(57)【要約】【課題】移動体に対するセンサーの取り付け角を算出するための新たな手法を提案すること。【解決手段】ＧＰＳ受信機及び方位センサーを有する移動体の測位方法であって、前記ＧＰＳ受信機により第１の方位を計測し、前記方位センサーにより第２の方位を計測し、前記移動体が移動を開始したときに、前記移動体に対する前記方位センサーの取り付け角を、前記第１の方位と前記第２の方位とから算出することを特徴とする。【選択図】図１
2013195325.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧＰＳ受信機及び方位センサーを有する移動体の測位方法であって、
前記ＧＰＳ受信機により第１の方位を計測し、
前記方位センサーにより第２の方位を計測し、
前記移動体が移動を開始したときに、前記移動体に対する前記方位センサーの取り付け角を、前記第１の方位と前記第２の方位とから算出することを特徴とする移動体の測位方法。
【請求項２】
更に、加速度センサーと、角速度センサーと、を用い、
絶対座標系での前記移動体の第１の移動ベクトルを、前記加速度センサーと前記角速度センサーと、により計測し、
前記第１の移動ベクトルを用いて、前記絶対座標系での前記移動体の絶対座標位置を算出し、
前記取り付け角を用いて、前記第１の移動ベクトルを移動体座標系の第２の移動ベクトルに座標変換し、
前記第２の移動ベクトルと、前記移動体の移動方向に関する制約条件とを用いて、前記絶対座標位置を補正することと、
を含み、
前記制約条件は、移動ベクトルの向きが前記移動体の進行方向であることを特徴とする請求項１に記載の移動体の測位方法。
【請求項３】
ＧＰＳ受信機と、
方位センサーと、
を含み、
前記ＧＰＳ受信機により第１の方位を計測し、
前記方位センサーにより第２の方位を計測し、
移動体が移動を開始したときに、前記移動体に対する前記方位センサーの取り付け角を、前記第１の方位と前記第２の方位とから算出することを特徴とする移動体の測位装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動体に対するセンサーの取り付け角を算出する測位方法、および測位装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、移動体の測位方法には、加速度センサーや角速度センサー、地磁気センサーなどを利用する慣性航法演算というものがある。
【０００３】
慣性航法演算においては、センサーの計測結果に含まれ得る種々の誤差成分に起因して位置算出の正確性が低下するという問題があり、位置算出の正確性を向上させるための様々な技術が考案されている。例えば、特許文献１には、移動体の移動方向に関する制約条件を観測情報としたカルマンフィルターを利用して慣性航法演算結果を補正する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／００１９９６３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の技術は、センサーの計測結果には誤差が含まれることを前提とし、移動体の移動方向に関する制約条件を利用して、慣性航法演算結果である移動体の位置や速度といった諸量に含まれる誤差を推定するものである。但し、この技術は、センサーの座標系と移動体の座標系との正確な対応関係を把握していることが前提である。
【０００６】
具体的には、センサーの計測結果はセンサーの座標系（ローカル座標系）での値である。移動体の座標系ではない。従って、移動体の移動方向に関する制約条件を利用する場合には、センサーの座標系と移動体の座標系との間で座標変換を行うか、或いはセンサーの座標系と移動体の座標系とがぴったり一致するようにセンサーを移動体に固定する必要がある。しかし、キャリブレーションを行うとしても、センサーの座標系から移動体の座標系に正確に変換することは困難であるし、センサーの座標系と移動体の座標系とがぴったり一致するようにセンサーを移動体に固定するのも困難である。僅かではあるが誤差が発生し得るし、時間が経過すると誤差が大きくなり得る。
【０００７】
また、慣性航法用のセンサーを備えた携帯型電話機やナビゲーション装置、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、パソコンといった持ち運び可能な電子機器を移動体に持ち込んで配置し、その電子機器で慣性航法を行う場合には、センサーの座標系と移動体の座標系との対応関係を正確に把握することは至難である。
【０００８】
センサーの座標系と移動体の座標系との間で正確な座標変換ができない場合は、センサーの座標系と移動体の座標系との間で正確な対応がとれなくなるため、慣性航法演算結果に誤差が生じる。また、慣性航法演算を継続するにつれて、実際の位置と計測した位置との乖離が徐々に大きくなっていく傾向があった。
【０００９】
センサーの座標系と移動体の座標系との正確な対応関係を把握するためには、移動体に対するセンサーの正確な取り付け角を算出する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【００１１】
［適用例１］
本適用例に係る移動体の測位方法は、ＧＰＳ受信機及び方位センサーを有する移動体の測位方法であって、前記ＧＰＳ受信機により第１の方位を計測し、前記方位センサーにより第２の方位を計測し、前記移動体が移動を開始したときに、前記移動体に対する前記方位センサーの取り付け角を、前記第１の方位と前記第２の方位とから算出することを特徴とする。
【００１２】
本適用例によれば、移動体の移動方位をＧＰＳ受信機で計測し、移動体に設置された方位センサーの方位を方位センサーで計測するため、移動方位に対する方位センサーの相対的な方位を計算することができる。従って、移動体に対する方位センサーの取り付け角を算出することが可能となる。
【００１３】
例えば、高架下等でＧＰＳ信号が受信できなくなった場合、方位センサーの方位と取り付け角とから、移動体の移動方位を算出することができ、利用者に正確な移動方位を表示することが可能となる。
【００１４】
［適用例２］
上記適用例に記載の移動体の測位方法は、更に、加速度センサーと、角速度センサーと、を用い、絶対座標系での前記移動体の第１の移動ベクトルを、前記加速度センサーと前記角速度センサーと、により計測し、前記第１の移動ベクトルを用いて、前記絶対座標系での前記移動体の絶対座標位置を算出し、前記取り付け角を用いて、前記第１の移動ベクトルを移動体座標系の第２の移動ベクトルに座標変換し、前記第２の移動ベクトルと、前記移動体の移動方向に関する制約条件とを用いて、前記絶対座標位置を補正することと、を含み、前記制約条件は、移動ベクトルの向きが前記移動体の進行方向であることが好ましい。
【００１５】
本適用例によれば、加速度センサーと、角速度センサーと、を用い、絶対座標系での移動体の第１の移動ベクトルを加速度センサーと角速度センサーとにより計測し、第１の移動ベクトルを用いて絶対座標系での移動体の絶対座標位置を算出し、取り付け角を用いて第１の移動ベクトルを移動体座標系の第２の移動ベクトルに座標変換し、第２の移動ベクトルと移動体の移動方向に関する制約条件とを用いることで、絶対座標位置を適切に補正することができる。
【００１６】
絶対座標系は、移動体の移動空間を定める座標系を意味する。移動ベクトルは、移動体の加速度ベクトルや速度ベクトルといった、移動体の移動に関するベクトルのことを意味する。例えば、絶対座標系での移動ベクトルを積分することで、移動体の絶対座標位置を算出することができる。
【００１７】
［適用例３］
本適用例に係る移動体の測位装置は、ＧＰＳ受信機と、方位センサーと、を含み、前記ＧＰＳ受信機により第１の方位を計測し、前記方位センサーにより第２の方位を計測し、移動体が移動を開始したときに、前記移動体に対する前記方位センサーの取り付け角を、前記第１の方位と前記第２の方位とから算出することを特徴とする。
【００１８】
本適用例によれば、移動体の移動方位をＧＰＳ受信機で計測し、移動体に設置された方位センサーの方位を方位センサーで計測するため、移動方位に対する方位センサーの相対的な方位を計算することができる。従って、移動体に対する方位センサーの取り付け角を算出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１実施形態に係る測位システムを有する移動体を示した図。
【図２】第１実施形態に係る測位システムの測位部の構成図。
【図３】第１実施形態に係る測位システムの測位部の処理の流れを示したフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。用いる図面は、説明に必要なものを記載した便宜上のものである。このため、実際の装置には図示していない構成要素が存在する場合がある。また、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度が実際とは異なる場合がある。
【００２１】
（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る測位システムを有する移動体１を示した図である。測位システムは、測位装置１０により構成されている。
【００２２】
測位装置１０は、ＧＰＳ測位部２０、方位センサー３０、加速度センサー４０、角速度センサー５０、取り付け角算出部６０及び測位部７０を含む。
【００２３】
ＧＰＳ測位部２０は、複数のＧＰＳ衛星からの信号を受信し、信号に含まれるドップラー効果によるドップラーシフトを計測し、移動体の移動方位を検出する部分である。ＧＰＳ測位部２０が出力する値は、絶対座標系で表した移動体の移動体方位２１となる。絶対座標系は、移動体１の移動空間を定める三次元直交座標系で、例えば、東北下座標系として知られるＮＥＤ（North East Down）座標系や、地球中心地球固定座標系として知られるＥＣＥＦ（Earth Centered Earth Fixed）座標系として定義される。移動体方位２１は、取り付け角算出部６０に随時出力される。
【００２４】
方位センサー３０は、測位装置１０の方位であるセンサー方位３１を検出するためのセンサーであり、例えば地磁気センサーなどが用いられる。方位センサー３０が計測した値は、絶対座標系で表した測位装置１０の向きとなる。センサー方位３１は、取り付け角算出部６０に随時出力される。
【００２５】
加速度センサー４０は、移動体１の加速度４１をローカル座標系で検出する３軸のセンサーである。ローカル座標系は、測位装置１０の前方を正とする前後方向をｘ軸、右方を正とする左右方向をｙ軸、鉛直下方を正とする上下方向をｚ軸とする三次元直交座標系として定義される。加速度４１は、ローカル座標系のｘ軸の加速度、ローカル座標系のｙ軸の加速度及びローカル座標系のｚ軸の加速度から構成されている。加速度４１は、測位部７０に随時出力される。
【００２６】
角速度センサー５０は、移動体１の角速度５１をローカル座標系で検出する３軸のセンサーである。角速度５１は、ローカル座標系のｘ軸の回転の角速度、ローカル座標系のｙ軸の回転の角速度及びローカル座標系のｚ軸の回転の角速度から構成されている。角速度５１は、測位部７０に随時出力される。
【００２７】
取り付け角算出部６０は、移動体方位２１と、センサー方位３１とから、移動体１に対する測位装置１０の相対方位を計算し、測位装置１０の取り付け角として、取り付け角６１を測位部７０に出力する部分である。
【００２８】
図２は、測位部７０の構成を示す構成図である。図１で示しているように、測位部７０には、加速度センサー４０、角速度センサー５０及び取り付け角算出部６０が接続されている。また、測位部７０は、慣性航法演算部１１０、移動状況判定部１２０、速度制約条件設定部１３０、ＬＶ座標変換行列算出部１４０及び補正部１５０から構成されている。
【００２９】
慣性航法演算部１１０は、ＩＮＳとして知られる慣性航法システムと同様の処理を行う部分であり、加速度４１及び角速度５１を入力とし、ローカル座標系から絶対座標系への座標変換行列（以下、「ＬＡ座標変換行列」と称する）、絶対座標速度ベクトル、及び、絶対座標位置を計算し、計算の結果を慣性航法演算結果１１１として出力する部分である。慣性航法演算結果１１１は、補正部１５０に随時出力される。
【００３０】
移動状況判定部１２０は、移動体１の移動状況を判定する部分である。移動体１の移動状況判定は、種々の手法により移動状況判定部１２０において実現可能である。例えば、加速度センサー４０や角速度センサー５０の計測結果を利用して判定を行う方法が挙げられる。また、図示はしないが、移動体１が自動車であるような場合には、自動車に搭載される車速検出システム（例えば車速パルス）により計測された速度を利用して、移動体１の移動状況を判定してもよい。
【００３１】
速度制約条件設定部１３０は、移動状況判定部１２０から取得した移動状況に基づいて、補正部１５０に適用する移動時速度制約条件を設定する部分である。設定された移動時速度制約条件は、補正部１５０に伝達される。
【００３２】
移動時速度制約条件は、移動体１の移動時に適用する制約条件である。これは、例えば移動体１が四輪自動車であれば、通常走行時において移動体はジャンプやドリフトをすることはないという仮定に基づき設定される制約条件である。この場合は、例えば移動体座標系でのｙ軸の速度を０、ｚ軸の速度を０として制約条件を与える。移動体座標系は、例えば、移動体の前方を正とする前後方向をｘ軸、右方を正とする左右方向をｙ軸、鉛直下方を正とする上下方向をｚ軸とする三次元直交座標系として定義される。
【００３３】
ＬＶ座標変換行列算出部１４０は、取り付け角６１を用いて、ローカル座標系から移動体座標系への座標変換行列であるＬＶ座標変換行列１４１を算出し、補正部１５０に出力する部分である。なお、ＬＶ座標変換行列自体は公知であるため、数式等を用いた説明は省略する。
【００３４】
補正部１５０は、慣性航法演算部１１０から取得した慣性航法演算結果１１１を補正する部分である。補正部１５０は、慣性航法演算結果１１１のうち、少なくとも絶対座標位置を補正するように構成されていればよい。つまり、少なくとも絶対座標位置に対して誤差推定演算を行い、推定した位置誤差を用いて絶対座標位置を推定するように構成されていればよい。
【００３５】
本実施形態では、補正部１５０が、絶対座標位置だけではなく、絶対座標速度ベクトル及びＬＡ座標変換行列も併せて補正する場合を例示する。補正部１５０は、誤差推定部１６０と、ＡＬ座標変換行列算出部１７０とを有する。
【００３６】
誤差推定部１６０は、慣性航法演算部１１０から取得した慣性航法演算結果１１１に含まれる誤差（以下、「慣性航法演算誤差」と称する）を、所定の誤差推定演算を行うことで推定する。慣性航法演算誤差の推定方法としては種々の手法を適用可能であるが、典型的な手法としては、カルマンフィルターを適用することができる。
【００３７】
具体的には、状態ベクトル“Ｘ”を、例えば次式（１）のように設定する。
【００３８】
【数１】
2013195325.tif 000003
【００３９】
但し、“δＰ”、“δＶ”、“δΨ”、“δＢａ”及び“δＢｇ”は、それぞれ絶対座標位置の誤差、絶対座標速度ベクトルの誤差、ＬＡ座標変換行列の誤差、加速度センサー４０の誤差及び角速度センサー５０の誤差である。
【００４０】
移動体１の移動時には、移動時速度制約条件に従って、例えば次式（２）のような移動時観測ベクトル“Ｚ”を設定する。
【００４１】
【数２】
2013195325.tif 000004
【００４２】
2013195325.tif 000005
【００４３】
上記のように状態ベクトル“Ｘ”及び移動時観測ベクトル “Ｚ”を設定し、カルマンフィルターの理論に基づく予測演算（時刻更新）及び補正演算（観測更新）を繰り返して、状態ベクトル“Ｘ”の推定値（状態推定値）を求める。
【００４４】
上記の定義式において、状態ベクトル“Ｘ”は、絶対座標系で表した慣性航法演算誤差として定義されている。しかし、移動時観測ベクトル“Ｚ”は移動体座標系で定義されているため、同じ座標系での演算が困難である。
【００４５】
そこで、ＡＬ座標変換行列算出部１７０は、慣性航法演算結果１１１に含まれるＬＡ座標変換行列の逆行列を計算して、ＡＬ座標変換行列を算出する。そして、算出したＡＬ座標変換行列と、ＬＶ座標変換行列１４１とを用いて、絶対座標系で表した状態ベクトル“Ｘ”を、移動体座標系で表した状態ベクトル“Ｘ”に座標変換する。つまり、２種類の座標変換行列を用いて、状態ベクトル“Ｘ”に２段階の座標変換を施すことになる。
【００４６】
同様に、ＡＬ座標変換行列及びＬＶ座標変換行列１４１を用いて、慣性航法演算結果１１１である絶対座標位置及び絶対座標速度ベクトルを、それぞれ移動体座標系で表した移動体座標位置及び移動体座標速度ベクトルに座標変換する。つまり、２種類の座標変換行列を用いて、慣性航法演算結果１１１に２段階の座標変換を施すことになる。
【００４７】
移動体座標系に座標変換した状態ベクトル“Ｘ”に対して、移動体座標系で定義した移動時観測ベクトル“Ｚ”を用いて、カルマンフィルターを利用した誤差推定演算を行って慣性航法演算誤差を推定する。そして、移動体座標系で推定された慣性航法演算誤差を用いて、上記の移動体座標位置、移動体座標速度ベクトル及びＬＡ座標変換行列をそれぞれ補正する。そして、移動体座標系から絶対座標系に再変換することで、最終的な補正結果を得る。
【００４８】
補正部１５０から出力される補正位置、補正速度ベクトル及び補正姿勢角は、補正情報１７１として慣性航法演算部１１０にフィードバックされる。慣性航法演算部１１０では、補正部１５０から取得した補正位置、補正速度ベクトル及び補正ＬＡ座標変換行列を用いて、絶対座標位置、絶対座標速度ベクトル及びＬＡ座標変換行列が補正される。
【００４９】
次に、フローチャートを用いて測位部７０の処理の一部について説明する。図３は、測位部７０の処理の流れを示すフローチャートである。
【００５０】
最初に、測位部７０は、初期設定を行う（ステップＳ１）。例えば、カルマンフィルターで利用する各種パラメーターの値の設定を行う。
【００５１】
初期設定（ステップＳ１）の後、慣性航法演算部１１０において、加速度４１及び角速度５１を用いて慣性航法演算処理が行われる（ステップＳ３）。
【００５２】
また、移動状況判定部１２０において、移動体１の移動状況の判定が行われる（ステップＳ５）。
【００５３】
移動状況判定部１２０が静止と判定した場合（ステップＳ５；Ｎｏ）は、ステップＳ３に戻る。
【００５４】
移動状況判定部１２０が移動と判定した場合（ステップＳ５；Ｙｅｓ）は、速度制約条件設定部１３０で速度制約条件を設定する（ステップＳ７）。
【００５５】
取り付け角算出部６０は、移動体方位２１及びセンサー方位３１を用いて、取り付け角６１を算出する（ステップＳ９）。
【００５６】
ＬＶ座標変換行列算出部１４０は、ステップＳ９で算出した取り付け角６１を用いてＬＶ座標変換行列１４１を算出する（ステップＳ１１）。
【００５７】
ＡＬ座標変換行列算出部１７０は、慣性航法演算結果１１１のＬＡ座標変換行列の逆行列を計算して、ＡＬ座標変換行列を算出する（ステップＳ１３）。
【００５８】
誤差推定部１６０は、ステップＳ１１で算出したＬＶ座標変換行列１４１及びステップＳ１３で算出したＡＬ座標変換行列を用いて、絶対座標速度ベクトルを移動体座標速度ベクトルに座標変換する（ステップＳ１５）。
【００５９】
誤差推定部１６０は、移動時制約条件に従って、移動体座標速度ベクトルから移動時観測ベクトルを算出する（ステップＳ１７）。
【００６０】
その後、誤差推定部１６０は、ステップＳ１７で算出した移動時観測ベクトルを観測情報として、予測演算及び補正演算を行い、慣性航法演算誤差を推定する（ステップＳ１９）。
【００６１】
そして、慣性航法演算部１１０は、慣性航法演算誤差を用いて、絶対座標位置、絶対座標速度ベクトル及びＬＡ座標変換行列を補正する（ステップＳ２１）。
【００６２】
測位部７０は、測位処理を終了するか否かを判定する（ステップＳ２３）。そして、まだ処理を終了しないと判定した場合は（ステップＳ２３；Ｎｏ）、測位部７０は、ステップＳ３に戻る。また、処理を終了すると判定した場合は（ステップＳ２３；Ｙｅｓ）、測位部７０は、測位処理を終了する。
【００６３】
以上、本発明のひとつの実施形態のひとつである測位装置１０の説明を行ったが、本発明を適用することにより、少なくとも以下の効果を得ることができる。
【００６４】
ＧＰＳ受信機により計測された方位と、方位センサーにより計測された方位とから、移動体に対する測位装置の相対方位を計算することで、測位装置の取り付け角を計算することができる。その結果、センサーの座標系と移動体の座標系が一致するように測位装置が移動体に取り付けられていなくても、移動体の移動方向に関する制約条件を観測情報としたカルマンフィルターを利用して、慣性航法演算結果を補正する精度を向上することができる。
【００６５】
以上、本発明について説明を行ったが、本発明は上述した実施形態に限られるものではない。本発明は、趣旨を逸脱しない範囲において広く適用が可能である。
【符号の説明】
【００６６】
１…移動体、１０…測位装置、２０…ＧＰＳ測位部、２１…移動体方位、３０…方位センサー、３１…センサー方位、４０…加速度センサー、４１…加速度、５０…角速度センサー、５１…角速度、６０…取り付け角算出部、６１…取り付け角、７０…測位部、１１０…慣性航法演算部、１１１…慣性航法演算結果、１２０…移動状況判定部、１３０…速度制約条件設定部、１４０…ＬＶ座標変換行列算出部、１４１…ＬＶ座標変換行列、１５０…補正部、１６０…誤差推定部、１７０…ＡＬ座標変換行列算出部、１７１…補正情報。
【図１】
2013195325.tif 000006
【図２】
2013195325.tif 000007
【図３】
2013195325.tif 000008