JP2005331265A - Attitude angle detection device - Google Patents

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Kazutake Mutou
和健 武藤
Minoru Daiguuji
実 大宮司
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Tokin Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To have an algorithm not lowering accuracy in any attitude, and to acquire an ideal attitude angle detection device by the algorithm. <P>SOLUTION: This attitude angle detection device is constituted of three gyroscopes, a moving angle operation device for operating a moving angle in a unit time by two kinds of Euler angles based on an output corresponding to an angular velocity of the gyroscope, an acceleration sensor for detecting a biaxial acceleration, an earth magnetism sensor for detecting a biaxial earth magnetism, a static angle operation device for operating rotation angles around the X-axis, the Y-axis and the Z-axis by the two kinds of Euler angles based on outputs from the acceleration sensor and the earth magnetism sensor, a discrimination device for discriminating genuineness of an operation result, an attitude angle operation device for operating the attitude angle by the two kinds of Euler angles according to the operation result from the discrimination device, and an Euler angle conversion operation device for selecting an Euler angle to be used having a small error from between the two kinds of Euler angles and converting it into the other Euler angle. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、移動体の姿勢や、3Dゲームパッドや、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の頭の姿勢角度を検出するトラッカー等、3次元空間中で測定対象物の姿勢角度(3軸の回転角度)を検出するのに特に適した姿勢角検出装置に関する。   The present invention relates to a posture of a measurement object in a three-dimensional space, such as a posture of a moving body, a tracker for detecting a posture angle of a head on a 3D game pad, a head mounted display used for posture control / virtual reality, etc. The present invention relates to a posture angle detection device particularly suitable for detecting an angle (a rotation angle of three axes).

3次元の姿勢角度を表現する方法として、オイラー角がしばしば用いられてきた。オイラー角は、3つの軸の回転させる順番を定めたもので、その順番によってZ−Y−Xオイラー角、Z−Y−Zオイラー角など全部で12通りの順番が存在する。姿勢角度検出装置に使われるオイラー角で最も一般的なものが、Z−Y−Xオイラー角である。Z軸まわりの角度がヨー角α、Y軸まわりの角度がピッチ角β、X軸まわりの角度がロール角γとして表される。   The Euler angle has often been used as a method of expressing a three-dimensional posture angle. The Euler angles determine the order of rotation of the three axes, and there are twelve different orders in total, such as ZYX Euler angles and ZYZ Euler angles. The most common Euler angle used in the attitude angle detection device is the ZY-X Euler angle. The angle around the Z axis is represented as the yaw angle α, the angle around the Y axis as the pitch angle β, and the angle around the X axis as the roll angle γ.

特許文献1には、Z−Y−Xオイラー角で姿勢角度を演算して出力する姿勢角検出装置について記載されている。   Patent Document 1 describes a posture angle detection device that calculates and outputs a posture angle using a ZYX Euler angle.

しかしながら、上記の方法を用いる場合、姿勢角度検出装置の姿勢がオイラー角のもつ特異点になったときに誤差が大きくなるという問題があった。それぞれのオイラー角と特異点の代表例を表1に示す。   However, when the above method is used, there is a problem that an error increases when the posture of the posture angle detection device becomes a singular point of Euler angles. Table 1 shows typical examples of each Euler angle and singularity.

Figure 2005331265
Figure 2005331265

Z−Y−Xオイラー角を例にすると、X軸が垂直のとき、すなわちピッチ角βが±90度のときに特異点となり、ヨー角αとロール角γは不定となってしまう。ピッチ角βがちょうど90度にならなくても、ピッチ角βが90度に近くなると、例えば60度以上では精度が悪くなる。例えば、Z−Y−Xオイラー角で(180,89,180)という姿勢と(0,89,0)という姿勢はどちらも特異点から1度ずれただけの姿勢で、Z−X−Yオイラー角では両者の差は2度しかないが、Z−Y−Xオイラー角ではヨー角α、ロール角γともに180度もの差になってしまっている。   Taking the ZY-X Euler angle as an example, when the X axis is vertical, that is, when the pitch angle β is ± 90 degrees, it becomes a singular point, and the yaw angle α and the roll angle γ are indefinite. Even if the pitch angle β is not exactly 90 degrees, when the pitch angle β is close to 90 degrees, for example, the accuracy is deteriorated at 60 degrees or more. For example, the posture of (180, 89, 180) and the posture of (0, 89, 0) at the ZY-X Euler angle are both just shifted from the singular point by 1 degree, and the Z-X-Y Euler In the angle, the difference between the two is only 2 degrees, but in the ZY-X Euler angle, both the yaw angle α and the roll angle γ are as much as 180 degrees.

特許文献1では、運動角、静止角という2種類の仮の姿勢角を演算してから、それらを組み合わせて最終的な出力角度である姿勢角を演算している。このときに運動角、静止角が上記の(180,89,180)、(0,89,0)という姿勢であるとすると最終の姿勢角も誤差の大きな角度になってしまう。   In Patent Document 1, two types of temporary posture angles, a motion angle and a static angle, are calculated, and then the posture angle, which is the final output angle, is calculated by combining them. At this time, if the motion angle and the static angle are the above postures (180, 89, 180) and (0, 89, 0), the final posture angle also becomes a large error angle.

特開平11−211474号公報JP-A-11-212474

本発明の目的は、従来の姿勢角度検出装置の問題点の解消を図り、どのような姿勢においても精度を下げないアルゴリズムを有し、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ことである。   An object of the present invention is to solve the problems of the conventional posture angle detection device and to provide an ideal posture angle detection device with an algorithm that does not reduce the accuracy in any posture. is there.

本発明の姿勢角度検出装置は、どのような姿勢においても精度を下げないアルゴリズムを有する姿勢角度検出装置とする。即ち、本発明は、水平面内で直交する軸をX軸、Y軸とし、そのX軸、Y軸に直交する軸をZ軸とし、これらの固定されたX軸、Y軸、Z軸からなる座標軸を基準座標とし、姿勢角度検出装置とともに移動するXs軸、Ys軸、Zs軸からなる座標軸をセンサ座標とするとき、Xs軸、Ys軸及びZs軸の回りの角速度を検出する3個のジャイロスコープと、該ジャイロスコープの角速度に応じた出力に基づいて単位時間に移動した角度を2種類のオイラー角で演算する運動角演算装置と、Xs−Ys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た加速度センサと、Xs−Ys平面で互いに直交する2軸の地磁気を検出するように配置される地磁気センサと、前記加速度センサ及び地磁気センサの出力に基づいて、X軸、Y軸、Z軸回りの回転角を2種類のオイラー角で演算する静止角演算装置と、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、該判別装置の演算結果に応じて、運動角演算装置の演算結果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2種類のオイラー角で演算する姿勢角演算装置と、2種類のオイラー角から誤差が小さく使用するべきオイラー角を選択し、もう一方のオイラー角に変換するオイラー角変換演算装置とから構成される姿勢角度検出装置である。   The posture angle detection device of the present invention is a posture angle detection device having an algorithm that does not reduce the accuracy in any posture. That is, according to the present invention, the axes orthogonal to each other in the horizontal plane are the X axis and the Y axis, the axes orthogonal to the X axis and the Y axis are the Z axes, and the X axis, the Y axis, and the Z axis are fixed. Three gyroscopes that detect angular velocities around the Xs, Ys, and Zs axes when the coordinate axes consisting of the Xs axis, the Ys axis, and the Zs axis that move with the attitude angle detection device are the sensor coordinates. Scope, motion angle calculation device that calculates the angle moved in unit time based on the output according to the angular velocity of the gyroscope with two types of Euler angles, and detection of two-axis acceleration orthogonal to each other on the Xs-Ys plane An X-axis, Y-axis based on outputs from the acceleration sensor and the geomagnetic sensor, an acceleration sensor arranged to detect the geomagnetic sensor arranged to detect two axes of geomagnetism orthogonal to each other in the Xs-Ys plane, , A static angle calculation device that calculates the rotation angle around the Z axis with two types of Euler angles, a determination device that determines the authenticity of the calculation result by the static angle calculation device, and a motion according to the calculation result of the determination device The attitude angle calculation device that calculates the posture angle to be output from the calculation result of the angle calculation device and the calculation result of the static angle calculation device with two types of Euler angles, and the Euler angle that should be used with a small error from the two types of Euler angles. It is an attitude angle detection device that includes an Euler angle conversion arithmetic device that selects and converts it to another Euler angle.

本発明によれば、特異点の異なる2種類のオイラー角を組み合わせて演算することによって、どのような姿勢においても精度の良い出力が得られるアルゴリズムによって高精度の姿勢角度検出装置が実現できる。   According to the present invention, a high-accuracy posture angle detection device can be realized by an algorithm that obtains an accurate output in any posture by combining two types of Euler angles with different singularities.

以下、本発明の実施の形態による姿勢角度検出装置について図面を参照して説明する。なお、Z−Y−Xオイラー角の出力はヨー角α、ピッチ角β、ロール角γ、(α,β,γ)で表し、Z−X−Yオイラー角の出力はヨー角φ、ロール角θ、ピッチ角ψ、(φ,θ,ψ)で表すこととする。   Hereinafter, an attitude angle detection device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The output of the ZY-X Euler angle is represented by the yaw angle α, the pitch angle β, the roll angle γ, (α, β, γ), and the output of the Z-X-Y Euler angle is the yaw angle φ, the roll angle. It is represented by θ, pitch angle ψ, (φ, θ, ψ).

図1は、本発明における姿勢角度検出装置の一例の構成図である。図1に示すように、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に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。   FIG. 1 is a configuration diagram of an example of a posture angle detection device according to the present invention. As shown in FIG. 1, an arrangement of a gyro, an acceleration sensor, and a magnetic sensor in the attitude angle detection device of the present invention is shown. 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 in 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 the three axes that are orthogonal to each other, the Xs axis, the Ys axis, and the Zs axis. Similarly, the first magnetic sensor 17, the second magnetic sensor 18, and the third magnetic sensor 19 are disposed in parallel to the three axes that are orthogonal to each other, the Xs axis, the Ys axis, and the Zs axis.

図2は、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である。図2に示すように、ジャイロ22a,22b,22c、加速度センサ23a,23b,23cおよび磁気センサ24a,24b,24cからは、それぞれ角速度(ωx,ωy,ωz)、加速度(Ax,Ay,Az)、磁気(Mx,My,Mz)が出力される。運動角演算装置26aは、ジャイロ22の出力から運動角(Δα,Δβ,Δγ)および(Δφ,Δθ,Δψ)を演算し出力する。静止角演算装置26bは、加速度センサ23および磁気センサ24の出力から静止角(α’,β’,γ’)および(φ’,θ’,ψ’)を演算し出力する。判別装置27は、運動角および静止角から静止角が正しいかどうかを判別し、姿勢角演算装置26cに出力する。姿勢角演算装置26cは判別装置からの判断を元に、運動角と静止角を組み合わせて仮の姿勢角(α’’,β’’,γ’’)および(φ’’,θ’’,ψ’’)を出力する。オイラー角変換演算装置28は、仮の姿勢角から出力するべき最終的な姿勢角を演算し、オイラー角(α,β,γ)を出力する。   FIG. 2 is an explanatory diagram relating to the overall configuration of the attitude angle detection device according to the present invention. As shown in FIG. 2, the angular velocities (ωx, ωy, ωz) and accelerations (Ax, Ay, Az) are obtained from the gyros 22 a, 22 b, 22 c, the acceleration sensors 23 a, 23 b, 23 c and the magnetic sensors 24 a, 24 b, 24 c, respectively. , Magnetism (Mx, My, Mz) is output. The motion angle calculation device 26a calculates and outputs motion angles (Δα, Δβ, Δγ) and (Δφ, Δθ, Δψ) from the output of the gyro 22. The static angle calculation device 26b calculates and outputs the static angles (α ′, β ′, γ ′) and (φ ′, θ ′, ψ ′) from the outputs of the acceleration sensor 23 and the magnetic sensor 24. The discriminating device 27 discriminates whether or not the stationary angle is correct from the motion angle and the stationary angle, and outputs it to the posture angle computing device 26c. Based on the determination from the determination device, the posture angle calculation device 26c combines the motion angle and the stationary angle to create temporary posture angles (α ″, β ″, γ ″) and (φ ″, θ ″, ψ ″) is output. The Euler angle conversion calculation device 28 calculates a final posture angle to be output from the temporary posture angle, and outputs Euler angles (α, β, γ).

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)、γ(n−1)、φ(n−1)、θ(n−1)およびψ(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)および(Δφ,Δθ,Δψ)に変換される。   Next, the contents of the motion angle calculation device will be described. The outputs (ωx, ωy, ωz) of each gyro according to the angular velocity applied to the attitude angle detection device are output by converting the coordinates α (n−1), β (n −1), γ (n−1), φ (n−1), θ (n−1), and ψ (n−1), the current movement angle (movement angle) in the reference coordinate system is ) (Δα, Δβ, Δγ) and (Δφ, Δθ, Δψ).

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)、
Δφ(n)=−ωx・sinψ(n−1)/cosθ(n−1)+ωz・cosψ(n−1)/cosθ(n−1)、
Δθ(n)=ωx・cosψ(n−1)+ωz・sinψ(n−1)、
Δψ(n)=ωx・tanθ(n−1)・sinψ(n−1)+ωy−ωz・tanθ(n−1)・cosψ(n−1)
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),
Δφ (n) = − ωx · sinψ (n−1) / cosθ (n−1) + ωz · cosψ (n−1) / cosθ (n−1),
Δθ (n) = ωx · cos ψ (n−1) + ωz · sin ψ (n−1),
Δψ (n) = ωx · tan θ (n−1) · sinψ (n−1) + ωy−ωz · tan θ (n−1) · cos φ (n−1)

次に、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。   Next, the static angle calculation device will be described. The acceleration sensors 14, 15 and 16 shown in FIG. 1 detect component component forces Ax (n), Ay (n) and Az (n) of the Xs, Ys and Zs axes of gravity acceleration in the sensor coordinate system, respectively. Is arranged. Further, the magnetic sensors 17, 18 and 19 shown in FIG. 1 are arranged to detect geomagnetic component forces Mx (n), My (n) and Mz (n) on the Xs, Ys and Zs axes, respectively. .

加速度センサの出力Ax(n)、Ay(n)およびAz(n)は、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γ’(n)、θ’(n)および仮のピッチ角β’(n)、ψ’(n)を算出する。   Outputs Ax (n), Ay (n), and Az (n) of the acceleration sensor are provisional roll angles γ ′ (n), θ that are inclination angles with respect to the horizontal plane (XY plane) of the reference coordinate system according to the following formula. '(N) and provisional pitch angle β' (n), ψ '(n) are calculated.

β’(n)=sin-1Ax(n)
γ’(n)=tan-1[−Ay(n)/−Az(n)]
θ’(n)=−sin-1Ay(n)
ψ’(n)=tan -1[Ax(n)/−Az(n)]
β ′ (n) = sin −1 Ax (n)
γ ′ (n) = tan −1 [−Ay (n) / − Az (n)]
θ ′ (n) = − sin −1 Ay (n)
ψ ′ (n) = tan −1 [Ax (n) / − Az (n)]

基準座標系での仮のヨー角α’(n)を求めるために、基準座標系での地磁気成分HX1、HY1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β’(n)、仮のロール角γ’(n)を用いて次式のごとく座標変換を行う。   In order to obtain the provisional yaw angle α ′ (n) in the reference coordinate system, the geomagnetic components HX1 and HY1 in the reference coordinate system are assumed to be temporary and the outputs Mx (n), My (n) and Mz (n) of the geomagnetic sensor. Is converted using the pitch angle β ′ (n) and the temporary roll angle γ ′ (n).

HX1(n)=Mx・cosβ’(n)+[My・sinγ’(n)+Mz・cosγ’(n)]・sinβ’(n)
HY1(n)=My・cosγ’(n)−Mz・sinγ’(n)
HX1 (n) = Mx · cos β ′ (n) + [My · sin γ ′ (n) + Mz · cos γ ′ (n)] · sin β ′ (n)
HY1 (n) = My · cos γ ′ (n) −Mz · sin γ ′ (n)

基準座標系での仮のヨー角α’(n)は、
α’(n)=−tan-1[HY1(n)/HX1(n)]−α(0)
で表される。ただし、α(0)は原点時の方位角である。
The provisional yaw angle α ′ (n) in the reference coordinate system is
α ′ (n) = − tan −1 [HY1 (n) / HX1 (n)] − α (0)
It is represented by Where α (0) is the azimuth angle at the origin.

同様に、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HX2、HY2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ψ’(n)、仮のロール角θ’(n)を用いて次式のごとく座標変換を行う。
HX2(n)=Mx・cosψ’(n)+Mz・sinψ’(n)
HY2(n)=My・cosθ’(n)+[Mx・sinψ’(n)−Mz・cosψ’(n)]・sinθ’(n)
Similarly, in order to obtain the provisional yaw angle φ ′ (n) in the reference coordinate system, the geomagnetic components HX2 and HY2 in the reference coordinate system are output as the outputs Mx (n), My (n) and Mz (n) of the geomagnetic sensor. ), A temporary pitch angle ψ ′ (n), and a temporary roll angle θ ′ (n), coordinate conversion is performed as in the following equation.
HX2 (n) = Mx · cos ψ ′ (n) + Mz · sin ψ ′ (n)
HY2 (n) = My · cos θ ′ (n) + [Mx · sin ψ ′ (n) −Mz · cos ψ ′ (n)] · sin θ ′ (n)

基準座標系での仮のヨー角φ’(n)は
φ’(n)=−tan-1[HY2(n)/HX2(n)]−α(0)
で表される。
The temporary yaw angle φ ′ (n) in the reference coordinate system is φ ′ (n) = − tan −1 [HY2 (n) / HX2 (n)] − α (0).
It is represented by

次に、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β’などは正しいピッチ角にはならない。また仮のヨー角α’など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α’(n)、β’(n)、γ’(n)、φ’(n)、θ’(n)、ψ’(n)が正しいかどうかを判別するものである。
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、
|√(Ax2+Ay2+Az2)−1|<ε
が成立するならば、それぞれα’、β’、γ’、φ’、θ’、ψ’は正しいと判断する。
Next, the discrimination device will be described. The output Ax, Ay, and Az of the acceleration sensor is a composite vector of the Xs, Ys, and Zs axis direction components of the gravitational acceleration and the Xs, Ys, and Zs axis direction components of the motion acceleration. The temporary pitch angle β ′ calculated by the angle calculation device does not become a correct pitch angle. Also, the temporary yaw angle α ′ may not be a correct yaw angle depending on the magnetic field environment. Whether the discriminating device is correct whether α ′ (n), β ′ (n), γ ′ (n), φ ′ (n), θ ′ (n), ψ ′ (n), which are outputs of the static angle calculation device, are correct Is to discriminate.
When the motion acceleration is not applied, the combined vector of Ax, Ay and Az is 1G.
| √ (Ax 2 + Ay 2 + Az 2 ) −1 | <ε
If the above holds, it is determined that α ′, β ′, γ ′, φ ′, θ ′, and ψ ′ are correct.

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α’、β’、γ’、φ’、θ’、ψ’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−α’(n)]
β’’(n)=β(n−1)+Δβ−k[β(n−1)+Δβ−β’(n)]
γ’’(n)=γ(n−1)+Δγ−k[γ(n−1)+Δγ−γ’(n)]
φ’’(n)=φ(n−1)+Δφ−k[φ(n−1)+Δφ−φ’(n)]
θ’’(n)=θ(n−1)+Δθ−k[θ(n−1)+Δθ−θ’(n)]
ψ’’(n)=ψ(n−1)+Δψ−k[ψ(n−1)+Δψ−ψ’(n)]
により姿勢角度を演算する。
Next, a calculation method performed by the attitude angle calculation device that calculates 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 to obtain the final output will be described.
When it is determined that α ′, β ′, γ ′, φ ′, θ ′, ψ ′ is correct in the discriminator,
α ″ (n) = α (n−1) + Δα−k [α (n−1) + Δα−α ′ (n)]
β ″ (n) = β (n−1) + Δβ−k [β (n−1) + Δβ−β ′ (n)]
γ ″ (n) = γ (n−1) + Δγ−k [γ (n−1) + Δγ−γ ′ (n)]
φ ″ (n) = φ (n−1) + Δφ−k [φ (n−1) + Δφ−φ ′ (n)]
θ ″ (n) = θ (n−1) + Δθ−k [θ (n−1) + Δθ−θ ′ (n)]
ψ ″ (n) = ψ (n−1) + Δψ−k [ψ (n−1) + Δψ−ψ ′ (n)]
To calculate the attitude angle.

判別装置においてα’、β’、γ’、φ’、θ’、ψ’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
φ’’(n)=φ(n−1)+Δφ
θ’’(n)=θ(n−1)+Δθ
ψ’’(n)=ψ(n−1)+Δψ
により姿勢角度を演算する。ただし、kは補正係数で0<k<1である。
When it is determined that α ′, β ′, γ ′, φ ′, θ ′, ψ ′ is incorrect in the discrimination device,
α ″ (n) = α (n−1) + Δα
β ″ (n) = β (n−1) + Δβ
γ ″ (n) = γ (n−1) + Δγ
φ ″ (n) = φ (n−1) + Δφ
θ ″ (n) = θ (n−1) + Δθ
ψ ″ (n) = ψ (n−1) + Δψ
To calculate the attitude angle. However, k is a correction coefficient and 0 <k <1.

最後に、オイラー角変換演算装置について説明する。姿勢角演算装置からの出力は、Z−Y−Xオイラー角(α’’,β’’,γ’’)とZ−X−Yオイラー角(φ’’,θ’’,ψ’’)である。|β’’|>60度ではZ−Y−Xオイラー角の方が精度が悪く、|θ’’|>60度ではZ−X−Yオイラー角の方が精度が悪いので、|θ’’|>60度のときにはZ−Y−Xオイラー角(α’’,β’’,γ’’)を、|θ’’|≦60度のときにはZ−X−Yオイラー角(φ’’,θ’’,ψ’’)を採用する。   Finally, the Euler angle conversion arithmetic device will be described. The outputs from the attitude angle calculation device are ZYX Euler angles (α ″, β ″, γ ″) and ZXY Euler angles (φ ″, θ ″, ψ ″). It is. When | β ″ |> 60 degrees, the ZY-X Euler angle is less accurate, and when | θ ″ |> 60 degrees, the Z-X-Y Euler angle is less accurate. '|> 60 ° ZY-X Euler angles (α ″, β ″, γ ″), and | θ ″ | ≦ 60 ° Z-X-Y Euler angles (φ ″) , Θ ″, ψ ″).

Z−Y−Xオイラー角(α’’,β’’,γ’’)が採用されたときには、そのまま最終的な出力となる(α,β,γ)として出力し(α=α’’,β=β’’,γ=γ’’)、さらに(φ,θ,ψ)に変換する。   When the ZY-X Euler angles (α ″, β ″, γ ″) are adopted, they are output as they are as final outputs (α, β, γ) (α = α ″, β = β ″, γ = γ ″), and further converted into (φ, θ, ψ).

Z−X−Yオイラー角(φ’’,θ’’,ψ’’)が採用されたときには、それが(φ,θ,ψ)となり(φ=φ’’,θ=θ’’,ψ=ψ’’)、さらに最終的な出力となる(α,β,γ)に変換して出力する。   When the Z-X-Y Euler angles (φ ″, θ ″, ψ ″) are adopted, they become (φ, θ, ψ) (φ = φ ″, θ = θ ″, ψ = Ψ ″), and further converted into (α, β, γ) that is the final output.

以下に、Z−Y−Xオイラー角(α’’,β’’,γ’’)からZ−X−Yオイラー角(φ,θ,ψ)への変換方法について説明する。センサ座標軸上の2点、P(1,0,0)、Q(0,1,0)が基準座標軸上でどのように表されるかを図3、図4で説明する。Z−Y−Xオイラー角(α’’,β’’,γ’’)が採用されたときにはP点、Q点を図3のごとく回転させ基準座標軸上での位置を計算する。数1は、センサ座標軸上のP、QをZ−Y−Xオイラー角を用いて基準座標で表すための計算式である。   Hereinafter, a method for converting the ZY-X Euler angles (α ″, β ″, γ ″) to the Z-X-Y Euler angles (φ, θ, ψ) will be described. How the two points on the sensor coordinate axis, P (1,0,0), Q (0,1,0) are represented on the reference coordinate axis will be described with reference to FIGS. When the ZY-X Euler angles (α ″, β ″, γ ″) are employed, the points P and Q are rotated as shown in FIG. 3 to calculate the position on the reference coordinate axis. Equation 1 is a calculation formula for expressing P and Q on the sensor coordinate axis in reference coordinates using ZY-X Euler angles.

Figure 2005331265
Figure 2005331265

次に、図4のようにQ点からXY平面への垂線とXY平面の交点であるQ’点を考え、ヨー角φとロール角θを次式により計算する。
φ=tan-1(−Qx/Qy)
θ=tan-1(Qz/√(Qx2+Qy2))
Next, as shown in FIG. 4, considering the Q ′ point that is the intersection of the perpendicular from the Q point to the XY plane and the XY plane, the yaw angle φ and the roll angle θ are calculated by the following equations.
φ = tan −1 (−Qx / Qy)
θ = tan −1 (Qz / √ (Qx 2 + Qy 2 ))

次に、図4のようにP点からX軸をZ軸回りにφだけ回転させたX’軸への垂線とX’軸との交点であるP’(Px’,Py’,0)を求める。線分PP’とX’軸が直交することから、Px’,Py’を計算すると、
Px’=Px cos2φ+Py sinφ cosφ
Py’=Px sinφ cosφ+Py sin2φ
となる。
Next, as shown in FIG. 4, P ′ (Px ′, Py ′, 0), which is the intersection of the perpendicular to the X ′ axis and the X ′ axis, which is obtained by rotating the X axis from the point P by φ around the Z axis. Ask. Since the line segment PP ′ and the X ′ axis are orthogonal, when Px ′ and Py ′ are calculated,
Px ′ = Px cos 2 φ + Py sin φ cos φ
Py ′ = Px sinφ cosφ + Py sin 2 φ
It becomes.

従って、ψはP’点から、
ψ=±cos-1√(Px’2+Py’2)
と求められる。また、符号については、Pz>0のときは負、Pz<0のときは正になる。
Therefore, ψ is from the point P ′,
ψ = ± cos −1 √ (Px ′ 2 + Py ′ 2 )
Is required. The sign is negative when Pz> 0 and positive when Pz <0.

また、以下に、Z−X−Yオイラー角(φ’’,θ’’,ψ’’)からZ−Y−Xオイラー角(α,β,γ)への変換方法について説明する。センサ座標軸上の2点、P(1,0,0)、Q(0,1,0)が、基準座標軸上でどのように表されるかを図5、図6で説明する。Z−X−Yオイラー角(φ’’,θ’’,ψ’’)が採用されたときにはP点、Q点を図5のように回転させ基準座標軸上での位置を計算する。数2は、センサ座標軸上のP、QをZ−X−Yオイラー角を用いて基準座標で表すための計算式である。   In the following, a method for converting the Z-X-Y Euler angles (φ ″, θ ″, ψ ″) to Z-Y-X Euler angles (α, β, γ) will be described. How the two points on the sensor coordinate axis, P (1,0,0), Q (0,1,0) are represented on the reference coordinate axis will be described with reference to FIGS. When the Z-X-Y Euler angles (φ ″, θ ″, ψ ″) are adopted, the points P and Q are rotated as shown in FIG. 5 to calculate the position on the reference coordinate axis. Equation 2 is a calculation formula for expressing P and Q on the sensor coordinate axis in reference coordinates using the ZXY Euler angles.

Figure 2005331265
Figure 2005331265

次に、図6のようにP点からXY平面への垂線とXY平面の交点であるP’点を考え、ヨー角αとピッチ角βを次式により計算する。
α=tan-1(Py/Px)
β=tan-1(−Pz/√(Px2+Py2))
Next, considering a point P ′ that is an intersection of a perpendicular line from the point P to the XY plane and the XY plane as shown in FIG. 6, the yaw angle α and the pitch angle β are calculated by the following equations.
α = tan −1 (Py / Px)
β = tan −1 (−Pz / √ (Px 2 + Py 2 ))

次に、図6のようにQ点からY軸をZ軸回りにαだけ回転させたY’軸への垂線とY’軸との交点であるQ’(Qx’,Qy’,0)を求める。線分QQ’とY’軸が直交することからQx’,Qy’を計算すると
Qx’=Qxsin2α−Qy sinα cosα
Qy’=−Qxsinα cosα+Qy cos2α
となる。従って、γはQ’点から、
γ=±cos-1√(Qx’2+Qy’2)
と求められる。また、符号については、Qz>0のときは正、Qz<0のときは負になる
Next, as shown in FIG. 6, Q ′ (Qx ′, Qy ′, 0), which is the intersection of the perpendicular to the Y ′ axis and the Y ′ axis, which is obtained by rotating the Y axis from the Q point by α around the Z axis. Ask. Since Qx ′ and Qy ′ are calculated because the line segment QQ ′ and the Y ′ axis are orthogonal, Qx ′ = Qxsin 2 α−Qy sinα cosα
Qy ′ = − Qxsin α cos α + Qy cos 2 α
It becomes. Therefore, γ is from the point Q ′,
γ = ± cos −1 √ (Qx ′ 2 + Qy ′ 2 )
Is required. The sign is positive when Qz> 0 and negative when Qz <0.

本発明における姿勢角度検出装置の一例の構成図。The block diagram of an example of the attitude | position angle detection apparatus in this invention. 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。Explanatory drawing regarding the whole structure of the attitude | position angle detection apparatus in this invention. P点、Q点をZ−Y−Xオイラー角で回転させる説明図。Explanatory drawing which rotates P point and Q point by ZYX Euler angle. P点、Q点からZ−X−Yオイラー角を求める説明図。Explanatory drawing which calculates | requires ZXY Euler angle from P point and Q point. P点、Q点をZ−X−Yオイラー角で回転させる説明図。Explanatory drawing which rotates P point and Q point by a ZXY Euler angle. P点、Q点からZ−Y−Xオイラー角を求める説明図。Explanatory drawing which calculates | requires a ZYX Euler angle from P point and Q point.

符号の説明Explanation of symbols

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
22a,22b,22c ジャイロ
23a,23b,23c 加速度センサ
24a,24b,24c 磁気センサ
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
28 オイラー角変換演算装置
29 出力
11 1st gyro 12 2nd gyro 13 3rd gyro 14 1st acceleration sensor 15 2nd acceleration sensor 16 3rd acceleration sensor 17 1st magnetic sensor 18 2nd magnetic sensor 19 3rd magnetism Sensors 22a, 22b, 22c Gyros 23a, 23b, 23c Acceleration sensors 24a, 24b, 24c Magnetic sensor 26a Motion angle computing device 26b Stationary angle computing device 26c Attitude angle computing device 27 Discriminating device 28 Euler angle conversion computing device 29 Output

Claims (1)

水平面内で直交する軸をX軸、Y軸とし、そのX軸、Y軸に直交する軸をZ軸とし、これらの固定されたX軸、Y軸、Z軸からなる座標軸を基準座標とし、姿勢角度検出装置とともに移動するXs軸、Ys軸、Zs軸からなる座標軸をセンサ座標とするとき、Xs軸、Ys軸及びZs軸の回りの角速度を検出する3個のジャイロスコープと、該ジャイロスコープの角速度に応じた出力に基づいて単位時間に移動した角度を2種類のオイラー角で演算する運動角演算装置と、Xs−Ys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た加速度センサと、Xs−Ys平面で互いに直交する2軸の地磁気を検出するように配置される地磁気センサと、前記加速度センサ及び地磁気センサの出力に基づいて、X軸、Y軸、Z軸回りの回転角を2種類のオイラー角で演算する静止角演算装置と、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、該判別装置の演算結果に応じて、運動角演算装置の演算結果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2種類のオイラー角で演算する姿勢角演算装置と、2種類のオイラー角から誤差が小さく使用するべきオイラー角を選択し、もう一方のオイラー角に変換するオイラー角変換演算装置とから構成されることを特徴とする姿勢角度検出装置。   The axes orthogonal to each other in the horizontal plane are the X-axis and the Y-axis, the axes orthogonal to the X-axis and the Y-axis are the Z-axis, and the coordinate axes composed of these fixed X-axis, Y-axis, and Z-axis are the reference coordinates, Three gyroscopes for detecting angular velocities around the Xs axis, the Ys axis, and the Zs axis, when the coordinate axis composed of the Xs axis, the Ys axis, and the Zs axis that moves together with the attitude angle detection device is used as the sensor coordinate, and the gyroscope It is arranged to detect the motion angle calculation device that calculates the angle moved in unit time based on the output according to the angular velocity with two types of Euler angles, and the biaxial acceleration orthogonal to each other on the Xs-Ys plane. An acceleration sensor, a geomagnetic sensor arranged to detect two axes of geomagnetism orthogonal to each other in the Xs-Ys plane, and the outputs of the acceleration sensor and the geomagnetic sensor, about the X axis, the Y axis, and the Z axis Times A static angle calculation device that calculates the angle with two types of Euler angles, a determination device that determines whether the calculation result is true or false, and a calculation result of the motion angle calculation device according to the calculation result of the determination device And the posture angle calculation device that calculates the posture angle to be output from the calculation result of the static angle calculation device with two types of Euler angles, and the Euler angle that should be used with a small error from the two types of Euler angles. A posture angle detection device comprising: an Euler angle conversion arithmetic device that converts an Euler angle.
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