. The basic formulas of the linear Kalman filter are the following formulas (1) to (5).

上式(1)、(2)は時間更新(予測過程)の式であり、上式(3)〜(5)は観測更新(観測過程)の式である。kは離散的な時間を表し、kが1つ進む度に時間更新及び観測更新が1回行われる。x(k)はカルマンフィルター120の推定値であり、x-(k)は観測値を得る前に予測した事前推定値である。P(k)はカルマンフィルター120の誤差共分散であり、P-(k)は観測値を得る前に予測した誤差共分散である。y(k)は観測値である。σsys(k)はシステムノイズであり、σmeas(k)は観測ノイズである。Aは係数行列であり、b、cは係数ベクトルである。A、b、cはシステムをモデリングした状態空間モデルに応じて決まる。 The above equations (1) and (2) are equations of time update (prediction process), and the above equations (3) to (5) are equations of observation update (observation process). k represents a discrete time, and one time update and one observation update are performed each time k goes forward. x (k) is an estimate of the Kalman filter 120, x - (k) is the pre-estimated value predicted prior to obtaining observations. P (k) is the error covariance of the Kalman filter 120, P - (k) is the error covariance predicted prior to obtaining observations. y (k) is an observation value. σ sys (k) is system noise, and σ meas (k) is observation noise. A is a coefficient matrix, and b and c are coefficient vectors. A, b and c depend on the state space model that models the system.

本実施形態では1次の線形モデルなので、A=b=c=1であり、上式(1)〜(5)は下式(6)〜(10)となる。
Since this embodiment is a linear linear model in the present embodiment, A = b = c = 1, and the above equations (1) to (5) become the following equations (6) to (10).

カルマンフィルター120は、1つ前の時間k−1に更新した推定値x(k−1)と誤差共分散P(k−1)を記憶している。そして、現在の時間kにおいて観測値y(k)と観測ノイズσmeas(k)とシステムノイズσsys(k)を受付け、それらを用いて上式(6)〜(10)の時間更新及び観測更新を実行し、推定値x(k)をDC成分として出力する。 The Kalman filter 120 stores the estimated value x (k-1) and the error covariance P (k-1) updated at the previous time k-1. Then, at the current time k, the observation value y (k), the observation noise σ meas (k) and the system noise σ sys (k) are received, and using them, the time update and observation of the above equations (6) to (10) Update is performed, and the estimated value x (k) is output as a DC component.

ローパスフィルター171は、ジャイロセンサーからの物理量信号の周波数(例えば15kHz)をカルマンフィルター120の動作周波数(例えば100Hz)まで下げるデシメーションフィルターである。動作周波数は、カルマンフィルター120の入力サンプリング周波数であり、内部演算の周波数とは異なる。このフィルターにより、カルマンフィルター120に入力される信号の折り返しを防ぐことができる。急峻な減衰特性を必要としないので、例えば1次ローパスフィルターで構成する。カットオフ周波数は、例えばカルマンフィルター120の動作周波数の1/4〜1/6程度に設定する。   The low pass filter 171 is a decimation filter that lowers the frequency (for example, 15 kHz) of the physical quantity signal from the gyro sensor to the operating frequency (for example, 100 Hz) of the Kalman filter 120. The operating frequency is the input sampling frequency of the Kalman filter 120, which is different from the frequency of the internal operation. This filter can prevent the aliasing of the signal input to the Kalman filter 120. Since a steep attenuation characteristic is not required, for example, a first-order low pass filter is used. The cutoff frequency is set to, for example, about 1/4 to 1/6 of the operating frequency of the Kalman filter 120.

遅延部172は、ノイズ推定部110の演算で遅延する時間と同じ時間だけ、カルマンフィルター120の入力信号を遅延させる。例えば、ノイズ推定部110で1ステップ遅延する場合、遅延部172も1ステップだけ入力信号を遅延させるので、観測ノイズσmeas及びシステムノイズσsysのタイミングと入力信号のタイミングを一致させることができる。 The delay unit 172 delays the input signal of the Kalman filter 120 by the same time as the time delayed by the calculation of the noise estimation unit 110. For example, when the noise estimation unit 110 delays by one step, the delay unit 172 also delays the input signal by one step, so that the timing of the observation noise σ meas and the system noise σ sys can be matched with the timing of the input signal.

ローパスフィルター173は、カルマンフィルター120の最終出力のフィルタリング処理を行う。基本的にはカルマンフィルター120はDC値を出力するはずなので、ローパスフィルター173には低いカットオフ周波数(例えば0.1Hz)を設定する。また、ローパスフィルター173は、カルマンフィルター120の動作周波数(例えば100Hz)をジャイロセンサーの物理量信号の周波数(例えば15kHz)にアップサンプリングする補間フィルターである。   The low pass filter 173 performs a filtering process on the final output of the Kalman filter 120. Basically, the Kalman filter 120 should output a DC value, so the low pass filter 173 is set to a low cutoff frequency (eg, 0.1 Hz). The low pass filter 173 is an interpolation filter that upsamples the operating frequency (for example, 100 Hz) of the Kalman filter 120 to the frequency (for example, 15 kHz) of the physical quantity signal of the gyro sensor.

ノイズ推定部110は、ローパスフィルター171により処理された入力信号PIに基づいて、動的に変化する観測ノイズσmeas及びシステムノイズσsysを生成する。具体的には、ノイズ推定部110は第1の推定部130を含む。第1の推定部130は、ハイパスフィルター131と2乗処理部132とローパスフィルター133とリミッター134とゲイン処理部135を含む。 The noise estimation unit 110 generates a dynamically changing observation noise σ meas and a system noise σ sys based on the input signal PI processed by the low pass filter 171. Specifically, the noise estimation unit 110 includes a first estimation unit 130. The first estimation unit 130 includes a high pass filter 131, a square processing unit 132, a low pass filter 133, a limiter 134, and a gain processing unit 135.

ハイパスフィルター131は、ローパスフィルター171からの信号を受けて、その信号からDC成分を除去する。後段で2乗平均を行うので、DC成分を除去しておくことで、DC成分が2乗されて観測ノイズσmeasの誤差となることを防止できる。 The high pass filter 131 receives the signal from the low pass filter 171 and removes the DC component from the signal. Since the root mean square is performed in the latter stage, removing the DC component can prevent the DC component from being squared and becoming an error of the observation noise σ meas .

2乗処理部132は、ハイパスフィルター131からの信号を2乗する。ローパスフィルター133は、2乗処理部132により2乗された信号をフィルタリングし、2乗平均を求める。この2乗平均により信号のノイズ成分が抽出される。基本的に、出力はDC値であり、カットオフ周波数は極めて低い値に設定する。例えば、ジャイロセンサーが検出する動きの信号成分の周波数よりも十分に低いカットオフ周波数を設定する。こうすることで、信号に含まれるノイズ成分のみを抽出できる。   The square processing unit 132 squares the signal from the high pass filter 131. The low pass filter 133 filters the signal squared by the square processing unit 132 to obtain a square average. The noise component of the signal is extracted by this root mean square. Basically, the output is a DC value and the cutoff frequency is set to a very low value. For example, the cutoff frequency is set sufficiently lower than the frequency of the motion signal component detected by the gyro sensor. By doing this, only noise components included in the signal can be extracted.

リミッター134は、ローパスフィルター133からの信号に対してリミット処理を行い、リミット処理後の信号を観測ノイズσmeasの分散(2乗)として出力する。具体的には、ローパスフィルター133からの信号が下限値以下である場合には出力を下限値にリミットし、ローパスフィルター133からの信号が下限値よりも大きい場合には、その信号をそのまま出力する。信号処理装置100の前段にはA/D変換部(図12のA/D変換回路66)が設けられている。ノイズ成分は、A/D変換部の量子化ノイズを下回る事はありえないので、ローパスフィルター133の出力に対して例えば0.25degitの下限値を設ける。 The limiter 134 performs limit processing on the signal from the low pass filter 133, and outputs the signal after the limit processing as a variance (square of the observation noise σ meas ). Specifically, when the signal from low pass filter 133 is below the lower limit, the output is limited to the lower limit, and when the signal from low pass filter 133 is larger than the lower limit, the signal is output as it is. . An A / D conversion unit (A / D conversion circuit 66 in FIG. 12) is provided at the front stage of the signal processing apparatus 100. Since the noise component can never fall below the quantization noise of the A / D converter, a lower limit value of, for example, 0.25 degit is provided to the output of the low pass filter 133.

ゲイン処理部135は、リミッター134からの観測ノイズσmeasの分散に対して一定のゲインGA1を乗算し、システムノイズσsysの分散(2乗)を求める。ゲインGA1は、下式(19)のように設定する。下式(19)の導出手法について以下に説明する。 The gain processing unit 135 multiplies the variance of the observation noise σ meas from the limiter 134 by a constant gain GA 1 to obtain the variance (square) of the system noise σ sys . The gain GA1 is set as shown in the following equation (19). The derivation method of the following equation (19) will be described below.

まず、十分に時間が経過した状態での観測ノイズσmeasとシステムノイズσsysの関係を求める。十分に時間が経過した状態はk=∞の状況を想定すればよく、事前誤差共分散P-(k)が一定値に収束しているとすると、下式(11)が成り立つ。事前誤差共分散P-(k)の収束値をpとしている。
First, the relationship between the observation noise σ meas and the system noise σ sys in a state where a sufficient time has elapsed is obtained. The state in which the time has sufficiently passed may be assumed to be k = k, and assuming that the prior error covariance P (k) converges to a constant value, the following equation (11) holds. Pre-error covariance P - the convergence value of (k) is set to p 0.

上式(7)、(10)に上式(11)を適用すると、下式(12)となる。
When the above equation (11) is applied to the above equations (7) and (10), the following equation (12) is obtained.

また、上式(8)に上式(11)を適用すると、下式(13)となる。
Further, when the above equation (11) is applied to the above equation (8), the following equation (13) is obtained.

上式(12)、(13)を連立方程式としてカルマンゲインg(k)について解くと、下式(14)となる。下式(14)では、収束状態k=∞におけるカルマンゲインg(k)をgとしている。また右辺の近似では、カルマンフィルター120の収束状態では通過帯域が非常に低いためσsys<<σmeasが成り立つと仮定している。
When the above equations (12) and (13) are solved for the Kalman gain g (k) as simultaneous equations, the following equation (14) is obtained. In the following equation (14), the Karman gain g (k) in the convergence state k = ∞ is g. In the approximation on the right side, it is assumed that σ sys << σ meas holds because the passband is very low in the convergence state of the Kalman filter 120.

上式(14)から分るように、収束状態においてカルマンゲインgはシステムノイズσsysと観測ノイズσmeasの比になる。即ち、σsys =gσmeas となり、ゲインGA1=gであることが分る。DC成分を抽出するための所望のフィルター特性とカルマンゲインgとの関係が分かれば、その所望のフィルター特性が得られるようにゲインGA1を設定できる。 As understood from the above equation (14), the Kalman gain g becomes a ratio of the system noise σ sys and the observation noise σ meas in the convergence state. That is, it can be seen that σ sys 2 = g 2 σ meas 2 and gain GA 1 = g 2 . If the relationship between the desired filter characteristic for extracting the DC component and the Kalman gain g is known, the gain GA1 can be set so as to obtain the desired filter characteristic.

所望のフィルター特性とカルマンゲインgとの関係を知るために、収束状態におけるカルマンフィルター120の伝達特性を求める。上式(6)、(9)より伝達関数H(z)は下式(15)となる。カルマンフィルター120は、現状の推定される誤差に基づいて、理論的に最適なフィルターに構成を変更し続けるのが特徴であり、常に下式(15)の伝達関数に従うわけではない。下式(15)は、あくまでも時間が経過したときの最終的な伝達関数である。
In order to know the relationship between the desired filter characteristics and the Kalman gain g, the transfer characteristics of the Kalman filter 120 in the convergence state are determined. From the above equations (6) and (9), the transfer function H (z) becomes the following equation (15). The Kalman filter 120 is characterized by continuing to change the configuration to the theoretically optimal filter based on the current estimated error, and does not always follow the transfer function of the following equation (15). The following equation (15) is the final transfer function when time passes.

上式(15)に双一次変換を適用すると、下式(16)となる。
When the bilinear transformation is applied to the above equation (15), the following equation (16) is obtained.

上式(16)の分母を見ると、伝達関数がローパスフィルター特性を含むことが分る。そのローパスフィルター特性のカットオフ周波数fは、下式(17)である。fは、カルマンフィルター120のサンプリング周波数(動作周波数)である。
Looking at the denominator of equation (16) above, it can be seen that the transfer function includes low-pass filter characteristics. The cut-off frequency f c of the low pass filter characteristic is the following equation (17). f s is the sampling frequency (operating frequency) of the Kalman filter 120.

上式(17)をカルマンゲインgについて解くと、下式(18)となる。下式(18)の右辺の近似では、f<<fとした。
When the above equation (17) is solved for the Kalman gain g, the following equation (18) is obtained. In the approximation of the right side of the following equation (18), f c << f s .

上式(18)より、ゲインGA1=gは下式(19)のように求まる。
From the above equation (18), the gain GA1 = g 2 are determined in the following equation (19).

上式(19)において、収束状態で最終的に得たい所望のカットオフ周波数(ターゲットカットオフ周波数)をfに設定する。このようなゲインGA1を設定することで、十分な時間が経過したときにカルマンフィルター120が上式(16)のようなローパスフィルターとして振る舞い、カットオフ周波数がfに収束しようとする。 In the above equation (19), a desired cut-off frequency (target cut-off frequency) to be finally obtained in the convergence state is set to fc . By setting such a gain GA1, the Kalman filter 120 acts as a low pass filter as shown in the above equation (16) when a sufficient time has elapsed, and the cutoff frequency tries to converge on f c .

3.信号処理装置の第2の詳細構成
図4に、信号処理装置100の第2の詳細な構成例を示す。信号処理装置100は、ノイズ推定部110、カルマンフィルター120、ローパスフィルター171、遅延部172、ローパスフィルター173、減算部121を含む。なお、第1の詳細な構成例と同一の構成要素については同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
3. Second Detailed Configuration of Signal Processing Device FIG. 4 shows a second detailed configuration example of the signal processing device 100. As shown in FIG. The signal processing apparatus 100 includes a noise estimation unit 110, a Kalman filter 120, a low pass filter 171, a delay unit 172, a low pass filter 173, and a subtraction unit 121. The same components as those in the first detailed configuration example are denoted by the same reference numerals, and the description will be appropriately omitted.

ノイズ推定部110は、上述した第1の推定部130と、ジャイロセンサーの物理量信号から抽出したAC成分(動きの成分)に基づいて観測ノイズσmeasを動的に変化させる第2の推定部140を含む。 The noise estimation unit 110 dynamically changes the observation noise σ meas based on the first estimation unit 130 described above and the AC component (motion component) extracted from the physical quantity signal of the gyro sensor. including.

具体的には、第2の推定部140は、ピークホールド部141と加算部142を含む。   Specifically, the second estimation unit 140 includes a peak hold unit 141 and an addition unit 142.

ピークホールド部141は、第1の推定部130のハイパスフィルター131と2乗処理部132を通過したAC成分の信号を受けて、その信号をピークホールドする。ハイパスフィルター131は、ジャイロセンサーが検出する動きの信号を通過させるために応答性が重要なので、カットオフ周波数を低くしすぎないことが必要である。例えば、カットオフ周波数は10Hz程度に設定する。ピークホールド処理は、例えば、過去の信号と現在の信号を比較し、大きい方の信号をホールドする処理である。図5に示すように、ホールドしている信号を現在の信号が一定の期間(ホールド期間)超えない場合には、ホールドを止めて現在の信号を出力する。   The peak hold unit 141 receives the AC component signal that has passed through the high pass filter 131 and the square processing unit 132 of the first estimation unit 130, and peak holds the signal. The high-pass filter 131 needs to have a cut-off frequency not too low because the response is important in order to pass the motion signal detected by the gyro sensor. For example, the cutoff frequency is set to about 10 Hz. The peak hold process is, for example, a process of comparing a past signal and a current signal and holding the larger signal. As shown in FIG. 5, when the current signal does not exceed the signal being held for a certain period (hold period), the hold is stopped and the current signal is output.

加算部142は、ピークホールド部141からの信号と第1の推定部130からの観測ノイズσmeasとを加算し、その加算後の信号をカルマンフィルター120へ出力する。ジャイロセンサーが検出した動きが大きいほど、ピークホールド部141からの信号も大きくなるため、動きが大きいほど観測ノイズσmeasが増加する。観測ノイズσmeasを増加させると、上式(8)から分かるようにカルマンゲインg(k)が小さくなり、上式(9)から分かるように観測値y(k)のウエイトを下げて推定値x(k)を算出できる。これにより、動きのAC成分が大きいほど観測値y(k)の影響を低下させて、より精度の高いDC成分を抽出できる。 The addition unit 142 adds the signal from the peak hold unit 141 and the observation noise σ meas from the first estimation unit 130, and outputs the signal after the addition to the Kalman filter 120. As the movement detected by the gyro sensor is larger, the signal from the peak hold unit 141 is also larger. Therefore , as the movement is larger, the observation noise σ meas increases. As the observation noise σ meas increases, the Kalman gain g (k) decreases as can be seen from the above equation (8), and the weight of the observed value y (k) is lowered to estimate the estimated value as can be seen from the above equation (9) x (k) can be calculated. Thereby, the influence of the observation value y (k) is reduced as the AC component of the motion is larger, and the DC component with higher accuracy can be extracted.

ピークホールドを行う理由を説明する。図5に示すように、ジャイロセンサーが動きを検出してハイパスフィルター131の出力が激しく振動している場合、その出力を2乗した2乗処理部132の出力には、ゼロに落ち込む瞬間がある事が分かる。その瞬間では、信号にAC成分があるにも関わらず観測ノイズσmeasに加算されないため、観測値y(k)のウエイトを下げることができない。そのため、AC成分が乗った観測値y(k)が推定値x(k)にある程度影響してしまい、DC成分の推定精度を低下させてしまう。 The reason for performing peak hold will be described. As shown in FIG. 5, when the gyro sensor detects motion and the output of the high-pass filter 131 vibrates violently, the output of the square processing unit 132 obtained by squaring the output has a moment when it drops to zero. I know the thing. At that moment, the weight of the observation value y (k) can not be reduced because it is not added to the observation noise σ meas despite the AC component in the signal. Therefore, the observed value y (k) on which the AC component is applied affects the estimated value x (k) to some extent, and the estimation accuracy of the DC component is lowered.

この点、ピークホールド処理により、観測ノイズσmeasに加算する信号がゼロになる事を防ぐことができる。ホールド時間は、例えばカルマンフィルター120の動作サイクル数で設定し、実験結果等に基づいて適切な時間を決めればよい。例えば、数10サイクルに設定する。 In this regard, peak hold processing can prevent the signal to be added to the observation noise σ meas from becoming zero. The hold time may be set, for example, by the number of operation cycles of the Kalman filter 120, and an appropriate time may be determined based on experimental results and the like. For example, several tens of cycles are set.

4.信号処理装置の第3の詳細構成
図6に、信号処理装置100の第3の詳細な構成例を示す。信号処理装置100は、ノイズ推定部110、カルマンフィルター120、ローパスフィルター171、遅延部172、ローパスフィルター173、減算部175、加算部176、記憶部177、読み出し部178、コンパレーター180、減算部121を含む。なお、第1及び第2の詳細な構成例と同一の構成要素については同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
4. Third Detailed Configuration of Signal Processing Device FIG. 6 shows a third detailed configuration example of the signal processing device 100. As shown in FIG. The signal processing apparatus 100 includes a noise estimation unit 110, a Kalman filter 120, a low pass filter 171, a delay unit 172, a low pass filter 173, a subtraction unit 175, an addition unit 176, a storage unit 177, a reading unit 178, a comparator 180, and a subtraction unit 121. including. The same components as those in the first and second detailed configuration examples will be assigned the same reference numerals and descriptions thereof will be omitted as appropriate.

記憶部177は、図7に示すような温度とDC指定値(おおよそのDC値)を対応付けたオフセットテーブルを記憶している。DC指定値は、温度特性を温度の2次関数で近似した、偏差の中心値である。記憶部177は、例えば不揮発性メモリー(例えばEPROM)等で構成される。読み出し部178は、温度センサー190からの検出信号TSに基づいてオフセットテーブルを参照し、検出温度に対応するDC指定値を出力する。減算部175は、ローパスフィルター171の出力信号からDC指定値を減算し、その減算後の信号を遅延部172とノイズ推定部110へ出力する。加算部176は、カルマンフィルター120の出力信号とDC指定値とを加算し、その加算後の信号をローパスフィルター173へ出力する。   The storage unit 177 stores an offset table in which the temperature and the DC designated value (approximate DC value) as illustrated in FIG. 7 are associated with each other. The designated DC value is a central value of deviation obtained by approximating the temperature characteristic by a quadratic function of temperature. The storage unit 177 includes, for example, a non-volatile memory (for example, an EPROM). The reading unit 178 refers to the offset table based on the detection signal TS from the temperature sensor 190, and outputs a DC designated value corresponding to the detected temperature. Subtraction unit 175 subtracts the DC designation value from the output signal of low pass filter 171, and outputs the signal after subtraction to delay unit 172 and noise estimation unit 110. The addition unit 176 adds the output signal of the Kalman filter 120 and the DC designation value, and outputs the signal after the addition to the low pass filter 173.

以上により、カルマンフィルター120とノイズ推定部110は、DC指定値を減算した後の入力信号に対して処理を行うことになる。これは、予想されるおおよそのDC値を予め与えることに相当する。このようにすることで、DC推定の収束性を高め、変動が激しいDC推定が困難な状況でも、かけ離れたDC値で推定することを防止し、信頼性を向上することが可能となる。一旦、かけ離れたDC値で推定すると、カルマンフィルター120の時定数(例えば、カットオフ周波数0.1mHzの逆数)が非常に長いため、本来の推定値に戻るのに過大な時間を要する可能性があるが、本実施形態ではこれを防止できる。   As described above, the Kalman filter 120 and the noise estimation unit 110 perform processing on the input signal after subtracting the DC designation value. This corresponds to pre-approximating the expected DC value. By doing this, it is possible to improve the convergence of DC estimation, to prevent estimation with far apart DC values even in a situation where DC estimation with severe fluctuations is difficult, and to improve reliability. Once estimated with far-off DC values, the time constant of the Kalman filter 120 (eg, the inverse of the cutoff frequency of 0.1 mHz) may be very long, so it may take an excessive amount of time to return to the original estimate. Although this is possible, this can be prevented in the present embodiment.

ノイズ推定部110は、上述した第1の推定部130及び第2の推定部140と、DC指定値からの離れ度合いに応じて観測ノイズσmeasを動的に変化させる第3の推定部150を含む。 The noise estimation unit 110 includes the first estimation unit 130 and the second estimation unit 140 described above, and the third estimation unit 150 for dynamically changing the observation noise σ meas according to the degree of separation from the DC designated value. Including.

具体的には、第3の推定部150は、絶対値算出部151とゲイン処理部152とリミッター153と乗算部154を含む。   Specifically, the third estimation unit 150 includes an absolute value calculation unit 151, a gain processing unit 152, a limiter 153, and a multiplication unit 154.

記憶部177は、ゲイン処理部152で用いる指定値dと、コンパレーター180で用いるDC指定値の最大偏差値(図7の点線)を更に記憶している。最大偏差値は、例えば温度特性を有しない値である。DC指定と最大偏差値は、例えばジャイロセンサーの複数のサンプルを測定し、その結果に基づいて設定しておく。絶対値算出部151の後段で最大偏差値を用いるため、実際には最大偏差値の絶対値を記憶しておけばよい。指定値dとしては任意の値を設定できるが、例えば最大偏差値と同一である。以下では、指定値dが最大偏差値である場合を例に説明する。   The storage unit 177 further stores the designated value d used by the gain processing unit 152 and the maximum deviation value (dotted line in FIG. 7) of the designated DC value used by the comparator 180. The maximum deviation value is, for example, a value having no temperature characteristic. For example, a plurality of samples of the gyro sensor are measured, and the DC designation and the maximum deviation value are set based on the results. In order to use the maximum deviation value at the subsequent stage of the absolute value calculation unit 151, in actuality, the absolute value of the maximum deviation value may be stored. Although any value can be set as the designated value d, it is identical to, for example, the maximum deviation value. Hereinafter, the case where the designated value d is the maximum deviation value will be described as an example.

絶対値算出部151は、減算部175からの信号の絶対値を算出する。ゲイン処理部152は、その絶対値に対して下式(20)のゲインGA2を乗算する。リミッター153は、その乗算後の信号が1より大きい場合には、その信号をそのまま出力し、乗算後の信号が1以下である場合には出力を1にリミットする。乗算部154は、リミッター153からの信号を第2の推定部140からの観測ノイズσmeasに乗算する。
The absolute value calculating unit 151 calculates the absolute value of the signal from the subtracting unit 175. The gain processing unit 152 multiplies the absolute value by the gain GA2 of the following expression (20). The limiter 153 outputs the signal as it is when the signal after multiplication is larger than 1 and limits the output to 1 when the signal after multiplication is 1 or less. The multiplication unit 154 multiplies the signal from the limiter 153 by the observation noise σ meas from the second estimation unit 140.

即ち、ジャイロセンサーの物理量信号が偏差範囲外である場合には絶対値がdより大きくなるので、ゲインGA2を掛けると1より大きくなる。この場合、リミッター153は1より大きな値を出力し、観測ノイズσmeasが増加する。一方、物理量信号が偏差範囲内である場合には絶対値がdより小さくなるので、ゲインGA2を掛けると1以下となる。この場合、リミッター153は1を出力し、観測ノイズσmeasは増加しない。 That is, since the absolute value becomes larger than d when the physical quantity signal of the gyro sensor is out of the deviation range, it becomes larger than 1 when it is multiplied by the gain GA2. In this case, the limiter 153 outputs a value larger than 1 and the observation noise σ meas increases. On the other hand, when the physical quantity signal is within the deviation range, the absolute value is smaller than d, so when it is multiplied by the gain GA2, it becomes 1 or less. In this case, the limiter 153 outputs 1 and the observation noise σ meas does not increase.

観測ノイズσmeasが増加すると上式(8)、(9)より推定値x-(k)を信頼するので、偏差範囲外では観測値y(k)のウエイトが下がる。逆に言えば、偏差範囲内では観測値y(k)のウエイトが上がり、偏差範囲内において重点的に観測値y(k)のDC成分を探索していることになる。このようにして、DCの真値が存在すると思われる偏差範囲内を重点的に探索し、偏差範囲外では真値でないと思われる観測値y(k)の信頼度を下げることで、DC推定の精度を向上できる。 As the observation noise σ meas increases, the estimated value x (k) is trusted from the above equations (8) and (9), so the weight of the observed value y (k) decreases outside the deviation range. Conversely, in the deviation range, the weight of the observation value y (k) increases, and in the deviation range, the DC component of the observation value y (k) is intensively searched. In this manner, DC estimation is performed mainly by searching within the deviation range in which the true value of DC seems to exist, and lowering the reliability of the observed value y (k) that is considered not to be the true value outside the deviation range. Can improve the accuracy of

以上のように、本実施形態は偏差の範囲内で重点的にDC推定を行うため、仮にDCの真値が範囲外にあった場合、DC推定速度が極端に遅くなり、また外乱(信号への大きな入力)に対しても非常に弱く、すぐにDC推定値が変動してしまう。そのため、真値が偏差内に入るように最大偏差値をあまり小さくし過ぎずに、経年変化も考慮して指定しておく必要がある。   As described above, since the present embodiment performs DC estimation intensively within the range of deviation, if the true value of DC is out of the range, the DC estimation speed becomes extremely slow, and disturbance (signal (Even for large inputs), the DC estimate fluctuates quickly. Therefore, it is necessary not to make the maximum deviation value too small so that the true value falls within the deviation, and to designate it in consideration of aging.

次に、コンパレーター180(監視部)について説明する。コンパレーター180は、ジャイロセンサーの物理量信号の動き成分を監視し、動きの存否を表すフラグFL1(停止信号)を出力する。具体的には、最大偏差値を閾値として、絶対値算出部151からの信号と閾値とを比較し、信号が閾値よりも大きい場合にはフラグFL1をアクティブにする。即ち、偏差範囲よりも大きな動きが発生した場合にはフラグFL1がアクティブになる。フラグFL1は、カルマンフィルター120と、第1の推定部130のローパスフィルター133に入力される。   Next, the comparator 180 (monitoring unit) will be described. The comparator 180 monitors the movement component of the physical quantity signal of the gyro sensor, and outputs a flag FL1 (stop signal) indicating the presence or absence of the movement. Specifically, the signal from the absolute value calculation unit 151 is compared with the threshold with the maximum deviation value as the threshold, and the flag FL1 is activated when the signal is larger than the threshold. That is, when a movement larger than the deviation range occurs, the flag FL1 becomes active. The flag FL1 is input to the Kalman filter 120 and the low pass filter 133 of the first estimation unit 130.

ジャイロセンサーに対して動きが加わって入力信号が大きな変化をしている場合には、DC推定の精度が下がり、推定誤差に対応する誤差共分散P(k)が大きくなる。そうすると、上式(8)から分かるようにカルマンゲインg(k)が1に近づき、上式(9)から分かるように、動きの影響を受けた観測値y(k)が信頼されてしまう。   When motion is added to the gyro sensor and the input signal changes significantly, the accuracy of DC estimation decreases, and the error covariance P (k) corresponding to the estimation error increases. Then, the Kalman gain g (k) approaches 1 as can be seen from the above equation (8), and the observed value y (k) affected by the motion is trusted as can be seen from the above equation (9).

そこで、カルマンフィルター120は、フラグFL1がアクティブの場合には推定値x(k)の推定のみを実施して、誤差共分散P(k)を更新しない処理を行う。具体的には、上式(6)〜(9)の処理を実行し、上式(10)の処理を実行しない。これにより、動きの影響が少ない過去の推定値x-(k)の信頼度を上げることができ、DC成分の推定精度を向上できる。 Therefore, when the flag FL1 is active, the Kalman filter 120 performs only the estimation of the estimated value x (k) and does not update the error covariance P (k). Specifically, the processes of the equations (6) to (9) are executed, and the process of the equation (10) is not executed. As a result, it is possible to increase the reliability of the past estimated value x (k) that is less affected by motion, and to improve the estimation accuracy of the DC component.

ローパスフィルター133は、フラグFL1がアクティブの場合には、ローパスフィルター動作を停止し、フラグFL1が非アクティブからアクティブになったときの出力値を出力し続ける。これにより、偏差範囲内の信号だけがローパスフィルター処理されることになり、動きの影響を受けた信号によって不正確な観測ノイズσmeasが抽出されることを防止できる。 The low pass filter 133 stops the low pass filter operation when the flag FL1 is active, and continues to output an output value when the flag FL1 becomes active from inactive. As a result, only the signal within the deviation range is low-pass filtered, and it is possible to prevent extraction of the imprecise observation noise σ meas by the signal affected by the motion.

5.信号処理装置の第4の詳細構成
図8に、信号処理装置100の第4の詳細な構成例を示す。信号処理装置100は、ノイズ推定部110、カルマンフィルター120、ローパスフィルター171、遅延部172、ローパスフィルター173、減算部175、加算部176、記憶部177、読み出し部178、コンパレーター180、減算部121を含む。なお、第1〜第3の詳細な構成例と同一の構成要素については同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
5. Fourth Detailed Configuration of Signal Processing Device FIG. 8 shows a fourth detailed configuration example of the signal processing device 100. As shown in FIG. The signal processing apparatus 100 includes a noise estimation unit 110, a Kalman filter 120, a low pass filter 171, a delay unit 172, a low pass filter 173, a subtraction unit 175, an addition unit 176, a storage unit 177, a reading unit 178, a comparator 180, and a subtraction unit 121. including. The same components as those in the first to third detailed configuration examples will be assigned the same reference numerals and descriptions thereof will be omitted as appropriate.

ノイズ推定部110は、上述した第1の推定部130及び第2の推定部140及び第3の推定部150と、温度変化があった場合にカルマンフィルター120を収束状態から推定状態に戻す第4の推定部160を含む。   The noise estimation unit 110 restores the Kalman filter 120 from the convergence state to the estimation state when there is a temperature change and the first estimation unit 130, the second estimation unit 140, and the third estimation unit 150 described above. Estimation unit 160 of FIG.

図9に示すように、ジャイロセンサーのDCオフセットは温度特性を持っており、その近似値をオフセットテーブルとして記憶し、減算部175で減算してカルマンフィルター120に入力している。近似は温度特性に厳密に一致するわけではなく、また個体によっては温度特性にディップ部があるため、減算の結果にも温度特性が残る。図10に示すように、時間の経過とともに温度が変化すると、残った温度特性によってカルマンフィルター120の入力も変化する。   As shown in FIG. 9, the DC offset of the gyro sensor has a temperature characteristic, and its approximate value is stored as an offset table, subtracted by the subtraction unit 175, and input to the Kalman filter 120. The approximation does not exactly match the temperature characteristics, and some individuals have dips in the temperature characteristics, so the temperature characteristics also remain as a result of subtraction. As shown in FIG. 10, when the temperature changes with the passage of time, the input of the Kalman filter 120 also changes according to the remaining temperature characteristic.

カルマンフィルター120のDC推定が収束している場合、第1の詳細な構成例で説明したようにターゲットカットオフ周波数fのローパスフィルターとほぼ同様の特性になっている。この条件下で、温度変化によって入力信号のDC値が変化すると、カットオフ周波数fが低いため温度変化前のDC値をしばらく出力し続けることになる。その時間は、指定したターゲットカットオフ周波数fの逆数程度である。即ち、その時間は温度変化によるDC値の変化にカルマンフィルター120が追従できないということである。 When the DC estimation of the Kalman filter 120 converges, it has almost the same characteristics as the low pass filter of the target cutoff frequency f c as described in the first detailed configuration example. Under this condition, when the DC value of the input signal changes due to a temperature change, the DC value before the temperature change continues to be output for a while because the cut-off frequency f c is low. The time is about the inverse of the specified target cutoff frequency f c . That is, the time is that the Kalman filter 120 can not follow the change of the DC value due to the temperature change.

そこで、本実施形態では温度変化に応じてシステムノイズσsysを動的に変化させることでカルマンフィルター120を推定状態に戻し、DC値の変化に対して追従性を向上させる。具体的には、第4の推定部160は、遅延部161と減算部162とローパスフィルター163とゲイン処理部164と2乗処理部165と乗算部166と加算部167を含む。 Therefore, in the present embodiment, the Kalman filter 120 is returned to the estimated state by dynamically changing the system noise σ sys according to the temperature change, and the followability to the change of the DC value is improved. Specifically, the fourth estimation unit 160 includes a delay unit 161, a subtraction unit 162, a low pass filter 163, a gain processing unit 164, a square processing unit 165, a multiplication unit 166, and an addition unit 167.

遅延部161と減算部162は、温度センサー190の時間kでの検出信号TSと1つ前の時間k−1での検出信号TSとの差分を求める。ローパスフィルター163は、その差分を平滑化する。温度センサー190の検出信号TSの雑音が大きい場合、或は検出信号TSのサンプリング周波数がカルマンフィルター120の動作周波数に比べて低く検出信号TSが離散的な変化をする場合、第4の推定部160が出力するシステムノイズσsysが急に大きく変化してしまう。この変化は、カルマンフィルター120の収束度合いに大きな影響を与えてしまう。そのため、ローパスフィルター163には、極めて低いカットオフ周波数(例えば10mHz)を設定する。これにより、ノイズとなる成分を確実に除去し、システムノイズσsysの変化を緩やかにできる。 The delay unit 161 and the subtraction unit 162 obtain the difference between the detection signal TS at time k of the temperature sensor 190 and the detection signal TS at time k−1 immediately before. The low pass filter 163 smoothes the difference. When the noise of the detection signal TS of the temperature sensor 190 is large, or when the sampling frequency of the detection signal TS is lower than the operating frequency of the Kalman filter 120, the fourth estimation unit 160 may make a discrete change. The system noise σ sys output by changes suddenly and significantly. This change greatly affects the degree of convergence of the Kalman filter 120. Therefore, an extremely low cutoff frequency (for example, 10 mHz) is set to the low pass filter 163. By this, it is possible to reliably remove the component to be the noise and to make the change of the system noise σ sys gentle.

ローパスフィルター163の出力LPF2OUTは、温度センサー190の感度TSEN[digi/℃]と温度変化ΔT[℃/sec]を用いると、下式(21)のようになる。
Using the sensitivity TSEN [digi / ° C.] of the temperature sensor 190 and the temperature change ΔT [° C./sec], the output LPF2 OUT of the low-pass filter 163 is expressed by the following equation (21).

ゲイン処理部164は、ローパスフィルター163からの信号にゲインGA3を乗算する。2乗処理部165は、その乗算後の信号を2乗する。乗算部166は、その2乗後の信号と第1の推定部130からの観測ノイズσmeasとを乗算する。そして、加算部167は、その乗算後の信号と第1の推定部130からのシステムノイズσsysとを加算し、その加算後の信号をカルマンフィルター120に出力する。 The gain processing unit 164 multiplies the signal from the low pass filter 163 by the gain GA3. The squaring processor 165 squares the signal after multiplication. The multiplication unit 166 multiplies the signal after the square and the observation noise σ meas from the first estimation unit 130. Then, the addition unit 167 adds the signal after the multiplication and the system noise σ sys from the first estimation unit 130, and outputs the signal after the addition to the Kalman filter 120.

ゲインGA3の設定手法について説明する。まず、温度が変化したときのカルマンフィルター120の入力信号の変化をサイン波で近似する。図10に示すように、1次近似により傾きを考えると、下式(22)となる。k[digi/℃]はジャイロセンサーの物理量信号の温度変動係数である。ΔT[℃/sec]は1秒あたりの温度変化なので、kΔTは入力信号の変化の傾きである。その傾きを、周波数fのサイン波の傾き2πfで近似している。ΔTに上式(21)を代入し、fについて解くと下式(22)の右辺となる。
The setting method of gain GA3 is demonstrated. First, the change of the input signal of the Kalman filter 120 when the temperature changes is approximated by a sine wave. As shown in FIG. 10, considering the slope by first order approximation, the following equation (22) is obtained. k [digi / ° C.] is a temperature variation coefficient of the physical quantity signal of the gyro sensor. Since ΔT [° C./sec] is a temperature change per second, kΔT is the slope of the change of the input signal. The slope is approximated by the slope 2πf of the sine wave of frequency f. Substituting the above equation (21) into ΔT, and solving for f, becomes the right side of the following equation (22).

DC値の変化の周波数がfと分かったので、その周波数がカルマンフィルター120を通過するようにゲインGA3を決める。即ち、上式(22)の周波数fをカットオフ周波数fとして、収束状態における上式(18)に代入すると、下式(23)となる。
Since the frequency of the change of the DC value is found to be f, the gain GA3 is determined so that the frequency passes through the Kalman filter 120. That is, when the frequency f in the above equation (22) is substituted as the cutoff frequency f c into the above equation (18) in the converged state, the following equation (23) is obtained.

ジャイロセンサーの感度がSEN[digi/dps]であり、温度係数がTCOEFF[dps/℃]である場合、上式(23)は下式(24)となる。
When the sensitivity of the gyro sensor is SEN [digi / dps] and the temperature coefficient is TCOEFF [dps / ° C.], the above equation (23) becomes the following equation (24).

上記のようなゲインGA3を設定することで、収束状態におけるローパスフィルターのカットオフ周波数fを、周波数fに変化させてカルマンフィルター120を推定状態に戻すことができる。このとき、カットオフは周波数fとなるので、入力信号のDC成分の変化がぎりぎり通過することになる。 By setting the gain GA3 as described above, it is possible to change the cutoff frequency f c of the low-pass filter in the convergence state to the frequency f and return the Kalman filter 120 to the estimation state. At this time, since the cutoff is the frequency f, the change of the DC component of the input signal passes through at the last moment.

以上のようにして、温度変化によって、どの程度DC値が変化するかの情報をシステムノイズσsysとしてカルマンフィルター120に与えることができ、それによって温度変化によるDC成分の変化に対してカルマンフィルター120を追従させることができる。 As described above, information as to how much the DC value changes due to temperature change can be given to the Kalman filter 120 as the system noise σ sys , whereby the Kalman filter 120 can be used for the change of the DC component due to the temperature change. Can be made to follow.

6.電子機器、ジャイロセンサー
図11に本実施形態の信号処理装置100を含むジャイロセンサー510(広義にはセンサー)と、ジャイロセンサー510を含む電子機器500の構成例を示す。なお電子機器500、ジャイロセンサー510は図11の構成に限定されず、その構成要素の一部を省略したり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。また本実施形態の電子機器500としては、デジタルカメラ、ビデオカメラ、スマートフォン、携帯電話機、カーナビゲーションシステム、ロボット、ゲーム機、時計、健康器具、或いは携帯型情報端末等の種々の機器を想定できる。
6. Electronic Device, Gyro Sensor FIG. 11 shows a configuration example of a gyro sensor 510 (a sensor in a broad sense) including the signal processing device 100 of the present embodiment and an electronic device 500 including the gyro sensor 510. The electronic device 500 and the gyro sensor 510 are not limited to the configuration shown in FIG. 11, and various modifications may be made such as omitting some of the components or adding other components. Further, as the electronic device 500 of the present embodiment, various devices such as a digital camera, a video camera, a smartphone, a mobile phone, a car navigation system, a robot, a game machine, a watch, a health appliance, or a portable information terminal can be assumed.

電子機器500はジャイロセンサー510と処理部520を含む。また温度センサー190、メモリー530、操作部540、表示部550を含むことができる。処理部520(CPU、MPU等)はジャイロセンサー510等の制御や電子機器500の全体制御を行う。また処理部520は、ジャイロセンサー510により検出された角速度情報(広義には物理量)に基づいて処理を行う。例えば角速度情報に基づいて、手ぶれ補正、姿勢制御、GPS自律航法などのための処理を行う。メモリー530(ROM、RAM等)は、制御プログラムや各種データを記憶したり、ワーク領域やデータ格納領域として機能する。操作部540はユーザーが電子機器500を操作するためのものであり、表示部550は種々の情報をユーザーに表示する。   The electronic device 500 includes a gyro sensor 510 and a processing unit 520. In addition, a temperature sensor 190, a memory 530, an operation unit 540, and a display unit 550 can be included. The processing unit 520 (CPU, MPU, etc.) performs control of the gyro sensor 510 and the like and overall control of the electronic device 500. The processing unit 520 also performs processing based on angular velocity information (physical quantity in a broad sense) detected by the gyro sensor 510. For example, processing for camera shake correction, attitude control, GPS autonomous navigation, etc. is performed based on angular velocity information. The memory 530 (ROM, RAM, etc.) stores control programs and various data, and functions as a work area and a data storage area. The operation unit 540 is for the user to operate the electronic device 500, and the display unit 550 displays various information to the user.

ジャイロセンサー510は振動子10、検出装置20を含む。図11の振動子10(広義には物理量トランスデューサー)は、水晶などの圧電材料の薄板から形成される音叉型の圧電振動子であり、駆動用振動子11、12と、検出用振動子16、17を有する。駆動用振動子11、12には駆動端子2、4が設けられ、検出用振動子16、17には検出端子6、8が設けられている。   The gyro sensor 510 includes the vibrator 10 and the detection device 20. The vibrator 10 (physical quantity transducer in a broad sense) of FIG. 11 is a tuning fork type piezoelectric vibrator formed of a thin plate of a piezoelectric material such as quartz, and includes driving vibrators 11 and 12 and a detecting vibrator 16. , 17 have. Drive terminals 2 and 4 are provided to the drive vibrators 11 and 12, and detection terminals 6 and 8 are provided to the detection vibrators 16 and 17.

検出装置20は、駆動回路30と検出回路60と信号処理装置100を含む。駆動回路30は、駆動信号(駆動電圧)を出力して振動子10を駆動する。そして振動子10からフィードバック信号を受け、これにより振動子10を励振させる。検出回路60は、駆動信号により駆動される振動子10から検出信号(検出電流、電荷)を受け、検出信号から、振動子10に印加された物理量に応じた所望信号(物理量信号、コリオリ力信号)を検出(抽出)する。   The detection device 20 includes a drive circuit 30, a detection circuit 60, and a signal processing device 100. The drive circuit 30 outputs a drive signal (drive voltage) to drive the vibrator 10. Then, a feedback signal is received from the vibrator 10 to excite the vibrator 10. The detection circuit 60 receives a detection signal (detection current, charge) from the vibrator 10 driven by the drive signal, and a desired signal (physical quantity signal, Coriolis force signal according to the physical quantity applied to the vibrator 10 from the detection signal. ) Is detected (extracted).

具体的には、駆動回路30からの交流の駆動信号(駆動電圧)が駆動用振動子11の駆動端子2に印加される。すると逆電圧効果によって駆動用振動子11が振動を開始し、音叉振動により駆動用振動子12も振動を開始する。この時、駆動用振動子12の圧電効果によって発生する電流(電荷)が、駆動端子4からフィードバック信号として駆動回路30にフィードバックされる。これにより振動子10を含む発振ループが形成される。   Specifically, an AC drive signal (drive voltage) from the drive circuit 30 is applied to the drive terminal 2 of the drive vibrator 11. Then, the drive vibrator 11 starts to vibrate by the reverse voltage effect, and the drive vibrator 12 also starts to vibrate by the tuning fork vibration. At this time, the current (electric charge) generated by the piezoelectric effect of the drive vibrator 12 is fed back from the drive terminal 4 to the drive circuit 30 as a feedback signal. Thereby, an oscillation loop including the vibrator 10 is formed.

駆動用振動子11、12が振動すると、検出用振動子16、17が図11に示す方向で振動速度vで振動する。すると、検出用振動子16、17の圧電効果によって発生する電流(電荷)が、検出信号(第1、第2の検出信号)として検出端子6、8から出力される。すると、検出回路60は、この振動子10からの検出信号を受け、コリオリ力に応じた信号である所望信号(所望波)を検出する。即ち、検出軸19を中心に振動子10(ジャイロセンサー)が回転すると、振動速度vの振動方向と直交する方向にコリオリ力Fcが発生する。例えば検出軸19を中心に回転したときの角速度をωとし、振動子の質量をmとし、振動子の振動速度をvとすると、コリオリ力はFc=2m・v・ωと表される。従って検出回路60が、コリオリ力に応じた信号である所望信号を検出することで、ジャイロセンサーの回転角速度ωを求めることができる。そして求められた角速度ωを用いることで、処理部520は、手振れ補正、姿勢制御、或いはGPS自律航法等のための種々の処理を行うことができる。   When the drive vibrators 11 and 12 vibrate, the detection vibrators 16 and 17 vibrate at the vibration speed v in the direction shown in FIG. Then, the current (charge) generated by the piezoelectric effect of the detection vibrators 16 and 17 is output from the detection terminals 6 and 8 as detection signals (first and second detection signals). Then, the detection circuit 60 receives the detection signal from the vibrator 10 and detects a desired signal (desired wave) which is a signal corresponding to the Coriolis force. That is, when the vibrator 10 (gyro sensor) rotates around the detection axis 19, the Coriolis force Fc is generated in the direction orthogonal to the vibration direction of the vibration velocity v. For example, assuming that the angular velocity when rotating about the detection axis 19 is ω, the mass of the oscillator is m, and the oscillation velocity of the oscillator is v, the Coriolis force is expressed as Fc = 2 m · v · ω. Accordingly, the rotational angular velocity ω of the gyro sensor can be obtained by detecting the desired signal which is a signal corresponding to the Coriolis force. Then, using the obtained angular velocity ω, the processing unit 520 can perform various processes for camera shake correction, attitude control, GPS autonomous navigation, and the like.

なお図11では、振動子10が音叉型である場合の例を示しているが、本実施形態の振動子10はこのような構造に限定されない。例えばT字型やダブルT字型等であってもよい。また振動子10の圧電材料は水晶以外であってもよい。   In addition, although the example in case the vibrator | oscillator 10 is a tuning fork type is shown in FIG. 11, the vibrator | oscillator 10 of this embodiment is not limited to such a structure. For example, it may be T-shaped or double T-shaped. The piezoelectric material of the vibrator 10 may be other than quartz.

7.検出装置
図12に本実施形態の検出装置20の構成例を示す。検出装置20は、駆動回路30と検出回路60と信号処理装置100(デジタル処理部)を含む。
7. Detection Device FIG. 12 shows a configuration example of the detection device 20 of the present embodiment. The detection device 20 includes a drive circuit 30, a detection circuit 60, and a signal processing device 100 (digital processing unit).

駆動回路30は、振動子10からのフィードバック信号DIが入力される増幅回路32と、自動ゲイン制御を行うゲイン制御回路34と、駆動信号DQを振動子10に出力する駆動信号出力回路36を含む。また同期信号SYCを検出回路60に出力する同期信号出力回路38を含む。なお、駆動回路30の構成は図12に限定されず、これらの構成要素の一部を省略したり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。   Drive circuit 30 includes an amplifier circuit 32 to which feedback signal DI from vibrator 10 is input, a gain control circuit 34 for performing automatic gain control, and a drive signal output circuit 36 for outputting drive signal DQ to vibrator 10. . It also includes a synchronization signal output circuit 38 that outputs synchronization signal SYC to detection circuit 60. The configuration of drive circuit 30 is not limited to that shown in FIG. 12, and various modifications may be made such as omitting some of these components or adding other components.

増幅回路32(I/V変換回路)は、振動子10からのフィードバック信号DIを増幅する。例えば振動子10からの電流の信号DIを電圧の信号DVに変換して出力する。この増幅回路32は、キャパシター、抵抗素子、演算増幅器などにより実現できる。   The amplification circuit 32 (I / V conversion circuit) amplifies the feedback signal DI from the vibrator 10. For example, the signal DI of the current from the vibrator 10 is converted into a signal DV of voltage and output. The amplification circuit 32 can be realized by a capacitor, a resistance element, an operational amplifier or the like.

駆動信号出力回路36は、増幅回路32による増幅後の信号DVに基づいて、駆動信号DQを出力する。例えば駆動信号出力回路36は、矩形波(又は正弦波)の駆動信号を出力する。この駆動信号出力回路36はコンパレーター等により実現できる。   The drive signal output circuit 36 outputs a drive signal DQ based on the signal DV amplified by the amplifier circuit 32. For example, the drive signal output circuit 36 outputs a rectangular wave (or sine wave) drive signal. The drive signal output circuit 36 can be realized by a comparator or the like.

ゲイン制御回路34(AGC)は、駆動信号出力回路36に制御電圧DSを出力して、駆動信号DQの振幅を制御する。具体的には、ゲイン制御回路34は、信号DVを監視して、発振ループのゲインを制御する。例えば駆動回路30では、ジャイロセンサーの感度を一定に保つために、振動子10(駆動用振動子)に供給する駆動電圧の振幅を一定に保つ必要がある。このため、駆動振動系の発振ループ内に、ゲインを自動調整するためのゲイン制御回路34が設けられる。ゲイン制御回路34は、振動子10からのフィードバック信号DIの振幅(振動子の振動速度v)が一定になるように、ゲインを可変に自動調整する。   The gain control circuit 34 (AGC) outputs the control voltage DS to the drive signal output circuit 36 to control the amplitude of the drive signal DQ. Specifically, the gain control circuit 34 monitors the signal DV to control the gain of the oscillation loop. For example, in the drive circuit 30, in order to keep the sensitivity of the gyro sensor constant, it is necessary to keep the amplitude of the drive voltage supplied to the vibrator 10 (drive vibrator) constant. For this reason, a gain control circuit 34 for automatically adjusting the gain is provided in the oscillation loop of the drive vibration system. The gain control circuit 34 automatically adjusts the gain variably so that the amplitude of the feedback signal DI from the vibrator 10 (vibration speed v of the vibrator) becomes constant.

同期信号出力回路38は、増幅回路32による増幅後の信号DVを受け、同期信号SYC(参照信号)を検出回路60に出力する。この同期信号出力回路38は、正弦波(交流)の信号DVの2値化処理を行って矩形波の同期信号SYCを生成するコンパレーターや、同期信号SYCの位相調整を行う位相調整回路(移相器)などにより実現できる。   The synchronization signal output circuit 38 receives the signal DV amplified by the amplification circuit 32, and outputs a synchronization signal SYC (reference signal) to the detection circuit 60. The synchronization signal output circuit 38 performs a binarization process on the sine wave (AC) signal DV to generate a rectangular wave synchronization signal SYC, and a phase adjustment circuit (phase shift circuit for performing phase adjustment of the synchronization signal SYC). It can be realized by a phaser or the like.

検出回路60は、増幅回路62、同期検波回路64、A/D変換回路66を含む。増幅回路62は、振動子10からの第1、第2の検出信号IQ1、IQ2を受けて、信号増幅や電荷−電圧変換を行う。同期検波回路64は、駆動回路30からの同期信号SYCに基づいて同期検波を行う。A/D変換回路66は、同期検波後の信号のA/D変換を行う。   The detection circuit 60 includes an amplification circuit 62, a synchronous detection circuit 64, and an A / D conversion circuit 66. The amplification circuit 62 receives the first and second detection signals IQ1 and IQ2 from the vibrator 10, and performs signal amplification and charge-voltage conversion. The synchronous detection circuit 64 performs synchronous detection based on the synchronous signal SYC from the drive circuit 30. The A / D conversion circuit 66 performs A / D conversion of the signal after synchronous detection.

信号処理装置100は、上述したように、所望信号からDCオフセット(DC成分)を抽出し、所望信号からDCオフセットを除去する。また、信号処理装置100は、各種のデジタル信号処理を行ってもよい。例えば信号処理装置100は、所望信号のアプリケーションに応じた帯域制限のデジタルフィルター処理や、A/D変換回路66等により発生したノイズを除去するデジタルフィルター処理を行う。また、ゲイン補正(感度調整)、オフセット補正などのデジタル補正処理を行う。信号処理装置100は、例えばDSP(Digital Signal Processor)により実現できる。   As described above, the signal processing apparatus 100 extracts the DC offset (DC component) from the desired signal, and removes the DC offset from the desired signal. Also, the signal processing apparatus 100 may perform various digital signal processing. For example, the signal processing apparatus 100 performs band-limited digital filter processing according to the application of a desired signal, and digital filter processing for removing noise generated by the A / D conversion circuit 66 and the like. In addition, digital correction processing such as gain correction (sensitivity adjustment) and offset correction is performed. The signal processing apparatus 100 can be realized by, for example, a DSP (Digital Signal Processor).

8.移動体
図13に本実施形態の検出装置20を含む移動体の例を示す。本実施形態の検出装置20は、例えば、車、飛行機、バイク、自転車、或いは船舶等の種々の移動体に組み込むことができる。移動体は、例えばエンジンやモーター等の駆動機構、ハンドルや舵等の操舵機構、各種の電子機器を備えて、地上や空や海上を移動する機器・装置である。
8. Mobile Body FIG. 13 shows an example of a mobile body including the detection device 20 of the present embodiment. The detection device 20 of the present embodiment can be incorporated into various mobile objects such as, for example, a car, an airplane, a motorcycle, a bicycle, or a ship. The movable body is, for example, a device / device that moves on the ground, in the sky or in the sea, provided with a drive mechanism such as an engine or a motor, a steering mechanism such as a steering wheel or a rudder, and various electronic devices.

図13は移動体の具体例としての自動車206を概略的に示している。自動車206には、振動子10と検出装置20を有するジャイロセンサー510(センサー)が組み込まれている。ジャイロセンサー510は車体207の姿勢を検出する。ジャイロセンサー510の物理量信号は車体姿勢制御装置208に供給される。車体姿勢制御装置208は例えば車体207の姿勢に応じてサスペンションの硬軟を制御したり個々の車輪209のブレーキを制御したりする。その他、こういった姿勢制御は二足歩行ロボットや航空機、ヘリコプター等の各種の移動体において利用することができる。姿勢制御の実現にあたってジャイロセンサー510を組み込むことができる。   FIG. 13 schematically shows a car 206 as an example of a mobile. The automobile 206 incorporates a gyro sensor 510 (sensor) having the vibrator 10 and the detection device 20. The gyro sensor 510 detects the posture of the vehicle body 207. The physical quantity signal of the gyro sensor 510 is supplied to the vehicle body posture control device 208. The vehicle attitude control device 208 controls the hardness of the suspension or controls the brakes of the individual wheels 209 in accordance with the attitude of the vehicle body 207, for example. In addition, such attitude control can be used in various mobile bodies such as biped robots, aircraft, and helicopters. A gyro sensor 510 can be incorporated to realize the attitude control.

なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また本実施形態及び変形例の全ての組み合わせも、本発明の範囲に含まれる。また信号処理装置、検出装置、センサー、電子機器、移動体の構成・動作等も、本実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。   It should be understood by those skilled in the art that although the present embodiment has been described in detail as described above, many modifications can be made without departing substantially from the novel matters and effects of the present invention. Accordingly, all such modifications are intended to be included within the scope of the present invention. For example, in the specification or the drawings, the terms described together with the broader or synonymous different terms at least once can be replaced with the different terms anywhere in the specification or the drawings. Further, all combinations of the present embodiment and the modifications are also included in the scope of the present invention. Further, the signal processing device, the detection device, the sensor, the electronic device, the configuration / operation of the moving body, etc. are not limited to those described in the present embodiment, and various modifications can be made.

2,4 駆動端子、6,8 検出端子、10 振動子、11,12 駆動用振動子、
15 物理量トランスデューサー、16,17 検出用振動子、19 検出軸、
20 検出装置、30 駆動回路、32 増幅回路、34 ゲイン制御回路、
36 駆動信号出力回路、38 同期信号出力回路、60 検出回路、
62 増幅回路、64 同期検波回路、66 A/D変換回路、
100 信号処理装置、110 ノイズ推定部、120 カルマンフィルター、
121 減算部、130 第1の推定部、131 ハイパスフィルター、
132 ローパスフィルター、133 ローパスフィルター、134 リミッター、
135 ゲイン処理部、136 加算部、140 第2の推定部、
141 ピークホールド部、142 加算部、150 第3の推定部、
151 絶対値算出部、152 ゲイン処理部、153 リミッター、
154 乗算部、160 第4の推定部、161 遅延部、162 減算部、
163 ローパスフィルター、164 ゲイン処理部、166 乗算部、
167 加算部、171 ローパスフィルター、172 遅延部、
173 ローパスフィルター、175 減算部、176 加算部、177 記憶部、
178 読み出し部、180 コンパレーター(監視部)、190 温度センサー、
206 自動車、207 車体、208 車体姿勢制御装置、209 車輪、
500 電子機器、510 ジャイロセンサー、520 処理部、
530 メモリー、540 操作部、550 表示部、
DCQ DC成分、FL1 フラグ、GA1〜GA3 ゲイン、
PI 入力信号(物理量信号)、PQ 出力信号、σmeas 観測ノイズ、
σsys システムノイズ
2, 4 drive terminals, 6, 8 detection terminals, 10 vibrators, 11, 12 drive vibrators,
15 physical quantity transducers, 16 and 17 transducers for detection, 19 detection axes,
20 detection devices, 30 drive circuits, 32 amplification circuits, 34 gain control circuits,
36 drive signal output circuit, 38 synchronization signal output circuit, 60 detection circuit,
62 amplifier circuit, 64 synchronous detection circuit, 66 A / D converter circuit,
100 signal processing units, 110 noise estimation units, 120 Kalman filters,
121 subtraction unit, 130 first estimation unit, 131 high pass filter,
132 low pass filter, 133 low pass filter, 134 limiter,
135 gain processing unit, 136 addition unit, 140 second estimation unit,
141 peak hold unit, 142 addition unit, 150 third estimation unit,
151 absolute value calculation unit, 152 gain processing unit, 153 limiter,
154 multiplication unit, 160th fourth estimation unit, 161 delay unit, 162 subtraction unit,
163 low pass filter, 164 gain processor, 166 multiplier,
167 adder, 171 low pass filter, 172 delay,
173 low pass filter, 175 subtraction unit, 176 addition unit, 177 storage unit,
178 readout units, 180 comparators (monitoring units), 190 temperature sensors,
206 car, 207 vehicle body, 208 vehicle body attitude control device, 209 wheel,
500 electronics, 510 gyro sensors, 520 processors,
530 memory, 540 operation unit, 550 display unit,
DCQ DC component, FL1 flag, GA1 to GA3 gain,
PI input signal (physical quantity signal), PQ output signal, σ meas observation noise,
σ sys system noise

Claims (11)

的に変化する観測ノイズ分散及びシステムノイズ分散生成するノイズ推定部と、
入力信号、前記観測ノイズ分散及び前記システムノイズ分散が入力され、前記入力信号に対する1次のカルマンフィルター処理を行って、前記カルマンフィルター処理の推定値として前記入力信号のDC成分を抽出するカルマンフィルターと、
を含み、
前記カルマンフィルター処理は、前記システムノイズ分散を用いた誤差共分散の時間更新処理と、前記観測ノイズ分散を用いたカルマンゲインの観測更新処理とを含むことを特徴とする信号処理装置。
A noise estimation unit for generating a dynamically varying observation noise variance and system noise variance,
An input signal, the observation noise variance, and the system noise variance, and performing a first-order Kalman filtering process on the input signal to extract a DC component of the input signal as an estimated value of the Kalman filtering process ; ,
Only including,
The signal processing apparatus characterized in that the Kalman filter processing includes time update processing of an error covariance using the system noise dispersion, and observation update processing of a Kalman gain using the observation noise dispersion .
請求項1に記載の信号処理装置において、In the signal processing device according to claim 1,
前記ノイズ推定部は、The noise estimation unit
前記入力信号に基づいて、前記観測ノイズ分散及び前記システムノイズ分散を生成することを特徴とする信号処理装置。A signal processing apparatus that generates the observation noise variance and the system noise variance based on the input signal.
請求項1又は2に記載の信号処理装置において、
前記ノイズ推定部は、
前記入力信号に基づいて前記観測ノイズ分散生成し、生成した前記観測ノイズ分散に対してゲイン処理を行うことで前記システムノイズ分散生成することを特徴とする信号処理装置。
In the signal processing device according to claim 1 or 2 ,
The noise estimation unit
A signal processing apparatus characterized in that the system noise variance is generated by generating the observation noise variance based on the input signal and performing gain processing on the generated observation noise variance .
請求項に記載の信号処理装置において、
前記ノイズ推定部は、
前記入力信号を2乗平均し、前記2乗平均後の信号に対してリミッター処理を行うことで前記観測ノイズ分散生成することを特徴とする信号処理装置。
In the signal processing device according to claim 3 ,
The noise estimation unit
A signal processing apparatus characterized in that the observation noise variance is generated by performing a mean square of the input signal and performing a limiter process on the signal after the mean square.
請求項又はに記載の信号処理装置において、
前記ノイズ推定部は、
前記カルマンフィルターの収束状態におけるローパスフィルター動作のターゲットカットオフ周波数に基づいて設定されるゲインにより、前記観測ノイズ分散に対して前記ゲイン処理を行うことを特徴とする信号処理装置。
In the signal processing device according to claim 3 or 4 ,
The noise estimation unit
A signal processing apparatus characterized in that the gain processing is performed on the observation noise dispersion by a gain set based on a target cutoff frequency of a low pass filter operation in a convergence state of the Kalman filter.
請求項1乃至のいずれか一項に記載の信号処理装置において、
前記ノイズ推定部は、
前記入力信号に対してハイパスフィルター処理を行い、前記ハイパスフィルター処理後の信号に基づいて前記観測ノイズ分散を増加させる処理を行うことを特徴とする信号処理装置。
The signal processing apparatus according to any one of claims 1 to 5 .
The noise estimation unit
A signal processing apparatus characterized by performing high pass filter processing on the input signal and performing processing to increase the observation noise variance based on the signal after the high pass filter processing.
請求項に記載の信号処理装置において、
前記ノイズ推定部は、
前記ハイパスフィルター処理後の信号に対してピークホールド処理を行い、前記ピークホールド処理後の信号に基づいて前記観測ノイズ分散を増加させることを特徴とする信号処理装置。
In the signal processing device according to claim 6 ,
The noise estimation unit
A signal processing apparatus characterized by performing peak hold processing on the signal after the high-pass filter processing and increasing the observation noise variance based on the signal after the peak hold processing.
物理量トランスデューサーを駆動する駆動回路と、
前記物理量トランスデューサーからの検出信号を受けて、物理量に応じた物理量信号を検出する検出回路と、
前記物理量信号を前記入力信号として前記DC成分を抽出する、請求項1乃至のいずれか一項に記載の信号処理装置と、
を含むことを特徴とする検出装置。
A drive circuit for driving a physical quantity transducer;
A detection circuit that receives a detection signal from the physical quantity transducer and detects a physical quantity signal according to the physical quantity;
The signal processing apparatus according to any one of claims 1 to 7 , wherein the DC component is extracted using the physical quantity signal as the input signal.
A detection device characterized in that it comprises:
請求項に記載の検出装置と、
前記物理量トランスデューサーと、
を含むことを特徴とするセンサー。
A detection device according to claim 8 ;
The physical quantity transducer;
A sensor characterized by including.
請求項1乃至のいずれか一項に記載の信号処理装置を含むことを特徴とする電子機器。 An electronic apparatus comprising the signal processing device according to any one of claims 1 to 7 . 請求項1乃至のいずれか一項に記載の信号処理装置を含むことを特徴とする移動体。
A mobile unit comprising the signal processing device according to any one of claims 1 to 7 .
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2021049008A1 (en) * 2019-09-13 2021-03-18 三菱電機エンジニアリング株式会社 Vibration detection device, vibration detection method, and abnormality determination system
EP4095497A4 (en) * 2020-01-24 2024-02-28 NSK Ltd. Noise canceller, abnormality diagnosis device, and noise cancellation method

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19730483C2 (en) * 1997-07-16 1999-06-02 Siemens Ag Method for determining the rotational position of an autonomous mobile unit and autonomous mobile unit
JP3321096B2 (en) * 1998-07-14 2002-09-03 三菱電機株式会社 Vehicle position measuring device and speed measuring device
JP3727489B2 (en) * 1999-06-01 2005-12-14 三菱電機株式会社 Locator device
US7643939B2 (en) * 2006-03-08 2010-01-05 Honeywell International Inc. Methods and systems for implementing an iterated extended Kalman filter within a navigation system
US8024119B2 (en) * 2007-08-14 2011-09-20 Honeywell International Inc. Systems and methods for gyrocompass alignment using dynamically calibrated sensor data and an iterated extended kalman filter within a navigation system
JP5762209B2 (en) * 2011-08-10 2015-08-12 東京エレクトロン株式会社 Temperature control method, recording medium recording program for executing temperature control method, temperature control system, and heat treatment apparatus
JP2013122384A (en) * 2011-12-09 2013-06-20 Yamaha Corp Kalman filter and state estimation device
US9529426B2 (en) * 2012-02-08 2016-12-27 Microsoft Technology Licensing, Llc Head pose tracking using a depth camera

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