JP4694870B2 - 航法装置、航法システム、航法測位方法、および車両 - Google Patents
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Description
ポール・デ・ヨング、クリスチャン・ティベリウス著『整数アンビギュイティ推定の為のラムダ法:実装面』LGRシリーズ12 デルフト工業大学 1996年8月 ルイ・ヒロカワ、コウイチ・サトウ、ケンジ・ナカクキ著『低価格MEMS IMUを用いた密結合GPS/INS航法の設計と評価』GNSSシンポジウム2003 日本東京 2003年11月 テツロウ・イマキイレ、ユウキ・ハタナカ、ヨウタ・クマキ、アツシ・ヤマギワ著『GEONET:日本の全国GPS網』GIS開発8巻3号 2004年3月 J.タキグチ、J.ハラム 『屋外環境下で用いる自律移動システムに関する研究』(パート3:チェーンフォームによるノンホロノミック移動ロボットのローカルパス計画)IEEE国際車両電子会議 中国長春 1999年9月 K.オオノ、T・ツボウチ 『屋外におけるディファレンシャルGPSとオドメトリのデータ融合による建物間の移動ロボットの航法』IEEEロボットとオートメーション国際会議 第2巻 1978−1984頁 2003年 サチン・モディ 『自律案内車両の為の3つの障害回避法の比較』修士論文 シンシナティ大学 2002年 ポール・デ・ヨング、クリスチャン・ティベリウス 『ラムダ法による整数アンビギュイティ推定』IAGシンポジウム「地上、空間、宇宙空間へのGPS適用の傾向」第21回IUGG総会 アメリカ合衆国コロラド州ブルダー 1995年7月 ロバートM.ロジャーズ 『統合航法システムにおける応用数学』AIAAエデュケーション・シリーズ第2編 2003年10月 S.スッカリエ、E.ネボット 『自律陸用車両適用の為の高整合IMU/GPS航法ループ』IEEEロボットとオートメーション会報 15巻3号 572−578頁 1999年6月 上記参考文献リスト記載の各文献の内容を引用によって本明細書に組み入れる。
本発明の航法システムは水平ストラップダウン航法演算及び拡張カルマンフィルタ(Extended Kalman filter:EKF)から成る。図1は車両の水平運動モデルである。局所水平フレームでのストラップダウン演算は、例えば、低価格の光ファイバージャイロ(Fiber Optic Gyro:FOG)のようなレートジャイロを用いた位置と方向(ヨー角度)の更新、及びEKFにより補正したオドメータの入力によって行われる。MEMS(Micro Electro Mechanical Systems:微小電気機械システム)ジャイロや振動ジャイロを使用しても良い。車両の位置をGPSアンテナの位相中心とし、局所NED(North−East−Down:北、東、下方向)フレームにおける位置ダイナミクスは式(1)(2)により求める。
本発明の航法システム及び方法の実施の形態の設計評価を数値シミュレーションにより行った。図4は種々の誤差要因を含むシミュレーションモデルを示す。シミュレーションで使用したのは、図5に示すいくつかの高い建物の近傍を通過する水平経路である。GPS軌道はGPS週が1278のアルマナックを使ってシミュレートした。衛星のマスク角は10度とした。
図7にシミュレーションに用いる車両の速度(velocity)、方向(heading)、ヨーレート(yaw rate)を示す。横軸は時間[秒](time[s])である。図7(a)で実線はオドメトリ(odometry)による測定値、(b)で実線はD/Rによる測定値、(c)で実線はジャイロ(gyro)による測定値、破線はそれぞれ真の値(true)を示す。EKFが推定するセンサ誤差を図8に示す。図8で(a)は方向、(b)は速度、(c)はジャイロ誤差(gyro s/f error)、(d)はジャイロバイアス(gyro bias)を示す。推定誤差は真の値に収束している。EKFによる位置誤差を図9に示す。図9で(a)は東方向(easting)、(b)は北方向(northing)、(c)は上方向(up)への移動による誤差を示している。比較の為に、従来の疎結合(loosely coupled)RTK−GPS/DR航法システムによる位置誤差を同じ図中に示す。密結合(tightly coupled)システムによる位置誤差は疎結合システムよりはるかに小さい。第二のケースでは、衛星完全遮蔽をt=50秒でシミュレートする。この場合は、ランドマーク更新を効果的に用いている。レーザスキャナの最大距離は30m、距離精度は4cm、角分解能は1度であると仮定する。図10に示すように距離が30m未満であれば、コーナーランドマークの前でランドマーク更新を行う。実線で示したランドマーク測定値更新、及び破線で示した真のセンサ誤差と共にEKFが推定するセンサ誤差を図11に示す。推定誤差は真の値に収束している。図12はランドマーク更新を行った場合と行わない場合の位置誤差を示す。図12で(a)は東方向、(b)は北方向への移動による誤差を示し、それぞれ実線はランドマーク更新を行った場合(with landmark update)、破線はランドマーク更新を行わない場合(without landmark update)を示している。GPS測定値が得られない場合でも位置誤差は小さい。
図13に示す自律陸上用車両を野外試験に使用した。このAGV(Autonomous Ground Vehicle)は一定の地域を自律巡回する監視車両として開発された。レーザスキャナ、距離精度35mmで角分解能1度のSICK LMS291、監視用の全方位ビデオ(Omni−Directional Video:ODV)カメラ、二重周波数GPS受信機、アシュテックZエクストリーム(Ashtech Z−Xtreme)、1度/時の精度のFOG、及び高分解オドメータを備える。この車両のリアルタイム誘導とGPS/DR航法はオンボードのRT(リアルタイム)リナックス(登録商標)コンピュータ上で実行する。ここで分析したデータは2004年7月6日、鎌倉で収集したものである。藤沢でのGEONET[3]の基地局で観測した二周波数GPSデータは差分補正に使用する。測量基線長は約5kmである。観測された衛星は図6に示すものとほぼ同じである。RTK−GPS受信機によるアンビギュイティは時間の40%のみ整数解に基づく位置となり、時間の32%については解を持たない。
Claims (14)
- 物体の位置及び方向を判断する航法装置において、
速度検出器の出力とヨーレート検出器の出力とに基づいて前記物体の位置及び方向を演算する航法演算部と、
GPS(全地球測位システム)受信機の出力に基づいて、前記速度検出器の誤差と、前記ヨーレート検出器の誤差と、前記物体の位置誤差及び方向誤差とを推定する推定部とを備え、
前記航法演算部は、前記推定部が推定した各誤差に基づいて前記物体の位置及び方向を更新し、
前記推定部は、方向角が予めデータベースに記憶されている線状のラインランドマーク上の2地点と前記物体との間の距離であって前記物体に設置された距離測定器が測定した距離と、前記物体に対して前記ラインランドマーク上の2地点が存在する方向とに基づいて前記ラインランドマークと前記物体との相対角度を演算し、演算した相対角度と前記航法演算部が演算した方向とから前記ラインランドマークの方向角を求め、求めた方向角と前記データベースに記憶されている方向角との残差に基づいて各誤差を推定し、
前記物体に対して前記ラインランドマーク上の2地点の一方が存在する方向と前記物体に対して前記ラインランドマーク上の2地点の他方が存在する方向とのなす角度は、予め定められた角度であることを特徴とする航法装置。 - 前記航法演算部は、NとEとDとを位置の成分、φを方向、Vを前記速度検出器が測定した速度、rを前記ヨーレート検出器が測定したヨーレート、tを時間、bを所定の距離としたとき、運動方程式、
- 前記推定部は、
前記GPS受信機が全地球測位衛星から受信した信号の二重差分搬送波位相の浮動小数点アンビギュイティベクトルを推定する拡張カルマンフィルタと、
前記拡張カルマンフィルタが推定した二重差分搬送波位相の浮動小数点アンビギュイティベクトルに基づいて、ラムダ法により、前記GPS受信機が全地球測位衛星から受信した信号の搬送波の整数値バイアスのアンビギュイティを決定するアンビギュイティ決定部とを備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の航法装置。 - 前記航法演算部は、オドメータの出力とレートジャイロの出力とに基づいて前記物体の位置及び方向を演算することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の航法装置。
- 請求項1から4のいずれかに記載の航法装置を搭載する車両。
- 物体の位置及び方向を得る航法測位方法において、
速度検出器の出力とヨーレート検出器の出力とに基づいて前記物体の位置及び方向を演算する演算工程と、
GPS(全地球測位システム)受信機の出力に基づいて、前記速度検出器の誤差と、前記ヨーレート検出器の誤差と、前記物体の位置誤差及び方向誤差とを推定する推定工程と、
推定した各誤差に基づいて前記物体の位置及び方向を更新する更新工程とを備え、
前記推定工程は、方向角が予めデータベースに記憶されている線状のラインランドマーク上の2地点と前記物体との間の距離であって前記物体に設置された距離測定器が測定した距離と、前記物体に対して前記ラインランドマーク上の2地点が存在する方向とに基づいて前記ラインランドマークと前記物体との相対角度を演算し、演算した相対角度と前記航法演算部が演算した方向とから前記ラインランドマークの方向角を求め、求めた方向角と前記データベースに記憶されている方向角との残差に基づいて各誤差を推定し、
前記物体に対して前記ラインランドマーク上の2地点の一方が存在する方向と前記物体に対して前記ラインランドマーク上の2地点の他方が存在する方向とのなす角度は、予め定められた角度であることを特徴とする航法測位方法。 - 前記推定工程は、レーザスキャナが測定した距離に基づいて前記ラインランドマークの方向角を求めることを特徴とする請求項6に記載の航法測位方法。
- 前記演算工程は、NとEとDとを位置の成分、φを方向、Vを前記速度検出器が測定した速度、rを前記ヨーレート検出器が測定したヨーレート、tを時間、bを所定の距離としたとき、運動方程式、
- 前記推定工程は、
拡張カルマンフィルタを用いて、前記GPS受信機が全地球測位衛星から受信した信号の二重差分搬送波位相の浮動小数点アンビギュイティベクトルを推定し、
前記拡張カルマンフィルタが推定した二重差分搬送波位相の浮動小数点アンビギュイティベクトルに基づいて、ラムダ法により、前記GPS受信機が全地球測位衛星から受信した信号の搬送波の整数値バイアスのアンビギュイティを決定することを特徴とする請求項6から8のいずれかに記載の航法測位方法。 - 前記演算工程は、オドメータの出力とレートジャイロの出力とに基づいて前記物体の位置及び方向を演算することを特徴とする請求項6から9のいずれかに記載の航法測位方法。
- 自律車両の位置及び方向を判断する航法システムにおいて、
前記自律車両の速度を検出する速度検出器と、
前記自律車両のヨーレートを検出するヨーレート検出器と、
線状のラインランドマークの方向角を予め記憶するランドマークデータベースと、
前記自律車両に装着され前記自律車両から前記ラインランドマーク上の2地点までの距離を測定する距離測定器と、
前記速度検出器が検出した速度と前記ヨーレート検出器が検出したヨーレートとに基づいて前記自律車両の位置及び方向を演算する航法演算部と、
GPS(全地球測位システム)受信機の出力に基づいて、前記速度検出器の誤差と、前記ヨーレート検出器の誤差と、前記自律車両の位置誤差及び方向誤差とを推定する推定部とを備え、
前記航法演算部は、前記推定部が推定した各誤差に基づいて前記自律車両の位置及び方向を更新し、
前記推定部は、前記距離測定器が測定した距離と、前記自律車両に対して前記ラインランドマーク上の2地点が存在する方向とに基づいて前記ラインランドマークと前記自律車両との相対角度を演算し、演算した相対角度と前記航法演算部が演算した方向とから前記ラインランドマークの方向角を求め、求めた方向角と前記データベースに記憶されている方向角との残差に基づいて各誤差を推定し、
前記自律車両に対して前記ラインランドマーク上の2地点の一方が存在する方向と前記自律車両に対して前記ラインランドマーク上の2地点の他方が存在する方向とのなす角度は、予め定められた角度であることを特徴とする航法システム。 - 前記航法演算部は、NとEとDとを位置の成分、φを方向、Vを前記速度検出器が測定した速度、rを前記ヨーレート検出器が測定したヨーレート、tを時間、bを所定の距離としたとき、運動方程式、
- 前記推定部は、
前記GPS受信機が全地球測位衛星から受信した信号の二重差分搬送波位相の浮動小数点アンビギュイティベクトルを推定する拡張カルマンフィルタと、
前記拡張カルマンフィルタが推定した二重差分搬送波位相の浮動小数点アンビギュイティベクトルに基づいて、ラムダ法により、前記GPS受信機が全地球測位衛星から受信した信号の搬送波の整数値バイアスのアンビギュイティを決定するアンビギュイティ決定部とを備えることを特徴とする請求項11又は12に記載の航法システム。 - 請求項11から13のいずれかに記載の航法システムを装備した車両。
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