专利名称：车辆用陀螺仪的角速度误差修正装置、修正方法
技术领域：
本发明涉及修正车辆用陀螺仪传感器的误差的技术。
背景技术：
以往，为了计测车辆的行驶轨迹，用陀螺仪传感器计测行驶方向上的移动距离和方位变化量。但是，由于温度或经年劣化等，陀螺仪传感器的特性发生变化，其计测值存在误差。因此，不能直接计测准确的车辆行驶轨迹，所以需要修正陀螺仪传感器的计测值来减
小误差。所以进行利用了卫星导航(GPS:Global Positioning System)的传感器修正(例如参照专利文献I)。另外，在用于检测水平方向的方位变化量的陀螺仪传感器的情况下，由于陀螺仪传感器的检测轴的倾斜，发生误差。所以，提出了通过检测陀螺仪传感器的检测轴的倾斜，修正该误差的技术的方案(例如参照专利文献2)。在该专利文献2中，用加速度传感器作为梯度传感器，根据加速度传感器的检测值检测陀螺仪传感器的检测轴的倾斜。专利文献1:日本特开2006-71474号公报专利文献2:日本特开2010-160163号公报但是，存在GPS的定位精度的可靠度降低的情况。例如，由于电离层的电磁干扰，发生电波的延迟的情况下，GPS定位精度的可靠度降低。并且在上述专利文献I中记载的技术有在GPS定位精度的可靠度低的情况下不能准确地修正陀螺仪传感器的误差的问题。为了检测车辆的倾斜，上述专利文献2中记载的技术除了检测行驶方向的加速度以外，还检测车辆本身的加速度。但是，该加速度存在根据预定的因素而变动的情况，所以陀螺仪传感器的检测轴的倾斜的检测中会产生误差。因此不能高精度地修正陀螺仪传感器的角速度，成为在计测行驶轨迹时发生误差的原因。因此，发明人研究了使用取得3维(偏航、纵摇、横摇)的角速度的3轴陀螺仪传感器，但是还没确立修正该陀螺仪传感器的角速度的技术。
发明内容
本发明签于上述问题而做出，其目的在于，提供能正确地修正取得3维角速度的3轴陀螺仪传感器的角速度的车辆用陀螺仪的角速度误差修正装置。以下，为了容易地理解发明，根据需要使用在具体实施方式
中使用的符号。但是，这些符号没有限定权利要求的意思。本发明的第一技术方案涉及的车辆用陀螺仪误差修正装置5，其包括陀螺仪传感器10、移动距离计算单元30、60、GPS接收器50、第一移动向量计算单元60、第二移动向量计算单元60和误差修正单元60。陀螺仪传感器10取得车辆80的前后、左右和上下的3维方向的角速度。移动距离计算单元30、60计算车辆80的移动距离，GPS接收器50接收从GPS卫星发送的定位数据，3维地检测车辆80的速度和方位。第一移动向量计算单元60根据通过移动距离计算单元30、60计算的车辆80的移动距离、以及通过陀螺仪传感器10取得的3维方向的各角速度与规定的时间间隔相乘的值，计算车辆80的3维方向的第一移动向量。第二移动向量计算单元60根据从GPS接收器50输出的上述车辆80的速度及方位，计算车辆80的3维方向的第二移动向量。误差修正单元60进行陀螺仪传感器10输出的角速度的误差修正，以使通过第一移动向量计算单元60计算的车辆80的移动向量和通过第二移动向量计算单元60计算的车辆80的移动向量之差最小。根据这样的车辆用陀螺仪误差修正装置5，使用取得3维方向的角速度的陀螺仪传感器，能够准确地进行该陀螺仪传感器10的修正。为了准确地修正本发明的陀螺仪传感器10的误差，优选的是，准确地计算车辆80的移动距离。所以，如第二技术方案所述，移动距离计算单元30、60包括取得车辆80的轮胎的转速的转速取得单元30，移动距离计算单元30、60通过将由转速取得单元30取得的轮胎的转速与该轮胎的圆周长度相乘，计算所述车辆80的移动距离，GPS接收器50除了输出车辆80的速度以外，还输出车辆80的当前位置，包括移动距离取得单元50，移动距离取得单元50根据从GPS接收器50输出的车辆80的当前位置，取得车辆80的移动距离，在规定区间通过移动距离计算单元30、60计算的车辆80的移动距离和在该同一规定区间通过移动距离取得单元50取得的车辆80的移动距离之间有规定的误差以上的差的情况下，误差修正单元60不进行陀螺仪传感器10输出的角速度的误差修正。这样，例如在车辆80的轮胎由于打滑而空转，无法准确地计算车辆80的移动距离的情况下，在通过移动距离计算单元30、60计算的车辆80的移动距离和通过移动距离取得单元50取得的车辆80的移动距离间产生差异。S卩，因为轮胎的空转，通过轮胎的转速与该轮胎的圆周长度相乘计算的车辆80的移动距离不正确。在这样的情况下，如上所述，不能准确地进行陀螺仪传感器10的误差修正，因此不进行陀螺仪传感器10输出的角速度的误差修正。并且，在用GPS卫星定位的情况下，根据地球周围的电离层的状态，电波的延迟的大小发生变动，所以从GPS卫星发送计算电离层延迟所需的信息。所以，在第三技术方案中，在GPS接收器50中输出电离层延迟信息，在根据GPS接收器50输出的电离层延迟信息计算的电离层延迟的值在规定值以上的情况下，误差修正单元60不进行陀螺仪传感器10输出的角速度的误差修正。这样，在电离层的状态发生异常，来自GPS卫星的定位数据发生电离层延迟，车辆80的当前位置、速度等的误差增大的情况下，能够不用车辆80的当前位置及速度等进行角速度的误差修正。因此，能够防止修正后的角速度的误差增大。
图1是表示车载导航装置的概略结构的功能框图。图2是表示在控制部中执行的控制处理的流程的流程图。图3是表示在控制部中执行的控制处理的流程的流程图。
图4是表示通过重力加速度和静止时的加速度传感器20算出倾斜角度的方法的图。图5是表示车辆及控制部的3维坐标轴的定义的图。图6是表示车辆的倾斜角的定义的图。图7是表示第一移动向量及第二移动向量的概念的图。图8是陀螺仪传感器的偏移误差及增益误差的说明图。图9是表示有偏移误差及增益误差时的车辆的动作的图。图10是表示由于陀螺仪传感器检测轴的倾斜引起的计测值的输出差别的图。
具体实施例方式以下，基于
适用本发明的实施方式。另外，本发明的实施方式并不仅限于下述的实施方式，在不脱离本发明的技术范围的情况下能够适用各种实施方式。图1是表示本发明所适用的车载导航装置I的概略构成的框图。如图1所示，车载导航装置I包括车辆用陀螺仪误差修正装置5和显示装置70。车辆用陀螺仪误差修正装置5包括陀螺仪传感器10、加速度传感器20、转速计数器30、车速传感器40、GPS接收器50和控制部60。陀螺仪传感器10是用于取得车辆80的角速度的传感器。陀螺仪传感器10有使用转动体的转动型或者使用振子的振动型等机械型、使用气体的流体型、像环形激光陀螺仪那样的光学型等。为了取得车辆80的前后、左右和上下即3维方向的角速度，陀螺仪传感器10安装在车辆80的内部。加速度传感器20是用于检测车辆80的倾斜角度的传感器，通过半导体MEMS(Micro electro mechanical structure)型、机械型或光学型的加速度传感器，检测重力加速度。根据所检测的重力加速度，检测车辆80的倾斜角度。加速度传感器20安装在控制部60的内部。加速度传感器20在控制部60的内部被配置成能取得车辆80的纵摇方向及横摇方向的倾斜角度。转速计数器30是取得车辆80的轮胎的转速的传感器。转速计数器30包括产生与轮胎的转速对应的脉冲的脉冲产生器和对该脉冲进行计数的计数器(均未图示)。车速传感器40是用于计测车辆80速度的传感器。车速传感器40通过脉冲计测每单位时间的车轴的转速，或者与每单位时间的车轴的转速成比例地输出电压，从而测定车速。另外，该车速传感器40不一定是必须的。GPS接收器50接收从GPS卫星发送的定位数据，3维地检测车辆80的速度、方位及当前位置。另外，GPS接收器50接收从GPS卫星发送的GPS卫星的位置和电离层延迟信息，并作为数据而输出。另外，也可以接收从GPS卫星发送的定位数据，并检测车辆80的当前位置。控制部60具有未图示的CPU、RAM、ROM和1/0，执行下述的(A)-(J)所示的处理。(A)通过将转速计数器30取得的轮胎的转速与轮胎的圆周长度相乘，从而算出车辆80的移动距离(移动距离计算处理)。(B)根据从GPS接收器50输出的车辆80的当前位置，取得车辆80的移动距离(移动距离取得处理)。(C)计测通过加速度传感器20取得的车辆80的纵摇方向及横摇方向的倾斜角度。但是，加速度传感器20由于受到车辆的加速度的影响，所以在车辆停止时进行计测。并且，在行驶中，用通过陀螺仪传感器10检测的相对角度计测倾斜角度。(D)根据通过移动距离计算处理算出的车辆(80)移动距离和通过陀螺仪传感器10取得的3维方向的各角速度与规定的时间间隔相乘的值，计算车辆80的移动向量(第一向量计算处理)。(E)从GPS接收器50输出的车辆80的速度与时间间隔相乘，算出车辆80的移动
向量(第二移动向量计算处理)。(F)进行陀螺仪传感器10输出的角速度的误差修正，以使通过第一向量计算处理算出的车辆80的移动向量和通过第二移动向量计算处理算出的车辆80的移动向量之差最小，(误差修正处理)。(G)在规定的区间通过移动距离计算处理算出的车辆80的移动距离和在同一规定区间通过移动距离取得处理取得的车辆80的移动距离之间有规定的误差以上的差的情况下，不进行陀螺仪传感器10输出的角速度的误差修正。(H)根据GPS接收器50输出的GPS卫星的位置及车辆80速度，计算GPS卫星和车辆80之间的相对速度。并且，在该相对速度在规定速度以下的情况下，不进行陀螺仪传感器10输出的角速度的误差修正。(I)在根据GPS接收器50输出的电离层延迟信息算出的电离层延迟的值在规定值以上的情况下，不进行陀螺仪传感器10输出的角速度的误差修正。(J)根据来自GPS接收器50的定位数据、来自陀螺仪传感器10的车辆80的角速度及来自加速度传感器20的倾斜角度，进行到设定的目的地的路径检索或路径引导(所谓的车载导航)。另外，该车载导航处理是以往进行的处理，所以省略其说明。显示装置70是用于进行设定目的地时所需的显示、路径检索的结果显示、用于路径引导的显示的装置。显示装置70包括液晶显示器、有机EL显示器等显示部和生成在显示部上显示的画面的控制器。(控制部60中的处理)接着，根据图2及图3，说明在控制部60中执行的处理。图2及图3是表示在控制部60中执行的控制处理的流程的流程图。在控制部60的电源接通时，控制部60的CPU在一定的周期AT执行控制处理。控制处理首先在SlOO中从转速计数器30取得计数值(即轮胎的转速)。另外，在接下来的S105中，判断车辆80是否为停车状态。即，若在SlOO取得的计数是规定值以下，则判断为车辆80处于停车状态(S105:是)，若计数值是规定值以上，则判断为车辆80不是停车状态(S105:否)。另外，此时的规定值是“O”具有计数误差等的数值。另外，通常情况下，在控制部60的电源接通时，车辆80处于停车状态。所以在控制处理中，至少执行一次SllO及SI 15。因此，在SllO中取得的倾斜角度为该车辆80的基准倾斜角度。在SllO中，从加速度传感器20取得车辆80的重力方向的加速度。在接下来的SI 15中，根据在SI 10中取得的重力方向的加速度算出车辆80的倾斜角度，并作为基准倾斜角度存储在RAM中。在S120中，从车速传感器40取得车辆80的速度。在接下来的S130中，从陀螺仪传感器10取得角速度，在接下来的S135中，从转速计数器30取得计数值。并且，在接下来的S140中，在S135中取得的计数值与Λ T和每一次计数时的轮胎的移动距离相乘，算出车辆80的移动距离。另外，也可以省略S140的处理。在接下来的S145到S150中，从GPS接收器50取得车辆80的当前位置、车辆80的速度(以下还称为GPS速度)、车辆80的方位和GPS卫星的位置或速度。在接下来的S160中，根据在S145中取得的车辆80的当前位置取得车辆80的移动距离。即，根据上一次的车辆80的位置(Λ T前的车辆80位置)和Λ T后的车辆80的当前位置之差，取得移动距离。另外，也可以省略S160的处理。在接下来的S165(参照图3)中，根据在S150中取得的车辆80的速度(GPS速度)及在S155中取得的GPS卫星的位置或速度，算出GPS卫星和车辆80之间的相对速度。在此，GPS速度存在GPS卫星和车辆80的相对速度(定位数据的载波的多普勒量)越大则偏差越少的趋势。例如在GPS卫星处于向车辆80接近的过程中，且车辆80朝向GPS卫星行驶的情况下，GPS速度的偏差小。相反，在GPS卫星在地平线上，且车辆80停止的情况下，相对速度减小，GPS速度的偏差增大。所以根据GPS卫星的位置及车辆80的速度算出GPS卫星和车辆80之间的相对速度。在接下来的S170中，从GPS接收器50取得电离层延迟信息。在S175中，算出在S140中算出的车辆80的移动距离和在S160中取得的车辆80的移动距离之差，判定该差是否为规定值以上。并且，在判定为差是规定值以上的情况下(S175:是)，使处理返回S100，反复执行控制处理。另一方面，在判定为差小于规定值的情况下(S175:否)，使处理过渡到S180。在S180中，判定在S165中算出的车辆80的相对速度是否为规定值以下。并且，在判定为相对速度比规定值大的情况下(S180:是)，使处理返回S100，反复执行控制处理。另一方面，在判定为相对速度是规定值以下的情况下(S180:是)，使处理过渡到S185。另夕卜，在S175中使用的规定值与在S180中使用的规定值也可以不同。在S185中，判定在S170中取得的电离层延迟是否为规定值以上。并且，在判定为电离层延迟是规定值以上的情况下(S185:是)，使处理返回S100，反复执行控制处理。另一方面，在判定为电离层延迟比规定值小的情况下(S185:是)，使处理过渡到S190。另外，通过S175、S180和S185判断GPS的检测精度，但S175、S180和S185可以是任意一个，也可以分别组合两个步骤。另外，也可以使用其它方法。在S190中，计算第一移动向量。在此，根据图5到图7，说明第一移动向量的计算方法。图5是表示车辆80及控制部60中的3维坐标轴(X、y、z轴)的定义的图。x轴表示车辆80的前后方向。y轴表示车辆80的左右方向。z轴表示车辆80的上下方向。将以X轴为轴转动称为横摇(Roll)，将以y轴为轴转动称为纵摇(Pitch)，将以z轴为轴转动称为偏航(Yaw)。图6是表示车辆80的倾斜角的定义的图。图6中，侧视图中的虚线表示水平线，后视图中的点划线表示垂直轴方向。图7是表示第一移动向量及第二移动向量的观念的图。另外，在图7中用虚线表示的图表表示真值，用实线表示的图表表示根据计测值得到的图表。第一移动向量能够通过从陀螺仪传感器10取得的角速度、Δ t及移动距离来表示(参照图7(a))。在此，如图5(a)及图5(b)所示定义以车辆80为中心的坐标系(Body-Flame)和以车载导航装置I为中心的坐标系(Nav1-Flame)。在此,为了容易理解说明，如图5 (C)所示，Body-Flame与Nav1-Flame—致。即，车载导航装置I被设置为水平方向及行进方向轴与车辆80 —致。并且，若将车辆80相对于水平面及垂直轴的倾斜(偏航、纵摇和横摇方向的倾斜角度)如图6所示分别设为θγ、θρ、θκ，则陀螺仪传感器10的检测轴根据θγ、θκ倾斜。此时，如图7(d)所示，在陀螺仪传感器10输出的角速度上发生误差。另外，在陀螺仪传感器10含有偏移的情况下，如图7 (b)所示，例如虽然车辆80直行，但画出曲线等，相对于真值发生误差。并且，在陀螺仪传感器10的增益中有误差的情况下，如图7(c)所示，例如若车辆80画出曲线，则产生相对于真值该弯曲不够或者过分弯曲的误差。所以，如图7(e)表示，需要使这些偏移、增益误差或相对于倾斜的误差(图7(e)中用f (X1)及f (χ2)表示)接近真值的修正。在此，若将每单位 时间的相对移动向量设为Ddr，则Ddr能够表现为下面的式2。另夕卜，在以下的数学式中，在各项的前头带有V的情况下，表示向量。vDdr=v ω.Δ t.L.. 式 2在此，νω*:陀螺仪传感器10的计测值，νΒ:偏移项，vG:增益项，vR:倾斜项其中，V ω = V ω >!<.νΒ.vG.vR....m I Γ B Γ G _
评鲈ymfyawvm= OJpitck ,vB= Bpitch、vG= Gpiteh
__ rol/ __ Gjoll _vR = vRyaw.VRpitch.vRroll
"10 0vRyew~ 0 cos.0
0 0 cos4
COS^p 0 0VRpitcll= 0 I 0
0 0 cosΘ
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权利要求
1.一种车辆用陀螺仪误差修正装置(5)，其特征在于，具备: 陀螺仪传感器(10)，取得车辆(80)的前后、左右和上下的3维方向的角速度； 移动距离计算单元(30、60)，计算所述车辆(80)的移动距离； GPS接收器，接收从GPS卫星发送的定位数据，检测所述车辆(80)的速度及方位； 第一移动向量计算单元(60)，根据通过所述移动距离计算单元(30、60)计算的所述车辆(80)的移动距离、以及通过所述陀螺仪传感器(10)取得的3维方向的各角速度与规定的时间间隔相乘而得到的值，计算所述车辆(80)的3维方向的第一移动向量； 第二移动向量计算单元(60)，根据通过所述GPS接收器(50)检测的所述车辆(80)的速度和方位，计算所述车辆(80)的3维方向的第二移动向量；以及 误差修正单元(60)，进行所述陀螺仪传感器(10)输出的角速度的误差修正，以使通过所述第一向量计算单元￠0)计算的所述车辆(80)的第一移动向量和通过所述第二移动向量计算单元￠0)计算的所述车辆(80)的第二移动向量之差最小。
2.如权利要求1所述的车辆用陀螺仪误差修正装置(5)，其特征在于， 所述移动距离计算单元(30、60)具有转速取得单元(30)，该转速取得单元(30)取得所述车辆(80)的轮胎的转速； 所述移动距离计算单元(30、60)通过将由所述转速取得单元(30)取得的所述轮胎的转速与该轮胎的圆周长度相乘，计算出所述车辆(80)的移动距离； 所述GPS接收器(50)还输出所述车辆(80)的当前位置； 所述GPS接收器(50)包括移动距离取得单元(50)，根据从所述GPS接收器(50)输出的所述车辆(80)的当前位置，取得所述车辆(80)的移动距离； 在规定区间通过所述移动距离计算单元(30、60)计算出的所述车辆(80)的移动距离和在同一规定区间通过所述移动距离取得单元(50)取得的所述车辆(80)的移动距离之间有规定的误差以上的差的情况下，所述误差修正单元￠0)不进行所述陀螺仪传感器(10)输出的角速度的误差修正。
3.如权利要求1或2所述的车辆用陀螺仪误差修正装置(5)，其特征在于， 所述GPS接收器(50)还输出从GPS卫星接收的电离层延迟信息； 在根据所述GPS接收器(50)输出的所述电离层延迟信息计算出的电离层延迟的值在规定值以上的情况下，所述误差修正单元￠0)不进行所述陀螺仪传感器(10)输出的角速度的误差修正。
4.一种车辆用陀螺仪误差修正方法，其特征在于，包括: 角速度取得处理(S130)，从陀螺仪传感器取得车辆的前后、左右和上下的3维方向的角速度； 移动距离计算处理(S140)，计算所述车辆的移动距离； 速度输出处理(S150)，接收从GPS卫星发送的定位数据，输出所述车辆的速度及方位；第一向量计算处理(S190)，根据通过所述移动距离计算处理计算的所述车辆的移动距离、以及通过所述角速度取得处理取得的3维方向的各角速度与规定的时间间隔相乘而得到的值，计算所述车辆的第一移动向量； 第二移动向量计算处理(S195)，根据通过所述速度输出处理输出的所述车辆的速度及方位，计算所述车辆的第二移动向量；以及误差修正处理(S200)，进行所述陀螺仪传感器输出的角速度的误差修正，以使所述第一移动向量和所述第二移动向量之差最小。`
全文摘要
提供能够正确地修正陀螺仪传感器的角速度的车辆用陀螺仪的角速度误差修正装置及修正方法。车辆用陀螺仪的角速度误差修正装置包括第一移动向量计算单元，根据车辆的移动距离和通过陀螺仪传感器取得的3维方向的各角速度与规定的时间间隔相乘的值，计算车辆的3维方向的移动向量；和第二移动向量计算单元，根据通过GPS接收器检测的车辆的速度和方位，计算车辆的3维方向的移动向量；以及误差修正单元，进行陀螺仪传感器输出的角速度的误差修正，以使第一移动向量和第二移动向量之差最小。
文档编号G01C25/00GK103206965SQ20131000937
公开日2013年7月17日 申请日期2013年1月10日 优先权日2012年1月13日
发明者樋口裕也 申请人:株式会社电装