JP2010145286A - 車両走行速度測定装置及び車両走行速度測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】遠心力の影響度合いを緩和させて速度算出性能を向上させることができる車両走行速度測定装置を提供する。
【解決手段】センサユニット１００において、センサ部２０２は、車両のタイヤ回転に伴って発生する加速度をＸ_B軸とＹ_B軸とで分散検出し、Ｘ_B軸の加速度α１と、Ｙ_B軸の加速度α２とを出力する。通信部２０３は、加速度α１及び加速度α２をＰＮＤ１００に送信する。ＰＮＤ１００において、通信部１０３は、センサユニット１００から加速度α１及び加速度α２を受信する。制御部１０１は、加速度α１と加速度α２とを合成して加速度α３を算出し、加速度α３から車両の走行速度を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両走行時のタイヤの回転に伴って生ずる加速度を検出して車両の走行速度を測定する車両走行速度測定装置、及び車両走行速度測定方法に関する。

従来、車両走行時のタイヤの回転によって生ずる加速度を検出して車両の走行速度を測定する車両走行速度測定方法及びその方法を用いる装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１記載の走行速度測定方法では、タイヤ半径Ｒと、回転軸からセンサ部までの距離ｒと、回転軸に直交する方向（タイヤ回転の中心からみて外側へと向かう方向）に発生する加速度αとを用いて、車両走行速度ｖ１を数式１によって求めている。

（数式１）
ｖ１ ＝ Ｒ×（α／ｒ）^1/2

さらに、加速度αに重畳している重力加速度によるサイン波の周期ｔを検出し、走行速度ｖ２を数式２によって求める。
（数式２）
ｖ２ ＝ ２πＲ／ｔ

そして、補正係数β１を数式３によって求める。
（数式３）
β１ ＝ ｖ２／ｖ１ ＝ ２π／｛ｔ×（α／ｒ）^1/2｝

最終的に測定結果としての走行速度ｖ３を数式４で求める。
（数式４）
ｖ３ ＝ β１×ｖ１

補正係数β１を求め、当該補正係数β１に車両走行速度ｖ１を乗算した値を走行速度ｖ３として得る理由は、加速度センサの電気系回路の回路定数に変化が生じても、加速度αに重畳している重力加速度によるサイン波の周期ｔによって、測定した走行速度ｖ１を補正するためである。走行速度ｖ３は、運転者に対して表示される他、車両の駆動制御システム（ＡＢＳ；Ａｎｔｉ−Ｌｏｃｋ Ｂｒａｋｅ Ｓｙｓｔｅｍ、トラクション・コントロール・システムなど）等にも使用される。
特開２００６−３２２７６０号公報

上記数式１で説明した回転軸に直交する方向に発生する加速度αと、走行速度ｖ１との関係について図１１に示す。図１１に示すように、走行速度ｖ１が増すにつれて検出しなければならない加速度αは指数関数的に増加する。ただし、Ｒ＝０．３３８８５ｍ， ｒ＝０．２２８６ｍとして計算している。このため、回転軸に直交する方向の軸には、検出範囲が広い加速度センサを用いる必要がある。例えば、時速１８０ｋｍまで検出するためには約５１０Ｇ（１Ｇ＝９．８０６６５ ｍ ／ ｓ²）の検出範囲が必要となる。

一般的にＭＥＭＳ加速度センサにおいて、検出範囲が広くなるほど感度が低下することが知られており、これは速度算出性能が劣化することを表す。また、ＡＤコンバータのビット数を増やす等の対策が必要となりコスト増となる。このため、可能な限り加速度センサの感度低下を抑えつつ速度を算出することが求められる。

一方、上記数式２で説明した加速度αに重畳している重力加速度によるサイン波の周期ｔから走行速度ｖ２を算出する場合、タイヤの回転方向の軸を用いる方が理論上では遠心力の影響を受けないため算出し易い。しかしながら、加速度センサの他軸感度の影響で少なからず遠心力の影響を受けてしまう。この影響を緩和させるには、センサ素子内部の構造とは別にセンサ自体が受ける遠心力の大きさを低減させる必要がある。

そこで、本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、タイヤの回転によって生ずる加速度を検出して車両の走行速度を測定するにあたり、車両のタイヤ回転に伴って発生する加速度を複数の軸で分散検出することで、遠心力の影響度合いを緩和させて速度算出性能を向上させることができる車両走行速度測定装置及び車両走行速度測定方法を提供することを目的とする。

本発明は、車両走行時のタイヤの回転に伴って生ずる加速度を検出して車両の走行速度を測定することを前提としている。

本発明の第一の局面は、車両走行速度測定装置が、車両のタイヤ回転に伴って発生する加速度を複数の軸で分散検出する加速度分散検出部と、加速度分散検出部で検出した複数の軸の加速度を合成する合成部と、合成部で合成した加速度に基づき、車両の走行速度を算出する速度算出部とを有する。

また、本発明の第二の局面は、車両のタイヤを含む回転機構部に回転軸から所定距離離れた位置に固定して設けられ、回転によって生じる加速度をセンサを用いて検出するセンサユニットと、センサユニットが検出した加速度に基づき車両の走行速度を測定する速度測定端末とを含む車両走行速度測定装置であって、センサユニットは、車両のタイヤ回転の中心からみて外側へと向かう遠心力が働く方向をＸ_A軸、タイヤの回転方向をＹ_A軸、タイヤの横方向をＺ_A軸とするＡ座標系を、Ｚ_A軸周りに角度θ回転した軸をＸ_B軸、Ｙ_B軸，Ｚ_B軸とするＢ座標系におけるＸ_B軸の加速度α１を検出するＸ_B軸加速度検出部と、Ｙ_B軸の加速度α２を検出するＹ_B軸加速度検出部と、加速度α１及び加速度α２とを速度測定端末に送信する送信部とを有し、速度測定端末は、センサユニットから送信された加速度α１及び加速度α２を受信する受信部と、加速度α１と加速度α２を合成して加速度α３を算出する合成部と、加速度α３を用いて、車両の走行速度を算出する速度算出部とを有する。

好ましくは、速度測定端末は、センサユニットに設定された角度θを加速度α３及び加速度α１を用いて算出する角度算出部をさらに有する。好ましくは、角度θは４５度である。

好ましくは、センサユニットは、角度算出部で算出した角度θが４５度でない場合には、角度θが４５度になるよう自動で座標軸の回転を行う回転部をさらに有する。あるいは、センサユニットは、角度算出部で算出した角度θが４５度でない場合には、角度θが４５度になるよう手動で座標軸の回転を行うことができる入力部をさらに有してもよい。

速度測定端末は、パーソナルナビゲーションデバイスである。この場合、速度測定端末は、速度算出部で得た車両の走行速度を用いて地図上に表示される自車位置の測位計算と表示更新を行うとともに経路誘導案内を行うナビゲーション部とさらに有する。また、速度測定端末は、角度θが４５度で無い場合には、ユーザに対してメッセージを報知する報知部をさらに有してもよい。

また、本発明の第三の局面は、車両のタイヤを含む回転機構部に回転軸から所定距離離れた位置に固定して設けられ、回転によって生じる加速度をセンサを用いて検出するセンサユニットと、センサユニットが検出した加速度に基づき車両の走行速度を測定する速度測定端末との間で行われる、車両走行速度測定方法であって、センサユニットは、車両のタイヤ回転の中心からみて外側へと向かう遠心力が働く方向をＸ_A軸、タイヤの回転方向をＹ_A軸、タイヤの横方向をＺ_A軸とするＡ座標系を、Ｚ_A軸周りに角度θ回転した軸をＸ_B軸、Ｙ_B軸，Ｚ_B軸とするＢ座標系におけるＸ_B軸の加速度α１を検出するＸ_B軸加速度検出ステップと、Ｙ_B軸の加速度α２を検出するＹ_B軸加速度検出ステップと、加速度α１及び加速度α２を速度測定端末に送信する送信ステップとを有し、速度測定端末は、センサユニットから送信された加速度α１及び加速度α２を受信する受信ステップと、加速度α１と加速度α２とを合成して加速度α３を算出する合成ステップと、加速度α３を用いて、車両の走行速度を算出する速度算出ステップとを有する。

また、本発明の第四の局面は、車両のタイヤを含む回転機構部に回転軸から所定距離離れた位置に固定して設けられ、回転によって生じる加速度をセンサを用いて検出するセンサユニットと、センサユニットが検出した加速度に基づき車両の走行速度を測定する速度測定端末との間で行われる、車両走行速度測定方法を、実行するためのプログラムであって、センサユニットは、車両のタイヤ回転の中心からみて外側へと向かう遠心力が働く方向をＸ_A軸、タイヤの回転方向をＹ_A軸、タイヤの横方向をＺ_A軸とするＡ座標系を、Ｚ_A軸周りに角度θ回転した軸をＸ_B軸、Ｙ_B軸，Ｚ_B軸とするＢ座標系におけるＸ_B軸の加速度α１を検出するＸ_B軸加速度検出ステップと、Ｙ_B軸の加速度α２を検出するＹ_B軸加速度検出ステップと、加速度α１及び加速度α２を速度測定端末に送信する送信ステップとを有し、速度測定端末は、センサユニットから送信された加速度α１及び加速度α２を受信する受信ステップと、加速度α１と加速度α２とを合成して加速度α３を算出する合成ステップと、加速度α３を用いて、車両の走行速度を算出する速度算出ステップとを有する、車両走行速度測定方法を実行する。

以上説明したように、本発明によれば、タイヤの回転によって生ずる加速度を検出して車両の走行速度を測定するにあたり、車両のタイヤ回転に伴って発生する加速度を複数の軸で分散検出することで、遠心力の影響度合いを緩和させて速度算出性能を向上させることができる車両走行速度測定装置及び車両走行速度測定方法を提供することができる。

以下、本発明の一実施形態に係る車両走行速度測定装置について図面を参照しながら説明する。なお、各図面において、本発明に関係のない構成要素は省略している。

図１は、本発明の一実施形態に係る車両走行速度測定装置の全体構成を示すブロック図である。図１において、本発明の車両走行速度測定装置は、速度測定端末１００と、センサユニット２００とによって構成される。ただし、本実施形態では、速度測定端末１００が、パーソナルナビゲーションデバイス（以下、ＰＮＤ；Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ）に適用されることを想定している。以下、速度測定端末１００のことをＰＮＤ１００と記す。ＰＮＤ１００は、公知のナビゲーション機能を持つポータブル型のナビゲーションシステムであり、配線の引き回しが不要であり、持ち運びが容易であることを特徴としている。

図２は、本発明の一実施形態に係るセンサユニット２００のタイヤ３００への装着状態を説明する図である。図２に示すように、センサユニット２００は、車両に装着された回転半径Ｒのタイヤ３００の回転機構部３０１に、回転中心軸Ｃから距離ｒだけ離れた所定位置に固定される。回転機構部３０１は、車軸（回転中心軸Ｃと一致する）と共に回転するブレーキディスク、ホイールを固定するためのホイールキャリア、タイヤ本体、及びリム等の回転体を含む。

センサユニット２００は、タイヤ３００の空気バルブの外側に取り付けられる。具体例としては、タイヤ３００に付いている既存のバルブキャップを外し、その代わりにセンサユニット２００を取り付けると、タイヤを取り外さずに手軽に設置できる。

また、センサユニット２００は、タイヤ３００の空気バルブの外側に取り付けるとしたが、これに限定されることはない。例えば、タイヤ３００と一緒に回るホイールのリム部、ブレーキディスク部、又はホイールの内部に埋め込み型等でも設置することもできる。また、タイヤ空気圧監視装置と一体化することも可能である。

センサユニット２００は、センサユニット２００内に設けられている後述する加速度センサによってタイヤ３００の回転によって生ずる加速度を検出し、検出した加速度をディジタル値に変換した加速度信号をＰＮＤ１００に送信する。

ＰＮＤ１００は、センサユニット２００から送信された加速度信号を受信し、後述する方法で走行速度を算出する。通常、ＰＮＤ１００は、車速情報を得るための配線が煩雑となり、持ち運びが困難になるために車速情報を利用しない。しかし、本実施形態の構成を採ることによって、ＰＮＤ１００の持ち運びが容易であるという特徴を失うことなしに、車速情報を得ることができる。

次に、ＰＮＤ１００の構成要素について説明する。図１において、ＰＮＤ１００は、制御部１０１、ＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）受信部１０２、通信部１０３、記憶部１０４、ナビゲーション部１０５、及び入出力部１０６を備える。

制御部１０１は、ＰＮＤ１００全体の動作を制御する。制御部１０１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）やＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）やＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等から構成される。ＣＰＵやＭＰＵは、ＲＯＭに格納されるプログラムを実行することによって、後述するＰＮＤ１００の各機能を実現する。また、ＣＰＵやＭＰＵは、プログラムの実行中、ＲＡＭを作業領域として使用する。制御部１０１は、遠心力方向の加速度又は重力加速度の周期のどちらを用いて走行速度を算出するかを判定する機能、速度を算出する機能、補正係数を算出する機能、省電力監視機能、及び送信レート管理機能等を実現させる。これらの機能の詳細ついては後述する。

ＧＮＳＳ受信部１０２は、複数の衛星からの電波を受信し、それを復調することで受信機の絶対位置、及び速度を計測する。ＧＮＳＳ受信部１０２は、例えばＧＰＳ受信機である。ＧＰＳの測位方法は、コード測位方式であっても、搬送波測位方式であっても良い。ＧＮＳＳ受信部１０２は、センサユニット２００から送信される加速度信号から算出する速度の補正係数を求めるために使用される。また、ＧＮＳＳ受信部１０２は、後述するナビゲーション部１０５で自車位置を把握するためや、後述する角度θを算出するために使用される。

通信部１０３は、センサユニット２００と所定の周波数（例えば２．４ＧＨｚ）で無線通信を行うアンテナ、及び変復調回路等から構成される。通信部１０３は、センサユニット２００から送信される加速度信号を復調して制御部１０１へ送る機能を備える。また、通信部１０３は、無線通信を行う方式として、無線ＬＡＮやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、特定省電力無線等を使っても良い。通信部１０３は、車両のダッシュボード付近に設置されるＰＮＤ１００と通信が可能な電波強度と送信距離とを確保する。

記憶部１０４は、書き換え可能な不揮発性メモリ等から構成される。記憶部１０４には、ＰＮＤ２００が走行速度を測定する前段階で入出力部１０６からの入力により、図２で示したタイヤ半径Ｒと、回転軸中心からセンサユニット２００の取り付け位置までの距離ｒとを記憶させておく。また、タイヤ半径Ｒは、図示しない通信手段（例えば、携帯電話、モバイルＷｉＭＡＸ等）によってセンター設備から適宜ダウンロードされる構成としてもよい。また、記憶部１０４は、速度の補正係数を記憶するためにも使用される（詳細は後述する）。

ナビゲーション部１０５は、道路や交差点に関するデータ等を含む地図情報を格納したデータベースと、公知の経路探索や誘導案内を行うナビゲーション機能に関わるプログラム等から構成される。ナビゲーション部１０５は、後述する入出力部１０６としての液晶ディスプレイなどの表示部に地図を表示すると共に、自車位置の表示更新、経路の重畳表示等を行う。自車位置の表示更新には、センサユニット２００から送信された加速度信号を受信し、後述する方法で得た走行速度を用いる。なお、地図情報は、図示しない通信手段（例えば、携帯電話、モバイルＷｉＭＡＸ等）によってセンター設備から適宜ダウンロードされる構成としても良い。

また、ナビゲーション部１０５は、慣性航法装置（加速度センサ＋角速度センサ）を備え、センサユニット２００から送信された加速度信号を受信して算出する走行速度をカルマンフィルタの観測量に用いることで複合航法を行うことができる。複合航法を行うにあたり、まず最低限車体の位置、速度及び姿勢を表す状態変数からなる車両状態量［Ｘ］と、状態方程式及び観測方程式からなる物理モデルとを数式５及び数式６により定義する。
（数式５）
［Ｘ］′ ＝ Ｆ［Ｘ］＋Ｇｗ
（数式６）
Ｙ ＝ Ｈ［Ｘ］＋ｖ

数式５は状態方程式、数式６は観測方程式である。また、車両状態量［Ｘ］は任意次元の状態ベクトルであり、Ｙは観測ベクトルである。なお、状態変数は車体の位置誤差、速度誤差及び姿勢誤差とすることもできる。Ｆ、Ｇ、Ｈは、それぞれ、任意次元の状態変数の相互の物理的関係やシステムとの関係を表す関数や係数を要素とする行列式であり、Ｆは状態遷移行列、Ｇは駆動行列、Ｈは観測行列である。さらに、ｗはシステム外乱を表す変数、ｖは観測ノイズを表す変数であり平均０の正規性白色雑音とする。

ナビゲーション部１０５は、慣性航法装置の加速度データ、角速度データ、及びセンサユニット２００から送信された加速度信号を受信し、後述する方法で得た走行速度を物理モデルに入力し、周知のカルマンフィルタの適用により逐次、推定演算して車両状態量［Ｘ］の時系列のデータを得る。

ナビゲーション部１０５は、このような推定演算を行うことにより、各種センサの特性に対応する適切な補正が行われて、測定データの誤差を最小化し、車体の位置や姿勢変化等を表す車両状態量［Ｘ］の時系列のデータを正確に求めることができる。ナビゲーション部１０５は、得られたデータに基づいて、ＰＮＤ１００の自車位置の表示更新を行う。

入出力部１０６は、入力機能及び出力機能を有する。入力機能は、ユーザからの指示を入力するための押圧式のスイッチを所定数並べた構成、タッチパネル、リモコン、利用者の声を認識してＰＮＤ１００への入力情報に変換するマイクロフォン、及び音声認識エンジン等で構成される。ユーザからの指示内容としては、ナビゲーション部１０５の機能を実行するための操作、記憶部１０４に記憶させるタイヤ半径Ｒや回転軸中心からセンサユニット２００の取り付け位置までの距離ｒの入力等がある。出力機能は、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイなどの表示デバイスで構成される。

次に、センサユニット２００の構成要素について説明する。図１において、センサユニット２００は、制御部２０１、センサ部２０２、及び通信部２０３を備える。制御部２０１は、センサユニット２００全体の動作を制御する。制御部２０１は、ＣＰＵやＭＰＵと、ＲＯＭやＲＡＭ等から構成される。ＣＰＵやＭＰＵは、ＲＯＭに格納されるプログラムを実行することによって、センサユニット２００の各機能を実現する。また、ＣＰＵやＭＰＵは、プログラムの実行中、ＲＡＭを作業領域として使用する。

センサ部２０２は、加速度センサ、及びアナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換回路等から構成される。加速度センサは、タイヤの回転によって生ずる加速度を検出する。Ａ／Ｄ変換回路は、加速度センサが検出した加速度をデジタル変換する。ここで、加速度センサの軸の向きを説明するための座標系の定義を図３を用いて行う。図３は、加速度センサの軸の向きを説明するための座標系の定義を示す図である。図３（ａ）にあるようにＡ座標系は、タイヤ回転の中心からみて外側へと向かう方向の軸をＸ_A軸、タイヤの回転方向の軸をＹ_A軸、タイヤ横方向の軸をＺ_A軸とする座標系である。

一方、図３（ｂ）にあるようにＢ座標系は、Ａ座標系のＸ_A軸がＺ_A軸周りに角度θ回転してできる軸をＸ_B軸、Ａ座標系のＹ_A軸がＺ_A軸周りに角度θ回転してできる軸をＹ_B軸、Ｚ_A軸と同じ方向を向く軸をＺ_B軸とする座標系である。センサ部２０２の加速度センサは、タイヤ回転に伴う加速度をＢ座標系の各成分として検出する。なお、加速度センサは、加速度を検出するために最低２軸（Ｘ方向、Ｙ方向）を必要とするが、これに限定されるものではない。

通信部２０３は、ＰＮＤ１００と所定の周波数（例えば２．４ＧＨｚ）で無線通信を行うアンテナ、及び変復調回路等から構成される。通信部２０３は、センサ部２０２で検出した加速度信号を送信フレーム内に格納してＰＮＤ１００の通信部１０３へ送信する機能を備える。通信部２０３は、無線通信を行う方式として、ＰＮＤ１００の通信部１０３と同様に、無線ＬＡＮやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、特定省電力無線等を使っても良い。

なお、センサユニット２００は、電池で駆動する場合には、頻繁にＰＮＤ１００と通信を行うとすぐに電池が消耗してしまう。このため、センサユニット２００は、省電力モード（スリープ）とウェイクアップとを繰り返してもよい。あるいは、センサユニット２００は、タイヤの回転を電気エネルギーへ変換する発電機を備えてもよい。この場合はユーザが電池交換する手間が不要になる効果を奏する。

次に、走行速度算出手順について説明する。走行速度算出手順において、ＰＮＤ１００が備える制御部１０１は、センサユニット２００から送信された加速度信号を受信し、走行速度を算出する。具体的には、センサユニット２００の制御部２０１は、センサ部２０２を用いて、Ｘ_B軸加速度α１、及びＹ_B軸加速度α２を検出し、デジタル変換してＰＮＤ１００へ送信する。次いで、ＰＮＤ１００の制御部１０１は、遠心力方向の加速度、又は重力加速度の周期のどちらを用いて走行速度を算出するかを所定の条件で判定する。制御部１０１は、遠心力方向の加速度を用いて走行速度を算出すると判定した場合は、数式７によって、加速度α１と加速度α２の出力を合成する。
（数式７）
α３＝｜α１｜＋｜α２｜ （｜｜は絶対値を表す。）

上記数式７を用いて合成された加速度α３は、図４に示すようにＸ_A軸方向に一致する。次いで、合成して得られた加速度α３を用いて、数式８から走行速度Ｖ１を算出する。
（数式８）
Ｖ１ ＝ Ｒ×（α３／ｒ）^1/2

図５は、等速走行状態における加速度α１と加速度α２の波形、及び加速度α１と加速度α２とを合成した加速度α３の波形を示す図である。図５（ａ）は、加速度α１の波形を示しており、タイヤ回転に伴う遠心力の影響を受け出力は上がるが、その影響はＸ_A軸で受けるのと比べて角度θ傾いている分減少している。図５（ｂ）は、加速度α２の波形を示しており、タイヤ回転に伴う遠心力の影響を受け出力は下がる。本来、Ｙ_A軸では理論上遠心力の影響は受けないが、角度θ傾いている分影響が増加している。図５（ｃ）は、等速走行状態における加速度α３の波形を示しており、加速度α１と加速度α２の出力が合成されたものとなる。

遠心力の影響を均等に分散できるため、角度θを４５度とすることが望ましい。また、角度θを４５度とするならＸ_B軸、Ｙ_B軸で同じ検出範囲を持つセンサを使用できるので、どちらか一方の大きい方の軸に合わせる必要がないので効率的である。このように、遠心力の加速度をＸ_B軸とＹ_B軸の２軸で分散して検出することで、加速度センサの検出範囲をＸ_A軸で受けるのと比べ狭いものにすることができる。一般的に加速度センサの検出範囲を狭くすることで感度は向上するので、結果として走行速度ｖ１の精度が向上することになる。また、感度向上することで、ＡＤコンバータのビット数を必要以上に増やすことがなくなるので、センサユニット２００全体のコストを抑制することができる。

一方、制御部１０１は、重力加速度の周期を用いて走行速度を算出すると判定した場合は、まず、数式９によって、加速度α１と加速度α２の出力を合成する。
（数式９）
α４＝α１＋α２
上記数式９を用いて合成された加速度α４は、図６に示すようにＹ_A軸方向に一致する。

次いで、制御部１０１は、合成して得られた加速度α４を用いて、数式１０から走行速度Ｖ２を算出する。
（数式１０）
Ｖ２ ＝ ２πＲ／ｔ１
ここで、ｔ１はＹ_A軸方向の加速度α４に重畳する重力加速度によるサイン波の周期である。制御部１０１は、この周期ｔ１を検出するのに十分なサンプリング周波数を選択する。

図７は、等速走行状態における加速度α１と加速度α２の波形、及び加速度α１と加速度α２とを合成した加速度α４の波形を示している。図７（ａ）は、加速度α１の波形を示しており、タイヤ回転に伴う遠心力の影響を受け出力は上がるが、その影響はＸ_A軸で受けるのと比べて角度θ傾いている分減少している。図７（ｂ）は、加速度α２の波形を示しており、タイヤ回転に伴う遠心力の影響を受け出力は下がる。本来、Ｙ_A軸では理論上遠心力の影響は受けないが、角度θ傾いている分影響が増加している。図７（ｃ）は、等速走行状態における加速度α４の波形を示しており、加速度α１と加速度α２との出力が合成されたものとなる。遠心力の影響を均等に分散できるため、角度θを４５度とすることが望ましい。これにより、他軸感度として受ける遠心力の影響を抑制することができるので、周期の検出が行い易くなるという効果を奏する。

次に、ＰＮＤ１００が角度θを高精度に算出する動作について図面を参照し説明する。ＰＮＤ１００は、角度θを調整するために、角度θを高精度に算出できることが望ましい。図８は、ＰＮＤ１００が角度θを算出する動作を示す動作フロー図である。図８において、まず、制御部１０１は、ＧＮＳＳ受信部１０２から、ＧＰＳ速度Ｖ３を取得する（ステップＳ１０１）。ＧＰＳ速度Ｖ３は衛星の測位状態が良好で、ある程度の速度で走行している状態で取得することが好ましい。

次いで、制御部１０１は、上記数式７により加速度α３を算出する（ステップＳ１０２）。さらに、制御部１０１は、加速度α３から速度Ｖ１を上記数式８から算出する（ステップＳ１０３）。ステップＳ１０４では、数式１１を用いて、タイヤ回転に伴う加速度から求めた速度Ｖ１が、ＧＰＳ速度Ｖ３と比べて妥当な値か否かを判断する。ここで、Ｔｈは所定の閾値である。
（数式１１）
｜Ｖ１−Ｖ２｜≦Ｔｈ （｜｜は絶対値を表す。）

制御部１０１は、速度Ｖ１がＧＰＳ速度Ｖ３と比べて妥当な値では無い場合（ステップＳ１０４：Ｎｏ）、ステップＳ１０１に処理を戻す。一方、制御部１０１は、速度Ｖ１がＧＰＳ速度Ｖ３と比べて妥当な値で有る場合（ステップＳ１０４：Ｙｅｓ）、ステップＳ１０５へ処理を移す。ステップＳ１０５では、制御部１０１は、角度θを数式１２を用いて算出する。
（数式１２）
θ＝ａｒｃｃｏｓ（α１／α３）
ここで、ａｒｃｃｏｓとは逆余弦である。

次に、センサユニット２００の具体的な構造の一例について図９を用いて説明する。図９において、センサユニット２００は、メモリダイヤル４００、加速度センサ４０１（図１のセンサ部２０２に相当する）、及び加速度センサ４０１を支える台座４０２を備える。なお、図１で示した制御部２０１及び通信部２０３について説明を省略する。メモリダイヤル４００は、回転型の入力インタフェースである。メモリダイヤル４００と台座４０２とが接続されており、メモリダイヤル４００を回転することで、加速度センサ４０１の台座４０２が回転する機構となっており、角度θが４５度となるように、ユーザがメモリダイヤル４００を操作することができるようになっている。

また、図９では、ユーザが手動で加速度センサ４０１の軸を回転するようにしたが、ＰＮＤ１００からの指示に応じて、自動で行うこともできる。自動で行う場合には、ＰＮＤ１００は、数式１２で示した演算によって、現在の角度θを算出し、角度θが目標の角度となるように、加速度センサ４０１の軸の回転を指示する信号をセンサユニット２００へ送信する。センサユニット２００は、加速度センサ４０１の軸の回転を指示する信号を受信し、台座４０２を自動的に回転する。なお、これに限らず、ＰＮＤ１００側からの指示を受けずにセンサユニット２００が自律して加速度センサ４０１の軸を回転するようにしても良い。センサユニット２００が自律して行う場合は、数式１２で示した演算をセンサユニット２００側で行わなければならない。なお、上述したセンサユニット２００の構造は一例であり、これに限定されるものではない。例えば、センサユニット２００は、タイヤ３００の所定位置に固定さた場合に、加速度センサ４０１における角度θが４５度になるように予め設計されていてもよい。

また、ＰＮＤ１００は、はじめてセンサユニット２００をタイヤ３００に取り付けた際に、その取り付け状態をユーザが確認できるように、入出力部１０６の持つ機能を使ってセンサユニット２００内部の加速度センサ４０１の軸の向きを表示又は音声で報知する機能を有していてもよい。特に角度θが４５度でない場合はエラーメッセージを報知することが好ましい。

次に、制御部１０１は、遠心力方向の加速度、又は重力加速度の周期のどちらを用いて走行速度を算出するかを判定する機能について説明する。
（判定方法１）
制御部１０１は、低速走行／高速走行に応じて遠心力方向の加速度、又は重力加速度の周期のどちらの速度を使用するかを判定する。低速走行とは、例えば０ｋｍ／ｈ以上〜１００ｋｍ／ｈ未満であり、高速走行とは、例えば１００ｋｍ／ｈ以上〜１８０ｋｍ／ｈ未満である。このとき、例えば低速走行時には重力加速度の周期から速度を算出し、高速走行時には遠心力方向の加速度から速度を算出する。現在の走行状態が低速なのか高速なのかの判定は、現在速度算出に使用している速度Ｖ１又はＶ２に基づき行えば良い。なお、デフォルト状態では、いずれか一方が選択されている。なお、走行速度域は２つとしたが、これに限定するものではなく、複数設定しても良い。

（判定方法２）
制御部１０１は、信頼情報に応じて遠心力方向の加速度、又は重力加速度の周期のどちらの速度を使用するかを判定する。この場合、記憶部１０４には、事前に走行状態毎に求められた信頼情報が格納される。制御部１０１は、現在の走行状態に応じて、記憶部１０４に格納されている信頼情報を読み出し、遠心力方向の加速度、又は重力加速度の周期のどちらの速度を使用するかを判定する。ここで、走行状態とは、停止状態、等速走行状態、加減速走行状態であり、加速度α３又は加速度α４に基づき求める。信頼情報とは、各走行状態において、遠心力方向の加速度から求める速度Ｖ１と、重力加速度の周期から求める速度Ｖ２のどちらの方が精度が高いかを表す情報である。精度の高さは速度Ｖ１又は速度Ｖ２とＧＰＳ速度の比較により行う。

（判定方法３）
制御部１０１は、路面状態に基づき、遠心力方向の加速度、又は重力加速度の周期のどちらの速度を使用するかを判定する。例えば、制御部１０１は、路面状態として凹凸があまり無い場合は、重力加速度の周期を用いて算出し、路面状態として凹凸がありタイヤに振動が加わるような場合には遠心力方向の加速度を用いて速度算出する。なお、路面の凹凸具合の算出は、加速度α３又は加速度α４に基づき行うことができる。

（判定方法４）
制御部１０１は、地図情報に基づき遠心力方向の加速度、又は重力加速度の周期のどちらの速度を使用するかを判定する。例えば、制御部１０１は、車両が現在走行している道路の種類（山岳路、高速道、細街路等）に基づいて判定することができる。なお、判定方法については上記４つの方法に限らず、他の方法を取ることもできる。

次に、制御部１０１の補正係数算出機能について説明する。
補正係数β１、β２とは、上記速度Ｖ１又はＶ２を補正し、数式１３に示す速度Ｖ４又はＶ５を求めるための係数のことであり、タイヤ３００から算出した速度を校正する役割を果たす。
（数式１３）
Ｖ４＝Ｖ１×β１
Ｖ５＝Ｖ２×β２

制御部１０１は、補正係数β１、β２を数式１４のように算出し、記憶部１０４に格納する。
（数式１４）
β１＝Ｌ１／Ｌ２
β２＝Ｌ３／Ｌ４

数式１４において、Ｌ１はＧＰＳ受信機から得られる第１位置と第２位置との間の距離であり、Ｌ２は走行速度Ｖ１を積分した距離である。走行速度Ｖ１を積分するときの時間は、ＧＰＳ受信機から得られる第１位置を取得してから第２位置を取得するまでの計時時間である。なお、第１位置と第２位置の計測中は、同一の走行状態を保っていることが好ましい。また、制御部１０１は、Ｌ２の値が一定の閾値距離Ｌｔｈ２以上にならないと、補正係数β１を求めないようにしても良い。

同様に、Ｌ３はＧＰＳ受信機から得られる第３位置と第４位置との間の距離であり、Ｌ４は走行速度Ｖ２を積分した距離である。走行速度Ｖ２を積分するときの時間は、ＧＰＳ受信機から得られる第３位置を取得してから第４位置を取得するまでの計時時間である。なお、第３位置と第４位置の計測中は、同一の走行状態を保っていることが好ましい。また、制御部１０１は、Ｌ４の値が一定の閾値距離Ｌｔｈ３以上にならないと、補正係数β２を求めないようにしても良い。

これにより、車両に装着されているタイヤを種類が異なるタイヤに交換したり、或いは熱膨張や熱収縮が生じて、半径Ｒが変化しても、上記の補正を行うことで高精度な走行速度測定を行うことができる。

なお、補正係数β１、β２の更新間隔は適宜設定してよいが、更新前の初期状態では補正係数β１、β２には「１」が格納されているものとする。

なお、制御部１０１は、補正係数β１、β２を、所定区間の距離の比として算出したが、これに限らず速度の比（ＧＰＳ速度／センサユニット２００から求めた速度）から算出してもよい。また、速度は瞬間の速度でも所定区間走行したときの平均の速度でもどちらでも良い。

次に、制御部１０１の省電力監視機能について説明する。
これはセンサユニット２００が電力駆動の一部又は全てにおいて電池を使用する場合に適用される。まず、省電力モードのときには、一定周期毎にセンサユニット２００の制御部２０１からＰＮＤ１００の制御部１０１へ問合せ信号が送信される。そして、制御部１０１は、ＧＮＳＳ受信部１０２から測位不能の通知を受信すると、制御部２０１に対して省電力解除信号を送信する。省電力解除信号は加速度信号の送信の要求を指示する信号も兼ねる。

これにより、車両走行速度測定装置は、省電力モードを解除されてウェイクアップモードへ移行する。ウェイクアップモードへ移行するとセンサ部２０２から加速度信号が定期的に制御部１０１へ送信される。さらに、制御部１０１は、ＧＮＳＳ受信部１０２から測位可能の通知を受信すると、省電力設定信号を制御部２０１へ送信する。省電力設定信号は、加速度信号の送信の停止を指示する信号も兼ねる。この後は、車両走行速度測定装置は、省電力モードで動作する。

このようにＧＮＳＳ受信部１０２の測位状態によって省電力モードとウェイクアップモードとを繰り返すのでセンサユニット２００の電池の消耗を最小限にすることができる。例えば、車両がトンネル等に入りＧＰＳが測位不能状態になったときにセンサユニット２００から加速度信号が送信されることになる。なお、測位不能の判断は車両がトンネル内を走行しているか否かに基づき判断するだけに限らず、受信衛星数に基づき判断したり、車両がマルチパスの発生する場所を走行しているか否かに基づき判断することもできる。

次に、制御部１０１の送信レート管理機能について説明する。
ＰＮＤ１００の制御部１０１は、ナビゲーション部１０５から道路情報を受信する。制御部１０１は、その道路情報を参照することで、センサユニット２００の制御部２０１へ送信レート指示を送信する。道路情報とは、例えば現在車両が走行している道路種別と今後走行予定の道路種別等である。送信レートとは、センサ部２０２から加速度信号を通知する頻度である。制御部２０１は、センサ部２０２の加速度信号を指示された送信レートで通知する。例えば、この先しばらく高速道路が続き、それ程高頻度で加速度信号を送信しなくても良いときは、ＰＮＤ１００は、送信レートを下げるように、センサユニット２００に対して指示する。なお、道路情報に基づき送信レート変更を指示する方法としたが、これに限らず、その他の外部参照情報によって送信レートを変更するようにしても良い。例えば、渋滞情報を加味することもできる。

以下では、特に、速度測定端末１００が備える制御部１０１、及びセンサユニット２００が備える制御部２０１の機能に着目して、上述した走行速度算出手順について説明する。図１０は、本実施形態に係る車両走行速度測定装置の基本的な構成及び動作について説明する図である。図１０を参照して、センサユニット２００は、制御部２０１と、センサ部２０２と、通信部２０３とを備える。制御部２０１は、上述したように、センサ部２０２を用いて、車両のタイヤ回転に伴って発生する加速度を複数の軸で分散検出する。そのため、制御部２０１は、加速度分散検出部として捉えることができる。より具体的には、加速度分散検出部は、Ｘ_B軸の加速度α１を検出するＸ_B軸加速度算出部と、Ｙ_B軸の加速度α２を算出するＹ_B軸加速度算出部とを備える。通信部（送信部）２０３は、加速度α１及び加速度α２とを速度測定端末１００に送信する。

次に、速度測定端末１００は、制御部１０１と、通信部１０３とを備える。通信部（受信部）１０３は、センサユニット２００から送信された加速度α１及び加速度α２を受信する。制御部１０１は、上述したように、加速度分散検出部で検出した複数の軸の加速度を合成し、合成した加速度に基づき、車両の走行速度を算出する。そのため、制御部１０１は、合成部１１１と、速度算出部１１２として捉えることができる。より具体的には、合成部１１１は、通信部１０３が受信した加速度α１と加速度α２とを合成して、加速度α３又は加速度α４を算出する。速度算出部１１２は、加速度α３又は加速度α４を用いて、車両の走行速度を算出する。

なお、上述した実施形態では、車両走行速度装置装置がＰＮＤに適用された例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。車両走行速度装置装置は、車両で走行速度を使用する車両駆動制御システム等の各種装置に適用されても良いし、カーナビゲーション機能を持つ携帯型の端末等にも適用することができる。

また、車両走行速度測定装置は、各タイヤ毎にセンサユニット２００を設けて冗長性を持たせることで、いずれかのセンサユニット２００に異常があっても速度の算出を継続することもできる。また、車両の各タイヤにセンサユニット２００を設けることで、ＰＮＤ１００が、各センサユニット２００から送信される加速度信号に基づいてそれぞれ走行速度を算出し、その平均値等を利用することもできる。また、車両走行速度測定は、各タイヤ毎にセンサユニット２００を設けることで、間接式空気圧監視システム（各車輪の速度の相対比較により一つのタイヤの異常を検出するシステム）や、車両駆動制御システムとして利用することもできる。

上記実施形態で説明した構成は、単に具体例を示すものであり、本願発明の技術的範囲を制限するものではない。本願の効果を奏する範囲において、任意の構成を採用することが可能である。

本発明の車両走行速度測定装置は、車両内に搭載するパーソナルナビゲーションデバイス、カーナビゲーション機能を持つ携帯型の端末等として有用である。

本発明の一実施形態に係る車両走行速度測定装置の全体構成を示すブロック図 本発明の一実施形態に係るセンサユニット２００のタイヤ３００への装着状態を説明する図 加速度センサの軸の向きを説明するための座標系の定義を示す図 各座標系で検出する加速度をベクトル表現で示した図 等速走行状態における加速度α１と加速度α２の波形、及び加速度α１と加速度α２を合成した加速度α３の波形を示す図 各座標系で検出する加速度をベクトル表現で示した図 等速走行状態における加速度α１と加速度α２の波形、及び加速度α１と加速度α２を合成した加速度α４の波形を示す図 角度θを算出する動作を示す動作フロー図 センサユニット２００の構造について説明する図 本実施形態に係る車両走行速度測定装置の基本的な構成及び動作について説明する図 走行速度ｖ１とαの関係を示す図

符号の説明

１００ パーソナルナビゲーションデバイス
１０１、２０１ 制御部
１１１ 合成部
１１２ 速度算出部
２１１ Ｘ_B軸加速度算出部
２１２ Ｙ_B軸加速度算出部
１０２ ＧＮＳＳ受信部
１０３、２０３ 通信部
１０４ 記憶部
１０５ ナビゲーション部
１０６ 入出力部
２００ センサユニット
２０２ センサ部
３００ タイヤ
３０１ 回転機構部
４００ メモリダイヤル
４０１ 加速度センサ
４０２ 台座

Claims (10)

1. 車両のタイヤ回転に伴って発生する加速度を複数の軸で分散検出する加速度分散検出部と、
   前記加速度分散検出部で検出した複数の軸の加速度を合成する合成部と、
   前記合成部で合成した加速度に基づき、前記車両の走行速度を算出する速度算出部とを有する、車両走行速度測定装置。
2. 車両のタイヤを含む回転機構部に回転軸から所定距離離れた位置に固定して設けられ、回転によって生じる加速度をセンサを用いて検出するセンサユニットと、前記センサユニットが検出した加速度に基づき前記車両の走行速度を測定する速度測定端末とを含む車両走行速度測定装置であって、
   前記センサユニットは、
   前記車両のタイヤ回転の中心からみて外側へと向かう遠心力が働く方向をＸ_A軸、前記タイヤの回転方向をＹ_A軸、前記タイヤの横方向をＺ_A軸とするＡ座標系を、Ｚ_A軸周りに角度θ回転した軸をＸ_B軸、Ｙ_B軸，Ｚ_B軸とするＢ座標系におけるＸ_B軸の加速度α１を検出するＸ_B軸加速度検出部と、
   前記Ｙ_B軸の加速度α２を検出するＹ_B軸加速度検出部と、
   前記加速度α１及び前記加速度α２とを前記速度測定端末に送信する送信部とを有し、
   前記速度測定端末は、
   前記センサユニットから送信された前記加速度α１及び前記加速度α２を受信する受信部と、
   前記加速度α１と前記加速度α２とを合成して加速度α３を算出する合成部と、
   前記加速度α３を用いて、前記車両の走行速度を算出する速度算出部とを有することを特徴とする、車両走行速度測定装置。
3. 前記速度測定端末は、前記センサユニットに設定された角度θを前記加速度α３及び前記加速度α１を用いて算出する角度算出部をさらに有することを特徴とする、請求項２に記載の車両走行速度測定装置。
4. 前記角度θは４５度であることを特徴とする、請求項２に記載の車両走行速度測定装置。
5. 前記センサユニットは、前記角度算出部で算出した角度θが４５度でない場合には、前記角度θが４５度になるよう自動で座標軸の回転を行う回転部をさらに有することを特徴とする、請求項３に記載の車両走行速度測定装置。
6. 前記センサユニットは、前記角度算出部で算出した角度θが４５度でない場合には、前記角度θが４５度になるよう手動で座標軸の回転を行うことができる入力部をさらに有することを特徴とする、請求項３に記載の車両走行速度測定装置。
7. 前記速度測定端末は、パーソナルナビゲーションデバイスであって、
   前記速度測定端末は、前記速度算出部で得た前記車両の走行速度を用いて地図上に表示される自車位置の測位計算と表示更新を行うとともに経路誘導案内を行うナビゲーション部とさらに有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の車両走行速度測定装置。
8. 前記速度測定端末は、前記角度θが４５度で無い場合には、ユーザに対してメッセージを報知する報知部をさらに有することを特徴とする、請求項２に記載の車両走行速度測定装置。
9. 車両のタイヤを含む回転機構部に回転軸から所定距離離れた位置に固定して設けられ、回転によって生じる加速度をセンサを用いて検出するセンサユニットと、前記センサユニットが検出した加速度に基づき車両の走行速度を測定する速度測定端末との間で行われる、車両走行速度測定方法であって、
   前記センサユニットは、
   前記車両のタイヤ回転の中心からみて外側へと向かう遠心力が働く方向をＸ_A軸、前記タイヤの回転方向をＹ_A軸、前記タイヤの横方向をＺ_A軸とするＡ座標系を、Ｚ_A軸周りに角度θ回転した軸をＸ_B軸、Ｙ_B軸，Ｚ_B軸とするＢ座標系におけるＸ_B軸の加速度α１を検出するＸ_B軸加速度検出ステップと、
   前記Ｙ_B軸の加速度α２を検出するＹ_B軸加速度検出ステップと、
   前記加速度α１及び前記加速度α２を前記速度測定端末に送信する送信ステップとを有し、
   前記速度測定端末は、
   前記センサユニットから送信された前記加速度α１及び前記加速度α２を受信する受信ステップと、
   前記加速度α１と前記加速度α２とを合成して加速度α３を算出する合成ステップと、
   前記加速度α３を用いて、前記車両の走行速度を算出する速度算出ステップとを有する、車両走行速度測定方法。
10. 車両のタイヤを含む回転機構部に回転軸から所定距離離れた位置に固定して設けられ、回転によって生じる加速度をセンサを用いて検出するセンサユニットと、前記センサユニットが検出した加速度に基づき車両の走行速度を測定する速度測定端末との間で行われる、車両走行速度測定方法を、実行するためのプログラムであって、
    前記センサユニットは、
    前記車両のタイヤ回転の中心からみて外側へと向かう遠心力が働く方向をＸ_A軸、前記タイヤの回転方向をＹ_A軸、前記タイヤの横方向をＺ_A軸とするＡ座標系を、Ｚ_A軸周りに角度θ回転した軸をＸ_B軸、Ｙ_B軸，Ｚ_B軸とするＢ座標系におけるＸ_B軸の加速度α１を検出するＸ_B軸加速度検出ステップと、
    前記Ｙ_B軸の加速度α２を検出するＹ_B軸加速度検出ステップと、
    前記加速度α１及び前記加速度α２を前記速度測定端末に送信する送信ステップとを有し、
    前記速度測定端末は、
    前記センサユニットから送信された前記加速度α１及び前記加速度α２を受信する受信ステップと、
    前記加速度α１と前記加速度α２とを合成して加速度α３を算出する合成ステップと、
    前記加速度α３を用いて、前記車両の走行速度を算出する速度算出ステップとを有する、車両走行速度測定方法を実行するための、プログラム。

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