JP2015059778A - 速度計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】速度検出器を備え、速度検出器で算出した車両の対地速度の信頼性が低い場合や、速度検出器で車両の対地速度が計測できない場合でも、正確な対地速度を出力できる速度計測装置を提供する。
【解決手段】車両Ｃに搭載され、電磁波Ｒを走行路Ｇに放射し、電磁波Ｒの放射波と反射波との周波数の差を用いて車両Ｃの速度を算出するとともに、算出した速度の信頼度を表す計測信頼度を算出する速度検出器２と、車両Ｃの加速度を計測する加速度センサ５と、速度検出器２が算出した速度と計測信頼度と、加速度センサ５が計測した加速度とを受信して記憶する演算部６とを備える。演算部６は、計測信頼度が予め定めた閾値以上の場合は、速度検出器２が算出した速度を、車両Ｃの対地速度として出力し、計測信頼度が閾値未満の場合は、加速度センサ５が計測した加速度を時間積分した値を用いて算出した速度を、車両Ｃの対地速度として出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両の対地速度を計測する速度計測装置に関する。

自動車や鉄道の列車などの車両の対地速度を計測する方法として、車両の車輪の回転数を計測して対地速度を求める方法が一般的に用いられている。この方法では、車輪のスリップ時に対地速度を計測できないことや、人や荷物の積載状況やタイヤから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、例えば特許文献１に開示されているように、レーダ速度計を用いて車両の対地速度を計測する方法が知られている。レーダ速度計は、ミリ波帯やマイクロ波帯のレーダモジュールを備え、このレーダモジュールから電磁波を連続的に走行路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の変化量を計測して対地速度を算出する速度検出器である。このようなレーダ速度計には、車輪のスリップ時でも対地速度が計測可能であり、車輪の径の変化による計測誤差が生じないという利点がある。

特開２００６−１８４１４４号公報

特許文献１に記載されているようなレーダ速度計のように、電磁波を放射して対地速度を算出する速度検出器は、走行路に電磁波を吸収する水溜りなどが存在している場合や、段差などがあり走行路の状態が急激に変化している場合には、算出した車両の対地速度の信頼性が低いという課題がある。さらに、走行路からの電磁波の反射がない場合や、反射波の強度が弱い場合には、車両の対地速度を算出することができないという課題がある。

本発明の目的は、速度検出器を備え、速度検出器で算出した車両の対地速度の信頼性が低い場合や、速度検出器で車両の対地速度が計測できない場合でも、正確な対地速度を出力することができる速度計測装置を提供することである。

本発明による速度計測装置は、次のような特徴を備える。車両に搭載され、電磁波を走行路に放射し、前記電磁波の放射波と反射波との周波数の差を用いて前記車両の速度を算出するとともに、算出した前記速度の信頼度を表す計測信頼度を算出する速度検出器と、前記車両の加速度を計測する加速度センサと、前記速度検出器が算出した前記速度と前記計測信頼度と、前記加速度センサが計測した前記加速度とを受信して記憶する演算部とを備える。前記演算部は、前記計測信頼度が予め定めた閾値以上の場合は、前記速度を、前記車両の対地速度として出力し、前記計測信頼度が前記閾値未満の場合は、前記加速度を時間積分した値を用いて算出した速度を、前記車両の対地速度として出力する。

本発明による速度計測装置は、速度検出器を備え、速度検出器で算出した車両の対地速度の信頼性が低い場合や、速度検出器で車両の対地速度が計測できない場合でも、正確な対地速度を出力することができる。

本発明の実施例１による速度計測装置を搭載した車両の一例を示す図。 レーダ速度計の構成の一例を示す概略図。 演算部の処理の一例を示すフローチャート。 本発明の実施例２による速度計測装置のうち、レーダ速度計、加速度センサ、及び上位システムを示す図。 本発明の実施例３による速度計測装置のレーダ速度計を示す図。

本発明による速度計測装置は、車両（自動車や鉄道の列車）に搭載され、電磁波を走行路に放射して車両の対地速度を算出する速度検出器と、車両の加速度を計測する加速度センサとを備え、以下の処理を実行して対地速度を出力する。（１）速度検出器が正常に車両の速度を計測できていると判断したときは、対地速度として速度検出器が算出した速度を出力する。そして、加速度センサが計測した加速度の値と速度検出器が算出した速度を時間微分した値との差から、加速度センサのオフセット誤差を算出する。（２）速度検出器が正常に車両の速度を計測できていないと判断したときは、加速度センサが計測した加速度を（１）で算出したオフセット誤差で補正し、補正した加速度を時間積分した値を用いて対地速度を算出して出力する。

以下、図面を参照して、本発明の実施例による速度計測装置を説明する。なお、以下の説明では、速度検出器が算出した車両の対地速度を「計測速度」と称する。また、車両の例として自動車を用いているが、車両が鉄道の列車であってもよい。車両が鉄道の列車の場合には、例えば、線路を走行路とすることができる。

図１は、本発明の実施例１による速度計測装置を搭載した車両の一例を示す図である。車両である自動車Ｃは、本実施例による速度計測装置１を備え、走行路である地面Ｇを走行する。

速度計測装置１は、速度検出器であるレーダ速度計２、加速度を検出する加速度センサ５、及び演算部である演算装置６を備え、レーダ速度計２と演算装置６との間は信号線Ｌ２で、加速度センサ５と演算装置６との間は信号線Ｌ５で、それぞれ接続される。また、演算装置６には、車両（自動車Ｃ）の上位システム（図示せず）へ対地速度を出力する信号線Ｌ６が接続されている。なお、自動車Ｃの走行方向をｘ軸方向とし、地面Ｇに垂直な方向をｚ軸方向とする。

レーダ速度計２は、電磁波Ｒを走行路に放射して自動車Ｃの対地速度（計測速度）を算出するとともに、計測速度の計測信頼度を算出する。計測信頼度については後述する。レーダ速度計２は、電磁波Ｒがｘｚ平面内を伝播し、かつ地面Ｇに対して角度θで入射するように、自動車Ｃに配置される。加速度センサ５は、ｘ軸方向の自動車Ｃの加速度を検出する。加速度センサ５には、任意の加速度センサを用いることができる。演算装置６は、記憶部を備え、後述する処理を実行する。記憶部には、一時記憶装置を用いることができる。

図２は、レーダ速度計２の構成の一例を示す概略図である。なお、本実施例では、一例として、７７ＧＨｚ帯の電磁波（ミリ波）を放射するレーダモジュールを用いて対地速度（計測速度）を算出するレーダ速度計２を例に取り上げる。ただし、レーダ速度計２は、７７ＧＨｚ帯の電磁波を放射するレーダモジュールを用いるものに限定されず、例えば、準ミリ波帯、ミリ波帯、またはマイクロ波帯の電磁波を放射するレーダモジュールを用いることができる。

レーダ速度計２は、ミリ波レーダモジュール２０とレンズ２７と演算回路２０１とを主に備える。ミリ波レーダモジュール２０は、ＩＣチップ２１０とアンテナ２２とを備え、ＩＣチップ２１０は、発信器２１１、送信用増幅器２１２、アイソレータ２１３、受信用増幅器２１４、及び混合器２１５を主に備える。アイソレータ２１３には、ポート２２０が接続されており、ポート２２０においてミリ波帯信号の送信と受信が行なわれる。ポート２２０とアンテナ２２との間は、給電線２１で接続され、信号が伝達される。演算回路２０１は、ＡＤ変換器（ＡＤＣ）２２１とＣＰＵ２２２とを備える。

レーダ速度計２は、以下のようにして計測速度の大きさｖ（以下、「計測速度ｖ」と略す）を算出する。

発振器２１１で生成された７７ＧＨｚ帯の高周波信号は、送信用増幅器２１２で増幅された後、アイソレータ２１３を介してアンテナ２２に伝搬され、アンテナ２２より空間へ電磁波として放射される。放射された電磁波は、レンズ２７により集束され、地面Ｇに入射して反射する。地面Ｇで反射した電磁波は、ドップラ効果により地面Ｇに対する自動車Ｃの速度に比例して周波数が変化し、レンズ２７を通ってアンテナ２２に入射する。

アンテナ２２により受信された反射電磁波の信号は、アイソレータ２１３を介して受信用増幅器２１４に伝搬されて、増幅される。受信用増幅器２１４により増幅された信号は、混合器２１５で、発信器２１１から出力された７７ＧＨｚ帯の高周波信号と混合され、ＩＦ（Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号が生成される。このＩＦ信号は、受信用増幅器２１４により増幅された信号（地面Ｇで反射した電磁波の信号）の周波数と、発信器２１１から出力された信号（地面Ｇに放射した電磁波の信号）の周波数との差を表す信号である。すなわち、ＩＦ信号の周波数は、ドップラ効果による周波数の変化量の絶対値である。

混合器２１５で生成されたＩＦ信号は、演算回路２０１に入力される。演算回路２０１のＡＤ変換器２２１は、ＩＦ信号をデジタル信号に変換する。演算回路２０１のＣＰＵ２２２は、デジタル信号に変換されたＩＦ信号を一定周期でサンプリングし、得られた波形に高速フーリエ変換（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ、ＦＦＴ）処理を行ってＩＦ信号の振幅スペクトルを求める。そして、ＣＰＵ２２２は、求めた振幅スペクトルのピーク値を与える周波数をＩＦ信号の周波数ｆ_ｄとして求め、周波数ｆ_ｄを計測速度ｖに換算する。計測速度ｖは、ドップラ効果による周波数の変化量の大きさ、すなわちＩＦ信号の周波数ｆ_ｄから（式１）を用いて求めることができる。

ここで、ｃは光速、ｆ_０は発信器２１１から出力される信号の周波数、θは電磁波Ｒと地面Ｇとの角度（図１を参照）である。（式１）の右辺のｃ／（２ｆ_０cosθ）は定数となるので、計測速度ｖは周波数の変化量ｆ_ｄに比例することが分かる。なお、振幅スペクトルのピーク値が予め定めた閾値よりも小さい場合は、欠測、すなわちレーダ速度計２で車両の対地速度が計測できなかったと判断する。

演算回路２０１のＣＰＵ２２２は、計測速度ｖのほかに、計測速度ｖの計測信頼度Ｒｍも算出する。計測信頼度Ｒｍは、算出した計測速度ｖの値の信頼度を表し、レーダ速度計２が正常に自動車Ｃの速度を計測できているか否かを判定するための値である。計測信頼度Ｒｍは、例えば、ＩＦ信号の振幅、ＦＦＴ処理後のＩＦ信号の振幅スペクトル、またはレーダ速度計２が算出した最新の計測速度ｖと前回（すなわち、最新の計測速度ｖを算出した時点の１つ前の時点で）算出した計測速度ｖとの差を用いて算出することができる。計測信頼度Ｒｍの具体的な算出方法は、任意に定めることができ、例えば、ＩＦ信号の振幅の値やＩＦ信号の振幅スペクトルをそのまま計測信頼度Ｒｍの値としてもよく、最新の計測速度ｖと前回算出した計測速度ｖとの差の逆数を計測信頼度Ｒｍの値としてもよい。

なお、計測信頼度Ｒｍが悪化する要因として、（１）地面Ｇにミリ波を吸収する水溜りなどが存在して反射電磁波が弱くなり、ＩＦ信号の振幅やＦＦＴ処理後のＩＦ信号の振幅スペクトルが小さくなってＳ／Ｎ比が劣化し、レーダ速度計２が計測速度ｖを算出する際に誤差が生じたり欠測となったりする場合、（２）地面Ｇに段差などがありレーダ速度計２と地面Ｇとの相対距離が急激に変化したときに、レーダ速度計２が距離変化を速度変化と誤認識して計測速度ｖを算出する場合、などが挙げられる。

演算回路２０１は、算出した計測速度ｖや計測信頼度Ｒｍを記憶するとともに、信号線Ｌ２へ出力する。

図１に戻って、本実施例による速度計測装置１について説明する。

演算装置６は、信号線Ｌ２を介して、レーダ速度計２が算出した計測速度ｖと計測信頼度Ｒｍを受信するとともに、信号線Ｌ５を介して、加速度センサ５が計測した自動車Ｃの加速度ａを受信する。演算装置６は、計測信頼度Ｒｍの値に応じて、異なる処理を実行して出力する値を変更する。

図３は、演算部である演算装置６の処理の一例を示すフローチャートである。このフローチャートで示した処理は、予め定めた時間間隔で繰り返し実行される。

まず、ステップＳ１にて、演算装置６は、レーダ速度計２から計測速度ｖと計測信頼度Ｒｍを受信し、加速度センサ５から加速度ａを受信する。受信した計測速度ｖ、計測信頼度Ｒｍ、及び加速度ａは、記憶部に記憶する。

次に、ステップＳ２にて、演算装置６は、Ｓ１で受信した計測信頼度Ｒｍと閾値とを比較する。この閾値は、予め定めて記憶部に記憶しておく。計測信頼度Ｒｍがこの閾値以上である場合には、ステップＳ３に移行する。計測信頼度Ｒｍがこの閾値未満である場合には、ステップＳ５に移行する。

ステップＳ３では、演算装置６は、レーダ速度計２が正常に自動車Ｃの速度を計測できていると判断し、Ｓ１で受信した計測速度ｖを、対地速度として、信号線Ｌ６を介して出力する。さらに、この対地速度を記憶部に記憶する。

次に、ステップＳ４に移行して、演算装置６は、加速度センサ５が計測した加速度ａのオフセット誤差Ａを算出する。算出したオフセット誤差Ａは、記憶部に記憶する。このオフセット誤差Ａは、主として、例えば、自動車Ｃが斜面を走行している場合に、または自動車Ｃの積荷による荷重変化に伴うピッチングにより生じる。また、オフセット誤差Ａは、加速度センサ５の温度変化によって生じることもある。オフセット誤差Ａは、加速度センサ５が計測した加速度ａの値に大きな影響を与えるので、加速度ａの値を利用するときには、加速度ａをオフセット誤差Ａで補正する必要がある。

オフセット誤差Ａの算出方法の例としては、次のような方法が挙げられる。加速度センサ５が計測した加速度ａの値と、レーダ速度計２が算出した計測速度ｖを時間微分した値との差を、オフセット誤差Ａとする。計測速度ｖを時間微分した値は、例えば、現在求めた計測速度ｖ（最新の計測速度ｖ）の値と前回求めた計測速度ｖ（最新の計測速度ｖを求めた時点の１つ前の時点で求めた計測速度ｖ）の値との差を、これらの速度の計測の時間間隔で割って求めることができる。なお、このオフセット誤差Ａは、計測速度ｖの算出ごとに毎回更新して記憶部に記憶する。さらに、このオフセット誤差Ａの算出において、適宜の時間範囲のムービングアベレージ（移動平均）を取り、計測ゆらぎの影響を除去してもよい。

ステップＳ５は、ステップＳ２にて、計測信頼度Ｒｍが予め定めた閾値未満である場合に実行する処理である。計測速度ｖが欠測である場合も、ステップＳ５の処理を行う。

ステップＳ５では、演算装置６は、レーダ速度計２が正常に自動車Ｃの速度を計測できていないと判断し、次のような処理を実行する。演算装置６は、直前に対地速度として出力した計測速度ｖ（ステップＳ３で出力した最新の計測速度ｖ）を基準速度ｖ_０とする。また、演算装置６は、Ｓ１で受信した加速度ａを、ステップＳ４で算出したオフセット誤差Ａで補正し、補正した加速度ａを時間積分する。そして、時間積分して求めた値（速度）に基準速度ｖ_０を加え、この値を対地速度とし、信号線Ｌ６を介して出力する。さらに、対地速度を記憶部に記憶する。時間積分は、例えば、基準速度ｖ_０とした計測速度ｖを出力した時刻から現在時刻までの時間に渡って行う。ステップＳ４が実行されておらず、オフセット誤差Ａが算出されていない場合は、オフセット誤差Ａの値をゼロとして上記の処理を実行する。

以上の構成により、本実施例による速度計測装置１は、レーダ速度計２が算出した計測速度ｖの信頼性（計測信頼度）が低い場合や、レーダ速度計２が計測速度ｖを計測できない欠測の場合でも、正確な対地速度を出力することができる

図４を参照して、本発明の実施例２による速度計測装置を説明する。図４において、実施例１と同一の符号は、実施例１と同一または共通する要素を示し、これらの要素についての説明は省略する。本実施例による速度計測装置は、レーダ速度計２または車両の上位システム６１が演算部を備え、実施例１による速度計測装置の演算部である演算装置６を備えない。すなわち、レーダ速度計２または上位システム６１は、実施例１による速度計測装置の演算装置６の機能を備える。

図４は、本実施例による速度計測装置のうち、速度検出器であるレーダ速度計２、加速度センサ５、及び上位システム６１を示す図である。本実施例による速度計測装置のその他の構成要素は、図１に示したものと同様である（ただし、上述したように、演算装置６は備えない）。レーダ速度計２または上位システム６１が備える演算部は、記憶部を備える。レーダ速度計２、加速度センサ５、及び上位システム６１は、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）などの双方向通信可能な通信手段を介して、相互に接続されている。

本実施例による速度計測装置は、レーダ速度計２が演算部を備える構成の場合には、以下のようにして、正確な対地速度を出力することができる。レーダ速度計２は、加速度センサ５から加速度ａを受信する。レーダ速度計２の演算回路２０１は、図３に示した演算部の処理を示すフローチャートに従って対地速度を求める。レーダ速度計２は、対地速度をＣＡＮに出力して上位システム６１に送信するとともに、対地速度を記憶部に記憶する。

また、本実施例による速度計測装置は、上位システム６１が演算部を備える構成の場合には、以下のようにして、正確な対地速度を出力することができる。上位システム６１は、レーダ速度計２から計測速度ｖと計測信頼度Ｒｍを受信し、加速度センサ５から加速度ａを受信する。そして、上位システム６１は、図３に示した演算部の処理を示すフローチャートに従って対地速度を求め、対地速度を記憶部に記憶する。

本実施例による速度計測装置は、実施例１による速度計測装置と同様に、正確な対地速度を出力することができる。さらに、レーダ速度計２または上位システム６１が演算部を備えるので演算装置６を備える必要がなく、実施例１による速度計測装置よりも装置構成を簡略化することができる。

図５を参照して、本発明の実施例３による速度計測装置を説明する。図５において、実施例１と同一の符号は、実施例１と同一または共通する要素を示し、これらの要素についての説明は省略する。本実施例による速度計測装置は、レーダ速度計２が加速度センサ５と演算部を備え、実施例１による速度計測装置の演算部である演算装置６を備えない。すなわち、レーダ速度計２は、実施例１による速度計測装置の演算装置６の機能を備えるとともに、加速度センサ５が一体化されている。

図５は、本実施例による速度計測装置のレーダ速度計２を示す図である。速度検出器であるレーダ速度計２は加速度センサ５を備え、加速度センサ５は演算回路２０１と接続される。演算回路２０１は、演算部としての機能を果たし、記憶部（図示せず）を備える。また、レーダ速度計２は、車両（自動車Ｃ）の上位システムへ対地速度を出力する信号線Ｌ６０を有する。

本実施例による速度計測装置は、以下のようにして、正確な対地速度を出力することができる。レーダ速度計２の演算回路２０１は、加速度センサ５から加速度ａを受信し、図３に示した演算部の処理を示すフローチャートに従って対地速度を求める。演算回路２０１は、対地速度を、信号線Ｌ６０を介して上位システム６１に出力するとともに、対地速度を記憶部に記憶する。

本実施例による速度計測装置は、実施例１、２による速度計測装置と同様に、正確な対地速度を出力することができる。さらに、レーダ速度計２が演算部を備えるので演算装置６を備える必要がなく、加速度センサ５がレーダ速度計２に一体化されているため、実施例１、２による速度計測装置よりも装置構成をさらに簡略化することができる。

なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形例を含む。例えば、上記の実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、本発明は、必ずしも説明した全ての構成を備える態様に限定されるものではない。

また、各図面において、制御線や信号線は説明上必要と考えられるものを記載しており、必ずしも製品として必要な全ての制御線や信号線を記載しているとは限らない。

１…速度計測装置、２…レーダ速度計、５…加速度センサ、６…演算装置、２０…ミリ波レーダモジュール、２１…給電線、２２…アンテナ、２７…レンズ、６１…上位システム、２０１…演算回路、２１０…ＩＣチップ、２１１…発信器、２１２…送信用増幅器、２１３…アイソレータ、２１４…受信用増幅器、２１５…混合器、２２０…ポート、２２１…ＡＤ変換器、２２２…ＣＰＵ、Ｌ２、Ｌ５、Ｌ６、Ｌ６０…信号線。

Claims (7)

1. 車両に搭載され、
   電磁波を走行路に放射し、前記電磁波の放射波と反射波との周波数の差を用いて前記車両の速度を算出するとともに、算出した前記速度の信頼度を表す計測信頼度を算出する速度検出器と、
   前記車両の加速度を計測する加速度センサと、
   前記速度検出器が算出した前記速度と前記計測信頼度と、前記加速度センサが計測した前記加速度とを受信して記憶する演算部と、を備え、
   前記演算部は、
   前記計測信頼度が予め定めた閾値以上の場合は、前記速度を、前記車両の対地速度として出力し、
   前記計測信頼度が前記閾値未満の場合は、前記加速度を時間積分した値を用いて算出した速度を、前記車両の対地速度として出力する、
   ことを特徴とする速度計測装置。
2. 前記演算部は、
   前記計測信頼度が前記閾値以上の場合は、さらに、前記加速度の値と前記速度を時間微分した値との差を、前記加速度のオフセット誤差として算出して記憶し、
   前記計測信頼度が前記閾値未満の場合は、前記加速度を前記オフセット誤差で補正し、補正した前記加速度を時間積分した値を用いて算出した速度を、前記車両の対地速度として出力する請求項１に記載の速度計測装置。
3. 前記速度検出器は、前記計測信頼度を、前記反射波と前記放射波とを混合して生成される信号の振幅を基に算出する請求項１または２に記載の速度計測装置。
4. 前記速度検出器は、前記計測信頼度を、前記速度検出器が算出した最新の前記速度と前回算出した前記速度との差を基に算出する請求項１または２に記載の速度計測装置。
5. 前記速度検出器は、前記演算部を備える請求項１または２に記載の速度計測装置。
6. 前記速度検出器は、前記加速度センサと前記演算部とを備える請求項１または２に記載の速度計測装置。
7. 前記速度検出器と前記加速度センサは、前記車両の上位システムと接続され、
   前記演算部は、前記上位システムに備えられる請求項１または２に記載の速度計測装置。

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