专利名称：速度计算装置、速度计算方法和导航装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种速度计算装置、速度计算方法和导航装置，并且例如非常适合应 用于便携式导航装置。
背景技术：
迄今，在导航装置中，从多个GPS (全球定位系统)卫星接收位置测量信号(下文 中也称作GPS信号)以基于GPS信号计算移动对象的当前位置。然而，在这种导航装置中，当其上安装有导航装置的移动对象进入例如隧道或地 下车库时，难以从GPS卫星接收GPS信号，因此难以基于GPS信号计算移动对象的当前位置。因此，在导航装置之中，存在这样一种导航装置，在这种导航装置中，即使当转弯 (cornering)时难以接收到GPS信号时，仍能够基于与移动对象的行进方向垂直的水平方 向的加速度和围绕与行进方向垂直的垂直轴的角速度计算行进方向的速度，以基于该行进 方向的速度计算当前位置(例如，参照日本未审查专利申请公报No. 2008-76389)。
发明内容
然而，在上述的导航装置中，在转弯时可以计算行进方向的速度，但在直行时难以 计算行进方向的速度。因此，会出现如下问题难以在全部道路环境下无误地计算行进方向 的速度。因此，期望提出一种不管道路环境如何在全部道路环境下都能够高精度地计算移 动对象的速度的速度计算装置、速度计算方法和导航装置。根据本发明的一个实施例的速度计算装置包括垂直方向加速度检测单元，安装 在移动对象上，用于检测对应于所述移动对象在其上移动的表面的不平坦性而产生的垂直 方向的加速度；水平方向角速度检测单元，安装在所述移动对象上，用于检测对应于所述移 动对象在其上移动的所述表面的不平坦性而产生的围绕与所述移动对象的行进方向垂直 的水平轴的角速度；以及速度计算单元，用于基于所述垂直方向的加速度和围绕所述水平 轴的角速度，计算所述移动对象的行进方向的速度。此外，根据本发明的一个实施例的速度计算方法包括如下步骤检测对应于移动 对象在其上移动的表面的不平坦性而在所述移动对象中产生的垂直方向的加速度；检测对 应于所述移动对象在其上移动的表面的不平坦性而在所述移动对象中产生的围绕与所述 移动对象的行进方向垂直的水平轴的角速度；以及基于所述垂直方向的加速度和围绕所述 水平轴的角速度计算所述移动对象的行进方向的速度。另外，根据本发明的一个实施例的导航装置包括垂直方向加速度检测单元，用于 检测对应于移动对象在其上移动的表面的不平坦性而在所述移动对象中产生的垂直方向 的加速度；水平方向角速度检测单元，用于检测对应于所述移动对象在其上移动的表面的 不平坦性而在所述移动对象中产生的围绕与所述移动对象的行进方向垂直的水平轴的角
4速度；速度计算单元，用于基于所述垂直方向的加速度和围绕所述水平轴的角速度计算所 述移动对象的行进方向的速度；垂直方向角速度检测单元，用于计算围绕与所述行进方向 垂直的垂直轴的角速度；角度计算单元，用于基于围绕垂直轴的所述角速度计算所述移动 对象已旋转的角度；以及位置计算单元，用于基于由速度计算单元计算的行进方向的速度 和由角度计算单元计算的所述角度来计算移动对象的位置。结果，可以检测对应于移动对象在其上移动的表面的不平坦性而产生的垂直方向 的加速度和围绕与行进方向垂直的水平轴的角速度，以基于垂直方向的加速度和围绕水平 轴的角速度在全部道路环境下计算移动对象的行进方向的速度。根据本发明的一个实施例，通过检测对应于移动对象在其上移动的表面的不平坦 性而产生的垂直方向的加速度和围绕与行进方向垂直的水平轴的角速度以基于垂直方向 的加速度和围绕水平轴的角速度在全部道路环境下计算移动对象的行进方向的速度，可以 实现不管道路环境如何都能够在全部道路环境下高精度地计算移动对象的速度的速度计 算装置、速度计算方法和导航装置。
图IA和IB是示出当在移动对象在其上移动的起伏表面上行进时的样子的示意 图。图2是示出当在曲面上行进时的样子的示意图。图3是示出使用速度和角度的当前位置计算方法的示意图。图4是示出PND的整体结构的示意图。图5是示出PND的坐标系的定义的示意图。图6是示出PND中的传感器结构的示意图。图7是示出PND中的电路结构的示意图。图8是示出速度计算单元的结构的示意图。图9是示出高度和角度的关系的示意图。图IOA和IOB是示出在低速时移动对象在其上移动的表面的角度的样子的示意 图。图IlA和IlB是示出在高速时移动对象在其上移动的表面的角度的样子的示意 图。图12是示出在超低速时移动对象在其上移动的表面的角度的样子的示意图。图13是示出由于支架导致的振动的样子的示意图。图14是示出在高通滤波处理后的相加加速度和相加角速度的示意图。图15A到15H是示出针对每4096个数据点执行傅里叶变换的相加角速度的示意 图。图16A到16H是示出针对每4096个数据点执行傅里叶变换的相加加速度的示意图。图17A到17D是示出针对相加加速度的低通滤波的比较例的示意图。图18A到18D是示出针对相加角速度的低通滤波的比较例的示意图。图19是示出在低速时的前加速度和后加速度的关系的示意图。
图20A和20B是示出在中等速度和高速度时的前加速度和后加速度的关系的示意 图。图21A到21F是示出根据三种安装位置的加速度、俯仰率和速度的仿真例子的示 意图。图22是示出最大值与最小值的关系的示意图。图23是示出速度和数据数目的关系的示意图。图24A和24B是示出根据另一圆弧的长度的加速度和俯仰率的样子的示意图。图25是用于描述使用速度计算处理的当前位置计算处理序列的流程图。图26A和26B是示出加速度、角速度和速度的测量结果的例子的示意图。图27A和27B是示出测量结果与参考的比较(1)的示意图。图28A和28B是示出测量结果与参考的比较(2)的示意图。图29A和29B是示出测量结果与参考的比较(3)的示意图。图30A和30B是示出测量结果与参考的比较⑷的示意图。图3IA和3IB是示出测量结果与参考的比较(5)的示意图。图32A到32C是示出在曲面时的测量结果与参考的比较(1)的示意图。图33A到33C是示出在曲面时的测量结果与参考的比较(2)的示意图。图34A到34C是示出在曲面时的测量结果与参考的比较(3)的示意图。图35A和35B是示出地图上的路径与行进轨迹的比较的示意图。图36是示出基于安装在轻型移动对象上的PND的测量结果和GPS信号的速度和 距离的比较的示意图。图37是示出基于安装在微型厢式车上的PND的测量结果和GPS信号的速度和距 离的比较的示意图。图38是示出根据第二实施例的速度计算单元的结构的示意图。图39A和39B是示出每个速度区的截止频率的示意图。图40是示出基于当每个截止频率固定时的测量结果和GPS信号的速度和距离的 比较的示意图。图41是示出基于当每个截止频率变化时的测量结果和GPS信号的速度和距离的 比较的示意图。图42是示出根据另一个实施例的使用例的示意图。
具体实施例方式在下文中，将基于附图描述执行本发明的形式(下文称作“实施例”)。此外，将按 下面的顺序进行说明。1.第一实施例(导航装置、截止频率固定的例子)2.第二实施例(导航装置、截止频率与速度对应地切换的例子)3.其它实施例<1.第一实施例>[1-1.基本原理]在本发明的实施例中，将描述使用便携式导航装置(下文中也称作PND(Personal
6Navigation Device，个人导航装置))作为导航装置，借助PND计算移动对象的速度和当前 位置的基本原理。[1-1-1.速度计算原理]实际上，在道路上行进的移动对象很少在平坦道路上行进，而是在现实中在具有 图IA所示的整体凹状的道路上和具有图IB所示的整体凸状的道路上行进。这里，在移动对象的坐标系中，移动对象的前后方向由X轴表示，与X轴垂直的水 平方向由Y轴表示，上下方向由ζ轴表示。当移动对象在具有凹状(图1A)的道路上行进时，例如安装在移动对象的仪表盘 上的PND通过设置在PND上的三轴加速度传感器例如以50 [Hz]的采样频率检测沿Z轴向 下的方向上的加速度αζ。另外，PND通过设置在PND上的Y轴陀螺仪传感器以50[Ηζ]的采样频率检测围绕 与行进方向垂直的Y轴的角速度(下文中也称作“俯仰率(Pitch rate)") yD这里，在PND中，沿Z轴向下方向的加速度Ciz定义为正，并且当在沿移动对象随 如图IA所示的凹状相对于行进方向向上移动的表面形成的想象的圆上纵向旋转时的俯仰 率ω y被定义为正在PND中，使用由三轴加速度传感器检测的加速度α z和由Y轴陀螺仪传感器检 测的俯仰率通过下式能够每秒50次地计算行进方向的速度V。V= α z/Wy. . . (1)另外，当移动对象在具有凸状(图1B)的道路上行驶时，PND通过设置在PND上的 三轴加速度传感器例如以50 [Hz]的采样频率检测沿Z轴向上的方向的加速度αζ'，并且 通过设置在PND上的Y轴陀螺仪传感器例如以50 [Hz]的采样频率检测围绕Y轴的俯仰率
ω ‘ 0 y °此外，在PND中，使用由三轴加速度传感器检测的加速度a J和由Y轴陀螺仪传 感器检测的俯仰率ω/通过下式能够每秒50次地计算行进方向的速度V'。V' = αζ' /ω/ . · · (2)这里，为了便于说明，负的加速度α 2被描述为加速度，然而，实际上，三轴加 速度传感器通过将加速度a J设置为加速度α,的负值执行检测。此外，甚至关于俯仰率 ω/，相似地，负的俯仰率《丨被描述为俯仰率ω/，然而，实际上，Y轴陀螺仪传感器通过 将俯仰率ω/设置为俯仰率的负值执行检测。因此，实际上，速度V'也计算作为速度 V。[1-1-2.当前位置计算原理]接下来，将描述基于根据上述的速度计算原理计算的速度V和Z轴旋转的角速度 来计算当前位置的当前位置计算原理。如图2所示，当移动对象例如转向左侧时，PND通过设置在PND上的Z轴陀螺仪传 感器例如以50 [Hz]的采样频率检测Z轴旋转的角速度(下文中称作“偏航率(yaw rate)”)ωz接下来，如图3所示，基于通过将采样周期(在这种情况下为0.02 [S])加到前一 位置PO的速度V和由陀螺仪传感器检测的偏航率《2能够获得的角度θ，PND求得从前一 位置PO到当前位置Pl的变化量。此外，PND能够将该变化量加到前一位置PO来计算当前位置P1。[1-2. PND 的结构]将描述使用本发明的上述基本原理计算移动对象的速度和当前位置的汽车导航 装置的具体结构。[1-2-1. PND 的外观结构]如图4所示，PND 1具有设置在PND 1的前表面上的显示单元2并且能够相对于 显示单元2显示与例如存储在内置在PND 1中的非易失性存储器(未示出)中的地图数据 对应的地像等。另外，PND 1由支架3支承，支架3经由吸盘3A附贴在移动对象的仪表盘上，PND 1和支架3彼此机械和电连接。结果，PND 1借助经由支架3从移动对象的电池提供的电源的电力进行工作，并且 当与支架3分离时通过从内置电池提供的电力甚至在独立状态下工作。这里，将PND 1安装为使显示单元2与移动对象的行进方向几乎垂直。此时，如图 5所示，PND 1的坐标系是这样的移动对象的前后方向(行进方向)由X轴表示，与X轴垂 直的水平方向由Y轴表示，上下方向由Z轴表示。在该坐标系中，移动对象的行进方向被定义为X轴的正向，右侧方向被定义为Y轴 的正向，向下方向被定义为Z轴的正向。[1-2-2. PND的传感器结构]如图6所示，PND 1中设置有三轴加速度传感器4、Y轴陀螺仪传感器5、Z轴陀螺 仪传感器6和气压传感器7。三轴加速度传感器4适于将沿X轴的加速度α χ、沿Y轴的加速度α y和沿Z轴的 加速度α2作为电压值进行检测。另外，Y轴陀螺仪传感器5、Z轴陀螺仪传感器6和气压传感器7适于将围绕Y轴 的俯仰率《y、围绕Z轴的偏航率ω ζ和周边气压冊作为电压值进行检测。[1-2-3. PND 的电路结构]如图7所示，PND 1的控制单元11包括通过从例如具有非易失性存储器等的存储 单元12读取的基本程序对整体执行总体控制的CPU(中央处理单元)。另外，PND 1适于根据由控制单元11从存储单元12读取的各种应用程序执行下 述的速度计算处理等。当执行速度计算处理等时，控制单元11适于起GPS处理单元21、速度计算单元 22、角度计算单元23、高度计算单元24、位置计算单元25和导航单元26的作用。在PND 1中，由GPS天线ANT从多个GPS卫星接收的GPS信号被发送至控制单元 11的GPS处理单元21。GPS处理单元21通过基于通过对多个GPS信号进行解调而获得的轨道数据和从所 述多个GPS卫星到移动对象的距离数据，准确地定位移动对象的当前位置而求得当前位置 数据NPDl，并且将它发送至导航单元26。导航单元26通过从存储单元12读取包括基于当前位置数据NPDl的移动对象的 当前位置的周围地图数据来显示地像以创建包括当前位置的地像并且然后将地 像输出给显示单元2。
另外，三轴加速度传感器4以例如50 [Hz]的采样频率检测加速度α χ、α y和α z， 将显示加速度αχ、α z之中的加速度α z的加速度数据AD发送至控制单元11的速 度计算单元22。Y轴陀螺仪传感器5例如以50 [Hz]的采样频率检测俯仰率coy，以将指示俯仰率 ω,的俯仰率数据PD发送至控制单元11的速度计算单元22。速度计算单元22使用式(1)基于与从三轴加速度传感器4提供的加速度数据AD 对应的加速度α ζ和与从Y轴陀螺仪传感器5提供的俯仰率数据PD对应的俯仰率coy，每 秒50次地计算速度V，以将指示速度V的速度数据VD发送至位置计算单元25。Z轴陀螺仪传感器6例如以50[Ηζ]的采样频率检测偏航率ωζ，以将指示偏航率 ωζ的偏航率数据YD发送至控制单元11的角度计算单元23。角度计算单元23通过将采样周期(在这种情况下为0.02 [s])加到与从Z轴陀螺 仪传感器6提供的偏航率数据YD对应的偏航率ω ζ，计算当移动对象右转或左转时的角度 θ，以将显示角度θ的角度数据DD发送至位置计算单元25。位置计算单元25基于与从速度计算单元22提供的速度数据VD对应的速度V和 与从角度计算单元23提供的角度数据DD对应的角度θ，求得如图3所示的从前一位置PO 到当前位置Pl的变化量。此外，位置计算单元25通过将该变化量加到前一位置PO计算当 前位置Pl以将显示当前位置Pl的当前位置数据NPD2发送至导航单元26。另一方面，气压传感器7例如以50 [Hz]的采样频率检测周边气压I3R以将显示气 压I3R的气压数据PRD发送至高度计算单元24。高度计算单元24基于与从气压传感器7提供的气压数据PRD对应的气压冊计算 移动对象的海拔高度以将显示高度的高度数据HD发送至导航单元26。导航单元26适于通过基于从位置计算单元25提供的当前位置数据NPD2和从高 度计算单元24提供的高度数据HD从存储单元12读取包括移动对象的当前位置的周边地 图数据来显示地像，以创建包括当前位置的地像，并将地像输出到显示单元 2。[1-3.速度计算处理]接下来，将具体描述速度计算单元22基于与从三轴加速度传感器4提供的加速度 数据AD对应的加速度α ζ和与从Y轴陀螺仪传感器5提供的俯仰率数据PD对应的俯仰率 y来计算速度V的速度计算处理。如图8所示，当执行速度计算处理时，速度计算单元22起数据获取单元31、高通滤 波单元32、低通滤波单元33、速度计算单元34、平滑化及去噪单元35、和速度输出单元36 的作用。速度计算单元22的数据获取单元31获取从三轴加速度传感器4提供的加速度数 据AD和从Y轴陀螺仪传感器5提供的俯仰率数据PD以将加速度数据AD和俯仰率数据PD 发送至高通滤波单元32。高通滤波单元32截断从数据获取单元31提供的加速度数据AD和俯仰率数据PD 的直流分量以将由此获得的加速度数据ADl和俯仰率数据PDl发送至低通滤波单元33。低通滤波单元33针对从高通滤波单元32提供的加速度数据ADl和俯仰率数据 PDl执行后面描述的低通滤波处理以将由此获得的加速度数据AD2和俯仰率数据PD2发送至速度计算单元34。速度计算单元34针对从低通滤波单元33提供的加速度数据AD2和俯仰率数据 PD2执行后面描述的速度计算处理以将由此获得的速度数据VDl发送至平滑化和去噪单元 35。平滑化和去噪单元35针对从速度计算单元34提供的速度数据VDl执行平滑化和 去噪处理以将由此获得的速度数据VD发送至速度输出单元36。速度输出单元36将从平滑化和去噪单元35提供的速度数据VD作为指示移动对 象的速度V的数据发送至位置计算单元25。如上所述，速度计算单元22适于基于从三轴加速度传感器4提供的加速度数据AD 和从Y轴陀螺仪传感器5提供的俯仰率数据PD计算移动对象的速度V。[1-3-1.低通滤波处理]接下来，将具体描述由低通滤波单元33针对从高通滤波单元32提供的加速度数 据ADl和俯仰率数据PDl执行的低通滤波处理。另外，在图9中示出了基于与由气压传感器7获取的气压数据PRD对应的气压冊 的高度H与基于与由Y轴陀螺仪传感器5获取的俯仰率数据PD对应的俯仰率的围绕Y 轴的相对于水平方向的角度.φ的关系。这里，角度φ将关于行进方向(χ轴)的向上方向定 义为正。当从图9中的大约12001数据点(240[s])高度H突然下降时，也就是说，当移动对 象沿下山道路下行时，从角度.Φ也从大约0. 5度突然下降至大约-2. 5度的事实显然可见， 在高度H与角度Ψ之间存在相关关系。如上所述，当高度H改变时，角度φ也随高度H的改变而改变，因此显然PND 1能够 通过Y轴陀螺仪传感器5检测移动对象的行进方向上的路面的不平坦性。接下来，在图IOA中仅仅示出了图9中的角度φ。另外，图IOB示出了图IOA中从 5001数据点到6001数据点的角度.φ，此时，移动对象以低于20公里/小时的低速度行进。 从图IOB显然可见，角度φ每秒振动一次或两次。因此，在安装在移动对象上的PND 1中，当移动对象以低于20公里/小时的低速 度行进时，基于与由Y轴陀螺仪传感器5取得的俯仰率数据PD对应的俯仰率Oy的角度φ 被检测为1到2[Ηζ]的振动。此外，与图IOA相似，在图IlA中仅仅示出了图9中的角度φ。在图IlB中，显示了 从图IlA的22001数据点到23001数据点的角度φ，此时，移动对象以等于或高于60公里/ 小时的高速度行进。结果，在PND 1中，当移动对象以等于或高于60公里/小时的高速度行进时，基于 与由Y轴陀螺仪传感器5取得的俯仰率数据PD对应的俯仰率Oy的角度φ被检测为1到 2 [Hz]的振动。另外，在PND 1中，如图12所示，当移动对象以低于10公里/小时的超低速度行 进时，基于与由Y轴陀螺仪传感器5取得的俯仰率数据PD对应的俯仰率Oy的角度.φ也被 检测为1到2[Ηζ]的振动。因此，在PND 1中，当由Y轴陀螺仪传感器5检测俯仰率时，与移动对象的行 进速度无关，根据1到2 [Hz]的振动来检测俯仰率ω γ。
另外，PND 1由支架3支承，支架3经由吸盘3A附贴在移动对象的仪表盘上。如 图13所示，支架3被构造为主体部分3B设置在吸盘3A的上部，设置了 PND支承部分3D， PND支承部分3D的一端由设置在主体部分3B的规定高度的支承点3C支承，以通过另一端 支承PND 1。因此，当移动对象根据移动对象在其上移动的表面的不平坦性而振动时，PND 1围 绕PND支承部分3D的支承点3C在上下方向上例如以加速度α。和角速度ω。进行振动。因此，实际上，三轴加速度传感器4检测针对由根据移动对象在其上移动的表面 的不平坦性的移动对象的振动产生的Z轴方向上的加速度α ζ (图1)，由于围绕PND支承 部分3D的支承点3C的振动而加上了加速度α。的加速度(在下文中称作“相加加速度”)α 0CZ °此外，Y轴陀螺仪传感器3检测针对根据移动对象在其上移动的表面的不平坦性 的移动对象的振动产生的围绕Y轴的俯仰率Oy(图1)，由于围绕PND支承部分3D的支承 点3C的振动而加上了角速度ω。的角速度(在下文中称作“相加角速度”) cy0因此，低通滤波单元33经由数据获取单元31和高通滤波单元32获取指示相加加 速度α cz的加速度数据ADl和指示相加角速度《。y的俯仰率数据PDl。这里，在图14中示出了在由高通滤波单元32执行高通滤波处理后的与加速度数 据ADl对应的相加加速度α。2和与俯仰率数据PDl对应的相加角速度《。y。另外，图15A到 15H示出了对于图14所示的相加角速度co。y针对每4096个数据点进行傅里叶变换的曲线 图。具体地讲，图15A是针对图14中的1到4096数据点关于相加角速度《。y执行傅 里叶变换的曲线图。如上所述，图15B、15C和15D是针对图14中的4097到8192数据点、 8193到12288数据点以及12289到16384数据点，关于相加角速度ω。y执行傅里叶变换的 曲线图。另外，图15E、15F、15G和15H是针对图14中的16385到20480数据点、20481到 24576数据点、24577到28672数据点以及28673到32768数据点，关于相加角速度《。y进 行傅里叶变换的曲线图。在图15A到图15H之中，在图15C到15H中明显示出，1到2[Hz]的频率分量以及 大约15[Hz]的频率分量指示大的值。也就是说，PND 1通过Y轴陀螺仪传感器5检测根据移动对象在其上移动的表面 的不平坦性以1到2[Hz]振动的俯仰率、用于支承PND 1的支架3以大约15[Hz]振动 的角速度ω。以及合成的相加角速度co。y。另一方面，图16A到16H示出了对于图14所示的相加加速度α cz针对每4096个 数据点进行傅里叶变换的曲线图。具体地讲，图16A是针对图14中的1到4096数据点关于相加加速度α cz执行傅 里叶变换的曲线图。如上所述，图16B、16C和16D是针对图14中的4097到8192数据点、 8193到12288数据点以及12289到16384数据点关于相加加速度α cz执行傅里叶变换的 曲线图。另外，图16E、16F、16G和16H是针对图14中的16385到20480数据点、20481到 24576数据点、24577到28672数据点以及28673到32768数据点关于相加加速度α cz执行傅里叶变换的曲线图。 由于在相加角速度co。y中产生了 1到2[Hz]的频率分量和大约15[Hz]的频率分 量(图15C到15H)，所以预计在相加加速度^。2中也产生1到2[Hz]的频率分量和大约 15[Hz]的频率分量。也就是说，PND 1通过三轴加速度传感器4检测将如上所述由于移动对象在其上 移动的表面的不平坦性而以1到2[Hz]产生的加速度α z与由用于支承PND 1的支架3以 大约15 [Hz]产生的加速度α。进行了合成的相加加速度α。ζ。因此，低通滤波单元33关于从高通滤波单元32提供的加速度数据ADl和俯仰率 数据PDl执行低通滤波处理以消除大约15 [Hz]的频率分量，即由于将PND 1支承在支架3 上而产生的加速度α。和角速度ω。。这里，在图17Α中示出了图16Η的纵轴被变换成对数轴的曲线图，在图17B、17C和 17D中示出了对于28673到32768数据点针对相加加速度α。ζ，截止频率2 [Hz]的IIR(无 限脉冲响应)滤波被执行了两次、四次和六次并且然后执行傅里叶变换的曲线图。此外，在图18A中示出了图15H的纵轴被变换成对数轴的曲线图，在图18B、18C和 18D中示出了与相加加速度α。2相似针对28673到32768数据点针对相加角速度co。y，截止 频率2[Hz]的IIR滤波被执行了两次、四次和六次并且然后执行傅里叶变换的曲线图。如图17B到17D和图18B到18D所示，在PND 1中，通过针对从高通滤波单元32 提供的加速度数据ADl和俯仰率数据PDl将截止频率2 [Hz]的IIR滤波执行四次以上，能 够去除大约15[Hz]的频率分量。因此，根据本实施例的低通滤波单元33针对从高通滤波器32提供的加速度数据 ADl和俯仰率数据PDl将2 [Hz]的截止频率的IIR滤波执行四次，以将由此获得的加速度数 据AD2和俯仰率数据PD2发送至速度计算单元34。因此，低通滤波单元33通过从相加加速度α。z中去除由于围绕支架3中的PND支 承部分3B的支承点3C的振动导致的加速度α。，能够仅提取出由于移动对象在其上移动的 表面的不平坦性而产生的加速度αζ。因此，低通滤波单元33通过从相加角速度《。y中去除由于围绕支架3中的PND支 承部分3Β的支承点3C的振动导致的角速度ω。，能够仅提取出由于移动对象在其上移动的 表面的不平坦性而产生的俯仰率《y。[1-3-2.速度计算处理]接下来，将具体描述基于从低通滤波单元33提供的加速度数据AD2和俯仰率数据 PD2，由速度计算单元34计算速度V的速度计算处理。首先，当在位于移动对象的前侧的仪表盘上以及在位于移动对象的后侧的后玻璃 附近都安装了 PND 1的状态下，当移动对象以低于20公里/小时的低速度、低于60公里/ 小时的中等速度以及等于或高于60公里/小时的高速度行进时，在图19、20A和20B中示 出了与前侧和后侧的加速度数据AD2对应的加速度α ζ。这里，在图19、20Α和20Β中，由安装在前侧的PND 1检测的加速度α ζ称作前加 速度，由安装在后侧的PND 1检测的加速度α 2称作后加速度。从图19、20Α和20Β显然可见，与移动对象的行进速度无关，后加速度的相位明显 晚于前加速度的相位。相位延迟几乎与将轴距(即，移动对象的前轮轴与后轮轴之间的距
12离)除以行进速度的值相同。接下来，图21A到21C示出了当将PND 1安装在移动对象的仪表盘上(对应于移 动对象的仪表盘距离前轮轴的30% )、中央以及后轮轴上时指示与加速度数据AD2对应的 加速度α ζ和与俯仰率数据PD2对应的俯仰率的关系的仿真结果的例子。另外，图21D 到21F示出了根据式(1)基于从图21Α到21C所示的仿真结果获得的加速度α ζ和俯仰率 ,计算速度V的结果。这里，在该仿真中，假定在移动对象以振幅为0. 1米且波长为20米的正弦曲线移 动的波状表面上，轴距为2. 5米的移动对象以5米/秒的速度行进。从图21Α到21C显然可见，随着PND 1在移动对象中的安装位置向后移动，加速度 相位被延迟。另一方面，与PND 1在移动对象中的安装位置无关，俯仰率不会产
生相位偏移。因此，如图21Β所示，当PND 1安装在移动对象的中央时，在加速度α ζ和俯仰率 ,之间几乎没有相位差。结果，如图21Ε所示，使用式(1)计算的速度V几乎恒定。然而，如图21Α和21C所示，当安装PND 1的位置相对于移动对象的中央向前和向 后移动时，加速度α ζ和俯仰率《y之间的相位差增大。结果，如图21D和21F所示，与PND 1安装在移动对象的中央的情况(图21E)的速度V相比，由于加速度％和俯仰率coy之 间的相位差，使用式(1)计算的速度V的误差增大。特别地，在移动对象的速度V低于20公里/小时的低速度时，加速度αζ和俯仰 率《1之间的相位差增大，从而速度V的计算误差增大。因此，如图22所示，速度计算单元34从与(相当于从低通滤波单元33提供的加 速度数据AD2的)加速度α,的前一位置PO(图3)对应的数据点Pm周围的25个数据点或 75个数据点的范围中，提取最大值和最小值，作为最大加速度和最小加速度az,min。此外，速度计算单元34从与相当于从低通滤波单元33提供的俯仰率数据PD2的 俯仰率ω y的数据点Pm周围的25个数据点或75个数据点的范围中，提取最大值和最小值， 作为最大俯仰率《y,max和最小俯仰率coy,min。也就是说，速度计算单元34从比在加速度俯仰率中能够产生的相位偏 移更宽的范围中提取最大加速度az,max和最小加速度α z,min以及最大俯仰率和最小 俯仰率coy,min。此外，通过使用从加速度数据AD2提取的最大加速度αζ,_和最小加速度α z, min 以及从俯仰率数据PD2提取的最大俯仰率《y,max和最小俯仰率coy,min来修改上述式⑴的 下面的式(3)，速度计算单元34计算前一位置PO (图3)的行进方向的速度V，以将由此获 得的速度数据VDl发送至平滑化和去噪单元35。V= { α z> max- α ζ, min} / { ω y, ω y, min}. . . (3)也就是说，即使当在加速度俯仰率中产生了相位差时，速度计算单元34 也能够使用式(3)计算速度V而不受相位差的影响。另外，如图23所示，当计算前一位置PO处的行进方向的速度V时，如果在加速过 程中，当所述前一位置之前的位置(未示出)的速度(下文中称作前值速度)Vlri为从O公 里/小时到35公里/小时时，速度计算单元34使用25个数据点的范围，当前值速度Vlri超 过35公里/小时时，速度计算单元34使用75个数据点的范围。
此外，当计算前一位置PO处的行进方向上的速度V时，如果在减速过程中，当前值 速度Vlri为从35公里/小时到25公里/小时时，速度计算单元34使用75个数据点的范 围，当前值速度Vlri低于25公里/小时时，速度计算单元34使用25个数据点的范围。因此，当根据速度V提取最大加速度αζ,_和最小加速度az,min以及最大俯仰率 "y,fflax和最小俯仰率《y,min时，速度计算单元34将数据范围改变成25个数据点或75个数 据点。此时，由于当移动对象的速度V是例如25公里/小时以下的低速度时由于移动对 象在其上移动的表面的微妙变化而使得加速度α 2和俯仰率迅速变化，所以速度计算单 元34将数据范围设置得狭窄以对应于迅速变化。此外，由于当移动对象的速度V是35公里/小时以上时移动对象的悬架的影响大 并且加速度02和俯仰率缓慢变化，所以速度计算单元34将数据范围设置得宽以对应 于缓慢变化。如上所述，通过改变最大加速度α z,max、最小加速度α z,min、最大俯仰率、最 小俯仰率《y,min、以及当根据移动对象的行进速度V进行提取时的数据范围，速度计算单元 34能够反映移动对象在其上移动的表面或者移动对象依赖速度V的情况，这能够提高速度 V的计算精度。另外，当提取最大加速度α z,max、最小加速度α z,min、最大俯仰率以及最小俯 仰率coy,min时，速度计算单元34保持在加速和减速时改变数据范围的迟滞性。结果，速度计算单元34不需要在当在计算速度V时的数据范围内不能够保持迟滞 性的情况下产生的数据范围的改变速度附近，频繁地改变数据范围。因此，速度计算单元34 能够消除由于频率改变而产生的速度V的计算误差，并且由此能够进一步提高速度V的计 算精度。[1-3-3.平滑化和去噪处理]接下来，将具体描述由平滑化和去噪单元35执行的针对由速度计算单元34计算 的速度数据VDl的平滑化和去噪处理。首先，平滑化和去噪单元35适于执行对于从速度计算单元34提供的速度数据VDl 而言截止频率可变的一次IIR的低通滤波处理。具体地讲，当计算前一位置PO处的行进方向上的速度V时，平滑化和去噪单元35
基于前值速度Vlri确定截止频率。这里，在PND 1中，当移动对象的行进速度是例如60公里/小时以上的高速度时， 由速度计算单元34计算的速度V包括了大量噪声，从而速度V的差增大。因此，当前值速 度Vlri等于或大于60公里/小时时，平滑化和去噪单元35使用设置了小截止频率的低通 滤波器。相反，当前值速度Vlri小于60公里/小时时，平滑化和去噪单元35使用设置了大 截止频率的低通滤波器。另外，在由速度计算单元34计算的速度V是例如10公里/小时以下的超低速度 的情况下，作为式(1)或(3)的分母值的俯仰率小。结果，可想到使用式(1)或(3)计 算的速度V变得远大于实际值。因此，平滑化和去噪单元35从低通滤波单元33获取执行了低通滤波处理的加速度数据AD2和俯仰率数据PD2。当与俯仰率数据PD2对应的俯仰率小于规定阈值时，判 断速度V过大，从而使在进行了低通滤波处理后的速度V为零。另一方面，如图24A所示，在移动对象在其上移动的表面的不平坦处的圆弧Bl大 于移动对象的轴距W的情况下，PND 1使用上述的基本原理能够准确地计算速度V。然而，如图24B所示，例如，在移动对象在其上移动的表面的不平坦处的圆弧B2小 于移动对象的轴距W的情况下，当移动对象的前轮跨过该不平坦处时，产生关于移动对象 的垂直方向的加速度ab以及以移动对象的后轮为中心的围绕Y轴的角速度cob。此时，PND 1通过三轴加速度传感器4和Y轴陀螺仪传感器5检测加速度Qb和角 速度(图24B)，而不检测根据移动对象在其上移动的表面的不平坦性的1到2[Hz]的振 动产生的加速度α ζ和俯仰率(图24Α)。这里，加速度α b取大于当移动对象在其上移动的表面的不平坦处的圆弧Bl大于 移动对象的轴距W时产生的加速度Ciz的值，角速度也取大于当移动对象在其上移动的 表面的不平坦处的圆弧Bl大于移动对象的轴距W时产生的俯仰率coy的值。此外，假定使用式(1)或(3)基于当移动对象在其上移动的表面的不平坦处的圆 弧B2小于移动对象的轴距W时产生的加速度Cib和角速度计算的速度(下文中，称作 “小弧速度”)是速度\。由于上述的加速度Cib比角速度《)3更大地变化，所以速度Vb取远大于使用式(1) 或(3)基于当移动对象在其上移动的表面的不平坦处的圆弧Bl大于移动对象的轴距W时 产生的加速度α ζ和俯仰率《y计算的速度V的值。因此，当移动对象在其上移动的表面的不平坦处的圆弧Β2小于移动对象的轴距W 时，PND 1的速度计算单元11可以通过使用加速度α b和角速度cob计算小弧速度Vb来计 算速度V作为过大值。因此，平滑化和去噪单元35从低通滤波单元33获取执行了低通滤波处理的加速 度数据AD2和俯仰率数据PD2以判断与加速度数据AD2对应的加速度α ζ和与俯仰率数据 PD2对应的俯仰率是否大于规定阈值。此外，当与加速度数据AD2对应的加速度α ζ和与俯仰率数据PD2对应的俯仰率 ω y大于规定阈值时，平滑化和去噪单元35判断速度V过大，从而使用前值速度Vlri而不使 用执行低通滤波处理后的速度V。也就是说，当在超低速度期间以外速度V取过大值时，速 度V不正确的可能性很高，所以平滑化和去噪单元35使用前值速度Vlrft5如上所述，当执行低通滤波处理后的速度V是过大值时，平滑化和去噪单元35通 过在超低速时使速度为O以及在除此以外的时间使前值速度Vlri为速度V，能够更加准确地 计算速度V。[1-4.使用速度计算处理的位置计算处理序列]接下来，将使用图25的流程图描述PND 1的控制单元11使用上述的速度计算处 理计算当前位置的位置计算处理序列。实际上，控制单元11从例程RTl的开始步骤进入，移动到步骤SP1，通过速度计算 单元22的数据获取单元31获取由三轴加速度传感器4检测的加速度数据AD和由Y轴陀 螺仪传感器5检测的俯仰率数据PD，然后移动到下一个步骤SP2。在步骤SP2中，控制单元11通过速度计算单元22的高通滤波单元32针对加速度数据AD和俯仰率数据PD执行高通滤波处理，然后移动到下一个步骤SP3。在步骤SP3中，控制单元11通过速度计算单元22的低通滤波单元33针对执行了 高通滤波处理的加速度数据ADl和俯仰率数据PDl，执行低通滤波处理，其是截止频率例如 为l[Hz]的四次IIR滤波，然后移动到下一个步骤SP4。在步骤SP4中，控制单元11基于执行了低通滤波处理的与加速度数据AD2对应的 加速度α ζ和与俯仰率数据PD2对应的俯仰率使用式(3)，由速度计算单元22的速度 计算单元34计算速度V，然后移动到下一个步骤SP5。在步骤SP5中，控制单元11针对指示在步骤SP4中计算的速度V的速度数据VD 执行平滑化和去噪处理。具体地讲，控制单元11针对指示在步骤SP4中计算的速度V的速度数据VDl以可 变截止频率执行低通滤波处理。此外，当执行低通滤波处理后的速度V被判断为过大值时，控制单元11在例如低 于10公里/小时的超低速度时将O设置成速度V并且在与除此之外的时间将前值速度Vlri 设置成速度V，然后移动到下一个步骤SP6。在步骤SP6中，控制单元11通过角度计算单元23获取由Z轴陀螺仪传感器6检 测的偏航率数据YD，然后移动到下一个步骤SP7。在步骤SP7中，控制单元11使用角度计算单元23计算角度数据DD，其中通过将 0. 02 [秒](采样周期)加到与偏航率数据YD对应的偏航率ω ζ来指示角度θ，然后移动 到下一个步骤SP8。在步骤SP8中，控制单元11基于在步骤SP5中执行了平滑化和去噪处理的速度数 据VD和在步骤SP8中计算的角度数据DD，计算当前位置数据NPD2，然后移动到下一个步骤 SP9。在步骤SP9中，控制单元11基于从位置计算单元25提供的当前位置数据NPD2从 存储单元12读取包括移动对象的当前位置的周边地图数据，创建包括当前位置的地 像，然后将地像输出到显示单元2，然后移动到下一个步骤SPlO以完成处理。[1-5.测量结果]在图26到图37中示出了通过上述的速度计算处理计算的测量结果。另外，图26 到图35示出了安装在轿车上的PND 1的测量结果，图36和图37示出了安装在小型车和微 型厢式车类型的移动对象上的PND 1的测量结构。图26Α示出了与由三轴加速度传感器4和Y轴陀螺仪传感器5检测的加速度数据 AD和俯仰率数据PD对应的加速度α ζ和俯仰率(Oy，图26Β示出了通过式(3)使用加速度 02和俯仰率计算的速度V。从图26Α和图26Β显然可见，在PND 1中，加速度α ζ随着移动对象的速度V的增 大而增大，而俯仰率取几乎均勻的值。接下来，图27到图31示出了由PND 1执行速度计算处理而计算的速度V和使用速 度V计算的距离D的曲线图，以及为了与速度V和距离D进行比较的从安装有PND 1的移 动对象的移动对象速度脉冲计算的速度Vref和使用速度VMf计算的距离的曲线图。此 外，图27到图31示出了安装有PND 1的移动对象在不同道路上行进的情况的曲线图。此外，这里，从速度脉冲计算的速度也称作参考速度，使用参考速度的距离也称作参考距离。图27A示出了使用本发明的速度计算处理计算的速度V和使用速度V计算的距离 D，图27B示出了用于与图27A所示的速度V和距离D进行比较的参考速度Vref和参考距离 Dref0如图27A和27B所示，速度V与参考速度Vref具有非常相似的关系，从而基于速度 V计算的距离D相对于参考距离仅具有小于10%的误差。此外，图28A示出了使用本发明的速度计算处理计算的速度V和使用速度V计算 的距离D，图28B示出了用于与图28A所示的速度V和距离D进行比较的参考速度Vref和参 考距离Drrf。另外，图29A示出了使用本发明的速度计算处理计算的速度V和使用速度V计算 的距离D，图29B示出了用于与图29A所示的速度V和距离D进行比较的参考速度Vref和参 考距离Drrf。此外，图30A示出了使用本发明的速度计算处理计算的速度V和使用速度V计算 的距离D，图30B示出了用于与图30A所示的速度V和距离D进行比较的参考速度Vref和参 考距离Drrf。此外，图31A示出了使用本发明的速度计算处理计算的速度V和使用速度V计算 的距离D，图31B示出了用于与图31A所示的速度V和距离D进行比较的参考速度Vref和参 考距离Drrf。即使当移动对象在不同道路上行进时，以与图26A所示的速度V相同的方式，图 27A到31A所示的速度V与图27B到31B所示的参考速度Vref具有非常相似的关系，从而基 于速度V计算的速度D相对于参考距离仅具有小于10%的误差。接下来，图32A示出了由PND 1使用速度计算处理计算的速度V和距离D的曲线 图，图32B示出了参考速度和从参考速度计算的参考距离Dref的曲线图。另外，图 32C示出了由PND 1的Z轴陀螺仪传感器6检测的偏航率ωζ的曲线图。这里，图32C所示的偏航率ωζ指示当该值超过大约20 [度/秒]时，移动对象 向右转；当该值低于大约-20 [度/秒]时，移动对象向左转。因此，如图32C所示，即使当右转和左转连续重复多次时，由PND 1计算的速度 V(图32A)与参考速度V,ef(图32B)仍具有非常相似的关系，从而基于速度V计算的距离D 相对于参考距离也仅具有低于10%的误差。另外，图33A示出了当在与图32A不同的道路上行进时由PND 1使用速度计算处 理计算的速度V和距离D的曲线图，图33B示出了参考速度Vref和从参考速度Vref计算的参 考距离Dref的曲线图。另外，图33C示出了由Z轴陀螺仪传感器6检测的偏航率ω z的曲线 图。此外，图34A示出了当在与图32A和33A不同的道路上行进时由PND 1使用速度 计算处理计算的速度V和距离D的曲线图，图34B示出了参考速度Vref和从参考速度Vref计 算的参考距离Dref的曲线图。另外，图34C示出了由Z轴陀螺仪传感器6检测的偏航率ωζ 的曲线图。基于这些结果，即使当移动对象在多种曲面上行进时，由PND 1计算的速度V与 参考速度也显然具有非常相似的关系，从而基于速度V计算的距离D相对于参考距离Dref也仅具有低于10%的误差。接下来，图35B示出了当移动对象从图35A所示的地图的起点S沿路径K行进到 终点G时描绘由安装在移动对象上的PND 1计算的当前位置的行进轨迹T。如上所述，行进轨迹T (图35B)与移动对象行进的路径K (图35A)具有大约相同 的大小并且具有与之相似的关系。因此，PND 1能够基乎准确地计算当前位置。接下来，图36以重叠方式示出了由安装在轻型移动对象上的PNDl计算的速度V 和距离D、以及用于与速度V和距离D进行比较的基于经由GPS天线ANT接收的GPS信号计 算的速度Vg和从速度Vg计算的距离Dg。此外，基于经由GPS天线ANT接收的GPS信号计算的速度称作GPS速度，并且从 GPS速度计算的距离称作GPS距离。另外，图37以重叠方式示出了由安装在微型厢式车类型的移动对象上的PND 1计 算的速度V和距离D、以及用于与速度V和距离D进行比较的基于GPS信号计算的GPS速度 Vg和从GPS速度Vg计算的GPS距离Dg。如图36和图37所示，在具有不同尺寸(即不同轴距)的多个移动对象中，在本发 明的实施例中由PND 1计算的速度V与GPS速度Vg具有非常相似的关系，从而基于速度V 计算的距离D相对于GPS距离Dg也仅具有低于10%的误差。此外，在图36和图37中，当移动对象例如进入隧道从而难以接收GPS信号时，GPS 速度\被计算为0。[1-6.操作和效果]在上述的结构中，PND 1通过三轴加速度传感器4检测由于移动对象在其上移动 的表面的不平坦性而产生的、与移动对象的行进方向垂直的Z轴方向的加速度α ζ，并且通 过Y轴陀螺仪传感器5检测由于移动对象在其上移动的表面的不平坦性而产生的围绕与行 进方向垂直的Y轴的俯仰率《y。此外，PND 1根据式⑴或(3)基于由三轴加速度传感器4检测的加速度α z和由 Y轴陀螺仪传感器5检测的俯仰率Oy计算速度V。因此，即使当难以接收到GPS信号时，通过仅使用三轴加速度传感器4和Y轴陀螺 仪传感器5的简单结构，PND 1仍能够在全部道路环境下准确地计算移动对象的速度V。另外，由于PND 1不需要执行将从移动对象传送速度脉冲信号的线缆有意地连接 到用户的复杂操作，所以能够提高使用率。此外，PND 1通过Z轴陀螺仪传感器6检测围绕与移动对象的行进方向垂直的Z轴 的偏航率ωζ以基于速度V和偏航率ω 2计算当前位置。结果，即使当难以接收到GPS信号时，通过仅设置三轴加速度传感器4、Υ轴陀螺仪 传感器5和Z轴陀螺仪传感器6的简单结构，PNDl仍能够在全部道路环境下准确地计算移 动对象的当前位置。另外，当计算速度V时，PND 1针对加速度数据ADl和俯仰率数据PDl执行低通滤 波处理。因此，PND 1能够去除由支架3产生的例如以大约15[Ηζ]进行振动的加速度α c 和角速度ω。的分量，所述分量的频率相对于由于移动对象在其上移动的表面的不平坦性 而产生的以1到2[Ηζ]进行振动的加速度α ζ和俯仰率足够大。结果，PND 1使用去除了由支架3产生的振动分量的加速度α ζ和俯仰率ωγ能够
18更加准确地计算速度V。另外，PND 1从以加速度α ζ的数据点Pm为中心的25个数据点或75个数据点的 范围中提取最大加速度az,max和最小加速度az,min，并且从以俯仰率的数据APm为中 心的25个数据点或75个数据点的范围中提取最大俯仰率《y,max和最小俯仰率ω”min。此外，PND 1通过式(3)使用最大加速度α z,max、最小加速度α z,min以及最大俯仰 率"y,max和最小俯仰率《y,min计算速度V。结果，PND 1使用比根据PND 1在移动对象中的安装位置而改变的加速度αζ和俯 仰率(Oy的相位差更宽的范围的数据点，这能够去除上述的加速度俯仰率(Oy的相位
差的影响。另外，当通过式(3)基于加速度α ζ和俯仰率coy计算的速度V是大值时，PND 1 通过在超低速度时使速度V为O并且在除此之外的时间使速度V为前值速度Vlri，能够进一 步准确地计算速度V。利用上述的结构，根据第一实施例的PND 1通过检测由于移动对象在其上移动的 表面的不平坦性而产生的Z轴方向的加速度α ζ和由于移动对象在其上移动的表面的不平 坦性而产生的围绕Y轴的俯仰率《y，以使用加速度俯仰率(^计算速度V，能够在全 部环境下准确地计算速度V。<2.第二实施例>第二实施例的PND 50 (图4到图7)与第一实施例的PND 1的不同之处在于它具 有速度计算单元52以替代速度计算单元22，但是其它部分具有与第一实施例相同的结构。[2-1.速度计算处理]如图38所示(与图8对应的部分由相同标号表示)，速度计算单元52上设置了高 通滤波单元62和低通滤波单元63，以替代高通滤波单元32和低通滤波单元33。另外，在 速度计算单元52上设置截止频率设置单元67，但是其它部分具有与速度计算单元22相同 的结构。高通滤波单元62被改动从而使得在高通滤波单元32中固定的截止频率(下文 中，称作高通截止频率FH)被设置为可以通过截止频率设置单元67改变成各种值。另外，低通滤波单元63被改动从而使得在低通滤波单元33中固定的截止频率 (下文中，称作低通截止频率FL)被设置为可以通过截止频率设置单元67改变成各种值。如图39Α和39Β所示，截止频率设置单元67存储表TBLl和TBL2，表TBLl和TBL2 中分别登记了高通截止频率FH和低通截止频率FL。在表TBLl中，移动对象的速度V被划分成四个速度区，即第一速度区、第二速度 区、第三速度区和第四速度区，并且不同的高通截止频率Hl被相应地加到每个速度区。另外，表TBL2关于移动对象的速度V，被相似地划分成第一到第四速度区，并且不 同的低通截止频率FL被相应地加到每个速度区。另外，在表TBLl和TBL2中，在加速和减速时，第一速度区、第二速度区、第三速度 区和第四速度区中的速度V的范围彼此不同。具体地讲，第一速度区、第二速度区、第三速度区和第四速度区的对应速度V在 加速时分别是0-25、25-45、45-65、和65以上[公里/小时]，并且在减速时分别是0-20, 20-40、40-60和60以上[公里/小时]。
结果，与速度计算单元34中的数据范围的情况相同，表TBLl和TBL2具有关于速 度V的迟滞性。另外，截止频率设置单元67在其存储器中存储前值速度Vlri (上上次的速度V)并 且通过将前值速度Vlri与前一速度V进行比较，能够判断是在加速期间还是在减速期间。实际上，当从平滑化和去噪单元35获取前一速度V时，截止频率设置单元67将前 值速度Vlri与前一速度V进行比较，以判断是在加速期间还是在减速期间。接下来，截止频率设置单元67从表TBLl和TBL2中读取根据判断结果(即，加速 期间和减速期间之一)和速度V的速度区的高通截止频率ra和低通截止频率FL，以提供给 高通滤波单元62和低通滤波单元63。高通滤波单元62将从截止频率设置单元67提供的高通截止频率Hl设置为截止 频率。接下来，与高通滤波单元32 (图8)相似，高通滤波单元62截断加速度数据AD和俯 仰率数据PD的直流分量并且创建加速度数据ADl和俯仰率数据PDl以将其发送至低通滤 波单元63。低通滤波单元63将从截止频率设置单元67提供的低通截止频率FL设置为截止 频率。接下来，与低通滤波单元33 (图8)相似，低通滤波单元63截断加速度数据ADl和俯 仰率数据PDl的高频分量并且创建加速度数据AD2和俯仰率数据PD2以将其发送至速度计 算单元34。 结果，在加速度数据AD2和俯仰率数据PD2中，仅提取了取决于前一速度V夹在高 通截止频率FH与低通截止频率FL之间的频率分量。如上所述，根据第二实施例的速度计算单元52通过设置根据前一速度V而改变的 高通截止频率ra和低通截止频率FL，改变作为加速度数据AD2和俯仰率数据PD2提取的频
带分量。[2-2.测量结果]接下来，关于由根据第一实施例的速度计算单元22固定各截止频率以创建速度 数据VD的情况和由根据第二实施例的速度计算单元52改变各截止频率同时创建速度数据 VD的情况二者，执行速度V和距离D的测量测试。在图40和图41中分别示出了此时的测
量结果。此外，与图26到图37所示的情况不同，测量测试有意使支架3对于移动对象的附 接状态不完全并且在容易产生误差的状态下执行。图40以重叠方式示出了由各截止频率为固定的速度计算单元22计算的速度V和 距离D以及用于与速度V和距离D进行比较的基于GPS信号计算的GPS速度Vg和从GPS速 度Vg计算的GPS距离Dg。另外，图41以重叠方式示出了由各截止频率根据速度V而改变的速度计算单元52 计算的速度V和距离D以及用于与速度V和距离D进行比较的基于GPS信号计算的GPS速 度Vg和从GPS速度Vg计算的GPS距离Dg。从图40和图41显然可见，与各截止频率被固定的情况相比，通过根据速度V改变 各截止频率，减小了速度V与GPS速度Vg的误差以及距离D与GPS距离Dg的误差。[2-3.操作和效果]在上述的结构中，与第一实施例相似，根据第二实施例的PND 50通过三轴加速度传感器4检测由于移动对象在其上移动的表面的不平坦性而产生的、与移动对象的行进方 向垂直的Z轴方向的加速度Ciz，并且通过Y轴陀螺仪传感器5检测由于移动对象在其上移 动的表面的不平坦性而产生的围绕与行进方向垂直的Y轴的俯仰率 此外，PND 50根据式(1)或(3)基于由三轴加速度传感器4检测的加速度α ζ和 由Y轴陀螺仪传感器5检测的俯仰率计算速度V。因此，与第一实施例相似，即使当难以接收到GPS信号时，通过仅使用三轴加速度 传感器4和Y轴陀螺仪传感器5的简单结构，PND50能够在全部道路环境下准确地计算移 动对象的速度V。此外，速度计算单元52通过设置根据前一速度V而改变的高通截止频率 和低 通截止频率FL，改变作为加速度数据AD2和俯仰率数据PD2提取的频带分量。结果，PND 50能够减小包括在速度V和距离D中的误差，与各截止频率被固定的 第一实施例相比，这能够显著提高当前位置的计算精度。利用上述的结构，与第一实施例相似，通过检测由于移动对象在其上移动的表面 的不平坦性而产生的Z轴的方向的加速度Ciz和围绕Y轴的俯仰率并且同时根据使用 加速度α z和俯仰率《y的测量改变各截止频率以计算速度V，根据第二实施例的PND 50能 够在全部环境下准确地计算速度V。<3.其它实施例>另外，在上述的实施例中，当计算速度V时，使用式(3)基于从与加速度数据AD2 相当的加速度α z提取的最大加速度az,max和最小加速度az,min以及从与角速度数据DD2 相当的俯仰率《y提取的最大俯仰率ω”_和最小俯仰率ω”min来计算速度V。然而，本发明不限于此，速度计算单元34需要求得在例如与相当于从低通滤波单 元33提供的加速度数据AD2的加速度α,和相当于俯仰率数据PD2的俯仰率(^的前一位 置PO对应的数据点Pm周围的25个数据点或75个数据点的散布(dispersion)。此外，速 度计算单元34可以通过将加速度α ζ的散布除以俯仰率的散布来计算速度V。或者，速度计算单元34需要在与相当于从低通滤波单元33提供的加速度数据AD2 的加速度α ζ和相当于俯仰率数据PD2的俯仰率的前一位置PO对应的数据点Pm周围的 25个数据点或75个数据点的范围的偏差。此外，速度计算单元34可以通过将加速度Ciz 的偏差除以俯仰率《y的偏差来计算速度V。另外，在上述的实施例中，已经描述了通过三轴加速度传感器4、Y轴陀螺仪传感 器5和Z轴陀螺仪传感器6以50 [Hz]的采样频率测量加速度α χ、α y和α ζ、俯仰率ω y和 偏航率《2的情况。然而，本发明不限于此，并且三轴加速度传感器4、Y轴陀螺仪传感器5 和Z轴陀螺仪传感器6可以按与50[Hz]不同的例如10[Hz]等的规定采样频率检测加速度 αχ、ay和az、角速度(^和角速度ωζ。另外，在上述的实施例中，已经描述了使用以50[Ηζ]的采样频率检测的加速度αζ 和俯仰率coy来计算速度V的情况。然而，本发明不限于此，并且PND 1的速度计算单元22 可以例如针对以50[Ηζ]的采样频率检测的加速度％和俯仰率的每25个数据点获取 平均值，以使用加速度a z和俯仰率《y的平均值计算速度V。在这种情况下，PND 1的速度计算单元22通过例如针对以50[Hz]的采样频率检 测的加速度^2和俯仰率ω γ的每25个数据点获取平均值，每秒计算速度V仅两次。结果，PND 1的控制单元11能够减小关于速度计算处理的处理负载。另外，在上述的实施例中，已经描述了通过高通滤波单元22对由三轴加速度传感 器4和Y轴陀螺仪传感器5检测的加速度数据AD和俯仰率数据PD执行高通滤波处理的情 况。然而，本发明不限于此，并且PND 1可不对由三轴加速度传感器4和Y轴陀螺仪传感器 5检测的加速度数据AD和俯仰率数据PD执行高通滤波处理。此外，在上述的实施例中，已经描述了通过高通滤波单元22和低通滤波单元23对 由三轴加速度传感器4和Y轴陀螺仪传感器5检测的加速度数据AD和俯仰率数据PD执行 高通滤波处理和低通滤波处理的情况。然而，本发明不限于此，并且除了高通滤波处理和低 通滤波处理以外，PND 1还可以对加速度数据AD和俯仰率数据PD执行移动平均滤波处理。 另外，PND 1可以对加速度数据AD和俯仰率数据PD执行高通滤波处理、低通滤波处理和移 动平均滤波处理的任意组合。另外，在上述的实施例中，已经描述了当例如使用加速度02和俯仰率计算前 一位置PO的速度V时在判断前一位置PO的速度V过大的情况下使前值速度Vlri为前一位 置PO的速度V的情况。然而，本发明不限于此，并且当前一位置PO的速度V等于前值速度 Vlri时或者比它大规定的阈值时，PND 1的速度计算单元22可以使前一位置PO的速度V为 向前值速度Vlri加上能够使移动对象加速的值而得到的速度。另外，当前一位置PO的速度V比前值速度Vlri小规定的阈值时，PND 1的速度计算 单元22可以使前一位置PO的速度V为通过从前值速度Vlri减去能使移动对象减速的值而 获得的值。另外，在上述的实施例中，已经描述了使用式(3)基于加速度α ζ和俯仰率计 算速度V的情况。然而，本发明不限于此，并且PND 1的控制单元11把使用式(3)用加速度％和 俯仰率coy计算的速度V与基于GPS信号计算的GPS速度Vg进行比较。此外，当在速度V和GPS速度Vg中产生误差时，PND 1的控制单元11通过使得关 于速度V的误差最小化的线性函数或例如二次函数的高次函数，计算用于校正的校正系数 并且将校正系数存储在存储单元12中。因此，PND 1的速度计算单元22使用式(3)基于由三轴加速度传感器4和Y轴陀 螺仪传感器5检测的加速度俯仰率Oy来计算速度V，然后从存储单元12读取内插 系数以使用该内插系数通过线性函数或例如二次函数的高次函数对速度V进行校正。
如上所述，通过预先基于根据GPS信号计算的GPS速度Vg学习速度V的校正系数， PND 1能够进一步提高速度V的计算精度。此外，当计算速度V和GPS速度Vg的校正系数时，PND 1的控制单元11将速度Vl 划分成多个速度区，例如超低速度、中等速度和高速度，以针对多个速度区中的每一个计算 校正系数。此外，当计算速度V和GPS速度Vg的校正系数时，PND 1的控制单元11可以仅计 算规定速度(例如，60公里/小时以上的高速度)的校正系数。另外，在上述的第二实施例中，已经描述了在表TBLl和TBL2中将速度区划分成四 个阶段的情况。然而，本发明不限于此，并且阶段的数目可以是两个阶段以上的任意数目。 此外，高通截止频率FH和低通截止频率FL的速度区的阶段的数目不必彼此相同，而是阶段
22的数目二者可以彼此不同。另外，在上述的第二实施例中，已经描述了通过使得在加速期间和减速期间表 TBLl和TBL2中的每个速度区的速度彼此不同，从而关于各个截止频率的变化保持了迟滞 性的情况。然而，本发明不限于此，并且通过在加速期间和减速期间匹配每个速度区的速 度，可以不保持迟滞性。此外，在上述的第二实施例中，已经描述了截止频率设置单元67以阶梯方式沿表 TBLl和TBL2针对每个速度区切换相应截止频率的情况。然而，本发明不限于此，并且可以 通过以速度V为变量的函数，例如如下面所示的式(4)和(5)，计算高通截止频率ra和低通 截止频率FL。FH = 0. 005XV+0. 65. . . (4)FL = 0. 01XV+1. 3. . . (5)此外，在这种情况下，函数的形式不限于线性函数，并且可以是诸如二次函数或指 数函数的函数的各种形式，并且可以根据速度V任意定义各个截止频率。此外，在上述的实施例中，已经描述了当PND 1接收电源的供电时根据当前位置 计算处理序列执行导航的情况。然而，本发明不限于此，并且当由于用户的按压操作电源按 钮(未示出)断开时，PND 1将按下电源按钮时的当前位置、高度等存储在存储单元12中。 此外，当由于用户的按压操作电源按钮开启时，PND 1可以从存储单元12读取当前位置、高 度等以根据当前位置计算处理序列基于该当前位置、高度等执行导航。另外，在上述的实施例中，已经描述了在由安装在移动对象的仪表盘上的支架3 支承的状态下PND 1计算速度V的情况。然而，本发明不限于此，并且当识别出PND 1与支 架3机械分离或电分离时，速度V可以是0或者可以保持前值速度Vn_lt)此外，在上述的实施例中，已经描述了在左右方向上横置的状态下使用PND 1的 情况。然而，本发明不限于此，并且如图42所示，可以在纵向方向上纵置的状态下使用PND 1。在这种情况下，PND 1可以通过Y轴陀螺仪传感器5检测围绕Z轴旋转的偏航率《2并 且通过Z轴陀螺仪传感器6检测围绕Y轴的俯仰率ω 0另外，在上述的实施例中，已经描述了在PND 1内部设置三轴加速度传感器4、Υ轴 陀螺仪传感器5、Ζ轴陀螺仪传感器6和气压传感器7的情况。然而，本发明不限于此，三轴 加速度传感器4、Υ轴陀螺仪传感器5、Ζ轴陀螺仪传感器6和气压传感器7可以设置在PND 1外部。此外，PNDl可以例如在PND 1的侧面设置调节机构，该调节机构可以调节设置在 PND 1内部的三轴加速度传感器4、Υ轴陀螺仪传感器5、Ζ轴陀螺仪传感器6和气压传感器 7的安装角度。结果，即使当显示单元2没有安装为与移动对象的行进方向基本垂直时，通过允 许用户对调节机构进行调节，PND 1仍能够例如使得Y轴陀螺仪传感器5的旋转轴与移动 对象的垂直方向平行。另外，在上述的实施例中，已经判断出当与俯仰率数据PD2相当的俯仰率小于 规定的阈值时以及当与加速度数据AD2相当的加速度α ζ和与俯仰率数据PD2相当的俯仰 率《y大于规定的阈值时，速度V过大。然而，本发明不限于此，控制单元11可以当由速度 计算单元34计算的速度V取比前值速度Vlri大规定的速度以上的值时，判断出速度V过大。
在这种情况下，当获取由速度计算单元34计算的取比前值速度Vlri大规定的速度 以上的值的速度V时以及当前值速度例如是小于10公里/小时的超低速度时，平滑化和去 噪单元35使得速度V为0。另外，当由速度计算单元34计算的速度V取比前值速度Vlri大 了规定的速度以上的值时以及当前值速度例如是等于或大于10公里/小时的速度时，平滑 化和去噪单元35可以使得前值速度Vlri为速度V。另外，在上述的实施例中，已经描述了 PND 1的控制单元11根据预先容纳在存储 单元12中的应用程序执行上述例程RTl的当前位置计算处理序列的情况。然而，本发明不 限于此，PND 1的控制单元11可以根据从记录介质安装的应用程序、从互联网下载的应用 程序以及通过各种途径安装的应用程序执行上述的当前位置计算处理序列。另外，在上述的实施例中，已经描述了本发明的实施例的速度计算装置的PND 1 包括作为垂直加速度检测单元的三轴加速度传感器4、作为水平角速度检测单元的Y轴陀 螺仪传感器5和作为速度计算单元的速度计算单元22的情况。本发明不限于此，速度计 算装置可以包括具有其它结构的垂直加速度检测单元、水平角速度检测单元和速度计算单兀。本申请包含与分别在2009年8月28日和2008年8月29日提交到日本专利局的 日本在先专利申请JP 2009-198593和JP 2008-221713中公开的主题有关的主题，通过引 用将这两个申请的全部内容包含于此。本领域技术人员应该明白，根据设计需要和其它因素可以想到各种变型、组合、子 组合和替换，只要它们位于权利要求及其等同物的范围内即可。
2权利要求
1.一种速度计算装置，包括垂直方向加速度检测单元，安装在移动对象上，用于检测根据所述移动对象在其上移 动的表面的不平坦性而产生的垂直方向的加速度；水平方向角速度检测单元，安装在所述移动对象上，用于检测根据所述移动对象在其 上移动的所述表面的不平坦性而产生的围绕与所述移动对象的行进方向垂直的水平轴的 角速度；以及速度计算单元，用于基于所述垂直方向的加速度和围绕所述水平轴的角速度，计算所 述移动对象的行进方向的速度。
2.根据权利要求1的速度计算装置，其中，垂直方向加速度检测单元按规定的采样频率，连续并顺序地检测所述垂直方向 的加速度；其中，水平方向角速度检测单元按所述采样频率，连续并顺序地检测围绕所述水平轴 的角速度；并且其中，速度计算单元使用规定采样数目的所述垂直方向的加速度和所述采样数目的围 绕所述水平轴的角速度顺序地计算移动对象的所述速度。
3.根据权利要求2的速度计算装置，其中，速度计算单元改变所述采样数目以使得当所述速度等于或大于规定的速度时增 加所述采样数目而当所述速度小于所述规定的速度时减小所述采样数目。
4.根据权利要求3的速度计算装置，其中，速度计算单元通过当所述速度增加时以及当所述速度减小时改变所述采样数目 而具有迟滞性。
5.根据权利要求4的速度计算装置，其中，速度计算单元通过分别从所述采样数目的所述垂直方向的加速度中提取最大值 和最小值作为最大加速度和最小加速度，以及从所述采样数目的围绕所述水平轴的角速度 中提取最大值和最小值作为最大角速度和最小角速度，然后将最大加速度和最小加速度之 差除以最大角速度和最小角速度之差，来计算所述速度。
6.根据权利要求1的速度计算装置，其中，速度计算单元还包括低通滤波器，在该低通滤波器中，设置比当速度计算装置保 持在支架中时由支架产生的规定频率低的低通截止频率，以从所述垂直方向的加速度和围 绕所述水平轴的角速度去除等于或大于该低通截止频率的频率分量。
7.根据权利要求6的速度计算装置，其中，速度计算单元还包括高通滤波器，在该高通滤波器中，设置比与移动对象在其上移动的表面的不平坦性相 当的频率低的高通截止频率，以从所述垂直方向的加速度和围绕所述水平轴的角速度去除 等于或小于该高通截止频率的频率分量，以及截止频率设置单元，其根据前一速度设置所述低通截止频率和所述高通截止频率。
8.根据权利要求7的速度计算装置，其中，截止频率设置单元将所述低通截止频率和所述高通截止频率设置为以多个阶段 进行变化，并且使得作为当改变所述低通截止频率和所述高通截止频率时的阈值的速度的值在所述速度与前一速度相比进一步增加的情况下和在所述速度与前一速度相比进一步 减小的情况下彼此不同。
9.根据权利要求7的速度计算装置，其中，截止频率设置单元与取决于所述速度的规定函数对应地设置所述低通截止频率 和所述高通截止频率。
10.根据权利要求1的速度计算装置，其中，当所述速度与前一速度相比取高于规定阈值的较高值时并且当该前一速度小于 规定速度时，速度计算单元将所述速度设置为0，并且其中，当所述速度与前一速度相比取高于规定阈值的较高值时并且当该前一速度等于 或大于所述规定速度时，速度计算单元将所述前一速度设置为所述速度。
11.一种计算速度的方法，包括如下步骤检测对应于移动对象在其上移动的表面的不平坦性而在所述移动对象中产生的垂直 方向的加速度；检测对应于所述移动对象在其上移动的表面的不平坦性而在所述移动对象中产生的 围绕与所述移动对象的行进方向垂直的水平轴的角速度；以及基于所述垂直方向的加速度和围绕所述水平轴的角速度计算所述移动对象的行进方 向的速度。
12.—种导航装置，包括垂直方向加速度检测单元，用于检测对应于移动对象在其上移动的表面的不平坦性而 在所述移动对象中产生的垂直方向的加速度；水平方向角速度检测单元，用于检测对应于所述移动对象在其上移动的表面的不平坦 性而在所述移动对象中产生的围绕与所述移动对象的行进方向垂直的水平轴的角速度；速度计算单元，用于基于所述垂直方向的加速度和围绕所述水平轴的角速度计算所述 移动对象的行进方向的速度；垂直方向角速度检测单元，用于计算围绕与所述行进方向垂直的垂直轴的角速度； 角度计算单元，用于基于围绕垂直轴的所述角速度计算所述移动对象已旋转的角度；以及位置计算单元，用于基于由速度计算单元计算的行进方向的速度和由角度计算单元计 算的所述角度来计算移动对象的位置。
全文摘要
本发明涉及速度计算装置、速度计算方法和导航装置。该速度计算装置包括垂直方向加速度检测单元，安装在移动对象上，用于检测对应于移动对象在其上移动的表面的不平坦性而产生的垂直方向的加速度；水平方向角速度检测单元，安装在移动对象上，用于检测对应于移动对象在其上移动的所述表面的不平坦性而产生的围绕与移动对象的行进方向垂直的水平轴的角速度；以及速度计算单元，用于基于所述垂直方向的加速度和围绕所述水平轴的角速度，计算移动对象的行进方向的速度。
文档编号G01C21/16GK102003961SQ20101024206
公开日2011年4月6日 申请日期2010年7月29日 优先权日2008年8月29日
发明者大久保仁 申请人:索尼公司