JP5576391B2 - 磁界の計測を用いて車輪付きの地上車の速度を測定するための装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、概して磁界の計測により車輪付きの地上車の移動速度を測定することに関する。より詳細には、本発明は磁力計を用いて車の車輪の回転周波数を決定することにより車輪付きの地上車の移動速度を測定するための装置および方法に関する。

車輪付きの地上車は、回転または並進する交互運動をする多くの部品を有する（例えば自動車では、車輪、ピストン、クランクシャフト等）。これらの部品の少なくとも1つの回転周波数を測定するとともに車の移動速度をそこから推定するために1つまたは複数の磁力計を用いることが知られている。

最も直接的な方法は、車輪の回転周波数、つまり車輪の毎秒の回転数、を直接測定することである。次に、車の移動速度を得るために、この周波数に考慮している車輪の周囲の長さを掛けることで十分である。

これを行うために、従来技術の既知の方法は、車輪に磁石を固定するとともに磁力計をこの車輪の近くに、例えば、自動車の車体のホイールハウス内等に配置することである。

回転毎に、磁力計は磁石の近接による磁界の強い増加を計測する。このような信号は処理ユニットに送られる。

処理ユニットは磁界を表す信号を基準値と比較する。各磁界測定に対する出力として、測定値が基準閾値より小さいまたは大きいかどうかにより０または１を提供する。

そのようなものとして、処理ユニットは、０と１の連続するスロットを有する信号を提供し、２つの連続する１のスロットの間の時間は考慮する車輪の１回転の持続時間を表す。そのため、車輪の回転周波数はある瞬間に得られる。

しかし、このようなやり方は完全な満足を提供しない。特に：
−永久磁石が車輪に堅固に固定されなければならず、これは組み立ての制約を伴う。

−永久磁石は望ましくないアンバランスを引き起こし得る。

−磁力計は磁界のピークを検出するために永久磁石に非常に近接して配置されなければならない。これはさらなる組み立ての制約を伴い、加えて磁力計は厳しい天候および他の動く部品から保護されなければならない。

したがって、本発明の目的は、車輪付きの地上車の移動速度を測定するための改善された装置を提案することである。

この趣旨で、本発明は、磁界を測定することを目的とするとともに車の少なくとも１つの部分的に金属のそのままの車輪の回転により生じる磁界の変動に敏感であるように配置される磁力計と、測定値の周波数スペクトルを生成し、前記周波数スペクトルを用いて前記車輪の回転周波数を決定し、車輪の半径を表す情報に基づいて車の移動速度をそこから推定することができる測定値の処理手段と、を有することを特徴とする、車輪付きの地上車の移動速度を測定するための装置を提案する。

本発明は、金属製の車輪そのままにより誘発される磁界の変動の処理を経て車輪の回転周波数を推定するための発展した信号処理のおかげで可能となった驚くべき発見に基づいている。これはそれ自体として車輪に磁石を固定しなければならないことを排し、磁力計の位置に関して高い柔軟性がある。

この発見は車の速度の決定に限定されるものではなく、後述の類似する信号の処理により、周期的に地磁界を乱す任意の物体の移動の頻度の時間を計ることにより続くことができることに留意されたい。

これは特に、例えば車のエンジン内のクランクシャフトやピストン等の回転運動または並進交互運動する、少なくとも部分的に金属のボディを有する事例である。

さらにより一般的には、自動化された組み立てラインでの反復運動を伴うロボットの動作速度、タービンまたは種々の応用例の回転速度の測定を成すことができる。

有利であるが任意で、本発明による装置は、少なくとも１つの以下の特徴を有する：
−処理手段は、スライディングウィンドウ高速フーリエ変換を用いて磁界の測定の周波数スペクトルを生成することができる、
−磁力計および処理手段は互いに分離して配置され、装置はそれらの間に伝送路をさらに有する、
−磁力計は１つまたは複数の測定軸により磁界を測定することができ、磁力計は車輪の回転軸が前記測定軸の１つと略平行になるように配置される、
−磁力計は１つまたは複数の測定軸により磁界を測定することができ、磁力計は車輪の回転軸が前記測定軸の１つと略垂直になるように配置される。

本発明はまた、車輪付きの地上車の移動速度を測定するための方法に関し、以下のステップを有することを特徴とする：
−特定の変動が車の少なくとも１つの部分的に金属のそのままの車輪に起因する、変動する磁界を測定すること、および、
−前記測定値の周波数スペクトルを生成し、前記周波数スペクトルを用いて前記車輪の回転周波数を決定し、この周波数と車輪の半径を表す情報から車の移動速度を推定すること。

有利であるが任意で、本発明による方法は、少なくとも１つの以下の特徴を有する：
−周波数スペクトルの生成はスライディングウィンドウ高速フーリエ変換を用いて実行される、
−車輪の回転周波数は周波数スペクトルのメイン周波数を選択することにより実行される、
−磁界の測定は、車の車輪の回転軸と略平行な軸により実行される、
−磁界の測定は、車の車輪の回転軸と略垂直な軸により実行される。

本発明はまた、少なくとも１つの少なくとも部分的に金属の車輪を有する車輪付きの地上車に関し、本発明により速度を決定するための装置を有することを特徴とする。

有利であるが任意で、本発明による車は少なくとも１つの以下の特徴を有する：
−磁力計は車の車体に固定される、
−車はインストルメントパネルを有し、磁力計はインストルメントパネルの近くに配置される、
−車はトランクを有し、磁力計はトランクに配置される。

本発明の他の特徴、目的、および利点は、添付図面とともに、非限定的な実施例として示す、以下の詳細な説明を読んだ際に明らかとなるであろう。

図１は、本発明の可能な実施形態による磁力計を用いて車の車輪の回転周波数を決定することにより車輪付きの地上車の移動速度を決定するための装置を図式的に示す。 図２ａは、本発明の可能な実施形態による速度を決定するための装置を備える車輪付きの地上車を示す。 図２ｂは、本発明の可能な実施形態による速度を決定するための装置を備える車輪付きの地上車を示す。 図２ｃは、本発明の可能な実施形態による速度を決定するための装置を備える車輪付きの地上車を示す。 図３は、本発明による装置により得られた時間に応じた車の速度の曲線および車に搭載された慣性装置での測定結果を用いて再構成された速度の曲線を示すグラフである。

図１を参照すると、本発明の可能な実施形態による車輪付きの地上車の移動速度を決定するための装置１は、磁力計２とデータ処理ユニット３を有する。

磁力計２は、周囲の磁界をとらえることができるとともに磁界の変化を示す信号２０をデータ処理ユニット３に送ることができる。

処理ユニット３は信号２０の周波数スペクトルを生成する。例えば、「遅延させた信号ととともに信号の自己相関の最大値を検出する」形式の方法を用いることが可能である。この方法では、数学者のステファン マラットの仕事のひとつに記載され、ｕ（ｔ）が信号だとすると、ｕ（ｔ）＊ｕ（ｔ−Ｔ）の窓関数をかけた積分がプロットされるとともにこの積分を最大化するＴの最初の値が選ばれる。好ましくは、使用される方法はスライディングウィンドウ高速フーリエ変換（一般にＦＦＴという）であり、その実行速度でアルゴリズムが知られている。しかし、当業者に知られた信号周波数解析のその他の方法も使用することができる。

処理ユニット３は次に、確認された周波数の中から、車の少なくとも１つの金属製の車輪の回転周波数を決定する。次に、この周波数は、車の移動速度を得るために問題の車輪の周長を乗じられる。

ここで、車の車輪は車輪そのままである、すなわち、如何なる磁石または磁力計と相互に作用することを目的としている他の磁気部品も持たない、ことに留意することが重要である。

加えて、「部分的に金属製の車輪」は、その車輪の構成要素の少なくとも１つが少なくとも部分的に金属材料で作られていることを意味する。それは、リム、ブレーキディスク、ホイールキャップ、または車輪として同じ速度で回転する他の部品であることが可能である。そのため、少なくとも部分的に金属の構成要素は磁界の周期的な変動を引き起こし、この変動の周波数は車輪の回転の周波数と同じである。

金属材料は、鋼、アルミ合金、または任意の金属合金、特に車輪の構成要素の形成に一般的に使用される合金であり得る。

本発明は、まず第１に地磁界（０．５ガウスの大きさ）が車の要素の周期的な動きにより乱されるという事実の上に成り立っている。このようなものとして、例えば燃焼機関を備える車では、車輪はもちろん、ピストン、クランクシャフト、トランスミッション部材等の動きは多くの周期的な変動を引き起こし、その周波数は磁力計２０により送られる信号２０のスペクトルの中にある。

本発明はさらに、処理ユニット３内での適切な処理が周波数スペクトルの中から車の車輪の回転周波数を特定することを可能にするという事実の上に成り立っている。

好ましいが限定されない方法で、車輪の回転周波数の特定は、信号２０の周波数スペクトル中のメイン周波数、すなわち最高の振幅の周波数を選択することにより実行される。

磁界はまた車の環境により、特に高周波数および中周波数の伝達（エンジンの始動、電話、ラジオ）により乱されることに留意されたい。

有利には、処理ユニット３は周波数処理の上流の磁力計により送られる信号をフィルターにかけることもできる。好ましくは、フィルタリングは、信号に含まれるおよび車の環境から来る高周波ノイズをフィルターするために、ローパスフィルタリングである。

有利だが限定されない方法で、磁力計２は以下の特徴を有する：
−少なくともプラスマイナス２ガウスの大きさの測定レンジ、
−少なくとも１ミリガウスの精度、
−少なくとも１００Ｈｚ、より好ましくは少なくとも１５０Ｈｚの磁界のサンプリング周波数、
−デジタル磁力計の場合、データが少なくとも１２ビット以上で提供される。

好ましいが限定されない方法で、磁力計２は、ハネウェル（登録商標）ブランドのＨＭＲ２３００を参照とするデジタル３軸磁力計であり、１６ビット以上で３軸の磁界の現在の値をサンプリングするデジタル信号を直接供給する。

処理ユニットは、車輪の半径Ｒまたはその周長２＊π＊Ｒを代表とする１つのデータを含む仕様を有する。

このようにして、車輪の回転周波数は、上述の説明のように車の移動速度を得るために、２＊π＊Ｒの値が乗じられる。

有利には、装置１は、装置１により決定された速度の値をリアルタイムで表示するために可視化ユニット４を有する。

有利には、装置１はさらに、磁力計２および処理ユニット３を収容するケース５を有する。

好ましいが限定されない方法で、処理ユニット３はＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）である。そして、装置１は、寸法が３軸に関して数センチメートルから１デシメートルであるケース５の形態を有する。

より一般的には、処理ユニットは任意の計算手段を含むことができる。

本発明の他の可能な実施形態によれば、磁力計２と処理ユニット３は車の異なる場所に配置される。そして、信号２０は、有線伝送または、例えばワイファイまたはブルートゥースタイプの無線伝送で伝わる。

さらに、有利には、データ処理ユニット３および表示装置４は同じユニットに結合される、またはさらに車のインストルメントパネルに組み込まれる。

本発明の他の可能な実施形態によれば、装置１は、例えばＧＰＳ（グローバルポジショニングシステム）タイプの位置測定装置６と接続される。

このようなものとして、位置測定装置６がもはやどの衛星のデータも受信していないとき（例えば、車がトンネルを通過しているとき）、装置１が交代し車の移動速度を表すデータを位置測定装置６に提供する。この位置測定装置６はしたがってトンネル内で車の位置を決定することができる。

図２ａから図２ｃの各図は、本発明によるスピードを決定するための装置１を備えた車輪付きの地上車７を示している。

車７は、少なくとも部分的に金属７０製の少なくとも１つの車輪、例えば４つの車輪を有する車の左前輪、を有する。

図２ａを参照すると、本発明の可能な実施形態によれば、装置１の磁力計２は車輪７０の近くに、車７の車体に固定されることにより、配置される。このようにして、車輪７０の回転は磁力計の辺りの磁界を大きく変動させ、信号２０の周波数スペクトル内での車輪の回転周波数の決定を容易にする。

この例では、処理ユニット３は車７の他の場所に配置される。好ましいが限定されない方法で、車７はインストルメントパネル７１を有し、その中に処理ユニット３が配置される。有利には、処理ユニット３は無線通信を経由して磁力計２の信号２０を受信する。

好ましいが限定されない方法で、磁力計２の測定軸の１つは車輪７０の回転軸と略平行（それぞれ垂直）である、すなわち、２つの軸が平行（またはそれぞれ垂直）である、または問題としている測定軸と車輪の回転軸との間に最大３０度の大きさの角度分離がある（それぞれ車輪の回転軸に垂直）。

図２ｂを参照すると、車７は有利に荷物トランク７２を有し、そこには磁力計２が配置される。

このようなものとしては、磁力計は例えばピストン、クランクシャフト等の磁界を変動させるエンジンの要素から離される。したがって、これらの変動は信号２０内にほとんどない。

本発明の他の実施形態によれば、図２ｃに示す車はインストルメントパネル７１を有し、装置１、すなわち磁力計２を含む装置１がその中に完全に配置される。好ましくは、信号２０は有線通信により伝送される。

この実施形態は特に上述のように位置測定手段６を有する装置１に関して適切である。

本発明による装置の信頼性を実証するためにテストが実施された。

このようなものとして、装置１がＧＰＳタイプの位置測定装置を備えた車に取付けられた。ここで、車はフォルクスワーゲン（登録商標）製のゴルフＩＩＩ ＴＤＩ（登録商標）モデルである。

この例では、磁力計２は１５４Ｈｚの周波数での測定を実行した。

図３は、秒での時間に応じた、ｋｍ／ｈでの車の速度の図を示す。

曲線９は、ＧＰＳにより受信した衛星データを用いて再構成された車の速度の値の変化を示す。

曲線８は、本発明による装置により決定された時間に応じた速度の値の変化を示す。この曲線はＧＰＳを用いて得られた曲線と非常に近い。

Claims (14)

1. 車輪付きの地上車の移動速度を測定するための装置であって、
   磁界を測定することを目的とするとともに前記車の少なくとも１つの部分的に金属のそのままの車輪の回転により生じる磁界の変動に敏感であるように配置され、対応する信号を送信することができる固定された磁力計と、前記信号の周波数スペクトルを生成し、前記周波数スペクトルを用いて前記車輪の回転周波数を決定し、前記車輪の半径を表す情報を用いて前記車の移動速度をそこから推定することができる前記信号の処理手段と、を有する、
   ことを特徴とする、装置。
2. 前記処理手段は、スライディングウィンドウ高速フーリエ変換を用いて前記信号の周波数スペクトルを生成することができる、
   請求項１に記載の装置。
3. 前記磁力計および前記処理手段は互いに分離して配置され、それらの間に伝送路をさらに有する、
   請求項１または２に記載の装置。
4. 前記磁力計は複数の測定軸により前記磁界を測定することができ、前記磁力計は前記車輪の回転軸が前記測定軸の１つと略平行になるように配置される、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記磁力計は複数の測定軸により前記磁界を測定することができ、前記磁力計は前記車輪の回転軸が前記測定軸の１つと略垂直になるように配置される
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
6. 車輪付きの地上車の移動速度を測定するための方法であって、以下のステップを有することを特徴とする方法：
   −特定の変動が前記車の少なくとも１つの部分的に金属のそのままの車輪に起因する、変動する磁界を表す信号を固定された磁力計によって生成すること、
   −前記信号の周波数スペクトルを生成すること、
   −前記周波数スペクトルを用いて前記車輪の回転周波数を決定すること、および、
   −この周波数と前記車輪の半径を表す情報とから前記車の移動速度を推定すること。
7. 前記周波数スペクトルを生成する前記ステップは、スライディングウィンドウ高速フーリエ変換を用いて実行される、
   請求項６に記載の方法。
8. 前記車輪の前記回転周波数を決定するステップは、前記周波数スペクトルのメイン周波数を選択することにより実行される、
   請求項６または７に記載の方法。
9. 前記信号は、前記車の前記車輪の回転軸と略平行な軸に沿った磁界を表す、
   請求項６乃至８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記信号は、前記車の前記車輪の回転軸と略垂直な軸に沿った磁界を表す、
    請求項６乃至８のいずれか１項に記載の方法。
11. 少なくとも１つの少なくとも部分的に金属の車輪を有する車輪付きの地上車であって、
    請求項１乃至５のいずれか１項に記載の装置を有する、
    ことを特徴とする車。
12. 前記磁力計は、前記車の車体に固定される、
    請求項１１に記載の車。
13. インストルメントパネルを有し、前記磁力計は前記インストルメントパネルの近くに配置される、
    請求項１１に記載の車。
14. トランクを有し、前記磁力計は前記トランクに配置される、
    請求項１１に記載の車。

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