(57)【要約】【課題】慣性測定および航法システムの性能を改善すること。【解決手段】本発明の一実施形態は慣性システム１０を含む。慣性システム１０は、少なくとも１つの軸の各々に関連付けられる慣性パラメータを測定するように構成される少なくとも１つの慣性センサ１２，１６を含む。慣性システム１０はまた、複数の入力軸の各々における慣性校正パラメータを連続的に測定するように構成される校正システム２０を含む。慣性システム１０は、それぞれの少なくとも１つの軸の各々に関連付けられる慣性パラメータ、および複数の入力軸の各々における慣性校正パラメータの連続測定に基づいて慣性システム１０の運動を算出するように構成される慣性プロセッサ２８をさらに含む。【選択図】図１
2016183958.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
慣性システムであって、
少なくとも１つの軸の各々に関連付けられる慣性パラメータを測定するように構成される少なくとも１つの慣性センサと、
複数の入力軸の各々における慣性校正パラメータを連続的に測定するように構成される校正システムと、
前記それぞれの少なくとも１つの軸の各々に関連付けられる前記慣性パラメータ、および前記複数の入力軸の各々における前記慣性校正パラメータの連続測定に基づいて前記慣性システムの運動を算出するように構成される慣性プロセッサと
を備える、慣性システム。
【請求項２】
前記少なくとも１つの慣性センサが１つ以上の加速度計および１つ以上のジャイロスコープのうちの少なくとも一方を含み、前記校正システムが校正加速度計および校正ジャイロスコープのうちの少なくとも一方を含む、請求項１に記載の慣性システム。
【請求項３】
前記１つ以上の加速度計が、互いに対して直交する、第１の軸、第２の軸、および第３の軸に沿った加速度をそれぞれ算出するように構成される、第１の加速度計、第２の加速度計、および第３の加速度計を含み、前記校正システムが、前記第１の軸、前記第２の軸、および前記第３の軸に対して所定の関係を有する前記複数の入力軸に沿った加速度を算出するように構成される前記校正加速度計を含む、請求項２に記載の慣性システム。
【請求項４】
前記１つ以上のジャイロスコープが、互いに対して直交する、第１の軸、第２の軸、および第３の軸の周りの回転をそれぞれ算出するように構成される、第１のジャイロスコープ、第２のジャイロスコープ、および第３のジャイロスコープを含み、前記校正システムが、前記第１の軸、前記第２の軸、および前記第３の軸に対して所定の関係を有する前記複数の入力軸の周りの回転を算出するように構成される前記校正ジャイロスコープを含む、請求項２に記載の慣性システム。
【請求項５】
前記校正システムがモーションコントローラを含み、前記モーションコントローラは、前記校正システムを旋回軸の周りで複数の所定の向きの各々へ連続的に回転させ、それによって、前記校正システムが、前記それぞれの複数の所定の向きの各々に関連付けられる前記複数の入力軸の各々における前記慣性校正パラメータを測定することを可能にするように構成される、請求項１に記載の慣性システム。
【請求項６】
前記モーションコントローラが、前記校正システムを、第１の所定の向きに対応する中立位置、第２の所定の向きに対応する前記中立位置に対する第１の所定の角度、および第３の所定の向きに対応する前記中立位置に対する第２の所定の角度の間で連続的に回転させるように構成される、請求項５に記載の慣性システム。
【請求項７】
平面が第１の平面であり、前記モーションコントローラが、前記校正システムを、前記第１の所定の向きに対応する前記中立位置、第４の所定の向きに対応する前記中立位置に対する第３の所定の角度、および第５の所定の向きに対応する前記中立位置に対する第４の所定の角度の間で連続的に回転させるように構成される、請求項６に記載の慣性システム。
【請求項８】
前記慣性プロセッサが、前記複数の入力軸の各々における前記慣性校正パラメータに基づいて、前記慣性パラメータに関連付けられる偏り誤差を算出するためのアルゴリズムを実行するように構成されるカルマンフィルタを含み、それにより、前記慣性プロセッサは、前記慣性システムの前記運動の前記算出における前記偏り誤差を実質的に軽減するように構成される、請求項１に記載の慣性システム。
【請求項９】
前記カルマンフィルタが、前記複数の入力軸の各々の周りの校正回転角度に基づいて、前記少なくとも１つの軸の各々の周りの角回転速度に関連付けられる第１の偏り誤差を算出するための、かつ、前記複数の入力軸の各々に沿った校正加速度に基づいて、前記少なくとも１つの軸の各々に沿った加速度に関連付けられる第２の偏り誤差を算出するための前記アルゴリズムを実行するように構成され、それにより、前記慣性プロセッサは、前記慣性システムの前記運動の前記算出における前記第１の偏り誤差および前記第２の偏り誤差を実質的に軽減するように構成される、請求項８に記載の慣性システム。
【請求項１０】
前記校正システムがモーションコントローラを含み、前記モーションコントローラは、前記校正システムが所定のシーケンスで、互いに対して直交する第１の平面および第２の平面の各々における複数の入力軸の各々における前記慣性校正パラメータを測定することを可能にするように構成される、請求項１に記載の慣性システム。
【請求項１１】
慣性パラメータを算出するための方法であって、
校正システムを複数の所定の向きへ回転させることと、
前記複数の所定の向きに関連付けられる複数の入力軸の各々における慣性校正パラメータを測定することであって、前記複数の入力軸は、互いに対して直交する第１の平面および第２の平面の各々に関連付けられる、測定することと、
それぞれの少なくとも１つの直交軸に関連付けられる慣性パラメータを測定することと、
前記複数の所定の向きに関連付けられる前記複数の入力軸の各々における前記慣性校正パラメータに基づいて、前記それぞれの少なくとも１つの直交軸に関連付けられる前記慣性パラメータの偏り誤差を算出することと、
前記それぞれの少なくとも１つの直交軸の各々に関連付けられる前記慣性パラメータに基づいて、および前記それぞれの少なくとも１つの直交軸に関連付けられる前記慣性パラメータの前記算出された偏り誤差に基づいて、慣性システムの運動を算出することと
を含む、方法。
【請求項１２】
前記慣性パラメータを測定することが、
前記それぞれの少なくとも１つの直交軸に沿った加速度を測定すること、および
前記それぞれの少なくとも１つの直交軸の周りの回転を測定すること
を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記複数の入力軸の各々における前記慣性校正パラメータを測定することが、
前記複数の所定の向きに関連付けられる前記複数の入力軸の各々に沿った校正加速度を測定すること、および
前記複数の所定の向きに関連付けられる前記複数の入力軸の各々の周りの校正回転を測定すること
を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記慣性パラメータを測定することが、第１の軸、第２の軸、および第３の軸の各々に関連付けられる前記慣性パラメータを測定することを含み、前記第１の軸、前記第２の軸、および前記第３の軸は互いに対して直交する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記慣性パラメータの前記偏り誤差を算出することが、カルマンフィルタを介して前記複数の入力軸の各々における前記慣性校正パラメータに基づいて、前記慣性パラメータに関連付けられる前記偏り誤差を算出するためのアルゴリズムを実行することを含み、前記慣性システムの前記運動を算出することが、前記それぞれの少なくとも１つの直交軸に関連付けられる前記慣性パラメータから前記偏り誤差を相殺することを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記校正システムを回転させることが、前記校正システムを、第１の所定の向きに対応する中立位置、第２の所定の向きに対応する前記中立位置に対する第１の所定の角度、第３の所定の向きに対応する前記中立位置に対する第２の所定の角度、第４の所定の向きに対応する前記中立位置に対する第３の所定の角度、および第５の所定の向きに対応する前記中立位置に対する第４の所定の角度の間で連続的に回転させることを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
慣性システムであって、
それぞれの複数の直交軸の各々に沿った加速度を測定するように構成される複数の加速度計と、
前記それぞれの複数の直交軸の各々の周りの回転を測定するように構成される複数のジャイロスコープと、
前記複数の直交軸との所定の関係を有する複数の入力軸の各々に関連付けられる校正加速度および校正回転を連続的に測定するように構成される校正システムと、
前記複数の直交軸の各々に関連付けられる前記測定された加速度および前記測定された回転、ならびに前記複数の入力軸の各々に関連付けられる前記校正加速度および前記校正回転の連続測定に基づいて、前記慣性システムの運動を算出するように構成される慣性プロセッサと
を備える、慣性システム。
【請求項１８】
前記校正システムがモーションコントローラを含み、前記モーションコントローラは、前記校正システムを旋回軸の周りで複数の所定の向きの各々へ連続的に回転させ、それによって、前記校正システムが、前記それぞれの複数の所定の向きの各々に関連付けられる前記複数の入力軸の各々に関連付けられる前記校正加速度および前記校正回転を測定することを可能にするように構成される、請求項１７に記載の慣性システム。
【請求項１９】
前記モーションコントローラが、前記校正システムを、第１の所定の向きに対応する中立位置、第２の所定の向きに対応する前記中立位置に対する第１の所定の角度、第３の所定の向きに対応する前記中立位置に対する第２の所定の角度、第４の所定の向きに対応する前記中立位置に対する第３の所定の角度、および第５の所定の向きに対応する前記中立位置に対する第４の所定の角度の間で連続的に回転させるように構成される、請求項１８に記載の慣性システム。
【請求項２０】
前記慣性プロセッサが、前記複数の入力軸の各々の周りの前記校正回転に基づいて、前記それぞれの複数の直交軸の各々の周りの前記回転に関連付けられる第１の偏り誤差を算出するための、かつ、前記複数の入力軸の各々に沿った前記校正加速度に基づいて、前記それぞれの複数の直交軸の各々に沿った前記加速度に関連付けられる第２の偏り誤差を算出するためのアルゴリズムを実行するように構成されるカルマンフィルタを含み、それにより、前記慣性プロセッサは、前記慣性システムの前記運動の前記算出における前記第１の偏り誤差および前記第２の偏り誤差を実質的に軽減するように構成される、請求項１７に記載の慣性システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は概してセンサシステムに関し、特に、慣性システムの継続校正に関する。
【背景技術】
【０００２】
慣性感知システムは、航法（例えば、航空航法）用などの様々な用途において実装することができる。慣性感知装置の例としては、ジャイロスコープ、磁気計、および／またはそれらの組み合わせを挙げることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第４５９９８９６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
スケールファクタおよび偏り誤差は、慣性測定および／または航法システムにおける主要な誤差源となり得る。偏り誤差は、起動時の過渡的挙動、モデル化不可能性、およびヒステリシスを含む偏り対温度特性の不安定性のために生じ得、単純に時間とともに変動し得る。特に、動的環境内における、慣性感知デバイスにおけるスケールファクタおよび偏り誤差の軽減は、慣性測定および航法システムの性能を大幅に改善することができるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一実施形態は慣性システムを含む。システムは、少なくとも１つの軸の各々に関連付けられる慣性パラメータを測定するように構成される少なくとも１つの慣性センサを含む。システムはまた、複数の入力軸の各々における慣性校正パラメータを連続的に測定するように構成される校正システムを含む。システムは、それぞれの少なくとも１つの軸の各々に関連付けられる慣性パラメータ、および複数の入力軸の各々における慣性校正パラメータの連続測定に基づいて慣性システムの運動を算出するように構成される慣性プロセッサをさらに含む。
【０００６】
本発明の別の実施形態は、慣性パラメータを算出するための方法を含む。本方法は、校正システムを複数の所定の向きへ回転させることと、複数の所定の向きに関連付けられる複数の入力軸の各々における慣性校正パラメータを測定することとを含む。複数の入力軸は、互いに対して直交する第１の平面および第２の平面の各々に関連付けることができる。本方法はまた、それぞれの少なくとも１つの直交軸に関連付けられる慣性パラメータを測定することと、複数の所定の向きに関連付けられる複数の入力軸の各々における慣性校正パラメータに基づいて、それぞれの少なくとも１つの直交軸に関連付けられる慣性パラメータの偏り誤差を算出することとを含む。本方法は、それぞれの少なくとも１つの直交軸の各々に関連付けられる慣性パラメータに基づいて、およびそれぞれの少なくとも１つの直交軸に関連付けられる慣性パラメータの算出された偏り誤差に基づいて、慣性システムの運動を算出することをさらに含む。
【０００７】
本発明の別の実施形態は慣性システムを含む。システムは、それぞれの複数の直交軸の各々に沿った加速度を測定するように構成される複数の加速度計と、それぞれの複数の直交軸の各々の周りの回転を測定するように構成される複数のジャイロスコープとを含む。システムはまた、複数の直交軸との所定の関係を有する複数の入力軸の各々に関連付けられる校正加速度および校正回転を連続的に測定するように構成される校正システムを含む。システムはまた、複数の直交軸の各々に関連付けられる測定された加速度および測定された回転、ならびに複数の入力軸の各々に関連付けられる校正加速度および校正回転の連続測定に基づいて、慣性システムの運動を算出するように構成される慣性プロセッサを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】慣性システムの一例を示す。
【図２】校正シーケンスの例示的な線図である。
【図３】慣性システムの別の例を示す。
【図４】慣性パラメータを算出するための方法の一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本開示は概してセンサシステムに関し、特に、慣性システムの継続校正に関する。慣性システムは、それぞれの少なくとも１つの軸に関連付けられる少なくとも１つの慣性パラメータを測定するように構成される少なくとも１つの慣性センサを含むことができる。例えば、少なくとも１つの慣性センサは、所与の１つ以上の軸に関連付けられるそれぞれの加速度および／または回転を測定するように構成される、少なくとも１つの加速度計および／またはジャイロスコープを含むことができる。慣性センサはまた、複数の入力軸の各々における慣性校正パラメータを連続的に測定するように構成される校正システムを含むことができる。一例として、校正システムは、校正システムを、それぞれの複数の入力軸に関連付けられる複数の向きの各々へ回転させるように構成されるモーションコントローラを含むことができる。校正システムは、複数の入力軸の各々に関連付けられる校正加速度および／または校正回転を測定するように構成される加速度計および／またはジャイロスコープを含むことができる。例えば、モーションコントローラは、校正システムを、中立位置に対する２つの直交平面の各々の内部の複数の角度（例えば、２つの角度）へ回転させることができる。角度の各々は、中立位置に対する関係（例えば、等しく、反対）、および校正システムの回転（例えば、３つ以上の測定）の間の各位置における慣性パラメータの測定のための少なくとも１つの慣性センサに関連付けられる少なくとも１つの軸に対する関係を有する。それゆえ、慣性プロセッサは、慣性センサの運動（例えば、加速度および／または回転）を算出する際の慣性センサに関する偏り誤差を実質的に相殺するためのアルゴリズムを（例えば、カルマンフィルタを介して）実行することができる。校正システムはリアルタイムで継続的に動作することができ、それゆえ、動的動作条件の際中における慣性センサの継続的な自己校正を提供することができる。
【００１０】
図１は慣性システム１０の一例を示す。慣性システム１０は、航空機もしくは宇宙機アビオニクス機器、誘導システム、航海用途、および／または様々なその他の航法システムにおけるものなどの、運動データの算出を必要とする様々な用途において実装することができる。慣性システム１０は、図１の例において信号ＩＮＲＴとして示される、慣性システム１０に関連付けられる運動を算出するように構成される。一例として、慣性システム１０によって測定され、算出される運動は、慣性システム１０の加速度を含むことができ、および／または慣性システム１０の回転を含むことができる。
【００１１】
図１の例では、慣性システム１０は、少なくとも１つのジャイロスコープ１４を含む回転センサ１２を含み、少なくとも１つの加速度計１８を含む加速度センサ１６を含む。ジャイロスコープ１４は、核磁気共鳴（ＮＭＲ：ｎｕｃｌｅａｒ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）ジャイロスコープ、電子常磁性共鳴（ＥＰＲ：ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｐａｒａｍａｇｎｅｔｉｃ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）ジャイロスコープ、光ジャイロスコープ、振動半球質量ジャイロスコープ、および／または感度軸の周りの回転を測定するように構成される様々な他の種類のジャイロスコープのいずれかなどの、様々な異なる種類のジャイロスコープのいずれかとして構成することができる。同様に、加速度計１８は、フォースリバランス型加速度計、振り子質量加速度計、光学式加速度計、圧電型加速度計、および／または感度軸に沿った加速度を測定するように構成される様々な他の種類の加速度計のいずれかなどの、様々な異なる種類の加速度計のいずれかとして構成することができる。一例として、回転センサ１２は、３つのそれぞれの直交軸の各々の周りの、およびそれゆえ、３次元空間内の所与のベクトルの周りの、慣性システム１０の回転を測定するように構成される３つのジャイロスコープ１４を含むことができる。同様に、別の例として、加速度センサ１６は、３つのそれぞれの直交軸の各々に沿った、およびそれゆえ、３次元空間内の所与のベクトルに沿った、慣性システム１０の加速度を測定するように構成される３つの加速度計１８を含むことができる。
【００１２】
慣性システム１０はまた、それぞれの回転センサ１２および加速度センサ１６に関連付けられる１つまたは複数の軸との所定の関係を有する複数の入力軸の各々における少なくとも１つの慣性校正パラメータを測定するように構成される校正システム２０を含む。図１の例では、校正システム２０は、慣性校正パラメータを測定するように構成されるジャイロスコープ２２および加速度計２４を含み、そのため、慣性校正パラメータは、複数の入力軸の各々の周りの回転、および入力軸の各々に沿った加速度に対応することができる。校正システム２０はまた、校正システム２０を少なくとも２つの直交平面の周りで複数の異なる所定の向きへ連続的に回転させるように構成されるモーションコントローラ２６を含み、そのため、複数の所定の向きの各々は複数の入力軸のうちのそれぞれの１つに対応することができる。一例として、モーションコントローラ２６は、校正システム２０を、直交軸に対する正確な角度に関連付けられる所定の向きへ回転させるように構成されるモータ（例えば、サーボモータ）を含むことができる。所定の向きへの校正システム２０の連続回転は校正シーケンスに対応することができる。したがって、校正シーケンスの最中に、校正システム２０は、ジャイロスコープ２２を介して複数の入力軸の各々の周りの慣性システム１０の回転を測定することができ、加速度計２４を介して複数の入力軸の各々に沿った慣性システム１０の加速度を測定することができる。
【００１３】
図２は、校正システム２０の校正シーケンスの例示的線図５０を示す。図２の例では、校正システム２０は、円柱状構造体５４に結合される多面体ハウジング５２内に提供される。校正システム２０は、慣性システム１０のＺ軸に沿った「正面」図における５６、５８、および６０、ならびに慣性システム１０のＸ軸に沿った「側面」図における６２、６４、および６６において示される５つの別個の向きで示されている。ここで、別個の図において、向き５６および６２は同じである。６つの向き５６、５８、６０、６２、６４、および６６の各々は、本明細書に記載されているとおりの、別個の入力軸ＩＡに沿った校正シーケンスの間における慣性校正パラメータの別個の測定に対応することができる。図２の例の以下の説明では、図１の例に言及することになる。
【００１４】
校正システム２０の向き５６は中立位置に対応することができ、それゆえ、向き５６によって規定されるジャイロスコープ２２を介した入力軸ＩＡの周りの校正回転、および／または向き５６によって規定される加速度計２４を介した入力軸ＩＡに沿った校正加速度などの、慣性校正パラメータを測定するための第１の測定位置に対応することができる。それゆえ、向き５６は校正シーケンスにおける第１の向きに対応することができ、それぞれの回転センサ１２および加速度センサ１６内のジャイロスコープ１４および加速度計１８に関連付けられる１つ以上の直交軸に対する規定された関係を有することができる。向き５６の後、モーションコントローラ２６は校正システム２０（例えば、円柱状構造体５４）を慣性システム１０のＸＹ平面内でＺ軸の周りで、角度θ１に対応する第２の向き５８へ回転させることができる。校正システム２０の向き５８は、慣性校正パラメータを測定するための第２の測定位置に対応することができる。したがって、慣性システム１０のＺ軸の周りの角度θ１を達成すると、校正システム２０は、向き５８によって規定されるジャイロスコープ２２を介した入力軸ＩＡの周りの第２の校正回転測定値、および／または向き５８によって規定される加速度計２４を介した入力軸ＩＡに沿った第２の校正加速度測定値を得ることができる。図２の例では、角度θ１は約４５°であるように示されているが、角度θ１は、向き５６の中立位置に対する規定された関係を有する様々な角度の任意のものであることができることを理解されたい。
【００１５】
向き５８の後、モーションコントローラ２６は校正システム２０（例えば、円柱状構造体５４）を、慣性システム１０のＸＹ平面内でＺ軸の周りで、角度−θ１に対応する第３の向き６０へ回転させることができる。そのため、第２の向きおよび第３の向き５８および６０は、慣性システム１０のＺ軸の周りの、第１の向き５６に対応する中立位置に対して等しく、反対の角度に示される。校正システム２０の向き６０は、慣性校正パラメータを測定するための第３の測定位置に対応することができる。したがって、慣性システム１０のＺ軸の周りの角度−θ１を達成すると、校正システム２０は、向き６０によって規定されるジャイロスコープ２２を介した入力軸ＩＡの周りの第３の校正回転測定値、および／または向き６０によって規定される加速度計２４を介した入力軸ＩＡに沿った第３の校正加速度測定値を得ることができる。したがって、第１、第２、および第３の向き５６、５８、および６０は、図２の例において慣性システム１０のＸＹ平面として示される、第１の平面内の慣性校正パラメータ測定に対応する。
【００１６】
向き６０の後、モーションコントローラ２６は校正システム２０（例えば、円柱状構造体５４）を、中立位置に対応する（例えば、第１の向き５６と同等の）第４の向き６２へ回転させることができる。校正システム２０の向き６２は、慣性校正パラメータを測定するための、およびそれゆえ、向き６２によって規定される入力軸ＩＡの周りの第４の校正回転、および向き６２によって規定される入力軸ＩＡに沿った第４の校正加速度を測定するための、第４の測定位置に対応することができる。代替的に、向き６２は向き５６と同じであるため、モーションコントローラ２６は、向き６２における測定の線形独立な集合を確認する代わりに、第３の向き６０から第５の向き６４へ代わりに移行することができるであろう。
【００１７】
向き６２の後、モーションコントローラ２６は校正システム２０（例えば、円柱状構造体５４）を慣性システム１０のＹＺ平面内でＸ軸の周りで、角度θ２に対応する第５の向き６４へ回転させることができる。一例として、角度θ２は角度θ１とほぼ等しくすることができる。校正システム２０の向き６４は、慣性校正パラメータを測定するための第５の測定位置に対応することができる。したがって、慣性システム１０のＸ軸の周りの角度θ２を達成すると、校正システム２０は、向き６４によって規定されるジャイロスコープ２２を介した入力軸ＩＡの周りの第５の校正回転測定値、および／または向き６４によって規定される加速度計２４を介した入力軸ＩＡに沿った第５の校正加速度測定値を得ることができる。図２の例では、角度θ２は約４５°であるように示されているが、角度θ２は、向き６２の中立位置に対する規定された関係を有する様々な角度の任意のものであることができ、角度θ１と等しくない角度であってもよいことを理解されたい。加えて、向き５８および６０の角度は、等しく、反対（それぞれ、θ１および−θ１）であるように示され、向き６４および６６の角度は、等しく、反対（それぞれ、θ２および−θ２）であるように示されているが、向き５８および６０ならびに向き６４および６６の角度は、それぞれ、互いに対して等しく、反対であるように限定されないことを理解されたい。
【００１８】
向き６４の後、モーションコントローラ２６は校正システム２０（例えば、円柱状構造体５４）を、慣性システム１０のＹＺ平面内でＸ軸の周りで、角度−θ２に対応する第６の向き６６へ回転させることができる。そのため、第５の向きおよび第６の向き６４および６６は、慣性システム１０のＸ軸の周りの、第１の向き５６（および第４の向き６２）に対応する中立位置に対して等しく、反対の角度に示される。校正システム２０の向き６６は、慣性校正パラメータを測定するための第６の測定位置に対応することができる。したがって、慣性システム１０のＸ軸の周りの角度−θ２を達成すると、校正システム２０は、向き６６によって規定されるジャイロスコープ２２を介した入力軸ＩＡの周りの第６の校正回転測定値、および／または向き６６によって規定される加速度計２４を介した入力軸ＩＡに沿った第６の校正加速度測定値を得ることができる。したがって、第４、第５、および第６の向き６２、６４、および６６は、第１の平面（例えば、ＸＹ平面）と直交する、図２の例において慣性システム１０のＹＺ平面として示される、第２の平面内の慣性校正パラメータ測定に対応する。
【００１９】
したがって、図２の例に示される校正手順は、２つの直交平面内における慣性校正パラメータの連続的な一連の測定値を提供する。向き５６および６２の中立位置は、ジャイロスコープ１４および加速度計１８に関連付けられる１つ以上の直交軸に対する規定された関係を有するため、かつ、それぞれの向き５８、６０、６４、および６６に関連付けられる角度θ１、−θ１、θ２、および−θ２は、中立位置に対する規定された関係を有するため、慣性校正パラメータの測定値は、回転センサ１２および加速度センサ１６によって提供される慣性パラメータの測定値に対する数学的関係を同様に有することができる。例えば、６つの向き５６、５８、６０、６２、６４、および６６における慣性校正パラメータの測定値は３つの直交軸内のベクトル成分を有することができる。その結果、測定された慣性校正パラメータは、偏り誤差を観測可能にし、慣性パラメータおよび慣性校正パラメータの測定値の組み合わせに基づいて偏り誤差を相殺することに基づいて、回転センサ１２および加速度センサ１６を実質的に継続的に校正するために利用することができる。加えて、所与の校正手順内に６つ以上の異なる線形独立な測定を提供することなどのために、向き５８および６０は向き６４および６６と組み合わせることができることを理解されたい。
【００２０】
図１の例に戻って参照すると、慣性システム１０は、それぞれの少なくとも１つの直交軸の各々に関連付けられる慣性パラメータ、ならびに回転センサ１２および加速度センサ１６に関連付けられる複数の入力軸の各々における慣性校正パラメータの連続測定に基づいて慣性システム１０の運動を算出するように構成される慣性プロセッサ２８を含む。図１の例では、慣性プロセッサ２８は、校正システム２０のそれぞれの向きに関連付けられる複数の入力軸の各々における測定された慣性校正パラメータに基づいて、測定された慣性パラメータに関連付けられる偏り誤差を算出するためのアルゴリズムを実行するように構成されるカルマンフィルタ３０を含む。一例として、カルマンフィルタ３０は、ジャイロスコープ２２によって測定された変化する入力回転、および加速度計２４によって測定された変化する入力加速度を実質的に相殺する方程式のセットを解き、ジャイロスコープ１４および２２、ならびに加速度計１８および２４に関連付けられる残余偏りを推定するように構成され、それにより、推定された残余偏り誤差を慣性プロセッサ２８による慣性システム１０の運動の算出から軽減することができる。例えば、モーションコントローラ２６を介した、２つの直交平面内における、中立位置に対して実質的に等しく、反対である角度に対する回転などの、異なる向きへの校正システム２０の回転に基づいて、ジャイロスコープ１４および加速度計１８の偏り誤差を観測可能にすることができ、慣性システム１０の慣性運動の算出から実質的に軽減することができる。
【００２１】
上述のように、校正システム２０は、繰り返し、図２の例に示されるものなどの、それぞれの向きへ連続的に回転することができる。その結果、校正システム２０は、動的環境内における慣性システム１０の動作の最中にリアルタイムで回転センサ１２および加速度センサ１６の校正を実質的に継続的に提供することができる。一例として、校正システム２０は、機械的変形、電子的偏移、電荷緩和、および／またはヒステリシスなどの、時間経過および温度変化に伴う、偏り源からの偏り誤差を実質的に除去するように構成することができる。加えて、校正システム２０は単一のジャイロスコープ１４および／または単一の加速度計１８のみを実装するため、校正システム２０は、３次元における直交軸ごとに冗長なセンサを実装する典型的な校正システムよりも安価で単純化した方法で動作する。
【００２２】
線図５０において示される慣性システム１０および校正手順は、図１および図２の例において示される例に限定されないことを理解されたい。例えば、慣性システム１０は、回転センサ１２および加速度センサ１６の両方を含むことに限定されず、回転センサ１２および加速度センサ１６の一方のみを含むことができるであろう。それゆえ、校正システム２０は同様に、ジャイロスコープ２２および加速度計２４の両方を含むことに限定されず、一方または他方をそれぞれ含むことができるであろう。加えて、線図５０によって示される校正システムは６つの向き５６、５８、６０、６２、６４、および６６に限定されず、より多数またはより少数の向きを含むことができ、向き６２の中立位置への移動を省くことができるであろう。そのため、校正手順は、校正手順の一連の向きの間に５つの測定のみを含むことができるであろう。したがって、慣性システム１０は様々な方法のうちの任意のもので構成することができる。例えば、校正システム２０は、慣性システム１０の一部として含まれるように限定されず、任意の他の既存または将来の慣性システムとともに使用するために慣性システム１０の外部に搭載される別個の構成要素であってもよい。
【００２３】
図３は、慣性システム１００の別の例を示す。慣性システム１００は、航空機もしくは宇宙機アビオニクス機器、誘導システム、航海用途、および／または様々なその他の航法システムにおけるものなどの、運動データの算出を必要とする様々な用途において実装することができる。慣性システム１００は、図３の例において信号ＩＮＲＴとして示される、慣性システム１００に関連付けられる運動を算出するように構成される。一例として、慣性システム１００によって測定され、算出される運動は、慣性システム１００の加速度および回転を含む。
【００２４】
図３の例では、慣性システム１００は、Ｘ軸の周りの慣性システム１００の回転を測定するように構成されるＸ軸ジャイロスコープ１０４、Ｙ軸の周りの慣性システム１００の回転を測定するように構成されるＹ軸ジャイロスコープ１０６、およびＺ軸の周りの慣性システム１００の回転を測定するように構成されるＺ軸ジャイロスコープ１０８を含む回転センサ１０２を含む。図３の例では、測定された回転は、それぞれの信号ＲＯＴＸ、ＲＯＴＹ、およびＲＯＴＺとして示される。ジャイロスコープ１０４、１０６、および１０８は、様々な異なる種類のジャイロスコープのうちの任意のものとして構成することができる。したがって、回転センサ１０２はそれゆえ、ジャイロスコープ１０４、１０６、および１０８に基づいて、３つのそれぞれの直交軸の各々の周りの、およびそれゆえ、３次元空間における所与のベクトルの周りの、慣性システム１００の回転を測定することができる。慣性システム１００はまた、Ｘ軸に沿った慣性システム１００の加速度を測定するように構成されるＸ軸加速度計１１２、Ｙ軸に沿った慣性システム１００の加速度を測定するように構成されるＹ軸加速度計１１４、およびＺ軸に沿った慣性システム１００の加速度を測定するように構成されるＺ軸加速度計１１６を含む加速度センサ１１０を含む。図３の例では、測定された加速度は、それぞれの信号ＡＣＣＸ、ＡＣＣＹ、およびＡＣＣＺとして示される。加速度計１１２、１１４、および１１６は、様々な異なる種類の加速度計のうちの任意のものとして構成することができる。したがって、加速度センサ１１０はそれゆえ、加速度計１１２、１１４、および１１６に基づいて、３つのそれぞれの直交軸の各々に沿った、およびそれゆえ、３次元空間における所与のベクトルに沿った、慣性システム１００の加速度を測定することができる。
【００２５】
図３の例では、信号ＲＯＴＸ、ＲＯＴＹ、およびＲＯＴＺならびにＡＣＣＸ、ＡＣＣＹ、およびＡＣＣＺは、慣性プロセッサ１１８に提供されるように示される。慣性プロセッサ１１８は、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸の各々の周りの、およびそれらに沿った、回転および加速度に対応する信号ＲＯＴＸ、ＲＯＴＹ、およびＲＯＴＺならびにＡＣＣＸ、ＡＣＣＹ、およびＡＣＣＺに基づいて、慣性システム１００の運動を算出するように構成される。加えて、慣性システム１００はまた、校正システム１２０を含む。校正システム１２０は、校正回転ＲＯＴＣＡＬを測定するように構成されるジャイロスコープ１２２、および複数の入力軸の各々における校正加速度ＡＣＣＣＡＬを測定するように構成される加速度計１２４を含む。一例として、校正システム１２０は、図１の例における校正システム２０と実質的に同様に構成することができる。
【００２６】
図３の例では、校正システム１２０は、校正システム１２０を、図２の例において示されるものなどの、それぞれの複数の入力軸に関連付けられる複数の向きへ回転させるように構成されるモーションコントローラ１２６を含む。したがって、校正システム１２０は、ジャイロスコープ１２２を介して校正手順の各向きに関連付けられる入力軸ＩＡの周りの回転を測定することができ、校正システム１２０は、加速度計１２４を介して校正手順の各向きに関連付けられる入力軸ＩＡに沿った加速度を測定することができる。それゆえ、校正システム１２０は、本明細書において説明されているように、動的動作条件の最中にリアルタイムで、ジャイロスコープ１０４、１０６、および１０８ならびに加速度計１１２、１１４、および１１６の測定に関連付けられる偏り誤差を実質的に軽減するように構成することができる。図３の例では、慣性プロセッサ１１８は、複数の入力軸の各々における校正回転θＣＡＬおよび校正加速度ＡＣＣＣＡＬに基づいて、慣性システム１００の運動に関連付けられる偏り誤差を算出するためのアルゴリズムを実行するように構成されるカルマンフィルタ１３０を含む。それゆえ、慣性プロセッサ１１８は、慣性システム１００の運動ＩＮＲＴの算出における偏り誤差を実質的に軽減することができる。
【００２７】
一例として、校正システム１２０は以下の方法で加速度センサ１１０における偏り誤差を軽減することができる。慣性プロセッサ１１８は、Ｘ軸およびＹ軸内における、それぞれ、加速度ＡＣＣＸおよび加速度ＡＣＣＹの連続測定値を校正加速度測定値ＡＣＣＣＡＬとともに受信することができる。加速度計１１２、１１４、および１１６の各々は、関連付けられるそれぞれの偏りＢＸ、ＢＹ、およびＢＺを有し、加速度計１２４は、関連付けられる偏りＢＣＡＬを有する。この以下の例では、それぞれの向き５８および６０における角度θ１および−θ１はそれぞれ３０°および−３０°であることができる。したがって、向き５６に対応する第１の向きにおける加速度計１１２、１１４、１１６、および１２４の測定値は次式のように表すことができる。
ＡＣＣＸ１＝ＡＸ１＋ＢＸ
ＡＣＣＹ１＝ＡＹ１＋ＢＹ
ＡＣＣＺ１＝ＡＺ１＋ＢＺ
ＡＣＣＣＡＬ１＝ＡＹ１＋ＢＣＡＬ    式１
ここでＡＸ、ＡＹ、およびＡＺは加速度の大きさである。
【００２８】
同様に、向き５８に対応する第２の向きにおける加速度計１１２、１１４、１１６、および１２４の測定値は次式のように表すことができる。
ＡＣＣＸ２＝ＡＸ２＋ＢＸ
ＡＣＣＹ２＝ＡＹ２＋ＢＹ
ＡＣＣＺ２＝ＡＺ２＋ＢＺ
ＡＣＣＣＡＬ２＝−０．５＊ＡＸ２＋０．８６６＊ＡＹ２＋ＢＣＡＬ    式２
同様に、向き６０に対応する第３の向きにおける加速度計１１２、１１４、１１６、および１２４の測定値は次式のように表すことができる。
ＡＣＣＸ３＝ＡＸ３＋ＢＸ
ＡＣＣＹ３＝ＡＹ３＋ＢＹ
ＡＣＣＺ３＝ＡＺ３＋ＢＺ
ＡＣＣＣＡＬ３＝０．５＊ＡＸ３＋０．８６６＊ＡＹ３＋ＢＣＡＬ    式３
校正シーケンス（例えば、図２の例において示される校正シーケンス）の最中に、慣性プロセッサ１１８はまた、Ｙ軸およびＺ軸内における、それぞれ、加速度ＡＣＣＹおよび加速度ＡＣＣＺの連続測定値を校正加速度測定値ＡＣＣＣＡＬとともに受信することができる。加速度計１１６は、関連付けられる偏りＢＺを同様に有する。この以下の例では、それぞれの向き６４および６６における角度θ２および−θ２もまた、それぞれ３０°および−３０°であることができる。したがって、向き６２に対応する第４の向きにおける加速度計１１２、１１４、１１６、および１２４の測定値は次式のように表すことができる。
ＡＣＣＸ４＝ＡＸ４＋ＢＸ
ＡＣＣＹ４＝ＡＹ４＋ＢＹ
ＡＣＣＺ４＝ＡＺ４＋ＢＺ
ＡＣＣＣＡＬ４＝ＡＹ４＋ＢＣＡＬ    式４
同様に、向き６４に対応する第５の向きにおける加速度計１１２、１１４、１１６、および１２４の測定値は次式のように表すことができる。
ＡＣＣＸ５＝ＡＸ５＋ＢＸ
ＡＣＣＹ５＝ＡＹ５＋ＢＹ
ＡＣＣＺ５＝ＡＺ５＋ＢＺ
ＡＣＣＣＡＬ５＝０．８６６＊ＡＹ５−０．５＊ＡＺ５＋ＢＣＡＬ    式５
同様に、向き６６に対応する第６の向きにおける加速度計１１２、１１４、１１６、および１２４の測定値は次式のように表すことができる。
ＡＣＣＸ６＝ＡＸ６＋ＢＸ
ＡＣＣＹ６＝ＡＹ６＋ＢＹ
ＡＣＣＺ６＝ＡＺ６＋ＢＺ
ＡＣＣＣＡＬ６＝０．８６６＊ＡＹ６＋０．５＊ＡＺ６＋ＢＣＡＬ    式６
式１〜６に基づいて、カルマンフィルタ１３０は、偏りＢＸ、ＢＹ、ＢＺ、およびＢＣＡＬの値を求めるためのアルゴリズムを実行するように構成することができる。例えば、カルマンフィルタ１３０は、係数のセットを算出するための行列のセットを実行することができ、それにより、カルマンフィルタ１３０は、偏りＢＸ、ＢＹ、ＢＺ、およびＢＣＡＬの値を推定値として求めるための相殺式のセットを実行することができる。それゆえ、慣性プロセッサ１１８は、偏りＢＸ、ＢＹ、ＢＺ、およびＢＣＡＬの推定値を加速度ＡＣＣＸ、ＡＣＣＹ、およびＡＣＣＺの測定値に適用し、慣性システム１００の加速度を運動ＩＮＲＴの一部分として算出することができる。実質的に同様の方法で、カルマンフィルタ１３０は、ジャイロスコープ１０４、１０６、および１０８、ならびにジャイロスコープ１２２に関連付けられる偏りの推定値を算出することができる。それゆえ、慣性プロセッサ１１８は、偏りの推定値を回転ＲＯＴＸ、ＲＯＴＹ、およびＲＯＴＺの測定値に適用し、慣性システム１００の回転を運動ＩＮＲＴの一部分として算出することができる。上述のように、校正システム１２０は校正手順を実質的に継続的に繰り返すことができ、それゆえ、加速度計１１２、１１４、１１６、および１２４ならびにジャイロスコープ１０４、１０６、１０８、および１２２の偏りの推定値を継続的に更新することができる。それゆえ、慣性プロセッサ１１８は、動的環境内においてリアルタイムで偏りから誤差を実質的に軽減する方法で、慣性システム１００の運動ＩＮＲＴを実質的に継続的に算出することができる。
【００２９】
上述された以上の構造的特徴および機能的特徴を考慮して、本発明の様々な態様に係る方法論は図４を参照してより良く理解されるであろう。説明を簡単にする目的のために、図４の方法論は、逐次実行するように示され、説明されているが、本発明によれば、いくつかの態様は、異なる順序で行われ、および／または本明細書において示され、説明されているものからの他の態様と同時に行われることができるであろうため、本発明は、図示された順序によって限定されるわけではないことを理解し、認識されたい。さらに、本発明の一態様に係る方法論を実行するために、図示されている特徴の全てが必要でなくてもよい。
【００３０】
図４は、慣性パラメータ（例えば、加速度および／または回転）を算出するための方法１５０の一例を示す。１５２において、校正システム（例えば、校正システム２０）を複数の所定の向き（例えば、向き５６、５８、６０、６２、６４、および６６）へ回転させる。１５４において、複数の所定の向きに関連付けられる複数の入力軸の各々における慣性校正パラメータ（例えば、校正加速度および／または校正回転）を測定する。複数の入力軸は、互いに対して直交する第１の平面（例えば、ＸＹ平面）および第２の平面（例えば、ＸＺ平面）の各々に関連付けることができる。１５６において、それぞれの少なくとも１つの直交軸に関連付けられる慣性パラメータ（例えば、１つ以上の直交軸に沿った、および／またはその周りの、加速度および／または回転）を測定する。１５８において、複数の所定の向きに関連付けられる複数の入力軸の各々における慣性校正パラメータに基づいて、それぞれの少なくとも１つの直交軸に関連付けられる慣性パラメータの偏り誤差（例えば、偏り誤差ＢＸ、ＢＹ、ＢＺ、およびＢＣＡＬ）を算出する。１６０において、それぞれの少なくとも１つの直交軸の各々に関連付けられる慣性パラメータに基づいて、およびそれぞれの少なくとも１つの直交軸に関連付けられる慣性パラメータの算出された偏り誤差に基づいて、慣性システムの運動（例えば、運動ＩＮＲＴ）を算出する。
【００３１】
以上において説明されたものは本発明の例である。本発明を説明する目的のために、構成要素または方法論の考え得る組み合わせを全て説明することは当然不可能であるが、当業者は、本発明の多くのさらなる組み合わせおよび置換が可能であることを認識するであろう。それゆえ、本発明は、添付の請求項の趣旨および範囲に含まれるこのような改変形態、変更形態および変形形態を全て包含することを意図されている。
【符号の説明】
【００３２】
１０、１００  慣性システム
１２、１０２  回転センサ
１４  ジャイロスコープ
１６、１１０  加速度センサ
１８  加速度計
２０、１２０  校正システム
２２、１２２  校正ジャイロスコープ
２４、１２４  校正加速度計
２６、１２６  モーションコントローラ
２８、１１８  慣性プロセッサ
３０、１３０  カルマンフィルタ
５０  線図
５２  多面体ハウジング
５４  円柱状構造体
５６  第１の向き
５８  第２の向き
６０  第３の向き
６２  第４の向き
６４  第５の向き
６６  第６の向き
１０４  Ｘ軸ジャイロスコープ
１０６  Ｙ軸ジャイロスコープ
１０８  Ｚ軸ジャイロスコープ
１１２  Ｘ軸加速度計
１１４  Ｙ軸加速度計
１１６  Ｚ軸加速度計
１５０  方法
【図１】
2016183958.tif 000003
【図２】
2016183958.tif 000004
【図３】
2016183958.tif 000005
【図４】
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