速度計測装置
【課題】ノイズの影響を受けない速度を計測する速度計測装置を提供する。
【解決手段】速度計測装置10は、直交する3軸方向の加速度成分を計測する加速度計11と、入力した加速度成分を合成して得られた加速度から重力加速度を減算した第１加速度を求める加速度算出部12と、第１加速度を補正して第２加速度を求める加速度補正部13と、第２加速度に基づいて第１速度を求める速度算出部14と、第1速度から、ドップラ周波数を用いて速度を計測する電波速度計により計測された第2速度を減算した速度差を求める速度減算部15と、この速度差を入力して加速度補正値及び速度補正値を求めるカルマンフィルタ16とを備え、加速度補正部13は、第１加速度に対して加速度補正値を補正した値を第２加速度として求め、速度算出部14は、第２加速度を時間積分して求めた速度に対して速度補正値を補正した値を第１速度として求める。
【解決手段】速度計測装置10は、直交する3軸方向の加速度成分を計測する加速度計11と、入力した加速度成分を合成して得られた加速度から重力加速度を減算した第１加速度を求める加速度算出部12と、第１加速度を補正して第２加速度を求める加速度補正部13と、第２加速度に基づいて第１速度を求める速度算出部14と、第1速度から、ドップラ周波数を用いて速度を計測する電波速度計により計測された第2速度を減算した速度差を求める速度減算部15と、この速度差を入力して加速度補正値及び速度補正値を求めるカルマンフィルタ16とを備え、加速度補正部13は、第１加速度に対して加速度補正値を補正した値を第２加速度として求め、速度算出部14は、第２加速度を時間積分して求めた速度に対して速度補正値を補正した値を第１速度として求める。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、速度計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両等の速度を計測する速度計測装置が用いられている。
【０００３】
このような速度計測装置としては、例えば、地上に対し電波を送受信することで相対的移動により生じるドップラ効果を利用して、車両の速度を計測する電波速度計がある。
【０００４】
電波速度計は、車両の速度を非接触に計測するので、車輪の空転又は滑り等の影響を受けずに車両の地上に対する速度を計測できる。
【０００５】
しかし、電波速度計では、地上の凸凹等による反射波の変動が大きく、また、電波を送受信するアンテナ又は受信した電波信号を処理する回路が生ずるノイズ等の影響により、得られる速度の値にも大きなノイズが含まれる場合がある。
【０００６】
また、電波速度計では、電波が地上の水たまり又は鉄板等の部分に投射された場合には、地上から反射した電波がアンテナの方向に戻らないことがあるので、速度を計測できない場合もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平６−１３８２１６号公報
【特許文献２】特開平６−２７２３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本明細書では、上述した問題点を解決し得る速度計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本明細書に開示する速度計測装置によれば、直交する３軸方向それぞれの加速度成分を計測する加速度計と、上記加速度計から入力した直交する３軸方向それぞれの上記加速度成分を合成して得られた加速度から、重力加速度を減算した第１加速度を求める加速度算出部と、上記第１加速度を補正して第２加速度を求める加速度補正部と、上記第２加速度に基づいて第１速度を求める速度算出部と、上記第１速度から、ドップラ周波数を用いて速度を計測する電波速度計により計測された第２速度を減算した速度差を求める速度減算部と、上記速度差を入力して、加速度補正値及び速度補正値を求めるカルマンフィルタと、を備え、上記加速度補正部は、上記第１加速度に対して、上記加速度補正値を補正した値を上記第２加速度として求め、上記速度算出部は、上記第２加速度を時間積分して求めた速度に対して、上記速度補正値を補正した値を上記第１速度として求める。
【発明の効果】
【００１０】
上述した本明細書に開示する速度計測装置によれば、ノイズの影響を受けない速度を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本明細書に開示する速度計測装置の一実施形態を示す図である。
【図２】（Ａ）は計測加速度と時間との関係を示しており、（Ｂ）は第１加速度と時間との関係を示しており、（Ｃ）は第１速度と時間との関係を示しており、（Ｄ）は信号強度と周波数との関係を示しており、（Ｅ）は第２速度と時間との関係を示す図である。
【図３】速度計測装置の一部を構成する計算部を示すブロック図である。
【図４】（Ａ）は、第２速度に含まれるノイズ等を説明する図であり、（Ｂ）は、車両加速度に含まれるノイズ等を説明する図である。
【図５】カルマンフィルタを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本明細書で開示する速度計測装置の好ましい一実施形態を、図面を参照して説明する。但し、本発明の技術範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。
【００１３】
図１は、本明細書に開示する速度計測装置の一実施形態を示す図である。
【００１４】
本実施形態の速度計測装置１０（以下、単に装置１０ともいう）は、鉄道又は自動車等の車両に搭載されて、車両の地上に対する速度を計測する。具体的には、装置１０は、加速度計１１が計測した加速度成分ＡＸ，ＡＹ，ＡＺと、同じく車両に搭載された電波速度計２０から出力される第２速度Ｖ２とを用いて、車両の地上に対する速度である第１速度Ｖ１を計測する。
【００１５】
装置１０が搭載された車両は、車両の地上に対する速度を得ると共に、その速度を利用して車両の移動量を計算し、車両の移動距離及び位置を求めることができる。
【００１６】
以下に、装置１０の構成を詳細に説明する。
【００１７】
装置１０は、加速度計１１と、加速度算出部１２と、加速度補正部１３と、速度算出部１４と、速度減算部１５と、速度減算部１５が求めた速度差Ｖ１−Ｖ２を入力して、加速度補正値ΔＡ及び速度補正値ΔＶを求めるカルマンフィルタ１６と、を備える。
【００１８】
加速度計１１は、車両の運動によって生じる直交する３軸方向それぞれの加速度成分ＡＸ，ＡＹ，ＡＺを計測する。加速度計１１は、Ｘ軸加速度計、Ｙ軸加速度計及びＺ軸加速度計を有する。Ｘ軸加速度計は、加速度成分ＡＸを計測する。Ｙ軸加速度計は、加速度成分ＡＹを計測する。Ｚ軸加速度計は、加速度成分ＡＺを計測する。加速度計１１は、直交する３軸方向の内の一の軸方向を、車両が直進する場合の進行方向と一致させて、車両に固定されることが好ましい。加速度計１１は、直交する３軸方向それぞれの加速度成分ＡＸ，ＡＹ，ＡＺを計測するので、車両への固定に取り付け誤差が生じたり、車両に傾いて固定されても、車両の加速度を正確に計測することができる。なお、加速度計１１が計測した加速度成分ＡＸ，ＡＹ，ＡＺには重力加速度ｇが含まれている。
【００１９】
加速度計１１としては、例えば、ＭＥＭＳ素子を用いたものを用いることが好ましい。このような加速度計は、通常、出力する値にバイアスを有する。詳しくは後述するが、本実施形態では、電波速度計２０が計測した第２速度Ｖ２を用いて、加速度計１１が生じ得るバイアスを補正する。
【００２０】
加速度算出部１２は、加速度計１１から入力した直交する３軸方向それぞれの加速度成分ＡＸ，ＡＹ，ＡＺを合成して計測加速度ＡＴを求める。具体的には、加速度算出部１２は、加速度成分ＡＸ，ＡＹ，ＡＺの二乗和の平方根を計算して、計測加速度ＡＴとする。
【００２１】
図２（Ａ）は、計測加速度と時間との関係を示している。
【００２２】
図２（Ａ）に示すように、加速度算出部１２が求めた計測加速度ＡＴには重力加速度ｇが含まれているので、計測加速度ＡＴは、重力加速度ｇの値を基準にして車両の運動により生じた加速度変化を示す。
【００２３】
そして、加速度算出部１２は、計測加速度ＡＴに対する重力加速度ｇの影響を補正するために、計測加速度ＡＴの二乗から重力加速度ｇの二乗を減算した値の平行根を求めて、第１加速度Ａ１とする。
【００２４】
また、車両が前進している場合と後進している場合とでは、加速度の向きが反対となるので、加速度算出部１２は、第１加速度Ａ１の正負の極性を判定して付与する。
【００２５】
具体的には、加速度算出部１２は、車両が停止している時の加速度成分Ａｘと重力加速度ｇとの比を引数とする逆正弦関数から得られる基準傾斜角（θ０＝ｓｉｎ−１（Ａｘ／ｇ）と、現在の加速度成分Ａｘと重力加速度ｇとの比を引数とする逆正弦関数から得られる傾斜角（θｒ＝ｓｉｎ−１（Ａｘ／ｇ）とを用いて、傾斜角差（θｒ−θ０）を求める。そして、加速度算出部１２は、この傾斜角差（θｒ−θ０）に基づいて、第１加速度Ａ１の正負の極性を判定し、判定した正負の極性を第１加速度Ａ１に付与する。ここで、加速度成分Ａｘは、車両が直進する場合の進行方向と一致する方向とする。基準傾斜角は、第１速度Ａ１の絶対値が所定の閾値よりも小さい状態における傾斜角である。上述した方法は一例であり、他の方法を用いて、第１加速度Ａ１の正負の極性を判定して付与しても良い。
【００２６】
図２（Ｂ）は、第１加速度と時間との関係を示す。
【００２７】
図２（Ｂ）に示すように、補正された第１加速度Ａ１は、加速度ゼロの値を基準にして車両の運動により生じた加速度変化を示す。
【００２８】
加速度補正部１３は、加速度算出部１２が求めた第１加速度Ａ１を入力し、入力した第１加速度Ａ１に対して、カルマンフィルタ１６が求めた加速度補正値ΔＡを補正した値を第２加速度Ａ２として求める。具体的には、加速度補正部１３は、第１加速度Ａ１から加速度補正値ΔＡを減算した値を第２加速度Ａ２として求める。
【００２９】
速度算出部１４は、加速度補正部１３が求めた第２加速度Ａ２を入力し、入力した第２加速度Ａ２を時間積分して計測速度ＶＶを求める。そして、速度算出部１４は、第２加速度を時間積分して求めた計測速度ＶＶに対して、カルマンフィルタ１６が求めた速度補正値ΔＶを補正した値を第１速度Ｖ１として求める。具体的には、速度算出部１４は、計測速度ＶＶから速度補正値ΔＶを減算した値を、第１速度Ｖ１として求める。
【００３０】
図２（Ｃ）は第１速度と時間との関係を示す。
【００３１】
図２（Ｃ）に示すように、第１速度Ｖ１は、加速度計１１により計測された加速度成分を用いて求められるので、電波速度計２０により計測される速度が有するようなノイズを含まない。
【００３２】
速度減算部１５は、速度算出部１４が求めた第１速度Ｖ１から、ドップラ周波数を用いて速度を計測する電波速度計２０により計測された第２速度Ｖ２を減算した速度差Ｖ１−Ｖ２を求める。この速度差Ｖ１−Ｖ２は、カルマンフィルタ１６に入力される。
【００３３】
速度差Ｖ１−Ｖ２を用いるのは、主に加速度成分ＡＸ，ＡＹ，ＡＺに含まれるバイアスの影響を補正するためである。加速度計１１が出力した加速度成分ＡＸ，ＡＹ，ＡＺにバイアスが含まれていると、速度算出部１４は、バイアスを含む加速度成分ＡＸ，ＡＹ，ＡＺを積分して第１速度Ｖ１を求めることになるので、第１速度Ｖ１にはバイアスに起因する誤差が含まれる。そこで、装置１０では、電波速度計２０により計測された第２速度Ｖ２を、第１速度Ｖ１から減算して、加速度成分ＡＸ，ＡＹ，ＡＺに含まれるバイアスの影響を補正する。
【００３４】
カルマンフィルタ１６は、バイアスの影響が補正された速度差Ｖ１−Ｖ２を用いて、速度差Ｖ１−Ｖ２をゼロにするように加速度補正値ΔＡ及び速度補正値ΔＶを求める。この際、カルマンフィルタ１６は、第２速度Ｖ２に含まれる観測ノイズの影響、及び、加速度成分ＡＸ，ＡＹ，ＡＺに含まれるシステムノイズの影響を取り除いて、加速度補正値ΔＡ及び速度補正値ΔＶを求める。カルマンフィルタ１６の動作の詳細については、後述する。
【００３５】
また、装置１０は、第１速度Ｖ１を入力し、第１速度Ｖ１が所定の閾値以下である場合には、速度切替え信号Ｓ１を出力する速度判断部１７と、電波速度計２０により計測された第２速度Ｖ２を入力し、速度判断部１７が速度切替え信号Ｓ１を出力していない場合には、電波速度計２０により計測された第２速度Ｖ２を速度減算部１５に出力し、速度判断部１７が速度切替え信号Ｓ１を出力している場合には、第２速度Ｖ２としてゼロを速度減算部１５に出力する速度切替え部１８と、を備える。
【００３６】
車両が停止している場合には、車両の運動により生じる加速度変化がないので、第２加速度Ａ２はゼロとなる。一方、電波速度計２０が出力する第２速度Ｖ２は、車両が停止していてもノイズ等の影響により値が変動する場合がある。そして、車両が停止していても、カルマンフィルタ１５には、ノイズ等の影響により変動する速度差Ｖ１−Ｖ２が入力されることになる。そこで、装置１０では、速度判断部１７が、第１速度Ｖ１が所定の閾値以下である場合には、車両が停止していると判断し、速度切替え部１８が、第２速度Ｖ２としてゼロを速度減算部１５に出力する。そして、速度減算部１５は、速度差Ｖ１−Ｖ２として、第１速度Ｖ１と同じ値をカルマンフィルタ１５に出力することになる。
【００３７】
一方、車両が停止していない場合には、即ち第１速度Ｖ１が所定の閾値よりも大きい場合には、速度切替え部１８は、電波速度計２０により計測された第２速度Ｖ２を速度減算部１５に出力する。
【００３８】
次に、電波速度計２０について、以下に説明する。
【００３９】
電波速度計２０は、車両に搭載され、線路（レール軌道）又は道路に対し電波を送受信することで相対的移動により生じるドップラ効果を利用して車両の速度を計測する。本明細書では、電波が投射される地上は、線路（レール軌道）又は道路等を含む意味である。
【００４０】
電波速度計２０は、アンテナ２１と、送受信部２２と、周波数追跡部２３と、周波数変換部２４とを備える。
【００４１】
アンテナ２１は、車両に対して、車両が直進する場合の進行方向の前方向及び後ろ方向それぞれに向けて電波を投射するように搭載される。アンテナ２１は、前方向及び後ろ方向それぞれに向けて電波を投射し、地上から反射した電波を受信する。本明細書では、アンテナ２１から投射され且つ受信される電波には、ミリ波又はマイクロ波が含まれると共に、レーザ光のような周波数領域の電磁波も含まれる。
【００４２】
送受信部２２は、アンテナ２１に送信用の電波信号を出力すると共に、電波を受信したアンテナ２１が出力する電波信号を入力して増幅及び復調等の処理を行い、処理した電波信号を周波数追跡部２３に出力する。
【００４３】
周波数追跡部２３は、送受信部２２から入力した電波信号からドップラ周波数Ｆｄを求める。
【００４４】
図２（Ｄ）は、受信した電波の信号強度と周波数との関係を示す。
【００４５】
周波数追跡部２３は、所定の周波数範囲の信号強度を走査し、信号強度のピークを示す周波数を検知して、ドップラ周波数Ｆｄを求める。
【００４６】
周波数速度変換部２４は、周波数追跡部２３が求めたドップラ周波数Ｆｄを入力して、入力したドップラ周波数Ｆｄに基づいて第２速度Ｖ２を求める。
【００４７】
図２（Ｅ）は、第２速度と時間との関係を示す図である。
【００４８】
図２（Ｅ）に示す例では、ドップラ周波数Ｆｄを用いて求められた第２速度Ｖ２は、多くのノイズを有している。一方、第２速度Ｖ２は、加速度計１１のようなバイアスを有さないので、第２速度Ｖ２は、図２（Ｅ）中の鎖線で示した真実の車両速度に対して、ノイズ等により上下に変動した値を示している。
【００４９】
また、周波数追跡部２３は、ドップラ周波数を求めるための電波信号が入力されない場合には、カルマンフィルタ１６に対して加速度補正値ΔＡ及び速度補正値ΔＶを求める処理を停止させる停止信号Ｓ２を出力する。電波速度計２０では、電波が地上の水たまり又は鉄板等の部分に投射された場合には、地上から反射した電波がアンテナ２１の方向に戻らないことがある。このような場合には、電波速度計２０は速度を正しく計測できない。そこで、装置１０では、ドップラ周波数を求めるための電波信号が入力されない場合には、カルマンフィルタ１６の処理を停止する。そして、停止信号Ｓ２を入力したカルマンフィルタ１６は、加速度補正値ΔＡ及び速度補正値ΔＶを求める処理を停止し、加速度補正値ΔＡ及び速度補正値ΔＶとして、それぞれ、ゼロを出力する。
【００５０】
そして、加速度補正部１３は、第１加速度Ａ１と同じ値を第２加速度Ａ２として出力し、速度算出部１４は、計測速度ＶＶと同じ値を第１速度Ｖ１として出力する。通常、ドップラ周波数を求めるための電波信号が入力されない期間は、数秒〜数１０秒程度の時間であるので、このような期間であれば、補正が行われなくても、第１速度Ｖ１の誤差は小さいと考えられる。
【００５１】
また、周波数追跡部２３は、ドップラ周波数を求めるための電波信号が再び入力されると、停止信号Ｓ２の出力を停止する。そして、カルマンフィルタ１６は、加速度補正値ΔＡ及び速度補正値ΔＶを求める処理を再開する。
【００５２】
なお、本明細書では、ドップラ周波数を求めるための電波信号が入力されない場合とは、電波信号が全く入力されない場合と、ドップラ周波数を求めるための十分なピーク強度を検出し得る電波信号が入力されない場合とを含む意味である。
【００５３】
そして、装置１０は、速度算出部１４が求めた第１速度Ｖ１を入力して第１速度Ｖ１に対応するドップラ周波数Ｆｄ’を求め、求めたドップラ周波数Ｆｄ’を周波数追跡部２３に出力する速度周波数変換部１９を備える。
【００５４】
ドップラ周波数を求めるための電波信号が入力されない状態の後に、再度、ドップラ周波数を求めるための電波信号が周波数追跡部２３に入力された場合には、周波数追跡部２３が所定の周波数範囲の信号強度を走査して、信号強度のピークを示す周波数を検知し、ドップラ周波数Ｆｄを求めることを再開するには所定の時間を必要とする。
【００５５】
そこで、装置１０では、速度周波数変換部１９が、第１速度Ｖ１に対応するドップラ周波数Ｆｄ’を周波数追跡部２３に出力する。そして、周波数追跡部２３は、速度周波数変換部１９から入力したドップラ周波数Ｆｄ’に基づいて走査する周波数範囲を特定し、電波信号からドップラ周波数を求めることを迅速に再開する。このようにして、周波数追跡部２３が、ドップラ周波数Ｆｄを求めることを再開するのに要する時間が短縮される。
【００５６】
周波数追跡部２３がドップラ周波数Ｆｄの追跡を再開することにより、周波数速度変換部２４から装置１０への第２速度Ｖ２の出力が再開されて、カルマンフィルタ１６が補正値を求めることを再開できる。そして、装置１０は、補正された第１速度Ｖ１を求めることを再開する。このようにして、装置１０では、ドップラ周波数を求めるための電波信号が入力されない状態の後に、カルマンフィルタ１６が処理を停止している時間を短縮する。
【００５７】
上述した電波速度計２０としては、公知のものを用いることができる。
【００５８】
また、装置１０の加速度算出部１２及び加速度補正部１３及び速度算出部１４及び速度減算部１３及びカルマンフィルタ１６及び速度判断部１７及び速度切替え部１８及び速度周波数変換部１９は、図３に示す計算部３０を用いて実現される。
【００５９】
図３は、速度計測装置の一部を構成する計算部を示すブロック図である。
【００６０】
計算部３０は、所定のプログラムを実行する演算部３１と、所定のプログラムを記憶し且つ演算部３１に対するワークエリアを提供する記憶部３２と、加速度計１１から出力された加速度成分ＡＸ，ＡＹ，ＡＺ及び電波速度計２０から出力された第２速度Ｖ２を入力する入力部３３と、第１速度Ｖ１を外部に出力し且つ速度周波数変換部１９が求めたドップラ周波数Ｆｄ’を電波速度計２０に出力する出力部３４とを有する。
【００６１】
計算部３０としては、例えば、マイコン又はパーソナルコンピュータ等のコンピュータ又はステートマシン等を用いることができる。
【００６２】
装置１０の加速度算出部１２及び加速度補正部１３及び速度算出部１４及び速度減算部１３及びカルマンフィルタ１６及び速度判断部１７及び速度切替え部１８及び速度周波数変換部１９は、演算部３１が、入力部３３及び出力部３４と協働して、記憶部３２に記憶された所定のプログラムを実行することにより実現される。
【００６３】
上述したように、カルマンフィルタ１６は、第２速度Ｖ２に含まれる観測ノイズの影響、及び、加速度成分ＡＸ，ＡＹ，ＡＺに含まれるシステムノイズの影響を取り除いて、加速度補正値ΔＡ及び速度補正値ΔＶを求める。次に、カルマンフィルタ１６の処理について、以下に説明する。
【００６４】
図４（Ａ）は、第２速度に含まれるノイズ等を説明する図である。
【００６５】
電波速度計２０が出力する第２速度Ｖ２は、車両速度を、ドップラ周波数を用いて計測したものであるが、この第２速度Ｖ２には、地上の凸凹等に起因した反射電波の変動、又は、アンテナ若しくは回路等が生ずるノイズ信号等が含まれている。第２速度Ｖ２が有するこれらのノイズは、補正値を推定する上での観測ノイズとなる。
【００６６】
従って、第２速度Ｖ２は、図２（Ｅ）に示すように、図２（Ｅ）中の鎖線で示した真実の車両速度に対して、ノイズ等により上下に変動した値を示している。
【００６７】
図４（Ｂ）は、車両加速度に含まれるノイズ等を説明する図である。
【００６８】
加速度計１１が計測した加速度成分ＡＸ，ＡＹ，ＡＺには、バイアス、又は、ＭＥＭＳ素子又は回路等が生じるノイズ信号が含まれている。加速度成分ＡＸ，ＡＹ，ＡＺが有するこれらのノイズは、補正値を推定する上でのシステムノイズとなる。
【００６９】
カルマンフィルタ１６は、観測ノイズ及びシステムノイズの影響を考慮して、補正値を推定する。また、カルマンフィルタ１６は、第１速度Ｖ１と第２速度Ｖ２との差を入力することにより、加速度計１１のバイアスの影響を除いて、補正値を推定する。
【００７０】
図５は、カルマンフィルタを説明する図である。
【００７１】
図５に示すように、カルマンフィルタ１６は、速度差Ｙ（＝Ｖ１−Ｖ２）を入力して、速度差Ｙをゼロにするように加速度補正値ΔＡ及び速度補正値ΔＶを求める。Ｋ１及びＫ２は、カルマンゲインである。カルマンゲインＫ１の引数としては、速度差Ｙを時間微分した値が用いられる。カルマンゲインＫ２の因数は、速度差Ｙである。
【００７２】
カルマンゲイＫ１及びＫ２は、図５中の式により求められる。ここで、ＫＫは、Ｋ１又はＫ２を意味する。ＰＫ（−）は、事後推定共分散を示す行列であり、Ｈは、システム状態の変数と観測値との関係を示す行列であり、Ｒは、観測誤差の共分散を示す行列である。
【００７３】
第１加速度の分散、第１速度の分散、第２速度の分散、観測ノイズの分散、及びシステムノイズの分散等は統計的に把握されており、カルマンフィルタ１６の初期値として設定される。
【００７４】
このようにして、観測値としての第２速度Ｖ２が計測される毎に、共分散の更新、カルマンゲインの計算、加速度補正値ΔＡ及び速度補正値ΔＶの計算が繰り返される。そして、装置１０は、加速度補正値ΔＡ及び速度補正値ΔＶを用いて、第１速度Ｖ１を求める。
【００７５】
上述した本実施形態の速度計測装置によれば、ノイズの影響を受けない車両の速度を得ることができる。また、本実施形態によれば、第１速度Ｖ１は、加速度計の計測値を用いて求められるので、第２速度Ｖ２のように車両の走行中に計測不能になることなく計測される。
【００７６】
このように、装置１０によれば、電波速度計により計測された第２速度を基準として、加速度計を用いて計測された速度を、カルマンフィルタを用いて補正することにより、電波速度計の欠点を補いつつ、電波速度計の長所を取り入れて、精度の高い速度を計測することができる。
【００７７】
また、本実施形態によれば、慣性航法装置のように、ジャイロを用いた姿勢基準装置を含む大規模な装置構成、及び姿勢基準を定めるためのアライメント作業等を用いることなく、精度の高い速度を得ることができる。
【００７８】
本発明では、上述した実施形態の速度計測装置は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。
【００７９】
例えば、上述した実施形態では、速度計測装置と、電波速度計とは、独立した装置であったが、速度計測装置の中に電波速度計が含まれていても良い。
【００８０】
また、電波速度計は、車両の進行方向に対して、前後及び左右の計４方向に電波を投射して、２つの速度成分を求めても良い。この場合には、第２速度は、例えば、２つの速度成分の二乗和の平方根として求めても良い。
【符号の説明】
【００８１】
１０ 速度計測装置
１１ 加速度計
１２ 加速度算出部
１３ 加速度補正部
１４ 速度算出部
１５ 速度減算部
１６ カルマンフィルタ
１７ 速度判断部
１８ 速度切替え部
１９ 速度周波数変換部
２０ 電波速度計
２１ アンテナ
２２ 送受信部
２３ 周波数追跡部
２４ 周波数速度変換部
３０ 計算部
３１ 演算部
３２ 記憶部
３３ 入力部
３４ 出力部
Ｖ１ 第１速度
Ｖ２ 第２速度
Ａ１ 第１加速度
Ａ２ 第２加速度
ΔＡ 加速度補正値
ΔＶ 速度補正値
Ｆｄ ドップラ周波数
Ｓ１ 速度切替え信号
Ｓ２ 停止信号
【技術分野】
【０００１】
本発明は、速度計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両等の速度を計測する速度計測装置が用いられている。
【０００３】
このような速度計測装置としては、例えば、地上に対し電波を送受信することで相対的移動により生じるドップラ効果を利用して、車両の速度を計測する電波速度計がある。
【０００４】
電波速度計は、車両の速度を非接触に計測するので、車輪の空転又は滑り等の影響を受けずに車両の地上に対する速度を計測できる。
【０００５】
しかし、電波速度計では、地上の凸凹等による反射波の変動が大きく、また、電波を送受信するアンテナ又は受信した電波信号を処理する回路が生ずるノイズ等の影響により、得られる速度の値にも大きなノイズが含まれる場合がある。
【０００６】
また、電波速度計では、電波が地上の水たまり又は鉄板等の部分に投射された場合には、地上から反射した電波がアンテナの方向に戻らないことがあるので、速度を計測できない場合もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平６−１３８２１６号公報
【特許文献２】特開平６−２７２３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本明細書では、上述した問題点を解決し得る速度計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本明細書に開示する速度計測装置によれば、直交する３軸方向それぞれの加速度成分を計測する加速度計と、上記加速度計から入力した直交する３軸方向それぞれの上記加速度成分を合成して得られた加速度から、重力加速度を減算した第１加速度を求める加速度算出部と、上記第１加速度を補正して第２加速度を求める加速度補正部と、上記第２加速度に基づいて第１速度を求める速度算出部と、上記第１速度から、ドップラ周波数を用いて速度を計測する電波速度計により計測された第２速度を減算した速度差を求める速度減算部と、上記速度差を入力して、加速度補正値及び速度補正値を求めるカルマンフィルタと、を備え、上記加速度補正部は、上記第１加速度に対して、上記加速度補正値を補正した値を上記第２加速度として求め、上記速度算出部は、上記第２加速度を時間積分して求めた速度に対して、上記速度補正値を補正した値を上記第１速度として求める。
【発明の効果】
【００１０】
上述した本明細書に開示する速度計測装置によれば、ノイズの影響を受けない速度を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本明細書に開示する速度計測装置の一実施形態を示す図である。
【図２】（Ａ）は計測加速度と時間との関係を示しており、（Ｂ）は第１加速度と時間との関係を示しており、（Ｃ）は第１速度と時間との関係を示しており、（Ｄ）は信号強度と周波数との関係を示しており、（Ｅ）は第２速度と時間との関係を示す図である。
【図３】速度計測装置の一部を構成する計算部を示すブロック図である。
【図４】（Ａ）は、第２速度に含まれるノイズ等を説明する図であり、（Ｂ）は、車両加速度に含まれるノイズ等を説明する図である。
【図５】カルマンフィルタを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本明細書で開示する速度計測装置の好ましい一実施形態を、図面を参照して説明する。但し、本発明の技術範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。
【００１３】
図１は、本明細書に開示する速度計測装置の一実施形態を示す図である。
【００１４】
本実施形態の速度計測装置１０（以下、単に装置１０ともいう）は、鉄道又は自動車等の車両に搭載されて、車両の地上に対する速度を計測する。具体的には、装置１０は、加速度計１１が計測した加速度成分ＡＸ，ＡＹ，ＡＺと、同じく車両に搭載された電波速度計２０から出力される第２速度Ｖ２とを用いて、車両の地上に対する速度である第１速度Ｖ１を計測する。
【００１５】
装置１０が搭載された車両は、車両の地上に対する速度を得ると共に、その速度を利用して車両の移動量を計算し、車両の移動距離及び位置を求めることができる。
【００１６】
以下に、装置１０の構成を詳細に説明する。
【００１７】
装置１０は、加速度計１１と、加速度算出部１２と、加速度補正部１３と、速度算出部１４と、速度減算部１５と、速度減算部１５が求めた速度差Ｖ１−Ｖ２を入力して、加速度補正値ΔＡ及び速度補正値ΔＶを求めるカルマンフィルタ１６と、を備える。
【００１８】
加速度計１１は、車両の運動によって生じる直交する３軸方向それぞれの加速度成分ＡＸ，ＡＹ，ＡＺを計測する。加速度計１１は、Ｘ軸加速度計、Ｙ軸加速度計及びＺ軸加速度計を有する。Ｘ軸加速度計は、加速度成分ＡＸを計測する。Ｙ軸加速度計は、加速度成分ＡＹを計測する。Ｚ軸加速度計は、加速度成分ＡＺを計測する。加速度計１１は、直交する３軸方向の内の一の軸方向を、車両が直進する場合の進行方向と一致させて、車両に固定されることが好ましい。加速度計１１は、直交する３軸方向それぞれの加速度成分ＡＸ，ＡＹ，ＡＺを計測するので、車両への固定に取り付け誤差が生じたり、車両に傾いて固定されても、車両の加速度を正確に計測することができる。なお、加速度計１１が計測した加速度成分ＡＸ，ＡＹ，ＡＺには重力加速度ｇが含まれている。
【００１９】
加速度計１１としては、例えば、ＭＥＭＳ素子を用いたものを用いることが好ましい。このような加速度計は、通常、出力する値にバイアスを有する。詳しくは後述するが、本実施形態では、電波速度計２０が計測した第２速度Ｖ２を用いて、加速度計１１が生じ得るバイアスを補正する。
【００２０】
加速度算出部１２は、加速度計１１から入力した直交する３軸方向それぞれの加速度成分ＡＸ，ＡＹ，ＡＺを合成して計測加速度ＡＴを求める。具体的には、加速度算出部１２は、加速度成分ＡＸ，ＡＹ，ＡＺの二乗和の平方根を計算して、計測加速度ＡＴとする。
【００２１】
図２（Ａ）は、計測加速度と時間との関係を示している。
【００２２】
図２（Ａ）に示すように、加速度算出部１２が求めた計測加速度ＡＴには重力加速度ｇが含まれているので、計測加速度ＡＴは、重力加速度ｇの値を基準にして車両の運動により生じた加速度変化を示す。
【００２３】
そして、加速度算出部１２は、計測加速度ＡＴに対する重力加速度ｇの影響を補正するために、計測加速度ＡＴの二乗から重力加速度ｇの二乗を減算した値の平行根を求めて、第１加速度Ａ１とする。
【００２４】
また、車両が前進している場合と後進している場合とでは、加速度の向きが反対となるので、加速度算出部１２は、第１加速度Ａ１の正負の極性を判定して付与する。
【００２５】
具体的には、加速度算出部１２は、車両が停止している時の加速度成分Ａｘと重力加速度ｇとの比を引数とする逆正弦関数から得られる基準傾斜角（θ０＝ｓｉｎ−１（Ａｘ／ｇ）と、現在の加速度成分Ａｘと重力加速度ｇとの比を引数とする逆正弦関数から得られる傾斜角（θｒ＝ｓｉｎ−１（Ａｘ／ｇ）とを用いて、傾斜角差（θｒ−θ０）を求める。そして、加速度算出部１２は、この傾斜角差（θｒ−θ０）に基づいて、第１加速度Ａ１の正負の極性を判定し、判定した正負の極性を第１加速度Ａ１に付与する。ここで、加速度成分Ａｘは、車両が直進する場合の進行方向と一致する方向とする。基準傾斜角は、第１速度Ａ１の絶対値が所定の閾値よりも小さい状態における傾斜角である。上述した方法は一例であり、他の方法を用いて、第１加速度Ａ１の正負の極性を判定して付与しても良い。
【００２６】
図２（Ｂ）は、第１加速度と時間との関係を示す。
【００２７】
図２（Ｂ）に示すように、補正された第１加速度Ａ１は、加速度ゼロの値を基準にして車両の運動により生じた加速度変化を示す。
【００２８】
加速度補正部１３は、加速度算出部１２が求めた第１加速度Ａ１を入力し、入力した第１加速度Ａ１に対して、カルマンフィルタ１６が求めた加速度補正値ΔＡを補正した値を第２加速度Ａ２として求める。具体的には、加速度補正部１３は、第１加速度Ａ１から加速度補正値ΔＡを減算した値を第２加速度Ａ２として求める。
【００２９】
速度算出部１４は、加速度補正部１３が求めた第２加速度Ａ２を入力し、入力した第２加速度Ａ２を時間積分して計測速度ＶＶを求める。そして、速度算出部１４は、第２加速度を時間積分して求めた計測速度ＶＶに対して、カルマンフィルタ１６が求めた速度補正値ΔＶを補正した値を第１速度Ｖ１として求める。具体的には、速度算出部１４は、計測速度ＶＶから速度補正値ΔＶを減算した値を、第１速度Ｖ１として求める。
【００３０】
図２（Ｃ）は第１速度と時間との関係を示す。
【００３１】
図２（Ｃ）に示すように、第１速度Ｖ１は、加速度計１１により計測された加速度成分を用いて求められるので、電波速度計２０により計測される速度が有するようなノイズを含まない。
【００３２】
速度減算部１５は、速度算出部１４が求めた第１速度Ｖ１から、ドップラ周波数を用いて速度を計測する電波速度計２０により計測された第２速度Ｖ２を減算した速度差Ｖ１−Ｖ２を求める。この速度差Ｖ１−Ｖ２は、カルマンフィルタ１６に入力される。
【００３３】
速度差Ｖ１−Ｖ２を用いるのは、主に加速度成分ＡＸ，ＡＹ，ＡＺに含まれるバイアスの影響を補正するためである。加速度計１１が出力した加速度成分ＡＸ，ＡＹ，ＡＺにバイアスが含まれていると、速度算出部１４は、バイアスを含む加速度成分ＡＸ，ＡＹ，ＡＺを積分して第１速度Ｖ１を求めることになるので、第１速度Ｖ１にはバイアスに起因する誤差が含まれる。そこで、装置１０では、電波速度計２０により計測された第２速度Ｖ２を、第１速度Ｖ１から減算して、加速度成分ＡＸ，ＡＹ，ＡＺに含まれるバイアスの影響を補正する。
【００３４】
カルマンフィルタ１６は、バイアスの影響が補正された速度差Ｖ１−Ｖ２を用いて、速度差Ｖ１−Ｖ２をゼロにするように加速度補正値ΔＡ及び速度補正値ΔＶを求める。この際、カルマンフィルタ１６は、第２速度Ｖ２に含まれる観測ノイズの影響、及び、加速度成分ＡＸ，ＡＹ，ＡＺに含まれるシステムノイズの影響を取り除いて、加速度補正値ΔＡ及び速度補正値ΔＶを求める。カルマンフィルタ１６の動作の詳細については、後述する。
【００３５】
また、装置１０は、第１速度Ｖ１を入力し、第１速度Ｖ１が所定の閾値以下である場合には、速度切替え信号Ｓ１を出力する速度判断部１７と、電波速度計２０により計測された第２速度Ｖ２を入力し、速度判断部１７が速度切替え信号Ｓ１を出力していない場合には、電波速度計２０により計測された第２速度Ｖ２を速度減算部１５に出力し、速度判断部１７が速度切替え信号Ｓ１を出力している場合には、第２速度Ｖ２としてゼロを速度減算部１５に出力する速度切替え部１８と、を備える。
【００３６】
車両が停止している場合には、車両の運動により生じる加速度変化がないので、第２加速度Ａ２はゼロとなる。一方、電波速度計２０が出力する第２速度Ｖ２は、車両が停止していてもノイズ等の影響により値が変動する場合がある。そして、車両が停止していても、カルマンフィルタ１５には、ノイズ等の影響により変動する速度差Ｖ１−Ｖ２が入力されることになる。そこで、装置１０では、速度判断部１７が、第１速度Ｖ１が所定の閾値以下である場合には、車両が停止していると判断し、速度切替え部１８が、第２速度Ｖ２としてゼロを速度減算部１５に出力する。そして、速度減算部１５は、速度差Ｖ１−Ｖ２として、第１速度Ｖ１と同じ値をカルマンフィルタ１５に出力することになる。
【００３７】
一方、車両が停止していない場合には、即ち第１速度Ｖ１が所定の閾値よりも大きい場合には、速度切替え部１８は、電波速度計２０により計測された第２速度Ｖ２を速度減算部１５に出力する。
【００３８】
次に、電波速度計２０について、以下に説明する。
【００３９】
電波速度計２０は、車両に搭載され、線路（レール軌道）又は道路に対し電波を送受信することで相対的移動により生じるドップラ効果を利用して車両の速度を計測する。本明細書では、電波が投射される地上は、線路（レール軌道）又は道路等を含む意味である。
【００４０】
電波速度計２０は、アンテナ２１と、送受信部２２と、周波数追跡部２３と、周波数変換部２４とを備える。
【００４１】
アンテナ２１は、車両に対して、車両が直進する場合の進行方向の前方向及び後ろ方向それぞれに向けて電波を投射するように搭載される。アンテナ２１は、前方向及び後ろ方向それぞれに向けて電波を投射し、地上から反射した電波を受信する。本明細書では、アンテナ２１から投射され且つ受信される電波には、ミリ波又はマイクロ波が含まれると共に、レーザ光のような周波数領域の電磁波も含まれる。
【００４２】
送受信部２２は、アンテナ２１に送信用の電波信号を出力すると共に、電波を受信したアンテナ２１が出力する電波信号を入力して増幅及び復調等の処理を行い、処理した電波信号を周波数追跡部２３に出力する。
【００４３】
周波数追跡部２３は、送受信部２２から入力した電波信号からドップラ周波数Ｆｄを求める。
【００４４】
図２（Ｄ）は、受信した電波の信号強度と周波数との関係を示す。
【００４５】
周波数追跡部２３は、所定の周波数範囲の信号強度を走査し、信号強度のピークを示す周波数を検知して、ドップラ周波数Ｆｄを求める。
【００４６】
周波数速度変換部２４は、周波数追跡部２３が求めたドップラ周波数Ｆｄを入力して、入力したドップラ周波数Ｆｄに基づいて第２速度Ｖ２を求める。
【００４７】
図２（Ｅ）は、第２速度と時間との関係を示す図である。
【００４８】
図２（Ｅ）に示す例では、ドップラ周波数Ｆｄを用いて求められた第２速度Ｖ２は、多くのノイズを有している。一方、第２速度Ｖ２は、加速度計１１のようなバイアスを有さないので、第２速度Ｖ２は、図２（Ｅ）中の鎖線で示した真実の車両速度に対して、ノイズ等により上下に変動した値を示している。
【００４９】
また、周波数追跡部２３は、ドップラ周波数を求めるための電波信号が入力されない場合には、カルマンフィルタ１６に対して加速度補正値ΔＡ及び速度補正値ΔＶを求める処理を停止させる停止信号Ｓ２を出力する。電波速度計２０では、電波が地上の水たまり又は鉄板等の部分に投射された場合には、地上から反射した電波がアンテナ２１の方向に戻らないことがある。このような場合には、電波速度計２０は速度を正しく計測できない。そこで、装置１０では、ドップラ周波数を求めるための電波信号が入力されない場合には、カルマンフィルタ１６の処理を停止する。そして、停止信号Ｓ２を入力したカルマンフィルタ１６は、加速度補正値ΔＡ及び速度補正値ΔＶを求める処理を停止し、加速度補正値ΔＡ及び速度補正値ΔＶとして、それぞれ、ゼロを出力する。
【００５０】
そして、加速度補正部１３は、第１加速度Ａ１と同じ値を第２加速度Ａ２として出力し、速度算出部１４は、計測速度ＶＶと同じ値を第１速度Ｖ１として出力する。通常、ドップラ周波数を求めるための電波信号が入力されない期間は、数秒〜数１０秒程度の時間であるので、このような期間であれば、補正が行われなくても、第１速度Ｖ１の誤差は小さいと考えられる。
【００５１】
また、周波数追跡部２３は、ドップラ周波数を求めるための電波信号が再び入力されると、停止信号Ｓ２の出力を停止する。そして、カルマンフィルタ１６は、加速度補正値ΔＡ及び速度補正値ΔＶを求める処理を再開する。
【００５２】
なお、本明細書では、ドップラ周波数を求めるための電波信号が入力されない場合とは、電波信号が全く入力されない場合と、ドップラ周波数を求めるための十分なピーク強度を検出し得る電波信号が入力されない場合とを含む意味である。
【００５３】
そして、装置１０は、速度算出部１４が求めた第１速度Ｖ１を入力して第１速度Ｖ１に対応するドップラ周波数Ｆｄ’を求め、求めたドップラ周波数Ｆｄ’を周波数追跡部２３に出力する速度周波数変換部１９を備える。
【００５４】
ドップラ周波数を求めるための電波信号が入力されない状態の後に、再度、ドップラ周波数を求めるための電波信号が周波数追跡部２３に入力された場合には、周波数追跡部２３が所定の周波数範囲の信号強度を走査して、信号強度のピークを示す周波数を検知し、ドップラ周波数Ｆｄを求めることを再開するには所定の時間を必要とする。
【００５５】
そこで、装置１０では、速度周波数変換部１９が、第１速度Ｖ１に対応するドップラ周波数Ｆｄ’を周波数追跡部２３に出力する。そして、周波数追跡部２３は、速度周波数変換部１９から入力したドップラ周波数Ｆｄ’に基づいて走査する周波数範囲を特定し、電波信号からドップラ周波数を求めることを迅速に再開する。このようにして、周波数追跡部２３が、ドップラ周波数Ｆｄを求めることを再開するのに要する時間が短縮される。
【００５６】
周波数追跡部２３がドップラ周波数Ｆｄの追跡を再開することにより、周波数速度変換部２４から装置１０への第２速度Ｖ２の出力が再開されて、カルマンフィルタ１６が補正値を求めることを再開できる。そして、装置１０は、補正された第１速度Ｖ１を求めることを再開する。このようにして、装置１０では、ドップラ周波数を求めるための電波信号が入力されない状態の後に、カルマンフィルタ１６が処理を停止している時間を短縮する。
【００５７】
上述した電波速度計２０としては、公知のものを用いることができる。
【００５８】
また、装置１０の加速度算出部１２及び加速度補正部１３及び速度算出部１４及び速度減算部１３及びカルマンフィルタ１６及び速度判断部１７及び速度切替え部１８及び速度周波数変換部１９は、図３に示す計算部３０を用いて実現される。
【００５９】
図３は、速度計測装置の一部を構成する計算部を示すブロック図である。
【００６０】
計算部３０は、所定のプログラムを実行する演算部３１と、所定のプログラムを記憶し且つ演算部３１に対するワークエリアを提供する記憶部３２と、加速度計１１から出力された加速度成分ＡＸ，ＡＹ，ＡＺ及び電波速度計２０から出力された第２速度Ｖ２を入力する入力部３３と、第１速度Ｖ１を外部に出力し且つ速度周波数変換部１９が求めたドップラ周波数Ｆｄ’を電波速度計２０に出力する出力部３４とを有する。
【００６１】
計算部３０としては、例えば、マイコン又はパーソナルコンピュータ等のコンピュータ又はステートマシン等を用いることができる。
【００６２】
装置１０の加速度算出部１２及び加速度補正部１３及び速度算出部１４及び速度減算部１３及びカルマンフィルタ１６及び速度判断部１７及び速度切替え部１８及び速度周波数変換部１９は、演算部３１が、入力部３３及び出力部３４と協働して、記憶部３２に記憶された所定のプログラムを実行することにより実現される。
【００６３】
上述したように、カルマンフィルタ１６は、第２速度Ｖ２に含まれる観測ノイズの影響、及び、加速度成分ＡＸ，ＡＹ，ＡＺに含まれるシステムノイズの影響を取り除いて、加速度補正値ΔＡ及び速度補正値ΔＶを求める。次に、カルマンフィルタ１６の処理について、以下に説明する。
【００６４】
図４（Ａ）は、第２速度に含まれるノイズ等を説明する図である。
【００６５】
電波速度計２０が出力する第２速度Ｖ２は、車両速度を、ドップラ周波数を用いて計測したものであるが、この第２速度Ｖ２には、地上の凸凹等に起因した反射電波の変動、又は、アンテナ若しくは回路等が生ずるノイズ信号等が含まれている。第２速度Ｖ２が有するこれらのノイズは、補正値を推定する上での観測ノイズとなる。
【００６６】
従って、第２速度Ｖ２は、図２（Ｅ）に示すように、図２（Ｅ）中の鎖線で示した真実の車両速度に対して、ノイズ等により上下に変動した値を示している。
【００６７】
図４（Ｂ）は、車両加速度に含まれるノイズ等を説明する図である。
【００６８】
加速度計１１が計測した加速度成分ＡＸ，ＡＹ，ＡＺには、バイアス、又は、ＭＥＭＳ素子又は回路等が生じるノイズ信号が含まれている。加速度成分ＡＸ，ＡＹ，ＡＺが有するこれらのノイズは、補正値を推定する上でのシステムノイズとなる。
【００６９】
カルマンフィルタ１６は、観測ノイズ及びシステムノイズの影響を考慮して、補正値を推定する。また、カルマンフィルタ１６は、第１速度Ｖ１と第２速度Ｖ２との差を入力することにより、加速度計１１のバイアスの影響を除いて、補正値を推定する。
【００７０】
図５は、カルマンフィルタを説明する図である。
【００７１】
図５に示すように、カルマンフィルタ１６は、速度差Ｙ（＝Ｖ１−Ｖ２）を入力して、速度差Ｙをゼロにするように加速度補正値ΔＡ及び速度補正値ΔＶを求める。Ｋ１及びＫ２は、カルマンゲインである。カルマンゲインＫ１の引数としては、速度差Ｙを時間微分した値が用いられる。カルマンゲインＫ２の因数は、速度差Ｙである。
【００７２】
カルマンゲイＫ１及びＫ２は、図５中の式により求められる。ここで、ＫＫは、Ｋ１又はＫ２を意味する。ＰＫ（−）は、事後推定共分散を示す行列であり、Ｈは、システム状態の変数と観測値との関係を示す行列であり、Ｒは、観測誤差の共分散を示す行列である。
【００７３】
第１加速度の分散、第１速度の分散、第２速度の分散、観測ノイズの分散、及びシステムノイズの分散等は統計的に把握されており、カルマンフィルタ１６の初期値として設定される。
【００７４】
このようにして、観測値としての第２速度Ｖ２が計測される毎に、共分散の更新、カルマンゲインの計算、加速度補正値ΔＡ及び速度補正値ΔＶの計算が繰り返される。そして、装置１０は、加速度補正値ΔＡ及び速度補正値ΔＶを用いて、第１速度Ｖ１を求める。
【００７５】
上述した本実施形態の速度計測装置によれば、ノイズの影響を受けない車両の速度を得ることができる。また、本実施形態によれば、第１速度Ｖ１は、加速度計の計測値を用いて求められるので、第２速度Ｖ２のように車両の走行中に計測不能になることなく計測される。
【００７６】
このように、装置１０によれば、電波速度計により計測された第２速度を基準として、加速度計を用いて計測された速度を、カルマンフィルタを用いて補正することにより、電波速度計の欠点を補いつつ、電波速度計の長所を取り入れて、精度の高い速度を計測することができる。
【００７７】
また、本実施形態によれば、慣性航法装置のように、ジャイロを用いた姿勢基準装置を含む大規模な装置構成、及び姿勢基準を定めるためのアライメント作業等を用いることなく、精度の高い速度を得ることができる。
【００７８】
本発明では、上述した実施形態の速度計測装置は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。
【００７９】
例えば、上述した実施形態では、速度計測装置と、電波速度計とは、独立した装置であったが、速度計測装置の中に電波速度計が含まれていても良い。
【００８０】
また、電波速度計は、車両の進行方向に対して、前後及び左右の計４方向に電波を投射して、２つの速度成分を求めても良い。この場合には、第２速度は、例えば、２つの速度成分の二乗和の平方根として求めても良い。
【符号の説明】
【００８１】
１０ 速度計測装置
１１ 加速度計
１２ 加速度算出部
１３ 加速度補正部
１４ 速度算出部
１５ 速度減算部
１６ カルマンフィルタ
１７ 速度判断部
１８ 速度切替え部
１９ 速度周波数変換部
２０ 電波速度計
２１ アンテナ
２２ 送受信部
２３ 周波数追跡部
２４ 周波数速度変換部
３０ 計算部
３１ 演算部
３２ 記憶部
３３ 入力部
３４ 出力部
Ｖ１ 第１速度
Ｖ２ 第２速度
Ａ１ 第１加速度
Ａ２ 第２加速度
ΔＡ 加速度補正値
ΔＶ 速度補正値
Ｆｄ ドップラ周波数
Ｓ１ 速度切替え信号
Ｓ２ 停止信号
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直交する３軸方向それぞれの加速度成分を計測する加速度計と、
前記加速度計から入力した直交する３軸方向それぞれの前記加速度成分を合成して得られた加速度から、重力加速度を減算した第１加速度を求める加速度算出部と、
前記第１加速度を補正して第２加速度を求める加速度補正部と、
前記第２加速度に基づいて第１速度を求める速度算出部と、
前記第１速度から、ドップラ周波数を用いて速度を計測する電波速度計により計測された第２速度を減算した速度差を求める速度減算部と、
前記速度差を入力して、加速度補正値及び速度補正値を求めるカルマンフィルタと、
を備え、
前記加速度補正部は、前記第１加速度に対して、前記加速度補正値を補正した値を前記第２加速度として求め、
前記速度算出部は、前記第２加速度を時間積分して求めた速度に対して、前記速度補正値を補正した値を前記第１速度として求める速度計測装置。
【請求項２】
前記第１速度を入力し、前記第１速度が所定の閾値以下である場合には、速度切替え信号を出力する速度判断部と、
電波速度計により計測された前記第２速度を入力し、前記速度判断部が前記速度切替え信号を出力していない場合には、前記第２速度を前記速度減算部に出力し、前記速度判断部が前記速度切替え信号を出力している場合には、前記第２速度としてゼロを前記速度減算部に出力する速度切替え部と、
を備える請求項１に記載の速度計測装置。
【請求項３】
前記第２速度を計測する電波速度計は、電波信号からドップラ周波数を求める周波数追跡部を有しており、
前記速度算出部が求めた前記第１速度を入力して、前記第１速度に対応するドップラ周波数を求め、求めたドップラ周波数を前記周波数追跡部に出力する速度周波数変換部を備える請求項１又は２に記載の速度計測装置。
【請求項４】
前記周波数追跡部は、ドップラ周波数を求めるための電波信号が入力されない状態の後に、再度、ドップラ周波数を求めるための電波信号が入力された場合には、前記速度周波数変換部から入力したドップラ周波数に基づいて走査する周波数範囲を特定し、電波信号からドップラ周波数を求める請求項３に記載の速度計測装置。
【請求項５】
前記周波数追跡部は、ドップラ周波数を求めるための電波信号が入力されない場合には、前記カルマンフィルタに対して前記加速度補正値及び前記速度補正値を求める処理を停止させる信号を出力する請求項３又は４に記載の速度計測装置。
【請求項６】
前記加速度算出部は、前記加速度計が計測した直交する３軸方向それぞれの前記加速度成分の二乗和の平行根である加速度を求めて、この加速度の二乗から重力加速度の二乗を減算した値の平行根を前記第１加速度として求め、
前記速度算出部は、前記第２加速度を時間積分して求めた速度に対して、前記速度補正値を減算した値を前記第１速度として求める請求項１〜５の何れか一項に記載の速度計測装置。
【請求項１】
直交する３軸方向それぞれの加速度成分を計測する加速度計と、
前記加速度計から入力した直交する３軸方向それぞれの前記加速度成分を合成して得られた加速度から、重力加速度を減算した第１加速度を求める加速度算出部と、
前記第１加速度を補正して第２加速度を求める加速度補正部と、
前記第２加速度に基づいて第１速度を求める速度算出部と、
前記第１速度から、ドップラ周波数を用いて速度を計測する電波速度計により計測された第２速度を減算した速度差を求める速度減算部と、
前記速度差を入力して、加速度補正値及び速度補正値を求めるカルマンフィルタと、
を備え、
前記加速度補正部は、前記第１加速度に対して、前記加速度補正値を補正した値を前記第２加速度として求め、
前記速度算出部は、前記第２加速度を時間積分して求めた速度に対して、前記速度補正値を補正した値を前記第１速度として求める速度計測装置。
【請求項２】
前記第１速度を入力し、前記第１速度が所定の閾値以下である場合には、速度切替え信号を出力する速度判断部と、
電波速度計により計測された前記第２速度を入力し、前記速度判断部が前記速度切替え信号を出力していない場合には、前記第２速度を前記速度減算部に出力し、前記速度判断部が前記速度切替え信号を出力している場合には、前記第２速度としてゼロを前記速度減算部に出力する速度切替え部と、
を備える請求項１に記載の速度計測装置。
【請求項３】
前記第２速度を計測する電波速度計は、電波信号からドップラ周波数を求める周波数追跡部を有しており、
前記速度算出部が求めた前記第１速度を入力して、前記第１速度に対応するドップラ周波数を求め、求めたドップラ周波数を前記周波数追跡部に出力する速度周波数変換部を備える請求項１又は２に記載の速度計測装置。
【請求項４】
前記周波数追跡部は、ドップラ周波数を求めるための電波信号が入力されない状態の後に、再度、ドップラ周波数を求めるための電波信号が入力された場合には、前記速度周波数変換部から入力したドップラ周波数に基づいて走査する周波数範囲を特定し、電波信号からドップラ周波数を求める請求項３に記載の速度計測装置。
【請求項５】
前記周波数追跡部は、ドップラ周波数を求めるための電波信号が入力されない場合には、前記カルマンフィルタに対して前記加速度補正値及び前記速度補正値を求める処理を停止させる信号を出力する請求項３又は４に記載の速度計測装置。
【請求項６】
前記加速度算出部は、前記加速度計が計測した直交する３軸方向それぞれの前記加速度成分の二乗和の平行根である加速度を求めて、この加速度の二乗から重力加速度の二乗を減算した値の平行根を前記第１加速度として求め、
前記速度算出部は、前記第２加速度を時間積分して求めた速度に対して、前記速度補正値を減算した値を前記第１速度として求める請求項１〜５の何れか一項に記載の速度計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２２０２７９（Ｐ２０１２−２２０２７９Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８４６０６（Ｐ２０１１−８４６０６）
【出願日】平成２３年４月６日（２０１１．４．６）
【出願人】（０００１７６７３０）三菱プレシジョン株式会社 (97)
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月６日（２０１１．４．６）
【出願人】（０００１７６７３０）三菱プレシジョン株式会社 (97)
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