CN101661048A - 速度计算装置、速度计算方法和导航装置 - Google Patents

速度计算装置、速度计算方法和导航装置 Download PDF

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Abstract

公开了速度计算装置、速度计算方法和导航装置。所述速度计算装置包括：垂直方向加速度检测部分，其被安装在车辆上，并检测与路面的起伏对应地产生的垂直方向中的加速度；水平方向角速度检测部分，其被安装在车辆上，并检测与路面的起伏对应地产生的、环绕与车辆的行进方向正交的水平轴的角速度；以及速度计算部分，其基于垂直方向中的加速度和环绕水平轴的角速度来计算车辆的行进方向中的速度。

Description

速度计算装置、速度计算方法和导航装置
技术领域
本发明涉及适当地应用于例如便携式导航装置的速度计算装置、速度计算方法和导航装置。
背景技术
现有技术中的导航装置被配置为从多个GPS(全球定位系统)卫星接收定位信号(在下文中，也称为GPS信号)，并基于GPS信号计算车辆的当前位置。
然而，当安装了导航装置的车辆进入例如隧道或地下停车场时，如上的导航装置不能从GPS卫星接收GPS信号，并且由此所述导航装置变得不能基于GPS信号来计算车辆的当前位置。
为了避免这样的不便，存在一种导航装置，其被配置为即使在导航装置不能接收GPS信号的情况下，基于与车辆的行进方向正交的水平方向中的加速度以及在转弯时环绕与行进方向正交的垂直轴的角速度，来计算行进方向中的速度，并且基于行进方向中的速度来计算当前位置。在JP-A-2008-76389中公开了这种导航装置的示例。
发明内容
如上所述的导航装置能够在转弯时计算行进方向中的速度，但不能在向前直线驾驶时计算行进方向中的速度。因此所述导航装置存在这样的问题：不是在所有路况中必然计算行进方向中的速度。
因此，期望提供能够在任何情况下、在所有路况中、高精度地计算车辆速度的速度计算装置、速度计算方法和导航装置。
根据本发明的实施例，提供了速度计算装置，包括：垂直方向加速度检测部分，其被安装在车辆上，并检测与路面的起伏对应地产生的垂直方向中的加速度；水平方向角速度检测部分，其被安装在车辆上，并检测与路面的起伏对应地产生的、环绕与车辆的行进方向正交的水平轴的角速度；以及速度计算部分，其基于垂直方向中的加速度和环绕水平轴的角速度来计算车辆的行进方向中的速度。
根据本发明的另一实施例，提供了速度计算方法，包括如下步骤：检测与路面的起伏对应地在车辆中产生的垂直方向中的加速度；检测与路面的起伏对应地在车辆中产生的环绕与车辆的行进方向正交的水平轴的角速度；以及基于在垂直方向中的加速度和环绕水平轴的角速度来计算在车辆的行进方向中的速度。
根据本发明的另一实施例，提供了导航装置，包括：垂直方向加速度检测部分，其检测与路面的起伏对应地在车辆中产生的垂直方向中的加速度；水平方向角速度检测部分，其检测与路面的起伏对应地在车辆中产生的环绕与车辆的行进方向正交的水平轴的角速度；速度计算部分，其基于垂直方向中的加速度和环绕水平轴的角速度来计算在车辆的行进方向中的速度；垂直方向角速度检测部分，其计算环绕与行进方向垂直的垂直轴的角速度；角度计算部分，其基于环绕垂直轴的角速度计算车辆已经转过的角度；以及位置计算部分，其基于由速度计算部分计算出的行进方向中的速度以及由角度计算部分计算出的角度，来计算车辆的当前位置。
根据本发明的实施例，检测垂直方向中的加速度和环绕与行进方向正交的水平轴的角速度(其二者均与路面的起伏对应地产生)，以及在所有路况中基于垂直方向中的加速度和环绕水平轴的角速度来计算行进方向中的速度变为可能。
根据本发明的实施例，通过检测垂直方向中的加速度和环绕与行进方向正交的水平轴的角速度(其二者均与路面的起伏对应地产生)，并通过基于垂直方向中的加速度和环绕水平轴的角速度来计算车辆的行进方向中的速度，提供能够在任何情况下、在所有路况中、高精度地计算车辆速度的速度计算装置、速度计算方法和导航装置变为可能。
附图说明
图1A和图1B是分别示意性地示出在凹和凸路面上行进的车辆的状态的图；
图2是示意性地示出车辆沿曲线行进的状态的图；
图3是示意性地示出使用速度和角度的当前位置计算方法的图；
图4是示意性地示出PND的整体配置的图；
图5是示意性地示出PND的坐标系的定义的图；
图6是示意性地示出PND的传感器配置的图；
图7是示意性地示出PND的电路图的图；
图8是示意性地示出速度计算部分的配置的图；
图9是示意性地示出海拔与角度的关系的图；
图10A和图10B是示意性地示出低速时路面角度的状态的图；
图11A和图11B是示意性地示出高速时路面角度的状态的图；
图12是示意性地示出极低速时路面角度的状态的图；
图13是示意性地示出通过支架(cradle)的振动的状态的图；
图14是示意性地示出在高通滤波处理之后的附加加速度和附加角速度的图；
图15A到图15H是示意性地示出以每4096个数据点进行傅立叶变换的附加角速度的图；
图16A到图16H是示意性地示出以每4096个数据点进行傅立叶变换的附加角速度的图；
图17A到图17D是示意性地示出关于附加加速度的低通滤波处理的比较的图；
图18A到图18D是示意性地示出关于附加角速度的低通滤波处理的比较的图；
图19是示意性地示出低速时前加速度(front acceleration)和后加速度(rear acceleration)的关系的图；
图20A和图20B是示意性地示出中速和高速时前加速度和后加速度的关系的图；
图21A到图21F是示意性地示出在三个安装位置处的加速度、俯仰角速度(pitch rate)和速度的仿真的示例的图；
图22是示意性地示出最大值和最小值的关系的图；
图23是示意性地示出速度和数据点编号的关系的图；
图24A和图24B是示意性地示出在不同的弧长中的加速度和俯仰角速度的状态的图；
图25是用于描述使用速度计算处理的当前位置计算处理过程的流程图；
图26A和图26B是示意性地示出加速度、角速度和速度的测量结果的示例的图；
图27A和图27B是示意性地示出测量结果与参考的比较(1)的图；
图28A和图28B是示意性地示出测量结果与参考的比较(2)的图；
图29A和图29B是示意性地示出测量结果与参考的比较(3)的图；
图30A和图30B是示意性地示出测量结果与参考的比较(4)的图；
图31A和图31B是示意性地示出测量结果与参考的比较(5)的图；
图32A到图32C是示意性地示出在曲线处测量结果与参考的比较(1)的图；
图33A到图33C是示意性地示出在曲线处测量结果与参考的比较(2)的图；
图34A到图34C是示意性地示出在曲线处测量结果与参考的比较(3)的图；
图35A和图35B是示意性地示出在具有行进轨迹的地图上的路径的比较的图；
图36是示意性地示出根据安装在小型车辆(compact vehicle)上的PND的测量结果以及基于GPS信号的速度和距离的比较的图；
图37是示意性地示出根据安装在迷你厢式车(minivan vehicle)上的PND的测量结果以及基于GPS信号的速度和距离的比较的图；以及
图38是示意性地示出在本发明的另一实施例中的使用示例的图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本发明的实施例。
(1)基本原理
在本发明的实施例中，将便携式导航装置(在下文中，也称为PND(个人导航装置))用作导航装置，并且将描述使用PND来计算车辆的速度和当前位置的基本原理。
(1-1)速度计算原理
实际上，当车辆在路上行进时它几乎很少在平路上行进。车辆实际上在凹形(如图1A所示，当作为整体观察时)路上和凸形(如图1B所示，当作为整体观察时)路上行进。
在这里使用的车辆的坐标系中，X轴表示车辆的前后方向，Y轴表示与X轴正交的水平方向，并且Z轴表示上下方向。
当车辆在凹路(图1A)上行进时，例如，安装在车辆的仪表板上的PND以例如50[Hz]的采样频率、使用向PND提供的三轴加速度传感器(triaxialacceleration sensor)，检测沿Z轴的向下加速度αz。
PND还以50[Hz]的采样频率、使用向PND提供的Y轴陀螺仪传感器(gyro sensor)，检测环绕与行进方向正交的Y轴的角速度(在下文中，也称为俯仰角速度)ωy。
这里，对于PND，限定沿Z轴的向下加速度αz为正，且当沿图1A所示的凹路面形成的虚拟圆圈经历关于行进方向的向上纵向旋转时的俯仰角速度ωy为正。
PND被配置为使用由三轴加速度传感器检测到的加速度αz以及由Y轴陀螺仪传感器检测到的俯仰角速度ωy，根据以下等式(1)，每秒50次地计算行进方向中的速度V。
V = α z ω y . . . . . . ( 1 )
当车辆在凸路(图1B)上行进时，PND以例如50[Hz]的采样频率、使用向PND提供的三轴加速度传感器，检测沿Z轴的向上加速度αz′，并且还以例如50[Hz]的采样频率、使用向PND提供的Y轴陀螺仪传感器，检测环绕Y轴的俯仰角速度ωy′。
PND被配置为使用由三轴加速度传感器检测到的加速度αz’以及由Y轴陀螺仪传感器检测到的俯仰角速度ωy′，根据以下等式(2)，每秒50次地计算行进方向中的速度V′。
V ′ = α z ′ ω y ′ . . . . . . ( 2 )
这里，为了描述的简单起见，将负的加速度αz描述为加速度αz′。三轴加速度传感器实际上将加速度αz′检测为加速度αz的负值。对于俯仰角速度ωy′也是如此。换言之，尽管将负的俯仰角速度ωy描述为俯仰角速度ωy′，但是Y轴陀螺仪传感器实际上将俯仰角速度ωy′检测为俯仰角速度ωy的负值。因此，实际上将速度V′计算为速度V。
(1-2)当前位置计算原理
现在将描述基于使用上述速度计算原理而计算的速度V以及环绕Z轴的角速度来计算当前位置的当前位置计算原理。
如图2所示，PND以例如50[Hz]的采样频率、使用向PND提供的Z轴陀螺仪传感器，检测当车辆左转时环绕Z轴的角速度(在下文中，也称为偏转角速度(yaw rate))ωz。
然后，如图3所示，PND基于前一位置P0处的速度V以及通过将由陀螺仪传感器检测到的偏转角速度ωz乘以采样周期(这里，0.02[s])而得到的角度θ，得到从前一位置P0到当前位置P1的变化量。PND被配置为通过将变化量加到前一位置P0来计算当前位置P1。
(2)PND的配置
现在将描述使用根据本发明的实施例的基本原理来计算车辆的速度和当前位置的汽车导航装置的具体配置。
(2-1)PND的外观配置
如图4所示，在PND 1的前面向PND 1提供显示部分2，并且PND 1被配置为在显示部分2上显示与例如在PND 1的内部非易失性存储器(未示出)中存储的地图数据对应的地图图像等。
PND 1由经由吸盘(suction disc)3A附着于车辆的仪表板上的支架3支撑，并且PND 1与支架3彼此机械地且电气地连接。
因此PND 1在经由支架3从车辆的电池提供的电源上工作，并且当从支架3将PND 1拆卸时，它以独立状态在从内部电池提供的电源上工作。
以这样的方式提供PND 1：显示部分2基本上垂直于车辆的行进方向。如图5所示，在这种情况下的PND 1的坐标系中，X轴表示车辆的前后方向(行进方向)，Y轴表示与X轴正交的水平方向，并且Z轴表示上下方向。
在该坐标系中，将车辆的行进方向限定为X轴的正向，向右的方向限定为Y轴的正向，并且向下的方向限定为Z轴的正向。
(2-2)PND的传感器配置
如图6所示，PND 1包括三轴加速度传感器4、Y轴陀螺仪传感器5、Z轴陀螺仪传感器6和压力传感器7，所有这些传感器都在内部提供。
三轴加速度传感器4被配置为将沿X轴的加速度αx、沿Y轴的加速度αy和沿Z轴的加速度αz中的每一个检测为电压值。
Y轴陀螺仪传感器5、Z轴陀螺仪传感器6和压力传感器7被配置为分别将环绕Y轴的偏转角速度ωy、环绕Z轴的偏转角速度ωz和大气压力PR检测为电压值。
(2-3)PND的电路配置
如图7所示，PND 1的控制部分11由CPU(中央处理单元)形成，并且被配置为通过从例如由非易失性存储器形成的存储部分12读出的基本程序来执行整体的集成控制。
PND 1还被配置为根据由控制部分11从存储部分12读出的各种应用程序来执行下述速度计算处理。
控制部分11被配置为在执行速度计算处理等时用作GPS处理部分21、速度计算部分22、角度计算部分23、海拔计算部分24、位置计算部分25和导航部分26。
在PND 1中，将在GPS天线ANT处接收的、来自多个GPS卫星的GPS信号发送到控制部分11的GPS处理部分21。
GPS处理部分21基于通过解调多个GPS信号中的每一个获得的轨迹数据、以及与从多个GPS卫星到车辆的距离有关的距离数据，获取通过精确地定位车辆的当前位置而获得的当前位置数据NPD1，并且将所获取的数据发送到导航部分26。
导航部分26被配置为从存储器部分12中读出包括基于当前位置数据NPD1的车辆的当前位置的周围的地图数据，以便创建包括当前位置的地图图像，并且被配置为通过将地图图像输出到显示部分2来显示地图图像。
顺便提及，三轴加速度传感器4以例如50[Hz]的采样频率检测加速度αx、αy和αz。在加速度αx、αy和αz当中，向控制部分11的加速度计算部分22发送指示加速度αz的加速度信息AD。
Y轴陀螺仪传感器5以例如50[Hz]的采样频率检测俯仰角速度ωy，并将指示俯仰角速度ωy的俯仰角速度数据PD发送到控制部分11的速度计算部分22。
速度计算部分22基于与从三轴加速度传感器4提供的加速度数据AD对应的加速度αz以及与从Y轴陀螺仪传感器5提供的俯仰角速度数据PD对应的俯仰角速度ωy，使用以上等式(1)，每秒50次地计算速度V，并且将指示速度V的速度数据VD发送到位置计算部分25。
Z轴陀螺仪传感器6以例如50[Hz]的采样频率检测偏转角速度ωz，并且将指示偏转角速度ωz的偏转角速度数据YD发送到控制部分11的角度计算部分23。
角度计算部分23通过将与从Z轴陀螺仪传感器6提供的偏转角速度数据YD对应的偏转角速度ωz乘以采样周期(这里，0.02[s])，来计算当车辆右转或左转时的角度θ，并将指示角度θ的角度信息DD发送到位置计算部分25。
位置计算部分25基于与从速度计算部分22提供的速度数据VD对应的速度V以及与从角度计算部分23提供的角度数据DD对应的角度θ，得到从前一位置P0到当前位置P1(如图3所示)的变化量。位置计算部分25通过将变化量加到前一位置P0来计算当前位置P1，并将指示当前位置P1的当前位置数据NPD2发送到导航部分26。
同时，压力传感器7以例如50[Hz]的采样频率检测环境压力PR，并将指示压力PR的压力数据PRD发送到海拔计算部分24。
海拔计算部分24基于与从压力传感器7提供的压力数据PRD对应的压力PR计算车辆的海拔，并且将指示海拔的海拔数据HD发送到导航部分26。
导航部分26被配置为基于从位置计算部分25提供的当前位置数据NPD2和从海拔计算部分24提供的海拔数据HD，从存储器部分12读出包括车辆的当前位置的周围的地图数据，以便创建包括当前位置的地图图像，并且导航部分26被配置为通过将地图图像输出到显示部分2来显示地图图像。
(3)速度计算处理
现在将详细描述基于与从三轴加速度传感器4提供的加速度数据AD对应的加速度αz以及与从Y轴陀螺仪传感器5提供的俯仰角速度数据PD对应的俯仰角速度ωy，由速度计算部分22计算速度V的速度计算处理。
当执行速度计算处理时，如图8所示，速度计算部分22用作数据获取部分31、高通滤波部分32、低通滤波部分33、速度计算部分34、平滑和去噪部分35以及速度输出部分36。
速度计算部分22的数据获取部分31获取从三轴加速度传感器4提供的加速度数据AD和从Y轴陀螺仪传感器5提供的俯仰角速度数据PD，并将加速度数据AD和俯仰角速度数据PD发送到高通滤波部分32。
高通滤波部分32截止从数据获取部分31提供的加速度数据AD和俯仰角速度数据PD的直流分量，并将产生的加速度数据AD1和俯仰角速度数据PD1发送到低通滤波部分33。
低通滤波部分33对从高通滤波部分32提供的加速度数据AD1和俯仰角速度数据PD1应用下述的低通滤波处理，并将产生的加速度数据AD2和俯仰角速度数据PD2发送到速度计算部分34。
速度计算部分34对从低通滤波部分33提供的加速度数据AD2和俯仰角速度数据PD2应用下述的速度计算处理，并将产生的速度数据VD1发送到平滑和去噪部分35。
平滑和去噪部分35对从速度计算部分34提供的速度数据V1应用下述的平滑和去噪处理，并将产生的速度数据VD发送到速度输出部分36。
速度输出部分36将从平滑和去噪部分35提供的速度数据VD输出到位置计算部分25。
如已经描述的那样，速度计算部分22被配置为基于从三轴加速度传感器4提供的加速度数据AD和从Y轴陀螺仪传感器5提供的俯仰角速度数据PD来计算车辆的速度V。
(3-1)低通滤波处理
现在将详细描述由低通滤波部分33对从高通滤波部分32提供的加速度数据AD1和俯仰角速度数据PD1应用的低通滤波处理。
顺便提及，在图9中示出了基于与由压力传感器7获取的压力数据PRD对应的压力PR的海拔H和基于与由Y轴陀螺仪传感器5获取的俯仰角速度数据PD对应的俯仰角速度ωy的、关于水平方向环绕Y轴的角度
Figure G2009101709796D00091
的关系。对于这里提到的角度
Figure G2009101709796D00092
，限定关于行进方向(X轴)的向上方向为正。
如从图9中显而易见的那样，当海拔H突然从大约数据点12001(240[s])突然降低时(即：当车辆跑下下坡时)，角度
Figure G2009101709796D00093
从大约0.5[deg]突然减小到大约-2.5[deg]，在海拔H与角度
Figure G2009101709796D00094
之间存在相关性。
当海拔H如上变化时，角度
Figure G2009101709796D00095
也与海拔H的变化相关联地变化。因此，可以理解，PND 1能够使用Y轴陀螺仪传感器5检测车辆的行进方向中路面的起伏。
在图10A中单独示出了图9中的角度
Figure G2009101709796D00096
。图10B示出了当车辆以低于20[km]每小时的低速行进时从图10A的数据点5001到数据点6001的角度
Figure G2009101709796D00097
。同样，如从图10B中显而易见的那样，角度
Figure G2009101709796D00101
每秒振荡一或两次。
因此，当车辆以低于20[km]每小时的低速行进时，安装在车辆上的PND1将基于与由Y轴陀螺仪传感器5获取的俯仰角速度数据PD对应的俯仰角速度ωy的角度
Figure G2009101709796D00102
检测为1到2[Hz]的振荡。
同样，如图10A那样，图11A单独示出了图9的角度
Figure G2009101709796D00103
。图11B示出了当车辆以60[km]每小时或更高的高速行进时从图11A的数据点22001到数据点23001的角度
Figure G2009101709796D00104
。
根据这些图，PND 1在车辆以60[km]每小时或更高的高速行进时，也将基于与由Y轴陀螺仪传感器5获取的俯仰角速度数据PD对应的俯仰角速度ωy的角度
Figure G2009101709796D00105
检测为1到2[Hz]的振荡。
进一步，如图12所示，当车辆以低于10[km]每小时的极低速行进时，PND 1也将基于与由Y轴陀螺仪传感器5获取的俯仰角速度数据PD对应的俯仰角速度ωy的角度
Figure G2009101709796D00106
检测为1到2[Hz]的振荡。
因此，当PND 1从Y轴陀螺仪传感器5检测到俯仰角速度ωy时，它将俯仰角速度ωy检测为1到2[Hz]的振荡，而无论车辆的行进速度如何。
顺便提及，PND 1由经由吸盘3A附着于车辆的仪表板的支架3支撑。如图13所示，支架3包括在吸盘3A之上提供的主体部分3B和PND支撑部分3D，所述PND支撑部分3D在一端在预定高度位置处被支撑在向主体部分3B提供的支撑点3C上，并且在另一端支撑PND 1。
因此，当车辆与路面的起伏对应地振荡时，PND 1例如以加速度αc和角速度ωc环绕PND支撑部分3D的支撑点3C以上下方向振荡。
因此，三轴加速度传感器4实际上检测通过将与环绕PND支撑部分3D的支撑点3C的振荡相关联的加速度αc加到当车辆与路面的起伏对应地振荡时产生的Z轴方向中的加速度αz(图1)而获得的加速度(在下文中，被称为附加加速度)αcz。
此外，Y轴陀螺仪传感器5实际上检测通过将与环绕PND支撑部分3D的支撑点3C的振荡相关联的角速度ωc加到当车辆与路面的起伏对应地振荡时产生的环绕Y轴的俯仰角速度ωy(图1)而获得的角速度(在下文中，被称为附加角速度)ωcy。
因此，低通滤波部分33实际上经由数据获取部分31和高通滤波部分32来获取指示附加加速度αcz的加速度数据AD1和指示附加角速度ωcy的俯仰角速度数据PD1。
在图14中示出了在通过高通滤波部分32应用高通滤波处理之后，与加速度数据AD1对应的附加加速度αcz和与俯仰角速度数据PD1对应的附加角速度ωcy。图15A到图15H示出了以每4096个数据点进行傅立叶变换的、图14中所示的附加角速度ωcy的曲线图。
更具体地说，图15A是从图14的数据点1到4096的、进行了傅立叶变换的附加角速度ωcy的曲线图。同样地，图15B、图15C和图15D分别是从图14的数据点4097到8192、从数据点8193到12288、以及从数据点12289到16384的进行了傅立叶变换的附加角速度ωcy的曲线图。
并且，图15E、图15F、图15G和图15H分别是从图14的数据点16385到20480、从数据点20481到24576、从数据点24577到28672、以及从数据点28673到32768的进行了傅立叶变化的附加角速度ωcy的曲线图。
在图15A到图15H当中，如图15C到图15H中明显示出的那样，在1到2[Hz]处的频率分量和在大约15[Hz]处的频率分量表示大值。
换言之，PND 1使用Y轴陀螺仪传感器5检测附加角速度ωcy，其是通过如上所述的路面的起伏而以1到2[Hz]振荡的俯仰角速度ωy与通过支撑PND 1的支架3而以15[Hz]振荡的角速度ωc的合成。
同时，图16A到图16H示出了以每4096个数据点进行傅立叶变换的图14中所示的附加加速度αcz的曲线图。
更具体地说，图16A是从图14的数据点1到4096的进行了傅立叶变换的附加加速度αcz的曲线图。同样地，图16B、图16C和图16D分别是从图14的数据点4097到8192、从数据点8193到12288以及从数据点12289到16384的进行了傅立叶变换的附加加速度αcz的曲线图。
并且，图16E、图16F、图16G和图16H分别是从图14的数据点16385到20480、从数据点20481到24576、从数据点24577到28672以及从数据点28673到32768的进行了傅立叶变换的附加加速度αcz的曲线图。
由于以附加角速度ωcy产生在1到2[Hz]处的频率分量和在大约15[Hz]处的频率分量(图15C到图15H)，因此预期也以附加加速度αcz产生在1到2[Hz]处的频率分量和在大约15[Hz]处的频率分量。
换言之，PND 1使用三轴加速度传感器4检测附加加速度αcz，其是通过如上所述的路面的起伏而以1到2[Hz]振荡的加速度αz与通过支撑PND1的支架3而以15[Hz]振荡的加速度αc的合成。
因此将低通滤波部分33配置为对从高通滤波部分32提供的加速度数据AD1和俯仰角速度数据PD1应用低通滤波处理，以便移除在大约15[Hz]处的频率分量，即，由于支架3支撑PND 1而产生的加速度αc和角速度ωc。
通过使用对数轴作为坐标来将图16H的曲线图转换为图17A所示的曲线图。将截止频率2[Hz]的IIR(无限冲激响应)滤波器应用到从数据点28673到32768的附加加速度αcz两次、四次和六次，之后进行傅立叶变换，并且在图17B、图17C和图17D中分别示出由此获得的曲线图。
并且，通过使用对数轴作为坐标来将图15H的曲线图转换为图18A的曲线图。如附加加速度αcz那样，将截止频率2[Hz]的IIR滤波器应用到从数据点28673到32768的附加角速度ωcz两次、四次和六次，之后进行傅立叶变换，并且在图18B、图18C和图18D中分别示出由此获得的曲线图。
如图17B到图17D以及图18B到图18D所示的，PND 1通过将截止频率2[Hz]的IIR滤波器应用到从高通滤波部分32提供的加速度数据AD1和俯仰角速度数据PD1四次或更多次，能够移除由于PND 1由支架3支撑所产生的在大约15[Hz]的频率分量。
因此，根据本发明的实施例的低通滤波部分33将截止频率2[Hz]的IIR滤波器应用到从高通滤波部分32提供的加速度数据AD1和俯仰角速度数据PD1四次，并将产生的加速度数据AD2和俯仰角速度数据PD2发送到速度计算部分34。
因此，低通滤波部分33能够通过从附加加速度αcz中移除与环绕PND支撑部分3D的支撑点3C的支架3中的振动相关联的加速度αc，仅提取通过路面的起伏而产生的加速度αz。
并且，低通滤波部分33能够通过从附加角速度ωcz中移除与环绕PND支撑部分3D的支撑点3C的支架3中的振动相关联的角速度ωc，仅提取根据路面的起伏而产生的俯仰角速度ωz。
(3-2)速度计算处理
现在将详细描述由速度计算部分34基于从低通滤波部分33提供的加速度数据AD2和俯仰角速度数据PD2计算速度V的速度计算处理。
在图19以及图20A和图20B中示出了当在将PND 1安装在车辆的前侧的仪表板上和车辆的后侧上的后窗附近时车辆分别以低于20[km]每小时的低速、低于60[km]每小时的中速以及60[km]每小时或更高的高速行进时，在前侧和后侧上与加速度数据AD2对应的加速度αz。
在图19以及图20A和图20B中，将由安装在前侧上的PND 1检测到的加速度αz称为前加速度，而将由安装在后侧上的PND 1检测到的加速度αz称为后加速度。
如从图19以及图20A和图20B中显而易见的，可以理解后加速度的相位滞后于前加速度，而不论车辆的行进速度如何。相位滞后基本上等于通过将轴距(wheel base)(车辆的前轮轴与后轮轴之间的距离)除以行进速度而获得的值。
图21A到图21C示出了当将PND 1分别安装在车辆的仪表板(对应于从前轮轴起轴距的30％)、中心和后轮轴上时，指示与加速度数据AD2对应的加速度αz和与俯仰角速度数据PD2对应的俯仰角速度ωy的关系的仿真结果的示例。图21D到图21F分别示出了当基于从图21A到图21C所示的仿真结果中获得的加速度αz和俯仰角速度ωy、根据以上等式(1)计算速度V时的结果。
在这样的假设下执行仿真：具有2.5[m]轴距的车辆以5[m/s]的速度在以正弦波(具有0.1[m]的幅度和20[m]的波长)起伏的路面上行进。
如从图21A到图21C中显而易见的，当将PND 1安装在车辆上更接近于后侧的位置上时，加速度αz的相位滞后。同时，无论车辆中PND 1的安装位置如何，都不存在俯仰角速度ωy的相位滞后。
因此，如图21B中所示，在将PND 1安装在车辆的中心处的情况下，基本上不存在加速度αz与俯仰角速度ωy之间的相位滞后。因此，如图21E中所示，根据以上等式(1)计算的速度V基本上恒定。
然而，如图21A和图21C中所示，当PND 1的安装位置关于车辆的中心向前或向后移动时，加速度αz与俯仰角速度ωy之间存在相当大的相位滞后。因此，如图21D和图21F中所示，由于加速度αz与俯仰角速度ωy之间的相位滞后，使得与将PND 1安装在车辆的中心处的情况(图21E)相比，根据以上等式(1)计算的速度V具有很大误差。
特别地，由于当车辆的速度V是低于20[km]每小时的低速时，加速度αz与俯仰角速度ωy之间的相位滞后变大，因此速度V的计算误差变大。
因此，如图22中所示，速度计算部分34分别从环绕与前一位置P0(图3)对应的数据点Pm的25个数据点或75个数据点的范围提取与从低通滤波部分33提供的加速度数据AD2对应的加速度αz的最大值和最小值，作为最大加速度αz，max和最小加速度αz，min。
并且，速度计算部分34分别从环绕数据点Pm的25个数据点或75个数据点的范围提取与从低通滤波部分33提供的俯仰角速度数据PD2对应的俯仰角速度ωy的最大值和最小值，作为最大俯仰角速度ωy，max和最小俯仰角速度ωy，min。
然后速度计算部分34使用从加速度数据AD2中提取的最大加速度αz，max和最小加速度αz，min以及从俯仰角速度数据PD2中提取的最大俯仰角速度ωy，max和最小俯仰角速度ωy，min，根据以下等式(3)(其为上述等式(1)的修改)，计算在前一位置P0(图3)处行进方向中的速度V，并将产生的速度数据VD1发送到平滑和去噪部分35：
V = α z , max - α z , min ω y , max - ω y , min . . . . . . ( 3 )
因此，通过根据以上等式(3)计算速度V，即使当在与加速度数据AD2对应的加速度αz和与俯仰角速度数据PD2对应的俯仰角速度ωy之间存在相位滞后时，速度计算部分34也从宽于相位滞后的范围中提取最大加速度αz，max和最小加速度αz，min以及最大俯仰角速度ωy，max和最小俯仰角速度ωy，min，且由此能够去除相位滞后的影响。
顺便提及，如图23中所示，当速度计算部分34计算前一位置P0处行进方向中的速度V时，在再前一位置(second last position)(未示出)处的速度(在下文中，称为先前值速度)Vn-1为0[km]每小时到35[km]每小时的情况下，它使用25个数据点的范围，而在先前值速度Vn-1超过35[km]每小时的情况下，它使用75个数据点的范围。
并且，当速度计算部分34计算前一位置P0处进行方向中的速度V时，在先前值速度Vn-1为35[km]每小时到25[km]每小时的情况下，它使用75个数据点的范围，而在先前值速度Vn-1低于25[km]每小时的情况下，它使用25个数据点的范围。
因此，速度计算部分34在提取最大加速度αz，max和最小加速度αz，min以及最大俯仰角速度ωy，max和最小俯仰角速度ωy，min时，响应于速度V而切换25个数据点和75个数据点的数据范围。
在这种示例中，在车辆的速度V处于低速(例如，25[km]每小时或更低)的情况下，对于路面的微小变化，加速度αz和俯仰角速度ωy突然地变化。速度计算部分34因此将数据范围设置得更窄，以便解决这种突然变化。
相反，在车辆的速度V为35[km]每小时或更高的情况下，由于车辆的悬架的影响很大并且加速度αz和俯仰角速度ωy缓慢地变化，因此速度计算部分34将数据范围设置得更宽，以便解决这种缓慢变化。
以这种方式，当提取最大加速度αz，max和最小加速度αz，min以及最大俯仰角速度ωy，max和最小俯仰角速度ωy，min时，通过响应于车辆的速度V来切换数据范围，速度计算部分34变得能够反映路面以及车辆与速度V对应的情况。因此可以提高速度V的计算精度。
并且，当提取最大加速度αz，max和最小加速度αz，min以及最大俯仰角速度ωy，max和最小俯仰角速度ωy，min时，速度计算部分34被配置为提供迟滞特性(hysteresis characteristic)，以便改变加速度和减速之间的数据范围。
归因于该配置，不需要将在不存在迟滞特性的情况下所需的数据范围的切换速度附近的数据范围频繁地切换到当计算速度V时的数据范围。因此速度计算部分34能够消除由于频繁切换而引起的速度V的计算误差。因此可以进一步提高速度V的计算精度。
(3-3)平滑和降噪处理
现在将详细描述由平滑和降噪部分35向由速度计算部分34计算的速度数据VD1应用的平滑和去噪处理。
平滑和去噪部分35被配置为首先使用初级(primary)IIR(其中截止频率可变)将低通滤波处理应用到从速度计算部分34提供的速度数据VD1。
更具体地说，当计算前一位置P0处的行进方向中的速度V时，平滑和去噪部分35基于先前值速度Vn-1确定截止频率。
在这里，在PND 1中，当车辆的行进速度为高速(例如，以60[km]每小时或更高)时，由速度计算部分34计算的速度V包含相当大的噪声，并且速度V显著地变化。为了避免这样的不便，当先前值速度Vn-1为60[km]每小时或更高时，平滑和去噪部分35使用设置有低截止频率的低通滤波器。
相反，当先前值速度Vn-1低于60[km]每小时时，平滑和去噪部分35使用设置有高截止频率的低通滤波器。
顺便提及，在由速度计算部分34计算的速度V是低于例如10[km]每小时的极低速时，俯仰角速度ωy(其是以上等式(1)或等式(3)的分母的值)变得更小。因此，根据以上等式(1)或等式(3)计算的速度V可能变得与实际值相比极其大。
为了避免这样的不便，平滑和去噪部分35获取已经从低通滤波部分33应用了低通滤波处理的加速度数据AD2和俯仰角速度数据PD2，并且在与俯仰角速度数据PD2对应的俯仰角速度ωy小于预定阈值的情况下，确定速度V非常地高，并将在低通滤波处理之后的速度V设置为0。
同时，如图24A所示，在路面起伏的弧B1大于车辆的轴距W的情况下，PND 1能够使用上述基本原理精确地计算速度V。
然而，如图24B所示，例如，在路面起伏的弧B2小于轴距W的情况下，当车辆的前轮爬上起伏时，产生关于车辆的垂直方向中的加速度αb和环绕以车辆的后轮为中心的Y轴的角速度ωb。
在这种示例中，PND 1分别使用三轴加速度传感器4和Y轴陀螺仪传感器5来检测加速度αb和角速度ωb(图24B)，而不检测由与路面起伏对应的1到2[Hz]的振荡而产生的加速度αz和俯仰角速度ωy(图24A)。
加速度αb取比当路面起伏的弧B1大于轴距W时产生的加速度αz更大的值。并且，角速度ωb取比当路面起伏的弧B1大于车辆的轴距W时产生的俯仰角速度ωy更大的值。
进一步，基于当路面起伏的弧B2小于轴距W时产生的加速度αb和角速度ωb、根据上述等式(1)或等式(3)计算的速度(在下文中，称为小弧速度(arc velocity))Vb取与基于当路面起伏的弧B1大于车辆的轴距W时产生的加速度αz和俯仰角速度ωy、根据等式(1)或等式(3)计算的速度V相比非常大的值，这是因为加速度αb比角速度ωb变化更大。
因此，在路面起伏的弧B2小于车辆的轴距W的情况下，PND 1中的速度计算部分22通过使用加速度αb和角速度ωb来计算小弧速度Vb，而将速度V计算为非常大的值。
为了避免这样的不便，平滑和去噪部分35获取已经从低通滤波部分33将低通滤波处理应用到的加速度数据AD2和俯仰角速度数据PD2，并确定与加速度数据AD2对应的加速度αz和与俯仰角速度数据PD2对应的俯仰角速度ωy是否大于相应的预定阈值。
在与加速度数据AD2对应的加速度αz和与俯仰角速度数据PD2对应的俯仰角速度ωy大于相应的预定阈值的情况下，平滑和去噪部分35确定速度V非常高，并且不使用已经将低通滤波处理应用到的速度V，而是使用先前值速度Vn-1。换言之，平滑和去噪部分35被配置为当在除了极低速之外的速度处，速度V取非常大的值时使用先前值速度，因为该取非常大的值的速度很有可能是错的。
如已经描述的那样，平滑和去噪部分35通过在已经应用了低通滤波处理的速度V取非常大的值的情况下在极低速处将速度V设置为0，并且否则使用先前值速度Vn-1作为速度V，能够更精确地计算速度V。
(4)使用速度计算处理的位置计算处理过程
现在将使用图25的流程图，详细描述由PND 1中的控制部分11使用上述速度计算处理来计算当前位置的位置计算处理过程。
实践中，控制部分11在例程RT1的开始步骤中开始所述过程，并进行到步骤SP1，其中它使用速度计算部分22的数据获取部分31，获取由三轴加速度传感器4检测到的加速度数据AD和由Y轴陀螺仪传感器5检测到的俯仰角速度数据PD，之后进行到下面的步骤SP2。
在步骤SP2，控制部分11使用速度计算部分22的高通滤波部分32将高通滤波处理应用到加速度数据AD和俯仰角速度数据PD，并且进行到下面的步骤SP3。
在步骤SP3，控制部分11使用速度计算部分22的低通滤波部分33，对已经将高通滤波处理应用到的加速度数据AD1和俯仰角速度数据PD1应用使用截止频率例如为1[Hz]的四次IIR滤波器的低通滤波处理，并且进行到下面的步骤SP4。
在步骤SP4，控制部分11使用速度计算部分22的速度计算部分34，基于与已经将低通滤波处理应用到的加速度数据AD2对应的加速度αz和与俯仰角速度数据PD2对应的俯仰角速度ωy、根据以上等式(3)计算速度V，并且进行到下面的步骤SP5。
在步骤SP5，控制部分11向指示在步骤SP4中计算出的速度V的速度数据VD应用平滑和去噪处理。
更具体地说，控制部分11向指示在步骤SP4中计算出的速度V的速度数据VD1应用可变截止频率的低通滤波处理。
在控制部分11确定已经将低通滤波处理应用到的速度V是非常大的值的情况下，它在极低速处(例如，低于10[km]每小时)将速度V设置到0，否则使用先前值速度Vn-1作为速度V，并且进行到下面的步骤SP6。
在步骤SP6，控制部分11使用角度计算部分23获取由Z轴陀螺仪传感器6检测到的偏转角速度数据(yaw rate data)YD，并且进行到下面的步骤SP7。
在步骤SP7，控制部分11使用角度计算部分23，将与偏转角速度数据YD对应的偏转角速度ωz乘以0.02[s](其为采样周期)来计算指示角度θ的角度数据DD，并且进行到下面的步骤SP8。
在步骤SP8，控制部分11基于已经在步骤SP5将平滑和去噪处理应用到的速度数据VD以及在步骤SP8计算出的角度数据DD来计算当前位置数据NPD2，并且进行到下面的步骤SP9。
在步骤SP9，控制部分11基于从位置计算部分25提供的当前位置数据NPD2，从存储器部分12读出包括车辆的当前位置的周围的地图数据，以便创建包括当前位置的地图图像，并将该地图图像输出到显示部分2，之后进行到下面的步骤SP10以结束处理。
(5)测量结果
在图26A到图37示出了通过上述速度计算处理计算出的测量结果。图26A到图35B示出了根据安装在轿车上的PND 1的测量结果。图36和图37分别示出了根据安装在小型车辆和迷你厢式车上的PND 1的测量结果。
图26A分别示出了分别与由三轴加速度传感器4和Y轴陀螺仪传感器5检测到的加速度数据AD和俯仰角速度数据PD对应的加速度αz和俯仰角速度ωy。图26B示出了使用加速度αz和俯仰角速度ωy根据以上等式(3)计算出的速度V。
如从图26A和图26B中显而易见的，在PND 1中，加速度αz随着车辆的速度V的增大而增大，而俯仰角速度ωy取基本上恒定的值。
图27A到图31B示出了通过执行速度计算处理而计算出的速度V和通过由PND 1使用速度V而计算出的距离D的曲线图，以及用于与速度V和距离D进行比较，从安装了PND1的车辆的车辆速度脉冲而计算出的速度Vref和使用速度Vref而计算出的距离Dref的曲线图。图27A到图31B示出了当安装了PND1的车辆在不同的路上行进时的曲线图。
这里，也将从车辆的车辆速度脉冲而计算出的速度称为参考速度，并且也将使用参考速度而计算出的距离称为参考距离。
图27A示出了使用根据本发明的实施例的速度计算处理而计算出的速度V以及使用速度V而计算出的距离D。图27B示出了用于与图27A所示的速度V和距离D进行比较的参考速度Vref和参考距离Dref。
如图27A和图27B所示，速度V具有与参考速度Vref基本上类似的关系，并且基于速度V计算出的距离D关于参考距离Dref仅产生了小于10％的微小误差。
图28A示出了使用根据本发明的实施例的速度计算处理而计算出的速度V以及使用速度V而计算出的距离D。图28B示出了用于与图28A所示的速度V和距离D进行比较的参考速度Vref和参考距离Dref。
进一步，图29A示出了使用根据本发明的实施例的速度计算处理而计算出的速度V以及使用速度V而计算出的距离D。图29B示出了用于与图29A所示的速度V和距离D进行比较的参考速度Vref和参考距离Dref。
进一步，图30A示出了使用根据本发明的实施例的速度计算处理而计算出的速度V以及使用速度V而计算出的距离D。图30B示出了用于与图30A所示的速度V和距离D进行比较的参考速度Vref和参考距离Dref。
进一步，图31A示出了使用根据本发明的实施例的速度计算处理而计算出的速度V以及使用速度V而计算出的距离D。图31B示出了用于与图31A所示的速度V和距离D进行比较的参考速度Vref和参考距离Dref。
如图26A所示的速度V那样，图27A、图28A、图29A、图30A和图31A中所示的速度V分别具有与图27B、图28B、图29B、图30B和图31B中所示的参考速度Vref基本上类似的关系，并且基于速度V计算出的距离D关于参考距离Dref仅产生小于10％的微小误差。
图32A示出了由PND 1使用速度计算处理而计算出的速度V以及距离D的曲线图，且图32B示出了参考速度Vref和从参考Vref计算出的参考距离Dref的曲线图。进一步，图32C示出了由PND 1中的Z轴陀螺仪传感器6检测到的偏转角速度ωz的曲线图。
图32C中所示的偏转角速度ωz在其值超过大约20[deg/s]时指示车辆右转，而在其值下降到大约-20[deg/s]以下时指示车辆左转。
因此，如图32C所示，即使在车辆连续地重复右转和左转几次的情况下，由PND 1计算出的速度V(图32A)也具有与参考速度Vref(图32B)基本上类似的关系，并且基于速度V计算出的距离D关于参考距离Dref仅产生小于10％的微小误差。
图33A示出了当车辆在与图32A的情况下的路不同的路上行驶时，由PND 1使用速度计算处理而计算出的速度V和距离D的曲线图。图33B示出了参考速度Vref和从参考速度Vref计算出的参考距离Dref的曲线图。进一步，图33C示出了由Z轴陀螺仪传感器6检测到的偏转角速度ωz的曲线图。
进一步，图34A示出了在车辆在与图32A和图33A的情况下的路不同的路上行驶的情况下，由PND 1使用速度计算处理而计算出的速度V和距离D的曲线图。图34B示出了参考速度Vref和从参考速度Vref计算出的参考距离Dref的曲线图。进一步，图34C示出了由Z轴陀螺仪传感器6检测到的偏转角速度ωz的曲线图。
从这些结果中可以理解，即使当车辆沿多条曲线行进时，由PND 1计算出的速度V也具有与参考速度Vref基本上类似的关系，并且基于速度V计算出的距离D关于参考距离Dref仅产生小于10％的微小误差。
图35B示出了绘制出当车辆沿图35A中所示的地图上的路径K、从起点S行进到目标G时，由安装在车辆上的PND 1计算出的当前位置的行进轨迹T。
行进轨迹T(图35B)具有与车辆已经行进的路径K(图35A)基本上相同的大小和类似的关系。因此可以理解，PND 1能够基本上精确地计算当前位置。
图36示出了叠加在基于用于与速度V和距离D进行比较的、经由GPS天线ANT接收到的GPS信号计算出的速度Vg和从速度Vg计算出的距离Dg上的、由安装在小型车辆上的PND 1计算出的速度V和距离D。
在下文中，也将基于经由GPS天线ANT接收到的GPS信号而计算出的速度称为GPS速度，并且也将从GPS速度计算出的距离称为GPS距离。
图37示出了叠加在基于用于与速度V和距离D进行比较的、GPS信号计算出的GPS速度Vg和从GPS速度Vg计算出的GPS距离Dg的、由安装在小型车辆上的PND 1计算出的速度V和距离D。
如图36和图37中所示的那样，在多辆车辆(其每一个具有不同的车辆尺寸，即不同的轴距)中由根据本发明的实施例的PND 1计算出的速度V具有与GPS速度Vg基本上类似的关系，并且基于速度V计算出的距离D关于GPS距离Dg产生小于10％的微小误差。
顺便提及，在图36和图37中，在PND 1不能接收GPS信号的情况下，例如，在车辆进入隧道的情况下，将GPS速度Vg计算为0。
(6)操作和优点
通过上述配置，PND 1使用三轴加速度传感器4来检测由路面的起伏而产生的、垂直于车辆的行进方向的Z轴方向中的加速度αz，并使用Y轴陀螺仪传感器5来检测由路面的起伏而产生的、环绕与行进方向正交的Y轴的俯仰角速度ωy。
PND 1被配置为基于由三轴加速度传感器4检测到的加速度αz和由Y轴陀螺仪传感器5检测到的俯仰角速度ωy、根据以上等式(1)或等式(3)计算速度V。
因此，即使当PND 1不能接收GPS信号时，也能够通过单独使用三轴加速度传感器4和Y轴陀螺仪传感器5的简单配置，在所有路况中精确地计算车辆的速度V。
另外，通过从车辆可附着和可拆卸的配置的PND 1，对于用户来说并非必须执行连接用以从车辆传送车辆速度脉冲信号的线缆的乏味操作。因此PND 1变得更加便利。
并且，PND 1被配置为使用Z轴陀螺仪传感器6检测环绕与车辆的行进方向垂直的Z轴的偏转角速度ωz，并基于速度V和偏转角速度ωz来计算当前位置。
因此，即使当PND 1不能接收GPS信号时，也能够通过单独提供三轴加速度传感器4、Y轴陀螺仪传感器5和Z轴陀螺仪传感器6的简单配置，来在所有路况中精确地计算车辆的当前位置。
进一步，PND 1被配置为当计算速度V时，向加速度数据AD1和俯仰角速度数据PD1应用低通滤波处理。因此，PND 1能够移除由支架3产生的例如以大约15[Hz]振荡的、并且由对于由路面的起伏所产生的以1到2[Hz]振荡的加速度αz和角速度ωy来说充分大的频率组成的加速度αc和角速度ωc的分量。
因此，PND 1使用已经移除了由支架3产生的振荡分量的加速度αz和俯仰角速度ωy能够进一步精确地计算速度V。
并且，PND 1从环绕加速度αz的数据点Pm的25个数据点或75个数据点的范围提取最大加速度αz，max和最小加速度αz，min，并从环绕俯仰角速度ωy的数据点Pm的25个数据点或75个数据点的范围提取最大俯仰角速度ωy，max和最小俯仰角速度ωy，min。
然后PND 1使用最大加速度αz，max和最小加速度αz，min以及最大俯仰角速度ωy，max和最小俯仰角速度ωy，min、根据以上等式(3)来计算速度V。
因此，通过使用比加速度αz和俯仰角速度ωy之间的相位滞后(其随着车辆内PND 1的安装位置而变化)更宽的范围中的数据点，PND 1变得能够移除上述加速度αz和俯仰角速度ωy之间的相位滞后的影响。
并且，在基于加速度αz和俯仰角速度ωy根据以上等式(3)计算出的速度V是非常大的值的情况下，PND 1通过在极低速处将速度V设置为0，否则使用先前值速度Vn-1作为速度V，能够更加精确地计算速度V。
根据上述配置，通过检测由路面起伏产生的Z轴方向中的加速度αz和由路面起伏产生的环绕Y轴的俯仰角速度ωy，并使用加速度αz和俯仰角速度ωy来计算速度V，变得可以在所有路况中精确地计算速度V。
(7)其他实施例
在上述本发明的实施例中，当计算速度V时，基于从与加速度数据AD2对应的加速度αz提取的最大加速度αz，max和最小加速度αz，min以及从与角速度数据DD2对应的俯仰角速度ωy提取的最大俯仰角速度ωy，max和最小俯仰角速度ωy，min，根据以上等式(3)计算速度V。
然而，应该理解，本发明不限于上述实施例。例如，速度计算部分34可以以这样的方式配置：寻找从低通滤波部分33提供的、与加速度数据AD2对应的加速度αz和与俯仰角速度数据PD2对应的俯仰角速度ωy的、环绕与前一位置P0对应的数据点Pm的25个数据点或75个数据点的方差(variance)，以便速度计算部分34通过将加速度αz的方差除以俯仰角速度ωy的方差来计算速度V。
可替代地，速度计算部分34可以寻找例如从低通滤波部分33提供的与加速度数据AD2对应的加速度αz和与俯仰角速度数据PD2对应的俯仰角速度ωy的、环绕与前一位置P0对应的数据点Pm的25个数据点或75个数据点的偏差(deviation)，以便速度计算部分34通过将加速度αz的偏差除以俯仰角速度ωy的偏差来计算速度V。
并且，以上本发明的实施例已经描述了以50[Hz]的采样频率，分别由三轴加速度传感器4、Y轴陀螺仪传感器5和Z轴陀螺仪传感器6测量加速度αx、αy、αz和俯仰角速度ωy以及偏转角速度ωz的情况。然而，应该理解，本发明不限于上述实施例。例如，三轴加速度传感器4、Y轴陀螺仪传感器5和Z轴陀螺仪传感器6可以这样的方式配置：以除了50[Hz]之外的预定采样频率(例如，10[Hz])分别检测加速度αx、αy、αz和角速度ωy以及角速度ωz。
进一步，以上本发明的实施例已经描述了使用以50[Hz]采样频率检测到的加速度αz和俯仰角速度ωy来计算速度V的情况。然而，应该理解，本发明不限于上述实施例。PND1中的速度计算部分22可以以这样的方式配置：找到每25个数据点中以50[Hz]采样频率检测到的加速度αz和俯仰角速度ωy的平均值，并使用加速度αz和俯仰角速度ωy的平均值来计算速度V。
在这种示例中，通过找到例如每25个数据点中以50[Hz]采样频率检测到的加速度αz和俯仰角速度ωy的平均值，PND 1中的速度计算部分22从而每秒仅计算速度V两次。因此，PND 1中的控制部分11减小了用于速度计算处理的处理负荷。
进一步，以上本发明的实施例已经描述了由高通滤波部分32向分别由三轴加速度传感器4和Y轴陀螺仪传感器5检测到的加速度数据AD和俯仰角速度数据PD应用高通滤波处理的情况。然而，可以理解，本发明不限于上述实施例。PND 1可以以这样的方式配置：不向分别由三轴加速度传感器4和Y轴陀螺仪传感器5检测到的加速度数据AD和俯仰角速度数据PD应用高通滤波处理。
进一步，以上本发明的实施例已经描述了分别由高通滤波部分32和低通滤波部分33向分别由三轴加速度传感器4和Y轴陀螺仪传感器5检测到的加速度数据AD和俯仰角速度数据PD应用高通滤波处理和低通滤波处理的情况。然而，应该理解，本发明不限于上述实施例。PND 1可以以这样的方式配置：除了高通滤波处理和低通滤波处理之外，还向加速度数据AD和俯仰角速度数据PD应用移动平均滤波处理。可替代地，PND 1可以以这样的方式配置：向加速度数据AD和俯仰角速度数据PD应用以任意方式组合的高通滤波处理、低通滤波处理和移动平均滤波处理。
进一步，以上本发明的实施例已经描述了当确定前一位置P0的速度V非常高时，使用加速度αz和俯仰角速度ωy来计算例如前一位置P0处的速度V，并且将先前值速度Vn-1用作前一位置P0处的速度V的情况。然而，应该注意，本发明不限于上述实施例。PND 1中的速度计算部分22可以以这样的方式配置：在前一位置P0的速度V比先前值速度Vn-1高预定值或更多的情况下，找到通过将与车辆大概能够加速度到的速度相当的值与先前值速度Vn-1相加而获得的值，并使用由此找到的值作为在前一位置P0处的速度V。
可替代地，PND 1中的速度计算部分22可以以这样的方式配置：在前一位置处的速度V比先前值速度Vn-1低预定阈值或更多的情况下，找到通过从先前值速度Vn-1减去与车辆大概能够减速到的速度相当的值而获得的值，并使用由此找到的值作为前一位置P0处的速度V。
进一步，以上本发明的实施例已经描述了基于加速度αz和俯仰角速度ωy、根据以上等式(3)来计算速度V的情况。
然而，应该理解，本发明不限于上述实施例。PND 1中的控制部分11可以以这样的方式配置：其将基于加速度αz和俯仰角速度ωy、根据以上等式(3)计算的速度V与基于GPS信号计算的GPS速度Vg进行比较。
在速度V与GPS速度Vg之间存在误差的情况下，PND 1中的控制部分11使用线性函数或高阶函数(如，四次或更高阶函数)，来计算用以校正速度V的误差的校正系数，例如，以便最小化误差，并将校正系数存储在存储部分12中。
因此，PND 1中的速度计算部分22基于分别由三轴加速度传感器4和Y轴陀螺仪传感器5检测到的加速度αz和俯仰角速度ωy、根据以上等式(3)计算速度V，之后从存储部分12中读出校正系数，以便使用校正系数、通过线性函数或高阶函数(如四次或更高阶函数)来校正速度V。
如已经描述的那样，通过根据基于GPS信号计算的GPS速度Vg来初步地学习速度V的校正系数，PND 1变得能够提高速度V的计算精度。
当计算速度V的校正系数和GPS速度Vg时，PND 1中的控制部分11可以将速度V划分为多个速度区域，如极低速、低速、中速和高速，以便对于多个速度区域中的每一个计算校正系数。
可替代地，PND 1中的控制部分11可以以这样的方式配置：当计算速度V的校正系数和GPS速度Vg时，仅对于预定速度(例如，60[km]每小时的高速或更高速度)计算校正系数。
进一步，以上本发明的实施例已经描述了当PND 1接收电源供应时根据当前位置计算处理过程执行导航的情况。然而，应该理解，本发明不限于上述实施例。PND 1可以以这样的方式配置：在由用户按下电源按钮(未示出)时PND 1关闭的情况下，将当电源按钮被按下的时间点的当前位置、海拔等存储到存储部分12中。因此，当用户再次按下电源按钮以开启PND 1时，从存储部分12中读出当前位置、海拔等，以便从已经读出的当前位置、海拔等恢复根据当前位置计算处理过程的导航。
进一步，以上本发明的实施例已经描述了当由安装在车辆的仪表板上的支架3支撑PND1时PND 1计算速度V的情况。然而，应该理解，本发明不限于上述实施例。PND 1可以以这样的方式配置：当确认PND 1已经被机械地或电气地从支架3移除时，将速度V设置为0或者维持先前值速度Vn-1。
进一步，以上本发明的实施例已经描述了当PND 1处于左右方向中长的反向安装状态下时使用PND 1的情况。然而，应该理解，本发明不限于上述实施例。如图38所示，PND 1可以用在长度方向中长的纵向安装状态中。在这种情况下，PND 1被配置为通过Y轴陀螺仪传感器5检测环绕Z轴的偏转角速度ωz，并通过Z轴陀螺仪传感器6检测环绕Y轴的俯仰角速度ωy。
进一步，上述本发明的实施例已经描述了在PND 1内部提供三轴加速度传感器4、Y轴陀螺仪传感器5、Z轴陀螺仪传感器6和压力传感器7的情况。然而，应该理解，本发明不限于上述实施例。可以以这样的方式进行配置：将三轴加速度传感器4、Y轴陀螺仪传感器5、Z轴陀螺仪传感器6和压力传感器7提供到PND 1的外部。
另外，例如，可以在PND1的侧面向PND 1提供能够调整三轴加速度传感器4、Y轴陀螺仪传感器5、Z轴陀螺仪传感器6和压方传感器7的附着角度的调整机构。
因此，即使在不提供显示部分2与车辆的行进方向基本上垂直的情况下，对于PND 1来说也可以通过允许用户经由调整机构来进行调整，以车辆的垂直方向校准例如Y轴陀螺仪传感器5的旋转轴。
进一步，在上述本发明的实施例中，在与俯仰角速度数据PD2对应的俯仰角速度ωy小于预定阈值并且与加速度数据AD2对应的加速度数据αz和与俯仰角速度数据PD2对应的俯仰角速度ωy大于相应的预定阈值的情况下，确定速度V为非常高。然而，应该理解，本发明不限于上述实施例。控制部分11可以以这样的方式配置：当由速度计算部分34计算出的速度V取比先前值速度Vn-1大预定速度或更多的值时，确定速度V非常高。
在这种示例中，当由速度计算部分34计算出的速度V取比先前值速度Vn-1大预定速度或更多的值时，并且当先前值速度Vn-1是极低速(例如，低于10[km]每小时)时，平滑和去噪部分35将速度V设置为0。同时，当由速度计算部分34计算出的速度V取比先前值速度Vn-1大预定速度或更多的值时，并且当先前值速度Vn-1是例如10[km]每小时或更高时，平滑和去噪部分35使用先前值速度Vn-1作为速度V。
进一步，以上本发明的实施例已经描述了PND 1中的控制部分11根据在存储部分12中预先存储的应用程序，执行上述例程RT1中的当前位置计算处理过程的情况。然而，应该理解，本发明不限于上述实施例。PND 1中的控制部分11可以以这样的方式配置：其根据从存储介质安装的应用程序、从因特网下载的应用程序和以各种其他路径安装的应用程序，来执行当前位置计算处理过程。
进一步，以上本发明的实施例已经描述了作为本发明的实施例的速度计算装置的PND 1由作为垂直方向加速度检测部分的三轴加速度传感器4、作为水平方向角速度检测部分的Y轴陀螺仪传感器5和作为速度计算部分的速度计算部分22形成的情况。然而，应该理解，本发明不限于上述实施例。速度计算装置可以由其他各种配置的垂直方向加速度检测部分、水平方向角速度检测部分和速度计算部分形成。
根据本发明的实施例的速度计算装置、速度计算方法和导航装置适当地用作在车辆上以及其他各种移动体，如摩托车和电气列车安装的PND和固定导航装置。
本申请包含与在2008年8月29日向日本专利局提交的日本优先权专利申请JP 2008-221713中公开的主题有关的主题，将其全部内容通过引用的方式合并在此。
本领域的技术人员应该理解，根据设计要求和其他因素，可以出现各种修改、组合、部分组合和变更，只要它们在所附权利要求及其等效物的范围内即可。

Claims (9)

1.一种速度计算装置，包括：
垂直方向加速度检测部分，其被安装在车辆上，并检测与路面的起伏对应地产生的垂直方向中的加速度；
水平方向角速度检测部分，其被安装在所述车辆上，并检测与所述路面的起伏对应地产生的、环绕与所述车辆的行进方向正交的水平轴的角速度；以及
速度计算部分，其基于所述垂直方向中的加速度和环绕所述水平轴的角速度来计算所述车辆的行进方向中的速度。
2.根据权利要求1所述的速度计算装置，其中：
所述垂直方向加速度检测部分以预定的采样频率、连续不断地检测所述垂直方向中的加速度；
所述水平方向角速度检测部分以所述采样频率、连续不断地检测环绕所述水平轴的角速度；以及
所述速度计算部分使用以预定采样数的所述垂直方向中的加速度和以所述采样数的环绕所述水平轴的角速度，连续地计算所述车辆的所述速度。
3.根据权利要求2所述的速度计算装置，其中：
所述速度计算部分通过在所述速度处于预定速度或更高时增大所述采样数而在所述速度低于所述预定速度时减小所述采样数来改变所述采样数。
4.根据权利要求3所述的速度计算装置，其中：
所述速度计算部分通过在所述速度增大的情况与所述速度减小的情况之间改变所述采样数来提供迟滞特性。
5.根据权利要求4所述的速度计算装置，其中：
所述速度计算部分从以所述采样数的所述垂直方向中的加速度中分别提取最大值和最小值作为最大加速度和最小加速度，从以所述采样数的环绕所述水平轴的角速度中分别提取最大值和最小值作为最大角速度和最小角速度，并通过将在所述最大加速度与所述最小加速度之间的差除以在所述最大角速度与所述最小角速度之间的差来计算所述速度。
6.根据权利要求1所述的速度计算装置，其中：
所述速度计算部分在所述速度取比前一速度大预定阈值或更多的值且所述前一速度低于预定速度的情况下将所述速度设置为0，而在所述速度取比前一速度大所述预定阈值或更多且所述前一速度与所述预定速度一样高或更高的情况下，使用所述前一速度作为所述速度。
7.根据权利要求1所述的速度计算装置，其中：
在由支架支撑所述速度计算装置的情况下，对所述垂直方向中的加速度和环绕所述水平轴的角速度应用低通滤波器，以便移除由所述支架产生的预定频率分量。
8.一种速度计算方法，包括如下步骤：
检测与路面的起伏对应地在车辆中产生的垂直方向中的加速度；
检测与所述路面的起伏对应地在所述车辆中产生的环绕与所述车辆的行进方向正交的水平轴的角速度；以及
基于在所述垂直方向中的加速度和环绕所述水平轴的角速度来计算在所述车辆的行进方向中的速度。
9.一种导航装置，包括：
垂直方向加速度检测部分，其检测与路面的起伏对应地在车辆中产生的垂直方向中的加速度；
水平方向角速度检测部分，其检测与所述路面的起伏对应地在所述车辆中产生的环绕与所述车辆的行进方向正交的水平轴的角速度；
速度计算部分，其基于所述垂直方向中的加速度和环绕所述水平轴的角速度来计算在所述车辆的行进方向中的速度；
垂直方向角速度检测部分，其计算环绕与所述行进方向垂直的垂直轴的角速度；
角度计算部分，其基于环绕所述垂直轴的所述角速度计算所述车辆已经转过的角度；以及
位置计算部分，其基于由所述速度计算部分计算出的所述行进方向中的所述速度以及由所述角度计算部分计算出的所述角度，来计算所述车辆的位置。
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