JPH0827192B2 - 角度および角度特性曲線の測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、角度および角度特性曲
線の測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】角度および殊に角度特性曲線の測定、す
なわち部材の角度変形または角度変位と加わる力または
モーメントとの依存性の測定は、技術的に重要でしかも
必ずしも簡単に解決できる問題ではない。

【０００３】車両技術において車体変形を外部負荷に依
存して測定すべきである。それは、建設産業においては
橋または建造物における角度および変形である。航空機
産業においても新しいモデルの就航の前に、機械的に加
えられる力およびモーメントに依存して胴体および翼に
おける角度測定および変形測定を行うべきである。風洞
において航空機の、変位角度に依存した空気力学的な力
およびモーメントが測定される。更に、測地学において
基準方向間の角度を測量すべきである。

【０００４】角度または角度特性曲線の正確な測定のた
めに、公知の測定方法が使用可能であるが、それらは操
作が繁雑であるかまたは障害を受けやすい。

【０００５】工作機械およびロボットにおいて非常に有
利に使用できる回転角度発信器の使用は数多くの用途に
おいて使用されない。その理由はそれらにおいては測定
軸線は正確に定められた回転軸線と整列して配置してい
なければならないからである。

【０００６】オートコリメーションのような光学測定方
法の使用の際、基台上に設置された架台の形の定置の基
台が製造されなければならずかつ更に鏡は、光路におけ
る変形する物体に位置調整されなければならず、物体は
通例負荷がかけられると光路から外れる。

【０００７】原理的に加速度測定計である測斜器はこの
点では比較的フレキシブルに操作することができる。そ
れらは定置の基台も必要としないし、回転軸線がわかっ
ている必要もない。しかしそれらは垂線方向に対する傾
きしか測定せずかつ測定においては水平方向加速度に対
して敏感である。この制約は数多くの場合において不都
合である。

【０００８】ジャイロは、それぞれの方向において既知
のように定められていなければならない空間固定された
基準方向に対する回転速度を測定する。この空間固定さ
れた基準方向に対して地球の回転のため、地球に対する
回転速度を測定するために地球自転速度の相応の成分が
既知でなければならない。地球自転速度およびそれに重
畳された測定偏差、すなわちジャイロドリフトおよびス
ケールファクターエラーの影響の補償後ようやく、ジャ
イロは地球に対する回転速度を大きな精度で測定し、こ
こから計算機を用いて積分により回転角度も測定するこ
とが可能である。このような前提条件下でジャイロは非
常にフレキシブルに操作可能な角度センサである。

【０００９】今日のいずれの航空機にも組み込まれてい
る慣性ナビゲーションシステム（ＩＮＳ）において、３
つのジャイロと３つの加速度測定計と膨大なデジタル計
算機とによって、地球に固定された基準方向に対する航
行角度および航空機の姿勢も求められる。しかし角度お
よび角度特性曲線のみの測定に対しては、ＩＮＳは余り
に繁雑すぎる。更にこの測定課題を正確に実施するため
に、ＩＮＳにおいてセンサエラーが補正されなければな
らず、このことは公知技術によれば較正方法または基準
値援用方法の使用によって行われる。センサエラーを求
めるための較正方法は、測定過程の前または後に挿入さ
れる。その理由はそうすれば既知の外部の参照値を使用
することができるからである。しかしそれは高い時間コ
ストを必要とする。というのはジャイロドリフトは時間
的な積分過程によって求められかつ精度は較正時間が大
きくなるに従って高くなるからである。他方において角
度および角度特性曲線に対して得られる測定精度は、ド
リフトパラメータが時間に依存しているセンサが使用さ
れているときに限定されている。というのは採用される
較正方法は、測定過程期間のこれらの値の所定の安定性
から出発しているからである。

【００１０】所謂基準値援用方法の使用は、公知技術
（B. Stieler, H. Winter:“Gyroscopic Instruments a
nd their Application to Flight Testing”,ＡＣＡＲ
Ｄ−ＡＧ−１６０−Ｖｏｌ.１５，第８章、第１６６な
いし１８４頁） によれば、特別な数学アルゴリズム
（例えばカルマンフィルタ）を使用した測定過程期間の
既知の外部参照値の処理を含んでいる。上述の較正方法
に比してこの方法は非常に広範囲において、Ｑの低い、
すなわち不安定なドリフトパラメータを有するセンサを
使用したときにも、有利に使用することができる。この
方法の使用の際勿論、上記外部測定量の形成は不都合で
あり、しかも外部測定量の形成はときとして不可能です
らある。しかし本発明は、この公知の基準値援用方法に
対しても価値ある改良を行うものである。

【００１１】パイプラインの測定のために、個別装填量
間の隔離エレメントとして搬送すべき媒体によって連行
される移動子を使用することが公知であり、移動子の中
には、航空機の中と同様に、３つのジャイロと３つの加
速度計とデジタル計算機とを備えた慣性系が存在してい
る。付加的に、パイプラインにおける移動子の位置に依
存してパイプラインの曲率を測定するためにタイムベー
ス装置が設けられている。ＩＮＳを用いて位置標定する
ために、ＩＮＳ基準値援用のための外部測定として例え
ばパイプラインに沿って配設された、円形溶接継ぎ目ま
たは類似のものの形の磁気的な変態箇所のようなインジ
ケータが用いられる（米国特許第４７９９３９１号明細
書）。

【００１２】

【発明の課題および発明の構成】本発明の課題は、極め
て僅かな装置コストにおいてジャイロを用いて簡単な方
法で角度および角度特性曲線の測定を高い精度で実施す
ることができる方法を提供することである。その際測定
すべき角度と一義的な関係にある、測定過程を特徴付け
る基準量も測定可能であるようにしたい。

【００１３】この課題は本発明によれば請求項１に記載
の特徴によって解決される。

【００１４】請求項２には、本発明の有利な実施例が記
載されている。

【００１５】

【実施例】次に本発明を図示の実施例につき図面を用い
て詳細に説明する。

【００１６】図１における基準面４，６，８間の角度α
を測定するために、その都度測定個所０，１，２が固定
されるべきである。これら測定個所には測定のために使
用されるジャイロがその都度正確に再現可能に装着可能
である。その都度の測定に対して測定信号α^*を送出す
るジャイロ１０は、タイムベース装置によって動作する
計算機１２に接続されている。計算機にはそれぞれの測
定個所に対してこれら個所に属する基準量が入力され
る。

【００１７】基準量は、手動入力される、数字０，１，
２，３等を有する測定個所または基準方向のナンバであ
り、その際数字０において、測定すべき角度がこの測定
個所に関していることが表される（図１および図２）。
測定個所に対する基準量は勿論、設置または通過走行の
際の記号または特徴の機械認識によって、計算機に自動
的に入力することもできる。

【００１８】図３および図４に示された、支持体に加え
られる重力２０（図３）ないし支持体に加えられる連続
的に変化する力２２（図４）の振れ角度αに依存する形
の曲げまたはねじれ特性曲線を求めるための用途におい
て、ジャイロは曲げ支持体に場所固定されて配設されて
いる。両方の場合において力２２または重力２０が基準
量である。

【００１９】図６の装置２４は、空気力学的な測定、し
かもその都度設定された迎え角αにおける揚力Ｆの測定
に対して定められている。ここでも力が基準量である。

【００２０】図１ないし４および６に示されたすべての
測定に対して、外部測定条件を同じに維持した場合に、
同じ基準量を用いて測定を繰り返し実施することは、計
算機において角度が等しいことに対するリファレンスと
みなされ、以下に説明する、未知の、地球自転速度＋ジ
ャイロドリフトのために測定過程の期間に作用するジャ
イロ測定偏差を求めることが可能になり、この偏差に対
して引き続き補正が行われる。ここで上述の基準値援用
方法の使用に対して重大な差異がある。角度および角度
特性曲線測定装置は、測定精度を高めるために、測定過
程における外部リファレンスを必要とせず、単に基準量
が等しいという情報を必要とするにすぎない。

【００２１】ジャイロ粗測定の積分によって得られる角
度α^*を以下簡単にジャイロ測定値として表す。

【００２２】未知の、地球自転速度＋ジャイロドリフト
の上述の影響のために、ジャイロ測定値α^*は測定すべ
き角度αまたは角度特性曲線Ｆ（α）に対するリファレ
ンス、すなわち尺度として使用不可能である。というの
はそれには、次に示すように測定偏差εが重畳されてい
るからである： （１） α^*＝α＋ε この測定偏差は、積分過程のため時間とともに変化しか
つ例えば次の式を満足する（図７および８のそれぞれ中
段の線図）： （２） ε(ｔ)＝Ｄｔ＋Ｒｔ²＋∫ｗｄｔ ただしＤ＝未知の、地球自転速度＋ジャイロドリフト、
Ｒ＝Ｄの時間的な変化、ｗ＝角度平面において非定常成
分でありかつ例えば記号“random walk”として知られ
ている確率成分である。

【００２３】角度および角度特性曲線測定装置の動作
は、外部基準量と角度との間の既述の一義的な関係に基
づいている。この関係は計算機において、時間に依存す
るジャイロ測定偏差ε（ｔ）を次の式

【００２４】

【数２】

【００２５】によって最適に近似させかつジャイロ測定
値α^*に基づいて補正によって取り除くために利用され
る。図７および８の中段において

【００２６】

【外２】

【００２７】は破線で示されている。

【００２８】式（３）には、ｗで表されている確率的な
ジャイロ測定偏差は含まれていない。それは推定するこ
とができず、かつその大きさは

【００２９】

【外３】

【００３０】中に含まれている。この計算過程におい
て、ジャイロのスケールファクターは十分な精度でわか
っているか、もしくは以下に説明する方法に従って求め
ることから出発している。

【００３１】計算機におけるデータ処理に対して重要な
のは、次のように構成することができる測定プログラム
である。すなわち一方においてジャイロの使用の際ま
た、１つの軸線を中心とした回転のみが行われ、すなわ
ち測定すべき角度は地球に対して固定された基準平面内
にありかつジャイロ測定軸線は測定期間に移動しないか
またはこの基準平面における垂線に対して僅かな範囲で
しか移動しない。他方において同じ基準量を用いた測定
過程が連続的に少なくとも２回実施されなければなら
ず、その際付加的に以下に説明する、測定間の時間差に
対する条件を守るべきである。

【００３２】角度の測定例に基づいて、測定過程および
計算機におけるデータ処理について詳細に説明する。測
定個所０および１，０および２，０および３間の角度α
₁，α₂，α₃ の測定の際（図１および２）、測定プログ
ラムは、測定個所、ないし測定方向を順序０，１，２，
３，２，１，０において進めるように設定しており（図
７，上），その際計算機において次のことが記録、ない
し計算されるようになっている： −時間ｔ_ij（ただしｉ＝測定個所およびｊ＝ｉにおける
連続測定過程）、 −基準量、すなわち数ｉ＝０，１，２，３，２，１，０ −ジャイロ測定値α^* _ij（ただしα^* ₀₁＝０）。

【００３３】データの読み込みは、図９におけるデータ
評価に対するフローチャートにおいて一番上のブロック
に示されている。次の計算ステップとして、関連する基
準量ｉに対するジャイロ測定値の差形成が行われる（図
９の第２ブロック）：

【００３４】

【数３】

【００３５】この関係は図７および８から理解すること
ができる。その根拠は、同じ基準量を用いた測定は確か
に、測定すべき角度α_i2＝α_i1 である同じ測定個所な
いし測定方向の測定の実施を意味している点に求めるこ
とができる。ジャイロ測定値の差は、２回の測定間の時
間差ｔ_i2−ｔ_i1 においてジャイロ測定偏差Δεｊだけ
高められた。従って式（３）により測定式は

【００３６】

【数４】

【００３７】同じ基準量を用いたすべての測定に対する
差形成の終了後、計算機において公知の計算方法（例え
ば回帰）に従って求められた

【００３８】

【外４】

【００３９】の最適な規定が行われる。

【００４０】

【外５】

【００４１】は地球自転速度＋ジャイロドリフトの未知
の成分を含んでおりかつ

【００４２】

【外６】

【００４３】はその時間的な変化を含んでいる。図９の
フローチャートにおいてこのことは第３ブロックに記載
されている。そこで式（３）に代入すれば、ジャイロ測
定値の、それぞれの測定時間における補正が可能である
（図９、第４ブロック）。

【００４４】係数

【００４５】

【外７】

【００４６】はジャイロ測定のすべての生じることのあ
る差Δα^* _jに基づいて求めるべきであることがわかる。
しかしこれら係数に対する評価方法は、個々の差が−例
えば１０番目の測定個所（ｊ＝１０）における−欠落し
ているときにも動作する。というのはそこでは不都合な
測定条件が存在していたからである。欠けているジャイ
ロ測定値α^* ₁₀，₁およびα^* ₁₀，₂の、式（３）に従った
後からの補正は引き続き可能である。

【００４７】補正後それぞれの測定個所ないし基準方向
に対して少なくとも２つの測定値が存在しているので、
同じ基準量を用いた測定の平均値形成によって引き続い
て精度を向上することができる（図９の第５ブロッ
ク）。

【００４８】次の例として角度特性曲線の測定を説明す
る。冒頭に述べたように、角度特性曲線測定は、部材の
角度変形と加えられる外力またはモーメントの間の関係
の測定（図３ないし５）であり、もしくは空力学的測定
の場合には力またはモーメントと航空機モデルの変位角
度との間の関係を求めることである（図６および５）。

【００４９】上述の角度測定装置はこの用途に対しての
大きな変更なしに使用可能である。計算機には、力また
はモーメントが基準量であることを入力すればよい。上
述の方法はジャイロ測定データの処理のために同じ基準
量を用いて連続的に実施された測定に基づくので、測定
プログラムはある１つの最大値まで、正の力またはモー
メントを加え、それに続いて出発値に復帰するようにす
る（図３，４および８）。空力学的測定の場合相応に変
位角度によって行われる（図６および８）。

【００５０】力またはモーメントがまだ計算機において
デジタル信号として使用することができずかつ外部から
別個に供給される場合、その値は手動で入力することが
できるかまたは角度測定の際補充的に同じ値に対して同
じ数字が入力される（図３および７）。

【００５１】最後に述べた場合において（力またはモー
メントの別個の導入）、計算機において関連ある測定の
選択、すなわち基準量としての力またはモーメントが同
一の場合の選択は特別簡単である。連続的な力またはモ
ーメント導入ないし風洞における変位角度の連続的な変
化の際、計算機は関連する測定、すなわち正および負の
変位領域における同じ基準量を用いた測定を反復により
求めなければならない。この場合も勿論、

【００５２】

【外８】

【００５３】を求める際にある測定領域を省くこともで
き、それを後からの補正で関連付けることができる。

【００５４】ジャイロ測定偏差に対するモデルにおいて
求められた、

【００５５】

【外９】

【００５６】の時間的な変化に対する係数

【００５７】

【外１０】

【００５８】は、測定時間の２乗の差についての回帰に
対する測定式（５）に変数としてはいっており、測定時
間の２乗の差は次式のように表すことができる： （９）ｔ² _i2−ｔ² _i1＝（ｔ_i2＋ｔ_i1）（ｔ_i2−ｔ_i1） すなわちそれは、測定時間の２倍の算術平均値と差との
積から成っている。しかし後者は測定式（５）によれ
ば、

【００５９】

【外１１】

【００６０】を求めるための変数でもある。

【００６１】

【外１２】

【００６２】を求めることができるように、種々の測定
に対する

【００６３】

【外１３】

【００６４】の相応の変数は相互に非常に異なっている
に違いないので、式（８）からＲを求めることができる
ためには、測定時間の算術平均値（ｔ_i2＋ｔ_i1）／２が
測定毎に変化しなければならないことが生じる。図７お
よび８によれば、このことは有利には、測定の時間的な
経過に対して次の条件を守ることによって実現される。
正の変位領域における測定間の時間差は負の領域におけ
る測定間の時間差とははっきり異なっていなければなら
ず、例えば係数２だけ異なっていなければならない。こ
のために連続的な変位の際、正の変位速度を負の変位速
度の２倍にし、またはそれとは逆に選択することができ
る。

【００６５】上述の実施例において、ジャイロスケール
ファクターは申し分ない精度で既知であることから出発
した。１０^-3のオーダにある相対的な安定度値は今日ジ
ャイロ製造業者によって保証される。この値で十分でな
ければ、角度および角度特性曲線測定装置はその使用の
前に較正しなければならない。それは、スケールファク
ターを既知の角度の測定によって簡単に求めることがで
きる限り、困難ではない。すなわちフィールド使用にお
いて角度３６０゜は平坦な平面を用いてストッパによっ
て実現される。

【００６６】スケールファクター較正方法は上述の角度
測定方法を利用する。計算機には、この作動形式に対す
る識別子が入力される。較正すべきジャイロは、その高
感度の軸線が平面に対して垂直に設置されかつストッパ
に案内される。計算機には基準量として数字０が入力さ
れる。それからジャイロは平面上を角度３６０゜回転さ
れかつ再びストッパに案内され、その後数字１が入力さ
れる。交互の回転方向における引き続く変位後の測定
は、続く数字によって表される。引き続いて計算機は、
地球自転速度およびジャイロドリフトに基づく時間的に
変化する測定偏差を、正および負の３６０゜回転後のジ
ャイロ測定において一定のスケールファクターエラーの
成分が零に低減されたという事実を利用して求める。従
って偶数および奇数の数字を有する測定の差には、上記
のジャイロ測定偏差ε（ｔ）のみが含まれている。その
経過ε（ｔ）の推定およびその補正後計算機には、その
都度の回転後±３６０゜であるはずの補正されたジャイ
ロ角度測定値が存在する。この差からジャイロスケール
ファクターエラーを求めかつ補正によってそれを取り除
くことができる。

【００６７】

【発明の効果】本発明の方法によれば、ジャイロを用い
て僅かな装置コストで簡単に角度および角度特性曲線を
高い精度で測定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】基準面間の角度αを測定するために使用される
本発明の方法を概略的に説明する図である。

【図２】基準方向間の角度αを測定するために使用され
る本発明の方法を概略的に説明する図である。

【図３】重量荷重Ｆに基づいたたわみに依存した角度α
の測定のために使用される本発明の方法を概略的に説明
する図である。

【図４】連続的に変化する力Ｆに依存した角度αの測定
のために使用される本発明の方法を概略的に説明する図
である。

【図５】変形測定（α（Ｆ））および空力測定（Ｆ
（α））における角度特性曲線図である。

【図６】空気力学的な測定に使用される本発明の方法を
概略的に説明する図である。

【図７】角度測定に対して、測定個所番号ないし基準
量、測定個所間で測定すべき角度α、ジャイロ測定値偏
差ε、ジャイロ測定値α^*および計算機において処理す
べき、同じ基準量を用いた測定に対する差Δα^*を示す
線図である。

【図８】角度特性曲線測定に対して、基準量としての力
Ｆの時間的な経過、測定すべき角度α、ジャイロ偏差
ε、ジャイロ測定値α^*および計算機において処理すべ
き、同じ基準量を用いた測定に対するΔα^*を示す線図
である。

【図９】ジャイロ測定の補正のための計算プログラムの
フローチャートを示す図である。

【符号の説明】

４，６，８ 基準面、 １０ ジャイロ、 １２ 時計
を有する計算機、 １８ 支持体、２０，２２ 力、

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ジャイロによってその都度の基準方向に
   おいて逐次的に複数回の測定を行い、かつ測定すべき角
   度と一義的な関係にある基準量を記録し、求められたジ
   ャイロ測定信号α^＊および前記基準量をタイムベースで
   計算機に供給し、 前記計算機において同じ基準量の個別測定が実施された
   時間ｔの差形成、並びに次の測定式を立てる際の入力量
   としての前記ジャイロ測定値信号α^＊の差形成を行い 【数１】 かつ、引き続いてこれにより、ジャイロ測定偏差の後か
   らのコントロールのために前記 【外１】 の最適な決定を行うことを特徴とする角度および角度特
   性曲線の測定方法。
2. 【請求項２】 Ｒを求めるために、同じ基準量を用いて
   繰り返し実施される測定間の時間間隔を、請求項１記載
   の立てられた測定式において（ｔ_ｉ２＋ｔ_{ｉ １}）が明確
   に変化するように種々異なって選択する請求項１記載の
   角度および角度特性曲線の測定方法。