JP7076293B2 - 傾斜角計測装置および傾斜角計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、車両の傾斜角を計測する傾斜角計測装置および傾斜角計測方法に関する。

積載重量に応じた車両の左右方向を軸とする傾斜角（ピッチ角）に対応して前照灯の光軸を調整するため、車両に設けられたセンサにより傾斜角が計測される。傾斜角を計測するために、前輪および後輪にそれぞれ取り付けられた車高センサ、または、加速度センサが用いられている。

特許文献１には、車体に設けた車台の前後方向の加速度を検出する第１の加速度センサと車台に設けた車台の前後方向の加速度を検出する第２の加速度センサとによりそれぞれ検出された加速度に基づいて車体の傾きを算出する、照射方向制御装置が記載されている。

特開２０１０－２４７５５１号公報

車高センサにより車両の傾斜角を計測する場合、車高センサは前輪および後輪のサスペンションに取り付けられ、車高センサの出力がケーブルによりＥＣＵ（Electronic Control Unit）まで伝達される必要がある。そのため、車高センサによる車両傾斜角の計測は、コストの上昇および設計自由度の低下の要因となり得る。

また、加速度センサにより車両の傾斜角を計測する場合、加速度センサは、鉛直方向に対する傾き、すなわち車両の傾斜角と路面の傾斜角とをあわせた傾斜角を計測する。ヘッドライトの光軸は車両の傾斜角に対応して調整されるが、加速度センサの出力値は路面の傾斜角を含むため、ヘッドライトの光軸の調整にそのまま用いることができず、路面傾斜角を切り分ける処理が必要となる。

例えば特許文献１に記載の装置では、車体と車台のそれぞれに加速度センサを設け、車体の勾配角度から車台の勾配角度を減ずることにより車体の傾きを検出している。すなわち、車体と車台の２箇所に設けた加速度センサの出力がケーブルによりＥＣＵまで伝達される必要があり、車高センサにより計測する場合と同様に設計自由度の低下の要因となり得る。さらに、加速度センサは比較的高価な部品であり、コスト上昇の要因にもなり得る。

本発明は、簡単な構成で車両の傾斜角を計測可能な、傾斜角計測装置および傾斜角計測方法を提供することを目的とする。

本発明にかかる傾斜角計測装置は、車両が走行しているときに複数回取得した、車両の上下方向を軸とする回転の角度であるヨー角と車両の前後方向を軸とする回転の角度であるロール角とを記憶する角度記憶部と、記憶された複数のヨー角およびロール角に基づいて、車両の左右方向を軸とする傾斜角を算出する傾斜角算出部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明にかかる傾斜角計測装置では、傾斜角算出部は、記憶された複数のヨー角およびロール角を、ヨー角の正弦を第１軸としロール角の正接を第２軸としてマッピングしたときの各点の分布傾向を表す回帰直線の傾きを求め、傾きの逆正接を傾斜角として算出することが好ましい。

また、本発明にかかる傾斜角計測装置では、角度記憶部は、車両に設けられた角速度センサから受信した、車両の上下方向を軸とする回転の角速度と車両の前後方向を軸とする回転の角速度とをそれぞれ積分することにより、ヨー角およびロール角を取得することが好ましい。

また、本発明にかかる傾斜角計測装置では、車両が走行を開始して以降、所定数の異なる値のヨー角および対応するロール角が角度記憶部に記憶された後に、傾斜角算出部が傾斜角を算出することが好ましい。

また、本発明にかかる傾斜角計測装置では、車両が走行しているときに算出された傾斜角を不揮発に記憶する傾斜角記憶部をさらに備え、傾斜角算出部は、車両が走行を開始して以降、所定数の異なる値のヨー角および対応するロール角が角度記憶部に記憶されるまで、傾斜角記憶部に記憶されている傾斜角を傾斜角として算出することが好ましい。

また、本発明にかかる傾斜角計測装置では、車両が走行していないときの車両の移動を検出するとエラー情報を出力する停止時移動検出部と、をさらに備えることが好ましい。

さらに、本発明にかかる傾斜角計測方法は、車両が走行しているときに複数回取得した、車両の上下方向を軸とする回転の角度であるヨー角と車両の前後方向を軸とする回転の角度であるロール角とを記憶する角度記憶ステップと、記憶されたヨー角およびロール角に基づいて、車両の左右方向を軸とする傾斜角を算出する傾斜角算出ステップと、を含むことを特徴とする。

上記の傾斜角計測装置によれば、簡単な構成で車両の傾斜角を計測することができる。

また、上記の傾斜角計測方法によれば、簡単な構成で車両の傾斜角を計測することができる。

（ａ）は傾斜していない車両がカーブを走行するときの状態を説明する図であり、（ｂ）は傾斜している車両がカーブを走行するときの状態を説明する図である。 傾斜角計測装置を含む車両の模式図である。 傾斜角計測装置のハードウェア構成を示す図である。 傾斜角計測装置の機能ブロックを示す図である。 （ａ）は傾斜している車両の３次元空間における姿勢を説明する模式図であり、（ｂ）は（ａ）の右側面図である。 （ａ）は傾斜している車両がカーブしたときの３次元空間における姿勢を説明する模式図であり、（ｂ）は（ａ）の上面図であり、（ｃ）は（ａ）の後面図である。 車体ヨー角と車体ロール角との関係の例を示すグラフである。 傾斜角計測装置の動作フローチャートである。

以下、図面を参照して傾斜角計測装置および傾斜角計測方法について詳細に説明する。ただし、本発明は図面または以下に記載される実施形態に限定されないことを理解されたい。

本発明にかかる傾斜角計測装置は、車両が走行しているときに、車両の上下方向を軸とする回転の角度であるヨー角と、車両の前後方向を軸とする回転の角度であるロール角とを、車両に設けられた角速度センサから取得し、記憶する。そして、傾斜角計測装置は、記憶された複数のヨー角およびロール角に基づいて、車両の左右方向を軸とする傾斜角を算出する。これにより、傾斜角計測装置は、路面傾斜角を切り分けることなく車両の傾斜角を計測する。

図１（ａ）は傾斜していない車両がカーブを走行するときの状態を説明する図であり、図１（ｂ）は傾斜している車両がカーブを走行するときの状態を説明する図である。

図１（ａ）は、傾斜していない車両１００が地点Ａから地点Ｂへのカーブを走行する状態を示している。車両１００において、前後方向を軸とする回転角であるロール角および上下方向を軸とする回転角であるヨー角をそれぞれ計測した場合、地点Ａから地点Ｂへのカーブを走行すると、車両１００は、上下方向を軸としてカーブの角度だけ回転する。すなわち、図１（ａ）の状態では、カーブの角度に応じたヨー角の変化が計測され、ロール角の変化は計測されない。

一方、図１（ｂ）は、前方に比べて後方が低く傾斜している車両１０１が地点Ａから地点Ｂへのカーブを走行する状態を示している。車両１０１においてロール角およびヨー角をそれぞれ計測した場合、車両１０１は傾斜しているため、地点Ａにおいて、車両１０１の前後方向の軸および上下方向の軸は、車両１０１の左右方向の軸を中心に回転され、傾いている。

車両１０１が地点Ａから地点Ｂへのカーブを走行すると、傾いた上下方向の軸がカーブにより回転されるため、ロール角の変化が計測される。具体的には、後方が低くなるよう傾斜した車両１０１が左カーブを走行すると、右回転のロール角が計測される。

このように、車両の傾斜角に応じて、計測されるヨー角およびロール角の関係が変動する。実施形態の傾斜角計測装置は、こうしたヨー角およびロール角の関係に基づいて、車両の傾斜角を計測する。

図２は、傾斜角計測装置を含む車両の模式図である。

車両１は、角速度センサ２と、傾斜角計測装置３とを有する。

角速度センサ２は、車両１に設けられ、車両１の上下方向を軸とする回転の角速度および前後方向を軸とする回転の角速度を出力するセンサである。

傾斜角計測装置３は、角速度センサ２の出力する値に基づいて、車両１の傾斜角を算出する。傾斜角計測装置３は、角速度センサ２と一体に車両１に設けられる。角速度センサ２と傾斜角計測装置３は、それぞれ別に車両１に設けられてもよい。

図３は、傾斜角計測装置のハードウェア構成を示す図である。

傾斜角計測装置３は、入力部３１と、出力部３２と、演算部３３と、記憶部３４とを有する。傾斜角計測装置３は、ＥＣＵとして車両１に搭載される。

入力部３１は、角速度センサ２から出力値を受信する回路である。入力部３１は、受信した出力値を演算部３３に供給する。

出力部３２は、算出された傾斜角に応じた信号を出力する回路である。なお、傾斜角計測装置３が実装されるＥＣＵと同一のＥＣＵに実装される他の装置（例えば、車両１の前照灯の角度を調整するオートレベリング装置（不図示））が、傾斜角計測装置３により算出された傾斜角に基づき制御を行ってもよい。こうした場合、出力部３２は省略可能である。

演算部３３は、入力部３１から供給された信号に基づき演算を行い、出力部３２に演算結果を出力する。演算部３３は、所定のプログラムを実行することにより演算を実行する。演算部３３は、専用回路により実現されてもよい。

記憶部３４は、情報を記憶する不揮発メモリである。記憶部３４は、演算部３３で実行されるプログラムおよび演算部３３の処理結果などのデータを記憶し、不揮発に保持する。

図４は、傾斜角計測装置の機能ブロックを示す図である。

傾斜角計測装置３は、機能ブロックとして、角度記憶部３３１と、傾斜角算出部３３２と、傾斜角記憶部３３３と、停止時移動検出部３３４とを有する。各機能ブロックは、所定のプログラムを傾斜角計測装置３の演算部３３で実行することにより実現することができる。各機能ブロックは、専用回路により実現されてもよい。

角度記憶部３３１は、車両１が走行しているときに入力部３１を介してヨー角およびロール角を取得する度に、取得したヨー角およびロール角を記憶部３４に保存する。

角度記憶部３３１は、車両１に設けられた角速度センサ２から入力部３１を介して受信した、車両１の上下方向を軸とする回転の角速度と車両１の前後方向を軸とする回転の角速度とをそれぞれ積分することにより、ヨー角およびロール角を取得する。

このような角度記憶部３３１によると、傾斜角計測装置３は、比較的安価かつ設置場所の自由度の大きい角速度センサ２を用いて車両１の傾斜角の計測を行うことができる。

なお、角度記憶部３３１は、車両１に設けられた角度センサ（例えばポテンショメータ）または加速度センサによりヨー角およびロール角を取得してもよい。

傾斜角算出部３３２は、記憶された複数のヨー角およびロール角に基づいて、車両１の左右方向を軸とする傾斜角を算出する。

ここで、図５ないし図７を参照して、ヨー角およびロール角に基づく傾斜角の算出について説明する。

図５（ａ）は傾斜している車両の３次元空間における姿勢を説明する模式図であり、図５（ｂ）は（ａ）の右側面図である。

図５（ａ）に示すように、車両１が傾斜していない状態でｚ軸（上下方向）上にある点P(0,0,1)は、車両１がｙ軸（左右方向）を中心に角度θだけ傾斜すると、点P′に移動する。点P′のｙ座標は、点Pと同じく0である。

図５（ｂ）に示すように、ｘｚ平面において点P′は、原点を中心に点Pを角度θだけ回転させることにより得られる。したがって、点P′のｘ座標はsinθであり、ｚ座標はcosθである。つまり、車両１が傾斜していない状態でｚ軸上にある点P(0,0,1)は、車両１がｙ軸を中心に角度θだけ傾斜することにより、点P′(sinθ,0,cosθ)に移動する。

図６（ａ）は傾斜している車両がカーブしたときの３次元空間における姿勢を説明する模式図であり、図６（ｂ）は（ａ）の上面図であり、図６（ｃ）は（ａ）の後面図である。

点P′は、車両１がカーブを走行することによりｚ軸を中心に角度ψだけ回転すると、点P′′に移動する。点P′′のｚ座標は、点P′と同じくcosθである。角度ψは、カーブを走行することにより車両１に生ずるｚ軸を中心とした回転、すなわちヨーに対応する。

図６（ｂ）に示すように、ｘｙ平面において点P′′は、原点を中心に点P′を角度ψだけ回転させることにより得られる。したがって、点P′′のｘ座標はsinθcosψであり、ｙ座標はsinθsinψである。つまり、点P′(sinθ,0,cosθ)は、車両１がカーブを走行することにより、点P′′(sinθcosψ,sinθsinψ,cosθ)に移動する。

図６（ｃ）は、点P′と点P′′とのｙｚ平面における位置関係を示している。点P′′(sinθsinψ,cosθ)は、原点を中心として点P′(0,cosθ)を角度φだけ回転した点である。角度φは、カーブを走行することにより車両１に生ずるｘ軸を中心とした回転、すなわちロールに対応する。

ここで、tanφは以下の式で表すことができる。
tanφ = sinθsinψ / cosθ = (sinθ / cosθ) × sinψ （式１）

一方、tanθについて以下の式が成り立つ。
tanθ = sinθ / cosθ （式２）

式１に式２を代入することにより、以下の式が得られる。
tanφ = tanθ × sinψ （式３）

式３は、角度θで傾斜した車両１においてヨー角およびロール角を取得した場合、ロール角の正接（tanφ）とヨー角の正弦（sinψ）とが、傾きをtanθとする直線上にあることを意味する。

図７は、車体ヨー角と車体ロール角との関係の例を示すグラフである。

グラフ７００において、第１軸である横軸はヨー角の正弦（sinψ）を、第２軸である縦軸はロール角の正接（tanφ）を示している。

第１系列７０１は、車体傾斜角が比較的大きい（例えば８度）状態で走行しているときに取得された複数のヨー角およびロール角をマッピングした例を示している。第２系列７０２は、車体傾斜角が比較的小さい（例えば４度）状態で走行しているときに取得された複数のヨー角およびロール角をマッピングした例を示している。第３系列７０３は、車体傾斜角がない状態で走行しているときに取得された複数のヨー角およびロール角をマッピングした例を示している。

このようにマッピングされたロール角の正接およびヨー角の正弦について、傾斜角算出部３３２は、分布傾向を示す回帰直線を作成する。回帰直線は、最小二乗法などの既知の手法により作成することができる。

例えば、第１系列７０１の回帰直線７０４の傾きが0.1439であるとする。式３より、回帰直線７０４の傾きは、第１系列７０１に対応するヨー角およびロール角を取得したときの車両１の傾斜角の正接（tanθ）に相当する。

したがって、傾斜角算出部３３２は、回帰直線の傾きの逆正接（tan^-1）を求めることにより、車両１の傾斜角（θ）を算出することができる。例えば、回帰直線７０４の傾きの逆正接である8.132が、第１系列７０１に対応するヨー角およびロール角を取得したときの車両１の傾斜角として算出される。

このように、傾斜角算出部３３２が、ヨー角の正弦を第１軸としロール角の正接を第２軸としてマッピングしたときの各点の分布傾向を表す回帰直線の傾きの逆正接を、車両１の傾斜角として算出することにより、傾斜角計測装置３は、路面傾斜角を切り分けることなく車両の傾斜角を計測することができる。

傾斜角算出部３３２は、所定数の異なる値のヨー角および対応するロール角が角度記憶部３３１に記憶された後に傾斜角を算出してもよい。

傾斜角算出部３３２が所定数のヨー角およびロール角に基づいて傾斜角の算出を行うようにすることで、所定数に満たないヨー角およびロール角に基づく傾斜角の算出が行われないため、傾斜角計測装置３は、車両の傾斜角をより高い精度で計測することができる。

図４に戻り、傾斜角記憶部３３３は、車両１が走行しているときに算出された傾斜角を、記憶部３４に保存する。傾斜角記憶部３３３に記憶される傾斜角は、傾斜角算出部３３２が新たな傾斜角を算出する度に上書きされる。

また、傾斜角記憶部３３３は、車両１が走行を開始してから傾斜角算出部３３２が算出した傾斜角をすべて記憶しておき、この走行における車両１の傾斜角としてこれらの平均値を出力してもよい。

また、傾斜角記憶部３３３は、車両１が走行しているときに他のセンサにより計測された傾斜角を記憶してもよい。他のセンサとは、例えば地磁気センサまたは加速度センサである。

傾斜角記憶部３３３に記憶された傾斜角は、前回走行時に計測された車両１の傾斜角として、走行開始時点に参照可能となる。

停止時移動検出部３３４は、車両１が走行していないときの車両１の移動の有無を検出するとエラー情報を出力する。

図８は、傾斜角計測装置の動作フローチャートである。

まず、停止時移動検出部３３４は、車両１が走行していないとき（停止時）の車両１の移動が検出されたか否かを判定する（ステップＳ１）。

停止時における車両１の移動の有無は、例えば、車両１が備えるセキュリティシステム（不図示）による停止時における発報、角速度センサ２の出力値の停止時における閾値を超えた変動、車両１が備えるエアバッグシステム等に含まれる加速度センサ（不図示）の出力値の停止時における敷地を超えた変動、車両１が備えるカーナビゲーションシステム（不図示）または車両１と関連づけられたスマートフォン等がそれぞれ有する衛星測位システム（不図示）により取得される位置情報の変位、または、車両１が備えるカーナビゲーションシステム（不図示）または車両１と関連づけられたスマートフォン等がそれぞれ有する地磁気センサ（不図示）により取得されるセンサ値の変動などに基づいて、検出することができる。

停止時の車両１の移動が検出されなかった場合（ステップＳ１：Ｎ）、角度記憶部３３１は、車両１のヨー角およびロール角を取得し、記憶する（ステップＳ２）。

次に、傾斜角算出部３３２は、車両１が走行を開始して以降、所定数の異なる値のヨー角および対応するロール角が角度記憶部３３１に記憶されたか否かを判定する（ステップＳ３）。

所定数のヨー角およびロール角が記憶されたと判定されなかった場合（ステップＳ３：Ｎ）、傾斜角算出部３３２は、傾斜角記憶部３３３に記憶されている傾斜角（前回値）を車両１の傾斜角として算出し（ステップＳ４）、ステップＳ２に戻る。

所定数のヨー角およびロール角が記憶されたと判定された場合（ステップＳ３：Ｙ）、傾斜角算出部３３２は、記憶された複数のヨー角およびロール角に基づいて、車両１の左右方向を軸とする傾斜角を算出し（ステップＳ５）、傾斜角計測装置３は処理を終了する。

傾斜角算出部３３２が、所定数のヨー角およびロール角が記憶された後に傾斜角を算出することで、傾斜角計測装置３は、算出される傾斜角の誤差を減少させることができる。

傾斜角算出部３３２が、所定数のヨー角およびロール角が記憶されるまで、傾斜角記憶部３３３に記憶されている傾斜角を車両１の傾斜角として算出することで、傾斜角計測装置３は、角度記憶部３３１に所定数のヨー角およびロール角が記憶される前であっても傾斜角を計測することができる。

停止時の車両１の移動が検出された場合（ステップＳ１：Ｙ）、停止時移動検出部３３４は、エラーを出力し（ステップＳ６）、傾斜角計測装置３は処理を終了する。

停止時に車両１が移動されると、路面の傾斜角が変化する可能性がある。前回走行時と移動後とで路面傾斜角が変化している場合、前回走行時の傾斜角は、その時の傾斜角として使用するのに適切なものではない。

停止時移動検出部３３４が、停止時の車両１の移動が検出された場合にエラーを出力することにより、適切でない前回走行時の傾斜角の使用による不具合を回避することができる。

停止時移動検出部３３４の出力するエラーに基づいて、車両１は、車両１の前照灯の角度を調整するオートレベリング装置におけるオートレベリング制御を中止してよい。このとき、オートレベリング装置は、前照灯の角度を下げるなどのフェールセーフ制御を行ってよい。また、停止時移動検出部３３４の出力するエラーに基づいて、車両１は、ユーザへの通知を行ってよい。

以上のように傾斜角計測装置３を動作させることにより、傾斜角計測装置３は、加速度センサよりも安価な角速度センサを用いて、路面傾斜角を切り分けることなく車両の傾斜角を計測することができる。

なお、傾斜角計測装置３は、停止時移動検出部３３４を有していなくてもよい。さらに、傾斜角計測装置３は、傾斜角記憶部３３３を有していなくてもよい。

当業者は、本発明の精神および範囲から外れることなく、種々の変更、置換および修正をこれに加えることが可能であることを理解されたい。

１ 車両
２ 角速度センサ
３ 傾斜角計測装置
３３１ 角度記憶部
３３２ 傾斜角算出部
３３３ 傾斜角記憶部
３３４ 停止時移動検出部

Claims (6)

1. 車両が走行しているときに複数回取得した、前記車両の上下方向を軸とする回転の角度であるヨー角と前記車両の前後方向を軸とする回転の角度であるロール角とを記憶する角度記憶部と、
   記憶された複数の前記ヨー角および前記ロール角に基づいて、前記車両の左右方向を軸とする傾斜角を算出する傾斜角算出部と、
   を備える傾斜角計測装置。
2. 前記傾斜角算出部は、前記記憶された複数の前記ヨー角および前記ロール角を、前記ヨー角の正弦を第１軸とし前記ロール角の正接を第２軸としてマッピングしたときの各点の分布傾向を表す回帰直線の傾きを求め、前記傾きの逆正接を前記傾斜角として算出する、請求項１に記載の傾斜角計測装置。
3. 前記角度記憶部は、前記車両に設けられた角速度センサから受信した、前記車両の上下方向を軸とする回転の角速度と前記車両の前後方向を軸とする回転の角速度とをそれぞれ積分することにより、前記ヨー角および前記ロール角を取得する、請求項１または２に記載の傾斜角計測装置。
4. 前記車両が走行を開始して以降、所定数の異なる値の前記ヨー角および対応する前記ロール角が前記角度記憶部に記憶された後に、前記傾斜角算出部が前記傾斜角を算出する、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の傾斜角計測装置。
5. 前記車両が走行しているときに算出された傾斜角を不揮発に記憶する傾斜角記憶部をさらに備え、
   前記傾斜角算出部は、前記車両が走行を開始して以降、前記所定数の異なる値の前記ヨー角および対応する前記ロール角が前記角度記憶部に記憶されるまで、前記傾斜角記憶部に記憶されている傾斜角を傾斜角として算出する、請求項４に記載の傾斜角計測装置。
6. 車両が走行しているときに複数回取得した、前記車両の上下方向を軸とする回転の角度であるヨー角と前記車両の前後方向を軸とする回転の角度であるロール角とを記憶する角度記憶ステップと、
   記憶された前記ヨー角および前記ロール角に基づいて、前記車両の左右方向を軸とする傾斜角を算出する傾斜角算出ステップと、
   を含む傾斜角計測方法。

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