JPH09189548A - Attitude angle sensor for train - Google Patents

Attitude angle sensor for train

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Publication number
JPH09189548A
JPH09189548A JP1834596A JP1834596A JPH09189548A JP H09189548 A JPH09189548 A JP H09189548A JP 1834596 A JP1834596 A JP 1834596A JP 1834596 A JP1834596 A JP 1834596A JP H09189548 A JPH09189548 A JP H09189548A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
sensor
train
angle
angular velocity
attitude angle
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP1834596A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yuji Omagari
雄二 大曲
Hiromitsu Yoshida
裕充 吉田
Junpei Miyazaki
淳平 宮崎
Futoshi Kogo
太 向後
Original Assignee
East Japan Railway Co
東日本旅客鉄道株式会社
Hitachi Cable Ltd
日立電線株式会社
Hitachi Ltd
株式会社日立製作所
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by East Japan Railway Co, 東日本旅客鉄道株式会社, Hitachi Cable Ltd, 日立電線株式会社, Hitachi Ltd, 株式会社日立製作所 filed Critical East Japan Railway Co
Priority to JP1834596A priority Critical patent/JPH09189548A/en
Publication of JPH09189548A publication Critical patent/JPH09189548A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve an attitude angle sensor which is portable, is self-supporting, and can accurately measure an attitude angle over the movement range of a train. SOLUTION: A sensor has an inclination meter used as an acceleration sensor and an angular velocity sensor and adds a signal obtained by multiplying a previous system output by a negative sign to the output of the inclination meter and multiplies it by a feedback coefficient 1/T. Since the value is expressed by the navigation coordinate system, the value is converted to the value of the machine axis coordinate system, is added to the output of the angular velocity sensor and is subjected to integral processing, and then is outputted as an attitude angle. The feedback coefficient is changed so that the output of the inclination meter can be increased at a region where the frequency is low relatively for the sampling frequency and the output of the angular velocity can be increased at a frequency region which is higher than it, thus measuring attitude angle with less error in a wide frequency range.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、姿勢角センサ、特
に列車運動の姿勢角を測定するセンサに関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an attitude angle sensor, and more particularly to a sensor for measuring an attitude angle of train movement.
【0002】[0002]
【従来の技術】姿勢角(ロール角、ピッチ角、ヨー角)
を測定する代表的なセンサについて説明する。 1.角速度センサ 角速度を検出するセンサを単独または複数個使用し、姿
勢角演算処理を行ってロール角、ピッチ角、ヨー角の相
対変化値を出力する。 2.傾斜計 重力を検出する加速度センサまたはそれに準ずるものを
単独または複数個使用し、重力加速度ベクトルの投影成
分を求めてロール角及びピッチ角を測定する。 3.バーチカルジャイロ 回転モーメントによる復元力によって常に同一方向を指
す性質を利用し、信号の外部取り出しによって、バーチ
カルジャイロが取り付けられた物体の姿勢を検出するも
のである。フリージャイロの状態を長く継続させるとド
リフト誤差が発生するため、水準器および加速度検出ス
イッチが設けられ、動作切替が行われる。一般的な動的
姿勢計測にしばしば用いられる。なお、出力はロール角
及びピッチ角のみで、ヨー角は出力されない。 4.慣性計測装置 3軸加速度センサ、3軸角速度センサ及びデータ処理部
から構成され、ロール角、ピッチ角、ヨー角のみならず
速度、位置をも測定することができる。プラットフォー
ム方式とストラップダウン方式の2つの方式があるが、
前者は仮想的なプラットフォームを演算上で生成し、後
者は機械的なプラットフォームを空間内で生成するもの
で、機械的制御機構がさらに必要となる。前者について
は、内部の具体的処理は明らかにされていないが、基本
的な処理手順は図1に示すブロックチャートで表される
と考えられる。
2. Description of the Related Art Attitude angle (roll angle, pitch angle, yaw angle)
A typical sensor for measuring is described. 1. Angular velocity sensor A single or multiple sensors that detect angular velocity are used to perform attitude angle calculation processing and output the relative change values of the roll angle, pitch angle, and yaw angle. 2. Inclinometer An accelerometer that detects gravity or one equivalent to it is used to measure the roll angle and pitch angle by obtaining the projected component of the gravity acceleration vector. 3. Vertical gyro This is to detect the posture of an object to which the vertical gyro is attached by taking out the signal from the outside by utilizing the property that the restoring force due to the rotation moment always points in the same direction. Since a drift error occurs when the free gyro state is continued for a long time, a level and an acceleration detection switch are provided to switch the operation. Often used for general dynamic posture measurement. The output is only the roll angle and the pitch angle, and the yaw angle is not output. 4. Inertial measurement device It is composed of a triaxial acceleration sensor, a triaxial angular velocity sensor, and a data processing unit, and can measure not only the roll angle, pitch angle, yaw angle, but also velocity and position. There are two methods, platform method and strapdown method,
The former creates a virtual platform by calculation, and the latter creates a mechanical platform in space, which requires a mechanical control mechanism. Regarding the former, the specific internal processing has not been clarified, but the basic processing procedure is considered to be represented by the block chart shown in FIG.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】前記の従来技術には以
下の問題点がある。 1.角速度センサ 相対的な姿勢変化しか求めることかできないため、初期
基準姿勢は他のセンサの力を借りるか、何らかの別の方
法を用いなければならない。また、角速度を時間、空間
的に積分した上で姿勢を算出するため、時間に対して誤
差は発散する。加えて、1つの軸は他の軸との連関を持
つため、1つの軸での誤差発生が他の全ての軸に影響を
与え、時間に対する誤差発散を助長してしまう。レート
ジャイロのみで十分な精度を得ようとすると、きわめて
高価になってしまう。 2.傾斜計 水平面に対するロール角、ピッチ角を求めることができ
るが、、重力加速度ベクトルを姿勢基準として参照して
いるため、重力加速度以外の加速度つまり加減速加速度
あるいは旋回時の遠心加速度が発生すると、著しく大き
な誤差が発生する。列車内に吊り下げられた振り子が、
停止時には鉛直下向きに安定しているが、加減速時、旋
回時に鉛直下方向を指さないことからもその挙動は理解
できる。 3.バーチカルジャイロ 運動加速度または遠心加速度が長時間にわたって印加さ
れる場合、フリージャイロとしての動作が長くなるた
め、ドリフト誤差の発生が顕著となる。列車運動では、
加速、減速による運動加速度の発生、あるいはカーブ走
行による遠心加速度の発生など、かなり長い時間にわた
って加速度が印加されることがあるため、大きな問題と
なる。また、精密な機械機構を使用しているため、定期
的なメンテナンスを必要とし、振動、衝撃に弱い、さら
に回転安定までに1時間程度の静定時間を必要とするた
め、可搬性の高い運用が難しい。 4.慣性計測装置 航空機用に標準化されたものは存在しているが、列車の
運動と航空機の運動はあらゆる面で異なっており、その
まま使用することはできない。また、列車用として最適
化されたものは報告されておらず、汎用のものを使用す
ることになる。汎用慣性計測装置と呼ばれるものでは、
速度の入力を必要とされる場合が多く、自立性が維持で
きない場合もある。以上の問題点から、次のような特性
を備えた姿勢角センサが求められる。 1.列車走行の環境下で精度良い測定が行え、故障など
が発生しない。 2.構成するセンサのコストバランスがほぼ均等なセン
サを使用できる。 3.機械機構の定期的なメンテナンスを必要としない。 4.姿勢角精度が、時間的制約を受けないか、もしくは
十分小さい。 5.姿勢角精度が、列車運動の範囲で著しく悪化しな
い。 6.電源投入後、短時間で起動可能であり、十分な精度
を再現できる。 7.可搬性があり、列車からの情報を必要としない自立
性を維持する。
The above-mentioned prior art has the following problems. 1. Angular velocity sensor Since only relative attitude changes can be determined, the initial reference attitude must either rely on other sensors or some other method. Moreover, since the posture is calculated after spatially integrating the angular velocity over time, the error diverges with respect to time. In addition, since one axis has a relation with other axes, the error occurrence in one axis affects all the other axes, which promotes error divergence with respect to time. If only a rate gyro is used to obtain sufficient accuracy, it will be extremely expensive. 2. Inclinometer It is possible to obtain the roll angle and pitch angle with respect to the horizontal plane.However, since the gravity acceleration vector is referenced as the posture reference, it is extremely significant if acceleration other than gravity acceleration, that is, acceleration / deceleration or centrifugal acceleration during turning, occurs. A big error occurs. The pendulum hanging in the train
It is stable vertically downward when stopped, but its behavior can be understood from the fact that it does not point vertically downward during acceleration / deceleration or turning. 3. Vertical gyro When a motion acceleration or a centrifugal acceleration is applied for a long time, the operation as a free gyro becomes long, and a drift error occurs remarkably. In the train movement,
This is a big problem because acceleration may be applied for a considerably long time such as generation of motion acceleration due to acceleration or deceleration or generation of centrifugal acceleration due to traveling on a curve. In addition, since it uses a precise mechanical mechanism, it requires regular maintenance, is vulnerable to vibrations and shocks, and requires a static settling time of about 1 hour to stabilize the rotation, making it highly portable. Is difficult. 4. Inertial measurement devices There are standardized devices for aircraft, but train movement and aircraft movement differ in all respects, and cannot be used as is. Moreover, the one optimized for trains has not been reported, and a general-purpose one will be used. In what is called a general-purpose inertial measurement device,
In many cases, input of speed is required, and independence cannot be maintained in some cases. From the above problems, an attitude angle sensor having the following characteristics is required. 1. Accurate measurement can be performed under the environment of train running, and no breakdown occurs. 2. It is possible to use sensors in which the cost balance of the constituent sensors is almost equal. 3. Does not require regular maintenance of mechanical mechanism. 4. The attitude angle accuracy is not limited by time or is sufficiently small. 5. Attitude angle accuracy does not significantly deteriorate in the range of train movement. 6. It can be started in a short time after turning on the power, and can reproduce sufficient accuracy. 7. It is portable and maintains independence without the need for information from trains.
【0004】[0004]
【課題を解決するための手段】角速度センサと傾斜計
は、周波数領域において、互いに相反する性質を持って
いる。この2つのセンサを最適な方法で組み合わせれ
ば、短所を補い、長所を伸ばすことができる。本発明の
姿勢角センサは、単独または複数の加速度センサを用い
た傾斜計と、単独または複数の角速度センサを使用する
と共に、列車傾斜角(ロール角及びピッチ角)の測定に
おいては、出力信号の電気的な処理に際し、デジタル信
号処理におけるサンプリング周波数に対し比較的周波数
の低い領域を傾斜計に担当させ、これよりも高い周波数
領域を角速度センサに担当させることにより誤差を除去
するものである。ここで、傾斜計と角速度センサの担当
周波数領域の区切りとなる周波数のことを、便宜上クロ
スオーバー周波数もしくは領域分担境界周波数と呼ぶこ
とにする。これにより角速度センサあるいは傾斜計単独
では実現できなかった広い周波数領域での測定が可能と
なり、バーチカルジャイロのような定期的なメンテナン
スを必要とせず、故障が少なく、自立性を維持した、精
度の良い姿勢角センサを実現することができる。
The angular velocity sensor and the inclinometer have mutually opposite properties in the frequency domain. By combining these two sensors in an optimal way, the disadvantages can be compensated and the advantages can be extended. The attitude angle sensor of the present invention uses an inclinometer using a single or a plurality of acceleration sensors and a single or a plurality of angular velocity sensors, and outputs the output signal in the measurement of the train inclination angle (roll angle and pitch angle). In the electrical processing, the inclinometer is in charge of a region having a relatively low frequency with respect to the sampling frequency in digital signal processing, and the angular velocity sensor is in charge of a frequency region higher than this, thereby eliminating an error. Here, the frequency that serves as the delimiter of the frequency range in charge of the inclinometer and the angular velocity sensor will be referred to as a crossover frequency or a region sharing boundary frequency for convenience. This enables measurement in a wide frequency range that could not be realized with an angular velocity sensor or inclinometer alone, does not require periodic maintenance like a vertical gyro, has few failures, maintains independence, and is highly accurate. An attitude angle sensor can be realized.
【0005】[0005]
【発明の実施の形態】まず、本発明の原理についてその
正当性を証明する。時間領域データr(t) 及びこのデー
タの時間微分データr´(t) を仮定し、r(t) 及びr´
(t) をそれぞれ別個にセンシングする2つのセンサを考
える。ここでは、r(t) のセンシングには傾斜計、r´
(t) のセンシングには角速度センサを用いるものとし、
それぞれのセンシングデータをx(t) 及びy(t) とする
と、誤差εx(t)、εy(t)として以下の関係がある。 x(t) =r(t) +εx(t) …(1) y(t) =r´(t) +εy(t) …(2) r´(t) = d(r(t)) /dt …(3) 上式(1)、(2)をラプラス変換して周波数領域で考
えると、その線形性よりそれぞれ(4)、(5)を得
る。 X(s) =R(s) +Ex(s) …(4) Y(s) = sR(s) +Ey(s) …(5) Ex(s)およびEy(s)は未知であるが、センサの周波数特
性を考えることにより概ねその性質を知ることができ、
誤差除去方法を見いだすことができる。さて、センサの
特性から誤差の周波数特性を以下のように仮定する。 Ex(s)=kxs …(6) Ey(s)=ky/s …(7) これは周波数の上昇にしたがって、X(s) では誤差が増
大し、Y(s) では誤差が減少することを示すものであ
る。なお、Ey(s)を逆ラプラス変換すると、ステップ関
数となり、時間領域でのバイアスに相当するものとな
る。さて、低域通過フィルタとして一次遅れ系、1/
(1+Ts)、高域通過フィルタとして一次進み系、Ts
/(1+Ts)を考え、それぞれを(4)、(5)の両辺
に作用させ、辺々加えると出力C(s) として次の式を得
る。
First, the validity of the principle of the present invention will be proved. Assuming time domain data r (t) and time differential data r '(t) of this data, r (t) and r'
Consider two sensors that separately sense (t). Here, inclinometer and r'for sensing r (t)
An angular velocity sensor shall be used for sensing (t),
Assuming that the respective sensing data are x (t) and y (t), the errors ε x (t) and ε y (t) have the following relationship. x (t) = r (t) + ε x (t)… (1) y (t) = r ′ (t) + ε y (t)… (2) r ′ (t) = d (r (t)) / Dt (3) When the above equations (1) and (2) are Laplace transformed and considered in the frequency domain, (4) and (5) are obtained from their linearity. X (s) = R (s) + E x (s) (4) Y (s) = s R (s) + E y (s) (5) E x (s) and E y (s) are unknown However, by considering the frequency characteristics of the sensor, it is possible to know its properties in general.
You can find the error elimination method. Now, the frequency characteristic of the error is assumed as follows from the characteristic of the sensor. E x (s) = k x s (6) E y (s) = k y / s (7) This is because the error increases at X (s) and at Y (s) as the frequency increases. This shows that the error is reduced. When E y (s) is inversely Laplace transformed, it becomes a step function, which corresponds to a bias in the time domain. Now, as a low pass filter, a first-order lag system, 1 /
(1 + T s ), first-order lead system as a high-pass filter, T s
Considering / (1 + T s ), each of them is applied to both sides of (4) and (5), and when added to each side, the following expression is obtained as the output C (s).
【0006】[0006]
【数1】 これを逆ラプラス変換すると、次の式を得る。[Equation 1] Inverse Laplace transform of this gives the following equation.
【0007】[0007]
【数2】 (δ(t):デルタ関数 u(t):ステップ関数) 第4項のみが時間過渡項で、フィルタの過渡現象を記述
しているが、十分時間を経ると0に収束する。この処理
を表す開ループのブロックチャートを図2に示す。とこ
ろが、この方法では外乱E(s) が発生すると、影響がそ
のまま出力に現れる。実際のシステムでは、他の軸の誤
差がカレント軸に与える外乱に相当する。そこで、閉ル
ープ処理に変換して、図3のようなブロックチャートを
得る。このシステムのクロスオーバー周波数fc と帰還
時定数Tは、Ts をサンプリング周期として次式で表さ
れる。 T=(1+πfcs )/(2πfcs ) …(10) この処理を3次元の姿勢角演算に適用した場合の処理チ
ャートを図4に示す。ここでベクトルθ:傾斜計出力、
ベクトルφ:角速度センサ出力、ベクトルψ:システム
出力である。傾斜計の出力は、前回のシステム出力に負
号を乗じたものと足し合わされた上で帰還係数1/Tを
乗じられる。また、この角度変化量は航法座標系で記述
されているため、機軸座標系での値に座標変換される。
このとき、前回での姿勢を参照する。機軸系に座標変換
された角度変化量は、角速度センサで検出された角度変
化量と足し合わされ、4元数による積分処理が施されて
システム出力となる。以上は、傾斜計の低周波成分に誤
差が含まれないと仮定したが、列車の走行においては、
加減速時に発生する運動加速度、旋回時に発生する遠心
加速度等によって非常に周波数の低い領域でも傾斜計に
誤差が発生することがある。これを回避するためには、
それらの運動状態を何らかの方法で検出し、傾斜計出力
と角速度センサ出力の周波数領域的分担比率を連続的に
または離散的に変化させればよい。具体的には、図4に
示す帰還係数1/Tを連続的あるいは離散的に小さくし
て傾斜計の依存度を下げればよい。加減速による運動加
速度の検出には、サンプリング前後の時系列の2つの傾
斜計データを準備し、この2つのデータが零クロスして
いるかどうかを判断すればよい。これは、図5に示すよ
うに、列車の加減速はほぼ定加速度であるため、加減速
時の傾斜計出力には、振動的な成分よりも大きなオフセ
ット成分が発生する現象を利用している。前後2値の零
クロス判断には、2つの値の積の符号が正であるか負で
あるかを調べればよい。前後2値の積の符号が正のとき
は加速状態であり、負のときは等速状態であると判断す
る。旋回時の遠心加速度の検出には、システムロール角
の出力値に判断閾値を設け、一定の角度より絶対値が大
きくなったとき、カーブ通過中と判断すればよい。列車
が高速でカーブを通過するとき、線路にはカント角とい
うロール方向の傾きが設けられている。この傾きは、ほ
ぼ遠心加速度に比例するように設計されているため、ロ
ール角遠心加速度の間には極めて強い相関を持ち、判断
条件として利用できる。
[Equation 2] (Δ (t): delta function u (t): step function) Although only the fourth term is a time transient term and describes the transient phenomenon of the filter, it converges to 0 after a sufficient time. An open loop block chart showing this processing is shown in FIG. However, in this method, when the disturbance E (s) occurs, the influence directly appears on the output. In an actual system, the error of the other axis corresponds to the disturbance given to the current axis. Then, the block chart as shown in FIG. 3 is obtained by converting into the closed loop processing. The crossover frequency f c and the feedback time constant T of this system are expressed by the following equation with T s as a sampling period. T = (1 + πf c T s ) / (2πf c T s ) ... (10) FIG. 4 shows a processing chart when this processing is applied to a three-dimensional posture angle calculation. Where vector θ: inclinometer output,
Vector φ: angular velocity sensor output, vector ψ: system output. The output of the inclinometer is summed with the previous system output multiplied by a negative sign and then multiplied by the feedback factor 1 / T. Further, since this angle change amount is described in the navigation coordinate system, it is converted into a value in the machine axis coordinate system.
At this time, the previous posture is referred to. The angle change amount coordinate-converted to the machine axis system is added to the angle change amount detected by the angular velocity sensor, and integration processing by a quaternion is performed to obtain a system output. The above assumes that no error is included in the low-frequency component of the inclinometer, but in running the train,
An error may occur in the inclinometer even in a very low frequency region due to motion acceleration generated during acceleration / deceleration, centrifugal acceleration generated during turning, and the like. To avoid this,
These motion states may be detected by some method, and the ratio of the inclinometer output and the angular velocity sensor output in the frequency domain may be changed continuously or discretely. Specifically, the feedback coefficient 1 / T shown in FIG. 4 may be reduced continuously or discretely to reduce the dependency of the inclinometer. In order to detect the motion acceleration due to acceleration / deceleration, it is sufficient to prepare two time-series inclinometer data before and after sampling and determine whether or not these two data are zero-crossed. This is because, as shown in FIG. 5, the acceleration / deceleration of the train is almost constant acceleration, and therefore a phenomenon in which an offset component larger than a vibrational component is generated in the output of the inclinometer during acceleration / deceleration is used. . To determine the binary zero crossings before and after, it suffices to check whether the sign of the product of the two values is positive or negative. When the sign of the product of the front and rear binary values is positive, it is determined that the vehicle is in the accelerated state, and when it is negative, it is determined that the vehicle is in the constant velocity state. To detect the centrifugal acceleration during turning, a judgment threshold value is set for the output value of the system roll angle, and when the absolute value becomes larger than a certain angle, it may be judged that the curve is passing. When a train passes through a curve at high speed, the track is provided with a cant angle in the roll direction. Since this inclination is designed to be almost proportional to the centrifugal acceleration, it has an extremely strong correlation between the roll angular centrifugal accelerations and can be used as a judgment condition.
【0008】こうした処理をソフトウェア化するために
は漸化式が必要となる。なお、漸化式の記述に当たり、
次のようなデータ系列及び関数を定義する。 (データ系列) θn :傾斜計出力角度 φn :角速度センサ出力角速度 ψn :システム出力姿勢角 dt :サンプリング時間 Cn :座標変換行列 αn :帰還係数(=1/T) βn :航法系帰還量 γn :機軸系帰還量 (なお、θn 、φn 、ψn 、αn 、βn 、γn は、ベク
トルである。) (関数) C=F(dμ) :機軸系角度増分 dμによっで座標変換行
列Cを更新する関数。 ν=G(C) :座標変換行列Cより姿勢角μを求める関
数。 dμ=H( dλ,ψ):機軸系角度増分 dλと姿勢角ψ
より航法系角度増分 dμを求める関数。 (なお、μ、ν、ψ、λは、ベクトルである。)図4で
示されたアナログ伝達関数の記述によるブロックチャー
トに従い、上述のデータ系列、関数を使用して処理を順
番に記述すると以下のようになる。 βn =αn (θn −ψn-1 ) …(11) γn =H(βn ,ψn-1 ) …(12) Cn =F(γn +φn dt) …(13) ψn =G(Cn ) …(14) (なお、βn 、αn 、θn 、ψn-1 、γn 、φn 、ψn
はベクトルである。)加減速加速度及び遠心加速度の影
響を軽減するためには、ベクトルαn をそれぞれの判断
条件に従ってリアルタイムに変更すればよい。
A recurrence formula is required to convert such processing into software. When describing the recurrence formula,
The following data series and functions are defined. (Data series) θ n : Inclinometer output angle φ n : Angular velocity sensor output angular velocity ψ n : System output attitude angle dt: Sampling time C n : Coordinate conversion matrix α n : Feedback coefficient (= 1 / T) β n : Navigation System feedback amount γ n : Machine system feedback amount (Note that θ n , φ n , ψ n , α n , β n , and γ n are vectors.) (Function) C = F (dμ): Machine system angle A function that updates the coordinate transformation matrix C with the increment dμ. ν = G (C): A function for obtaining the posture angle μ from the coordinate conversion matrix C. dμ = H (dλ, ψ): Aircraft system angle increment dλ and attitude angle ψ
A function to obtain the navigation system angular increment dμ from. (Note that μ, ν, ψ, and λ are vectors.) According to the block chart of the description of the analog transfer function shown in FIG. become that way. β n = α nn −ψ n -1 ) (11) γ n = H (β n , ψ n -1 ) (12) C n = F (γ n + φ n dt) (13) ψ n = G (C n ) ... (14) (where β n , α n , θ n , ψ n-1 , γ n , φ n , ψ n
Is a vector. ) In order to reduce the influence of acceleration / deceleration acceleration and centrifugal acceleration, the vector α n may be changed in real time according to the respective judgment conditions.
【0009】[0009]
【実施例】図6に、本発明の実施例を示す。角速度セン
サとしては起動特性が良好で振動に強い光ファイバジャ
イロ1を使用する。加速度センサとしてはクロストーク
が少なく分解能の良好なサーボ型加速度センサ2を用い
ることにする。また、A/D変換の際のアンチエリアジ
ングフィルタとして、位相特性の良好なパッシッブフィ
ルタ(または、ほぼ同等な性質を持つアクティブフィル
タ)を使用する。データ取り込み及びセンサ融合に関す
る処理は、RS232C及び16ビットA/Dコンバー
タを内蔵したパーソナルコンピュータ7を使用する。ま
ず、光ファイバジャイロ1でセンシングされた角速度情
報はRS232Cシリアルインターフェース4を経由し
て、及びサーボ型加速度センサ2でセンシングされた加
速度情報はLPF(ローパスフィルタ)3を経てアナロ
グ信号として16ビットA/Dコンバータ5を介してパ
ーソナルコンピュータ7の演算処理部6に取り込まれ
る。ここで図4及び式(11)〜(14)に従って処理
を行い、姿勢角を30ms毎に算出する。なお、クロス
オーバー周波数fc は角速度センサの分解能0.000
5度/秒に対して、最適値1mHz 程度の値を設定す
る。式(10)には、未設定項クロスオーバー周波数f
c が存在するが、最適クロスオーバー周波数は角速度セ
ンサ分解能をΩs 、システム姿勢角要求精度をθsとし
て、次の式で表される。 fc =Ωs / (2πθs) …(15) 通常、角速度センサの分解能が先に決まっている場合が
多いので、この式を目安にしてクロスオーバー周波数を
決定する。物体の運動状態によってはこの式ではクロス
オーバー周波数が高すぎる場合があるが、列車での応用
ではこの式を使用している。一般に、列車の安全運行
上、10度を越えるロール角及び2度を越えるピッチ角
は列車の運動条件として発生しない。実験によれば。角
速度センサの分解能が0.01から0.001度/秒の
範囲であるとすると、クロスオーバー周波数fc を5m
Hz から0.5mHz の間に設定することが好ましいこ
とがわかった。
EXAMPLE FIG. 6 shows an example of the present invention. As the angular velocity sensor, an optical fiber gyro 1 having good starting characteristics and resistant to vibration is used. As the acceleration sensor, a servo type acceleration sensor 2 having a small crosstalk and a good resolution will be used. Further, as an anti-aliasing filter at the time of A / D conversion, a passive filter having a good phase characteristic (or an active filter having substantially the same property) is used. The personal computer 7 having the RS232C and the 16-bit A / D converter built therein is used for the process related to the data acquisition and the sensor fusion. First, the angular velocity information sensed by the optical fiber gyro 1 is passed through the RS232C serial interface 4, and the acceleration information sensed by the servo type acceleration sensor 2 is passed through the LPF (low pass filter) 3 to obtain a 16-bit A / A signal. It is taken into the arithmetic processing unit 6 of the personal computer 7 via the D converter 5. Here, processing is performed according to FIG. 4 and equations (11) to (14), and the posture angle is calculated every 30 ms. The crossover frequency f c is the resolution of the angular velocity sensor of 0.000.
An optimum value of about 1 mHz is set for 5 degrees / second. In equation (10), the unset term crossover frequency f
Although c exists, the optimum crossover frequency is expressed by the following equation, where the angular velocity sensor resolution is Ω s and the system attitude angle required accuracy is θ s . f c = Ω s / (2πθ s ) ... (15) Usually, the resolution of the angular velocity sensor is often determined first, so the crossover frequency is determined using this formula as a guide. The crossover frequency may be too high with this formula depending on the motion state of the object, but this formula is used in the train application. Generally, a roll angle of more than 10 degrees and a pitch angle of more than 2 degrees do not occur as train motion conditions for safe train operation. According to the experiment. Assuming that the resolution of the angular velocity sensor is in the range of 0.01 to 0.001 degree / sec, the crossover frequency f c is 5 m.
It has been found that it is preferable to set it between Hz and 0.5 mHz.
【0010】[0010]
【発明の効果】角速度センサ、傾斜計はそのもの自体は
バーチカルジャイロに比べて丈夫であるが、誤差の周波
数依存性によって、列車運動計測においてはその用途が
限られていた。本発明によるセンサ融合手法によって、
角速度センサ、あるいは傾斜計単独では実現できなかっ
た広い周波数領域での、列車姿勢角の測定が可能となっ
た。また、バーチカルジャイロのような定期的メンテナ
ンスも必要とせず、機械的な部分が殆どないため、故障
も少ない。さらに、列車からの情報などは一切必要な
く。自立したセンサとして扱え、可搬性も高い。さら
に、列車運動に最適化する信号処理を行うことによっ
て、良好な精度を得ることができる。
Although the angular velocity sensor and the inclinometer themselves are stronger than the vertical gyro, their applications are limited in the train motion measurement due to the frequency dependence of the error. By the sensor fusion method according to the present invention,
It became possible to measure the train attitude angle in a wide frequency range that could not be realized by the angular velocity sensor or the inclinometer alone. In addition, it does not require regular maintenance like a vertical gyro and has few mechanical parts, so there are few failures. Furthermore, no information from the train is needed. It can be handled as an independent sensor and is highly portable. Furthermore, good accuracy can be obtained by performing signal processing optimized for train motion.
【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]
【図1】従来の慣性計測装置によるデータ処理を示すブ
ロックチャート。
FIG. 1 is a block chart showing data processing by a conventional inertial measurement device.
【図2】傾斜計と角速度センサを組み合わせた開ループ
型センサによるデータ処理を示すブロックチャート。
FIG. 2 is a block chart showing data processing by an open loop type sensor in which an inclinometer and an angular velocity sensor are combined.
【図3】傾斜計と角速度センサを組み合わせた閉ループ
型センサによるデータ処理を示すブロックチャート。
FIG. 3 is a block chart showing data processing by a closed loop type sensor in which an inclinometer and an angular velocity sensor are combined.
【図4】本発明の姿勢角センサによるデータ処理を示す
ブロックチャート。
FIG. 4 is a block chart showing data processing by the attitude angle sensor of the present invention.
【図5】水平状態での加減速時における傾斜計の出力を
示す図。
FIG. 5 is a diagram showing the output of the inclinometer during acceleration / deceleration in a horizontal state.
【図6】本発明の実施例を示すブロックチャート。FIG. 6 is a block chart showing an embodiment of the present invention.
【符号の説明】[Explanation of symbols]
1 光ファイバジャイロ 5 A/Dコン
バータ 2 サーボ型加速度センサ 6 演算処理部 3 LPF(ローパスフィルタ) 7 パーソナル
コンピュータ 4 シリアルインターフェース
1 Optical fiber gyro 5 A / D converter 2 Servo type acceleration sensor 6 Arithmetic processing unit 3 LPF (low pass filter) 7 Personal computer 4 Serial interface
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉田 裕充 東京都千代田区丸の内1丁目6番5号 東 日本旅客鉄道株式会社内 (72)発明者 宮崎 淳平 茨城県日立市日高町5丁目1番1号 日立 電線株式会社日高工場内 (72)発明者 向後 太 東京都千代田区神田駿河台4丁目6番地 株式会社日立製作所システム事業部内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (72) Yumitsu Yoshida Inoue Hiromichi, Chiyoda-ku, Tokyo 1-6-5 Marunouchi East Japan Railway Company (72) Inoue Miyazaki 5-1-1 Hidakacho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture No. 1 Hitachi Cable Co., Ltd. Hidaka Factory (72) Inventor Futoshi Mugo 4-6 Kanda Surugadai, Chiyoda-ku, Tokyo Hitachi Systems Co., Ltd.

Claims (4)

    【特許請求の範囲】[Claims]
  1. 【請求項1】 単独または複数の加速度センサを用いた
    傾斜計と、単独または複数の角速度センサを有し、これ
    ら傾斜計及び角速度センサの出力信号を電気的に処理し
    て姿勢角(ロール角、ピッチ角、ヨー角)を測定する列
    車用姿勢角センサにおいて、走行時の列車傾斜角(ロー
    ル角及びピッチ角)の測定においては、デジタル信号処
    理におけるシステムサンプリング周波数に対して、比較
    的周波数の低い領域を傾斜計に担当させ、これよりも高
    い周波数領域を角速度センサに担当させることを特徴と
    する列車用姿勢角センサ。
    1. An inclinometer using a single or a plurality of acceleration sensors, and a single or a plurality of angular velocity sensors, wherein output signals of the inclinometer and the angular velocity sensor are electrically processed to obtain a posture angle (roll angle, In a train attitude angle sensor that measures pitch angle and yaw angle, the train inclination angle (roll angle and pitch angle) during running is relatively low compared to the system sampling frequency in digital signal processing. A train attitude angle sensor characterized in that an inclinometer is in charge of a region, and an angular velocity sensor is in charge of a higher frequency region.
  2. 【請求項2】 請求項1記載の列車用姿勢角センサにお
    いて、列車加速あるいは減速時に傾斜計出力に発生する
    直流的な加速度を検出し、この値に応じてピッチ角の測
    定における、傾斜計と角速度センサの周波数領域的分担
    比率を連続的または離散的に変化させることを特徴とす
    る列車用姿勢角センサ。
    2. The train attitude angle sensor according to claim 1, which detects a direct current acceleration generated in the output of the inclinometer at the time of train acceleration or deceleration, and uses the inclinometer in the measurement of the pitch angle according to this value. An attitude angle sensor for a train, characterized in that the frequency domain sharing ratio of the angular velocity sensor is changed continuously or discretely.
  3. 【請求項3】 請求項1記載の列車用姿勢角センサにお
    いて、列車カーブ通過時に発生するロール角をセンサ自
    身で検出し、この値に応じてロール角の測定における、
    傾斜計と角速度センサの周波数領域的分担比率を連続的
    または離散的に変化させることを特徴とする列車用姿勢
    角センサ。
    3. The train attitude angle sensor according to claim 1, wherein the sensor itself detects a roll angle generated when passing through a train curve, and the roll angle is measured according to this value.
    A train attitude angle sensor characterized by continuously or discretely changing the frequency domain sharing ratio of the inclinometer and the angular velocity sensor.
  4. 【請求項4】 請求項1記載の列車用姿勢角センサにお
    いて、信号のフィルタリング処理を、帰還型デジタルフ
    ィルタによって行うことを特徴とする列車用姿勢角セン
    サ。
    4. The train attitude angle sensor according to claim 1, wherein the signal filtering process is performed by a feedback digital filter.
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