JP2009115714A - 移動体の速度測定方法および同測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】移動体の速度を求める方法には、ＧＰＳによる方法、加速度計による方法があるが、それぞれ一長一短がある。また、両者を併用し、適宜切り換えて使用する方法も知られているが、瞬間瞬間の移動速度を高精度に測定することはできない。本発明は、移動体の瞬間瞬間の移動速度を高精度に求めることができる速度測定方法及び同装置を提供する。
【解決手段】位置を測定する位置測定装置と加速度を測定する加速度測定装置とを移動体に設置し、移動体の所定の移動時間における加速度測定装置の出力値の変化幅に応じて、位置測定装置の位置の差分を計算するための時間間隔であり、かつ加速度測定装置の出力値を積分後に移動平均する際の平均化時間である時間を決定し、上記位置測定装置より得られた平均移動速度と、上記加速度測定装置より得られた移動速度変動成分を合成して、移動体の速度を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両や船舶などの移動体において、移動体の瞬間的な速度をも精度良く測定する速度方法及び速度測定装置に関する。従来、車両や船舶の速度を把握する場合、瞬間瞬間の速度までを捉える必要は必ずしも無く、平均的な速度を把握、表示できれば機能として十分であった。しかし、移動体にその他の測定器（例えばドップラー式レーダ、ドップラー式ソーダなど）を搭載して、風速や物体など対象物の速度を測定する場合、その他の測定器によって電波・音波などを送受信するごとに移動体の瞬間的な対地速度を正確に測定して、その他の測定器の出力値を補正する必要がある。このとき車両や船舶などの移動体は、整地されていない土地の起伏や、海洋における波の影響を受け、移動速度が一定せず時々刻々変動することが想定される。そのため、車両や船舶などの移動速度が一定していない場合に、その瞬間瞬間の移動速度を精度良く測定することが必要となる。すなわち、時間分解能が高く、かつ高精度な速度測定システムが必要になる。本発明は、以上のような要求を満たし、時間分解能と精度の高い移動速度測定方法及び装置を提供することを目的とする。

車両や船舶の速度を測定する場合、位置測定装置（以下、ＧＰＳと略記することあり）を用いる方法があり、ＧＰＳによる連続した位置データの差分を時間で除することで移動速度を計算する方法がある。この場合、平均化時間の長い平均速度は求め易いが、瞬間瞬間の速度を精度良く求めることは困難である。

また、車両や船舶の速度を測定する場合、加速度測定装置（以下、加速度計と略記することあり）を搭載し、加速度計の測定値を積分することで速度を計算する方法がある（例えば、特許文献１参照）。この場合、時間が経過するに従って加速度の誤差が累積されていき、誤差が増大するため、運転時間が長時間に渡れば、速度を求めることが困難になる。さらに、車両や船舶の移動体が傾くことで、水平方向の加速度に重力加速度の成分が含まれてしまう欠点がある。

なお、ＧＰＳと加速度計とを組み合わせ、ＧＰＳの電波受信状態によって、これら装置を切り換えて用いる速度測定装置も提案されている（例えば、特許文献２、３参照）。しかしこのようにＧＰＳと加速度計を切り換えて用いる場合、瞬間瞬間の移動速度を高精度に測定することはできない。

また、超音波のドップラー効果を用いて海洋上における船舶の対地速度または対水速度を測定する装置もあった。この場合、水深が深くなれば、速度の測定は困難になる。

なお、移動体の速度を精度良く求める必要性および実用化の分野については、本願の発明者らの論文発表がある（例えば、非特許文献１参照）。
特開２００５−１５６１８５号公報 特開平７−２８０８２６号公報 特開平７−２８０８２７号公報 講演論文「オフショア風力発電に適用する移動式風況観測法の研究、第２８回風力エネルギー利用シンポジウム」、（２００６年１１月）、ｐｐ．３４５−３４８

上述したような、ＧＰＳによる連続した位置データの差分を時間で除することで求める方法で速度を計算する場合、瞬間的な速度を求めるために差分の計算に用いる位置データの時間間隔を短く設定すれば、速度の誤差が大きくなる。反対に、時間間隔を長く設定すれば、設定時間における平均速度の誤差は小さくなるが、瞬間的な速度が求まらない。

また、加速度計の測定値を積分することで速度を計算する場合、時間が経過するに従って加速度の誤差が累積されていき、長時間に渡る測定が困難になる。さらに、ＧＰＳと加速度計とを切り換えて用いる場合、瞬間瞬間の移動速度を高精度に測定することはできない。

本発明は、上述のような問題点を解決するためになされたものであり、移動体の瞬間瞬間の移動速度を高精度に求めることができる、すなわち、時間分解能が高く、かつ高精度な速度測定方法及び同装置を提供することを目的とする。

本発明請求項１に記載の発明は、位置を測定する位置測定装置と加速度を測定する加速度測定装置とを移動体に設置し、上記移動体の所定の移動時間における上記加速度測定装置の出力値の変化幅に応じて、上記位置測定装置の位置の差分を計算するための時間間隔であり、かつ上記加速度測定装置の出力値を積分後に移動平均する際の平均化時間である時間を決定し、上記位置測定装置より得られた平均移動速度と、上記加速度測定装置より得られた移動速度変動成分を合成して、移動体の速度を求めることを特徴とする移動体の速度測定方法である。

同請求項２に記載の発明は、移動することによって生じる、上記位置測定装置の出力値の誤差を、上記加速度測定装置の出力値の変化幅を用いて推定し、推定した誤差によって決定される重みを付加して位置の出力値を移動平均することにより、移動体の位置を求めた上、連続する位置出力の差分から移動体の速度を求めることを特徴とする請求項１に記載の移動体の速度測定方法である。

同請求項３に記載の発明は、上記加速度測定装置の出力値の変化幅を、加速度出力値の二乗平均平方根によって求めることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の移動体の速度測定方法である。

同請求項４に記載の発明は、位置を測定する位置測定装置と加速度を測定する加速度測定装置とを有し、移動体の所定の移動時間における上記加速度測定装置の出力値の変化幅に応じて、上記位置測定装置の位置の差分を計算するための時間間隔であり、かつ上記加速度測定装置の出力値を積分後に移動平均する際の平均化時間である時間を決定し、上記位置測定装置より得られた平均移動速度と、上記加速度測定装置より得られた移動速度変動成分を合成して、移動体の速度を求める回路を有することを特徴とする移動体の速度測定装置である。

同請求項５に記載の発明は、移動することによって生じる、上記位置測定装置の出力値の誤差を、上記加速度測定装置の出力値の変化幅を用いて推定し、推定した誤差によって決定される重みを付加して位置の出力値を移動平均することにより、移動体の位置を求めた上、連続する位置出力の差分から移動体の速度を求める回路を有することを特徴とする請求項４に記載の移動体の速度測定装置である。

同請求項６に記載の発明は、上記加速度測定装置の出力値の変化幅を、加速度出力値の二乗平均平方根によって求める回路を有することを特徴とする請求項４または請求項５に記載の移動体の速度測定装置である。

本発明によれば、船舶や車両などにおける移動体において、波や路面状況によって移動速度が激しく変動する移動体であっても、瞬間瞬間の速度を高精度に求めることが可能になる。

また、船舶や車両などの移動体にその他の測定器（例えばドップラー式レーダ、ドップラー式ソーダなど）を搭載して、風速や物体など対象物の速度を測定する場合、対象物の速度を測定する瞬間瞬間における移動体の移動速度を測定して、その他の測定器の出力値を補正する必要がある。このように移動体に風観測設備やレーダ等を搭載する場合、本発明によって得られる時間分解能の高い移動速度の出力値を用いて、移動体に搭載した風観測設備やレーダ等による出力値を補正することで、移動しながら風観測設備やレーダ等による観測が可能になる。

図１は、本発明による移動速度測定方法及び同装置を概念的に説明するための図である。図１における各ブロックは、移動体に設置されたセンサの出力を演算するプログラムを表す。図１に示すように、船舶や車両などの移動体１には、ＧＰＳ２および三軸加速度計３、更に一般的には、三軸ジャイロ４、コンパス５が設置されている。また、三軸ジャイロの代わりに傾斜計を用いることもできる。

図２は、車両や船舶などの傾斜を補正するための座標変換を概念的に説明するための図である。座標軸（Ｘ_S，Ｙ_S，Ｚ_S）は、移動体に固定された座標軸を表し、座標軸（Ｘ_G，Ｙ_G，Ｚ_G）は、観測地の方位軸を基準にした絶対座標系（東西南北と鉛直方向を軸とした局所平面直角座標系）の座標軸を表している。

加速度データは、計測装置の傾き角によって変化するため、これを絶対座標系へ戻す変換が必要になる。図２に示す移動体（計測装置）固定の座標系から、観測地の絶対座標系（東西南北と鉛直方向を軸とする局所平面直角座標系）へ次の手順によって座標変換する。

取得された生の加速度ベクトルをＡ＝（ａ_X，ａ_Y，ａ_Z）とし、座標変換後の加速度ベクトルをＢ＝（ｂ_X，ｂ_Y，ｂ_Z）とし、図２のようにそれぞれ、ピッチ角をθ、ロール角をφ、ヨー角をΨとすると、傾斜角・方位角を補正する座標変換は、（１）式によって演算される。

・・・（１）

さらに、重力加速度ｇの成分を取り除くために、（２）式によって加速度ベクトルから重力加速度ｇを補正する（（１）式、（２）式は、図１の加速度の座標変換および重力加速度の補正プログラム７に対応）。

・・・（２）

この補正した加速度ベクトルＣ＝（ｃ_X，ｃ_Y，ｃ_Z）の出力値の変化幅を求めるために、例えば二乗平均平方根（以下、ＲＭＳと略記することあり）をそれぞれ演算する（図１の加速度ＲＭＳ演算プログラム８に対応）。二乗平均平方根（ＲＭＳ）は、加速度の変動の大きさ、すなわち加速度出力値の振れ幅を示す一つの指標である。例えば、Ｎ個のデータ[ｘ₁，ｘ₂，ｘ₃，・・・，ｘ_Ｎ]におけるＲＭＳは、（３）式により定義される。

・・・（３）

このＲＭＳ値を元にして、後述するように、連続する位置の出力から速度を求める際の時間間隔であり、かつ加速度計の出力値を積分後に移動平均する際の平均化時間である時間Ｓを決定する（図１の平均化時間の決定プログラムに対応）。図３は、加速度のＲＭＳ値から、時間Ｓ（秒）を決定する関数の一例を示したグラフである。さらに後述するように、このＲＭＳ値を利用して、移動することによって生じるＧＰＳの出力値の誤差を推定することも行う。

次に、（２）式によって得た加速度の時系列データＣ_iを（４）式により積算して（図１の積算演算プログラム１０に対応）、暫定的な速度Ｖ_ai（図５の波形１０ａに対応）へ換算する。（４）式の積算は、加速度の時間積分によって速度を求めることに相当する。

・・・（４）

この暫定的な速度Ｖ_ai（図５の波形１０ａ）を、平均化時間Ｓにおいて、移動平均し（図１の移動平均演算プログラム１１に対応）、速度Ｖ_aiの移動平均速度Ｖ_bi（図５の波形１１ａ）を演算する。

さらに、暫定的な速度Ｖ_aiと、このＶ_aiを移動平均した速度Ｖ_biの差から、移動速度変動成分Ｇ_i((５)式の左辺の波形バー付きＶ_iに同じ、図５の波形１２ａ）を(５)式によっ
て演算する。

・・・（５）

一方、ＧＰＳによって得られた位置データは、ＧＰＳの時系列データＰ_iに、重みＭ_iを付加し、（５）式に示す移動平均法を用いて、位置の移動平均値Ｑ_iの演算を行う（図１のＧＰＳデータの移動平均演算プログラム１４に対応）。

・・・（６）

（６）式における重みＭ_iは、（７）式によって演算する（図１の重み関数の設定プログラム１３に対応）。

・・・（７）

（７）式では、前述した加速度データＣの二乗平均平方根（ＲＭＳ）σ_rms（ｍ／ｓ²）を、移動体の移動速度が変動することによる位置解析の誤差として用いている。またδは、ＧＰＳが元々有する誤差（ｍ）である。（７）式に基づいて決定される、位置データＰ_iからの時間間隔Δ_ti（秒）における、ＧＰＳデータＰ_iに付加する重みＭ_iの一例を図４に表す。

（６）式、（７）式によって求められた移動平均値Ｑ_iを基に、平均移動速度を次のように求める。連続する位置データＱ_i（移動平均値）ついて、求めたい時間を中心とした時間間隔Ｓにおける初期位置をＱ_ini、最終位置をＱ_endとすると、（８）式に基づいて、位置の差（距離）を時間間隔Ｓで除することによって、位置Ｑ_iにおける平均移動速度Ｈ_i((８)式の左辺の直線バー付きＶ_iに同じ、図６の波形１５ａ）が演算される（図１の平均移動速度の演算プログラム１５に対応）。

・・・（８）

最終的に、平均速度Ｈ_i（図６の波形１５ａ）と移動速度変動成分Ｇ_i（図５、図６の波形１２ａ）を（９）式によって合成して、移動速度Ｖ_i（図６の波形１６ａ）を出力として得る。

・・・（９）

以上説明したように、本実施の形態による移動体の速度、位置測定方法および同測定装置は、移動体の移動速度を時間分解能と精度が高く測定可能な移動速度測定が実現できる。尚、本書において、(１)〜(９)の式中の文字と式以外の文中の文字で、斜字体と斜字体でないもの、又は線の太さにおいて異なるものがあるが、それらの間に差はなく同じことを意味する。

以下、本発明に係る移動速度測定システムを実際に船舶に搭載して、波による大きな速度の変化が生じる海洋上で船舶が航行したときに取得されたデータに基づいて説明する。

三軸加速度計３で得られた加速度は、（１）式の座標変換によって傾き角が修正され、（２）式によって重力加速度 g が取り除かれる。座標変換し、重力加速度を補正した加速度を時間積分すると加速度を積分した、暫定的な速度波形（図５の１０ａ）が求められる。

また、座標変換し、重力加速度を補正した加速度から、（３）式によって定義されるＲＭＳを演算する（ここでは、ＲＭＳ＝０．２ｍ／ｓ²）。求めた加速度のＲＭＳから、図３の関数を基に、ＧＰＳの位置の差分を計算するための時間間隔であり、かつ加速度測定装置の出力値を積分後に移動平均する際の平均化時間である時間Ｓ（秒）を決定する（ここでは、Ｓ＝２０秒と決定される）。

加速度を時間積分した暫定的な速度（図５の波形１０ａ）を、平均化時間Ｓに基づいて移動平均する（図５の波形１１ａ）。移動平均した速度（図５の波形１１ａ）に対する、加速度を時間積分した暫定的な速度（図５の波形１０ａ）の偏差を（５）式によって演算し、移動速度変動成分（図５の波形１２ａ）を求める。

一方、ＧＰＳのデータから、次の手順により、移動速度の平均成分を演算する。まず、求めた加速度のＲＭＳ値から（７）式により、ＧＰＳデータに付加する重み関数Ｍ_i（図４）を決定する。次に、平均化時間をＳ（秒）、重み関数をＭ_i（図４）とし、（８）式に基づいて、ＧＰＳの位置データを移動平均する。移動平均されたＧＰＳの位置データから、（８）式に基づいて、時間区間Ｓ（秒）における平均速度（図６の波形１５ａ）を演算する。

最終的に、移動速度の変動成分（図５、６の波形１２ａ）と平均成分（図６の波形１５ａ）を、（９）式によって合成し、移動速度（図６の波形１６ａ）を出力する。

一方、実施例１の応用として、次の手順により、移動する移動体の位置を高精度に決定
することができる。

まず、三軸加速度計３で得られた加速度は、（１）式の座標変換によって傾き角が修正され、（２）式によって重力加速度 g が取り除かれる。次に、座標変換し、重力加速度を補正した加速度から、（３）式によって定義されるＲＭＳを演算する（ここでは、ＲＭＳ＝０．２ｍ／ｓ²）。求めた加速度のＲＭＳ値から（７）式により、ＧＰＳデータに付加する重み関数Ｍ_i（図４）を決定する。（８）式に基づき、重み関数をＭ_i（図４）として、ＧＰＳの位置データを移動平均することで、移動する移動体の位置を高精度に決定する。

本発明は、船舶や車両など、波や路面状況によって速度が激しく変動する移動体の速度を、高い時間分解能で高精度に測定することが可能になり、移動体の移動速度測定法の高精度化・高分解能化に有用である。

本発明による移動速度測定方法および装置を用いれば、移動体にその他の測定器（例えばドップラー式レーダ、ドップラー式ソーダなど）を搭載して、移動しながらでも風速や物体など対象物の速度を測定することができる。この測定は、搭載したレーダ等によって電波・音波など送受信して得られる出力値から、移動体の瞬間的な対地速度を補正することによって可能になる。

本発明の一実施例による移動速度出力までの流れを説明するためのフロー図である。 移動体に固定した座標系から絶対座標系への座標変換を説明するための図である。 加速度のＲＭＳ値から、時間Ｓ（秒）を決定する関数の一例を示した図である。 移動平均に用いる重み関数の一例をグラフとして示した図である。 移動速度変動成分（偏差）の解析例を時系列波形によって示した図である。 最終的な移動速度の解析例を時系列波形によって示した図である。

符号の説明

１ 移動体
２ ＧＰＳ
３ 三軸加速度計
４ 三軸ジャイロまたは傾斜計
５ コンパス
６ メモリ（データ記憶装置）
７ 加速度計の座標変換・重力加速度の補正プログラム
８ 加速度ＲＭＳ（二乗平均平方根）演算プログラム
９ 平均化時間の決定プログラム
１０ 積算演算プログラム
１１ 移動平均演算プログラム
１２ 偏差の演算プログラム
１３ ＧＰＳデータの重み関数の設定プログラム
１４ ＧＰＳデータの移動平均プログラム
１５ 平均移動速度の演算プログラム
１６ 移動速度の合成プログラム
１０ａ 加速度を積算して求めた速度の時系列波形(積算演算プログラム１０により演算)
１１ａ 移動平均された速度の時系列データ(移動平均演算プログラム１１により演算)
１２ａ 移動速度変動成分の時系列波形(偏差の演算プログラム１２により演算)
１５ａ 平均速度の時系列波形(平均速度の演算プログラム１５により演算)
１６ａ 合成された最終的な移動速度の時系列波形(移動速度の合成プログラム１６により演算)

Claims (6)

1. 位置を測定する位置測定装置と加速度を測定する加速度測定装置とを移動体に設置し、上記移動体の所定の移動時間における上記加速度測定装置の出力値の変化幅に応じて、上記位置測定装置の位置の差分を計算するための時間間隔であり、かつ上記加速度測定装置の出力値を積分後に移動平均する際の平均化時間である時間を決定し、上記位置測定装置より得られた平均移動速度と、上記加速度測定装置より得られた移動速度変動成分を合成して、移動体の速度を求めることを特徴とする移動体の速度測定方法。
2. 移動することによって生じる、上記位置測定装置の出力値の誤差を、上記加速度測定装置の出力値の変化幅を用いて推定し、推定した誤差によって決定される重みを付加して位置の出力値を移動平均することにより、移動体の位置を求めた上、連続する位置出力の差分から移動体の速度を求めることを特徴とする請求項１に記載の移動体の速度測定方法。
3. 上記加速度測定装置の出力値の変化幅を、加速度出力値の二乗平均平方根によって求めることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の移動体の速度測定方法。
4. 位置を測定する位置測定装置と加速度を測定する加速度測定装置とを有し、移動体の所定の移動時間における上記加速度測定装置の出力値の変化幅に応じて、上記位置測定装置の位置の差分を計算するための時間間隔であり、かつ上記加速度測定装置の出力値を積分後に移動平均する際の平均化時間である時間を決定し、上記位置測定装置より得られた平均移動速度と、上記加速度測定装置より得られた移動速度変動成分を合成して、移動体の速度を求める回路を有することを特徴とする移動体の速度測定装置。
5. 移動することによって生じる、上記位置測定装置の出力値の誤差を、上記加速度測定装置の出力値の変化幅を用いて推定し、推定した誤差によって決定される重みを付加して位置の出力値を移動平均することにより、移動体の位置を求めた上、連続する位置出力の差分から移動体の速度を求める回路を有することを特徴とする請求項４に記載の移動体の速度測定装置。
6. 上記加速度測定装置の出力値の変化幅を、加速度出力値の二乗平均平方根によって求める回路を有することを特徴とする請求項４または請求項５に記載の移動体の速度測定装置。

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