(57)【要約】【課題】  より少ない磁気検出素子数で、コンパクトな自立航法センサを提供すること。【解決手段】  自立航法センサは、車両に設置され、車両に備わる少なくとも１個のタイヤに備わるスチールベルトの残留磁気による磁界と、地磁気に基づく磁界との合成磁界を検出するＸ軸磁気検出素子１１と、Ｘ軸磁気検出素子１１が検出対象とする合成磁界と直交する直交磁界を検出するＹ軸磁気検出素子１３とを備える。ここで、両磁気検出素子１１及び１３はタイヤ近傍に配置される。自立航法センサはさらに、Ｘ軸磁気検出素子１１で検出された合成磁界及び／又はＹ軸磁気検出素子１３で検出された直交磁界に基づいて、車両に備わる車輪の回転を表す回転信号を生成する回転信号生成部３と、Ｘ軸磁気検出素子１１で検出された合成磁界及び／又はＹ軸磁気検出素子１３で検出された直交磁界に基づいて、車両の向き方位を算出する方位角算出部４とを備える。【選択図】  図１
2006138739.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に設置される自立航法センサであって、
前記車両に備わる少なくとも１個のタイヤに備わるスチールベルトの残留磁気による磁界と、地磁気に基づく磁界との合成磁界を検出する第１の磁気検出素子と、
前記第１の磁気検出素子が検出対象とする合成磁界と直交する直交磁界を検出する第２の磁気検出素子とを備え、
前記第１及び前記第２の磁気検出素子は前記タイヤ近傍に配置され、
前記自立航法センサはさらに、
前記第１の磁気検出素子で検出された合成磁界及び／又は前記第２の磁気検出素子で検出された直交磁界に基づいて、前記車両に備わる車輪の回転を表す回転信号を生成する回転信号生成部と、
前記第１の磁気検出素子で検出された合成磁界及び／又は前記第２の磁気検出素子で検出された直交磁界に基づいて、前記車両の向き方位を算出する方位角算出部とを備える、自立航法センサ。
【請求項２】
前記自立航法センサはさらに、
前記第１の磁気検出素子で検出された合成磁界から、地磁気に基づく磁界成分を取り出す第１の低周波成分抽出部と、
前記第１の磁気検出素子で検出された合成磁界から、前記第１の低周波成分抽出部で取り出された磁界成分を取り除き、高周波信号として回転信号生成部に出力するオフセット補正部とを備える、自立航法センサ。
【請求項３】
前記第１の低周波成分抽出部は、自身が取り出した磁界成分を、第１の低周波信号として前記方位角算出部に与え、
前記自立航法センサはさらに、前記第２の磁気検出素子で検出された直交磁界から、地磁気に基づく磁界成分を取り出して、第２の低周波信号として前記方位角算出部に与える第２の低周波成分抽出部を備え、
前記方位角算出部は、前記第１及び第２の低周波成分抽出部から得られる第１及び第２の低周波信号に基づいて、前記車両の向き方位を算出する、請求項２に記載の自立航法センサ。
【請求項４】
少なくとも前記第１及び第２の磁気検出素子を収容する検出素子ユニットをさらに備え、
前記検出素子ユニットは、前記タイヤの近傍に設置される、請求項１に記載の自立航法センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自立航法センサに関し、より特定的には、車両の速度及び方位を導出するために必要なパラメータを、磁気センサを用いて検出する自立航法センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車載ナビゲーションシステムでは、電波航法による測位だけでなく、自立航法による測位も行われている（ハイブリッド航法）。典型的な自立航法では、ジャイロセンサにより検出された車両の向きの変化と、車速パルス発生器から得られる車速パルスとから、車両の進行方向及び移動距離が導出される。しかしながら、車速パルスを取り出すことは、専門的な知識及び／又は工事が必要であるため、一般ユーザには非常に難しい。
【０００３】
以上のような背景から、従来、タイヤのスチールベルトの残留磁化による磁界を検出して、検出した磁界に基づいてタイヤの回転数を検出する車輪の回転検出装置が、上記のような検出装置の一つとして提案されている。具体的には、回転検出装置は、スチールベルトと、２個１組の磁気検出素子と、演算装置とを備えている。
【０００４】
スチールベルトは、車両のリアタイヤの内部に取り付けられている。
【０００５】
２個の磁気検出素子は、車両のトランクルーム内であって、磁界の測定対象となるリアタイヤの近傍に、互いの磁気検出方向が平行になるように配置される。このような２個の磁気検出素子を使って、リアタイヤの回転による磁界の変化が差動検出される。２個の磁気検出素子で差動検出を行うのは外乱磁界の影響を軽減するためである。
【０００６】
ここで、測定対象がリアタイヤであることが好ましい。なぜなら、車両のフロントタイヤは操舵に応じて変位するので、スチールベルトと２個の磁気検出素子との位置関係が経時変化する可能性が高く、磁気検出素子が磁界を正しく検出できない可能性があるからである。
【０００７】
演算装置は、これら磁気検出素子からの差動出力により、リアタイヤの回転を検知する。具体的には、演算装置は、差動出力の波形中に存在する複数のピークのうち、直前のピークとの間の電位差が所定のしきい値以上あるピークを、リアタイヤの回転数を検知するために必要な有効ピークとして検出し、この有効ピークの検出数から、タイヤ回転数の整数倍のパルスを出力する。また、車載ナビゲーションシステムは、回転検出装置から送られてくるパルスの数に、一定の係数を乗じることにより、車両の移動距離を求めている。
【０００８】
以上のような従来の回転検出装置は、典型的には車両のトランクルームに設置可能であるため、一般ユーザにも容易に回転検出装置を取り付け可能となる（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１０−１１５６２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
以上の回転検出装置は、２個の磁気検出素子を用いてタイヤの回転数のみを検出しているが、自立航法を実現するには、移動距離（又はそれに相関する車速）以外にも、車体の向きの変化を検出する専用のセンサを車両に設置する必要がある。従って、本来移動距離の検出に用いられる磁気検出素子を、車体向きの変化を検出するために兼用できれば有効である。
【００１０】
しかしながら、車体の向き変化は地磁気の測定結果に相関するので、タイヤから発生する磁界の影響を受ける各磁気検出素子は、地磁気の測定に向かない。それ故、従来の回転検出装置を使って、自立航法センサを実現する場合、回転検出装置から離れた位置（例えば車両の中心近傍）に、車体の向き変化を検出するための地磁気センサを設置する必要があった。自立航法センサ向けの地磁気センサは、いわゆる２軸タイプのものであり、少なくとも２個の磁気検出素子を備えている。
【００１１】
以上のことから、従来の回転検出装置を用いて自立航法センサを実現するには、多くの磁気検出素子が必要となるという問題点がある。他にも、回転検出装置及びジャイロセンサが車両において互いに離れた位置に設置される必要があるので、自立航法センサとしてのサイズが大きくなったり、その設置に手間がかかったりするという問題点がある。
【００１２】
なお、地磁気センサの代わりにジャイロセンサを用いたとしても、上述と同様の問題点が生じる。
【００１３】
それ故に、本発明の目的は、より少ない磁気検出素子数で、コンパクトな自立航法センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するため、本発明の一局面は、車両に設置される自立航法センサであって、車両に備わる少なくとも１個のタイヤに備わるスチールベルトの残留磁気による磁界と、地磁気に基づく磁界との合成磁界を検出する第１の磁気検出素子と、第１の磁気検出素子が検出対象とする合成磁界と直交する直交磁界を検出する第２の磁気検出素子とを備える。ここで、第１及び第２の磁気検出素子はタイヤ近傍に配置される。また、自立航法センサはさらに、第１の磁気検出素子で検出された合成磁界及び／又は第２の磁気検出素子で検出された直交磁界に基づいて、車両に備わる車輪の回転を表す回転信号を生成する回転信号生成部と、第１の磁気検出素子で検出された合成磁界及び／又は第２の磁気検出素子で検出された直交磁界に基づいて、車両の向き方位を算出する方位角算出部とを備える。
【００１５】
好ましくは、自立航法センサはさらに、第１の磁気検出素子で検出された合成磁界から、地磁気に基づく磁界成分を取り出す第１の低周波成分抽出部と、第１の磁気検出素子で検出された合成磁界から、第１の低周波成分抽出部で取り出された磁界成分を取り除き、高周波信号として回転信号生成部に出力するオフセット補正部とを備える。
【００１６】
また、好ましくは、第１の低周波成分抽出部は、自身が取り出した磁界成分を、第１の低周波信号として方位角算出部に与える。自立航法センサはさらに、第２の磁気検出素子で検出された直交磁界から、地磁気に基づく磁界成分を取り出して、第２の低周波信号として方位角算出部に与える第２の低周波成分抽出部を備える。方位角算出部は、第１及び第２の低周波成分抽出部から得られる第１及び第２の低周波信号に基づいて、車両の向き方位を算出する。
【００１７】
また、好ましくは、自立航法センサは、少なくとも第１及び第２の磁気検出素子を収容する検出素子ユニットをさらに備える。ここで、検出素子ユニットは、タイヤの近傍に設置される。
【発明の効果】
【００１８】
以上のように、一局面に係る自立航法センサによれば、互いに直交する磁界を検出可能な第１及び第２の磁気検出素子を用いて、車輪の回転と、車両の向きとを検出することができる。これによって、より少ない磁気検出素子数で、コンパクトな自立航法センサを提供することが可能となる。
【００１９】
本発明の上記及びその他の目的、特徴、局面及び利点は、以下に述べる本発明の詳細な説明を添付の図面とともに理解したとき、より明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る自立航法センサの内部構成を示すブロック図である。図１において、自立航法センサは、車両に設置され、車両に備わる車輪の回転数及び車体の向き変化を求めるために、検出素子ユニット１と、フィルタリング部２と、回転信号生成部３と、方位角算出部４とを備えている。
【００２１】
検出素子ユニット１は好ましくは、Ｘ軸磁気検出素子１１と、第１のＡＤ変換器１２と、Ｙ軸磁気検出素子１３と、第２のＡＤ変換器１４とを収容しており、いずれかの後輪のタイヤハウスの近傍（例えば車両のトランクルーム内）に設置される。
【００２２】
Ｘ軸磁気検出素子１１は、自身の検出軸（Ｘ軸）が車両の前後方向に対して実質的に垂直にかつ地面に対して実質的に平行に、さらに、車輪に近接する位置に取り付けられる。より具体的には、車両が磁東を向いた時、Ｘ軸磁気検出素子１１は最大の強さの地磁気を検出するように、Ｘ軸磁気検出素子１１は取り付けられる。このような位置でＸ軸磁気検出素子１１は、自身の周囲に発生する磁界の強さを検出する。
【００２３】
ここで、Ｘ軸磁気検出素子１１の周囲には、地磁気に基づく磁界（以下、第１の磁界と称する）が発生するが、そこで検出される地磁気の強さは車体の向きにより変化する。
【００２４】
また、車両のタイヤ内にそれぞれ備わるスチールベルトは残留磁化を持ち、タイヤ外部に磁界を放出している。これによって、Ｘ軸磁気検出素子１１の周囲には、タイヤの残留磁気に基づく磁界（以下、第２の磁界と称する）も形成される。この磁界の強さは車両が移動しタイヤが回転するとタイヤの回転位相に応じて変化する。
【００２５】
以上のことから、車両が走行つまり車輪が回転すると、Ｘ軸磁気検出素子１１は、第１の磁界及び第２の磁界が合成された合成磁界の強さを検出することになる。Ｘ磁気検出素子１１は、自身が検出した磁界の強さを表すアナログ信号（以下、第１の磁界信号と称する）を、第１のＡＤ変換器１２に出力する。
【００２６】
なお、Ｘ軸磁気検出素子１１は、いずれかの後輪近傍に取り付けられることが好ましい。一般的に、後輪の操舵量は、実質的に０か、前輪の操舵量よりもはるかに少ないので、上記のような位置に取り付けられることで、Ｘ軸磁気検出素子１１により検出される第２の磁界の強さに、後輪の変位に起因する誤差が重畳されないか、重畳されたとしても、そのような誤差がわずかだからである。
【００２７】
第１のＡＤ変換器１２は、予め定められたサンプリング周期（例えば１０［ｍｓ］）で、Ｘ軸磁気検出素子１１からの第１の磁界信号をデジタル信号に変換して、第１のデジタル磁界信号としてフィルタリング部２に出力する。
【００２８】
Ｙ軸磁気検出素子１３は、自身の検出軸（Ｙ軸）がＸ軸と実質的に直交するようにかつ地面に対して実質的に平行に取り付けられる。また、Ｙ軸磁気検出素子１３は、好ましくは、Ｘ軸磁気検出素子１１に近接する位置に取り付けられる。より具体的には、車両が磁北を向いた時、Ｙ軸磁気検出素子１３は最大の強さの地磁気を検出するように、Ｙ軸磁気検出素子１３は取り付けられる。
【００２９】
上記の位置において、Ｙ軸磁気検出素子１３もまた、Ｘ軸磁気検出素子１１と同様に、第１及び第２の磁界の合成磁界の強さを電圧に変換して、その強さを表すアナログ信号（以下、第２の磁界信号と称する）を、第２のＡＤ変換器１４に出力する。ただし、Ｙ軸磁気検出素子１３により検出されるのは、Ｘ軸磁気検出素子１１が検出対象とする合成磁界と直交する向きを有する合成磁界である。
【００３０】
第２のＡＤ変換器１４は典型的には、第１のＡＤ変換器１２と実質的に同じサンプリング周期で、入力された第２の磁界信号をデジタル信号に変換して、第２のデジタル磁界信号としてフィルタリング部２に出力する。
【００３１】
なお、上述の両ＡＤ変換器１２及び１４は予め定められた周期でサンプリングを実行するが、車輪の回転及び車体の向き変化の検出精度を上げる観点からは、各サンプリング周期は、より短い（例えば１０［ｍｓ］）であることが好ましい。また、両ＡＤ変換器１２及び１４のサンプリング周期は互いに異なっていても構わない。
【００３２】
また、本実施形態では好ましい例として、両ＡＤ変換器１２及び１４は検出素子ユニット１に収容されるとして説明するが、これに限らず、両ＡＤ変換器１２及び１４は検出素子ユニット１の外部に、各磁気検出素子１１及び１３と接続された状態で設置されても構わない。さらに、Ｘ軸磁気検出素子１１及びＹ軸磁気検出素子１３は互いに独立した素子であっても構わないし、例えば２軸タイプの地磁気センサ又はジャイロセンサのように、互いに一体化されていても構わない。
【００３３】
フィルタリング部２は、第１のＡＤ変換器１２及び第２のＡＤ変換器１４のサンプリング周期で、それぞれから出力される第１及び第２のデジタル磁界信号を取り込む。取り込んだ第１及び第２のデジタル磁界信号に対してフィルタリング処理を行うために、第１の低周波成分抽出部２１と、第２の低周波成分抽出部２２と、オフセット補正部２３とを含む。
【００３４】
第１の低周波成分抽出部２１は、第１のＡＤ変換器１２から出力された第１のデジタル磁界信号を、フィルタリング部２内のバッファ（図示せず）に取り込む。
【００３５】
ここで、第１のデジタル磁界信号は、第１の磁界成分と、第２の磁界成分とが合成されたものであるが、車両の転回と、車輪の回転とを比較すると、車両の転回速度の方が車輪の回転よりも緩やかであるから、第１のデジタル磁界信号において、第１の磁界成分を表す周波数成分（以下、第１の周波数成分と称する）は、第２の磁界成分を表す周波数成分（以下、第２の周波数成分と称する）よりもはるかに低い周波数帯に分布する。従って、第１のデジタル磁界信号は、図２の最上段（ａ）に示すように、タイヤの回転（毎秒１−１０回程度）に起因する急峻な変化が繰り返し起こる波形に、車両の向きの変化に起因する緩やかな波形が重畳されたものになる。なお、図２では、図示の都合上、又は理解の容易さを考慮して、アナログ的な波形が描かれている。
【００３６】
第１の低周波成分抽出部２１は、例えばカットオフ周波数が１Ｈｚ以下のローパスフィルタで実現され、入力された第１のデジタル磁界信号から、図２の中段（ｂ）に示すような波形で、Ｘ軸方向を基準とした車両の向き変化を表す低域成分のみを取り出して、第１の低周波信号として、オフセット補正部２３と、方位角算出部４とに出力する。
【００３７】
第２の低周波成分抽出部２２は、第２のＡＤ変換器１４から出力された第２のデジタル磁界信号を、フィルタリング部２内のバッファ（図示せず）に取り込む。その後、第２の低周波成分抽出部２２は、第１の低周波成分抽出部２１と同じ要領で、入力された第２のデジタル磁界信号から、Ｙ軸方向を基準とした車両の向き変化を表す低域成分のみを取り出して、第２の低周波信号として、方位角算出部４とに出力する。
【００３８】
オフセット補正部２３は、第１のＡＤ変換器１２からの第１のデジタル磁界信号と、第１の低周波成分抽出部２１からの第１の低周波信号を、フィルタリング部２内のバッファ（図示せず）に取り込む。その後、オフセット補正部２３は、入力された第１のデジタル磁界信号から、入力された第１の低周波信号を減算して、第１のデジタル磁界信号から、第１の磁界成分（つまり、地磁気に基づく磁界成分）をキャンセルして、図２の下段（ｃ）に示すような、第２の磁界成分（つまりタイヤの残留磁気に基づく磁界成分）を含む高周波信号を生成し、回転信号生成部３に出力する。
【００３９】
なお、以上の説明では、オフセット補正部２３は、Ｘ軸磁気検出素子１１が近接するタイヤの残留磁気に基づく高周波信号を生成するとして説明した。しかし、これに限らず、両磁気検出素子１１及び１３の組み合わせを、左右の後輪近傍にそれぞれ配置し、オフセット補正部２３は、左右両方の後部タイヤの残留磁気に基づく高周波信号をそれぞれ生成し、両高周波信号の平均値を表す信号を生成したり、Ｓ／Ｎの良い方を選択したりしても良い。
【００４０】
回転信号生成部３は、入力された高周波信号から、車輪の回転を表す回転信号を生成する。ここで、図３は、回転信号生成部３における処理の説明するための模式図である。まず、図３の上段（ｄ）に示すように、入力された高周波信号には、タイヤの回転周波数を基本周波数とするが、不必要な高周波成分及び／又は雑音成分が重畳されている場合が多い。回転信号生成部３は、ローパスフィルタリングにより、入力された高周波信号から、不必要な高周波成分及び／又は雑音成分を取り除き、図３の中段（ｅ）に示すような基本周波数帯の成分のみを、中間信号として取り出す。その後、回転信号生成部３は、本自立航法センサの後ろに一般的に接続されるナビゲーションシステムとのインタフェイスのために、予め定められた２個の第１及び第２の閾値Ｒ1 及びＲ2 を使って、自身が生成した中間信号を２値化する。具体的には、中間信号において、相対的に大きな値を有する第１の閾値Ｒ1 を超える時間区間に「Ｈｉ」を割り当て、相対的に小さな値の第２の閾値Ｒ2 を下回る時間区間に「Ｌｏ」を割り当てる。このような２値化により生成された信号を、回転信号生成部３は、車輪の回転を表す回転信号として、後段のナビゲーションシステム等に出力する。
【００４１】
なお、本実施形態では、ナビゲーションシステムとのインタフェイスのため、回転信号生成部３はパルス化された回転信号を生成していた。しかし、これに限らず、図３の中段（ｅ）に示すような中間信号もまた車輪の回転を表すため、回転信号生成部３は、中間信号をそのままナビゲーションシステムに与えても構わない。
【００４２】
方位角算出部４は、第１の低周波成分抽出部２１からの第１の低周波信号と、第２の低周波成分抽出部２２からの第２の低周波信号とを取り込む。ここで、第１の低周波信号は、Ｘ軸を基準とする地磁気の相対的変化を表し、第２の低周波信号は、Ｙ軸を基準とする地磁気の相対的変化を表す。換言すれば、第１の低周波信号は車両の左右方向の地磁気成分の変化を表し、第２の低周波信号は車両の前後方向の地磁気成分の変化を表す。また、第１の低周波信号において、サンプリング周期毎の値をｘとし、第２の低周波信号において、サンプリング周期毎の値をｙとすると、方位角算出部４は、次式（１）に従って、車両の向き方位θｄを求める。このような方位θｄもまた、後段のナビゲーションシステム等に出力される。
【００４３】
θｄ＝ｔａｎ-1（ｙ／ｘ）    …（１）
ナビゲーションシステムは、ＧＰＳ衛星が受信可能なときはＧＰＳ受信機からの情報により車両の絶対位置と移動速度とを求める。また、ナビゲーションシステムは、ＧＰＳ受信機からの情報を使って移動速度と、回転信号生成部３から得られる回転信号における単位時間当たりのパルス数との比を取り、１パルス当たりの移動距離である変換係数を求める。
【００４４】
また、ナビゲーションシステムは、典型的にはトンネル又はビル影のようにＧＰＳ衛星を捕捉できない場所で、又はＧＰＳ受信機の情報から求めた車両の位置が誤りと判断したとき、自立航法センサから得られた回転信号及び方位θｄから自立的に、車両の現在地を算出する。ここで、車両の東向きの座標をｌｘ、北向きの座標をｌｙとすると、現在位置（ｌｘ(i) ，ｌｙ(i) ）は、直前に算出した位置（ｌｘ(i-1) ，ｌｙ(i-1) ）を用いて、次式（２）及び（３）に従って算出される。
【００４５】
ｌｘ(i)＝ｌｘ(i-1)+相対移動距離×ｃｏｓ（θｄ）    …（２）
ｌｙ(i)＝ｌｙ(i-1)+変換係数×パルス数×ｓｉｎ（θｄ）    …（３）
ここで、相対移動距離は、変換係数×検出したパルス数である。
【００４６】
以上説明したように、本実施形態に係る自立航法センサによれば、第１の低周波成分抽出部２１において、第１のデジタル磁界信号から、地磁気に基づく磁界成分を表す第１の低周波信号が取り出される。また、オフセット補正部２３は、地磁気に基づく磁界成分が重畳されている第１のデジタル磁界信号から、第１の低周波信号を引き算して、第１のデジタル磁界信号から、地磁気に基づく磁界成分を正確にキャンセルする。このようにして得られる高周波信号を使って、回転信号生成部３は、回転信号を生成する。
【００４７】
また、同じＸ軸磁気検出素子１１及びＹ軸磁気検出素子１３からの第１の磁界信号及び第２の磁界信号を使って、方位角算出部４は車両の方位を算出できると共に、回転信号生成部３は、少なくとも第１の磁界信号又は第２の磁界信号のいずれかを使って、車輪の回転数を正確に表す回転信号を生成することができる。その結果、従来よりも少ない個数の磁気検出素子で、コンパクトな自立航法センサを実現することが可能となる。また、付随的に、各磁気検出素子１１及び１３はユニット化可能で、さらに、他の磁気検出素子が不要となるので、自立航法センサの設置が簡単になる。
【００４８】
本発明を詳細に説明したが、上記説明はあらゆる意味において例示的なものであり限定的なものではない。本発明の範囲から逸脱することなしに多くの他の改変例及び変形例が可能であることが理解される。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明に係る自立航法センサは、コンパクトさが要求されるナビゲーションシステム等に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施形態に係る自立航法センサの内部構成を示すブロック図
【図２】図１に示すフィルタリング部２の要部それぞれにおける波形図
【図３】図１に示す回転信号生成部３における処理の説明するための模式図
【符号の説明】
【００５１】
１  検出素子ユニット
１１  Ｘ軸磁気検出素子
１３  Ｙ軸磁気検出素子
２  フィルタリング部
２１  第１の低周波成分抽出部
２２  第２の低周波成分抽出部
２３  オフセット補正部
３  回転信号生成部部
４  方位角算出部
【図１】
2006138739.tif 000003
【図２】
2006138739.tif 000004
【図３】
2006138739.tif 000005