JP2012507011A - 空間照会のための手持ち型位置決めインタフェース - Google Patents

Abstract

既知の物体に対する手持ち型デバイスの位置および向きを求めるためのシステムおよび方法を提示する。該システムは、構造物、航空機または輸送手段といった対象物に対する手持ち型デバイスの位置を求めるのに用いられる、慣性測定ユニットとレーザポインタのような照準デバイスとを有する手持ち型デバイスを含む。該方法は、手持ち型デバイスを較正して、対象物に対する手持ち型デバイスの現在の箇所を見出し、慣性測定ユニットを用いて手持ち型デバイスの移動を追跡し、対象物に対する手持ち型デバイスの更新された位置を提示することを含む。

Description

ここで説明する主題の実施形態は、一般に、既知の物体に対する手持ち型デバイスの位置および向きを求めるためのシステムおよび方法に関する。

民間航空機のような大型かつ複雑なシステムとともに作業を行う際、機械工、技術者および検査官といった作業員は、これらシステムの現在位置における座標データおよび特定の部品に対する位置データにアクセスしなければならないことがよくある。いくつかの利用可能な位置決めシステムによると、器械が、その位置および向きを既知の物体に関連して求めることができる。これらシステムの多くは、多額の設備投資を要し、かつ、非常に大型であるので通常何らかの種類の接地支持物を要する。

商用のシステムには、ビデオカメラによるシステム、レーザによるシステム、ＧＰＳによるシステムおよびＲＦＩＤ三角測量によるシステムがある。ビデオカメラによるシステムには、複数カメラの位置および向き取り込みシステム、単一カメラの画素による画像システム、ならびに、単一カメラの位置および向きソフトウェアが含まれる。レーザによるシステムの例としては、干渉計によるシステム、電子距離測定レーザによるシステム、測量および建設用機器レーザシステムがある。ＧＰＳおよび差分ＧＰＳによるシステムは、軌道に乗って周回するＧＰＳ衛星から信号を受信するので、周回しているＧＰＳ衛星への視野方向が開けている屋外でもっともよく機能する。ＲＦＩＤによるシステムは、作業領域の周囲に設置された複数の送信機から受信した信号に基づいて三角測量により位置を測定する。

ここで提示するのは、オフボードの追跡用構成部品の使用を必要とせずに、既知の物体に対するデバイスの位置および向きを求めるための低コストのシステムおよび方法である。さまざまな実施形態において、該システムおよび方法は、既知の物体の局所座標に対するデバイスの位置を求める位置指定プロセスとともに向きセンサを含むか、または、利用する。一実施形態において、一旦デバイスの初期位置が求まれば、該デバイス中の慣性測定ユニット（ＩＭＵ）がデバイスの移動を追跡することにより、既知の物体の局所座標に対するデバイスの更新された位置を求める。別の実施形態において、該システムおよび方法は、３Ｄ仮想環境における運動に対する現実世界の運動の１：１マッピングを提供する。

一実施形態において、位置指定プロセスは、（ａ）手持ち型デバイスの初期位置を較正して、既知の物体に対する手持ち型デバイスの箇所を求め、（ｂ）既知の物体に手持ち型デバイスの１本以上の軸の向きを合わせ、（ｃ）手持ち型デバイス内のセンサを慣性測定ユニット（ＩＭＵ）として用いて、手持ち型デバイスを既知の物体に関連して移動させながら、較正した初期位置と現在の位置との間の相対位置変化を測定することを含む。一実施形態において、手持ち型デバイスの現在の位置および向きを用いて、手持ち型デバイス上に既知の物体の一部、例えば、手持ち型デバイスが指示している既知の物体の一部についての関連情報を表示する。別の実施形態において、手持ち型デバイスは、手持ち型デバイスの現在の位置および向きを用いて、既知の物体の特定の箇所へユーザを導く。

一実施形態において、較正プロセスは、（ａ）既知の物体のある特徴または既知の物体上の既知の局所座標を有する複数の特徴に向けて手持ち型デバイスを指示し、（ｂ）該特徴を指示しながら、手持ち型デバイスの向きを検知し、（ｃ）既知の物体の追加の特徴に向けて手持ち型デバイスを指示し、該追加の特徴を指示しながら、手持ち型デバイスの向きを検知し、（ｄ）センサの向きおよび特徴の局所座標を用いて計算を行って、既知の物体に対する手持ち型デバイスの初期位置を求めることを含む。別の実施形態において、手持ち型デバイス内のセンサは、較正プロセス中に相対位置平行移動および相対運動を測定する。別の実施形態において、向きセンサを用いて、既知の物体に対する手持ち型デバイスの向きを求める。

取り上げられる特徴、機能および利点は、本発明のさまざまな実施形態において独立して達成可能であり、または、以下の説明および図面を参照してさらなる詳細が理解可能であるさらに他の実施形態において組み合わせてもよい。

添付の図は、空間照会のための手持ち型位置決めインタフェースのさまざまな実施形態を描写している。以下に各図を簡単に説明する。各図における同じ参照番号を有する要素は、同一のまたは機能的に類似の要素を示す。これに加えて、参照番号の左端の数字は、該参照番号が初めて現れる図面を示している。

図１は、相対位置および向きを求めるのに用いられる慣性測定ユニット（ＩＭＵ）デバイスを含む手持ち型位置決めデバイスの例示的実施形態の模式的斜視図である。 図２は、方向ベクトルの角度を測定可能な回転センサを有する多軸ジンバルを含む据え付けられた位置決めデバイスの例示的実施形態の模式的斜視図である。 図３は、角度測定ジンバルおよび三軸ＩＭＵを含む据え付けられた位置決めデバイスの例示的実施形態の模式的斜視図である。 図４は、レーザポインタを取り付けた手持ち型無線デバイスの例示的実施形態の模式的斜視図である。 図５は、対象物局所座標系、手持ち型デバイス局所座標系、対象物上の較正点およびデバイスの相対平行移動の例示的実施形態の図である。 図６は、慣性デバイスの箇所を計算するために用いられるベクトルを有するベクトル図の例示的実施形態の図である。 図７は、原点が位置合わせされていないときに慣性デバイスの箇所を計算するために用いられるベクトルを有するベクトル図の例示的実施形態の図である。 図８は、デバイス座標系の相対位置を求めるための三点較正プロセスについてのベクトル図の例示的実施形態の図である。 図９は、箇所によるアプリケーションの一部における３Ｄ局所化プロセスの例示的実施形態のフロー図である。 図１０は、３Ｄ局所化アプリケーション用コンピュータインタフェースの例示的実施形態のスクリーンキャプチャである。 図１１は、仮想環境における平行移動を求めるための速度制御法の例示的実施形態の図である。 図１２は、仮想環境における向きを求めるための速度制御法の例示的実施形態の図である。

以下の詳細な説明は、本質的に単なる例示に過ぎず、本発明の実施形態またはそのような実施形態の適用および使用を限定するよう意図されてはいない。さらに、請求項において、先行する技術分野、背景技術、発明の概要、図面の簡単な説明または以下の詳細な説明で提示されているいかなる明示または暗示された理論によっても束縛される意図はない。

以下の説明は、ともに「接続されている」かまたは「結合されている」要素やノードや特徴に言及している。ここで用いられているように、特にはっきりそうでないと記載しない限り、「接続されている」とは、１つの要素、ノードまたは特徴が、必ずしも機械的にではなく、別の要素、ノードまたは特徴に直接結び付いて（または直接通じて）いるということを意味する。同様に、特にはっきりそうでないと記載しない限り、「結合されている」とは、１つの要素、ノードまたは特徴が、必ずしも機械的にではなく、別の要素／ノード／特徴に直接または間接的に結び付いて（または直接または間接的に通じて）いるということを意味する。同じように、特にはっきりそうでないと記載しない限り、「連通している」とは、１つの要素、ノードまたは特徴が、必ずしも機械的にではなく、別の要素／ノード／特徴に直接または間接的に結び付いて（または直接または間接的に通じて）いるということを意味する。したがって、図は、要素の１つの可能な配置構成を描写しているが、本開示の範囲を逸脱することなしに、描写されている主題の一実施形態において追加の介在する要素、デバイス、特徴または構成部品が存在していてもよい。

本開示で用いられているさまざまな技術用語を以下のように定義する。座標系は、直交する三方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ）により規定された準拠座標系を指し、座標系は、移動している物体および静止している物体に付すことができる。デカルト座標は、直交（直角）座標系を指す。局所座標は、特定の物体に関連付けられた座標系を指す。方向ベクトルは、そのＸ、ＹおよびＺ成分に基づいて説明された端部位置から原点位置への三次元測定値を指す。平行移動は、物体の向きを変えない直線または曲線運動を指す。回転は、物体を平行移動させることなく物体の向きを変える角運動を指す。位置は、特定の座標系において規定された点のＸ、ＹおよびＺ測定値を特に指す。向きは、ある座標系の別の座標系に対する回転の測定値を特に指す。回転行列は、ある座標系の別の座標系に対する向きを記述する３×３直交行列を指す。変換行列は、ある座標系の別の座標系に対する相対位置および向きを記述する４×４同次行列を指す（時に、変換または行列と呼ばれる）。絶対運動は、世界座標系に対する移動を指す。相対運動は、ある座標系の別の座標系に対する移動を指す（時に、局所運動と呼ばれる）。ベクトル演算は、加算もしくは減算、または、ある座標系から別の座標系へ変換する回転行列を乗算することのできる同じ座標系において規定された方向ベクトルを指す。

Ａ．空間照会のための手持ち型位置決めデバイス
図１に示す空間照会のための手持ち型位置決めデバイスの一実施形態の模式図は、ＩＭＵによるデバイス１００である。ＩＭＵによるデバイス１００は、ＩＭＵによるデバイス１００を把持するためのハンドル１０２と、ハンドル１０２上に位置するか、または、これと一体化された選択ボタン１０４と、ハンドル１０２の上端に結合された６軸慣性測定ユニット（６軸ＩＭＵ１０６）と、６軸ＩＭＵ１０６に結合されたレーザポインタ１０８とを含む。ＩＭＵによるデバイス１００は、レーザポインタ１０８が対象物１１０の方向を指示するようにユーザ（図示せず）により保持されている。

動作において、ユーザは、ＩＭＵによるデバイス１００を対象物１１０へ向けて指示し、選択ボタン１０４を作動させ、かつ、ＩＭＵによるデバイス１００は、６軸ＩＭＵ１０６の現在の状態を記録する。６軸ＩＭＵ１０６は、全６ＤＯＦ慣性航法システム（ＩＮＳ）用の検知構成部品を備えている。ＩＮＳは、連続６自由度（ＤＯＦ）測定が可能であり、該測定には、位置に対する３ＤＯＦおよび向きに対する３ＤＯＦが含まれている。６軸ＩＭＵ１０６は、直線加速度の測定および角速度測定のためのそれぞれ加速度計およびジャイロを有する。次いで、時間測定とともに加速度計およびジャイロにより提供されるデータを数値積分して位置および向きデータとする。本実施形態ではレーザポインタ１０８である簡易な照準デバイスは、ユーザが、ＩＭＵによるデバイス１００を対象物１１０上の所望の箇所へ向けて指示するのを助ける。代替の実施形態では、指示手段は、対象物１１０上の所望の箇所と目で見て位置合わせされた機械的手段、例えば、縁部などのＩＭＵによるデバイス１００自体の物理的特徴とすることも、投射光、レーザのような発光手段とすることも、ＩＭＵによるデバイス１００に取り付けられたボアサイトのような光学手段とすることも、デジタルカメラにより指示された方向からの映像を示すための例えば付属のスクリーンまたはディスプレイを有するデジタルカメラとすることもできる。

図２に例示する別の実施形態において、ジンバルによるデバイス２００は、ジンバルによるデバイス２００の角方位（angular orientation）の測定に用いられる。ジンバルによるデバイス２００は、台座２０６に対するレーザポインタ１０８のチルト角度を測定するためのチルト角度センサ２０２と、台座２０６に対するレーザポインタ１０８のパン角度を測定するためのパン角度センサ２０４とを有する多軸ジンバル２０８を含む。合わせて、チルト角度センサ２０２およびパン角度センサ２０４は、ジンバルによるデバイス２００のレーザポインタ１０８の角方位を高精度に測定することができる。これらチルト角度センサ２０２およびパン角度センサ２０４は、回転型エンコーダまたは回転型ポテンショメータを含んでいてもよいが、これに限定されない。回転型チルトおよびパン角度センサ２０２、２０４は、相対的角度を測定し、通常、ジャイロによる６軸ＩＭＵ１０６より正確な角度測定が可能であるが、ジンバルによるデバイス２００の潜在的欠点は、この特定の構成ではさらなる位置の平行移動に対応できないことである。というのも、初期位置からの相対的平行移動は、チルトおよびパン角度センサ２０２、２０４からだけでは測定できないからである。

図３に例示されている別の実施形態は、混成システム３００である。混成システム３００は、図１のＩＭＵによるデバイス１００における６軸ＩＭＵ１０６と同様の３軸直線加速度計ユニット３０２と組み合わされた図２におけるジンバルによるデバイス２００のジンバルによる向き測定構成部品を含む。混成システム３００は、位置変化の測定を容易にしつつ、高精度角度測定を可能とする。

図４に例示する別の実施形態は、適合通信デバイス４００である。適合通信デバイス４００は、無線または有線データ接続を有し、かつ、位置を求めるアプリケーションを実行するためのソフトウェアパッケージをロードした通信デバイス４０２を含む。ディスプレイスクリーン４０４は、ユーザインタフェースおよび選択トリガを提供する。通信デバイス４０２は、規定されたデバイス座標系４０６および慣性による測定センサ４０８が可能な携帯電話、ＰＤＡ、または、類似の無線もしくは有線デバイスの形態を取ることができる。いくつかの現世代の携帯電話は、一体型汎用加速度計を有しており（たとえば、アップル（Ｒ）のｉＰｈｏｎｅ（Ｒ））、未来のデバイスは、複数の自由度を有する慣性測定ユニット、すなわちＩＭＵの検知構成部品を構成する角速度ジャイロをも含んでいてもよい。このことは、通信デバイス４００に埋め込まれた慣性による測定センサ４０８として示されている。

他の実施形態では、その他の種類の加速度計―ジャイロユニットを通信デバイス４００に外付けで結合してもよい。例えば、ＩＭＵによるデバイス１００、ジンバルによるデバイス２００または混成デバイス３００は、通信デバイス４００に通信可能に結合して、位置および向きを提供可能である。適正な数値積分ソフトウェアとともに、これら汎用ＭＥＭＳによる加速度計および／またはジャイロスコープ構成部品は、位置および回転変化を測定する専用のＩＭＵによるシステムと同様に機能する慣性航法システム（ＩＮＳ）用センサとして用いることができる。

通信デバイス４００は、対象物１１０に照準を合わせるために用いられるレーザポインタ１０８とともに示されている。代替の実施形態では、照準スコープ、カメラ、ビデオカメラまたは通信デバイス４００自体の物理的属性を、対象物１１０に照準を合わせるために用いることができる。これら代替の実施形態において、十字線または位置合わせマーク（図示せず）により、対象物１１０に対する正しい照準合わせを助けてもよい。

ここで図５を参照すると、手持ち型デバイス５００の一実施形態は、ＩＭＵ５０２と、簡易な照準デバイスとしてのレーザポインタ１０８とを含む。例示のみを目的として、対象物１１０として飛行機を用いてシステムおよび方法を説明するが、該システムおよび方法は、構造物、輸送手段、物体などのようなほとんどあらゆる対象物１１０に適用可能である。手持ち型デバイス５００は、本実施例においては飛行機である対象物１１０の局所対象座標系５０６における手持ち型デバイス５００の現在の位置および向きを求める。手持ち型デバイス５００の厳密な位置および向きを知ることにより、ユーザは、飛行機の局所対象座標系５０６において保存されているデータベースから飛行機の部品および特徴についての情報を取り出すことができ、飛行機に対して施される構成、品質管理および維持の機能が促進される。この情報は、数値データ、ＣＡＤ／３Ｄモデルおよび画像を含んでいてもよいが、これらに限定はされない。

さまざまな実施形態において、飛行機に関するこの情報は、手持ち型デバイス５００上でユーザに対して表示される。例えば、ユーザに視認可能な部品とユーザの視界から遮られた、例えば、パネルの裏に隠れた部品との両方に関する情報を手持ち型デバイス５００上に表示することができる。別の実施形態において、手持ち型デバイス５００は、飛行機の局所座標系５０６における手持ち型デバイスの現在の位置および向きを求め、かつ、飛行機の所望の特徴、部品または位置の箇所にユーザを導くために手持ち型デバイス５００上に命令を提示する。別の実施形態において、デバイス５００により測定されたリアルタイムの位置および向きデータを用いて、仮想の物体を移動させるか、または、３Ｄ仮想環境またはＣＡＤアプリケーションにおける仮想視点を提供する。一実施形態では、これらのアプリケーションは、手持ち型デバイス５００上で局所的に実行され、別の実施形態では、手持ち型デバイスは、手持ち型デバイス５００と通信状態にあるコンピュータシステム（図示せず）に位置および向き情報を供給する。さらに別の実施形態では、手持ち型デバイス５００からの位置および向きデータを用いて、例えば輸送手段である対象物１１０用診断システムへデータを伝えることにより、電圧、ＲＰＭ、圧力、温度などといった診断システムの状態のリアルタイムフィードバックを表示できる。さらに別の実施形態において、デバイス５００は、対象物１１０の内蔵システムと通信状態にある位置および向きデータを用いて、制御可能な構成部品を選択し、かつ、構成部品の調製可能なパラメータを設定する。

Ｂ．設置および動作の概要
引き続き図５を参照して、位置指定プロセスは、対象物に対する手持ち型デバイス５００の初期位置を求める。該位置指定プロセスは、手持ち型デバイス５００を較正し、かつ、飛行機すなわち対象物１１０に対する手持ち型デバイス５００の現在の箇所を見出す。本開示において用いられる手持ち型デバイス５００局所化プロセスは、手持ち型デバイス５００から対象物１１０上の既知の位置または較正点５１４、５１６、５１８への方向ベクトルＶを求めることにかかっており、これら既知の位置または較正点は、手持ち型デバイス５００の相対向きの測定値を用いることにより求められる。一旦このように較正されると、ユーザは次いで、手持ち型デバイス５００を移動させ、ＩＭＵ５０２は、較正位置５０８と追加の平行移動した位置５１０、５１２との間の相対位置変化を追跡する。本開示において後により詳細に説明する局所化プロセスは、対象物１１０と手持ち型デバイス５００との間の相対位置ずれをもたらす。

いくつかの実施形態において、対象物１１０に対する手持ち型デバイス５００の向きは、使用中、例えば相対位置データしか必要でない場合は、要求されない。その他の実施形態において、手持ち型デバイス５００はまた、対象物１１０に対する向きデータをも提供する。向きプロセスにより、対象物１１０に対して手持ち型デバイス５００を位置合わせする。対象物１１０に対する手持ち型デバイス５００の向きが必要なときは、いくつかの種々の方法で求めることができる。較正原点５０８からのわずかな移動が必要な状況に対しては、飛行機すなわち対象物１１０の軸に対して手持ち型デバイス５００を視覚的に位置合わせすれば十分であるかもしれない。較正点５０８からさらに離間した位置に対するより正確な追跡が必要な場合は、ユーザは、飛行機すなわち対象物１１０（例えば床梁またはステンシル）上の何らかの既知の構造物またはマークに対して手持ち型デバイス５００を位置合わせすることができる。相対向きをより多目的に求めるには、ベクトルによるアプローチを用いることができ、これもまた後に説明する。較正原位置５０８しか必要でない場合は、向き調整および平行移動を行う必要はない。

一旦、手持ち型デバイス５００の開始位置５０８および向きが設定されると、ユーザが飛行機すなわち対象物１１０の中またはその周りを移動するにつれて、開始点５０８に対する手持ち型デバイス５００のデカルト位置をリアルタイムで更新できる。全ＩＭＵ５０２能力を有するシステムについては、位置ずれが、位置測定センサにより連続して測定され、初期位置５０８に追加される。このことは、図５における破線ならびにＯ’およびＯ’’が付されているさらなる特定点またはさらなる平行移動位置５１０、５１２により示されている。

Ｃ．初期位置較正プロセスの詳細
引き続き図５を参照して、初期位置較正プロセスは、ＩＭＵ５０２の向きセンサ（例、図２および図３に示した３軸ジャイロまたはジンバルデバイス回転チルトおよびパン角度センサ２０２、２０４）を用いて、航空機１１０上の較正位置５０８から３つの既知の位置または３つの較正対象５１４、５１６、５１８への相対方向ベクトルを測定する。３つの較正対象５１４、５１６、５１８は、手持ち型デバイス５００からの視線が開けているように、かつ、３つの較正対象５１４、５１６、５１８が同一線形順序に並ばないように選択される。一実施形態において、照準デバイスは、レーザポインタ１０８である。代替の実施形態では、簡易なボアサイトまたは望遠鏡のようなあらゆる視覚位置合わせ手段が使用できる。レーザポインタ１０８は、図１から図５に示されているように、ＩＭＵ５０２に固定接続されており、その結果、レーザポインタ１０８およびＩＭＵ５０２は、ともに移動する。

ここで図６を参照して、較正プロセス６００は、３つのベクトルループ等式により定義された３つの連立一次方程式のシステムを解くことを含む。図６は、較正位置５０８となる手持ち型デバイス５００（図示せず）の未知の箇所、および、対象物１１０上の３つの既知の較正点５１４、５１６、５１８の箇所を示している。本構成において、対象物１１０上のベクトルＶ_１２、Ｖ_２３およびＶ_３１は、単位ベクトルｎ_１、ｎ_２およびｎ_３と同様既知であり、単位ベクトルｎ_１、ｎ_２およびｎ_３の方向は、ＩＭＵ５０２により測定されているが、これらベクトルの大きさ（ｄ_１、ｄ_２およびｄ_３）は未知である。

解の微分は、等式１に示されている３つの固有ベクトルループ等式を定義することにより始まる。未知のベクトルＶ_０１、Ｖ_０２およびＶ_０３は、等式２に示されているように、未知の大きさｄ_１、ｄ_２およびｄ_３によるスカラ乗法により単位ベクトルｎ_１、ｎ_２およびｎ_３に関連付けられる。目標は、ｄ_１、ｄ_２およびｄ_３を解くことであり、よって、Ｖ_０１、Ｖ_０２およびＶ_０３を見出すことである。

代入後は、等式３〜等式５に示されている３つの等式の３つの組となる。

これらの中で、各々から１つの等式を選択して、非特異な等式の組を作り、等式６に示すように行列の形：

に配置する。

Ｍを反転させ、両辺に予め掛けて、

とすることにより、列ベクトルＡにおける未知数を解く。次いで、Ａの値、すなわちｄ_１、ｄ_２およびｄ_３を等式２に代入すると、手持ち型デバイス５００に対する対象物１１０の相対ずれが得られる。

この公式は、ジャイロによる角度測定デバイス（例えば、ＩＭＵによるデバイス１００、混成デバイス３００および適合通信デバイス４００）とジンバルによるデバイス２００との両方に適用される。また、手持ち型デバイス５００の相対パン角度およびチルト角度しか計算には必要ない（すなわち、横揺れ角度は必要ない）ので、いくつかの実施形態では、ＩＭＵ５０２は、パン角度およびチルト角度測定しか可能でない（すなわち、２自由度しか有さない）。

初期の方向ベクトルを測定する際、手持ち型デバイス５００の位置の演算に用いられる方法は、３つの方向ベクトルの共通の交点を想定するが、デバイス５００が手持ち型として意図されているので、３つのベクトルの原点は、共通の箇所で交差しない可能性がある。典型的な使用中は、ユーザの運動により小から中程度の位置ずれがあり、これにより局所位置演算に不正確さが生じるであろう。これらの運動を調整するためには、初期方向ベクトル取得時に３軸加速度計またはＩＭＵ５０２データを用いて、３つのベクトル原点Ｏ_１、Ｏ_２およびＯ_３間の相対平行移動を測定することができる。

１つの選択肢は、方向ベクトル間の距離が最小となる点の平均箇所を見出すことにより、等価の回転中心を計算することである。次いで、較正演算の結果からこの相対ずれを減算する。これは近似解であることに注意されたい。

より正確な解法は、３点較正法７００であり、わずかに異なるシステム構成についてベクトルループ等式を解くことを含む。ここで図７を参照して、各ベクトルの原点Ｏ_１、Ｏ_２およびＯ_３は異なった箇所にあるが、未知数の数は同じである。というのも、原点Ｏ_１、Ｏ_２およびＯ_３は、（ＩＭＵ５０２内の加速度計により測定されたデータから）既知の量だけずれているからである。等式において、このことにより等式６のＢベクトルに含まれるさらなる既知の値が生じる。そこからは、解法プロセスは、原点Ｏ_１、Ｏ_２およびＯ_３が交差するシステムに対する説明と同じである。

目標点ベクトルに沿った距離が直接測定されない３点較正法の別の実施形態において、初期相対位置決めプロセスにおいて求められた位置の解を用いた第２ステップにおいて向きを導出できる。この再構成された向きプロセス８００に対して、相対位置を用いて、手持ち型デバイスにより測定された３つの単位ベクトルからの適正な長さの方向ベクトルを生成する。これにより、手持ち型デバイスの座標系において対象点を再構成でき、これら対象点は、図８のベクトル図においてＰ_Ａ１、Ｐ_Ａ２およびＰ_Ａ３が付されている。これから、以下に説明するプロセスを用いて座標系間の相対向きを求めることができる。

上の公式において、

は、点

から作られた座標系Ａにおけるベクトルである（すなわち、

）。ベクトル

は、同じ形式に従う。

は、ベクトルの外積から作られた法線ベクトルであり、

は、回転軸であり、
θ_１およびθ_２は、それぞれ軸

の回りの回転角度であり、
Ｒ_１、Ｒ_２およびＲ_３は、３×３対称回転行列であり、かつ、
ｆ_１（）は、（２００４年にPrentice Hallから出版されたJohn J. Craig著、"Introduction to Robotics; Mechanics and Control"、第３版に示されているように）以下に説明する角度軸定義から３×３回転行列を生成する関数である。

ここで、ｃθ＝ｃｏｓ（θ）、ｓθ＝ｓｉｎ（θ）、ｖθ＝１−ｃｏｓ（θ）および

である。

Ｄ．演算
ＩＭＵ５０２は、（３つのジャイロからの）角度変化率および（３つの加速度計からの）線形加速度を測定する。等式７および等式８に示すように、ジャイロからの生データを１回積分して角度を生成し、加速度計からのデータを２回積分して位置を生成する。

加速度データは、ジャイロデータから生成した回転行列を予め掛けることにより静止座標系に変換せねばならず、その後このタスクに用いることができる。また、データは、雑音軽減のためにフィルターをかけてもよい。６軸ＩＭＵ１０６といったＩＭＵ５０２は、位置と向きとの両方においてドリフトしがちであり、これは、しばらくすると対象物に対する手持ち型デバイス５００の再較正が必要であることを意味する。これらＩＭＵ５０２の問題は、この種の慣性航法システムに共通であり、本発明の開示に特有のものではないが、完全を期すためにここに含めた。その他の実施形態において、手持ち型デバイス５００上で実行されるかまたはこれと通信状態にあるアプリケーションは、さらなる目的およびタスクのために加速度および／または速度データを用いる。

２軸ジンバル２０８内の回転センサは、パン（θ_１）およびチルト（θ_２）角度において台座に対して単位を動かし、これは、等式９を用いることにより前に説明した方向ベクトルに変換可能である。

いくつかのアプリケーションについて、例えば手持ち型デバイス５００のｙ軸または−ｚ軸に沿った異なる方向において手持ち型デバイス５００からレーザ光線を発出させることが有用かもしれない。これらの種類の実施形態において、該光線の方向は、新たな固定位置にレーザポインタ１０８を物理的に据え付けることにより、または、レーザポインタ１０８からのレーザ光線の経路に設置したビームスプリッタまたはミラーを用いることにより変えることができる。

いくつかのアプリケーションにおいて、引き続き経路を記録しつつ、形状、例えば配線、管または縁部をたどることが有用かもしれない。そのような一実施形態では、ユーザが手持ち型デバイス５００を移動させながら、ユーザが運動を簡単に制約して対象１１０に沿った経路をたどることができる既知の寸法の物理的導子（図示せず）（例えば、フック付き延長線）を手持ち型デバイス５００に取り付ける。

ここで図９を参照して、システムの一実施形態は、局所化プロセス９００と、ユーザインタフェース９０２と、箇所データを用いるアプリケーションと通信するインフラストラクチャ（例えば、３Ｄデータベースまたは視覚化サーバ）とを含む。このアプリケーションにおいて、ユーザは、空間データベース９０４から箇所特有の結果を抽出するために局所位置データが必要である。局所化サブシステム９００は、３ＤＯＦ向きセンサまたは６ＤＯＦ慣性測定デバイス（例えば、ＩＭＵ５０２）と、ポインティングデバイス（例えば、レーザポインタ１０８）と、位置計算ソフトウェア９０６とを含む。図１０を参照して、ユーザアプリケーションインタフェース９０２の一実施形態を図示する。

Ｅ．利点および用途
手持ち型デバイス５００は、ＩＭＵ５０２を利用して位置を追跡し、これにより、ＧＰＳの受信が弱いまたは利用不可能な屋内またはその他の場所で手持ち型デバイス５００を用いることができる。手持ち型デバイス５００内のまたはこれに取り付けられたＩＭＵ５０２は、自立型であるので、位置決めシステムの使用前にまず追加のインフラストラクチャを所定場所、例えば、ＲＦＩＤによる位置決めシステムを有効にするのに一般的に用いられる送受信機の周囲に設置する必要がなくなる。ＩＭＵ５０２はまた、ＧＰＳまたはＲＦＩＤのいずれよりも高速に位置決めデータを提供することにより、移動のさらにより細かな粒度を考慮する。さらにＩＭＵ５０２は、低信号強度、信号休止、局所信号遮断、マルチパスエラーおよびその他の潜在的な信号経路の歪みといった、ＧＰＳおよびＲＦＩＤによるシステムで起こり得る送信機から受信機のエラーの可能性を解消する。信号経路の歪みは、飛行機において見られるような大量の金属の存在により予測困難かつ補償困難であり得る具合に悪化する可能性がある。ＩＭＵ５０２は、失われたり歪んだりする可能性のある外部信号に依存していないので、位置正確性および信頼性を向上させる。さらに、手持ち型デバイス５００は、この補助装置を必要としないので、概ねより安価に製造できる。

いくつかの実施形態において、手持ち型デバイス５００は、手で持って、実施形態によっては片手で使用するのに十分な程度に小型かつ軽量なフォームファクタに構成されている。手持ち型デバイスは、一旦電源を入れるとすぐに使用可能である。簡易な較正手順により、現在の多くの商用位置決めシステムと比較してセットアップ時間が短くなる。この簡易かつ高速な較正により、機械工、技術者、検査官およびその他が、より複雑または高価な位置決めシステムの使用が妥当でない日常の用途で手持ち型デバイス５００を用いることができる。

手持ち型デバイス５００は、その使用のコストおよび容易さにより、あらゆる数の代替用途において用いることができる。例えば、手持ち型デバイス５００を備えた旅行者は、ガイドの付かないツアーにおける博物館および史跡を見て回ることにより、その旅行者は、特定点を指示して、指示されている項目に関する関連情報を取り出すことができる。キャンパスや施設の訪問者は、手持ち型デバイス５００を用いて、ＧＰＳ信号が受信困難で、かつ、ＲＦＩＤ送受信機の設置が非実用的である可能性のある屋内でも道案内を受けることができる。手持ち型デバイス５００がアクセスするデータベースは、仮想物体、例えば組み立て中の飛行機を記述することができる。したがって、ビデオディスプレイと組んで手持ち型デバイス５００を工場ツアーまたは見本市中に用いて、見込み客に仮想ツアーを提示することができる。

代替の実施形態において、手持ち型デバイス５００は、対策を講じたり較正手順を実施したりすることなく、特定の位置に直接設置することができる。例えば、手持ち型デバイス５００の位置および向きは、例えば前回のデバイスの較正からの対象物１１０の環境における固定インデックスマークを用いることにより、または既知の位置および向きを有する目印を用いることにより手動または自動的に入力することができる。これにより、ユーザは、手持ち型デバイス５００を既知の箇所に返し、自ら（または他の誰か）が置いて行ったところで手に取ることができる。

別の実施形態において、手持ち型デバイス５００への位置および向きの直接入力により、ユーザは、離れた箇所から対象物１１０との相互作用をシミュレートすることができる。このシミュレーションモードにおいて、さらなる運動制御法がある。これに加えて、物理的世界からＣＡＤ／３Ｄ仮想環境へのＩＭＵの平行移動および回転の１：１マッピングの代わりに、手持ち型デバイス５００は、手持ち型デバイス５００の小さな運動が仮想環境における大きな運動を表すことができるよう運動を調節するよう構成されているか、または、手持ち型デバイス５００の大きな運動を仮想環境における小さな運動に調節可能である。したがって、手持ち型デバイス５００は、現実世界のものよりはるかに小さいか、はるかに大きいか、または、異なっている空間における仮想的移動に用いることができる。例えば、ディスプレイと組み合わせた手持ち型デバイス５００により、教育者は、教室での講義中に手持ち型デバイス５００を動かすことにより、既知の宇宙ほどの大きさのまたは原子ほどの小ささの何かの仮想ツアーに生徒を連れて行くことができる。本実施形態において、手持ち型デバイス５００の位置は、物理的なコンピュータのマウスがマウスパッドの端に到達するとユーザがコンピュータのマウスを持ち上げて、位置を変えることにより、スクリーン上のカーソルを動かし続けるためのより大きなスペースを得るのと同等の方法でインデックス可能である。手持ち型デバイス５００については、コンピュータのマウスでは標準である二次元だけではなく三から六次元でインデックスする。

一実施形態において、仮想環境における平行移動は、直接位置制御の代わりに、または、これに加えて速度制御を用いる。ここで図１１を参照すると、デバイス１１００は、まず初期位置１１０２に位置している。初期位置１１０２の第１半径１１０４内におけるデバイス１１００のあらゆる移動が、直接位置決め運動を生じる。ユーザが、第１半径１１０４の内側へデバイス１１００を戻すか、または、新たな初期位置（図示せず）にデバイス１１００をインデックスし直すまで、第１半径１１０４の外側であるが第２半径１１０６の内側におけるデバイス１１００のあらゆる移動が、初期位置１１０２から離間した方向への進行方向に沿った一定速度の連続運動をもたらす。第２半径１１０６の外側でデバイス１１００を動かすことにより、ますます速い速度での当該方向における加速がもたらされる。

別の実施形態において、仮想環境における向き変化は、平行移動について上に説明したものと類似の速度制御方法論を用いる。ここで図１２を参照すると、デバイス１１００の垂直軸（Ｚ）１２０８が、初期の向き１２０２に対して内側扇状領域１２０４内で移動するとき、仮想環境における運動は、直接向き制御モードにある。デバイス１１００の垂直軸１２０８が、さらに離間して初期の向き１２０２から外側扇状領域１２０６へと移動すると、速度制御法が有効となることにより、デバイス１１００が静止状態に保持されていても、角度が引き続き増大する。運動を停止するには、ユーザは、初期の向き１２０２の近くの内側扇状領域１２０４へデバイス１１００の垂直軸１２０８を戻すか、インデックスを適用する。

速度制御の実施形態の両方において、平行移動または回転速度の測定である速度運動制御は、手持ち型デバイス１１００により直接用いることもでき、他の使用のために離れた用途へ送ることもできる。同様に、加速度データは、手持ち型デバイス１１００により直接用いることもでき、他の使用のために離れた用途へ送ることもできる。

図面に示し、かつ、上に説明した本発明のさまざまな実施形態は、添付の請求項の範囲内であってもよい数多くの実施形態の例示である。開示されたアプローチを利用して、既知の物体に対する手持ち型デバイスの位置および向きを求めることのできる手持ち型デバイスの数多くのその他の構成を作成してもよいと考えられている。当該特許から発行される特許範囲は、添付の請求項の範囲によってのみ限定されるというのが出願人の意図である。

Claims (15)

1. 既知の物体に対する空間位置を求めるための装置であって、
   前記装置が特定点に向けられると選択表示を作動させるためのアクチュエータと、
   前記選択表示が作動されると装置の向き表示を提供するための向き検出器と、
   複数の前記向き表示を用いて既知の物体に対する装置の初期位置を較正するよう適合されたプロセッサと、
   前記初期位置を示すための出力手段と
   を含む装置。
2. 機械的指示手段、発光手段、レーザ、光学手段およびデジタル撮像手段からなる群から選択される指示手段をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記向き検出器が、パン角度センサおよびチルト角度センサを有するジンバルと物理的に通じている指示手段である、請求項１に記載のシステム。
4. 装置の複数の位置移動表示を提供するための空間位置検出器をさらに含み、前記プロセッサが、前記複数の位置移動表示を用いて装置の現在の位置を追跡するようさらに適合されており、かつ、前記出力手段が前記現在の位置を示すよう適合されている、請求項１に記載のシステム。
5. 前記空間位置検出器が慣性測定ユニットを含む、請求項４に記載のシステム。
6. 前記慣性測定ユニットが、２自由度慣性測定ユニット、３自由度慣性測定ユニット、４自由度慣性測定ユニット、５自由度慣性測定ユニットおよび６自由度慣性測定ユニットからなる群から選択される、請求項５に記載のシステム。
7. 前記プロセッサが、複数の前記向き表示および前記複数の位置移動表示を用いて既知の物体に対する装置の初期位置を較正するよう適合されている、請求項４に記載のシステム。
8. 前記装置が自立型かつ手持ち型である請求項１に記載のシステム。
9. 前記装置が無線通信デバイスである請求項１に記載のシステム。
10. 特定点の空間位置を求める方法であって、
    （ａ）既知の物体に対するデバイスの初期位置を求めるために前記デバイスを較正することであって、
    （ｉ）前記既知の物体の特徴に前記デバイスの照準手段を向けることであって、前記特徴が既知の箇所を有する、向けること、
    （ｉｉ）前記向ける動作の間に前記デバイスの前記向きを検知すること、
    （ｉｉｉ）複数の前記特徴に対して前記ステップ（ｉ）および（ｉｉ）を繰り返すこと、ならびに、
    （ｉｖ）前記既知の箇所および前記デバイス上の前記照準手段が向けられている前記複数の特徴に対する前記デバイスの前記向きを用いて、前記既知の物体に対する前記デバイスの前記初期位置を計算すること
    をさらに含む、較正することと、
    （ｂ）新たな位置へ前記デバイスを移動させることと、
    （ｃ）前記デバイス内のセンサを用いて前記移動動作を検知することと、
    （ｄ）前記センサからの情報を用いて前記デバイスの前記新たな位置を計算することと、
    （ｅ）前記デバイスの前記新たな位置を出力することと
    を含む方法。
11. ステップ（ａ）が、前記既知の物体に対する前記デバイスの初期の向きを求めることをさらに含み、ステップ（ｂ）が、新たな向きに前記デバイスを向けることをさらに含み、ステップ（ｃ）が、前記デバイス内の前記センサを用いて前記向ける動作を検知することをさらに含み、ステップ（ｄ）が、前記センサからの情報を用いて前記デバイスの前記新たな向きを計算することをさらに含み、前記方法が、前記計算された初期位置、前記既知の箇所および前記デバイス上の前記照準手段が向けられている前記複数の特徴に対する前記デバイスの前記向きを用いて、前記既知の物体に対する前記デバイスの前記初期の向きを計算し、前記デバイスの前記新たな位置および前記新たな向きを出力するステップ（ａ）（ｖ）をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
12. ステップ（ａ）（ｖ）が、前記既知の物体に前記デバイスの１本以上の軸の向きを合わせることを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記既知の物体の前記座標系が前記デバイスの座標系とは異なる、請求項１０に記載の方法。
14. 前記ステップ（ａ）（ｉｉ）が、向ける動作のたびに、前回の向ける動作と現在の向ける動作との間の前記デバイスの移動を検知することをさらに含み、かつ、前記ステップ（ａ）（ｉｖ）が、前記既知の箇所、前記デバイス上の前記照準手段が向けられている前記複数の特徴に対する前記デバイスの前記向き、および前記向ける動作間の前記デバイスの前記移動を用いて、前記既知の物体に対する前記デバイスの前記初期位置を計算する、請求項１０に記載の方法。
15. 前記デバイスの前記新たな位置および新たな向きに少なくとも部分的に基づいて前記既知の物体に関する情報を表示することをさらに含み、前記情報が、前記既知の物体の座標系における前記デバイスの前記新たな位置を用いて取り出される、請求項１１に記載の方法。

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