JP2006227008A - 慣性センサー補正装置及び方法と、その方法を記録した記録媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】慣性センサー補正装置及び方法とその方法を記録した記録媒体を提供する。
【解決手段】動く物体の角速度及び加速度を測定する（ａ）ステップと、測定された角速度のうち任意の軸に対する角速度が０になるゼロ角速度時間を抽出する（ｂ）ステップと、測定された加速度から運動速度を計算し、計算された運動速度をゼロ角速度時間の区間別に補正する（ｃ）ステップとを含む慣性センサー補正方法。
【選択図】図８

Description

本発明は、慣性センサーを補正する装置及び方法と、その方法が記録された記録媒体に関する。

一般的に 慣性センサーは、物体の位置変化を計算するために加速度を測定する加速度センサーと、物体の回転角変化を計算するために角速度を測定する角速度センサー（いわゆる、‘ジャイロスコープ’）とをいう。
しかし、このような加速度センサーは、測定された加速度を経時的に積分する過程で加速度センサーが内在的に持っているエラーが累積されて、最終的に計算された位置と実際位置とは大きな差が生じるおそれがある。

例えば、加速度センサーのオフセットは、加速度が加わっていない状態での加速度センサーの出力をいうが、この値は理想的に０にする必要がある。しかし、このようなオフセットは、加速度センサーの具現において、物理的な限界によって若干の誤差が発生し、時間または温度によって少しずつ変化することもある。そのように徐々に変化する加速度センサーのオフセットの値をドリフトという。

加速度センサーのオフセットにおけるドリフトは、加速度が加わったときにも影響を及ぼすので、加速度センサーから出る出力のうちどの程度がドリフトによる影響であり、どの程度が加わった加速度による影響であるかを正確に区分し難い。
図１Ａないし図１Ｄは、ドリフトが存在していない場合の移動軌跡を示すグラフであり、図１Ａでは、空間でのｘ−ｙ座標上で反時計回り方向に四角形の経路が形成される移動軌跡を示している。

そして、図１Ｂは、ｘ軸、ｙ軸それぞれに対する経時的な位置変化をグラフで示しており、図１Ｃは、ｘ軸、ｙ軸それぞれに対する経時的な速度変化をグラフで示しており、図１Ｄは、ｘ軸、ｙ軸それぞれに対する経時的な加速度変化をグラフで示している。
図２Ａ〜図２Ｄは、ドリフトが存在している場合の移動軌跡を示すグラフであり、図２Ａでは、空間でのｘ−ｙ座標上で反時計回り方向に四角形の経路が形成される移動軌跡を示している。
そして、図２Ｂは、ｘ軸、ｙ軸それぞれに対する経時的な位置変化をグラフで示しており、図２Ｃは、ｘ軸、ｙ軸それぞれに対する経時的な速度変化をグラフで示しており、図２Ｄは、ｘ軸、ｙ軸それぞれに対する経時的な加速度変化をグラフで示している。このとき、ドリフトは、０．０１ｍ／ｓｅｃ²（≒（1/1000）Ｇ）である場合と仮定する。

図１Ｄと図２Ｄとを比較すれば、あまり差がないが、それぞれを１回積分した図１Ｃと図２Ｃとを比較すれば、ｘ軸に対しては１ないし２秒（Ｓｅｃ）、ｙ軸に対しては２ないし３秒（Ｓｅｃ）区間で若干の差があるということが分かる。しかし、図１Ｃと図２Ｃとをそれぞれ１回積分した図１Ｂと図２Ｂとを比較すれば、差がさらに大きくなることが分かる。すなわち、ドリフトが存在していることから、加速度から位置を求めるために２回積分すると、多くのエラーが発生するということが分かる。

図３Ａは、ドリフトが存在している場合と存在していない場合との移動軌跡を比較するさらに他のグラフであり、例えば、空間上に数字’２’を描いた場合を表しているが、ドリフトが存在している場合とそうでない場合とにおいて大きな差があることを表している。図３Ｂでは、図３Ａに図示された移動軌跡をそれぞれｘ、ｙ、ｚ軸に分けて比較している。

前述したように、ドリフトのような要素によって慣性センサーを利用して移動軌跡を追跡する場合には、多くの誤差が発生する。
したがって、このような誤差を最小化するために、従来では所定の方法を利用して動く物体の速度が０になることを感知し、速度が０になる度に加速度の積分値を０に補正することによって、物体の位置変化を追跡している。それを図５Ａで示しているが、例えば、図４Ａで図示しているグラフを、慣性センサーにより測定された加速度を積分したグラフとする場合、時間Ｔで所定の方法により動く物体の速度が０になったことを感知すれば、時間Ｔで加速度の積分値を０に補正することである。

さらに他の方法として、特許文献１に開示された方法がある。ここでは、所定の方法により動く物体の速度が０になることを感知し、速度が０である度に加速度の積分値が０になるように、あらゆる時間に対する速度グラフから任意の１次式を引くことにより、物体の位置変化を追跡している。それを図４Ｂで示しているが、時間Ｔで物体の速度が０になったことを感知すると、０からＴまでのあらゆる時間区間に対して補正前の速度グラフから所定の１次式に基づいて補正した速度グラフを得る。

前述のような方法は、速度が０になる情報を利用して速度または加速度を補正するが、この時、速度が０ということは、あらゆる軸方向に対して動きのないことをいう。すなわち、前述のような方法では、あらゆる軸方向に対する速度が０になって初めて補正を行うため、依然として多くのエラーが累積される。
また、前述のような方法は、二文字以上を書く程度の時間内における移動軌跡を追跡できないという問題点がある。例えば、特許文献１に開示された方法を利用して’Ｌｅａｄｉｎｇ’という７個の文字を筆記体で書いた場合に、追跡される移動軌跡は、図５のような形態となる。この際にかかった時間は約４．８秒であったが、図５から分かるように、’Ｌｅａｄｉｎｇ’という文字は識別できないほどに多くのエラーが発生した。

したがって、必ずしもあらゆる軸方向に対して動く物体の速度が０になる時間を感知しなくても、慣性センサーの誤差を最小化できるように補正する方法が必要となった。
米国特許第６，２９２，７５１号明細書

本発明は、前記問題点を鑑みてなされたものであり、本発明は、慣性センサーを利用して任意の軸に対する角速度が０になる時間を感知することによって、加速度を補正する方法を提供するところに目的がある。
本発明の目的は、以上で言及した目的に制限されず、言及されていない他の目的は下の記載から当業者に明確に理解されうる。

前記目的を達成するために、本発明の実施形態によって慣性センサーを補正する装置は、空間上で動く物体の角速度及び加速度を測定する慣性センサーモジュールと、前記測定された加速度を補正するための所定の演算情報及びパラメータを保存する保存モジュールと、前記演算情報及びパラメータを利用して、前記測定された加速度から運動速度を計算し、前記計算された運動速度を前記測定された角速度のうち任意の軸に対する角速度が０になるゼロ角速度時間の区間別に補正する制御モジュールとを備える。

また、前記目的を達成するために、本発明の実施形態によって慣性センサーを補正する方法は、動く物体の角速度及び加速度を測定する（ａ）ステップと、前記測定された角速度のうち任意の軸に対する角速度が０になるゼロ角速度時間を抽出する（ｂ）ステップと、前記測定された加速度から運動速度を計算し、前記計算された運動速度を前記ゼロ角速度時間の区間別に補正する（ｃ）ステップとを含む。

本発明によれば、慣性センサーを利用して任意の軸に対する角速度が０になる時間を感知し、感知された時間ごとに測定された運動速度を補正することによって、例えば移動軌跡を追跡する性能を向上させることができ、これによってさらに長時間の移動軌跡を追跡できる。

本発明の利点及び特徴、そしてこれを達成する方法は添付された図面に基づいて詳細に後述されている実施例を参照すれば明確になる。しかし、本発明は以下で開示される実施例に限定されるものではなく、この実施例から外れて多様な形に具現でき、本明細書で説明する実施例は本発明の開示を完全にし、本発明が属する技術分野で当業者に発明の範ちゅうを完全に報せるために提供されるものであり、本発明は請求項及び発明の詳細な説明により定義されるだけである。一方、明細書全体に亘って同一の参照符号は同一の構成要素を示す。

以下、本発明の実施形態による慣性センサーを補正する装置及び方法を説明するためのブロック図または処理フローチャートについての図面を参考にして本発明について説明する。この時、フローチャートの各ブロックとフロ−チャートの組合わせはコンピュータプログラムインストラクションにより実行可能であることが理解できるであろう。これらコンピュータプログラムインストラクションは、汎用コンピュータ、特殊コンピュータまたはその他のプログラマブルデータプロセッシング装備のプロセッサーに搭載されうるので、コンピュータまたはその他のプログラマブルデータプロセッシング装備のプロセッサーを通じて実行されるそのインストラクションがフローチャートのブロックで説明された機能を行う手段を生成するように構成できる。これらコンピュータプログラムインストラクションは特定方式で機能を具現するために、コンピュータまたはその他のプログラマブルデータプロセッシング装備を指向できるコンピュータ利用可能またはコンピュータ判読可能メモリに保存することも可能なので、そのコンピュータ利用可能またはコンピュータ判読可能メモリに保存されたインストラクションはフローチャートのブロックで説明された機能を行うインストラクション手段を内包する製造品目として生産することも可能である。コンピュータプログラムインストラクションはコンピュータまたはその他のプログラム可能なデータプロセッシング装備上に搭載することも可能なので、コンピュータまたはその他のプログラマブルデータプロセッシング装備上で一連の動作段階が実行されてコンピュータで実行されるプロセスを生成し、コンピュータまたはその他のプログラマブルデータプロセッシング装備を行うインストラクションはフローチャートのブロックで説明された機能を実行するための段階を提供することも可能である。

また、各ブロックは特定の論理的機能を行うための１つ以上の実行可能なインストラクションを含むモジュール、セグメントまたはコードの一部を示すことができる。また、いくつかの代替実行例では、ブロックで言及された機能を異なる順序で処理するように構成できる。例えば、連続して図示されている２つのブロックは、実質的に同時に行われてもよく、またはそのブロックが該当する機能によって逆順に行われてもよい。

図６は、本発明の実施による基本的な概念を示す例示図である。
まずｘ軸に対する加速度をα_bx（ｔ）、ｙ軸を中心に回転する時の角速度をω_by（ｔ）、回転半径をｒ（ｔ）とする時、無重力状態での回転運動は数式１のように表すことができる。

したがって、角速度の符号が変わる瞬間に角速度が０になるので、このとき、数式１によって速度も０になる。すなわち、慣性センサーの角速度センサーが０の値を出力する時、加速度センサーで積分した値は０にならねばならない。このように、本発明では、慣性センサーの任意の軸に対して角速度センサーが０の値を出力する時間を感知することによって、速度が０になる時間を感知できるようになる。

例えば、時計回り方向に図７に示すような円を描く場合に、ｘ軸に最小限２回の方向転換が発生し、ｙ軸には最小限１回の方向転換が発生する。したがって、７１０及び７３０位置では、ｙ軸に対する角速度が０になってｘ軸に対する速度が０になり、７２０位置では、ｘ軸に対する角速度が０になってｙ軸に対する速度が０になる。
図８は、本発明の実施による慣性センサーを補正する方法を示すフローチャートである。

まず慣性センサーで角速度及び加速度を測定する（Ｓ８１０）。
角速度の場合、任意の軸に対する角速度が零交差する時間を感知して抽出する（Ｓ８２０）。
加速度の場合、まずＳ８１０ステップで測定された加速度から重力成分を除去して運動加速度を抽出する（Ｓ８３０）。加速度は、運動加速度以外にも地球重力による重力加速度を含んでいるので、それを除去する必要がある。すなわち、絶対座標系での運動加速度をA_nとし、相対座標系での測定加速度をA_bとし、絶対座標系での重力加速度をＧとすれば、A_bは数式２のように表現できる。

このとき、

であり、

である。
ここで、

は、相対座標系を絶対座標系に変換させる座標変換行列に該当する。さらに、下添字’ｂ’は相対座標系を、下添字’ｎ’は絶対座標系を表す。また、φはロール角、θはピッチ角、ψはヨー角を表し、下添字’ｓ’はサイン、下添字’ｃ’はコサインを表す。例えば、φ_cはcosφを表す。

すなわち、相対座標系での運動加速度

は、測定された加速度A_bから相対座標系での重力加速度を引くことによって得られる。
結局、Ｓ８３０ステップでは、数式２を利用して相対座標系での運動加速度を抽出できるが、図９は、測定された加速度の成分を重力加速度と運動加速度とに分離してグラフで表している。

測定された加速度から運動加速度を抽出した後、抽出した運動加速度を積分して運動速度を計算する（Ｓ８４０）。
次いで、計算された運動速度はＳ８２０ステップで感知された角速度のゼロ角速度時間に関する情報を利用して補正されるが（Ｓ８５０）、図１０では、運動速度を補正する方法を表している。ゼロ角速度時間は、角速度が負から正に変化する時、またはその反対、正（または負）から０に移行してさらに正（または負）に移行する時を含む。

ここで、ｖ（ｔ）（１０１０）は、Ｓ８４０ステップで計算された運動速度を表し、ｔ₁及びｔ₂は、Ｓ８２０ステップで感知された角速度のゼロ角速度時間を表す。
そして、補正のための直線l(t)（１０２０）は、次の数式３により得られる。

したがって、補正された運動速度ｖ^c（ｔ）（１０３０）は、Ｓ８４０ステップで計算された運動速度ｖ（ｔ）（１０１０）から数式３により表現される直線l(t)（１０２０）を引くことによって得られる。それを数式４で表している。

図１１は、前述のような方法により運動速度を補正することを表しているが、ここで、ｗ_byは、Ｓ８１０及びＳ８２０ステップで測定されたｙ軸に対する角速度を表し、ｖ_bmxは、Ｓ８４０ステップで計算されたｘ軸に対する運動速度を表し、ｖ^c _bmxは、Ｓ８５０ステップで補正されたｘ軸に対する運動速度を表す。また、ｗ_bxは、Ｓ８１０及びＳ８２０ステップで測定されたｘ軸に対する角速度を表し、ｖ_bmyは、Ｓ８４０ステップで計算されたｙ軸に対する運動速度を表し、ｖ^c _bmyは、Ｓ８５０ステップで補正されたｙ軸に対する運動速度を表す。

Ｓ８５０ステップで運動速度が補正されると、望ましい実施形態として補正された運動速度を利用して移動軌跡を計算できる（Ｓ８６０）。
すなわち、移動軌跡は、絶対座標系での加速度を示すA_nを時間に対する二重積分で表現できるが、このとき、A_nは数式５により表現できる。

このとき、

であり、A_bは、Ｓ８５０ステップで補正された運動速度を１回微分した相対座標系での補正された加速度を表す。結局、絶対座標での位置Ｐ_nは、次の数式６により表現できる。

図１２Ａ及び図１２Ｂは、本発明の実施による慣性センサー補正方法を利用して物体の移動軌跡推定に対する実験結果を示すグラフであり、図１２Ａは、前記米国特許第６，２９２，７５１号明細書に開示された方法による実験結果を示しており、図１２Ｂは、本発明の実施による実験結果を示している。

図１２Ａ及び図１２Ｂによる実験は、直径が約２０ｃｍである円を４．４８秒間５回重複して描いた場合に開始点と終了点との距離を比較しているが、図１２Ａの場合には、前記距離が約５５ｃｍ、図１２Ｂの場合には、約１３ｃｍであり、本発明によれば、誤差が約４１ｃｍに減ったことが分かる。また、本発明によれば、軌跡にあっても顕著に向上したことが分かる。

図１３Ａないし図１３Ｃは、本発明の実施による慣性センサー補正方法を利用して物体の移動軌跡推定に対するさらに他の実験結果を示すグラフであり、図１３Ａ〜図１３Ｃに図示されたそれぞれのグラフのうち上段に位置したグラフは、前記米国特許第６，２９２，７５１号明細書に開示された方法による実験結果を示し、下段のグラフは、本発明の実施による実験結果を示しており、図１３Ａでは’Ｌｅａｄｉｎｇ’という文字を、図１３Ｂでは’ｔｈｅ’という文字を、図１３Ｃでは’ｎｅｘｔ’という文字を表している。図１３Ａ〜図１３Ｃから分かるように、本発明を利用すれば、移動軌跡追跡においてさらに向上した性能を表すということが分かる。

図１４は、本発明の実施によって慣性センサーを補正する装置を示すブロック図であり、慣性センサー補正装置１４００は、慣性センサーモジュール１４２０、制御モジュール１４４０、保存モジュール１４６０を備える。このとき、慣性センサー補正装置１４００は、物体の移動軌跡を推定するために使われうる。
この際、前記’モジュール’は、ソフトウェアまたはＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）または注文型半導体（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ；ＡＳＩＣ）のようなハードウェア構成要素を意味し、モジュールは所定の役割を行う。しかし、モジュールはソフトウェアまたはハードウェアに限定されるものではない。モジュールは、アドレッシング可能な保存媒体に存在すべく構成されても良く、１つまたはそれ以上のプロセッサーを実行させるように構成されても良い。したがって、一例としてモジュールは、ソフトウェア構成要素、客体指向ソフトウェア構成要素、クラス構成要素及びタスク構成要素のような構成要素と、プロセス、関数、属性、プロシージャ、サブルーチン、プログラムコードのセグメント、ドライバー、ファームウェア、マイクロコード、回路、データ、データベース、データ構造、テーブル、アレイ及び変数を含む。構成要素とモジュールから提供される機能は、より少数の構成要素及びモジュールで結合されるか、追加的な構成要素とモジュールにさらに分離されうる。のみならず、構成要素及びモジュールは 通信システム内の１つまたはそれ以上のコンピュータを再生させるように具現することも可能である。

以下、慣性センサー補正装置１４００を構成するそれぞれのモジュール間の動作を説明すれば、次の通りである。
慣性センサーモジュール１４２０は、空間上で動く物体の角速度及び加速度を測定するモジュールであり、測定された角速度及び加速度を制御モジュール１４４０に伝達する。また、保存モジュール１４６０には、前述の数式を実行するための演算方法及び演算パラメータが保存されている。制御モジュール１４４０は、慣性センサーモジュール１４２０から伝達された角速度及び加速度情報と、保存モジュール１４６０に保存された各種情報とを利用して、図８に図示された方法によって慣性センサーから得た情報を補正する役割を行う。

一方、慣性センサー補正装置１４００は、空間上で動くロボットに搭載されてロボットが移動する移動軌跡を追跡するか、またはペンに搭載されて、ユーザが空間上においてペンで任意の字を書く時にペンの移動軌跡を追跡して、ユーザが書いた文字を認識するシステムに適用できる。
以上、本発明について詳細に記述したが、本発明が属する技術分野で当業者ならば、特許請求の範囲に定義された本発明の精神及び範囲を外れずに本発明に対して多様な変形、追加または代替が可能であることを理解できるであろう。

本発明は、慣性センサーを補正する装置の関連技術分野に好適に用いられる。

ドリフトが存在していない場合の移動軌跡を示すグラフである。 ドリフトが存在していない場合の移動軌跡を示すグラフである。 ドリフトが存在していない場合の移動軌跡を示すグラフである。 ドリフトが存在していない場合の移動軌跡を示すグラフである。 ドリフトが存在している場合の移動軌跡を示すグラフである。 ドリフトが存在している場合の移動軌跡を示すグラフである。 ドリフトが存在している場合の移動軌跡を示すグラフである。 ドリフトが存在している場合の移動軌跡を示すグラフである。 ドリフトが存在している場合と存在していない場合との移動軌跡を比較するさらに他のグラフである。 ドリフトが存在している場合と存在していない場合との移動軌跡を比較するさらに他のグラフである。 慣性センサーを利用して位置を追跡するときに発生するエラーを補正するための従来の方法を示す例示図である。 慣性センサーを利用して位置を追跡するときに発生するエラーを補正するための従来のさらに他の方法を示す例示図である。 従来の方法を利用して移動軌跡を追跡した結果を示す例示図である。 本発明の実施による基本的な概念を示す例示図である。 本発明の実施による基本的な概念を示すさらに他の例示図である。 本発明の実施による慣性センサーを補正する方法を示すフローチャートである。 本発明の実施によって測定された加速度の成分を重力加速度と運動加速度とに分離したことを示すグラフである。 本発明の実施によって運動速度を補正する方法を示すグラフである。 本発明の実施によって運動速度が補正されたことを示すグラフである。 本発明の実施による実験結果を示すグラフである。 本発明の実施による実験結果を示すグラフである。 本発明の実施によるさらに他の実験結果を示すグラフである。 本発明の実施によるさらに他の実験結果を示すグラフである。 本発明の実施によるさらに他の実験結果を示すグラフである。 本発明の実施によって慣性センサーを補正する装置を示すブロック図である。

符号の説明

１４００ 慣性センサー補正装置
１４２０ 慣性センサーモジュール
１４４０ 制御モジュール
１４６０ 保存モジュール

Claims (11)

1. 動く物体の角速度及び加速度を測定する（ａ）ステップと、
   前記測定された角速度のうち任意の軸に対する角速度が０になるゼロ角速度時間を抽出する（ｂ）ステップと、
   前記測定された加速度から運動速度を計算し、前記計算された運動速度を前記ゼロ角速度時間の区間別に補正する（ｃ）ステップと、
   を含む慣性センサー補正方法。
2. 前記（ｃ）ステップは、前記測定された加速度から重力加速度成分を除去して運動加速度を抽出する（ｃ−１）ステップと、前記運動加速度を積分して運動速度を計算する（ｃ−２）ステップと、前記計算された運動速度を前記ゼロ角速度時間の区間別に補正する（ｃ−３）ステップとを含む請求項１に記載の慣性センサー補正方法。
3. 前記（ｃ−３）ステップは、前記計算された運動速度から前記ゼロ角速度時間の区間での所定の直線式に基づいて補正するステップを含む請求項２に記載の慣性センサー補正方法。
4. 前記直線式は
   

   

   （ただし、ｔ₁及びｔ₂はゼロ角速度時間を表し、ｖ（ｔ₁）及びｖ（ｔ₂）はｔ₁及びｔ₂における運動速度を表す）
   である請求項３に記載の慣性センサー補正方法。
5. 前記補正された運動速度から運動加速度を計算する（ｄ）ステップと、前記計算された運動加速度を二重積分して前記動く物体の位置を計算する（ｅ）ステップと、を含む請求項１に記載の慣性センサー補正方法。
6. 請求項１〜請求項５のうちいずれか１項による方法を実行するためのコンピュータ可読プログラムを記録した記録媒体。
7. 空間上で動く物体の角速度及び加速度を測定する慣性センサーモジュールと、
   前記測定された加速度を補正するための所定の演算情報及びパラメータを保存する保存モジュールと、
   前記演算情報及びパラメータを利用して、前記測定された加速度から運動速度を計算し、前記計算された運動速度を前記測定された角速度のうち任意の軸に対する角速度が０になるゼロ角速度時間の区間別に補正する制御モジュールと、
   を備える慣性センサー補正装置。
8. 前記制御モジュールは、前記測定された加速度から重力加速度成分を除去して運動速度を計算する請求項７に記載の慣性センサー補正装置。
9. 前記制御モジュールは、前記計算された運動速度から前記ゼロ角速度時間の区間での所定の直線式に基づいて補正する請求項７に記載の慣性センサー補正装置。
10. 前記直線式は
    

    

    （ただし、ｔ₁及びｔ₂はゼロ角速度時間を表し、ｖ（ｔ₁）及びｖ（ｔ₂）はｔ₁及びｔ₂での運動速度を表す）
    である請求項８に記載の慣性センサー補正装置。
11. 前記制御モジュールは、前記補正された運動速度から運動加速度を計算し、前記計算された運動加速度を二重積分して前記動く物体の位置を計算する請求項９に記載の慣性センサー補正装置。

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