JP2671917B2

JP2671917B2 - 車両方位検出装置

Info

Publication number: JP2671917B2
Application number: JP63200428A
Authority: JP
Inventors: 徹熊坂
Original assignee: 日本電気ホームエレクトロニクス株式会社
Priority date: 1988-08-11
Filing date: 1988-08-11
Publication date: 1997-11-05
Anticipated expiration: 2012-11-05
Also published as: JPH0249109A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、車速と操舵角から算出される角速度を時
間積分し、車両の方位を検出するようにした車両方位検
出装置に関する。

［従来の技術］地磁気を利用して車両方位を測定する車載用航法装置
は、高架線や踏み切り等の周辺に形成される強力な外乱
磁界の影響で、地磁気センサの出力が変化してしまう
と、車両方位を誤推定する危険性が高い。このため、こ
うした誤推定を避ける目的で、車両が実際に進路変更し
たかどうかを、車両の操舵輪（ステアリングホイール）
の回転角度（操舵角）を検出することで確認する方法を
併用することがある。

第４図に示す操舵角検出装置１は、操舵輪（ステアリ
ングホイール）２の軸３にスリット円板４を同軸固定
し、このスリット円板４の回転角度を、検出位相を互い
に90度異ならしめて配設した一対のフォトエンコーダ5,
6にて検出し、両フォトエンコーダ5,6の出力を受けて回
転方向を判別する回転方向判別回路７及びフォトエンコ
ーダ５に接続された操舵角センサ８が、操舵角θｓを検
出する構成とされている。

しかるに、この種の操舵角検出装置１は、操舵輪２の
回転角度と回転方向について、フォトエンコーダ5,6の
精度をもって検出できるが、操舵輪２がその遊びの範囲
で微動した場合、これを操舵角の変化として検出してし
まうため、路面からの振動や風圧抵抗が強い場合など
に、直進状態にありながら進路変更がなされたかのごと
き誤った情報を出力しやすく、そのことが車載用航法装
置の進路推定に悪影響を与える等の問題があった。

そこで、本出願人は、車両の方位角θｃを車両の角速
度ωｄを時間積分することで求める試みとして、第５図
に示す角速度センサ９に積分器10を組み合わせた車両方
位検出装置11を試作するに至った。ここで使用した角速
度センサ９は、回転面上で半径方向に振動する振動子12
を有するロータ13に、コリオリの力Fcを検出する検出素
子14を設けたものである。検出素子14としては、圧電素
子が用いられ、振動子12を駆動する圧電素子15の貼着面
とは直交する面に貼着され、ロータ13の円周方向に沿っ
て発生するコリオリの力Fcを受けることで、力Fcに比例
した電圧を発生する。

一般に、速度Ｖをもった物体に角速度ωｄを与える
と、物体の質量ｍに2V・ωｄを掛けたコリオリの力Fcが
発生することは、よく知られるところである。このコリ
オリの力Fcは、厳密には速度ベクトルと角速度ベクトル
の外積で表されるのであるが、本例のように、各ベクト
ルが一軸成分で代表される場合は、単純なスカラー積に
従い Fc＝2mVωｄと表すことができる。ただし、ｍは振動子12の振動部分
の有効質量、Ｖは振動子12の振動速度である。言うまで
もなく、各速度ωｄは、上記式から、 ωｄ＝Fc/2mV として求めることができる。

［発明が解決しようとする課題］上記従来の車両方位検出装置11は、ジャイロの原理に
従って検出される角速度ωｄを時間積分することで車両
の方位角θｃを検出する構成であるが、角速度ωｄの検
出精度は、ひとえにコリオリの力Fcの検出精度に懸かっ
ており、その比例定数である振動子12の有効質量ｍや振
動速度Ｖを大とする程、検出されるコリオリの力Fcも大
とすることができる。しかし、こうした比例定数の大き
さにも限度があるため、角速度ωｄがある程度大きい場
合はよいが、角速度ωｄが小さくなる程、どうしても検
出精度が低下してしまい、角速度ωｄを時間積分して得
られる方位角θｃも、正確さに欠けるといった課題を抱
えていた。

また、特開昭62−163867号「車両運動状態量推定装
置」には、変数としてハンドル舵角θｓと車速ｖを与
え、車両に生じた角速度（ヨーレート）ωを含む車両運
動状態を推定する車両運動状態量推定装置において、車
両の角速度ωを前記二つの変数θs,vから求めるための
数学モデルに基づいて車両の角速度を求めるようにした
装置が開示されている。しかしながら、このものはホイ
ーベースをＬ、ステアリングギヤ比をＮ、スタビリティ
ファクタをＡとしたときに、定常旋回運動時の数学モデ
ルとして、 ω＝ｖθs/（１＋Av²）LN を規定しており、ヨーレート検出器が検出する実際の角
速度ωｄと推定角速度ωｅとが一致するようスタビリテ
ィファクタＡを補正するようにしていた。具体的には、
車両質量をＭ、前軸と重心間の距離をL_F、後軸と重心間
の距離をL_R、前輪コーナリングパワーをK_F、後輪コーナ
リングパワーをK_Rとしたときに、スタビリティファクタ
ＡがＡ＝−Ｍ（L_FK_F−L_RK_R）/2L²K_FK_R で規定されるため、コーナリングパワーK_F,K_Rを補正す
ることで、推定角速度ωｅを実際の角速度ωｄに一致さ
せる補正を施していた。

ただし、車両モデルの定常旋回特性を実際の特性に一
致させることはできても、直進走行状態から定常旋回状
態への移行過渡期或いは定常旋回状態から旋回半径の異
なる他の定常旋回状態への移行過渡期等における過渡運
動特性までは補正できず、このため横方向速度の検出値
とその推定値とを比較し、両者が一致するようコーナリ
ングパワーK_F,K_Rを、相互の補正量を所定関係に保つこ
とでスタビリティファクタを変化させないようにして補
正を施すようにしていた。

このため、角速度の運動モデルを同定するさいに、ま
ず定常旋回運動特性の補正を行い、その後に過渡運動特
性を補正するという二段階のステップを踏む必要があ
り、従って同定プロセスが非常に複雑であり、かつ同定
に時間がかかるといった課題を抱えているものであっ
た。しかも、正常旋回運動特性から同定された角速度の
運動モデルに基づいて過渡運動特性を補正するにして
も、補正の前後でスタビリティファクタＡが変化しない
よう、前輪コーナリングパワーK_Fと後輪コーナリングパ
ワーK_Rを相補的に補正するようにしていたため、Ａ＝−Ｍ（L_FK_F−L_RK_R）/2L²K_FK_R の構成諸元のうちK_FとK_Rの値は補正されるが、Ａ自体は
変化せず、結局のところ定常旋回運動時の数学モデル ω＝ｖθs/（１＋Av²）LN は、定常旋回時のモデルから変化しないままであった。
すなわち、車両モデルの定常旋回特性を変化させずに、
車両モデルの過渡運動特性を修正する方法によっている
ため、車両モデルを構成する車両諸元を補正しても肝心
のスタビリティファクタＡは変化しないのである。この
ため、乗員の搭乗状態によって決まる車両質量Ｍや前軸
と重心間の距離L_F或いは後軸と重心間の距離L_Rといった
車両諸元とは異なり、車両の走行状況、特に路面摩擦係
数や路面バンク角によって異なる路面状況の変化に応じ
て過渡運動特性が変化しても、定常旋回運動時の数学モ
デル ω＝ｖθs/（１＋Av²）LN には何らの変化も見られず、スタビリティファクタＡの
中身を修正するだけであるため、時々刻々と変化する走
行環境に適応して角速度算出のための数学モデルが修正
されないことは明らかであった。

このことは、数学モデル自体に含まれる変動可能性を
内包する係数がスタビリティファクタＡだけであり、車
速ｖが一定であれば角速度ωは操舵角θｓに比例するだ
けといった単純な数式構成に因るところが大きく、さら
に任意の時点における車速ｖと操舵角θｓと角速度ωの
実測値さえ分かれば、スタビリティファクタが、Ａ＝｛（ω/vθsLN）−１｝/v² に従って直ちに一意的に算定でき、しかも一度決定され
たスタビリティファクタＡの値を最新の実測値に基づい
て更新すること自体さしたる意味をなさないという背景
があったからである。すなわち、この車両運動状態量推
定装置は、数学モデルを実測値に基づいて検証すること
で角速度ωの算定に必要なスタビリティファクタＡを更
新するのではなく、前輪コーナリングパワーK_Fや後輪コ
ーナリングパワーK_RといったスタビリティファクタＡを
構成する車両諸元を、スタビリティファクタＡを変える
ことなく補正するに過ぎないものであった。

また、特開昭61−44317号「車両回転角検出装置」に
は、角速度を時間積分して車両の方位を求めるようにし
た車両方位検出装置が開示されている。このものは、ハ
ンドル角度検出手段が検出したハンドル回転角φに走行
距離Ｌを乗算して車両の回転角θ（＝ｋφＬ）を計測す
るものであり、こうして算出した単位時間当たりの車両
回転角θを積算することにより、車両の進行方向を知る
ことができるようになっている。

しかしながら、このものはθ＝ｋφＬとして求める上
で必要な比例定数ｋを算出するため、車両を適当な回転
半径で走行せしめて行う算出ルーチンを実行する必要が
あり、その実行は指令スイッチの操作を受けて行われる
ようになっていた。このため、比例定数ｋの同定が運転
者の意志に委ねられることになり、車両の走行経過に従
って自動的に最新の値に更新されないために、回転角θ
の算出精度に運転者の怠慢等に起因するばらつきが生じ
やすい等の課題があった。

［課題を解決するための手段］この発明は、上記課題を解決したものであり、車両の
角速度ωを、車速ｖを変数とする車速関数ｐ（ｖ）及び
操舵角θｓを変数とする操舵角関数ｑ（θｓ）の線形和
ｐ（ｖ）＋ｑ（θｓ）としてとらえ、ω＝ｐ（ｖ）＋ｑ
（θｓ）なる角速度算定式に含まれるｍ個の複数の未知
の係数及び定数を、車速ｖと操舵角θｓと角速度ωの各
実測値のｍ組以上の組み合わせを用い、ｍ組の最新の実
測値の組み合わせを用いる場合は、ｍ個の連立方程式を
解いて得られる値をもって、またｍ組を越える最新の実
測値の組み合わせを用いる場合は、最小２乗法による誤
差最小値を与える値をもってそれぞれ更新し、該更新さ
れた値に基づいて車両の特性にもっとも見合った係数及
び定数を備えた角速度算定式を導出する同定装置と、こ
の同定装置により得られた角速度算定式に従って割り出
される角速度を時間積分し、車両の方位角を求める積分
器とを具備することを特徴とするものである。

［作用］この発明は、車両の角速度ωを車速関数ｐ（ｖ）と操
舵角関数ｑ（θｓ）の線形和ｐ（ｖ）＋ｑ（θｓ）とし
てとらえ、この角速度算定式に含まれるｍ個の複数の未
知の係数及び定数を、車速ｖと操舵角θｓと角速度ωの
角実測値のｍ組以上の組み合わせを用い、ｍ組の最新の
実測値の組み合わせを用いる場合は、ｍ個の連立方程式
を解いて得られる値をもって、またｍ組を越える最新の
実測値の組み合わせを用いる場合は、最小２乗法による
誤差最小値を与える値をもってそれぞれ更新することに
より、車両の特性にもっとも見合った角速度算定式を導
出し、さらに得られた算定式に従って割り出される角速
度を時間積分して車両の方位角を求めることにより、微
少レベルにおける誤差が大きい角速度センサを補完する
ことができる。

［実施例］以下、この発明の実施例について、第１図ないし第３
図を参照して説明する。第１図は、この発明の車両方位
検出装置の一実施例を示す概略構成図、第２図は、第１
図に示した同定装置の動作を説明するためのフローチャ
ートである。

第１図中、車両方位検出装置21は、車両の推定角速度
ωｅを車速ｖと操舵角θｓの関数としてとらえ、この関
数式の同定に必要な係数を、時々刻々と変わるデータv,
θs,ωｄを使って更新することで、車両の特性にもっと
も見合った角速度算定式を導出する同定装置22と、この
同定装置22により得られた算定式に従って推定された角
速度ωｅを時間積分し、車両の方位角θｃを求める積分
器10から構成される。実施例に示す同定装置22は、同定
と推定の２動作を同時並行的に行うため、推定動作は直
前に得られた最新の同定結果にもとづいて行われる。車
両の速度ｖを検出する車速センサ23は、車輪の回転に同
期した車速パルスを計数し、単位時間当たりの計数値か
ら車速を検出する。また、操舵角センサ８と角速度セン
サ９には、それぞれ前述したものが用いられ、ここでは
車速センサ23から得られる車速パルスが、一定値に達す
ると、すなわち車両が一定距離を走行すると、そのつど
同定装置22による操舵角θｓと角速度ωｄのサンプリン
グが行われる。

ところで、車両の推定角速度ωｅを、車速ｖと操舵角
θｓを２変数とする関数で表現すると、 ωｅ＝ｆ（v,θｓ）であり、この関数式の２変数ｖとθｓを、互いに独立な
線形関数ｐ（ｖ）とｑ（θｓ）の線形和としてとらえた
場合、 ωｅ＝ｐ（ｖ）＋ｑ（θｓ）＝a₀v＋a₁v′＋a₂v″＋・・・＋b₀θｓ＋b₁θｓ′＋b₂θｓ″＋・・と展開することができる。

ただし、車速関数ｐ（ｖ）と操舵角関数ｑ（θｓ）
は、ｐ（ｖ）＝a₀v＋a₁v′＋a₂v″＋・・・ｑ（θｓ）＝b₀θｓ＋b₁θｓ′＋・・・であり、またダッシュ符号は、時間微分を表している。
ここでは、推定精度との兼ね合いで、第ｎ回微分までの
有限項を採用しており、それ以上の高次微分項は切り捨
てることで、上記関係式の同定に必要な係数a₀〜a_nとb₀
〜b_nは、全部でｍ＝２（ｎ＋１）個存在することにな
る。このため、データv,θs,ωｄを２（ｎ＋１）組み採
取し、これらを上式に代入（ただし、ωｄはωｅに代
入）して得られる連立方程式を解くことにより、必要と
する係数a₀〜a_nとb₀〜b_nが同定できるわけである。

しかし、採取されるデータは時々刻々と更新され、た
ちまちにして２（ｎ＋１）すなわちｍ組みを越えるデー
タが得られる。このため、第２図に示すステップ（10
1）におけるデータ採取を開始した後は、続くステップ
（102）に示した如く、最小２乗法による誤差を最小と
する係数a₀〜a_nとb₀〜b_nを求め、その時点でもっとも信
頼できる値として同定する。従って、採取するデータの
数が増えるほど同定誤差は減少し、同定精度はきわめて
高い精度に収束することになる。

一方、こうして同定された係数a₀〜a_n,b₀〜b_nは、ス
テップ（103）に示すごとく、ただちに角速度算定式ω
ｅ＝ｆ（v,θｓ）に適用され、車速センサ23の出力ｖと
操舵角センサ８の出力θｓを用いた推定角速度ωｅの算
出に供せられる。このため、零近傍で誤差が大きい角速
度センサ９の出力ωｄを、車速ｖと操舵角θｓという２
個の変数を使って推定される角速度ωｅに置き換えるこ
とができ、これにより突発的に寄生する誤差による誤計
測の危険性を希釈することができる。

すなわち、推定角速度ωｅを時間積分するステップ
（104）にて得られる方位角θｃは、誤差がもっとも少
ない値と言うことができ、角速度センサ９の出力ωｄを
そのまま時間積分する場合に比し、車両の方位角θｃを
より正確に検出することができる。

なお、上記実施例において、角速度算定式の係数a₀〜
a_n,b₀〜b_nは、最小２乗法により決定する構成とした
が、２（ｎ＋１）＋１組みを越えるデータが採取された
時点で、最初に得られたデータを不採用とすれば、常に
最新の２（ｎ＋１）組みのデータだけを用いた同定を行
うことができ、その場合、未知の係数a₀〜a_nとb₀〜b_nと
同数の方程式を解くことで、解を一義的に決定すること
ができるため、最小２乗法に必要な複雑な計算過程を省
くことができる。

また、上記実施例では、同定装置22が同定と推定の２
動作を常に並行して行う構成としたが、第３図のステッ
プ（201）〜（207）に示すように、同定と推定を時分割
で行う構成も可能である。この場合、２（ｎ＋１）組み
を越える適宜のデータが得られた時点で同定を行い、そ
こで一旦同定を中断したのち推定動作に移行する。そし
て、推定動作の方は、２（ｎ＋１）よりも十分大なるＮ
組みのデータが得られた時点で一旦完了し、それまで使
用した角速度算定式を更新するため、同定を再開する。
この方式の場合、同定と推定の２動作が時分割で行われ
るため、前記実施例と比較して多少推定精度は劣るが、
同定と推定を同時並行的に行わないで済む分、同定装置
22の単位時間当たりの仕事量を軽減することができる。

さらにまた、推定角速度ωｅは、 ωｅ＝a₀＋a₁v＋a₂v²＋・・・＋b₀＋b₁θｓ＋b₂θs²＋・・・のように級数展開してもよく、展開の方法については、
実験や経験を通じてもっとも妥当な方法を採用するとよ
い。この場合、車速関数ｐ（ｖ）と操舵角関数ｑ（θ
ｓ）は、ｐ（ｖ）＝a₀＋a₁v＋a₂v²＋・・・ｑ（θｓ）＝b₀＋b₁θｓ＋b₂θs²＋・・・となる。

［発明の効果］以上説明したように、この発明は、車両の角速度ω
を、車速ｖを変数とする車速関数ｐ（ｖ）及び操舵角θ
ｓを変数とする操舵角関数ｑ（θｓ）の線形和ｐ（ｖ）
＋ｑ（θｓ）としてとらえ、ω＝ｐ（ｖ）＋ｑ（θｓ）
なる角速度算定式に含まれるｍ個の複数の未知の係数及
び定数を、車速ｖと操舵角θｓと角速度ωの各実測値の
ｍ組以上の組み合わせを用い、ｍ組の最新の実測値の組
み合わせを用いる場合は、ｍ個の連立方程式を解いて得
られる値をもって、またｍ組を越える最新の実測値の組
み合わせを用いる場合は、最小２乗法による誤差最小値
を与える値をもってそれぞれ更新し、該更新された値に
基づいて車両の特性にもっとも見合った係数及び定数を
備えた角速度算定式を導出し、さらに得られた角速度算
定式に従って割り出される角速度を時間積分し、車両の
方位角を求める構成としたから、微少レベルにおける誤
差が大きい角速度センサの出力を、車速ｖと操舵角θｓ
という２個の変数を使って同定された算定式ω＝ｐ
（ｖ）＋ｑ（θｓ）に基づく推定角速度に置き換え、誤
差を極力抑制することができ、特に算定式を車速関数ｐ
（ｖ）と操舵角関数ｑ（θｓ）の線形和ｐ（ｖ）＋ｑ
（θｓ）として規定したため、車速関数ｐ（ｖ）と操舵
角関数ｑ（θｓ）とが互いに独立関数として角速度ωの
成分を形成することにより、従って角速度算定式に含ま
れる係数及び定数を、車速ｖと操舵角θｓと角速度ωの
各実測値をｍ組用いる場合は、ｍ個の連立方程式を解い
て得られる値をもって、またｍ組を越える最新の実測値
を用いる場合は、最小２乗法による誤差最小値を与える
値をもって、正確に求めることができ、また車速ｖと操
舵角θｓの複数の実測値の組み合わせがｍ組を越えても
同定を継続し、その後の実測値を同定誤差の追い込みに
利用できるため、角速度算定式を常に最新の実測値に即
して補正することができ、さらにまた微少レベルにおけ
る誤差が大きい角速度センサの出力を単純に時間積分す
る場合と異なり、直進走行に近い蛇行を繰り返したとき
や、或いは路面からの振動や風圧の影響で操舵輪が遊び
の範囲で微動したようなときでも、正確に車両の方位を
判定することができ、特に地磁気利用の車載用航法装置
等に搭載することで、地磁気センサが外乱の影響を受け
て進路判定を誤ったようなときの訂正機能を強固なもの
にすることができる等の優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の車両方位検出装置の一実施例を示
す概略構成図第２図は、第１図に示した同定装置の動
作を説明するためのフローチャート、第３図は、第２図
に示したフローチャートとは異なる動作方式を示すフロ
ーチャート、第４図は、従来の操舵角検出装置の一例を
示す概略構成図、第５図は、角速度を利用した従来の車
両方位検出装置の一例を示す概略構成図である。８……操舵角センサ９……角速度センサ 10……積分器 21……車両方位検出装置 22……同定装置 23……車速センサ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】車両の角速度ωを、車速ｖを変数とする車
速関数ｐ（ｖ）及び操舵角θｓを変数とする操舵角関数
ｑ（θｓ）の線形和ｐ（ｖ）＋ｑ（θｓ）としてとら
え、ω＝ｐ（ｖ）＋ｑ（θｓ）なる角速度算定式に含ま
れるｍ個の複数の未知の係数及び定数を、車速ｖと操舵
角θｓと角速度ωの各実測値のｍ組以上の組み合わせを
用い、ｍ組の最新の実測値の組み合わせを用いる場合
は、ｍ個の連立方程式を解いて得られる値をもって、ま
たｍ組を越える最新の実測値の組み合わせを用いる場合
は、最小２乗法による誤差最小値を与える値をもってそ
れぞれ更新し、該更新された値に基づいて車両の特性に
もっとも見合った係数及び定数を備えた角速度算定式を
導出する同定装置と、この同定装置により得られた角速
度算定式に従って割り出される角速度を時間積分し、車
両の方位角を求める積分器とを具備することを特徴とす
る車両方位検出装置。