JPH03221812A - 方位検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、地磁気センサと、移動体の移動方向を検出し
て旋回角速度を知る旋回角速度センサ（例えば、光フア
イバジャイロ、機械式ジャイロ、振動ジャイロ、ガスレ
ートジャイロ）とを使用して移動体のヨ一方向の方位を
検出する方位検出装置に関するものである。

〈従来の技術〉 従来から、道路交通網の任意の箇所を走行している車両
、あるいは航空路を航行する航空機、海路を航行（以下
、走行、航行をまとめていうときは「走行」という）す
る船舶等の位置を検出する方式として、距離センサと、
方位センサ（地磁気センサ、または旋回角速度センサの
いずれか１つ）と、両センサからの出力信号に必要な処
理を施す処理装置とを具備し、車両の走行に伴なって生
ずる距離変化量Δノ、および方位θ（地磁気センサの場
合）もしくは方位変化量Δθ（旋回角速度センサの場合
）を用いて移動体の現在位置データを得る推測航法（Ｄ
ｅａｄ　ＲｅｃｋｏｎＩｎｇ）が提案されている。この
方式は、Δノおよびθに基いて、例えばΔＪの東西方向
成分Δｘ　（＝ΔＪＸｃｏｓθ）および南北方向成分Δ
ｙ（−ΔＪＸｓｉｎθ）を算出し、従前の位置出力デー
タ（ＰＸ’、　　Ｐ３”）に対して」二記各戊分ΔＸ、
Δｙを加算することにより、現在の位置出力データ（Ｐ
ｘ、Ｐｙ）を求める方式であるが、方位センサが必然的
に有している誤差のために、得られる現在位置データに
含まれる誤差が累積されてしまうという欠点がある。

すなわち、方位センサが、地磁気を検出して移動体の絶
対方位を知る地磁気センサである場合には、地磁気方位
センサは微弱な地球磁界の強さを検出するものであり、
移動体本体が着磁してしまうとその出力データには誤差
が発生する。この誤差を打ち消すために地磁気方位セン
サの初期化処理が行われるが、車両であればその走行中
、特に踏切、電カケープル埋設場所、鉄橋、防音壁のあ
る高速道路や高層ビルの谷間を通過する時等にしばしば
外部からの強電磁界の影響を受けて車体の着磁量が変化
することにより、再度誤差か発生することがある。した
がって、このような磁界の乱れを含んだ地磁気センサ出
力データを的確に検出して排除しなければ、正しい方位
を求めることができない。

一方、旋回角速度センサを使用する場合には、例えば、
方位変化が所定値以上となった時、電源（イグニション
）オン時、極低速走行時、または、山道などの悪路走行
か検出された時等には、センサの出力データにノイズが
多く現れることが知られており、これらのデータをその
まま使用すると方位検出精度が低下する。

そこで、方位センサとして、旋回角速度センサと、地磁
気センサとの２つの方位センサを併用し、旋回角速度セ
ンサの出力データと、地磁気センサの出力データとのい
ずれかの信頼性が低下した場合に他のデータで補うよう
にした方位検出装置が考えられる。

〈発明が解決しようとする課題〉 上記の方位検出装置に適用しうる１つの方位検出方法は
、旋回角速度センサの出力データに含まれるノイズと、
地磁気センサの出力データに含まれるノイズとを、とも
に正規分布に従うランダムノイズと考えて、カルマンフ
ィルタの理論を用いて、ノイズの予測値が少ないほうの
データすなわち信頼性の多いと思われるデータに重みを
おいて最終的な方位を推定する方法である。

ところか、旋回角速度センサでは、直線走行中てセンサ
出力が０であるべき時でも、温度や湿度の影響を受けて
幾らかの出力（オフセット）が発生するという傾向があ
る。このオフセラＩ・出力は、センサ出力のランダムノ
イズとして検出することはできないにもかかわらず、誤
差分として累積するという性質を有するので、実際の走
行方向からずれた方向を検知してしまうことになる。

したがって、上記カルマンフィルタの理論を用いて、ノ
イズの少ないほうのデータすなわち信頼性の多いほうの
データに重みをおいて最終的な方位を推定する場合にあ
っても、オフセットかデータの中に入っていれば正確な
方位検出は望めないので、オフセットに対する何らかの
補正処理か望まれる。

本発明の目的は、旋回角速度センサと地磁気センサの出
力データを取り込み、それらの値と、過去の推定方位か
ら移動体の現在の方位を算出し、もって、移動体の現在
位置を求める方位検出装置において、方位検出に用いる
旋回角速度センサのオフセット値を正確に算出するとと
もに、上記のように求められたオフセットを含めた形で
旋回角速度センサの信頼性を判定し、移動体の現在の方
位を正確に推定することかできる方位検出装置を提供す
ることにある。

く課題を解決するための手段〉 上記の目的を達成するための本発明の方位検出装置は、
第１図に示すように、旋回角速度センサの温度を測定す
る温度測定手段１４と、旋回角速度センサのオフセット
値を温度の関数値ｏ　（Ｔ）として算出するオフセット
算出手段１５と、地磁気センサの出力データθ））のノ
イズ成分σ１Ｊを保有するとともに、旋回角速度センサ
の出力データΔθＧのノイズ成分σＧを保有し、上記算
出されたオフセットｏ　（Ｔ）を用いて旋回角速度セン
サの出力データΔθＧの見掛けのノイズ成分σをσ繻σ
Ｇ＋　ｏ　（Ｔ） により計算するノイズ算出手段１２と、上記ノイズ成分
σＨ１σを用いてカルマンフィルタゲインＫを算出する
フィルタゲイン算出手段１３と、地磁気センサの方位デ
ータθＨ１および旋回角速度センサの出力ΔθＧにより
求められる方位データθＧに、上記カルマンフィルタゲ
インＫに基ついた重み付け処理をすることにより、移動
体の現在の推定方位θを求める方位推定手段１１とを有
するものである。

なお、ノイズ算出手段が、地磁気センサの出力データθ
８に含まれるノイズ成分σ１′、および旋回角速度セン
サの出力データΔθＧに含まれるノイズ成分σＧを定数
として保有せず、実際の走行データに基づいて算出する
ものであってもよい。

く作用〉 地磁気センサの方位データθＨ１および旋回角速度セン
サの出力から求められる方位データθＧは、それぞれラ
ンダムノイズ、オフセラＩ・を含めた形で次のように表
わされる。

θ」１−θ＋■ θＧ＝θ＋Δθ’＋Ｗ＋Ｑ（Ｔ） ここに、■１Ｗは、地磁気センサ、旋回角速度センサの
出力に含まれるランダムノイズであり、それらの平均値
は０である。ｏ　（Ｔ）はオフセット値であり、温度と
ともに変化する。

本発明の方位検出装置によれば、オフセット算出手段１
５により、オフセット値ｏ（Ｔ）を旋回角速度センサの
温度の関数値として算出するとともに、ノイズ算出手段
１２により、上記ランダムノイズ成分■、Ｗとして地磁
気センサの出力データθＨ１旋回角速度センザの出力デ
ータΔθＧの各ノイズσＨ１σＧを保有しておき、上記
オフセラ］・値ｏ　（Ｔ）を用いて、式 ％式％（） により見掛けのノイズ成分σを計算する。

これにより、各センサの出力データ０１′の信頼性とと
もに、八〇Ｇの信頼性をオフセット分を含めて評価する
ことかできる。測定されたノイズの値は、フィルタゲイ
ン算出手段］３に供給され、カルマンフィルタゲインＫ
か算出される。そして、カルマンフィルタ手段１１にお
いて、所定の重み付け処理か施され推定方位θか出力さ
れる。

このようにして、ΔθＧについて、オフセットの変化に
応じた重み付けを行うことができるので、より正確な移
動体の方位を推定することができる。

またノイズ算出手段が、ノイズ成分σ′１　　σＧを走
行データに基づき収集するものであれは、走行中のノイ
ズ成分は、走行中の振動や、移動体の動特性等に起因す
るノイズを含んでいるので、実際の走行条件に応したσ
ＨσＧの評価をリアルタイムで行うことができ、推定方
位の信頼性をさらに向上させることができる。

特に、旋回による角速度成分を含まない直線走行中のデ
ータを利用することが好ましい。

〈実施例〉 以下実施例を示す添付図面によって詳細に説明する。

第３図は、車両に適用された本発明の方位検出装置の一
実施例を示すブロック図であり、・左右両輪の回転数を
検出する車速センサ４１（このセンサは、距離センサと
して利用される。）・地磁気センサ４２、 ・ジャイロ４３（旋回角速度センサとして利用される。

例えば、旋回角速度を干渉光の位相変化として読み取る
光フアイバジャイロ、ピエゾエレクトリック素子の片持
ちぼり振動技術を利用して旋回角速度を検出する振動ジ
ャイロ等が利用できる。）、 ・ジャイロ４３の温度を測定する熱電対４５、・道路地
図データを格納した道路地図メモリ２、・ジャイロ４３
、地磁気センサ４２により検出された出力データに基づ
いて車両の推定方位を算出するとともに、車速センサ４
１のデータと合わせて車両の位置出力データを演算しバ
ッファメモリ３に格納するロケータ１、 ・当該読出した車両現在位置を地図に重ねてデイスプレ
ィ７に表示させるとともに、キーボード８とのインター
フェイスをとるナビゲーションコントローラ５ とから構成されている。

上記ロケータ１は、例えば、車速センサ４］からの出力
パルス信号の数をカウンタでカウントすることにより車
輪の回転数を得、カウンタから出力されるカウント出力
データに対して、乗算器により１カウント当りの距離を
示す所定の定数を乗算することにより単位時間当りの走
行距離出力ブタを算出するとともに、ジャイロ４３から
車両方位の相対変化を求め、これと地磁気センサ４２の
絶対方位出力データとから車両の方位出力データを算出
するものである。

上記道路地図メモリ２は、所定範囲にわたる道路地図デ
ータが予め格納されているものであり、半導体メモリ、
カセットテープ、ＣＩ）−ＲＯＭ。

ＩＣメモリ、ＤＡＴ等が使用可能である。

上記デイスプレィ７はＣＲＴ、液晶表示器等を使用して
、車両走行中の道路地図と車両位置とを表示するもので
ある。

上記ナビゲーション・コントローラ５は、図形１　］ 処理プロセッサ、画像処理メモリ等から構成され、デイ
スプレィ７上における地図の検索、縮尺切り替え、スク
ロール、車両の現在位置の表示等を行わせる。

上記の構成の装置による車両方位検出手順について説明
する。車両走行中は、上記ロケータ１に取り込んだ各セ
ンサ出力データに基づいて、車両の位置をデイスプレィ
７上に地図とともに表示しているが、その表示中も一定
時間ごとの割り込みにより各センサの出力データを取り
込み、車両方位を更新するようにしている。この割り込
み時の車両方位検出フローを第２図に示す。なお、この
割り込みは、車両の走行距離出力データを基にして求ま
る一定の走行距離ことに行ってもよい。上記一定時間ま
たは一定走行距離の長さは、使用される旋回角速度セン
サの種類や地磁気センサの性能等により適宜設定される
。

まず、ステップ■において、光フアイバジャイロ４３の
出力データΔθＧと地磁気センサ４２の出力データをθ
Ｈを取り込む。

　２ 次に、車両が直線走行中かどうか判定する（ステップ■
）。直線道路を走行中かどうかは、比較的短期間のジャ
イロ４３の出力データに基づいて簡単な比較引算をすれ
ば十分判断可能である。すなわちジャイロ４３の出力デ
ータΔθＧと前回の推定方位θとを用いて、 θＧ−θ＋ΔθＧ を計算する。この値と、例えば過去何回かの推定方位の
平均値くθ〉との差１θＧ−〈θ〉１が基準値ｅより少
なければ直線走行中と判断できる。

このほかに、マツプマツチング手法により判断してもよ
い。

直線走行中でなければ、センサデータの新たな分散値を
求めることが難しいので、今までに使用していた分散値
をそのまま用いてステップ［相］以下の計算を行う。

直線走行中であれば、カウンタｎをまたけインクリメン
トしくステップ■）、センサ出力データΔθＧ　θＨを
バッファメモリ３の第ｎ番地に記憶しくステップ■；以
下、第ｎ番地に記憶されたデータをΔθＧ　ｎ１θＨ　
ｎで表わす）、ｎがバッファメモリ３の容量等から決ま
る最大値ｍに達しているかどうか判定する（ステップ■
）。最大値ｍに達していれば、以下の１算をするのに十
分な数のデータか集められたと判断して、ステップ■以
下に進む。最大値ｍに達していなければ、割り込み前の
状態に戻り、上記の処理を繰り返す。

ステップ■では、過去ｍ回で集められたデータΔθ’　
ｎ　（ｎ＝］−ｍ）を用イテ平均値、−ｍ くΔθＧ＞　＝　（１／ｍ）　　Σ　ΔθＧｎｎ＝１ 分散値、　　　　。１ｍ σ’　２＝　（］／ｍ）　　Σ　（ΔθＧｎ−くθＧ〉
）２ｎ＝］ を求める。

ステップ■ては、過去ｍ回で集められたデータθ”’　
ｎ　（ｎ−１−ｍ）を用イテ平均値、（以下余白）ｎ瑠
ｍ くθＨ＞　＝　（１／ｍ）　　Σ　θＩＩ　ｎｎ＝１ 分散値、 ｎ喝ｍ ａ　Ｈ２＝　（１，／ｍ）　　Σ　　（θＨＴ１−〈　
θ）ｌ　　＞　）　　２ｒｌ を求める。

上記のようにして求めた分散値σＧ？、（Ｊ１１７はセ
ンサの出力データの、正規分布に従うランダムノイズの
大きさに対応するものである。

次に、ジャイロ４３の出力データΔθＧのオフセットを
求める。第４図はジャイロ４３の出力データの瞬時値を
表わすり゛ラフであり、停車時ｔ２から次の発進時ｔ３
までの間にオフセット値がＡからＯに補正され、発進後
再びオフセットが現れ、ジャイロ４３の温度Ｔの変動に
応じて変動していく様子を示している。

以下、関数形ｏ　（Ｔ）を決定する方法を説明する。

５ １つの方法によれば、予めジャイロ４３を恒温層で温度
試験し、その時のジャイロ４３のオフセラｌ−ｆｉその
ものを、次表のように、温度との関連でテーブルに記憶
しておく。

第１表 上記テーブルを使えは、走行中随時テーブルを検索して
、オフセラ］・値を決定することかできる。

も１５、熱電対４５て測定した温度が上記テーブルの温
度にないときは、次式に従ってオフセット値を推定する
ことができる。

Ｔｌ１−Ｔｋ−１ ＋　ｏ　（Ｔｋ−１） 　０ なお、メモリに余裕があるならば、もっと細かい温度ご
とに上記テーブルを作れば、前式のような直線て内挿す
る方法を使わなくとも、直接オフセラＩ・値を得ること
ができる。

また、オフセットの変化か温度に対してｊ１１純な直線
に近い形で変化するものならば、ｊ二記テーブルの温度
の数をもっと減らして粗いテーブルとしてもよい。この
時、上記式を使って内押していけばよい。

また、他の方法は、予めジャイロ４３を温度変動試験し
、温度に応じたオフセラＩ・の変化率α（Ｔ）を、式 ％式％） の形で測定し、テーブルに記憶しておき、走行中のジャ
イロ４３のオフセットを、式 ０式％） により累積的に求めていく方法である。たたし、初期値
ｏ（Ｔｏ）は車両の停止時にオフセット補正されている
から０である。

オフセットｏ　（Ｔ）あるいはその変化率ａ　（Ｔ）は
、旋回角速度センサの種類によって異なるので、上記い
ずれの方法を用いても、旋回角速度センサの種類に応じ
たオフセラ］・あるいはその変化率を記憶し、方位を正
確に算出できることができる。

上記のようにして求めたｏ　（Ｔｎ）を用いて、σ２＝
　（（７６＋　ｏ　（Ｔｎ））　２により見掛けの分散
値を計算する。

ステップ■ては分散値σ２．σＨ２を考慮にいれた推定
方位を次式に基づいて計算する。

θｊ　＝　（１−Ｋｊ　）　　（θト１＋ΔθＧｊ）＋
Ｋｉ　θＨ１ ここにθｉは今回に求める推定方位、θｉ−１は前回に
求めた方位である。ΔθＧ　１．θＨ　ｉは今回推定方
位を計算するときに使用するセンサの出力データであり
、例えば、最新のデータΔθＧ　ｍθＨｍを使用しても
よいし上記平均値〈ΔθＧ〉くθ１〉を使用してもよい
。ＫｉはＱ＜Ｋｉ　＜１なる変数であってカルマンゲイ
ンと呼ばれる。

Ｋ１は前回に求めたカルマンゲインＫ　ｉ−１を使って
、 Ｋｉ　＝　　σ２＋Ｋ１−１　σＨ２ σ２＋σＨ２＋ｌ１−１σＨ２ として求められる。

以上のようにして、特にジャイロ４３のオフセットを考
慮に入れたノイス量に応してカルマンゲインＫｉをリア
ルタイムで求め、重み付けをした結果として、新しい車
両の方位θｊを求め（ステップ＠）、初期状態に戻る（
ステップ０）。

この方位θｊと車速センサ４１の距離データとから車両
の推定位置を算出することかできる。

勿論この時に道路地図データと比較し、道路地図データ
との相関度を評価して車両の推定位置を補正し、車両の
現在位置を道路上に設定するマツプマツチング方式を採
用してもよい（特開昭６３−１４８１１５号公報参照）
。

以上、実施例に基づいて本発明の方位検出装置を説明し
てきたが、本発明は上記実施例に限るものではない。例
えば、上記実施例のステップ■■では、過去の走行で集
められたデータΔθＧ　ｎ。

θＨｎを用いて平均値、分散値を求めていたか、　９ 旋回角速度センサ、地磁気センサの特性に応じた一定値
を予め記憶しておき、その値のみを用いて計算してもよ
い。こうすることによって、制御が簡単になるとともに
、直線走行中でない場合でも正確な方位を推定できるよ
うになる。

また、車両の代わりに航空機、船舶等の移動体に適用す
ることができ、その他、本発明の要旨を変更しない範囲
内において、種々の設計変更を施すことが可能である。

〈発明の効果〉 以上のように、本発明の方位検出装置によれば、旋回角
速度センサに温度測定手段を設置し、これを利用して旋
回角速度センサのオフセット値を、旋回角速度センサの
実測温度に応じて定まる関数値ｏ　（Ｔ）として算出す
るとともに、地磁気センサの出力データθ１および旋回
角速度センサの出力データΔθＧに含まれるノイズ成分
と、上記算出されたオフセットｏ　（Ｔ）とを用いるこ
とにより、オフセットを考慮した移動体の正確な方位を
推定することができるので、上記方位に基づいて移動　
０ 中の位置を正確に求めることができる。

また、地磁気センサの出力データθ１（および旋回角速
度センサの出力データΔθＧに含まれるノイズ成分を実
走行データに基づきリアルタイムで求めることにすれば
、より正確な方位を推定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方位検出装置を示す機能フロック図、 第２図は方位検出手順を示すフローチャート、第３図は
方位検出装置のハードウェア構成を示すブロック図、 第４図はオフセットの時間変化を示すグラフである。 １・・・ロケータ、３・・・バッファメモリ、１１・・
方位推定手段、１２・・・ノイズ算出手段、１３・・・
フィルタゲイン算出手段、１４・・・温度測定手段、１
５・・オフセット算出手段、４２・・・地磁気センサ、
４３・・・ジャイロ、４５・・・熱雷対第 ２ 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、地磁気センサの方位データ、および旋回角速度セン
   サの出力から求められる方位データを取り込み、それら
   の値と過去の推定方位とから移動体の現在の推定方位を
   求める方位検出装置において、 旋回角速度センサの温度Ｔを測定する温度測定手段と、 旋回角速度センサのオフセット値を、温度Ｔの関数値ο
   （Ｔ）として算出するオフセット算出手段と、 地磁気センサの出力データθ＾Ｈのノイズ成分σ＾Ｈを
   保有するとともに、旋回角速度センサの出力データΔθ
   ＾Ｇのノイズ成分σ＾Ｇを保有し、上記算出されたオフ
   セット値ο（Ｔ）を用いて旋回角速度センサの出力デー
   タΔθ＾Ｇの見掛けのノイズ成分σを次式により計算す
   るノイズ算出手段と、 σ＝σ＾Ｇ＋ο（Ｔ） 上記ノイズ成分σ＾Ｈ、σを用いてカルマンフィルタゲ
   インＫを算出するフィルタゲイン算出手段と、 地磁気センサの方位データθ＾Ｈ、および旋回角速度セ
   ンサの出力Δθ＾Ｇにより求められる方位データθ＾Ｇ
   に、上記カルマンフィルタゲインＫに基づいた重み付け
   処理をすることにより、移動体の現在の推定方位θを求
   める方位推定手段とを有することを特徴とする方位検出
   装置。 ２、ノイズ算出手段が、地磁気センサの出力データθ＾
   Ｈに含まれるノイズ成分σ＾Ｈ、および旋回角速度セン
   サの出力データΔθ＾Ｇに含まれるノイズ成分σ＾Ｇを
   実際の走行データに基づいて算出するものである請求項
   １記載の方位検出装置。