JP2003508737A - 車両の慣性運行データを正確に測定する装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 車両の移動中に車両の正確な慣性運行データを決定する装置は、車両の上方本体と下方本体との間の方向の差異を補償しなければならない。これらの方向の差異は、慣性運行解の精度を向上するために使用される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

従来の走行距離計補助慣性装置（odometer aided inertial sysytem）は、剛
性の本体として車両のサスペンション装置を見本とする。走行距離計補助慣性装
置は、統合運行方法を創造する。統合運行解法は、車両の位置、車両の速度、車
両の姿勢のようなデータを含む。これらの主な装置の出力に加えて、走行距離計
補助慣性装置は、走行距離計のエラーモデルによって走行距離計を校正する。慣
性装置は、車両本体に取り付けられており、走行距離計は、車体の動きを測定す
るので、走行距離計補助慣性装置は、車体と車両のシャシとの間の方向性を評価
しようとする。この車両の車体は、エンジン、乗員、弾薬を含む車両の上方部分
として定義される。車体は、車両のシャシの上に配置されており、シャシは、軸
及び車輪また軌道を有するフレームから成る車両の下方部分として定義される。

【０００２】 この慣性/走行距離計エラーモデルは、統合された解が０．０８°またはそれ
よりさらによい精度で車両のシャシに対する車体の相対的な方向を評価すること
ができる。相対的な方向が一定であるとの仮定は、車両のシャシに対して車体が
かなり動くときよく機能しない。ある車両においては、この動きは、２°ほどで
ある。走行距離の調整による大きなエラーは、この方向の変化が正しく同期しな
いときに生じる。垂直方向の速度及び垂直方向の位置（姿勢）は、走行距離のモ
デリングのエラーによって低下する。したがって、主装置が最適な精度を有する
ことが有利である。もし、走行距離計のモデリングのエラーを最小限にするか、
なくすことができれば、さらに有利になる。

【０００３】

【課題を解決するための手段】

移動中の車両の正確な慣性運行データを決定する装置は、車両の上方本体（車
体）と、下方本体（車両のシャシ）との間の方向の差異を補償しなければならな
い。方向の差異は、さらに正確な慣性運行データ用の慣性運行データに対する補
正を行うために使用される。この装置は、種々の種類の地形上を車両が運行する
とき車両の上方本体と下方本体との間の非整合を常に測定することによって慣性
運行解を改善し最適にするという点で有利である。

【０００４】

【発明の実施の形態】

本発明は、車体２と車両のシャシ４との間の関係が主に車のピッチ（縦揺れ）
であることを決定する。車両のピッチの関数は、ゼロ台の成分と一次の成分であ
る。慣性装置は、作動的な観点から車両１の車体２に取り付けられる。車両１の
横揺れ（ｓｗａｙ）（Φ）は、車体２の車両のシャシ４に対する角度上の新しい
方向であり、車両のピッチ（Ψ）に正比例する。比例定数はＫである。車両のピ
ッチは、Ｘ車体の軸線と水平平面との間の角度の向きとして定義される。Ｚ車両
軸線は、車両１の中心を通って下に引かれる。Ｙ車両軸線は、Ｘ軸線及びＺ軸線
に直角であり、Ｘ車両軸線に沿って面するとき右に向かう。Ｘ、Ｙ及びＺ軸線は
、右手の直交 座標フレームを形成する。

【０００５】 図１乃至図３は、異なる地形を運行する車両１と、その結果生じる車体と車両
のシャシとの方向を示す。図１は、一定水準の地形であり、ピッチがゼロである
車両１を示す。車両のピッチがゼロであるとき、車両のスエイもゼロである。車
両のシャシ４と車体２との間の角度の向きは、一定になる。図２は、例として丘
のような地形を上方に運行する車両１を示す。車両のピッチは、正であり、その
結果、車両のスエイも正である。車両のシャシ４と車体２との間の角度の向きは
、車両のピッチに比例する新しい値に変化する。車体２は、後方の軌道または車
輪が低く、前方の軌道または車輪が高い。図３は、下方に移動する車輪１を示す
。車両のピッチは、負であり、その結果、車両のスエイは、負である。車両のシ
ャシ４と車体２との間の角度の向きは、車両のプッチに比例する新しい値に変化
する。車体２は、後方の軌道または車輪が高く、前方の軌道または車輪が低い。

【０００６】 図４は、本発明の統合慣性/ＶＭＳ（車両の運動センサ）運行装置１０の全体
の流れを示す。装置１０への入力は、慣性データ（ジャイロ及び加速度計パルス
）及びＶＭＳ入力パルスである。ジャイロ及び加速度計（図示せず）は、車両１
の慣性運動の測定を行う。加速度計は、直線の加速度を検出するために使用され
、ジャイロは、角度の動きを測定するために使用される。ＶＭＳパルスは、車両
の運動センサ（図示せず）からのパルスを分離する。ＶＳＭは、通常、走行距離
計のケーブルの回転をパルス数に変換するために使用される電子機器を有する走
行距離ケーブルを含む。ＶＭＳは、走行距離ケーブルの与えられた回転のパルス
の固定数を出力する。装置１０の出力は、最適なものとして補正された運行解で
ある。慣性運行解は、車両１の位置、速度及び姿勢情報から成る。

【０００７】 図５は、ＶＭＳ、慣性及びカルマンフィルタデータを使用して車体フレームの
車両の位置の変化を表すベクトルを形成する車両位置変換決定手段１２を示す。
計算は、カルマンフィルタの計算速度より早い速度で計算が行われる。カルマン
フィルタの通常の速度は、１ヘルツである。ＶＭＳデルタ位置ベクトルは、１０
ヘルツ以上及び１００ヘルツ以下の計算で行われる。ＶＭＳパルスは、まず走行
距離に変換される。ＶＭＳパルスは、Nominal＿ＶＭＳ＿ＳＦまたはＶＭＳスケ
ールファクタと掛けられる。ＶＭＳスケールファクタは、走行距離のパルスの名
目数を表す定数である。例えば、スケールファクタは、５パルス毎に１フットで
ある。

【０００８】 前に処理されたサイクルからのＶＭＳ補正は、ＫＦ＿ＶＭＳ＿ＳＦまたはカル
マンフィルタファクタとして入力される。ＶＭＳパルスは、ＫＦ＿ＶＭＳ＿ＳＦ
と組み合わされてＫＦＶＭＳスケールファクタの補正を行い、ＶＭＳ位置の変化
またはＶＭＳデルタ位置を得るために所定の時間にわたって運行する現時測定さ
れたＶＭＳ距離を補正する。このＶＭＳ位置の変化は、車両のシャシフレームに
ある。また、ＶＭＳ状態補正値が、非整合決定手段１４に入力されて、この手段
１４は、カルマンフィルタ非整合入力が、ＫＦ＿ＶＭＳ＿ＭＡＹＸ、ＫＦ＿ＶＭ
Ｓ＿ＭＡＺＸ、ＫＦ＿ＶＭＳ＿ＳＷＡ＿ＺＸとして入力される。また、車両のピ
ッチ（Vehicle＿Pitch）は、ＶＭＳ＿ＭＡＸＸ、ＶＭＳ＿ＭＡＹＸ、ＶＭＳ＿Ｍ
ＡＺＸとして表現されたＶＭＳ非整合評価値を決定するために入力され、これら
は、Ｍｕｘと組み合わせられて１つのベクトルを形成し、次に補正されたＶＭＳ
デルタ位置と組み合わされて非整合ベクトルを有する車体フレームのＶＭＳデル
タ位置を形成する。この出力は、車両本体フレームで運行された距離であるＶＭ
Ｓ＿ｄｐ＿Ｂである。Vehicle＿Pitchは、慣性姿勢から形成され、この慣性姿勢
は、この技術分野で公知の標準の計算によってVehicle＿Roll及びVehicle＿Head
ingを生じる。

【０００９】 図６は、３つのＶＭＳ非整合状態のカルマンフィルタ評価値が車両シャシフレ
ームから車両本体フレームへのＶＭＳパルスを変換するために使用される方向余
弦ベクトルを得るためにどのように使用されるかを示す。ＫＦ＿ＶＭＳ＿ＭＡＹ
Ｘは、Ｘ軸線のシャシとＹ軸線の本体との間の非整合である。ＫＦ＿ＶＭＳ＿Ｍ
ＡＺＸは、Ｘ軸線のシャシとＹ軸線の本体との間の非整合である。ＫＦ＿ＶＭＳ
＿ＭＡＺＸは、Ｘ軸線のシャシとＺ軸線の本体との間の非整合を表す。これら２
つの非整合ファクタは、片寄りとして常に存在する。シャシと本体とは完全整合
すことが決してないからである。ＶＭＳ＿ＭＡＹＸは、さらに処理されるために
出力される。車両が移動する間、シャシ４と本体２との間のＹ軸線の大きな非整
合の変化はないからである。

【００１０】 ＶＭＳ＿ＭＡＺＸは、処理が必要である。なぜならば、車両１が移動する間、
本体２とシャシ４との間にスエイが生じるからである。ＫＦ＿ＶＭＳ＿ＳＷＡＹ
＿ＺＸと称される図６のピッチスエイ状態記号６は、図１、図２及び図３と同じ
である。このスケールファクタは、ピッチの関数であり、発生する非整合の変化
を表し、したがって、Vehicle＿Pitchと組み合わされて全体非整合が得られる。
この全非整合は、ＫＦ＿ＶＭＳ＿ＭＡＺＸと組み合わされてＶＭＳ＿ＭＡＺＸが
得られ、これは、シャシ４と本体２との間のＺ軸線の新しい非整合を表す。

【００１１】 ＭＡＺＸ及びＭＡＹＸは、公知の計算法を用いて、ＶＭＳ＿ＭＡＸＸを決定す
るために使用される。これは、シャシ４と本体２との間の非整合を補償する新し
軸線基準を表す方向余弦ベクトルである。例えば、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸線が本体フレー
ムにあると仮定する。前述したように、シャシ４及び本体２は、非整合を有する
。したがって、非整合を補償し、シャシのフレームデータを本体フレームで使用
することができるようにするために、シャシフレームのＸ軸線は、本体フレーム
のＸ軸線と所定の距離を有する。この角度の余弦は、シャシ４と本体２の間のこ
の非整合を補償し、シャシデータを基準の車体軸線フレームに使用することがで
きる新しい軸線を提供する。

【００１２】 図７は、カルマンフイルタオブザベーション値を得るために慣性及びＶＭＳデ
ータを使用する統合手段１６を示す。このカルマンフィルタオブザベーション値
は、２つの異なる位置変化情報を組み合わせる。図７は、次の項目が統合される
ことを示す。 １）慣性速度は、運行速度の統合された慣性速度を得るように直接統合される
（Integral＿ｖ＿Ｌ）。 ２）運行フレームのＶＭＳデルタ位置（Integral＿ＶＭＳ＿ｄｐ＿Ｌ）は、本
体フレームの位置変化を運行フレームに変換するためにＶＭＳ＿ｄｐ＿Ｂと組み
合わされたＣ＿ＬＢの統合の結果である。

【００１３】 ３）本体の運行フレーム変換マトリクス（Ｃ＿ＬＢ）とシャシのＶＭＳ位置変
化（ＶＭＳ＿Delta＿Position）の積で、非整合評価値が得られる。この統合は
、ＶＭＳ＿Misalighnment＿Integralと呼ばれる。 ４）車両のピッチ角度とＶＭＳ位置変化との積は、スエイを決定するために組
み合わされる。この統合は、ＶＭＳ＿Ｐｉｔｃｈ＿Ｓｗａｙ＿Integralと称され
る。前述したように、すべての計算は、カルマンフィルタの計算速度より速速度
で計算され、これは統合値に適用される。カルマンフィルタの通常の速度は、１
ヘルツである。ＶＭＳ統合は、１０Ｈｚ乃至１００Ｈｚの速度である。

【００１４】 図８は、慣性運行解を補正するためにカルマンフィルタの補正を適用する補正
手段１８を示している。これらの補正は、カルマンフィルタの速度、通常１ヘル
ツで行われる。さらに複雑なモデルが慣性センサのエラーの補正を含む場合もあ
るが、このモデルには示さない。まず、ジャイロ及び加速度計からのデータが統
合されて慣性運行解が得られる。この運行の解は、３つの出力の形態であり、こ
の出力は、運行フレームの車両速度、変換マトリクスへの車両本体、慣性車両位
置である。カルマンフィルタ補正がこれらの出力に適用され、さらに正確な慣性
位置、速度および姿勢が得られる。

【００１５】 図９は、ＶＭＳパルス並びに慣性運行データの補正を行うを行う手段２０を示
している。カルマンフィルタは、慣性とＶＭＳデータを比較してデータの双方の
組のエラーを決定するために使用することができる。このチャートへの入力は、
補正された慣性装置データ、ＶＭＳ及び慣性データ統合値である。図１０は、共
分散マトリクス及びエラー状態評価値を更新するために使用される等式である。
図１１は、状態移行マトリクスが慣性情報の統合値を使用してどのように形成さ
れるかを示す。

【００１６】 図１２は、慣性及びＶＭＳエラー状態の評価値を更新するためにどのようにＶ
ＭＳデルタ位置オブザベーションが使用されるかを示している。図１３は、オブ
ザベーションの利得を画定するためにオブザベーションの不確実なデータ及びエ
ラー状態の現在の評価値がどのように使用されるかを示している。カルマンフィ
ルタ伝搬及び利得の等式は、1974年Arthur Gelbによって編集されたAnalytic科
学社の技術スタッフによって書かれた「応用適性評価」に記載された等式に基づ
いている。この本は、目的のみが引用されるが、本発明のこれらの等式に制限さ
れないように本発明の結果に到達するために他の等式も使用することができる。

【００１７】 図１４は、ＶＭＳデルタ位置オブザベーションとＶＭＳエラー状態へのオブザ
ベーション値の感度を示している。第１に統合が時間に関連しないように処理さ
れる。オブザベーションベクトルは、走行距離の更新位置である。オブザベーシ
ョンマトリクスは、エラー感度全体を有する。公知の計算を用いて速度姿勢が補
正される。ＶＭＳ非整合感度は、スエイの非整合と軸線の間の非整合を更新して
いる。ＶＭＳスケールファクタは、走行距離を決定する尺度を提供する。車両は
、補正された非整合出力によって、移動環境における慣性運行データの正確な測
定値を得る性能を有する。

【００１８】 本発明は、特許法に適合するために詳細に説明し、当業者に新しい法則を応用
し、このような特別の方法及び必要な部品を製造使用するために必要な情報を提
供した。しかしながら、本発明は特別に異なる方法及び部品によって実行され、
本発明の範囲から逸脱せずに変更改造によって達成することができることを理解
しなければならない。

【図面の簡単な説明】

【図１】 一定の高度の地形上を移動する車両を示す図である。

【図２】 上方に傾斜した地形を移動する車両の図である。

【図３】 下方に傾斜した地形を移動する車両の図である。

【図４】 スエイ（ｓｗａｙ：動揺）に基づいて精度が向上した慣性運行データを決定す
る本発明の装置を示す図である。

【図５】 車体フレームにおける車両位置の変化の決定を示す図である。

【図６】 車両における車体とシャシとの間の非整合の決定を示す図である。

【図７】 速度、位置の変化、非整合及びスエイの統合を示す図である。

【図８】 慣性運行データの補正を示す図である。

【図９】 ＶＳＭ及び慣性運行データの補正の決定を示す図である。

【図１０】 エラー及び共分散マトリクスの決定を示す図である。

【図１１】 エラー及び共分散マトリクスを決定する際に含まれる状態移行マトリクスを形
成することを示す図である。

【図１２】 エラー及び共分散マトリクスの更新を示す図である。

【図１３】 更新されたエラー及び更新された共分散を決定する際に必要なカルマンゲイン
の決定を示す図である。

【図１４】 図７から得られた統合データに基づいて慣性運行データ並びにＶＭＳ用の補正
係数を部分的に決定することを示す図である。

【手続補正書】

【提出日】平成１４年３月２０日（２００２．３．２０）

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

【図５】

【図６】

【図７】

【図８】

【図９】

【図１０】

【図１１】

【図１２】

【図１３】

【図１４】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ， ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，Ｃ Ｎ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ， ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，Ｋ Ｒ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ， ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，Ｓ Ｉ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上方本体及び下方本体を有する車両の慣性運行データを正確
   に測定する装置であって、 前記車両が移動するとき、前記上方本体及び前記下方本体の方向の変化を測定
   する運動センサと、 慣性センサデータを供給する慣性センサと、 前記上方本体と前記下方本体との間の方向の差異を決定し、前記方向の差異に
   基づく前記慣性センサデータを処理して正確な慣性運行データを提供する器械と
   、を有する慣性運行データを正確に測定する装置。
2. 【請求項２】 前記慣性運行データは、位置、速度及び姿勢である請求項１
   の装置。
3. 【請求項３】 前記方向に関するデータは、水平方向軸線についての車両の
   方向に関するものである請求項１の装置。
4. 【請求項４】 前記運動センサは、走行距離計である請求項１の装置。
5. 【請求項５】 前記慣性センサは、ジャイロ及び加速度計である請求項１の
   装置。
6. 【請求項６】 上方本体及び下方本体を有する車両の慣性運行データを正確
   に測定する装置であって、 前記車両が移動するとき、前記上方本体及び前記下方本体の方向のデータを測
   定する運動センサと、 慣性センサデータを提供する慣性センサと、 前記慣性センサデータに基づいて車両の慣性運行データを決定する器械と、 前記上方本体と前記下方本体との間の方向の差異を決定する器械と、 前記方向の差異を有する前記慣性データを統合して統合データを得る器械と、 前記統合されたデータに基づいて前記慣性運行データと前記方向のデータに対
   して補正しさらに正確な慣性運行データを得る器械と、を有する車両の慣性運行
   データを正確に測定する装置。
7. 【請求項７】 前記慣性センサデータは、加速度及び角度上の運動である請
   求項６の装置。
8. 【請求項８】 前記方向データは、水平軸線に対しての車両の方向に関する
   請求項６の装置。
9. 【請求項９】 前記運動センサは、走行距離計である請求項６の装置。
10. 【請求項１０】 前記慣性センサはジャイロ及び加速度計である請求項６の
    装置。
11. 【請求項１１】 予め知られた位置からの車両の位置の変化に基づいて位置
    を決定する手段を含む請求項６の装置。
12. 【請求項１２】 前記位置の変化は、慣性センサデータと方向の差異と統合
    され統合データの一部になる請求項１１に記載の装置。
13. 【請求項１３】 補正を提供する装置は、前記統合データに基づいて位置を
    補正する請求項１２の装置。
14. 【請求項１４】 前記方向の差異は、Ｚ軸線にある請求項６の装置。
15. 【請求項１５】 上方本体及び下方本体を有する車両のさらに正確な慣性運
    行データを提供する方法であって、 前記車両が移動する間、前記上方本体及び前記下方本体の方向の変化を測定す
    る工程と、 慣性センサから受けた慣性センサデータと方向の差異とを統合して統合データ
    をつくる工程と、 前記慣性センサデータから慣性運行データを決定する工程と、 前記統合データによって前記慣性運行データを補正して正確な慣性運行データ
    を提供する工程と、を有する慣性運行データを正確に測定する方法。