JP6359067B2 - 方位データを改善するためのシステムおよび方法 - Google Patents
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Description
本特許出願は、2011年11月1日に出願した米国仮特許出願第61/554,423号、名称「SYSTEM AND METHOD FOR DETERMINING GRAVITY, LINEAR ACCELERATION, AND ROTATION VECTOR FOR A MOBILE DEVICE」、2011年11月11日に出願した米国仮特許出願第61/558,994号、名称「GYROSCOPE-AIDED MAGNETIC ANOMALY MITIGATION」、および2011年11月11日に出願した米国仮特許出願第61/558,966号、名称「GRAVITY VECTOR BY FUSING ACCELEROMETER AND GYROSCOPE USING A KALMAN FILTER」、および2012年10月12日に出願した米国非仮特許出願第13/651,343号、名称「SYSTEM AND METHOD FOR IMPROVING ORIENTATION DATA」、および2012年10月12日に出願した米国非仮特許出願第13/651,350号、名称「SYSTEM AND METHOD FOR IMPROVING ORIENTATION DATA」、および2012年10月12日に出願した米国非仮特許出願第13/651,355号、名称「SYSTEM AND METHOD FOR IMPROVING ORIENTATION DATA」の利益を主張するものであり、これらはすべて参照により本明細書に組み込まれている。
多くのセンサ融合システムは、誤差を除去するように組み合わされているすべてのセンサ入力を処理するために単一のフィルタを使用する。カルマンフィルタは、ノイズおよび他の不正確な要因を除去するために使用することができ、ある時間(時定数によって決定される)にわたって測定結果を観察することによって測定結果の真の値に近づく傾向のある値を生成することができる。図1は、単一のフィルタを使用して加速度計1655、ジャイロスコープ1660、および磁力計1665の出力をフィルタリングするためのシステムを示すブロック図である。しかし、これらのフィルタシステムは、異なるセンサをフィルタリングするために異なる較正パラメータを変化させると異なる影響が現れるので精度を保って較正することは困難な場合がある。たとえば、加速度計(重力ベクトルを見つけるため)および磁力計(磁気ベクトルを見つけるため)は、異なる環境要因をノイズとして関連付け得る。したがって、与えられた期間において、加速度計に対するノイズは、磁力計に対するノイズと異なることがある。そのようなシステムにおいて、加速度計と磁力計の両方の出力から誤差を適切に除去するためにフィルタに使用されるウィンドウに対する大きな静的な時定数が必要になることがある。
重力ベクトルフィルタ202について、センサ1650からのサンプルまたは出力データがそのフィルタの時定数によって示される期間にわたって累算され、重力ベクトルフィルタ202を通してフィルタリングされ、重力ベクトルを導出する。フィルタを通してデータをフィルタリングするステップは、プロセッサ1610、コントローラ、特定用途向け集積回路(ASIC)、またはデバイス1600上の他のデジタルもしくはアナログロジックでデータを処理することを含み得る。重力ベクトルフィルタ202は、プロセッサ1610上のハードウェアまたは実行するソフトウェアで実装され、および/または作業用メモリ1635内に一時的に格納され得る。時定数は、フィルタのウィンドウサイズとも称され、本明細書全体を通して入れ替えて使用され得る。加速度計1655および/またはジャイロスコープ1660からの1つまたは複数の信号パラメータは、ノイズとして働き、重力ベクトルを決定する際に有害な影響を及ぼし得る。これ以降、重力ベクトルフィルタ202に関連付けられているノイズは、重力ベクトルを判定する際に有害な場合がある重力ベクトルそれ自体のほかに信号パラメータを含むように広範に使用され得る。いくつかの場合において、これらの信号パラメータは、限定はしないが、実際の測定ノイズ、センサ較正誤差、および直線加速度の推定されるレベルを含み得る。ノイズには、センサの較正における誤差または環境内のノイズが関わり得る。直線加速度は、並進加速度とも称され、本明細書全体を通して入れ替えて使用され得る。
同様に、磁場の変化を検出し、および/または測定するため1つまたは複数の磁力計1665を使用するデバイスに関して(たとえば、ユーザ入力の一形態として)、1つまたは複数の磁力計1665から受信されたデータが信頼できないときがあり得る。これは、重力のずれがある場合、および/または干渉磁場が存在する場合を含み得る。たとえば、干渉磁場は、1つまたは複数の他の電気的コンポーネントおよび/または電子デバイスによって生成され得る。これらのような場合に、1つまたは複数の磁力計1665によって提供される磁気ベクトル情報は、このような干渉によって歪められ得る。
重力ベクトルフィルタ202は、重力ベクトルを判定する。重力ベクトルが判定された後、重力ベクトルの成分が別のフィルタを通して処理される。さらに、重力ベクトルの他の関数は、重力ベクトルを使用して計算され得る。たとえば、傾斜角は、重力ベクトルの関数から導出され得る。傾斜角も、フィルタリングされる。別のフィルタに重力ベクトルの成分および関数を通すことで、アプリケーションで出力使用できるようになるまでにさらに時間がかかることがある。図7Aは、センサ出力からフィルタリングされた傾きを導出するためのシステムを例示する簡略化されたブロック図である。このシステムでは、ブロック705で、重力ベクトルフィルタ202が重力ベクトルの成分を導出する。ブロック710で、重力ベクトルを処理して傾斜を導出するが、それは傾斜が重力ベクトルの成分の関数だからである。ブロック715で、ブロック710において導出された傾斜は、さらに平滑化を必要としており、使用のためアプリケーションに転送される前にフィルタリングされる。
図9は、フィルタシステムに関連付けられている節電のための非例示的なプロセスを示す簡略化された流れ図である。プロセス900は、ハードウェア(回路、専用ロジックなど)、ソフトウェア(汎用コンピューティングシステムまたは専用マシン上で実行されるようなもの)、ファームウェア(組み込みソフトウェア)、またはこれらの組み合わせを備える処理ロジックによって実行され得る。一実施形態では、プロセス900は、図16に示されているような1つまたは複数のコンピュータデバイス1600によって実行される。一実施形態では、センサ1650は、図16で説明されているデバイスのフィルタリングおよび処理コンポーネントによるさらなる処理のためにセンサ入力を取得する。
重力ベクトルまたは磁気ベクトルを計算するためのほとんどの伝統的解法では、一次フィルタを時定数およびゲインなどの固定フィルタパラメータと一緒に利用する。重力ベクトルフィルタ202にカルマンフィルタなどの適応フィルタを使用するのは、カルマンフィルタでは上で説明されているように重力および磁気ベクトルを計算する際にパラメータの調節に対して柔軟に対応できるので有益である。カルマンフィルタは、ノイズなどの望ましくない信号パラメータ、および他の不正確な要因を除去するか、または補償するために使用することができ、ある時間(時定数によって決定される)にわたって測定結果を観察することによって測定結果の真の値により近い値を生成することができる。図11は、図16で説明されているデバイス1600によって実装される本開示の1つまたは複数の例示的な態様によるカルマンフィルタの例示的な実装を示している。カルマンフィルタを使用することによる性能の相違は、運動と静止状態との間にいくつかの高速な遷移がある場合に特に顕著なものとなり得る。
デバイス1600などのコンピューティングデバイス上で、オペレーティングシステムがハードウェアとアプリケーションとの間のインターフェース層を構成する。アプリケーションは、オペレーティングシステム層を通じてハードウェアが提供する、センサデータへのアクセスなどの機能を利用する。オペレーティングシステムでは、ハードウェアから特定の様式でフォーマットされた入力を予期し、基盤となるハードウェアに関係なく統一された様式でアプリケーションがデータにアクセスするためのAPIを提供する。オペレーティングシステムのこれらの特性は、ハードウェアからアプリケーションに正確なセンサデータを送る上で制約となり得る。たとえば、オペレーティングシステム(Androidなど)では、統一されたタイムスタンプのセンサデータ(回転/四元数座標)を予期し得る。そのような制限は、豊富にある正確なセンサデータを提供するハードウェアの能力を減じる。デバイス1600のコンポーネントによって実行される、本発明の実施形態はセンサデータを、センサの精度を実質的に損なうことなく、OSによって予期されている様式でオペレーティングシステムに送る。
いくつかのOSフレームワーク(Google Androidなど)では、アプリケーションは、第4の成分へのアクセスなしのまま、3つの回転ベクトル(四元数)XYZ成分のみにアクセスすることができ、いくつかの場合において、アプリケーションは、第4の成分を導出することを必要とする場合がある。四元数回転システムにおける第4の成分は、角度サイズ(W)である。四元数システムは、4つの要素を含み、1つは、角度サイズに関与し、3つは、XYZの成分および射影の角度方向に関与する。四元数システムにおいて、4つの要素の平方和は1に等しい。したがって、アプリケーションは、3つの要素が存在する場合の第4の要素の大きさを再生成することができる。しかし、第4の成分の平方は、1から残り3つの成分の平方和を引いた値に等しいので、第4の角度の符号または方位は、アプリケーション層によって再生成され得ず、曖昧な要素を第4の成分に残す。
オペレーティングシステム(OS)フレームワーク(Google Android APIなど)は、方位データ入力として重力ベクトルのほかに直線加速度を必要とする場合がある。デバイス1600が、非静止状態である場合、測定された加速度は、測定された加速度の合計に関連付けられている成分および誤差として直線加速度および重力を有する。測定された加速度に関連付けられている誤差は、フィルタを使用して除去される加速度オフセットバイアスを有する。重力ベクトルフィルタ202は、いくつかの点でローパスフィルタに類似しているので、これはノイズを除去するが、すべてのバイアスを保持する。
1.フィルタリングされた重力=ローパス(測定された加速度)(ジャイロスコープによって補助される)
2.出力される重力=フィルタリングされた重力*9.8086/正規化された(重力)
3.直線加速度=測定された加速度-出力される重力(ハイパス(測定された加速度)でなく、したがって加速度オフセットを含まないわけではない)
1.フィルタリングされた重力=ローパス(測定された加速度)(いくつかの場合においてジャイロスコープによって補助される)
2.直線加速度=測定された加速度-フィルタリングされた重力(ハイパス(測定された加速度)と等価である、したがって直線加速度は加速度オフセットを含まず、したがって静止位置ではゼロに近い)
3.出力される重力=フィルタリングされた重力*9.8086/正規化された(重力)
201 プロセス
202 重力ベクトルフィルタ
204 磁気ベクトルフィルタ
300 プロセス
400 グラフ
405 直線
410 直線
500 グラフ
505 直線
510 直線
720 拡張重力ベクトルフィルタ
800 プロセス
801 プロセス
900 プロセス
1200 シーケンス
1202 第1のジャイロスコープサンプル
1204 加速度計サンプル
1206 第2のジャイロスコープサンプル
1210 第3のジャイロスコープサンプル
1300 プロセス
1500 プロセス
1600 デバイス
1605 バス
1610 プロセッサ
1615 入力デバイス
1620 出力デバイス
1625 ストレージデバイス
1630 通信サブシステム
1635 作業用メモリ
1640 オペレーティングシステム
1645 アプリケーション
1650 センサ
1655 加速度計
1660 ジャイロスコープ
1665 磁力計
Claims (22)
- コンピューティングデバイスで情報を同期させるための方法であって、
ジャイロスコープ入力、加速度計入力、および磁力計入力の1つまたは複数を含む複数のセンサ入力からジャイロスコープ入力を決定するステップと、
前記ジャイロスコープ入力と方位データを生成するための出力を同期させるステップであって、前記方位データは、重力ベクトルおよび磁気ベクトルを含む、ステップと、
重力ベクトルフィルタを使用して前記ジャイロスコープ入力および前記加速度計入力をフィルタリングすることによって、前記コンピューティングデバイスのための前記重力ベクトルを生成するステップと、
磁気ベクトルフィルタを使用して前記ジャイロスコープ入力および前記磁力計入力をフィルタリングすることによって、前記コンピューティングデバイスのための前記磁気ベクトルを生成するステップとを含む方法。 - 前記ジャイロスコープ入力と前記方位データを生成するための前記出力を同期させるステップは、前記加速度計入力または前記磁力計入力を前記ジャイロスコープ入力に対して、前記加速度計入力または前記磁力計入力を前記ジャイロスコープ入力が届くまでそれぞれ平均することによって同期させるステップを含む請求項1に記載の方法。
- 前記ジャイロスコープ入力と前記方位データを生成するための前記出力を同期させるステップは、前記複数のセンサ入力のうちの少なくとも1つのセンサ入力を前記ジャイロスコープ入力に伝搬させるステップを含み、前記方法は、前記ジャイロスコープ入力および前記伝搬された少なくとも1つのセンサ入力に基づき複数のフィルタを使用して前記方位データを生成するステップをさらに含む請求項1に記載の方法。
- 前記方位データを統一された方位データ時点として受け付ける前記コンピューティングデバイス上のオペレーティングシステムフレームワークを検出するステップをさらに含み、同期する前記ステップは、前記オペレーティングシステムフレームワークを検出する前記ステップに応答して実行される請求項1に記載の方法。
- 四元数システムで表される前記方位データの成分を判定するステップと、
前記四元数システムで表される前記方位データの前記成分からの角度成分が負であると判定するステップと、
前記角度成分が負であると判定したことに応答して、前記角度成分が正となるように前記四元数システムを使用して表される前記方位データの前記成分を調整するステップとをさらに含む請求項1に記載の方法。 - 前記四元数システムの3つの成分のみをアプリケーション層に渡す前記コンピューティングデバイス上のオペレーティングシステムフレームワークを検出するステップをさらに含み、前記成分を調整する前記ステップは、前記オペレーティングシステムフレームワークを検出する前記ステップに応答して実行される請求項5に記載の方法。
- 前記方位データに対する直線加速度を判定するステップをさらに含み、前記直線加速度を判定するステップは、
前記コンピューティングデバイスに関連付けられている測定された加速度を判定するステップと、
前記コンピューティングデバイスに関連付けられている非正規化重力ベクトルを判定するステップと、
前記コンピューティングデバイスの前記直線加速度を、前記コンピューティングデバイスの前記測定された加速度から重力ベクトルの非正規化重力成分を除去することによって判定するステップとを含む請求項1に記載の方法。 - 情報を同期させるためのコンピューティングデバイスであって、
加速度計入力および磁力計入力を含む複数のセンサ入力からジャイロスコープ入力を判定し、
前記ジャイロスコープ入力と方位データを生成するための出力を同期させ、前記方位データは、重力ベクトルおよび磁気ベクトルを含み、
重力ベクトルフィルタを使用して前記ジャイロスコープ入力および前記加速度計入力をフィルタリングすることによって、前記コンピューティングデバイスのための前記重力ベクトルを生成し、
磁気ベクトルフィルタを使用して前記ジャイロスコープ入力および前記磁力計入力をフィルタリングすることによって、前記コンピューティングデバイスのための前記磁気ベクトルを生成するように構成された処理ロジックを備えるコンピューティングデバイス。 - 前記処理ロジックは、前記加速度計入力または前記磁力計入力を前記ジャイロスコープ入力に対して、前記加速度計入力または前記磁力計入力を前記ジャイロスコープ入力が届くまでそれぞれ平均することによって同期させることにより前記ジャイロスコープ入力と前記方位データを生成するための前記出力を同期させるように構成される、請求項8に記載のコンピューティングデバイス。
- 前記処理ロジックは、前記複数のセンサ入力のうちの少なくとも1つのセンサ入力を前記ジャイロスコープ入力に伝搬させることによって前記ジャイロスコープ入力と前記方位データを生成するための前記出力を同期させるように構成され、前記コンピューティングデバイスは、前記ジャイロスコープ入力および前記伝搬された少なくとも1つのセンサ入力に基づき複数のフィルタを使用して前記方位データを生成するように構成された処理ロジックをさらに備える請求項8に記載のコンピューティングデバイス。
- 前記処理ロジックは、前記方位データを統一された方位データ時点として受け付ける前記コンピューティングデバイス上のオペレーティングシステムフレームワークを検出するようにさらに構成され、前記同期は、前記オペレーティングシステムフレームワークの前記検出に応答して実行される請求項8に記載のコンピューティングデバイス。
- 前記処理ロジックは、
四元数システムで表される前記方位データの成分を判定し、
前記四元数システムで表される前記方位データの前記成分からの角度成分が負であると判定し、
前記角度成分が負であると判定したことに応答して、前記角度成分が正となるように前記四元数システムを使用して表される前記方位データの前記成分を調整するようにさらに構成される請求項8に記載のコンピューティングデバイス。 - 前記処理ロジックは、前記四元数システムの3つの成分のみをアプリケーション層に渡す前記コンピューティングデバイス上のオペレーティングシステムフレームワークを検出するようにさらに構成され、前記成分を調整するステップは、前記オペレーティングシステムフレームワークを検出する前記ステップに応答して実行される請求項12に記載のコンピューティングデバイス。
- 前記処理ロジックは、前記方位データに対する直線加速度を判定するようにさらに構成され、前記直線加速度を判定するステップは、
前記コンピューティングデバイスに関連付けられている測定された加速度を判定するステップと、
前記コンピューティングデバイスに関連付けられている非正規化重力ベクトルを判定するステップと、
前記コンピューティングデバイスの前記直線加速度を、前記コンピューティングデバイスの前記測定された加速度から重力ベクトルの非正規化重力成分を除去することによって判定するステップとを含む請求項8に記載のコンピューティングデバイス。 - 非一時的コンピュータ可読記憶媒体であって、前記非一時的コンピュータ可読記憶媒体は処理ロジックによって実行可能な命令を備え、前記命令は
加速度計入力および磁力計入力を含む複数のセンサ入力からジャイロスコープ入力を判定する命令と、
前記ジャイロスコープ入力と方位データを生成するための出力を同期させる命令であって、前記方位データは、重力ベクトルおよび磁気ベクトルを含む、命令と、
重力ベクトルフィルタを使用して前記ジャイロスコープ入力および前記加速度計入力をフィルタリングすることによって、コンピューティングデバイスのための前記重力ベクトルを生成する命令と、
磁気ベクトルフィルタを使用して前記ジャイロスコープ入力および前記磁力計入力をフィルタリングすることによって、前記コンピューティングデバイスのための前記磁気ベクトルを生成する命令とを含む非一時的コンピュータ可読記憶媒体。 - 装置であって、
加速度計入力および磁力計入力を含む複数のセンサ入力からジャイロスコープ入力を決定するための手段と、
前記ジャイロスコープ入力と方位データを生成するための出力を同期させるための手段であって、前記方位データは、重力ベクトルおよび磁気ベクトルを含む、手段と、
重力ベクトルフィルタを使用して前記ジャイロスコープ入力および前記加速度計入力をフィルタリングすることによって、コンピューティングデバイスのための前記重力ベクトルを生成するための手段と、
磁気ベクトルフィルタを使用して前記ジャイロスコープ入力および前記磁力計入力をフィルタリングすることによって、前記コンピューティングデバイスのための前記磁気ベクトルを生成するための手段とを備える装置。 - 前記ジャイロスコープ入力と前記方位データを生成するための前記出力を同期させるための前記手段は、前記加速度計入力または前記磁力計入力を前記ジャイロスコープ入力に対して、前記加速度計入力または前記磁力計入力を前記ジャイロスコープ入力が届くまで平均することによって同期させるための手段を備える請求項16に記載の装置。
- 前記ジャイロスコープ入力と前記方位データを生成するための前記出力を同期させるための前記手段は、前記複数のセンサ入力のうちの少なくとも1つのセンサ入力を前記ジャイロスコープ入力に伝搬させるための手段を含み、前記装置は、前記ジャイロスコープ入力および前記伝搬された少なくとも1つのセンサ入力に基づき複数のフィルタを使用して前記方位データを生成するための手段をさらに備える請求項16に記載の装置。
- 前記方位データを統一された方位データ時点として受け付ける前記装置上のオペレーティングシステムフレームワークを検出するための手段をさらに備え、同期するステップは、前記オペレーティングシステムフレームワークを検出することに応答して実行される請求項16に記載の装置。
- 四元数システムで表される前記方位データの成分を判定するための手段と、
前記四元数システムで表される前記方位データの前記成分からの角度成分が負であると判定するための手段と、
前記角度成分が負であると判定したことに応答して、前記角度成分が正となるように前記四元数システムを使用して表される前記方位データの前記成分を調整するための手段とをさらに備える請求項16に記載の装置。 - 前記四元数システムの3つの成分のみをアプリケーション層に渡す前記装置上のオペレーティングシステムフレームワークを検出するための手段をさらに備え、前記成分を調整することは、前記オペレーティングシステムフレームワークを検出することに応答して実行される請求項20に記載の装置。
- 前記方位データに対する直線加速度を判定するための手段をさらに備え、前記直線加速度を判定するための前記手段は、
前記装置に関連付けられている測定された加速度を判定するための手段と、
前記装置に関連付けられている非正規化重力ベクトルを判定するための手段と、
前記装置の前記直線加速度を、前記装置の前記測定された加速度から重力ベクトルの非正規化重力成分を除去することによって判定するための手段とを含む請求項16に記載の装置。
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US61/558,966 | 2011-11-11 | ||
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