物体挙動推定方法および物体挙動推定装置
【課題】変形による影響も含む物体の特定領域全体の挙動を正確に把握することにある。
【解決手段】物体挙動推定装置１０において、並進加速度取得部は、挙動を推定すべき車両１２において、例えば第１加速度センサ１８Ａ〜第７加速度センサ１８Ｇなど、直線上にない３以上の個所に配置された並進３軸の加速度センサ１８の各々の検出値を取得する。挙動推定部は、取得した検出値に最小二乗法を用いた演算を施して車両１２の角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを推定する。
【解決手段】物体挙動推定装置１０において、並進加速度取得部は、挙動を推定すべき車両１２において、例えば第１加速度センサ１８Ａ〜第７加速度センサ１８Ｇなど、直線上にない３以上の個所に配置された並進３軸の加速度センサ１８の各々の検出値を取得する。挙動推定部は、取得した検出値に最小二乗法を用いた演算を施して車両１２の角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを推定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体挙動推定技術に関し、特に、物体の角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを推定する物体挙動推定技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば車両走行中に車両がどのような挙動を示すかを予め把握することは、車両の制動力制御や姿勢制御を適切に実施するために極めて重要である。このため、例えば、重力の方向を基準とする車両の傾斜角度を連続的に検出し、車両の角速度を積分して該車両の傾斜角度の変化量を連続的に検出し、これらの検出出力を加算して車両の傾斜角度を算出する車両の傾斜角度検出装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、例えば、自動車などの物体の表面に、特定の位置関係および検出方向をもって配置した複数の加速度センサーの検出値から物体の回転角速度、姿勢角、および位置標定用加速度情報を推定する姿勢検出装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００１−７４４４９号公報
【特許文献２】特開平６−１７４４８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
例えば車両などの挙動を推定すべき物体も、実際には移動中に微小に変形する。しかし、例えば特許文献１に示す技術ではロール角を検出するセンサを用いているため、検出個所におけるロール角を検出することはできるが、変形による影響も含む物体の特定領域全体の挙動を把握することは困難である。また、加速度センサなどによる検出には通常誤差を伴う。しかし、例えば特許文献２に示す技術ではこのような誤差を充分に考慮していないため、物体の姿勢を正確に求めることができないおそれがある。
【０００４】
そこで、本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、変形による影響も含む物体の特定領域全体の挙動を正確に把握することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の物体挙動推定方法は、挙動を推定すべき物体において直線上にない３以上の個所に配置された並進３軸の加速度センサの各々の検出値を取得するステップと、取得した検出値に最小二乗法を用いた演算を施して物体の角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを推定するステップと、を備える。
【０００６】
この態様によれば、３以上の個所に配置された加速度センサの検出値を用いることにより、変形による影響も含む物体の特定領域全体の挙動を把握することが可能となる。また、最小二乗法を用いることで検出誤差の影響を抑制することが可能となり、物体の挙動を正確に把握することができる。
【０００７】
角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを推定するステップは、
【数１】
としたときに、
【数２】
から、すべての加速度センサの平均位置ｐｍから位置ｐｉにある加速度センサのまでの相対位置ｑｉを用いて
【数３】
として、最小二乗法を用いて誤差εｉの二乗和
【数４】
を最少にする物体の角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを推定してもよい。
【０００８】
この態様によれば、誤差εｉの二乗和を最小にすることにより、少ない誤差で角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを推定することができる。
【０００９】
本発明の別の態様は、物体挙動推定装置である。この装置は、挙動を推定すべき物体において直線上にない３以上の個所に配置された並進３軸の加速度センサの各々の検出値を取得する並進加速度取得部と、物体の角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを推定する挙動推定部と、を備える。挙動推定部は、取得した検出値に最小二乗法を用いた演算を施して物体の角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを推定する。
【００１０】
この態様によれば、３以上の個所に配置された加速度センサの検出値を用いることにより、変形による影響も含む物体の特定領域全体の挙動を把握することが可能となる。また、最小二乗法を用いることで検出誤差の影響を抑制することが可能となり、物体の挙動を正確に把握することができる。
【００１１】
挙動推定部は、
【数５】
としたときに、
【数６】
から、すべての加速度センサの平均位置ｐｍから位置ｐｉにある加速度センサのまでの相対位置ｑｉを用いて
【数７】
として、最小二乗法を用いて誤差εｉの二乗和
【数８】
を最少にする物体の角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを推定してもよい。
【００１２】
この態様によれば、誤差εｉの二乗和を最小にすることにより、少ない誤差で角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを推定することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、変形による影響も含む物体の特定領域全体の挙動を正確に把握することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態（以下、「実施形態」という。）について詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本実施形態に係る物体挙動推定装置１０と、物体挙動推定装置１０による挙動推定の対象となる車両１２とを模式的に示す図である。なお、図１において物体挙動推定装置１０は車両１２内に設けられているように記載されているが、物体挙動推定装置１０は車両１２外に設けられていてもよい。
【００１６】
車両１２は、車両本体１４および４つの車輪によって構成される。以下、左前輪１６ＦＬ、右前輪１６ＦＲ、左後輪１６ＲＬ、および右後輪１６ＲＲを必要に応じて車輪１６と総称する。
【００１７】
車両１２には、第１加速度センサ１８Ａ〜第７加速度センサ１８Ｇが設けられている。以下、これらを必要に応じて加速度センサ１８と総称する。加速度センサ１８の各々は、互いに直交する３軸の各々の並進加速度を検出するよう設けられている。加速度センサ１８の各々は、車両１２の前後方向、左右方向、および上下方向の３軸の各々の並進加速度を検出することができるよう車両１２に配置される。なお、車両１２に配置される加速度センサ１８の数が７つに限られないことは勿論であり、３以上のいずれかの数であってもよい。
【００１８】
第１加速度センサ１８Ａは、車両１２の先端部における左右方向中央に配置される。第２加速度センサ１８Ｂは左前輪１６ＦＬの後方近傍に配置され、第３加速度センサ１８Ｃは右前輪１６ＦＲの後方近傍に配置される。このように、第１加速度センサ１８Ａ〜第３加速度センサ１８Ｃは、車両１２の前方側に分散して配置される。
【００１９】
第４加速度センサ１８Ｄは左後輪１６ＲＬの前方近傍に配置され、第５加速度センサ１８Ｅは右後輪１６ＲＲの前方近傍に配置される。第６加速度センサ１８Ｆは左後輪１６ＲＬの後方近傍に配置され、第７加速度センサ１８Ｇは右後輪１６ＲＲの後方近傍に配置される。このように、第４加速度センサ１８Ｄ〜第７加速度センサ１８Ｇは、車両１２の後方側に分散して配置される。なお、加速度センサ１８の各々は、３つ以上が一直線上に位置しないよう配置される。
【００２０】
図２は、本実施形態に係る物体挙動推定装置１０の構成を示す図である。なお、図２において物体挙動推定装置１０は、各種演算処理を実行するＣＰＵ、各種制御プログラムを格納するＲＯＭ、データ格納やプログラム実行のためのワークエリアとして利用されるＲＡＭなどのハードウェア、およびソフトウェアの連携によって実現される機能ブロックが描かれている。したがって、これらの機能ブロックはハードウェアおよびソフトウェアの組合せによって様々な形で実現することができる。
【００２１】
物体挙動推定装置１０は、並進加速度取得部３０、挙動推定部３２、および表示制御部３４を有する。物体挙動推定装置１０は加速度センサ１８の各々に接続されており、並進加速度取得部３０は、加速度センサ１８の各々の検出値を取得する。挙動推定部３２は、取得された加速度センサ１８の各々の検出値を利用して、車両１２の全体または一部の領域の角速度ベクトル、角加速度ベクトルなどの挙動を推定する。物体挙動推定装置１０はディスプレイ４０に接続されており、表示制御部３４は、挙動推定部３２による挙動推定結果をディスプレイ４０に表示させるよう表示データを生成する。
【００２２】
以下、車両１２の全体または一部の領域の角速度ベクトル、角加速度ベクトルなどの挙動を推定するときの方法について詳細に説明する。
【００２３】
【数９】
としたとき、これらの関係は、
【数１０】
によって表される。これを数式１とする。
【００２４】
この数式１において、角速度ベクトル、角加速度ベクトル、および基準位置の加速度が未知数となる。求めたいのは角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルであることから、この数式１からまず基準位置の加速度を消去する。この式を加速度センサの設置位置（以下、「計測点」という）全点で総和を取ると、
【数１１】
となる。これを数式２とする。したがって、
【数１２】
となる。これを数式３とする。
【００２５】
ここで、全計測点の平均加速度ａｍは、
【数１３】
となる。これを数式４とする。また、全計測点の平均位置ｐｍは、
【数１４】
となる。これを数式５とする。基準位置の加速度は、これらを利用して、
【数１５】
と表すことができる。これを数式６とする。この数式６を上述の数式１に代入すると、
【数１６】
となる。これを数式７とする。
【００２６】
ここで、基準位置の加速度に対するｉ番目の加速度センサ設置個所の相対加速度αｉは、
【数１７】
で表すことができる。これを数式８とする。また、基準位置に対するｉ番目の加速度センサ設置個所の相対位置ｑｉは、
【数１８】
で表すことができる。これを数式９とする。これら数式８および数式９を上記の数式７に代入すると、
【数１９】
となる。これを数式１０とする。こうして、数式１から基準位置の加速度を削除することができる。
【００２７】
この数式１０に対して、最小二乗法を用いて、
【数２０】
を演算する。これを数式１１とする。これにより、誤差εｉの二乗和
【数２１】
を最少にする車両１２の角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを推定する。これを数式１２とする。このための同定モデルは、
【数２２】
となる。これを数式１３とする。
【００２８】
しかし、数式１３は非線形微分方程式となっており、そのまま最小二乗法を用いるのは困難である。このため、数式１１をまず線形方程式に近似する。数式１３をテイラー展開すると、
【数２３】
となる。これを数式１４とする。このため、線形モデルは、
【数２４】
となる。これを数式１５とする。
【００２９】
上述の数式１２は、
【数２５】
と表すことができる。これを数式１６とする。一方、数式１５を行列で表すと、
【数２６】
となる。これを数式１７とする。数式１７において、
【数２７】
である。これを数式１８とする。また、数式１７において、
【数２８】
である。これを数式１９とする。したがって、これを数式１６は、
【数２９】
となる。これを数式２０とする。
【００３０】
ここで、逐次線形近似最小二乗式は、
【数３０】
で表される。これを数式２１とする。数式２１を変形することにより、
【数３１】
となる。これを数式２２とする。この数式２２において、γ１およびγ２は、それぞれ、
【数３２】
となる。これを数式２３とする。また、数式２２において、Ａ１１、Ａ１２、Ａ２１、およびＡ２２は、それぞれ、
【数３３】
となる。これを数式２４とする。
【００３１】
一方、時間積分法より、
【数３４】
によって角速度の近似解を求める。これを数式２５とする。陽解法では、
【数３５】
となる。これを数式２６とする。また、台形則では、
【数３６】
となる。これを数式２７とする。また、陰解法では、
【数３７】
となる。これを数式２８とする。また、
【数３８】
の関係がある。これを数式２９とする。
【００３２】
数式２１および数式２９により、
【数３９】
となる。これを数式３０とする。数式３０において、
【数４０】
である。これを数式３１とする。また、数式３０において、
【数４１】
である。これを数式３２とする。
【００３３】
ここで、
【数４２】
である。これを数式３３とする。したがって、
【数４３】
として角加速度修正量を算出することができる。これを数式３４とする。数式２５の近似解を更新する場合は、
【数４４】
を用いて更新する。これを数式３５とする。
【００３４】
なお、数式３４において、反復行列Ａおよび残差ベクトルγ、定数行列Ｊは、それぞれ、
【数４５】
となる。これを数式３６とする。こうして、取得した加速度センサ１８の検出値を利用して反復行列Ａおよび残差ベクトルγを求めることができる。このため、数式３４を利用して、
【数４６】
を満たすか否かを判定することが可能となる。これを数式３７とする。
【００３５】
図３は、本実施形態に係る物体挙動推定装置１０による挙動推定手順を示すフローチャートである。本フローチャートにおける処理は、ユーザにより挙動推定を開始させるためのスタートボタンがディスプレイ４０の画面上で計測作業者にクリックされるなどによって開始する。
【００３６】
なお、計測作業者は、挙動推定開始のためのスタートボタンを押す前に、加速度センサ１８の各々の設置位置ｐｉを物体挙動推定装置１０に入力する。また、計測作業者は、時間積分パラメータであるβも物体挙動推定装置１０に入力する。なお、角速度の初期値はω０に設定されており、角加速度の初期値はゼロに設定されている。
【００３７】
挙動推定部３２は、時間ｔにおいて加速度センサ１８から取得した検出値ａｉを利用して、数式４に示す平均加速度ａｍ、および数式８に示す相対加速度αｉを算出する。挙動推定部３２は、こうして算出した値を用い、時間積分法により数式２５を利用して角速度近似を行う。挙動推定部３２は、こうして求めた角速度を利用して反復行列Ａを算出し（Ｓ１０）、また、残差ベクトルγを算出する（Ｓ１２）。
【００３８】
残差ベクトルγが算出されると、挙動推定部３２は、数式３７に示すように、角加速度修正量が誤差より以下か否かを判定する（Ｓ１４）。角加速度修正量が誤差より大きい場合（Ｓ１４のＮ）、挙動推定部３２は、数式３５を用いて近似解を更新し（Ｓ１６）、Ｓ１０に戻って再び反復行列Ａおよび残差ベクトルγを算出する。
【００３９】
角加速度修正量が誤差より以下と判定された場合（Ｓ１４のＹ）、挙動推定部３２は、その時間における角速度および角加速度を決定する（Ｓ１８）。このとき、表示制御部３４は、決定した角速度および角加速度を示す図や数値をディスプレイ４０に表示してもよい。その時間における角速度および角加速度が決定されると、挙動推定部３２は、時間ｔが計測完了時間Ｔに達したか否かを判定する（Ｓ２０）。時間ｔが計測完了時間Ｔに達していない場合（Ｓ２０のＮ）、挙動推定部３２は、時間ｔをｔ＋Δｔに更新して（Ｓ２２）、Ｓ１０に再び移行する。時間ｔが計測完了時間Ｔに達した場合（Ｓ２０のＹ）、本フローチャートにおける挙動推定処理を終了する。
【００４０】
図４は、挙動推定に用いる加速度センサ１８の取付位置とその平均位置ｐｍの一例を示す図である。図４に示す例では、第２加速度センサ１８Ｂ〜第５加速度センサ１８Ｅの４つによる計測値を用いて、車両１２の略中央のｐｍにおける角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを推定する。
【００４１】
図５（ａ）は、第２加速度センサ１８Ｂの検出値を示す図であり、図５（ｂ）は、第３加速度センサ１８Ｃの検出値を示す図である。また、図５（ｃ）は、第４加速度センサ１８Ｄの検出値を示す図であり、図５（ｄ）は、第５加速度センサ１８Ｅの検出値を示す図である。以下、車両前後方向に伸びる軸をｘ軸、車両左右方向に伸びる軸をｙ軸、車両上下方向に伸びる軸をｚ軸として説明する。図５（ａ）〜図５（ｄ）において、Ａｘはｘ軸方向の並進加速度を示し、Ａｙはｙ軸方向の並進加速度示し、Ａｚはｚ軸方向の並進加速度を示す。
【００４２】
図６は、図５（ａ）〜図５（ｄ）に示す検出を利用して推定した平均位置ｐｍにおける角加速度を示す図である。図６において、ｄωｘはｘ軸回りの角加速度を示し、ｄωｙはｙ軸回りの角加速度を示し、ｄωｚはｚ軸回りの角加速度を示す。このように、本実施形態に係る挙動推定方法によれば、並進加速度の検出値を利用して、車両１２における角加速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを精度良く算出することができる。
【００４３】
なお、本実施形態に係る挙動推定方法では、例えば第１加速度センサ１８Ａ〜第３加速度センサ１８Ｃの検出値を利用することにより、車両１２の前方側を中心とした角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを算出することができる。また、第４加速度センサ１８Ｄ〜第７加速度センサ１８Ｇの検出値を利用することにより、車両１２の後方側を中心とした角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを算出することができる。このため、例えば車両前方と後方との間で車両１２の筐体に変形が生じた場合においても、その影響を含む車両１２の挙動を精度良く推定することが可能となる。
【００４４】
本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本実施形態の各要素を適宜組み合わせたものも、本発明の実施形態として有効である。また、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を本実施形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本発明の範囲に含まれうる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本実施形態に係る物体挙動推定装置と、物体挙動推定装置による挙動推定の対象となる車両とを模式的に示す図である。
【図２】本実施形態に係る物体挙動推定装置の構成を示す図である。
【図３】本実施形態に係る物体挙動推定装置による挙動推定手順を示すフローチャートである。
【図４】挙動推定に用いる加速度センサの取付位置とその平均位置ｐｍの一例を示す図である。
【図５】（ａ）は、第２加速度センサの検出値を示す図であり、（ｂ）は、第３加速度センサの検出値を示す図であり、（ｃ）は、第４加速度センサの検出値を示す図であり、（ｄ）は、第５加速度センサの検出値を示す図である。
【図６】図５（ａ）〜図５（ｄ）に示す検出を利用して推定した平均位置ｐｍにおける角速度を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０ 物体挙動推定装置、 １２ 車両、 １４ 車両本体、 １６ 車輪、 １６ＦＬ 左前輪、 １６ＦＲ 右前輪、 １６ＲＬ 左後輪、 １６ＲＲ 右後輪、 １８ 加速度センサ、 １８Ａ 第１加速度センサ、 １８Ｂ 第２加速度センサ、 １８Ｃ 第３加速度センサ、 １８Ｄ 第４加速度センサ、 １８Ｅ 第５加速度センサ、 １８Ｆ 第６加速度センサ、 １８Ｇ 第７加速度センサ、 ３０ 並進加速度取得部、 ３２ 挙動推定部、 ３４ 表示制御部、 ４０ ディスプレイ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体挙動推定技術に関し、特に、物体の角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを推定する物体挙動推定技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば車両走行中に車両がどのような挙動を示すかを予め把握することは、車両の制動力制御や姿勢制御を適切に実施するために極めて重要である。このため、例えば、重力の方向を基準とする車両の傾斜角度を連続的に検出し、車両の角速度を積分して該車両の傾斜角度の変化量を連続的に検出し、これらの検出出力を加算して車両の傾斜角度を算出する車両の傾斜角度検出装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、例えば、自動車などの物体の表面に、特定の位置関係および検出方向をもって配置した複数の加速度センサーの検出値から物体の回転角速度、姿勢角、および位置標定用加速度情報を推定する姿勢検出装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００１−７４４４９号公報
【特許文献２】特開平６−１７４４８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
例えば車両などの挙動を推定すべき物体も、実際には移動中に微小に変形する。しかし、例えば特許文献１に示す技術ではロール角を検出するセンサを用いているため、検出個所におけるロール角を検出することはできるが、変形による影響も含む物体の特定領域全体の挙動を把握することは困難である。また、加速度センサなどによる検出には通常誤差を伴う。しかし、例えば特許文献２に示す技術ではこのような誤差を充分に考慮していないため、物体の姿勢を正確に求めることができないおそれがある。
【０００４】
そこで、本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、変形による影響も含む物体の特定領域全体の挙動を正確に把握することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の物体挙動推定方法は、挙動を推定すべき物体において直線上にない３以上の個所に配置された並進３軸の加速度センサの各々の検出値を取得するステップと、取得した検出値に最小二乗法を用いた演算を施して物体の角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを推定するステップと、を備える。
【０００６】
この態様によれば、３以上の個所に配置された加速度センサの検出値を用いることにより、変形による影響も含む物体の特定領域全体の挙動を把握することが可能となる。また、最小二乗法を用いることで検出誤差の影響を抑制することが可能となり、物体の挙動を正確に把握することができる。
【０００７】
角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを推定するステップは、
【数１】
としたときに、
【数２】
から、すべての加速度センサの平均位置ｐｍから位置ｐｉにある加速度センサのまでの相対位置ｑｉを用いて
【数３】
として、最小二乗法を用いて誤差εｉの二乗和
【数４】
を最少にする物体の角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを推定してもよい。
【０００８】
この態様によれば、誤差εｉの二乗和を最小にすることにより、少ない誤差で角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを推定することができる。
【０００９】
本発明の別の態様は、物体挙動推定装置である。この装置は、挙動を推定すべき物体において直線上にない３以上の個所に配置された並進３軸の加速度センサの各々の検出値を取得する並進加速度取得部と、物体の角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを推定する挙動推定部と、を備える。挙動推定部は、取得した検出値に最小二乗法を用いた演算を施して物体の角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを推定する。
【００１０】
この態様によれば、３以上の個所に配置された加速度センサの検出値を用いることにより、変形による影響も含む物体の特定領域全体の挙動を把握することが可能となる。また、最小二乗法を用いることで検出誤差の影響を抑制することが可能となり、物体の挙動を正確に把握することができる。
【００１１】
挙動推定部は、
【数５】
としたときに、
【数６】
から、すべての加速度センサの平均位置ｐｍから位置ｐｉにある加速度センサのまでの相対位置ｑｉを用いて
【数７】
として、最小二乗法を用いて誤差εｉの二乗和
【数８】
を最少にする物体の角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを推定してもよい。
【００１２】
この態様によれば、誤差εｉの二乗和を最小にすることにより、少ない誤差で角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを推定することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、変形による影響も含む物体の特定領域全体の挙動を正確に把握することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態（以下、「実施形態」という。）について詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本実施形態に係る物体挙動推定装置１０と、物体挙動推定装置１０による挙動推定の対象となる車両１２とを模式的に示す図である。なお、図１において物体挙動推定装置１０は車両１２内に設けられているように記載されているが、物体挙動推定装置１０は車両１２外に設けられていてもよい。
【００１６】
車両１２は、車両本体１４および４つの車輪によって構成される。以下、左前輪１６ＦＬ、右前輪１６ＦＲ、左後輪１６ＲＬ、および右後輪１６ＲＲを必要に応じて車輪１６と総称する。
【００１７】
車両１２には、第１加速度センサ１８Ａ〜第７加速度センサ１８Ｇが設けられている。以下、これらを必要に応じて加速度センサ１８と総称する。加速度センサ１８の各々は、互いに直交する３軸の各々の並進加速度を検出するよう設けられている。加速度センサ１８の各々は、車両１２の前後方向、左右方向、および上下方向の３軸の各々の並進加速度を検出することができるよう車両１２に配置される。なお、車両１２に配置される加速度センサ１８の数が７つに限られないことは勿論であり、３以上のいずれかの数であってもよい。
【００１８】
第１加速度センサ１８Ａは、車両１２の先端部における左右方向中央に配置される。第２加速度センサ１８Ｂは左前輪１６ＦＬの後方近傍に配置され、第３加速度センサ１８Ｃは右前輪１６ＦＲの後方近傍に配置される。このように、第１加速度センサ１８Ａ〜第３加速度センサ１８Ｃは、車両１２の前方側に分散して配置される。
【００１９】
第４加速度センサ１８Ｄは左後輪１６ＲＬの前方近傍に配置され、第５加速度センサ１８Ｅは右後輪１６ＲＲの前方近傍に配置される。第６加速度センサ１８Ｆは左後輪１６ＲＬの後方近傍に配置され、第７加速度センサ１８Ｇは右後輪１６ＲＲの後方近傍に配置される。このように、第４加速度センサ１８Ｄ〜第７加速度センサ１８Ｇは、車両１２の後方側に分散して配置される。なお、加速度センサ１８の各々は、３つ以上が一直線上に位置しないよう配置される。
【００２０】
図２は、本実施形態に係る物体挙動推定装置１０の構成を示す図である。なお、図２において物体挙動推定装置１０は、各種演算処理を実行するＣＰＵ、各種制御プログラムを格納するＲＯＭ、データ格納やプログラム実行のためのワークエリアとして利用されるＲＡＭなどのハードウェア、およびソフトウェアの連携によって実現される機能ブロックが描かれている。したがって、これらの機能ブロックはハードウェアおよびソフトウェアの組合せによって様々な形で実現することができる。
【００２１】
物体挙動推定装置１０は、並進加速度取得部３０、挙動推定部３２、および表示制御部３４を有する。物体挙動推定装置１０は加速度センサ１８の各々に接続されており、並進加速度取得部３０は、加速度センサ１８の各々の検出値を取得する。挙動推定部３２は、取得された加速度センサ１８の各々の検出値を利用して、車両１２の全体または一部の領域の角速度ベクトル、角加速度ベクトルなどの挙動を推定する。物体挙動推定装置１０はディスプレイ４０に接続されており、表示制御部３４は、挙動推定部３２による挙動推定結果をディスプレイ４０に表示させるよう表示データを生成する。
【００２２】
以下、車両１２の全体または一部の領域の角速度ベクトル、角加速度ベクトルなどの挙動を推定するときの方法について詳細に説明する。
【００２３】
【数９】
としたとき、これらの関係は、
【数１０】
によって表される。これを数式１とする。
【００２４】
この数式１において、角速度ベクトル、角加速度ベクトル、および基準位置の加速度が未知数となる。求めたいのは角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルであることから、この数式１からまず基準位置の加速度を消去する。この式を加速度センサの設置位置（以下、「計測点」という）全点で総和を取ると、
【数１１】
となる。これを数式２とする。したがって、
【数１２】
となる。これを数式３とする。
【００２５】
ここで、全計測点の平均加速度ａｍは、
【数１３】
となる。これを数式４とする。また、全計測点の平均位置ｐｍは、
【数１４】
となる。これを数式５とする。基準位置の加速度は、これらを利用して、
【数１５】
と表すことができる。これを数式６とする。この数式６を上述の数式１に代入すると、
【数１６】
となる。これを数式７とする。
【００２６】
ここで、基準位置の加速度に対するｉ番目の加速度センサ設置個所の相対加速度αｉは、
【数１７】
で表すことができる。これを数式８とする。また、基準位置に対するｉ番目の加速度センサ設置個所の相対位置ｑｉは、
【数１８】
で表すことができる。これを数式９とする。これら数式８および数式９を上記の数式７に代入すると、
【数１９】
となる。これを数式１０とする。こうして、数式１から基準位置の加速度を削除することができる。
【００２７】
この数式１０に対して、最小二乗法を用いて、
【数２０】
を演算する。これを数式１１とする。これにより、誤差εｉの二乗和
【数２１】
を最少にする車両１２の角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを推定する。これを数式１２とする。このための同定モデルは、
【数２２】
となる。これを数式１３とする。
【００２８】
しかし、数式１３は非線形微分方程式となっており、そのまま最小二乗法を用いるのは困難である。このため、数式１１をまず線形方程式に近似する。数式１３をテイラー展開すると、
【数２３】
となる。これを数式１４とする。このため、線形モデルは、
【数２４】
となる。これを数式１５とする。
【００２９】
上述の数式１２は、
【数２５】
と表すことができる。これを数式１６とする。一方、数式１５を行列で表すと、
【数２６】
となる。これを数式１７とする。数式１７において、
【数２７】
である。これを数式１８とする。また、数式１７において、
【数２８】
である。これを数式１９とする。したがって、これを数式１６は、
【数２９】
となる。これを数式２０とする。
【００３０】
ここで、逐次線形近似最小二乗式は、
【数３０】
で表される。これを数式２１とする。数式２１を変形することにより、
【数３１】
となる。これを数式２２とする。この数式２２において、γ１およびγ２は、それぞれ、
【数３２】
となる。これを数式２３とする。また、数式２２において、Ａ１１、Ａ１２、Ａ２１、およびＡ２２は、それぞれ、
【数３３】
となる。これを数式２４とする。
【００３１】
一方、時間積分法より、
【数３４】
によって角速度の近似解を求める。これを数式２５とする。陽解法では、
【数３５】
となる。これを数式２６とする。また、台形則では、
【数３６】
となる。これを数式２７とする。また、陰解法では、
【数３７】
となる。これを数式２８とする。また、
【数３８】
の関係がある。これを数式２９とする。
【００３２】
数式２１および数式２９により、
【数３９】
となる。これを数式３０とする。数式３０において、
【数４０】
である。これを数式３１とする。また、数式３０において、
【数４１】
である。これを数式３２とする。
【００３３】
ここで、
【数４２】
である。これを数式３３とする。したがって、
【数４３】
として角加速度修正量を算出することができる。これを数式３４とする。数式２５の近似解を更新する場合は、
【数４４】
を用いて更新する。これを数式３５とする。
【００３４】
なお、数式３４において、反復行列Ａおよび残差ベクトルγ、定数行列Ｊは、それぞれ、
【数４５】
となる。これを数式３６とする。こうして、取得した加速度センサ１８の検出値を利用して反復行列Ａおよび残差ベクトルγを求めることができる。このため、数式３４を利用して、
【数４６】
を満たすか否かを判定することが可能となる。これを数式３７とする。
【００３５】
図３は、本実施形態に係る物体挙動推定装置１０による挙動推定手順を示すフローチャートである。本フローチャートにおける処理は、ユーザにより挙動推定を開始させるためのスタートボタンがディスプレイ４０の画面上で計測作業者にクリックされるなどによって開始する。
【００３６】
なお、計測作業者は、挙動推定開始のためのスタートボタンを押す前に、加速度センサ１８の各々の設置位置ｐｉを物体挙動推定装置１０に入力する。また、計測作業者は、時間積分パラメータであるβも物体挙動推定装置１０に入力する。なお、角速度の初期値はω０に設定されており、角加速度の初期値はゼロに設定されている。
【００３７】
挙動推定部３２は、時間ｔにおいて加速度センサ１８から取得した検出値ａｉを利用して、数式４に示す平均加速度ａｍ、および数式８に示す相対加速度αｉを算出する。挙動推定部３２は、こうして算出した値を用い、時間積分法により数式２５を利用して角速度近似を行う。挙動推定部３２は、こうして求めた角速度を利用して反復行列Ａを算出し（Ｓ１０）、また、残差ベクトルγを算出する（Ｓ１２）。
【００３８】
残差ベクトルγが算出されると、挙動推定部３２は、数式３７に示すように、角加速度修正量が誤差より以下か否かを判定する（Ｓ１４）。角加速度修正量が誤差より大きい場合（Ｓ１４のＮ）、挙動推定部３２は、数式３５を用いて近似解を更新し（Ｓ１６）、Ｓ１０に戻って再び反復行列Ａおよび残差ベクトルγを算出する。
【００３９】
角加速度修正量が誤差より以下と判定された場合（Ｓ１４のＹ）、挙動推定部３２は、その時間における角速度および角加速度を決定する（Ｓ１８）。このとき、表示制御部３４は、決定した角速度および角加速度を示す図や数値をディスプレイ４０に表示してもよい。その時間における角速度および角加速度が決定されると、挙動推定部３２は、時間ｔが計測完了時間Ｔに達したか否かを判定する（Ｓ２０）。時間ｔが計測完了時間Ｔに達していない場合（Ｓ２０のＮ）、挙動推定部３２は、時間ｔをｔ＋Δｔに更新して（Ｓ２２）、Ｓ１０に再び移行する。時間ｔが計測完了時間Ｔに達した場合（Ｓ２０のＹ）、本フローチャートにおける挙動推定処理を終了する。
【００４０】
図４は、挙動推定に用いる加速度センサ１８の取付位置とその平均位置ｐｍの一例を示す図である。図４に示す例では、第２加速度センサ１８Ｂ〜第５加速度センサ１８Ｅの４つによる計測値を用いて、車両１２の略中央のｐｍにおける角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを推定する。
【００４１】
図５（ａ）は、第２加速度センサ１８Ｂの検出値を示す図であり、図５（ｂ）は、第３加速度センサ１８Ｃの検出値を示す図である。また、図５（ｃ）は、第４加速度センサ１８Ｄの検出値を示す図であり、図５（ｄ）は、第５加速度センサ１８Ｅの検出値を示す図である。以下、車両前後方向に伸びる軸をｘ軸、車両左右方向に伸びる軸をｙ軸、車両上下方向に伸びる軸をｚ軸として説明する。図５（ａ）〜図５（ｄ）において、Ａｘはｘ軸方向の並進加速度を示し、Ａｙはｙ軸方向の並進加速度示し、Ａｚはｚ軸方向の並進加速度を示す。
【００４２】
図６は、図５（ａ）〜図５（ｄ）に示す検出を利用して推定した平均位置ｐｍにおける角加速度を示す図である。図６において、ｄωｘはｘ軸回りの角加速度を示し、ｄωｙはｙ軸回りの角加速度を示し、ｄωｚはｚ軸回りの角加速度を示す。このように、本実施形態に係る挙動推定方法によれば、並進加速度の検出値を利用して、車両１２における角加速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを精度良く算出することができる。
【００４３】
なお、本実施形態に係る挙動推定方法では、例えば第１加速度センサ１８Ａ〜第３加速度センサ１８Ｃの検出値を利用することにより、車両１２の前方側を中心とした角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを算出することができる。また、第４加速度センサ１８Ｄ〜第７加速度センサ１８Ｇの検出値を利用することにより、車両１２の後方側を中心とした角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを算出することができる。このため、例えば車両前方と後方との間で車両１２の筐体に変形が生じた場合においても、その影響を含む車両１２の挙動を精度良く推定することが可能となる。
【００４４】
本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本実施形態の各要素を適宜組み合わせたものも、本発明の実施形態として有効である。また、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を本実施形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本発明の範囲に含まれうる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本実施形態に係る物体挙動推定装置と、物体挙動推定装置による挙動推定の対象となる車両とを模式的に示す図である。
【図２】本実施形態に係る物体挙動推定装置の構成を示す図である。
【図３】本実施形態に係る物体挙動推定装置による挙動推定手順を示すフローチャートである。
【図４】挙動推定に用いる加速度センサの取付位置とその平均位置ｐｍの一例を示す図である。
【図５】（ａ）は、第２加速度センサの検出値を示す図であり、（ｂ）は、第３加速度センサの検出値を示す図であり、（ｃ）は、第４加速度センサの検出値を示す図であり、（ｄ）は、第５加速度センサの検出値を示す図である。
【図６】図５（ａ）〜図５（ｄ）に示す検出を利用して推定した平均位置ｐｍにおける角速度を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０ 物体挙動推定装置、 １２ 車両、 １４ 車両本体、 １６ 車輪、 １６ＦＬ 左前輪、 １６ＦＲ 右前輪、 １６ＲＬ 左後輪、 １６ＲＲ 右後輪、 １８ 加速度センサ、 １８Ａ 第１加速度センサ、 １８Ｂ 第２加速度センサ、 １８Ｃ 第３加速度センサ、 １８Ｄ 第４加速度センサ、 １８Ｅ 第５加速度センサ、 １８Ｆ 第６加速度センサ、 １８Ｇ 第７加速度センサ、 ３０ 並進加速度取得部、 ３２ 挙動推定部、 ３４ 表示制御部、 ４０ ディスプレイ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
挙動を推定すべき物体において直線上にない３以上の個所に配置された並進３軸の加速度センサの各々の検出値を取得するステップと、
取得した検出値に最小二乗法を用いた演算を施して前記物体の角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを推定するステップと、
を備えることを特徴とする物体挙動推定方法。
【請求項２】
前記角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを推定するステップは、
【数１】
としたときに、
【数２】
から、すべての加速度センサの平均位置ｐｍから位置ｐｉにある加速度センサのまでの相対位置ｑｉを用いて
【数３】
として、最小二乗法を用いて誤差εｉの二乗和
【数４】
を最少にする前記物体の角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを推定することを特徴とする請求項１に記載の物体挙動推定方法。
【請求項３】
挙動を推定すべき物体において直線上にない３以上の個所に配置された並進３軸の加速度センサの各々の検出値を取得する並進加速度取得部と、
前記物体の角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを推定する挙動推定部と、
を備え、
前記挙動推定部は、取得した検出値に最小二乗法を用いた演算を施して前記物体の角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを推定することを特徴とする物体挙動推定装置。
【請求項４】
前記挙動推定部は、
【数５】
としたときに、
【数６】
から、すべての加速度センサの平均位置ｐｍから位置ｐｉにある加速度センサのまでの相対位置ｑｉを用いて
【数７】
として、最小二乗法を用いて誤差εｉの二乗和
【数８】
を最少にする前記物体の角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを推定することを特徴とする請求項３に記載の物体挙動推定装置。
【請求項１】
挙動を推定すべき物体において直線上にない３以上の個所に配置された並進３軸の加速度センサの各々の検出値を取得するステップと、
取得した検出値に最小二乗法を用いた演算を施して前記物体の角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを推定するステップと、
を備えることを特徴とする物体挙動推定方法。
【請求項２】
前記角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを推定するステップは、
【数１】
としたときに、
【数２】
から、すべての加速度センサの平均位置ｐｍから位置ｐｉにある加速度センサのまでの相対位置ｑｉを用いて
【数３】
として、最小二乗法を用いて誤差εｉの二乗和
【数４】
を最少にする前記物体の角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを推定することを特徴とする請求項１に記載の物体挙動推定方法。
【請求項３】
挙動を推定すべき物体において直線上にない３以上の個所に配置された並進３軸の加速度センサの各々の検出値を取得する並進加速度取得部と、
前記物体の角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを推定する挙動推定部と、
を備え、
前記挙動推定部は、取得した検出値に最小二乗法を用いた演算を施して前記物体の角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを推定することを特徴とする物体挙動推定装置。
【請求項４】
前記挙動推定部は、
【数５】
としたときに、
【数６】
から、すべての加速度センサの平均位置ｐｍから位置ｐｉにある加速度センサのまでの相対位置ｑｉを用いて
【数７】
として、最小二乗法を用いて誤差εｉの二乗和
【数８】
を最少にする前記物体の角速度ベクトルおよび角加速度ベクトルを推定することを特徴とする請求項３に記載の物体挙動推定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−８５１９６（Ｐ２０１０−８５１９６Ａ）
【公開日】平成２２年４月１５日（２０１０．４．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２５３５１３（Ｐ２００８−２５３５１３）
【出願日】平成２０年９月３０日（２００８．９．３０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月１５日（２０１０．４．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月３０日（２００８．９．３０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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