JPH0420860A - 絶対速度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、車両等の移動物体（被測定物体）の絶対速
度を推定して求める絶対速度計に関するものである。

［従来の技術］ 従来、この種の絶対速度計としては、例えば空間フィル
タ法を用いたものがある。これは、路面に規則性を有し
て存在している光学的なムラを集光レンズ、空間フィル
タ等を介して光センサで検出し、前記ムラの発生曲度に
基づいて移動する移動物体の対地絶対速度を検出するも
のである。

［発明が解決しようとする問題点］ しかし、この種の従来の絶対速度計は、路面からの反射
光を利用する構成であるため、常時路面に向けて強い照
明光を照射しなくてはならず、また光学系を用いるので
必然的に装置としての規模が人きく、かつ高価になり、
安易に車両用等の速度計として採用することができない
という問題点があった。また、モーターボート、外洋船
等の船舶の絶対速度を測定する場合には、船舶が潮流の
影響を受【フて潮流に乗って流れるので、海面に対する
速度はａｌｌ＋定できても対地絶対速度は検出すること
はできないという問題点があった。更に、車両用アンチ
スキッドシステムの車速センサとして使用した場合、路
面が氷面となっていると光学的なムラが通常の道路に比
べて極めて少なくなるので車速を検出できないと云う問
題点があった。

［発明が解決するための手段］ この発明は、上記問題点に鑑み、車両の車輪速、絶対速
度、車体加速度、＋１輪半径の誤差を関係づける状態方
程式に着目し、これに拡張カルマンフィルタを応用する
もので、被測定物体の変位方向の加速度を検出する第一
のセンサと、前記被測定物体の速度を検出する第二のセ
ンサと、前記第一及び第二のセンサからの検出１８号に
基づいて前記被測定物の絶対速度を推定して算出する演
算手段とを備え、被測定物体である移動物体の対地絶対
速度を推定する。

［作用］ この発明に係る対地絶対速度計は、移動物体の変位方向
の加速度と速度とを検出し、それらの検出出力に基づい
て移動、物体の対地絶対速度を粘度良く推定して求める
もので１例えばスリップ、スキッドなどの大きな誤差が
混入された場合１ＭＩ単なルールに基づきフィルタ係数
である観測雑音の共分散行列や推定値の共分散行列の初
期値及び状態の値をリセットする。

［実施例］ 第１図乃至第８図に基づいてこの発明の詳細な説明する
。

先ず、以下の説明の中で用いられる記号等の説明及び後
で使用する事項を定義する（ｗ−１［Ｆ］奎解、）。

し二時間　τ：離散計測におけるサンプル間隔ＡＭ真の
加速度　　ＡＩ：計測（検出）加速度■Ｌ＝真の対地絶
対速度　　■ｍ：車輪速による測定速度（検出速度）Ｖ
ω：車輪速がら求めた論理速度　　ω：車輪回転速度　
　ｒ：基準車輪半径Δｒ：車輪半径の誤差　　Ｅ：車輪
半径の誤差率Ｎシ：定常速度計測雑音　　Ｎａ：加速度
計測雑音Ｗ、：第２加速度　　Ｗ２：Ｎｖ微分値の雑音
Ｗ、：ｔの時間変化率　　Ｒａ：Ｎａの分散Ｒｖ：　Ｎ
ｖの分散　　Ｑ１’：Ｗ、の分散Ｑ２：　Ｗ、（７）分
子Ｆ１．Ｑ、、　：　Ｗ、（７）分散Ｐ、：Δｔの推定
値の分散 ｐ、：ｖｔの推定値の分散 Ｐ３：ｔの推定値の分散 θ、：ルール１のしきい値 θ２：ルール２のしきい値 θ、：ルール３のしきい値 θ４：ルール４のしきい値 Ｒ：雑音（Ｎａ、Ｎｖ）の共分散行列 Ｑ：　　（Ｗ、、Ｗ、、Ｗ３）の共分散行列Ｐ　：　　
（Ａｔ、　Ｖｔ、ε）の推定値の共分散行列また。変数
（Ａｔ、Ｖω、　ｖｔ、　［）（７）推定値には−を付
ける。す（両速度Ｖ−は車輪回転速度ωに基準車輪半径
ｒを掛けて求まるものであり、この車両速度Ｖ■及び進
行方向加速度Ａｔｅには次の理由で誤差、雑音が含まれ
る。

（Ｅｌ）　　！１１輪の半径はタイヤの空気圧の変化、
摩耗、車体型Ｂ（の変化により基準車輪半径ｒがら微小
に変化する。

（Ｅｌ）定常走行時でも路面と１１（輪の間に僅かなス
リップが生じている。

（Ｅ３）急な加速又は減速時に路面と車輪の間に大きな
スリップ、スキッドが発生し、大きなインパルス状の非
定常誤差が現われる。

（Ｅ４）速度Ｖ１計測において、路面の凹凸、車両の振
動などによる定常的な雑音が加わる。

（Ｅ５）加速度ＡＩｌ、！を測において、車両振動など
により、大きな分散をもつ高周波雑音が加わる。

以上の誤差、雑音及び計測法に関して次の仮定を設ける
。

（ＡＩ）　　（Ｅｌ）の定常走行時のスリップが僅がで
あり。

速度に比例する。二九によりこのスリップによる誤差は
、車輪半径変化としてとらえられる。

（Ａ２）　　（Ｅ４）、（Ｅ５）の雑音は何れもゼロ平
均で正規分布に従う定常雑音とする。

（Ａ３）加速度ＡＩＩ計測において、加速度センサの周
波数特性、設置方法に工夫を加え、車両のピッチング、
ヨーイングの影響は無視できるものとする。

次にこの発明を車両用速度検出器に応用した具体的実施
例を第２図に基づいて説明する（１）はトランスミッシ
ョンに取り付けられ、真の車速に対して誤差が±１０％
程度有する精度の患い車速センサ（第二のセンサ）、（
２）は車両進行方向のみの加速度を検出するように車体
に取り付けられた加速度センサ（第一のセンサ）、（３
）はＣＰＵ等からなる演算回路で、車速センサ（１）と
加速度センサ（２）とから検出出力を入力し、車両の対
地絶対速度を次に示す拡張カルマンフィルタによる手法
を用いて推定し、その演算結果を絶対速度信号として出
力する。

次に上記に述べた拡張カルマンフィルタによる対地絶対
速度の求め方を述べる。

車輪四転速度ωからの車両の速度■ωはＶω＝ω’ｒ”
”’”−−（Ｉａ） で求められる。車輪半径が仮定（ＡＩ）の定常走行時の
スリップも含み、誤差△ｒをもつ場合には、対地絶対速
度は ■ｔ＝ω・（ｒ＋Δｒ　）＝　Ｖ　ω・（Ｊ　＋　ｔ　
）−・−（Ｉｂ）となる０Ｍｔ速センサ（１′）からの
検出出力、即ち実速度Ｖｍ、加速度センサ（２）からの
検出出力、即ち計測加速度Ａｍは次式で与えられる。

■謬＝Ｖω＋Ｎｖ・・・・・・・・・・・・・・・・・
・（ｌｃ）Ａ　ｍ＝　Ａ　ｔｅ　Ｎ　ａ・・・・・・・
・・・・・・・・・・（］ｄ）真の加速度Ａｔを微分す
ると１次のようになる。

ｄ　　Ａｔ／ｄｔ＝Ｗ、、　　Ａｔ（０）＝Ａｔ、−−
・・・−（ｌｅ）また（１ｂ）式の両辺を微分し、整理
するとｄＶω／ｄ　ｔ＝　ｄ　Ｖｔ／ｄ土−ε　・ｄＶ
ω／ｄ−ｔ＝Δｔ−ｔ−Ａｍ＋Ｗ２ ■ω（Ｏ）＝Ｖω。

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（Ｉｆ）と
なる。

ここで変数Ｗ２は次式で与えられる。

Ｗ、＝ε　・Ｎ、１＋ε２・ｄＶω／ｄｔ・・・・・・
・・・・・・（Ｉｇ）誤差（Ｅｌ）、　（Ｅ２）、仮定
（ＡＩ）よりＥは小さな値を有し、仮定（Ａ２）よりＮ
ａはゼロ平均の正規性雑音であることにより、変数Ｗ２
もゼロ平均の正規性雑音とみなせる。また車輪半径の誤
差率Ｅは微小でゆっくり変化し、Ｗ３を小さな値を有す
る変数とすると ｄ　ε／ｄｔ＝Ｗ、、　　　ε　（０）＝　Ｅ　、・・
・・・・・・・・・（ｔｈ）と記述できる。

いま、次のベクトル、行列を定義する。

・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２ａ）（ｌｅ
）、（Ｉｆ）、（ｌｈ）式の連立微分方程式をサンプル
間隔てでＭ数値化し、（ｋ）　、　（Ｉｄ）式を出力方
程式とすると、 Ｘ（ｔ÷１）＝　Ａ　（ｔ）・ｘ　（ｔ）　＋　Ｂ（ｔ
）・Ｗ（−ｔ）Ｘ（０）＝Ｘ。

Ｚ　（ｔ）　＝　Ｃ（ｔ）・ｘ（±）＋８（１）（２ｂ
） なる状態方程式が得られる。

この方程式の変数には定数として取り扱うへき量Ｃが含
まれ、拡張状態方程式になっている。変数（システｔ１
雑音）（’ｘ、’ｚ、’ｊは互いに統計的に独立し、雑
音（観測雑ｆ）（Ｎａ、Ｎｖ）も独立しているとして、
これらの変数、雑音の共分散行列をとして（２ｂ）　、
　（２ｃ）式に次のａ数値拡散カルマンフィルタを施し
、ｘ（−ｅ）を推定する。

Ｘ　（ｔｅ１）＝Ａ　（ｔ）・Ｘ　（ｔ）＋　Ｐ　（ｔ
ｅ　ｌ）・Ｃ（ｔ＋＋）・Ｒ（ｔｅ１）−’（７，（ｔ
ｅＩ）　−Ｃ’　（ｔｅ１）・Ａ（ｔ）・Ｘ（ｔ））Ｘ
（ｔ）＝Ｘ。

・・・　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・　　（２ｄ）ここで、ｐ（ｇはＸ（−ｔ）とＸ
（ｔ）（７）誤差の共分散行列で次式で与えられる。

Ｐ　（ｔ）＝Ｍ　（ｔ）−Ｍ　（Ｏ・ｃ　（ｔ）・［、
Ｃ（ｔ）・Ｍ（ｔ）・Ｃ（ｔ）＋　Ｒ（ｔ）］　　・Ｃ
（ｔ）・Ｍ　（ｔ）Ｍ　（ｔ）＝Ａ　（ｔ−１）・Ｐ（
ｔ−１）・Ａ　（ｔ−１）＋Ｂ　（ｔ−１）・Ｑ（−ｔ
−１）・Ｂ（ｔ−１５ｒ Ｐ（０）＝Ｐ。

（２ｅ） 推定値又（１）・［Ａｔ（ｔ）　「ω（ｔ）　：　（ｔ
）ｊ’（７）　Ｖ　ｔ−＞　（ｔ）。

７（ｔ）を（１ｂ）式に代入して、推定対地絶対速度Ｖ
ｔ（１）を求める。　（２ｂ）式の状態方程式は車両の
進行方向加速度がゼロでない時間帯において可ａ甜であ
る。またスリップ、スキッドがなく大きなインパルス状
の非定常誤差が印加されなければ、遅いが推定スペクト
ル”’Ｘ　（ｔ）はＸ（ｔ）に収束する。これにより、
絶対速度推定の基本構造が構築でき、　ＣＥ４）　、　
（Ｅ５）の雑音が除去できる。しかし、　（Ｅ３）のス
リップ、スキットがあると、収束ができなくなる可能性
がある。

ここで、スリップ、スキッドに伴う非定常誤差を補正す
るため、また実際に起こらない、又は起こりにくい現象
を実際に起こりにくくするように拡張カルマンフィルタ
の係数行列Ｒ（ｔ）　ｙ　Ｑ　（ｔ）　ｖ　Ｐ（１）及
び推定変数７（１：）を次のｆｆｆｌｊｌＬなルールに
基づき変更する。

以下、車両定常走行時のシステム雑音、ｌ１ＩＩ測雑音
の分散には８を付ける。またθｊはルールのしきい値で
ある。

［スリップ、スキッドの発生時］ （Ｅ３）のスリップ、スキッドが発生すると検出速度■
■と対地絶対速度前の間に大きな差が現われるので、そ
の判定は容易である。この状況では、検出速度ｖＩＩに
大きな誤差が混入したことになりその分散Ｒｖを大きく
、加速度計測の分散Ｒａを小さくして、加速度信号に重
いウェイトをかけて状態を推定する。そのため次の様な
ルールを作る。

ル　−　ル　Ｉ　： 仮ニＩ（Ｖｔ（ｔ）−Ｖｍ（ｔ））／Ｖｔ（ｔ）ｌ＞θ
□　ならばＲａ＝０．５Ｘ−Ｒａ”、Ｒｖ＝ｌＯ００Ｘ
　　Ｒｖ″′それ以外のときは　Ｒａ＝Ｒａ”、　Ｒｖ
＝Ｒｖ［急加速、急減速時］ この状況では第２加速度Ｗ、の分散Ｑ、が大きくなる。

これに伴い、Ｑｌを大きく設定する。また急激な加速度
変化に伴い、車輪半径の誤差率７が大きい影響を受は変
化してしまう０本来誤差率Ｅは経時的変化であり、加速
度、速度の変化に比べかなり遅く、急激な加速度変化に
よって突然変化し始めるものではない、そこで、誤差率
εの時間変化率Ｗ３の分散Ｑ、を小さい値にリセットす
ると共に、大きく変化してしまった誤差率７をもとの値
にリセットする。ルールは次のように記述される。

ル　−　ル　２： 仮に　Ｉ　Ａｔ（ｔ）　−Ａｔ（ｔ−１）ｌ＞０２　な
らばＱ１＝２ＸＱげ　　　Ｑ□＝０．００００１Ｘ　Ｑ
、”ｔ　（ｔ）＝　ｉ　（ｔ−２） それ以外ならば Ｑ、＝Ｑ、”　　　Ｑ、＝Ｑ、” ［車輪半径誤差率Ｅ変化″のローパスフィルタリング］
車輪半径の誤差率εの変化は極めて遅いが、この変化を
高感度に捕えないと、　（Ｅｌ）、（Ｅ２）の誤差は吸
収できない、誤差率Ｃの高い推定感度を保ちつつ、急に
誤差率Ｅは変化しないようにする論理ローパスフィルタ
リングを施す、これはルール２にも既に採用されている
が、更に一般的にもう一つのルールを設けておく。

ル−　ル３： 仮に　Ｉ　ｔ　（ｔ）−ｔ　（ｔ−１）　ｌ　＞θ、な
らばｔ　（ｔ）＝ｒ　（ｔ−２） ［負の速度のリセットと推定のスピードアップ］前方に
進行中の車両が負の速度になることは考えにくい。車両
が低速走行する場合、難行によって推定絶対速度が負に
なることがある。この場合この値をゼロにリセットする
と共に、カルマンフィルタの推定値の共分散行列を初期
値にリセットし、推定の収束速度を速める。

ル　−　ル４−： 仮に　Ｖｔ（ｔ）（θ４　ならば Ｐ　（ｔ）＝ｒ’ｎＶ　ｔ（ｔ）＝０ 次に、上記に説明した理論の妥当性を証明するために行
ったシュミレーションと簡単な模型実験の結果を記載す
る。

［シュミレーション］ 第３図（Ａ）の破線に進行方向の絶対速度（推定速度）
ｖｔを示す、この絶対速度Ｖｔにスリップ、スキッドに
よるインパルス状の誤差とバイアス誤差。

統計的に定常な雑音を加えて車輪速を発生する。

第３図（Ａ）の実線に車輪速を示す、また、第３図（Ｂ
）の破線に真の加速度Ａｔを示す、この加速度Ａｔにゼ
ロ平均の正規性高周波雑音を印加し、計測加速度を発生
する。第３図（Ｂ）の実線に測定（検出）加速度を示す
。

次にシュミレーション条件を記述する。

［シュミレーション波形発生］ シュミレーション時間　　　　　　４０ｓｅｃサンプル
間隔τ　　　　　　　　Ｏ，０１ｓｅｃ車輪半径の誤差
率ｉ　　　　　　　２．Ｏ％第２加速度の分散Ｑ、”　
　　　　　５．１４ｗ３−３定常加速度の変数Ｗ、の分
子ＩＩＱ２’　ＩＸ　１Ｏ−２ｆｆｉ−”定常加速度の
変数Ｗ、の分散Ｑ３”　３Ｘ　１０−’ｓ−”加速度雑
音の分散Ｒａ　　　　　　Ｏ，８ｍ−”速度雑音の分散
Ｒｖ　　　　　　　Ｏ，０５郵″″１スリップ発生時間
　　　　　　　３〜６ｓｅｃ速度雑音の分散Ｒｖ”　　
　　　　　０．０５ｗｌ５−”スリップ発生時間　　　
　　　　３〜６ｓｅｃスキッド発生時間　　　　　　　
２６〜２９ｓｅｃ（カルマンフィルタの初期条件） ［ルールのしきい値］ Ｏｘ＝１０％、θ、＝０．０５ＩＩＩ５−”　、　（？
　、＝１％、　０　、：０．０ｍ−’第４図にルール無
し拡張カルマンフィルタによる推定速度を示す、３．０
〜６．０ｓｅｃの間に発生したスリップにより、推定速
度は大きな影響を受は継続する。これは誤差率εに誤差
推定値が残留するためである。

次に、第５図にルール付きカルマンフィルタによる推定
速度を示す、第Ｓ図の上段には設定した絶対速度と推定
速度を示す、下段はルール１〜４のオン／オフの状況を
示す、波形が上にある場合。

即ち１”の場合ルールが適用され、下にある場合、即ち
０”の場合適用されない、この場合スリップ、スキッド
発生時でも精度良く絶対速度を推定している。また加速
度Ａｔも全体として精度良く推定されている。また誤差
率εはゆっくり推定し、　３０ｓｅｃ以降でほぼ設定値
に収束した。

［模型実験コ 第６図に示す模型装置で実験を行った。

この実験は鉛直軸４回りの回転アーム５に車両６をつけ
、車両６は水平面上を円周走行しかできないようにした
ものである。車両６は搭載されたモータ（図示せず）で
駆動され、搭載された電磁ブレーキ（図示せず）で減速
する。車両６の速度は車輪軸に取り付けたタコジェネレ
ータＴｂより求め、絶対速度Ｖｔは垂直軸４の回りの回
転アーｔｚ　５の回転速度をタコジェネレータダＴａで
計測し、それに回転アーム５の半径を掛けることで求め
た。加速度ＡｔはタコジェネレータＴ、ａから求めた絶
対速度Ｖ−ｔを微分して得た。装置及び実験パラメータ
は次の通りである。

車輪にかかる重量　　　　　０．７１ｋｇｆアームの長
さＲＯ，６２３■ 車輪半径ｒ　　　　　　　　　Ｏ，０３０２ｍ実験時間
　　　　　　　１４．４５＄ＩＣサンプル間隔ｔ　　　
　　０．０１４４ｓｅｃ定常走行におけるシステｌ、雑
音、観測雑音の共分散行列を次のように設定する。

推定値の共分ＩＩＩ行列の初期値Ｐｎはシュミレーショ
ンの場合と同じ値にし、またルールのしきい値は θ、＝５％　θ２＝０．０６ｍ−”　　θ、＝Ｏ，：Ｊ
％　θ４＝　肥−１とした。

第７図（Ａ）の実線はタコジェネレータＴａによる絶対
速度Ｖしによる速度Ｖ−である。減速時にタイヤがロッ
クされ、ＶドＯとなり大きなインパルス状の誤差が発生
している。加速度Ａｔは第７図（Ｂ）に示すように非常
に大きい振幅の高周波雑音で乱されている。第８図にル
ール付きの拡張カルマンフィルタで推定した対地絶対速
度Ｖ±、タコジェネレータＴａで直接測定した検出速度
Ｖ■を示す、シュミレージョンの場合と同様に精度良く
推定している。推定加速度Ａｔでは、測定の大きなｍ幅
の高周波雑音Ｎａが除去されている。

なお、次にシュミレーションと模型実験の補足説明をす
る。

シュミレーションと模型実験のルール付きカルマンフィ
ルタリングにおいて、ルール中の分散の倍率（ルール１
の場合、０．５倍と１０００倍；ルール２の場合、２倍
と０．００００１倍）、各ルールのしきい値θ□。

θ２．θ３．θ４及び推定値の共分散の初期値Ｐ０の値
は正確にここで示した値でなければならないわけではな
い６数倍または１桁異なっても同じような推定が可能で
ある。

従って、これらのパラメータのｉＡ整において必ずしも
ファインチューニング　を必要としない。

システム雑音、観測雑音の共分散行列Ｒの値の設定にお
いても同様なことが言える。スリップ、スキッド発生時
でも車両用アンチスキッドにおける基準速度信号として
使用可能な対地絶対速度を精度良く求めることができる
。

以上の様に１本発明によれば、被測定物体の変位方向の
加速度を検出する第一のセンサと、前記被測定物体の速
度を検出する第二のセンサと、前記第一及び第二のセン
サからの検出信号に基づいて前記被測定物の絶対速度を
推定して算出する演算手段とを備え、該演算手段からの
出力を絶対速度ｆ目量となすことを特徴とする絶対速度
計としたため、光学系を用いずに装置を構成できるため
構造がコンパクトになり、しかも塵、挨等に極めて強く
なり、また夜間でも照明源を用いなくても容易に絶対速
度を精度良く推定できと云う従来にない顕著な効果を得
ることができる。

また大きなインパルス状の誤差、バイアス誤差、定常ラ
ンダムな雑ａを含む車輪速と大きな分散を持つ高周波雑
音で乱された加速度データから精度の良い車体の対地絶
対速度を得ることができる等の効果があった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本件発明を説明するための実施例における車両
の速度、加速度についての概略説明図、第２図はこの発
明を説明するための回路ブロック図、第３図（Ａ）はタ
イヤの空気圧等の変化による車輪半径の変化等に基づく
検圧車速（タコジェネレータ’Ｉ”　ｂ出力）とタコジ
ェネレータＴ　ａ出力による車輪速度とを比較するため
の説明図、第３図（Ｂ）は定常的に発生させた高周波ノ
イズを有する加速度と検出された加速度とを比較するた
めの比較説明図、第４図は検圧車速と拡張カルマンフィ
ルタを用いて推定された推定車速とを比較するための説
明図、第５図はタコジェネレータ］゛ｂによる検出車速
と４つのルールによって条件付けた拡張カルマンフィル
タを用いて推定した推定車速とを比較するための説明図
、第６図はこの発明を確認するために作成した実験装置
の概略説明図、第７回（Δ）はブレーキ操作に伴い車輪
がスリップ及びロックしたときの検出車速（タフジェネ
レータＴａ出力）と実際に検出した重輪速度（タコジェ
ネレータ′Ｉ″ｂ出力）とを比較するための説明図、第
７図（Ｂ）はブレーキ操作に伴い車輪がスリップ及びロ
ックしたときに発生する検出加速度を示す説明図、第８
図はタコジェネレータ１゛ｂによる検出車速と４つのル
ールによって条件付けた拡張カルマンフィルタを用いて
推定した推定車速とを比較するための説明図である。 １・・・・・・・・・車速センサ　　２・・・・・・・
・・加速度センサ３・・・・・・・・演算回路 第１図 第２図 速度 ［ｍ／ｓ］ 加速度 ［ｍ／ｓ２］ 速度 ［ｍ／ｓｌ 速度［ｍ／ｓｌ 速度 ［ｍ／ｓ］ 加速度［ｍ／ｓ２］ 速度 ［ｍ／ｓ］

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）被測定物体の変位方向の加速度を検出する第一の
   センサと、前記被測定物体の速度を検出する第二のセン
   サと、前記第一及び第二のセンサからの検出信号に基づ
   いて前記被測定物の絶対速度を推定して算出する演算手
   段とを備え、該演算手段からの出力を絶対速度信号とな
   すことを特徴とする絶対速度計。