JP2016509211A - 磁力計及び加速度計を使用する角速度推定 - Google Patents

Abstract

角速度を推定するシステム及び方法が提供される。本システム及び本方法は、角度方向を推定する９軸センサ融合でのジャイロスコープの代わりに、加速度計及び磁力計を使用して角速度を推定する。最終的な角速度推定値は、２つの部分的に独立した角速度推定値から構築され、そのうちの一方は磁力計測定値のみを使用し、他方は加速度計測定値のみを使用する。各部分角速度推定値の観測不可能な部分は、加速度計データ及び磁力計データの両方を使用する第３の完全な推定値からの射影によって提供される。

Description

背景
分野
実施形態は、概して角速度推定に関し、特に、磁力計及び加速度計を使用する角速度推定に関する。

背景技術
ＭＥＭＳレートジャイロスコープは、角速度を測定する装置である。ＭＥＭＳジャイロスコープは、独立した装置であってもよく、又はマイクロチップに含まれる集積回路の一部として別の電子装置に含まれてもよい。角速度を時間にわたって積分して、角度方向の変化を計算することができる。ピッチ及びロール（加速度計）又はヨー（磁力計）についての絶対参照を提供する他のセンサと組み合わせた場合、絶対角度方向の推定値を生成することができる。

ジャイロスコープは、電子装置に含まれて、電子装置の向きの変化を高速且つ正確に検出するとともに、角度方向が変化するにつれて、その角度方向を高品位で推定できるようにする。これらの性能を利用して、有用な機能をエンドユーザに提供する用途を開発することができる。角回転を利用する用途の一例としては、テキスト入力並びにウェブアプリケーションフォーマット及び表示に役立つ水平向き又は垂直向きでのモバイル装置の位置決めが挙げられる。別の例としては、入力として、電子装置がユーザによって操作される際の電子装置の角速度及び積分角度方向を受信するビデオゲーム等の用途が挙げられる。別の例は、角度方向推定値をモーションベースマウス等のポインティングデバイスへの入力として使用する用途である。

しかし、ジャイロスコープは、電子装置で実行される場合、大きな電力を消費する回路である。大きな電力消費は、特に電子装置が電池等の充電式電源を使用して給電される場合、電子装置でのエネルギー枯渇の原因である。さらに、大きな電力を消費する回路は、電子装置を使用する全体コストを増大させる。

したがって、必要とされるのは、低いコード及びデータフットプリントと、低ＣＰＵ負荷とを有する効率的な集積回路及びソフトウェアを使用して、推定角速度を生成するシステム及び方法である。

概要
一実施形態では、角速度を推定するシステム及び方法が提供される。本システム及び本方法は、角度方向を推定する９軸センサ融合でのジャイロスコープの代わりに、加速度計及び磁力計を使用して角速度を推定する。最終的な角速度推定値は、２つの部分的に独立した角速度推定値から構築され、そのうちの一方は磁力計測定値のみを使用し、他方は加速度計測定値のみを使用する。各部分角速度推定値の観測不可能な部分は、加速度計データ及び磁力計データの両方を使用する第３の完全な推定値からの射影によって提供される。

一実施形態では、適応フィルタ長を使用して、測定値ノイズとシステム応答性とをトレードオフする。フィルタ長は、角速度及び角加速度の高速推定値の関数として設定される。

別の実施形態では、時変磁気異常の存在を特定するシステム及び方法が提供される。

別の実施形態では、角速度推定値を使用して物理的レートジャイロスコープのバイアスオフセット及び感度を推定するシステム及び方法が提供される。

実施形態並びに様々な実施形態の構造及び動作の更なる特徴及び利点について、添付図面を参照して以下に詳細に説明する。なお、実施形態は、本明細書に記載される特定の実施形態に限定されない。そのような実施形態は、例示のみを目的として本明細書に提示される。追加の実施形態が、本明細書に含まれる教示に基づいて当業者には明らかになろう。

図面／図の簡単な説明
添付図面は、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部をなし、実施形態を示すとともに、説明と一緒に、実施形態の原理を説明し、当業者が実施形態を製作し使用できるようにする役割を更に果たす。

一実施形態による電子装置のブロック図である。 一実施形態による、加速度計及び磁力計からのデータをフィルタリングするフィルタを含む電子装置のブロック図である。 一実施形態による角速度を特定する方法のフローチャートである。 一実施形態による、推定角速度を使用してジャイロスコープを較正するブロック図である。 一実施形態による、角速度推定値を特定するソースコードの図である。 一実施形態による専用プロセッサを有する電子装置のブロック図である。 実施形態を実施し得る計算環境のブロック図である。

実施形態の特徴及び利点は、同様の参照文字が全体を通して対応する要素を識別する図面と併せて解釈される場合、以下に記載される詳細な説明からより明白になろう。図面中、同様の参照符号は一般に、同一の要素、機能が同様の要素、及び／又は構造が同様の要素を示す。

実施形態の詳細な説明
システム
図１は、一実施形態による電子装置のブロック図１００である。図１は電子装置１０２を含む。電子装置１０２は、高速数学演算及び高速論理演算を実行し、データのアセンブル、記憶、相関付け、及び他の様式での処理を実行するプログラマブル電子機械であり得る。電子装置１０２の例としては、パーソナルコンピュータ、モバイル通信装置（例えば、スマートフォン、タブレット計算装置、及びラップトップノートブック）、セットトップボックス、ゲームコンソール、及び埋め込みシステムを挙げ得る。電子装置１０２に一般に含まれる特徴及びハードウェアは、図６において詳細に説明される。

一実施形態では、電子装置１０２は、複数のアプリケーション１０４を実行するか、又は解釈し得る。アプリケーション１０４は、図６に詳細に説明されるネットワーク又は外部補助記憶ユニットを使用して電子装置１０２にインストールするか、又はダウンロードし得る。別の実施形態では、アプリケーション１０４は、電子装置１０２の外部にあり、電子装置１０２からデータを受信し得る。

ネットワーク（図示せず）は、データ通信を搬送することができる任意のネットワーク又はネットワークの組み合わせであり得る。そのようなネットワークは、ローカルエリアネットワーク、大都市圏ネットワーク、及び／又はインターネット等の広域ネットワークを含み得るが、これらに限定されない。ネットワークは、ワールドワイドウェブプロトコル及び／又はサービスを含むが、これらに限定されないプロトコル及び技術をサポートすることができる。アプリケーション１０４は、電子装置１０２で実行されるか、又は電子装置１０２からデータを受信する。

一実施形態では、電子装置１０２は加速度計１０６及び磁力計１０８を含む。

加速度計１０６は、電子装置１０２等の物体が受ける重力ベクトルと線形加速度ベクトルとの和を測定する。磁力計１０８は、磁場の強度及び方向を測定する。一実施形態では、磁力計１０８を使用して、地球の磁場を測定し、異なるタイプの磁気異常を検出し得る。磁気異常の例は、電子装置１０２の近傍での一時的又は永久的であり得る他の磁性物体によって生成される磁場であり得る。

図１では、加速度計１０６及び磁力計１０８は、電子装置１０２内で示される。しかし、実装態様はこの実施形態に限定されない。加速度計１０６及び磁力計１０８は、電子装置の外部にあり得、有線又は無線ネットワークを使用して電子装置１０２に結合し得る。

従来通り、ジャイロスコープが、電子装置内で角速度を特定する。しかし、上述したように、ジャイロスコープは、電池で給電される電子装置での電力枯渇の原因である大きな電力を消費する装置である。

他の従来のシステムは、Aichi AMI307等の磁力計を加速度計と共に使用して、角速度を推定し得る。例えば、従来の磁力計によって観測される較正磁場の変化と、角度変化との間に関係があり、それにより、角度回転に関する磁場の部分導関数を調べることで、角速度の推定値を構築することができる。しかし、この関係は、各磁性サンプル間での小さな角度変化に対してのみ当てはまり得る。例えば、１００Ｈｚサンプルレートでの５００〜１０００ｄｐｗに対応する５〜１０度の角度変化等の小さな角度変化の場合、磁場値「ｘ」、「ｙ」、及び「ｚ」間の関係及び対応する角度変化は、線形として近似し得る。

推定角速度を従来通りに特定する一方法は、「ｘ」、「ｙ」、及び「ｙ」磁場強度測定値間の関係と、回転の開始角度及び終了角度とを定義する方程式系を通す方法である。方程式系は、「ｘ」、「ｙ」、及び「ｚ」軸のそれぞれを中心とした回転に対して独立して構築される。次に、方程式系を解いて、「ｘ」、「ｙ」、及び「ｚ」磁場強度の変化についての「ｘ」、「ｙ」、及び「ｚ」軸回転推定値を特定する。

角度θ_ｚだけの「ｚ」軸を中心としたベクトル測定値「ｘ」の回転に対する１組の方程式例は以下である。
ｘ_１＝ｘ_０ｃｏｓθ_ｚ−ｙ_０ｓｉｎθ_ｚ
ｙ_１＝ｙ_０ｓｉｎθ_ｚ＋ｙ_０ｃｏｓθ_ｚ
ｚ_１＝ｚ_０

角度θ_ｘだけの「ｚ」軸を中心としたベクトル測定値「ｘ」の回転に対する１組の方程式例は以下である。
ｘ_１＝ｘ_０ｃｏｓθ_ｚ−ｙ_０ｓｉｎθ_ｚ
ｙ_１＝ｙ_０ｓｉｎθ_ｚ＋ｙ_０ｃｏｓθ_ｚ
ｚ_１＝ｚ_０

角度θｙだけの「ｚ」軸を中心としたベクトル測定値「ｘ」の回転に対する１組の方程式例は以下である。
ｘ_１＝ｘ_０ｃｏｓθ_ｙ−ｚ_１ｓｉｎθ_ｙ
ｙ_１＝ｙ_０
ｚ_１＝ｚ_０ｃｏｓθ_ｙ＋ｘ_１ｓｉｎθ_ｙ

上記例では、下付き文字０は、サンプルの初期データ値を示し、下付き文字１はサンプルの最終的なデータ値を示し、サンプルの最終的なデータ値は、単一の回転後の値である。

小さな角度の場合、

及び

と仮定すると、上記方程式は、

に書き換え得る。

上記方程式は、観測可能な角度変化を実測磁場強度変化に結び付ける。以下に示されるように、回転ベクトルθについて解かれる場合、方程式は、磁場の一次差を角度の一次差に変換し、角度の一次差は角速度の推定値である。

この従来の手法には幾つかの制限がある。第１に、上記式は、「ｘ」、「ｙ」、及び「ｚ」の位置値（position value）がゼロに等しいか、又はゼロに近い場合、不確定になる。第２に、角速度の推定値である回転ベクトルθについて解くために必要な行列反転は、大きな電力を消費するプロセスである。

ジャイロスコープ及び上述した欠点なしで角速度推定値を生成するために、電子装置１０２は角速度プロセッサ１１０を含む。一実施形態では、角速度プロセッサ１１０は、電子装置１０２のメモリに記憶されるライブラリに含まれ得る。ライブラリは、実行するか又はプロセッサによって解釈されるように構成されるコードを含み得る。角速度プロセッサ１１０は、加速度計１０６及び磁力計１０８を使用して得られる場測定値（field measurement）から角速度推定値１２２を特定する。一実施形態では、角速度プロセッサ１１０は、ライブラリに含まれるか、又は電子装置１０２にダウンロードされるセンサドライバにより、加速度計１０６及び磁力計１０８から場測定値を取得し得る。

角速度プロセッサ１１０は、場測定値が変化する場合、場の回転軸が、開始場測定値及び終了場測定値によって定義されるベクトルに直交することを判断する。この関係は、回転の単一サンプルの外積によって満たされ得、ここで、回転の単一サンプル＝Ｘ０×Ｘ１であり、Ｘ０は、回転開始時の回転ベクトルであり、Ｘ１は回転終了時の回転ベクトルである。Ｘ０及びＸ１が単位長に正規化される場合、サンプル間の回転は小さく、外積の大きさは概ね、測定間の角度回転である。一実施形態では、測定値はラジアン単位で測定される。更なる実施形態では、小さな角度の近似が成り立たなくなる場合、回転はますます過小評価されるようになる。一実施形態では、サンプル間の回転が１０度未満の場合、誤差は小さくなり得る。

角速度推定値１２２を特定するために、角速度プロセッサ１１０は、磁力計角速度計算器１１２と、加速度計角速度計算器１１４と、角速度計算器１１６とを含む。磁力計角速度計算器１１４、加速度計角速度計算器１１２、及び角速度計算器１１６は、角速度推定値１２２の各成分を特定する。

磁力計角速度計算器１１４は、磁力計１０８によって提供される場測定値から部分角速度推定値を特定する。磁力計場測定値からの部分角速度推定値は、外積

として定義し得、式中、

は、単位長に正規化された開始磁場測定値及び終了磁場測定値である。さらに、磁力計角速度計算器１１４は、回転軸を

として定義し、サンプル間の回転角度を
ｎｏｒｍ２（ω_{ｍ＿ｐａｒｔｉａｌ}）
として定義する。

加速度計角速度計算器１１２は、加速度計１０６によって提供される測定値からの部分角速度推定値を特定する。加速度計場測定値からの部分角速度推定値は、外積

として定義し、式中、

は、単位長に正規化された開始加速度計測定値及び終了加速度計測定値である。さらに、加速度計角速度計算器１１２は、回転軸を

として定義し、サンプル間の回転角度を
ｎｏｒｍ２（ω_{ａ＿ｐａｒｔｉａｌ}）
として定義する。

一実施形態では、ω_{ｍ＿ｐａｒｔｉａｌ}及びω_{ａ＿ｐａｒｔｉａｌ}角速度推定値は、各特徴軸を中心とした角速度に関する情報を含まないため、不完全である。例えば、ω_{ａ＿ｐａｒｔｉａｌ}の場合、観測することができない軸は、重力の方向における軸であり、ω_{ｍ＿ｐａｒｔｉａｌ}の場合、観測することができない軸は、磁場の方向に沿った軸である。ω_{ｍ＿ｐａｒｔｉａｌ}及びω_{ａ＿ｐａｒｔｉａｌ}によって提供される角速度についての情報がないことを補償するために、角速度計算器１１６は、欠けている軸に沿ってω_{ｍ＿ｐａｒｔｉａｌ}及びω_{ａ＿ｐａｒｔｉａｌ}によって提供される角速度の欠落成分を特定する。欠けている軸に沿った角速度の推定値を特定するために、角速度計算器１１６は、加速度計測定値及び磁力計測定値を使用することにより、欠けている角速度成分の推定値を導出し、欠落している角速度成分の導出された推定値を、加速度計及び磁力計場測定値から観測不可能な軸に射影する。

一実施形態では、Ｈをワールド座標での磁場ベクトルとし、Ａをワールド座標での重力ベクトルとする。ワールド座標は、向き行列（orientation matrix）によって物体を定義し、向き行列がその３列に３点のデカルト座標を含むことを当業者は理解しよう。次に、これらの点を使用して、軸の向きを定義し得、これらの点は、それらの軸に位置合わせされる単位ベクトルの先端である。

一実施形態では、ベクトルＡは、線形加速度がない場合、較正済み加速度計測定値と同じであり得る。一実施形態では、ｘ軸をワールド座標での磁北とし、それにより、ワールド座標でのＨベクトルは、装置が北に面している場合、「ｘ」及び「ｚ」成分を有する。一実施形態では、Ｈベクトルは、「ｘ」及び「ｚ」成分のみを有するように定義し得る。Ｈベクトルが上述したように定義される場合、

は単位長に正規化され、
（ＨｘＡ）ｘＡ
である

は単位長に正規化される。

次に、時間０での向きを回転行列Ｒ０とし、時間１での向きを回転行列Ｒ１とし、ここで、Ｒ１＝Ｒ＿デルタ＊Ｒ０であり、Ｒ＿デルタはＲ０をＲ１に変換する回転行列である。

Ｒ＿デルタについて解くと、Ｒ＿デルタ＝ｉｎｖ（Ｒ０）＊Ｒ１である。

Ｒ０は回転行列であるため、反転は転置と同じであり、Ｒ＿デルタ＝Ｒ０^ＴＲ１をもたらす。Ｒ＿デルタ行列では、回転行列から軸／角度フォーマットに個々の回転を変換することにより、Ｒ＿デルタ行列から個々の回転を読み出すことができる。したがって、

は、加速度計場測定値及び磁力計場測定値の両方を使用するＲ＿デルタによる単一のサンプル回転として特定し得る。

一実施形態では、角速度推定器１２０は、磁力計角速度計算器１１４によって生成されるω_{ｍ＿ｐａｒｔｉａｌ}、加速度計角速度計算器１１２によって生成されるω_{ａ＿ｐａｒｔｉａｌ}、及び角速度計算器１１６によって生成される

を受信する。次に、角速度推定器１２０は、後述するようにω_{ｍ＿ｐａｒｔｉａｌ}、ω_{ａ＿ｐａｒｔｉａｌ}、及び

を結合することによって角速度推定値１２２を生成する。

一実施形態では、角速度推定器１２０は、上述した観測不可能な成分についてω_{ｍ＿ｐａｒｔｉａｌ}及びω_{ａ＿ｐａｒｔｉａｌ}を補償する。例えば、角速度推定器１２０は、ω_{ｍ＿ｐａｒｔｉａｌ}を磁場軸への

の射影と結合して、磁力計測定値に関連付けられた観測不可能な成分を埋める。例えば、ω_{ｍ＿ｆｉｌｌ}を、磁場軸に射影されることで、磁力計測定値に関連付けられた観測不可能な成分を埋める

の射影とする。射影のスケール係数は、

のドット積である。ワールド座標での磁場推定値の方向は、単位長に正規化されたＨである。したがって、一実施形態では、

である。

角速度推定器１２０は、ω_{ｍ＿ｆｉｌｌ}を特定すると、以下に示されるように、角速度推定値１２２の磁力計成分ω_{ｍ＿ｆｕｌｌ}を特定する。
ω_{ｍ＿ｆｕｌｌ}＝ω_{ｍ＿ｐａｒｔｉａｌ}＋ω_{ｍ＿ｆｉｌｌ}

別の例では、角速度推定器１２０はまた、ω_{ａ＿ｐａｒｔｉａｌ}を重力場軸に沿った

の射影と結合して、加速度計測定値に関連付けられた観測不可能な成分を埋める。例えば、角速度推定器１２０は、ω_{ａ＿ｐａｒｔｉａｌ}を

の射影と結合して、加速度計測定値に関連付けられた観測不可能な成分を埋める。例えば、ω_{ａ＿ｆｉｌｌ}を、重力場軸に射影されることで、加速度計測定値に関連付けられた観測不可能な成分を埋める

の射影とする。射影のスケール係数は、

のドット積である。ワールド座標での重力場推定値の方向は、単位長に正規化されたＡである。したがって、一実施形態では、

である。

角速度推定器１２０は、ω_{ａ＿ｆｉｌｌ}を特定すると、以下に示されるように、角速度推定値１２２の加速度計成分ω_{ａ＿ｆｕｌｌ}を特定する。
ω_{ａ＿ｆｕｌｌ}＝ω_{ａ＿ｐａｒｔｉａｌ}＋ω_{ａ＿ｆｉｌｌ}

一実施形態では、角速度推定器１２０は、ω_{ｍ＿ｆｕｌｌ}及びω_{ａ＿ｆｕｌｌ}を特定する。次に、角速度推定器１２０は、ω_{ｍ＿ｆｕｌｌ}及びω_{ａ＿ｆｕｌｌ}を使用して、ω_ｅｓｔとして定義される角速度推定値１２２を特定する。更なる実施形態では、角速度推定器１２０は、重みを使用して、角速度推定値１２２を特定することもできる。角速度推定器１２０は、角速度推定値１２２を特定する間、ω_{ｍ＿ｆｕｌｌ}又はω_{ａ＿ｆｕｌｌ}により依存するか否かを判断する場合に重みを使用する。例えば、一例では、磁力計場測定値に関連付けられたノイズは、加速度計場測定値に関連付けられたノイズよりも低いことがある。この場合、角速度推定器１２０は、ω_{ａ＿ｆｕｌｌ}よりもω_{ｍ＿ｆｕｌｌ}により大きく依存し、角速度推定値１２２を特定する。他方、磁力計場測定値に関連付けられたノイズが、加速度計場測定値に関連付けられたノイズよりも高いことがある場合、角速度推定器１２０はω_{ｍ＿ｆｕｌｌ}よりもω_{ａ＿ｆｕｌｌ}に大きく依存し、角速度推定値１２２を特定する。したがって、角速度推定値１２２は、ω_{ｍ＿ｆｕｌｌ}とω_{ａ＿ｆｕｌｌ}との加重和になり、ここで、重みは、現在の測定サンプルのＡ及びＨ推定値の信頼性を決める。以下は、加重角速度推定値１２２であるω_ｅｓｔの一例であり、

式中、ｋ_ｈ及びｋ_Ａは、ω_{ｍ＿ｆｕｌｌ}及びω_{ａ＿ｆｕｌｌ}にそれぞれ適用される重み係数である。

一実施形態では、ｋ_ｈ及びｋ_Ａは、磁力計１０８及び加速度計１０６にそれぞれ関連付けられたセンサノイズ及び異常検出に基づき得る。

一実施形態では、ｋ_ｈは以下のように特定し得、
Ｋｈ＝σ_ｍｆ＊ｑｍｅｔ
式中、σ_ｍｆは、融像角ノイズ（fusion angle noise）への磁気的寄与であり、ｑｍｅｔは、磁力計１０８に関連付けられた較正品質の現在推定値である。一実施形態では、ｑｍｅｔ≧３０である。

一実施形態では、ｋ_Ａは以下のように特定し得、
Ｋｈ＝σ_ａｆ＊Ａｍｅｔ
式中、σ_ａｆは、融像角ノイズへの加速度寄与であり、Ａｍｅｔ＝１／（ａｂｓ（１−ｍａｇ（Ａ））であり、ここで、Ａ成分はｇ（ｓ）単位で測定される。一実施形態では、Ａｍｅｔ＜３０である。

一実施形態では、σ_ａｆ及びσ_ｍｆは、加速度計１０６及び磁力計１０８のそれぞれのノイズ標準偏差をとり、ノイズ標準偏差を、加速度計１０６及び磁力計１０８に関連付けられた公称場強度（nominal field strength）で除算することにより、推定し得る。一実施形態では、公称場強度は、加速度計１０６では（地球上での重力について）１ｇであり得、磁力計１０８では４００ミリガウス（地球の磁場の推定値である）であり得る。ノイズ成分σ_ａ及びσ_ｍが参照重力及び磁場に直交する場合、参照重力及び磁場に直交するノイズのセンササンプルノイズから角度ノイズへの変換により、逆正接の角度（サンプルノイズ／公称場強度）が得られる。この変換は、小さな角度の場合のサンプルノイズ／公称場強度に対処する。

例えば、ニューヨーク州IthacaのKionix, Inc.によって製造されるKionix KXCJ9加速度計のセンサノイズ値は、１５０マイクロｇ／ｓｑｒｔ（Ｈｚ）である。したがって、１００Ｈｚにおいて、センサノイズは１．５ミリｇである。これらの値を上記方程式に適用すると、σ_ａ＝１．５／１０００＝０．００１５ラジアン又は約０．０８６度である。

別の例では、日本国のAichi Micro Intelligent Corporation製のAichi AMI307等の磁力計のノイズ値は、０．６ミリガウスである。この値を上記方程式に適用すると、σ_ｍｆ＝０．６／４００＝０．００１５ラジアン又は約０．０８６度である。

一実施形態では、磁力計１０８のσ_ｍｆを特定するために他の推定値を使用し得る。例えば、磁力計１０８のノイズ値（４００ミリガウス等）を使用する代わりに、磁場強度の推定値が高信頼性のものである場合、磁場強度の推定値を使用し得る。例えば、推定値は、磁力計１０８の較正が高度に収束した場合、高信頼性のものであり得る。一実施形態では、高信頼性のものである磁場強度の推定値を使用することにより、地球上の異なる場所で異なり、潜在的により精密な重み係数を使用することに繋がり得る。

フィルタリングされた入力データを使用した角速度推定値の構築
将来の実施形態では、角速度プロセッサ１１０は、磁力計１０８及び加速度計１０６からフィルタリングされたＨ及びＡ値を受信し得る。図２は、加速度計データ及び磁力計データをフィルタリングするフィルタを示すブロック図２００である。ブロック図２００は、フィルタ２０２及びフィルタ２０４を含む。フィルタ２０２は磁力計１０８からのＨ値をフィルタリングし、フィルタ２０４は加速度計１０６からのＡ値をフィルタリングする。フィルタ２０２及び２０４は、Ｈ及びＡ値をフィルタリングすると、フィルタリングされたＨ及びＡを磁力計角速度計算器１１４、加速度計角速度計算器１１２、及び角速度計算器１１６に渡す。

一実施形態では、フィルタ（フィルタ２０２又は２０４等）は、特定の時間間隔中に収集されるデータサンプルを含むデータウィンドウであり得る。フィルタでのデータサンプルに結合、平均化等を実行して、１つのデータ点を角速度プロセッサ１１０に提供する。

一実施形態では、フィルタの長さは、推定角速度への関数として変更し得る。例えば、ノイズは、より遅い移動の上部でより目立つため、より遅い推定角速度計算には、より高速の推定角速度計算に使用されるフィルタよりも長いフィルタを使用し得る。更なる実施形態では、フィルタ２０２及び２０４の長さは、角速度推定値１２２が変化するにつれて動的に変更し得る。

別の実施形態では、フィルタの長さは、推定角速度への関数として変更し得る。例えば、低角速度ほど、長いフィルタを使用し得、高角速度ほど、短いフィルタを使用し得る。角速度と同様に、フィルタ２０２及び２０４の長さは、角加速度が変化するにつれて動的に変更し得る。

一実施形態では、角速度プロセッサ１１０は、固定小数点演算を使用して幾つか又は全ての計算を実行する。固定小数点演算では、固定小数点数表現が、小数点前後に固定数の桁を有する数の実数データ型であることを当業者は認識しよう。

電力を消費し得るか、又は精密な角速度推定ほど高感度ではないことがある電子装置１０２では、角速度推定値１２２は、

測定値を使用して生成し得、その場合、加速度計１０６及び磁力計１０８の場測定値は、フィルタ２０２及び２０４を使用してフィルタリングされている。

角速度推定値を特定する方法
図３は、一実施形態による角速度推定値を特定する方法３００のフローチャートである。

ステップ３０２において、磁力計に関連付けられた角速度成分が特定される。例えば、磁力計角速度計算器１１４は、単位長に正規化された初期場測定値

と終了場測定値

との外積としてω_{ｍ＿ｐａｒｔｉａｌ}を特定し、ここで、

は磁力計１０８によって提供される場測定値である。一実施形態では、初期場測定値

及び終了場測定値

は、フィルタリングされた場測定値であり得る。

ステップ３０４において、加速度計に関連付けられた角速度成分が特定される。例えば、加速度計角速度計算器１１２は、

と

との外積としてω_{ａ＿ｐａｒｔｉａｌ}を特定し、ここで、

は、単位長に正規化された、加速度計１０６によって提供される開始測定値及び終了測定値である。一実施形態では、初期場測定値

及び終了場測定値

はフィルタリングされた場測定値であり得る。

ステップ３０６において、加速度計及び磁力計に関連付けられた角速度成分からの観測不可能成分が特定される。例えば、角速度計算器１１６は、加速度計１０６及び磁力計１０８の測定値を使用して

を特定する。

を使用して、角速度推定器１２０はω_{ｍ＿ｆｉｌｌ}を特定し、これは、磁場軸に射影される磁力計場測定値に関連付けられた観測不可能な成分を埋めるための

の射影である。一実施形態では、

である。さらに、

を使用して、角速度推定器１２０はω_{ａ＿ｆｉｌｌ}を特定し、これは、重力場軸に射影される加速度計測定値に関連付けられた観測不可能な成分を埋めるための

の射影である。一実施形態では、

である。

ステップ３０８において、加速度計及び磁力計に関連付けられた角速度成分は、各観測不可能成分で補償される。例えば、角速度推定器１２０は、ω_{ｍ＿ｆｕｌｌ}＝ω_{ｍ＿ｐａｒｔｉａｌ}＋ω_{ｍ＿ｆｉｌｌ}として角速度の磁力計推定値を特定する。さらに、角速度推定器１２０は、ω_{ａ＿ｐａｒｔｉａｌ}＋ω_{ａ＿ｆｉｌｌ}として角速度ω_{ａ＿ｆｕｌｌ}の加速度計推定値を特定する。

ステップ３１０において、角速度推定値が特定される。例えば、角速度推定値１２２であるω_ｅｓｔは、ω_{ｍ＿ｆｕｌｌ}とω_{ａ＿ｆｕｌｌ}の加重和であり得る。別の実施形態では、重みは、現在の測定サンプルのＡ及びＨ推定値の信頼性に基づき得る。

高速移動中の物理的ジャイロスコープの較正
一実施形態では、角速度推定器１２０を使用して、物理的レートジャイロスコープを較正し得る。物理的レートジャイロスコープは、バイアスオフセット及び感度に関して較正し得る。バイアスオフセットは、物理的レートジャイロスコープが回転を受けていない場合、物理的レートジャイロスコープが角速度を出力するオフセットであり得る。感度は、ジャイロスコープが角速度変化を検出する感度の尺度であり得る。

図４は、一実施形態による、推定角速度を使用してジャイロスコープを較正するジャイロスコープ較正モジュールのブロック図４００である。

一実施形態では、ジャイロスコープ較正モジュール４０２は、較正済みジャイロスコープの感度４０６を特定する。較正済みジャイロスコープの感度４０６を特定するために、ジャイロスコープ較正モジュール４０２は、角速度推定値１２２及び角速度４０４を受信し、ここで、角速度４０４はジャイロスコープによって生成される。ジャイロスコープ較正モジュール４０２は、角速度推定値１２２を角速度４０４で除算することによって感度４０６を特定する。

別の実施形態では、ジャイロスコープ較正モジュール４０２は、非較正ジャイロスコープの感度４０６及びバイアスオフセット４０８を特定する。一実施形態では、物理的レートジャイロスコープが較正されない場合、物理的レートジャイロスコープによって示される角速度は、アフィン関数推定
ω_ｍａ＝Ｓ（ω_{ｐｈｙｓｉｃａｌ}−ｂｉａｓ_{ｐｈｙｓｉｃａｌ}）
によって角速度推定値１２２に関連し、式中、Ｓはジャイロスコープの感度４０６として定義され、ｂｉａｓ_{ｐｈｙｓｉｃａｌ}はバイアスオフセット４０８であり、ω_ｍａは角速度推定値１２２であり、ω_{ｐｈｙｓｉｃａｌ}は角速度４０４である。一実施形態では、Ｓ及びｂｉａｓ_{ｐｈｙｓｉｃａｌ}は、角速度推定値１２２によって生成されるデータ点及び物理的レートジャイロスコープによって生成される角速度４０４に対して線形回帰を実行することによって導出し得る。

磁気異常の検出
一実施形態では、線形加速度又は磁気異常がない場合、ω_{ｍ＿ｐａｒｔｉａｌ}、ω_{ａ＿ｐａｒｔｉａｌ}、及び

は、互いに一致を示し得る。しかし、ω_{ｍ＿ｐａｒｔｉａｌ}及びω_{ａ＿ｐａｒｔｉａｌ}は、線形加速度又は磁気異常のいずれかがある場合、異なり得る。

一実施形態では、線形加速は単純な計量を使用して検出し得る。例えば、加速度計によって測定される加速度ベクトルの大きさが、長期平均（地球上では通常、重力のみに起因して９．８１ｍ／ｓ^２である）から変動する場合、線形加速は加速度ベクトルに寄与する。大きさの差が大きいほど、より多くの線形加速が存在する。しかし、ω_{ｍ＿ｐａｒｔｉａｌ}及びω_{ａ＿ｐａｒｔｉａｌ}が、線形加速がない場合でずれる場合、ずれは磁気異常を原因とし得る。異常検出では、角速度推定器１２０に、角速度推定値１２２の計算中、より小さな重みｋ_ｈに依存するようにさせ得る。

角速度推定値を特定するソースコード
図５Ａ及び図５Ｂは、上述した実施形態により角速度推定値を特定するソースコードのダイアグラム５００Ａ及び５００Ｂである。図５では、「ｗ＿ｆｒｏｍ＿ａｃｃｅｌ＿ｍａｇ」関数は、磁力計１０８及び加速度計１０６からのＨ及びＡ場測定値を受信し、角速度推定値１２２を特定する。

集積回路を使用しての角速度推定値の特定
図６は、実施形態を実施し得る、専用プロセッサを有する電子装置のブロック図６００である。

一実施形態では、電子装置１０２は、ＨＵＢプロセッサ６０２を含み得る。ＨＵＢプロセッサ６０２は、専用集積回路と、内部メモリ６０４とを含む電子装置１０２内のマイクロプロセッサである。内部メモリ６０４は、図７において詳細に説明するメモリのうちの１つであり得る。ＨＵＢプロセッサ６０２内の集積回路は、内部メモリ６０４に記憶された命令を実行する。例えば、内部メモリ６０４は、上述したように、角速度推定値１２２を生成する命令を記憶し得る。

一実施形態では、ＨＵＢプロセッサ６０２は、角速度推定器集積回路６０６を含む。角速度推定器集積回路６０６は、ハードウェア内の角速度プロセッサ１１０の機能を実行するハードウェア回路である。

例えば、加速度計１０６及び磁力計１０８は、ＨＵＢプロセッサ６０２に接続し得る。加速度計１０６及び磁力計１０８は、場測定値をＨＵＢプロセッサ６０２に送信する。一実施形態では、加速度計１０６及び磁力計１０８によって生成される場測定値がＨＵＢプロセッサによって受信される前、場測定値はアナログ／デジタル変換器（図示せず）を通過する。アナログ／デジタル変換器は、場測定値をアナログ形態からデジタル形態に変換する。

ＨＵＢプロセッサ６０２は、場測定値を角速度推定器集積回路６０６に転送する。角速度推定器集積回路６０６は、角速度推定値１２２の生成に特化した回路であり、角速度推定器集積回路６０６を使用して角速度推定値１２２を生成する電力及び処理時間は、電子装置１０２で実行中の別のプロセッサのものよりも優れ得る。

角速度推定器集積回路６０６は、場測定値を受信する場合、内部メモリ６０４から場測定値を処理する命令を検索し、検索された命令に従って場測定値を処理する。完了すると、角速度推定器集積回路６０６は角速度推定値１２２を生成し、これは次に、電子装置１０２上のアプリケーション１０４に渡される。

一実施形態では、図７において以下に詳細に説明されるプロセッサ等の他のプロセッサも電子装置１０２に含まれる。

計算環境
様々な実施形態は、例えば、図７に示されるコンピュータシステム７００等の１つ又は複数の周知のコンピュータシステムを使用して実施することができる。コンピュータシステム７００は、少数の例を挙げれば、International Business Machines、Apple、Sun、ＨＰ、Dell、Sony、Toshibaから入手可能なコンピュータ等の、本明細書に記載される機能を実行することが可能な任意の周知のコンピュータであることができる。

コンピュータシステム７００は、プロセッサ７０４等の１つ又は複数のプロセッサ（中央演算処理装置又はＣＰＵとも呼ばれる）を含む。プロセッサ７０４は、通信基盤又はバス７０６に接続される。一実施形態では、プロセッサ７０４はグラフィックス処理ユニット（ＧＰＵ）であり得る。ＧＰＵは、電子装置上の数学集約的アプリケーションを高速処理するように設計された専用電子回路であるプロセッサである。ＧＰＵは、コンピュータグラフィックスアプリケーション、イメージ、及びビデオに一般的な数学集約的データ等の大きなデータブロックの並列処理に効率的な高並列構造を有する。

コンピュータシステム７００は、ユーザ入／出力インタフェース７０２を通して通信基盤７０６と通信する、モニタ、キーボード、ポインティングデバイス等のユーザ入／出力装置７０３も含む。

コンピュータシステム７００は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）等のメイン又はプライマリメモリ７０８も含む。メインメモリ７０８は、１つ又は複数のレベルのキャッシュを含み得る。メインメモリ７０８は、制御論理（すなわち、コンピュータソフトウェア）及び／又はデータを内部に記憶する。

コンピュータシステム７００は、１つ又は複数の補助記憶装置又はセカンダリメモリ７１０を含むこともできる。セカンダリメモリ７１０は、例えば、ハードディスクドライブ７１２及び／又はリムーバブル記憶装置又はドライブ７１４を含み得る。リムーバブル記憶ドライブ７１４は、フロッピーディスクドライブ、磁気テープドライブ、コンパクトディスクドライブ、光学記憶装置、テープバックアップ装置、及び／又は任意の他の記憶装置／ドライブであり得る。

リムーバブル記憶ドライブ７１４は、リムーバブル記憶ユニット７１８と対話し得る。リムーバブル記憶ユニット７１８は、コンピュータソフトウェア（制御論理）及び／又はデータを記憶したコンピュータ使用可能又は可読記憶装置を含む。リムーバブル記憶ユニット７１８は、フロッピーディスク、磁気テープ、コンパクトディスク、ＤＶＤ、光学記憶ディスク、又は任意の他のコンピュータデータ記憶装置であり得る。リムーバブル記憶ドライブ７１４は、周知の方法でリムーバブル記憶ユニット７１８の読み出し及び／又は書き込みを実行する。

例示的な実施形態によれば、セカンダリメモリ７１０は、コンピュータプログラム及び／又は他の命令及び／又はデータをコンピュータシステム７００によってアクセスできるようにする他の手段、命令、又は手法を含み得る。そのような手段、命令、又は手法としては、例えば、リムーバブル記憶ユニット７２２及びインタフェース７２０を挙げることができる。リムーバブル記憶ユニット７２２及びインタフェース７２０の例としては、プログラムカートリッジ及びカートリッジインタフェース（ビデオゲーム装置に見られるような）、リムーバブルメモリチップ（ＥＰＲＯＭ又はＰＲＯＭ等）及び関連付けられたソケット、メモリスティック及びＵＳＢポート、メモリカード及び関連付けられたメモリカードスロット、及び／又は任意の他のリムーバブル記憶ユニット及び関連付けられたインタフェースを挙げることができる。

コンピュータシステム７００は更に、通信又はネットワークインタフェース７２４を含み得る。通信インタフェース７２４は、コンピュータシステム７００が、リモート装置、リモートネットワーク、リモートエンティティ等の任意の組み合わせと通信し対話できるようにする（個々に、及び参照符号７２８で参照されるように集合的に）。例えば、通信インタフェース７２４は、コンピュータシステム７００が通信路７２６を介してリモート装置７２８と通信できるようにし得、通信路７２６は有線及び／又は無線であり得、ＬＡＮ、ＷＡＮ、インターネット等の任意の組み合わせを含み得る。制御論理及び／又はデータは、通信路７２６を介してコンピュータシステム７００と送受信し得る。

一実施形態では、制御論理（ソフトウェア）を記憶した有形コンピュータ使用可能又は可読媒体を含む有形装置又は製品は、本明細書では、コンピュータプログラム製品又はプログラム記憶装置とも呼ばれる。これは、コンピュータシステム７００、メインメモリ７０８、セカンダリメモリ７１０、及びリムーバブル記憶ユニット７１８及び７２２、並びに上記の任意の組み合わせを具現する有形製品を含むが、これらに限定されない。そのような制御論理は、１つ又は複数のデータ処理装置（コンピュータシステム７００等）によって実行されると、そのようなデータ処理装置を本明細書に記載のように動作させる。

本開示に含まれる教示に基づいて、図７に示される以外のデータ処理装置、コンピュータシステム、及び／又はコンピュータアーキテクチャを使用して実施形態を製作し使用する方法が当業者には理解されよう。特に、実施形態は、本明細書に記載される以外のソフトウェア、ハードウェア、及び／又はオペレーティングシステム実装形態を用いて動作することもできる。

まとめ
概要及び要約書セクション（もしあれば）ではなく詳細な説明のセクションが、特許請求の範囲の解釈に使用されることが意図されることを理解されたい。概要及び要約書セクション（もしあれば）は、本発明者によって意図される１つ又は複数であるが、全てではない例示的な実施形態を記載し得、したがって、実施形態又は添付の特許請求の範囲を限定することを決して意図しない。

実施形態を例示的な分野及び用途での例示的な実施形態を参照して本明細書に説明したが、主題がそれに限定されないことを理解されたい。他の実施形態及び変更形態も可能であり、主題の範囲及び趣旨内にある。例えば、この段落の一般性を限定することなく、実施形態は、図に示され、且つ／又は本明細書に記載されるソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、及び／又はエンティティに限定されない。さらに、実施形態は（本明細書に明示的に説明されるか否かに関係なく）、本明細書に記載される例を超える分野及び用途への大きな有用性を有する。

実施形態は、指定された機能の実施及びその関係を示す機能構築図を使用して本明細書に記載されている。これらの機能構築ブロックの境界は、本明細書では、説明の便宜のために任意に定義されている。指定された機能及び関係（又はその均等物）が適宜実行される限り、代替の境界を定義することもできる。また、代替の実施形態は、本明細書に記載される順序とは異なる順序を使用して機能ブロック、ステップ、動作、方法等を実行し得る。

本明細書での「一実施形態」、「実施形態」、「実施形態例」、又は同様の語句への言及は、記載される実施形態が特定の特徴、構造、又は特性を含み得るが、あらゆる実施形態が必ずしもその特定の特徴、構造、又は特性を含まなくともよいことを示す。さらに、そのような語句は必ずしも同じ実施形態を指すわけではない。さらに、特定の特徴、構造、又は特性が一実施形態に関連して説明される場合、本明細書に明示的に記載されるか否かに関係なく、そのような特徴、構造、又は特徴を他の実施形態に組み込むことは当業者の知識内である。

実施形態の広がり及び範囲は、上述した例示的な実施形態のいずれによっても限定されるべきではなく、以下の特許請求の範囲及びそれらの均等物に従ってのみ規定されるべきである。

Claims (23)

1. メモリに記憶され、プロセッサで実行され、前記プロセッサに、
   磁力計によって提供される場測定値から第１の角速度成分を特定することと、
   加速度計によって提供される場測定値から第２の角速度成分を特定することと、
   前記磁力計及び加速度計によって提供される前記場測定値から、第３の角速度成分を特定することであって、前記第３の角速度成分は、前記第１の角速度成分及び前記第２の角速度成分に含まれない、第３の角速度成分を特定することと、
   第１の軸を中心とした前記第３の角速度成分の射影を用いて、前記第１の角速度成分を補償することと、
   第２の軸を中心とした前記第３の角速度成分の射影を用いて、前記第２の角速度成分を補償することと、
   前記補償された第１の角速度成分及び前記補償された第２の角速度成分を使用して、角速度推定値を生成することと、
   を実行させる角速度プロセッサを含むシステム。
2. 前記角速度プロセッサは更に、前記プロセッサに、前記第１及び第２の角速度成分に関連付けられた重みを使用して、前記角速度推定値を生成させる、請求項１に記載のシステム。
3. 前記重みは融像角ノイズに基づく、請求項２に記載のシステム。
4. 前記重みは、前記磁力計に関連付けられた較正に基づく、請求項２に記載のシステム。
5. 前記角速度プロセッサは更に、前記プロセッサに、前記磁力計の場測定値の外積を使用して前記第１の角速度成分を特定させ、前記場測定値は単位長に正規化される、請求項１に記載のシステム。
6. 前記角速度プロセッサは更に、前記プロセッサに、前記加速度計の場測定値の外積を使用して前記第２の角速度成分を特定させ、前記場測定値は単位長に正規化される、請求項１に記載のシステム。
7. 前記角速度プロセッサは更に、前記プロセッサに、前記磁力計及び加速度計の場測定値を含む回転行列を使用して、前記第３の角速度成分を特定させる、請求項１に記載のシステム。
8. 前記角速度プロセッサは更に、前記プロセッサに、前記第３の角速度と、単位長に正規化された前記磁力計の場測定値とのドット積を使用して、前記第１の軸を中心とした前記第３の角速度成分の前記射影を計算させる、請求項１に記載のシステム。
9. 前記第１の軸は、磁場の方向における軸である、請求項８に記載のシステム。
10. 前記角速度プロセッサは更に、前記プロセッサに、前記第３の角速度と、単位長に正規化された前記加速度計の場測定値とのドット積を使用して、前記第２の軸を中心とした前記第３の角速度成分の前記射影を計算させる、請求項１に記載のシステム。
11. 前記第２の軸は、重力場の方向にある、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記角速度プロセッサは、前記プロセッサに、フィルタリングされた場測定値を使用して前記第１及び第２の角速度成分を特定させる、請求項１に記載のシステム。
13. 前記メモリに記憶され、前記プロセッサで実行され、前記プロセッサに、前記推定される角速度に関連付けられた関数に基づいて、前記磁力計によって提供される場測定値をフィルタリングさせるフィルタを更に含む、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記メモリに記憶され、前記プロセッサで実行され、前記プロセッサに、前記推定される角速度に関連付けられた関数に基づいて、前記加速度計によって提供される場測定値をフィルタリングさせるフィルタを更に含む、請求項１２に記載のシステム。
15. 前記メモリに記憶され、前記プロセッサで実行され、前記プロセッサに、推定される角加速度に関連付けられた関数に基づいて、前記磁力計によって提供される場測定値をフィルタリングさせるフィルタを更に含む、請求項１２に記載のシステム。
16. 前記メモリに記憶され、前記プロセッサで実行され、前記プロセッサに、推定される角加速度に関連付けられた関数に基づいて、前記加速度計によって提供される場測定値をフィルタリングさせるフィルタを更に含む、請求項１２に記載のシステム。
17. 前記メモリに記憶され、前記プロセッサで実行され、前記プロセッサに、
    バイアス較正されたジャイロスコープの感度を、前記角速度推定値と、前記較正されたジャイロスコープを使用して生成される角速度とを使用して特定させるジャイロスコープ較正モジュールを更に含む、請求項１に記載のシステム。
18. 前記メモリに記憶され、前記プロセッサで実行され、前記プロセッサに、
    較正されていないジャイロスコープの感度及びバイアスオフセットを、前記角速度推定値と、前記較正されていないジャイロスコープ及び線形回帰を使用して生成される角速度とを使用して特定させるジャイロスコープ較正モジュールを更に含む、請求項１に記載のシステム。
19. メモリに記憶され、プロセッサで実行され、前記プロセッサに、加速度計に関連付けられた第１の場測定値をフィルタリングさせる第１のフィルタと、
    メモリに記憶され、プロセッサで実行され、前記プロセッサに、磁力計に関連付けられた第１の場測定値をフィルタリングさせる第２のフィルタと、
    メモリに記憶され、プロセッサで実行され、前記プロセッサに、
    前記加速度計によって提供される第１のフィルタリング済み場測定値を受信することと、
    前記磁力計によって提供される第２のフィルタリング済み場測定値を受信することと、
    回転行列を使用し、前記第１及び第２の場測定値を使用して、角速度推定値を生成することと、
    を実行させる、角速度プロセッサと、
    を含む、システム。
20. 前記第１のフィルタは更に、前記プロセッサに、前記推定角速度に関連付けられた関数に基づいて、前記加速度計によって提供される場測定値をフィルタリングさせる、請求項１９に記載のシステム。
21. 前記第２のフィルタは、前記プロセッサに、前記推定角速度に関連付けられた関数に基づいて、前記磁力計によって提供される場測定値をフィルタリングさせる、請求項１９に記載のシステム。
22. 前記第１のフィルタは更に、前記プロセッサに、推定角加速度に関連付けられた関数に基づいて、前記加速度計によって提供される場測定値をフィルタリングさせる、請求項１９に記載のシステム。
23. 前記第２のフィルタは、前記プロセッサに、推定角加速度に関連付けられた関数に基づいて、前記磁力計によって提供される場測定値をフィルタリングさせる、請求項１９に記載のシステム。

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