JPH11295335A - 移動体の位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 必要な加速度センサの数を低減でき、簡素な
構造で位置を検出することができる移動体の位置検出装
置を提供する。 【解決手段】 第１の加速度センサ１と、第２の加速度
センサ２と、第３の加速度センサ３とがその検出軸を相
互に平行にして配置されている。第１及び第２の加速度
センサ１，２は上下方向にｒ１だけ離隔して配置されて
おり、第１及び第３の加速度センサ１，３は水平方向に
ｒ２だけ離隔して配置されている。そして、検出軸の方
向をｙ軸とし、これに垂直且つ水平の方向をｘ軸とし、
ｙ軸及びｘ軸に垂直の方向をｚ軸とした場合、第１及び
第２の加速度センサの加速度の差分からｘ軸周りの角加
速度ω１が求まり、このω１から自動車の傾斜角度θ１
が求まる。そこで、第１の加速度センサの検出加速度を
ａ１とすると、ａ１−ｇ・sinθ１からｙ方向の加速度
が求まり、水平方向の加速度（ａ１−ｇ・sinθ１）cos
θ１を積分すると、位置が求まる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車等に装着さ
れるナビゲータ等に組み込まれる移動体の位置検出装置
に関し、特に、３個の加速度センサにより移動体の傾斜
角を検出すると共に、水平面上の回転角を算出して位置
を検出する移動体の位置検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車等のナビゲータには、複数の衛星
からの距離で位置を算出するＧＰＳを利用した位置検出
装置が搭載されている。しかし、ＧＰＳは建物の影及び
トンネルの中など電波が受けられないところでは使用で
きないという大きな問題点がある。このため、ＧＰＳに
は、別の何らかの位置検出手段が組み合わされて、位置
の検出に使用されている。自動車等のナビゲーションシ
ステムの位置検出方法として代表的な方法は、距離セン
サとして車速パルスを使用し、角度速度センサとしてジ
ャイロを使用してＧＰＳと併用する方法である。

【０００３】従来の位置を検出する方法としては、移動
体が車両である場合には、距離検出に車速パルス又は加
速度センサが使用されている。加速度センサを用いる場
合には、その出力を時間積分することにより速度を算出
すると共に、距離を算出する。

【０００４】移動体の角速度検出は振動ジャイロ（特開
昭６４−１６９１２）及び光ファイバジャイロ（特開昭
６４−１９０６）等の種々のジャイロを使用する方法、
又は、加速度センサを使用する方法がある。加速度セン
サを使用して各速度を検出する方法としては、加速度セ
ンサと車速パルスを併用する方法、加速度センサを２個
平行（実公平２−３０７８０、特開平４−２０４０５
９、特開平７−７２１６５、特開平６−１７４４８７）
に配置して角加速度を算出し、これを積分することによ
って角速度を算出する方法、又は直線的に配置する方法
(特公平８−３３４０８）により角速度を算出する方法
等がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、移動距離算出
に関して、車速パルスを用いる場合には、その誤差は数
％程度で移動距離に比例して大きくなるため、この方法
は車両におけるナビゲーションシステム等の用途に使用
するのに十分とは言えない。また、進行方向に検出軸を
向けて加速度センサを用い、測定した加速度から移動距
離を算出する方法の場合には、移動体が傾斜して検出軸
が働くと重力成分が影響し、移動体の加速度を正確に検
出することができず、そのため移動体の傾斜角を算出し
て補正する必要がある。その結果、正確な距離を検出す
るためには特願平７−１９３５３０のように、加速度セ
ンサが少なくとも２個必要となる。

【０００６】角度算出に関しては、振動ジャイロを用い
る方法は誤差が大きく、光ファイバジャイロは、精度の
良いものの高価である。そこで比較的安価で精度の良い
加速度センサ１個を用いて、遠心力から角速度を測定し
角度を算出する方法が考案された。しかしこの方法で
は、移動体のロールによる重力の影響により、直進して
いる場合でもロール角θによって、重力成分ｇ・sinθ
が作用して誤差を生じることになる。

【０００７】これに関して、加速度センサを平行に配置
して角加速度を検出する方法、加速度センサを直線的に
配置して角速度を検出する方法が考案されている。進行
方向の加速度から移動距離を算出し、進行方向を含む鉛
直面に垂直な軸周りの角加速度や角速度から傾斜角を算
出し、車両の鉛直軸周りの角加速度及び角速度から旋回
角を算出する方法も考案（実公平２−３０７８０、特開
平４−２０４０５９、特開平６−１７４４８７、特公平
８−３３４０８）されており、各方法において、１軸あ
たり２個の加速度センサを使用する必要がある。これら
の方法を用いてナビゲーションシステムの自立航法用の
測位システムを実現させるために必要な距離と角度を算
出するには、前述の傾斜角を考慮すると最低４個の加速
度センサを使用する必要がある。

【０００８】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、必要な加速度センサの数を低減でき、簡素
な構造で位置を検出することができる移動体の位置検出
装置を提供することを目的津する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係る移動体の位
置検出装置は、第１の加速度センサと、この第１の加速
度センサに対して検出軸を平行にし上下方向に離隔して
配置された第２の加速度センサと、前記第１の加速度セ
ンサに対して検出軸を平行にし水平方向に離隔して配置
された第３の加速度センサと、前記第１乃至第３の加速
度センサの加速度の検出信号を入力し前記第１及び第２
の加速度センサの検出信号の差分から移動体の傾斜角を
算出すると共に前記傾斜角を基に加速度の重力成分を補
正し、更に前記第１及び第３の加速度センサの検出信号
の差分から移動体の水平面上の回転角を算出する演算部
とを有することを特徴とする。

【００１０】また、本発明の移動体の位置検出装置にお
いて、前記検出軸は前記移動体の移動方向に配置する
か、前記移動体の移動方向及び鉛直方向に垂直の方向に
配置するか、又は前記検出軸は鉛直方向に配置すること
ができる。

【００１１】本発明においては、本発明では加速度セン
サを３個を進行方向に平行に使用するだけで一方向の加
速度及びその軸を含む二軸の角加速度の検出を行い、こ
れにより精度良く加速度、速度、距離、及び２平面にお
ける角速度、角度を算出でき、かつ対象となる平面に対
する移動体の傾斜角を算出してこの影響を補正し、極め
て誤差が少ない位置検出が可能となる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について、
添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明
の実施例に係る位置検出装置における加速度センサの配
置態様を示す図である、図２（ａ）乃至（ｃ）は自動車
にこの位置検出装置を組み込んだときの配置態様を示
す。

【００１３】第１の加速度センサ１、第２の加速度セン
サ２及び第３の加速度センサ３はその検出軸が相互に平
行になるように配置されている。この第１の加速度セン
サ１が検出した加速度はａ１、第２の加速度センサ２が
検出した加速度はａ２、第３の加速度センサ３が検出し
た加速度はａ３であるとする。また、第１の加速度セン
サ１に対し、第２の加速度センサ２は上方にｒ１だけ離
隔し、第３の加速度センサ３は水平方向にｒ２だけ離隔
した位置に配置されている。

【００１４】そして、これらの３つの加速度センサ１乃
至３を具備する位置検出装置１０はその速度Ｖの検出方
向を自動車の前進方向に一致させて自動車に設置されて
いる。なお、自動車の前進方向（即ち、位置検出装置１
０の移動方向）をｙ方向、自動車の移動面において、前
記自動車の前進方向に垂直の方向をｘ方向、自動車の移
動面に垂直の方向をｚ方向とする。このｘ−ｙ−ｚ直交
座標系において、ｚ軸の周りの角速度ω２はヨーイング
角度を示し、ｘ軸の周りの角速度ω１はピッチングを示
し、ｙ軸の周りの角速度ω３はローリングを示す。

【００１５】そして、図２（ｃ）に示すように、重力方
向をｚ′方向とし、この重力方向に垂直の方向をｘ′方
向とし、ｚ′方向及びｘ′方向に垂直の方向をｙ′方向
とする。但し、ｘ′方向はｘ方向に一致するように設定
する。

【００１６】また、ｚ軸とｚ′軸とがなす角度、即ち、
自動車の進行方向の水平面への傾斜角度をθ１とし、
ｚ′軸の周りの角速度、即ち、水平面での旋回角速度を
ω２′とする。

【００１７】図３は水平面（ｘ′−ｙ′面）に投影した
自動車の軌跡を示す。この図３に示すように、ｘ′−
ｙ′平面上での自動車の旋回角度をθ２とし、ｘ′−
ｙ′平面上での自動車の角速度をω２′とする。

【００１８】このような定義の基に、第１乃至第３の加
速度センサ１乃至３の検出結果、即ち第１乃至第３の加
速度センサが検出した加速度ａ１，ａ２，ａ３を基に、
自動車の位置を以下のようにして算出する。

【００１９】移動体（自動車）の鉛直方向への傾きがθ
１であるので、第１乃至第３の加速度センサ１乃至３の
出力ａ１，ａ２，ａ３からｙ方向の加速度Ａ１，Ａ１，
Ａ２を求めると、下記数式１が成立する。

【００２０】

【数１】Ａ１＝ａ１−ｇ・sinθ１ Ａ２＝ａ２−ｇ・sinθ１ Ａ３＝ａ３−ｇ・sinθ１

【００２１】このｙ方向の加速度Ａ１、Ａ２、Ａ３を
ｘ′−ｙ′平面に投影した場合の加速度ａ′（ａ１′，
ａ２′，ａ３′）は下記数式２に示すとおりである。

【００２２】

【数２】ａ１′＝（ａ１−ｇ・sinθ１）・cosθ１ ａ２′＝（ａ２−ｇ・sinθ１）・cosθ１ ａ３′＝（ａ３−ｇ・sinθ１）・cosθ１

【００２３】水平方向の速度Ｖ′（Ｖ１′，Ｖ２′，Ｖ
３′）はこれを時間的に積分することにより、下記数式
３のように求まる。

【００２４】

【数３】Ｖ１′＝∫ａ１′dt＝∫｛（ａ１−ｇ・sinθ
１）・cosθ１｝dt Ｖ２′＝∫ａ２′dt＝∫｛（ａ２−ｇ・sinθ１）・cos
θ１｝dt Ｖ３′＝∫ａ３′dt＝∫｛（ａ３−ｇ・sinθ１）・cos
θ１｝dt

【００２５】そして、この速度Ｖ′をｘ′−ｙ′平面の
ｘ′軸及びｙ′軸方向に分解すると、下記数式４に示す
ようになる。

【００２６】

【数４】Ｖ１ｘ′＝｜Ｖ１′｜・cosθ２ Ｖ１ｙ′＝｜Ｖ１′｜・sinθ２ Ｖ２ｘ′＝｜Ｖ２′｜・cosθ２ Ｖ２ｙ′＝｜Ｖ２′｜・sinθ２ Ｖ３ｘ′＝｜Ｖ３′｜・cosθ２ Ｖ３ｙ′＝｜Ｖ３′｜・sinθ２

【００２７】但し、θ２は、図３に示すように、ｙ軸か
ら反時計周りの移動体の回転角である。従って、移動体
のｘ′方向及びｙ′方向の位置（ｘ′、ｙ′）は、下記
数式５により表される。

【００２８】

【数５】 ｘ１′＝∫Ｖ１ｘ′dt＝∫｛｜Ｖ１′｜・cosθ２｝dt ｙ１′＝∫Ｖ１ｙ′dt＝∫｛｜Ｖ１′｜・sinθ２｝dt ｘ２′＝∫Ｖ２ｘ′dt＝∫｛｜Ｖ２′｜・cosθ２｝dt ｙ２′＝∫Ｖ２ｙ′dt＝∫｛｜Ｖ２′｜・sinθ２｝dt ｘ３′＝∫Ｖ３ｘ′dt＝∫｛｜Ｖ３′｜・cosθ２｝dt ｙ３′＝∫Ｖ３ｙ′dt＝∫｛｜Ｖ３′｜・sinθ２｝dt

【００２９】この式５からわかるように、加速度センサ
の出力（センサ１の出力ａ１、センサ２の出力ａ２、セ
ンサ３の出力ａ３）と、鉛直方向の傾斜角θ１及び水平
面での旋回角θ２により移動体の位置を算出できる。

【００３０】また、移動体のｘ軸周りの回転角速度ω１
は、図１のセンサ１及びセンサ２により算出することが
できる。即ち、上下方向に対として配置された第１の加
速度センサ１と第２の加速度センサ２との加速度の差分
（ａ２−ａ１）がｘ軸の周りの周方向の加速度の差にな
り、第１の加速度センサ１と第２の加速度センサ２との
間の距離がｒ１であるから、ｘ軸の周りの角加速度ω１
及び傾斜角θ１は下記数式６により表される。

【００３１】

【数６】ω１＝∫｛（ａ２−ａ１）／ｒ１｝dt θ１＝∫ω１dt

【００３２】また、ｚ軸周りの回転角速度ω２とｚ′軸
周りの回転角速度ω２′及びθ２は、同様にして、第１
の加速度センサ１と第２の加速度センサ３との加速度の
差分から、下記数式７により求められる。

【００３３】

【数７】ω２＝∫｛（ａ３−ａ１）／ｒ２｝dt ω２′＝∫［｛（ａ３−ａ１）／ｒ２｝・cosθ１］dt θ２＝∫ω２′dt

【００３４】前記数式６及び数式７により算出されたθ
１及びθ２を数式３，５に代入することにより、移動体
の位置を算出することができる。

【００３５】本発明では、加速度センサを用いて加速度
を積分しているため、時間とともに誤差が増大する虞が
あるが、十分に高精度な加速度センサ（例えば、サーボ
型加速度センサ等）を使用すれば、このような誤差の増
大を防止することができる。また、高精度のセンサを使
用することによって、各センサ間の距離ｒ１，ｒ２を狭
くすることが可能であり、そのため装置の小型化が可能
となる。

【００３６】図４は、加速度センサと車速パルスとを距
離センサとして比較したものである。これにより、車速
が速くなるほど加速度センサが有利であり、遅いほど車
速パルスの方が有利であるが、精度に関係する分解能が
高くなるにつれて加速度センサがより有利になることが
明らかである。また、本発明と分解能０．１deg／sの振
動ジャイロとのジャイロとしての比較では、図５のよう
に加速度センサの分解能が０．０１mGでは明らかに本発
明の方が有利であることが分かる。本装置を配置する場
所は、移動体内での設置場所は問わない。また、自動車
等の車両に限らず移動体であれば使用することができ
る。

【００３７】なお、本発明は上記実施例に限定されない
ことはもちろんである。上記実施例では、図６（ａ）に
示すように、車両の進行方向（ｙ方向）に検出軸を向け
て自動車に位置検出装置を設置した例を示した。これに
より、自動車進行方向の位置の他に、ｘ軸方向の周りの
角速度ωｘとしてピッチングを検出でき、ｚ軸方向の周
りの角速度ωｚとしてヨーイングを検出することができ
る。しかし、位置検出装置の検出軸はいずれの方向に向
けてもよい。例えば、移動体のローリングが重要な場合
には、図６（ｂ）に示すように、位置検出装置の検出軸
を車両の進行方向に垂直の横向き（ｘ方向）に配置して
もよい。この場合は、車両の横方法の加速度と、ｙ軸方
向の周りの角速度としてローリングを検出でき、ｚ軸方
向の周りの角速度ωｚとしてヨーイング変化を検出する
ことができるので、姿勢制御等に使用するのに有効であ
る。また、図６（ｃ）に示すように、位置検出装置の検
出軸を垂直上方に向けても良い。これにより、ｚ軸方向
の加速度を検出できると共に、ｙ軸方向の周りの角速度
ωｙとしてローリングを検出でき、ｘ軸方向の周りの角
速度ωｘとしてピッチングを検出することができる。

【００３８】なお、本発明は、ＧＰＳの他に、車速パル
ス又はジャイロ等の他のセンサと併用し、その結果を相
互に比較してより確度が高いと推測できる測定結果の方
を使用するようにすることにより、位置検出を極めて高
精度で測定することができる。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
第１の加速度センサに対して第２の加速度センサを上下
方向に検出軸を平行にして配置し、かつ、第１の加速度
センサに対して第３の加速度センサを左右方向に検出軸
を平行にして配置して、検出軸方向の加速度と検出軸を
含む平面に直交する軸周りの角加速度を検出するので、
加速度センサを３個使用するだけで、進行方向の加速度
を検出して速度及び距離を算出することができ、進行方
向に平行な２平面の角加速度を検出して角速度及び角度
を算出することができる。従って、加速度センサを用い
た従来のシステムに比べてセンサ数が少なくてすむの
で、軽量・低コストになる。また、上記角加速度の測定
結果から角速度及び角度を算出することで、従来の角速
度センサ（ジャイロセンサ）よりも高精度に角速度及び
角度を測定することができる。

【００４０】また、本発明においては、加速度、速度、
距離に関しては、傾斜等による重力の影響を補正してい
るので、高精度で測定することができる。

【００４１】更に、本発明の装置自体は、他からの信号
を取り込まなくとも高精度な位置検出が可能であるの
で、車輌等に本装置を追加して使用する際の配線が簡単
である。より高精度が要求される場合には、ＧＰＳ等の
他のセンサと組み合わせることによって位置検出精度を
向上させることができる。更にまた、本発明の位置検出
装置は、サーボ型加速度センサのように高精度なセンサ
を使用することにより、より一層の装置の小型化が可能
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る位置検出装置に使用され
る加速度センサの配置態様を示す模式図である。

【図２】同じく、位置検出装置を車輌に適用した場合の
配置態様を示す図である。

【図３】水平面上に投影された移動体の軌跡を示す図で
ある。

【図４】走行速度と走行距離誤差との関係を示すグラフ
図である。

【図５】経過時間と回転角度誤差との関係を示すグラフ
図である。

【図６】自動車に対する位置検出装置の配置態様を示す
図である。

【符号の説明】

１：第１の加速度センサ ２：第２の加速度センサ ３：第３の加速度センサ １０：位置検出装置

フロントページの続き (72)発明者 見崎 信正 東京都江東区木場１丁目５番１号 株式会 社フジクラ内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の加速度センサと、この第１の加速
   度センサに対して検出軸を平行にし上下方向に離隔して
   配置された第２の加速度センサと、前記第１の加速度セ
   ンサに対して検出軸を平行にし水平方向に離隔して配置
   された第３の加速度センサと、前記第１乃至第３の加速
   度センサの加速度の検出信号を入力し前記第１及び第２
   の加速度センサの検出信号の差分から移動体の傾斜角を
   算出すると共に前記傾斜角を基に加速度の重力成分を補
   正し、更に前記第１及び第３の加速度センサの検出信号
   の差分から移動体の水平面上の回転角を算出する演算部
   とを有することを特徴とする移動体の位置検出装置。
2. 【請求項２】 前記検出軸は前記移動体の移動方向に配
   置されていることを特徴とする請求項１に記載の移動体
   の位置検出装置。
3. 【請求項３】 前記検出軸は前記移動体の移動方向及び
   鉛直方向に垂直の方向に配置されていることを特徴とす
   る請求項１に記載の移動体の位置検出装置。
4. 【請求項４】 前記検出軸は鉛直方向に配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の移動体の位置検出装
   置。