(57)【要約】【課題】  移動式標高計測装置において、標高の計測精度を向上する。【解決手段】  車両１０に姿勢センサ１０２、オドメータ１０６および処理装置１００などを搭載して、移動式標高計測装置を構成する。オドメータ１０６は、移動中に、移動距離を検出する。姿勢センサ１０２は、移動中における車両１０の姿勢を姿勢センサ１０２に固定されたセンサ座標系Ｘｓ、Ｙｓ，Ｚｓで検出する。処理装置１００は、車両１０に固定された道路座標系Ｘｒ、Ｙｒ、Ｚｒとセンサ座標系の誤差、即ち車両１０に対する姿勢センサ１０２の取付角（ピッチ角、ヘディング角、ロール角）を、姿勢センサ１０２からの出力に反映させ、各地点の標高を算出する。こうすることで標高の計測精度を向上することができる。【選択図】  図１
2005257489.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地面を移動する車両に搭載され、各地点の標高を計測する移動式標高計測装置であって、
前記車両の移動距離を検出する移動距離検出部と、  
前記移動時の前記車両の姿勢角のうち少なくともピッチ角を検出する姿勢センサと、
前記車両に対する前記姿勢センサの取付角誤差のうち、ピッチ方向におけるピッチ誤差、およびヘディング方向におけるヘディング誤差に起因する標高の計測誤差を補正するための補正量を予め記憶する誤差記憶部と、
前記姿勢角に対して前記補正量を反映し、各地点の標高を算出する標高算出部とを備える移動式標高計測装置。
【請求項２】
請求項１記載の移動式標高計測装置であって、
前記姿勢センサは、前記移動距離の検出よりも短い周期で前記姿勢角を検出する移動式標高計測装置。
【請求項３】
請求項１記載の移動式標高計測装置であって、
前記誤差記憶部は、更に、ロール方向におけるロール誤差も記憶しており、
前記標高算出部は、更に、前記ロール誤差を反映して前記標高の算出を行う移動式標高計測装置。
【請求項４】
請求項３記載の移動式標高計測装置であって、
前記標高算出部は、単位距離移動に伴う標高差Ｚａを次式と等価な式によって求める移動式標高計測装置。
Za = -Sinθsa ( Cosθsr・Cosψsr )
+Cosθsa・Sinφsa (Sinφsr・Sinθsr・Cosψsr - Cosφsr・Sinψsr )
+Cosθsa・Cosφsa (Cosφsr・Sinθsr・Cosψsr + Sinφsr・Sinψsr )；
ここで、
θsa、φsaは、姿勢センサによるピッチ角、ロール角の検出値(rad)；
θsr、φsr、ψsrは、ピッチ誤差、ロール誤差、ヘディング誤差(rad)を表す。
【請求項５】
地面を移動する車両に搭載され、各地点の標高を計測する移動式標高計測方法であって、
コンピュータが実行する工程として、
前記車両の移動距離を検出する工程と、
姿勢センサによって、前記移動時の前記車両の姿勢角のうち少なくともピッチ角を検出する工程と、
前記車両に対する前記姿勢センサの取付角誤差のうち、ピッチ方向におけるピッチ誤差、およびヘディング方向におけるヘディング誤差を、前記姿勢角に反映し、各地点の標高を算出する工程とを備える移動式標高計測方法。
【請求項６】
地面を移動する車両に搭載され、各地点の標高を計測するためのコンピュータプログラムであって、
前記車両の移動距離を検出するプログラムコードと、
姿勢センサによって、前記移動時の前記車両の姿勢角のうち少なくともピッチ角を検出するプログラムコードと、
前記車両に対する前記姿勢センサの取付角誤差のうち、ピッチ方向におけるピッチ誤差、およびヘディング方向におけるヘディング誤差を、前記姿勢角に反映し、各地点の標高を算出するプログラムコードとを備えるコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両に搭載され、地面上を移動しながら各地点の標高を計測する移動式標高計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地図データを生成するために各地点の標高の計測が求められることがある。比較的軽い負荷で標高の計測を実現するため、計測装置を搭載した車両を用いて、移動しながら各地点の標高を計測する技術が提案されている。例えば、特許文献１では、車両に搭載された慣性航法装置によって移動中のピッチ角を検出し、このピッチ角に基づいて移動距離の垂直成分を算出することで標高を求める技術が開示されている。特許文献１では、慣性航法装置の車両に対するピッチ角の取付誤差に基づいて、ピッチ角の検出値を補正することによって、標高の算出精度の向上を図っている。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−２１５５６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、本願出願人が種々の状況で標高の計測を実行したところ、ピッチ角の取付誤差を反映しても、標高を精度良く算出できない場合があることが見いだされた。一般に道路は、完全に水平ではなく、車両の進行方向に対して数度バンクしていることが多い。このような道路を走行しながら標高を計測した場合、往路での計測結果と復路での計測結果にずれが生じる例が見いだされた。本発明は、かかる課題に鑑み、移動式標高計測装置において標高の計測精度向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明者は、本発明に先立ち、上記誤差が生じる原因を実例に基づき詳細に検討した。この結果、車両の姿勢角を検出するための姿勢センサの出力が、往復で異なることが見いだされ、その原因の１つとして、車両に対する姿勢センサの取付角誤差が影響していることが見いだされた。即ち、従来、ピッチ角の取付誤差のみが考慮され、ロール方向、ヘディング方向における取付誤差は、標高の計測結果に影響を与えないものとされてきたが、これらの取付誤差が少なからず影響を与えることを見いだしたのである。更に、詳細に検討した結果、ヘディング方向における取付誤差による影響が大きいことが見いだされた。本発明は、かかる課題の解析を踏まえてなされた。
【０００６】
本発明は、地面を移動する車両に搭載され、各地点の標高を計測する移動式標高計測装置として構成することができる。本発明の移動式標高計測装置は、車両の移動距離を検出する移動距離検出部と、移動時の車両の姿勢角のうち少なくともピッチ角を検出する姿勢センサとを備える。車両に対する姿勢センサの取付角誤差のうち、ピッチ方向におけるピッチ誤差、およびヘディング方向におけるヘディング誤差に起因する標高の計測誤差を補正するための補正量を予め記憶しておき、姿勢角に対してこの補正量を反映して、各地点の標高を算出する。補正量は、例えば、ピッチ誤差およびヘディング誤差自体、これらの値に基づいて所定の演算式で算出される定数などとすることができる。本発明によれば、ピッチ誤差およびヘディング誤差を反映することにより標高を精度良く算出することが可能となる。
【０００７】
本発明において、移動距離および姿勢角の検出は任意のタイミングで行うことができ、例えば、一定周期とすることができる。この場合、両者を同一の周期としてもよいが、移動距離よりも姿勢角の検出周期を短くしてもよい。移動距離は車両の速度に応じて変化し、姿勢角は道路の傾きや車両の振動に応じて変化する。後者の方が変化の周期が短いことが多いため、姿勢角の検出周期を短くすることにより、検出処理の負荷が過剰となることを回避しつつ、適正なデータ取得を行うことができる。
【０００８】
本発明では、更に、ロール方向におけるロール誤差も反映して標高の算出を行ってもよい。こうすることにより、更に標高の算出精度を向上することができる。
【０００９】
取付角誤差は、種々の方法で反映させることができ、例えば、センサの検出値自体を取付誤差によって補正してもよい。また、単位距離移動に伴う標高差Ｚａを次式（１）と等価な式によって求めることで取付角誤差を反映させてもよい。
Za = -Sinθsa ( Cosθsr・Cosψsr )
+Cosθsa・Sinφsa (Sinφsr・Sinθsr・Cosψsr - Cosφsr・Sinψsr )
+Cosθsa・Cosφsa (Cosφsr・Sinθsr・Cosψsr + Sinφsr・Sinψsr )  ...（１）；
ここで、
θsa、φsaは、姿勢センサによるピッチ角、ロール角の検出値(rad)；
θsr、φsr、ψsrは、ピッチ誤差、ロール誤差、ヘディング誤差(rad)を表す。
【００１０】
取付角誤差は、姿勢センサを車両に取り付けた後、計測中は一定値であるから、上式（１）における下記３つの値、
A=Cosθsr・Cosψsr；
B=Sinφsr・Sinθsr・Cosψsr - Cosφsr・Sinψsr ；
C=Cosφsr・Sinθsr・Cosψsr + Sinφsr・Sinψsr；
は、計測中はそれぞれ定数となる。従って、上式（１）によれば、計測中の演算量を比較的簡易に行うことが可能となる。例えば、コンピュータで上式（１）を演算する場合には、取付角誤差を入力した時点で、上記３つの定数Ａ，Ｂ，Ｃを予め演算しておく方法を採ることができる。
【００１１】
上記定数Ａ，Ｂ，Ｃを用いると、上式（１）は、次式（２）の形で表される。
Za = -A×Sinθsa+Cosθsa・Sinφsa×B+Cosθsa・Cosφsa ×C...（２）；
標高差は、これと等価な種々の演算式を用いることができる。例えば、上式（２）を次の通り変形してもよい。
Za = -A×Sinθsa+Cosθsa・Sinφsa×B+Cosθsa・Cosφsa ×C
=  -A×Sinθsa+Cosθsa・(Sinφsa×B+ Cosφsa ×C)
=  -A×Sinθsa+Cosθsa・D・Sin(φsa+E)
この場合は、定数Ａ，Ｄ，Ｅを予め記憶しておけばよい。
【００１２】
本発明は、上述した特徴を全て備えている必要はなく、適宜、一部を省略したり組み合わせたりして構成してもよい。本発明は移動式標高計測装置としての態様の他、コンピュータを利用して標高を計測する標高計測方法、かかる計測を実現するためのコンピュータプログラム、かかるコンピュータプログラムを記録した記録媒体などの態様で構成することもできる。ここで、記録媒体としては、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ、光磁気ディスク、ＩＣカード、ＲＯＭカートリッジ、パンチカード、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピュータの内部記憶装置（ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリ）および外部記憶装置等、コンピュータが読取り可能な種々の媒体を利用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施例について以下の順序で説明する。
Ａ．装置構成：
Ｂ．姿勢角の定義：
Ｃ．標高の算出式：
Ｄ．標高算出処理：
Ｅ．効果：
【００１４】
Ａ．装置構成：
図１は実施例としての移動式標高計測装置の概略構成を示す説明図である。移動式標高計測装置は、車両１０に種々のセンサおよび処理装置１００を搭載することで構成される。センサとしては、姿勢センサ１０２、ＧＰＳ１０４、オドメータ１０６が搭載されている。姿勢センサ１０２は、センサに固定されたセンサ軸Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓと、地上ＧＲＤに固定された絶対座標系Ｘａ、Ｙａ、Ｚａとの間の相対的なヘディング角ψsａ、ロール角φsａ、ピッチ角θsａを姿勢角として検出する。姿勢センサ１０２は、例えば、ジャイロセンサを利用して構成することができる。姿勢角の定義は後述する。姿勢センサ１０２は、取付誤差をもって車両１０に取り付けられているため、姿勢センサ１０２の出力は、厳密には、車両１０に固定された座標系Ｘｒ、Ｙｒ、Ｚｒの姿勢とは異なっている。この誤差の補正については、後述する。
【００１５】
オドメータ１０６は、車輪１２の回転数を検出し、車両１０の移動距離を検出する。ＧＰＳ１０４は、全地球測位システム（Global Positioning System)を利用して位置を検出する。車両１０の位置は、姿勢センサ１０２およびオドメータ１０６の出力から、移動距離および方向を積算して求めることもできるため、ＧＰＳ１０４は省略しても構わない。
【００１６】
処理装置１００は、例えば、パーソナルコンピュータに所定のコンピュータプログラムをインストールすることによって構成することができる。図中に、処理装置１００の構造として、このようにソフトウェア的に構成される機能ブロックを併せて示した。これらの機能ブロックの少なくとも一部はハードウェア的に構成してもよい。
【００１７】
センサ入力部１１０は、位置、移動距離、および姿勢角を、それぞれＧＰＳ１０４、オドメータ１０６、姿勢センサ１０２から入力する。取付角テーブル１３０は、車両１０に対する姿勢センサ１０２の取付誤差を予め保持している。この値は、例えば、姿勢センサ１０２の取付時に、センサ軸Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓと、車両の座標系Ｘｒ、Ｙｒ、Ｚｒとの相対的なヘディング角ψsr、ロール角φsr、ピッチ角θsrを計測し、登録しておく方法を採ることができる。また、別の方法として、次の２段階で設定してもよい。
ステップ１：バンク角のない真平の道を一周し、ピッチ誤差を算出する。；
ステップ２：バンク角のある道を走り、ヘディング誤差を算出する。この際、バンク角は姿勢センサから出力されるロール角で測定する。
【００１８】
標高算出部１２０は、センサ入力部１１０の入力値に対して、取付角テーブル１３０の誤差を反映して、各地点の標高を算出する。その結果は、計測データベース（ＤＢ）１４０に逐次保持される。
【００１９】
Ｂ．姿勢角の定義：
図２は姿勢角の定義を示す説明図である。本実施例では、姿勢角として、次の通り定義されるオイラー角を用いる。絶対座標系Ｘａ、Ｙａ、Ｚａに対して、センサ軸Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓが図示する状態にある場合を考える。
【００２０】
まず、Ｙｓ軸が水平面、即ちＸａ−Ｙａ平面内に一致するまで、Ｘｓ軸周りにセンサ軸Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓを回転する。この時の回転角がロール角φsａとなる。本実施例では、ロール角φsａは、Ｚｓ軸からＹｓ軸に向かう側への回転が必要となる状態を正とする±１８０度の範囲で定義する。図中の例では、ロール角φsａは負値となる。
【００２１】
上記回転の結果、センサ軸はＸｓ、Ｙｓ１、Ｚｓ１に移行する。次に、Ｘｓ軸が水平面、即ちＸａ−Ｙａ平面内に一致するまで、Ｙｓ１軸周りに、センサ軸Ｘｓ、Ｙｓ１、Ｚｓ１を回転する。この時の回転角がピッチ角θsａとなる。本実施例では、ピッチ角θsａは、Ｘｓ軸からＺｓ１軸に向かう側への回転が必要となる状態を正とする±９０度の範囲で定義する。図中の例では、ピッチ角θsａは正値となる。
【００２２】
上記回転の結果、センサ軸はＸｓ２、Ｙｓ１、Ｚａに移行する。次に、Ｘｓ２軸およびＹｓ１軸が絶対座標系のＸａ軸、Ｙａ軸に一致するまで、Ｚａ軸周りに、センサ軸Ｘｓ２、Ｙｓ１、Ｚａを回転する。この時の回転角がヘディング角ψsａとなる。本実施例では、ヘディング角ψsａは、Ｙａ軸からＸａ軸に向かう側への回転が必要となる状態を正とする±１８０度の範囲で定義する。図中の例では、ヘディング角ψsａは正値となる。
【００２３】
姿勢センサ１０２は、絶対座標系Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ軸を基準として上述した定義に基づき、姿勢角を出力する。絶対座標系Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ軸のうちＺａ軸は鉛直方向に定義する。Ｘａ、Ｙａ軸は水平面内で、初期アライメント時における姿勢センサ１０２の姿勢に従って決定される。即ち、アライメント時の姿勢センサ１０２をＸｓ軸周りにＹｓ軸が水平になるまで回転させた後、Ｙｓ軸周りにＸｓ軸が水平になるまで回転させた状態における、Ｘｓ軸方向、Ｙｓ軸方向がそれぞれＸａ軸、Ｙａ軸となる。
【００２４】
車両１０に対する姿勢センサ１０２の取付角は、車両に固定された座標系Ｘｒ、Ｙｒ、Ｚｒを絶対座標系Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ軸とみなすことにより、図２と同様の方法で定義することができる。本実施例では、水平面上に置かれている車両において、Ｚｒ軸は鉛直下方、Ｘｒ軸は前方を正とする車両の前後方向の基準軸、Ｙｒ軸は車両の右側を正方向とする軸と定義する。Ｘｒ軸、Ｙｒ軸は水平面内の軸となる。座標系Ｘｒ、Ｙｒ、Ｚｒは車両が走行する道路面の傾斜に応じて変動する。この意味で、以下、座標系Ｘｒ、Ｙｒ、Ｚｒを道路座標系と称する。
【００２５】
Ｃ．標高の算出式：
移動距離および姿勢角の検出結果に基づいて、標高を算出する式について説明する。数学の一般論として、座標系Ｘ，Ｙ，Ｚにおいて、Ｘ軸周りのロール角φ回転、Ｙ軸周りのピッチ角θ回転、Ｚ軸周りのヘディング角ψ回転は、それぞれ次に示す回転行列Ｒ，Ｐ，Ｈで表される。
【００２６】
【数１】
2005257489.tif 000003
【００２７】
センサ座標系Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓと絶対座標系Ｘａ、Ｙａ、Ｚａの間の角度は、ロール角φsa、ピッチ角θsa、ヘディング角ψsaである。従って、上記回転行列Ｒ，Ｐ，Ｈを用いれば、センサ座標系におけるベクトルから、絶対座標系におけるベクトルへの変換行列Ｃｓａは、次式で与えられる。
【００２８】
【数２】
2005257489.tif 000004
【００２９】
一方、道路座標系におけるベクトルからセンサ座標系におけるベクトルへの変換行列Ｃｒｓは、次式で与えられる。
【００３０】
【数３】
2005257489.tif 000005
【００３１】
道路座標系で単位距離の移動Ｖｒは、Ｖｒ（Ｘｒ，Ｙｒ，Ｚｒ）＝（１，０，０）で表される。上の回転行列Ｃｓａ、Ｃｒｓを用いることにより、ベクトルＶｒは、次式で絶対座標系のベクトルＶａに変換される。
【００３２】
【数４】
2005257489.tif 000006
【００３３】
こうして求められたベクトルＶａのＸａ、Ｙａ成分は単位距離移動時の水平方向の変位を与える。Ｚａ成分は単位距離移動時の標高差分を与える。
【００３４】
Ｄ．標高算出処理：
図３は各センサによる検出タイミングを示す説明図である。標高の算出時には、車両１０の移動中に、周期的に、オドメータによる移動距離Ｌの検出、および姿勢センサ１０２による姿勢角の検出が行われる。図中の黒丸は、移動距離Ｌおよび姿勢角の検出タイミングを示している。本実施例では、移動距離Ｌの検出は２Ｈｚで行い、姿勢角の検出は５０Ｈｚで行うものとした。標高の算出は、姿勢角の検出周期０．０２ｓｅｃを単位時間として実行する。もっとも、検出タイミングはこの例に限らず、種々の設定が可能である。
【００３５】
図４は標高算出処理のフローチャートである。標高算出部１２０の機能に相当する処理であり、処理装置１００が実行する処理である。この処理は、計測中に随時行うものとしてもよいし、計測終了後に、計測データを読み込んで行うものとしてもよい。ここでは、前者の処理例を示した。
【００３６】
処理が開始されると、処理装置１００は、移動距離を入力し（ステップＳ１１）、単位時間当たりの走行距離を算出する（ステップＳ１２）。本実施例の場合、移動距離は単位時間の２５倍の周期で検出されるため、「単位時間値の走行距離＝移動距離／２５」で求められる。
【００３７】
次に、処理装置１００は、姿勢角を入力する（ステップＳ１３）。そして、姿勢角、取付角に基づき、先に示したベクトルＶａのＸａ，Ｙａ，Ｚａ方向成分に移動距離を乗ずることで水平位置、標高の差分を算出する（ステップＳ１４）。また、この差分を順次、積算することで水平位置および標高を求め、その結果を出力する（ステップＳ１５）。水平位置については算出を省略しても差し支えない。
【００３８】
以上の処理を処理装置１００は、計測終了まで繰り返し実行する（ステップＳ１６）。計測が終了していない場合、処理装置１００は、距離読込タイミングでなければ姿勢角入力（ステップＳ１３）から処理を繰り返し実行する。距離読込タイミングに至った場合、即ち単位時間の２５倍の時間が経過した場合には、距離入力（ステップＳ１１）から処理を繰り返し実行する。
【００３９】
図５〜７は標高算出例を示すグラフである。それぞれ移動距離を横軸にとり、図５にピッチ角、図６にロール角、図７に標高の検出結果を示した。図７においては、絶対座標系のＺ軸を表しているため、負値は高度が高いことを意味している。それぞれの図では、４回分の結果を並記したが、標高は比較的ばらつき少なく算出されていることが分かる。
【００４０】
Ｅ．効果：
図８はヘディング方向の取付角補正による効果を示す説明図である。センサ出力、センサの取付角に応じた算出結果を示した。ケースＮｏ．１は、取付角の誤差がない場合、道路が０．１度のピッチ角で傾斜していると、１０００ｍ走行時に１．７４５３ｍの標高差が生じることを表している。
【００４１】
ケースＮｏ．２〜５は、姿勢センサ１０２が１°のヘディング角で取り付けられている場合において、道路が横断方向に０〜３°バンクしている場合の結果を示している。センサのピッチ出力θｓａは０となっているが、道路にはピッチ方向の傾斜が存在する。ヘディング取付角があるため、実際には道路が傾いているにも関わらず、結果として、ピッチ出力θｓａが０となっているだけである。例えば、道路が３°バンクしている場合には、取付角の補正有無間で、標高には０．９１３４ｍの誤差が生じることになる。
【００４２】
ケースＮｏ．６〜９は、姿勢センサ１０２が２°のヘディング角で取り付けられている場合において、道路が０〜３°バンクしている場合の結果を示している。道路が３°バンクしている場合には、取付角の補正有無間で、標高には１．８２６５ｍの誤差が生じることになる。ケースＮｏ．９とＮｏ．１の比較により、ヘディング角２°の取付角によって、標高には、ピッチ角０．１°に相当する程度の誤差が生じることが分かる。
【００４３】
以上で説明した本実施例の移動式標高計測装置によれば、姿勢センサ１０２の取付角を反映することにより、標高を精度良く算出することが可能となる。
【００４４】
以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができることはいうまでもない。例えば、座標系および姿勢角は、図２で示した定義に限らず、種々の定義が可能である。実施例では、姿勢センサ１０２について、ヘディング角、ピッチ角およびロール角を標高算出に反映させているが、ロール角の反映は省略しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】実施例としての移動式標高計測装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】姿勢角の定義を示す説明図である。
【図３】各センサによる検出タイミングを示す説明図である。
【図４】標高算出処理のフローチャートである。
【図５】図５は移動距離とピッチ角の検出結果の関係を示すグラフである。
【図６】図６は移動距離とロール角の検出結果の関係を示すグラフである。
【図７】図７は移動距離と標高の算出結果を示すグラフである。
【図８】ヘディング方向の取付角補正による効果を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０...車両
１２...車輪
１００...処理装置
１０２...姿勢センサ
１０４...ＧＰＳ
１０６...オドメータ
１１０...センサ入力部
１２０...標高算出部
１３０...取付角テーブル
１４０...計測ＤＢ
【図１】
2005257489.tif 000007
【図２】
2005257489.tif 000008
【図３】
2005257489.tif 000009
【図４】
2005257489.tif 000010
【図５】
2005257489.tif 000011
【図６】
2005257489.tif 000012
【図７】
2005257489.tif 000013
【図８】
2005257489.tif 000014