JP2014235022A - ナビゲーション装置およびナビゲーション方法 - Google Patents

Abstract

【課題】車速パルスを用いることなく自車両の車速を正確に算出することによってＧＰＳ信号の受信が不可能な地点において自車両位置を高精度に算出することができるナビゲーション装置を提供すること。
【解決手段】ＧＰＳ信号が受信できないときにカメラ部が撮影した時系列で撮影した各画像のヒストグラムの比較を行い、輝度成分が最大となる画像の現れる周期を算出し、算出結果に基づきＧＰＳ信号受信時に得られた速度情報を補正することでＧＰＳ信号を受信できないときの自車両の走行速度を求める。
【選択図】図２

Description

本発明は、ナビゲーション装置およびナビゲーション方法に係り、特に、自車両位置を算出するのに好適なナビゲーション装置およびナビゲーション方法に関する。

従来から、ナビゲーション装置においては、自車両を目的地まで確実に経路誘導するために、正確な自車両位置を算出することが重要とされていた。

このようなナビゲーション装置における自車両位置の算出方法としては、ＧＰＳ（Global Positioning System）＝全地球測位システム衛星から送信される軌道および時刻等に関する情報を含むＧＰＳ信号を受信し、受信されたＧＰＳ信号に基づいて、自車両位置を三次元の絶対座標として算出する方法と、ジャイロセンサ等の方位センサによって自車両の方位を算出するとともに、車速パルスによって自車両の移動距離を算出した上で、算出された方位および移動距離に基づいて、一つ手前の算出した自車両位置からの変化分としての現在の自車両位置を、相対位置として算出する方法が知られている。

特開２００９−１６８６１４号公報

車載用ポータブルナビゲーション装置と称される車内のインダッシュパネル上などに着脱可能に固定して用いられる車載用ナビゲーション装置や、スマートフォンやタブレット端末と呼ばれる機器にナビゲーションソフトをインストールしてナビゲーション装置として用いることが、ＧＰＳ精度の向上、車外への持ち出しが容易であるなどの利便性によって普及してきている。

この種の車載用ポータブルナビゲーション装置などは、車内での使用を簡便に行うために、配線数を極力少なくすることが望まれている。

通常の車載用ナビゲーション装置においては、車両側から車速パルス信号を取得して、正確な車両の走行速度算出に用いているが、車速パルスを入力するためには配線が必要なことから車載用ポータブルナビゲーション装置においては、これを用いずに、ＧＰＳ信号を用いた衛星航法のみによって自車両位置を算出するようになっているものが多い。

このため、高層ビルの谷間に位置する道路上や、トンネル内および高架下等の道路上においては、ＧＰＳ信号を十分に受信することができず、自車両位置を算出することができなくなる場合が生じるという課題がある。

そこで、このような課題を解決するため、先行文献１ではＧＰＳ受信不能期間の直前におけるＧＰＳ信号に基づいて算出された第１の車速ａと、ＧＰＳ受信不能期間の開始時における車載カメラの撮影映像に基づいて算出された映像速度ｂとの速度比Ｋが、ＧＰＳ受信不能期間においても維持されるとみなした上で、速度比ＫにＧＰＳ受信不能期間内における映像速度ｂ’を乗じることによって、擬似的な第１の車速として第２の車速ａ’を算出して自律航法に用いる技術が開示されている。

すなわち、車載用ポータブルナビゲーション装置にカメラを搭載し、その撮影画像を解析し移動距離を求め、撮影時間間隔と移動距離から自車速度を計算して自車現在地を計算している。しかしこの方法では、短い時間で画像を解析するために高性能な演算装置を内蔵する必要がある。また、高速走行時は時間当たりの実際の移動距離が大きくなり、各画像間の同一被写体の検出が困難となり、所望の精度が得られない場合も考えられる。

本発明は、車速パルスを用いることなく自車両の車速を正確に算出することによってＧＰＳ信号の受信が不可能な地点において自車両位置を高精度に算出することができるナビゲーション装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の観点に係るナビゲーション装置は、走行中の車両から外部景色を撮影するカメラ部１０１と、ＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号を受信するＧＰＳ信号受信部１０２と、前記カメラ部で撮影した画像を記憶する画像記憶部１０３と、受信したＧＰＳ信号から自車両位置を算出する自車両算出部と、前記自車両算出部により算出された自車両の時間変化に基づいて第１の車速を算出する第１車速算出部と、前記画像記憶部に記憶された画像を解析して第２の車速を算出する第２車速算出部とを有する中央演算部１０４と、算出された車速を記憶する車速記憶部１０５と、を有し、前記カメラ部１０１は一定時間間隔で車外景色の撮影を行い、前記車速記憶部１０５は、前記第１車速算出部が算出する自車両がトンネル侵入前の車速を記憶し、前記中央演算部１０４は、ＧＰＳ信号が受信できないときに前記画像記憶部１０３に記憶された画像を取り込み、前記第２車速算出部にて、前記カメラ部１０１が時系列で撮影した各画像の輝度のヒストグラムの比較を行い、輝度成分が最大となる画像の現れる周期を算出し、前記周期の増減に基づき前記車速記憶部１０５に記憶された第１の車速を前記第２の車速に補正することでＧＰＳ信号を受信できないときの自車両の走行速度を求めることを特徴とする。

前記カメラ部１０１は、一のトンネル内では固定露出で時系列に景色を撮影することが好ましい。

前記カメラ部１０１は、自車両がトンネルを走行中にトンネル内に設置された照明装置を撮影することが好ましい。

前記カメラ部１０１は、対向車両のヘッドライトによる照明が直射されない向きに撮像レンズを向けて配置されることが好ましい。

本発明によれば、車速パルスを用いることなく自車両の車速を正確に算出することができ、ＧＰＳ信号の受信が不可能な地点においても自車両位置を高精度に算出することができる。

本発明の実施例に係るナビゲーション装置の構成を示す図である。 本発明の実施例の使用状態を説明する概念図である。 本発明の実施例を説明するフローチャートである。 時系列に撮影した画像の輝度分布を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態に係るナビゲーション装置について説明する。本発明のナビゲーション装置１は図１に示すように、地図などのナビゲーション画面を表示する表示部１００、車外の景色を撮影するカメラ部１０１、ＧＰＳ衛星からの信号を受信するＧＰＳ信号受信部１０２、撮影した画像を記憶する画像記憶部１０３、算出した車速を記憶する車速記憶部１０５、装置の方位変化を検出するジャイロセンサ１０６、装置に加わる加速度を検出する加速度センサ１０７、ＯＳ（オペレーティングシステム）とカーナビゲーションアプリケーションのソフトウェアによってナビゲーション装置全体の動作を制御するＣＰＵ１０４を搭載している。

車両に搭載されたＧＰＳ信号受信部１０２は図１、図２に示すように、上空にある少なくとも３機のＧＰＳ信号を送信するＧＰＳ信号送信人工衛星２００からのＧＰＳ信号２０１を受信しＣＰＵ１０４で現在位置と自車両の速度を算出する。
カメラ部１０１はＧＰＳ信号が受信できないときに起動し一定間隔例えば１／３０秒間隔で撮影を行いＣＰＵ１０４で画像を解析しその結果から速度を算出する。

加速度センサ１０７は自車両に加わる加速度を求めるために使用され、加速度の変位を積分することで現在の自車両の速度を算出する。また、ジャイロセンサ１０６からの信号を用いて自車両の向いている方角を算出する。

自車両がトンネルなどに侵入するとＧＰＳ信号を受信できなくなるので、ＧＰＳ信号を基にした自車両の速度は求めることができなくなる。トンネル内における移動速度を得るために、本発明ではトンネル内の天井や壁面に設置されている照明装置２０４からの光を利用する。

多くのトンネル内の照明装置は、トンネル内照度が基準値を満たすよう、略一定間隔に設置されている。ただし、基準距離よりも長いトンネルにおいては、入口および出口付近の所定区間では、トンネル外との急激な明るさの変化による運転者の視認性の悪化を防ぐために基準照度が上げられており、照明装置の設置間隔はトンネル内部よりも短くなっていることが多い。

このように、トンネル内の照明装置２０４の配置は照度を基準に決められており、配置間隔は全てのトンネルにおいて一定ではない。すなわち、高輝度の照明装置を用いている場合は相対的に配置間隔が長くなる傾向にあり、輝度の低い照明装置では配置間隔は短くなる傾向にある。いずれにせよ、トンネル内部では出入口付近を除いて一定の間隔で照明装置２０４が設置されている。

本発明の実施例について概念図を示す図２とフローチャートを示す図３を用いて説明する。
本発明ではまずトンネル侵入前の車速をＧＰＳ信号あるいは加速度センサからの情報に基づき取得する（Ｓ３００、Ｓ３０１）。トンネルに侵入前の状態であるかどうかはナビゲーション用の地図データを基にマップマッチング状態から判断してもよいし、ＧＰＳが受信できなくなった状態でかつ後述するカメラでの明暗の変化をとらえた場合をトンネル内と判断してもよい（Ｓ３０２）なお、この場合は、トンネルの外でもカメラ部１０１による撮影を行うことになる。本装置は少なくともトンネル侵入前の直近のＧＰＳ信号が受信できた時の計算で求められた速度を車速記憶部１０５に記憶しておく（Ｓ３０４）。

ナビゲーション装置１に内蔵したカメラ部１０１は、トンネル内に侵入したと判断したとき、もしくはＧＰＳが受信できなくなったと判断したときに起動され（Ｓ３０３）、例えば１／３０秒間隔など、一定間隔で撮影を行う。このときカメラ部１０１のレンズの向きは照明装置２０４を撮影しやすくするためダッシュボード上などに設置して上部を向いていることが望ましいが、車外に向いていればよい。

本発明では一定間隔に並んだ照明装置２０４を撮影して明暗の変化を画像処理にて解析するため、明るさに応じて自動的に露出を調整する自動露出よりもカメラ部１０１の撮影露出は一つのトンネル内ではそのトンネル内部が映る程度の露出に固定して、その露出量を維持しておく方が明暗の判断を行いやすく好ましい。

次にトンネル内における自車両の速度を算出の仕方について説明する。カメラ部１０１は一定間隔で撮影を行い、撮影した画像をＣＰＵ１０４にて解析を行う。トンネル内部において照明装置２０４以外は比較的暗いため撮影画像の輝度成分が小さく黒く写る、トンネル内に設置されている照明装置２０４の光軸２０５を中心にした場所を通過する際に最も明るくなるため輝度成分が大きく白く写ることになる。

つまり、図４に示すように、トンネル内走行中の車両から外部を撮影した撮影画像は、照明光軸２０５直下で一番明るく白く写り、照明装置２０４と次の照明装置２０４の中間の地点で一番暗く黒く写り、これを繰り返している。

次に、照明光軸２０５直下であるかどうかを判断する方法を説明する。カメラ部１０１は暗いトンネル内部が撮影できる程度に増感して撮影を行なう。つまりカメラ部１０１の撮像素子であるＣＣＤやＣＭＯＳセンサからの信号を電気的に増幅する。照明光軸２０５直下にカメラ部１０１がない場合は、撮影した画像内にトンネル内の比較的暗い画像の中に照明装置２０４など明るい被写体がスポット的に写っている。

時系列に撮影される撮影画像は照明光軸２０５直下に近づくにつれカメラに入力される光が強くなってくるため画面全体が明るく写り出し、照明光軸２０５直下に移動したときほぼ画面全体が明るく写る。このとき、カメラ部１０１の撮像素子に入力される光の量が許容量限界に近くなり、かつ信号が増幅されるため信号が上限値に達し輝度のヒストグラムの分布は高い値が多くなり、通常のカメラ撮影では白とびと呼ばれる状態になる。

そして、照明光軸２０５直下から離れていくにつれ撮影画像が暗くなり、輝度のヒストグラムの分布は低い値が多くなる。これらの変化をカメラ部１０１が時系列に所定間隔で撮影した画像をＣＰＵ１０４に送り、撮影した画像の画素を全てあるいは中心部など一部の範囲を走査し、図４に示すように明るい白画素の個数をカウントして時系列に整理し、一番白画素の多かったピーク位置４０１を照明装置の場所であると認識する（Ｓ３０５）。

従って図４のように、最も明るくなる照明光軸直下４０１から次の照明光軸直下４０２が認識できるまでの撮影枚数を数えることにより、照明装置２０４間を移動するのに必要な時間４０３が分かる。例えば画像を３０分の１秒の間隔で撮影した場合で、照明光軸２０５直下から次の照明光軸２０５直下までに２０枚撮影されているとすれば、照明装置２０４間の移動に１／３０秒×２０＝約０．６７秒かかっていることが分かる。

このように照明装置２０４間を移動する時間の測定を続けていくと、一定速度で移動していれば照明装置２０４間の距離が一定であるので常に同じ時間間隔が測定されることになる。

一方徐々に速度が下がっている状態では測定される時間間隔は長くなっていき、徐々に速度が上がっている状態では測定される時間間隔は短くなっていく。

これらの時間間隔の差分を常に検出していくことで速度の増減を知ることができる。一方、加速度センサ１０７においても速度の変化している状態を加速度として取得する（Ｓ３０６）ことが可能であるが、走行中においては路面の凹凸やエンジンなどの揺れや振動をたえず受けており、その揺れや振動の方向によっては前方向に移動しているにも関わらず後方への加速度が得られたりしてしまうことがあるため、精度を悪化させる要因になる。

そこで、加速度センサ１０７から取得された加速度の大きさと方向を補正するよう組み合わせればより精度の高い速度変化情報を知ることができることになる。例えば、本発明により計算された速度の変化量と加速度センサにより求めた速度の変化量が大きく異なる場合には、加速度センサ１０７から取得した信号をエラー信号として扱うことができる。

このようにすることで、従来の車載用ポータブルナビゲーションにおける加速度センサを用いた速度算出する方法においてもより高精度に車速を求めることができるようになる。

次に、本発明の方法を用いて速度を算出する方法（Ｓ３０８）について説明する。前述したようにトンネル内の照明装置２０４の撮影を続けて行っていくことで速度の変化（Ｓ３０５）の結果を知ることができるが、トンネル内の照明装置２０４の間隔が全ての場所のトンネルで同じではないことから速度の数値化はできない。

速度を求めるために、トンネル侵入直前までにＧＰＳ信号を元に計算された車速記憶部１０５に保存（Ｓ３０４）されていた速度値を初期速度値として用いる（Ｓ３０７）。次に、トンネルの外から同一速度でトンネルに侵入しトンネル内入って計測された照明装置２０４間の移動時間を使用することで、照明装置２０４間距離は初期速度値に移動時間を乗じた距離となる。例えば、初期速度が１００Ｋｍ毎時であり画像を３０分の１秒の間隔で撮影していて照明光軸２０５直下から次の照明光軸２０５直下までに画像が２０枚撮影されているとすれば、照明装置間移動時間が３０分の２０秒となり、その照明間距離は計算により約１８ｍであると分かる。

ここで、計算された照明装置２０４間距離をトンネルの地図上の位置情報と組み合わせて記憶部に記憶しておくことで、次回同じトンネルを走行したときに、直接記憶部から照明装置間距離を呼び出して用いるようにすることもできる。

また、トンネル内の照明装置２０４間距離は一定であるから、前記方法で求めた照明装置２０４間距離を、照明装置間を移動するのにかかった時間で割れば速度が計算できる。
３０分の１秒間隔で撮影することとすれば、実際の車速が１００Ｋｍ毎時である場合、３０分の１秒では約１ｍ進むことになる。この速度と実経過時間をかけ合わせることで移動した距離を計算することができ（Ｓ３０９）、ナビゲーション表示部に表示された地図上に既存のマップマッチング技術と組み合わせることで正確に自車両位置を表示することができる（Ｓ３１０）。

また、照明装置間距離が計算できているので、通過した照明装置の数と照明間距離を掛け合わせることでも自車両の移動距離が計算できる。

そして、トンネルを出たことを判別（Ｓ３１１）するとカメラ撮影を停止して（Ｓ３１２）、通常のＧＰＳ受信状態（Ｓ３１３）に戻る。

以上のように、本発明を適用することにより、より高精度なトンネル内ナビゲーションが可能となる。

１ ナビゲーション装置
１００ 表示部
１０１ カメラ部
１０２ ＧＰＳ信号受信部
１０３ 画像記憶部
１０４ 中央演算部
１０５ 車速記憶部
１０６ ジャイロセンサ
１０７ 加速度センサ

Claims (5)

1. 走行中の車両から外部景色を撮影するカメラ部と、
   ＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号を受信するＧＰＳ信号受信部と、
   前記カメラ部で撮影した画像を記憶する画像記憶部と、
   受信したＧＰＳ信号から自車両を算出する自車両算出部と、前記自車両算出部により算出された自車両の時間変化に基づいて第１の車速を算出する第１車速算出部と、前記画像記憶部に記憶された画像を解析して第２の車速を算出する第２車速算出部とを有する中央演算部と、
   算出された車速を記憶する車速記憶部と、を有し、
   前記カメラ部は一定時間間隔で車外景色の撮影を行い、
   前記車速記憶部は、前記第１車速算出部が算出する自車両がトンネル侵入前の車速を記憶し、
   前記中央演算部は、ＧＰＳ信号が受信できないときに前記画像記憶部に記憶された画像を取り込み、前記第２車速算出部にて、前記カメラ部が時系列で撮影した各画像の輝度のヒストグラムの比較を行い、輝度成分が最大となる画像の現れる周期を算出し、前記周期の増減に基づき前記車速記憶部に記憶された第１の車速を前記第２の車速に補正することでＧＰＳ信号を受信できないときの自車両の走行速度を求めることを特徴とするナビゲーション装置。
2. 前記カメラ部は、一のトンネル内では固定露出で時系列に景色を撮影するようにしたことを特徴とする請求項１記載のナビゲーション装置。
3. 前記カメラ部は、自車両がトンネルを走行中にトンネル内に設置された照明装置を撮影することを特徴とする請求項１または２記載のナビゲーション装置。
4. 前記カメラ部は、対向車両のヘッドライトによる照明が直射されない向きに撮像レンズを向けて配置されることを特徴とする請求項１乃至３記載のナビゲーション装置。
5. 走行中の車両から外部景色を撮影手段と、
   ＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号を受信するＧＰＳ信号受信手段と、
   前記撮影手段で撮影した画像を記憶する画像記憶手段と、
   受信したＧＰＳ信号から自車両を算出する自車両算出手段と、前記自車両算出手段により算出された自車両の時間変化に基づいて第１の車速を算出する第１車速算出手段と、前記画像記憶手段に記憶された画像を解析して第２の車速を算出する第２車速算出手段とを有する中央演算手段と、
   算出された車速を記憶する車速記憶手段と、を有し、
   前記撮影手段は一定時間間隔で車外景色の撮影を行い、
   前記車速記憶手段は、前記第１車速算出手段が算出する自車両がトンネル侵入前の車速を記憶し、
   前記中央演算手段は、ＧＰＳ信号が受信できないときに前記画像記憶部に記憶された画像を取り込み、前記第２車速算出手段にて、前記撮影手段が時系列で撮影した各画像の輝度のヒストグラムの比較を行い、輝度成分が最大となる画像の現れる周期を算出し、前記周期の増減に基づき前記車速記憶手段に記憶された第１の車速を前記第２の車速に補正することでＧＰＳ信号を受信できないときの自車両の走行速度を求めることを特徴とするナビゲーション方法。

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