JPH11190633A - Azimuth meter - Google Patents
Azimuth meterInfo
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- JPH11190633A JPH11190633A JP35956097A JP35956097A JPH11190633A JP H11190633 A JPH11190633 A JP H11190633A JP 35956097 A JP35956097 A JP 35956097A JP 35956097 A JP35956097 A JP 35956097A JP H11190633 A JPH11190633 A JP H11190633A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は例えば自動車など
の移動体に取付けられ、地球自転の角速度を検出するジ
ャイロと傾斜計（加速度計）を用いて真方位を測定する
方位計に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a compass which is attached to a moving body such as an automobile and measures a true bearing using a gyro and an inclinometer (accelerometer) for detecting the angular velocity of the earth's rotation.
【０００２】[0002]
【従来の技術】この種の従来の方位計は特開平５−１６
４５６３号「方位センサ」に示されている。この方位セ
ンサは回転台上に光ファイバジャイロと、傾斜計とを取
付け、傾斜計の出力により回転台のジャイロ取付け面が
常に水平面と平行するように、回転台を制御し、光ファ
イバジャイロの光ファイバループ面の重力方向と平行と
させた状態でそのループを重力方向と平行なループ径を
軸として回転させ、ループの回転により地球自転方向に
対するループ面の向きが変化し、ジャイロの出力が周期
的に変動し、ループ面が地球自転方向と一致すると、ジ
ャイロ出力は最大となる。従って、このジャイロ出力の
位相から真方位を求めることができる。2. Description of the Related Art A conventional compass of this type is disclosed in Japanese Unexamined Patent Publication No.
No. 4563, "azimuth sensor". This azimuth sensor mounts an optical fiber gyro and an inclinometer on a turntable, and controls the turntable by the output of the inclinometer so that the gyro mounting surface of the turntable is always parallel to the horizontal plane. With the fiber loop surface parallel to the direction of gravity, the loop is rotated around the loop diameter parallel to the direction of gravity, and the rotation of the loop changes the direction of the loop surface relative to the earth's rotation direction, and the output of the gyro changes periodically. Gyro output becomes maximum when the loop surface coincides with the earth's rotation direction. Therefore, the true azimuth can be obtained from the phase of the gyro output.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】従来の方位計は、回転
台の回転面を水平面に維持する機構が必要であり、この
機構が複雑な上、その水平面制御を精度よく行うことが
比較的困難で、傾斜誤差が生じ、この傾斜誤差にもとづ
くとき、求めた真方位に誤差が生じる。The conventional compass requires a mechanism for maintaining the rotating surface of the turntable in a horizontal plane. This mechanism is complicated, and it is relatively difficult to accurately control the horizontal plane. Then, a tilt error occurs, and based on the tilt error, an error occurs in the obtained true azimuth.
【０００４】[0004]
【課題を解決するための手段】この発明によれば、回転
台にジャイロが取付けられ、ジャイロの入力軸は、回転
台の回転面（ジャイロ取付け面）と平行とされ、また回
転台に加速度計（傾斜計）が取付けられ、この加速度計
の入力軸も回転面と平行とされる。回転台の３つの回転
角度位置で、ジャイロの測定出力と加速度計の測定出力
とがそれぞれ取出され、これら３つの加速度測定値と、
前記測定回転角度とから、回転台の水平座標に対するピ
ッチ角度θとロール角度φとが姿勢角演算手段で演算さ
れ、また上記３つのジャイロ測定角速度と、測定回転角
度と、演算したピッチ角度θとロール角度φとからジャ
イロの入力軸の真方位が真方位演算手段で演算される。According to the present invention, a gyro is attached to a turntable, an input shaft of the gyro is parallel to a rotation surface (gyro attachment surface) of the turntable, and an accelerometer is attached to the turntable. (Inclinometer) is attached, and the input shaft of this accelerometer is also parallel to the plane of rotation. At three rotation angle positions of the turntable, the measurement output of the gyro and the measurement output of the accelerometer are respectively taken out, and these three acceleration measurement values are obtained.
From the measured rotation angle, the pitch angle θ and the roll angle φ with respect to the horizontal coordinate of the turntable are calculated by the attitude angle calculation means, and the three gyro measurement angular velocities, the measured rotation angle, and the calculated pitch angle θ The true azimuth of the input axis of the gyro is calculated by the true azimuth calculating means from the roll angle φ.
【０００５】[0005]
【発明の実施の形態】図１にこの発明の実施の形態を示
す。図１Ａに示すように、基台１１上に回転台１２がモ
ータのような回転台駆動部１３により、任意の回転角度
位置をとることができるように、取付けられている。回
転台１２上に加速度計（傾斜計）１４、角速度計（ジャ
イロ）としての光ファイバジャイロ１５が取付けられて
いる。加速度計１４、光ファイバジャイロ１５の各入力
軸１６，１７はそれぞれ、回転台１２の加速度計、ジャ
イロ取付け面１８と平行とされている。基台１１上には
制御・演算部１９が取付けられている。FIG. 1 shows an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1A, a turntable 12 is mounted on a base 11 by a turntable drive unit 13 such as a motor so that the turntable 12 can take an arbitrary rotation angle position. An accelerometer (inclinometer) 14 and an optical fiber gyro 15 as an angular velocity meter (gyro) are mounted on the turntable 12. The input shafts 16 and 17 of the accelerometer 14 and the optical fiber gyro 15 are respectively parallel to the accelerometer and gyro mounting surface 18 of the turntable 12. A control / arithmetic unit 19 is mounted on the base 11.
【０００６】図１Ｂに示すように制御・演算部１９中の
制御部１９ａにより、回転台駆動部１３が制御され、回
転台１１が、３つの回転角度位置Ψ1 ，Ψ2 ，Ψ3 に順
次設定される。その回転角度位置Ψ1 ，Ψ2 ，Ψ3 で加
速度計１４からそれぞれ測定値ａｘ（Ψ1 ），ａｘ（Ψ
2 ），ａｘ（Ψ3 ）を得、またジャイロ１５からそれぞ
れ測定値ωｘ1 ，ωｘ2 ，ωｘ3 を得る。[0006] The control unit 19a in the control and operation unit 19 as shown in FIG. 1B, turntable drive unit 13 is controlled, the turntable 11, three rotational angular position [psi 1, [psi 2, sequentially [psi 3 Is set. The rotational angular position Ψ 1, Ψ 2, Ψ 3 each measurement ax from the accelerometer 14 (Ψ 1), ax (Ψ
2 ), ax (Ψ 3 ), and measured values ωx 1 , ωx 2 , ωx 3 from the gyro 15.
【０００７】加速度計１４の前記３つの測定値と、回転
角度位置Ψ1 ，Ψ2 ，Ψ3 と重力の加速度Ｇとから、回
転台１４の取付け面１８の水平座標に対するピッチ角度
θ、ロール角度φ、加速度計１４のバイアス誤差ＡＢＸ
が、制御・演算部１９中の姿勢角演算部１９ｂで計算さ
れる。更にジャイロ１５の前記３つの測定値と、回転角
度位置Ψ1 ，Ψ2 ，Ψ3 と、演算したθ，φと回転台１
２の現在位置の緯度λと、地球自転角速度と用いて、制
御・演算部１９中の真方位演算部１９ｃで真方位Ψ
T と、ジャイロ１５のバイアス誤差ｋｘｂを演算し、そ
の真方位ΨT を表示部２０などへ出力する。From the three measured values of the accelerometer 14, the rotational angle positions Ψ 1 , Ψ 2 , Ψ 3 and the acceleration G of gravity, the pitch angle θ and the roll angle with respect to the horizontal coordinate of the mounting surface 18 of the turntable 14 φ, bias error ABX of accelerometer 14
Is calculated by the attitude angle calculation unit 19b in the control / calculation unit 19. Further, the three measured values of the gyro 15, the rotational angle positions Ψ 1 , Ψ 2 , Ψ 3 , the calculated θ, φ, and the turntable 1
2 using the latitude λ of the current position and the earth rotation angular velocity, the true azimuth calculation unit 19 c in the control and calculation unit 19.
And T, calculates the bias error kxb gyro 15, and outputs the true bearing [psi T display section 20 to such.
【０００８】以下、演算部１９ｂ，１９ｃにおける演算
について説明する。ＮＥＤ座標系（極地水平座標系）は
図２Ａに示すように軸Ｎは真北方向であり、軸Ｅは真東
方向であり、軸Ｄは鉛直下向きである。水平座標系は図
２Ｂに示すようにＮＥＤ座標系からＤ軸まわりに角度Ψ
T 回転した状態である。従ってこの発明方位系のジャイ
ロ１５の入力軸１７を、これが取付けられた移動体の機
首方向と一致させると、ＸL 方向がその機首方位とな
る。Hereinafter, the calculation in the calculation units 19b and 19c will be described. In the NED coordinate system (polar horizontal coordinate system), as shown in FIG. 2A, the axis N is a true north direction, the axis E is a true east direction, and the axis D is a vertically downward direction. The horizontal coordinate system is, as shown in FIG. 2B, an angle Ψ around the D axis from the NED coordinate system.
It is in a state of T rotation. Thus the input shaft 17 of the gyro 15 of the invention bearing system, when this is consistent with the heading of the moving body mounted, X L direction is its heading.
【０００９】回転台１２の座標系は水平座標系から、最
初にＹL 軸回りにピッチ角度θだけ回転させ、次にＸL
軸回りにロール角度φだけ回転させたものであり、この
時の軸をＸ，Ｙ，Ｚとする。回転台１４はこのＺ軸の回
りに角度Ψ回転させる。つまり水平座標系をθ→φ→Ψ
回転した状態が回転台座標系となる。いま説明を簡単に
するため、回転台１４の回転角度Ψ＝０の時、ジャイロ
１４の入力軸１７をＸ軸方向とする。よって回転台１４
の回転により入力軸１７がＸＹ平面を回転する。同様に
説明を簡単にするため、加速度計１４の入力軸１６も、
回転台１２の回転角度Ψ＝０でＸ軸方向を指すようにす
る。よって回転台１２の回転により入力軸１６がＸＹ平
面を回転する。[0009] coordinate system of the turntable 12 from the horizontal coordinate system is initially rotated by the pitch angle θ on the Y L axis, then X L
It is rotated by a roll angle φ around the axis, and the axes at this time are X, Y, and Z. The turntable 14 is rotated by an angle に about the Z axis. In other words, the horizontal coordinate system is θ → φ → Ψ
The rotated state is the turntable coordinate system. For the sake of simplicity, the input shaft 17 of the gyro 14 is set in the X-axis direction when the rotation angle 回 転 of the turntable 14 is zero. Therefore, the turntable 14
Rotates the input shaft 17 on the XY plane. Similarly, for simplicity, the input shaft 16 of the accelerometer 14 is also
The rotation angle of the turntable 12 is set to point in the X-axis direction at Ψ = 0. Therefore, the rotation of the turntable 12 causes the input shaft 16 to rotate on the XY plane.
【００１０】回転台座標系から水平座標系に変換する回
転行列は次式に与えられる。 従って回転台軸から水平軸に変換する時の回転行列ＣTL
は、次式となる。[0010] The rotation matrix for converting from the rotary table coordinate system to the horizontal coordinate system is given by the following equation. Therefore, the rotation matrix C TL when converting from the rotary table axis to the horizontal axis
Becomes the following equation.
【００１１】ＣTL＝θ・φ・Ψ また、逆に水平軸から回転台軸に変換する時の回転行列
ＣLTは、ＣTLの転置行列である。ＣLTの各要素を次のよ
うに表わす。 （１）姿勢角の算出回転台１２上で検出する地球重力ａ
は次で表わせる。C TL = θ · φ · Ψ Conversely, the rotation matrix C LT when converting from the horizontal axis to the rotary table axis is a transposed matrix of C TL . Represent each element of C LT as follows. (1) Calculation of attitude angle Earth gravity a detected on the turntable 12
Can be expressed as follows.
【００１２】 使用する加速度計はこの方位計では前述したように１軸
（Ｘ軸）のみであるから ここで、３点の既知の回転台１２の角度位置Ψ1 ，
Ψ2 ，Ψ3 について加速度計１４の計測値ａｘ
（Ψ1 ），ａｘ（Ψ2 ），ａｘ（Ψ3 ）を式（１）に代
入して次の連立方程式を作る。 この式を行列ａ，Ｈ，ｘで表わすと次式となる。[0012] The accelerometer to be used has only one axis (X axis) as described above in this compass Here, three known angular positions 回 転1 , 1
Measurement value ax of accelerometer 14 for Ψ 2 and Ψ 3
By substituting (Ψ 1 ), ax (Ψ 2 ), and ax (Ψ 3 ) into the equation (1), the following simultaneous equations are created. When this equation is represented by matrices a, H and x, the following equation is obtained.
【００１３】 ａ＝ Ｈ ・ ｘ この両辺の左よりＨの逆行列Ｈ-1をかけると次式となる θ，φ，ＡＢＸは次で求まる。A = H · x When the inverse matrix H −1 of H is applied from the left of both sides, the following equation is obtained. θ, φ, and ABX are obtained as follows.
【００１４】 θ＝ sin-1（Ｘ１／Ｇ） φ＝ sin-1（Ｘ１／cos θ），ＡＢＸ＝Ｘ３ (2) （２）真方位の算出 回転台１２上で検出される地球自転角速度は次式で表わ
せる。 ωＥ：地球自転角速度＝１５°／Hour、λ：回転台１２
の位置の緯度 ωN ： ωＥ×cos λ ωD ：−ωＥ×sin λ この実施例ではジャイロ１５の入力軸はＸ軸のみである
から、ジャイロ１５が測定するωｘは次式である。Θ = sin −1 (X1 / G) φ = sin −1 (X1 / cos θ), ABX = X3 (2) (2) Calculation of True Direction The rotation angle of the earth detected on the turntable 12 is It can be expressed by the following equation. ωE: Earth rotation angular velocity = 15 ° / Hour, λ: Turntable 12
Position latitude ω N: ωE × cos λ ω D: Since in this example -ωE × sin λ input shaft of the gyro 15 is only the X-axis, .omega.x the gyro 15 measures are the following expression.
【００１５】 ωD 項を左辺に移動する。[0015] Move the ω D term to the left side.
【００１６】 上式について、３点の既知の回転台１２の角度位置
Ψ1 ，Ψ2 ，Ψ3 についてのジャイロ１５のｘを計測値
ωｘ1 ，ωｘ2 ，ωｘ3 をそれぞれ式（２）に代入して
下記の連立方程式を作る。つまり、 この式を行列ω，Ｈ，ｘでω＝Ｈ・ｘと表わす。[0016] With respect to the above equation, x of the gyro 15 for the three known angular positions 回 転1 , Ψ 2 , Ψ 3 of the turntable 12 are substituted for the measured values ωx 1 , ωx 2 , ωx 3 into the equation (2), respectively. Make the following simultaneous equations. That is, This equation is expressed as ω = H · x by matrices ω, H, x.
【００１７】∴ ｘ＝Ｈ-1・ω ωD が既知（＝緯度が既知）である場合は、上式を１回
解くことにより、真北方位ΨT とｋｘｂをそれぞれ次式
で算出する。 真方位：ΨT ＝tan -1（ｘ２／ｘ１） バイアス：ｋｘｂ＝ｘ３ （４） If ∴ x = H -1 · ω ω D is known (= latitude is known), the above equation is solved once to calculate the true north direction Ψ T and kxb by the following equations, respectively. True azimuth: Ψ T = tan -1 (x2 / x1) Bias: kxb = x3 (4)
【００１８】 以上から理解されるように図１Ｂ中の姿勢角演算部１９
ｂでは式（２）を演算して、θ，φ，ＡＢＸを求め、真
方位演算部１９ｃで式（４）を演算して真方位ΨT とバ
イアス値ｋｘｂを得る。[0018] As can be understood from the above, the attitude angle calculation unit 19 in FIG.
and calculates the in b Equation (2), θ, φ, seeking ABX, by calculating the equation (4) in true azimuth calculation unit 19c to obtain the true bearing [psi T and the bias value Kxb.
【００１９】ωD が未知、つまり回転台１２の現在位置
の緯度λが不明の場合は、λの初期値：例えば３５°と
適当に与えて式（４）を演算し、 Ｘ１＝ωN cos ΨT ＝ωE cos λ・cos ΨT の関係から緯度λ′を次式で求める。 λ′＝cos -1（Ｘ１／１５・cos ΨT ）， cos ΨT ≠０ 又はλ′＝cos -1（Ｘ２／１５・sin ΨT ）， sin ΨT ≠０ このλ′を用いて、真方位（式（４））の計算を行い、
その結果から再びλ′を求め、真方位計算することを繰
返し、λ′が収斂した状態で得られた真方位Ψ T を測定
出力とする。ΩDIs unknown, that is, the current position of the turntable 12
Is unknown, the initial value of λ: for example, 35 °
Formula (4) is calculated by giving it appropriately, and X1 = ωNcos ΨT= ΩEcos λ ・ cos ΨT Is obtained from the following equation. λ '= cos-1(X1 / 15 · cos ΨT), Cos ΨT≠ 0 or λ '= cos-1(X2 / 15 · sin ΨT), Sin ΨT≠ 0 Using this λ ′, the true direction (Equation (4)) is calculated, and
From the result, λ 'is calculated again and the true direction calculation is repeated.
Return, the true azimuth Ψ obtained with λ 'converged TMeasure
Output.
【００２０】上述においては計算の簡便さから、加速度
計１４の入力軸１６とジャイロ１５の入力軸１７とを同
一方向としたが、これらは互いにずれていてもよい。ま
た光ファイバジャイロ１５の代りに他の角速度を検出す
るジャイロとしてもよい。なお加速度計１４のバイアス
ＡＢＸ、ジャイロ１５のバイアスｋｘはそれぞれ未知数
であるが、これらバイアスを知らなくても、上述のよう
に姿勢角θ，φ，真方位ΨT を求めることができる。In the above description, the input shaft 16 of the accelerometer 14 and the input shaft 17 of the gyro 15 are set in the same direction for the sake of simplicity of calculation, but they may be shifted from each other. A gyro for detecting another angular velocity may be used instead of the optical fiber gyro 15. Note accelerometer 14 bias ABX, the bias kx gyro 15 is unknown, respectively, without knowing these bias attitude angles as described above theta, phi, it is possible to determine the true orientation [psi T.
【００２１】[0021]
【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば、回
転台１２を水平面に保持する必要がなく、つまり水平面
保持のための複雑な機構が不用で、機構的構成が頗る簡
単であり、しかも、水平面保持機構の水平面保持誤差に
もとづく真方位測定誤差が生じるおそれがなく、高い精
度で真方位を測定することができる。As described above, according to the present invention, it is not necessary to hold the turntable 12 on a horizontal surface, that is, a complicated mechanism for holding the horizontal surface is unnecessary, and the mechanical structure is very simple. Moreover, there is no possibility that a true azimuth measurement error based on a horizontal plane holding error of the horizontal plane holding mechanism will occur, and the true azimuth can be measured with high accuracy.
【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]
【図１】Ａはこの発明の実施例の外観を簡略に示す図、
Ｂはその機能構成を示すブロック図である。FIG. 1A is a diagram schematically showing the appearance of an embodiment of the present invention;
B is a block diagram showing the functional configuration.
【図２】Ａは極地水平座標系（ＮＥＤ座標系）を、Ｂは
水平座標系をそれぞれ示す図である。2A is a diagram illustrating a polar horizontal coordinate system (NED coordinate system), and FIG. 2B is a diagram illustrating a horizontal coordinate system.
Claims (2)
平行な入力軸の加速度計と、 上記回転台上に取付けられ、その取付け面と平行な入力
軸のジャイロと、 上記回転台を回転して、その３つの回転角度位置で上記
加速度計の各加速度出力、上記ジャイロの各角速度出力
をそれぞれ測定する手段と、 上記３つの加速度測定値とその測定回転角度とから、上
記回転台の水平座標に対するピッチ角度θ、ロール角度
φを演算する姿勢角演算手段と、 上記ジャイロの測定角速度と、上記測定回転角度と、上
記演算したピッチ角度θ、ロール角度φとから上記ジャ
イロの入力軸の真方位を計算する真方位演算手段と、 を具備する方位計。1. A turntable, an accelerometer having an input shaft mounted on the turntable and parallel to a mounting surface on the turntable, and an input shaft mounted on the turntable and parallel to the mount surface A means for rotating the turntable and measuring each acceleration output of the accelerometer and each angular velocity output of the gyro at the three rotational angular positions; and the three acceleration measured values and the measured rotation. From the angle, the attitude angle calculating means for calculating the pitch angle θ and the roll angle φ with respect to the horizontal coordinate of the turntable, the measured angular velocity of the gyro, the measured rotation angle, and the calculated pitch angle θ and roll angle φ A true azimuth calculating means for calculating the true azimuth of the input shaft of the gyro from the above.
て、適当に緯度データを与えて、上記地球レート行列の
１成分を求め、その求めた成分から上記回転台位置の緯
度を求め、その求めた緯度を用いて同様の計算を繰返
し、収斂した値をその回転台位置の緯度とする手段を含
むことを特徴とする請求項１記載の方位計。2. Latitude data is appropriately given as latitude used in the true azimuth calculation means, one component of the earth rate matrix is obtained, and the latitude of the rotary table position is obtained from the obtained component. 2. The compass as claimed in claim 1, further comprising means for repeating the same calculation using the latitude, and using the converged value as the latitude of the turntable position.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35956097A JPH11190633A (en) | 1997-12-26 | 1997-12-26 | Azimuth meter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35956097A JPH11190633A (en) | 1997-12-26 | 1997-12-26 | Azimuth meter |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11190633A true JPH11190633A (en) | 1999-07-13 |
Family
ID=18465135
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP35956097A Pending JPH11190633A (en) | 1997-12-26 | 1997-12-26 | Azimuth meter |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11190633A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010047078A1 (en) | 2008-10-20 | 2010-04-29 | 住友精密工業株式会社 | Six-direction orienting device |
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-
1997
- 1997-12-26 JP JP35956097A patent/JPH11190633A/en active Pending
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20020604 |