JP2008089517A - 方位判別装置、方位判別方法及び方位判別プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、簡易な構成で移動体の方位や位置を正確に求め得るようにする。
【解決手段】本発明は、車両に設置された二軸加速度センサ３により、当該車両が旋回したときの遠心力によって発生する移動体の進行方向と直交した横Ｇ値を検出し、横Ｇ値と所定の閾値ＴＨ１、ＴＨ２とに基づいて車両が右旋回したか左旋回したかを判別することにより、角速度センサを用いることなく単一の二軸加速度センサ３だけの簡易な構成で車両の旋回方向を正確に判別することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、方位判別装置、方位判別方法及び方位判別プログラムに関し、例えばカーナビゲーション装置に適用して好適なものである。

従来、高価な角速度センサ（ジャイロセンサ）を用いることなく、比較的安価な加速度センサだけを用いて車両の回転角速度を算出するようになされた回転角速度算出装置がある（例えば、特許文献１参照）。
特許第3416694号明細書

ところでかかる構成の回転角速度算出装置においては、一対の加速度センサの設置間距離と、車両の移動速度とに基づいて回転角速度を算出しなければならないため、複数の加速度センサが必要となり、その構成が複雑であると共に煩雑な算出処理を要するという問題があった。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、簡易な構成で移動体の方位や現在位置を正確に求め得る方位判別装置、方位判別方法及び方位判別プログラムを提案しようとするものである。

かかる課題を解決するため本発明においては、移動体に設置された水平方向加速度検出手段により、当該移動体が旋回したときの遠心力によって発生する移動体の進行方向と直交した水平方向の加速度を検出し、水平方向の加速度の値と所定の閾値とに基づいて移動体が右旋回したか左旋回したかを判別することにより、角速度検出手段を用いることなく単一の水平方向加速度検出手段だけの簡易な構成で移動体の旋回方向を正確に判別することができる。

また本発明においては、移動体の進行方向に対する走行速度を検出し、水平方向の加速度と走行速度とに基づいて移動体の旋回時における角速度を算出し、走行速度と角速度とを基に相対位置変化量を求めて移動体の現在位置を更新することにより、角速度検出手段を用いることなく単一の水平方向加速度検出手段だけの簡易な構成で移動体の現在位置を正確に算出することができる。

本発明によれば、角速度検出手段を用いることなく単一の水平方向加速度検出手段だけの簡易な構成で移動体の方位や、現在位置を正確に求め得る方位判別装置、方位判別方法及び方位判別プログラムを実現することができる。

以下、図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。

（１）本発明の基本原理
本発明のカーナビゲーション装置では、車両の進行方向に対応した進行方向加速度、及び当該進行方向と直交した水平方向の横Ｇ（横方向加速度）を検出可能な二軸加速度センサを用いて車両の旋回時における横Ｇ（横方向加速度）を検出し、その横Ｇの値（以下、これを横Ｇ値と呼ぶ）を基準として車両の方位を判別したり、車両の進行方向に対する走行速度及び横Ｇ値に基づいて車両の旋回時における角速度を算出し、走行速度と角速度とを基に相対位置変化量を求めて車両の現在位置を推定する基本原理について説明する。

（１−１）方位判別原理
例えば図１に示すように、１秒間当り５０回（ｎ）のサンプリング周波数で検出された二軸加速度センサの出力である横Ｇ値（電圧値）を表した横Ｇグラフでは、時間（ｔ）の経過に伴って横Ｇ値がどのように変化していくかが示されている。

この場合、横軸については、サンプリング回数（ｎ）が表記されているが、これを時間に置き換えれば、分刻みの時間（ｔ）で表記されることも可能であり、ここでは分かり易さのため２通りの表記で示している。

また、縦軸については、二軸加速度センサの出力電圧が０[Ｖ]〜５[Ｖ]の範囲で変動し、横Ｇが車両に対して一切働いていない状態では、その出力電圧の電位が２．５[Ｖ]となるところ（縦軸右側に表記）、二軸加速度センサの出力をハイパスフィルタへ通すことによって直流成分をカットし、横Ｇが一切働いていないときの出力電圧の電位を０[Ｖ]の基準出力として設定するようになされている（縦軸左側に表記）。

さらに図１では、二軸加速度センサの出力をローパスフィルタへ通すことによって、高調波成分が除去された横Ｇ値の出力波形が表されている。

この横Ｇ値の出力波形は、車両が右折したときに車両左側へ働く水平方向の遠心力を正と定義し、車両が左折したときに車両右側へ働く水平方向の遠心力を負と定義しており、遠心力の大きさに比例して横Ｇ値の出力波形における振幅レベルが変動するようになされている。

従って、カーナビゲーション装置としては、ある時点（ｔ）における横Ｇ値の電圧レベルと、二軸加速度センサの基準出力（０[Ｖ]）との差分が、予め設定しておいた所定の閾値ＴＨ１、ＴＨ２を超えている場合、右旋回、左旋回したことを判別し、その方位を認識し得るようになされている。

ところで、図２に示すように、車両が所定角度θだけ傾いた道路の斜面を走行している場合、二軸加速度センサの横Ｇ値に重力加速度成分ｇｆが含まれることになる。この場合、図３に示すように、横Ｇ値の出力波形は、その重力加速度成分ｇｆの電位がオフセットされた状態で表されることになり、閾値ＴＨ１、ＴＨ２との比較では誤判定を生じてしまうことになる。

しかしながら本発明のカーナビゲーション装置では、二軸加速度センサの出力をハイパスフィルタへ通すことによって直流成分をカットし、横Ｇが一切働いていないときの出力電圧の電位を０[Ｖ]の基準出力として設定するようにしたことにより、その重力加速度成分ｇｆのオフセットも予め除去された状態で横Ｇ値の出力波形を得ることができるので、閾値ＴＨ１、ＴＨ２との比較による誤判定を生じさせずに済むようになされている。

（１−２）現在位置推定原理
更にカーナビゲーション装置では、角速度センサを用いることなく、車両の右旋回時又は左旋回時における角速度ωを求めるため、角速度ωが遠心力による加速度すなわち横Ｇ値αの関数であると同時に、例えば車両から供給される車速パルスに基づいて算出した車両の走行速度ｖの関数であることを考慮し、次式

によって角速度ωを正確に求め得るようになされている。

因みに、車両の走行速度ｖは、車両から供給される車速パルスに基づいて算出するだけではなく、それ以外にも、ＧＰＳ(Global Positioning System)衛星からＧＰＳ受信機によって受信した衛星信号に基づいて算出したり、二軸加速度センサの進行方向加速度を積分することにより算出しても良く、車速パルスに基づいて算出する以外の種々の方法によって得ることが出来る。

ナビゲーション装置は、上述の（１）式で求めた車両の角速度ωと、車両の進行方向に対する走行速度ｖとを基に、図４に示すような、前回の位置ＰＯ１から次の新しい現在位置ＰＯ２までの相対位置変化量を求め、これを前回の位置ＰＯ１に加えることによって新しい現在位置ＰＯ２を算出（推定）し得るようになされている。

すなわち相対位置変化量は、角速度ωによって車両の方位変化量を示し、走行速度ｖによって車両の移動量を示すことによって、前回の位置ＰＯ１から次の新しい現在位置ＰＯ２を算出するための相対的な位置の変化量を表すものである。

従って、この場合のカーナビゲーション装置では、角速度センサを用いることなく、二軸加速度センサの横Ｇ値α及び車両の走行速度ｖに基づいて車両の角速度ωを容易かつ正確に求め、その角速度ωを用いて自律航法を実現し得るようになされている。

（２）カーナビゲーション装置の構成
上述した本発明の基本原理を用いて車両をガイドするカーナビゲーション装置の具体的構成について説明する。

図５に示すように、１は全体として本発明の一実施の形態におけるカーナビゲーション装置を示し、上述した方位判別原理及び現在位置推定原理に基づいて角速度センサを用いることなく車両の方位を判別し、また角速度センサを用いることなく角速度ωを算出して車両の現在位置を推定するための方位判別部２を有することを特徴としている。

方位判別部２の制御部６は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)構成でなり、例えばハードディスクでなる記憶部８から読み出した基本プログラムによって全体を統括制御すると共に、記憶部８から読み出した方位判別プログラム等のアプリケーションプログラムによって後述する角速度センサを用いない方位判別処理手順や、角速度センサを用いない現在位置推定処理手順を実行するようになされている。

実際上、カーナビゲーション装置１は、ＧＰＳ受信機７によってＧＰＳ衛星からの衛星情報を受信し、その衛星情報Ｓ４を制御部６へ送出する。制御部６は、衛星情報Ｓ４に基づいて車両の現在位置ＰＯ、走行速度ｖ等を算出し得、その算出結果に基づいて現在位置ＰＯを液晶ディスプレイ等でなる表示部９に表示すると共に、目的地までの経路等をスピーカ等でなる音声出力部１０を介して音声出力することにより、ルートガイドや現在位置表示等のナビゲーション動作を実行するようになされている。

（２−１）角速度センサを用いない方位判別手法
従ってカーナビゲーション装置１は、ＧＰＳ受信機７を介して衛星情報Ｓ４を受信できているときは特に問題はないが、トンネル、ビルの谷間等で衛星情報Ｓ４を受信できない環境下のときが問題であり、そのような環境下にあっても、継続してルートガイドする必要がある。

そのような場合、カーナビゲーション装置１では、方位判別部２の二軸加速度センサ３によって車両の進行方向と直交した水平方向の横Ｇ値Ｓ１を検出し、これをハイパスフィルタ４へ送出する。

ハイパスフィルタ４は、横Ｇ値Ｓ１の直流成分をカットすることにより、車両に対して横Ｇが一切働いていないときの出力電圧の電位を０[Ｖ]の基準出力となるように設定し、そのハイパスフィルタ出力データＳ２をローパスフィルタ５へ送出する。

ローパスフィルタ５は、ハイパスフィルタ出力データＳ２の高調波成分を除去することにより滑らかな出力波形でなる横Ｇ値Ｓ３を生成し、これを制御部６へ送出する。すなわち、横Ｇ値Ｓ３の出力波形が、図１に示した横Ｇグラフに相当するものである。

制御部６は、横Ｇ値Ｓ３の電圧レベルと閾値ＴＨ１、ＴＨ２とを基に車両が右旋回しているのか、或いは左旋回しているのかを判別し、その判別結果を用いて車両の現在位置における方位を表示部９に対してアイコン表示すると共に、その方位を音声出力部１０により音声出力することによりルートガイドを行うようになされている。

（２−２）角速度センサを用いない方位判別処理手順
具体的には、方位判別部の制御部６は、図６に示すルーチンＲＴ１の開始ステップから入って次のステップＳＰ１へ移り、最初に車両が右旋回及び左旋回していないときのハイパスフィルタ４及びローパスフィルタ５を介して得られる二軸加速度センサ３の横Ｇ値Ｓ３（出力電圧０[Ｖ]）を基準出力としてＲＡＭに保持し、次のステップＳＰ２へ移る。

ステップＳＰ２において制御部６は、車両の旋回時において、二軸加速度センサ３、ハイパスフィルタ４及びローパスフィルタ５を介して水平方向の遠心力に相当する横Ｇ値Ｓ３を検出し、次のステップＳＰ３へ移る。

ステップＳＰ３において制御部６は、ステップＳＰ２で検出された車両の旋回時における横Ｇ値Ｓ３と、ステップＳＰ１で保持した基準出力との差分が、閾値ＴＨ１又はＴＨ２を超えている場合、右旋回又は左旋回していると判別し、次のステップＳＰ４へ移る。

ステップＳＰ４において制御部６は、ステップＳＰ３で判別した車両の方位をアイコン表示すると共に音声出力することによりルートガイドを行い、次ぎのステップＳＰ５へ移って処理を終了する。

（２−３）角速度センサを用いない現在位置推定手法
またカーナビゲーション装置１では、方位判別部２の二軸加速度センサ３によって車両の進行方向と直交した水平方向の横Ｇ値Ｓ１を検出し、これをハイパスフィルタ４へ送出する。

ハイパスフィルタ４は、横Ｇ値Ｓ１の直流成分をカットすることにより、横Ｇが一切働いていないときの出力電圧の電位を０[Ｖ]の基準出力となるように設定し、そのハイパスフィルタ出力データＳ２をローパスフィルタ５へ送出する。

ローパスフィルタ５は、ハイパスフィルタ出力データＳ２の高調波成分を除去することにより滑らかな出力波形でなる横Ｇ値Ｓ３を生成し、これを制御部６へ送出する。

制御部６は、車両から供給される車速パルスＰｖに基づいて車両の進行方向に対する走行速度ｖを算出し、ローパスフィルタ５から供給される横Ｇ値Ｓ３を当該走行速度ｖによって除算することにより、（１）式に示したように車両の旋回時における角速度ωを算出する。

そして制御部６は、車両の角速度ωと、車両の走行速度ｖとを基に、図２に示したような、前回の位置ＰＯ１から次の新しい現在位置ＰＯ２までの相対位置変化量を求め、これを前回の位置ＰＯ１に加えることによって新しい現在位置ＰＯ２を算出（推定）し、その結果を用いて自律航法を実現するようになされている。

（２−４）角速度センサを用いない現在位置推定処理手順
具体的には、方位判別部の制御部６は、図７に示すルーチンＲＴ２の開始ステップから入って次のステップＳＰ１１へ移り、最初に車両が右旋回及び左旋回していないときのハイパスフィルタ４及びローパスフィルタ５を介して得られる二軸加速度センサ３の横Ｇ値Ｓ３（出力電圧０[Ｖ]）を基準出力としてＲＡＭに保持し、次のステップＳＰ１２へ移る。

ステップＳＰ１２において制御部６は、車両の旋回時において、二軸加速度センサ３、ハイパスフィルタ４及びローパスフィルタ５を介して水平方向の遠心力に相当する横Ｇ値Ｓ３を検出し、次のステップＳＰ１３へ移る。

ステップＳＰ１３において制御部６は、例えば車両から供給される車速パルスＰｖに基づいて車両の走行速度ｖを検出し、次のステップＳＰ１４へ移る。

ステップＳＰ１４において制御部６は、上述した（１）式に従って、横Ｇ値Ｓ３を走行速度ｖで除算することにより車両の旋回時における角速度ωを求め、次のステップＳＰ１５へ移る。

ステップＳＰ１５において制御部６は、図４に示したように、ステップＳＰ１３で検出した車両の走行速度ｖと、ステップＳＰ１４で算出した車両の角速度ωとを基に相対位置変化量を求め、次のステップＳＰ１６へ移る。

ステップＳＰ１６において制御部６は、ステップＳＰ１５で求めた相対位置変化量を前回の位置ＰＯ１に加えることにより次の新しい現在位置ＰＯ２を算出（推定）し、次のステップＳＰ１７へ移る。

ステップＳＰ１７において制御部６は、ステップＳＰ１６で推定した次の新しい現在位置ＰＯ２をアイコン表示すると共に音声出力することによりルートガイドを行い、次ぎのステップＳＰ１８へ移って処理を終了する。

（３）動作及び効果
以上の構成において、カーナビゲーション装置１は角速度センサを用いることなく、方位判別部２の二軸加速度センサ３の出力だけを用いて簡易に方位判別及び現在位置推定を行うことができるので、そのサイズが例えば１０[ｍｍ]×１０[ｍｍ]×３[ｍｍ]程度もある角速度センサを用いる場合に比べて、例えば４[ｍｍ]×４[ｍｍ]×１．５[ｍｍ]程度のサイズでなる二軸加速度センサ３を１個搭載するだけで済むので、小型化及び軽量化に大きく貢献することができる。

またカーナビゲーション装置１は、１個の二軸加速度センサ３だけを用いる構成であり、かつ角速度ωの算出に際しても、（１）式で示したように容易な計算手法で済むため、従来の回転角速度算出装置（特許文献１）に比べて、その構成を簡素化することができると共に、角速度ωの算出処理に要する処理負担を大幅に軽減することができる。

更にカーナビゲーション装置１では、二軸加速度センサ３の横Ｇ値Ｓ１の直流成分をハイパスフィルタ４によりカットするようにしたことにより、車両に横Ｇが一切働いていないときの出力電圧の電位を０[Ｖ]の基準出力となるように設定することができるので、道路傾斜によって車両が所定角度θだけ傾いた場合であっても、その傾いたことによって生じる重力加速度成分ｇｆのオフセットが予め除去された状態で横Ｇ値の出力波形を得ることができ、かくして方位判別及び現在位置推定を正確に実行することができる。

以上の構成によれば、カーナビゲーション装置１は単一の二軸加速度センサ３だけを用いた簡易な構成で、方位判別及び現在位置推定を正確に実行することができる。

（４）他の実施の形態
なお上述の実施の形態においては、進行方向加速度及び横Ｇを検出可能な二軸加速度センサ３を用いるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、横Ｇだけを検出可能な一軸の加速度センサや、進行方向加速度、横Ｇ及び重力方向加速度を検出可能な三軸加速度センサを用いるようにしても良い。

また上述の実施の形態においては、車両の走行速度ｖを車両から供給される車速パルスＰｖに基づいて算出するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、ＧＰＳ衛星から受信した衛星情報Ｓ４に基づいて算出したり、二軸加速度センサ３によって検出される進行方向加速度に基づいて算出するようにしても良い。

この場合、図５との対応部分に同一符号を付した図８に示すように、ＧＰＳ衛星からＧＰＳ受信機７を介して受信した衛星情報Ｓ４に基づき走行速度ｖを算出する場合、カーナビゲーション装置２１では、二軸加速度センサ３、ハイパスフィルタ４、ローパスフィルタ５、制御部６及びＧＰＳ受信機７によって方位判別部２２が構成されることになる。

また、図５との対応部分に同一符号を付した図９に示すように、二軸加速度センサ３、ハイパスフィルタ４及びローパスフィルタ５を介して得られた進行方向加速度に基づき制御部６が走行速度ｖを算出する場合、カーナビゲーション装置３１では、二軸加速度センサ３、ハイパスフィルタ４、ローパスフィルタ５及び制御部６によって方位判別部３２が構成されることになる。

さらに上述の実施の形態においては、制御部６が記憶部８から読み出してＲＡＭに展開した方位判別プログラム等のアプリケーションプログラムによってルーチンＲＴ１の角速度センサを用いない方位判別処理手順や、ルーチンＲＴ２の角速度センサを用いない現在位置推定処理手順を実行するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、記録媒体からインストールした方位判別プログラムや、インターネットからダウンロードした方位判別プログラムに従ってルーチンＲＴ１における角速度センサを用いない方位判別処理手順や、ルーチンＲＴ２の角速度センサを用いない現在位置推定処理手順を実行するようにしても良い。

さらに上述の実施の形態においては、移動体として車両を適用対象として用いるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、オートバイ、船舶、自転車等のその他種々の移動体を適用対象として用いるようにしても良い。

さらに上述の実施の形態においては、ハイパスフィルタ４及びローパスフィルタ５をハードウェアとして設けるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、制御部６によりハイパスフィルタ及びローパスフィルタの機能をソフトウェア的に実行するようにしても良い。

さらに上述の実施の形態においては、本発明における方位判別装置としての方位判別部２を、水平方向加速度検出手段としての二軸加速度センサ３、方位判別手段としての制御部６によって構成するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、水平方向加速度検出手段として三軸加速度センサを用いたり、方位判別手段としてマイクロコンピュータを用いる等、その他種々の構成によって方位判別装置を構成するようにしても良い。

本発明の方位判別装置、方位判別方法及び方位判別プログラムは、例えばカーナビゲーション装置に適用する以外にも、自律走行するラジオコントロールカー、ゲーム機のコントローラ等のその他種々の電子機器に適用することができる。

横Ｇ値を用いた右旋回又は左旋回の判断手法の説明に供する特性曲線図である。 斜面走行時に働く重力加速度成分の説明に供する略線図である。 斜面走行時の重力加速度成分がオフセットされた横Ｇ値の出力波形を示す特性曲線図である。 相対位置変化量を用いた現在位置推定手法の説明に供する略線図である。 一実施の形態におけるカーナビゲーション装置の構成を示す略線的ブロック図である。 角速度センサを用いない方位判別処理手順の説明に供するフローチャートである。 角速度センサを用いない現在位置推定処理手順の説明に供するフローチャートである。 他の実施の形態におけるカーナビゲーション装置の構成（１）を示す略線的ブロック図である。 他の実施の形態におけるカーナビゲーション装置の構成（２）を示す略線的ブロック図である。

符号の説明

１、２１、３１……カーナビゲーション装置、２、２２、３２……方位判別部、３……二軸加速度センサ、４……ハイパスフィルタ、５……ローパスフィルタ、６……制御部、７……ＧＰＳ受信機、８……記憶部、９……表示部、１０……音声出力部。

Claims (6)

1. 移動体に設置され、当該移動体が旋回したときの遠心力によって発生する上記移動体の進行方向と直交した水平方向の加速度を検出する水平方向加速度検出手段と、
   上記水平方向の加速度の値と所定の閾値とに基づいて上記移動体が右旋回したか左旋回したかを判別する方位判別手段と
   を具えることを特徴とする方位判別装置。
2. 上記方位判別装置は、
   上記方位判別手段によって判別された結果を用いて上記移動体の進行方向をガイドする案内手段と
   を具えることを特徴とする請求項１に記載の方位判別装置。
3. 上記方位判別装置は、
   上記移動体の進行方向に対する走行速度を検出する走行速度検出手段と、
   上記水平方向の加速度と上記走行速度とに基づいて上記移動体の旋回時における角速度を算出する角速度算出手段と、
   上記走行速度と上記角速度とを基に相対位置変化量を求めて上記移動体の現在位置を更新する更新手段と
   を具えることを特徴とする請求項１に記載の方位判別装置。
4. 上記方位判別装置は、
   上記更新手段によって更新された上記移動体の現在位置を用いて進行方向をガイドする案内手段と
   を具えることを特徴とする請求項１に記載の方位判別装置。
5. 移動体に設置された水平方向加速度検出手段により、当該移動体が旋回したときの遠心力によって発生する上記移動体の進行方向と直交した水平方向の加速度を検出する水平方向加速度検出ステップと、
   上記水平方向の加速度の値と所定の閾値とに基づいて上記移動体が右旋回したか左旋回したかを判別する方位判別ステップと
   を具えることを特徴とする方位判別方法。
6. 情報処理装置に対して、
   移動体が旋回したときの遠心力によって発生する上記移動体の進行方向と直交した水平方向の加速度を外部から入力する水平方向加速度入力ステップと、
   上記水平方向の加速度の値と所定の閾値とに基づいて上記移動体が右旋回したか左旋回したかを判別する方位判別ステップと
   を実行させることを特徴とする方位判別プログラム。

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