(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
慣性測定装置であって、
測定すべき慣性属性を表す第１及び第２検知出力信号をそれぞれ生成するように方位付けられた第１及び第２慣性計器であって、それぞれの検知軸が平行であり、前記第１及び第２検知出力信号を生成する際に、符号が逆転可能な第１及び第２倍率をそれぞれ用いる、第１及び第２慣性計器と、
前記第１及び第２出力信号を受信し、前記第１及び第２倍率にアクセスするアクセス手段と、
前記第１倍率と、前記第１倍率と第２倍率との間の差とに基づいて、前記第２倍率の等価値として、代用倍率を決定する手段と、
連続する第１時間インターバル及び第２時間インターバルであって、第１及び第２倍率の一方の符号が、前記第１時間インターバルにおける一方の状態から前記第２時間インターバルにおける他方の状態に変化する第１及び第２時間インターバルにおいて、前記第１倍率及び前記代用倍率に基づいて、前記第１及び第２倍率における差を計算する計算手段と、
前記第１及び第２倍率の符号反転を順次交互に行い、前記第１及び第２慣性計器からの対応する出力を組み合わせて、前記第１及び第２慣性計器のバイアス誤差と、前記第１及び第２慣性計器の前記倍率の間の差とを測定する手段と、
前記第１及び第２検知出力信号のそれぞれ、並びに前記第１及び第２倍率の誤差の補正に基づいて、第１及び第２補正出力信号を発生する補正出力信号発生手段であって、連続する複数の連続時間インターバルにわたる前記第１及び第２検知出力信号の測定値に基づいて、前記第１及び第２補正出力信号を発生し、かつ、前記第１及び第２検知出力信号を構成するある種の成分が互いに相殺し合うように、前記複数の連続時間インターバルにわたる前記第１及び第２検知出力信号を算術的に組み合わせるよう構成されている補正出力信号発生手段と
を備えていることを特徴とする慣性測定装置。
【請求項２】
請求項１記載の慣性測定装置において、前記第１及び第２慣性計器は、前記第１及び第２出力信号を発生するためにそれぞれ第１及び第２バイアス値を用いており、前記アクセス手段が前記第１及び第２バイアス値にアクセスし、前記計算手段が、前記複数の連続時間インターバル中に、前記第１及び第２バイアス値に基づいて前記第１及び第２バイアス値の誤差を計算し、前記補正出力信号発生手段が、前記第１及び第２バイアス値のそれぞれの誤差、並びに前記第１及び第２バイアス値の誤差の補正に基づいて、前記第１及び第２補正出力信号を発生するよう構成されていることを特徴とする慣性測定装置。
【請求項３】
請求項１記載の慣性測定装置において、前記計算手段は、前記第１及び第２倍率の間の差を、
MeasA(i) = KmodeA*SFA*dTheta_in + BiasA*Ti
MeasB(i) = KmodeB*(SFA+SFA*dSFB)*dTheta_in + BiasB*Ti
ただし、MeasA及びMeasBは、第１及び第２慣性計器によって得られる増分角度の測定値
KmodeA及びKmodeBは、前記第１及び第２倍率の符号を反転させるための＋１又は１
dTheta_inは、前記第１及び第２慣性計器によって変位される真の入力角
BiasA及びBiasBは、前記第１及び第２慣性計器のバイアス
SFA及びSFBは、前記第１及び第２倍率
Tiは、前記第１及び第２慣性計器を角変位させる時間インターバル
dSFBは、SFAとSFBとの間の差
を用いて求めることを特徴とする慣性測定装置。
【請求項４】
請求項１記載の慣性測定装置において、該装置は更に、前記慣性属性の値を表す第３補正出力信号を発生する手段を備えており、前記第３出力信号は、前記第１及び第２補正出力信号の平均であることを特徴とする慣性測定装置。
【請求項５】
平行な検知軸を有するように方位付けられた第１及び第２慣性計器によって、測定すべき慣性属性を表す第１及び第２検知出力信号の誤差を補正する方法であって、
第１及び第２倍率をそれぞれ用いて、前記第１及び第２検知出力信号を生成するステップと、
前記第１及び第２検知出力信号を受信し、前記第１及び第２倍率にアクセスするステップと、
前記第１倍率と、前記第１及び第２倍率間の差とに基づいて、前記第２倍率の等価値として、代用倍率を決定するステップと、
連続する第１及びその後続の時間インターバルであって、第１及び第２倍率の一方の符号が、前記第１時間インターバルにおける一方の状態から、連続する前記後続の時間インターバルにおいて他方の状態に変化する前記第１及びその後続の時間インターバルにおいて、前記第１倍率及び前記代用倍率に基づいて、前記第１及び第２倍率における差を計算するステップと、
前記第１及び第２検知出力信号のそれぞれ、並びに前記第２倍率の誤差の補正に基づいて、第１及び第２補正出力信号を発生するステップであって、前記第１及びその後続の連続する時間インターバルにわたる前記第１及び第２検知出力信号の測定値に基づいて、第１及び第２補正出力信号を発生し、前記第１及び第２検知出力信号を構成するある種の成分が互いに相殺し合うように、前記第１及びその後続の時間インターバルにわたる検知出力信号を算術的に組み合わせるステップと
を備えていることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項５記載の方法において、前記第１及び第２出力信号を発生するためにそれぞれ第１及び第２バイアス値が用いられ、前記方法は更に、
前記第１及び第２バイアス値にアクセスするステップと、
前記第1及びその後続の時間インターバル中に、前記第１及び第２バイアス値に基づいて前記第１及び第２バイアス値の誤差を計算するステップと、
前記第１及び第２バイアス値のそれぞれの誤差、並びに前記第１及び第２バイアス値の誤差の補正に基づいて、第１及び第２補正出力信号を発生するステップと
を備えていることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項５記載の方法において、前記第２倍率の誤差は、
MeasA(i) = KmodeA*SFA*dTheta_in + BiasA*Ti
MeasB(i) = KmodeB*(SFA+SFA*dSFB)*dTheta_in + BiasB*Ti
ただし、MeasA及びMeasBは、第１及び第２慣性計器によって得られる増分角度の測定値２慣性
KmodeA及びKmodeBは、前記第１及び第２倍率の符号を反転させるための＋１又は１
dTheta_inは、前記第１及び第２慣性計器によって変位される真の入力角
BiasA及びBiasBは、前記第１及び第２慣性計器のバイアス
SFA及びSFBは、前記第１及び第２倍率
Tiは、前記第１及び第２慣性計器を角変位させる時間インターバル
dSFBは、SFAとSFBとの間の差
を用いて求められることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項５記載の方法において、該方法は更に、前記慣性属性の値を表す第３補正出力信号を発生するステップを備えており、前記第３出力信号は、前記第１及び第２補正出力信号の平均であることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジャイロスコープや加速度計のような慣性計器に関し、更に特定すれば、慣性計器の誤差をリアル・タイムで検出し、慣性計器が動作状態にありながらこのような誤差を補正することを可能にすることである。
【従来技術】
【０００２】
ジャイロの倍率（ＳＦ）項の符号を独立して逆転させる機能が、米国特許第７，１０３，４７７号に開示されている。倍率（ＳＦＡ及びＳＦＢ）及びバイアス項（ＢｉａｓＡ及びＢｉａｓＢ）を有する数式を用いて、２つのジャイロＡ及びＢに対する倍率を乗算した入力レートを求めることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７，１０３，４７７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記した米国特許に開示されている技術においては、ＳＦＡ及び／又はＳＦＢが不調和である場合、数式の結果に悪影響が生じることになる。本発明の目的は、このような問題点を解決することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明による慣性測定装置の一例は、平行な検知軸を有し、測定すべき慣性属性を表す第１及び第２検知出力信号をそれぞれ生成するように方位付けられた第１及び第２慣性計器を有する。第１及び第２検知出力信号を生成する際に、第１及び第２倍率をそれぞれ用いる。第１倍率と第１及び第２倍率間の差とに基づいて、第２倍率の等価値となる代用倍率を決定する。第１及び第２倍率の一方の符号が、第１時間間隔における一方の状態から連第２間間隔における他方の状態に変化する第１及び第２時間間隔において、第１倍率と代用倍率とに基づいて、第１及び第２倍率の差を計算する。第１及び第２検知出力信号のそれぞれ、並びに第２倍率誤差の補正に基づいて、第１及び第２補正出力信号を発生する。
誤差補正を実施する方法は、本発明の別の実施形態である。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明による慣性計器の一実施形態例の機能図である。
【図２】図１の機能を実行するのに適した慣性計器の一実施形態例のブロック図である。
【図３】２つのジャイロスコープ例と関連付けた信号の極性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明の一態様は、慣性計器の倍率誤差を最少限に抑えつつ慣性計器を連続動作状態に維持することが望ましいリアル・タイム環境に適用可能である。
図１は、本発明による慣性計器１の一実施形態例の機能図である。マイクロ処理ユニット１５によって実行するコンピュータ・アルゴリズムがジャイロ・バイアス誤差及び倍率不均衡を、以降で説明するように計算する。平行な検知軸を有するジャイロスコープ２及び３すなわち計器はそれぞれ、倍率４及び６並びにバイアス誤差５及び７を有する同じ真入力レートdTheta_inを検知する。それぞれの計器から得られる測定出力MEASA及びMEASBは、マイクロ処理ユニット１５に入力され、ホストされているアルゴリズムによって処理される。このアルゴリズムについては、以降で詳細に説明する。カルマン・フィルタ９が、マイクロプロセッサの中に実装されており、各計器のバイアス誤差BiasA及びBiasB、並びに計器間における倍率不均衡１２を計算する。ジャイロの測定値は、バイアス加算１０、１１の結果得られた計算及びフィードバック、並びに倍率不均衡１２によって補正され、組み合わされ、加算１４に基づく出力dTheta_outとして得られる。補正ジャイロ測定値の加算８は、本発明によって制御される符号出力を有し、カルマン・フィルタへの入力となる。
【０００８】
図２は、本発明による慣性計器１の実施形態例のブロック図である。マイクロ処理ユニット１５は、マイクロプロセッサ２２を含み、リード・オンリ・メモリ（ＲＯＭ）２４及びランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）２６によってサポートされている。マイクロプロセッサ２２は、図示のようなディジタル信号の受信及び送信をサポートする入力／出力デバイス２８に結合されている。マイクロプロセッサ２２は、格納されているプログラム制御命令の下で動作する。命令は、初期状態ではＲＯＭ２４に収容しておくことができる。動作命令及びデータは、マイクロプロセッサ２２による処理のために、ＲＡＭ２６に格納する。当業者であれば、この中で論ずる機能や計算を実施するために、マイクロプロセッサ２２に合った適宜のソフトウェア又はファームウェア制御命令を供給することができるであろう。ジャイロスコープ「ジャイロ」Ａ２及びジャイロＢ３は、Ｉ／Ｏデバイス２８に結合され、度単位で測定するというような、角度測定値の各出力を発生する。平行な検知軸を有するこれらのジャイロによって検知される入力情報は、MeasA及びMeasBとして表す。ＭＰＵ１５によってジャイロ２及び３のために計算した出力は、それぞれ、dTheta_out_A及びdTheta_out_Bで表す。出力dTheta_outは、ＭＰＵ１５によって計算され、ジャイロ２及び３からの入力に基づいて動的に計算された角度の出力である。以下で説明するが、出力dThata_outは、dTheta_out_A及びdTheta_out_Bの平均であり、ジャイロが動的環境において連続的に動作している間、２つのジャイロのバイアス誤差のリアル・タイム測定、及び２つのジャイロの倍率間におけるあらゆる不均衡に基づいて補正される。
【０００９】
上記のように構成する代わりに、機能及び計算は、特定用途集積回路、又はその他の形態のハードウェア実施態様で実現することもできる。計器１５によって行われる機能性及び計算に加えて、２つ以上のジャイロによって設けられる追加の機能性も、１つのデバイスに組み込むことができる。
【００１０】
バイアス誤差が直接観察可能となるのは、２つの計器、この実施形態例ではジャイロスコープ（ジャイロ）の検知軸が、検知する属性に対して同じ軸に沿って位置付けられており、記載するように連続処理(sequence)される場合である。双方のジャイロは、同じ軸を中心とする回転を検知する。ｉ回目の測定インターバル中にジャイロＡ及びＢによって得られる測定値MeasA及びMeasBは、次の通りである。
MeasA(i) = SFA*dTheta_in+BiasA*Ti                        （１）
MeasB(i) = SFB*dTheta_in+BiasB*Ti                        （２）
ここで、MeasA及びMeasBは、それぞれ、２つのジャイロＡ及びＢによって得られる増分角度(incremental angle)の測定値である。
dTheta_inは、平行な検知軸を有する２つのジャイロＡ及びＢによって変位される真の入力角度である。
SFA及びSFBはそれぞれ、ジャイロＡ及びＢの倍率係数であり、ジャイロの物理的出力を入力角度に関係付ける。
Tiは、２つのジャイロを角変位させる時間インターバルである。
【００１１】
各ジャイロの倍率項の符号を独立して逆転させると、次の式が得られる。
MeasA(i) = KmodeA*SFA*dTheta_in+BiasA*Ti                  （３）
MeasB(i) = KmodeB*SFB*dTheta_in+BiasB*Ti                  （４）
ここで、KmodeA及びKmodeBは、倍率項を反転させた一連の測定値を得るために、＋１又は１の値を独立して取る。
【００１２】
Kmode値の組み合わせに対する８つの数式は、次の通りである。
MeasA(1) = +1*SFA*dTheta_in + BiasA*Ti                    （５）
MeasB(1) = +1*SFB*dTheta_in + BiasB*Ti                    （６）
MeasA(2) = +1*SFA*dTheta_in + BiasA*Ti                    （７）
MeasB(2) = -1*SFB*dTheta_in + BiasB*Ti                    （８）
MeasA(3) = -1*SFA*dTheta_in + BiasA*Ti                    （９）
MeasB(3) = -1*SFB*dTheta_in + BiasB*Ti                    （１０）
MeasA(4) = -1*SFA*dTheta_in + BiasA*Ti                    （１１）
MeasB(4) = +1*SFB*dTheta_in + BiasB*Ti                    （１２）
これら８つの数式によって、倍率を乗算した４つの入力レートSFA*dTheta_inからSFA*dTheta_in4まで、並びに２つのバイアス項BiasA及びBiasBの解が得られる。
【００１３】
この実施形態では、項SFBを次のようにモデル化する。
SFB = SFA*(1+dSFB)                                        （１３）
ここで、dSFBはSFAとSFBとの間の差である。
式１３により得られるSFBの値を式３及び式４に代入すると、次の式が得られる。
MeasA(i) = KmodeA*SFA*dTheta_in + BiasA*Ti               （１４）
MeasB(i) = KmodeB*(SFA+SFA*dSFB)*dTheta_in + BiasB*Ti    （１５）
連続する複数のインターバルにおける測定値MeasA及びMeasBを加算又は減算すると、SFA*dTheata_in(i)の積を消去させることができ、残余内包要素(remainder containing elements)であるdSFB*SFA*dTheta_in、BiasA、及びBiasBが残る。
【００１４】
Ａ及びＢジャイロ測定値の差を計算する場合、バイアス誤差及び倍率不均衡を観察することができる。一連のKmodeA、KmodeB、並びに式１４及び式１５の加算又は減算から、ジャイロスコープＡ及びＢからの測定値の組み合わせにおける周波数及び位相多重化信号として、誤差dSFB、BiasA、及びBiasBを観察することができる。これについては、以下で更に詳しく説明する。
MeasA(i) = KA*(KmodeA*SFA*dTheta_in + BiasA*Ti)                （１６）
MeasB(i) = KB*(KmodeB*(SFA+SFA*dSFB)*dTheta_in + BiasB*Ti)      （１７）
上記の式１６及び式１７において、係数KmodeA及びKmodeBはそれぞれ、ジャイロスコープＡ及びＢの倍率の符号を表す。また、係数KA及びKBには、＋１／−１の値が与えられる。KA、KB、KmodeA、及びKmodeBの値は、以下の式が必ず導かれるように選択される。
(KA*KmodeA + KB*KmodeB)*dTheta_in(i) = 0                        （１８）
KA及びKBは、式１６及び式１７を加算するのか又は減算するのかを制御する役割を果たし、更に減算の順序、即ち、式１６−式１７又は式１７−式１６を制御する役割を果たす。
【００１５】
図３は、式１６及び式１７の連続加算及び減算から得られる、判定可能な誤差の一連の極性を示すグラフである。これらの結果は、式１６及び式１７が式１８を満たすように、KA、KB、KmodeA、及びKmodeBとして適宜の値を選択することによって得ることができる。式１８を満たすと、その結果、式１６及び式１７の加算から、次の式が得られる。
MeasA(i) + MeasB(i) = KA*BiasA*Ti 
+ KB*KmodeB*dSFB*SFA*dTheta_in(i) + KB*BiasB*Ti          （１８ａ）
式１８を満たす場合、式１６及び式１７の和は、誤差を含む項のみとなる。ここでは、さしあたって、dSFB*SFA*dTheta_inを含む積を無視して、KA及びKBの符号を順次交互に変えることにより、式１８ａにおけるBiasA及びBiasBによる影響(effect)が符号を変化させ、式１８ａにおいてこれらの項が原因で生ずる誤差を事実上「変調」する。波形４０及び４２は、それぞれ、BiasA及びBiasBからのこの影響を表している。
【００１６】
式１８ａに対するdSFBの影響は、KmodeBの影響のみを受ける。図１におけるジャイロＢの倍率の符号を変化させると、KmodeBの符号が逆になり、式１８ａにおけるdSFBによって生ずる誤差の符号を変化させる。KmodeBは、図２における波形４４を実現するように選択することができる。波形４４は、波形４０及び４２とは異なる周波数において現れ、したがって式１８ａに対するdSFBの影響を、BiasA及びBiasBの影響とは分離することができる。式１８ａにおけるSFA*dTheta_in(i)の値は、一次に対しては、図１における加算１０の出力における値となる。図１におけるカルマン・フィルタ・プロセス９によってBiasAの値を洗練するに連れて、この相関は強くなっていく。
【００１７】
KA、KB、及びKmodeBに対するシーケンスが選択されたならば、KmodeAすなわちジャイロａの倍率の符号は、式１８によって規定される条件を満たさせるように選択することができる。その結果、BiasA、BiasB、及びdSFBは、式１６及び式１７の和ではそれぞれ、図３の波形４０、４２、及び４４と相関付けられた方形波として現れる。これらの方形波はそれぞれ、BiasA及びBiasBに対する波形４０及び４２におけるように位相で分離され、更にdSFBに対する波形４４の場合のように周波数で分離される。これらの相関は、事実上、式１６及び式１７の和に印加された、それぞれの誤差の振幅変調となる。続いて、式１６及び式１７の和を図３における波形で復調すると、潜在する誤差の値が得られる。
【００１８】
計器１０の一例では、図２に示す誤差信号を復調するためにカルマン・フィルタを実装し、各「ｉ」インターバルで値を観察する。
Z(i)
= [KB(i)*KmodeB(i)*SFA*dTheta_in(i), KA(i)*Ti, KB(i)*Ti]*[dSFB, BiasA, BiasB]T        （１９）
【００１９】
観察毎のカルマン・フィルタＨ行列は、次のようになる。
H(i) = [KB(i)*KmodeB(i)*SFA*dTheta_in(i), KA(i)*Ti, KB(i)*Ti]                      （２０）
当業者には、Ｚ（ｉ）及びＨ（ｉ）に関するカルマン・フィルタの動作は明らかであろう。
Ｈ行列内にある要素の全ては、各インターバルにおいて、KA、KB、KmodeA、KmodeB、そしてジャイロＡからの生の（未補正）測定値、即ち、SFA*dTheta_in(i)から分かる。したがって、以上のプロセスは、計器１によって再帰的に適用されて、ジャイロＡ及びＢのバイアス誤差のリアル・タイム測定値、並びにジャイロＡの倍率とジャイロＢの倍率との間における不均衡（発生した場合はいつでも）を判定することができる。計器１からの出力dTheta_outは、ジャイロＡ及びＢからの生出力に基づく、常時更新されている角度測定値から成り、先に説明したように判定される任意のバイアス及び／又は倍率誤差を補償するように補正される。つまり、このような誤差の補正は、動的環境においてジャイロが連続的に動作している間に実施されるのである。即ち、ジャイロの入力が変化を受ける時間中に、動的更新が行われる。
【００２０】
例示の実施形態に関して、ディジタル的な実施態様では、２つの並列計器入力／チャネルWin(A)及びWin(B)からの慣性計器測定値の入力及び出力に対応するカウントすなわち数値を含んでいる。計器１０は、必要な出力を処理し、実質的にリアル・タイムで出力を発生することが好ましい。
【００２１】
以上、ここでは本発明の実施態様例について図面を参照して詳細に説明したが、本発明の主旨から逸脱することなく、種々の変更、追加、交換等が可能であることは当業者には明白であろう。前述の実施態様は、ジャイロスコープに関して説明したが、倍率の符号の逆転を制御可能な１対の並列加速度計にも等しく適用することができる。
【図１】
0005457716.tif 000002
【図２】
0005457716.tif 000003
【図３】
0005457716.tif 000004