JP4955131B1 - 風補正装置、風補正方法、風補正プログラムおよび記録媒体 - Google Patents

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Abstract

風補正装置(100)は、風圧および風速を補正する。風検出部(101)は、移動体に設置され、移動体に対する風圧および風速を検出する。風検出部(101)は、圧力検出部(111)、動圧算出部(112)を備える。圧力検出部(111)は、移動体に対する流体の全圧および静圧を検出する。動圧算出部(112)は、移動体に対する流体の動圧を算出する。第1加速度検出部(102)は、風検出部(101)に接続され、移動体の第1加速度を検出する。第2加速度検出部(103)は、移動体に設置され、移動体の第2加速度を検出する。角度ずれ算出部(104)は、移動体の進行方向に対する風検出部(101)の取り付け角度のずれを算出する。補正部(105)は、風検出部(101)の取り付け角度のずれに基づいて、移動体に対する風圧および風速を補正する。記憶部(106)は、取り付け角度のずれに対応する補正係数を記憶する。
【選択図】図1

Description

この発明は、風圧および風速を補正する風補正装置、風補正方法、風補正プログラムおよび記録媒体に関する。ただし、この発明の利用は、風補正装置、風補正方法、風補正プログラムおよび記録媒体に限らない。
従来、流体の全圧および静圧を測定するピトー管を移動体に設置し、ピトー管の測定値に基づいて移動体に対する風圧および風速を検出する風検出装置が知られている(たとえば、下記特許文献1,2参照。)。下記特許文献1,2では、流体の流れに平行にピトー管を設置し、ピトー管に沿った流線を形成する流体の流れにベルヌーイの定理を適用して移動体に対する風圧および風速を検出している。
特開2005−140616号公報 特開2009−294009号公報
しかしながら、上述した各特許文献の技術では、流体の流れに対してピトー管が傾いている場合、ピトー管によって測定される流体の全圧および静圧に誤差が生じ、流体の全圧と静圧との差圧(動圧)を正確に測定することができない。このため、移動体に対する風圧および風速を正確に検出することができないという問題点が一例として挙げられる。
上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項1の発明にかかる風補正装置は、移動体に設置され、当該移動体に対する風圧および風速を検出する風検出手段と、前記風検出手段に接続され、前記移動体の第1加速度を検出する第1加速度検出手段と、前記移動体に設置され、前記移動体の第2加速度を検出する第2加速度検出手段と、前記第1加速度および前記第2加速度に基づいて、前記移動体の進行方向に対する前記風検出手段の取り付け角度のずれを算出する角度ずれ算出手段と、前記取り付け角度のずれに基づいて、前記風圧および前記風速を補正する補正手段と、を備えることを特徴とする。
また、請求項9の発明にかかる風補正方法は、移動体に設置された風検出手段によって、当該移動体に対する風圧および風速を検出する風検出工程と、前記風検出手段に接続された第1加速度検出手段によって、前記移動体の第1加速度を検出する第1加速度検出工程と、前記移動体に設置された第2加速度検出手段によって、前記移動体の第2加速度を検出する第2加速度検出工程と、前記第1加速度と前記第2加速度に基づいて、前記移動体の進行方向に対する前記風検出手段の取り付け角度のずれを算出する角度ずれ算出工程と、前記取り付け角度のずれに基づいて、前記風圧および前記風速を補正する補正工程と、を含むことを特徴とする。
また、請求項10の発明にかかる風補正プログラムは、請求項9に記載の風補正方法をコンピュータに実行させることを特徴とする。
また、請求項11の発明にかかる記録媒体は、請求項10に記載の風補正プログラムをコンピュータに読み取り可能な状態で記録したことを特徴とする。
図1は、実施の形態にかかる風補正装置の機能的構成を示すブロック図である。 図2は、風補正装置による風補正処理の手順を示すフローチャートである。 図3は、ナビゲーション装置のハードウェア構成を示すブロック図である。 図4は、実施例にかかる圧力センサの構成について示す概念図である。 図5は、ナビゲーション装置による風補正について示す説明図である。 図6は、実施例にかかるピトー管の特性を示す特性図である。 図7は、ナビゲーション装置による風補正処理の手順を示すフローチャートである。
以下に添付図面を参照して、この発明に係る風補正装置、風補正方法、風補正プログラムおよび記録媒体の好適な実施の形態を詳細に説明する。
(実施の形態)
図1は、実施の形態にかかる風補正装置の機能的構成を示すブロック図である。実施の形態にかかる風補正装置100は、移動体に対する風圧および風速を補正する。風補正装置100は、風検出部101、第1加速度検出部102、第2加速度検出部103、角度ずれ算出部104、補正部105、記憶部106によって構成される。
風検出部101は、移動体に設置され、移動体に対する風圧および風速を検出する。具体的には、風検出部101は、たとえば、移動体の前部に設置され、進行方向から流れる流体によって移動体が受ける風圧およびそのときの風速を検出する。移動体の前部とは、たとえば、ボンネットや、フロントバンパー、フロントスポイラーなど、移動体の進行方向から流れる流体を検出可能な移動体前部の移動体表面である。流体とは、たとえば、風や、雨をともなった風である。移動体の進行方向から流れる流体とは、たとえば、移動体の進行方向から吹いてくる風(向かい風)や、移動体の進行方向に対して斜め前から吹いてくる風などである。
また、風検出部101は、移動体の後部に設置され、進行方向に流れる流体によって移動体が受ける風圧およびそのときの風速を検出してもよい。移動体の後部とは、たとえば、ボンネットや、リアバンパー、リアスポイラーなど、移動体の進行方向に後ろから流れる流体を検出可能な移動体後部の移動体表面である。移動体の進行方向に流れる流体とは、たとえば、移動体の進行方向に後ろから吹いてくる風(追い風)や、移動体の進行方向に対して斜め後ろから吹いてくる風などである。風検出部101によって検出される流体の風速は、移動体の速度に対応した相対的な風速となる。
風検出部101は、圧力検出部111、動圧算出部112を構成部として備える。圧力検出部111は、移動体に対する流体の全圧および静圧を検出する。具体的には、圧力検出部111は、移動体に対する流体の全圧を検出する第1圧力計と、移動体に対する流体の静圧を検出する第2圧力計とを有する。
より具体的には、圧力検出部111は、たとえば、流体の全圧および静圧を測定するピトー管と圧力計で構成された圧力センサである。ピトー管は、流体の全圧を測定する全圧管と、流体の静圧を測定する静圧管とからなる。圧力検出部111は、圧力検出部111を構成するピトー管の全圧管の先端部の孔(全圧測定孔)が流体の流れの方向を向くように配置される。第1圧力計は、ピトー管の全圧管に接続され、ピトー管によって測定された流体の全圧を検出する。第2圧力計は、ピトー管の静圧管に接続され、ピトー管によって測定された流体の静圧を検出する。
動圧算出部112は、圧力検出部111によって検出された流体の全圧および静圧に基づいて、流体の動圧を算出する。具体的には、動圧算出部112は、流体の動圧として、圧力検出部111の第1圧力計および第2圧力計によって検出された流体の全圧と静圧との差圧を算出する。そして、風検出部101は、動圧算出部112によって算出された流体の動圧に基づいて、移動体に対する風圧および風速を検出する。
より具体的には、風検出部101は、たとえば、ピトー管に沿った流線を形成する流体の流れにベルヌーイの定理を適用し、ピトー管によって測定された流体の全圧と静圧との差圧(動圧)に基づいて移動体に対する風圧および風速を検出する。風検出部101は、圧力検出部111および動圧算出部112に代えて、ピトー管によって測定された流体の全圧と静圧との差圧を検出する差圧センサ(微差圧センサ:不図示)を備えていてもよい。
また、風検出部101は、開放部を有する中空部材で覆われてもよい。風検出部101を中空部材で覆うことによって、流れ場の流れの渦が変化する場合や、せん断の大きな流れ場の場合に、流体の流れの方向をピトー管の中心軸に対して平行することができる。これにより、風検出部101によって検出される移動体に対する風圧および風速の誤差を小さくすることができる。
第1加速度検出部102は、風検出部101に接続され、移動体の第1加速度を検出する。第1加速度は、風検出部101に対する直進方向および直交方向の2次元の加速度成分である。第1加速度は、風検出部101に対する直進方向、直交方向および重力方向の3次元の加速度成分であってもよい。風検出部101に対する直進方向とは、風検出部101の構成部であるピトー管の軸中心に平行な方向である。風検出部101に対する直交方向とは、風検出部101に対する直進方向および重力方向にそれぞれ直交する方向である。
第2加速度検出部103は、移動体に設置され、移動体の第2加速度を検出する。第2加速度は、移動体に対する直進方向および直交方向の2次元の加速度成分である。第2加速度は、移動体に対する直進方向、直交方向および重力方向の3次元の加速度成分であってもよい。移動体に対する直交方向とは、移動体に対する直進方向および重力方向にそれぞれ直交する方向である。
第2加速度検出部103の移動体に対する直進方向は、移動体の進行方向と等しい。すなわち、移動体の直進時において、第2加速度検出部103によって検出される移動体に対する直進方向の加速度成分は、移動体の実際の加速度(以下、「実加速度」とする)の大きさとなる。
具体的には、第1加速度検出部102および第2加速度検出部103は、たとえば、汎用的な加速度センサが用いられる。汎用的な加速度センサとは、たとえば、ピエゾ抵抗方式の加速度センサや、静電容量方式の加速度センサなどである。ピエゾ抵抗方式とは、加速度変化により可動するセンサ素子可動部に接続されたバネ部の歪みをピエゾ抵抗素子によって検出する方式である。静電容量方式とは、加速度変化により可動するセンサ素子可動部の位置変化を静電容量の変化として検出する方式である。
また、第2加速度検出部103は、たとえば、慣性計測装置(IMU:Inertial Measurement Unit)であってもよい。慣性計測装置とは、互いに直行する3軸の加速度および角速度をそれぞれ計測する3つの加速度計と3つのジャイロスコープとで構成される装置である。IMUは、たとえば、移動体の重心に搭載される。
角度ずれ算出部104は、第1加速度検出部102によって検出された第1加速度および第2加速度検出部103によって検出された第2加速度に基づいて、移動体の進行方向に対する風検出部101の取り付け角度のずれを算出する。具体的には、角度ずれ算出部104は、たとえば、第1加速度の2次元の加速度成分および第2加速度の2次元の加速度成分に基づいて、移動体の進行方向に対する風検出部101の取り付け角度のずれを算出する。
より具体的には、角度ずれ算出部104は、たとえば、まず、第2加速度検出部103によって検出された移動体の第2加速度の2次元の加速度成分に基づいて、移動体の軸中心に対する移動体の実加速度の傾き角を算出する。つぎに、角度ずれ算出部104は、移動体の実加速度の傾き角および第1加速度検出部102によって検出された移動体の第1加速度の2次元の加速度成分に基づいて、移動体の進行方向に対する風検出部101の取り付け角度のずれを算出する。
移動体の実加速度の傾き角とは、移動体の軸中心に平行な方向を基準とした第2加速度の向きの変化量である。移動体の実加速度の傾き角は、直進中の移動体の進行方向が変化したときに発生する。具体的には、移動体の実加速度の傾き角は、たとえば、移動体の右左折時や、Uターン時、弧状に曲がる道路の走行時に変化する。
補正部105は、角度ずれ算出部104によって算出された風検出部101の取り付け角度のずれに基づいて、風検出部101によって検出された移動体に対する風圧および風速を補正する。具体的には、補正部105は、風検出部101の取り付け角度のずれに対応する補正係数を算出する補正係数算出部151を備える。そして、補正部105は、補正係数算出部151によって算出された補正係数に基づいて、移動体に対する風圧および風速を補正する。
補正係数算出部151は、風検出部101の取り付け角度にずれが生じていない場合、補正部105による補正によって風圧および風速に変化が生じない補正係数を算出してもよい。具体的には、たとえば、補正部105によって補正係数を乗じることにより風圧および風速が補正される場合、補正係数算出部151は、風検出部101の取り付け角度にずれが生じていないときの補正係数をたとえば1と算出する。
具体的には、補正係数は、たとえばピトー管係数である。ピトー管係数は、ピトー管の全圧測定孔の大きさや、ピトー管の形状および寸法、流体の流れの方向に対するピトー管の傾きなどによって決定されるピトー管に特有の係数である。また、補正係数算出部151は、予め記憶部106に記憶された複数の補正係数の中から、風検出部101の取り付け角度のずれに対応する補正係数を読み出してもよい。
記憶部106は、風検出部101の複数の取り付け角度のずれに対応する補正係数を記憶する。具体的には、記憶部106は、たとえば、想定され得る風検出部101の取り付け角度のずれごとに予め測定された複数の補正係数を記憶する。より具体的には、記憶部106は、たとえば、想定され得る風検出部101の取り付け角度のずれごとに、風検出部101を構成するピトー管の構造に対応するピトー管係数を記憶する。
つぎに、風補正装置100による風補正処理について説明する。図2は、風補正装置による風補正処理の手順を示すフローチャートである。図2のフローチャートにおいて、風補正装置100は、まず、風検出部101によって、移動体に対する風圧および風速を検出する(ステップS201)。つぎに、風補正装置100は、第1加速度検出部102によって、移動体の第1加速度を検出する(ステップS202)。
つぎに、風補正装置100は、第2加速度検出部103によって、移動体の第2加速度を検出する(ステップS203)。そして、風補正装置100は、角度ずれ算出部104によって、第1加速度と第2加速度に基づいて、移動体の進行方向に対する風検出部101の取り付け角度のずれを算出する(ステップS204)。
つぎに、風補正装置100は、補正部105によって、風検出部101の取り付け角度のずれに基づいて、ステップS201において検出された移動体に対する風圧および風速を補正し(ステップS205)、本フローチャートによる処理を終了する。この後、たとえば、ステップS205で補正した移動体に対する風圧および風速に基づいて、たとえば電気を動力源として走行する移動体の電力消費量などを算出してもよい。
以上説明したように、実施の形態にかかる風補正装置100は、移動体の進行方向に対する風検出部101の取り付け角度のずれを算出し、風検出部101の取り付け角度のずれに基づいて移動体に対する風圧および風速を補正する。より詳細には、風補正装置100は、風検出部101の取り付け角度のずれに応じた補正係数を算出し、この補正係数を用いて移動体に対する風圧および風速を補正する。これにより、風補正装置100は、移動体の進行方向(流体の流れの方向)に対して風検出部101の取り付け角度がずれている場合でも、風検出部101の取り付け角度に応じて移動体に対する風圧および風速を正確に補正し算出することができる。
このように、移動体に対する風圧および風速を正確に算出することができるため、たとえば、電気を動力源として走行するEV(Electric Vehicle)車やHV(Hybrid Vehicle)車、PHV(Plug−in Hybrid Vehicle)車などにおける消費電力を正確に算出することができる。これにより、移動体における安全対策や消費電力低減を図ることができる。
以下に、本発明の実施例について説明する。本実施例では、車両などの移動体に搭載されるナビゲーション装置によって、本発明の風補正装置を実施した場合の一例について説明する。
(ナビゲーション装置のハードウェア構成)
つぎに、ナビゲーション装置300のハードウェア構成について説明する。図3は、ナビゲーション装置のハードウェア構成を示すブロック図である。図3において、ナビゲーション装置300は、CPU301、ROM302、RAM303、磁気ディスクドライブ304、磁気ディスク305、光ディスクドライブ306、光ディスク307、音声I/F(インターフェース)308、マイク309、スピーカ310、入力デバイス311、映像I/F312、ディスプレイ313、カメラ314、通信I/F315、GPSユニット316および各種センサ317を備えている。また、ナビゲーション装置300は、各種センサ317として、たとえば、圧力センサ(風検出部)318、第1加速度センサ319および第2加速度センサ320などを備えている。また、ナビゲーション装置300は、圧力センサ318に代えて、差圧センサ(不図示)を備えていてもよい。各構成部301〜320は、バス330によってそれぞれ接続されている。
まず、CPU301は、ナビゲーション装置300の全体の制御を司る。ROM302は、ブートプログラム、データ更新プログラム、風検出プログラム、風補正プログラムなどのプログラムを記録している。また、RAM303は、CPU301のワークエリアとして使用される。すなわち、CPU301は、RAM303をワークエリアとして使用しながら、ROM302に記録された各種プログラムを実行することによって、ナビゲーション装置300の全体の制御を司る。
風検出プログラムには、圧力センサ318によって検出された流体の全圧および静圧に基づいて流体の動圧を算出した後、流体の動圧に基づいて車両に対する風圧および風速を検出する処理手順が記述されている。具体的には、風検出プログラムが実行されることにより、圧力センサ318によって検出された流体の全圧と静圧との差圧(動圧)が算出され、ベルヌーイの式によって車両に対する風圧および風速が検出される。圧力センサ318に代えて差圧センサが備えられている場合、風検出プログラムには、差圧センサによって検出された流体の全圧と静圧との差圧(動圧)に基づいて、車両に対する風圧および風速を検出させる処理手順が記述されていてもよい。
風補正プログラムには、車両の進行方向に対する圧力センサ318の取り付け角度のずれを算出した後、圧力センサ318の取り付け角度のずれに基づいて車両に対する風圧および風速を補正する処理手順が記述されている。風補正プログラムが実行されることによって補正される風圧および風速は、風検出プログラムの実行によって検出された風圧および風速である。具体的には、風補正プログラムが実行されることにより、圧力センサ318側の第1加速度センサ319および車両側の第2加速度センサ320によって検出された車両の加速度に基づいて圧力センサ318の取り付け角度のずれが算出され、圧力センサ318の取り付け角度のずれに基づいて車両に対する風圧および風速が補正される。
磁気ディスクドライブ304は、CPU301の制御にしたがって磁気ディスク305に対するデータの読み取り/書き込みを制御する。磁気ディスク305は、磁気ディスクドライブ304の制御で書き込まれたデータを記録する。磁気ディスク305としては、たとえば、HD(ハードディスク)やFD(フレキシブルディスク)を用いることができる。
また、光ディスクドライブ306は、CPU301の制御にしたがって光ディスク307に対するデータの読み取り/書き込みを制御する。光ディスク307は、光ディスクドライブ306の制御にしたがってデータが読み出される着脱自在な記録媒体である。光ディスク307は、書き込み可能な記録媒体を利用することもできる。着脱可能な記録媒体として、光ディスク307のほか、MO、メモリカードなどを用いることができる。
磁気ディスク305および光ディスク307に記録される情報の一例としては、地図データやピトー管係数などが挙げられる。地図データは、カーナビゲーションシステムにおいて経路探索処理や経路誘導処理に用いられ、建物、河川、地表面などの地物(フィーチャ)をあらわす背景データ、道路の形状をリンクやノードなどであらわす道路形状データなどを含んでいる。ピトー管係数は、ピトー管の全圧測定孔の大きさや、ピトー管の形状および寸法、流体の流れに対するピトー管の傾き角度などによって決定されるピトー管に特有の係数である。ピトー管係数は、ナビゲーション装置300自体で算出した情報であってもよいし、磁気ディスク305および光ディスク307に予め記録された情報であってもよいし、サーバ(不図示)を介して受信した情報であってもよい。
音声I/F308は、音声入力用のマイク309および音声出力用のスピーカ310に接続される。マイク309に受音された音声は、音声I/F308内でA/D変換される。マイク309は、たとえば、車両のダッシュボード部などに設置され、その数は単数でも複数でもよい。スピーカ310からは、所定の音声信号を音声I/F308内でD/A変換した音声が出力される。
入力デバイス311は、文字、数値、各種指示などの入力のための複数のキーを備えたリモコン、キーボード、タッチパネルなどが挙げられる。入力デバイス311は、リモコン、キーボード、タッチパネルのうちいずれか1つの形態によって実現されてもよいが、複数の形態によって実現することも可能である。
映像I/F312は、ディスプレイ313に接続される。映像I/F312は、具体的には、たとえば、ディスプレイ313全体を制御するグラフィックコントローラと、即時表示可能な画像情報を一時的に記録するVRAM(Video RAM)などのバッファメモリと、グラフィックコントローラから出力される画像データに基づいてディスプレイ313を制御する制御ICなどによって構成される。
ディスプレイ313には、アイコン、カーソル、メニュー、ウインドウ、あるいは文字や画像などの各種データが表示される。ディスプレイ313としては、たとえば、TFT液晶ディスプレイ、有機ELディスプレイなどを用いることができる。
カメラ314は、車両内部あるいは外部の映像を撮影する。映像は静止画あるいは動画のどちらでもよく、たとえば、カメラ314によって車両外部を撮影し、撮影した画像をCPU301において画像解析したり、映像I/F312を介して磁気ディスク305や光ディスク307などの記録媒体に出力したりする。
通信I/F315は、無線を介してネットワークに接続され、ナビゲーション装置300およびCPU301のインターフェースとして機能する。ネットワークとして機能する通信網には、CAN(Controller Area Network)やLIN(Local Interconnect Network)などの車内通信網や、公衆回線網や携帯電話網、DSRC(Dedicated Short Range Communication)、LAN、WANなどがある。通信I/F315は、たとえば、公衆回線用接続モジュールやETC(ノンストップ自動料金支払いシステム)ユニット、FMチューナー、VICS(Vehicle Information and Communication System)/ビーコンレシーバなどである。
GPSユニット316は、GPS衛星からの電波を受信し、車両の現在位置を示す情報を出力する。GPSユニット316の出力情報は、後述する各種センサ317の出力値とともに、CPU301による車両の現在位置の算出に際して利用される。現在位置を示す情報は、たとえば緯度・経度、高度などの、地図データ上の1点を特定する情報である。
各種センサ317は、車速センサ、圧力センサ318、第1,2加速度センサ319,320、角速度センサなどの、車両の位置や挙動を判断するための情報や、車両に対する風圧および風速を判断するための情報を出力する。各種センサ317の出力値は、CPU301による車両の現在位置の算出や、速度や方位の変化量の算出、車両に対する風圧および風速の算出、車両に対する風圧および風速の補正、車両の進行方向に対する圧力センサ318の取り付け角度のずれの算出に用いられる。
圧力センサ318は、たとえば、ピトー管、第1圧力計、第2圧力計を備えている。ピトー管は、流体の全圧を測定する全圧管と、流体の静圧を測定する静圧管とを備えている。第1圧力計は、ピトー管の全圧管に接続され、ピトー管によって測定された流体の全圧を検出する。第2圧力計は、ピトー管の静圧管に接続され、ピトー管によって測定された流体の静圧を検出する。
第1加速度センサ319は、圧力センサ318に接続され、車両の第1加速度を検出する。第1加速度は、たとえば、圧力センサ318に対する直進方向および直交方向の2次元の加速度成分である。圧力センサ318に対する直進方向とは、圧力センサ318の構成部であるピトー管の軸中心に平行方向である。圧力センサ318に対する直交方向とは、圧力センサ318に対する直進方向および重力方向にそれぞれ直交する方向である。
第2加速度センサ320は、車両に設置され、車両の第2加速度を検出する。第2加速度は、車両に対する直進方向および直交方向の2次元の加速度成分である。車両に対する直交方向とは、車両に対する直進方向および重力方向にそれぞれ直交する方向である。具体的には、第1加速度センサ319および第2加速度センサ320は、たとえば、ピエゾ抵抗方式の加速度センサや、静電容量方式の加速度センサなどである。
図1に示した風補正装置100の風検出部101、第1加速度検出部102、第2加速度検出部103、角度ずれ算出部104、補正部105、記憶部106は、上述したナビゲーション装置300におけるROM302、RAM303、磁気ディスク305、光ディスク307などに記録されたプログラムやデータを用いて、CPU301が所定のプログラムを実行し、ナビゲーション装置300における各部を制御することによってその機能を実現する。
(ナビゲーション装置300による風検出の概要)
まず、圧力センサ318の構成について説明する。図4は、実施例にかかる圧力センサの構成について示す概念図である。圧力センサ318は、流体400の全圧および静圧を検出する。具体的には、圧力センサ318は、ピトー管401、第1圧力計402、第2圧力計403を備えている。ピトー管401は、流体400の全圧を測定する全圧管411と、流体400の静圧を測定する静圧管421と、を備えている。全圧管411の先端部には、流体400の全圧を測定するための孔(全圧測定孔)412が設けられている。静圧管421の側壁部には、流体400の静圧を測定するための孔(静圧測定孔)422が設けられている。
ピトー管401は、たとえば、全圧管411と静圧管421とを平行に配置した構成となっている。全圧測定孔412および静圧測定孔422は互いに直交する方向に開口している。ピトー管401はL字状の断面形状を有していてもよい。L字状のピトー管401の場合、ピトー管401の全圧測定孔412側の直線部分に、静圧測定孔422が設けられる。
また、ピトー管401は、ピトー管401の軸中心と流体400の流れの方向とが平行になるように設置されている。そして、ピトー管401は、全圧管411の全圧測定孔412が流体400の流れの方向を向くように配置される。ピトー管401がL字状の断面形状を有する場合、ピトー管401の全圧測定孔412側の直線部分が流体400の流れの方向に平行になるように設置される。圧力センサ318は、ピトー管401の軸中心と車両の進行方向とが等しくなるように設置される。
第1圧力計402は、全圧管411に接続され、ピトー管401によって測定された流体400の全圧を検出する。具体的には、第1圧力計402は、全圧管411の全圧測定孔412が設けられた端部に対して反対側の端部の孔に接続されている。第2圧力計403は、ピトー管401の静圧管421に接続され、ピトー管によって測定された流体400の静圧を検出する。具体的には、第2圧力計403は、静圧管421の静圧測定孔422と異なる孔に接続されている。
このような圧力センサ318は、流体400の流れの中に設置される。そして、圧力センサ318のピトー管401に沿った流線を形成する流体400の流れにベルヌーイの定理が適用されることにより、流体400の動圧が算出される。図4において、流体400の流れの方向を、任意点423からピトー管401の全圧測定孔412が設けられた側の先端部の頂点413に向かう矢印で示す。任意点423は、ピトー管401の中心軸の延長線上に位置する点である。
つぎに、ナビゲーション装置300による風検出方法について説明する。車両に対する風圧および風速は、上述したピトー管401の中心軸の延長線上に位置する任意点423における風圧および風速にほぼ等しい。このため、圧力センサ318を流体400の流れの中に設置し、任意点423における風圧および風速を算出することにより、車両に対する風圧および風速が検出される。
圧力センサ318が流体400の流れの中に設置されることにより、圧力センサ318によって流体400の流れがせき止められ、圧力センサ318の表面に流体400の速度がゼロとなる点(よどみ点)が発生する。具体的には、流体430の流れがピトー管401の全圧測定孔412が設けられた側の先端部でせき止められるため、ピトー管401の先端部の頂点413がよどみ点となる(以下、よどみ点413とする)。
よどみ点413における流体400の全圧、流体400のエネルギー保存則(静圧+動圧=全圧(一定))により、任意点423における流体400の全圧と等しい。このため、よどみ点413における風速V1とし、任意点423における風速V2とした場合、よどみ点413と任意点423との間に、下記式(1)が成り立つ。
Figure 0004955131
上記式(1)において、左辺第1項は、よどみ点413における流体400の静圧である。左辺第2項は、よどみ点413における流体400の動圧である。すなわち、上記式(1)の左辺は、よどみ点413における流体400の全圧である。右辺第1項は、任意点423における流体400の静圧である。右辺第2項は、任意点423における流体400の動圧である。すなわち、上記式(1)の右辺は、任意点423における流体400の全圧である。ρは、流体400の密度である。
よどみ点413における風速V1はゼロであるので、上記式(1)において、左辺第2項はゼロとなり、左辺第1項のみが残る。このため、上記式(1)の左辺第1項のP1は、よどみ点413における流体400の全圧である。また、よどみ点413における風速V1がゼロであるので、よどみ点413における流体400の全圧P1と任意点423における流体400の静圧P2との差圧(P1−P2)をΔPとすることにより、上記式(1)は、下記式(2)であらわされる。また、下記式(2)によって、下記式(3)が成り立つ。
Figure 0004955131
Figure 0004955131
上記式(2)に示すように、任意点423における流体400の動圧は、よどみ点413における流体400の全圧P1と任意点423における流体400の静圧P2との差圧ΔPと等しくなる。したがって、よどみ点413における流体400の全圧P1と任意点423における流体400の静圧P2との差圧ΔPを算出することで、任意点423における流体400の動圧、すなわち車両に対する風圧が検出される。また、上記式(3)を用いて任意点423における風速V2を算出することで、車両に対する風速が検出される。
よどみ点413における流体400の全圧P1は、第1圧力計402によって検出される。また、ピトー管401は流体400の流れに対して平行に設置されるので、任意点423における風速V2は、静圧測定孔422における風速にほぼ等しい。このため、任意点423における流体400の静圧P2は、静圧測定孔422における流体400の静圧にほぼ等しい。したがって、任意点423における流体400の静圧P2は、第2圧力計403によって検出される。
よどみ点413における流体400の全圧P1と任意点423における流体400の静圧P2との差圧ΔPは、第1圧力計402および第2圧力計403によって検出された流体400の全圧および静圧から算出されてもよいし、差圧センサ(不図示)によって検出されてもよい。
流体400の密度ρは、定数として扱われてもよいし、温度や大気圧に基づいて算出されてもよい。流体400の密度ρは、例えば、下記式(4)を用いて算出される。下記式(4)において、P0は大気圧であり、tは温度である。
Figure 0004955131
上記式(1)〜(4)は、たとえば、ナビゲーション装置300のROM302に記録された風検出プログラムに組み込まれている。そして、ナビゲーション装置300は、風検出プログラムを実行し、圧力センサ318によって検出されたよどみ点413における流体400の全圧P1および任意点423における流体400の静圧P2に基づいて、車両に対する風圧(動圧ΔP)および風速V2を算出する。
ナビゲーション装置300は、自装置が搭載された車両の走行時においては、車両の速度に基づいた風圧および風速を算出する。このため、車両に対する風圧および風速は、車両の速度に対する相対的な風圧および風速となる。具体的には、たとえば、車両の進行方向から向かい風が吹いている場合、車両に対する風速は、任意点における風速と車両の速度との総和となる。車両に対する風圧は、たとえば、車両の速度に対する相対的な風速の2乗に比例した値となる。
(ナビゲーション装置300による風補正の概要)
図5は、ナビゲーション装置300による風補正について示す説明図である。ナビゲーション装置300は、車両500の進行方向x0に対する圧力センサ318の取り付け角度φのずれを算出し、圧力センサ318の取り付け角度φのずれに基づいて、車両500に対する風圧および風速を補正する。
ナビゲーション装置300は、車両500に設置された圧力センサ318、第1,2加速度センサ319,320(各種センサ317)の検出値に基づいて、圧力センサ318の取り付け角度φのずれを算出する。まず、圧力センサ318、第1,2加速度センサ319,320について説明する。圧力センサ318は、上述したようにピトー管401によって構成されている。また、圧力センサ318は、たとえば、車両500の前部に設置されている。図5において斜線の矢印で示す方向は、車両500の進行方向x0を示している。
第1加速度センサ319は、圧力センサ318に接続され、車両の第1加速度を検出する。第1加速度は、圧力センサ318に対する直進方向x1の加速度成分(以下、「第1加速度直進成分」とする)511、および圧力センサ318に対する直交方向y1の加速度成分(以下、「第1加速度直交成分」とする)512である。圧力センサ318に対する直進方向x1および直交方向y1とは、圧力センサ318を構成するピトー管401の軸中心に平行な方向および直交する方向である。
差圧センサ501は、たとえばチューブ502などによって圧力センサ318に接続されている。具体的には、差圧センサ501は、圧力センサ318を構成するピトー管401の全圧管および静圧管にそれぞれチューブ502を介して接続されている。差圧センサ501は、全圧管によって測定された流体400の全圧と、静圧管によって測定された流体400の静圧との差圧(動圧)を検出する。流体400の全圧と静圧との差圧は、ナビゲーション装置300よって算出されてもよい。
第2加速度センサ320は、車両500の重心に配置され、車両500の第2加速度を検出する。第2加速度は、車両500に対する直進方向x2の加速度成分(以下、「第2加速度直進成分」とする)521、および車両500に対する直交方向y2の加速度成分(以下、「第2加速度直交成分」とする)522である。第2加速度センサ320は、たとえば、車両500の進行方向x0に対して取り付け角度にずれが生じないように設置されている。すなわち、第2加速度センサ320の車両500に対する直進方向x2は、車両500の進行方向x0と等しい。第2加速度は、たとえば、通信I/F315を介して、慣性計測装置(IMU)から取得してもよい。
つぎに、圧力センサ318の取り付け角度のずれの算出方法について説明する。まず、ナビゲーション装置300は、第2加速度センサ320によって車両500の第2加速度を検出する。つぎに、ナビゲーション装置300は、第2加速度センサ320によって検出された第2加速度に基づいて、車両500の進行方向x0に対する車両500の実際の加速度(実加速度)510の傾き角θを算出する。
具体的には、ナビゲーション装置300は、第2加速度センサ320によって検出された第2加速度直進成分521および第2加速度直交成分522に基づいて、車両500の進行方向x0に対する車両500の実加速度510の傾き角θを算出する。より具体的には、ナビゲーション装置300は、下記式(5)を用いて、車両500の進行方向x0に対する車両500の実加速度510の傾き角θを算出する。
Figure 0004955131
上記式(5)において、ax2は、第2加速度直進成分521の大きさである。ay2は、第2加速度直交成分522の大きさである。
つぎに、ナビゲーション装置300は、第1加速度センサ319によって車両の第1加速度を検出する。そして、ナビゲーション装置300は、車両500の進行方向x0に対する車両500の実加速度510の傾き角θ、および第1加速度センサ319によって検出された第1加速度に基づいて、車両500の進行方向x0に対する圧力センサ318の取り付け角度φを算出する。
具体的には、ナビゲーション装置300は、第1加速度センサ319によって検出された第1加速度直進成分511および第1加速度直交成分512に基づいて、車両500の実加速度510に対する第1加速度直進成分511の傾き角(θ−φ)を算出する。そして、ナビゲーション装置300は、自装置で算出した実加速度510の傾き角θおよび実加速度510に対する第1加速度直進成分511の傾き角(θ−φ)に基づいて、車両500の進行方向x0に対する圧力センサ318の取り付け角度φを算出する。
より具体的には、ナビゲーション装置300は、下記式(6),(7)を用いて、車両500の進行方向x0に対する圧力センサ318の取り付け角度φを算出する。
Figure 0004955131
Figure 0004955131
このように圧力センサ318の取り付け角度φが算出される。その後、ナビゲーション装置300は、車両500の進行方向x0に対する圧力センサ318の取り付け角度φのずれに基づいて補正係数を算出し、補正係数に基づいて、車両500に対する風圧および風速を補正する。ナビゲーション装置300によって補正される風圧および風速は、ナビゲーション装置300によって風検出プログラムが実行されることによって検出された風圧および風速である。
具体的には、ナビゲーション装置300は、圧力センサ318の取り付け角度φに対応するピトー管係数を記憶装置(磁気ディスク305、光ディスク307)から読みだす。そして、ナビゲーション装置300は、ピトー管係数に基づいて、車両500に対する風圧および風速を補正する。より具体的には、たとえば、ナビゲーション装置300は、下記式(8),(9)を用いて、車両500に対する風圧(1/2ρV2 2)および風速V2を補正する。
Figure 0004955131
Figure 0004955131
上記式(8),(9)において、Cは、ピトー管係数であり、その他の変数は、上記式(2),(3)と同様である。上記式(8),(9)は、ナビゲーション装置300による風検出に用いる上記式(2),(3)をピトー管係数Cによって補正する算出式となっている。ピトー管係数とは、圧力センサ318の取り付け角度φのずれに対応する補正係数である。ピトー管係数Cは、たとえば、予め記憶装置に記憶されている。
上述したナビゲーション装置300による風補正において、車両500の進行方向に直交する方向から吹いてくる風(横風)の影響は考慮しなくてもよい。たとえば、横風が吹いていない場合、または、車両500の進行方向x0から吹いてくる風(向かい風)や車両500の進行方向x0に後ろから吹いてくる風(追い風)が横風の影響を無視することができる程度に大きい場合に、ナビゲーション装置300による風補正を行えばよい。
上記式(5)〜(9)は、たとえば、ナビゲーション装置300のROM302に記録された風補正プログラムに組み込まれている。そして、ナビゲーション装置300は、風補正プログラムを実行し、圧力センサ318の取り付け角度φのずれに基づいたピトー管係数Cを記憶装置から読みだし、ピトー管係数Cに基づいて車両500に対する風圧(動圧ΔP)および風速V2を補正する。
(ピトー管係数について)
つぎに、ピトー管係数Cについて説明する。図6は、実施例にかかるピトー管401の特性を示す特性図である。図6の縦軸は、ピトー管係数Cである。図6の横軸は、車両500の進行方向x0に対するピトー管401の取り付け角度φである。ピトー管401は、圧力センサ318を構成する。図6の紙面右側に、車両500の進行方向x0に対するピトー管401の取り付け角度φを示す。
図6に示すように、ピトー管係数Cは、車両500の進行方向x0に対するピトー管401の取り付け角度φに対応して決定される。具体的には、ピトー管401の取り付け角度φが車両500の進行方向x0からずれていない場合(φ=0)、ピトー管係数Cはほぼ最大値である1を示す。流体400の流れの方向は、車両500の進行方向x0に平行な方向である。
ピトー管係数Cは、ピトー管401の全圧測定孔412の大きさや、ピトー管401の形状および寸法、ピトー管401の取り付け角度φのずれなどによって決定されるピトー管401に特有の値である。ピトー管401の構成に対応したピトー管係数Cは、予め測定され、記憶装置に記憶される。具体的には、ピトー管係数Cは、たとえば、車両500の進行方向x0に対するピトー管401の取り付け角度φのずれの想定範囲内におけるピトー管401の取り付け角度φごとにそれぞれ測定され、記憶装置に記憶される。そして、ピトー管401の取り付け角度φのずれにそれぞれ対応する複数のピトー管係数Cは、たとえば、ピトー管401の取り付け角度φを主キーとするデータテーブルに記録される。
(ナビゲーション装置300における風補正処理)
ナビゲーション装置300は、圧力センサ318によって検出された流体400の全圧および静圧に基づいて車両500の風圧(動圧ΔP)および風速V2を検出した後、車両500の進行方向x0に対する圧力センサ318の取り付け角度φのずれに基づいて車両500に対する風圧および風速V2を補正する。以下、風補正処理の詳細について説明する。
図7は、ナビゲーション装置による風補正処理の手順を示すフローチャートである。図7のフローチャートにおいて、ナビゲーション装置300は、まず、車両500側の第2加速度センサ320の出力値を検出する(ステップS701)。具体的には、ナビゲーション装置300は、たとえば、車両500に設置された第2加速度センサ320によって、車両500の第2加速度を検出する。より具体的には、ナビゲーション装置300は、車両500の車両500に対する直進方向x2の加速度成分(第2加速度直進成分)521、および車両500に対する直交方向y2の加速度成分(第2加速度直交成分)522を検出する。
つぎに、ナビゲーション装置300は、ステップS701において検出した加速度の絶対値が所定の閾値以上であるか否かを判断する(ステップS702)。具体的には、ナビゲーション装置300は、車両500が所定の閾値以上の加速度で走行しているか否かを判断する。加速度の絶対値が所定の閾値以上でない場合(ステップS702:No)、ナビゲーション装置300は、本フローチャートによる処理を終了する。
一方、加速度の絶対値が所定の閾値以上である場合(ステップS702:Yes)、ナビゲーション装置300は、車両500の進行方向x0に対する車両500の実加速度510の傾き角θを算出する(ステップS703)。具体的には、ナビゲーション装置300は、上記式(5)を用いて、車両500の進行方向x0に対する車両500の実加速度510の傾き角θを算出する。
つぎに、ナビゲーション装置300は、圧力センサ318側の第1加速度センサ319の出力値を検出する(ステップS704)。具体的には、ナビゲーション装置300は、たとえば、圧力センサ318に接続された第1加速度センサ319によって、車両500の第1加速度を検出する。より具体的には、ナビゲーション装置300は、圧力センサ318に対する直進方向x1の加速度成分(第1加速度直進成分)511、および圧力センサ318に対する直交方向y1の加速度成分(第1加速度直交成分)512を検出する。
そして、ナビゲーション装置300は、車両500の進行方向x0に対する圧力センサ318の取り付け角度φを算出する(ステップS705)。具体的には、ナビゲーション装置300は、ナビゲーション装置300は、第1加速度直進成分511および第1加速度直交成分512および車両500の実加速度510の傾き角θに基づいて、上記式(6),(7)を用いて、車両500の進行方向x0に対する圧力センサ318の取り付け角度φを算出する。
つぎに、ナビゲーション装置300は、車両500の進行方向x0に対する圧力センサ318の取り付け角度φのずれに基づいて、補正係数を算出する(ステップS706)。具体的には、ナビゲーション装置300は、圧力センサ318の取り付け角度φに対応するピトー管係数Cを記憶装置から読みだして補正係数として設定する。その後、ナビゲーション装置300は、補正係数に基づいて、上記式(8),(9)を用いて車両500に対する風圧および風速を補正し(ステップS707)、本フローチャートによる処理を終了する。
以上説明したように、ナビゲーション装置300によれば、車両500の進行方向に対する圧力センサ318の取り付け角度φのずれを算出し、圧力センサ318の取り付け角度φのずれに基づいて車両500に対する風圧および風速を補正する。より詳細には、ナビゲーション装置300は、圧力センサ318の取り付け角度φのずれに応じたピトー管係数Cを算出し、このピトー管係数Cを用いて車両500に対する風圧および風速を補正する。これにより、ナビゲーション装置300は、車両500の進行方向x0(流体400の流れの方向)に対して圧力センサ318の取り付け角度φがずれている場合でも、圧力センサ318の取り付け角度φに応じて車両500に対する風圧および風速を正確に補正し算出することができる。
このように、車両500に対する風圧および風速を正確に算出することができるため、たとえば、電気を動力源として走行するEV(Electric Vehicle)車やHV(Hybrid Vehicle)車、PHV(Plug−in Hybrid Vehicle)車などにおける消費電力を正確に算出することができる。これにより、車両における安全対策や消費電力低減を図ることができる。
また、圧力センサ318は、開放部を有する中空部材で覆われてもよい。具体的には、ピトー管401は、開放部を有する中空部材で覆われてもよい。ピトー管401を中空部材で覆うことによって、流れ場の流れの渦が変化する場合や、せん断の大きな流れ場の場合に、流体の流れの方向をピトー管401の中心軸に対して平行することができる。これにより、圧力センサ318によって検出される移動体に対する風圧および風速の誤差を小さくすることができる。
なお、本実施の形態で説明した風補正方法は、あらかじめ用意されたプログラムをパーソナル・コンピュータやワークステーションなどのコンピュータで実行することにより実現することができる。このプログラムは、ハードディスク、フレキシブルディスク、CD−ROM、MO、DVDなどのコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録され、コンピュータによって記録媒体から読み出されることによって実行される。またこのプログラムは、インターネットなどのネットワークを介して配布することが可能な伝送媒体であってもよい。
100 風補正装置
101 風検出部
102 加速度検出部(第1)
103 加速度検出部(第2)
104 角度ずれ算出部
105 補正部
106 記憶部
111 圧力検出部
112 動圧算出部
151 補正係数算出部

Claims (11)

  1. 移動体に設置され、当該移動体に対する風圧および風速を検出する風検出手段と、
    前記風検出手段に接続され、前記移動体の第1加速度を検出する第1加速度検出手段と、
    前記移動体に設置され、前記移動体の第2加速度を検出する第2加速度検出手段と、
    前記第1加速度および前記第2加速度に基づいて、前記移動体の進行方向に対する前記風検出手段の取り付け角度のずれを算出する角度ずれ算出手段と、
    前記取り付け角度のずれに基づいて、前記風圧および前記風速を補正する補正手段と、
    を備えることを特徴とする風補正装置。
  2. 前記第1加速度は、前記風検出手段に対する直進方向および直交方向の2次元の加速度成分であり、
    前記第2加速度は、前記移動体に対する直進方向および直交方向の2次元の加速度成分であり、
    前記角度ずれ算出手段は、前記第1加速度の2次元の加速度成分および前記第2加速度の2次元の加速度成分に基づいて、前記取り付け角度のずれを算出することを特徴とする請求項1に記載の風補正装置。
  3. 前記第2加速度検出手段の直進方向は、前記移動体の進行方向と等しいことを特徴とする請求項1に記載の風補正装置。
  4. 前記風検出手段は、
    前記移動体に対する流体の全圧を検出する第1圧力計と、当該流体の静圧を検出する第2圧力計とを有する圧力検出部と、
    前記全圧および前記静圧に基づいて、前記流体の動圧を算出する動圧算出部と、を備え、
    前記動圧に基づいて、前記風圧および前記風速を検出することを特徴とする請求項1に記載の風補正装置。
  5. 前記風検出手段はピトー管で構成されていることを特徴とする請求項1に記載の風補正装置。
  6. 前記風検出手段は、開放部を有する中空部材で覆われていることを特徴とする請求項1に記載の風補正装置。
  7. 前記補正手段は、
    前記取り付け角度のずれに対応する補正係数を算出する補正係数算出手段を備え、
    前記補正係数に基づいて、前記風圧および前記風速を補正することを特徴とする請求項1〜6のいずれか一つに記載の風補正装置。
  8. 複数の前記取り付け角度のずれに対応する前記補正係数を記憶する記憶手段をさらに備え、
    前記補正係数算出手段は、前記記憶手段に記憶された前記取り付け角度のずれに対応する前記補正係数を読み出すことを特徴とする請求項7に記載の風補正装置。
  9. 風圧および風速を補正する風補正装置における風補正方法であって、
    移動体に設置された風検出手段によって、当該移動体に対する風圧および風速を検出する風検出工程と、
    前記風検出手段に接続された第1加速度検出手段によって、前記移動体の第1加速度を検出する第1加速度検出工程と、
    前記移動体に設置された第2加速度検出手段によって、前記移動体の第2加速度を検出する第2加速度検出工程と、
    前記第1加速度と前記第2加速度に基づいて、前記移動体の進行方向に対する前記風検出手段の取り付け角度のずれを算出する角度ずれ算出工程と、
    前記取り付け角度のずれに基づいて、前記風圧および前記風速を補正する補正工程と、
    を含むことを特徴とする風補正方法。
  10. 請求項9に記載の風補正方法をコンピュータに実行させることを特徴とする風補正プログラム。
  11. 請求項10に記載の風補正プログラムを記録したコンピュータに読み取り可能な記録媒体。
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