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小型 INS/GPS 航法システムの開発

小型 INS/GPS 航法システムの開発. 東京大学 工学系研究科 修士 2 年 成岡 優. 概要. 背景 手法 評価試験 まとめ 今後の課題. 背景 (1). 位置・速度・姿勢が知りたい 航空機・宇宙機のナビゲーション 電車・自動車など移動体の監視 ロボットの制御 携帯電話 航空機のナビゲーション技術を転用. 背景 (2) INS/GPS 複合航法 <1>. 1 つの解決策として INS/GPS 複合航法 慣性航法装置 (INS) Global Positioning System(GPS). 誤差蓄積 連続動作. 誤差蓄積せず

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小型 INS/GPS 航法システムの開発

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Presentation Transcript

  1. 小型INS/GPS航法システムの開発 東京大学 工学系研究科 修士2年 成岡 優

  2. 概要 • 背景 • 手法 • 評価試験 • まとめ • 今後の課題 2006年8月 研究内容のまとめ

  3. 背景(1) • 位置・速度・姿勢が知りたい • 航空機・宇宙機のナビゲーション • 電車・自動車など移動体の監視 • ロボットの制御 • 携帯電話 航空機のナビゲーション技術を転用 2006年8月 研究内容のまとめ

  4. 背景(2) INS/GPS複合航法<1> • 1つの解決策としてINS/GPS複合航法 • 慣性航法装置(INS) • Global Positioning System(GPS) 誤差蓄積 連続動作 誤差蓄積せず 間欠動作 誤差蓄積せず 連続動作 2006年8月 研究内容のまとめ

  5. 背景(3) INS/GPS複合航法<2> INS 位置 速度 姿勢 位置 速度 姿勢 加速度 角速度 統合 積分 慣性センサ 位置・速度等 GPS 2006年8月 研究内容のまとめ

  6. 既存のシステム 精度を最重視 提案するシステム ある程度の精度確保 背景(4) 小さく(103cm以下) 軽い(1kg以下) 大きく(103cm以上) 重い(1kg以上) 飛行機・人工衛星のみ! 安価 (数万円) 非常に高価 (数百～数千万円) 2006年8月 研究内容のまとめ

  7. 既存システムの構成 精度最重視なため、大きく、重く、高価 特注の慣性センサ 特殊GPS 提案システムの構成 構成機器は小さく、軽く、安価 MEMS慣性センサ 民生用GPS 手法(1) 2006年8月 研究内容のまとめ

  8. 手法(2) • MEMS慣性センサを用いたINS • 微細加工技術(MEMS)を応用した慣性センサ • 小さく(12cm程度)、軽く(数グラム)、安い(数千円) • 誤差が蓄積する速度が早く、精度維持困難 • 民生用GPS • カーナビなどに使われている • 小さく(32cm程度)、軽く(数十グラム)、安い(数千円) • 位置で誤差数m程度と、比較的高精度 2006年8月 研究内容のまとめ

  9. 手法(3) • INSとGPSの統合方式 • INSとGPSの良いところをとりたい • Kalman Filterを使用する • 発散しにくいアルゴリズム • センサの性能が悪い • モデル誤差が大きくなる • クォータニオンでモデルを構築 • 計算中に特異点が存在しない • クォータニオンの制約条件を考慮した上で線形化 2006年8月 研究内容のまとめ

  10. 手法(4) 全体図<1> • センサの観測値が得られた場合 2006年8月 研究内容のまとめ

  11. 手法(5) 全体図<2> • GPSの観測値が得られた場合 2006年8月 研究内容のまとめ

  12. 評価試験(1) 概要 • プロトタイプの作成 • 汎用的に使用できるほど小型・軽量・安価か? • 航空機にプロトタイプを搭載して実験 • 提案したシステムの精度はどの程度か? • より精度のよい既存の機器との比較実験 • できるだけよい結果を出すため、プロトタイプの校正作業をした 2006年8月 研究内容のまとめ

  13. 評価試験(2) プロトタイプ<1> • 構成図 センサ GPS 加速度計 ジャイロ 温度センサ 緯度･経度･高度 3軸速度 その他生データ(擬似距離･搬送波位相) 24bit ADC USB 処理用PC 2006年8月 研究内容のまとめ

  14. 評価試験(3) プロトタイプ<2> サイズ: 100cc以下 重量: 約30g コスト: 約3万円 2006年8月 研究内容のまとめ

  15. 温度ドリフト スケールファクタ 評価試験(4) 校正作業 • キャリブリーション結果 2006年8月 研究内容のまとめ

  16. 評価試験(5)性能評価実験<1> • Crossbowとの比較 (2005/10,2006/04) • Crossbowは100万円台で購入可能なINS/GPS装置 • 軽飛行機Cessnaで実験 • GAIAとの比較 (2006/06) • JAXA所有の高精度INS/GPS装置であるGAIA • 実験用航空機MuPAL-aで実験 2006年8月 研究内容のまとめ

  17. 評価試験(6) 性能評価実験<2> • 実験風景 GAIA MuPAL-a プロトタイプ 2006年8月 研究内容のまとめ

  18. 評価試験(7)性能評価実験<3> • プロトタイプ と GAIAの比較 位置 速度 姿勢 2006年8月 研究内容のまとめ

  19. 評価試験(8)性能評価実験<4> • プロトタイプ と GAIAの比較 2006年8月 研究内容のまとめ

  20. 校正あり 校正なし 評価試験(9) 性能評価実験<5> 2006年8月 研究内容のまとめ

  21. 評価試験(10) 実験結果のまとめ • 精度は移動体の制御や監視等に十分 • 位置にして数m、姿勢でも最悪値で十数度 • GPSの補強が効果を発揮している • 位置・速度に比べ姿勢の成績が悪い • GPSから直接的な補強がないため • MEMSセンサの性能の悪さを反映 • 温度補正や取付け誤差補正は有効 2006年8月 研究内容のまとめ

  22. 評価試験(11) 実験結果の考察 • 運動の周波数の影響 • ロール、ピッチよりヘディングが性能悪い • ロールやピッチは比較的周期の短い運動 • ヘディングは周期の長い運動 • ゼロ点変動などの長い周期で変動するノイズ成分の除去が困難 • ピッチの一部にも同じ現象 • 定常旋回中 • 変動なし 2006年8月 研究内容のまとめ

  23. まとめ • 提案したINS/GPSの有効である • 汎用的に使用するのに十分なサイズ、重量、コストを達成可能 • 誤差は位置で数m、姿勢においても最悪値で十数度と、移動体の制御や監視には十分 2006年8月 研究内容のまとめ

  24. 修士論文にむけて • 対象物体の運動のモードと精度が深く関係しているのではないか? • 時間-周波数解析を試みる • Waveletによる多重解像度解析 • 適切なフィルタをかけることにより、より精度向上を目指す 2006年8月 研究内容のまとめ

  25. 博士課程で何をするか • よりインテリジェントなナビゲーション • ネットワークで各ノードを接続する • 位置や速度、姿勢といった基本情報に加えさらに有益な情報の提供 • 進路予測 • DGPSで用いられているような補強情報 • 複数UAVを用いての実験 • 例えばフォーメーションフライト 2006年8月 研究内容のまとめ

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