JP4110846B2 - カーナビゲーション装置による車両のピッチ角検出方法およびカーナビゲーション装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カーナビゲーション装置により車両の前後方向の傾き角であるピッチ角を検出する方法および当該ピッチ角を検出するカーナビゲーション装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、都市高速道路は一般道路の上に高架として建設されることが多く、一般道路との間をつなぐランプウェイは坂道となっている。
一方、カーナビゲーション装置では、ＧＰＳ（Global Positioning System）などを利用して車両の現在位置を検出するようにしているが、この位置検出では、車両の位置を標高で検出することは困難である。このため、一般道路の上に高架の高速道路が建設されているような場合、一般道路を走行しているのか、高速道路を走行しているのか区別ができないという問題があった。
【０００３】
そこで、カーナビゲーション装置に車両のピッチ角を検出するためのセンサを設け、このセンサによって車両がランプウェイを登っているのか、或は下っているのかを検出し、これにより一般道路から高速道路に入ったのか、或は高速道路から一般道路に出たのかを判別して、高速道路を走行しているのか、一般道路を走行しているのかが判断できるように構成したカーナビゲーション装置が提供されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
車両のピッチ角を検出するためのセンサをカーナビゲーション装置に設けた場合、そのカーナビゲーション装置が車両に対して前後方向に傾いて取り付けられたのでは、そのカーナビゲーション装置の傾きによって、当該車両のピッチ角を正しく検出することができなくなる。カーナビゲーション装置を車両に対して傾くことなく、真っ直ぐに取り付けることは、部品精度や組み立て精度の上から困難であって何がしかの誤差を生ずることは避けられないし、また、車両は例えば乗用の場合、前部座席と後部座席に座る人の体重差などによって前後に傾くことがあるので、カーナビゲーション装置を車両に対して真っ直ぐに取り付けることは意味のないものになってしまう。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、車両に対して前後方向に傾いていたとしても、その傾き角を検出して車両のピッチ角を正確に検出することができるカーナビゲーション装置による車両のピッチ角検出方法およびカーナビゲーション装置を提供するところにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明では、車両の現在位置を取得するための位置取得手段、車両の加速度を検出する加速度センサ、重力センサおよび角速度センサの出力から車輌のピッチ角を演算することを前提とする。上記重力センサと角速度センサとは、同じベースに配設されて車両に取り付けられる。そして、重力センサは、錘部およびこの錘部を支える支え部を有し、錘部に作用する重力および車両が加速したときに当該錘部に作用する慣性力のうち支え部の撓み方向の成分を検出する構成のものである。
【０００７】
つまり、重力センサの錘部には、重力（重量）と、車両が加速度を生じた場合にその加速度によって生ずる力（慣性力）とが作用する。そして、車両が坂道を走行する際に前後方向に傾くと、重力センサの支え部の撓み方向に作用する力のうち、重力による力が変化する。一方、車両の加速度は加速度センサで正しく検出されるので、重力センサが検出した力から、加速度センサで検出した加速度で車両が加速したときに錘部に生ずる慣性力のうち支え部の撓み方向成分を減ずると、その差は錘部に作用する重力のうち車両の前後方向の傾きによる分となるので、これから車両のピッチ角を求めることができる。しかし、このようにして求めたピッチ角には、正規の状態に対するカーナビゲーション装置の前後方向の傾き分が含まれているので、その傾き角を求めて補正する必要がある。
【０００８】
そこで、ジャイロスコープにより検出された角速度から車両の方位変化量を求め、位置検出手段により検出された位置の変化からも車両の方位変化量を求めると、カーナビゲーション装置のベースが車両に対して前後方向に傾いて取り付けられていた場合には、両方の方位変化量に、ベースの車両に対する傾き相当分だけの差が生ずる。この差からベースの車両に対する前後方向の傾き角を求めることができるので、その傾き角により、上記重力センサの出力値を補正すると共に、この補正後の重力センサの出力値と加速度センサの出力値とから求めたピッチ角を補正すると、車両の真のピッチ角を求めることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。
カーナビゲーション装置１は、図１のブロック図に示すように、演算手段としての制御回路２に対して、位置検出器３、地図データ記憶部４、表示器５、音声出力装置６、加速度センサ７、記憶装置８、操作スイッチ群９、リモコン１０からの操作信号を受信するリモコンセンサ１１、外部の送受信装置と通信するための送受信機１２などを接続して構成されている。
【００１０】
これらカーナビゲーション装置１の構成要素のうち、制御回路２、位置検出器３、加速度センサ７、記憶装置８などは、図２に示すベースとしての一つのケース１３に収納されて車輌ＶＥの所定位置に固定されている。
【００１１】
位置検出器３は、絶対方位を検出するための地磁気センサ１４、車両ＶＥの角速度を検出するための角速度センサとしてのジャイロスコープ１５、車両ＶＥの走行距離を検出する距離センサ１６、ＧＰＳにより現在位置を検出するためのＧＰＳ受信機１７、車両ＶＥのピッチ角を検出するための重力センサ１８から構成されている。この位置検出器３は、各センサ１４〜１８が性質の異なる検出誤差を有するため、互いの検出誤差を補完しながら精度の高い位置検出を行うようになっている。そして、制御回路２は、位置検出器３の各センサ１４〜１８の検出結果に基づき、車両ＶＥの現在位置を確定する。なお、位置検出器３は、要求される精度で現在位置を算出可能であれば、上記の全てを備える必要は無い。
【００１２】
地図データ記憶部４は、例えばＤＶＤ−ＲＯＭなどの情報記録媒体と、この情報記録媒体から地図データを読み取る読取装置とから構成されており、読取装置によって地図データ、マップマッチング用データ、経路を音声で案内するためのデータを制御回路２に与えるようになっている。
【００１３】
表示器５は、例えば液晶ディスプレイなどの表示画面を備えて構成されており、その表示画面に地図データや文字或は記号などを表示できるようにしている。ここで、制御回路２は、マイクロコンピュータを主体にして構成されており、各種の機能を果たす。即ち、制御回路２は、位置検出器３から現在位置情報を取得し、地図データ記憶部４から取得した地図データに基づいてその現在位置周辺の地図を表示器５の表示画面に表示すると共に、その表示画面の道路地図に重ねて車両の現在位置および進行方向を示すポインタを表示する（表示制御機能）。
【００１４】
また、制御回路２は、出発地と目的地が設定されると、地図データ記憶部４の地図データに基づいて出発地から目的地までの案内経路、或は途中の経由地が設定された場合には、出発地から経由地を通って目的地までの案内経路を探索する（経路探索機能）。なお、案内経路はダイクストラ法などによって探索される。
【００１５】
そして、制御回路２は、探索した案内経路を表示器５の表示画面に表示されている道路地図上に表示し、車両ＶＥが進路変更すべき交差点に近づくと、表示器５の表示画面に交差点名やその交差点までの距離などを表示する。また、制御回路２は、交差点での進路案内を音声で行うために音声出力装置６に指示を発する（案内機能）。そして、音声出力装置６は、スピーカを有し、制御回路２からの指示に基づいて進路方向を音声にて案内する。
【００１６】
加速度センサ７は、車軸の回転を検出する回転センサからパルス信号を受け、まず単位時間当たりのパルス数にタイヤ径を乗じて車両ＶＥの走行速度を算出し、そしてこの走行速度を微分して加速度を算出するようになっている。なお、位置検出器３の距離センサ１６も、車軸の回転を検出する回転センサからパルス信号を受け、そのパルスにタイヤ径を乗ずることにより走行距離を算出するようになっている。
【００１７】
さて、重力センサ１８は、前述したように車両ＶＥのピッチ角、つまり車輌ＶＥの車軸と平行な軸線を中心にする前後方向の回転角を検出するためのものである。この重力センサ１８は、図４に示すように、枠１９の内側に形成された支え部としての薄膜部２０の中央に錘部２１を設け、その錘部２１の両側の薄肉部１９の一面にピエゾ素子２２を取り付けて構成されている。このような重力センサ１８は、薄膜部２０両面が鉛直で且つ車両ＶＥの前後を向くようにケース１３内に配設されており、その錘部２１には、重力と、車両ＶＥの加速時或は減速時（加速度を生じたとき）の慣性力とが作用する。
【００１８】
そして、カーナビゲーション装置１のケース１３が車輌ＶＥに取り付けられたとき、重力センサ１８の薄膜部２０が車両ＶＥのピッチ角が０のとき、正確に鉛直になっていれば、図５（ｃ）に示すように、薄膜部２０に錘部２１の重力による撓みは生じない。そして、車輌ＶＥが前後方向にβ度傾くと、図５（ｄ）に示すように、薄膜部２０には、その撓み方向（薄膜部２０の表裏面に直角方向）に対して、Ｗ（錘部２１の質量）×sin βの力が作用し、薄膜部２０が撓む。また、車輌ＶＥに加速度が生ずると、錘部２１には図５の（ａ）および（ｂ）に矢印Ａで示す方向の慣性力Ｆ（一方が加速、他方が減速の場合を示す）が作用し、薄膜部２０が同方向に撓む。従って、重力センサ１８の出力から、車両ＶＥの加速度による慣性力Ｆ分を減ずると、車両ＶＥの前後方向の傾きによって生ずる重力分（Ｗ×sin β）が残るので、当該重力分から車両ＶＥのピッチ角βを求めることができるものである。
【００１９】
以上は重力センサ１８の薄膜部２０が正確に鉛直になっていることを前提にしているが、実際には、カーナビゲーション装置１のケース１３、従って重力センサ１８が車輌ＶＥに対して前後方向に傾いている場合が多く、その傾き分を補正しないと、実際の車輌ＶＥのピッチ角を求めることはできない。
【００２０】
以下に実際の車両ＶＥの傾き角βを求める方法について説明する。
車両ＶＥの真の傾き角βを求めるには、まず重力センサ１８の車両ＶＥに対する前後方向の傾き角、つまりカーナビゲーション装置１のケース１３の車両ＶＥに対する傾き角θを求める必要がある。そのために、同じくケース１３に設けられたジャイロスコープ１５の出力と、ＧＰＳ受信機１７の出力とが用いられる。即ち、ジャイロスコープ１５は、例えば振動ジャイロから構成され、その振動面が鉛直となるように配設されて、車両ＶＥの旋回時にその角速度を検出できるようになっている。このとき、ジャイロスコープ１５は、車両ＶＥのピッチ角が０のとき、振動面が正しく鉛直となるように車輌ＶＥに配設されていれば、車両ＶＥの旋回時の角速度を正しく検出する。しかし、カーナビゲーション装置１のケース１３が車輌ＶＥに対して角度θだけ前後方向に傾いて取り付けられていたとすると、図６に示すように、真の角速度ωに対して、そのcos θ倍がジャイロスコープ１５の検出する角速度となる。そして、制御回路２は、ジャイロスコープ１５の出力値から一定の短時間毎に角速度を検出し、これに上記一定の短時間を乗じて、つまり積分して車輌ＶＥの進行方位の変化を演算する。
【００２１】
一方、制御回路２は、位置取得手段としてのＧＰＳ受信機１７の出力から現在位置を一定時間毎に取得しており、その位置変化から車輌ＶＥの進行方位の変化を演算する。ここで、ＧＰＳ受信機１７による測位は、ＧＰＳ衛星から受信した信号によるものであるから、概ね正確であるので、ジャイロスコープ１５の出力から求めた方位変化量と、ＧＰＳ受信機１７の出力から求めた方位変化量とは、図７（ａ）のように異なる。
【００２２】
そこで、制御回路２は、ＧＰＳ受信機１７の出力から方位変化量を正として、ジャイロスコープ１５の出力から求めた方位変化量がＧＰＳ受信機１７の出力から求めた方位変化量に最も近くなるような補正値（以下、ゲイン補正値と称する。）を求める。このような補正を一定時間毎に何回か繰り返すと、ゲイン補正値は１／cos θに収束してゆくので、収束したゲイン補正値から傾き角θを算出する。つまり、ゲイン補正値をＨとすると、傾き角θは、Ｈ＝１／cos θであるから、θ＝acos （１／Ｈ）で求めることができる。なお、ジャイロスコープ１５の出力から求めた方位変化量と比較する方位変化量は地磁気センサ１４から求めたものであっても良い。
【００２３】
次に、制御回路２は、加速度センサ７により求めた加速度が錘部２１に作用したときの慣性力Ｆを求め、その慣性力Ｆが車両ＶＥに対してθだけ前後方向に傾いて取り付けられた重力センサ１８の支え部２０の撓み方向（車両の前後方向）に及ぼす力（慣性力の支え部２０の撓み方向成分）を求める。この慣性力Ｆの撓み方向成分は、ケース１３の車両ＶＥに対する傾き角θのcos θ倍となる。
【００２４】
そして、重力センサ１８が検出した力Ｐから上記慣性力の撓み方向成分Ｆ×cos θ分を減ずる。すると、その減算によって得られた値は錘部２１の重力分となり、質量Ｗのsin(β＋θ)倍となる。従って、Ｐ＝Ｗ×sin(β＋θ)＋Ｆ×cos θの式が成立するので、β＝asin （Ｐ−Ｆ×cos θ）−θとなり、この式から車両ＶＥのピッチ角βを求めることができる。
【００２５】
このように本実施例によれば、カーナビゲーション装置１が車両ＶＥに対して前後方向に傾いて取り付けられたとしても、その傾き角を求めて車両ＶＥのピッチ角を正確に検出することができ、これにより車両ＶＥが坂道を上っているのか、下っているのかを検出することができる。従って、一般道路に高架道路として高速道路が設けられているような場合、ランプウェイを上っているのか、下っているのかを判断して一般道路から高速道路に入ったのか、高速道路から一般道路に出たのかを正確に検出することができる。
【００２６】
なお、本発明は上記し且つ図面に示す実施例に限定されるものではなく、以下のような拡張或は変更が可能である。
重力センサ１８は、薄膜部２０が鉛直となるように配設する構成ばかりでなく、水平となるように、更には任意の角度傾けて配置するようにしても良い。
ジャイロスコープ１５は、振動面を鉛直となるように配設する構成ばかりでなく、任意の角度傾けて配置するようにしても良い。
ジャイロスコープ１５は、振動式のものに限られない。
角速度センサはジャイロスコープに限られない。
位置取得手段としては、ＧＰＳ受信機１７、地磁気センサ１４に限られない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すブロック図
【図２】カーナビゲーション装置を取り付けた車輌の側面図
【図３】登坂時の車輌の側面図
【図４】重力センサの概略を示す斜視図
【図５】重力センサに作用する力と薄膜部の撓み状態を示す断面図
【図６】ジャイロスコープの角速度の検出形態を説明するための車輌の正面図
【図７】（ａ）はジャイロスコープとＧＰＳ受信機とによる方位変化の差を示す図（ｂ）は補正によってジャイロスコープによる方位変化をＧＰＳ受信機による方位変化に近づけた場合の図
【符号の説明】
図中、１はカーナビゲーション装置、２は制御回路（演算手段）、７は加速度センサ、１５はジャイロスコープ（角速度センサ）、１７はＧＰＳ受信機（位置取得手段）、１８は重力センサ、２０は薄膜部（支え部）、２１は錘部、２２はピエゾ素子である。

Claims (2)

1. 車輌の現在位置を取得するための位置取得手段と、
   前記車両の加速度を検出するための加速度センサと、
   錘部およびこの錘部を支える支え部を有し、前記錘部に作用する重力および前記車両が加速したときに当該錘部に作用する慣性力の合成力のうち前記支え部の撓み方向の成分を検出する重力センサと、
   この重力センサが配設されたベースと同じベースに配設され、前記車両の旋回時の角速度を検出する角速度センサとを具備したカーナビゲーション装置において、
   前記角速度センサにより取得された角速度から求められる前記車両の方位変化量を、前記位置検出手段により取得された位置の変化から求められる車両の方位変化量に一致させるための補正値を求め、この補正値により前記車両に取り付けられた前記ベースの当該車輌に対する前後方向の傾き角を求め、前記重力センサにより検出された力から、前記車両が前記加速度センサにより取得された加速度で加速したときに前記重力センサの錘部に作用する慣性力のうち前記ベースの傾き角だけ前後方向に傾いた状態にある前記支え部の撓み方向の成分を減ずる減算を行い、その減算により得られた力が前記重力センサの錘部の重量によって前記支え部の撓み方向に作用する力としたときの当該重力センサの前後方向の傾き角を求め、この傾き角から前記ベースの傾き角を減じて前記車両のピッチ角を求めることを特徴とするカーナビゲーション装置による車両のピッチ角検出方法。
2. 車輌の現在位置を取得するための位置取得手段と、
   前記車両の加速度を検出するための加速度センサと、
   錘部およびこの錘部を支える支え部を有し、前記錘部に作用する重力および前記車両の加速により当該錘部に作用する慣性力の合成力のうち前記支え部の撓み方向の成分を検出する重力センサと、
   この重力センサが配設されたベースと同じベースに配設され、前記車両の旋回時の角速度を検出する角速度センサと、
   前記位置検出手段、加速度センサ、重力センサおよび角速度センサの出力から前記車両のピッチ角を求める演算手段とを具備し、
   前記演算手段は、前記角速度センサにより取得された角速度から求められる前記車両の方位変化量を、前記位置検出手段により取得された位置の変化から求められる車両の方位変化量に一致させるための補正値を求め、この補正値により前記車両に取り付けられた前記ベースの当該車輌に対する前後方向の傾き角を求め、前記重力センサにより検出された力から、前記車両が前記加速度センサにより取得された加速度で加速したときに前記重力センサの錘部に作用する慣性力のうち前記ベースの傾き角だけ前後方向に傾いた状態にある前記支え部の撓み方向の成分を減ずる減算を行い、その減算により得られた力が前記重力センサの錘部の重量によって前記支え部の撓み方向に作用する力としたときの当該重力センサの前後方向の傾き角を求め、この傾き角から前記ベースの傾き角を減じて前記車両のピッチ角を求めることを特徴とするカーナビゲーション装置。

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