JP4655752B2 - 位置角度検出装置およびこれを用いたヘッドモーショントラッカ - Google Patents

Description

本発明は、交流磁界を磁気センサで検出することにより、磁気センサの検出信号に基づいて位置や角度を求める交流磁界方式の位置角度検出装置に関する。
本発明の位置角度検出装置は、例えば、ヘルメットに磁気センサを装着して頭部の位置や角度を検出して頭部の動きをモニタリングするヘッドモーショントラッカ等に利用される。

ヘッドモーショントラッカは、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、ヘッドモーショントラッカを用いている。

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、ヘッドモーショントラッカを用いている。

ヘッドモーショントラッカのひとつに、交流磁気方式のものがある（例えば特許文献１参照）。これは、頭部装着型表示装置等に磁気センサを固定し、予め頭部装着型表示装置等を使用する空間領域に交流磁界を発生しておき、磁気センサによって現在位置での磁気データ（磁界強度、向き）を随時測定することで、測定結果に基づいて、磁気センサの位置と角度、ひいては磁気センサを固定した頭部装着型表示装置等の位置と角度とを算出するものである。

図８は交流磁気方式の位置角度検出装置の磁気センサをヘルメットに装着したヘッドモーショントラッカの構成を模式的に示した図である。位置角度検出装置１００は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に向けられた３軸コイルにより交流磁界を発生する磁気ソース１０１と、ヘッドモーショントラッカ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３軸ピックアップコイルからなる磁気センサ１０４と、磁気ソース１０１および磁気センサ１０４の制御を行う制御部１０５を備えている。制御部１０５について、さらに制御動作を機能ごとに分けて説明すると、磁気ソース１０１に搭載された３軸コイルを励磁して交流磁界を発生する制御を行うときに、３軸コイルの励磁信号となる交流基準信号を生成する基準信号発生部１０６と、磁気センサ１０４により交流磁界を検出したときの検出信号（磁界強度、磁界の向き）から磁気センサ１０４の現在地点での位置および角度を算出する位置角度算出部１０７とを備えている。位置角度算出部１０７による位置、角度の算出方法のひとつは、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）により磁気センサ１０４の地点での位置および角度を求めるものである。また、他の算出方法は、予め、交流磁界が発生する空間での磁界分布を測定して磁気マッピングデータを記憶しておき、磁気センサ１０４の現地点での磁気データと記憶された磁気マッピングデータとの比較により、現地点の位置および角度を算出するようにしている。

交流磁気方式のヘッドモーショントラッカでは、予め、位置の基準となる原点および座標系を定め、さらに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。
そして磁気センサからの検出信号に基づいて、上述した算出方法により、座標原点（磁気ソース１０１の中心）から磁気センサ１０４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、これら位置角度情報から磁気センサを固定してある頭部装着型表示装置、さらには頭部の位置や角度を求めている。
特開２００２−８１９０４号公報

交流磁気方式の位置角度検出器では、磁気ソースや磁気センサの周辺に種々の信号線が配線されている場合がある。これらの信号線にＯＮ、ＯＦＦ信号等の電流信号が流れると、電流の急激な変化が発生し、それに伴って電磁ノイズが発生する。
磁気ソースと磁気センサとが存在する空間で電磁ノイズが発生すると、その影響は、交流磁界にも及ぶこととなる。例えば、交流基準信号として正弦波を生成して、磁気ソースから正弦波波形の交流磁界を発生させているときに、これに電磁ノイズが重畳すると、磁気センサは、正弦波波形にパルス的なノイズ波形が重畳された信号（図２参照）を受信することとなり、ノイズ成分を含んだ検出信号に基づいて位置や角度を算出することになる。

そのため、位置角度算出部が検出信号から磁気センサの現在の位置および角度を算出するときの検出信号の信号レベルがノイズ分だけ変化することになり、算出される位置、角度の精度が低下したり、出力値が不安定になったりすることがあった。
このような場合に、時系列的に検出信号を採取し、移動平均処理を行うことでノイズの影響を低減することもできるが、その場合は、本来の信号自体も平均化されてしまうので、応答性が鈍くなってしまう。

そこで、本発明は、電磁ノイズが重畳された信号を受信した場合であっても、ノイズの影響を除去して正確な位置・角度を得ることができる位置角度検出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位置角度検出装置は、交流基準信号を生成する基準信号生成部と、交流基準信号に基づいてコイルを励磁することにより空間に交流磁界を発生する磁気ソースと、交流磁界が発生している空間内の任意の地点における交流磁界を検出する磁気センサと、検出信号の波形と交流基準信号の波形とを比較して、両信号の位相を揃えた上で一方の信号強度が他方の信号強度と同じになるように信号レベルを拡大、縮小した上で差分を算出することにより磁気センサから出力される検出信号に含まれる電磁ノイズに起因するパルス状ノイズ成分を抽出するノイズ成分抽出部と、検出信号から前記ノイズ成分抽出部により抽出されたノイズ成分を除去した訂正検出信号を生成する訂正検出信号作成部と、訂正検出信号に基づいて磁気センサの位置および角度を算出する位置角度演算部とを備え、算出した磁気センサの位置および角度から磁気センサを取り付けた物体の位置および角度を求めるようにしている。

この発明によれば、基準信号生成部により生成された交流基準信号に基づいて、磁気ソースが、周囲の空間に交流磁界を発生する。磁気センサは、交流磁界が発生している空間内の任意の地点に配置され、その地点での交流磁界を検出し、検出信号を出力する。
何らかのノイズが発生して検出信号に電磁ノイズに起因するパルス状ノイズ成分が含まれている場合に、ノイズ成分抽出部は、検出信号の波形と交流基準信号の波形とを比較して、両信号の位相を揃えた上で一方の信号強度が他方の信号強度と同じになるように信号レベルを拡大、縮小した上で差分を算出することにより検出信号に含まれているノイズ成分を抽出する。そして、訂正検出信号作成部は、検出信号から前記ノイズ成分抽出部により抽出されたノイズ成分を除去する演算を行い、訂正検出信号を生成する。そして、位置角度演算部は、ノイズ成分が除去された訂正検出信号に基づいて位置および角度を算出する。

本発明によれば、磁気センサが検出する信号に電磁ノイズが含まれていても、ノイズ成分を除去した訂正検出信号で位置や角度を算出することができるので、精度よく、安定性に優れた位置、角度情報を得ることができる。

（その他の課題を解決するための手段および効果）
また、上記発明において、訂正検出信号作成部は、検出信号におけるパルス状ノイズ成分が重畳した部分を補間データに置換することによりノイズ成分を除去した訂正検出信号を作成するようにしてもよい。
これにより、ノイズ成分が重畳していないときに検出されると推定される信号を、訂正検出信号として得ることができるので、位置、角度の正確な演算を行うことができる。

また、別の観点からなされた本発明の一形態であるヘッドモーショントラッカは、上述した位置角度検出装置の磁気センサをヘルメットに装着し、ヘルメットの位置および角度を検出するようにしている。
この発明によれば、電磁ノイズが発生した場合でも、正確な位置、角度を算出することができるヘッドモーショントラッカとすることができる。

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位置角度検出装置１０の構成を示すブロック図である。この位置角度検出装置１０は、磁気ソース１１と、ヘルメット１３に装着された磁気センサ１４と、磁気ソース１１と磁気センサ１４とに接続され、これらを制御する制御部２０から構成される。
磁気ソース１１は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の方向に向けられた３軸コイル１２を有しており、後述する基準信号生成部２１で生成された交流基準信号に基づいて３軸コイル１２を、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸それぞれ１軸ごと励磁する動作を繰り返すようにして、周囲の空間に、時間的に分解された３種類の交流磁界（交流磁場）を繰り返し発生する。
磁気センサ１４は、磁気ソース１１と同様の３軸コイル１６を有しており、磁気ソース１１の３軸コイル１２のいずれか１軸が励磁されて発生した交流磁界を、磁気センサ１４の３軸コイル１６がそれぞれ検出し、さらに３軸コイル１２の残り２つの軸がそれぞれ励磁されたときに発生する交流磁界についても同様に検出し、合計３×３の９個の測定データで、（一地点についての一時点の）１回測定分の磁気センサ１４の検出信号として出力する。なお、これら９個の測定データは、いずれもノイズが重畳していない限り、波形形状は交流基準信号と同じであり、信号強度が異なるだけの相似形状となっている。

制御部２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ等のハードウェア機器からなるいわゆるコンピュータシステムで構築され、さらに、その記憶領域に位置角度検出装置として必要なソフトウェアが記憶されており、装置起動の際に、これらソフトウェアをロードすることにより、位置角度検出に必要な各種の機能が実現されるようにしてある。
制御部２０が磁気ソース１１および磁気センサ１４を用いて実行する機能を説明するために、制御部２０を機能ブロック的に分けて説明すると、制御部２０は、基準信号生成部２１と、ノイズ抽出部２２と、訂正検出信号生成部２３と、位置角度算出部２４とから構成される。

このうち、基準信号生成部２１は、ＣＰＵの内蔵クロックを基にして、正弦波波形を有する交流基準信号を生成する制御を行う。
ノイズ抽出部２２は、検出信号Ｄからノイズ成分を抽出する演算する制御を行う。本実施形態のノイズ抽出部２２は、磁気センサ１４からの検出信号Ｄを交流基準信号Ｅと比較する信号比較部２５を有しており、図２に示すように、２つの信号波形を比較することにより、検出信号Ｄと交流基準信号Ｅとの波形が相似形状であるか否かを判定する。具体的には、一方の信号強度が、他方の信号強度と同じになるように信号レベルを拡大、縮小して差分を算出し、有意な差分が存在すれば、その差分が発生した部分にノイズが重畳していると判定する。差分がなければノイズ成分はないと判定される。

訂正検出信号生成部２３は、検出信号からノイズ成分を除去した訂正検出信号を生成する制御を行う。図３は、検出信号のなかのノイズ成分が重畳した部分を拡大した図である。検出信号は、制御部２０内で処理するためにＡＤ変換されデジタル化されており、離散的な測定点の集合となっている。各測定点のうち、ノイズ抽出部２２によりノイズ重畳部分として抽出された測定点（複数点であってもよい）を削除する。そして、削除した点に隣接する両側の測定点のデータを用いて補間することにより補間データを算出し、削除した測定点に代えて、補間データを用いた訂正検出信号を生成する。上述したように、３軸コイル１２と３軸コイル１６とにより、合計９個の測定データの組が（一地点についての一時点の）１回測定分の磁気センサ１４の検出信号として出力されることになるが、これら９個の測定データそれぞれについて、ノイズ成分を除去し、補間したデータの組が訂正検出信号となる。

位置角度算出部２４は、訂正検出信号生成部２３により算出された訂正検出信号に基づいて、磁気センサ１４が存在する地点での磁気センサ１４の位置および角度を算出する制御を行う。位置および角度の算出は、訂正検出信号による実測値と、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）で求められる理論値とを対応させることにより行われる。あるいは、他の算出方法として、予め、空間内の各所についての実測データをデータベースとして記憶しておき、これと今回の訂正検出信号データとを対応させて、位置や角度を算出する。

次に、上記位置角度検出装置１０による位置角度測定の処理手順について、図４のフローチャートを用いて説明する。
位置角度検出装置１０を起動して、交流基準信号Ｅに基づいて磁気ソース１１の３軸コイル１２を励磁し、交流磁界を発生させる。磁気センサ１４が現在存在する場所、時点での磁界データを検出し、その検出信号Ｄを保存する（Ｓ１０１）。
保存された検出信号Ｄを、交流基準信号Ｅと比較し、２つの波形が相似であるかを判定する（Ｓ１０２）。相似であると判定されたときはＳ１０４に進み、相似でないと判定されたときはＳ１０３に進む。
相似でないとないと判定されたときは、ノイズが重畳していることになるので、ノイズが重畳している部分について、ノイズを削除するとともに補間した訂正検出信号を作成し、Ｓ１０４に進む（Ｓ１０３）。

続いて、検出信号または訂正検出信号に基づいて、磁気センサ１４の位置と角度とを算出する演算を行う（Ｓ１０４）。
以上の演算処理を実行することにより、ノイズを削除した測定データに基づいて、位置や角度を求めることができる。

（実施形態２）
図５は、本発明の他の一実施形態である位置角度検出装置３０の構成を示すブロック図である。図５において、図１で示したものと同じ構造部分については、同符号を付すことにより、説明の一部を省略する。
この位置角度検出装置３０では、ノイズ抽出部２２が、図１のように信号比較部２５ではなく、閾値比較部２６を備えている。閾値比較部２６は、検出信号に含まれる交流波形のピーク値の変動が閾値を超えるか否かに基づいて、ノイズ成分であるか否かを判定する。
すなわち、図６（ａ）に示すような変調されていない正弦波の場合、図６（ｂ）に示すような変調された正弦波（窓関数による変調）の場合のいずれにおいても、予め、交流波形のピーク値の許容変動幅をひとつ前のピーク値の±１０％とし（閾値が前ピーク値の±１０％と設定した場合である）、これを超えた変動がある場合には、ノイズ成分であると判定する。
ノイズ成分が抽出された後の、訂正検出信号生成部２３、位置角度抽出部２４による処理については、実施形態１と同様である。

次に、上記位置角度検出装置３０による位置角度測定の処理手順について、図７のフローチャートを用いて説明する。
位置角度検出装置３０を起動して、交流基準信号Ｅに基づいて磁気ソース１１の３軸コイル１２を励磁し、交流磁界を発生させる。磁気センサ１４が存在する場所、時点での磁界データを検出し、その検出信号Ｄを保存する（Ｓ２０１）。
保存された検出信号Ｄに含まれる交流ピーク値を順次抽出し、ピーク値の変動がひとつ前のピーク値の±１０％を超えているか否かを判定する（Ｓ２０２）。超えてないと判定されたときはＳ２０４に進み、超えていると判定されたときはＳ２０３に進む。
超えていると判定されたときは、ノイズが重畳していることになるので、ノイズが重畳している部分について、図３で説明した処理と同様の処理を実行することにより、ノイズを削除するとともに補間した訂正検出信号を作成し、Ｓ２０４に進む（Ｓ２０３）。

続いて、検出信号または訂正検出信号のいずれかに基づいて、磁気センサ１４の位置と角度とを算出する演算を行う（Ｓ２０４）。
以上の演算処理を実行することにより、ノイズを削除した測定データに基づいて、位置や角度を求めることができる。
本実施形態では、ピーク変動の閾値をひとつ前のピークとの比較で定めたが、これに限られない。例えば、検出信号の微分係数は、検出信号におけるピーク位置を反映するので、検出信号の微分係数をモニタすることにより、ピークの変動特性をモニタすることができる。

実施形態１や実施形態２では、位置角度測定装置の磁気センサ１１は、ヘルメットに装着したが（ヘッドモーショントラッカ）、装着場所はヘルメットに限られない。動きのある測定対象物に装着することにより、その測定対象物の動きをモニタリングすることができる。

本発明は、交流磁気方式の位置角度検出装置に利用することができ、例えば、ヘルメットに装着することにより、ヘッドモーショントラッカとして利用することができる。

本発明の一実施形態である位置角度検出装置の構成を示すブロック図。 検出信号と交流基準信号とを説明する図。 ノイズ成分の削除と補間データへの置換を説明する図。 本発明の一実施形態におけるフローチャート。 本発明の他の一実施形態である位置角度検出装置の構成を示すブロック図。 検出信号を説明する図。 本発明の他の一実施形態におけるフローチャート。 従来の位置角度検出装置の構成を示すブロック図。

１０：位置角度検出装置
１１：磁気ソース
１２：３軸コイル（送信側）
１３：ヘルメット
１４：磁気センサ
１６：３軸コイル（受信側）
２０：制御部
２１：基準信号生成部
２２：ノイズ抽出部
２３：訂正検出信号生成部
２４：位置角度算出部
２５：信号比較部
２６：閾値比較部

Claims (3)

1. 交流基準信号を生成する基準信号生成部と、
   交流基準信号に基づいてコイルを励磁することにより空間に交流磁界を発生する磁気ソースと、
   交流磁界が発生している空間内の任意の地点における交流磁界を検出する磁気センサと、
   検出信号の波形と交流基準信号の波形とを比較して、両信号の位相を揃えた上で一方の信号強度が他方の信号強度と同じになるように信号レベルを拡大、縮小した上で差分を算出することにより磁気センサから出力される検出信号に含まれる電磁ノイズに起因するパルス状ノイズ成分を抽出するノイズ成分抽出部と、
   検出信号から前記ノイズ成分抽出部により抽出されたノイズ成分を除去した訂正検出信号を生成する訂正検出信号作成部と、
   訂正検出信号に基づいて磁気センサの位置および角度を算出する位置角度演算部とを備え、
   算出した磁気センサの位置および角度から磁気センサを取り付けた物体の位置および角度を求めることを特徴とする位置角度検出装置。
   
2. 訂正検出信号作成部は、検出信号におけるパルス状ノイズ成分が重畳した部分を補間データに置換することによりノイズ成分を除去した訂正検出信号を作成することを特徴とする請求項１に記載の位置角度検出装置。
3. 請求項１〜請求項２のいずれかに記載の位置角度検出装置の磁気センサをヘルメットに装着し、ヘルメットの位置および角度を検出することを特徴とするヘッドモーショントラッカ。
   

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