JP6547065B2 - 姿勢推定装置及び輸送機器 - Google Patents
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Description
本発明の一例である構成1は、移動体の姿勢を推定する姿勢推定装置に関する。前記姿勢推定装置は、
前記移動体の、第一軸の周りでの角速度である第一角速度を検出する第一角速度検出部と、
前記移動体の、前記第一軸とは異なる方向である第二軸の周りでの角速度である第二角速度を検出する第二角速度検出部と、
前記移動体の、前記第一軸及び前記第二軸とは異なる第三軸の周りでの角速度である第三角速度を検出する第三角速度検出部と、
前記移動体の、第一方向に関する加速度である第一加速度を検出する第一加速度検出部と、
前記移動体の、前記第一方向とは異なる第二方向に関する加速度である第二加速度を検出する第二加速度検出部と、
前記移動体の、前記第一方向及び前記第二方向とは異なる第三方向に関する加速度である第三加速度を検出する第三加速度検出部と、
前記移動体の進行方向の移動速度に関する情報を検出する速度情報検出部と、
前記移動体のロール角及びピッチ角を推定すると共に、前記第一角速度検出部、前記第二角速度検出部、前記第三角速度検出部、前記第一加速度検出部、前記第二加速度検出部、及び前記第三加速度検出部のうちの少なくとも一つのオフセット誤差を演算処理によって推定する姿勢推定部とを備える。
前記姿勢推定部は、現在の推定動作において、前記第一角速度検出部の検出値、前記第二角速度検出部の検出値、前記第三角速度検出部の検出値、前記第一加速度検出部の検出値、前記第二加速度検出部の検出値、前記第三加速度検出部の検出値、前記速度情報検出部の検出値、前回の推定動作によるロール角の推定値、前回の推定動作によるピッチ角の推定値、及び前回の推定動作によるオフセット誤差の推定値に基づいて、前記移動体のロール角及びピッチ角と、前記少なくとも一つのオフセット誤差とを推定することを特徴とする。
上記構成1において、前記姿勢推定部は、前記第一角速度検出部、前記第二角速度検出部、及び前記第三角速度検出部のオフセット誤差を推定するものとしても構わない(構成2)。構成2によれば、前回推定された各検出部のオフセット誤差が考慮されて、移動体のロール角及びピッチ角、及び現在のオフセット誤差が推定される。これにより、移動体のロール角及びピッチ角の推定精度が向上する。
上記構成1または2において、前記姿勢推定部は、前記移動体の進行方向の移動速度を更に推定する構成であるものとしても構わない。
上記構成1〜3のいずれかにおいて、前記姿勢推定部は、前記第一加速度検出部、前記第二加速度検出部、又は前記第三加速度検出部のオフセット誤差を推定するものとしても構わない(構成4)。構成4の一例として、前記第一加速度検出部が前記移動体の上下方向における加速度を検出する場合において、前記姿勢推定部が前記第一加速度検出部のオフセット誤差を推定するものとしても構わない(構成5)。
上記構成1〜5のいずれかにおいて、
前記第一角速度検出部は、前記移動体のロール角速度を検出し、
前記第二角速度検出部は、前記移動体のヨー加速度を検出し、
前記第三角速度検出部は、前記移動体のピッチ角速度を検出するものとしても構わない(構成6)。
前記第一加速度検出部は、前記移動体の上下方向における加速度を検出し、
前記第二加速度検出部は、前記移動体の前後方向における加速度を検出し、
前記第一加速度検出部は、前記移動体の左右方向における加速度を検出するものとしても構わない。
上記構成1〜6のいずれかにおいて、前記姿勢推定部は、現在の推定動作において、前記第一角速度検出部の検出値、前記第二角速度検出部の検出値、前記第三角速度検出部の検出値、前記第一加速度検出部の検出値、前記第二加速度検出部の検出値、前記第三加速度検出部の検出値、前記速度情報検出部の検出値、前回の推定動作によるロール角の推定値、前回の推定動作によるピッチ角の推定値、及び前回の推定動作によるオフセット誤差の推定値の関係を用いて、前記移動体のロール角及びピッチ角と、前記少なくとも一つのオフセット誤差とを推定するカルマンフィルタを含むものとしても構わない。
上記構成7において、前記カルマンフィルタは、現在の推定動作において、前記第一角速度検出部の検出値、前記第二角速度検出部の検出値、前記第三角速度検出部の検出値、前記第一加速度検出部の検出値、前回の推定動作によるロール角の推定値、前回の推定動作によるピッチ角の推定値、及び前回の推定動作によるオフセット誤差の推定値を要素とする所定の関数の値が定数になる特性方程式を用いて、前記移動体のロール角及びピッチ角と、前記少なくとも一つのオフセット誤差とを推定するものとしても構わない。
上記構成1〜9のいずれかにおいて、前記姿勢推定装置は、
前記移動体に備えられた前輪及び後輪の少なくとも一方にかかる荷重を推定する荷重推定部を備え、
前記荷重推定部は、前記第一角速度検出部の検出値、前記第二角速度検出部の検出値、前記第三角速度検出部の検出値、前記第一加速度検出部の検出値、前記第二加速度検出部の検出値、前記第三加速度検出部の検出値、前記速度情報検出部の検出値、並びに、前記姿勢推定部によって推定された前記移動体のロール角、前記移動体のピッチ角、及び前記少なくとも一つのオフセット誤差に基づいて前記荷重を推定するものとしても構わない。
上記構成10において、前記姿勢推定装置は、
前記移動体の前輪又は後輪の少なくとも一方に設けられたサスペンションのストローク量を推定するサスペンションストローク量推定部を備え、
前記荷重推定部は、前記移動体に設けられた前記前輪及び前記後輪の双方にかかる荷重を推定し、
前記サスペンションストローク量推定部は、前記荷重推定部によって推定された、前記前輪及び前記後輪の双方にかかる荷重の推定値に基づいて、前記サスペンションのストローク量を推定するものとしても構わない。
上記構成11において、前記姿勢推定装置は、
前記サスペンションストローク量推定部により推定された、前記サスペンションのストローク量の推定値に基づいて、前記移動体に固定された車体座標系の軸と、前記前輪又は前記後輪が接触している路面上に固定された路面座標系の軸との角度である仰俯角を推定する仰俯角推定部を備えるものとしても構わない。上記構成12によれば、移動体の仰俯角を推定することができるため、更に精度よく移動体の姿勢が推定される。
上記構成12において、前記姿勢推定部は、前記仰俯角推定部により推定された前記仰俯角の推定値を考慮して、前記移動体のロール角及びピッチ角と、前記少なくとも一つのオフセット誤差とを推定するものとしても構わない。
上記構成12又は13において、前記姿勢推定装置は、
前記仰俯角推定部により推定された前記仰俯角の推定値と、前記姿勢推定部により推定された前記移動体のロール角及びピッチ角の推定値とに基づいて、前記移動体が設置されている路面の縦断勾配を推定する勾配推定部を備えるものとしても構わない。
以下、図面を参照して座標軸の定義を行う。図1は、慣性座標系の基底ベクトルeo、車両座標系の基底ベクトルeb、及び路面座標系の基底ベクトルerの関係を示す図面である。なお、以下の数式において、ベクトルを太字で表記することがある。いずれの座標系共に、X軸、Y軸、及びZ軸を有する。なお、図1では、車両座標系、路面座標系を構成する基準となる車両100が自動二輪車であるものとして説明をしている。
図2は、本実施形態に係る姿勢推定装置を備えた車両の模式図である。図2に示される車両100は自動二輪車である。
図3は、姿勢推定装置の構成の一例を模式的に示すブロック図である。図3に示す姿勢推定装置10は、センサ群5、後輪速度センサ7、ローパスフィルタ(31,32,33,34,35,36)、微分器(41,42,43,45)、及びカルマンフィルタ50、荷重推定部60、サスペンションストローク量推定部70、仰俯角推定部80、及び勾配推定部90を備える。カルマンフィルタ50、荷重推定部60、サスペンションストローク量推定部70、仰俯角推定部80、及び勾配推定部90の機能は、例えば、図2に示すECU20がプログラムに従って動作することによって実現される。カルマンフィルタ50が「姿勢推定部」に対応する。
図5は、カルマンフィルタ50の構成の一例を模式的に示すブロック図である。図5に示すカルマンフィルタ50では、以下に説明する車両100の運動学モデルが用いられる。
本実施形態では、運動学モデルを簡単化するために以下の点を仮定する。
(b)後輪3の横滑り速度は0である。
(c)路面は平坦である。なお、ここでいう「平坦」とは凹凸がなく平面であるという意味であり、傾斜していてもよい。
の勾配やサスペンションのストロークに伴う仰俯角も推定に考慮するため、車両100のZ方向についても速度Vzが発生する。つまり、図8の位置ベクトルr0の1階微分ベクトルは、Vx、Vy、及びVzを用いて次式のように表される。
荷重推定部60は、カルマンフィルタ50において演算した結果に基づいて、車両100の前輪2及び後輪3の少なくとも一方にかかる荷重を推定する処理を行う。
サスペンションストローク量推定部70は、荷重推定部60で行われた推定結果に基づいて、演算を行い、前輪2又は後輪3の少なくとも一方に設けられたサスペンションのストローク量を推定する。
仰俯角推定部80は、荷重推定部60及びサスペンションストローク量推定部70による推定結果に基づいて仰俯角ζを算出する。
勾配推定部90は、仰俯角推定部80による推定結果、及びカルマンフィルタ50による推定結果に基づいて路面の縦断勾配ηを算出する。
以下、本実施形態に係る姿勢推定装置を用いて精度よく車両100の姿勢が推定できていることを、実施例を参照して説明する。
本実施の形態に係る姿勢推定装置10によれば、ピッチ角θ、ロール角φ、及び車両速度Vxとともにロール角速度センサオフセットbro、ヨー角速度センサオフセットbya、ピッチ角速度センサオフセットbpi、及び上下加速度センサオフセットbzが推定され、各推定値が次の推定動作の際に用いられる。
以下、別実施形態について説明する。
ある。
2 : 前輪
3 : 後輪
5 : センサ群
7 : 後輪速度センサ
8 : 前輪速度センサ
10 : 姿勢推定装置
11 : ハンドル
12 : ナビゲーションシステム
14 : ヘッドライト
15 : ヘッドライト駆動装置
16 : フロントフォーク
20 : 電子制御ユニット(ECU)
21 : ロール角速度センサ
22 : ヨー角速度センサ
23 : ピッチ角速度センサ
24 : 上下加速度センサ
25 : 前後加速度センサ
26 : 左右加速度センサ
31,32,33,34,35,36 : ローパスフィルタ
41,42,43,45 : 微分器
50 : カルマンフィルタ
51 : システム方程式演算部
52 : 観測方程式演算部
53 : 減算部
54 : 加算部
55 : 積分部
56 : カルマンゲイン演算部
60 : 荷重推定部
70 : サスペンションストローク量推定部
80 : 仰俯角推定部
90 : 勾配推定部
100 : 車両
200 : 路面
Claims (12)
- 移動体の姿勢を推定する姿勢推定装置であって、
前記移動体の、第一軸の周りでの角速度である第一角速度を検出する第一角速度検出部と、
前記移動体の、前記第一軸とは異なる方向である第二軸の周りでの角速度である第二角速度を検出する第二角速度検出部と、
前記移動体の、前記第一軸及び前記第二軸とは異なる第三軸の周りでの角速度である第三角速度を検出する第三角速度検出部と、
前記移動体の、第一方向に関する加速度である第一加速度を検出する第一加速度検出部と、
前記移動体の、前記第一方向とは異なる第二方向に関する加速度である第二加速度を検出する第二加速度検出部と、
前記移動体の、前記第一方向及び前記第二方向とは異なる第三方向に関する加速度である第三加速度を検出する第三加速度検出部と、
前記移動体の進行方向の移動速度に関する情報を検出する速度情報検出部と、
前記移動体のロール角及びピッチ角を推定すると共に、前記第一角速度検出部、前記第二角速度検出部、及び前記第三角速度検出部のオフセット誤差、前記第一加速度検出部、前記第二加速度検出部、又は前記第三加速度検出部のオフセット誤差、並びに、前記移動体の進行方向の移動速度を演算処理によって推定する姿勢推定部とを備え、
前記姿勢推定部は、現在の推定動作において、前記第一角速度検出部の検出値、前記第二角速度検出部の検出値、前記第三角速度検出部の検出値、前記第一加速度検出部の検出値、前記第二加速度検出部の検出値、前記第三加速度検出部の検出値、前記速度情報検出部の検出値、前回の推定動作によるロール角の推定値、前回の推定動作によるピッチ角の推定値、前回の推定動作による前記第一角速度検出部、前記第二角速度検出部及び前記第三角速度検出部のオフセット誤差の推定値、前記第一加速度検出部、前記第二加速度検出部、又は前記第三加速度検出部のオフセット誤差の推定値及び前記移動体の進行方向の移動速度の推定値に基づいて、前記移動体のロール角及びピッチ角と、前記第一角速度検出部、前記第二角速度検出部及び前記第三角速度検出部のオフセット誤差と、前記第一加速度検出部、前記第二加速度検出部、又は前記第三加速度検出部のオフセット誤差と、前記移動体の進行方向の移動速度とを推定することを特徴とする姿勢推定装置。 - 前記第一加速度検出部は、前記移動体の上下方向における加速度を検出し、
前記姿勢推定部は、前記第一加速度検出部のオフセット誤差を推定することを特徴とする請求項1に記載の姿勢推定装置。 - 前記第一角速度検出部は、前記移動体のロール角速度を検出し、
前記第二角速度検出部は、前記移動体のヨー加速度を検出し、
前記第三角速度検出部は、前記移動体のピッチ角速度を検出することを特徴とする請求項1又は2に記載の姿勢推定装置。 - 前記姿勢推定部は、現在の推定動作において、前記第一角速度検出部の検出値、前記第二角速度検出部の検出値、前記第三角速度検出部の検出値、前記第一加速度検出部の検出値、前記第二加速度検出部の検出値、前記第三加速度検出部の検出値、前記速度情報検出部の検出値、前回の推定動作によるロール角の推定値、前回の推定動作によるピッチ角の推定値、及び前回の推定動作によるオフセット誤差の推定値の関係を用いて、前記移動体のロール角及びピッチ角と、前記第一角速度検出部、前記第二角速度検出部及び前記第三角速度検出部のオフセット誤差と、前記第一加速度検出部、前記第二加速度検出部、又は前記第三加速度検出部のオフセット誤差と、前記移動体の進行方向の移動速度を推定するカルマンフィルタを含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の姿勢推定装置。
- 前記カルマンフィルタは、現在の推定動作において、前記第一角速度検出部の検出値、前記第二角速度検出部の検出値、前記第三角速度検出部の検出値、前記第一加速度検出部の検出値、前回の推定動作によるロール角の推定値、前回の推定動作によるピッチ角の推定値、及び前回の推定動作によるオフセット誤差の推定値を要素とする所定の関数の値が定数になる特性方程式を用いて、前記移動体のロール角及びピッチ角と、前記第一角速度検出部、前記第二角速度検出部及び前記第三角速度検出部のオフセット誤差と、前記第一加速度検出部、前記第二加速度検出部、又は前記第三加速度検出部のオフセット誤差と、前記移動体の進行方向の移動速度とを推定することを特徴とする請求項4に記載の姿勢推定装置。
- 前記特性方程式が、前記移動体の、前記第一軸の周りの回転運動方程式から導出された方程式であることを特徴とする請求項5に記載の姿勢推定装置。
- 前記移動体に備えられた前輪及び後輪の少なくとも一方にかかる荷重を推定する荷重推定部を備え、
前記荷重推定部は、前記第一角速度検出部の検出値、前記第二角速度検出部の検出値、前記第三角速度検出部の検出値、前記第一加速度検出部の検出値、前記第二加速度検出部の検出値、前記第三加速度検出部の検出値、前記速度情報検出部の検出値、並びに、前記姿勢推定部によって推定された前記移動体のロール角、前記移動体のピッチ角、及び前記第一角速度検出部、前記第二角速度検出部及び前記第三角速度検出部のオフセット誤差と、前記第一加速度検出部、前記第二加速度検出部、又は前記第三加速度検出部のオフセット誤差に基づいて前記荷重を推定することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の姿勢推定装置。 - 前記移動体の前輪又は後輪の少なくとも一方に設けられたサスペンションのストローク量を推定するサスペンションストローク量推定部を備え、
前記荷重推定部は、前記移動体に設けられた前記前輪及び前記後輪の双方にかかる荷重を推定し、
前記サスペンションストローク量推定部は、前記荷重推定部によって推定された、前記前輪及び前記後輪の双方にかかる荷重の推定値に基づいて、前記サスペンションのストローク量を推定することを特徴とする請求項7に記載の姿勢推定装置。 - 前記サスペンションストローク量推定部により推定された、前記サスペンションのストローク量の推定値に基づいて、前記移動体に固定された車体座標系の軸と、前記前輪又は前記後輪が接触している路面上に固定された路面座標系の軸との角度である仰俯角を推定する仰俯角推定部を備えたことを特徴とする請求項8に記載の姿勢推定装置。
- 前記姿勢推定部は、前記仰俯角推定部により推定された前記仰俯角の推定値を考慮して、前記移動体のロール角及びピッチ角と、前記第一角速度検出部、前記第二角速度検出部及び前記第三角速度検出部のオフセット誤差と、前記第一加速度検出部、前記第二加速度検出部、又は前記第三加速度検出部のオフセット誤差と、前記移動体の進行方向の移動速度とを推定することを特徴とする請求項9に記載の姿勢推定装置。
- 前記仰俯角推定部により推定された前記仰俯角の推定値と、前記姿勢推定部により推定された前記移動体のロール角及びピッチ角の推定値とに基づいて、前記移動体が設置されている路面の縦断勾配を推定する勾配推定部を備えたことを特徴とする請求項9又は10に記載の姿勢推定装置。
- 前記移動体と、
請求項1〜11のいずれか1項に記載の姿勢推定装置とを備えたことを特徴とする輸送機器。
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