JPH06347264A - 傾斜角センサ - Google Patents

傾斜角センサ

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JPH06347264A
JPH06347264A JP13814493A JP13814493A JPH06347264A JP H06347264 A JPH06347264 A JP H06347264A JP 13814493 A JP13814493 A JP 13814493A JP 13814493 A JP13814493 A JP 13814493A JP H06347264 A JPH06347264 A JP H06347264A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
sensor
tilt angle
angle
sensors
optical fiber
Prior art date
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Pending
Application number
JP13814493A
Other languages
English (en)
Inventor
Norihiro Ashizuka
紀尋 芦塚
Junpei Miyazaki
淳平 宮崎
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Hitachi Cable Ltd
Original Assignee
Hitachi Cable Ltd
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Publication date
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Publication of JPH06347264A publication Critical patent/JPH06347264A/ja
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 移動体が高い振動数で振動していても傾斜角
を測定することができる傾斜角センサを提供すること。 【構成】 測定すべき移動体のロール角およびピッチ角
の2軸方向の傾斜角を検出する傾斜角センサにおいて、
各々の軸方向の加速度を検出する複数の加速度センサ1
1、13と、各々の軸の角速度を検出する複数の光ファ
イバジャイロセンサ12、14とを備えたことを特徴と
している。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は傾斜角センサに関し、特
に加速度が加わったままでも傾斜角を検出することがで
きるようにした傾斜角センサに関する。
【0002】
【従来の技術】航空機や船舶等には種々のセンサが用い
られている。傾斜角を検出する傾斜角センサもその一つ
であるが、一般に加速度センサが用いられている。
【0003】図4は従来の加速度センサの基本構成の横
断面図である。
【0004】同図において、加速度センサは、測定すべ
き移動体に取付けられる筐体1と、筐体1内に設けられ
た軸2と、この軸2に取り付けられたおもり(振り子)
3と、筐体1内の底部に設けられた圧電素子等からなる
変位検出部4とで構成されている。
【0005】この加速度センサのおもり3が駆動方向
(振動方向)に振動すると変位検出部4によりこの振動
が検知されるようになっている。
【0006】ここで、この変位検出部の違いによって加
速度計は圧電型、動電型、サーボ型、ひずみゲージ型の
4種類に分類される。
【0007】これら加速度センサを傾斜角センサに使用
する時、おもりは重力加速度を検出するのに用いられ、
加速度センサからは傾斜角θ(度)に対して数1で表さ
れる出力信号S(V)が得られる。
【0008】
【数1】S=G1 ×sinθ 但し、G1 は1Gの加速度で発生する電圧(V)とす
る。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た加速度センサは、以下のような問題点がある。
【0010】(1) 振り子の原理を利用しているため、お
もりが低い周波数で振動する場合には使用が可能である
が、高い周波数で振動する場合、例えば電車や自動車等
の高い周波数で振動する場合にはおもりが追従できなく
なるので使用できない。
【0011】(2) 傾斜角を測定すべき物体の移動による
加速度に対して反応してしまい、移動体上での傾斜角を
測定することは不可能である。
【0012】そこで、光ファイバジャイロを用いて傾斜
角を検出することが試みられたが、光ファイバジャイロ
だけでは絶対傾斜角を検出することができない。
【0013】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、移動体が高い振動数で振動していても傾斜角を測定
することができる傾斜角センサを提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、測定すべき移動体のロール角およびピッチ
角の2軸方向の傾斜角を検出する傾斜角センサにおい
て、各々の軸方向の加速度を検出する複数の加速度セン
サと、各々の軸の角速度を検出する複数の光ファイバジ
ャイロセンサとを備えたものである。
【0015】また、本発明の傾斜角センサの光ファイバ
ジャイロセンサが、レーザ光源と、センシングコイル
と、光結合器と、偏光子と、受光素子と、受光素子から
の信号を角速度に変換する処理回路とからなるものであ
る。
【0016】さらに、本発明の傾斜角センサの光ファイ
バジャイロセンサの検出する角速度が加速度センサの単
位時間当たりの分解能未満のときには、加速度センサが
検出した値を静止中の絶対傾斜角として出力し、角速度
が加速度センサの単位時間当たりの分解能以上のときに
は、光ファイバジャイロにより得られた変位角を加速度
センサで得られた変位角に加算して傾斜角として出力す
るものである。
【0017】本発明の傾斜角センサは、加速度センサの
出力と、光ファイバジャイロセンサの出力とを各々ソフ
トウェアのデジタル処理によるフィルタを通過させ、加
速度センサから低周波数の傾斜角の変化を取出し、光フ
ァイバジャイロセンサから高周波数の傾斜角の変化を取
出して合成することにより傾斜角として出力するもので
ある。
【0018】
【作用】上記構成によれば、移動体が静止しているとき
には加速度センサで絶対傾斜角を検出し、移動体が高い
振動数で振動しているときには加速度センサで得られた
変位角に光ファイバジャイロセンサで得られた変位角を
加算して検出するので、移動体が静止していても高い振
動数で振動していても傾斜角を高速で検出することがで
きる。従って応答性が大幅に向上する。
【0019】
【実施例】以下、本発明の一実施例を添付図面に基づい
て詳述する。
【0020】図1は本発明の傾斜角センサの一実施例の
配置図である。
【0021】同図に示すように、10は例えばアルミニ
ウムからなり、測定すべき移動体に取付けられる基板で
ある。基板10上には、加速度センサ11および光ファ
イバジャイロセンサ12が移動体(図示せず)の進行方
向(例えば矢印P方向)に沿って配置され、加速度セン
サ13および光ファイバジャイロセンサ14が進行方向
と直交する方向(矢印R方向)に沿って配置され、各セ
ンサ11〜14からのデータを演算して傾斜角を出力す
る処理回路を有する演算ボード15が配置されている。
【0022】ここで、傾斜角センサは、ロール角(矢印
Pを含む平面が矢印Pを軸として回転したときの紙面に
対する角度)およびピッチ角(矢印Rを含む平面が矢印
Rを軸として回転したときの紙面に対する角度)の2方
向を計測するため、加速度センサ11、13と光ファイ
バジャイロセンサ12、14とは各々2つずつ必要であ
る。そのため、各センサ11〜14はロール方向(R)
およびピッチ方向(P)の感知方向に配置されるのであ
る。
【0023】次に図2を参照して実施例の作用を述べ
る。
【0024】図2は図1に示した傾斜角センサの基本動
作アルゴリズムである。
【0025】傾斜角センサの電源を投入(ON)した
後、加速度センサ11、13から絶対傾斜角が検出され
る(S−1)。
【0026】処理回路は、光ファイバジャイロセンサ1
2、14より移動体が静止中か振動中かを判定し(S−
2)、静止中の場合には加速度センサ11、13の値を
参照する。処理回路は、光ファイバジャイロセンサ1
2、14の出力が「零」の時(静止中)に加速度センサ
11、13の値が変化している場合は、これを傾斜角の
変化ではなく、加速度が発生していると判断し、傾斜角
を光ファイバジャイロセンサ12、14の値のみ用いて
演算する(S−3)。
【0027】一方、処理回路は、光ファイバジャイロセ
ンサ12、14の出力が「零」の時(静止中)に加速度
センサ11、13の値が変化していない場合は、加速度
センサ11、13の値を用いて傾斜角を出力する。すな
わち、光ファイバジャイロセンサの検出する角速度が加
速度センサの単位時間当たりの分解能未満のときには、
加速度センサが検出した値を静止中の絶対傾斜角として
出力する(S−4)。
【0028】光ファイバジャイロセンサ12、14の出
力が「零」でない時(振動中)は、光ファイバジャイロ
センサ12、14からの変位角出力を加速度センサ1
1、13の初期値に加えてこれを傾斜角として出力す
る。すなわち、角速度が加速度センサの単位時間当たり
の分解能以上のときには、光ファイバジャイロにより得
られた変位角を加速度センサで得られた変位角に加算し
て傾斜角として出力する(S−5)。
【0029】すなわち、加速度センサ11、13と光フ
ァイバジャイロセンサ12、14とをハイブリッドに搭
載することで傾斜角の高速な変化に対しては、光ファイ
バジャイロセンサ12、14で傾斜角を認識する。これ
によって従来の加速度センサを使用した傾斜角センサよ
り高速応答が可能な傾斜角センサが制作可能になった。
【0030】また、従来の加速度センサを使用した傾斜
角センサでは、傾斜ではなく加速度に対しても反応する
ため、移動体上での傾斜角のみを計測することが困難で
あった。光ファイバジャイロセンサにより傾斜角の変化
か、または加速度の発生かを判定する加速度のみの発生
の場合は、光ファイバジャイロセンサの出力は「零」
で、加速度センサの出力が変化するので判定可能であ
る。従って移動体上でも傾斜角を検出することが可能と
なる。
【0031】図3は本発明の傾斜角センサの他の実施例
の基本動作アルゴリズムである。
【0032】図2に示した実施例の基本動作アルゴリズ
ムとの相違点は、加速度センサの出力と光ファイバジャ
イロセンサの出力とを各々ソフトウェアのデジタル処理
によるフィルタを通過させ、加速度センサから低周波数
の傾斜角の変化を取出し、光ファイバジャイロセンサか
ら高周波数の傾斜角の変化を取出して合成することによ
り傾斜角として出力する点である。
【0033】ここで、加速度センサは応答速度は無い
(周波数特性が低い)が絶対傾斜角度の計測精度が高く
誤差が小さい。よって、加速度センサの出力はローパス
フィルタにより低周波数の傾斜角の変化のみしか傾斜角
センサの出力として使用しない。
【0034】一方、光ファイバジャイロセンサは高速応
答が可能であるが、ドリフトと呼ばれる経時変化によ
り、静止中でも傾斜を生じてしまう。よって光ファイバ
ジャイロの出力はハイパスフィルタにより高周波数の傾
斜角の変化のみしか傾斜角センサの出力として使用しな
い。
【0035】従ってこれら加速度センサの低周波成分と
光ファイバジャイロセンサの高周波成分を合成すること
で低・高周波数に対応できる傾斜角センサを実現するこ
とができる。
【0036】図3において、電源を投入(ON)した
後、加速度センサ11、13から検出されるロール角a
iRは、傾斜角センサのロール角出力AR として、ピッチ
角aiPは傾斜角センサのピッチ角AP として処理回路の
メモリに記憶される(N−1)。
【0037】ここで、傾斜角センサの傾斜角Ai は数2
で表される。
【0038】
【数2】Ai =L×ai +H×bi =L×ai +(bi −Lbi ) 但し、Lはローパスフィルタ関数であり、Hはハイパス
フィルタ関数である。尚、L×ai はハイパス成分、H
×bi はローパス成分である。
【0039】また、Lとai 及びbi との関係は数3及
び数4で表される。
【0040】
【数3】L×ai =P×ai +Q(L×ai-1
【0041】
【数4】L×bi =P×bi +Q(1×bi-1 ) 数3及び数4に示したPは数5、Qは数6で表される。
【0042】
【数5】
【0043】
【数6】
【0044】但し、fcrはローパスフィルタの周波数と
ハイパスフィルタの周波数を切り分けるクロスオーバー
周波数、Tsは各センサのサンプリング時間である。
【0045】すなわち、傾斜角センサのロール角出力A
Riは数7で表され、傾斜角センサのピッチ角出力APi
数8で表される。
【0046】
【数7】ARi=aaiR+(biR−bbiR
【0047】
【数8】APi=aaiP+(biR−bbiP) 但し、ロール角の加速度センサ出力aaiR、ピッチ角の
加速度センサ出力aaiP、ロール角の光ファイバジャイ
ロセンサ出力bbiR及びピッチ角の光ファイバジャイロ
センサ出力bbiPは数9〜数12で表される。
【0048】
【数9】aaiR=P×aiR+Q×aa(i-1)R
【0049】
【数10】bbiR=P×biR+Q×bb(i-1)R
【0050】
【数11】aaiP=P×aiP+Q×aa(i-1)P
【0051】
【数12】bbiP=P×biP+Q×bb(i-1)P (N−3)。
【0052】数2より、傾斜角センサの出力は加速度セ
ンサの低周波成分と光ファイバジャイロセンサの高周波
成分とが合成されたものとして出力される(N−4)。
【0053】以下ステップ(N−2)から(N−4)ま
で繰り返すことにより正確な傾斜角を得ることができ
る。
【0054】さらに数2をロール角とピッチ角との各々
に採用することにより、各々の傾斜角度を出力すること
が可能になる。
【0055】以上において本実施例によれば、移動体が
静止しているときには加速度センサで絶対傾斜角を検出
し、移動体が高い振動数で振動しているときには加速度
センサで得られた変位角に光ファイバジャイロセンサで
得られた変位角を加算して検出するので、移動体が静止
していても振動していても傾斜角を高速で検出すること
ができる。従って応答性が大幅に向上する。
【0056】尚、本実施例では基板にアルミニウムを用
いたが、これに限定されるものではなく、他の金属や樹
脂等を用いてもよい。
【0057】
【発明の効果】以上要するに本発明によれば、次のよう
な優れた効果を発揮する。
【0058】ロール角とピッチ角の2軸方向の加速度を
検出する複数の加速度センサと、各々の軸の角速度を検
出する複数の光ファイバジャイロセンサとを備えたの
で、移動体が静止していても振動していても傾斜角を高
速で検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の傾斜角センサの一実施例の配置図であ
る。
【図2】図1に示した傾斜角センサの基本動作アルゴリ
ズムである。
【図3】本発明の傾斜角センサの他の実施例の基本動作
アルゴリズムである。
【図4】従来の加速度センサの基本構成の横断面図であ
る。
【符号の説明】
11、13 加速度センサ 12、14 光ファイバジャイロセンサ

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 測定すべき移動体のロール角およびピッ
    チ角の2軸方向の傾斜角を検出する傾斜角センサにおい
    て、各々の軸方向の加速度を検出する複数の加速度セン
    サと、各々の軸の角速度を検出する複数の光ファイバジ
    ャイロセンサとを備えたことを特徴とする傾斜角セン
    サ。
  2. 【請求項2】 前記光ファイバジャイロセンサが、レー
    ザ光源と、センシングコイルと、光結合器と、偏光子
    と、受光素子と、該受光素子からの信号を角速度に変換
    する処理回路とからなることを特徴とする請求項1記載
    の傾斜角センサ。
  3. 【請求項3】 前記光ファイバジャイロセンサの検出す
    る角速度が前記加速度センサの単位時間当たりの分解能
    未満のときには、前記加速度センサが検出した値を静止
    中の絶対傾斜角として出力し、前記角速度が前記加速度
    センサの単位時間当たりの分解能以上のときには、前記
    光ファイバジャイロにより得られた変位角を前記加速度
    センサで得られた変位角に加算して傾斜角として出力す
    ることを特徴とする請求項1記載の傾斜角センサ。
  4. 【請求項4】 前記加速度センサの出力と、前記光ファ
    イバジャイロセンサの出力とを各々ソフトウェアのデジ
    タル処理によるフィルタを通過させ、前記加速度センサ
    から低周波数の傾斜角の変化を取出し、前記光ファイバ
    ジャイロセンサから高周波数の傾斜角の変化を取出して
    合成することにより傾斜角として出力することを特徴と
    する請求項1記載の傾斜角センサ。
JP13814493A 1993-06-10 1993-06-10 傾斜角センサ Pending JPH06347264A (ja)

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