JP4396508B2 - 磁気マッピング評価装置 - Google Patents

Description

本発明は、交流磁気方式のヘッドモーショントラッカ（以下ＨＭＴと呼ぶ）を使用する空間の磁気分布を評価するための磁気マッピング評価装置に関する。
本装置は、空間に交流磁界を発生させておき、頭部に取り付けた磁気センサが検出する磁気データに基づいて、頭部の向きや角度を測定する交流磁気方式のＨＭＴに関連して用いられるものであり、予めＨＭＴを使用する空間の磁気分布の評価を行う際に利用される。

ＨＭＴは、ゲーム機のヴァーチャルリアリティ（ＶＲ）や実際の航空機で、頭部装着型表示装置使用者の頭部の位置および角度を計測する装置として利用されている。
例えば、ＶＲ技術では、頭部装着型表示装置を装着する者の頭部の動きに応じて変化する画像を視認させることで、ＶＲ空間を体験させる。この場合、装着者の頭部の位置と向き（角度）とを測定し、測定結果に対応させて頭部装着型表示装置の表示画像を変化させるようにするために、ＨＭＴを用いている。

また、救難飛行艇による救難活動において、発見した救難目標を見失うことがないようにするため、頭部装着型表示装置により表示される照準画像と救難目標とが対応した時にロックすることにより、その後は、頭部の位置と角度とを測定し、ロックされた救難目標との位置関係を演算して、上記表示装置装着者が救難目標を見失わないように表示することが行われている。この場合、救難目標との位置関係を演算する際に、航空機の緯度、経度、高度、飛行体の姿勢に加えて、頭部装着型表示装置を装着する者の頭部の位置と角度とを測定することが必要になり、ＨＭＴを用いている。

ＨＭＴのひとつに、交流磁気方式のＨＭＴがある（例えば特許文献１参照）。これは、例えば頭部装着型表示装置に磁気センサを固定し、予め頭部装着型表示装置を使用する空間領域に交流磁界を発生しておき、磁気センサの現在位置の磁気データを随時測定することで、測定結果に基づいて、その時点の磁気センサの位置と向き、ひいては磁気センサを固定した頭部装着型表示装置の位置と向きを算出するものである。

図２は交流磁気方式のＨＭＴの構成を模式的に示した図である。ＨＭＴ１００は、３軸コイルにより交流磁界を発生する磁気ソース１０１と、座席１０２に座ったＨＭＴ使用者が頭部に取り付ける頭部装着型表示装置１０３と、頭部装着型表示装置１０３に固定された磁気センサ１０４と、磁気ソース１０１および磁気センサ１０４の制御を行うとともに、磁気センサ１０４が測定した磁気データに基づいて磁気センサ１０４の位置や角度を算出する機能を備えた制御部１０５とから構成される。このＨＭＴ１００では、磁気ソース１０１が発生する交流磁界により、空間の各点には、それぞれの位置に固有の磁気変化（大きさおよび向きを有する磁気データ）が生じる。磁気センサ１０４を用いて、磁気センサ１０４の現在位置での磁気データを測定し、空間各点が有する磁気データと比較することにより、磁気センサ１０４の位置関係、角度関係が算出される。

交流磁気方式のＨＭＴでは、予め、位置の基準となる原点および座標系と、方向の基準となる基準方向とを定めている。具体的には、磁気ソースの位置を原点としてＸＹＺ座標系を定め、さらに、Ｘ軸方向を基準方向として定めている。
そして磁気センサの出力に基づいて、座標原点から磁気センサまでの位置移動量であるＸ、Ｙ、Ｚの位置座標情報、および磁気センサの基準方向に対する角度移動量であるアジマス方向（Ｘ軸に対する回転）、エレベーション方向（Ｙ軸に対する回転）、ロール方向（Ｚ軸に対する回転）の角度情報を求めるようにして、これらから磁気センサを固定してある頭部装着型表示装置、さらには頭部の測定原点および基準方向に対する位置や角度を求めている。

ところで、交流磁気方式のＨＭＴでは、磁気センサにより測定した磁気データに基づいて位置情報、角度情報を導出するが、その前提として、ＨＭＴを使用する空間、すなわち頭部が移動する空間の各点での磁気データの分布を求めておくことが必要になる。すなわち、磁気センサの現在位置での磁気データを測定し、予め理論計算によって求めた空間各点の磁気データ分布を参照することにより、磁気センサの位置、角度（したがって頭部装着装置および頭部の位置、角度）を特定することになる。

空間の磁気データ分布は、磁界発生源である磁気ソースと磁気センサだけが存在するような理想状態では、電磁気学理論に基づく理論計算（ビオサバールの法則などによる計算）により、ほぼ正確に求めることができる。
しかし、磁気ソースや磁気センサの周辺に、金属等の導電性物質が存在する場合は、磁気データの分布は単純ではなく、導電性物質内に発生する渦電流により誘起される磁界によって、交流磁界内に磁気歪を生じることとなる。特に、ゲーム機や航空機の場合は、構造上、金属製の座席などを設ける必要があり、ＨＭＴの周囲から導電性物質をなくすことは困難なため、どうしても導電性物質の影響による磁気歪が生じてしまう。

そのため、導電性物質の影響を除去するために、磁気マッピング装置を用いて各測定位置における位置誤差データ、角度誤差データを予め収集している。磁気マッピング装置は、
一定間隔ごと離れた測定位置に磁気センサを移動し、各測定位置における磁気データを実測し、その出力に基づいて、各測定点の位置や角度の誤差データを取得する。
特開２００２−８１９０４号公報

上述したように磁気マッピング装置による測定誤差データの収集の目的は、各位置での測定誤差を求めた誤差分布データ（磁気マッピングデータ）を作成し、ＨＭＴによる位置情報や角度情報を正確に求めることである。
この目的を達成するためには、各測定点の誤差データを数値として得て、測定誤差に相当する数値を補正値として本来の数値から減ずることができれば十分であることから、従来、誤差データを数値として求めることだけを磁気マッピング装置は実行していた。
しかしながら、導電性物質による磁気歪の影響が相当大きい場合があり、場合によっては、磁気データに基づいて算出した測定誤差の値を減算する補正では、誤差を正確に補正できない場合がある。
そのような場合に、たとえ測定誤差の補正はできなくても、誤差補正ができない領域が空間のどこ辺りであるかの評価を行うことが必要である。すなわち、誤差補正ができない不具合領域であるかを評価することができれば、その不具合領域での使用を避ければ足りるので、たとえ誤差補正ができなくても実用上は問題ない。

ところが、従来の磁気マッピング装置の出力は単に、誤差データを数値として表形式で出力するだけであったため、その数値を見ただけで磁気分布に基づく測定誤差を解析することは困難であった。
そこで、本発明は、各測定点での測定誤差を求めて誤差分布データ（磁気マッピングデータ）を取得するとともに、誤差分布データ（磁気マッピングデータ）の解析を容易にするための評価機能を備えた磁気マッピング評価装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の磁気マッピング評価装置は、ヘッドモーショントラッカを使用する際と同様の磁界を発生する磁気ソースと、前記磁界中の磁気データを測定する磁気センサと、前記磁界中にＸＹＺ座標系を定め、前記磁気センサを複数の測定点に対し順次移動させる磁気センサ移動機構と、各測定点で磁気センサが測定した磁気データに基づいて、電磁気学理論に基づく理論計算により、理論上位置および理論上角度を算出して、位置誤差および角度誤差を算出する測定誤差算出部と、表示部に画像表示されたＸＹＺ座標系画像または投影面画像中に、前記位置誤差および角度誤差を示す画像情報を画像表示する磁気マッピング表示部とを備え、前記画像情報は、ベクトル画像であり、前記ベクトル画像の向きで、前記角度誤差を表現するとともに、前記ＸＹＺ座標系画像または投影面画像中の理論上位置にベクトル画像を画像表示するか、あるいは、前記ベクトル画像の長さで、前記位置誤差を表現している。
本発明によれば、ＨＭＴを使用する空間と同一環境の空間において、磁気ソースにより交流磁界を発生し、ＨＭＴと同様の磁界が形成されるようにする。そして空間内に複数の測定点を定め、磁気センサ移動機構によって磁気センサを各測定点に順次移動させ、それぞれの測定点で磁気データを取得する。各測定点での磁気データを、理論計算（ビオサバールの法則など）で求めることができる磁気データと比較することにより、磁気歪の影響による位置誤差および角度誤差を算出することができる。そして、磁気マッピング表示部は、算出された位置誤差および角度誤差に関する分布を２次元的あるいは３次元的にマッピング表示する。したがって、磁気歪による位置誤差や角度誤差に関する情報を、数値ではなく視覚的に把握することができるようになる。

ここで、各測定点は、一定間隔ごと離隔させて格子状をなすように配置すれば、測定位置の特定が容易となって好ましいが、必ずしも格子状に配置する必要はない。要するに、測定しようとする空間全体にわたって測定点が偏在することなく、ほぼ均等に分散するように配置してあるとともに、各測定点の位置が特定されていればよい。
また磁気センサ移動機構は、この機構自身が渦電流を発生して磁気歪を生じないようにするため、できるだけ非導電性材料で形成することが好ましい。
マッピング表示は、位置誤差のみを表示してもよいし、また、角度誤差のみを表示してもよい。さらに、位置誤差および角度誤差を同時に表示してもよい。マッピングでの表示内容は測定誤差に関する情報をグラフィック的に表示できるものであればよい。
例えば、実測した磁気データを、理論計算式（ビオサバールの方式）に当てはめて理論上（すなわち磁気歪がない場合）、その磁気データが得られる座標を算出することで、磁気歪の影響がなければ、本来その磁気データが得られるべき座標位置を求め、磁気データを実測した格子点位置とともに表示してもよい（後述する図５参照）。
また、実測した格子点位置に発生している位置誤差や角度誤差を算出して、その格子点位置において位置誤差、角度誤差をグラフィック表示してもよい（後述する図６、図７参照）。

上記発明によれば、位置誤差や角度誤差に関する情報を２次元的あるいは３次元的にマッピング表示することができるので、磁気歪による測定誤差の空間的な状態を視覚的に把握でき、ＨＭＴのための磁気補正の解析や評価を容易に行うことができる。

（その他の課題を解決するための手段および効果）
上記発明において、少なくとも位置誤差または角度誤差のいずれかに関する閾値を記憶する閾値記憶部と、閾値記憶部に記憶された閾値とこの閾値に対応する各測定位置の位置誤差または角度誤差とを比較する比較部と、位置誤差または角度誤差が閾値より大きい場合に該当する測定位置に対し警告情報を付して表示する警告表示部とをさらに備え、前記警告情報は、前記ベクトル画像の色を変化させるものであるようにしてもよい。
これによれば、予め適当な閾値を設定し、記憶させておくことにより、その閾値より大きな位置誤差、角度誤差が生じた測定点については警告表示部により、警告情報が付されるので、誤差が大きな場所を簡単に把握することができる。誤差が大きくなりすぎると場合によっては、誤差補正が不能な領域となるので、そのような領域の評価をより簡単に行うことができる。また、ＨＭＴを使用する際に、警告情報が付された測定点近傍での使用を行わないように注意することができる。
ここで、警告情報の表示は、視覚的に目立つ表示方法であればよい。例えば他よりも目立つマークを付して表示したり、他とは異なる色で表示したり、あるいは点滅表示したりすればよい。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。

（実施形態１）
図１は、本発明の一実施形態である磁気マッピング評価装置の構成を示すブロック図である。この磁気マッピング評価装置１０は、交流磁界を発生する磁気ソース１１と、各測定点で磁気データを検出する磁気センサ１２と、磁気センサ１２の位置を移動する磁気センサ移動機構１３と、磁気ソース１１、磁気センサ１２、磁気センサ移動機構１３の制御を行う制御部１４と、表示部１５とからなる。また、制御部１４は、磁気データから位置誤差や角度誤差を算出する測定誤差算出部１６、位置誤差や角度誤差を２次元、３次元的に表示する磁気マッピング表示部１７としての機能をも有する。

磁気マッピング装置１０は、図２で説明したＨＭＴ１００と同じ磁界を形成するようにセットされる。すなわち磁気ソース１１は、図２における磁気ソース１０１をそのまま用い、また、座席２２は、図２の座席１０２をそのまま用いる。これにより、ＨＭＴ１００と磁気マッピング評価装置１０とは、磁気的な環境が同一になるようにしてある。
磁気センサ１２は、ピックアップコイルを有しており、現在位置での磁気の大きさと向きとを磁気データとして測定する。
磁気センサ移動機構１３は、ＸＹＺ方向に駆動可能なステージ機構で構成され、ＸＹＺの各方向に一定間隔ごと離れた位置、すなわち格子点をなす位置に、磁気センサ１２を正確に停止することができるようにしてある。
制御部１４は、ＣＰＵやメモリを含むコンピュータにより構成され、メモリに記憶されたプログラムを実行することにより、制御動作や演算動作を行う。
表示部１５は、文字や画像を表示することができるディスプレイパネルにより構成される。

測定誤差算出部１６は、磁気センサ１２で測定した磁気データ（実測値）を、理論計算式（ビオサバールの法則など）に当てはめることにより、その実測値の磁気データが得られるはずである測定点の位置情報（ＸＹＺ座標）および角度情報（アジマス角、エレベーション角、ロール角）を算出する。算出した位置情報および角度情報と、実際の測定点（格子点）の位置情報および角度情報との差を求め、この差を位置誤差および角度誤差として算出する。
磁気マッピング表示部１７は、測定誤差算出部１６が算出した位置誤差、角度誤差のデータに基づいて、誤差をわかりやすく表示するための２次元あるいは３次元グラフィックデータを作成する。

次に、上記装置による動作について説明する。磁気ソース１１により交流磁界を発生させた状態で、磁気センサ移動機構１３を作動させて測定点（格子点）のひとつに磁気センサ１２を移動し、その測定点での磁気データ（実測値）を測定する。続いて、磁気センサ移動機構１３を作動して別の測定点（格子点）に磁気センサ１２を移動し、磁気データ（実測値）を測定し、以下、同様の測定を繰り返し、全測定点での磁気データ（実測値）を収集する。

理論計算式（ビオサバールの法則など）に、各測定点での磁気データ（実測値）を代入し、その実測値の磁気データが得られるはずである理論上の測定点の位置情報（ＸＹＺ座標）および角度情報（アジマス角、エレベーション角、ロール角）を算出する。
図４に、各測定点についての磁気データを表形式で出力した磁気マッピングデータの一例を示す。
１つの測定点の磁気データは２行で構成され、１行目（最左列が空白の行）が実際の測定点の位置情報および角度情報であり、２行目（最左列に「１」が付された行）が理論計算式に磁気データ（実測値）を代入して逆算した理論上の測定点の位置情報および角度情報である。
各行の数値は、左から２列目からＸ、Ｙ、Ｚ座標、アジマス角、エレベーション角、ロール角の６つの位置情報、角度情報である。１行目と２行目の差分を算出することにより、Ｘ、Ｙ、Ｚ座標、アジマス角、エレベーション角、ロール角それぞれの位置誤差、角度誤差を得ることができる。
この磁気マッピングデータは数値の羅列であり、これから測定誤差の分布を解析するのは困難である。そのため、測定誤差の分布を視覚的に把握できるように、２次元あるいは３次元的にグラフィック表示する。

図５は、図４の磁気マッピングデータにおける位置情報を２次元表示したものである。
図において紙面はＸＹ面であり、実際の測定点（格子点）のＸＹＺ座標位置とともに、理論上の測定点のＸＹＺ座標位置をＸＹ面に投影したものである。すべての測定点で測定誤差がなければ、格子状に整然と並ぶことになるものが、測定誤差の影響で歪んで表示されている。

図６は、図４の磁気マッピングデータにおける位置誤差情報および角度誤差情報を算出し、３次元表示（ベクトル表示）したものであり、各点での矢印の長さは位置誤差の大きさ、矢印の向きは角度誤差の向きを表示したものである。
また、図７は、図４の磁気マッピングデータにおける位置誤差情報を３次元表示（スカラー表示）したものであり、各点での位置誤差を色の違いで表現したものである。
これらのグラフィック表示により、位置誤差や角度誤差の空間分布を視覚的に把握することができる。

（実施形態２）
図３は本発明の他の一実施形態である磁気マッピング評価装置の構成を示す図であり、上述した磁気マッピング評価装置に警告表示機能を付加したものである。図において、図１と同じものは同一符号を付すことにより説明を省略する。

この実施形態では磁気マッピング評価装置３０の制御部１４は、さらに閾値記憶部１８、比較部１９、警告表示部２０としての機能を備えている。
閾値記憶部１８は、許容できる誤差の境界値（位置誤差境界値および角度誤差境界値）を記憶する。
比較部１９は、各測定点で算出された位置誤差及び角度誤差を、閾値記憶部１８に記憶されている境界値と比較し、算出された位置誤差、角度誤差が閾値より大きい測定点を不具合点として抽出する。
警告表示部２０は、比較部１９により抽出された不具合点をグラフィック表示する際に、他と識別できるように色や形状を変えて目立たせて表示する。

図８は、図７に示したグラフィック表示において、測定誤差が境界値を超えた測定点について、マークの形状を変化させて、目立たせたものである。
本実施形態では、マーク形状を変化させたが、対象となるマークの色を変化させてもよい。

本発明は、交流磁気方式のＨＭＴの使用環境を評価する磁気マッピング評価装置に利用することができる。

本発明の一実施形態である磁気マッピング評価装置の構成を示すブロック構成図。 ヘッドモーショントラッカ（ＨＭＴ）の構成と使用状態を説明する図。 本発明の他の一実施形態である磁気マッピング評価装置の構成を示すブロック構成図。 磁気マッピングデータを表形式で出力した例を示す図。 測定誤差を２次元的に表示したグラフィック表示の一例を示す図。 測定誤差を３次元的に表示したグラフィック表示の一例を示す図。 測定誤差を３次元的に表示したグラフィック表示（誤差をスカラー表示）の一例を示す図。 測定誤差を３次元的に表示するとともに警告表示を付したグラフィック表示の一例を示す図。

符号の説明

１０：磁気マッピング評価装置
１１：磁気ソース
１２：磁気センサ
１３：磁気センサ移動機構
１４：制御部
１５：ディスプレイパネル
１６：測定誤差算出部
１７：磁気マッピング表示部

Claims (2)

1. ヘッドモーショントラッカを使用する際と同様の磁界を発生する磁気ソースと、
   前記磁界中の磁気データを測定する磁気センサと、
   前記磁界中にＸＹＺ座標系を定め、前記磁気センサを複数の測定点に対し順次移動させる磁気センサ移動機構と、
   各測定点で磁気センサが測定した磁気データに基づいて、電磁気学理論に基づく理論計算により、理論上位置および理論上角度を算出して、位置誤差および角度誤差を算出する測定誤差算出部と、
   表示部に画像表示されたＸＹＺ座標系画像または投影面画像中に、前記位置誤差および角度誤差を示す画像情報を画像表示する磁気マッピング表示部とを備え、
   前記画像情報は、ベクトル画像であり、
   前記ベクトル画像の向きで、前記角度誤差を表現するとともに、
   前記ＸＹＺ座標系画像または投影面画像中の理論上位置にベクトル画像を画像表示するか、あるいは、前記ベクトル画像の長さで、前記位置誤差を表現することを特徴とする磁気マッピング評価装置。
2. 少なくとも位置誤差または角度誤差のいずれかに関する閾値を記憶する閾値記憶部と、
   閾値記憶部に記憶された閾値とこの閾値に対応する各測定位置の位置誤差または角度誤差とを比較する比較部と、
   位置誤差または角度誤差が閾値より大きい場合に該当する測定位置に対し警告情報を付して表示する警告表示部とをさらに備え、
   前記警告情報は、前記ベクトル画像の色を変化させるものであることを特徴とする請求項１に記載の磁気マッピング評価装置。