JPH0535971B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はジヤイロ、加速度計及び磁気方位セン
サーを用いた航空機、自動車等の航行体の姿勢検
出装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、航空機には、周知の如く、方位を指示す
るDG（デイレクシヨナルジヤイロ）と、磁気コ
ンパス（或はフラツクスバルブコンパス）と、姿
勢角を指示するVG（水平儀）と、垂直軸まわり
の旋回角速度及びバンク角を指示する旋回計とが
搭載され、パイロツトの感覚を補い、如何なる条
件下においても、安全な飛行が可能となるように
なされている。

次に、上記従来の装置を、第４乃至第９図を参
照して説明する。

第４図は現在航空機で使用されているデイレク
シヨナルジヤイロの一例の斜視図である。図示の
如く、このジヤイロでは、スピン軸１００，１０
０ａが略々水平で高速回転しているジヤイロロー
タ１０１がそのスピン軸１００，１００ａでジヤ
イロケースである水平環１０２によつて、回転自
在に支持されている。水平環１０２は、スピン軸
１００，１００ａと直角な位置に、水平軸１０
３，１０３ａを有し、これ等水平軸１０３，１０
３ａが、垂直環１０４の対応する位置に固設され
た水平軸軸受１０５，１０５ａ（１０５ａは図示
せず）に回動的に嵌合している。垂直環１０４
は、上記水平軸軸受１０５，１０５ａと直交する
位置に、上下に突出する垂直軸１０６，１０６ａ
を有し、これ等垂直軸１０６，１０６ａが、航空
機に固定される基台１０７Ｂの対応する位置に固
設された垂直軸軸受１０７，１０７ａ（１０７ａ
は図示せず）に回動的に嵌合する。上部の垂直軸
１０６ａには、起立トルカ１０８と、コンパスカ
ード１０９とが取付けられる。下側の垂直軸１０
６には、受信シンクロ１１０及び発信シンクロ１
１１が取付けられる。

水平環１０２には、スピン軸１００，１００ａ
の水平面に対いする傾斜を検出する電解液レベル
１１２が取付けられる。電解液レベル１１２の出
力は、増幅器１１３を介して起立トルカ１０８に
フイードバツクされ、上記ジヤイロロータ１０１
のスピン軸１００，１００ａを常に水平に保持す
る。このループを起立ループと称している。航空
機の機体の方位角を磁気的に検出するフラツクス
バルブ１１４の磁気方位出力は、受信シンクス１
１０に送られ、ここで、磁気方位出力と、スピン
軸１００，１００ａの方位、即ちジヤイロ方位と
の偏差信号を作り、この偏差信号を増幅器１１４
Ａを介して、水平軸１０３に設けたスレーブトル
カ１１５にフイードバツクし、ジヤイロ方位を磁
気方位に一致させる。このループを方位拘束ルー
プと称する。機体の激しい運動下においては、ジ
ヤイロ方位を出力し、ジヤイロドリフトによる方
位角の誤差は、フラツクスバルブ１１４からの磁
気方位に拘束させ、精度を保持する。機体方位
は、垂直軸１０６ａに取付けたコンパスカード１
０９によつて読みとる。

第５図は、現在使用されている航空機の機体の
傾斜角（ロール角、ピツチ角）を検出する水平儀
の一例である。この例では、内部ジンバル１３２
は、その内部に、スピン軸１３１を略々垂直に保
持して高速で回転するジヤイロロータ１３０を内
蔵する。内部ジンバル１３２は、スピン軸１３１
と直交する水平の位置にピツチ軸１３３，１３３
ａを有し、これ等ピツチ軸１３３，１３３ａが外
部ジンバル１３５の対応位置に固設したピツチ軸
軸受１３４，１３４ａ（ピツチ軸軸受１３４は見
えない）に回動的に嵌合する。外部ジンバル１３
５は、上記ピツチ軸１３４，１３４ａと直交する
位置に、ロール軸１３６，１３６ａを有し、これ
等ロール軸１３６，１３６ａが、機体の首尾線方
向に取付けたロール基台１３８，１３８ａに設け
たロール軸軸受１３７，１３７ａに回動的に嵌合
する。内部ジンバル１３２は、スピン軸１３１の
ロール軸１３６，１３６ａまわりの水平面に対す
る傾斜を検出するロール電解液レベル１３９及び
ピツチ軸１３３，１３３ａまわりの傾斜を検出す
るピツチ電解液レベル１４２を有する。

ロール電解液レベル１３９の出力は、ロール増
幅器１４０を介してピツチ軸１３３に取付けたロ
ールトルカ１４１に、上記ロール電解液レベル１
３９の出力がゼロとなるようにフイードバツクす
る。このループは、ロール起立系と称される。一
方、ピツチ電解液レベル１４２の出力は、ピツチ
増幅器１４３を介してロール軸１３６に取付けた
ピツチトルカ１４４にフイードバツクされ、スピ
ン軸１３１のピツチ軸１３３，１３３ａまわりの
傾斜をゼロに保持する。このループは、ピツチ起
立系と称される。機体のロール角は、ロール軸１
３６ａに取付けたロール角発信器１４５より、
又、ピツチ角は、ピツチ軸１３３ａに取付けたピ
ツチ角発信器１４６よりそれぞれ出力される。

第６図は、現在航空機で使用されている旋回計
の表示部を示す。基線１５１及び指針１５２を用
いて、第７図に示すジヤイロによつて、機体の旋
回角速度を表示する。表示部の下半分はバンク角
表示部１５４で、曲率を有する円環内に封入した
ボール１５５の位置により、バンク角を出力表示
する。

第７図は、上記旋回計の旋回角速度を検出する
レートジヤイロの部分を示す。ジヤイロロータ１
７０を内蔵するジヤイロケース１７１が、ジヤイ
ロロータ１７０のスピン軸１７２の軸線XX′と直
交する位置に、出力軸１７３，１７３ａを有し、
これ等出力軸１７３，１７３ａが、機体に固定さ
れる基台１７４に固設した出力軸軸受１７５，１
７５ａに回動的に嵌合する。ジヤイロケース１７
１と基台１７４との間には、復元バネ１７６、ダ
ンピングポツト１７７が設けられている。

出力軸軸線YY′及びスピン軸１７２の軸線
XX′の双方に直交する入力軸ZZ′まわりに旋回角
度Ωが印加されると、ジヤイロ作用により、旋回
角速度Ωに比例したトルクが、出力軸軸線YY′ま
わりに発生する。このトルクは、ジヤイロケース
１７１以内を、出力軸軸線YY′まわりに回転さ
せ、その変角に応じて復元バネ１７６によるトル
クが発生し、釣り合い状態を作る。即ち、入力角
速度Ωが出力軸軸線YY′まわりの回転角に変換さ
れたことになり、この変角を出力軸１７３ａに取
付けた指針１７８（これは第６図の指針１５２に
対応する）により表示出力する。

第８図はフラツクスバルブコンパスと呼ばれる
磁気方位センサー７の一例を示す一部断面図であ
る。この例では、基台７−１の中心からユニバー
サルジヨイント７−２を介して磁気方位検出部７
−３を振子状に吊り下げる。ボウル７−４が基台
７−１の下面に取付けられ、磁気方位検出部７−
３に対する容器を構成する。この容器の内部にダ
ンピングオイル７−５を充填し、磁気方位検出部
７−３の振子運動を減衰させる。ユニバーサルジ
ヨイント７−２の作用により、航行体の傾斜に拘
わらず磁気方位検出部７−３は、常に水平に保持
され、傾斜による方位誤差の発生が防止できる。

第９図は磁気方位検出部７−３の斜視図であ
る。中心部には巻装したエキサイターコイル７０
を交流電源にて励磁する。高透磁率材で作つた３
個の等角間隔を以てエキサイターコイル７０に固
定したスポーク７１−１，７１−２，７１−３に
巻装した３個のピツクアツプコイル７２−１，７
２−２，７２−３に航行体の方位に対応した交流
電圧が120゜の位相をもつて発生する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上述した従来の装置は、機構的
に複雑で、且つ組立及び調整に熟練及び時間を必
要とし、コストが高いと同時に、ボールベアリン
グや、摺動電路等の摩耗部品がある為、定期的な
保守点検が必須であり、且つ振動、衝撃に弱い等
の問題点があつた。

又、磁気方位センサーは、その磁気方位検出部
をユニバーサルジヨイントで支持すると共に、そ
のダンピングのために、オイルが必要等で、大
型、大重量且つコスト高である。このため、磁気
方位検出部を直接航行体に取り付ければ小型化、
軽量化することができるが、航行体の傾斜により
地磁気の垂直成分を検出してしまうため、方位誤
差が大きくなる欠点がある。

従つて、本発明は、従来の装置の問題点を解決
した新規な姿勢検出装置を提供するものである 〔問題点を解決するための手段〕 本発明による姿勢検出装置は、航行体の主要３
軸にそれ等の入力軸が夫々一致するように航行体
に取り付けた３個のジヤイロ１，２，３及び３個
の加速度計４，５，６、１個の磁気センサー７
Ａ、上述３個のジヤイロ、３個の加速度計及び１
個の磁気センサーの出力を入力とする信号変換部
８、この信号変換部の出力を入力とする演算部
９、この演算部の出力を入力とし、外部へ姿勢信
号を出力する信号出力部１０を有し、上記磁気方
位センサーの磁気方位検出部７−３を直接航行体
に取付けると共に、磁気方位センサーの傾斜に起
因する誤差を修正するための傾斜誤差演算部６０
を設け、CTM演算部から得られる航行体の方位
角、ロール角、ピツチ角と傾斜誤差修正演算部に
設けた地磁気の水平成分及び垂直成分の値から磁
気方位センサーの方位誤差を演算し、修正する。

〔作 用〕

航行体の主要３軸方向にそれぞれの入力軸を一
致させて取付けた３個のジヤイロ１２，３の出力
を、バイアス修正器５０，５１，５２を介して座
標変換マトリクス（CTM）演算部５３に入力し、
CTMを演算させる。上記ジヤイロ１，２，３の
入力軸とそれ等の入手軸が平行となるように機体
に取付けた３個の加速度計４，５，６の出力と、
上述CTM信号とから水平成分演算部５４におい
て、重力加速度の水平成分α，βを演算する。
CTMが正しければ、水平成分α，βはゼロであ
るが、CTMに誤差があると、水平成分α，βは
有限の値となるため、起立トルク演算部５６にお
いてCTMが正しい値になるような東西方向及び
南北方向のトルキング信号ET１，ET２に変換し
て、CTM演算部５３に送る。

一方、CTM演算部５３内の方位角信号ASと、
磁気方位センサー７Ａからの磁気方位信号MAS
を傾斜誤差修正演算部６０を通じて傾斜誤差を修
正した磁気方位信号MASIとを、方位拘束トルク
演算部５７において、比較演算等を行い、方位軸
まわりのトルキング信号を作り、これを両者の差
がなくなるようにCTM演算部５３にフイードバ
ツクする。

一方、ジヤイロにドリフトがあると、起立トル
ク演算部５６及び方位拘束トルク演算部５７の出
力は、ゼロとはならず、ジヤイロドリフトに対応
した有限な値をもつ。これ等の出力信号を、ジヤ
イロバイアス演算部５８にCTM信号と共に入力
し、演算したバイアス修正信号を各ジヤイロのバ
イアス修正器５０，５１，５２に入力し、ジヤイ
ロドリフトがゼロとなるように修正する。

CTM演算部５３からの航行体のロール角、ピ
ツチ角、方位角、バイアス修正器５０，５１，５
２からの航行体の角速度及びＹ加速度計５からの
横すべり信号を、それぞれ出力する。航行体が旋
回、増減速度等の加速度運動を行つている時は、
起立トルク演算部５６への入力をカツトオフし、
加速度の影響を削除する。他のセンサーから速度
信号が得られるときにはこれと、CTM信号とを
加速度修正演算部５５へ供給し、加速度の影響を
とり除く。

〔実施例〕

以下、第１及び第２図を参照して、本発明の一
実施例を説明する。

第１図は本発明の姿勢検出装置の１例の全体を
示すブロツク図である。同図の例では、例えば振
動ジヤイロ、ガスレートジヤイロ等の非回転型の
ジヤイロより成るＸジヤイロ１、Ｙジヤイロ２、
Ｚジヤイロ３と、Ｘ加速度計４、Ｙ加速度計５、
Ｚ加速度計６と、ジンバルを持たない磁気方位セ
ンサー７Ａとを、航行体（図示せず）の主要直交
３軸、即ちＸ，Ｙ，Ｚ軸に、それぞれの入力軸が
一致するように取付ける（矢印参照）。これ等よ
りの出力信号を、信号変換部８を介して演算部９
に入力する。演算部９において、座標変換マトリ
クスCTMの演算、ジヤイロドリフト修正演算、
加速度修正演算等を実施した後、航行体の制御、
運航に必要なロール角、ピツチ角、方位角、Ｘ，
Ｙ，Ｚ角速度、バンク角、スベリ角等の信号を、
信号出力部１０を介して送出する。

第２図は第１図の演算部９の一例の構成を示す
ブロツク図である。第１図に示す信号変換部８か
らのＸ，Ｙ及びＺジヤイロ１，２及び３よりのジ
ヤイロ信号XG，YG及びZGを、夫々バイアス修
正器５０，５１，５２を介してＸレート、Ｙレー
ト及びＺレートとして第１図に示す信号出力部１
０に供給すると共に、CTM（座標変換マトリク
ス）演算部５３に入力し、CTMを演算する。

一方、第１図に示す信号変換部８からのＸ，
Ｙ，Ｚ及びＺ加速度計４，５及び６よりの加速度
信号XA，YA及びZAは、CTM演算部５３から
のCTM信号CSと共に、水平成分演算部５４に入
力され、そこで、東西、南北両方向の加速度の水
平成分α，βを算出する。水平成分α，βは、機
体の加速度計よりの速度信号SSと共に、加速度
修正演算部５５に入力され、そこで、航行体の運
動加速度の成分を除いた後、起立トルク演算部５
６に入力し、起立トルク演算を行つた後、CTM
演算部５３に入力して、水平成分α，βがゼロと
なるようにCTMをトルキングする。

CTM演算部５３からの方位角信号ASと、傾斜
誤差修正演算部６０からの磁気方位信号MAS１
とは、方位拘束トルク演算部５７に供給され、そ
こにおいて、比較演算拘束トルク演算を行い、そ
の出力トルキングTSを上記CTM演算部５３にフ
イードバツクし、CTMを主として方位軸まわり
にトルキングすることにより、CTM方位を磁気
方位に拘束させる。傾斜誤差修正演算部６０は、
CTM演算部５３から得られる航行体の方位角、
ロール角、ピツチ角と傾斜誤差修正演算部内に設
けた地磁気の水平成分及び垂直成分の値とから下
記の式(1)に示す磁気方位センサの方位誤差を演算
し、磁気方位センサーの傾斜に起因する誤差を修
正する。

Δφ＝H_hcosφ｛sinφ（cosθ−cosφ）＋cosφ・sinθ
sinψ｝／H_h（sin²φcosθ＋cos²φcosφ＋cosφsinφs
inθsinψ） −H_v（sinφSinθ−cosφcosθsinψ）／
…(1) ここで、φ：航行体の方位角 θ：航行体のピツチ角 φ：航行体のロール角 H_h：地磁気の水平成分 H_v：地磁気の垂直成分 Δφ：磁気方位センサーの方位誤差 傾斜誤差修正演算部は、上記の式(1)で得られた
方位誤差Δφを磁気方位センサーの出力信号MAS
に加算し、誤差を修正する。

尚、式(1)において、航行体のロール角、ピツチ
角が小さい時は、演算を簡単化するために、次の
式(2)を使用してもよい。

Δφ＝H_hθ・cos²φ−H_v（φsinφ−φcosφ）
／H_h（１＋θφcosφsinφ）…(2) 更に、航行体のロール角、ピツチ角が微小の時
は、式(2)の代わりに次の式(3)を使用してもよい。

Δφ＝θφcos²φ−H_v／H_h（θsinφ−φcosφ） …(3) この式(3)において、H_v／H_h＝tan（伏角）であ
り、この時は地磁気の水平成分及び垂直成分の値
を傾斜誤差修正演算部に設ける代わりに伏角の値
を設けるようにしてもよい。

方位拘束トルク演算部５７及び起立トルク演算
部５６の出力は、CTM演算部５３のCTM信号
CSと共に、ジヤイロバイアス演算部５８に入力
され、そこで、Ｘ，Ｙ，Ｚジヤイロ１，２，３の
各バイアス修正信号を演算し、その出力即ち、バ
イアス修正信号BCを、バイアス修正器５０，５
１，５２に送出する。

尚、所望の精度の速度信号SSが得られないと
きには、磁気方位信号MAS或いは、Ｘ，Ｙ，Ｚ
加速度信号XA，YA，ZA等から作つたカツトオ
フ信号COSを加速度修正演算５５に供給し、加
速度作用時に、起立トルク演算部５６への入力を
カツトオフするようになしても良い。

第３図は、本発明による磁気方位センサー７Ａ
の断面図である。同図に於て、７Ａ−１は箱体
で、その内部に第８及び第９図に示すと同様な磁
気方位検出部７−３を有する。７Ａ−２は箱体７
Ａ−１のカバー、７Ａ−３はリード線で、箱体７
Ａ−１及びカバー７Ａ−２内に配設されている磁
気方位検出部７−３に電力を供給すると共に、そ
れより磁気方位信号を取り出すに供する。

航行体の主要３軸方向に入力軸を一致させて取
付けた３個のＸ，Ｙ，Ｚジヤイロ１，２，３の出
力信号XG，YG，ZGをバイアス修正器５０，５
１，５２を介して座標変換マトリクス（CTM）
を演算するCTM演算部５３に入力し、CTMを演
算させる。上記ジヤイロの入力軸とその入力軸が
平行となるように機体に取付けた３個のＸ，Ｙ，
Ｚ加速度計４，５，６の出力と、上記CTM信号
CSとから水平成分演算部５４において、重力加
速度の水平成分α，βを演算する。CTMが正し
ければ、水平成分α，βはゼロであるが、CTM
に誤差があると、水平成分α，βは、有限の値と
なるため、起立トルク演算部５６において、
CTMが正しい値になるようなトルキング信号に
変換して、CTM演算部５３に送り、これを正し
い方向を向くように回転させる。

一方、CTM演算部５３よりの方位角信号AS
と、磁気方位センサー７Ａからの磁気方位信号
MASとを、方位拘束トルク演算部５７において、
比較演算等を行い、方位軸まわりのトルキング信
号を作り、これを両者の差がなくなるように
CTM演算部５３にフイードバツクする。

一方、ジヤイロドリフトがあると、起立トルク
演算部５６の出力ET１，ET２及び方位拘束トル
ク演算部５７の出力ATはゼロとならず、ジヤイ
ロドリフトに対応した有限な値をもつ。これ等の
信号をジヤイロバイアス演算部５８にCTM信号
CSと共に入力し、演算したバイアス修正信号BC
を、各ジヤイロ１，２，３のバイアス修正器５
０，５１，５２に入力し、ジヤイロドリフトがゼ
ロとなるように修正する。

CTM演算部５３からの航行体のロール角、ピ
ツチ角、方位角、バイアス修正器５０，５１，５
２からの航行体の角速度、Ｘレート、Ｙレート、
Ｚレート及びＹ加速度計５からの横すべり信号
LSを、それぞれ出力する。

航行体が旋回、増減速等の加速度運動を行つて
いるときは、起立トルク演算部５６への入力をカ
ツトオフし、加速度の影響を削除する。図示せず
も、他のセンサーから速度信号SS等が得られる
ときには、これと、CTM信号CSとを加速度修正
演算部５５へ供給し、加速度の影響をとり除く。

〔発明の効果〕

本発明では、従来のレートジヤイロ、水平儀及
びデイレクシヨナルジヤイロを、３個のジヤイロ
及び３個の加速度計で置きかえた為、従来装置の
ジンバル、発信器、トルカ及び起立装置等の複雑
な素子が不要となり、簡単且つ低価格な姿勢検出
装置が得られる。

又、ジヤイロに振動ジヤイロ、ガスレートジヤ
イロ等の非回転型のものを用いることにより、軸
受やスリツプリング等を必要とする部品がなくな
るため、本発明の姿勢検出装置は、長寿命且つ殆
ど保守不要の装置となる。

更に、軸受、シンクロ発信器、トルカ等の部品
がないため、装置の組立てに熟練を必要としな
い。

加えて、ジヤイロバイアス演算部を設け、ジヤ
イロバイアスをシステム内で補正するようにした
ことにより、安価な振動ジヤイロやガレートジヤ
イロを使用しても、良好なシステム性能を確保で
きる。

またユニバーサルジヨイントのない磁気方位セ
ンサーを用いると共に、傾斜誤差修正演算部を設
け、傾斜に起因する方位誤差を修正するように構
成したので、装置が小型、軽量、高精度となり、
価格も低減する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の姿勢検出装置のシステム構成
図、第２図は第１図における演算部９のブロツク
図、第３図は本発明の磁気方位センサーの断面
図、第４図は従来のデイレクシヨナルジヤイロの
斜視図、第５図は従来の水平儀の斜視図、第６図
は従来の旋回計の表示部の正面図、第７図はその
旋回計を構成するレートジヤイロの斜視図、第８
図は従来の磁気方位センサーの一部断面図、第９
図はその磁気方位検出部の斜視図である。 図において１，２，３はジヤイロ、４，５，６
は加速度計、７Ａは磁気方位センサー、８は信号
変換部、９は演算部、１０は信号出力部、５０，
５１，５２はバイアス修正器、５３はCTM演算
部、５４は水平成分演算部、５６は起立トルク演
算部、５７は方位拘束トルク演算部、５８はジヤ
イロバイアス演算部、６０は傾斜誤差修正演算部
をそれぞれ示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 航行体の主要３軸方向にそれらの入力軸がそ
   れぞれ一致するように航行体に取り付けた３個の
   ジヤイロ及び３個の加速度計と、１個の磁気方位
   センサーと、上記３個のジヤイロ及び３個の加速
   度計及び１個の磁気方位センサーの出力を入力と
   する演算部と、該演算部の出力を入力とし外部に
   姿勢信号を出力する信号出力部とを含む姿勢検出
   装置において、 上記磁気方位センサーの磁気方位検出部を直接
   航行体に取り付け、上記演算部に座標変換マトリ
   クスを演算する座標変換マトリクス演算部と上記
   磁気方位センサーの傾斜に起因する方位誤差を修
   正するための傾斜誤差修正演算部とを設け、上記
   座標変換マトリクス演算部から得られる航行体の
   方位角、ロール角、ピツチ角と上記傾斜誤差修正
   演算部に設けられた地磁気の水平成分及び垂直成
   分の値とから上記磁気方位センサーの傾斜に起因
   する方位誤差を演算して修正するように構成され
   た姿勢検出装置。