JP2010271327A - 角速度検出装置及び角速度検出方法 - Google Patents

Abstract

【目的】自動二輪車などの旋回時のロール角が大きな移動体の位置を精度良く求めるこ
とができ、ジャイロセンサの学習機能の構築が容易な角速度検出装置を提供する。
【構成】ナビゲーション装置１０は、移動体１に設置されるとともにジャイロセンサに
よって前記移動体１の旋回角速度ωを検知・算出する旋回角速度検知・算出手段１８を備
えており、特に、この旋回角速度検知・算出手段１８は、移動体１の正立状態における上
下方向（Ｘ軸方向）及び前後方向（Ｙ軸方向）に対して左右方向（Ｚ軸方向）において、
上下方向のＸ軸に対して互いに逆方向に同一角度θ１、θ２（θ１＝θ２＝θ０）傾けて
左右対称に設置された同感度の２つのジャイロセンサ２Ａ、２Ｂと、２つのジャイロセン
サ２Ａ、２Ｂのセンサ出力回路９、９と、センサ出力回路９、９の出力信号の変化ｘ１、
ｘ２から移動体１の旋回角速度ωを算出する演算手段と、を備える構成である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、主として自動車、自動二輪車などの移動体を搭載対象とするナビゲーション
装置等における角速度検出装置及び角速度検出方法に関し、特に、ナビゲーション装置の慣性測位システム等で用いられているジャイロセンサによって移動体の旋回角速度を算出する角速度検出装置及び角速度検出方法に関する。

自動車などの移動体に搭載されるナビゲーション装置は、一般に慣性測位システムを備
えており、ジャイロセンサ（方位角センサとも称する。）を使用して前記移動体の旋回を
検知して所定のアルゴリズムの演算処理をマイクロコンピュータなどの制御装置で行って
旋回角速度を算出し、これを移動体の慣性測位システムによる位置推定のための基礎デー
タとして用いている。

上記ジャイロセンサによる移動体の旋回角速度を求める手段としては、従来は以下の（
１）或いは（２）の旋回角速度検知・算出手段が主に用いられている。

（１）図４は移動体１（自動車の例）の動作方向を示す斜視図であり、本図において、
移動体１の進行方向をＹ軸、移動体１の水平面上の正立状態での垂直方向をＸ軸、進行方
向と直交する水平面上の方向をＺ軸とする。なお、Ｘ軸周りの移動体の旋回角をヨー角、
Ｙ軸周りの回転角（移動体１の左右方向の傾き）をロール角という。

前記移動体１の旋回時のＸ軸周りの旋回角速度をω、そのときのＸ軸周りの旋回角速度
ωを検知するように設置されたジャイロセンサの出力変化分をｘ、移動体１の進行方向Ｙ
軸回りの左右の傾き（ロール角）をθとすると、それらの関係は下式［数１］になる。

通常、瞬時の旋回角速度ωを求めるとき、ロール角θは変動が緩やかでほぼ一定（又は
θ＝０）と見なせるので、ｃｏｓθ＝const.と考え、下式［数２］のようにｘから旋回角
速度ωを求めている。

なお、上記ジャイロセンサは図５に示される概略図のように、電圧を加えると音叉のよ
うに振動する振動部を有する圧電セラミックス素子３ａ、３ｂが左右に備わっており、ジ
ャイロセンサ（筺体）５が角速度ωでＸ軸周りに回転すると前記圧電セラミックス素子３
ａ、３ｂの振動と垂直方向にコリオリ力が働き、ジャイロセンサ５の圧電セラミックス素
子３ａ、３ｂの振動部が歪み、この歪みを電気的に検出する原理となっている。検出され
た電気信号はセンサ出力回路で角速度ωに比例したセンサ出力電圧として出力される。

（２）より精密な旋回角速度を求める旋回角速度検知・算出手段として、前記移動体１
の左右の傾き（ロール角）検出専用のジャイロセンサと旋回（ヨー角）検出専用のジャイ
ロセンサを使用する方式がある。この方式は、傾き検出専用のジャイロセンサは傾きが生
じるＹ軸、旋回検出専用のジャイロセンサは旋回が生じるＸ軸に対して取り付けられ、そ
れぞれのジャイロセンサのなす角は９０°になる。

前記旋回検出専用のジャイロセンサのセンサ出力電圧の変化分をｘ、傾き検出専用のジ
ャイロセンサのセンサ出力電圧の変化分をｙ、旋回角速度をω、前記移動体１の傾き（ロ
ール角）をθとすると、それらの関係は下式［数３］、［数４］になる。

移動体１の左右の傾き（ロール角）θは、上式［数４］から求められる。また、旋回角
速度ωは式［数３］と式［数４］より求められる下式［数５］から求めることができる。

なお、ジャイロセンサを用いた旋回角速度検知・算出手段に関する技術文献として、下
記［特許文献１］に、加速度センサと２つの異なる目的のジャイロセンサ（ピッチ角を検
出するためのジャイロセンサとヨー角を検出するためのジャイロセンサ）を利用して精度
良く車両の位置を演算するナビゲーション装置の技術が開示されている。

特開平９−９６５３４号公報

従来技術の前記（１）の旋回角速度検知・算出手段では、例えば移動体が自動二輪車の
ように、旋回するたびに車体が大きく左右に傾き、毎回、傾く角度が異なるような移動体
に対して適用する場合、式［数１］のｃｏｓθの変動が無視できなくなり、ｘはωとｃｏ
ｓθで変化することになる（式［数２］が使用できない）。このため、傾きθが求められ
ないと、ｘから精度よく旋回角速度ωを求めることができない結果となる。

また、前記（２）の旋回角速度検知・算出手段のように、傾き専用、旋回専用の２つの
ジャイロセンサを使用する旋回角速度検知・算出手段の場合、それぞれの出力信号の処理
（フィルタリング、補正など）の学習を行う際に、それぞれ専用の処理、教師信号が必要
となってそのシステム構成はかなり複雑、高コストなものとなる。

例えば、衛星測位システム（ＧＰＳ）と地図データベースとを併用してマップマッチン
グを行うナビゲーション装置で使用する場合、通常、慣性測位システムにおける旋回方向
の学習（センサの補正）は、衛星航法システムと地図データベースとを教師信号として行
われる。しかし、この２つの別個の専用ジャイロセンサを用いる方法では、旋回を求める
ためには傾き情報が必要であり、傾き専用ジャイロセンサの学習を行うためには、それ専
用に学習システムを構築する必要があるのである。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、簡単な構成でありながら精度良く移動
体の旋回角速度が算出できる構成の角速度検出装置及び角速度検出方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、以下の装置及び方法を提供するものである。
（１）移動体１に設置されて前記移動体１の旋回角速度ωを検出する角速度検出装置において、
前記移動体１の正立状態における３つの基準軸である上下方向の軸（Ｘ軸）、前後方向の軸（Ｙ軸）及び左右方向の軸（Ｚ軸）の内の、前記上下方向の軸（Ｘ軸）と他の一つの基準軸とを含む面上で、前記上下方向の軸（Ｘ軸）に対して互いに逆方向に同一角度θ０傾けて、前記上下方向の軸（Ｘ軸）に対称に設置される２つのジャイロセンサ２Ａ、２Ｂと、
前記２つのジャイロセンサ２Ａ、２Ｂの出力信号を得るためのセンサ出力回路９、９と、
前記出力信号の変化から前記移動体１の旋回角速度ωを算出する演算手段１８と、
を備えることを特徴とする角速度検出装置。
（２）前記２つのジャイロセンサは、前記上下方向の軸と前記左右方向の軸とを含む面上で、前記上下方向の軸に対して互いに逆方向に同一角度傾けて、前記上下方向の軸に対称に設置されることを特徴とする上記（１）記載の角速度検出装置。
（３）移動体の正立状態における３つの基準軸である上下方向の軸、前後方向の軸及び左右方向の軸の内の、前記上下方向の軸と他の一つの基準軸とを含む面上で、前記上下方向の軸に対して互いに逆方向に同一角度傾けて、前記上下方向の軸に対称に前記移動体に設置された２つのジャイロセンサから出力信号を得るステップと、
前記出力信号の変化から前記移動体の旋回角速度を算出するステップと、
を備えることを特徴とする角速度検出方法。

本発明に係る角速度検出装置及び角速度検出方法は、上記のように構成されているため、
（１）傾き角度検出専用及び旋回角速度検出専用の異なる専用ジャイロセンサを必要とし
ないため、システム構成が簡素であり、コストダウンが実現する。
（２）特に、２つのジャイロセンサを、前記上下方向の軸と前記左右方向の軸とを含む面上で、前記上下方向の軸に対して互いに逆方向に同一角度傾けて、前記上下方向の軸に対称に設置する場合には、自動二輪車などの旋回時の左右の傾き角度（ロール角度）が大きな移動体の位置を精度良く求めることができる。
（３）ジャイロセンサ出力の処理（フィルタリング、補正など）の学習機能の構築が容易
となる。

本発明に係る角速度検出装置の一実施の形態を備えたナビゲーション装置の構成例を示すブロック図である。 本発明に係る角速度検出装置の一実施の形態における２つのジャイロセンサの取り付け状態を示す図である。 本発明に係る角速度検出装置の一実施の形態におけるジャイロセンサのセンサ出力回路のブロック図である。 移動体（自動車の例）の動作方向を示す斜視図である。 ジャイロセンサの原理を説明するための概略図である。

本発明に係る角速度検出装置を備えたナビゲーション装置の実施の形態について図面に基づいて説明する。なお、従来技術と同等であるナビゲーション装置における衛星測位システムのＧＰＳ受信機、ジャイロセンサ以外のセンサ及び慣性測位システム、表示装置、操作部、制御部、地図データベース等の説明は簡略に留め、専ら２つのジャイロセンサによる旋回角速度検知・算出手段について詳述する。

図１は本発明に係る角速度検出装置の一実施の形態を備えたナビゲーション装置の構成例を示すブロック図である。図２は本発明に係る角速度検出装置の一実施の形態における２つのジャイロセンサの取り付け状態を示す図である。図３は本発明に係る角速度検出装置の一実施の形態におけるジャイロセンサのセンサ出力回路のブロック図である。

図１または図２において、ナビゲーション装置１０は、自動二輪車や自動車などの移動
体１（図４参照）に設置され、前記移動体１の現在位置を推定するために、衛星測位シス
テムの構成要素たるＧＰＳ受信機１１と、慣性測位システムの構成要素たる方位センサと
しての地磁気センサ１７とジャイロセンサ２Ａ、２Ｂと、車輪の回転数により移動体の走
行距離に応じた距離信号を得る車速センサ１６と、ＤＶＤーＲＯＭまたはＨＤＤまたはＣ
Ｄ−ＲＯＭなどの記録媒体に記録されたマップマッチング及び案内地図表示のための地図
データベース１２と、案内地図などを表示する液晶などの表示部１３と、操作スイッチ、
音声認識装置、リモコンなどから構成される操作部１４と、衛星測位システム及び慣性測
位システムの演算処理やナビゲーション装置全体の制御を行うマイクロコンピュータを主
体とする制御部１５と、から構成されている。

本発明では、前記移動体１の旋回角速度を検知・算出する旋回角速度検知・算出手段１
８を前記制御部１５に内蔵する構成であって、特に、この旋回角速度検知・算出手段１８
は、図２に示されるように、前記移動体１の水平面Ｈ上の正立状態における垂直な上下方
向（Ｘ軸方向）のＸａ軸、Ｘｂ軸及び前後方向（Ｙ軸方向）に対して左右方向（Ｚ軸方向
）において、前記上下方向のＸ軸に対して互いに逆方向に同一角度θ１、θ２（θ１＝θ
２＝θ０）傾けて左右対称に設置された同感度の２つのジャイロセンサ２Ａ、２Ｂと、前
記２つのジャイロセンサ２Ａ、２Ｂの電気的信号の変化をそれぞれ取り出す図３に示され
るセンサ出力回路９、９と、前記センサ出力回路９、９の出力信号の変化ｘ１、ｘ２から
前記移動体１の旋回角速度ωを制御部１５のマイクロコンピュータのＣＰＵがメモリに予
めプログラムされた所定のアルゴリズムにて算出する算出する演算手段と、を備える構成
となっている。

上記同感度の２つのジャイロセンサ２Ａ、２Ｂは、従来技術で説明された圧電セラミッ
ク素子からなるジャイロセンサ、或いはガスレートジャイロセンサや光ファイバジャイロ
が適用される。ここで感度[mV/(deg/sec)]は、ジャイロセンサがある角速度[deg/sec]で
回転したときに出力電圧がどれくらい変化[mV]するかを示すものです。

上記センサ出力回路９は、例えば図３のようなジャイロセンサ２Ａ、２Ｂの振動部に振
動を与える発振回路４、ジャイロセンサ２Ａ、２Ｂの歪み電圧を増幅する歪み検出アンプ
６、検波して歪みで発生する微弱な電気信号を取り出す同期検波回路５、ノイズを除去す
るローパスフィルタ７、ＤＣアンプ８で構成されている。

図２に示されるような本発明に特徴的なジャイロセンサ２Ａ、２Ｂの配置構成では、移
動体１の左右の傾き（ロール角）θが簡単に算出できるという利点がある。

以下、特性が同じ２つのジャイロセンサ２Ａ、２Ｂをそれぞれ同じ角度θ１＝θ２＝θ
０だけ互いに反対側に傾けた状態で設置して、それぞれのジャイロセンサ２Ａ、２Ｂの出
力を処理する場合について演算のアルゴリズムを説明する。

図２のジャイロセンサの設置の概略図では、図４の移動体１におけるＸＹＺの直交座標
を考えて、Ｙ軸方向を移動体１の進行方向、Ｘ軸方向を上下（垂直）方向、Ｚ軸方向を進
行方向に対して９０°横方向とすると、図２はＸＺ面を表す図となり、ジャイロセンサ２
Ａ、２Ｂの各傾きθ１、θ２はＸＺ面でのＸ軸に対する傾き角度（固定角）を示している
。また、ＸＹ面（進行方向に対して横から見たときの状態）では、ジャイロセンサはＸ軸
に対して傾き０で設置されている。

移動体１が旋回して２つのジャイロセンサ２Ａとジャイロセンサ２Ｂとが移動体ととも
にそれぞれ垂直軸に対してロール角θだけ傾き、旋回角速度ωが生じたときに前記ジャイ
ロセンサ２Ａとジャイロセンサ２Ｂが出力するセンサ出力回路９のセンサ出力電圧の変化
ｘｌ、ｘ２は、各ジャイロセンサの固定角をθ１、θ２として下式のように表される。

上式［数６］、［数７］とθ１＝θ２（＝θ０）からロール角θは下式［数８］になる。

また、同様に旋回角速度ωは、下式［数９］になる。

以上から、式［数８］でロール角θが、式［数９］で旋回角速度ωがセンサ出力電圧の
変化ｘｌ、ｘ２から簡単に求められることが判る。

以上の演算処理のアルゴリズムは予めマイクロコンピュータのＲＯＭなどのメモリに記
憶したプログラムにて機能されるＣＰＵの演算処理で実現される。

これにより、移動体の傾き（ロール角θ）と旋回角速度ωを検出できるようになり、精
度の高い慣性測位システムが構築可能になることは明らかである。

また、２つのジャイロセンサを傾き専用或いは旋回専用として別個に使用しておらず、
各ジャイロセンサが傾きの情報と旋回の情報を出力することになり、また、同感度で、同
じ傾きの角度で対称に取り付けられているという特徴のため、ジャイロセンサ出力の処理
（フィルタリング、補正など）の学習機能の構築が簡単にできるという利点がある。

なお、付言すれば、本発明は四輪自動車にも適用できるが、旋回時にロール角が大きく
なる自動二輪車に特に有効である。また、旋回時のロール角が大きい水上バイク、モータ
ボートなどに対するナビゲーション装置にも適用可能である。

１ 移動体
２Ａ、２Ｂ ジャイロセンサ
３ａ、３ｂ 圧電セラミックス素子
４ 発振回路
５ 同期検波回路
６ 歪み検出アンプ
７ ローパスフィルタ
８ ＤＣアンプ
９ センサ出力回路
１０ ナビゲーション装置
１１ ＧＰＳ受信機
１２ 地図データベース
１３ 表示部
１４ 操作部
１５ 制御部
１６ 車速センサ
１７ 地磁気センサ
１８ 旋回角速度検知・算出手段
ｘ，ｙ 出力変化分
θ１、θ２、θ０ 所定角度（固定角）
θ ロール角
ω 旋回角速度

Claims (3)

1. 移動体に設置されて前記移動体の旋回角速度を検出する角速度検出装置において、
   前記移動体の正立状態における３つの基準軸である上下方向の軸、前後方向の軸及び左右方向の軸の内の、前記上下方向の軸と他の一つの基準軸とを含む面上で、前記上下方向の軸に対して互いに逆方向に同一角度傾けて、前記上下方向の軸に対称に設置される２つのジャイロセンサと、
   前記２つのジャイロセンサの出力信号を得るためのセンサ出力回路と、
   前記出力信号の変化から前記移動体の旋回角速度を算出する演算手段と、
   を備えることを特徴とする角速度検出装置。
2. 前記２つのジャイロセンサは、前記上下方向の軸と前記左右方向の軸とを含む面上で、前記上下方向の軸に対して互いに逆方向に同一角度傾けて、前記上下方向の軸に対称に設置されることを特徴とする請求項１記載の角速度検出装置。
3. 移動体の正立状態における３つの基準軸である上下方向の軸、前後方向の軸及び左右方向の軸の内の、前記上下方向の軸と他の一つの基準軸とを含む面上で、前記上下方向の軸に対して互いに逆方向に同一角度傾けて、前記上下方向の軸に対称に前記移動体に設置された２つのジャイロセンサから出力信号を得るステップと、
   前記出力信号の変化から前記移動体の旋回角速度を算出するステップと、
   を備えることを特徴とする角速度検出方法。

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