JP2003302247A - 慣性装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】外部クロック信号の周期に変動があっても高精
度であり、しかも外部クロック信号に同期した慣性デー
タを出力できる慣性装置の提供。 【解決手段】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。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。演算処理部４
で行われる慣性演算には、時間積分の演算を含むが、積
分演算における時間データとして、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を用いるか
ら、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となる。

Description

【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１
０２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１
２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１
０３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を備える慣性装置であっ
て、前記演算手段は、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
タを該外部クロック信号に同期して該外部機器へ伝達
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１０
５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・・・・・Δｔ
nである。同図（ｂ）は、外部クロック周期データ１０
６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・・・・・
Ｔ_1n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・・・・・Ｔ_1n-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・・・・・Ｔ _2n-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・・・・・Ｔ_2n-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・・・・・Ｔ_2n-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・・・・・Ｔ_2n-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Ｔ_Ｃ1には、Ｔ₃₀，Ｔ₃₁，Ｔ₃₂，Ｔ
₃₃，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，Ｔ
₃₁，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Δ
ｔ4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Ｔ_Ｃ1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Ｔ_Ｃ1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Ｔ_Ｃ0，Ｔ_Ｃ1・・・・・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。Ｔ_ＯＵＴ0及びＴ_ＯＵＴ1は、
時間帯Ｔ_Ｃ0及びＴ_Ｃ1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１
０５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１
０３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１
０５における各クロックパルス Δｔ0，Δｔ1・・・・・Δｔn 外部クロック信号１
０５における繰り返し周期 Ｔ₁₀，Ｔ₁₁・・・・・Ｔ_1n-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・・・・・Ｔ_2n-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・・・・・Ｔ_2n-1 演算処理部４におい
て、Ｔ₂₀，Ｔ₂₁・・・・・Ｔ_2n-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 Ｔ_Ｃ0，Ｔ_Ｃ1 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 Ｔ_ＯＵＴ0，Ｔ_ＯＵＴ1 時間帯Ｔ_Ｃ0，Ｔ_Ｃ1に演算さ
れた慣性データを出力する時間帯

Claims (1)

1. 【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を備える慣性装置であって、 前記演算手段は、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
   該外部クロック信号に同期して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。