JP2010066073A - 移動***置推定システム、移動***置推定方法、及び移動***置推定プログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】移動***置推定装置1は、移動体が備える位置検出手段からの更新位置信号と移動体が備える加速度などの物理量検出手段からの物理量検出信号に基づき移動体の位置を予測推定した推定信号を出力する移動***置推定手段(位置推定器18)、位置検出手段の位置検出遅れを補正するため更新位置信号と物理量検出信号の検出時刻に関する対応を図るように移動***置推定手段の入出力動作、処理動作を制御する補正制御手段10を含む。
【選択図】図1
Description
先ず、移動***置推定装置の基本的構成について説明する。図1に示すように、移動***置推定装置1は、飛翔体や宇宙機や航空機や車両など移動体の位置を生成するものであり、移動体に搭載し移動体の更新位置を検出し更新位置信号S10を出力する位置検出手段の一例又は一部であるGPS受信機11と、移動体に搭載し移動体の物理量例えば加速度を検出し物理量検出信号の一例である加速度センサ検出信号S19を出力する物理量検出手段の一例又は一部である加速度センサ12とを有する構成としている。
その結果、移動***置推定装置1では、GPS受信機11が検出する位置更新データに検出時間遅れが含まれる場合でも、過去の位置予測結果から検出時刻の対応するデータどうしを組み合わせてカルマンフィルタ処理を実行するため、GPS受信機11の時間遅れ補正が明確に実施可能となり、位置推定値の推定精度確保が達成できる。
(移動***置推定装置の全体構成)
先ず、本実施の形態の移動***置推定装置の具体的構成について、全体構成から説明し、続いて各部の詳細構成について説明することとする。図1は、本発明における第1実施の形態の移動***置推定装置の全体の概略構成の一例を示すブロック図である。
GPSデータ更新時刻検出器13は、更新位置信号S10からGPSデータ更新時刻信号S22を生成する。
位置伝播器16は、加速度センサ検出信号S19と位置推定値/誤差共分散値信号S16とから加速度ベースの位置予測値/誤差共分散値信号S20を生成する。
位置推定用時系列データ抽出器17は、GPSデータ更新時刻信号S22と加速度時系列データ信号S17と位置予測値/誤差共分散値時系列データ信号S18とから更新時刻信号S11と加速度データ抽出信号S12と抽出予測値/抽出誤差共分散値信号S13と加速度メモリ操作指令信号S14と位置メモリ操作指令信号S15とを生成する。
位置推定値選定器19は、GPSベースの位置予測値/誤差共分散値信号S21と加速度ベースの位置予測値/誤差共分散値信号S20とから位置推定値/誤差共分散値信号S16を生成する。
又、補正制御手段10は、前記物理量検出信号と前回の推定信号とから生成される現在時刻の物理量ベース予測値信号に対し、前記更新位置信号の検出時刻である時刻信号を検出した上で、現在時刻までに検出し蓄積された物理量時系列データ信号と予測値時系列データ信号とに基づいて、検出時刻の対応する予測値抽出信号、物理量データ抽出信号を抽出してこれらを前記移動***置推定手段に入力し、補正を加味した推定処理を前記移動***置推定手段に実行させ、前記移動***置推定手段により現在時刻での推定データを推定するように制御する機能を備えてよい。
(全体の概略動作)
次に、上述のような構成を有する移動***置推定における全体の動作処理手順について説明する。
この場合、前記推定をするに際しては(移動***置推定ステップでは)、前記更新位置信号と前記時刻信号と前記物理量データ抽出信号と前記予測値抽出信号とに基づいて予測推定を行い前記推定信号を出力することができる。
以下、これらの各ステップを詳述する。
ここで、図1に示す本実施の形態の動作について、具体例として移動体である無人航空機(飛翔体)にGPS受信機11と加速度センサ12とを搭載し、この飛翔体の位置を地上局で推定する場合を説明する。
先ず、移動体に搭載されたGPS受信機11が測位衛星からの信号に基づき更新位置を検出して更新位置信号を出力する。又、移動体に搭載された加速度センサ12が加速度を検出して加速度センサ検出信号を出力する。
一方、位置伝播器16では、位置推定値選定器19が前回出力した位置推定値/誤差共分散値信号S16を構成するシステム状態量と誤差共分散行列をそれぞれx+ k、P+ kと設定した上で、加速度センサ12で検出した飛翔体の加速度センサ検出信号S19と組み合わせることで得られる(1)式の線形確率システム(状態空間モデル)
〔数1〕
xk+1 = Φkxk+Gkwk+Dkuk
yk = Hkxk+vk (1)
(xkはシステム状態量、Φkは状態遷移行列、Gkは駆動ノイズ行列、Dkは駆動入力行列、Hkは観測行列、ukは加速度センサ検出信号S19、ykは観測信号)に基づき、以下の計算式(2)(3)を用いて、システム状態量予測値x- k+1と誤差共分散行列予測値P- k+1とで構成する加速度ベースの位置予測値/誤差共分散値信号S20を生成する。
x- k+1 = Φkx+ k+Dkuk (2)
〔数3〕
P- k+1 = ΦkP+ kΦT k+GkQkGT k (3)
ただし、式中、上付きの「+」はカルマンフィルタ処理後の推定値、上付きの「−」はカルマンフィルタ処理前の伝播予測値、上付きの「T」は転置行列、下付きの「k」は観測時系列の順序を示す。
また、システムノイズwkと観測ノイズvkは互いに独立な白色ノイズを仮定し、さらにQkは、システムノイズwkの共分散行列(カルマンフィルタ設計者が飛翔体ダイナミクス特性に応じ設定する設計パラメータ)を示す。
このとき、加速度時系列データメモリ14と位置予測値/誤差共分散値時系列データメモリ15とでは、位置伝播器16に対する入力であるuk(加速度センサ検出信号S19)とシステム状態量予測値x- k+1および誤差共分散行列予測値P- k+1(加速度ベースの位置予測値/誤差共分散値信号S20)とを、それぞれ時系列データとして格納する。
次に、GPSデータ更新時刻検出器13では、GPS受信機11により検出した更新位置信号S10からGPSデータが更新された時刻を検出し、それをGPSデータ更新時刻信号S22として出力する。
また、位置推定用時系列データ抽出器17では、加速度時系列データメモリ14と位置予測値/誤差共分散値時系列データメモリ15とが生成する加速度時系列データ信号S17と位置予測値/誤差共分散値時系列データ信号S18とから、GPSデータ更新時刻信号S22に基づき前回のGPS更新時刻以降の時系列データをそれぞれ加速度データ抽出信号S12と抽出予測値/抽出誤差共分散値信号S13として抽出し、これらを更新時刻信号S11と共に生成する。
一方、位置推定器18では、位置推定用時系列データ抽出器17により抽出した加速度データ抽出信号S12と抽出予測値/抽出誤差共分散値信号S13と更新時刻信号S11とに加え、GPS受信機11によって生成された更新位置信号S10とを組み合わせカルマンフィルタ処理を実施することで、GPSベースの位置予測値/誤差共分散値信号S21を生成する。
Kn = P- nHn(HT nP- nHn+Rn)-1 (4)
〔数5〕
x+ n = x- n+Kn(yn−HT nx- n) (5)
〔数6〕
P+ n = P- n−KnHT nP- n (6)
ただし、Rnは、観測ノイズvnの共分散行列(カルマンフィルタ設計者がGPS特性に応じ設定する設計パラメータ)であり、また上付きの「−1」は逆行列を示す。
〔数7〕
x- n+1 = Φnx+ n+Dnun (7)
〔数8〕
P- n+1 = ΦnP+ nΦT n+GnQnGT n (8)
最後に、位置推定値選定器19では、位置推定器18で生成されるGPSベースの位置予測値/誤差共分散値信号S21が更新された場合には最新のGPSベースの位置予測値/誤差共分散値信号S21を、それ以外の場合には加速度ベースの位置予測値/誤差共分散値信号S20を選択し、それを位置推定値/誤差共分散値信号S16として出力する。
又、前記推定ステップでは、前記更新位置信号の前記検出時刻に応じ加速度ベース予測値抽出信号に対するカルマンフィルタ更新処理を実施後、前記加速度データ抽出信号に基づくカルマンフィルタ予測処理を実行し、前記推定信号として測位衛星ベース推定信号を生成することができる。
その結果、移動***置推定装置1では、過去の位置予測結果から検出時刻の対応するデータどうしを組み合わせてカルマンフィルタ処理を実行するため、GPS受信機11の時間遅れ補正が明確に実施可能となり、位置推定値の推定精度確保が達成できる。
また、本発明にかかる装置及び方法は、そのいくつかの特定の実施の形態に従って説明してきたが、本発明の主旨および範囲から逸脱することなく本発明の本文に記述した実施の形態に対して種々の変形が可能である。
すなわち、まず、コンピュータが、前記移動体が備えた位置検出手段が更新位置データを検出するように制御し(ステップST110:位置検出ステップないし位置検出機能)、前記移動体が備えている加速度などの物理量を検出する物理量検出手段(加速度検出手段)が物理量検出データ(加速度検出データ)を検出するように制御する処理(ステップST110:物理量検出ステップないし物理量検出機能)を行う。
この検出は、プログラム部分として含まなくてもよい。
より具体的には、この補正制御ステップでは、前記位置と前記加速度との検出時刻に関する対応を図るように時刻データと加速度データ抽出データと加速度ベース予測値抽出データとを位置推定部に入力する。
また、前記コンピュータが、前記更新位置データの検出時刻を検出し時刻データとして生成する(時刻検出ステップないしは機能)。
さらに、前記コンピュータが、前記物理量検出手段にて検出された前記物理量検出データを時系列データとして蓄積処理し、物理量時系列データを生成する(第1の蓄積処理機能)。
またさらに、前記コンピュータが、前記物理量ベースの予測値データ生成部にて生成された前記物理量ベース予測値データを時系列データとして蓄積処理し、物理量ベースの予測値時系列データを生成する(第2の蓄積処理ステップないしは機能)。
また、前記コンピュータが、現在時刻までの生成済みの前記物理量ベースの予測値時系列データと前記物理量時系列データデータと前記時刻データとに基づいて、前記検出時刻の対応する物理量ベース予測値と物理量データとを各々抽出して物理量ベースの予測値抽出データと物理量データ抽出データとを生成し、これらを前記時刻データとともに前記移動***置推定機能に入力する(時系列データ抽出ステップないしは機能)。
この場合、前記移動***置推定ステップST130では、前記コンピュータが、前記更新位置データと前記時刻データと前記物理量抽出データと前記予測値抽出データとに基づいて前記推定データを出力することができる。
また、GPS受信機は、GPS(汎地球測位システム)により自車の現在位置を例えば緯度、経度、高度で検出すると共に、この自車の進行方向や走行速度等を検出するものであり、例えば4個のGPS人工衛星から地上に無線送信されるGPS電波をGPSアンテナを介してそれぞれ受信して、これらの各電波の到達時間差から三角測量の原理で自車の現在位置を3次元で測位することができる。2次元測位の場合は、3個のGPS人工衛星からのGPS電波を受信することができる。
また、様々な移動体に対する位置情報の推定手法として容易に利用することができるものである。
10 補正制御手段
11 GPS受信機(位置検出手段)
12 加速度センサ(物理量検出手段)
13 GPSデータ更新時刻検出器(時刻検出部)
14 加速度時系列データメモリ(第1の蓄積処理部)
15 位置予測値/誤差共分散値時系列データメモリ(第2の蓄積処理部)
16 位置伝播器(予測値信号生成部)
17 位置推定用時系列データ抽出器(時系列データ抽出部)
18 位置推定器(移動***置推定手段)
19 位置推定値選定器(選択手段)
S10 更新位置信号
S11 更新時刻信号(時刻信号)
S12 加速度データ抽出信号(物理量データ抽出信号)
S13 抽出予測値/抽出誤差共分散値信号(予測値抽出信号)
S14 加速度メモリ操作指令信号(第1操作指令信号)
S15 位置メモリ操作指令信号(第2操作指令信号)
S16 位置推定値/誤差共分散値信号(推定信号)
S17 加速度時系列データ信号(物理量時系列データ信号)
S18 位置予測値/誤差共分散値時系列データ信号(予測値抽出信号)
S19 加速度センサ検出信号(物理量検出信号)
S20 加速度ベースの位置予測値/誤差共分散値信号(物理量ベース予測値信号、加速度ベース予測値信号)
S21 GPSベースの位置予測値/誤差共分散値信号(推定信号、測位衛星ベース推定信号)
S22 GPSデータ更新時刻信号(時刻信号)
100 移動***置推定装置
101 GPS受信機
102 加速度センサ
103 測位演算器(カルマンフィルタ)
104 位置更新信号
105 加速度検出信号
Claims (12)
- 少なくとも、移動体が備えている位置検出手段からの更新位置信号と、前記移動体が備えている加速度等の物理量を検出する物理量検出手段からの物理量検出信号と、に基づいて前記移動体の位置を予測推定した推定信号を出力する移動***置推定手段と、
前記位置検出手段での位置検出遅れを補正するために、前記更新位置信号と前記物理量検出信号との検出時刻に関する対応を図るように前記移動***置推定手段の入出力動作及び処理動作を制御する補正制御手段と、
を備えたことを特徴とする移動***置推定装置。 - 請求項1に記載の移動***置推定装置において、
前記補正制御手段は、
前記物理量検出信号と前回の推定信号とに基づいて前記移動体の位置を予測して物理量ベース予測値信号を生成する予測値信号生成部と、
前記更新位置信号の検出時刻を検出しこれを時刻信号とする時刻検出部と、
前記物理量検出手段にて検出された前記物理量検出信号を時系列データとして蓄積処理し、物理量時系列データ信号を生成する第1の蓄積処理部と、
前記予測値信号生成部にて生成された前記物理量ベース予測値信号を時系列データとして蓄積処理し、予測値時系列データ信号を生成する第2の蓄積処理部と、
現在時刻までの生成済みの前記予測値時系列データ信号と前記物理量時系列データ信号と前記時刻信号とに基づいて、前記検出時刻の対応する物理量ベース予測値と物理量データとを各々抽出して予測値抽出信号と物理量データ抽出信号とを生成し、これらを前記時刻信号とともに前記移動***置推定手段に入力する時系列データ抽出部と、
を備え、
前記移動***置推定手段は、
前記更新位置信号と前記時刻信号と前記物理量データ抽出信号と前記予測値抽出信号とに基づいて前記推定信号を出力する、
ことを特徴とする移動***置推定装置。 - 請求項2に記載の移動***置推定装置において、
前記物理量は、加速度を含み、
前記移動***置推定手段は、
前記更新位置信号の前記検出時刻に応じ予測値抽出信号に対するカルマンフィルタ更新処理を実施後、前記加速度データ抽出信号に基づくカルマンフィルタ予測処理を実行し、前記推定信号として測位衛星ベース推定信号を生成することを特徴とする移動***置推定装置。 - 請求項3に記載の移動***置推定装置において、
前記測位衛星ベース推定信号と加速度ベース予測値信号とを選択し、いずれか一方を前記推定信号として出力する選択手段をさらに有することを特徴とする移動***置推定装置。 - 移動体の位置を推定する移動***置推定装置を用いた移動***置推定方法であって、
前記移動体が備えている位置検出手段が更新位置信号を検出し、
前記移動体が備えている加速度などの物理量を検出する物理量検出手段が物理量検出信号を検出し、
前記位置検出手段での位置検出遅れを補正するために、前記更新位置信号と前記物理量検出信号との検出時刻に関する対応を図るように補正制御をし、
この補正制御された前記物理量検出信号と前記更新位置信号とに基づいて前記補正が加味された前記移動体の位置を予測推定した推定信号を出力する、
ことを特徴とする移動***置推定方法。 - 請求項5に記載の移動***置推定方法において、
前記補正制御をするに際しては、
前記物理量検出信号と前回の推定信号とに基づいて前記移動体の位置を予測して物理量ベース予測値信号を生成し、
前記更新位置信号の検出時刻を検出しこれを時刻信号とし、
前記物理量検出手段にて検出された前記物理量検出信号を時系列データとして蓄積処理し、物理量時系列データ信号を生成し、
前記物理量ベース予測値信号を時系列データとして蓄積処理し、予測値時系列データ信号を生成し、
現在時刻までの生成済みの前記予測値時系列データ信号と前記物理量時系列データ信号と前記時刻信号とに基づいて、前記検出時刻の対応する物理量ベース予測値と物理量データとを各々抽出して予測値抽出信号と物理量データ抽出信号とを生成し、
前記推定をするに際しては、
前記更新位置信号と前記時刻信号と前記物理量データ抽出信号と前記予測値抽出信号とに基づいて前記推定信号を出力する、
ことを特徴とする移動***置推定方法。 - 請求項6に記載の移動***置推定方法において、
前記物理量は、加速度を含み、
前記推定をするに際しては、
前記更新位置信号の前記検出時刻に応じ予測値抽出信号に対するカルマンフィルタ更新処理を実施後、前記加速度データ抽出信号に基づくカルマンフィルタ予測処理を実行し、前記推定信号として測位衛星ベース推定信号を生成することを特徴とする移動***置推定方法。 - 請求項7記載の移動***置推定方法において、
前記測位衛星ベース推定信号と加速度ベース予測値信号とを選択し、いずれか一方を前記推定信号として出力することを特徴とする移動***置推定方法。 - 移動体の位置を推定する移動***置推定装置が備えたコンピュータに諸機能を実現させることが可能な移動***置推定プログラムであって、
少なくとも、移動体が備えている位置検出手段からの更新位置データと、前記移動体が備えている加速度などの物理量を検出する物理量検出手段からの物理量検出データと、に基づいて前記移動体の位置を予測推定した推定データを出力する移動***置推定機能と、
前記位置検出手段での位置検出遅れを補正するために、前記更新位置データと前記物理量検出データとの検出時刻に関する対応を図るように前記移動***置推定機能の入出力動作及び処理動作を制御する補正制御機能と、
を前記コンピュータに実現させることを特徴とする移動***置推定プログラム。 - 請求項9に記載の移動***置推定プログラムにおいて、
前記補正制御機能では、
前記物理量検出データと前回の推定データとに基づいて前記移動体の位置を予測して物理量ベース予測値データを生成する予測値データ生成機能と、
前記更新位置データの検出時刻を検出しこれを時刻データとする時刻検出機能と、
前記物理量検出手段にて検出された前記物理量検出データを時系列データとして蓄積処理し、物理量時系列データを生成する第1の蓄積処理機能と、
前記予測値データ生成機能にて生成された前記物理量ベース予測値データを時系列データとして蓄積処理し、予測値時系列データを生成する第2の蓄積処理機能と、
現在時刻までの生成済みの前記予測値時系列データと前記物理量時系列データと前記時刻データとに基づいて、前記検出時刻の対応する物理量ベース予測値と物理量データとを各々抽出して予測値抽出データと物理量抽出データとを生成し、これらを前記時刻データとともに前記移動***置推定機能に入力する時系列データ抽出機能と、
をその内容とし、これらを前記コンピュータに実現させ、
前記移動***置推定機能では、
前記更新位置データと前記時刻データと前記物理量抽出データと前記予測値抽出データとに基づいて前記推定データを出力する機能をその内容とし、これを前記コンピュータに実現させることを特徴とする移動***置推定プログラム。 - 請求項10に記載の移動***置推定プログラムにおいて、
前記物理量は、加速度を含み、
前記移動***置推定機能では、
前記更新位置データの前記検出時刻に応じ前記予測値抽出データに対するカルマンフィルタ更新処理を実施後、前記加速度抽出データに基づくカルマンフィルタ予測処理を実行し、前記推定データとして測位衛星ベース推定データを生成する機能をその内容とし、これを前記コンピュータに実現させることを特徴とする移動***置推定プログラム。 - 請求項11に記載の移動***置推定プログラムにおいて、
前記測位衛星ベース推定データと加速度ベース予測値データとを選択し、いずれか一方を前記推定データとして出力する選択機能をさらに前記コンピュータに実現させることを特徴とする移動***置推定プログラム。
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