JP2004125731A - Attitude angle detector - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a useful communication algorithm for an attitude angle detector communicating between an arithmetic means and sensor parts by a long-distance communication, wherein the detector is provided with gyroscopes detecting angular velocity around three axes, acceleration sensors sensing at least around two axes, magnetic sensors detecting at least two-axis earth magnetism, and an arithmetic means for calculating the attitude angles. <P>SOLUTION: This attitude angle detector is capable of securing a responsiveness of the detector without reducing a precision of the attitude angle detector by executing data communication between the sensor parts and the arithmetic means in such a way that it transfers the data output from the gyroscopes detecting the angular velocity every time, and transfers data output from the acceleration sensors and the magnetic sensors alternatively every other time. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動体の姿勢検出や姿勢制御、バーチャルリアリティー等に使用されるヘッドマウントディスプレーで、頭の姿勢角度を検出するトラッカー、及び3Dゲームパッド等、3次元空間中で被測定対象物の姿勢角度(3軸の回転角度)を検出するのに適した姿勢角検出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
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、精度や信頼性が重視されていたので、サイズや価格は比較的問題とならなかった。しかしながら、3Dゲームなど民生用途への応用では、サイズや価格が最も重視される。ジャイロ、加速度センサ、磁気センサといったセンサはもちろんのこと、すべての構成部品に関して小型品、低価格品の使用が求められている。
【0003】
マイコンについても例外ではない。このジャイロ、加速度センサ、磁気センサを用いた姿勢角度検出装置では、センサからの出力にさまざまな演算を行って姿勢角度を求めている。この演算をマイコンで行うことにすると、浮動少数演算が可能なマイコンが必要であり、小型化、低価格化が実現できない。
【0004】
そこで、センサからの出力値をパソコンなどのホストマシンにそのまま送り、姿勢角度を求める演算は、ホストマシンのCPUで行う方法が考えられる。この方法の場合は、マイコンでは演算する必要がなく、センサ出力のデータを取り、ホストマシンと通信を行うだけの作業で済むので、小型化、低価格化が容易に実現できる。
【0005】
現状では、通信方式はUSB通信/ロースピードデバイス/インタラプト転送が最適である。USB通信が最適な理由は、複数接続が容易であること、電源供給があることである。
【0006】
【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、通信周期はUSBの規格から8msであり、一度に転送できるデータ量は8byteである。転送するデータが8byte以内であれば8ms毎にそのデータが送られ、転送するデータが8〜16byteであれば最初の8msにデータ1、次の8msにデータ2というように、2回に分けて送られる。一方、転送するセンサ出力値のデータは、少なくとも10bitA/D×7つ=70bitで8byteを超える。従って、このままではデータが2回に分けられて送られるために、1周期が16msになってしまい応答性が確保できないという問題がある。
【0007】
また、応答性を確保するために、A/D分解能を9bitにするとデータ量は8byte以内に抑えることができるが、姿勢角度を演算した結果の精度が悪くなってしまうという問題があった。
【0008】
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、応答性を確保し、なおかつ精度も下げない通信アルゴリズムである。このアルゴリズムによって、理想的な姿勢角度検出装置を提供するものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、3軸の回りの角速度を検出するジャイロと、少なくとも2軸の加速度を検出する加速度センサと、少なくとも2軸の地磁気を検出する磁気センサとから構成されるセンサ部と、姿勢角度を算出するための演算手段とを備え、前記センサ部と前記演算手段とは遠隔通信によってデータを転送する姿勢角度検出装置であって、前記センサ部と前記演算手段とのデータの通信において、前記ジャイロから出力されるデータは毎回転送され、少なくとも前記加速度センサおよび前記磁気センサから出力されるデータは1回おきに交互に転送されることを特徴とする姿勢角度検出装置である。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、今回は姿勢角度検出装置の全センサ数が9つのもの(ジャイロ3つ、加速度センサ3つ、磁気センサ3つ)を説明するが、7つ以上のものについては、同様に適応できる。
【0011】
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3軸(Xs軸、Ys軸および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、第2のジャイロ12および第3のジャイロ13はXs軸、Ys軸および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14、第2の加速度センサ15および第3の加速度センサ16は、互いに直交する3軸、Xs軸、Ys軸およびZs軸に平行に配置されている。同様に、第1の磁気センサ17、第2の磁気センサ18および第3の磁気センサ19は、互いに直交する3軸、Xs軸、Ys軸およびZs軸に平行に配置されている。
【0012】
図2は、本発明の一実施の形態における姿勢角度検出装置の全体構成を示す図である。ジャイロ22、加速度センサ23および磁気センサ24からは、それぞれ角速度(ωx,ωy,ωz)、加速度(Ax,Ay,Az)、地磁気(Mx,My,Mz)が出力される。各センサ出力は、マイコン25に内蔵されたA/Dコンバータによりデジタルデータに変換され、遠隔通信の一つであるUSB通信によってパソコン26に転送される。パソコン26の姿勢角度演算手段28は、各センサのA/Dデータを元にセンサモジュール21の姿勢角度を演算し、アプリケーション27に出力する。
【0013】
最初に、USB通信の転送方法について説明する。通信方式としては、現状ではUSB通信/ロースピードデバイス/インタラプト転送が最適である。USB通信は、複数接続が容易であり、また電源供給があるので、本発明のようなセンサデバイスに最適である。ロースピードデバイスは、一般にデータの少ないデバイスの規格で、キーボードやマウスのデータ転送に使われる。また、ハイスピードデバイスやフルスピードデバイスの規格は、データ量の多いプリンタやスキャナなどに使われる。インタラプト転送は、周期的にデータを送るときに使用する転送方法である。これらの方式を選択することによって、マイコンの小型・低価格化が実現できる。
【0014】
しかしながら、上記の方法を用いる場合、通信周期はUSBの規格から8msであり、一度に転送できるデータ量は8byteである。転送するデータが8byte以内であれば8ms毎にそのデータが送られ、転送するデータが8〜16byteであれば最初の8msにデータ1、次の8msにデータ2というように2回に分けて送られる。一方、各センサの出力はA/Dコンバータによってデジタルデータになるが、このA/Dコンバータの分解能は10bitである。
【0015】
図4に、従来の通信方法におけるデータフォーマットを示す。従来は、9つあるセンサ出力をそのまま転送していたために、9×10=90bit(=12byte)のデータ量になっていた。従って、通信周期は16msとなり、アプリケーションの動画がなめらかになるのに十分な通信周期が得られなかった。Bt1,Bt2は、リセット信号やマウスのクリックに相当する信号を送るためのボタンデータである。N/Aは未使用の領域で値は不定である。
【0016】
図4に、本発明の通信方法におけるデータフォーマットを示す。Sensor1からSensor3は、ジャイロの出力(ωx,ωy,ωz)である。Sensor4からSensor6は、加速度センサの出力(Ax,Ay,Az)と磁気センサの出力(Mx,My,Mz)が交互に転送される。Flagは、Sensor4からSensor6が、どちらのセンサのデータなのかを示すフラグである。たとえば、加速度センサのときはFlagは0、磁気センサのときは1とする。
【0017】
姿勢角度の演算方法を後述するが、ジャイロの出力は、1周期前の姿勢角度からの変化量を求めるために使用するので、その応答性が必要となる。それに対して、加速度センサや磁気センサの出力は、このジャイロによって求めた出力を補正するために使用するので、応答性は比較的必要ない。従って、加速度センサと磁気センサのデータを少なくとも交互に1回転送すれば、十分に機能する。センサの数が少ない場合は、余裕部分を用いて精度を落としたセンサのデータの通信を行うことも可能である。
【0018】
次に、図5にパソコンの内部にある姿勢角度演算手段にて演算される姿勢角度の演算方法について説明する。USBからは、ジャイロ52、加速度センサ53および磁気センサ54によって検出された角速度(ωx,ωy,ωz)、加速度(Ax,Ay,Az)、磁気(Mx,My,Mz)が転送される。運動角演算装置56aは、ジャイロから出力される角速度(ωx,ωy,ωz)から単位時間に移動した姿勢角度である運動角(Δα,Δβ,Δγ)を演算し、出力する。静止角演算装置56bは、加速度センサから出力される加速度(Ax,Ay,Az)と、磁気センサから出力される磁気(Mx,My,Mz)から仮の姿勢角度である静止角(φ,P,R)を演算し出力する。判別装置57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。姿勢角演算装置56cは、運動角(Δα,Δβ,Δγ)、静止角(φ,P,R)と判別装置の出力から最終的に出力する姿勢角度(α,β,γ)を演算し、外部に出力する。
【0019】
次に、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(ωx,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α(n−1)、β(n−1)およびγ(n−1)とから、次式の如く、基準座標系における現在の移動角度(運動角)(Δα,Δβ,Δγ)に変換される。
Δα(n)=ωy・sinγ(n−1)/cosβ(n−1)+ωz・cosγ(n−1)/cosβ(n−1)
Δβ(n)=ωy・cosγ(n−1)−ωz・sinγ(n−1)
Δγ(n)=ωx+ωy・tanβ(n−1)・sinγ(n−1)+ωz・tanβ(n−1)・cosγ(n−1)
【0020】
次に、図5の静止角演算装置の説明を行う。図1に示す加速度センサ14、15および16は、それぞれセンサ座標系での重力加速度のXs、YsおよびZs軸の成分分力Ax(n)、Ay(n)およびAz(n)を検出するように配置されている。また、図1に示す磁気センサ17、18および19は、それぞれXs、YsおよびZs軸上の地磁気分力Mx(n)、My(n)およびMz(n)を検出するように配置されている。
【0021】
加速度センサの出力Ax(n)、Ay(n)およびAz(n)は、ロール角演算手段およびピッチ角演算手段にて下式により、基準座標系の水平面(XY平面)との傾斜角である仮のロール角R(n)および仮のピッチ角P(n)を算出する。
P(n)=sin−1Ax(n)
R(n)=tan−1[−Ay(n)/−Az(n)]
【0022】
基準座標系での仮のヨー角φ(n)を求めるために、基準座標系での地磁気成分HX,HYを地磁気センサの出力Mx(n)、My(n)およびMz(n)と仮のピッチ角P(n)、仮のロール角R(n)を用いて次式のごとく座標変換を行う。
HX(n)=Mx・cosP(n)+[My・sinR(n)+Mz・cosR(n)]・sinP(n)
HY(n)=My・cosR(n)−Mz・sinR(n)
【0023】
基準座標系での仮のヨー角φ(n)は、
φ(n)=−tan−1[HY(n)/HX(n)]−φ(0)
で表される。ただし、φ(0)は原点時の方位角である。
【0024】
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、AyおよびAzは重力加速度のXs、YsおよびZs軸方向成分と運動加速度のXs、YsおよびZs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)、R(n)が正しいかどうかを判別するものである。
【0025】
運動加速度が加わっていない状態では、Ax、AyおよびAzの合成ベクトルは1Gとなるので微小定数εを用いて、
|(Ax+Ay+Az1/2−1|<ε
が成立するならば、それぞれφ、P、Rは正しいと判断する。
【0026】
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、Rが正しいと判断された場合には、
α(n)=α(n−1)+Δα−k[α(n−1)+Δα−φ(n)]、
β(n)=β(n−1)+Δβ−k[β(n−1)+Δβ−P(n)]、
γ(n)=γ(n−1)+Δγ−k[γ(n−1)+Δγ−R(n)]、
により姿勢角度を演算し、判別装置においてφ、P、R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、
γ(n)=γ(n−1)+Δγ、
により姿勢角度を演算する。
【0027】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、センサのデータを応答性の必要なものと不必要なものとに分け、実際に転送するデータを8byteに圧縮することによって、従来の姿勢角度検出装置の問題を解消し、すなわち応答性を確保し、なおかつ精度も下げない通信アルゴリズムが得られた。このアルゴリズムによって理想的な姿勢角度検出装置が実現できた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明における姿勢角度検出装置のセンサモジュール。
【図2】本発明における姿勢角度検出装置の全体構成に関する説明図。
【図3】従来におけるUSB通信データフォーマットに関する説明図。
【図4】本発明におけるUSB通信データフォーマットに関する説明図。
【図5】本発明における姿勢角度の演算方法に関する説明図。
【符号の説明】
11  第1のジャイロ
12  第2のジャイロ
13  第3のジャイロ
14  第1の加速度センサ
15  第2の加速度センサ
16  第3の加速度センサ
17  第1の磁気センサ
18  第2の磁気センサ
19  第3の磁気センサ
21  センサモジュール
22  ジャイロ
23  加速度センサ
24  磁気センサ
25  マイコン
26  パソコン
27  アプリケーション
28  姿勢角度演算手段
29  USBコントローラ
52  ジャイロ
53  加速度センサ
54  磁気センサ
56  演算装置
56c  姿勢角演算装置
57  判別装置
59  出力
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention is a head mounted display used for posture detection and posture control of a moving body, virtual reality, and the like. A tracker for detecting a posture angle of a head, a 3D game pad, and the like for measuring an object to be measured in a three-dimensional space. The present invention relates to a posture angle detection device suitable for detecting a posture angle (a rotation angle of three axes).
[0002]
[Prior art]
In the attitude angle detecting device used for measuring and controlling the attitude of an airplane or a ship, accuracy and reliability have been emphasized, so that the size and the price did not matter relatively. However, in applications to consumer use such as 3D games, size and price are most important. There is a demand for the use of small and low-priced products for all components as well as sensors such as gyros, acceleration sensors, and magnetic sensors.
[0003]
Microcomputers are no exception. In the attitude angle detection device using the gyro, the acceleration sensor, and the magnetic sensor, various calculations are performed on the output from the sensor to determine the attitude angle. If this calculation is performed by a microcomputer, a microcomputer capable of floating-point arithmetic is required, and miniaturization and cost reduction cannot be realized.
[0004]
Thus, a method is conceivable in which the output value from the sensor is directly sent to a host machine such as a personal computer, and the calculation for obtaining the attitude angle is performed by the CPU of the host machine. In this method, there is no need for the microcomputer to perform the calculation, and it is only necessary to take the data of the sensor output and communicate with the host machine. Therefore, miniaturization and cost reduction can be easily realized.
[0005]
At present, the most suitable communication method is USB communication / low speed device / interrupt transfer. The reason why USB communication is optimal is that multiple connections are easy and power is supplied.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the above method is used, the communication cycle is 8 ms from the USB standard, and the amount of data that can be transferred at one time is 8 bytes. If the data to be transferred is within 8 bytes, the data is transmitted every 8 ms. If the data to be transferred is 8 to 16 bytes, the data is divided into two, such as data 1 for the first 8 ms and data 2 for the next 8 ms. Sent. On the other hand, the sensor output value data to be transferred is at least 10 bits A / D × 7 = 70 bits and exceeds 8 bytes. Accordingly, if the data is sent as it is, the data is divided and transmitted twice, so that one cycle becomes 16 ms, and there is a problem that responsiveness cannot be secured.
[0007]
In addition, if the A / D resolution is set to 9 bits in order to ensure responsiveness, the data amount can be suppressed to within 8 bytes. However, there has been a problem that the accuracy of the result of calculating the attitude angle deteriorates.
[0008]
The present invention is directed to a communication algorithm which solves the above-described problem of the attitude angle detecting device, and which ensures responsiveness and does not reduce accuracy. With this algorithm, an ideal posture angle detecting device is provided.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a gyro that detects angular velocities around three axes, an acceleration sensor that detects at least two axes of acceleration, a sensor unit that includes at least two axes of magnetic sensors that detect geomagnetism, Calculating means for calculating, wherein the sensor unit and the calculating means are attitude angle detecting devices for transferring data by remote communication, and in the communication of data between the sensor unit and the calculating means, the gyro is used. Is output every time, and at least data output from the acceleration sensor and the magnetic sensor are alternately transferred every other time.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In this case, the posture angle detecting device having nine sensors (three gyros, three acceleration sensors, and three magnetic sensors) will be described. However, the same applies to those having seven or more sensors.
[0011]
FIG. 1 shows an arrangement of a gyro, an acceleration sensor, and a magnetic sensor in the posture angle detecting device of the present invention. In the sensor coordinate system shown in FIG. 1, a first gyro 11, a second gyro 12, and a third gyro 13 for detecting angular velocities around three axes (Xs axis, Ys axis, and Zs axis) orthogonal to each other. Are arranged parallel to the Xs axis, the Ys axis, and the Zs axis, that is, orthogonal to each other. The first acceleration sensor 14, the second acceleration sensor 15, and the third acceleration sensor 16 are arranged in parallel to three axes, the Xs axis, the Ys axis, and the Zs axis, which are orthogonal to each other. Similarly, the first magnetic sensor 17, the second magnetic sensor 18, and the third magnetic sensor 19 are arranged in parallel to three axes, the Xs axis, the Ys axis, and the Zs axis, which are orthogonal to each other.
[0012]
FIG. 2 is a diagram illustrating an overall configuration of the posture angle detecting device according to the embodiment of the present invention. The gyro 22, the acceleration sensor 23, and the magnetic sensor 24 output angular velocity (ωx, ωy, ωz), acceleration (Ax, Ay, Az), and geomagnetism (Mx, My, Mz), respectively. Each sensor output is converted into digital data by an A / D converter built in the microcomputer 25, and is transferred to the personal computer 26 by USB communication which is one of remote communication. The attitude angle calculation means 28 of the personal computer 26 calculates the attitude angle of the sensor module 21 based on the A / D data of each sensor, and outputs the calculated angle to the application 27.
[0013]
First, a transfer method of USB communication will be described. At present, USB communication / low-speed device / interrupt transfer is optimal as a communication method. The USB communication is suitable for a sensor device as in the present invention because a plurality of USB connections are easy and a power supply is provided. A low-speed device is a device standard with little data, and is used for data transfer of a keyboard and a mouse. The high-speed device and full-speed device standards are used for printers and scanners having a large amount of data. Interrupt transfer is a transfer method used when data is sent periodically. By selecting these methods, the microcomputer can be reduced in size and cost.
[0014]
However, when the above method is used, the communication cycle is 8 ms from the USB standard, and the amount of data that can be transferred at one time is 8 bytes. If the data to be transferred is within 8 bytes, the data is transmitted every 8 ms. If the data to be transferred is 8 to 16 bytes, the data is transmitted in two parts, such as data 1 for the first 8 ms and data 2 for the next 8 ms. Can be On the other hand, the output of each sensor is converted into digital data by the A / D converter, and the resolution of the A / D converter is 10 bits.
[0015]
FIG. 4 shows a data format in a conventional communication method. Conventionally, the data amount of 9 × 10 = 90 bits (= 12 bytes) was obtained because nine sensor outputs were directly transferred. Accordingly, the communication cycle was 16 ms, and a sufficient communication cycle for smoothing the moving image of the application could not be obtained. Bt1 and Bt2 are button data for sending a reset signal or a signal corresponding to a mouse click. N / A is an unused area and its value is undefined.
[0016]
FIG. 4 shows a data format in the communication method of the present invention. Sensor1 to Sensor3 are gyro outputs (ωx, ωy, ωz). From Sensor4 to Sensor6, the output (Ax, Ay, Az) of the acceleration sensor and the output (Mx, My, Mz) of the magnetic sensor are alternately transferred. Flag is a flag indicating which sensor data is from Sensor4 to Sensor6. For example, Flag is 0 for an acceleration sensor and 1 for a magnetic sensor.
[0017]
The method of calculating the posture angle will be described later. Since the output of the gyro is used to determine the amount of change from the posture angle one cycle before, its responsiveness is required. On the other hand, the output of the acceleration sensor or the magnetic sensor is used to correct the output obtained by the gyro, so that the response is relatively unnecessary. Therefore, it suffices to transfer the data of the acceleration sensor and the magnetic sensor at least alternately at least once. When the number of sensors is small, it is also possible to perform sensor data communication with reduced accuracy by using the margin.
[0018]
Next, FIG. 5 illustrates a method of calculating the posture angle calculated by the posture angle calculation means inside the personal computer. The angular velocity (ωx, ωy, ωz), acceleration (Ax, Ay, Az), and magnetism (Mx, My, Mz) detected by the gyro 52, the acceleration sensor 53, and the magnetic sensor 54 are transferred from the USB. The motion angle computing device 56a computes and outputs motion angles (Δα, Δβ, Δγ), which are attitude angles moved in unit time, from the angular velocities (ωx, ωy, ωz) output from the gyro. The static angle calculation device 56b calculates a static angle (φ, P) that is a temporary attitude angle from the acceleration (Ax, Ay, Az) output from the acceleration sensor and the magnetism (Mx, My, Mz) output from the magnetic sensor. , R) is calculated and output. The determination device 57 compares the motion angle and the stationary angle to determine whether the stationary angle is correct, and outputs a result to the attitude angle detecting device. The attitude angle calculation device 56c calculates the attitude angles (α, β, γ) finally output from the motion angles (Δα, Δβ, Δγ), the stationary angles (φ, P, R) and the output of the discriminating device, Output to the outside.
[0019]
Next, the contents of the motion angle calculation device will be described. The outputs (ωx, ωy, ωz) of the respective gyros according to the angular velocity applied to the attitude angle detection device are subjected to coordinate transformation, and output α (n−1), β (n) one unit time past in unit time to be calculated. -1) and γ (n-1) are converted into the current movement angle (movement angle) (Δα, Δβ, Δγ) in the reference coordinate system as in the following equation.
Δα (n) = ωy · sinγ (n−1) / cosβ (n−1) + ωz · cosγ (n−1) / cosβ (n−1)
Δβ (n) = ωy · cosγ (n−1) −ωz · sinγ (n−1)
Δγ (n) = ωx + ωy · tanβ (n−1) · sinγ (n−1) + ωz · tanβ (n−1) · cosγ (n−1)
[0020]
Next, the static angle calculation device of FIG. 5 will be described. The acceleration sensors 14, 15 and 16 shown in FIG. 1 detect the component component forces Ax (n), Ay (n) and Az (n) of the gravitational acceleration in the sensor coordinate system on the Xs, Ys and Zs axes, respectively. Are located in Further, the magnetic sensors 17, 18 and 19 shown in FIG. 1 are arranged to detect the geomagnetic component forces Mx (n), My (n) and Mz (n) on the Xs, Ys and Zs axes, respectively. .
[0021]
The outputs Ax (n), Ay (n) and Az (n) of the acceleration sensor are inclination angles with respect to the horizontal plane (XY plane) of the reference coordinate system by the roll angle calculation means and the pitch angle calculation means according to the following equation. A temporary roll angle R (n) and a temporary pitch angle P (n) are calculated.
P (n) = sin -1 Ax (n)
R (n) = tan -1 [-Ay (n) /-Az (n)]
[0022]
In order to determine the provisional yaw angle φ (n) in the reference coordinate system, the geomagnetic components HX and HY in the reference coordinate system are calculated by using the outputs Mx (n), My (n) and Mz (n) of the geomagnetic sensor as the provisional values. Using the pitch angle P (n) and the provisional roll angle R (n), coordinate conversion is performed as in the following equation.
HX (n) = Mx · cosP (n) + [My · sinR (n) + Mz · cosR (n)] · sinP (n)
HY (n) = My · cosR (n) −Mz · sinR (n)
[0023]
The provisional yaw angle φ (n) in the reference coordinate system is
φ (n) = − tan −1 [HY (n) / HX (n)] − φ (0)
Is represented by Here, φ (0) is the azimuth at the origin.
[0024]
Next, a discriminating device in the posture angle detecting device of the present invention will be described. Since the outputs Ax, Ay, and Az of the acceleration sensor become a composite vector of the Xs, Ys, and Zs axis direction components of the gravitational acceleration and the Xs, Ys, and Zs axis components of the motion acceleration, when there is a motion acceleration, The temporary pitch angle P calculated by the static angle calculation device does not become a correct pitch angle. Also, the provisional yaw angle φ may not be a correct yaw angle depending on the magnetic field environment. The determination device determines whether or not the outputs φ (n), P (n), and R (n) of the static angle calculation device are correct.
[0025]
In the state where no motion acceleration is applied, the combined vector of Ax, Ay and Az is 1 G,
| (Ax 2 + Ay 2 + Az 2 ) 1/2 −1 | <ε
Holds, φ, P, and R are determined to be correct.
[0026]
Next, a description will be given of a calculation method performed by the attitude angle calculation device that obtains a final output by calculating the output of the motion angle calculation device and the output of the static angle calculation device according to the determination result of the determination device.
If the discriminating device determines that φ, P, and R are correct,
α (n) = α (n−1) + Δα−k [α (n−1) + Δα−φ (n)],
β (n) = β (n−1) + Δβ−k [β (n−1) + Δβ−P (n)],
γ (n) = γ (n−1) + Δγ−k [γ (n−1) + Δγ−R (n)],
When the discriminating apparatus determines that φ, P, and R are incorrect,
α (n) = α (n−1) + Δα,
β (n) = β (n−1) + Δβ,
γ (n) = γ (n−1) + Δγ,
To calculate the posture angle.
[0027]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the conventional attitude angle detecting device is obtained by dividing the sensor data into those requiring responsiveness and those unnecessary, and compressing the data to be actually transferred to 8 bytes. A communication algorithm that ensures responsiveness and does not reduce accuracy has been obtained. With this algorithm, an ideal attitude angle detection device was realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sensor module of a posture angle detecting device according to the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram relating to an overall configuration of a posture angle detecting device according to the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram relating to a conventional USB communication data format.
FIG. 4 is an explanatory diagram relating to a USB communication data format in the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram relating to a method of calculating a posture angle according to the present invention.
[Explanation of symbols]
11 First gyro 12 Second gyro 13 Third gyro 14 First acceleration sensor 15 Second acceleration sensor 16 Third acceleration sensor 17 First magnetic sensor 18 Second magnetic sensor 19 Third magnetic Sensor 21 Sensor module 22 Gyro 23 Acceleration sensor 24 Magnetic sensor 25 Microcomputer 26 Personal computer 27 Application 28 Attitude angle calculation means 29 USB controller 52 Gyro 53 Acceleration sensor 54 Magnetic sensor 56 Calculation device 56c Posture angle calculation device 57 Discrimination device 59 Output

Claims (1)

3軸の回りの角速度を検出するジャイロと、少なくとも2軸の加速度を検出する加速度センサと、少なくとも2軸の地磁気を検出する磁気センサとから構成されるセンサ部と、姿勢角度を算出するための演算手段とを備え、前記センサ部と前記演算手段とは遠隔通信によってデータを転送する姿勢角度検出装置であって、前記センサ部と前記演算手段とのデータの通信において、前記ジャイロから出力されるデータは毎回転送され、少なくとも前記加速度センサおよび前記磁気センサから出力されるデータは1回おきに交互に転送されることを特徴とする姿勢角度検出装置。A sensor unit including a gyro for detecting angular velocities around three axes, an acceleration sensor for detecting at least two axes of acceleration, and a magnetic sensor for detecting at least two axes of terrestrial magnetism; The sensor unit and the arithmetic unit are posture angle detecting devices that transfer data by remote communication, and are output from the gyro in data communication between the sensor unit and the arithmetic unit. A posture angle detecting device, wherein data is transferred every time, and data output from at least the acceleration sensor and the magnetic sensor are alternately transferred every other time.
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