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MEMS センサを用いた 小型 INS/GPS 航法装置 の開発

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MEMS センサを用いた 小型 INS/GPS 航法装置 の開発 - PowerPoint PPT Presentation


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MEMS センサを用いた 小型 INS/GPS 航法装置 の開発. 56367 成岡 優 指導教員 : 土屋助教授. 概要. 背景 : 小型、軽量、安価かつ高精度な航法装置の必要性 手法 評価 : 精度 はどれくらいか ? 結論. 背景 (1/5) 高精度な航法データの必要性. 多くのアプリケーションて精度よい航法情報 ( 位置や速度、姿勢 ) が必要とされる 飛行機や宇宙機のナビゲーション 車や電車等の移動体の監視 ロボットや UAV の誘導制御. 航空機で培われたナビゲーション技術 を 汎用的に利用することはできないか ?.

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Presentation Transcript
mems ins gps

MEMSセンサを用いた小型INS/GPS航法装置の開発

56367 成岡 優

指導教員: 土屋助教授

slide2
概要
  • 背景: 小型、軽量、安価かつ高精度な航法装置の必要性
  • 手法
  • 評価: 精度はどれくらいか?
  • 結論

修士輪講会2006

slide3
背景 (1/5)高精度な航法データの必要性
  • 多くのアプリケーションて精度よい航法情報(位置や速度、姿勢)が必要とされる
    • 飛行機や宇宙機のナビゲーション
    • 車や電車等の移動体の監視
    • ロボットやUAVの誘導制御

航空機で培われたナビゲーション技術を

汎用的に利用することはできないか?

修士輪講会2006

2 5 1 ins gps
背景 (2/5)優れた航空機の航法技術の1つとしてINS/GPS
  • INS/GPS複合航法

慣性航法装置

(INS)

Global Positioning System

(GPS)

+

早い更新周期

but

誤差が蓄積

誤差が蓄積しない

but

更新周期が低い

早い更新周期

and

誤差蓄積しない

修士輪講会2006

3 5 ins gps
背景 (3/5)INS/GPSの仕組み

運動の法則

三角測量

INS

GPS

慣性センサ

受信機

加速度

角速度

位置

速度

姿勢

衛星

位置

速度

電波

統合

INS/GPS

位置, 速度, 姿勢

修士輪講会2006

4 5 vs ins gps
航空機向け(既存)

汎用向け(近年開発中)

背景 (4/5)航空機 vs. 汎用 INS/GPS

高精度?

超高精度

(誤差: <1m, <1deg)

Trade-Off

着目点

大きい(> 1000cm3)

重い(> 1 kg)

小さい (< 1000cm3)

軽い (< 1 kg)

飛行機、宇宙機のみ!

安価

(< 100万円)

高価

(> 100万円)

修士輪講会2006

slide7
背景 (5/5)研究目的
  • 精度とその他スペックの間に存在するトレードオフを議論することは非常に重要である
  • 本研究の目的
    • できる限り小さく、軽く、安価なINS/GPS装置を構成し
    • その精度を正確に評価し、汎用的に使用可能か検討する

修士輪講会2006

slide8
高精度だが大きく重く高価な特殊部品

Ring laser gyro

軍用、特殊用GPS

小さく軽く安価な汎用部品

MEMS慣性センサ

民生用GPS

手法 (1/7)構成機器

使用しない

使用する

修士輪講会2006

2 7 mems gps
手法 (2/7)MEMSセンサと民生用GPS
  • MEMS慣性センサ
    • 電気回路と検出部を一体化
    • 小さく(~1cm2),軽く(<1 g),安価(<1万円)
    • MEMS慣性センサを用いたINSは誤差が非常に早く溜まりやすい.
  • 民生用GPS受信機
    • カーナビなどに使われている
    • 小さく(~10 cm2),軽く(<10g),安価(~1万円)
    • 比較的よい精度 (位置誤差: 10~20m)

修士輪講会2006

3 7 ins gps
手法 (3/7)INS/GPSアルゴリズム
  • Strap-down構成
    • 機械的なジンバルが必要ない
  • extended Kalman filtering (EKF)による統合
    • Loose-coupling: 計算リソースの節約
  • クォータニオンの活用
    • MEMSセンサの大きな誤差を補償するための数学的に単純なモデル
    • オイラー角で発生するような特異点を完全に除去

修士輪講会2006

4 7 1 ins
手法 (4/7)式(1) : INS運動方程式
  • 速度 (3[North, East, Down Speed] 状態量)

Acceleration

Gravity

  • 位置 (4[Latitude, Longitude, Azimuth] + 1[Height] = 5 状態量)

quaternion

  • 姿勢 (4[Roll, Pitch, Heading] 状態量)

Angular Speed

修士輪講会2006

5 7 2 ekf
手法 (5/7)式(2) : EKF向け線形化

INS運動方程式に以下の代入をすることでEKF用の線形化が完了する

quaternion

大きさを維持したままのクォータニオンの線形化

  • Jacobian i.e. 足し算型 (4 状態量)
  • 掛け算型 (3 状態量)

修士輪講会2006

6 7 3 ekf
EKF Time Update

EKF Correct

手法 (6/7)式(3) : EKF

INSが時間更新するとき

GPSから情報が得られたとき

quaternion

修士輪講会2006

slide14
手法 (7/7)全体図

Strap-down構成

MEMS

慣性センサ

クォータニオンの利用

民生用GPS

修士輪講会2006

slide15
評価 (1/11)概要
  • プロトタイプ
    • 提案手法に基づいて作成
    • 較正を行う
  • 精度評価試験
    • プロトタイプと高精度な既存航法装置の比較

修士輪講会2006

slide16
評価 (2/11)プロトタイプ

大きさ: ~ 100 cm3

重さ: ~ 30 g

費用: ~ 3万円

(構造部材ぬきで)

小さく、軽く、安価である

修士輪講会2006

4 11 mems ins
温度ドリフト

取付け誤差

評価 (4/11)MEMS INSの較正

rotating

settling

容易に取り除ける誤差要因の中で最も効果が大きい

修士輪講会2006

slide19
温度ドリフト

取付け誤差

評価 (5/11)較正結果
  • 温度ドリフトと取付け誤差の測定結果

傾いている

傾いている

Y,Z

X

温度

真の角速度 (X軸)

vs.

vs.

検出加速度

(X-軸 加速度計)

検出角速度

(X, Y, Z-軸 ジャイロ)

修士輪講会2006

slide20
評価 (6/11)精度評価試験
  • GAIAとの比較 (2006/06)
    • GAIA: JAXAによって開発された超高精度なINS/GPS装置、誤差は絶対位置で < 1m
    • 同JAXA所有の実験用航空機 MuPAL-a内にプロトタイプとGAIAを設置
    • 飛行し、両者の履歴を比較

修士輪講会2006

slide21
評価 (7/11)実景風景

GAIA

MuPAL-a

プロトタイプ

修士輪講会2006

slide22
評価 (8/11)試験結果

プロトタイプ: 赤 GAIA: 緑

速度

位置 (3D)

姿勢

GAIAとほぼ等しい

修士輪講会2006

slide23
評価 (9/11)結果詳細

GAIAを基準としたときの

プロトタイプの誤差の統計量

位置

< 10m

速度

< 2 deg

姿勢

> 10 deg

修士輪講会2006

10 11
評価 (10/11)試験結果のまとめと考察
  • 誤差: < 10 m(位置), < 2 deg(ロール、ピッチ)
    • 汎用的に使用するのに十分な精度と考えられる
  • ヘディングが特に悪い (誤差: >10 deg)
    • 運動の周波数モードの影響が考えられる
      • ロールやピッチは比較的高い周波数の運動 (> 1Hz)
      • 一方ヘディングは周波数の低い運動 (< 1 Hz)
      • 除去が難しい周波数の低いノイズ成分、例えばゼロ点変動と重なってしまっている

修士輪講会2006

11 11
較正あり

較正なし

評価 (11/11)較正の効果

例 : ロール履歴

較正の効果を確認できる

修士輪講会2006

slide26
結論
  • 提案した手法とその結果
    • 汎用的利用を目指した小さく、軽く、安価なINS/GPSを提案した
    • MEMS慣性センサと民生用GPS受信機を構成機器とし、Strap-down構成をとった
    • アルゴリズムではEKFとQuaternionを利用した
    • 温度ドリフトと取付け誤差を較正し、その効果を確認した
    • 試験結果によると、汎用利用には十分な精度を有する、誤差は位置で10 m以内、ロールとピッチで2度以内であった

修士輪講会2006

slide27
今後の課題
  • 低い周波数のノイズへの対応
    • 時間-周波数解析
      • Waveletによる多重解像度解析
      • Waveletによるノイズ除去
    • 他の補強システムの利用
      • 地磁気センサ

修士輪講会2006