JP2003161634A - 姿勢角度検出装置 - Google Patents
姿勢角度検出装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 煩わしい作業負担をなくし、かつ仮想磁気Ｚ
方向成分Ｍｚの誤差を自動的に補正する姿勢角度検出装
置を得る。 【解決手段】 角速度を検出するジャイロと、２軸の加
速度を検出する加速度センサと、２軸の地磁気を検出す
る磁気センサと、各センサのオフセット電圧値及び検出
感度を保存しているEEPROM２５と、ジャイロの出力とEE
PROM２５に保存されているデータに基づいて単位時間に
移動した角度を演算する運動角検出装置２６ａと、加速
度センサ及び地磁気センサの出力とEEPROM２５に保存さ
れているデータと地磁気の俯角とに基づいて、Ｙ軸及び
Ｚ軸回りの回転角を演算する静止角演算装置２６ｂと、
地磁気の俯角の誤差を自動的に補正する俯角自動補正装
置２８と、静止角演算装置２６ｂによる演算結果の真偽
を判別する判別装置２７と、判別装置２７の判断に応じ
て姿勢角を演算する姿勢角演算装置から構成される。
方向成分Ｍｚの誤差を自動的に補正する姿勢角度検出装
置を得る。 【解決手段】 角速度を検出するジャイロと、２軸の加
速度を検出する加速度センサと、２軸の地磁気を検出す
る磁気センサと、各センサのオフセット電圧値及び検出
感度を保存しているEEPROM２５と、ジャイロの出力とEE
PROM２５に保存されているデータに基づいて単位時間に
移動した角度を演算する運動角検出装置２６ａと、加速
度センサ及び地磁気センサの出力とEEPROM２５に保存さ
れているデータと地磁気の俯角とに基づいて、Ｙ軸及び
Ｚ軸回りの回転角を演算する静止角演算装置２６ｂと、
地磁気の俯角の誤差を自動的に補正する俯角自動補正装
置２８と、静止角演算装置２６ｂによる演算結果の真偽
を判別する判別装置２７と、判別装置２７の判断に応じ
て姿勢角を演算する姿勢角演算装置から構成される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ジャイロ、加速度
センサ、磁気センサを用いた小型の姿勢角度検出装置に
関する。これら姿勢角度検出装置は、ゲームパッド、Ｈ
ＭＤ、携帯電話などに用いられる。
センサ、磁気センサを用いた小型の姿勢角度検出装置に
関する。これら姿勢角度検出装置は、ゲームパッド、Ｈ
ＭＤ、携帯電話などに用いられる。
【０００２】
【従来の技術】従来、飛行機や船舶の姿勢計測・制御に
用いられてきた姿勢角度検出装置ではジャイロが３つ、
加速度センサが３つ、磁気センサが３つという構成であ
った。本来は、姿勢角度検出装置が傾いたときには方位
角度を求めるために３軸の磁気センサ出力が必要とな
る。それぞれのセンサを低価格なものを選択することに
よって、ある程度、低価格化ができるが、価格が最重要
視されるゲームや携帯電話などの民生用途では、さらな
る低価格化が求められる。特開平11-211474には、磁気
センサが２軸の構成における姿勢角度の計算方法が下記
のように記述されている。
用いられてきた姿勢角度検出装置ではジャイロが３つ、
加速度センサが３つ、磁気センサが３つという構成であ
った。本来は、姿勢角度検出装置が傾いたときには方位
角度を求めるために３軸の磁気センサ出力が必要とな
る。それぞれのセンサを低価格なものを選択することに
よって、ある程度、低価格化ができるが、価格が最重要
視されるゲームや携帯電話などの民生用途では、さらな
る低価格化が求められる。特開平11-211474には、磁気
センサが２軸の構成における姿勢角度の計算方法が下記
のように記述されている。
【０００３】仮想磁気Ｚ方向成分Ｍｚを以下の方法で算
出する。 １）姿勢角度検出装置を９０度傾けて磁気センサＸある
いは磁気センサＹがＺ軸に向くようにする。 ２）ボタンを押すなどして、そのときのＺ軸に向いてい
るセンサの値をＭｚ（０）としてメモリに格納する。 ３）姿勢角度検出装置を原点位置に戻し、もう一度ボタ
ンを押すなどし、磁気センサＸ、Ｙの値をＭｘ（０）、
Ｍｙ（０）としてメモリに格納する。 ４）Ｍｘ（０）、Ｍｙ（０）、Ｍｚ（０）を用いて、地
磁気の大きさＨｔを次の式１により求める。
出する。 １）姿勢角度検出装置を９０度傾けて磁気センサＸある
いは磁気センサＹがＺ軸に向くようにする。 ２）ボタンを押すなどして、そのときのＺ軸に向いてい
るセンサの値をＭｚ（０）としてメモリに格納する。 ３）姿勢角度検出装置を原点位置に戻し、もう一度ボタ
ンを押すなどし、磁気センサＸ、Ｙの値をＭｘ（０）、
Ｍｙ（０）としてメモリに格納する。 ４）Ｍｘ（０）、Ｍｙ（０）、Ｍｚ（０）を用いて、地
磁気の大きさＨｔを次の式１により求める。
【０００４】
Ｈｔ＝［Ｍｘ(０)2＋Ｍｙ(０)2＋Ｍｚ(０)2]1/2・・・式１
【０００５】５）仮想磁気Ｚ方向成分Ｍｚの大きさは数
１により求まる。
１により求まる。
【０００６】
【数１】
【０００７】ここでは、原点における地磁気のＺ方向成
分Ｍｚ（０）をあらかじめ求めているが、地磁気の俯角
θを求めておいても地磁気の大きさＨｔを式２によって
求めることができる。
分Ｍｚ（０）をあらかじめ求めているが、地磁気の俯角
θを求めておいても地磁気の大きさＨｔを式２によって
求めることができる。
【０００８】
Ｈｔ＝［Ｍｘ(０)2＋Ｍｙ(０)2]1/2／ｃｏｓθ・・・式２
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
方法を用いる場合、実際に使用する環境において地磁気
の俯角を測定しておく必要がある。この測定はユーザー
が使用する前に行うもので、煩わしい作業がユーザーの
負担になる。また、ユーザーが測定を誤ると、実際とは
異なる俯角が保存されてしまうので、このデータを用い
て前記の計算を行うと、仮想磁気Ｚ方向成分Ｍｚに誤差
を生じる、従って最終的に方位角度αにも誤差を生じ
る。
方法を用いる場合、実際に使用する環境において地磁気
の俯角を測定しておく必要がある。この測定はユーザー
が使用する前に行うもので、煩わしい作業がユーザーの
負担になる。また、ユーザーが測定を誤ると、実際とは
異なる俯角が保存されてしまうので、このデータを用い
て前記の計算を行うと、仮想磁気Ｚ方向成分Ｍｚに誤差
を生じる、従って最終的に方位角度αにも誤差を生じ
る。
【００１０】従って、本発明は、ユーザーの煩わしい作
業負担をなくしても、またはユーザーが測定を怠って
も、仮想磁気Ｚ方向成分Ｍｚの誤差を自動的に補正する
姿勢角度検出装置を提供することである。
業負担をなくしても、またはユーザーが測定を怠って
も、仮想磁気Ｚ方向成分Ｍｚの誤差を自動的に補正する
姿勢角度検出装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は、前記の姿勢角
度検出装置の問題点の解消を図るもので、与えられた地
磁気の俯角が誤っていても使用中に自動的に補正され、
最終的には実際の地磁気の俯角に収束するアルゴリズム
である。このアルゴリズムによって、誤った地磁気の俯
角が与えられたり、途中で使用環境が変わったりしても
常に実際の地磁気の俯角が得られ、精度の良い理想的な
姿勢角度検出装置を提供するものである。
度検出装置の問題点の解消を図るもので、与えられた地
磁気の俯角が誤っていても使用中に自動的に補正され、
最終的には実際の地磁気の俯角に収束するアルゴリズム
である。このアルゴリズムによって、誤った地磁気の俯
角が与えられたり、途中で使用環境が変わったりしても
常に実際の地磁気の俯角が得られ、精度の良い理想的な
姿勢角度検出装置を提供するものである。
【００１２】即ち、本発明は、水平面内で直交するＸ
軸、Ｙ軸、及びそのＸ軸、Ｙ軸に直交するＺ軸が形成す
る基準座標系において、少なくともＹ軸回りの傾斜角度
とＺ軸回りの方位角度を検出する姿勢角度検出装置にお
いて、少なくともＹ軸回り及びＺ軸回りの角速度を検出
するジャイロと、Ｘ−Ｙ平面で互いに直交する２軸の加
速度を検出する加速度センサと、Ｘ−Ｙ平面で互いに直
交する２軸の地磁気を検出する磁気センサと、前記ジャ
イロ、加速度センサ及び磁気センサのオフセット電圧値
及び検出感度を保存している記憶手段と、前記ジャイロ
の出力と前記記憶手段に保存されているデータに基づい
て単位時間に移動した角度を演算する運動角検出装置
と、前記加速度センサ及び地磁気センサの出力と、前記
記憶手段に保存されているデータとあらかじめ与えられ
ている地磁気の俯角とに基づいて、Ｙ軸及びＺ軸回りの
回転角を演算する静止角演算装置と、前記与えられてい
る地磁気の俯角と実際の地磁気の俯角との誤差を自動的
に補正する俯角自動補正装置と、静止角演算装置による
演算結果の真偽を判別する判別装置と、該判別装置の判
断に応じて、運動角演算装置と静止角演算装置の演算結
果から出力するべき姿勢角を演算する姿勢角演算装置か
ら構成されることを特徴とする姿勢角度検出装置であ
る。
軸、Ｙ軸、及びそのＸ軸、Ｙ軸に直交するＺ軸が形成す
る基準座標系において、少なくともＹ軸回りの傾斜角度
とＺ軸回りの方位角度を検出する姿勢角度検出装置にお
いて、少なくともＹ軸回り及びＺ軸回りの角速度を検出
するジャイロと、Ｘ−Ｙ平面で互いに直交する２軸の加
速度を検出する加速度センサと、Ｘ−Ｙ平面で互いに直
交する２軸の地磁気を検出する磁気センサと、前記ジャ
イロ、加速度センサ及び磁気センサのオフセット電圧値
及び検出感度を保存している記憶手段と、前記ジャイロ
の出力と前記記憶手段に保存されているデータに基づい
て単位時間に移動した角度を演算する運動角検出装置
と、前記加速度センサ及び地磁気センサの出力と、前記
記憶手段に保存されているデータとあらかじめ与えられ
ている地磁気の俯角とに基づいて、Ｙ軸及びＺ軸回りの
回転角を演算する静止角演算装置と、前記与えられてい
る地磁気の俯角と実際の地磁気の俯角との誤差を自動的
に補正する俯角自動補正装置と、静止角演算装置による
演算結果の真偽を判別する判別装置と、該判別装置の判
断に応じて、運動角演算装置と静止角演算装置の演算結
果から出力するべき姿勢角を演算する姿勢角演算装置か
ら構成されることを特徴とする姿勢角度検出装置であ
る。
【００１３】また、本発明は、前記姿勢角度検出装置に
おいて、前記俯角自動補正装置はＺ軸回りの姿勢角度を
α、Ｚ軸回りの静止角をφ、Ｙ軸回りの姿勢角度をβ、
前記静止角演算装置によって求められるＺ軸方向の地磁
気の大きさＭｚとすると、（１）（φ−α）×α×β×
Mzの符号を計算する、（２）負の場合は与えられている
地磁気の俯角を減らす、（３）正の場合は与えられてい
る地磁気の俯角を増やす、の手順に従って、与えられて
いる地磁気の俯角を増減する姿勢角度検出装置である。
おいて、前記俯角自動補正装置はＺ軸回りの姿勢角度を
α、Ｚ軸回りの静止角をφ、Ｙ軸回りの姿勢角度をβ、
前記静止角演算装置によって求められるＺ軸方向の地磁
気の大きさＭｚとすると、（１）（φ−α）×α×β×
Mzの符号を計算する、（２）負の場合は与えられている
地磁気の俯角を減らす、（３）正の場合は与えられてい
る地磁気の俯角を増やす、の手順に従って、与えられて
いる地磁気の俯角を増減する姿勢角度検出装置である。
【００１４】また、本発明は、前記姿勢角度検出装置に
おいて、前記与えられている地磁気への俯角の増減は、
一定値Ｃだけ加減する姿勢角度検出装置である。
おいて、前記与えられている地磁気への俯角の増減は、
一定値Ｃだけ加減する姿勢角度検出装置である。
【００１５】また、本発明は、前記姿勢角度検出装置に
おいて、前記与えられている地磁気への俯角の増減は一
定率kだけ加減する姿勢角度検出装置である。
おいて、前記与えられている地磁気への俯角の増減は一
定率kだけ加減する姿勢角度検出装置である。
【００１６】また、本発明は、前記姿勢角度検出装置に
おいて、前記記憶手段は地磁気の俯角を保存しており、
前記俯角自動補正装置によって地磁気の俯角が補正され
た後に記憶手段に補正されたデータを保存する姿勢角度
検出装置である。
おいて、前記記憶手段は地磁気の俯角を保存しており、
前記俯角自動補正装置によって地磁気の俯角が補正され
た後に記憶手段に補正されたデータを保存する姿勢角度
検出装置である。
【００１７】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態による姿勢角
度検出装置について、以下に説明する。なお、今回は姿
勢角度検出装置の出力が２軸のもの［Ｘ軸回りの傾斜角
度（ロール角）は常に０と考える］を説明するが、３軸
のものについても同様に適応できる。
度検出装置について、以下に説明する。なお、今回は姿
勢角度検出装置の出力が２軸のもの［Ｘ軸回りの傾斜角
度（ロール角）は常に０と考える］を説明するが、３軸
のものについても同様に適応できる。
【００１８】図１は、本発明の実施の形態による姿勢角
度検出装置のセンサ郡の構成図であり、基準座標系（Ｘ
−Ｙ−Ｚ系）とセンサ座標系（Ｘｓ−Ｙｓ−Ｚｓ系）が
一致している場合について示す。図１に示すように、水
平面で直交する軸をＸ軸、Ｙ軸とし、そのＸ軸、Ｙ軸そ
れぞれに直交する軸をＺ軸とするとき、これら互いに直
交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が形成する基準座標系におい
て、Ｙ軸回りの傾斜角度をピッチ角β、Ｚ軸回りの方位
角度をヨー角αと記す。このとき、基準座標の＋Ｘ軸は
北方向とする。
度検出装置のセンサ郡の構成図であり、基準座標系（Ｘ
−Ｙ−Ｚ系）とセンサ座標系（Ｘｓ−Ｙｓ−Ｚｓ系）が
一致している場合について示す。図１に示すように、水
平面で直交する軸をＸ軸、Ｙ軸とし、そのＸ軸、Ｙ軸そ
れぞれに直交する軸をＺ軸とするとき、これら互いに直
交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が形成する基準座標系におい
て、Ｙ軸回りの傾斜角度をピッチ角β、Ｚ軸回りの方位
角度をヨー角αと記す。このとき、基準座標の＋Ｘ軸は
北方向とする。
【００１９】図１には、本発明の姿勢角度検出装置にお
けるジャイロ、加速度センサ、磁気センサの配置を示
す。図１で示すセンサ座標系において、互いに直交する
２軸（Ｙｓ軸及びＺｓ軸）の回りの角速度を検出するた
めの第１のジャイロ１１、及び第２のジャイロ１２は、
Ｙｓ軸及びＺｓ軸に平行に、すなわち互いに直交して、
配置されている。第１の加速度センサ１３と第２の加速
度センサ１４は、互いに直交する２軸、Ｘｓ軸及びＹｓ
軸に平行に配置されている。同様に、第１の磁気センサ
１５と第２の磁気センサ１６は、互いに直交する２軸、
Ｘｓ軸及びＹｓ軸に平行に配置されている。
けるジャイロ、加速度センサ、磁気センサの配置を示
す。図１で示すセンサ座標系において、互いに直交する
２軸（Ｙｓ軸及びＺｓ軸）の回りの角速度を検出するた
めの第１のジャイロ１１、及び第２のジャイロ１２は、
Ｙｓ軸及びＺｓ軸に平行に、すなわち互いに直交して、
配置されている。第１の加速度センサ１３と第２の加速
度センサ１４は、互いに直交する２軸、Ｘｓ軸及びＹｓ
軸に平行に配置されている。同様に、第１の磁気センサ
１５と第２の磁気センサ１６は、互いに直交する２軸、
Ｘｓ軸及びＹｓ軸に平行に配置されている。
【００２０】図２は、本発明の実施の形態における姿勢
角度検出装置の全体構成の説明図である。ジャイロ２
２、加速度センサ２３、及び磁気センサ２４からは、そ
れぞれ角速度（ωｙ，ωｚ）、加速度（Ａｘ，Ａｙ）、
磁気（Ｍｘ，Ｍｙ）が出力される。
角度検出装置の全体構成の説明図である。ジャイロ２
２、加速度センサ２３、及び磁気センサ２４からは、そ
れぞれ角速度（ωｙ，ωｚ）、加速度（Ａｘ，Ａｙ）、
磁気（Ｍｘ，Ｍｙ）が出力される。
【００２１】運動角演算装置２６ａは、ジャイロから出
力される角速度（ωｙ，ωｚ）とEEPROM２５に保存され
ているジャイロのオフセット電圧値、検出感度から単位
時間に移動した姿勢角度である運動角（Δα，Δβ）を
演算し出力する。静止角演算装置２６ｂは、加速度セン
サから出力される加速度（Ａｘ，Ａｙ）と、磁気センサ
から出力される磁気（Ｍｘ，Ｍｙ）と、EEPROM２５に保
存されている加速度センサ及び磁気センサのオフセット
電圧値、検出感度、地磁気の俯角から仮の姿勢角度であ
る静止角（φ，Ｐ）を演算し出力する。このように、記
憶手段としてEEPROMを利用するのが適当であるが、他の
例として通常のROMも利用できる。
力される角速度（ωｙ，ωｚ）とEEPROM２５に保存され
ているジャイロのオフセット電圧値、検出感度から単位
時間に移動した姿勢角度である運動角（Δα，Δβ）を
演算し出力する。静止角演算装置２６ｂは、加速度セン
サから出力される加速度（Ａｘ，Ａｙ）と、磁気センサ
から出力される磁気（Ｍｘ，Ｍｙ）と、EEPROM２５に保
存されている加速度センサ及び磁気センサのオフセット
電圧値、検出感度、地磁気の俯角から仮の姿勢角度であ
る静止角（φ，Ｐ）を演算し出力する。このように、記
憶手段としてEEPROMを利用するのが適当であるが、他の
例として通常のROMも利用できる。
【００２２】判別装置２７は、運動角と静止角を比較し
て静止角が正しいかどうかを判別し、姿勢角検出装置に
結果を出力する。姿勢角検出装置２７ｃは、運動角（Δ
α，Δβ）、静止角（φ，Ｐ）と判別装置の出力から最
終的に出力する姿勢角度（α，β）を演算し、外部に出
力する。
て静止角が正しいかどうかを判別し、姿勢角検出装置に
結果を出力する。姿勢角検出装置２７ｃは、運動角（Δ
α，Δβ）、静止角（φ，Ｐ）と判別装置の出力から最
終的に出力する姿勢角度（α，β）を演算し、外部に出
力する。
【００２３】俯角自動補正装置２８は、静止角検出装置
から得られる仮の方位角度φ、仮想磁気Ｚ方向成分Ｍ
ｚ、地磁気の俯角θと、姿勢角検出装置の出力（α，
β）から地磁気の俯角θを補正し、静止角演算装置に戻
す。静止角演算装置は、プログラム終了時に記憶手段に
補正された地磁気の俯角θを書き込む。
から得られる仮の方位角度φ、仮想磁気Ｚ方向成分Ｍ
ｚ、地磁気の俯角θと、姿勢角検出装置の出力（α，
β）から地磁気の俯角θを補正し、静止角演算装置に戻
す。静止角演算装置は、プログラム終了時に記憶手段に
補正された地磁気の俯角θを書き込む。
【００２４】最初に、運動角演算装置の内容を説明す
る。姿勢角度検出装置に加わる角速度に応じた各ジャイ
ロの出力（ωy,ωz）は、座標変換を行って、演算する
単位時間で１単位時間過去の出力β（ｎ−１）とから、
次の式３、式４の如く、基準座標系における現在の移動
角度（運動角）（Δα,Δβ）に変換される。
る。姿勢角度検出装置に加わる角速度に応じた各ジャイ
ロの出力（ωy,ωz）は、座標変換を行って、演算する
単位時間で１単位時間過去の出力β（ｎ−１）とから、
次の式３、式４の如く、基準座標系における現在の移動
角度（運動角）（Δα,Δβ）に変換される。
【００２５】
Δα（ｎ）＝ωｚ／ｃｏｓβ（ｎ−１）・・・・式３
【００２６】Δβ（ｎ）＝ωｙ ・・・・・・・式４
【００２７】図３は、本発明の実施の形態による姿勢角
度検出装置における静止角演算装置の説明図である。先
の図１に示す第１の加速度センサ１３は、センサ座標系
での重力加速度のＸｓ成分分力Ａｘ（ｎ）を検出するよ
うに配置されている。また、図１に示す第１の磁気セン
サ１５、第２の磁気センサ１６は、それぞれＸｓ、Ｙｓ
軸上の地磁気分力Ｍｘ（ｎ）、Ｍｙ（ｎ）を検出するよ
うに配置されている。
度検出装置における静止角演算装置の説明図である。先
の図１に示す第１の加速度センサ１３は、センサ座標系
での重力加速度のＸｓ成分分力Ａｘ（ｎ）を検出するよ
うに配置されている。また、図１に示す第１の磁気セン
サ１５、第２の磁気センサ１６は、それぞれＸｓ、Ｙｓ
軸上の地磁気分力Ｍｘ（ｎ）、Ｍｙ（ｎ）を検出するよ
うに配置されている。
【００２８】加速度センサの出力Ａｘ（ｎ）は、ピッチ
角演算手段にて式５により、基準座標系の水平面（ＸＹ
平面）との傾斜角である仮のピッチ角Ｐ（ｎ）を算出す
る。このときロール角Ｒは、常に０と仮定する。
角演算手段にて式５により、基準座標系の水平面（ＸＹ
平面）との傾斜角である仮のピッチ角Ｐ（ｎ）を算出す
る。このときロール角Ｒは、常に０と仮定する。
【００２９】
Ｐ（ｎ）＝ｓｉｎ−１Ａｘ（ｎ） ・・・・・・・・式５
【００３０】基準座標系での仮のヨー角φ（ｎ）は、基
準座標系での地磁気成分を用いて、式６で表される。た
だし、φ（０）は原点時の方位角である。
準座標系での地磁気成分を用いて、式６で表される。た
だし、φ（０）は原点時の方位角である。
【００３１】
φ（ｎ）＝−ｔａｎ-1［ＨＹ（ｎ）／ＨＸ（ｎ）］−φ（０）・・・式６
【００３２】姿勢角度検出装置が水平面上で回転する場
合は、磁気センサの出力Ｍｘ（ｎ）及びＭｙ（ｎ）が、
それぞれ、ＨＸ（ｎ）及びＨＹ（ｎ）に等しく、式７が
成り立つ。
合は、磁気センサの出力Ｍｘ（ｎ）及びＭｙ（ｎ）が、
それぞれ、ＨＸ（ｎ）及びＨＹ（ｎ）に等しく、式７が
成り立つ。
【００３３】
φ（ｎ）＝−ｔａｎ-1［Ｍｙ（ｎ）／Ｍｘ（ｎ）］−φ（０）・・・・式７
【００３４】しかし、姿勢角度検出装置がピッチ角Pを
持ち、水平でないときには、式８、式９の関係式から、
仮のピッチ角Ｐ（ｎ）を用いて座標変換を行い、基準座
標系での地磁気成分［ＨＸ（ｎ），ＨＹ（ｎ）とする］
を求めて、式６に代入し、求める。その際、仮想磁気Ｚ
方向成分Ｍｚ（ｎ）が必要となる。
持ち、水平でないときには、式８、式９の関係式から、
仮のピッチ角Ｐ（ｎ）を用いて座標変換を行い、基準座
標系での地磁気成分［ＨＸ（ｎ），ＨＹ（ｎ）とする］
を求めて、式６に代入し、求める。その際、仮想磁気Ｚ
方向成分Ｍｚ（ｎ）が必要となる。
【００３５】
ＨＸ＝ｃｏｓ［Ｐ（ｎ）］×Ｍｘ＋ｓｉｎ［Ｐ（ｎ）］×Ｍｚ・・・・式８
【００３６】ＨＹ＝Ｍｙ ・・・・・・式９
【００３７】以下の方法で仮想的にMzを算出する。ま
ず、地磁気の俯角θの初期値を記憶手段に保存してお
く、この初期値は姿勢角度検出装置の使用場所において
測定することが望ましいが、適当な値を保存しておけば
よい。例えば、東京の付近では地磁気の俯角は４８度く
らいなので、この値にしておいてもよい。地磁気の俯角
θは、後に示す俯角自動補正装置によって随時補正され
る。
ず、地磁気の俯角θの初期値を記憶手段に保存してお
く、この初期値は姿勢角度検出装置の使用場所において
測定することが望ましいが、適当な値を保存しておけば
よい。例えば、東京の付近では地磁気の俯角は４８度く
らいなので、この値にしておいてもよい。地磁気の俯角
θは、後に示す俯角自動補正装置によって随時補正され
る。
【００３８】次に、地磁気Ｈｔを以下の手順で求める。
姿勢角度検出装置（被測定物）を原点位置（水平）に
し、何らかの信号を送り、例えば、キーやボタンを押す
などをし、磁気センサＭｘ、Ｍｙの値をＭｘ（０）、Ｍ
ｙ（０）としてメモリに格納する。Ｍｘ（０）、Ｍｙ
（０）、θを用いて、Ｈｔは式１０から求まる。
姿勢角度検出装置（被測定物）を原点位置（水平）に
し、何らかの信号を送り、例えば、キーやボタンを押す
などをし、磁気センサＭｘ、Ｍｙの値をＭｘ（０）、Ｍ
ｙ（０）としてメモリに格納する。Ｍｘ（０）、Ｍｙ
（０）、θを用いて、Ｈｔは式１０から求まる。
【００３９】
Ｈｔ＝［Ｍｘ(０)2＋Ｍｙ(０)2]1/2／ｃｏｓθ・・・・式１０
【００４０】次に、姿勢角度検出装置（被測定物）の北
方向成分傾斜角から仮想磁気Ｍｚの符号を判別する。静
止角演算装置にて算出した、演算する単位時間で、１単
位時間過去の仮のヨー角φ（ｎ−１）及び同様に姿勢角
演算装置にて算出したβ（ｎ−１）をバックアップメモ
リに記憶しておき、この仮のヨー角φ（ｎ−１）とピッ
チ角β（ｎ−１）から、北方向成分傾斜角演算手段で、
姿勢角度検出装置（被測定物）の北方向成分傾斜角θ２
を以下の手順で求める。基準座標Ｘ−Ｚ平面とセンサ座
標Ｘｓ−Ｙｓ平面とが交差する直線の方向ベクトルを
（ａａ，０，ｃｃ）とすると、 ａａ＝ｓｉｎ［β（ｎ−１）］×ｃｏｓ［φ（ｎ−１）
＋φ（０）］、 ｃｃ＝ｃｏｓ［β（ｎ−１）］、 となり、北方向成分傾斜角θ2は、 θ2＝ｓｉｎ-1（ａａ／ａａ2＋ｃ2)1/2、 と求められる。−９０度≦θ2≦θであれば、仮想磁気
Ｍｚ符号はマイナス、θ＜θ2≦９０度であれば、仮想
磁気Ｍｚ符号はプラスと判別する。
方向成分傾斜角から仮想磁気Ｍｚの符号を判別する。静
止角演算装置にて算出した、演算する単位時間で、１単
位時間過去の仮のヨー角φ（ｎ−１）及び同様に姿勢角
演算装置にて算出したβ（ｎ−１）をバックアップメモ
リに記憶しておき、この仮のヨー角φ（ｎ−１）とピッ
チ角β（ｎ−１）から、北方向成分傾斜角演算手段で、
姿勢角度検出装置（被測定物）の北方向成分傾斜角θ２
を以下の手順で求める。基準座標Ｘ−Ｚ平面とセンサ座
標Ｘｓ−Ｙｓ平面とが交差する直線の方向ベクトルを
（ａａ，０，ｃｃ）とすると、 ａａ＝ｓｉｎ［β（ｎ−１）］×ｃｏｓ［φ（ｎ−１）
＋φ（０）］、 ｃｃ＝ｃｏｓ［β（ｎ−１）］、 となり、北方向成分傾斜角θ2は、 θ2＝ｓｉｎ-1（ａａ／ａａ2＋ｃ2)1/2、 と求められる。−９０度≦θ2≦θであれば、仮想磁気
Ｍｚ符号はマイナス、θ＜θ2≦９０度であれば、仮想
磁気Ｍｚ符号はプラスと判別する。
【００４１】次に、仮想磁気Ｍｚの絶対値を求める。地
磁気の絶対値Ｈｔと磁気センサの出力Ｍｘ（ｎ）、Ｍｙ
（ｎ）の値から仮想磁気Ｍｚの絶対値を数１により算出
する。
磁気の絶対値Ｈｔと磁気センサの出力Ｍｘ（ｎ）、Ｍｙ
（ｎ）の値から仮想磁気Ｍｚの絶対値を数１により算出
する。
【００４２】以上のように、仮想磁気Ｍｚが求まったこ
とにより、前述したＨＸ、ＨＹが求まり、従ってφ
（ｎ）を求めることができる。
とにより、前述したＨＸ、ＨＹが求まり、従ってφ
（ｎ）を求めることができる。
【００４３】次に、本発明の姿勢角度検出装置におけ
る、判別装置を説明する。加速度センサの出力Ａｘ、Ａ
ｙは、重力加速度のＸｓ、Ｙｓ軸方向成分と運動加速度
のＸｓ、Ｙｓ軸方向成分との合成ベクトルとなるため
に、運動加速度がある場合には静止角演算装置によって
算出された仮のピッチ角Ｐは正しいピッチ角にはならな
い。また、仮のヨー角φについても磁場環境によって正
しいヨー角にならない場合がある。判別装置は、静止角
演算装置の出力であるφ（ｎ）、Ｐ（ｎ）が正しいかど
うかを判別するものである。
る、判別装置を説明する。加速度センサの出力Ａｘ、Ａ
ｙは、重力加速度のＸｓ、Ｙｓ軸方向成分と運動加速度
のＸｓ、Ｙｓ軸方向成分との合成ベクトルとなるため
に、運動加速度がある場合には静止角演算装置によって
算出された仮のピッチ角Ｐは正しいピッチ角にはならな
い。また、仮のヨー角φについても磁場環境によって正
しいヨー角にならない場合がある。判別装置は、静止角
演算装置の出力であるφ（ｎ）、Ｐ（ｎ）が正しいかど
うかを判別するものである。
【００４４】演算する単位時間で、１単位時間に変化し
たφ、ＰをΔφ、ΔＰとし、これらを運動角演算装置の
出力Δα、Δβと比較する。微小定数εを用いて、数２
が成立するならば、それぞれφ、Ｐは正しいと判断す
る。
たφ、ＰをΔφ、ΔＰとし、これらを運動角演算装置の
出力Δα、Δβと比較する。微小定数εを用いて、数２
が成立するならば、それぞれφ、Ｐは正しいと判断す
る。
【００４５】
【数２】
【００４６】次に、上記判別装置の判別結果に応じて、
運動角演算装置の出力と静止角演算装置の出力を演算し
て最終的な出力を得る姿勢角演算装置で行われる演算方
法について説明する。判別装置においてφ、Ｐが正しい
と判断された場合には、 α（ｎ）＝α（ｎ−１）＋Δα−ｋ［α（ｎ−１）＋Δ
α−φ（ｎ）］、 β（ｎ）＝β（ｎ−１）＋Δβ−ｋ［β（ｎ−１）＋Δ
β−Ｐ（ｎ）］、 により姿勢角度を演算し、判別装置においてφ、Ｐが誤
っていると判断された場合には、 α（ｎ）＝α（ｎ−１）＋Δα、β（ｎ）＝β（ｎ−
１）＋Δβ、 により姿勢角度を演算する。
運動角演算装置の出力と静止角演算装置の出力を演算し
て最終的な出力を得る姿勢角演算装置で行われる演算方
法について説明する。判別装置においてφ、Ｐが正しい
と判断された場合には、 α（ｎ）＝α（ｎ−１）＋Δα−ｋ［α（ｎ−１）＋Δ
α−φ（ｎ）］、 β（ｎ）＝β（ｎ−１）＋Δβ−ｋ［β（ｎ−１）＋Δ
β−Ｐ（ｎ）］、 により姿勢角度を演算し、判別装置においてφ、Ｐが誤
っていると判断された場合には、 α（ｎ）＝α（ｎ−１）＋Δα、β（ｎ）＝β（ｎ−
１）＋Δβ、 により姿勢角度を演算する。
【００４７】最後に、本発明における俯角自動補正装置
について説明する。静止角演算装置では、あらかじめ記
憶手段に保存されている地磁気の俯角θを用いて演算を
行っているが、最初に保存した地磁気の俯角が誤ってい
た場合や、移動などによって周囲の磁場環境が変化し
て、地磁気の俯角が変わったときには、実際の地磁気の
俯角と演算に使われる地磁気の俯角とに誤差を生じる。
この誤差は、地磁気の絶対値Ｈｔ、仮想磁気Ｍｚ、基準
座標系での地磁気成分ＨＸ、ＨＹ、仮のヨー角φへと順
番に影響し、最終的には姿勢角演算装置の出力α（ｎ）
に誤差を生じる。
について説明する。静止角演算装置では、あらかじめ記
憶手段に保存されている地磁気の俯角θを用いて演算を
行っているが、最初に保存した地磁気の俯角が誤ってい
た場合や、移動などによって周囲の磁場環境が変化し
て、地磁気の俯角が変わったときには、実際の地磁気の
俯角と演算に使われる地磁気の俯角とに誤差を生じる。
この誤差は、地磁気の絶対値Ｈｔ、仮想磁気Ｍｚ、基準
座標系での地磁気成分ＨＸ、ＨＹ、仮のヨー角φへと順
番に影響し、最終的には姿勢角演算装置の出力α（ｎ）
に誤差を生じる。
【００４８】この地磁気の俯角θの誤差による仮のヨー
角φ（ｎ）の誤差は、単純な比例の関係にはならない
が、その符号は（φ−α）、α、β、Ｍｚのそれぞれの
符号によって反転することがわかっている。すなわち、
（φ−α）×α×β×Ｍｚの符号が正の時には、φ
（ｎ）の誤差はマイナス、逆に（φ−α）×α×β×Ｍ
ｚの符号が負の時には、φ（ｎ）の誤差はプラスとな
る。従って、（φ−α）×α×β×Ｍｚの符号を計算
し、正であれば、φを一定量あるいは一定率増やし、負
であれば、φを一定量あるいは一定率減らすことによっ
て、自動的に正しい地磁気の俯角に収束することにな
る。
角φ（ｎ）の誤差は、単純な比例の関係にはならない
が、その符号は（φ−α）、α、β、Ｍｚのそれぞれの
符号によって反転することがわかっている。すなわち、
（φ−α）×α×β×Ｍｚの符号が正の時には、φ
（ｎ）の誤差はマイナス、逆に（φ−α）×α×β×Ｍ
ｚの符号が負の時には、φ（ｎ）の誤差はプラスとな
る。従って、（φ−α）×α×β×Ｍｚの符号を計算
し、正であれば、φを一定量あるいは一定率増やし、負
であれば、φを一定量あるいは一定率減らすことによっ
て、自動的に正しい地磁気の俯角に収束することにな
る。
【００４９】さらに、姿勢角度検出装置の動作を終了す
るときに補正された地磁気の俯角θを記憶手段に保存す
ることによって、次に使用するときには初めから正しい
地磁気の俯角で計算ができ、精度良く出力できるように
なっている。
るときに補正された地磁気の俯角θを記憶手段に保存す
ることによって、次に使用するときには初めから正しい
地磁気の俯角で計算ができ、精度良く出力できるように
なっている。
【００５０】
【発明の効果】以上、本発明によれば、地磁気センサを
従来の３軸から２軸に減らし、低価格化を進めるととも
に、俯角自動補正装置を備えていることによって、あら
かじめ記憶手段に保存されている地磁気の俯角θが誤っ
ている場合、あるいは移動する用途に使用し、周囲の磁
場環境が変化した場合でも、常に正しい地磁気の俯角に
補正し、従って、誤差の少ない姿勢角度検出装置を提供
できる。また、姿勢角度検出装置の出荷時に記憶手段に
適当な地磁気の俯角、例えば、東京の４８度を保存して
おけば、ユーザーが使用前に調整を行う必要がなく、ユ
ーザーに負担がかからない製品が実現できる。
従来の３軸から２軸に減らし、低価格化を進めるととも
に、俯角自動補正装置を備えていることによって、あら
かじめ記憶手段に保存されている地磁気の俯角θが誤っ
ている場合、あるいは移動する用途に使用し、周囲の磁
場環境が変化した場合でも、常に正しい地磁気の俯角に
補正し、従って、誤差の少ない姿勢角度検出装置を提供
できる。また、姿勢角度検出装置の出荷時に記憶手段に
適当な地磁気の俯角、例えば、東京の４８度を保存して
おけば、ユーザーが使用前に調整を行う必要がなく、ユ
ーザーに負担がかからない製品が実現できる。
【図１】本発明の実施の形態による姿勢角度検出装置の
センサ群の構成図。
センサ群の構成図。
【図２】本発明の実施の形態による姿勢角度検出装置の
全体構成に関する説明図。
全体構成に関する説明図。
【図３】本発明の実施の形態による姿勢角度検出装置に
おける静止角演算装置の説明図。
おける静止角演算装置の説明図。
１１ 第１のジャイロ
１２ 第２のジャイロ
１３ 第１の加速度センサ
１４ 第２の加速度センサ
１５ 第１の磁気センサ
１６ 第２の磁気センサ
２２ａ ジャイロＹ
２２ｂ ジャイロＺ
２３ａ 加速度センサＸ
２３ｂ 加速度センサＹ
２４ａ 磁気センサＸ
２４ｂ 磁気センサＹ
２５ EEPROM
２６ａ 運動角演算装置
２６ｂ 静止角演算装置
２６ｃ 姿勢角演算装置
２７ 判別装置
２７ｃ 姿勢角検出装置
２８ 俯角自動補正装置
２９ 出力
Claims (5)
- 【請求項１】 水平面内で直交するＸ軸、Ｙ軸、及びそ
のＸ軸、Ｙ軸に直交するＺ軸が形成する基準座標系にお
いて、少なくともＹ軸回りの傾斜角度とＺ軸回りの方位
角度を検出する姿勢角度検出装置において、少なくとも
Ｙ軸回り及びＺ軸回りの角速度を検出するジャイロと、
Ｘ−Ｙ平面で互いに直交する２軸の加速度を検出する加
速度センサと、Ｘ−Ｙ平面で互いに直交する２軸の地磁
気を検出する磁気センサと、前記ジャイロ、加速度セン
サ及び磁気センサのオフセット電圧値及び検出感度を保
存している記憶手段と、前記ジャイロの出力と前記記憶
手段に保存されているデータに基づいて単位時間に移動
した角度を演算する運動角検出装置と、前記加速度セン
サ及び地磁気センサの出力と、前記記憶手段に保存され
ているデータとあらかじめ与えられている地磁気の俯角
とに基づいて、Ｙ軸及びＺ軸回りの回転角を演算する静
止角演算装置と、前記与えられている地磁気の俯角と実
際の地磁気の俯角との誤差を自動的に補正する俯角自動
補正装置と、静止角演算装置による演算結果の真偽を判
別する判別装置と、該判別装置の判断に応じて、運動角
演算装置と静止角演算装置の演算結果から出力するべき
姿勢角を演算する姿勢角演算装置から構成されることを
特徴とする姿勢角度検出装置。 - 【請求項２】 請求項１記載の姿勢角度検出装置におい
て、前記俯角自動補正装置はＺ軸回りの姿勢角度をα、
Ｚ軸回りの静止角をφ、Ｙ軸回りの姿勢角度をβ、前記
静止角演算装置によって求められるＺ軸方向の地磁気の
大きさＭｚとすると、（１）（φ−α）×α×β×Ｍｚ
の符号を計算する、（２）負の場合は与えられている地
磁気の俯角を減らす、（３）正の場合は与えられている
地磁気の俯角を増やす、の手順に従って、与えられてい
る地磁気の俯角を増減することを特徴とする姿勢角度検
出装置。 - 【請求項３】 請求項２記載の姿勢角度検出装置におい
て、前記与えられている地磁気への俯角の増減は、一定
値Ｃだけ加減することを特徴とする姿勢角度検出装置。 - 【請求項４】 請求項２記載の姿勢角度検出装置におい
て、前記与えられている地磁気への俯角の増減は一定率
ｋだけ加減することを特徴とする姿勢角度検出装置。 - 【請求項５】 請求項１ないし４のいずれかに記載の姿
勢角度検出装置において、前記記憶手段は地磁気の俯角
を保存しており、前記俯角自動補正装置によって地磁気
の俯角が補正された後に記憶手段に補正されたデータを
保存することを特徴とする姿勢角度検出装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001362582A JP3797661B2 (ja) | 2001-11-28 | 2001-11-28 | 姿勢角度検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001362582A JP3797661B2 (ja) | 2001-11-28 | 2001-11-28 | 姿勢角度検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003161634A true JP2003161634A (ja) | 2003-06-06 |
| JP3797661B2 JP3797661B2 (ja) | 2006-07-19 |
Family
ID=19173062
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001362582A Expired - Fee Related JP3797661B2 (ja) | 2001-11-28 | 2001-11-28 | 姿勢角度検出装置 |
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| JP (1) | JP3797661B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005289127A (ja) * | 2004-03-31 | 2005-10-20 | Nagasaki Prefecture | 飛行装置の姿勢位置制御システムおよび姿勢位置制御装置 |
| JP2007040982A (ja) * | 2005-07-01 | 2007-02-15 | Yamaha Corp | 方位及び傾斜角検出装置、方位及び傾斜角検出方法、プログラム及び携帯端末装置 |
| KR100802249B1 (ko) | 2005-07-01 | 2008-02-11 | 야마하 가부시키가이샤 | 장치의 방위각 및 경사각을 검출하기 위한 기기, 방법 및프로그램 |
| CN101716417A (zh) * | 2009-12-24 | 2010-06-02 | 韩洪波 | 人体引体向上无线测试系统 |
| CN101721801A (zh) * | 2009-12-24 | 2010-06-09 | 韩洪波 | 人体跳绳无线测试系统 |
| KR20110033282A (ko) * | 2008-07-18 | 2011-03-30 | 모베아 에스.아 | 물체의 배향의 개선된 추정을 위한 방법 및 상기 방법을 구현하는 자세 제어 시스템 |
| CN103446741A (zh) * | 2012-12-31 | 2013-12-18 | 湖南师范大学 | 一种引体向上测试器 |
| CN107390155A (zh) * | 2017-09-25 | 2017-11-24 | 武汉影随科技合伙企业（有限合伙） | 一种磁传感器校准装置和方法 |
| CN110715597A (zh) * | 2019-10-21 | 2020-01-21 | Oppo广东移动通信有限公司 | 角度计算方法、装置、存储介质以及终端 |
-
2001
- 2001-11-28 JP JP2001362582A patent/JP3797661B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|---|---|---|
| JP2005289127A (ja) * | 2004-03-31 | 2005-10-20 | Nagasaki Prefecture | 飛行装置の姿勢位置制御システムおよび姿勢位置制御装置 |
| JP2007040982A (ja) * | 2005-07-01 | 2007-02-15 | Yamaha Corp | 方位及び傾斜角検出装置、方位及び傾斜角検出方法、プログラム及び携帯端末装置 |
| KR100802249B1 (ko) | 2005-07-01 | 2008-02-11 | 야마하 가부시키가이샤 | 장치의 방위각 및 경사각을 검출하기 위한 기기, 방법 및프로그램 |
| KR20110033282A (ko) * | 2008-07-18 | 2011-03-30 | 모베아 에스.아 | 물체의 배향의 개선된 추정을 위한 방법 및 상기 방법을 구현하는 자세 제어 시스템 |
| JP2011528432A (ja) * | 2008-07-18 | 2011-11-17 | モベア エス．アー | 物体の向きをより正確に推定する方法および前記方法を実装した姿勢制御装置 |
| KR101693898B1 (ko) * | 2008-07-18 | 2017-01-09 | 모베아 | 물체의 배향의 개선된 추정을 위한 방법 및 상기 방법을 구현하는 자세 제어 시스템 |
| CN101716417A (zh) * | 2009-12-24 | 2010-06-02 | 韩洪波 | 人体引体向上无线测试系统 |
| CN101721801A (zh) * | 2009-12-24 | 2010-06-09 | 韩洪波 | 人体跳绳无线测试系统 |
| CN103446741A (zh) * | 2012-12-31 | 2013-12-18 | 湖南师范大学 | 一种引体向上测试器 |
| CN107390155A (zh) * | 2017-09-25 | 2017-11-24 | 武汉影随科技合伙企业（有限合伙） | 一种磁传感器校准装置和方法 |
| CN110715597A (zh) * | 2019-10-21 | 2020-01-21 | Oppo广东移动通信有限公司 | 角度计算方法、装置、存储介质以及终端 |
| CN110715597B (zh) * | 2019-10-21 | 2022-04-05 | Oppo广东移动通信有限公司 | 角度计算方法、装置、存储介质以及终端 |
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|---|---|
| JP3797661B2 (ja) | 2006-07-19 |
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