(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地磁気の計測により磁気方位θmを検出する磁気方位計と、鉛直方向を軸とする角速度を検出し、その積分値から積分方位θsを出力する積分方位計と、磁気方位θmと積分方位θsとの差分Δθを求める差分手段と、前記磁気方位θmに含まれる短周期のふらつきを除去するために、前記差分手段の出力側に設けたフィルタと、前記積分方位θsからフィルタの出力値Δθ'を減じて出力方位θを得る減算手段とを備えた電子磁気コンパスであり、
上記フィルタ通過に伴う誤差(Δθ−Δθ')を補正すべく、直進航行時に、上記Δθ'をサンプリングし、Δθを示す直線の傾きから、角速度を積分する際の基準値をオフセットさせる値を演算するオフセット値演算手段を備え、所定の時間毎にオフセットを行うことを特徴とする電子磁気コンパス。
【請求項２】
上記のフィルタに替えて、磁気方位計と積分方位計とそれぞれの出力側にフィルタを挿入した請求項１に記載の電子磁気コンパス。
【請求項３】
上記磁気方位計は、３軸磁気センサ(１)と、傾斜センサ(２)と、３軸磁気センサで検出された３軸方向の各地磁気を、傾斜センサで検出した傾斜データに基づき、水平方向および垂直方向の成分を求める磁気方位演算手段(７)とを含む請求項１または２に記載の電子磁気コンパス。
【請求項４】
地磁気の計測により磁気方位θmを検出する磁気方位計と、鉛直方向を軸とする角速度を検出し、その積分値から積分方位θsを出力する積分方位計とを備え、積分方位θsの値を磁気方位θmの値で補正して出力方位θを得る電子磁気コンパスであって、
船が旋回する過程において、磁気方位θｍが所定のサンプル角度に達する毎に、そのときの時間ｔiおよび積分方位θｓを記憶すると共に１周したときの時間ｔzおよび積分方位θdegzを記憶し、積分方位の誤差を示す傾きａを、
ａ＝(θdegz−３６０)／ｔzより求め、このａを用いて磁気方位θmに対する真の方位Ｔdegiを求め、Ｔdegi−θmから、各磁気方位θｍにおける方位誤差を求め、方位補正テーブルを作成することを特徴とする電子磁気コンパス。
【請求項５】
上記各磁気方位θmにおける方位誤差の成分を、フーリエ変換および逆フーリエ変換の手法を用いて処理することにより、前記方位誤差θmに含まれるふらつき誤差を排除し、そのデータに基づき方位補正テーブルを作成する請求項４記載の電子磁気コンパス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気センサ等を用いた電子磁気コンパスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
舶用機器にはオートパイロット(自動操舵)装置や物標監視用のレーダ等があり、これらのいずれの機器も自船の方位を知るための方位計が用いられている。舶用の方位計としては、ジャイロコンパス、マグネットコンパスおよび最近では電子磁気コンパスも使用されるようになっている。この舶用方位計には、車載用カーナビゲーションに用いられているものと違って格段に高い精度と応答特性が要求される。
即ち、陸上のカーナビゲーションにおいては、マップマッチング技術を併用できるために方位計自身にはそれ程に高い性能を必要としないのに対して、舶用の方位計では、それ自身で所定の精度を満たさなくてはならないからである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の電子磁気コンパスでは、後で示すように、磁気の外乱等の影響により検出方位にふらつきが多く含まれるため、短い時間内での精度が悪く(応答性が悪く)、特にレーダ等への適用は困難であった。
【０００４】
従って本発明は、高精度でかつ応答特性の良い電子磁気コンパスを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
図６は、船舶の直進時における各方位計の出力を示した図であり、▲１▼は、電子磁気コンパスで検出された磁気方位、▲２▼は、積分方位計で検出された積分方位を示す。この積分方位計とは、鉛直方向を軸とする角速度(図１２参照)を検出し、それを積分して積分方位として得るものである。▲３▼は、磁気方位▲１▼および積分方位▲２▼との比較のための真値を示すものとしてジャイロコンパスによる検出方位(ジャイロ方位)を示している。いずれの検出方位においても似通った大きな振幅Ｐが含まれるがこれは、船体の動揺(ロールおよびピッチ)によるものである。この動揺成分を取り除くために、磁気方位▲１▼からジャイロ方位▲３▼を差し引くことにより、動揺成分を排除した磁気方位を11に示し、同様に積分方位▲２▼からジャイロ方位▲３▼を差し引いた積分方位を12に示す。
【０００６】
この磁気方位11は、ほぼ一定の方位を示すが短周期のふらつきＱが含まれており、これが短周期での精度及び応答特性を低くしている。一方、積分方位12は、そのようなふらつきＱは含まれず、従って応答性は良いが、角速度センサを用いる場合には積分時の誤差(積分誤差)が累積されるために直線的に増大している。尚、船が航行方位を変化させているような場合には、方位変化に伴う感度誤差(方位誤差)も含まれるが、ここでは直進航行の場合であるためその方位誤差は考慮しなくてもよい。
【０００７】
このように、磁気方位の検出精度は、短い時間で見れば悪いが長い時間で見れば良く、一方、積分方位の検出精度は、短い時間で見れば良いが長い時間でみれば悪い。本発明は、積分方位θｓにおける方位ずれを、長い時間で見れば精度の良い磁気方位θｍで補正することにより、積分方位本来の短時間での精度の良さを確保した上で長い時間での精度をも高めようとするものである。
【０００８】
磁気方位θｍのデータから短周期のふらつきを排除して、長い時間で見たときの正確な方位を取り出すためにローパスフィルタを用いた。このようにして得た正確な磁気方位と積分方位との差分Δθが、積分方位における長い時間でみたときの方位誤差に相当する。従って、元の積分方位θｓから差分Δθを差し引くことで長い時間でみても方位ずれのない積分方位θが得られる。
【０００９】
しかしこのローパスフィルタを回路に挿入したことにより、ローパスフィルタ通過に伴う遅延時間が生じ、これが新たに誤差を発生させていることが判明した。そこで本発明では、角速度を積分する際の基準値をオフセットすることにより、その誤差を相殺してより正確な方位を得るようにした。
【００１０】
本第２発明は、磁気センサにおける方位方向の誤差を補正する電子磁気コンパスを提供する。
真の方位Ｔdegiがわかれば、その方位で得られた磁気方位θmとの差分を求めることにより、磁気センサの方位方向での誤差がわかる。その方位方向での誤差をテーブル化しておけば、実際の運用時に検出した磁気方位をテーブルで補正することにより正確な磁気方位を得ることができる。しかしながら真の方位を知ることは容易ではない。本発明では、真の方位Ｔdegiを知るために、角速度センサによる積分方位θsを用いるようにしたが、上述のように、この積分方位θs自身に方位誤差を含む。従って本システムで得られる出力方位θにも誤差が含まれることになるが、この出力方位θの値から船が１旋回したことは正確に知ることができる。そこで、船が１旋回したときの積分方位の変化量から３６０°を差し引くことにより、１旋回の間に生じた積分方位の誤差がわかり、この誤差は一次直線で示されることから、各積分方位における誤差を求めることができ、よって各積分方位θsにおける真の方位Ｔdegiを得ることができる。
【００１１】
尚、上記各磁気方位θmにはふらつきが含まれるため、上記誤差にもふらつきが含まれることになる。このふらつきを排除するために、本発明では、前記誤差の成分を、フーリエ変換および逆フーリエ変換の手法を用い、ふらつきを排除した誤差のデータから方位補正テーブルを作成している。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の１実施形態を示した制御ブロック図である。１は、３軸磁気センサであり、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸とにそれぞれ配された３組みの検出コイルを備える。２は、動揺成分としてピッチおよびロールを検出する２軸傾斜センサであり、ここでは、傾斜による液面変化をその液面から突き出た複数本のキャパシタプレート相互間の静電容量変化から自身の傾斜(ピッチおよびロール)を計測する仕組みの傾斜センサを用いた。
【００１３】
３は、垂直方向の軸に対する角速度を検出する角速度センサであり、圧電ジャイロ、振動ジャイロ、レートジャイロあるいは音叉ジャイロといったものがある。４は、各センサ１，２，３で検出された信号をデジタル変換するＡ／Ｄ変換器である。
【００１４】
６は、傾斜角補正回路であり、２軸傾斜センサ２で検出した傾斜角に基づき、３軸磁気センサ１で検出されたＸ，ＹおよびＺ軸方向の地磁気から水平方向Ｘ0、Ｙ0および垂直方向Ｚ0の成分を求める。７は、水平方向および垂直方向の地磁気から現在の方位(磁気方位)θｍを求める磁気方位計算回路である。
【００１５】
８は、角速度センサ３で検出された角速度を積分することで方位(積分方位)θｓ'を出力する角速度積分回路である。９は、２軸傾斜センサ２で検出した傾斜角に基づき、現傾斜時の積分方位θｓ'から水平方向における積分方位θｓを求める傾斜角補正回路である。
【００１６】
磁気方位演算回路７より得られる磁気方位θｍおよび傾斜角補正回路９より得られる積分方位θｓは、元来、同一の方位を示すものであるが、角速度センサ３よりの角速度を積分する際に生じる積分誤差のために、両者の方位に差が生じる。１０はその差分Δθを求める差分回路である。
【００１７】
前記磁気方位θｍには短周期のふらつきが含まれているため、差分Δθにもふらつきが含まれる。１１は、そのふらつきを除去するためのローパスフィルタである。１２は、積分誤差Δθを含む積分方位θｓからローパスフィルタ１１よりの差分を減じることで積分誤差を除去して、本電子磁気コンパスとしての出力方位θを求める減算回路である。
【００１８】
ところで、外乱による方位のふらつきのみを有効的に除去すべく、ローパスフィルタ１１の定数を求めている過程で、ローパスフィルタ１１を挿入したことにより新たに誤差が生じていることを見い出した。即ち、ローパスフィルタ１１の出力をΔθ'とすると、ローパスフィルタ１１で生じる時間遅延により、Δθ≠Δθ'となる。従って誤差Δθを含む積分方位θｓから差分Δθ'を差し引いても、更に(Δθｓ−Δθ'＝Δθ0)の誤差が残ることによる。１４は、この誤差Δθ0を排除するために設けたオフセット補正値演算回路であり、サンプリング回路１３でサンプリングされたローパスフィルタ１１の出力Δθ'に基づき、前記角速度積分回路８に対して積分時の基準値をオフセットさせるためのオフセット補正値を与える。但しこのオフセット補正は、船が１方向に航行していることが前提となっており、１５は、方位出力θの変化から船が直進航行しているかを判定する直進航行判定回路である。以上述べた各要素６〜１５は、実際の装置においてＣＰＵ２１で実現される。
【００１９】
以上で本発明の構成とそのおおまかな動作を説明したが、本発明でポイントとしているオフセット補正を以下詳しく述べる。図２は、ローパスフィルタ１１における“入力”に対する“出力”の応答特性を示し、“誤差”は両者間の差分を示したものである。この誤差の変化率を示したが“誤差微分値”であり、“誤差静定時間”後は、誤差微分値がほぼ一定のため、誤差もほぼ一定値となっている。このような定常誤差に起因する方位出力θにおける誤差は、図３に示されるように時間と共に増加するランプ関数となり、次式で示される。
ｙ(ｔ)＝ａ・ｔ
ａは、誤差関数の比例定数であり、あるｔs時間あたりの積分方位誤差Δdwdegは次式(１)で与えられる。
Δdwdeg＝ａ・ｔs  …(１)
となる。
【００２０】
一方、ｔs時間あたりの積分方位量Ｓdegは、図３における斜線部の面積で与えられ、次式(２)で示される。
dwdeg＝(ｓ−deg0)・ｔs・ｋ  …(２)
ｓ：ｔs間の角速度平均値
deg0：基準値
ｋ：角速度センサの感度
【００２１】
この(２)式は、前述の時間遅延を考慮していないため、dwdegには、誤差Δdwdegを含む。この誤差Δdwdegを相殺できるような基準値degrを新たに設定すると、このときに求められるの積分方位量dwdeg'は、次式(３)で示される。
dwdeg'＝(ｓ−degｒ)・ｔs・ｋ  …(３)
ここで、dwdeg−dwdeg'＝Δdwdeg
の関係から、degr-deg0＝ａ/ｋが得られる。このdegr-deg0＝εdeg0をオフセット補正値とし、積分時に、前記基準値deg0をεdeg0だけオフセットすれば、前記時間遅延による積分誤差を排除できる。
【００２２】
次に実際に行われる方位補正の動作を図４のフローチャートを参照して説明する。まず、船を１方向に航行させた状態でステップＳ１でローパスフィルタ１１が初期化された後、ステップＳ２にて、ローパスフィルタ１１の出力がサンプリング回路１３によってサンプリングされ、直近１５秒分のサンプリングデータが常に蓄えられる。ステップＳ３ではローパスフィルタ１１の初期化後６０秒経過したかが判定され、６０秒以内であればステップＳ２に戻りサンプリングを継続するが６０秒を経過している時はステップＳ４に進む。
【００２３】
ステップＳ４では、本装置の方位出力θから航行方位の変化が検出され、ステップＳ５では、直進航行判定回路１５によって直進の航行であるかが判定される。ここでの方位検出には直進航行が前提となっているため、直進でないと判定されたときはステップＳ２に戻り、データのサンプリングを最初からやり直すが、直進航行のときはステップＳ６に進み、前述したような内容に従ってオフセット補正値が計算され、ステップＳ７にて、角速度積分回路８における積分基準値がオフセットされる。その後はステップＳ１に戻ることにより、積分基準値の補正は、直進航行時、１分毎に行われる。ここでローパスフィルタの初期化からオフセット補正までに１分を設定したのは、図２で誤差を一定値(つまり図３の積分誤差における傾きａを一定値)にならしめるための措置である。
【００２４】
図７はローパスフィルタ１１に適した帯域特性を持たせた時の出力方位θを示す。▲１▼〜▲３▼および11は図６のものと同じである。13が本装置で得られた積分方位θであり、ほぼ一定の方位を示し、かつ、磁気方位11に含まれていた短周期のふらつきも排除されている。つまり、図６の積分方位12において、方位が直線的にずれるという欠点が解消されている。
【００２５】
本実施形態では、磁気センサに３軸のものを用い、それに２軸傾斜センサの組み合わせが、センサ自身を常に水平に保持する機構(例えばジンバル機構)を持つ場合、磁気センサはＸ軸およびＹ軸の検出コイルからなる２軸のものでよく、２軸傾斜センサも不要である。
【００２６】
又、本実施形態では、磁気方位θmに含まれる短周期のふらつきを除去するために、ローパスフィルタ１１を差分回路１０の出力側に設けたが、図５に示すように、磁気方位演算回路７の出力側に設けてもよい。但し、この場合、差分回路１０の入力側で、両方位で時間のずれが生じるので、傾斜角補正回路９の出力側にも同じ特性のフィルタを挿入する。
【００２７】
以上述べた発明は、磁気センサおよび角速度センサによるハイブリッドタイプの電子磁気コンパスにおいて、角速度を積分する際の積分誤差を補正するものであったが、本第２発明は、磁気センサ１における方位方向で生じる感度誤差を補正するものであり、図８にそのブロック構成を示す。この図８では磁気方位θｍにおける方位方向の誤差を補正するための方位補正データを格納した方位補正テーブル１６が新たに備えられている。この方位補正テーブル１６の作成を図９のフローチャートを参照して説明する。
【００２８】
船を例えば時計回りに旋回させる間に以下のステップを実行する。ステップＳ１１では、本装置の出力方位θが０°になったかが判定され、０°になったとき、ステップＳ1２で時間ｔが０にリセットされる。次のステップＳ１３では、磁気方位演算回路７より出力される磁気方位θｍがいずれかのサンプル角度degになったかが判定される。
【００２９】
本発明の実施形態では、後で高速フーリエ変換(ＦＦＴ)を行うためにサンプル点数を１２８点しているためサンプル角度degは、360/128＝2.8125°のステップとなる。
0004070879.tif 000002
【００３０】
ステップＳ１３において、磁気方位θmがいずれかのサンプル角度degiを示したとき、ステップＳ１４に進み、表１のごとく、そのときの時間ｔi(この場合はｔ1)と傾斜角補正回路９よりの積分方位θdegi(この場合θdeg1)が記憶される。尚、磁気方位θmと出力方位θとで誤差により、最初に合致するサンプル角度deg1がdeg0(＝０°)にならずに例えばdeg3(＝5.625°)となることもあるが、このような場合でも最終的には同じ補正結果が得られるので不都合はない。
【００３１】
ステップＳ１５では、出力方位θが３６０°を超えたか、つまり船が３６０°旋回したかが判定される。船の旋回が３６０°未満のときはステップ１３に戻り、次のサンプリング角度でのデータ(ｔ2、θdeg2)を記憶するが、３６０°を超えたときは、ステップ１６に進み、一旋回した時の時間ｔ128と積分方位θdegi＋127(この場合、θdeg128)とが記憶される。
【００３２】
さて、あるｔs時間あたりの積分方位量θdegは、上記(２)式において、積分基準値degrを０とし、角速度センサの感度ｋを(ｋ＋ｅk)とすることにより、
θdeg＝ｓ・ｔs・(ｋ＋ｅk)  …(11)
となる。ｅkは角速度センサで生じる誤差である。(11)式を書き換えると、
θdeg＝(ｓ・ｋ)ｔs＋(ｓ・ｅk)ｔs  …(12)
となり、この右式における第１項が真値成分、第２項が角速度センサ自身の誤差成分である。
この誤差成分は、(１)式と同様に、ａ・ｔsで示される。
θdeg＝(ｓ・ｋ)ｔs＋ａ・ｔs  …(13)
この(13)から１旋回したときの積分方位θdegi+127は、“(ｓ・ｋ)ｔs”と、“ｔs”とに360、ｔ128を代入して得られる。
θdegi+127＝360＋ａ・ｔ128  …(14)
これより、ａ＝(θdegi+127−360)／ｔ128  …(15)
が得られる。
【００３３】
図９に戻り、ステップＳ１７では、(15)式を用いて、角速度センサの誤差を示す比例定数ａが演算される。積分方位θdegiでの真値方位をＴdegiとすると、
Ｔdegi＝θdegi−ａ・ｔi  …(16)
が得られる。よって、各磁気方位degiでの方位誤差Ｅrrdegiは、
Ｅrrdegi＝Ｔdegi−degi  …(17)
で得られる。
【００３４】
ステップＳ１８ではこの(16)式を用いて、θdeg1、θdeg2…θdeg128の各積分方位における真値Ｔdeg1、Ｔdeg2…Ｔdeg128が求められ、そして、(17)式により、各磁気方位degiにおける方位誤差Ｅrrdegiが求められる。
【００３５】
以上の各データの一覧を次表に示す。
【表１】
0004070879.tif 000003
【００３６】
ところで上記の磁気方位θｍは、ふらつきのために正確ではないので、このθm自身に補正が必要であり、本発明ではＦＦＴを用いて行なっている。即ち、ステップＳ１９では、まず、図１０に示す“元の誤差分布”を参照することにより、周期１３度程度の波形に振幅変調をかけて“元の誤差分布”のデータに重畳した。この“誤差を重畳した誤差分布”に対してＦＦＴを用いて周波数軸上にパワースペクトルに分解する。
【００３７】
ステップＳ２０では、ＦＦＴ結果から高い周波数成分を取り除き、その後、逆ＦＦＴを行って図１１のごとく磁気方位における誤差分布のデータを得る。
【００３８】
ステップＳ２１では、図１１の各磁気方位に対する誤差分布のデータが方位補正テーブル１６に記憶される。
【００３９】
実際の運用時には、磁気方位演算回路７から出力された磁気方位θｍは方位補正テーブル１６に取り込まれることにより、この方位補正テーブル１６から補正された磁気方位が出力される。対応する磁気方位がテーブルにないときは、各磁気方位degiを検出した時間ｔiがわかっているので補間処理により随意の磁気方位に対する誤差を求めることができる。
【００４０】
図１２は、本装置を自動操舵装置に適用した場合のシステム図を示している。本装置５１で検出された積分方位、つまり船体方位と、指令方位との差が針路ずれ角演算回路５２にて演算される。その針路ずれ角と舵角検出回路５３で検出された現舵角とから舵の操作量が操舵角演算回路５４にて演算される。その操作量に基づき、操舵制御装置５５は、舵を油圧により駆動する操舵装置５６に制御信号を送出する。
【００４１】
【発明の効果】
本発明は、短い時間で見れば応答性は良いが長い時間でみれば精度が悪い積分方位を、長い時間で見れば検出精度の良い磁気方位で補正したので、積分方位本来の短時間での精度の良さを保持した上で長い時間での精度を高めることができる。又、磁気方位のデータから、長い時間で見たときの方位を取り出すために、ローパスフィルタを採用したが、このローパスフィルタの挿入により新たな誤差が発生するが、その誤差に対しては、角速度を積分する際の基準値をオフセットすることにより対処して、より正確な方位を得ている。本第２発明は、真の方位を知り、その真の方位から磁気センサにおける方位方向の誤差を求め、誤差テーブルを作成するものであり、真の方位Ｔdegiを知るために、船を１旋回させたときの積分方位量と３６０°との差分から積分方位計での誤差を求め、その誤差に基づき各磁気方位に対する真の方位を求め、真の方位と磁気方位との差分から各磁気方位における誤差を求めている。尚、上記各磁気方位θmにはふらつきが含まれるため、上記誤差にもふらつきが含まれることになる。このふらつきを排除するために、本発明では、前記誤差の成分を、フーリエ変換および逆フーリエ変換の手法を用い、ふらつきを排除した誤差のデータからより正確な方位補正テーブルを作成している。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の１実施形態を示した制御ブロック図
【図２】  図１のローパスフィルタにおける応答特性を示した図
【図３】  ローパスフィルタの挿入により発生する積分誤差を補正するためにオフセット補正値の算出法を示した図
【図４】  図１の装置の制御動作を示すフローチャート
【図５】  本発明の別の実施形態を示した制御ブロック図
【図６】  磁気方位および積分方位の特性図
【図７】  本発明で得られた積分方位の特性図
【図８】  本第２発明の実施形態を示した制御ブロック図
【図９】  図８の装置の制御動作を示すフローチャート
【図１０】  ＦＦＴを行う過程を示した図
【図１１】  ＦＦＴを行う過程を示した図
【図１２】  本発明を自動操舵装置に適用したときのシステム図
【符号の説明】
１  ３軸磁気センサ
２  ２軸傾斜センサ
３  角速度センサ
４  Ａ／Ｄ変換器
６  傾斜角補正回路
７  磁気方位演算回路
８  角速度積分回路
９  傾斜角補正回路
１０  差分回路
１１  ローパスフィルタ
１２  減算回路
１３  サンプリング回路
１４  オフセット補正値補正回路
１５  直進航行判定回路
１６  方位補正テーブル
【図１】
0004070879.tif 000004
【図２】
0004070879.tif 000005
【図３】
0004070879.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
0004070879.tif 000012
【図１０】
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【図１１】
0004070879.tif 000014
【図１２】
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