JPH05164560A

JPH05164560A - 方位センサ

Info

Publication number: JPH05164560A
Application number: JP33354691A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Kumagai; 達也熊谷; Norihiro Ashizuka; 紀尋芦塚; Hiroshi Kajioka; 博梶岡
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1991-12-17
Filing date: 1991-12-17
Publication date: 1993-06-29

Abstract

(57)【要約】【目的】軽量、小形、安価であるとともに、自差補正を
自動的に行って検出精度を向上させ、使いやすくする。【構成】光ファイバジャイロ２により得られた角度デー
タと、地磁気センサ１の方位データとをコントローラ３
により比較処理し、地磁気センサ１の自差補正を自動的
に行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は方位センサ、特に地磁気
センサと光ファイバジャイロとをハイブリッド構造にし
た方位センサに関するものである。

【０００２】

【従来技術】方位センサとしては、地球の磁場を検出す
る地磁気センサや、地球の自転運動と回転コマの方向保
持性とを利用した機械式のジャイロコンパス、さらには
サニャック効果を利用した光ジャイロコンパスが一般に
用いられている。

【０００３】地磁気センサは、図４に示すようにトロイ
ダルコア４１に励磁コイル４２を巻き、さらに互に直交
する方向に検出コイルＵ、Ｖを巻いたものである。検出
コイルＵ、Ｖに対しθの角度で交差する地磁気Ｈ₀が印
加されると、下式のように、方位θは検出コイルＵ、Ｖ
にそれぞれ誘起される電圧Ｖ_U、Ｖ_Yの比の逆正接で求
められる。

【０００４】 θ＝ｔａｎ^-1（Ｖ_U／Ｖ_Y）（１）機械式ジャイロコンパスは、回転体の角運動量保存則を
利用した角度センサであり、互に直交する３本の軸をも
ち、ＸＸ軸を回転軸として回転し、ＹＹ軸を水平軸とし
て傾斜し、さらにＺＺ軸を垂直軸として旋回できるよう
になっている。機械式ジャイロが動作して回転体が高速
回転すると、トルクを加えない限り、その軸の方向は地
球の自転の影響を受けずに空間に対して一定方向を指し
続ける。これを利用して方位を検出する。

【０００５】光ジャイロコンパスは、地球の自転角速度
を検出することにより地球の回転軸方向を求めて方位を
得るものである。地球の自転角速度を検出するには、光
ファイバジャイロを使用する。光ファイバジャイロは角
速度を検出するセンサで、角度はＣＰＵ内のタイマを使
用し、角速度に時間を乗算したものを加算していくこと
により求める。従って、相対角度変化を検出することは
できるが、方位を検出することはできない。このため、
地球の自転角速度を検出することにより地球の回転方向
を求めているのである。光ファイバジャイロは図５に示
すような構造をしている。図示例のものは位相変調方式
光ファイバジャイロであり、比較的構成が簡単で安価な
ことから注目されている。光源１１から発した光はカプ
ラ１２、偏光子１３を通りカプラ１４によって分岐され
て、センシングコイル１６の両端に右回り光及び左回り
光としてそれぞれ入射される。センシングコイル１６を
通過して戻ってきた光は、カプラ１４によって合成さ
れ、偏光子１３を通り、カプラ１２によって分岐され、
受光器１７により光強度に比例した電流信号に変換され
る。静止時は受光器１７の検出強度は一定であるが、角
速度が加わることにより、両回り光に位相差が生じ光強
度が変化する。この光強度の変化から角速度を求め、こ
れを積分して角度を得る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、方位センサ
には誤差が生じるが、その中で問題となるのは偏角と自
差である。偏角とは、地磁気の水平磁力の方向と地平面
の北の方向との間の角で、磁場の方向の方位角にあたる
角度で、地理的に絶対的に生じるものである。自差と
は、欠陥のないコンパスを空間に静置したときと、これ
を地理的同一位置で船または航空機に搭載したときとの
読取り値の差で、搭載機に個別的に生じるものである。
これらの誤差が最小となる方位センサが望まれる。

【０００７】しかしながら、上述した従来の方位センサ
にはそれぞれ次のような欠点があった。

【０００８】（１）地磁気センサでは、検出対象となる
地球磁場が非常に小さいため、センサを例えば船や車に
装備した場合、船体や車体各部の鉄類のために地磁気が
乱され、それが方位誤差すなわち自差になる。また埋設
物、建造物によっても地磁気が乱されて自差を生じる
等、使い難い。自差補正は通常永久磁石を使う。マグネ
ット形の地磁気センサの近くに小さなケースがあり、熟
練した人間が本センサを船体等に設置した時に調整す
る。このように手動操作を必要とし非常に手間がかか
り、しかも磁界に影響されるため正確を期しがたい。な
お、自差と異なり、偏角については、地球上の偏角が予
め分かっているので、使用場所が特定できれば補正は比
較的容易であるが、常に偏角補正表を手元に備え、得ら
れた方位から作業者が計算して求めなければならないた
め面倒である。

【０００９】（２）機械式のジャイロコンパスは、大き
い、重い、高価、起動時間が長い、振動に弱い、メンテ
ナンスが頻繁に必要である。

【００１０】（３）光ジャイロコンパスは、地球の自転
速度という非常に小さな値を基準にして方位を得てい
る。従って、船体、車体が揺れると正確な方位が得られ
ない。

【００１１】本発明の目的は、地磁気センサに光ファイ
バジャイロを付加してハイブリッド化することによっ
て、前記した従来技術の欠点を解消し、誤差が少なく、
軽量、小型、安価で使いやすい方位センサを提供するこ
とにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の方位センサは、
互に直交する方向に検出コイルを配置して、地磁気の方
向に応じて変化する検出コイルの出力電圧を含む方位デ
ータに基づいて方位角を検出し、検出した方位角に施さ
れている自差補正の自差が環境により変化する地磁気セ
ンサと、センシングループを伝搬する左右両回り光の位
相差に基づいて前記地磁気センサに加えられる角度を検
出する光ファイバジャイロと、光ファイバジャイロによ
り地磁気センサに加えられる角度を検出し、地磁気セン
サと光ファイバジャイロで検出した角度差が所定値を越
える度に、それまでに得た地磁気センサの方位データと
光ファイバジャイロの角度データから自差補正値を求
め、その自差補正値を自動的に更新することにより地磁
気センサの出力を補正する制御手段とを備えたものであ
る。

【００１３】そして、自差補正に加えて偏角補正も自動
的に行うようにするために、上記センサに、地球上の偏
角を予め記憶する記憶手段と、磁気センサの使用場所の
緯度、経度を検出する検知手段とを更に備え、制御手段
により検知手段の出力から地球上の場所を特定し、その
場所に対応する偏角を記憶手段から読み出して偏角補正
値を更新するようにしてもよい。また、傾斜による誤差
をなくすために、地磁気センサ及び光ファイバジャイロ
を水平保持装置に搭載することが好ましい。

【００１４】

【作用】地磁気センサを１回転させた時の出力電圧値の
軌跡を示せば図２のようになる。地磁気に乱れがない場
合には図２（Ａ）のような円に、乱れがある場合には図
（Ｂ）のような楕円形になる。方位角θは、楕円の最大
電圧値Ｖ_Xmax，Ｖ_Ymax、最小電圧値Ｖ_Xmin，Ｖ_Yminを用
いて次式で与えられる。

【００１５】 θ＝ｔａｎ^-1｛（Ｖ_Y−Ｚ_Y）／（Ｖ_X−Ｚ_X）＊Ｋ｝（２）但し、（Ｚ_X、Ｚ_Y）は楕円の中心座標、Ｋ＝（Ｖ_Ymax−Ｖ_Ymin）／（Ｖ_Xmax−Ｖ_Xmin）図２（Ｂ）の楕円形は環境によって変化するため車や船
に搭載するには、楕円の中心座標（Ｚ_x、Ｚ_y）、およ
びＫを定数に設定できない。

【００１６】ところで、前述した光ファイバジャイロ
は、サニャック効果を利用した角度センサでありジャイ
ロの加えられた角速度から角度データが得られるので、
これを地磁気センサと併用すれば車や船にセンサを搭載
したときの環境変化を知ることができ、地磁気センサの
環境変化による楕円の形状や中心を求めることができ
る。すなわち、光ファイバジャイロによって地磁気セン
サの方位演算に必要な楕円の中心座標（Ｚ_x、Ｚ_y）お
よび定数Ｋを補正することが可能となる。

【００１７】自差の変化がない場合、光ファイバジャイ
ロで検出した角度変化Δθ_gと地磁気センサで検出した
角度変化Δθ_mは等しくなる筈である。ところが、実際
には自差が変化するため、Δθ_g≠Δθ_mである。但
し、光ファイバジャイロにも角度ドリフトという誤差要
因があるため、補正を実行するタイミングを決定する定
数γが必要になる。このγは２つのセンサの性能で決
る。ここで、α＝｜Δθ_g−Δθ_mα｜（但し、一定時
間間隔及び一定角度以上の入力が加わった範囲で計算、
判定されるものとする。）とし、αが或る一定値γを超
えたとき、地磁気センサと光ファイバジャイロの過去の
データをもとに新たに楕円中心座標及び定数Ｋについて
最適な値を求め、その値に基づいて方位を検出する。こ
のように自動的に自差補正することによって方位検出精
度を向上させている。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１〜図３を用いて
説明する。図１に地磁気センサに光ファイバジャイロを
付加した本実施例のハイブリッド形方位センサの構成を
示す。地磁気センサ１、光ファイバジャイロ２は従来例
で説明したものと同一である。地磁気センサ１の方位変
化出力と、光ファイバジャイロ２の角度変化出力とをコ
ントローラ３に入力し、ここで両出力を比較処理するこ
とにより地磁気センサ１の出力を補正し、誤差のない方
位を表示器４ないし他の出力装置に出力する。既述した
ように、地磁気センサ１の出力電圧軌跡となる楕円形は
環境によって変化するため車や船に搭載するには、
Ｚ_X、Ｚ_Y、Ｋを定数に設定できない。そこで本実施例
では光ファイバジャイロ２により得られた角度データ
を、地磁気センサの方位データとともにコントローラ３
に取り込んで上記座標および定数を補正する方式を取っ
ている。図３にコントローラ３が行う補正処理のフロー
チャート例を示す。

【００１９】先ず、方位センサの電源が投入されるとコ
ントローラ３は、予めセンサ使用場所に応じて設定して
おいた偏角補正値を読み込み（ステップ３０１）、偏角
を補正して地磁気センサの検出方位を地平面の北の方向
と一致させる。このステップは例えばディップスイッチ
などにより設定した値を読み込むことにより行う。続け
て、自差補正値を読み込み（ステップ３０２）、初期の
自差を補正して自差ゼロとする。このステップは例えば
Ｅ²ＲＯＭ（電気的に消去可能な読取り専用記憶装置）
に予め記憶させた値を読み込むことにより行う。この自
差値は後述するように更新される。このようにコントロ
ーラ３は各補正値を読み込んだ後、地磁気センサ１の出
力電圧Ｖ_X、Ｖ_Yを検出する（ステップ３０３）。

【００２０】次に、最適位相差を検出するために電源投
入直後に行われる光ファイバジャイロ２の初期化が終了
したか否かを判断する（ステップ３０４）。否の場合は
地磁気センサ１の出力電圧に基づいて求めた方位を表示
器４に表示または他の出力装置に出力した後（ステップ
３０５）、ステップ３０３に戻り光ファイバジャイロ２
の初期化が終了するまで上記検出、判断、表示（ステッ
プ３０３、３０４、３０５）を繰り返す。光ファイバジ
ャイロ２の初期化が終了したら、光ファイバジャイロ２
によりセンサの回転角度θの検出を行う（ステップ３０
６）。

【００２１】一方、地磁気センサのデータから角度変化
ψを算出し（ステップ３０７）、α＝｜θ−ψ｜を計算
し（ステップ３０８）、αがγ以上になったか否かを判
断する（ステップ３０９）。否の場合はコントローラ３
のメモリに地磁気センサ１の演算結果であるＶ_Xi、
Ｖ_Yi、θ_i（ｉ＝１、２、３…）を記憶し（ステップ３
１０）、地磁気センサ１の出力電圧に基づいて求めた方
位を表示器４に表示または出力装置に出力した後（ステ
ップ３１１）、電圧検出ステップ３０３に戻り、αが所
定値γ以上になるまでステップ３０３〜３１１を繰り返
す。

【００２２】回転角度差αが所定値γ以上になったら、
コントローラ３のメモリに記憶したＶ_Xi、Ｖ_Yi、θ_iの
値を用いて次の演算を行う。すなわち、２つの式からな
る楕円式Ｖ_Xi＝Ａ₁・ｓｉｎ（θ_i）＋Ｂ₁ （３）Ｖ_Yi＝Ａ₂・ｃｏｓ（θ_i）＋Ｂ₂ （４）を使って、ｉ＝１〜ｎ（ｎはθ≧αのときのｉ値）まで
のデータ値を最小自乗近似し、Ａ₁、Ａ₂（楕円長軸、
短軸長さ）、Ｂ₁、Ｂ₂（楕円中心座標）を求める（ス
テップ３１２）。これらを求めれば楕円の形状、中心が
検出できる。すなわち、（Ｖ_x−Ｂ₁）²／Ａ₁ ²＋（Ｖ_Y−Ｂ₂）²／Ａ₂ ²＝１（５）ここで、Ｚ_x＝Ｂ₁，Ｚ_Y＝Ｂ₂，Ｋ＝Ａ₂／Ａ₁ この検出結果を基に自差補正値を更新し（ステップ３１
３）、α、θ、ψの値をゼロにリセットした後（ステッ
プ３１３）、表示ステップ３１１に進み、更新した自差
補正値に基づき地磁気センサ１の出力電圧から方位を求
めて表示器４に表示または出力装置に出力する（ステッ
プ３１１）。

【００２３】このように本実施例によれば、磁界に影響
されない光ファイバジャイロを使って回転角θが所定値
以上になる度に、地磁気センサの方位データ群から最適
座標、最適定数を求めて、環境により変化する楕円の中
心及び定数Ｋを更新するようにしたので、磁界に影響さ
れずに磁気センサの自動自差補正が実現できる。

【００２４】更に、上記実施例において、地磁気センサ
と光ファイバジャイロとを、船のコンパス等を水平に保
つ水平保持手段すなわち、ジンバルに搭載すれば、傾斜
による誤差も無視することができるため、安定な出力が
得られる。

【００２５】なお上記実施例によれば、自差のみを補正
するようにしたが、本発明はこれに限定されるものでは
なく、偏角も補正するようにしてもよい。例えば、コン
トローラ３のメモリに地球上の偏角を予め入力しておい
て、使用場所の緯度、経度を知ることにより地球上の場
所を特定し、その場所に対応する偏角を読み出して自動
偏角補正することが可能である。この場合、ディップス
イッチが不要になることは勿論である。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、次の効果を発揮する。

【００２７】（１）請求項１に記載の方位センサによれ
ば、地磁気センサに地磁気の影響を受けない光ファイバ
ジャイロを付加してハイブリッド化し、光ファイバジャ
イロで地磁気センサの自差を自動補正するようにしたの
で、誤差が少なく方位精度を向上することが出来る。ま
た、制御手段のソフトウェアにより容易に実現できると
ともに、地磁気センサ及び光ファイバジャイロとも安い
ので安価に製造でき、しかも機械的構造がないので起動
時間が早く、軽量、小型になり、メンテナンスフリーと
することができる。

【００２８】（２）請求項２に記載の方位センサによれ
ば、偏角の補正も自動で行えるので、操作性及び方位精
度をより向上することが出来る。

【００２９】（３）請求項３に記載の方位センサによれ
ば、センサの構成要素を水平保持手段に搭載することに
より、傾斜による誤差を有効に防止することが出来、精
度を格段に向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方位センサの一実施例を示す構成図。

【図２】本実施例で用いる地磁気センサの出力電圧の軌
跡例を示す図。

【図３】本実施例による補正処理のフローチャート。

【図４】本実施例に使用する地磁気センサの測定原理
図。

【図５】本実施例に使用する位相変調式光ファイバジャ
イロの構成図。

【符号の説明】

１地磁気センサ２光ファイバジャイロ３コントローラ４表示器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互に直交する方向に検出コイルを配置し
て、地磁気の方向に応じて出力が変化する検出コイル
と、その出力を電圧に変換する回路出力に基づいて方位
角を検出する地磁気センサと、センシングループを伝搬
する左右両回り光の位相差に基づいて前記地磁気センサ
に加えられる角度を検出する光ファイバジャイロと、光
ファイバジャイロにより地磁気センサに加えられる角度
を検出し、地磁気センサと光ファイバジャイロで検出し
た角度差が所定値を越える度に、それまでに得た地磁気
センサの方位データと光ファイバジャイロの角度データ
から自差補正値を求め、その自差補正値を更新すること
により地磁気センサの出力を補正する制御手段とを備え
たことを特徴とする方位センサ。
【請求項２】地球上の偏角を予め記憶する記憶手段と、
磁気センサの使用場所の緯度、経度を検出する検知手段
とを備え、前記制御手段により前記検知手段の出力から
地球上の場所を特定し、その場所に対応する偏角を前記
記憶手段から読み出して偏角補正値を更新するようにし
たことを特徴とする請求項２に記載の方位センサ。
【請求項３】前記地磁気センサ及び光ファイバジャイロ
を水平保持装置に搭載したことを特徴とする請求項１ま
たは２に記載の方位センサ。