JP2016200450A - 車両位置標定装置及び車両位置標定プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】測位信号を受信できない場合に、位置標定精度の劣化を抑制することを目的とする。【解決手段】車両位置標定装置１００は、ＧＰＳ受信機２２が測位信号３１を受信している場合に、路面摩擦係数μＥＳＴを計算しておき、ＧＰＳ受信機２２が測位信号３１を受信できなくなると、計算しておいた路面摩擦係数μＥＳＴを用いて横滑り角βを計算する。そして、車両位置標定装置１００は、横滑り角βを用いて回転情報３３を速度ベクトルｖｂに変換する。【選択図】図３

Description

この発明は、衛星から測位信号を受信できない場合に、車両の位置を標定する技術に関する。

ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）衛星等の測位衛星から受信する測位信号と、ＩＭＵ（Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｕｎｉｔ）から出力される慣性計測データとを用いて、航法計算により車両の位置を標定する車両位置標定装置がある。車両位置標定装置では、測位信号を受信できない場合に、エンコーダ等で車輪の回転を計測するオドメトリから出力される車輪の回転情報を用いて、位置標定精度の劣化を抑制している。

特開平０７−２８０５７５号公報

オドメトリから出力される回転情報はスカラー量である。航法計算で使用する際には、回転情報を速度ベクトルに変換する必要がある。速度ベクトルへの変換では、車両の車軸方向が速度ベクトルの方向とされている。
コーナリング時には路面とタイヤとの特性による横滑りが発生する。横滑りする分だけ、車両の移動方向が車両の車軸方向からずれる。そのため、車両の車軸方向が速度ベクトルの方向とされると、コーナリング時に位置標定精度が劣化してしまう。
この発明は、測位信号を受信できない場合に、位置標定精度の劣化を抑制することを目的とする。

この発明に係る車両位置標定装置は、
衛星から測位信号を受信している場合に、前記測位信号を用いて、車両が走行する路面の路面摩擦係数を計算する摩擦係数計算部と、
衛星から測位信号を受信できなくなると、前記摩擦係数計算部が計算した路面摩擦係数を用いて、前記車両の横滑り角を計算する横滑り角計算部と、
前記横滑り角計算部が計算した横滑り角を用いて、前記車両の車輪の回転情報を速度ベクトルに変換するベクトル変換部と、
前記ベクトル変換部が変換した速度ベクトルを用いて、前記車両の位置を標定する位置標定部と
を備える。

この発明では、衛星から測位信号を受信している場合に、路面摩擦係数を計算しておき、衛星から測位信号を受信できなくなると、計算しておいた路面摩擦係数を用いて横滑り角を計算する。そして、横滑り角を用いて回転情報を速度ベクトルに変換する。これにより、測位信号を受信できない場合に、回転情報を精度よく速度ベクトルに変換できるため、位置標定精度の劣化を抑制することができる。

車両４０の速度ベクトルの方向の説明図。 横滑り角βとコーナリングフォースＦとの関係の説明図。 実施の形態１に係る車両位置標定装置１００の構成図。 摩擦係数計算部１３の処理の説明図。 実施の形態１に係る車両位置標定装置１００の動作を示すフローチャート。 実施の形態１に係る航法計算装置１０のハードウェア構成例を示す図。

実施の形態１．
図１に基づき、車両４０の速度ベクトルの方向について説明する。
図１（ａ）では車両４０を示しており、図１（ｂ）では図１（ａ）の車両４０を省略した状態を示している。
車両４０を固定した車体座標系４１では、車両４０の車軸方向がｘ軸となっている。回転情報を速度ベクトルへの変換する際、車両４０の車軸方向、つまり図１のｘ軸方向が速度ベクトルの方向とされることがある。
しかし、コーナリング時には路面とタイヤとの特性による横滑りが発生し、図１のｘ軸方向から横滑り角βだけずれた方向ｖに車両４０は進む。そのため、回転情報を速度ベクトルへの変換する際、方向ｖを速度ベクトルの方向とする必要がある。

図２に基づき、横滑り角βとコーナリングフォースＦとの関係を説明する。
横滑り角βとコーナリングフォースＦとには数１に示す関係がある。コーナリングフォースＦとは、車両４０を旋回させる際にタイヤにかかる進行方向に直交する横向きの力である。

μは路面摩擦係数である。Ｗは垂直抗力である。Ｋはコーナリングパワーである。

図２に示すように、横滑り角βとコーナリングフォースＦとの関係は、路面摩擦係数に大きく左右される。路面摩擦係数μは、路面とタイヤとの状況により逐次変化するものである。そのため、コーナリングパワーＫのように定数をあてはめることはできない。路面摩擦係数μを精度よく決定できない限り、測位信号３１を受信できない場合に、横滑り角βを精度よく求めることはできない。横滑り角βを精度よく求めることはできなければ、コーナリング時に位置標定精度が劣化してしまう。

＊＊＊構成の説明＊＊＊
図３に基づき、実施の形態１に係る車両位置標定装置１００の構成図である。
車両位置標定装置１００は、車両４０に搭載され、車両４０の位置を標定する。車両位置標定装置１００は、航法計算装置１０と、ＧＰＳアンテナ２１と、ＧＰＳ受信機２２と、ＩＭＵ２３と、ＯＤＯ２４とを備える。

ＧＰＳアンテナ２１は、ＧＰＳ衛星が出力した測位信号３１を受信するためのアンテナである。ＧＰＳ受信機２２は、ＧＰＳアンテナ２１を用いて、ＧＰＳ衛星が出力した測位信号３１を受信し、航法計算装置１０へ出力する装置である。
なお、ここでは、測位信号３１は、ＧＰＳ衛星が出力した信号としているが、他の測位衛星が出力した信号であってもよい。

ＩＭＵ２３は、慣性計測データ３２を取得して、航法計算装置１０へ出力する装置である。

ＯＤＯ２４は、車両４０の車輪の回転情報３３を取得して、航法計算装置１０へ出力するオドメトリである。ここでは、回転情報３３は車速パルスＮ_{ｐｕｌｓｅ}である。車速パルスＮ_{ｐｕｌｓｅ}は、単位時間当たりのエンコーダパルス数を示す。

航法計算装置１０は、慣性航法計算を行い車両４０の位置を標定する。
航法計算装置１０は、位置標定部１１と、ベクトル計算部１２とを備える。

位置標定部１１は、ＩＭＵ２３から出力された慣性計測データ３２に基づき、慣性航法計算を行う。
位置標定部１１は、ＧＰＳ受信機２２が測位信号３１を受信している場合には、測位信号３１を用いて、カルマンフィルタ等により慣性航法計算の誤差を補正して、車両４０の位置を標定する。
位置標定部１１は、ＧＰＳ受信機２２から測位信号３１を取得できなくなると、ＯＤＯ２４から出力された車両４０の車輪の回転情報３３である車速パルスＮ_{ｐｕｌｓｅ}を用いて、カルマンフィルタ等により慣性航法計算の誤差を補正して、車両４０の位置を標定する。ここでは、位置標定部１１は、ベクトル変換部１５が車速パルスＮ_{ｐｕｌｓｅ}を変換した速度ベクトルｖ^ｂを用いて、カルマンフィルタ等により慣性航法計算の誤差を補正して、車両４０の位置を標定する。

位置標定部１１は、ＧＰＳ受信機２２が測位信号３１を受信している場合には、測位信号３１を利用することにより、車両４０の横滑り角βを計算する。車両４０の横滑り角βは、測位信号３１を用いた慣性航法計算により計算可能である。そして、位置標定部１１は、計算した横滑り角βをベクトル計算部１２へ出力する。
また、位置標定部１１は、慣性航法計算を行う際に得られるコーナリングフォースＦ及び垂直抗力Ｗをベクトル計算部１２へ出力する。

ベクトル計算部１２は、ＯＤＯ２４から出力された車両４０の車輪の回転情報３３を速度ベクトルｖ^ｂに変換する計算を行う。
ベクトル計算部１２は、摩擦係数計算部１３と、横滑り角計算部１４と、ベクトル変換部１５とを備える。

摩擦係数計算部１３は、ＧＰＳ受信機２２が測位信号３１を受信している場合に、測位信号３１を利用することにより計算された車両４０の横滑り角βを用いて、車両４０が走行する路面の路面摩擦係数μ_ＥＳＴを計算する。

横滑り角計算部１４は、ＧＰＳ受信機２２から測位信号３１を取得できなくなると、摩擦係数計算部１３が計算した路面摩擦係数μ_ＥＳＴを路面摩擦係数μとし、位置標定部１１が出力したコーナリングフォースＦ及び垂直抗力Ｗを用いて、数１により車両４０の横滑り角βを計算する。なお、コーナリングパワーＫは定数で与えられる。

ベクトル変換部１５は、横滑り角計算部１４が計算した横滑り角βを用いて、車両４０の車輪の回転情報３３である車速パルスＮ_{ｐｕｌｓｅ}を速度ベクトルｖ^ｂに変換する。
ここでは、ベクトル変換部１５は、数２によりＮ_{ｐｕｌｓｅ}を速度ベクトルｖ^ｂに変換する。

β_０は非コーナリング時の横滑り角である。ＳＦｖはエンコーダパルス当たりの距離である。

図４に基づき、摩擦係数計算部１３の処理を説明する。
摩擦係数計算部１３は、異なる路面摩擦係数が設定された複数の観測モデルを記憶している。図４では、摩擦係数計算部１３は、路面が乾燥状態の路面摩擦係数μ_Ｄが設定された観測モデルと、路面が湿潤状態の路面摩擦係数μ_Ｗが設定された観測モデルと、路面が水膜アスファルトの路面摩擦係数μ_ＨＰが設定された観測モデルと等を記憶している。
摩擦係数計算部１３は、ＩＭＭ（Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｎｇ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｍｏｄｅｌ）フィルタにより、各観測モデルについての生起確率を計算する。生起確率とは、尤度のことである。そして、摩擦係数計算部１３は、計算した各観測モデルについての生起確率と、各観測モデルに設定された路面摩擦係数とから、車両４０が走行する路面の路面摩擦係数μ_ＥＳＴを計算する。
ここでは、摩擦係数計算部１３は、数３に示すように、各観測モデルについて、その観測モデルについての生起確率とその観測モデルに設定された路面摩擦係数との積を計算し、各観測モデルについて計算した積を合計して車両４０が走行する路面の路面摩擦係数μ_ＥＳＴを計算する。

ρ_Ｘは、観測モデルＸの生起確率である。μ_Ｘは、観測モデルＸの路面摩擦係数である。

なお、横滑り角βのダイナミクスは数４に示すように与えられる。

ｍは車両質量である。Ｖは車速（スカラー量）である。ｒはヨーレートである。
したがって、数１と数３とを用いて、横滑り角βで観測更新するＩＭＭフィルタを実現することが可能である。そして、ＩＭＭフィルタの処理を実行することにより、各観測モデルの生起確率が計算される。

＊＊＊動作の説明＊＊＊
図５に基づき、実施の形態１に係る車両位置標定装置１００の動作を説明する。
実施の形態１に係る車両位置標定装置１００の動作は、実施の形態１に係る車両位置標定方法に相当する。また、実施の形態１に係る車両位置標定装置１００の動作は、実施の形態１に係る車両位置標定プログラムの処理に相当する。

Ｓ１の慣性計測データ取得処理では、位置標定部１１は、ＩＭＵ２３が出力した慣性計測データ３２を取得する。
Ｓ２の測位信号判定処理では、位置標定部１１は、ＧＰＳ受信機２２が測位信号３１を受信しているか否かを判定する。
位置標定部１１は、ＧＰＳ受信機２２が測位信号３１を受信している場合（Ｓ２でＹＥＳ）、処理をＳ３へ進める。一方、位置標定部１１は、ＧＰＳ受信機２２が測位信号３１を受信していない場合（Ｓ２でＮＯ）、処理をＳ６へ進める。

Ｓ３の測位信号取得処理では、位置標定部１１は、ＧＰＳ受信機２２が受信した測位信号３１を取得する。
Ｓ４の第１位置標定処理では、位置標定部１１は、Ｓ１で取得された慣性計測データ３２を用いて慣性航法計算を行う。そして、位置標定部１１は、Ｓ３で取得された測位信号３１を用いて、慣性航法計算の誤差を補正して、車両４０の位置を標定する。位置標定部１１は、車両４０の位置を標定する際に得られた横滑り角βをベクトル計算部１２へ出力する。
Ｓ５の摩擦係数計算処理では、摩擦係数計算部１３は、Ｓ４で出力された横滑り角βを用いて、車両４０が走行する路面の路面摩擦係数μ_ＥＳＴを計算する。計算された路面摩擦係数μ_ＥＳＴは、航法計算装置１０が有する記憶装置に記憶される。

一方、Ｓ６の横滑り角計算処理では、横滑り角計算部１４は、Ｓ５で直近に計算され、記憶装置に記憶された路面摩擦係数μ_ＥＳＴを路面摩擦係数μとして、数１により車両４０の横滑り角βを計算する。この際、横滑り角計算部１４は、コーナリングフォースＦ及び垂直抗力Ｗは位置標定部１１から取得する。
Ｓ７の回転情報取得処理では、ベクトル変換部１５は、ＯＤＯ２４が出力した車速パルスＮ_{ｐｕｌｓｅ}を取得する。
Ｓ８のベクトル変換処理では、ベクトル変換部１５は、Ｓ６で計算された横滑り角βを用いて、Ｓ７で取得された車速パルスＮ_{ｐｕｌｓｅ}を速度ベクトルｖ^ｂに変換する。
Ｓ９の第２位置標定処理では、位置標定部１１は、Ｓ１で取得された慣性計測データ３２を用いて慣性航法計算を行う。そして、位置標定部１１は、Ｓ８で変換された速度ベクトルｖ^ｂを用いて、慣性航法計算の誤差を補正して、車両４０の位置を標定する。

Ｓ５及びＳ９の処理が終了すると、処理がＳ１に戻される。

＊＊＊効果の説明＊＊＊
以上のように、実施の形態１に係る車両位置標定装置１００は、ＧＰＳ受信機２２が測位信号３１を受信している場合に、路面摩擦係数μ_ＥＳＴを計算しておき、ＧＰＳ受信機２２が測位信号３１を受信できなくなると、計算しておいた路面摩擦係数μ_ＥＳＴを用いて横滑り角βを計算する。そして、車両位置標定装置１００は、横滑り角βを用いて車速パルスＮ_{ｐｕｌｓｅ}を速度ベクトルｖ^ｂに変換する。
これにより、コーナリング時における、車速パルスＮ_{ｐｕｌｓｅ}から変換された速度ベクトルｖ^ｂの方向が、従来よりも正確な方向となる。その結果、測位信号３１を受信できない場合に、位置標定精度の劣化を抑制することができる。

図６は、実施の形態１に係る航法計算装置１０のハードウェア構成例を示す図である。
航法計算装置１０はコンピュータである。
航法計算装置１０は、プロセッサ９０１、補助記憶装置９０２、メモリ９０３、通信装置９０４、入力インターフェース９０５、ディスプレイインターフェース９０６といったハードウェアを備える。
プロセッサ９０１は、信号線９１０を介して他のハードウェアと接続され、これら他のハードウェアを制御する。
入力インターフェース９０５は、ケーブル９１１により入力装置９０７に接続されている。
ディスプレイインターフェース９０６は、ケーブル９１２によりディスプレイ９０８に接続されている。

プロセッサ９０１は、プロセッシングを行うＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）である。プロセッサ９０１は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）である。
補助記憶装置９０２は、例えば、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）である。
メモリ９０３は、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）である。
通信装置９０４は、データを受信するレシーバー９０４１及びデータを送信するトランスミッター９０４２を含む。通信装置９０４は、例えば、通信チップ又はＮＩＣ（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｃａｒｄ）である。
入力インターフェース９０５は、入力装置９０７のケーブル９１１が接続されるポートである。入力インターフェース９０５は、例えば、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）端子である。
ディスプレイインターフェース９０６は、ディスプレイ９０８のケーブル９１２が接続されるポートである。ディスプレイインターフェース９０６は、例えば、ＵＳＢ端子又はＨＤＭＩ（登録商標）（Ｈｉｇｈ Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）端子である。
入力装置９０７は、例えば、マウス、キーボード又はタッチパネルである。
ディスプレイ９０８は、例えば、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）である。

補助記憶装置９０２には、上述したインターフェース部１１０、位置標定部１１と、ベクトル計算部１２と、摩擦係数計算部１３と、横滑り角計算部１４と、ベクトル変換部１５と（以下、位置標定部１１と、ベクトル計算部１２と、摩擦係数計算部１３と、横滑り角計算部１４と、ベクトル変換部１５とをまとめて「部」と表記する）の機能を実現するプログラムが記憶されている。
このプログラムは、メモリ９０３にロードされ、プロセッサ９０１に読み込まれ、プロセッサ９０１によって実行される。
更に、補助記憶装置９０２には、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）も記憶されている。
そして、ＯＳの少なくとも一部がメモリ９０３にロードされ、プロセッサ９０１はＯＳを実行しながら、「部」の機能を実現するプログラムを実行する。
図６では、１つのプロセッサ９０１が図示されているが、航法計算装置１０が複数のプロセッサ９０１を備えていてもよい。そして、複数のプロセッサ９０１が「部」の機能を実現するプログラムを連携して実行してもよい。
また、「部」の処理の結果を示す情報やデータや信号値や変数値が、メモリ９０３、補助記憶装置９０２、又は、プロセッサ９０１内のレジスタ又はキャッシュメモリにファイルとして記憶される。

「部」を「サーキットリー」で提供してもよい。また、「部」を「回路」又は「工程」又は「手順」又は「処理」に読み替えてもよい。「回路」及び「サーキットリー」は、プロセッサ９０１だけでなく、ロジックＩＣ又はＧＡ（Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）又はＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）又はＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）といった他の種類の処理回路をも包含する概念である。

１０ 航法計算装置、１１ 位置標定部、１２ ベクトル計算部、１３ 摩擦係数計算部、１４ 横滑り角計算部、１５ ベクトル変換部、１００ 車両位置標定装置、２１ ＧＰＳアンテナ、２２ ＧＰＳ受信機、２３ ＩＭＵ、２４ ＯＤＯ、３１ 測位信号、３２ 慣性計測データ、３３ 回転情報、β 横滑り角、μ，μ_ＥＳＴ 路面摩擦係数、Ｆ コーナリングフォース、Ｗ 垂直抗力、ｖ^ｂ 速度ベクトル。

Claims (6)

1. 衛星から測位信号を受信している場合に、前記測位信号を用いて、車両が走行する路面の路面摩擦係数を計算する摩擦係数計算部と、
   衛星から測位信号を受信できなくなると、前記摩擦係数計算部が計算した路面摩擦係数を用いて、前記車両の横滑り角を計算する横滑り角計算部と、
   前記横滑り角計算部が計算した横滑り角を用いて、前記車両の車輪の回転情報を速度ベクトルに変換するベクトル変換部と、
   前記ベクトル変換部が変換した速度ベクトルを用いて、前記車両の位置を標定する位置標定部と
   を備える車両位置標定装置。
2. 前記摩擦係数計算部は、前記測位信号を用いて、異なる路面摩擦係数が設定された複数の観測モデルの各観測モデルについての生起確率を計算し、計算した各観測モデルについての生起確率と、各観測モデルに設定された路面摩擦係数とから、前記車両が走行する路面の路面摩擦係数を計算する
   請求項１に記載の車両位置標定装置。
3. 前記摩擦係数計算部は、ＩＭＭ（Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｎｇ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｍｏｄｅｌ）フィルタにより、前記各観測モデルの生起確率を計算する
   請求項２に記載の車両位置標定装置。
4. 前記摩擦係数計算部は、各観測モデルについて、その観測モデルについての生起確率とその観測モデルに設定された路面摩擦係数との積を計算し、各観測モデルについて計算した積を合計して前記車両が走行する路面の路面摩擦係数を計算する
   請求項２又は３に記載の車両位置標定装置。
5. 前記位置標定部は、衛星から測位信号を受信している場合には、前記測位信号を用いて前記車両の位置を標定し、衛星から測位信号を受信できなくなると、前記速度ベクトルを用いて前記車両の位置を標定する
   請求項１から４までのいずれか１項に記載の車両位置標定装置。
6. 衛星から測位信号を受信している場合に、前記測位信号を用いて、車両が走行する路面の路面摩擦係数を計算する摩擦係数計算処理と、
   衛星から測位信号を受信できなくなると、前記摩擦係数計算処理で計算した路面摩擦係数を用いて、前記車両の横滑り角を計算する横滑り角計算処理と、
   前記横滑り角計算処理で計算した横滑り角を用いて、前記車両の車輪の回転情報を速度ベクトルに変換するベクトル変換処理と、
   前記ベクトル変換処理で変換した速度ベクトルを用いて、前記車両の位置を標定する位置標定処理と
   をコンピュータに実行させる車両位置標定プログラム。
   

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