JP4192045B2 - Inclination angle and inclination angle / acceleration detection device for moving body - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動体の傾斜角度及び傾斜角度・加速度検出装置に関し、特に、車両，船舶，航空機等の移動体に取り付けられ、振り子の振動周期及び振り子の角度から、移動体が移動する移動面の傾斜角度及び移動加速度を推論することを可能とした移動体の傾斜角度及び傾斜角度・加速度検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、走行中の車両から道路の傾斜角度を検出し、さらに、移動加速度をも検出することの可能な傾斜角度及び加速度検出装置が開発されてきた。
この装置は、一般的に、移動加速度あるいは実加速度（実際に移動体に作用している加速度をいい、地上では、移動加速度と重力加速度を合成した加速度となる。）を検出するストレーンゲージ等からなる加速度センサと、振り子型の傾斜角度検出センサとで構成されていた。
また、上記加速度センサと振り子型の勾配角度検出センサを一体的に組合せた傾斜角度及び加速度検出装置も開発されてきた。
【０００３】
たとえば、走行中の車両に取り付けられた状態で、道路の勾配角度と走行加速度の両方を検出することを可能とした、振り子型の勾配角度／加速度センサがある（例えば、特許文献１参照）。
この勾配角度／加速度センサは、重力によりおもりが回転する角度を検出する第１センサ（傾斜角度検出センサ）と、重力及び車両の加速度によりおもりが受ける加速度を検出する第２センサ（加速度センサ）により、走行中の道路の勾配角度と車両の走行加速度の両方を同時に検出することができる。
このような技術を利用すると、走行中の道路の傾斜角度と道路に沿った車両の走行加速度の両方を検出し、これらをアンチロックブレーキシステム、自動変速機及び電子制御ブレーキシステムに送信することが可能となり、より安全で快適な走行を実現することができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０６−２０１３８０号公報（請求項（１），図２）
【０００５】
しかしながら、上記勾配角度／加速度センサは、加速度を検出する第二のセンサを備える必要があり、部品費用のコストダウンを図ることができないといった問題があった。
また、走行中の道路勾配及び走行加速度を検出するには、走行加速度又は実加速度を検出する加速度センサと傾斜角度検出センサが不可欠であり、これら二つのセンサを設けることにより、小型化及び軽量化の要望に応えることができないといった問題もあった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の問題点にかんがみてなされたもので、加速度を検出する加速度センサを備えなくても、振り子型センサの振り子の振動周期から振り子の実加速度を推論することにより、移動体が移動している移動面の傾斜角度及び移動加速度を推論することを可能とする移動体の傾斜角度及び傾斜角度・加速度検出装置の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の移動体の傾斜角度検出装置は、移動体に取り付けられ、かつ、筐体，回転軸を介して前記筐体に回転自在に取り付けられた振り子，及び，この振り子の振動周期と角度を検出する検出手段を有する振り子型センサと、この振り子型センサからの前記振り子の振動周期と角度にもとづいて、前記移動体が移動している移動面の傾斜角度及び前記移動体の加速度を推論する演算手段を有する制御部とを具備し、前記制御部が、前記振り子の振動周期から振り子の実加速度を推論し、前記振り子のピーク角度から振り子の角度を推論し、前記振り子の実加速度及び振り子の角度を用いて、前記移動体が移動している移動面の傾斜角度を推論する構成としてある。
このようにすると、振り子の振動周期から振り子の実加速度を推論でき、加速度センサを設けなくても、移動面の傾斜角度を推論することができる。
【０００８】
また、本発明は、前記振り子の実加速度を、下記振り子の実加速度推論式（式（１））を用いて推論し、前記振り子の角度を、下記振り子の角度推論式（式（２））を用いて推論し、前記移動面の傾斜角度を、下記傾斜角度推論式（式（３））を用いて推論した構成としてある。
（振り子の実加速度推論式）
α_Ｔ＝４π^２（Ｌ＋Ｒ^２／２Ｌ）／Ｔ^２ 式（１）
ただし、
α_Ｔ：振り子の実加速度［ｍ／ｓ^２］
Ｌ：振り子の長さ［ｍ］
Ｒ：円板状の振り子本体の半径［ｍ］
Ｔ：振り子の振動周期［ｓ］
（振り子の角度推論式）
β＝（β_ｉ＋β_ｉ＋１）／２ 式（２）
ただし、
β：振り子の角度［°］
β_ｉ：振動中の振り子のｉ（自然数）番目のピーク角度［°］
（傾斜角度推論式）
θ＝ｃｏｓ^−１（（α_Ｔ／ｇ）ｃｏｓβ） 式（３）
ただし、
θ：傾斜角度［°］
α_Ｔ：振り子の実加速度［ｍ／ｓ^２］
ｇ：重力加速度［ｍ／ｓ^２］
β：振り子の角度［°］
【０００９】
また、本発明は、前記式（１）において使用される４π^２（Ｌ＋Ｒ^２／２Ｌ）＝ｋ（定数）を、あらかじめ測定しておく構成としてある。
このようにすると、工場の製造ライン等において定数ｋを精度よく測定し、記憶手段に記録させることができるので、検出精度を向上させることができる。
【００１０】
また、本発明は、前記振り子を強制的に振動させる加振手段を備えた構成としてある。
このようにすると、振り子が振動していないときでも、強制的に振動させることができるので、振り子に作用する実加速度を常に検出することができる。
【００１１】
また、本発明の移動体の傾斜角度・加速度検出装置は、前記移動体の傾斜角度検出装置の前記制御部によって、前記推論した振り子の実加速度，振り子の角度及び移動面の傾斜角度を用いて、前記移動体の移動加速度を推論する構成としてある。
このようにすると、振り子型センサの振り子の振動周期と角度を検出するだけで、移動体が移動している移動面の傾斜角度及び移動体の移動加速度を推論することができる。すなわち、加速度センサを設けなくてもすむので、製造費用のコストダウンを図ることができるとともに、傾斜角度及び加速度検出装置の小型化及び軽量化を図ることができる。
【００１２】
また、本発明は、前記移動体の移動加速度を、下記移動加速度推論式（４）を用いて推論する構成としてある。
（移動加速度推論式）
α＝（−α_Ｔｓｉｎβ＋ｇｓｉｎθ） 式（４）
ただし、
α：移動加速度［ｍ／ｓ^２］
α_Ｔ：振り子の実加速度［ｍ／ｓ^２］
β：振り子の角度［°］
ｇ：重力加速度［ｍ／ｓ^２］
θ：傾斜角度［°］
【００１３】
また、本発明は、前記制御部が、前記移動体の停止しているとき、下記の重力加速度推論式（式（５））を用いて、
前記式（３），（４）において使用される重力加速度ｇを推論する構成としてある。
（重力加速度推論式）
ｇ＝４π^２（Ｌ＋Ｒ^２／２Ｌ）／Ｔ´^２ 式（５）
ただし、
ｇ：重力加速度［ｍ／ｓ^２］
Ｌ：振り子の長さ［ｍ］
Ｒ：円板状の振り子本体の半径［ｍ］
Ｔ´：移動体が停止しているときの振り子の振動周期［ｓ］
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
［第一実施形態］
図１は、本発明の第一実施形態にかかる移動体の傾斜角度及び傾斜角度・加速度検出装置の構成を説明する概略構成図を示している。
同図において、傾斜角度・加速度検出装置１０（適宜、検出装置１０と略称する。）は、振り子型センサ１（適宜、センサ１と略称する。）と制御部７とからなっている。
【００１５】
センサ１は、ねじ２１によって連結されるケース２２及びケース２３からなる、二分割された矩形箱状の筐体２と、このケース２２及びケース２３に回転自在に支持される回転軸３と、円板状の振り子本体４１及びこの振り子本体４１と回転軸３とを連結するアーム４２からなる振り子４と、振り子４の振動周期と角度を検出する磁気センサ５１とからなっている。
【００１６】
振り子４は、イナーシャを算出しやすいように、円板状の振り子本体４１を設けてあるが、振り子本体４１は円板状の形状に限定されるものではない。
また、この実施形態において振り子本体４１は、ネオジム磁石、フェライト磁石、ＳｍＣｏ磁石等の永久磁石で形成され、別体に形成されたアーム４２と接着剤等によって一体的に固着されている。そして、センサ１を車両等に取り付ける際には、振り子本体４１の磁界内に磁気検出素子を主体とした磁気センサ５１を配置し、振り子本体４１が回転軸３を軸として回転したときに、この回転角に応じた検出信号をコントローラ等の制御部７に出力するようにする。
なお、本実施形態では、重力加速度方向を原点（角度０[°]）とし、時計廻り方向を＋方向、反時計廻り方向を−方向としてある。
また、振り子４の回転角を検出する検出手段は、上記振り子本体４１と磁気センサ５１からなる構成に限定されるものではなく、たとえば、光源，光センサ及び回転式エンコーダからなる光学式検出手段や、ポテンシオンメータ及び電極からなる静電容量式検出手段を使用してもよい。
【００１７】
制御部７は、演算処理手段７１と記憶手段７２とからなっている。
演算処理手段７１は、磁気センサ５１から、振り子本体４１の磁気信号を検出した検出信号を入力すると、振り子４の振動周期と角度を算出する。そして、算出した振動周期と角度にもとづいて、後述するように、自動車１００が移動している路面１０１の傾斜角度及び自動車１００の移動加速度を推論し、推論した傾斜角度及び移動加速度を外部出力信号として出力する。
さらに、記憶手段７２は、振り子４の形状によって定まる定数ｋ（＝４π^２（Ｌ＋Ｒ^２／２Ｌ） ただし、Ｌは振り子の長さ[ｍ]、Ｒは円板状の振り子本体の半径[ｍ]。）を記憶する。
【００１８】
次に、制御部７が路面１０１の傾斜角度θと自動車１００の移動加速度αを推論する手順について、図面を参照して説明する。
図２は、第一実施形態の制御部における、傾斜角度と移動加速度を推論するための各推論部の構成を説明する演算ブロック図を示している。
同図において、制御部７の演算処理手段７１は、検出信号入力部７１１，バンドパスフィルター７１２，振り子周期計測部７１３，実加速度推論部７１４，ローパスフィルター７１５，振り子の角度推論部７１６，傾斜角度推論部７１７，及び移動加速度推論部７１８とからなっている。
【００１９】
検出信号入力部７１１は、振り子型センサ１の磁気センサ５１から振り子本体４１の回転角を検出した検出信号を入力し、バンドパスフィルター７１２に出力する。
バンドパスフィルター７１２は、検出信号に対して振り子４の固有振動数近傍の周波数となる約１０Ｈｚのバンドパスフィルターをかけ、振り子周期計測部７１３に交流の検出信号を出力し、また、ローパスフィルター７１５に直流の検出信号を出力する。
【００２０】
振り子周期計測部７１３は、バンドパスフィルター７１２からの交流の検出信号を入力し、振り子４の振動周期を計測する。
実加速度推論部７１４は、振り子周期計測部７１３から振り子４の振動周期を入力し、さらに、あらかじめ測定され、式（１）において使用されるｋ（定数）＝４π^２（Ｌ＋Ｒ^２／２Ｌ）を入力し、振り子４の実加速度α_Ｔを推論する。そして、推論した実加速度α_Ｔを傾斜角度推論部７１７及び移動加速度推論部７１８に出力する。
【００２１】
ローパスフィルター７１５は、バンドパスフィルター７１２からの直流の検出信号にローパスフィルターをかけ、振り子の角度推論部７１６に出力する。
振り子の角度推論部７１６は、ローパスフィルター７１５からの検出信号を入力し、振動している振り子４の角度からセンター値を推論し、推論した角度βを傾斜角度推論部７１７及び移動加速度推論部７１８に出力する。
【００２２】
傾斜角度推論部７１７は、入力した実加速度α_Ｔと角度β及び重力加速度ｇを用いて、自動車１００が走行している路面１０１の傾斜角度θを推論する。また、推論した傾斜角度θを移動加速度推論部７１８に出力する。
移動加速度推論部７１８は、入力した実加速度α_Ｔ，角度β及び傾斜角度θと重力加速度ｇを用いて、自動車１００の移動加速度αを推論する。
なお、バンドパスフィルター７１２及びローパスフィルター７１５を設けることにより、検出信号のノイズを低減することができ、傾斜角度θ及び移動加速度αを精度よく推論することができる。
【００２３】
次に、本実施形態の検出装置１０の使用状況について、図面を参照して説明する。
図３は、本発明にかかる移動体の傾斜角度・加速度検出装置の使用状況を説明する概略側面図を示している。
同図において、振り子型センサ１は、移動体である自動車１００に取り付けてあり、この自動車１００は、角度θだけ傾いた路面１０１（移動面）を移動加速度αで加速しながら走行している。
【００２４】
自動車１００が移動加速度αで加速すると、自動車１００に搭載されたセンサ１の振り子４には、加速度−α（加速度−αは、移動加速度αに対して、ベクトル量の向きが反対であることを意味している。）が作用する。
また、振り子４には、路面１０１の傾斜角度θの方向に重力加速度ｇが作用する。したがって、振り子４には、重力加速度ｇに加速度（−α）を合成した実加速度α_Ｔが作用する。また、実加速度α_Ｔの作用する方向（角度）は、センサ１において角度βとなる。
なお、センサ１は、自動車１００の移動方向の加速度を検出するように、移動方向及び重力加速度方向と直交する方向に沿って回転軸３が位置する向きに取り付けられている。
【００２５】
このような構成からなる本実施形態の傾斜角度・加速度検出装置１０は、次のようにして傾斜角度及び移動加速度を推論する。
図４は、本発明にかかる移動体の傾斜角度・加速度検出装置における傾斜角度及び移動加速度の推論を説明する概略グラフを示している。
同図において、自動車１００を走行させる際の、走行速度ｖ[ｍ／ｓ]と時刻に関するグラフと、振り子４の角度βと時刻に関するグラフとを対応させて示してある。
【００２６】
同図において、自動車１００は、水平な路面１０１に停車しており、時刻Ｊ_１にエンジンが始動される。
次に、検出装置１０は、制御部７が、自動車１００が停止していることを確認すると、エンジンを始動させた際の振動により自由振動中の振り子本体４１の振動周期Ｔ´を測定し、式（５）により重力加速度ｇを推論する。
【００２７】
次に、式（５）について説明する。
図５は、本発明にかかる振り子型センサの振動状況を説明するための、概略モデル図を示している。
同図において、振り子４は、重力加速度ｇの作用により自由振動している。そして、アーム４２の質量を無視し、回転軸３の摩擦抵抗や空気抵抗が仮に発生しないものとすると、振り子本体４１の振動周期Ｔ´は、式（５´）で表される。
【００２８】
Ｔ´＝２π（（ＭＬ^２＋ＭＲ^２／２）／（ＭｇＬ））^１／２ 式（５´）
ただし、
Ｔ´：移動体が停止しているときの振り子の振動周期[ｓ]
Ｍ：振り子本体の質量[ｋｇ]
Ｌ：振り子の長さ[ｍ]
Ｒ：円板状の振り子本体の半径[ｍ]
ｇ：重力加速度[ｍ／ｓ^２]
上記式（５´）から重力加速度ｇを求めると、式（５）となる。
【００２９】
ｇ＝４π^２（Ｌ＋Ｒ^２／２Ｌ）／Ｔ´^２ 式（５）
ただし、
ｇ：重力加速度[ｍ／ｓ^２]
Ｌ：振り子の長さ[ｍ]
Ｒ：円板状の振り子本体の半径[ｍ]
Ｔ´：移動体が停止しているときの振り子の振動周期[ｓ]
【００３０】
このようにすると、制御部７は、測定したＴ´を式（５）に代入し演算することにより、重力加速度ｇを推論することができる。
すなわち、地域によって異なる重力加速度ｇに対して、自動車１００の位置に応じて重力加速度ｇを求めることができ、傾斜角度及び移動加速度を推論する際に使用する重力加速後ｇの精度が向上し、傾斜角度及び移動加速度を精度よく推論することができる。
なお、一般的に、自動車１００のエンジンが始動されてから走り始めるまでの間に、重力加速度ｇを推論するが、重力加速度ｇの推論のタイミングはこのタイミングに限定されるものではなく、たとえば、エンジン停止直後に推論し、求めた重力加速度ｇを記憶手段７２に記憶しておく構成としてもよい。
また、自動車１００の位置に応じて重力加速度ｇを推論するといったことを行なわずに、重力加速度ｇとして、通常使用される９．８[ｍ／ｓ^２]を用いることもできる。
【００３１】
次に、自動車１００は、水平かつ直線の路面１０１において、時刻Ｊ_２に発進し等加速度で時刻Ｊ_３まで加速する。この間、振り子本体４１は、振動周期Ｔ_Ｊ２で振動する。そして、検出装置１０は、制御部７が下記式（１）により振り子４の実加速度α_ＴＪ２（図示せず）を推論する。
【００３２】
上記のように、自動車１００が発進し等加速度で走行すると、振り子本体４１には、重力加速度ｇとともに、移動加速度αによる加速度（−α）が作用する。そして、振り子４には、重力加速度ｇに加速度（−α）が合成された実加速度α_Ｔが作用する。この実加速度α_Ｔは、上記式（５）において、重力加速度ｇの代わりに、実加速度α_Ｔを代入すると、下記式（１）となる。
α_Ｔ＝４π^２（Ｌ＋Ｒ^２／２Ｌ）／Ｔ^２ 式（１）
ただし、
α_Ｔ：振り子の実加速度[ｍ／ｓ^２]
Ｌ：振り子の長さ[ｍ]
Ｒ：円板状の振り子本体の半径[ｍ]
Ｔ：振り子の振動周期[ｓ]
【００３３】
ところで、式（１）を用いて実加速度α_Ｔを推論するには、振り子本体４１が振動している必要がある。そして、自動車１０をスムースに加速し等加速度で走らせると、振り子本体４１がほとんど振動しない事態も想定されるが、振り子本体４１の振動を抑制する特別なダンパ手段を設けない限り、振り子本体４１を振動させずに走らすことはほぼ不可能である。
したがって、特別な加振手段を設けなくても、振り子本体４１が振動するので、実加速度α_Ｔを算出することができる。
【００３４】
ここで、記憶手段７２に、あらかじめ測定され、式（１）において使用される４π^２（Ｌ＋Ｒ^２／２Ｌ）＝ｋ（定数）を記憶しておくとよい。
このようにすると、工場の製造ライン等において定数ｋを精度よく測定し、記憶手段７２に記録した定数ｋを使用することができるので、検出精度を向上させることができる。
【００３５】
また、制御部７は、振動している振り子４の角度を、下記式（２）により算出する。
β＝（β_ｉ＋β_{ｉ + １}）／２ 式（２）
ただし、
β：振り子の角度[°]
β_ｉ：振動中の振り子のｉ（自然数）番目のピーク角度[°]
なお、本実施形態では、振り子本体４１が半サイクル振動するごとに振り子４の角度β_Ｊ２を算出しているが、この算出方法に限定されるものではなく、たとえば、１サイクル振動するごとに振り子４の角度βを算出してもよい。
また、本動作例では、自動車１００が等加速度で加速しているので、振り子４は、式（２）により算出された角度β_Ｊ２をセンターとして振動する。なお、振り子４の角度βは、０[°]から角度β_Ｊ２まで増加してから振動しているが、加速の仕方によっては、振動しながら０[°]から角度β_Ｊ２まで増加する。
【００３６】
次に、制御部７は、式（３）により傾斜角度θ_Ｊ２（θ_Ｊ２＝０）を推論し、次に、式（４）により移動加速度α_Ｊ２（図示せず）を推論する。
なお、振り子本体４１が１サイクル振動するごとに、傾斜角度θ_Ｊ２及び移動加速度α_Ｊ２を推論する。
【００３７】
次に、式（３），（４）について説明する。
自動車１００が、傾斜角度θ（ここでは、θ＝０[°]である。）の路面１０１を走行中に、移動加速度αで加速したとすると、傾斜角度θ，重力加速度ｇ及び実加速度α_Ｔの関係は、図３に示すようになる。
同図において、
α_Ｔｃｏｓβ＝ｇｃｏｓ（θ） 式（３´）
であることから、道路の傾斜角度θは、下記式（３）で求めることができる。
θ＝ｃｏｓ^−１（（α_Ｔ／ｇ）ｃｏｓβ） 式（３）
ただし、
θ：傾斜角度[°]
α_Ｔ：振り子の実加速度[ｍ／ｓ^２]
ｇ：重力加速度[ｍ／ｓ^２]
β：振り子の角度[°]
【００３８】
また、移動加速度αは、下記式（４）で求めることができる。
α＝（−α_Ｔｓｉｎβ＋ｇｓｉｎθ） 式（４）
ただし、
α：移動加速度[ｍ／ｓ^２]
α_Ｔ：振り子の実加速度[ｍ／ｓ^２]
β：振り子の角度[°]
ｇ：重力加速度[ｍ／ｓ^２]
Ｌ：振り子の長さ[ｍ]
θ：傾斜角度[°]
【００３９】
次に、自動車１００は、水平かつ直線の路面１０１において、等加速度で時刻Ｊ_３まで加速し速度ｖ_３となったところで加速を止め、時刻Ｊ_４まで等速度（すなわち、移動加速度α_Ｊ３＝０）で走行する。この間、この間、振り子本体４１は、式（２）により算出された角度β_Ｊ３（β_Ｊ３＝０）をセンターとして、振動周期Ｔ_Ｊ３で振動する。そして、検出装置１０は、制御部７が式（１）により実加速度α_ＴＪ３（α_ＴＪ３＝ｇ）を推論し、さらに、式（３）により傾斜角度θ_Ｊ３（θ_Ｊ３＝０）を推論し、次に、式（４）により移動加速度α_Ｊ３（α_Ｊ３＝０）を推論する。
【００４０】
次に、自動車１００は、上り方向に傾斜しかつ直線の路面１０１において、時刻Ｊ_４から時刻Ｊ_５まで、速度ｖ_３のまま等速度で走行する。この間、振り子本体４１は、式（２）により算出された角度β_Ｊ４をセンターとして、振動周期Ｔ_Ｊ４で振動する。そして、検出装置１０は、制御部７が式（１）により実加速度α_ＴＪ４を推論し、さらに、式（３）により傾斜角度θ_Ｊ４を推論し、次に、式（４）により移動加速度α_Ｊ４（α_Ｊ４＝０）を推論する。
【００４１】
次に、自動車１００は、上り方向に傾斜しかつ直線の路面１０１において、時刻Ｊ_５から時刻Ｊ_６まで等加速度で加速し、時刻Ｊ_６には速度ｖ_６となる。この間、振り子本体４１は、式（２）により算出された角度β_Ｊ５をセンターとして、振動周期Ｔ_Ｊ５で振動する。そして、検出装置１０は、制御部７が式（１）により実加速度α_ＴＪ５を推論し、さらに、式（３）により傾斜角度θ_Ｊ５を推論し、次に、式（４）により移動加速度α_Ｊ５を推論する。
【００４２】
ここで、振り子４の実加速度α_ＴＪ５，角度β_Ｊ５及び重力加速度ｇを推論し、これらを上記式（３）に代入すると、傾斜角度θ_Ｊ５として二つの解（＋θ_Ｊ５，−θ_Ｊ５）が推論され、また、移動加速度α_Ｊ５として二つの解（α_＋Ｊ５，α_−Ｊ５）が推論される。なお、傾斜角度＋θ_Ｊ５を上り勾配とし、傾斜角度−θ_Ｊ５を下り勾配としてある。また、移動加速度α_＋Ｊ５は、傾斜角度＋θ_Ｊ５を式（４）に代入して算出される移動加速度であり、移動加速度α_−Ｊ５は、傾斜角度−θ_Ｊ５を式（４）に代入して算出される移動加速度である。
このため、制御部７は、自動車１００の移動速度にもとづいて、すなわち、まず、単位時間（Δｔ）前における速度ｖ´に推論された二つの解（α_＋Ｊ５，α_−Ｊ５）を加算し、単位時間経過後の速度（ｖ´＋α_＋Ｊ５×Δｔ，ｖ´＋α_−Ｊ５×Δｔ）を算出し、次に、これら二つの速度（ｖ´＋α_＋Ｊ５×Δｔ，ｖ´＋α_−Ｊ５×Δｔ）を単位時間経過後の実際の速度Ｖと比較し、速度Ｖに近い方の速度の移動加速度を選択することによって、二つの解（α_＋Ｊ５，α_−Ｊ５）から一つの真の解（α_Ｊ５）を推論することができる。
このように、二つの移動加速度（α_＋Ｊ５，α_−Ｊ５）が推論された場合であっても、任意時間前の移動速度の実測値から任意時間経過後の移動速度をシミュレーションし、任意時間経過後の移動速度の実測値に対応する移動加速度を選択することによって、真の移動加速度及び傾斜角度をそれぞれ一つに決めることができる。
【００４３】
なお、制御部７が、自動車１００が移動している路面１０１の傾斜方向（上り方向又は下り方向）を、カーナビゲーションシステム等により入力されるときは、入力された傾斜方向にもとづいて、推論された二つの解（＋θ_Ｊ５，−θ_Ｊ５）からいずれか一つを選択する構成としてもよい。このように、外部情報を利用することによっても、路面１０１の傾斜方向が決まるので、傾斜角度（＋θ_Ｊ５，−θ_Ｊ５）及び移動加速度（α_＋Ｊ５，α_−Ｊ５）をそれぞれ一つに決めることができる。
【００４４】
次に、自動車１００は、水平かつ直線の路面１０１において、時刻Ｊ_６から時刻Ｊ_７まで、速度ｖ_６のまま等速度で走行する。この間、振り子本体４１は、式（２）により算出された角度β_Ｊ６（β_Ｊ６＝０）をセンターとして、振動周期Ｔ_Ｊ６で振動する。そして、検出装置１０は、制御部７が式（１）により実加速度α_ＴＪ６（α_ＴＪ６＝ｇ）を推論し、さらに、式（３）により傾斜角度θ_Ｊ６（θ_Ｊ６＝０）を推論し、次に、式（４）により移動加速度α_Ｊ６（α_Ｊ６＝０）を推論する。
【００４５】
次に、自動車１００は、水平かつ直線の路面１０１において、時刻Ｊ_７から時刻Ｊ_８まで、速度ｖ_６の状態から等加速度で減速し停止する。この間、振り子本体４１は、式（２）により算出された角度β_Ｊ７をセンターとして、振動周期Ｔ_Ｊ７で振動する。そして、検出装置１０は、制御部７が式（１）により振り子４の実加速度α_ＴＪ７を推論し、さらに、式（３）により傾斜角度θ_Ｊ７（θ_Ｊ７＝０）を推論し、次に、式（４）により移動加速度α_Ｊ７を推論する。
【００４６】
次に、自動車１００が、水平かつ直線の路面１０１において、時刻Ｊ_８に停止すると、振り子本体４１は、式（２）により算出された角度β_Ｊ８（β_Ｊ８＝０）をセンターとして、振動周期Ｔ_Ｊ８（Ｔ_Ｊ８＝Ｔ´）で振動しやがて停止する。
【００４７】
このように、本実施形態の移動体の傾斜角度・加速度検出装置１０によれば、振り子型センサ１の振り子４の振動周期と角度を検出するだけで、移動体が移動している移動面の傾斜角度及び移動体の移動加速度を推論することができる。すなわち、加速度センサを設けなくてもすむので、製造費用のコストダウンを図ることができるとともに、傾斜角度・加速度検出装置１０を小型化及び軽量化することができる。
【００４８】
[第二実施形態]
図６は、本発明の第二実施形態にかかるにかかる移動体の傾斜角度・加速度検出装置の構成を説明する概略構成図を示している。
同図において、傾斜角度・加速度検出装置１０ａ（適宜、検出装置１０ａと略称する。）は、振り子型センサ１ａ（適宜、センサ１ａと略称する。）と制御部７とからなっている。
【００４９】
本実施形態は、第一実施形態と比較して、振り子４の回転角の検出手段５及び加振手段６の構造が相違する。
すなわち、第一実施形態では、永久磁石からなる振り子本体４１と磁気センサ５１からなる検出手段で振り子４の回転角を検出していたのに対し、本実施形態の検出手段５は、回転軸３に連結され周縁部に磁気信号が書き込まれたディスク５２と、このディスク５２の磁気信号を検出する磁気センサ５３とからなっている。なお、ディスク５２には、振り子４の角度に応じて識別可能な磁気信号が書き込まれており、磁気センサ５３が上記磁気信号を検出することにより、振り子４の回転角を検出することができる。
【００５０】
また、第一実施形態では、特別な加振手段を備えていないのに対し、磁性材料からなる振り子本体４１ａの外周部に配設された一又は二以上の電磁石からなる加振手段６が設けられており、この加振手段６は、制御部７から加振信号を入力すると、瞬間的に吸引力を発生させ、振り子４を強制的に振動させる。
なお、加振手段６は、静止状態にある振り子４を振動させる手段であればよく、上記構成に限定されるものではない。
また、制御部７は、振り子４が振動していないとき、必要に応じて加振手段６に加振信号を出力し、振り子４を振動させることができる。
その他の構成は、上記第一実施形態の検出装置１０とほぼ同様としてある。
【００５１】
このように、本実施形態の検出装置１０によれば、走行しているにもかかわらず自動車１００がほとんど振動せず、振り子本体４１ａが静止しているとき、加振手段６により振り子本体４１ａを強制的に振動させることができるので、振り子本体４１ａが振動しないために、実加速度α_Ｔを推論することができないといった不具合を確実に回避することができる。
また、エンジンを始動したとき、自動車１００がほとんど振動せず、振り子本体４１ａが静止したままの場合には、加振手段６により振り子本体４１ａを振動させることができ、重力加速度ｇを推論することができないといった不具合を回避することができる。
なお、磁気センサ５３と加振手段６が離れているので、加振手段６を作動させても、磁気センサ５３が、加振手段６の磁気を検出することはない。
【００５２】
本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態により何ら限定されるものではない。
例えば、上記の実施形態では、移動体が移動している移動面の傾斜角度及び移動体の移動加速度の両方を推論する構成としてあるが、この構成に限定されるものではなく、たとえば、傾斜角度のみを推論する構成としてもよい。
【００５３】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、加速度を検出する加速度センサを備えなくても、振り子型センサの振り子の振動周期から振り子の実加速度を推論することにより、移動体が移動している移動面の傾斜角度及び加速度を推論することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明にかかる振り子型センサによる傾斜角度及び加速度検出装置の構成を説明する概略構成図を示している。
【図２】図２は、第一実施形態の制御部における、傾斜角度と移動加速度を推論する各推論部の構成を説明する演算ブロック図を示している。
【図３】図３は、本発明にかかる振り子型センサによる傾斜角度及び加速度検出装置の使用状況を説明する概略側面図を示している。
【図４】図４は、本発明にかかる移動体の傾斜角度・加速度検出装置における傾斜角度及び移動加速度の推論を説明する概略グラフを示している。
【図５】図５は、本発明にかかる振り子型センサの振動状況を説明するための、概略モデル図を示している。
【図６】図６は、本発明の第二実施形態にかかるにかかる移動体の傾斜角度・加速度検出装置の構成を説明する概略構成図を示している。
【符号の説明】
１，１ａ 振り子型センサ
２ 筐体
３ 回転軸
４ 振り子
５ 検出手段
６ 加振手段
７ 制御部
１０，１０ａ 傾斜角度及び加速度検出装置
２１ ねじ
２２，２３ ケース
４１，４１ａ 振り子本体
４２ アーム
５１ 磁気センサ
５２ ディスク
５３ 磁気センサ
７１ 演算処理手段
７２ 記憶手段
１００ 自動車
１０１ 路面
７１１ 検出信号入力部
７１２ バンドパスフィルター
７１３ 振り子周期計測部
７１４ 実加速度推論部
７１５ ローパスフィルター
７１６ 振り子の角度推論部
７１７ 傾斜角度推論部
７１８ 移動加速度推論部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention provides a mobile objectTilt angle andWith regard to the tilt angle / acceleration detection device, in particular, inferring the tilt angle and moving acceleration of the moving surface on which the moving body moves from the vibration period of the pendulum and the angle of the pendulum attached to the moving body such as a vehicle, a ship, and an aircraft. Of moving objectsTilt angle andThe present invention relates to a tilt angle / acceleration detection device.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, an inclination angle and acceleration detection device capable of detecting a road inclination angle from a running vehicle and further detecting a moving acceleration has been developed.
This device generally uses a strain gauge or the like that detects a movement acceleration or an actual acceleration (acceleration actually acting on a moving object, and on the ground, the acceleration is a combination of movement acceleration and gravitational acceleration). And a pendulum type tilt angle detection sensor.
In addition, a tilt angle / acceleration detection device in which the acceleration sensor and the pendulum type gradient angle detection sensor are integrally combined has been developed.
[0003]
For example, there is a pendulum type gradient angle / acceleration sensor that can detect both a road gradient angle and a travel acceleration while attached to a traveling vehicle (see, for example, Patent Document 1).
The gradient angle / acceleration sensor includes a first sensor (inclination angle detection sensor) that detects an angle at which the weight rotates due to gravity, and a second sensor (acceleration sensor) that detects the acceleration received by the weight due to gravity and vehicle acceleration. It is possible to detect both the gradient angle of the running road and the running acceleration of the vehicle at the same time.
Using such technology, it is possible to detect both the inclination angle of the road that is running and the running acceleration of the vehicle along the road, and send these to the antilock brake system, automatic transmission, and electronically controlled brake system. It becomes possible, and safer and more comfortable driving can be realized.
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 06-201380 (Claim (1), FIG. 2)
[0005]
However, the gradient angle / acceleration sensor needs to include a second sensor for detecting acceleration, and there is a problem that the cost of parts cannot be reduced.
In addition, in order to detect road gradient and running acceleration during running, an acceleration sensor that detects running acceleration or actual acceleration and an inclination angle detection sensor are indispensable. By providing these two sensors, the size and weight can be reduced. There was also a problem that it was not possible to respond to the request.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
  The present invention has been made in view of the above-described problems. Even if an acceleration sensor for detecting acceleration is not provided, the mobile object can be estimated by inferring the actual acceleration of the pendulum from the vibration period of the pendulum of the pendulum sensor. It is possible to infer the inclination angle and moving acceleration of the moving moving surface.Tilt angle andAn object is to provide a tilt angle / acceleration detection device.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
A tilt angle detecting device for a moving body according to the present invention includes a housing, a pendulum rotatably attached to the housing via a rotating shaft, and a vibration period and an angle of the pendulum. Based on the pendulum type sensor having a detecting means for detecting, and the vibration period and angle of the pendulum from the pendulum type sensor, the inclination angle of the moving surface on which the moving body is moving and the acceleration of the moving body are inferred. A control unit having arithmetic means, wherein the control unit infers the actual acceleration of the pendulum from the vibration period of the pendulum, infers the angle of the pendulum from the peak angle of the pendulum, and the actual acceleration of the pendulum and the pendulum Is used to infer the inclination angle of the moving surface on which the moving body is moving.
In this way, the actual acceleration of the pendulum can be inferred from the vibration period of the pendulum, and the inclination angle of the moving surface can be inferred without providing an acceleration sensor.
[0008]
  Also,The present inventionThe pendulum actual acceleration is inferred using the following pendulum actual acceleration inference formula (formula (1)), the pendulum angle is inferred using the pendulum angle inference formula (formula (2)), The inclination angle of the moving surface is inferred using the following inclination angle inference formula (Expression (3)).
(Pendulum actual acceleration inference formula)
  α_T= 4π²(L + R²/ 2L) / T²    Formula (1)
      However,
        α_T: Actual acceleration of pendulum [m / s²]
        L: Length of pendulum [m]
        R: radius of disk-shaped pendulum body [m]
        T: Pendulum vibration period [s]
(Pendulum angle inference formula)
  β = (β_i+ Β_{i + 1}) / 2 Formula (2)
      However,
        β: Pendulum angle [°]
        β_i: I (natural number) peak angle [°] of the pendulum in vibration
(Inclination angle inference formula)
  θ = cos^-1((Α_T/ G) cos β) Formula (3)
      However,
        θ: Inclination angle [°]
        α_T: Actual acceleration of pendulum [m / s²]
        g: Gravity acceleration [m / s²]
        β: Pendulum angle [°]
[0009]
  Also,The present invention4π used in the formula (1)²(L + R²/ 2L) = k (constant) is measured in advance.
  In this way, the constant k can be accurately measured and recorded in the storage means in a factory production line or the like, so that the detection accuracy can be improved.
[0010]
  Also,The present inventionA configuration is provided that includes a vibrating means for forcibly vibrating the pendulum.
In this way, even when the pendulum is not oscillating, it can be forcibly oscillated, thus acting on the pendulumActual accelerationCan always be detected.
[0011]
  Also, the tilt angle / acceleration detection device for a moving body of the present invention uses the inferred actual acceleration of the pendulum, the pendulum angle, and the tilt angle of the moving surface by the control unit of the tilt angle detection device of the moving body. The moving acceleration of the moving body is inferred.
  In this way, the inclination angle of the moving surface on which the moving body is moving and the moving acceleration of the moving body can be inferred only by detecting the vibration period and angle of the pendulum of the pendulum type sensor. That is, since it is not necessary to provide an acceleration sensor, the manufacturing cost can be reduced, and the inclination angle and the acceleration detection device can be reduced in size and weight.
[0012]
The present invention also provides:The moving acceleration of the moving body is inferred using the following moving acceleration inference formula (4).
(Movement acceleration inference formula)
  α = (− α_Tsin β + g sin θ) Equation (4)
However,
  α: Movement acceleration [m / s²]
  α_T: Actual acceleration of pendulum [m / s²]
  β: Pendulum angle [°]
  g: Gravity acceleration [m / s²]
  θ: Inclination angle [°]
[0013]
The present invention also provides:When the control unit stops the moving body, using the following gravitational acceleration inference formula (formula (5)),
  The gravitational acceleration g used in the equations (3) and (4) is inferred.
(Gravity acceleration inference formula)
  g = 4π²(L + R²/ 2L) / T '²    Formula (5)
      However,
        g: Gravity acceleration [m / s²]
        L: Length of pendulum [m]
        R: radius of disk-shaped pendulum body [m]
        T ′: pendulum vibration period when the moving body is stopped [s]
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[First embodiment]
  FIG. 1 shows a moving body according to the first embodiment of the present invention.Tilt angle and1 is a schematic configuration diagram illustrating a configuration of an inclination angle / acceleration detection device.
In FIG. 1, a tilt angle / acceleration detection device 10 (referred to as detection device 10 as appropriate) includes a pendulum sensor 1 (referred to as sensor 1 as appropriate) and a control unit 7.
[0015]
The sensor 1 includes a rectangular box-shaped housing 2 divided into two, which includes a case 22 and a case 23 connected by screws 21, a rotating shaft 3 that is rotatably supported by the case 22 and the case 23, and a circle. The pendulum body 41 is composed of a plate-like pendulum main body 41, an arm 42 that connects the pendulum main body 41 and the rotary shaft 3, and a magnetic sensor 51 that detects the vibration period and angle of the pendulum 4.
[0016]
The pendulum 4 is provided with a disk-shaped pendulum body 41 so that the inertia can be easily calculated. However, the pendulum body 41 is not limited to the disk-shaped shape.
In this embodiment, the pendulum body 41 is formed of a permanent magnet such as a neodymium magnet, a ferrite magnet, or an SmCo magnet, and is integrally fixed to the arm 42 formed separately and by an adhesive or the like. When the sensor 1 is attached to a vehicle or the like, the magnetic sensor 51 mainly composed of a magnetic detection element is disposed in the magnetic field of the pendulum main body 41, and when the pendulum main body 41 rotates about the rotation shaft 3, the sensor 1 A detection signal corresponding to the rotation angle is output to the controller 7 such as a controller.
In this embodiment, the gravity acceleration direction is the origin (angle 0 [°]), the clockwise direction is the + direction, and the counterclockwise direction is the − direction.
Further, the detection means for detecting the rotation angle of the pendulum 4 is not limited to the configuration including the pendulum body 41 and the magnetic sensor 51. For example, an optical detection means including a light source, an optical sensor, and a rotary encoder, Alternatively, a capacitance type detection means comprising a potentiometer and electrodes may be used.
[0017]
The control unit 7 includes arithmetic processing means 71 and storage means 72.
When the detection signal obtained by detecting the magnetic signal of the pendulum body 41 is input from the magnetic sensor 51, the arithmetic processing unit 71 calculates the vibration period and angle of the pendulum 4. Then, based on the calculated vibration period and angle, as will be described later, the inclination angle of the road surface 101 on which the automobile 100 is moving and the movement acceleration of the automobile 100 are inferred, and the inferred inclination angle and movement acceleration are output as external output signals. Output as.
Furthermore, the storage means 72 has a constant k (= 4π) determined by the shape of the pendulum 4.²(L + R²/ 2L) where L is the pendulum length [m] and R is the radius of the disc-shaped pendulum body [m]. ) Is memorized.
[0018]
Next, a procedure in which the control unit 7 infers the inclination angle θ of the road surface 101 and the movement acceleration α of the automobile 100 will be described with reference to the drawings.
FIG. 2 is a calculation block diagram illustrating the configuration of each inference unit for inferring the tilt angle and the movement acceleration in the control unit of the first embodiment.
In the figure, the arithmetic processing means 71 of the control unit 7 includes a detection signal input unit 711, a bandpass filter 712, a pendulum period measurement unit 713, an actual acceleration inference unit 714, a low-pass filter 715, a pendulum angle inference unit 716, and an inclination angle. An inference unit 717 and a movement acceleration inference unit 718 are included.
[0019]
The detection signal input unit 711 receives a detection signal obtained by detecting the rotation angle of the pendulum main body 41 from the magnetic sensor 51 of the pendulum type sensor 1, and outputs the detection signal to the bandpass filter 712.
The band-pass filter 712 applies a band-pass filter of about 10 Hz that has a frequency near the natural frequency of the pendulum 4 to the detection signal, outputs an AC detection signal to the pendulum period measurement unit 713, and low-pass filter 715. Outputs a DC detection signal.
[0020]
The pendulum period measuring unit 713 receives an AC detection signal from the bandpass filter 712 and measures the vibration period of the pendulum 4.
The actual acceleration reasoning unit 714 inputs the vibration period of the pendulum 4 from the pendulum period measuring unit 713, and is measured in advance and used in equation (1) = k (constant) = 4π.²(L + R²/ 2L), and the actual acceleration α of the pendulum 4_TTo infer. And the inferred actual acceleration α_TIs output to the inclination angle reasoning unit 717 and the movement acceleration reasoning unit 718.
[0021]
The low-pass filter 715 applies a low-pass filter to the DC detection signal from the band-pass filter 712 and outputs it to the pendulum angle inference unit 716.
The pendulum angle inference unit 716 receives the detection signal from the low-pass filter 715, infers the center value from the angle of the pendulum 4 that vibrates, and infers the estimated angle β to the tilt angle inference unit 717 and the moving acceleration inference unit 718. Output to.
[0022]
The tilt angle inference unit 717 inputs the input actual acceleration α_TAnd the angle β and the gravitational acceleration g are used to infer the inclination angle θ of the road surface 101 on which the automobile 100 is traveling. Further, the inferred inclination angle θ is output to the movement acceleration inference unit 718.
The moving acceleration inference unit 718 inputs the actual acceleration α_T, The angle β, the inclination angle θ, and the gravitational acceleration g are used to infer the movement acceleration α of the automobile 100.
In addition, by providing the band pass filter 712 and the low pass filter 715, noise of the detection signal can be reduced, and the inclination angle θ and the movement acceleration α can be inferred with high accuracy.
[0023]
Next, the usage situation of the detection apparatus 10 of this embodiment is demonstrated with reference to drawings.
FIG. 3: has shown the schematic side view explaining the use condition of the inclination-angle / acceleration detection apparatus of the moving body concerning this invention.
In the figure, a pendulum sensor 1 is attached to an automobile 100 that is a moving body, and the automobile 100 travels while accelerating a road surface 101 (moving surface) inclined by an angle θ with a moving acceleration α.
[0024]
When the automobile 100 accelerates with the movement acceleration α, the pendulum 4 of the sensor 1 mounted on the automobile 100 has an acceleration −α (acceleration −α indicates that the direction of the vector amount is opposite to the movement acceleration α. Means).
Further, the gravitational acceleration g acts on the pendulum 4 in the direction of the inclination angle θ of the road surface 101. Therefore, the pendulum 4 has an actual acceleration α obtained by combining the acceleration (−α) with the gravitational acceleration g._TWorks. The actual acceleration α_TThe direction (angle) on which the sensor acts is an angle β in the sensor 1.
The sensor 1 is attached in a direction in which the rotary shaft 3 is positioned along a direction orthogonal to the moving direction and the gravitational acceleration direction so as to detect the acceleration in the moving direction of the automobile 100.
[0025]
The tilt angle / acceleration detection apparatus 10 of this embodiment having such a configuration infers the tilt angle and the movement acceleration as follows.
FIG. 4 is a schematic graph for explaining the inference of the tilt angle and the moving acceleration in the tilt angle / acceleration detecting device for the moving body according to the present invention.
In the figure, a graph relating to the traveling speed v [m / s] and time, and a graph relating to the angle β of the pendulum 4 and time when the automobile 100 is driven are shown in correspondence with each other.
[0026]
In the figure, an automobile 100 is stopped on a horizontal road surface 101 and time J₁The engine is started.
Next, when the control unit 7 confirms that the automobile 100 is stopped, the detection device 10 measures the vibration period T ′ of the pendulum body 41 in free vibration by vibration when the engine is started, The gravitational acceleration g is inferred from the equation (5).
[0027]
Next, equation (5) will be described.
FIG. 5 is a schematic model diagram for explaining the vibration state of the pendulum type sensor according to the present invention.
In the figure, the pendulum 4 vibrates freely by the action of gravitational acceleration g. If the mass of the arm 42 is ignored and the frictional resistance and the air resistance of the rotating shaft 3 are not generated, the vibration period T ′ of the pendulum body 41 is expressed by the equation (5 ′).
[0028]
T ′ = 2π ((ML²+ MR²/ 2) / (MgL))^1/2      Formula (5 ')
However,
T ′: Vibration period of the pendulum when the moving body is stopped [s]
M: Mass of pendulum body [kg]
L: Length of pendulum [m]
R: radius of disk-shaped pendulum body [m]
g: Gravity acceleration [m / s²]
When the gravitational acceleration g is obtained from the above equation (5 ′), the equation (5) is obtained.
[0029]
g = 4π²(L + R²/ 2L) / T '²      Formula (5)
However,
g: Gravity acceleration [m / s²]
L: Length of pendulum [m]
R: radius of disk-shaped pendulum body [m]
T ′: Vibration period of the pendulum when the moving body is stopped [s]
[0030]
If it does in this way, the control part 7 can infer gravity acceleration g by substituting measured T 'for Formula (5), and calculating.
That is, the gravitational acceleration g can be obtained according to the position of the automobile 100 with respect to the gravitational acceleration g that varies depending on the region, and the accuracy of the gravitational acceleration g used when inferring the tilt angle and the moving acceleration is improved. The tilt angle and the movement acceleration can be inferred with high accuracy.
In general, the gravitational acceleration g is inferred between the time when the engine of the automobile 100 is started and the start of running, but the inference timing of the gravitational acceleration g is not limited to this timing. The gravitational acceleration g obtained by inference immediately after the engine is stopped may be stored in the storage unit 72.
In addition, the gravity acceleration g is not inferred according to the position of the automobile 100, and is normally used as the gravity acceleration g of 9.8 [m / s.²] Can also be used.
[0031]
Next, the automobile 100 takes time J on a horizontal and straight road surface 101.₂J₃Accelerate to. During this time, the pendulum body 41 has a vibration period T_J2Vibrate. Then, in the detection device 10, the control unit 7 uses the following equation (1) to calculate the actual acceleration α of the pendulum 4._TJ2Infer (not shown).
[0032]
As described above, when the automobile 100 starts and travels at a constant acceleration, the acceleration (−α) due to the movement acceleration α acts on the pendulum body 41 together with the gravitational acceleration g. The pendulum 4 has an actual acceleration α obtained by combining the acceleration (−α) with the gravitational acceleration g._TWorks. This actual acceleration α_TIs the actual acceleration α instead of the gravitational acceleration g in the above equation (5)._TIs substituted, the following equation (1) is obtained.
α_T= 4π²(L + R²/ 2L) / T²      Formula (1)
However,
α_T: Actual acceleration of pendulum [m / s²]
L: Length of pendulum [m]
R: radius of disk-shaped pendulum body [m]
T: Pendulum vibration period [s]
[0033]
By the way, the actual acceleration α using the equation (1)_TTo infer the pendulum body 41 needs to vibrate. Then, when the automobile 10 is smoothly accelerated and run at a constant acceleration, there may be a situation in which the pendulum body 41 hardly vibrates. It is almost impossible to run without vibrating.
Therefore, the pendulum main body 41 vibrates without providing special vibration means, so that the actual acceleration α_TCan be calculated.
[0034]
Here, 4π measured in advance in the storage means 72 and used in the equation (1).²(L + R²/ 2L) = k (constant) may be stored.
In this way, the constant k can be accurately measured in a factory production line or the like, and the constant k recorded in the storage means 72 can be used, so that the detection accuracy can be improved.
[0035]
Moreover, the control part 7 calculates the angle of the pendulum 4 which is vibrating by following formula (2).
β = (β_i+ Β_{i + 1}) / 2 Formula (2)
However,
β: Pendulum angle [°]
β_i: I (natural number) peak angle [°] of pendulum in vibration
In this embodiment, every time the pendulum body 41 vibrates half a cycle, the angle β of the pendulum 4_J2However, the present invention is not limited to this calculation method. For example, the angle β of the pendulum 4 may be calculated every time one cycle vibrates.
Further, in this operation example, since the automobile 100 is accelerating at a uniform acceleration, the pendulum 4 has an angle β calculated by the equation (2)._J2Vibrates around the center. The angle β of the pendulum 4 is from 0 [°] to the angle β_J2However, depending on the method of acceleration, the angle β may vary from 0 [°] while oscillating._J2Increase to.
[0036]
Next, the control unit 7 calculates the tilt angle θ according to Equation (3)._J2(Θ_J2= 0), and then the movement acceleration α according to equation (4)_J2Infer (not shown).
Each time the pendulum body 41 vibrates for one cycle, the tilt angle θ_J2And movement acceleration α_J2To infer.
[0037]
Next, expressions (3) and (4) will be described.
Assuming that the automobile 100 is accelerated at a moving acceleration α while traveling on a road surface 101 at an inclination angle θ (here, θ = 0 [°]), the inclination angle θ, the gravitational acceleration g, and the actual acceleration α._TThe relationship is as shown in FIG.
In the figure,
α_Tcos β = g cos (θ) Equation (3 ′)
Therefore, the road inclination angle θ can be obtained by the following equation (3).
θ = cos^-1((Α_T/ G) cos β) Formula (3)
However,
θ: Inclination angle [°]
α_T: Actual acceleration of pendulum [m / s²]
g: Gravity acceleration [m / s²]
β: Pendulum angle [°]
[0038]
Further, the movement acceleration α can be obtained by the following equation (4).
α = (− α_Tsin β + g sin θ) Equation (4)
However,
α: Movement acceleration [m / s²]
α_T: Actual acceleration of pendulum [m / s²]
β: Pendulum angle [°]
g: Gravity acceleration [m / s²]
L: Length of pendulum [m]
θ: Inclination angle [°]
[0039]
Next, the automobile 100 takes time J at a constant acceleration on a horizontal and straight road surface 101.₃Accelerate to speed v₃At that time, the acceleration stopped and time J₄Up to constant velocity (ie, moving acceleration α_J3= 0). Meanwhile, during this time, the pendulum body 41 has an angle β calculated by the equation (2)._J3(Β_J3= 0) as the center, the vibration period T_J3Vibrate. Then, in the detection device 10, the control unit 7 uses the equation (1) to calculate the actual acceleration α._TJ3(Α_TJ3= G), and the inclination angle θ_J3(Θ_J3= 0), and then the movement acceleration α according to equation (4)_J3(Α_J3= 0).
[0040]
Next, the automobile 100 is inclined in the upward direction and on the straight road surface 101, the time J₄To time J₅Up to speed v₃Travel at the same speed. During this time, the pendulum body 41 has an angle β calculated by the equation (2)._J4Is the vibration period T_J4Vibrate. Then, in the detection device 10, the control unit 7 uses the equation (1) to calculate the actual acceleration α._TJ4Further, the inclination angle θ is obtained from the equation (3)._J4Next, the movement acceleration α_J4(Α_J4= 0).
[0041]
Next, the automobile 100 is inclined in the upward direction and on the straight road surface 101, the time J₅To time J₆Accelerate at constant acceleration until time J₆Speed v₆It becomes. During this time, the pendulum body 41 has an angle β calculated by the equation (2)._J5Is the vibration period T_J5Vibrate. Then, in the detection device 10, the control unit 7 uses the equation (1) to calculate the actual acceleration α._TJ5Further, the inclination angle θ is obtained from the equation (3)._J5Next, the movement acceleration α_J5To infer.
[0042]
Here, the actual acceleration α of the pendulum 4_TJ5, Angle β_J5And the gravitational acceleration g and substituting them into the above equation (3), the inclination angle θ_J5As two solutions (+ θ_J5, −θ_J5) Is inferred, and the movement acceleration α_J5As two solutions (α_{+ J5}, Α_-J5) Is inferred. Inclination angle + θ_J5Is the upward slope, and the tilt angle -θ_J5Is the downward slope. Also, the movement acceleration α_{+ J5}Is the angle of inclination + θ_J5Is the movement acceleration calculated by substituting into the equation (4), and the movement acceleration α_-J5Is the tilt angle -θ_J5Is a movement acceleration calculated by substituting into the equation (4).
For this reason, the control unit 7 is based on the moving speed of the automobile 100, that is, first, two solutions (α that are inferred to the speed v ′ before the unit time (Δt))._{+ J5}, Α_-J5), And the speed after unit time (v '+ α_{+ J5}× Δt, v ′ + α_-J5X Δt) and then these two velocities (v ′ + α_{+ J5}× Δt, v ′ + α_-J5× Δt) is compared with the actual speed V after the unit time has passed, and by selecting the moving acceleration of the speed closer to the speed V, two solutions (α_{+ J5}, Α_-J5) To one true solution (α_J5) Can be inferred.
Thus, two movement accelerations (α_{+ J5}, Α_-J5), The movement speed after the lapse of the arbitrary time is simulated from the actual measurement value of the movement speed before the arbitrary time, and the movement acceleration corresponding to the actual measurement value of the movement speed after the lapse of the arbitrary time is selected. As a result, the true movement acceleration and the inclination angle can be determined to be one each.
[0043]
When the control unit 7 inputs the inclination direction (upward or downward direction) of the road surface 101 on which the automobile 100 is moving by a car navigation system or the like, it is inferred based on the input inclination direction. Two solutions (+ θ_J5, −θ_J5) May be selected. As described above, since the inclination direction of the road surface 101 is also determined by using external information, the inclination angle (+ θ_J5, −θ_J5) And acceleration (α_{+ J5}, Α_-J5) Can be decided on each one.
[0044]
Next, the automobile 100 takes time J on a horizontal and straight road surface 101.₆To time J₇Up to speed v₆Travel at the same speed. During this time, the pendulum body 41 has an angle β calculated by the equation (2)._J6(Β_J6= 0) as the center, the vibration period T_J6Vibrate. Then, in the detection device 10, the control unit 7 uses the equation (1) to calculate the actual acceleration α._TJ6(Α_TJ6= G), and the inclination angle θ_J6(Θ_J6= 0), and then the movement acceleration α according to equation (4)_J6(Α_J6= 0).
[0045]
Next, the automobile 100 takes time J on a horizontal and straight road surface 101.₇To time J₈Up to speed v₆Decelerate at a constant acceleration and stop. During this time, the pendulum body 41 has an angle β calculated by the equation (2)._J7Is the vibration period T_J7Vibrate. Then, in the detection device 10, the control unit 7 uses the equation (1) to calculate the actual acceleration α of the pendulum 4._TJ7Further, the inclination angle θ is obtained from the equation (3)._J7(Θ_J7= 0), and then the movement acceleration α according to equation (4)_J7To infer.
[0046]
Next, when the automobile 100 is on a horizontal and straight road surface 101, the time J₈The pendulum body 41 is moved to the angle β calculated by the equation (2)._J8(Β_J8= 0) as the center, the vibration period T_J8(T_J8= T ') and then stops vibrating.
[0047]
Thus, according to the tilt angle / acceleration detection device 10 of the moving body of the present embodiment, the moving surface on which the moving body is moving can be detected only by detecting the vibration period and angle of the pendulum 4 of the pendulum sensor 1. The inclination angle and the moving acceleration of the moving body can be inferred. That is, since it is not necessary to provide an acceleration sensor, the manufacturing cost can be reduced, and the tilt angle / acceleration detection device 10 can be reduced in size and weight.
[0048]
[Second Embodiment]
FIG. 6: has shown the schematic block diagram explaining the structure of the inclination-angle / acceleration detection apparatus of the moving body concerning 2nd embodiment of this invention.
In the figure, the tilt angle / acceleration detection device 10a (appropriately abbreviated as the detection device 10a) includes a pendulum sensor 1a (appropriately abbreviated as the sensor 1a) and a control unit 7.
[0049]
The present embodiment differs from the first embodiment in the structures of the rotation angle detection means 5 and the vibration means 6 of the pendulum 4.
That is, in the first embodiment, the rotation angle of the pendulum 4 is detected by the detection means including the pendulum main body 41 and the magnetic sensor 51 made of a permanent magnet, whereas the detection means 5 of the present embodiment has the rotation shaft 3. And a magnetic sensor 53 for detecting the magnetic signal of the disk 52. Note that a magnetic signal that can be identified according to the angle of the pendulum 4 is written on the disk 52, and the rotation angle of the pendulum 4 can be detected by the magnetic sensor 53 detecting the magnetic signal.
[0050]
In the first embodiment, no special vibration means is provided, whereas a vibration means 6 made of one or more electromagnets disposed on the outer peripheral portion of the pendulum body 41a made of a magnetic material is provided. When the vibration signal is input from the control unit 7, the vibration means 6 instantaneously generates a suction force to forcibly vibrate the pendulum 4.
The vibration means 6 may be any means that vibrates the pendulum 4 in a stationary state, and is not limited to the above configuration.
In addition, when the pendulum 4 is not oscillating, the control unit 7 can output an excitation signal to the oscillating means 6 as necessary to oscillate the pendulum 4.
Other configurations are substantially the same as those of the detection device 10 of the first embodiment.
[0051]
Thus, according to the detection apparatus 10 of the present embodiment, the pendulum body 41a is moved by the vibration means 6 when the automobile 100 hardly vibrates despite the traveling and the pendulum body 41a is stationary. Since the pendulum body 41a does not vibrate because it can be forced to vibrate, the actual acceleration α_TIt is possible to reliably avoid problems such as inability to infer.
Further, when the automobile 100 is hardly vibrated when the engine is started and the pendulum main body 41a remains stationary, the pendulum main body 41a can be vibrated by the vibration means 6, and the gravitational acceleration g is inferred. It is possible to avoid problems such as failure.
Since the magnetic sensor 53 and the vibration means 6 are separated from each other, even if the vibration means 6 is operated, the magnetic sensor 53 does not detect the magnetism of the vibration means 6.
[0052]
Although preferred embodiments of the present invention have been described, the present invention is not limited to the above-described embodiments.
For example, in the above embodiment, both the inclination angle of the moving surface on which the moving body is moving and the movement acceleration of the moving body are inferred. However, the present invention is not limited to this configuration. It is good also as a structure which infers only.
[0053]
【The invention's effect】
  As mentioned above,According to the present inventionInferring the tilt angle and acceleration of the moving surface on which the moving object is moving by inferring the actual acceleration of the pendulum from the vibration period of the pendulum of the pendulum type sensor, even without an acceleration sensor for detecting the acceleration Can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating a configuration of a tilt angle and acceleration detection device using a pendulum type sensor according to the present invention.
FIG. 2 is a calculation block diagram illustrating a configuration of each inference unit that infers an inclination angle and a movement acceleration in the control unit of the first embodiment.
FIG. 3 is a schematic side view for explaining a use state of a tilt angle and acceleration detection device by a pendulum type sensor according to the present invention.
FIG. 4 is a schematic graph for explaining the inference of the tilt angle and the moving acceleration in the moving body tilt angle / acceleration detecting apparatus according to the present invention.
FIG. 5 is a schematic model diagram for explaining a vibration state of the pendulum type sensor according to the present invention.
FIG. 6 is a schematic configuration diagram for explaining the configuration of a tilt angle / acceleration detection device for a moving body according to the second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1,1a Pendulum type sensor
2 Case
3 Rotating shaft
4 Pendulum
5 detection means
6 Excitation means
7 Control unit
10, 10a Inclination angle and acceleration detection device
21 Screw
22, 23 cases
41, 41a Pendulum body
42 arms
51 Magnetic sensor
52 discs
53 Magnetic sensor
71 Arithmetic processing means
72 Memory means
100 cars
101 road surface
711 Detection signal input section
712 Band pass filter
713 Pendulum period measurement unit
714 Real Acceleration Reasoning Department
715 Low-pass filter
716 Angle inference part of pendulum
717 Inclination angle reasoning part
718 Movement acceleration reasoning part

Claims (7)

移動体に取り付けられ、かつ、筐体，回転軸を介して前記筐体に回転自在に取り付けられた振り子，及び，この振り子の振動周期と角度を検出する検出手段を有する振り子型センサと、
この振り子型センサからの前記振り子の振動周期と角度にもとづいて、前記移動体が移動している移動面の傾斜角度及び前記移動体の加速度を推論する演算手段を有する制御部と
を具備し、
前記制御部が、
前記振り子の振動周期から振り子の実加速度を推論し、
前記振り子のピーク角度から振り子の角度を推論し、
前記振り子の実加速度及び振り子の角度を用いて、前記移動体が移動している移動面の傾斜角度を推論することを特徴とする移動体の傾斜角度検出装置。A pendulum sensor attached to a movable body, and having a housing, a pendulum rotatably attached to the housing via a rotation shaft, and a detection means for detecting a vibration period and an angle of the pendulum;
A control unit having arithmetic means for inferring an inclination angle of a moving surface on which the moving body is moving and an acceleration of the moving body based on a vibration period and an angle of the pendulum from the pendulum type sensor;
The control unit is
Inferring the actual acceleration of the pendulum from the vibration period of the pendulum,
Inferring the pendulum angle from the peak angle of the pendulum,
An apparatus for detecting a tilt angle of a moving body, wherein the tilt angle of a moving surface on which the moving body is moving is inferred using an actual acceleration of the pendulum and an angle of the pendulum. 前記振り子の実加速度を、下記振り子の実加速度推論式（式（１））を用いて推論し、前記振り子の角度を、下記振り子の角度推論式（式（２））を用いて推論し、前記移動面の傾斜角度を、下記傾斜角度推論式（式（３））を用いて推論したことを特徴とする請求項１記載の移動体の傾斜角度検出装置。
（振り子の実加速度推論式）
α_Ｔ＝４π^２（Ｌ＋Ｒ^２／２Ｌ）／Ｔ^２ 式（１）
ただし、
α_Ｔ：振り子の実加速度［ｍ／ｓ^２］
Ｌ：振り子の長さ［ｍ］
Ｒ：円板状の振り子本体の半径［ｍ］
Ｔ：振り子の振動周期［ｓ］
（振り子の角度推論式）
β＝（β_ｉ＋β_ｉ＋１）／２ 式（２）
ただし、
β：振り子の角度［°］
β_ｉ：振動中の振り子のｉ（自然数）番目のピーク角度［°］
（傾斜角度推論式）
θ＝ｃｏｓ^−１（（α_Ｔ／ｇ）ｃｏｓβ） 式（３）
ただし、
θ：傾斜角度［°］
α_Ｔ：振り子の実加速度［ｍ／ｓ^２］
ｇ：重力加速度［ｍ／ｓ^２］
β：振り子の角度［°］The pendulum actual acceleration is inferred using the following pendulum actual acceleration inference formula (formula (1)), the pendulum angle is inferred using the pendulum angle inference formula (formula (2)), The tilt angle detection device for a moving body according to claim 1, wherein the tilt angle of the moving surface is inferred using the following tilt angle inference formula (Formula (3)).
(Pendulum actual acceleration inference formula)
α _T = 4π ² (L + R ² / 2L) / T ² formula (1)
However,
α _T : Actual acceleration of pendulum [m / s ² ]
L: Length of pendulum [m]
R: radius of disk-shaped pendulum body [m]
T: Pendulum vibration period [s]
(Pendulum angle inference formula)
β = (β _i + β _{i + 1} ) / 2 Formula (2)
However,
β: Pendulum angle [°]
β _i : i (natural number) -th peak angle [°] of the pendulum during vibration
(Inclination angle inference formula)
θ = cos ⁻¹ ((α _T / g) cos β) Equation (3)
However,
θ: Inclination angle [°]
α _T : Actual acceleration of pendulum [m / s ² ]
g: Gravity acceleration [m / s ² ]
β: Pendulum angle [°] 前記式（１）において使用される４π^２（Ｌ＋Ｒ^２／２Ｌ）＝ｋ（定数）を、あらかじめ測定しておくことを特徴とする請求項２記載の移動体の傾斜角度検出装置。The apparatus according to claim 2, wherein 4π ² (L + R ² / 2L) = k (constant) used in the formula (1) is measured in advance. 前記振り子を強制的に振動させる加振手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の移動体の傾斜角度検出装置。  The apparatus for detecting a tilt angle of a moving body according to any one of claims 1 to 3, further comprising a vibrating means for forcibly vibrating the pendulum. 請求項１〜４のいずれかにおける前記移動体の傾斜角度検出装置の前記制御部によって、
前記推論した振り子の実加速度，振り子の角度及び移動面の傾斜角度を用いて、前記移動体の移動加速度を推論することを特徴とする移動体の傾斜角度・加速度検出装置。By the said control part of the inclination-angle detection apparatus of the said mobile body in any one of Claims 1-4,
An apparatus for detecting an inclination angle / acceleration of a moving body, wherein the moving acceleration of the moving body is inferred using the inferred actual acceleration of the pendulum, the angle of the pendulum, and the inclination angle of the moving surface. 請求項２〜４のいずれかにおける前記移動体の傾斜角度検出装置の前記制御部によって、さらに、前記移動体の移動加速度を、下記移動加速度推論式（４）を用いて推論したことを特徴とする請求項５記載の移動体の傾斜角度・加速度検出装置。
（移動加速度推論式）
α＝（−α_Ｔｓｉｎβ＋ｇｓｉｎθ） 式（４）
ただし、
α：移動加速度［ｍ／ｓ^２］
α_Ｔ：振り子の実加速度［ｍ／ｓ^２］
β：振り子の角度［°］
ｇ：重力加速度［ｍ／ｓ^２］
θ：傾斜角度［°］5. The moving acceleration of the moving object is further inferred using the following moving acceleration inference formula (4) by the control unit of the tilt angle detecting device of the moving object according to any one of claims 2 to 4. The apparatus for detecting an inclination angle / acceleration of a moving body according to claim 5.
(Movement acceleration inference formula)
α = (− α _T sin β + g sin θ) Equation (4)
However,
α: Movement acceleration [m / s ² ]
α _T : Actual acceleration of pendulum [m / s ² ]
β: Pendulum angle [°]
g: Gravity acceleration [m / s ² ]
θ: Inclination angle [°] 前記制御部が、前記移動体の停止しているとき、下記の重力加速度推論式（式（５））を用いて、
前記式（３），（４）において使用される重力加速度ｇを推論することを特徴とする請求項６記載の移動体の傾斜角度・加速度検出装置。
（重力加速度推論式）
ｇ＝４π^２（Ｌ＋Ｒ^２／２Ｌ）／Ｔ´^２ 式（５）
ただし、
ｇ：重力加速度［ｍ／ｓ^２］
Ｌ：振り子の長さ［ｍ］
Ｒ：円板状の振り子本体の半径［ｍ］
Ｔ´：移動体が停止しているときの振り子の振動周期［ｓ］When the control unit stops the moving body, using the following gravitational acceleration inference formula (formula (5)),
The apparatus according to claim 6, wherein the gravitational acceleration g used in the equations (3) and (4) is inferred.
(Gravity acceleration inference formula)
g = 4π ² (L + R ² / 2L) / T ′ ² formula (5)
However,
g: Gravity acceleration [m / s ² ]
L: Length of pendulum [m]
R: radius of disk-shaped pendulum body [m]
T ′: pendulum vibration period when the moving body is stopped [s]

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