JPH10122865A - 回転角速度検出測定方法およびこの方法を実施するジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ジャイロ本体であるメカニカルな部分から出
力される検出角速度信号を演算処理してこれに含まれる
角速度オフセットを減少除去し、ジャイロの検出角速度
信号を演算処理する回路をも含めたジャイロ全体として
高精度な角速度測定を実施する回転角速度検出測定方法
およびこの方法を実施するジャイロを提供する。 【解決手段】 運動体の回転角速度をジャイロにより検
出測定するに際してジャイロのメカニカル部１の出力す
る検出角速度信号に対するオフセット除去処理を定期的
に、頻繁に実施する回転角速度検出測定方法およびこの
方法を実施するジャイロ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、回転角速度検出
測定方法およびこの方法を実施するジャイロに関し、特
に、ジャイロ本体、即ちジャイロのメカニカルな部分か
ら出力される検出角速度信号を演算処理してこの信号に
含まれる角速度オフセットを減少除去する回転角速度検
出測定方法およびこの方法を実施するジャイロに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ジャイロは運動体の慣性空間に対する回
転角速度を検出、測定するセンサとして知られている。
慣性空間に対する回転運動とは、即ち、絶対空間に対す
る運動である。例えば、地球上でジャイロを動作させた
場合、ジャイロはジャイロの取り付けられた運動体の地
球座標に対する回転運動と地球自身の絶対空間に対する
運動、即ち、地球の自転運動、公転運動とを合成したも
のを出力する。この様なジャイロの特性は古くから知ら
れており、地球の自転運動の回転軸の方向、即ち真北を
知る方法として利用されてきた。ところが、古くからの
ジャイロは高速回転する独楽の性質を利用したものであ
り、製造に際して精密加工を要することその他の理由か
ら非常に高価なものであるので、その適用分野は船舶、
航空機、空間飛翔体の如く外部支援されることの少ない
機器の分野に限られてきた。

【０００３】ここで、ジャイロには、一般に、検出した
角速度に角速度オフセットが存在する。ジャイロの角速
度オフセットとは、ジャイロが静止状態にあって角速度
出力は零でなければならない筈のところ、実際に出力さ
れる角速度のことである。運動体の回転角度をジャイロ
により検出測定する場合に角速度オフセットが存在する
と、検出角速度を積分して得られる検出角度にはオフセ
ット値が時間的に積分された角度誤差も含まれることに
なる。従って、正確な角度検出、測定を実施するに使用
するジャイロは、角速度オフセットの極く小さいジャイ
ロでなければならない。角速度オフセットの非常に小さ
いジャイロということは、これは非常に高性能な、即ち
一般的には非常に高価なジャイロであることを意味す
る。航空機の自動操縦に使用される高級なジャイロは、
角速度オフセットの極く小さいジャイロということにな
るが、これはそもそもジャイロ自体をその出力する検出
角速度オフセットを極く小さくすべく設計製造して測定
角度誤差が０. ０１゜／１時間のオーダーの高精度のも
のとされており、価格は数１００万円程度にも及ぶ高価
なものになる。ジャイロは、この点からも一般産業機器
には適用することができず、その適用分野は限られてい
た。

【０００４】近年になり、光ファイバジャイロ、振動ジ
ャイロその他のローコストタイプのジャイロが開発さ
れ、ジャイロが一般産業機器技術分野にも普及するに到
った。通常の航空機の回転角度検出、トラクタおよびロ
ボットの無線操縦に使用される程度の中級ジャイロは測
定角度誤差が１゜／１時間のオーダーの精度であって、
価格は数１０万円程度である。そして、カーナビゲーシ
ョン用に適用されるジャイロは４００゜／１時間という
測定角度誤差を生ずる精度のものである。即ち、１時間
の中に１廻り程度の大きな測定角度誤差を生ずるものも
ある。この一般産業機器技術分野における応用例として
は無人車の方向検出、制御、或いは振り子電車の如き列
車のロール角制御がある。この様な応用例の場合、殆ど
が運動体の特定の１軸の地表面に対する角度を検出する
ことを目的としている。この様な応用例においては、ジ
ャイロの特性そのものが弊害となるケースがある。即
ち、ジャイロは慣性空間に対する回転運動を検出すると
ころから、上述した通り地球の自転運動を検知し、運動
体が地表面に対して静止していてもジャイロは一定の回
転運動を出力指示することとなる。地球自転に起因する
この検出誤差量は最大で１時間当たり１５°の角度ズレ
となり、測定結果に無視できない影響を与える。この様
なケースにおいては、ジャイロ出力段に対して角速度信
号を０にする或る一定レベル以下の不感帯を設けて対処
する例もあるが、一般に、ジャイロ角速度信号には静止
時の角速度オフセットが存在するところから、左右方向
或いは＋−方向に同レベルの不感帯を設けると、左右方
向或いは＋−方向の不感レベル、換言すれば検出可能レ
ベルにオフセット分だけ差が生じ、振り子運動の様な左
右くり返しの回転運動が入力されると、左右の角速度出
力に差が生じ、これを積分して角度を算出する段階にお
いて角速度オフセットのある方向に角度ズレが現れる点
が問題として残る。

【０００５】更に、ジャイロの角速度オフセットは、一
般に、温度により変化することが知られている。これは
ジャイロバイアスの温度ドリフトと称され、ジャイロの
性能グレードを示すものとして知られている。通常の角
速度および角度測定時において温度が変化すると、除去
されるべきオフセット値であるジャイロの角速度オフセ
ット自体が変化し、これに依っても積分誤差即ち角度ド
リフトが生じる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、ジャイロ
本体であるメカニカルな部分から出力される検出角速度
信号を演算処理してこれに含まれる角速度オフセットを
減少除去し、ジャイロの検出角速度信号を演算処理する
回路をも含めたジャイロ全体として高精度な角速度測定
を実施する回転角速度検出測定方法およびこの方法を実
施するジャイロを提供するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】運動体の回転角速度をジ
ャイロにより検出測定するに際してジャイロのメカニカ
ル部１の出力する検出角速度信号に対するオフセット除
去処理を定期的に、頻繁に実施する回転角速度検出測定
方法を構成した。 請求項２：運動体の回転角速度を検出測定するジャイロ
において、ジャイロのメカニカル部１の出力する検出角
速度信号を入力してオフセットを測定するオフセット測
定処理部３を具備し、ジャイロのメカニカル部１の出力
する検出角速度信号を入力すると共にオフセット測定処
理部３の出力するオフセットを入力して検出角速度信号
にオフセット除去処理を施すオフセット除去処理部２を
具備するジャイロを構成した。

【０００８】請求項３：請求項２に記載されるジャイロ
において、角速度オフセット除去処理部２の角速度出力
を積分する積分処理部４を具備するジャイロを構成し
た。 請求項４：請求項２および請求項３の内の何れかに記載
されるジャイロにおいて、オフセット除去および角速度
積分を演算処理するＣＰＵを具備するジャイロを構成し
た。

【０００９】請求項５：請求項２ないし請求項４の内の
何れかに記載されるジャイロにおいて、所定時間である
オフセット測定時間の間角速度を積分し、積分開始時点
の角度と積分終了時点の角度の角度差をオフセット測定
時間により除算して角速度オフセット値を算出し、測定
角速度から角速度オフセット値を減算してオフセット除
去するジャイロを構成した。

【００１０】請求項６：請求項２ないし請求項５の内の
何れかに記載されるジャイロにおいて、ジャイロのメカ
ニカル部１は光ファイバジャイロ、振動ジャイロ、シリ
コンジャイロの内から選択された何れかであるジャイロ
を構成した。 請求項７：請求項２ないし請求項６の内の何れかに記載
されるジャイロにおいて、オフセット除去処理部２にお
いて角速度オフセット除去した結果の角速度出力をに入
力してこれに不感帯を設定する不感処理部５を具備する
ジャイロを構成した。

【００１１】請求項８：請求項７に記載されるジャイロ
において、不感処理部５を積分処理部４に接続して不感
処理を施した角速度出力を入力するジャイロを構成し
た。 請求項９：請求項５ないし請求項８の内の何れかに記載
されるジャイロにおいて、オフセット測定時間を可変と
する構成を具備するジャイロを構成した。 請求項１０：請求項９に記載されるジャイロにおいて、
オフセット測定時間は外部から入力するコマンド或いは
切り替えスイッチにより変更するジャイロを構成した。

【００１２】請求項１１：請求項９および請求項１０の
内の何れかに記載されるジャイロにおいて、最適オフセ
ット測定時間の設定をする自己診断部を具備するジャイ
ロを構成した。

【００１３】

【発明の実施の形態】この発明の実施の形態を図１の実
施例を参照して説明する。図１はジャイロとして光ファ
イバジャイロを採用した例である。これは周知慣用のも
のであるので格別の説明は省略する。ジャイロとして
は、光ファイバジャイロの他に振動ジャイロ、シリコン
ジャイロをも採用することができる。

【００１４】１はジャイロのメカニカルな部分を示す。
このジャイロ１の出力は角速度の次元を有しており、こ
の角速度出力はオフセット除去処理部２およびオフセッ
ト測定処理部３に入力される。オフセット除去処理部２
においては、オフセット測定処理部３の処理結果に基づ
いて角速度出力から角速度オフセット除去した結果を積
分処理部４に入力して積分処理し、角度出力を得る。こ
のオフセット除去処理および積分処理は、図示されない
ＣＰＵにより数値的に実施する。

【００１５】角速度オフセットの測定は、ジャイロの静
止状態において、外部から供給されるコマンド入力或は
予め設定されたシーケンスにより、ジャイロの動作状態
を通常の状態である角度および角速度測定状態から角速
度オフセット測定状態に切り替え、数分以内程度の所定
時間に亘って積分された角度出力を測定する。この測定
開始時の角度と測定終了時の角度との間の角度の差を所
定時間により除算することにより角速度オフセットを計
算することができる。通常の角度および角速度測定状態
においては、角速度オフセット値をジャイロ測定値から
数値的に差し引く処理を図示されないＣＰＵにより頻繁
に実施し、新たに角速度オフセットの測定が実施される
までは前回のオフセット測定値を記憶して使用する。

【００１６】角速度オフセット測定状態においては、通
常の角度および角速度の測定はできないことになるが、
上述した通り角速度オフセットの測定は静止状態におい
て実施されるので、オフセット測定開始直前の角度を記
憶しておくことにより実用上問題は生じない。この発明
により角度および角速度を測定する際のフローチャート
は以下の通りである。

【００１７】１：ジャイロスイッチＯＮ ２：角速度オフセット測定 ３：通常の角度および角速度の測定 ４：２に戻る このフローチャートについてみると、ジャイロスイッチ
をＯＮにしてジャイロを立ち上げると共に、角速度オフ
セット測定を実施する。次いで、通常の角度および角速
度の測定状態に入り、通常の測定を実施する。角速度オ
フセット除去は定期的に頻繁に実施する。定期的に頻繁
にとは、例えば、３０分以内の間に角速度オフセット除
去を実施し、これを繰り返す。

【００１８】この発明は、オフセット測定を実施してい
る数分以内の間、ジャイロは静止状態にある必要が有
る。即ち、ジャイロを搭載する運動体が静止している必
要がある。一般産業機器技術分野において、ジャイロを
搭載する運動体として無人車、振り子電車の如き列車、
トンネル掘削器の如きものがよく知られている。これら
運動体の内の無人車は燃料補給する様な停車時があり、
列車であれば駅に停車する時があり、トンネル掘削器で
あれば土砂搬出、配管接続その他の工事の時があって、
これらの時は必ず静止状態にる。この様な時期を利用し
てオフセット測定を実施すれば無駄時間を作ることなく
この発明を容易に実施することができ、高精度即ち高価
なジャイロを使用する必要はなくなるに到る。

【００１９】図２を参照して他の実施例を説明する。図
２において、１は図１におけると同様にジャイロのメカ
ニカルな部分を示す。この実施例においては、オフセッ
ト除去処理部２において角速度オフセット除去した結果
の角速度出力を不感処理部５に入力する。不感処理部５
において不感処理を施した角速度出力を積分処理部４に
入力して積分処理し、角度出力を得る。不感処理部５
は、角速度オフセット除去された角速度信号に対して或
るレベル以下の角速度信号を０にする不感処理を施す不
感帯を設定する。不感処理を施された角速度信号は積分
処理部４に入力され、積分処理を施されて角度出力が得
られる。ここで、オフセット除去処理、不感処理および
積分処理は図示されないＣＰＵにより数値的に実施す
る。

【００２０】以上の如くして、頻繁に角速度オフセット
除去のなされた結果の角速度信号は左右方向の検出角速
度のバランスをとった上において角速度信号を０にする
不感帯を設定したことにより、振り子運動の様な左右く
り返しの回転運動が入力されても、角速度オフセットの
ある方向に角度ズレが現れるという問題を生ずることは
なく、左右方向の検出角速度のバランスがとれて上述し
た角度積分誤差を生ずることはなくなる。不感帯は、上
述した通り、ＣＰＵにより数値的に付与処理することが
できるが、ジャイロ１の出力に不感処理回路を接続して
電気回路的に処理することもできる。何れの不感処理も
従来から慣用されている技術を採用することができる。

【００２１】更に他の実施例を説明する。ところで、ジ
ャイロの角速度オフセットは温度特性を有し、上述した
通り、温度ドリフトが生ずる。この角速度オフセット温
度ドリフトは、先のオフセット測定を頻繁に実施するこ
とによりその影響を減少することができる。即ち、温度
その他の外部条件の影響に起因して角速度オフセット自
体が変化しても、頻繁なオフセット測定を実施して除去
されるべきオフセット値を最新のものに更新することに
より積分誤差である角度ドリフトを最小にするもことが
できるからである。しかし、ジャイロにより検出された
角速度信号にはノイズが存在する。ジャイロの内の光フ
ァイバジャイロは、受光器におけるショットノイズによ
りジャイロの角速度検出限界が決定される。このショッ
トノイズは、オフセット除去を実施するに際して最終的
なオフセット除去の限界を決定する。即ち、所定時間内
における角度差をとってオフセット量を算出するに際し
て、角度の測定結果にノイズの幅だけ誤差を有すること
となるからであり、より高精度のオフセット除去をする
にはオフセット測定時間を長くとる必要がある。

【００２２】そこで、オフセット測定時間を適宜に設定
するオフセット測定時間設定装置を具備する。この設定
装置は外部コマンド入力、切換スイッチその他の制御部
装置により動作されるものとする。この様にして必要と
される測定精度に応じてオフセット測定時間を設定し、
ジャイロの運用面における利便性を向上する。即ち、ジ
ャイロを設置した運動体の静止時間、および静止と次に
静止するまでの間の時間に応じてオフセット測定時間を
設定する。一般に、オフセット測定時間を短くした場
合、オフセット除去処理実施間隔を短く頻繁にすること
により角度ドリフトは発散することなく、良好な測定精
度を維持することができる。また、オフセット除去処理
実施間隔を短くすることができない場合は、オフセット
測定時間を長くすることによりオフセット測定精度を高
くする。

【００２３】また、オフセット測定時間の設定をジャイ
ロ自身の自己診断に委ねることもできる。即ち、ジャイ
ロの出力ノイズ量を測定し、ノイズ量に応じた最適オフ
セット測定時間の設定をする自己診断部を具備する。こ
の自己診断部をジャイロに内蔵するか、或いはジャイロ
に接続されたＣＰＵによりノイズ量に対応した自己診断
処理を実施させる。これら自己診断部は従来慣用されて
いる技術により容易に実現することができる。

【００２４】

【発明の効果】以上の通りであって、この発明は、ジャ
イロの角速度オフセットを測定し、この角速度オフセッ
トを演算処理して除去することにより、ジャイロのメカ
ニカル部分として高価なものを使用することなしにジャ
イロ全体として低コストで比較的高精度のジャイロを構
成することができる。

【００２５】そして、角速度オフセット除去のなされた
結果の角速度信号に不感帯を設定したことにより、振り
子運動の様な左右くり返しの回転運動が入力されても左
右方向の検出角速度のバランスがとれ、角度積分誤差を
生ずることはなくなる。同様に、不感帯を設定したこと
により地球自転の影響をも除去したジャイロとすること
ができる。

【００２６】また、オフセット測定時間を可変とするこ
とにより、ジャイロを具備した運動体の運用状態に適応
した最適のオフセット除去を実施することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例を説明する図。

【図２】他の実施例を説明する図。

【符号の説明】

１ ジャイロのメカニカル部 ２ オフセット除去処理部 ３ オフセット測定処理部 ４ 積分処理部 ５ 不感処理部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 光俊 東京都渋谷区道玄坂１丁目21番２号 日本 航空電子工業株式会社内 (72)発明者 関谷 寿夫 東京都渋谷区道玄坂１丁目21番２号 日本 航空電子工業株式会社内

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 運動体の回転角速度をジャイロにより検
   出測定するに際してジャイロのメカニカル部の出力する
   検出角速度信号に対するオフセット除去処理を定期的
   に、頻繁に実施することを特徴とする回転角速度検出測
   定方法。
2. 【請求項２】 運動体の回転角速度を検出測定するジャ
   イロにおいて、 ジャイロのメカニカル部の出力する検出角速度信号を入
   力してオフセットを測定するオフセット測定処理部を具
   備し、 ジャイロのメカニカル部の出力する検出角速度信号を入
   力すると共にオフセット測定処理部の出力するオフセッ
   トを入力して検出角速度信号にオフセット除去処理を施
   すオフセット除去処理部を具備することを特徴とするジ
   ャイロ。
3. 【請求項３】 請求項２に記載されるジャイロにおい
   て、 角速度オフセット除去処理部の角速度出力を積分する積
   分処理部４を具備することを特徴とするジャイロ。
4. 【請求項４】 請求項２および請求項３の内の何れかに
   記載されるジャイロにおいて、 オフセット除去および角速度積分を演算処理するＣＰＵ
   を具備することを特徴とするジャイロ。
5. 【請求項５】 請求項２ないし請求項４の内の何れかに
   記載されるジャイロにおいて、 所定時間であるオフセット測定時間の間角速度を積分
   し、積分開始時点の角度と積分終了時点の角度の角度差
   をオフセット測定時間により除算して角速度オフセット
   値を算出し、測定角速度から角速度オフセット値を減算
   してオフセット除去することを特徴とするジャイロ。
6. 【請求項６】 請求項２ないし請求項５の内の何れかに
   記載されるジャイロにおいて、 ジャイロのメカニカル部は光ファイバジャイロ、振動ジ
   ャイロ、シリコンジャイロの内から選択された何れかで
   あることを特徴とするジャイロ。
7. 【請求項７】 請求項２ないし請求項６の内の何れかに
   記載されるジャイロにおいて、 オフセット除去処理部において角速度オフセット除去し
   た結果の角速度出力をに入力してこれに不感帯を設定す
   る不感処理部を具備することを特徴とするジャイロ。
8. 【請求項８】 請求項７に記載されるジャイロにおい
   て、 不感処理部を積分処理部に接続して不感処理を施した角
   速度出力を入力することを特徴とするジャイロ。
9. 【請求項９】 請求項５ないし請求項８の内の何れかに
   記載されるジャイロにおいて、 オフセット測定時間を可変とする構成を具備することを
   特徴とするジャイロ。
10. 【請求項１０】 請求項９に記載されるジャイロにおい
    て、 オフセット測定時間は外部から入力するコマンド或いは
    切り替えスイッチにより変更することを特徴とするジャ
    イロ。
11. 【請求項１１】 請求項９および請求項１０の内の何れ
    かに記載されるジャイロにおいて、 最適オフセット測定時間の設定をする自己診断部を具備
    することを特徴とするジャイロ。