マルチ​ノード​高​精度​同期​慣性​計測​システム

- Kazuyoshi TAKEDA, SEIKO EPSON

"大規模・​高性能​かつ​極めて​高い​信頼​性​が​要求​さ​れる​計測​システム​を​NI​ソリューション​により、​短期間​に​開発​する​こと​が​でき、​文部​科学​省​プロジェクト​の​実験​で​の​計測​を​成功​させる​こと​が​でき​た。"

- Kazuyoshi TAKEDA, SEIKO EPSON

課題:

マルチ​ノード​高​精度​同期​慣性​計測​システム​へ​の​主​な​要求​事項​は​下記​の​とおり。 ① エプソン​製​IMU 200​個​以上​を​マイクロ​秒​オーダー​で​高​精度​同期​する。 ② サンプリング​レート​500sps​で​最大​10​分間​計測​する。 ③ 破壊​試験​と​なる​試験​体​に​設置​する​ので、​堅牢​な​センサ、​通信​手段、​計測​システム​で​ある​こと。 ④ 3G​の​加速度​印加​で​故障​しない​こと。 ⑤ 納期​厳守​の​こと。​(開発​期間​は​4​ヶ月) ⑥ 極めて​高い​信頼​性​が​ある​こと。​(試験​体​や​試験​環境​の​準備​等、​産官学​共同​で、​年​単位・​数​億​円​規模​を​かけ​て​実験​の​準備​を​し​て、​かつ、​破壊​試験​の​ため​再​試験​は​不可能​な​ため、​計測​の​失敗​は​許​さ​れ​ない) このように、​大規模・​高性能、​かつ​極めて​高い​信頼​性​を​求め​られる​計測​システム​を、​4​ヶ月という短期間で開発することを求められた。

ソリューション:

大規模・​高性能、​かつ​極めて​高い​信頼​性​を​求め​られる​計測​システム​を、​ハード​ウエア​から​開発​する​場合、​年​単位​で​の​開発​期間​が​必要​となり、​要求​さ​れる​納期​に​間​に​合​わ​ない。​そこで、​弊社​内​で​計測​や​制御​で​多く​の​実績​が​あり、​高い信頼性をもった完成したハードウエアが用意され、​かつ、​大規模​な​システム​開発​に​も​十分​耐え​うる​アーキテクチャ​の​NI​ソリューション​を​採用​する​ことに​した。

作成​者:

Kazuyoshi TAKEDA - SEIKO EPSON
​Mikimoto JIN - SEIKO EPSON

 

企業​概要

セイコーエプソン・​センシング​事業​は、​当社​の​基​と​なる​腕時計​を​支える​水晶​加工​技術​(QMEMS)​を​活​か​した​超​小型、​高​精度、​高​安定性、​高信頼​性​の​センサ​を​生み​出し、​社会​インフラ​維持​へ​の​各種​提案​を​行い、​橋梁​劣化​モニタリング​や​ビル​振動​モニタリング​から、​製造​装置​の​故障​予知​保全​など​幅広​く​社会​に​貢献​し​て​いる。

(「QMEMS」​は、​安定・​高​精度​など​の​優​れ​た​特性​を​持つ​水晶​素材​で​ある​「QUARTZ」​と、​「MEMS」​(微細​加工​技術)​を​組み合わせ​た​造語​で​セイコーエプソン​の​登録​商標​で​ある。​セイコーエプソン​では​半導体​を​素材​と​した​MEMS​に対して​水晶​素材​を​ベース​に​精密​微細​加工​を​施​し、​小型・​高性能​を​提供​する​水晶​デバイス​を​「QMEMS」​と​呼​んで​いる。)

 

1.​背景 

文部​科学​省​委託​事業 都市​の​脆弱​性​が​引き起こす​激甚​災害​の​軽減​化​プロジェクト -​サブ​プロジェクト​②:​都市​機能​の​維持・​回復​の​ため​の​調査・​研究​-​(平成​24​年度​~​28​年度​の​5​カ年​計画) における​鉄骨​造​高層​建物​崩壊​余裕​度​定量​化​の​ため​の​18​層​縮小​試験​体​による、​世界​最大​級​の​振動​台​実験​において、​構造​ヘルス​モニタリング​の​新た​な​アプローチ​として、​構造​フレーム​等​の​部材​レベル​の​損傷​推定​を​行う​ため​の​センサ​に、​エプソン​製​IMU(慣性​運動​情報​計測​器、​エプソン​製​IMU​について​は​5​章​を​ご​確認​くだ​さい)​が清水建設技術研究所殿により採用され、​IMU 200​個​以上​を​高​精度​同期​さ​せ​て​計測​する​「マルチ​ノード​高​精度​同期​慣性​計測​システム」​を短期間で開発することとなった。​(本​システム​は​本​サブ​プロジェクト​に​て、​本​実験​を​含​め​て​3​回​の​実験​に​使用​さ​れる​予定​で​ある。) (以下 http://​www.toshikino.dpri.kyoto-​u.ac.jp/​Brochure_J_v1.pdf より​引用、​一部​変更)

本​サブ​プロジェクト​は、​東日本​大震災​から​得​ら​れ​た​二つ​の​教訓​-​「想定​を​上回る​地震動​に対する​対処」​と​「事業​や​生活​の​継続​と​速やか​な​回復」​-​に対し、​以下​の​目標​達成​を​目指​し​て​いる。
​・​高層​ビル​等​都市​の​基盤​を​なす​施設​が​完全​に​崩壊​する​まで​の​余裕​度​の​定量化
​・​これら​施設​の​地震​直後​の​健全​度​を​即時​に​評価​し​損傷​を​同定​する​仕組み​の​構築 (引用​終​わり)

 

 

関連​サイト
​・​京都​大学 都市​の​脆弱​性​が​引き起こす​激甚​災害​の​軽減​化​プロジェクト -​サブ​プロジェクト​②:​都市​機能​の​維持・​回復​の​ため​の​調査・​研究​- ホームページ
http://​www.toshikino.dpri.kyoto-​u.ac.jp/ 
​・​清水​建設​技術​研究所​ホームページ
http://​www.shimz.co.jp/​theme/​sit/ 

 

2. 課題

マルチ​ノード​高​精度​同期​慣性​計測​システム​へ​の​主​な​要求​事項​は​下記​の​とおり。

① エプソン​製​IMU 200​個​以上​を​マイクロ​秒​オーダー​で​高​精度​同期​する。
​② サンプリング​レート​500sps​で​最大​10​分間​計測​する。
​③ 破壊​試験​と​なる​試験​体​に​設置​する​ので、​堅牢​な​センサ、​通信​手段、​計測​システム​で​ある​こと。
​④ 3G​の​加速度​印加​で​故障​しない​こと。
​⑤ 納期​厳守​の​こと。​(開発​期間​は​4​ヶ月)
​⑥ 極めて​高い​信頼​性​が​ある​こと。​(試験​体​や​試験​環境​の​準備​等、​産官学​共同​で、​年​単位・​数​億​円​規模​を​かけ​て​実験​の​準備​を​し​て、​かつ、​破壊​試験​の​ため​再​試験​は​不可能​な​ため、​計測​の​失敗​は​許​さ​れ​ない)

このように、​大規模・​高性能、​かつ​極めて​高い​信頼​性​を​求め​られる​計測​システム​を、​4​ヶ月という短期間で開発することを求められた。

 

3. ソリューション 

大規模・​高性能、​かつ​極めて​高い​信頼​性​を​求め​られる​計測​システム​を、​ハード​ウエア​から​開発​する​場合、​年​単位​で​の​開発​期間​が​必要​となり、​要求​さ​れる​納期​に​間​に​合​わ​ない。​そこで、​弊社​内​で​計測​や​制御​で​多く​の​実績​が​あり、​高い信頼性をもった完成したハードウエアが用意され、​かつ、​大規模​な​システム​開発​に​も​十分​耐え​うる​アーキテクチャ​の​NI​ソリューション​を​採用​する​ことに​した。

 

① CompactRIO​を​用​い​た​分散​処理​システム​と​する。
​サブ​コントローラ​として、​1​台​の​CompactRIO​に​最大​48​個​の​IMU​を​接続​し、​CompactRIO​の​FPGA​回路​による​高速​処理​で​48​ノード​x 6​軸​の​センサデータ​を​同時に​500sps​で​収集​できる​システム​を​構築​した。
​本​システム​では​5​台​の​サブ​コントローラ​で、​最大​240​個​の​IMU​を​接続​できる。​また、​サブ​コントローラ​の​台数​を​増やす​こと​で​更に​接続​IMU​数​を​増やす​こと​が​可能​で、​拡張​性​の​高い​システム​と​な​って​いる。
​また、​IMU​へ​の​配線​上、​CompactRIO​を振動試験体上に設置することになったが、​堅牢​な​CompactRIO​により​5G​の​加速度​印加​で​の​動作​保証​を​する​こと​が​でき​た。

② CompactRIO​と​IMU​は​CAN​インタフェース​で​接続​する。
​少ない​配線​で​IMU​を​接続​できる、​高​精度​同期​を​実現​できる、​外部​から​の​衝撃​や​ノイズ​に対する​耐性​が​高い、​という​理由​から、​CompactRIO​と​IMU​は​CAN​インタフェース​で​接続​した。

③ CompactRIO​間​の​同期​は​パルス​信号​により​行う。
​CompactRIO​間​の​同期​は、​遅延​や​ジッタ​要素​の​小さい​パルス​信号​と​した。
​また、​離れ​た​位置​に​配置​さ​れる​CompactRIO​間​を​低​損失​で​接続​する​ため​に​光ケーブル​で​接続​した。

④ マスター​コントローラ​(PC)​と​サブ​コントローラ​(CompactRIO)​は​イーサネット​で​接続​する。
​マスター​コントローラ​と​サブ​コントローラ​は​1​対​多​の​接続​で​あり、​計測​ルーム​に​設置​さ​れる​マスター​コントローラ​と​試験​体​に​設置​さ​れる​サブ​コントローラ​間​は​数​十​メートル​離れ​て​いる​ので、​それに​適​した​イーサネット​で​接続​する​ことに​した。

⑤ イーサネット​接続​が​切れ​て​も​サブ​コントローラ​が​自立​し​て​計測​を​継続​できる​よう​に​した。
​試験​体​倒壊​時に​最も​破断​が​懸念​さ​れる​の​が​試験​体​から​外部​に​接続​さ​れる​イ​ー​サ​ネット​ケーブル​で​ある。​本​システム​は​計測​が​開始​さ​れる​と、​マスター​コントローラ​から​の​指示​なし​で​各​サブ​コントローラ​は​自立​し​て​計測​し、​計測​データ​を​サブ​コントローラ​内​の​不揮発​メモリ​に​保存​する​よう​にし、​イ​ー​サ​ネット​ケーブル​が​破断​し​て​も​計測​を​継続​し​て​計測​データ​が​保存​さ​れる​よう​に​した。

 

4. システム​概要 

図​4-1​に​ハード​ウエア​構成​を​示す。

① マスター​コントローラ​(PC)​と​サブ​コントローラ​(CompactRIO-9082)​5​台​を​イーサネット​で​接続​する。
​② サブ​コントローラ​に​2​ポート​高速​CAN​モジュール​(NI 9853)​を​4​台​接続​し、​各​CAN​ポート​に、​IMU​に​供給​させる​電源​を​合流​させる​回路​を​介​し​て、​IMU​を​最大​6​個​接続​する。
​③ サブ​コントローラ​は​1​台​の​同期​マスタ​と、​その他の同期スレーブで構成され、​同期​マスタ​は​4ch​ディジタル​I/​O​モジュール​(NI 9402)​から​同期​信号​を​出力​し、​同期​スレーブ​は​同​モジュール​で​それ​を​入力​する。​同期​信号​は​経路​の​途中​で​電信​号-​光​信号​変換​回路​により​光​信号​に​変換​さ​れる。

 

 

図​4-2​に​計測​時​の​ソフトウエア​処理​シーケンス​を​示す。

① マスター​コントローラ​の​LabVIEW​が、​各​サブ​コントローラ​RTOS​に​計測​開始​コマンド​を​送信​する。
​② 同期​マスタ​RTOS​は​FPGA​を​起動​し、​FPGA​は​サンプリング​間隔​(1/500sps = 2msec)​で​同期​信号​を​送信​する。
​③ 各​サブ​コントローラ​の​FPGA​は​同期​信号​に​同期​し​て​各​CAN​ポート​に​計測​同期​メッセージ​を​出力​する。
​④ 各​IMU​は​計測​同期​メッセージ​に​同期​し​て​計測​データ​を​出力​する。
​⑤ 各​サブ​コントローラ​の​FPGA​は​サンプリング​間隔​内​に​計測​データ​を​受信​し、​まとめ​て​RTOS​に​送信​する。
​⑥ RTOS​は​FPGA​から​の​データ​を​IMU​毎​に​ファイル​に​保存​する。
​⑦ サブ​コントローラ​は​計測​時間​経過​時に​自動的​に​計測​終了​し、​マスター​コントローラ​に​終了​を​通知​する。
​⑧ マスター​コントローラ​は​全​サブ​コントローラ​から​の​計測​終了​メッセージ​を​受信​後、​それぞれ​の​サブ​コントローラ​から​計測​データ​を​回収​する。

 

 

5. エプソン​製​IMU​による​高​精度・​高​安定​計測 本​事例​で​紹介​し​て​いる​計測​システム​の​卓越​した​性能​の​実現​に​は、​NI​の​計測​システム​だけ​で​なく、​エプソン​製​IMU​が不可欠だった。​近年、​産業・​工業​分野​において、​各種​センサ​は、​製品​へ​の​組み込み​を​容易​に​する​ため​に​精度​や​安定性​を​高め​ながら、​さらなる​小型化​と​低​消費​電力​の​実現​が​求め​ら​れ​て​いる。​水晶​デバイス​業界​を​リード​し​て​いる​セイコーエプソン​は、​自社​の​強み​で​ある​水晶​微細​加工​技術​QMEMS​を​用​い​た​水晶​ジャイロ​(角速度)​センサ​と、​GPS​など​位置​情報​デバイス​で​培​っ​た​半導体​技術​や​ノウハウ​を​融合​させる​という​独自​の​アプローチ​で​IMU​を​開発​し、​世界​最小​クラス​の​外形​サイズ​(24x24x10mm)​と​低​消費​電力​(30mA:​動作​電源​電圧​3.3V​時)​を​実現​し​ながら、​高​精度・​高​安定​の​計測​性能​を​持つ、​IMU​を​商品​化​し​て​いる。​エプソン​製​IMU​の​市場​ポジショニング​を​図​5-1​に​示す。

 

 

 

この​IMU​は、​高​精度・​高​安定​の​3​軸​ジャイロセンサ​と​3​軸​加速度​センサ​を​組み合わせ​た​6​軸​センサ​を​搭載​し、​角速度​の​計測​性能​において​は​角度​ランダム​ウォーク​性能​0.2deg/​√hr、​ジャイロ​バイアス​安定性​6deg/​h​を​実現​し​て​いる。​また、​この​IMU​を​IP67​相当​の​防水・​防塵​性能​を​もつ​ケース​で​パッケージ​し、​CANopen​準拠​の​通信​プロトコル​を​搭載​した​IMU​センサユニット​も​商品​化​した。​図​5-2​に​エプソン​製​IMU​センサユニット​M-​G550PC​の​外観​を​示す。

本​IMU​は、​産業・​工業​分野​における​慣性​運動​の​解析・​制御、​モーション​解析・​制御、​移動​体制​御、​振動​制御・​安定​化、​ナ​ビ​ゲ​ー​ション​システム​など​の​用途​に​適​し​て​いる。​小型・​軽量・​低​消費​電力​化​により、​従来​の​IMU​より​も​組み込む​製品​の​設計​自由​度​を​高め、​さらにはこれまで難しかった、​より​さまざま​な​産業・​工業分野の製品への組み込みも可能となった。

本​実験​では、​コンシューマ​向け​センサ​では​実現​困難​な​高​精度・​高安定なセンサ性能が要求され、​かつ、​試験​体​に​200​個​規模​で​設置​する​ので、​小型・​低​消費​電力、​取り扱い​の​し​やす​さ、​配線​の​し​やす​さ、​通信​の​信頼​性​が​求め​られる。​エプソン​製​IMU​は​これらの​要求​に対して​最適​な​ソリューション​を​提供​できる。

エプソン​製​IMU​の​詳細​について​は​以下​の​サイト​を​参照​し​て​くだ​さい。
http://​www.epson.jp/​products/​sensing_system/​index.htm

 

6. 導入​効果

NI​ソリューション​の​導入​により、​下記​の​効果​が​あっ​た。

① 大規模​かつ​高​精度、​高信頼​性​を​要求​さ​れる​システム​を​短期間​に​開発​する​こと​が​でき​た。
​高い​信頼​性​を​も​っ​た​完成​した​ハード​ウエア​が​用意​さ​れ​て​いる​NI​ソリューション、​及び、​手厚い​教育​体制、​ソフト​開発​サポート​体制​により、​LabVIEW​初心者​が​1​人・​4​ヶ月​間​で、​PC​と​CompactRIO​の​ソフトウエア​を​開発​し​て​システム​を​完成​させる​こと​が​でき​た。​(システム​開発​は、​ハード​ウエア​開発​1​人、​ソフトウエア​開発​1​人、​評価​担当​1​人​の​計​3​人体制で行った)
​特に、​親身​で​手厚い​教育・​ソフト​開発​サポート​は、​他社​に​類​を​み​ない​もの​と​考える。​これらがなければ、​とても​4​ヶ月間でシステムを完成させることはできなかった。
​もし、​NI​ソリューションを活用せず、​ハード​ウエア​から​開発​した​場合​は、​システム​完成​まで​に​2​~​3​年​の​期間、​億​単位​の​開発​費​が​か​か​っ​た​もの​と​推定​する。

② CompactRIO​の​高い​処理​能力​により、​各​IMU​へ​の​CAN​同期​メッセージ​の​同期​精度​約​3.5usec​を​実現​する​こと​が​でき​た。​また、​1​つ​の​CompactRIO​で​最大​48​個​の​IMU​の​6​軸​センサ​(計​288)​の​計測​データ​を​500sps​で​サンプリング​し、​約​6Mbit/​sec の​データ​を​受信・​変換・​ファイル​保存​できる​システム​を​実現​でき​た。
​これ​は​CompactRIO​の​FPGA​性能​による​ところが​大きい。​また​FPGA​回路​を​短期間​で​開発​でき​た​の​は、​LabVIEW​の​共通​環境​で​FPGA​回路​開発​が​できる​NI​ソリューション​による​ところが​大きい。

③ CompactRIO​の​高い​信頼​性​により、​3​日間​の​振動​実験​を通して、​152​個​の​IMU​を​500sps​で、​計測​データ​欠損​なく、​システム​の​トラブル​なく、​計測​を​完了​する​こと​が​でき​た。
​また、​振動​実験​の​最後​に​試験​体​を​破壊​し、​その​際​に​イ​ー​サ​ネット​ケーブル​が​破断​した​が、​CompactRIO​は​自立​で​最後​まで​計測​を​実施​し、​CompactRIO​回収​後に​計測​データ​を​無事​に​取り出す​こと​が​でき​た。

また、​今回​構築​した​システム​により、​文部​科学​省​委託​事業 都市​の​脆弱​性​が​引き起こす​激甚​災害​の​軽減​化​プロジェクト -​サブ​プロジェクト​②:​都市​機能​の​維持・​回復​の​ため​の​調査・​研究​- における​鉄骨​造​⾼層​建物​崩壊​余裕​度​定量​化​の​ため​の​18​層​縮小​試験​体​を​用​い​た、​世界​最大​級​の​振動​台​実験​で​の、​清水​建設​技術​研究所​殿​による​構造​ヘルス​モニタリング​研究​に​貢献​する​こと​が​でき​た。​この​研究​により、​都市​の​基盤​施設​の​地震​直後​の​健全​度​を​即時​に​評価​し、​事業​や​生活​の​速やか​な​回復​に​つなげる​仕組み​の​構築​が​期待​さ​れる。

図​6-1​に、​この​実験​において​の、​振動​台​に​設置​さ​れ​た​試験​体、​及び​エプソン​製​IMU、​サブ​コントローラ​を​示す。​試験​体​は​18​層​で、​各層​に​8​個、​合計​152​個​の​エプソン​製​IMU​が設置され、​また、​数​層​に​1​台、​合計​5​台​の​CompactRIO​を含むサブコントローラが設置された。

図​6-2​に、​振動​試験​により​最終​的​に​倒壊​さ​せ​た​試験​体​を​示す。​この​よう​な​状態​と​な​って​も​本​システム​は​計測​を​継続​した。

 

 

図​6-3​に​本​システム​によって​計測​さ​れ​た​データ​例​と、​清水​建設​技術​研究所​殿​によって​算出​さ​れ​た​損傷​判定​結果​の​例​を​示す。​縦​方向​が​層​で​あり,​試験​体​の​Y1​構​面​と​Y2​構​面​の​損傷​の​分布​を​白色​部​が​「損傷​なし」、​灰色​部​が​「損傷​あり」​の​様​に​示し​て​いる。​本​判定​結果​は​試験​体​の​梁​端​フランジ​の​破断​位置​と​概ね​対応​し​て​おり、​試験体内の損傷位置の分布を推定できる可能性があることが示された。

 

 

7. まとめ​と​今後​の​展望

NI​ソリューション​を​採用​する​こと​で、​大規模​かつ​高​精度​で​信頼​性​の​高い​システム​を​短期間​に​完成​させる​こと​が​でき​た。
​今後​の​展望​として​は、​このシステムをベースに下記の機能を拡充させ、​建築​構造​物​の​計測​で、​より​使い​やすい​システム​として​いき​たい。
​① 計測​中​の​リアルタイム​計測​データ​表示、​及び、​計測​後​の​計測​データ​回収​処理​時間​短縮
​② IMU​設置​自由​度​の​向上​(通信​可能​な​センサケーブル​長​の​拡大)
​③ 他の​エプソン​製​QMEMS​センサ​(振動​計、​傾斜​計)​の​接続
​④ 無線​通信​による​システム​制御​機能

 

 

著者​情報:

Kazuyoshi TAKEDA
​SEIKO EPSON
​Japan

図​1-1. ​ ​本​サブ​プロジェクト​の​目的 ​
図​4-1. ​ ​ハード​ウエア​構成 ​
図​4-2. ​ 計測​時​ソフトウエア​処理​シーケンス ​
​ ​(1) 計測​中​表示​例 ​
(2) ​ IMU​接続​確認​表示​例 ​
図​5-1. ​ IMU​市場​と​エプソン​の​ポジショニング ​
図​5-2. ​ ​M-​G550PC ​
(1) ​ 試験​体 ​
​ ​(2) エプソン​製​IMU    ​
(3) ​ サブ​コントローラ ​
図​6-2. ​ ​振動​試験​により​最終​的​に​倒壊​さ​せ​た​試験​体 ​
​ ​(1) 計測​データ​の​例 (左)     (2) 部材​損傷​判定​結果​の​例​(右)     ​