JPH09292248A - ナビゲーション装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 慣性航法センサとして加速度センサと２つの
ジャイロセンサを用いた簡単な構成で、車両の位置およ
び速度を求める。 【解決手段】 航法計算手段15は、各センサ(第１の加
速度センサ１、第２，第３のジャイロセンサ５，６)と
ＧＰＳ受信機７の出力から車両の位置および速度を求め
る。停車判定手段16は各センサの出力で停車を判定す
る。第１の加速度センサ１で得た加速度と、第２のジャ
イロセンサ５で得た路面の傾斜角から速度を求める。さ
らに第３のジャイロセンサ６の出力から進行方位を求め
て車両の位置を求める。補正データ計算手段17は各セン
サ出力に含まれる誤差を推定する。航法計算手段15は求
めた誤差による補正や、また、ＧＰＳ受信機７で十分な
数の衛星から信号を得たとき速度，位置，進行方位を計
算し、この値を直接代入するか、この値に近づけるよう
な補正を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、車両の位置および
速度を算出するナビゲーション装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の慣性航法手段を利用したナビゲー
ション装置としては、例えば、(文献１)日本航空宇宙学
会誌 第41巻 第468号(1993年１月)「航空宇宙技術研
究所におけるＧＰＳ航法飛行実験について(村田、新
宮、小野、張替)」、あるいは、特開平５−248882号公
報に開示されている。以下、図面を参照しながらナビゲ
ーション装置の一例について説明する。

【０００３】この種のナビゲーション装置は、図５に示
したように構成されている。図５において、１，２，３
は互いに直交する３軸方向の加速度を検出する第１，第
２，第３の加速度センサ、４，５，６はそれらの３軸の
回りの角速度を検出する第１，第２，第３のジャイロセ
ンサ、７はＧＰＳ受信機、８は航法計算手段、９は停車
検出器、10は停車判定手段、11は補正データ計算手段で
ある。

【０００４】次に、以上のように構成された従来のナビ
ゲーション装置について、その動作を説明する。第１，
第２，第３の加速度センサ１，２，３は加速度を、ま
た、第１，第２，第３のジャイロセンサ４，５，６は軸
の回りの角速度を検出できるように車両に固定して設置
される。ここでは、各加速度センサおよびジャイロセン
サのことを慣性航法センサと呼ぶこととする。また、図
６に示すように互いに直交する３軸を車両の進行方向，
縦方向，横方向とし、それぞれの軸を中心として回転す
る方向を、それぞれローリング方向，ピッチング方向，
ヨーイング方向と呼ぶこととする。

【０００５】航法計算手段８では、これら６つの慣性航
法センサの出力値とＧＰＳ受信機７の出力結果を用いて
車両の位置、速度などを計算する。慣性航法センサを移
動体に固定して、位置，速度などを計算する方法はスト
ラップダウン方式と呼ばれるが、この方式については、
航空機分野ですでに商品化、実用化されており、ここで
は詳説しない。

【０００６】慣性航法センサを用いた航法計算によっ
て、初期値からの相対位置、相対速度が得られるが、あ
らかじめ初期位置、初期速度はわからないことが多く、
絶対位置、絶対速度を知るためにＧＰＳ受信機７を用い
る。ＧＰＳ受信機７では、十分な数のＧＰＳ衛星からの
信号を受信できたときには、車両の位置、速度などを求
めることができる。

【０００７】また、慣性航法センサを用いた航法計算
は、基本的には各加速度センサ，ジャイロセンサから得
られる加速度および角速度を用いた積分計算であるの
で、センサの出力値に含まれる誤差が累積し、その結
果、車両の位置や速度が発散してしまう。

【０００８】そこで、ＧＰＳ受信機７から得られる車両
の位置や速度、あるいは停車判定手段10から得られる
「車両が停車中である」という情報をもとに、適宜、セ
ンサの出力値に含まれる誤差や、車両の位置、速度に含
まれる誤差を推定し、補正を行う必要がある。このよう
な補正に必要なデータを計算するのが補正データ計算手
段11である。

【０００９】誤差の推定方法については(文献１)や、特
開平５−248882号公報に書かれているので、ここではこ
れ以上説明しない。

【００１０】さらに、車両が停車中であるということを
判定するために停車検出器９を設け、停車判定手段10で
は、停車検出器９の出力に加えて、慣性航法センサ(各
加速度センサおよびジャイロセンサ)の出力値を参照す
ることによって、本当に車両が停車しているかどうかを
判定する。

【００１１】最終的に航法計算手段８では、慣性航法セ
ンサを用いて計算された車両の位置や速度を、補正デー
タ計算手段11で計算された補正データで補正処理が行わ
れ、補正後の車両の位置や速度が出力される。

【００１２】以上の構成により、６つの慣性航法センサ
を用いて車両の位置、および速度を求め、ＧＰＳ受信機
から車両の位置や速度が得られたときや、車両が停車し
ていると判定されたときに、センサの出力値に含まれる
誤差や車両の位置、速度などに含まれる誤差を推定し、
補正を行うことによって正確な車両の位置、速度を求め
ることができる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなナビゲーション装置の構成では、慣性航法センサと
して、第１，第２，第３の加速度センサと第１，第２，
第３のジャイロセンサの合計６つのセンサが必要であ
り、その結果、航法計算に必要な計算量も多くなってし
まう。また、車両の停車を判定するために特別な停車検
出器が必要となるという問題があった。

【００１４】本発明は、前記従来技術の問題を解決する
ものであり、慣性航法センサの数を減らしてさらに停車
検出器を不要とする構成にし、また、傾斜センサにより
路面の傾斜角を精度よく推定し、慣性航法センサの出力
値に含まれる誤差の影響を減らすことができるナビゲー
ション装置を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明に係るナビゲーション装置は、車両の進行方
向の加速度を検出する第１の加速度センサと、車両のピ
ッチング方向の角速度を検出する第２のジャイロセンサ
と、車両のヨーインク方向の角速度を検出する第３のジ
ャイロセンサと、衛星からの信号を受信するＧＰＳ受信
機またはＧＬＯＮＡＳＳ受信機と、第１の加速度センサ
と前記第２，第３のジャイロセンサの出力値を用いて車
両が停車していることを判定する停車判定手段と、各セ
ンサの出力値に含まれる誤差などを計算する補正データ
計算手段と、車両の位置および速度を算出する航法計算
手段とを備える。また、車両のピッチング方向の傾斜角
を検出する傾斜センサを備えるように構成したものであ
る。

【００１６】前記構成によれば、慣性航法センサとし
て、第１の加速度センサと第２，第３のジャイロセンサ
のみを用いた簡単な構成で車両の位置および速度を算出
し、さらに慣性航法センサの出力値にて車両の停車を判
定する。また、車両のピッチング方向の傾斜角を検出す
る傾斜センサにより、路面の傾斜角を精度よく推定し慣
性航法センサの出力値に含まれる誤差の影響を減らすこ
とができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の実施の形態
１におけるナビゲーション装置を示す構成図である。こ
こで、前記の従来例を示す図５において説明した同一作
用効果のものには同一の符号を付す。図１において、１
は第１の加速度センサ、５，６は第２，第３のジャイロ
センサ、７はＧＰＳ受信機、15は航法計算手段、16は停
車判定手段、17は補正データ計算手段である。

【００１８】以上のように構成されたナビゲーション装
置について、その動作を説明する。また、第１の加速度
センサ１は車両の進行方向の加速度を、第２のジャイロ
センサ５は車両のピッチング方向の角速度を、第３のジ
ャイロセンサ６は車両のヨーイング方向の角速度を検出
できるように車両に固定される。

【００１９】まず、航法計算手段15では、これら３つの
慣性航法センサ(第１の加速度センサ１、第２，第３の
ジャイロセンサ５，６)の出力値とＧＰＳ受信機７の出
力結果を用いて車両の位置、および速度の計算を行う。

【００２０】以下に、車両の位置、および速度の計算方
法について説明する。図２は本実施の形態１における航
法計算方法に関する説明図で、東をｘ軸、北をｙ軸とす
る水平面とし、車両の進行方向について車両の進行方位
θaと路面の傾斜角θpを定義する。

【００２１】このとき、車両の進行方向の加速度 a(t)
を第１の加速度センサ１の出力値から重力加速度の影響
を取り除いて、(数１)のように求める。

【００２２】

【数１】a(t)＝ag^(t)−Ｇ×sin(θp(t)) a(t)；時刻 tの車両の進行方向の加速度 ag^(t)；時刻 tの第１の加速度センサの出力値 Ｇ；重力加速度 θp(t)；時刻 tの路面の傾斜角 ここで、(数１)における路面の傾斜角θp(t)は(数２)か
ら求める。

【００２３】

【数２】θp(t)＝θp(t−１)＋wp^(t)×Δt θp(t)；時刻 tの路面の傾斜角 wp^(t)；時刻 tの第２のジャイロセンサの出力値 Δt；サンプリング時間 (数２)において、路面の傾斜角θp(t)の初期値は、車両
が停車していると判定されたときの第１の加速度センサ
１の出力値の平均値を用いて計算する。具体的な計算方
法に関する説明は、後述する補正データ計算手段17の説
明のところで行う。

【００２４】車両の進行方向の速度 v(t)は(数１)から
得られる車両の進行方向の加速度a(t)を用いて、(数３)
のようにして求める。

【００２５】

【数３】v(t)＝v(t−１)＋a(t)×Δt v(t)；時刻 tの車両の進行方向の速度 a(t)；時刻 tの車両の進行方向の加速度 Δt；サンプリング時間 (数３)において、車両の進行方向の速度 v(t)の初期値
は、停車していると判定されたときに０とするか、ある
いはＧＰＳ受信機７が衛星からの信号を受信し、車両の
速度が得られたときの値を設定する。

【００２６】車両の位置 x(t)，y(t)は(数４)のように
して求める。

【００２７】

【数４】 x(t)＝x(t−１)＋v(t)×cos(θp(t))×cos(θa(t))×Δ
t y(t)＝y(t−１)＋v(t)×cos(θp(t))×sin(θa(t))×Δ
t x(t)，y(t)；時刻 tの車両の位置 v(t)；時刻 tの車両の進行方向の速度 θa(t)；時刻 tの車両の進行方位 Δt；サンプリング時間 (数４)において、車両の初期位置は、ＧＰＳ受信機７が
衛星からの信号を受信し、車両の位置が得られたときの
値を設定する。なお、(数４)において、路面の傾斜によ
る影響を補正するために cos(θp(t))を掛け合わせた項
は省略してもよい。

【００２８】(数４)において、車両の進行方位θa(t)は
(数５)により求める。

【００２９】

【数５】θa(t)＝θa(t−１)＋wa^(t)×Δt θa(t)；時刻 tの車両の進行方位 wa^(t)；時刻 tの第３のジャイロセンサの出力値 Δt；サンプリング時間 (数５)において、進行方位θa(t)の初期値は、ＧＰＳ受
信機７が衛星からの信号を受信し、車両の進行方位が得
られたときの値を設定する。

【００３０】このようにして、航法計算手段15では車両
の位置 x(t)，y(t)、速度 v(t)を求めることができる。

【００３１】次に、停車判定手段16では、第１の加速度
センサ１、第２のジャイロセンサ５、第３のジャイロセ
ンサ６の３つの慣性航法センサの出力値のみを用いて、
車両が停車しているかどうかを判定する。ここで、停車
を判定する方法の一例を示す。図３は本実施の形態１に
おける停車判定の方法に関する処理を示したフローチャ
ートである。

【００３２】まず、停車を判定するインターバルとして
時間ΔＴを決める。すなわち、時間ΔＴごとに停車の判
定を行う。ここで、ΔＴの間の各センサの出力値の最大
値と最小値の差Ｄ１〜Ｄ３を考える。一般に、車両が停
車しているときには、差Ｄの値は小さくなり、移動して
いるときには大きくなる。そこで、各センサごとに、差
Ｄ１〜Ｄ３の値のしきい値Ｄs１〜Ｄs３を設ける。イン
ターバルΔＴごとに、各センサの差Ｄ１〜Ｄ３の値を求
め、これらの値がそれぞれのしきい値Ｄs１〜Ｄs３の値
より、大きいか、小さいかを判断し、すべての差Ｄの値
がしきい値Ｄsよりも小さいときに、車両は停車してい
ると判定する。

【００３３】以上のような方法で、停車を判定すること
ができる。なお、インターバルΔＴの間の各センサの出
力値の最大値と最小値の差を考えたが、各センサの分散
値を用いて判定してもよい。また、停車の判定に、３つ
のセンサの出力値すべてを用いないで、一部の出力値の
みを用いて判定してもよい。さらにまた、停車の判定
に、ＧＰＳ受信機の出力結果を参照してもよい。

【００３４】次に、補正データ計算手段17では、第２，
第３のジャイロセンサ５，６の出力値に含まれるオフセ
ット誤差を推定し、また、路面の傾斜角、車両の速度、
位置などを補正するための補正データを求める。さらに
航法計算手段15では、補正データ計算手段17で計算され
た補正データを用いて、各センサの出力値からオフセッ
ト誤差を差し引いたり、(数１)から(数５)を用いて計算
された車両の位置、速度を補正したりして、補正後の車
両の位置、速度を出力する。

【００３５】以下に、補正データ計算手段17における補
正データの計算方法、および航法計算手段15における補
正方法について説明する。

【００３６】まず、第２，第３のジャイロセンサ５，６
の出力値に含まれるオフセット誤差の推定方法について
述べる。第２，第３のジャイロセンサ５，６の出力値に
含まれるオフセット誤差は、車両が停車していると判定
されたときの各センサの出力値を用いて推定する。停車
判定手段16で時刻 taから時刻 tbの間、車両が停車して
いると判定されたとすると、第２のジャイロセンサ５，
第３のジャイロセンサ６の出力値に含まれるオフセット
誤差 wp*，wa*は(数６)に示すように、車両が停車して
いると判定されたときの各センサの出力値の平均値とし
て求めることができる。

【００３７】

【数６】

【００３８】このようにして推定されたセンサのオフセ
ット誤差は、航法計算手段15において補正計算に用いら
れる。すなわち、(数２)，(数５)における wp^(t)，wa^
(t)の代わりに(数７)によって計算される wp(t)，wa(t)
を用いる。

【００３９】

【数７】wp(t)＝wp^(t)−wp* wa(t)＝wa^(t)−wa* wp(t)；時刻 tのオフセット誤差補正後の第２のジャイ
ロセンサの出力値 wa(t)；時刻 tのオフセット誤差補正後の第３のジャイ
ロセンサの出力値 wp^(t)；時刻 tの第２のジャイロセンサの出力値 wa^(t)；時刻 tの第３のジャイロセンサの出力値 wp*；第２のジャイロセンサのオフセット誤差の推定値 wa*；第３のジャイロセンサのオフセット誤差の推定値 次に、(数２)から求められる路面の傾斜角θp(t)は、停
車中の第１の加速度センサ１の出力値から計算される傾
斜角θp*を用いて補正を行う。停車判定手段16で時刻 t
aから時刻 tbの間、車両が停車していると判定されたと
すると、θp*は(数８)によって求めることができる。

【００４０】

【数８】

【００４１】車両が停車していると判定されて(数８)に
よってθp*が計算されたときには、(数２)から求められ
る路面の傾斜角θp(t)にθp*の値を代入するか、あるい
はθp*の値に近づけるような補正を行う。

【００４２】次に、(数３)から求められる車両の進行方
向の速度 v(t)、(数４)から求められる車両の位置 x
(t)，y(t)、(数５)から求められる車両の進行方位θa
(t)は、ＧＰＳ受信機７の出力結果を利用して補正を行
う。ＧＰＳ受信機７が十分な数のＧＰＳ衛星からの信号
を受信できたときには、ＧＰＳ受信機７によって車両の
速度、位置、進行方位を計算することができる。よっ
て、ＧＰＳ受信機からこれらの値が得られたときには、
これらの値を直接代入するか、あるいはこれらの値に近
づけるような補正を行う。

【００４３】また、車両の進行方向の速度 v(t)に関し
ては、停車判定手段16で車両が停車していると判定され
たときに、v(t)の値を０にするという補正を行う。

【００４４】このように、慣性航法センサとして、第１
の加速度センサ１、第２，第３のジャイロセンサ５，６
のみを用いた簡単な構成で、車両の位置および速度を計
算することができる。

【００４５】図４は本発明の実施の形態２におけるナビ
ゲーション装置を示す構成図である。図４において、前
記図１で説明した同一作用効果のものには同一の符号を
付してあり、18は傾斜センサである。本実施の形態２は
前記実施の形態１の構成に、さらに傾斜センサ18を設け
たものである。以上のように構成されたナビゲーション
装置について、その動作を説明する。

【００４６】第１の加速度センサ１、第２のジャイロセ
ンサ５、第３のジャイロセンサ６、ＧＰＳ受信機７につ
いては前記実施の形態１と同じ機能を有しており、ここ
では説明を省略する。傾斜センサ18は、車両のピッチン
グ方向の傾斜角、すなわち路面の傾斜角を検出できるよ
うに車両に固定されている。航法計算手段15では、第１
の加速度センサ１、第２のジャイロセンサ５、第３のジ
ャイロセンサ６に加えて、傾斜センサ18の出力値とＧＰ
Ｓ受信機７の出力結果を用いて車両の位置、および速度
を計算する。

【００４７】車両の位置、速度の計算方法は基本的には
実施の形態１で述べた(数１)から(数５)までの計算式を
用いて行う。ただし、(数２)における路面の傾斜角θp
(t)の計算において、路面の傾斜角の初期値は、車両が
停車していると判定されたときの傾斜センサ18の出力値
の平均値を用いる。

【００４８】また、停車判定手段16では、第１の加速度
センサ１、第２，第３のジャイロセンサ５，６に加え
て、傾斜センサ18の出力値も利用して、車両の停車を判
定するようにしてもよい。

【００４９】次に、補正データ計算手段17では、実施の
形態１で述べた補正データ計算のほかに、第１の加速度
センサ１のオフセット誤差の計算を行う。以下に第１の
加速度センサ１のオフセット誤差の計算方法を説明す
る。

【００５０】第１の加速度センサ１のオフセット誤差
は、車両が停車していると判定されたときの、第１の加
速度センサ１の出力値 a^(t)、および傾斜センサ18の出
力値θk^(t)を用いて計算する。停車判定手段16によっ
て、時刻 taから時刻 tbの間、車両が停車していると判
定されたとき、第１の加速度センサ１のオフセット誤差
ag*は(数９)によって計算することができる。

【００５１】

【数９】

【００５２】このようにして計算された第１の加速度セ
ンサ１のオフセット誤差は、航法計算手段15において補
正計算に用いられる。すなわち、(数１)における ag^
(t)の代わりに(数10)によって計算される ag(t)を用い
る。

【００５３】

【数１０】ag(t)＝ag^(t)−ag* ag(t)；時刻 tのオフセット誤差補正後の第１の加速度
センサの出力値 ag^(t)；時刻 tの第１の加速度センサの出力値 ag*；第１の加速度センサのオフセット誤差の推定値 また、(数２)から求められる路面の傾斜角θp(t)の値を
停車中の傾斜センサ18の出力値の平均値を用いて補正す
る。すなわち、車両が停車していると判定されたときに
は、路面の傾斜角θp(t)に停車中の傾斜センサ18の出力
値の平均値を代入するか、あるいは平均値に近づけるよ
うな補正を行う。

【００５４】このように、傾斜センサ18をさらに加えた
構成とすることによって、第１の加速度センサのオフセ
ット誤差や、路面の傾斜角による誤差を小さくし、より
精度のよい車両の位置および速度を算出することができ
る。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
慣性航法センサとして加速度センサと２つのジャイロセ
ンサを用いた簡単な構成で車両の位置および速度を算出
でき、あるいはさらに傾斜センサを加えた構成でより精
度のよい車両の位置および速度を算出することができる
という効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１におけるナビゲーション
装置を示す構成図である。

【図２】本実施の形態１における航法計算方法に関する
説明図である。

【図３】本実施の形態１における停車判定の方法に関す
る処理を示したフローチャートである。

【図４】本発明の実施の形態２におけるナビゲーション
装置を示す構成図である。

【図５】従来のナビゲーション装置を示す構成図であ
る。

【図６】車両の進行方向，縦方向，横方向の３軸に対す
るローリング方向，ピッチング方向，ヨーイング方向の
関係を示す図である。

【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、 ４…第１のジャイロセン
サ、 ５…第２のジャイロセンサ、 ６…第３のジャイ
ロセンサ、 ７…ＧＰＳ受信機、 ８，15…航法計算手
段、 ９…停車検出器、 10，16…停車判定手段、 1
1，17…補正データ計算手段、 18…傾斜センサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 辻 弘彰 神奈川県横浜市港北区綱島東四丁目３番１ 号 松下通信工業株式会社内 (72)発明者 水野 勝 神奈川県横浜市港北区綱島東四丁目３番１ 号 松下通信工業株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 車両の進行方向の加速度を検出する第１
   の加速度センサと、前記車両のピッチング方向の角速度
   を検出する第２のジャイロセンサと、前記車両のヨーイ
   ング方向の角速度を検出する第３のジャイロセンサと、
   衛星からの信号を受信するＧＰＳ受信機またはＧＬＯＮ
   ＡＳＳ受信機と、前記第１の加速度センサと前記第２，
   第３のジャイロセンサの出力値を用いて車両が停車して
   いることを判定する停車判定手段と、前記各センサの出
   力値に含まれる誤差などを計算する補正データ計算手段
   と、前記車両の位置および速度を算出する航法計算手段
   とを備え、前記車両の位置および速度を算出することを
   特徴とするナビゲーション装置。
2. 【請求項２】 前記ナビゲーション装置に車両のピッチ
   ング方向の傾斜角を検出する傾斜センサを備え、より精
   度のよい車両の位置および速度を算出することを特徴と
   する請求項１記載のナビゲーション装置。