JP4271541B2 - 勾配角度検出装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は勾配角度検出装置および方法に関し、例えば、車両の前後方向に対する傾斜角度を検出する装置に用いて好適なものである。

一般に、車載用のナビゲーション装置では、自立航法センサやＧＰＳ（Global Positioning System）受信機などを用いて車両の現在位置を検出し、その近傍の地図データを記録媒体から読み出して画面上に表示する。そして、画面上の所定箇所に自車位置を示す車両位置マークを重ね合わせて表示することにより、車両が現在どこを走行しているのかを一目で分かるようにしている。

地図画面上に車両位置マークを表示する際には、車両が実際に走行した距離を車速センサ（所定走行距離毎に１個のパルスを出力する距離センサ）により検出し、地図データ中に含まれる道路リンクの距離情報に合わせて車両位置マークを道路上に載せていく。また、車両位置マークを表示する際には、マップマッチング処理が行われる。マップマッチング処理とは、地図データと、自立航法センサやＧＰＳによって測定された自車位置および車両方位のデータとを用いて、自車の走行位置を地図データの道路上に位置修正する処理のことを言う。

ところで、地図データ中に含まれる道路リンクの距離情報は、道路を真上から見たときの平面距離を表している。しかし、実際の道路には勾配が存在する。勾配道路の実際の距離は、これを真上から見たときの平面距離よりも長い。そのため、車両が勾配道路を走行すると、そのとき車速センサにより検出される車両の移動距離と、地図データ中に含まれる距離情報との間に差異が生じることが多く、車両位置マークを地図画面上の正しい位置に表示できなくなってしまう。よって、道路の勾配（車両の前後方向の傾き）を検出し、その勾配角度に応じて距離補正を行うことが望まれる。

従来は、勾配角度を検出するために、主に加速度センサが用いられてきた。１軸検出型の加速度センサは、一方向の加速度を検出するものである。すなわち、勾配が変化するとその瞬間に加速度センサが加速度を受け、これによって加わる一方向の力を抵抗の変化や静電容量の変化、発生電荷量の変化で検出する。このような加速度センサを、その軸を上下方向（鉛直方向）に向けて設置しておくことにより、勾配の変化時に上下方向に加わる加速度を検出し、その加速度の大きさに基づいて勾配角度を算出することが可能である。

なお、加速度センサを用いた勾配角度の検出法として、例えば特許文献１の段落００１３には、車両の進行方向に取り付けた加速度センサのセンサ信号から車速信号の微分値を減算し、ＧＰＳ信号の補正を加えて傾斜角度を演算することが記載されている。また、特許文献１の段落００１５には、車両のピッチ方向（左右方向）にジャイロセンサを取り付け、ピッチ方向の軸回りの角速度を検出し、その検出情報から車両の前後の傾斜角度を算出することも記載されている。
特開２００２−２１３９５９号公報

しかしながら、加速度センサを用いて勾配角度を検出する場合、加速度センサからは、勾配の変化によって生じる静的成分（本来求めたい勾配角度の元になる加速度情報）と、車両の走行中に上下方向の揺れによって常に生じる動的成分（上下方向のノイズ的な加速度情報）との合成情報が出力される。そのため、Ｓ／Ｎ比が極めて悪く、正確な勾配角度を求めることが困難であった。

また、ピッチ方向に取り付けたジャイロセンサを用いて勾配角度を検出する場合、ピッチ方向の軸回りの角速度を積分して前後の傾斜角度を算出するため、積分時のドリフトにより傾斜角度の絶対値を求めることができないという問題があった。

本発明はこのような問題を解決するために成されたものであり、勾配角度を正確に検出できるようにすることを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明の勾配角度検出装置では、回転軸が鉛直方向に向いた状態で一回転すると３６０度の回転角情報を出力するが、回転軸が鉛直方向からずれた状態で一回転すると３６０度以下の回転角情報を出力する角速度センサの特性を利用して、当該角速度センサをモータにより回転させ、そのときの実際の勾配角度に応じて角速度センサから出力される回転角情報に基づいて、演算器が勾配角度を算出するようにしている。

本発明の他の態様では、安定状態で回転軸が鉛直方向から所定角度ずれた方向に傾けて角速度センサを設置するようにしている。

上記のように構成した本発明によれば、勾配がない場所では角速度センサから正規の回転角情報（一回転で３６０度に相当する情報）が出力されるのに対し、勾配が存在する場所では、その勾配角度に応じた特有の値の回転角情報が角速度センサから出力される。よって、角速度センサより出力される回転角情報から演算器による演算によって勾配角度を一意に特定することができる。角速度センサは、上下方向に加わる加速度を検出する加速度センサと異なり、回転方向の変化量を検出するものなので、例えば車両の走行時に上下方向に加えられる振動の影響を受けることがない。したがって、動的成分（ノイズ成分）の影響を受けることなく勾配角度を正確に検出することができる。

本発明の他の態様によれば、勾配の方向が異なると角速度センサから異なる値の回転角情報が出力されるようになるので、角速度センサより出力される回転角情報から演算器による演算によって、勾配角度を正確に検出できるだけでなく、勾配の方向も検出することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態による勾配角度検出装置の構成例を示す図である。図１に示すように、本実施形態の勾配角度検出装置１０は、角速度センサ（ジャイロセンサ）１、ステッピングモータ２および演算器３を備えて構成されている。

角速度センサ１は、コリオリの法則に基づいて角速度（所定時間当たりの回転角度）を検出するものであり、回転軸Ｓが鉛直方向に向いた状態で一回転すると３６０度の回転角情報（正規の回転角情報）を出力するが、回転軸Ｓが鉛直方向からずれた状態で一回転すると、正規の回転角よりも小さい３６０度以下の回転角情報を出力する特性を有している。

図２は、角速度センサ１の傾斜角度に対する出力特性を示す図である。図２に示すように、角速度センサ１の傾斜角度が０度の場合（回転軸Ｓが鉛直方向に向いている場合）、角速度センサ１が一回転すると３６０度の回転角情報が正しく出力される。しかし、角速度センサ１の傾斜角度が０度でない場合（回転軸Ｓが鉛直方向から何度かずれている場合）には、角速度センサ１が一回転しても、傾斜した角度の分だけ小さな値の回転角情報が出力される。

角速度センサ１から出力される回転角情報は、傾斜した角度に応じて一意に定まる。例えば、角速度センサ１が鉛直方向に対して２０度傾くと、角速度センサ１が一回転したときに出力される回転角情報は約３３８度となる。

ステッピングモータ２は、上述のような特性を有する角速度センサ１を所定の回転速度で回転させる。角速度センサ１の回転速度を上げると、角速度センサ１から一回転毎に出力される回転角情報の時間間隔が短くなり、よりこまめに勾配角度情報を検出することが可能となる。よって、角速度センサ１の回転速度は、角速度センサ１の性能限界を超えない範囲で高速にするのが好ましい。例えば、７０度／秒の速度（一周が約５．１４秒）で角速度センサ１を回転させる。

演算器３は、角速度センサ１から一回転毎に出力される回転角情報を取得し、その取得した回転角情報に基づいて勾配角度を算出する。すなわち、この演算器３は、図２に示したような角速度センサ１の出力値θと傾斜角度との対応関係を利用して、次の（式１）に基づいて角速度センサ１の傾斜角度を算出する。
傾斜角度＝ｃｏｓ^−１（θ÷３６０）×（１８０÷π）[度] ・・・（式１）

角速度センサ１を、その回転軸Ｓが安定状態で（例えば、本実施形態の勾配角度検出装置１０を車載機に搭載することを考えた場合、車両が水平な場所で停車しているときに）鉛直方向を向くように設置しておけば、（式１）により求めた角速度センサ１の傾斜角度は車両の勾配角度と等しくなる。つまり、演算器３が（式１）の演算を行うことによって、車両の勾配角度を求めることができる。

なお、演算器３が角速度センサ１から一回転毎に回転角情報を取得する方法としては幾つか考えられる。例えば、角速度センサ１から一回転毎にパルスを出力するようにし、演算器３がこのパルスを受ける毎に角速度センサ１から回転角情報を取得することが可能である。また、演算器３が５．１４秒毎に角速度センサ１から回転角情報を取得するようにしても良い。

ところで、図２から分かるように、車両が下り方向に勾配した場合（角速度センサ１の傾斜角度がマイナス方向の場合）も、車両が上り方向に勾配した場合（角速度センサ１の傾斜角度がプラス方向の場合）も、傾斜角度の絶対値が同じであれば、角速度センサ１からは同じ値が出力される。したがって、上記（式１）による演算で車両の勾配角度は分かるが、勾配の方向（下り勾配なのか上り勾配なのか）は判別できない。

しかし、本実施形態の勾配角度検出装置１０を車載用のナビゲーション装置に適用し、勾配道路での距離補正や、勾配情報を持つ地図データとのマップマッチング処理に勾配角度情報を利用することを考えた場合には、勾配角度さえ分かれば良く、どちらの方向に対する勾配なのかは必ずしも把握する必要がない。よって、本実施形態の勾配角度検出装置１０は、勾配の方向が検出できなくても十分に有用である。

また、角速度センサ１を７０度／秒の速度で回転させる場合、角速度センサ１からは回転角情報が約５．１４秒毎に出力される。本実施形態の勾配角度検出装置１０を車載用のナビゲーション装置に適用する場合、時速６０キロ程度で走行中の車両は５．１４秒で約８５メートル移動する。つまり、約８５メートル間隔で勾配角度が検出されることになる。８５メートルは道路データの１つのリンク長に満たない場合が殆どであると想定できるので、５．１４秒毎のプロットで勾配角度を検出しても、勾配道路での距離補正や、勾配情報を持つ地図データとのマップマッチング処理に十分適用することが可能である。

ただ、よりリアルタイムに勾配角度の検出をすることを望む場合は、角速度センサ１から一回転よりも少ない回転毎（例えば、半回転（１８０度）毎、１／４回転（９０度）毎など）に回転角情報を出力し、演算器３がこの少ない回転毎に出力される回転角情報に基づいて勾配角度を算出するようにしても良い。例えば半回転毎に計算をする場合、角速度センサ１からは図２に示した回転角の半分の値が出力されることになるので、次の（式２）に基づいて角速度センサ１の傾斜角度（すなわち、車両の勾配角度）を算出する。
傾斜角度＝ｃｏｓ^−１（θ÷１８０）×（１８０÷π）[度] ・・・（式２）

以上詳しく説明したように、本実施形態によれば、角速度センサ１をステッピングモータ２により回転させ、そのときの実際の勾配角度に応じて角速度センサ１から出力される回転角情報に基づいて演算器３により勾配角度を算出するようにしたので、加速度センサのように上下方向に加わる加速度に起因する動的成分（ノイズ成分）の影響を受けることがなく、勾配角度を正確に検出することができる。

これにより、本実施形態の勾配角度検出装置１０を車載用のナビゲーション装置に適用した場合に、勾配道路での距離補正や、勾配情報を持つ地図データとのマップマッチング処理をより正確に行うことができ、自車位置の検出精度を向上させることができる。また、一度走行した道路において検出した勾配角度情報を実績値として保存し、あらかじめ用意されている地図データベースに存在しない勾配情報を補完することで、将来のＡＤＡＳ（Advanced Driver Assistant System）にも利用することが可能である。

例えば、ミリ波レーダを用いて前方にミリ波を照射してその反射波を検知することにより、前方の車との距離や相対速度を検出し、前方の車に衝突しないように車速をコンピュータが自動的に制御するシステムが存在する。このシステムを利用している場合、２台の車が共に勾配道路を走行中のときはミリ波で前方の車を捉えることができるが、図３のように前方の車だけが勾配道路を抜けると前方の車を捉えることができなくなり、コンピュータ制御ができなくなってしまう。この場合に、実績値として保存しておいた勾配角度情報を利用することで、ミリ波で前方の車を捉えることができなくても、勾配道路を抜けた先に前方の車が存在すると推定し、車速を適切に制御することが可能となる。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。図４は、他の実施形態による勾配角度検出装置２０の構成例を示す図である。図４に示すように、本実施形態の勾配角度検出装置２０も、角速度センサ１、ステッピングモータ２および演算器３を備えて構成されている。

ただし、角速度センサ１は、安定状態（例えば本実施形態の勾配角度検出装置２０を車載用のナビゲーション装置に適用する場合、車両が水平な場所で停車している状態）で角速度センサ１の回転軸Ｓが鉛直方向から所定角度αだけずれた方向に傾けて設置する。日本の道路は勾配角度が２０度以下のところが殆どなので、角速度センサ１の傾け角度αは、例えば２０度とする。そして、このように鉛直方向から２０度ずれた方向に傾けて設置した角速度センサ１を、ステッピングモータ２により図４中の矢印のように鉛直方向を軸として回転させる。

図５は、角速度センサ１を２０度傾けて設置した場合における、車両の傾斜角度に対する角速度センサ１の出力特性を示す図である。また、図６は、車両の傾斜角度と角速度センサ１の傾斜角度との対応関係を示す図である。

図５に示すように、車が水平の場合、図６（ｂ）のように角速度センサ１の傾斜角度は２０度となり、角速度センサ１から一回転したときに出力される回転角情報は約３３８度となる。車が前方に−２０度傾くと（２０度の下り勾配の場合）、図６（ａ）のように角速度センサ１の傾斜角度は０度となり、角速度センサ１から一回転したときに出力される回転角情報は３６０度となる。一方、車が前方に＋２０度傾くと（２０度の上り勾配の場合）、図６（ｃ）のように角速度センサ１の傾斜角度は４０度となり、角速度センサ１から一回転したときに出力される回転角情報は約２７６度となる。

このように、角速度センサ１を所定角度αだけ傾けて設置すると、絶対値が同じ角度だけ勾配している場合でも、その勾配の方向が違うと異なる値の回転角情報が角速度センサ１から出力されることとなる。演算器３は、このように角速度センサ１から一回転毎に出力される回転角情報に基づいて、次の（式３）に従って車両の勾配角度とその勾配の方向とを算出する。
勾配角度＝ｃｏｓ^−１（θ÷３６０）×（１８０÷π）−２０ [度] ・・・（式３）
（値が＋のときは上り勾配、値が−のときは下り勾配）

以上のように、角速度センサ１を所定角度αだけ傾けて設置することにより、勾配角度を正確に検出できるだけでなく、勾配の方向も検出することができるようになる。これにより、勾配に応じてナビゲーション装置のドライバーズビュー（運転席の視点から見た地図表示）や、３Ｄ表示（遠近感を出すために自車位置の後方上空から見下ろした状態で地図を表示するようにした鳥瞰図表示や、建物等の３次元的な立体画像を鳥瞰図の地図上に表示するようにした立体表示）の見下ろし角を動的に変えて表示することも可能となる。

なお、以上に説明した実施形態では、（式１）〜（式３）の何れかに基づいて勾配角度を求める例について説明したが、この例に限定されない。例えば、図２あるいは図５に示したようなジャイロ出力と勾配角度との対応関係を示す情報をテーブルとして用意しておき、演算器３が角速度センサ１から出力される回転角情報をもとに当該テーブルを参照することによって勾配角度を求めるようにしても良い。

また、上記実施形態では、角速度センサ１をステッピングモータ２により回転させる例について説明したが、モータはステッピングモータ２に限定されるものではない。また、上記実施形態では角速度センサ１を用いたが、物体の回転運動を検出できるセンサであれば、これ以外のセンサを用いても良い。例えば、加速度と角速度とを同時に検出可能なモーションセンサを用いても良い。

また、上記実施形態では、回転軸Ｓが鉛直方向からずれた状態で一回転すると３６０度以下の回転角情報を出力する角速度センサ１の特性を利用しているが、回転軸Ｓが鉛直方向からずれる方向は前後方向ばかりであるとは限らず、左右方向である場合もある。したがって、角速度センサ１から出力された回転角情報をそのまま（式１）〜（式３）に当てはめてしまうと、その回転角情報が左右方向の傾きに起因するものである場合には、前後方向の勾配角度を間違って演算してしまうことになる。

そこで、左右方向の傾きの有無を検出するために加速度センサを設け、左右方向の傾きを検出したときには、角速度センサ１から出力された回転角情報を無視して、（式１）〜（式３）による勾配角度の演算は行わないようにしても良い。また、左右方向の傾きを検出したときには、角速度センサ１から出力された回転角情報を用いて、（式１）〜（式３）に従って左右方向の傾斜角度を演算するようにしても良い。また、２軸検出型の角速度センサを用いて前後方向の回転角と左右方向の回転角とを求め、各方向の回転角情報を用いて（式１）〜（式３）に従って前後方向の勾配角度と左右方向の傾斜角度とを同時に求めるようにしても良い。

また、上記実施形態では、勾配角度検出装置を車載用のナビゲーション装置に適用する場合を例に挙げて説明したが、適用対象のシステムはこれに限定されるものではない。すなわち、勾配角度の検出が必要なシステムであれば、何れにも本発明の勾配角度検出装置を適用することが可能である。

その他、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその精神、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本発明の勾配角度検出装置および方法は、道路の勾配角度情報を利用して勾配道路での距離補正やマップマッチングなどの種々の処理を行うナビゲーション装置に有用である。また、ナビゲーション装置以外にも、対象物の勾配角度情報を利用して様々な処理を行う装置やシステムにも有用である。例えば、勾配の程度に応じてアクセル量を調整することによって車両の走行速度を一定に保つオートクルーズシステムや、勾配に応じて重心位置を調整するなどして場所によらず２足歩行を可能にするロボットなど、様々な分野に応用することができる。

本実施形態による勾配角度検出装置の一構成例を示す図である。 角速度センサを傾けずに設置した場合における、角速度センサの傾斜角度に対する出力特性を示す図である。 勾配角度情報を用いたＡＤＡＳへの応用例を説明するための図である。 本実施形態による勾配角度検出装置の他の構成例を示す図である。 角速度センサを２０度傾けて設置した場合における、車両の傾斜角度に対する角速度センサの出力特性を示す図である。 車両の傾斜角度と角速度センサの傾斜角度との対応関係を示す図である。

符号の説明

１ 角速度センサ
２ ステッピングモータ
３ 演算器

Claims (8)

1. 車両に搭載される勾配角度検出装置であって、
   回転軸が鉛直方向に向いた状態で一回転すると３６０度の回転角情報を出力し、上記回転軸が鉛直方向からずれた状態で一回転すると３６０度以下の回転角情報を出力する特性を持つ角速度センサと、
   上記角速度センサを回転させるモータと、
   上記車両の左右方向の傾きの有無を検出する加速度センサと、
   上記加速度センサにより左右方向の傾きが検出されなかった場合に限り、上記モータにより回転された上記角速度センサから出力される回転角情報に基づいて上記車両の前後方向の勾配角度を算出する演算器とを備えたことを特徴とする勾配角度検出装置。
2. 安定状態で上記回転軸が鉛直方向から所定角度ずれた方向に傾けて上記角速度センサを設置することを特徴とする請求項１に記載の勾配角度検出装置。
3. 上記演算器は、上記角速度センサから一回転毎に出力される回転角情報に基づいて勾配角度を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の勾配角度検出装置。
4. 上記演算器は、上記角速度センサから一回転よりも少ない回転毎に出力される回転角情報に基づいて勾配角度を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の勾配角度検出装置。
5. 車両に搭載される勾配角度検出装置における勾配角度検出方法であって、
   回転軸が鉛直方向に向いた状態で一回転すると３６０度の回転角情報を出力し、上記回転軸が鉛直方向からずれた状態で一回転すると３６０度以下の回転角情報を出力する特性を持つ角速度センサをモータにより回転させ、そのときの実際の勾配角度に応じて上記角速度センサから出力される回転角情報を演算器が取得するステップと、
   上記車両の左右方向の傾きの有無を加速度センサが検出するステップと、
   上記加速度センサにより左右方向の傾きが検出されなかった場合に限り、上記取得した回転角情報に基づいて演算器が上記車両の前後方向の勾配角度を算出するステップとを有することを特徴とする勾配角度検出方法。
6. 上記角速度センサを、その回転軸が安定状態で上記鉛直方向から所定角度ずれた方向に傾けた状態で回転させることを特徴とする請求項５に記載の勾配角度検出方法。
7. 上記角速度センサから一回転毎に出力される回転角情報に基づいて上記演算器が勾配角度を算出することを特徴とする請求項５または６に記載の勾配角度検出方法。
8. 上記角速度センサから一回転よりも少ない回転毎に出力される回転角情報に基づいて上記演算器が勾配角度を算出することを特徴とする請求項５または６に記載の勾配角度検出方法。

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