JP2005010071A - 移動体の傾斜角度・加速度検出装置 - Google Patents
移動体の傾斜角度・加速度検出装置 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】加速度を検出する加速度センサを備えなくても、振り子の振動周期から実加速度を推論することにより、移動面の傾斜角度及び加速度を推論する。
【解決手段】振り子４の振動周期と角度を検出する磁気センサ５１を有する振り子型センサ１と、振動周期と角度にもとづいて、移動体が移動している移動面の傾斜角度及び移動体の加速度を推論する演算処理手段７１を有する制御部７とを具備し、制御部７が、振り子４の実加速度推論式を用いて実加速度を推論し、振り子４の角度推論式を用いて振り子４の角度を推論し、傾斜角度推論式を用いて、移動体が移動している移動面の傾斜角度を推論し、移動加速度推論式を用いて移動体の移動加速度を推論する。
【選択図】 図１
【解決手段】振り子４の振動周期と角度を検出する磁気センサ５１を有する振り子型センサ１と、振動周期と角度にもとづいて、移動体が移動している移動面の傾斜角度及び移動体の加速度を推論する演算処理手段７１を有する制御部７とを具備し、制御部７が、振り子４の実加速度推論式を用いて実加速度を推論し、振り子４の角度推論式を用いて振り子４の角度を推論し、傾斜角度推論式を用いて、移動体が移動している移動面の傾斜角度を推論し、移動加速度推論式を用いて移動体の移動加速度を推論する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動体の傾斜角度・加速度検出装置に関し、特に、車両，船舶，航空機等の移動体に取り付けられ、振り子の振動周期及び振り子の角度から、移動体が移動する移動面の傾斜角度及び移動加速度を推論することを可能とした移動体の傾斜角度・加速度検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、走行中の車両から道路の傾斜角度を検出し、さらに、移動加速度をも検出することの可能な傾斜角度及び加速度検出装置が開発されてきた。
この装置は、一般的に、移動加速度あるいは実加速度（実際に移動体に作用している加速度をいい、地上では、移動加速度と重力加速度を合成した加速度となる。）を検出するストレーンゲージ等からなる加速度センサと、振り子型の傾斜角度検出センサとで構成されていた。
また、上記加速度センサと振り子型の勾配角度検出センサを一体的に組合せた傾斜角度及び加速度検出装置も開発されてきた。
【０００３】
たとえば、走行中の車両に取り付けられた状態で、道路の勾配角度と走行加速度の両方を検出することを可能とした、振り子型の勾配角度／加速度センサがある（例えば、特許文献１参照）。
この勾配角度／加速度センサは、重力によりおもりが回転する角度を検出する第１センサ（傾斜角度検出センサ）と、重力及び車両の加速度によりおもりが受ける加速度を検出する第２センサ（加速度センサ）により、走行中の道路の勾配角度と車両の走行加速度の両方を同時に検出することができる。
このような技術を利用すると、走行中の道路の傾斜角度と道路に沿った車両の走行加速度の両方を検出し、これらをアンチロックブレーキシステム、自動変速機及び電子制御ブレーキシステムに送信することが可能となり、より安全で快適な走行を実現することができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０６−２０１３８０号公報（請求項（１），図２）
【０００５】
しかしながら、上記勾配角度／加速度センサは、加速度を検出する第二のセンサを備える必要があり、部品費用のコストダウンを図ることができないといった問題があった。
また、走行中の道路勾配及び走行加速度を検出するには、走行加速度又は実加速度を検出する加速度センサと傾斜角度検出センサが不可欠であり、これら二つのセンサを設けることにより、小型化及び軽量化の要望に応えることができないといった問題もあった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の問題点にかんがみてなされたもので、加速度を検出する加速度センサを備えなくても、振り子型センサの振り子の振動周期から振り子の実加速度を推論することにより、移動体が移動している移動面の傾斜角度及び移動加速度を推論することを可能とする移動体の傾斜角度・加速度検出装置の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の移動体の傾斜角度検出装置は、移動体に取り付けられ、かつ、筐体，回転軸を介して前記筐体に回転自在に取り付けられた振り子，及び，この振り子の振動周期と角度を検出する検出手段を有する振り子型センサと、この振り子型センサからの前記振り子の振動周期と角度にもとづいて、前記移動体が移動している移動面の傾斜角度及び前記移動体の加速度を推論する演算手段を有する制御部とを具備し、前記制御部が、前記振り子の振動周期から振り子の実加速度を推論し、前記振り子のピーク角度から振り子の角度を推論し、前記振り子の実加速度及び振り子の角度を用いて、前記移動体が移動している移動面の傾斜角度を推論する構成としてある。
このようにすると、振り子の振動周期から振り子の実加速度を推論でき、加速度センサを設けなくても、移動面の傾斜角度を推論することができる。
【０００８】
また、本発明の移動体の傾斜角度・加速度検出装置は、移動体に取り付けられ、かつ、筐体，回転軸を介して前記筐体に回転自在に取り付けられた振り子，及び，この振り子の振動周期と角度を検出する検出手段を有する振り子型センサと、この振り子型センサからの前記振り子の振動周期と角度にもとづいて、前記移動体が移動している移動面の傾斜角度及び前記移動体の加速度を推論する演算手段を有する制御部とを具備し、前記制御部が、前記振り子の振動周期から振り子の実加速度を推論し、前記振り子のピーク角度から振り子の角度を推論し、前記振り子の実加速度及び振り子の角度を用いて、前記移動体が移動している移動面の傾斜角度を推論し、前記振り子の実加速度，振り子の角度及び移動面の傾斜角度を用いて、前記移動体の移動加速度を推論する構成としてある。
このようにすると、振り子型センサの振り子の振動周期と角度を検出するだけで、移動体が移動している移動面の傾斜角度及び移動体の移動加速度を推論することができる。すなわち、加速度センサを設けなくてもすむので、製造費用のコストダウンを図ることができるとともに、傾斜角度及び加速度検出装置の小型化及び軽量化を図ることができる。
【０００９】
また、本発明の移動体の傾斜角度・加速度検出装置は、前記振り子の実加速度を、下記振り子の実加速度推論式（式（１））を用いて推論し、前記振り子の角度を、下記振り子の角度推論式（式（２））を用いて推論し、前記移動面の傾斜角度を、下記傾斜角度推論式（式（３））を用いて推論し、前記移動体の移動加速度を、下記移動加速度推論式（式（４））を用いて推論した構成としてある。
（振り子の実加速度推論式）
αＴ＝４π２（Ｌ＋Ｒ２／２Ｌ）／Ｔ２ 式（１）
ただし、
αＴ：振り子の実加速度［ｍ／ｓ２］
Ｌ：振り子の長さ［ｍ］
Ｒ：円板状の振り子本体の半径［ｍ］
Ｔ：振り子の振動周期［ｓ］
（振り子の角度推論式）
β＝（βｉ＋βｉ ＋ １）／２ 式（２）
ただし、
β：振り子の角度［°］
βｉ：振動中の振り子のｉ（自然数）番目のピーク角度［°］
（傾斜角度推論式）
θ＝ｃｏｓ−１（（αＴ／ｇ）ｃｏｓβ） 式（３）
ただし、
θ：傾斜角度［°］
αＴ：振り子の実加速度［ｍ／ｓ２］
ｇ：重力加速度［ｍ／ｓ２］
β：振り子の角度［°］
（移動加速度推論式）
α＝（−αＴｓｉｎβ＋ｇｓｉｎθ） 式（４）
ただし、
α：移動加速度［ｍ／ｓ２］
αＴ：振り子の実加速度［ｍ／ｓ２］
β：振り子の角度［°］
ｇ：重力加速度［ｍ／ｓ２］
θ：傾斜角度［°］
このように、振り子の振動周期から実加速度を求めることにより、加速度センサを設けなくても、傾斜角度及び加速度を推論することができる。
【００１０】
また、本発明の移動体の傾斜角度・加速度検出装置は、前記式（１）において使用される４π２（Ｌ＋Ｒ２／２Ｌ）＝ｋ（定数）を、あらかじめ測定しておく構成としてある。
このようにすると、工場の製造ライン等において定数ｋを精度よく測定し、記憶手段に記録させることができるので、検出精度を向上させることができる。
【００１１】
また、本発明の移動体の傾斜角度・加速度検出装置は、前記振り子を強制的に振動させる加振手段を備えた構成としてある。
このようにすると、振り子が振動していないときでも、強制的に振動させることができるので、振り子に作用する実加速度や重力加速度を常に検出することができる。
【００１２】
また、本発明の移動体の傾斜角度・加速度検出装置は、前記制御部が、前記移動体の停止しているとき、下記の重力加速度推論式（式（５））を用いて、前記式（３），（４）において使用される重力加速度ｇを推論する構成としてある。
（重力加速度推論式）
ｇ＝４π２（Ｌ＋Ｒ２／２Ｌ）／Ｔ´２ 式（５）
ただし、
ｇ：重力加速度［ｍ／ｓ２］
Ｌ：振り子の長さ［ｍ］
Ｒ：円板状の振り子本体の半径［ｍ］
Ｔ´：移動体が停止しているときの振り子の振動周期［ｓ］
【００１３】
また、本発明の振り子型センサによる傾斜角度及び加速度検出装置は、前記制御部が、前記移動体が移動している移動面の傾斜方向及び／又は前記移動体の移動速度にもとづいて、前記傾斜角度を推論する構成としてある。
このように、移動面の傾斜方向の情報を入力すると、移動面の傾斜方向、すなわち、上り斜面なのか、あるいは、下り斜面なのかが決まるので、傾斜角度及び移動加速度をそれぞれ一つに決めることができる。
また、移動体の移動速度にもとづいて、たとえば、推論された二つの移動加速度を用いて、任意時間前の移動速度の実測値から任意時間経過後の移動速度をシミュレーションし、任意時間経過後の移動速度の実測値に対応する移動加速度を真の値として選択することによっても、移動加速度及び傾斜角度をそれぞれ一つに決めることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
［第一実施形態］
図１は、本発明の第一実施形態にかかるにかかる移動体の傾斜角度・加速度検出装置の構成を説明する概略構成図を示している。
同図において、傾斜角度・加速度検出装置１０（適宜、検出装置１０と略称する。）は、振り子型センサ１（適宜、センサ１と略称する。）と制御部７とからなっている。
【００１５】
センサ１は、ねじ２１によって連結されるケース２２及びケース２３からなる、二分割された矩形箱状の筐体２と、このケース２２及びケース２３に回転自在に支持される回転軸３と、円板状の振り子本体４１及びこの振り子本体４１と回転軸３とを連結するアーム４２からなる振り子４と、振り子４の振動周期と角度を検出する磁気センサ５１とからなっている。
【００１６】
振り子４は、イナーシャを算出しやすいように、円板状の振り子本体４１を設けてあるが、振り子本体４１は円板状の形状に限定されるものではない。
また、この実施形態において振り子本体４１は、ネオジム磁石、フェライト磁石、ＳｍＣｏ磁石等の永久磁石で形成され、別体に形成されたアーム４２と接着剤等によって一体的に固着されている。そして、センサ１を車両等に取り付ける際には、振り子本体４１の磁界内に磁気検出素子を主体とした磁気センサ５１を配置し、振り子本体４１が回転軸３を軸として回転したときに、この回転角に応じた検出信号をコントローラ等の制御部７に出力するようにする。
なお、本実施形態では、重力加速度方向を原点（角度０［°］）とし、時計廻り方向を＋方向、反時計廻り方向を−方向としてある。
また、振り子４の回転角を検出する検出手段は、上記振り子本体４１と磁気センサ５１からなる構成に限定されるものではなく、たとえば、光源，光センサ及び回転式エンコーダからなる光学式検出手段や、ポテンシオンメータ及び電極からなる静電容量式検出手段を使用してもよい。
【００１７】
制御部７は、演算処理手段７１と記憶手段７２とからなっている。
演算処理手段７１は、磁気センサ５１から、振り子本体４１の磁気信号を検出した検出信号を入力すると、振り子４の振動周期と角度を算出する。そして、算出した振動周期と角度にもとづいて、後述するように、自動車１００が移動している路面１０１の傾斜角度及び自動車１００の移動加速度を推論し、推論した傾斜角度及び移動加速度を外部出力信号として出力する。
さらに、記憶手段７２は、振り子４の形状によって定まる定数ｋ（＝４π２（Ｌ＋Ｒ２／２Ｌ） ただし、Ｌは振り子の長さ［ｍ］、Ｒは円板状の振り子本体の半径［ｍ］。）を記憶する。
【００１８】
次に、制御部７が路面１０１の傾斜角度θと自動車１００の移動加速度αを推論する手順について、図面を参照して説明する。
図２は、第一実施形態の制御部における、傾斜角度と移動加速度を推論するための各推論部の構成を説明する演算ブロック図を示している。
同図において、制御部７の演算処理手段７１は、検出信号入力部７１１，バンドパスフィルター７１２，振り子周期計測部７１３，実加速度推論部７１４，ローパスフィルター７１５，振り子の角度推論部７１６，傾斜角度推論部７１７，及び移動加速度推論部７１８とからなっている。
【００１９】
検出信号入力部７１１は、振り子型センサ１の磁気センサ５１から振り子本体４１の回転角を検出した検出信号を入力し、バンドパスフィルター７１２に出力する。
バンドパスフィルター７１２は、検出信号に対して振り子４の固有振動数近傍の周波数となる約１０Ｈｚのバンドパスフィルターをかけ、振り子周期計測部７１３に交流の検出信号を出力し、また、ローパスフィルター７１５に直流の検出信号を出力する。
【００２０】
振り子周期計測部７１３は、バンドパスフィルター７１２からの交流の検出信号を入力し、振り子４の振動周期を計測する。
実加速度推論部７１４は、振り子周期計測部７１３から振り子４の振動周期を入力し、さらに、あらかじめ測定され、式（１）において使用されるｋ（定数）＝４π２（Ｌ＋Ｒ２／２Ｌ）を入力し、振り子４の実加速度αＴを推論する。そして、推論した実加速度αＴを傾斜角度推論部７１７及び移動加速度推論部７１８に出力する。
【００２１】
ローパスフィルター７１５は、バンドパスフィルター７１２からの直流の検出信号にローパスフィルターをかけ、振り子の角度推論部７１６に出力する。
振り子の角度推論部７１６は、ローパスフィルター７１５からの検出信号を入力し、振動している振り子４の角度からセンター値を推論し、推論した角度βを傾斜角度推論部７１７及び移動加速度推論部７１８に出力する。
【００２２】
傾斜角度推論部７１７は、入力した実加速度αＴと角度β及び重力加速度ｇを用いて、自動車１００が走行している路面１０１の傾斜角度θを推論する。また、推論した傾斜角度θを移動加速度推論部７１８に出力する。
移動加速度推論部７１８は、入力した実加速度αＴ，角度β及び傾斜角度θと重力加速度ｇを用いて、自動車１００の移動加速度αを推論する。
なお、バンドパスフィルター７１２及びローパスフィルター７１５を設けることにより、検出信号のノイズを低減することができ、傾斜角度θ及び移動加速度αを精度よく推論することができる。
【００２３】
次に、本実施形態の検出装置１０の使用状況について、図面を参照して説明する。
図３は、本発明にかかる移動体の傾斜角度・加速度検出装置の使用状況を説明する概略側面図を示している。
同図において、振り子型センサ１は、移動体である自動車１００に取り付けてあり、この自動車１００は、角度θだけ傾いた路面１０１（移動面）を移動加速度αで加速しながら走行している。
【００２４】
自動車１００が移動加速度αで加速すると、自動車１００に搭載されたセンサ１の振り子４には、加速度−α（加速度−αは、移動加速度αに対して、ベクトル量の向きが反対であることを意味している。）が作用する。
また、振り子４には、路面１０１の傾斜角度θの方向に重力加速度ｇが作用する。したがって、振り子４には、重力加速度ｇに加速度（−α）を合成した実加速度αＴが作用する。また、実加速度αＴの作用する方向（角度）は、センサ１において角度βとなる。
なお、センサ１は、自動車１００の移動方向の加速度を検出するように、移動方向及び重力加速度方向と直交する方向に沿って回転軸３が位置する向きに取り付けられている。
【００２５】
このような構成からなる本実施形態の傾斜角度・加速度検出装置１０は、次のようにして傾斜角度及び移動加速度を推論する。
図４は、本発明にかかる移動体の傾斜角度・加速度検出装置における傾斜角度及び移動加速度の推論を説明する概略グラフを示している。
同図において、自動車１００を走行させる際の、走行速度ｖ［ｍ／ｓ］と時刻に関するグラフと、振り子４の角度βと時刻に関するグラフとを対応させて示してある。
【００２６】
同図において、自動車１００は、水平な路面１０１に停車しており、時刻Ｊ１にエンジンが始動される。
次に、検出装置１０は、制御部７が、自動車１００が停止していることを確認すると、エンジンを始動させた際の振動により自由振動中の振り子本体４１の振動周期Ｔ´を測定し、式（５）により重力加速度ｇを推論する。
【００２７】
次に、式（５）について説明する。
図５は、本発明にかかる振り子型センサの振動状況を説明するための、概略モデル図を示している。
同図において、振り子４は、重力加速度ｇの作用により自由振動している。そして、アーム４２の質量を無視し、回転軸３の摩擦抵抗や空気抵抗が仮に発生しないものとすると、振り子本体４１の振動周期Ｔ´は、式（５´）で表される。
【００２８】
Ｔ´＝２π（（ＭＬ２＋ＭＲ２／２）／（ＭｇＬ））１／２ 式（５´）
ただし、
Ｔ´：移動体が停止しているときの振り子の振動周期［ｓ］
Ｍ：振り子本体の質量［ｋｇ］
Ｌ：振り子の長さ［ｍ］
Ｒ：円板状の振り子本体の半径［ｍ］
ｇ：重力加速度［ｍ／ｓ２］
上記式（５´）から重力加速度ｇを求めると、式（５）となる。
【００２９】
ｇ＝４π２（Ｌ＋Ｒ２／２Ｌ）／Ｔ´２ 式（５）
ただし、
ｇ：重力加速度［ｍ／ｓ２］
Ｌ：振り子の長さ［ｍ］
Ｒ：円板状の振り子本体の半径［ｍ］
Ｔ´：移動体が停止しているときの振り子の振動周期［ｓ］
【００３０】
このようにすると、制御部７は、測定したＴ´を式（５）に代入し演算することにより、重力加速度ｇを推論することができる。
すなわち、地域によって異なる重力加速度ｇに対して、自動車１００の位置に応じて重力加速度ｇを求めることができ、傾斜角度及び移動加速度を推論する際に使用する重力加速後ｇの精度が向上し、傾斜角度及び移動加速度を精度よく推論することができる。
なお、一般的に、自動車１００のエンジンが始動されてから走り始めるまでの間に、重力加速度ｇを推論するが、重力加速度ｇの推論のタイミングはこのタイミングに限定されるものではなく、たとえば、エンジン停止直後に推論し、求めた重力加速度ｇを記憶手段７２に記憶しておく構成としてもよい。
また、自動車１００の位置に応じて重力加速度ｇを推論するといったことを行なわずに、重力加速度ｇとして、通常使用される９．８［ｍ／ｓ２］を用いることもできる。
【００３１】
次に、自動車１００は、水平かつ直線の路面１０１において、時刻Ｊ２に発進し等加速度で時刻Ｊ３まで加速する。この間、振り子本体４１は、振動周期ＴＪ２で振動する。そして、検出装置１０は、制御部７が下記式（１）により振り子４の実加速度αＴＪ２（図示せず）を推論する。
【００３２】
上記のように、自動車１００が発進し等加速度で走行すると、振り子本体４１には、重力加速度ｇとともに、移動加速度αによる加速度（−α）が作用する。
そして、振り子４には、重力加速度ｇに加速度（−α）が合成された実加速度αＴが作用する。この実加速度αＴは、上記式（５）において、重力加速度ｇの代わりに、実加速度αＴを代入すると、下記式（１）となる。
αＴ＝４π２（Ｌ＋Ｒ２／２Ｌ）／Ｔ２ 式（１）
ただし、
αＴ：振り子の実加速度［ｍ／ｓ２］
Ｌ：振り子の長さ［ｍ］
Ｒ：円板状の振り子本体の半径［ｍ］
Ｔ：振り子の振動周期［ｓ］
【００３３】
ところで、式（１）を用いて実加速度αＴを推論するには、振り子本体４１が振動している必要がある。そして、自動車１０をスムースに加速し等加速度で走らせると、振り子本体４１がほとんど振動しない事態も想定されるが、振り子本体４１の振動を抑制する特別なダンパ手段を設けない限り、振り子本体４１を振動させずに走らすことはほぼ不可能である。
したがって、特別な加振手段を設けなくても、振り子本体４１が振動するので、実加速度αＴを算出することができる。
【００３４】
ここで、記憶手段７２に、あらかじめ測定され、式（１）において使用される４π２（Ｌ＋Ｒ２／２Ｌ）＝ｋ（定数）を記憶しておくとよい。
このようにすると、工場の製造ライン等において定数ｋを精度よく測定し、記憶手段７２に記録した定数ｋを使用することができるので、検出精度を向上させることができる。
【００３５】
また、制御部７は、振動している振り子４の角度を、下記式（２）により算出する。
β＝（βｉ＋βｉ ＋ １）／２ 式（２）
ただし、
β：振り子の角度［°］
βｉ：振動中の振り子のｉ（自然数）番目のピーク角度［°］
なお、本実施形態では、振り子本体４１が半サイクル振動するごとに振り子４の角度βＪ２を算出しているが、この算出方法に限定されるものではなく、たとえば、１サイクル振動するごとに振り子４の角度βを算出してもよい。
また、本動作例では、自動車１００が等加速度で加速しているので、振り子４は、式（２）により算出された角度βＪ２をセンターとして振動する。なお、振り子４の角度βは、０［°］から角度βＪ２まで増加してから振動しているが、加速の仕方によっては、振動しながら０［°］から角度βＪ２まで増加する。
【００３６】
次に、制御部７は、式（３）により傾斜角度θＪ２（θＪ２＝０）を推論し、次に、式（４）により移動加速度αＪ２（図示せず）を推論する。
なお、振り子本体４１が１サイクル振動するごとに、傾斜角度θＪ２及び移動加速度αＪ２を推論する。
【００３７】
次に、式（３），（４）について説明する。
自動車１００が、傾斜角度θ（ここでは、θ＝０［°］である。）の路面１０１を走行中に、移動加速度αで加速したとすると、傾斜角度θ，重力加速度ｇ及び実加速度αＴの関係は、図３に示すようになる。
同図において、
αＴｃｏｓβ＝ｇｃｏｓ（θ） 式（３´）
であることから、道路の傾斜角度θは、下記式（３）で求めることができる。
θ＝ｃｏｓ−１（（αＴ／ｇ）ｃｏｓβ） 式（３）
ただし、
θ：傾斜角度［°］
αＴ：振り子の実加速度［ｍ／ｓ２］
ｇ：重力加速度［ｍ／ｓ２］
β：振り子の角度［°］
【００３８】
また、移動加速度αは、下記式（４）で求めることができる。
α＝（−αＴｓｉｎβ＋ｇｓｉｎθ） 式（４）
ただし、
α：移動加速度［ｍ／ｓ２］
αＴ：振り子の実加速度［ｍ／ｓ２］
β：振り子の角度［°］
ｇ：重力加速度［ｍ／ｓ２］
Ｌ：振り子の長さ［ｍ］
θ：傾斜角度［°］
【００３９】
次に、自動車１００は、水平かつ直線の路面１０１において、等加速度で時刻Ｊ３まで加速し速度ｖ３となったところで加速を止め、時刻Ｊ４まで等速度（すなわち、移動加速度αＪ３＝０）で走行する。この間、この間、振り子本体４１は、式（２）により算出された角度βＪ３（βＪ３＝０）をセンターとして、振動周期ＴＪ３で振動する。そして、検出装置１０は、制御部７が式（１）により実加速度αＴＪ３（αＴＪ３＝ｇ）を推論し、さらに、式（３）により傾斜角度θＪ３（θＪ３＝０）を推論し、次に、式（４）により移動加速度αＪ３（αＪ３＝０）を推論する。
【００４０】
次に、自動車１００は、上り方向に傾斜しかつ直線の路面１０１において、時刻Ｊ４から時刻Ｊ５まで、速度ｖ３のまま等速度で走行する。この間、振り子本体４１は、式（２）により算出された角度βＪ４をセンターとして、振動周期ＴＪ４で振動する。そして、検出装置１０は、制御部７が式（１）により実加速度αＴＪ４を推論し、さらに、式（３）により傾斜角度θＪ４を推論し、次に、式（４）により移動加速度αＪ４（αＪ４＝０）を推論する。
【００４１】
次に、自動車１００は、上り方向に傾斜しかつ直線の路面１０１において、時刻Ｊ５から時刻Ｊ６まで等加速度で加速し、時刻Ｊ６には速度ｖ６となる。この間、振り子本体４１は、式（２）により算出された角度βＪ５をセンターとして、振動周期ＴＪ５で振動する。そして、検出装置１０は、制御部７が式（１）により実加速度αＴＪ５を推論し、さらに、式（３）により傾斜角度θＪ５を推論し、次に、式（４）により移動加速度αＪ５を推論する。
【００４２】
ここで、振り子４の実加速度αＴＪ５，角度βＪ５及び重力加速度ｇを推論し、これらを上記式（３）に代入すると、傾斜角度θＪ５として二つの解（＋θＪ５，−θＪ５）が推論され、また、移動加速度αＪ５として二つの解（α＋Ｊ５，α−Ｊ５）が推論される。なお、傾斜角度＋θＪ５を上り勾配とし、傾斜角度−θＪ５を下り勾配としてある。また、移動加速度α＋Ｊ５は、傾斜角度＋θＪ５を式（４）に代入して算出される移動加速度であり、移動加速度α−Ｊ５は、傾斜角度−θＪ５を式（４）に代入して算出される移動加速度である。
このため、制御部７は、自動車１００の移動速度にもとづいて、すなわち、まず、単位時間（Δｔ）前における速度ｖ´に推論された二つの解（α＋Ｊ５，α−Ｊ５）を加算し、単位時間経過後の速度（ｖ´＋α＋Ｊ５×Δｔ，ｖ´＋α−Ｊ５×Δｔ）を算出し、次に、これら二つの速度（ｖ´＋α＋Ｊ５×Δｔ，ｖ´＋α−Ｊ５×Δｔ）を単位時間経過後の実際の速度Ｖと比較し、速度Ｖに近い方の速度の移動加速度を選択することによって、二つの解（α＋Ｊ５，α−Ｊ５）から一つの真の解（αＪ５）を推論することができる。
このように、二つの移動加速度（α＋Ｊ５，α−Ｊ５）が推論された場合であっても、任意時間前の移動速度の実測値から任意時間経過後の移動速度をシミュレーションし、任意時間経過後の移動速度の実測値に対応する移動加速度を選択することによって、真の移動加速度及び傾斜角度をそれぞれ一つに決めることができる。
【００４３】
なお、制御部７が、自動車１００が移動している路面１０１の傾斜方向（上り方向又は下り方向）を、カーナビゲーションシステム等により入力されるときは、入力された傾斜方向にもとづいて、推論された二つの解（＋θＪ５，−θＪ５）からいずれか一つを選択する構成としてもよい。このように、外部情報を利用することによっても、路面１０１の傾斜方向が決まるので、傾斜角度（＋θＪ５，−θＪ５）及び移動加速度（α＋Ｊ５，α−Ｊ５）をそれぞれ一つに決めることができる。
【００４４】
次に、自動車１００は、水平かつ直線の路面１０１において、時刻Ｊ６から時刻Ｊ７まで、速度ｖ６のまま等速度で走行する。この間、振り子本体４１は、式（２）により算出された角度βＪ６（βＪ６＝０）をセンターとして、振動周期ＴＪ６で振動する。そして、検出装置１０は、制御部７が式（１）により実加速度αＴＪ６（αＴＪ６＝ｇ）を推論し、さらに、式（３）により傾斜角度θＪ６（θＪ６＝０）を推論し、次に、式（４）により移動加速度αＪ６（αＪ６＝０）を推論する。
【００４５】
次に、自動車１００は、水平かつ直線の路面１０１において、時刻Ｊ７から時刻Ｊ８まで、速度ｖ６の状態から等加速度で減速し停止する。この間、振り子本体４１は、式（２）により算出された角度βＪ７をセンターとして、振動周期ＴＪ７で振動する。そして、検出装置１０は、制御部７が式（１）により振り子４の実加速度αＴＪ７を推論し、さらに、式（３）により傾斜角度θＪ７（θＪ７＝０）を推論し、次に、式（４）により移動加速度αＪ７を推論する。
【００４６】
次に、自動車１００が、水平かつ直線の路面１０１において、時刻Ｊ８に停止すると、振り子本体４１は、式（２）により算出された角度βＪ８（βＪ８＝０）をセンターとして、振動周期ＴＪ８（ＴＪ８＝Ｔ´）で振動しやがて停止する。
【００４７】
このように、本実施形態の移動体の傾斜角度・加速度検出装置１０によれば、振り子型センサ１の振り子４の振動周期と角度を検出するだけで、移動体が移動している移動面の傾斜角度及び移動体の移動加速度を推論することができる。すなわち、加速度センサを設けなくてもすむので、製造費用のコストダウンを図ることができるとともに、傾斜角度・加速度検出装置１０を小型化及び軽量化することができる。
【００４８】
［第二実施形態］
図６は、本発明の第二実施形態にかかるにかかる移動体の傾斜角度・加速度検出装置の構成を説明する概略構成図を示している。
同図において、傾斜角度・加速度検出装置１０ａ（適宜、検出装置１０ａと略称する。）は、振り子型センサ１ａ（適宜、センサ１ａと略称する。）と制御部７とからなっている。
【００４９】
本実施形態は、第一実施形態と比較して、振り子４の回転角の検出手段５及び加振手段６の構造が相違する。
すなわち、第一実施形態では、永久磁石からなる振り子本体４１と磁気センサ５１からなる検出手段で振り子４の回転角を検出していたのに対し、本実施形態の検出手段５は、回転軸３に連結され周縁部に磁気信号が書き込まれたディスク５２と、このディスク５２の磁気信号を検出する磁気センサ５３とからなっている。なお、ディスク５２には、振り子４の角度に応じて識別可能な磁気信号が書き込まれており、磁気センサ５３が上記磁気信号を検出することにより、振り子４の回転角を検出することができる。
【００５０】
また、第一実施形態では、特別な加振手段を備えていないのに対し、磁性材料からなる振り子本体４１ａの外周部に配設された一又は二以上の電磁石からなる加振手段６が設けられており、この加振手段６は、制御部７から加振信号を入力すると、瞬間的に吸引力を発生させ、振り子４を強制的に振動させる。
なお、加振手段６は、静止状態にある振り子４を振動させる手段であればよく、上記構成に限定されるものではない。
また、制御部７は、振り子４が振動していないとき、必要に応じて加振手段６に加振信号を出力し、振り子４を振動させることができる。
その他の構成は、上記第一実施形態の検出装置１０とほぼ同様としてある。
【００５１】
このように、本実施形態の検出装置１０によれば、走行しているにもかかわらず自動車１００がほとんど振動せず、振り子本体４１ａが静止しているとき、加振手段６により振り子本体４１ａを強制的に振動させることができるので、振り子本体４１ａが振動しないために、実加速度αＴを推論することができないといった不具合を確実に回避することができる。
また、エンジンを始動したとき、自動車１００がほとんど振動せず、振り子本体４１ａが静止したままの場合には、加振手段６により振り子本体４１ａを振動させることができ、重力加速度ｇを推論することができないといった不具合を回避することができる。
なお、磁気センサ５３と加振手段６が離れているので、加振手段６を作動させても、磁気センサ５３が、加振手段６の磁気を検出することはない。
【００５２】
本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態により何ら限定されるものではない。
例えば、上記の実施形態では、移動体が移動している移動面の傾斜角度及び移動体の移動加速度の両方を推論する構成としてあるが、この構成に限定されるものではなく、たとえば、傾斜角度のみを推論する構成としてもよい。
【００５３】
【発明の効果】
上述したように、本発明にかかる移動体の傾斜角度・加速度検出装置によれば、加速度を検出する加速度センサを備えなくても、振り子型センサの振り子の振動周期から振り子の実加速度を推論することにより、移動体が移動している移動面の傾斜角度及び加速度を推論することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明にかかる振り子型センサによる傾斜角度及び加速度検出装置の構成を説明する概略構成図を示している。
【図２】図２は、第一実施形態の制御部における、傾斜角度と移動加速度を推論する各推論部の構成を説明する演算ブロック図を示している。
【図３】図３は、本発明にかかる振り子型センサによる傾斜角度及び加速度検出装置の使用状況を説明する概略側面図を示している。
【図４】図４は、本発明にかかる移動体の傾斜角度・加速度検出装置における傾斜角度及び移動加速度の推論を説明する概略グラフを示している。
【図５】図５は、本発明にかかる振り子型センサの振動状況を説明するための、概略モデル図を示している。
【図６】図６は、本発明の第二実施形態にかかるにかかる移動体の傾斜角度・加速度検出装置の構成を説明する概略構成図を示している。
【符号の説明】
１，１ａ 振り子型センサ
２ 筐体
３ 回転軸
４ 振り子
５ 検出手段
６ 加振手段
７ 制御部
１０，１０ａ 傾斜角度及び加速度検出装置
２１ ねじ
２２，２３ ケース
４１，４１ａ 振り子本体
４２ アーム
５１ 磁気センサ
５２ ディスク
５３ 磁気センサ
７１ 演算処理手段
７２ 記憶手段
１００ 自動車
１０１ 路面
７１１ 検出信号入力部
７１２ バンドパスフィルター
７１３ 振り子周期計測部
７１４ 実加速度推論部
７１５ ローパスフィルター
７１６ 振り子の角度推論部
７１７ 傾斜角度推論部
７１８ 移動加速度推論部
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動体の傾斜角度・加速度検出装置に関し、特に、車両，船舶，航空機等の移動体に取り付けられ、振り子の振動周期及び振り子の角度から、移動体が移動する移動面の傾斜角度及び移動加速度を推論することを可能とした移動体の傾斜角度・加速度検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、走行中の車両から道路の傾斜角度を検出し、さらに、移動加速度をも検出することの可能な傾斜角度及び加速度検出装置が開発されてきた。
この装置は、一般的に、移動加速度あるいは実加速度（実際に移動体に作用している加速度をいい、地上では、移動加速度と重力加速度を合成した加速度となる。）を検出するストレーンゲージ等からなる加速度センサと、振り子型の傾斜角度検出センサとで構成されていた。
また、上記加速度センサと振り子型の勾配角度検出センサを一体的に組合せた傾斜角度及び加速度検出装置も開発されてきた。
【０００３】
たとえば、走行中の車両に取り付けられた状態で、道路の勾配角度と走行加速度の両方を検出することを可能とした、振り子型の勾配角度／加速度センサがある（例えば、特許文献１参照）。
この勾配角度／加速度センサは、重力によりおもりが回転する角度を検出する第１センサ（傾斜角度検出センサ）と、重力及び車両の加速度によりおもりが受ける加速度を検出する第２センサ（加速度センサ）により、走行中の道路の勾配角度と車両の走行加速度の両方を同時に検出することができる。
このような技術を利用すると、走行中の道路の傾斜角度と道路に沿った車両の走行加速度の両方を検出し、これらをアンチロックブレーキシステム、自動変速機及び電子制御ブレーキシステムに送信することが可能となり、より安全で快適な走行を実現することができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０６−２０１３８０号公報（請求項（１），図２）
【０００５】
しかしながら、上記勾配角度／加速度センサは、加速度を検出する第二のセンサを備える必要があり、部品費用のコストダウンを図ることができないといった問題があった。
また、走行中の道路勾配及び走行加速度を検出するには、走行加速度又は実加速度を検出する加速度センサと傾斜角度検出センサが不可欠であり、これら二つのセンサを設けることにより、小型化及び軽量化の要望に応えることができないといった問題もあった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の問題点にかんがみてなされたもので、加速度を検出する加速度センサを備えなくても、振り子型センサの振り子の振動周期から振り子の実加速度を推論することにより、移動体が移動している移動面の傾斜角度及び移動加速度を推論することを可能とする移動体の傾斜角度・加速度検出装置の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の移動体の傾斜角度検出装置は、移動体に取り付けられ、かつ、筐体，回転軸を介して前記筐体に回転自在に取り付けられた振り子，及び，この振り子の振動周期と角度を検出する検出手段を有する振り子型センサと、この振り子型センサからの前記振り子の振動周期と角度にもとづいて、前記移動体が移動している移動面の傾斜角度及び前記移動体の加速度を推論する演算手段を有する制御部とを具備し、前記制御部が、前記振り子の振動周期から振り子の実加速度を推論し、前記振り子のピーク角度から振り子の角度を推論し、前記振り子の実加速度及び振り子の角度を用いて、前記移動体が移動している移動面の傾斜角度を推論する構成としてある。
このようにすると、振り子の振動周期から振り子の実加速度を推論でき、加速度センサを設けなくても、移動面の傾斜角度を推論することができる。
【０００８】
また、本発明の移動体の傾斜角度・加速度検出装置は、移動体に取り付けられ、かつ、筐体，回転軸を介して前記筐体に回転自在に取り付けられた振り子，及び，この振り子の振動周期と角度を検出する検出手段を有する振り子型センサと、この振り子型センサからの前記振り子の振動周期と角度にもとづいて、前記移動体が移動している移動面の傾斜角度及び前記移動体の加速度を推論する演算手段を有する制御部とを具備し、前記制御部が、前記振り子の振動周期から振り子の実加速度を推論し、前記振り子のピーク角度から振り子の角度を推論し、前記振り子の実加速度及び振り子の角度を用いて、前記移動体が移動している移動面の傾斜角度を推論し、前記振り子の実加速度，振り子の角度及び移動面の傾斜角度を用いて、前記移動体の移動加速度を推論する構成としてある。
このようにすると、振り子型センサの振り子の振動周期と角度を検出するだけで、移動体が移動している移動面の傾斜角度及び移動体の移動加速度を推論することができる。すなわち、加速度センサを設けなくてもすむので、製造費用のコストダウンを図ることができるとともに、傾斜角度及び加速度検出装置の小型化及び軽量化を図ることができる。
【０００９】
また、本発明の移動体の傾斜角度・加速度検出装置は、前記振り子の実加速度を、下記振り子の実加速度推論式（式（１））を用いて推論し、前記振り子の角度を、下記振り子の角度推論式（式（２））を用いて推論し、前記移動面の傾斜角度を、下記傾斜角度推論式（式（３））を用いて推論し、前記移動体の移動加速度を、下記移動加速度推論式（式（４））を用いて推論した構成としてある。
（振り子の実加速度推論式）
αＴ＝４π２（Ｌ＋Ｒ２／２Ｌ）／Ｔ２ 式（１）
ただし、
αＴ：振り子の実加速度［ｍ／ｓ２］
Ｌ：振り子の長さ［ｍ］
Ｒ：円板状の振り子本体の半径［ｍ］
Ｔ：振り子の振動周期［ｓ］
（振り子の角度推論式）
β＝（βｉ＋βｉ ＋ １）／２ 式（２）
ただし、
β：振り子の角度［°］
βｉ：振動中の振り子のｉ（自然数）番目のピーク角度［°］
（傾斜角度推論式）
θ＝ｃｏｓ−１（（αＴ／ｇ）ｃｏｓβ） 式（３）
ただし、
θ：傾斜角度［°］
αＴ：振り子の実加速度［ｍ／ｓ２］
ｇ：重力加速度［ｍ／ｓ２］
β：振り子の角度［°］
（移動加速度推論式）
α＝（−αＴｓｉｎβ＋ｇｓｉｎθ） 式（４）
ただし、
α：移動加速度［ｍ／ｓ２］
αＴ：振り子の実加速度［ｍ／ｓ２］
β：振り子の角度［°］
ｇ：重力加速度［ｍ／ｓ２］
θ：傾斜角度［°］
このように、振り子の振動周期から実加速度を求めることにより、加速度センサを設けなくても、傾斜角度及び加速度を推論することができる。
【００１０】
また、本発明の移動体の傾斜角度・加速度検出装置は、前記式（１）において使用される４π２（Ｌ＋Ｒ２／２Ｌ）＝ｋ（定数）を、あらかじめ測定しておく構成としてある。
このようにすると、工場の製造ライン等において定数ｋを精度よく測定し、記憶手段に記録させることができるので、検出精度を向上させることができる。
【００１１】
また、本発明の移動体の傾斜角度・加速度検出装置は、前記振り子を強制的に振動させる加振手段を備えた構成としてある。
このようにすると、振り子が振動していないときでも、強制的に振動させることができるので、振り子に作用する実加速度や重力加速度を常に検出することができる。
【００１２】
また、本発明の移動体の傾斜角度・加速度検出装置は、前記制御部が、前記移動体の停止しているとき、下記の重力加速度推論式（式（５））を用いて、前記式（３），（４）において使用される重力加速度ｇを推論する構成としてある。
（重力加速度推論式）
ｇ＝４π２（Ｌ＋Ｒ２／２Ｌ）／Ｔ´２ 式（５）
ただし、
ｇ：重力加速度［ｍ／ｓ２］
Ｌ：振り子の長さ［ｍ］
Ｒ：円板状の振り子本体の半径［ｍ］
Ｔ´：移動体が停止しているときの振り子の振動周期［ｓ］
【００１３】
また、本発明の振り子型センサによる傾斜角度及び加速度検出装置は、前記制御部が、前記移動体が移動している移動面の傾斜方向及び／又は前記移動体の移動速度にもとづいて、前記傾斜角度を推論する構成としてある。
このように、移動面の傾斜方向の情報を入力すると、移動面の傾斜方向、すなわち、上り斜面なのか、あるいは、下り斜面なのかが決まるので、傾斜角度及び移動加速度をそれぞれ一つに決めることができる。
また、移動体の移動速度にもとづいて、たとえば、推論された二つの移動加速度を用いて、任意時間前の移動速度の実測値から任意時間経過後の移動速度をシミュレーションし、任意時間経過後の移動速度の実測値に対応する移動加速度を真の値として選択することによっても、移動加速度及び傾斜角度をそれぞれ一つに決めることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
［第一実施形態］
図１は、本発明の第一実施形態にかかるにかかる移動体の傾斜角度・加速度検出装置の構成を説明する概略構成図を示している。
同図において、傾斜角度・加速度検出装置１０（適宜、検出装置１０と略称する。）は、振り子型センサ１（適宜、センサ１と略称する。）と制御部７とからなっている。
【００１５】
センサ１は、ねじ２１によって連結されるケース２２及びケース２３からなる、二分割された矩形箱状の筐体２と、このケース２２及びケース２３に回転自在に支持される回転軸３と、円板状の振り子本体４１及びこの振り子本体４１と回転軸３とを連結するアーム４２からなる振り子４と、振り子４の振動周期と角度を検出する磁気センサ５１とからなっている。
【００１６】
振り子４は、イナーシャを算出しやすいように、円板状の振り子本体４１を設けてあるが、振り子本体４１は円板状の形状に限定されるものではない。
また、この実施形態において振り子本体４１は、ネオジム磁石、フェライト磁石、ＳｍＣｏ磁石等の永久磁石で形成され、別体に形成されたアーム４２と接着剤等によって一体的に固着されている。そして、センサ１を車両等に取り付ける際には、振り子本体４１の磁界内に磁気検出素子を主体とした磁気センサ５１を配置し、振り子本体４１が回転軸３を軸として回転したときに、この回転角に応じた検出信号をコントローラ等の制御部７に出力するようにする。
なお、本実施形態では、重力加速度方向を原点（角度０［°］）とし、時計廻り方向を＋方向、反時計廻り方向を−方向としてある。
また、振り子４の回転角を検出する検出手段は、上記振り子本体４１と磁気センサ５１からなる構成に限定されるものではなく、たとえば、光源，光センサ及び回転式エンコーダからなる光学式検出手段や、ポテンシオンメータ及び電極からなる静電容量式検出手段を使用してもよい。
【００１７】
制御部７は、演算処理手段７１と記憶手段７２とからなっている。
演算処理手段７１は、磁気センサ５１から、振り子本体４１の磁気信号を検出した検出信号を入力すると、振り子４の振動周期と角度を算出する。そして、算出した振動周期と角度にもとづいて、後述するように、自動車１００が移動している路面１０１の傾斜角度及び自動車１００の移動加速度を推論し、推論した傾斜角度及び移動加速度を外部出力信号として出力する。
さらに、記憶手段７２は、振り子４の形状によって定まる定数ｋ（＝４π２（Ｌ＋Ｒ２／２Ｌ） ただし、Ｌは振り子の長さ［ｍ］、Ｒは円板状の振り子本体の半径［ｍ］。）を記憶する。
【００１８】
次に、制御部７が路面１０１の傾斜角度θと自動車１００の移動加速度αを推論する手順について、図面を参照して説明する。
図２は、第一実施形態の制御部における、傾斜角度と移動加速度を推論するための各推論部の構成を説明する演算ブロック図を示している。
同図において、制御部７の演算処理手段７１は、検出信号入力部７１１，バンドパスフィルター７１２，振り子周期計測部７１３，実加速度推論部７１４，ローパスフィルター７１５，振り子の角度推論部７１６，傾斜角度推論部７１７，及び移動加速度推論部７１８とからなっている。
【００１９】
検出信号入力部７１１は、振り子型センサ１の磁気センサ５１から振り子本体４１の回転角を検出した検出信号を入力し、バンドパスフィルター７１２に出力する。
バンドパスフィルター７１２は、検出信号に対して振り子４の固有振動数近傍の周波数となる約１０Ｈｚのバンドパスフィルターをかけ、振り子周期計測部７１３に交流の検出信号を出力し、また、ローパスフィルター７１５に直流の検出信号を出力する。
【００２０】
振り子周期計測部７１３は、バンドパスフィルター７１２からの交流の検出信号を入力し、振り子４の振動周期を計測する。
実加速度推論部７１４は、振り子周期計測部７１３から振り子４の振動周期を入力し、さらに、あらかじめ測定され、式（１）において使用されるｋ（定数）＝４π２（Ｌ＋Ｒ２／２Ｌ）を入力し、振り子４の実加速度αＴを推論する。そして、推論した実加速度αＴを傾斜角度推論部７１７及び移動加速度推論部７１８に出力する。
【００２１】
ローパスフィルター７１５は、バンドパスフィルター７１２からの直流の検出信号にローパスフィルターをかけ、振り子の角度推論部７１６に出力する。
振り子の角度推論部７１６は、ローパスフィルター７１５からの検出信号を入力し、振動している振り子４の角度からセンター値を推論し、推論した角度βを傾斜角度推論部７１７及び移動加速度推論部７１８に出力する。
【００２２】
傾斜角度推論部７１７は、入力した実加速度αＴと角度β及び重力加速度ｇを用いて、自動車１００が走行している路面１０１の傾斜角度θを推論する。また、推論した傾斜角度θを移動加速度推論部７１８に出力する。
移動加速度推論部７１８は、入力した実加速度αＴ，角度β及び傾斜角度θと重力加速度ｇを用いて、自動車１００の移動加速度αを推論する。
なお、バンドパスフィルター７１２及びローパスフィルター７１５を設けることにより、検出信号のノイズを低減することができ、傾斜角度θ及び移動加速度αを精度よく推論することができる。
【００２３】
次に、本実施形態の検出装置１０の使用状況について、図面を参照して説明する。
図３は、本発明にかかる移動体の傾斜角度・加速度検出装置の使用状況を説明する概略側面図を示している。
同図において、振り子型センサ１は、移動体である自動車１００に取り付けてあり、この自動車１００は、角度θだけ傾いた路面１０１（移動面）を移動加速度αで加速しながら走行している。
【００２４】
自動車１００が移動加速度αで加速すると、自動車１００に搭載されたセンサ１の振り子４には、加速度−α（加速度−αは、移動加速度αに対して、ベクトル量の向きが反対であることを意味している。）が作用する。
また、振り子４には、路面１０１の傾斜角度θの方向に重力加速度ｇが作用する。したがって、振り子４には、重力加速度ｇに加速度（−α）を合成した実加速度αＴが作用する。また、実加速度αＴの作用する方向（角度）は、センサ１において角度βとなる。
なお、センサ１は、自動車１００の移動方向の加速度を検出するように、移動方向及び重力加速度方向と直交する方向に沿って回転軸３が位置する向きに取り付けられている。
【００２５】
このような構成からなる本実施形態の傾斜角度・加速度検出装置１０は、次のようにして傾斜角度及び移動加速度を推論する。
図４は、本発明にかかる移動体の傾斜角度・加速度検出装置における傾斜角度及び移動加速度の推論を説明する概略グラフを示している。
同図において、自動車１００を走行させる際の、走行速度ｖ［ｍ／ｓ］と時刻に関するグラフと、振り子４の角度βと時刻に関するグラフとを対応させて示してある。
【００２６】
同図において、自動車１００は、水平な路面１０１に停車しており、時刻Ｊ１にエンジンが始動される。
次に、検出装置１０は、制御部７が、自動車１００が停止していることを確認すると、エンジンを始動させた際の振動により自由振動中の振り子本体４１の振動周期Ｔ´を測定し、式（５）により重力加速度ｇを推論する。
【００２７】
次に、式（５）について説明する。
図５は、本発明にかかる振り子型センサの振動状況を説明するための、概略モデル図を示している。
同図において、振り子４は、重力加速度ｇの作用により自由振動している。そして、アーム４２の質量を無視し、回転軸３の摩擦抵抗や空気抵抗が仮に発生しないものとすると、振り子本体４１の振動周期Ｔ´は、式（５´）で表される。
【００２８】
Ｔ´＝２π（（ＭＬ２＋ＭＲ２／２）／（ＭｇＬ））１／２ 式（５´）
ただし、
Ｔ´：移動体が停止しているときの振り子の振動周期［ｓ］
Ｍ：振り子本体の質量［ｋｇ］
Ｌ：振り子の長さ［ｍ］
Ｒ：円板状の振り子本体の半径［ｍ］
ｇ：重力加速度［ｍ／ｓ２］
上記式（５´）から重力加速度ｇを求めると、式（５）となる。
【００２９】
ｇ＝４π２（Ｌ＋Ｒ２／２Ｌ）／Ｔ´２ 式（５）
ただし、
ｇ：重力加速度［ｍ／ｓ２］
Ｌ：振り子の長さ［ｍ］
Ｒ：円板状の振り子本体の半径［ｍ］
Ｔ´：移動体が停止しているときの振り子の振動周期［ｓ］
【００３０】
このようにすると、制御部７は、測定したＴ´を式（５）に代入し演算することにより、重力加速度ｇを推論することができる。
すなわち、地域によって異なる重力加速度ｇに対して、自動車１００の位置に応じて重力加速度ｇを求めることができ、傾斜角度及び移動加速度を推論する際に使用する重力加速後ｇの精度が向上し、傾斜角度及び移動加速度を精度よく推論することができる。
なお、一般的に、自動車１００のエンジンが始動されてから走り始めるまでの間に、重力加速度ｇを推論するが、重力加速度ｇの推論のタイミングはこのタイミングに限定されるものではなく、たとえば、エンジン停止直後に推論し、求めた重力加速度ｇを記憶手段７２に記憶しておく構成としてもよい。
また、自動車１００の位置に応じて重力加速度ｇを推論するといったことを行なわずに、重力加速度ｇとして、通常使用される９．８［ｍ／ｓ２］を用いることもできる。
【００３１】
次に、自動車１００は、水平かつ直線の路面１０１において、時刻Ｊ２に発進し等加速度で時刻Ｊ３まで加速する。この間、振り子本体４１は、振動周期ＴＪ２で振動する。そして、検出装置１０は、制御部７が下記式（１）により振り子４の実加速度αＴＪ２（図示せず）を推論する。
【００３２】
上記のように、自動車１００が発進し等加速度で走行すると、振り子本体４１には、重力加速度ｇとともに、移動加速度αによる加速度（−α）が作用する。
そして、振り子４には、重力加速度ｇに加速度（−α）が合成された実加速度αＴが作用する。この実加速度αＴは、上記式（５）において、重力加速度ｇの代わりに、実加速度αＴを代入すると、下記式（１）となる。
αＴ＝４π２（Ｌ＋Ｒ２／２Ｌ）／Ｔ２ 式（１）
ただし、
αＴ：振り子の実加速度［ｍ／ｓ２］
Ｌ：振り子の長さ［ｍ］
Ｒ：円板状の振り子本体の半径［ｍ］
Ｔ：振り子の振動周期［ｓ］
【００３３】
ところで、式（１）を用いて実加速度αＴを推論するには、振り子本体４１が振動している必要がある。そして、自動車１０をスムースに加速し等加速度で走らせると、振り子本体４１がほとんど振動しない事態も想定されるが、振り子本体４１の振動を抑制する特別なダンパ手段を設けない限り、振り子本体４１を振動させずに走らすことはほぼ不可能である。
したがって、特別な加振手段を設けなくても、振り子本体４１が振動するので、実加速度αＴを算出することができる。
【００３４】
ここで、記憶手段７２に、あらかじめ測定され、式（１）において使用される４π２（Ｌ＋Ｒ２／２Ｌ）＝ｋ（定数）を記憶しておくとよい。
このようにすると、工場の製造ライン等において定数ｋを精度よく測定し、記憶手段７２に記録した定数ｋを使用することができるので、検出精度を向上させることができる。
【００３５】
また、制御部７は、振動している振り子４の角度を、下記式（２）により算出する。
β＝（βｉ＋βｉ ＋ １）／２ 式（２）
ただし、
β：振り子の角度［°］
βｉ：振動中の振り子のｉ（自然数）番目のピーク角度［°］
なお、本実施形態では、振り子本体４１が半サイクル振動するごとに振り子４の角度βＪ２を算出しているが、この算出方法に限定されるものではなく、たとえば、１サイクル振動するごとに振り子４の角度βを算出してもよい。
また、本動作例では、自動車１００が等加速度で加速しているので、振り子４は、式（２）により算出された角度βＪ２をセンターとして振動する。なお、振り子４の角度βは、０［°］から角度βＪ２まで増加してから振動しているが、加速の仕方によっては、振動しながら０［°］から角度βＪ２まで増加する。
【００３６】
次に、制御部７は、式（３）により傾斜角度θＪ２（θＪ２＝０）を推論し、次に、式（４）により移動加速度αＪ２（図示せず）を推論する。
なお、振り子本体４１が１サイクル振動するごとに、傾斜角度θＪ２及び移動加速度αＪ２を推論する。
【００３７】
次に、式（３），（４）について説明する。
自動車１００が、傾斜角度θ（ここでは、θ＝０［°］である。）の路面１０１を走行中に、移動加速度αで加速したとすると、傾斜角度θ，重力加速度ｇ及び実加速度αＴの関係は、図３に示すようになる。
同図において、
αＴｃｏｓβ＝ｇｃｏｓ（θ） 式（３´）
であることから、道路の傾斜角度θは、下記式（３）で求めることができる。
θ＝ｃｏｓ−１（（αＴ／ｇ）ｃｏｓβ） 式（３）
ただし、
θ：傾斜角度［°］
αＴ：振り子の実加速度［ｍ／ｓ２］
ｇ：重力加速度［ｍ／ｓ２］
β：振り子の角度［°］
【００３８】
また、移動加速度αは、下記式（４）で求めることができる。
α＝（−αＴｓｉｎβ＋ｇｓｉｎθ） 式（４）
ただし、
α：移動加速度［ｍ／ｓ２］
αＴ：振り子の実加速度［ｍ／ｓ２］
β：振り子の角度［°］
ｇ：重力加速度［ｍ／ｓ２］
Ｌ：振り子の長さ［ｍ］
θ：傾斜角度［°］
【００３９】
次に、自動車１００は、水平かつ直線の路面１０１において、等加速度で時刻Ｊ３まで加速し速度ｖ３となったところで加速を止め、時刻Ｊ４まで等速度（すなわち、移動加速度αＪ３＝０）で走行する。この間、この間、振り子本体４１は、式（２）により算出された角度βＪ３（βＪ３＝０）をセンターとして、振動周期ＴＪ３で振動する。そして、検出装置１０は、制御部７が式（１）により実加速度αＴＪ３（αＴＪ３＝ｇ）を推論し、さらに、式（３）により傾斜角度θＪ３（θＪ３＝０）を推論し、次に、式（４）により移動加速度αＪ３（αＪ３＝０）を推論する。
【００４０】
次に、自動車１００は、上り方向に傾斜しかつ直線の路面１０１において、時刻Ｊ４から時刻Ｊ５まで、速度ｖ３のまま等速度で走行する。この間、振り子本体４１は、式（２）により算出された角度βＪ４をセンターとして、振動周期ＴＪ４で振動する。そして、検出装置１０は、制御部７が式（１）により実加速度αＴＪ４を推論し、さらに、式（３）により傾斜角度θＪ４を推論し、次に、式（４）により移動加速度αＪ４（αＪ４＝０）を推論する。
【００４１】
次に、自動車１００は、上り方向に傾斜しかつ直線の路面１０１において、時刻Ｊ５から時刻Ｊ６まで等加速度で加速し、時刻Ｊ６には速度ｖ６となる。この間、振り子本体４１は、式（２）により算出された角度βＪ５をセンターとして、振動周期ＴＪ５で振動する。そして、検出装置１０は、制御部７が式（１）により実加速度αＴＪ５を推論し、さらに、式（３）により傾斜角度θＪ５を推論し、次に、式（４）により移動加速度αＪ５を推論する。
【００４２】
ここで、振り子４の実加速度αＴＪ５，角度βＪ５及び重力加速度ｇを推論し、これらを上記式（３）に代入すると、傾斜角度θＪ５として二つの解（＋θＪ５，−θＪ５）が推論され、また、移動加速度αＪ５として二つの解（α＋Ｊ５，α−Ｊ５）が推論される。なお、傾斜角度＋θＪ５を上り勾配とし、傾斜角度−θＪ５を下り勾配としてある。また、移動加速度α＋Ｊ５は、傾斜角度＋θＪ５を式（４）に代入して算出される移動加速度であり、移動加速度α−Ｊ５は、傾斜角度−θＪ５を式（４）に代入して算出される移動加速度である。
このため、制御部７は、自動車１００の移動速度にもとづいて、すなわち、まず、単位時間（Δｔ）前における速度ｖ´に推論された二つの解（α＋Ｊ５，α−Ｊ５）を加算し、単位時間経過後の速度（ｖ´＋α＋Ｊ５×Δｔ，ｖ´＋α−Ｊ５×Δｔ）を算出し、次に、これら二つの速度（ｖ´＋α＋Ｊ５×Δｔ，ｖ´＋α−Ｊ５×Δｔ）を単位時間経過後の実際の速度Ｖと比較し、速度Ｖに近い方の速度の移動加速度を選択することによって、二つの解（α＋Ｊ５，α−Ｊ５）から一つの真の解（αＪ５）を推論することができる。
このように、二つの移動加速度（α＋Ｊ５，α−Ｊ５）が推論された場合であっても、任意時間前の移動速度の実測値から任意時間経過後の移動速度をシミュレーションし、任意時間経過後の移動速度の実測値に対応する移動加速度を選択することによって、真の移動加速度及び傾斜角度をそれぞれ一つに決めることができる。
【００４３】
なお、制御部７が、自動車１００が移動している路面１０１の傾斜方向（上り方向又は下り方向）を、カーナビゲーションシステム等により入力されるときは、入力された傾斜方向にもとづいて、推論された二つの解（＋θＪ５，−θＪ５）からいずれか一つを選択する構成としてもよい。このように、外部情報を利用することによっても、路面１０１の傾斜方向が決まるので、傾斜角度（＋θＪ５，−θＪ５）及び移動加速度（α＋Ｊ５，α−Ｊ５）をそれぞれ一つに決めることができる。
【００４４】
次に、自動車１００は、水平かつ直線の路面１０１において、時刻Ｊ６から時刻Ｊ７まで、速度ｖ６のまま等速度で走行する。この間、振り子本体４１は、式（２）により算出された角度βＪ６（βＪ６＝０）をセンターとして、振動周期ＴＪ６で振動する。そして、検出装置１０は、制御部７が式（１）により実加速度αＴＪ６（αＴＪ６＝ｇ）を推論し、さらに、式（３）により傾斜角度θＪ６（θＪ６＝０）を推論し、次に、式（４）により移動加速度αＪ６（αＪ６＝０）を推論する。
【００４５】
次に、自動車１００は、水平かつ直線の路面１０１において、時刻Ｊ７から時刻Ｊ８まで、速度ｖ６の状態から等加速度で減速し停止する。この間、振り子本体４１は、式（２）により算出された角度βＪ７をセンターとして、振動周期ＴＪ７で振動する。そして、検出装置１０は、制御部７が式（１）により振り子４の実加速度αＴＪ７を推論し、さらに、式（３）により傾斜角度θＪ７（θＪ７＝０）を推論し、次に、式（４）により移動加速度αＪ７を推論する。
【００４６】
次に、自動車１００が、水平かつ直線の路面１０１において、時刻Ｊ８に停止すると、振り子本体４１は、式（２）により算出された角度βＪ８（βＪ８＝０）をセンターとして、振動周期ＴＪ８（ＴＪ８＝Ｔ´）で振動しやがて停止する。
【００４７】
このように、本実施形態の移動体の傾斜角度・加速度検出装置１０によれば、振り子型センサ１の振り子４の振動周期と角度を検出するだけで、移動体が移動している移動面の傾斜角度及び移動体の移動加速度を推論することができる。すなわち、加速度センサを設けなくてもすむので、製造費用のコストダウンを図ることができるとともに、傾斜角度・加速度検出装置１０を小型化及び軽量化することができる。
【００４８】
［第二実施形態］
図６は、本発明の第二実施形態にかかるにかかる移動体の傾斜角度・加速度検出装置の構成を説明する概略構成図を示している。
同図において、傾斜角度・加速度検出装置１０ａ（適宜、検出装置１０ａと略称する。）は、振り子型センサ１ａ（適宜、センサ１ａと略称する。）と制御部７とからなっている。
【００４９】
本実施形態は、第一実施形態と比較して、振り子４の回転角の検出手段５及び加振手段６の構造が相違する。
すなわち、第一実施形態では、永久磁石からなる振り子本体４１と磁気センサ５１からなる検出手段で振り子４の回転角を検出していたのに対し、本実施形態の検出手段５は、回転軸３に連結され周縁部に磁気信号が書き込まれたディスク５２と、このディスク５２の磁気信号を検出する磁気センサ５３とからなっている。なお、ディスク５２には、振り子４の角度に応じて識別可能な磁気信号が書き込まれており、磁気センサ５３が上記磁気信号を検出することにより、振り子４の回転角を検出することができる。
【００５０】
また、第一実施形態では、特別な加振手段を備えていないのに対し、磁性材料からなる振り子本体４１ａの外周部に配設された一又は二以上の電磁石からなる加振手段６が設けられており、この加振手段６は、制御部７から加振信号を入力すると、瞬間的に吸引力を発生させ、振り子４を強制的に振動させる。
なお、加振手段６は、静止状態にある振り子４を振動させる手段であればよく、上記構成に限定されるものではない。
また、制御部７は、振り子４が振動していないとき、必要に応じて加振手段６に加振信号を出力し、振り子４を振動させることができる。
その他の構成は、上記第一実施形態の検出装置１０とほぼ同様としてある。
【００５１】
このように、本実施形態の検出装置１０によれば、走行しているにもかかわらず自動車１００がほとんど振動せず、振り子本体４１ａが静止しているとき、加振手段６により振り子本体４１ａを強制的に振動させることができるので、振り子本体４１ａが振動しないために、実加速度αＴを推論することができないといった不具合を確実に回避することができる。
また、エンジンを始動したとき、自動車１００がほとんど振動せず、振り子本体４１ａが静止したままの場合には、加振手段６により振り子本体４１ａを振動させることができ、重力加速度ｇを推論することができないといった不具合を回避することができる。
なお、磁気センサ５３と加振手段６が離れているので、加振手段６を作動させても、磁気センサ５３が、加振手段６の磁気を検出することはない。
【００５２】
本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態により何ら限定されるものではない。
例えば、上記の実施形態では、移動体が移動している移動面の傾斜角度及び移動体の移動加速度の両方を推論する構成としてあるが、この構成に限定されるものではなく、たとえば、傾斜角度のみを推論する構成としてもよい。
【００５３】
【発明の効果】
上述したように、本発明にかかる移動体の傾斜角度・加速度検出装置によれば、加速度を検出する加速度センサを備えなくても、振り子型センサの振り子の振動周期から振り子の実加速度を推論することにより、移動体が移動している移動面の傾斜角度及び加速度を推論することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明にかかる振り子型センサによる傾斜角度及び加速度検出装置の構成を説明する概略構成図を示している。
【図２】図２は、第一実施形態の制御部における、傾斜角度と移動加速度を推論する各推論部の構成を説明する演算ブロック図を示している。
【図３】図３は、本発明にかかる振り子型センサによる傾斜角度及び加速度検出装置の使用状況を説明する概略側面図を示している。
【図４】図４は、本発明にかかる移動体の傾斜角度・加速度検出装置における傾斜角度及び移動加速度の推論を説明する概略グラフを示している。
【図５】図５は、本発明にかかる振り子型センサの振動状況を説明するための、概略モデル図を示している。
【図６】図６は、本発明の第二実施形態にかかるにかかる移動体の傾斜角度・加速度検出装置の構成を説明する概略構成図を示している。
【符号の説明】
１，１ａ 振り子型センサ
２ 筐体
３ 回転軸
４ 振り子
５ 検出手段
６ 加振手段
７ 制御部
１０，１０ａ 傾斜角度及び加速度検出装置
２１ ねじ
２２，２３ ケース
４１，４１ａ 振り子本体
４２ アーム
５１ 磁気センサ
５２ ディスク
５３ 磁気センサ
７１ 演算処理手段
７２ 記憶手段
１００ 自動車
１０１ 路面
７１１ 検出信号入力部
７１２ バンドパスフィルター
７１３ 振り子周期計測部
７１４ 実加速度推論部
７１５ ローパスフィルター
７１６ 振り子の角度推論部
７１７ 傾斜角度推論部
７１８ 移動加速度推論部
Claims (7)
- 移動体に取り付けられ、かつ、筐体，回転軸を介して前記筐体に回転自在に取り付けられた振り子，及び，この振り子の振動周期と角度を検出する検出手段を有する振り子型センサと、
この振り子型センサからの前記振り子の振動周期と角度にもとづいて、前記移動体が移動している移動面の傾斜角度及び前記移動体の加速度を推論する演算手段を有する制御部と
を具備し、
前記制御部が、
前記振り子の振動周期から振り子の実加速度を推論し、
前記振り子のピーク角度から振り子の角度を推論し、
前記振り子の実加速度及び振り子の角度を用いて、前記移動体が移動している移動面の傾斜角度を推論することを特徴とする移動体の傾斜角度検出装置。 - 移動体に取り付けられ、かつ、筐体，回転軸を介して前記筐体に回転自在に取り付けられた振り子，及び，この振り子の振動周期と角度を検出する検出手段を有する振り子型センサと、
この振り子型センサからの前記振り子の振動周期と角度にもとづいて、前記移動体が移動している移動面の傾斜角度及び前記移動体の加速度を推論する演算手段を有する制御部と
を具備し、
前記制御部が、
前記振り子の振動周期から振り子の実加速度を推論し、
前記振り子のピーク角度から振り子の角度を推論し、
前記振り子の実加速度及び振り子の角度を用いて、前記移動体が移動している移動面の傾斜角度を推論し、
前記振り子の実加速度，振り子の角度及び移動面の傾斜角度を用いて、前記移動体の移動加速度を推論することを特徴とする移動体の傾斜角度・加速度検出装置。 - 前記振り子の実加速度を、下記振り子の実加速度推論式（式（１））を用いて推論し、前記振り子の角度を、下記振り子の角度推論式（式（２））を用いて推論し、前記移動面の傾斜角度を、下記傾斜角度推論式（式（３））を用いて推論し、前記移動体の移動加速度を、下記移動加速度推論式（式（４））を用いて推論したことを特徴とする請求項１又は２記載の移動体の傾斜角度・加速度検出装置。
（振り子の実加速度推論式）
αＴ＝４π２（Ｌ＋Ｒ２／２Ｌ）／Ｔ２ 式（１）
ただし、
αＴ：振り子の実加速度［ｍ／ｓ２］
Ｌ：振り子の長さ［ｍ］
Ｒ：円板状の振り子本体の半径［ｍ］
Ｔ：振り子の振動周期［ｓ］
（振り子の角度推論式）
β＝（βｉ＋βｉ ＋ １）／２ 式（２）
ただし、
β：振り子の角度［°］
βｉ：振動中の振り子のｉ（自然数）番目のピーク角度［°］
（傾斜角度推論式）
θ＝ｃｏｓ−１（（αＴ／ｇ）ｃｏｓβ） 式（３）
ただし、
θ：傾斜角度［°］
αＴ：振り子の実加速度［ｍ／ｓ２］
ｇ：重力加速度［ｍ／ｓ２］
β：振り子の角度［°］
（移動加速度推論式）
α＝（−αＴｓｉｎβ＋ｇｓｉｎθ） 式（４）
ただし、
α：移動加速度［ｍ／ｓ２］
αＴ：振り子の実加速度［ｍ／ｓ２］
β：振り子の角度［°］
ｇ：重力加速度［ｍ／ｓ２］
θ：傾斜角度［°］ - 前記式（１）において使用される４π２（Ｌ＋Ｒ２／２Ｌ）＝ｋ（定数）を、あらかじめ測定しておくことを特徴とする請求項３記載の移動体の傾斜角度・加速度検出装置。
- 前記振り子を強制的に振動させる加振手段を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の移動体の傾斜角度・加速度検出装置。
- 前記制御部が、前記移動体の停止しているとき、下記の重力加速度推論式（式（５））を用いて、前記式（３），（４）において使用される重力加速度ｇを推論することを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の移動体の傾斜角度・加速度検出装置。
（重力加速度推論式）
ｇ＝４π２（Ｌ＋Ｒ２／２Ｌ）／Ｔ´２ 式（５）
ただし、
ｇ：重力加速度［ｍ／ｓ２］
Ｌ：振り子の長さ［ｍ］
Ｒ：円板状の振り子本体の半径［ｍ］
Ｔ´：移動体が停止しているときの振り子の振動周期［ｓ］ - 前記制御部が、前記移動体が移動している移動面の傾斜方向及び／又は前記移動体の移動速度にもとづいて、前記傾斜角度を推論することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の移動体の傾斜角度・加速度検出装置。
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|---|---|---|---|
| JP2003176217A JP4192045B2 (ja) | 2003-06-20 | 2003-06-20 | 移動体の傾斜角度及び傾斜角度・加速度検出装置 |
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| JP2003176217A JP4192045B2 (ja) | 2003-06-20 | 2003-06-20 | 移動体の傾斜角度及び傾斜角度・加速度検出装置 |
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|---|---|
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014163245A1 (ko) * | 2013-04-05 | 2014-10-09 | (주) 유원컴텍 | 비어홀이 구비된 3 차원 모션 센서 |
-
2003
- 2003-06-20 JP JP2003176217A patent/JP4192045B2/ja not_active Expired - Fee Related
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