JPH05215564A - 車両用位置測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ＩＮＳ（慣性航法装置）の取付け角度誤差、
オドメータ（車両回転数検出器）のスケールファクタ誤
差に基づく測定誤差を小にする。 【構成】 車両を数１０秒間で数１００ｍ直線走行させ
て停止し、その出発点と、到着点とで、それぞれＩＮＳ
の検出方位角ψ，姿勢角θとオドメータ２４の検出回転
数ｎにスケールファクタを掛けた値とから、位置、標高
Ｎ，Ｅ，Ｈを計算したものと、ＧＰＳ受信機２５で測定
された位置、標高ＮＧ，ＥＧ，ＨＧとの対応するものを
それぞれ比較演算して方位角、姿勢角誤差δψ，δθ，
スケールファクタ誤差δＡを求め、δψ，δθでＩＮＳ
による測定方位角、姿勢角ψ，θをそれぞれ補正し、か
つδＡでスケールファクタを補正して以後の位置、標高
計算に用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、方位角および姿勢角
を検出する慣性航法装置と、車輪の回転数を検出する車
速検出器とを車両に搭載して、その車両の位置を測定す
る車両用位置測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】まず車両に搭載する慣性航法装置、いわ
ゆるＩＮＳについて図３Ａを参照して説明する。ＩＮＳ
は３個のジャイロ１１，１２，１３と３個の加速度計１
４，１５，１６とそれぞれ直交３軸に取付けられてお
り、これらジャイロ加速度計を総称してセンサ１７とい
う。このセンサ１７の他、コンピュータ１８および外部
機器とのインターフェイス１９および内部各部の作動に
必要な電源電力を供給する電源部２１とからなる。

【０００３】ジャイロ１１〜１３はＩＮＳの回転角速度
を、加速度計１４〜１６は加速度をそれぞれ検出する。
得られた角速度、加速度情報をコンピュータ１８で次の
演算処理を行う。 姿勢角θの計算 θ＝∫ω_a dt＋θ₀ ω_a ：ＩＮＳのジャイロで検出された姿勢方向の角速
度、θ₀ ：初期姿勢角 方位角ψの計算 ψ＝∫ω_b dt＋ψ₀ ω_b ：ＩＮＳのジャイロで検出された方位方向の角速
度、ψ₀ ：初期方位角 水平方向加速度ａ_H ，鉛直方向加速度ａ_V の計算 ａ_H ＝ａ_B cos θ ａ_V ＝ａ_B sin θ ａ_B ：ＩＮＳの加速度計で検出されたそのボディ方向加
速度 図３ＢにＩＮＳ２３のボディ方向の加速度と姿勢角θ
と、水平、鉛直各方向加速度ａ_H ，ａ_V との関係を図３
Ｂに示す。

【０００４】水平速度Ｖ_H の計算 Ｖ_H ＝∫ａ_H dt 現在位置Ｐの計算 Ｐ＝∫Ｖ_H dt＋Ｐ₀ Ｐ₀ ：初期位置 鉛直速度Ｖ_V の計算 Ｖ_V ＝∫ａ_V dt 標高Ｈの計算 Ｈ＝∫Ｖ_V dt＋Ｈ₀ Ｈ₀ ：初期標高 このようにして、ＩＮＳだけでも現在位置Ｐと標高Ｈと
を測定することができる。しかし、センサ１７には固有
の誤差があるため、上記各積分計算により時間と共に速
度、位置、標高の誤差が増大していく。従って、ＩＮＳ
だけでは位置誤差は１時間あたり、例えば１０００ｍ〜
２０００ｍの割で増大していくため、車両用位置、標高
の測定には適しない。

【０００５】そこで、ＩＮＳと車速検出器、いわゆるオ
ドメータとを組み合わせ使用することが提案されてい
る。オドメータは車輪の回転数を検出するものであり、
車輪の円周長さを乗算すると走行距離がわかる。単位時
間ごとの走行距離ΔＬとＩＮＳが検出する方位角ψおよ
び姿勢角（ピッチ角）θとを使用して単位時間ごとの北
方向距離ΔＮ，東方向距離ΔＥおよび鉛直方向距離ΔＨ
をそれぞれ次の演算により求める。これらの関係は図３
Ｃ，Ｄに示すようになる。

【０００６】ΔＬ_H ＝ΔＬ cosθ ΔＨ＝ΔＬ sinθ ΔＮ＝ΔＬ_H cosψ ΔＥ＝ΔＬ_H sinψ ΔＬ_H ：水平方向距離 これら北方向距離ΔＮ，東方向距離ΔＥを積算すると、
出発点からの北方向移動距離Ｎ，東方向移動距離Ｅがそ
れぞれ得られる。

【０００７】 Ｎ＝∫ΔＮ dt ……… (1) Ｅ＝∫ΔＥ dt ……… (2) 同様に鉛直方向距離ΔＨを積算すると、出発点からの標
高の変化距離Ｈが得られる。これらの関係図を図４Ａ，
Ｂに示す。上述の各演算はＩＮＳ内のコンピュータ１８
で行えばよい。

【０００８】 Ｈ＝∫ΔＨ dt ……… (3)

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、従
来の車両用位置標高測定装置はＩＮＳの検出方位角ψ，
姿勢角θを車両の進行方向とみなして位置・標高計算を
行う。従ってＩＮＳが車両に対し取付角誤差がある場
合、下記のように位置・標高測定に誤差が生じる。すな
わち、図４Ｃに示すようにＩＮＳが車両に対し方位角誤
差δψで取付けている場合、仮に車両が真北に進行して
も、ＩＮＳの検出方位角は０ではなくδψを示すから、
車両がＡ点へ行ったときの位置の演算結果はＢ点を示し
てしまう。移動距離をＬ_H とすると、Ａ点座標は（０，
Ｌ_H ）であるにもかかわらず、位置出力は（Ｌ_H sin δ
ψ，Ｌ_H cos δψ）となる。

【００１０】また、図４Ｄに示すようにＩＮＳが車両に
対し姿勢角誤差δθで取り付いている場合、仮に車両が
水平に進行してもＩＮＳの検出姿勢角出力は０ではなく
δθを示すから、車両がＣ点へ行ったとき、標高の演算
結果はＤ点を示してしまう。移動距離をＬとすると、標
高誤差はＬ sinδθとなる。一方、オドメータにそのス
ケールファクタ（１回転あたりの走行距離）に誤差があ
れば、位置出力に誤差が出るのはいうまでもない。

【００１１】この発明は、上記ＩＮＳの取付角誤差およ
びオドメータのスケールファクタ誤差を自動的に測定
し、補正することにより高精度に、位置・標高測定を可
能にした車両用位置標高測定装置を提供することにあ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明によれば、車両
に衛星航法装置（ＧＰＳ：グローバルポジショニングシ
ステム）が搭載され、そのＧＰＳにより測定された位置
と、ＩＮＳおよび車速検出器（オドメータ）から測定さ
れた位置とからＩＮＳの取付け誤差角度およびオドメー
タのスケールファクタ誤差の少なくとも一方が誤差演算
手段で演算され、その演算された取付け誤差角度でＩＮ
Ｓで検出された方位角および姿勢角がそれぞれ補正さ
れ、また演算されたスケールファクタ誤差で車速検出器
のスケールファクタが補正される。これら補正された方
位角および姿勢角とスケールファクタと車速検出器の検
出回転数とから位置の演算がなされる。

【００１３】

【作 用】少なくともＩＮＳの取付け角度誤差および車
速検出器のスケールファクタ誤差の測定時にはＧＰＳ受
信機とＧＰＳアンテナを車両に搭載する。ある任意の出
発点から数１０秒間ほゞ直線走行し、任意の到着点で停
止する。このとき、その両地点におけるＧＰＳにより測
定した位置・標高のそれぞれの差分と、ＩＮＳおよび車
速検出器で測定した両地点における位置・標高のそれぞ
れの差分とを比較することにより、上記取付け角度誤差
と車速検出器のスケールファクタ誤差の大きさを演算す
る。

【００１４】ＧＰＳの測定位置・標高誤差は数１０ｍ〜
数１００ｍある。しかし、車両の数１０秒間の走行では
数１００ｍの移動でしかないため、ＧＰＳが数１０ｍも
の誤差を有すると、上記比較しても精度が不十分となる
と思われるが、次の手段により解決される。まず、ＧＰ
Ｓの衛星は地上から遠く離れているため、地上の数１０
０ｍ離れた２点での測定位置・標高誤差の大きさはそれ
ぞれ相等しい。また衛星の動きにより、ゆっくりした速
さで位置・標高誤差は変動していく。しかし数１０秒間
ではその変動の大きさは無視し得る。従って、出発点お
よび到着点でのそれぞれの位置・標高誤差値は等しい。
ＩＮＳの取付け角度誤差、車速検出器のスケールファク
タ誤差を測定するためには、出発点と到着点との相対位
置・標高差分が判ればよいので絶対的な誤差の大きさは
問題でなくなる。そのためには走行はできるだけ短時間
に長い距離を走ればよい。

【００１５】

【実施例】図１Ａにこの発明の実施例を示す。この発明
では車両にＩＮＳ２３と車速検出器（以下オドメータと
記す）２４の他にＧＰＳ受信機２５およびそのアンテナ
２６が搭載される。ＩＮＳ２３のセンサ１７には図３Ａ
について述べたジャイロ１１〜１３，加速度計１４〜１
６が設けられており、センサ１７の出力により、姿勢、
方位計算手段２７でＩＮＳの方位ψと姿勢角（ピッチ
角）θとが演算される。これらψ，θは姿勢、方位取付
け誤差補正計算手段２８で、取付け誤差角度δθ，δψ
がそれぞれ加算されて補正される。

【００１６】θ′＝θ＋δθ ψ′＝ψ＋δψ 一方、オドメータ２４により検出された車輪の回転数ｎ
（回転／秒）に対し、スケール計算手段２９でオドメー
タ２４のスケールファクタ（車輪の直径）が乗算されて
車両の速度（単位時間ごとの走行距離ΔＬ）が求められ
る。通常の場合オドメータ２４はエンジンから速度メー
タへ達するケーブルを分岐して、プロペラシャフトの回
転数を検出する。従ってオドメータ２４の検出回転数ｎ
は車輪の回転数と異なり、そのための倍率補正をする必
要があるが、こゝでは理解を容易にするため、オドメー
タ２４で車輪の回転数を検出するとした。また、車両速
度ΔＬの計算の際にオドメータ２４のスケールファクタ
Ａの誤差δＡを補正して行う。従って次式の計算を行
う。

【００１７】ΔＬ（ｍ／ｓ）＝（１＋δＡ）Ａ・ｎ この車両速度ΔＬと、補正された姿勢角θ′，方位角
ψ′とを用いて位置、標高計算手段３１で（１），
（２），（３）式を演算して車両の位置Ｎ，Ｅ，標高Ｈ
をそれぞれ求めて出力する。ＧＰＳ受信機２５，ＧＰＳ
アンテナ２６は一般に市販されているものでよい。通常
の市販されているＧＰＳ受信機の位置出力は緯度、経度
で行われるが、緯度、経度は北、東座標に容易に変換で
きる。よってＧＰＳ受信機２５から北、東座標で位置Ｎ
Ｇ，ＥＧと標高ＨＧとを出力することにする。

【００１８】このＧＰＳ受信機２５の出力ＮＧ，ＥＧ，
ＨＧと位置、標高計算手段３１で計算されたＮ，Ｅ，Ｈ
とを比較して誤差計算手段３２により誤差δθ，δψ，
δＡが以下のように計算される。 （１）当初δθ，δψ，δＡの値は不明のためδθ＝δ
ψ＝δＡ＝０とする。 （２）任意の出発点において位置、標高計算手段３１の
出力初期値としてＮ＝Ｎ１，Ｅ＝Ｅ１，Ｈ＝Ｈ１を入れ
る。またＧＰＳ受信機２５の出力ＮＧ＝ＮＧ１，ＥＧ＝
ＥＧ１，ＨＧ＝ＨＧ１を記録する。

【００１９】（３）次に車両をなるべく直線に、数１０
秒間で数１００ｍ走行して停止する。このとき、出発点
での車両方位とピッチ角と、到着点での車両のそれとは
同じでなければならない。 （４）到着点での位置、標高計算手段３１の出力Ｎ＝Ｎ
２，Ｅ＝Ｅ２，Ｈ＝Ｈ２と、ＧＰＳ受信機２５の出力Ｎ
Ｇ＝ＮＧ２，ＥＧ＝ＥＧ２，ＨＧ＝ＨＧ２とを記録す
る。

【００２０】（５）誤差計算手段３２において次の演算
をする。これらの関係を図１Ｂ，Ｃに示す。

【００２１】

【数１】

【００２２】

【数２】 （６）（５）項で得られたδθ，δψ，δＡを各々姿
勢、方位取付け誤差補正計算手段２８，スケール計算手
段２９に与え、補正計算に使用する。以降、ＧＰＳがな
くても高精度の位置、標高データが得られる。車輪取付
場所とＧＰＳアンテナ２６の取付場所とが同じであれ
ば、車輪の移動量とＧＰＳアンテナの移動量は常に等し
い。しかし、図２Ａに示すように車両３３の車輪３４の
取付場所とアンテナ２６の取付場所とが離れており、か
つ走行時の出発点と到着点とで車両３３の方位またはピ
ッチ角方向が異なっていると、車輪３４の移動量Ｌ
_B （方向を含め）とＧＰＳアンテナ２６の移動量Ｌ_A と
は異なってしまう。なお、オドメータ２４が検出する速
度は左右後輪の中間点の速度である。

【００２３】この場合、当然ながらＩＮＳ取付け角度誤
差とオドメータのスケールファクタ誤差の推定の精度が
劣化する。この問題は、ＧＰＳ受信機２５の出力の位置
・標高データを車輪取付場所の位置、標高データに変換
することにより、解消できる。すなわち、この変換を図
２Ｂに示すように変換計算手段３５により行って誤差計
算手段３２に与える。

【００２４】図２Ｃに示すように、ＧＰＳアンテナ２６
と車輪場所３６との距離を車両前後方向にＹ，左右方向
にＸとする。ＧＰＳ受信機２５の出力ＮＧ，ＥＧ，ＨＧ
を車輪場所３６に変換したデータＮＧ′，ＥＧ′，Ｈ
Ｇ′とすると、ＮＧ′，ＥＧ′は次式の計算により求ま
る。 ＮＧ′＝ＮＧ−Ｙ cosψ＋Ｘ sinψ ＥＧ′＝ＥＧ−Ｙ sinψ−Ｘ cosψ なお、この式は車両３３の傾斜を考慮していない。

【００２５】また、図２Ｄに示すように車輪場所３６と
アンテナ２６との高さの差をＺとすると、ＨＧ′は次式
の計算に求まる。 ＨＧ′＝ＨＧ−Ｙ sinθ−Ｚ cosθ なお、車両３３のロール方向の傾斜はないものとする。
以上の変換をすることにより、車両３３の方位、傾斜に
かかわらず、車輪場所３６でのＧＰＳデータが得られ
る。

【００２６】上述においてはＩＮＳの取付け角度誤差と
オドメータのスケールファクタ誤差との両者の補正を行
ったが、場合によってはその一方だけでもよい。また上
述では車両の位置と、標高とを測定したが位置の測定だ
けでもよい。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれば
ＧＰＳを使用してＩＮＳの取付け角度誤差またはオドメ
ータのスケールファクタ誤差を測定し、以降の走行にお
いて補正できるので、高精度の位置・標高測定が可能に
なる。なお、ＧＰＳがあればＩＮＳ，オドメータは不要
と思われるが、前述のようにＧＰＳの精度は数１０ｍ〜
数１００ｍであり、特に安価なものは精度が数１００ｍ
もある。しかし、この発明によると、そのような低精度
のＧＰＳを用いても位置・標高誤差は走行距離の0.１％
以下、すなわち１０Km走行で１０ｍ以下の高い精度が可
能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ａはこの発明の実施例を示すブロック図、Ｂ，
Ｃはそれぞれ出発点、到着点における位置・標高計算手
段３１の各計算結果と、ＧＰＳ受信機の各測定値との関
係の平面座標、垂直面座標を示す図である。

【図２】Ａは車輪、ＧＰＳアンテナのそれぞれの移動量
の差を示す図、Ｂはその差に基づく誤差を補正するため
の構成を示すブロック図、Ｃ，Ｄはそれぞれ車輪場所と
ＧＰＳアンテナ取付け位置との関係を示す平面図、側面
図である。

【図３】ＡはＩＮＳの概略を示すブロック図、ＢはＩＮ
Ｓボディ方向の加速度とその水平、鉛直方向成分との関
係を示す図、Ｃ，Ｄはそれぞれ車両速度ΔＬとその鉛直
方向成分と、北方向成分と、東方向成分との関係を示す
図である。

【図４】Ａ，Ｂはそれぞれ移動した北方向成分と東方向
成分と、標高成分とを示す図、Ｃ，ＤはそれぞれＩＮＳ
の取付け角度誤差に基づく測定位置・標高誤差を示す図
である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 車両に搭載された慣性航法装置よりの方
   位角と姿勢角と、上記車両に搭載された車速検出器によ
   り検出した上記車両の車輪の回転数から得られる車両速
   度情報とを使用して、その車両の位置を測定する車両用
   位置測定装置において、 上記車両に搭載された衛星航法装置と、 その衛星航法装置により測定された位置と、上記慣性航
   法装置および車速検出器から測定された位置とから、上
   記慣性航法装置の上記車両への取付け誤差角度を計算す
   る誤差計算手段と、 その計算された取付け誤差角度を用いて上記慣性航法装
   置よりの方位角および姿勢角を補正する手段と、 を設けたことを特徴とする車両用位置測定装置。
2. 【請求項２】 車両に搭載された慣性航法装置よりの方
   位角と姿勢角と、上記車両に搭載された車速検出器によ
   り検出した上記車両の車輪の回転数から得られる車両速
   度情報とを使用して、その車両の位置を測定する車両用
   位置測定装置において、 上記車両に搭載された衛星航法装置と、 その衛星航法装置により測定された位置と、上記慣性航
   法装置および車速検出器から測定された位置とから、上
   記車速検出器のスケールファクタ誤差を計算する誤差計
   算手段と、 その計算されたスケールファクタ誤差で上記車速検出器
   のスケールファクタを補正する手段と、 を設けたことを特徴とする車両用位置測定装置。
3. 【請求項３】 上記衛星航法装置のアンテナと上記車両
   の車輪との相対位置データと、上記慣性航法装置からの
   方位角および姿勢角とから、上記衛星航法装置からの位
   置データを、上記車輪の位置での位置データに変換する
   手段を備え、その変換された位置を上記誤差計算手段で
   の計算に用いることを特徴とする請求項１または２記載
   の車両用位置測定装置。