JP2003506702A - センサ用振動補償 - Google Patents

センサ用振動補償

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Abstract

(57)【要約】 センサにおいて振動で誘起されるエラーが振動パワースペクトルの測定に基づいて予測される。加速度計サンプルが振動パワースペクトル密度の推定のために用いられる。適宜の振動刺激を用いた校正処理が振動誘起エラーの補償に用いられる感度係数の推定能力をもたらす。高比率の振動測定サンプルがパワースペクトル密度推定器に入力として与えられる。次いで振動パワースペクトル推定値をそれ以前に得た校正係数と組み合わせ、リアルタイムのバイアス補正を得る。振動バイアス感度係数が制御された環境で推定されて、補償対象のセンサと共同する固定センサアセンブリに取付けた加速度計のような加速度測定装置を用いたリアルタイムの応用センサを補償する精度を確保する。次いで振動バイアス測定値が慣性センサから結合したジャイロと加速度計の双方からの出力と組み合わされる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （技術分野） 本発明はセンサ、特にセンサの動作に影響する振動誘起エラーの補償に関する
。
【０００２】 （背景技術） ジャイロスコープ若しくは加速度計のような慣性センサは往々にして振動の悪
影響を受ける。それらは振動には非常に敏感である。実際に振動感度はエラー源
を限定する優性な性能として選択されることが多い。多くの慣性センサはレート
・加速度感知用の振動性機構を利用する超小型電気機械式センサ（ＭＥＭＳ）装
置に依存する。これらの型式のセンサにおいては顕著な振動感度の問題があった
。
【０００３】 慣性センサは本質的にセンサに顕著な振動を与える環境で汎用されている。こ
れは動力装置若しくは環境が顕著な振動源として働く航空機または武器での使用
を含む。例えばよく１ｍｇ精度センサとされ、広く用いられている共振ビーム加
速度計は代表的な動作振動環境下における数ｍｇのバイアスシフトを検出し得る
。
【０００４】 振動感度を示す慣性センサにおいては共通の最大の作用は、加えられた振動ス
ペクトルの関数として変わる遅変化低周波エラー成分が過大になる。大地位置セ
ンサで助勢される慣性システムのような応用では、振動誘起バイアスシフトへの
作用はカルマンフィルタを使用した時のようにトリムされるか、若しくは推定さ
れる。しかしながら振動レベルあるいはスペクトル形状が顕著に変化する時は、
振動誘起エラーも変わり、それ以前に得た校正値の精度を減じる。
【０００５】 高品質の慣性ナビゲーションシステム（ＩＮＳ）を装備した航空機から発射さ
れる慣性誘導弾の場合、飛行中航路整合と校正処理は通常誘導弾の発射に先行し
て行われる。この間航空機のＩＮＳと武器のＩＮＳとの間の速度差（または関連
量）がカルマンフィルタで処理され、武器のＩＮＳの飛行姿勢と方向とを初期化
し、その慣性センサのエラーの一部、代表的にはジャイロと加速度計とによりバ
イアスエラーを含むものを推定する。武器慣性測定ユニットに存在する振動スペ
クトルは翼内貯蔵部あるいは弾薬庫のような係留・搬送環境によって強く駆動さ
れる。係留・搬送の間は武器の慣性センサバイアスエラーは振動環境による影響
を受ける。しかしながら武器の発射後は顕著に異なる振動環境が存在し、振動誘
起エラーの変化によるジャイロと加速度計とのバイアス変動に至る。その大きさ
によってはこの振動は発射前の武器慣性測定ユニットの校正の利点を無効にする
。このような振動環境の変動の有害な作用は最小限にする必要がある。
【０００６】 他の要因もまたバイアス変動を生じさせる。センサの振動環境を変動させるも
のはバイアス変動に帰結し得る。このようなセンサを持つ車両の速度変動は、空
気力学的な差異により、また機械的な理由による共振周波数変化により異なる振
動環境に帰結する。これは車両、特に古い車両の搭乗者であれば誰にでも、企図
する速度よりも高い速度に近づく、あるいは車両の機具が破壊して変化すること
で観察される。振動環境はまた異なる毎分の回転数でエンジンを運転、あるいは
車両の全負荷状況によっても変わり得る。
【０００７】 慣性センサに影響する振動誘起エラーの、より良好な補償機構が必要とされて
いる。またこのようなセンサに影響する振動環境の変化の補償が更に必要とされ
る。このような補償が正確且つ迅速に行われることも要求される。
【０００８】 （発明の開示） センサに適宜の振動刺激を与えて工場校正処理を行い、それによって各種の周
波数での振動パワースペクトルに関する感度係数をセンサのバイアス状エラーに
晒す。センサのリアルタイムの応用構成では加速度計サンプルが収集され、実際
の振動環境、特に周波数スペクトルの多くの部分における周波数エネルギーの量
を特徴付けるために用いられる。予想されるセンサ振動誘起エラーが測定振動ス
ペクトルとその前に得た工場校正係数とに基づいて計算される。予想振動誘起エ
ラーが次いで補償としてセンサ出力に加えられる。
【０００９】 一実施形態では加速度計からの高比率振動想定サンプルを入力としてパワース
ペクトル密度推定器に与える。次いで振動パワースペクトル推定値が前に得た校
正係数と組み合わされリアルタイムバイアス補正を得る。振動バイアス感度係数
が制御された環境下で推定されリアルタイムの応用におけるセンサを補償する精
度を確保する。
【００１０】 更に別の実施形態においては補償されるべきセンサと共同する固定センサアセ
ンブリに取付けた加速度計のような加速度測定装置を用いて高データ率の振動サ
ンプルを得る。次いで振動バイアス測定値が慣性測定ユニットを形成する複数（
代表的には３またはそれ以上）のジャイロと複数の加速度計との双方の出力と組
み合わされる。
【００１１】 更に他の実施形態ではデジタル信号プロセッサを用いて計算を行い、振動パワ
ースペクトル密度を得、次いでセンサの振動誘起エラー推定値をリアルタイムに
高率で提供する。更に他の実施形態ではソフトウェアを用いて計算を行うか、あ
るいはハードウェアとソフトウェア、これにファームウェアの組み合わせを用い
得る。
【００１２】 （発明を実施するための最良の形態） 以下の記載では明細書の一部をなす添付図面を参照して説明を行うが、本発明
を実施する特定の実施形態が示される。これらの実施形態は当業者が本発明を実
施し得るに充分な詳細さをもって記載され、他の実施形態を利用し得ること、本
発明の範囲から逸脱することなく構成的、論理的、電気的な変更が可能であるこ
とが理解されよう。以下の記載は従って限定的に捉えるべきでなく、本発明の範
囲は添付の請求の範囲によって定義される。
【００１３】 記載は多数の区分に分けられる。第１の区分はセンサの振動誘起エラーの推定
、補正機構を記載する。この機構を備えるアルゴリズムがこれに続く。更に結論
がこれに続き、有利性が論述される。
【００１４】 図１において振動誘起エラーを推定し補正する機構を示すブロック図の全般が
１１０で示される。一実施形態においてハウジングまたは他の取り付け装置１２
０は例えば慣性測定ユニット（ＩＭＵ）のような超小型電気機械センサ（ＭＥＭ
Ｓ）を含む。この型のセンサは比率・加速度検出用振動系機構に依存する。一の
実施形態ではこのセンサは方向変化を表わす第１出力を提供するコリオリ型振動
ジャイロである。加速度計１２６がまたハウジング１２０に取り付けられ、加速
度を表わす第２の出力を提供する。第２の出力は振動パワースペクトル密度（Ｐ
ＳＤ）推定器１３０に与えられ、推定器１３０は振動のパワースペクトル密度の
推定値を高周波加速度計の測定値の関数として提供する。一実施形態ではこの測
定値の周波数を予期される振動の最大周波数の少なくとも２倍として測定値の充
分な精度を確保する。サンプル比は５ＫＨｚまたはそれ以上のオーダーにする。
【００１５】 ＰＳＤ推定値は比較的低比率、例えば１Ｈｚで形成し、補償モジュール１３４
に与えられ、モジュールは校正係数１４０を用いて、ジャイロスコープの第１の
出力と加速度計第２出力となる振動誘起バイアス推定値または補償値を提供する
。加算器１５０が第１出力とジャイロの振動誘起バイアス推定値を受け、補償ジ
ャイロスコープ出力を線路１５５に送る。加算器１６０は第２の出力と加速度計
の振動誘起バイアス推定値をモジュール１３４から受け、補償加速度計の出力を
線路１６５に送る。
【００１６】 振動測定値が被補償センサに対応することを確実にするために各要素は１７０
で示され、被補償センサと共同する固定センサアセンブリに取り付けられる。
【００１７】 振動誘起バイアスエラーの基本モデルではバイアスは一部で振動パワースペク
トル密度（そして多分クロスパワー密度）に依存している： 振動バイアス＝ｆ（Ｓｘｘ（ω），Ｓｙｙ（ω），Ｓｚｚ（ω）） ここにＳｘｘ（ω）、Ｓｙｙ（ω）およびＳｚｚ（ω）はセンサのｘ，ｙ，ｚ軸
における振動パワースペクトル密度を表わす。一実施形態ではこれらの加速度計
軸は慣習的に加速度計の入力軸、出力軸とされ得る。
【００１８】 一実施形態では加速度計は入力軸振動への感度、無視不可能な倍率の非線形を
持った装置の共通な特性を示す。簡潔には装置は交差軸の振動感度を持たないも
のとする。この場合、振動誘起バイアスδａｘは入力軸振動にのみに依存する： δａｘ ≡ ｆ（Ｓｘｘ（ω）） 振動スペクトルは一組の周波数ビンに分割され得、各ビン内の振動パワーへのバ
イアスエラーの感度は図２に示すように定義付けられる。この図はスペクトル密
度対周波数の代表的なグラフとして作成される。次いで振動誘起バイアスが周波
数ビンの合計として表わされる： δａｘ ＝ Σｉｃｉｇｉ ２ ここにｇｉ ２ははｉ番目の周波数ビン内の振動パワー（加速の平均２乗）を表わ
し、ｃｉは同一のビンの振動誘起バイアスエラー感度係数である。モデル中に示
す係数ｃｉの推定は個々の慣性センサの工場校正の間に決定される。
【００１９】 二者択一的な実施形態では各係数がセンサの同種として言及される少数のセン
サについて決定され、代表的な係数値が同種の全センサに補償係数として適用さ
れる。校正処理がこのようにセンサの単独の製造バッチあるいは振動で同様に影
響され易いセンサの他の族量子に適用される。これは製造センサごとに工場校正
手続を広汎に行う必要を無くし、振動誘起エラー補償の精度の殆どを維持し得る
。
【００２０】 一実施形態では各周波数ビンを等寸とし、振動パワーがセンサに明らかな影響
を与える周波数範囲をカバーするものとする。更に他の実施形態ではビンの周波
数スパンはほぼ明らかにセンサに影響を与える振動の周波数範囲でビンを更に集
中させ、他の影響の少ない範囲では少ないビンを用いる。一実施形態では各ビン
を各バンドパスフィルタのバンクに結合し、夫々一つの周波数ビンをカバーする
。バンドパスフィルタの各々の出力における平均２乗加速は各ビンにおける振動
パワーの一測定に用いる。
【００２１】 正弦掃引振動形状が試験刺激として用いられ、モデル係数の可視性を提供する
。狭帯域正弦波振動刺激の中央周波数がセンサの企図する応用においてセンサが
遭遇する代表的な振動周波数の範囲全般に亙って掃引される。
【００２２】 ブロック図によるフローチャートを図３に示す。ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸について測
定した加速度（ｄｖ／ｄｔ）が３１０で示され、夫々の軸の３１２，３１４及び
３１６において所望の時間々隔でサンプルされる。夫々のパワースペクトル密度
が３２２，３２４および３２６で計算され、次いで各軸について振動パワーが所
望のビンの各々について３３２，３３４及び３３６で計算される。Ｎ個のビンが
示され、実際上のビン数は所望の補正の精度と使用し得る計算用パワーに応じて
変化する。振動誘起エラーが３４０において３４５で与えられる所定の振動感度
係数で計算される。３４０における振動誘起エラーの計算の詳細は後述するよう
に３５０における各軸についての係数が提供される。
【００２３】 図４は３個組の加速度計についての振動誘起エラーモデルの測定を示すブロッ
ク図で、通常は加速度計の入力軸に整合させた３主軸の組における振動パワーの
関数として各センサのエラーへの依存を含む。各軸において測定した加速度が実
際の参照に応答して４１０あるいは４１２における現行テスト状況で得られた真
実の加速度に応答して与えられる。各軸についての差が加算器４１６，４１８，
４２０により与えられ、振動感度係数推定器４３０に与えられる。測定加速度４
１０がバッファ４３５にも与えられ、有効なサンプリングデータを得るためにサ
ンプル化を企図する最大周波数の少なくとも２倍の比率で所定の計測時間に亙り
各軸の加速度をサンプル化する。振動パワースペクトル密度が各軸に沿って４４
０で計算され、次いでＮ個の周波数ビンの各々の振動パワーが４４５において算
出される。これらの値は次いで推定器４３０に与えられる。
【００２４】 必要なモデルの校正は多数の異なるテスト条件が必要で、テスト条件は加えら
れる振動刺激と殆どの振動エネルギーが集中する周波数ビンとの軸によって定義
付けられる。この場合ｊ番目のテスト条件の振動誘起エラーについてのモデルは この式は δａｊ ＝ Ｈｊｃ とも書かれ得、ここにｃは振動感度係数 Ｃｘｘｉ，Ｃｘｙｉ，Ｃｘｚｉ，Ｃｙｘｉ，Ｃｙｙｉ，Ｃｙｚｉ，Ｃｚｘ
ｉ，Ｃｚｙｉ，Ｃｚｚｉ， ここにｉ＝１，２．．．Ｎから形成される９Ｎ要素のコラムベクトルであり、Ｈ
ｊはＮ番目の振動周波数ビンの測定３軸振動パワーレベルでなる３×９Ｎ係数マ
トリクスである。
【００２５】 テスト条件の充分な数（Ｍ）に亙って集められたデータ（主要３軸の各々にお
ける振動刺激、各々は異なる優性の振動周波数の数（∃Ｎ）を越える）は合成振
動誘起エラーモデルの開発に用いられ 、更に簡潔にすれば ｖ ＝ Ｈｃ
【００２６】 ここに測定ベクトルｙは各テスト条件での３つの加速度計に存在する振動誘起
加速エラーを表わす。未知数（ｃ）のベクトルは推定すべき振動感度係数を表わ
す。マトリクス（Ｈ）は主要３軸と∃Ｎ振動周波数ビンの測定振動パワーレベル
でなる。
【００２７】 上記測定値モデルの形態を与えられて振動感度係数の周知の最小２乗推定が □ ＝ （ＨＴＨ）−１ＨＴ ｙ によって得られる。
【００２８】 他の周知の推定アルゴリズムもまた使用され得、重みを付けた最小の２乗推定
器、最大見込み型推定器及びカルマンフィルタのような帰納的推定器を含む、振
動感度係数の推定値を発生する。
【００２９】 工場校正に代わるものとして、ある応用では振動感度係数のオンライン推定を
用いる。一の実施形態では地球位置システム（ＧＰＳ）を用いた慣性航法システ
ムのＧＰＳが位置と速度の正確な測定値（あるいは等価的に複数のＧＰＳ衛星の
疑似領域ないしは三角領域）を提供する。ＧＰＳ測定値はホスト車両振動の影響
を受けるＩＭＵジャイロスコープ及び加速度計を用いて形成した航法解答の位置
並びに速度エラーを提示する。例えばＧＰＳ・慣性カルマンフィルタにおいてＧ
ＰＳ測定値と測定振動スペクトルを処理することは、処理誘起エラー感度係数の
可視性を提供する。
【００３０】 簡略化した例はセンサが三次元振動刺激の一成分のみの影響を受けると仮定す
るとしても、実際上センサは全３軸に作用する振動スペクトルの影響を受けるこ
とが期待される。この三次元振動刺激はセンサの主要３座標軸におけるＰＳＤに
よって、且つ関連する交差パワースペクトルによって特徴付けられる。
【００３１】 （結論） 上記の説明は例記であって限定ではないことを理解されよう。当業者には上記
説明を見れば他の多くの実施形態が明らかである。例えば慣性センサ補償を記載
しているが、圧力、ガス流、温度等の実質的に如何なる種類のセンサでもリアル
タイム振動環境の特性を表わす適切な測定値を利用できる限りは同様の補償機能
を有する。
【００３２】 本発明の一の実施形態では汎用のマイクロプロセッサにおいてホストされたソ
フトウェアアルゴリズムを用いて振動パワースペクトル推定機能が行なわれる。
これに代えて他の実施形態においてはＰＳＤ推定値を生じるためのコープロセッ
サとしてのデジタル信号プロセッサ型ハードウェア装置を用いる。更に他の実施
形態は上述より明らかであろう。
【００３３】 更に他の実施形態では数組の校正係数が温度依存の振動感度係数を示すセンサ
用に選択した温度範囲のために提供される。この実施形態は被補償センサに近接
して置かれる温度センサを含む。温度センサの一出力は補償モジュールで使用さ
れ、正しい補償係数の一組を得る。
【００３４】 従って本発明の範囲は添付の請求範囲に含まれる均等物の全範囲に沿って決定
される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１はセンサの振動誘起エラーを推定し補正する機構のブロック図である。
【図２】 図２は簡潔な例についての振動誘起エラーのモデルを示す。
【図３】 図３はセンサの振動誘起エラーを推定し補正するコンピュータ化可能な方法を
表わすフローチャートである。
【図４】 図４は所定の係数の基準加速度の推定を示すブロック図である。
【手続補正書】
【提出日】平成１４年３月２９日（２００２．３．２９）
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】追加
【補正の内容】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】

Claims (30)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 高データ比率の振動サンプル（１２６）を得る工程と、振動
    パワースペクトル密度（１３０）を推定する工程と、推定値を前に決定した校正
    係数と組み合わせてリアルタイム振動誘起エラー補正値（１３４）を生じる工程
    とよりなる、センサにおける振動誘起エラーの作用を減じる方法。
  2. 【請求項２】 振動パワースペクトル密度推定工程は多数の周波数ビン内の
    振動パワー値を算定する工程を含む請求項１の方法。
  3. 【請求項３】 所定振動感度係数は工場での振動刺激校正手続において決定
    される請求項１の方法。
  4. 【請求項４】 前に決定した校正係数が補正される実際のセンサについて決
    定される請求項１の方法。
  5. 【請求項５】 前に決定した校正係数が同種のセンサについて決定される請
    求項１の方法。
  6. 【請求項６】 同種のセンサが同一のバッチで製造されたセンサでなる請求
    項５の方法。
  7. 【請求項７】 コンピュータに請求項１の方法を実行させるインストラクシ
    ョンを記録させたコンピュータ読取り媒体。
  8. 【請求項８】 パワースペクトル密度が１軸について測定される請求項１の
    方法。
  9. 【請求項９】 パワースペクトル密度が３軸について測定される請求項１の
    方法。
  10. 【請求項１０】 センサにおける振動誘起エラーを補償するコンピュータに
    よる方法において、振動の少なくとも１軸について振動サンプルを緩衝する工程
    と、緩衝された振動サンプルについてパワースペクトル密度を算定する工程と、
    多数の周波数ビン内の振動パワー値を算定する工程と、振動パワー値を所定の振
    動感度係数と組み合わせて推定振動誘起エラーを得る工程とを含む方法。
  11. 【請求項１１】 各周波数ビンが周波数範囲において均等である請求項１０
    の方法。
  12. 【請求項１２】 周波数ビンは所定の周波数についての周波数範囲が小さく
    される請求項１０の方法。
  13. 【請求項１３】 振動の多数の軸に適用される請求項１０の方法。
  14. 【請求項１４】 多数の周波数ビン内のパワー値は各ビン内の平均２乗振動
    を表わす請求項１０の方法。
  15. 【請求項１５】 振動サンプルは周波数ビンに対応するバンドパスフィルタ
    を介して得られる請求項１０の方法。
  16. 【請求項１６】 所定の振動感度係数が工場での振動刺激校正処理で決定さ
    れる請求項１０の方法。
  17. 【請求項１７】 所定の振動感度係数が振動で影響されない測定値をリアル
    タイムに振動に影響されるセンサから得た測定値と比較して決定される請求項１
    ０の方法。
  18. 【請求項１８】 センサはジャイロスコープと加速度計とでなり、振動に影
    響されない測定値はＧＰＳ位置の測定値でなる請求項１７の方法。
  19. 【請求項１９】 請求項１０の方法をコンピュータシステムに実行させるた
    めに記憶した指令を有するコンピュータ読取り媒体。
  20. 【請求項２０】 慣性センサ用の補正係数の算定方法において、センサの加
    速度を測定する工程と、測定した加速度に対応する選定周波数ビン内の振動パワ
    ーを計算する工程と、測定した加速度の基準との差を与える工程と、測定した加
    速度との差を組み合わせて振動感度係数を得る工程とよりなる方法。
  21. 【請求項２１】 振動により影響されるセンサについて振動算定係数を提供
    する方式において、測定した加速度を受ける装置と、選定した周波数ビン内の振
    動パワーを計算する装置と、測定加速度の基準との差を求める装置と、測定加速
    度と差とを組み合わせて振動感度係数を得る装置とを備える方式。
  22. 【請求項２２】 センサが測定加速度で支配されることを確実にする装置を
    含む請求項２１の方式。
  23. 【請求項２３】 センサ（１２０）の振動誘起エラーを補償する方式におい
    て、加速度計（１２６）と、加速度計（１２６）に結合したパワースペクトル密
    度推定器（１３０）と、パワースペクトル密度推定器（１３０）とセンサ出力に
    ついて補償値を提供する複数の校正係数（１４０）とに結合した補償モジュール
    （１３４）とを備える方式。
  24. 【請求項２４】 加速度計は振動の軸の各々について設けられる請求項２３
    の方式。
  25. 【請求項２５】 センサは振動系機構でなる請求項２３の方式。
  26. 【請求項２６】 センサはジャイロである請求項２５の方式。
  27. 【請求項２７】 センサは補償モジュールが提供する補償値用の加速度計を
    備える請求項２６の方式。
  28. 【請求項２８】 センサは慣性センサである請求項２３の方式。
  29. 【請求項２９】 慣性センサと加速度計とを取付けるための固定アセンブリ
    を備える請求項２８の方式。
  30. 【請求項３０】 振動誘起センサエラーの補償用方式において、振動の少な
    くとも一軸における振動サンプルを緩衝する装置と、緩衝された振動サンプルに
    ついてパワースペクトル密度を算定する装置と、多数の周波数ビン内の振動パワ
    ー値を算定する装置と、振動パワー値を所定の振動感度係数と組み合わせて推定
    振動誘起エラーを得る装置とを備える方式。
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