JP3729947B2 - 車両の位置算出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、道路に道路マーカを布設し、この道路マーカを検出することにより車両の位置を算出する車両の位置算出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
車両の車線位置、速度、加速度、他車両との車間距離等を情報として採り入れ、この情報に基づいて車両のブレーキ操作、アクセル操作、ステアリング操作等の指令を発生し、運転装置に伝える自動運転システムが知られている。
このような自動運転システムにおいては、車両が道路のどの車線を走行しているか、あるいは車線のどの部分（車線の中央、左寄り又は右寄り）を走行しているか、車線に沿って真っ直ぐに走っているか若しくは斜めに横切っているか等を正確に認識することが重要である。
【０００３】
従来では、車載カメラを通して道路の状態を撮影し画像認識することにより、走行位置を判定する技術は提案されているが（例えば特開平７−７７４３１号公報参照）、カメラや画像処理装置が必要になり、判定アルゴリズムが複雑になるため、より簡易に走行位置を認識することのできる装置が望まれていた。
そこで、道路面に道路の方向に沿って磁気ネイルを埋め込み、車体に設けた磁気センサによってこの磁気ネイルを検出することにより、車体の横方向の変位を検出するシステムが提案されている（1994年９月13日米国特許第 5,347,456号、1992年５月14日ＰＣＴ国際公開ＷＯ 92/08176 号参照）。
【０００４】
さらに、磁気テープを道路に貼り付け、磁気テープから生ずる磁界を利用して車両の位置を検出するシステムも提案されている。
これらの磁気ネイル、磁気テープ等、車両の走行位置を検出するため道路に設けられた設備を「道路マーカ」と総称することとする。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
自動運転システムを搭載した車両は、前記のように道路に埋め込まれた道路マーカを検出することによって、車両の位置を正確に知ることができれば、自動運転システムにおいて、例えば車両の方位が道路に沿うようにステアリングの自動制御をすることができる。
【０００６】
また、車両間通信を利用して車両の位置情報のやりとりをすれば、車間距離の自動制御をすることもできる。
そこで、本発明は、道路マーカを検出することにより車両の位置を正確に求めることのできる車両の位置算出装置を実現することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の車両の位置算出装置は、自律航法により車両の位置を推定する車両位置推定手段と、道路マーカを検出するマーカ検出手段と、車両位置推定手段により推定された車両の位置に基づいて、前記マーカ検出手段により検出された道路マーカの推定位置を算出する第１の演算手段と、道路マーカの座標データ列を記憶した座標データメモリと、マーカ検出手段により検出された道路マーカと、座標データメモリに記憶されている道路マーカとの対応付けをし、前記第１の演算手段により算出された道路マーカの推定位置と、座標データメモリに記憶されている道路マーカの座標データとを比較することにより、自律航法により推定された車両の位置を補正する第２の演算手段とを備えるものである（請求項１）。
【０００８】
前記の構成によれば、座標データメモリに記憶されている道路マーカの座標データと、実際に検出された道路マーカとの対応付けをすることにより、自律航法により推定された車両の位置を補正することができ、極めて正確な車両位置を得ることができる。なお「自律航法」にはＩＮＳ慣性航法、距離センサと方位センサとを使った航法等があげられる。
【０００９】
第２の演算手段は、道路マーカの検出もれがあった場合に、そのもれたと推測される道路マーカをカウント対象に組み入れて座標データメモリに記憶されている道路マーカとの対応付けをすることが望ましい（請求項２）。
道路マーカの検出もれが不可避である場合は、その検出もれを考慮して座標データメモリに記憶されている道路マーカとの対応付けをしなければ、正しい位置座標が求まらないからである。
【００１０】
車両の位置算出装置は、第２の演算手段により補正されて求められた車両の位置を道路マーカの並ぶライン上に投影する第３の演算手段をさらに含むものであってもよい（請求項３）。
ライン上の位置が求まれば、例えば車両間通信を利用して車両の位置情報のやりとりをして車間距離の自動制御をする場合に、車間距離を簡単に求めることができる。
【００１１】
前記第２の演算手段は、座標データメモリに記憶されている道路マーカと比較して、道路マーカの検出数が過剰と判断される場合に、自律航法により推定された車両の位置の補正を行わないことが望ましい（請求項４）。
座標データメモリに記憶されている個数よりも多くの道路マーカを検出した場合、道路マーカのカウントがずれてしまい正しく対応付けすることができなくなるからである。このような検出過剰を知るためには、とりあえず、道路マーカをカウントして第２の演算手段により補正量を仮に算出し、その補正量が自律航法の通常考えられる誤差より著しく大きくなる場合かどうかを確認すればよい。
【００１２】
前記車両位置推定手段は、自律航法により車両の位置を推定するのに代えて、電波航法により車両の位置を推定するものであってもよい（請求項５）。
ここで「電波航法」とは、ロランやＧＰＳ等の測位用電波を用いる航法をいう。電波航法によっても、自律航法と同様、車両の位置を検出し、車両の走行に連れてその位置を更新していくことができるからである。
【００１３】
特にＧＰＳ航法を採用した場合には（請求項６）、標高データも測位できるので、座標データメモリに道路マーカの座標データ列として標高データも記憶させておけば、ＧＰＳ測位計算の補正をすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は位置算出装置を示すブロック図である。位置算出装置は、走行距離検出部１１と、走行方向検出部１２と、両検出部１１，１２から出力される走行距離検出信号、走行方向検出信号に基づいて推定位置を算出する推定位置算出部１４と、道路に埋め込まれた磁気ネイルの磁界を検出する磁気ネイル検出部１３と、磁気ネイルの座標データ列を格納した磁気ネイル座標データメモリ１５と、磁気ネイルと車両との相対距離を算出し、これと磁気ネイルの座標データとの比較により、推定位置算出部１４で算出された推定位置を補正する位置補正部１６とを備えている。
【００１５】
さらに詳細に説明すると、前記走行距離検出部１１は、例えば車輪速センサが使用可能である。この車輪速センサは、車輪の回転を検出する磁気センサを有し、磁気センサからの出力正弦波信号の波数をカウンタによりカウントすることにより車輪の回転数を得、カウンタから出力されるカウントデータに対して、乗算器により車輪の外周を示す所定の定数を乗算することにより検出周期Δｔ（周期番号をｎで表す。）当りの走行距離を算出するものである。なお、それ以外に、ドップラシフト等に基いて車両の走行速度を算出し、積分することにより走行距離を算出する構成の車速センサ等、従来公知の構成のものも使用可能である。
【００１６】
前記走行方向検出部１２は、例えば、単位時間当りの回転角度データを出力するジャイロが使用可能である。このジャイロの例として、振動ジャイロ、光ファイバジャイロ、差動型車輪速センサがあげられる。また、地磁気の水平分力を検出する地磁気センサを使用することもでき、地磁気センサと前記ジャイロとの組合せを採用することも可能である。
【００１７】
前記磁気ネイル検出部１３は、例えばバンパーの底部に設けられ、図２に示すように、磁気抵抗素子１を細長いゴム状の永久磁石３の上に複数個並べ、それぞれから出力電圧を取り出す回路構成としている。
磁気抵抗素子１は、磁界を加えることによって電気抵抗が変化する素子であり、ＩｎＳｂ，ＧａＡｓ，ＩｎＡｓ等の半導体材料がよく用いられる。本実施の形態では、基板の上に真空蒸着法によりＩｎＳｂ薄膜を形成した素子を用いるが（例えばトヨコム東洋通信機株式会社製の「磁気抵抗素子ＴＭＳ−Ｄシリーズ」が使用可能である）、これ以外に、バルク（単結晶）型の磁気抵抗素子を使用してもよい。
【００１８】
道路に沿って埋め込まれた磁気ネイルの磁界を、磁気ネイル検出部１３のどの磁気抵抗素子が検出しているのかを知ることによって、車両の中心線と磁気ネイルとの相対距離を算出することができる。
前記磁気ネイル座標データメモリ１５は、所定範囲にわたる磁気ネイルの座標と方位が格納されているものであり、ハードディスク、半導体メモリ、ＭＤ（ミニディスク）、ＤＶＤ（ディジタルビデオディスク）−ＲＯＭ、カセットテープ等が使用可能である。
【００１９】
ここで、前記磁気ネイル座標データメモリ１５の記憶構造は、表１のようになる。表１は、高速道路の路線名、区間名に対応して、出発点となる磁気ネイルの番号を０、その座標を (0.000, 0.000) で表し、東向きをｘ方向とし、北向きをｙ方向としたときに、例えば北東の方向に２ｍ間隔で磁気ネイルが埋め込まれている場合の座標データ列（単位ｍ）、方位データ列（単位ラジアン）及び極性データを示している。なお、方位データは、当該磁気ネイルとその前後の磁気ネイルとを結んだ２線分の方位の平均値を採用している。極性データは、地表面に向いている磁界の極性を示す。
【００２０】
【表１】
【００２１】
推定位置算出部１４は、走行距離検出部１１から出力される距離データΔＤn を取り込むとともに、前記走行方向検出部１２から出力される角速度データωn を取り込み、前回の角速度ωn-1 と今回の角速度ωn との平均Ωn
Ωn ＝（ωn-1 ＋ωn ）／２
を求め、これに周期Δｔをかけ、前回の方位θn-1 に加算することにより今回の方位θn を求める。
【００２２】
θn ＝Ωn Δｔ＋θn-1
さらに、前回の方位θn-1 と、今回の方位θn との平均方位Θn を求める。
Θn ＝（θn ＋θn-1 ）／２
そしてこの平均方位Θn に基づいて、前記距離ΔＤn の東西方向成分Δｘn （＝ΔＤn × cosΘn ）、および南北方向成分Δｙn （＝ΔＤn × sinΘn ）を算出し、前回の推定位置データ（ｘn-1 ，ｙn-1 ）に対して前記各成分Δｘn ，Δｙn を加算することにより、現在の推定位置（ｘn ，ｙn ）を算出する。
【００２３】
ｘn ＝ｘn-1 ＋Δｘn
ｙn ＝ｙn-1 ＋Δｙn
なお、推定位置の初期位置（ｘ0 ，ｙ0 ）を決める必要があるが、この初期位置（ｘ0 ，ｙ0 ）は、出発点（「出発点」の意味は後述する）となる磁気ネイルを検出した時点の車両位置を、例えば（０，０）に設定してそれを採用すればよい。
【００２４】
推定位置算出部１４は、この推定位置（ｘn ，ｙn ）を、磁気ネイル座標データメモリ１５に格納された磁気ネイルの座標と、磁気ネイル検出部１３で検出された磁気ネイルと車両の中心線との相対距離（以下「Ｌm 」と書く）とに基づいて補正する。
この補正方法を説明すると、まず、コース出発点を特定する。
【００２５】
ここで、コース出発点の特定方法を、図３を参照しながら説明する。高速道路の入口と出口との間には、所定距離おきに最初は特定の極（例えばＳ極）、その後他の極（例えばＮ極）の磁気ネイルが埋め込まれている。車両が当該入口から高速道路に入ると、通信手段、例えばビーコンから、当該高速道路の路線名、区間名の情報を受ける。ナビゲーション装置を搭載していれば、ナビゲーション装置から路線名、区間名の情報を受けてもよい。これにより、磁気ネイル方位データメモリ１５ａに記憶されているデータ群を特定することができる。この信号を受けた後に初めて特定の極の磁気ネイルを通過した点を出発点とする。その後、他の極の磁気ネイルを通過するたびに、磁気ネイルの検出回数をカウントする。
【００２６】
磁気ネイル座標データメモリ１５における磁気ネイルの座標データは、コース出発点から順に番号を振って格納されているので、これにより、検出した磁気ネイルと、磁気ネイル座標データメモリ１５に記憶されている所定番号の磁気ネイルとを１対１に対応付けることができる。
推定位置算出部１４は前記検出回数に基づき、磁気ネイル座標データメモリ１５を参照して磁気ネイルを特定し、その座標（以下「（ｘm ，ｙm ）」と書く）を読み出す。
【００２７】
次に、磁気ネイル通過時の車両推定位置（ｘs ，ｙs ）を求める。一般に、当該車両推定位置（ｘs ，ｙs ）は、いずれかの検出周期Δｔの始めの車両推定位置（ｘn-1 ，ｙn-1 ）と終わりの車両推定位置（ｘn ，ｙn ）との間に存在するので、それらの位置関係を図示すると、図４のようになる。
車両推定位置（ｘs ，ｙs ）は、検出周期Δｔの始めの時刻Ｔn-1 と、終わりの時刻Ｔn と、磁気ネイル検出部１３から磁気ネイルが検出された時刻Ｔm とを使えば、
ｘs ＝ｘn-1 ＋（ｘn −ｘn-1 ）（Ｔm −Ｔn-1 ）／Δｔ
ｙs ＝ｙn-1 ＋（ｙn −ｙn-1 ）（Ｔm −Ｔn-1 ）／Δｔ
で表される。
【００２８】
なお、瞬時瞬時の走行距離Ｄが分かるのなら、検出周期Δｔの始めの走行距離Ｄn-1 と、終わりの走行距離Ｄn と、磁気ネイル検出部１３から磁気ネイルの検出があった時点の走行距離Ｄm とを使えば、
ｘs ＝ｘn-1 ＋（ｘn −ｘn-1 ）（Ｄm −Ｄn-1 ）／ΔＤn
ｙs ＝ｙn-1 ＋（ｙn −ｙn-1 ）（Ｄm −Ｄn-1 ）／ΔＤn
で表すこともできる。
【００２９】
そして、当該車両推定位置（ｘs ，ｙs ）及び相対距離Ｌm から求められる磁気ネイルの推定位置（ｘ′m ，ｙ′m ）と、磁気ネイルの座標（ｘm ，ｙm ）との関係を求める。図５は、車両推定位置（ｘs ，ｙs ）と磁気ネイルの推定位置（ｘ′m ，ｙ′m ）と磁気ネイルの座標（ｘm ，ｙm ）との位置関係を表した図であり、車両の走行方向はθn で表されている。θn の符号は反時計回りを正、相対距離Ｌm の符号は車両の左に磁気ネイルを検出するときを正とする。同図に示した関係より、磁気ネイルの推定位置（ｘ′m ，ｙ′m ）は、Ｌm とθn とを用いて
ｘ′m ＝ｘs −Ｌm sin θn (1)
ｙ′m ＝ｙs ＋Ｌm cos θn (2)
で表される。
【００３０】
ここで、前記(1) 式及び(2) 式で示された磁気ネイルの推定位置（ｘ′m ，ｙ′m ）と、磁気ネイル座標データメモリ１５から読みだした磁気ネイルの座標（ｘm ，ｙm ）とを比較し、その差を求める。
Δｘ＝ｘm −ｘ′m
Δｙ＝ｙm −ｙ′m
この差Δｘ，Δｙが車両推定位置（ｘn ，ｙn ）の補正量となる（以下、添字ｎを省略して、推定位置（ｘ，ｙ）と書く）。すなわち、車両推定位置（ｘ，ｙ）を、
ｘ＝ｘ＋Δｘ
ｙ＝ｙ＋Δｙ
として補正することができる。補正された推定位置（ｘ，ｙ）は、ＧＰＳ(Global Positioning System) と比べて極めて精度が高く、その誤差は１０-1〜１０-2ｍ（メートル）のオーダーと考えてよい。
【００３１】
次に、磁気ネイルの検出もれ対策を述べる。道路不整のため走行中車両が上下振動したり、車両が車線を逸脱して走行したりしたときに、磁気ネイル検出部１３が磁気ネイルの磁界を検出できなくなることがある。このとき、磁気ネイルの検出回数を通常どおりカウントすると、磁気ネイル座標データメモリ１５に記憶されている磁気ネイルとの対応が付かなくなってしまうことがある。
【００３２】
そこで、磁気ネイルの検出もれのあったことを知るために、次の▲１▼又は▲２▼の判定をする。
▲１▼磁気ネイルの設置間隔が一定である場合には、前回磁気ネイルを検出してから所定距離走行したときに、磁気ネイルを検出しなければ、検出漏れがあったと判定する。この場合は、前述した補正処理は行わないが、磁気ネイルの検出がなくても磁気ネイルの検出回数のカウントをする。
【００３３】
▲２▼磁気ネイルの設置間隔が一定かどうか分からないときは、磁気ネイル座標データメモリ１５に記憶されている磁気ネイルの座標を参照し、そこに仮想的な磁気ネイルがあるものとみなし、車両がその仮想的な磁気ネイルを通過したかどうか判定する。その仮想的な磁気ネイルを通過し、かつ磁気ネイルの検出がない場合は、磁気ネイルの検出回数のカウントをする。
【００３４】
なお、通過したか否かの判断手法を図６に示す。図６において、黒丸Ｍi-1 は検出済の磁気ネイルを示し、白丸Ｍi ，Ｍi+1 ，Ｍi+2 ，‥‥は、未検出であって磁気ネイル座標データメモリ１５に記憶されている磁気ネイルを示す。白丸Ｍi と黒丸Ｍi-1 とを結ぶ線分と、白丸Ｍi と車両とを結ぶ線分とのなす角度φが鋭角であれば未通過、鈍角であれば通過済とする。ここで、角度φが鋭角か鈍角かを調べるには、ベクトルの内積をとる方法がある。
【００３５】
次に、磁気ネイルの検出過剰対策を述べる。例えば磁気ネイル座標データメモリ１５に記憶されている磁気ネイルのデータが古く、新しく布設された磁気ネイルのデータが記憶され邸内場合、磁気ネイルの検出過剰が生ずる。この場合、▲１▼磁気ネイルの設置間隔が一定である場合には、前回磁気ネイルを検出してから所定距離走行しないのに、磁気ネイルを検出した場合に、検出過剰があったと判定する。この場合は、前述した補正処理は行わず、磁気ネイルの検出回数のカウントもしない。▲２▼磁気ネイルの設置間隔が一定かどうか分からないときは、前述したように車両推定位置（ｘn ，ｙn ）の補正量Δｘ，Δｙを求め、この補正量が通常自律航法として考えられる誤差範囲（例えばＣＥＰといわれるもの；特公平７−１０９３６７号公報参照）より著しくはみ出しているかどうかを判断する。著しくはみ出していれば、前述した補正処理は採用せず、磁気ネイルの検出回数のカウントもしない。
【００３６】
最後に、必要ならばこの補正された車両推定位置（ｘ，ｙ）を磁気ネイルの並んでいるライン上の位置へ投影する。ライン上の位置へ投影する理由は、例えば車両間通信を利用して車両の位置情報のやりとりをして車間距離の自動制御をする場合に、車間距離を求めるのに必要となるからである。
図７は、一時点で最近検出された磁気ネイルの座標（ｘm0，ｙm0）、次の番号に対応する磁気ネイルの座標（ｘm1，ｙm1）及び推定位置（ｘ，ｙ）を示す図である。
【００３７】
ライン上の補正すべき位置を（ｘb ，ｙb ）と書くことにすると、（ｘb ，ｙb ）は、推定位置（ｘ，ｙ）からラインに垂線を引くことにより求められる。
ｘb ＝ｘm0＋（ｘm1−ｘm0）Ｒ
ｙb ＝ｙm0＋（ｙm1−ｙm0）Ｒ
ここで、Ｒは、
で定義される。
【００３８】
以上のようにして、磁気ネイル座標を利用して正確な車両位置（ｘ，ｙ）を求めることができ、必要ならば車両位置（ｘ，ｙ）を磁気ネイルの並んでいるライン上の位置へ投影することにより車間距離算出の基礎となるデータを求めることができる。
これにより、車両間通信を利用して車両の位置情報のやりとりをすれば、車間距離の自動制御をすることもできる。さらに衝突防止のための自動ブレーキ制御自動ステアリング制御もすることができる。
【００３９】
なお、本発明は前記の実施形態に限定されるものではない。前記の実施形態では、車両が高速道路の路線名、区間名の情報を取得するのに、車両がビーコンから当該情報を受けるものとしたが、これ以外に、磁気ネイルのＳ極Ｎ極の埋め込みパターン（符号）を決めておき、符号認識することによって、車両が道路のどの路線、区間を走行しているのかを知るようにしてもよい。
【００４０】
また、前記の実施形態では、「道路マーカ」として、道路に埋め込まれた磁気ネイルを利用したが、磁気ネイルではなく、道路に発光素子を埋め込み、車両でその発光色を識別するようにしてもよく、道路に反射板を埋め込み、車両でその反射色を識別するようにしてもよい。
また、前記の実施形態では、推定位置算出部１４により自律航法により推定位置を得ていたが、電波航法によっても自律航法と同様、車両の位置を検出することができるので、ロラン等の電波航法を採用してもよい。
【００４１】
特に、ＧＰＳ航法を採用した場合には、磁気ネイル座標データメモリ１５に磁気ネイルの地球座標のデータｈをも記憶させる。そして、前述したように平面座標（ｘ，ｙ）を使って補正された車両推定位置（ｘ，ｙ）を得た後、この補正された車両推定位置（ｘ，ｙ）に磁気ネイルの地球座標のデータｈを加味した座標（ｘ，ｙ，ｈ）と、各衛星との距離Ｐpl（ｌは衛星番号）を求める。一方、ＧＰＳの出力値座標（ｘn ，ｙn ，ｈn ）と各衛星との距離Ｐglを求める。そして、ＰplとＰglとの差をとり、この差の平均値を電離層による距離誤差として、次回のＧＰＳ位置計算の補正に用いる。例えば、ＤＧＰＳの補正値データを算出する（「ＧＰＳ−人工衛星による測位システム−」日本測量協会発行）。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように本発明の車両の位置算出装置によれば、座標データメモリに記憶されている道路マーカの座標データと、実際に検出された道路マーカとの対応付けをすることにより、自律航法により推定された車両の位置を補正することができ、極めて正確な車両位置を得ることができる。
【００４３】
したがって、車両間通信を利用して車両の位置情報のやりとりをすれば、車間距離の自動制御をすることができる。さらに衝突防止のための自動ブレーキ制御や自動ステアリング制御もすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の位置算出装置の構成を示すブロック図である。
【図２】磁気抵抗素子を細長いゴム状の永久磁石の上に複数個並べ、それぞれから出力電圧を取り出す回路構成を示す図である。
【図３】コース出発点の特定方法を説明する図である。
【図４】いずれかの検出周期Δｔの始めの車両推定位置（ｘn-1 ，ｙn-1 ）と終わりの車両推定位置（ｘn ，ｙn ）との間の車両推定位置（ｘs ，ｙs ）の算出方法を説明する図である。
【図５】車両推定位置（ｘs ，ｙs ）と磁気ネイルの座標（ｘm ，ｙm ）との位置関係を説明する図である。
【図６】磁気ネイルを通過したか否かの判断手法説明する図である。
【図７】車両推定位置（ｘ，ｙ）を磁気ネイルの並んでいるライン上の位置へ投影する方法を説明する図である。
【符号の説明】
１ 磁気抵抗素子
２ 抵抗素子
３ 永久磁石
１１ 走行距離検出部
１２ 走行方向検出部
１３ 磁気ネイル検出部
１４ 推定位置算出部
１５ 磁気ネイル座標データメモリ
１６ 位置補正部
【発明の属する技術分野】
本発明は、道路に道路マーカを布設し、この道路マーカを検出することにより車両の位置を算出する車両の位置算出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
車両の車線位置、速度、加速度、他車両との車間距離等を情報として採り入れ、この情報に基づいて車両のブレーキ操作、アクセル操作、ステアリング操作等の指令を発生し、運転装置に伝える自動運転システムが知られている。
このような自動運転システムにおいては、車両が道路のどの車線を走行しているか、あるいは車線のどの部分（車線の中央、左寄り又は右寄り）を走行しているか、車線に沿って真っ直ぐに走っているか若しくは斜めに横切っているか等を正確に認識することが重要である。
【０００３】
従来では、車載カメラを通して道路の状態を撮影し画像認識することにより、走行位置を判定する技術は提案されているが（例えば特開平７−７７４３１号公報参照）、カメラや画像処理装置が必要になり、判定アルゴリズムが複雑になるため、より簡易に走行位置を認識することのできる装置が望まれていた。
そこで、道路面に道路の方向に沿って磁気ネイルを埋め込み、車体に設けた磁気センサによってこの磁気ネイルを検出することにより、車体の横方向の変位を検出するシステムが提案されている（1994年９月13日米国特許第 5,347,456号、1992年５月14日ＰＣＴ国際公開ＷＯ 92/08176 号参照）。
【０００４】
さらに、磁気テープを道路に貼り付け、磁気テープから生ずる磁界を利用して車両の位置を検出するシステムも提案されている。
これらの磁気ネイル、磁気テープ等、車両の走行位置を検出するため道路に設けられた設備を「道路マーカ」と総称することとする。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
自動運転システムを搭載した車両は、前記のように道路に埋め込まれた道路マーカを検出することによって、車両の位置を正確に知ることができれば、自動運転システムにおいて、例えば車両の方位が道路に沿うようにステアリングの自動制御をすることができる。
【０００６】
また、車両間通信を利用して車両の位置情報のやりとりをすれば、車間距離の自動制御をすることもできる。
そこで、本発明は、道路マーカを検出することにより車両の位置を正確に求めることのできる車両の位置算出装置を実現することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の車両の位置算出装置は、自律航法により車両の位置を推定する車両位置推定手段と、道路マーカを検出するマーカ検出手段と、車両位置推定手段により推定された車両の位置に基づいて、前記マーカ検出手段により検出された道路マーカの推定位置を算出する第１の演算手段と、道路マーカの座標データ列を記憶した座標データメモリと、マーカ検出手段により検出された道路マーカと、座標データメモリに記憶されている道路マーカとの対応付けをし、前記第１の演算手段により算出された道路マーカの推定位置と、座標データメモリに記憶されている道路マーカの座標データとを比較することにより、自律航法により推定された車両の位置を補正する第２の演算手段とを備えるものである（請求項１）。
【０００８】
前記の構成によれば、座標データメモリに記憶されている道路マーカの座標データと、実際に検出された道路マーカとの対応付けをすることにより、自律航法により推定された車両の位置を補正することができ、極めて正確な車両位置を得ることができる。なお「自律航法」にはＩＮＳ慣性航法、距離センサと方位センサとを使った航法等があげられる。
【０００９】
第２の演算手段は、道路マーカの検出もれがあった場合に、そのもれたと推測される道路マーカをカウント対象に組み入れて座標データメモリに記憶されている道路マーカとの対応付けをすることが望ましい（請求項２）。
道路マーカの検出もれが不可避である場合は、その検出もれを考慮して座標データメモリに記憶されている道路マーカとの対応付けをしなければ、正しい位置座標が求まらないからである。
【００１０】
車両の位置算出装置は、第２の演算手段により補正されて求められた車両の位置を道路マーカの並ぶライン上に投影する第３の演算手段をさらに含むものであってもよい（請求項３）。
ライン上の位置が求まれば、例えば車両間通信を利用して車両の位置情報のやりとりをして車間距離の自動制御をする場合に、車間距離を簡単に求めることができる。
【００１１】
前記第２の演算手段は、座標データメモリに記憶されている道路マーカと比較して、道路マーカの検出数が過剰と判断される場合に、自律航法により推定された車両の位置の補正を行わないことが望ましい（請求項４）。
座標データメモリに記憶されている個数よりも多くの道路マーカを検出した場合、道路マーカのカウントがずれてしまい正しく対応付けすることができなくなるからである。このような検出過剰を知るためには、とりあえず、道路マーカをカウントして第２の演算手段により補正量を仮に算出し、その補正量が自律航法の通常考えられる誤差より著しく大きくなる場合かどうかを確認すればよい。
【００１２】
前記車両位置推定手段は、自律航法により車両の位置を推定するのに代えて、電波航法により車両の位置を推定するものであってもよい（請求項５）。
ここで「電波航法」とは、ロランやＧＰＳ等の測位用電波を用いる航法をいう。電波航法によっても、自律航法と同様、車両の位置を検出し、車両の走行に連れてその位置を更新していくことができるからである。
【００１３】
特にＧＰＳ航法を採用した場合には（請求項６）、標高データも測位できるので、座標データメモリに道路マーカの座標データ列として標高データも記憶させておけば、ＧＰＳ測位計算の補正をすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は位置算出装置を示すブロック図である。位置算出装置は、走行距離検出部１１と、走行方向検出部１２と、両検出部１１，１２から出力される走行距離検出信号、走行方向検出信号に基づいて推定位置を算出する推定位置算出部１４と、道路に埋め込まれた磁気ネイルの磁界を検出する磁気ネイル検出部１３と、磁気ネイルの座標データ列を格納した磁気ネイル座標データメモリ１５と、磁気ネイルと車両との相対距離を算出し、これと磁気ネイルの座標データとの比較により、推定位置算出部１４で算出された推定位置を補正する位置補正部１６とを備えている。
【００１５】
さらに詳細に説明すると、前記走行距離検出部１１は、例えば車輪速センサが使用可能である。この車輪速センサは、車輪の回転を検出する磁気センサを有し、磁気センサからの出力正弦波信号の波数をカウンタによりカウントすることにより車輪の回転数を得、カウンタから出力されるカウントデータに対して、乗算器により車輪の外周を示す所定の定数を乗算することにより検出周期Δｔ（周期番号をｎで表す。）当りの走行距離を算出するものである。なお、それ以外に、ドップラシフト等に基いて車両の走行速度を算出し、積分することにより走行距離を算出する構成の車速センサ等、従来公知の構成のものも使用可能である。
【００１６】
前記走行方向検出部１２は、例えば、単位時間当りの回転角度データを出力するジャイロが使用可能である。このジャイロの例として、振動ジャイロ、光ファイバジャイロ、差動型車輪速センサがあげられる。また、地磁気の水平分力を検出する地磁気センサを使用することもでき、地磁気センサと前記ジャイロとの組合せを採用することも可能である。
【００１７】
前記磁気ネイル検出部１３は、例えばバンパーの底部に設けられ、図２に示すように、磁気抵抗素子１を細長いゴム状の永久磁石３の上に複数個並べ、それぞれから出力電圧を取り出す回路構成としている。
磁気抵抗素子１は、磁界を加えることによって電気抵抗が変化する素子であり、ＩｎＳｂ，ＧａＡｓ，ＩｎＡｓ等の半導体材料がよく用いられる。本実施の形態では、基板の上に真空蒸着法によりＩｎＳｂ薄膜を形成した素子を用いるが（例えばトヨコム東洋通信機株式会社製の「磁気抵抗素子ＴＭＳ−Ｄシリーズ」が使用可能である）、これ以外に、バルク（単結晶）型の磁気抵抗素子を使用してもよい。
【００１８】
道路に沿って埋め込まれた磁気ネイルの磁界を、磁気ネイル検出部１３のどの磁気抵抗素子が検出しているのかを知ることによって、車両の中心線と磁気ネイルとの相対距離を算出することができる。
前記磁気ネイル座標データメモリ１５は、所定範囲にわたる磁気ネイルの座標と方位が格納されているものであり、ハードディスク、半導体メモリ、ＭＤ（ミニディスク）、ＤＶＤ（ディジタルビデオディスク）−ＲＯＭ、カセットテープ等が使用可能である。
【００１９】
ここで、前記磁気ネイル座標データメモリ１５の記憶構造は、表１のようになる。表１は、高速道路の路線名、区間名に対応して、出発点となる磁気ネイルの番号を０、その座標を (0.000, 0.000) で表し、東向きをｘ方向とし、北向きをｙ方向としたときに、例えば北東の方向に２ｍ間隔で磁気ネイルが埋め込まれている場合の座標データ列（単位ｍ）、方位データ列（単位ラジアン）及び極性データを示している。なお、方位データは、当該磁気ネイルとその前後の磁気ネイルとを結んだ２線分の方位の平均値を採用している。極性データは、地表面に向いている磁界の極性を示す。
【００２０】
【表１】
推定位置算出部１４は、走行距離検出部１１から出力される距離データΔＤn を取り込むとともに、前記走行方向検出部１２から出力される角速度データωn を取り込み、前回の角速度ωn-1 と今回の角速度ωn との平均Ωn
Ωn ＝（ωn-1 ＋ωn ）／２
を求め、これに周期Δｔをかけ、前回の方位θn-1 に加算することにより今回の方位θn を求める。
【００２２】
θn ＝Ωn Δｔ＋θn-1
さらに、前回の方位θn-1 と、今回の方位θn との平均方位Θn を求める。
Θn ＝（θn ＋θn-1 ）／２
そしてこの平均方位Θn に基づいて、前記距離ΔＤn の東西方向成分Δｘn （＝ΔＤn × cosΘn ）、および南北方向成分Δｙn （＝ΔＤn × sinΘn ）を算出し、前回の推定位置データ（ｘn-1 ，ｙn-1 ）に対して前記各成分Δｘn ，Δｙn を加算することにより、現在の推定位置（ｘn ，ｙn ）を算出する。
【００２３】
ｘn ＝ｘn-1 ＋Δｘn
ｙn ＝ｙn-1 ＋Δｙn
なお、推定位置の初期位置（ｘ0 ，ｙ0 ）を決める必要があるが、この初期位置（ｘ0 ，ｙ0 ）は、出発点（「出発点」の意味は後述する）となる磁気ネイルを検出した時点の車両位置を、例えば（０，０）に設定してそれを採用すればよい。
【００２４】
推定位置算出部１４は、この推定位置（ｘn ，ｙn ）を、磁気ネイル座標データメモリ１５に格納された磁気ネイルの座標と、磁気ネイル検出部１３で検出された磁気ネイルと車両の中心線との相対距離（以下「Ｌm 」と書く）とに基づいて補正する。
この補正方法を説明すると、まず、コース出発点を特定する。
【００２５】
ここで、コース出発点の特定方法を、図３を参照しながら説明する。高速道路の入口と出口との間には、所定距離おきに最初は特定の極（例えばＳ極）、その後他の極（例えばＮ極）の磁気ネイルが埋め込まれている。車両が当該入口から高速道路に入ると、通信手段、例えばビーコンから、当該高速道路の路線名、区間名の情報を受ける。ナビゲーション装置を搭載していれば、ナビゲーション装置から路線名、区間名の情報を受けてもよい。これにより、磁気ネイル方位データメモリ１５ａに記憶されているデータ群を特定することができる。この信号を受けた後に初めて特定の極の磁気ネイルを通過した点を出発点とする。その後、他の極の磁気ネイルを通過するたびに、磁気ネイルの検出回数をカウントする。
【００２６】
磁気ネイル座標データメモリ１５における磁気ネイルの座標データは、コース出発点から順に番号を振って格納されているので、これにより、検出した磁気ネイルと、磁気ネイル座標データメモリ１５に記憶されている所定番号の磁気ネイルとを１対１に対応付けることができる。
推定位置算出部１４は前記検出回数に基づき、磁気ネイル座標データメモリ１５を参照して磁気ネイルを特定し、その座標（以下「（ｘm ，ｙm ）」と書く）を読み出す。
【００２７】
次に、磁気ネイル通過時の車両推定位置（ｘs ，ｙs ）を求める。一般に、当該車両推定位置（ｘs ，ｙs ）は、いずれかの検出周期Δｔの始めの車両推定位置（ｘn-1 ，ｙn-1 ）と終わりの車両推定位置（ｘn ，ｙn ）との間に存在するので、それらの位置関係を図示すると、図４のようになる。
車両推定位置（ｘs ，ｙs ）は、検出周期Δｔの始めの時刻Ｔn-1 と、終わりの時刻Ｔn と、磁気ネイル検出部１３から磁気ネイルが検出された時刻Ｔm とを使えば、
ｘs ＝ｘn-1 ＋（ｘn −ｘn-1 ）（Ｔm −Ｔn-1 ）／Δｔ
ｙs ＝ｙn-1 ＋（ｙn −ｙn-1 ）（Ｔm −Ｔn-1 ）／Δｔ
で表される。
【００２８】
なお、瞬時瞬時の走行距離Ｄが分かるのなら、検出周期Δｔの始めの走行距離Ｄn-1 と、終わりの走行距離Ｄn と、磁気ネイル検出部１３から磁気ネイルの検出があった時点の走行距離Ｄm とを使えば、
ｘs ＝ｘn-1 ＋（ｘn −ｘn-1 ）（Ｄm −Ｄn-1 ）／ΔＤn
ｙs ＝ｙn-1 ＋（ｙn −ｙn-1 ）（Ｄm −Ｄn-1 ）／ΔＤn
で表すこともできる。
【００２９】
そして、当該車両推定位置（ｘs ，ｙs ）及び相対距離Ｌm から求められる磁気ネイルの推定位置（ｘ′m ，ｙ′m ）と、磁気ネイルの座標（ｘm ，ｙm ）との関係を求める。図５は、車両推定位置（ｘs ，ｙs ）と磁気ネイルの推定位置（ｘ′m ，ｙ′m ）と磁気ネイルの座標（ｘm ，ｙm ）との位置関係を表した図であり、車両の走行方向はθn で表されている。θn の符号は反時計回りを正、相対距離Ｌm の符号は車両の左に磁気ネイルを検出するときを正とする。同図に示した関係より、磁気ネイルの推定位置（ｘ′m ，ｙ′m ）は、Ｌm とθn とを用いて
ｘ′m ＝ｘs −Ｌm sin θn (1)
ｙ′m ＝ｙs ＋Ｌm cos θn (2)
で表される。
【００３０】
ここで、前記(1) 式及び(2) 式で示された磁気ネイルの推定位置（ｘ′m ，ｙ′m ）と、磁気ネイル座標データメモリ１５から読みだした磁気ネイルの座標（ｘm ，ｙm ）とを比較し、その差を求める。
Δｘ＝ｘm −ｘ′m
Δｙ＝ｙm −ｙ′m
この差Δｘ，Δｙが車両推定位置（ｘn ，ｙn ）の補正量となる（以下、添字ｎを省略して、推定位置（ｘ，ｙ）と書く）。すなわち、車両推定位置（ｘ，ｙ）を、
ｘ＝ｘ＋Δｘ
ｙ＝ｙ＋Δｙ
として補正することができる。補正された推定位置（ｘ，ｙ）は、ＧＰＳ(Global Positioning System) と比べて極めて精度が高く、その誤差は１０-1〜１０-2ｍ（メートル）のオーダーと考えてよい。
【００３１】
次に、磁気ネイルの検出もれ対策を述べる。道路不整のため走行中車両が上下振動したり、車両が車線を逸脱して走行したりしたときに、磁気ネイル検出部１３が磁気ネイルの磁界を検出できなくなることがある。このとき、磁気ネイルの検出回数を通常どおりカウントすると、磁気ネイル座標データメモリ１５に記憶されている磁気ネイルとの対応が付かなくなってしまうことがある。
【００３２】
そこで、磁気ネイルの検出もれのあったことを知るために、次の▲１▼又は▲２▼の判定をする。
▲１▼磁気ネイルの設置間隔が一定である場合には、前回磁気ネイルを検出してから所定距離走行したときに、磁気ネイルを検出しなければ、検出漏れがあったと判定する。この場合は、前述した補正処理は行わないが、磁気ネイルの検出がなくても磁気ネイルの検出回数のカウントをする。
【００３３】
▲２▼磁気ネイルの設置間隔が一定かどうか分からないときは、磁気ネイル座標データメモリ１５に記憶されている磁気ネイルの座標を参照し、そこに仮想的な磁気ネイルがあるものとみなし、車両がその仮想的な磁気ネイルを通過したかどうか判定する。その仮想的な磁気ネイルを通過し、かつ磁気ネイルの検出がない場合は、磁気ネイルの検出回数のカウントをする。
【００３４】
なお、通過したか否かの判断手法を図６に示す。図６において、黒丸Ｍi-1 は検出済の磁気ネイルを示し、白丸Ｍi ，Ｍi+1 ，Ｍi+2 ，‥‥は、未検出であって磁気ネイル座標データメモリ１５に記憶されている磁気ネイルを示す。白丸Ｍi と黒丸Ｍi-1 とを結ぶ線分と、白丸Ｍi と車両とを結ぶ線分とのなす角度φが鋭角であれば未通過、鈍角であれば通過済とする。ここで、角度φが鋭角か鈍角かを調べるには、ベクトルの内積をとる方法がある。
【００３５】
次に、磁気ネイルの検出過剰対策を述べる。例えば磁気ネイル座標データメモリ１５に記憶されている磁気ネイルのデータが古く、新しく布設された磁気ネイルのデータが記憶され邸内場合、磁気ネイルの検出過剰が生ずる。この場合、▲１▼磁気ネイルの設置間隔が一定である場合には、前回磁気ネイルを検出してから所定距離走行しないのに、磁気ネイルを検出した場合に、検出過剰があったと判定する。この場合は、前述した補正処理は行わず、磁気ネイルの検出回数のカウントもしない。▲２▼磁気ネイルの設置間隔が一定かどうか分からないときは、前述したように車両推定位置（ｘn ，ｙn ）の補正量Δｘ，Δｙを求め、この補正量が通常自律航法として考えられる誤差範囲（例えばＣＥＰといわれるもの；特公平７−１０９３６７号公報参照）より著しくはみ出しているかどうかを判断する。著しくはみ出していれば、前述した補正処理は採用せず、磁気ネイルの検出回数のカウントもしない。
【００３６】
最後に、必要ならばこの補正された車両推定位置（ｘ，ｙ）を磁気ネイルの並んでいるライン上の位置へ投影する。ライン上の位置へ投影する理由は、例えば車両間通信を利用して車両の位置情報のやりとりをして車間距離の自動制御をする場合に、車間距離を求めるのに必要となるからである。
図７は、一時点で最近検出された磁気ネイルの座標（ｘm0，ｙm0）、次の番号に対応する磁気ネイルの座標（ｘm1，ｙm1）及び推定位置（ｘ，ｙ）を示す図である。
【００３７】
ライン上の補正すべき位置を（ｘb ，ｙb ）と書くことにすると、（ｘb ，ｙb ）は、推定位置（ｘ，ｙ）からラインに垂線を引くことにより求められる。
ｘb ＝ｘm0＋（ｘm1−ｘm0）Ｒ
ｙb ＝ｙm0＋（ｙm1−ｙm0）Ｒ
ここで、Ｒは、
【００３８】
以上のようにして、磁気ネイル座標を利用して正確な車両位置（ｘ，ｙ）を求めることができ、必要ならば車両位置（ｘ，ｙ）を磁気ネイルの並んでいるライン上の位置へ投影することにより車間距離算出の基礎となるデータを求めることができる。
これにより、車両間通信を利用して車両の位置情報のやりとりをすれば、車間距離の自動制御をすることもできる。さらに衝突防止のための自動ブレーキ制御自動ステアリング制御もすることができる。
【００３９】
なお、本発明は前記の実施形態に限定されるものではない。前記の実施形態では、車両が高速道路の路線名、区間名の情報を取得するのに、車両がビーコンから当該情報を受けるものとしたが、これ以外に、磁気ネイルのＳ極Ｎ極の埋め込みパターン（符号）を決めておき、符号認識することによって、車両が道路のどの路線、区間を走行しているのかを知るようにしてもよい。
【００４０】
また、前記の実施形態では、「道路マーカ」として、道路に埋め込まれた磁気ネイルを利用したが、磁気ネイルではなく、道路に発光素子を埋め込み、車両でその発光色を識別するようにしてもよく、道路に反射板を埋め込み、車両でその反射色を識別するようにしてもよい。
また、前記の実施形態では、推定位置算出部１４により自律航法により推定位置を得ていたが、電波航法によっても自律航法と同様、車両の位置を検出することができるので、ロラン等の電波航法を採用してもよい。
【００４１】
特に、ＧＰＳ航法を採用した場合には、磁気ネイル座標データメモリ１５に磁気ネイルの地球座標のデータｈをも記憶させる。そして、前述したように平面座標（ｘ，ｙ）を使って補正された車両推定位置（ｘ，ｙ）を得た後、この補正された車両推定位置（ｘ，ｙ）に磁気ネイルの地球座標のデータｈを加味した座標（ｘ，ｙ，ｈ）と、各衛星との距離Ｐpl（ｌは衛星番号）を求める。一方、ＧＰＳの出力値座標（ｘn ，ｙn ，ｈn ）と各衛星との距離Ｐglを求める。そして、ＰplとＰglとの差をとり、この差の平均値を電離層による距離誤差として、次回のＧＰＳ位置計算の補正に用いる。例えば、ＤＧＰＳの補正値データを算出する（「ＧＰＳ−人工衛星による測位システム−」日本測量協会発行）。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように本発明の車両の位置算出装置によれば、座標データメモリに記憶されている道路マーカの座標データと、実際に検出された道路マーカとの対応付けをすることにより、自律航法により推定された車両の位置を補正することができ、極めて正確な車両位置を得ることができる。
【００４３】
したがって、車両間通信を利用して車両の位置情報のやりとりをすれば、車間距離の自動制御をすることができる。さらに衝突防止のための自動ブレーキ制御や自動ステアリング制御もすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の位置算出装置の構成を示すブロック図である。
【図２】磁気抵抗素子を細長いゴム状の永久磁石の上に複数個並べ、それぞれから出力電圧を取り出す回路構成を示す図である。
【図３】コース出発点の特定方法を説明する図である。
【図４】いずれかの検出周期Δｔの始めの車両推定位置（ｘn-1 ，ｙn-1 ）と終わりの車両推定位置（ｘn ，ｙn ）との間の車両推定位置（ｘs ，ｙs ）の算出方法を説明する図である。
【図５】車両推定位置（ｘs ，ｙs ）と磁気ネイルの座標（ｘm ，ｙm ）との位置関係を説明する図である。
【図６】磁気ネイルを通過したか否かの判断手法説明する図である。
【図７】車両推定位置（ｘ，ｙ）を磁気ネイルの並んでいるライン上の位置へ投影する方法を説明する図である。
【符号の説明】
１ 磁気抵抗素子
２ 抵抗素子
３ 永久磁石
１１ 走行距離検出部
１２ 走行方向検出部
１３ 磁気ネイル検出部
１４ 推定位置算出部
１５ 磁気ネイル座標データメモリ
１６ 位置補正部
Claims (6)
- 道路に道路マーカを布設し、この道路マーカを検出することにより、車両の位置を算出する装置であって、
自律航法により車両の位置を推定する車両位置推定手段と、
道路マーカを検出するマーカ検出手段と、
車両位置推定手段により推定された車両の位置に基づいて、前記マーカ検出手段により検出された道路マーカの推定位置を算出する第１の演算手段と、
道路マーカの座標データ列を記憶した座標データメモリと、
マーカ検出手段により検出された道路マーカと、座標データメモリに記憶されている道路マーカとの対応付けをし、前記第１の演算手段により算出された道路マーカの推定位置と、座標データメモリに記憶されている道路マーカの座標データとを比較することにより、自律航法により推定された車両の位置を補正する第２の演算手段とを備えることを特徴とする車両の位置算出装置。 - 第２の演算手段は、道路マーカの検出もれがあった場合に、そのもれたと推測される道路マーカをカウント対象に組み入れて座標データメモリに記憶されている道路マーカとの対応付けをすることを特徴とする請求項１記載の車両の位置算出装置。
- 第２の演算手段により補正されて求められた車両の位置を道路マーカの並ぶライン上に投影する第３の演算手段をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の車両の位置算出装置。
- 第２の演算手段は、座標データメモリに記憶されている道路マーカと比較して、道路マーカの検出数が過剰と判断される場合に、自律航法により推定された車両の位置の補正を行わないことを特徴とする請求項１記載の車両の位置算出装置。
- 前記車両位置推定手段は、自律航法により車両の位置を推定するのに代えて、電波航法により車両の位置を推定することを特徴とする請求項１記載の車両の位置算出装置。
- 前記電波航法は、ＧＰＳ(Global Positioning System) 航法である請求項５記載の車両の位置算出装置。
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