(57)【要約】【課題】  角速度センサを用いる際に、精度良くオフセットを補償することを可能にする角速度センサ装置および角速度センサ補正方法を提供する。【解決手段】  運動体に設けられ、運動体が水平方向で向きを変えたときの角速度を検出する角速度センサ１０と、角速度センサ１０に併設され、重力方向を基準とした傾斜角度を検出する加速度センサ２０と、角速度センサ１０と加速度センサ２０の両方を重力方向またはその逆方向に、水平方向から所定角度だけ回転する駆動部３０と、角速度センサ１０と加速度センサ２０とが所定角度だけ回転されたときに、角速度センサ１０が検出した角速度を積算して第１の傾斜角度を算出し、所定角度だけ回転されたときに加速度センサ２０が検出した第２の傾斜角度と、第１の傾斜角度との差を基に、運動体が水平方向で向きを変えたときの角度を補償する処理部４０とを備える。【選択図】  図１
2016031283.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
運動体に設けられ、前記運動体が水平方向で向きを変えたときの角速度を検出する第１のセンサと、
前記第１のセンサに併設され、重力方向を基準とした傾斜角度を検出する第２のセンサと、
前記第１のセンサと前記第２のセンサの両方を重力方向またはその逆方向に、水平方向から所定角度だけ回転する駆動手段と、
前記第１のセンサと前記第２のセンサとが所定角度だけ回転されたときに、前記第１のセンサが検出した角速度を積算して第１の傾斜角度を算出し、前記所定角度だけ回転されたときに前記第２のセンサが検出した第２の傾斜角度と、前記第１の傾斜角度との差を基に、前記運動体が水平方向で向きを変えたときの角度を補償する処理部と、
を備えることを特徴とする角速度センサ装置。
【請求項２】
前記処理部は、前記第１の傾斜角度と前記第２の傾斜角度との差を基に、前記第１のセンサのオフセットを算出し、前記第１のセンサが前記運動体の水平方向の角速度を検出したときに、この検出した角速度から前記オフセットを除いて、前記運動体が水平方向で向きを変えたときの角度を算出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の角速度センサ装置。
【請求項３】
前記処理部は、前記第１の傾斜角度と前記第２の傾斜角度との差を、前記第１のセンサの誤差とし、前記第１のセンサが前記運動体の水平方向の角速度を検出したときに、この検出した角速度から算出した角度を前記誤差で補償し、補償した角度を前記運動体が水平方向で向きを変えた角度とする、
ことを特徴とする請求項１に記載の角速度センサ装置。
【請求項４】
前記第１のセンサと前記第２のセンサとが設けられている基板を備え、
前記駆動手段は前記基板を所定角度だけ回転する、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の角速度センサ装置。
【請求項５】
運動体に設けられた第１のセンサが、前記運動体が水平方向で向きを変えたときの角速度を検出し、
前記第１のセンサに併設された第２のセンサが、重力方向を基準とした傾斜角度を検出し、
前記第１のセンサと前記第２のセンサの両方を重力方向またはその逆方向に、水平方向から所定角度だけ駆動手段により回転し、
前記第１のセンサと前記第２のセンサとが所定角度だけ回転されたときに、前記第１のセンサが検出した角速度を処理部により積算して第１の傾斜角度を算出し、
前記所定角度だけ回転されたときに前記第２のセンサが検出した第２の傾斜角度と、前記第１の傾斜角度との差を基に、前記運動体が水平方向で向きを変えたときの角度を前記処理部により補償する、
ことを特徴とする角速度センサ補正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、アンテナ装置等に用いられる角速度センサ装置および角速度センサ補正方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
角速度センサは、ジャイロセンサや振動ジャイロなどと呼ばれ、アンテナ装置の衛星通信アンテナの姿勢制御や、車両の位置検出など各種の分野で用いられている。例えば、船舶に搭載されるアンテナ装置の場合、角速度センサは傾斜計と共に衛星の追尾に用いられている。つまり、衛星の位置情報と、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）から得られる船舶の位置情報とを基にアンテナの向きを決める（例えば、特許文献１、２参照。）。このとき、アンテナ装置は、アンテナの仰角を固定し、方位方向にアンテナを３６０度回転して衛星を探す。
【０００３】
しかし、海上の船舶は波の影響等で揺れることがある。また、船舶は航行しているので、舳先も変わる。このために、アンテナを仰角に固定する際や、方位方向にアンテナを回転する際に、船舶の揺れを補償する必要がある。
【０００４】
船舶の揺れには、ピッチ（Ｐｉｔｃｈ）、ロール（Ｒｏｌｌ）、ヨウ（Ｙａｗ）、ターン（Ｔｕｒｎ）がある。ピッチ・ロールは船舶の上下左右の揺れであり、ヨウ・ターンは船舶の舳先が変わる水平方向の揺れである。ロール・ピッチについては、重力方向を基に船舶の傾斜を検出する傾斜計と、慣性により船舶の傾斜を検出する角速度センサとが用いられる。また、ヨウ・ターンについては、慣性により船舶の傾斜を検出する角速度センサが用いられる。ここで、重力方向とは、重力により物体が引っ張られる方向である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−５３３８４号公報
【特許文献２】特開平１１−３２６５１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、先に述べた、船舶の揺れを補償する方法には次の課題がある。船舶の揺れの中でピッチ・ロールについては傾斜計と角速度センサとを用いるので、角速度センサのオフセットを傾斜計で補正することができ、精度の良い補償を行うことができる。一方、ヨウ・ターンは水平方向の揺れであるので、ヨウ・ターンについては角速度センサだけを用いている。この角速度センサのオフセットは補正することができないため、精度の良い補償を行うことができない。この課題は、角速度センサに特有のものであり、車両の位置検出等に角速度センサを用いる場合にも同様に発生する。
【０００７】
この発明の目的は、前記の課題を解決し、角速度センサを用いる際に、精度良くオフセットを補償することを可能にする角速度センサ装置および角速度センサ補正方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の課題を解決するために、請求項１の発明は、運動体に設けられ、前記運動体が水平方向で向きを変えたときの角速度を検出する第１のセンサと、前記第１のセンサに併設され、重力方向を基準とした傾斜角度を検出する第２のセンサと、前記第１のセンサと前記第２のセンサの両方を重力方向またはその逆方向に、水平方向から所定角度だけ回転する駆動手段と、前記第１のセンサと前記第２のセンサとが所定角度だけ回転されたときに、前記第１のセンサが検出した角速度を積算して第１の傾斜角度を算出し、前記所定角度だけ回転されたときに前記第２のセンサが検出した第２の傾斜角度と、前記第１の傾斜角度との差を基に、前記運動体が水平方向で向きを変えたときの角度を補償する処理部と、を備えることを特徴とする角速度センサ装置である。
【０００９】
請求項１の発明では、第１のセンサは運動体に設けられ、さらに、第２のセンサが第１のセンサに併設されている。第１のセンサは、運動体が水平方向で向きを変えたときの角速度を検出し、第２のセンサは、重力方向を基準とした傾斜角度を検出する。駆動手段は、第１のセンサと第２のセンサの両方を重力方向またはその逆方向に、水平方向から所定角度だけ回転する。そして、処理部は、第１のセンサと第２のセンサとが所定角度だけ回転されたときに、第１のセンサが検出した角速度を積算して第１の傾斜角度を算出し、所定角度だけ回転されたときに第２のセンサが検出した第２の傾斜角度と、第１の傾斜角度との差を基に、運動体が水平方向で向きを変えたときの角度を補償する。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１に記載の角速度センサ装置において、前記処理部は、前記第１の傾斜角度と前記第２の傾斜角度との差を基に、前記第１のセンサのオフセットを算出し、前記第１のセンサが前記運動体の水平方向の角速度を検出したときに、この検出した角速度から前記オフセットを除いて、前記運動体が水平方向で向きを変えたときの角度を算出する、ことを特徴とする。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１に記載の角速度センサ装置において、前記処理部は、前記第１の傾斜角度と前記第２の傾斜角度との差を、前記第１のセンサの誤差とし、前記第１のセンサが前記運動体の水平方向の角速度を検出したときに、この検出した角速度から算出した角度を前記誤差で補償し、補償した角度を前記運動体が水平方向で向きを変えた角度とする、ことを特徴とする。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の角速度センサ装置において、前記駆動手段は前記基板を所定角度だけ回転する、ことを特徴とする。
【００１３】
請求項５の発明は、運動体に設けられた第１のセンサが、前記運動体が水平方向で向きを変えたときの角速度を検出し、前記第１のセンサに併設された第２のセンサが、重力方向を基準とした傾斜角度を検出し、前記第１のセンサと前記第２のセンサの両方を重力方向またはその逆方向に、水平方向から所定角度だけ駆動手段により回転し、前記第１のセンサと前記第２のセンサとが所定角度だけ回転されたときに、前記第１のセンサが検出した角速度を処理部により積算して第１の傾斜角度を算出し、前記所定角度だけ回転されたときに前記第２のセンサが検出した第２の傾斜角度と、前記第１の傾斜角度との差を基に、前記運動体が水平方向で向きを変えたときの角度を前記処理部により補償する、ことを特徴とする角速度センサ補正方法である。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１と請求項５の発明によれば、第１のセンサの角速度から算出した傾斜角度と、第２のセンサが検出した傾斜角度との差を用いて、運動体が水平方向で向きを変えたときの角度を補償するので、第１のセンサに発生する誤差を補償することができる。
【００１５】
請求項２の発明によれば、第１のセンサのオフセットを、第２のセンサを利用して算出するので、第１のセンサに発生する正確なオフセットを得ることができる。この結果、この発明によれば、第１のセンサの検出信号からオフセットをキャンセルして、移動体の方向転換等で生じる角度をそれぞれ精度良く得ることができる。
【００１６】
請求項３の発明によれば、第１のセンサの誤差を、第２のセンサを利用して算出するので、第１のセンサに発生する誤差を正確に得ることができる。この結果、この発明によれば、第１のセンサの検出信号から誤差をキャンセルして、移動体の方向転換等で生じる角度変化を精度良く得ることができる。
【００１７】
請求項４の発明によれば、基板を回転することで、第１のセンサと第２のセンサとを、簡便な構成で所定角度だけ回転することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明の実施の形態１による角速度センサ装置を示す構成図である。
【図２】角速度センサ等の組み込みの様子を示す図であり、図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）は左側面図である。
【図３】角速度センサを説明する図であり、図３（ａ）は正面図、図３（ｂ）は左側面図、図３（ｃ）は角速度センサを省略したときの左側面図である。
【図４】オフセット算出処理の一例を示すフローチャートである。
【図５】誤差算出処理の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
次に、この発明の各実施の形態について、図面を用いて詳しく説明する。
【００２０】
（実施の形態１）
この実施の形態による角速度センサ装置は、船舶（運動体）に搭載される衛星通信用のアンテナ装置に設けられ、船舶の揺れであるヨウ・ターンを補償するために用いられる。この角速度センサ装置の一例を図１に示す。図１の角速度センサ装置は、角速度センサ１０、加速度センサ２０、駆動部３０、および処理部４０を備えている。角速度センサ１０と加速度センサ２０と処理部４０とは、図２（ａ）に示すように、基板５０に取り付けられている。
【００２１】
基板５０は四角形の板状体である。基板５０の表面には、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、角速度センサ１０が取り付けられ、角速度センサ１０に対して加速度センサ２０が併設されている。さらに、基板５０の表面には処理部４０が取り付けられている。なお、図２（ｂ）は、図２（ａ）の矢印ａの方向から見た側面図つまり左側面図である。基板５０の一端には、駆動部３０が取り付けられている。
【００２２】
駆動部３０はモータ３１とシャフト３２とを備えている。シャフト３２は基板５０の一端に取り付けられている棒状のものである。この実施の形態では、シャフト３２は、船舶の進行方向１０１に対して直角になるように配置されている。モータ３１は、処理部４０の制御によってシャフト３２を回転する。つまり、図２（ｂ）の矢印１０２に示すように、モータ３１は、処理部４０からの制御信号により、基板５０を水平方向から垂直方向に９０度回転して、基板５０を立ち上げる。また、逆に、処理部４０からの制御信号により、基板５０を垂直方向から水平方向に戻す。通常、基板５０の表面が水平方向にされている。
【００２３】
なお、この実施の形態では、駆動部３０としてモータ３１とシャフト３２とを用いたが、この構成に限定されることはない。例えば、電磁力を用いたものや、スプリングを用いたものなど、駆動部３０には各種のものがある。
【００２４】
角速度センサ１０は、船舶が方向転換したときに発生する角速度を検出する。このために、例えば図３（ａ）、（ｂ）に示すように、船舶の進行方向１０１に対して、角速度センサ１０は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の中のＺ軸回りで発生する角速度を検出する。この実施の形態では、船舶の進行方向１０１が角速度センサ１０のＹ軸になっている。そして、船舶の進行方向に対して直角にＸ軸がある。角速度センサ１０は、角速度を検出すると、この角速度を表す検出信号を処理部４０に出力する。こうした角速度センサ１０については、測定軸が少なくとも２軸あればよい。また、測定軸が１軸の角速度センサを２つ組み合わせて用いてもよい。
【００２５】
角速度センサ１０からの検出信号にはオフセットが含まれ、通常、このオフセットの値は大きい。つまり、衛星を探査するとき、アンテナ装置に内蔵されている角速度センサ１０が使用されるが、方位方向の角度を検出するための角速度センサ１０のオフセットが大きく、アンテナ装置のアンテナを衛星方向に正確に向けることができない。この実施の形態は、この大きい値のオフセットを補正するものである。
【００２６】
なお、角速度センサ１０としては、ジャイロセンサやコリオリ力センサなどがある。
【００２７】
加速度センサ２０は、基板５０に取り付けられているので、角速度センサ１０と連動し、かつ、水平方向に対する傾きを検出する。つまり、駆動部３０により基板５０が水平方向に対して９０度回転して傾斜したとき、加速度センサ２０は、重力方向を基準にした基板５０の傾斜角度を検出する。そして、加速度センサ２０は、検出した傾斜角度を表す検出信号を処理部４０に出力する。
【００２８】
例えば図３（ａ）、（ｃ）に示すように、加速度センサ２０のＺ軸は重力方向を向いているので、加速度センサ２０はＺ軸方向に１Ｇ（Ｇ：重力加速度）を検出し、基板５０が９０度回転すると、加速度センサ２０はＺ軸方向に０Ｇを検出する。また、例えば加速度センサ２０のＹ軸は水平方向を向いているので、加速度センサ２０はＹ軸方向に０Ｇを検出し、基板５０が９０度回転すると、加速度センサ２０はＹ軸方向に１Ｇを検出する。つまり、加速度センサ２０は、基板５０の傾斜に応じた検出信号を生成する。この実施の形態では、加速度センサ２０は、Ｙ軸方向で検出した加速度変化を検出信号として処理部４０に出力する。
【００２９】
こうした加速度センサ２０については、測定軸が少なくとも１軸あればよい。また、角速度センサ１０には、予め加速度センサが内蔵されているものがある。これにより、基板５０の加速度センサ２０の代わりに、角速度センサ１０に内蔵されている加速度センサを利用することも可能である。
【００３０】
処理部４０は、各種処理を行う処理回路４１（図１）と、データを保存する記憶回路４２（図１）とを備える。そして、処理部４０は、角速度センサ１０からの検出信号と加速度センサ２０からの検出信号とを基にして、角速度センサ１０のオフセットを算出するための処理等を行う。以下では、処理部４０の処理回路４１が行う処理について、この実施の形態による角速度センサ装置の作用つまり角速度センサ補正方法と共に説明する。
【００３１】
処理回路４１は、角速度センサ装置に対する電源投入等で初期状態になると、オフセット算出処理を行う。このオフセット算出処理の一例を図４に示す。処理回路４１は、オフセット算出処理を開始すると、駆動部３０に制御信号を送る（ステップＳ１）。これにより、駆動部３０のモータ３１は、シャフト３２を回転して、表面が水平方向に向いている基板５０を９０度回転し、基板５０の表面を垂直方向に向ける。つまり、駆動部３０は基板５０を立ち上げる。これにより、角速度センサ１０と加速度センサ２０も基板５０と共に９０度回転する。
【００３２】
ステップＳ１の後、処理回路４１は、時間の計測を開始する（ステップＳ２）。この後、処理回路４１は、角速度センサ１０から検出信号を受け取り（ステップＳ３）、検出信号が表す角速度を記憶回路４２に保存する（ステップＳ４）。ステップＳ４の後、ステップＳ２で計測している時間が所定時間を経過したかどうかを判定する（ステップＳ５）。所定時間は、基板５０が駆動部３０による９０度回転を終了する時間である。
【００３３】
ステップＳ５で所定時間が経過していなければ、処理回路４１は、処理をステップＳ３に戻す。これにより、処理回路４１は、ステップＳ３で角速度センサ１０からの次の検出信号を受け取り、ステップＳ４で角速度を保存する。このように、所定時間が経過していなければ、処理回路４１は、ステップＳ３とステップＳ４を繰り返して、順次に角速度を記憶回路４２に保存していく。
【００３４】
処理回路４１は、ステップＳ５で所定時間が経過したと判定すると、記憶回路４２に保存した角速度を積算して、傾斜角度を算出する（ステップＳ６）。このときには、基板５０が駆動部３０により９０度回転した状態にあり、つまり、基板５０が立ち上がった状態にあり、処理回路４１は、加速度センサ２０から検出信号を受け取る（ステップＳ７）。ステップＳ７が終了すると、処理回路４１は、ステップＳ６で算出した傾斜角度と、ステップＳ７で受け取った検出信号が表す傾斜角度との差を算出する（ステップＳ８）。
【００３５】
この後、処理回路４１は、ステップＳ８で算出した差と記憶回路４２に保存されている全部の角速度とを基に、角速度センサ１０のオフセットを算出し（ステップＳ９）、算出したオフセットを記憶回路４２に保存する（ステップＳ１０）。ステップＳ８で算出した２つの傾斜角度の差には、角速度センサ１０から受け取った各検出信号に含まれるオフセットが反映されている。この結果、ステップＳ９では、ステップＳ８で算出した差と、保存している角速度の全数とを基に、各検出信号に含まれるオフセットを算出することができる。
【００３６】
ステップＳ１０が終了すると、処理回路４１は、駆動部３０に制御信号を送る（ステップＳ１１）。これにより、駆動部３０のモータ３１は、シャフト３２を回転して、表面が垂直方向にある基板５０を９０度回転し、基板５０の表面を水平方向にする。この結果、基板５０の角速度センサ１０は、船舶の揺れであるヨウ・ターンを測定可能な状態になる。ステップＳ１１が終了すると、処理回路４１はオフセット算出処理を終了する。
【００３７】
オフセット算出処理が終了すると、処理回路４１は、角速度センサ１０から検出信号を受け取ると、記憶回路４２に保存しているオフセットで検出信号を補正する。つまり、処理回路４１は、検出信号からオフセットをキャンセルする。そして、処理回路４１は、各検出信号を基に船舶のヨウ・ターンによる舳先の変化した角度を算出し、算出結果を次段の装置（図示を省略）に出力する。
【００３８】
このように、この実施の形態によれば、角速度センサ１０のオフセットを、角速度センサ１０と連動する加速度センサ２０を利用して算出するので、角速度センサ１０に発生するオフセットを正確に算出することができる。そして、角速度センサ１０の検出信号からオフセットをキャンセルして、正確な角速度をそれぞれ得ることができる。
【００３９】
これにより、処理回路４１は、角速度センサ１０を用いて、船舶の水平方向の揺れであるヨウ・ターンを、精度良く補償することができる。つまり、アンテナ装置のアンテナを方位方向に回転する際に、船舶の揺れを精度よく補償することができる。また、角速度センサ１０のオフセットをキャンセルすることにより、衛星探査範囲や時間を短縮することができる。
【００４０】
（実施の形態２）
実施の形態１では、角速度センサ１０の検出信号から算出した傾斜角度と、加速度センサ２０の検出信号が表す傾斜角度との差を基に、角速度センサ１０に含まれるオフセットを処理回路４１が算出する。この実施の形態では、処理回路４１は、角速度センサ１０の検出信号から算出した傾斜角度と、加速度センサ２０の検出信号が表す傾斜角度との差を、誤差として算出する。つまり、
【００４１】
誤差＝角速度の積分値−重力加速度
である。こうした誤差算出処理を図５に示す。この誤差算出処理のステップＳ３１〜Ｓ３８は、先の図４のステップＳ１〜Ｓ８と同じであるので、これらの説明を省略する。
【００４２】
処理回路４１は、ステップＳ３８で２つの傾斜角度の差を算出した後、算出した差を誤差として記憶回路４２に保存する（ステップＳ３９）。ステップＳ３９が終了すると、処理回路４１は駆動部３０に制御信号を送る（ステップＳ４０）。これにより、駆動部３０のモータ３１は、シャフト３２を回転して、基板５０の表面を水平方向にする。ステップＳ４０が終了すると、処理回路４１は誤差算出処理を終了する。
【００４３】
この後、処理回路４１は、角速度センサ１０からの角速度の積分値を算出して船舶の水平方向の揺れであるヨウ・ターンを表す角度を得る。この後、処理回路４１は、ヨウ・ターンを表す角度から、記憶回路４２に記憶している誤差を差し引く。これにより、船舶のヨウ・ターンを表す精度の良い角度を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
この発明は、アンテナ装置に限定されることはなく、角速度センサを用いる各種の装置、例えば車両に搭載されているカーナビゲーション、工作機械、ロボットアームなどに利用可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１０  角速度センサ（第１のセンサ）
２０  加速度センサ（第２のセンサ）
３０  駆動部（駆動手段）
３１  モータ
３２  シャフト
４０  処理部
４１  処理回路
４２  記憶回路
５０  基板
【図１】
2016031283.tif 000003
【図２】
2016031283.tif 000004
【図３】
2016031283.tif 000005
【図４】
2016031283.tif 000006
【図５】
2016031283.tif 000007