CN110293557A - 姿势角计算装置、移动装置、姿势角计算方法和程序 - Google Patents

Abstract

本发明涉及姿势角计算装置、移动装置、姿势角计算方法和程序。姿势角计算装置(170)包括：获取单元(171)，其被构造成获取加速度传感器(151)的输出和获取陀螺仪传感器(152)的输出，其中该加速度传感器(151)被安装成输出沿着移动表面移动的移动装置相对于移动表面在竖直轴方向上的加速度，并且该陀螺仪传感器(152)被安装成输出绕竖直轴的角速度。姿势角计算装置(170)还包括计算单元(172)，其被构造成：当加速度大于预设的基准加速度(Rg)并且角速度小于预设的基准角速度(Rw)时，假设角速度(ω_z)为零，并且计算移动装置的绕竖直轴的姿势角。姿势角计算装置(170)还包括输出单元(173)，其被构造成输出计算出的姿势角的数据。

Description

姿势角计算装置、移动装置、姿势角计算方法和程序

技术领域

本公开涉及姿势角计算装置、移动装置、姿势角计算方法和程序。

背景技术

作为检测移动装置的姿势角的方法，通过对由陀螺仪传感器检测到的角速度进行积分来计算姿势角的方法和从由多个加速度传感器检测到的加速度几何上获得姿势角的方法是已知的。此外，已经提出了一种用于提高检测姿势角的精度的技术。

姿势角检测装置包括：陀螺仪传感器，所述陀螺仪传感器用于检测测量目标部分的旋转角速度；以及加速度传感器，所述加速度传感器用于检测在两个正交方向上的测量目标部分处的加速度。此外，姿势角检测装置包括计算装置，所述计算装置用于基于来自陀螺仪传感器和加速度传感器的检测值计算测量目标部分的姿势角。计算装置包括：角速度处理单元，所述角速度处理单元用于从陀螺仪传感器的检测值获得等于或高于预定频率的高频分量中的目标方向的旋转角；以及加速度处理单元，所述加速度处理单元用于从加速度传感器的检测值获得低于预定频率的低频分量中的目标方向的旋转角。计算装置包括姿势角确定单元，所述姿势角确定单元用于通过将由角速度处理单元获得的和由加速处理单元获得的每个旋转角相加来获得姿势角(例如，日本未审专利申请特开第2007-064854号)。

发明内容

然而，即使当使用日本未审专利申请特开第2007-064854号中描述的技术时，由于在陀螺仪传感器中包括的偏置输出的变化和温度的变化，通过陀螺仪传感器检测到的角速度可能存在误差。另一方面，例如，当执行假定检测到的角速度为零的滤波处理以防止在角速度的检测中发生错误时，姿势角检测装置的灵敏度降低，这可能使得在一些情况下难以检测移动装置的姿势角。

已经做出本公开以解决这样的问题。本公开的目的是提供一种姿势角计算装置等，该姿势角计算装置在减小来自加速度传感器和陀螺仪传感器的数据的检测误差的同时计算姿势角。

根据本公开的姿势角计算装置包括获取单元，所述获取单元被构造成获取加速度传感器的输出和获取陀螺仪传感器的输出，其中，所述加速度传感器被被安装成输出沿着移动表面移动的移动装置相对于移动表面在竖直轴方向上的加速度，并且所述陀螺仪传感器被安装成输出绕竖直轴的角速度。姿势角计算装置还包括计算单元，所述计算单元被构造成：当加速度大于预设的基准加速度并且角速度小于预设的基准角速度时，假设角速度为零，并且计算移动装置的绕竖直轴的姿势角。姿势角计算装置还包括输出单元，所述输出单元被构造成输出计算出的姿势角的数据。

利用这样的构造，当移动机器人的姿势相对稳定时，姿势角计算装置调整角速度的值，而当移动装置的姿势不是相对稳定时，姿势角计算装置不执行用于调整角速度的值的处理。

根据本公开的姿势角计算方法包括获取加速度传感器的输出和获取陀螺仪传感器的输出，其中，所述加速度传感器被安装成输出移动装置沿着移动表面移动的移动装置相对于所述移动表面在竖直轴方向上的加速度，并且所述陀螺仪传感器被安装成输出绕竖直轴的角速度。姿势角计算方法还包括：当加速度大于预设的基准加速度并且角速度小于预设的基准角速度时，假设角速度为零，并且计算移动装置的绕竖直轴的姿势角。姿势角计算方法还包括输出计算出的姿势角的数据。

利用这样的构造，在姿势角计算方法中，当移动机器人的姿势相对稳定时，姿势角计算装置调整角速度的值，而当移动装置的姿势不是相对稳定时，姿势角计算装置不执行用于调整角速度的值的处理。

一种用于使计算机执行以下方法的程序。该方法包括获取加速度传感器的输出和获取陀螺仪传感器的输出，其中，所述加速度传感器被安装成输出沿着移动表面移动的移动装置相对于所述移动表面在竖直轴方向上的加速度，并且，所述陀螺仪传感器被安装成输出绕竖直轴的角速度。该方法还包括：当加速度大于预设基准加速度并且角速度小于预设的基准角速度时，假设角速度为零，并且计算移动装置的绕竖直轴的姿势角。该方法还包括输出计算出的姿势角的数据。

利用这样的构造，在姿势角计算方法中，当移动机器人的姿势相对稳定时，姿势角计算装置调整角速度的值，而当移动装置的姿势不是相对稳定时，姿势角计算装置不执行用于调整角速度的值的处理。

根据本公开，可以提供一种姿势角计算装置等，所述姿势角计算装置等在减小来自加速度传感器和陀螺仪传感器的数据的检测误差的同时计算姿势角。

从以下给出的详细描述和附图中将更全面地理解本公开的上述和其它目的、特征和优点，附图仅以说明的方式给出，因此不应被视为限制本公开。

附图说明

图1是示出根据本实施例的移动系统的概略构造的结构图；

图2是示出具备本实施例的姿势角计算装置的移动控制装置的构造的图；并且

图3是示出根据本实施例的姿势角计算装置的处理的流程图。

具体实施方式

为了说明的清楚，可以适当地省略或简化以下描述和附图。此外，附图中示出的作为执行各种处理的功能块的每个元件可以由CPU(中央处理单元)、存储器和硬件中其它的电路形成，并且可以通过以软件加载到存储器中的程序来实现。因此，本领域技术人员将理解，这些功能块可以仅通过硬件、仅软件或硬件和软件组合以各种方式实现而没有任何限制。因此，在以下描述中示出为电路的部件可以通过硬件或软件或硬件和软件两者来实现，并且示出为用于实现特定功能的电路的部件可以被指示为用于实现与该功能类似的功能的软件的一部分。例如，描述为控制电路的部件可以被描述为控制单元。在整个附图中，相同的部件由相同的附图标记表示，并且将适当地省略重复的描述。

可以使用任何类型的非暂时性计算机可读介质来存储程序并且将该程序提供给计算机。非暂时性计算机可读介质包括任何类型的有形存储介质。非暂时性计算机可读介质的示例包括磁存储介质(诸如软盘、磁带、硬盘驱动器等)、光磁存储介质(例如，磁光盘)、CD-ROM(只读存储器)、CD-R、CD-R/W和半导体存储器(诸如掩模ROM、PROM(可编程ROM)、EPROM(可擦除PROM)、闪存ROM、RAM(随机存取存储器)等)。可以使用任何类型的暂时性计算机可读介质将程序提供给计算机。暂时性计算机可读介质的示例包括电信号、光信号和电磁波。暂时性计算机可读介质可以经由有线通信线路(例如电线和光纤)或无线通信线路将程序提供给计算机。

[实施例]

在下文中，将参照附图描述根据本公开的实施例的姿势角计算装置等。在图1中，给出了右手正交坐标系。在图1中，x轴和y轴平行于地板表面G。z轴垂直于地板表面G。

图1是示出包括根据实施例的姿势角计算装置的移动系统的示意性构造的构造图。图1所示的移动系统1包括自主移动型的移动机器人10。移动机器人10包括各种传感器并且根据传感器的输出来控制驱动单元。移动机器人10包括用于计算姿势角的姿势角计算装置。姿势角计算装置具有减小传感器的误差的功能。移动系统1主要包括移动机器人10和操作装置90。

操作装置90具有用于操作移动机器人10的功能。操作装置90例如是平板终端、智能手机和个人计算机。操作装置90被可通信地连接到移动机器人10，并且从移动机器人10接收各种信息。操作装置90还包括例如用于向用户通知移动机器人10的状态的显示单元、用于用户指示移动机器人10操作的输入单元以及用于向移动机器人10发送信息和从移动机器人10接收信息的通信控制单元。

移动机器人10被可通信地连接到操作装置90，并且响应于来自操作装置90的指令沿着地板表面G移动。移动机器人10主要包括滑架11和主体12。滑架11的下表面与地板表面G接触，并且滑架11的上表面支撑主体12。主体12主要包括图像传感器13、机器人臂14、运动传感器15和机器人控制装置17。

滑架11是具有在地板表面G上移动的功能和使由滑架11支撑的主体12回转的功能的全向滑架。该全向滑架可以被称为全方位滑架、全向移动滑架或者全方位移动滑架。滑架11包括轮驱动单元110L、轮驱动单元110R、轮111L、轮111R、回转驱动单元112和框架113作为主要部件。

轮驱动单元110L和轮驱动单元110R中的每一个轮驱动单元分别是用于驱动与地板表面G接触的轮111L和轮111R的致动器。轮111L和轮111R被彼此同轴地间隔开，并且可以被彼此独立地驱动。因此，当轮111L和轮111R在相同方向上同步旋转时，滑架11直线行进。当轮111L的旋转速度或旋转方向分别不同于轮111R的旋转速度或旋转方向时，滑架11在根据差异回转的同时行进或在不移动的情况下回转。轮驱动单元110L和轮驱动单元110R被设置在框架113上。滑架11包括非驱动轮(未示出)。非驱动轮将滑架11支撑在地板表面G上并且分别跟随轮111L和轮111R。

回转驱动单元112具有使主体12回转的功能。回转驱动单元112被设置在框架113上并且包括沿与地板表面G垂直的z轴方向的回转轴。回转驱动单元112也包括用于使回转驱动单元112旋转的致动器。因此，当回转驱动单元112旋转时，移动机器人10的主体12改变绕回转轴的姿势角。

图像传感器13捕获包括主体部分的机器人臂14的图像。由图像传感器13捕获到的图像的数据用于识别移动机器人10周围的物体。由图像传感器13捕获到的图像的数据用于控制机器人臂14。

机器人臂14是被设置在主体12上的关节臂。机器人臂14从主体12延伸并且在该机器人臂14的远端处包括机器人手140。机器人臂14和机器人手140中的每一个在它们的关节部中包括致动器，并且机器人臂14和机器人手140中的每一个可以根据从操作装置90接收到的指令执行抓取或释放物体的操作。

运动传感器15具有检测移动机器人10的运动和姿势的变化的功能。运动传感器15包括加速度传感器151和陀螺仪传感器152。加速度传感器151检测x轴方向上的加速度a_x、y轴方向上的加速度a_y和z轴方向上的加速度a_z，并且然后将检测到的加速度的值输出。加速度传感器151例如是压电电阻型、电容感测型或热感测型的加速度传感器。

陀螺仪传感器152检测绕x轴的角速度ω_x、绕y轴的角速度ω_y和绕z轴的角速度ω_z，并且然后将检测到的角速度的值输出。陀螺仪传感器152例如是使用科里奥利力检测角速度的振动陀螺仪传感器。

机器人控制装置17接收来自每个部件的信号、处理接收到的信号并且基于处理的结果适当地向每个部件发送指令。机器人控制装置17由基板构成，在该基板上安装有多个半导体等。例如，机器人控制装置17接收来自操作装置90的指令，并且基于接收到的指令操作移动机器人10的每个部件。

将参考图2描述机器人控制装置17的细节。图2是示出根据该实施例的机器人控制装置的构造的视图。机器人控制装置17主要包括姿势角计算装置170、滑架控制装置180和存储器190。

姿势角计算装置170接收运动传感器15的输出、基于接收到的输出计算移动机器人10的姿势角，然后将计算结果输出到滑架控制装置。姿势角计算装置170包括获取单元171、计算单元172和输出单元173。

获取单元171是接收来自运动传感器15的输出的接口。获取单元171获取加速度传感器151的输出和陀螺仪传感器152的输出。获取单元171将获取到的每个传感器的输出供给到计算单元172。

计算单元172从获取单元171接收相应的传感器的输出，并且计算移动机器人10的姿势角。计算单元172被连接到存储器190，并且适当地获取存储在存储器190中的数据。具体地，例如，计算单元172获取存储在存储器190中的程序，并且基于获取到的程序计算姿势角。计算单元172将计算出的姿势角的数据供给到输出单元173。

输出单元173是接收由计算单元172计算出的姿势角的数据并且将该姿势角输出到滑架控制装置180的接口。

滑架控制装置110具有控制包括在滑架11中的轮驱动单元110L、轮驱动单元110R和回转驱动单元112的驱动中的每一个驱动的功能。即，滑架控制装置118包括回转控制单元181，所述回转控制单元181用于控制滑架11的姿势角。回转控制单元181具有通过控制轮驱动单元110L、轮驱动单元110R和回转驱动单元112中的每一个驱动单元来改变滑架11的姿势角的功能。

存储器190被连接到计算单元172，并且适当地将存储的数据供应到计算单元172。存储器190是由易失性或非易失性存储器(例如DRAM(动态随机存取存储器)、闪存、SSD(固态驱动器)或其组合)组成的存储装置。

接着，将参考图3描述姿势角计算装置的处理。姿势角计算装置170执行用于在预设条件下减小运动传感器15的误差的处理。图3是示出根据本实施例的姿势角计算装置的处理的流程图。

首先，姿势角计算装置170获取运动传感器15的输出(步骤S10)。如上所述，获取到的运动传感器15的输出被提供到计算单元172。

接着，姿势角计算装置170确定获取到的输出中的z轴方向上的加速度a_z是否大于预设基准加速度Rg，以及绕z轴的角速度ω_z的绝对值是否小于基准角速度Rw(步骤S11)。也就是说，姿势角计算装置170判定以下表达式(1)和(2)是否成立。

[表达式1]

a_z＞Rg (1)

[表达式2]

|ωz|＜Rw (2)

这里将描述姿势角计算装置170计算表达式(1)的原因。姿势角计算装置170通过计算表达式(1)来判定地板表面G是否倾斜。也就是说，当沿着移动表面移动的移动机器人10位于水平面上时，与作为移动表面的地板表面G垂直的z轴方向与重力方向对齐。因此，在这种情况下，z轴方向上的加速度a_z约为9.8m/s²。当移动机器人10位于其上的地板表面G倾斜时，z轴和重力方向形成与地板表面G的倾斜相对应的角度。因此，在这种情况下，加速度a_z小于约9.8m/s²。因此，基准加速度Rg例如可以设定为静止状态下的重力加速度的90％。当基准加速度Rg被设定为静止状态下的重力加速度的90％时，姿势角计算装置170基于从加速度传感器151获取到的z轴方向上的加速度的输出来判定移动机器人10是否位于接近相对水平的地板表面G上。

接着，将描述姿势角计算装置170计算表达式(2)的原因。姿势角计算装置170计算表达式(2)以判定移动机器人10是否正在执行回转操作。也就是说，当移动机器人10正在执行回转操作时，根据回转操作输出从陀螺仪传感器152获取的绕z轴的角速度ω_z。然而，陀螺仪传感器152的输出可能包括错误。例如，使用振动MEMS(微机电系统)技术的陀螺仪传感器可能在没有产生角速度的状态下产生小输出。如果使用这样的输出来计算姿势角，则不能执行正确的计算。此外，姿势角计算装置170通过对从陀螺仪传感器152输出的角速度进行积分来计算角度。因此，当包括来自陀螺仪传感器152的误差的输出被原样连续使用时，可能误差会逐渐积累。为了通过执行稍后描述的处理来减小上述误差，姿势角计算装置170确定来自陀螺仪传感器152的输出的幅度(绝对值)是否小于基准角速度Rw。基准角速度Rw例如是0.6deg/s(0.6度/秒)。

在步骤S11中，当表达式(1)和(2)中的至少一个不成立时(步骤S11：否)，姿势角计算装置170执行用于计算姿势角的处理(步骤S13)。

另一方面，当在步骤S11中表达式(1)和(2)都成立(步骤S11：是)时，姿势角计算装置170执行将绕z轴的角速度ω_z设定为零的处理(步骤S12)。也就是说，姿势角计算装置170执行以下等式(3)的处理。

[等式3]

|ωz|＝0 (3)

具体地，姿势角计算装置170执行用于调整角速度ω_z的值的处理，即，假设绕z轴的角速度ω_z为零。

接着，姿势角计算装置170假设角速度ω_z为零，并且计算姿势角(步骤S14)。接着，姿势角计算装置170输出计算结果(步骤S14)。

如上所述，当加速度a_z大于预设基准加速度Rg并且角速度ω_z小于预设基准角速度Rw时，姿势角计算装置170假设角速度ω_z为零，并且计算移动机器人10绕竖直轴的姿势角。

当移动机器人10的姿势角改变时，优选地，回转控制单元181控制回转驱动单元，使得移动机器人10以不小于基准角速度的十倍的角速度回转。换句话说，优选地，基准角速度Rw充分小于回转控制单元181控制回转驱动单元的角速度。这样的设定使得即使当移动机器人10执行上述处理时，移动机器人10也能够区分回转控制单元181改变姿势角的情况和回转控制单元181不改变姿势角的情况，并且仅包括在陀螺仪传感器152的输出中的误差被输出。

利用这样的构造，当移动机器人的姿势相对稳定时，根据本实施例的姿势角计算装置调整角速度的值，而当移动装置的姿势不是相对稳定时，姿势角计算装置不执行用于调整角速度值的处理。因此，根据本实施例，可以提供一种姿势角计算装置等，该姿势角计算装置在减小加速度传感器和陀螺仪传感器的数据中的检测误差的同时计算姿势角。

注意，本公开不限于上述实施例，并且可以在不脱离本公开的精神的情况下如下适当地改变。

例如，尽管在该实施例中已经描述了移动机器人，但是该实施例可以用于例如汽车、自行车、船舶或气垫船，只要它是沿着移动表面移动的移动装置即可。

另外，在该实施例中描述了三轴加速度传感器151和三轴陀螺仪传感器。替代地，加速度传感器可以输出在z轴方向上的加速度。此外，陀螺仪传感器可以输出绕z轴的角速度。在这种情况下，姿势角计算装置可以分别获取与z轴正交的轴向方向上的加速度和绕与z轴正交的轴的角速度。

在该实施例中，姿势角计算装置170被包括在移动机器人10中。替代地，姿势角计算装置170可以不被包括在移动机器人10中，而是可以被包括在通信地连接到移动机器人10的操作装置90等中。

从如此描述的公开内容，将显而易见的是，本公开的实施例可以以多种方式变化。不应将这些变化视为脱离本公开的精神和范围，并且对于本领域技术人员显而易见的所有这些变型旨在包括在所附权利要求的范围内。

Claims (7)

1.一种姿势角计算装置，包括：

获取单元，所述获取单元被构造成获取加速度传感器的输出和获取陀螺仪传感器的输出，其中，所述加速度传感器被安装成输出沿着移动表面移动的移动装置相对于所述移动表面在竖直轴方向上的加速度，并且所述陀螺仪传感器被安装成输出绕所述竖直轴的角速度；以及

计算单元，所述计算单元被构造成：当所述加速度大于预设的基准加速度并且所述角速度小于预设的基准角速度时，假设所述角速度为零，并且计算所述移动装置的绕所述竖直轴的姿势角；以及

输出单元，所述输出单元被构造成输出计算出的姿势角的数据。

2.根据权利要求1所述的姿势角计算装置，其中：

所述获取单元获取三个轴的方向上的加速度和绕所述三个轴的角速度，所述三个轴包括所述竖直轴和与所述竖直轴正交的两个轴，并且

所述计算单元基于绕所述三个轴中的每一个轴的角速度和所述三个轴的方向上的加速度中的每一个来计算所述移动装置的绕所述三个轴的方向的所述姿势角。

3.根据权利要求1或2所述的姿势角计算装置，其中，所述基准加速度是静止状态下的重力加速度的90％。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的姿势角计算装置，其中，所述基准角速度是0.6deg/s。

5.一种移动装置，包括：

根据权利要求1至4中的任一项所述的姿势角计算装置；

加速度传感器，所述加速度传感器被构造成检测所述加速度并且将检测到的加速度输出到所述姿势角计算装置；

陀螺仪传感器，所述陀螺仪传感器被构造成检测所述角速度并且将检测到的角速度输出到所述姿势角计算装置；以及

回转控制单元，所述回转控制单元被构造成控制回转驱动单元并且通过驱动所述回转驱动单元来控制所述姿势角，其中，所述回转驱动单元执行绕所述竖直轴的回转运动。

6.一种姿势角计算方法，包括：

获取加速度传感器的输出和获取陀螺仪传感器的输出，其中，所述加速度传感器被安装成输出沿着移动表面移动的移动装置相对于所述移动表面在竖直轴方向上的加速度，并且所述陀螺仪传感器被安装成输出绕所述竖直轴的角速度；

当所述加速度大于预设的基准加速度并且所述角速度小于预设的基准角速度时，假设所述角速度为零，并且计算所述移动装置的绕所述竖直轴的姿势角；以及

输出计算出的姿势角的数据。

7.一种计算机可读介质，所述计算机可读介质存储用于使计算机执行姿势角计算方法的控制程序，所述姿势角计算方法包括：

获取加速度传感器的输出和获取陀螺仪传感器的输出，其中，所述加速度传感器被安装成输出沿着移动表面移动的移动装置相对于所述移动表面在竖直轴方向上的加速度，并且所述陀螺仪传感器被安装成输出绕所述竖直轴的角速度；

当所述加速度大于预设的基准加速度并且所述角速度小于预设的基准角速度时，假设所述角速度为零，并且计算所述移动装置的绕所述竖直轴的姿势角；以及

输出计算出的姿势角的数据。