JP3399205B2 - 積分型角度計測装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばバーチャル
リアリティー（仮想現実空間）の分野において人体の動
作回転角度を計測するため等に用いられる積分型角度計
測装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、バーチャルリアリティーを体験さ
せる装置の開発が行われており、この装置は、体験者の
人体の各部位に設置したセンサの信号に基づいて、体験
者が動かした量だけ体験者に見える体験画面を変化させ
ることにより、体験者の動きの対応させて、仮想空間を
あたかも現実の空間として体験しているかのようにする
ものである。

【０００３】上記人体の各部位に設置されるセンサのセ
ンサ素子としては、回転移動体としての人体の角速度を
検出する角速度センサが用いられる。そして、上記バー
チャルリアリティー体験装置には、前記角速度センサに
よって検知した角速度信号を積分して、人体の各部位の
回転角度を算出する積分手段が設けられており、この積
分手段によって求めた角度分だけ体験者の体験画面が変
化する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、角速度セン
サによって検知される角速度信号にはドリフト成分が含
まれており、このドリフト成分も含めて前記積分手段に
よって回転角度を求めると、この求めた算出回転角度が
実際の回転角度よりも大きくなってしまい、したがっ
て、体験者の体験画面が体験者の回転角度に対応する動
きよりも余分に動いた後に止まることになる。そうする
と、体験者の動きと体験者の体験画面との整合性が取れ
ずに、バーチャルリアリティーの実現が正確にはできな
くなってしまうといった問題があった。

【０００５】そこで、「角速度センサによって検知され
る角速度信号のドリフト成分を取り除いて信号処理でき
るようにする」といった課題が生じるが、このドリフト
成分の周波数領域と角速度信号の周波数領域が一致する
場合があり、このため、単純にドリフト成分をフィルタ
ーによって差し引こうとすると信号成分も一緒に消えて
しまうことになる。したがって、体験者の動きに対応さ
せて、体験者の動きと体験画面との整合性を取るのが困
難であった。

【０００６】なお、バーチャルリアリティーの分野とは
分野を異にする分野では、角速度信号のドリフト成分を
取り除くものも提案されており、例えば特開平４−２６
９６２２号公報のように、１つの測定に際し、音叉を有
する振動ジャイロと音叉を有しない振動ジャイロとを用
いて両者の差を取るようにしたものや、特開平５−７１
９６４号公報のように、角速度センサの他に地磁気セン
サを用意して角速度センサの信号を積分して得られる角
度信号を地磁気センサから得られる角度信号から引き算
して外乱成分を取り除くものが提案されている。

【０００７】また、特開平３−１８８３１７号公報に示
されているように、確率的に変動するドリフト成分をカ
ルマンフィルタのような非線形フィルタで予測してドリ
フト成分を除去することも提案されている。この提案に
おいても、角速度センサの他に地磁気センサを設けてそ
れらの信号と過去の推定方位から現在の方位を算出し、
カルマンフィルタ理論を用いて角速度センサの出力をオ
フセットのずれを含めた形で信頼性の判定をしているも
のである。

【０００８】このような方法をバーチャルリアリティー
の分野に取り込むことも考えられるが、上記方法はいず
れも１つの測定に関して複数のセンサを設けて信号処理
を行うものであり、装置構成および回路構成が複雑であ
るために、これらを体験者の人体の各部位の動きを体験
者の体験画面に変換するバーチャルリアリティーに適用
させると、非常に装置構成の複雑化、コストアップ等を
招く虞があった。

【０００９】特に、特開平３─１８８３１７号公報に記
載されている発明においては、カルマンフィルタでセン
サ信号から真の信号成分を推定するようにしているが、
この場合、計算量が膨大になるため、リアルタイムでセ
ンサ信号を処理する場合には、ＤＳＰやＲＩＳＣといっ
た高性能なディジタル信号処理系を用いる必要があり、
これもまたコストアップの要因になるといった問題も生
じる。

【００１０】本発明は上記課題を解決するためになされ
たものであり、その目的は、体験者等の回転移動体の回
転角度を角速度センサのドリフト成分の影響を受けずに
正確に計測することが可能であり、それにより、例えば
バーチャルリアリティーの分野に適用したときに体験者
の動きと体験画面との整合性を図れ、しかも、装置構成
が簡単でコストの安い積分型角度計測装置を提供するこ
とにある。

【００１１】上記目的を達成するために、本発明は次の
ような構成により課題を解決するための手段としてい
る。すなわち、本第１の発明は、回転移動体の角速度を
検知するセンサ素子と、該センサ素子によって検知した
角速度信号を積分して前記回転移動体の回転速度を算出
する積分手段とを備えた積分型角速度計測装置であっ
て、前記センサ素子によって検知した角速度信号を予め
定められた設定奇数階微分して角速度の微分信号を求め
る微分手段が設けられており、前記回転移動体の回転方
向に対応する正方向閾値と前記回転方向の逆方向に対応
する逆方向閾値とが予め与えられており、前記角速度の
微分信号が前記正方向閾値を越えたときに前記積分手段
による角速度信号積分動作を開始させ、この積分手段の
角速度信号積分動作開始以降に前記角速度の微分信号が
前記逆方向閾値を１回越えて再び逆方向閾値に達したと
きに前記積分手段による角速度信号積分動作を停止させ
る積分動作タイミング指令手段とが設けられていること
を特徴として構成されている。

【００１２】また、前記積分動作タイミング指令手段
は、積分手段による角速度信号積分動作の停止タイミン
グを該積分手段の角速度信号開始動作以降に角速度の微
分信号が回転移動体の逆回転方向に対応する予め定めら
れた逆方向閾値に最初に達したときとすることも上記第
１の発明の特徴的な構成とされている。

【００１３】さらに、本第２の発明は、回転移動体の角
速度を検知するセンサ素子と、該センサ素子によって検
知した角速度信号を積分して前記回転移動体の回転速度
を算出する積分手段とを備えた積分型角速度計測装置で
あって、前記センサ素子によって検知した角速度信号を
予め定められた設定偶数階微分して角速度の微分信号を
求める微分手段が設けられており、該角速度の微分信号
が前記回転移動体の回転方向に対応する動作決定用閾値
を初めて越えたときに前記積分手段による角速度信号積
分動作を開始させ、前記角速度の微分信号が前記動作決
定用閾値を予め定めた指定偶数回越えたときに前記積分
手段による角速度信号積分動作を停止させる積分動作タ
イミング指令手段とが設けられていることを特徴として
構成されている。

【００１４】さらに、前記角速度信号の立ち上がり起点
位置の信号レベルを角度算出用角速度基準値として求め
る基準値決定部が設けられ、前記積分手段は検出角速度
から前記基準値決定部で求めた角度算出用角速度基準値
を差し引いた角速度信号を積分して回転角度算出を行う
構成としたことも本第１、第２の発明の特徴的な構成と
されている。

【００１５】上記構成の本第１、第２の発明において、
センサ素子によって回転移動体の角速度が検知され、こ
の角速度信号が積分手段によって積分されて回転移動体
の回転角度が算出されるが、本第１の発明においては、
前記角速度信号が微分手段によって予め定められた設定
奇数階微分され、本第２の発明においては、前記角速度
信号が微分手段によって予め定められた設定偶数階微分
される。

【００１６】そして、本第１の発明においては、角速度
の微分信号が回転移動体の回転方向に対応する正方向閾
値を越えたときに前記積分手段による角速度信号積分動
作が開始され、その後、角速度の微分信号が回転移動体
の回転方向の逆方向に対応する逆方向閾値に初めて達し
たとき、あるいは逆方向閾値を１回越えて再び逆方向閾
値に達したときに、前記積分手段による角速度信号積分
動作が停止される。

【００１７】一方、本第２の発明においては、角速度の
微分信号が回転移動体の回転方向に対応する動作決定用
閾値を初めて越えたときに、前記積分手段による積分動
作が開始され、動作決定用閾値を予め定めた指定偶数回
越えたときに、前記積分手段による角速度信号積分動作
が停止される。

【００１８】なお、本明細書における“閾値を越える”
の表現は、閾値が正の値のときには閾値を上側に越える
ことを示し、閾値が負の値のときには閾値を下側に越え
ることを示している。また、“閾値内に入る”の表現は
正の閾値から負の閾値の範囲に入ることを示している。

【００１９】以上のように、本発明においては、角速度
信号の奇数階微分信号又は偶数階微分信号を利用して、
この微分信号が予め定められた閾値を越えたとき等に積
分手段による積分動作の開始および停止のタイミングを
図ることで、積分開始以前のドリフト成分や積分開始以
降のドリフト成分の影響を受けることなく回転移動体の
回転角度の計測が行われるようになる。しかも、前記積
分手段による積分動作の開始および停止のタイミング
は、角速度信号の微分信号を利用して行われ、その信号
処理は容易であり、かつ、１つの計測に際し複数のセン
サ素子を設ける必要もないために、装置構成や回路構成
の簡略化が図られ、上記課題が解決される。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１には、本発明に係る積分型角
度計測装置の第１の実施形態例の要部構成がブロック図
により示されている。同図に示すように、本実施形態例
の積分型角度計測装置は、角速度センサ１、アナログフ
ロントエンド回路２、Ａ／Ｄ変換部（コンバータ）３、
ＣＰＵ４、メモリ５を有して構成されており、ＣＰＵに
は、図２に示すように、初期オフセット除去手段13、積
分手段６、基準値決定部11、微分手段８、積分動作タイ
ミング指令手段９が設けられている。

【００２１】角速度センサ１は、人体の各部位等の回転
移動体の角速度を検知するセンサ素子として機能するも
のであり、角速度センサ１で検知した角速度信号は、ア
ナログフロントエンド回路２に加えられる。アナログフ
ロントエンド回路２では、Ａ／Ｄ変換部３の変換レンジ
に適合するように、角速度センサ１から加えられた角速
度信号が増幅されてＡ／Ｄ変換部３に加えられ、このア
ナログ信号がＡ／Ｄ変換部３によってディジタル変換さ
れ、この変換後の角速度信号が、図２に示すように、Ｃ
ＰＵ４に加えられる。

【００２２】初期オフセット除去手段13は、角速度セン
サ１のオフセットを求めて初期オフセットω_off として
決定し除去するものである。初期オフセット除去手段13
は、積分型角度計測装置の電源投入後、装置が安定した
ときに、角速度センサ１の出力を、角速度センサ１が静
止している状態でサンプリングし、例えばその間のセン
サ出力の平均値を求めて初期オフセットとして決定す
る。そして、初期オフセット除去手段13は、本実施形態
例では、Ａ／Ｄ変換部３側から加えられる角速度信号か
らこの初期オフセットω_off を差し引いた値ω_inを、積
分手段６、基準値決定部11、微分手段８にそれぞれ加え
る。

【００２３】微分手段８は、初期オフセット除去手段13
から加えられるオフセット除去後の角速度信号ω_inを、
予め定められた設定奇数階微分して角速度の微分信号を
求めるものであり、本実施形態例では、角速度信号を１
階微分して、例えば図３の（ｂ）に示すような角速度信
号１階微分信号を求める。この角速度信号の微分のアル
ゴリズムはメモリ５に予め与えられており、微分手段８
は、このアルゴリズムに従って角速度信号の微分を行
う。

【００２４】なお、図３の（ａ）には、回転移動体が一
定方向に回転を始めて、その後停止した場合の角速度信
号が示されており、この角速度信号から、同図の（ｂ）
に示すような角速度信号１階微分信号が得られる。

【００２５】メモリ５には、前記アルゴリズムの他に、
回転移動体（人体の各部位）の回転方向に対応する正方
向閾値ＴＨ１と、その回転方向の逆方向に対応する逆方
向閾値ＴＨ２とが予め与えられている。

【００２６】積分動作タイミング指令手段９は、積分手
段６による積分動作のタイミングを決定し、指令するも
のであり、この積分動作タイミング決定と指令動作を以
下のようにして行う。

【００２７】すなわち、微分手段８によって求められる
角速度信号１階微分信号と、メモリ５に与えられている
正方向閾値ＴＨ１および逆方向閾値ＴＨ２とを比較し、
角速度信号１階微分信号が正方向閾値ＴＨ１を越えたＡ
点のときに、積分手段６による角速度信号積分動作の開
始と決定して、積分手段６に対して積分動作開始のトリ
ガを発信し、積分手段６による角速度信号積分動作を開
始させる。そして、この積分手段６の角速度信号積分動
作開始以降に、微分手段６から加えられる角速度信号１
階微分信号が前記逆方向閾値ＴＨ２を下側に１回越えて
再び逆方向閾値ＴＨ２に達したとき、言い換えれば、図
３の（ｂ）で、角速度信号１階微分信号が、Ｂ点で逆方
向閾値ＴＨ２よりも下回り、再び逆方向閾値ＴＨ２とな
る点Ｃに達したときに、積分手段６による角速度信号積
分動作の停止と決定し、積分手段６に対して積分動作停
止のトリガを発信し、角速度信号積分動作を停止させよ
うとする。なお、回転方向が逆で、最初に逆方向閾値Ｔ
Ｈ２を越えた場合の停止のタイミングは、正方向閾値Ｔ
Ｈ１より信号が上回り再び正方向閾値ＴＨ１を下回った
時点となる。

【００２８】そうすることにより、積分手段６による角
速度信号の積分区間は、図３の（ａ）のＩ_A とされ、積
分手段６はこの区間Ｉ_A の角速度信号を積分して、人体
の各部位の回転角度を求める。

【００２９】基準値決定部11は、角速度信号の立ち上が
り起点位置の信号レベルを角度算出用角速度基準値ω_S
として求めるものである。この角度算出用角速度基準値
ω_Sは、例えば図３の（ａ）に示すような角速度信号か
ら角度算出用角速度基準値ω_S を求めて、この値を積分
手段６に加える。

【００３０】積分手段６は、初期オフセット除去手段13
から加えられるオフセット除去後の角速度信号ω_inを積
分して、人体の各部位の回転角度を算出するものである
が、本実施形態例では、検出角速度（オフセット除去後
の信号）である、図３の（ａ）の角速度信号ω_inから、
基準値決定部11で求めた角度算出用角速度基準値ω_Sを
差し引いた角速度信号を積分して回転角速度算出を行う
ようになっている。そして、このことにより、図３
（ａ）のグラフの鎖線部分（Ｂ）を除き、同図の（Ａ）
の領域内の積分を行うことになる。

【００３１】本実施形態例は以上のように構成されてお
り、次に、その動作について、図４に示すフローチャー
トに基づいて説明する。まず、電源投入後、システムが
安定するまで待ち、その後、ステップ101 で、角速度セ
ンサ１をスタートさせ、その出力を一定時間サンプリン
グする。なお、この間は角速度センサ１を静止させてお
く。この一定時間内にサンプリングされた角速度センサ
１の検出信号は、順次アナログフロントエンド回路２に
よって増幅されてＡ／Ｄ変換部３によってディジタル変
換され、ＣＰＵ４に加えられる。そして、ステップ102
で、ＣＰＵ４の初期オフセット除去手段13によって初期
オフセットω_off が決定される。

【００３２】その後、ステップ103 からステップ104 に
示すように、角速度センサ１からの出力は全てこの初期
オフセットを差し引いたものとされて、積分手段６、基
準値決定部11、微分手段８にそれぞれ加えられる。すな
わち、ステップ103 で、ω_in（ｔ）＝ω_in′（ｔ）−ω
_off の式により、初期オフセット補正が行われて角度算
出用の角速度値ω_in（ｔ）が求められ、ステップ104 で
この信号が取り込まれる。

【００３３】ステップ105 では、微分手段８によって角
速度センサ信号の１階微分が行われる。この角速度セン
サ信号の微分は、時間ｔにおける微分信号をΔω（ｔ）
とすると、Δω（ｔ）＝｛ω_in（ｔ＋Δｔ）−ω
_in（ｔ）｝／Δｔの式によって行われる。次に、この角
速度センサ信号１階微分信号が積分動作タイミング指令
手段９によって取り込まれ、ステップ106 で、積分動作
タイミング指令手段９により、前記角速度センサ信号１
階微分信号の値が、メモリ５に与えられている正方向閾
値ＴＨ１以下か否かが判断される。そして、角速度信号
の１階微分信号が正方向閾値ＴＨ１以下のときには、ス
テップ111 に進み、積分変数をクリア（ω_in（ｔ）＝
０）し、ステップ112 で、θ＝∫ωｄｔの式により、積
分が実行される。したがって、このときの移動角度θは
０とされ、ステップ104 に戻る。

【００３４】一方、ステップ106 で、図３のＡに示すよ
うに、角速度センサ信号の１階微分信号が前記正方向閾
値ＴＨ１を越えたと判断されたときには、ステップ107
で、積分動作タイミング指令手段９により、積分手段６
に積分動作開始指令が加えられると共に、基準値決定部
11により、角度算出用基準値の決定が行われる。この角
度算出用基準値の決定は、前記の如く、例えば図３の
（ａ）に示したような角速度信号に基づいて行われるも
のであり、角度算出用角速度基準値は角速度信号の立ち
上がり起点位置の信号レベルω_S とされ、ステップ108
に進む。

【００３５】ステップ108 では、積分手段６により、角
速度信号に基づいて角度の算出が行われる。この角度算
出に際し、本実施形態例では、積分手段６は検出角速度
ω_in（ｔ）から前記角度算出用角速度基準値ω_S を差し
引いた角速度信号を積分して回転角度算出を行うように
しており、具体的には、θ＝∫（ω_in（ｔ）−ω_S ）ｄ
ｔの式によって回転角度の算出が行われる。

【００３６】ステップ109 では、積分動作タイミング指
令手段９により、角速度信号１階微分信号の値Δω
（ｔ）が逆方向閾値ＴＨ２よりも下回ったかどうか、言
い換えれば、角速度信号１階微分信号の値Δω（ｔ）が
逆方向閾値ＴＨ２を下側に越えたか否かが判断される。
そして、図３のＢに示すように、角速度信号１階微分値
Δω（ｔ）がＴＨ２よりも下回って逆方向閾値ＴＨ２を
下側に越えたときにはステップ109 ａに進み、今度は角
速度信号１階微分値Δω（ｔ）が逆方向閾値ＴＨ２に達
したか否かが判断され、角速度の１階微分信号が前記ス
テップ109 で逆方向閾値ＴＨ２を下側に１回越えて再
び、ステップ109 ａで逆方向閾値ＴＨ２に達したときに
（図３のＣ）、積分動作タイミング指令手段９により、
積分手段６の角速度信号積分動作が停止される。それま
では、ステップ110 で、常に角速度センサ１からの信号
が取り込まれ、角速度信号検出値の初期オフセット補正
値ω_inに基づいて、ステップ108 からステップ109 ａま
での動作が行われる。

【００３７】そして、このような動作により、図３の
（ａ）に示した領域（Ａ）の角速度信号の積分が行われ
て、人体の各部位の回転角度が算出され、ＣＰＵ４から
出力される。ＣＰＵ４から出力された角度信号は、ディ
ジタルインターフェース部によって、所望のフォーマッ
ト、例えばＲＳ−２３２Ｃで外部に出力される。

【００３８】本実施形態例によれば、上記動作により、
角速度センサ１からの角速度信号を１階微分して角速度
センサ信号の１階微分信号を求め、人体の各部位が回転
することにより、角速度信号１階微分信号が正方向閾値
を越えたときに角速度信号の積分動作を開始し、人体の
各部位の回転移動が停止して、角速度信号１階微分信号
が逆方向閾値を１度下側に越えて再び逆方向閾値に達し
たときに角速度信号の積分動作を停止させるようにした
ために、人体の各部位が回転移動する以前の角速度信号
のドリフト成分や回転移動以降の角速度信号のドリフト
成分は除去して積分動作を行うことが可能となり、人体
の各部位の回転移動に対応して正確に回転角度を求める
ことができる。

【００３９】また、本実施形態例によれば、この積分動
作は、前記の如く、角速度信号の立ち上がり起点位置の
信号レベルを角度算出用角速度基準値ω_S として求め
て、この値を検出角速度から差し引いた角速度信号を積
分して回転角度算出を行うようにしたために、人体の各
部位の回転移動中のドリフト成分も除去して回転角度を
求めることが可能となり、より一層正確に回転角度を計
測することができる。

【００４０】そのため、本実施形態例の積分型角度計測
装置をバーチャルリアリティーの分野に適用したとき
に、人体の各部位の回転角度と、体験者の体験画面とを
１対１に正確に整合することが可能となり、整合性の優
れた装置の構築を図ることができる。

【００４１】さらに、本実施形態例によれば、１つの回
転角度を求めるのに必要な角速度センサは１つで済み、
しかも、この角速度センサの検知信号を利用しての信号
処理も、角速度信号を１階微分して、この１階微分信号
を予め定められた正方向閾値や逆方向閾値と比較するだ
けの簡単な操作によって行うことができるために、回路
の簡略化を図ることが可能となり、装置も小型化でき、
装置コストも安くすることができる。

【００４２】次に、本発明に係る積分型角度計測装置の
第２の実施形態例について説明する。本実施形態例も図
１，２に示す回路構成を有して上記第１の実施形態例と
ほぼ同様に構成されており、本実施形態例が上記第１の
実施形態例と異なることは、メモリ５内に、微分手段８
による微分のアルゴリズムとして、角速度信号を予め定
められた設定偶数階としての２階微分するアルゴリズム
が与えられており、微分手段８は、このアルゴリズムに
従って、角速度信号を２階微分して、例えば図５の
（ｂ）に示すような角速度信号２階微分信号を求めるよ
うにしたことである。また、メモリ５には、上記実施形
態例の正方向閾値ＴＨ１と逆方向閾値ＴＨ２が与えられ
る代わりに、回転移動体としての人体の各部位の回転方
向に対応する動作決定用閾値ａＴＨ３が与えられてい
る。

【００４３】本実施形態例では、積分動作タイミング指
令手段９は、微分手段８で求めた角速度信号２階微分信
号が、メモリ５に与えられている動作決定用閾値ａＴＨ
３を初めて越えたときに、積分手段６に対して積分動作
開始のトリガを発信し、積分手段６による角速度信号積
分動作を開始させ、前記角速度信号２階微分信号が、前
記動作決定用閾値ａＴＨ３を予め定めた指定偶数回であ
る２回越えたとき（図５のＢ）に、積分手段６に対して
積分動作停止のトリガを発信し、積分手段６による角速
度信号積分動作を停止させるようになっている。

【００４４】本実施形態例は以上のように構成されてお
り、次に、本実施形態例の動作について、図６に示すフ
ローチャートに基づいて説明する。なお、このフローチ
ャートにおいて、図４に示した上記第１の実施形態例の
動作のフローチャートと同様の動作を行うステップ番号
は、図４のステップ番号と同一のステップ番号を付して
おり、その重複説明は省略する。図６において、ステッ
プ101 からステップ104 までの動作を上記第１の実施形
態例と同様にして行い、次に、ステップ205 で、本実施
形態例では、微分手段８により、角速度センサ信号の２
階微分信号を求める。次に、ステップ206 では、この角
速度信号２階微分信号の値Δω（ｔ）が前記動作決定用
閾値ａＴＨ３以下か否かを判断し、角速度信号２階微分
信号Δω（ｔ）が動作決定用閾値ａＴＨ３以下のときに
は、ステップ111 からステップ112 までの動作を上記第
１の実施形態例と同様に行い、再びステップ103 に戻
る。

【００４５】一方、ステップ206 で、角速度信号２階微
分信号が動作決定用閾値ａＴＨ３を初めて越えたときに
は、ステップ107 に進み、上記第１の実施形態例と同様
に、ステップ107 からステップ108 までの動作を行う。
そして、ステップ209 では、積分動作タイミング指令手
段９により、加速度信号２階微分信号Δω（ｔ）が動作
決定用閾値ａＴＨ３を越えたか否かを判断し、角速度信
号２階微分信号Δω（ｔ）が動作決定用閾値ａＴＨ３を
越えたときには、角速度センサ信号２階微分信号が、図
５のＢに示すように、動作決定用閾値ａＴＨ３を２回越
えたことになるために、この時点で積分手段６による角
速度信号積分動作を停止し、ステップ103 に戻る。ま
た、ステップ209 で、角速度信号２階微分信号が動作決
定用閾値ａＴＨ３を越えるまでは、ステップ110 での角
速度センサ信号の取り込みおよび、ステップ108 での積
分手段６による角速度信号積分動作が繰り返し行われ
る。

【００４６】本実施形態例によれば、上記動作により、
微分手段８により角速度信号の２階微分信号を求め、こ
の角速度信号２階微分信号の値が動作決定用閾値ａＴＨ
３を初めて越えたときに積分手段６による積分動作を開
始させ、角速度信号２階微分信号が動作決定用閾値ａＴ
Ｈ３を２回越えたときに積分手段６による角速度信号積
分動作を停止させるようにし、かつ、この積分動作は検
出用角速度から角度検出用角速度基準値ω_S を差し引い
た値の積分により行うために、上記第１の実施形態例と
同様に、角速度信号のドリフト成分による影響を受ける
ことなく、小型の装置を用いて正確に回転角速度を計測
することが可能となり、上記第１の実施形態例と同様の
効果を奏することができる。

【００４７】なお、本発明は上記実施形態例に限定され
ることはなく様々な実施の態様を採り得る。例えば、上
記第１の実施形態例では、積分動作タイミング指令手段
９は、角速度信号１階微分信号が逆方向閾値ＴＨ２を下
側に１回越えた後に、再び逆方向閾値ＴＨ２内に入った
とき（図３のＣ）に、積分手段６による角速度信号積分
動作を停止させるようにしたが、積分動作タイミング指
令手段９は、積分手段６の角速度信号開始動作以降に、
角速度信号１階微分信号が逆方向閾値ＴＨ２に最初に達
したとき（図３のＢ）に積分手段６による角速度信号積
分動作を停止させるようにしてもよい。このようにする
と、積分区間は図３の（ａ）のＩ_A ′となる。

【００４８】また、上記実施形態例において、例えば回
転移動体が図５に示した具体例とは逆方向に回転した場
合には、角速度信号は、時間軸を中心として同図の
（ａ）に示す角速度信号と上下対称の波形となり、角速
度信号２階微分信号も、同図の（ｂ）に示す波形を時間
軸を中心として上下対称とした形状の波形となるが、こ
のようなときには、動作決定用閾値として、−ａＴＨ３
を与え、角速度信号２階微分信号がこの動作決定用閾値
−ａＴＨ３を下側に初めて越えたときに角速度信号積分
動作を開始させ、角速度信号２階微分信号が−ａＴＨ３
を例えば２回下側に越えたときに角速度信号積分動作を
停止させるようにすればよい。

【００４９】さらに、上記第１の実施形態例では、微分
手段８は角速度信号を１階微分し、上記第２の実施形態
例では、微分手段８は角速度信号を２階微分するように
したが、微分手段８による角速度信号の微分階数は特に
限定されるものではなく、適宜設定されるものであり、
３階以上の設定奇数階微分してもよいし、４階以上の設
定偶数階微分して各微分信号を求めるようにしてもよ
い。

【００５０】さらに、上記第２の実施形態例では、角速
度信号２階微分信号が、動作決定用閾値ａＴＨ３を予め
定めた指定偶数回としての２回越えたときに、積分手段
６による角速度信号の積分動作を停止するようにした
が、例えば、微分手段８によって角速度信号の偶数階微
分信号を求めるときに、４階以上の設定偶数階微分信号
を求めたときには、その微分の階数によって指定偶数回
を適宜設定するようにしてもよい。

【００５１】さらに、本発明の積分型角度計測装置は、
基準値決定部11を省略して構成することもできる。この
ようにした場合にも、回転移動体の回転移動前後の角速
度信号のドリフト成分を除去することはできるために、
例えばこの積分型角度計測装置をバーチャルリアリティ
ーの分野に適用した場合に、体験者の動きと体験画面と
をほぼ整合することができるが、上記実施形態例のよう
に、基準値決定部11を設けて検出角速度から基準値決定
部で求めた角度算出用角速度基準値を差し引いた角速度
信号を積分して回転角度算出を行うと、積分手段による
積分動作中の角速度信号のドリフト成分も完全に除去し
て回転角度算出を行えるために、より一層正確に回転角
度算出を行うことができる。

【００５２】さらに、上記実施形態例では、積分型角度
計測装置をバーチャルリアリティーの分野に適用する例
についてのみ述べたが、本発明の積分型角度計測装置
は、バーチャルリアリティー分野以外にも、例えばナビ
ゲーションシステム等の様々な角度計測分野に広く適用
されるものである。

【００５３】

【発明の効果】本発明によれば、センサ素子によって回
転移動体の角速度を検知し、この角速度信号を積分して
回転角度を算出する際に、前記角速度信号を、本第１の
発明においては設定奇数階微分して微分信号を求め、本
第２の発明においては設定偶数階微分して微分信号を求
め、それらの微分信号を、本第１の発明においては予め
与えられた正方向閾値、逆方向閾値と比較し、本第２の
発明においては微分信号を動作決定用閾値と比較して、
前記角速度信号の積分開始タイミングと積分停止タイミ
ングを決定するようにしたものであるから、回転移動体
の回転移動が開始されてから初めて角速度信号積分動作
を行い、回転移動体の回転停止と共に、角速度信号の積
分動作も停止することができる。そのため、回転移動体
の回転移動開始以前の角速度信号のドリフト成分や、回
転移動体の回転停止以降の角速度信号のドリフト成分の
影響を全く受けることなく、正確に回転移動体の角度を
求めることができる。

【００５４】したがって、この積分型角度計測装置を、
例えばバーチャルリアリティーの分野に適用すれば、体
験者の人体の各部位の回転が開始される前に体験者の体
験画面が少しずつ切り替わったり、前記各部位の回転移
動が停止したにもかかわらず、ドリフト成分によって体
験画面が少しずつ変化するといった問題を解消すること
が可能となり、体験者の動きに対応して正確に体験画面
を切り替え、体験者の動きと体験画面との整合性を図る
ことができる。

【００５５】また、本発明によれば、上記の如く、積分
手段による角速度信号積分動作の開始および停止のタイ
ミングは、角速度信号の微分信号に基づいて行われるた
めに、そのアルゴリズムも非常に簡単である。そして、
例えば人体の各部位等の回転速度を計測する際に、１つ
の計測に際し、複数のセンサを設ける必要もないため
に、装置構成や回路構成が簡単でコストの安い装置を構
築することができる。

【００５６】さらに、前記角速度信号の立ち上がり起点
位置の信号レベルを角度算出用角速度基準値として求め
る基準値決定部が設けられ、前記積分手段は検出角速度
から前記基準値決定部で求めた角度算出用角速度基準値
を差し引いた角速度信号を積分して回転角度算出を行う
構成とした本発明によれば、角速度信号の立ち上がり起
点位置の信号レベルを角度算出用角速度基準値として、
この値を検出角速度から差し引いた角速度信号を積分し
て回転角速度算出を行うことにより、積分手段による角
速度信号の積分開始から積分停止までの間の角速度信号
のドリフト成分も確実に除去して回転角度を求めること
ができるために、より一層正確に回転角度を求めること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る積分型角度計測装置の実施形態例
の回路構成をブロック図により示す構成図である。

【図２】図１に示したＣＰＵ４の要部構成をブロック図
により示す構成図である。

【図３】本発明に係る積分型角度計測装置の第１の実施
形態例による角度計測に用いられる角速度信号と角速度
信号１階微分信号を示すグラフである。

【図４】上記第１の実施形態例における回転角度算出動
作を示すフローチャートである。

【図５】本発明に係る積分型角度計測装置の第２の実施
形態例に用いられる角速度信号と角速度信号２階微分信
号を示すグラフである。

【図６】上記第２の実施形態例の積分型角度計測装置の
動作を示すフローチャートである。

【符号の説明】

１ 角速度センサ ４ ＣＰＵ ５ メモリ ６ 積分手段 ８ 微分手段 ９ 積分動作タイミング指令手段 11 基準決定部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−92713（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−120916（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−306936（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−261761（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−167345（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−187879（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−147904（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01C 19/00 - 19/72 G01C 21/16

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転移動体の角速度を検知するセンサ素
   子と、該センサ素子によって検知した角速度信号を積分
   して前記回転移動体の回転速度を算出する積分手段とを
   備えた積分型角速度計測装置であって、前記センサ素子
   によって検知した角速度信号を予め定められた設定奇数
   階微分して角速度の微分信号を求める微分手段が設けら
   れており、前記回転移動体の回転方向に対応する正方向
   閾値と前記回転方向の逆方向に対応する逆方向閾値とが
   予め与えられており、前記角速度の微分信号が前記正方
   向閾値を越えたときに前記積分手段による角速度信号積
   分動作を開始させ、この積分手段の角速度信号積分動作
   開始以降に前記角速度の微分信号が前記逆方向閾値を１
   回越えて再び逆方向閾値に達したときに前記積分手段に
   よる角速度信号積分動作を停止させる積分動作タイミン
   グ指令手段とが設けられていることを特徴とする積分型
   角度計測装置。
2. 【請求項２】 積分動作タイミング指令手段は、積分手
   段による角速度信号積分動作の停止タイミングを該積分
   手段の角速度信号開始動作以降に角速度の微分信号が回
   転移動体の逆回転方向に対応する予め定められた逆方向
   閾値に最初に達したときとすることを特徴とする請求項
   １記載の積分型角度計測装置。
3. 【請求項３】 回転移動体の角速度を検知するセンサ素
   子と、該センサ素子によって検知した角速度信号を積分
   して前記回転移動体の回転速度を算出する積分手段とを
   備えた積分型角速度計測装置であって、前記センサ素子
   によって検知した角速度信号を予め定められた設定偶数
   階微分して角速度の微分信号を求める微分手段が設けら
   れており、該角速度の微分信号が前記回転移動体の回転
   方向に対応する動作決定用閾値を初めて越えたときに前
   記積分手段による角速度信号積分動作を開始させ、前記
   角速度の微分信号が前記動作決定用閾値を予め定めた指
   定偶数回越えたときに前記積分手段による角速度信号積
   分動作を停止させる積分動作タイミング指令手段とが設
   けられていることを特徴とする積分型角度計測装置。
4. 【請求項４】 角速度信号の立ち上がり起点位置の信号
   レベルを角度算出用角速度基準値として求める基準値決
   定部が設けられ、前記積分手段は検出角速度から前記基
   準値決定部で求めた角度算出用角速度基準値を差し引い
   た角速度信号を積分して回転角度算出を行う構成とした
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２又は請求項３記
   載の積分型角度計測装置。