JP5815866B2 - ヨーレートセンサユニットの出力信号の評価方法、及び、ヨーレートセンサユニット - Google Patents

Description

本発明は、ヨーレートセンサユニットの出力信号の評価方法、及び、ヨーレートセンサユニットに関する。

従来技術
この種のヨーレートセンサ装置は一般に公知である。例えば、文献ＤＥ１０１０８１９６Ａ１から角速度を測定するコリオリ素子を有するヨーレートセンサが公知である。第１のコリオリ素子と第２のコリオリ素子とはばねを介して相互に接続されており、第１の軸に対して平行な振動が励振される。第１の検出手段及び第２の検出手段は、コリオリ素子に作用するコリオリ力に基づいて、第１のコリオリ素子及び第２のコリオリ素子の偏向を検出する。これにより、第１の検出手段の第１の検出信号と第２の検出手段の第２の検出信号との差はコリオリ力ひいてはこれに依存して変化する角速度に依存する。

また、文献ＤＥ１０２００７０６０９４２Ａ１から、相互に垂直な回転軸線を中心としたヨーレートを測定するのに適した多チャネルのヨーレートセンサが公知である。特に、相互に独立した３つの回転軸線を中心とした測定が可能な３チャネルヨーレートセンサもしくは３チャネルヨーレートセンサ装置が公知である。こうしたヨーレートセンサもしくはヨーレートセンサ装置は、例えば、移動電話機、タブレットコンピュータなどのポータブル機器の基準系に対する位置を検出するために用いられる。位置変化の計算はヨーレートセンサによって測定され、出力信号として供給される角度変化量に基づいて行われる。

位置変化の計算方法は例えば文献ＵＳ３２３１７２６Ａから知られる。角度変化は整流性ではないので、出力信号を高いサンプリングレートでヨーレートセンサから読み出す必要がある。サンプリングレートは測定すべき運動の存在する周波数領域全体にわたってはっきりと存在していなければならない。これにより、複雑な回転（３軸回転）をより小さな回転へ分割することができる。例えば人間の運動は２０Ｈｚよりも小さい周波数領域にある。こうした信号をエラー無く積算するには、典型的には１００Ｈｚのサンプリングレートが要求される。また、この場合、ヨーレートセンサの出力信号の読み出し及びさらなる処理に際し、高いサンプリングレートのためにポータブル機器のメインプロセッサを比較的頻繁に作動させなければならないという欠点がある。このため電流消費量も比較的大きくなる。特に、ポータブル機器では、バッテリ容量が制限されているので、バッテリ寿命が低下してしまう。

発明の開示
本発明の特許請求の範囲に規定されている方法及び本発明のヨーレートセンサユニットは、従来技術に比べて、ヨーレートセンサユニットと外部データ処理ユニットとの間のデータ伝送量並びにエネルギ消費量を著しく低減できるという利点を有する。このため、有利には、本発明の方法が例えばバッテリ駆動式のポータブル機器で利用される場合に、バッテリ寿命が格段に向上する。この利点は、１つ又は複数のヨーレートセンサの出力信号がヨーレートセンサユニット内で既に比較的簡単に処理されることで達成される。これはレジスタに記憶されている先行の方向変化値を考慮して、角速度値を不断に更新される新たな方向変化値へ変換することによって、行われる。新たな方向変化値はヨーレートセンサユニットの最後の位置変化に関する情報をつねに含む。最新の方向変化値は、第１，第２，第３，第４のステップを複数回ループ反復することにより連続的に積算されるので、位置変化情報の全体が最新の方向変化値として表される。

外部データ処理ユニット、例えばポータブル機器のメインプロセッサは、有利には、最新の方向変化値を読み出すのみで、最後の読み出しから行われた位置変化を記録できる。このためには、ループ中に生じる情報の全てをいちいち問い合わせる必要がなくなるので、格段に小さなサンプリングレートで充分である。このことは、従来技術に比べて小さなデータ量が伝送されればよく、外部データ処理ユニットが省エネモードもしくは静止モードに留まる時間を長くでき、これにより、ポータブル機器のエネルギ消費量の低減ひいては特にバッテリ寿命の増大を達成できることを意味する。

さらに、方向変化値は、閾値監視に基づいて、有利には、定常的もしくは時宜に応じて監視されるので、例えば丸め誤差もしくは近似計算から生じる方向変化値の誤差及び不正確性を、予め選択された最大レベルまでに抑圧することができる。レジスタに記憶された先行の方向変化値は、第４のステップでの各ループにおいて、新たな方向変化値によって有利に上書きされる。ｎ組の角速度値は、有利には、１つの回転軸線を中心とした（ｎ＝１）唯一の角速度を含むか、又は、相互に独立した３つの回転軸線を中心とした（ｎ＝３）３つの角速度を含む。２つ以上の空間方向において測定が行われる場合、角速度値は、例えば唯一の多チャネルのヨーレートセンサによって、又は、複数の単チャネルのヨーレートセンサによって、測定される。これらのヨーレートセンサは、有利には、半導体製造プロセスにおいて製造された半導体基板上に配設されるマイクロメカニカルヨーレートセンサを含む。代替的実施形態では、それぞれの新たな方向変化値を各ループにおいて付加的に例えばＦｉＦｏ（ファーストインファーストアウト）方式で構成された出力レジスタに格納し、有利には、記憶時間順で順次に、外部データ処理ユニットから読み出せるように構成することもできる。

本発明の有利な実施形態及び実施態様は、従属請求項及び図を参照した以下の説明から得られる。

有利な実施形態によれば、第５のステップ又は第６のステップが実行された後、レジスタに記憶されている方向変化値が第７のステップにおいて初期値へセットされ、本発明の方法が第１のステップから改めて開始される。初期値は、有利には、ゼロ値すなわち方向変化が行われなかったことを表す値を含む。有利には、そのつどの方向変化値の計算中に生じた誤差は、レジスタに記憶されている方向変化値がリセットされた後には、後続のループでの新たな方向変化値の計算にもはや影響しなくなる。発生しうる最大誤差はこのようにして制限される。ゼロへセットされた方向変化値は四元数の形態の方向変化ベクトルとして表され、位置変化が生じないことを意味し、特に次式のようになる。

有利な別の実施形態によれば、方向変化値は、方向変化ベクトル、特に四元数を含む。有利には、３次元空間での位置変化を比較的簡単に表示して、さらに処理できるようになる。四元数を基礎とした数系を使用すると、３次元空間での回転を特に簡単かつ効率的に表示してさらに処理できるという利点が得られる。各四元数は４つのスカラー数値を含むので、レジスタは特に１ループごとに４つの値を記憶できるように構成される。

有利な別の実施形態によれば、第６のステップにおいて、第３のステップで計算された方向変化ベクトルが構成可能な第１の閾値及び／又は設定された第１の閾値を上回ったか否かが判別される。方向変化ベクトルは方向変化のみを表している。このために、方向変化ベクトルは、（ノルムともベクトル値とも称される）長さ１、すなわち、

を有しており、ここで、

は四元数の形態の方向変化ベクトルである。中間値が有利には近似的にしか計算されないため、方向変化ベクトルの絶対値が１から偏差しうる。こうした誤差は第１，第２，第３，第４のステップのループごとに積算されて増大していく。このため、第３のステップでの新たな方向変化値の計算に誤差が生じる。有利には、新たな方向変化値の長さが監視され、構成可能な第１の閾値及び／又は設定された第１の閾値との比較により、この効果が最小化される。第１の閾値が上方超過されると、レジスタに記憶されている先行の方向変化値が出力レジスタに一時記憶され、及び／又は、外部データ処理ユニットから読み出されて、続いてゼロ値へセットされる。さらに、インタラプトがヨーレートセンサユニットから外部データ処理ユニットへ伝送され、及び／又は、新たな方向変化値が外部データユニットから読み出されるか又は出力レジスタに記憶される。

有利な別の実施形態によれば、レジスタに記憶されている先行の方向変化値が最後に初期値へセットされてから第３のステップが実行された回数がカウンタによって計数され、第６のステップにおいてカウンタの計数値が構成可能な第２の閾値及び／又は設定された第２の閾値を上回ったか否かが判別される。中間値が有利には近似的にしか計算されないため、方向変化値が誤差を含む危険は、第１，第２，第３，第４のステップの各ループの実行につれて増大する。さらに、個々の誤差は、第１，第２，第３，第４のステップの各ループによって積算される。

レジスタに記憶されている先行の方向変化値を一時的にリセットすることなく行える第１，第２，第３，第４のステップでのループの最大可能数の制限は、有利には、エラーを是認しうる最大限度へ制限するために行われる。ループが最大可能数に達すると、新たな方向変化値が出力レジスタに一時記憶され、及び／又は、外部データ処理ユニットから読み出されて、続いて、レジスタに記憶されていた先行の方向変化値がゼロへセットされるので、後に計算される方向変化値が先行の近似誤差の上に形成されることはない。また、ヨーレートセンサユニットのインタラプトを外部データ処理ユニットへ伝送することもできる。

本発明の別の有利な実施形態によれば、第６のステップにおいて第２の閾値の超過が識別された場合、第９のステップにおいて、新たな方向値及び／又は先行の方向値が、外部データ処理ユニットによって読み出し可能な出力レジスタに記憶される。これにより、レジスタに記憶されている先行の方向変化値がリセットによって初期値へ戻される前に、位置変化が出力レジスタに一時記憶されるという利点が得られる。こうして、位置変化を表す値が失われないことが保証される。出力レジスタは直接にもしくは後の時点で外部データ処理ユニットから読み出し可能である。

本発明の有利な別の実施形態によれば、第２のステップにおいて中間値がｎ組の角速度値の線形関数として計算される。有利には、線形関数は、特に回路（ハードウェア）の形態は、三角関数に比べて実現が格段に簡単である。線形関数は、通常、方向変化ベクトルの計算、特に有利には四元数の計算に用いられる。線形関数による近似は、

のように行われる。ここで、ω_{ｘ，ｙ，ｚ}はｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を中心としたそれぞれの角速度であり、Ｔはサンプリング時間（Ｔ＝１／データレート）である。有利には、近似による計算コストを格段に低減することができる。

本発明の別の有利な実施形態によれば、第３のステップにおいて方向変化値が中間値とレジスタに記憶されている先行の方向変化値との乗算、特に四元数乗算によって計算される。先行の方向変化値は、それぞれ、先行して行われた第１，第２，第３，第４のステップのループで計算された方向変化値であって、先行のループの第４のステップでレジスタに記憶された値又は初期値へリセットされた値である。各ループではこうした先行の方向変化値が第２のステップで求められた中間値と乗算される。その積は新たな方向変化値に対応し、レジスタに格納され、次のループで再び先行の方向変化値として用いられる。このように、位置変化は各ループで連続的に積算される。

本発明の別の有利な実施形態によれば、第８のステップにおいて、外部データ処理ユニットにより、第５のステップで読み出された複数の方向変化値が積算される。有利には、高いサンプリングレートを必要とすることなく、比較的簡単な計算によって、外部データ処理ユニットにより有効な方向変化値を得ることができる。さらに、従来技術に比べて、サンプリング時点に対するトレランスが高まる。複数の方向変化値の積算は、有利には、条件

を考慮して、有効な方向変化値を複数回正規化することによって行われる。

本発明の別の特徴は、出力信号の評価方法を実行するヨーレートセンサユニットが、ｎ組の角速度値を検出する少なくとも１つのヨーレートセンサと、ｎ組の角速度値に基づいて中間値を求める評価回路と、方向変化値を記憶するレジスタとを備え、評価回路は、さらに、中間値とレジスタに記憶されている先行の方向変化値とに基づいて新たな方向変化値を計算するように構成されており、ヨーレートセンサユニットは、新たな方向変化値がヨーレートセンサユニットに接続されている外部データ処理ユニットから読み出し可能となるように構成されていることである。

有利には、本発明のヨーレートセンサユニットは、先行のループで計算された先行の方向変化値を記憶するためのレジスタを含むので、後続のループでは先行の値に基づく新たな方向変化値を計算することができる。また、従来技術とは異なり、エネルギコストのかかる高いサンプリングレートでのヨーレートセンサユニットのサンプリングは必要なく、しかも、測定値の損失がないことが保証される。さらに、必要なデータ伝送量が大幅に低減される。よって、ポータブル機器のバッテリ寿命が著しく向上する。

有利な実施形態では、評価回路は、新たな方向変化値が読み出され、方向変化ベクトルとして構成される新たな方向変化値の長さを監視する監視ユニットが第１の閾値の超過を識別した場合、及び／又は、評価回路によって実行された新たな方向変化値の計算を計数するカウンタが第２の閾値の超過を表示した場合に、レジスタに記憶されている先行の方向変化値がリセットされるように構成されている。このため、ヨーレートセンサユニットの精度が有利に向上する。

有利な別の実施形態では、ヨーレートセンサが有利には３チャネルヨーレートセンサを含み、及び／又は、評価回路がＡＳＩＣの形態の集積回路に実現される。有利には、評価回路をハードウェアで実現すれば電流を節約でき、ウェハ面積も小さく実現できる。特に、面積を集約した、必要コスト及び必要エネルギの大きなプロセッサないしマイクロコントローラμＣを必要とすることなく、角速度の形成を行うことができる。

本発明の実施例を図示し、以下に詳細に説明する。

本発明の方法の第１の実施例を示す概略図である。 本発明の方法の第２の実施例を示す概略図である。 本発明の方法の第３の実施例を示す概略図である。

本発明の実施例
各図中、同じ要素には同じ参照番号を付し、特にことわりないかぎり初出時に一度のみ言及もしくは説明する。

図１には、本発明のヨーレートセンサユニット１の出力信号を評価する方法の第１の実施例が概略図で示されている。ヨーレートセンサユニット１は、相互に独立したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を中心としたヨーレートもしくは角速度ω_ｘ，ω_ｙ，ω_ｚを測定するヨーレートセンサを含む。

第１のステップ１０で、３つの角速度値ω_ｘ，ω_ｙ，ω_ｚがヨーレートセンサによって測定され、角速度値の組が形成される。第２のステップ２０では、３つの角速度値ω_ｘ，ω_ｙ，ω_ｚからサンプリング時間Ｔ（１／データレートに相当する）を用いてそれぞれ１つずつの角度変化量ω_ｘ・Ｔ，ω_ｙ・Ｔ，ω_ｚ・Ｔが計算される。ついで、角度変化量ω_ｘ・Ｔ，ω_ｙ・Ｔ，ω_ｚ・Ｔに基づいて、四元数（位置変化四元数）の形態の中間値ｑ_ｌが、線形関数

から近似的に計算される。第３のステップ３０では、中間値ｑ_ｌがヨーレートセンサユニット１のレジスタに記憶されている先行の方向変化値ｑ_ａｌｔと四元数乗算によって乗算され、新たな方向変化値ｑ_ｎｅｕが計算される。先行の方向変化値ｑ_ａｌｔは、第１，第２，第３，第４のステップ１０−４０の先行のループから取り出されたものであるか、又は、第７のステップ７０で、初期値ｑ_ｌ，０，特に

へ予めセットされたものである。次の第４のステップ４０では、第３のステップ３０で新たに計算された方向変化値ｑ_ｎｅｕがレジスタに格納される。このときに先行の方向変化値_ａｌｔは上書きされる。続いて、第１，第２，第３，第４のステップ１０−４０のループが新たに開始される。

問い合わせを行う中間のステップ５０では、各ループにおいて、新たな角速度値ω_ｘ，ω_ｙ，ω_ｚがヨーレートセンサから供給されたか否かが問い合わされる。新たな角速度値ω_ｘ，ω_ｙ，ω_ｚが存在する場合、すなわち、（ヨーレートセンサユニット１の運動が行われて）ヨーレートセンサが角度変化量を測定可能であった場合、第３のステップ３０において、新たな方向変化値ｑ_ｎｅｕが、第２のステップ２０で新たに計算された中間値ｑ_ｌとレジスタに記憶されている先行の方向変化値ｑ_ａｌｔ（先行ループにおいて計算された新たな方向変化値ｑ_ｎｅｕに相当する）とに基づいて計算される。

第１，第２，第３，第４のステップ１０−４０及び中間のステップ５０は、カウンタが第６のステップ６０で構成可能な第２の閾値及び／又は設定された第２の閾値に達するまで繰り返される。当該カウンタは第３のステップ３０で行われた乗算の回数を計数する。言い換えると、カウンタは新たな方向変化値ｑがどのくらいの頻度で新たに計算されたかを計数するのである。新たな乗算が行われるたびに生じうる誤差の大きさも増すので、構成可能な第２の閾値及び／又は設定された第２の閾値を用いて第３のステップ３０の最大回数を制限すれば、誤差が抑圧される。

第６のステップ６０において当該構成可能な第２の閾値及び／又は当該設定された第２の閾値ｔへの到達が識別されると、その時点の方向変化値ｑ_ｎｅｕが、第９のステップ９０で、出力レジスタ、例えばＦｉＦｏメモリ（ファーストインファーストアウトメモリ）へ格納され、レジスタに記憶されていた先行の方向変化値ｑ_ａｌｔが続く第７のステップ７０で再び初期値ｑ_ｌ，０へセットされる。出力メモリに格納されている方向変化値ｑ_ｎｅｕは、外部データ処理ユニット、特にポータブル機器のプロセッサによって読み出されるため、位置変化を記述する値は失われない。

図２には、本発明の方法の第２の実施例の概略図が示されている。第２の実施例は、図１に示されている第１の実施例とほぼ同様であるが、第６のステップ６０において新たな方向変化値ｑ_ｎｅｕの長さが監視される点が第１の実施例と異なる。第３のステップ３０で計算された方向変化ベクトルｑ_ｎｅｕの長さが構成可能な第１の閾値及び／又は設定された第１の閾値を上回る場合には、第１０のステップ１００でインタラプト信号が形成される。この場合、先行の方向変化値ｑ_ａｌｔは第７のステップ７０で再び初期値ｑ_ｌ，０へセットされる。その時点の方向変化値ｑ_ｎｅｕは選択的に廃棄され、及び／又は、外部データ処理ユニットによって読み出され、及び／又は、出力レジスタ、例えばＦｉＦｏメモリ（ファーストインファーストアウトメモリ）に記憶される。

図３には、本発明の方法の第３の実施例の概略図が示されている。第３の実施例も、図１の第１の実施例とほぼ同様であるが、第５のステップ８０で外部データ処理ユニットが新たな方向変化値ｑ_ｎｅｕを読み出すか又は外部データ処理ユニットによる読み出しが識別されるまで、第１，第２，第３，第４のステップ１０−４０及び中間のステップ５０が反復される点が第１の実施例と異なる。これに代えて、レジスタに記憶されている先行の方向変化値ｑ_ａｌｔを外部データ処理ユニットから読み出すようにしてもよい。読み出された方向変化値ｑ_ｎｅｕは、最後の読み出しからの全ての位置変化を表している。方向変化値ｑ_ｎｅｕが読み出された後、レジスタに記憶されている先行の方向変化値ｑ_ａｌｔは第７のステップ７０で再び初期値ｑ_ｌ，０へセットされる。また、第８のステップにおいて、外部データ処理ユニットにより、第５のステップ８０でヨーレートセンサユニット１が読み出した複数の方向変化値

を、外部データ処理ユニット内部に積算し、有効な方向変化値ｑ_ｅｆｆが得られるようにしてもよい。

Claims (9)

1. ヨーレートセンサユニット（１）の出力信号の評価方法であって、
   第１のステップ（１０）において、前記ヨーレートセンサユニットの少なくとも１つのヨーレートセンサによって測定された複数の角速度値からｎ組の角速度値を形成し、
   第２のステップ（２０）において、前記ｎ組の角速度値に基づいて近似的に中間値を求め、
   第３のステップ（３０）において、前記中間値と前記ヨーレートセンサユニットのレジスタに記憶されている先行の方向変化値とに基づいて新たな方向変化値を計算し、
   第４のステップ（４０）において、前記新たな方向変化値を前記レジスタに記憶し、
   第６のステップ（６０）において所定の閾値が超過されたことが識別されるまで、前記第１，前記第２，前記第３及び前記第４のステップ（１０，２０，３０，４０）を反復し、
   但し、
   前記第６のステップ（６０）において、前記第３のステップ（３０）で計算された方向変化値の長さが構成可能な第１の閾値及び／又は設定された第１の閾値を上回ったか否かを判別するか、または、
   前記レジスタに記憶されている先行の方向変化値が最後に初期値へセットされてから前記第３のステップ（３０）が実行された回数をカウンタによって計数し、前記第６のステップ（６０）において該カウンタの計数値が構成可能な第２の閾値及び／又は設定された第２の閾値を上回ったか否かを判別する、
   ことを特徴とするヨーレートセンサユニットの出力信号の評価方法。
2. 前記第６のステップ（６０）が実行された後、前記レジスタに記憶されている先行の方向変化値を第７のステップ（７０）において初期値へセットし、前記方法を前記第１のステップ（１０）から改めて開始する、請求項１記載のヨーレートセンサユニットの出力信号の評価方法。
3. 前記方向変化値は、方向変化ベクトルを含む、請求項１又は２記載のヨーレートセンサユニットの出力信号の評価方法。
4. 前記方向変化値は、四元数を含む、請求項３記載のヨーレートセンサユニットの出力信号の評価方法。
5. 前記第６のステップ（６０）において前記第２の閾値の超過が識別された場合、第９のステップ（９０）において、新たな方向変化値及び／又は先行の方向変化値を、外部データ処理ユニットから読み出し可能な出力レジスタに記憶させる、請求項１から４までのいずれか１項記載のヨーレートセンサユニットの出力信号の評価方法。
6. 前記第２のステップ（２０）において、前記中間値を前記ｎ組の角速度値の線形関数として計算し、及び／又は、
   前記第３のステップ（３０）において前記新たな方向変化値を、前記中間値と前記レジスタに記憶されている先行の方向変化値との乗算によって計算する、
   請求項１から５までのいずれか１項記載のヨーレートセンサユニットの出力信号の評価方法。
7. 前記第３のステップ（３０）において前記新たな方向変化値を、前記中間値と前記レジスタに記憶されている先行の方向変化値との四元数乗算によって計算する、請求項６記載のヨーレートセンサユニットの出力信号の評価方法。
8. 請求項１から７までのいずれか１項記載の方法を実行する
   ヨーレートセンサユニット（１）において、
   ｎ組の角速度値を検出する少なくとも１つのヨーレートセンサ（２）と、
   前記ｎ組の角速度値に基づいて中間値を求める評価回路と、
   方向変化値を記憶するレジスタと
   を備え、
   前記評価回路は、さらに、前記中間値と前記レジスタに記憶されている先行の方向変化値とに基づいて新たな方向変化値を計算するように構成されており、
   前記ヨーレートセンサユニット（１）は、前記新たな方向変化値が前記ヨーレートセンサユニット（１）に接続されている外部データ処理ユニットから読み出し可能となるように構成されている
   ことを特徴とするヨーレートセンサユニット（１）。
9. 前記新たな方向変化値が読み出されて、方向変化ベクトルとして形成される前記新たな方向変化値の長さを監視する監視ユニットが閾値の超過を表示した場合、及び／又は、前記評価回路によって実行された前記新たな方向変化値の計算回数を計数するカウンタが閾値の超過を表示した場合に、前記評価回路は、前記レジスタに記憶されている先行の方向変化値をリセットするように構成されており、及び／又は、
   前記ヨーレートセンサ（２）が３チャネルヨーレートセンサを含み、及び／又は、
   前記評価回路がＡＳＩＣの形態の集積回路内に実現されている、
   請求項８記載のヨーレートセンサユニット（１）。

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