JP2007003395A - 軸ずれ角推定装置および軸ずれ角推定方法 - Google Patents

軸ずれ角推定装置および軸ずれ角推定方法 Download PDF

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Abstract

【課題】自速度の検出を不要とし、従来装置よりも演算量を削減してテーラー展開を用いずに軸ずれ角を推定することができる軸ずれ角推定装置および軸ずれ角推定方法を得る
【解決手段】複数のレーダ反射体のそれぞれについて相対速度と方位角度とを含む観測データを検知する検知手段110と、複数のレーダ反射体のそれぞれについて検知した観測データに基づいてベクトル演算による最小二乗法によりレーダのオフセット角推定値を算出する演算手段120とを備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、電波、音波や光波を用いたレーダ、ソナー、レーザレーダ等のアライメントオフセット角の設置誤差である軸ずれ角を推定する軸ずれ角推定装置および軸ずれ角推定方法に関する。
従来の軸ずれ角推定装置は、反射物の相対速度qmとともに、別途用意した自速度センサの出力する自速度データVmを使用するものがある。そして、相対速度qmをその時刻の自速度センサ出力Vmで除した速度比(qm/Vm)を観測値とし、直接には、自速度誤差比Aとオフセット角φを未知パラメータと捉え、下式の連立方程式より2つの未知パラメータ[A、φ]を推定する(例えば、特許文献1参照)。なお、このφが求めたいオフセット角に相当する。
Figure 2007003395
特開2002−228749号公報(第1頁、図1)
しかしながら、従来技術には次のような課題がある。従来の軸ずれ角推定装置は、オフセット角を推定演算するために、レーダ等で観測する反射物の相対速、到来角の観測データだけでなく、車速センサの出力する各観測時毎の車速データも必要とする。しかも、一般に、レーダ等の角度サーチ範囲は、広く取れないため、反射体の角度による相対速の変化は、数km/時しかない(すなわち、cos(θm−φ)の振れ幅は小さい)。よって、各観測時毎の車速データには、高い安定性が要求される。
また、従来の軸ずれ角推定装置は、オフセット角を十分な精度で推定演算するために、レーダ等で観測する反射物の観測データを多数用いて、最小二乗法で[A、φ]を解く必要がある。このため、テーラー展開を用いた多次元行列による演算を行うことになり、多数の観測データを用いる推定処理では演算量が多くなる問題が存在する。さらに、この演算量の増加に伴って、ハードウェア規模が増大する点も問題となる。
本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、自速度の検出を不要とし、従来装置よりも演算量を削減してテーラー展開を用いずに軸ずれ角を推定することができる軸ずれ角推定装置および軸ずれ角推定方法を得ることを目的とする。
本発明に係る軸ずれ角推定装置は、複数のレーダ反射体のそれぞれについて相対速度と方位角度とを含む観測データを検知する検知手段と、複数のレーダ反射体のそれぞれについて検知した観測データに基づいてベクトル演算による最小二乗法によりレーダのオフセット角推定値を算出する演算手段とを備えたものである。
また、本発明に係る軸ずれ角推定方法は、複数のレーダ反射体のそれぞれについて相対速度と方位角度とを含む観測データを検知するステップと、観測データに含まれる相対速度を観測データに含まれる方位角度を用いてレーダ軸方向に沿った軸速度に換算し、換算した軸速度と方位角度とを含む軸速度対応データを生成し、生成した軸速度対応データに基づいてベクトル演算による最小二乗法を用いてレーダのオフセット角推定値を算出するステップとを備えたものである。
本発明によれば、車速とオフセット角を未知パラメータと捉え、複数のレーダ反射体のそれぞれについて得られた相対速度と方位角度とを含む観測データに基づいてベクトル演算による最小二乗法によりレーダのオフセット角推定値を算出することにより、自速度の検出を不要とし、従来装置よりも演算量を削減してテーラー展開を用いずに軸ずれ角を推定することができる軸ずれ角推定装置および軸ずれ角推定方法を得ることができる。
以下、本発明の軸ずれ角推定装置および軸ずれ角推定方法の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
本発明の軸ずれ角推定装置は、自速度Vmを使用せずに、反射物相対速度qmのみを観測値として使用して、オフセット角φを未知パラメータと捉え、下式(2)の連立方程式より未知パラメータφを推定することにより、車速vに依存せず、テーラー展開を用いないベクトル演算を実施し、演算量を抑えた設置オフセット角の推定を実現することを特徴とする。
Figure 2007003395
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1における軸ずれ角推定装置の構成図である。図1の軸ずれ角推定装置100は、検知手段110および演算手段120で構成される。さらに、演算手段120は、軸速度演算手段121およびベクトル最小二乗演算手段122で構成される。
レーダ1は、反射点m(m=1、2、・・・、M)からのエコーの入射角θmと、エコーのドップラー周波数などから得られる相対速度qmとの対からなるM個の反射点の観測データ{qm、θm}(m=1、2、・・・、M)を観測する。
レーダの移動方向とレーダ基準方向とのなす角であるφは、レーダオフセット角の真値である。また、軸ずれ角推定装置100で演算により求められるφ(ハット)は、レーダオフセット角の推定値を意味する。ここで、以降の説明において、(ハット)と記載したものは、その前の文字の上に∧が付された文字を意味し、推定値を表すものとする。
ここで、レーダ1の自速度をvとすると、相対速度qmは、図1に示したように、v×cos(θm−φ)で表される。
これに対して、軸ずれ角推定装置100内の検知手段110は、ある時刻におけるM個の観測データ{qm、θm}をレーダ1から取得する。さらに、演算手段120は、M個の観測データ{qm、θm}に基づいて、テーラー展開を行わずに、ベクトル演算のみによる最小二乗法によりレーダのオフセット角推定値を算出する。
図2は、本発明の実施の形態1におけるある時刻のM個の観測データ{qm、θm}の分布を示した図である。検知手段110により、ある時刻において得られるM個の観測データ{qm、θm}(m=1、2、・・・、M)は、この図2のように分布する。ここで、速度qmを生成する自速度vがレーダ基準方向に沿っていると仮定した場合における、その軸上での速度値を軸速度ξ(θm)と定義すると、軸速度ξ(θm)は、次式(3)で表すことができる。
Figure 2007003395
軸速度演算手段121は、式(3)の関係から、軸速度ξ(θm)を算出する。図3は、本発明の実施の形態1における角度θに対する軸速度ξ(θm)の分布を示した図である。この軸速度ξ(θm)は、図3に示すように、角度θに対して直線状に分布し、角度θによる偏微分は、一般に、次式(4)となる。なお、軸速度演算手段121により算出された軸速度ξ(θm)とθmからなるデータ{ξ(θm)、θm}を、以下の説明では軸速度対応データと呼ぶ。
Figure 2007003395
レーダ1の前方から得られる観測データ{qm、θm}においては、式(4)中のsin(φ)が支配的な特性を有する。レーダ1のオフセット角が存在しない場合、すなわちθ=0の場合には、偏微分δξ(θ)/δθ=0となる。よって、軸速度ξ(θm)の角度θによる偏微分値を零とする補正量φ(ハット)を推定する。
離散的に得られる観測データ{qm、θm}から偏微分値を得ることは困難である。そこで、ベクトル最小二乗演算手段122は、軸速度対応データ{ξ(θm)、θm}における軸速度近似直線の傾きxを、次式(5)の最小二乗法から算出し、偏微分値を代用する。ここで、式(5)のベクトルθは、式(6)で表され、さらに、式(6)の平均角度であるθ(バー)は、式(7)で表される。また、式(5)のベクトルξは、式(8)で表され、さらに、式(8)の平均軸速度であるξ(バー)は、式(9)で表される。
Figure 2007003395
以降の説明において、(バー)と記載したものは、その前の文字の上に−が付された文字を意味し、平均値を表すものとする。なお、式(5)は、ベクトル演算のみの最小二乗法であるため、テーラー展開による行列を用いた最小二乗推定方法の演算量と比較して40%以下となる。
さらに、ベクトル最小二乗演算手段122は、M個の軸速度対応データ{ξ(θm)、θm}、および式(5)により求められた傾きxから、軸速度ξ(θ)の切片ξ(0)を、次式(10)で得ることができる。
Figure 2007003395
ここで、x/ξ(0)は、次式(11)の関係から。tanφに等しいこととなる。
Figure 2007003395
したがって、ベクトル最小二乗演算手段122は、補正量φ(ハット)の直接的な推定を、次式(12)を用いて行うことができる。
Figure 2007003395
なお、傾きxは、近似値であるため、式(5)と式(12)を反復計算することにより、補正量φ(ハット)の精度を高めることが有効である。具体的には、軸速度演算手段121は、式(12)で算出された補正量φ(ハット)により、M個の入射角θmを補正し、補正後の入射角θmを求める。
さらに、軸速度演算手段121は、補正後の入射角θmに対応する補正後の軸速度ξ(θm)を求め、補正後の軸速度対応データを得る。そして、ベクトル最小二乗演算手段122は、M個の補正後の軸速度対応データ{ξ(θm)、θm}を用いて、式(5)により補正後の傾きxを求める。
さらに、ベクトル最小二乗演算手段122は、M個の補正後の軸速度対応データ{ξ(θm)、θm}と、式(5)により求めた補正後の傾きxから、式(10)〜式(12)を用いて、新たな補正量φ(ハット)を求めることとなる。
演算手段120は、軸速度演算手段121およびベクトル最小二乗演算手段122による上述の一連の処理を繰り返すことにより、補正量φ(ハット)の精度を高めることが可能となる。演算手段120は、例えば、あらかじめ決められた所定回数だけ処理を繰り返すことにより、あるいは、補正量φハットの前回値と今回値との差が許容範囲内に収まるまで処理を繰り返すことにより、推定精度の向上を図ることができる。
また、演算手段120は、ある時間帯k(k=1、・・・、K)におけるそれぞれの観測データに基づいて、K個の補正量φ(ハット)(k)(k=1、・・・、K)を求め、それらの平均により最終的な補正量φ(バー)を決めることも可能である。
さらに、演算手段120は、時間帯kに渡ってK個の補正量φ(ハット)(k)を求める場合には、前回の時間帯k−1で求まった補正量φ(ハット)(k−1)を初期値として、今回の時間帯kにおける補正量φ(ハット)(k)を算出することにより、収束を早めて演算の繰り返し回数を低減することができる。
また、このように、前回の時間帯で求まった補正量を今回の補正量算出時の初期値として活用することにより、時間帯に応じて、あらかじめ決められた所定回数を徐々に減らしていくことも可能である。
以上のように、実施の形態1によれば、換算した軸速度に基づいて、軸速度近似直線の傾きを利用することにより、テーラー展開を用いずに低演算量でオフセット角推定を行うことができる。さらに、自速度センサまたはその接続線を設置する必要がなく、装置全体として低価格で軽量、コンパクトにすることができ、機器設置の制約を少なくすることができる。
実施の形態2.
本実施の形態2は、実施の形態1における演算手段120の変形例について説明する。実施の形態1では、傾きxからオフセット角φを求める場合について説明した。本実施の形態2では、式(4)の偏微分値δξ(θ)/δθの符号を基準に用い、あらかじめ設定した方位角度補正量であるΔφだけオフセット角を更新していくことによりオフセット角を推定する方法について説明する。軸ずれ角推定装置100の構成は、実施の形態1で示した図1の構成と同様である。
偏微分値δξ(θ)/δθは、オフセット角φの符号によって正負が決まる。式(4)において、分母は、cos(θ)≧0であり、分子sin(φ)の正負は、レーダ軸ずれ角の真値が移動方向の左右どちらにあるかで決まるためである。また、式(5)で得られる近似直線の傾きxも同様である。オフセット角の真値は、偏微分値δξ(θ)/δθないし傾きxの符号が正負反転する区間に位置する。
本実施の形態2において、ベクトル最小二乗演算手段122は、実施の形態1で説明した手順により、式(5)の傾きxをまず始めに算出する。これに対して、軸速度演算手段121は、算出された傾きxの符号に応じて補正方向を切り換えて、観測データに含まれる入射角θmを所定の方位角度補正量である微小なステップサイズΔφで補正する。
さらに、軸速度演算手段121は、実施の形態1で説明した手順により、観測データに含まれる相対速度qmを、補正後の方位角度を用いて換算して補正後の軸速度対応データを生成する。
これに対して、ベクトル最小二乗演算手段122は、補正後の軸速度対応データを用いて、式(5)の傾きxを、ベクトル演算による最小二乗法により求める。そして、演算手段120に含まれる軸速度演算手段121およびベクトル最小二乗演算手段122は、方位角度補正量を更新しながら傾きxを求める処理を繰り返す。
最終的に、ベクトル最小二乗演算手段122は、傾きxの符号が反転する区間にて、繰り返しによる推定処理を完了し、この時の入射角θmに加算された方位角度補正量の総計を推定値φ(ハット)として推定する。
また、ステップサイズΔφの設定値によっては、最終的にステップサイズΔφ程度の推定誤差となる場合もある。このため、符号が反転する区間に達するまでの更新毎に、ステップサイズΔφを変化させることが有効となる。一般には、更新が進むに連れて推定値φ(ハット)は、オフセット角へ近付くため、ステップサイズΔφを更新毎に小さくする。
また、傾きxが反転する区間を推定するにあたって、ステップサイズΔφを徐々に変更してゼロに近づく傾きxを求める方法としては、次の手順も考えられる。例えば、初期は、大きめのΔφで補正したときの傾きxを算出していき、傾きxが反転したことによりΔφ/2だけ逆方向に補正し、徐々に前回の半分の補正量を補正しながらこの処理を繰り返すことにより、傾きxがゼロに近づく補正量を推測することも可能である。
また、演算手段120は、ある時間帯k(k=1、・・・、K)におけるそれぞれの観測データに基づいて、K個の補正量φ(ハット)(k)(k=1、・・・、K)を求め、それらの平均により最終的な補正量φ(バー)を決めることも可能である。
以上のように、実施の形態2によれば、観測データから変換された軸速度対応データの傾きがゼロとなるように、方位角度補正量を修正しながら繰り返し演算を施すにより、オフセット角の推定を行うことができる。さらに、補正量を徐々に小さくする、あるいは、複数の時間帯で求まったオフセット角を平均化することにより、推定精度の向上を図ることができる。
実施の形態3.
実施の形態1および2で示した軸ずれ角推定方法は、第kの時間帯中のオフセット角推定値φ(ハット)が収束するまで最小二乗法を繰り返していた。本実施の形態3では、さらなる低演算量化を目的に、繰返し回数を少なくする方法について説明する。
本実施の形態3における軸ずれ角推定装置100の構成は、実施の形態1における図1で示した軸ずれ角推定装置100と同様である。ただし、本実施の形態3における軸ずれ角推定装置100は、繰り返し回数を削減するために、次のような演算処理を行うことを特徴とする。
実施の形態1あるいは2においては、1つの時間帯におけるオフセット角推定値φ(ハット)を求めるために、その時間帯における観測データ{qm、θm}(m=1、2、・・・、M)を初期値として繰り返し演算を行っていた。したがって、1つの時間帯における収束するまでの反復演算量が膨大となり、また、第Kの時間帯までの平均処理を一括して行う場合には、さらに演算量が膨大となるおそれがある。
そこで、本実施の形態3では、1つの時間帯における反復演算回数を少数に限定し、平均処理を単純な加算処理に置き換えることで、演算処理の低演算量化を図っている。
具体的には、軸ずれ角推定装置100は、第kの時間帯で行う推定においては、軸速度演算手段121およびベクトル最小二乗演算手段122による演算反復回数を少数に限定し、オフセット角の推定値φ(ハット)を求める。
そして、ベクトル最小二乗演算手段122は、第k−1の時間帯までの推定値を加算した補正量φ(ハット)(k−1)を算出する(k=1の時間帯では初期値を用いて取得する)。これに対して、軸速度演算手段121は、第kの時間帯でレーダから得られる各反射点の観測データに含まれる入射角θmを、第k−1の時間帯までの推定値を合計した補正量で補正した値(θm−φ(ハット)(k−1))を、第kの時間帯における初期角度とする。
第kの時間帯において、観測データの初期値を{qm、θm−φ(ハット)(k−1)}(m=1、2、・・・、M)として、オフセット角推定値φ(ハット)を求めることにより、演算量の低減を図るとともに、前回時刻の推定結果を反映していくことにより、オフセット角の推定精度を向上させることができる。
以上のように、実施の形態3によれば、今回時刻のオフセット角の推定値を算出する際に、繰り返し演算回数を減らす代わりに、前回時刻におけるオフセット角の推定値を今回時刻の観測データに反映させ、続く時間帯に同様の処理を施すことにより、演算量の削減と推定精度の向上の両立を図ることができる。
本発明の実施の形態1における軸ずれ角推定装置の構成図である。 本発明の実施の形態1におけるある時刻のM個の観測データ{qm、θm}の分布を示した図である。 本発明の実施の形態1における角度θに対する軸速度ξ(θm)の分布を示した図である。
符号の説明
1 レーダ、100 軸ずれ角推定装置、110 検知手段、120 演算手段、121 軸速度演算手段、122 ベクトル最小二乗演算手段。

Claims (12)

  1. 複数のレーダ反射体のそれぞれについて相対速度と方位角度とを含む観測データを検知する検知手段と、
    前記複数のレーダ反射体のそれぞれについて検知した前記観測データに基づいてベクトル演算による最小二乗法によりレーダのオフセット角推定値を算出する演算手段と
    を備えたことを特徴とする軸ずれ角推定装置。
  2. 請求項1に記載の軸ずれ角推定装置において、
    前記演算手段は、
    前記観測データに含まれる前記相対速度を前記観測データに含まれる前記方位角度を用いてレーダ軸方向に沿った軸速度に換算し、換算した前記軸速度と前記方位角度とを含む軸速度対応データを生成する軸速度演算手段と、
    前記複数のレーダ反射体のそれぞれについて生成された前記軸速度対応データに基づいてベクトル演算による最小二乗法によりレーダのオフセット角推定値を算出するベクトル最小二乗演算手段と
    を備えたことを特徴とする軸ずれ角推定装置。
  3. 請求項2に記載の軸ずれ角推定装置において、
    前記ベクトル最小二乗演算手段は、前記軸速度対応データに基づいて前記方位角度に対する前記軸速度の傾きをベクトル演算による最小二乗法により算出し、算出した前記傾きおよび前記方位角度がゼロのときの軸速度から前記レーダのオフセット角推定値を算出することを特徴とする軸ずれ角推定装置。
  4. 請求項3に記載の軸ずれ角推定装置において、
    前記軸速度演算手段は、前記ベクトル最小二乗演算手段により算出された前記レーダのオフセット角推定値を用いて前記観測データに含まれる前記方位角度を補正し、前記相対速度および補正後の方位角度を用いて補正後の軸速度対応データを生成し、
    前記ベクトル最小二乗演算手段は、生成された前記補正後の軸速度対応データに基づいて前記レーダのオフセット角推定値を算出し、
    前記演算手段は、前記軸速度演算手段による補正後の軸速度対応データの生成、および前記ベクトル最小二乗演算手段による前記補正後の軸速度対応データに基づく前記レーダのオフセット角推定値の算出を所定回数繰り返す
    ことを特徴とする軸ずれ角推定装置。
  5. 請求項4に記載の軸ずれ角推定装置において、
    前記演算手段は、前記観測データに基づいて前記レーダのオフセット角推定値を時刻ごとに算出する際に、前記所定回数を時刻に応じて変更することを特徴とする軸ずれ角推定装置。
  6. 請求項2に記載の軸ずれ角推定装置において、
    前記ベクトル最小二乗演算手段は、前記軸速度対応データに基づいて前記方位角度に対する前記軸速度の傾きをベクトル演算による最小二乗法により算出し、
    前記軸速度演算手段は、算出された前記傾きの符号に応じて、前記軸速度対応データに含まれるそれぞれの方位角度を所定の方位角度補正量で補正し、前記観測データに含まれる前記相対速度を前記補正後の方位角度を用いて換算した軸速度と前記補正後の方位角度とを含む補正後の軸速度対応データを生成し、
    前記ベクトル最小二乗演算手段は、前記補正後の軸速度対応データに基づいて前記補正後の方位角度に対する前記軸速度の傾きをベクトル演算による最小二乗法により算出し、
    前記演算手段は、前記軸速度演算手段による補正後の軸速度対応データの生成、および前記ベクトル最小二乗演算手段による前記補正後の軸速度対応データに基づく前記傾きの算出を繰り返し、傾きが最もゼロに近くなる方位角度補正量を求めることによりレーダのオフセット角推定値を算出する
    ことを特徴とする軸ずれ角推定装置。
  7. 請求項6に記載の軸ずれ角推定装置において、
    前記ベクトル最小二乗演算手段は、前記傾きの算出を繰り返す際に、繰り返し回数に応じて前記方位角度補正量を更新してレーダのオフセット角推定値を算出することを特徴とする軸ずれ角推定装置。
  8. 請求項6または7に記載の軸ずれ角推定装置において、
    前記ベクトル最小二乗演算手段は、前記軸速度対応データに基づいて前記レーダのオフセット角推定値を時刻ごとに算出する際に、前記傾きの算出の繰り返し回数を時刻に応じて変更することを特徴とする軸ずれ角推定装置。
  9. 請求項1ないし8のいずれか1項に記載の軸ずれ角推定装置において、
    前記演算手段は、今回時刻のオフセット角推定値を算出する際に、前回時刻で算出されたオフセット角推定値を用いて、今回時刻における観測データに含まれる方位角度を補正し、補正後の観測データを初期値としてベクトル演算による最小二乗法によりレーダのオフセット角推定値を算出することを特徴とする軸ずれ角推定装置。
  10. 複数のレーダ反射体のそれぞれについて相対速度と方位角度とを含む観測データを検知するステップと、
    前記観測データに含まれる前記相対速度を前記観測データに含まれる前記方位角度を用いてレーダ軸方向に沿った軸速度に換算し、換算した前記軸速度と前記方位角度とを含む軸速度対応データを生成し、生成した前記軸速度対応データに基づいてベクトル演算による最小二乗法を用いてレーダのオフセット角推定値を算出するステップと
    を備えたことを特徴とする軸ずれ角推定方法。
  11. 請求項10に記載の軸ずれ角推定方法において、
    前記レーダのオフセット角推定値を算出するステップは、
    前記軸速度対応データに基づいて前記方位角度に対する前記軸速度の傾きをベクトル演算による最小二乗法により算出するステップと、
    算出した前記傾きおよび前記方位角度がゼロのときの軸速度から前記レーダのオフセット角推定値を算出するステップと
    を備えたことを特徴とする軸ずれ角推定方法。
  12. 請求項10に記載の軸ずれ角推定方法において、
    前記レーダのオフセット角推定値を算出するステップは、
    前記軸速度対応データに基づいて前記方位角度に対する前記軸速度の傾きをベクトル演算による最小二乗法により算出するステップと、
    算出した前記傾きの符号に応じて、前記軸速度対応データに含まれるそれぞれの方位角度を所定の方位角度補正量で補正し、前記観測データに含まれる前記相対速度を前記補正後の方位角度を用いて換算した軸速度と前記補正後の方位角度とを含む補正後の軸速度対応データを生成するステップと、
    前記補正後の軸速度対応データに基づいて前記補正後の方位角度に対する前記軸速度の傾きをベクトル演算による最小二乗法により算出するステップと、
    前記補正後の軸速度対応データを生成するステップ、および前記軸速度の傾きをベクトル演算による最小二乗法により算出するステップを繰り返し、算出した傾きが最もゼロに近くなる方位角度補正量を求めることによりレーダのオフセット角推定値を算出するステップと
    を備えたことを特徴とする軸ずれ角推定方法。
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