JP3576728B2 - Attitude detection device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体や人の姿勢(傾斜角度,回転角度など)を検出する姿勢検出装置に関し、例えば、人の操作(姿勢)に応じて画面(ディスプレイ)上の表示物の位置や傾斜角,回転角などを制御するヘッドマウントディスプレイ体感ゲームや、ロボットの姿勢制御,全自動走行システム,ナビゲーションシステムなどに用いて好適な、姿勢検出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図25は従来の姿勢検出装置としての3軸モーションセンサの一例を示す模式的斜視図であるが、この図25に示す3軸モーションセンサ100は、傾斜角センサ103,磁気センサ104及びCPU105を有して構成されている。なお、ここでは、傾斜角センサ103が基板101上に配置され、磁気センサ104及びCPU105が基板102に配置されている。また、全体の寸法は、長さ50mm,幅40mm,高さ50mm程度となっている。
【0003】
ここで、傾斜角センサ103は、シリコン液などの液体や振り子を内蔵し、取り付けられている物体や人などの検出対象物が地表水平面に対して傾むいたときに、液体の抵抗値に変化が生じたり振り子の位置に変化が生じるような機構を有するものであり、磁気センサ104は、地磁気(地磁気ベクトル)を検出するものである。
【0004】
また、CPU105は、傾斜角センサ103で得られる液体の抵抗値変化や振り子の位置変化を基に、検出対象物の傾斜角を算出するとともに、地磁気センサ104で検出された地磁気に基づいて、検出対処物の回転角を算出するものである。
これにより、上述の3軸モーションセンサは、例えば図26(a)に示すように地表水平面をX−Y平面(ただし、ここではX軸方向が左右、Y軸方向が前後とする)、地表水平面に対して垂直方向(上下)をZ軸と座標系を仮定すると、傾斜角センサ103によって、検出対象物のX軸回りの回転(傾斜)角度〔ピッチ:図26(b),図27(b)参照〕,Y軸回りの回転(傾斜)角度〔ロール:図26(b),図27(c)参照〕を検出し、磁気センサ104によって、Z軸回りの回転角度〔ヨウ角:図26(b),図27(a)参照〕を検出することが可能になり、ピッチ,ロール,ヨウ角の3軸情報(検出対象物の姿勢情報)を得ることができる。ただし、この場合は、磁北を絶対0度としてヨウ角を検出するように定義している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の3軸モーションセンサ100では、以下のような課題が生じる。
▲1▼磁気センサ104で検出する地磁気には、地域(地球の緯度,経度)毎に偏差,傾差が有り水平力も異なるため、地域毎に異なる俯角(地表水平面と地磁気ベクトルのなす角度)が生じる。従って、地磁気を利用して検出するヨウ角に対しては各地域において地磁気の偏差,傾差,水平力を考慮した補正を行なわなければ、ヨウ角の逆転現象が生じてしまう。
【0006】
▲2▼傾斜センサ103には液体方式,機械(振り子)方式が用いられているので、液体や振り子の変化が安定するまでに時間がかかりデータが安定しないため、CPU105で補正処理を行なっても信頼性のないデータが一定時間出力されるてしまう可能性がある。従って、この3軸モーションセンサ100を画面指示装置に使用した場合には表示画面上で船酔い現象などが生じ、位置決め装置に使用した場合には方向指示間違いなどが生じてしまうことになる。
【0007】
▲3▼傾斜センサ103に液体方式,機械(振り子)方式を用いているので、センサ100全体の大きさが増大してしまっている。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、小型で、検出対象物の姿勢情報を地球上のどの地域においても常に高精度に検出することができる、姿勢検出装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項1記載の本発明の姿勢検出装置は、コントロール基板と、該コントロール基板上に支柱を介して配設され、励磁コイルとして機能する環状コイルパターンを有する第1シート状コイル部材と、磁界の飽和状態を検出するための直線状コイルパターンを有し該直線状コイルパターンが該第1シート状コイル部材の該環状コイルパターンを横切るように該第1シート状コイル部材の両面側に配置される第2シート状コイル部材と、磁界の飽和状態を検出するための直線状コイルパターンを有し該直線状コイルパターンが該第2シート状コイル部材の該直線状コイルパターンと交差するように該第2シート状コイル部材の一方の面側に配置される第3シート状コイル部材とをそなえて構成された基板型フラックスゲートセンサと、該コントロール基板上に配設され、被検出対象物の地表水平面に対する傾斜を検出するIC化された傾斜センサと、該コントロール基板上に配設され、上記の基板型フラックスゲートセンサ及び傾斜センサで検出された該被検出対象物の姿勢情報に基づいて、該被検出対象物の姿勢に応じた角度情報を演算により算出する演算処理部、および、該演算処理部にそなえられ、上記の基板型フラックスゲートセンサ及び傾斜センサで得られた該姿勢情報に対して地磁気を考慮した補正を施すことにより、上記の角度情報を補正しうる補正部を有するCPUとをそなえて構成されていることを特徴としている。
【0009】
また、請求項2記載の本発明の姿勢検出装置は、上記請求項1記載の構成において、該傾斜センサが、該基板型フラックスゲートセンサの下部の該コントロール基板上に設けられていることを特徴としている。
さらに、請求項3記載の本発明の姿勢検出装置は、上記請求項2記載の構成において、該CPUが、該傾斜センサの設けられた該コントロール基板の反対面に設けられていることを特徴としている。
【0010】
さらに、請求項記載の本発明の姿勢検出装置は、地磁気による磁界強度を検出すべく、励磁コイルとして機能する環状コイルパターンを有する第1シート状コイル部材と、磁界の飽和状態を検出するための直線状コイルパターンを有しこの直線状コイルパターンが第1シート状コイル部材の環状コイルパターンを横切るように第1シート状コイル部材の一方の面側に配置される第2シート状コイル部材と、磁界の飽和状態を検出するための直線状コイルパターンを有しこの直線状コイルパターンが第2シート状コイル部材の直線状コイルパターンと交差するように該第2シート状コイル部材の一方の面側に配置される第3シート状コイル部材とをそなえて構成された磁気検出部と、被検出対象物の地表水平面に対する傾斜を検出する傾斜検出部とをそなえ、該被検出対象物の姿勢情報を検出する姿勢情報検出部と、該姿勢情報検出部で検出された該姿勢情報に基づいて、該被検出対象物の姿勢に応じた角度情報を演算により算出するとともに、該姿勢情報に対して地磁気を考慮した補正を施すことにより、上記の角度情報を補正しうる演算処理部とをそなえるとともに、コントロール基板をそなえ、該コントロール基板に支柱を介して該磁気検出部が配置されるとともに、該コントロール基板上に該傾斜検出部及び該演算処理部が配置されていることを特徴としている。
また、請求項5記載の本発明の姿勢検出装置は、上記の請求項4記載の構成において、該演算処理部が、該磁気検出部での検出結果に基づき該被検出対象物の地表水平面上での回転角情報を演算により算出する回転角演算部と、該傾斜検出部での検出結果に基づき該被検出対象物の地表水平面に対する傾斜角情報を演算により算出する傾斜角演算部と、該傾斜角演算部により得られた該傾斜角情報に基づいて該磁気検出部で検出された上記の磁界強度情報を地表水平面上での磁界強度情報に変換することにより、該回転角演算部において得られる該回転角情報を補正する補正部とをそなえて構成されたことを特徴としている。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図1は本発明の一実施形態にかかる姿勢検出装置としての3軸モーションセンサの外観を模式的に示す図、図2はこの図1におけるA矢視図、図3は図1におけるB矢視図であるが、これらの図1〜図3において、1は3軸モーションセンサ、2Aは基板型のフラックスゲートセンサ、2Bは傾斜センサ、3はCPU、4は上記の傾斜センサ2B,CPU3などが配置されるコントロール基板、5は外部接続端子部、6はフラックスゲートセンサ2Aとコントロール基板4とを平行に保つように接続するための支柱である。
【0012】
そして、本実施形態の3軸モーションセンサ1は、その機能に着目すると、図4に示すように構成されており、本実施形態では、本センサ1が取り付けられる被検出対象物のピッチ,ロール,ヨウ角〔図27(a)〜図27(c)参照〕などの姿勢情報を検出するための姿勢情報検出部2として、フラックスゲートセンサ2Aと傾斜センサ2Bとをそなえて構成されている。
【0013】
ここで、フラックスゲートセンサ(磁気検出部)2Aは、地磁気による磁界強度を検出するものであり、傾斜センサ(傾斜検出部)2Bは、被検出対象物の地表水平面に対する傾斜を検出するものであり、CPU(演算処理部)3は、これらの各センサ2A,2Bで検出された姿勢情報に基づいて、被検出対象物の姿勢に応じた角度情報(ピッチ,ロール,ヨウ角)を演算により算出するものであるが、ここでは、各センサ2A,2Bで得られた情報に対して地磁気を考慮した補正を施すことにより上記のヨウ角を補正しうるようになっている。
【0014】
このため、CPU3は、この図4に示すように、傾斜角演算部31,回転角演算部32および補正部33をそなえて構成されており、回転角演算部31は、フラックスゲートセンサ2Aでの検出結果に基づき被検出対象物の地表水平面上でのヨウ角(回転角情報)を演算により算出するものであり、傾斜角演算部32は、傾斜センサ2Bでの検出結果に基づき被検出対象物の地表水平面に対するピッチ,ロール(傾斜角情報)を演算により算出するものである。
【0015】
また、補正部33は、上述の傾斜角演算部32により得られたピッチ,ロールに基づいてフラックスゲートセンサ2Aで検出された磁界強度情報を、後述する座標変換処理により地表水平面上での磁界強度情報に変換することによって、回転角演算部31において得られるヨウ角を補正するものである。
次に、図5は上述のフラックスゲートセンサ2Aの構成を模式的に示す図であるが、この図5に示すように、本実施形態のフラックスゲートセンサ2Aは、それぞれ2枚ずつのエポキシ基板6′,7,8とリング状に形成され電流を与えられることにより励磁コイルとして機能するアモルファスコア9とが積層されて構成されている。なお、ここでは、エポキシ基板6′,7,8にはガラス製のものを用いているものとする。
【0016】
そして、この図5に示すように、エポキシ基板(第3シート状コイル部材)6′上には、磁界の飽和状態を検出するための直線状のコイルパターン10がエッチングにより形成されており、エポキシ基板(第2シート状コイル部材)7上には、上記のコイルパターン10とは交差(直交)する方向に同様の直線状のコイルパターン11がエッチングにより形成されている。
【0017】
また、エポキシ基板8上には、複数の直線状のコイルパターン12がエッチングにより環状に形成されており、アモルファスコア(第1シート状コイル部材)9には、トロイダルコイルのようなエッチングパターンが形成されて、励磁コイルとして機能するようになっている。なお、ここでは、上記の各エッチング(コイル)パターンはそのエッチング幅が数ミクロンオーダとなるよう形成されている。
【0018】
つまり、本実施形態のフラックスゲートセンサ2Aは、アモルファスコア9と、直線状コイルパターン11を有しこの直線状コイルパターン11がアモルファスコア9のコイルパターンを横切るようにアモルファスコア9の両面側に配置されるエポキシ基板7と、直線状コイルパターン10を有しこの直線状コイルパターン10がエポキシ基板7の直線状コイルパターン11と交差するようにエポキシ基板7の一方の面側に配置されるエポキシ基板6′とをそなえて構成されている。
【0019】
これにより、本フラックスゲートセンサ2Aは、アモルファスコア9が励磁されて生じる磁界強度の情報を互いに交差する直線状コイルパターン10,11で測定することにより、地磁気の方向性を得ることができる。このように、本実施形態のフラックスゲートセンサ2Aは、エッチング技術を用いて磁気センサとして必要なコイルパターンを形成することにより、従来のようなコイル形成ための巻線技術を必要としないので、巻線のムラや巻線圧による感度の変化がなく、その精度をミクロンオーダで管理することができる。この結果、本フラックスゲートセンサ2Aは、磁気検出性能を維持しながら極めて薄く形成され、3軸モーションセンサ1全体の大きさが大幅に小型化されている。
【0020】
なお、上述のアモルファスコア9は必ずしも図5に示すようにリング状に形成する必要はなく、例えば平板状など他の形状に形成してもよい。また、上記のエポキシ基板6′,7,8は、いずれもエッチング可能な材料であればガラス製のものではなくプラスチック製のものを用いてもよい。
次に、図6は上述の傾斜センサ2Bの要部の構成を示すブロック図であるが、この図6に示すように、本実施形態の傾斜センサ2Bは、独立した固定極板21,22と印加される加速度に応答して作動するメイン・ビーム23に取り付けられたセンター極板24とを有し、固定極板21,22,センタ極板24により2つの容量(CS1,CS2)が形成されるように構成されている。
【0021】
これにより、この傾斜センサ2Bでは、例えば図7に示すように、被検出対象物が地表水平面に対して傾斜することにより傾斜センサ2Bに加速度が加わるとメイン・ビーム23が作動する。すると、上記の2つの容量値CS1,CS2にミスマッチが生じ、この結果、地表水平面に対する傾斜に応じた電流がセンター極板24に流れるので、この電流値を傾斜検出情報としてCPU3に供給すれば、前述の傾斜角演算部32において必要な傾斜角情報(ピッチ,ロール)が検出されることになる。
【0022】
つまり、本傾斜センサ2Bは、上述のごとく容量の変化を利用して傾斜情報を検出できるようにすることで、IC化を図っており、これにより、さらに3軸モーションセンサ1全体の規模を大幅に小型化しているのである。なお、本3軸モーションセンサ1の寸法は、ここでは図1に示すように長さ45mm,幅30mm,高さ8.5mm程度となっている。
【0023】
以下、上述のごとく構成された本実施形態の3軸モーションセンサ1の動作について、図24に示すフローチャート(ステップS1〜S5)を参照しながら説明する。
まず、フラックスゲートセンサ2Aは、地磁気による磁界強度を検出している(ステップS1)。そして、検出された磁界強度情報はCPU3へ与えられ、CPU3では、この磁界強度情報を基に回転角演算部31によりヨウ角を算出するが、このとき、前述したように地磁気には地域によって傾差,偏差,水平力などがあり、また、フラックスゲートセンサ2Aの傾斜角によっては地磁気を検出できない場合あるので、補正部33によって補正処理を行なう。
【0024】
この補正処理は、傾斜センサ2Bで得られる傾斜検出情報に基づいて行なわれる。傾斜センサ2Bでは、3軸モーションセンサ1が取り付けられている被検出対象物が地表水平面に対して傾斜すると、その傾斜に応じた電流値などの傾斜検出情報が得られる(ステップS2)。得られた情報はCPU3へ供給され、CPU3では、この傾斜検出情報を基に傾斜演算部32によりピッチ,ロールを所定の演算により算出して出力する(ステップS3)。
【0025】
そして、補正部33は、これらのピッチ,ロールを基に下記に示す座標変換処理を行なうことにより、フラックスゲートセンサ2Aで検出された磁界強度情報を地表水平面上での磁界強度情報に変換(座標変換)して、これらの傾差,偏差,水平力の影響が無い状態にする(ステップS4)。この結果、回転角演算部31では、補正後の磁界強度情報に基づいて演算処理が行なわれ、常に正しい高精度なヨウ角が算出される(ステップS5)。
【0026】
ここで、上述の座標変換処理について詳述する。
(A)座標変換の一般的な演算手法
例えば、図8に示すように、空間中に設定された固定座標系を(xh,yh,zh)とし、この座標系をxh軸回りにφ、yh軸回りにθだけ回転させたときの座標系を(x,y,z)と仮定する。ただし、各回転角の正負はこの図8中に示すように設定する。
【0027】
まず、この(xh,yh,zh)座標系において磁束ベクトルH(→)=(HXH,HYH,HZH)を考える。(x,y,z)座標系において、このベクトルH(→)は、H(→)=(HX,HY,HZ)と表現される。従って、(xh,yh,zh)座標系から(x,y,z)座標系への変換は、
【0028】
【数1】

Figure 0003576728
【0029】
で表される。
また、逆に、(x,y,z)座標系から(xh,yh,zh)座標系への変換は、
【0030】
【数2】
Figure 0003576728
【0031】
で表される。
実際の状態として、(xh,yh,zh)座標系を地表面の座標系(重力が「−z」方向)と考えると、(x,y,z)座標系は例えば船と考えられる。このとき、ベクトルH(→)を地磁気と考えると、
HZH≒0 ・・・(3)
と近似できる。従って、ベクトルH(→)の大きさ、即ち、フラックスゲートセンサ2Aの水平時の振幅,φ,θが分かると、(1)式よりHZを計算できる。
【0032】
HZ=−HXHsinθ+HYH・cosθ・sinφ ・・・(4)
マトリックスの式(2)を展開すると、
HXH=HXcosθ+HYsinθ・sinφ−HZsinθ・cosφ・・・(5)
HYH=HY・cosφ+HZ・sinφ ・・・(6)
HZH=HXsinθ−HYcosθ・sinφ+HZcosθ・cosφ・・・(7)
となる。
【0033】
cosφ=C1,cosθ=C2,sinφ=S1,sinθ=S2として、式(4)を式(5)に代入すると、
Figure 0003576728
式(8)をHXHについて整理すると、
【0034】
【数3】
Figure 0003576728
【0035】
式(9)をHXHについて整理すると、
【0036】
【数4】
Figure 0003576728
【0037】
式(10),式(11)を結合して、HYHについて整理すると、
【0038】
【数5】
Figure 0003576728
【0039】
式(8)をHYHについて整理すると、
【0040】
【数6】
Figure 0003576728
【0041】
式(9)をHYHについて整理すると、
【0042】
【数7】
Figure 0003576728
【0043】
式(13),式(14)を結合して、HXHについて整理すると、
【0044】
【数8】
Figure 0003576728
【0045】
式(7)と式(3)より再計算すると、
【0046】
【数9】
Figure 0003576728
【0047】
式(5)に式(16)を代入して整理すると、
【0048】
【数10】
Figure 0003576728
【0049】
ここで、C2+S2=cosθ +sin=1より、
HXH=HX/C2 ・・・(17)
式(6)に式(16)を代入して整理すると、
【0050】
【数11】
Figure 0003576728
【0051】
次に、逆変換式の立て直しを行なう。
HXH=HX・C2−HZ・S2・・・(19)
HYH=HX・S1・S2−HY・C1+HZ・C1・C2・・・(20)
HZH=HX・C1・S2−HY・S1+HZ・C1・C2・・・(21)
式(21)でHZH=0として、HZを求めると、
【0052】
【数12】
Figure 0003576728
【0053】
式(19)に式(22)を代入して整理すると、
【0054】
【数13】
Figure 0003576728
【0055】
式(20)に式(22)を代入して整理すると、
【0056】
【数14】
Figure 0003576728
【0057】
(B)基本定義
図9に示すような基準となる座標系(xh,yh,zh)を基準座標系とする。この基準座標系を例えば図10(a),図10(b)に示すようにxh軸を中心にφだけ回転させた座標系を(x′,y′,z′)とし座標系1とする。このとき、ベクトルp(→)を基準座標系ではp(→)=(xh,yh,zh)、座標系1ではp(→)=(x′,y′,z′)とすると、この間の関係はマトリックス表現で、
【0058】
【数15】
Figure 0003576728
【0059】
と表される。
次に、基準座標系を例えば図11(a),図11(b)に示すようにy′軸についてθだけ回転させた座標系(x,y,z)を座標系2とする。このとき、ベクトルp(→)を座標系2ではp(→)=(x,y,z)と表現すると、座標系1と座標系2との関係のマトリックス表現は、
【0060】
【数16】
Figure 0003576728
【0061】
と表される。
式(25),式(26)より、基準座標系と座標系2との関係は、
【0062】
【数17】
Figure 0003576728
【0063】
となる。これは、式(1)とφとθの符号が逆の式である。以後この式(27)を基準に考える。
次に、ベクトルp(→)について、座標系2から座標系1への逆変換を考えると、
【0064】
【数18】
Figure 0003576728
【0065】
となり、座標系1から基準座標系への逆変換は、
【0066】
【数19】
Figure 0003576728
【0067】
となる。従って、座標系2から基準座標系への変換は、式(28),式(29)より、
【0068】
【数20】
Figure 0003576728
【0069】
となる。
(C)傾斜センサの角度表現
次に、以下では、図12(b)に示すように、上述の傾斜センサ2Bが座標系2の原点に取り付けられている場合を考える。なお、図12(a)に示すように基準座標系においてz(−)方向が重力方向であると考える。このとき、傾斜センサ2Bの出力を、
x軸の回転角度:u
y軸の回転角度:v
と表現すると、これらの角度u,vは、下記に示すように、基準座標系の(xh,yh)平面が座標系2の(x,z)平面,(y,z)平面を横切るときの交線とx,y軸のなす角度と考えられる。
【0070】
u:(xh,yh)平面と(y,z)平面との交線とy軸のなす角度
v:(xh,yh)平面と(x,z)平面との交線とx軸のなす角度
これらのu,vと前記の座標変換で用いたφ,θとの関係を考える。まず、φ=0,θ=0では、座標系2は基準座標系と一致するので、u=0,v=0となることは明らかである。
【0071】
次に、x軸についてφだけ回転させた座標系1の中心に傾斜センサ2Bを取り付けた場合を考える。この場合は、直感的に、u=−φといえる。ここで、(xh,yh)平面に垂直な単位ベクトル(長さ1)を考えて、座標変換後にz′軸との角度を求めることで、u,vを求めることができると思われる。式(25)より、
【0072】
【数21】
Figure 0003576728
【0073】
∴ x′=0,y′=sinφ,z′=cosθ ・・・(31)
このとき、図13に示すように、z′軸とベクトルのy′,z′成分のなす角がuであるので、
Figure 0003576728
続いて、y′軸についてθだけ回転させた座標系2の中心に傾斜センサ2Bが取り付けられている場合を考える。この場合は、直感的にv=0といえる。また、上記と同様に、単位ベクトルを考えて、u,vを求めると、式(27)より、
【0074】
【数22】
Figure 0003576728
【0075】
∴ x=−cosθ・sinθ,y=sinθ,z=cosφ・cosθ・・・(33)
図14に示すようにz軸よりy,z成分の傾きを求めると、
Figure 0003576728
同じく、図15に示すように、z軸よりx,z成分の傾きを求めると、
Figure 0003576728
となる。
【0076】
(D)地磁気ベクトルの座標系2から基準座標系への変換
地磁気ベクトルを(xh,yh,0)とすると、式(25)より、
x=xh・cosθ+yh・sinφ・sinθ ・・・(36)
y=yh・cosφ ・・・(37)
z=xh・sinθ−yh・sinφ・cosθ ・・・(38)
式(34)より、
yh=y/cosφ ・・・(39)
また、式(36),式(39)より、
x=xh・cosθ+y・sinφ・sinθ/cosφ
∴xh・cosθ=x−y・sinφ・sinθ/(cosφ・cosθ)
∴xh=(x/cosθ)−y・tanφ・tanθ ・・・(40)
となる。
【0077】
別のアプローチとして、式(30)より、
xh=x・cosθ+z・sinθ ・・・(41)
yh=x・sinφ・sinθ+y・cosφ−z・sinφ・cosθ・・・(42)
zh=−x・cosφ・sinθ+y・sinφ+z・cosφ・sinθ・・・(43)
今、zh=0であるから、
0=−x・cosφ・sinθ+y・sinφ+z・cosφ・sinθより、
【0078】
【数23】
Figure 0003576728
【0079】
式(41),式(44)より、
【0080】
【数24】
Figure 0003576728
【0081】
これは、式(40)同一結果となる。また、式(42),式(44)より、
【0082】
【数25】
Figure 0003576728
【0083】
これも、式(39)と同一結果となる。
φ,θをu,vに置き換えると、傾斜角センサ2Bの検出値(u,v)で地磁気ベクトル〔フラックスゲートセンサ2Aの検出値(x,y)〕を基準座標系(地表水平面)へ座標変換できる。式(34)より、
tan(u)=−tanφ/cosθ
∴tanφ=−cosθ・tan(u) ・・・(47)
これを式(46)に代入し、式(35)より、
xh=x/cos(v)+cos(v)・tan(u)・tan(v)・y・・・(48)
また、式(47)を簡略化して、
φ=u・cosθ ・・・(49)
として、これを式(39)に代入すると、
yh=y/cos(u・cosv) ・・・(50)
CPU3の回転角演算部31は、以上のような座標変換により補正された地磁気の磁界強度情報を基にヨウ角を算出する。
【0084】
なお、上記の座標変換は以下のような演算により行なってもよい。すなわち、図16に示すように、傾斜センサ2Bが取り付けられている座標系を(x,y,z)とする。この場合、実際の水平面がyz平面を横切るときの交線とy軸との角度uが傾斜センサの出力データと考えられる。同様に、水平面がxz平面を横切るときの交線とx軸との角度vが傾斜センサの出力データと考えられる。なお、この場合、x,y軸からz軸(+)方向へ正とし、x,y軸と交線が一致する所を0とする。
【0085】
ここで、地表に固定された基準座標系(xh,yh,zh)を考えると、xh,yh平面は水平面に一致する。このとき、z軸とzh軸の関係に注目する。図17(a)に示すように、z軸上空から見下げたときにz−zhを結んだ線とx軸との角度をαとする。ただし、x軸と一致したときに0、x軸(+)からy軸(+)へ+とする。また、図17(b)に示すように、z軸とzh軸のなす角度をβとする。すると、図18(a),図18(b)に示すように、αが0のときvに一致しαが90度のときuにそれぞれ一致することになる。
【0086】
ここで、u,vとα,βの関係を求める。zh軸と一致する長さ1の単位ベクトル(0,0,1)を考える。このベクトルのx,z平面に写る影とz軸のなす角度がvで、yz平面に写る影とz軸のなす角度がuである。
(x,y,z)座標で、このベクトルを表現すると、図19に示すように、z軸成分とベクトル頂点との間の長さはsinβ、z軸成分の長さはcosβとなる。よって、
x=sinβ・cosα
y=sinβ・sinα ・・・(51)
z=cosβ
となる。これより、図20,図21(a),図21(b)から分かるように、
tan(−v)=sinβ・cosα/cosβ ・・・(52)
tan(−u)=sinβ・sinα/cosβ ・・・(53)
式(52),式(53)を変形して、
cosα=tan(−v)/tanβ ・・・(54)
sinα=tan(−u)/tanβ ・・・(55)
式(55)を式(54)で割ると、
tanα=tan(−u)/tan(−v)
∴α=tan−1〔tan(−u)/tan(−v)〕
式(54),式(55)を2乗して加算すると、
cosα+sinα=tan(−v)/tanβ+tan(−u)/tanβ
∴ 1=〔tan(−v)+tan(−u)〕/tanβ
tanβ=tan(−u)+tan(−v)
tanβ=(tan(−u)+tan(−v))1/2
∴ β=tan−1〔(tan(−u)+tan(−v))1/2 〕・・・(56)
となる。
【0087】
次に、z軸をzh軸に一致させる。z軸をαだけ回転させた座標系(x′,y′,z′)を考える。このとき、zh軸はx′z′平面上にある。(x,y,z)上の任意のベクトルn(→)を考える。n(→)は(x,y,z)座標系で(x,y,z)の値をとるとすると、(x′,y′,z′)座標系では
x′=x・cosα+y・sinα
y′=−x・sinα+y・cosα ・・・(57)
z′=z
マトリックス表現で、
【0088】
【数26】
Figure 0003576728
【0089】
となる。
次に、図22,図23に示すように、y′軸についてβ回転させた座標を(x″,y″,z″)とすると、
x″=x′・cosβ−z′・sinβ
y″=y′ ・・・(59)
z″=x′・sinβ+z′・cosβ
マトリックス表現では、
【0090】
【数27】
Figure 0003576728
【0091】
となる。さらに、z″軸について−αだけ回転させると基準座標系(xh,yh,zh)となる。
xh=x″・cosα−y″・sinα
yh=x″・sinα+y″・cosα ・・・(61)
zh=0
マトリックス表現で
【0092】
【数28】
Figure 0003576728
【0093】
となる。
以上より、(x,y,z)座標から(xh,yh,zh)を求めると、
【0094】
【数29】
Figure 0003576728
【0095】
展開すると、
xh=x・(cosα・cosβ+sinα)+y・(cosα・cosβ・sinα−sinα・cosα)−z・cosα・sinβ
yh=x・(sinα・cosβ・cosα−cosα・sinα)+y・(sinα・cosβ+cosα)−z・sinα・sinβ
zh=x・sinβ・cosα+y・sinα・sinβ+z・cosβ・・・(63)
となり、整理すると、
Figure 0003576728
式(64),式(65)より、xの補正項Δx,yの補正項Δyは、それぞれ、
Δx=cosα〔x・cosα(cosβ−1)+y・sinα(cosβ−1)−z・sinβ〕 ・・・(66)
Δy=sinα〔x・cosα(cosβ−1)+y・sin(cosβ−1)−z・sinβ〕・・・(67)
と表現される。ここで、ΔTを
ΔT=x・cosα(cosβ−1)+y・sin(cosβ−1)−z・sinβ ・・・(68)
と定義すると、式(64),式(65)は、
xh=x+Δx=x+cosα・ΔT ・・・(69)
yh=y+Δy=y+sinα・ΔT ・・・(70)
と表現される。ここで、zh≠0とすると、式(63)より、
zh=x・sinβ・cosαy・sinα・sinβ+z・cosβ
∴ −z=x(cosα・sinβ/cosβ)+y(sinα・sinβ/cosβ)−zh/cosβ
−z・sinβ=x(cosα・sinβ/cosβ) +y(sinα・sinβ/cosβ)−zh・sinβ/cosβ
【0096】
【数30】
Figure 0003576728
【0097】
以上より、
【0098】
【数31】
Figure 0003576728
【0099】
となる。
以上のように、本実施形態の3軸モーションセンサ1によれば、CPU3の補正部33において、フラックスゲートセンサ2Aで得られた回転角情報に対して地磁気を考慮した補正を施すことにより被検出対象物の回転角(ヨウ角)情報を補正することができるので、地磁気の偏差,傾差,水平力に関わらず、つまり、地表のどの地域においても、常に被検出対象物の姿勢(角度情報)を正しく高精度に検出することができ、本センサ1装置の信頼性の向上に大いに寄与する。
【0100】
具体的には、被検出対象物のピッチ,ロール(傾斜センサ2Bの検出値)に基づいて、フラックスゲートセンサ2Aで検出した磁界強度情報を地表水平面上での磁界強度情報に変換することにより、地磁気による磁界強度情報を基に得られる被検出対象物のヨウ角情報を補正するので、地磁気の偏差,傾差,水平力などによるヨウ角の逆転現象を確実に防止して、ピッチ,ロールとともに常に正確な被検出対象物のヨウ角を得ることができ、さらに本センサ1の信頼性の向上に寄与する。
【0101】
また、本実施形態の3軸モーションセンサ1は、フラックスゲートセンサ2Aを上述のごとく極めて薄く形成するとともに、傾斜センサ2BをIC化して小型化しているので、全体の大きさが非常に小型化されている。
なお、本実施形態の3軸モーションセンサ1は、図4に示すように姿勢情報検出部2としてフラックスゲートセンサ2Aと傾斜センサ2Bとをそなえているが、傾斜センサ2Bのみをそなえて2軸モーションセンサとして構成してもよい。また、フラックスゲートセンサ2A,傾斜センサ2Bには、必ずしも上述のような特別なものを用いる必要はなく、通常のものを用いてもよい。
【0102】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の姿勢検出装置によれば、演算処理部(CPU)の補正部において、姿勢情報検出部で得られた姿勢情報に対して地磁気を考慮した補正を施すことにより被検出対象物の姿勢に応じて得られる角度情報を補正することができるので、地磁気の偏差,傾差,水平力に関わらず、つまり、地表のどの地域においても、常に被検出対象物の姿勢(角度情報)を正しく高精度に検出することができ、本装置の信頼性の向上に大いに寄与する。
【0103】
また、本発明の姿勢検出装置によれば、被検出対象物の地表水平面に対する傾斜角情報に基づいて、磁気検出部で検出した磁界強度情報を地表水平面上での磁界強度情報に変換することにより、地磁気による磁界強度情報を基に得られる被検出対象物の回転角情報を補正するので、地磁気の偏差,傾差,水平力などによる回転角情報の逆転現象を確実に防止して、傾斜角情報とともに常に正確な被検出対象物の回転角情報を得ることができ、さらに本装置の信頼性の向上に寄与する。
【0104】
さらに、本発明の姿勢検出装置によれば、上記の磁気検出部が、励磁コイルとして機能する環状コイルパターンを有するシート状コイル部材と、直線状のコイルパターンを有するシート状コイル部材とをそなえた基板型フラックスゲートセンサとして構成されるので、磁気検出性能を維持しながら極めてその構成が薄くなり、姿勢検出装置全体の小型化に大いに寄与することとなる。
加えて、本発明の姿勢検出装置によれば、上記の傾斜角情報を得る傾斜センサ(傾斜検出部)がIC化されているので、装置全体の大きさを大幅に小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態にかかる姿勢検出装置としての3軸モーションセンサの外観を模式的に示す図である。
【図2】図1におけるA矢視図である。
【図3】図1におけるB矢視図である。
【図4】本実施形態の3軸モーションセンサの機能ブロック図である。
【図5】本実施形態の3軸モーションセンサに用いられるフラックスゲートセンサの構成を模式的に示す図である。
【図6】本実施形態の3軸モーションセンサに用いられる傾斜センサの要部の構成を示すブロック図である。
【図7】本実施形態の傾斜センサの動作を説明するための図である。
【図8】本実施形態の3軸モーションセンサにおける座標変換処理を説明するための図である。
【図9】本実施形態の3軸モーションセンサにおける座標変換処理を説明するための図である。
【図10】(a),(b)はいずれも本実施形態の3軸モーションセンサにおける座標変換処理を説明するための図である。
【図11】(a),(b)はいずれも本実施形態の3軸モーションセンサにおける座標変換処理を説明するための図である。
【図12】(a),(b)はいずれも本実施形態の3軸モーションセンサにおける座標変換処理を説明するための図である。
【図13】本実施形態の3軸モーションセンサにおける座標変換処理を説明するための図である。
【図14】本実施形態の3軸モーションセンサにおける座標変換処理を説明するための図である。
【図15】本実施形態の3軸モーションセンサにおける座標変換処理を説明するための図である。
【図16】本実施形態の3軸モーションセンサにおける座標変換処理を説明するための図である。
【図17】(a),(b)はいずれも本実施形態の3軸モーションセンサにおける座標変換処理を説明するための図である。
【図18】(a),(b)はいずれも本実施形態の3軸モーションセンサにおける座標変換処理を説明するための図である。
【図19】本実施形態の3軸モーションセンサにおける座標変換処理を説明するための図である。
【図20】本実施形態の3軸モーションセンサにおける座標変換処理を説明するための図である。
【図21】(a),(b)はいずれも本実施形態の3軸モーションセンサにおける座標変換処理を説明するための図である。
【図22】本実施形態の3軸モーションセンサにおける座標変換処理を説明するための図である。
【図23】本実施形態の3軸モーションセンサにおける座標変換処理を説明するための図である。
【図24】本実施形態の3軸モーションセンサの動作を説明するためのフローチャートである。
【図25】従来の姿勢検出装置としての3軸モーションセンサの一例を示す模式的斜視図である。
【図26】(a),(b)はいずれもピッチ,ロール,ヨウ角を説明するための図である。
【図27】(a)〜(c)はそれぞれピッチ,ロール,ヨウ角を説明するための図である。
【符号の説明】
1 3軸モーションセンサ(姿勢検出装置)
2 姿勢情報検出部
2A フラックスゲートセンサ(磁気検出部)
2B 傾斜センサ(傾斜検出部)
3 CPU(演算処理部)
4 コントロール基板
5 外部接続端子部
6 支柱
6′,7,8 エポキシ基板
9 アモルファスコア
10〜12 直線状コイルパターン
21,22 固定極板
23 メイン・ビーム
24 センター極板
31 回転角演算部
32 傾斜角演算部
33 補正部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a posture detection device that detects the posture (inclination angle, rotation angle, etc.) of an object or a person, for example, the position or inclination angle of a display object on a screen (display) according to the operation (posture) of a person. The present invention relates to a posture detection device suitable for use in a head-mounted display experience game for controlling a rotation angle and the like, a posture control of a robot, a fully automatic traveling system, a navigation system, and the like.
[0002]
[Prior art]
FIG. 25 is a schematic perspective view showing an example of a three-axis motion sensor as a conventional posture detecting device. The three-axis motion sensor 100 shown in FIG. 25 includes an inclination sensor 103, a magnetic sensor 104, and a CPU 105. It is configured. Here, the tilt angle sensor 103 is disposed on the substrate 101, and the magnetic sensor 104 and the CPU 105 are disposed on the substrate 102. The overall dimensions are about 50 mm in length, 40 mm in width, and 50 mm in height.
[0003]
Here, the tilt angle sensor 103 incorporates a liquid such as a silicon liquid or a pendulum, and changes the resistance value of the liquid when a detection target such as an attached object or a person is tilted with respect to the horizontal surface. The magnetic sensor 104 detects the geomagnetism (geomagnetic vector).
[0004]
Further, the CPU 105 calculates the inclination angle of the detection target based on the change in the resistance value of the liquid and the change in the position of the pendulum obtained by the inclination angle sensor 103, and performs detection based on the geomagnetism detected by the geomagnetic sensor 104. The rotation angle of the object is calculated.
Thus, the above-described three-axis motion sensor sets the surface horizontal plane to the XY plane (here, the X-axis direction is left and right, the Y-axis direction is front and rear), and the ground surface horizontal plane as shown in FIG. Assuming that the vertical direction (up and down) is the Z axis and the coordinate system, the rotation angle (tilt) angle of the object to be detected around the X axis by the inclination angle sensor 103 [pitch: FIG. )], A rotation (tilt) angle about the Y axis (roll: see FIGS. 26B and 27C) is detected, and the rotation angle about the Z axis [Yaw angle: FIG. (B) and FIG. 27 (a)] can be detected, and three-axis information of the pitch, roll, and yaw angle (posture information of the detection target) can be obtained. However, in this case, it is defined that the yaw angle is detected with magnetic north as absolute 0 degrees.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, such a conventional three-axis motion sensor 100 has the following problems.
{Circle around (1)} The geomagnetism detected by the magnetic sensor 104 has a deviation and a tilt for each region (latitude and longitude of the earth) and a different horizontal force. Occurs. Therefore, if the yaw angle detected using the geomagnetism is not corrected in consideration of the geomagnetic deviation, inclination, and horizontal force in each area, the yaw angle reversal phenomenon occurs.
[0006]
{Circle around (2)} Since the liquid sensor and the mechanical (pendulum) sensor are used for the tilt sensor 103, it takes time until the change of the liquid or the pendulum is stabilized, and the data is not stable. Unreliable data may be output for a certain period of time. Accordingly, when the three-axis motion sensor 100 is used for a screen pointing device, a seasickness phenomenon or the like occurs on a display screen, and when the three-axis motion sensor 100 is used for a positioning device, a wrong direction indication or the like occurs.
[0007]
(3) Since the liquid sensor and the mechanical (pendulum) sensor are used for the tilt sensor 103, the size of the entire sensor 100 is increased.
The present invention has been devised in view of such a problem, and provides a posture detecting device that is small and can always accurately detect posture information of a detection target in any region on the earth. With the goal.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
For this reason, the posture detecting device of the present invention described in claim 1It has a control board, a first sheet-shaped coil member provided on the control board via a support and having an annular coil pattern functioning as an exciting coil, and a linear coil pattern for detecting a saturation state of a magnetic field. And a second sheet-like coil member disposed on both sides of the first sheet-like coil member so that the linear coil pattern crosses the annular coil pattern of the first sheet-like coil member. A linear coil pattern for detection is arranged on one surface side of the second sheet coil member so that the linear coil pattern intersects the linear coil pattern of the second sheet coil member. A substrate-type flux gate sensor having a third sheet-shaped coil member, and a ground-type flux-gate sensor disposed on the control substrate. A tilt sensor integrated into an IC for detecting a tilt with respect to a horizontal plane, and a tilt sensor provided on the control board, based on posture information of the detection target object detected by the board type flux gate sensor and the tilt sensor. An arithmetic processing unit for calculating angle information according to the attitude of the detection target object, and an arithmetic processing unit provided in the arithmetic processing unit, for the attitude information obtained by the substrate type fluxgate sensor and the tilt sensor. A CPU having a correction unit that can correct the above angle information by performing correction in consideration of geomagnetism;It is characterized by comprising.
[0009]
Further, according to a second aspect of the present invention, in the configuration of the first aspect,The tilt sensor is provided on the control substrate below the substrate-type fluxgate sensor.It is characterized by:
According to a third aspect of the present invention, in the configuration of the second aspect, the CPU is provided on an opposite surface of the control board on which the tilt sensor is provided. I have.
[0010]
Claims4The described posture detection device of the present invention,In order to detect the magnetic field strength due to geomagnetism,A first sheet-shaped coil member having an annular coil pattern functioning as an exciting coil; and a linear coil pattern for detecting a saturated state of a magnetic field, the linear coil pattern being an annular coil pattern of the first sheet-shaped coil member. A second sheet-shaped coil member disposed on one surface side of the first sheet-shaped coil member so as to cross the first sheet-shaped coil member, and a linear coil pattern for detecting a saturation state of the magnetic field. A third sheet-shaped coil member disposed on one surface of the second sheet-shaped coil member so as to intersect with the linear coil pattern of the two sheet-shaped coil members;A magnetic detection unit, an inclination detection unit that detects an inclination of the detection target object with respect to the surface horizontal plane, a posture information detection unit that detects posture information of the detection target object, and a posture detection unit that detects the posture information. Based on the posture information, the angle information corresponding to the posture of the detection target object is calculated by calculation, and the posture information is corrected in consideration of geomagnetism to correct the angle information. And a control board, the control board is provided with the magnetic detection section via a support, and the tilt detection section and the calculation processing section are provided on the control board.It is characterized by being.
According to a fifth aspect of the present invention, in the configuration of the fourth aspect of the present invention, the arithmetic processing unit is arranged on the surface of the ground surface of the detection target object based on a detection result of the magnetic detection unit. A rotation angle calculation unit that calculates the rotation angle information by calculation, a tilt angle calculation unit that calculates the tilt angle information of the detected object with respect to the surface horizontal plane based on the detection result by the tilt detection unit, By converting the magnetic field intensity information detected by the magnetic detection unit based on the tilt angle information obtained by the tilt angle calculation unit into magnetic field intensity information on the surface horizontal plane, the rotation angle calculation unit obtains the information. And a correction unit for correcting the rotation angle information.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram schematically showing the appearance of a three-axis motion sensor as a posture detecting device according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a view as seen from an arrow A in FIG. 1, and FIG. 1 to 3, reference numeral 1 denotes a three-axis motion sensor, 2A denotes a substrate-type fluxgate sensor, 2B denotes a tilt sensor, 3 denotes a CPU, and 4 denotes the tilt sensors 2B and CPU3. A control board 5 and an external connection terminal portion 6 are disposed, and a support post 6 is provided for connecting the flux gate sensor 2A and the control board 4 so as to keep them in parallel.
[0012]
Focusing on its functions, the three-axis motion sensor 1 of the present embodiment is configured as shown in FIG. 4. In the present embodiment, the pitch, roll, A posture information detecting unit 2 for detecting posture information such as a yaw angle (see FIGS. 27A to 27C) includes a fluxgate sensor 2A and an inclination sensor 2B.
[0013]
Here, the flux gate sensor (magnetic detection unit) 2A detects the magnetic field intensity due to the geomagnetism, and the inclination sensor (inclination detection unit) 2B detects the inclination of the detected object with respect to the surface horizontal plane. The CPU (arithmetic processing unit) 3 calculates angle information (pitch, roll, yaw angle) corresponding to the posture of the detection target based on the posture information detected by the sensors 2A and 2B. Here, the above-mentioned yaw angle can be corrected by performing correction in consideration of terrestrial magnetism on the information obtained by each of the sensors 2A and 2B.
[0014]
For this reason, as shown in FIG. 4, the CPU 3 includes an inclination angle calculation unit 31, a rotation angle calculation unit 32, and a correction unit 33, and the rotation angle calculation unit 31 is provided with the flux gate sensor 2A. The yaw angle (rotation angle information) of the object to be detected on the surface horizontal plane is calculated based on the detection result, and the inclination angle calculator 32 calculates the yaw angle based on the result of detection by the inclination sensor 2B. The pitch and roll (tilt angle information) with respect to the surface horizontal plane are calculated by calculation.
[0015]
Further, the correction unit 33 converts the magnetic field intensity information detected by the flux gate sensor 2A based on the pitch and roll obtained by the above-described inclination angle calculation unit 32 into a magnetic field intensity on a surface horizontal surface by coordinate conversion processing described later. By converting the information into information, the yaw angle obtained in the rotation angle calculator 31 is corrected.
Next, FIG. 5 is a diagram schematically showing the configuration of the above-mentioned flux gate sensor 2A. As shown in FIG. 5, the flux gate sensor 2A of this embodiment has two epoxy substrates 6 each. , 7, 8 and an amorphous core 9 formed in a ring shape and functioning as an exciting coil by being supplied with a current. Here, it is assumed that the epoxy substrates 6 ', 7, 8 are made of glass.
[0016]
As shown in FIG. 5, a linear coil pattern 10 for detecting the saturation state of the magnetic field is formed on the epoxy substrate (third sheet coil member) 6 'by etching. On the substrate (second sheet-shaped coil member) 7, a similar linear coil pattern 11 is formed by etching in a direction intersecting (perpendicular to) the above-described coil pattern 10.
[0017]
A plurality of linear coil patterns 12 are formed in a ring shape by etching on the epoxy substrate 8, and an etching pattern such as a toroidal coil is formed on the amorphous core (first sheet coil member) 9. Thus, it functions as an exciting coil. Here, each of the above-mentioned etching (coil) patterns is formed such that its etching width is on the order of several microns.
[0018]
That is, the flux gate sensor 2A of the present embodiment has the amorphous core 9 and the linear coil pattern 11, and the linear coil pattern 11 is disposed on both sides of the amorphous core 9 so as to cross the coil pattern of the amorphous core 9. Epoxy substrate 7 having a linear coil pattern 10 and an epoxy substrate disposed on one side of epoxy substrate 7 such that linear coil pattern 10 intersects linear coil pattern 11 of epoxy substrate 7. 6 '.
[0019]
As a result, the fluxgate sensor 2A can obtain the directionality of the geomagnetism by measuring the information on the magnetic field intensity generated when the amorphous core 9 is excited by the linear coil patterns 10 and 11 intersecting each other. As described above, the flux gate sensor 2A according to the present embodiment does not require the conventional winding technology for forming a coil by forming a coil pattern required as a magnetic sensor by using the etching technology, and therefore the winding is performed. There is no variation in sensitivity due to wire unevenness or winding pressure, and the accuracy can be controlled on the order of microns. As a result, the flux gate sensor 2A is formed extremely thin while maintaining the magnetic detection performance, and the size of the entire three-axis motion sensor 1 is greatly reduced.
[0020]
The above-described amorphous core 9 does not necessarily need to be formed in a ring shape as shown in FIG. 5, but may be formed in another shape such as a flat plate shape. The epoxy substrates 6 ', 7, and 8 may be made of plastic instead of glass as long as they can be etched.
Next, FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a main part of the above-described tilt sensor 2B. As shown in FIG. 6, the tilt sensor 2B according to the present embodiment includes independent fixed pole plates 21 and 22. A center electrode 24 mounted on a main beam 23 that operates in response to the applied acceleration, and the fixed electrodes 21, 22 and the center electrode 24 form two capacitances (CS1, CS2). It is configured to:
[0021]
As a result, in the tilt sensor 2B, as shown in FIG. 7, for example, the main beam 23 operates when acceleration is applied to the tilt sensor 2B due to the detection target tilting with respect to the surface horizontal plane. Then, a mismatch occurs between the two capacitance values CS1 and CS2, and as a result, a current corresponding to the inclination with respect to the surface horizontal plane flows to the center electrode plate 24. If this current value is supplied to the CPU 3 as inclination detection information, Necessary tilt angle information (pitch, roll) is detected in the above-described tilt angle calculating section 32.
[0022]
In other words, the present tilt sensor 2B realizes an IC by making it possible to detect tilt information by utilizing the change in capacitance as described above, thereby further increasing the scale of the entire three-axis motion sensor 1. It is downsized. The dimensions of the three-axis motion sensor 1 are about 45 mm in length, 30 mm in width, and about 8.5 mm in height, as shown in FIG.
[0023]
Hereinafter, the operation of the three-axis motion sensor 1 according to the present embodiment configured as described above will be described with reference to the flowchart (steps S1 to S5) shown in FIG.
First, the flux gate sensor 2A detects the magnetic field intensity due to the terrestrial magnetism (Step S1). Then, the detected magnetic field strength information is provided to the CPU 3, and the CPU 3 calculates the yaw angle by the rotation angle calculation unit 31 based on the magnetic field strength information. There is a difference, a deviation, a horizontal force, and the like, and geomagnetism cannot be detected depending on the inclination angle of the fluxgate sensor 2A.
[0024]
This correction process is performed based on the tilt detection information obtained by the tilt sensor 2B. In the tilt sensor 2B, when the detection target to which the three-axis motion sensor 1 is attached is tilted with respect to the horizontal surface, tilt detection information such as a current value corresponding to the tilt is obtained (step S2). The obtained information is supplied to the CPU 3, and the CPU 3 calculates a pitch and a roll by a predetermined calculation based on the tilt detection information and outputs the pitch and roll (step S3).
[0025]
Then, the correction unit 33 converts the magnetic field strength information detected by the fluxgate sensor 2A into the magnetic field strength information on the surface horizontal plane by performing the following coordinate conversion processing based on these pitches and rolls (coordinates). (Conversion) to make the state free of the influence of these inclination, deviation and horizontal force (step S4). As a result, the rotation angle calculator 31 performs a calculation process based on the corrected magnetic field strength information, and always calculates a correct and accurate yaw angle (step S5).
[0026]
Here, the above-described coordinate conversion processing will be described in detail.
(A) General operation method of coordinate transformation
For example, as shown in FIG. 8, a fixed coordinate system set in the space is (xh, yh, zh), and coordinates when this coordinate system is rotated by φ around the xh axis and by θ around the yh axis. Assume the system is (x, y, z). However, the sign of each rotation angle is set as shown in FIG.
[0027]
First, consider a magnetic flux vector H (→) = (HXH, HYH, HZH) in the (xh, yh, zh) coordinate system. In the (x, y, z) coordinate system, this vector H (→) is expressed as H (→) = (HX, HY, HZ). Therefore, the transformation from the (xh, yh, zh) coordinate system to the (x, y, z) coordinate system is
[0028]
(Equation 1)
Figure 0003576728
[0029]
Is represented by
Conversely, the conversion from the (x, y, z) coordinate system to the (xh, yh, zh) coordinate system is as follows:
[0030]
(Equation 2)
Figure 0003576728
[0031]
Is represented by
As an actual state, when the (xh, yh, zh) coordinate system is considered as the coordinate system of the ground surface (gravity is in the “−z” direction), the (x, y, z) coordinate system is considered to be, for example, a ship. At this time, if the vector H (→) is considered to be geomagnetism,
HZH ≒ 0 (3)
Can be approximated. Therefore, when the magnitude of the vector H (→), that is, the horizontal amplitude, φ, θ of the flux gate sensor 2A is known, HZ can be calculated from the equation (1).
[0032]
HZ = −HXH sin θ + HYH · cos θ · sin φ (4)
Expanding equation (2) of the matrix,
HXH = HXcosθ + HYsinθ · sinφ−HZsinθ · cosφ (5)
HYH = HY · cosφ + HZ · sinφ (6)
HZH = HX sin θ−HY cos θ · sin φ + HZ cos θ · cos φ (7)
It becomes.
[0033]
Assuming that cos φ = C1, cos θ = C2, sin φ = S1, and sin θ = S2, substituting equation (4) into equation (5),
Figure 0003576728
When rearranging equation (8) for HXH,
[0034]
(Equation 3)
Figure 0003576728
[0035]
Rearranging equation (9) for HXH,
[0036]
(Equation 4)
Figure 0003576728
[0037]
By combining Equations (10) and (11) and rearranging for HYH,
[0038]
(Equation 5)
Figure 0003576728
[0039]
When rearranging equation (8) for HYH,
[0040]
(Equation 6)
Figure 0003576728
[0041]
When rearranging equation (9) for HYH,
[0042]
(Equation 7)
Figure 0003576728
[0043]
Combining equations (13) and (14) and rearranging for HXH,
[0044]
(Equation 8)
Figure 0003576728
[0045]
Recalculating from equations (7) and (3) gives:
[0046]
(Equation 9)
Figure 0003576728
[0047]
Substituting equation (16) into equation (5) and rearranging,
[0048]
(Equation 10)
Figure 0003576728
[0049]
Here, C22+ S22= Cos2θ + sin2= 1
HXH = HX / C2 (17)
Substituting equation (16) into equation (6) and rearranging,
[0050]
(Equation 11)
Figure 0003576728
[0051]
Next, the reverse conversion formula is reestablished.
HXH = HX · C2-HZ · S2 (19)
HYH = HX.S1.S2-HY.C1 + HZ.C1.C2 (20)
HZH = HX · C1 · S2-HY · S1 + HZ · C1 · C2 (21)
When HZH = 0 in the equation (21), HZ is obtained.
[0052]
(Equation 12)
Figure 0003576728
[0053]
Substituting equation (22) into equation (19) and rearranging,
[0054]
(Equation 13)
Figure 0003576728
[0055]
Substituting equation (22) into equation (20) and rearranging,
[0056]
[Equation 14]
Figure 0003576728
[0057]
(B) Basic definition
A reference coordinate system (xh, yh, zh) as shown in FIG. 9 is defined as a reference coordinate system. The coordinate system obtained by rotating this reference coordinate system by φ around the xh axis as shown in FIGS. 10A and 10B, for example, is defined as (x ′, y ′, z ′) and the coordinate system 1. . At this time, if the vector p (→) is p (→) = (xh, yh, zh) in the reference coordinate system and p (→) = (x ′, y ′, z ′) in the coordinate system 1, then The relationship is a matrix expression,
[0058]
(Equation 15)
Figure 0003576728
[0059]
It is expressed as
Next, a coordinate system (x, y, z) obtained by rotating the reference coordinate system by θ with respect to the y ′ axis as shown in FIGS. 11A and 11B is referred to as a coordinate system 2. At this time, if the vector p (→) is expressed as p (→) = (x, y, z) in the coordinate system 2, the matrix expression of the relationship between the coordinate system 1 and the coordinate system 2 is as follows.
[0060]
(Equation 16)
Figure 0003576728
[0061]
It is expressed as
From the equations (25) and (26), the relationship between the reference coordinate system and the coordinate system 2 is
[0062]
[Equation 17]
Figure 0003576728
[0063]
It becomes. This is an equation in which the signs of φ and θ are opposite to those in equation (1). Hereinafter, consideration will be given based on this equation (27).
Next, considering the inverse transformation from the coordinate system 2 to the coordinate system 1 for the vector p (→),
[0064]
(Equation 18)
Figure 0003576728
[0065]
And the inverse transformation from coordinate system 1 to the reference coordinate system is
[0066]
[Equation 19]
Figure 0003576728
[0067]
It becomes. Therefore, the conversion from the coordinate system 2 to the reference coordinate system is obtained from the equations (28) and (29).
[0068]
(Equation 20)
Figure 0003576728
[0069]
It becomes.
(C) Angle expression of tilt sensor
Next, a case where the above-described tilt sensor 2B is attached to the origin of the coordinate system 2 as shown in FIG. It is assumed that the z (-) direction is the direction of gravity in the reference coordinate system as shown in FIG. At this time, the output of the tilt sensor 2B is
x-axis rotation angle: u
Rotation angle of y axis: v
When expressed as follows, these angles u and v are defined as follows when the (xh, yh) plane of the reference coordinate system crosses the (x, z) plane and the (y, z) plane of the coordinate system 2 as shown below. It can be considered as the angle between the intersection line and the x and y axes.
[0070]
u: the angle between the intersection of the (xh, yh) plane and the (y, z) plane with the y-axis
v: the angle between the intersection of the (xh, yh) plane and the (x, z) plane and the x-axis
Consider the relationship between u and v and φ and θ used in the coordinate conversion. First, when φ = 0 and θ = 0, since the coordinate system 2 matches the reference coordinate system, it is clear that u = 0 and v = 0.
[0071]
Next, consider a case where the inclination sensor 2B is attached to the center of the coordinate system 1 rotated by φ with respect to the x axis. In this case, it can be intuitively said that u = −φ. Here, considering a unit vector (length 1) perpendicular to the (xh, yh) plane, it is considered that u and v can be obtained by obtaining an angle with the z ′ axis after coordinate conversion. From equation (25),
[0072]
(Equation 21)
Figure 0003576728
[0073]
∴ x ′ = 0, y ′ = sin φ, z ′ = cos θ (31)
At this time, as shown in FIG. 13, since the angle between the z 'axis and the y' and z 'components of the vector is u,
Figure 0003576728
Next, consider a case where the inclination sensor 2B is attached to the center of the coordinate system 2 rotated by θ with respect to the y ′ axis. In this case, v = 0 can be said intuitively. As described above, when u and v are obtained in consideration of the unit vector, from the equation (27),
[0074]
(Equation 22)
Figure 0003576728
[0075]
∴ x = −cos θ · sin θ, y = sin θ, z = cos φ · cos θ (33)
As shown in FIG. 14, when the inclination of the y and z components is obtained from the z axis,
Figure 0003576728
Similarly, as shown in FIG. 15, when the slopes of the x and z components are obtained from the z axis,
Figure 0003576728
It becomes.
[0076]
(D) Conversion of geomagnetic vector from coordinate system 2 to reference coordinate system
Assuming that the geomagnetic vector is (xh, yh, 0), from equation (25),
x = xh · cos θ + yh · sin φ · sin θ (36)
y = yh · cosφ (37)
z = xh · sin θ−yh · sin φ · cos θ (38)
From equation (34),
yh = y / cosφ (39)
From equations (36) and (39),
x = xh · cos θ + y · sin φ · sin θ / cos φ
∴xh · cos θ = x−y · sin φ · sin θ / (cos φ · cos θ)
∴xh = (x / cos θ) −y · tan φ · tan θ (40)
It becomes.
[0077]
As another approach, from equation (30),
xh = x · cos θ + z · sin θ (41)
yh = x · sinφ · sinθ + y · cosφ−z · sinφ · cosθ (42)
zh = −x · cosφ · sinθ + y · sinφ + z · cosφ · sinθ (43)
Now, since zh = 0,
0 = −x · cosφ · sinθ + y · sinφ + z · cosφ · sinθ,
[0078]
(Equation 23)
Figure 0003576728
[0079]
From equations (41) and (44),
[0080]
[Equation 24]
Figure 0003576728
[0081]
This has the same result as equation (40). From equations (42) and (44),
[0082]
(Equation 25)
Figure 0003576728
[0083]
This also has the same result as equation (39).
When φ and θ are replaced by u and v, the geomagnetic vector [the detection value (x, y) of the fluxgate sensor 2A] is coordinated to the reference coordinate system (surface horizontal surface) by the detection value (u, v) of the inclination angle sensor 2B. Can be converted. From equation (34),
tan (u) =-tanφ / cosθ
∴tanφ = -cosθ · tan (u) (47)
This is substituted into Expression (46), and from Expression (35),
xh = x / cos (v) + cos (v) tan (u) tan (v) y (48)
Further, by simplifying the equation (47),
φ = u · cos θ (49)
Substituting this into equation (39) gives
yh = y / cos (u · cosv) (50)
The rotation angle calculation unit 31 of the CPU 3 calculates the yaw angle based on the terrestrial magnetism magnetic field strength information corrected by the coordinate conversion as described above.
[0084]
The above coordinate conversion may be performed by the following calculation. That is, as shown in FIG. 16, the coordinate system to which the inclination sensor 2B is attached is (x, y, z). In this case, the angle u between the intersection line when the actual horizontal plane crosses the yz plane and the y-axis is considered as output data of the tilt sensor. Similarly, the angle v between the intersection line when the horizontal plane crosses the xz plane and the x-axis is considered as output data of the tilt sensor. In this case, the direction from the x and y axes is positive in the z axis (+) direction, and the point where the x and y axes coincide with the intersection line is 0.
[0085]
Here, considering a reference coordinate system (xh, yh, zh) fixed to the ground, the xh, yh plane coincides with the horizontal plane. At this time, attention is paid to the relationship between the z axis and the zh axis. As shown in FIG. 17A, the angle between the line connecting z-zh and the x-axis when looking down from above the z-axis is α. However, when the position coincides with the x-axis, it is set to 0, and from the x-axis (+) to the y-axis (+), + is set. Further, as shown in FIG. 17B, the angle between the z axis and the zh axis is represented by β. Then, as shown in FIGS. 18A and 18B, when α is 0, it matches v, and when α is 90 degrees, it matches u.
[0086]
Here, the relationship between u and v and α and β is obtained. Consider a unit vector (0, 0, 1) of length 1 that coincides with the zh axis. The angle formed by the shadow of the vector on the x and z planes and the z axis is v, and the angle formed by the shadow on the yz plane and the z axis is u.
When this vector is expressed by (x, y, z) coordinates, as shown in FIG. 19, the length between the z-axis component and the vector vertex is sin β, and the length of the z-axis component is cos β. Therefore,
x = sinβ · cosα
y = sinβ · sinα (51)
z = cosβ
It becomes. Thus, as can be seen from FIGS. 20, 21 (a) and 21 (b),
tan (−v) = sinβ · cosα / cosβ (52)
tan (−u) = sinβ · sinα / cosβ (53)
By transforming equations (52) and (53),
cosα = tan (−v) / tanβ (54)
sinα = tan (−u) / tanβ (55)
By dividing equation (55) by equation (54),
tan α = tan (−u) / tan (−v)
∴α = tan-1[Tan (-u) / tan (-v)]
When Equations (54) and (55) are squared and added,
cos2α + sin2α = tan2(-V) / tan2β + tan2(-U) / tan2β
1 1 = [tan2(-V) + tan2(-U)] / tan2β
tan2β = tan2(-U) + tan2(-V)
tanβ = (tan2(-U) + tan2(-V))1/2
∴ β = tan-1[(Tan2(-U) + tan2(-V))1/2] (56)
It becomes.
[0087]
Next, the z axis is made to coincide with the zh axis. Consider a coordinate system (x ′, y ′, z ′) in which the z-axis is rotated by α. At this time, the zh axis is on the x'z 'plane. Consider an arbitrary vector n (→) on (x, y, z). If n (→) takes the value of (x, y, z) in the (x, y, z) coordinate system, then in the (x ′, y ′, z ′) coordinate system
x ′ = x · cos α + y · sin α
y ′ = − x · sin α + y · cos α (57)
z '= z
In matrix expression,
[0088]
(Equation 26)
Figure 0003576728
[0089]
It becomes.
Next, as shown in FIGS. 22 and 23, if the coordinates rotated β with respect to the y ′ axis are (x ″, y ″, z ″),
x ″ = x ′ · cos β−z ′ · sin β
y ″ = y ′ (59)
z ″ = x ′ · sin β + z ′ · cos β
In matrix representation,
[0090]
[Equation 27]
Figure 0003576728
[0091]
It becomes. Further, when the z ″ axis is rotated by −α, a reference coordinate system (xh, yh, zh) is obtained.
xh = x ″ · cosα−y ″ · sinα
yh = x ″ · sin α + y ″ · cos α (61)
zh = 0
Matrix expression
[0092]
[Equation 28]
Figure 0003576728
[0093]
It becomes.
From the above, when (xh, yh, zh) is obtained from the (x, y, z) coordinates,
[0094]
(Equation 29)
Figure 0003576728
[0095]
When expanded,
xh = x · (cos2α ・ cosβ + sin2α) + y · (cosα · cosβ · sinα-sinα · cosα) -z · cosα · sinβ
yh = x · (sin α · cos β · cos α−cos α · sin α) + y · (sin2α · cosβ + cos2α) -z ・ sinα ・ sinβ
zh = x · sinβ · cosα + y · sinα · sinβ + z · cosβ (63)
And organize it,
Figure 0003576728
From Equations (64) and (65), the correction term Δx of x and the correction term Δy of y are
Δx = cosα [x · cosα (cosβ-1) + y · sinα (cosβ-1) -z · sinβ] (66)
Δy = sin α [x · cos α (cos β-1) + y · sin (cos β-1) −z · sin β] (67)
Is expressed as Where ΔT is
ΔT = x · cosα (cosβ−1) + y · sin (cosβ−1) −z · sinβ (68)
Equations (64) and (65) give
xh = x + Δx = x + cosα · ΔT (69)
yh = y + Δy = y + sinα · ΔT (70)
Is expressed as Here, if zh ≠ 0, then from equation (63),
zh = x · sinβ · cosαy · sinα · sinβ + z · cosβ
∴−z = x (cosα · sinβ / cosβ) + y (sinα · sinβ / cosβ) −zh / cosβ
−z · sin β = x (cos α · sin2β / cosβ) + y (sin α · sin2β / cosβ) -zh · sinβ / cosβ
[0096]
[Equation 30]
Figure 0003576728
[0097]
From the above,
[0098]
[Equation 31]
Figure 0003576728
[0099]
It becomes.
As described above, according to the three-axis motion sensor 1 of the present embodiment, the correction unit 33 of the CPU 3 performs the correction in consideration of the terrestrial magnetism on the rotation angle information obtained by the flux gate sensor 2A to detect the rotation angle information. Since the rotation angle (yaw angle) information of the object can be corrected, regardless of the geomagnetic deviation, inclination, and horizontal force, that is, the attitude (angle information) ) Can be accurately and accurately detected, which greatly contributes to the improvement of the reliability of the present sensor 1 device.
[0100]
Specifically, by converting the magnetic field strength information detected by the fluxgate sensor 2A into the magnetic field strength information on the horizontal surface based on the pitch and roll (detected value of the tilt sensor 2B) of the detection target, Since the yaw angle information of the object to be detected is corrected based on the magnetic field intensity information by the geomagnetism, the yaw angle reversal phenomenon due to the geomagnetic deviation, inclination, horizontal force, etc. is reliably prevented, and the pitch and roll An accurate yaw angle of the object to be detected can be always obtained, which further contributes to the improvement of the reliability of the sensor 1.
[0101]
Further, in the three-axis motion sensor 1 of the present embodiment, the flux gate sensor 2A is formed to be extremely thin as described above, and the tilt sensor 2B is formed into an IC so as to be miniaturized. ing.
Although the three-axis motion sensor 1 according to the present embodiment includes a flux gate sensor 2A and a tilt sensor 2B as the posture information detection unit 2 as shown in FIG. 4, the two-axis motion sensor includes only the tilt sensor 2B. It may be configured as a sensor. Further, the flux gate sensor 2A and the tilt sensor 2B do not necessarily need to use the special ones described above, but may use normal ones.
[0102]
【The invention's effect】
As detailed above,BookAccording to the posture detection device of the invention, the arithmetic processing unit(CPU)In the correction unit, the angle information obtained according to the posture of the detection target object can be corrected by performing the correction considering the geomagnetism on the posture information obtained by the posture information detection unit, Irrespective of the deviation, inclination, and horizontal force, that is, the posture (angle information) of the object to be detected can always be detected accurately and with high accuracy in any area of the ground surface, and the reliability of this device is improved. Greatly contributes.
[0103]
Also,BookAccording to the attitude detection device of the present invention, based on the inclination angle information of the detection target object with respect to the ground surface horizontal plane, the magnetic field strength information detected by the magnetic detection unit is converted to the magnetic field strength information on the ground surface horizontal plane, and thereby the geomagnetic field is detected. Since the rotation angle information of the detected object obtained based on the magnetic field strength information is corrected, the reversal phenomenon of the rotation angle information due to geomagnetic deviation, tilt difference, horizontal force, etc. is reliably prevented, and the rotation angle information is always included. Accurate rotation angle information of the detected object can be obtained, which further contributes to improvement of the reliability of the present apparatus.
[0104]
further,BookAccording to the posture detecting device of the present invention, the magnetic detection unit includes a sheet-shaped coil member having an annular coil pattern functioning as an exciting coil and a sheet-shaped coil member having a linear coil pattern.Substrate type fluxgate sensorThe configuration makes the configuration extremely thin while maintaining the magnetic detection performance, greatly contributing to the downsizing of the entire attitude detection device.
In addition, according to the attitude detection device of the present invention, since the tilt sensor (tilt detection unit) for obtaining the above-described tilt angle information is formed as an IC, the size of the entire device can be significantly reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically illustrating an appearance of a three-axis motion sensor as a posture detection device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view taken in the direction of arrow A in FIG.
FIG. 3 is a view taken in the direction of arrow B in FIG. 1;
FIG. 4 is a functional block diagram of the three-axis motion sensor of the embodiment.
FIG. 5 is a diagram schematically showing a configuration of a flux gate sensor used in the three-axis motion sensor of the embodiment.
FIG. 6 is a block diagram illustrating a configuration of a main part of a tilt sensor used in the three-axis motion sensor according to the embodiment.
FIG. 7 is a diagram for explaining the operation of the tilt sensor according to the embodiment.
FIG. 8 is a diagram for explaining a coordinate conversion process in the three-axis motion sensor of the embodiment.
FIG. 9 is a diagram illustrating a coordinate conversion process in the three-axis motion sensor according to the embodiment.
FIGS. 10A and 10B are diagrams for explaining a coordinate conversion process in the three-axis motion sensor according to the present embodiment.
FIGS. 11A and 11B are diagrams for explaining a coordinate conversion process in the three-axis motion sensor according to the present embodiment.
FIGS. 12A and 12B are diagrams for explaining a coordinate conversion process in the three-axis motion sensor according to the present embodiment.
FIG. 13 is a diagram illustrating a coordinate conversion process in the three-axis motion sensor according to the embodiment.
FIG. 14 is a diagram illustrating a coordinate conversion process in the three-axis motion sensor according to the embodiment.
FIG. 15 is a diagram illustrating a coordinate conversion process in the three-axis motion sensor according to the embodiment.
FIG. 16 is a diagram illustrating a coordinate conversion process in the three-axis motion sensor according to the embodiment.
FIGS. 17A and 17B are diagrams for explaining coordinate conversion processing in the three-axis motion sensor according to the present embodiment.
FIGS. 18A and 18B are diagrams for explaining a coordinate conversion process in the three-axis motion sensor according to the present embodiment.
FIG. 19 is a diagram illustrating a coordinate conversion process in the three-axis motion sensor according to the embodiment.
FIG. 20 is a diagram illustrating a coordinate conversion process in the three-axis motion sensor according to the embodiment.
FIGS. 21A and 21B are diagrams for explaining a coordinate conversion process in the three-axis motion sensor according to the present embodiment.
FIG. 22 is a diagram illustrating a coordinate conversion process in the three-axis motion sensor according to the embodiment.
FIG. 23 is a diagram illustrating a coordinate conversion process in the three-axis motion sensor according to the embodiment.
FIG. 24 is a flowchart for explaining the operation of the three-axis motion sensor of the embodiment.
FIG. 25 is a schematic perspective view showing an example of a three-axis motion sensor as a conventional posture detecting device.
FIGS. 26A and 26B are diagrams for explaining pitch, roll, and yaw angle.
FIGS. 27A to 27C are diagrams for explaining pitch, roll, and yaw angle, respectively.
[Explanation of symbols]
1 3-axis motion sensor (posture detection device)
2 Attitude information detector
2A Flux gate sensor (magnetic detector)
2B Tilt sensor (tilt detector)
3 CPU (arithmetic processing unit)
4 Control board
5 External connection terminal
6 props
6 ', 7,8 epoxy board
9 Amorphous core
10-12 Linear coil pattern
21,22 fixed electrode plate
23 Main beam
24 center electrode plate
31 Rotation angle calculator
32 Tilt angle calculator
33 Correction unit

Claims (5)

コントロール基板と、A control board,
該コントロール基板上に支柱を介して配設され、励磁コイルとして機能する環状コイルパターンを有する第1シート状コイル部材と、磁界の飽和状態を検出するための直線状コイルパターンを有し該直線状コイルパターンが該第1シート状コイル部材の該環状コイルパターンを横切るように該第1シート状コイル部材の両面側に配置される第2シート状コイル部材と、磁界の飽和状態を検出するための直線状コイルパターンを有し該直線状コイルパターンが該第2シート状コイル部材の該直線状コイルパターンと交差するように該第2シート状コイル部材の一方の面側に配置される第3シート状コイル部材とをそなえて構成された基板型フラックスゲートセンサと、  A first sheet-like coil member having an annular coil pattern disposed on the control board via a support and functioning as an exciting coil; and a linear coil pattern for detecting a saturation state of a magnetic field. A second sheet-like coil member disposed on both sides of the first sheet-like coil member so that the coil pattern crosses the annular coil pattern of the first sheet-like coil member; A third sheet having a linear coil pattern and disposed on one surface of the second sheet coil member such that the linear coil pattern intersects the linear coil pattern of the second sheet coil member; A substrate-type flux gate sensor configured with a coiled member,
該コントロール基板上に配設され、被検出対象物の地表水平面に対する傾斜を検出するIC化された傾斜センサと、  A tilt sensor that is provided on the control board and is integrated into an IC to detect a tilt of the detected object with respect to a horizontal surface,
該コントロール基板上に配設され、上記の基板型フラックスゲートセンサ及び傾斜センサで検出された該被検出対象物の姿勢情報に基づいて、該被検出対象物の姿勢に応じた角度情報を演算により算出する演算処理部、および、該演算処理部にそなえられ、上記の基板型フラックスゲートセンサ及び傾斜センサで得られた該姿勢情報に対して地磁気を考慮した補正を施すことにより、上記の角度情報を補正しうる補正部を有するCPUとをそなえて構成されたことを特徴とする、姿勢検出装置。  On the control substrate, based on the posture information of the detected object detected by the substrate type fluxgate sensor and the inclination sensor, angle information corresponding to the posture of the detected object is calculated. An arithmetic processing unit for calculating, and a correction provided in the arithmetic processing unit and taking into account terrestrial magnetism with respect to the attitude information obtained by the substrate-type fluxgate sensor and the tilt sensor, thereby obtaining the angle information. A posture detecting device comprising: a CPU having a correction unit that can correct the position.
該傾斜センサが、該基板型フラックスゲートセンサの下部の該コントロール基板上に設けられていることを特徴とする、請求項1記載の姿勢検出装置。The attitude detecting device according to claim 1, wherein the tilt sensor is provided on the control board below the board type flux gate sensor. 該CPUが、該傾斜センサの設けられた該コントロール基板の反対面に設けられていることを特徴とする、請求項2記載の姿勢検出装置。The attitude detecting device according to claim 2, wherein the CPU is provided on an opposite surface of the control board on which the tilt sensor is provided. 地磁気による磁界強度を検出すべく、励磁コイルとして機能する環状コイルパターンを有する第1シート状コイル部材と、磁界の飽和状態を検出するための直線状コイルパターンを有し該直線状コイルパターンが該第1シート状コイル部材の該環状コイルパターンを横切るように該第1シート状コイル部材の両面側に配置される第2シート状コイル部材と、磁界の飽和状態を検出するための直線状コイルパターンを有し該直線状コイルパターンが該第2シート状コイル部材の該直線状コイルパターンと交差するように該第2シート状コイル部材の一方の面側に配置される第3シート状コイル部材とをそなえて構成された磁気検出部と、被検出対象物の地表水平面に対する傾斜を検出する傾斜検出部とをそなえ、該被検出対象物の姿勢情報を検出する姿勢情報検出部と、
該姿勢情報検出部で検出された該姿勢情報に基づいて、該被検出対象物の姿勢に応じた角度情報を演算により算出するとともに、該姿勢情報に対して地磁気を考慮した補正を施すことにより、上記の角度情報を補正しうる演算処理部とをそなえるとともに
コントロール基板をそなえ、
該コントロール基板に支柱を介して該磁気検出部が配置されるとともに、該コントロール基板上に該傾斜検出部及び該演算処理部が配置されていることを特徴とする、姿勢検出装置。
A first sheet-like coil member having an annular coil pattern functioning as an exciting coil, and a linear coil pattern for detecting a saturation state of a magnetic field, wherein the linear coil pattern has A second sheet-shaped coil member disposed on both sides of the first sheet-shaped coil member so as to cross the annular coil pattern of the first sheet-shaped coil member; and a linear coil pattern for detecting a saturation state of a magnetic field. A third sheet-shaped coil member disposed on one surface side of the second sheet-shaped coil member so that the linear coil pattern intersects the linear coil pattern of the second sheet-shaped coil member; It includes a magnetic detector that is configured to include a, a tilt detection unit that detects an inclination with respect to ground the horizontal plane of the detection object, detects the attitude information of the detection object And attitude information detection unit that,
Based on the posture information detected by the posture information detection unit, the angle information corresponding to the posture of the detection target object is calculated by calculation , and the posture information is corrected in consideration of terrestrial magnetism. , Rutotomoni includes an arithmetic processing unit capable of correcting the angle information,
With control board,
An attitude detection device , wherein the magnetic detection unit is disposed on the control substrate via a support, and the tilt detection unit and the arithmetic processing unit are disposed on the control substrate .
該演算処理部が、
該磁気検出部での検出結果に基づき該被検出対象物の地表水平面上での回転角情報を演算により算出する回転角演算部と、
該傾斜検出部での検出結果に基づき該被検出対象物の地表水平面に対する傾斜角情報を演算により算出する傾斜角演算部と、
該傾斜角演算部により得られた該傾斜角情報に基づいて該磁気検出部で検出された上記の磁界強度情報を地表水平面上での磁界強度情報に変換することにより、該回転角演算部において得られる該回転角情報を補正する補正部とをそなえて構成されことを特徴とする、請求項4記載の姿勢検出装置
The arithmetic processing unit is
A rotation angle calculation unit configured to calculate rotation angle information of the detection target object on the surface horizontal plane based on the detection result by the magnetic detection unit,
A tilt angle calculation unit that calculates, based on the detection result of the tilt detection unit, tilt angle information of the detected object with respect to the surface horizontal plane,
By converting the magnetic field strength information detected by the magnetic detection unit based on the tilt angle information obtained by the tilt angle calculation unit into magnetic field strength information on the surface horizontal plane, the rotation angle calculation unit to the rotation angle information obtained is configured to include a correction unit for correcting and said attitude detecting device according to claim 4, wherein.
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