INS/GPS複合航法の 精度向上に関する調査報告
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Transcript INS/GPS複合航法の 精度向上に関する調査報告
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
1
MEMSセンサを用いた小型INS/GPS航法装置の開発
概要
1.
2.
3.
4.
2020/4/30
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
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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
慣性航法装置
(INS)
早い更新周期
but
誤差が蓄積
Global Positioning System
(GPS)
+
INS
GPS
Error
Error
Time
Integration
誤差が蓄積しない
but
更新周期が低い
Time
INS/GPS
Error
2020/4/30
Time
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早い更新周期
and
誤差蓄積しない
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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
運動の法則
INS
GPS
慣性センサ
受信機
位置
加速度
角速度
位置
速度
速度
姿勢
三角測量
衛星
電波
統合
INS/GPS
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位置, 速度, 姿勢
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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)
超高精度
(誤差: <1m, <1deg)
Trade-Off
大きい(> 1000 cm3)
着目点
小さい (< 1000 cm3)
重い (> 1 kg)
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汎用向け(近年開発中)
高精度?
軽い (< 1 kg)
高価
安価
(> 100万円)
(< 100万円)
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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.
2.
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できる限り小さく、軽く、安価なINS/GPS装
置を構成し
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
使用しない
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
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使用する
小さく軽く安価な汎用部品
MEMS慣性センサ
民生用GPS
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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
(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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MEMSセンサを用いた小型INS/GPS航法装置の開発
手法
(3/7)
INS/GPSアルゴリズム
Strap-down構成
extended Kalman filtering (EKF)による統合
機械的なジンバルが必要ない
Loose-coupling: 計算リソースの節約
クォータニオンの活用
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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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MEMSセンサを用いた小型INS/GPS航法装置の開発
手法
(4/7)
式(1) : INS運動方程式
• 速度 (3[North, East, Down Speed] 状態量)
0
0
~e
d 0 ~ n 0 ~ b 0
n
e
n qn e
qb b qn n n
2
r
a
g
dt ren
e/i
n/e
e
e / i re
e/i
Acceleration Gravity
~ n
qe
• 位置 (4[Latitude, Longitude, Azimuth] + 1[Height] = 5 状態量)
d ~n 1 ~e 0 d
qe qn n ,
h ren
dt
2 n / e dt
z
• 姿勢 (4[Roll, Pitch, Heading] 状態量)
quaternion
d ~ b 1 ~ b 0 0 0 ~ b
q n q n b n n q n
dt
2 b / i e / i n / e
Angular Speed
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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
(5/7)
式(2) : EKF向け線形化
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
ren ren ren
1 ~ n
n
~
qe n qe , h h h
u e
1 ~ b
b
~
qn b qn
u n
b
a a b a b , bb/ i bb/ i bb/ i , g g g
quaternion
大きさを維持したままのクォータニオンの線形化
• Jacobian i.e. 足し算型 (4 状態量)
• 掛け算型 (3 状態量)
q q
2
2
q~ q~
(
q
q
)
2
q
q
q
q 1
q q
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1 ~
1 q
2
2
q
(
q
q
) 1
u
u q
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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
(6/7)
式(3) : EKF
INSが時間更新するとき
GPSから情報が得られたとき
EKF Time Update
d
x Ax Bu
dt
ren
a b
n
u
x e , u bb / i
h
g
b
u n
z Hx v
Pk 1 I At Pk I At Bt Qb Bt
T
Pk E xk xk , Qk E u k u k
T
EKF Correct
T
T
q~en
q~en
z h h
ren
ren
INS GPS
ren
n
u
xk e K k z k
h
b
u n k
K k Pk H k H k Pk H k Rk
T
Rk E vk vk
T
T
1
Pk ( I K k H k ) Pk
ren
INS
q~
n
e INS
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quaternion
1 ~b
qn
b
INS
k
u
n k
1 ~n
qe INS , hINS hINS hk
n
u
e k
ren
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q~
ren
b
n INS
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INS
MEMSセンサを用いた小型INS/GPS航法装置の開発
手法
(7/7)
全体図
Strap-down
構成
MEMS
慣性センサ
クォータニオンの利用
民生用GPS
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MEMSセンサを用いた小型INS/GPS航法装置の開発
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
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プロトタイプと高精度な既存航法装置の比較
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MEMSセンサを用いた小型INS/GPS航法装置の開発
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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MEMSセンサを用いた小型INS/GPS航法装置の開発
評価
(3/11)
プロトタイプ詳細
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MEMSセンサを用いた小型INS/GPS航法装置の開発
評価
(4/11)
MEMS INSの較正
温度ドリフト
取付け誤差
rotating
settling
容易に取り除ける
誤差要因の中で
最も効果が大きい
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MEMSセンサを用いた小型INS/GPS航法装置の開発
評価
(5/11)
較正結果
温度ドリフトと取付け誤差の測定結果
温度ドリフト
傾いている
取付け誤差
傾いている
Y,Z
X
真の角速度 (X軸)
vs.
検出角速度
(X, Y, Z-軸 ジャイロ)
温度
vs.
検出加速度
(X-軸 加速度計)
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MEMSセンサを用いた小型INS/GPS航法装置の開発
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-a内に
プロトタイプとGAIAを設置
飛行し、両者の履歴を比較
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MEMSセンサを用いた小型INS/GPS航法装置の開発
評価
(7/11)
実景風景
GAIA
MuPAL-a
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プロトタイプ
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MEMSセンサを用いた小型INS/GPS航法装置の開発
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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MEMSセンサを用いた小型INS/GPS航法装置の開発
評価
(9/11)
結果詳細
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
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水平距離 [m]
姿勢 [m]
北方向速度 [m/s]
東方向速度 [m/s]
下方向速度 [m/s]
ロール [deg]
ピッチ [deg]
ヘディング [deg]
平均
(Offset)
6.44
0.85
0
0
-0.08
0
-0.67
4.17
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標準
偏差
2.97
2.1
0.12
0.12
0.1
0.26
1.21
9.68
最悪値
17
6.9
1.25
-1.13
-0.67
-1.19
-3.9
23.9
< 10m
< 2 deg
> 10 deg
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MEMSセンサを用いた小型INS/GPS航法装置の開発
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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MEMSセンサを用いた小型INS/GPS航法装置の開発
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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MEMSセンサを用いた小型INS/GPS航法装置の開発
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
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MEMSセンサを用いた小型INS/GPS航法装置の開発
今後の課題
低い周波数のノイズへの対応
時間-周波数解析
Waveletによる多重解像度解析
Waveletによるノイズ除去
他の補強システムの利用
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地磁気センサ
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