Transcript INS/GPS複合航法の 精度向上に関する調査報告

MEMSセンサを用いた低コスト
INS/GPS複合航法システム
鈴木・土屋研
M2
成岡 優
1
概要
1.
2.
3.
4.
5.
2006/5/18
背景
手法
実験
進捗状況
まとめ
～
なぜ、なにを?
～
どうやって?
～
飛行機で実験してます
～
最近こんなことしてます
2006年5月 輪講資料
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背景(1)

位置・速度・姿勢が知りたい
航空機・宇宙機のナビゲーション
 電車・自動車など移動体の監視
 ロボットの制御
 携帯電話

航空機のナビゲーション技術を転用
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背景(2)

INS/GPS複合航法<1>
1つの解決策としてINS/GPS複合航法


慣性航法装置(INS)
Global Positioning System(GPS)
誤差蓄積
誤差蓄積せず
連続動作
間欠動作
誤差蓄積せず
連続動作
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背景(3)
INS/GPS複合航法<2>
INS
位置
加速度
角速度
慣性センサ
位置
統合
速度
積分
姿勢
速度
姿勢
位置・速度等
GPS
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背景(4)

既存のシステム


提案するシステム
精度を最重視

大きく(103cm以上)
小さく(103cm以下)
重い(1kg以上)
軽い(1kg以下)
非常に高価
(数百～数千万円)
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ある程度の精度確保
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安価
(数万円)
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手法(1)

既存システムの構成

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
提案システムの構成
精度最重視なため、
大きく、重く、高価
 特注の慣性センサ
 特殊GPS
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
構成機器は小さく、軽
く、安価
 MEMS慣性センサ
 民生用GPS
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手法(2)

MEMS慣性センサを用いたINS

微細加工技術(MEMS)を応用した慣性センサ



小さく(12cm程度)、軽く(数グラム)、安い(数千円)
誤差が蓄積する速度が早く、精度維持困難
民生用GPS

カーナビなどに使われている


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小さく(32cm程度)、軽く(数十グラム)、安い(数千
円)
位置で誤差数m程度と、比較的高精度
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手法(3)

INSとGPSの統合方式

INSとGPSの良いところをとりたい
GPSでINSを効果的に補正する方法
 Kalman Filterを使用する


できるだけ発散しにくいアルゴリズム

クォータニオンでモデルを構築


Extended Kalman Filterの線形化を工夫

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計算中に特異点が存在しない
クォータニオンの制約条件を考慮
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手法(4)

全体図<1>
センサの観測値が得られた場合
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手法(5)

全体図<2>
GPSの観測値が得られた場合
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実験(1)

プロトタイプの作成
リアルタイムでは生データ取得
 INSとGPSの統合処理はオフライン


2005年11月、セスナに搭載して実験

比較としてCrossbow NAV420

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価格(約百万円)と性能を両立した製品として評価
されているINS/GPSシステム
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実験(2)

プロトタイプ<1>
構成図
センサ
加速度計
ジャイロ
GPS
緯度･経度･高度
24bit
USB
ADC
温度センサ
その他生データ
処理用
PC
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3軸速度
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(擬似距離･搬送波位相)
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実験(3)
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プロトタイプ<2>
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実験(4)

実験風景
プロトタイプ
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Crossbow NAV420
INS/GPS
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実験(5)

Crossbow NAV420
搭載しているのは
(3軸)加速度計
 (3軸)ジャイロ
 (3軸)地磁気センサ
 GPS
 温度センサ


INSを地磁気やGPSで補強

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詳細は不明
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実験結果(1)

MEMS慣性センサのINS と Crossbow
位置
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速度
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姿勢
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実験結果(2)

提案するINS/GPS と Crossbow
位置
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速度
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姿勢
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実験結果の考察

手法は有効
MEMSセンサのINS単体では実用にならない
 GPSによる補正で精度を確保


キャリブレーションが必要

オフセットなどの特徴的な誤差が発生
温度ドリフト
 スケールファクタエラー
 取り付け誤差

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最近の話題(1)

キャリブリーション結果

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温度ドリフト

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スケールファクタ
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最近の話題(2)

竜ヶ崎で2度目の飛行実験
リファレンスのCrossbowが発散
 ビデオデータと照合

8
6
4
角度[deg]
2
0
-2
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
-4
-6
-8
-10
-12
ピッチ(INS/GPS)
ロール(INS/GPS)
ヨー(INS/GPS)
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時間[秒]
ピッチ(ビデオ)
ロール(ビデオ)
ヨー(ビデオ)
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最近の話題(3)

JAXAのMuPAL-aで実験予定(6月～7月)

次世代航法装置GAIAとの比較

GAIAは非常に精度が高い(位置で誤差10cm程
度)
MuPAL-a
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GAIA
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最近の話題(4)

本格的なプロトタイプを作ります!
オンライン処理
 小型化(UAVに搭載、目標50cc、100g)


現在取り組んでいる問題点

電源投入ごとにおきるゼロ点の変化


GPSのデータ遅延

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Adaptive KFによるゼロ点のオンライン推定
システムの誤差共分散行列Pを遅延修正する手法
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まとめ と 展望

提案したINS/GPSの有効性を確認


Crossbowと同程度の性能
展望

誤差の定量的評価


GPSの使用可能性

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共分散解析などの時系列解析
Tight / Ultra-Tight coupling(衛星1つでも補正可)
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