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ジャイロセンサ
(ジャイロセンサ)
ジャイロセンサ
ジャイロセンサとは、物体が回転する速さである角速度を検出するセンサです。機器がどの軸を中心に、どの方向へ、どの程度の速さで回転しているかを測定できます。
姿勢制御、旋回検出、手ぶれ補正、ロボット制御、移動体の動作判定などに利用されます。3軸タイプでは、X・Y・Zの各軸回りの角速度を同時に測定できます。
ハカルプラスでは、ジャイロセンサや加速度センサから取得したデータをマイコンで処理し、角度演算、姿勢推定、動作判定、記録、通信まで含めた組み込みシステムを検討します。
角速度とは
角速度とは、単位時間当たりに回転した角度を表す物理量です。回転角度の変化量をΔθ、経過時間をΔt、平均角速度をωとすると、次の式で表されます。
ω＝Δθ÷Δt
単位にはrad/sまたは°/sが使用されます。
例えば、物体が2秒間で90°回転した場合、平均角速度は45°/sです。
角速度の正負によって回転方向を区別します。ただし、軸の向きと正回転の定義はセンサごとに異なるため、基板への取付方向とデータシートの軸表示を確認する必要があります。
角速度から角度を求める方法
ジャイロセンサが直接測定するのは角度ではなく角速度です。回転角度は、角速度を時間について積分して求めます。
θ＝∫ωdt
マイコンで一定周期ごとに演算する場合は、次のように前回の角度へ変化量を加算します。
θn＝θn－1＋ωn×Δt
θnは今回の推定角度、θn－1は前回の推定角度、ωnは今回の角速度、Δtはサンプリング周期です。
例えば、30°/sの回転が0.5秒間続いた場合、角度の変化量は15°です。
MEMSジャイロセンサの仕組み
小型機器では、半導体製造技術を用いたMEMSジャイロセンサが広く使用されています。
センサ内部には微細な振動体があり、機器が回転するとコリオリ力によって振動方向に変化が生じます。この変化を静電容量などで検出し、角速度へ換算します。
出力方式には、角速度に応じた電圧を出力するアナログ方式と、SPIやI2Cなどで数値データを送信するデジタル方式があります。
1軸・2軸・3軸の違い
1軸ジャイロセンサ
特定の1軸回りの回転を検出します。回転方向が限定される装置や、旋回だけを監視する用途に適しています。
2軸ジャイロセンサ
互いに直交する2軸回りの回転を検出します。2方向の姿勢変化や傾き動作を扱う機器に使用されます。
3軸ジャイロセンサ
X・Y・Zの3軸回りの角速度を同時に測定します。一般に、前後軸回りをロール、左右軸回りをピッチ、上下軸回りをヨーと呼びます。
ゼロ点誤差とドリフト
ジャイロセンサは静止していても、出力が完全に0にならないことがあります。この誤差をゼロ点誤差またはバイアスと呼びます。
小さな角速度誤差でも積分を続けると、推定角度が徐々にずれます。この現象がドリフトです。
一定の角速度誤差をωe、経過時間をt、角度誤差をθeとすると、概略的に次の式で表せます。
θe＝ωe×t
例えば、ゼロ点誤差が0.1°/sの場合、60秒後には約6°の角度誤差になります。
長時間の姿勢推定では、起動時のゼロ点補正だけでなく、加速度センサや地磁気センサなどによる補正が必要です。
加速度センサとの組み合わせ
加速度センサは、静止時には重力方向から傾きを推定できます。しかし、機器が移動していると、重力以外の加速度も加わるため、一時的に姿勢推定が乱れることがあります。
ジャイロセンサは短時間の回転変化を滑らかに検出できますが、長時間ではドリフトが蓄積します。両者を組み合わせることで、それぞれの弱点を補えます。
簡易的な補完フィルターでは、次のように角度を求めます。
θ＝α×θgyro＋（1－α）×θacc
θgyroはジャイロセンサから求めた角度、θaccは加速度センサから求めた角度、αは両者の比率を決める係数です。
より高度な姿勢推定では、カルマンフィルターなどを使用する場合もあります。
測定レンジと分解能
ジャイロセンサには、±250°/s、±500°/s、±2,000°/sなどの測定レンジがあります。
狭いレンジでは小さな回転を細かく測定しやすくなりますが、範囲を超えた高速回転は正しく測定できません。広いレンジでは高速回転に対応できますが、同じ出力分解能では小さな角速度の変化を捉えにくくなります。
対象動作の最大角速度に余裕を持たせつつ、必要な分解能を確保できるレンジを選定します。
サンプリング周期とフィルター
角度演算では、角速度だけでなくサンプリング周期の精度も重要です。周期が変動すると、同じ角速度でも計算される角度が変わります。
マイコンのタイマーを使用して一定周期で取得し、実際の経過時間を演算へ反映します。
また、機械振動や電気的ノイズによって角速度データが細かく変動する場合は、移動平均やローパスフィルターを使用します。ただし、フィルターを強くすると応答が遅れるため、検出したい動作速度とのバランスが必要です。
温度変化への対応
ジャイロセンサのゼロ点や感度は、周囲温度によって変化することがあります。
使用温度範囲が広い場合は、センサ内蔵の温度データを取得し、温度ごとに補正値を持たせる方法があります。起動直後と温度安定後で出力が異なる場合もあるため、ウォームアップ時間を設けることも有効です。
姿勢推定での注意点
3軸の角速度を単純に軸ごとに積分するだけでは、機器が大きく回転した場合に姿勢を正しく表現できないことがあります。
姿勢を三次元で扱う場合は、回転行列やクォータニオンを使用して各軸の回転を統合します。オイラー角だけで演算すると、姿勢によってはジンバルロックが発生するためです。
必要な精度や演算能力に応じて、角度の表現方法と姿勢更新アルゴリズムを選定します。
主な用途
- ロボットや搬送装置の旋回・姿勢検出
- カメラや計測機器の手ぶれ検出
- 車両や移動体の方向変化の把握
- 介護支援機器や見守り機器の動作判定
- 傾きや回転を利用した操作入力
- 加速度センサと組み合わせた姿勢推定
ハカルプラスの対応
ハカルプラスでは、ジャイロセンサや加速度センサを利用した機器の研究・開発に取り組んでいます。
マイコンを使用して、センサ初期設定、各軸データの取得、ゼロ点補正、温度補正、フィルター処理、角度演算、姿勢や動作の判定を行います。
さらに、測定データの本体保存、SDカードへの記録、有線・無線通信、異常判定などを組み合わせ、用途に応じた組み込みシステムとして構成します。
よくある質問
Q. 静止しているのに角速度が0にならないのは異常ですか？
A. センサ固有のゼロ点誤差やノイズにより、完全な0にならないことがあります。静止状態で平均値を求め、補正値として差し引きます。
Q. ジャイロセンサだけで長時間の角度を測定できますか？
A. 角速度を積分すれば角度を求められますが、ゼロ点誤差が蓄積します。長時間の姿勢推定では、加速度センサや地磁気センサとの組み合わせが必要です。
Q. 測定値が振動して安定しない場合はどうしますか？
A. 取付部の振動、測定レンジ、サンプリング周期を確認し、必要に応じてローパスフィルターや移動平均処理を行います。
Q. センサの取付方向を変更しても使用できますか？
A. 使用できますが、軸の入れ替えや符号の反転が必要になる場合があります。取付姿勢と座標系をソフトウェア上で一致させます。
Q. 加速度センサと一体になった製品はありますか？
A. ジャイロセンサと加速度センサを一体化したIMUがあります。製品によっては地磁気センサも内蔵し、姿勢推定機能を備えています。