JP3960575B2 - 姿勢角検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に、移動体の姿勢検出や姿勢制御、バーチャルリアリティ等に使用されるヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤという）のうち頭の姿勢角を検出するトラッカー、３Ｄゲームパッド等、３次元空間中で対象物の姿勢角（３軸の回転角）の検出に用いるのに適した姿勢角検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、バーチャルリアリティーに使用され、頭の動きを検出する方法として、外部に設置された交流磁場発生源から微弱交流磁場を発生し、ＨＭＤに配置したセンサ部で検知し、制御演算部で頭の動きを検出する交流磁場を利用する方法や、外部に設置された超音波発生源からの超音波信号をＨＭＤに配置したセンサ部で検知し、制御演算部で頭の動きを検出する超音波を利用する方法がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者の交流磁場を利用した方法では、信号発生源が微弱交流磁場のため、ノイズをキャンセルするためにフィルタを多用することにより応答性が低下し、頭の動きに比べて、ＨＭＤの映像の動きが遅くなり、気分を悪くしたり、酔いを発生する場合があった。
【０００４】
また、後者の超音波を利用した方法では、他の様々な超音波信号の影響を受けての誤動作や、信号発生源とセンサとの間の遮蔽物により信号を検出できなくなる可能性があり、センサの前に腕や髪の毛があるだけで受信不能になり、誤動作してしまうなどの問題があった。
【０００５】
従って、本発明は、上記問題点を解消し、使用する場所や環境の制限を緩和し、幅広く使用できる姿勢角検出装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、水平面で直交するＸ軸、Ｙ軸及び該Ｘ軸、Ｙ軸のそれぞれに直交するＺ軸回りの角速度を検出する３個のジャイロと、該ジャイロの角速度に応じた出力に基づいて、Ｚ軸回りの回転角であるヨー角、Ｚ軸の回りにヨー角だけ座標軸を回した後の新しいＹ軸回りの回転角であるピッチ角及びＺ軸の回りにヨー角だけ回し、新しいＹ軸の回りにピッチ角だけ回した後のさらに新しいＸ軸回りの回転角であるロール角を演算する運動角演算装置と、少なくともＸ−Ｙ平面で互いに直交する２軸の加速度を検出するように配置され、ロ−ル角、ピッチ角を検出するための加速度センサと、少なくとも前記２軸の地磁気を検出するよう配置される地磁気センサと、該加速度センサ及び地磁気センサの出力に基づいて、ロール角、ピッチ角及びヨー角を演算する静止角演算装置と、該静止角演算装置による演算結果の真偽を判定演算する判別装置と、該判別装置の演算結果に応じて、前記運動角演算装置及び静止角演算装置の演算結果から出力する姿勢角を演算する姿勢角演算装置とから構成される姿勢角検出装置であって、前記判別装置により、２軸の加速度センサおよび、２軸の地磁気センサからなる静止角検出手段から求められる静止角である仮のヨー角Φ・仮のピッチ角Ｐ・仮のロール角Ｒの検出結果が正しいかどうかの判別手段として、加速度センサの現在の出力Ａｘ（ｎ）から演算して得られた仮のロール角をＲ（ｎ）、演算する単位時間で１単位時間過去の出力Ａｘ（ｎ−１）から得られた仮のロール角演算結果をＲ（ｎ−１）とし、同様に加速度センサの現在の出力Ａｙ（ｎ）から演算して得られた仮のピッチ角をＰ（ｎ）、演算する単位時間で１単位時間過去の出力Ａｙ（ｎ−１）から得られた仮のピッチ角をＰ（ｎ−１）、地磁気センサの出力Ｍｘ（ｎ）、Ｍｙ（ｎ）及び計算から得られるＭｚ（ｎ）から演算して得られた仮のヨー角をΦ（ｎ）、１単位時間過去の仮のヨー角をΦ（ｎ−１）とし、ジャイロの出力Ｇｘ（ｎ）、Ｇｙ（ｎ）、Ｇｚ（ｎ）から演算して得られた運動角である仮のロール角変化をΔＸ（ｎ）、仮のピッチ角変化をΔＹ（ｎ）、仮のヨー角変化をΔＺ（ｎ）とすると、数１、数２、数３のいずれかが真の時にそれに対応する仮の姿勢角Ｒ・Ｐ・Φは正しいと判別することを特徴とする姿勢角検出装置である。
【０００７】
［数１］
［Ｒ（ｎ）−Ｒ（ｎ−１）］−ΔＸ（ｎ）≒０
【０００８】
［数２］
［Ｐ（ｎ）−Ｐ（ｎ−１）］−ΔＹ（ｎ）≒０
【０００９】
［数３］
［Φ（ｎ）−Φ（ｎ−１）］−ΔＺ（ｎ）≒０
【００１０】
また、本発明は、前記判別装置により、前記仮のヨー角Φ・仮のピッチ角Ｐ・仮のロール角Ｒの検出結果が、正しいかどうかの判別手段として、前記Ｒ（ｎ）、Ｒ（ｎ−１）、Ｐ（ｎ）、Ｐ（ｎ−１）、Φ（ｎ）、Φ（ｎ−１）、ΔＸ（ｎ）、ΔＹ（ｎ）、ΔＺ（ｎ）、任意の自然数Ｃより、数４、数５、数６のいずれかが真の時にそれに対応する仮の姿勢角Ｒ・Ｐ・Φは正しいと判別することを特徴とする姿勢角検出装置である。
【００１１】
［数４］
［Ｒ（ｎ）−Ｒ（ｎ−Ｃ）］／Ｃ−［ΔＸ（ｎ）＋ΔＸ（ｎ−１）＋…＋ΔＸ（ｎ−Ｃ＋１）］／Ｃ≒０
【００１２】
［数５］
［Ｐ（ｎ）−Ｐ（ｎ−Ｃ）］／Ｃ−［ΔＹ（ｎ）＋ΔＹ（ｎ−１）＋…＋ΔＹ（ｎ−Ｃ＋１）］／Ｃ≒０
【００１３】
［数６］
［Φ（ｎ）−Φ（ｎ−Ｃ）］／Ｃ−［ΔＺ（ｎ）＋ΔＺ（ｎ−１）＋…＋ΔＺ（ｎ−Ｃ＋１）］／Ｃ≒０
【００１５】
また、本発明は、前記姿勢角検出装置の求めるべき出力をロール角α（ｎ）、ピッチ角β（ｎ）、ヨー角γ（ｎ）、求めるべき出力と静止角との誤差α（ｎ−１）＋ΔＸ（ｎ）−Ｒ（ｎ）、β（ｎ−１）＋ΔＹ（ｎ）−Ｐ（ｎ）、γ（ｎ−１）＋ΔＺ（ｎ）−Φ（ ｎ）に比例した変数をＣ１，Ｃ２，Ｃ３、
ここで、ｋを任意に選択させる１以下の比例定数として
Ｃ１＝ｋ［α（ｎ−１）＋ΔＸ ( ｎ ) −Ｒ ( ｎ ) ］、
Ｃ２＝ｋ［β（ｎ−１）＋ΔＹ ( ｎ ) −Ｐ ( ｎ ) ］、
Ｃ３＝ｋ［γ（ｎ−１）＋ΔＺ ( ｎ ) −Φ ( ｎ ) ］と表される
とすると、判別装置の判別結果により、 静止角検出手段からのそれぞれの姿勢角情報Ｒ・Ｐ・Φのうち正しいと判別された姿勢角情報に対応する姿勢角は、
α（ｎ）＝α（ｎ−１）＋ΔＸ（ｎ）−Ｃ１、
β（ｎ）＝β（ｎ−１）＋ΔＹ（ｎ）−Ｃ２、
γ（ｎ）＝γ（ｎ−１）＋ΔＺ（ｎ）−Ｃ３により、
また、静止角検出手段からのそれぞれの姿勢角情報Ｒ・Ｐ・Φのうち誤りと判別された姿勢角情報に対応する姿勢角は、
α（ｎ）＝α（ｎ−１）＋ΔＸ（ｎ）、
β（ｎ）＝β（ｎ−１）＋ΔＹ（ｎ）、
γ（ｎ）＝γ（ｎ−１）＋ΔＺ（ｎ）により演算し、
1軸ずつ個別に演算することを特徴とする姿勢角検出装置である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面によって本発明の実施の形態について説明する。
【００１７】
図１は、姿勢角検出装置を適用したＨＭＤの一例を示し、このＨＭＤは、目前にあるディスプレイに表示された映像が使用者の頭の動きに連動して変化し、仮想空間を体験できるように設けられているもので、このＨＭＤを装着したまま右を向くと、姿勢角検出装置で計測した頭の姿勢角を映像発生装置に送信し、映像発生装置は、その姿勢角にあった映像をＨＭＤに送信するので、右に展開する映像が映し出され、頭の動きによって全空間の３６０度の映像を実感できるように設けられているものである。
【００１８】
図１に示すように、符号１は、ＨＭＤ本体を示し、このＨＭＤ本体１には、本発明である姿勢角検出装置２が配置され、信号ケーブル４で映像発生装置７に接続されている。
【００１９】
図２は、本発明における姿勢角検出装置の全体構成を示すブロック図である。図２に示すように、３個のジャイロ１２ａ，１２ｂ，１２ｃの出力から仮の姿勢角を演算して求める運動角演算装置１８を備えた運動角検出手段１１と、２個の地磁気センサ２２ａ，２２ｂと２個の加速度センサ２３ａ，２３ｂから静止角を求める静止角演算装置２４を備えた静止角検出手段２１と、この静止角検出手段２１で求めた姿勢角に誤差が含まれるかどうか（例えば、直線的な加速度が加わって、傾斜計としての加速度センサに傾斜以外の信号が含まれる場合）を判別する判別装置３２と、運動角演算装置１８、静止角演算装置２４及び判別装置３２からの信号を処理する姿勢角演算装置４２とで構成されている。
【００２０】
図３は、本発明の姿勢角検出装置におけるジャイロ、加速度センサ、地磁気センサの配置を示す説明図である。図３に示すように、互いに直交する３軸（水平面で直交する軸をＸ軸、Ｙ軸、そのＸ軸、Ｙ軸それぞれに直交する軸をＺ軸、Ｚ軸回りの回転角をヨー角、Ｚ軸の回りにヨー角だけ座標軸を回した後の新しいＹ軸回りの回転角をピッチ角及びＺ軸の回りにヨー角だけ回し、新しいＹ軸の回りにピッチ角だけ回した後のさらに新しいＸ軸回りの回転角をロール角と記す）の回りの角速度を検出するための第１のジャイロ１２ａ、第２のジャイロ１２ｂ及び第３のジャイロ１２ｃは、センサ座標Ｘ、Ｙ、Ｚ軸各軸に平行に、即ち互いに直交して配置されている。ヨー角を検出する第１の地磁気センサ２２ａ及び第２の地磁気センサ２２ｂは、水平面で互いに直交する２軸（ここでは、センサ座標Ｘ軸及びＹ軸）とで構成されている。同様に、第１の加速度センサ２３ａ及び第２の加速度センサ２３ｂは、水平面で互いに直交する２軸（ここでは、センサ座標Ｘ軸及びＹ軸）に配置されている。ジャイロは、圧電セラミック、圧電単結晶、あるいは、シリコン等の非磁性材料からなる振動子を用いることができる。尚、本実施の形態では、（株）トーキン製の圧電振動セラミックジャイロを用いた。
【００２１】
最初に、本発明の姿勢角検出装置のうち、判別装置について示す。２軸の加速度センサと２軸の地磁気センサからなる静止角検出手段から求められる仮の姿勢角が正しいかどうかを判断する判別装置は、次のとおりである。
【００２２】
即ち、２軸の加速度センサ出力から得られるＸ軸方向の加速度Ａｘ（ｎ）及びＹ軸方向の加速度Ａｙ（ｎ）より、ロール角Ｒ（ｎ）及びピッチ角Ｐ（ｎ）を数７、数８より求める。
【００２３】
【数７】
【００２４】
【数８】
【００２５】
ここで、Ａｘ（ｎ）、Ａｙ（ｎ）は、重力加速度のＸ、Ｙ軸方向傾斜角成分と運動加速度の合成ベクトルなので、運動加速度がある場合には正しいロール角、ピッチ角にならない。地磁気センサより求めたヨー角についても途中の計算にロール角、ピッチ角を使用しているので同様に正しくない場合がある。そこで、運動角検出手段で求められたΔＸ（ｎ）、ΔＹ（ｎ）及びΔＺ（ｎ）を用いて、Ｒ（ｎ）の変化分がΔＸ（ｎ）の近傍である、あるいはＰ（ｎ）の変化分がΔＹ（ｎ）の近傍であるならば、その軸に対しては運動加速度がない、即ちＲ（ｎ）、あるいはＰ（ｎ）が正しいと判断する。そうでない場合は、運動加速度があると判断する。同様にΦ（ｎ）の変化分とΔＺ（ｎ）についても比較をする。数９、数１０あるいは数１１のうち、式が真のものについては対応する静止角検出手段からの姿勢角情報Ｒ・Ｐ・Φは正しいと判定する。
【００２６】
【数９】
【００２７】
【数１０】
【００２８】
【数１１】
【００２９】
上記の判定結果をもとに、運動角検出手段及び静止角検出手段から求められる運動角及び静止角から、姿勢角演算装置により、本発明による姿勢角検出装置が求めるべき姿勢角を演算する。この処理により、静止時及び運動時ともに静止角が正しいかどうか判別することができ、常に静止角によって運動角の誤差を補正することができる。
【００３０】
また、本発明の他の実施の形態として、判別装置の判別方法として、運動角検出手段で求められたΔＸ（ｎ）、ΔＹ（ｎ）及びΔＺ（ｎ）を用いて、Ｒ（ｎ）の変化分移動平均がΔＸ（ｎ）移動平均の近傍である、あるいはＰ（ｎ）の変化分移動平均がΔＹ（ｎ）移動平均の近傍であるならば、その軸に対しては運動加速度がない、即ちＲ（ｎ）、あるいはＰ（ｎ）が正しいと判断する。そうでない場合は、運動加速度があると判断する。同様にΦ（ｎ）の変化分移動平均とΔＺ（ｎ）移動平均についても比較をする。数１２、数１３あるいは数１４のうち、式が真のものについては対応する静止角検出手段からの姿勢角情報Ｒ・Ｐ・Φは正しいと判定する。ここでＣは任意の自然数であるが、今回は１０回とした。
【００３１】
【数１２】
【００３２】
【数１３】
【００３３】
【数１４】
【００３４】
上記の判定結果をもとに、運動角検出手段及び静止角検出手段から求められる運動角及び静止角から、姿勢角演算装置により、本発明による姿勢角検出装置が求めるべき姿勢角を演算する。この処理により、静止時及び運動時ともに静止角が正しいかどうか判別することができ、常に静止角によって運動角の誤差を補正することができる。さらに、移動平均を用いることによりノイズの影響を軽減することができ、補正頻度の向上が実現できる。
【００３５】
次に、本発明の姿勢角検出装置のうち、姿勢角演算装置について示す。本発明の姿勢角検出装置の求めるべき出力をα（ｎ）、β（ｎ）、γ（ｎ）、動的な運動角検出手段から得られる仮の姿勢角をＸ（ｎ）、Ｙ（ｎ）、Ｚ（ｎ）、静的な静止角検出手段から求められる静止角をＲ（ｎ）、Ｐ（ｎ）、Φ（ｎ）とすると、静止角検出手段からの姿勢角情報は正しいと判断する場合、
α(ｎ)＝α（ｎ−１）＋ΔＸ(ｎ)−Ｃ１
β(ｎ)＝β（ｎ−１）＋ΔＹ(ｎ)−Ｃ２
γ(ｎ)＝γ（ｎ−１）＋ΔＺ(ｎ)−Ｃ３
により、姿勢角を演算する。ここで、Ｃ１＝ｋ［α（ｎ−１）＋ΔＸ(ｎ)−Ｒ(ｎ)］、Ｃ２＝ｋ［β（ｎ−１）＋ΔＹ(ｎ)−Ｐ(ｎ)］、Ｃ３＝ｋ［γ（ｎ−１）＋ΔＺ(ｎ)−Φ(ｎ)］、ｋは任意に選択させる１以下の比例定数であるが、今回は０．１とした。
【００３６】
また、静止角検出手段からの姿勢角情報が誤と判断する場合、
α（ｎ）＝α（ｎ−１）＋ΔＸ（ｎ）
β（ｎ）＝β（ｎ−１）＋ΔＹ（ｎ）
γ（ｎ）＝γ（ｎ−１）＋ΔＺ（ｎ）
により、姿勢角を演算し、求める。この処理により運動角の応答性、静止角の絶対性といった互いの長所を生かし、運動角の累積誤差、静止角の時間遅れといった互いの短所を補間する事ができる。
【００３７】
従って、本実施の形態のように、本発明の姿勢角検出装置をＨＭＤに適用した場合、外部信号を用いることなく、高速応答で累積誤差のない角度情報を得ることができ、高性能である。
【００３８】
なお、本発明による姿勢角検出装置において、ジャイロを素子で搭載しているので、小型軽量化が可能であり、セラミック振動子を使用しているので、磁気ノイズは受けず、磁気センサと近接させても、機能を損なうことがない。
【００３９】
また、本実施の形態では、地磁気センサ、加速度センサが、それぞれ２個の例を示したが、少なくとも、どちらか一方が３個でもよい。小型化という点では、本実施の形態が最も好ましい。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、使用する場所や環境の制限を緩和し、幅広く使用できる姿勢角検出装置を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＨＭＤにおける姿勢角検出装置の使用状況の説明図。
【図２】本発明の姿勢角変換装置の全体構成を示すブロック図。
【図３】本発明の姿勢角検出装置におけるジャイロ、加速度センサ、地磁気センサの配置を示す説明図。
【符号の説明】
１ ＨＭＤ本体
２ 姿勢角検出装置
４ 信号ケーブル
７ 映像発生装置
１１ 運動角検出手段
１２ａ （第１の）ジャイロ
１２ｂ （第２の）ジャイロ
１２ｃ （第３の）ジャイロ
１３ａ （第１の）Ａ／Ｄコンバータ
１３ｂ （第２の）Ａ／Ｄコンバータ
１３ｃ （第３の）Ａ／Ｄコンバータ
１４ （ＩＩＲ型）デジタルハイパスフィルタ
１５ 正負反転判定装置
１６ 遅延バッファリセット装置
１７ オフセット修正装置
１８ 運動角演算装置
２１ 静止角検出手段
２２ａ （第１の）地磁気センサ
２２ｂ （第２の）地磁気センサ
２３ａ （第１の）加速度センサ
２３ｂ （第２の）加速度センサ
２４ 静止角演算装置
３２ 判別装置
４２ 姿勢角演算装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に、移動体の姿勢検出や姿勢制御、バーチャルリアリティ等に使用されるヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤという）のうち頭の姿勢角を検出するトラッカー、３Ｄゲームパッド等、３次元空間中で対象物の姿勢角（３軸の回転角）の検出に用いるのに適した姿勢角検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、バーチャルリアリティーに使用され、頭の動きを検出する方法として、外部に設置された交流磁場発生源から微弱交流磁場を発生し、ＨＭＤに配置したセンサ部で検知し、制御演算部で頭の動きを検出する交流磁場を利用する方法や、外部に設置された超音波発生源からの超音波信号をＨＭＤに配置したセンサ部で検知し、制御演算部で頭の動きを検出する超音波を利用する方法がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者の交流磁場を利用した方法では、信号発生源が微弱交流磁場のため、ノイズをキャンセルするためにフィルタを多用することにより応答性が低下し、頭の動きに比べて、ＨＭＤの映像の動きが遅くなり、気分を悪くしたり、酔いを発生する場合があった。
【０００４】
また、後者の超音波を利用した方法では、他の様々な超音波信号の影響を受けての誤動作や、信号発生源とセンサとの間の遮蔽物により信号を検出できなくなる可能性があり、センサの前に腕や髪の毛があるだけで受信不能になり、誤動作してしまうなどの問題があった。
【０００５】
従って、本発明は、上記問題点を解消し、使用する場所や環境の制限を緩和し、幅広く使用できる姿勢角検出装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、水平面で直交するＸ軸、Ｙ軸及び該Ｘ軸、Ｙ軸のそれぞれに直交するＺ軸回りの角速度を検出する３個のジャイロと、該ジャイロの角速度に応じた出力に基づいて、Ｚ軸回りの回転角であるヨー角、Ｚ軸の回りにヨー角だけ座標軸を回した後の新しいＹ軸回りの回転角であるピッチ角及びＺ軸の回りにヨー角だけ回し、新しいＹ軸の回りにピッチ角だけ回した後のさらに新しいＸ軸回りの回転角であるロール角を演算する運動角演算装置と、少なくともＸ−Ｙ平面で互いに直交する２軸の加速度を検出するように配置され、ロ−ル角、ピッチ角を検出するための加速度センサと、少なくとも前記２軸の地磁気を検出するよう配置される地磁気センサと、該加速度センサ及び地磁気センサの出力に基づいて、ロール角、ピッチ角及びヨー角を演算する静止角演算装置と、該静止角演算装置による演算結果の真偽を判定演算する判別装置と、該判別装置の演算結果に応じて、前記運動角演算装置及び静止角演算装置の演算結果から出力する姿勢角を演算する姿勢角演算装置とから構成される姿勢角検出装置であって、前記判別装置により、２軸の加速度センサおよび、２軸の地磁気センサからなる静止角検出手段から求められる静止角である仮のヨー角Φ・仮のピッチ角Ｐ・仮のロール角Ｒの検出結果が正しいかどうかの判別手段として、加速度センサの現在の出力Ａｘ（ｎ）から演算して得られた仮のロール角をＲ（ｎ）、演算する単位時間で１単位時間過去の出力Ａｘ（ｎ−１）から得られた仮のロール角演算結果をＲ（ｎ−１）とし、同様に加速度センサの現在の出力Ａｙ（ｎ）から演算して得られた仮のピッチ角をＰ（ｎ）、演算する単位時間で１単位時間過去の出力Ａｙ（ｎ−１）から得られた仮のピッチ角をＰ（ｎ−１）、地磁気センサの出力Ｍｘ（ｎ）、Ｍｙ（ｎ）及び計算から得られるＭｚ（ｎ）から演算して得られた仮のヨー角をΦ（ｎ）、１単位時間過去の仮のヨー角をΦ（ｎ−１）とし、ジャイロの出力Ｇｘ（ｎ）、Ｇｙ（ｎ）、Ｇｚ（ｎ）から演算して得られた運動角である仮のロール角変化をΔＸ（ｎ）、仮のピッチ角変化をΔＹ（ｎ）、仮のヨー角変化をΔＺ（ｎ）とすると、数１、数２、数３のいずれかが真の時にそれに対応する仮の姿勢角Ｒ・Ｐ・Φは正しいと判別することを特徴とする姿勢角検出装置である。
【０００７】
［数１］
［Ｒ（ｎ）−Ｒ（ｎ−１）］−ΔＸ（ｎ）≒０
【０００８】
［数２］
［Ｐ（ｎ）−Ｐ（ｎ−１）］−ΔＹ（ｎ）≒０
【０００９】
［数３］
［Φ（ｎ）−Φ（ｎ−１）］−ΔＺ（ｎ）≒０
【００１０】
また、本発明は、前記判別装置により、前記仮のヨー角Φ・仮のピッチ角Ｐ・仮のロール角Ｒの検出結果が、正しいかどうかの判別手段として、前記Ｒ（ｎ）、Ｒ（ｎ−１）、Ｐ（ｎ）、Ｐ（ｎ−１）、Φ（ｎ）、Φ（ｎ−１）、ΔＸ（ｎ）、ΔＹ（ｎ）、ΔＺ（ｎ）、任意の自然数Ｃより、数４、数５、数６のいずれかが真の時にそれに対応する仮の姿勢角Ｒ・Ｐ・Φは正しいと判別することを特徴とする姿勢角検出装置である。
【００１１】
［数４］
［Ｒ（ｎ）−Ｒ（ｎ−Ｃ）］／Ｃ−［ΔＸ（ｎ）＋ΔＸ（ｎ−１）＋…＋ΔＸ（ｎ−Ｃ＋１）］／Ｃ≒０
【００１２】
［数５］
［Ｐ（ｎ）−Ｐ（ｎ−Ｃ）］／Ｃ−［ΔＹ（ｎ）＋ΔＹ（ｎ−１）＋…＋ΔＹ（ｎ−Ｃ＋１）］／Ｃ≒０
【００１３】
［数６］
［Φ（ｎ）−Φ（ｎ−Ｃ）］／Ｃ−［ΔＺ（ｎ）＋ΔＺ（ｎ−１）＋…＋ΔＺ（ｎ−Ｃ＋１）］／Ｃ≒０
【００１５】
また、本発明は、前記姿勢角検出装置の求めるべき出力をロール角α（ｎ）、ピッチ角β（ｎ）、ヨー角γ（ｎ）、求めるべき出力と静止角との誤差α（ｎ−１）＋ΔＸ（ｎ）−Ｒ（ｎ）、β（ｎ−１）＋ΔＹ（ｎ）−Ｐ（ｎ）、γ（ｎ−１）＋ΔＺ（ｎ）−Φ（ ｎ）に比例した変数をＣ１，Ｃ２，Ｃ３、
ここで、ｋを任意に選択させる１以下の比例定数として
Ｃ１＝ｋ［α（ｎ−１）＋ΔＸ ( ｎ ) −Ｒ ( ｎ ) ］、
Ｃ２＝ｋ［β（ｎ−１）＋ΔＹ ( ｎ ) −Ｐ ( ｎ ) ］、
Ｃ３＝ｋ［γ（ｎ−１）＋ΔＺ ( ｎ ) −Φ ( ｎ ) ］と表される
とすると、判別装置の判別結果により、 静止角検出手段からのそれぞれの姿勢角情報Ｒ・Ｐ・Φのうち正しいと判別された姿勢角情報に対応する姿勢角は、
α（ｎ）＝α（ｎ−１）＋ΔＸ（ｎ）−Ｃ１、
β（ｎ）＝β（ｎ−１）＋ΔＹ（ｎ）−Ｃ２、
γ（ｎ）＝γ（ｎ−１）＋ΔＺ（ｎ）−Ｃ３により、
また、静止角検出手段からのそれぞれの姿勢角情報Ｒ・Ｐ・Φのうち誤りと判別された姿勢角情報に対応する姿勢角は、
α（ｎ）＝α（ｎ−１）＋ΔＸ（ｎ）、
β（ｎ）＝β（ｎ−１）＋ΔＹ（ｎ）、
γ（ｎ）＝γ（ｎ−１）＋ΔＺ（ｎ）により演算し、
1軸ずつ個別に演算することを特徴とする姿勢角検出装置である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面によって本発明の実施の形態について説明する。
【００１７】
図１は、姿勢角検出装置を適用したＨＭＤの一例を示し、このＨＭＤは、目前にあるディスプレイに表示された映像が使用者の頭の動きに連動して変化し、仮想空間を体験できるように設けられているもので、このＨＭＤを装着したまま右を向くと、姿勢角検出装置で計測した頭の姿勢角を映像発生装置に送信し、映像発生装置は、その姿勢角にあった映像をＨＭＤに送信するので、右に展開する映像が映し出され、頭の動きによって全空間の３６０度の映像を実感できるように設けられているものである。
【００１８】
図１に示すように、符号１は、ＨＭＤ本体を示し、このＨＭＤ本体１には、本発明である姿勢角検出装置２が配置され、信号ケーブル４で映像発生装置７に接続されている。
【００１９】
図２は、本発明における姿勢角検出装置の全体構成を示すブロック図である。図２に示すように、３個のジャイロ１２ａ，１２ｂ，１２ｃの出力から仮の姿勢角を演算して求める運動角演算装置１８を備えた運動角検出手段１１と、２個の地磁気センサ２２ａ，２２ｂと２個の加速度センサ２３ａ，２３ｂから静止角を求める静止角演算装置２４を備えた静止角検出手段２１と、この静止角検出手段２１で求めた姿勢角に誤差が含まれるかどうか（例えば、直線的な加速度が加わって、傾斜計としての加速度センサに傾斜以外の信号が含まれる場合）を判別する判別装置３２と、運動角演算装置１８、静止角演算装置２４及び判別装置３２からの信号を処理する姿勢角演算装置４２とで構成されている。
【００２０】
図３は、本発明の姿勢角検出装置におけるジャイロ、加速度センサ、地磁気センサの配置を示す説明図である。図３に示すように、互いに直交する３軸（水平面で直交する軸をＸ軸、Ｙ軸、そのＸ軸、Ｙ軸それぞれに直交する軸をＺ軸、Ｚ軸回りの回転角をヨー角、Ｚ軸の回りにヨー角だけ座標軸を回した後の新しいＹ軸回りの回転角をピッチ角及びＺ軸の回りにヨー角だけ回し、新しいＹ軸の回りにピッチ角だけ回した後のさらに新しいＸ軸回りの回転角をロール角と記す）の回りの角速度を検出するための第１のジャイロ１２ａ、第２のジャイロ１２ｂ及び第３のジャイロ１２ｃは、センサ座標Ｘ、Ｙ、Ｚ軸各軸に平行に、即ち互いに直交して配置されている。ヨー角を検出する第１の地磁気センサ２２ａ及び第２の地磁気センサ２２ｂは、水平面で互いに直交する２軸（ここでは、センサ座標Ｘ軸及びＹ軸）とで構成されている。同様に、第１の加速度センサ２３ａ及び第２の加速度センサ２３ｂは、水平面で互いに直交する２軸（ここでは、センサ座標Ｘ軸及びＹ軸）に配置されている。ジャイロは、圧電セラミック、圧電単結晶、あるいは、シリコン等の非磁性材料からなる振動子を用いることができる。尚、本実施の形態では、（株）トーキン製の圧電振動セラミックジャイロを用いた。
【００２１】
最初に、本発明の姿勢角検出装置のうち、判別装置について示す。２軸の加速度センサと２軸の地磁気センサからなる静止角検出手段から求められる仮の姿勢角が正しいかどうかを判断する判別装置は、次のとおりである。
【００２２】
即ち、２軸の加速度センサ出力から得られるＸ軸方向の加速度Ａｘ（ｎ）及びＹ軸方向の加速度Ａｙ（ｎ）より、ロール角Ｒ（ｎ）及びピッチ角Ｐ（ｎ）を数７、数８より求める。
【００２３】
【数７】
【数８】
ここで、Ａｘ（ｎ）、Ａｙ（ｎ）は、重力加速度のＸ、Ｙ軸方向傾斜角成分と運動加速度の合成ベクトルなので、運動加速度がある場合には正しいロール角、ピッチ角にならない。地磁気センサより求めたヨー角についても途中の計算にロール角、ピッチ角を使用しているので同様に正しくない場合がある。そこで、運動角検出手段で求められたΔＸ（ｎ）、ΔＹ（ｎ）及びΔＺ（ｎ）を用いて、Ｒ（ｎ）の変化分がΔＸ（ｎ）の近傍である、あるいはＰ（ｎ）の変化分がΔＹ（ｎ）の近傍であるならば、その軸に対しては運動加速度がない、即ちＲ（ｎ）、あるいはＰ（ｎ）が正しいと判断する。そうでない場合は、運動加速度があると判断する。同様にΦ（ｎ）の変化分とΔＺ（ｎ）についても比較をする。数９、数１０あるいは数１１のうち、式が真のものについては対応する静止角検出手段からの姿勢角情報Ｒ・Ｐ・Φは正しいと判定する。
【００２６】
【数９】
【数１０】
【数１１】
上記の判定結果をもとに、運動角検出手段及び静止角検出手段から求められる運動角及び静止角から、姿勢角演算装置により、本発明による姿勢角検出装置が求めるべき姿勢角を演算する。この処理により、静止時及び運動時ともに静止角が正しいかどうか判別することができ、常に静止角によって運動角の誤差を補正することができる。
【００３０】
また、本発明の他の実施の形態として、判別装置の判別方法として、運動角検出手段で求められたΔＸ（ｎ）、ΔＹ（ｎ）及びΔＺ（ｎ）を用いて、Ｒ（ｎ）の変化分移動平均がΔＸ（ｎ）移動平均の近傍である、あるいはＰ（ｎ）の変化分移動平均がΔＹ（ｎ）移動平均の近傍であるならば、その軸に対しては運動加速度がない、即ちＲ（ｎ）、あるいはＰ（ｎ）が正しいと判断する。そうでない場合は、運動加速度があると判断する。同様にΦ（ｎ）の変化分移動平均とΔＺ（ｎ）移動平均についても比較をする。数１２、数１３あるいは数１４のうち、式が真のものについては対応する静止角検出手段からの姿勢角情報Ｒ・Ｐ・Φは正しいと判定する。ここでＣは任意の自然数であるが、今回は１０回とした。
【００３１】
【数１２】
【数１３】
【数１４】
上記の判定結果をもとに、運動角検出手段及び静止角検出手段から求められる運動角及び静止角から、姿勢角演算装置により、本発明による姿勢角検出装置が求めるべき姿勢角を演算する。この処理により、静止時及び運動時ともに静止角が正しいかどうか判別することができ、常に静止角によって運動角の誤差を補正することができる。さらに、移動平均を用いることによりノイズの影響を軽減することができ、補正頻度の向上が実現できる。
【００３５】
次に、本発明の姿勢角検出装置のうち、姿勢角演算装置について示す。本発明の姿勢角検出装置の求めるべき出力をα（ｎ）、β（ｎ）、γ（ｎ）、動的な運動角検出手段から得られる仮の姿勢角をＸ（ｎ）、Ｙ（ｎ）、Ｚ（ｎ）、静的な静止角検出手段から求められる静止角をＲ（ｎ）、Ｐ（ｎ）、Φ（ｎ）とすると、静止角検出手段からの姿勢角情報は正しいと判断する場合、
α(ｎ)＝α（ｎ−１）＋ΔＸ(ｎ)−Ｃ１
β(ｎ)＝β（ｎ−１）＋ΔＹ(ｎ)−Ｃ２
γ(ｎ)＝γ（ｎ−１）＋ΔＺ(ｎ)−Ｃ３
により、姿勢角を演算する。ここで、Ｃ１＝ｋ［α（ｎ−１）＋ΔＸ(ｎ)−Ｒ(ｎ)］、Ｃ２＝ｋ［β（ｎ−１）＋ΔＹ(ｎ)−Ｐ(ｎ)］、Ｃ３＝ｋ［γ（ｎ−１）＋ΔＺ(ｎ)−Φ(ｎ)］、ｋは任意に選択させる１以下の比例定数であるが、今回は０．１とした。
【００３６】
また、静止角検出手段からの姿勢角情報が誤と判断する場合、
α（ｎ）＝α（ｎ−１）＋ΔＸ（ｎ）
β（ｎ）＝β（ｎ−１）＋ΔＹ（ｎ）
γ（ｎ）＝γ（ｎ−１）＋ΔＺ（ｎ）
により、姿勢角を演算し、求める。この処理により運動角の応答性、静止角の絶対性といった互いの長所を生かし、運動角の累積誤差、静止角の時間遅れといった互いの短所を補間する事ができる。
【００３７】
従って、本実施の形態のように、本発明の姿勢角検出装置をＨＭＤに適用した場合、外部信号を用いることなく、高速応答で累積誤差のない角度情報を得ることができ、高性能である。
【００３８】
なお、本発明による姿勢角検出装置において、ジャイロを素子で搭載しているので、小型軽量化が可能であり、セラミック振動子を使用しているので、磁気ノイズは受けず、磁気センサと近接させても、機能を損なうことがない。
【００３９】
また、本実施の形態では、地磁気センサ、加速度センサが、それぞれ２個の例を示したが、少なくとも、どちらか一方が３個でもよい。小型化という点では、本実施の形態が最も好ましい。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、使用する場所や環境の制限を緩和し、幅広く使用できる姿勢角検出装置を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＨＭＤにおける姿勢角検出装置の使用状況の説明図。
【図２】本発明の姿勢角変換装置の全体構成を示すブロック図。
【図３】本発明の姿勢角検出装置におけるジャイロ、加速度センサ、地磁気センサの配置を示す説明図。
【符号の説明】
１ ＨＭＤ本体
２ 姿勢角検出装置
４ 信号ケーブル
７ 映像発生装置
１１ 運動角検出手段
１２ａ （第１の）ジャイロ
１２ｂ （第２の）ジャイロ
１２ｃ （第３の）ジャイロ
１３ａ （第１の）Ａ／Ｄコンバータ
１３ｂ （第２の）Ａ／Ｄコンバータ
１３ｃ （第３の）Ａ／Ｄコンバータ
１４ （ＩＩＲ型）デジタルハイパスフィルタ
１５ 正負反転判定装置
１６ 遅延バッファリセット装置
１７ オフセット修正装置
１８ 運動角演算装置
２１ 静止角検出手段
２２ａ （第１の）地磁気センサ
２２ｂ （第２の）地磁気センサ
２３ａ （第１の）加速度センサ
２３ｂ （第２の）加速度センサ
２４ 静止角演算装置
３２ 判別装置
４２ 姿勢角演算装置
Claims (3)
- 水平面で直交するＸ軸、Ｙ軸及び該Ｘ軸、Ｙ軸のそれぞれに直交するＺ軸回りの角速度を検出する３個のジャイロと、該ジャイロの角速度に応じた出力に基づいて、Ｚ軸回りの回転角であるヨー角、Ｚ軸の回りにヨー角だけ座標軸を回した後の新しいＹ軸回りの回転角であるピッチ角及びＺ軸の回りにヨー角だけ回し、新しいＹ軸の回りにピッチ角だけ回した後のさらに新しいＸ軸回りの回転角であるロール角を演算する運動角演算装置と、少なくともＸ−Ｙ平面で互いに直交する２軸の加速度を検出するように配置され、ロ−ル角、ピッチ角を検出するための加速度センサと、少なくとも前記２軸の地磁気を検出するよう配置される地磁気センサと、該加速度センサ及び地磁気センサの出力に基づいて、ロール角、ピッチ角及びヨー角を演算する静止角演算装置と、該静止角演算装置による演算結果の真偽を判定演算する判別装置と、該判別装置の演算結果に応じて、前記運動角演算装置及び静止角演算装置の演算結果から出力する姿勢角を演算する姿勢角演算装置とから構成される姿勢角検出装置であって、前記判別装置により、２軸の加速度センサおよび、２軸の地磁気センサからなる静止角検出手段から求められる静止角である仮のヨー角Φ・仮のピッチ角Ｐ・仮のロール角Ｒの検出結果が正しいかどうかの判別手段として、加速度センサの現在の出力Ａｘ（ｎ）から演算して得られた仮のロール角をＲ（ｎ）、演算する単位時間で１単位時間過去の出力Ａｘ（ｎ−１）から得られた仮のロール角演算結果をＲ（ｎ−１）とし、同様に加速度センサの現在の出力Ａｙ（ｎ）から演算して得られた仮のピッチ角をＰ（ｎ）、演算する単位時間で１単位時間過去の出力Ａｙ（ｎ−１）から得られた仮のピッチ角をＰ（ｎ−１）、地磁気センサの出力Ｍｘ（ｎ）、Ｍｙ（ｎ）及び計算から得られるＭｚ（ｎ）から演算して得られた仮のヨー角をΦ（ｎ）、１単位時間過去の仮のヨー角をΦ（ｎ−１）とし、ジャイロの出力Ｇｘ（ｎ）、Ｇｙ（ｎ）、Ｇｚ（ｎ）から演算して得られた運動角である仮のロール角変化をΔＸ（ｎ）、仮のピッチ角変化をΔＹ（ｎ）、仮のヨー角変化をΔＺ（ｎ）とすると、数１、数２、数３のいずれかが真の時にそれに対応する仮の姿勢角Ｒ・Ｐ・Φは正しいと判別することを特徴とする姿勢角検出装置。
［数１］
［Ｒ（ｎ）−Ｒ（ｎ−１）］−ΔＸ（ｎ）≒０
［数２］
［Ｐ（ｎ）−Ｐ（ｎ−１）］−ΔＹ（ｎ）≒０
［数３］
［Φ（ｎ）−Φ（ｎ−１）］−ΔＺ（ｎ）≒０ - 前記判別装置により、前記仮のヨー角Φ・仮のピッチ角Ｐ・仮のロール角Ｒの検出結果が、正しいかどうかの判別手段として、前記Ｒ（ｎ）、Ｒ（ｎ−１）、Ｐ（ｎ）、Ｐ（ｎ−１）、Φ（ｎ）、Φ（ｎ−１）、ΔＸ（ｎ）、ΔＹ（ｎ）、ΔＺ（ｎ）、任意の自然数Ｃより、数４、数５、数６のいずれかが真の時にそれに対応する仮の姿勢角Ｒ・Ｐ・Φは正しいと判別することを特徴とする請求項１記載の姿勢角検出装置。
［数４］
［Ｒ（ｎ）−Ｒ（ｎ−Ｃ）］／Ｃ−［ΔＸ（ｎ）＋ΔＸ（ｎ−１）＋…＋ΔＸ（ｎ−Ｃ＋１）］／Ｃ≒０
［数５］
［Ｐ（ｎ）−Ｐ（ｎ−Ｃ）］／Ｃ−［ΔＹ（ｎ）＋ΔＹ（ｎ−１）＋…＋ΔＹ（ｎ−Ｃ＋１）］／Ｃ≒０
［数６］
［Φ（ｎ）−Φ（ｎ−Ｃ）］／Ｃ−［ΔＺ（ｎ）＋ΔＺ（ｎ−１）＋…＋ΔＺ（ｎ−Ｃ＋１）］／Ｃ≒０ - 前記姿勢角検出装置の求めるべき出力をロール角α（ｎ）、ピッチ角β（ｎ）、ヨー角γ（ｎ）、求めるべき出力と静止角との誤差α（ｎ−１）＋ΔＸ（ｎ）−Ｒ（ｎ）、β（ｎ−１）＋ΔＹ（ｎ）−Ｐ（ｎ）、γ（ｎ−１）＋ΔＺ（ｎ）−Φ（ ｎ）に比例した変数をＣ１，Ｃ２，Ｃ３とすると、
判別装置の判別結果により、 静止角検出手段からのそれぞれの姿勢角情報Ｒ・Ｐ・Φのうち正しいと判別された姿勢角情報に対応する姿勢角は、
α（ｎ）＝α（ｎ−１）＋ΔＸ（ｎ）−Ｃ１、
β（ｎ）＝β（ｎ−１）＋ΔＹ（ｎ）−Ｃ２、
γ（ｎ）＝γ（ｎ−１）＋ΔＺ（ｎ）−Ｃ３
により、
また、静止角検出手段からのそれぞれの姿勢角情報Ｒ・Ｐ・Φのうち誤りと判別された姿勢角情報に対応する姿勢角は、
α（ｎ）＝α（ｎ−１）＋ΔＸ（ｎ）、
β（ｎ）＝β（ｎ−１）＋ΔＹ（ｎ）、
γ（ｎ）＝γ（ｎ−１）＋ΔＺ（ｎ）
により演算し、1軸ずつ個別に演算することを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の姿勢角検出装置。
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