JPH05107074A - 移動体航法装置および物理量センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 角速度検出手段のオフセット誤差をなくし
て、移動体の高精度の位置検出を可能とする。 【構成】 オフセット誤差推定手段により第２の角速度
検出手段のオフセット誤差を推定して、その推定値を基
に第１の角速度検出手段の出力を角速度補正処置手段で
学習し、移動体の角速度を補正し、この角速度補正処置
手段で得られた補正後の角速度と絶体方位検出手段で検
出された移動体の絶体方位とから方位演算手段で移動体
の方位を演算し、この演算結果と移動距離検出手段で検
出された移動体の移動距離とから位置演算表示手段で移
動体の位置を演算して表示する。 【効果】 角速度のオフセット誤差が測定範囲の全域で
高精度に自動的に補正され、移動体の正確な位置が得ら
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、自動車のような移動
体の位置、方位を求め、道路地図パターンなどともに表
示器に表示し、目的地までの効率の良い走行を支援する
ような移動体航法装置および物理量センサに関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種類の移動体航法装置として
は、地磁気方位センサを用いた移動体の方位を検出し、
速度センサを用いて移動体の移動距離を検出し、その移
動距離と方位とからなる移動ベクトルをスタート位置に
積算して、逐次、移動体の位置を求めるものがある。

【０００３】しかしながら、走行する道路によっては、
地磁気方位が偏って乱れているために、この方法によっ
て得られた位置の正確さには、限界がある。

【０００４】一方、ヨー角速度（ヨーレート）を求める
角速度センサ（ジャイロ）と地磁気方位センサと併設し
たもの（特開昭５２−１１０５９９号公報）があった。

【０００５】この場合、地磁気方位センサは誤差が累積
することがないので、長距離移動しても比較的に信頼性
が高い点、車輪回転角差センサあるいは角速度センサ
は、短距離あるいは短時間の移動では、誤差があまり累
積しないので、短時間あるいは短距離移動時には比較的
に信頼性が高い点をそれぞれ生かすようにしたものであ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、角速度セン
サは、その原理によって、程度はまちまちであるが、一
般的に、置かれた環境の温度変化や自己発熱による角速
度出力のオフセットの変動（ドリリフト）があって、上
述の短距離あるいは短時間の移動での信頼性が発揮され
ないという課題があった。

【０００７】このため、自動車内のような通常の環境下
では、センサ温度を一定に保つための高価でかさばる恒
温槽の設置あるいは、何等かの補正が不可欠である。

【０００８】角速度センサのオフセット誤差を補正する
ものとしては、移動体が停止する度にその時の出力をオ
フセット誤差として検出保持し、その後の走行時におけ
る角速度センサ出力から保持値を差し引いて補正するも
の（特開昭５５−１５５０５号公報）があった。

【０００９】この公報の方法の場合は、度々停止する走
行、つまり、街中や渋滞道路での走行では、有効であっ
たが、長時間にわたって停止のない走行、例えば、高速
道路での走行におけるオフセット誤差のドリフトに対し
ては無力であった。

【００１０】請求項１に記載の発明は、上記のような課
題を解消するためになされたもので、角速度センサにお
けるオフセット誤差のドリフトの問題を解決できるとと
もに、角速度検出手段のオフセットドリフトがあって
も、走行中に自動的にオフセット誤差を推定、補正し、
結果的に飛躍的に高い精度の方位検出が可能となり、十
分に高精度の位置検出が可能となる移動体航法装置を得
ることを目的とする。

【００１１】また、請求項２に記載の発明は、オフセッ
ト誤差が測定すべき範囲の全域にわたって高精度に自動
的に補正できる物理量センサを得ることを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
係る移動体航法装置は、移動体のヨー角速度を検出する
検出感度のことなる複数の角速度検出手段とこの複数の
角速度検出手段のうち検出感度の高い角速度検出手段の
出力を基に次に検出感度の高い角速度検出手段のオフセ
ット誤差を推定してこの推定オフセット誤差を基に検出
感度の次に高い角速度検出手段の出力を学習補正する段
階を有する角速度補正処置手段と、絶体方位検出手段
と、この絶体方位検出手段で検出された移動体の絶体方
位と角速度補正処置手段で補正された移動体の角速度と
を基に移動体方位を求め、方位演算手段とからなる方位
検出手段を設けたものである。

【００１３】また、請求項２に記載の発明に係る物理量
センサは、検出範囲をパラメータにして検出感度の異な
る複数の物理量検出手段と、この複数の物理量検出手段
のうちの検出感度の高い物理量検出手段の出力を基に次
の検出感度の高い物理量検出手段のオフセット誤差を推
定し、この推定オフセット誤差を基に検出感度の次に高
い物理量検出手段の出力を学習補正する学習補正手段と
を設けたものである。

【００１４】

【作用】請求項１に記載の発明における角速度補正処置
手段は、検出感度の高い角速度検出手段の出力を基に次
に検出感度の高い角速度検出手段のオフセット誤差を推
定して、その推定したオフセット誤差を基に検出感度の
次に高い角速度検出手段の出力を学習補正した移動体の
角速度と、絶体方位検出手段で検出された移動体の絶体
方位とを基に、方位演算手段で移動体方位を求める。

【００１５】また、請求項２に記載の発明における学習
補正手段により、複数の物理量検出手段のうちの検出感
度の高い物理量検出手段の出力を基に次の検出感度の高
い物理量検出手段のオフセット誤差を推定し、この推定
オフセット誤差を基に次の検出感度の高い物理量検出手
段の出力を学習補正する。

【００１６】

【実施例】以下、この発明の移動体航法装置および物理
量センサの実施例について図面に基づき説明する。図１
はその一実施例のを構成を示すブロック図である。この
図１における１は方位検出手段であり、この発明の特徴
をなす部分である。この方位検出手段１は以下に述べる
ように構成されている。

【００１７】すなわち、第１の角速度検出手段１１と、
第２の角速度検出手段１２と、角速度補正手段１３と、
絶体方位検出手段１４と、方位演算手段１５とから構成
されている。角速度補正手段１３は第１オフセット誤差
推定手段１３１と角速度補正処置手段１３２とから構成
されている。

【００１８】上記第１の角速度検出手段１１、第２の角
速度検出手段１２はそれぞれ、例えば音叉型の振動ジャ
イロのように、主方向に振動させた音叉に検出すべき回
転を与えた時に主方向とは異なる方向（副方向）に生じ
るコリオリカに応じて発生する副方向の振動を検出して
角速度を得る原理の角速度センサである。

【００１９】入力角速度をωとすると、第１の角速度検
出手段１１の理想出力Ｙ１（ω）、および第２の角速度
検出手段１２の理想出力Ｙ２（ω）は、それぞれ以下の
通りである。 Ｙ１（ω）＝ａ・ω Ｙ２（ω）＝Ｋ・ａ・ω

【００２０】実際には、それぞれオフセット誤差がある
ので、使用条件下での誤差の最大を、それぞれ±ｇ１ｍ
ａｘ、±ｇ２ｍａｘとする。また、それぞれ感度誤差も
あるが、一般的に誤差の程度が小さい場合が多いので、
ここでは、その影響を無視して、理想的な感度特性のも
のとして考える。

【００２１】また、第２の角速度検出手段１２は第１の
角速度検出手段１１に対して、検出範囲は犠牲にして狭
いが検出感度は１０倍の高い値としている。例えば、先
端に質量ｍ／２を有する音叉の振動ジャイロを使用する
場合、質量に比例した感度を得ることが出来ることが知
られている（論文：音叉形振動ジャイロについて；日本
航空宇宙学会誌、第３６巻、第４０８号、１９８８年１
月、Ｐ４５〜Ｐ４９）。

【００２２】第１の角速度検出手段１１の出力は角速度
補正手段１３のオフセット誤差推定手段１３１および角
速度補正処置手段１３２に送出するようになっている。
また、第２の角速度検出手段１２の出力は上記オフセッ
ト誤差推定手段１３１へ送出するようになっている。

【００２３】オフセット誤差推定手段１３１は第１の角
速度検出手段１１と第２の角速度検出手段１２のうちの
検出感度の高い方（この場合は、第２の角速度検出手段
１２とする）の出力を基に次の検出感度の高い方の角速
度検出手段（この場合は、第１の角速度検出手段１１と
する）のオフセット誤差を推定してその推定値を角速度
補正処置手段１３２へ出力するようになっている。

【００２４】角速度補正処置手段１３２はオフセット誤
差推定手段１３１からの推定値と第１の角速度検出手段
１１の出力とを入力して推定オフセット誤差を基にして
第１の角速度検出手段１１の出力を学習補正して方位演
算手段１５へ出力するようになっている。

【００２５】また、絶体方位検出手段１４は移動体の絶
体方位を検出するもので、その検出出力は方位演算手段
１５に送出するようになっている。方位演算手段１５は
絶体方位検出手段１４で検出された移動体の絶体方位と
角速度補正処置手段１３２で補正された移動体の角速度
とを基に移動体の方位を演算するようになっている。

【００２６】方位演算手段１５で演算された移動体の方
位、ひいては、方位検出手段１の出力と移動距離検出手
段２の出力とを位置演算表示手段３に送出して、この位
置演算表示手段３で方位演算手段１５の出力と移動距離
検出手段２の出力とから移動体の位置を演算して表示手
段に表示するようになっている。

【００２７】このような構成は、車速センサ、車速セン
サパルスをカウントするカウンタ、地磁気強度の水平成
分をさらに直交する２方向成分に分解して検出する二つ
の地磁気センサとそれらの出力のアナログ／ディジタル
（以下、Ａ／Ｄという）変換回路、感度を異ならせた二
つの音叉形ジャイロとそれらのＡ／Ｄ変換回路、車速セ
ンサパルスのカウンタ出力、Ａ／Ｄ変換値を入力し、処
理結果としての位置を地図に重ねてＣＲＴなどの表示器
に表示する表示部を有するマイクロコンピュータなどで
構成するのが実際的であるから、以下、このような構成
の実施例について説明する。

【００２８】このような構成の移動体航法装置におい
て、例えば、一定時間ごとに、以下のような処理を行
う。すなわち、移動距離検出手段２は移動体のプロペラ
シャフトの回転角に比例して発生する車速センサパルス
のカウント値増分Ｆを検出し、 ΔＬ＝Ｋ１・Ｆ（ただし、Ｋ１；定数） のような演算をして、移動体の移動距離ΔＬを検出す
る。

【００２９】位置演算表示手段３は、移動距離検出手段
２の出力と方位検出手段１で検出した移動体方位Ωに基
づいて、 Ｘｉ＝Ｘ（ｉ−１）＋ΔＬ・ｃｏｓΩｉ、 Ｙｉ＝Ｙ（ｉ−１）＋ΔＬ・ｓｉｎΩｉ、 のような演算を行い、位置Ｘｉ，Ｙｉを求め、必要に応
じてその位置に対応する領域の地図を描き、また、移動
体方位Ωｉの方位を向いた移動体のマークをその位置に
描く。地図データは、例えば、ＣＤ−ＲＯＭのような記
憶媒体に記憶したディジタル地図データが参照される。

【００３０】なお、サフィックス（ｉ）は今回演算値、
（ｉ−１）は前回演算値を示す。方位検出手段１におい
て、方位演算手段１５は、絶体方位検出手段１４の出力
θと角速度補正手段１３の出力である相対方位ΔΦを基
に、車両方位Ωを演算する。

【００３１】もし、ΔΨｉ＞Φｉならば、 Ωｉ＝Ω（ｉ−１）＋ΔΦｉ＋Ｍ であり、もし、ΔΨｉ＜ΔΦｉならば、 Ωｉ＝Ω（ｉ−１）＋ΔΦｉ−Ｍ であり、もし、ΔΨｉ＝ΔΦｉなら、 Ωｉ＝Ω（ｉ−１）＋ΔΦｉ である。ただし、ΔΨｉは地磁気方位θｉと前回車両方
位Ω（ｉ−１）の差｛ΔΨｉ＝θｉ−Ω（ｉ−１）｝で
あり、Ｍは相対方位検出手段としての角速度補正手段１
３の推定誤差であり、ここでは、例えば、以下の数１の
ようなものとされる。

【００３２】

【数１】

【００３３】ただし、この数１において、ｔは装置起動
後の経過時間、Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，ｎはそれぞれ所定の
定数である。Ｋ３は、ジャイロ出力の温度ドリフト特性
等から決まる所定値としている。また、数１の第１項は
車両方位の初期値を地磁気方位に設定するための値とす
るとともに、少しずつ、しかも、滑らかに所定地Ｋ１へ
移行させるための項である。

【００３４】絶体方位検出手段１４の出力θは、地磁気
の水平成分を検出するように配置され、互いに直交する
二つの地磁気センサのＡ／Ｄ変換値Ｕ，Ｖから次式に示
すように演算する。 θ＝ａｒｃｔａｎ（Ｖ／Ｕ）＋θ０、 ただし、θ０地磁気の偏角補正値である。

【００３５】角速度補正手段１３は、オフセット誤差推
定手段１３１において、第２の角速度検出手段１２の高
感度角速度出力を基に、第１の角速度検出手段１１のオ
フセット誤差を推定する。また、その推定誤差を基に、
第１の角速度検出手段１１の出力を補正し、タイマ割り
込み周期を乗じ、相対方位Δφｉとして出力する。

【００３６】角速度補正手段１３は、例えば、図２に示
すような、信号データ処理の手順（フローチャート）で
処理される。まず、この発明の装置が起動された直後に
のみ、起動時処理が実行される。そこでは、起動直後フ
ラグがセットされる。以後、前述した位置演算などの処
理および図２に示すタイマ割り込み処理（角速度補正処
理）は、説明の便宜上、１秒ごとに１回、実行されるも
のとする。

【００３７】以下、各ステップの処理を順を追って説明
する。まず、ステップＳ１では、略非直進走行時間タイ
マがカウントアップされる。次のステップＳ２では、第
１の角速度検出手段１１（以下、第１センサという）が
比較的に安定にしているかが評価される。つまり、例え
ば、第１センサ１１の今回の出力と前回の出力の差の絶
体値が所定値１より小さく、かつ出力の移動平均に対す
る今回の出力の値の絶体値が所定値２より小さいかが評
価される。このステップは感度を高くした第２の角速度
検出手段１２（以下、第２センサという）が入力角速度
に対して追従出来ない場合を救済するために設けてい
る。つまり、下記のステップＳ３での判定に外乱の影響
が入るのを減らす目的で設けている。

【００３８】このステップＳ３では、第１センサ１１の
出力による推定角速度入力は第２センサ１２の直線性が
保証される範囲内にあるか否かが評価される。次のステ
ップＳ４では、第２センサ１２の出力を基に入力角速度
を推定する。

【００３９】ステップＳ５では、推定入力角速度を基に
第１センサ１１の規定出力を演算する。次いで、ステッ
プＳ６に進み、このステップＳ６では、第１センサ１１
の出力の誤差を推定する。次のステップＳ７では、装置
が起動直後か、否か評価される。その評価の結果、起動
直後であれば、ステップＳ８に進み、このステップＳ８
では、起動直後フラグがクリアされ、ステップＳ９に進
み、ステップＳ９では、学習係数ηが演算され、ステッ
プＳ１１に進む。

【００４０】一方、前記ステップＳ７において、装置が
起動直後でないと評価されるとステップＳ７のＮＯ側か
らステップＳ１０に進み、このステップＳ１０で、非略
直進走行時間タイマの内容Ｔを基に、学習係数ηが演算
される。

【００４１】次いで、ステップＳ１１に進み、このステ
ップＳ１１では、第１センサ１１の学習オフセットが演
算され、かつ更新される。次に、ステップＳ１２に進
み、このステップＳ１２では、非略直進走行時間タイマ
の内容Ｔがクリアされ、ステップＳ１３に進み、ステッ
プＳ１３では、第１センサ１１の出力が学習オフセット
分だけ補正され、角速度補正手段１３の相対方位Δφ
（図中では、ＯＵＴとしている。）として出力される。

【００４２】なお、以上の実施例では、二つの角速度検
出手段１１，１２を用いた場合を示しているが、二つ以
上の任意の数だけ同様な関係を保ちつつ、カスケード
（多段）構成とし、さらに、精度を向上させてもよい。

【００４３】また、任意の段階において、例えば、図２
に示したタイマ割り込み処理において、車両の移動距離
ΔＬを参照し、車両の移動がなかったと判定したら、相
対方位Δφの変化はなかったものとしてオフセットを補
正する処理など、任意のオフセット補正を併置してもよ
い。

【００４４】さらに、位置の演算では、移動体の軌跡と
地図データ上の道路の形状との相関を調べ、相関の高い
位置へ補正したり、航法用電波の受信機を併置し、受信
位置データを基にするなどして、任意の補正をさらに加
えてもよい。

【００４５】第１，第２センサ１１，１２としては、回
転ジャイロ、振動ジャイロ、流体ジャイロ、レーザジャ
イロ、音響ジャイロなどのあらゆるジャイロが適用可能
である。

【００４６】しかしながら、小型でかつ低価格のものが
望ましく、そのような意味では、振動ジャイロ、特に半
導体加工プロセスを利用してシリコン単結晶基板を加工
して構成したものなどが望ましい。

【００４７】また、共通部分の共用化あるいは時分割使
用して経済性を改善することや装置の信頼性を向上する
ことなども可能である。なお、第１の実施例で示した装
置／方法とあるいは、他の実施例は、コンピュータベー
スの装置を用いたものを示したが、データ処理の大部分
を論理回路で構成することもできる。

【００４８】さらに、上記の各実施例のうち、角速度関
連部分は、同様の性質を有する他の物理量センサ、例え
ば、先端に質量ｍを有する板の歪を検出する形の、例え
ば、サスペンション硬度の前後輪間バランス制御などの
ための加速度センサなどに適用し、同様の動作、作用を
実現出来ることはいうまでもない。

【００４９】

【発明の効果】以上のように、請求項１に記載の発明に
よれば、移動体のヨー角速度を検出する検出感度の異な
る複数の角速度検出手段のうちの検出感度の高い角速度
検出手段の出力を基に、次に検出感度の高い角速度検出
手段のオフセット誤差をオフセット誤差推定手段で推定
して、その推定オフセット誤差を基に角速度補正処置手
段により検出感度の次に高い角速度検出手段の出力を学
習して補正するように構成したので、移動体の走行中に
角速度のオフセット誤差が測定すべき範囲の全域にわた
って高精度に自動的に補正され、したがって、格段に正
確な方位、ひいては、大幅に正確な位置を得ることが出
来る。

【００５０】また、請求項２に記載の発明によれば、検
出範囲をパラメータにして検出感度の異なる複数の物理
量検出手段のうちの感度の高い物理量検出手段の出力を
基に、次に検出感度の高い物理量検出手段のオフセット
誤差を推定し、その推定オフセット誤差を基に検出感度
の次に高い物理量検出手段の出力を学習補正するように
したので、物理量検出手段のオフセット誤差が測定すべ
き範囲の全域にわたって、高精度で自動的に補正される
物理量センサが得られる効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例による移動体航法装置およ
び物理量センサの構成を示すブロック図である。

【図２】同上実施例における角速度補正手段の信号デー
タの処理手順を示すフローチャートである。

【符号の説明】

１ 方位検出手段 ２ 移動距離検出手段 ３ 位置演算表示手段 １１ 第１の角速度検出手段 １２ 第２の角速度検出手段 １３ 角速度補正手段 １３１ オフセット誤差推定手段 １３２ 角速度補正処置手段 １４ 絶体方位検出手段 １５ 方位演算手段

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【手続補正書】

【提出日】平成４年６月２２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項１

【補正方法】変更

【補正内容】

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 移動体距離検出手段と、移動体の絶体方
   位を検出する絶体方位検出手段と前記移動体のヨー角速
   度を検出する検出感度の異なる複数の角速度検出手段と
   この複数の角速度検出手段のうち検出感度の高い角速度
   検出手段の出力を基に次に検出感度の高い角速度検出手
   段のオフセット誤差を推定してこの推定オフセット誤差
   を基に検出感度の次に高い角速度検出手段の出力を学習
   補正する段階を有する角速度補正処置手段とこの角速度
   補正処置手段によって補正された移動体の角速度と前記
   絶体方位検出手段で検出された移動体の絶体方位を基に
   移動体の方位を求める方位演算手段とを有する方位検出
   手段と、この方位検出手段で求めた移動体の方位と前記
   移動距離検出手段で検出された移動距離とから移動体の
   位置を演算して表示する位置演算表示手段とを備えた移
   動体航法装置。
2. 【請求項２】 検出範囲をパラメータにして検出感度の
   異なる複数の物理量検出手段と、この複数の物理量検出
   手段のうち、感度の高い物理量検出手段の出力を基に、
   次に検出感度の高い物理量検出手段のオフセット誤差を
   推定してこの推定オフセット誤差を基に検出感度の次に
   高い物理量検出手段の出力を学習補正する学習補正手段
   とを備えた物理量センサ。