JPH03191813A - 方位検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、車両、航空機、船舶等の移動体の方位を検出
する方位検出装置に関し、さらに詳しくは、ジャイロの
出力をＡ／Ｄ変換し、ディジタル値を積算して、車両、
航空機、船舶等の移動体の方位を検出するディジタル方
式の方位検出装置に関するものである。

〈従来の技術と、発明が解決しようとする課題〉従来の
方位検出装置として、移動体の角速度を検出するジャイ
ロと、このジャイロの出力をディジタル値に変換するＡ
／Ｄ変換器と、ディジタル値を積分しこれに基づいて移
動方位角度を検出するコンピュータとを有する方位検出
装置がある。

上記方位検出装置によれば、ジャイロの出力角速度をＡ
／Ｄ変換器によりＡ／Ｄ変換して、コンピュータに供給
し、コンピュータによりディジタル値を積分して旋回角
度を求め、さらに、旋回角度を従前検出しておいた方位
に対して加算することにより、移動体の現在の方位を検
出することができる。すなわち、求めた旋回角度を順次
加算することにより、初期位置からの移動量すなわち現
在の絶対方位を検出することができる。

しかしながら、Ａ／Ｄ変換器はジャイロの出力電圧を８
〜１６ビツトの固定されたディジタル値に変換するもの
であり、Ａ／Ｄ変換器の種類、および測定すべき最大角
速度（測定すべき最大出力電圧）を決定すると、検出で
きる最低電圧レベルは一義的に決まってしまい、それ以
下の電圧レベルは検出できない。よって、角速度の検出
精度（分解能）ひいては方位検出精度を向上させること
ができない。

なお、単に検出したい角速度をさらに小さくしたければ
、第５図に示す如く適当な増幅器２０でジャイロ１０の
出力を増幅することが考えられる。

しかし、この場合には、大きな角速度入力に対しては、
Ａ／Ｄ変換器３０のレンジを越えてしまうことになり、
検出できる最大角速度が制限されてしまう。

また、小さい角速度をディジタル変換するためのＡ／Ｄ
変換器と、大きい角速度をディジタル変換するためのＡ
／Ｄ変換器を設けることも考えられるが、Ａ／Ｄ変換器
を２つ設けることにより、装置が複雑化し、また、Ａ／
Ｄ変換器は高価であるため、コスト高になる。

そこで、本件出願人は、移動体の角速度の検出精度ひい
ては方位検出精度を向上させることを可能にする「方位
検出装置」の発明を平成１年９月５日付けで先願した。

上記先願発明の方位検出装置は、ジャイロの出力をそれ
ぞれ異なる増幅率で増幅する複数の増幅器と、複数の増
幅器とＡ／Ｄ変換部との間に介在接続され、これらの増
幅器のうち何れか一つをＡ／Ｄ変換部に接続するスイッ
チ部と、Ａ／Ｄ変換部からのディジタル値が飽和すると
、現在Ａ／Ｄ変換器に接続している増幅器から次に低い
増幅率を有する増幅器に切替えるための切替制御信号を
スイッチ部に供給する切替制御手段とを有するものであ
る。

したがって、検出可能な範囲で最も小さい角速度に対し
ては、最も増幅率が高い増幅器によりジャイロの出力を
増幅して、これをＡ／Ｄ変換することにより、分解能を
高くすることができる。そして、角速度が大きくなる毎
に、順次増幅率の低い増幅器に切替えてＡ／Ｄ変換する
ことにより、連続して方位検出を行うことができ、しか
も最大角速度の検出機能を損なうこともない。

〈発明が解決しようとする課題〉 ところが、上記の方位検出装置では、複数の増幅器の増
幅率が常に設定された比率を保つとは限らないので増幅
器を切り替える度に、測定方位に不連続が発生する。

これは、増幅器の増幅率が、回路構成している抵抗の抵
抗値によりばらつきがあるからである。

例えば、市販されているオペ増幅器に１００ｐｐ■の高
精度抵抗を利用したとしても、増幅率はばらつきは最悪
±２％もあることが分かっている。また、抵抗やトラン
ジスタ等の温度特性により変動することもあり、方位検
出装置が、温度変化の激しい車両の中に設置されること
を考えるとこれも大きな問題となる。

そこで、増幅器の増幅率を一定にすべく、回路構成を工
夫したり、恒温槽に配置したりすることも考えられるが
、構成が複線になるとともに高価になる。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、増
幅器の増幅率のずれを自動的に調整して、正しい方位を
求めることができる方位検出装置を提供することを目的
とする。

く問題点を解決するための手段〉 上記目的を達成するための本発明の方位検出装置は、ジ
ャイロの出力をそれぞれ異なる増幅率で増幅する複数の
増幅器と、複数の増幅器の出力を時系列で切替える切替
え手段と、切替え手段を通した増幅器の出力をＡ／Ｄ変
換するＡ／Ｄ変換手段と、Ａ／Ｄ変換手段からのディジ
タル値が飽和していない増幅器の出力値を記憶する記憶
手段と、いずれかの増幅器の出力に対応するＡ／Ｄ変換
手段からのディジタル値が飽和すると、当該増幅器より
次に低い増幅率を有する増幅器の出力に切替えるととも
に、当該切替え前の増幅器の記憶している出力値と、切
替え後の増幅器の記憶している出力値とを用いて切替え
後の増幅器のゲインを補正する制御手段とを有するもの
である。

〈作　用〉 上記の方位検出装置であれば、ジャイロの出力をそれぞ
れ異なる増幅率の増幅器で増幅し、それらの出力を時系
列で切替え、−の増幅器の出力に対応するＡ／Ｄ変換手
段からのディジタル値が飽和すると、当該増幅器より次
に低い増幅率を有する増幅器の出力に切替えて使用する
ことにより、常時、飽和していない最高感度の増幅器の
出力を利用することができるとともに、 Ａ／Ｄ変換手段からのディジタル値が飽和していない増
幅器の出力値を記憶しておき、いずれかの増幅器の出力
に対応するＡ／Ｄ変換手段からのディジタル値が飽和す
ると、当該増幅器より次に低い増幅率を有する増幅器の
出力に切替える場合に、当該切替え前の増幅器の記憶さ
れている出力値と、切替え後の増幅器の記憶されている
出力値とを用いて切替え後の増幅器のゲインを補正する
ことができる。

なお、記憶手段が、Ａ／Ｄ変換手段からのディジタル値
が飽和していない増幅器の出力値を複数個記憶しておき
、それらの平均をとったものを利用すれば、より正確性
の高い補正を行うことができる。

〈実施例〉 以下に示す添付図面を参照しながら本発明の方位検出装
置を詳細に説明する。なお、移動体として車両を例にと
り、増幅器の数を２に特定した第１の実施例から説明す
る。

第２図は、第１の実施例を示す方位検出装置のブロック
図であり、この方位検出装置は、車両の角速度に比例し
た電圧を出力するジャイロ１と、増幅器２１．２２と、
増幅器２１．２２とＡ／Ｄ変換器４との間に介在接続さ
れる入力切替器３と、入力切替器３を介して供給される
増幅器２１゜２２の出力をディジタル値に変換するＡ／
Ｄ変換器４と、入力切替器３を制御するクロック５３、
増幅器２１．２２の実測増幅率を記憶するメモリ５２、
およびＡ／Ｄ変換器４からのディジタル値に基づいて方
位を検出する方位検出部５１からなるコンピュータ５と
を有する。

上記ジャイロ１としては、例えば旋回角速度を干渉光の
位相変化として読み取る光フアイバジャイロ、ピエゾエ
レクトリック素子の片持ちぼり振動技術を利用して旋回
角速度を検出する振動ジャイロ、こまの回転を利用した
機械式ジャイロ等があるが、いずれのものを使用するこ
とも可能である。

上記増幅器２１．２２は、ジャイロ１の出力をそれぞれ
異なる増幅率ｇｌ、ｇ２　（ｇｌ＞ｇ２）で増幅する。

これらの増幅器２１．２２の作動範囲を第４図に基づい
て説明する。

第４図はジャイロ１の入出力特性と、増幅器の作動範囲
Ａｔ、Ａ２との関係を示したグラフであり、同図の右の
横軸は旋回角速度ω、左の横軸は増幅器の出力電圧Ｖ１
縦軸はジャイロの出力電圧Ｖである。

増幅率ｇｌ、ｇ２および作動範囲ＡＩ　、Ａ２の設定は
次の前提に基づく。すなわち、人間が車両を運転する場
合に発生する最大角速度はせいぜい８０ｄｅｇ　／ｓｅ
ｃであり、このような大きな角速度はめったに生じない
ので、分解能を低下させても方位検出誤差は殆ど生じな
い。通常の運転で生じる角速度は０〜４５ｄｅｇ　／ｓ
ｅｅである。この範囲で分解能を低下させると、誤差が
累積し方位検出誤差が発生ずるおそれがある。

そこで、８０ｄｅｇ　／ｓｅｅに対して余裕を見て０〜
±９０ｄｅｇ　／ｓｅｃの角速度領域を採り、この角速
度領域を、生じる頻度の最も高い領域（０〜ω１）と、
最も頻度の低い領域（ωｌ〜ω２）に分割する。

そして、上記各領域の最大角速度ωｌ、ω２に対応する
ジャイロ１の出力電圧Ｖｌ、Ｖ２を最大入力電圧とする
ように増幅器２１．２２の作動範囲Ａｌ、Ａ２を設定す
る。また、ジャイロ１の出力電圧Ｖ１．Ｖ２を増幅器２
１．２２により増幅したときの電圧がＡ／Ｄ変換器４の
フルレンジ電圧ｖＦとなるように増幅率ｇｌ、ｇ２を設
定する。

すなわち、以上の関係は、 Ｖｊ　　Ｘｇｊ　−ＶＰ　　（但し、ｊ−１，２）なる
式で表される。このように設定することにより、Ａ／Ｄ
変換器４は、作動範囲Ａｌ、Ａ２のそれぞれに対して同
一のビット数でＡ／Ｄ変換できることになる。したがっ
て分解能は作動範囲Ａｔが最も良く、作動範囲ＡＮが最
も悪いことになる。

通常はチャネルＣＩの出力をＡ／Ｄ変換したものを用い
る。

入力切替器３は、第２図に示すように、上記増幅器２１
．２２にチャネルＣＩ、Ｃ２が接続され、コンピュータ
５のクロック５３からのサンプリング間隔ごとのクロッ
ク信号に応じて、スイッチＳＷｌ、ＳＷ２によりチャネ
ルＣＩ、Ｃ２を切替えてＡ／Ｄ変換器４に接続するもの
である。

コンピュータ５の方位検出部５１は、それぞれの入力レ
ンジの単位を統一するために、Ａ／Ｄ変換器４からのデ
ィジタル値を、増幅器２１の出力を使用するのであれば
増幅器２１の増幅率で割り、増幅器２２の出力を使用す
るのであれば増幅器２２の増幅率に、メモリ５２に記憶
された過去の再出力の比ｒをかけたもので割り、この値
を一定時間毎に積分して旋回角度を求め、この旋回角度
を順次加算して方位を検出する。

クロック５３は、サンプリング間隔ごとに入力切替器３
にスイッチＳＷ１．およびＳＷ２の接続信号を送出する
ものである。

次に上記構成の方位検出装置の動作を第１図を用いて説
明する。まず、クロック５３は、サンプリング間隔ごと
にスイッチＳＷＩ接続信号、およびＳＷ２接続信号を入
力切替器３に送出し、スイッチＳＷＩ、およびＳＷ２を
交互に接続する。これにより、増幅器２１．２２により
増幅率ｇｌ１ｇ２でそれぞれ増幅されたジャイロ１の出
力がサンプリングされる。サンプリングされた増幅器２
１゜２２の出力値をそれぞれＶＨ，ＶＬとおく。

方位検出部５１は、まず、増幅率の高いほうの増幅器２
１の出力ＶＨがフルレンジＶＦに達しているかどうかを
Ａ／Ｄ変換器４の出力から判定しくステップ■）、達し
ていなければ、増幅器２１の出力ＶＨを採用する。この
時、増幅器２１の出力に含まれているオフセット値ＯＨ
を用いて、出力を補正する（ステップ■）。オフセット
値ＯＨは、車両が信号等で停止したときの出力ＶＨを測
定することによって求めることができる。

このようにして補正された値ＶＨ’をＡ／Ｄ変換器４を
通して測定することにより、車両が発生頻度の最も高い
範囲（０〜ω１）すなわち小さい角速度で走行している
場合の高分解能のデータが得られる。このデータは方位
検出部５１に供給され、方位検出処理が行われるので、
良好な方位検出精度が得られる。

上記処理と並行して、制御部５４において、ゲイン比「
を求める処理が行われる。すなわち、チャネルＣ２を通
して得られる出力値ＶＬをオフセット補正して（ステッ
プ■）、ＶＬ’を求め、上記ステップ■で求めた出力値
ＶＨ’　との比「を算出する（ステップ■）。この比ｒ
はメモリ５２に記憶される。増幅器２１の出力ＶＨは、
ステップ■においてフルレンジＶＦに達していないと判
定されているので、Ａ／Ｄ変換器４を通した増幅器２２
の出力も勿論飽和値に達していない。したがって、比「
は、両増幅器２１．２２の実際のゲイン比を反映してい
るものと考えられる。

この場合過去のサンプリングで求められた比ｒ（ステッ
プ■′、■〜等）も考慮し、それらの平均をとったもの
を比「として記憶することが好ましい。こうすれば、両
増幅器２１．２２の実際のゲイン比をより正確に反映す
ることができる。

次のサンプリング時にも、上記と同じ手順を繰り返すが
、この時には、ジャイロ１の出力がＶｌを越えているも
のとする。よって、チャネルＣＩの入力はＶＦを越える
ので、制御部５４はＡ／Ｄ変換器４からの供給されるデ
ィジタル値の飽和を検出し、チャネルＣ２から来る信号
の不採用を決定する（ステップ■）。それとともに、制
御部５４は、Ａ／Ｄ変換器４を通したチャネルｃ２の信
号をオフセット補正しくステップ■）、この値Ｖ１．′
に、メモリに記憶されている比ｒを乗じたＷｒＶＬ’を
方位検出部５１に供給する（ステップ■）。方位検出部
５１はこの値ｒＶＬ’　に基づいて方位検出処理を行う
。

これにより、増幅率の低いほうの増幅器２２の出力デー
タに基づいて方位検出処理を行うことができるとともに
、もし、増幅器２１．２２のゲイン比が設定された比率
を保っていないときても、１つまたはそれ以上前の、増
幅器２１の出力が飽和していないときに実測したゲイン
比に基づいて、増幅器２２のゲインを決定することがで
きる。したがって、増幅器が切り替わった場合でも、ゲ
インの連続性を保つことができる。

次に、一般にＮ個の増幅器を用いて構成した方位検出装
置を説明する。

第３図は、方位検出装置の第２の実施例゛を示すブロッ
ク図であり、この方位検出装置は、車両の角速度に比例
した電圧を出力するジャイロ１と、増幅器２１．２２．
・・・、２Ｎと、増幅器２１゜２２、・・・、２ＮとＡ
／Ｄ変換器４との間に介在接続される入力切替器３と、
入力切替器３を介して供給される増幅器２１，２２．・
・・、２Ｎの出力をディジタル値に変換するＡ／Ｄ変換
器４と、入力切替器３を制御するクロック５３、増幅器
２１゜２２、・・・、２Ｎの実測増幅率を記憶するメモ
リ５２、およびＡ／Ｄ変換器４からのディジタル値に基
づいて方位を検出する方位検出部５１からなるコンピュ
ータ５とを有する。

上記増幅器２１．２２．・・・、２Ｎは、ジャイロ１の
出力をそれぞれ異なる増幅率ｇ１．ｇ２．・・・ｇＮ　
　（ｇｌ　＞ｇ２　＞、・・・＞ｇＮ）で増幅する。

入力切替器３は、第３図に示すように、上記増幅器２１
，２２．・・・、２ＮにチャネルＣＩ、Ｃ２゜・・・、
ＣＮが接続され、コンピュータ５のクロック５３からの
クロック信号に応じて、チャネルＣＩ。

Ｃ２，・・・、ＣＮを順次切替えてコンピュータ５が所
望する増幅器２１，２２．・・・、２ＮとＡ／Ｄ変換器
４に接続するものである。

コンピュータ５の方位検出部５ｂは、それぞれの入力レ
ンジの単位を統一するために、Ａ／Ｄ変換器４からのデ
ィジタル出力に基づき旋回角度を求め、この旋回角度を
順次加算して方位を検出する。またクロック５３は、サ
ンプリング間隔ごとに人力切替器３のチャネルＣＩ、Ｃ
２，・・・、　　ＣＮを順次切り替えていくものである
。

制御部５４は、上記チャネルＣＩ、Ｃ２，・・・ＣＮに
対応するＡ／Ｄ変換器４のディジタル値をモニタし、い
ずれかのディジタル値が上記Ａ／Ｄ変換器４のフルレン
ジ電圧ＶＦに達していることを検知すると、当該フルレ
ンジ電圧ＶＦに達しているチャネルの増幅器の次に低い
増幅率の増幅器（この増幅器を２にとする）に接続され
ているチャネルｋからの信号を採用する。このとき、第
１の実施例と同様、ディジタル値のオフセット補正を行
うことはいうまでもないが、簡単のため以下の説明では
オフセット補正の説明は省略する。

これと同時に、制御部５４において、ゲイン比ｒ　ｋ＋
Ｉ　、　ｒ　ｋ＋２．・・・、ｒＮを求める処理が行わ
れる。

すなわち、チャネルｋを通して得られる出力値ｖｋと、
チャネルに＋１．に＋２．−、Ｎを通して得られる出力
値Ｖ　ｋ＋１．Ｖ　ｋ＋２．・・・、ＶＮとの比ｒ　ｋ
＋ｌ、　ｒ　ｋ＋２．・・・、ｒＮを算出する。これら
の比はメモリ５２に記憶される。この時、過去複数回の
サンプリング時点で得られた出力値Ｖ　ｋ＋１．Ｖ　ｋ
＋２゜・・・、またはＶＮのそれぞれの平均をとった数
値を使って比ｒ　ｋ＋１．　ｒ　ｋ＋２．・・・、ｒＮ
を求めた方が精度が向上することは、第１の実施例で説
明したとおりである。

次に、車両の旋回角速度が大きくなり、チャネルＣｋの
出力がＶＦを越えると制御部５４はＡ／Ｄ変換器４から
の供給されるディジタル値の飽和を検出し、チャネルＣ
ｋ＋１を選択させる信号を方位検出部５１に送出する。

このクロック信号を受けて、方位検出部５１は、増幅器
２　ｋ＋１により増幅されたジャイロ１の出力をＡ／Ｄ
変換器４を通して受は取る。

この場合、方位検出部５１は、上記メモリ５２に記憶さ
れたｒ　ｋ＋１を、増幅器２　ｋ＋１に対応するＡ／Ｄ
変換器４のディジタル値に乗じる。これによって、増幅
器２にと増幅器２　ｋ＋１とのゲインの連続性を保持す
ることができる。また、増幅器２　ｋ＋１から増幅器２
に＋２に切り替わる場合には、上記と同様の処理が行わ
れる。以下増幅器２に＋３゜２に＋４．・・・、２Ｎに
切り替わる場合にも同様の処理が行われる。

上記の如く飽和を検知する毎にチャネルを順次切り替え
ることにより、最小角速度から最大角速度までの範囲を
連続して処理することができるとともに、増幅器を切替
える前後においても、アンプ出力の実測値に基づいて増
幅器のゲインを補正することができるので、常に、精度
のよい角速度の測定が行える。

なお、実施例においては移動体として車両を例にしたが
、角速度検出範囲を変更することにより、航空機、船舶
等の種々の移動体に適用することが可能である。

〈発明の効果〉 Ａ／Ｄ変換手段からのディジタル値が飽和していない増
幅器の出力値を記憶しておき、いずれかの増幅器の出力
に対応するＡ／Ｄ変換手段からのディジタル値が飽和す
ると、当該増幅器より次に低い増幅率を有する増幅器の
出力に切替える場合に、当該切替え前の増幅器の記憶さ
れている出力値と、切替え後の増幅器の記憶されている
出力値とを用いて切替え後の増幅器のゲインを補正する
ことができる。

したがって、切替え前後で増幅器のゲインの連続性を保
つことができるので、増幅器の増幅率のずれを自動的に
調整して、良好な精度で移動体の方位を求めることがで
きる。

第２図は方位検出装置１　　　　′の構成を示すブロッ
ク図、　　　　　　　′乙３ 第３図は方位検出装置の１ｍ　％’Ｊ　ｊ’ｃ　ｍ例の
構成を示すブロック図、 第４図はジャイロの入出力特性と、増幅器の作動範囲と
の関係を示したグラフ、 第５図は一つの増幅器でジャイロの出力を増幅する従来
図である。

■ 第４図 １：ジャイロ、２１，２２．・・・、２Ｎ＝増幅器、３
：入力切替器、４　：　Ａ／Ｄ変換器、５１：方位検出
部、５２：メモリ、 ５３：クロック、５４：制御部 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ａ／Ｄ変換手段により、ジャイロの出力をＡ／Ｄ変
   換し、この変換されたディジタル値に基づいて方位検出
   手段により移動体の方位を検出するようにした方位検出
   装置において、ジャイロの出力をそれぞれ異なる増幅率
   で 増幅する複数の増幅器と、 複数の増幅器の出力を時系列で切替える切 替え手段と、 切替え手段を通した増幅器の出力をＡ／Ｄ 変換するＡ／Ｄ変換手段と、 Ａ／Ｄ変換手段からのディジタル値が飽和 していない増幅器の出力値をそれぞれ記憶する記憶手段
   と、 いずれかの増幅器の出力に対応するＡ／Ｄ 変換手段からのディジタル値が飽和すると、当該増幅器
   より次に低い増幅率を有する増幅器の出力に切替えると
   ともに、当該切替え前の増幅器の記憶されている出力値
   と、切替え後の増幅器の記憶されている出力値とを用い
   て切替え後の増幅器のゲインを補正する制御手段とを有
   することを特徴とする方位検出装置。 ２、Ａ／Ｄ変換手段からのディジタル値が飽和していな
   い増幅器の出力値をそれぞれ記憶する記憶手段が、過去
   の複数時点で求められた上記出力値の平均値を、出力値
   として記憶しているものである請求項１記載の方位検出
   装置。