INS/GPS 複合航法システムのシミュレーション · 角および方位角を連続的に求める航法システムである。ただし、速度に関しては加速度の
小型 INS/GPS 航法システムの開発
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小型 INS/GPS航法システムの開発
東京大学 工学系研究科修士 2 年成岡 優
23/04/22 2006 年 8 月 研究内容のまとめ 2
概要1. 背景2. 手法3. 評価試験4. まとめ5. 今後の課題
23/04/22 2006 年 8 月 研究内容のまとめ 3
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
連続動作
誤差蓄積せず
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>
統合
INS
GPS
位置
速度
姿勢
位置・速度等
位置
速度
姿勢
加速度
角速度 積分慣性セン
サ
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背景 (4) 既存のシステム
精度を最重視
提案するシステム ある程度の精度確保
大きく (103cm 以上 )
重い (1kg 以上 )
小さく (103cm 以下 )
軽い (1kg 以下 )
非常に高価
( 数百~数千万円 )
安価
( 数万円 )
飛行機・人工衛星のみ !
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手法 (1) 既存システムの構成
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
提案システムの構成 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 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 Kalman Filter を使用する
発散しにくいアルゴリズム センサの性能が悪い
モデル誤差が大きくなる クォータニオンでモデルを構築
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した上で線形化
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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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評価試験 (1) 概要 プロトタイプの作成
汎用的に使用できるほど小型・軽量・安価か ?
航空機にプロトタイプを搭載して実験 提案したシステムの精度はどの程度か ?
より精度のよい既存の機器との比較実験 できるだけよい結果を出すため、プロト
タイプの校正作業をした
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評価試験 (2) プロトタイプ <1>
構成図
GPS
緯度 経度 高度・ ・3軸速度
その他生データ(擬似距離 搬送波位・
相 )
加速度計
ジャイロ
温度センサ
センサ
処理用 PC
USB24bit
ADC
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評価試験 (3) プロトタイプ <2>
サイズ :
100cc 以下
重量 :
約 30g
コスト :
約 3 万円
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評価試験 (4) 校正作業
温度ドリフト スケールファクタ
キャリブリーション結果
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評価試験 (5) 性能評価実験 <1>
Crossbow との比較 (2005/10,2006/04) Crossbow は 100 万円台で購入可能な INS/
GPS 装置 軽飛行機 Cessna で実験
GAIA との比較 (2006/06) JAXA所有の高精度 INS/GPS 装置である
GAIA実験用航空機 MuPAL- ででで
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評価試験 (6) 性能評価実験 <2>
実験風景
プロトタイプ
MuPAL-
GAIA
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評価試験 (7) 性能評価実験 <3>
プロトタイプ と GAIA の比較
位置 速度 姿勢
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評価試験 (8) 性能評価実験 <4>
プロトタイプ と GAIA の比較
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評価試験 (9) 性能評価実験 <5>
校正あり 校正なし
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評価試験 (10) 実験結果のまとめ
精度は移動体の制御や監視等に十分 位置にして数 m 、姿勢でも最悪値で十数度 GPS の補強が効果を発揮している
位置・速度に比べ姿勢の成績が悪い GPSから直接的な補強がないため MEMS センサの性能の悪さを反映
温度補正や取付け誤差補正は有効
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評価試験 (11) 実験結果の考察
運動の周波数の影響 ロール、ピッチよりヘディングが性能悪い
ロールやピッチは比較的周期の短い運動ヘディングは周期の長い運動ゼロ点変動などの長い周期で変動するノイズ成
分の除去が困難ピッチの一部にも同じ現象
定常旋回中変動なし
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まとめ 提案した INS/GPS の有効である
汎用的に使用するのに十分なサイズ、重量、コストを達成可能
誤差は位置で数 m 、姿勢においても最悪値で十数度と、移動体の制御や監視には十分
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修士論文にむけて対象物体の運動のモードと精度が深く関係しているのではないか ?時間 -周波数解析を試みる
Wavelet による多重解像度解析適切なフィルタをかけることにより、よ
り精度向上を目指す
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博士課程で何をするかよりインテリジェントなナビゲーション
ネットワークで各ノードを接続する 位置や速度、姿勢といった基本情報に加えさ
らに有益な情報の提供進路予測 DGPS で用いられているような補強情報
複数 UAV を用いての実験例えばフォーメーションフライト