JP5405417B2 - Attitude angle stabilization device and method - Google Patents
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Description
本発明は、姿勢角安定化装置及び方法に関する。 The present invention relates to a posture angle stabilization apparatus and method.
従来より、GPS(Global Positioning System)/IMU(Inertial Measurement Unit:慣性計測装置)複合航法によって移動体の位置、速度及び方位等を演算するGPS複合航法装置では、誤差の推定にカルマンフィルタが広く使用されている。カルマンフィルタでは、移動体の位置、速度及び方位等をモデルによって推定するが、移動体の移動中と静止中とで、モデルが大きく異なる。特に、移動体の静止時において、カルマンフィルタは観測量の可観測性問題によって推定精度が劣化してしまう。移動体が静止し続けた場合(例えば、移動体が赤信号で止まる等)、移動体の位置、速度及び方位等が次第にドリフトするという不具合が生じる。また、移動中と静止中とでモデルを切り替えると、静止時から動的状態に切り替わるときに姿勢角、速度の応答性が劣化して非連続な出力となってしまう。 Conventionally, Kalman filters have been widely used to estimate errors in GPS combined navigation systems that calculate the position, velocity, and direction of a moving object by GPS (Global Positioning System) / IMU (Inertial Measurement Unit) combined navigation. ing. In the Kalman filter, the position, speed, direction, and the like of the moving object are estimated by the model, but the model is greatly different between the moving object and the stationary object. In particular, when the moving body is stationary, the estimation accuracy of the Kalman filter is deteriorated due to the observability problem of the observation amount. When the moving body continues to be stationary (for example, the moving body stops at a red signal), there is a problem that the position, speed, direction, and the like of the moving body gradually drift. Also, if the model is switched between moving and stationary, the attitude angle and speed responsiveness deteriorates when switching from a stationary state to a dynamic state, resulting in discontinuous output.
このような不具合について、GPS複合航法装置において、移動体の静止時における推定位置、推定速度及び推定方位の変化を解消すると同時に、静止時から移動時における応答性の劣化を解消する技術を開示する特許文献1が知られている。特許文献1に開示されたGPS複合航法装置は、移動体の静止を判定する静止判定部を設け、該静止判定部で静止状態と判定されたとき、カルマンフィルタの観測更新に用いる観測モデルを変更すると共に、更新による誤差共分散行列の変化分を補正する。 With respect to such a problem, a technology is disclosed in which the GPS combined navigation apparatus eliminates changes in the estimated position, estimated speed, and estimated direction when the moving object is stationary, and at the same time eliminates the deterioration in responsiveness when moving from stationary. Patent Document 1 is known. The GPS combined navigation apparatus disclosed in Patent Document 1 includes a stationary determination unit that determines whether a moving body is stationary. When the stationary determination unit determines that the moving body is stationary, the observation model used for the observation update of the Kalman filter is changed. At the same time, the change in the error covariance matrix due to the update is corrected.
このような技術が提案されているが、GPS/IMU複合航法を利用した高精度速度計測装置において、移動体の静止時における位置、速度及び方位の変化を解消し、静止時から移動時に切り替わるときであっても、従来技術よりもさらに連続的な姿勢角及び速度応答出力を行うことができるようにする装置が求められている。 Such a technology has been proposed, but in a high-accuracy speed measurement device using GPS / IMU combined navigation, the change in position, speed, and direction when the moving body is stationary, and when switching from stationary to moving Even so, there is a need for a device that can perform more continuous posture angle and velocity response output than the prior art.
本発明は、GPS受信機を利用し、カルマンフィルタを用いる高精度速度計測装置に組み込まれて、移動体の静止時における位置、速度及び方位の変化を解消すると共に、静止状態から動的状態に切り替わるときであっても、連続的な姿勢角及び速度応答出力を行うことができるようにする姿勢角安定化装置及び方法を提供することを目的とする。 The present invention uses a GPS receiver and is incorporated into a high-accuracy speed measurement device using a Kalman filter to eliminate changes in the position, speed, and direction of a moving object when it is stationary, and to switch from a stationary state to a dynamic state. It is an object of the present invention to provide a posture angle stabilization device and method that can perform continuous posture angle and velocity response output even at times.
本発明では、以下のような解決手段を提供する。 The present invention provides the following solutions.
(1) GPS受信機及びIMUを使用して計測した計測速度からカルマンフィルタによって移動体の速度を推定し、推定した速度と前記計測速度とを融合して自律航法アルゴリズムによって移動体の速度を算出する装置に含まれる姿勢角安定化装置であって、前記IMUを使用して計測された移動体の角速度と、フィードバックされた補正値とから姿勢角の変化量を算出する姿勢角変化量算出手段と、前記姿勢角変化量算出手段によって算出された姿勢角の変化量を積分する積分処理手段と、前記積分処理手段によって積分された姿勢角と、前記カルマンフィルタによって推定された姿勢角の推定値とから姿勢行列を生成し、出力するカルマンフィルタ姿勢補正処理手段と、前記GPS受信機によって計測された速度が一定の閾値未満であり、かつ、前記IMUを使用して計測された角速度が一定の閾値未満であるか否かを判定する速度旋回判定手段と、前記速度旋回判定手段によって、速度又は角速度が一定の閾値以上であると判定された場合に、前記カルマンフィルタ姿勢補正処理手段によって生成された姿勢行列のラッチを行い、速度及び角速度が一定の閾値未満であると判定された場合に、前記生成された姿勢行列のラッチを行わずに前記閾値未満であると判定される前の姿勢行列のラッチを保持する姿勢角ラッチ手段と、前記姿勢角ラッチ手段によってラッチされている姿勢行列の転置行列を算出する転置処理手段と、前記転置処理手段によって転置された姿勢行列と、前記カルマンフィルタ姿勢補正処理手段によって生成された姿勢行列との乗算処理を行い、姿勢角誤差を算出する姿勢角誤差演算処理手段と、前記姿勢角誤差演算処理手段によって算出された姿勢角誤差と、前記カルマンフィルタ姿勢補正処理手段によって生成された姿勢行列とに基づいて姿勢角を補正するための補正制御値を算出し、前記姿勢角変化量算出手段にフィードバックする前記補正値とする補正制御手段と、を備える姿勢角安定化装置。 (1) The speed of the moving body is estimated by the Kalman filter from the measured speed measured using the GPS receiver and the IMU, and the speed of the moving body is calculated by the autonomous navigation algorithm by combining the estimated speed and the measured speed. A posture angle stabilization device included in the device, the posture angle change amount calculating means for calculating a change amount of the posture angle from the angular velocity of the moving body measured using the IMU and the feedback correction value; An integration processing unit that integrates the amount of change in posture angle calculated by the posture angle change amount calculation unit, a posture angle integrated by the integration processing unit, and an estimated value of the posture angle estimated by the Kalman filter. The Kalman filter attitude correction processing means for generating and outputting an attitude matrix and the velocity measured by the GPS receiver are less than a certain threshold value. In addition, the speed turning determination unit that determines whether or not the angular velocity measured using the IMU is less than a certain threshold, and the speed or angular velocity is equal to or greater than a certain threshold by the speed turning determination unit. When it is determined, the posture matrix generated by the Kalman filter posture correction processing means is latched, and when it is determined that the velocity and the angular velocity are less than a certain threshold, the generated posture matrix is latched. Posture angle latching means for holding a latch of the posture matrix before being determined to be less than the threshold value, transposition processing means for calculating a transposition matrix of the posture matrix latched by the posture angle latching means, Multiplying the posture matrix transposed by the transposition processing means and the posture matrix generated by the Kalman filter posture correction processing means, To correct the posture angle based on the posture angle error calculation processing means for calculating the difference, the posture angle error calculated by the posture angle error calculation processing means, and the posture matrix generated by the Kalman filter posture correction processing means. And a correction control unit that calculates the correction control value and uses the correction value to feed back to the posture angle change amount calculation unit.
(1)の構成によれば、本発明に係る姿勢角安定化装置は、IMUを使用して計測された移動体の角速度と、フィードバックした補正値とから姿勢角の変化量を算出し、算出した姿勢角の変化量を積分し、積分した姿勢角と、カルマンフィルタによって推定された姿勢角の推定値とから姿勢行列を生成し、出力する。そして、姿勢角安定化装置は、GPS受信機によって計測された速度が一定の閾値未満であり、かつ、IMUを使用して計測された角速度が一定の閾値未満であるか否かを判定し、速度又は角速度が一定の閾値以上であると判定した場合に、生成した姿勢行列のラッチを行い、速度及び角速度が一定の閾値未満であると判定した場合に、生成した姿勢行列のラッチを行わずに閾値未満であると判定する前の姿勢行列のラッチを保持し、ラッチしている姿勢行列の転置行列を算出し、算出した転置行列と、生成した姿勢行列との乗算処理を行い、姿勢角誤差を算出し、算出した姿勢角誤差と、生成した姿勢行列とに基づいて姿勢角を補正するための補正制御値を算出し、フィードバックする補正値とする。 According to the configuration of (1), the posture angle stabilization device according to the present invention calculates a change amount of the posture angle from the angular velocity of the moving body measured using the IMU and the feedback correction value, and calculates Then, a posture matrix is generated from the integrated posture angle and the estimated posture angle estimated by the Kalman filter, and output. Then, the attitude angle stabilization device determines whether the velocity measured by the GPS receiver is less than a certain threshold value, and whether the angular velocity measured using the IMU is less than a certain threshold value, When it is determined that the velocity or angular velocity is greater than or equal to a certain threshold, the generated posture matrix is latched. When it is determined that the velocity and angular velocity are less than the certain threshold, the generated posture matrix is not latched. Holds the latch of the posture matrix before determining that it is less than the threshold, calculates the transposed matrix of the latched posture matrix, performs the multiplication process of the calculated transpose matrix and the generated posture matrix, and the posture angle An error is calculated, a correction control value for correcting the posture angle is calculated based on the calculated posture angle error and the generated posture matrix, and is set as a correction value to be fed back.
すなわち、本発明に係る姿勢角安定化装置は、移動体の移動と静止との判定を行い、移動体が静止すると、移動から静止に移る前の姿勢行列を保持し、保持した姿勢行列を用いて姿勢角を補正制御し、移動し始めると、保持した姿勢行列を用いて姿勢行列を生成し始める。したがって、本発明に係る姿勢角安定化装置は、GPS受信機を利用し、カルマンフィルタを用いる高精度速度計測装置に組み込まれて、移動体の静止時における位置、速度及び方位が変化することを解消すると共に、静止状態から動的状態に切り替わるときであっても、連続的な姿勢角及び速度応答出力を行うようにすることができる。 That is, the posture angle stabilization device according to the present invention determines whether the moving body is moving and stationary, and holds the posture matrix before moving from moving to stationary when the moving body is stationary, and uses the held posture matrix. Then, the posture angle is corrected and controlled, and when the movement is started, the posture matrix is generated using the held posture matrix. Therefore, the attitude angle stabilization device according to the present invention is incorporated in a high-accuracy speed measurement device using a Kalman filter using a GPS receiver, and eliminates changes in the position, velocity, and direction of a moving object when stationary. In addition, even when switching from the stationary state to the dynamic state, it is possible to perform continuous posture angle and speed response output.
(2) GPS受信機及びIMUを使用して計測した計測速度からカルマンフィルタによって移動体の速度を推定し、推定した速度と前記計測速度とを融合して自律航法アルゴリズムによって移動体の速度を算出する装置に含まれる姿勢角安定化装置が実行する方法であって、前記IMUを使用して計測された移動体の角速度と、フィードバックされた補正値とから姿勢角の変化量を算出する姿勢角変化量算出ステップと、前記姿勢角変化量算出ステップによって算出された姿勢角の変化量を積分する積分処理ステップと、前記積分処理ステップによって積分された姿勢角と、前記カルマンフィルタによって推定された姿勢角の推定値とから姿勢行列を生成し、出力するカルマンフィルタ姿勢補正処理ステップと、前記GPS受信機によって計測された速度が一定の閾値未満であり、かつ、前記IMUを使用して計測された角速度が一定の閾値未満であるか否かを判定する速度旋回判定ステップと、前記速度旋回判定ステップによって、速度又は角速度が一定の閾値以上であると判定された場合に、前記カルマンフィルタ姿勢補正処理手段によって生成された姿勢行列のラッチを行い、速度及び角速度が一定の閾値未満であると判定された場合に、前記生成された姿勢行列のラッチを行わずに前記閾値未満であると判定される前の姿勢行列のラッチを保持する姿勢角ラッチステップと、前記姿勢角ラッチステップによってラッチされている姿勢行列の転置行列を算出する転置処理ステップと、前記転置処理ステップによって求められた転置行列と、前記カルマンフィルタ姿勢補正処理ステップによって生成された姿勢行列との乗算処理を行い、姿勢角誤差を算出する姿勢角誤差演算処理ステップと、前記姿勢角誤差演算処理ステップによって算出された姿勢角誤差と、前記カルマンフィルタ姿勢補正処理ステップによって生成された姿勢行列とに基づいて姿勢角を補正するための補正制御値を算出し、前記姿勢角変化量算出ステップにフィードバックする前記補正値とする補正制御ステップと、を備える方法。 (2) The speed of the moving object is estimated by the Kalman filter from the measured speed measured using the GPS receiver and the IMU, and the speed of the moving object is calculated by the autonomous navigation algorithm by combining the estimated speed and the measured speed. A posture angle change which is a method executed by a posture angle stabilization device included in the device and calculates a change amount of the posture angle from the angular velocity of the moving body measured using the IMU and the feedback correction value. An amount calculation step, an integration processing step for integrating the amount of change in posture angle calculated by the posture angle change amount calculation step, a posture angle integrated by the integration processing step, and a posture angle estimated by the Kalman filter. A Kalman filter attitude correction processing step that generates and outputs an attitude matrix from the estimated value, and the GPS receiver A speed turning determination step for determining whether the measured speed is less than a certain threshold value and an angular velocity measured using the IMU is less than a certain threshold value; and the speed turning determination step, When it is determined that the velocity or angular velocity is equal to or greater than a certain threshold value, the posture matrix generated by the Kalman filter posture correction processing means is latched, and when it is determined that the velocity and angular velocity are less than the certain threshold value A posture angle latch step for holding a latch of a posture matrix before being determined to be less than the threshold without latching the generated posture matrix, and a posture matrix latched by the posture angle latch step. A transposition processing step for calculating a transposition matrix, a transposition matrix obtained by the transposition processing step, and the Kalman filter attitude correction processing A posture angle error calculation processing step for performing a multiplication process with the posture matrix generated in the step and calculating a posture angle error, a posture angle error calculated by the posture angle error calculation processing step, and the Kalman filter posture correction processing step. And a correction control step of calculating a correction control value for correcting the posture angle based on the posture matrix generated by the step and using the correction value as a feedback value to the posture angle change amount calculating step.
したがって、(1)と同様に、本発明に係る方法は、GPS受信機を利用し、カルマンフィルタを用いる高精度速度計測装置に組み込まれた姿勢角安定化装置によって実行され、移動体の静止時における位置、速度及び方位が変化することを解消すると共に、静止状態から動的状態に切り替わるときであっても、連続的な姿勢角及び速度応答出力を行うようにすることができる。 Therefore, as in (1), the method according to the present invention is executed by a posture angle stabilization device incorporated in a high-accuracy speed measurement device using a Kalman filter using a GPS receiver, and the moving object is stationary. It is possible to eliminate changes in position, velocity, and direction, and to perform continuous posture angle and velocity response output even when switching from a stationary state to a dynamic state.
本発明は、GPS受信機及びIMUを使用して計測した速度からカルマンフィルタ及び自律航法アルゴリズムによって移動体の速度を算出する装置において、静止状態で算出する移動体の姿勢角を一定に安定させることができる。さらに、本発明は、静止状態から動的状態に切り替わるときであっても、連続的な姿勢角及び速度応答出力を行うようにすることができ、その結果、低速度、低旋回時の測定精度を向上させることが可能である。 According to the present invention, in a device that calculates the speed of a moving body using a Kalman filter and an autonomous navigation algorithm from the speed measured using a GPS receiver and an IMU, the posture angle of the moving body that is calculated in a stationary state can be constantly stabilized. it can. Furthermore, the present invention can perform continuous attitude angle and speed response output even when switching from a stationary state to a dynamic state, and as a result, measurement accuracy during low speed and low turn It is possible to improve.
以下、本発明の実施形態について図を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態である姿勢角安定化装置100の構成を示すブロック図である。姿勢角安定化装置100は、姿勢角変化量算出部101と、積分処理部102と、カルマンフィルタ姿勢補正処理部103と、速度旋回判定部104と、姿勢角ラッチ部105と、転置処理部106と、姿勢角誤差演算処理部107と、補正制御部108とを備える。姿勢角安定化装置100は、高精度速度計測装置(図示せず)の自律航法アルゴリズムを実行するストラップダウンナビゲータ内部に組み込まれる。高精度速度計測装置は、GPS受信機及びIMUを使用して計測した計測速度からカルマンフィルタによって移動体の速度を推定し、推定した速度と計測速度とを融合する際に、姿勢角安定化装置100に、3軸ジャイロセンサによる角速度(ω)と、カルマンフィルタからの姿勢角補正値(δθ)と、GPS/IMUの統合速度(V)とを入力し、姿勢角安定化装置100から方向余弦マトリクスで表される姿勢行列(Rnew)を取得して、自律航法アルゴリズムによって移動体の速度を算出する。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an attitude
高精度速度計測装置において、3軸ジャイロセンサは、移動体の3次元の角速度を計測する。カルマンフィルタは、姿勢角から姿勢角の補正値を推定演算する。 In the high-accuracy velocity measuring device, the three-axis gyro sensor measures the three-dimensional angular velocity of the moving body. The Kalman filter estimates and calculates a correction value of the posture angle from the posture angle.
姿勢角変化量算出部101は、IMUを使用して計測された移動体の角速度と、フィードバックされた補正値とから姿勢角の変化量を算出する。すなわち、姿勢角変化量算出部101は、数式1を計算することで、姿勢角変化量を算出する。
The posture angle change
積分処理部102は、姿勢角変化量算出部101によって算出された姿勢角の変化量を積分する。積分処理部102は、数式2の積分処理を行うが、例えば数式3のように1次近似し、離散積分処理を実施する。ここで、Rn+1は1ステップ演算後の姿勢角であり、Rnが1ステップ前の姿勢角となる。
The
カルマンフィルタ姿勢補正処理部103は、積分処理部102によって積分された姿勢角と、カルマンフィルタによって推定された姿勢角の推定値とから姿勢行列を生成し、出力する。カルマンフィルタ姿勢補正処理部103は、数式4により、姿勢角をGPSの位置及び速度を基準として補正処理する。ここで、Rnewはカルマンフィルタ姿勢補正処理後の姿勢行列、Iは3x3の単位行列、δθはカルマンフィルタによって推定された姿勢角誤差、×は外積を意味する。
The Kalman filter posture
速度旋回判定部104は、GPS受信機によって計測された速度が一定の閾値未満であり、かつ、IMUを使用して計測された角速度が一定の閾値未満であるか否かを判定する。すなわち、速度旋回判定部104は、GPS受信機によって計測された速度が一定の閾値未満であり、かつ、IMUを使用して計測された角速度が一定の閾値未満である場合に、静止状態と判定する。同様に、速度旋回判定部104は、GPS受信機によって計測された速度が一定の閾値以上であるか、又は、IMUを使用して計測された角速度が一定の閾値以上である場合に、動的状態と判定する。
The speed
例えば、速度旋回判定部104は、GPS/IMUによる統合速度の平均値Vがxkm/h未満、かつ、3軸ジャイロの角速度出力ωの平均値がすべて、ydeg/s未満である場合、静止状態と判定し、静止状態フラグを出力する。速度旋回判定部104は、GPS/IMUによる統合速度の平均値Vがxkm/h以上、又は、3軸ジャイロの角速度出力ωの平均値がすべて、ydeg/s以上である場合、動的状態と判定し、動的状態フラグを出力する。
For example, when the average value V of the integrated speed by GPS / IMU is less than xkm / h and the average values of the angular velocity outputs ω of the three-axis gyro are all less than ydeg / s, the speed
姿勢角ラッチ部105は、速度旋回判定部104によって、速度又は角速度が一定の閾値以上であると判定された場合に、カルマンフィルタ姿勢補正処理部103によって生成された姿勢行列Rnewのラッチを行い、速度及び角速度が一定の閾値未満であると判定された場合に、カルマンフィルタ姿勢補正処理部103によって生成された姿勢行列Rnewのラッチを行わずに閾値未満であると判定される前の姿勢行列のラッチを保持する。すなわち、姿勢角ラッチ部105は、速度旋回判定部104の出力結果によって、姿勢行列Rnewのラッチを行うか否かを決定し、姿勢行列をラッチする。例えば、速度旋回判定部104によって動的状態フラグが出力されている場合、姿勢角ラッチ部105は、姿勢行列Rnewを生成されるごとにラッチする。速度旋回判定部104によって静止状態フラグが出力されている場合、姿勢角ラッチ部105は、生成された姿勢行列Rnewのラッチを行わずに、静止状態フラグが出力される前の動的状態フラグが出力されている場合にラッチした姿勢行列を保持する。
The posture
転置処理部106は、姿勢角ラッチ部105によってラッチされている姿勢行列の転置行列Rnew Tを算出する。
The
姿勢角誤差演算処理部107は、転置処理部106によって算出された転置行列Rnew Tと、カルマンフィルタ姿勢補正処理部103によって生成された姿勢行列Rnewとの乗算処理を行い、姿勢角誤差を算出する。ここで、動的状態時では、姿勢角ラッチ部105がアクティブであり、姿勢行列Rnewをラッチするため、転置処理部106は、姿勢角ラッチ部105がラッチした姿勢行列RnewをRnew Tに常に更新し、現在の姿勢行列Rnewを単純に転置した転置行列を算出する。すなわち、Rnew TとRnewとは直交関係が維持されているので、数式5によって算出されるIは、3x3の単位行列である。
The posture angle error
一方、静止状態時では、姿勢角ラッチ部105は、動的状態から静止状態に遷移する前の姿勢行列Rを保持しているため、転置処理部106は、動的状態から静止状態に遷移する前の姿勢行列Rの転置行列RTを算出する。すなわち、姿勢行列Rnewは、ジャイロのオフセット誤差とカルマンフィルタの補正とにより、次第に正しい姿勢からドリフトしていくのに対して、転置処理部106が算出したRTは、動的状態から静止状態に遷移する前の姿勢行列Rの転置行列であるので、RTとRnewとの乗算処理(数式6)を行うと、上記ドリフト分の誤差量を算出することができる。
On the other hand, in the stationary state, the posture
ここで、δRnewは姿勢角誤差行列であり、δθ11、δθ12、δθ13、δθ21、δθ22、δθ23、δθ31、δθ32、δθ33、がそれぞれの行列要素における誤差である。 Here, δR new is an attitude angle error matrix, and δθ 11 , δθ 12 , δθ 13 , δθ 21 , δθ 22 , δθ 23 , δθ 31 , δθ 32 , and δθ 33 are errors in the respective matrix elements.
補正制御部108は、姿勢角誤差演算処理部107によって算出された姿勢角誤差と、カルマンフィルタ姿勢補正処理部103によって生成された姿勢行列Rnewとに基づいて姿勢角を補正するための補正制御値を算出し、姿勢角変化量算出部101にフィードバックする補正値とする。例えば、補正制御部108は、姿勢角誤差演算処理部107によって算出されたドリフト誤差δRnewを、生成された姿勢行列Rnewに基づいてPI制御によって修正する。すなわち、補正制御部108は静止時においてのみ動作する。補正制御部108は、動的状態から静止状態に遷移する時の姿勢角を保持するように、数式7及び数式8によってPI制御によるフィードバック制御を行う。
The
数式7において、KPはPゲイン、KIはIゲインである。diffDCMはPI制御によるフィードバック値であり、姿勢角変化量算出部101にフィードバックするRFBに補正される。ここでPI制御のフィードバックゲインはカルマンフィルタの補正とジャイロオフセットドリフトの補正をキャンセルする程度の微小な値とする。これにより、姿勢角安定化装置100は、静止状態から動的状態に切り替わるとき、上記フィードバックの効果が得られる前に動的状態への切り替わりを行うことが可能なため、従来の技術と比較してより連続的な姿勢角及び速度応答出力を行うことができる。
In Equation 7, K P is a P gain, K I is I gain. diffDCM is feedback value by PI control, is corrected to R FB is fed back to the posture
図2は、本発明の一実施形態に係る姿勢角安定化装置100のハードウェア構成の一例を示す図である。姿勢角安定化装置100は、例えば、CPU(Central Processing Unit)1010、バスライン1005、メモリ1050及び入出力I/F1040を備える。
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a hardware configuration of the posture
CPU1010は、姿勢角安定化装置100を統括的に制御する部分であり、メモリ1050に記憶された各種プログラムを適宜読み出して実行することにより、上述したハードウェアと協働し、本発明に係る各種機能を実現している。
The
メモリ1050は、適宜読み出して実行されるプログラムを記憶し、プログラムの実行によって作成される種々の情報を記憶する。例えば、メモリ1050は、PI制御のためのゲイン値や、姿勢角の変化量等の各種演算結果を記憶する。
The
入出力I/F1040は、姿勢角安定化装置100が高精度速度計測装置から3軸ジャイロセンサによる角速度(ω)と、カルマンフィルタからの姿勢角補正値(δθ)と、GPS/IMUの統合速度(V)とを入力し、高精度速度計測装置に姿勢角を出力するためのインターフェースである。
The input / output I /
図3は、本発明の一実施形態に係る姿勢角安定化装置100の処理内容を示すフローチャートである。
FIG. 3 is a flowchart showing the processing contents of the posture
ステップS101において、CPU1010は、高精度速度計測装置から角速度(ω)と、カルマンフィルタからの姿勢角補正値(δθ)と、統合速度(V)とを入力する。その後、CPU1010は、処理をステップS102に移す。
In step S101, the
ステップS102において、CPU1010(姿勢角変化量算出部101)は、入力した角速度(ω)と、フィードバックされた補正値とから姿勢角の変化量を算出する。その後、CPU1010は、処理をステップS103に移す。
In step S102, the CPU 1010 (posture angle change amount calculation unit 101) calculates the change amount of the posture angle from the input angular velocity (ω) and the feedback correction value. Thereafter, the
ステップS103において、CPU1010(積分処理部102)は、ステップS102によって算出された姿勢角の変化量を積分する。その後、CPU1010は、処理をステップS104に移す。
In step S103, the CPU 1010 (integration processing unit 102) integrates the change amount of the posture angle calculated in step S102. Thereafter, the
ステップS104において、CPU1010(カルマンフィルタ姿勢補正処理部103)は、ステップS103によって積分された姿勢角と、カルマンフィルタからの姿勢角補正値(δθ)とから姿勢行列を生成し、高精度速度計測装置に出力する。その後、CPU1010は、処理をステップS105に移す。
In step S104, the CPU 1010 (Kalman filter posture correction processing unit 103) generates a posture matrix from the posture angle integrated in step S103 and the posture angle correction value (δθ) from the Kalman filter, and outputs the posture matrix to the high-accuracy speed measurement device. To do. Thereafter, the
ステップS105において、CPU1010(速度旋回判定部104)は、静止状態か否かを判断する。より具体的には、CPU1010は、入力した統合速度(V)が一定の閾値未満であり、かつ、入力した角速度(ω)が一定の閾値未満であるか否かを判断する。この判断がYESの場合、CPU1010は、処理をステップS106に移し、NOの場合、CPU1010は、処理をステップS107に移す。
In step S105, the CPU 1010 (speed turning determination unit 104) determines whether or not it is in a stationary state. More specifically, the
ステップS106において、CPU1010(姿勢角ラッチ部105)は、ステップS104によって生成された姿勢行列Rnewを記憶しないで、閾値未満であると判定される前の姿勢行列の記憶を保持する。その後、CPU1010は、処理をステップS108に移す。
In step S106, CPU 1010 (attitude angle latch portion 105) without storing the generated posture matrix R new in step S104, to hold the memory of previous posture matrix that is determined to be less than the threshold value. Thereafter, the
ステップS107において、CPU1010(姿勢角ラッチ部105)は、ステップS104によって生成された姿勢行列Rnewを記憶する。その後、CPU1010は、処理をステップS108に移す。
In step S107, the CPU 1010 (attitude angle latch unit 105) stores the attitude matrix R new generated in step S104. Thereafter, the
ステップS108において、CPU1010(転置処理部106)は、ステップS106又はステップS107によって記憶されている姿勢行列の転置行列Rnew Tを算出する。その後、CPU1010は、処理をステップS109に移す。
In step S108, the CPU 1010 (transposition processing unit 106) calculates a transpose matrix R new T of the posture matrix stored in step S106 or step S107. Thereafter, the
ステップS109において、CPU1010(姿勢角誤差演算処理部107)は、ステップS108において算出された転置行列Rnew Tと、ステップS104において生成された姿勢行列Rnewとの乗算処理を行い、姿勢角誤差を算出する。その後、CPU1010は、処理をステップS110に移す。
In step S109, the CPU 1010 (attitude angle error calculation processing unit 107) performs a multiplication process of the transposed matrix R new T calculated in step S108 and the attitude matrix R new generated in step S104, and calculates the attitude angle error. calculate. Thereafter, the
ステップS110において、CPU1010(補正制御部108)は、ステップS109において算出された姿勢角誤差と、ステップS104において生成された姿勢行列Rnewとに基づいて姿勢角を補正するための補正制御値を算出し、ステップS102にフィードバックする補正値とする。その後、CPU1010は、処理をステップS101に移す。
In step S110, CPU 1010 (correction control unit 108) calculates a posture angle error calculated in the step S109, the correction control value for correcting the posture angle based on the posture matrix R new generated in step S104 The correction value is fed back to step S102. Thereafter, the
図4は、本発明の一実施形態に係る姿勢角安定化装置100における姿勢角の出力の変化を示す図である。図4(a)は、移動体の速度の変化を示し、静止状態の時間を示している。図4(b)は、従来において算出される姿勢角の変化を示す図である。図4(c)は、姿勢角安定化装置100において算出される姿勢角の変化を示す図である。
FIG. 4 is a diagram illustrating a change in posture angle output in the posture
図4(b)の静止状態において、姿勢角の角度ドリフトは次第に大きくなっていることが示されている。一方、図4(c)の静止状態において、姿勢角安定化装置100によって、移動体の静止時における角度ドリフトが次第に大きくなることが解消され、静止状態であっても角度ドリフトは小さく、一定幅で安定している。
4B, it is shown that the angle drift of the posture angle is gradually increased. On the other hand, in the stationary state of FIG. 4 (c), the attitude
本実施例によれば、姿勢角安定化装置100は、IMUを使用して計測された移動体の角速度と、フィードバックされた補正値とから姿勢角の変化量を算出する姿勢角変化量算出部101と、姿勢角変化量算出部101によって算出された姿勢角の変化量を積分する積分処理部102と、積分処理部102によって積分された姿勢角と、カルマンフィルタによって推定された姿勢角の推定値とから姿勢行列を生成し、出力するカルマンフィルタ姿勢補正処理部103と、GPS受信機によって計測された速度が一定の閾値未満であり、かつ、IMUを使用して計測された角速度が一定の閾値未満であるか否かを判定する速度旋回判定部104と、速度旋回判定部104によって、速度又は角速度が一定の閾値以上であると判定された場合に、カルマンフィルタ姿勢補正処理部103によって生成された姿勢行列のラッチを行い、速度及び角速度が一定の閾値未満であると判定された場合に、生成された姿勢行列のラッチを行わずに閾値未満であると判定される前の姿勢行列のラッチを保持する姿勢角ラッチ部105と、姿勢角ラッチ部105によってラッチされている姿勢行列の転置行列を算出する転置処理部106と、転置処理部106によって算出された転置行列と、カルマンフィルタ姿勢補正処理部103によって生成された姿勢行列との乗算処理を行い、姿勢角誤差を算出する姿勢角誤差演算処理部107と、姿勢角誤差演算処理部107によって算出された姿勢角誤差と、カルマンフィルタ姿勢補正処理部103によって生成された姿勢行列とに基づいて姿勢角を補正するための補正制御値を算出し、姿勢角変化量算出部101にフィードバックする補正値とする補正制御部108と、を備える。したがって、姿勢角安定化装置100は、GPS受信機を利用し、カルマンフィルタを用いる高精度速度計測装置に組み込まれて、移動体の静止時における位置、速度及び方位が変化することを解消すると共に、静止状態から動的状態に切り替わるときであっても、連続的な姿勢角及び速度応答出力を行うようにすることができ、その結果、低速度、低旋回時の測定精度を向上させることが可能である。
According to the present embodiment, the posture
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限るものではない。また、本発明の実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施形態に記載されたものに限定されるものではない。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not restricted to embodiment mentioned above. The effects described in the embodiments of the present invention are only the most preferable effects resulting from the present invention, and the effects of the present invention are limited to those described in the embodiments of the present invention. is not.
100 姿勢角安定化装置
101 姿勢角変化量算出部
102 積分処理部
103 カルマンフィルタ姿勢補正処理部
104 速度旋回判定部
105 姿勢角ラッチ部
106 転置処理部
107 姿勢角誤差演算処理部
108 補正制御部
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記IMUを使用して計測された移動体の角速度と、フィードバックされた補正値とから姿勢角の変化量を算出する姿勢角変化量算出手段と、
前記姿勢角変化量算出手段によって算出された姿勢角の変化量を積分する積分処理手段と、
前記積分処理手段によって積分された姿勢角と、前記カルマンフィルタによって推定された姿勢角の推定値とから姿勢行列を生成し、出力するカルマンフィルタ姿勢補正処理手段と、
前記GPS受信機によって計測された速度が一定の閾値未満であり、かつ、前記IMUを使用して計測された角速度が一定の閾値未満であるか否かを判定する速度旋回判定手段と、
前記速度旋回判定手段によって、速度又は角速度が一定の閾値以上であると判定された場合に、前記カルマンフィルタ姿勢補正処理手段によって生成された姿勢行列のラッチを行い、速度及び角速度が一定の閾値未満であると判定された場合に、前記生成された姿勢行列のラッチを行わずに前記閾値未満であると判定される前の姿勢行列のラッチを保持する姿勢角ラッチ手段と、
前記姿勢角ラッチ手段によってラッチされている姿勢行列の転置行列を算出する転置処理手段と、
前記転置処理手段によって算出された転置行列と、前記カルマンフィルタ姿勢補正処理手段によって生成された姿勢行列との乗算処理を行い、姿勢角誤差を算出する姿勢角誤差演算処理手段と、
前記姿勢角誤差演算処理手段によって算出された姿勢角誤差と、前記カルマンフィルタ姿勢補正処理手段によって生成された姿勢行列とに基づいて姿勢角を補正するための補正制御値を算出し、前記姿勢角変化量算出手段にフィードバックする前記補正値とする補正制御手段と、
を備える姿勢角安定化装置。 Included in a device that estimates the speed of a moving object using a Kalman filter from the measured speed measured using a GPS receiver and IMU, and calculates the speed of the moving object using an autonomous navigation algorithm by combining the estimated speed and the measured speed. A posture angle stabilization device,
Posture angle change amount calculating means for calculating a change amount of the posture angle from the angular velocity of the moving body measured using the IMU and the feedback correction value;
Integration processing means for integrating the posture angle change amount calculated by the posture angle change amount calculating means;
A Kalman filter posture correction processing unit that generates and outputs a posture matrix from the posture angle integrated by the integration processing unit and the estimated value of the posture angle estimated by the Kalman filter;
Speed turning determination means for determining whether the speed measured by the GPS receiver is less than a certain threshold and the angular velocity measured using the IMU is less than a certain threshold;
When it is determined by the speed turning determination means that the speed or angular velocity is equal to or greater than a certain threshold value, the attitude matrix generated by the Kalman filter attitude correction processing means is latched, and the velocity and angular velocity are less than the certain threshold value. A posture angle latch means for holding a latch of a posture matrix before it is determined to be less than the threshold without latching the generated posture matrix when it is determined to be;
A transposition processing means for calculating a transpose matrix of a posture matrix latched by the posture angle latch means;
Posture angle error calculation processing means for performing a multiplication process of the transposition matrix calculated by the transposition processing means and the posture matrix generated by the Kalman filter posture correction processing means, and calculating a posture angle error;
Calculating a correction control value for correcting a posture angle based on the posture angle error calculated by the posture angle error calculation processing unit and the posture matrix generated by the Kalman filter posture correction processing unit; Correction control means for the correction value to be fed back to the amount calculation means;
A posture angle stabilization device comprising:
前記IMUを使用して計測された移動体の角速度と、フィードバックされた補正値とから姿勢角の変化量を算出する姿勢角変化量算出ステップと、
前記姿勢角変化量算出ステップによって算出された姿勢角の変化量を積分する積分処理ステップと、
前記積分処理ステップによって積分された姿勢角と、前記カルマンフィルタによって推定された姿勢角の推定値とから姿勢行列を生成し、出力するカルマンフィルタ姿勢補正処理ステップと、
前記GPS受信機によって計測された速度が一定の閾値未満であり、かつ、前記IMUを使用して計測された角速度が一定の閾値未満であるか否かを判定する速度旋回判定ステップと、
前記速度旋回判定ステップによって、速度又は角速度が一定の閾値以上であると判定された場合に、前記カルマンフィルタ姿勢補正処理ステップによって生成された姿勢行列のラッチを行い、速度及び角速度が一定の閾値未満であると判定された場合に、前記生成された姿勢行列のラッチを行わずに前記閾値未満であると判定される前の姿勢行列のラッチを保持する姿勢角ラッチステップと、
前記姿勢角ラッチステップによってラッチされている姿勢行列の転置行列を算出する転置処理ステップと、
前記転置処理ステップによって算出された転置行列と、前記カルマンフィルタ姿勢補正処理ステップによって生成された姿勢行列との乗算処理を行い、姿勢角誤差を算出する姿勢角誤差演算処理ステップと、
前記姿勢角誤差演算処理ステップによって算出された姿勢角誤差と、前記カルマンフィルタ姿勢補正処理ステップによって生成された姿勢行列とに基づいて姿勢角を補正するための補正制御値を算出し、前記姿勢角変化量算出ステップにフィードバックする前記補正値とする補正制御ステップと、
を備える方法。 Included in a device that estimates the speed of a moving object using a Kalman filter from the measured speed measured using a GPS receiver and IMU, and calculates the speed of the moving object using an autonomous navigation algorithm by combining the estimated speed and the measured speed. A method performed by a posture angle stabilization device,
A posture angle change amount calculating step of calculating a change amount of the posture angle from the angular velocity of the moving body measured using the IMU and the feedback correction value;
An integration processing step of integrating the posture angle change amount calculated by the posture angle change amount calculating step;
A Kalman filter posture correction processing step of generating and outputting a posture matrix from the posture angle integrated by the integration processing step and the estimated value of the posture angle estimated by the Kalman filter;
A speed turning determination step for determining whether the speed measured by the GPS receiver is less than a certain threshold value and the angular velocity measured using the IMU is less than a certain threshold value;
When the speed / turning determination step determines that the speed or angular velocity is equal to or greater than a certain threshold, the posture matrix generated by the Kalman filter posture correction processing step is latched, and the velocity and angular velocity are less than the certain threshold. A posture angle latching step for holding a latch of a posture matrix before it is determined to be less than the threshold without latching the generated posture matrix when it is determined to be;
A transposition processing step of calculating a transpose matrix of the posture matrix latched by the posture angle latch step;
A posture angle error calculation processing step of multiplying the transposition matrix calculated by the transposition processing step and the posture matrix generated by the Kalman filter posture correction processing step to calculate a posture angle error;
Calculating a correction control value for correcting a posture angle based on the posture angle error calculated by the posture angle error calculation processing step and the posture matrix generated by the Kalman filter posture correction processing step; A correction control step for the correction value to be fed back to the amount calculation step;
A method comprising:
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