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技術 速度計測装置及び移動物体

出願人 三菱プレシジョン株式会社
発明者 中山聡
出願日 2015年1月5日 (4年7ヶ月経過) 出願番号 2015-000543
公開日 2016年7月11日 (3年1ヶ月経過) 公開番号 2016-125921
状態 特許登録済
技術分野 無線による位置決定
主要キーワード 周波数計測回路 制御翼 速度計測装置 周波数計測 周波数同期回路 計算周期 速度補正値 ロケットエンジン
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2016年7月11日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (4)

課題

速度の計測精度が高い速度計測装置を提供する。

解決手段

速度計測装置は、ドップラシフトを含む信号をフィルタリングする2次の第1ローパスフィルタ12と、フィルタリングされた信号に含まれるドップラシフトに基づいて、第1速度を求める速度計算部13と、加速度計測する加速度計測部14aと、加速度の時間微分を求める微分部15と、加速度の時間微分を時間について2回積分して求めた速度を含む第2速度信号を出力する積分部16と、第1ローパスフィルタと同じカットオフ周波数を有し、第2速度信号をフィルタリングする2次の第2ローパスフィルタ17と、第2速度信号により決定される速度と、第2速度信号をフィルタリングした信号により決定される速度との速度差を求める差分部18と、求めた速度差を用いて、第1速度を補正する補正部19を備える。

概要

背景

従来、移動物体の制御において、移動物体の速度を計測しながら目的とする位置へ移動するように移動物体の運動を制御することが行われている。

移動物体の速度を計測する方法として、例えば、電波又はそのドップラ周波数を用いて、非接触的に速度を計測することがある。

航法センサを有する飛翔体は、例えば、ドップラシフトを有するGPS電波を受信してドップラ周波数を求め、ドップラ周波数に基づいて速度を計算して、自己推進力及び姿勢を制御して、目標に到達するように運動が制御される。

ドップラ周波数を求める周波数計測回路では、受信したGPS電波と一致するレプリカ信号を生成し、GPS衛星が送信している基本周波数とレプリカ信号の周波数との偏差から、ドップラ周波数を求める。

周波数計測回路は、レプリカ信号を生成するために、通常、周波数同期回路が用いられる。周波数同期回路を用いることにより、飛翔体の運動に対して高い速度追従性が得られる。

周波数同期回路は、受信したGPS電波とレプリカ信号との差信号を2次のローパスフィルタによりフィルタリングして雑音を除去し、フィルタリング後の差信号に基づいてレプリカ信号を繰り返して生成するフィードバック処理を行う。

2次のローパスフィルタのフィルタ特性フィルタ定数によって設定されるが、飛翔体の場合、計測される速度の加速度への追従性を高めるために、加速度への除去効果が低く設定される。一方、フィルタ定数は、加速度の時間微分(いわゆるジャーク)に対しては、除去効果が高く設定される。

概要

速度の計測精度が高い速度計測装置を提供する。速度計測装置は、ドップラシフトを含む信号をフィルタリングする2次の第1ローパスフィルタ12と、フィルタリングされた信号に含まれるドップラシフトに基づいて、第1速度を求める速度計算部13と、加速度を計測する加速度計測部14aと、加速度の時間微分を求める微分部15と、加速度の時間微分を時間について2回積分して求めた速度を含む第2速度信号を出力する積分部16と、第1ローパスフィルタと同じカットオフ周波数を有し、第2速度信号をフィルタリングする2次の第2ローパスフィルタ17と、第2速度信号により決定される速度と、第2速度信号をフィルタリングした信号により決定される速度との速度差を求める差分部18と、求めた速度差を用いて、第1速度を補正する補正部19を備える。

目的

従来、移動物体の制御において、移動物体の速度を計測しながら目的とする

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

ドップラシフトを含む信号をフィルタリングする2次の第1ローパスフィルタと、フィルタリングされた信号に含まれる前記ドップラシフトに基づいて、第1速度を求める速度計算部と、加速度計測する加速度計測部と、前記加速度の時間微分を求める微分部と、前記加速度の時間微分を時間について2回積分して求めた速度を含む第2速度信号を出力する積分部と、前記第1ローパスフィルタと同じカットオフ周波数を有し、前記第2速度信号をフィルタリングする2次の第2ローパスフィルタと、前記第2速度信号により決定される速度と、前記第2速度信号をフィルタリングした信号により決定される速度との速度差を求める差分部と、前記速度差を用いて、前記第1速度を補正する補正部と、を備える速度計測装置

請求項2

前記第1速度及び前記速度差を周期的に求めており、前記速度差を求める周期は、前記第1速度を求める周期よりも短い請求項1に記載の速度計測装置。

請求項3

電波を受信して、ドップラシフトを含む信号を出力する周波数計測部を備える請求項1又は2に記載の速度計測装置。

請求項4

前記周波数計測部は、GPS電波を受信する請求項3に記載の速度計測装置。

請求項5

前記加速度計測部は、直交する3軸方向それぞれの加速度成分を計測する請求項1〜3の何れか一項に記載の速度計測装置。

請求項6

請求項1〜4の何れか一項に記載の速度計測装置を有する移動物体

技術分野

0001

本発明は、速度計測装置及び移動物体に関する。

背景技術

0002

従来、移動物体の制御において、移動物体の速度を計測しながら目的とする位置へ移動するように移動物体の運動を制御することが行われている。

0003

移動物体の速度を計測する方法として、例えば、電波又はそのドップラ周波数を用いて、非接触的に速度を計測することがある。

0004

航法センサを有する飛翔体は、例えば、ドップラシフトを有するGPS電波を受信してドップラ周波数を求め、ドップラ周波数に基づいて速度を計算して、自己推進力及び姿勢を制御して、目標に到達するように運動が制御される。

0005

ドップラ周波数を求める周波数計測回路では、受信したGPS電波と一致するレプリカ信号を生成し、GPS衛星が送信している基本周波数とレプリカ信号の周波数との偏差から、ドップラ周波数を求める。

0006

周波数計測回路は、レプリカ信号を生成するために、通常、周波数同期回路が用いられる。周波数同期回路を用いることにより、飛翔体の運動に対して高い速度追従性が得られる。

0007

周波数同期回路は、受信したGPS電波とレプリカ信号との差信号を2次のローパスフィルタによりフィルタリングして雑音を除去し、フィルタリング後の差信号に基づいてレプリカ信号を繰り返して生成するフィードバック処理を行う。

0008

2次のローパスフィルタのフィルタ特性フィルタ定数によって設定されるが、飛翔体の場合、計測される速度の加速度への追従性を高めるために、加速度への除去効果が低く設定される。一方、フィルタ定数は、加速度の時間微分(いわゆるジャーク)に対しては、除去効果が高く設定される。

先行技術

0009

特開2012−220279号公報

発明が解決しようとする課題

0010

ロケット等の飛翔体は、推進力又は姿勢の変化により大きな加速度変化が生じる場合がある。大きな加速度変化によって、大きな加速度の時間微分が生じ得る。この時、GPS電波のドップラ周波数には、飛翔体の大きな加速度変化にともなって、急激な変化が生じる。

0011

しかし、上述したフィルタ特性を有する2次のローパスフィルタは、加速度の時間微分に対する除去効果が高いので、2次のローパスフィルタによりフィルタリングされたドップラ周波数に基づいて計算された速度には、現実の飛翔体の速度に対する遅れが生じるおそれがある。

0012

そこで、加速度の時間微分への追従性を高めるために、2次のローパスフィルタの加速度の時間微分への除去効果を低く設定すると、計測される速度の加速度への追従性が低下する問題が生じる。

0013

本明細書では、上述した問題を解決し得る速度計測装置を提供することを課題とする。

0014

また、本明細書では、上述した問題を解決し得る速度計測装置を備える移動物体を提供することを課題とする。

課題を解決するための手段

0015

本明細書に開示する速度計測装置によれば、ドップラシフトを含む信号をフィルタリングする2次の第1ローパスフィルタと、フィルタリングされた信号に含まれる上記ドップラシフトに基づいて、第1速度を求める速度計算部と、加速度を計測する加速度計測部と、上記加速度の時間微分を求める微分部と、上記加速度の時間微分を時間について2回積分して求めた速度を含む第2速度信号を出力する積分部と、上記第1ローパスフィルタと同じカットオフ周波数を有し、上記第2速度信号をフィルタリングする2次の第2ローパスフィルタと、上記第2速度信号により決定される速度と、上記第2速度信号をフィルタリングした信号により決定される速度との速度差を求める差分部と、上記速度差を用いて、上記第1速度を補正する補正部と、を備える。

0016

また、本明細書に開示する移動物体によれば、上述した速度計測装置を備える。

発明の効果

0017

上述した本明細書に開示する速度計測装置によれば、速度の計測精度が高い。

0018

また、上述した本明細書に開示する移動物体によれば、速度の計測精度が高い。

図面の簡単な説明

0019

本明細書に開示する速度計測装置の一実施形態を示す図である。
第3速度と、第1速度の関係を説明する図である。
本明細書に開示する飛翔体の一実施形態を示す図である。

実施例

0020

以下、本明細書で開示する速度計測装置の好ましい一実施形態を、図を参照して説明する。但し、本発明の技術範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。

0021

図1は、本明細書に開示する速度計測装置の一実施形態を示す図である。

0022

本実施形態の速度計測装置10は、飛翔体等の移動物体に搭載され、移動しながらGPS電波を受信してドップラ周波数を求め、ドップラ周波数に基づいて、移動物体の速度を計測する。

0023

速度計測装置10は、ドップラ周波数に基づいて得られた速度に対して、別途計測した移動物体の加速度に基づいて得られた速度補正値を用いて補正することにより、速度の計測精度を向上している。そのため、速度計測装置10は、大きな加速度変化によって、大きな加速度の時間微分(いわゆるジャーク)が生じ得るような場合でも、精度良く速度を計測することができる。

0024

まず、ドップラ周波数に基づいて速度を求める構成を以下に説明する。

0025

速度計測装置10は、周波数計測部11と、2次の第1ローパスフィルタ12と、速度計測部13を備える。

0026

周波数計測部11は、GPS電波を受信して、信号Rを出力する。周波数計測部11は、第1ローパスフィルタ12をローパスフィルタとして使用する周波数同期回路を有しており、受信したGPS電波の周波数と同期するように、信号Rを生成する。移動物体に搭載された速度計測装置10が受信するGPS電波は、ドップラシフトを有しているので、信号Rは、ドップラシフトを含んでいる。

0027

第1ローパスフィルタ12は、入力した信号Rから所定以上の大きさの周波数成分を除去し、フィルタリングされノイズが低減したドップラシフトを含む信号Rfを出力する。第1ローパスフィルタ12は、信号Rfを、速度計算部13及び周波数計測部11に出力する。

0028

2次の第1ローパスフィルタ12の伝達関数は、入力信号の2次の項を有する。第1ローパスフィルタ12の伝達関数のフィルタ定数は、カットオフ周波数及び計算周期に応じて決定される。第1ローパスフィルタ12の加速度への追従性は、主にフィルタ定数により決定される。

0029

周波数計測部11は、第1ローパスフィルタ12から信号Rfをフィードバック入力し、受信したGPS電波の基本周波数と同期するように信号Rを生成することを、所定の周期で繰り返す。周波数計測部11では、信号Rを第1ローパスフィルタ12によりフィルタリングすることにより、無用発振が生じることを防止する。信号Rfを生成する周期として、例えば、0.001秒とすることができる。

0030

速度計算部13は、フィルタリングされた信号Rfに含まれるドップラシフトに基づいて、第1速度V1を周期的に求める。ここで、GPS電波の基本周波数は、既知であるので、GPS電波の基本周波数と信号Rfの周波数との差がドップラ周波数となる。速度計算部13は、このドップラ周波数に基づいて、第1速度V1を得る。第1速度V1を求める周期として、例えば、10Hzとすることができる。速度計算部13は、求めた第1速度V1(V1x、V1y、V1z)を、補正部19に出力する。第1速度V1は、ECEF座標系の速度成分を有するベクトル量である。

0031

速度計測装置10は、4つ以上のGPS衛星からのGPS電波を受信してドップラ周波数を求めており、ドップラ周波数に基づいて、移動物体の速度を計測し、計測した複数の速度の平均として、第1速度V1の大きさを得る。

0032

また、速度計測装置10は、4つ以上のGPS衛星からのGPS電波の信号に含まれるエフェメリスデータに基づいて、第1速度V1と共に、第1速度V1のECEF座標系における成分(V1x、V1y、V1z)を得る。

0033

ロケット等の移動物体は、推進力又は姿勢の変化により大きな加速度変化が生じる場合がある。大きな加速度変化によって、大きな加速度の時間微分が生じ得る。この時、GPS電波のドップラ周波数には、移動物体の大きな加速度変化にともなって、急激な変化が生じる。

0034

2次の第1ローパスフィルタ12のフィルタ定数は、加速度への追従性を高めるために、加速度の時間微分に対しては、除去効果が高く設定されている。そのため、移動物体に大きな加速度の時間変化が生じるような運動が生じた時には、第1ローパスフィルタ12によりフィルタリングされた信号Rfに基づいて得られた第1速度V1には、現実の移動物体の速度に対して遅れが生じるおそれがある。

0035

そこで、速度計測装置10は、第1速度に対する補正を行う。

0036

次に、第1速度に対する速度補正値を求める構成を以下に説明する。

0037

速度計測装置10は、慣性計測部14と、微分部15と、積分部16と、2次の第2ローパスフィルタ17と、差分部18を備える。

0038

慣性計測部14は、直交する3軸方向それぞれの加速度成分を計測する加速度計測部14aと、直交する3軸方向それぞれの回りの角速度成分を計測する角速度計測部14bを有する。

0039

慣性計測部14は、加速度計測部14aが計測した加速度成分と、角速度計測部14bが計測した角速度成分に基づいて、ECEF座標系における3軸の加速度成分を有する加速度A(Ax,Ay,Az)を求めて、微分部15へ出力する。

0040

微分部15は、加速度A(Ax,Ay,Az)の時間微分を求め、求めた加速度の時間微分を積分部16へ出力する。加速度A(Ax,Ay,Az)の時間微分は、位置の3階微分であり、ジャークと呼ばれる。加速度計測部14aが計測した加速度成分には、通常、一定のバイアスが含まれている。そこで、微分部15は、加速度A(Ax,Ay,Az)の時間微分を行って、加速度成分に含まれるバイアスを除去する。

0041

積分部16は、加速度A(Ax,Ay,Az)の時間微分を時間について2回積分して求めた第2速度V2(V2x,V2y,V2z)を含む第2速度信号Qを生成する。積分部16は、第2速度信号Qを第2ローパスフィルタ17及び差分部18に出力する。第2速度V2(V2x,V2y,V2z)は、ECEF座標系における3軸の速度成分を有する。

0042

ここで、第2速度V2(V2x,V2y,V2z)を含む第2速度信号Qの信号強度は、時間に対して変化しており、この信号強度の時間変化は、慣性計測部14が計測した加速度及び角速度の時間変化に基づいている。

0043

第2ローパスフィルタ17は、第1ローパスフィルタ12と同じカットオフ周波数を有し、第2速度信号Qをフィルタリングする。第2ローパスフィルタ17は、第1ローパスフィルタ12と同じ応答特性を有し、入力した信号Qから所定以上の大きさの周波数成分を除去し、フィルタリングされノイズが低減したドップラシフトを含む信号Qfを生成する。第2ローパスフィルタ17は、生成した信号Qfを、差分部18に出力する。

0044

2次の第2ローパスフィルタ17の伝達関数は、入力信号の2次の項を有する。第2ローパスフィルタ17の伝達関数のフィルタ定数は、カットオフ周波数及び計算周期に応じて決定される。第2ローパスフィルタ17の加速度への追従性は、第1ローパスフィルタ12と同じになるように決定される。

0045

ここで、第1ローパスフィルタ12はドップラシフトを含む信号Rをフィルタリングするのに対して、第2ローパスフィルタ17は、第2速度V2(V2x,V2y,V2z)を含む第2速度信号Qをフィルタリングしている点が異なるが、速度とドップラ周波数とは一意的に対応する物理量である。従って、第2ローパスフィルタ17が第2速度V2(V2x,V2y,V2z)を含む第2速度信号Qをフィルタリングすることは、第1ローパスフィルタ12はドップラシフトを含む信号Rをフィルタリングすることに対して、解析的に同じ意味を有する。

0046

第2速度V2(V2x,V2y,V2z)を含む第2速度信号Qがフィルタリングされた信号Qfにより、速度V2f(V2fx,V2fy,V2fz)が決定される。第2速度信号Qにより決定される速度V2f(V2fx,V2fy,V2fz))は、ECEF座標系における3軸の速度成分を有する。

0047

差分部18は、第2速度V2(V2x,V2y,V2z)と、第2速度信号Qをフィルタリングした信号Qfにより決定される速度V2f(V2fx,V2fy,V2fz)との速度差εV(εVx,εVy,εVz)を求める。第2速度信号Qは信号Rに対応し、第2速度信号をフィルタリングした信号Qfは信号Rfに対応する。従って、速度差εVは、第1ローパスフィルタ12により信号Rから除去された信号成分に対応する。差分部18は、求めた速度差εV(εVx,εVy,εVz)を、補正部19へ出力する。速度差εV(εVx,εVy,εVz)は、ECEF座標系における3軸の速度成分を有する。

0048

本実施形態では、差分部18は、第2速度信号をフィルタリングした信号Qfにより決定される速度V2f(V2fx,V2fy,V2fz)から、第2速度V2(V2x,V2y,V2z)を減じて、速度差εV(εVx,εVy,εVz)を求める。

0049

速度差εV(εVx,εVy,εVz)を求める処理の周期は、第1速度V1を求める周期よりも短いことが、第1速度V1の補正を精度良く行う観点から好ましい。速度差εV(εVx,εVy,εVz)を求める処理の周期は、例えば、第1速度V1を求める周期である0.1秒よりも短い0.01秒とすることができる。

0050

補正部19は、速度差εV(εVx,εVy,εVz)を、第1速度V1に対する速度補正値として用いる。補正部19は、速度差εV(εVx,εVy,εVz)を用いて、第1速度V1(V1x、V1y、V1z)を補正する。

0051

本実施形態では、補正部19は、第1速度V1(V1x、V1y、V1z)から補正係数kを乗じた速度差εV(εVx,εVy,εVz)を減じて、第1速度V1(V1x、V1y、V1z)が補正された第3速度V3(V3x、V3y、V3z)を求める。ここで、補正係数kは、ECEF座標系における3軸の速度成分(kx、ky、kz)を有する。

0052

図2は、第3速度と、第1速度の関係を説明する図である。

0053

大きな加速度の時間微分が生じるような運動を行うロケット等の移動物体では、GPS電波を受信し、第1ローパスフィルタ12によりフィルタリングされた信号Rfに基づいて得られた第1速度V1には、現実の移動物体の速度に対する遅れが生じる。

0054

第2速度V2と、第2速度信号Qをフィルタリングした信号Qfにより決定される速度V2fとの速度差εVは、第1ローパスフィルタ12によって信号Rから除かれた信号成分に対応する速度の遅れを、慣性計測部14が計測した加速度等に基づいて推定したものである。

0055

そこで、図2に示すように、速度差εVを用いて、第1速度V1を補正することにより、現実の移動物体の速度が、第3速度V3として推定される。

0056

上述した本明細書の速度計測装置10によれば、速度の計測精度が向上する。

0057

上述した実施形態では、差分部18は、第2速度信号Qをフィルタリングした信号Qfにより決定される速度V2fから第2速度V2を減じて、速度差εVを求めていたが、第2速度V2から第2速度信号Qをフィルタリングした信号Qfにより決定される速度V2fを減じて、速度差εVを求めてもよい。この場合、補正部19は、第1速度V1に補正係数kを乗じた速度差εVを加えて、第1速度V1が補正された第3速度V3を求める。

0058

上述した速度計測装置は、例えば、飛翔体等の移動物体に搭載されて、移動物体の速度を計測するために使用される。

0059

図3は、本明細書に開示する飛翔体の一実施形態を示す図である。

0060

本実施形態の飛翔体20は、上述した速度計測装置10を備えている。

0061

飛翔体20は、ロケットエンジン等の推進部(図示せず)及び制御翼を有しており、GPS電波を受信してドップラ周波数を求め、ドップラ周波数に基づいて速度を計算して、推進力及び姿勢を制御して、目標に到達するように運動が制御される。

0062

上述した本実施形態の飛翔体20によれば、推進力又は姿勢の変化により大きな加速度変化が生じる場合でも、精度の高い速度を計測して、目標に到達するように運動が制御される。

0063

本発明では、上述した実施形態の速度計測装置及び飛翔体は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。

0064

10速度計測装置
11ドップラ周波数計測部
12 第1ローパスフィルタ
13速度計測部
14 慣性計測部
14a加速度計測部
14b角速度計測部
15 微分部
16 積分部
17 第2ローパスフィルタ
18 差分部
19補正部
20 飛翔体

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