JPS60262009A - 移動体方位検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発週の技術分野〕 この発明は、例えば無軌道を走行する移動体において、
走行中の移動体が自身の方位姿勢を自立的に認識するた
めの方位検出装置に関するものである。

（従来技術〕 一般に、地上援助設備を必要としない自立的な移動体方
位検出装置としては、高速回転体のジャイロ慣性を利用
した機械式ジャイロを用いたものが多用されている。

しかしながら機械式ジャイロは、高速回転体を必要とす
ることから、構造が複雑で高価であり、精度維持のため
の定期的保守を必要とする等産業　用の過酷な使用条件
下では使い難い面があった。

そこで従来、これに代わるものとしてガスレートセンサ
の使用が提案されている（例えば「計測と制御Ｊ　Ｖｏ
ｌ、　２１．　Ｎｏ、　７　（昭和５７年７月）　、　
Ｐ７２５〜７５０）。

ガスレートセンサは機械式レートジャイロと同しく、移
動体の回転角速度を検出する慣性センサの一種である。

まずこの動作原理を第５図によって説明する。ガスレー
トセンサは、原理的には、圧電ポンプによって励振され
ノズル（１）によって定速層流とされたガス流（２）と
、これによって冷却され抵抗値が変化するセンナワイヤ
（３ａ）、　（３ｂ）とより構成される。ガス流（２）
は外部から角速度ωの回転が加わると、コリオリカを受
けて、第５図のように中央位置（６）からＹだけ偏向す
る。ガス流（２）の速度をｖ１ノズル（２）からセンサ
ワイヤ（３ａ）、　（３ｂ）までの距離をＬとすると、
この偏り量Ｙは、２ Ｙ　二　−ω となシ、入力角速度ωに比例した量となる。この偏りに
よってセンサワイヤ（３ａ）、　（３ｂ）へのガス流（
２）のあたり方が変わり抵抗バランスが失なわれ、偏向
量Ｙがセンサワイヤ（３ａ）、　（３ｂ）と抵抗（４）
、（６）によって構成されるブリッジ回路により電圧Ｖ
。とじて検出される。

動作原理から分かるように、ガスレートセンサは、高速
回転体を必要としないことから構造が単純となり、長寿
命耐衝撃性、無保守性、低価格などの利点がめる。

しかし動作原理から分かるように、本センサはセンサワ
イヤ（３ａ）、　（３ｂ）の温度による抵抗値変化を利
用して、検出を行なうため、その特性が外気温に影響さ
れるという欠点を持つ。具体的には、第６図に示すよう
に無人力時の出力オフセット電圧が零でなく、また温度
、時間により変動すること、また電圧値と入力角速度の
変換係数であるスケールファクタが第７図のように温度
により変動するなどの問題点がある。

従来、この温度変動の対策としては、第８図に示すよう
なものがあった。これはガスレートセンサ（γンに直接
ヒータ（８）を巻きつけ、外気温度を一定に保つ構造と
したものである。この構造は、ヒータを加熱するため多
くの電力を必要とし、バッテリー駆動の無人車のように
、エネルギー源の限られた用途には適切でない。また、
ヒータの予熱時間即ち温度が安定になるまで、一定のウ
オームア″′時ｒｚ　ｄ（必要１あ６７ど０欠点７“あ
Ｏ＊（、。

〔発明の一概要〕

この発明はかかる欠点を解消する目的でなされたもので
、回転角速度検出手段の周囲温度を検出する温度センサ
と、オフセット値を補正するオフセット補正手段と、ス
ケールファクタを補正するスケールファクタ補正手段と
により温度依存性の高い回転角速度検出手段の特性を補
正し、もって安価、低消費電力で外気温度に影響される
ことのない高精度の移動体方位検出装置を提案するもの
である。

〔発明の実施例〕

この発明の構成を第１図によって説明する。

この発明は、回転角速度検出手段−により得られた信号
を入力とするオフセット補正手段（支））によって角速
度信号のオフセラ）［を決定し、また温虻センサ（９）
の信号を入力とするスケールファクタ補正手段−によっ
てスケールファクタを決定し、これら両者の値を用い回
転角速度検出手段−からの入力データを方位角変換処理
手段に）によって時々刻々の方位角に変換処理し、さら
に方位角出力手段−によねその結果を出力するように構
成されている。

次に、その具体例を図面を参照して説明する０第２図は
第１゛図の構成を実現する電気接続を示すブロック図で
あり、図中（γ）は移動体の回転角速匿を検出するガス
レートセンサ、（９）はガスレートセンサ（γ）の周囲
の温度を測足する温度センサ、■は゛マイクロコンピュ
ータで、ＣＰＵα呻、メモリ臥クロック回路（噂、大力
バッファ（２）、Ｏ→、出力バッファ＜ｍ　、通信バッ
ファ（１６）　を有しているｏ’ｊ″してガスレートセ
ンサ（７）からの信号は、Ａ／Ｄ変換回路（１Ｂ＞によ
りディジタル値に変換されて入力バッファ（抑より読込
まれ、また、温度セーンサ（９）からの信号は、Ａ／Ｄ
変換回路（ロ）によりディジタル値に変換されて入力バ
ッファに）より読込まれるようになっている。またクロ
ック回路（至）は一定周期のクロックパルスを発生して
ＣＰＵ（１１）に割込みをかけ、処理プログラムは一定
周期毎に繰返し実行されるようになっている。処理プロ
グラムや途中の演算結果はメモリＣ１１）に記憶され、
また最終演算結果は出力バッファ（旬から表示装置（ト
）に出力されるようになっている。また通信バッファ（
至）は、この方位検出装置と外部コントローラーとの間
でコマンドや処理結果の情報のやりとりを行なうように
なっている。

第３図は、ガスレートセンサ（γ）及び温度センサ（９
）部分の構成を示すもので、温度センサ（９）はガスレ
ートセンサ（γ）の外部に接着等により取付けられしか
も移動体の回転時の空気の流れや風等によってセンナ周
囲温度が変化することを防止するため上記両センサ（γ
）、（９）は断熱材−）が充填された外囲器（３０）に
納められている。なお温度センサ（９）は、予めガスレ
ートセンサ（７）の内部に組込んでおいてもよい。

第４図は嬉２図に示すマイクロコンピュータ−のメモリ
（２）に記憶されている方位角検出プログラムのフロー
チャートであり、以下第４図を参照して作用を説明する
。

−このプログラムは、クロック回路−からのクロックパ
ルスによって割込起動され、一定時間間隔Δを毎に繰返
し実行される０したがって、ガスレートセンサ（γ）か
らの移動体回転角速度に比例した出力は、Δを時間毎の
角速度変化データｇ１としてステップ（２１）のデータ
読込処理にて読込まれる。そしてこのデータを累積し変
換係数を乗することにより回転角が得られるわけである
が、このデータは前述したようにオフセット値を持った
値であり、正確な角度を得るためにはこのオフセット値
を除去しなければならない。　− そこでステップ−では、方位角の計測の開始を例えば外
部コントローラｖＩ）からの指令により判断する。そし
て方位角の計測を行なわない時には、ステップ−）のオ
フセット補正処理において、以下の（１）式により無入
力時オフセット値ｚ１を刻々計算する。

すなわち、第１時刻のオフセット値ｚ１は、第１時以前
のＮ個の無人力データの平均値としてめられる０　１ また、ガスに−）センサ（７）の出力と実際の角速度と
の変換係数であるスケール７アクタは、ステップ−のス
ケールファクタ補正処理において決定される。ここでは
、ガスレートセンサ（γ）近傍に取付けられた温度セン
サ（９）からの出力Ｔを読込んで例えば以下の（２）式
によりスケールファクタ８０Ｆを決定する。

８ＣＦ　＝　ａ　＋ａ　Ｔ＋ａ　Ｔ”−１−＊　ｅ　＠
＋１ｌｎＴ”　’＠　＊　＠（２１０１２ ここで、ａｏ、ａ□、・・・、ａｎはスケールファクタ
８０Ｆと温度Ｔとを関係付ける係数であり、予め実験デ
ータから最小二乗法等を用いて決定される。

この（２）式は、回転角速度検出手段−の特性によシー
次式、二次式等を選択する。また、温度Ｔの範囲を区分
し一次式による折線近似を用いてもよい。

一方、ステップ−において方位角の計測を行なうと判断
した場合には、ステップに）において逐時の入力データ
ｇ１と１サンプリング前のオフセット値ｚｌ−□とを比
較し、ｇｌとｚｌ−□との差の絶対値が設定値りより大
きいか否かを判断し、小さければ無人力と判断しステッ
プ−のオフセット補正処理においてステップ−と同様の
オフセット補正処理を、行なって今回のオフセット値を
更新し、逆に太きければステップ■のオフセット補正処
理を行、なわない。なお、ステップに）において用いら
れる設定値しは、入力変化を無視しないよう充分小さな
値（例えば４Ｌ８Ｂ）に設定する０ このようにして得られた今回の入力データｇ１の方位角
度への変換処理は、ステップ（財）、　１２Ｂ）におい
で行なわれる。

すなわち、ステップ（ロ）においては、今回の入力デー
タｇ１とオフセット値ｚ１との差ωｉ＝ｇｉ−２ｉ　を
真の角速度データとし、この値から例えば以下の（８）
式に示す台形積分公式により累積値８１を計算する０ またステップ（ホ）においては、ステップ（財）で得ら
れた累積値８１にステップ−で得られたスケールファク
タ８ＣＦを乗じて方位角度θ１を計算するＯＩ　＝８Ｃ
ＦＸ８１　・ａ　＊（４） このようにして計算処理された時々刻々の方位角度０ｉ
は、ステップ１２９１において出力バッファαりから表
示装置（ホ）に表示されるとともに、通信バッファ（１
６）を介して外部コントローラ緯）Ｋ報告される〇しか
して、構造が複雑で高価な機穢式ジャイロを用いること
なく安価なガスレートセンサを用い、しかも温度補償用
のヒータを要することなく高精度の方位検出が可能とな
る。

なお、上記処理において方位角計測中のスケールファク
タは、温度変、化が緩やかであるので一定として処理し
ているが、計測が長時間になるような場合には、スケー
ルファクタ・補正処理を計測中の処理に含めることも可
能である。

また、（２）式における係数ａは、別途設けた絶対方位
検出手段、例えば移動体がステーション等の停止位置で
テレビカメラ等により自身の姿勢を認識する等の手段を
併用し、そのデータを通信バッファＱ６）を介して受け
て計測方位角度θ、と比較し、−（４）式を逆算して新
たなスケールファクタＳＣＦを計算し、その時の周囲温
Ｖ＝とから最小二乗法等のアルゴリズムを適用すること
によって、前もって実験しなくても自動的に決定するこ
とができる０〔発明の効果〕 以上説明したようにこの発明は、温度センサ、オフセッ
ト補正手段、スケールファクタ補正手段、および方位角
変換処理手段により回転角速度検出手段の特性を補正す
るようにしているので、保守が容易で安価ではあるが温
度依存性が強く精度が劣るとされていたガスレートセン
サを用いても、移動体の自立的な方位検出を高精度に行
なうことができる０また従来のように恒温用のヒータを
要しないので、ウオームアツプ時間を必要とせず、また
低消費電力の検出装置を実現できる等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の構成？示゛すブロック図、第２図は
その電気接続を示すブロック図、第５図はガスレ−トセ
ンサ部分の構造を示す部分前面図、第４図はメモリに記
憶されている方位検出プロゲラＡ　（Ｄ　７０−チ“−
ト・第５図はガ″′−ト″１′″′　ｌすの動作原理％
＋す概念図、第６図及び第７図れガスレートセンサの温
度特性を示す特性線図、第８図は従来のガスレートセン
サにおける特性補正手段を示す構成図である。 （７ン・・ガスレートセンサ （９）・・温度センサ （イ）４　’１１マイクロコンピュータゆ・・回転角速
度検出手段 （喝・・オフセット補正手段 −・・スケールファクタ補正手段 □□□）・拳方位角変換処理手段 （転））・番方位角出力手段 なお各図中、同一符号は同−又は相当部分を示すものと
する。 代理人大岩増雄 第１図 ４ 第３図 第４図 第５図 第６図 □時間（分） 第７Ｎ ７ト量し躍Ｌ＆（”（’） １、事件の表示　特願昭５９−１１８０２３号２０発明
の名称 移動体方位検出装置 ３、補正をする者 −明細書の発明の詳細な説明０欄・ ６、補正の内容 明細書第３頁第４行ないし第５行のｒ　（３ａ）　。 （３ｂ）とより」という記載をｒ　（３ａ）　、（３ｂ
）とにより」と補正する。　′ 以　上 ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ガスレートセンサを用いた回転角速度検出手段と、この
   回転角速度検出手段の周囲温ｉｔ検出する温度センサと
   、回転角速度検出手段の現在までの無人力データの平均
   値を演算しこれを現在の無人力時のオフセット値とする
   オフセット補正手段と、上記温度センサからの温度信号
   とスケールファク！との関係係数に基づきスケールファ
   クタを：：エニ：二：二；二＝：τ：：、＠ｆ：ｆ：：
   ット補正手段からのオフセット値信号、及びスケールフ
   ァクタ補正手段からのスケールファクタ信号に基づき方
   位角を演算する方位角変換処理手段と、この方位角を出
   力する方位角出力手段とを具備することを特徴とする移
   動体方位検出装置。