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JP2004163443A - Attitude angle detector - Google Patents

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JP2004163443A
JP2004163443A JP2004071363A JP2004071363A JP2004163443A JP 2004163443 A JP2004163443 A JP 2004163443A JP 2004071363 A JP2004071363 A JP 2004071363A JP 2004071363 A JP2004071363 A JP 2004071363A JP 2004163443 A JP2004163443 A JP 2004163443A
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angular velocity
gyro
output
bias
error
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JP2004071363A
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Yasuhiro Sato
靖裕 佐藤
Yoshiyuki Haga
美行 芳賀
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Japan Aviation Electronics Industry Ltd
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Japan Aviation Electronics Industry Ltd
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Abstract

【課題】 ジャイロバイアス誤差が大きくても、ドリフトがない方位センサを用いることなく、かつ取付け状態にずれがあっても正しく姿勢角を求めることができる。
【解決手段】 角速度バイアス推定部43で入力角速度ωB が判定値以下の場合は本装置への角速度入力がゼロの状態と判断し、スイッチ45,47を0レジスタ44,46側に切替え、その時の入力ωB を累積加算して、角速度バイアス誤差ΔωBSを更新する。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To correctly obtain an attitude angle without using an azimuth sensor having no drift even if a gyro bias error is large, and even if there is a deviation in a mounting state.
When the angular velocity bias estimator 43 determines that the input angular velocity ω B is equal to or less than a determination value, the angular velocity input to the apparatus is determined to be zero, and switches 45 and 47 are switched to the 0 registers 44 and 46. cumulatively adds the input omega B of, and updates the angular velocity bias error [Delta] [omega BS.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

この発明はジャイロと加速度計とを搭載して姿勢角を検出する装置に関する。   The present invention relates to a device for detecting a posture angle by mounting a gyro and an accelerometer.

例えばこの種の姿勢角検出装置を人間の頭部に取付け、その頭部の動きを検出して、その頭部の動きに応じて表示器に表示される仮想空間画像が変化するようにされたものがある。
従来の姿勢角検出装置は図7に示すように、例えば互いに直交する3軸を入力軸とするジャイロ11の各出力はAD変換器12でデジタル値に変換され、これらデジタル値は減算器13でリセット時の初期バイアスが減算され、更に補正部14で補正されてボディ角速度ωB とされる。
一方、直交する軸を入力軸とする加速度計15の出力は、その出力がアナログ信号の場合はAD変換器16でデジタル値に変換され、更に補正部17で補正されてボディ加速度AB として出力される。
For example, this kind of posture angle detection device was attached to a human head, the movement of the head was detected, and the virtual space image displayed on the display was changed according to the movement of the head. There is something.
As shown in FIG. 7, in a conventional attitude angle detecting device, for example, each output of a gyro 11 having three axes orthogonal to each other as input axes is converted into digital values by an AD converter 12, and these digital values are converted by a subtractor 13. initial bias reset is subtracted, is the body angular velocity omega B is further corrected by the correction unit 14.
On the other hand, the output of the accelerometer 15 to an input shaft and an axis perpendicular to its output when the analog signal is converted into a digital value by the AD converter 16, and the output as a body acceleration A B is corrected by the correction unit 17 Is done.

姿勢基準計算部18よりの方向余弦マトリクスCとボディ加速度AB が水平加速度計算部19に入力されて、水平加速度AL が計算され、その水平加速度AL は水平加速度ダンピング部21で角速度誤差ΔωBAが推定され、この角速度誤差ΔωBAがボディ角速度ωB から引算器22で引算され、その引算出力は姿勢基準計算部18で角速度が積分されて、姿勢基準が計算され、この姿勢基準はオイラー角計算部23でオイラー角に変換され、その局所座標系の姿勢角として出力される。
補正部14及び17はAD変換後のフィルタ処理や、センサの製品出荷時に行われる調整時に取得されるミスアライメント補正値、スケールファクタ補正、バイアス補正値などによる補正が行われる。
Direction cosine matrix C and the body acceleration A B than attitude reference computation unit 18 is input to the horizontal acceleration calculator 19, calculates the horizontal acceleration A L, the horizontal acceleration A L is the angular velocity error Δω in horizontal acceleration damping unit 21 BA is estimated, the angular velocity error Δω BA is subtracted from the body angular velocity ω B by the subtractor 22, and the subtraction force is calculated by integrating the angular velocity in the attitude reference calculation unit 18 to calculate the attitude reference. The criterion is converted into an Euler angle by the Euler angle calculation unit 23, and is output as a posture angle in the local coordinate system.
The correction units 14 and 17 perform filter processing after AD conversion and correction based on a misalignment correction value, a scale factor correction, a bias correction value, and the like, which are obtained at the time of adjustment performed at the time of shipping the sensor.

水平加速度ダンピング部21では、図8に示すように方向余弦マトリクスCとボディ加速度AB が水平加速度計算部19で乗算されて水平加速度AL が求められ、水平加速度AL から重力加速度(0,0,G)が引算器25で引算され、水平成分ΔAL =(ΔAL X ,ΔAL Y ,0)が加速度計算部26で角速度ΔωL1=(ΔωL1X ,ΔωL1Y,0)が計算され、ΔωL1は座標変換部27で方向余弦マトリクスCによりボディ座標成分ΔωB1に変換される。またΔAL は加速度計算部28で角速度ΔωL2=(ΔωL2X ,ΔωL2Y ,0)が計算され、ΔωL2は座標変換部29でボディ座標成分に変換された後積分器31で積分される。この積分結果とΔωB1が加算器32で加算されて角速度誤差ΔωBAとされる。
水平加速度ダンピング計算部21は、図9に示すように構成されることもある。図9において、図8と異なる部分は水平加速度成分ΔAL は角度変換部33で誤差角度成分(Δφ,Δθ,0)が計算され、この誤差角度成分は姿勢基準計算部18の出力に対し、引算器34で姿勢基準の回転(トルキング)を行うことにより、誤差補正を行う。
In horizontal acceleration damping unit 21, a horizontal acceleration A L sought is the direction cosine matrix C and the body acceleration A B as shown in FIG. 8 is multiplied by the horizontal acceleration calculation unit 19, gravitational acceleration (0 from horizontal acceleration A L, (0, G) is subtracted by the subtracter 25, and the horizontal component ΔA L = (ΔA LX , ΔA LY , 0) is calculated by the acceleration calculator 26 as angular velocity Δω L1 = (Δω L1X , Δω L1Y , 0). , Δω L1 are converted into body coordinate components Δω B1 by the direction cosine matrix C in the coordinate conversion unit 27. The .DELTA.A L the acceleration calculating unit 28 at an angular velocity Δω L2 = (Δω L2X, Δω L2Y, 0) is calculated, [Delta] [omega L2 is integrated by the integrator 31 to be converted in the body coordinate component in the coordinate transformation unit 29. The integration result and Δω B1 are added by the adder 32 to obtain an angular velocity error Δω BA .
The horizontal acceleration damping calculation unit 21 may be configured as shown in FIG. 9, parts different from FIG. 8 is a horizontal acceleration component .DELTA.A L is the error angle component by the angle conversion section 33 (Δφ, Δθ, 0) is calculated, the error angle component with respect to the output of the attitude reference computation unit 18, The error correction is performed by performing rotation (torking) based on the posture by the subtractor 34.

人間の頭部に姿勢角検出装置を取付ける場合はその大きさを数cm立方、重さを100g以下程度の小形軽量なものとする必要がある。この点から使用されるジャイロ(角速度センサ)や加速度計は低精度でしかも誤差のばらつきが大きいものを使用せざるを得ない。このような低精度のジャイロを使用した場合、角速度誤差が発生することにより、姿勢角がドリフトする現象が発生する。これを抑えるために、角度ドリフトがない傾斜計のような角度センサを用いて、ジャイロの誤差を推定するループを構成していた。
またリセット時、つまり初期ジャイロバイアス推定時に、ジャイロバイアス誤差が大きいジャイロについては角速度ゼロのAD変換値がAD変換器の中心から大きくずれて、ジャイロ出力の有効なAD変換範囲が狭くなる。つまり従来においては図10Aに示すようにAD変換器12にジャイロ出力が直接入力され、AD変換器12の出力は引算器13を通じ、リセット時(ジャイロバイアス推定時)にオンにされるスイッチ36を通じてジャイロバイアス推定部422に入力され、その値が初期バイアスとして保持されると共に引算器13へ供給され、引算器13の出力がゼロになるようにされている。
When a posture angle detecting device is mounted on a human head, it is necessary to make it small and light with a size of several cm3 and a weight of about 100 g or less. From this point, a gyro (angular velocity sensor) or accelerometer used has to be used with low accuracy and large variation in error. When such a low-accuracy gyro is used, an angular velocity error occurs, causing a phenomenon in which the attitude angle drifts. In order to suppress this, a loop for estimating a gyro error is configured using an angle sensor such as an inclinometer having no angle drift.
Also, at the time of reset, that is, at the time of initial gyro bias estimation, for a gyro having a large gyro bias error, the AD conversion value of zero angular velocity is greatly shifted from the center of the AD converter, and the effective AD conversion range of the gyro output is narrowed. That is, conventionally, as shown in FIG. 10A, the gyro output is directly input to the AD converter 12, and the output of the AD converter 12 passes through the subtractor 13 and is turned on at the time of reset (at the time of gyro bias estimation). Is input to the gyro bias estimating unit 422, and the value is held as an initial bias and supplied to the subtractor 13, so that the output of the subtractor 13 becomes zero.

このようにジャイロセンサ出力がAD変換器12へ直接入力されているため、温度環境の異なる場所や、ジャイロバイアスやそのバイアスの変動による誤差の大きいセンサの場合には、例えば図10Bに示すようにAD変換器12として入力レンジ(変換範囲)が0〜5Vであり、角速度がゼロの場合の入力が入力レンジの中心2.5Vのものが用いられているが、ジャイロバイアスやドリフト誤差が大きいため、角速度がゼロ時のジャイロ出力が3.2Vであったとすると、−側での入力変化に対応できる範囲(−側角速度レンジ)は3.2Vであるが、+側角速度レンジは1.8Vしかない。このため有効レンジとしては±1.8V分しかとれず、つまり狭い方のレンジに制約されてしまう。この対策としては、性能の悪い角速度センサを事前に排除するか、調整用抵抗素子を取付けて出荷前に調整し、そのバイアス誤差値を図7の引算器13に入力する必要があった。これらは何れも、高価なものとなり、しかも温度環境によりジャイロバイアスが大きく変動する場合には、対応できなかった。   As described above, since the gyro sensor output is directly input to the AD converter 12, in a place having a different temperature environment, or in a case of a sensor having a large error due to a gyro bias or a fluctuation in the bias, as shown in FIG. The AD converter 12 has an input range (conversion range) of 0 to 5 V and an input having an angular velocity of zero when the input is 2.5 V at the center of the input range. However, since the gyro bias and the drift error are large, these are used. Assuming that the gyro output at the time when the angular velocity is zero is 3.2 V, the range (−side angular velocity range) that can respond to the input change on the − side is 3.2 V, but the + side angular velocity range is only 1.8 V. Absent. Therefore, the effective range is only ± 1.8 V, that is, it is restricted to a narrower range. As a countermeasure, it is necessary to eliminate an angular velocity sensor having poor performance in advance, or to attach an adjusting resistance element to adjust the sensor before shipment, and to input the bias error value to the subtractor 13 in FIG. All of these are expensive and cannot cope with the case where the gyro bias greatly varies depending on the temperature environment.

例えば人間の頭部に姿勢角検出装置を取付けて使用する場合に、人間の頭部の鉛直軸に対して姿勢角検出装置の鉛直軸を正確に平行に取付けることは困難であり、期待しない軸回りに回転が入力されるおそれがある。つまり図11Aに示すように人間の頭部38に姿勢角検出装置39を取付けた場合に装置39の水平軸を水平に、つまりロール角及びピッチ角が共に0度になるように取付けることができなかった場合、図11Aではピッチ方向にΔθ傾けて装置39を取付けた場合には、真の鉛直軸回りの角速度ωが入力されると、装置39の期待しない軸、つまりX軸にも角速度ωsin(Δθ)が入力され、Z軸にも角速度ωcos(Δθ)が入力されてしまい、正しい姿勢角を検出できない。
特開昭61−86613号公報 米国特許第4,212,443号
For example, when a posture angle detection device is mounted on a human head and used, it is difficult to accurately mount the vertical axis of the posture angle detection device in parallel with the vertical axis of the human head. There is a risk that rotation will be input around. That is, as shown in FIG. 11A, when the attitude angle detecting device 39 is mounted on the human head 38, the horizontal axis of the device 39 can be mounted horizontally, that is, both the roll angle and the pitch angle become 0 degrees. 11A, when the device 39 is mounted at an angle of [Delta] [theta] in the pitch direction and the true angular velocity [omega] about the vertical axis is input, the angular speed [omega] (Δθ) is input, and the angular velocity ωcos (Δθ) is also input to the Z axis, so that a correct attitude angle cannot be detected.
JP-A-61-86613 U.S. Pat. No. 4,212,443

姿勢角検出装置は、出荷前のジャイロバイアスの調整を不要とし、しかも大きなジャイロバイアスが入力されても、AD変換器のレンジを十分確保できるという第1の課題と、
角度ドリフトがない磁気方位センサのような角度センサを用いることなく、ジャイロ出力を利用して、方位角(ヨー角)のドリフトを抑圧することができるという第2の課題と、
被取付け体の鉛直軸に対して装置の鉛直軸が正確に平行に取付けられていなくても簡単に姿勢角を決定することができるという第3の課題とがあるが、本願発明は上記第2の課題を解決することを目的とする。
The first problem is that the attitude angle detection device does not require adjustment of the gyro bias before shipping, and can sufficiently secure the range of the AD converter even when a large gyro bias is input.
A second problem that a gyro output can be used to suppress drift of an azimuth angle (yaw angle) without using an angle sensor such as a magnetic azimuth sensor having no angle drift;
There is a third problem that the attitude angle can be easily determined even if the vertical axis of the device is not mounted exactly parallel to the vertical axis of the object to be mounted. It aims to solve the problem of.

上記第1の課題を解決する技術によれば、第1及び第2補正器が設けられ、これらはリセットコマンドにより動作され、ジャイロ出力が第1補正器に直接入力され、推定されたジャイロバイアス誤差が引算され、その引算されたアナログ値から前記引算結果が小さくなるように上記ジャイロバイアス誤差が推定される。この第1補正器により補正されたジャイロ出力は、第2補正器において推定されたデジタル値のジャイロバイアス補正残差が引算され、その引算された結果のデジタル値が小さくなるようにジャイロバイアス補正残差が推定され、そのジャイロバイアス補正残差が引算されたデジタル値のジャイロ出力が姿勢角を求めるために利用される。   According to the technique for solving the first problem, first and second correctors are provided, these are operated by a reset command, a gyro output is directly input to the first corrector, and an estimated gyro bias error is provided. Is subtracted, and the gyro bias error is estimated from the subtracted analog value such that the subtraction result is reduced. The gyro output corrected by the first corrector is subtracted from the gyro bias correction residual of the digital value estimated by the second corrector, and the gyro bias is set so that the digital value of the subtracted result becomes smaller. A correction residual is estimated, and a gyro output of a digital value obtained by subtracting the gyro bias correction residual is used to obtain an attitude angle.

上記第2の課題を解決するためのこの発明によれば、角速度バイアス推定部においてジャイロ出力から得られる角速度が規定値以下になると本装置への入力角速度がゼロの状態と判定し、水平加速度ダンピング計算部の入力がゼロとされ、ジャイロ出力から推定したジャイロバイアス誤差を引算し、その引算結果から前記ジャイロバイアス誤差が推定される。
上記第3の課題を解決するために次の技術が考えられる。リセットコマンドにより初期姿勢角計算部が動作し、加速度計の出力から初期姿勢角が計算され、姿勢角設定部において初期姿勢角により姿勢基準が補正され、その補正された姿勢基準がオイラー角計算に用いられる。
According to the present invention for solving the second problem, when the angular velocity obtained from the gyro output becomes equal to or less than the specified value in the angular velocity bias estimating unit, it is determined that the input angular velocity to the apparatus is zero, and the horizontal acceleration damping is performed. The input of the calculation unit is set to zero, the gyro bias error estimated from the gyro output is subtracted, and the gyro bias error is estimated from the result of the subtraction.
The following technology can be considered to solve the third problem. The initial attitude angle calculation unit is operated by the reset command, the initial attitude angle is calculated from the output of the accelerometer, the attitude standard is corrected by the initial attitude angle in the attitude angle setting unit, and the corrected attitude standard is used for the Euler angle calculation. Used.

この発明によれば、大きな角速度バイアス誤差があってもジャイロ出力の有効なAD変換レンジが狭まることがなく、ドリフトが生じない方位センサを用いることなく角速度バイアス誤差を推定することができる。   According to the present invention, even if there is a large angular velocity bias error, the effective AD conversion range of the gyro output is not narrowed, and the angular velocity bias error can be estimated without using an azimuth sensor that does not cause drift.

以下図面を参照してこの発明の実施形態を実施例により説明する。図1はこの発明の実施例を示し、図7と対応する部分には同一参照番号を付けてある。この実施例ではジャイロバイアス補正部40が設けられ、ジャイロ11の出力からジャイロバイアス誤差が差し引かれる。ジャイロバイアス補正部40においてはジャイロ11の出力はまず第1補正器41でリセット時の推定ジャイロバイアス誤差がアナログ演算により差し引かれて補正され、その補正されたジャイロ出力はAD変換器12によりデジタル値に変換され、そのデジタル値のジャイロ出力は第2補正器42でリセット時の推定ジャイロバイアス補正残差がデジタル演算により差し引かれて補正される。この補正されたジャイロ出力は補正部14で補正され、引算器22へ供給される。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows an embodiment of the present invention, and portions corresponding to FIG. 7 are denoted by the same reference numerals. In this embodiment, a gyro bias correction unit 40 is provided, and a gyro bias error is subtracted from the output of the gyro 11. In the gyro bias correction section 40, the output of the gyro 11 is first corrected by the first corrector 41 by subtracting the estimated gyro bias error at the time of reset by analog calculation, and the corrected gyro output is converted into a digital value by the AD converter 12. The gyro output of the digital value is corrected by the second corrector 42 by subtracting the estimated gyro bias correction residual at the time of reset by digital calculation. The corrected gyro output is corrected by the correction unit 14 and supplied to the subtractor 22.

引算器22の出力は角速度バイアス推定部43において本装置への角速度入力がゼロの状態とみなされた時の引算器22の出力によりジャイロバイアス誤差が推定され、その推定ジャイロバイアス誤差が、引算器22で補正部14で補正されたジャイロ出力から差し引かれて補正される。水平加速度ダンピング部21の入力側は水平加速度計算部19の出力側と0レジスタ44側とにスイッチ45により切替え接続されるようにされ、角速度バイアス推定部43において本装置への角速度入力がゼロの状態とみなされた時は、スイッチ45は0レジスタ44側に切替えられる。   The output of the subtractor 22 is used to estimate a gyro bias error from the output of the subtracter 22 when the angular velocity input to the device is regarded as being zero in the angular velocity bias estimator 43, and the estimated gyro bias error is The subtracter 22 subtracts the gyro output from the gyro output corrected by the correction unit 14 and corrects the gyro output. The input side of the horizontal acceleration damping unit 21 is switched and connected to the output side of the horizontal acceleration calculation unit 19 and the 0 register 44 by a switch 45, and the angular velocity bias estimating unit 43 detects that the angular velocity input to the device is zero. When the state is regarded as the state, the switch 45 is switched to the 0 register 44 side.

更にこの例では姿勢基準計算部18の入力側は引算器22の出力側と、0レジスタ46とにスイッチ47により切替え接続されるようになされた場合である。
初期姿勢角計算部48においてリセット時の初期姿勢角が加速度計出力により計算され、その初期姿勢角分だけ、姿勢基準計算部18よりの方向余弦マトリクスが出力姿勢角設定部49で回転補正され、その回転補正された方向余弦マトリクスがオイラー角計算部23へ供給される。
Further, in this example, the input side of the attitude reference calculation unit 18 is switched and connected to the output side of the subtractor 22 and the 0 register 46 by a switch 47.
The initial attitude angle at the time of reset is calculated by the initial attitude angle calculation unit 48 based on the output of the accelerometer, and the direction cosine matrix from the attitude reference calculation unit 18 is rotated and corrected by the output attitude angle setting unit 49 by the initial attitude angle, The rotation-corrected direction cosine matrix is supplied to the Euler angle calculation unit 23.

次にこの実施例において新たに設けた各部の具体例を説明する。
先ずリセット時のバイアス補正を行う第1及び第2補正器41及び42の例を図2Aを参照して説明する。これら第1及び第2補正器41及び42はこの姿勢角検出装置を使用するごとにその始めにリセットスイッチ又は姿勢角検出装置を制御するパソコンからのリセットコマンドにより動作され、その時(本装置への角速度入力がゼロの状態)バイアス誤差値を求める。
第1補正器41においてはジャイロ出力が減算器411に直接入力され、DA変換器412からのジャイロバイアス誤差Bi が引算され、その引算されたジャイロ出力がAD変換器12でデジタル値Δi に変換され、そのデジタル値は、リセットコマンドによりオンにされるスイッチ413を通じて誤差推定部414に入力される。誤差推定部414においては入力されたデジタル値はノイズ除去フィルタ415により雑音成分が除去され、誤差補正部416で前回のジャイロバイアス誤差Bi に対し、減算器411の出力Δi が加算されて、ジャイロバイアス誤差がBi+1 に更新され、この更新されたBi+1 がDA変換器412によりアナログ信号に変換されて減算器411へ供給される。AD変換器12の出力がゼロになるようにこの更新ループが何回か繰返され、AD変換器12の出力値が、DA変換器412のLSB(最小桁ビット)以内になるまで行われる。
Next, a specific example of each unit newly provided in this embodiment will be described.
First, examples of the first and second correctors 41 and 42 that perform bias correction at the time of reset will be described with reference to FIG. 2A. Each time the first and second correctors 41 and 42 are used, the first and second compensators 41 and 42 are operated by a reset switch or a reset command from a personal computer that controls the attitude angle detector. (When the angular velocity input is zero) Obtain the bias error value.
In the first corrector 41, the gyro output is directly input to the subtractor 411, the gyro bias error B i from the DA converter 412 is subtracted, and the subtracted gyro output is converted into the digital value Δ by the AD converter 12. i , and the digital value is input to the error estimator 414 through the switch 413 which is turned on by the reset command. Digital value input in the error estimating unit 414 a noise component is removed by the noise removal filter 415, the error correcting unit 416 to the gyro bias error B i of the previous and summed output delta i of the subtracter 411, The gyro bias error is updated to B i + 1, and the updated B i + 1 is converted into an analog signal by the DA converter 412 and supplied to the subtractor 411. This updating loop is repeated several times so that the output of the AD converter 12 becomes zero, and the process is repeated until the output value of the AD converter 12 becomes within the LSB (minimum digit bit) of the DA converter 412.

ノイズ除去フィルタ415は低域通過フィルタ又は移動平均を行うものなどが用いられる。最終的に得られたリセット時バイアス誤差は誤差補正部416内のレジスタに保持され、DA変換器412でアナログ信号とされて減算器411へ供給される。
第1補正器41でリセット時のバイアス誤差Bi の値が確定した後、第1補正器41の出力、この例ではAD変換器12の出力が第2補正器42の減算器421へ供給され、補正残差推定部422からのジャイロバイアス補正残差が引算され、第1補正器41における補正残差分(DA変換器412のLSB以下の値)がゼロになるように補正される。減算器421の出力はリセットコマンドによりオンにされるスイッチ423を通じて補正残差推定部422に入力される。補正残差推定部422では雑音を除去するために例えば約0.3秒間の平均値をとるフィルタ処理が行われて、第1補正器41によるジャイロバイアス誤差の補正残差が推定され、これが引算器421へ供給される。この補正残差に対するジャイロバイアス補正値も例えばレジスタに保持され、減算器421へ供給され続ける。
As the noise removal filter 415, a low-pass filter or a filter that performs a moving average is used. The finally obtained bias error at the time of reset is held in a register in the error correction unit 416, converted into an analog signal by the DA converter 412, and supplied to the subtractor 411.
After the value of the bias error B i at the time of resetting is determined by the first corrector 41, the output of the first corrector 41, in this example, the output of the AD converter 12 is supplied to the subtractor 421 of the second corrector. The gyro bias correction residual from the correction residual estimator 422 is subtracted, and the correction is performed so that the correction residual (the value equal to or less than the LSB of the DA converter 412) in the first corrector 41 becomes zero. The output of the subtractor 421 is input to the correction residual estimator 422 through a switch 423 that is turned on by a reset command. In the correction residual estimating unit 422, a filtering process for taking an average value of, for example, about 0.3 seconds is performed to remove noise, and the correction residual of the gyro bias error by the first corrector 41 is estimated. The data is supplied to the calculator 421. The gyro bias correction value for the correction residual is also stored in, for example, a register and is continuously supplied to the subtractor 421.

AD変換器12の変換レンジが0〜5.0Vの場合、図2Bに示すように静止時のジャイロ出力が3.2Vの場合は、+角速度に対する変換レンジは1.8Vであり、−角速度に対する変換レンジは3.2Vであり、このままでは図10Bで説明したように、有効角速度レンジは±1.8V分しかない。しかし、図2A中のDA変換器412からジャイロバイアス誤差として0.7Vが出力されると、静止時において減算器411の出力は2.5Vになり、図2Cに示すように、+角速度レンジ及び−角速度レンジも共に2.5となり、有効角速度レンジが+方向及び−方向において最大になる。なお、実際にはDA変換器412は、そのLSB以内の変換誤差をもつため、減算器411の出力はAD変換器12の入力レンジ中央2.5Vに対しDA変換器412のLSB以内の大きさの出力が減算器411から出力される。これが第2補正器42により補正される。以上のようにして温度環境などによりジャイロバイアス誤差が大きく変化しても、使用の都度、リセット時のジャイロバイアス誤差値を求めることにより、角速度の検出範囲を常に最大に利用することができ、かつジャイロバイアス誤差を補正することができる。   When the conversion range of the AD converter 12 is 0 to 5.0 V, as shown in FIG. 2B, when the gyro output at rest is 3.2 V, the conversion range for the + angular velocity is 1.8 V, and for the-angular velocity. The conversion range is 3.2 V, and the effective angular velocity range is only ± 1.8 V as described with reference to FIG. 10B. However, when 0.7 V is output as the gyro bias error from the DA converter 412 in FIG. 2A, the output of the subtractor 411 becomes 2.5 V in the stationary state, and as shown in FIG. The −angular velocity range is also 2.5, and the effective angular velocity range is maximum in the + direction and the − direction. Since the D / A converter 412 actually has a conversion error within the LSB, the output of the subtractor 411 has a magnitude within the LSB of the D / A converter 412 with respect to the center 2.5 V of the input range of the A / D converter 12. Is output from the subtractor 411. This is corrected by the second corrector 42. As described above, even if the gyro bias error greatly changes due to the temperature environment or the like, the gyro bias error value at the time of resetting is obtained each time use is performed, so that the detection range of the angular velocity can always be maximized, and The gyro bias error can be corrected.

図1中の姿勢基準計算部18で姿勢角基準計算(積分)を行う点からAD変換器12の分解能を高くすることが望ましい。AD変換器12の分解能を高くすると、その変換可能レンジが狭くなる。そのため図2Aに示した構成では大きな初期ジャイロバイアスを取り除くことができなくなる。このような場合図3に示すような構成とすればよい。つまり減算器411の出力は、AD変換器12よりも低分解能のAD変換器417でデジタル値に変換し、その変換されたデジタル値がスイッチ413を通じてノイズ除去フィルタ415へ供給されるようにする。このようにしてレンジの広いAD変換器417を用いて、大きなジャイロバイアス誤差に対しても、角速度がゼロ時のジャイロ出力が、減算器411で補正され、そのAD変換器417の変換レンジのほぼ中心値になるようにされる。その後、減算器411の補正されたジャイロ出力は、AD変換器417よりも高分解能(例えば20倍程度高い)のAD変換器12でデジタル値に変換され、第2補正器42により、第1補正器41での、リセット時のジャイロバイアス誤差の補正残差に対する補正値が求められる。図2A及び図3に示したようにジャイロバイアス補正部40では第1補正器41によりまずアナログ量での補正を行っているため、大きなジャイロバイアス誤差があっても、デジタル値で行う場合にはAD変換器の飽和のため、補正が不十分で有効動作範囲が狭まるおそれはない。なお、AD変換器12,417などこの明細書でAD変換器とは狭義のものではなく、例えば増幅器など他のものが含まれることがあり、要はアナログ値をデジタル値に変換するものであり、同様にDA変換器412は狭義のものではなく、増幅器などを含んだものであってもよく、要はデジタル値をアナログ値に変換するものであればよい。   It is desirable to increase the resolution of the AD converter 12 from the point that the attitude reference calculation (integration) is performed by the attitude reference calculator 18 in FIG. When the resolution of the AD converter 12 is increased, its convertible range is narrowed. Therefore, the configuration shown in FIG. 2A cannot remove a large initial gyro bias. In such a case, the configuration shown in FIG. That is, the output of the subtractor 411 is converted into a digital value by the AD converter 417 having a lower resolution than the AD converter 12, and the converted digital value is supplied to the noise removal filter 415 through the switch 413. In this way, the gyro output when the angular velocity is zero is corrected by the subtractor 411 even with a large gyro bias error by using the AD converter 417 having a wide range. It is made to be the center value. Thereafter, the corrected gyro output of the subtractor 411 is converted into a digital value by the AD converter 12 having a higher resolution (for example, about 20 times higher) than the AD converter 417, and the first correction is performed by the second corrector 42. A correction value for the correction residual of the gyro bias error at the time of reset in the unit 41 is obtained. As shown in FIGS. 2A and 3, in the gyro bias correction unit 40, the first correction unit 41 first performs correction using an analog amount. Therefore, even when there is a large gyro bias error, when the correction is performed using a digital value. Due to the saturation of the AD converter, there is no possibility that the correction is insufficient and the effective operating range is narrowed. In this specification, the AD converters such as the AD converters 12 and 417 are not narrowly defined, but may include, for example, an amplifier such as an amplifier. In other words, the AD converters convert an analog value into a digital value. Similarly, the DA converter 412 is not in a narrow sense, and may include an amplifier or the like. In other words, the DA converter 412 only needs to convert a digital value into an analog value.

次に図1中の角速度バイアス推定部43における角速度バイアス推定処理を、図4を参照して説明する。図1中の補正部14からの補正されたジャイロ出力ωBはノイズ除去フィルタ431で、雑音成分が除去されて角速度誤差判定処理部432に入力される。ノイズ除去フィルタ431は移動平均処理や低域通過処理により雑音成分の除去を行う。このノイズ除去フィルタ431の特性はこの姿勢角検出装置の使用環境などにより決定する。
角速度誤差判定処理部432は、判定しきい値テーブル433を参照して入力された角速度が所定の角速度しきい値範囲内であれば誤差と判定して、スイッチ434及び435をオンにし、また図1中のスイッチ45を0レジスタ44側に切替え、必要に応じてスイッチ47も0レジスタ46側に切替える。ノイズ除去フィルタ431の誤差とみなされた出力はスイッチ434を通じて角速度バイアス推定処理部436に入力され、その時の角速度バイアス値Δωi とされる。この角速度バイアス値Δωi はスイッチ435を通じて角速度バイアス積分部437に入力され、それまでの角速度バイアスΔωBS,i-1にΔωi が加算されて角速度バイアス値ΔωBSが更新される。つまり下記の式が計算される。
ΔωBS,i=ΔωBS,i-1+Δωi
この場合、図1中において水平加速度ダンピング部21にスイッチ45を通じて0が入力されているため図8及び図9における角速度誤差ΔωBAが変化するおそれがなく、正しく角速度バイアス値ΔωBSを求めることができる。
Next, the angular velocity bias estimating process in the angular velocity bias estimator 43 in FIG. 1 will be described with reference to FIG. The corrected gyro output ω B from the correction unit 14 in FIG. 1 is input to an angular velocity error determination processing unit 432 after a noise component is removed by a noise removal filter 431. The noise removal filter 431 removes noise components by moving average processing or low-pass processing. The characteristics of the noise removal filter 431 are determined according to the environment in which the attitude angle detection device is used.
The angular velocity error determination processing unit 432 refers to the determination threshold table 433, determines that an error is present if the input angular velocity is within a predetermined angular velocity threshold range, turns on the switches 434 and 435, and The switch 45 in 1 is switched to the 0 register 44 side, and the switch 47 is also switched to the 0 register 46 side as necessary. Output deemed error of the noise removal filter 431 is input to the angular velocity bias estimation processor 436 via the switch 434, is an angular velocity bias value [Delta] [omega i at that time. The angular velocity bias value [Delta] [omega i are input to the angular velocity bias integrator 437 through the switch 435, the previous angular velocity bias [Delta] [omega BS, [Delta] [omega i is added to i-1 and the angular velocity bias value [Delta] [omega BS is updated. That is, the following equation is calculated.
Δω BS, i = Δω BS, i-1 + Δω i
In this case, since 0 is input to the horizontal acceleration damping unit 21 through the switch 45 in FIG. 1, there is no possibility that the angular velocity error Δω BA in FIGS. 8 and 9 changes, and the angular velocity bias value Δω BS can be correctly obtained. it can.

角速度誤差判定処理部432における誤差の判定は角速度しきい値範囲内であると連続してN回判定された時に、ノイズ除去フィルタ431の出力は本装置への角速度入力がゼロの状態に生じる誤差と判定するようにすることもできる。このためにはj=0でX軸、j=1でY軸、j=2でZ軸とし、1つのjについての処理例を図5に示す。フラグFj =0とし(S1)j軸入力のジャイロ出力(フィルタ431の出力)ωj が、判定しきい値ωjmの範囲、つまり−ωjm<ωj <+ωjmであるかを調べ(S2)、このしきい値範囲内になければnj を0と(S3)、このしきい値範囲内にあればnj を+1して更新し(S4)、その更新されたnj がN以上かを調べ(S5)、N以上であれば静止状態にあり、その時のωj をj軸回り角速度誤差Δωと判定し、フラグFj を1にする(S6)。図に示していないがjを更新して同様に処理を行って次々と各軸回りの角速度の誤差を求める。 When the determination of the error in the angular velocity error determination processing unit 432 is continuously performed N times within the angular velocity threshold range, the output of the noise removal filter 431 is the error generated when the angular velocity input to the apparatus is zero. May be determined. For this purpose, FIG. 5 shows an example of processing for one j by setting the X axis when j = 0, the Y axis when j = 1, and the Z axis when j = 2. The flag F j = 0 and (S1) It is checked whether the gyro output (output of the filter 431) ω j of the j-axis input is within the range of the determination threshold ω jm , that is, −ω jmj <+ ω jm ( S2), not within the threshold range n j 0 and (S3), this if within a threshold range to update the n j by +1 (S4), its updated n j n It is checked whether the above is true (S5). If it is N or more, it is in a stationary state, ω j at that time is determined as the j-axis angular velocity error Δω, and the flag F j is set to 1 (S6). Although not shown in the drawing, j is updated and the same processing is performed to successively obtain errors in angular velocities around each axis.

判定しきい値テーブル433に各ジャイロの入力軸X,Y,Zごとに、各種値を格納しておき、利用者が判定しきい値を使用状態に応じて選ぶことにより入力角速度に対する感度を変更することができるようにしてもよい。判定しきい値を小さくすれば入力角速度に対する感度が高くなる。図示例では判定しきい値を全軸共通の2゜/秒としたが、各軸ごとに設定してもよい。図5に示したように各軸ごとにその入力がしきい値以内か否かを判定したが、全軸の入力ωj が同時にしきい値以内とされた時のみ、その各軸のジャイロ出力を誤差と判定してもよい。場合によってはいずれかの軸の組合せについて行ってもよい。これらは姿勢角検出装置の利用の状況に応じて決めればよい。 Various values are stored in the determination threshold table 433 for each of the input axes X, Y, and Z of each gyro, and the sensitivity to the input angular velocity is changed by the user selecting the determination threshold according to the use state. It may be possible to do so. The sensitivity to the input angular velocity increases as the determination threshold decreases. In the illustrated example, the determination threshold value is 2 ゜ / sec common to all axes, but may be set for each axis. As shown in FIG. 5, it was determined whether or not the input was within the threshold value for each axis, but only when the input ω j of all axes was simultaneously within the threshold value, the gyro output of each axis was determined. May be determined as an error. Depending on the case, it may be performed for any combination of axes. These may be determined according to the situation of use of the attitude angle detecting device.

角速度誤差判定処理部432において、その入力が判定しきい値の範囲外と判定されると、スイッチ434及び435はオフとされ、図1中のスイッチ45及び47に0レジスタ44,46から切り離されるように切替えられる。このスイッチ435がオフとされた時の角速度バイアス積分部437の出力が最新の角速度バイアスΔωBSとして出力される。なお前記本装置への角速度入力がゼロの状態と判定され、スイッチ434,435がオフ、スイッチ45,47が0レジスタ44,46側に接続されている状態では図1において姿勢基準計算部18の入力がゼロとなりオイラー角計算部23はその時の姿勢角を出力し続けるため、例えばこの姿勢角に応じた画像を表示する場合、その画像が変動して見苦しくなるようなことはない。 When the angular velocity error determination processing unit 432 determines that the input is outside the range of the determination threshold, the switches 434 and 435 are turned off, and the switches 45 and 47 in FIG. It is switched as follows. The output of the angular velocity bias integrator 437 when the switch 435 is turned off is output as the latest angular velocity bias Δω BS . When the angular velocity input to the apparatus is determined to be zero and the switches 434 and 435 are turned off and the switches 45 and 47 are connected to the 0 registers 44 and 46, the posture reference calculation unit 18 in FIG. Since the input becomes zero and the Euler angle calculation unit 23 continues to output the posture angle at that time, for example, when displaying an image corresponding to this posture angle, the image does not fluctuate and become unsightly.

また図4に示した角速度バイアスの推定処理によれば、各軸におけるジャイロ出力の角速度バイアスを推定できる。つまり、この姿勢角検出装置をほぼ水平面で使用した場合は、Z軸ジャイロについては水平加速度ダンピングにより、補正がなされない。このため通常であれば使用した角速度センサの誤差によりヨー角がドリフトしてしまうが、図4に示した角速度バイアス推定処理によりヨー角のドリフトを抑えることができる。なお従来においては磁気方位センサなどジャイロ以外の方位センサを組み合せることによりヨー角の誤差補正を行っているが、この実施例によればそのようなジャイロ以外の方位センサを必要としない。   According to the angular velocity bias estimation processing shown in FIG. 4, the angular velocity bias of the gyro output in each axis can be estimated. That is, when the attitude angle detecting device is used on a substantially horizontal plane, the Z-axis gyro is not corrected by horizontal acceleration damping. For this reason, the yaw angle drifts due to an error of the angular velocity sensor used normally, but the yaw angle drift can be suppressed by the angular velocity bias estimation processing shown in FIG. Conventionally, yaw angle error correction is performed by combining a direction sensor other than a gyro such as a magnetic direction sensor. However, according to this embodiment, such a direction sensor other than the gyro is not required.

次に図1中の出力姿勢角設定部49について説明する。図6に示すように加速度計出力が、リセット時にオンにされるスイッチ491を通じてノイズ除去フィルタ492に入力され、例えばN回の平均化が行われ、雑音除去されて加速度による姿勢角計算部493に入力される。この姿勢角計算部493においてその入力された加速度により姿勢角が計算され、この初期姿勢角が初期方向余弦マトリクスC0 として出力される。図1中の姿勢基準計算部18において、その積分の初期値として、加速度から姿勢角を計算しているが、これと同様な手法で、姿勢角計算部493においても初期姿勢角を計算すればよい。この初期方向余弦マトリクスC0 は姿勢角計算部493内の記憶部に保持される。 Next, the output attitude angle setting unit 49 in FIG. 1 will be described. As shown in FIG. 6, the output of the accelerometer is input to the noise removal filter 492 through a switch 491 that is turned on at the time of resetting. For example, averaging is performed N times. Is entered. The posture angle calculator 493 calculates a posture angle based on the input acceleration, and outputs the initial posture angle as an initial direction cosine matrix C 0 . In the attitude reference calculation unit 18 in FIG. 1, the attitude angle is calculated from the acceleration as an initial value of the integration. However, if the attitude angle calculation unit 493 calculates the initial attitude angle in the same manner, Good. The initial direction cosine matrix C 0 is stored in a storage unit in the posture angle calculation unit 493.

このようにして求めた初期方向余弦マトリクスC0 を用いて、図1中の姿勢基準計算部18で求めた姿勢基準である方向余弦ベクトルCに対し、
C′=C・C0 T , C0 TはC0 の転置行列
出力姿勢角設定部49で計算し、リセット時の姿勢角分だけ回転させた方向余弦ベクトルC′を求め、このC′を用いてオイラー角を計算する。このようにして、図11Aに示したように例えばピッチ方向にΔθだけ傾けて姿勢角検出装置39が取付けられても、図11Bに示すように、初期姿勢角C0 により姿勢基準がΔθだけ回転補正され、期待しない軸に角速度が入力されるおそれがなく、それだけ正しい姿勢角を出力することができる。
このように初期姿勢角は加速度計出力により求める。従って加速度計にバイアス誤差がある場合は、正しい水平面を検出することができず初期姿勢角に誤差が発生する。リセットごとに姿勢角検出装置を水平に設置することは頭部38などに取付けた後では難かしい。また出荷後に誤差が発生した場合も修正できるよう、利用者により設定することができるバイアス誤差の補正モードを用意するとよい。
Using the initial direction cosine matrix C 0 obtained in this way, the direction cosine vector C which is the attitude reference obtained by the attitude reference calculation unit 18 in FIG.
C ′ = C · C 0 T , C 0 T are calculated by the transposition matrix output attitude angle setting unit 49 of C 0 , and a direction cosine vector C ′ rotated by the reset attitude angle is obtained. To calculate the Euler angles. In this way, even if the attitude angle detecting device 39 is attached while being tilted by, for example, Δθ in the pitch direction as shown in FIG. 11A, the attitude reference is rotated by Δθ by the initial attitude angle C 0 as shown in FIG. 11B. There is no possibility that the corrected angular velocity is input to an unexpected axis, and a correct attitude angle can be output accordingly.
As described above, the initial attitude angle is obtained from the output of the accelerometer. Therefore, if there is a bias error in the accelerometer, a correct horizontal plane cannot be detected and an error occurs in the initial attitude angle. It is difficult to install the attitude angle detecting device horizontally after each reset after attaching it to the head 38 or the like. Further, a bias error correction mode that can be set by a user may be prepared so that an error can be corrected even after shipping.

つまり姿勢角検出装置39をなるべく水平面に近い状態に置き、図6にも示すように、この補正モードにおいてはスイッチ494をオンにして加速度計出力を引算器495へ供給して重力加速度(0,0,1G)との差を求め、この差を加速度バイアス推定部496で必要に応じてN回平均化して加速度バイアスを推定し、この推定値を、不揮発性メモリ497に記憶する。その後、スイッチ498をオンにして、メモリ497よりの加速度バイアス補正値を引算器499に入力し、加速度計出力から加速度バイアス補正値を差し引き、その結果が重力加速度(0,0,1G)になるようにされる。このようにして、次回の電源ON時からは正しい加速度が引算器497の出力から得られるようにされる。
上述において各部はコンピュータによりプログラムを実行させて機能させることもできる。
That is, the attitude angle detector 39 is placed as close as possible to the horizontal plane, and as shown in FIG. 6, in this correction mode, the switch 494 is turned on and the output of the accelerometer is supplied to the subtractor 495 to supply the gravitational acceleration (0 , 0, 1G), the difference is averaged N times by an acceleration bias estimator 496 as needed to estimate the acceleration bias, and the estimated value is stored in the nonvolatile memory 497. Thereafter, the switch 498 is turned on, the acceleration bias correction value from the memory 497 is input to the subtractor 499, the acceleration bias correction value is subtracted from the accelerometer output, and the result is converted to the gravitational acceleration (0, 0, 1G). To be. In this way, the correct acceleration can be obtained from the output of the subtractor 497 from the next power ON.
In the above description, each unit may be caused to function by executing a program by a computer.

この発明の実施例の機能構成を示すブロック図。FIG. 1 is a block diagram showing a functional configuration of an embodiment of the present invention. Aは図1中の第1及び第2補正器41及び42の具体例を示す図、B及びCはその説明のための図である。A is a diagram showing a specific example of the first and second correctors 41 and 42 in FIG. 1, and B and C are diagrams for explaining the same. 図1中の第1及び第2補正器41及び42の他の具体例を示す図。FIG. 2 is a diagram showing another specific example of the first and second correctors 41 and 42 in FIG. 1. 図1中の角速度バイアス推定部43の具体例を示す図。FIG. 2 is a diagram illustrating a specific example of an angular velocity bias estimating unit 43 in FIG. 1. 図4中の角速度誤差判定処理部432における処理手順の一部の例を示す流れ図。5 is a flowchart showing an example of a part of a processing procedure in an angular velocity error determination processing unit 432 in FIG. 4. 図1中の初期姿勢計算部48の具体例を示す図。FIG. 2 is a diagram showing a specific example of an initial attitude calculation unit 48 in FIG. 1. 従来の姿勢角検出装置を示すブロック図。FIG. 9 is a block diagram showing a conventional attitude angle detection device. 図7中の水平加速度ダンピング部21の具体例を示す図。FIG. 8 is a diagram illustrating a specific example of a horizontal acceleration damping unit 21 in FIG. 7. その他の例を示す図。The figure which shows other examples. Aは従来のジャイロバイアス補正の構成を示す図、Bはその説明のための図である。A is a diagram showing a configuration of a conventional gyro bias correction, and B is a diagram for explaining the configuration. Aは取付け状態が傾いた場合の必要な軸に角速度が生じる様子を示す図、Bはその補正を行った状態を示す図である。FIG. 7A is a diagram illustrating a state where an angular velocity is generated on a necessary axis when the mounting state is inclined, and FIG.

Claims (1)

ジャイロと加速度計を具備し、上記ジャイロの出力を使用して方向余弦マトリクスを計算し、上記加速度計の出力から水平加速度を検出し、上記方向余弦マトリクスと上記加速度から水平加速度ダンビング部で角速度誤差を推定し、その角速度誤差をジャイロ出力から差し引いて姿勢角を求める姿勢角検出装置において、
上記ジャイロの出力から得られる角速度が所定値以下になると本装置への角速度入力がゼロの状態と判定し、上記水平加速度ダンピング部の入力をゼロとして、上記ジャイロの出力からジャイロバイアス誤差を推定する角速度バイアス推定部と、
上記推定されたジャイロバイアス誤差を上記ジャイロ出力から差し引いて上記姿勢基準計算部へ出力する引算部とを具備することを特徴とする姿勢角検出装置。
A gyro and an accelerometer are provided, a direction cosine matrix is calculated using the output of the gyro, a horizontal acceleration is detected from the output of the accelerometer, and an angular velocity error is calculated from the direction cosine matrix and the acceleration by a horizontal acceleration damping unit. Is estimated, and the angular velocity error is subtracted from the gyro output to obtain an attitude angle.
When the angular velocity obtained from the output of the gyro is equal to or less than a predetermined value, it is determined that the angular velocity input to the apparatus is zero, and the input of the horizontal acceleration damping unit is set to zero, and a gyro bias error is estimated from the output of the gyro. An angular velocity bias estimator;
And a subtraction unit that subtracts the estimated gyro bias error from the gyro output and outputs the result to the attitude reference calculation unit.
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