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. 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 ?. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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MEMS センサを用いた小型 INS/GPS 航法装置の開発
概要1. 背景 : 小型、軽量、安価かつ高精
度な航法装置の必要性2. 手法3. 評価 : 精度はどれくらいか ?
4. 結論
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MEMS センサを用いた小型 INS/GPS 航法装置の開発
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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MEMS センサを用いた小型 INS/GPS 航法装置の開発
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
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
Time
Error
INS
Time
Error
GPS
Time
Error
INS/GPS
慣性航法装置(INS)
Global Positioning System(GPS)+
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MEMS センサを用いた小型 INS/GPS 航法装置の開発
背景 (3/5)INS/GPS の仕組み
位置 , 速度 , 姿勢
慣性センサ
位置
速度
位置
速度
姿勢
INS GPS
統合
加速度
角速度
INS/GPS
電波
衛星
運動の法則 三角測量
受信機
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MEMS センサを用いた小型 INS/GPS 航法装置の開発
背景 (4/5)航空機 vs. 汎用 INS/GPS
航空機向け ( 既存 ) 汎用向け ( 近年開発中 )
大きい (> 1000 cm3)
重い (> 1 kg)
小さい (< 1000 cm3)
軽い (< 1 kg)
高価
(> 100 万円 )
安価
(< 100 万円 )
飛行機、宇宙機のみ !
超高精度( 誤差 : <1m, <1deg)
高精度 ?
着目点Trade-Off
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MEMS センサを用いた小型 INS/GPS 航法装置の開発
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1. できる限り小さく、軽く、安価な INS/G
PS 装置を構成し2. その精度を正確に評価し、汎用的に使用
可能か検討する
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MEMS センサを用いた小型 INS/GPS 航法装置の開発
手法 (1/7)構成機器
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
使用しない 使用する
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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 (~1 cm2), 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)
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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
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手法 (4/7)式 (1) : INS 運動方程式
ne
eeie
eie
enn
enen
nie
nbnb
nbn
e
qr
qrg
qa
qrdt
d ~0~2
00~0~0
////
znen
en
en
ne rh
dt
dqq
dt
d
,0~
2
1~
/
bnn
ennie
bib
bn
bn qqq
dt
d ~000~2
1~
///
• 速度 (3[North, East, Down Speed] 状態量 )
• 位置 (4[Latitude, Longitude, Azimuth] + 1[Height] = 5 状態量 )
• 姿勢 (4[Roll, Pitch, Heading] 状態量 ) quaternion
Acceleration
Angular Speed
Gravity
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手法 (5/7)式 (2) : EKF 向け線形化
ne
ne
ne rrr
hhhqu
q nen
e
ne
,~1~
bnb
n
bn q
uq ~1~
gggaaa bib
bib
bib
bbb ,, ///
• Jacobian i.e. 足し算型 (4 状態量 ) • 掛け算型 (3 状態量 )
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
12)(~~ 22
qqqqqqqq
qqqq
1)(
1~1 22
qqq
q
uq
u
大きさを維持したままのクォータニオンの線形化
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手法 (6/7)式 (3) : EKF
EKF Time Update EKF Correct
BuAxxdt
d
g
a
u
u
h
u
r
x bib
b
bn
ne
ne
/,
TbT
kk tBQtBtAIPtAIP 1
TkkkTkkk uuEQxxEP ,
GPS
ne
ne
INS
ne
ne
r
h
q
r
h
q
z
~~
vHxz
kkkk PHKIP )(
kneINS
neINS
ne rrr
kINSINSINSne
kne
INSne hhhq
uq
,~1~
INSbn
kbn
INSbn q
uq ~1~
1 k
Tkkk
Tkkk RHPHHPK
kk
k
bn
ne
ne
k zK
u
h
u
r
x
Tkkk vvER
quaternion
INS が時間更新するとき GPS から情報が得られたとき
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手法 (7/7)全体図
AttitudeEq. of Motion
Velocity,Position
Eq. of Motion
Gravity
CoordinateTransformation
Velocity,Position
Attitude
MEMSGyro
MEMSAccelerometer
civil-use
GPSExtended
Kalman Filterupdate correct
correct
INS
: When sensor data is obtained
クォータニオンの利用
Strap-down構成
MEMS慣性セン
サ
民生用 GPS
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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
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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
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評価 (3/11)プロトタイプ詳細
USB
AN2131,Cypress24bit100Hz
A/DConverter
AD7739,AnalogDevices
4Hz
GPS
TI M-LA,u-blox
Position, Velocity,etc.ADXRS150,
AnalogDevices
1-Axis
Gyrox3
Angular Speed,Temperature
LI S3L02AS4,STMicroelectronics
3-Axes
Accelerometer
Acceleration
PC
INS/GPSAlgorithm(Kalman Filtering)
(w/o structural element)
Size:Weight:Cost:
under 100 [cm3]under 30 [g]about 30K [JP Yen
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評価 (4/11)MEMS INS の較正
温度ドリフト 取付け誤差Temperature-controlled Bath
MEMS Sensor
Temperature
Sen
sed
Val
ue Drifted
Not Driefted
Rate Table
MEMS GyroSensed Axis
Table Angular Speed
Sen
sed
Val
ue
CompletelyOrthgonal
Misaligned
容易に取り除ける誤差要因の中で最も効果が大
きい
settling
rotating
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評価 (5/11)較正結果
温度ドリフト 取付け誤差
温度ドリフトと取付け誤差の測定結果
温度
傾いている傾いている
検出角速度(X, Y, Z- 軸 ジャイロ )
X
検出加速度(X- 軸 加速度計 )
真の角速度 (X 軸 )vs. vs.
Y,Z
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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- 内内内内内内内内内 GAIA を設置
飛行し、両者の履歴を比較
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評価 (8/11)試験結果
プロトタイプ : 赤 GAIA: 緑
位置 (3D) 速度 姿勢
GAIA とほぼ等しい
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評価 (9/11)結果詳細
平均(Offset)
標準偏差 最悪値
水平距離 [m] 6.44 2.97 17
姿勢 [m] 0.85 2.1 6.9
北方向速度 [m/s] 0 0.12 1.25
東方向速度 [m/s] 0 0.12 -1.13
下方向速度 [m/s] -0.08 0.1 -0.67
ロール [deg] 0 0.26 -1.19
ピッチ [deg] -0.67 1.21 -3.9
ヘディング [deg] 4.17 9.68 23.9
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
速度
姿勢
< 10m
< 2 deg
> 10 deg
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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
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評価 (11/11)較正の効果
較正あり 較正なし
例 : ロール履歴
較正の効果を確認できる
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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