JP2009186244A - Tilt angle estimation system, relative angle estimation system, and angular velocity estimation system - Google Patents

Tilt angle estimation system, relative angle estimation system, and angular velocity estimation system Download PDF

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JP2009186244A JP2008024535A JP2008024535A JP2009186244A JP 2009186244 A JP2009186244 A JP 2009186244A JP 2008024535 A JP2008024535 A JP 2008024535A JP 2008024535 A JP2008024535 A JP 2008024535A JP 2009186244 A JP2009186244 A JP 2009186244A
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Yoshio Inoue
喜雄 井上
Kyoko Shibata
京子 芝田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a system capable of estimating the attitude or the velocity state of a rotary object, without including integration operation in data processing, or by including minimally an integration operation processing step. <P>SOLUTION: This tilt angle estimation system, which is a system having one rotation center point, for estimating a tilt angle of an object rotating and simultaneously tilting on one plane around the rotation center point, includes at least two acceleration sensors mounted on the object, and an operation processing unit for receiving each output from at least two acceleration sensors and calculating the tilt angle of the object based on the output, and has characteristics wherein at least two acceleration sensors are aligned on one straight line and a line connecting at least two acceleration sensors passes the rotation center point. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、回転運動する物体の姿勢或いは速度状態を推定するシステムに関する。より詳しくは、安価に構築可能であり、積分誤差を含まない或いは積分誤差が最小限化された推定値を算出可能とする傾斜角度推定システム、相対角度推定システム及び角速度推定システムに関する。   The present invention relates to a system for estimating the posture or speed state of a rotating object. More specifically, the present invention relates to a tilt angle estimation system, a relative angle estimation system, and an angular velocity estimation system that can be constructed at low cost and can calculate an estimated value that does not include an integration error or minimizes an integration error.

高齢化社会の到来にともなって、人間の身体運動を評価するシステムに対する需要は増大しつつある。例えば、長期にわたって入院した高齢者が退院するにあたって、日常生活に差し障りのない程度に足腰の筋力の回復が図られているか否かを見極めることは非常に重要であり、十分な筋力の回復がなされる前に退院することにより、その後、他の身体部位を痛め、再度、入院をするといった問題も現存する。
医療関連分野以外においても、人間の身体運動を評価するシステムが用いられている。代表的なものとして、スポーツ科学の分野である。スポーツ選手の身体運動特性を評価、分析を行い、そのデータの蓄積を行なうことにより、スポーツ分野における成績向上を図る試みが数多くなされている。
運動評価システムの人間以外への適用例として、ロボット、特に、人型ロボットへの応用を挙げることができる。階段や坂道を歩行している間のロボットの傾斜角度などを測定することにより、この傾斜角度をロボットの制御部にフィードバックし、ロボットが転倒しないようにロボットの姿勢を制御するなどといったことは一般的に既に行なわれている。
With the arrival of an aging society, the demand for a system for evaluating human physical movement is increasing. For example, when an elderly hospitalized for a long time is discharged, it is very important to determine whether the muscle strength of the legs and hips has been restored to a level that does not interfere with daily life. There is also a problem of being discharged before the hospital, and then hurting other body parts and being hospitalized again.
Systems other than medical-related fields are used to evaluate human body movements. A typical example is the field of sports science. Many attempts have been made to improve performance in the sports field by evaluating and analyzing the physical movement characteristics of athletes and accumulating the data.
As an application example of the motion evaluation system to a person other than a human, an application to a robot, particularly a humanoid robot can be given. It is common to measure the robot's tilt angle while walking on stairs or hills, and feed back this tilt angle to the robot's control unit to control the robot's posture so that the robot does not fall over. Has already been done.

近年、このような運動評価システムの開発分野においては、従来、測定対象体の動作を分析する際に、多数の色付マーカをとりつけ、複数のカメラで撮像するという手段が採られていた(例えば、特許文献1参照)。
複数のカメラによる撮像データに基づき、測定対象体の動作を分析する手法の大きな欠点として、場所的な制約を受けること並びにシステムの構築に多大な費用を要することを挙げることができる。例えば、特許文献1において言及されているが、このようなシステムは、色差に基づきデータ分析を行なうが、時々刻々と変化する周囲の光量の影響を受けやすいという問題があり、多くの場合、強い光を測定対象体に当てるといった手法が採られている。したがって、広い空間或いは屋外空間における動作データの取得は極めて困難である。また、複数のカメラ並びに画像解析システムを必要とし、システム構築を廉価に行なうことは不可能である。
In recent years, in the field of development of such a motion evaluation system, conventionally, when analyzing the motion of a measurement object, a method of attaching a large number of colored markers and imaging with a plurality of cameras has been employed (for example, , See Patent Document 1).
As a major drawback of the technique for analyzing the motion of the measurement object based on the image data obtained by a plurality of cameras, it can be mentioned that it is subject to a place restriction and requires a large amount of money for system construction. For example, as described in Patent Document 1, such a system performs data analysis based on a color difference, but has a problem that it is easily affected by ambient light quantity that changes from moment to moment, and is often strong. A method of applying light to a measurement object is employed. Therefore, it is very difficult to acquire operation data in a wide space or outdoor space. Further, it requires a plurality of cameras and an image analysis system, and it is impossible to construct the system at a low cost.

画像解析によらず、測定対象体の動作の分析を可能とする技術も、近年、開発されてきている。この画像解析を用いないシステムは、一般に、ジャイロセンサ、加速度センサ及び地磁気センサを組み合わせて構築される(例えば、特許文献2参照)。このようなシステムのほとんどは、ジャイロセンサから得られた3軸の角速度に対して、非線形積分を施して、角度を算出し、この算出された角度に対して、加速度計や地磁気センサからの出力を用いて補正を施すものである。
この複数種のセンサを用いた方法は、高価な撮像装置や画像解析システムを用いないため、上記した技術よりは、廉価にシステム構築を行なうことができる。また、周囲の光量の変動に影響を受けるといった問題点を解消できる点で優れている。
In recent years, a technique that enables analysis of the motion of a measurement object, regardless of image analysis, has been developed. A system that does not use this image analysis is generally constructed by combining a gyro sensor, an acceleration sensor, and a geomagnetic sensor (see, for example, Patent Document 2). Most of these systems perform nonlinear integration on the three-axis angular velocities obtained from the gyro sensor to calculate the angle, and output from the accelerometer and geomagnetic sensor to the calculated angle. Is used for correction.
Since this method using a plurality of types of sensors does not use an expensive imaging device or image analysis system, the system can be constructed at a lower cost than the above-described technique. Moreover, it is excellent in that the problem of being affected by fluctuations in the amount of ambient light can be solved.

特開平6−50983号公報JP-A-6-50983 特開2007−75967号公報JP 2007-75967 A

上記した複数種のセンサを用いる技術は、画像解析装置を利用する従来の手法と比べて多くの利点を有するものではあるが、いくつかの問題点がある。
まず、ジャイロセンサから得られる角速度データに対して非線形積分を施すことにより、誤差が累積する点である。特に角速度にドリフトが存在すれば累積誤差が大きくなる。この誤差の累積の存在のため、他のセンサ(加速度センサ或いは地磁気センサ)からの出力により、補正処理を行なう必要が生ずる。結果として、複数種のセンサの利用が不可避であり、これに伴い、データ処理の煩雑さが増すこととなる。また、複数種のセンサの使用並びに煩雑なデータ処理工程は、測定対象体の動作(測定対象体の姿勢の傾斜角度)の推定値の精度の悪化を招く。高い精度の推定値を得ようとすれば、積分処理における分割数の増大等の対策をする必要を生じ、結果として、高価なデータ処理システムの使用が不可避なものとなる。
更には、ジャイロセンサは、画像処理システムと比べた場合には、廉価なものであるが、一般的な加速度センサと比べた場合には、高価である。また、地磁気センサにより補正処理を行なう場合には、地磁気センサの外乱因子に対する脆弱性故、傾斜角度推定システムの使用に対して、場所的な制約が生み出されることとなる。
Although the above-described technique using a plurality of types of sensors has many advantages over the conventional method using an image analysis apparatus, there are some problems.
First, errors are accumulated by applying nonlinear integration to angular velocity data obtained from the gyro sensor. In particular, if there is a drift in the angular velocity, the accumulated error increases. Due to the accumulation of this error, it is necessary to perform a correction process by an output from another sensor (acceleration sensor or geomagnetic sensor). As a result, it is inevitable to use a plurality of types of sensors, and accordingly, the complexity of data processing increases. In addition, the use of multiple types of sensors and complicated data processing steps cause deterioration in accuracy of the estimated value of the operation of the measurement object (the inclination angle of the posture of the measurement object). In order to obtain a highly accurate estimated value, it is necessary to take measures such as an increase in the number of divisions in the integration process, and as a result, the use of an expensive data processing system is inevitable.
Further, the gyro sensor is inexpensive when compared with an image processing system, but is expensive when compared with a general acceleration sensor. In addition, when the correction process is performed by the geomagnetic sensor, there is a place restriction on the use of the tilt angle estimation system because of the vulnerability of the geomagnetic sensor to the disturbance factor.

本発明は上記実情を鑑みてなされたものであって、積分演算をデータ処理に含めることなく、或いは、積分演算処理工程を最小限しか行わず、回転運動する物体の姿勢或いは速度,加速度状態を推定するシステムを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and does not include integration calculation in data processing, or performs integration calculation processing steps at a minimum, and determines the posture, speed, or acceleration state of a rotating object. An object is to provide a system for estimation.

請求項1記載の発明は、一の回転中心点を有するとともに該回転中心点を軸に一の平面内で回転しつつ傾斜する物体の傾斜角度を推定するシステムであって、前記物体に取付けられた少なくとも2つの加速度センサと、該少なくとも2つの加速度センサからの出力を受信するとともに該出力に基づいて物体の傾斜角を算出する演算処理ユニットからなり、前記少なくとも2つの加速度センサは、一線上に整列するとともに、該少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線が前記回転中心点を通過することを特徴とする傾斜角度推定システムである。
請求項2記載の発明は、前記回転中心点からの少なくとも2つの加速度センサそれぞれの距離が互いに異なることを特徴とする請求項1記載の傾斜角度推定システムである。
請求項3記載の発明は、前記少なくとも2つの加速度センサのうち一の加速度センサの位置が、前記回転中心点に一致することを特徴とする請求項2記載の傾斜角度推定システムである。
The invention according to claim 1 is a system for estimating an inclination angle of an object that has one rotation center point and is inclined while rotating in one plane around the rotation center point, and is attached to the object. And at least two acceleration sensors, and an arithmetic processing unit that receives outputs from the at least two acceleration sensors and calculates an inclination angle of the object based on the outputs, and the at least two acceleration sensors are on a line. The tilt angle estimation system is characterized in that a line connecting the at least two acceleration sensors passes through the rotation center point while being aligned.
The invention according to claim 2 is the tilt angle estimation system according to claim 1, wherein the distances of at least two acceleration sensors from the rotation center point are different from each other.
The invention according to claim 3 is the tilt angle estimation system according to claim 2, characterized in that the position of one of the at least two acceleration sensors coincides with the rotation center point.

請求項4記載の発明は、前記演算処理ユニット内で、前記一の平面を定めるとともに前記回転中心点を通過する第1の基準軸が定義され、前記少なくとも2つの加速度センサのうち、一の加速度センサと他の加速度センサがそれぞれ、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に沿う方向の第1の加速度を出力し、前記演算処理ユニットが、前記回転中心点から前記一の加速度センサまでの距離を前記他の加速度センサからの出力値に対して積算し、第1の積算値を算出する段階と、前記回転中心点から前記他の加速度センサまでの距離を前記一の加速度センサからの出力値に対して積算し、第2の積算値を算出する段階と、前記第1の積算値と前記第2の積算値の差分値に基づき、前記第1の基準軸と前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線との挟角の正弦関数値を算出する段階を実行すること特徴とする請求項1記載の傾斜角度推定システムである。
請求項5記載の発明は、前記演算処理ユニット内で、前記一の平面を定めるとともに前記回転中心点を通過する第1の基準軸が定義され、前記少なくとも2つの加速度センサのうち、一の加速度センサと他の加速度センサがそれぞれ、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に対して直交するとともに前記物体の移動平面に対して平行な方向の第2の加速度を出力し、前記演算処理ユニットが、前記回転中心点から前記一の加速度センサまでの距離を前記他の加速度センサからの出力値を積算し、第3の積算値を算出する段階と、前記回転中心点から前記他の加速度センサまでの距離を前記一の加速度センサからの出力値に対して積算し、第4の積算値を算出する段階と、前記第3の積算値と前記第4の積算値の差分値に基づき、前記第1の基準軸と前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線との挟角の余弦関数値を算出する段階を実行すること特徴とする請求項1記載の傾斜角度推定システムである。
請求項6記載の発明は、前記演算処理ユニット内で、前記一の平面を定めるとともに前記回転中心点を通過する第1の基準軸が定義され、前記少なくとも2つの加速度センサのうち、一の加速度センサが、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に沿う方向の第1の加速度と、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に対して直交するとともに前記物体の移動平面に対して平行な方向の第2の加速度を出力し、他の加速度センサが、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に沿う方向の第1の加速度と、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に対して直交するとともに前記物体の移動平面に対して平行な方向の第3の加速度と、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に対して直交するとともに前記物体の移動平面に対して平行な方向の第4の加速度を出力し、前記演算処理ユニットが、前記回転中心点から前記一の加速度センサまでの距離を、前記他の加速度センサにより出力される前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に沿う方向の加速度の出力値に対して積算し、第1の積算値を算出する段階と、前記回転中心点から前記他の加速度センサまでの距離を、前記一の加速度センサにより出力される前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に沿う方向の加速度の出力値に対して積算し、第2の積算値を算出する段階と、前記回転中心点から前記一の加速度センサまでの距離を、前記他の加速度センサにより出力される前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に直交する方向の加速度の出力値に対して積算し、第3の積算値を算出する段階と、前記回転中心点から前記他の加速度センサまでの距離を、前記一の加速度センサにより出力される前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に直交する方向の加速度の出力値に対して積算し、第4の積算値を算出する段階と、前記第1の積算値と前記第2の積算値の差分値に基づき、前記第1の基準軸と前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線との挟角の正弦関数値を算出する段階と、前記第3の積算値と前記第4の積算値の差分値に基づき、前記第1の基準軸と前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線との挟角の余弦関数値を算出する段階を実行すること特徴とする請求項1記載の傾斜角度推定システムである。
According to a fourth aspect of the present invention, a first reference axis that defines the one plane and passes through the rotation center point is defined in the arithmetic processing unit, and one acceleration of the at least two acceleration sensors is defined. A sensor and another acceleration sensor each output a first acceleration in a direction along a line connecting the at least two acceleration sensors, and the arithmetic processing unit calculates a distance from the rotation center point to the one acceleration sensor. The step of integrating the output values from the other acceleration sensors to calculate a first integrated value, and the distance from the rotation center point to the other acceleration sensor as the output value from the one acceleration sensor And calculating the second integrated value, and based on a difference value between the first integrated value and the second integrated value, the first reference axis and the at least two acceleration sensors. A tilt angle estimation system according to claim 1, wherein performing the step of calculating the sine function of the included angle between the line connecting.
According to a fifth aspect of the present invention, in the arithmetic processing unit, a first reference axis that defines the one plane and passes through the rotation center point is defined, and one acceleration of the at least two acceleration sensors is defined. Each of the sensor and the other acceleration sensor outputs a second acceleration in a direction orthogonal to a line connecting the at least two acceleration sensors and parallel to the moving plane of the object, and the arithmetic processing unit includes: A step of integrating a distance from the rotation center point to the one acceleration sensor with an output value from the other acceleration sensor to calculate a third integrated value; and a step from the rotation center point to the other acceleration sensor. Based on the step of calculating the fourth integrated value by integrating the distance with the output value from the one acceleration sensor, and the difference value between the third integrated value and the fourth integrated value, Wherein the reference axis is a tilt angle estimation system according to claim 1, wherein performing the step of calculating the cosine function values of included angle between at least two lines connecting the acceleration sensor.
According to a sixth aspect of the present invention, a first reference axis that defines the one plane and passes through the rotation center point is defined in the arithmetic processing unit, and one acceleration of the at least two acceleration sensors is defined. A sensor has a first acceleration in a direction along a line connecting the at least two acceleration sensors and a first acceleration in a direction parallel to the moving plane of the object and orthogonal to the line connecting the at least two acceleration sensors. 2, the other acceleration sensor is orthogonal to the first acceleration in the direction along the line connecting the at least two acceleration sensors and the line connecting the at least two acceleration sensors, and A third acceleration in a direction parallel to the moving plane is orthogonal to a line connecting the at least two acceleration sensors and is on the moving plane of the object. The at least two acceleration sensors output the fourth acceleration in a parallel direction, and the arithmetic processing unit outputs the distance from the rotation center point to the one acceleration sensor by the other acceleration sensor. And calculating the first integrated value and outputting the distance from the rotation center point to the other acceleration sensor by the one acceleration sensor. A step of integrating the acceleration output values in the direction along the line connecting the at least two acceleration sensors and calculating a second integrated value; and a distance from the rotation center point to the one acceleration sensor. Adding to an output value of acceleration in a direction orthogonal to a line connecting the at least two acceleration sensors output by the other acceleration sensor, and calculating a third integrated value; A distance from the rotation center point to the other acceleration sensor is added to an acceleration output value in a direction orthogonal to a line connecting the at least two acceleration sensors output by the one acceleration sensor; And a sine of an angle between the first reference axis and a line connecting the at least two acceleration sensors based on a difference value between the first integrated value and the second integrated value A cosine function of an angle between a step of calculating a function value and a line connecting the first reference axis and the at least two acceleration sensors based on a difference value between the third integrated value and the fourth integrated value 2. The tilt angle estimation system according to claim 1, wherein a step of calculating a value is executed.

請求項7記載の発明は、前記演算処理ユニットが、π/2の奇数倍数値に対して所定の角度だけ増分した第1の上限値と、π/2の奇数倍数値に対して所定の角度だけ減分した第1の下限値の間で定義される第1の閾値領域を認識し、前記正弦関数値と前記余弦関数値から求められる前記挟角の値が前記第1の閾値領域の範囲内にあるとき、前記正弦関数と前記余弦関数の積算値或いは除算値が前記挟角の算出に用いられることを特徴とする請求項6記載の傾斜角度推定システムである。
請求項8記載の発明は、前記演算処理ユニットが、π/2の奇数倍数値に対して所定の角度だけ増分した第1の上限値と、π/2の奇数倍数値に対して所定の角度だけ減分した第1の下限値の間で定義される第1の閾値領域を認識し、前記正弦関数値と前記余弦関数値から求められる前記挟角の値が前記第1の閾値領域の範囲内にあるとき、前記演算処理ユニットが前記余弦関数値に基づき算出された挟角を出力することを特徴とする請求項6記載の傾斜角度推定システムである。
請求項9記載の発明は、前記演算処理ユニットが、πの倍数値に対して所定の角度だけ増分した第2の上限値と、πの倍数値に対して所定の角度だけ減分した第2の下限値との間で定義される第2の閾値領域を認識し、前記正弦関数値と前記余弦関数値から求められる前記挟角の値が前記第2の閾値領域の範囲内にあるとき、前記正弦関数と前記余弦関数の積算値或いは除算値が前記挟角の算出に用いられることを特徴とする請求項6記載の傾斜角度推定システムである。
請求項10記載の発明は、前記演算処理ユニットが、πの倍数値に対して所定の角度だけ増分した第2の上限値と、πの倍数値に対して所定の角度だけ減分した第2の下限値の間で定義される第2の閾値領域を認識し、前記正弦関数値と前記余弦関数値から求められる前記挟角の値が前記第2の閾値領域の範囲内にあるとき、前記演算処理ユニットが前記正弦関数値に基づき算出された挟角を出力することを特徴とする請求項6記載の傾斜角度推定システムである。
The invention according to claim 7 is characterized in that the arithmetic processing unit has a first upper limit value incremented by a predetermined angle with respect to an odd multiple of π / 2 and a predetermined angle with respect to the odd multiple of π / 2. A first threshold value range defined between the first lower limit values decremented by the first threshold value is recognized, and the value of the included angle obtained from the sine function value and the cosine function value is a range of the first threshold value range. The tilt angle estimation system according to claim 6, wherein an integrated value or a divided value of the sine function and the cosine function is used for the calculation of the included angle.
The invention according to claim 8 is characterized in that the arithmetic processing unit has a first upper limit value incremented by a predetermined angle with respect to an odd multiple of π / 2 and a predetermined angle with respect to the odd multiple of π / 2. A first threshold value range defined between the first lower limit values decremented by the first threshold value is recognized, and the value of the included angle obtained from the sine function value and the cosine function value is a range of the first threshold value range. The tilt angle estimation system according to claim 6, wherein the arithmetic processing unit outputs a included angle calculated based on the cosine function value.
According to a ninth aspect of the present invention, the arithmetic processing unit has a second upper limit value that is incremented by a predetermined angle with respect to a multiple value of π, and a second value that is decremented by a predetermined angle with respect to the multiple value of π. Recognizing a second threshold region defined between the lower limit value and the sine function value and the cosine function value obtained from the cosine function value are within the range of the second threshold region, The tilt angle estimation system according to claim 6, wherein an integrated value or a divided value of the sine function and the cosine function is used for calculating the included angle.
According to a tenth aspect of the present invention, the arithmetic processing unit includes a second upper limit value that is incremented by a predetermined angle with respect to a multiple value of π, and a second value that is decremented by a predetermined angle with respect to the multiple value of π. Recognizing a second threshold region defined between the lower limit values of the sine function value and the squeezing function value obtained from the sine function value and the cosine function value is within the range of the second threshold region, The tilt angle estimation system according to claim 6, wherein the arithmetic processing unit outputs the included angle calculated based on the sine function value.

請求項11記載の発明は、前記回転中心点が、前記一の平面内で、直線移動することを特徴とする請求項1記載の傾斜角度推定システムである。
請求項12記載の発明は、前記回転中心点の直線移動速度が、時間変化することを特徴とする請求項11記載の傾斜角度推定システムである。
The invention according to claim 11 is the tilt angle estimation system according to claim 1, wherein the rotation center point moves linearly within the one plane.
A twelfth aspect of the present invention is the tilt angle estimation system according to the eleventh aspect, wherein the linear moving speed of the rotation center point changes with time.

請求項13記載の発明は、前記演算処理ユニット内で、前記一の平面を定めるとともに前記回転中心点を通過するとともに重力加速度ベクトルに平行な第1の基準軸と該第1の基準軸に対して直交する第2の基準軸が定義され、前記回転中心点が、前記一の平面内で、直線移動し、前記回転中心点の直線移動速度が、前記第1の基準軸に沿う成分と前記第2の基準軸に沿う成分とで定義され、前記回転中心点の直線移動速度が時間変化するとともに、この時間変化量の、前記第1の基準軸に沿う成分と前記第2の基準軸に沿う成分が既知であることを特徴とする請求項12記載の傾斜角度推定システムである。
請求項14記載の発明は、前記少なくとも2つの加速度センサのうち、一の加速度センサと他の加速度センサがそれぞれ、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に沿う方向の第1の加速度を出力し、前記演算処理ユニットが、前記回転中心点から前記一の加速度センサまでの距離を前記他の加速度センサからの出力値に対して積算し、第1の積算値を算出する段階と、前記回転中心点から前記他の加速度センサまでの距離を前記一の加速度センサからの出力値に対して積算し、第2の積算値を算出する段階と、前記第1の積算値と前記第2の積算値の差分値に基づき、前記第1の基準軸と前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線との挟角を算出する段階を実行すること特徴とする請求項13記載の傾斜角度推定システムである。
請求項15記載の発明は、前記少なくとも2つの加速度センサのうち、一の加速度センサと他の加速度センサがそれぞれ、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に対して直交するとともに前記物体の移動平面に対して平行な方向の第2の加速度を出力し、前記演算処理ユニットが、前記回転中心点から前記一の加速度センサまでの距離を前記他の加速度センサからの出力値に対して積算し、第3の積算値を算出する段階と、前記回転中心点から前記他の加速度センサまでの距離を前記一の加速度センサからの出力値に対して積算し、第4の積算値を算出する段階と、前記第3の積算値と前記第4の積算値の差分値に基づき、前記第1の基準軸と前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線との挟角を算出する段階を実行すること特徴とする請求項13記載の傾斜角度推定システムである。
According to a thirteenth aspect of the present invention, in the arithmetic processing unit, a first reference axis that defines the one plane, passes through the rotation center point, and is parallel to a gravitational acceleration vector, and the first reference axis A second reference axis that is orthogonal to each other, the rotation center point linearly moves within the one plane, and the linear movement speed of the rotation center point is determined by the component along the first reference axis and the Defined by the component along the second reference axis, and the linear movement speed of the rotation center point changes with time, and the amount of time change of the component along the first reference axis and the second reference axis 13. The tilt angle estimation system according to claim 12, wherein a component along the line is known.
The invention according to claim 14 is characterized in that, among the at least two acceleration sensors, one acceleration sensor and another acceleration sensor each output a first acceleration in a direction along a line connecting the at least two acceleration sensors, The arithmetic processing unit integrating a distance from the rotation center point to the one acceleration sensor with an output value from the other acceleration sensor to calculate a first integrated value; and the rotation center point The distance from the other acceleration sensor to the output value from the one acceleration sensor to calculate a second integrated value, and the first integrated value and the second integrated value 14. The tilt angle estimation system according to claim 13, wherein a step of calculating an included angle between the first reference axis and a line connecting the at least two acceleration sensors is performed based on the difference value.
According to a fifteenth aspect of the present invention, of the at least two acceleration sensors, one acceleration sensor and another acceleration sensor are orthogonal to a line connecting the at least two acceleration sensors, and are on the moving plane of the object. A second acceleration in a direction parallel to the first acceleration sensor, and the arithmetic processing unit integrates a distance from the rotation center point to the first acceleration sensor with respect to an output value from the other acceleration sensor; Calculating an integrated value of 3, integrating a distance from the rotation center point to the other acceleration sensor with respect to an output value from the one acceleration sensor, and calculating a fourth integrated value; Performing a step of calculating an included angle between the first reference axis and a line connecting the at least two acceleration sensors based on a difference value between the third integrated value and the fourth integrated value; The inclination angle estimation system according to claim 13, wherein that.

請求項16記載の発明は、前記一の平面内で、前記回転中心点が重力加速度ベクトルの方向に対して直交する方向に直線的に加速度移動するとともに、この回転中心点の移動加速度は未知数であり、前記演算処理ユニットは、前記回転中心点の移動軌跡を第1の基準軸として認識するとともに、前記少なくとも2つの加速度センサのうち、一の加速度センサが、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に沿う方向の第1の加速度と、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に対して直交する方向の第2の加速度を出力し、他の加速度センサが、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に沿う方向の第1の加速度と、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に対して直交するとともに前記物体の移動平面に対して平行な方向の第3の加速度と、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に対して直交するとともに前記物体の移動平面に対して平行な方向の第4の加速度を出力し、前記演算処理ユニットが、前記回転中心点から前記一の加速度センサまでの距離を、前記他の加速度センサにより出力される前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に沿う方向の加速度の出力値に対して積算し、第1の積算値を算出する段階と、前記回転中心点から前記他の加速度センサまでの距離を、前記一の加速度センサにより出力される前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に沿う方向の加速度の出力値に対して積算し、第2の積算値を算出する段階と、前記回転中心点から前記一の加速度センサまでの距離を、前記他の加速度センサにより出力される前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に直交するとともに前記物体の移動平面に対して平行な方向の加速度の出力値に対して積算し、第3の積算値を算出する段階と、前記回転中心点から前記他の加速度センサまでの距離を、前記一の加速度センサにより出力される前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に直交するとともに前記物体の移動平面に対して平行な方向の加速度の出力値に対して積算し、第4の積算値を算出する段階と、前記第1の積算値と前記第2の積算値を差分演算して得られる第1の差分値と、前記第3の積算値と前記第4の積算値を差分演算して得られる第2の差分値を用いて、前記第1の基準軸に沿う前記回転中心点の直線移動の加速度成分を除去する段階を実行することを特徴とする請求項1記載の傾斜角度推定システムである。   According to a sixteenth aspect of the present invention, the rotation center point linearly moves in a direction orthogonal to the direction of the gravitational acceleration vector within the one plane, and the movement acceleration of the rotation center point is an unknown number. The arithmetic processing unit recognizes the movement locus of the rotation center point as a first reference axis, and one acceleration sensor of the at least two acceleration sensors connects the at least two acceleration sensors. And a second acceleration in a direction perpendicular to a line connecting the at least two acceleration sensors, and another acceleration sensor is connected to a line connecting the at least two acceleration sensors. A first acceleration in a direction along the line and a direction perpendicular to the line connecting the at least two acceleration sensors and parallel to the plane of movement of the object 3 and a fourth acceleration in a direction orthogonal to the line connecting the at least two acceleration sensors and parallel to the moving plane of the object, and the arithmetic processing unit outputs the rotation center point The distance from the first acceleration sensor to the one acceleration sensor is integrated with the acceleration output value in the direction along the line connecting the at least two acceleration sensors output by the other acceleration sensor, and a first integrated value is calculated. And integrating the distance from the rotation center point to the other acceleration sensor with respect to the output value of the acceleration in the direction along the line connecting the at least two acceleration sensors output by the one acceleration sensor. Calculating a second integrated value; and a distance from the rotation center point to the one acceleration sensor, the at least one output from the other acceleration sensor Calculating a third integrated value by integrating the acceleration output values in a direction perpendicular to a line connecting the two acceleration sensors and parallel to the moving plane of the object, and from the rotation center point to the other The distance to the acceleration sensor is integrated with the acceleration output value in a direction orthogonal to the line connecting the at least two acceleration sensors output by the one acceleration sensor and parallel to the plane of movement of the object. Calculating a fourth integrated value; a first difference value obtained by calculating a difference between the first integrated value and the second integrated value; the third integrated value; and the fourth integrated value. The step of removing an acceleration component of linear movement of the rotation center point along the first reference axis is performed using a second difference value obtained by calculating a difference between the integrated values of The tilt angle estimation system according to item 1 It is.

請求項17記載の発明は、前記演算処理ユニットが、前記少なくとも2つの加速度センサが出力する加速度成分のうち、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に平行な方向の加速度成分について、一の加速度センサの出力値と他の加速度センサの出力値との差を演算するとともに、前記少なくとも2つの加速度センサのうち、一の加速度センサと前記回転中心点との間の距離と他の加速度センサと前記回転中心点との間の距離の差を演算し、前記出力値の差を前記距離の差で除することにより、前記物体の角速度を演算することを特徴とする請求項2記載の傾斜角度推定システムである。
請求項18記載の発明は、前記演算処理ユニットが、前記少なくとも2つの加速度センサが出力する加速度成分のうち、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に直交するとともに前記物体の移動平面に対して平行な方向の加速度成分について、一の加速度センサの出力値と他の加速度センサの出力値との差を演算するとともに、前記少なくとも2つの加速度センサのうち、一の加速度センサと前記回転中心点との間の距離と他の加速度センサと前記回転中心点との間の距離の差を演算し、前記出力値の差を前記距離の差で除することにより、前記物体の角加速度を演算することを特徴とする請求項2記載の傾斜角度推定システムである。
According to a seventeenth aspect of the present invention, there is provided one acceleration sensor for the acceleration component in a direction parallel to a line connecting the at least two acceleration sensors among the acceleration components output by the at least two acceleration sensors. And the difference between the output value of the other acceleration sensor and the output value of the other acceleration sensor, and the distance between one of the at least two acceleration sensors and the rotation center point, the other acceleration sensor, and the rotation. 3. The tilt angle estimation system according to claim 2, wherein the angular velocity of the object is calculated by calculating a difference in distance from a center point and dividing the difference in output value by the difference in distance. It is.
According to an eighteenth aspect of the present invention, the arithmetic processing unit is orthogonal to a line connecting the at least two acceleration sensors out of the acceleration components output by the at least two acceleration sensors and is parallel to the moving plane of the object. For an acceleration component in a certain direction, the difference between the output value of one acceleration sensor and the output value of another acceleration sensor is calculated, and one of the at least two acceleration sensors and the rotation center point Calculating the angular acceleration of the object by calculating the difference in distance between the other acceleration sensor and the rotation center point, and dividing the difference in output value by the difference in distance. The tilt angle estimation system according to claim 2, wherein the tilt angle estimation system is a tilt angle estimation system.

請求項19記載の発明は、3つの直交座標軸により定義される立体空間内において、前記直交座標軸の交点を回転中心点として、前記3つの直交座標軸のうち2つの座標軸周りに回転運動し、傾斜体勢をとる物体の傾斜角度を推定するシステムであって、前記物体に取付けられた少なくとも2つの加速度センサと、該少なくとも2つの加速度センサからの出力を受信するとともに該出力に基づいて物体の傾斜角を算出する演算処理ユニットからなり、前記少なくとも2つの加速度センサは、一線上に整列するとともに、該少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線が前記回転中心点を通過することを特徴とする傾斜角度推定システムである。
請求項20記載の発明は、前記少なくとも2つの加速度センサが、該2つの加速度センサを結ぶ線に対して平行な第1の加速度成分と、該2つの加速度センサを結ぶ線及び前記物体の移動平面に対して直交する方向の第2の加速度成分と、前記第1の加速度成分と前記第2の加速度成分に対して直交する方向の第3の加速度成分を出力することを特徴とする請求項19記載の傾斜角度推定システムである。
According to a nineteenth aspect of the present invention, in a three-dimensional space defined by three orthogonal coordinate axes, a rotational motion is performed around two coordinate axes of the three orthogonal coordinate axes, with an intersection of the orthogonal coordinate axes as a rotation center point, and an inclined posture. An inclination angle of an object that takes the following equation: an at least two acceleration sensors attached to the object, outputs from the at least two acceleration sensors, and an inclination angle of the object based on the outputs An inclination angle estimation system comprising an arithmetic processing unit for calculating, wherein the at least two acceleration sensors are aligned on a line, and a line connecting the at least two acceleration sensors passes through the rotation center point. is there.
The invention according to claim 20 is characterized in that the at least two acceleration sensors have a first acceleration component parallel to a line connecting the two acceleration sensors, a line connecting the two acceleration sensors, and a moving plane of the object. 21. A second acceleration component in a direction orthogonal to the first acceleration component, and a third acceleration component in a direction orthogonal to the first acceleration component and the second acceleration component are output. It is an inclination angle estimation system of description.

請求項21記載の発明は、前記演算処理ユニットが、前記少なくとも2つの加速度センサのうち、一の加速度センサが出力する加速度の前記3つの出力値に対して、他の加速度センサと前記回転中心点との距離を積算し、3つの積算値を得る第1の積算工程と、前記他の加速度センサが出力する加速度の前記3つの出力値に対して、前記一の加速度センサと前記回転中心点との距離を積算し、3つの積算値を得る第2の積算工程と、前記第1の積算工程から得られた3つの積算値それぞれに対して、前記第2の積算工程から得られた対応する方向の加速度成分の積算値を用いて差分演算する差分工程を実行し、該差分工程から得られた差分値に基づき、前記物体の回転運動の中心となる軸に対する傾斜角度成分を算出する段階を実行することを特徴とする請求項20記載の傾斜角度推定システムである。   According to a twenty-first aspect of the present invention, the arithmetic processing unit is configured such that, with respect to the three output values of acceleration output from one of the at least two acceleration sensors, another acceleration sensor and the rotation center point. A first integrating step for obtaining three integrated values, and for the three output values of acceleration output by the other acceleration sensors, the one acceleration sensor and the rotation center point For each of the second integrated step for obtaining three integrated values and the three integrated values obtained from the first integrating step, the corresponding values obtained from the second integrating step. Performing a difference step of calculating a difference using an integrated value of acceleration components in a direction, and calculating a tilt angle component with respect to an axis serving as a center of the rotational motion of the object based on the difference value obtained from the difference step. To do The inclination angle estimation system according to claim 20, wherein.

請求項23記載の発明は、前記物体が更に、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線を軸にして回転動作することを特徴とする請求項19記載の傾斜角度推定システムである。
請求項24記載の発明は、前記3つの直交座標軸が、重力ベクトルに対して平行な方向の第1の座標軸と、該第1の座標軸に対して直交する方向の第2の座標軸と、前記第1の座標軸と前記第2の座標軸に直交する第3の座標軸から構成され、前記演算処理ユニットが、前記少なくとも2つの加速度センサのうち、一の加速度センサが出力する加速度の前記3つの出力値に対して、他の加速度センサと前記回転中心点との距離を積算し、3つの積算値を得る第1の積算工程と、前記他の加速度センサが出力する加速度の前記3つの出力値に対して、前記一の加速度センサと前記回転中心点との距離を積算し、3つの積算値を得る第2の積算工程と、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に対して平行な方向の加速度成分に関する前記第1の積算工程からの積算値と前記第2の積算工程からの積算値との差及び前記一の加速度センサと前記回転中心点との間の距離と前記他の加速度センサと前記回転中心点との間の距離との差に基づいて、前記第2の座標軸又は前記第3の座標軸を中心とする回転による傾斜角成分の正弦関数値を算出することを特徴とする請求項23記載の傾斜角度推定システムである。
請求項25記載の発明は、前記演算処理ユニットが、前記算出された第2の座標軸又は前記第3の座標軸を中心とする回転による傾斜角成分の正弦関数値に基づき、前記算出された第2の座標軸又は前記第3の座標軸を中心とする回転による傾斜角成分の余弦関数値を算出し、該算出された余弦関数値と、前記物体の回転移動平面に対して直交する軸に対して平行な方向の加速度成分に関する前記第1の積算工程からの積算値と前記第2の積算工程からの積算値との差及び前記一の加速度センサと前記回転中心点との間の距離と前記一の加速度センサと前記回転中心点との間の距離との差に基づいて、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線を軸とする回転動作に係る傾斜角の余弦関数値を算出することを特徴とする請求項24記載の傾斜角度推定システムである。
請求項26記載の発明は、前記演算処理ユニットが、前記算出された第2の座標軸又は前記第3の座標軸を中心とする回転による傾斜角成分の正弦関数値に基づき、前記算出された第2の座標軸又は前記第3の座標軸を中心とする回転による傾斜角成分の余弦関数値を算出し、該算出された余弦関数値と、前記物体の回転移動平面に対して直交する軸並びに前記少なくとも2つの加速度センサ同士を結ぶ線と平行な軸に対して直交する軸に対して平行な方向の加速度成分に関する前記第1の積算工程からの積算値と前記第2の積算工程からの積算値との差と、前記一の加速度センサと前記回転中心点との間の距離と前記他の加速度センサと前記回転中心点との間の距離との差に基づいて、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線を軸とする回転動作に係る傾斜角の正弦関数値を算出することを特徴とする請求項24記載の傾斜角度推定システムである。
請求項27記載の発明は、前記演算処理ユニットが更に、前記物体の回転移動平面に対して直交する軸に対して平行な方向の加速度成分に関する前記一の加速度センサの出力値と前記他の加速度センサの出力値との差と、前記物体の回転移動平面に対して直交する軸並びに前記少なくとも2つの加速度センサ同士を結ぶ線と平行な軸に対して直交する軸に対して平行な方向の加速度成分に関する前記一の加速度センサの出力値と前記他の加速度センサの出力値との差と、前記回転中心点と前記一の加速度センサの距離と前記回転中心点と前記他の加速度センサの距離との差に基づき、前記物体の回転移動平面に対して直交する軸に対して平行な方向を軸とする角加速度と、前記物体の回転移動平面に対して直交する軸並びに前記少なくとも2つの加速度センサ同士を結ぶ線と平行な軸に対して直交する軸に対して平行な方向の角加速度を算出することを特徴とする請求項25又は26記載の傾斜角度推定システムである。
請求項28記載の発明は、前記演算処理ユニットが更に、前記物体の回転移動平面に対して直交する軸に対して平行な方向を軸とする角加速度を積分演算し、前記第2の座標軸と前記第3の座標軸とで定義される平面内の傾斜角度を算出することを特徴とする請求項27記載の傾斜角度推定システムである。
The invention according to claim 23 is the tilt angle estimation system according to claim 19, wherein the object further rotates about the line connecting the at least two acceleration sensors.
The invention according to claim 24 is characterized in that the three orthogonal coordinate axes are a first coordinate axis in a direction parallel to the gravity vector, a second coordinate axis in a direction orthogonal to the first coordinate axis, and the first coordinate axis. 1 coordinate axis and a third coordinate axis orthogonal to the second coordinate axis, and the arithmetic processing unit sets the three output values of acceleration output from one acceleration sensor among the at least two acceleration sensors. On the other hand, the distance between the other acceleration sensor and the rotation center point is integrated to obtain three integrated values, and the three output values of the acceleration output from the other acceleration sensor. A second integration step of integrating the distance between the one acceleration sensor and the rotation center point to obtain three integrated values, and an acceleration component in a direction parallel to a line connecting the at least two acceleration sensors Said The difference between the integration value from the integration step and the integration value from the second integration step, the distance between the one acceleration sensor and the rotation center point, and the other acceleration sensor and the rotation center point 24. The tilt angle estimation according to claim 23, wherein a sine function value of a tilt angle component due to rotation about the second coordinate axis or the third coordinate axis is calculated based on a difference between the distance and the distance. System.
According to a twenty-fifth aspect of the invention, the arithmetic processing unit is configured to calculate the second calculated value based on a sine function value of a tilt angle component generated by rotation about the calculated second coordinate axis or the third coordinate axis. The cosine function value of the tilt angle component due to rotation about the coordinate axis or the third coordinate axis is calculated, and the calculated cosine function value is parallel to the axis orthogonal to the rotational movement plane of the object. The difference between the integrated value from the first integrating step and the integrated value from the second integrating step, and the distance between the one acceleration sensor and the rotation center point, and the one A cosine function value of an inclination angle related to a rotation operation about a line connecting the at least two acceleration sensors is calculated based on a difference between a distance between the acceleration sensor and the rotation center point. The tilt according to claim 24. It is the angle estimation system.
According to a twenty-sixth aspect of the present invention, the arithmetic processing unit is configured to calculate the second calculated value based on a sine function value of a tilt angle component caused by rotation about the calculated second coordinate axis or the third coordinate axis. The cosine function value of the tilt angle component due to rotation about the coordinate axis or the third coordinate axis is calculated, the calculated cosine function value, the axis orthogonal to the rotational movement plane of the object, and the at least 2 An integrated value from the first integrating step and an integrated value from the second integrating step with respect to an acceleration component in a direction parallel to an axis perpendicular to an axis parallel to a line connecting two acceleration sensors A line connecting the at least two acceleration sensors based on a difference and a difference between the distance between the one acceleration sensor and the rotation center point and a distance between the other acceleration sensor and the rotation center point. Axis Calculating a sine function value of the inclination angle of the rotation is the tilt angle estimation system according to claim 24, wherein.
According to a twenty-seventh aspect of the present invention, the arithmetic processing unit further includes the output value of the one acceleration sensor and the other acceleration relating to an acceleration component in a direction parallel to an axis orthogonal to the rotational movement plane of the object. The difference between the sensor output value and the acceleration in the direction parallel to the axis orthogonal to the axis perpendicular to the rotational movement plane of the object and the axis parallel to the line connecting the at least two acceleration sensors. A difference between an output value of the one acceleration sensor and an output value of the other acceleration sensor regarding a component, a distance between the rotation center point and the one acceleration sensor, a distance between the rotation center point and the other acceleration sensor, Based on the difference between the angular acceleration about the direction parallel to the axis orthogonal to the rotational movement plane of the object, the axis orthogonal to the rotational movement plane of the object, and the at least 2 The inclination angle estimation system according to claim 25 or 26, wherein that of the line connecting the acceleration sensor between calculated direction parallel angular acceleration with respect to the axis perpendicular to the parallel axes.
The invention according to claim 28 is characterized in that the arithmetic processing unit further integrates and calculates an angular acceleration with a direction parallel to an axis orthogonal to the rotational movement plane of the object as the second coordinate axis. 28. The tilt angle estimation system according to claim 27, wherein a tilt angle within a plane defined by the third coordinate axis is calculated.

請求項29記載の発明は、一の回転中心点を有するとともに該一の回転中心点を軸として回転運動する一の物体と、該一の回転中心点において前記一の物体と接続するとともに前記一の回転中心点を軸として回転運動する他の物体との間の相対的角度を推定するシステムであって、前記一の物体に取付けられた少なくとも2つの加速度センサからなる第1の加速度センサ群と、前記他の物体に取付けられた少なくとも2つの加速度センサからなる第2の加速度センサ群と、前記第1及び前記第2の加速度センサ群の加速度センサからの出力を受信するとともに該出力に基づいて前記物体の傾斜角を算出する演算処理ユニットからなり、前記第1の加速度センサ群の前記少なくとも2つの加速度センサは、前記一の物体上で一線上に整列し、前記第2の加速度センサ群の前記少なくとも2つの加速度センサは、前記一の物体上で一線上に整列し、前記第1の加速度センサ群を構成する前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線と前記第2の加速度センサ群を構成する前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線がともに前記一の回転中心点を通過することを特徴とする相対角度推定システムである。
請求項30記載の発明は、前記第1の加速度センサ群の前記少なくとも2つの加速度センサが、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に対して平行な方向の第1の加速度成分と、前記物体の回転移動平面に対して直交する方向の第2の加速度成分と、前記第1の加速度成分と前記第2の加速度成分に対して直交する方向の第3の加速度成分からなる加速度に関する出力をすることを特徴とする請求項29記載の相対角度推定システムである。
請求項31記載の発明は、前記第2の加速度センサ群の前記少なくとも2つの加速度センサが、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に対して平行な方向の第1の加速度成分と、前記物体の回転移動平面に対して直交する方向の第2の加速度成分と、前記第1の加速度成分と前記第2の加速度成分に対して直交する方向の第3の加速度成分からなる加速度に関する出力をすることを特徴とする請求項29記載の相対角度推定システムである。
請求項32記載の発明は、前記演算処理ユニットが、前記第1の加速度センサ群を構成する加速度センサからの出力に基づき、前記一の物体の回転中心点における第1の加速度ベクトルを算出することを特徴とする請求項30記載の相対角度推定システムである。
請求項33記載の発明は、前記演算処理ユニットが、前記第2の加速度センサ群を構成する加速度センサからの出力に基づき、前記他の物体の回転中心点における第2の加速度ベクトルを算出することを特徴とする請求項31記載の相対角度推定システムである。
請求項34記載の発明は、前記第1の加速度センサ群の前記少なくとも2つの加速度センサが、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に対して平行な方向の第1の加速度成分と、前記物体の回転移動平面に対して直交する方向の第2の加速度成分と、前記第1の加速度成分と前記第2の加速度成分に対して直交する方向の第3の加速度成分からなる加速度に関する出力をし、前記第2の加速度センサ群の前記少なくとも2つの加速度センサが、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に対して平行な方向の第1の加速度成分と、前記物体の回転移動平面に対して直交する方向の第2の加速度成分と、前記第1の加速度成分と前記第2の加速度成分に対して直交する方向の第3の加速度成分からなる加速度に関する出力をし、前記演算処理ユニットが、前記第1の加速度センサ群を構成する加速度センサからの出力に基づき、前記一の物体の回転中心点における第1の加速度ベクトルを算出するとともに前記第2の加速度センサ群を構成する加速度センサからの出力に基づき、前記他の物体の回転中心点における第2の加速度ベクトルを算出し、前記第1の加速度ベクトルと前記第2の加速度ベクトルとの間の差から、前記一の物体と前記他の物体の間の相対角度を推定することを特徴とする請求項29記載の相対角度推定システムである。
According to a twenty-ninth aspect of the present invention, there is provided an object having one rotation center point and rotating about the one rotation center point, and connected to the one object at the one rotation center point and the one object. And a first acceleration sensor group consisting of at least two acceleration sensors attached to the one object. A second acceleration sensor group including at least two acceleration sensors attached to the other object, and outputs from the acceleration sensors of the first and second acceleration sensor groups, and based on the outputs An arithmetic processing unit for calculating an inclination angle of the object, wherein the at least two acceleration sensors of the first acceleration sensor group are aligned on a line on the one object; The at least two acceleration sensors of the second acceleration sensor group are aligned on a line on the one object, and a line connecting the at least two acceleration sensors constituting the first acceleration sensor group and the second acceleration sensor group. The relative angle estimation system is characterized in that a line connecting the at least two acceleration sensors constituting the acceleration sensor group passes through the one rotation center point.
The invention according to claim 30 is characterized in that the at least two acceleration sensors of the first acceleration sensor group include a first acceleration component in a direction parallel to a line connecting the at least two acceleration sensors, and the object. Outputting an acceleration related to a second acceleration component in a direction orthogonal to the rotational movement plane, and a first acceleration component and a third acceleration component in a direction orthogonal to the second acceleration component. 30. The relative angle estimation system according to claim 29.
The invention according to claim 31 is characterized in that the at least two acceleration sensors of the second acceleration sensor group include a first acceleration component in a direction parallel to a line connecting the at least two acceleration sensors, and the object. Outputting an acceleration related to a second acceleration component in a direction orthogonal to the rotational movement plane, and a first acceleration component and a third acceleration component in a direction orthogonal to the second acceleration component. 30. The relative angle estimation system according to claim 29.
According to a thirty-second aspect of the present invention, the arithmetic processing unit calculates a first acceleration vector at a rotation center point of the one object based on an output from an acceleration sensor constituting the first acceleration sensor group. The relative angle estimation system according to claim 30, wherein:
According to a thirty-third aspect of the present invention, the arithmetic processing unit calculates a second acceleration vector at a rotation center point of the other object based on an output from an acceleration sensor constituting the second acceleration sensor group. 32. The relative angle estimation system according to claim 31, wherein:
The invention according to claim 34 is characterized in that the at least two acceleration sensors of the first acceleration sensor group include a first acceleration component in a direction parallel to a line connecting the at least two acceleration sensors, and the object. An output relating to an acceleration composed of a second acceleration component in a direction perpendicular to the rotational movement plane, a first acceleration component and a third acceleration component in a direction orthogonal to the second acceleration component; The at least two acceleration sensors of the second acceleration sensor group are orthogonal to a first acceleration component in a direction parallel to a line connecting the at least two acceleration sensors and a rotational movement plane of the object. A second acceleration component in the direction, and an output relating to the acceleration composed of the first acceleration component and the third acceleration component in the direction orthogonal to the second acceleration component, and The processing unit calculates a first acceleration vector at the rotation center point of the one object based on an output from an acceleration sensor that constitutes the first acceleration sensor group, and constitutes the second acceleration sensor group. Based on the output from the acceleration sensor, a second acceleration vector at the rotation center point of the other object is calculated, and the one object is calculated from the difference between the first acceleration vector and the second acceleration vector. 30. The relative angle estimation system according to claim 29, wherein a relative angle between the first object and the other object is estimated.

請求項35記載の発明は、回転動作する物体の回転中心点に配された一の加速度センサと、該一の加速度センサから離間して配される3つの加速度センサと、前記一の加速度センサと前記3つの加速度センサからの出力を受信する演算処理ユニットからなり、前記一の加速度センサと前記3つの加速度センサそれぞれを結ぶ線が互いに直交し、前記一の加速度センサが、該一の加速度センサと前記3つの加速度センサそれぞれを結ぶ線に対して平行な方向の加速度成分を出力し、前記3つの加速度センサがそれぞれ、前記一の加速度センサに向かう直線に対して平行な方向の加速度成分を出力し、前記3つの加速度センサのうち、少なくとも1つが他の加速度センサと前記一の加速度センサを結ぶ線に対して平行な方向の加速度成分を出力し、前記一の加速度センサと前記3つの加速度センサそれぞれの出力間の関係に基づき、前記物体の回転動作の角速度を推定する角速度推定システムである。   The invention according to claim 35 is the following: one acceleration sensor arranged at the rotation center point of the rotating object, three acceleration sensors arranged apart from the one acceleration sensor, and the one acceleration sensor An arithmetic processing unit for receiving outputs from the three acceleration sensors, lines connecting the one acceleration sensor and the three acceleration sensors are orthogonal to each other, and the one acceleration sensor is connected to the one acceleration sensor. An acceleration component in a direction parallel to a line connecting the three acceleration sensors is output, and each of the three acceleration sensors outputs an acceleration component in a direction parallel to a straight line toward the one acceleration sensor. At least one of the three acceleration sensors outputs an acceleration component in a direction parallel to a line connecting the other acceleration sensor and the one acceleration sensor. Based on the relationship between the output of each of the one acceleration sensor the three acceleration sensors, angular velocity estimation system for estimating the angular velocity of rotation of the object.

請求項36記載の発明は、一の回転中心点を有するとともに該回転中心点を軸に一の平面内で回転しつつ傾斜する物体の傾斜角度を推定するシステムであって、前記物体に取付けられた少なくとも1つの加速度センサと、該少なくとも1つの加速度センサからの出力を受信するとともに該出力に基づいて物体の傾斜角を算出する演算処理ユニットからなり、前記少なくとも1つの加速度センサのうち一の加速度センサが、前記回転中心点上に配されることを特徴とする傾斜角度推定システムである。   The invention according to claim 36 is a system for estimating an inclination angle of an object having one rotation center point and tilting while rotating in one plane around the rotation center point, and is attached to the object. And at least one acceleration sensor and an arithmetic processing unit that receives an output from the at least one acceleration sensor and calculates an inclination angle of the object based on the output. One acceleration of the at least one acceleration sensor The tilt angle estimation system is characterized in that a sensor is arranged on the rotation center point.

請求項1及び2記載の発明によれば、用いるセンサが加速度センサのみであるので、簡便且つ廉価に傾斜角度推定システムを構築可能となる。したがって、従来技術と比して、推定システムの設定を簡便に行なうことができる。
請求項3記載の発明によれば、データ処理に用いるパラメータのうち1つを「0」に設定することができ、演算処理ユニットの演算処理負荷の低減を図ることができる。
According to the first and second aspects of the invention, since the sensor to be used is only the acceleration sensor, it is possible to construct a tilt angle estimation system simply and inexpensively. Therefore, the estimation system can be easily set as compared with the prior art.
According to the third aspect of the present invention, one of the parameters used for data processing can be set to “0”, and the arithmetic processing load of the arithmetic processing unit can be reduced.

請求項4乃至6記載の発明によれば、積分演算を行なうことなく、傾斜角度の推定を実行可能である。したがって、従来技術のように、積分誤差を含んだ推定値を出力することがなく、高い精度を確保可能である。
請求項8乃至10記載の発明によれば、算出された傾斜角度の推定値に応じて、出力する推定値の算出に用いられる関数の選択が可能となる。
According to the fourth to sixth aspects of the present invention, it is possible to estimate the tilt angle without performing an integration operation. Therefore, unlike the conventional technique, an estimated value including an integration error is not output, and high accuracy can be ensured.
According to the eighth to tenth aspects of the present invention, it is possible to select a function used for calculating an estimated value to be output, in accordance with the calculated estimated value of the tilt angle.

請求項11記載の発明によれば、直線移動する物体を対象に傾斜角の推定を実行可能となる。
請求項12記載の発明によれば、直線加速度移動する物体を対象に傾斜角の推定を実行可能となる。
請求項13乃至15記載の発明によれば、直線加速度移動する物体の移動速度が既知である場合に、積分演算を行なうことなく、傾斜角度の推定を実行可能である。したがって、従来技術のように、積分誤差を含んだ推定値を出力することがなく、高い精度を確保可能である。
請求項16記載の発明によれば、水平方向に運動する物体の移動速度が未知である場合において、積分演算を行なうことなく、傾斜角度の推定を実行可能である。したがって、従来技術のように、積分誤差を含んだ推定値を出力することがなく、高い精度を確保可能である。
According to the eleventh aspect of the present invention, it is possible to execute the estimation of the tilt angle for a linearly moving object.
According to the twelfth aspect of the present invention, it is possible to estimate the tilt angle for an object that moves linearly.
According to the thirteenth to fifteenth aspects of the present invention, when the moving speed of the object that moves linearly is known, the inclination angle can be estimated without performing the integral calculation. Therefore, unlike the conventional technique, an estimated value including an integration error is not output, and high accuracy can be ensured.
According to the sixteenth aspect of the present invention, when the moving speed of the object moving in the horizontal direction is unknown, the inclination angle can be estimated without performing the integration calculation. Therefore, unlike the conventional technique, an estimated value including an integration error is not output, and high accuracy can be ensured.

請求項17記載の発明によれば、物体の傾斜回転運動に係る角速度を、積分演算を行なうことなく実行可能である。したがって、従来技術のように、積分誤差を含んだ推定値を出力することがなく、高い精度を確保可能である。
請求項18記載の発明によれば、物体の傾斜回転運動に係る角加速度を、積分演算を行なうことなく実行可能である。したがって、従来技術のように、積分誤差を含んだ推定値を出力することがなく、高い精度を確保可能である。
According to the seventeenth aspect of the present invention, it is possible to execute the angular velocity related to the inclined rotational motion of the object without performing the integral calculation. Therefore, unlike the conventional technique, an estimated value including an integration error is not output, and high accuracy can be ensured.
According to the eighteenth aspect of the present invention, the angular acceleration related to the tilting and rotating motion of the object can be executed without performing the integral calculation. Therefore, unlike the conventional technique, an estimated value including an integration error is not output, and high accuracy can be ensured.

請求項19記載の発明によれば、立体空間内を回転傾斜動作する物体の傾斜角度を推定可能であり、用いるセンサが加速度センサのみであるので、簡便且つ廉価に傾斜角度推定システムを構築可能となる。したがって、従来技術と比して、推定システムの設定を簡便に行なうことができる。
請求項20及び21記載の発明によれば、積分演算を行なうことなく、傾斜角度の推定を実行可能である。したがって、従来技術のように、積分誤差を含んだ推定値を出力することがなく、高い精度を確保可能である。
請求項22記載の発明によれば、物体の傾斜回転運動に係る角速度を、積分演算を行なうことなく実行可能である。したがって、従来技術のように、積分誤差を含んだ推定値を出力することがなく、高い精度を確保可能である。
According to the nineteenth aspect of the present invention, it is possible to estimate the tilt angle of an object that rotates and tilts in a three-dimensional space, and since only the acceleration sensor is used, it is possible to construct a tilt angle estimation system simply and inexpensively. Become. Therefore, the estimation system can be easily set as compared with the prior art.
According to the twentieth and twenty-first aspects of the present invention, it is possible to estimate the tilt angle without performing an integration operation. Therefore, unlike the conventional technique, an estimated value including an integration error is not output, and high accuracy can be ensured.
According to the twenty-second aspect of the present invention, it is possible to execute the angular velocity related to the inclined rotational motion of the object without performing the integral calculation. Therefore, unlike the conventional technique, an estimated value including an integration error is not output, and high accuracy can be ensured.

請求項23記載の発明は、立体空間内を回転傾斜動作するとともに、その軸周りに回転動作する測定対象に対する傾斜角度の推定が可能となる。
請求項24乃至27記載の発明によれば、物体の傾斜回転運動に係る角速度を、積分演算を行なうことなく実行可能である。したがって、従来技術のように、積分誤差を含んだ推定値を出力することがなく、高い精度を確保可能である。
請求項28記載の発明によれば、最小限の積分演算を以って、測定対象物の傾斜運動の3方向成分全てを推定可能となる。したがって、従来技術のように、積分誤差を最小限化でき、高い精度を確保可能である。また、積分演算を要する方向以外の回転方向の推定値には積分誤差が含まれないため、高い精度を保つことができる。
The invention according to claim 23 makes it possible to estimate a tilt angle with respect to a measurement object that rotates and tilts in a three-dimensional space and rotates around its axis.
According to the twenty-fourth to twenty-seventh aspects of the present invention, it is possible to execute the angular velocity related to the inclined rotational motion of the object without performing the integral calculation. Therefore, unlike the conventional technique, an estimated value including an integration error is not output, and high accuracy can be ensured.
According to the twenty-eighth aspect of the present invention, it is possible to estimate all three directional components of the tilting motion of the measurement object with a minimum integral calculation. Therefore, as in the prior art, the integration error can be minimized and high accuracy can be ensured. Moreover, since the estimated value in the rotational direction other than the direction requiring the integral calculation does not include an integration error, high accuracy can be maintained.

請求項29乃至34記載の発明によれば、回転中心点で連結した2物体間の相対角度を推定することが可能であり、この相対角度の推定には、積分演算処理を要することがないため、推定値に積分誤差が含まれず、高い精度の推定値を出力することができる。
請求項35記載の発明によれば、回転動作する物体の角速度を、積分演算処理を要することなく、推定することが可能である。したがって、推定値に積分誤差が含まれず、高い精度の推定値を出力することができる。
請求項36記載の発明によれば、用いるセンサが1つの加速度センサのみであるので、簡便且つ廉価に傾斜角度推定システムを構築可能となる。したがって、従来技術と比して、推定システムの設定を簡便に行なうことができる。
According to the invention described in claims 29 to 34, it is possible to estimate the relative angle between two objects connected at the rotation center point, and this calculation of the relative angle does not require an integral operation process. The estimated value does not include an integration error, and a highly accurate estimated value can be output.
According to the thirty-fifth aspect of the present invention, it is possible to estimate the angular velocity of the rotating object without requiring an integral calculation process. Therefore, the estimated value does not include an integration error, and a highly accurate estimated value can be output.
According to the thirty-sixth aspect of the present invention, since only one acceleration sensor is used, it is possible to construct a tilt angle estimation system simply and inexpensively. Therefore, the estimation system can be easily set as compared with the prior art.

以下、本発明に係る傾斜角度推定システムについて、図を参照しつつ説明する。
図1は、本発明に係る傾斜角度推定システムの概略図である。
傾斜角度推定システム(1)は、測定対象体(P)に取付けられた複数の加速度センサ(2)と、加速度センサ(2)とデータ通信可能なデータ演算処理ユニット(コンピュータ)(3)からなる。
図1に示す例において、測定対象体(P)は、その一方の端部を回転可能に支持されている。測定対象体(P)は、この支持点を回転中心点(R)として、一方向に回転動作をし、その姿勢を傾斜させる。したがって、図1に示す例においては、測定対象体(P)は、一平面内で回転動作するものとなる。
加速度センサ(2)が取付けられる測定対象体(P)に対して特段の制限はないが、測定対象体の回転傾斜動作の際に生ずる慣性力により変形しない程度の剛性を有することが好ましい。傾斜角度推定のためのデータ取得時における測定対象体(P)の変形は、推定値の誤差に直結するためである。したがって、本発明が対象とする測定対象体(P)には、完全な剛体のみならず、傾斜角度推定の目的が許容する誤差を生じさせる程度に変形可能なものも含まれる。
Hereinafter, an inclination angle estimation system according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram of a tilt angle estimation system according to the present invention.
The tilt angle estimation system (1) includes a plurality of acceleration sensors (2) attached to a measurement object (P) and a data arithmetic processing unit (computer) (3) capable of data communication with the acceleration sensor (2). .
In the example shown in FIG. 1, the measurement object (P) is rotatably supported at one end thereof. The measurement object (P) rotates in one direction with this support point as the rotation center point (R) and tilts its posture. Therefore, in the example shown in FIG. 1, the measurement object (P) rotates in one plane.
Although there is no particular limitation on the measurement object (P) to which the acceleration sensor (2) is attached, it is preferable that the measurement object (P) has a rigidity that does not cause deformation due to an inertial force generated during the rotation and tilting operation of the measurement object. This is because the deformation of the measurement object (P) at the time of data acquisition for tilt angle estimation is directly connected to the error of the estimated value. Therefore, the measurement object (P) targeted by the present invention includes not only a perfect rigid body but also those that can be deformed to such an extent that an error allowed by the purpose of tilt angle estimation is generated.

図1において、測定対象体(P)上に2つの加速度センサ(2)が示されているが、加速度センサの数は、2つに限定されるものではなく、3或いはそれ以上であってもよい。
図1から明らかなように、2つの加速度センサ(2)を結ぶ線の延長線上に測定対象体(P)の回転中心点(R)が位置する。尚、本明細書或いは請求の範囲で、「加速度センサ(2)を結ぶ線が回転中心点(R)を通過する」との文言が用いられるが、この文言は、必ずしも加速度センサ(2)同士を結ぶ線が正確に回転中心点(R)を通過することのみを意味するものではなく、加速度センサ(2)同士を結ぶ線が、回転中心点(R)近傍を通過することも意味する。加速度センサ(2)同士を結ぶ線と回転中心点(R)との距離は、直接的に、傾斜角度推定システム(1)から得られる推定値の誤差に直結するが、傾斜角度推定システム(1)が許容する誤差範囲内の誤差を生み出す程度の加速度センサ(2)同士を結ぶ線と回転中心点(R)との間の距離であれば、本発明の技術的範囲に属するものと解するべきである。
In FIG. 1, two acceleration sensors (2) are shown on the measurement object (P). However, the number of acceleration sensors is not limited to two, and may be three or more. Good.
As is clear from FIG. 1, the rotation center point (R) of the measurement object (P) is located on the extended line connecting the two acceleration sensors (2). In the present specification or claims, the term “the line connecting the acceleration sensors (2) passes through the rotation center point (R)” is used, but this term is not necessarily the same between the acceleration sensors (2). This does not mean that the line connecting the two accurately passes through the rotation center point (R), but also means that the line connecting the acceleration sensors (2) passes near the rotation center point (R). The distance between the line connecting the acceleration sensors (2) and the rotation center point (R) is directly linked to the error of the estimated value obtained from the tilt angle estimation system (1). If the distance between the line connecting the acceleration sensors (2) and the rotation center point (R) to the extent that produces an error within the allowable error range, it is understood that they belong to the technical scope of the present invention. Should.

データ演算処理ユニット(3)には、回転中心点(R)から各加速度センサ(2)までの距離が予め入力されている。
データ演算処理ユニット(3)は、加速度センサ(2)からの出力値(加速度データ)を受信し、データ演算処理ユニット(3)への入力値(回転中心点(R)から各加速度センサ(2)までの距離)と、加速度センサ(2)からの出力値(加速度データ)を用いて、測定対象体(P)の傾斜角度を算出する。
The distance from the rotation center point (R) to each acceleration sensor (2) is input in advance to the data arithmetic processing unit (3).
The data arithmetic processing unit (3) receives the output value (acceleration data) from the acceleration sensor (2), and inputs the input value (rotation center point (R) to each acceleration sensor (2) to the data arithmetic processing unit (3). )) And the output value (acceleration data) from the acceleration sensor (2), the inclination angle of the measurement object (P) is calculated.

図2は、データ演算処理ユニット(3)の演算処理の概念図である。
図2において、2つの座標系が示されている。本明細書において、一方の座標系を全体座標系と称し、他方の座標系を瞬時静止座標系と称する。
全体座標系において、重力加速度ベクトルに平行な方向をZ軸として定義する。また、図1に示す測定対象体(P)が回転動作をする平面内において、Z軸に対して直交する方向をX軸とする。ここで、X軸とZ軸の交点と、測定対象体(P)の回転中心点(R)が一致するように全体座標系を定義する。
瞬時静止座標系において、2つの加速度センサ(2)同士を結ぶ線をx軸として定義する。また、図1に示す測定対象体(P)が回転動作をする平面内において、x軸に対して直交する方向をz軸とする。ここで、x軸とz軸の交点と、測定対象体(P)の回転中心点(R)が一致するように瞬時静止座標系を定義する。
図2に示す例において、全体座標系のX軸と瞬時静止座標系のx軸との間の挟角は記号「α」で示されている。
以上の説明並びに座標系の定義から明らかであるが、図2は、測定対象体(P)がその軸(加速度センサ(2)同士を結んだ線)を全体座標系のX軸に置いた位置から角度αだけ回転運動した瞬間の測定対象体(P)の状態を表している。
以下に、この測定対象体(P)の傾斜角度αを算出するための演算処理工程を示す。
FIG. 2 is a conceptual diagram of the arithmetic processing of the data arithmetic processing unit (3).
In FIG. 2, two coordinate systems are shown. In this specification, one coordinate system is referred to as a global coordinate system, and the other coordinate system is referred to as an instantaneous stationary coordinate system.
In the global coordinate system, a direction parallel to the gravitational acceleration vector is defined as the Z axis. Further, in the plane in which the measurement object (P) shown in FIG. 1 rotates, the direction orthogonal to the Z axis is taken as the X axis. Here, the global coordinate system is defined so that the intersection of the X axis and the Z axis coincides with the rotation center point (R) of the measurement object (P).
In the instantaneous stationary coordinate system, a line connecting the two acceleration sensors (2) is defined as the x axis. In addition, in the plane in which the measurement object (P) shown in FIG. Here, the instantaneous stationary coordinate system is defined so that the intersection of the x axis and the z axis coincides with the rotation center point (R) of the measurement object (P).
In the example shown in FIG. 2, the included angle between the X axis of the global coordinate system and the x axis of the instantaneous stationary coordinate system is indicated by the symbol “α”.
As is apparent from the above description and the definition of the coordinate system, FIG. 2 shows the position where the measurement object (P) has its axis (the line connecting the acceleration sensors (2)) placed on the X axis of the overall coordinate system. Represents the state of the measurement object (P) at the moment of rotational movement by an angle α.
Hereinafter, an arithmetic processing step for calculating the inclination angle α of the measurement object (P) will be described.

測定対象体(P)に取付けられた2つの加速度センサ(2)はそれぞれ、瞬時静止座標系x軸に平行な方向の加速度データ(演算記号「ax又はbx」で表される)と、瞬時静止座標系z軸に平行な方向の加速度データ(演算記号「az又はbz」で表される)を出力する。
測定対象体(P)の回転傾斜動作によって生ずる瞬時静止座標系x軸に平行な加速度成分は、以下の数式1から求めることができる。また、測定対象体(P)の回転傾斜動作によって生ずる瞬時静止座標系z軸に平行な加速度成分は、以下の数式2から求めることができる。
尚、数式1中、「r」は、回転中心点(R)から加速度センサ(2)までの距離を意味する。また、数式1及び数式2において、測定対象体(P)の回転運動の角速度成分、角加速度成分を演算記号「θ」の微分値として表現している。
Each of the two acceleration sensors (2) attached to the measurement object (P) has acceleration data (represented by a calculation symbol “a x or b x ”) in a direction parallel to the instantaneous stationary coordinate system x-axis, Acceleration data (expressed by an operation symbol “a z or b z ”) in a direction parallel to the instantaneous stationary coordinate system z-axis is output.
The acceleration component parallel to the x axis of the instantaneous stationary coordinate system generated by the rotation and tilting operation of the measurement object (P) can be obtained from Equation 1 below. Further, the acceleration component parallel to the z axis of the instantaneous stationary coordinate system generated by the rotation and tilting operation of the measurement object (P) can be obtained from Equation 2 below.
In Equation 1, “r” means the distance from the rotation center point (R) to the acceleration sensor (2). Further, in Equations 1 and 2, the angular velocity component and the angular acceleration component of the rotational motion of the measurement object (P) are expressed as differential values of the calculation symbol “θ”.

Figure 2009186244
Figure 2009186244

Figure 2009186244
Figure 2009186244

ここで、回転中心点(R)から離れた側に取付けられた加速度センサ(2)を、符号「2A」で表し、回転中心点(R)に近い側に取付けられた加速度センサ(2)を、符号「2B」で表す。また、演算処理ユニット(3)には、回転中心点(R)と加速度センサ(2A)の距離として、値「rA」が入力されているものとし、回転中心点(R)と加速度センサ(2B)の距離として、値「rB」が入力されているものとする。
加速度センサ(2)の出力は、慣性力の影響を受けることから、加速度センサの出力と、測定対象体(P)の回転動作に起因する加速度成分並びに重力加速度の関係は、下記の数式3乃至数式6によって表すことができる。尚、数式3及び数式4は、加速度センサ(2A)に対するものであり、瞬時静止座標系x軸に平行な方向の出力加速度データを演算記号「ax」で示し、瞬時静止座標系z軸に平行な方向の出力加速度データを演算記号「az」で示している。数式5及び6は加速度センサ(2B)に対するものであり、瞬時静止座標系x軸に平行な方向の出力加速度データを演算記号「bx」で示し、瞬時静止座標系z軸に平行な方向の出力加速度データを演算記号「bz」で示している。
Here, the acceleration sensor (2) attached to the side away from the rotation center point (R) is denoted by reference numeral “2A”, and the acceleration sensor (2) attached to the side closer to the rotation center point (R) is indicated. , Represented by the symbol “2B”. Further, it is assumed that the value “r A ” is input to the arithmetic processing unit (3) as the distance between the rotation center point (R) and the acceleration sensor (2A), and the rotation center point (R) and the acceleration sensor ( It is assumed that the value “r B ” is input as the distance of 2B).
Since the output of the acceleration sensor (2) is affected by the inertial force, the relationship between the output of the acceleration sensor, the acceleration component resulting from the rotation operation of the measurement object (P), and the gravitational acceleration is expressed by the following Equations 3 to 3. It can be expressed by Equation 6. Equations 3 and 4 are for the acceleration sensor (2A), and output acceleration data in a direction parallel to the instantaneous stationary coordinate system x-axis is indicated by an operation symbol “a x ”, and the instantaneous stationary coordinate system z-axis is represented by Output acceleration data in the parallel direction is indicated by an operation symbol “a z ”. Equations 5 and 6 are for the acceleration sensor (2B), and output acceleration data in a direction parallel to the instantaneous stationary coordinate system x-axis is indicated by an operation symbol “b x ”. Output acceleration data is indicated by a calculation symbol “b z ”.

Figure 2009186244
Figure 2009186244

Figure 2009186244
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Figure 2009186244
Figure 2009186244

Figure 2009186244
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上記数式3と数式5の関係から、以下の手順で、測定対象体の角度αを求めることができる。
(1)加速度センサ(2A)の出力値に対して、回転中心点(R)から加速度センサ(2B)までの距離を積算する。
(2)加速度センサ(2B)の出力値に対して、回転中心点(R)から加速度センサ(2A)までの距離を積算する。
(3)上記手順(1)及び(2)から得られた積算値の差分を取り、測定対象体(P)の角速度成分を除去する。
上記手順を経て得られる角度αに対する演算式を、下記数式7に示す。
From the relationship between Equation 3 and Equation 5, the angle α of the measurement object can be obtained by the following procedure.
(1) The distance from the rotation center point (R) to the acceleration sensor (2B) is integrated with respect to the output value of the acceleration sensor (2A).
(2) The distance from the rotation center point (R) to the acceleration sensor (2A) is added to the output value of the acceleration sensor (2B).
(3) The difference between the integrated values obtained from the procedures (1) and (2) is taken, and the angular velocity component of the measurement object (P) is removed.
An arithmetic expression for the angle α obtained through the above procedure is shown in the following Expression 7.

Figure 2009186244
Figure 2009186244

上記数式4と数式6の関係から、以下の手順で、測定対象体の角度αを求めることができる。
(1)加速度センサ(2A)の出力値に対して、回転中心点(R)から加速度センサ(2B)までの距離を積算する。
(2)加速度センサ(2B)の出力値に対して、回転中心点(R)から加速度センサ(2A)までの距離を積算する。
(3)上記手順(1)及び(2)から得られた積算値の差分を取り、測定対象体(P)の角加速度成分を除去する。
上記手順を経て得られる角度αに対する演算式を、下記数式8に示す。
From the relationship between Equation 4 and Equation 6, the angle α of the measurement object can be obtained by the following procedure.
(1) The distance from the rotation center point (R) to the acceleration sensor (2B) is integrated with respect to the output value of the acceleration sensor (2A).
(2) The distance from the rotation center point (R) to the acceleration sensor (2A) is added to the output value of the acceleration sensor (2B).
(3) The difference between the integrated values obtained from the procedures (1) and (2) is taken, and the angular acceleration component of the measurement object (P) is removed.
An arithmetic expression for the angle α obtained through the above procedure is shown in the following Expression 8.

Figure 2009186244
Figure 2009186244

上記数式7及び数式8のいずれを用いても、角度αを算出することは可能である。しかしながら、数式7を用いた場合、角度αがπ/2の奇数倍の値の近傍である場合、計測誤差の影響が大きくなって現れる。また、数式8を用いた場合、角度αがπの整数倍の値の近傍である場合、計測誤差の影響が大きくなって現れる。
したがって、演算処理ユニット(3)に対する入力値として、閾値データを入力可能とすることが好ましい。例えば、演算処理ユニット(3)に対して、第1の閾値範囲として、90°を僅かに下回る値(例えば、85°)及び90°を僅かに上回る値(例えば、95°)を入力する。また、第2の閾値範囲として、0°を僅かに下回る値(例えば、−5°)及び0°を僅かに上回る値(例えば、5°)を入力する。
数式7及び/又は数式8による角度αの演算結果が、演算処理ユニット(3)に入力された第1の閾値範囲であるならば、数式8に基づいて算出された値を演算処理ユニット(3)が出力する。一方、数式7及び/又は数式8による角度αの演算結果が、演算処理ユニット(3)に入力された第2の閾値範囲であるならば、数式7に基づいて算出された値を演算処理ユニット(3)が出力する。
他の方法として、数式7及び数式8に基づく算出結果から、正接関数値を算出し、この正接関数値に基づき、角度αを算出してもよいし、数式7及び数式8に基づき得られた値を積算し、正弦関数の半角の公式に基づき、角度αを算出してもよい。
The angle α can be calculated by using either of the above formulas 7 and 8. However, when Expression 7 is used, if the angle α is in the vicinity of a value that is an odd multiple of π / 2, the influence of the measurement error appears to be large. Further, when Expression 8 is used, when the angle α is in the vicinity of a value that is an integer multiple of π, the influence of the measurement error appears to be large.
Therefore, it is preferable that threshold data can be input as an input value for the arithmetic processing unit (3). For example, a value slightly below 90 ° (for example, 85 °) and a value slightly above 90 ° (for example, 95 °) are input to the arithmetic processing unit (3) as the first threshold range. Further, as the second threshold range, a value slightly below 0 ° (for example, −5 °) and a value slightly above 0 ° (for example, 5 °) are input.
If the calculation result of the angle α according to Equation 7 and / or Equation 8 is within the first threshold range input to the arithmetic processing unit (3), the value calculated based on Equation 8 is used as the arithmetic processing unit (3 ) Is output. On the other hand, if the calculation result of the angle α according to Formula 7 and / or Formula 8 is the second threshold range input to the calculation processing unit (3), the value calculated based on Formula 7 is used as the calculation processing unit. (3) is output.
As another method, a tangent function value may be calculated from the calculation results based on Formula 7 and Formula 8, and the angle α may be calculated based on the tangent function value, or obtained based on Formula 7 and Formula 8. The values α may be integrated, and the angle α may be calculated based on the half-angle formula of the sine function.

尚、数式7により、角度αに対する正弦関数値が定まるので、この正弦関数値を上記の数式3及び5に代入し、測定対象体(P)の回転傾斜運動の角速度を算出することが可能である。また、数式8により、角度αに対する余弦関数値が定まるので、この余弦関数値を上記の数式4及び6に代入し、測定対象体(P)の回転傾斜運動の角加速度を算出することが可能である。
このようにして求められる測定対象体(P)の回転傾斜運動の角速度及び角加速度の算出式を下記数式9及び数式10に示す。
In addition, since the sine function value with respect to the angle α is determined by Equation 7, it is possible to calculate the angular velocity of the rotational tilt motion of the measurement object (P) by substituting this sine function value into Equations 3 and 5 above. is there. In addition, since the cosine function value with respect to the angle α is determined by Equation 8, it is possible to calculate the angular acceleration of the rotational tilt motion of the measurement object (P) by substituting this cosine function value into the above Equations 4 and 6. It is.
Equations 9 and 10 below show the calculation formulas of the angular velocity and angular acceleration of the rotational tilt motion of the measurement object (P) thus obtained.

Figure 2009186244
Figure 2009186244

Figure 2009186244
Figure 2009186244

このようにして、図1及び図2に示す実施形態においては、本発明に係る傾斜角度推定システム(1)では、積分演算工程を実行することなく、傾斜角度、傾斜角速度及び傾斜角加速度を算出することが可能である。したがって、従来のジャイロセンサを利用する方式と比して、傾斜角度推定値に積分誤差が含まれることがない。このようにして、本発明に係る傾斜角度推定システム(1)は、出力される推定値に対して、高い精度を確保可能となる。   In this way, in the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the tilt angle estimation system (1) according to the present invention calculates the tilt angle, the tilt angular velocity, and the tilt angular acceleration without executing the integration calculation step. Is possible. Therefore, as compared with a method using a conventional gyro sensor, the tilt angle estimated value does not include an integration error. In this way, the tilt angle estimation system (1) according to the present invention can ensure high accuracy for the output estimated value.

尚、上記数式3及び数式4或いは数式5及び数式6から明らかであるが、回転中心点(R)から加速度センサ(2)までの距離を「0」とすれば、加速度センサ(2)からの出力値は、測定対象体(P)の回転動作に係る角速度成分或いは角加速度成分を含まないものとなる。したがって、加速度センサ(2)を回転中心点(R)に一致するように取付けることで、加速度センサ(2)の出力値を重力加速度で除算することにより、傾斜角度αの正弦関数値或いは余弦関数値を求めることが可能である。尚、この場合には、測定対象体(P)の回転動作に係る角速度成分或いは角加速度成分を得るためには、算出された角度αに対して時間微分処理を行う必要がある。   Note that, as is clear from Equation 3 and Equation 4 or Equation 5 and Equation 6, when the distance from the rotation center point (R) to the acceleration sensor (2) is “0”, the distance from the acceleration sensor (2) is as follows. The output value does not include an angular velocity component or an angular acceleration component related to the rotation operation of the measurement object (P). Therefore, by attaching the acceleration sensor (2) so as to coincide with the rotation center point (R), the output value of the acceleration sensor (2) is divided by the gravitational acceleration, so that the sine function value or cosine function of the inclination angle α is obtained. A value can be determined. In this case, in order to obtain an angular velocity component or an angular acceleration component related to the rotation operation of the measurement object (P), it is necessary to perform a time differentiation process on the calculated angle α.

図1及び図2に示す例において、全体座標系(X,Z)が静止している場合を考えたが、本発明は、全体座標系が加速度運動している場合にも適用可能である。ここでは、便宜的に、全体座標系の原点(X,Z)を基準点として説明するが、この基準点は、2つの加速度センサ(2)のうち一方の位置に置き換えてもよい。全体座標系(X,Z)が一平面内で加速度運動している場合、全体座標系における加速度(D,D)は、下記の数式11及び数式12によって、それぞれ表される。 In the example shown in FIGS. 1 and 2, the case where the global coordinate system (X, Z) is stationary is considered, but the present invention can also be applied to the case where the global coordinate system is accelerating. Here, for convenience, the origin (X O , Z O ) of the global coordinate system will be described as a reference point. However, this reference point may be replaced with one of the two acceleration sensors (2). When the global coordinate system (X, Z) is accelerating in one plane, the acceleration (D X , D Y ) in the global coordinate system is expressed by the following formulas 11 and 12, respectively.

Figure 2009186244
Figure 2009186244

Figure 2009186244
Figure 2009186244

これを瞬時静止座標系(x,z)に座標変換し、瞬時静止座標系(x,z)における基準点(X,Z)の加速度成分(D,D)を得ることができる。座標変換に係る演算を、下記数式13に示す。 This can be transformed into the instantaneous stationary coordinate system (x, z ) to obtain the acceleration component (D x , D z ) of the reference point (X O , Z O ) in the instantaneous stationary coordinate system (x, z). . The calculation related to coordinate transformation is shown in the following Equation 13.

Figure 2009186244
Figure 2009186244

上記数式3乃至数式6で示すものと同様に、加速度センサ(2)からの出力(ax,az,bx,bz)を全体座標系が移動している場合について表すと、下記数式14を得ることができる。 Similarly to the equations 3 to 6, the output (a x , a z , b x , b z ) from the acceleration sensor (2) is expressed when the entire coordinate system is moved. 14 can be obtained.

Figure 2009186244
Figure 2009186244

基準点(X,Z)の両方向の加速度成分が既知の値である場合、図1及び図2に関連して説明した手順と同様に、下記手順を実行することにより、以下の数式15及び数式16に示す関係を得ることができる。
(1)加速度センサ(2A)の出力値に対して、回転中心点(R)から加速度センサ(2B)までの距離を積算する。
(2)加速度センサ(2B)の出力値に対して、回転中心点(R)から加速度センサ(2A)までの距離を積算する。
(3)上記手順(1)及び(2)から得られた積算値の差分を取り、測定対象体(P)の角速度成分或いは角加速度成分を除去する。
When the acceleration components in both directions of the reference point (X O , Z O ) are known values, the following equation 15 is obtained by executing the following procedure in the same manner as the procedure described with reference to FIGS. And the relationship shown in Formula 16 can be obtained.
(1) The distance from the rotation center point (R) to the acceleration sensor (2B) is integrated with respect to the output value of the acceleration sensor (2A).
(2) The distance from the rotation center point (R) to the acceleration sensor (2A) is added to the output value of the acceleration sensor (2B).
(3) The difference between the integrated values obtained from the procedures (1) and (2) is taken, and the angular velocity component or angular acceleration component of the measurement object (P) is removed.

Figure 2009186244
Figure 2009186244

Figure 2009186244
Figure 2009186244

数式15及び数式16は、一変数の関数であるから、いずれか一方の式から傾斜角度αを算出することもできるし、数式15及び数式16を連立させて、正弦関数値或いは余弦関数値を算出してもよい。
また、図1及び図2に関連して説明したものと同様の手法を用いて、測定対象体(P)の回転運動の角速度及び角加速度を積分演算工程なしに算出することが可能である。
Since Expressions 15 and 16 are functions of one variable, the inclination angle α can be calculated from either one of the expressions, and the sine function value or the cosine function value can be calculated by combining Expressions 15 and 16. It may be calculated.
Moreover, it is possible to calculate the angular velocity and the angular acceleration of the rotational motion of the measurement object (P) without using the integration calculation step by using the same method as that described with reference to FIGS.

基準点(X,Z)の加速度成分のうち一方が未知である場合においても、上記数式15及び数式16が、同一未知パラメータに係る2式をなすので、測定対象体(P)の傾斜角度α並びに基準点(X,Z)の未知の加速度成分を、数式15及び数式16を連立させることにより算出することができる。特に、対象となる測定対象体(P)が一方向しか直線移動をしない場合に、この関係は非常に有利である。特に、人間の歩行動作を対象とするとき、多くの場合、鉛直方向の移動は存在せず、専ら、水平方向の移動が取扱われる。したがって、この場合、Z方向の加速度成分を既知の値「0」として取扱うことができ、上記数式15及び数式16を連立して得られる下記数式17によって、測定対象体(P)の傾斜角度を算出することができる。 Even when one of the acceleration components of the reference point (X O , Z O ) is unknown, the above formula 15 and formula 16 form two formulas related to the same unknown parameter, so that the inclination of the measurement object (P) The unknown acceleration component of the angle α and the reference point (X O , Z O ) can be calculated by combining Equations 15 and 16. In particular, this relationship is very advantageous when the target measurement object (P) moves linearly only in one direction. In particular, when a human walking motion is targeted, in many cases there is no vertical movement, and only horizontal movement is handled. Therefore, in this case, the acceleration component in the Z direction can be handled as a known value “0”, and the inclination angle of the measurement object (P) can be determined by the following equation 17 obtained by combining the above equations 15 and 16. Can be calculated.

Figure 2009186244
Figure 2009186244

図3は、測定対象体(P)が3次元空間内で回転傾斜動作する態様を示す。
図1及び図2に関連して説明した実施形態においては、測定対象体(P)が2次元平面内を移動していたが、本発明の傾斜角度推定システム(1)は、3次元空間内で回転傾斜運動をする測定対象体(P)に対しても適用可能である。
図3において、初期位置にある測定対象体(P)は点線で示されており、回転傾斜動作を開始した後の測定対象体(P)は実線で示されている。3次元空間の全体座標系(X,Y,Z)のZ軸は、重力加速度に対して平行な方向に設定される。また、測定対象体(P)の初期位置は、本発明の理解を容易にするために、測定対象体(P)の軸、即ち、測定対象体(P)に取付けられた複数の加速度センサ(2)同士を結ぶ線がZ軸と直交するように配されているものとする。また、測定対象体(P)に取付けられた複数の加速度センサ(2)同士を結ぶ線に一致するようにX軸が定められる。また、Y軸は、X軸とZ軸の交点を通過するとともにX軸及びZ軸に直交する軸として定義される。
測定対象体(P)の回転中心点(R)は、X軸、Y軸及びZ軸の交点と一致するものとする。
FIG. 3 shows a mode in which the measurement object (P) rotates and tilts in a three-dimensional space.
In the embodiment described with reference to FIGS. 1 and 2, the measurement object (P) moves in the two-dimensional plane, but the tilt angle estimation system (1) of the present invention is in the three-dimensional space. The present invention can also be applied to a measurement object (P) that rotates and tilts.
In FIG. 3, the measurement object (P) at the initial position is indicated by a dotted line, and the measurement object (P) after starting the rotation and tilting operation is indicated by a solid line. The Z axis of the global coordinate system (X, Y, Z) in the three-dimensional space is set in a direction parallel to the gravitational acceleration. Further, the initial position of the measurement object (P) is determined by the acceleration sensor (P) attached to the axis of the measurement object (P), that is, the measurement object (P), in order to facilitate understanding of the present invention. 2) It is assumed that a line connecting each other is arranged to be orthogonal to the Z axis. Further, the X axis is determined so as to coincide with a line connecting the plurality of acceleration sensors (2) attached to the measurement object (P). The Y axis is defined as an axis that passes through the intersection of the X axis and the Z axis and is orthogonal to the X axis and the Z axis.
The rotation center point (R) of the measurement object (P) is assumed to coincide with the intersection of the X axis, the Y axis, and the Z axis.

次に、瞬時静止座標系の定義について説明する。瞬時静止座標系において、回転傾斜動作開始後の測定対象体(P)の軸をx軸として定義する。したがって、瞬時静止座標系(x,y,z)は、全体座標系(X,Y,Z)をY軸周りに所定角度回転させ、その後、Z軸周りに所定角度回転させた座標ということができる。   Next, the definition of the instantaneous stationary coordinate system will be described. In the instantaneous stationary coordinate system, the axis of the measurement object (P) after the start of the rotational tilt operation is defined as the x axis. Therefore, the instantaneous stationary coordinate system (x, y, z) is a coordinate obtained by rotating the entire coordinate system (X, Y, Z) by a predetermined angle around the Y axis and then rotating by a predetermined angle around the Z axis. it can.

図4及び図5は、全体座標系(X,Y,Z)から瞬時静止座標系(x,y,z)への座標変換を説明する図であり、図4は、Y軸周りの回転をさせたときの状態を示し、図5は、図4に示す状態からZ軸周りの回転をさせたときの状態を示す。
座標変換の一例として、全体座標(X,Y,Z)上の点G(0,0,g)を考える。この点Gは、全体座標が加速度を表す座標であるとき、重力加速度を意味する点である。図4は、この点GをY軸周りに角度αだけX軸に向けて回転させた状態を示す。この回転動作の後の点Gの座標(xg1,yg1,zg1)は、下記の数式18により表される。
4 and 5 are diagrams for explaining the coordinate conversion from the global coordinate system (X, Y, Z) to the instantaneous stationary coordinate system (x, y, z), and FIG. 4 illustrates the rotation around the Y axis. FIG. 5 shows a state when rotation around the Z-axis is made from the state shown in FIG.
As an example of coordinate transformation, a point G (0, 0, g) on the global coordinates (X, Y, Z) is considered. This point G is a point meaning gravitational acceleration when the overall coordinates are coordinates representing acceleration. FIG. 4 shows a state in which the point G is rotated around the Y axis by the angle α Y toward the X axis. The coordinates (x g1 , y g1 , z g1 ) of the point G Y after this rotation operation are expressed by the following mathematical formula 18.

Figure 2009186244
Figure 2009186244

図5は、図4に示す点Gをz軸周りに角度αだけY軸に向けて回転させた状態を示す。この回転動作の後の点GYZの座標(x,y,z)は、下記の数式19により表される。 FIG. 5 shows a state in which the point G Y shown in FIG. 4 is rotated around the z axis by an angle α z toward the Y axis. The coordinates (x g , y g , z g ) of the point G YZ after this rotation operation are expressed by the following Equation 19.

Figure 2009186244
Figure 2009186244

図3乃至図5に関連する説明により、3次元空間における全体座標系と瞬時静止座標系の関係が明らかとなった。次に、瞬時静止座標系における測定対象体(P)上の点の加速度成分について考える。図1及び図2に関連してなされた説明と同様に、測定対象体(P)上に取付けられた2つの加速度センサ(2A,2B)が検知する加速度について考える。
回転動作後の測定対象体(P)上の任意の位置(x,y,z)の加速度成分は、下記数式20により表される。尚、瞬時静止座標系のx軸に沿う方向の加速度成分は、瞬時静止座標系のy軸周りの角速度とz軸周りの角速度の関数で表され、瞬時静止座標系のy軸に沿う方向の加速度成分は、瞬時静止座標系のy軸周りの角加速度の関数で表され、瞬時静止座標系のz軸に沿う方向の加速度成分は、瞬時静止座標系のz軸周りの角加速度の関数で表される。
The explanation related to FIG. 3 to FIG. 5 clarifies the relationship between the global coordinate system and the instantaneous stationary coordinate system in the three-dimensional space. Next, consider the acceleration component of a point on the measurement object (P) in the instantaneous stationary coordinate system. Similar to the explanation made in connection with FIGS. 1 and 2, the acceleration detected by the two acceleration sensors (2A, 2B) mounted on the measurement object (P) will be considered.
An acceleration component at an arbitrary position (x, y, z) on the measurement object (P) after the rotation operation is expressed by the following Equation 20. The acceleration component in the direction along the x-axis of the instantaneous stationary coordinate system is expressed as a function of the angular velocity around the y-axis of the instantaneous stationary coordinate system and the angular velocity around the z-axis, and the acceleration component in the direction along the y-axis of the instantaneous stationary coordinate system. The acceleration component is expressed as a function of angular acceleration around the y axis of the instantaneous stationary coordinate system, and the acceleration component in the direction along the z axis of the instantaneous stationary coordinate system is a function of angular acceleration around the z axis of the instantaneous stationary coordinate system. expressed.

Figure 2009186244
Figure 2009186244

図1及び図2で説明したように、加速度センサ(2)が出力する加速度は、測定対象体(P)の回転傾斜動作に起因する加速度成分と重力加速度(慣性力)に起因する加速度成分を含むので、加速度センサ(2)が出力する加速度は、下記数式21及び数式22により表される。尚、数式21は、加速度センサ(2)のうち、回転中心点(R)から離れた位置(回転中心点(R)から加速度センサ(2A)までの距離r)に配される加速度センサ(2A)に対するものであり、加速度センサ(2A)の瞬間静止座標中の位置座標を(x,y,z)で表し、この位置座標に対応する加速度成分を(a,a,a)で表している。また、数式22は、加速度センサ(2)のうち、回転中心点(R)から近い位置(回転中心点(R)から加速度センサ(2B)までの距離r)に配される加速度センサ(2B)に対するものであり、加速度センサ(2B)の瞬間静止座標中の位置座標を(x,y,z)で表し、この位置座標に対応する加速度成分を(b,b,b)で表している。 As described with reference to FIGS. 1 and 2, the acceleration output from the acceleration sensor (2) includes an acceleration component caused by the rotation / tilt operation of the measurement object (P) and an acceleration component caused by gravity acceleration (inertial force). Therefore, the acceleration output from the acceleration sensor (2) is expressed by the following Expression 21 and Expression 22. Equation 21 is an acceleration sensor (2) that is arranged at a position away from the rotation center point (R) (a distance r A from the rotation center point (R) to the acceleration sensor (2A)). 2A), the position coordinates in the instantaneous still coordinates of the acceleration sensor (2A) are represented by (x A , y A , z A ), and the acceleration components corresponding to the position coordinates are represented by (a x , a y , a z ). Further, the mathematical expression 22 is an acceleration sensor (2B) arranged at a position close to the rotation center point (R) (distance r B from the rotation center point (R) to the acceleration sensor (2B)) in the acceleration sensor (2). ), The position coordinates in the instantaneous still coordinates of the acceleration sensor (2B) are represented by (x B , y B , z B ), and the acceleration components corresponding to the position coordinates are represented by (b x , b y , b z ).

Figure 2009186244
Figure 2009186244

Figure 2009186244
Figure 2009186244

傾斜角度α及びαの算出は、図1及び図2に関連したものと同様の下記の手順により実行可能である。
(1)加速度センサ(2A)の出力値に対して、回転中心点(R)から加速度センサ(2B)までの距離を積算する。
(2)加速度センサ(2B)の出力値に対して、回転中心点(R)から加速度センサ(2A)までの距離を積算する。
(3)上記手順(1)及び(2)から得られた積算値の差分を取り、測定対象体(P)の角速度成分或いは角加速度成分を除去する。
この手順にしたがって得られる一組の関係式を下記数式23に示す。
The inclination angles α y and α z can be calculated by the following procedure similar to that related to FIGS. 1 and 2.
(1) The distance from the rotation center point (R) to the acceleration sensor (2B) is integrated with respect to the output value of the acceleration sensor (2A).
(2) The distance from the rotation center point (R) to the acceleration sensor (2A) is added to the output value of the acceleration sensor (2B).
(3) The difference between the integrated values obtained from the procedures (1) and (2) is taken, and the angular velocity component or angular acceleration component of the measurement object (P) is removed.
A set of relational expressions obtained according to this procedure is shown in Equation 23 below.

Figure 2009186244
Figure 2009186244

上記数式23から明らかであるが、数式23に示す関係式から傾斜角度α及びαを算出する方法は多数存在する。例えば、瞬時静止座標系z軸方向の加速度成分のデータから、Y軸周りの傾斜角αに関する余弦関数値を算出することができる。このY軸周りの傾斜角αに関する余弦関数値に基づき、Y軸周りの傾斜角αに関する正弦関数値の算出も可能である。算出されたY軸周りの傾斜角αに関する正弦関数値を、瞬時静止座標系x軸方向或いはy軸方向の加速度成分の上記関係式に代入することにより、Z軸周りの傾斜角αの余弦関数値或いは正弦関数値を算出することができる。
このようにして、3次元空間内を回転する測定対象体(P)に対しても、積分演算工程を行なうことなく、傾斜角の算出を実行可能である。
As is clear from Equation 23 above, there are many methods for calculating the inclination angles α y and α z from the relational expression shown in Equation 23. For example, a cosine function value related to the inclination angle α y around the Y axis can be calculated from the acceleration component data in the z-axis direction of the instantaneous stationary coordinate system. Based on the cosine function value related to the inclination angle α y around the Y axis, the sine function value related to the inclination angle α y around the Y axis can be calculated. By substituting the calculated sine function value related to the tilt angle α y about the Y axis into the above relational expression of the acceleration component in the x axis direction or the y axis direction of the instantaneous stationary coordinate system, the tilt angle α z around the Z axis is calculated. A cosine function value or a sine function value can be calculated.
In this way, it is possible to calculate the tilt angle without performing the integration calculation step even for the measurement object (P) rotating in the three-dimensional space.

3次元空間内の測定対象体(P)の回転傾斜動作の角加速度も、積分演算工程を行うことなしに算出可能である。
上記数式21及び数式22を参照する。ここで、加速度センサ(2A)が出力する瞬時静止座標系のy軸方向の加速度成分と、加速度センサ(2B)が出力する瞬時静止座標系のy軸方向の加速度成分の差をとることにより、全体座標系Z軸周りの角加速度を算出することができる。下記数式24に、全体座標系Z軸周りの角加速度と加速度センサ(2)の出力値との関係を示す。
同様に、加速度センサ(2A)が出力する瞬時静止座標系のz軸方向の加速度成分と、加速度センサ(2B)が出力する瞬時静止座標系のz軸方向の加速度成分の差をとることにより、全体座標系Y軸周りの角加速度を算出することができる。下記、数式25に、全体座標系Y軸周りの角加速度と加速度センサ(2)の出力値との関係を示す。
The angular acceleration of the rotational and tilting motion of the measurement object (P) in the three-dimensional space can also be calculated without performing the integration calculation step.
Reference is made to Equation 21 and Equation 22 above. Here, by taking the difference between the acceleration component in the y-axis direction of the instantaneous stationary coordinate system output from the acceleration sensor (2A) and the acceleration component in the y-axis direction of the instantaneous stationary coordinate system output from the acceleration sensor (2B), The angular acceleration around the global coordinate system Z-axis can be calculated. Equation 24 below shows the relationship between the angular acceleration around the global coordinate system Z-axis and the output value of the acceleration sensor (2).
Similarly, by taking the difference between the acceleration component in the z-axis direction of the instantaneous stationary coordinate system output from the acceleration sensor (2A) and the acceleration component in the z-axis direction of the instantaneous stationary coordinate system output from the acceleration sensor (2B), The angular acceleration around the global coordinate system Y-axis can be calculated. Equation 25 below shows the relationship between the angular acceleration around the global coordinate system Y-axis and the output value of the acceleration sensor (2).

Figure 2009186244
Figure 2009186244

Figure 2009186244
Figure 2009186244

尚、角速度成分と加速度センサ(2)の出力値との関係を、加速度センサ(2)の瞬時静止座標系x軸方向の加速度に関する出力値に基づき、上記と同様に加速度センサ(2A)と加速度センサ(2B)の差をとることにより得ることができる。この関係式を下記数式26に示す。数式26から明らかであるが、角速度に関しては、積分演算或いは微分演算のデータ処理工程が必要となる。しかしながら、上記の如く、関係式は必要とされるもの以上に存在するため、微分演算処理或いは積分演算処理を行ったとしても、高い精度を確保可能である。   The relationship between the angular velocity component and the output value of the acceleration sensor (2) is based on the output value related to the acceleration of the acceleration sensor (2) in the x axis direction of the acceleration sensor (2). It can be obtained by taking the difference of the sensor (2B). This relational expression is shown in Expression 26 below. As is apparent from Equation 26, the angular velocity requires a data processing step for integration or differentiation. However, as described above, since there are more relational expressions than necessary, high accuracy can be ensured even if differential calculation processing or integration calculation processing is performed.

Figure 2009186244
Figure 2009186244

図6は、図3に示す測定対象体(P)の回転傾斜動作に対して、更に、測定対象体(P)の軸(加速度センサ(2A,2B)を結ぶ線)周りに回転する動作を加えた状態を示す。
図3乃至図5に関連して説明した実施形態においては、まず全体座標系のY軸周りの回転傾斜動作を考え、その後、全体座標系のZ軸周りの回転傾斜動作を考えたが、図6に示す測定対象体(P)の運動に対しては、別の手法により、角度算出を行なう必要がある。
6 further shows an operation of rotating around the axis of the measurement object (P) (a line connecting the acceleration sensors (2A, 2B)) with respect to the rotation and tilting operation of the measurement object (P) shown in FIG. The added state is shown.
In the embodiment described with reference to FIGS. 3 to 5, first, the rotation tilt operation around the Y axis of the global coordinate system is considered, and then the rotation tilt operation around the Z axis of the global coordinate system is considered. For the movement of the measurement object (P) shown in FIG. 6, it is necessary to calculate the angle by another method.

図7は、図6に示す測定対象体(P)の位置変化について説明する図である。尚、全体座標系の定義、瞬時静止座標系の定義並びに測定対象体(P)の初期位置に関する定義は、図3に関連して説明したものと同様である。
図6に示す測定対象体(P)の位置は、初期位置からY軸周りに角度αだけ測定対象体(P)を回転させ(図7(a)参照)、その後、測定対象体(P)をY軸周りに角度γだけ回転させた位置に一致するものとする(図7(b)参照)。
FIG. 7 is a diagram for explaining a change in position of the measurement object (P) shown in FIG. The definition of the global coordinate system, the definition of the instantaneous stationary coordinate system, and the definition of the initial position of the measurement object (P) are the same as those described with reference to FIG.
The position of the measurement object (P) shown in FIG. 6 is obtained by rotating the measurement object (P) by an angle α around the Y axis from the initial position (see FIG. 7A), and then measuring object (P). Is coincident with the position rotated around the Y axis by an angle γ (see FIG. 7B).

図8は、測定対象体(P)の軸周りに測定対象体(P)が回転した状態を示す。図8(a)は、初期位置の測定対象体(P)の横断面を示し、図8(b)は、図6に示す測定対象体(P)の位置における測定対象体(P)の横断面を示す。
図8から明らかな如く、ここでは、図6に示す位置に測定対象体(P)が移動する間に、測定対象体(P)はその軸周りに角度βだけ回転したものとする。
FIG. 8 shows a state in which the measurement object (P) is rotated around the axis of the measurement object (P). FIG. 8A shows a cross section of the measurement object (P) at the initial position, and FIG. 8B shows the crossing of the measurement object (P) at the position of the measurement object (P) shown in FIG. Show the surface.
As is apparent from FIG. 8, here, it is assumed that the measurement object (P) is rotated about its axis by an angle β while the measurement object (P) moves to the position shown in FIG.

まず、この実施形態においても、上記数式20に示される関係式は成立する。
次に、図3に関連した説明したものと同様に、加速度を表す全体座標上の点G(0,0,g)の座標変換を考える。尚、点Gは、図3に関連して説明したものと同様に重力加速度を意味する点である。
ここで、全体座標系のY軸周りに、X軸からZ軸方向に向けて点G(0,0,g)を回転変換させた場合を考える。この座標変換後の座標(xg1,yg1,zg1)との間の関係を、下記数式27に示す。
First, also in this embodiment, the relational expression expressed by the above mathematical formula 20 holds.
Next, consider the coordinate transformation of the point G (0, 0, g) on the global coordinates representing acceleration in the same manner as described with reference to FIG. Note that the point G means the gravitational acceleration as in the case described with reference to FIG.
Here, a case is considered in which the point G (0, 0, g) is rotationally transformed from the X axis toward the Z axis around the Y axis of the global coordinate system. The relationship between the coordinates (x g1 , y g1 , z g1 ) after the coordinate conversion is shown in the following Expression 27.

Figure 2009186244
Figure 2009186244

上記数式20で示される加速度センサ(2)が出力する加速度の各成分に、数式27で示す座標変換後の重力加速度成分を加える。この変換後の重力加速度成分の加算式を下記数式28に示す。   The gravity acceleration component after coordinate conversion represented by Equation 27 is added to each component of acceleration output by the acceleration sensor (2) represented by Equation 20 above. The addition formula of the gravity acceleration component after the conversion is shown in the following formula 28.

Figure 2009186244
Figure 2009186244

次に、測定対象体(P)の軸周りの回転について考える。測定対象体(P)の軸が、瞬時静止座標系のx軸と一致するように瞬間静止座標系が定義されているから、測定対象体(P)の軸周りにz軸からy軸に向けて角度βだけ回転させたとすると、上記数式28は、下記数式29に変換されることとなる。   Next, consider the rotation around the axis of the measurement object (P). Since the instantaneous stationary coordinate system is defined so that the axis of the measuring object (P) coincides with the x axis of the instantaneous stationary coordinate system, the z axis is directed from the z axis to the y axis around the axis of the measuring object (P). Then, the above formula 28 is converted into the following formula 29.

Figure 2009186244
Figure 2009186244

回転中心点(R)から距離rの位置に存する加速度センサ(2A)の瞬時静止座標系の各成分を(a,a,a)で表し、回転中心点(R)から距離rの位置に存する加速度センサ(2B)の瞬時静止座標系の各成分を(b,b,b)で表すと、以下の数式30乃至数式32に示す関係式を得ることができる。尚、下記数式30は、瞬時静止座標系のx軸方向の加速度成分を示し、下記数式31は、瞬時静止座標系のy軸方向の加速度成分を示し、下記数式32は、瞬時静止座標系のz軸方向の加速度成分を示す。 Each component of the instantaneous stationary coordinate system of the acceleration sensor (2A) located at a distance r a from the rotation center point (R) is represented by (a x , a y , a z ), and the distance r from the rotation center point (R). When each component of the instantaneous stationary coordinate system of the acceleration sensor (2B) existing at the position of b is represented by (b x , b y , b z ), the following relational expressions shown in Expressions 30 to 32 can be obtained. Equation 30 below shows the acceleration component in the x-axis direction of the instantaneous stationary coordinate system, Equation 31 below shows the acceleration component in the y-axis direction of the instantaneous stationary coordinate system, and Equation 32 below shows the instantaneous stationary coordinate system. The acceleration component in the z-axis direction is shown.

Figure 2009186244
Figure 2009186244

Figure 2009186244
Figure 2009186244

Figure 2009186244
Figure 2009186244

数式30乃至数式32に示す一対の関係式に対して、上記した手順と同様の下記手順により、角速度成分或いは角加速度成分を除去する。
(1)加速度センサ(2A)の出力値に対して、回転中心点(R)から加速度センサ(2B)までの距離を積算する。
(2)加速度センサ(2B)の出力値に対して、回転中心点(R)から加速度センサ(2A)までの距離を積算する。
(3)上記手順(1)及び(2)から得られた積算値の差分を取り、測定対象体(P)の角速度成分或いは角加速度成分を除去する。
この手順にしたがって得られる一組の関係式を下記数式33に示す。
The angular velocity component or the angular acceleration component is removed from the pair of relational expressions shown in Equations 30 to 32 by the following procedure similar to the procedure described above.
(1) The distance from the rotation center point (R) to the acceleration sensor (2B) is integrated with respect to the output value of the acceleration sensor (2A).
(2) The distance from the rotation center point (R) to the acceleration sensor (2A) is added to the output value of the acceleration sensor (2B).
(3) The difference between the integrated values obtained from the procedures (1) and (2) is taken, and the angular velocity component or angular acceleration component of the measurement object (P) is removed.
A set of relational expressions obtained according to this procedure is shown in Equation 33 below.

Figure 2009186244
Figure 2009186244

上記数式33から明らかな如く、瞬時静止座標系x軸に係るデータから、全体座標系Y軸周りの回転傾斜角度の正弦関数値を算出できる。また、この正弦関数値に基づき、余弦関数値も既知のものとなる。したがって、この既知の余弦関数値と、瞬時静止座標系x軸周りの回転角度βを算出することができる。
したがって、全体座標系Y軸周りの回転傾斜角度並びに瞬時静止座標系x軸周りの回転傾斜角度の算出は、積分演算処理を要せず、代数演算のみで実行可能である。
As is apparent from the above equation 33, the sine function value of the rotational tilt angle around the global coordinate system Y-axis can be calculated from the data related to the instantaneous stationary coordinate system x-axis. Also, based on this sine function value, the cosine function value is also known. Therefore, this known cosine function value and the rotation angle β around the x axis of the instantaneous stationary coordinate system can be calculated.
Therefore, the calculation of the rotational tilt angle around the global coordinate system Y-axis and the rotational tilt angle around the instantaneous stationary coordinate system x-axis can be performed only by algebraic computation without requiring an integral computation process.

続いて、瞬時静止座標系z軸周りの回転を考え、その後、これを全体座標系(X,Y,Z)上に座標変換し、全体座標系Z軸周りの回転傾斜角度を算出する。
まず、加速度センサ(2A,2B)それぞれから得られた加速度成分の差を算出する。この演算工程を下記数式34に示す。
Subsequently, the rotation around the instantaneous stationary coordinate system z-axis is considered, and then this is coordinate-converted onto the global coordinate system (X, Y, Z) to calculate the rotational tilt angle around the global coordinate system Z-axis.
First, a difference between acceleration components obtained from the acceleration sensors (2A, 2B) is calculated. This calculation process is shown in Equation 34 below.

Figure 2009186244
Figure 2009186244

上記数式34に示すy軸成分とz軸成分に係る関係式を連立させることにより、瞬時静止座標系のy軸周りの角加速度及びz軸周りの角加速度を算出することができる。
下記数式35に算出された瞬時静止座標系のy軸周りの角加速度及びz軸周りの角加速度を全体座標系(X,Y,Z)上に変換する行列式を示す。尚、この変換において、X軸からZ軸に向かう方向を正としている。また、瞬時静止座標系x軸に沿う加速度成分は「0」である。
By combining the relational expression relating to the y-axis component and the z-axis component shown in the mathematical formula 34, the angular acceleration around the y-axis and the angular acceleration around the z-axis of the instantaneous stationary coordinate system can be calculated.
A determinant for converting the angular acceleration around the y-axis and the angular acceleration around the z-axis of the instantaneous stationary coordinate system calculated in the following Equation 35 into the overall coordinate system (X, Y, Z) is shown. In this conversion, the direction from the X axis to the Z axis is positive. Further, the acceleration component along the x axis of the instantaneous stationary coordinate system is “0”.

Figure 2009186244
Figure 2009186244

上記数式35に基づき、全体座標系(X,Y,Z)の角加速度成分を得ることができ、これらを積分演算することにより、角速度成分を得ることができる。この積分演算により得られる角速度成分の関係式を下記数式36に示す。   Based on Equation 35 above, an angular acceleration component of the global coordinate system (X, Y, Z) can be obtained, and an angular velocity component can be obtained by integrating these. A relational expression of angular velocity components obtained by this integration calculation is shown in the following Expression 36.

Figure 2009186244
Figure 2009186244

上記数式34のうち瞬時静止座標系x軸方向の加速度出力の関係式は、瞬時静止座標系y軸周り及びz軸周りの回転に係る加速度成分の関数であるから、上記数式36を利用して、全体座標系のY軸周りの回転速度とZ軸周りの回転速度の関係式を得ることができる。この関係式を利用して、全体座標系Z軸周りの角速度を積分することにより、積分誤差を抑制しつつ、全体座標系Z軸周りの回転傾斜角度γを算出することができる。   In the above equation 34, the relational expression of the acceleration output in the instantaneous stationary coordinate system x-axis direction is a function of the acceleration component related to the rotation around the instantaneous stationary coordinate system y-axis and the z-axis. A relational expression between the rotational speed around the Y axis and the rotational speed around the Z axis in the global coordinate system can be obtained. By using this relational expression to integrate the angular velocity around the global coordinate system Z-axis, the rotational tilt angle γ around the global coordinate system Z-axis can be calculated while suppressing the integration error.

図9は、図6乃至図8に関連して説明した傾斜角度推定システム(1)の演算方式の応用例を示す。図9に示す例において、2つの測定対象体(P1,P2)が1つの回転中心点(R)において連結している。また、2つの測定対象体(P1,P2)は、それぞれ無関係に回転中心点(R)を軸として、回転傾斜動作をしている。
測定対象体(P1)には2つの加速度センサ(2A1,2B1)が取り付けられ、測定対象体(P2)には、2つの加速度センサ(2A2,2B2)が取り付けられている。回転中心点(R)から加速度センサ(2A1)までの距離はra1で表され、回転中心点(R)から加速度センサ(2B1)までの距離はrb1で表され、回転中心点(R)から加速度センサ(2A2)までの距離はra2で表され、回転中心点(R)から加速度センサ(2B2)までの距離はra2で表される。
FIG. 9 shows an application example of the calculation method of the tilt angle estimation system (1) described with reference to FIGS. In the example shown in FIG. 9, two measurement objects (P1, P2) are connected at one rotation center point (R). In addition, the two measurement objects (P1, P2) are rotating and tilting about the rotation center point (R) independently of each other.
Two acceleration sensors (2A1, 2B1) are attached to the measurement object (P1), and two acceleration sensors (2A2, 2B2) are attached to the measurement object (P2). Distance from the rotation center point (R) to the acceleration sensor (2A1) is represented by r a1, the distance from the rotation center point (R) to the acceleration sensor (2B1) is represented by r b1, the center of rotation (R) distance from to the acceleration sensor (2A2) is represented by r a2, the distance from the rotation center point (R) to the acceleration sensor (2B2) is expressed by r a2.

各加速度センサ(2A1,2B1,2A2,2B2)は、測定対象体(P1,P2)の軸方向の加速度、測定対象体(P1,P2)の軸に対して直交する方向の加速度及び測定対象体(P1,P2)の軸周りの回転に係る加速度を測定可能である。これにより、測定対象体(P1,P2)それぞれの加速度測定点における3成分からなる加速度ベクトルを得ることができる。各測定点の加速度ベクトルが加速度センサ(2A1,2B1,2A2,2B2)から求めることができることから、測定対象体(P1,P2)の回転中心点(R)における加速度ベクトルを算出することができる。
以下に、回転中心点(R)における加速度ベクトルの算出式を示す。下記数式37は、測定対象体(P1)に対するものであり、下記数式38は測定対象体(P2)に対するものである。
Each acceleration sensor (2A1, 2B1, 2A2, 2B2) includes the acceleration in the axial direction of the measurement object (P1, P2), the acceleration in the direction orthogonal to the axis of the measurement object (P1, P2), and the measurement object. The acceleration relating to the rotation around the axis (P1, P2) can be measured. Thereby, the acceleration vector which consists of three components in each acceleration measuring point of a measuring object (P1, P2) can be obtained. Since the acceleration vector at each measurement point can be obtained from the acceleration sensor (2A1, 2B1, 2A2, 2B2), the acceleration vector at the rotation center point (R) of the measurement object (P1, P2) can be calculated.
The calculation formula of the acceleration vector at the rotation center point (R) is shown below. The following formula 37 is for the measurement object (P1), and the following formula 38 is for the measurement object (P2).

Figure 2009186244
Figure 2009186244

Figure 2009186244
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上記数式37に示される測定対象体(P1)の回転中心点(R)における加速度ベクトルを全体座標系(X,Y,Z)のY軸周りに角度αだけ回転させ、Z軸周りに角度γだけ回転させ、測定対象体(P1)軸周りに角度βだけ回転させたとき(図7及び図8参照)、他方の測定対象体(P2)の加速度ベクトルに一致する場合を考える。このような角度(α,β,γ)を数値演算により求めることにより、測定対象体(P1)に対する測定対象体(P2)の相対的角度位置を算出することができる。   The acceleration vector at the rotation center point (R) of the measurement object (P1) represented by the mathematical formula 37 is rotated by an angle α around the Y axis of the global coordinate system (X, Y, Z), and an angle γ around the Z axis. When the rotation angle is rotated by an angle β around the axis of the measurement object (P1) (see FIGS. 7 and 8), the case where it coincides with the acceleration vector of the other measurement object (P2) is considered. By obtaining such angles (α, β, γ) by numerical calculation, the relative angular position of the measurement object (P2) with respect to the measurement object (P1) can be calculated.

図10は、互いに直交するように配された3つの測定対象体(P1,P2,P3)を考えた場合の概念図である。3つの測定対象体(P1,P2,P3)は、互いに一点で交わり、この1つの交点を回転中心点(R)として回転傾斜運動をする。回転中心点(R)には、各測定対象体(P1,P2,P3)の軸方向の加速度成分を測定する加速度センサ(2)が取り付けられている。また、各測定対象体(P1,P2,P3)上には更にそれぞれ1つずつ加速度センサが取り付けられている。
測定対象体(P1,P2,P3)のうち1つをx方向と定めると、他の測定対象体(P1,P2,P3)の軸は、自ずからy方向及びz方向として定義されることとなる。この結果、下記数式39に示す関係式を得ることができる。
FIG. 10 is a conceptual diagram when three measurement objects (P1, P2, P3) arranged so as to be orthogonal to each other are considered. The three measurement objects (P1, P2, P3) intersect with each other at one point, and perform a rotational tilt motion with this one intersection as the rotation center point (R). An acceleration sensor (2) for measuring the acceleration component in the axial direction of each measurement object (P1, P2, P3) is attached to the rotation center point (R). Further, one acceleration sensor is attached to each measurement object (P1, P2, P3).
If one of the measurement objects (P1, P2, P3) is defined as the x direction, the axes of the other measurement objects (P1, P2, P3) are naturally defined as the y direction and the z direction. . As a result, the relational expression shown in the following mathematical formula 39 can be obtained.

Figure 2009186244
Figure 2009186244

上記数式39の各軸方向成分に係る関係式を連立させることにより、3つの角速度の絶対値を算出することができる。3つの軸のうち2つの方向に関しては、角速度が計測により求められているので、符号が判明する。他のもう1つの軸については、角速度が計測により判明する軸と平行な方向の加速度を同時に測定することにより、当該他のもう1つの軸の加速度の符号も判明する。   The absolute values of the three angular velocities can be calculated by combining the relational expressions related to the axial direction components of the mathematical formula 39. Regarding two directions of the three axes, since the angular velocities are obtained by measurement, the signs are determined. For the other axis, the acceleration in the direction parallel to the axis whose angular velocity is determined by measurement is simultaneously measured, whereby the sign of the acceleration of the other axis is also determined.

本発明は、人間の歩行動作解析研究、人間のバランス機能の評価、ロボットの移動動作解析研究、ゴルフなどのスポーツのトレーニングや医療福祉機器の開発に好適に利用可能である。   The present invention can be suitably used for human walking motion analysis research, human balance function evaluation, robot movement motion analysis research, sports training such as golf, and development of medical welfare equipment.

本発明に係る傾斜角度推定システムの概略的構成図である。It is a schematic block diagram of the inclination-angle estimation system which concerns on this invention. 図1に示す傾斜角度推定システムの測定対象体の運動の座標系を説明する図である。It is a figure explaining the coordinate system of a motion of the measuring object of the inclination-angle estimation system shown in FIG. 立体空間内で回転動作する測定対象体の運動の座標系を説明する図である。It is a figure explaining the coordinate system of the motion of the measuring object rotated in solid space. 立体空間内で回転動作する測定対象体の傾斜角度推定に用いられる座標変換の概念を説明する図である。It is a figure explaining the concept of the coordinate transformation used for the inclination-angle estimation of the measuring object rotated in solid space. 立体空間内で回転動作する測定対象体の傾斜角度推定に用いられる座標変換の概念を説明する図である。It is a figure explaining the concept of the coordinate transformation used for the inclination-angle estimation of the measuring object rotated in solid space. 軸周りに回転する測定対象体の運動の座標系を説明する図である。It is a figure explaining the coordinate system of a motion of the measuring object rotated about an axis. 軸周りに回転する測定対象体の運動の座標系を説明する図である。It is a figure explaining the coordinate system of a motion of the measuring object rotated about an axis. 軸周りに回転する測定対象体の運動の座標系を説明する図である。It is a figure explaining the coordinate system of a motion of the measuring object rotated about an axis. 本発明に係る相対角度推定システムにより相対角度を推定される測定対象体のモデル図である。It is a model figure of the measuring object whose relative angle is estimated by the relative angle estimation system concerning the present invention. 本発明に係る角速度推定システムにより角速度を推定される測定対象体のモデル図である。It is a model figure of the measuring object whose angular velocity is estimated by the angular velocity estimation system concerning the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・・・傾斜角度推定システム
2・・・・・加速度センサ
3・・・・・演算処理ユニット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Inclination angle estimation system 2 ... Acceleration sensor 3 ... Arithmetic processing unit

Claims (36)

一の回転中心点を有するとともに該回転中心点を軸に一の平面内で回転しつつ傾斜する物体の傾斜角度を推定するシステムであって、
前記物体に取付けられた少なくとも2つの加速度センサと、
該少なくとも2つの加速度センサからの出力を受信するとともに該出力に基づいて物体の傾斜角を算出する演算処理ユニットからなり、
前記少なくとも2つの加速度センサは、一線上に整列するとともに、該少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線が前記回転中心点を通過することを特徴とする傾斜角度推定システム。
A system for estimating an inclination angle of an object having one rotation center point and tilting while rotating in one plane around the rotation center point,
At least two acceleration sensors attached to the object;
An arithmetic processing unit that receives outputs from the at least two acceleration sensors and calculates an inclination angle of the object based on the outputs;
The at least two acceleration sensors are aligned on one line, and a line connecting the at least two acceleration sensors passes through the rotation center point.
前記回転中心点からの少なくとも2つの加速度センサそれぞれの距離が互いに異なることを特徴とする請求項1記載の傾斜角度推定システム。   The tilt angle estimation system according to claim 1, wherein distances of at least two acceleration sensors from the rotation center point are different from each other. 前記少なくとも2つの加速度センサのうち一の加速度センサの位置が、前記回転中心点に一致することを特徴とする請求項2記載の傾斜角度推定システム。   The tilt angle estimation system according to claim 2, wherein a position of one of the at least two acceleration sensors coincides with the rotation center point. 前記演算処理ユニット内で、前記一の平面を定めるとともに前記回転中心点を通過する第1の基準軸が定義され、
前記少なくとも2つの加速度センサのうち、一の加速度センサと他の加速度センサがそれぞれ、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に沿う方向の第1の加速度を出力し、
前記演算処理ユニットが、前記回転中心点から前記一の加速度センサまでの距離を前記他の加速度センサからの出力値に対して積算し、第1の積算値を算出する段階と、
前記回転中心点から前記他の加速度センサまでの距離を前記一の加速度センサからの出力値に対して積算し、第2の積算値を算出する段階と、
前記第1の積算値と前記第2の積算値の差分値に基づき、前記第1の基準軸と前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線との挟角の正弦関数値を算出する段階を実行すること特徴とする請求項1記載の傾斜角度推定システム。
In the arithmetic processing unit, a first reference axis that defines the one plane and passes through the rotation center point is defined,
Of the at least two acceleration sensors, one acceleration sensor and the other acceleration sensor each output a first acceleration in a direction along a line connecting the at least two acceleration sensors.
The arithmetic processing unit integrates a distance from the rotation center point to the one acceleration sensor with respect to an output value from the other acceleration sensor, and calculates a first integrated value;
Integrating a distance from the rotation center point to the other acceleration sensor with respect to an output value from the one acceleration sensor, and calculating a second integrated value;
A step of calculating a sine function value of an included angle between the first reference axis and a line connecting the at least two acceleration sensors is executed based on a difference value between the first integrated value and the second integrated value. The tilt angle estimation system according to claim 1.
前記演算処理ユニット内で、前記一の平面を定めるとともに前記回転中心点を通過する第1の基準軸が定義され、
前記少なくとも2つの加速度センサのうち、一の加速度センサと他の加速度センサがそれぞれ、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に対して直交するとともに前記物体の移動平面に対して平行な方向の第2の加速度を出力し、
前記演算処理ユニットが、前記回転中心点から前記一の加速度センサまでの距離を前記他の加速度センサからの出力値に対して積算し、第3の積算値を算出する段階と、
前記回転中心点から前記他の加速度センサまでの距離を前記一の加速度センサからの出力値に対して積算し、第4の積算値を算出する段階と、
前記第3の積算値と前記第4の積算値の差分値に基づき、前記第1の基準軸と前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線との挟角の余弦関数値を算出する段階を実行すること特徴とする請求項1記載の傾斜角度推定システム。
In the arithmetic processing unit, a first reference axis that defines the one plane and passes through the rotation center point is defined,
Of the at least two acceleration sensors, one acceleration sensor and the other acceleration sensor are second in a direction perpendicular to a line connecting the at least two acceleration sensors and parallel to the moving plane of the object. Output the acceleration of
The arithmetic processing unit integrates a distance from the rotation center point to the one acceleration sensor with respect to an output value from the other acceleration sensor, and calculates a third integrated value;
Integrating a distance from the rotation center point to the other acceleration sensor with respect to an output value from the one acceleration sensor, and calculating a fourth integrated value;
A step of calculating a cosine function value of an included angle between the first reference axis and a line connecting the at least two acceleration sensors is executed based on a difference value between the third integrated value and the fourth integrated value. The tilt angle estimation system according to claim 1.
前記演算処理ユニット内で、前記一の平面を定めるとともに前記回転中心点を通過する第1の基準軸が定義され、
前記少なくとも2つの加速度センサのうち、一の加速度センサが、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に沿う方向の第1の加速度と、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に対して直交するとともに前記物体の移動平面に対して平行な方向の第2の加速度を出力し、他の加速度センサが、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に沿う方向の第1の加速度と、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に対して直交するとともに前記物体の移動平面に対して平行な方向の第3の加速度と、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に対して直交するとともに前記物体の移動平面に対して平行な方向の第4の加速度を出力し、
前記演算処理ユニットが、前記回転中心点から前記一の加速度センサまでの距離を、前記他の加速度センサにより出力される前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に沿う方向の加速度の出力値に対して積算し、第1の積算値を算出する段階と、
前記回転中心点から前記他の加速度センサまでの距離を、前記一の加速度センサにより出力される前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に沿う方向の加速度の出力値に対して積算し、第2の積算値を算出する段階と、
前記回転中心点から前記一の加速度センサまでの距離を、前記他の加速度センサにより出力される前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に直交する方向の加速度の出力値に対して積算し、第3の積算値を算出する段階と、
前記回転中心点から前記他の加速度センサまでの距離を、前記一の加速度センサにより出力される前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に直交する方向の加速度の出力値に対して積算し、第4の積算値を算出する段階と、
前記第1の積算値と前記第2の積算値の差分値に基づき、前記第1の基準軸と前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線との挟角の正弦関数値を算出する段階と、
前記第3の積算値と前記第4の積算値の差分値に基づき、前記第1の基準軸と前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線との挟角の余弦関数値を算出する段階を実行すること特徴とする請求項1記載の傾斜角度推定システム。
In the arithmetic processing unit, a first reference axis that defines the one plane and passes through the rotation center point is defined,
Among the at least two acceleration sensors, one acceleration sensor is orthogonal to a first acceleration in a direction along a line connecting the at least two acceleration sensors and a line connecting the at least two acceleration sensors, and A second acceleration in a direction parallel to the moving plane of the object is output, and another acceleration sensor includes a first acceleration in a direction along a line connecting the at least two acceleration sensors, and the at least two acceleration sensors. A third acceleration in a direction orthogonal to a line connecting the two and parallel to the moving plane of the object, and a line orthogonal to a line connecting the at least two acceleration sensors and the moving plane of the object Outputs the fourth acceleration in the parallel direction,
The arithmetic processing unit calculates a distance from the rotation center point to the one acceleration sensor with respect to an output value of acceleration in a direction along a line connecting the at least two acceleration sensors output by the other acceleration sensor. Integrating and calculating a first integrated value;
The distance from the rotation center point to the other acceleration sensor is integrated with the acceleration output value in the direction along the line connecting the at least two acceleration sensors output by the one acceleration sensor, and the second Calculating the integrated value;
A distance from the rotation center point to the one acceleration sensor is added to an acceleration output value in a direction orthogonal to a line connecting the at least two acceleration sensors output by the other acceleration sensor; Calculating the integrated value of
A distance from the rotation center point to the other acceleration sensor is added to an acceleration output value in a direction orthogonal to a line connecting the at least two acceleration sensors output by the one acceleration sensor; Calculating the integrated value of
Calculating a sine function value of an included angle between the first reference axis and a line connecting the at least two acceleration sensors based on a difference value between the first integrated value and the second integrated value;
A step of calculating a cosine function value of an included angle between the first reference axis and a line connecting the at least two acceleration sensors is executed based on a difference value between the third integrated value and the fourth integrated value. The tilt angle estimation system according to claim 1.
前記演算処理ユニットが、π/2の奇数倍数値に対して所定の角度だけ増分した第1の上限値と、π/2の奇数倍数値に対して所定の角度だけ減分した第1の下限値の間で定義される第1の閾値領域を認識し、
前記正弦関数値と前記余弦関数値から求められる前記挟角の値が前記第1の閾値領域の範囲内にあるとき、前記正弦関数と前記余弦関数の積算値或いは除算値が前記挟角の算出に用いられることを特徴とする請求項6記載の傾斜角度推定システム。
The arithmetic processing unit has a first upper limit value incremented by a predetermined angle with respect to an odd multiple of π / 2 and a first lower limit decremented by a predetermined angle with respect to the odd multiple of π / 2. Recognizing a first threshold region defined between values,
When the included angle value obtained from the sine function value and the cosine function value is within the range of the first threshold region, an integrated value or a divided value of the sine function and the cosine function is calculated as the included angle. The tilt angle estimation system according to claim 6, wherein the tilt angle estimation system is used in a system.
前記演算処理ユニットが、π/2の奇数倍数値に対して所定の角度だけ増分した第1の上限値と、π/2の奇数倍数値に対して所定の角度だけ減分した第1の下限値の間で定義される第1の閾値領域を認識し、
前記正弦関数値と前記余弦関数値から求められる前記挟角の値が前記第1の閾値領域の範囲内にあるとき、前記演算処理ユニットが前記余弦関数値に基づき算出された挟角を出力することを特徴とする請求項6記載の傾斜角度推定システム。
The arithmetic processing unit has a first upper limit value incremented by a predetermined angle with respect to an odd multiple of π / 2 and a first lower limit decremented by a predetermined angle with respect to the odd multiple of π / 2. Recognizing a first threshold region defined between values,
When the included angle value obtained from the sine function value and the cosine function value is within the first threshold region, the arithmetic processing unit outputs the included angle calculated based on the cosine function value. The tilt angle estimation system according to claim 6.
前記演算処理ユニットが、πの倍数値に対して所定の角度だけ増分した第2の上限値と、πの倍数値に対して所定の角度だけ減分した第2の下限値との間で定義される第2の閾値領域を認識し、
前記正弦関数値と前記余弦関数値から求められる前記挟角の値が前記第2の閾値領域の範囲内にあるとき、前記正弦関数と前記余弦関数の積算値或いは除算値が前記挟角の算出に用いられることを特徴とする請求項6記載の傾斜角度推定システム。
The arithmetic processing unit is defined between a second upper limit value incremented by a predetermined angle with respect to a multiple value of π and a second lower limit value decremented by a predetermined angle with respect to the multiple value of π. Recognizing a second threshold region to be
When the included angle value obtained from the sine function value and the cosine function value is within the range of the second threshold region, an integrated value or a divided value of the sine function and the cosine function is calculated as the included angle. The tilt angle estimation system according to claim 6, wherein the tilt angle estimation system is used in a system.
前記演算処理ユニットが、πの倍数値に対して所定の角度だけ増分した第2の上限値と、πの倍数値に対して所定の角度だけ減分した第2の下限値の間で定義される第2の閾値領域を認識し、
前記正弦関数値と前記余弦関数値から求められる前記挟角の値が前記第2の閾値領域の範囲内にあるとき、前記演算処理ユニットが前記正弦関数値に基づき算出された挟角を出力することを特徴とする請求項6記載の傾斜角度推定システム。
The arithmetic processing unit is defined between a second upper limit value incremented by a predetermined angle with respect to a multiple value of π and a second lower limit value decremented by a predetermined angle with respect to a multiple value of π. Recognizing a second threshold region,
When the value of the included angle obtained from the sine function value and the cosine function value is within the range of the second threshold region, the arithmetic processing unit outputs the included angle calculated based on the sine function value. The tilt angle estimation system according to claim 6.
前記回転中心点が、前記一の平面内で、直線移動することを特徴とする請求項1記載の傾斜角度推定システム。   The tilt angle estimation system according to claim 1, wherein the rotation center point moves linearly within the one plane. 前記回転中心点の直線移動速度が、時間変化することを特徴とする請求項11記載の傾斜角度推定システム。   12. The tilt angle estimation system according to claim 11, wherein the linear movement speed of the rotation center point changes with time. 前記演算処理ユニット内で、前記一の平面を定めるとともに前記回転中心点を通過するとともに重力加速度ベクトルに平行な第1の基準軸と該第1の基準軸に対して直交する第2の基準軸が定義され、
前記回転中心点が、前記一の平面内で、直線移動し、
前記回転中心点の直線移動速度が、前記第1の基準軸に沿う成分と前記第2の基準軸に沿う成分とで定義され、
前記回転中心点の直線移動速度が時間変化するとともに、この時間変化量の、前記第1の基準軸に沿う成分と前記第2の基準軸に沿う成分が既知であることを特徴とする請求項12記載の傾斜角度推定システム。
In the arithmetic processing unit, a first reference axis that defines the one plane, passes through the rotation center point, and is parallel to the gravitational acceleration vector, and a second reference axis orthogonal to the first reference axis Is defined,
The rotation center point moves linearly within the one plane,
A linear moving speed of the rotation center point is defined by a component along the first reference axis and a component along the second reference axis;
The linear movement speed of the rotation center point changes with time, and the component along the first reference axis and the component along the second reference axis of the time change amount are known. 12. The tilt angle estimation system according to 12.
前記少なくとも2つの加速度センサのうち、一の加速度センサと他の加速度センサがそれぞれ、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に沿う方向の第1の加速度を出力し、
前記演算処理ユニットが、前記回転中心点から前記一の加速度センサまでの距離を前記他の加速度センサからの出力値に対して積算し、第1の積算値を算出する段階と、
前記回転中心点から前記他の加速度センサまでの距離を前記一の加速度センサからの出力値に対して積算し、第2の積算値を算出する段階と、
前記第1の積算値と前記第2の積算値の差分値に基づき、前記第1の基準軸と前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線との挟角を算出する段階を実行すること特徴とする請求項13記載の傾斜角度推定システム。
Of the at least two acceleration sensors, one acceleration sensor and the other acceleration sensor each output a first acceleration in a direction along a line connecting the at least two acceleration sensors.
The arithmetic processing unit integrates a distance from the rotation center point to the one acceleration sensor with respect to an output value from the other acceleration sensor, and calculates a first integrated value;
Integrating a distance from the rotation center point to the other acceleration sensor with respect to an output value from the one acceleration sensor, and calculating a second integrated value;
The step of calculating an included angle between the first reference axis and a line connecting the at least two acceleration sensors based on a difference value between the first integrated value and the second integrated value is performed. The tilt angle estimation system according to claim 13.
前記少なくとも2つの加速度センサのうち、一の加速度センサと他の加速度センサがそれぞれ、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に対して直交するとともに前記物体の移動平面に対して平行な方向の第2の加速度を出力し、
前記演算処理ユニットが、前記回転中心点から前記一の加速度センサまでの距離を前記他の加速度センサからの出力値に対して積算し、第3の積算値を算出する段階と、
前記回転中心点から前記他の加速度センサまでの距離を前記一の加速度センサからの出力値に対して積算し、第4の積算値を算出する段階と、
前記第3の積算値と前記第4の積算値の差分値に基づき、前記第1の基準軸と前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線との挟角を算出する段階を実行すること特徴とする請求項13記載の傾斜角度推定システム。
Of the at least two acceleration sensors, one acceleration sensor and the other acceleration sensor are second in a direction perpendicular to a line connecting the at least two acceleration sensors and parallel to the moving plane of the object. Output the acceleration of
The arithmetic processing unit integrates a distance from the rotation center point to the one acceleration sensor with respect to an output value from the other acceleration sensor, and calculates a third integrated value;
Integrating a distance from the rotation center point to the other acceleration sensor with respect to an output value from the one acceleration sensor, and calculating a fourth integrated value;
The step of calculating an included angle between the first reference axis and a line connecting the at least two acceleration sensors based on a difference value between the third integrated value and the fourth integrated value is performed. The tilt angle estimation system according to claim 13.
前記一の平面内で、前記回転中心点が重力加速度ベクトルの方向に対して直交する方向に直線的に加速度移動するとともに、この回転中心点の移動加速度は未知数であり、
前記演算処理ユニットは、前記回転中心点の移動軌跡を第1の基準軸として認識するとともに、
前記少なくとも2つの加速度センサのうち、一の加速度センサが、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に沿う方向の第1の加速度と、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に対して直交する方向の第2の加速度を出力し、他の加速度センサが、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に沿う方向の第1の加速度と、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に対して直交するとともに前記物体の移動平面に対して平行な方向の第3の加速度と、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に対して直交するとともに前記物体の移動平面に対して平行な方向の第4の加速度を出力し、
前記演算処理ユニットが、前記回転中心点から前記一の加速度センサまでの距離を、前記他の加速度センサにより出力される前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に沿う方向の加速度の出力値に対して積算し、第1の積算値を算出する段階と、
前記回転中心点から前記他の加速度センサまでの距離を、前記一の加速度センサにより出力される前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に沿う方向の加速度の出力値に対して積算し、第2の積算値を算出する段階と、
前記回転中心点から前記一の加速度センサまでの距離を、前記他の加速度センサにより出力される前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に直交するとともに前記物体の移動平面に対して平行な方向の加速度の出力値に対して積算し、第3の積算値を算出する段階と、
前記回転中心点から前記他の加速度センサまでの距離を、前記一の加速度センサにより出力される前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に直交するとともに前記物体の移動平面に対して平行な方向の加速度の出力値に対して積算し、第4の積算値を算出する段階と、
前記第1の積算値と前記第2の積算値を差分演算して得られる第1の差分値と、前記第3の積算値と前記第4の積算値を差分演算して得られる第2の差分値を用いて、前記第1の基準軸に沿う前記回転中心点の直線移動の加速度成分を除去する段階を実行することを特徴とする請求項1記載の傾斜角度推定システム。
In the one plane, the rotation center point linearly moves in a direction orthogonal to the direction of the gravitational acceleration vector, and the movement acceleration of the rotation center point is an unknown.
The arithmetic processing unit recognizes the movement locus of the rotation center point as a first reference axis,
Of the at least two acceleration sensors, one acceleration sensor has a first acceleration in a direction along a line connecting the at least two acceleration sensors and a direction orthogonal to a line connecting the at least two acceleration sensors. The second acceleration is output, and the other acceleration sensor is orthogonal to the first acceleration in the direction along the line connecting the at least two acceleration sensors and the line connecting the at least two acceleration sensors, and the object And outputs a third acceleration in a direction parallel to the moving plane and a fourth acceleration in a direction perpendicular to the line connecting the at least two acceleration sensors and parallel to the moving plane of the object. ,
The arithmetic processing unit calculates a distance from the rotation center point to the one acceleration sensor with respect to an output value of acceleration in a direction along a line connecting the at least two acceleration sensors output by the other acceleration sensor. Integrating and calculating a first integrated value;
The distance from the rotation center point to the other acceleration sensor is integrated with the acceleration output value in the direction along the line connecting the at least two acceleration sensors output by the one acceleration sensor, and the second Calculating the integrated value;
The acceleration in the direction parallel to the moving plane of the object and perpendicular to the line connecting the at least two acceleration sensors output by the other acceleration sensors, and the distance from the rotation center point to the one acceleration sensor Calculating a third integrated value by integrating the output values of
Acceleration in a direction perpendicular to the line connecting the at least two acceleration sensors output from the one acceleration sensor and parallel to the moving plane of the object, with the distance from the rotation center point to the other acceleration sensor Calculating a fourth integrated value by integrating the output values of:
A first difference value obtained by calculating a difference between the first integrated value and the second integrated value, and a second value obtained by calculating a difference between the third integrated value and the fourth integrated value. 2. The tilt angle estimation system according to claim 1, wherein the step of removing an acceleration component of linear movement of the rotation center point along the first reference axis is executed using a difference value.
前記演算処理ユニットが、前記少なくとも2つの加速度センサが出力する加速度成分のうち、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に平行な方向の加速度成分について、一の加速度センサの出力値と他の加速度センサの出力値との差を演算するとともに、前記少なくとも2つの加速度センサのうち、一の加速度センサと前記回転中心点との間の距離と他の加速度センサと前記回転中心点との間の距離の差を演算し、
前記出力値の差を前記距離の差で除することにより、前記物体の角速度を演算することを特徴とする請求項2記載の傾斜角度推定システム。
Among the acceleration components output by the at least two acceleration sensors, the arithmetic processing unit outputs an output value of one acceleration sensor and another acceleration sensor for an acceleration component in a direction parallel to a line connecting the at least two acceleration sensors. And calculating the difference between the distance between one of the at least two acceleration sensors and the rotation center point and the distance between the other acceleration sensor and the rotation center point. Calculate the difference
3. The tilt angle estimation system according to claim 2, wherein the angular velocity of the object is calculated by dividing the difference between the output values by the difference in distance.
前記演算処理ユニットが、前記少なくとも2つの加速度センサが出力する加速度成分のうち、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に直交するとともに前記物体の移動平面に対して平行な方向の加速度成分について、一の加速度センサの出力値と他の加速度センサの出力値との差を演算するとともに、前記少なくとも2つの加速度センサのうち、一の加速度センサと前記回転中心点との間の距離と他の加速度センサと前記回転中心点との間の距離の差を演算し、
前記出力値の差を前記距離の差で除することにより、前記物体の角加速度を演算することを特徴とする請求項2記載の傾斜角度推定システム。
Among the acceleration components output by the at least two acceleration sensors, the arithmetic processing unit calculates one of the acceleration components in a direction perpendicular to a line connecting the at least two acceleration sensors and parallel to the moving plane of the object. The difference between the output value of the other acceleration sensor and the output value of the other acceleration sensor is calculated, the distance between one of the at least two acceleration sensors and the rotation center point, and the other acceleration sensor And calculate the difference in distance between the rotation center point and
The tilt angle estimation system according to claim 2, wherein the angular acceleration of the object is calculated by dividing the difference between the output values by the difference in distance.
3つの直交座標軸により定義される立体空間内において、前記直交座標軸の交点を回転中心点として、前記3つの直交座標軸のうち2つの座標軸周りに回転運動し、傾斜体勢をとる物体の傾斜角度を推定するシステムであって、
前記物体に取付けられた少なくとも2つの加速度センサと、
該少なくとも2つの加速度センサからの出力を受信するとともに該出力に基づいて物体の傾斜角を算出する演算処理ユニットからなり、
前記少なくとも2つの加速度センサは、一線上に整列するとともに、該少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線が前記回転中心点を通過することを特徴とする傾斜角度推定システム。
In a three-dimensional space defined by three orthogonal coordinate axes, with the intersection point of the orthogonal coordinate axes as the rotation center point, the rotational angle of the object having a tilt posture is estimated by rotating around two coordinate axes of the three orthogonal coordinate axes. A system that
At least two acceleration sensors attached to the object;
An arithmetic processing unit that receives outputs from the at least two acceleration sensors and calculates an inclination angle of the object based on the outputs;
The at least two acceleration sensors are aligned on one line, and a line connecting the at least two acceleration sensors passes through the rotation center point.
前記少なくとも2つの加速度センサが、該2つの加速度センサを結ぶ線に対して平行な第1の加速度成分と、該2つの加速度センサを結ぶ線及び前記物体の移動平面に対して直交する方向の第2の加速度成分と、前記第1の加速度成分と前記第2の加速度成分に対して直交する方向の第3の加速度成分を出力することを特徴とする請求項19記載の傾斜角度推定システム。   The at least two acceleration sensors have a first acceleration component parallel to a line connecting the two acceleration sensors and a first orthogonal component in a direction orthogonal to the line connecting the two acceleration sensors and the plane of movement of the object. 20. The tilt angle estimation system according to claim 19, wherein the second acceleration component and a third acceleration component in a direction orthogonal to the first acceleration component and the second acceleration component are output. 前記演算処理ユニットが、前記少なくとも2つの加速度センサのうち、一の加速度センサが出力する加速度の前記3つの出力値に対して、他の加速度センサと前記回転中心点との距離を積算し、3つの積算値を得る第1の積算工程と、
前記他の加速度センサが出力する加速度の前記3つの出力値に対して、前記一の加速度センサと前記回転中心点との距離を積算し、3つの積算値を得る第2の積算工程と、
前記第1の積算工程から得られた3つの積算値それぞれに対して、前記第2の積算工程から得られた対応する方向の加速度成分の積算値を用いて差分演算する差分工程を実行し、
該差分工程から得られた差分値に基づき、前記物体の回転運動の中心となる軸に対する傾斜角度成分を算出する段階を実行することを特徴とする請求項20記載の傾斜角度推定システム。
The arithmetic processing unit integrates the distance between the other acceleration sensor and the rotation center point with respect to the three output values of the acceleration output from one of the at least two acceleration sensors. A first integrating step for obtaining two integrated values;
A second integration step of integrating the distance between the one acceleration sensor and the rotation center point with respect to the three output values of the acceleration output by the other acceleration sensor, and obtaining three integrated values;
For each of the three integrated values obtained from the first integrating step, execute a difference step for calculating a difference using the integrated value of the acceleration component in the corresponding direction obtained from the second integrating step,
21. The tilt angle estimation system according to claim 20, wherein a step of calculating a tilt angle component with respect to an axis serving as a center of the rotational motion of the object is executed based on a difference value obtained from the difference step.
前記演算処理ユニットが、前記少なくとも2つの加速度センサが出力する加速度成分のうち、前記第2の加速度成分について、一の加速度センサの出力値と他の加速度センサの出力値との差を演算するとともに、前記少なくとも2つの加速度センサのうち、一の加速度センサと前記回転中心点との間の距離と他の加速度センサと前記回転中心点との間の距離の差を演算し、
前記出力値の差を前記距離の差で除することにより、前記物体の角加速度を演算することを特徴とする請求項20記載の傾斜角度推定システム。
The arithmetic processing unit calculates a difference between an output value of one acceleration sensor and an output value of another acceleration sensor for the second acceleration component among the acceleration components output by the at least two acceleration sensors. Calculating a difference between a distance between one of the at least two acceleration sensors and the rotation center point and a distance between the other acceleration sensor and the rotation center point;
21. The tilt angle estimation system according to claim 20, wherein the angular acceleration of the object is calculated by dividing the difference between the output values by the difference in distance.
前記物体が更に、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線を軸にして回転動作することを特徴とする請求項19記載の傾斜角度推定システム。   The tilt angle estimation system according to claim 19, wherein the object further rotates about an axis connecting the at least two acceleration sensors. 前記3つの直交座標軸が、重力ベクトルに対して平行な方向の第1の座標軸と、該第1の座標軸に対して直交する方向の第2の座標軸と、前記第1の座標軸と前記第2の座標軸に直交する第3の座標軸から構成され、
前記演算処理ユニットが、前記少なくとも2つの加速度センサのうち、一の加速度センサが出力する加速度の前記3つの出力値に対して、他の加速度センサと前記回転中心点との距離を積算し、3つの積算値を得る第1の積算工程と、
前記他の加速度センサが出力する加速度の前記3つの出力値に対して、前記一の加速度センサと前記回転中心点との距離を積算し、3つの積算値を得る第2の積算工程と、
前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に対して平行な方向の加速度成分に関する前記第1の積算工程からの積算値と前記第2の積算工程からの積算値との差及び前記一の加速度センサと前記回転中心点との間の距離と前記他の加速度センサと前記回転中心点との間の距離との差に基づいて、前記第2の座標軸又は前記第3の座標軸を中心とする回転による傾斜角成分の正弦関数値を算出することを特徴とする請求項23記載の傾斜角度推定システム。
The three orthogonal coordinate axes are a first coordinate axis in a direction parallel to the gravity vector, a second coordinate axis in a direction orthogonal to the first coordinate axis, the first coordinate axis, and the second coordinate axis. A third coordinate axis perpendicular to the coordinate axis,
The arithmetic processing unit integrates the distance between the other acceleration sensor and the rotation center point with respect to the three output values of the acceleration output from one of the at least two acceleration sensors. A first integrating step for obtaining two integrated values;
A second integration step of integrating the distance between the one acceleration sensor and the rotation center point with respect to the three output values of the acceleration output by the other acceleration sensor, and obtaining three integrated values;
A difference between an integrated value from the first integrating step and an integrated value from the second integrating step regarding an acceleration component in a direction parallel to a line connecting the at least two acceleration sensors, and the one acceleration sensor; Inclination by rotation about the second coordinate axis or the third coordinate axis based on the difference between the distance between the rotation center point and the distance between the other acceleration sensor and the rotation center point The tilt angle estimation system according to claim 23, wherein a sine function value of an angular component is calculated.
前記演算処理ユニットが、前記算出された第2の座標軸又は前記第3の座標軸を中心とする回転による傾斜角成分の正弦関数値に基づき、前記算出された第2の座標軸又は前記第3の座標軸を中心とする回転による傾斜角成分の余弦関数値を算出し、
該算出された余弦関数値と、前記物体の回転移動平面に対して直交する軸に対して平行な方向の加速度成分に関する前記第1の積算工程からの積算値と前記第2の積算工程からの積算値との差及び前記一の加速度センサと前記回転中心点との間の距離と前記一の加速度センサと前記回転中心点との間の距離との差に基づいて、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線を軸とする回転動作に係る傾斜角の余弦関数値を算出することを請求項24記載の傾斜角度推定システム。
The arithmetic processing unit is configured to calculate the second coordinate axis or the third coordinate axis based on the calculated second coordinate axis or a sine function value of a tilt angle component by rotation about the third coordinate axis. Calculate the cosine function value of the tilt angle component by rotation around
The calculated cosine function value and the integrated value from the first integrating step and the integrated value from the second integrating step regarding the acceleration component in the direction parallel to the axis orthogonal to the rotational movement plane of the object. The at least two acceleration sensors based on a difference with an integrated value and a difference between a distance between the one acceleration sensor and the rotation center point and a distance between the one acceleration sensor and the rotation center point. 25. The tilt angle estimation system according to claim 24, wherein a cosine function value of a tilt angle related to a rotation operation about a line connecting the two is calculated.
前記演算処理ユニットが、前記算出された第2の座標軸又は前記第3の座標軸を中心とする回転による傾斜角成分の正弦関数値に基づき、前記算出された第2の座標軸又は前記第3の座標軸を中心とする回転による傾斜角成分の余弦関数値を算出し、
該算出された余弦関数値と、前記物体の回転移動平面に対して直交する軸並びに前記少なくとも2つの加速度センサ同士を結ぶ線と平行な軸に対して直交する軸に対して平行な方向の加速度成分に関する前記第1の積算工程からの積算値と前記第2の積算工程からの積算値との差と、前記一の加速度センサと前記回転中心点との間の距離と前記他の加速度センサと前記回転中心点との間の距離との差に基づいて、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線を軸とする回転動作に係る傾斜角の正弦関数値を算出することを特徴とする請求項24記載の傾斜角度推定システム。
The arithmetic processing unit is configured to calculate the second coordinate axis or the third coordinate axis based on the calculated second coordinate axis or a sine function value of a tilt angle component by rotation about the third coordinate axis. Calculate the cosine function value of the tilt angle component by rotation around
The calculated cosine function value, acceleration in a direction parallel to an axis orthogonal to an axis orthogonal to the rotational movement plane of the object and an axis parallel to a line connecting the at least two acceleration sensors The difference between the integrated value from the first integrating step and the integrated value from the second integrating step, the distance between the one acceleration sensor and the rotation center point, the other acceleration sensor, 25. A sine function value of an inclination angle related to a rotation operation with a line connecting the at least two acceleration sensors as an axis is calculated based on a difference from a distance from the rotation center point. The described tilt angle estimation system.
前記演算処理ユニットが更に、前記物体の回転移動平面に対して直交する軸に対して平行な方向の加速度成分に関する前記一の加速度センサの出力値と前記他の加速度センサの出力値との差と、
前記物体の回転移動平面に対して直交する軸並びに前記少なくとも2つの加速度センサ同士を結ぶ線と平行な軸に対して直交する軸に対して平行な方向の加速度成分に関する前記一の加速度センサの出力値と前記他の加速度センサの出力値との差と、
前記回転中心点と前記一の加速度センサの距離と前記回転中心点と前記他の加速度センサの距離との差に基づき、前記物体の回転移動平面に対して直交する軸に対して平行な方向を軸とする角加速度と、前記物体の回転移動平面に対して直交する軸並びに前記少なくとも2つの加速度センサ同士を結ぶ線と平行な軸に対して直交する軸に対して平行な方向の角加速度を算出することを特徴とする請求項25又は26記載の傾斜角度推定システム。
The arithmetic processing unit further includes a difference between an output value of the one acceleration sensor and an output value of the other acceleration sensor with respect to an acceleration component in a direction parallel to an axis orthogonal to the rotational movement plane of the object. ,
The output of the one acceleration sensor relating to the acceleration component in the direction parallel to the axis orthogonal to the axis perpendicular to the rotational movement plane of the object and the axis parallel to the line connecting the at least two acceleration sensors. The difference between the value and the output value of the other acceleration sensor,
Based on the difference between the distance between the rotation center point and the one acceleration sensor and the distance between the rotation center point and the other acceleration sensor, a direction parallel to an axis orthogonal to the rotational movement plane of the object is set. The angular acceleration in the direction parallel to the axis orthogonal to the axis orthogonal to the rotational movement plane of the object and the axis parallel to the axis connecting the at least two acceleration sensors. 27. The tilt angle estimation system according to claim 25 or 26, wherein the tilt angle estimation system is calculated.
前記演算処理ユニットが更に、前記物体の回転移動平面に対して直交する軸に対して平行な方向を軸とする角加速度を積分演算し、前記第2の座標軸と前記第3の座標軸とで定義される平面内の傾斜角度を算出することを特徴とする請求項27記載の傾斜角度推定システム。   The arithmetic processing unit further integrates and calculates an angular acceleration whose axis is parallel to an axis orthogonal to the rotational movement plane of the object, and is defined by the second coordinate axis and the third coordinate axis. 28. The tilt angle estimation system according to claim 27, wherein the tilt angle in a plane to be calculated is calculated. 一の回転中心点を有するとともに該一の回転中心点を軸として回転運動する一の物体と、該一の回転中心点において前記一の物体と接続するとともに前記一の回転中心点を軸として回転運動する他の物体との間の相対的角度を推定するシステムであって、
前記一の物体に取付けられた少なくとも2つの加速度センサからなる第1の加速度センサ群と、
前記他の物体に取付けられた少なくとも2つの加速度センサからなる第2の加速度センサ群と、
前記第1及び前記第2の加速度センサ群の加速度センサからの出力を受信するとともに該出力に基づいて前記物体の傾斜角を算出する演算処理ユニットからなり、
前記第1の加速度センサ群の前記少なくとも2つの加速度センサは、前記一の物体上で一線上に整列し、
前記第2の加速度センサ群の前記少なくとも2つの加速度センサは、前記一の物体上で一線上に整列し、
前記第1の加速度センサ群を構成する前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線と前記第2の加速度センサ群を構成する前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線がともに前記一の回転中心点を通過することを特徴とする相対角度推定システム。
One object having one rotation center point and rotating about the one rotation center point, and connected to the one object at the one rotation center point and rotating about the one rotation center point A system for estimating the relative angle between other moving objects,
A first acceleration sensor group comprising at least two acceleration sensors attached to the one object;
A second acceleration sensor group comprising at least two acceleration sensors attached to the other object;
Comprising an arithmetic processing unit that receives outputs from the acceleration sensors of the first and second acceleration sensor groups and calculates an inclination angle of the object based on the outputs;
The at least two acceleration sensors of the first acceleration sensor group are aligned on the one object;
The at least two acceleration sensors of the second acceleration sensor group are aligned on the one object;
A line connecting the at least two acceleration sensors constituting the first acceleration sensor group and a line connecting the at least two acceleration sensors constituting the second acceleration sensor group both pass through the one rotation center point. A relative angle estimation system characterized by that.
前記第1の加速度センサ群の前記少なくとも2つの加速度センサが、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に対して平行な方向の第1の加速度成分と、前記物体の回転移動平面に対して直交する方向の第2の加速度成分と、前記第1の加速度成分と前記第2の加速度成分に対して直交する方向の第3の加速度成分からなる加速度に関する出力をすることを特徴とする請求項29記載の相対角度推定システム。   The at least two acceleration sensors of the first acceleration sensor group are orthogonal to a first acceleration component in a direction parallel to a line connecting the at least two acceleration sensors and a rotational movement plane of the object. 30. An output relating to acceleration comprising a second acceleration component in a direction and a third acceleration component in a direction orthogonal to the first acceleration component and the second acceleration component is output. Relative angle estimation system. 前記第2の加速度センサ群の前記少なくとも2つの加速度センサが、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に対して平行な方向の第1の加速度成分と、前記物体の回転移動平面に対して直交する方向の第2の加速度成分と、前記第1の加速度成分と前記第2の加速度成分に対して直交する方向の第3の加速度成分からなる加速度に関する出力をすることを特徴とする請求項29記載の相対角度推定システム。   The at least two acceleration sensors of the second acceleration sensor group are orthogonal to a first acceleration component in a direction parallel to a line connecting the at least two acceleration sensors and a rotational movement plane of the object. 30. An output relating to acceleration comprising a second acceleration component in a direction and a third acceleration component in a direction orthogonal to the first acceleration component and the second acceleration component is output. Relative angle estimation system. 前記演算処理ユニットが、前記第1の加速度センサ群を構成する加速度センサからの出力に基づき、前記一の物体の回転中心点における第1の加速度ベクトルを算出することを特徴とする請求項30記載の相対角度推定システム。   31. The arithmetic processing unit calculates a first acceleration vector at a rotation center point of the one object based on an output from an acceleration sensor that constitutes the first acceleration sensor group. Relative angle estimation system. 前記演算処理ユニットが、前記第2の加速度センサ群を構成する加速度センサからの出力に基づき、前記他の物体の回転中心点における第2の加速度ベクトルを算出することを特徴とする請求項31記載の相対角度推定システム。   32. The arithmetic processing unit calculates a second acceleration vector at a rotation center point of the other object based on an output from an acceleration sensor that constitutes the second acceleration sensor group. Relative angle estimation system. 前記第1の加速度センサ群の前記少なくとも2つの加速度センサが、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に対して平行な方向の第1の加速度成分と、前記物体の回転移動平面に対して直交する方向の第2の加速度成分と、前記第1の加速度成分と前記第2の加速度成分に対して直交する方向の第3の加速度成分からなる加速度に関する出力をし、
前記第2の加速度センサ群の前記少なくとも2つの加速度センサが、前記少なくとも2つの加速度センサを結ぶ線に対して平行な方向の第1の加速度成分と、前記物体の回転移動平面に対して直交する方向の第2の加速度成分と、前記第1の加速度成分と前記第2の加速度成分に対して直交する方向の第3の加速度成分からなる加速度に関する出力をし、
前記演算処理ユニットが、前記第1の加速度センサ群を構成する加速度センサからの出力に基づき、前記一の物体の回転中心点における第1の加速度ベクトルを算出するとともに前記第2の加速度センサ群を構成する加速度センサからの出力に基づき、前記他の物体の回転中心点における第2の加速度ベクトルを算出し、
前記第1の加速度ベクトルと前記第2の加速度ベクトルとの間の差から、前記一の物体と前記他の物体の間の相対角度を推定することを特徴とする請求項29記載の相対角度推定システム。
The at least two acceleration sensors of the first acceleration sensor group are orthogonal to a first acceleration component in a direction parallel to a line connecting the at least two acceleration sensors and a rotational movement plane of the object. A second acceleration component in a direction, and an output relating to an acceleration composed of a third acceleration component in a direction orthogonal to the first acceleration component and the second acceleration component,
The at least two acceleration sensors of the second acceleration sensor group are orthogonal to a first acceleration component in a direction parallel to a line connecting the at least two acceleration sensors and a rotational movement plane of the object. A second acceleration component in a direction, and an output relating to an acceleration composed of a third acceleration component in a direction orthogonal to the first acceleration component and the second acceleration component,
The arithmetic processing unit calculates a first acceleration vector at a rotation center point of the one object based on an output from an acceleration sensor constituting the first acceleration sensor group, and sets the second acceleration sensor group. Based on the output from the constituting acceleration sensor, a second acceleration vector at the rotation center point of the other object is calculated,
30. The relative angle estimation according to claim 29, wherein a relative angle between the one object and the other object is estimated from a difference between the first acceleration vector and the second acceleration vector. system.
回転動作する物体の回転中心点に配された一の加速度センサと、
該一の加速度センサから離間して配される3つの加速度センサと、
前記一の加速度センサと前記3つの加速度センサからの出力を受信する演算処理ユニットからなり、
前記一の加速度センサと前記3つの加速度センサそれぞれを結ぶ線が互いに直交し、
前記一の加速度センサが、該一の加速度センサと前記3つの加速度センサそれぞれを結ぶ線に対して平行な方向の加速度成分を出力し、
前記3つの加速度センサがそれぞれ、前記一の加速度センサに向かう直線に対して平行な方向の加速度成分を出力し、
前記3つの加速度センサのうち、少なくとも1つが他の加速度センサと前記一の加速度センサを結ぶ線に対して平行な方向の加速度成分を出力し、
前記一の加速度センサと前記3つの加速度センサそれぞれの出力間の関係に基づき、前記物体の回転動作の角速度を推定する角速度推定システム。
One acceleration sensor arranged at the center of rotation of the rotating object;
Three acceleration sensors arranged apart from the one acceleration sensor;
An arithmetic processing unit that receives outputs from the one acceleration sensor and the three acceleration sensors,
The lines connecting the one acceleration sensor and the three acceleration sensors are orthogonal to each other,
The one acceleration sensor outputs an acceleration component in a direction parallel to a line connecting the one acceleration sensor and each of the three acceleration sensors;
Each of the three acceleration sensors outputs an acceleration component in a direction parallel to a straight line toward the one acceleration sensor,
At least one of the three acceleration sensors outputs an acceleration component in a direction parallel to a line connecting the other acceleration sensor and the one acceleration sensor,
An angular velocity estimation system that estimates an angular velocity of a rotational motion of the object based on a relationship between outputs of the one acceleration sensor and the three acceleration sensors.
一の回転中心点を有するとともに該回転中心点を軸に一の平面内で回転しつつ傾斜する物体の傾斜角度を推定するシステムであって、
前記物体に取付けられた少なくとも1つの加速度センサと、
該少なくとも1つの加速度センサからの出力を受信するとともに該出力に基づいて物体の傾斜角を算出する演算処理ユニットからなり、
前記少なくとも1つの加速度センサのうち一の加速度センサが、前記回転中心点上に配されることを特徴とする傾斜角度推定システム。
A system for estimating an inclination angle of an object having one rotation center point and tilting while rotating in one plane around the rotation center point,
At least one acceleration sensor attached to the object;
An arithmetic processing unit that receives an output from the at least one acceleration sensor and calculates an inclination angle of the object based on the output;
An inclination angle estimation system, wherein one of the at least one acceleration sensors is arranged on the rotation center point.
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