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

23/04/22 2006 年 8 月 研究内容のまとめ 2

概要1. 背景2. 手法3. 評価試験4. まとめ5. 今後の課題

23/04/22 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

23/04/22 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

23/04/22 2006 年 8 月 研究内容のまとめ 5

背景 (3) INS/GPS 複合航法 <2>

統合

INS

GPS

位置

速度

姿勢

位置・速度等

位置

速度

姿勢

加速度

角速度 積分慣性セン

サ

23/04/22 2006 年 8 月 研究内容のまとめ 6

背景 (4) 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

大きく (103cm 以上 )

重い (1kg 以上 )

小さく (103cm 以下 )

軽い (1kg 以下 )

非常に高価

( 数百～数千万円 )

安価

( 数万円 )

飛行機・人工衛星のみ !

23/04/22 2006 年 8 月 研究内容のまとめ 7

手法 (1) 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

23/04/22 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

23/04/22 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

23/04/22 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

23/04/22 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

23/04/22 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

23/04/22 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

GPS

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 )

加速度計

ジャイロ

温度センサ

センサ

処理用 PC

USB24bit

ADC

23/04/22 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

23/04/22 2006 年 8 月 研究内容のまとめ 15

評価試験 (4) 校正作業

温度ドリフト スケールファクタ

キャリブリーション結果

23/04/22 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- ででで

23/04/22 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

プロトタイプ

MuPAL-

GAIA

23/04/22 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

23/04/22 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

23/04/22 2006 年 8 月 研究内容のまとめ 20

評価試験 (9) 性能評価実験 <5>

校正あり 校正なし

23/04/22 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

23/04/22 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

23/04/22 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

23/04/22 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

23/04/22 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