MEMS センサを用いた小型 INS/GPS 航法装置の開発

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? • 結論修士輪講会2006

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

評価 (3/11)プロトタイプ詳細 修士輪講会2006

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

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

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

評価 (7/11)実景風景 GAIA MuPAL-a プロトタイプ修士輪講会2006

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

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

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

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

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

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

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