JPH11510593A - 磁気コンパスの水平安定化のための方法 - Google Patents

磁気コンパスの水平安定化のための方法

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JPH11510593A JP8531290A JP53129096A JPH11510593A JP H11510593 A JPH11510593 A JP H11510593A JP 8531290 A JP8531290 A JP 8531290A JP 53129096 A JP53129096 A JP 53129096A JP H11510593 A JPH11510593 A JP H11510593A
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Abstract

(57)【要約】 磁気コンパスの水平安定化のための方法が提供される。測定点で地磁場ベクトル及び全加速度ベクトルの空間成分が測定される。当該全加速度ベクトルは、重力加速度ベクトルと磁気コンパスの加速度ベクトルとの差に等しい。測定された成分の時間的な変化を考慮に入れて、安定化された水平に対する磁気コンパスの現在の水平位置の位置関係が算定される。その前に算定された空間位置に対する新しい空間位置のずれを表すクオリティ関数を用いて、評価プロセスが実行される。当該評価プロセスによって、系の安定化された水平の正しさが判断される。磁気コンパスを装備された装置の運動によって引き起こされる加速度の影響を非常に受けにくい水平が発生させられる。

Description

【発明の詳細な説明】 磁気コンパスの水平安定化のための方法 本発明は、磁気コンパスの水平(水平線)安定化のための方法に関する。 磁針を備える通例のコンパスは、水平安定化手段(Horizont-stabilisierung) を備えておらず、場合によっては、例えば液体支持 装置は同じ作用を与える。 磁気コンパスでは、水平の安定化を達成するために、さまざまな方法が知られ ている。例えば、ナビゲーション・システムでは、水平の安定化は、ジャイロス コープ装置(Kreiselvorrichtungen)を用いて達成される。これは、複雑で面倒 な措置である。 水平の安定化の不足の場合には、このような磁気コンパスが可動な使用状態で (im mobilen Einsatz)用いられるとき、例えば車両の走行中に、たいていの場 合加速度によって測定誤差あるいは読み取り誤差が発生する。同様の誤差は、コ ンパスが手だけで保持されるときにも発生し得る。 ドイツ特許第3716985号明細書により知られているデジタル式磁気コン パス(DMC)の場合には、方向情報は、水平面(水平線面)への地磁場ベクト ルの投影から得られる。DMC は、地磁場のそれぞれの座標について独立した センサーをもっている。水平面は、互いに垂直に配置された二つの傾斜センサー (Neigungssensoren)を使 って測定される。当該傾斜センサーは磁場センサーとともに一つの共通のケーシ ングに配置されている。当該傾斜センサーは、実際には、加速度センサーである 。それらは、ケーシングにおいて以下のように較正されている。すなわち、静止 状態で、つまり付加的に影響を及ぼす加速力のない状態で、DMC座標系のX方 向及びY方向における重力加速度ベクトルの成分だけを測定し、そこから両方の 上述の座標軸と水平面との間の角度を算定するように較正されている。地磁場ベ クトルの投影は、DMCケーシングの、水平化された参考位置(参考状態、Bez ugslage)と異なる現在の位置(状態)に対応して修正される。 DMCの座標系は、原点0及び三つの座標軸X、Y、Zをもつ直角の右手系の デカルト座標系である。この座標系は、DMCケーシングと結びつけられている とみなされる。 X軸及びY軸は、DMCケーシングの水平の方向づけ(オリエンテーション、 Ausrichtung)の際の水平面あるいは参考平面(Bezugsebene)に相当する第一平 面を定義する。DMCの視線(Sichtlinie)はX軸と一致する。そのとき、Z軸 は重力加速度ベクトルに平行である。 DMCケーシングが傾けられると、空間に固定された参考系(Bezugssystem) に対するDMC座標系の回転が行われる。前記参考系は、同様に、原点0を有し 且つこの場合は三つの座標軸X′、Y′、Z′を有する直角の右手系のデカルト 座標系である。水平化された状態では、前記両方の座標系のそれぞれ対応する座 標軸及び原点が一致する。 DMCの参考平面は、回転の後に、例えばY′軸のまわりでの角度αの回転に よって及びX′軸のまわりでの角度βの回転によって獲得される第二平面に位置 する。ナビゲーションの分野では、角度αはピッチ角(Nickwinkel)、角度βは ロール角(Rollwinkel)と呼ばれる。 したがって、DMCのXYZ座標系は、もっぱら回転だけによって、空間に固 定されたX′Y′Z′座標系へ変換され得る。ピッチ角α及びロール角βは、傾 斜センサーの測定値として得られる。 重力加速度は地球表面に沿ってはわずかにしか変化しないので、DMCの静止 した状態あるいは単調(一様)に運動している状態で算定された傾斜角は、至る 所で重力加速度ベクトルに対する実際の状態と一致する。 しかしながら、制動される、加速される、及び曲線軌道上で運動させられる車 両にあるいは器械にDMCが取り付けられており、その結果、半径方向加速度( Radialbeschleunigungen)及び遠心加速度(Zentrifugalbeschleunigungen)が発 生するときは、事情が異なる。 すでに述べたように、傾斜センサーとしては実際には加速度センサーを考える 。これらは、加速力の影響を受けて変位させられるダイアフラムをもっている。 当該変位は、コンデンサーの容量の変化として測定される。それゆえ、車両にお いて測定された、両方の(二つの)傾斜センサー・ダイアフラムの変位は、常に 、重力加速度ベクトルに対するDMCの傾斜とDMCの運動によって引き起こさ れる加速度との重なりである。 進行方向を指している車両軸心がX軸と一致するという仮定のもとで、水平の 土台上での加速される運動は、ピッチ角αの示度(Anzeige) を導き、それゆえ水平面が傾斜したように思わせる。曲線走行は、同一の前提条 件のもとで、主としてロール角センサー・ダイアフラムの変位を導き、それゆえ ロール角βを装う。遠心運動、バンク(Kurvenlage)、横ドリフト(Querdriften )等は、同様に、水平面に対するDMC平面の実際には存在しない傾斜の示度を 、したがって偽り ちびく。 磁場センサーは、加速度によって影響を及ぼされない。しかし、水平化されて 空間に固定された座標系X′Y′Z′に対するDMC座標系XYZの回転によっ て、幾何学的な理由で磁場ベクトルが変化する。その際、磁場ベクトルの時間的 な変化は、磁場ベクトルと前記座標系間の回転率ベクトル(回転速度ベクトル、 回転割合ベクトル、Drehratenvektor)とのクロス乗積(Kreuzprodukt)に比例し ている。回転率ベクトルの成分は、水平化された座標軸X′、Y′、Z′に対す る座標軸X、Y、Zの一秒あたりの回転角変化である。回転率ベクトルは、磁場 成分から不完全にしか算定され得ない。なぜならば、例えば厳密に磁場方向のま わりでの回転は三つの磁場成分すべてを変わらないままにしておき、その結果、 磁場に対して平行な回転率ベクトルの成分が算定され得ないからである。傾斜セ ンサーは確かに直接に回転率を測定するが、しかしこれは、上記の理由で、加速 される運動の場合には誤差をともなう。それゆえ、存在する回転率は、一つには 磁場ベクトルの測定に、もう一つには正確な水平面の決定に影響を及ぼす。 ドイツ特許第3422490号明細書により、車両の進行方向の算 出の際の角度誤差の修正のための方法が知られている。修正値の算出のために、 二つの磁場センサーによって車両平面における磁場の成分Hx及びHyが測定され る。傾斜角測定装置は、車両縦軸線の方向において傾角(Inklinationswinkel) を算定する。その際、傾斜角への加速度効果は、車両速度の一次導関数の算定に よって考慮に入れられる。進行方向の修正は、水平状態に関しての車両のその縦 方向における傾斜角によって呼び起こされる誤差だけを考慮に入れる。 米国特許第5287628号明細書及び米国特許第5444916号明細書か ら、互いに直交状態にあるそれぞれ三つの磁場センサー及び傾斜センサーを有す る装置が知られている。当該装置によって、電子工学的に水平面が発生させられ 得る。この水平面に関して車両の傾斜が算定される。加速度効果は考慮にいれら れない。 欧州特許出願公開第0668485号明細書により、誤差を伴う未処理データ から磁場センサーによって測定された車両のヨー角(Gierwinkel)を再現(Rekon struktion)する方法が知られている。計算のために、評価関数(Bewertungsfunk tion)、反復法(Iterativverfahren)、 れる。当該方法は以下の前提から出発する。すなわち、方向に依存したノイズの 影響はヨー角の測定の際に別のセンサーの測定データによって確かに識別され得 るが、これらとの組み合わせによって補整はされ得ないという前提である。 それゆえ、本発明は、回転率測定の際に加速度に依存する部分の影響を最小限 に抑えるような、デジタル磁気コンパスの水平安定化のた めの方法を提供することを課題とする。 前記課題は、請求項1及び2に記載の特徴的構成によって解決される。 本発明は、ピッチ角及びロール角の変化の際の回転率ベクトルの評価に基づい て、以下のことの基準、すなわちこの変化が磁場ベクトルの測定される純粋に幾 何学的な回転に基づいて測定(angemessen)されているか否かの基準を与えるとい うアイディアを基礎とする。それによって、回転率ベクトルを完全に知っている と、理想的な場合には、参考系の変化だけが許容される、すなわち、磁場ベクト ルの投影の際に考慮にいれられる。前記変化は知られている回転率ベクトルに対 応する。すべての加速度依存性の部分はフィルターで取り除かれる。 本発明の対象物を、以下に、本発明に係る方法ステップ(プロセスステップ) を有する実施例をもとにして詳細に説明する。ステップa) 時間tj-1及びtj(j=1,2,... n)でXYZ座標系における地磁場の場ベクトル Hの成分HX、HY、及びHZが測定される。 同様に時間tj-1及びtjで全加速度のベクトルgGESの成分gX及びgYが測定される 。当該ベクトルは、重力加速度ベクトルgERDと車両/コンパス加速度ベクトルa とから合成される。すなわち、gGES=gERD−aである。重力加速度ベクトルは、 XYZ座標系の原点を出発点とする。磁気コンパスが水平に方向づけられている ならば、地球中心点への方向を指し示す重力加速度ベクトルとZ軸とが一致する 。 有利には、1に規格化された全加速度ベクトルg=(gX,gY,gZ)= gGES/|gGES|が使用される。その際、|gGES|=(g2 GESX+g2 GESY+g2 GESZ)1/2であ る。 磁気コンパスが車両に収容されているときには当該車両が一般に測定中に移動 するので、時点tj-1及びtjでの測定が位置的に異なる測定点にて行われる。しか しながら、妨害されない地磁場、すなわち例えば、橋のような大きな鉄質量体( Eisenmassen)によって影響を及ぼされない地磁場は、大地と結びついた(大地を 走行する、landgebunden)車両が二つの測定の間に進む区間で均質と見なされ得 る。しかしながら、ノイズ(妨害)が発生するならば、相応の措置を講じること が好ましい(未公開のドイツ特許第4439945号明細書参照)。 重力加速度ベクトルgから、コンパスの参考平面の状態またはその変化につい ての情報が引き出され得る。ステップb) 全加速度ベクトルgGESの成分gX及びgYの時間的な変化が算定される。全加速度 ベクトルgGESの成分の時間的な変化における大きな値は、車両にある磁気コンパ スの場合には、例えば強い制動過程で発生し得るようなこれらの成分の方向での 車両の急な速度変化を示すだろう。ステップc) 時間に従って磁場ベクトルHの導出が行われる。すなわち、磁場ベクトルHの 成分HX、HY、HZ及びその絶対値|H|の時間的な変化が算定される。磁場ベク トル成分の値の大きな変化は、磁気コンパス または車両の方向づけの急な方向変化を示すだろう。 上にステップa)のところですでに述べたように、一般に車両は移動するので、 前記導出は同一の測定点では行われない。ここでは同様に測定点の間の地磁場の 同質性を出発点とする。 ステップb)とc)は同時に実行してもよい。ステップd) ステップa)、b)、及びc)で算出された量からベクトル場の回転率成分が算定さ れ得る。当該回転率成分によって、指定された点での、水平に方向づけられた磁 気コンパスの空間位置(空間状態)と現在の傾いた磁気コンパスとの間の関係が 定義(明示)される。 原則的には、これらの回転率成分は、共通の原点をもち互いに対して回転させ られる二つのデカルト座標系の座標軸の間の位置関係を決める角度のサイン量及 びコサイン量である。ステップe) 算出された回転率成分のY経線成分から、ピッチ項が算定される。Y経線成分 は、磁気コンパスの視線(Sichtlinie)に平行に延在する。ステップf) 算出された回転率成分のX経線成分から、ロール項が算定される。X経線成分 は、磁気コンパスの視線に対して垂直に延在する。ステップg) 回転が主に軸Yのまわりで(ピッチ角変化)及び軸Xのまわりで(ロール角変 化)個別的に行われるという仮定のもとで、水平(水平線) れる。その際、測定された水平についての第一のクオリティ関数は、ステップc) において算定された量に基づいて、すなわち磁場ベクトルHの時間的な変化から つくられ、安定化された水平についての第二のクオリティ関数は、ステップe)及 びf)で算定された量に基づいてつくられる。ステップh) 第一及び第二のクオリティ関数に基づいて、系の実際の(すなわち安定化され た)水平(水平線)の正しさ(Zutreffen)を判断する評価 ステップi) 当該評価プロセスを使って、傾斜センサーの測定された且つ(または)評価さ れた値が重みをかけられる。このことによって、運動によって引き起こされる加 速度に対して十分な抵抗力がある(運動によって引き起こされる加速度の影響を 非常に受けにくい)が、それにもかかわらず系の位置変化(姿勢変化)に敏感に 反応する安定化された水平が生じる。 以下に、当該方法の実行の例を数学的な関係の記載によって与える。 a) 離散的な時点tj(j=1,2,...n)で、地磁場ベクトルHの成分及 び1に規格化された全加速度ベクトルg=gGES/|gGES|の成分gX及びgYが測定され る。その際、gGES=gERD−aであり、aは車両加速度ベクトルである。それによっ て、gXj及びgYj並びにHXj及びHYj及びHZjが得られる。gjの長さは、gj=(g2 X j +g2 Yj+g2 Zj)1/2=1である。 gERD/|gERD|の成分は、ピッチ角αとロール角βとを使って以下のように表現 され得る: b) 全加速度ベクトルgの成分gX及びgYの時間的な変化は、時間j及びj−1での 値の差として算定される。 c) ここでは瞬間の回転速度ωでの回転を受けている地磁場ベクトルHとみなさ れるベクトルの時間的な変化には、 が当てはまる。 d) 座標系XYZにおいてY軸のまわりでの回転がもっぱら仮定されるならば、 時点j及びj−1でのH、すなわちHj及びHj-1のXZ平面における成分、すなわ ちHXj、HZj、HXj-1、及びHZj-1が考慮にいれられねばならず、Y軸のまわり での回転率について次の式が得られる: である。 e) X軸のまわりでの回転がもっぱら仮定されるならば、Y軸のまわりでの上述 の回転の際と類似にX軸のまわりでの回転率についての次の式が生じる: である。 f) ここで、測定される水平の変化についてのクオリティ関数が全加速度ベクト ルgの成分の時間的な変化に基づいて算定される。そのようなものとして、以下 のものが利用され得る: ファクタfは、当該方法の最適化に役立つ。実際には、f=5が好都合な値 であるとわかった。 g) 測定される水平の許される変化についてのクオリティ関数として、磁場ベク トルHの測定された回転角が利用される: h) クオリティ関数の関数として、以下のような、gXについての重みファクタGXj とgYについての重みファクタGYjとが生じる: i) そのとき、安定化された量は、当該重みファクタを使って以下の関係から生 じる: 回転角成分がゼロになるとき、クオリティ関数は明らかにゼロになる。時間j での対応する磁場成分が時間j−1での成分と等しいとき、すなわち純粋なリニ ア加速(直線状加速、Linearbeschleunigungen)の場合がそうである。そのと き、重みファクタもゼロになり、且つ時間jでの安定化されたg成分が時間j−1 での安定化されたg成分に等しくなる。 上記の方法に対応して、前述の安定化された量は、適当な変換の後 されることに利用され得る。 言及された入力信号は、表示装置のためでなく、例えば機械的な量の制御のた めに用いられる制御装置にも供給され得る。 全体の回転マトリックスは磁場ベクトルの二つだけの測定からは獲得され得な いことが示された。その理由で、各回転方向の誘導妨害 得る。なぜならば、この場合には、回転が生じず、したがって異なった回転方向 の誘導妨害も生じないからである。 回転が発生する場合にも、統計的な平均において、すでに述べた仮定の場合に は正しい評価が誤った評価よりも頻繁に得られる。その結果、ナビゲーション計 算の際に最終結果の改善が得られる。これらの 備された車両のテスト走行によって実際に確認された。その際、ファクタ2より も大きいファクタでナビゲーション結果の改善が達成され得た。 前述の方法は、追加の典型的な(真正な、echt)ジャイロスコープが採用され ることによって補足されてもよい。しかしながら、このことは、コンパスのコス トに寄与する(影響を与える)。利用できる(verfuegbar)ジャイロスコープ軸が 地球の場方向と一致するという特異な状況に決してならないように、非平行な軸 心を有する二つのジャイロコンパスが必要とされるだろう。 上述の方法は、カルマン・フィルター・フォームの利用によって別の構成がな されてもよい。 さらに、クオリティ関数の算出が以下のような多様な方法で行われ得ることを 指摘しておく。すなわち、 1) カルマン・フィルターの利用; 2) 最尤オペレータ(Maximum Likelihood Operatoren)の利用; 3) 経験的に算出される分布を適合させる; 4) ニューロン・ネットワーク(Neuronale Netze)の利用; 5) ファジー理論(Fuzzy Logik)の利用; 6) 規則に基づくシステム(regelbasierte Systeme)の利用; 7) 他のエキスパート・システムの利用。 補遺 回転率成分の近似のもとでの変換方程式の導出 Y軸のまわりでの純粋な回転、すなわちピッチ角αの純粋な変化のケースが考 察される。 XZ平面において時点tj-1に磁場ベクトル成分Hj-1=(HZj-1,HXj-1)があ り、後の時点tjに回転させられた成分Hj=(HZj,HXj)がある。 瞬間の回転速度ωでの回転を受けるベクトルHの時間的な変化には、 が当てはまる。今、ωがY成分ωYだけを有すると仮定するならば、上記の方程 式から以下の関係が生じる: Z及びHXを乗じて差を取ることによって次のようになる: 対応して、ωXについて以下のことがわかる: 原理的に、これらの式が最小二乗の意味で統計的に最適であることが示され得る 。 時間間隔Δt=tj−tj-1だけ離れている離散的なベクトルについて、これらの 方程式が対応して適合させられねばならない。 可能な離散化スキーム(Diskretisierungs-Schema)は、平均値 によって、 である。その際、ωYj・Δt及びωXj・Δtは、Δt=tj−tj-1を有する時点tj-1とtj との間の算出された回転角を表す。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.磁気コンパスの水平安定化のための方法にして、 a) 軸X、Y、及びZを有するデカルト座標系にて時間tj-1及びtj(j=1,2 ,...,n)に地磁場の場ベクトルHの成分HX、HY、及びHZと、重力加速度ベク トル及び車両/コンパス加速度ベクトルから構成される全加速度gGESのベクトル gGESの成分gX及びgYとが測定される、ここでは重力加速度ベクトルは、XYZ座 標系の原点を出発点とし且つ磁気コンパスが水平に方向づけられている場合には Z軸と一致し、X軸が視線を形成する、 b) 全加速度ベクトルgGESの成分gX及びgYの時間的な変化が算定される、 c) 磁場ベクトルHの成分HX、HY、HZの時間的な変化が算定される、 d) 前記ステップa)、b)、及びc)で算出された量からベクトル場の回転率成 分が算定される、当該回転率成分によって、指定された箇所で、水平に方向づけ られた磁気コンパスの空間位置と現在の傾けられた磁気コンパスとの間の関係が 明示される、 e) 算出された回転率成分のY経線成分からピッチ項が算定される、 f) 算出された回転率成分のX経線成分からロール項が算定される、 g) 回転が主に個別的にY軸のまわりでのピッチ角変化として及びX軸のま わりでのロール角変化として行われるという仮定のもとで、水平の変化について の近似されたクオリティ関数が算定される、すなわち、 g1) 測定された水平についての第一のクオリティ関数がc)で算定された量に 基づいて算定され、 g2) 安定化された水平についての第二のクオリティ関数がe)及びf)で算定さ れた量に基づいて算定される、 h) 前記第一及び第二のクオリティ関数に基づいて、当該系の安定化された 水平の正しさを判断する評価プロセスが実行される、 i) 当該評価プロセスを使って、傾斜センサーの測定された及び(あるいは )評価された値が重みをかけられ、それによって、運動に起因する加速度に対し て十分に抵抗力があるが、それにもかかわらず当該系の位置変化に敏感である安 定化された水平が発生させられる、 水平安定化のための方法。 2.磁気コンパスの水平安定化のための方法にして、 a) 軸X、Y、及びZを有するデカルト座標系にて時間tj-1及びtj(j=1,2 ,...,n)に地磁場の場ベクトルHの成分HX、HY、及びHZと、重力加速度ベク トルgERD、及び車両/コンパス加速度ベクトルaから構成される全加速度gGESの 1に規格化されたベクトルg=gGES/|gGES|の成分gX及びgYとが測定され、その 結果、量gXj及びgYj及びHXj、HYj、及びHZjが 獲得される、ここでは、重力加速度ベクトルは、XYZ座標系の原点を出発点と し且つ水平に方向づけられた磁気コンパスの場合にはZ軸と一致し、X軸が視線 を形成し、gの成分はピッチ角α及びロール角βを使って以下のように表現され る: b) 全加速度ベクトルgの成分gX及びgYの時間的な変化が算定される、 c) 磁場ベクトルHの成分HX、HY、HZ及びその絶対値|H|の時間的な変 化が算定される、 d) XYZ座標系においてY軸のまわりでの回転がもっぱら仮定され且つ時 点j及びj−1でのH、すなわちHj及びHj-1のXZ平面における成分、すなわち HXj、HYj、HXj-1及びHZj-1を考慮に入れて、Y軸のまわりでの回転率ωYj・ Δtが算定される: である、 e) XYZ座標系においてX軸のまわりでの回転がもっぱら仮定され且つ時 点j及びj−1でのH、すなわちHj及びHj-1のYZ平面における成分、すなわち HXj、HYj、HXj-1及びHYj-1 を考慮に入れて、X軸のまわりでの回転率ωXj・Δtが算定される: である、 f) 測定された水平の変化についてのクオリティ関数が全加速度ベクトルg の成分の時間的な変化に基づいて次の式に従って算定される: ここで、fは数ファクタである、 g) 測定される水平の許される変化についてのクオリティ関数が、磁場ベク トルHの回転角を利用して次の式に従って算定される: h) f)及びg)で算定されたクオリティ関数の関数として、gXについての重み ファクタGXjとgYについての重みファクタGYjとが次の式に従って算定される: i) そのとき、安定化された量が、重みファクタを使って関係 により生じる、 水平安定化のための方法。 3.測定された全加速度ベクトルの、方程式gX 2+gY 2+gZ 2=1を満たす規格化 された成分が使用されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。 4.前記ファクタfが3と8との間の値、好ましくは5と6との間の値をもつこ とを特徴とする、請求項1に記載の方法。
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