JP2005070046A - Ｇｐｓ／自律航法統合システム及びその運用方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】移動体の現在位置を正確に推定できるＧＰＳ/自律航法統合システム及びその運用方法を提供する。
【解決手段】本発明は、ＧＰＳからの移動体の絶対位置情報を受信するＧＰＳ受信機401と、自律航法方式によって移動体の変位量を測定する慣性センサー402と、移動体の前進または後進に対する状態情報を判断する前進/後進判断部405と、慣性センサー及び前進/後進判断部から供給される情報を参照として自律航法方式によって移動体の走行距離を測定し位置を推定する自律航法処理部403と、ＧＰＳ受信機及び自律航法処理部から供給される情報を参照として前記移動体の現在位置を推定する演算部404とからなり、 移動体が前進状態にあるかまたは後進状態にあるかを判断しその移動体の前進/後進状態情報を反映して、移動体の現在位置を正確に推定する。
【選択図】図４

Description

本発明は、ＧＰＳ/自律航法統合システム及びその運用方法に関するもので、より詳しくは、移動体が前進状態にあるかどうか或いは後進状態にあるかどうかの可否を判断しその移動体の前進/後進状態情報を反映することによって、移動体の現在位置を正確に推定することができるＧＰＳ/自律航法統合システム及びその運用方法に関するものである。
現在開発されている位置情報サービス(ＬＢＳ: Location Based Service)システムには絶対位置情報算出のためＧＰＳ情報を受信するＧＰＳ(Global Positioning System)受信機が基本的に装着されて使われている。そして、ＧＰＳ情報が受信できない場合に備えて自主的に位置情報生成のための自律航法(Dead-Reckoning)システムが追加採用されている。ここで、自律航法システムは、慣性センサー(速度/角度センサー)を利用して自主的に位置推定情報を生成する。
ＧＰＳは、アメリカの国防省で開発した汎世界測位システムで、測定された情報を土台として測定者の位置が三次元座標で分かるシステムである。このようなＧＰＳによる航法システムでは、ＧＰＳ受信機が必須として使われ、ＧＰＳ受信機は、地球上空にある２４個のＧＰＳ衛星の中で、最低４個以上の衛星から信号を受信する。そして、ＧＰＳ衛星とＧＰＳ受信機間の距離と、ＧＰＳ衛星の位置ベクターを利用してＧＰＳ受信機の位置ベクターを算出することができるようになる。このようなＧＰＳ受信機を利用すると、全世界どこででも受信者の位置を三次元の座標で表すことができるようになる。
このように、ＧＰＳ受信機を利用すると非常に正確な位置情報取得が可能である。だが、ＧＰＳは、その測定原理からわかるように衛星信号を受信することができる地域しか使えないという限界がある。つまり、ＧＰＳ衛星を利用して受信者の位置を算出するので、トンネル内部や木が生い茂った森の中、または高層ビルで取り囲まれた都心内部などでは、ＧＰＳ受信機を利用した車の位置算出が不可能であったり、または位置算出結果が非常に不正確になるというなどの問題点を有している。
したがって、このような問題点を解決するために、車の移動距離と移動方向を測定し、車の現在位置を推定して行く自律航法システムが導入された。自律航法システムは、参照するに値する位置値を必ず初期に分かっていなければならず、また回転数及び角度変化量感知センサーを搭載した走行距離計とジャイロスコープなどを利用し車の初期位置から移動距離と移動方向を測定しなければならない。そして、この測定結果から回転数及び角度の変化量を積分し、外部の援助がなくても独立して車の現在位置を連続的に把握できるシステムである。
だが、自律航法システムは、初期位置情報を正確に設定しなければならない。自律航法システムを利用して位置推定をする状態で車が長い時間走行するようになると、各センサーが有している測定誤差の累積により、測定する位置が不正確になるという短所を有する。
例えば、長いトンネルや道路両脇を高い山が長く続いて塞いでいる地域では、自律航法方式による位置推定が継続して実行されなければならないので、その特性上、累積誤差が時間に比例して大きくなる。
このような短所を乗り越えるために、車の移動方向角を算出するジャイロスコープと移動距離を算出する走行距離計をＧＰＳに合体させた形態の位置推測航法システムが開発された。このような推測航法システムは、ＧＰＳ受信機で自律航法に必要な参照位置値を提供するのでＧＰＳ/自律航法統合システムと呼ばれる。
図１は、従来ＧＰＳ/自律航法統合システムの構成を概略的に図示した図である。従来ＧＰＳ/自律航法統合システム１００は、図１に示すように、移動体の絶対位置情報を受信するＧＰＳ受信機１０１を含んで構成される。また、ＧＰＳ/自律航法統合システム１００は、移動体の各変位量を測定するための慣性センサー１０２と、さらに慣性センサー１０２によって走行距離を測定する自律航法処理部１０３を含んでいる。さらに、ＧＰＳ/自律航法統合システム１００は、ＧＰＳ受信機１０１からの絶対位置情報と自律航法処理部１０３によって測定された走行距離を利用し、移動体の現在位置を推定するカルマンフィルター(Kalman Filter)１０４を含んでいる。
このようなＧＰＳ/自律航法統合システム１００は、ＧＰＳ受信が可能な地点では、ＧＰＳ受信機(１０１)の位置算出結果を用い、またＧＰＳ受信が不可能な地点では、最も近時点のＧＰＳ受信位置算出結果を用いて、慣性センサー１０２で測定される移動方向角と移動距離を利用して新しい位置結果を推定する。
図２は、従来ＧＰＳ/自律航法統合システムにおいて、車の曲線ラインに沿って後進する時に発生する問題点を説明するための図である。ここで、実線は、車が実在的にα°に後進した経路を表示したもので、点線は、自律航法方式によって車がα°進んだことを予測した経路を表示したものである。従来ＧＰＳ/自律航法統合システムによると、自律航法方式によって位置推定を遂行する場合、実際に車が後進したにもかかわらず、前進したと予想して位置を推定する。
これは、従来ＧＰＳ/自律航法統合システムでの処理アルゴリズムでは移動体の後進を考慮していないからである。したがって、移動体で後進が発生した場合には位置情報における大きな間違いが発生することがある。
また、図３は、従来ＧＰＳ/自律航法統合システムにおいて、車の直進/後進時に発生する問題点を説明するための図である。ここで、実線で示したものは、車が実際的にL１だけ後進、L２だけ前進、そしてL３だけ後進した経路を表示したものであり、点線で示したものは自律航法方式によって車がL１、L２、L３だけそれぞれ進んだと予測した経路を表示したものである。
したがって、回転後進がなく、移動体の直進と後進だけがあると仮定すると、繰り返し後進すればするほど実際移動体の位置と従来ＧＰＳ/自律航法統合システムによって推定された位置は非常に違う位置として表れることが分かる。
このように、ＧＰＳ受信が難しい高層ビルや高架道路の下、地下駐車場、アパート駐車場などで自律航法方式のみを利用して位置情報算出時に、ＧＰＳ受信可能地域よりも大きい位置推定誤差が発生するという問題点がある。結果的に、移動体の位置推定誤差は、位置情報の正確性がサービスの成敗を決める位置情報サービスシステムにおける非常に大きな問題になることがある。
本発明は、移動体が前進状態にあるか後進状態にあるかどうかの可否を判断しその移動体の前進/後進状態情報を反映することによって、移動体の現在位置を正確に推定することができるＧＰＳ/自律航法統合システム及びその運用方法を提供することを課題とする。
本発明は、以上のような従来の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明に係るＧＰＳ/自律航法統合システムは、ＧＰＳからの移動体の絶対位置情報を受信するＧＰＳ受信機と、自律航法方式によって前記移動体の変位量を測定する慣性センサーと、前記移動体の前進または後進に対する状態情報を判断する前進/後進判断部と、前記慣性センサー及び前進/後進判断部から供給される情報を参照として自律航法方式によって前記移動体の走行距離を測定し位置を推定する自律航法処理部と、前記ＧＰＳ受信機及び前記自律航法処理部から供給される情報を参照して前記移動体の現在位置を推定する演算部とを含むことを特徴とする。
また、本発明構成によれば、前記演算部は、前記移動体の現在位置を推定する時に、前記移動体が後進状態にあり前記移動体がＧＰＳ情報を受信することができる有効位置内に存在する場合は、前記ＧＰＳから送信された前記移動体の位置情報と前記移動体の後進状態情報を用いる自律航法による位置推定アルゴリズムを適用して、前記移動体の現在位置を推定することを特徴とする。
また、前記演算部は、前記移動体の現在位置を推定する時に、前記移動体が後進状態にあり前記移動体がＧＰＳ情報を受信することができる有効位置内に存在しない場合は、自律航法によって前記移動体の位置情報を獲得しかつ前記後進状態情報を用いる自律航法による位置推定アルゴリズムを適用して、前記移動体の現在位置を推定することを特徴とする。
また、前記の目的を達成するための本発明によるＧＰＳ/自律航法統合システムの運用方法は、移動体が後進状態にあるかどうかの可否を判断する段階と、前記移動体が後進状態にある場合、前記移動体がＧＰＳ情報を受信できる有効位置内に存在するかどうかの可否を判断する段階と、前記移動体がＧＰＳ情報を受信できる有効位置内に存在すると、ＧＰＳによる前記移動体の角度情報を排除しＧＰＳによる前記移動体の位置情報のみを抽出する段階と、前記ＧＰＳによる前記移動体の位置情報と前記後進状態情報を用いる自律航法による位置推定アルゴリズムを適用して前記移動体の現在位置を推定する段階とを含むことを特徴とする。
本発明に係るＧＰＳ/自律航法統合システム及びその運用方法によれば、ＧＰＳ/自律航法統合システムにおいて、位置生成モジュールの車の後進時に発生する位置推定の間違いを減らすことによって、位置情報の正確性と位置情報サービスの品質を向上させることができる。
本発明は、車に装着されて使用される位置情報サービスシステムでのハードウェア追加費用がなく、かつＧＰＳ及び慣性センサーを利用したすべての自律航法システムに適用することができる。
以下、添付した図面に基づいて本発明の実施例を詳しく説明する。図４は、本発明に係るＧＰＳ/自律航法統合システムの構成を概略的に示すブロック図である。
本発明に係るＧＰＳ/自律航法統合システム４００は、図４のごとく移動体の絶対位置情報を受信するＧＰＳ受信機４０１を含んで構成される。また、本発明に係るＧＰＳ/自律航法統合システム４００は、さらに移動体の各変位量を測定するための慣性センサー４０２と、慣性センサー４０２によって走行距離を測定して移動体の位置を推定する自律航法処理部４０３とを含んでいる。
ここで、自律航法処理部４０３は、移動体の走行距離測定または位置を推定する時に、移動体が前進するかまたは後進するかどうかの情報を前進/後進判断部４０５から受ける。この時、前進/後進判断部４０５で移動体の前進または後進の可否を判断する方法では、その構成によって多様な方法があり得る。これについては、後述することにする。
そして、本発明に係るＧＰＳ/自律航法統合システム４００は、さらにＧＰＳ受信機４０１からの絶対位置情報と自律航法処理部４０３によって測定された走行距離とを利用し、移動体の現在位置を推定する演算部(図示せず)を含んでいる。ここで、演算部は、カルマンフィルター４０４を備えて構成される。
このような構成を有するＧＰＳ/自律航法統合システムでの位置推定方法について図５を参照して説明する。図５は、本発明に係るＧＰＳ/自律航法統合システムにおいて、移動体の位置推定を説明するための手順図である。
本発明に係るＧＰＳ/自律航法統合システムによると、図５に示すように、先ずは移動体、例えば車での後進信号入力可否を判断する段階が行なわれる(Ｓ５０１)。この時、車の前進/後進判断は、一般的な慣性センサーを通して検出される並進運動物理量から判断することができる。ここで、このような慣性センサーの種類は多様にあり得る。かつ接触式混合慣性センサーで使われる走行距離計だけでなく、非接続式混合慣性センサーで使われるセンサーを利用することもできる。
このように本発明に係るＧＰＳ/自律航法統合システムによると、慣性センサー種類の選択とは無関係に前進/後進判断アルゴリズムを実現することができる。
非接続式混合慣性センサーシステムは、車内での配線が必要ないセンサーである加速度計、ジャイロスコープと結合して移動体の位置情報を算出できるシステムを示す。また、接触式混合慣性センサーシステムは、車で別途の配線を通して信号を抽出し位置情報を算出できるシステムを示す。
混合慣性センサーシステムは、並進運動の測定可能なセンサーである加速度計、走行距離計などと回転運動物理量が測定可能なセンサーで羅針盤、ジャイロスコープなどが結合したシステムを言う。
一方、一例として接触式混合慣性センサーの代表的な例である走行距離計は、車の前進/後進に構わず車の速度に比例してパルス信号を発生させる。このようなパルス信号に速度換算係数を掛ければ車の速度が算出されるが、従来のものは、車が後進する場合にはパルス信号を通して後進であることを判断することができないので、車が前進していると判断する。このような理由で、従来ＧＰＳ/自律航法統合システムによっては、車が前進/後進を繰り返して駐車する場合、位置の誤差発生の主要原因として作用する。
したがって、本発明に係るＧＰＳ/自律航法統合システムでは車の前進/後進を判断しその状況を反映することによって位置の誤差が発生することを防止しようとするものである。このような車の前進/後進情報を提供する一つの方案として、車の後進時後進ギアの信号を受けて前進/後進可否を判断する。このような判断は、図４に示す前進/後進判断部４０５でその遂行が実現される。
引き継き、車の前進/後進信号を区分して後進信号が入力されれば（Ｓ５０２）、車がＧＰＳ情報を受信することができる有効位置内に存在するかどうかの可否を判断する段階が遂行される(Ｓ５０３)。
段階Ｓ５０３での判断結果、車がＧＰＳ情報を受信することができる有効位置内に存在するとＧＰＳによる角度情報を排除し、ＧＰＳによる位置情報のみを抽出する段階が遂行される(Ｓ５０４)。つまり、車がＧＰＳ情報を受信することができる位置にある場合には、ＧＰＳの急激な角度変化を阻むために速度成分を排除した位置情報のみを抽出するようになる。このような情報に基づき後進ＧＰＳ/ＤＲ統合アルゴリズムを適用して車の現在位置を推定する段階が遂行される(Ｓ５０５)。
より詳しく説明すると、すべてのセンサーの特性を活かして車の前進/後進信号を区分し、自律航法方程式のアルゴリズムを適用する。自律航法は、初期位置と並進及び回転物理量を利用して、自立で抗体の位置、速度、姿勢を算出する方法を言う。
図６は、一般的な自律航法(ＤＲ)座標系を概略的に示す図である。ここに図示されたように、車の前進時の姿勢角度をyと定義すると、車の後進時の各軸の速度成分は、前進時の姿勢角度に１８０度を加えた値になる。結果的に前進走行時の速度成分とは、反対方向の特性を持って自律航法方程式が導出される。
下記の数式は、後進時に適用される自律航法方程式を示すものである。

PDR(k)=PDR(k-１) + ｖreverse(k)・Δt
ＰＤＲ(k)は現在車の位置、ＰＤＲ(k-１)は以前の車の位置、Δtは測定周期を示す。
そして、
Figure 2005070046
 で定義される。
ここで、Ｓ(k)は車の進行方向速力[m/s]、ψ(k)は車の姿勢角度[deg]、θ(k)は車の勾配角度[deg]、ｖ(k)は速度ベクター[m/s]である。したがって、車の後進時発生する信号を受けた瞬間、非接続式慣性センサーの走行距離計の信号を後進と判断し、後進自律航法方程式のアルゴリズムを適用するようになる。
しかし、慣性センサーのみを利用した自律航法は、時間が経過すればするほど誤差が発生する。これは、初期整列誤差(初期位置、初期姿勢角の実際の車の位置と不一致)、換算係数誤差(速度換算係数、姿勢角度換算係数)、累積誤差(自律航法センサーの自体特性)などが主要原因となる。したがって、実際にシステムに適用する際には、現在普遍化されている絶対位置算出が可能なＧＰＳと自律航法システムを結合したＧＰＳ/自律航法統合システムを使用する。
一方、段階Ｓ５０３において、車がＧＰＳ情報を受信することができる有効位置内に存在しない場合、後進ＧＰＳ/自律航法統合アルゴリズムを適用する段階が遂行される(Ｓ５０５)。また、段階Ｓ５０２での判断結果、車の後進信号が入力されなければ前進と判断し前進ＧＰＳ/自律航法統合アルゴリズムを適用して車の現在位置を推定する段階が遂行される(Ｓ５０６)。
下記の数式は、前進時適用される自律航法方程式を示すものである。

P DR (k) = P DR(k-１) + ｖ forward (k)、Δt
P DR (k)は現在車の位置、ＰＤＲ(k-１)は以前車の位置、Δtは測定周期を示す。
Figure 2005070046
ここで、Ｓ(k)は車の進行方向速力[m/s]、ψ(k)は車の姿勢角度[deg]、θ(k)は車の勾配角度[deg]、v(k)は速度ベクター[m/s]である。使用者が前進する時には前進自律航法方程式によるアルゴリズムを適用するようになる。したがって、のごとく提案された方法を利用すると車の後進時にもＧＰＳ情報受信可能可否にもかかわらず正確な位置情報を生成することによって後進時発生する位置の誤差問題を解決することができる。
従来ＧＰＳ/自律航法統合システムの構成を概略的に示すブロック図である。 従来ＧＰＳ/自律航法統合システムで車の曲線後進時発生する問題点を説明するための図である。 従来ＧＰＳ/自律航法統合システムで車の直進/後進時発生する問題点を説明するための図である。 本発明に係るＧＰＳ/自律航法統合システムの構成を概略的に示すブロック図である。 本発明に係るＧＰＳ/自律航法統合システムにおける移動体の位置推定を説明するための順序図である。 一般的な自律航法(ＤＲ)座標系を概略的に示す図である。
符号の説明
１００、４００ ＧＰＳ/自律航法統合システム
１０１、４０１ ＧＰＳ受信機
１０２、４０２ 慣性センサー
１０３、４０３ 自律航法処理部
１０４、４０４ カルマンフィルター
４０５ 前進/後進判断部

Claims (10)

  1. ＧＰＳからの移動体の絶対位置情報を受信するＧＰＳ受信機と、自律航法方式によって前記移動体の変位量を測定する慣性センサーと、前記移動体の前進または後進に対する状態情報を判断する前進/後進判断部と、前記慣性センサー及び前進/後進判断部から供給される情報を参照して自律航法方式によって前記移動体の走行距離を測定し位置を推定する自律航法処理部と、前記ＧＰＳ受信機及び前記自律航法処理部から供給される情報を参照して前記移動体の現在位置を推定する演算部とを含むことを特徴とするＧＰＳ/自律航法統合システム。
  2. 前記移動体は、車であることを特徴とする請求項１記載のＧＰＳ/自律航法統合システム。
  3. 前記前進/後進判断部は、前記車に後進ギアが入力される場合、前記車が後進状態にあると判断することを特徴とする請求項２記載のＧＰＳ/自律航法統合システム。
  4. 前記演算部は、カルマンフィルターを含んでいることを特徴とする請求項１記載のＧＰＳ/自律航法統合システム。
  5. 前記演算部は、前記移動体の現在位置を推定する時に、前記移動体が後進状態にあり前記移動体がＧＰＳ情報を受信することができる有効位置内に存在する場合は、前記ＧＰＳから送信された前記移動体の位置情報と前記移動体の後進状態情報を用いる自律航法による位置推定アルゴリズムを適用して、前記移動体の現在位置を推定することを特徴とする請求項１記載のＧＰＳ/自律航法統合システム。
  6. 前記演算部は、前記移動体の現在位置を推定する時に、前記移動体が後進状態にあり前記移動体がＧＰＳ情報を受信することができる有効位置内に存在しない場合は、自律航法によって前記移動体の位置情報を獲得しかつ前記後進状態情報を用いる自律航法による位置推定アルゴリズムを適用して、前記移動体の現在位置を推定することを特徴とする請求項１記載のＧＰＳ/自律航法統合システム。
  7. 移動体が後進状態にあるかどうかの可否を判断する段階と、前記移動体が後進状態にある場合、前記移動体がＧＰＳ情報を受信できる有効位置内に存在するかどうかの可否を判断する段階と、前記移動体がＧＰＳ情報を受信できる有効位置内に存在すると、ＧＰＳによる前記移動体の角度情報を排除しＧＰＳによる前記移動体の位置情報のみを抽出する段階と、前記ＧＰＳによる前記移動体の位置情報と前記後進状態情報を用いる自律航法による位置推定アルゴリズムを適用して、前記移動体の現在位置を推定する段階とを含むことを特徴とするＧＰＳ/自律航法統合システムの運用方法。
  8. 前記移動体は、車であることを特徴とする請求項７記載のＧＰＳ/自律航法統合システムの運用方法。
  9. 前記車が後進状態にあるかどうかの可否を判断する時に、前記車が後進ギアを入れれば前記車が後進状態にあると判断することを特徴とする請求項８記載のＧＰＳ/自律航法統合システムの運用方法。
  10. 前記移動体がＧＰＳ情報を受信することができる有効位置内に存在しない場合は、自律航法によって前記移動体の位置情報を獲得しかつ前記後進状態情報を用いる自律航法による位置推定アルゴリズムを適用して、前記移動体の現在位置を推定することを特徴とする請求項７記載のＧＰＳ/自律航法統合システムの運用方法。
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