JP2014169949A

JP2014169949A - 速度計測装置

Info

Publication number: JP2014169949A
Application number: JP2013042502A
Authority: JP
Inventors: Takashi Matsumura; 隆史松村; Junji Onozuka; 準二小野塚
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2013-03-05
Filing date: 2013-03-05
Publication date: 2014-09-18

Abstract

【課題】
電磁波のドップラ効果を利用した速度計測装置において、前後軸方向の速度および横速度を同時に計測できる速度計測装置を提供すること。
【解決手段】
輸送機器に搭載され、電磁波を固定物の方向に向けて放射し、前記固定物から反射される電磁波を受信して前記放射波と前記反射波との周波数差を計測することにより前記固定物を基準とする速度を計測する速度検出部を有する速度計測装置において、前記速度計測装置を少なくとも２個有し、前記２個の速度計測装置を前記輸送機器の前後軸方向から上下軸まわりに左右軸方向にむかってそれぞれ異なる２方向に回転させて電磁波を照射するように配置し、前記２個の速度計測装置により計測される速度の和と差から前記輸送機器の前後軸方向および左右軸方向の２方向の速度を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、輸送機器の対地速度を非接触的に計測する目的でミリ波帯あるいはマイクロ波帯などの電磁波を地面に向けて放射し反射波の周波数変化量を計測して速度を算出する速度計測装置に関するものである。

自動車などの輸送機器における対地速度を検出する方法として、車輪の回転数を計測することで速度を求める方法が一般的に用いられている。本手法では車輪のスリップ時に対地速度を計測できないこと、タイヤの空気の抜けなどにより車輪の径が変化すると計測誤差が生じることが知られている。

一方で、ミリ波帯やマイクロ波帯のレーダモジュールを用い、このレーダモジュールから電磁波の連続波を地面に放射してその反射波を受信し、ドップラ効果による反射波の周波数変化量を計測して対地速度を算出する速度計測装置も知られている（例えば、特許文献１参照）。本手法は非接触式であるため、スリップ時も対地速度が計測可能であり、車輪の径の変化の影響も受けない。

特開２００６−１８４１４４号公報

しかしながら、この特許文献１に記載の速度計測装置では、輸送機器の前後軸方向の速度の絶対値の検出は可能であるが、輸送機器の横滑りによる横速度の計測方法について、検討がなされていない。横速度を計測するためには、ごく単純には、速度計測装置を左右軸方向に向けて横速度を計測する手段が考えられる。しかしながらこの手段では、電磁波のビーム形状は一般的に広がりを持ち左右軸から前後軸方向に向かう回転方向にも電磁波が照射されることから、前後軸方向の速度成分により反射波が周波数変化するため、正確に横速度を計測できない課題がある。また、横速度の左右方向を判別することができない課題がある。

本発明の目的は、電磁波のドップラ効果を利用した速度計測装置において、前後軸方向の速度および横速度を同時に計測できる速度計測装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の速度計測装置は、輸送機器に搭載され、電磁波を固定物の方向に向けて放射し、前記固定物から反射される電磁波を受信して前記放射波と前記反射波との周波数差を計測することにより前記固定物を基準とする速度を計測する速度検出部を有する速度計測装置において、前記速度計測装置を少なくとも２個有し、前記２個の速度計測装置を前記輸送機器の前後軸方向から上下軸まわりに左右軸方向にむかってそれぞれ異なる２方向に回転させて電磁波を照射するように配置し、前記２個の速度計測装置により計測される速度の和と差から前記輸送機器の前後軸方向および左右軸方向の２方向の速度を得ることを主な特徴とする。

本発明によれば、前後軸方向の速度、および左右軸方向の速度を同時に計測することが可能となる。

本発明に係わる速度計測装置の配置の一例本発明に係わる速度計測装置の配置の一例本発明に係わる速度算出手段の方法速度計測装置の回路の概略の一例速度計測装置から照射されるミリ波照射方向と速度ベクトルの関係を示す図本発明に係わる速度計測装置の配置の一例本発明に係わる速度計測装置の配置の一例本発明に係わる速度計測装置の配置の一例

以下、図１から図５を参照にして本発明の実施例の一例について説明する。なお、本実施例では７７ＧＨｚ帯の電磁波（ミリ波）を利用するレーダモジュールを用いた対地との速度を計測する速度計測装置を例に取り上げる。

図１〜図５はそれぞれ、自動車などの輸送機器Ｃに２個の速度計測装置１Ａ、１Ｂを配置した構成を上方向からみた概略図、図１に対し横方向から見た概略図、速度算出手段の方法を示す図、速度計測装置の回路の概略の一例を示す図、速度計測装置から照射されるミリ波照射方向と速度ベクトルの関係を示す図である。

まず、図４を用いて速度計測装置１の回路の概略構成の一例を説明する。ミリ波レーダモジュール２内のＩＣチップ１５は主として発振器１３４、送信用増幅器１１０、アイソレータ１１９、受信用増幅器１１３、混合器１１２で構成される。アイソレータ１１９に接続されているポート１２０において、ミリ波帯信号の送信と受信が行なわれる。さらに給電線２１により、ポート１２０とアンテナ２２との間を接続し、信号伝達が行なわれる。

ミリ波レーダモジュール２の動作について以下に説明する。発振器１３４で生成された７７ＧＨｚ帯の高周波信号は送信用増幅器１１０で増幅された後、アイソレータ１１９を介してアンテナ２２に伝搬されて、アンテナ２２より空間へ電磁波となって放射される。放射された電磁波はレンズ３７により集束され地面に入射される。地面でミリ波は反射し、また対地との速度に比例してドップラ効果により反射波の周波数が変化する。地面で反射した電磁波はレンズ３７を通じてアンテナ２２に入射する。アンテナ２２により受信された信号は、アイソレータ１１９により受信用増幅器１１３に伝搬される。この信号は受信用増幅器１１３により増幅され、混合器１１２で発信器１３４から出力される高周波信号と混合されＩＦ（Intermediate Frequency）信号が生成され、演算回路２０１に入力される。このＩＦ信号の周波数がドップラ効果による周波数変化の絶対値となる。演算回路２０１の動作は主にＡＤ変換器でＩＦ信号をデジタル信号に変換し、このデジタル信号をＦＦＴ（Fast Fourier Transform）処理によりＩＦ信号の周波数を求め、速さｖに換算する。ここで、速度Ｖのベクトルとミリ波の照射方向Ｒの空間位置関係が、図５に示すようにｙ軸まわりの回転αとｚ軸まわりの回転βとで示されるとすると、速度Ｖによって生じるドップラ効果による周波数変化ｆ_dは
（式１）

の関係式で表される。ここで、ｃは光速、ｆ₀は発振器から出力される信号の周波数、ｖは速度Ｖの大きさ（速さ）である。なお、式１から右辺の分数部は定数となるので、周波数変化ｆ_dは速さｖに比例することが分かる。

図１から図３に戻って、本発明による前後軸方向の速度、および左右軸方向の速度を同時に計測する構成を説明する。図１、図２において、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を輸送機器Ｃの前後軸、左右軸、上下軸にとる。２個の速度計測装置１Ａ、１Ｂから照射されるミリ波の照射方向ＲＡ、ＲＢは、ｘｙ平面（地面Ｇ）に対し角度θで入射し、かつ、ｘ軸からｚ軸まわりに＋ｙと−ｙ方向に回転させた角度φの２つの方向となるように配置する。

ここで輸送機器Ｃに横速度が発生したと仮定する。図３に示すように輸送機器Ｃの速度Ｖはｘ軸方向速度ｖ_xとｙ軸方向速度ｖ_yの合成で表すことができる。速度Ｖとｘ軸とのなす角度をΨとすると、速度計測装置１Ａ、１Ｂにおける速度Ｖによって生じるドップラ効果による周波数変化ｆ_d1、ｆ_d2は式１を変形させると、
（式２）

（式３）

の関係式で表される。ここで、ｘ軸方向速度ｖ_xとｙ軸方向速度ｖ_yはそれぞれ、
（式４）

（式５）

であるから、式２から式５よりｘ軸方向速度ｖ_xとｙ軸方向速度ｖ_yはそれぞれ、
（式６）

（式７）

となる。式６と式７の右辺の分数部は定数となるので、２個の速度計測装置で計測した周波数変化量の和から前後軸方向の速度の絶対値、および計測した周波数変化量の差から左右軸方向の速度を算出することができる。

なお、本手法は、｜Ψ｜＜φの範囲で、かつ、輸送機器Ｃが前方向に進行している場合のみ適用可能であるが、一般的に輸送機器は前方向に進行すること、また、横速度は前後軸方向速度と比較して最大でも３０〜５０％程度であることから、本手法は通常の条件において十分に適用可能である。また、このことから、φは３０〜６０°程度と設定すると、ｘ軸方向速度とｙ軸方向速度の同時計測が容易である。

また、式１から輸送機器Ｃのピッチング（左右軸まわりの運動）、ローリング（前後軸まわりの運動）により、角度α、βが変わるため、この角度変化に応じて式１の分数部（比例係数）が変化することによる周波数変化量が変わり計測誤差となる。ピッチングに対しては、図６と図７に示すように、速度計測装置１Ｃを追加し、−ｘ方向からｙ軸まわりで回転させた放射方向となるように配置し、式４で得られた速度計測値と速度計測装置１Ｃで得られた速度計測値の差と和の比からピッチング角度を求め、和の平均値を補正することで、ピッチングの影響を補正したｘ軸方向速度を得ることができる。

また、ローリングに対しては、図８に示すように、速度計測装置１Ｄと１Ｅを−ｘ方向からｙ軸まわりで回転させ、かつ＋ｙ、−ｙ方向に回転させるように配置し、速度計測装置１Ａ、１Ｂの組と速度計測装置１Ｄ、１Ｅの組で得られるｘ軸方向速度ｖ_x ^AB、ｖ_x ^DEとｙ軸方向速度ｖ_y ^AB、ｖ_y ^DEの差と和の比からピッチング角度とローリング角度を求め、和の平均値を補正することで、ピッチングとローリングの影響を補正したｘ軸方向、ｙ軸方向速度を得ることができる。

１…速度計測装置

Claims

輸送機器に搭載され、電磁波を固定物の方向に向けて放射し、前記固定物から反射される電磁波を受信して前記放射波と前記反射波との周波数差を計測することにより前記固定物を基準とする速度を計測する速度検出部を有する速度計測装置において、
前記速度計測装置を少なくとも２個有し、
前記２個の速度計測装置を前記輸送機器の前後軸方向から上下軸まわりに左右軸方向にむかってそれぞれ異なる２方向に回転させて電磁波を照射するように配置し、
前記２個の速度計測装置により計測される速度の和と差から前記輸送機器の前後軸方向および左右軸方向の２方向の速度を得ることを特徴とする速度計測装置。
請求項１に記載の速度計測装置において、
第３の速度計測装置を前記２個の速度計測装置と異なる方向に電磁波を照射するように配置し、
前記第３の速度計測装置により計測される速度と前記２個の速度計測装置により計測される速度とから前記輸送機器のピッチングによる計測誤差を補正することを特徴とする速度計測装置。
請求項１に記載の速度計測装置において、
第４と第５の速度計測装置を前記２個の速度計測装置と異なる２方向に電磁波を照射するように配置し、
前記第４と第５の速度計測装置により計測される速度と前記２個の速度計測装置により計測される速度とから前記輸送機器のピッチングとローリングによる計測誤差を補正することを特徴とする速度計測装置。