JP3918911B2

JP3918911B2 - 回転角検出装置、音声再生装置および頭部装着型ディスプレイ装置

Info

Publication number: JP3918911B2
Application number: JP2001305527A
Authority: JP
Inventors: 裕司山田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-10-01
Filing date: 2001-10-01
Publication date: 2007-05-23
Anticipated expiration: 2021-10-01
Also published as: JP2003106840A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、被検出体の回転角速度を検出する角速度センサを用いた回転角検出装置、および回転角検出装置を備える音声再生装置や頭部装着型ディスプレイ装置などの電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
角速度センサの出力の角速度検出信号を積分して、被検出体の回転角（回転角度）を検出することは、様々な分野で行われ、考えられている。
【０００３】
例えば、ヘッドホンに角速度センサを取り付けて、ヘッドホンを装着したリスナ頭部の回転を検出し、その検出結果に応じて音声信号を処理することによって、リスナが左右の方向に向いても、音声信号の音像をリスナ頭外の任意の固定した位置に定位させて、その位置にスピーカが配置されている場合と同等の音場が得られるようにすることが考えられている。
【０００４】
また、カーナビゲーションシステムでは、車の進行方向の変化を検出することによって正しい進行方向を算出し、これと車速センサの出力とによって、あるいは衛星を利用して位置を知るＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）とを併用して、現在位置を算出している。
【０００５】
しかし、角速度センサの出力の角速度検出信号中には、オフセット成分として、直流に近い非常に低い周波数の成分が含まれており、しかも、そのオフセット成分のレベルは、角速度センサごとにばらつき、温度などの環境の変化によって変動する。
【０００６】
そのため、角速度センサの出力の角速度検出信号を、そのまま積分して回転角を検出すると、被検出体が静止しているときでも、回転しているものとして検出されてしまうとともに、被検出体が回転しているときにおいても、その回転角を正確に検出することができない。そのため、角速度センサの出力の角速度検出信号から、このオフセット成分を除去する必要がある。
【０００７】
図６は、このオフセット成分を除去する従来の回転角検出装置を示す。この回転角検出装置では、角速度センサ１０の出力信号が、Ａ／Ｄコンバータ２１でデジタルデータに変換されて、ローパスフィルタ２２を通じて取り出される。ローパスフィルタ２２は、角速度センサ１０の出力信号から必要な帯域の成分を取り出すもので、そのカットオフ周波数は、例えば１００Ｈｚとされる。
【０００８】
このローパスフィルタ２２から取り出された角速度検出信号Ｄｏが、ハイパスフィルタ１０１に供給されて、オフセット成分である低周波成分が除去される。ハイパスフィルタ１０１のカットオフ周波数は、例えば０．０１Ｈｚとされる。
【０００９】
しかし、オフセット成分を除去するために、角速度検出信号Ｄｏをハイパスフィルタ１０１を通じて取り出すと、図７に示すように、ハイパスフィルタ１０１の出力の角速度検出信号ＤｐにバックラッシュＢを生じ、これが積分回路１０３で積分されると、大きな誤差となる。
【００１０】
そのため、ハイパスフィルタ１０１の出力の角速度検出信号Ｄｐは、低レベル除去回路１０２に供給されて、角速度検出信号Ｄｐ中の、図７においてレベル範囲Ｌで示す低レベル信号が除去され、その除去後の角速度検出信号Ｄｑが、積分回路１０３で積分される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図６の従来の回転角検出装置では、ハイパスフィルタ１０１によって、もとの角速度検出信号Ｄｏからオフセット成分を除去するため、オフセット成分除去後の角速度検出信号ＤｐにバックラッシュＢを生じ、このバックラッシュＢを除去するために、低レベル除去回路１０２によって、オフセット成分除去後の角速度検出信号Ｄｐ中の低レベル信号を除去するため、オフセット成分ではない角速度検出成分も一部、失われてしまって、回転角を高精度で検出することができない。
【００１２】
ハイパスフィルタ１０１の時定数を大きくしてバックラッシュＢを抑え、低レベル除去回路１０２で低レベル信号を除去することなく、ハイパスフィルタ１０１の出力の角速度検出信号Ｄｐを、そのまま積分回路１０３で積分することも考えられる。しかし、そうすると、ハイパスフィルタ１０１が定常状態に達するのに時間がかかり、その間は、オフセット成分を除去することができなくなり、回転角を検出することができなくなる。
【００１３】
そこで、この発明は、角速度センサを用いた回転角検出装置において、回転角を高精度で検出することができるようにしたものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明の回転角検出装置は、
被検出体の回転角速度を検出する角速度センサの出力信号から、低周波成分を検出するローパスフィルタと、
その検出された低周波成分が、オフセット値として、複数サンプル分、書き込まれる記憶部と、
前記角速度センサの出力信号から、前記被検出体が回転しているか否かを判定する回転判定部と、
この回転判定部によって前記被検出体が回転していないと判定されたときには、前記ローパスフィルタによって検出された低周波成分を、オフセット値として前記記憶部に書き込み、前記回転判定部によって前記被検出体が回転していると判定されたときには、前記記憶部への低周波成分の書き込みを停止し、前記記憶部から複数サンプル分のオフセット値を読み出す制御部と、
前記記憶部から読み出された複数サンプル分のオフセット値の平均値を算出し、その算出結果を前記角速度センサの出力信号から減算し、その減算結果を積分する演算部と、
を備えるものとする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
〔回転角検出装置の実施形態…図１および図２〕
図１は、この発明の回転角検出装置の一実施形態を示す。
【００１６】
被検出体１には、その回転角速度を検出する、圧電振動ジャイロなどの角速度センサ１０を取り付ける。角速度センサ１０の出力の角速度検出信号中には、オフセット成分として、直流に近い非常に低い周波数の成分が含まれており、しかも、そのオフセット成分のレベルは、角速度センサごとにばらつき、温度などの環境の変化によって変動する。
【００１７】
この角速度センサ１０の出力信号は、Ａ／Ｄコンバータ２１でデジタルデータに変換して、ローパスフィルタ２２を通じて取り出す。ローパスフィルタ２２は、角速度センサ１０の出力信号から必要な帯域の成分を取り出すもので、そのカットオフ周波数は、例えば１００Ｈｚとする。
【００１８】
このローパスフィルタ２２から取り出された角速度検出信号Ｄｏは、オフセット検出部３０内のローパスフィルタ３１に供給して、低周波成分を検出する。ローパスフィルタ３１のカットオフ周波数は、例えば、０．１２５Ｈｚ〜０．００２Ｈｚの範囲内で選定する。
【００１９】
同時に、ローパスフィルタ２２から取り出された角速度検出信号Ｄｏを、オフセット検出部３０内の回転判定部３２に供給して、回転判定部３２によって、角速度検出信号Ｄｏの変化の程度から、被検出体１が回転しているか否かを判定する。
【００２０】
具体的に、回転判定部３２では、デジタルデータである角速度検出信号Ｄｏの１サンプルごとに、そのサンプル値を直前のサンプル値と比較して、両者の間の変化が所定の閾値以内であるときには、被検出体１が静止していると判定し、両者の間の変化が所定の閾値を超えるときには、被検出体１が回転していると判定するように、回転判定部３２を構成する。
【００２１】
この回転判定部３２の判定結果は、バッファ制御部３３に供給し、バッファ制御部３３では、回転判定部３２によって被検出体１が静止していると判定されたときには、そのときローパスフィルタ３１によって検出された低周波成分を、オフセット値としてリングバッファ３４に書き込む。
【００２２】
リングバッファ３４は、例えば、図２に示すように、最大１６サンプル分のオフセット値を書き込むことができ、１６サンプル分が書き込まれたときには、古いものから順に消去されて、新しいものが書き込まれるように構成する。
【００２３】
バッファ制御部３３では、回転判定部３２によって被検出体１が回転していると判定されたときには、そのときローパスフィルタ３１によって検出された低周波成分のリングバッファ３４への書き込みを停止し、リングバッファ３４から、これに書き込まれている最大１６サンプル分のオフセット値を読み出す。
【００２４】
そして、平均化処理部３５で、このリングバッファ３４から読み出された最大１６サンプル分のオフセット値の平均値を算出し、加算回路４０で、この平均化処理部３５の算出結果の信号Ｄｓを、信号検出部２０のローパスフィルタ２２からの角速度検出信号Ｄｏ中のオフセット成分として、角速度検出信号Ｄｏから減算し、その減算結果の信号Ｄｖを、オフセット成分除去後の角速度検出信号として、積分回路５１で積分する。
【００２５】
被検出体１が静止しているときの、ローパスフィルタ３１によって検出された低周波成分は、角速度センサごとのばらつきや、温度などの環境の変化にかかわらず、角速度センサ１０の出力の角速度検出信号Ｄｏ中のオフセット成分に等しいのに対して、被検出体１が回転しているときの、ローパスフィルタ３１によって検出された低周波成分は、角速度検出成分を含み、オフセット成分と一致しない。
【００２６】
上述した回転角検出装置では、この被検出体１が静止しているときの、オフセット成分に等しい低周波成分のみを、リングバッファ３４に書き込み、被検出体１が回転しているときには、直前の被検出体１が静止していたときの低周波成分を、リングバッファ３４から読み出して、その平均値を、角速度センサ１０の出力の角速度検出信号Ｄｏから減算するので、オフセット成分を確実かつ正確に除去することができ、回転角を高精度で検出することができる。
【００２７】
ローパスフィルタ３１の時定数は、制御信号Ｓｃによって変更できるようにし、被検出体１を備え、当該の回転角検出装置が設けられる電子機器の、電源投入時などの動作開始時には、時定数を小さくし、その後、次第に時定数を大きくする。
【００２８】
これによって、電子機器の動作開始時、短時間でローパスフィルタ３１を安定状態に収束させることができ、短時間で回転角の高精度の検出を開始することができる。
【００２９】
出力処理部５０では、必要に応じて、積分回路５１の出力の回転角検出信号を、方位変換部５２に供給して、被検出体１の基準方位に対する回転方向および回転角を、被検出体１の方位として検出する。
【００３０】
〔音声再生装置の実施形態…図３および図４〕
この発明の回転角検出装置は、例えば、ヘッドホンによって音声を聴取し、かつリスナ頭外の任意の固定した位置に音像を定位させる音声再生装置に用いることができる。
【００３１】
図３は、その原理を示し、リスナ３がヘッドホン５を装着して、その左右の音響変換器５Ｌおよび５Ｒによって音声を聴取し、リスナ３が左右の方向に向いても、音声信号の音像を、例えば、リスナ前方の正中面上の音源７で示す位置に定位させて、その位置にスピーカが配置されている場合と同等の音場を得るものである。この場合、音源７からリスナ３の左耳３Ｌおよび右耳３Ｒに至る伝達関数をＨＬおよびＨＲとする。
【００３２】
図４は、この場合の、この発明の音声再生装置の一実施形態を示し、ヘッドホン５には角速度センサ１０を取り付け、この角速度センサ１０の出力信号を、図１に示した構成の回転角検出装置６０に供給して、ヘッドホン５を装着したリスナ頭部の回転を検出する。
【００３３】
この場合、回転角検出装置６０の出力処理部５０からは、そのときのリスナ頭部の方位（向き）θの、図３の音源７の方位θ０からの回転方向および回転角が検出されるようにする。
【００３４】
この実施形態では、それぞれリスナ頭部の方位θがθ０，θ１，θ２，‥‥θｎのときの、図３の音源７からリスナ３の左耳３Ｌに至る伝達関数ＨＬ（θ０），ＨＬ（θ１），ＨＬ（θ２），‥‥ＨＬ（θｎ）および音源７からリスナ３の右耳３Ｒに至る伝達関数ＨＲ（θ０），ＨＲ（θ１），ＨＲ（θ２），‥‥ＨＲ（θｎ）に相当するインパルス応答を畳み込むデジタルフィルタ７１−０，７１−１，７１−２，‥‥７１−ｎおよび７２−０，７２−１，７２−２，‥‥７２−ｎを設け、入力デジタル音声信号Ｄｉを、デジタルフィルタ７１−０，７１−１，７１−２，‥‥７１−ｎおよび７２−０，７２−１，７２−２，‥‥７２−ｎに供給する。θ１，θ２，‥‥θｎは、θ０の方位から右回り方向および左回り方向に等角間隔で設定する。
【００３５】
そして、セレクタ７３Ｌによって、デジタルフィルタ７１−０，７１−１，７１−２，‥‥７１−ｎのうちの、回転角検出装置６０からの検出信号によって示される、そのときのリスナ頭部の方位θに最も近い方位に対応するフィルタの出力信号を、ヘッドホン５の左側の音響変換器５Ｌに供給されるべき音声信号として取り出し、セレクタ７３Ｒによって、デジタルフィルタ７２−０，７２−１，７２−２，‥‥７２−ｎのうちの、回転角検出装置６０からの検出信号によって示される、そのときのリスナ頭部の方位θに最も近い方位に対応するフィルタの出力信号を、ヘッドホン５の右側の音響変換器５Ｒに供給されるべき音声信号として取り出す。
【００３６】
セレクタ７３Ｌおよび７３Ｒの出力のデジタル音声信号は、Ｄ／Ａコンバータ７４Ｌおよび７４Ｒでアナログ音声信号に変換し、その２系統のアナログ音声信号を、音声増幅回路７５Ｌおよび７５Ｒで増幅して、ヘッドホン５の左右の音響変換器５Ｌおよび５Ｒに供給する。
【００３７】
この場合、音声再生装置の電源投入時などの動作開始時、回転角検出装置６０の図１に示したローパスフィルタ３１によって低周波成分が検出されるまでの間は、回転角検出装置６０から正確な検出信号が得られず、音声信号Ｄｉの音像が所期の位置に定位されなくなる。
【００３８】
そこで、制御信号Ｓｃによって音声増幅回路７５Ｌおよび７５Ｒを制御して、音声再生装置の動作開始時、回転角検出装置６０の図１に示したローパスフィルタ３１によって低周波成分が検出されるまでの間は、音声出力を無音状態とする。
【００３９】
〔頭部装着型ディスプレイ装置の実施形態…図５〕
この発明の回転角検出装置は、例えば、頭部装着型ディスプレイ装置、いわゆるＨＭＤ（ＨｅａｄＭｏｕｎｔｅｄＤｉｓｐｌａｙ）に用いることができる。
【００４０】
図５は、この発明の頭部装着型ディスプレイ装置の一実施形態を示す。頭部装着型ディスプレイ装置の頭部装着部８１は、使用者９の眼前に位置する本体部８２と、これを使用者９の耳にかけるアーム部８３Ｌおよび８３Ｒとからなり、本体部８２に液晶パネルなどの映像表示部８５Ｌおよび８５Ｒが設けられる。
【００４１】
この頭部装着部８１に角速度センサ１０を取り付けて、図１に示した構成の回転角検出装置６０を設け、頭部装着部８１を装着した使用者頭部の回転を検出する。
【００４２】
この場合、回転角検出装置６０の出力処理部５０からは、そのときの使用者頭部の方位（向き）の、図５において使用者９の正面の方位からの回転方向および回転角が検出されるようにする。
【００４３】
一方、入力端子９１Ｌおよび９１Ｒに得られるデジタル映像信号ＳＬおよびＳＲを、映像処理部９２Ｌおよび９２Ｒに供給する。
【００４４】
映像処理部９２Ｌおよび９２Ｒは、画像メモリを備え、回転角検出装置６０からの検出信号によって、映像信号ＳＬおよびＳＲの画像メモリへの書き込み、および画像メモリからの読み出しを制御することによって、後述のように、頭部装着部８１の映像表示部８５Ｌおよび８５Ｒに表示される映像を、それぞれの表示画面８６Ｌおよび８６Ｒ上で左右方向に移動させることができるように構成する。
【００４５】
映像処理部９２Ｌおよび９２Ｒからの映像信号は、Ｄ／Ａコンバータ９３Ｌおよび９３Ｒでアナログ映像信号に変換し、そのアナログ映像信号を、表示駆動部９４Ｌおよび９４Ｒに供給し、表示駆動部９４Ｌおよび９４Ｒによって、映像表示部８５Ｌおよび８５Ｒを駆動する。
【００４６】
使用者９が図５のように正面を向いた状態から、左方向に向いたときには、映像処理部９２Ｌおよび９２Ｒでの処理によって、映像表示部８５Ｌおよび８５Ｒの表示画面８６Ｌおよび８６Ｒ上の、使用者頭部の回転角に応じて右側に移動した位置に、それぞれ映像が表示されるようにし、逆に、使用者９が図５のように正面を向いた状態から、右方向に向いたときには、映像処理部９２Ｌおよび９２Ｒでの処理によって、映像表示部８５Ｌおよび８５Ｒの表示画面８６Ｌおよび８６Ｒ上の、使用者頭部の回転角に応じて左側に移動した位置に、それぞれ映像が表示されるようにする。
【００４７】
これによって、使用者９は、映像表示部８５Ｌおよび８５Ｒが設けられた頭部装着部８１を装着した状態で、左右の方向に向いても、正面の固定された位置に映像が表示されているように映像を見ることができる。
【００４８】
この場合、頭部装着型ディスプレイ装置の電源投入時などの動作開始時、回転角検出装置６０の図１に示したローパスフィルタ３１によって低周波成分が検出されるまでの間は、回転角検出装置６０から正確な検出信号が得られず、仮想的な映像表示位置が所期の位置に定まらなくなる。
【００４９】
そこで、制御信号Ｓｃによって映像処理部９２Ｌおよび９２Ｒを制御して、頭部装着型ディスプレイ装置の動作開始時、回転角検出装置６０の図１に示したローパスフィルタ３１によって低周波成分が検出されるまでの間は、表示画面８６Ｌおよび８６Ｒ上で映像表示位置を移動させずに静止させ、または表示画面８６Ｌおよび８６Ｒ上に動作開始時の不安定な状態にある旨の警告を表示する。
【００５０】
この実施形態の頭部装着型ディスプレイ装置と、図４に示した実施形態の音声再生装置とを組み合わせれば、視聴者が左右の方向に向いても、常に、視聴環境の一定位置に映像が表示されているように映像を見ることができ、視聴環境の一定位置に音像が定位する映像音声再生システムを構築することができる。
【００５１】
【発明の効果】
上述したように、この発明によれば、角速度センサを用いた回転角検出装置において、回転角を高精度で検出することができる。
【００５２】
また、低周波成分の検出用のローパスフィルタの時定数を、装置の動作開始時には相対的に小さくし、その後、相対的に大きくすることによって、装置の動作開始時、短時間でローパスフィルタを安定状態に収束させることができ、短時間で回転角の高精度の検出を開始することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の回転角検出装置の一実施形態を示す図である。
【図２】図１の回転角検出装置の一部を示す図である。
【図３】リスナ頭外の位置に音像を定位させる場合の説明に供する図である。
【図４】この発明の音声再生装置の一実施形態を示す図である。
【図５】この発明の頭部装着型ディスプレイ装置の一実施形態を示す図である。
【図６】従来の回転角検出装置を示す図である。
【図７】図６の回転角検出装置の説明に供する図である。
【符号の説明】
主要部については図中に全て記述したので、ここでは省略する。

Claims

被検出体の回転角速度を検出する角速度センサの出力信号から、低周波成分を検出するローパスフィルタと、
その検出された低周波成分が、オフセット値として、複数サンプル分、書き込まれる記憶部と、
前記角速度センサの出力信号から、前記被検出体が回転しているか否かを判定する回転判定部と、
この回転判定部によって前記被検出体が回転していないと判定されたときには、前記ローパスフィルタによって検出された低周波成分を、オフセット値として前記記憶部に書き込み、前記回転判定部によって前記被検出体が回転していると判定されたときには、前記記憶部への低周波成分の書き込みを停止し、前記記憶部から複数サンプル分のオフセット値を読み出す制御部と、
前記記憶部から読み出された複数サンプル分のオフセット値の平均値を算出し、その算出結果を前記角速度センサの出力信号から減算し、その減算結果を積分する演算部と、
を備える回転角検出装置。
請求項１の回転角検出装置において、
前記ローパスフィルタの時定数が、装置の動作開始時には相対的に小さくされ、その後、相対的に大きくされる回転角検出装置。
請求項１または２の回転角検出装置を備える音声再生装置であって、前記角速度センサがヘッドホンに取り付けられ、前記回転角検出装置の出力信号によって音声信号が制御される音声再生装置。
請求項３の音声再生装置において、
装置の動作開始時、前記回転角検出装置の前記ローパスフィルタによって低周波成分が検出されるまでの間は、音声出力が無音状態とされる音声再生装置。
請求項１または２の回転角検出装置を備える頭部装着型ディスプレイ装置であって、その頭部装着部に前記角速度センサが取り付けられ、前記回転角検出装置の出力信号によって、前記頭部装着部に設けられた映像表示部上での映像表示が制御される頭部装着型ディスプレイ装置。
請求項５の頭部装着型ディスプレイ装置において、
装置の動作開始時、前記回転角検出装置の前記ローパスフィルタによって低周波成分が検出されるまでの間は、前記映像表示部上で映像表示位置が静止され、または前記映像表示部上に警告が表示される頭部装着型ディスプレイ装置。
請求項１または２の回転角検出装置を備える電子機器。