JPH0812203B2

JPH0812203B2 - 加速度センサ校正方法

Info

Publication number: JPH0812203B2
Application number: JP31943890A
Authority: JP
Inventors: 文雄武井; 隆文端谷; 浩太郎岡; 省三藤田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1990-11-22
Filing date: 1990-11-22
Publication date: 1996-02-07
Anticipated expiration: 2011-02-07
Also published as: JPH04190162A

Description

【発明の詳細な説明】〔概要〕加速度を検出してそれに対応した電気量に変換する加
速度センサの校正方法に関し、高精度の校正を可能とすることを目的とし、校正すべき加速度センサと該加速度センサの出力を記
録する加速度センサ出力記録装置とを同一の筺体内に装
備した校正モジュールと、微小重力状態の室と、該室内
における上記校正モジュールの浮遊運動状態を記録する
装置とを使用し、上記室内における上記校正モジュール
の浮遊運動時の上記加速度センサの出力を上記加速度セ
ンサ出力記録装置に記録する工程と、上記校正モジュー
ルの上記室内における浮遊運動状態を、上記加速度セン
サ出力の上記加速度センサ出力記録装置への記録と同期
して、上記浮遊運動状態記録装置に記録する工程と、上
記加速度センサ記録装置の記録情報に基づいて上記加速
度センサの加速度を算出する工程と、上記浮遊運動状態
記録装置の記録情報に基づいて上記校正モジュールの真
の加速度を算出する工程と、上記加速度センサ加速度算
出工程において算出した加速度センサ加速度と上記校正
モジュールの真の加速度算出工程において算出した真の
加速度とを照合して、上記加速度センサの新たなオフセ
ット値を算出する工程とよりなるよう校正する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、加速度を検出してそれに対応した電気量に
変換する加速度センサの校正方法に関する。

近年、新材料の開発における無重力環境の利用が注目
されている。これは、無重力下では、溶液あるいは融液
の対流による場の乱れや、その中で生成する結晶の沈降
などが起こらず、地上では得られない物理現象を容易に
起こすことが可能であり、新規な材料の創製の可能性を
秘めているためである。

無重力環境の提供の場としては、宇宙空間が最も理想
的であり、米国航空宇宙局（NASA）のプロジェクトであ
るスペースシャトルや、日本における第一次材料実験計
画（FMPT）など、宇宙環境での実験が精力的に進められ
ている。また、比較的簡便に行える無重力実験として
は、航空機の弾道飛行による無重力場の提供や、高い塔
からの、あるいは深い垂直坑における実験系の自由落下
による短時間の無重力状態の利用が代表的である。上記
の実験においては、加速度と実験結果との相関を明らか
にするため、実験部に加わる加速度を正確に測定するこ
とが必要である。

加速度の測定には、加速度センサが使用される。

また、特に、サーボ型の加速度センサは、航空機や弾
道ミサイルの慣性航行装置や地震計等にも用いられてい
る。

ここで、一般的に、加速度センサの特性を決定する量
は、単位入力物理量に対する出力値、いわゆるスケール
・ファクターＡと、入力物理量が零の時に出てくる出力
であるオフセット値a ofsである。

加速度センサの出力電圧の測定値をＶとすると、求め
る加速度ａは、ａ＝V/A−a ofs により与えられる。

上記の加速度センサには経時変化があり、加速度の測
定を精度良く行うために、オフセット値を求め直して、
定期的に校正を行う必要がある。

〔従来の技術〕

第６図は従来の校正方法であり、地球の重力を利用し
ている。

１は加速度センサであり、２はその測定軸である。

従来は、加速度センサ１を、水平の防振台３上に水平
に載置し、この状態で測定器４により出力を測定するこ
とによって、オフセットa ofsを得ていた。

新たに得たオフセットa ofsによって、加速度センサ
１は校正される。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記方法によるオフセット値の測定には、困難がつき
まとう。

即ち、第７図に示すように、地球の加速度Ｇに対し、
加速度センサ１に加わる加速度の大きさa_nは、 a_n＝1G×sinθ で表わされる。

ここでθは、加速度センサ１の測定軸２が真の水平面
５となす角度である。

加速度a_nを１×10^-3G（即ち1mG）程度の精度で行うた
めには、θを0.057゜以下にしなければならない。

しかし、防振台３の水平の精度を0.057゜以下とする
ことは困難であり、オフセットa ofsを高精度に測定す
ることは困難となり、結果的には校正を精度良く行うこ
とが困難となる。

本発明は高精度な校正を可能とした加速度センサの測
定方法を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は本発明の加速度センサの校正方法の原理を示
す。

校正には、校正モジュール10と、微小重力室11と、運
動状態記録装置12とを使用する。

校正モジュール10は、同一の筺体13内に、校正すべき
加速度センサ14と、この加速度センサ14の出力を記録す
る加速度センサ出力記録装置15とを装備した構成であ
る。

微小重力室11は、例えば宇宙船や宇宙基地の内部、又
は弾道飛行を行っている航空機の内部である。

校正モジュール10は、微小重力室11内で浮遊してい
る。

運動状態記録装置12は、微小重力室11に設置してあ
り、上記浮遊している校正モジュール10の運動状態を、
上記加速度記録装置15の記録と同期をとって記録する。

加速度センサ14の校正は、次の工程を経て行う。

まず、測定を行い、次いで解析を行う。

測定は、加速度記録工程20と、運動状態記録工程21と
よりなる。

加速度センサ出力記録工程20においては、校正モジュ
ール10を微小重力室11内に浮遊させて、浮遊時の加速度
センサ14の出力を記録する。

運動状態記録工程21においては、上記微小重力室11内
に浮遊している校正モジュール12の運動状態を、上記加
速度センサ出力記録装置15による記録と同期をとって記
録する。

次に、上記の記録結果に基づいて解析を行う。

22は加速度センサ加速度算出工程であり、上記加速度
センサ出力記録工程で行った記録の再生信号に基づい
て、上記加速度センサ14の加速度ａを算出する。

具体的には、次式（と同一）、ａ＝V/A−a ofs に基づいて加速度ａを算出する。Ｖは加速度センサ14の
出力電圧、Ａはスケールファクター、a ofsは前回の校
正により得たオフセット値である。

23は真の加速度算出工程であり、運動状態記録工程21
で行った記録の再生信号に基づいて真の加速度a₀を算出
する。

例えば第２図に示すように、校正モジュール10が時間
△ｔの間に二点鎖線で示す位置から実線で示す位置まで
△ｘだけ移動したとすると、真の加速度a₀は△x²/△t²
で求まる。

ここで、真の加速度を知るのは、微小重力状態におい
ては、空気の運動による影響が無視出来ないものである
からである。

また宇宙船の内においては、加速度は略零であるもの
の、軌道の修正や乗員活動などによって撹乱が生ずる場
合があるからである。

24は新オフセット値算出工程であり、上記加速度セン
サ加速度ａと真の加速度a₀とを照合し、｛a ofs−（ａ
−a₀）｝の計算を行って、新たなオフセット値a ofs1を
求める。

これにより、上記加速度センサ14は校正され、以後、
この加速度センサ14が検出する加速度ａは、ａ＝V/A−a ofs1 として求められる。

〔作用〕

微小重力室11は、校正モジュール10が静止している場
合にはその装置の如何に関係なく、加速度センサ14に作
用する重力の加速度を零とする。これによって、浮遊
時、加速度センサ14は重力の影響を受けずに、校正モジ
ュール10の運動のみによる加速度に対応した信号を出力
することを可能とする。

工程21及び23は、校正モジュール10の浮遊時に加速度
センサ14に作用した加速度を高精度に求めることを可能
とする。

これらによって、新たなオフセット値a ofs1が高精度
に求まる。

〔実施例〕

第３図は本発明の加速度センサ校正方法の一実施例を
行うための設備を示す。

30は微小重力室であり、弾道飛行を行っている航空機
の機内である。

31は校正モジュールであり、一の筺体32に、校正すべ
き加速度センサ33,加速度センサ33の出力電圧信号を記
録する電圧信号測定記録装置34,及び同期用LED35が設け
られた構造である。

加速度センサ33は、Sundstrand Data Control社製の
型番QA−700であり、その測定軸36が校正モジュール31
の浮遊時の移動方向と一致する向きで取り付けてある。

電圧信号測定記録装置34は、第１図中の加速度センサ
出力記録装置15を構成し、加速度センサ33よりの電圧出
力をA/D変換するA/Dコンバータ37,A/Dコンバータ37の出
力を記憶する半導体メモリ38,これらを制御するマイク
ロプロセッサ39,及びバッテリ40等よりなり、加速度セ
ンサ33の出力電圧信号を測定して記録する。

同期用LED35は、半導体メモリ38のうち加速度センサ3
3の出力電圧信号が格納されるアドレスを数字で表示す
る。

41,42はビデオカメラであり、微小重力室30内に設置
してあり、浮遊状態の構成モジュール31を異なる角度か
ら撮像する。

43,44はビデオテープレコーダ装置であり、夫々ビデ
オカメラ41,42が撮像した画像を記録する。

同期用LED35,ビデオカメラ41,42,及びビデオテープレ
コーダ装置43,44が、第１図中の運動状態記録装置12を
構成する。

次に、加速度センサ33の校正を行う方法について、第
４図を併せ参照して説明する。

まず、工程50を行い、航空機を弾道飛行状態として、
室30を校正モジュールを回収するまで数10秒間微小重力
の状態とする。

次いで、工程51を行い、校正モジュール31を室30内で
浮遊させる。

校正モジュール31内には可動する部分は無く、校正モ
ジュール31は、回転運動を殆ど生ずることなく、静かに
浮遊する。浮遊状態が静かであることは、校正を精度良
く行う上で好都合である。

浮遊状態において、次の二つの工程52,53を行う。

工程52においては、加速度センサ33の出力を、10ミリ
秒間隔の時系列データとして、半導体メモリ38に記憶さ
せる。

このとき、同期用LED35は、半導体メモリ38のうち上
記データが格納されるアドレスを数値で表示する。

また工程53においては、ビデオカメラ41,42によっ
て、校正モジュール31を撮像し、校正モジュール31の動
きと同期用LED35の表示をビデオテープレコーダ43,44に
記録する。

ここで、ビデオカメラ41,42によって水平と垂直の異
なる角度から撮像しており、一台のビデオカメラで撮像
する場合に比べて、校正モジュール31の室30内の空間中
の立体的な位置関係がより明確となる。

次いで、工程54を行ない、校正モジュール31を回収す
る。

続いて、工程55を行ない、上記回収した校正モジュー
ル31の半導体メモリ38よりここに記憶されている電圧値
Ｖを読み出し、これを次式ａ＝V/A−a ofs に代入して、上記校正モジュール31の浮遊動作中におけ
る加速度センサ33が検出した加速度を算出する。

上記のa ofsは、前回に校正したときに得たオフセッ
ト値である。

次に、真の加速度を求める工程56を行う。

この工程56は、校正モジュール31の速度を求める工程
56_-1と、求めた速度から加速度センサに作用する加速度
を算出する工程56_-2とよりなる。

工程56_-1においては、ビデオテープレコーダ装置43,4
4を再生して、校正モジュール31の直線運動の速度ｖを
求める。校正モジュール31が回転運動を行っているとき
には、回転の角速度ωを求める。

ビデオテープレコーダ装置43,44を再生すると、校正
モジュール31の画像から校正モジュール31の位置の情報
が得られ、数字を表示している同期用LED35の画像から
時間の情報が得られる。

この両方の情報に基づいて、第２図に示すようにし
て、校正モジュール31の速度ｖと角速度ωが求まる。

次いで、工程56_-2を行う。

ここで、浮遊している校正モジュール31の運動状態に
より発生する加速度について説明する。

浮遊している校正モジュール31の運動状態により発生
する加速度は、空気中を直線的に移動することにより生
じる空気抵抗力および校正モジュール31の回転による求
心力である。

前者は、空気抵抗力をf,校正モジュールの空気抵抗力
を受ける面の面積をS,移動速度をv,空気の密度をρ，抵
抗係数をＣとすると、で与えられる。これから、移動しているときに重量ｍの
校正モジュールに加わる加速度αは α＝f/m と求まる。

一方、後者の回転による加速度α_ｒは、回転の角速度
をω，回転中心からの加速度センサ33までの距離がｒの
とき、 α_ｒ＝ｒω^２となる。

工程56_-2においては、工程56_-1で求めた速度ｆを上記
式，に代入して加速度αを求めると共に、同じく工
程56_-1で求めた角速度ωを上記式に代入して加速度α
_ｒを求める。

求めた加速度α，α_ｒは夫々0.1mG程度であり、両者
を統合した真の加速度α_０は0.2mG程度となる。

最後に新オフセット値算出工程57を行う。

この工程57においては、工程55で算出した加速度セン
サ加速度ａと、工程56で算出した真の加速度α_０とを照
合して、｛a ofs−（ａ−a₀）｝の計算を行う。

これによって、新たなオフセット値a ofs1が求まる。

以上により、加速度センサ31の校正が終了し、以後、
この加速度センサ31により検出される加速度ａは、ａ＝V/A−a ofs1 の式に基づいて求めたものとなる。

次に、上記の第３図に示す構成のものを使用して実験
をした結果について説明する。

実験はNASAの弾道飛行機KC−135を使用して微小重力
空間を形成して行った。

第５図（Ａ）は、ビデオテープレコーダ装置43,44を
再生した情報に基づいて算出した（工程56_-1）、校正モ
ジュール31の浮遊状態における速度の変化状況を示す。

同図（Ｂ）は、工程55により得た加速度センサ31の加
速度ａの変化の状況を示す。ここで、加速度ａを求める
に使用したオフセット値は、前回校正した値である。

第５図（Ａ），（Ｂ）を参照するに、時刻t₁について
みると、校正モジュール31の移動速度が極小であって、
加速度センサ33の加速度の変化も極小となっている。

時刻t₂についてみると、校正モジュール31の移動速度
が極大であって、加速度センサ33の加速度も極大となっ
ている。

また、時刻t₃についてみるに、校正モジュール31が今
までとは逆方向に運動を開始した時点である。

このときには、校正モジュール31の加速度はほとんど
0Gである筈である。

これにも拘らず、加速度センサ33は＋2mGの加速度を
検出している。

このことより、前回の校正の時点から、＋2mGオフセ
ット値がずれていることが分かる。

従って、今回の校正後のオフセット値a ofs1は前回の
校正によるオフセット値a ofsに＋2mGを加算した、a of
s＋2mGとなる。

このオフセット値は、上記実施例において、工程57で
算出した値と略一致しており、本発明の校正方法は正し
いことが実験的に確認された。

次に上記実施例における特徴的な点について説明す
る。

校正を精度良く行うためには、真の加速度α，α_ｒ
を正確に算出する必要がある。出来れば、真の加速度
α，α_r,特にα_ｒが零であることが望ましい。真の加速
度の算出が不要となるからである。

そこで、校正モジュール31は出来るだけ静かに浮遊す
ることが必要とされ、特に回転運動が出来る限り生じな
いことが望ましい。

校正モジュール31内に記録装置として加速度の撹乱を
引き起こすテープレコーダ等を使用すると、回転機構又
は摺動機構の動作によってコリオリ力又は振動が発生
し、校正モジュール31は回転を伴う複雑な運動をしてし
まい、真の加速度を正確に算出出来なくなる虞れがあ
る。

しかし、本実施例では、記録には半導体メモリ38を使
用しており、校正モジュール31内には加速度撹乱を引き
起こす装置は搭載されていない。

このため、校正モジュール31は回転を伴わずに静かに
浮遊し、真の加速度は精度良く算出される。

これにより、校正は精度良く行われる。

校正モジュール31とこの浮遊運動状態を記録する装
置との間に信号伝送用のケーブルを接続したりすると、
ケーブルが校正モジュール31の浮遊に対して抵抗となっ
てしまい、校正モジュール31に不要な加速度が作用して
しまい、微小重力状態ではなくなってしまう。

しかし、本実施例においては、校正モジュール31は完
全に浮遊しており、空気抵抗力以外は校正モジュール31
に及ぼす力は存在せず、加速度センサ33に加わる加速度
を正確に把握できる。

次に上記実施例の変形例について説明する。

上記同期用LED35の代わりに、発光ダイオードやレー
ザダイオードなどの発光素子による光学的な方法や、電
磁波（例えばVHF〜UHF等の高周波搬送波）に信号を重畳
した信号を利用する方法でもよい。

電磁波を利用した方法であれば、これを一旦低周波数
の信号に変換してから、ビデオテープの音声トラックに
記録することが可能となる。

また、ビデオカメラ41,42及びビデオテープレコーダ
装置43,44に代えて、16mmフィルムを利用することもで
き、更にはレーザや超音波を利用して校正モジュール31
の位置を測定することもできる。

また、微小重力室30は、宇宙船や宇宙基地の内部であ
ってもよい。

この場合には、宇宙において、加速度センサの校正が
可能となる。

なお、本明細書中「微小重力室」は「無重力室」も包
含する概念である。

〔発明の効果〕

以上説明した様に、本発明によれば、地球上において
は、地球の重力に基づいた校正に比べて、より高精度に
校正を行うことが出来る。

また、宇宙空間においても、校正を行うことが可能と
なる。これにより、無重力状態において行われる種々の
実験の質の向上を図ることが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の加速度センサ校正方法の原理図、第２図は浮遊している校正モジュールの速度の算出を説
明する図、第３図は本発明の一実施例の加速度センサ校正方法に使
用する設備を示す図、第４図は本発明の一実施例の加速度センサ校正方法を説
明する図、第５図は本発明の一実施例の加速度センサ校正方法を実
際に行ったときの結果を示す図、第６図は従来の加速度センサ校正方法の１例を示す図、第７図は従来の方法による校正誤差を説明する図であ
る。図において、 10,31は校正モジュール、 11,30は微小重力室、 12は運動状態記録装置、 13,32は筺体、 14,33は校正すべき加速度センサ、 15は加速度センサ出力記録装置、 20,52は加速度センサ出力記録工程、 21は運動状態記録工程、 22,55は加速度センサ加速度算出工程、 23,56は真の加速度算出工程、 24,57は新オフセット値算出工程、 34は電圧信号測定記録装置、 35は同期用LED、 36は測定軸、 37はA/Dコンバータ、 38は半導体メモリ、 39はマイクロプロセッサ、 40はバッテリ、 41,42はビデオカメラ、 43,44はビデオテープレコーダ装置、 50は微小重力状態形成工程、 51は校正モジュール浮遊工程、 53は校正モジュール撮像記録工程、 54は校正モジュール回収工程、 56は真の加速度を求める工程、 56_-1は校正モジュールの速度を求める工程、 56_-2は校正モジュールの加速度センサに作用する加速度
を算出する工程を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者藤田省三神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内 (56)参考文献特開昭62−233771（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】校正すべき加速度センサ（14,33）と該加
速度センサの出力を記録する加速度センサ出力記録装置
（15,34）とを同一の筺体（13,32）内に装備した校正モ
ジュール（10,31）と、微小重力状態の室（11,30）と、
該室内における上記校正モジュールの浮遊運動状態を記
録する装置（12,41〜44）とを使用し、上記室内における上記校正モジュールの浮遊運動時の上
記加速度センサの出力を上記加速度センサ出力記録装置
に記録する工程（20,52）と、上記校正モジュールの上記室内における浮遊運動状態
を、上記加速度センサ出力の上記加速度センサ出力記録
装置への記録と同期して、上記浮遊運動状態記録装置に
記録する工程（21,53）と、上記加速度センサ記録装置の記録情報に基づいて上記加
速度センサの加速度を算出する工程（22,55）と、上記浮遊運動状態記録装置の記録情報に基づいて上記校
正モジュールの真の加速度を算出する工程（23,56）
と、上記加速度センサ加速度算出工程において算出した加速
度センサ加速度と上記校正モジュールの真の加速度算出
工程において算出した真の加速度とを照合して、上記加
速度センサの新たなオフセット値を算出する工程（24,5
7）とよりなることを特徴とする加速度センサ校正方
法。