JP2009507272A - 運動体の姿勢角検出装置 - Google Patents
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Abstract
Description
は、
x>0、y>0の時
x<0,y>0の時
ξ=π+tan-1(y/x)
x<0,y<0の時
ξ=−π+tan-1(y/x)
x=0,y>0の時
ξ=π/2
x=0,y<0の時
ξ=−π/2
x=0,y=0の時
ξ=0
となる。
λx:x軸とZ軸の間の角度
λy:y軸とZ軸の間の角度
λz:z軸とZ軸の間の角度
であり、λx、λy、λzの範囲は、0≦(λx、λy、λz)≦πである。図11に、傾斜角と重力ベクトルを示す。
q=a+bi+cj+dk
と表現される。ここで、a、b、c、dは実数、i、j、kは基底(大きさは1)である。各基底の積は以下の関係にある。
i・l=l・i=i
j・l=l・j=j
k・l=l・k=k
i・j=−j・i=k
j・k=−k・j=i
k・i=−i・k=j
q1+q2=a1+a2+(b1+b2)i+(c1+c2)j+(d1+d2)k
q1−q2=a1−a2+(b1−b2)i+(c1−c2)j+(d1−d2)k
となり、積は、
q1q2=(a1+b1i+c1j+d1k)・(a2+b2i+c2j+d2k)=(a1a2−b1b2−c1c2−d1d2)+(a1b2+b1a2+c1d2−d1c2)i+(a1c2−b1d2+c1a2+d1b2)j+(a1d2+b1c2−c1b2+d1a2)k
となる。
P=(a;xi,yj,zk)
Q=(cosη/2;αsinη/2,βsinη/2,γsinη/2)
のように表す。これは、基準座標系を基準座標系で表された回転軸(α、β、γ)回りに角度η回転した座標系(センサ座標系)を示し、センサ座標系の姿勢を表している。
ΔΨ=ωx・ts
Δθ=ωy・ts
Δφ=ωz・ts
このときの回転変換を4元数で表すと以下のようになる。
qx=(cosΔΨ/2;sinΔΨ/2i,0j,0k)
qy=(cosΔθ/2;0i,sinΔθ/2j,0k)
qz=(cosΔφ/2;0i、0j,sinΔφ/2k)
x軸、y軸、z軸回りの回転変換をまとめて表記する。回転角αが十分小さいとき、以下のようになる。
qxqyqz=(1+ΔΨΔθΔφ/8;(ΔΨ/2−ΔθΔφ/4)i,(Δθ/2+ΔΨΔφ/4)j,(Δφ/2−ΔΨΔθ/4)k)
q1=(cosη1/2;αsinη1/2,βsinη1/2,γsinη1/2)
とおき、回転変換q2を
q2=(cosη2/2;αsinη2/2,βsinη2/2,γsinη2/2)
とおく。まず基準座標系について回転変換q1を行い、次に回転後の座標系について回転変換q2を行ったとする。2つの回転変換による変換q3は、
q3=q1・q2
=(cosη1/2;αsinη1/2,βsinη1/2,γsinη1/2)・(cosη2/2;αsinη2/2,βsinη2/2,γsinη2/2)
である。
q=(ε0;ε1,ε2,ε3)
|q|=(ε02+ε12+ε22+ε32)0.5
q’=q/|q|
である。4元数は直交条件を維持した表記方法なので、さらなる直交化は必要ない。
a=ε02+ε12−ε22−ε32
b=2(ε1ε2+ε0ε3)
c=2(ε1ε3−ε0ε2)
d=2(ε1ε2−ε0ε3)
e=ε02−ε12+ε22−ε32
f=2(ε2ε3+ε0ε1)
g=2(ε1ε3+ε0ε2)
h=2(ε2ε3−ε0ε1)
i=ε02−ε12−ε22+ε32
とおき、以下の式で姿勢角を求める。
ヨー角φ=atan2(b,a)
ピッチ角θ=atan2(−c,cosφ・a+sinφ・b)
ロール角ψ=atan2(sinφ・g−cosφ・h,−sinφ・d+cosφ・e)
である。
x軸回りの回転を
R(Ψ;i)=cosΨ/2+isinΨ/2
y軸回りの回転を
R(θ;j)=cosθ/2+jsinθ/2
z軸回りの回転を
R(φ;k)=cosφ/2+ksinφ/2
これらを掛け合わせると、
S=R(φ;k)・R(θ;j)・R(Ψ;i)
=(cosφ/2+ksinφ/2)・(cosθ/2+jsinθ/2)・(cosΨ/2+isinΨ/2)
ε0=cosφ/2・cosθ/2・cosΨ/2+sinφ/2・sinθ/2・sinΨ/2
ε1=−sinφ/2・sinθ/2・cosΨ/2+cosφ/2・cosθ/2・sinΨ/2
ε2=sinφ/2・cosθ/2・sinΨ/2+cosφ/2・sinθ/2・cosΨ/2
ε3=sinφ/2・cosθ/2・cosΨ/2−cosφ/2・sinθ/2・sinΨ/2
ξd1p=P・ξd1
ξd1i=I・ξd1
ξd1d=D・ξd1
と演算し、これらを加算してξs0=ξd1p+ξd1i+ξd1dを算出する(S104、S105)。
−π<ψ≦π(rad)あるいは−180<ψ≦180(deg)
−π/2<θ<π/2(rad)あるいは−90<θ<90(deg)
−π<φ≦π(rad)あるいは−180<φ≦180(deg)
である。
Claims (29)
- 運動体の姿勢角検出装置であって、
運動体の角速度を検出する角速度センサと、
前記運動体の加速度を検出する加速度センサと、
前記角速度から前記運動体の姿勢角を角速度姿勢角として演算する角速度姿勢角演算手段と、
前記加速度から運動体の姿勢角を加速度姿勢角として演算する加速度姿勢角演算手段と、
前記角速度姿勢角の低域成分を抽出する角速度姿勢角低域成分抽出手段と、
前記加速度姿勢角の低域成分を抽出する加速度姿勢角低域成分抽出手段と、
前記角速度姿勢角の低域成分と前記加速度姿勢角の低域成分の差分を誤差として演算する差分演算手段と、
前記角速度姿勢角から前記誤差を除去する誤差除去手段と、
前記誤差除去手段で前記誤差が除去された角速度姿勢角を前記運動体の姿勢角として出力する出力手段と、
前記誤差除去手段で前記誤差が除去された角速度姿勢角を前記角速度姿勢角演算手段にフィードバックするフィードバック手段と、
を有する運動体の姿勢角検出装置。 - 請求項1記載の装置において、
前記誤差除去手段は、倍率器、積分器、及び差分器を有し、前記差分演算手段からの前記誤差を前記倍率器で比例演算し、前記積分器で積分演算し、前記差分器で差分演算した値を加算して得られた値を前記角速度姿勢角から減算することで前記誤差を除去する運動体の姿勢角検出装置。 - 請求項1、2のいずれかに記載の装置において、さらに、
前記加速度センサとは別個に前記運動体の鉛直軸回りの姿勢角を検出して前記加速度姿勢角演算手段に出力する出力手段を有する運動体の姿勢角検出装置。 - 請求項1〜3のいずれかに記載の装置において、
前記角速度姿勢角演算手段は、
前記角速度から微小時間Δt経過後の微小回転角を規定する微小角行列を演算する手段と、
前記微小角行列と、前記フィードバック手段からフォードバックされた角速度姿勢角に対応する姿勢行列とから新たな角速度系姿勢行列を演算する手段と、
前記新たな角速度系姿勢行列から前記角速度姿勢角を演算する手段と、
を有し、
前記加速度姿勢角演算手段は、
前記加速度から傾斜角を演算する手段と、
前記傾斜角から加速度系姿勢行列を演算する手段と、
前記加速度系姿勢行列から前記加速度姿勢角を演算する手段と、
を有する運動体の姿勢角検出装置。 - 請求項4記載の装置において、
前記角速度姿勢角低域成分抽出手段は、前記角速度姿勢角を演算する手段からの前記角速度姿勢角の低域成分を抽出する角速度系ローパスフィルタを有し、
前記加速度姿勢角低域成分抽出手段は、前記加速度姿勢角を演算する手段からの前記加速度姿勢角の低域成分を抽出する加速度系ローパスフィルタを有し、
前記角速度系ローパスフィルタ及び前記加速度系ローパスフィルタは、カットオフ周波数及び減衰率が同一に設定される運動体の姿勢角検出装置。 - 請求項4記載の装置において、
前記角速度姿勢角低域成分抽出手段は、前記新たな角速度系姿勢行列を演算する手段からの前記新たな角速度系姿勢行列の低域成分を抽出する角速度系ローパスフィルタを有し、
前記加速度姿勢角低域成分抽出手段は、前記加速度系姿勢行列を演算する手段からの前記加速度系姿勢行列の低域成分を抽出する加速度系ローパスフィルタを有し、
前記角速度系ローパスフィルタ及び前記加速度系ローパスフィルタは、カットオフ周波数及び減衰率が同一に設定される運動体の姿勢角検出装置。 - 請求項6記載の装置において、さらに、
前記角速度系ローパスフィルタからの角速度系姿勢行列を正規化及び直交化する手段と、
前記加速度系ローパスフィルタからの加速度系姿勢行列を正規化及び直交化する手段
を有する運動体の姿勢角検出装置。 - 請求項5〜7のいずれかに記載の装置において、さらに、
前記角速度及び加速度から前記運動体特有の運動周波数を検出する手段
を有し、
前記運動周波数に応じて前記角速度系ローパスフィルタ及び前記加速度系ローパスフィルタのカットオフ周波数が可変設定される運動体の姿勢角検出装置。 - 請求項2記載の装置において、さらに、
前記角速度及び加速度から前記運動体特有の運動周波数を検出する手段
を有し、前記運動周波数に応じて前記倍率器、積分器及び差分器の係数が可変設定される運動体の姿勢角検出装置。 - 運動体の姿勢角検出装置であって、
運動体の角速度を検出する角速度センサと、
前記運動体の加速度を検出する加速度センサと、
前記角速度から前記運動体の姿勢角を角速度姿勢角として演算する角速度姿勢角演算手段と、
前記加速度から運動体の姿勢角を加速度姿勢角として演算する加速度姿勢角演算手段と、
前記角速度姿勢角と前記加速度姿勢角の差分を演算する差分演算手段と、
前記差分の低域成分を誤差として抽出する低域成分抽出手段と、
前記角速度姿勢角から前記誤差を除去する誤差除去手段と、
前記誤差除去手段で前記誤差が除去された角速度姿勢角を前記運動体の姿勢角として出力する出力手段と、
前記誤差除去手段で前記誤差が除去された角速度姿勢角を前記角速度姿勢角演算手段にフィードバックするフィードバック手段と、
を有する運動体の姿勢角検出装置。 - 運動体の姿勢角検出装置であって、
運動体の角速度を検出する角速度センサと、
前記運動体の加速度を検出する加速度センサと、
前記角速度から微小時間ts経過後の微小回転角を規定する微小角行列を演算する手段と、
前記微小角行列とフィードバックされた姿勢行列とから新たな角速度系姿勢行列を演算する手段と、
前記加速度から傾斜角を演算する手段と、
前記傾斜角から加速度系姿勢行列を演算する手段と、
前記角速度系姿勢行列の低域成分を抽出する角速度系低域成分抽出手段と、
前記加速度系姿勢行列の低域成分を抽出する加速度系低域成分抽出手段と、
前記角速度系姿勢行列の低域成分と前記加速度系姿勢行列の低域成分の差分を誤差として演算する差分演算手段と、
前記角速度系姿勢行列から前記誤差を除去する誤差除去手段と、
前記誤差除去手段で前記誤差が除去された角速度系姿勢行列から姿勢角を演算し前記運動体の姿勢角として出力する出力手段と、
前記誤差除去手段で前記誤差が除去された角速度系姿勢行列を前記新たな角速度系姿勢行列を演算する手段にフィードバックするフィードバック手段と、
を有する運動体の姿勢角検出装置。 - 請求項11記載の装置において、
前記誤差除去手段は、倍率器、積分器、及び差分器を有し、前記差分演算手段からの前記誤差を前記倍率器で比例演算し、前記積分器で積分演算し、前記差分器で差分演算した行列を加算して得られた行列を前記角速度系姿勢行列から減算することで前記誤差を除去する運動体の姿勢角検出装置。 - 運動体の姿勢角検出装置であって、
運動体の角速度を検出する角速度センサと、
前記運動体の加速度を検出する加速度センサと、
前記角速度から微小時間ts経過後の微小回転角を規定する微小角4元数を演算する手段と、
前記微小角4元数とフィードバックされた4元数とから新たな角速度系4元数を演算する手段と、
前記加速度から傾斜角を演算する手段と、
前記傾斜角から加速度系4元数を演算する手段と、
前記角速度系4元数の低域成分を抽出する角速度系低域成分抽出手段と、
前記加速度系4元数の低域成分を抽出する加速度系低域成分抽出手段と、
前記角速度系姿勢行列の低域成分と前記加速度系姿勢行列の低域成分の差分を誤差として演算する差分演算手段と、
前記角速度系4元数から前記誤差を除去する誤差除去手段と、
前記誤差除去手段で前記誤差が除去された角速度系4元数から姿勢角を演算し前記運動体の姿勢角として出力する出力手段と、
前記誤差除去手段で前記誤差が除去された角速度系4元数を前記新たな角速度系4元数を演算する手段にフィードバックするフィードバック手段と、
を有する運動体の姿勢角検出装置。 - 請求項13記載の装置において、
前記誤差除去手段は、倍率器、積分器、及び差分器を有し、前記差分演算手段からの前記誤差を前記倍率器で比例演算し、前記積分器で積分演算し、前記差分器で差分演算した値を加算して得られた4元数を前記角速度系4元数から減算することで前記誤差を除去する運動体の姿勢角検出装置。 - 請求項11〜14のいずれかに記載の装置において、さらに、
前記加速度センサとは別個に前記運動体の鉛直軸回りの傾斜角を検出して前記加速度系姿勢行列を演算する手段に出力する手段
を有する運動体の姿勢角検出装置。 - 請求項11〜15のいずれかに記載の装置において、
前記角速度系低域成分抽出手段は、角速度系ローパスフィルタを有し、
前記加速度系低域成分抽出手段は、加速度系ローパスフィルタを有し、
前記角速度系ローパスフィルタ及び前記加速度系ローパスフィルタは、カットオフ周波数及び減衰率が同一に設定される運動体の姿勢角検出装置。 - 請求項16記載の装置において、さらに、
前記角速度系ローパスフィルタの出力を正規化する手段と、
前記加速度系ローパスフィルタの出力を正規化する手段
を有する運動体の姿勢角検出装置。 - 請求項16、17のいずれかに記載の装置において、さらに、
前記角速度及び加速度から前記運動体特有の運動周波数を検出する手段
を有し、前記運動周波数に応じて前記角速度系ローパスフィルタ及び前記加速度系ローパスフィルタのカットオフ周波数が可変設定される運動体の姿勢角検出装置。 - 請求項12、14のいずれかに記載の装置において、さらに、
前記角速度及び加速度から前記運動体特有の運動周波数を検出する手段
を有し、前記運動周波数に応じて前記倍率器、積分器及び差分器の係数が可変設定される運動体の姿勢角検出装置。 - 請求項1記載の装置において、
前記角速度姿勢角低域成分抽出手段及び前記加速度姿勢角低域成分抽出手段は、
前記角速度姿勢角をsin変換及びcos変換する手段と、
前記sin変換及びcos変換して得られた値の低域成分を抽出する手段と、
低域成分が抽出された値をatan2演算、あるいはatan演算する手段と、
を有する運動体の姿勢角検出装置。 - 請求項20記載の装置において、
前記誤差除去手段は、倍率器、積分器、及び差分器を有し、前記差分演算手段からの前記誤差を前記倍率器で比例演算し、前記積分器で積分演算し、前記差分器で差分演算した値を加算して得られた値を前記角速度姿勢角から減算することで前記誤差を除去する運動体の姿勢角検出装置。 - 請求項20、21のいずれかに記載の装置において、さらに、
前記加速度センサとは別個に前記運動体の鉛直軸回りの傾斜角を検出して前記加速度姿勢角演算手段に出力する手段を有する運動体の姿勢角検出装置。 - 請求項20〜22のいずれかに記載の装置において、
前記角速度姿勢角演算手段は、
前記角速度から微小時間ts経過後の微小回転角を規定する微小角行列を演算する手段と、
前記微小角行列と、前記フィードバック手段からフィードバックされた角速度姿勢角に対応する姿勢行列とから新たな角速度系姿勢行列を演算する手段と、
前記新たな角速度系姿勢行列から前記角速度姿勢角を演算する手段と、
を有し、
前記加速度姿勢角演算手段は、
前記加速度から傾斜角を演算する手段と、
前記傾斜角から加速度系姿勢行列を演算する手段と、
前記加速度系姿勢行列から前記加速度姿勢角を演算する手段と、
を有する運動体の姿勢角検出装置。 - 請求項20〜23のいずれかに記載の装置において、
前記角速度姿勢角低域成分抽出手段は、前記sin変換及びcos変換された値の低域成分を抽出する角速度系ローパスフィルタを有し、
前記加速度姿勢角低域成分抽出手段は、前記sin変換及びcos変換された値の低域成分を抽出する加速度系ローパスフィルタを有し、
前記角速度系ローパスフィルタ及び前記加速度系ローパスフィルタは、カットオフ周波数及び減衰率が同一に設定される運動体の姿勢角検出装置。 - 請求項20〜24のいずれかに記載の装置において、
前記差分演算手段は、
前記角速度姿勢角の低域成分をsin変換及びcos変換してatan2演算、あるいはatan演算した値と、前記加速度姿勢角の低域成分をsin変換及びcos変換してatan2演算、あるいはatan演算した値の差分を演算する手段を有する運動体の姿勢角検出装置。 - 請求項25記載の装置において、さらに、
差分して得られた値をsin変換及びcos変換してatan2演算、あるいはatan演算する手段
を有する運動体の姿勢角検出装置。 - 請求項20〜26のいずれかに記載の装置において、
前記角速度姿勢角及び加速度姿勢角のψあるいはφは−πからπまでの間の角度として規定され、
前記誤差除去手段は、前記誤差が−πより小さい場合には−πに置換し、πより大きい場合にはπに置換して前記角速度姿勢角から除去し、
前記角速度姿勢角及び加速度姿勢角のθは−π/2からπ/2までの間の角度として規定され、
前記誤差除去手段は、前記誤差が−π/2より小さい場合には−π/2+δ(但しδは実数)に置換し、π/2より大きい場合にはπ/2−δに置換して前記角速度姿勢角から除去する運動体の姿勢角検出装置。 - 請求項24記載の装置において、さらに、
前記角速度及び加速度から前記運動体特有の運動周波数を検出する手段
を有し、前記運動周波数に応じて前記角速度系ローパスフィルタ及び前記加速度系ローパスフィルタのカットオフ周波数が可変設定される運動体の姿勢角検出装置。 - 請求項21記載の装置において、さらに、
前記角速度及び加速度から前記運動体特有の運動周波数を検出する手段
を有し、前記運動周波数に応じて前記倍率器、積分器器及び差分器の係数が可変設定される運動体の姿勢角検出装置。
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