JPS60228917A - 慣性航法装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈発明の属する技術範囲〉 本発明は、慣性航法装置に係り、特に移動物体（例えば
飛翔体等）に用いられて有効であって、移動物体の加速
度、角速度及び速度等による精度や性能の劣下の改善を
図ったことを特徴とする慣性航法装置に関する。

〈従来の技術〉 慣性航法とはジャイロ、加速度計等を用いて航空機、ロ
ケット、船舶等の位置を決定する方法であり、それを具
体化したのが慣性航法装置である。

この慣性航法装置は、機能構成上プラットフォーム方式
とストラップダウン方式に大別される。

プラットフォーム方式は、ジャイロ出力で駆動するサー
ボ機構により航法基準座標を保持する面板上に取り付け
られた加速度計の出力を２回積分することにより位置を
決定する方式である。

ストラップダウン方式は、直接移動物体基準軸に平行に
取り付けた加速度計の出力をジャイロ出力よりめた方向
余弦行列で航法基準座標に座標変換した後、２回積分し
て位置をめる方式である。

本発明は、以下、ストラップダウン方式を基に説明を行
なう、ところで、この種の技術に関連した公知の文献と
しては、例えば「計測と制御」Ｖ０１２２、Ｎｏ　、４
　（昭和５８年４月刊）「ストラップダウン慣性航法装
置のアライメントへのカルマンフィルタの応用」が知ら
れている。

第３図は、従来技術のストラップダウン方式を採用した
慣性航法装置の構成を示すブロック線図である。

第３図の慣性航法装置において、各番号とその番号の付
された各機能・動作は以下のとおりである。

１は加速度計であり、移動物体基準軸（ロール。

ピッチ、ヨー）に平行に取り付けられ互いに直交した感
度軸を持つ３個の加速度計で構成され、加速度Ａを出力
する。

２はジャイロであり、移動物体軸に互いに直角に固定さ
れた３個のジャイロで構成され、移動物体が慣性空間に
対して回転しいてる時の角速度Ｗを出力する。

３は座標変換演算部であり、この座標変換演算部３では
、以後に述べる座標変換行列演算部からの出力値である
座標変換行列演算値Ｃと、加速度計１からの加速度Ａと
を座標変換し、航法座標での加速度Ａｎ　（？Ｉは南北
方向、東西方向、上下方向の３軸を表わす。以下、同様
）を＊める。

４は航法演算部であり、この航法演算部４では、座標変
換演算部３からの航法座標での加速度Ａｎを入力し、修
正角速度（地球自転速度と移動物体の球面上移動速度の
和）Ｗｌ、速度Ｖｎ及び位置Ｐｎを演算し出力する。

５は座標変換行列演算部であり、この座標変換行列演算
部５では、ジャイロ２からの角速度Ｗと航法演算部４か
らの修正角速度Ｗ１を入力して座標変換行列演算を行な
い、座標変換行列演算値Ｃを出力する。

６は姿勢・方位演算部であり、この姿勢・方位演算部６
では、座標変換行列演算部５からの座標変換行列演算値
Ｃを入力し、姿勢θ・方位φを演算し出力する。

９は比例・積分・微分制御量演算部（以下、ｒＰＩＤ制
御量演算部」という）である。このＰＩＤＩＩＪＩ量演
算部９では、加速度計１及びジャイロ２に含まれる誤差
による影響を除去することを目的として設けられたもの
である。即ち、航法演算部４から出力される速度ｖｎ・
位置ｐｎの誤差と姿勢・方位演算部６から出力される姿
勢θ・方位ψの誤差は、加速度計１及びジャイロ２に含
まれる誤差で時間的に増大していくのでこの影響を除去
す７・ためにＰＩＤ制御量演算部９が設けられたもの”
ぐある。即ち、航法演算部４からの速度Ｖｎ・位置Ｐｎ
は、外部基準速度・位置センサ８からの速度基準値■ｒ
・位置基準値ｐｒと比較回路７で比較される。即ち、比
較回路７で、加速度計誤差とジャイロ誤差による速度・
位置誤差及び姿勢・位置誤差が抽出され、ＰＩＤ制御量
演算部９に出力される。ＰＩＤ制御量演算部９では、速
度・位Ｎ誤差及び姿勢・位置誤差にゲイン配分して各誤
差の制御量を演算し、速度・位置誤差制御量は航法演算
部４に、姿勢・方位誤差制御量は座標変換行列演算部５
に、それぞれフィードバックすることによって誤差の時
間的増大を押える。

〈発明が解決ずべき問題点〉 ところで、この従来の慣性航法装置には、以下の問題が
ある。

ＰＩＤ制御演算部は比例ゲインＫＰ、積分ゲインＫｒ、
微分ゲインＫｏの各制御ゲインが固定であること、又、
制御系の伝達関数は移゛動物体の加速度Ａ、角速度Ｗ、
速度Ｖにより変化すること、等が原因で当初最適ゲイン
の設定がなされていたとしても、容易に安定状態及び最
適状態がくずれてしまう。即ち、慣性航法装置の望まし
い性能・精度は、移動物体の運動特性の大きさ如何によ
って大きく損われて、従って移動物体の位置や姿勢・方
位が大きくずれてしまう。

〈発明の目的〉 本発明は、上述した従来技術の問題に鑑みて成されたも
のであって、移動物体のいかなる加速度。

角速度、速度に対しても安定な制御系を保証し、高精度
、高性能〈応答性が良い）な航法出力データ及び姿勢・
方位出力データを得る慣性航法装置を提供することを目
的とする。

〈発明の構成〉 上述の目的を達成するため本発明による慣性航法装置の
構成は、 移動物体の加速度を測定する加速度計と、前記移動物体
の角速度を測定するジャイロと、前記角速度と修正角速
度から座標変換行列演算を行なう座標変換行列演算部と
、前記加速度と前記座標変換行列演算部の出力値に基づ
いて前記修正角速度及び前記移動物体の速度と位置を演
算する航法演算部と、前記加速度計に含まれる誤差と前
記ジャイロに含まれる誤差による影響を除去する補正信
号を前記航法演算部と前記座標変換行列演算部に出力す
るＰＩＤ制御量演算部とを有する慣性航法装置において
、 前記加速度計と前記ジャイロと前記航法演算部に接続さ
れ、前記ＰＩＤｔ＋１ｌＩＩ量演算部の制御ゲインを調
整する調整信号の値を決定し、この決定した調整信号を
前記ＰＭＤ制御量演算部に出力する適応調整部を具備し
たこと、 とした。

〈発明の構成の概要〉 第３図に示す慣性航法装置の閉ループ伝達関数の分母の
特性方程式は、 Ｐｎ　（Ｓ）＝８”　＋’ａｏ　５７１−　’　十・・
ａｎ−＋・・・（１） で表わすことができる。但し、ａｏ〜ａｎ−＋は係数、
Ｓはラプラス演算子である。ここで、係数ａ０〜ａｍ−
＋は、 ａｏ　＝ｆｏ　（Ｋ＋　、に２　、　・”Ｋｎ、に＋　
、に２　。

−に１ｒｔ　、　Ｋ’＋　、　Ｋ’２、−Ｋｏｎ、　Ａ
、　Ｗ、　Ｖ）ａ　＋　＝　ｆ＋　（Ｋ　＋　＊　ＫＰ
２＋””ＫＰｎｌ　Ｋ”＋　ｌ　’Ｋ”２１−ＫＬｎ　
、　Ｋ＋　、　ＫＯ２，−に’ｎ　、　Ａ、　Ｗ、　Ｖ
）ＥＬｎ−＋　＝Ｉｎ−＋、　（ＫＰ＋　＋　ＫＰ２＋
　＝ＫＰｒＬ、　Ｋ”＋　ｌ　＋に２　、＝Ｋｎ　、に
＋　、に２、−Ｋｎ　。

Ａ、Ｗ、Ｖ）　・・・　（２） で表わされる様に、各制御ゲインに、加速２Ａ。

角速度Ｗ及び速度Ｖのパラメータ関数で与えられる。

ところで、制御系が安定であるためには、係数ａＯ〜ａ
ｎ−＋が全て正でなければない。

そこで、本発明による慣性航法装置においては、加速度
Ａ、角速度Ｗ、速度Ｖが係数ａｏ　−ａｎ　−１のそれ
ぞれについて負になる時の限界加速度ＡＬ　Ｍ　＋限界
角速度ＷＬＭＩ限界速度ＶＬＭを定め、加速度Ａ、角速
度Ｗ、速度Ｖが限界値に達した時に、各制御ゲインに’
＋　、　Ｋ’２　、−　Ｋ’ｎ　、　Ｋｒ＋　、　Ｋ”
２　、−　Ｋ”ｎ　、　Ｋ’＋　、　ＫＤ２＋　−Ｋ’
？＋をに、＋ΔＫｌ、に２＋Δに２．−に７１＋Δに７
１゜・・・（３） ＫＩｌ　＋ΔＫ”１．　Ｋ”２＋ΔＫ”２　、−　Ｋ”
ｎ＋Δに％。

・・・（４） ＫＤ、　＋　Δ　Ｋ’＋　＋　Ｋ　２　＋　Δ　ＫＤ２
　、＝　Ｋ　ｃ′ｒＬ　＋　Δ　Ｋ’７１・・・（５） とし、係数ａ。−ａｎ−＋を常に正にすることで制御系
を安定に保つ様に構成したことを特徴とする。尚、Δに
は調整値であり、この調整値Δにの各々の値は（２）式
からｆｏ”’−Ｉｎ−＋の構成が既知であるので一意に
決定される。

〈発明の実施例〉 以下、本発明の具体的実施例を第１図及び第２図を用い
て詳細に説明する。

第１図は、本発明の慣性航法装置の具体的な構成を示す
ブロック線図である。

第２図は第１図の本発明の部分の信号処理系統のフロー
チャートである。

尚、第１図において、従来技術の説明で用いた第３図と
重複する部分については、同一の番号を付してその説明
は省略する。

第１図において、第３図と相違する部分は、加速度計１
からの加速度Ａと、ジャイロ２からの角速度Ｗと、航法
演算部４の速度■とを入力し、これ等入力に基づいてＰ
　１．Ｄ制御量演算部９の制御ゲインを調整する調整信
号の値を決定し、ＰＩＤ制ｖｓ量演算部９に出力する適
応調整部１０を設けた点である。

この適応調整部１０は、加速度Ａと角速度Ｗと速度Ｖの
各入力をモニタするモニタ部戸と、モニタ部１１からの
加速度Ａと限界加速度コマンド１３からの限界加速度Ａ
ＬＭとを比較する加速度評価部１２と、モニタ部１１か
らの角速度Ｗと限界角速度コマンド１５からの限界角速
度ＷＬ１．ｌとを比較する角速度評価部１４と、モニタ
部１１からの速度■と限界速度コマンド１７からの限界
速度ＶＬＭとを比較する速度評価部１Ｇと、加速度評価
部１２と角速度評価部１４と速度評価部１６からの各評
価出力を入力しＰＩＤＩＤ制御量演算部制御ゲインを調
整する調整信号値を決定するＰＩＤ制御ゲイン調整部１
８とから構成されている。

以下、この様に構成された慣性航法装置の動作説明をす
る。

適応調整部１０に入力した加速度Ａ、角速度Ｗ。

速度■はモニタ部１１でモニタされる。

モニタされた加速度Ａは加速度評価部１２で、角速度Ｗ
は角速度評価部１４で、速度■は速度評価部１６で（１
）式の係数ａＯ〜ａ７１−１が負になるときの限界加速
度ＡＬＭ＋限界角速度ＷＬＭ、限界速度ＶＬＭとそれぞ
れ比較され、比較結果がＰＩＤ制御量ゲイン調整部１８
に出力される。

ＰＩＤ制御量ゲイン調整部１８では、以下の様な調整操
作が行なわれる。

比較結果（ＡとＡＬＭ、ＷとＷＬＭ、ＶとＶ。

Ｍ）のいずれかが等しくなった時（但し、比較結果が同
時に等しくなることは実際上ない）即ち、各評価部の出
力に従い、該当する制御ゲイン〈Ｋ１　＊　Ｋ’２　＋
　”何＜２ｎ）　、（ＫＩ＋　、　Ｋ”２　、　・！・
　Ｋ”ｎ　’）　、（Ｋ’＋　、　ＫＣ）２．−　Ｋ’
ｙｉ　）を（３）〜（５）式に従って調整し決定する。

即ち、係数ａｏ”’ａ７１−１は、制御ゲインＫ、加速
度Ａ、角速度Ｗ、速度Ｖ等の既知関数なので、等しくな
ったものに対応した係数ａｔ（、ｔ＝ｏ〜（ｎ−１）の
いずれか）に関する関数ｆ１のなかの制御ゲインＫＰ１
．ＫＰ２゜・・・Ｋ２ｎ　、　Ｋ１１　、　Ｋ１２　、
・・・ＫＩｎ　、　Ｋ３　、　嶋　、・・・Ｋ％につい
てのみ調整値ΔＫＰ１．ΔＫＰ２．・・・Δに７１゜Δ
に＋＋　Δに２．　・・・Δに７１．Δに＋＋　Δに２
１ΔＫｏｒＬを調整し決定する。

そして、加速度Ａ、角速度Ｗ、速度Ｖが各対応する限界
値以下になった時には対応する調整値を零にセットする
。即ち、調整をもとにもどす。

この様な調整信号がＰＩＤ制御量演算部９に出力される
。即ち、（１）式の係数ａｏ”””ａｔｉ−１が常に正
の時、制御系は安定で高精度な位置、速度及び姿勢・方
位を得ることができる。

尚、上述の実施例では、ストラップダウン方式の慣性航
法′ａ置について述べたが、本発明はプラットフォーム
方式の慣性航法装置にも同様に用いることが可能である
ことはいうまでもない。

尚、適応調整部の部分はマイクロコンピュータで構成し
てもよい。

〈発明の効果〉 以上、具体的な実施例を用いて本発明を述べた様に、従
来の慣性航法装置に、加速度、角速度。

速度に基づいてＰＩＤ制御量演算部の制御ゲインを調整
する信号を決定し出力する適応調整部を具備する本発明
の慣性航法装置は、移動物体の高加速度、高角速度運動
中においても制御系は安定に動作するので、最適な制御
特性を保持することができる。従って、速度・位置誤差
及び姿勢・方位誤差はいかなる運動に対しても発散しな
い。故に、移動物体のいかなる運動下においても高精度
、高性能（応答性が良い）で速度・位置、姿勢・方位の
各データがパイロットに提供される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の慣性航法装置の具体的な構成を示すブ
ロック線図、第２図は第１図に示す本発明部分の信号処
理系統のフローチャート、第３図は従来技術のストラッ
プダウン方式を採用した慣性航法装置の構成を示すブロ
ック線図である。 １・・・加速度計、２・・・ジャイロ、３・・・座標変
換演算部、４・・・航法演算部、５・・・座標変換行列
演算部、６・・パ姿勢・方位演算部、７・・・比較回路
、８・・・外部基準速度・位置センサ、９・・・比例・
積分・微分制御量演算部、１０・・・適応調整部。 代理人　弁理士　小沢信助ａ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 移動物体の加速度を測定する加速度計と、前記移動物体
   の角速度を測定するジャイロと、前記角速度と修正角速
   度から座標変換行列演算を行なう座標変換行列演算部と
   、前記加速度計と前記座標変換行列演算部の出力値に基
   づいて前記修正角速度及び前記移動物体の速度と位置を
   演算する航法演算部と、前記加速度計に含まれる誤差と
   前記ジャイロに含まれる誤差による影響を除去する補正
   俳号を前記航法演算部と前記座標変換行列演算部に出力
   する比例・積分・微分制御量演算部とを有する慣性航法
   装置において、前記加速度計と前記ジャイロと前記航法
   演算部とに接続され、前記比例・積分・微分制御ｌｌｌ
   ｌ滴量部の制御ゲインを調整する調整信号の値を決定し
   、この決定した調整信号を前記比例・積分・微分制御量
   演算部に出力する適応調整部を具備したことを特徴とす
   る慣性航法装置。