説明

移動体位置検出装置

【課題】走行経路の地図データが十分に高分解能であることを利用して、移動体)の走行経路)に対する位置関係を高分解能で検出できる移動体位置検出装置の実現。
【解決手段】移動体1に設けられ、移動経路10の端11,12を検出する移動端検出部2と、移動体の移動速度を検出する速度検出部3と、移動体の移動方向を検出する方位検出部4と、地図データを記憶した地図データ記憶部7と、検出した移動経路の端、移動速度及び移動方向、及び地図データから、移動体1の移動経路に対する位置関係を算出する処理部5と、を備える。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、移動経路に対する移動体の位置及び姿勢などの位置関係を検出する移動体位置検出装置に関し、特にGPS装置による位置検出分解能より高い分解能で移動体の移動経路に対する位置関係を検出する移動体位置検出装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、GPS受信機を搭載したナビゲーションシステムが普及して多くの車両で利用されている。ナビゲーションシステムでは、GPS受信機、ジャイロ、速度(加速度)センサなどにより走行中の位置を検出し、地図に走行位置を表示している。ナビゲーションシステムは、あらかじめ作成された地図データを有しており、検出した走行位置と地図データの道路上の位置を比較し、検出した走行位置が道路から外れた時には道路上の位置に補正することが行われる。
【0003】
上記のような地図データは、航空測量、航空写真、地上での測量などに基づいて作成されるが、簡易な方法として、高精度のGPS受信機を搭載した車両で、実際に道路を走行して、その移動軌跡を検出して地図データを作成することが、特許文献1に記載されている。特許文献1は、GPS受信機を搭載した車両で、実際に道路を走行して地図データを作成する際に合わせて道路のビジュアルデータも収集する構成を記載している。特許文献1に記載された構成では、車両に、3台のラインカメラ、3台のレーザスキャナ、GPS受信機及び慣性航法装置を設ける構成を記載している。このようにして、高分解能の地図データが作成されている。
【0004】
【特許文献1】特開2002−34055
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
通常のナビゲーションシステムでは、位置検出精度は10m程度であるが、MAPマッチングによる補正が行われるので、目的地までの移動を行うには十分である。
【0006】
しかし、車両(移動体)が道路(移動経路)に対してどのような位置関係にあるかを精密に検出することが望まれる場合が存在する。
【0007】
例えば、自動車教習所では、教習コースを走行している途中で、教習者が教習コースに対する教習車の位置を正確に知る必要が生じる場合がある。このような場合、教習者は一旦教習車から降りて、教習コースに対する教習車の位置を確認していたが、煩雑であり、余分な時間を要するために教習の効率が悪くなるという問題があった。しかし、現状のナビゲーションシステムでは、教習コースに対する教習車の位置関係まで検出することができない。
【0008】
他にも、道路を走行中の車両が、道路に対して危険な状態になったことを検出できれば、各種の対策が可能であるが、車両の道路に対する位置関係を高精度で検出できないため、何ら対策が行えないのが現状である。
【0009】
本発明は、道路などの走行経路の地図データが十分に高分解能であることを利用して、車両(移動体)の道路(走行経路)に対する位置関係を簡単な構成で高分解能で検出できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上記目的を実現するため、本発明の移動体位置検出装置は、移動経路の端を検出する移動端検出部を移動体に設け、検出した移動経路の端を高分解能の地図データの移動経路の端と対応させて、移動体の移動経路に対する位置関係を検出する。ここで、移動経路の端とは、例えば道路の場合には、道路の側部の溝や法面、アスファルトの部分から土又は草に変化する部分、走行レーンを区切る白線(境界線)などである。
【0011】
すなわち、本発明の移動体位置検出装置は、移動体に設けられ、移動経路の端を検出する移動端検出部と、移動体に設けられ、該移動体の移動速度を検出する速度検出部と、移動体に設けられ、該移動体の移動方向を検出する方位検出部と、移動経路の形状データを含む地図データを記憶した地図データ記憶部と、検出した移動経路の端、移動速度及び移動方向、及び前記地図データから、当該移動体の移動経路に対する位置関係を算出する処理部と、を備えることを特徴とする。
【0012】
本発明の移動体位置検出装置によれば、移動端検出部により移動経路の端が検出されるので、高分解能の地図データの移動経路の端と対応させれば、移動体の移動経路に対する位置関係を検出できる。ただし、検出した移動経路の端と地図データの移動経路の端を対応させるだけでは正確な位置関係を検出することができない場合があるので、速度検出部と方位検出部を設けて、検出した移動速度及び移動方向を加味して位置関係を検出する。
【0013】
移動端検出部が、コーナーの角などの移動経路の特徴点である端を検出した時には、その検出結果に基づいて、処理部は、速度検出部及び方位検出部を随時補正することが望ましい。
【0014】
移動体の移動経路に対する位置関係や、移動体の移動に伴う移動経路に対する位置関係の変化を、表示部でグラフィック表示することが望ましい。特に、教習車では、教習者又は教官の指示に応じて、即座にこのような表示が行えるようにする。
【0015】
移動端検出部は、例えば、移動体の前方部分に設けられ、前方下方に向けてレーザビームを照射してその反射光を検出するレーザ装置と、レーザ装置の出力を処理して移動経路の端を算出する信号処理部と、を有するレーザ距離計や、移動体の前方部分に設けられ、前方下方の画像を捕らえる撮像手段と、撮像手段の出力する画像データを処理して移動経路の端を算出する画像処理部と、を有する画像処理システムなどで実現できる。縁石、法面、分離線、ガードレールなどの道路の端を検出するだけであれば、レーザ距離計や画像処理システムは、比較的簡単な構成で実現できる。なお、移動端検出部は、これらに限定されるものではない。
【0016】
本発明の移動体位置検出装置は、前述の自動車教習所の教習車に用いると特に効果的である。また、走行経路に対する移動体の位置関係が高分解能で検出できるので、ロボットや自走式車椅子などに適用すると、それらを所定の位置に所定の姿勢で位置決めすることができ、新しい機能を行わせることが可能になる。
【0017】
更に、通常の道路を走行する車両に本発明の移動体位置検出装置を用いると、道路に対する車両の位置関係が検出できるので、道路幅に対してどのように走行したかを記憶することが可能であり、走行中に道路をはみ出すなどの事故原因が容易に判定できるようになる。従来このような機能を行うものとして、例えば、エンドレステープを使用したビデオ装置により車両前方の映像を繰り返し記録するものがあるが、テープが劣化するためテープを頻繁に交換する必要があるという問題があった。また、映像をデジタル化してメモリに繰り返し記憶するものもあるが、メモリ容量の関係でデータ量の多い映像を記憶すると記録時間が短いという問題があった。本発明の移動体位置検出装置を使用すれば、車両と道路との位置関係が検出できるため、記憶するデータ量が少なく、長時間の記録が可能である。
【0018】
また、GPS装置を有するナビゲーションシステムに本発明を適用すれば、地図データにより規定される走行経路(道路)に対する移動体(車両)の位置関係を高分解能で検出できるので、逆にGPS装置を随時補正することも可能である。
【発明の効果】
【0019】
本発明によれば、移動体の移動経路に対する位置関係を高分解能で検出できるようになり、それにより新しい機能を付加することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0020】
図1は、本発明の実施例の自動車教習所の教習車に搭載される移動体位置検出装置の概略構成を示す図である。図1の(A)に示す車両1は、教習車であり、移動体位置検出装置を搭載している。移動体位置検出装置は、図1の(A)及び(B)に示すように、教習車1の上部の前方部分に設けられ、前方の教習コースの端を検出する道端検出部2と、教習車1の移動速度を検出する速度検出部3と、教習車1の移動方向を検出する方位検出部4と、処理部5と、ディスプレイ6と、教習コースの地図データを記憶した地図データ記憶部7と、操作部8と、を有する。
【0021】
道端検出部2は、教習車1の前方下方に向けてレーザビームを照射してその反射光を検出するレーザ装置と、レーザ装置の出力を処理して移動経路の端を算出する信号処理部と、を有するレーザ距離計である。
【0022】
図2は、レーザ距離計2による教習コースの端の位置検出の原理を説明する図である。レーザ距離計2は、教習車1の上部前方に設けられ、その位置から前方斜め下に向けてレーザビームを出射する。レーザビームは、レーザ光線面内を走査するように偏向され、レーザビームが前方の物体に照射されて反射した光を捕らえ、照射点までの距離及び走査角度との関係から照射点の角度を検出する。従って、レーザ光線面20と教習コース及びその周辺部分の表面との交点の位置、すなわち教習コース及びその周辺部分の表面形状が検出されることになる。また、反射した光の強度も検出するので、コースを分離する白線(分離線)も検出可能である。レーザ距離計2の教習コース面からの高さとレーザ距離計2から出射されるビームが教習コース面と成す角度θsは、レーザ距離計2の取り付けで決定されるので、レーザ光線面20におけるレーザ距離計2から教習コース面までの長さも決定され、教習コースの端を検出した時のレーザビームの偏向角度が判明すれば、教習コースの端の位置T(xt,yt)が求まる。
【0023】
一般に、教習コース部分は平面に近い表面形状であり、その表面とレーザ光線面の交点はほぼ直線21になる。教習コースの端には、溝、歩道11などの段差があり、図2に示すように、レーザ距離計2からの距離が急激に変化し、レーザビームに対する面の角度も変化するために光強度も変化するので、これらの変化を検出して、教習コースの端T(xt,yt)を検出する。また、白線である分離線も光強度の変化から検出可能である。
【0024】
また、道端検出部2は、教習車1の前方下方の画像を捕らえるビデオカメラなどの撮像装置と、撮像装置の出力する画像データを処理して移動経路の端を算出する画像処理部と、を有する画像処理システムでも実現できる。一般に、教習コースの端には段差が存在すると共に、路面材質の変化、例えばアスファルトから草や土に変わるなどの変化があり、画像の輝度が面状に変化する。また、白線の分離線も、周囲のアスファルトと色及び表面状態が異なるので、反射した光の強度が異なるので検出可能である。画像処理装置は、画像データを処理して、面状又は線状に異なる部分を探して、教習コースの端を検出する。
【0025】
以上、道端検出部2の構成例を説明したが、教習コース(道路)の端を検出可能であればどのようなものを使用することも可能である。
【0026】
速度検出部3は、教習車1の車輪の回転速度を検出して車輪(タイヤ)の外周に回転速度を乗じて走行速度を検出する車速センサで実現できる。なお、速度検出部3は、教習車1の移動速度を検出可能であればどのようなものでも使用可能である。
【0027】
方位検出部4は、角速度を検出する振動子ジャイロで実現されるが、例えば左右両輪の車速パルス数の差から求めるなど移動方向を検出可能であればどのようなものでも使用可能である。
【0028】
処理部5はコンピュータで実現され。処理部5における処理については後述する。
【0029】
ディスプレイ6は、運転席から見える位置に配置され、例えば液晶ディスプレイで実現される。ただし、教習者が運転中にディスプレイ6に見るのは危険なので、同乗の教官が操作部8を操作することにより随時表示を行うようにする。
【0030】
地図データ記憶部7は、磁気ディスクなどの記憶装置で実現され、教習コースの形状データを記憶する。教習コースは一般のナビゲーションシステムの対象範囲に比べてはるかに狭い範囲であり、高分解能で教習コースのデータを記憶することが可能である。
【0031】
次に、処理部5における、教習コースに対する教習車の位置関係を算出する処理について説明する。なお、以下の説明では、レーザ距離計で道端検出部2を実現した場合の例を説明するが、他の装置で実現した場合も基本的には同じである。
【0032】
図3の(A)は、教習車1が、直線の教習コース10を、教習コース10の端に平行に走行する場合を示す。レーザ距離計により、進行方向と垂直な方向の位置、すなわちコースの端の検出精度は良好である。進行方向の位置は、車速センサの検出値に基づいて算出するが、誤差が累積するので同じ方向の走行距離が長くなると精度が低下する。教習コースには、図3の(A)に示すように、T字路になっている部分などが存在し、T字路の部分ではコースの一方の端が遠くなるので、これを検出してT字路と判定できる。走行位置を、地図データのT字路の位置に合わせるようにリセットし、その位置を新たな基準点とすれば誤差の累積の影響を除去して、検出精度の向上が図れる。
【0033】
レーザ距離計は、例えば距離が8mを超えると距離計測不能になる。そのため、図3の(A)のようなT字路を通過する場合、コースの右側の端がなくなるので、右側端までの距離L2が無限大になり、その後再びL2が計測される。この再計測可能になった瞬間の教習車1の位置を進行方向の新たな基準位置とする。例えば、レーザ距離計のビーム走査周波数が10Hzであれば、位置検出の分解能は、教習車1の走行速度が10km/hで0.278m、20km/hで0.556m、30km/hで0.833m、であり、教習所では30km/h以下と考えられるので、1m以下の分解能を有することになる。
【0034】
図3の(A)は、教習車1が、直線の教習コース10を、教習コース10の端に平行に走行する場合を示すが、実際には、教習コース10の端に平行に走行しない場合が生じる。図3の(B)は、教習車1が、直線の教習コース10を、端に対してある角度で走行する場合に一般化した例を示す。この処理では、走行位置の算出に広く使用されるカルマンフィルタを使用する。
【0035】
図3の(B)に示すように、教習車1が直線の教習コース10に対して角度θで走行するとする。ここで、教習コースの延びる方向をx軸、それに垂直な方向をy軸とする。図2を参照して説明したように、レーザ距離計2から検出面20がコース10となす直線21までのxy平面上の距離L4は、レーザ距離計2の高さと取り付け角度から決定される。また、コースの幅Wは、地図データから求まる。
【0036】
レーザ距離計2から第1のコース端12までの距離をL、レーザ距離計2からθ方向にL4離れた位置から第1のコース端12までの距離をL1、第2のコース端13までの距離をL2とすると、幾何的な関係から式(1)及び(2)が成り立つ。
【0037】
【数1】

【0038】
L1、L2を観測値とするカルマンフィルタの適用を考え、L1、L2を式(3)及び(4)で表す。
【0039】
【数2】

【0040】
教習車1の左右両輪の車速センサの出力を平均して走行速度Vnが算出され、方位センサが角速度ωnを出力する。これから、(xn,yn)にあり、方位角θnで進む教習車1の所定時間Δt後の位置(xn+1,yn+1)、及び方位角θn+1は次の式(5)〜(7)で表される。
【0041】
【数3】

【0042】
xy座標の原点が第1のコース端12の左端にあり、システム雑音(wn,w2n,w3n)を考慮すると、次の式(8)〜(10)が得られる。
【0043】
【数4】

【0044】
Δtは、レーザ距離計による測定が行われるサンプルタイムである。
【0045】
システム雑音は平均値ゼロの共分散行列Qであるとする。
【0046】
また、式(3)及び(4)をh(θ,L)と書き、ノミナル値(θ0,L0)の回りに線形化すると、次の式(11)が得られる。
【0047】
【数5】

【0048】
ここで、カルマンフィルタの適応を考える。1段の予測式は式(12)〜(14)で与えられる。
【0049】
【数6】

【0050】
フィルタ式は、式(15)で与えられる。
【0051】
【数7】

【0052】
Knはカルマンゲインで、次の式(16)及び(17)で与えられる。
【0053】
【数8】

【0054】
推定誤差の共分散式Pは、次の式(18)で与えられる。
【0055】
【数9】

【0056】
次に、システム方程式(12)を線形化することを考え、式(12)を次の式(19)で表す。
【0057】
【数10】

【0058】
ここで、1段予測誤差の共分散行列をMn+1、システム雑音wnの共分散をQ1、式(20)のオドメトリ入力の共分散をQ0とすると、式(21)が成立する。
【0059】
【数11】

【0060】
【数12】

【0061】
以上でカルマンフィルタの式が求まる。これを整理すると、1段予測式は(22)から(25)となる。
【0062】
【数13】

【0063】
また、フィルタ式は式(26)から(29)になる。
【0064】
【数14】

【0065】
以上のようにして、教習車の位置、方向(姿勢)及び走行経路が求まる。
【0066】
ここで、図3の(B)の条件で、図3の(A)で説明したようなT字路であることを検出して新たに基準位置を設定する場合を考える。ここでは、T字路の角16及び17などのような、コースの位置を特定するのに適した点を特徴点と称する。レーザ距離計のビームの走査線が角16を過ぎると、L2が急激に大きくなるので、角16の位置を認識することが可能である。一方、角17については、L2はW1だけ伸びるが、W1は徐々に短くなる。このように、角16と17の間を走査する時には、距離は連続しているが、距離変化率は大きく、角17を過ぎると距離変化が小さく(変化しなく)なる。これを利用すれば角17の位置も検出できる。
【0067】
上記のように、コースの角やT字路では、コースの端までの距離が大きくなり、レーザ距離計では測定できない場合が生じる。この場合には、観測値がないとしてデッドレコグニッション(1段予測)を行い、観測値のない方の観測雑音の分散を無限大にすればよい。また、コース幅より大きい値が得られた場合は、前述の1段予測値とコースの地図データから、図3の(B)のW1を計算で算出し、急に観測値が変化した方の値からW1を減じたものを観測値として用いる。このような処理が可能であるかは、コースでの距離計測値の変化の滑らかさで決定され、観測雑音が大きく、距離計測値が乱れる場合には適用できない。
【0068】
図4は、直線コースが直角でない角度で曲がり、コース幅がW1からW2に変化する場合の例を示している。コースの角度が変化する場合には、コースの外側を基準として、図4に示すように、レーザビームのコース面上の軌跡が、参照番号18で表す基準点Cからコース端13Aの延長線への垂線CAを超えなければ、それまで使用していたW1を使用し、超えれば新しい直線コースの幅W2を使用する。
【0069】
以上、処理部5における処理の一例を説明したが、地図データから幅を含むコースの形状は既知であり、L4も既知であるので、教習車の方位、コースの端のまでの距離L1及びL2は検出できれば、教習車のコースに対する位置関係(位置及び方位(姿勢))を算出することができる。
【0070】
レーザ距離計の測定は、前述のように、例えば10Hzで行われるので、処理部5は10Hzでリアルタイムで教習車1のコースに対する位置及びその変化を順次記憶する。そして、操作部8から表示を要求された時には、ディスプレイ6に、要求内容に応じた表示を行う。表示内容は、例えば、図5の(A)のような、その時点の教習車1のコース10(コースの端12、13、13A、13B、14、15を含む)に対する位置や、図5の(B)のような、所定時間前から操作時点までの教習車1のコースに対する位置変化の軌跡31、32である。
【0071】
以上、本発明を自動車教習所の教習車に適用した実施例を説明したが、本発明はこれに限られず、各種の応用が可能である。
【0072】
本発明では、高速に走行する場合は難しいが、低速であれば、地図データで規定される走行経路に対する移動体(車両)の位置関係が精密に高分解能で検出できる。そこで、搬送用やレスキュー用などのロボットや自走式車椅子など、比較的低速で移動する移動体に適用すれば、移動経路に対して移動体を所定の位置に所定の姿勢で位置決めすることが可能であり、自動で荷物の受け渡しを行うといった新しい機能を行わせることが可能になる。この場合のロボット及び自走式車椅子に搭載される位置検出装置は、実施例と同じ構成で実現できる。
【0073】
更に、通常の道路を走行するナビゲーションシステムを搭載した車両に本発明を適用すると、道路に対する車両の位置関係が精密に検出できるので、道路幅に対してどのように走行したか検出して記憶することが可能である。本発明によれば、車両と道路との位置関係が検出できるため、記憶するデータ量が少なく、少ない記憶容量で長時間の走行情報を記録可能である。
【0074】
また、GPS装置を有するナビゲーションシステムに本発明を適用した場合、図1の構成に、GPS装置が加えられ、処理部5は、GPS装置の検出した位置情報を合わせて走行位置を検出することになる。この場合、ナビゲーションシステムの地図データも高分解能であり、本発明により車両の位置が精密に高分解能で検出できる。そして、検出した精密な位置に基づいて、GPS装置を較正することができる。
【産業上の利用可能性】
【0075】
本発明は、自動車教習所やロボットなど、限られた範囲を比較的低速で走行する移動体(車両)に適用するのが望ましいが、精密な移動経路に関する情報を有する地図データが利用可能であれば、基本的にはどのような移動体にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【0076】
【図1】本発明の実施例の自動車教習所の教習車と、それに搭載される位置検出装置の構成を示す図である。
【図2】実施例で使用するレーザ距離計による道路端点の検出原理を説明する図である。
【図3】実施例における教習コースの例における教習車の位置関係を検出する方法を説明する図である。
【図4】実施例における別の教習コースの別の例における教習車の位置関係を検出する方法を説明する図である。
【図5】実施例でディスプレイに表示する表示例を示す図である。
【符号の説明】
【0077】
1 教習車(車両)
2 レーザ距離計
3 速度検出部(車速センサ)
4 方位検出部(ジャイロ)
5 処理部(コンピュータ)
6 ディスプレイ
7 地図データ記憶部
8 操作部

【特許請求の範囲】
【請求項1】
移動体に設けられ、移動経路の端を検出する移動端検出部と、
移動体に設けられ、該移動体の移動速度を検出する速度検出部と、
移動体に設けられ、該移動体の移動方向を検出する方位検出部と、
移動経路の形状データを含む地図データを記憶した地図データ記憶部と、
検出した移動経路の端、移動速度及び移動方向、及び前記地図データから、当該移動体の移動経路に対する位置関係を算出する処理部と、を備えることを特徴とする移動体位置検出装置。
【請求項2】
前記処理部は、前記移動端検出部の検出した移動経路の端の位置と前記地図データから、前記速度検出部及び前記方位検出部を随時補正する請求項1に記載の移動体位置検出装置。
【請求項3】
当該移動体の移動経路に対する位置関係をグラフィック表示する表示部を更に備える請求項1又は2に記載の移動体位置検出装置。
【請求項4】
当該移動体の移動に伴う移動経路に対する位置関係の変化を記憶するトレース記憶手段を更に備え、
前記表示部は、前記位置関係の変化をグラフィック表示する請求項3に記載の移動体位置検出装置。
【請求項5】
前記移動端検出部は、当該移動体の前方部分に設けられ、前方下方に向けてレーザビームを照射してその反射光を検出するレーザ装置と、該レーザ装置の出力を処理して移動経路の端を算出する信号処理部と、を有するレーザ距離計である請求項1から4のいずれか1項に記載の移動体位置検出装置。
【請求項6】
前記移動端検出部は、当該移動体の前方部分に設けられ、前方下方の画像を捕らえる撮像手段と、該撮像手段の出力する画像データを処理して移動経路の端を算出する画像処理部と、を有する画像処理システムである請求項1から4のいずれか1項に記載の移動体位置検出装置。
【請求項7】
当該移動体は、自動車教習所の教習車である請求項1から6のいずれか1項に記載の移動体位置検出装置。
【請求項8】
GPS装置を更に備え、
前記処理部は、前記移動端検出部の検出した移動経路の端の位置と前記地図データから、前記GPS装置を随時補正する請求項1から7のいずれか1項に記載の移動体位置検出装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2008−116390(P2008−116390A)
【公開日】平成20年5月22日(2008.5.22)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−301476(P2006−301476)
【出願日】平成18年11月7日(2006.11.7)
【出願人】(000176730)三菱プレシジョン株式会社 (97)
【Fターム(参考)】