温度制御された水晶振動子を用いた小型で高精度な位置・姿勢・絶対方位センサの開発

2021 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 21K18786
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 盛川 仁 東京工業大学, 環境・社会理工学院, 教授 (60273463)
• 研究期間 (年度): 2021-07-09 – 2024-03-31
• キーワード: 水晶振動子センサー / ジャイロ / 加速度計 / 絶対方位計 / 温度制御

研究実績の概要

既に実用化，製品化されている水晶振動子を用いたジャイロを恒温槽に入れて温度管理を可能とする装置を開発するために，温度が年間を通じてほぼ一定であるトンネル内にセンサーを設置し，温度変化に対するセンサー出力の感度特性について検討した。水晶振動子を用いた加速度計にたいする既往の実験結果と同様に，長期間にわたってセンサー出力を記録する場合，センサーへの通電にともなってセンサーの内部温度が変化し，出力が大きくドリフトすることが確認された。しかし，ある程度の時間，通電を行うと温度が安定し，ドリフト量も小さく抑えられることもわかった。
そこで，恒温槽を作成する前段階としてトンネル内でジャイロ本体を一定速度で回転させ，温度ドリフトの影響があるかどうかについて検討をした。すなわち，ジャイロ本体を回転させて一周させるために要する時間が温度ドリフトの時間変動に比べて十分に短ければ恒温槽を製作することなく精度よく真北を同定できる可能性の有無を調べようとするものである。ところが，これを明らかにするためには，ジャイロ本体の回転の角速度をどの程度に設定すべきかを明確にせねばならないことになる。真北を同定するためにジャイロ本体を回転させる場合，一般には，ジャイロから連続的にデータを出力し，動的にパラメータを同定していくことが望ましい。
第一年度には既存の回転テーブルやコントローラなどを用いてジャイロ本体を回転させるためのテーブルを作成するとともに，ジャイロの出力をノートPCに記録できるような簡易的なデータのログシステムを製作した。パラメータを同定するために行うジャイロ本体の回転の角速度を種々の値に変更してジャイロの出力を記録した。その結果，トンネル内の温度はほぼ一定であるため，ジャイロへの通電後，十分な時間が経過した後であれば，回転中の温度変化はほぼ無視できることがわかった。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

学内にあるトンネル内で実験を実施するため，新型コロナウィルスの影響を受けにくい。しかし，半導体不足などにより部品類の調達が困難であるため，回転テーブル等は手持ちのものを用いることで実験の実施を先行させ，装置の製作は先送りした。しかし，当初計画どおり，ジャイロセンサーを回転テーブルに搭載して回転させて，データを取得することはできたため，概ね予定通り進捗しているものと判断した。

今後の研究の推進方策

第一年度中の検討により，恒温槽は必ずしも必要ではない可能性が示唆されたが，本当に恒温槽なしでも真北を同定可能かどうかについて，第二年度においても慎重に検討を続ける。また，第一年度中には部品類の調達の遅れにより製作ができなかった回転テーブルを本格的に製作し，より実践的な環境でのデータ取得に向けて実験を実施する。また得られたデータから真北を同定するために適切なアルゴリズム，特に動的な同定方法について，カルマンフィルタやその他のフィルタリング技術の適用性の検討に着手する。また，高精度加速度センサーを追加して，ジャイロに内蔵される加速度センサーの精度とそれにともなって同定される真北の同定精度についても検証を開始する。

次年度使用額が生じた理由

半導体や種々の部品類の調達が世界的な規模で困難となっており，調達ができたとしても納期が大幅に遅延したため，年度内に必要な部品を調達することができなかった。そのため必然的に予算の次年度使用が発生した。第二年度には第一年度に調達を進めていた部品類が納品される可能性が高いため，これによって部品の調達遅れと予算執行の遅れが解消されることが期待される。しかし，部品類の世界的な不足が解消しないことも考えられ，その場合には部品類の変更や設計の変更なども含めて，実現可能な計画となるよう軌道修正を行う予定である。