JPH1123276A

JPH1123276A - 外力計測装置

Info

Publication number: JPH1123276A
Application number: JP9187399A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Ando; 雅明安藤
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1997-06-27
Filing date: 1997-06-27
Publication date: 1999-01-29
Anticipated expiration: 2017-06-27
Also published as: JP3282547B2; US6199020B1

Abstract

(57)【要約】【課題】外部から加わる角速度を角速度検出部で検出
し、この検出信号中のドリフト成分とランダムノイズ成
分を除去して正確な検出信号を得る。【解決手段】過去の零信号値Ｖ0 を読出し、角速度検
出部からの読込信号値Ｖinと零信号値Ｖ0 との減算値と
第１の閾値ΔＶ1 とを比較し、角速度が加わっていない
ときに、読込信号値Ｖinをドリフト成分を相殺する零信
号値Ｖ0 に更新設定する。さらに、この零信号値Ｖ0 と
読込信号値Ｖinとの減算値を再度第２の閾値ΔＶ2 とを
比較し、減算値の零調整を行う。これにより、検出信号
中のドリフト成分とランダムノイズ成分を除去して正確
な角速度を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば加速度セン
サ、角速度センサ等からなる外力検出手段から出力され
る読込信号値中に含まれるランダムノイズ、ドリフトノ
イズ等の成分を除去してから積分して出力する外力計測
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、従来技術による外力計測装置と
して回転角を検出する装置の場合には、被測定物となる
移動体の回転角を検出するために、角速度信号を積分し
て検出するようにしている。そして、外力検出手段には
角速度センサが用いられているから、該角速度センサか
ら出力される検出信号には、ランダムノイズやドリフト
ノイズのような低周波のノイズが重畳されている。そこ
で、このノイズを除去するために、信号成分のみを抽出
して積分する種々の方法がある。

【０００３】従来技術としてその一例として、特開平４
−２６９６２２号では、音叉型振動ジャイロを用いて変
位角度を検知するとき、ドリフト検出器として音叉の入
っていない振動ジャイロと同一構成の素子を２つ用意
し、それらの素子の平均値によってセンサのドリフトを
除去するもので、ドリフト検出用の素子は音叉が入って
いないジャイロと同等であるため、温度変化等の要因で
検出素子側でドリフト成分が信号成分に重畳されて、同
様のドリフト成分もドリフト検出器からも出力される。
そこで、両者の差をとることでドリフト成分をキャンセ
ルできる。

【０００４】また、近年角速度センサと他の角度検知素
子を組合せることにより、ランダムノイズやドリフトノ
イズをキャンセルする方法が、例えば特開平５−７１９
６４号に提案されている。この公報では、角速度センサ
と地磁気センサを用いて正確な方位角の算出を行ってい
る。これは角速度センサの信号を積分して得られる角度
信号を、地磁気センサから得られる角度信号から減算す
ることにより、地磁気センサから出力される信号中に含
まれる外乱成分を除去し、正確な方位角を求めるもので
ある。

【０００５】また、確率的に変動するドリフトをカルマ
ンフィルタのような非線形フィルタで予測することで、
高精度な角度算出を行う方法が、例えば特開平３−１８
８３１７号公報に提案されている。この公報では、角速
度センサと地磁気センサからの出力を読込み、これらの
値と過去の推定角度から現在の角度を算出し、その際角
速度センサからの検出信号をオフセットのずれを含めた
形で信頼性の高い判定を行っており、その際にカルマン
フィルタ理論を用いている。このカルマンフィルタ理論
では、３軸角速度センサの出力をカルマンフィルタで演
算処理することにより、ノイズ成分を効果的に除去でき
る。

【０００６】しかし、上述した従来技術のち、複数のセ
ンサを組合せることにより補正を行うものでは、複数個
のセンサを用いているから装置構成が複雑になり、コス
トが上昇するという欠点がある。

【０００７】一方、カルマンフィルタで検出信号から真
の検出信号を推定する場合には、計算量が莫大になるた
め、リアルタイムでセンサからの検出信号を処理するた
め、ＤＳＰやＲＩＳＣ等の高性能なディジタル信号処理
装置を用いる必要があり、コストが上昇するという欠点
がある。

【０００８】これらの欠点を解決するものとして、特開
平７−３２４９４１号公報（以下、従来技術という）に
示すようなオフセットドリフト補正装置が知られてい
る。

【０００９】この従来技術によるオフセットドリフト補
正装置は、角速度を検出する角速度センサと、該角速度
センサから出力される検出信号によって、移動体が旋回
動作中か否かを判定する旋回判定手段と、該旋回判定手
段によって移動体が旋回動作中でないと判断したとき
に、補正角速度を平滑した平均角速度を用いて角速度セ
ンサのオフセットを推定して修正する適応フィルタとか
ら構成されている。

【００１０】そして、この従来技術によるオフセットド
リフト補正装置は、角速度センサからの出力とその時刻
で推定された適応フィルタからの出力の差が推定値の誤
差量となり、この値を平均化して、前記旋回判定手段で
旋回中でないと判定したときだけ、適応フィルタを用い
て更新する。これにより、十分な時間経過後には角速度
センサのオフセットレベルが適応フィルタからの出力に
収束し、推定オフセットレベルを角速度センサから差し
引いた補正角速度を正確な角速度として処理することに
よって検出信号が温度ドリフトするのを防止し、ドリフ
ト成分をキャンセルすることができる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来技術によ
るオフセットドリフト補正装置では、適応フィルタから
の出力は常に角速度センサから出力される検出信号より
も低い値に設定して、検出信号中のドリフト成分を除去
することができる。

【００１２】しかし、この従来技術では、旋回判定手段
によって移動体が旋回動作中でないと判断したときであ
っても、検出信号と適応フィルタ出力との差は零にオフ
セットすることができず、確実なオフセット調整を行う
ことができないという新たな問題がある。

【００１３】本発明は上述した従来技術の問題に鑑みな
されたもので、本発明は簡単な処理によって、検出信号
中のドリフト成分、ランダムノイズ成分等の除去するこ
とのできる外力計測装置を提供することを目的としてい
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、請求項１の発明による外力計測装置は、被測定
物に加わる外力を検出信号として検出する外力検出手段
と、該外力検出手段から入力される検出信号を所定時間
毎に読込み、読込信号値として出力する信号値読込手段
と、該信号値読込手段による読込信号値から外力が加わ
っていない場合に定められる零信号値を減算した減算値
と予め設定された第１の閾値とを比較することにより、
該外力検出手段に外力が加わっているか否かを判定する
外力作用判定手段と、該外力作用判定手段によって前記
外力検出手段に外力が加わっていないと判定した場合に
は、前記読込信号値を新たな零信号値として更新設定す
る零信号値更新設定手段と、前記信号値読込手段による
読込信号値から該零信号値更新設定手段で更新設定した
零信号値または更新設定していない零信号値を減算した
減算値と予め設定された第２の閾値とを比較することに
より、該減算値が当該第２の閾値より小さいか否かを判
定する減算値判定手段と、該減算値判定手段で減算値が
前記第２の閾値より小さいと判定した場合には前記減算
値を零に設定する減算値零設定手段と、該減算値零設定
手段により減算値を零に設定した場合であっても否であ
っても、前記読込信号値から零信号値を減算した減算値
を積分する積分手段とから構成したことにある。

【００１５】上記構成により、外力検出手段から出力さ
れる検出信号はアナログ信号として出力され、信号値読
込手段では、このアナログの検出信号を所定時間毎に読
込むことにより、断続的な読込信号値として読込む。一
方、外力作用判定手段では、信号値読込手段で読込まれ
た読込信号値から外力が加わっていない場合に定められ
る零信号値を減算した減算値と第１の閾値とを比較し、
零信号値更新設定手段では、第１の閾値よりも減算値が
小さいときには、前記読込信号値を新たな零信号値とし
て更新設定する。

【００１６】また、減算値判定手段では、読込信号値か
ら更新設定されていない現状の零信号を減算した減算
値、または読込信号値から零信号値更新設定手段で更新
された新たな零信号を減算した減算値と、予め設定され
た第２の閾値とを比較し、減算値零設定手段では、該減
算値が第２の閾値よりも小さいときには該減算値を零に
設定する。

【００１７】さらに、積分手段では、減算値零設定手段
で減算値を零に設定した場合でも、設定しなかったいず
れの場合でも、減算値に基づいて被測定物に作用した外
力を積分する。これにより、外力検出手段から出力され
る読込信号値中のドリフトによる拡散を防止できると共
に、外力検出手段に外力が加わっていないときには減算
値を零に設定でき、積分手段で演算される減算値は、零
を基準とした計測信号として出力することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明による実施の形態を
添付図面に従って詳細に説明するに、図１ないし図３は
本発明による実施例を示すに、外力計測装置として角速
度計測装置を例に挙げる。

【００１９】図中、１は本実施例による外力検出手段と
しての角速度検出部を示し、該角速度検出部１は被測定
物となる移動体（図示せず）に設けられ、該角速度検出
部１は、コリオリ力を用いて角速度を検出するジャイロ
センサ等からなる角速度センサ２と、該角速度センサ２
の出力側に接続されたアナログ増幅回路３とから大略構
成されている。また、前記アナログ増幅回路３からは角
速度センサ２に加わる所定軸周りの角速度による変化に
対応した検出信号（アナログ信号）として後述の信号処
理部４に出力する。

【００２０】４は例えばマイクロコンピュータ等から構
成された信号処理部を示し、該信号処理部４は、前記ア
ナログ増幅回路３から読込んだアナログ検出信号を所定
時間毎に読込むと共に、アナログ信号をディジタル信号
に変換するＡ／Ｄ変換回路５と、該Ａ／Ｄ変換回路５の
次段に設けられ、後述する処理により補正後の角速度を
演算する演算回路６と、該演算回路６に接続されて該演
算回路６との間で情報の入出力を行うべく、後述する第
１の閾値ΔＶ1 、第２の閾値ΔＶ2 、初期時の零信号値
Ｖ0 、図２に示す処理プログラム等が記憶された記憶回
路７と、前記演算回路６の次段に設けられ、後続の回路
に計測信号を出力する信号出力回路８とから大略構成さ
れている。

【００２１】なお、記憶回路７内の零信号値Ｖ0 は、本
装置が作動する前では予め角速度検出部１に外力が加わ
っていないときの零信号値Ｖ0 を記憶し、既に作動した
後では、前回の処理によって設定された零信号値Ｖ0 を
記憶している。

【００２２】一方、前記信号出力回路８はディジタルイ
ンターフェースにより構成され、所定のフォーマット
（例えば、ＲＳ−２３２Ｃ）で外部の装置（図示せず）
等に接続されている。

【００２３】ここで、図２の処理プログラムに基づいて
本実施例の処理動作について説明する。

【００２４】まず、ステップ１では、初期時の零信号値
Ｖ0 を記憶回路７より読出す。なお、この零信号値Ｖ0
は、本プログラムを最初に実行する前における零信号値
Ｖ0はバックアップ値として予め設定された初期時の零
信号値Ｖ0 であり、既に角速度計測装置として使用済の
場合には、前回の信号処理によって設定された零信号値
Ｖ0 が初期時の零信号値Ｖ0 となる。

【００２５】次に、ステップ２では、所定時間毎（例え
ば、２０ｍＳ）に角速度検出部１から出力される検出信
号を信号値Ｖinをもった読込信号値（以下、読込信号値
Ｖinという）として読込み、ステップ３では、移動体に
角速度が加わっているか否かを判定すべく、読込んだ読
込信号値Ｖinから初期時の零信号値Ｖ0 を減算し、この
減算値（Ｖin−Ｖ0 ）と予め設定された第１の閾値ΔＶ
1 とを比較する。

【００２６】ステップ３で「ＹＥＳ」と判定した場合に
は、移動体に角速度が加わっていないとして零信号値Ｖ
0 を更新設定すべくステップ４に移り、「ＮＯ」と判定
した場合には、更新を行わずに現状の零信号値Ｖ0 のま
まステップ５に移る。

【００２７】ここで、ステップ４では、この読込信号値
Ｖinを零信号値Ｖ0 に更新設定して記憶回路７に記憶す
る。この零信号値Ｖ0 は、読込信号値Ｖin中のドリフト
成分を相殺した値となる。

【００２８】さらに、ステップ５では、再度移動体に加
わる角速度が実質的に零値とみなせる値か否か、即ち減
算値を零値に設定するか否かを判定すべく、読込んだ読
込信号値Ｖinから現状（初期時）の零信号値Ｖ0 また
は、ステップ４で更新された新たな零信号値Ｖ0 を減算
する。この上で、このステップ５では、減算値（Ｖin−
Ｖ0 ）と予め設定された第２の閾値ΔＶ2 とを比較す
る。

【００２９】ここで、ステップ５で「ＹＥＳ」と判定し
た場合には、ステップ６に移り、この減算値は実質的に
零値と認定される範囲内にあるから、減算値（Ｖin−Ｖ
0 ）＝０に設定し、次のステップ７に移る。

【００３０】ステップ７では、減算値（Ｖin−Ｖ0 ）が
第２の閾値ΔＶ2 より大きく、ステップ５で「ＮＯ」と
判定した場合、またはステップ６で（Ｖin−Ｖ0 ）＝０
に設定した場合のいずれにおいても、減算値（Ｖin−Ｖ
0 ）を積分して変位角度θとなる計測信号を得る。

【００３１】この場合、ステップ７の演算では、ステッ
プ６で、減算値（Ｖin−Ｖ0 ）が第２の閾値ΔＶ2 より
小さいために、Ｖin−Ｖ0 ＝０と設定した場合でも、θ
＝０となるように積分処理を行うものであるから、減算
値（Ｖin−Ｖ0 ）は、読込信号値Ｖin中のドリフト成分
とノイズ成分を除去したものとなる。このため、ステッ
プ７の演算で得られる変位角度θはこれらの誤差分を補
正した計測信号値とすることができる。

【００３２】なお、前記第１の閾値ΔＶ1 と第２の閾値
ΔＶ2 の設定方法に関しては、該第１の閾値ΔＶ1 は、
角速度検出部１から出力される検出信号に含まれるラン
ダムノイズの振幅より大きめに設定され、第２の閾値Δ
Ｖ2 は静止時の角速度検出部１から出力される検出信号
の変化率より大きめに設定されている。

【００３３】次に、図３の波形図に基づき、本実施例に
よる角速度計測装置の具体的な作用について、図２の処
理との関係で説明する。

【００３４】まず、図３中で上段の（イ）は角速度検出
部１から信号処理部４に入力される読込信号値Ｖinで、
中段の（ロ）は零信号値Ｖ0 、中段の（ハ）は積分され
る前のドリフト成分を除去した減算値（Ｖin−Ｖ0 ）を
示し、さらに下段の（ニ）は計測信号値（変位角度θ）
を示している。

【００３５】まず、読込信号値Ｖin中には、温度変化、
経時劣化等によってドリフト信号Ｄが重畳しているた
め、このドリフト信号Ｄを傾きとした波形となる（図３
中の（イ）参照）。

【００３６】そこで、零信号値Ｖ0 は、前述したステッ
プ３，４の処理により、減算値（Ｖin−Ｖ0 ）が第１の
閾値ΔＶ1 よりも小さい場合、即ち領域ａ，ａのときに
は、ステップ４の演算によりその時点での最新のＶinを
新たな零信号値Ｖ0 として更新設定し、減算値（Ｖin−
Ｖ0 ）が第１の閾値ΔＶ1 よりも大きい場合には、零信
号値Ｖ0 の更新を禁止し、現状の零信号値Ｖ0 を維持す
る（図３中の（ロ）参照）。

【００３７】さらに、変位角度θを検出するために積分
される減算値（Ｖin−Ｖ0 ）は、前述したステップ５，
６の処理により、減算値（Ｖin−Ｖ0 ）が第２の閾値Δ
Ｖ2よりも小さい場合には、角速度検出部１に角速度が
加わっていないと判断し、Ｖin−Ｖ0 ＝０とする（図３
中の（ハ）参照）。このように設定することで、信号に
含まれるランダムノイズ成分を除去できる。

【００３８】これにより、読込信号値Ｖin中のドリフト
成分とランダムノイズ成分とを除去した信号（減算値）
にでき、この信号をステップ７のように、積分すること
により正確な変位角度θを検出することができる（図３
中の（二）参照）。

【００３９】また、この処理では読込信号値Ｖinの低周
波変動に合わせて零信号値Ｖ0 を更新設定しているの
で、ドリフト成分のように低周波成分を含んだノイズに
対して効果的に除去することができる。

【００４０】さらに、ステップ５の処理では、減算値
（Ｖin−Ｖ0 ）が零とみなす範囲内にあるときに、この
ノイズ分を除去するオフセットを行うようにしたから、
（図３中の（ハ）のように、減算値（Ｖin−Ｖ0 ）は、
零を基準とした波形とすることができる。

【００４１】一方、ステップ７で積分される減算値（Ｖ
in−Ｖ0 ）は、ステップ３，４の処理によってドリフト
成分を相殺した零信号値Ｖ0 に対してオフセット調整を
行っているから、読込信号値Ｖin中のノイズ成分を確実
に除去することができ、図３中の（ニ）のように、正確
な計測信号値（変位角度θ）を得ることができる。

【００４２】かくして、本実施例による角速度計測装置
では、読込信号値Ｖinと零信号値Ｖ0 の減算値によっ
て、該角速度検出部１に角速度が加わっていないと判定
したときに新たな零信号値Ｖ0 に更新設定することによ
り、読込信号値Ｖin中のドリフト成分を相殺する零信号
値Ｖ0 を設定することができる。

【００４３】また、再度、読込信号値Ｖinから現状の零
信号値Ｖ0 を減算した減算値、または読込信号値Ｖinか
ら更新設定された零信号値Ｖ0 を減算した減算値によっ
て、読込信号値Ｖin中のノイズをオフセット調整するよ
うにしたから、この減算値を零を基準とした信号として
出力することができ、読込信号値Ｖin中のドリフト成分
とランダムノイズ成分を共に除去でき、正確な角速度に
対応した減算値を積分することにより、移動体（被測定
物）の変位角度θを図３中の（ニ）に示すような計測信
号値として出力することができる。

【００４４】さらに、本実施例は前述したように、読込
信号値Ｖin中のドリフト成分を除去すると共に、零信号
値設定を確実に行うことができるから、従来技術による
オフセットドリフト補正装置に比べて、角速度検出部１
に角速度が加わっていないときの読込信号値Ｖinを確実
に零にすることができ、正確な角速度検出を行うことが
できる。

【００４５】なお、前記実施例では、図２中のステップ
２が信号値読込手段、ステップ３が外力作用判定手段、
ステップ４が零信号値更新設定手段の具体例であり、さ
らにステップ５が減算値判定手段、ステップ６が減算値
零設定手段、ステップ７が積分手段の具体例である。

【００４６】また、前記実施例では、外力検出手段に角
速度を検出する角速度検出部１を用いたものについて説
明したが、本発明はこれに限らず、加速度を検出する加
速度センサを用いたものでもよく、この場合には変位角
度を検出するためには、積分を２度行えばよい。また、
外力検出手段に速度センサを用いて、この読込信号値を
１回積分して変位位置を検出することに用いることもで
き、種々の外力を検出して必要な量を検出するのみ用い
ることができる。

【００４７】さらに、前記実施例では、ステップ２で検
出信号を所定時間（例えば、２０ｍＳ）毎に読込むよう
にしたが、本発明はこれに限らず、読込みタイミング
を、例えば、１０ｍＳ，２０ｍＳ，３０ｍＳ，…と変化
させてもよく、この場合には、検出信号の変化が急なと
きには読込みタイミングを短くし、緩やかなときには読
込みタイミングを長くすればよい。

【００４８】

【発明の効果】以上詳述した如く、請求項１の発明によ
れば、零信号値更新設定手段では、外力検出手段に外力
が加わっていないことを、外力作用判定手段で読込信号
から零信号値を減算した減算値と第１の閾値とを比較し
て判定することにより、読込信号値を読込信号値中のド
リフト成分を相殺した新たな零信号値として更新設定す
る。また、減算値判定手段では、読込信号値から零信号
値を減算した減算値と予め設定された第２の閾値とを比
較することにより、読込信号値が第２の閾値より小さい
ときには減算値零設定手段によって該減算値を零に設定
するように構成したから、減算値演算手段によって被測
定物に作用した外力を演算するとき、読込信号値中のド
リフトによる拡散を防止できると共に、外力検出手段に
外力が加わっていないときには減算値を零に設定でき、
減算値を零を基準とした出力とすることができ、読込信
号値中のランダムノイズ成分を補正した出力として、正
確な読込信号値を出力できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による角速度検出装置のブロッ
ク図である。

【図２】実施例による信号処理を示す流れ図である。

【図３】角速度検出部から出力される読込信号値、零信
号値、減算値、計測信号値を示す波形図である。

【符号の説明】

１角速度検出部（外力検出手段）２角速度センサ３アナログ増幅回路４信号処理部５Ａ／Ｄ変換回路６演算回路７記憶回路８信号出力回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定物に加わる外力を検出信号として
検出する外力検出手段と、該外力検出手段から入力される検出信号を所定時間毎に
読込み、読込信号値として出力する信号値読込手段と、該信号値読込手段による読込信号値から外力が加わって
いない場合に定められる零信号値を減算した減算値と予
め設定された第１の閾値とを比較することにより、該外
力検出手段に外力が加わっているか否かを判定する外力
作用判定手段と、該外力作用判定手段によって前記外力検出手段に外力が
加わっていないと判定した場合には、前記読込信号値を
新たな零信号値として更新設定する零信号値更新設定手
段と、前記信号値読込手段による読込信号値から該零信号値更
新設定手段で更新設定した零信号値または更新設定して
いない零信号値を減算した減算値と予め設定された第２
の閾値とを比較することにより、該減算値が当該第２の
閾値より小さいか否かを判定する減算値判定手段と、該減算値判定手段で減算値が前記第２の閾値より小さい
と判定した場合には前記減算値を零に設定する減算値零
設定手段と、該減算値零設定手段により減算値を零に設定した場合で
あっても否であっても、前記読込信号値から零信号値を
減算した減算値を積分する積分手段とから構成してなる
外力計測装置。