IMUとは

IMUとは、z軸方向のヨー、x軸方向のロール、y軸方向のピッチの回転について、ジャイロが角速度を計測し、角加速度計が、回転方向の加速度を計測する装置のことです。ジャイロについては精度の高い順に、リングレーザー方式、ファイバーオプティカル方式、MEMS方式が採用されています。IMUを利用することで、現時点の姿勢をリアルタイムで計測するだけでなく、過去の履歴に基づいて、未来のある一定の時間経過後に、どの座標に物体が移動しているかを推測することが可能です。日本語では慣性計測装置と呼ばれています。

一方で、GNSS受信機でも、時系列上、同様に過去からさかのぼって現時点にいたるまでの3軸の座標を計測していますので、この履歴データから、過去の角速度、各加速度の推移を算出し、未来の3軸の座標を推定することが可能です。IMUとGNSS受信機のいずれも、カルマンフィルターと呼ばれるアルゴリズムで、この推定は行います。

GNSS受信機の場合は、一旦、衛星からの信号が途切れると、推定値の精度は次第に低下していきます。そこで、これをIMUで補完することで、精度の低下を補う方式が開発されています。GNSSによる航法技術の世界では、衛星からの信号が途切れた際に、IMUで計測したデータで、測位を補うこの技術をデッドレコニング（自立航法またはDR）と呼んでいます。また、車両の挙動を制御する側からは、横滑り防止ブレーキなど、IMUが利用され挙動に対するフィードバック制御が行われています。

さて、ジャイロに関して簡単に解説を行いましょう。航空宇宙やミサイルや魚雷などの軍事分野では、精度のもっとも高いリングレーザーが利用されています。リングレーザーの内部では、2方向に発射された同一周波数のレーザー光線を複数の鏡で反射させることで装置の中で回転させています。装置自体が回転した際に、正反対の方向に進んでいる2つの光線に速度差が生じます。これはサニャック効果と呼ばれています。リングレーザーではこの物理現象を利用して、回転速度を求めています。リングレーザーと原理的にはほぼ同一ですが、鏡を使う代わりに、光ファイバーをコイル状に巻いて、その中を通過する、2方向のレーザー光線の速度差を測るのがファイバーオプティカル方式です。いずれも航空宇宙や軍事に用いられていますが、コストが安いために、自動車の自動運転用ではFOGが主に利用されています。しかし、最近ではリングレーザーも自動車向けに利用が始まっています。

カーナビやスマホ、ゲーム機にもジャイロは搭載されています。ジャイロは、慣性航法だけでなく、単に物体の挙動を検知するための用途にも利用されています。例として、スマホやゲーム機では主にジョイスティックとして利用されています。また、自動車の横滑り防止機能、エアバッグなどでも利用されています。これ以外にもさまざまな用途で利用されていますが、あまり高い精度が求められていないため、ほとんどが低価格なMEMSと呼ばれる半導体です。MEMSの場合は、コリオリ力というコマを回しているときに軸を保持しようとする力を利用して、回転が生じたときの軸のずれを検出することで角速度を計測しています。

一方で各加速度計については、機械式のフライホイールと、MEMSがありますがデッドレコニングの精度には大きく影響を与えませんので、航法用のIMUの多くでMEMSが用いられています。IMUからの角速度情報をどのように利用して、デッドレコニングを行うかについては、大きく分けて、ルーズカップリングとディープカップリングの2つの方式があります。従来、GNSS受信でIMUを接続してデッドレコニングを行うシステムは、ほとんどがルーズカップリング方式でした。しかしルーズカップリングで得られる精度には限界がありました。そこで、精度向上のために、長きにわたりさまざまな方式が研究されてきました。その中でもとりわけ精度が高く、ファイバオプティカル方式レベルのIMUでも自動車の自動運転でデッドレコニングが利用できるのがディープカップリングの特長です。KVH社では、CNS-5000にディープカップリングを搭載しています。

GNSS+IMUのメリット

屋外では、RTK測位により、あらかじめ座標がわかっている基地局の可視衛星と移動局で受信した共通衛星からの信号に基づき、リアルタイムはもちろん、後処理測位演算で正確な位置を出力することが可能です。かし、高層ビル付近やトンネル内など衛星信号からのマルチパス環境やGPS衛星信号がまったく受信できない場所では、高精度なジャイロを使用して、カルマンフィルターと呼ばれるアルゴリズムにより位置を推定し解析処理を行いながら、GNSS受信機からリアルタイムの測定結果が推定範囲外になった場合に補正を行います。オプションの車速パルスを装着することで、車速情報を位置情報のアウトプットの環境変数として加えることで、高い姿勢と挙動の精度を実現します。また衛星信号を最低2衛星以上受信していることにより、車速情報を入力しなくとも車速情報を入力した状態とほぼ同等のパフォーマンスを実現することも可能です。

自動車の機能開発と試験での活用

自動車業界では、電気自動車や燃料電池のような新たな技術を搭載した新モデルが相次いで市場に投入されてきています。Googleやダイムラーに代表される自動運転技術の実証実験が進展する中で、高度化するセンサー技術や画像認識や状況判定などの情報認識技術を取り込んだADAS(Advanced Driving Assistant System：先進運転支援システム)の開発で、国内外の自動車メーカー各社がしのぎを削って競争をしています。
 
電気自動車では、リチウムイオンバッテリーの軽量化、大容量化、低価格化、燃料電池自動車では、エンジンの燃焼効率の向上が課題となっている中で、共に勾配やカーブのある実地環境での回生モーターの制御や燃料電池エンジンの効率性の向上が不可欠となっています。また、自動ブレーキや自動ハンドリングについては、センサーが何らかの危険を検知した後の自動車の制御において、実際の衝突回避のためにどのような車の挙動が必要になるかを数値化できるかどうかが鍵を握っています。
 
いずれも、自動車の位置、姿勢、挙動の正確な把握が重大な技術課題となっている中で、弊社が計測システムソリューションのコアとして提供しているアイマー社のファイバーオプティカルジャイロ(FOG)搭載のGNSS+IMU測定機器が大きく注目されています。ドライブトレインの開発工程で求められる、自動車の位置や方向と、速度、加速度、スリップ角の高精度な測定は、前方検知機能を搭載した自動運転による前方衝突防止や、車線逸脱修正など、次世代の先進運転支援システム（ADAS）の開発、しいては自動運転技術においては、高精度な性能が不可欠です。

デジタル地図制作の効率化

近年では、カーナビシステムだけでなく、デジタル技術を生かした防災インフラの構築や観光案内情報サイトなど幅広い用途で、あらゆる公共物に関する位置を高精度測定したデジタルマップに対する需要が高まっています。さまざまな分野で、地理空間情報としてそのデータの体系や標準化が大幅に見直しされております。そこで必要となるのがGNSS受信機とIMUを融合することで、衛星からの電波が途切れやすい山間や街中でも高精度に位置情報を測定できるシステムです。
 
しかし、GNSS受信機とIMUからの出力データを融合することで、位置情報だけでなく姿勢や挙動を、従来よりも高い精度で計測することがかのです。KVH社のGNSS+IMUなら、LiDARや、デジタルカメラ、赤外線センサ、レーザースキャナ、レーザードップラー距離計などを搭載した測定用の自動車に搭載することにより、一般道で走行させるだけで効率的に高精度なデジタルマップの制作が可能になります。デジタルマップの制作には、計測したデータ処理に独自の技術が必要になります。弊社では、欧州自動車メーカーの自動運転プロジェクトなどで実績のある高精度3Dマップ作成サービス企業とも提携しお客様にトータルソリューションを提供しています。

KVH社 - GNSS+IMUハイブリッドセンサ

	Geo FOG 3D Dual INS
	KVH社のパテント取得済の新技術を搭載し、幅広い分野の移動体の無人運転に理想的な、高精度、高性能、コンパクトサイズの、FOG（ファイバーオプティカルジャイロ）、MEMS角加速度計を搭載したIMU 1750に、2アンテナ対応で方位の計測が可能な、GPS、GLONASS、GALILEO、BeiDou対応のGNSS受信機を搭載したGNSS+IMUハイブリッドセンサです。コンパクトなボディに、低ノイズ、高バンド幅でRS422経由の同期・非同期通信機能を搭載。1～1,000Hzのスケーラブルな通信速度で、任意にプログラムが可能です。移動体の自動航法と安定化制御、物流の自動化、さらには、3Dマッピングなど、幅広い用途で利用できます。
	特長: コンパクトサイズの、FOG（ファイバーオプティカルジャイロ）、MEMS角加速度計を搭載したIMU 1750に、2アンテナ対応で方位の計測が可能な、GPS、GLONASS、GALILEO、BeiDou対応のGNSS受信機を搭載したGNSS+IMUハイブリッドセンサ
	CNS-5000
	本体重量2.4Kgの軽量、設置スペース17cmx16cmのコンパクトなボディに、ファイバーオプティカルジャイロ（FOG）とMEMS各加速度計を内蔵し、ディープカップリング（Deeply Coupled）技術により衛星が途切れた時もデッドレコニングによる、100Hzのデータ更新レートで、位置、速度、6自由度の姿勢を計測可能な、GNSS+IMUハイブリッド受信機です。高い信頼性と、精度、優れたコストパフォーマンスにより、物流効率化用途で実績のあるCNS-5000は、今後、自動車の自動運転での活用が期待されています。
	特長: ディープカップリング（Deeply Coupled）技術により衛星が途切れた時もデッドレコニングによる、100Hzのデータ更新レートで、位置、速度、6自由度の姿勢を計測可能な、GNSS+IMUハイブリッド受信機
	Geo FOG 3D INS
	KVH社のパテント取得済の新技術を搭載し、幅広い分野の移動体の無人運転に理想的な、高精度、高性能、コンパクトサイズの、FOG（ファイバーオプティカルジャイロ）、MEMS角加速度計を搭載したIMU 1750に、GPS、GLONASS、GALILEO、BeiDou対応のGNSS受信機を搭載したGNSS+IMUハイブリッドセンサです。コンパクトなボディに、低ノイズ、高バンド幅でRS422経由の同期・非同期通信機能を搭載。1～1,000Hzのスケーラブルな通信速度で、任意にプログラムが可能です。移動体の自動航法と安定化制御、物流の自動化、さらには、3Dマッピングなど、幅広い用途で利用できます。
	特長: コンパクトサイズの、FOG（ファイバーオプティカルジャイロ）、MEMS角加速度計を搭載したIMU 1750に、GPS、GLONASS、GALILEO、BeiDou対応のGNSS受信機を搭載したGNSS+IMUハイブリッドセンサ

KVH社 - IMU

	1725 IMU
	FOG（ファイバーオプティカルジャイロ）ならではの高い精度を、MEMSジャイロ並みの価格で実現し、MEMSの角加速度計を内蔵することで、6自由度の計測が可能な、高性能、コンパクトサイズ、優れたコストパフォーマンスの画期的なIMUです。700gの軽量ボディで、低ノイズ、高バンド幅でRS422経由の同期・非同期通信を、1～1,000Hzのスケーラブルな通信速度で、任意にプログラム可能。物流の自動化や、3Dマッピング、移動体の安定化など幅広い用途で利用されています。
	特長: FOG（ファイバーオプティカルジャイロ）ならではの高い精度を、MEMSジャイロ並みの価格で実現した低価格IMU
	1750 IMU
	KVH社のパテント取得済の新技術を搭載し、幅広い分野の移動体の無人運転に理想的な、高精度、高性能、コンパクトサイズの、FOG（ファイバーオプティカルジャイロ）、MEMS角加速度計を搭載したIMUです。700gの軽量ボディで、低ノイズ、高バンド幅でRS422経由の同期・非同期通信を、1～1,000Hzのスケーラブルな通信速度で、任意にプログラム可能。移動体の自動航法と安定化制御、物流の自動化、さらには、3Dマッピングなど、幅広い用途で利用されています。
	1775 IMU
	KVH社のパテント取得済の技術を搭載し、幅広い分野の移動体の無人運転に理想的な、高精度、高性能、コンパクトサイズの、1750 IMUをさらにグレードアップし、FOG（ファイバーオプティカルジャイロ）、MEMS角加速度計に加えて磁気センサーを搭載したたフラッグシップモデルです。700gの軽量ボディで、低ノイズ、高バンド幅でRS422経由の同期・非同期通信を、1～5,000Hzのスケーラブルな通信速度で、任意にプログラム可能。低レイテンシ―を実現した1775 IMUなら、レーダーや、RiDAR、高速ジンバルの安定化制御だけでなく、掘削機や、パイプラインの点検整備、3Dマッピングなどにも適用が可能です。
	特長: 幅広い分野の移動体の無人運転に理想的な、高精度、高性能、コンパクトサイズの、1750 IMUをさらにグレードアップし、FOG（ファイバーオプティカルジャイロ）、MEMS角加速度計に加えて磁気センサーを搭載したたフラッグシップモデル

KVH社 - ジャイロ

	DSP-1760
	高い精度が求められる幅広い用途に合わせて、1軸タイプ、2軸タイプ、3軸タイプを用意した、システムインテグレーションが容易な、小型高性能FOG（ファイバーオプティカルジャイロ）です。1軸モデルの500gから3軸モデルの600gまでの軽量ボディで、高精度を実現。炭鉱の自動化施工、パイプラインの検査ロボット、移動体の安定化機構、航法システムなど幅広い用途で利用されています。
	特長: システムインテグレーションが容易な、1軸タイプ、2軸タイプ、3軸タイプの小型高性能FOG（ファイバーオプティカルジャイロ）