JP2020510836A - 空間的な向きの決定 - Google Patents

Abstract

物体の空間的な向きを決定するための方法が、第１のセンサにより、物体の回転速度を捕捉するステップと、捕捉された回転速度および空間的な向きの初期値に基づいて、物体の空間的な向きの推計値を決定するステップと、第２のセンサにより、物体に作用している加速度ａｍｅａｓを捕捉するステップと、捕捉された回転速度および回転運動の回転軸から第２のセンサまでの所与の間隔に基づいて、捕捉された加速度ａｍｅａｓのうち回転運動によって引き起こされた加速度成分を決定するステップと、捕捉された加速度ａｍｅａｓのうち地球の引力によって引き起こされた加速度成分ａｇｒａｖを決定するステップと、地球の引力によって引き起こされた加速度成分ａｇｒａｖを考慮して、空間的な向きの推計値を修正するステップとを含んでいる。

Description

本発明は空間的な向きの決定に関する。とりわけ、本発明はユーザの頭に取り付けたＶＲ機器（ＶＲ：仮想現実；バーチャルリアリティー）の空間的な向きの決定に関する。

仮想状況を提示するために、仮想状況に可能な限り整合的に合致している感覚刺激がユーザに提示される。このために、ユーザの頭に取り付ける視覚的または聴覚的なＶＲ機器（「ヘッドセット」）を用いることができ、このＶＲ機器は、例えば視覚的な表示機構および／または聴覚的な出力機構を含んでいる。

米国意匠特許発明第７０１２０６号明細書は、このようなＶＲ機器を示している。ユーザが頭を動かすと、表示機構によってユーザに示される仮想状況へのユーザの視点が、ユーザの頭の動きに従わなければならない。このためには、空間におけるＶＲ機器の空間的な向きを可能な限り速くかつ正確に決定しなければならない。通常はこのためにジャイロスコープを使用し、ジャイロスコープは１つまたは複数の軸周りの回転率を測定する。向きは、経過した時間分の回転率の積分によって決定することができる。

ただし、とりわけ安価なジャイロスコープの測定はある程度の不精確さを免れない。不精確さまたはエラーを補正するために、基準として、加速度計により重力加速度の方向を決定することができる。加速度計は通常、正確に頭の回転軸上にあるわけではないので、例えば、実際に上下軸周りの回転だけが生じる場合に、縦軸周りの頭の回転を決定することができる。

米国意匠特許発明第７０１２０６号明細書

本発明の基礎となる課題は、ＶＲ機器の空間的な向きを決定するためのより良い技術を示すことにある。

物体の空間的な向きを決定するための方法は、第１のセンサにより、物体の回転速度を捕捉するステップと、捕捉された回転速度および空間的な向きの初期値に基づいて、物体の空間的な向きの推計値を決定するステップと、第２のセンサにより、物体に作用している加速度ａ_ｍｅａｓを捕捉するステップと、捕捉された回転速度および回転運動の回転軸から第２のセンサまでの所与の間隔に基づいて、捕捉された加速度ａ_ｍｅａｓのうち回転運動によって引き起こされた加速度成分を決定するステップと、捕捉された加速度ａ_ｍｅａｓのうち地球の引力によって引き起こされた加速度成分ａ_ｇｒａｖを決定するステップと、地球の引力によって引き起こされた加速度成分ａ_ｇｒａｖを考慮して、空間的な向きの推計値を修正するステップとを含んでいる。

上述の方法により、とりわけ、第１のセンサの長期ドリフトまたは測定エラーをより良好に補正することができる。これにより、空間における空間的な向きを迅速かつ正確に決定することができる。加速度測定値を平滑化するためのローパスフィルタの使用は回避できる。これにより、この方法で決定される空間的な向きは、より短いレイテンシタイムで提供することができる。この方法は、とりわけＶＲ機器での使用に適しており、ＶＲ機器は、説得力のあるＶＲ効果をもたらすため、回転する向きについてのローレイテンシで正確な情報を必要とする。

この方法の各々の実行の際に、その前の実行の物体の空間的な向きの修正された推計値は、空間的な向きの初期値と見なされることにより、この方法が反復実行されることが好ましい。ＶＲ機器との関連で使用する場合、この方法を例えば数千Ｈｚの周波数で実施することができる。決定された向きを１つ後の実行の向き決定にフィードバックすることにより、全体として、決定される向きの精度を改善することができる。

空間的な向きの推計値の決定は、経過した時間分の捕捉された回転速度の積分を含むことができる。とりわけ数値積分が好ましい。これは、この方法を同じ時間間隔で反復実行する場合に特に効率的に実装することができる。

並進成分は、センサが回転軸の周りに描き得る円軌道に関連している。一実施形態では、並進成分が向心加速度を含んでいる。並進成分は接線加速度も含み得る。回転運動によって引き起こされた加速度成分の決定の範囲内で、少なくとも１つの接線加速度成分ａ_ｔａｎおよび少なくとも１つの向心加速度成分ａ_ｃｅｎｔを確定することができる。接線加速度は、とりわけ回転運動の始めと終わりに発生し得る。向心加速度は、とりわけ回転運動中に作用し得る。向心加速度の数値は回転軸周りの回転の角速度に、ならびに向心加速度の方向は回転軸および回転角に左右され得る。

地球の引力によって引き起こされた加速度成分ａ_ｇｒａｖの決定の範囲内で、地球の引力の方向を確定することができる。空間的な向きの推計値の修正の際に、加速度成分ａ_ｇｒａｖの方向を考慮することができる。

コンピュータプログラム製品が、処理機構上で動作するかまたはコンピュータが読み取り可能なデータ媒体上に記憶されている場合、コンピュータプログラム製品は、上述の方法を実施するためのプログラムコード手段を含んでいる。

この方法の一部を、とりわけ、プログラミング可能なマイクロコンピュータまたはマイクロコントローラを含み得る処理機構によって実施することができる。この方法、コンピュータプログラム製品、およびこのような処理機構を備えた装置、ならびにこの装置を含むシステムの利点または特徴は、それぞれほかの対象の１つと相応に関連させることができる。

物体の空間的な向きを決定するための装置は、物体の回転速度を捕捉するための第１のセンサと、物体に作用する加速度ａ_ｍｅａｓを捕捉するための第２のセンサと、処理機構とを含んでいる。処理機構は、物体の空間的な向きの推計値を、捕捉された回転速度および空間的な向きの初期値に基づいて決定すること、捕捉された加速度ａ_ｍｅａｓのうち回転運動によって引き起こされた加速度成分を、回転運動の回転軸から第２のセンサまでの所与の間隔に基づいて決定すること、捕捉された加速度ａ_ｍｅａｓのうち地球の引力によって引き起こされた加速度成分ａ_ｇｒａｖを決定すること、ならびに空間的な向きの推計値を、地球の引力によって引き起こされた加速度成分ａ_ｇｒａｖを考慮して修正することのために設けられている。

この装置は、任意の対象の空間的な向きを決定するために全般的に用いることができる。例示的な対象は、例えば工具、とりわけ電気工具、自動車、またはモバイルコンピュータを含む。言及したように処理機構は、上述の方法の少なくとも一部を実施するために設けられることが好ましい。

さらに好ましいのは、微小機械システムのセンサの１つが含まれることである。微小機械システム（微小電気機械システムまたはマイクロマシンも）は、通常は半導体技術において形成され、通常はマイクロメートル範囲内の非常に小さな寸法のコンポーネントを使用している。通常、このようなセンサは、可動に吊るされた微小機械的試験質量と、試験質量の運動を検知するためのセンサと、決定された運動に基づいて所望の大きさを決定するための評価回路とを含んでいる。このようなセンサは安価であり得る。このようなセンサの測定の不精確さまたは長期ドリフトを、上述の処理によってより良好に補正することができる。

第１のセンサは、１軸の、２軸の、または３軸の微小機械ジャイロセンサであることができる。第２のセンサは、１軸の、２軸の、または３軸の微小機械加速度センサであることができる。

ＶＲ機器は、ユーザの頭に固定するための固定機構ならびに視覚的または聴覚的な出力装置および上述の装置を含んでいる。これにより、視覚的または聴覚的な出力装置による刺激をある特定の空間的な向きに適合させることを、より良好に実施することができる。これによりユーザには、提示される情報のよりリアルな印象をもたらすことができる。

さらに好ましい一実施形態では、固定機構が調節可能であり、かつ検知機構が、固定機構の調節状態に基づいて、回転軸から第２のセンサまでの間隔を決定するために設けられている。これにより、異なるユーザの異なる頭の大きさにこの方法をより自動的に適合させることができる。これにより、決定される空間的な向きの精度を高めることができる。

ここからは添付の図を参照しながら本発明をより正確に説明する。

ユーザの頭に固定するためのＶＲ機器を示す図である。 回転速度に基づいて作用する並進加速度の概略図である。 空間的な向きを決定するための方法のフロー図である。

図１は、固定機構１０５によりユーザ１１０の頭に取り付けられているＶＲ機器１００を示している。このＶＲ機器は、視覚的な出力機構１１５および／または聴覚的な出力機構１２０を含むことが好ましい。出力機構１１５、１２０によりユーザ１１０に、作り出された、つまり仮想の現実の印象を与える刺激を提示することができる。このため、ユーザ１１０の頭の空間的な向きに応じて刺激を制御しなければならない。

このためにＶＲ機器１００には装置１２５が設けられており、装置１２５は、回転速度を決定するための第１のセンサ１３０および加速度を決定するための第２のセンサ１３５を有することが好ましい。これに加えて処理機構１４０および好ましくは決定された空間的な向きを提供するためのインターフェイス１４５が設けられている。一方または両方のセンサ１３０、１３５は、とりわけ微小機械センサとして実施することができる。図示した実施形態では、両方のセンサ１３０、１３５が例示的に相互に統合されて実施されている。ＶＲ機器１００または装置１２５の空間的な向きの最初の近似は、第１のセンサ１３０だけに基づいて決定することができる。ただし第１のセンサ１３０は、加速度、つまり空間的な向きの変化だけを測定するので、初期化を行わなければならない。この初期化は、例えば重力加速度の方向に対して行うことができ、重力加速度の方向は、装置１２５が静止していれば、第２のセンサ１３５によって決定することができる。重力加速度の方向による調整は、第１のセンサ１３０の測定エラーまたは長期ドリフトを補正するためにも使用できる。

しかしながらユーザ１１０がその頭を例えば上下軸１５０の周りで回転させると、第２のセンサ１３５に、重力加速度の方向の決定を一時的に歪曲する力が作用し得る。この歪曲を補正することを提案する。これには、第２のセンサ１３５と回転軸１５０との間隔１５５を知ることが有益であり得る。一実施形態では、この間隔１５５を推計または固定的に設定することができる。別の一実施形態では、ユーザ１１０が間隔１５５を自分で設定することができる。図示した好ましい実施形態では、様々なユーザ１１０の異なる大きさの頭にＶＲ機器を取り付けられるように、固定機構１０５は調節可能に実施されている。間隔１５５は、ユーザ１１０の頭の大きさの関数であることができる。検知機構１６０は、調節可能な固定機構１０５を検知して、間隔１５５の大きさに関する尺度を提供するために設けることができる。間隔１５５はその後、処理機構１４０によってさらに処理されることが好ましい。

図２は、回転加速度に基づいて図１の第２のセンサ１３５に作用する加速度の概略図を示している。図２では、上から見た、人１１０の頭およびＶＲ機器１００が示唆的に見えている。方向づけのため、３次元のデカルト座標系を示している。ｚ軸は、図平面から観察者に向かって延びており、例示的に図１の上下軸１５０と一致している。

ユーザ１１０がその頭を上下軸１５０の周りで回転させると、第２のセンサ１３５は、近似的に回転軸１５０の周りの円軌道２０５上を動く。回転速度が、例えば回転運動の最初にまたは終わり頃に変化すると、接線加速度２１０が第２のセンサ１３５に作用する。さらに、第２のセンサ１３５が円軌道２０５に沿って動いている間は、回転軸１５０に向かう向心加速度２１５が第２のセンサ１３５に作用する。ユーザ１１０の頭が回転している間は、図２でｚ方向に正反対に延びている重力加速度の方向が、接線加速度２１０または向心加速度２１５の方向に振られ得る。加速度の数値は、第２のセンサ１３５と回転軸１５０との間隔１５５および回転軸１５０の周りの回転運動または回転速度の大きさに左右される。

図３は、空間的な向きを決定するための方法３００のフロー図を示している。方法３００は、とりわけ図１の装置１２５との関連で使用することができる。その際、装置１２５は必ずしもＶＲ機器１００の一部でなくてよい。

ステップ３０５では、例えば第１のセンサ１３０により回転速度を検知する。検知された値から、ステップ３１０で第１のセンサ１３０または第１のセンサ１３０を取り巻くシステム１２５、１００の空間的な向きを決定する。このために、決定される回転速度を、とりわけ経過した時間分、積分することができる。

ステップ３０５に対して好ましくは即座にまたは同時に、ステップ３１５で例えば第２のセンサ１３５により、第２のセンサ１３５または第２のセンサ１３５を取り巻くシステム１２５、１００の加速度を決定する。第２のセンサ１３５の回転が生じていなければ、検知された加速度の方向は地球の引力の方向に一致している。しかしながら第２のセンサ１３５が回転している場合は、測定値から重力加速度の実際の方向を分離するため、並進力を決定しなければならない。

このために、好ましくはステップ３２０で並進成分、とりわけ接線加速度２１０および向心加速度２１５（図２を参照）を決定する。接線加速度は以下のように表すことができる。

式中、
ａ_ｔａｎ 接線加速度
ω 角速度
ｔ 時間
ｒ 間隔１５５
式中の添え字ｋは、方法３００の１回の実行を表している。１つ前の実行には添え字ｋ−１および１つ後の実行には添え字ｋ＋１を付ける。

これに対応して向心加速度は以下のように示すことができる。

式中、
ａ_ｃｅｎｔ 向心加速度
式１で使用している角速度の時間に関する導関数は、以下のように決定することが好ましい。

式中、
Δ ステップｋと（ｋ＋１）の間の時間間隔
並進成分２１０、２１５が分かると、その後のステップ３２５で、検知された並進加速度に基づいて重力加速度の方向を以下のように決定することができる。

式中、
ａ_ｍｅａｓ 測定された並進（直線）加速度
これで予めステップ３１０で決定した空間的な向きを、ステップ３３０で、決定した重力加速度によって修正することができる。修正された空間的な向きは、好ましくはステップ３３５で例えばインターフェイス１４５によって提供される。

前述の決定は、通常は３次元で実施される。処理は、とりわけ線形代数またはベクトルおよび行列を使って行うことができる。方法３００は、例えば妥当な費用で、プログラミング可能なマイクロコンピュータ上に実装することができる。

Claims (12)

1. 物体の空間的な向きを決定するための方法（３００）であって、
   − 第１のセンサ（１３０）により、前記物体の回転速度を捕捉するステップ（３０５）と、
   − 前記捕捉された回転速度および前記空間的な向きの初期値に基づいて、前記物体の前記空間的な向きの推計値を決定するステップ（３１０）と、
   − 第２のセンサ（１３５）により、前記物体に作用している加速度（ａ_ｍｅａｓ）を捕捉するステップ（３１５）と、
   − 前記捕捉された回転速度および回転運動の回転軸から前記第２のセンサ（１３５）までの所与の間隔（１５５）に基づいて、前記捕捉された加速度ａ_ｍｅａｓのうち前記回転運動によって引き起こされた加速度成分（ａ_ｔａｎ＋ａ_ｃｅｎｔ）を決定するステップ（３２０）と、
   − 前記捕捉された加速度（ａ_ｍｅａｓ）のうち地球の引力によって引き起こされた加速度成分（ａ_ｇｒａｖ）を決定するステップ（３２５）と、
   − 地球の引力によって引き起こされた前記加速度成分（ａ_ｇｒａｖ）を考慮して、前記空間的な向きの前記推計値を修正するステップ（３３０）と、
   を含んでいる、方法（３００）。
2. 前記方法の各々の実行の際に、その前の実行の前記物体の前記空間的な向きの前記修正された推計値（３３５）が、前記空間的な向きの初期値と見なされることにより、前記方法（３００）が反復実行される、請求項１に記載の方法（３００）。
3. 前記空間的な向きの推計値の前記決定（３１０）が、経過した時間分の前記捕捉された回転速度の積分を含んでいる、請求項１または２に記載の方法（３００）。
4. 前記回転運動によって引き起こされた前記加速度成分（ａ_ｔａｎ＋ａ_ｃｅｎｔ）の前記決定（３２０）の範囲内で、少なくとも１つの接線加速度成分（ａ_ｔａｎ）（２１０）および少なくとも１つの向心加速度成分（ａ_ｃｅｎｔ）（２１５）が確定される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法（３００）。
5. 地球の引力によって引き起こされた前記加速度成分（ａ_ｇｒａｖ）の前記決定（３２５）の範囲内で、地球の引力の方向が確定される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法（３００）。
6. 前記空間的な向きの前記推計値の前記修正（３３０）の際に、前記加速度成分（ａ_ｇｒａｖ）の方向が考慮される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. コンピュータプログラム製品が、処理機構（１４０）上で動作するかまたはコンピュータが読み取り可能なデータ媒体上に記憶されている場合の、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法（３００）を実施するためのプログラムコード手段を備えた、コンピュータプログラム製品。
8. 物体の前記空間的な向きを決定するための装置（２１５）であって、前記装置が、
   − 前記物体の前記回転速度を捕捉するための第１のセンサ（１３０）と、
   − 前記物体に作用する前記加速度（ａ_ｍｅａｓ）を捕捉するための第２のセンサ（１３５）と、
   − 処理機構（１４０）とを含んでおり、前記処理機構（１４０）が、
   − 前記物体の前記空間的な向きの推計値を、前記捕捉された回転速度および前記空間的な向きの初期値に基づいて決定すること、
   − 前記捕捉された加速度ａ_ｍｅａｓのうち前記回転運動によって引き起こされた前記加速度成分（ａ_ｔａｎ＋ａ_ｃｅｎｔ）を、前記回転運動の前記回転軸から前記第２のセンサ（１３５）までの所与の間隔（１５５）に基づいて決定すること、
   − 前記捕捉された加速度（ａ_ｍｅａｓ）のうち地球の引力によって引き起こされた前記加速度成分（ａ_ｇｒａｖ）を決定すること、
   − 前記空間的な向きの前記推計値を、地球の引力によって引き起こされた前記加速度成分（ａ_ｇｒａｖ）を考慮して修正することのために設けられている、
   装置（２１５）。
9. 前記第１のセンサ（１３０）が、１軸の、２軸の、または３軸の微小機械ジャイロセンサである、請求項８に記載の装置（２１５）。
10. 前記第２のセンサ（１３５）が、１軸の、２軸の、または３軸の微小機械加速度センサである、請求項８または９に記載の装置（２１５）。
11. ユーザ（１１０）の頭に固定するための固定機構（１０５）ならびに視覚的（１１５）または聴覚的な出力機構（１２０）および請求項８〜１０のいずれか一項に記載の装置（１２５）を含んでいる、ＶＲ機器（１００）。
12. 前記固定機構（１０５）が調節可能であり、かつ検知機構（１６０）が、前記固定機構（１０５）の調節状態に基づいて、回転軸から前記第２のセンサ（１３０）までの前記間隔を決定するために設けられている、請求項１１に記載のＶＲ機器（１００）。

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