(57)【要約】【課題】外部からの信号に頼ることなく、移動速度を精度良く算出できる速度算出装置を提供する。【解決手段】ナビゲーション装置１は、加速度取得部１０と、角速度取得部１１と、時間差検出部２３と、速度算出部２４と、を備えている。加速度取得部１０は、前輪又の車軸の上下加速度を取得する。加速度取得部１０は、自動車のピッチ角速度を取得する。時間差検出部２３は、上下加速度とピッチ角速度のあいだの時間差Δτを検出する。速度算出部２４は、車軸間距離２Ｌと、時間差Δτと、の比率に基づいて、自動車の移動速度を算出する。【選択図】図１
2014167929.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも前輪及び後輪を有し、移動面に沿って移動する移動体に搭載される速度算出装置であって、
前記前輪又は後輪の車軸の上下加速度を取得する加速度取得部と、
上記移動体のピッチ角速度を取得する角速度取得部と、
前記上下加速度と前記ピッチ角速度のあいだの時間差を検出する時間差検出部と、
前記前輪の車軸と前記後輪の車軸とのあいだの距離である車軸間距離と、前記時間差と、の比率に基づいて、前記移動体の移動速度を算出する速度算出部と、
を備えることを特徴とする速度算出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の速度算出装置であって、
前記上下加速度を検出する加速度センサと、
前記ピッチ角速度を検出する角速度センサと、
前記加速度センサ、前記角速度センサ、前記加速度取得部、前記角速度取得部、前記時間差検出部、及び前記速度算出部を収容するケースと、
を備え、
前記加速度取得部は、前記加速度センサの出力に基づいて前記上下加速度を取得し、
前記角速度取得部は、前記角速度センサの出力に基づいて前記ピッチ角速度を取得することを特徴とする速度算出装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の速度算出装置であって、
ＧＮＳＳ衛星から受信されたＧＮＳＳ信号を取得するＧＮＳＳ信号取得部と、
前記ＧＮＳＳ信号を適切に受信できている場合に、当該ＧＮＳＳ信号に基づいて前記移動体の現在位置を測位するＧＮＳＳ測位処理部と、
前記ＧＮＳＳ信号を適切に受信できていない場合に、前記速度算出部が算出した移動速度に基づいて現在位置を算出する自律航法処理部と、
を備えることを特徴とする速度算出装置。
【請求項４】
請求項３に記載の速度算出装置であって、
前記ＧＮＳＳ測位処理部は、前記ＧＮＳＳ信号を適切に受信できている場合に、当該ＧＮＳＳ信号に基づいて前記移動体の移動速度を算出可能に構成されており、
前記ＧＮＳＳ測位処理部が算出した移動速度と、前記時間差と、に基づいて、前記車軸間距離を算出する車軸間距離算出部を備え、
前記自律航法処理部は、前記車軸間距離算出部が算出した前記車軸間距離と、前記時間差と、の比率に基づいて、前記移動体の移動速度を算出することを特徴とする速度算出装置。
【請求項５】
請求項１から４までの何れか一項に記載の速度算出装置であって、
前記移動体の前後方向の加速度を取得する前後加速度取得部を備え、
前記速度算出部は、前記車軸間距離と前記時間差との比率、及び前後方向の加速度に基づいて、前記移動体の移動速度を算出することを特徴とする速度算出装置。
【請求項６】
請求項１から５までの何れか一項に記載の速度算出装置であって、
前記速度算出部は、前記上下加速度が極値をとった時刻と、前記ピッチ角速度が極値とった時刻と、の差によって前記時間差を求めることを特徴とする速度算出装置。
【請求項７】
少なくとも前輪及び後輪を有し、移動面に沿って移動する移動体の移動速度を算出する速度算出方法であって、
前記前輪又は後輪の車軸の上下加速度を取得する加速度取得工程と、
上記移動体のピッチ角速度を取得する角速度取得工程と、
前記上下加速度と前記ピッチ角速度のあいだの時間差を検出する時間差検出工程と、
前記前輪の車軸と前記後輪の車軸とのあいだの距離である車軸間距離と、前記時間差と、の比率に基づいて、前記移動体の移動速度を算出する速度算出工程と、
を含むことを特徴とする速度算出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧＰＳナビゲーション装置などにおいて、加速度センサ及び角速度センサを利用して移動速度を算出する自律航法の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）衛星からの信号に基づいて、自身の現在位置を算出する測位装置が知られている。このような測位装置の具体例として、自動車の車体に取り付けられるＧＰＳナビゲーション装置を挙げることができる。ナビゲーション装置は、ＧＰＳ衛星からの信号に基づいて自動車の現在位置などを算出し、当該現在位置の情報などを画面に表示する。【０００３】
この種のナビゲーション装置において、例えば自動車がトンネル内を走行している場合など、ＧＰＳ衛星からの信号を適切に受信できない状況においては、ＧＰＳ衛星からの信号に基づく測位を適切に行うことができない。そこで、一般的なナビゲーション装置は、ＧＰＳ衛星からの信号に頼らずに現在位置の算出を行うこともできるように構成されている（いわゆる自律航法）。【０００４】
ナビゲーション装置において自律航法を実現するためには、自動車の移動速度の情報を何らかの手段によって取得する必要がある。そこで、自動車の移動速度の情報を、当該自動車のスピードメータ等から取得することが考えられる。しかし、このためには自動車の車体とナビゲーション装置との間で配線等が必要となり、例えば後付けタイプやポータブルタイプのナビゲーション装置を車体へ取り付ける作業が煩雑になるという問題がある。【０００５】
そこで、ナビゲーション装置に加速度センサ等を内蔵し、これらのセンサの情報に基づいて、自動車の移動速度を推算する構成が提案されている。例えば一般的な従来のナビゲーション装置は、加速度センサの出力を積分することにより、自動車の移動速度を算出している。しかし、加速度センサの出力を積分する手法では、ある時点からの速度の変化量（相対的な移動速度）を求めることはできるものの、現在の絶対値な移動速度を求めることはできない。この結果、加速度センサの誤差が蓄積して正確な移動速度を得ることが難しいという問題がある。【０００６】
これに関し、特許文献１は、垂直方向の加速度とピッチレート（ピッチ角速度）の時間差ΔＴ、ナビゲーション装置の設置位置からピッチ角速度が作用するとみなしうる位置までの距離Ｄ、及び車両の速度ＶＴの間には、時間、距離、及び速度の一般的な関係が成り立つとして、ＶＴ＝Ｄ／ΔＴなる式を開示している（特許文献１の式（１））。そのうえで、特許文献１は、時間差ΔＴと距離Ｄの比率を基に、速度ＶＴを算出する速度算出装置を開示している。特許文献１は、これにより、移動体の速度を精度良く算出できるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−１１７８４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のように、特許文献１は、「ナビゲーション装置の設置位置からピッチ角速度が作用するとみなしうる位置までの距離Ｄ」をパラメータとして、移動体の速度ＶＴを算出している。特許文献１では、前後車軸間の中点にピッチ角速度が作用するとみなしている。従って、特許文献１の式（１）を厳密に適用できるのは、前後車軸間の中点にピッチ角速度が作用しているとみなせる場合に限られる。ところが、例えば前輪の上下位置が変わらずに、後輪のみが上下した場合、前輪の位置を中心に車体が回転するので、当該前輪の位置にピッチ角速度が作用するとみなすことができる。逆に、後輪の上下位置が変わらずに、前輪のみが上下した場合、後輪の位置を中心に車体が回転するので、当該後輪の位置にピッチ角速度が作用するとみなすことができる。このように、ピッチ角速度が作用するとみなしうる位置は、車体の姿勢変化の態様によって異なる。そして、車体の姿勢変化の態様は、随時変化し得る。従って、前後車軸間の中点にピッチ角速度が作用していることを前提とした特許文献１の式（１）では、車体の実際の移動速度を正確に算出できるとは限らない。【０００９】
また、特許文献１は、「時間差ΔＴ、距離Ｄ、及び速度ＶＴの間に、時間、距離、及び速度の一般的な関係が成り立つ」ことを前提としている。この前提は一見すると正しそうに思われるが、実際には根拠不明である。従って、このような前提が成り立つ条件（自動車全般に適用できるのか、それとも四輪の自動車に限られるのか、二輪車に適用することは可能かなど）も不明であり、信頼性が乏しい。このため、特許文献１の手法によって実際に車両の速度ＶＴを算出できるのか、若干の疑問が残る。【００１０】
本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、外部からの信号に頼ることなく、移動速度を精度良く算出できる速度算出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び効果】
【００１１】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。
【００１２】
本発明の観点によれば、前輪及び後輪を有し、移動面に沿って移動する移動体に搭載される速度算出装置の以下の構成が提供される。即ち、この速度算出装置は、加速度取得部と、角速度取得部と、時間差検出部と、速度算出部と、を備える。前記加速度取得部は、前記前輪又は後輪の車軸の上下加速度を取得する。前記加速度取得部は、上記移動体のピッチ角速度を取得する。前記時間差検出部は、前記上下加速度と前記ピッチ角速度のあいだの時間差を検出する。前記速度算出部は、前記前輪の車軸と前記後輪の車軸とのあいだの距離である車軸間距離と、前記時間差と、の比率に基づいて、前記移動体の移動速度を算出する。
【００１３】
即ち、車体の前輪及び後輪は路面の凹凸によって上下に変位し、この結果として車体のピッチ角が変化する。従って、前輪又は後輪の上下加速度と、車体のピッチ角速度との間には、路面に対する車体の移動速度、及び車軸間の距離に応じた時間差が生じる。そこで、車軸間距離と前記時間差との比率に基づいて、路面に対する車体の移動速度（絶対速度）を精度良く算出することができる。
【００１４】
上記の速度算出装置は、以下のように構成されることが好ましい。即ち、この速度算出装置は、前記上下加速度を検出する加速度センサと、前記ピッチ角速度を検出する角速度センサと、ケースと、を備える。前記ケースは、前記加速度センサ、前記角速度センサ、前記加速度取得部、前記角速度取得部、前記時間差検出部、及び前記速度算出部を収容する。前記加速度取得部は、前記加速度センサの出力に基づいて前記上下加速度を取得する。前記角速度取得部は、前記角速度センサの出力に基づいて前記ピッチ角速度を取得する。
【００１５】
このように、加速度センサと角速度センサをケースに内蔵することにより、外部のセンサなどを速度算出装置に接続する必要がないので、当該速度算出装置の設置作業などが容易になる。
【００１６】
上記の速度算出装置は、以下のように構成されることが好ましい。即ち、この速度算出装置は、ＧＮＳＳ信号取得部と、ＧＮＳＳ測位処理部と、自律航法処理部と、を備える。前記ＧＮＳＳ信号取得部は、ＧＮＳＳ衛星から受信されたＧＮＳＳ信号を取得する。前記ＧＮＳＳ測位処理部は、前記ＧＮＳＳ信号を適切に受信できている場合に、当該ＧＮＳＳ信号に基づいて前記移動体の現在位置を測位する。前記自律航法処理部は、前記ＧＮＳＳ信号を適切に受信できていない場合に、前記速度算出部が算出した移動速度に基づいて現在位置を算出する。
【００１７】
これにより、ＧＮＳＳ信号を適切に受信できているか否かにかわらず、移動体の現在位置を取得できる。
【００１８】
上記の速度算出装置は、以下のように構成されることが好ましい。即ち、前記ＧＮＳＳ測位処理部は、前記ＧＮＳＳ信号を適切に受信できている場合に、当該ＧＮＳＳ信号に基づいて前記移動体の移動速度を算出可能に構成されている。速度算出装置は、前記ＧＮＳＳ測位処理部が算出した移動速度と、前記時間差と、に基づいて、前記車軸間距離を算出する車軸間距離算出部を備える。前記自律航法処理部は、前記車軸間距離算出部が算出した前記車軸間距離と、前記時間差と、の比率に基づいて、前記移動体の移動速度を算出する。
【００１９】
これによれば、例えば車軸間距離が不明の場合であっても、ＧＮＳＳ信号を受信できている間に車軸間距離を算出しておくことで、速度算出部において移動速度を求めることができるようになる。
【００２０】
上記の速度算出装置は、以下のように構成されることが好ましい。即ち、この速度算出装置は、前記移動体の前後方向の加速度を取得する前後加速度取得部を備える。前記速度算出部は、前記車軸間距離と前記時間差との比率、及び前後方向の加速度に基づいて、前記移動体の移動速度を算出する。
【００２１】
このように、車体の前後方向の加速度を考慮することにより、移動速度をより正確に求めることができる。
【００２２】
上記の速度算出装置において、前記速度算出部は、前記上下加速度が極値をとった時刻と、前記ピッチ角速度が極値をとった時刻と、の差によって前記時間差を求めることを特徴とする速度算出装置。
【００２３】
時間差を検出するためには、上下加速度の波形と、ピッチ角速度の波形と、の時間軸方向のズレを検出すれば良いが、波形同士を直接比較する場合は演算負荷が大きくなる。そこで、上下加速度の波形と、ピッチ角速度の波形と、の極値をそれぞれ検出し、両者の時間差を求めることで、波形のズレを簡単に検出できる。
【００２４】
本発明の別の観点によれば、前輪及び後輪を有し、移動面に沿って移動する移動体の移動速度を算出する速度算出方法が提供される。即ち、この速度算出方法は、加速度取得工程と、角速度取得工程と、時間差検出工程と、速度算出工程と、を含む。前記加速度取得工程では、前記前輪又は後輪の車軸の上下加速度を取得する。前記角速度取得工程では、上記移動体のピッチ角速度を取得する。前記時間差取得工程では、前記上下加速度と前記ピッチ角速度のあいだの時間差を検出する。前記速度算出工程では、前記前輪の車軸と前記後輪の車軸とのあいだの距離である車軸間距離と、前記時間差と、の比率に基づいて、前記移動体の移動速度を算出する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施形態に係るナビゲーション装置のブロック図。
【図２】車体のモデルを示す図。
【図３】時間差検出部における処理の流れを示すブロック図。
【図４】変形例に係るナビゲーション装置のブロック図。
【図５】速度算出装置の別実施形態としてのモジュールを示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本願発明に係る速度算出装置の一実施形態としてのナビゲーション装置１のブロック図である。
【００２７】
本実施形態のナビゲーション装置１は、自動車の車体（移動体）に取り付けて利用することを想定されている。ナビゲーション装置１は、例えばＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）などの衛星測位システム（ＧＮＳＳ）を利用して地球上での車体の現在位置を測位するとともに、当該現在位置に基づいて経路案内などを行う。
【００２８】
ナビゲーション装置１は、本体２と、ＧＰＳアンテナ３と、から構成されている。
【００２９】
ＧＰＳアンテナ（ＧＮＳＳアンテナ）３は、自動車の車体に固定され、ＧＰＳ衛星（ＧＮＳＳ衛星）が送信するＧＰＳ信号（ＧＮＳＳ信号）を受信する。ＧＰＳアンテナ３で受信されたＧＰＳ信号は、ケーブルを介して本体２に入力される。もっとも、ＧＰＳアンテナ３は、本体２に内蔵されていても良い。
【００３０】
本体２は、表示画面４、制御部５、加速度センサ６、角速度センサ７、ＧＰＳ信号取得部９、加速度取得部１０、及び角速度取得部１１を備えている。また、本体２は、ナビゲーション装置１の各構成（制御部５、加速度センサ６、角速度センサ７、ＧＰＳ信号取得部９、加速度取得部１０、角速度取得部１１等）を収容するケース（図略）を備えている。前記表示画面４は、ケースの外表面に設けられている。
【００３１】
ＧＰＳ信号取得部（ＧＮＳＳ信号取得部）９は、ＧＰＳアンテナ３が受信したＧＰＳ信号を、デジタルのデータとして取得する。ＧＰＳ信号取得部９が取得したＧＰＳ信号のデータは、制御部５に出力される。
【００３２】
本実施形態の加速度センサ６は、３軸の加速度を検出可能に構成されている。具体的には、加速度センサ６は、自動車の車体の前後軸方向の加速度（前後加速度）、車体の左右軸方向の加速度（左右加速度）、及び車体の上下軸方向の加速度（上下加速度）をそれぞれ検出可能である。
【００３３】
本実施形態の角速度センサ７は、３軸まわりの角速度を検出可能に構成されている。具体的には、角速度センサ７は、車体の前後軸まわりの角度（ロール角）の変化速度であるロール角速度、車体の左右軸まわりの角度（ピッチ角）の変化速度であるピッチ角速度、及び車体の上下軸まわりの角度（ヨー角）の変化速度であるヨー角速度をそれぞれ検出可能である。
【００３４】
加速度取得部１０は、加速度センサ６の出力信号を所定のサンプリング周期（本実施形態では１００Ｈｚ）でサンプリングすることにより、前後加速度、左右加速度、及び上下加速度の大きさを示すデータをそれぞれ取得するように構成されている。角速度取得部１１は、角速度センサ７の出力信号を所定のサンプリング周期（本実施形態では１００Ｈｚ）でサンプリングすることにより、ロール角速度、ピッチ角速度、及びヨー角速度の大きさを示すデータをそれぞれ取得するように構成されている。加速度取得部１０及び角速度取得部１１が取得したデータは、それぞれ制御部５に出力される。
【００３５】
制御部５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどのハードウェアと、前記ＲＯＭに記録されたプログラムなどのソフトウェアと、からなるコンピュータとして構成されている。本実施形態の制御部５は、前記ハードウェアとソフトウェアが協働することにより、ＧＰＳ測位処理部２０、自律航法処理部２１、ナビゲーション処理部２２等として機能する。
【００３６】
ＧＰＳ測位処理部（ＧＮＳＳ測位処理部）２０は、ＧＰＳ信号取得部９が取得したＧＰＳ信号のデータに基づいて、車体の現在位置を測位するように構成されている。また、ＧＰＳ測位処理部２０は、ＧＰＳ信号取得部９が取得したＧＰＳ信号のデータに基づいて、車体の移動速度を求めることができるように構成されている。ＧＰＳ信号に基づいて算出した移動速度を、ＧＰＳ速度ＶGPSと呼ぶ。なお、ＧＰＳ信号に基づく測位及び速度算出の手法は公知であるから、説明は省略する。
【００３７】
自律航法処理部２１は、ＧＰＳ衛星からの信号に頼らずに車体の現在位置を算出できるように構成されている。具体的には、自律航法処理部２１は、角速度取得部１１が取得したヨー角速度に基づいて、車体の進行方向の変化を検出し、これに基づいて車体の現在の進行方向を算出する。また、自律航法処理部２１は、加速度取得部１０が取得した上下加速度と、角速度取得部１１が取得したピッチ角速度に基づいて、車体の移動速度を算出する。（詳しくは後述）。そして、自律航法処理部２１は、上記のようにして求めた進行方向及び移動速度に基づいて、車体の現在位置を算出する。
【００３８】
ＧＰＳアンテナ３においてＧＰＳ信号が適切に受信できている場合（必要な信号レベル及び衛星数が確保できている場合）は、ＧＰＳ測位処理部２０がＧＰＳ信号に基づいて車体の現在位置を求める。一方、ＧＰＳ信号が適切に受信できていない場合（例えば車体がトンネル内を走行している場合など、信号レベルが低下又は衛星数が確保できない場合）は、自律航法処理部２１が、ＧＰＳ信号に頼らずに現在位置を算出する。このように、ＧＰＳ測位処理部２０と自律航法処理部２１が相補的に動作することで、ＧＰＳ信号の受信状況にかかわらず、車体の現在位置を取得できる。
【００３９】
ナビゲーション処理部２２は、ＧＰＳ測位処理部２０又は自律航法処理部２１が取得した現在位置に基づいて、地図上での現在位置を表示画面４に表示する、現在位置から目的地までの経路探索を行うなど、ナビゲーションに関する各種の処理を行う。なお、このようなナビゲーション機能を有するナビゲーション装置は公知であるから、詳細な説明は省略する。
【００４０】
続いて、本願発明の特徴である速度算出方法の原理について説明する。
【００４１】
前述のように、特許文献１に記載の速度算出方法は、前提となる条件が不明であるため信頼性が乏しいという問題がある。そこで以下の説明では、前提として図２に示すような車体のモデルを設定し、当該モデルに基づいて、当該車体の移動速度を算出するための式を導出する。即ち、このモデルにおいては：
１．車体は剛体である。
２．車体は少なくとも前輪及び後輪を備えている。
３．車体は一定の移動速度Ｖで走行している。
４．車体の前後方向で、車体の重心Ｃから前輪の車軸までの距離はＬ1、重心Ｃから後輪の車軸までの距離はＬ2とする。
５．前輪の車軸と後輪の車軸のあいだの距離（車軸間距離）は２Ｌとする（２Ｌ＝Ｌ1＋Ｌ2）。
【００４２】
通常、車体が走行する路面（移動面）は凹凸を有している。車体は路面に沿って移動するので、前輪が地面の凹凸を通過することにより、当該前輪が上下に変位する。このときの前輪の車軸の上下変位量をＺ1とする。同様に、車体の後輪が地面の凹凸を通過することにより、当該後輪が上下に変位する。このときの後輪の車軸の上下変位量をＺ2とする。ここで、路面の凹凸を例えばｓｉｎ関数で表わせば、前輪の車軸の上下変位量Ｚ1と、後輪の車軸の上下変位量Ｚ2はそれぞれ以下の式（１）及び（２）で表される。なお、式中のωは、上下変位量Ｚ1，Ｚ2の角周波数である。また、式中のｔは時間である。
【００４３】
【数１】
2014167929.tif 000003
【００４４】
式（１）及び（２）を時間ｔで２階微分すれば、以下の式（３），（４）が得られる。式（３）は前輪の車軸の上下加速度を、式（４）は後輪の車軸の上下加速度をそれぞれ表している。
【００４５】
【数２】
2014167929.tif 000004
【００４６】
車体の前後軸と、水平面と、がなす角度をピッチ角θとする。前輪の車軸又は後輪の車軸が上下に変位すると、車体が左右軸まわりで回転してピッチ角θが変化する。ピッチ角θが十分に小さい場合は微小角の近似を使うことができて、当該ピッチ角θを以下の式（５）で求めることができる。
【００４７】
【数３】
2014167929.tif 000005
【００４８】
式（５）を時間ｔで微分すれば、ピッチ角速度（ピッチ角θの変化速度）を表わす以下の式（６）となる。
【００４９】
【数４】
2014167929.tif 000006
【００５０】
式（６）を和積の公式を使って整理すれば、以下の式（７）を得る。
【００５１】
【数５】
2014167929.tif 000007
【００５２】
さて、式（７）の（ａ）の部分は定数であるから、ピッチ角速度はｓｉｎ関数で表現でき、その位相は（ｂ）の部分で表現できることがわかる。従って、前輪の車軸の上下加速度（式（３））と、車体のピッチ角速度（式（７））のあいだには、以下の式（８）で表される時間差Δτが存在することがわかる。
【００５３】
【数６】
2014167929.tif 000008
【００５４】
式（８）を変形することにより、車体の移動速度Ｖを表す以下の式（９）を得る。式（９）から分かるように、車体の移動速度Ｖは、時間差Δτと車軸間距離２Ｌの比率に基づいて求めることができる。従って、センサ等を用いて時間差Δτを検出すれば、移動速度Ｖを算出できる。
【００５５】
【数７】
2014167929.tif 000009
【００５６】
以上に示した速度算出方法の原理（式（９））に基づき、本実施形態のナビゲーション装置１は、時間差Δτと車軸間距離２Ｌの比率に基づいて移動速度Ｖを算出するように構成されている。これにより、本実施形態のナビゲーション装置１は、ＧＰＳ信号に頼ることなく車体の移動速度を求めることができる。
【００５７】
式（９）で算出される移動速度Ｖは路面（移動面）に対する速度（絶対速度）であるため、例えば加速度センサの出力を積分して速度の変化量（相対的な移動速度）を求める従来の手法に比べて誤差が小さい。このように、本願発明の速度算出方法によれば、ナビゲーション装置１は、ＧＰＳ信号に頼ることなく車体の絶対速度を精度良く求めることができる。
【００５８】
また、上記の式（９）は、明確な車体モデルから導出されたのであるから、特許文献１に記載されている式（１）に比べて適用範囲が明確であり、信頼性が高い。即ち、車体を剛体とみなすことができ、前輪及び後輪を有していれば、上記式（９）を適用して移動速度を求めることが可能である。従って、一般的な四輪自動車に限らず、三輪自動車や、バイクなどの二輪車にも式（９）を適用可能であることがわかる。また、例えばバスやトラックなどのように、前後方向で３つ以上の車輪を備える車体であっても、何れかの車輪を前輪とし、他の何れかの車輪を後輪とすることにより、式（９）を適用可能である。
【００５９】
なお、上記式（９）のパラメータである車軸間距離２Ｌは、車体の姿勢変化の態様にかかわらず一定である。従って、車体がどの位置を中心に回転しているか（どの位置にピッチ角速度が作用しているか）にかかわらず、上記式（９）を用いて車体の移動速度Ｖを算出できる。
【００６０】
次に、本実施形態のナビゲーション装置１において時間差Δτ（前輪の車軸の上下加速度と、車体のピッチ角速度と、のあいだの時間差）を求めるための構成について説明する。
【００６１】
前述のように、本実施形態のナビゲーション装置１は、ピッチ角速度を検出可能な角速度センサ７を、本体２のケース内に備えている。また前述のように、本実施形態のナビゲーション装置１は、上下加速度を検出可能な加速度センサ６を、本体２のケース内に備えている。角速度取得部１１は、角速度センサ７の出力に基づいて、車体のピッチ角速度（以下、単に「ピッチ角速度」という）のデータを取得する（角速度取得工程）。また、加速度取得部１０は、加速度センサ６の出力に基づいて、前輪の車軸の上下加速度（以下、単に「上下加速度」という）のデータを取得する（加速度取得工程）。
【００６２】
自律航法処理部２１は、加速度取得部１０が出力する上下加速度のデータを時間順に取得することで、前輪の車軸の上下加速度の時間変化を示すデジタルの信号波形（式（３）で表現される波形）を得る。また、自律航法処理部２１は、角速度取得部１１が出力するピッチ角速度のデータを時間順に取得することで、車体のピッチ角速度の時間変化を示すデジタルの信号波形（式（７）で表現される波形）を得る。
【００６３】
本実施形態の自律航法処理部２１は、２つの信号波形の時間軸方向でのズレ（式（８）の時間差Δτ）を取得する時間差検出部２３としての機能を有している。
【００６４】
２つの信号波形のあいだの時間差Δτを求めるためには、例えば一方の信号波形を時間軸方向でズラしていき、両者の相関が最も強くなったときのズラし量を求めれば良い。ただし、デジタルの信号波形全体をズラして両者の相関を求める処理を繰り返し行うとなれば相応の計算時間が必要となり、演算負荷が大きくなる。そこで本実施形態の時間差検出部２３では、２つの信号波形の極値を検出し、当該極値が検出されたタイミングの差を時間差Δτとする。
【００６５】
以下、図３のブロック図を参照して、時間差検出部２３の機能的な構成について説明する。時間差検出部２３は、ハイパスフィルタ２５、ローパスフィルタ２６、微分処理部２７、極値検出部２８、及び時間差算出部２９としての機能を有している。
【００６６】
ハイパスフィルタ２５は、上下加速度の信号波形と、ピッチ角速度の信号波形と、にそれぞれ含まれる不要な低周波成分を除去する。ローパスフィルタ２６は、上下加速度の信号波形と、ピッチ角速度の信号波形と、にそれぞれ含まれる不要な高周波成分を除去する。
【００６７】
なお、本願発明者らの実験により、路面の凹凸に起因する上下加速度及びピッチ角速度の変化は、１〜２Ｈｚ程度の周波数をもっていることが判明している。そこで本実施形態のハイパスフィルタ２５は、信号波形に含まれる１Ｈｚ未満の低周波成分（オフセット成分など）を除去するように構成されている。また、本実施形態のローパスフィルタ２６は、信号波形に含まれる２Ｈｚより上の高周波成分（例えばナビゲーション装置の本体の振動など）を除去するように構成されている。
【００６８】
微分処理部２７は、ハイパスフィルタ２５及びローパスフィルタ２６によって不要な帯域が除去された信号波形を時間微分する。微分処理部２７は、ある時刻における信号波形のデータの値と、当該データからみて時間軸方向で１つ前のデータの値と、の差分を、前記時刻における微分値とする。微分処理部２７は、上下加速度の信号波形と、ピッチ角速度の信号波形と、の微分値をそれぞれ各時刻について求め、時系列順でバッファメモリ３０に保存する。
【００６９】
極値検出部２８は、バッファメモリ３０に記憶された微分値を参照することにより、上下加速度が極値をとった時刻（微分値がゼロになった時刻）と、ピッチ角速度が極値をとった時刻（微分値がセロになった時刻）と、をそれぞれ検出するように構成されている。なお、バッファメモリ３０に記憶されている微分値は離散的なデータであるから、微分値がちょうどゼロのデータが存在しているとは限らない。従って、極値検出部２８の実際の処理としては、バッファメモリ３０に記憶された微分値がゼロに最も近くなる時刻を探すことになる。即ち、本実施形態の極値検出部２８は、上下加速度の信号波形の微分値がゼロに最も近くなる時刻を探し、当該時刻を、上下加速度が極値をとった時刻とする。また、極値検出部２８は、ピッチ角速度の信号波形の微分値が最もゼロに近くなる時刻を探し、当該時刻を、ピッチ角速度が極値をとった時刻とする。
【００７０】
なお前述のように、本実施形態ではハイパスフィルタ２５及びローパスフィルタ２６によって不要帯域を除去しているので、信号波形は１〜２Ｈｚの波と考えることができる。信号波形を例えば２Ｈｚの波とすれば、当該信号波形の極値は、０．５秒のあいだに確実に存在する。本実施形態ではサンプリング周期を１００Ｈｚとしているので、０．５秒の間には５０個の微分値のデータが得られる。従って、本実施形態の極値検出部２８は、バッファメモリ３０に記憶されている５０点の微分値のデータの中で、ゼロに最も近いデータを探せばよい。ゼロに最も近いデータを探す手法としては、例えば５０点のデータを全数探索しても良いし、２分法などを利用しても良い。
【００７１】
上下加速度が極値をとった時刻と、ピッチ角速度が極値をとった時刻と、の差分が、上下加速度とピッチ角速の時間軸方向でのズレ量（＝時間差Δτ）を示していると考えることができる。そこで時間差算出部２９は、上下加速度が極値をとった時刻と、ピッチ角速度が極値をとった時刻と、の差分を算出し、これを時間差Δτとするように構成されている（時間差検出工程）。以上のようにして、時間差検出部２３は、前輪の車軸の上下加速度と、車体のピッチ角速度と、の時間差Δτを検出できる。
【００７２】
そして、本実施形態の速度算出部２４は、時間差検出部２３が検出した時間差Δτと、車軸間距離２Ｌとの比率に基づいて、車体の移動速度Ｖを算出する（式（９））（速度算出工程）。以上のように、本実施形態のナビゲーション装置１は、時間差Δτと車軸間距離２Ｌの比率に基づいて車体の移動速度Ｖを算出できるので、速度算出装置であるということができる。
【００７３】
なお、式（９）によって移動速度Ｖを算出するためには、前輪の車軸と後輪の車軸とのあいだの距離（車軸間距離２Ｌ）の情報が必要である。図１に示すように、本実施形態のナビゲーション装置１は、車軸間距離入力部１２を備えている。ユーザは、車軸間距離入力部１２を適宜操作することにより、前輪の車軸と後輪の車軸とのあいだの距離（車軸間距離２Ｌ）を、ナビゲーション装置１に予め入力しておく。速度算出部２４は、ユーザによって入力された車軸間距離２Ｌに基づいて、移動速度Ｖを算出する。
【００７４】
続いて、本実施形態のナビゲーション装置１の本体２を設置する位置について簡単に考察する。
【００７５】
即ち、本実施形態のナビゲーション装置１は、本体２に内蔵された加速度センサ６及び角速度センサ７に基づいて、車体のピッチ角速度及び前輪の車軸の上下加速度を検出し、これに基づいて車体の移動速度を算出するように構成されている。そこで、ナビゲーション装置１の本体２は、車体のピッチ角速度及び前輪の車軸の上下加速度をそれぞれ適切に検出できる位置に設置される必要がある。
【００７６】
この点、図２のモデルでは車体を剛体と仮定しているので、車体のどの位置に角速度センサ７を配置したとしても、当該角速度センサ７が検出するピッチ角速度の値は同じである。従って、ピッチ角速度検出の観点からは、ナビゲーション装置１の本体２の設置位置は特に限定されない。
【００７７】
一方、加速度センサ６によって前輪の上下加速度を検出するためには、当該加速度センサ６が、前輪の車軸の直上付近に配置されている必要がある。従って、前輪の車軸の上下加速度を精度良く検出するという観点からは、ナビゲーション装置１の本体２を、可能な限り前輪の車軸の直上近傍に配置することが好ましい。
【００７８】
ただし前述のように、本実施形態の速度算出方法では、前輪の上下加速度が極値をとった時刻さえわかれば良いのであるから、当該上下加速度の変化の方向さえわかれば十分である。してみると、本実施形態のナビゲーション装置の本体２は、必ずしも前輪の車軸の直上に配置される必要はない。即ち、図２のモデルでは車体を剛体と仮定しているので、加速度センサ６が車体の重心Ｃよりも前方に位置していれば、前輪の車軸の上下加速度が変化した方向を加速度センサ６によって検出可能である。
【００７９】
結論として、本実施形態のナビゲーション装置１の本体３の設置位置は、車体の重心Ｃよりも前方であれば良く、それ以外は特に限定されない。
【００８０】
以上の点を考慮し、本実施形態のナビゲーション装置１の本体２は、自動車の運転座席の前方、ダッシュボードの上に配置される（図２に点線で示した位置）。これにより、運転手が表示画面４を確認し易く、かつ前輪の上下加速度を加速度センサ６によって検出し易い位置に、ナビゲーション装置１の本体２を配置できる。
【００８１】
以上で説明したように、本実施形態のナビゲーション装置１は、加速度取得部１０と、角速度取得部１１と、時間差検出部２３と、速度算出部２４と、を備えている。加速度取得部１０は、前輪又の車軸の上下加速度を取得する。加速度取得部１０は、自動車のピッチ角速度を取得する。時間差検出部２３は、上下加速度とピッチ角速度のあいだの時間差Δτを検出する。速度算出部２４は、車軸間距離２Ｌと、時間差Δτと、の比率に基づいて、車体の移動速度を算出する。
【００８２】
即ち、車体の前輪及び後輪は路面の凹凸によって上下に変位し、この結果として車体のピッチ角が変化する。従って、前輪又は後輪の上下加速度と、車体のピッチ角速度との間には、路面に対する車体の移動速度、及び車軸間の距離に応じた時間差が生じる。そこで、車軸間距離２Ｌと時間差Δτとの比率に基づいて、路面に対する車体の移動速度Ｖ（絶対速度）を精度良く算出することができる。
【００８３】
次に、図４を参照して、上記実施形態の変形例について説明する。なお、上記実施形態と同一又は類似する構成については、図４に同一の符号を付して説明を省略する。
【００８４】
上記実施形態では、前輪の車軸と後輪の車軸のあいだの距離（車軸間距離２Ｌ）を、ユーザが予め入力しておくものとした。しかし、この構成では、車軸間距離２Ｌの入力をユーザが行わなかったり、間違った車軸間距離２Ｌが入力されたりした場合、速度算出部２４において正確な移動速度Ｖを算出できなくなってしまう。そこで、ユーザが車軸間距離２Ｌを入力する構成に代え、或いはこれと併用するかたちで、車軸間距離２Ｌを自動的に設定する機能があれば好適である。
【００８５】
前述のように、上記実施形態のナビゲーション装置においては、ＧＰＳアンテナ３がＧＰＳ信号を適切に受信できている場合、ＧＰＳ測位処理部２０において車体の移動速度（ＧＰＳ速度ＶGPS）を求めることができる。ＧＰＳ測位処理部２０が求めたＧＰＳ速度ＶGPSを式（９）の移動速度Ｖに代入して変形すれば、以下の式（１０）を得る。即ち、ＧＰＳ速度ＶGPSと時間差Δτがわかれば、式（１０）を用いて距離Ｌを推算できる。
【００８６】
【数８】
2014167929.tif 000010
【００８７】
そこで本実施形態の自律航法処理部は、式（１０）に基づいて距離Ｌを算出する車軸間距離算出部１４を備えている。
【００８８】
ＧＰＳアンテナ３においてＧＰＳ信号を適切に受信できている場合、ＧＰＳ測位処理部２０は、前記ＧＰＳ信号に基づいて、ＧＰＳ速度ＶGPSを算出する。時間差検出部２３は、ＧＰＳ測位処理部２０においてＧＰＳ速度ＶGPSが算出されたときに、前輪の車軸の上下加速度と、車体のピッチ角速度と、の時間差Δτを算出する。そして、車軸間距離算出部１４は、ＧＰＳ速度ＶGPS及び時間差Δτを式（１０）に代入することにより、距離Ｌを算出する。車軸間距離算出部１４が算出した距離Ｌの値は、適宜の記憶領域に記憶しておく。なお、このようにして算出した距離Ｌの値は、車軸間距離２Ｌの半分の値であるから、実質的には車軸間距離２Ｌを算出していると言うことができる。
【００８９】
そして、自律航法処理部２１は、ＧＰＳアンテナにおいてＧＰＳ信号を適切に受信できなくなった場合に、車軸間距離算出部１４が算出した距離Ｌの値を式（９）に代入することで、移動速度Ｖを算出する。
【００９０】
このように、本変形例のナビゲーション装置１は、ＧＰＳ信号が適切に受信できているあいだに車軸間距離２Ｌ（又はその半分の距離Ｌ）を算出しておき、ＧＰＳ信号が適切に受信できなくなったときには、予め算出しておいた車軸間距離に基づいて移動速度Ｖを算出する。これによれば、ユーザが車軸間距離を設定していなかった場合などであっても、自律航法処理部２１において移動速度Ｖを算出できる。なお、既にユーザによって車軸間距離が設定されている場合は、ユーザが設定した値と車軸間距離算出部１４が算出した値の何れを移動速度Ｖの算出に利用するのかを設定できても良い。
【００９１】
なお、図２のモデルでは車体を剛体として考えているので、距離Ｌは常に一定である。しかし、実際の車体における距離Ｌは、重心の位置の変動や車体重量の変化などに影響を受け、状況によって変化するパラメータであると考えられる。そこで、車軸間距離算出部１４は、距離Ｌの算出を定期的（又は不定期的）に行い、以前に算出して記憶しておいた値を、新しく算出した値で更新すれば好適である。これによれば、速度算出部２４は、車体の状況の変化に応じた適切な距離Ｌの値を用いて移動速度Ｖを算出できるので、速度算出部２４が算出する移動速度Ｖの精度を向上させることができる。
【００９２】
続いて、上記実施形態の別の変形例について説明する。
【００９３】
上記の例では、移動速度Ｖを一定として式（９）を導出したが、加速度を考慮すれば、移動速度Ｖをより正確に算出できる。図２のモデルにおいて、移動速度Ｖが一定という限定を外し、前後加速度（車体の前後方向の加速度）をαとした場合について説明する。この場合、前輪の車軸の上下変位量Ｚ1と、前輪の車軸の上下変位量Ｚ2は、それぞれ以下の式で表される。なお、式中のΔｔは、ある箇所を前輪が通過した後、当該箇所を後輪が通過するまでにかかる時間である。
【００９４】
【数９】
2014167929.tif 000011
【００９５】
車体のピッチ角速度は以下の式で表される。
【００９６】
【数１０】
2014167929.tif 000012
【００９７】
従って、前輪の車軸の上下加速度と、車体のピッチ角速度と、の時間差Δτは以下のようになる。
【００９８】
【数１１】
2014167929.tif 000013
【００９９】
上記式を変形し、２Ｌ＝Ｌ1＋Ｌ2を使って整理すれば、以下の関係を得る。
【０１００】
【数１２】
2014167929.tif 000014
【０１０１】
解の公式により、以下の式（１１）を得る。
【０１０２】
【数１３】
2014167929.tif 000015
【０１０３】
この変形例の速度算出部２４は、上記の式（１１）に、距離Ｌ、時間差Δτ、前後加速度αなどの値を代入することにより、移動速度Ｖ1を求める。式（１１）では２つの移動速度Ｖ1が求まるが、正の値の方を採用すれば良い。
【０１０４】
前後加速度αの値は、加速度取得部１０によって取得できる（従って、加速度取得部１０は、前後加速度取得部であるとも言える）。ある時刻ｔにおいて加速度取得部１０が取得した前後加速度の値を、α（ｔ）とする。本実施形態の加速度取得部１０は、加速度センサ６の出力信号をサンプリング周囲１００Ｈｚでサンプリングしているので、０．０１秒ごとに前後加速度αの値を取得できる。上下加速度が極値をとった時刻をｔ1、ピッチ角速度が極値をとった時刻をｔ2とすれば、式（１１）中のα・Δｔは以下の式で求まる。
【０１０５】
【数１４】
2014167929.tif 000016
【０１０６】
なお、式（１１）に点線で示すように、式（１１）は、車軸間距離（の半分の距離Ｌ）と、時間差Δτと、の比率を含んでいる。従って、この変形例の速度算出部２４は、車軸間距離２Ｌと時間差Δτの比率、及び前後加速度αに基づいて移動速度を算出するものであるといえる。
【０１０７】
この変形例の速度算出部２４が算出する移動速度Ｖ1は、前後加速度αを考慮しているので、移動速度Ｖが一定としていた上記実施形態に比べて、更に精度良く移動速度を算出できる。
【０１０８】
以上に本発明の好適な実施の形態及び変形例を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。
【０１０９】
速度検出装置の一実施形態としてＧＰＳナビゲーション装置を示したが、これに限らず、本願発明は移動体の移動速度を検出する装置に広く利用できる。
【０１１０】
上記のナビゲーション装置１は、本体２のケースや表示画面４などを備えているが、これらは速度算出装置としての機能にとっては必須の構成ではない。してみると、ナビゲーション装置１そのものではなく、当該ナビゲーション装置１が備える部品のうち、速度算出に用いられる部品をモジュールとしてまとめたものを速度算出装置として把握することもできる。このように速度算出装置として機能するモジュール１００の例を、図５に示す。モジュール１００は、例えば、各種の演算素子及び電子部品が基板上に実装された基板モジュールとして構成されており、ナビゲーション装置１の本体２のケースに内蔵される。モジュール１００は、ＧＰＳ信号取得部９、加速度取得部１０、角速度取得部１１、及び制御部５を備える。このように、ナビゲーション装置１の本体２などに内蔵されるモジュール１００を、速度算出装置として把握することもできる。なお、速度算出装置としてのモジュール１００は、移動体の移動速度を算出できれば良いので、当該モジュール１００の制御部５がナビゲーション処理部２２としての機能を有していなくても良い。この場合、モジュール１００の制御部５は、移動体の移動速度や現在位置などを算出して、その算出結果を外部の他のモジュールに出力する。当該他のモジュールは、モジュール１００から受け取った算出結果に基づいて、ナビゲーション処理などの適宜の処理を行う。
【０１１１】
上記実施形態では、加速度センサ６は３軸の加速度を検出可能としたが、少なくとも上下方加速度を算出できれば本発明を実施可能である。従って、加速度センサ６は、１軸以上の加速度を検出可能であれば良い。もっとも、２番目の変形例においては、上下加速度に加えて前後加速度αを検出する必要があるため、２軸以上の加速度を検出できる加速度センサが必要となる。また、角速度センサ７は３軸まわりの角速度を検出可能としたが、少なくともピッチ角速度を検出できれば本発明を実施可能である。従って、角速度センサ７は、１軸以上の角速度を検出可能であれば良い。
【０１１２】
上記実施形態では、加速度センサ６及び角速度センサ７を、ナビゲーション装置１の本体２のケースに内蔵するものとしたが、加速度センサ６及び角速度センサ７の何れか一方又は両方を、本体２のケースの外部に配置しても良い。これによれば、本体２とは別にセンサを配置できるので、ピッチ角速度や上下加速度を検出し易い位置にセンサを配置し易くなる。例えば、加速度センサ６を助手席の足元（前輪の車軸の近く）に配置すれば、当該加速度センサ６によって前輪の車軸の上下加速度を良好に検出できる。
【０１１３】
上記実施形態では、前輪の車軸の上下加速度と、車体のピッチ角速度と、の時間差に基づいて移動速度Ｖを算出している。しかしこれに限らず、後輪の車軸の上下加速度と、車体のピッチ角速度と、の時間差に基づいて移動速度Ｖを算出することもできる（式の導出は省略）。この場合、後輪の車軸の上下加速度を検出するため、加速度センサ６を、車体の重心Ｃよりも後方に配置する必要がある。
【符号の説明】
【０１１４】
１  ナビゲーション装置（速度算出装置）
１０  加速度取得部
１１  角速度取得部
２０  ＧＰＳ測位処理部（ＧＮＳＳ測位処理部）
２１  自律後方処理部
２３  時間差検出部
２４  速度算出部
【図１】
2014167929.tif 000017
【図２】
2014167929.tif 000018
【図３】
2014167929.tif 000019
【図４】
2014167929.tif 000020
【図５】
2014167929.tif 000021
【国際調査報告】
2014167929.tif 000022
2014167929.tif 000023
2014167929.tif 000024
2014167929.tif 000025
2014167929.tif 000026