JP2009115714A - Method and device for measuring speed of mobile unit - Google Patents

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農 林
Masaru Kato
優 加藤
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Tottori University NUC
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method and device for speed measuring, accurately determining the moving speed of the each passing moment of a mobile unit, since a method by GPS and a method by an accelerometer have been employed as the method of determining the speed of the mobile unit, but they have respective advantages and disadvantages, and a method using the both while suitably switching these methods has been also known, but the moving speed of the each passing moment cannot be measured accurately. <P>SOLUTION: A position measuring device for measuring a position and an acceleration measuring device for measuring acceleration are installed in the mobile unit, a period that is time interval for calculating the difference of the position of the position measuring device and is an averaged time when the output value of the acceleration measuring device is movement-averaged after integration is determined in response to the variation width of the output value of the acceleration measuring device in a predetermined moving time of the mobile unit, the average moving speed obtained by the position measuring device and a moving speed variation component obtained by the acceleration measuring device are compounded, and the speed of the mobile unit is determined. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、車両や船舶などの移動体において、移動体の瞬間的な速度をも精度良く測定する速度方法及び速度測定装置に関する。従来、車両や船舶の速度を把握する場合、瞬間瞬間の速度までを捉える必要は必ずしも無く、平均的な速度を把握、表示できれば機能として十分であった。しかし、移動体にその他の測定器(例えばドップラー式レーダ、ドップラー式ソーダなど)を搭載して、風速や物体など対象物の速度を測定する場合、その他の測定器によって電波・音波などを送受信するごとに移動体の瞬間的な対地速度を正確に測定して、その他の測定器の出力値を補正する必要がある。このとき車両や船舶などの移動体は、整地されていない土地の起伏や、海洋における波の影響を受け、移動速度が一定せず時々刻々変動することが想定される。そのため、車両や船舶などの移動速度が一定していない場合に、その瞬間瞬間の移動速度を精度良く測定することが必要となる。すなわち、時間分解能が高く、かつ高精度な速度測定システムが必要になる。本発明は、以上のような要求を満たし、時間分解能と精度の高い移動速度測定方法及び装置を提供することを目的とする。   The present invention relates to a speed method and a speed measurement device that accurately measure an instantaneous speed of a moving body such as a vehicle or a ship. Conventionally, when grasping the speed of a vehicle or a ship, it is not always necessary to grasp even the instantaneous speed, and it is sufficient as a function if an average speed can be grasped and displayed. However, when other measuring devices (for example, Doppler radar, Doppler soda, etc.) are mounted on the moving body to measure the speed of objects such as wind speed and objects, radio waves and sound waves are transmitted and received by other measuring devices. Every time, it is necessary to accurately measure the instantaneous ground speed of the moving body and correct the output value of other measuring devices. At this time, it is assumed that moving bodies such as vehicles and ships are affected by undulations of land that is not leveled or by waves in the ocean, and the movement speed is not constant and varies from time to time. Therefore, when the moving speed of a vehicle or a ship is not constant, it is necessary to accurately measure the moving speed at that moment. That is, a speed measurement system with high time resolution and high accuracy is required. An object of the present invention is to provide a moving speed measuring method and apparatus that satisfy the above requirements and have high time resolution and high accuracy.

車両や船舶の速度を測定する場合、位置測定装置(以下、GPSと略記することあり)を用いる方法があり、GPSによる連続した位置データの差分を時間で除することで移動速度を計算する方法がある。この場合、平均化時間の長い平均速度は求め易いが、瞬間瞬間の速度を精度良く求めることは困難である。   When measuring the speed of a vehicle or a ship, there is a method of using a position measuring device (hereinafter sometimes abbreviated as GPS), and a method of calculating a moving speed by dividing the difference of continuous position data by GPS by time There is. In this case, an average speed having a long averaging time is easily obtained, but it is difficult to obtain an instantaneous speed with high accuracy.

また、車両や船舶の速度を測定する場合、加速度測定装置(以下、加速度計と略記することあり)を搭載し、加速度計の測定値を積分することで速度を計算する方法がある(例えば、特許文献1参照)。この場合、時間が経過するに従って加速度の誤差が累積されていき、誤差が増大するため、運転時間が長時間に渡れば、速度を求めることが困難になる。さらに、車両や船舶の移動体が傾くことで、水平方向の加速度に重力加速度の成分が含まれてしまう欠点がある。   In addition, when measuring the speed of a vehicle or a ship, there is a method of calculating the speed by integrating an acceleration measurement device (hereinafter, abbreviated as an accelerometer) and integrating the measured value of the accelerometer (for example, Patent Document 1). In this case, the acceleration error is accumulated as the time passes, and the error increases. Therefore, if the operation time is long, it is difficult to obtain the speed. Furthermore, there is a drawback that a gravitational acceleration component is included in the horizontal acceleration when the vehicle or ship moving body is tilted.

なお、GPSと加速度計とを組み合わせ、GPSの電波受信状態によって、これら装置を切り換えて用いる速度測定装置も提案されている(例えば、特許文献2、3参照)。しかしこのようにGPSと加速度計を切り換えて用いる場合、瞬間瞬間の移動速度を高精度に測定することはできない。   In addition, a speed measuring device that combines a GPS and an accelerometer and switches between these devices depending on the radio wave reception state of the GPS has been proposed (see, for example, Patent Documents 2 and 3). However, when the GPS and the accelerometer are switched and used in this way, the instantaneous moving speed cannot be measured with high accuracy.

また、超音波のドップラー効果を用いて海洋上における船舶の対地速度または対水速度を測定する装置もあった。この場合、水深が深くなれば、速度の測定は困難になる。   There is also a device that measures the ground speed or water speed of a ship on the ocean using the ultrasonic Doppler effect. In this case, if the water depth becomes deep, the measurement of speed becomes difficult.

なお、移動体の速度を精度良く求める必要性および実用化の分野については、本願の発明者らの論文発表がある(例えば、非特許文献1参照)。
特開2005−156185号公報 特開平7−280826号公報 特開平7−280827号公報 講演論文「オフショア風力発電に適用する移動式風況観測法の研究、第28回風力エネルギー利用シンポジウム」、(2006年11月)、pp.345−348
In addition, about the necessity of calculating | requiring the speed | velocity | rate of a moving body accurately, and the field | area of practical use, there exists a paper publication of the inventors of this application (for example, refer nonpatent literature 1).
JP 2005-156185 A JP-A-7-280826 JP-A-7-280828 Lecture paper "Study on Mobile Wind Observation Method Applied to Offshore Wind Power Generation, 28th Symposium on Wind Energy Utilization" (November 2006), pp. 345-348

上述したような、GPSによる連続した位置データの差分を時間で除することで求める方法で速度を計算する場合、瞬間的な速度を求めるために差分の計算に用いる位置データの時間間隔を短く設定すれば、速度の誤差が大きくなる。反対に、時間間隔を長く設定すれば、設定時間における平均速度の誤差は小さくなるが、瞬間的な速度が求まらない。   As described above, when calculating the speed by dividing the difference between continuous position data by GPS by time, the time interval of position data used for calculating the difference is set short in order to obtain the instantaneous speed. This will increase the speed error. On the other hand, if the time interval is set longer, the average speed error in the set time becomes smaller, but the instantaneous speed cannot be obtained.

また、加速度計の測定値を積分することで速度を計算する場合、時間が経過するに従って加速度の誤差が累積されていき、長時間に渡る測定が困難になる。さらに、GPSと加速度計とを切り換えて用いる場合、瞬間瞬間の移動速度を高精度に測定することはできない。   Further, when the velocity is calculated by integrating the measured values of the accelerometer, the acceleration error is accumulated as time elapses, making it difficult to measure for a long time. Furthermore, when switching between GPS and accelerometers, the instantaneous and instantaneous moving speed cannot be measured with high accuracy.

本発明は、上述のような問題点を解決するためになされたものであり、移動体の瞬間瞬間の移動速度を高精度に求めることができる、すなわち、時間分解能が高く、かつ高精度な速度測定方法及び同装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and can determine the moving speed of a moving object at an instantaneous moment with high accuracy, that is, with high time resolution and high speed. An object of the present invention is to provide a measurement method and apparatus.

本発明請求項1に記載の発明は、位置を測定する位置測定装置と加速度を測定する加速度測定装置とを移動体に設置し、上記移動体の所定の移動時間における上記加速度測定装置の出力値の変化幅に応じて、上記位置測定装置の位置の差分を計算するための時間間隔であり、かつ上記加速度測定装置の出力値を積分後に移動平均する際の平均化時間である時間を決定し、上記位置測定装置より得られた平均移動速度と、上記加速度測定装置より得られた移動速度変動成分を合成して、移動体の速度を求めることを特徴とする移動体の速度測定方法である。   According to the first aspect of the present invention, a position measuring device for measuring a position and an acceleration measuring device for measuring acceleration are installed on a moving body, and an output value of the acceleration measuring apparatus during a predetermined moving time of the moving body. The time interval for calculating the position difference of the position measuring device according to the change width of the position measuring device and the time for averaging the moving average after the output value of the acceleration measuring device is integrated is determined. A method for measuring the speed of a moving body, comprising: combining an average moving speed obtained from the position measuring device and a moving speed fluctuation component obtained from the acceleration measuring device to obtain a speed of the moving body. .

同請求項2に記載の発明は、移動することによって生じる、上記位置測定装置の出力値の誤差を、上記加速度測定装置の出力値の変化幅を用いて推定し、推定した誤差によって決定される重みを付加して位置の出力値を移動平均することにより、移動体の位置を求めた上、連続する位置出力の差分から移動体の速度を求めることを特徴とする請求項1に記載の移動体の速度測定方法である。   According to the second aspect of the present invention, an error in the output value of the position measurement device caused by movement is estimated using a change width of the output value of the acceleration measurement device, and is determined by the estimated error. 2. The movement according to claim 1, wherein a moving body position is obtained by adding a weight and a moving average of position output values is obtained, and a moving body speed is obtained from a difference between successive position outputs. It is a method for measuring the speed of the body.

同請求項3に記載の発明は、上記加速度測定装置の出力値の変化幅を、加速度出力値の二乗平均平方根によって求めることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の移動体の速度測定方法である。   The invention according to claim 3 is characterized in that the change width of the output value of the acceleration measuring device is obtained by the root mean square of the acceleration output value, and the speed of the moving body according to claim 1 or 2 This is a measurement method.

同請求項4に記載の発明は、位置を測定する位置測定装置と加速度を測定する加速度測定装置とを有し、移動体の所定の移動時間における上記加速度測定装置の出力値の変化幅に応じて、上記位置測定装置の位置の差分を計算するための時間間隔であり、かつ上記加速度測定装置の出力値を積分後に移動平均する際の平均化時間である時間を決定し、上記位置測定装置より得られた平均移動速度と、上記加速度測定装置より得られた移動速度変動成分を合成して、移動体の速度を求める回路を有することを特徴とする移動体の速度測定装置である。   The invention according to claim 4 has a position measuring device for measuring a position and an acceleration measuring device for measuring acceleration, and according to a change width of an output value of the acceleration measuring device during a predetermined moving time of the moving body. Determining a time that is a time interval for calculating a position difference of the position measuring device and that is an averaging time when moving and averaging the output values of the acceleration measuring device after integration. A moving body speed measuring device comprising a circuit for determining the speed of a moving body by synthesizing the average moving speed obtained from the above and the moving speed fluctuation component obtained from the acceleration measuring device.

同請求項5に記載の発明は、移動することによって生じる、上記位置測定装置の出力値の誤差を、上記加速度測定装置の出力値の変化幅を用いて推定し、推定した誤差によって決定される重みを付加して位置の出力値を移動平均することにより、移動体の位置を求めた上、連続する位置出力の差分から移動体の速度を求める回路を有することを特徴とする請求項4に記載の移動体の速度測定装置である。   According to the fifth aspect of the present invention, an error in the output value of the position measuring device caused by movement is estimated using a change width of the output value of the acceleration measuring device, and is determined by the estimated error. 5. The apparatus according to claim 4, further comprising a circuit that obtains the position of the moving body by moving and averaging the output values of the positions by adding weights, and further obtains the speed of the moving body from a difference between successive position outputs. It is a moving body speed measurement apparatus of description.

同請求項6に記載の発明は、上記加速度測定装置の出力値の変化幅を、加速度出力値の二乗平均平方根によって求める回路を有することを特徴とする請求項4または請求項5に記載の移動体の速度測定装置である。   The invention according to claim 6 further includes a circuit for obtaining a change width of the output value of the acceleration measuring device by a root mean square of the acceleration output value. It is a body speed measurement device.

本発明によれば、船舶や車両などにおける移動体において、波や路面状況によって移動速度が激しく変動する移動体であっても、瞬間瞬間の速度を高精度に求めることが可能になる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, even if it is a moving body in which a moving speed changes fluctuate | variably with a wave or a road surface condition in the moving body in a ship, a vehicle, etc., it becomes possible to obtain | require the instantaneous speed with high precision.

また、船舶や車両などの移動体にその他の測定器(例えばドップラー式レーダ、ドップラー式ソーダなど)を搭載して、風速や物体など対象物の速度を測定する場合、対象物の速度を測定する瞬間瞬間における移動体の移動速度を測定して、その他の測定器の出力値を補正する必要がある。このように移動体に風観測設備やレーダ等を搭載する場合、本発明によって得られる時間分解能の高い移動速度の出力値を用いて、移動体に搭載した風観測設備やレーダ等による出力値を補正することで、移動しながら風観測設備やレーダ等による観測が可能になる。   Also, when measuring other object measuring devices (such as Doppler radar, Doppler soda, etc.) on a moving body such as a ship or a vehicle and measuring the speed of an object such as wind speed or an object, measure the speed of the object. It is necessary to correct the output value of other measuring devices by measuring the moving speed of the moving object at the moment. When wind observation equipment, radar, etc. are mounted on the moving body in this way, the output value of the wind observation equipment, radar, etc. mounted on the mobile body is obtained using the output value of the moving speed with high time resolution obtained by the present invention. By correcting, observation by wind observation equipment, radar, etc. becomes possible while moving.

図1は、本発明による移動速度測定方法及び同装置を概念的に説明するための図である。図1における各ブロックは、移動体に設置されたセンサの出力を演算するプログラムを表す。図1に示すように、船舶や車両などの移動体1には、GPS2および三軸加速度計3、更に一般的には、三軸ジャイロ4、コンパス5が設置されている。また、三軸ジャイロの代わりに傾斜計を用いることもできる。   FIG. 1 is a diagram for conceptually explaining a moving speed measuring method and apparatus according to the present invention. Each block in FIG. 1 represents a program for calculating the output of a sensor installed on a moving body. As shown in FIG. 1, a moving body 1 such as a ship or a vehicle is provided with a GPS 2 and a three-axis accelerometer 3, more generally, a three-axis gyro 4 and a compass 5. An inclinometer can be used instead of the triaxial gyro.

図2は、車両や船舶などの傾斜を補正するための座標変換を概念的に説明するための図である。座標軸(XS,YS,ZS)は、移動体に固定された座標軸を表し、座標軸(XG,YG,ZG)は、観測地の方位軸を基準にした絶対座標系(東西南北と鉛直方向を軸とした局所平面直角座標系)の座標軸を表している。 FIG. 2 is a diagram for conceptually explaining coordinate conversion for correcting the inclination of a vehicle or a ship. The coordinate axes (X S , Y S , Z S ) represent coordinate axes fixed to the moving body, and the coordinate axes (X G , Y G , Z G ) are absolute coordinate systems (east-west) based on the azimuth axis of the observation site. This represents the coordinate axes of the local plane Cartesian coordinate system with the north-south and vertical directions as axes.

加速度データは、計測装置の傾き角によって変化するため、これを絶対座標系へ戻す変換が必要になる。図2に示す移動体(計測装置)固定の座標系から、観測地の絶対座標系(東西南北と鉛直方向を軸とする局所平面直角座標系)へ次の手順によって座標変換する。   Since the acceleration data changes depending on the inclination angle of the measuring device, it is necessary to convert the acceleration data back to the absolute coordinate system. Coordinate conversion is performed from the coordinate system fixed to the moving body (measuring device) shown in FIG. 2 to the absolute coordinate system of the observation site (local plane rectangular coordinate system with the east-west-north-north and vertical directions as axes) by the following procedure.

取得された生の加速度ベクトルをA=(aX,aY,aZ)とし、座標変換後の加速度ベクトルをB=(bX,bY,bZ)とし、図2のようにそれぞれ、ピッチ角をθ、ロール角をφ、ヨー角をΨとすると、傾斜角・方位角を補正する座標変換は、(1)式によって演算される。 The acquired raw acceleration vector is A = (a X , a Y , a Z ), the acceleration vector after coordinate transformation is B = (b X , b Y , b Z ), and as shown in FIG. When the pitch angle is θ, the roll angle is φ, and the yaw angle is Ψ, the coordinate transformation for correcting the tilt angle / azimuth angle is calculated by the equation (1).

Figure 2009115714
・・・(1)
Figure 2009115714
... (1)

さらに、重力加速度gの成分を取り除くために、(2)式によって加速度ベクトルから重力加速度gを補正する((1)式、(2)式は、図1の加速度の座標変換および重力加速度の補正プログラム7に対応)。   Further, in order to remove the component of the gravitational acceleration g, the gravitational acceleration g is corrected from the acceleration vector by the equation (2) (the equations (1) and (2) are the acceleration coordinate conversion and the gravity acceleration correction in FIG. 1). Corresponding to program 7).

Figure 2009115714
・・・(2)
Figure 2009115714
... (2)

この補正した加速度ベクトルC=(cX,cY,cZ)の出力値の変化幅を求めるために、例えば二乗平均平方根(以下、RMSと略記することあり)をそれぞれ演算する(図1の加速度RMS演算プログラム8に対応)。二乗平均平方根(RMS)は、加速度の変動の大きさ、すなわち加速度出力値の振れ幅を示す一つの指標である。例えば、N個のデータ[x1,x2,x3,・・・,x]におけるRMSは、(3)式により定義される。 In order to obtain the change width of the output value of the corrected acceleration vector C = (c X , c Y , c Z ), for example, the root mean square (hereinafter sometimes abbreviated as RMS) is calculated (see FIG. 1). Corresponds to acceleration RMS calculation program 8). The root mean square (RMS) is an index indicating the magnitude of acceleration fluctuation, that is, the amplitude of the acceleration output value. For example, RMS in N pieces of data [x 1 , x 2 , x 3 ,..., X N ] is defined by equation (3).

Figure 2009115714
・・・(3)
Figure 2009115714
... (3)

このRMS値を元にして、後述するように、連続する位置の出力から速度を求める際の時間間隔であり、かつ加速度計の出力値を積分後に移動平均する際の平均化時間である時間Sを決定する(図1の平均化時間の決定プログラムに対応)。図3は、加速度のRMS値から、時間S(秒)を決定する関数の一例を示したグラフである。さらに後述するように、このRMS値を利用して、移動することによって生じるGPSの出力値の誤差を推定することも行う。   Based on the RMS value, as will be described later, the time S is a time interval when the speed is obtained from the output of successive positions, and is the averaging time when the output value of the accelerometer is averaged after integration. (Corresponding to the averaging time determination program in FIG. 1). FIG. 3 is a graph showing an example of a function for determining the time S (seconds) from the RMS value of acceleration. Further, as will be described later, this RMS value is used to estimate an error in the GPS output value caused by movement.

次に、(2)式によって得た加速度の時系列データCiを(4)式により積算して(図1の積算演算プログラム10に対応)、暫定的な速度Vai(図5の波形10aに対応)へ換算する。(4)式の積算は、加速度の時間積分によって速度を求めることに相当する。 Next, the acceleration time series data C i obtained by the equation (2) is integrated by the equation (4) (corresponding to the integration calculation program 10 of FIG. 1), and the provisional speed V ai (the waveform 10a of FIG. 5) is obtained. Corresponding to). The integration of equation (4) corresponds to obtaining the speed by time integration of acceleration.

Figure 2009115714
・・・(4)
Figure 2009115714
... (4)

この暫定的な速度Vai(図5の波形10a)を、平均化時間Sにおいて、移動平均し(図1の移動平均演算プログラム11に対応)、速度Vaiの移動平均速度Vbi(図5の波形11a)を演算する。 This temporary speed V ai (waveform 10a in FIG. 5) is averaged during the averaging time S (corresponding to the moving average calculation program 11 in FIG. 1), and the moving average speed V bi of the speed V ai (FIG. 5). Waveform 11a) is calculated.

さらに、暫定的な速度Vaiと、このVaiを移動平均した速度Vbiの差から、移動速度変動成分Gi((5)式の左辺の波形バー付きViに同じ、図5の波形12a)を(5)式によっ
て演算する。
Further, from the difference between the provisional speed V ai and the speed V bi obtained by moving average V ai , the movement speed fluctuation component G i (the same as the waveform bar V i on the left side of the equation (5), the waveform of FIG. 12a) is calculated by equation (5).

Figure 2009115714
・・・(5)
Figure 2009115714
... (5)

一方、GPSによって得られた位置データは、GPSの時系列データPiに、重みMiを付加し、(5)式に示す移動平均法を用いて、位置の移動平均値Qiの演算を行う(図1のGPSデータの移動平均演算プログラム14に対応)。 On the other hand, the position data obtained by GPS adds weight M i to the GPS time-series data P i , and calculates the moving average value Q i of the position using the moving average method shown in equation (5). Performed (corresponding to the GPS data moving average calculation program 14 in FIG. 1).

Figure 2009115714
・・・(6)
Figure 2009115714
... (6)

(6)式における重みMiは、(7)式によって演算する(図1の重み関数の設定プログラム13に対応)。 The weight M i in the equation (6) is calculated by the equation (7) (corresponding to the weight function setting program 13 in FIG. 1).

Figure 2009115714
・・・(7)
Figure 2009115714
... (7)

(7)式では、前述した加速度データCの二乗平均平方根(RMS)σrms(m/s2)を、移動体の移動速度が変動することによる位置解析の誤差として用いている。またδは、GPSが元々有する誤差(m)である。(7)式に基づいて決定される、位置データPiからの時間間隔Δti(秒)における、GPSデータPiに付加する重みMiの一例を図4に表す。 In the equation (7), the root mean square (RMS) σ rms (m / s 2 ) of the acceleration data C described above is used as an error in position analysis due to fluctuations in the moving speed of the moving body. Further, δ is an error (m) that GPS originally has. An example of the weight M i added to the GPS data P i in the time interval Δ ti (seconds) from the position data P i determined based on the equation (7) is shown in FIG.

(6)式、(7)式によって求められた移動平均値Qiを基に、平均移動速度を次のように求める。連続する位置データQi(移動平均値)ついて、求めたい時間を中心とした時間間隔Sにおける初期位置をQini、最終位置をQendとすると、(8)式に基づいて、位置の差(距離)を時間間隔Sで除することによって、位置Qiにおける平均移動速度Hi((8)式の左辺の直線バー付きViに同じ、図6の波形15a)が演算される(図1の平均移動速度の演算プログラム15に対応)。 Based on the moving average value Q i obtained by the equations (6) and (7), the average moving speed is obtained as follows. For continuous position data Q i (moving average value), assuming that the initial position in the time interval S centered on the time to be obtained is Q ini and the final position is Q end , the position difference ( By dividing the distance) by the time interval S, the average moving speed H i at the position Q i (the waveform 15a in FIG. 6 which is the same as the V i with the straight bar on the left side of the equation (8)) is calculated (FIG. 1). Corresponding to the calculation program 15 of the average movement speed of

Figure 2009115714
・・・(8)
Figure 2009115714
... (8)

最終的に、平均速度Hi(図6の波形15a)と移動速度変動成分Gi(図5、図6の波形12a)を(9)式によって合成して、移動速度Vi(図6の波形16a)を出力として得る。 Finally, the average speed H i (waveform 15a in FIG. 6) and the moving speed fluctuation component G i (waveform 12a in FIGS. 5 and 6) are synthesized by equation (9) to obtain the moving speed V i (in FIG. 6). Waveform 16a) is obtained as output.

Figure 2009115714
・・・(9)
Figure 2009115714
... (9)

以上説明したように、本実施の形態による移動体の速度、位置測定方法および同測定装置は、移動体の移動速度を時間分解能と精度が高く測定可能な移動速度測定が実現できる。尚、本書において、(1)〜(9)の式中の文字と式以外の文中の文字で、斜字体と斜字体でないもの、又は線の太さにおいて異なるものがあるが、それらの間に差はなく同じことを意味する。   As described above, the moving body speed / position measuring method and the measuring apparatus according to the present embodiment can realize moving speed measurement capable of measuring the moving speed of the moving body with high time resolution and accuracy. In addition, in this document, there are characters in the expressions (1) to (9) and characters in sentences other than the expression that are not italic and not italic, or that differ in the thickness of the line. It means the same thing with no difference.

以下、本発明に係る移動速度測定システムを実際に船舶に搭載して、波による大きな速度の変化が生じる海洋上で船舶が航行したときに取得されたデータに基づいて説明する。   Hereinafter, the movement speed measurement system according to the present invention is actually mounted on a ship and will be described based on data acquired when the ship navigates on the ocean where a large speed change due to waves occurs.

三軸加速度計3で得られた加速度は、(1)式の座標変換によって傾き角が修正され、(2)式によって重力加速度 g が取り除かれる。座標変換し、重力加速度を補正した加速度を時間積分すると加速度を積分した、暫定的な速度波形(図5の10a)が求められる。   The acceleration obtained by the triaxial accelerometer 3 is corrected in inclination angle by the coordinate transformation of the equation (1), and the gravitational acceleration g is removed by the equation (2). When the coordinate conversion is performed and the acceleration obtained by correcting the gravitational acceleration is integrated over time, a temporary velocity waveform (10a in FIG. 5) obtained by integrating the acceleration is obtained.

また、座標変換し、重力加速度を補正した加速度から、(3)式によって定義されるRMSを演算する(ここでは、RMS=0.2m/s2)。求めた加速度のRMSから、図3の関数を基に、GPSの位置の差分を計算するための時間間隔であり、かつ加速度測定装置の出力値を積分後に移動平均する際の平均化時間である時間S(秒)を決定する(ここでは、S=20秒と決定される)。 Further, the RMS defined by the equation (3) is calculated from the acceleration obtained by coordinate transformation and correcting the gravitational acceleration (here, RMS = 0.2 m / s 2 ). This is a time interval for calculating the GPS position difference from the calculated acceleration RMS based on the function of FIG. 3, and is an averaging time when the output value of the acceleration measuring device is moving averaged after integration. Time S (seconds) is determined (here, S = 20 seconds is determined).

加速度を時間積分した暫定的な速度(図5の波形10a)を、平均化時間Sに基づいて移動平均する(図5の波形11a)。移動平均した速度(図5の波形11a)に対する、加速度を時間積分した暫定的な速度(図5の波形10a)の偏差を(5)式によって演算し、移動速度変動成分(図5の波形12a)を求める。   A provisional speed obtained by integrating the acceleration over time (waveform 10a in FIG. 5) is moving-averaged based on the averaging time S (waveform 11a in FIG. 5). A deviation of a provisional speed (waveform 10a in FIG. 5) obtained by time-integrating acceleration with respect to the moving average speed (waveform 11a in FIG. 5) is calculated by the equation (5), and a moving speed fluctuation component (waveform 12a in FIG. 5) is calculated. )

一方、GPSのデータから、次の手順により、移動速度の平均成分を演算する。まず、求めた加速度のRMS値から(7)式により、GPSデータに付加する重み関数Mi(図4)を決定する。次に、平均化時間をS(秒)、重み関数をMi(図4)とし、(8)式に基づいて、GPSの位置データを移動平均する。移動平均されたGPSの位置データから、(8)式に基づいて、時間区間S(秒)における平均速度(図6の波形15a)を演算する。 On the other hand, the average component of the moving speed is calculated from the GPS data by the following procedure. First, the weight function M i (FIG. 4) to be added to the GPS data is determined from the calculated acceleration RMS value according to the equation (7). Next, the averaging time is set to S (seconds), the weighting function is set to M i (FIG. 4), and the GPS position data is moving averaged based on the equation (8). Based on the moving averaged GPS position data, an average speed (waveform 15a in FIG. 6) in the time interval S (seconds) is calculated based on Equation (8).

最終的に、移動速度の変動成分(図5、6の波形12a)と平均成分(図6の波形15a)を、(9)式によって合成し、移動速度(図6の波形16a)を出力する。   Finally, the moving speed fluctuation component (waveform 12a in FIGS. 5 and 6) and the average component (waveform 15a in FIG. 6) are synthesized by equation (9) to output the moving speed (waveform 16a in FIG. 6). .

一方、実施例1の応用として、次の手順により、移動する移動体の位置を高精度に決定
することができる。
On the other hand, as an application of the first embodiment, the position of the moving moving body can be determined with high accuracy by the following procedure.

まず、三軸加速度計3で得られた加速度は、(1)式の座標変換によって傾き角が修正され、(2)式によって重力加速度 g が取り除かれる。次に、座標変換し、重力加速度を補正した加速度から、(3)式によって定義されるRMSを演算する(ここでは、RMS=0.2m/s2)。求めた加速度のRMS値から(7)式により、GPSデータに付加する重み関数Mi(図4)を決定する。(8)式に基づき、重み関数をMi(図4)として、GPSの位置データを移動平均することで、移動する移動体の位置を高精度に決定する。 First, the acceleration obtained by the three-axis accelerometer 3 is corrected in inclination angle by the coordinate transformation of equation (1), and the gravitational acceleration g is removed by equation (2). Next, the RMS defined by the equation (3) is calculated from the acceleration obtained by coordinate conversion and correcting the gravitational acceleration (here, RMS = 0.2 m / s 2 ). A weight function M i (FIG. 4) to be added to the GPS data is determined from the calculated RMS value of acceleration by Equation (7). Based on the equation (8), the weighting function is M i (FIG. 4), and the position of the moving moving body is determined with high accuracy by moving and averaging the GPS position data.

本発明は、船舶や車両など、波や路面状況によって速度が激しく変動する移動体の速度を、高い時間分解能で高精度に測定することが可能になり、移動体の移動速度測定法の高精度化・高分解能化に有用である。   The present invention makes it possible to measure the speed of a moving body, such as a ship or a vehicle, whose speed fluctuates drastically depending on the wave and road surface conditions with high time resolution and high accuracy. This is useful for higher resolution and higher resolution.

本発明による移動速度測定方法および装置を用いれば、移動体にその他の測定器(例えばドップラー式レーダ、ドップラー式ソーダなど)を搭載して、移動しながらでも風速や物体など対象物の速度を測定することができる。この測定は、搭載したレーダ等によって電波・音波など送受信して得られる出力値から、移動体の瞬間的な対地速度を補正することによって可能になる。   By using the moving speed measuring method and apparatus according to the present invention, other measuring devices (for example, Doppler radar, Doppler soda, etc.) are mounted on the moving body to measure the speed of an object such as a wind speed or an object while moving. can do. This measurement can be performed by correcting the instantaneous ground speed of the moving object from the output value obtained by transmitting / receiving radio waves / sound waves using a mounted radar or the like.

本発明の一実施例による移動速度出力までの流れを説明するためのフロー図である。It is a flowchart for demonstrating the flow to the moving speed output by one Example of this invention. 移動体に固定した座標系から絶対座標系への座標変換を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the coordinate transformation from the coordinate system fixed to the moving body to an absolute coordinate system. 加速度のRMS値から、時間S(秒)を決定する関数の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the function which determines time S (second) from the RMS value of acceleration. 移動平均に用いる重み関数の一例をグラフとして示した図である。It is the figure which showed an example of the weight function used for a moving average as a graph. 移動速度変動成分(偏差)の解析例を時系列波形によって示した図である。It is the figure which showed the example of analysis of the moving speed fluctuation | variation component (deviation) with the time series waveform. 最終的な移動速度の解析例を時系列波形によって示した図である。It is the figure which showed the analysis example of the final moving speed by the time series waveform.

符号の説明Explanation of symbols

1 移動体
2 GPS
3 三軸加速度計
4 三軸ジャイロまたは傾斜計
5 コンパス
6 メモリ(データ記憶装置)
7 加速度計の座標変換・重力加速度の補正プログラム
8 加速度RMS(二乗平均平方根)演算プログラム
9 平均化時間の決定プログラム
10 積算演算プログラム
11 移動平均演算プログラム
12 偏差の演算プログラム
13 GPSデータの重み関数の設定プログラム
14 GPSデータの移動平均プログラム
15 平均移動速度の演算プログラム
16 移動速度の合成プログラム
10a 加速度を積算して求めた速度の時系列波形(積算演算プログラム10により演算)
11a 移動平均された速度の時系列データ(移動平均演算プログラム11により演算)
12a 移動速度変動成分の時系列波形(偏差の演算プログラム12により演算)
15a 平均速度の時系列波形(平均速度の演算プログラム15により演算)
16a 合成された最終的な移動速度の時系列波形(移動速度の合成プログラム16により演算)
1 Mobile 2 GPS
3 3-axis accelerometer 4 3-axis gyro or inclinometer 5 Compass 6 Memory (data storage device)
7 Accelerometer coordinate conversion / gravity acceleration correction program 8 Acceleration RMS (root mean square) calculation program 9 Averaging time determination program 10 Integration calculation program 11 Moving average calculation program 12 Deviation calculation program 13 GPS data weight function Setting program 14 GPS data moving average program 15 Average moving speed calculation program 16 Moving speed synthesis program 10a Time series waveform of speed obtained by accumulating acceleration (calculated by integration calculation program 10)
11a Time-series data of moving average speed (calculated by moving average calculation program 11)
12a Time-series waveform of movement speed fluctuation component (calculated by deviation calculation program 12)
15a Time series waveform of average speed (calculated by the average speed calculation program 15)
16a Time series waveform of synthesized final moving speed (calculated by moving speed synthesis program 16)

Claims (6)

位置を測定する位置測定装置と加速度を測定する加速度測定装置とを移動体に設置し、上記移動体の所定の移動時間における上記加速度測定装置の出力値の変化幅に応じて、上記位置測定装置の位置の差分を計算するための時間間隔であり、かつ上記加速度測定装置の出力値を積分後に移動平均する際の平均化時間である時間を決定し、上記位置測定装置より得られた平均移動速度と、上記加速度測定装置より得られた移動速度変動成分を合成して、移動体の速度を求めることを特徴とする移動体の速度測定方法。   A position measuring device for measuring a position and an acceleration measuring device for measuring an acceleration are installed on a moving body, and the position measuring device according to a change width of an output value of the acceleration measuring device during a predetermined moving time of the moving body. Is a time interval for calculating the difference between the positions of the acceleration measuring device, and determines the time that is the averaging time for moving average after integrating the output value of the acceleration measuring device, and the average movement obtained from the position measuring device A speed measurement method for a moving body, comprising combining a speed and a moving speed fluctuation component obtained from the acceleration measuring device to obtain the speed of the moving body. 移動することによって生じる、上記位置測定装置の出力値の誤差を、上記加速度測定装置の出力値の変化幅を用いて推定し、推定した誤差によって決定される重みを付加して位置の出力値を移動平均することにより、移動体の位置を求めた上、連続する位置出力の差分から移動体の速度を求めることを特徴とする請求項1に記載の移動体の速度測定方法。   The error of the output value of the position measuring device caused by the movement is estimated using the change width of the output value of the acceleration measuring device, and the weight determined by the estimated error is added to obtain the position output value. The method for measuring the speed of a moving body according to claim 1, wherein the position of the moving body is obtained by performing a moving average, and the speed of the moving body is obtained from a difference between successive position outputs. 上記加速度測定装置の出力値の変化幅を、加速度出力値の二乗平均平方根によって求めることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の移動体の速度測定方法。   The method for measuring the velocity of a moving body according to claim 1 or 2, wherein a change width of an output value of the acceleration measuring device is obtained by a root mean square of the acceleration output value. 位置を測定する位置測定装置と加速度を測定する加速度測定装置とを有し、移動体の所定の移動時間における上記加速度測定装置の出力値の変化幅に応じて、上記位置測定装置の位置の差分を計算するための時間間隔であり、かつ上記加速度測定装置の出力値を積分後に移動平均する際の平均化時間である時間を決定し、上記位置測定装置より得られた平均移動速度と、上記加速度測定装置より得られた移動速度変動成分を合成して、移動体の速度を求める回路を有することを特徴とする移動体の速度測定装置。   A position measurement device for measuring a position and an acceleration measurement device for measuring an acceleration, and a position difference of the position measurement device according to a change width of an output value of the acceleration measurement device during a predetermined movement time of the moving body; Is a time interval for calculating the average moving speed obtained from the position measuring device, and determining the time that is the averaging time when moving average after integrating the output value of the acceleration measuring device, and the above A moving body speed measuring apparatus comprising a circuit for determining a moving body speed by combining moving speed fluctuation components obtained from an acceleration measuring apparatus. 移動することによって生じる、上記位置測定装置の出力値の誤差を、上記加速度測定装置の出力値の変化幅を用いて推定し、推定した誤差によって決定される重みを付加して位置の出力値を移動平均することにより、移動体の位置を求めた上、連続する位置出力の差分から移動体の速度を求める回路を有することを特徴とする請求項4に記載の移動体の速度測定装置。   The error of the output value of the position measuring device caused by moving is estimated using the change width of the output value of the acceleration measuring device, and a weight determined by the estimated error is added to obtain the position output value. 5. The moving body speed measuring apparatus according to claim 4, further comprising a circuit that obtains the position of the moving body by performing a moving average and obtains the speed of the moving body from a difference between successive position outputs. 上記加速度測定装置の出力値の変化幅を、加速度出力値の二乗平均平方根によって求める回路を有することを特徴とする請求項4または請求項5に記載の移動体の速度測定装置。   6. The moving body speed measuring device according to claim 4, further comprising a circuit for obtaining a change width of the output value of the acceleration measuring device by a root mean square of the acceleration output value.
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