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積分ジャイロの原理と計算方法
- 最近のジャイロはテールロック(メーカによってヘッドロック)が支流であり、その一種である積分ジャイロについて、その原理と計算方法について教えてください。
- 最近秋葉原で購入したAE-GYRO-SMDというジャイロは、正常に動作していることを確認しました。しかし、このジャイロが積分ジャイロであることを知り、その原理や計算方法について知りたいです。
- 村田製作所のジャイロであるAE-GYRO-SMDは最近人気となっている積分ジャイロの一つであり、その原理と計算方法について詳しく教えていただけないでしょうか。
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以前、左右２輪駆動式の自立移動ロボットを製作した時に、機体中央に水平に置いた電子ジャイロ（HS-EG3ツカサ２１）の角速度出力をH8/3048Fマイコンで逐次読み取り、ソフトで積分計算させて機体の水平回転角度を算出させたことがあります。 だいぶ前のことなので細かいところは忘れてしまってますが、だいたい次のようにしてうまくいきましたので、ご参考になれば幸いです。 角速度センサの出力Vout(V)から回転角ψ(deg)を求める計算式は以下のようにしました。 角速度瞬時値dωを dω=(Vout－V0)*1000／Rg ただし Vout：角速度センサの出力、 V0：ゼロ点オフセット(=2.48V)， Rg：ジャイロ出力係数(=25mV/deg/sec) として求め、計測のサンプリングタイムdtを乗じた値を前回までの総和に加えて、 ψ= Σdω*dt (deg) として回転角ψ(deg)を算出します。 実際のプログラムの一部を下に示します。 10ms毎に実行するタイマ割込ルーチンの中で現在角度を計算させて逐次グローバル変数に格納し、メインルーチンの中で必要に応じてこの変数を読み出すようにしました。 なおここでは各定数・変数の意味は D_T：割り込みタイミング(10ms) TURN_ANG：角度値（グローバル変数） GYR：ジャイロセンサ出力をADCで取り込んだ数値 d_rotat_deg：微少機体回転角 としています。 =============（タイマ割込ルーチンの一部）============ ： /*---------機体回転角算出------------------*/ /* d_rotat_deg=GYR*VREF*1000/ADC_RATE/GYRO_RATE - V0*1000/GYRO_RATE */ d_rotat_deg = (float)GYR * 0.196 - 99.2; TURN_ANG = TURN_ANG + d_rotat_deg * D_T; ： ===================================================== 検定は、ジャイロをサーボモーター軸に取り付け、サーボを指定角度で水平に回転させて行いました。 添付した左の図は、計算プログラムの確認のために、２degの回転を与えた時のジャイロ出力電圧Vout(V)と算出回転角度ψ(deg)を記録した例です。 右の図は、ジャイロ出力の検定を行ったもので、横軸が実際に回転させたサーボ軸角度、縦軸がジャイロ出力の算出値です。まずまずの直線性が確認できました。 なお私の場合は精度はさほど必要なかったので積分誤差の蓄積などは考慮していません。 テールロックジャイロは使ったことがありませんが、おそらく積分回路などが内蔵されており、それなりの精度は保証されているものと思います。 質問者さんの使用目的にもよりますが、もしラジコンヘリの制御などで精度や高速応答が必要な場合、上記のようなソフトによる積分計算で十分かどうかは私には判りません。 以上、ご参考までに。
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- mega_pascal
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＜積分ジャイロの基本的性質＞ ご承知のことと思いますが、まとめておきます。 ジャイロセンサのドリフトの影響があり、単純に出力を積分すると発散します。また、回転速度が非常に遅い場合、ジャイロの出力は、ノイズより低くなり角速度を正しく計測できなくなります。すなわち、このような低周波数成分【静的成分】の角度検出は、原理的に不可能です。 逆に、低周波部分を除いた範囲の角度【動的成分】の検出は、原理的に出来ることになります。 ＜この原理を実現する方法＞ 【ドリフト及びノイズを含む低周波成分をカット】して、その後、【積分する】ことが行われますが、これでも、長時間の連続積分すると、不安定になります。 このため、低周波成分のカットと積分が一体となった、【低周波成分カット付積分デジタルフィルタ】が用いられます。参考URL参照。これを用いると、常に低周波成分【静的成分】を含まない【動的成分】（角度信号の変動成分）が連続的に、発散することなく、リアルタイムに出力されます。 ＜自動制御での使われ方＞ 操縦で、ゆっくりした方位指令は、人間がおこなって、短周期的な外乱（風など）による動的な方位変動を自動修正するため、この【動的成分】の信号をフィードバックし、制御することが出来ます。 以上、質問の趣旨に合ったかどうか分かりませんが、参考として、回答しました。
お礼
ありがとうございます、基準値との現在値(静止)の比較でADCの測定誤差をプログラムで吸収するのに時間がかかりました、もう少しじっくりやらないとと思ってます。 確かにゆっくりだと誤差が出ますね! URL参考にさせていただきます。
- funflier
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言及されていませんが、テールロックという用語からラジコンヘリのジャイロの事だと解釈します。 ただ、私もラジコン用ジャイロ製品のユーザーなだけで中身について詳細を解っておりませんの で、以下の内容は誤りを含んでいる可能性はあります。 ＞最近のジャイロはテールロック(メーカによってヘッドロック)が支流です～別名積分ジャイロと呼ぶ 現状ではフタバやＪＲ製のジャイロは殆どがヘッディングロックジャイロですが、ジャイロセンサーの ことに関し、私の認識はこのようなものです。 ・角速度（レート、rate）を検出する方法として実際に金属のコマを回して摂動で検知するもの、圧電 素子で検知するもの、リングを振動させて検知するものがあり、ラジコンヘリ用途としては、これら は 並べた逆順で新しい。 現在の主流はリング振動方式であり、圧電方式は一世代前。 （これについてはＪＲのカタログには「リング振動ジャイロ」と明記してあり、フタバにはそれがあり ませんが多分同じと思います。また室内用等小型のヘリでは圧電方式も使ってはいるようです。） ここにも『フルメタルケース シリコン・リング振動ジャイロ「G770T」』とあります。 http://www.jrpropo.co.jp/radio/whatsnew/topics/topics/topics.html ここは用語辞典です。ページ内をジャイロで検索して見て下さい。（若干内容が古い気はします。） http://www.rcnavi.com/RC_dic/RCdiccont.htm ・積分ジャイロとはレートジャイロで検知した角速度を積分し角度に変換した信号出力をするもの。 http://www.xbow.jp/inertial.html フタバのジャイロの説明書にもＡＶＣＳ方式（フタバのヘッデイングロックの呼称）は「比例・積分方式 のジャイロで」と記載があります。旧来の比例ジャイロは角速度を検知して、それに見合った修正信号 を出しますが、何度ずれたかまでは解らないので初期方向からズレが拡大しても補正しません。 これに対しＡＶＣＳ等の方式は角速度を積分して角度を補正しようとするので一定機首方向を外乱に 対し保持します。ただジャイロそのものの動作原理と、積分をするかどうかは別だと思います。例えば、 現在のヘッディングロックジャイロでも疑似的に比例ジャイロと同じ動作をさせる「ノーマルモード （別名コマジャイロモード）」 がありますが、これは積分して角度にするかどうかの違いだと思います。 ＞どなたか積分ジャイロの原理と計算方法を教えてください 無用とは思いますが、圧電ジャイロの原理は富山村田製作所のサイトにありました。 http://www.murata.co.jp/toyamamurata/product/gyro.html リング振動式はリンクを見つけられませんでしたが、聞いた限りでは細いリングを９０°ずつずらして 振動させて（楕円が縦長と横長になるように）、角速度が加わるとリングはその振動状態で残ろうと するのでケース側とで角度差が生じ、それを検知するといったことだったと思います。もっとも、これら はジャイロセンサー部分の原理で、お求めの積分ジャイロの原理ではないのですが。 要求されていることが高度で、私ではこれ以上解りかねます。ジャイロ単体の信号処理や計算等 については実際に製品を出しているフタバやＪＲにお尋ねになってはどうでしょうか。 ただし、それ自体ジャイロ製品の重要なノウハウなので公開してはもらえないかもしれません。
お礼
ご回答ありがとうございます。 私はラジコンヘリが趣味でコマシャイロ(地球儀みたいなものが回転している)から振動ジャイロ、双葉の401 501 JR410 460 550 409 G750等のジャイロを使用してきました、最近PICに興味がありラジコンの関連ツールに応用してサーボテスター、ヘリコプターのメインブレードの回転を測定するものと楽しんで作っています、PICで色々インターネット調べているとラジコンに応用されている方が沢山おられ憧れておりますので、自分でも向学心で是非ヘッドロックジャイロを作りたいな～と思った次第です。村田製作所のジャイロを入力をサーボ出力としたのでは普通のジャイロになってしまいますので今回の質問をさせていただきました。是非ご回答していただいた内容をもとにVTOLの制御に応用したいな～と思っております。よろしくお願いします。
- 正親町（@Ohgimachi）
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>どなたか積分ジャイロの原理と計算方法を教えてください、よろしくお願いします。 光ファイバージャイロの回路の設計をしたことがあります。 提示されている村田製作所のジャイロは圧電素子ということで、加速度センサーを応用したもののようです。（村田さんの十八番ですね＾＾）原理は簡単で、高誘電セラミックスが外部の応力で静電容量が変化することを利用して発振周波数を変化させるというものでしょう。加速度センサーなので積分しないと角度が求められません。したがってそれが積分ジャイロと呼ばれるゆえんです。 ジャイロスターは使用したことがないので、以下は提示された資料だけを覧た設計に関する私見です。 ジャイロからは、回転方向によって信号を得ることができます。すなわち右方向か左方向の回転かということです。この信号はジャイロからリアルタイムで出力されています。モジュールの回路図を見ると、センサーからは一定の周波数のパルスが出力され、それを積分して直流にしているようです(PFMコンバーター)。また二つのセンサーが搭載され、直交しているようなので、このモジュールは２軸センサーです。 センサーが静止している場合には、出力が約１.３５vであり、回転方向によってセンサーの発振周波数が変化するので出力は増減します。従って、一定時間そのアナログ信号を積分すると測定開始後からどちらの方向にどれだけ回転したのか判明するのです。回転の角度は仕様書から、0.57mv/deg/secです。したがって、出力信号を積分した結果、一秒後に１.２９３Vであるとすると、どちらかの方向に最終的に100deg回転したということになります。（応答速度は懸案していません） ＰＩＣに接続して回転角度を測定するとなると、以下の二点を検討する必要があります。 ・出力の積分の方法 アナログ回路とソフトウェアで実行する方があります。アナログ回路で積分する場合に積分器にリセット回路が必要となり、回路のコストアップとなります。ソフトウェアで実現するとＣＰＵに負荷がかかります。 ・出力は加速度 速い動きをする場合には、高速でサンプリングしないと誤差が大きくなります。使用予定のＣＰＵで十分かどうか検討する必要があります。 以上は提示された仕様書をみての検討なので、実際に使用されている方のレスがつけばより詳しく判ると思います。
お礼
ご回答ありがとうございます。 ラジコン(電動のVTOL)の姿勢制御と考えていますので積分はPIC16F88 16MHzと考えてます。サーボの1サイクルの出力が20msなので1μsでサンプリング出来るかな～と思ってますがCPUのPOWが若干不安です。 今回初めてですが光ファイバージャイロは初耳です、ラジコン界にはないですね、また興味がわいてきました、またアドバイスよろしくおねがいします。 ご参考)勝手にVTOL_URL http://www3.tokai.or.jp/freedom/BA609.htm
お礼
ご回答ありがとうございます、難しいそうですね～。今しがたサーボテスター(ラジコン受信機の代わりでpic12F675で作成)からサーボ信号をPIC12F675で受けてジャイロ信号を演算しサーボ信号に出力にする回路とプログラムが出来ました。実験プログラムはとりあえず動作しています。(細かい設定とチューニングが必用とおもいますが....) ご回答いただきました式をこれからプログラムに組み込みたいと思います(時間掛かりそうです)。ありがとうございました。結果は補足でご報告いたします。
補足
大変遅くなりました、実験回路(PIC16F88 20Mhz,AE-GYRO-SMD)にてプログラミングしておりました。 10ms毎の割り込み処理で以下計算をいたしました。 前回の値old_adc(10ms前)を記憶し現在値now_adcと比較しnow_adcが大きければ 基準値kj_adcよりnow_adcをマイナスした値sa_adcとし deg_adc = deg_adc + sa_adc として積算し deg_adc * 5 / 1024 / 0.67 * 10.1 で 一方向のみですが現在の角度0度より 時計回りに90度回転させたところ-90と値が出てきました。(逆方向はこれからですが.....) ありがとうございました。