JP2000180172A - 姿勢角検出装置 - Google Patents
姿勢角検出装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 使用する場所や環境の制限を緩和し、幅広く
使用できる姿勢角検出装置の提供。 【解決手段】 ジャイロ１２ａ、１２ｂ、１２ｃの出力
に基づいて運動角を演算する運動角演算装置１８と、加
速度センサ２３ａ、２３ｂ及び地磁気センサ２２ａ、２
２ｂの出力に基づいてロール角、ピッチ角、ヨー角を演
算する静止角演算装置２４の演算結果を判別演算する判
別装置３２の演算結果に応じて姿勢角を演算する姿勢角
演算装置４２から構成された姿勢角検出装置。
使用できる姿勢角検出装置の提供。 【解決手段】 ジャイロ１２ａ、１２ｂ、１２ｃの出力
に基づいて運動角を演算する運動角演算装置１８と、加
速度センサ２３ａ、２３ｂ及び地磁気センサ２２ａ、２
２ｂの出力に基づいてロール角、ピッチ角、ヨー角を演
算する静止角演算装置２４の演算結果を判別演算する判
別装置３２の演算結果に応じて姿勢角を演算する姿勢角
演算装置４２から構成された姿勢角検出装置。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、特に、移動体の姿
勢検出や姿勢制御、バーチャルリアリティ等に使用され
るヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤという）
のうち頭の姿勢角を検出するトラッカー、３Ｄゲームパ
ッド等、３次元空間中で対象物の姿勢角（３軸の回転
角）の検出に用いるのに適した姿勢角検出装置に関す
る。
勢検出や姿勢制御、バーチャルリアリティ等に使用され
るヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤという）
のうち頭の姿勢角を検出するトラッカー、３Ｄゲームパ
ッド等、３次元空間中で対象物の姿勢角（３軸の回転
角）の検出に用いるのに適した姿勢角検出装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来、バーチャルリアリティーに使用さ
れ、頭の動きを検出する方法として、外部に設置された
交流磁場発生源から微弱交流磁場を発生し、ＨＭＤに配
置したセンサ部で検知し、制御演算部で頭の動きを検出
する交流磁場を利用する方法や、外部に設置された超音
波発生源からの超音波信号をＨＭＤに配置したセンサ部
で検知し、制御演算部で頭の動きを検出する超音波を利
用する方法がある。
れ、頭の動きを検出する方法として、外部に設置された
交流磁場発生源から微弱交流磁場を発生し、ＨＭＤに配
置したセンサ部で検知し、制御演算部で頭の動きを検出
する交流磁場を利用する方法や、外部に設置された超音
波発生源からの超音波信号をＨＭＤに配置したセンサ部
で検知し、制御演算部で頭の動きを検出する超音波を利
用する方法がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
交流磁場を利用した方法では、信号発生源が微弱交流磁
場のため、ノイズをキャンセルするためにフィルタを多
用することにより応答性が低下し、頭の動きに比べて、
ＨＭＤの映像の動きが遅くなり、気分を悪くしたり、酔
いを発生する場合があった。
交流磁場を利用した方法では、信号発生源が微弱交流磁
場のため、ノイズをキャンセルするためにフィルタを多
用することにより応答性が低下し、頭の動きに比べて、
ＨＭＤの映像の動きが遅くなり、気分を悪くしたり、酔
いを発生する場合があった。
【０００４】また、後者の超音波を利用した方法では、
他の様々な超音波信号の影響を受けての誤動作や、信号
発生源とセンサとの間の遮蔽物により信号を検出できな
くなる可能性があり、センサの前に腕や髪の毛があるだ
けで受信不能になり、誤動作してしまうなどの問題があ
った。
他の様々な超音波信号の影響を受けての誤動作や、信号
発生源とセンサとの間の遮蔽物により信号を検出できな
くなる可能性があり、センサの前に腕や髪の毛があるだ
けで受信不能になり、誤動作してしまうなどの問題があ
った。
【０００５】従って、本発明は、上記問題点を解消し、
使用する場所や環境の制限を緩和し、幅広く使用できる
姿勢角検出装置を提供するものである。
使用する場所や環境の制限を緩和し、幅広く使用できる
姿勢角検出装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、水平面で直交
するＸ軸、Ｙ軸及び該Ｘ軸、Ｙ軸のそれぞれに直交する
Ｚ軸回りの角速度を検出する３個のジャイロと、該ジャ
イロの角速度に応じた出力に基づいて、Ｚ軸回りの回転
角であるヨー角、Ｚ軸の回りにヨー角だけ座標軸を回し
た後の新しいＹ軸回りの回転角であるピッチ角及びＺ軸
の回りにヨー角だけ回し、新しいＹ軸の回りにピッチ角
だけ回した後のさらに新しいＸ軸回りの回転角であるロ
ール角を演算する運動角演算装置と、少なくともＸ−Ｙ
平面で互いに直交する２軸の加速度を検出するように配
置され、ロ−ル角、ピッチ角を検出するための加速度セ
ンサと、少なくとも前記２軸の地磁気を検出するよう配
置される地磁気センサと、該加速度センサ及び地磁気セ
ンサの出力に基づいて、ロール角、ピッチ角及びヨー角
を演算する静止角演算装置と、該静止角演算装置による
演算結果の真偽を判定演算する判別装置と、該判別装置
の演算結果に応じて、前記運動角演算装置及び静止角演
算装置の演算結果から出力する姿勢角を演算する姿勢角
演算装置とから構成される姿勢角検出装置であって、前
記判別装置により、２軸の加速度センサおよび、２軸の
地磁気センサからなる静止角検出手段から求められる仮
のヨー角Φ・仮のピッチ角Ｐ・仮のロール角Ｒの検出結
果が正しいかどうかの判別手段として、加速度センサの
現在の出力Ａｘ（ｎ）から演算して得られた仮のロール
角をＲ（ｎ）、演算する単位時間で１単位時間過去の出
力Ａｘ（ｎ−１）から得られた仮のロール角演算結果を
Ｒ（ｎ−１）とし、同様に加速度センサの現在の出力Ａ
ｙ（ｎ）から演算して得られた仮のピッチ角をＰ
（ｎ）、演算する単位時間で１単位時間過去の出力Ａｙ
（ｎ−１）から得られた仮のピッチ角をＰ（ｎ−１）、
地磁気センサの出力Ｍｘ（ｎ）、Ｍｙ（ｎ）及び計算か
ら得られるＭｚ（ｎ）から演算して得られた仮のヨー角
をΦ（ｎ）、１単位時間過去の仮のヨー角をΦ（ｎ−
１）とし、ジャイロの出力Ｇｘ（ｎ）、Ｇｙ（ｎ）、Ｇ
ｚ（ｎ）から演算して得られた仮のロール角変化をΔＸ
（ｎ）、仮のピッチ角変化をΔＹ（ｎ）、仮のヨー角変
化をΔＺ（ｎ）とすると、数１、数２、数３のいずれか
が真の時にそれに対応する仮の姿勢角Ｒ・Ｐ・Φは正し
いと判別することを特徴とする姿勢角検出装置である。
するＸ軸、Ｙ軸及び該Ｘ軸、Ｙ軸のそれぞれに直交する
Ｚ軸回りの角速度を検出する３個のジャイロと、該ジャ
イロの角速度に応じた出力に基づいて、Ｚ軸回りの回転
角であるヨー角、Ｚ軸の回りにヨー角だけ座標軸を回し
た後の新しいＹ軸回りの回転角であるピッチ角及びＺ軸
の回りにヨー角だけ回し、新しいＹ軸の回りにピッチ角
だけ回した後のさらに新しいＸ軸回りの回転角であるロ
ール角を演算する運動角演算装置と、少なくともＸ−Ｙ
平面で互いに直交する２軸の加速度を検出するように配
置され、ロ−ル角、ピッチ角を検出するための加速度セ
ンサと、少なくとも前記２軸の地磁気を検出するよう配
置される地磁気センサと、該加速度センサ及び地磁気セ
ンサの出力に基づいて、ロール角、ピッチ角及びヨー角
を演算する静止角演算装置と、該静止角演算装置による
演算結果の真偽を判定演算する判別装置と、該判別装置
の演算結果に応じて、前記運動角演算装置及び静止角演
算装置の演算結果から出力する姿勢角を演算する姿勢角
演算装置とから構成される姿勢角検出装置であって、前
記判別装置により、２軸の加速度センサおよび、２軸の
地磁気センサからなる静止角検出手段から求められる仮
のヨー角Φ・仮のピッチ角Ｐ・仮のロール角Ｒの検出結
果が正しいかどうかの判別手段として、加速度センサの
現在の出力Ａｘ（ｎ）から演算して得られた仮のロール
角をＲ（ｎ）、演算する単位時間で１単位時間過去の出
力Ａｘ（ｎ−１）から得られた仮のロール角演算結果を
Ｒ（ｎ−１）とし、同様に加速度センサの現在の出力Ａ
ｙ（ｎ）から演算して得られた仮のピッチ角をＰ
（ｎ）、演算する単位時間で１単位時間過去の出力Ａｙ
（ｎ−１）から得られた仮のピッチ角をＰ（ｎ−１）、
地磁気センサの出力Ｍｘ（ｎ）、Ｍｙ（ｎ）及び計算か
ら得られるＭｚ（ｎ）から演算して得られた仮のヨー角
をΦ（ｎ）、１単位時間過去の仮のヨー角をΦ（ｎ−
１）とし、ジャイロの出力Ｇｘ（ｎ）、Ｇｙ（ｎ）、Ｇ
ｚ（ｎ）から演算して得られた仮のロール角変化をΔＸ
（ｎ）、仮のピッチ角変化をΔＹ（ｎ）、仮のヨー角変
化をΔＺ（ｎ）とすると、数１、数２、数３のいずれか
が真の時にそれに対応する仮の姿勢角Ｒ・Ｐ・Φは正し
いと判別することを特徴とする姿勢角検出装置である。
【０００７】
【数１】
【０００８】
【数２】
【０００９】
【数３】
【００１０】また、本発明は、前記判別装置により、前
記仮のヨー角Φ・仮のピッチ角Ｐ・仮のロール角Ｒの検
出結果が、正しいかどうかの判別手段として、前記Ｒ
（ｎ）、Ｒ（ｎ−１）、Ｐ（ｎ）、Ｐ（ｎ−１）、Φ
（ｎ）、Φ（ｎ−１）、ΔＸ（ｎ）、ΔＹ（ｎ）、ΔＺ
（ｎ）、任意の自然数Ｃより、数４、数５、数６のいず
れかが真の時にそれに対応する仮の姿勢角Ｒ・Ｐ・Φは
正しいと判別することを特徴とする姿勢角検出装置であ
る。
記仮のヨー角Φ・仮のピッチ角Ｐ・仮のロール角Ｒの検
出結果が、正しいかどうかの判別手段として、前記Ｒ
（ｎ）、Ｒ（ｎ−１）、Ｐ（ｎ）、Ｐ（ｎ−１）、Φ
（ｎ）、Φ（ｎ−１）、ΔＸ（ｎ）、ΔＹ（ｎ）、ΔＺ
（ｎ）、任意の自然数Ｃより、数４、数５、数６のいず
れかが真の時にそれに対応する仮の姿勢角Ｒ・Ｐ・Φは
正しいと判別することを特徴とする姿勢角検出装置であ
る。
【００１１】
【数４】
【００１２】
【数５】
【００１３】
【数６】
【００１４】また、本発明は、前記３軸のジャイロの出
力のいずれかがほぼ０であれば判別装置により仮の姿勢
角Ｒ・Ｐ・Φが正しいと判別された時でもそのジャイロ
に対応する仮の姿勢角Ｒ・Ｐ・Φは誤っていると判別す
ることを特徴とする姿勢角検出装置である。
力のいずれかがほぼ０であれば判別装置により仮の姿勢
角Ｒ・Ｐ・Φが正しいと判別された時でもそのジャイロ
に対応する仮の姿勢角Ｒ・Ｐ・Φは誤っていると判別す
ることを特徴とする姿勢角検出装置である。
【００１５】また、本発明は、前記求めるべき出力をロ
ール角α（ｎ）、ピッチ角β（ｎ）、ヨー角γ（ｎ）、
運動角検出手段から求められる運動角を仮のロール角変
化ΔＸ（ｎ）、仮のピッチ角変化ΔＹ（ｎ）、仮のヨー
角変化ΔＺ（ｎ）、静止角検出手段から求められる静止
角を仮のロール角Ｒ（ｎ）、仮のピッチ角Ｐ（ｎ）、仮
のヨー角Φ（ｎ）、求めるべき出力と静止角との誤差α
（ｎ−１）＋ΔＸ（ｎ）−Ｒ（ｎ）、β（ｎ−１）＋Δ
Ｙ（ｎ）−Ｐ（ｎ）、γ（ｎ−１）＋ΔＺ（ｎ）−Φ
（ ｎ）に比例した変数、または該誤差より大きくない
一定定数をＣ１，Ｃ２，Ｃ３とすると、判別装置の判別
結果により、 静止角検出手段からのそれぞれの姿勢角
情報Ｒ・Ｐ・Φのうち正しいと判別された姿勢角情報に
対応する姿勢角は、α（ｎ）＝α（ｎ−１）＋ΔＸ
（ｎ）−Ｃ１、β（ｎ）＝β（ｎ−１）＋ΔＹ（ｎ）−
Ｃ２、γ（ｎ）＝γ（ｎ−１）＋ΔＺ（ｎ）−Ｃ３によ
り、また、静止角検出手段からのそれぞれの姿勢角情報
Ｒ・Ｐ・Φのうち誤りと判別された姿勢角情報に対応す
る姿勢角は、α（ｎ）＝α（ｎ−１）＋ΔＸ（ｎ）、β
（ｎ）＝β（ｎ−１）＋ΔＹ（ｎ）、γ（ｎ）＝γ（ｎ
−１）＋ΔＺ（ｎ）により演算し、1軸ずつ個別に演算
することを特徴とする姿勢角検出装置である。
ール角α（ｎ）、ピッチ角β（ｎ）、ヨー角γ（ｎ）、
運動角検出手段から求められる運動角を仮のロール角変
化ΔＸ（ｎ）、仮のピッチ角変化ΔＹ（ｎ）、仮のヨー
角変化ΔＺ（ｎ）、静止角検出手段から求められる静止
角を仮のロール角Ｒ（ｎ）、仮のピッチ角Ｐ（ｎ）、仮
のヨー角Φ（ｎ）、求めるべき出力と静止角との誤差α
（ｎ−１）＋ΔＸ（ｎ）−Ｒ（ｎ）、β（ｎ−１）＋Δ
Ｙ（ｎ）−Ｐ（ｎ）、γ（ｎ−１）＋ΔＺ（ｎ）−Φ
（ ｎ）に比例した変数、または該誤差より大きくない
一定定数をＣ１，Ｃ２，Ｃ３とすると、判別装置の判別
結果により、 静止角検出手段からのそれぞれの姿勢角
情報Ｒ・Ｐ・Φのうち正しいと判別された姿勢角情報に
対応する姿勢角は、α（ｎ）＝α（ｎ−１）＋ΔＸ
（ｎ）−Ｃ１、β（ｎ）＝β（ｎ−１）＋ΔＹ（ｎ）−
Ｃ２、γ（ｎ）＝γ（ｎ−１）＋ΔＺ（ｎ）−Ｃ３によ
り、また、静止角検出手段からのそれぞれの姿勢角情報
Ｒ・Ｐ・Φのうち誤りと判別された姿勢角情報に対応す
る姿勢角は、α（ｎ）＝α（ｎ−１）＋ΔＸ（ｎ）、β
（ｎ）＝β（ｎ−１）＋ΔＹ（ｎ）、γ（ｎ）＝γ（ｎ
−１）＋ΔＺ（ｎ）により演算し、1軸ずつ個別に演算
することを特徴とする姿勢角検出装置である。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、図面によって本発明の実施
の形態について説明する。
の形態について説明する。
【００１７】図１は、姿勢角検出装置を適用したＨＭＤ
の一例を示し、このＨＭＤは、目前にあるディスプレイ
に表示された映像が使用者の頭の動きに連動して変化
し、仮想空間を体験できるように設けられているもの
で、このＨＭＤを装着したまま右を向くと、姿勢角検出
装置で計測した頭の姿勢角を映像発生装置に送信し、映
像発生装置は、その姿勢角にあった映像をＨＭＤに送信
するので、右に展開する映像が映し出され、頭の動きに
よって全空間の３６０度の映像を実感できるように設け
られているものである。
の一例を示し、このＨＭＤは、目前にあるディスプレイ
に表示された映像が使用者の頭の動きに連動して変化
し、仮想空間を体験できるように設けられているもの
で、このＨＭＤを装着したまま右を向くと、姿勢角検出
装置で計測した頭の姿勢角を映像発生装置に送信し、映
像発生装置は、その姿勢角にあった映像をＨＭＤに送信
するので、右に展開する映像が映し出され、頭の動きに
よって全空間の３６０度の映像を実感できるように設け
られているものである。
【００１８】図１に示すように、符号１は、ＨＭＤ本体
を示し、このＨＭＤ本体１には、本発明である姿勢角検
出装置２が配置され、信号ケーブル４で映像発生装置７
に接続されている。
を示し、このＨＭＤ本体１には、本発明である姿勢角検
出装置２が配置され、信号ケーブル４で映像発生装置７
に接続されている。
【００１９】図２は、本発明における姿勢角検出装置の
全体構成を示すブロック図である。図２に示すように、
３個のジャイロ１２ａ，１２ｂ，１２ｃの出力から仮の
姿勢角を演算して求める運動角演算装置１８を備えた運
動角検出手段１１と、２個の地磁気センサ２２ａ，２２
ｂと２個の加速度センサ２３ａ，２３ｂから静止角を求
める静止角演算装置２４を備えた静止角検出手段２１
と、この静止角検出手段２１で求めた姿勢角に誤差が含
まれるかどうか（例えば、直線的な加速度が加わって、
傾斜計としての加速度センサに傾斜以外の信号が含まれ
る場合）を判別する判別装置３２と、運動角演算装置１
８、静止角演算装置２４及び判別装置３２からの信号を
処理する姿勢角演算装置４２とで構成されている。
全体構成を示すブロック図である。図２に示すように、
３個のジャイロ１２ａ，１２ｂ，１２ｃの出力から仮の
姿勢角を演算して求める運動角演算装置１８を備えた運
動角検出手段１１と、２個の地磁気センサ２２ａ，２２
ｂと２個の加速度センサ２３ａ，２３ｂから静止角を求
める静止角演算装置２４を備えた静止角検出手段２１
と、この静止角検出手段２１で求めた姿勢角に誤差が含
まれるかどうか（例えば、直線的な加速度が加わって、
傾斜計としての加速度センサに傾斜以外の信号が含まれ
る場合）を判別する判別装置３２と、運動角演算装置１
８、静止角演算装置２４及び判別装置３２からの信号を
処理する姿勢角演算装置４２とで構成されている。
【００２０】図３は、本発明の姿勢角検出装置における
ジャイロ、加速度センサ、地磁気センサの配置を示す説
明図である。図３に示すように、互いに直交する３軸
（水平面で直交する軸をＸ軸、Ｙ軸、そのＸ軸、Ｙ軸そ
れぞれに直交する軸をＺ軸、Ｚ軸回りの回転角をヨー
角、Ｚ軸の回りにヨー角だけ座標軸を回した後の新しい
Ｙ軸回りの回転角をピッチ角及びＺ軸の回りにヨー角だ
け回し、新しいＹ軸の回りにピッチ角だけ回した後のさ
らに新しいＸ軸回りの回転角をロール角と記す）の回り
の角速度を検出するための第１のジャイロ１２ａ、第２
のジャイロ１２ｂ及び第３のジャイロ１２ｃは、センサ
座標Ｘ、Ｙ、Ｚ軸各軸に平行に、即ち互いに直交して配
置されている。ヨー角を検出する第１の地磁気センサ２
２ａ及び第２の地磁気センサ２２ｂは、水平面で互いに
直交する２軸（ここでは、センサ座標Ｘ軸及びＹ軸）と
で構成されている。同様に、第１の加速度センサ２３ａ
及び第２の加速度センサ２３ｂは、水平面で互いに直交
する２軸（ここでは、センサ座標Ｘ軸及びＹ軸）に配置
されている。ジャイロは、圧電セラミック、圧電単結
晶、あるいは、シリコン等の非磁性材料からなる振動子
を用いることができる。尚、本実施の形態では、（株）
トーキン製の圧電振動セラミックジャイロを用いた。
ジャイロ、加速度センサ、地磁気センサの配置を示す説
明図である。図３に示すように、互いに直交する３軸
（水平面で直交する軸をＸ軸、Ｙ軸、そのＸ軸、Ｙ軸そ
れぞれに直交する軸をＺ軸、Ｚ軸回りの回転角をヨー
角、Ｚ軸の回りにヨー角だけ座標軸を回した後の新しい
Ｙ軸回りの回転角をピッチ角及びＺ軸の回りにヨー角だ
け回し、新しいＹ軸の回りにピッチ角だけ回した後のさ
らに新しいＸ軸回りの回転角をロール角と記す）の回り
の角速度を検出するための第１のジャイロ１２ａ、第２
のジャイロ１２ｂ及び第３のジャイロ１２ｃは、センサ
座標Ｘ、Ｙ、Ｚ軸各軸に平行に、即ち互いに直交して配
置されている。ヨー角を検出する第１の地磁気センサ２
２ａ及び第２の地磁気センサ２２ｂは、水平面で互いに
直交する２軸（ここでは、センサ座標Ｘ軸及びＹ軸）と
で構成されている。同様に、第１の加速度センサ２３ａ
及び第２の加速度センサ２３ｂは、水平面で互いに直交
する２軸（ここでは、センサ座標Ｘ軸及びＹ軸）に配置
されている。ジャイロは、圧電セラミック、圧電単結
晶、あるいは、シリコン等の非磁性材料からなる振動子
を用いることができる。尚、本実施の形態では、（株）
トーキン製の圧電振動セラミックジャイロを用いた。
【００２１】最初に、本発明の姿勢角検出装置のうち、
判別装置について示す。２軸の加速度センサと２軸の地
磁気センサからなる静止角検出手段から求められる仮の
姿勢角が正しいかどうかを判断する判別装置は、次のと
おりである。
判別装置について示す。２軸の加速度センサと２軸の地
磁気センサからなる静止角検出手段から求められる仮の
姿勢角が正しいかどうかを判断する判別装置は、次のと
おりである。
【００２２】即ち、２軸の加速度センサ出力から得られ
るＸ軸方向の加速度Ａｘ（ｎ）及びＹ軸方向の加速度Ａ
ｙ（ｎ）より、ロール角Ｒ（ｎ）及びピッチ角Ｐ（ｎ）
を数７、数８より求める。
るＸ軸方向の加速度Ａｘ（ｎ）及びＹ軸方向の加速度Ａ
ｙ（ｎ）より、ロール角Ｒ（ｎ）及びピッチ角Ｐ（ｎ）
を数７、数８より求める。
【００２３】
【数７】
【００２４】
【数８】
【００２５】ここで、Ａｘ（ｎ）、Ａｙ（ｎ）は、重力
加速度のＸ、Ｙ軸方向傾斜角成分と運動加速度の合成ベ
クトルなので、運動加速度がある場合には正しいロール
角、ピッチ角にならない。地磁気センサより求めたヨー
角についても途中の計算にロール角、ピッチ角を使用し
ているので同様に正しくない場合がある。そこで、運動
角検出手段で求められたΔＸ（ｎ）、ΔＹ（ｎ）及びΔ
Ｚ（ｎ）を用いて、Ｒ（ｎ）の変化分がΔＸ（ｎ）の近
傍である、あるいはＰ（ｎ）の変化分がΔＹ（ｎ）の近
傍であるならば、その軸に対しては運動加速度がない、
即ちＲ（ｎ）、あるいはＰ（ｎ）が正しいと判断する。
そうでない場合は、運動加速度があると判断する。同様
にΦ（ｎ）の変化分とΔＺ（ｎ）についても比較をす
る。数９、数１０あるいは数１１のうち、式が真のもの
については対応する静止角検出手段からの姿勢角情報Ｒ
・Ｐ・Φは正しいと判定する。
加速度のＸ、Ｙ軸方向傾斜角成分と運動加速度の合成ベ
クトルなので、運動加速度がある場合には正しいロール
角、ピッチ角にならない。地磁気センサより求めたヨー
角についても途中の計算にロール角、ピッチ角を使用し
ているので同様に正しくない場合がある。そこで、運動
角検出手段で求められたΔＸ（ｎ）、ΔＹ（ｎ）及びΔ
Ｚ（ｎ）を用いて、Ｒ（ｎ）の変化分がΔＸ（ｎ）の近
傍である、あるいはＰ（ｎ）の変化分がΔＹ（ｎ）の近
傍であるならば、その軸に対しては運動加速度がない、
即ちＲ（ｎ）、あるいはＰ（ｎ）が正しいと判断する。
そうでない場合は、運動加速度があると判断する。同様
にΦ（ｎ）の変化分とΔＺ（ｎ）についても比較をす
る。数９、数１０あるいは数１１のうち、式が真のもの
については対応する静止角検出手段からの姿勢角情報Ｒ
・Ｐ・Φは正しいと判定する。
【００２６】
【数９】
【００２７】
【数１０】
【００２８】
【数１１】
【００２９】上記の判定結果をもとに、運動角検出手段
及び静止角検出手段から求められる運動角及び静止角か
ら、姿勢角演算装置により、本発明による姿勢角検出装
置が求めるべき姿勢角を演算する。この処理により、静
止時及び運動時ともに静止角が正しいかどうか判別する
ことができ、常に静止角によって運動角の誤差を補正す
ることができる。
及び静止角検出手段から求められる運動角及び静止角か
ら、姿勢角演算装置により、本発明による姿勢角検出装
置が求めるべき姿勢角を演算する。この処理により、静
止時及び運動時ともに静止角が正しいかどうか判別する
ことができ、常に静止角によって運動角の誤差を補正す
ることができる。
【００３０】また、本発明の他の実施の形態として、判
別装置の判別方法として、運動角検出手段で求められた
ΔＸ（ｎ）、ΔＹ（ｎ）及びΔＺ（ｎ）を用いて、Ｒ
（ｎ）の変化分移動平均がΔＸ（ｎ）移動平均の近傍で
ある、あるいはＰ（ｎ）の変化分移動平均がΔＹ（ｎ）
移動平均の近傍であるならば、その軸に対しては運動加
速度がない、即ちＲ（ｎ）、あるいはＰ（ｎ）が正しい
と判断する。そうでない場合は、運動加速度があると判
断する。同様にΦ（ｎ）の変化分移動平均とΔＺ（ｎ）
移動平均についても比較をする。数１２、数１３あるい
は数１４のうち、式が真のものについては対応する静止
角検出手段からの姿勢角情報Ｒ・Ｐ・Φは正しいと判定
する。ここでＣは任意の自然数であるが、今回は１０回
とした。
別装置の判別方法として、運動角検出手段で求められた
ΔＸ（ｎ）、ΔＹ（ｎ）及びΔＺ（ｎ）を用いて、Ｒ
（ｎ）の変化分移動平均がΔＸ（ｎ）移動平均の近傍で
ある、あるいはＰ（ｎ）の変化分移動平均がΔＹ（ｎ）
移動平均の近傍であるならば、その軸に対しては運動加
速度がない、即ちＲ（ｎ）、あるいはＰ（ｎ）が正しい
と判断する。そうでない場合は、運動加速度があると判
断する。同様にΦ（ｎ）の変化分移動平均とΔＺ（ｎ）
移動平均についても比較をする。数１２、数１３あるい
は数１４のうち、式が真のものについては対応する静止
角検出手段からの姿勢角情報Ｒ・Ｐ・Φは正しいと判定
する。ここでＣは任意の自然数であるが、今回は１０回
とした。
【００３１】
【数１２】
【００３２】
【数１３】
【００３３】
【数１４】
【００３４】上記の判定結果をもとに、運動角検出手段
及び静止角検出手段から求められる運動角及び静止角か
ら、姿勢角演算装置により、本発明による姿勢角検出装
置が求めるべき姿勢角を演算する。この処理により、静
止時及び運動時ともに静止角が正しいかどうか判別する
ことができ、常に静止角によって運動角の誤差を補正す
ることができる。さらに、移動平均を用いることにより
ノイズの影響を軽減することができ、補正頻度の向上が
実現できる。
及び静止角検出手段から求められる運動角及び静止角か
ら、姿勢角演算装置により、本発明による姿勢角検出装
置が求めるべき姿勢角を演算する。この処理により、静
止時及び運動時ともに静止角が正しいかどうか判別する
ことができ、常に静止角によって運動角の誤差を補正す
ることができる。さらに、移動平均を用いることにより
ノイズの影響を軽減することができ、補正頻度の向上が
実現できる。
【００３５】次に、本発明の姿勢角検出装置のうち、姿
勢角演算装置について示す。本発明の姿勢角検出装置の
求めるべき出力をα（ｎ）、β（ｎ）、γ（ｎ）、動的
な運動角検出手段から得られる仮の姿勢角をＸ（ｎ）、
Ｙ（ｎ）、Ｚ（ｎ）、静的な静止角検出手段から求めら
れる静止角をＲ（ｎ）、Ｐ（ｎ）、Φ（ｎ）とすると、
静止角検出手段からの姿勢角情報は正しいと判断する場
合、 α(ｎ)＝α（ｎ−１）＋ΔＸ(ｎ)−Ｃ１ β(ｎ)＝β（ｎ−１）＋ΔＹ(ｎ)−Ｃ２ γ(ｎ)＝γ（ｎ−１）＋ΔＺ(ｎ)−Ｃ３ により、姿勢角を演算する。ここで、Ｃ１＝ｋ［α（ｎ
−１）＋ΔＸ(ｎ)−Ｒ(ｎ)］、Ｃ２＝ｋ［β（ｎ−１）
＋ΔＹ(ｎ)−Ｐ(ｎ)］、Ｃ３＝ｋ［γ（ｎ−１）＋ΔＺ
(ｎ)−Φ(ｎ)］、ｋは任意に選択させる１以下の比例定
数であるが、今回は０．１とした。
勢角演算装置について示す。本発明の姿勢角検出装置の
求めるべき出力をα（ｎ）、β（ｎ）、γ（ｎ）、動的
な運動角検出手段から得られる仮の姿勢角をＸ（ｎ）、
Ｙ（ｎ）、Ｚ（ｎ）、静的な静止角検出手段から求めら
れる静止角をＲ（ｎ）、Ｐ（ｎ）、Φ（ｎ）とすると、
静止角検出手段からの姿勢角情報は正しいと判断する場
合、 α(ｎ)＝α（ｎ−１）＋ΔＸ(ｎ)−Ｃ１ β(ｎ)＝β（ｎ−１）＋ΔＹ(ｎ)−Ｃ２ γ(ｎ)＝γ（ｎ−１）＋ΔＺ(ｎ)−Ｃ３ により、姿勢角を演算する。ここで、Ｃ１＝ｋ［α（ｎ
−１）＋ΔＸ(ｎ)−Ｒ(ｎ)］、Ｃ２＝ｋ［β（ｎ−１）
＋ΔＹ(ｎ)−Ｐ(ｎ)］、Ｃ３＝ｋ［γ（ｎ−１）＋ΔＺ
(ｎ)−Φ(ｎ)］、ｋは任意に選択させる１以下の比例定
数であるが、今回は０．１とした。
【００３６】また、静止角検出手段からの姿勢角情報が
誤と判断する場合、 α（ｎ）＝α（ｎ−１）＋ΔＸ（ｎ） β（ｎ）＝β（ｎ−１）＋ΔＹ（ｎ） γ（ｎ）＝γ（ｎ−１）＋ΔＺ（ｎ） により、姿勢角を演算し、求める。この処理により運動
角の応答性、静止角の絶対性といった互いの長所を生か
し、運動角の累積誤差、静止角の時間遅れといった互い
の短所を補間する事ができる。
誤と判断する場合、 α（ｎ）＝α（ｎ−１）＋ΔＸ（ｎ） β（ｎ）＝β（ｎ−１）＋ΔＹ（ｎ） γ（ｎ）＝γ（ｎ−１）＋ΔＺ（ｎ） により、姿勢角を演算し、求める。この処理により運動
角の応答性、静止角の絶対性といった互いの長所を生か
し、運動角の累積誤差、静止角の時間遅れといった互い
の短所を補間する事ができる。
【００３７】従って、本実施の形態のように、本発明の
姿勢角検出装置をＨＭＤに適用した場合、外部信号を用
いることなく、高速応答で累積誤差のない角度情報を得
ることができ、高性能である。
姿勢角検出装置をＨＭＤに適用した場合、外部信号を用
いることなく、高速応答で累積誤差のない角度情報を得
ることができ、高性能である。
【００３８】なお、本発明による姿勢角検出装置におい
て、ジャイロを素子で搭載しているので、小型軽量化が
可能であり、セラミック振動子を使用しているので、磁
気ノイズは受けず、磁気センサと近接させても、機能を
損なうことがない。
て、ジャイロを素子で搭載しているので、小型軽量化が
可能であり、セラミック振動子を使用しているので、磁
気ノイズは受けず、磁気センサと近接させても、機能を
損なうことがない。
【００３９】また、本実施の形態では、地磁気センサ、
加速度センサが、それぞれ２個の例を示したが、少なく
とも、どちらか一方が３個でもよい。小型化という点で
は、本実施の形態が最も好ましい。
加速度センサが、それぞれ２個の例を示したが、少なく
とも、どちらか一方が３個でもよい。小型化という点で
は、本実施の形態が最も好ましい。
【００４０】
【発明の効果】本発明によれば、使用する場所や環境の
制限を緩和し、幅広く使用できる姿勢角検出装置を提供
することができた。
制限を緩和し、幅広く使用できる姿勢角検出装置を提供
することができた。
【図１】本発明のＨＭＤにおける姿勢角検出装置の使用
状況の説明図。
状況の説明図。
【図２】本発明の姿勢角変換装置の全体構成を示すブロ
ック図。
ック図。
【図３】本発明の姿勢角検出装置におけるジャイロ、加
速度センサ、地磁気センサの配置を示す説明図。
速度センサ、地磁気センサの配置を示す説明図。
１ ＨＭＤ本体 ２ 姿勢角検出装置 ４ 信号ケーブル ７ 映像発生装置 １１ 運動角検出手段 １２ａ （第１の）ジャイロ １２ｂ （第２の）ジャイロ １２ｃ （第３の）ジャイロ １３ａ （第１の）Ａ／Ｄコンバータ １３ｂ （第２の）Ａ／Ｄコンバータ １３ｃ （第３の）Ａ／Ｄコンバータ １４ （ＩＩＲ型）デジタルハイパスフィルタ １５ 正負反転判定装置 １６ 遅延バッファリセット装置 １７ オフセット修正装置 １８ 運動角演算装置 ２１ 静止角検出手段 ２２ａ （第１の）地磁気センサ ２２ｂ （第２の）地磁気センサ ２３ａ （第１の）加速度センサ ２３ｂ （第２の）加速度センサ ２４ 静止角演算装置 ３２ 判別装置 ４２ 姿勢角演算装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０１Ｒ 33/02 Ｇ０１Ｒ 33/02 Ｑ Ｇ０１Ｖ 3/04 Ｇ０１Ｖ 3/04
Claims (4)
- 【請求項１】 水平面で直交するＸ軸、Ｙ軸及び該Ｘ
軸、Ｙ軸のそれぞれに直交するＺ軸回りの角速度を検出
する３個のジャイロと、該ジャイロの角速度に応じた出
力に基づいて、Ｚ軸回りの回転角であるヨー角、Ｚ軸の
回りにヨー角だけ座標軸を回した後の新しいＹ軸回りの
回転角であるピッチ角及びＺ軸の回りにヨー角だけ回
し、新しいＹ軸の回りにピッチ角だけ回した後のさらに
新しいＸ軸回りの回転角であるロール角を演算する運動
角演算装置と、少なくともＸ−Ｙ平面で互いに直交する
２軸の加速度を検出するように配置され、ロ−ル角、ピ
ッチ角を検出するための加速度センサと、少なくとも前
記２軸の地磁気を検出するよう配置される地磁気センサ
と、該加速度センサ及び地磁気センサの出力に基づい
て、ロール角、ピッチ角及びヨー角を演算する静止角演
算装置と、該静止角演算装置による演算結果の真偽を判
定演算する判別装置と、該判別装置の演算結果に応じ
て、前記運動角演算装置及び静止角演算装置の演算結果
から出力する姿勢角を演算する姿勢角演算装置とから構
成される姿勢角検出装置であって、前記判別装置によ
り、２軸の加速度センサおよび、２軸の地磁気センサか
らなる静止角検出手段から求められる仮のヨー角Φ・仮
のピッチ角Ｐ・仮のロール角Ｒの検出結果が正しいかど
うかの判別手段として、加速度センサの現在の出力Ａｘ
（ｎ）から演算して得られた仮のロール角をＲ（ｎ）、
演算する単位時間で１単位時間過去の出力Ａｘ（ｎ−
１）から得られた仮のロール角演算結果をＲ（ｎ−１）
とし、同様に加速度センサの現在の出力Ａｙ（ｎ）から
演算して得られた仮のピッチ角をＰ（ｎ）、演算する単
位時間で１単位時間過去の出力Ａｙ（ｎ−１）から得ら
れた仮のピッチ角をＰ（ｎ−１）、地磁気センサの出力
Ｍｘ（ｎ）、Ｍｙ（ｎ）及び計算から得られるＭｚ
（ｎ）から演算して得られた仮のヨー角をΦ（ｎ）、１
単位時間過去の仮のヨー角をΦ（ｎ−１）とし、ジャイ
ロの出力Ｇｘ（ｎ）、Ｇｙ（ｎ）、Ｇｚ（ｎ）から演算
して得られた仮のロール角変化をΔＸ（ｎ）、仮のピッ
チ角変化をΔＹ（ｎ）、仮のヨー角変化をΔＺ（ｎ）と
すると、数１、数２、数３のいずれかが真の時にそれに
対応する仮の姿勢角Ｒ・Ｐ・Φは正しいと判別すること
を特徴とする姿勢角検出装置。 【数１】 【数２】 【数３】 - 【請求項２】 前記判別装置により、前記仮のヨー角Φ
・仮のピッチ角Ｐ・仮のロール角Ｒの検出結果が、正し
いかどうかの判別手段として、前記Ｒ（ｎ）、Ｒ（ｎ−
１）、Ｐ（ｎ）、Ｐ（ｎ−１）、Φ（ｎ）、Φ（ｎ−
１）、ΔＸ（ｎ）、ΔＹ（ｎ）、ΔＺ（ｎ）、任意の自
然数Ｃより、数４、数５、数６のいずれかが真の時にそ
れに対応する仮の姿勢角Ｒ・Ｐ・Φは正しいと判別する
ことを特徴とする請求項１記載の姿勢角検出装置。 【数４】 【数５】 【数６】 - 【請求項３】 ３軸のジャイロの出力のいずれかがほぼ
０であれば、判別装置により仮の姿勢角Ｒ・Ｐ・Φが正
しいと判別された時でもそのジャイロに対応する仮の姿
勢角Ｒ・Ｐ・Φは誤っていると判別することを特徴とす
る請求項１又は２記載の姿勢角検出装置。 - 【請求項４】 前記求めるべき出力をロール角α
（ｎ）、ピッチ角β（ｎ）、ヨー角γ（ｎ）、運動角検
出手段から求められる運動角を仮のロール角変化ΔＸ
（ｎ）、仮のピッチ角変化ΔＹ（ｎ）、仮のヨー角変化
ΔＺ（ｎ）、静止角検出手段から求められる静止角を仮
のロール角Ｒ（ｎ）、仮のピッチ角Ｐ（ｎ）、仮のヨー
角Φ（ｎ）、求めるべき出力と静止角との誤差α（ｎ−
１）＋ΔＸ（ｎ）−Ｒ（ｎ）、β（ｎ−１）＋ΔＹ
（ｎ）−Ｐ（ｎ）、γ（ｎ−１）＋ΔＺ（ｎ）−Φ（
ｎ）に比例した変数、または該誤差より大きくない一定
定数をＣ１，Ｃ２，Ｃ３とすると、判別装置の判別結果
により、 静止角検出手段からのそれぞれの姿勢角情報
Ｒ・Ｐ・Φのうち正しいと判別された姿勢角情報に対応
する姿勢角は、α（ｎ）＝α（ｎ−１）＋ΔＸ（ｎ）−
Ｃ１、β（ｎ）＝β（ｎ−１）＋ΔＹ（ｎ）−Ｃ２、γ
（ｎ）＝γ（ｎ−１）＋ΔＺ（ｎ）−Ｃ３により、ま
た、静止角検出手段からのそれぞれの姿勢角情報Ｒ・Ｐ
・Φのうち誤りと判別された姿勢角情報に対応する姿勢
角は、α（ｎ）＝α（ｎ−１）＋ΔＸ（ｎ）、β（ｎ）
＝β（ｎ−１）＋ΔＹ（ｎ）、γ（ｎ）＝γ（ｎ−１）
＋ΔＺ（ｎ）により演算し、1軸ずつ個別に演算するこ
とを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の姿勢
角検出装置。
Priority Applications (13)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP37596798A JP3960575B2 (ja) | 1998-12-17 | 1998-12-17 | 姿勢角検出装置 |
| PCT/JP1999/003936 WO2000036376A1 (en) | 1998-12-17 | 1999-07-22 | Orientation angle detector |
| CA002353629A CA2353629C (en) | 1998-12-17 | 1999-07-22 | Orientation angle detector |
| AU47995/99A AU777641B2 (en) | 1998-12-17 | 1999-07-22 | Orientation angle detector |
| CNB99816237XA CN1145014C (zh) | 1998-12-17 | 1999-07-22 | 朝向角检测器 |
| EP99931494A EP1147373B1 (en) | 1998-12-17 | 1999-07-22 | Orientation angle detector |
| DE69904759T DE69904759T2 (de) | 1998-12-17 | 1999-07-22 | Orientierungswinkeldetektor |
| US09/858,000 US6636826B1 (en) | 1998-12-17 | 1999-07-22 | Orientation angle detector |
| KR1020017007662A KR20010105316A (ko) | 1998-12-17 | 1999-07-22 | 방향각 검출기 |
| TW088112491A TW392066B (en) | 1998-12-17 | 1999-07-22 | Orientation angle detector |
| MYPI99003113A MY118223A (en) | 1998-12-17 | 1999-07-23 | Orientation angle detector |
| NO20013005A NO20013005D0 (no) | 1998-12-17 | 2001-06-15 | Orienteringsvinkeldetektor |
| HK02102865A HK1041044A1 (en) | 1998-12-17 | 2002-04-16 | Orientation angle detector |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP37596798A JP3960575B2 (ja) | 1998-12-17 | 1998-12-17 | 姿勢角検出装置 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000180172A true JP2000180172A (ja) | 2000-06-30 |
| JP3960575B2 JP3960575B2 (ja) | 2007-08-15 |
Family
ID=18506357
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP37596798A Expired - Fee Related JP3960575B2 (ja) | 1998-12-17 | 1998-12-17 | 姿勢角検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3960575B2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6860161B2 (en) | 2001-02-09 | 2005-03-01 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Weight detector for elevator |
| JP2006047293A (ja) * | 2004-06-25 | 2006-02-16 | 059312 Nb Inc | 形状加速度計測装置及び方法 |
| CN106500683A (zh) * | 2016-09-30 | 2017-03-15 | 深圳市虚拟现实科技有限公司 | 姿态测量装置自动校正的方法及系统 |
| JP2021128030A (ja) * | 2020-02-12 | 2021-09-02 | キヤノン株式会社 | 較正装置およびその制御方法 |
| CN115598654A (zh) * | 2022-12-12 | 2023-01-13 | 深圳市中图仪器股份有限公司（Cn） | 基于反向跟踪的测量方法和测量系统 |
-
1998
- 1998-12-17 JP JP37596798A patent/JP3960575B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6860161B2 (en) | 2001-02-09 | 2005-03-01 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Weight detector for elevator |
| JP2006047293A (ja) * | 2004-06-25 | 2006-02-16 | 059312 Nb Inc | 形状加速度計測装置及び方法 |
| CN106500683A (zh) * | 2016-09-30 | 2017-03-15 | 深圳市虚拟现实科技有限公司 | 姿态测量装置自动校正的方法及系统 |
| JP2021128030A (ja) * | 2020-02-12 | 2021-09-02 | キヤノン株式会社 | 較正装置およびその制御方法 |
| JP7406390B2 (ja) | 2020-02-12 | 2023-12-27 | キヤノン株式会社 | 較正装置およびその制御方法 |
| CN115598654A (zh) * | 2022-12-12 | 2023-01-13 | 深圳市中图仪器股份有限公司（Cn） | 基于反向跟踪的测量方法和测量系统 |
| CN115598654B (zh) * | 2022-12-12 | 2023-03-21 | 深圳市中图仪器股份有限公司 | 基于反向跟踪的测量方法和测量系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3960575B2 (ja) | 2007-08-15 |
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