速度计算设备、速度计算方法和导航设备的制作方法

专利名称：速度计算设备、速度计算方法和导航设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及适合于例如便携式导航设备的速度计算设备、速度计算方法和导航 设备。
背景技术：
现有的导航设备从多个全球定位系统(GPS)卫星接收位置信号(下文中称为 GPS信号)，并基于GPS信号来计算运动体(例如车辆)的当前位置。
然而，当设有导航设备的车辆处于隧道中或者地下停车库中时，导航设备难以 从GPS卫星接收到GPS信号并基于GPS信号计算当前位置。
即使当难以接收GPS信号时，某些导航设备也基于当车辆正转弯时在垂直于行 进方向的水平方向上的加速度和围绕垂直于行进方向的垂直轴的角速度来计算车辆的行 进方向上的速度，从而基于行进方向上的速度来计算车辆的当前位置(例如，参见日本 未实审专利申请公布Νο.2008-76389)。发明内容
这样的导航设备可以计算当车辆正转弯时行进方向上的速度，但是难以计算当 车辆正直线运动时行进方向上的速度。因此，这种导航设备难以在所有行进表面(即， 道路等)的条件下计算行进方向上的速度。
本发明提供了一种无论行进表面的条件如何都能够精确地计算运动体的速度的 速度计算设备、速度计算方法和导航设备。
根据本发明的一个实施例，提供了一种速度计算设备，包括安装在行进在预 定行进表面上的运动体上的垂直加速度检测器，该垂直加速度检测器检测由于行进表面 的起伏而产生的、垂直方向上的加速度；安装在运动体上的水平角速度检测器，该水平 角速度检测器检测围绕垂直于运动体的行进方向的水平轴的角速度，该角速度是由于行 进表面的起伏而产生的；速度计算器，该速度计算器基于垂直方向上的加速度和围绕水 平轴的角速度来计算在运动体的行进方向上的运动体的速度；以及速度校正器，该速度 校正器根据该速度来校正速度。
根据本发明的一个实施例，提供了一种计算速度的方法，该方法包括以下步 骤检测在行进在预定行进表面上的运动体中由于行进表面的起伏而产生的、垂直方向 上的加速度；检测围绕垂直于运动体的行进方向的水平轴的角速度，该角速度是由于行 进表面的起伏而产生的；基于垂直方向上的加速度和围绕水平轴的角速度来计算在运动 体的行进方向上的运动体的速度；以及根据该速度来校正速度。
根据本发明的一个实施例，提供了一种导航设备，包括安装在行进在预定行 进表面上的运动体上的垂直加速度检测器，该垂直加速度检测器检测由于行进表面的起 伏而产生的、垂直方向上的加速度；安装在运动体上的水平角速度检测器，该水平角速 度检测器检测围绕垂直于运动体的行进方向的水平轴的角速度，该角速度是由于行进表面的起伏而产生的；速度计算器，该速度计算器基于垂直方向上的加速度和围绕水平轴 的角速度来计算在运动体的行进方向上的运动体的速度；速度校正器，该速度校正器根 据该速度来校正速度；垂直角速度检测器，该垂直角速度检测器计算围绕垂直于行进方 向的垂直轴的角速度；角度计算器，该角度计算器基于围绕垂直轴的角速度来计算运动 体已旋转的角度；以及位置计算器，该位置计算器基于速度计算器计算出的行进方向上 的速度和角度计算器计算出的角度来计算运动体的位置。
因而，可以检测由于行进表面的起伏而产生的、垂直方向上的加速度和围绕垂 直于行进方向的水平轴的角速度，从而在所有道路条件下，都可以基于垂直方向上的加 速度和围绕水平轴的角速度来计算在行进方向上运动体的速度，并且可以通过根据速度 执行校正处理来减少根据速度可能产生的误差。
根据本发明的实施例，可以检测由于行进表面的起伏而产生的、垂直方向上的 加速度和围绕垂直于行进方向的水平轴的角速度，从而在所有道路条件下，都可以基于 垂直方向上的加速度和围绕水平轴的角速度来计算在行进方向上运动体的速度，并且可 以通过根据速度执行校正处理来减少根据速度可能产生的误差，因此可以实现一种无论 行进表面的条件如何都能够精确地计算运动体的速度的速度计算设备、速度计算方法和 导航设备。


图IA是图示行进在凹形道路表面上的车辆的示图，图IB是图示行进在凸形道 路表面上的车辆的示图2是图示沿着曲线行进的车辆的示图3是图示利用速度和角度计算当前位置的方法的示图4是图示PND的整体结构的示图5是图示与PND相关联的坐标系的定义的示图6是图示PND中包括的传感器的示图7是图示PND的电路结构的框图8是图示速度计算器的结构的框图9是图示高度和角度之间的关系的图形；
图IOA和IOB是图示当车辆正以低速行进时道路表面的角度的图形；
图IlA和IlB是图示当车辆正以高速行进时道路表面的角度的图形；
图12是图示当车辆正以极低速行进时道路表面的角度的图形；
图13是图示由于支架引起的振动的示图14是图示在高通滤波之后总加速度和总角速度的图形；
图15A至15H是图示每4096个数据点进行了傅立叶变换的总角速度的图形；
图16A至16H是图示每4096个数据点进行了傅立叶变换的总加速度的图形；
图17A至17D是图示对总加速度执行的低通滤波的比较的图形；
图18A至18D是图示对总角速度执行的低通滤波的比较的图形；
图19是图示当车辆正以低速行进时前加速度和后加速度之间的关系的图形；
图20A和20B是图示当车辆正以中速和高速行进时前加速度和后加速度之间的关系的图形；
图21A至21F是图示当PND被置于三个不同位置处时加速度、俯仰速率(pitch rate)和速度的仿真结果的图形；
图22是图示最大值和最小值之间的关系的图形；
图23是图示速度和数据点的数目之间的关系的图形；
图24A和MB是图示在不同长度的弧的情况下加速度和俯仰速率的示图25是图示利用速度计算来计算当前位置的处理的流程图^A和^B是图示加速度、角速度和速度的测量结果的例子的图形；
图27A和27B是图示测量结果和基准之间的第一比较的图形；
图狐和^B是图示测量结果和基准之间的第二比较的图形；
图^A和^B是图示测量结果和基准之间的第三比较的图形；
图30A和30B是图示测量结果和基准之间的第四比较的图形；
图31A和31B是图示测量结果和基准之间的第五比较的图形；
图32A至32C是图示当车辆正沿着曲线行进时测量结果和基准之间的第一比较 的图形；
图33A至33C是图示当车辆正沿着曲线行进时测量结果和基准之间的第二比较 的图形；
图34A至34C是图示当车辆正沿着曲线行进时测量结果和基准之间的第三比较 的图形；
图35A和35B是图示地图上的路线和车辆的行进路径之间的比较的图形；
图36是图示利用置于轻型汽车上的PND测得的速度和距离与基于GPS信号计 算出的速度和距离之间的比较的图形；
图37是图示利用置于小型货车上的PND测得的速度和距离与基于GPS信号计 算出的速度和距离之间的比较的图形；
图38是图示根据第二实施例的PND的电路结构的框图39是图示GPS速度和速度比之间的第一关系的图形；
图40是图示根据第二实施例的速度计算器的结构的框图41是图示GPS速度和速度比之间的第二关系的图形；
图42是图示根据第二实施例的速度校正的处理的流程图43是图示根据第三实施例的PND的电路结构的框图44A和44B是图示弧、速度和角速度之间的关系的示图45是图示当常数改变时速度和速度比之间的关系的示图46是图示GPS速度和速度比之间的第三关系的图形；
图47A和47B是图示曲率半径的变化的示图48是图示速度变化的示图49A和49B是图示曲率半径和速度的变化的示图50是图示根据第三实施例的速度计算器的结构的框图51是图示根据第三实施例的速度校正的处理的流程图；以及
图52是图示根据另一实施例使用PND的方式的例子的示图。
具体实施方式
下文中将参考附图按以下顺序描述用于实现本发明的实施例(以下称为实施 例)。
1.第一实施例(不校正速度V的导航设备)
2.第二实施例(利用校正系数校正速度V的导航设备)
3.第三实施例(利用速度模型校正速度V的导航设备)
4.其他实施例
1.第一实施例(不校正速度V的导航设备)
1-1.基本原理
在下面的描述中，个人导航设备(下文中称为PND)被用作本发明第一实施例的 例子，并且将描述利用PND计算对应于运动体的车辆的速度和当前位置的基本原理。
1-1-1.速度计算的原理
实践中，车辆所行进的道路(对应于行进表面)很少是平整的，并且一般是如图 IA所示的凹形或者如图IB所示的凸形。
在与车辆相关联的坐标系中，X轴在前后方向上延伸，Y轴在垂直于X轴的水 平方向上延伸，并且Z轴在垂直方向上延伸。
PND例如位于车辆的仪表板上。当车辆在凹形道路(图1A)上行进时，PND的 三轴加速度传感器利用例如50Hz的采样频率检测沿Z轴的向下加速度α ζ。
PND的Y轴陀螺仪传感器利用例如50Hz的采样频率检测围绕垂直于车辆行进方 向的Y轴的角速度ωγ(下文中称为俯仰速率)。
对于PND，沿着Z轴的向下加速度α ζ的符号被定义为正。沿着虚构圆(该虚 构圆沿着图IA所示的凹形道路表面形成)相对于行进方向向上旋转的俯仰速率ωγ的符 号被定义为正。
PND根据下式(1)利用三轴加速度传感器检测出的加速度轴陀螺仪传感 器检测出的俯仰速率《,来以每秒50次的频率计算行进方向上车辆的速度V。17 0tZ
V =—…(1)y
当车辆行进在凸形道路(图1B)上时，PND的三轴加速度传感器利用例如50Piz 的采样频率检测沿着Z轴的向上加速度az，，并且PND的Y轴陀螺仪传感器利用例如 50Hz的采样频率检测围绕Y轴的俯仰速率ωγ，。
PND根据下式( 利用三轴加速度传感器检测出的加速度a z,和Y轴陀螺仪传感器检测出的俯仰速率来以每秒50次的频率计算行进方向上车辆的速度V’。 t(X
V' = —··· (2)Wy
这里为了描述方便，负加速度被描述为加速度a z,。在实践中，三轴加速度 传感器检测加速度az，作为加速度％的负值。同样地，负俯仰速率被描述为俯仰速率 ωγ，。在实践中，Y轴陀螺仪传感器检测俯仰速率ωγ，作为俯仰速率ωγ的负值。因 此，在实践中，速度V’也被计算作为速度V。7
1-1-2.计算当前位置的原理
接下来，将描述基于速度V和围绕Z轴的角速度计算当前位置的原理，速度V 是利用上述速度计算的原理计算出的。
参考图2，当车辆例如转向左侧时，PND的Z轴陀螺仪传感器利用例如50Hz的 采样频率检测围绕Z轴的角速度(下文中称为偏转速率(yawrate)) ωζ。
参考图3，PND基于前一位置PO处的速度V和角度θ来计算从前一位置PO到 当前位置Pl的位移，角度θ是通过将陀螺仪传感器检测出的偏转速率ωζ乘以采样周期 (在这种情况下是0.02s)计算出的。PND通过将前一位置PO加上位移来计算当前位置 P1。
1-2.PND 的结构
将描述利用上述基本原理计算车辆的速度的PND的具体结构。
1-2-1.PND的外部结构
参考图4，PND 1在其前表面上具有显示器2。显示器2可以显示与存储在例如 PND 1的非易失性存储器(未示出)中的地图数据相对应的地像。
PND 1由支架3支撑并在机械上和电气上都连接到支架3，支架3利用吸盘3A 附接到车辆的仪表板。
因而，PNDl利用由车辆的电池通过支架3提供的电能来工作。当PND 1与支 架3分离时，PNDl利用由内部电池提供的电能来工作。
PND 1被放置为使得显示器2垂直于车辆的行进方向。图5图示了与PND 1相 关联的坐标系。X轴在车辆的前后方向上延伸，Y轴在垂直于X轴的水平方向上延伸， 并且Z轴在垂直方向上延伸。
在该坐标系中，车辆的行进方向被定义为沿着X轴的正方向，向右方向被定义 为沿着Y轴的正方向，并且向下方向被定义为沿着Z轴的正方向。
1-2-2.PND的传感器结构
参考图6，PND 1包括三轴加速度传感器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分别检测沿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α z作为电压值。
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分别检测围绕Y轴的 俯仰速率《y、围绕Z轴的偏转速率ωζ和气压PR作为电压值。
1-2-3.PND的电路结构
参考图7，作为中央处理单元(CPU)的PND 1的控制器11根据从包括非易失性 存储器的存储器12读取的操作系统来控制PND 1。
在PND 1中，控制器11根据从存储器12读取的各种应用程序来执行下面描述的 速度计算和其他处理。
为了执行速度计算和其他处理，控制器11包括GPS处理器21、速度计算器22、 角度计算器23、高度计算器M、位置计算器25和导航仪沈作为功能块。
PND 1的GPS天线ANT从GPS卫星接收GPS信号，并且GPS信号被发送到控 制器11的GPS处理器21。
GPS处理器21基于通过解调GPS信号而获得的轨道数据以及关于GPS卫星和车 辆之间的距离的数据来准确测量车辆的当前位置，从而获得当前位置数据NPD1，并将当 前位置数据NPDl发送到导航仪26。
导航仪沈基于当前位置数据NPDl从存储器12读取包括车辆的当前位置的区域 的地图数据，并生成包括当前位置的地像，将该地像输出到显示器2，从而显示 该地像。
三轴加速度传感器4利用例如50Hz的采样频率检测加速度α χ、α y和α ζ，并 将表示加速度α ζ的加速度数据AD发送到控制器11的速度计算器22。
Y轴陀螺仪传感器5利用例如50Hz的采样频率检测俯仰速率ωγ，并将表示俯仰 速率ωγ的俯仰速率数据PD发送到控制器11的速度计算器22。
速度计算器22利用加速度α ζ(其对应于由三轴加速度传感器4提供的加速度数 据AD)和俯仰速率ωγ(其对应于由Y轴陀螺仪传感器5提供的俯仰速率数据PD)根据等 式(1)来以每秒50次的频率计算速度V，并将表示速度V的速度数据VD发送到位置计25 ο
Z轴陀螺仪传感器6利用例如50Hz的采样频率检测偏转速率ωζ，并将表示偏转 速率ωζ的偏转速率数据YD发送到控制器11的角度计算器23。
角度计算器23通过将偏转速率ωζ(其对应于由ζ轴陀螺仪传感器6提供的偏转 速率数据YD)乘以采样周期(在这种情况下是0.02s)来计算车辆转向右侧或左侧的角度 Θ，并将表示角度θ的角度数据DD发送到位置计算器25。
位置计算器25基于速度V(其对应于由速度计算器22提供的速度数据VD)和 角度θ (其对应于由角度计算器23提供的角度数据DD)来计算从图3中所示的前一位置 PO到当前位置Pl的位移。位置计算器25通过将该位移加到前一位置PO来计算当前位 置Ρ1，并将表示当前位置Pl的当前位置数据NPD2发送到导航仪26。
气压传感器7利用例如50Hz的采样频率检测气压PR，并将表示气压PR的气压 数据PRD发送到高度计算器M。
高度计算器M基于气压PR(其对应于由气压传感器7提供的气压数据PRD)来 计算车辆的高度，并将表示车辆高度的高度数据HD发送到导航仪26。
导航仪沈基于由位置计算器25提供的当前位置数据NPD2和由高度计算器24 提供的高度数据HD来从存储器12读取包括车辆的当前位置的区域的地图数据，生成包 括当前位置的地像，将该地像输出到显示器2，从而显示该地像。
1-3.速度计算处理
接下来，将详细描述由速度计算器22执行的速度计算处理。在该处理中，速度 计算器22基于加速度Ciz(其对应于由三轴加速度传感器4提供的加速度数据AD)和俯仰 速率ωγ(其对应于由Y轴陀螺仪传感器5提供的俯仰速率数据PD)来计算速度V。
参考图8，为了执行速度计算，速度计算器22包括数据获取器31、高通滤波器 32、低通滤波器33、速度计算部34、平滑器/噪声滤波器35和速度输出部36作为功能 块。
速度计算器22的数据获取器31获取由三轴加速度传感器4提供的加速度数据 AD和由Y轴陀螺仪传感器5提供的俯仰速率数据PD，并将加速度数据AD和俯仰速率数据PD发送到高通滤波器32。
高通滤波器32从由数据获取器31提供的加速度数据AD和俯仰速率数据PD中 去除直流分量以生成加速度数据ADl和俯仰速率数据PD1，并将加速度数据ADl和俯仰 速率数据PDl发送到低通滤波器33。
低通滤波器33对由高通滤波器32提供的加速度数据ADl和俯仰速率数据PDl 执行低通滤波(下面将描述)以生成加速度数据AD2和俯仰速率数据PD2，并将加速度 数据AD2和俯仰速率数据PD2发送到速度计算部34。
速度计算部34利用由低通滤波器33提供的加速度数据AD2和俯仰速率数据PD2 来执行速度计算(下面将描述)以生成速度数据VD1，并将速度数据VDl发送到平滑器 /噪声滤波器35。
平滑器/噪声滤波器35对由速度计算部34提供的速度数据VDl执行平滑和噪 声滤波(下面将描述)以生成速度数据VD，并将速度数据VD发送到速度输出部36。
速度输出部36将由平滑器/噪声滤波器35提供的表示车辆速度V的速度数据 VD发送到位置计算器25。
这样，速度计算器22基于由三轴加速度传感器4提供的加速度数据AD和由Y 轴陀螺仪传感器5提供的俯仰速率数据PD计算出车辆的速度V。
1-3-1.低通滤波
接下来，将详细描述由低通滤波器33对高通滤波器32所提供的加速度数据ADl 和俯仰速率数据PDl执行的低通滤波。
图9图示了高度H和相对于水平方向围绕Y轴的角度Φ之间的关系，其中高度 H基于与由气压传感器7获得的气压数据PRD相对应的气压PR，角度Φ基于与由Y轴 陀螺仪传感器5获得的俯仰速率数据PD相对应的俯仰速率ωγ。关于角度Φ，相对于行 进方向(X轴)的向上方向被定义为正。
参考图9，从以下事实可见在高度H和角度Φ之间存在相关当高度H从大约 第12001数据点O40s)急剧下降时，SP，当车辆在下坡行进时，角度Φ从大约0.5cfeg急 剧下降到大约_2.5cfeg。
当高度H改变时，角度Φ根据高度H的改变而改变。因而，PNDl可以利用 Y轴陀螺仪传感器5来检测在车辆的行进方向上道路表面的起伏。
图IOA图示了图9的角度Φ。图IOB图示了从第5001数据点到第6001数据点 的图IOA的角度Φ。在该段时间内，车辆以低于20km/h的低速行进。从图IOB可见， 角度Φ每秒振荡一到两次。
因而，当车辆以低于20km/h的低速行进时，安装在车辆上的PND 1检测出的角 度Φ (其基于与由Y轴陀螺仪传感器5获得的俯仰速率数据PD相对应的俯仰速率ωγ)为 频率在1到2Hz范围内的振荡。
与图IOA —样，图IlA图示了图9的角度Φ。图IlB图示了从第22001数据 点到第23001数据点的图IlA的角度Φ。在该段时间内，车辆以高于60km/h的高速行进。
从图IlB可见，当车辆以高于60km/h的高速行进时，PNDl检测到的角度Φ (其基于与由Y轴陀螺仪传感器5获得的俯仰速率数据PD相对应的俯仰速率ων)也是频率在1到2Hz范围内的振荡。
而且，如图12所示，当车辆以低于10km/h的极低速行进时，PND 1检测到的 角度Φ (其基于与由Y轴陀螺仪传感器5获得的俯仰速率数据PD相对应的俯仰速率ωγ) 也是频率在1到2Hz范围内的振荡。
因此，无论车辆的速度如何，利用Y轴陀螺仪传感器5，PNDl都检测到频率在 1到2Hz范围内的振荡形式的俯仰速率ωγ。
PND 1由支架3支撑，支架3利用吸盘3Α附接到车辆的仪表板。参考图13， 支架3包括置于吸盘3Α上的主体3Β和PND支撑器3D。PND支撑器3D的一端由主体 3Β支撑在位于预定高度的支撑点3C处，并且PND支撑器3D在PND支撑器3D的另一 端支撑PND 1。
因此，当车辆由于道路表面的起伏而振动时，PND 1围绕PND支撑器3D的支 撑点3C上下振动，且具有加速度α。和角速度ω。。
因此，在实践中，三轴加速度传感器4检测加速度(下文中称为总加速度)α。ζ， 加速度α。ζ是由于道路表面的起伏由车辆的振动产生的沿Z轴的加速度^2(图1)和由 PND 1围绕PND支撑器3D的支撑点3C的振动产生的加速度α c的总和。
Y轴陀螺仪传感器5检测角速度(下文中称为总角速度)ω。γ，角速度ω。γ是由 于道路表面的起伏由车辆的振动产生的围绕Y轴的俯仰速率ωγ(图1)和由PND 1围绕 PND支撑器3D的支撑点3C的振动产生的角速度ω。的总和。
因此，低通滤波器33通过数据获取器31和高通滤波器32获取了表示总角速度 "cy的俯仰速率数据PDl和表示总加速度α cz的加速度数据ADl。
图14图示了总加速度α。z和总角速度ω。γ，它们分别对应于已被高通滤波器32 高通滤波的加速度数据ADl和俯仰速率数据PD1。图15Α至15F是图示图14的总角速 度ω。γ的图形，该总角速度ω。γ已对每4096个数据点进行了傅立叶变换。
具体而言，图15Α是经过傅立叶变换的从第1数据点到第4096数据点的图14的 总角速度ω。γ&图形。同样地，图15Β、15C和15D分别是各自经过傅立叶变换的从第 4097数据点到第8192数据点、从第8193数据点到第12288数据点以及从第12289数据点 到第16384数据点的图14的总角速度ω。γ的图形。
图15Ε、15F、15G和15Η分别是各自经过傅立叶变换的从第16385数据点到第 20480数据点、从第20481数据点到第Μ576数据点、从第Μ577数据点到第观672数据 点以及从第28673数据点到第32768数据点的图14的总角速度ω。γ的图形。
从图15C至15Η清楚可见，在1到2Hz的范围内的频率分量以及大约15Hz的频率分量具有大值。
即，PND 1的Y轴陀螺仪传感器5检测等于俯仰速率ωγ和角速度ω。之和的总 角速度《。y，俯仰速率ωγ由于前述道路表面的起伏而以1到2 的范围内的频率振荡， 角速度ω。由于支撑PND 1的支架3而以大约15 的频率振荡。
图16A至16F是图示图14的总加速度CiezW图形，该总加速度α ez每4096个 数据点进行了傅立叶变换。
具体而言，图16A是经过傅立叶变换的从第1数据点到第4096数据点的图14的 总加速度Qez的图形。同样地，图16B、16C和16D分别是各自经过傅立叶变换的从第4097数据点到第8192数据点、从第8193数据点到第12288数据点以及从第12289数据点 到第16384数据点的图14的总加速度α cz的图形。
图16E、16F、16G和16H分别是各自经过傅立叶变换的从第16385数据点到第 20480数据点、从第20481数据点到第M576数据点、从第M577数据点到第观672数据 点以及从第28673数据点到第32768数据点的图14的总加速度α cz的图形。
考虑到总角速度ω。γ(图15C至15Η)具有1到2 的范围内的频率分量和大约 15Hz的频率分量的事实，估计总加速度α cz也具有在1到2Hz的范围内的频率分量和大 约15Hz的频率分量。
S卩，PND 1的三轴加速度传感器4检测等于加速度α ζ和加速度α c之和的总加 速度α。ζ，加速度Ciz由于前述道路表面的起伏而以1到2Hz的范围内的频率振荡，加速 度α c由于支撑PND 1的支架3而以大约15 的频率振荡。
因此，低通滤波器33对由高通滤波器32提供的加速度数据ADl和俯仰速率数 据PDl执行低通滤波，以去除大约15Hz的频率分量，S卩，由于支撑PNDl的支架3而产 生的加速度％和角速度ω。。
图17Α是与图16Η相同的数据的图形，该图形以对数垂直轴绘制。图17Β、17C 和17D是从第观673数据点到第32768数据点的总加速度aez的图形，其中对这些值分别 执行了两次、四次和六次具有2Hz截止频率的无限冲击响应(IIR)滤波，并且对这些值已 执行了傅立叶变换。
图18A是与图15H相同的数据的图形，该图形以对数垂直轴绘制。图18B、18C 和18D是从第观673数据点到第32768数据点的总角速度《”的图形，其中对这些值分别 执行了两次、四次和六次具有2Hz截止频率的无限冲击响应(IIR)滤波，并且对这些值已 执行了傅立叶变换。
从图17B至17D和图18B至18D可见，PND 1可以从由高通滤波器32提供的 加速度数据ADl和俯仰速率数据PDl中去除大约15 的频率分量，这是通过对加速度 数据ADl和俯仰速率数据PDl执行四次或更多次具有2Hz截止频率的IIR滤波实现的。
因此，根据该实施例的低通滤波器33对由高通滤波器32提供的加速度数据ADl 和俯仰速率数据PDl执行四次具有2Hz截止频率的IIR滤波以产生加速度数据AD2和俯 仰速率数据PD2，并将加速度数据AD2和俯仰速率数据PD2发送到速度计算部34。
因而，低通滤波器33从总加速度Ciez中去除了由于PND支撑器3D围绕支架3 的支撑点3C的振动而产生的加速度α。，从而仅提取了由于道路表面起伏而产生的加速 度αζ。
此外，低通滤波器33从总角速度Ocy中去除了由于PND支撑器3D围绕支架3 的支撑点3C的振动而产生的角速度ω。，从而仅提取了由于道路表面起伏而产生的俯仰 速率ωγ。
1-3-2.速度计算
接下来，将详细描述由速度计算部34执行的速度计算。速度计算部34基于由 低通滤波器33提供的加速度数据AD2和俯仰速率数据PD2来计算速度V。
图19、20Α和20Β分别图示了当车辆以低于20km/h的低速、以等于或高于 20km/h且低于60km/h的中速、和以等于或高于60km/h的高速行进时产生的对应于加速度数据AD2的加速度α ζ。对于每个速度范围，图示了 PND 1被置于车辆前部的仪表板 上的情况和PND 1被置于靠近车辆后部的后窗的情况。
在图19、20Α和20Β中，由置于车辆前部的PND 1检测到的加速度α ζ被称为 前加速度，而由置于车辆后部的PND 1检测到的加速度α ζ被称为后加速度。
从图19、20Α和20Β可见，无论车辆速度如何，后加速度的相位相对于前加速 度的相位都被延迟。该相位延迟近似等于轴距除以车辆速度，轴距是车辆的前轮轴和后 轮轴之间的距离。
图21Α至21C分别图示了当PND 1被置于仪表板上(在距离前轮轴30%轴距的 某一位置处)、置于中心处、和置于车辆后轮轴上方的某一位置处时，表示与加速度数据 AD2相对应的加速度α ζ和与俯仰速率数据PD2相对应的俯仰速率ωγ之间的关系的仿真 结果的例子。图21D至21F图示了基于从图21Α至21C所示的仿真结果获得的加速度 αζ和俯仰速率《,利用等式(1)计算出的速度V。
在该仿真中，假定具有2.5m轴距的车辆在具有正弦起伏(幅度为0.1m、波长为 20m)的道路表面上以5m/s的速度行进。
从图21A至21C可见，当PND 1的位置向车辆的后方移动时，加速度α ζ的相 位被延迟。与之相比，无论PND 1在车辆上的位置如何，俯仰速率《,的相位都不被延迟。
因此，如图21Β所示，当PND 1被置于车辆中心处时，加速度α ζ和俯仰速率 ,之间的相位差可忽略。因而，如图21Ε所示，利用等式(1)计算出的速度V基本恒定。
然而，如图21Α和21C所示，当PND 1的位置从车辆中心向前或向后移动时， 加速度αζ和俯仰速率ωγ之间的相位差增大。因此，如图21D和21F所示，由于加速 度αζ和俯仰速率间的相位差，利用等式(1)计算出的速度V相比于当PNDl被置 于车辆中心处时计算出的速度V(图21E)具有更大的误差。
具体而言，当车辆的速度V低于20km/h时，加速度α z和俯仰速率ωγ之间的 相位差较大，因此速度V的计算误差增大。
因此，参考图22，速度计算部34从以数据点Pm(对应于前一位置Ρ0，图3)为 中心的25或75个数据点的范围中提取了与由低通滤波器33提供的加速度数据AD2相对 应的加速度α ζ的最大值和最小值。该最大和最小值分别被称为最大加速度α ζ, _和最 小加速度α z, mm。
而且，速度计算部34从以数据点Pm为中心的25或75个数据点的范围中提取了 与由低通滤波器33提供的俯仰速率数据PD2相对应的俯仰速率ωγ的最大值和最小值。 该最大和最小值分别被称为最大俯仰速率max和最小俯仰速率ωγ, ■。
BP,速度计算部34从大于加速度Ciz和俯仰速率ωγ之间可能产生的最大可能相 位差的范围中提取了最大和最小加速度max和αζ, mn以及最大和最小俯仰速率ωγ, max禾口 ωγ,腿。
速度计算部34利用从加速度数据AD2提取的最大和最小加速度α ζ, _和α ζ, mn以及从俯仰速率数据PD2提取的最大和最小俯仰速率ωγ, max和ωγ, mm，根据由等式 (1)改写的下式C3)来计算在前一位置PO (图幻处行进方向上的速度V以生成速度数据13VDl,并将速度数据VDl发送到平滑器/噪声滤波器35。
γ = .細…(3)^yjnax ^yjnin
因而，即使当在加速度α z和俯仰速率ωγ之间存在相位差时，速度计算部34也 可以利用等式C3)来计算从中消除了相位延迟的影响的速度V。
参考图23，当在车辆正加速时计算前一位置PO处行进方向上的速度V时，如果 在再往前一位置(未示出)处的速度Vlri (下文中称为在前速度)在km/h至35km/h的范 围内，则速度计算部34使用25个数据点的范围，而如果在前速度Vlri高于35km/h，则 速度计算部；34使用75个数据点的范围。
当在车辆正减速时计算前一位置PO处行进方向上的速度V时，如果在前速度 Vlri等于或高于25km/h，则速度计算部34使用75个数据点的范围，而如果在前速度Vlri 低于25km/h，则速度计算部34使用25个数据点的范围。
因而，速度计算部34在提取最大和最小加速度αζ, max和α z, mm以及最大和最小 俯仰速率ωγ, max和ωγ, mm时，根据速度V来切换25个数据点和75个数据点之间的数据 范围。
当车辆的速度V等于或低于例如25km/h时，加速度α ζ和俯仰速率ωγ响应于 道路表面的轻微改变而急剧改变。因此，速度计算部34使用窄数据范围以应对急剧的改变。
当车辆的速度等于或高于35km/h时，车辆悬挂的影响较大并且加速度α ζ和俯 仰速率ωγ缓慢改变。因此，速度计算部34设定宽数据范围以应对缓慢的改变。
因而，速度计算部34根据车辆的速度V改变从中提取最大和最小加速度α z, max 和mm以及最大和最小俯仰速率ωγ, max和ωγ, mn的数据范围，以便可以考虑到根据速 度V改变的道路表面和车辆的状况，从而可以更精确地计算速度V。
此外，当计算最大和最小加速度α z, max和α z, mm以及最大和最小俯仰速率ωγ, _和ωγ, ■时，速度计算部34在车辆正加速和车辆正减速两种情况之间滞后地改变数据 范围。
因而，与速度计算部34通过没有滞后地改变数据范围来计算速度V的情况相 比，在切换速度周围的数据范围的改变频率减小。结果，速度计算部34可以减小由于数 据范围的频繁切换而可能发生的速度V的计算误差，从而可以更精确地计算速度V。
1-3-3.平滑和噪声滤波
接下来，将详细描述由平滑器/噪声滤波器35对速度计算部34计算出的速度数 据VDl执行的平滑和噪声滤波。
平滑器/噪声滤波器35对由速度计算部34提供的速度数据VDl执行低通滤波， 该低通滤波是具有可变截止频率的一阶IIR。
具体而言，当计算前一位置PO处行进方向上的速度V时，平滑器/噪声滤波器 35基于在前速度Vlri来确定截止频率。
当车辆的速度等于或高于例如60km/h时，PND 1的速度计算部34计算出的速度 V包括大量噪声，从而速度V发生明显偏离。因此，当在前速度Vlri等于或高于60km/ h时，平滑器/噪声滤波器35使用具有低截止频率的低通滤波器。
与之相比，当在前速度Vlri低于60km/h时，平滑器/噪声滤波器35使用具有 高截止频率的低通滤波器。
当速度计算部34计算出的速度V低于例如10km/h时，作为等式(1)或(3)的 分母的俯仰速率ωγ可能较小，因此利用等式(1)或C3)计算出的速度V可能变得明显高于真实值。
因此，平滑器/噪声滤波器35从低通滤波器33获取经过低通滤波的加速度数据 AD2和俯仰速率数据PD2。如果与俯仰速率数据PD2相对应的俯仰速率ωγ低于预定阈 值，则平滑器/噪声滤波器35确定速度V过高并将低通滤波后的速度V的值设定为O。
如果如图24Α所示道路表面的起伏弧Bl大于车辆的轴距W，则PND 1可以利 用前述基本原理准确计算速度V。
然而，如果如图MB所示道路表面的起伏弧Β2小于车辆的轴距W，则当车辆的 前轮辗过起伏时，产生了在车辆垂直方向上的加速度α b和以车辆后轮为中心围绕Y轴的 角速度ob。
此时，PND 1的三轴加速度传感器4和Y轴陀螺仪传感器5检测到的是加速度 α b和角速度《b(图MB)，而不是由于道路表面的起伏而由具有1到2Hz的范围内的频 率的振动产生的加速度α ζ和俯仰速率ωγ(图24Α)。
加速度α b大于在道路表面的起伏弧Bl大于车辆的轴距W时产生的加速度α ζ。 角速度《b高于在道路表面的起伏弧Bl大于车辆的轴距W时产生的俯仰速率ωγ。
基于当道路表面的起伏弧Β2小于车辆的轴距时产生的加速度Cib和角速度《b， 利用等式(1)或(3)来计算速度％(下文中也称为小弧速度)。
因为加速度Cib比角速度改变更多，所以速度％明显高于基于当道路表面的 起伏弧Bl大于车辆的轴距W时产生的加速度角速度ωγ利用等式(1)或C3)计算 出的速度V。
因此，当道路表面的起伏弧Β2小于车辆的轴距W时，PND 1的速度计算器22 基于加速度α b和角速度Ob计算小弧速度Vb，这导致计算出的速度V是过高的值。
平滑器/噪声滤波器35从低通滤波器33获取经过低通滤波的加速度数据AD2和 俯仰速率数据PD2，并判断与加速度数据AD2相对应的加速度Ciz和与俯仰速率数据PD2 相对应的俯仰速率ωγ是否高于预定阈值。
如果与加速度数据AD2相对应的加速度α ζ和与俯仰速率数据PD2相对应的俯 仰速率ωγ高于预定阈值，则平滑器/噪声滤波器35确定速度V过高并且使用在前速度 Vlri而不是经过低通滤波的速度V。即，当车辆的速度不是非常低时，如果速度V过高则 平滑器/噪声滤波器35使用在前速度Vlri，因为在这种情况下速度V很有可能不精确。
因而，如果经过低通滤波的速度V过高，则平滑器/噪声滤波器35在车辆的速 度非常低时将速度V设为0，而在车辆的速度不是非常低时将速度V设为在前速度Vlri， 从而可以更精确地计算速度V。
1-4.使用速度计算的位置计算处理
参考图25的流程图，将描述由PND 1的控制器11执行的使用前述速度计算的位置计算处理。
控制器11从例程RTl的开始步骤开始处理。在步骤SPl中，速度计算器22的数据获取器31获取三轴加速度传感器4检测出的加速度数据AD和Y轴陀螺仪传感器5 检测出的俯仰速率数据PD，并且控制器11前进到步骤SP2。
在步骤SP2中，控制器11的速度计算器22的高通滤波器32对加速度数据AD 和俯仰速率数据PD执行高通滤波，并且控制器11前进到步骤SP3。
在步骤SP3中，控制器11的速度计算器22的低通滤波器33对经过高通滤波的 加速度数据ADl和俯仰速率数据PDl执行低通滤波，该低通滤波是截止频率例如为IHz 的四阶IIR滤波，并且控制器11前进到步骤SP4。
在步骤SP4中，控制器11的速度计算器22的速度计算部34基于经过低通滤波 的与加速度数据AD2相对应的加速度α ζ和与俯仰速率数据PD2相对应的俯仰速率ωγ， 利用等式(3)来计算速度V，并且控制器11前进到步骤SP5。
在步骤SP5中，控制器11对在步骤SP4中计算出的表示速度V的速度数据VD 执行平滑和噪声滤波。
具体而言，控制器11对在步骤SP4中计算出的表示速度V的速度数据VDl执行 具有可变截止频率的低通滤波。
如果控制器11确定经过低通滤波的速度V过高，则控制器11在车辆的速度低于 例如10km/h时将速度V设为0，而在车辆的速度等于或高于10km/h时将速度V设为在 前速度Vlri，并且控制器11前进到步骤SP6。
在步骤SP6中，控制器11的角度计算器23获取Z轴陀螺仪传感器6检测出的偏 转速率数据YD，并且控制器11前进到步骤SP7。
在步骤SP7中，控制器11的角度计算器23通过将与偏转速率数据YD相对应的 偏转速率ωζ乘以采样周期0.0 来计算表示角度θ的角度数据DD，并且控制器11前进 到步骤SP8。
在步骤SP8中，控制器11基于在步骤SP5中已被执行了平滑和噪声滤波的速度 数据VD和在步骤SP7中计算出的角度数据DD来计算当前位置数据NPD2，并且控制器 11前进到步骤SP9。
在步骤SP9中，控制器11基于由位置计算器25提供的当前位置数据NPD2从存 储器12读取包括车辆的当前位置的地图数据，生成包括当前位置的地像，并将该地 像输出到显示器2，并且控制器11前进到步骤SP10，在步骤SPlO处理完成。
1-5.测量结果
图狐至37图示了通过前述速度计算获得的测量结果。图狐至35Β图示了 当PND 1被置于轿车上时的测量结果。图36和37分别图示了当PND 1被置于轻型汽车 和小型货车上时的测量结果。
图26Α图示了与三轴加速度传感器4检测出的加速度数据AD相对应的加速度 αζ和与Y轴陀螺仪传感器5检测出的俯仰速率数据PD相对应的俯仰速率ωγ。示了利用等式(3)由加速度α ζ和俯仰速率ωγ计算出的速度V。
从图TAk和^B可见，当车辆的速度V增大时，由PND 1测得的加速度α ζ增 大，而由PND 1测得的俯仰速率ω ^呆持基本恒定。
图27Α、28Α> 29Α> 30Α和31Α是图示由PND 1通过执行速度计算计算出的速 度V和根据速度V计算出的距离D的图形。图27Β、28Β、29Β、30Β和31Β是图示根据安装有PND 1的车辆的速度脉冲计算出的基准速度Vref和根据基准速度Vref计算出的基 准距离Dref的图形。图27A至31B图示了当安装有PND 1的车辆在不同道路上行进时的 情况。
根据车辆的速度脉冲计算出的速度将被称为基准速度，而利用基准速度计算出 的距离将被称为基准距离。
图27A图示了利用根据本实施例的速度计算计算出的速度V和根据速度V计算 出的距离D。图27B图示了要与图27A中所示的速度V和距离D相比较的基准速度Vref 和基准距离Dref。
如图27A和27B所示，速度V的图形基本类似于基准速度Vref的图形。基于速 度V计算出的距离D和基准距离Dref之间的误差小于10%。
图狐图示了利用根据本实施例的速度计算计算出的速度V和根据速度V计算 出的距离D。图^B图示了要与图狐中所示的速度V和距离D相比较的基准速度Vref 和基准距离Dref。
图H图示了利用根据本实施例的速度计算计算出的速度V和根据速度V计算 出的距离D。图^B图示了要与图^A中所示的速度V和距离D相比较的基准速度Vref 和基准距离Dref。
图30A图示了利用根据本实施例的速度计算计算出的速度V和根据速度V计算 出的距离D。图30B图示了要与图30A中所示的速度V和距离D相比较的基准速度Vref 和基准距离Dref。
图31A图示了利用根据本实施例的速度计算计算出的速度V和根据速度V计算 出的距离D。图31B图示了要与图31A中所示的速度V和距离D相比较的基准速度Vref 和基准距离Dref。
与图^A的情况一样，图27A、28A, 29A, 30A和31A (它们图示了当车辆行进 在不同道路上时的情况)中所示的速度V基本上分别类似于图27B、28B, 29B, 30B和 31B中所示的基准速度Vref。基于速度V计算出的距离D和基准距离Dref之间的误差小 于 10%。
图32A是PND 1利用速度计算计算出的速度V和距离D的图形。图32B是基 准速度Vref和根据基准速度Vref计算出的基准距离Dref的图形。图32C是PND 1的Z轴 陀螺仪传感器6检测出的偏转速率ωζ的图形。
参考图32C，高于20deg/s的偏转速率ω z指示车辆右转，小于_20deg/s的偏转速率ω 2指示车辆左转。
从图32C可见，即使当车辆反复右转和左转时，PND 1计算出的速度V (图32Α) 也基本类似于基准速度Vref(图32B)。基于速度V计算出的距离D和基准距离Dref之间 的误差小于10%。
图33A是当车辆行进在与图32A不同的道路上时由PND 1利用速度计算计算出 的速度V和距离D的图形。图33B是基准速度Vref和根据基准速度Vref计算出的基准距 离Dref的图形。图33C是Z轴陀螺仪传感器6检测出的偏转速率图形。
图34Α是当车辆行进在与图32Α和33Α不同的道路上时由PNDl利用速度计算 计算出的速度V和距离D的图形。图34Β是基准速度Vref和根据基准速度Vref计算出的17基准距离Dref的图形。图34C是Z轴陀螺仪传感器6检测出的偏转速率ωζ的图形。
从这些结果可见，当车辆沿着大量曲线行进时，由PND 1计算出的速度V基本 类似于基准速度Vref，并且基于速度V计算出的距离D和基准距离Dref之间的误差小于 10%。
图35Α图示了包括从起始S到目标G的车辆的路线K的地图。图35Β图示了 车辆的行进路径Τ，它是由安装在车辆上的PND 1计算出的车辆的当前位置的曲线图。
行进路径T (图35Β)基本上与车辆行进所沿的路线K (图35Α)等长且类似。从 该事实可见，PNDl基本上可以准确计算当前位置。
图36图示了由置于轻型汽车上的PND 1计算出的速度V和距离D。为了与速 度V和距离D相比较，图36还图示了基于利用GPS天线ANT接收的GPS信号计算出的 速度Vg和根据速度Vg计算出的距离Dg。
下文中，基于由GPS天线ANT接收的GPS信号计算出的速度将被称为GPS速 度，而根据GPS速度计算出的距离将被称为GPS距离。
图37图示了由置于小型货车上的PND 1计算出的速度V和距离D。为了与速 度V和距离D相比较，图37还图示了基于由GPS天线ANT接收的GPS信号计算出的速 度Vg和根据速度Vg计算出的距离Dg。
从图36和37可见，对于具有不同大小(即，轴距)的车辆，由根据本发明实施 例的PND 1计算出的速度V基本上类似于GPS速度Vg，并且基于速度V计算出的距离D 和GPS距离Dg之间的误差小于10%。
在图36和37中，当车辆处于隧道等中并且无法接收GPS信号时，GPS速度Vg 被设为0。
1-6.操作和效果
在具有上述结构的PND 1中，三轴加速度传感器4检测由于道路表面的起伏而 产生的、沿着垂直于车辆的行进方向的Z轴的加速度α z，并且Y轴陀螺仪传感器5检测 由于道路表面的起伏而产生的、围绕垂直于车辆的行进方向的Y轴的俯仰速率ωγ。
PND 1基于三轴加速度传感器4检测出的加速度α ζ和Y轴陀螺仪传感器5检测 出的俯仰速率ωγ来利用等式(1)或C3)计算速度V。
因而，具有包括三轴加速度传感器4和Y轴陀螺仪传感器5的简单结构的PND 1 可以在所有道路条件下准确地计算车辆的速度V，即使当PND 1难以接收GPS信号时也 是如此。
因为PND 1可与车辆分离，所以PND 1具有良好的可用性，并且用户不必执行 连接线缆以从车辆接收速度脉冲信号的麻烦任务。
PND 1的Z轴陀螺仪传感器6检测围绕垂直于车辆的行进方向的Z轴的偏转速率 ωζ，并且PNDl基于速度V和偏转速率ωζ来计算当前位置。
因而，具有包括三轴加速度传感器4、Y轴陀螺仪传感器5和Z轴陀螺仪传感器 6的简单结构的PND 1可以在所有道路条件下准确地计算车辆的当前位置，即使PND 1难 以接收GPS信号时也是如此。
当计算速度V时，PND 1对加速度数据ADl和俯仰速率数据PDl执行低通滤 波。因而，PND 1可以从加速度α。和角速度ω。中消除由于支架3产生的、以例如大18约15Hz的频率振荡的分量，该振荡频率明显高于由于道路表面起伏产生的、以例如1到 2Hz的频率振荡的加速度α ζ和俯仰速率ωγ的分量。
因而，PNDl可以利用从中消除了由于支架3产生的振动分量的加速度α ζ和俯 仰速率ωγ来更准确地计算速度V。
PND 1从围绕数据点Pm的加速度α ζ的25到75个数据点的范围中提取最大加速 度α ζ, _和最小加速度α ζ, _，并且从围绕数据点Pm的俯仰速率ωγ的W到75个数据 点的范围中提取最大俯仰速率ωγ, _和最小俯仰速率ωγ, ■。
PND 1根据最大和最小加速度α z, max和α ζ, _以及最大和最小俯仰速率ωγ, max 和ωγ, mn来利用等式(3)计算速度V。
这样，PNDl使用比加速度αζ和俯仰速率ωγ之间的相位差更宽的范围中的数 据点，该相位延迟可根据PNDl被置于车辆中的位置而改变，从而消除了加速度αζ和俯 仰速率《,之间的相位差的影响。
当基于加速度α ζ和俯仰速率ωγ利用等式⑶计算出的速度V过高时，PND 1 在车辆以极低速行进时将速度V设为0，否则PNDl将速度设为在前速度Vlri，从而更准 确地计算速度V。
利用以上结构，根据第一实施例的PNDl检测由于道路表面起伏产生的、沿着Z 轴的加速度α 2和由于道路表面起伏产生的、围绕Y轴的俯仰速率ωγ，并利用加速度αζ 和俯仰速率《,计算速度乂，从而在所有道路条件下准确地计算速度V。
2.第二实施例
2-1.PND 的结构
根据第二实施例的PND 50 (图4至7)类似于根据第一实施例的PND 1，不同之 处在于PND 50包括控制器51来取代控制器11。
图38是控制器51的框图，其中与图7相对应的部分用相同的标号表示。如图 38所示，控制器51类似于控制器11 (图7)，不同之处在于控制器51包括速度计算器52 来取代速度计算器22，GPS处理器21向速度计算器52提供GPS速度VG，并且角度计 算器23向速度计算器52提供角度数据DD。
2-2.速度计算
2-2-1.校正速度的原理
利用根据第一实施例的PND 1，由速度计算器22(图8)计算出的速度V(速度数 据VD)可能与车辆的真实速度不同。换句话说，速度V可能包括误差。这种误差可能 在PND 1难以准确检测车辆中产生的加速度和角速度时产生，例如在支架3没有适当地 附接到车辆的情况下。
当PND 1可以接收GPS信号并生成当前位置数据NPDl时，PNDl可以基于当前位置数据NPDl来计算速度(下文中称为GPS速度VG)。基于精确位置数据计算出的 GPS速度VG可以被认为是车辆的真实速度。
图39是图示由速度计算器22计算出的速度V与GPS速度VG之比(下文中称 为速度比RV)的图形，该图是相对于GPS速度VG绘制的。
理想情况下，由速度计算器22计算出的速度V应当与GPS速度VG相同。艮口， 理想情况下，无论GPS速度VG如何，速度比RV都应当为“ 1”，如图39中的线LO所不。
然而，实际中，如图39所示，速度比RV明显地偏离线LO，并且在GPS速度等 于或低于大约10m/S的低速区域中稀疏地分布。在GPS速度等于或高于大约lOm/s的高 速区域中，速度比RV围绕线LO密集分布。
从图39可见，速度比RV根据速度的范围(下文中称为速度区域)具有不同的 分布。
因此，通过为每个速度区域计算校正系数并利用校正系数校正速度V，可以减 少速度V的误差，从而可以使得速度V更接近真实速度。
2-2-2.速度计算器的结构
利用上述速度校正的原理，第二实施例的速度计算器52利用校正系数来校正速度V。
图40是速度计算器52的框图，其中与图8相同的部分用相同的标号表示。与 速度计算器22相比，速度计算器52还包括置于平滑器/噪声滤波器35和速度输出部36 之间的系数计算器61和速度校正器63。
系数计算器61从GPS处理器21获取GPS速度VG，并从平滑器/噪声滤波器 35获取速度数据VD。在获取了 GPS速度VG之后，系数计算器61根据下式(4)执行系 数计算(其中GPS速度VG除以速度V)以计算校正系数C。
C = (VG)/V··· (4)校正系数C被用于使速度V乘以校正系数C，以使速度V更接近GPS速度VG。
系数计算器61根据速度V的水平(即，速度区域)将校正系数C分类为低速校 正系数Cl和高速校正系数C2。
具体而言，系数计算器61在在前速度Vlri处于Okm/h到30km/h的范围内时将 校正系数C分类为低速校正系数Cl，而在在前速度Vlri高于30km/h时将校正系数C分 类为高速校正系数C2。
在车辆正加速或减速时，由于计算原理在速度V和GPS速度VG之间发生时间 滞后，因此系数计算器61难以准确地计算校正系数C。因此，系数计算器61在车辆正 加速或减速时不计算校正系数C。因此，与速度计算部34不同(其根据车辆正在加速还 是减速而具有35和25km/h的不同阈值速度)，系数计算器61具有30km/h的单一阈值 速度，这是35和25km/h的均值。
当车辆的方向正改变时，由三轴加速度传感器4提供的加速度数据AD包括由于 方向改变的加速度分量。因此，由速度计算部34计算出的速度V包括由于方向改变的误 差。因此，当系数计算器61基于由角度计算器23计算出的角度数据DD确定车辆的方 向正改变时，系数计算器61不计算校正系数C。
系数计算器61存储在前的低速校正系数Cl和高速校正系数C2的在前值(下文 中分别称为在前低速校正系数Cllri和在前高速校正系数C2n_i)。系数计算器61利用低 速校正系数Cl和高速校正系数C2的最新值(下文中称为最新低速校正系数Cln和最新 高速校正系数C2n)对低速校正系数Cl和高速校正系数C2进行标准化，并更新低速校正 系数Cl和高速校正系数C2。言，当系数计算器61已计算出低速校正系数Cl时，系数计算器61根据 下式(5)计算低速校正系数Cl的新值。当系数计算器61已计算出高速校正系数C2时， 系数计算器61根据下式(6)计算高速校正系数C2的新值。
cl=Cl,1.1x(M-l)+Cl,1... (5)M
C2 C2n_,x(M-l)+C2n…(6)M
等式(5)和(6)中的常数M (大于1)对应于时间常数。
系数计算器61存储已利用等式(5)或(6)更新的低速校正系数Cl和高速校正系 数C2的最新值。
当系数计算器61可以获取GPS速度VG时，系数计算器61计算校正系数C并 视需要更新校正系数C的平均值，从而执行校正系数C的学习。
速度校正器63从平滑器/噪声滤波器35获取速度数据VD，从GPS处理器21 获取GPS速度VG，并从系数计算器61获取最新校正系数C。最新校正系数C可以是低 速校正系数Cl或高速校正系数C2。
当速度校正器63可以从GPS处理器21获取GPS速度VG时，速度校正器63直 接将速度数据VD送至速度输出部36。
当速度校正器63难以从GPS处理器21获取GSP速度VG时，速度校正器63读 取与此时的速度V相对应的校正系数C的最新值，即，低速校正系数Cl或高速校正系数 C2，并根据下式(7)计算校正速度VC。
VC = VXC...(7)
此时，与系数计算器61—样，速度校正器63根据由速度计算部34执行的对数 据点范围的选择来选择低速校正系数Cl和高速校正系数C2之一作为校正系数C。
S卩，当车辆正加速时，如果在前速度Vlri处于0到35km/h的范围内，则速度校 正器63选择低速校正系数Cl，而如果在前速度Vlri高于35km/h，则速度校正器63选择 高速校正系数C2。
当车辆正减速时，如果在前速度Vlri等于或高于25km/h，则速度校正器63选择 高速校正系数C2，而如果在前速度Vlri低于25km/h，则速度校正器63选择低速校正系 数Cl。
随后，速度校正器63将校正速度VC送至速度输出部36作为速度数据VD。作 为响应，速度输出部36将速度数据VD输出到位置计算器25 (图38)。
这样，当速度计算器52可以获取GPS速度VG时，速度计算器52执行学习，该 学习视需要根据速度V更新校正系数C。当速度计算器52难以获取GPS速度VG时， 速度计算器52利用与速度V相对应的校正系数C来校正速度V。
图41是与图39相对应的图形，其中相对于GSP速度VG绘制了已被校正的速度 V ( SP，校正速度VC)与GPS速度VG的速度比RV。
从图41可见，在速度V的校正之后的速度比RV在任何速度区域中相比于校正 之前(图39)更接近值“1”。从该事实可见，当速度计算器52利用校正系数C校正了 速度V时，可以使速度V更接近GPS速度VG，并且可以减少速度V的误差。21
2-2-3.速度校正的处理
参考图42的流程图，将描述由PND 50的控制器51的速度计算器52执行的速度 校正处理RT2。
控制器51从例程RT2的开始步骤开始处理，并且在步骤SP21中，判断系数计 算器61是否已从GPS处理器21获取了 GPS速度VG。如果判断结果是肯定的，意味着 要执行校正系数C的学习，则控制器51前进到步骤SP22。
在步骤SP22中，控制器51通过将在前速度Vlri与速度V相比较等来判断车辆 是否正在加速或减速。如果判断结果是否定的，意味着车辆并未在加速或减速，则控制 器51前进到步骤SP23。
在步骤SP23中，控制器51基于由角度计算器23提供的角度数据DD来判断车 辆的方向是否正改变。如果判断结果是否定的，意味着车辆的方向并没有在改变并且可 以执行校正系数C的学习，则控制器51前进到步骤SP24。
在步骤SPM中，控制器51的系数计算器61根据等式(4)基于速度V和GPS速 度VG来计算校正系数C，并且控制器51前进到步骤SP25。
在步骤SP25中，控制器51判断校正系数C是否在预定的正常范围内。如果判断 结果是肯定的，意味着校正系数C可以用于校正速度V，则控制器51前进到步骤SP26。
在步骤SP26中，控制器51根据速度V是否等于或高于30km/h来将校正系数C 分类为高速校正系数C2或低速校正系数Cl。
接下来，控制器51利用等式(5)或(6)对高速校正系数C2或低速校正系数Cl 进行标准化并更新高速校正系数C2或低速校正系数Cl，并且存储已经更新的高速校正系 数C2或低速校正系数Cl，作为最新高速校正系数C2或最新低速校正系数Cl。随后， 控制器51前进到步骤SP^并结束处理。
如果步骤SP22或步骤SP23中的判断结果是肯定的，则此时的速度V并不适合 于计算校正系数C。因此，控制器51不更新校正系数C，前进到步骤SP28，并且结束处理。
如果步骤SP25中的判断结果是否定的，则这意味着已计算出的校正系数C是异 常值，例如，当例如用户接触触摸面板时产生的加速度分量被包括在速度V中。因而， 控制器51不使用已计算出的校正系数C，前进到步骤SP28，并且结束处理。
如果步骤SP21中的判断结果是否定的，意味着难以从GPS卫星接收GPS信号并 且必须基于由速度计算器52计算出的速度V来计算车辆的当前位置等，则控制器51前进 到步骤SP27。
在步骤SP27中，控制器51的速度校正器63从系数计算器61获取与速度V相 对应的最新校正系数C (即，低速校正系数Cl或高速校正系数C2)，并根据等式(7)通过 将速度V乘以校正系数C来计算校正速度VC。接下来，控制器51将校正速度VC送至 速度输出部36作为速度V的新值，前进到步骤SP28，并且结束处理。
2-3.操作和效果
在根据第二实施例且具有上述结构的PND 50中，三轴加速度传感器4检测由于 道路表面起伏而产生的、沿着垂直于车辆的行进方向的Z轴的加速度α z，并且Y轴陀螺 仪传感器5检测由于道路表面起伏而产生的、围绕垂直于车辆的行进方向的Y轴的俯仰速率ωγ。
PND 50基于三轴加速度传感器4检测出的加速度α ζ和Y轴陀螺仪传感器5检 测出的俯仰速率ωγ来利用等式(1)或C3)计算速度V。
当PND 50可以获取GPS速度VG时，PND 50的系数计算器61根据等式⑷来 计算与速度V相对应的校正系数C。当PND 50难以获得GPS速度VG时，PND 50的速 度校正器63根据等式(7)利用校正系数C来校正速度V。
因而，与第一实施例一样，具有包括三轴加速度传感器4和Y轴陀螺仪传感器 5的简单结构的PND 50可以在所有道路条件下准确地计算车辆的速度V，即使当PND 50 难以接收GPS信号时也是如此。
而且，PND 50可以利用相对准确的GPS速度VG适当地计算校正系数C，从而 可以减少包括在速度V中的误差。
此外，PND 50将速度V划分为两个速度区域，并针对各个区域计算低速校正系 数Cl和高速校正系数C2作为校正系数C。因而，PND 50可以在每个速度区域中根据 速度V的误差的分布适当地校正速度V，从而可以明显地减少包括在速度V中的误差。
在其他方面，根据第二实施例的PND 50具有与第一实施例的PND 1相同的操作 效果。
利用以上结构，PND 50检测由于道路表面起伏而产生的、沿着Z轴的加速度αζ 和由于道路表面起伏而产生的、围绕Y轴的俯仰速率ωγ，并利用加速度αζ和俯仰速率 ,计算速度V，从而在所有道路条件下准确地计算速度V。而且，PND 50利用与包括 速度V的速度区域相对应的校正系数C来校正速度V，从而可以明显地减少包括在速度 V中的误差。
3.第三实施例
3-1.PND 的结构
根据第三实施例的PND 70 (图4至7)类似于根据第一实施例的PND 1，不同之 处在于PND 70包括控制器71来取代控制器11。
图43是控制器71的框图，其中与图7相对应的部分用相同的标号表示。如图 43所示，控制器71类似于控制器11 (图7)，不同之处在于控制器71包括速度计算器72 来取代速度计算器22，并且GPS处理器21向速度计算器72提供GPS速度VG。
3-2.速度计算
与第二实施例的PND 50—样，根据第三实施例的PND 70也校正速度V。然 而，校正方法不同于第二实施例的校正方法。
3-2-1.利用速度模型校正速度的原理
在第三实施例中，构造了表示GPS速度VG和速度V(它是基于加速度α ζ和俯 仰速率ωγ生成的)之间的关系的速度模型，并且利用该速度模型来校正速度V。
首先，假定俯仰速率ωγ包括由于偏移等的误差，并且假定作为由Y轴陀螺仪传 感器5获得的测量值的俯仰速率《,是真实俯仰速率ωγΤ和测量误差Δ ωγ之和。
同样地，假定加速度Ciz包括由于偏移等的误差，并且假定作为由三轴加速度传 感器4获得的测量值的加速度Ciz是真实加速度CizT和测量误差Δ αζ之和。
如图44Α所示，假定车辆正以真实速度VT m/s和真实俯仰速率(即，角速度)ωγΤ度/秒(degree/s)行进在具有曲率半径R m的大致弧形的道路表面上。在图44A 中，点P表示车辆的位置。
在这种情况下，真实俯仰速率ωγΤ、包括误差的俯仰速率ωγ、真实加速度α ΖΤ 和包括误差的加速度α ζ可以由下式(8)至(11)表示。…(8)
权利要求
1.一种速度计算设备，包括安装在行进在预定行进表面上的运动体上的垂直加速度检测器，该垂直加速度检测 器检测由于所述行进表面的起伏而产生的、垂直方向上的加速度；安装在所述运动体上的水平角速度检测器，该水平角速度检测器检测围绕垂直于 所述运动体的行进方向的水平轴的角速度，该角速度是由于所述行进表面的起伏而产生 的；速度计算器，该速度计算器基于垂直方向上的加速度和围绕水平轴的角速度来计算 在所述运动体的行进方向上的所述运动体的速度；以及 速度校正器，该速度校正器根据所述速度来校正速度。
2.如权利要求1所述的速度计算设备，其中所述速度校正器根据所述速度所属的速度区域来校正速度，所述速度区域是通 过将所述速度划分为多个速度范围而获得的多个速度区域中的一个速度区域。
3.如权利要求2所述的速度计算设备，其中所述速度校正器利用与每个速度区域相对应的校正系数来校正速度。
4.如权利要求3所述的速度计算设备，还包括速度检测器，该速度检测器检测在所述运动体的行进方向上的所述运动体的速度， 并将该速度设定为基准速度；以及校正系数更新器，当能够检测出所述基准速度时，该校正系数更新器基于所述基准 速度和所述速度来更新用于每个速度区域的校正系数，其中，当不能检测出所述基准速度时，所述速度校正器利用所述校正系数更新器更 新后的校正系数来校正速度。
5.如权利要求1所述的速度计算设备，其中所述速度校正器通过将所述速度输入到以速度为变量且具有预定常数的函数来 校正速度。
6.如权利要求5所述的速度计算设备，还包括速度检测器，该速度检测器检测在所述运动体的行进方向上的所述运动体的速度， 并将该速度设定为基准速度；以及常数更新器，当能够检测出所述基准速度时，该常数更新器基于所述基准速度和所 述速度来更新所述常数，其中，当不能检测出所述基准速度时，所述速度校正器通过将所述速度输入到具有 所述常数更新器更新后的常数的函数来校正速度。
7.如权利要求5所述的速度计算设备，还包括速度检测器，该速度检测器检测在所述运动体的行进方向上的所述运动体的速度， 并将该速度设定为基准速度，其中所述速度计算器提取在预定时段中所述垂直方向上的加速度的最大值和最小值 分别作为最大加速度和最小加速度，提取在所述预定时段中围绕所述水平轴的角速度的 最大值和最小值分别作为最大角速度和最小角速度，并通过将所述最大加速度和所述最 小加速度之差除以所述最大角速度和所述最小角速度之差来计算所述速度，并且其中所述函数是通过以下方式获得的在用于计算所述速度的方程式中，用包括所述行进表面起伏的曲率半径和所述基准速度的变量来替换所述最大加速度、所述最小加 速度、所述最大角速度和所述最小角速度，并相对于所述基准速度来求解所述方程式。
8.如权利要求1所述的速度计算设备，其中所述速度计算器提取在预定时段中所述垂直方向上的加速度的最大值和最小值 分别作为最大加速度和最小加速度，提取在所述预定时段中围绕所述水平轴的角速度的 最大值和最小值分别作为最大角速度和最小角速度，并通过将所述最大加速度和所述最 小加速度之差除以所述最大角速度和所述最小角速度之差来计算所述速度，并且其中至少当所述最大加速度和所述最小加速度具有相同符号时或者当所述最大角速 度和所述最小角速度具有相同符号时，所述速度校正器将所述速度减半。
9.一种计算速度的方法，该方法包括以下步骤检测在行进在预定行进表面上的运动体中由于所述行进表面的起伏而产生的、垂直 方向上的加速度；检测围绕垂直于所述运动体的行进方向的水平轴的角速度，该角速度是由于所述行 进表面的起伏而产生的；基于垂直方向上的加速度和围绕水平轴的角速度来计算在所述运动体的行进方向上 的所述运动体的速度；以及根据所述速度来校正速度。
10.—种导航设备，包括安装在行进在预定行进表面上的运动体上的垂直加速度检测器，该垂直加速度检测 器检测由于所述行进表面的起伏而产生的、垂直方向上的加速度；安装在所述运动体上的水平角速度检测器，该水平角速度检测器检测围绕垂直于 所述运动体的行进方向的水平轴的角速度，该角速度是由于所述行进表面的起伏而产生 的；速度计算器，该速度计算器基于垂直方向上的加速度和围绕水平轴的角速度来计算 在所述运动体的行进方向上的所述运动体的速度；速度校正器，该速度校正器根据所述速度来校正速度；垂直角速度检测器，该垂直角速度检测器计算围绕垂直于所述行进方向的垂直轴的 角速度；角度计算器，该角度计算器基于围绕所述垂直轴的角速度来计算所述运动体已旋转 的角度；以及位置计算器，该位置计算器基于所述速度计算器计算出的行进方向上的速度和所述 角度计算器计算出的角度来计算所述运动体的位置。
全文摘要
本发明公开了速度计算设备、速度计算方法和导航设备。该速度计算设备包括安装在行进在预定行进表面上的运动体上的垂直加速度检测器，该垂直加速度检测器检测由于行进表面起伏而产生的、垂直方向上的加速度；安装在运动体上的水平角速度检测器，该水平角速度检测器检测围绕垂直于运动体的行进方向的水平轴的角速度，该角速度是由于行进表面起伏而产生的；速度计算器，该速度计算器基于垂直方向上的加速度和围绕水平轴的角速度来计算在运动体的行进方向上的运动体的速度；以及速度校正器，该速度校正器根据该速度来校正速度。
文档编号G01P9/00GK102023232SQ201010275248
公开日2011年4月20日 申请日期2010年9月6日 优先权日2009年9月14日
发明者高冈吕尚 申请人:索尼公司