JP4393902B2 - 傾斜角測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、加速度センサを用いて物体の傾斜角を求める傾斜角測定装置に関する。

従来から、物体の傾斜角を測定する装置のセンサとして加速度センサが知られている。加速度センサは、一般に、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸が互いに垂直に交わるように配置された３軸のうち１軸乃至は３軸持っており、傾斜に従って重力による加速度各軸の成分が変化し、この変化する加速度成分から傾斜角を求めることが、極一般的な公知の方法である。
一方で、傾斜角の測定は、特許文献１に示されるように、携帯機器における方位角測定の補正用途として使用される。通常、方位角測定はコンパス（方位磁針）等の測定機器を水平に静止した状態で行われるものであるが、当該機器の傾斜角を測定すれば、例え機器が水平でなくても方位角の測定が可能となることが当該文献に示されている。
特開昭５５−９９０１６号公報

ところが、従来の傾斜角測定装置に用いられる加速度センサにおいては、物体が静止しているときは加速度センサにかかる加速度は重力によるものだけであるからよいが、物体が動き尚且つその物体の速度が変化している場合、物体には加速度がかかる。つまり、重力以外の加速度がかかることになるので、重力を拠り所にしただけでは傾斜角を正しく求めることができない。典型的な例として振動運動を行っている場合、例えば歩行体の加速度は歩行体の上下方向（鉛直方向）の振動に対して周期的に変化することが広く知られている。そのため、歩行体の歩行中に傾斜角を正しく求めるには、変化分を除去する必要があり、加速度センサの出力信号の平均値を求める必要があった。しかし、このような方法では、平均を算出する時間分の遅延が発生し、実際の傾斜角の変化に追随できなくなるという問題がある。

一方で、従来の加速度センサは、一般に温度による出力変動が非常に大きい。即ち、加速度の変動のみによって加速度センサの出力が変動するのではなく、温度の変動によっても加速度センサの出力が、同程度もしくはそれ以上変動してしまう。上記のように、重力を拠り所にして物体の傾斜角を求める場合には、加速度によるセンサ出力変動のみを測定の対象としなければならない。

しかし、加速度センサの出力変動が加速度の変動によるものか、或いは温度変動によるものかを分別するのは非常に難しい。従来、この対処法としては、供給者側が適当な温度で加速度センサの出力を測定し、その測定結果に基づいてあらゆる温度における温度出力変動を推測して補正する手段（以下、温度補正工程と言う）が採用されていたが、この温度補正工程は非常に面倒であり、結果として加速度センサの製造に多大な時間とコストを費やすという問題がある。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、歩行時における傾斜角の測定結果の遅延を小さくするとともに、加速度センサの温度出力変動に依存しない簡単な傾斜角測定装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１による傾斜角測定装置は、２乃至は３軸が互いに直交する加速度センサと、前記加速度センサで測定された各軸の加速度に対応する信号の振幅値を算出する振幅算出手段と、前記振幅算出手段で算出された各軸の振幅値の比の逆正接値から加速度センサの傾斜角の大きさを算出する傾斜角算出手段とを備えたことを特徴としている。

また、本発明の請求項２による傾斜角測定装置は、請求項１において、前記加速度センサで測定された各軸の加速度に対応する信号が同位相及び逆位相の何れであるかを算出する位相算出手段を更に備え、前記傾斜角算出手段は、前記位相算出手段で算出された同位相及び逆位相の何れかの結果に応じて加速度センサの傾斜の向きを更に算出することを特徴としている。

これら請求項１及び２の構成によれば、加速度センサのオフセットレベルが不明のときでも傾斜角を求めることができる。これによって、歩行時であっても傾斜角が測定可能となるとともに、従来の傾斜角測定においては必須であった加速度センサの温度依存分のオフセットレベルを予め測定する必要がなくなるので、加速度センサの温度補正工程を省略することができる。

また、本発明の請求項３による傾斜角測定装置は、請求項２において、前記傾斜角算出手段で相異なる地点で算出された複数の傾斜角と、これら複数の傾斜角が算出された時間が含まれる任意時間幅において前記加速度センサで得られる信号の平均値とを用いて、加速度センサのオフセットレベルを算出するオフセットレベル算出手段を更に備えたことを特徴としている。
この構成によれば、歩行時の傾斜角の算出結果に基づいて、加速度センサのオフセットレベルを求めることができるので、従来であれば温度変動が大きいために測定が面倒であった加速度センサのオフセットレベルを簡便に求めることが可能となる。これは、使用者に意識させることなく自動的に求めることが可能となる。

以上説明したように本発明によれば、歩行時においても遅延の小さい傾斜角の測定結果を簡単に求めることができる。更に、本発明は、オフセットレベルの温度変動に依存しない手段であるために、加速度センサの温度補正工程を省略でき、製造にかかる時間とコストを大幅に削減できるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る傾斜角測定装置の構成を示すブロック図である。
図１に示す傾斜角測定装置１００は、一般的に知られているＸ，Ｙ軸の２軸が互いに垂直に交わる関係となるように配置された２軸の加速度センサ２０と、Ｘ出力ＢＰＦ部３と、Ｙ出力ＢＰＦ部４と、Ｘ出力振幅算出部５と、Ｙ出力振幅算出部６と、位相算出部７と、傾斜角算出部８と、傾斜角格納部９と、オフセット電圧算出部１０とを備えて構成されている。

加速度センサ２０から出力される加速度センサＸ出力１及び加速度センサＹ出力２は、加速度そのものではなく電圧値として出力される。以降の説明においても、出力１，２が電圧値であることを前提とする。
本実施の形態では加速度ゼロのときの出力電圧（以下、オフセット電圧と言う）を予め知らなくても求めることが可能となっている。
一方、加速度が一定値（例えば重力加速度＝９.８ｍ／ｓ^２）変化したときの出力電圧変動（以下、検出感度と言う）は、Ｘ軸とＹ軸との比（例えば１：２）が分かっていれば、傾斜角を求めることが可能となっている。但し、Ｘ軸とＹ軸との何れもゼロでないことを前提とする。

更に、それらの電圧値の出力１，２は、アナログ電圧値及びデジタル電圧値の何れでもよい。また、加速度センサ２０の動作原理についても、ピエゾ抵抗型、静電容量型等、どのような原理であってもよい。
Ｘ出力ＢＰＦ部３及びＹ出力ＢＰＦ部４は、加速度センサ２０の歩行に伴って生じる加速度センサ出力電圧変動のうち、１歩につき１回振動する電圧変動成分のみを抽出するバンドパスフィルタである。一般に、歩行体の周波数は１〜３Ｈｚ程度であるため、この帯域のみを通過するような特性を持ったバンドパスフィルタを用いるのがよい。後の説明の便宜のため、Ｘ出力ＢＰＦ部３の出力をＢＰＸ（ｔ）、Ｙ出力ＢＰＦ部４の出力をＢＰＹ（ｔ）とする。ｔは時間である。

Ｘ出力振幅算出部５及びＹ出力振幅算出部６は、ＢＰＸ（ｔ）及びＢＰＹ（ｔ）からそれらの振幅を算出するブロックである。この振幅を算出する方法としては、例えば一定周期で電圧出力をサンプリングして実効値（ＲＭＳ）を計算する方法が用いられる。
又は、Ｘ出力振幅算出部５及びＹ出力振幅算出部６を、回路を用いて実現する場合は、例えば図２に示すような、オペアンプＯｐＡｍｐに、抵抗器Ｒ１，Ｒ２と、コンデンサＣ１，Ｃ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２とを組み合わせて構成されるピークトウピーク検出回路２２を用いてもよい。

後の説明の便宜のため、Ｘ出力振幅算出部５の出力をＡＸ（ｔ）、Ｙ出力振幅算出部６の出力をＡＹ（ｔ）とする。これら出力は振幅なので、ＡＸ（ｔ）及びＡＹ（ｔ）は何れも正の値を取る。例えば、実効値を計算する場合は、
ＡＸ（ｔ）＝√｛Σ（（ＢＰＸ（ｔ））^２）｝
と表される。ＡＹ（ｔ）も同様である。

位相算出部７は、ＢＰＸ（ｔ）とＢＰＹ（ｔ）の位相が同位相か逆位相かを算出する。この算出には、例えば一定周期で電圧出力をサンプリングし、これらの畳込み積分
ＢＰＸ（ｔ）＊ＢＰＹ（ｔ）
を計算する処理が用いられる。仮に、畳込み積分ＢＰＸ（ｔ）＊ＢＰＹ（ｔ）の値が正｛ＢＰＸ（ｔ）＊ＢＰＹ（ｔ）＞０｝ならば、図３（ａ）に示すように、Ｘ出力であるＢＰＸ（ｔ）とＹ出力であるＢＰＹ（ｔ）とは同位相であり、前述した「歩行体の加速度は上下方向の振動に対して変化する」という性質を考慮すれば、図３（ｂ）に示すように、加速度センサ２０は、重力方向ＧがＸ軸の負方向とＹ軸の負方向との間となるような傾斜の状態にあるということが導かれる。

逆に、畳込み積分の値が負｛ＢＰＸ（ｔ）＊ＢＰＹ（ｔ）＜０｝ならば、図４（ａ）に示すように、Ｘ出力であるＢＰＸ（ｔ）とＹ出力であるＢＰＹ（ｔ）とは位相が反転しており、この場合には図４（ｂ）に示すように、加速度センサ２０は、重力方向ＧがＸ軸の正方向とＹ軸の負方向との間となるような傾斜の状態にあるということが導かれる。
また、位相算出部７での同位相か逆位相かの算出を、回路を用いて実現する場合は、畳込み積分を行う代わりに、乗算器とＬＰＦ（ローパスフィルタ）を組み合わせた回路を用いても測定が可能である。本回路は本質的には畳込み積分と同等の処理と言ってよい。

傾斜角算出部８は、上記の各算出部５〜６の算出結果をもとに、後述で説明するように傾斜角を計算する。この傾斜角計算値は傾斜角格納部９に格納されるようになっている。
ここで、傾斜角算出部８の具体的な計算例について説明する。
図５は、歩行体が携帯機器である傾斜角測定装置１００を水平に持ったときの加速度センサ２０のイメージ図であり、（ａ）は上から見た図、（ｂ）は右側から見た図である。

歩行の進行方向は、（ａ）の図においては紙面の上向き、（ｂ）の図においては紙面の右向きである。この場合の歩行時の加速度センサ２０の出力電圧波形は、前述した「歩行体の加速度は上下方向の振動に対して変化する」という性質によって、図６（ａ）に示すように、Ｘ成分には振動が現れず、（ｂ）に示すように、Ｙ成分にのみ振動が現れる波形となる。従って、Ｘ成分の振幅ＡＸ（ｔ）及びＹ成分の振幅ＡＹ（ｔ）は、
ＡＸ（ｔ）＝０
ＡＹ（ｔ）＝Ａ（一定値）
とすることができる。この場合、畳込み積分、
ＢＰＸ（ｔ）＊ＢＰＹ（ｔ）＝０
となることがわかる。

この典型的な例の延長によって傾斜角が求められることを、図７を参照して説明する。図７は、歩行体が携帯機器である傾斜角測定装置１００を斜め手前に倒れるように持ったときの加速度センサ２０のイメージ図である。
これは、例えば携帯電話のディスプレーを見ているときの加速度センサ２０の傾斜の方向を図示したものと考えてよい。歩行の進行方向は、前記同様（ａ）の図では紙面の上向き、（ｂ）の図では紙面の右向きである。この場合の歩行時の加速度センサ２０の出力電圧波形は、図６とは異なり、図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、Ｘ成分とＹ成分とに分離されて出力される。しかし、前述の歩行体の性質を考慮すれば、Ｘ成分の振幅ＡＸ、Ｙ成分の振幅ＡＹ、及び傾斜角φとの間には、
ＡＸ＝Ａ・ｓｉｎ（φ）
ＡＹ＝Ａ・ｃｏｓ（φ）
なる関係式が成立していることがわかる。Ａは前述した一定値である。この関係式から、傾斜角の大きさは、Ａによらず、
φ＝ａｒｃｔａｎ（ＡＸ／ＡＹ）
として求めることができる。例えば、これを図５の場合に当てはめると、
φ＝ａｒｃｔａｎ（０）＝０°
として正しい傾斜角を求めることができる。

実際には、ＡＸ、ＡＹ、φは、時間ｔの関数であることを考慮すれば、図７の状態においては、畳込み積分、
ＢＰＸ（ｔ）＊ＢＰＹ（ｔ）＞０
であるから、加速度センサ２０は正の方向に傾斜しており、傾斜角φ（ｔ）は、
φ（ｔ）＝＋ａｒｃｔａｎ｛ＡＸ（ｔ）／ＡＹ（ｔ）｝
として求めることができる。

一方、畳込み積分、
ＢＰＸ（ｔ）＊ＢＰＹ（ｔ）＜０
であれば、傾斜角φ（ｔ）は、
φ（ｔ）＝−ａｒｃｔａｎ｛ＡＸ（ｔ）／ＡＹ（ｔ）｝
として求めることができる。
このように、従来よく知られている重力を基準にした傾斜角の測定とは全く異なる算出処理によって傾斜角を測定することができる。

次に、オフセット電圧算出部１０において、上述した傾斜角の測定結果を利用して、加速度センサ２０のオフセット電圧を計算する処理について説明する。
オフセット電圧算出部１０は、上述の処理手順によって傾斜角の測定結果が相異なる複数の地点で得られた場合に、これらの測定結果を用いて加速度センサ２０のオフセット電圧を計算する。
具体的に、相異なる傾斜角から加速度センサ２０の未知のオフセット電圧を求める処理について説明する。なお、次の説明では、加速度センサ２０のＸ軸オフセットをＸＯ、Ｙ軸オフセットをＹＯ、Ｘ軸感度をＳＸ、Ｙ軸感度をＳＹとする。
図７の状態で傾斜角がφ１と算出された時間においては、次式（１）の方程式が成立する。

ここで、Ｘ１及びＹ１は加速度センサ２０の出力電圧の平均値である。この平均値は、図７の状態で歩行した時間、即ち傾斜角がφ１と算出された任意の時間に渡って測定された値の平均値を取ればよい。
一方、傾斜角がφ２（但し、φ２≠φ１）と算出された時間においては、次式（２）の方程式が成立する。

ここで、Ｘ２及びＹ２は上記同様に加速度センサ２０の出力電圧の平均値であり、傾斜角がφ２と算出された任意の時間に渡って測定された値の平均値を取ればよい。
上式（１）と（２）の連立方程式を解き、これに、既知のη＝ＳＹ／ＳＸ（検出感度の比）を用いれば、次式（３）のオフセット電圧ＸＯと、式（４）のオフセット電圧ＹＯを求めることができる。但し、Ｚ１＝ｔａｎ（φ１）、Ｚ２＝ｔａｎ（φ２）とする。

但し、上記の説明では、２軸の加速度センサ２０の場合について、その２軸で形成される平面内における傾斜角の算出処理について説明したが、加速度センサ２０が２軸でなく３軸持った場合でも、傾斜角が立体角（又は２種類の平面内における傾斜角）として表現されるだけで、上記の説明とまったく同様の処理を適用することができる。

本発明の実施の形態に係る傾斜角測定装置の構成を示すブロック図である。 上記実施の形態に係る傾斜角測定装置のＸ出力振幅算出部又はＹ出力振幅算出部を実現するためのピークトウピーク検出回路の回路図である。 上記実施の形態に係る傾斜角測定装置のＸ出力振幅算出部の出力ＢＰＸ（ｔ）とＹ出力振幅算出部の出力ＢＰＹ（ｔ）とが同位相の場合の波形と、加速度センサの傾斜方向を示す図である。 上記実施の形態に係る傾斜角測定装置のＸ出力振幅算出部の出力ＢＰＸ（ｔ）とＹ出力振幅算出部の出力ＢＰＹ（ｔ）とが逆位相の場合の波形と、加速度センサの傾斜方向を示す図である。 上記実施の形態に係る傾斜角測定装置を歩行体が水平に持ったときの加速度センサの傾斜方向を示す図である。 上記実施の形態に係る傾斜角測定装置を歩行体が水平に持ったときの加速度センサ出力の波形を示す図である。 上記実施の形態に係る傾斜角測定装置を歩行体が斜め前方に倒して持ったときの加速度センサの傾斜方向を示す図である。 上記実施の形態に係る傾斜角測定装置を歩行体が斜め前方に倒して持ったときの加速度センサ出力の波形を示す図である。

符号の説明

１ 加速度センサＸ成分
２ 加速度センサＹ成分
３ Ｘ出力ＢＰＦ部
４ Ｙ出力ＢＰＦ部
５ Ｘ出力振幅算出部
６ Ｙ出力振幅算出部
７ 位相算出部
８ 傾斜角算出部
９ 傾斜角格納部
１０ オフセット電圧算出部
２０ 加速度センサ
１００ 傾斜角測定装置

Claims (3)

1. ２乃至は３軸が互いに直交する加速度センサと、
   前記加速度センサで測定された各軸の加速度に対応する信号の振幅値を算出する振幅算出手段と、
   前記振幅算出手段で算出された各軸の振幅値の比の逆正接値から加速度センサの傾斜角の大きさを算出する傾斜角算出手段と
   を備えたことを特徴とする傾斜角測定装置。
2. 前記加速度センサで測定された各軸の加速度に対応する信号が同位相及び逆位相の何れであるかを算出する位相算出手段を更に備え、
   前記傾斜角算出手段は、前記位相算出手段で算出された同位相及び逆位相の何れかの結果に応じて加速度センサの傾斜の向きを更に算出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の傾斜角測定装置。
3. 前記傾斜角算出手段で相異なる地点で算出された複数の傾斜角と、これら複数の傾斜角が算出された時間が含まれる任意時間幅において前記加速度センサで得られる信号の平均値とを用いて、加速度センサのオフセットレベルを算出するオフセットレベル算出手段
   を更に備えたことを特徴とする請求項２に記載の傾斜角測定装置。

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