專利名稱：速度計(jì)算設(shè)備、速度計(jì)算方法和導(dǎo)航設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及適合于例如便攜式導(dǎo)航設(shè)備的速度計(jì)算設(shè)備、速度計(jì)算方法和導(dǎo)航 設(shè)備。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的導(dǎo)航設(shè)備從多個全球定位系統(tǒng)(GPS)衛(wèi)星接收位置信號(下文中稱為 GPS信號)，并基于GPS信號來計(jì)算運(yùn)動體(例如車輛)的當(dāng)前位置。
然而，當(dāng)設(shè)有導(dǎo)航設(shè)備的車輛處于隧道中或者地下停車庫中時(shí)，導(dǎo)航設(shè)備難以 從GPS衛(wèi)星接收到GPS信號并基于GPS信號計(jì)算當(dāng)前位置。
即使當(dāng)難以接收GPS信號時(shí)，某些導(dǎo)航設(shè)備也基于當(dāng)車輛正轉(zhuǎn)彎時(shí)在垂直于行 進(jìn)方向的水平方向上的加速度和圍繞垂直于行進(jìn)方向的垂直軸的角速度來計(jì)算車輛的行 進(jìn)方向上的速度，從而基于行進(jìn)方向上的速度來計(jì)算車輛的當(dāng)前位置(例如，參見日本 未實(shí)審專利申請公布Νο.2008-76389)。發(fā)明內(nèi)容
這樣的導(dǎo)航設(shè)備可以計(jì)算當(dāng)車輛正轉(zhuǎn)彎時(shí)行進(jìn)方向上的速度，但是難以計(jì)算當(dāng) 車輛正直線運(yùn)動時(shí)行進(jìn)方向上的速度。因此，這種導(dǎo)航設(shè)備難以在所有行進(jìn)表面(即， 道路等)的條件下計(jì)算行進(jìn)方向上的速度。
本發(fā)明提供了一種無論行進(jìn)表面的條件如何都能夠精確地計(jì)算運(yùn)動體的速度的 速度計(jì)算設(shè)備、速度計(jì)算方法和導(dǎo)航設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，提供了一種速度計(jì)算設(shè)備，包括安裝在行進(jìn)在預(yù) 定行進(jìn)表面上的運(yùn)動體上的垂直加速度檢測器，該垂直加速度檢測器檢測由于行進(jìn)表面 的起伏而產(chǎn)生的、垂直方向上的加速度；安裝在運(yùn)動體上的水平角速度檢測器，該水平 角速度檢測器檢測圍繞垂直于運(yùn)動體的行進(jìn)方向的水平軸的角速度，該角速度是由于行 進(jìn)表面的起伏而產(chǎn)生的；速度計(jì)算器，該速度計(jì)算器基于垂直方向上的加速度和圍繞水 平軸的角速度來計(jì)算在運(yùn)動體的行進(jìn)方向上的運(yùn)動體的速度；以及速度校正器，該速度 校正器根據(jù)該速度來校正速度。
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，提供了一種計(jì)算速度的方法，該方法包括以下步 驟檢測在行進(jìn)在預(yù)定行進(jìn)表面上的運(yùn)動體中由于行進(jìn)表面的起伏而產(chǎn)生的、垂直方向 上的加速度；檢測圍繞垂直于運(yùn)動體的行進(jìn)方向的水平軸的角速度，該角速度是由于行 進(jìn)表面的起伏而產(chǎn)生的；基于垂直方向上的加速度和圍繞水平軸的角速度來計(jì)算在運(yùn)動 體的行進(jìn)方向上的運(yùn)動體的速度；以及根據(jù)該速度來校正速度。
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，提供了一種導(dǎo)航設(shè)備，包括安裝在行進(jìn)在預(yù)定行 進(jìn)表面上的運(yùn)動體上的垂直加速度檢測器，該垂直加速度檢測器檢測由于行進(jìn)表面的起 伏而產(chǎn)生的、垂直方向上的加速度；安裝在運(yùn)動體上的水平角速度檢測器，該水平角速 度檢測器檢測圍繞垂直于運(yùn)動體的行進(jìn)方向的水平軸的角速度，該角速度是由于行進(jìn)表面的起伏而產(chǎn)生的；速度計(jì)算器，該速度計(jì)算器基于垂直方向上的加速度和圍繞水平軸 的角速度來計(jì)算在運(yùn)動體的行進(jìn)方向上的運(yùn)動體的速度；速度校正器，該速度校正器根 據(jù)該速度來校正速度；垂直角速度檢測器，該垂直角速度檢測器計(jì)算圍繞垂直于行進(jìn)方 向的垂直軸的角速度；角度計(jì)算器，該角度計(jì)算器基于圍繞垂直軸的角速度來計(jì)算運(yùn)動 體已旋轉(zhuǎn)的角度；以及位置計(jì)算器，該位置計(jì)算器基于速度計(jì)算器計(jì)算出的行進(jìn)方向上 的速度和角度計(jì)算器計(jì)算出的角度來計(jì)算運(yùn)動體的位置。
因而，可以檢測由于行進(jìn)表面的起伏而產(chǎn)生的、垂直方向上的加速度和圍繞垂 直于行進(jìn)方向的水平軸的角速度，從而在所有道路條件下，都可以基于垂直方向上的加 速度和圍繞水平軸的角速度來計(jì)算在行進(jìn)方向上運(yùn)動體的速度，并且可以通過根據(jù)速度 執(zhí)行校正處理來減少根據(jù)速度可能產(chǎn)生的誤差。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可以檢測由于行進(jìn)表面的起伏而產(chǎn)生的、垂直方向上的 加速度和圍繞垂直于行進(jìn)方向的水平軸的角速度，從而在所有道路條件下，都可以基于 垂直方向上的加速度和圍繞水平軸的角速度來計(jì)算在行進(jìn)方向上運(yùn)動體的速度，并且可 以通過根據(jù)速度執(zhí)行校正處理來減少根據(jù)速度可能產(chǎn)生的誤差，因此可以實(shí)現(xiàn)一種無論 行進(jìn)表面的條件如何都能夠精確地計(jì)算運(yùn)動體的速度的速度計(jì)算設(shè)備、速度計(jì)算方法和 導(dǎo)航設(shè)備。


圖IA是圖示行進(jìn)在凹形道路表面上的車輛的示圖，圖IB是圖示行進(jìn)在凸形道 路表面上的車輛的示圖2是圖示沿著曲線行進(jìn)的車輛的示圖3是圖示利用速度和角度計(jì)算當(dāng)前位置的方法的示圖4是圖示PND的整體結(jié)構(gòu)的示圖5是圖示與PND相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系的定義的示圖6是圖示PND中包括的傳感器的示圖7是圖示PND的電路結(jié)構(gòu)的框圖8是圖示速度計(jì)算器的結(jié)構(gòu)的框圖9是圖示高度和角度之間的關(guān)系的圖形；
圖IOA和IOB是圖示當(dāng)車輛正以低速行進(jìn)時(shí)道路表面的角度的圖形；
圖IlA和IlB是圖示當(dāng)車輛正以高速行進(jìn)時(shí)道路表面的角度的圖形；
圖12是圖示當(dāng)車輛正以極低速行進(jìn)時(shí)道路表面的角度的圖形；
圖13是圖示由于支架引起的振動的示圖14是圖示在高通濾波之后總加速度和總角速度的圖形；
圖15A至15H是圖示每4096個數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行了傅立葉變換的總角速度的圖形；
圖16A至16H是圖示每4096個數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行了傅立葉變換的總加速度的圖形；
圖17A至17D是圖示對總加速度執(zhí)行的低通濾波的比較的圖形；
圖18A至18D是圖示對總角速度執(zhí)行的低通濾波的比較的圖形；
圖19是圖示當(dāng)車輛正以低速行進(jìn)時(shí)前加速度和后加速度之間的關(guān)系的圖形；
圖20A和20B是圖示當(dāng)車輛正以中速和高速行進(jìn)時(shí)前加速度和后加速度之間的關(guān)系的圖形；
圖21A至21F是圖示當(dāng)PND被置于三個不同位置處時(shí)加速度、俯仰速率(pitch rate)和速度的仿真結(jié)果的圖形；
圖22是圖示最大值和最小值之間的關(guān)系的圖形；
圖23是圖示速度和數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)目之間的關(guān)系的圖形；
圖24A和MB是圖示在不同長度的弧的情況下加速度和俯仰速率的示圖25是圖示利用速度計(jì)算來計(jì)算當(dāng)前位置的處理的流程圖^A和^B是圖示加速度、角速度和速度的測量結(jié)果的例子的圖形；
圖27A和27B是圖示測量結(jié)果和基準(zhǔn)之間的第一比較的圖形；
圖狐和^B是圖示測量結(jié)果和基準(zhǔn)之間的第二比較的圖形；
圖^A和^B是圖示測量結(jié)果和基準(zhǔn)之間的第三比較的圖形；
圖30A和30B是圖示測量結(jié)果和基準(zhǔn)之間的第四比較的圖形；
圖31A和31B是圖示測量結(jié)果和基準(zhǔn)之間的第五比較的圖形；
圖32A至32C是圖示當(dāng)車輛正沿著曲線行進(jìn)時(shí)測量結(jié)果和基準(zhǔn)之間的第一比較 的圖形；
圖33A至33C是圖示當(dāng)車輛正沿著曲線行進(jìn)時(shí)測量結(jié)果和基準(zhǔn)之間的第二比較 的圖形；
圖34A至34C是圖示當(dāng)車輛正沿著曲線行進(jìn)時(shí)測量結(jié)果和基準(zhǔn)之間的第三比較 的圖形；
圖35A和35B是圖示地圖上的路線和車輛的行進(jìn)路徑之間的比較的圖形；
圖36是圖示利用置于輕型汽車上的PND測得的速度和距離與基于GPS信號計(jì) 算出的速度和距離之間的比較的圖形；
圖37是圖示利用置于小型貨車上的PND測得的速度和距離與基于GPS信號計(jì) 算出的速度和距離之間的比較的圖形；
圖38是圖示根據(jù)第二實(shí)施例的PND的電路結(jié)構(gòu)的框圖39是圖示GPS速度和速度比之間的第一關(guān)系的圖形；
圖40是圖示根據(jù)第二實(shí)施例的速度計(jì)算器的結(jié)構(gòu)的框圖41是圖示GPS速度和速度比之間的第二關(guān)系的圖形；
圖42是圖示根據(jù)第二實(shí)施例的速度校正的處理的流程圖43是圖示根據(jù)第三實(shí)施例的PND的電路結(jié)構(gòu)的框圖44A和44B是圖示弧、速度和角速度之間的關(guān)系的示圖45是圖示當(dāng)常數(shù)改變時(shí)速度和速度比之間的關(guān)系的示圖46是圖示GPS速度和速度比之間的第三關(guān)系的圖形；
圖47A和47B是圖示曲率半徑的變化的示圖48是圖示速度變化的示圖49A和49B是圖示曲率半徑和速度的變化的示圖50是圖示根據(jù)第三實(shí)施例的速度計(jì)算器的結(jié)構(gòu)的框圖51是圖示根據(jù)第三實(shí)施例的速度校正的處理的流程圖；以及
圖52是圖示根據(jù)另一實(shí)施例使用PND的方式的例子的示圖。
具體實(shí)施方式
下文中將參考附圖按以下順序描述用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的實(shí)施例(以下稱為實(shí)施 例)。
1.第一實(shí)施例(不校正速度V的導(dǎo)航設(shè)備)
2.第二實(shí)施例(利用校正系數(shù)校正速度V的導(dǎo)航設(shè)備)
3.第三實(shí)施例(利用速度模型校正速度V的導(dǎo)航設(shè)備)
4.其他實(shí)施例
1.第一實(shí)施例(不校正速度V的導(dǎo)航設(shè)備)
1-1.基本原理
在下面的描述中，個人導(dǎo)航設(shè)備(下文中稱為PND)被用作本發(fā)明第一實(shí)施例的 例子，并且將描述利用PND計(jì)算對應(yīng)于運(yùn)動體的車輛的速度和當(dāng)前位置的基本原理。
1-1-1.速度計(jì)算的原理
實(shí)踐中，車輛所行進(jìn)的道路(對應(yīng)于行進(jìn)表面)很少是平整的，并且一般是如圖 IA所示的凹形或者如圖IB所示的凸形。
在與車輛相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系中，X軸在前后方向上延伸，Y軸在垂直于X軸的水 平方向上延伸，并且Z軸在垂直方向上延伸。
PND例如位于車輛的儀表板上。當(dāng)車輛在凹形道路(圖1A)上行進(jìn)時(shí)，PND的 三軸加速度傳感器利用例如50Hz的采樣頻率檢測沿Z軸的向下加速度α ζ。
PND的Y軸陀螺儀傳感器利用例如50Hz的采樣頻率檢測圍繞垂直于車輛行進(jìn)方 向的Y軸的角速度ωγ(下文中稱為俯仰速率)。
對于PND，沿著Z軸的向下加速度α ζ的符號被定義為正。沿著虛構(gòu)圓(該虛 構(gòu)圓沿著圖IA所示的凹形道路表面形成)相對于行進(jìn)方向向上旋轉(zhuǎn)的俯仰速率ωγ的符 號被定義為正。
PND根據(jù)下式(1)利用三軸加速度傳感器檢測出的加速度軸陀螺儀傳感 器檢測出的俯仰速率《,來以每秒50次的頻率計(jì)算行進(jìn)方向上車輛的速度V。17 0tZ
V =—…(1)y
當(dāng)車輛行進(jìn)在凸形道路(圖1B)上時(shí)，PND的三軸加速度傳感器利用例如50Piz 的采樣頻率檢測沿著Z軸的向上加速度az，，并且PND的Y軸陀螺儀傳感器利用例如 50Hz的采樣頻率檢測圍繞Y軸的俯仰速率ωγ，。
PND根據(jù)下式( 利用三軸加速度傳感器檢測出的加速度a z,和Y軸陀螺儀傳感器檢測出的俯仰速率來以每秒50次的頻率計(jì)算行進(jìn)方向上車輛的速度V’。 t(X
V' = —··· (2)Wy
這里為了描述方便，負(fù)加速度被描述為加速度a z,。在實(shí)踐中，三軸加速度 傳感器檢測加速度az，作為加速度％的負(fù)值。同樣地，負(fù)俯仰速率被描述為俯仰速率 ωγ，。在實(shí)踐中，Y軸陀螺儀傳感器檢測俯仰速率ωγ，作為俯仰速率ωγ的負(fù)值。因 此，在實(shí)踐中，速度V’也被計(jì)算作為速度V。7
1-1-2.計(jì)算當(dāng)前位置的原理
接下來，將描述基于速度V和圍繞Z軸的角速度計(jì)算當(dāng)前位置的原理，速度V 是利用上述速度計(jì)算的原理計(jì)算出的。
參考圖2，當(dāng)車輛例如轉(zhuǎn)向左側(cè)時(shí)，PND的Z軸陀螺儀傳感器利用例如50Hz的 采樣頻率檢測圍繞Z軸的角速度(下文中稱為偏轉(zhuǎn)速率(yawrate)) ωζ。
參考圖3，PND基于前一位置PO處的速度V和角度θ來計(jì)算從前一位置PO到 當(dāng)前位置Pl的位移，角度θ是通過將陀螺儀傳感器檢測出的偏轉(zhuǎn)速率ωζ乘以采樣周期 (在這種情況下是0.02s)計(jì)算出的。PND通過將前一位置PO加上位移來計(jì)算當(dāng)前位置 P1。
1-2.PND 的結(jié)構(gòu)
將描述利用上述基本原理計(jì)算車輛的速度的PND的具體結(jié)構(gòu)。
1-2-1.PND的外部結(jié)構(gòu)
參考圖4，PND 1在其前表面上具有顯示器2。顯示器2可以顯示與存儲在例如 PND 1的非易失性存儲器(未示出)中的地圖數(shù)據(jù)相對應(yīng)的地像。
PND 1由支架3支撐并在機(jī)械上和電氣上都連接到支架3，支架3利用吸盤3A 附接到車輛的儀表板。
因而，PNDl利用由車輛的電池通過支架3提供的電能來工作。當(dāng)PND 1與支 架3分離時(shí)，PNDl利用由內(nèi)部電池提供的電能來工作。
PND 1被放置為使得顯示器2垂直于車輛的行進(jìn)方向。圖5圖示了與PND 1相 關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系。X軸在車輛的前后方向上延伸，Y軸在垂直于X軸的水平方向上延伸， 并且Z軸在垂直方向上延伸。
在該坐標(biāo)系中，車輛的行進(jìn)方向被定義為沿著X軸的正方向，向右方向被定義 為沿著Y軸的正方向，并且向下方向被定義為沿著Z軸的正方向。
1-2-2.PND的傳感器結(jié)構(gòu)
參考圖6，PND 1包括三軸加速度傳感器4、Y軸陀螺儀傳感器5、Z軸陀螺儀 傳感器6和氣壓傳感器7。
三軸加速度傳感器4分別檢測沿X軸的加速度α χ、沿Y軸的加速度α y和沿Z 軸的加速度α z作為電壓值。
Y軸陀螺儀傳感器5、Z軸陀螺儀傳感器6和氣壓傳感器7分別檢測圍繞Y軸的 俯仰速率《y、圍繞Z軸的偏轉(zhuǎn)速率ωζ和氣壓PR作為電壓值。
1-2-3.PND的電路結(jié)構(gòu)
參考圖7，作為中央處理單元(CPU)的PND 1的控制器11根據(jù)從包括非易失性 存儲器的存儲器12讀取的操作系統(tǒng)來控制PND 1。
在PND 1中，控制器11根據(jù)從存儲器12讀取的各種應(yīng)用程序來執(zhí)行下面描述的 速度計(jì)算和其他處理。
為了執(zhí)行速度計(jì)算和其他處理，控制器11包括GPS處理器21、速度計(jì)算器22、 角度計(jì)算器23、高度計(jì)算器M、位置計(jì)算器25和導(dǎo)航儀沈作為功能塊。
PND 1的GPS天線ANT從GPS衛(wèi)星接收GPS信號，并且GPS信號被發(fā)送到控 制器11的GPS處理器21。
GPS處理器21基于通過解調(diào)GPS信號而獲得的軌道數(shù)據(jù)以及關(guān)于GPS衛(wèi)星和車 輛之間的距離的數(shù)據(jù)來準(zhǔn)確測量車輛的當(dāng)前位置，從而獲得當(dāng)前位置數(shù)據(jù)NPD1，并將當(dāng) 前位置數(shù)據(jù)NPDl發(fā)送到導(dǎo)航儀26。
導(dǎo)航儀沈基于當(dāng)前位置數(shù)據(jù)NPDl從存儲器12讀取包括車輛的當(dāng)前位置的區(qū)域 的地圖數(shù)據(jù)，并生成包括當(dāng)前位置的地像，將該地像輸出到顯示器2，從而顯示 該地像。
三軸加速度傳感器4利用例如50Hz的采樣頻率檢測加速度α χ、α y和α ζ，并 將表示加速度α ζ的加速度數(shù)據(jù)AD發(fā)送到控制器11的速度計(jì)算器22。
Y軸陀螺儀傳感器5利用例如50Hz的采樣頻率檢測俯仰速率ωγ，并將表示俯仰 速率ωγ的俯仰速率數(shù)據(jù)PD發(fā)送到控制器11的速度計(jì)算器22。
速度計(jì)算器22利用加速度α ζ(其對應(yīng)于由三軸加速度傳感器4提供的加速度數(shù) 據(jù)AD)和俯仰速率ωγ(其對應(yīng)于由Y軸陀螺儀傳感器5提供的俯仰速率數(shù)據(jù)PD)根據(jù)等 式(1)來以每秒50次的頻率計(jì)算速度V，并將表示速度V的速度數(shù)據(jù)VD發(fā)送到位置計(jì)25 ο
Z軸陀螺儀傳感器6利用例如50Hz的采樣頻率檢測偏轉(zhuǎn)速率ωζ，并將表示偏轉(zhuǎn) 速率ωζ的偏轉(zhuǎn)速率數(shù)據(jù)YD發(fā)送到控制器11的角度計(jì)算器23。
角度計(jì)算器23通過將偏轉(zhuǎn)速率ωζ(其對應(yīng)于由ζ軸陀螺儀傳感器6提供的偏轉(zhuǎn) 速率數(shù)據(jù)YD)乘以采樣周期(在這種情況下是0.02s)來計(jì)算車輛轉(zhuǎn)向右側(cè)或左側(cè)的角度 Θ，并將表示角度θ的角度數(shù)據(jù)DD發(fā)送到位置計(jì)算器25。
位置計(jì)算器25基于速度V(其對應(yīng)于由速度計(jì)算器22提供的速度數(shù)據(jù)VD)和 角度θ (其對應(yīng)于由角度計(jì)算器23提供的角度數(shù)據(jù)DD)來計(jì)算從圖3中所示的前一位置 PO到當(dāng)前位置Pl的位移。位置計(jì)算器25通過將該位移加到前一位置PO來計(jì)算當(dāng)前位 置Ρ1，并將表示當(dāng)前位置Pl的當(dāng)前位置數(shù)據(jù)NPD2發(fā)送到導(dǎo)航儀26。
氣壓傳感器7利用例如50Hz的采樣頻率檢測氣壓PR，并將表示氣壓PR的氣壓 數(shù)據(jù)PRD發(fā)送到高度計(jì)算器M。
高度計(jì)算器M基于氣壓PR(其對應(yīng)于由氣壓傳感器7提供的氣壓數(shù)據(jù)PRD)來 計(jì)算車輛的高度，并將表示車輛高度的高度數(shù)據(jù)HD發(fā)送到導(dǎo)航儀26。
導(dǎo)航儀沈基于由位置計(jì)算器25提供的當(dāng)前位置數(shù)據(jù)NPD2和由高度計(jì)算器24 提供的高度數(shù)據(jù)HD來從存儲器12讀取包括車輛的當(dāng)前位置的區(qū)域的地圖數(shù)據(jù)，生成包 括當(dāng)前位置的地像，將該地像輸出到顯示器2，從而顯示該地像。
1-3.速度計(jì)算處理
接下來，將詳細(xì)描述由速度計(jì)算器22執(zhí)行的速度計(jì)算處理。在該處理中，速度 計(jì)算器22基于加速度Ciz(其對應(yīng)于由三軸加速度傳感器4提供的加速度數(shù)據(jù)AD)和俯仰 速率ωγ(其對應(yīng)于由Y軸陀螺儀傳感器5提供的俯仰速率數(shù)據(jù)PD)來計(jì)算速度V。
參考圖8，為了執(zhí)行速度計(jì)算，速度計(jì)算器22包括數(shù)據(jù)獲取器31、高通濾波器 32、低通濾波器33、速度計(jì)算部34、平滑器/噪聲濾波器35和速度輸出部36作為功能 塊。
速度計(jì)算器22的數(shù)據(jù)獲取器31獲取由三軸加速度傳感器4提供的加速度數(shù)據(jù) AD和由Y軸陀螺儀傳感器5提供的俯仰速率數(shù)據(jù)PD，并將加速度數(shù)據(jù)AD和俯仰速率數(shù)據(jù)PD發(fā)送到高通濾波器32。
高通濾波器32從由數(shù)據(jù)獲取器31提供的加速度數(shù)據(jù)AD和俯仰速率數(shù)據(jù)PD中 去除直流分量以生成加速度數(shù)據(jù)ADl和俯仰速率數(shù)據(jù)PD1，并將加速度數(shù)據(jù)ADl和俯仰 速率數(shù)據(jù)PDl發(fā)送到低通濾波器33。
低通濾波器33對由高通濾波器32提供的加速度數(shù)據(jù)ADl和俯仰速率數(shù)據(jù)PDl 執(zhí)行低通濾波(下面將描述)以生成加速度數(shù)據(jù)AD2和俯仰速率數(shù)據(jù)PD2，并將加速度 數(shù)據(jù)AD2和俯仰速率數(shù)據(jù)PD2發(fā)送到速度計(jì)算部34。
速度計(jì)算部34利用由低通濾波器33提供的加速度數(shù)據(jù)AD2和俯仰速率數(shù)據(jù)PD2 來執(zhí)行速度計(jì)算(下面將描述)以生成速度數(shù)據(jù)VD1，并將速度數(shù)據(jù)VDl發(fā)送到平滑器 /噪聲濾波器35。
平滑器/噪聲濾波器35對由速度計(jì)算部34提供的速度數(shù)據(jù)VDl執(zhí)行平滑和噪 聲濾波(下面將描述)以生成速度數(shù)據(jù)VD，并將速度數(shù)據(jù)VD發(fā)送到速度輸出部36。
速度輸出部36將由平滑器/噪聲濾波器35提供的表示車輛速度V的速度數(shù)據(jù) VD發(fā)送到位置計(jì)算器25。
這樣，速度計(jì)算器22基于由三軸加速度傳感器4提供的加速度數(shù)據(jù)AD和由Y 軸陀螺儀傳感器5提供的俯仰速率數(shù)據(jù)PD計(jì)算出車輛的速度V。
1-3-1.低通濾波
接下來，將詳細(xì)描述由低通濾波器33對高通濾波器32所提供的加速度數(shù)據(jù)ADl 和俯仰速率數(shù)據(jù)PDl執(zhí)行的低通濾波。
圖9圖示了高度H和相對于水平方向圍繞Y軸的角度Φ之間的關(guān)系，其中高度 H基于與由氣壓傳感器7獲得的氣壓數(shù)據(jù)PRD相對應(yīng)的氣壓PR，角度Φ基于與由Y軸 陀螺儀傳感器5獲得的俯仰速率數(shù)據(jù)PD相對應(yīng)的俯仰速率ωγ。關(guān)于角度Φ，相對于行 進(jìn)方向(X軸)的向上方向被定義為正。
參考圖9，從以下事實(shí)可見在高度H和角度Φ之間存在相關(guān)當(dāng)高度H從大約 第12001數(shù)據(jù)點(diǎn)O40s)急劇下降時(shí)，SP，當(dāng)車輛在下坡行進(jìn)時(shí)，角度Φ從大約0.5cfeg急 劇下降到大約_2.5cfeg。
當(dāng)高度H改變時(shí)，角度Φ根據(jù)高度H的改變而改變。因而，PNDl可以利用 Y軸陀螺儀傳感器5來檢測在車輛的行進(jìn)方向上道路表面的起伏。
圖IOA圖示了圖9的角度Φ。圖IOB圖示了從第5001數(shù)據(jù)點(diǎn)到第6001數(shù)據(jù)點(diǎn) 的圖IOA的角度Φ。在該段時(shí)間內(nèi)，車輛以低于20km/h的低速行進(jìn)。從圖IOB可見， 角度Φ每秒振蕩一到兩次。
因而，當(dāng)車輛以低于20km/h的低速行進(jìn)時(shí)，安裝在車輛上的PND 1檢測出的角 度Φ (其基于與由Y軸陀螺儀傳感器5獲得的俯仰速率數(shù)據(jù)PD相對應(yīng)的俯仰速率ωγ)為 頻率在1到2Hz范圍內(nèi)的振蕩。
與圖IOA —樣，圖IlA圖示了圖9的角度Φ。圖IlB圖示了從第22001數(shù)據(jù) 點(diǎn)到第23001數(shù)據(jù)點(diǎn)的圖IlA的角度Φ。在該段時(shí)間內(nèi)，車輛以高于60km/h的高速行進(jìn)。
從圖IlB可見，當(dāng)車輛以高于60km/h的高速行進(jìn)時(shí)，PNDl檢測到的角度Φ (其基于與由Y軸陀螺儀傳感器5獲得的俯仰速率數(shù)據(jù)PD相對應(yīng)的俯仰速率ων)也是頻率在1到2Hz范圍內(nèi)的振蕩。
而且，如圖12所示，當(dāng)車輛以低于10km/h的極低速行進(jìn)時(shí)，PND 1檢測到的 角度Φ (其基于與由Y軸陀螺儀傳感器5獲得的俯仰速率數(shù)據(jù)PD相對應(yīng)的俯仰速率ωγ) 也是頻率在1到2Hz范圍內(nèi)的振蕩。
因此，無論車輛的速度如何，利用Y軸陀螺儀傳感器5，PNDl都檢測到頻率在 1到2Hz范圍內(nèi)的振蕩形式的俯仰速率ωγ。
PND 1由支架3支撐，支架3利用吸盤3Α附接到車輛的儀表板。參考圖13， 支架3包括置于吸盤3Α上的主體3Β和PND支撐器3D。PND支撐器3D的一端由主體 3Β支撐在位于預(yù)定高度的支撐點(diǎn)3C處，并且PND支撐器3D在PND支撐器3D的另一 端支撐PND 1。
因此，當(dāng)車輛由于道路表面的起伏而振動時(shí)，PND 1圍繞PND支撐器3D的支 撐點(diǎn)3C上下振動，且具有加速度α。和角速度ω。。
因此，在實(shí)踐中，三軸加速度傳感器4檢測加速度(下文中稱為總加速度)α。ζ， 加速度α。ζ是由于道路表面的起伏由車輛的振動產(chǎn)生的沿Z軸的加速度^2(圖1)和由 PND 1圍繞PND支撐器3D的支撐點(diǎn)3C的振動產(chǎn)生的加速度α c的總和。
Y軸陀螺儀傳感器5檢測角速度(下文中稱為總角速度)ω。γ，角速度ω。γ是由 于道路表面的起伏由車輛的振動產(chǎn)生的圍繞Y軸的俯仰速率ωγ(圖1)和由PND 1圍繞 PND支撐器3D的支撐點(diǎn)3C的振動產(chǎn)生的角速度ω。的總和。
因此，低通濾波器33通過數(shù)據(jù)獲取器31和高通濾波器32獲取了表示總角速度 "cy的俯仰速率數(shù)據(jù)PDl和表示總加速度α cz的加速度數(shù)據(jù)ADl。
圖14圖示了總加速度α。z和總角速度ω。γ，它們分別對應(yīng)于已被高通濾波器32 高通濾波的加速度數(shù)據(jù)ADl和俯仰速率數(shù)據(jù)PD1。圖15Α至15F是圖示圖14的總角速 度ω。γ的圖形，該總角速度ω。γ已對每4096個數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行了傅立葉變換。
具體而言，圖15Α是經(jīng)過傅立葉變換的從第1數(shù)據(jù)點(diǎn)到第4096數(shù)據(jù)點(diǎn)的圖14的 總角速度ω。γ&圖形。同樣地，圖15Β、15C和15D分別是各自經(jīng)過傅立葉變換的從第 4097數(shù)據(jù)點(diǎn)到第8192數(shù)據(jù)點(diǎn)、從第8193數(shù)據(jù)點(diǎn)到第12288數(shù)據(jù)點(diǎn)以及從第12289數(shù)據(jù)點(diǎn) 到第16384數(shù)據(jù)點(diǎn)的圖14的總角速度ω。γ的圖形。
圖15Ε、15F、15G和15Η分別是各自經(jīng)過傅立葉變換的從第16385數(shù)據(jù)點(diǎn)到第 20480數(shù)據(jù)點(diǎn)、從第20481數(shù)據(jù)點(diǎn)到第Μ576數(shù)據(jù)點(diǎn)、從第Μ577數(shù)據(jù)點(diǎn)到第觀672數(shù)據(jù) 點(diǎn)以及從第28673數(shù)據(jù)點(diǎn)到第32768數(shù)據(jù)點(diǎn)的圖14的總角速度ω。γ的圖形。
從圖15C至15Η清楚可見，在1到2Hz的范圍內(nèi)的頻率分量以及大約15Hz的頻率分量具有大值。
即，PND 1的Y軸陀螺儀傳感器5檢測等于俯仰速率ωγ和角速度ω。之和的總 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 的范圍內(nèi)的頻率振蕩， 角速度ω。由于支撐PND 1的支架3而以大約15 的頻率振蕩。
圖16A至16F是圖示圖14的總加速度CiezW圖形，該總加速度α ez每4096個 數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行了傅立葉變換。
具體而言，圖16A是經(jīng)過傅立葉變換的從第1數(shù)據(jù)點(diǎn)到第4096數(shù)據(jù)點(diǎn)的圖14的 總加速度Qez的圖形。同樣地，圖16B、16C和16D分別是各自經(jīng)過傅立葉變換的從第4097數(shù)據(jù)點(diǎn)到第8192數(shù)據(jù)點(diǎn)、從第8193數(shù)據(jù)點(diǎn)到第12288數(shù)據(jù)點(diǎn)以及從第12289數(shù)據(jù)點(diǎn) 到第16384數(shù)據(jù)點(diǎn)的圖14的總加速度α cz的圖形。
圖16E、16F、16G和16H分別是各自經(jīng)過傅立葉變換的從第16385數(shù)據(jù)點(diǎn)到第 20480數(shù)據(jù)點(diǎn)、從第20481數(shù)據(jù)點(diǎn)到第M576數(shù)據(jù)點(diǎn)、從第M577數(shù)據(jù)點(diǎn)到第觀672數(shù)據(jù) 點(diǎn)以及從第28673數(shù)據(jù)點(diǎn)到第32768數(shù)據(jù)點(diǎn)的圖14的總加速度α cz的圖形。
考慮到總角速度ω。γ(圖15C至15Η)具有1到2 的范圍內(nèi)的頻率分量和大約 15Hz的頻率分量的事實(shí)，估計(jì)總加速度α cz也具有在1到2Hz的范圍內(nèi)的頻率分量和大 約15Hz的頻率分量。
S卩，PND 1的三軸加速度傳感器4檢測等于加速度α ζ和加速度α c之和的總加 速度α。ζ，加速度Ciz由于前述道路表面的起伏而以1到2Hz的范圍內(nèi)的頻率振蕩，加速 度α c由于支撐PND 1的支架3而以大約15 的頻率振蕩。
因此，低通濾波器33對由高通濾波器32提供的加速度數(shù)據(jù)ADl和俯仰速率數(shù) 據(jù)PDl執(zhí)行低通濾波，以去除大約15Hz的頻率分量，S卩，由于支撐PNDl的支架3而產(chǎn) 生的加速度％和角速度ω。。
圖17Α是與圖16Η相同的數(shù)據(jù)的圖形，該圖形以對數(shù)垂直軸繪制。圖17Β、17C 和17D是從第觀673數(shù)據(jù)點(diǎn)到第32768數(shù)據(jù)點(diǎn)的總加速度aez的圖形，其中對這些值分別 執(zhí)行了兩次、四次和六次具有2Hz截止頻率的無限沖擊響應(yīng)(IIR)濾波，并且對這些值已 執(zhí)行了傅立葉變換。
圖18A是與圖15H相同的數(shù)據(jù)的圖形，該圖形以對數(shù)垂直軸繪制。圖18B、18C 和18D是從第觀673數(shù)據(jù)點(diǎn)到第32768數(shù)據(jù)點(diǎn)的總角速度《”的圖形，其中對這些值分別 執(zhí)行了兩次、四次和六次具有2Hz截止頻率的無限沖擊響應(yīng)(IIR)濾波，并且對這些值已 執(zhí)行了傅立葉變換。
從圖17B至17D和圖18B至18D可見，PND 1可以從由高通濾波器32提供的 加速度數(shù)據(jù)ADl和俯仰速率數(shù)據(jù)PDl中去除大約15 的頻率分量，這是通過對加速度 數(shù)據(jù)ADl和俯仰速率數(shù)據(jù)PDl執(zhí)行四次或更多次具有2Hz截止頻率的IIR濾波實(shí)現(xiàn)的。
因此，根據(jù)該實(shí)施例的低通濾波器33對由高通濾波器32提供的加速度數(shù)據(jù)ADl 和俯仰速率數(shù)據(jù)PDl執(zhí)行四次具有2Hz截止頻率的IIR濾波以產(chǎn)生加速度數(shù)據(jù)AD2和俯 仰速率數(shù)據(jù)PD2，并將加速度數(shù)據(jù)AD2和俯仰速率數(shù)據(jù)PD2發(fā)送到速度計(jì)算部34。
因而，低通濾波器33從總加速度Ciez中去除了由于PND支撐器3D圍繞支架3 的支撐點(diǎn)3C的振動而產(chǎn)生的加速度α。，從而僅提取了由于道路表面起伏而產(chǎn)生的加速 度αζ。
此外，低通濾波器33從總角速度Ocy中去除了由于PND支撐器3D圍繞支架3 的支撐點(diǎn)3C的振動而產(chǎn)生的角速度ω。，從而僅提取了由于道路表面起伏而產(chǎn)生的俯仰 速率ωγ。
1-3-2.速度計(jì)算
接下來，將詳細(xì)描述由速度計(jì)算部34執(zhí)行的速度計(jì)算。速度計(jì)算部34基于由 低通濾波器33提供的加速度數(shù)據(jù)AD2和俯仰速率數(shù)據(jù)PD2來計(jì)算速度V。
圖19、20Α和20Β分別圖示了當(dāng)車輛以低于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的高速行進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的對應(yīng)于加速度數(shù)據(jù)AD2的加速度α ζ。對于每個速度范圍，圖示了 PND 1被置于車輛前部的儀表板 上的情況和PND 1被置于靠近車輛后部的后窗的情況。
在圖19、20Α和20Β中，由置于車輛前部的PND 1檢測到的加速度α ζ被稱為 前加速度，而由置于車輛后部的PND 1檢測到的加速度α ζ被稱為后加速度。
從圖19、20Α和20Β可見，無論車輛速度如何，后加速度的相位相對于前加速 度的相位都被延遲。該相位延遲近似等于軸距除以車輛速度，軸距是車輛的前輪軸和后 輪軸之間的距離。
圖21Α至21C分別圖示了當(dāng)PND 1被置于儀表板上(在距離前輪軸30%軸距的 某一位置處)、置于中心處、和置于車輛后輪軸上方的某一位置處時(shí)，表示與加速度數(shù)據(jù) AD2相對應(yīng)的加速度α ζ和與俯仰速率數(shù)據(jù)PD2相對應(yīng)的俯仰速率ωγ之間的關(guān)系的仿真 結(jié)果的例子。圖21D至21F圖示了基于從圖21Α至21C所示的仿真結(jié)果獲得的加速度 αζ和俯仰速率《,利用等式(1)計(jì)算出的速度V。
在該仿真中，假定具有2.5m軸距的車輛在具有正弦起伏(幅度為0.1m、波長為 20m)的道路表面上以5m/s的速度行進(jìn)。
從圖21A至21C可見，當(dāng)PND 1的位置向車輛的后方移動時(shí)，加速度α ζ的相 位被延遲。與之相比，無論P(yáng)ND 1在車輛上的位置如何，俯仰速率《,的相位都不被延遲。
因此，如圖21Β所示，當(dāng)PND 1被置于車輛中心處時(shí)，加速度α ζ和俯仰速率 ,之間的相位差可忽略。因而，如圖21Ε所示，利用等式(1)計(jì)算出的速度V基本恒定。
然而，如圖21Α和21C所示，當(dāng)PND 1的位置從車輛中心向前或向后移動時(shí)， 加速度αζ和俯仰速率ωγ之間的相位差增大。因此，如圖21D和21F所示，由于加速 度αζ和俯仰速率間的相位差，利用等式(1)計(jì)算出的速度V相比于當(dāng)PNDl被置 于車輛中心處時(shí)計(jì)算出的速度V(圖21E)具有更大的誤差。
具體而言，當(dāng)車輛的速度V低于20km/h時(shí)，加速度α z和俯仰速率ωγ之間的 相位差較大，因此速度V的計(jì)算誤差增大。
因此，參考圖22，速度計(jì)算部34從以數(shù)據(jù)點(diǎn)Pm(對應(yīng)于前一位置Ρ0，圖3)為 中心的25或75個數(shù)據(jù)點(diǎn)的范圍中提取了與由低通濾波器33提供的加速度數(shù)據(jù)AD2相對 應(yīng)的加速度α ζ的最大值和最小值。該最大和最小值分別被稱為最大加速度α ζ, _和最 小加速度α z, mm。
而且，速度計(jì)算部34從以數(shù)據(jù)點(diǎn)Pm為中心的25或75個數(shù)據(jù)點(diǎn)的范圍中提取了 與由低通濾波器33提供的俯仰速率數(shù)據(jù)PD2相對應(yīng)的俯仰速率ωγ的最大值和最小值。 該最大和最小值分別被稱為最大俯仰速率max和最小俯仰速率ωγ, ■。
BP,速度計(jì)算部34從大于加速度Ciz和俯仰速率ωγ之間可能產(chǎn)生的最大可能相 位差的范圍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。
速度計(jì)算部34利用從加速度數(shù)據(jù)AD2提取的最大和最小加速度α ζ, _和α ζ, mn以及從俯仰速率數(shù)據(jù)PD2提取的最大和最小俯仰速率ωγ, max和ωγ, mm，根據(jù)由等式 (1)改寫的下式C3)來計(jì)算在前一位置PO (圖幻處行進(jìn)方向上的速度V以生成速度數(shù)據(jù)13VDl,并將速度數(shù)據(jù)VDl發(fā)送到平滑器/噪聲濾波器35。
γ = .細(xì)…(3)^yjnax ^yjnin
因而，即使當(dāng)在加速度α z和俯仰速率ωγ之間存在相位差時(shí)，速度計(jì)算部34也 可以利用等式C3)來計(jì)算從中消除了相位延遲的影響的速度V。
參考圖23，當(dāng)在車輛正加速時(shí)計(jì)算前一位置PO處行進(jìn)方向上的速度V時(shí)，如果 在再往前一位置(未示出)處的速度Vlri (下文中稱為在前速度)在km/h至35km/h的范 圍內(nèi)，則速度計(jì)算部34使用25個數(shù)據(jù)點(diǎn)的范圍，而如果在前速度Vlri高于35km/h，則 速度計(jì)算部；34使用75個數(shù)據(jù)點(diǎn)的范圍。
當(dāng)在車輛正減速時(shí)計(jì)算前一位置PO處行進(jìn)方向上的速度V時(shí)，如果在前速度 Vlri等于或高于25km/h，則速度計(jì)算部34使用75個數(shù)據(jù)點(diǎn)的范圍，而如果在前速度Vlri 低于25km/h，則速度計(jì)算部34使用25個數(shù)據(jù)點(diǎn)的范圍。
因而，速度計(jì)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時(shí)，根據(jù)速度V來切換25個數(shù)據(jù)點(diǎn)和75個數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù) 范圍。
當(dāng)車輛的速度V等于或低于例如25km/h時(shí)，加速度α ζ和俯仰速率ωγ響應(yīng)于 道路表面的輕微改變而急劇改變。因此，速度計(jì)算部34使用窄數(shù)據(jù)范圍以應(yīng)對急劇的改變。
當(dāng)車輛的速度等于或高于35km/h時(shí)，車輛懸掛的影響較大并且加速度α ζ和俯 仰速率ωγ緩慢改變。因此，速度計(jì)算部34設(shè)定寬數(shù)據(jù)范圍以應(yīng)對緩慢的改變。
因而，速度計(jì)算部34根據(jù)車輛的速度V改變從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的數(shù)據(jù)范圍，以便可以考慮到根據(jù)速 度V改變的道路表面和車輛的狀況，從而可以更精確地計(jì)算速度V。
此外，當(dāng)計(jì)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, ■時(shí)，速度計(jì)算部34在車輛正加速和車輛正減速兩種情況之間滯后地改變數(shù)據(jù) 范圍。
因而，與速度計(jì)算部34通過沒有滯后地改變數(shù)據(jù)范圍來計(jì)算速度V的情況相 比，在切換速度周圍的數(shù)據(jù)范圍的改變頻率減小。結(jié)果，速度計(jì)算部34可以減小由于數(shù) 據(jù)范圍的頻繁切換而可能發(fā)生的速度V的計(jì)算誤差，從而可以更精確地計(jì)算速度V。
1-3-3.平滑和噪聲濾波
接下來，將詳細(xì)描述由平滑器/噪聲濾波器35對速度計(jì)算部34計(jì)算出的速度數(shù) 據(jù)VDl執(zhí)行的平滑和噪聲濾波。
平滑器/噪聲濾波器35對由速度計(jì)算部34提供的速度數(shù)據(jù)VDl執(zhí)行低通濾波， 該低通濾波是具有可變截止頻率的一階IIR。
具體而言，當(dāng)計(jì)算前一位置PO處行進(jìn)方向上的速度V時(shí)，平滑器/噪聲濾波器 35基于在前速度Vlri來確定截止頻率。
當(dāng)車輛的速度等于或高于例如60km/h時(shí)，PND 1的速度計(jì)算部34計(jì)算出的速度 V包括大量噪聲，從而速度V發(fā)生明顯偏離。因此，當(dāng)在前速度Vlri等于或高于60km/ h時(shí)，平滑器/噪聲濾波器35使用具有低截止頻率的低通濾波器。
與之相比，當(dāng)在前速度Vlri低于60km/h時(shí)，平滑器/噪聲濾波器35使用具有 高截止頻率的低通濾波器。
當(dāng)速度計(jì)算部34計(jì)算出的速度V低于例如10km/h時(shí)，作為等式(1)或(3)的 分母的俯仰速率ωγ可能較小，因此利用等式(1)或C3)計(jì)算出的速度V可能變得明顯高于真實(shí)值。
因此，平滑器/噪聲濾波器35從低通濾波器33獲取經(jīng)過低通濾波的加速度數(shù)據(jù) AD2和俯仰速率數(shù)據(jù)PD2。如果與俯仰速率數(shù)據(jù)PD2相對應(yīng)的俯仰速率ωγ低于預(yù)定閾 值，則平滑器/噪聲濾波器35確定速度V過高并將低通濾波后的速度V的值設(shè)定為O。
如果如圖24Α所示道路表面的起伏弧Bl大于車輛的軸距W，則PND 1可以利 用前述基本原理準(zhǔn)確計(jì)算速度V。
然而，如果如圖MB所示道路表面的起伏弧Β2小于車輛的軸距W，則當(dāng)車輛的 前輪輾過起伏時(shí)，產(chǎn)生了在車輛垂直方向上的加速度α b和以車輛后輪為中心圍繞Y軸的 角速度ob。
此時(shí)，PND 1的三軸加速度傳感器4和Y軸陀螺儀傳感器5檢測到的是加速度 α b和角速度《b(圖MB)，而不是由于道路表面的起伏而由具有1到2Hz的范圍內(nèi)的頻 率的振動產(chǎn)生的加速度α ζ和俯仰速率ωγ(圖24Α)。
加速度α b大于在道路表面的起伏弧Bl大于車輛的軸距W時(shí)產(chǎn)生的加速度α ζ。 角速度《b高于在道路表面的起伏弧Bl大于車輛的軸距W時(shí)產(chǎn)生的俯仰速率ωγ。
基于當(dāng)?shù)缆繁砻娴钠鸱ˇ?小于車輛的軸距時(shí)產(chǎn)生的加速度Cib和角速度《b， 利用等式(1)或(3)來計(jì)算速度％(下文中也稱為小弧速度)。
因?yàn)榧铀俣菴ib比角速度改變更多，所以速度％明顯高于基于當(dāng)?shù)缆繁砻娴?起伏弧Bl大于車輛的軸距W時(shí)產(chǎn)生的加速度角速度ωγ利用等式(1)或C3)計(jì)算 出的速度V。
因此，當(dāng)?shù)缆繁砻娴钠鸱ˇ?小于車輛的軸距W時(shí)，PND 1的速度計(jì)算器22 基于加速度α b和角速度Ob計(jì)算小弧速度Vb，這導(dǎo)致計(jì)算出的速度V是過高的值。
平滑器/噪聲濾波器35從低通濾波器33獲取經(jīng)過低通濾波的加速度數(shù)據(jù)AD2和 俯仰速率數(shù)據(jù)PD2，并判斷與加速度數(shù)據(jù)AD2相對應(yīng)的加速度Ciz和與俯仰速率數(shù)據(jù)PD2 相對應(yīng)的俯仰速率ωγ是否高于預(yù)定閾值。
如果與加速度數(shù)據(jù)AD2相對應(yīng)的加速度α ζ和與俯仰速率數(shù)據(jù)PD2相對應(yīng)的俯 仰速率ωγ高于預(yù)定閾值，則平滑器/噪聲濾波器35確定速度V過高并且使用在前速度 Vlri而不是經(jīng)過低通濾波的速度V。即，當(dāng)車輛的速度不是非常低時(shí)，如果速度V過高則 平滑器/噪聲濾波器35使用在前速度Vlri，因?yàn)樵谶@種情況下速度V很有可能不精確。
因而，如果經(jīng)過低通濾波的速度V過高，則平滑器/噪聲濾波器35在車輛的速 度非常低時(shí)將速度V設(shè)為0，而在車輛的速度不是非常低時(shí)將速度V設(shè)為在前速度Vlri， 從而可以更精確地計(jì)算速度V。
1-4.使用速度計(jì)算的位置計(jì)算處理
參考圖25的流程圖，將描述由PND 1的控制器11執(zhí)行的使用前述速度計(jì)算的位置計(jì)算處理。
控制器11從例程RTl的開始步驟開始處理。在步驟SPl中，速度計(jì)算器22的數(shù)據(jù)獲取器31獲取三軸加速度傳感器4檢測出的加速度數(shù)據(jù)AD和Y軸陀螺儀傳感器5 檢測出的俯仰速率數(shù)據(jù)PD，并且控制器11前進(jìn)到步驟SP2。
在步驟SP2中，控制器11的速度計(jì)算器22的高通濾波器32對加速度數(shù)據(jù)AD 和俯仰速率數(shù)據(jù)PD執(zhí)行高通濾波，并且控制器11前進(jìn)到步驟SP3。
在步驟SP3中，控制器11的速度計(jì)算器22的低通濾波器33對經(jīng)過高通濾波的 加速度數(shù)據(jù)ADl和俯仰速率數(shù)據(jù)PDl執(zhí)行低通濾波，該低通濾波是截止頻率例如為IHz 的四階IIR濾波，并且控制器11前進(jìn)到步驟SP4。
在步驟SP4中，控制器11的速度計(jì)算器22的速度計(jì)算部34基于經(jīng)過低通濾波 的與加速度數(shù)據(jù)AD2相對應(yīng)的加速度α ζ和與俯仰速率數(shù)據(jù)PD2相對應(yīng)的俯仰速率ωγ， 利用等式(3)來計(jì)算速度V，并且控制器11前進(jìn)到步驟SP5。
在步驟SP5中，控制器11對在步驟SP4中計(jì)算出的表示速度V的速度數(shù)據(jù)VD 執(zhí)行平滑和噪聲濾波。
具體而言，控制器11對在步驟SP4中計(jì)算出的表示速度V的速度數(shù)據(jù)VDl執(zhí)行 具有可變截止頻率的低通濾波。
如果控制器11確定經(jīng)過低通濾波的速度V過高，則控制器11在車輛的速度低于 例如10km/h時(shí)將速度V設(shè)為0，而在車輛的速度等于或高于10km/h時(shí)將速度V設(shè)為在 前速度Vlri，并且控制器11前進(jìn)到步驟SP6。
在步驟SP6中，控制器11的角度計(jì)算器23獲取Z軸陀螺儀傳感器6檢測出的偏 轉(zhuǎn)速率數(shù)據(jù)YD，并且控制器11前進(jìn)到步驟SP7。
在步驟SP7中，控制器11的角度計(jì)算器23通過將與偏轉(zhuǎn)速率數(shù)據(jù)YD相對應(yīng)的 偏轉(zhuǎn)速率ωζ乘以采樣周期0.0 來計(jì)算表示角度θ的角度數(shù)據(jù)DD，并且控制器11前進(jìn) 到步驟SP8。
在步驟SP8中，控制器11基于在步驟SP5中已被執(zhí)行了平滑和噪聲濾波的速度 數(shù)據(jù)VD和在步驟SP7中計(jì)算出的角度數(shù)據(jù)DD來計(jì)算當(dāng)前位置數(shù)據(jù)NPD2，并且控制器 11前進(jìn)到步驟SP9。
在步驟SP9中，控制器11基于由位置計(jì)算器25提供的當(dāng)前位置數(shù)據(jù)NPD2從存 儲器12讀取包括車輛的當(dāng)前位置的地圖數(shù)據(jù)，生成包括當(dāng)前位置的地像，并將該地 像輸出到顯示器2，并且控制器11前進(jìn)到步驟SP10，在步驟SPlO處理完成。
1-5.測量結(jié)果
圖狐至37圖示了通過前述速度計(jì)算獲得的測量結(jié)果。圖狐至35Β圖示了 當(dāng)PND 1被置于轎車上時(shí)的測量結(jié)果。圖36和37分別圖示了當(dāng)PND 1被置于輕型汽車 和小型貨車上時(shí)的測量結(jié)果。
圖26Α圖示了與三軸加速度傳感器4檢測出的加速度數(shù)據(jù)AD相對應(yīng)的加速度 αζ和與Y軸陀螺儀傳感器5檢測出的俯仰速率數(shù)據(jù)PD相對應(yīng)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計(jì)算出的速度V。
從圖TAk和^B可見，當(dāng)車輛的速度V增大時(shí)，由PND 1測得的加速度α ζ增 大，而由PND 1測得的俯仰速率ω ^呆持基本恒定。
圖27Α、28Α> 29Α> 30Α和31Α是圖示由PND 1通過執(zhí)行速度計(jì)算計(jì)算出的速 度V和根據(jù)速度V計(jì)算出的距離D的圖形。圖27Β、28Β、29Β、30Β和31Β是圖示根據(jù)安裝有PND 1的車輛的速度脈沖計(jì)算出的基準(zhǔn)速度Vref和根據(jù)基準(zhǔn)速度Vref計(jì)算出的基 準(zhǔn)距離Dref的圖形。圖27A至31B圖示了當(dāng)安裝有PND 1的車輛在不同道路上行進(jìn)時(shí)的 情況。
根據(jù)車輛的速度脈沖計(jì)算出的速度將被稱為基準(zhǔn)速度，而利用基準(zhǔn)速度計(jì)算出 的距離將被稱為基準(zhǔn)距離。
圖27A圖示了利用根據(jù)本實(shí)施例的速度計(jì)算計(jì)算出的速度V和根據(jù)速度V計(jì)算 出的距離D。圖27B圖示了要與圖27A中所示的速度V和距離D相比較的基準(zhǔn)速度Vref 和基準(zhǔn)距離Dref。
如圖27A和27B所示，速度V的圖形基本類似于基準(zhǔn)速度Vref的圖形?；谒?度V計(jì)算出的距離D和基準(zhǔn)距離Dref之間的誤差小于10%。
圖狐圖示了利用根據(jù)本實(shí)施例的速度計(jì)算計(jì)算出的速度V和根據(jù)速度V計(jì)算 出的距離D。圖^B圖示了要與圖狐中所示的速度V和距離D相比較的基準(zhǔn)速度Vref 和基準(zhǔn)距離Dref。
圖H圖示了利用根據(jù)本實(shí)施例的速度計(jì)算計(jì)算出的速度V和根據(jù)速度V計(jì)算 出的距離D。圖^B圖示了要與圖^A中所示的速度V和距離D相比較的基準(zhǔn)速度Vref 和基準(zhǔn)距離Dref。
圖30A圖示了利用根據(jù)本實(shí)施例的速度計(jì)算計(jì)算出的速度V和根據(jù)速度V計(jì)算 出的距離D。圖30B圖示了要與圖30A中所示的速度V和距離D相比較的基準(zhǔn)速度Vref 和基準(zhǔn)距離Dref。
圖31A圖示了利用根據(jù)本實(shí)施例的速度計(jì)算計(jì)算出的速度V和根據(jù)速度V計(jì)算 出的距離D。圖31B圖示了要與圖31A中所示的速度V和距離D相比較的基準(zhǔn)速度Vref 和基準(zhǔn)距離Dref。
與圖^A的情況一樣，圖27A、28A, 29A, 30A和31A (它們圖示了當(dāng)車輛行進(jìn) 在不同道路上時(shí)的情況)中所示的速度V基本上分別類似于圖27B、28B, 29B, 30B和 31B中所示的基準(zhǔn)速度Vref。基于速度V計(jì)算出的距離D和基準(zhǔn)距離Dref之間的誤差小 于 10%。
圖32A是PND 1利用速度計(jì)算計(jì)算出的速度V和距離D的圖形。圖32B是基 準(zhǔn)速度Vref和根據(jù)基準(zhǔn)速度Vref計(jì)算出的基準(zhǔn)距離Dref的圖形。圖32C是PND 1的Z軸 陀螺儀傳感器6檢測出的偏轉(zhuǎn)速率ωζ的圖形。
參考圖32C，高于20deg/s的偏轉(zhuǎn)速率ω z指示車輛右轉(zhuǎn)，小于_20deg/s的偏轉(zhuǎn)速率ω 2指示車輛左轉(zhuǎn)。
從圖32C可見，即使當(dāng)車輛反復(fù)右轉(zhuǎn)和左轉(zhuǎn)時(shí)，PND 1計(jì)算出的速度V (圖32Α) 也基本類似于基準(zhǔn)速度Vref(圖32B)?；谒俣萔計(jì)算出的距離D和基準(zhǔn)距離Dref之間 的誤差小于10%。
圖33A是當(dāng)車輛行進(jìn)在與圖32A不同的道路上時(shí)由PND 1利用速度計(jì)算計(jì)算出 的速度V和距離D的圖形。圖33B是基準(zhǔn)速度Vref和根據(jù)基準(zhǔn)速度Vref計(jì)算出的基準(zhǔn)距 離Dref的圖形。圖33C是Z軸陀螺儀傳感器6檢測出的偏轉(zhuǎn)速率圖形。
圖34Α是當(dāng)車輛行進(jìn)在與圖32Α和33Α不同的道路上時(shí)由PNDl利用速度計(jì)算 計(jì)算出的速度V和距離D的圖形。圖34Β是基準(zhǔn)速度Vref和根據(jù)基準(zhǔn)速度Vref計(jì)算出的17基準(zhǔn)距離Dref的圖形。圖34C是Z軸陀螺儀傳感器6檢測出的偏轉(zhuǎn)速率ωζ的圖形。
從這些結(jié)果可見，當(dāng)車輛沿著大量曲線行進(jìn)時(shí)，由PND 1計(jì)算出的速度V基本 類似于基準(zhǔn)速度Vref，并且基于速度V計(jì)算出的距離D和基準(zhǔn)距離Dref之間的誤差小于 10%。
圖35Α圖示了包括從起始S到目標(biāo)G的車輛的路線K的地圖。圖35Β圖示了 車輛的行進(jìn)路徑Τ，它是由安裝在車輛上的PND 1計(jì)算出的車輛的當(dāng)前位置的曲線圖。
行進(jìn)路徑T (圖35Β)基本上與車輛行進(jìn)所沿的路線K (圖35Α)等長且類似。從 該事實(shí)可見，PNDl基本上可以準(zhǔn)確計(jì)算當(dāng)前位置。
圖36圖示了由置于輕型汽車上的PND 1計(jì)算出的速度V和距離D。為了與速 度V和距離D相比較，圖36還圖示了基于利用GPS天線ANT接收的GPS信號計(jì)算出的 速度Vg和根據(jù)速度Vg計(jì)算出的距離Dg。
下文中，基于由GPS天線ANT接收的GPS信號計(jì)算出的速度將被稱為GPS速 度，而根據(jù)GPS速度計(jì)算出的距離將被稱為GPS距離。
圖37圖示了由置于小型貨車上的PND 1計(jì)算出的速度V和距離D。為了與速 度V和距離D相比較，圖37還圖示了基于由GPS天線ANT接收的GPS信號計(jì)算出的速 度Vg和根據(jù)速度Vg計(jì)算出的距離Dg。
從圖36和37可見，對于具有不同大小(即，軸距)的車輛，由根據(jù)本發(fā)明實(shí)施 例的PND 1計(jì)算出的速度V基本上類似于GPS速度Vg，并且基于速度V計(jì)算出的距離D 和GPS距離Dg之間的誤差小于10%。
在圖36和37中，當(dāng)車輛處于隧道等中并且無法接收GPS信號時(shí)，GPS速度Vg 被設(shè)為0。
1-6.操作和效果
在具有上述結(jié)構(gòu)的PND 1中，三軸加速度傳感器4檢測由于道路表面的起伏而 產(chǎn)生的、沿著垂直于車輛的行進(jìn)方向的Z軸的加速度α z，并且Y軸陀螺儀傳感器5檢測 由于道路表面的起伏而產(chǎn)生的、圍繞垂直于車輛的行進(jìn)方向的Y軸的俯仰速率ωγ。
PND 1基于三軸加速度傳感器4檢測出的加速度α ζ和Y軸陀螺儀傳感器5檢測 出的俯仰速率ωγ來利用等式(1)或C3)計(jì)算速度V。
因而，具有包括三軸加速度傳感器4和Y軸陀螺儀傳感器5的簡單結(jié)構(gòu)的PND 1 可以在所有道路條件下準(zhǔn)確地計(jì)算車輛的速度V，即使當(dāng)PND 1難以接收GPS信號時(shí)也 是如此。
因?yàn)镻ND 1可與車輛分離，所以PND 1具有良好的可用性，并且用戶不必執(zhí)行 連接線纜以從車輛接收速度脈沖信號的麻煩任務(wù)。
PND 1的Z軸陀螺儀傳感器6檢測圍繞垂直于車輛的行進(jìn)方向的Z軸的偏轉(zhuǎn)速率 ωζ，并且PNDl基于速度V和偏轉(zhuǎn)速率ωζ來計(jì)算當(dāng)前位置。
因而，具有包括三軸加速度傳感器4、Y軸陀螺儀傳感器5和Z軸陀螺儀傳感器 6的簡單結(jié)構(gòu)的PND 1可以在所有道路條件下準(zhǔn)確地計(jì)算車輛的當(dāng)前位置，即使PND 1難 以接收GPS信號時(shí)也是如此。
當(dāng)計(jì)算速度V時(shí)，PND 1對加速度數(shù)據(jù)ADl和俯仰速率數(shù)據(jù)PDl執(zhí)行低通濾 波。因而，PND 1可以從加速度α。和角速度ω。中消除由于支架3產(chǎn)生的、以例如大18約15Hz的頻率振蕩的分量，該振蕩頻率明顯高于由于道路表面起伏產(chǎn)生的、以例如1到 2Hz的頻率振蕩的加速度α ζ和俯仰速率ωγ的分量。
因而，PNDl可以利用從中消除了由于支架3產(chǎn)生的振動分量的加速度α ζ和俯 仰速率ωγ來更準(zhǔn)確地計(jì)算速度V。
PND 1從圍繞數(shù)據(jù)點(diǎn)Pm的加速度α ζ的25到75個數(shù)據(jù)點(diǎn)的范圍中提取最大加速 度α ζ, _和最小加速度α ζ, _，并且從圍繞數(shù)據(jù)點(diǎn)Pm的俯仰速率ωγ的W到75個數(shù)據(jù) 點(diǎn)的范圍中提取最大俯仰速率ωγ, _和最小俯仰速率ωγ, ■。
PND 1根據(jù)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來利用等式(3)計(jì)算速度V。
這樣，PNDl使用比加速度αζ和俯仰速率ωγ之間的相位差更寬的范圍中的數(shù) 據(jù)點(diǎn)，該相位延遲可根據(jù)PNDl被置于車輛中的位置而改變，從而消除了加速度αζ和俯 仰速率《,之間的相位差的影響。
當(dāng)基于加速度α ζ和俯仰速率ωγ利用等式⑶計(jì)算出的速度V過高時(shí)，PND 1 在車輛以極低速行進(jìn)時(shí)將速度V設(shè)為0，否則PNDl將速度設(shè)為在前速度Vlri，從而更準(zhǔn) 確地計(jì)算速度V。
利用以上結(jié)構(gòu)，根據(jù)第一實(shí)施例的PNDl檢測由于道路表面起伏產(chǎn)生的、沿著Z 軸的加速度α 2和由于道路表面起伏產(chǎn)生的、圍繞Y軸的俯仰速率ωγ，并利用加速度αζ 和俯仰速率《,計(jì)算速度乂，從而在所有道路條件下準(zhǔn)確地計(jì)算速度V。
2.第二實(shí)施例
2-1.PND 的結(jié)構(gòu)
根據(jù)第二實(shí)施例的PND 50 (圖4至7)類似于根據(jù)第一實(shí)施例的PND 1，不同之 處在于PND 50包括控制器51來取代控制器11。
圖38是控制器51的框圖，其中與圖7相對應(yīng)的部分用相同的標(biāo)號表示。如圖 38所示，控制器51類似于控制器11 (圖7)，不同之處在于控制器51包括速度計(jì)算器52 來取代速度計(jì)算器22，GPS處理器21向速度計(jì)算器52提供GPS速度VG，并且角度計(jì) 算器23向速度計(jì)算器52提供角度數(shù)據(jù)DD。
2-2.速度計(jì)算
2-2-1.校正速度的原理
利用根據(jù)第一實(shí)施例的PND 1，由速度計(jì)算器22(圖8)計(jì)算出的速度V(速度數(shù) 據(jù)VD)可能與車輛的真實(shí)速度不同。換句話說，速度V可能包括誤差。這種誤差可能 在PND 1難以準(zhǔn)確檢測車輛中產(chǎn)生的加速度和角速度時(shí)產(chǎn)生，例如在支架3沒有適當(dāng)?shù)?附接到車輛的情況下。
當(dāng)PND 1可以接收GPS信號并生成當(dāng)前位置數(shù)據(jù)NPDl時(shí)，PNDl可以基于當(dāng)前位置數(shù)據(jù)NPDl來計(jì)算速度(下文中稱為GPS速度VG)?；诰_位置數(shù)據(jù)計(jì)算出的 GPS速度VG可以被認(rèn)為是車輛的真實(shí)速度。
圖39是圖示由速度計(jì)算器22計(jì)算出的速度V與GPS速度VG之比(下文中稱 為速度比RV)的圖形，該圖是相對于GPS速度VG繪制的。
理想情況下，由速度計(jì)算器22計(jì)算出的速度V應(yīng)當(dāng)與GPS速度VG相同。艮口， 理想情況下，無論GPS速度VG如何，速度比RV都應(yīng)當(dāng)為“ 1”，如圖39中的線LO所不。
然而，實(shí)際中，如圖39所示，速度比RV明顯地偏離線LO，并且在GPS速度等 于或低于大約10m/S的低速區(qū)域中稀疏地分布。在GPS速度等于或高于大約lOm/s的高 速區(qū)域中，速度比RV圍繞線LO密集分布。
從圖39可見，速度比RV根據(jù)速度的范圍(下文中稱為速度區(qū)域)具有不同的 分布。
因此，通過為每個速度區(qū)域計(jì)算校正系數(shù)并利用校正系數(shù)校正速度V，可以減 少速度V的誤差，從而可以使得速度V更接近真實(shí)速度。
2-2-2.速度計(jì)算器的結(jié)構(gòu)
利用上述速度校正的原理，第二實(shí)施例的速度計(jì)算器52利用校正系數(shù)來校正速度V。
圖40是速度計(jì)算器52的框圖，其中與圖8相同的部分用相同的標(biāo)號表示。與 速度計(jì)算器22相比，速度計(jì)算器52還包括置于平滑器/噪聲濾波器35和速度輸出部36 之間的系數(shù)計(jì)算器61和速度校正器63。
系數(shù)計(jì)算器61從GPS處理器21獲取GPS速度VG，并從平滑器/噪聲濾波器 35獲取速度數(shù)據(jù)VD。在獲取了 GPS速度VG之后，系數(shù)計(jì)算器61根據(jù)下式(4)執(zhí)行系 數(shù)計(jì)算(其中GPS速度VG除以速度V)以計(jì)算校正系數(shù)C。
C = (VG)/V··· (4)校正系數(shù)C被用于使速度V乘以校正系數(shù)C，以使速度V更接近GPS速度VG。
系數(shù)計(jì)算器61根據(jù)速度V的水平(即，速度區(qū)域)將校正系數(shù)C分類為低速校 正系數(shù)Cl和高速校正系數(shù)C2。
具體而言，系數(shù)計(jì)算器61在在前速度Vlri處于Okm/h到30km/h的范圍內(nèi)時(shí)將 校正系數(shù)C分類為低速校正系數(shù)Cl，而在在前速度Vlri高于30km/h時(shí)將校正系數(shù)C分 類為高速校正系數(shù)C2。
在車輛正加速或減速時(shí)，由于計(jì)算原理在速度V和GPS速度VG之間發(fā)生時(shí)間 滯后，因此系數(shù)計(jì)算器61難以準(zhǔn)確地計(jì)算校正系數(shù)C。因此，系數(shù)計(jì)算器61在車輛正 加速或減速時(shí)不計(jì)算校正系數(shù)C。因此，與速度計(jì)算部34不同(其根據(jù)車輛正在加速還 是減速而具有35和25km/h的不同閾值速度)，系數(shù)計(jì)算器61具有30km/h的單一閾值 速度，這是35和25km/h的均值。
當(dāng)車輛的方向正改變時(shí)，由三軸加速度傳感器4提供的加速度數(shù)據(jù)AD包括由于 方向改變的加速度分量。因此，由速度計(jì)算部34計(jì)算出的速度V包括由于方向改變的誤 差。因此，當(dāng)系數(shù)計(jì)算器61基于由角度計(jì)算器23計(jì)算出的角度數(shù)據(jù)DD確定車輛的方 向正改變時(shí)，系數(shù)計(jì)算器61不計(jì)算校正系數(shù)C。
系數(shù)計(jì)算器61存儲在前的低速校正系數(shù)Cl和高速校正系數(shù)C2的在前值(下文 中分別稱為在前低速校正系數(shù)Cllri和在前高速校正系數(shù)C2n_i)。系數(shù)計(jì)算器61利用低 速校正系數(shù)Cl和高速校正系數(shù)C2的最新值(下文中稱為最新低速校正系數(shù)Cln和最新 高速校正系數(shù)C2n)對低速校正系數(shù)Cl和高速校正系數(shù)C2進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并更新低速校正 系數(shù)Cl和高速校正系數(shù)C2。言，當(dāng)系數(shù)計(jì)算器61已計(jì)算出低速校正系數(shù)Cl時(shí)，系數(shù)計(jì)算器61根據(jù) 下式(5)計(jì)算低速校正系數(shù)Cl的新值。當(dāng)系數(shù)計(jì)算器61已計(jì)算出高速校正系數(shù)C2時(shí)， 系數(shù)計(jì)算器61根據(jù)下式(6)計(jì)算高速校正系數(shù)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)中的常數(shù)M (大于1)對應(yīng)于時(shí)間常數(shù)。
系數(shù)計(jì)算器61存儲已利用等式(5)或(6)更新的低速校正系數(shù)Cl和高速校正系 數(shù)C2的最新值。
當(dāng)系數(shù)計(jì)算器61可以獲取GPS速度VG時(shí)，系數(shù)計(jì)算器61計(jì)算校正系數(shù)C并 視需要更新校正系數(shù)C的平均值，從而執(zhí)行校正系數(shù)C的學(xué)習(xí)。
速度校正器63從平滑器/噪聲濾波器35獲取速度數(shù)據(jù)VD，從GPS處理器21 獲取GPS速度VG，并從系數(shù)計(jì)算器61獲取最新校正系數(shù)C。最新校正系數(shù)C可以是低 速校正系數(shù)Cl或高速校正系數(shù)C2。
當(dāng)速度校正器63可以從GPS處理器21獲取GPS速度VG時(shí)，速度校正器63直 接將速度數(shù)據(jù)VD送至速度輸出部36。
當(dāng)速度校正器63難以從GPS處理器21獲取GSP速度VG時(shí)，速度校正器63讀 取與此時(shí)的速度V相對應(yīng)的校正系數(shù)C的最新值，即，低速校正系數(shù)Cl或高速校正系數(shù) C2，并根據(jù)下式(7)計(jì)算校正速度VC。
VC = VXC...(7)
此時(shí)，與系數(shù)計(jì)算器61—樣，速度校正器63根據(jù)由速度計(jì)算部34執(zhí)行的對數(shù) 據(jù)點(diǎn)范圍的選擇來選擇低速校正系數(shù)Cl和高速校正系數(shù)C2之一作為校正系數(shù)C。
S卩，當(dāng)車輛正加速時(shí)，如果在前速度Vlri處于0到35km/h的范圍內(nèi)，則速度校 正器63選擇低速校正系數(shù)Cl，而如果在前速度Vlri高于35km/h，則速度校正器63選擇 高速校正系數(shù)C2。
當(dāng)車輛正減速時(shí)，如果在前速度Vlri等于或高于25km/h，則速度校正器63選擇 高速校正系數(shù)C2，而如果在前速度Vlri低于25km/h，則速度校正器63選擇低速校正系 數(shù)Cl。
隨后，速度校正器63將校正速度VC送至速度輸出部36作為速度數(shù)據(jù)VD。作 為響應(yīng)，速度輸出部36將速度數(shù)據(jù)VD輸出到位置計(jì)算器25 (圖38)。
這樣，當(dāng)速度計(jì)算器52可以獲取GPS速度VG時(shí)，速度計(jì)算器52執(zhí)行學(xué)習(xí)，該 學(xué)習(xí)視需要根據(jù)速度V更新校正系數(shù)C。當(dāng)速度計(jì)算器52難以獲取GPS速度VG時(shí)， 速度計(jì)算器52利用與速度V相對應(yīng)的校正系數(shù)C來校正速度V。
圖41是與圖39相對應(yīng)的圖形，其中相對于GSP速度VG繪制了已被校正的速度 V ( SP，校正速度VC)與GPS速度VG的速度比RV。
從圖41可見，在速度V的校正之后的速度比RV在任何速度區(qū)域中相比于校正 之前(圖39)更接近值“1”。從該事實(shí)可見，當(dāng)速度計(jì)算器52利用校正系數(shù)C校正了 速度V時(shí)，可以使速度V更接近GPS速度VG，并且可以減少速度V的誤差。21
2-2-3.速度校正的處理
參考圖42的流程圖，將描述由PND 50的控制器51的速度計(jì)算器52執(zhí)行的速度 校正處理RT2。
控制器51從例程RT2的開始步驟開始處理，并且在步驟SP21中，判斷系數(shù)計(jì) 算器61是否已從GPS處理器21獲取了 GPS速度VG。如果判斷結(jié)果是肯定的，意味著 要執(zhí)行校正系數(shù)C的學(xué)習(xí)，則控制器51前進(jìn)到步驟SP22。
在步驟SP22中，控制器51通過將在前速度Vlri與速度V相比較等來判斷車輛 是否正在加速或減速。如果判斷結(jié)果是否定的，意味著車輛并未在加速或減速，則控制 器51前進(jìn)到步驟SP23。
在步驟SP23中，控制器51基于由角度計(jì)算器23提供的角度數(shù)據(jù)DD來判斷車 輛的方向是否正改變。如果判斷結(jié)果是否定的，意味著車輛的方向并沒有在改變并且可 以執(zhí)行校正系數(shù)C的學(xué)習(xí)，則控制器51前進(jìn)到步驟SP24。
在步驟SPM中，控制器51的系數(shù)計(jì)算器61根據(jù)等式(4)基于速度V和GPS速 度VG來計(jì)算校正系數(shù)C，并且控制器51前進(jìn)到步驟SP25。
在步驟SP25中，控制器51判斷校正系數(shù)C是否在預(yù)定的正常范圍內(nèi)。如果判斷 結(jié)果是肯定的，意味著校正系數(shù)C可以用于校正速度V，則控制器51前進(jìn)到步驟SP26。
在步驟SP26中，控制器51根據(jù)速度V是否等于或高于30km/h來將校正系數(shù)C 分類為高速校正系數(shù)C2或低速校正系數(shù)Cl。
接下來，控制器51利用等式(5)或(6)對高速校正系數(shù)C2或低速校正系數(shù)Cl 進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化并更新高速校正系數(shù)C2或低速校正系數(shù)Cl，并且存儲已經(jīng)更新的高速校正系 數(shù)C2或低速校正系數(shù)Cl，作為最新高速校正系數(shù)C2或最新低速校正系數(shù)Cl。隨后， 控制器51前進(jìn)到步驟SP^并結(jié)束處理。
如果步驟SP22或步驟SP23中的判斷結(jié)果是肯定的，則此時(shí)的速度V并不適合 于計(jì)算校正系數(shù)C。因此，控制器51不更新校正系數(shù)C，前進(jìn)到步驟SP28，并且結(jié)束處理。
如果步驟SP25中的判斷結(jié)果是否定的，則這意味著已計(jì)算出的校正系數(shù)C是異 常值，例如，當(dāng)例如用戶接觸觸摸面板時(shí)產(chǎn)生的加速度分量被包括在速度V中。因而， 控制器51不使用已計(jì)算出的校正系數(shù)C，前進(jìn)到步驟SP28，并且結(jié)束處理。
如果步驟SP21中的判斷結(jié)果是否定的，意味著難以從GPS衛(wèi)星接收GPS信號并 且必須基于由速度計(jì)算器52計(jì)算出的速度V來計(jì)算車輛的當(dāng)前位置等，則控制器51前進(jìn) 到步驟SP27。
在步驟SP27中，控制器51的速度校正器63從系數(shù)計(jì)算器61獲取與速度V相 對應(yīng)的最新校正系數(shù)C (即，低速校正系數(shù)Cl或高速校正系數(shù)C2)，并根據(jù)等式(7)通過 將速度V乘以校正系數(shù)C來計(jì)算校正速度VC。接下來，控制器51將校正速度VC送至 速度輸出部36作為速度V的新值，前進(jìn)到步驟SP28，并且結(jié)束處理。
2-3.操作和效果
在根據(jù)第二實(shí)施例且具有上述結(jié)構(gòu)的PND 50中，三軸加速度傳感器4檢測由于 道路表面起伏而產(chǎn)生的、沿著垂直于車輛的行進(jìn)方向的Z軸的加速度α z，并且Y軸陀螺 儀傳感器5檢測由于道路表面起伏而產(chǎn)生的、圍繞垂直于車輛的行進(jìn)方向的Y軸的俯仰速率ωγ。
PND 50基于三軸加速度傳感器4檢測出的加速度α ζ和Y軸陀螺儀傳感器5檢 測出的俯仰速率ωγ來利用等式(1)或C3)計(jì)算速度V。
當(dāng)PND 50可以獲取GPS速度VG時(shí)，PND 50的系數(shù)計(jì)算器61根據(jù)等式⑷來 計(jì)算與速度V相對應(yīng)的校正系數(shù)C。當(dāng)PND 50難以獲得GPS速度VG時(shí)，PND 50的速 度校正器63根據(jù)等式(7)利用校正系數(shù)C來校正速度V。
因而，與第一實(shí)施例一樣，具有包括三軸加速度傳感器4和Y軸陀螺儀傳感器 5的簡單結(jié)構(gòu)的PND 50可以在所有道路條件下準(zhǔn)確地計(jì)算車輛的速度V，即使當(dāng)PND 50 難以接收GPS信號時(shí)也是如此。
而且，PND 50可以利用相對準(zhǔn)確的GPS速度VG適當(dāng)?shù)赜?jì)算校正系數(shù)C，從而 可以減少包括在速度V中的誤差。
此外，PND 50將速度V劃分為兩個速度區(qū)域，并針對各個區(qū)域計(jì)算低速校正系 數(shù)Cl和高速校正系數(shù)C2作為校正系數(shù)C。因而，PND 50可以在每個速度區(qū)域中根據(jù) 速度V的誤差的分布適當(dāng)?shù)匦Ｕ俣萔，從而可以明顯地減少包括在速度V中的誤差。
在其他方面，根據(jù)第二實(shí)施例的PND 50具有與第一實(shí)施例的PND 1相同的操作 效果。
利用以上結(jié)構(gòu)，PND 50檢測由于道路表面起伏而產(chǎn)生的、沿著Z軸的加速度αζ 和由于道路表面起伏而產(chǎn)生的、圍繞Y軸的俯仰速率ωγ，并利用加速度αζ和俯仰速率 ,計(jì)算速度V，從而在所有道路條件下準(zhǔn)確地計(jì)算速度V。而且，PND 50利用與包括 速度V的速度區(qū)域相對應(yīng)的校正系數(shù)C來校正速度V，從而可以明顯地減少包括在速度 V中的誤差。
3.第三實(shí)施例
3-1.PND 的結(jié)構(gòu)
根據(jù)第三實(shí)施例的PND 70 (圖4至7)類似于根據(jù)第一實(shí)施例的PND 1，不同之 處在于PND 70包括控制器71來取代控制器11。
圖43是控制器71的框圖，其中與圖7相對應(yīng)的部分用相同的標(biāo)號表示。如圖 43所示，控制器71類似于控制器11 (圖7)，不同之處在于控制器71包括速度計(jì)算器72 來取代速度計(jì)算器22，并且GPS處理器21向速度計(jì)算器72提供GPS速度VG。
3-2.速度計(jì)算
與第二實(shí)施例的PND 50—樣，根據(jù)第三實(shí)施例的PND 70也校正速度V。然 而，校正方法不同于第二實(shí)施例的校正方法。
3-2-1.利用速度模型校正速度的原理
在第三實(shí)施例中，構(gòu)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)之間的關(guān)系的速度模型，并且利用該速度模型來校正速度V。
首先，假定俯仰速率ωγ包括由于偏移等的誤差，并且假定作為由Y軸陀螺儀傳 感器5獲得的測量值的俯仰速率《,是真實(shí)俯仰速率ωγΤ和測量誤差Δ ωγ之和。
同樣地，假定加速度Ciz包括由于偏移等的誤差，并且假定作為由三軸加速度傳 感器4獲得的測量值的加速度Ciz是真實(shí)加速度CizT和測量誤差Δ αζ之和。
如圖44Α所示，假定車輛正以真實(shí)速度VT m/s和真實(shí)俯仰速率(即，角速度)ωγΤ度/秒(degree/s)行進(jìn)在具有曲率半徑R m的大致弧形的道路表面上。在圖44A 中，點(diǎn)P表示車輛的位置。
在這種情況下，真實(shí)俯仰速率ωγΤ、包括誤差的俯仰速率ωγ、真實(shí)加速度α ΖΤ 和包括誤差的加速度α ζ可以由下式(8)至(11)表示?！?8)
權(quán)利要求
1.一種速度計(jì)算設(shè)備，包括安裝在行進(jìn)在預(yù)定行進(jìn)表面上的運(yùn)動體上的垂直加速度檢測器，該垂直加速度檢測 器檢測由于所述行進(jìn)表面的起伏而產(chǎn)生的、垂直方向上的加速度；安裝在所述運(yùn)動體上的水平角速度檢測器，該水平角速度檢測器檢測圍繞垂直于 所述運(yùn)動體的行進(jìn)方向的水平軸的角速度，該角速度是由于所述行進(jìn)表面的起伏而產(chǎn)生 的；速度計(jì)算器，該速度計(jì)算器基于垂直方向上的加速度和圍繞水平軸的角速度來計(jì)算 在所述運(yùn)動體的行進(jìn)方向上的所述運(yùn)動體的速度；以及 速度校正器，該速度校正器根據(jù)所述速度來校正速度。
2.如權(quán)利要求1所述的速度計(jì)算設(shè)備，其中所述速度校正器根據(jù)所述速度所屬的速度區(qū)域來校正速度，所述速度區(qū)域是通 過將所述速度劃分為多個速度范圍而獲得的多個速度區(qū)域中的一個速度區(qū)域。
3.如權(quán)利要求2所述的速度計(jì)算設(shè)備，其中所述速度校正器利用與每個速度區(qū)域相對應(yīng)的校正系數(shù)來校正速度。
4.如權(quán)利要求3所述的速度計(jì)算設(shè)備，還包括速度檢測器，該速度檢測器檢測在所述運(yùn)動體的行進(jìn)方向上的所述運(yùn)動體的速度， 并將該速度設(shè)定為基準(zhǔn)速度；以及校正系數(shù)更新器，當(dāng)能夠檢測出所述基準(zhǔn)速度時(shí)，該校正系數(shù)更新器基于所述基準(zhǔn) 速度和所述速度來更新用于每個速度區(qū)域的校正系數(shù)，其中，當(dāng)不能檢測出所述基準(zhǔn)速度時(shí)，所述速度校正器利用所述校正系數(shù)更新器更 新后的校正系數(shù)來校正速度。
5.如權(quán)利要求1所述的速度計(jì)算設(shè)備，其中所述速度校正器通過將所述速度輸入到以速度為變量且具有預(yù)定常數(shù)的函數(shù)來 校正速度。
6.如權(quán)利要求5所述的速度計(jì)算設(shè)備，還包括速度檢測器，該速度檢測器檢測在所述運(yùn)動體的行進(jìn)方向上的所述運(yùn)動體的速度， 并將該速度設(shè)定為基準(zhǔn)速度；以及常數(shù)更新器，當(dāng)能夠檢測出所述基準(zhǔn)速度時(shí)，該常數(shù)更新器基于所述基準(zhǔn)速度和所 述速度來更新所述常數(shù)，其中，當(dāng)不能檢測出所述基準(zhǔn)速度時(shí)，所述速度校正器通過將所述速度輸入到具有 所述常數(shù)更新器更新后的常數(shù)的函數(shù)來校正速度。
7.如權(quán)利要求5所述的速度計(jì)算設(shè)備，還包括速度檢測器，該速度檢測器檢測在所述運(yùn)動體的行進(jìn)方向上的所述運(yùn)動體的速度， 并將該速度設(shè)定為基準(zhǔn)速度，其中所述速度計(jì)算器提取在預(yù)定時(shí)段中所述垂直方向上的加速度的最大值和最小值 分別作為最大加速度和最小加速度，提取在所述預(yù)定時(shí)段中圍繞所述水平軸的角速度的 最大值和最小值分別作為最大角速度和最小角速度，并通過將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來計(jì)算所述速度，并且其中所述函數(shù)是通過以下方式獲得的在用于計(jì)算所述速度的方程式中，用包括所述行進(jìn)表面起伏的曲率半徑和所述基準(zhǔn)速度的變量來替換所述最大加速度、所述最小加 速度、所述最大角速度和所述最小角速度，并相對于所述基準(zhǔn)速度來求解所述方程式。
8.如權(quán)利要求1所述的速度計(jì)算設(shè)備，其中所述速度計(jì)算器提取在預(yù)定時(shí)段中所述垂直方向上的加速度的最大值和最小值 分別作為最大加速度和最小加速度，提取在所述預(yù)定時(shí)段中圍繞所述水平軸的角速度的 最大值和最小值分別作為最大角速度和最小角速度，并通過將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來計(jì)算所述速度，并且其中至少當(dāng)所述最大加速度和所述最小加速度具有相同符號時(shí)或者當(dāng)所述最大角速 度和所述最小角速度具有相同符號時(shí)，所述速度校正器將所述速度減半。
9.一種計(jì)算速度的方法，該方法包括以下步驟檢測在行進(jìn)在預(yù)定行進(jìn)表面上的運(yùn)動體中由于所述行進(jìn)表面的起伏而產(chǎn)生的、垂直 方向上的加速度；檢測圍繞垂直于所述運(yùn)動體的行進(jìn)方向的水平軸的角速度，該角速度是由于所述行 進(jìn)表面的起伏而產(chǎn)生的；基于垂直方向上的加速度和圍繞水平軸的角速度來計(jì)算在所述運(yùn)動體的行進(jìn)方向上 的所述運(yùn)動體的速度；以及根據(jù)所述速度來校正速度。
10.—種導(dǎo)航設(shè)備，包括安裝在行進(jìn)在預(yù)定行進(jìn)表面上的運(yùn)動體上的垂直加速度檢測器，該垂直加速度檢測 器檢測由于所述行進(jìn)表面的起伏而產(chǎn)生的、垂直方向上的加速度；安裝在所述運(yùn)動體上的水平角速度檢測器，該水平角速度檢測器檢測圍繞垂直于 所述運(yùn)動體的行進(jìn)方向的水平軸的角速度，該角速度是由于所述行進(jìn)表面的起伏而產(chǎn)生 的；速度計(jì)算器，該速度計(jì)算器基于垂直方向上的加速度和圍繞水平軸的角速度來計(jì)算 在所述運(yùn)動體的行進(jìn)方向上的所述運(yùn)動體的速度；速度校正器，該速度校正器根據(jù)所述速度來校正速度；垂直角速度檢測器，該垂直角速度檢測器計(jì)算圍繞垂直于所述行進(jìn)方向的垂直軸的 角速度；角度計(jì)算器，該角度計(jì)算器基于圍繞所述垂直軸的角速度來計(jì)算所述運(yùn)動體已旋轉(zhuǎn) 的角度；以及位置計(jì)算器，該位置計(jì)算器基于所述速度計(jì)算器計(jì)算出的行進(jìn)方向上的速度和所述 角度計(jì)算器計(jì)算出的角度來計(jì)算所述運(yùn)動體的位置。
全文摘要
本發(fā)明公開了速度計(jì)算設(shè)備、速度計(jì)算方法和導(dǎo)航設(shè)備。該速度計(jì)算設(shè)備包括安裝在行進(jìn)在預(yù)定行進(jìn)表面上的運(yùn)動體上的垂直加速度檢測器，該垂直加速度檢測器檢測由于行進(jìn)表面起伏而產(chǎn)生的、垂直方向上的加速度；安裝在運(yùn)動體上的水平角速度檢測器，該水平角速度檢測器檢測圍繞垂直于運(yùn)動體的行進(jìn)方向的水平軸的角速度，該角速度是由于行進(jìn)表面起伏而產(chǎn)生的；速度計(jì)算器，該速度計(jì)算器基于垂直方向上的加速度和圍繞水平軸的角速度來計(jì)算在運(yùn)動體的行進(jìn)方向上的運(yùn)動體的速度；以及速度校正器，該速度校正器根據(jù)該速度來校正速度。
文檔編號G01P9/00GK102023232SQ201010275248
公開日2011年4月20日 申請日期2010年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月14日
發(fā)明者高岡呂尚 申請人:索尼公司