(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動体の角速度および加速度を検出する慣性センサと、該慣性センサの出力に基づく慣性演算により該移動体の姿勢角、速度および位置を含む慣性データを生成する演算手段と、データバスで外部機器に接続され、該慣性データを該データバス経由で該外部機器へ送る外部接続回路とを備える慣性装置であって、
前記演算手段は、前記外部機器から出力される外部クロック信号を受け、該外部クロック信号に同期して前記慣性演算を行い、該慣性演算により生成した前記慣性データを該クロック信号に同期して前記外部接続回路およびデータバス経由で該外部機器へ伝達し、
前記慣性演算は該慣性センサの出力の積分演算を含む慣性装置において、
前記演算手段は、前記外部クロック信号の繰り返し周期を表す外部クロック信号繰り返し周期データを、前記外部機器から前記データバス及び前記外部接続回路経由で受け、該外部クロック信号繰り返し周期データで表される該外部クロック信号の繰り返し周期に基づき前記積分演算をする
ことを特徴とする慣性装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、航空機、ロケットその他の移動体に搭載され、ジャイロ及び加速度計でなる慣性センサにより移動体の角速度および加速度を検知し、該角速度および加速度に基づき該移動体の姿勢角、速度、位置などの慣性データを演算する慣性装置に関し、特にオートパイロット等の外部機器から供給される外部クロック信号を受け、外部クロック信号に同期して慣性データを該外部機器へ出力できる慣性装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に慣性装置は、航空機、ロケットその他の移動体に搭載され、慣性センサおよび演算処理部を備え、移動体の姿勢角、速度および位置を生成する。移動体の姿勢角、速度および位置は、移動体の慣性データと称される。慣性センサは、Ｘ，Ｙ及びＺの直交３軸に関する移動体の角速度を検知するジャイロと、加速度を検知する加速度計とでなる。慣性センサで検知された角速度および加速度は、ここではセンサ出力と称することとする。演算処理部は、そのセンサ出力に基づき移動体の姿勢角、速度および位置、すなわち慣性データを演算する。センサ出力（角速度および加速度）に基づき移動体の慣性データ（姿勢角、速度および位置）を求める演算は、慣性演算と称される。慣性演算は、センサ出力に積分演算を施し、移動体の姿勢、速度および位置を求める演算である。慣性データは、例えば移動体のオートパイロット装置（自動操縦装置）に提供され、移動体の操縦系制御データとして利用される。図４および図５は、従来から知られている慣性装置の構成をそれぞれ示す図である。オートパイロット装置は外部機器の一例である。オートパイロット装置などの外部機器は、慣性装置に外部クロック信号を供給し、慣性装置の作動タイミングを制御する場合があり、慣性装置に対し上位の関係にあるから、以下では上位外部機器と称する。
【０００３】
図３の慣性装置１１（第１の従来例）は、慣性センサ２と、アップダウン・カウンタ３と、演算処理部４と、外部接続回路５とを備えてなり、上位外部機器６に対し慣性データをデータバス７経由で供給する。慣性センサ２は、角速度を検出するジャイロ及び加速度を検出する加速度計でなり、Ｘ，Ｙ及びＺの直交３軸に関する角速度および加速度をセンサ出力１０１として出力する。そして、慣性センサ２は、センサ出力１０１におけるデータ（Ｘ，Ｙ及びＺの直交３軸に関する角速度または加速度）それぞれに対応してアップ端子およびダウン端子を有し、そのデータが正の値のときは、そのデータの大きさを表す数のパルスをアップ端子から出力し、データが負の値のときは、そのデータの大きさを表す数のパルスをダウン端子から出力する。
【０００４】
アップダウン・カウンタ３は、慣性センサ２のアップ端子およびダウン端子にそれぞれ対応してアップカウント入力端子およびダウンカウント入力端子を備える。慣性センサ２のアップ端子はアップカウント入力端子に接続され、慣性センサ２のダウン端子はダウンカウント入力端子に接続されている。アップダウン・カウンタ３は、演算処理部４から供給されるクロック信号１０４のタイミングで、アップカウント入力端子へ入力されたパルス数だけ計数値を加算（カウントアップ）し、ダウンカウント入力端子へ入力されたパルス数だけ計数値を減算（カウントダウン）する。アップダウン・カウンタ３におけるこの計数処理をアップダウン・カウント処理と称する。アップダウン・カウント処理は、センサ出力１０１をクロック信号１０４の周期で計数するので、一種の積分処理である。クロック信号１０４の周期は、例えば1ｍ秒といった程度の時間である。アップダウン・カウンタ３のアップダウンカウント処理出力１０２は、演算処理部４に送られる。演算処理部４は、アップダウンカウント処理出力１０２につき慣性演算を行い、慣性データ１０３を生成する。演算処理部４における慣性演算には、アップダウンカウント処理出力１０２の積分演算が含まれる。慣性データ１０３は、外部接続回路５とデータバス７とを介して上位外部機器６へ供給される。
【０００５】
この図３の従来例においては、アップダウン・カウンタ３におけるアップダウン・カウント処理と演算処理部４における慣性演算処理とが、上位外部機器６のクロック信号とは関わりのない独自のタイミングで、すなわち上位外部機器６内における処理動作とは非同期で行われる。そこで、慣性装置１１と上位外部機器６との機器間における処理タイミングにずれが生じることは避けがたく、上位外部機器６が慣性データ１０３を受けた時、該慣性データ１０３がどの時点で取得した移動体の物理的な運動状態であるかを上位外部機器６では正確には知り得ない。したがって、図３の慣性装置では、慣性データ１０３と移動体の物理的な運動状態との間の誤差が避けられない。
【０００６】
図４の慣性装置１２（第２の従来例）は、この欠点を解消することを意図した従来例であり、各構成要素は図３の装置におけるものと同じである。図４の慣性装置１２が図３の慣性装置１１と異なるところは、上位外部機器６から出力される外部クロック信号１０５が、慣性装置１２内に導入されている点である。外部クロック信号１０５は、慣性装置１２の演算処理部４は入力され、演算処理部４で波形整形され、同じタイミングのクロック信号１０４となる。クロック信号１０４は、アップダウン・カウンタ３へ供給され、図３について述べたところと同様に、アップダウン・カウンタ３の動作タイミングを制御する。外部クロック信号１０５及びクロック信号１０４の周波数（パルス繰り返し周波数）は、例えば１ｋＨｚである。
【０００７】
図４において、慣性センサ２のセンサ出力１０１は、アップダウン・カウンタ３に入力され、クロック信号１０４に基づく期間毎にアップダウン・カウント処理を施される。アップダウン・カウンタ３のアップダウンカウント処理出力１０２は、演算処理部４に送られる。演算処理部４は、外部クロック信号１０５のタイミングで、アップダウンカウント処理出力１０２につき慣性演算処理を施し、慣性データ１０３を生成する。この慣性演算は、図３における演算と同様にアップダウンカウント出力の積分演算を含む。この図４の慣性装置１２では、積分演算の積分期間の開始と終了は、外部クロック信号１０５のタイミングである。この慣性データ１０３は、図３の従来例の場合と同様に、外部接続回路５とデータバス７とを介して上位外部機器６へ供給される。
【０００８】
なお、図３の慣性装置１１におけるアップダウン・カウンタ３について述べたように、アップダウン・カウンタ３における計数処理は一種の積分処理であり、演算処理部４でも積分処理が行われるが、アップダウン・カウンタ３における計数処理は１ｍ秒程度の短時間の計数であり、演算処理部４における積分処理はより長い時間に関しアップダウンカウント処理出力１０２を積分することにより行われる。演算処理部４は、外部クロック信号１０５を受け、外部クロック信号１０５の周波数を分周した内部クロック信号を生成し、内部クロック信号のタイミングで積分処理を行っている。
【０００９】
図４の従来例においては、アップダウン・カウンタ３および演算処理部４の処理動作を、上位外部機器６の外部クロック信号１０５に同期させるので、慣性データ１０３は上位の上位外部機器６において待ち受けるタイミングで上位外部機器６に対し供給される。したがって、図４の慣性装置１２（第２の従来例）では、図３の慣性装置１１（第１の従来例）における欠点は一応回避される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来例において、第１の従来例の欠点を補うために提案されている第２の従来例の場合には、慣性装置１２内のアップダウン・カウンタ３及び演算処理部４の処理動作は、上位外部機器６の外部クロック信号１０５に同期して行われており、慣性装置１２の出力の慣性データ１０３と上位外部機器６のデータ受信タイミングとの間の時間ズレの発生は一応回避され、慣性データ１０３がどの時点で取得した移動体の物理的な運動状態を表すかを上位外部機器６で正確に知り得る。しかしながら、演算処理部４における慣性演算処理は積分演算を含み、該積分演算の開始から終了までの時間区間は外部クロック信号１０５で規定されるので、外部クロック信号１０５の周期に変動があると、積分演算の積分時間区間の誤差となり、該積分時間区間の誤差が、演算処理部４における慣性演算による慣性データ１０３（姿勢角、速度および位置）の精度劣化にそのままつながるという欠点がある。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、上記の欠点を排除し、外部クロック信号に同期した慣性データを外部機器に供給でき、しかも外部クロック信号の周期に変動があっても高精度の慣性データを出力できる慣性装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために本発明は次の手段を提供する。
【００１３】
（１）移動体の角速度および加速度を検出する慣性センサと、該慣性センサの出力に基づく慣性演算により該移動体の姿勢角、速度および位置を含む慣性データを生成する演算手段と、データバスで外部機器に接続され、該慣性データを該データバス経由で該外部機器へ送る外部接続回路とを備える慣性装置であって、
前記演算手段は、前記外部機器から出力される外部クロック信号を受け、該外部クロック信号に同期して前記慣性演算を行い、該慣性演算により生成した前記慣性データを該クロック信号に同期して前記外部接続回路およびデータバス経由で該外部機器へ伝達し、
前記慣性演算は該慣性センサの出力の積分演算を含む慣性装置において、
前記演算手段は、前記外部クロック信号の繰り返し周期を表す外部クロック信号繰り返し周期データを、前記外部機器から前記データバス及び前記外部接続回路経由で受け、該外部クロック信号繰り返し周期データで表される該外部クロック信号の繰り返し周期に基づき前記積分演算をする
ことを特徴とする慣性装置。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を挙げ、本発明の慣性装置を一層具体的に説明する。
【００１５】
図１は、本発明の一実施の形態の構成を示すブロック図である。図１に示されるように、本実施例の慣性装置１は、慣性センサ２と、アップダウン・カウンタ３と、演算処理部４と、外部接続回路５とを備えて構成される。また、図２（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）及び（ｆ）は、演算処理部４における各部信号並びに演算及びデータ出力のタイミング図である。
【００１６】
図１において、慣性センサ２で検出されたセンサ出力１０１（前述の慣性センサ出力に相当）は、アップダウン・カウンタ３に入力され、演算処理部４から供給されるクロック信号１０４のタイミングでアップダウン・カウント処理される。慣性センサ２及びアップダウン・カウンタ３の作動は図４について述べたところと同様である。アップダウン・カウンタ３から出力されるアップダウンカウント処理出力１０２は、演算処理部４に入力される。演算処理部４ではアップダウンカウント処理出力１０２につき慣性演算処理が行われることは、図３及び図４の従来の慣性装置と同様である。本実施の形態の慣性装置１の特徴は、外部クロック信号１０５の周期を表す外部クロック周期データ１０６が、上位外部機器６からデータバス７及び外部接続回路５経由で演算処理部４へ供給される点にある。外部クロック周期データ１０６は、上位外部機器６において外部クロック信号１０５の繰り返し周期を高い精度で測定することにより得られる。
【００１７】
演算処理部４は、慣性演算における積分演算の積分時間として外部クロック周期データ１０６を用いることにより、外部クロック信号１０５の周波数変動の影響を除いた正確な慣性データ１０３を得ることができる。演算処理部４においては、外部クロック周期データ１０６により外部クロック信号１０５の繰り返し周期を知り、外部クロック周期データ１０６に基づく時間でアップダウンカウント処理出力１０２の時間積分をし、慣性データ１０３を生成する。アップダウンカウント処理出力１０２の時間積分で得られる慣性データ１０３の精度は、その外部クロック信号１０５の繰り返し周期のデータ、即ち外部クロック周期データ１０６の精度とほぼ同じ精度である。この慣性データ１０３は、外部接続回路５及びデータバス７を介して上位外部機器６へ伝送される。
【００１８】
図２を参照し、演算処理部４における演算処理を更に具体的に説明する。図２（ａ）は、外部クロック信号１０５のタイミングを示す。Ｐ1，Ｐ2・・・・・Ｐnは、外部クロック信号１０５における各クロックパルスをそれぞれ表す。外部クロック信号１０５の繰り返し周期Δｔは、それぞれΔｔ0，Δｔ1・・・・・Δｔnである。同図（ｂ）は、外部クロック周期データ１０６が演算処理部４へ供給されるタイミングを示す。外部クロック周期データ１０６では、繰り返し周期Δｔ0，Δｔ1・・・・・ΔｔnのデータがＴ10，Ｔ11・・・・・Ｔ1nの時間帯に演算処理部４に入力される。本図に示してあるように、外部クロック信号１０５の繰返し周期を表すデータΔｔ0，Δｔ1・・・・・Δｔn-1は、次周期の外部クロック周期データ１０６の初頭の時間帯Ｔ10，Ｔ11・・・・・Ｔ1n-1に、演算処理部４へ供給される。
【００１９】
図２（ｃ）は、アップダウン・カウンタ３から供給されるアップダウンカウント処理出力１０２を演算処理部４へ取り入れ、精度の高い加速度および角速度のデータを演算するタイミングを示す。演算処理部４は、Ｔ20，Ｔ21・・・・・Ｔ2n-1の時間帯に加速度および角速度のデータを演算する。図２（ｃ）のタイミングＴ20，Ｔ21・・・・・Ｔ2n-1の各時間帯に行われる演算は、外部クロック周期データ１０６で表される外部クロック信号１０５の繰り返し周期Δｔで、アップダウンカウント処理出力１０２を除算する演算を含む。この除算演算により、外部クロック信号１０５における繰り返し周期Δｔの変動分の影響を除いた加速度および角速度が得られる。図２（ｄ）は、演算処理部４の内部において加速度および角速度のデータが次の慣性演算の処理ステップへ渡されるタイミングを示す。すなわち、演算処理部４において、Ｔ20，Ｔ21・・・・・Ｔ2n-1の時間帯に得られた高精度の加速度および角速度のデータは、Ｔ30，Ｔ31・・・・・Ｔ2n-1の時間帯に慣性演算の処理ステップへそれぞれ渡される。
【００２０】
図２（ｅ）は、演算処理部４における慣性演算処理のタイミングを示す。慣性演算処理では、外部クロック信号１０５の繰り返し周期Δｔの５つの期間における加速度および角速度のデータを基に、移動体の姿勢、速度および位置を含む慣性データを演算する。演算処理部４は、時間帯ＴＣ1には、Ｔ30，Ｔ31，Ｔ32，Ｔ33，及びＴ34において渡された加速度および角速度のデータを基に姿勢、速度および位置を演算する。上述のとおり、加速度および角速度の演算ステップからＴ30，Ｔ31，Ｔ32，Ｔ33，及びＴ34に渡された加速度および角速度は、繰り返し周期Δｔ0，Δｔ1，Δｔ2，Δｔ3及びΔｔ4という実際の繰り返し周期データに基づき演算された値であるから、外部クロック信号１０５の繰り返し周期における時間変動による誤差は除かれている。更に、時間帯ＴＣ1における慣性演算でも、これらの加速度および角速度を時間積分する積分演算を含むが、外部クロック周期データ１０６で示される繰り返し時間のデータ（Δｔ0，Δｔ1，Δｔ2，Δｔ3及びΔｔ4）を用いるから、慣性演算により得られる移動体の姿勢、速度および位置では、外部クロック信号１０５の繰り返し周期における時間変動による誤差は除かれている。したがって、時間帯ＴＣ1に演算された慣性データ（姿勢、速度および位置）は、外部クロック信号１０５における繰り返し周期Δｔの変動分の影響を除いた高精度のデータである。図２（ｆ）は、時間帯ＴＣ0，ＴＣ1・・・・・に慣性演算処理により得た慣性データを外部接続回路５へ出力するタイミングを示す。ＴＯＵＴ0及びＴＯＵＴ1は、時間帯ＴＣ0及びＴＣ1に演算された慣性データを出力する時間帯をそれぞれ表している。外部接続回路５は、演算処理部４から受けた慣性データ１０３を、そのままデータバス７経由で上部外部機器６へ転送する。
【００２１】
図２を参照して説明したように、演算処理部４は、外部クロック周期データ１０６（図２の（ｂ））で示される時間でアップダウンカウント処理出力１０２の時間積分をする。時間積分における時間データが正確であるから、演算処理部４は、外部クロック信号１０５の繰り返し周期の誤差の影響を除いた正確な慣性データを演算することができる。
【００２２】
また、外部クロック信号１０５の繰り返し周期の変動が、外部クロック信号１０５の繰り返し周期のジッタによるものであり、そのジッタが比較的大きい値であっても、本実施の形態では、外部クロック信号１０５の繰り返し周期のデータを１周期ごとに受けているので、慣性データ１０３にはそのジッタの影響は現れない。
【００２３】
図２のタイミング図から明らかなように、本実施の形態の慣性装置１から出力される慣性データ１０３は、図２（ａ）の外部クロック１０５のタイミングに関連付けられた図２（ｆ）のタイミングで上位外部機器６へ供給される。このように、アップダウン・カウンタ３および演算処理部４の処理動作は、上位外部機器６の外部クロック信号１０５に同期させるので、慣性データ１０３は上位外部機器６において待ち受けるタイミングで上位外部機器６に対し供給される。したがって、慣性装置１と上位外部機器６との機器間における処理タイミングにずれが生じることはなく、上位外部機器６が慣性データ１０３を受けた時、該慣性データ１０３がどの時点で取得した移動体の物理的な運動状態であるかを上位外部機器６では正確には知り得る。そこで、図１の慣性装置の採用により、慣性データ１０３は移動体の物理的な運動状態をリアルタイムに正確に表し、オートパイロット等の上位外部機器６は適切に移動体を制御できる。
【００２４】
【発明の効果】
以上に実施の形態を挙げ具体的に説明したように、本発明によれば、外部クロック信号に同期した慣性データを外部機器に供給でき、しかも外部クロック信号の周期に変動があっても高精度の慣性データを出力できる慣性装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示すブロック図である。
【図２】図１の演算処理部４における各部信号並びに演算及びデータ出力のタイミング図である。
【図３】第１の従来例を示すブロック図である。
【図４】第２の従来例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１，１１，１２    慣性装置
２    慣性センサ
３    アップダウン・カウンタ
４    演算処理部
５    外部接続回路
６    上位外部機器
７    データバス
１０１    センサ出力
１０２    アップダウン・カウント処理出力
１０３    慣性データ
１０４    クロック信号
１０５    外部クロック信号
１０６    外部クロック周期データ
Ｐ1，Ｐ2・・・・・Ｐn，Ｐn+1    外部クロック信号１０５における各クロックパルス
Δｔ0，Δｔ1・・・・・Δｔn    外部クロック信号１０５における繰り返し周期
Ｔ10，Ｔ11・・・・・Ｔ1n-1    外部クロック周期データ１０６におけるデータタイミング
Ｔ20，Ｔ21・・・・・Ｔ2n-1    演算処理部４において加速度および角速度のデータを演算する時間帯
Ｔ30，Ｔ31・・・・・Ｔ2n-1    演算処理部４において、Ｔ20，Ｔ21・・・・・Ｔ2n-1の時間帯に得られた高精度の加速度および角速度のデータを慣性演算の処理ステップへ渡す時間帯
ＴＣ0，ＴＣ1    演算処理部４において移動体の姿勢、速度および位置を含む慣性データを演算する時間帯
ＴＯＵＴ0，ＴＯＵＴ1    時間帯ＴＣ0，ＴＣ1に演算された慣性データを出力する時間帯
【図１】
0004059698.tif 000002
【図２】
0004059698.tif 000003
【図３】
0004059698.tif 000004
【図４】
0004059698.tif 000005