JP6757798B2

JP6757798B2 - 物理量測定装置

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Publication number: JP6757798B2
Application number: JP2018539500A
Authority: JP
Inventors: 山田　幸光; 幸光山田
Original assignee: Alps Electric Co Ltd; Alps Alpine Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2016-09-15
Filing date: 2017-03-03
Publication date: 2020-09-23
Anticipated expiration: 2037-03-03
Also published as: EP3514498B1; US20190204125A1; EP3514498A1; EP3514498A4; JPWO2018051538A1; US11085801B2; CN109716070B; CN109716070A; WO2018051538A1

Description

本発明は、同種の複数の物理量センサを備えた物理量測定装置に関する。

特許文献１に記載の運動測定装置は、角速度センサが検知した３軸方向の角速度成分をクオータニオンに変換するとともに、加速度センサが検知した３軸方向の加速度成分をクオータニオンに変換し、加速度成分から変換されたクオータニオンを観測値とし、角速度成分から変換されたクオータニオンを、カルマンフィルタを適用して補正するものであり、これにより、歩行時の下肢の動作角度などを迅速な演算で精読よく求めることを目指している。

特開２０１５−２１７０５３号公報

しかしながら、特許文献１の運動測定装置では、角速度センサおよび加速度センサを用い、さらにフィルタリングを施す演算であるため、消費電力は大きくなり、異なる種類の複数のセンサとそれぞれに対応した回路を設置するための面積も大きくなり、さらに、演算回路にかかる負荷も大きくなるという課題がある。

一方、位置の算出方法として、加速度センサが検知した加速度を積算（積分）することによって行うものもあるが、加速度から速度への積算、さらには、速度から位置への積算の過程において、加速度データに含まれるノイズ信号が重畳されてしまうため、精度の高い位置算出を行うことが難しくなるという問題がある。

そこで本発明は、カルマンフィルタなどの特殊なフィルタを用いることなく、消費電力、装置サイズ、および、演算回路にかかる負荷を抑えることができ、かつ、ノイズを抑えることによって、精度の高い物理量演算を行うことができる物理量演算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、本発明の物理量測定装置は、所定時間ごとの各検知時刻に物理量を検知する同種の２つの物理量センサと、各時刻において２つの物理量センサのそれぞれで検知された物理量に基づいて出力値を算出する演算部と、直前の検知時刻について算出された出力値と、現在の検知時刻において２つの物理量センサのそれぞれで検知された物理量とに基づいて所定の判別を行う判別部とを備え、演算部は、判別部による判別結果に基づいて、各時刻における出力値を算出する物理量測定装置であって、判別部は、現在の検知時刻において２つの物理量センサで検知された物理量の間に、直前の検知時刻について算出された出力値が存在しているか否かを判別し、演算部は、現在の検知時刻において２つの物理量センサで検知された物理量の間に、直前の検知時刻について算出された出力値が存在しているときは、現在の検知時刻において２つの物理量センサで検知された物理量の平均値を現在の検知時刻についての出力値とし、現在の検知時刻において２つの物理量センサで検知された物理量の間に、直前の検知時刻について算出された出力値が存在していないときは、現在の検知時刻について検知された２つの物理量のうちで、直前の検知時刻について算出された出力値に近い物理量を現在の検知時刻についての出力値とすることを特徴としている。

これにより、特殊なフィルタを用いることなく、消費電力、装置サイズ、および、演算回路にかかる負荷を抑えることができ、かつ、ノイズを抑えることによって、精度の高い物理量演算を行うことが可能となる。

本発明の物理量測定装置において、出力値は、２つの物理量センサのそれぞれで最初の時刻に検知された物理量の平均値を初期の出力値とすることが好ましい。
これにより、平均値を算出すればすむため、演算回路にかかる負荷を小さくすることができ、迅速かつ正確に、演算部や判別部による処理を行うことができる。

本発明の物理量測定装置において、２つの物理量センサのうち、一方の物理量センサのみを動作させるように切り替える切替部を備えることが好ましい。
これにより、低消費電力にすることを優先にしたいときには動作させる物理量センサの数を減らすことができ、また、動作させる物理量センサの数を増やすことによって測定精度を高めることができる。

本発明の物理量測定装置において、判別部は、２つ複数の物理量センサのそれぞれで検知された物理量の比較により、物理量測定装置の故障判定を行うことが好ましい。
これにより、物理量センサの故障を認識できるようになるため、物理量センサの交換や動作させる物理量センサの数の切り替え等の対応を迅速に取れるようになることから、物理量測定の精度を維持することができる。

本発明によると、カルマンフィルタなどの特殊なフィルタを用いることなく、消費電力、装置サイズ、および、演算回路にかかる負荷を抑えることができ、かつ、ノイズを抑えることによって、精度の高い物理量演算を行うことができる。

本発明の実施形態に係る物理量測定装置の構成を示すブロック図である。本発明の実施形態に係る物理量測定装置による出力値設定の処理の流れを示すフローチャートである。検知された加速度と出力値の設定例を示す図である。検知された加速度と出力値の設定例を示す図である。１つの加速度センサを静止した状態で置いたときの、経過時間に対する検知出力の変化を示すグラフである。２つの加速度センサを静止した状態で置いたときの、経過時間に対する、検知出力の平均値の変化を示すグラフである。物理量測定装置を静止した状態で置いたときの、経過時間に対する出力値の変化を示すグラフである。図５〜図７に示す値からそれぞれ算出した３σの経過時間に対する変化を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態に係る物理量測定装置について図面を参照しつつ詳しく説明する。本実施形態においては、物理量センサとして２つの加速度センサを用いた場合について説明するが、本発明における物理量センサは加速度センサには限定されず、例えば、角速度センサ、気圧センサ、光センサ、温度センサ、重量センサなどにも適用可能である。
図１は、本実施形態に係る物理量測定装置１０の構成を示すブロック図である。図１に示すように、物理量測定装置１０は、第１加速度センサ１１と、第２加速度センサ１２と、制御部１３と、演算部１４と、判別部１５と、記憶部１６とを備える。

第１加速度センサ１１と第２加速度センサ１２は、同種のセンサであって、所定時間ごと、例えば１０ｍｓごとの検知時刻に、物理量としての加速度をそれぞれが検知し、検知結果は制御部１３へ出力される。ここで、同種のセンサとは、同じ原理で同じ物理量を検知する単一種のセンサである。加速度センサ１１、１２は、質量が加速度の向きに沿って移動するときの力を検知するものであり、例えば、質量を支持する梁と、梁の撓みを検知する歪センサとから構成される。歪センサで検知される歪量が前記力に比例する。質量と梁と歪センサとから成るセンサ部は３組設けられており、互いに直交する基準座標軸の３軸方向の加速度を検知できるように、それぞれの梁の撓み方向が３軸のそれぞれの方向に向けられている。

制御部１３は、演算部１４と判別部１５の動作を制御し、また、検知の時刻に応じて、第１加速度センサ１１と第２加速度センサ１２による検知データを演算部１４または判別部１５へ出力する。さらに、判別部１５による判別結果にしたがって演算部１４に所定の出力値の演算を実行させる。

演算部１４は、上記所定時間ごとの各検知時刻において、第１加速度センサ１１と第２加速度センサ１２のそれぞれで検知された加速度に基づいて、制御部１３による制御にしたがって、出力値を算出する。算出された出力値は制御部１３を経て、記憶部１６に保存されるとともに、判別部１５へ出力される。判別部１５は、直前の検知時刻について演算部１４で算出された出力値と、現在の検知時刻において第１加速度センサ１１と第２加速度センサ１２のそれぞれで検知された加速度とに基づいて、制御部１３による制御にしたがって所定の判別を行う。この判別結果は、制御部１３を経て演算部１４へ出力され、演算部１４では、判別部１５による判別結果に基づいて、各検知時刻における出力値を算出する。
ここで、物理量測定装置１０を起動したときの初期の出力値は、第１加速度センサ１１と第２加速度センサ１２のそれぞれで最初の検知時刻に検知した加速度の平均値とするとよい。

判別部１５における判別としては、現在の検知時刻において第１加速度センサ１１と第２加速度センサ１２のそれぞれで検知された２つの加速度の間に、直前の検知時刻について演算部１４で算出された出力値が存在するか否かの判別がある。演算部１４では、この判別結果にしたがって、次の（１）または（２）のように出力値を算出する。

（１）現在の検知時刻において第１加速度センサ１１と第２加速度センサ１２で検知された加速度の間に、直前の検知時刻について算出された出力値が存在しているときは、現在の検知時刻において第１加速度センサ１１と第２加速度センサ１２で検知された加速度の平均値を現在の検知時刻についての出力値とする。

（２）現在の検知時刻において第１加速度センサ１１と第２加速度センサ１２で検知された加速度の間に、直前の検知時刻について算出された出力値が存在していないときは、現在の検知時刻について検知された２つの加速度のうちで、直前の検知時刻について算出された出力値に近い加速度を現在の検知時刻についての出力値とする。ここで、現在の検知時刻について検知された２つの加速度のうちで、直前の検知時刻について算出された出力値に近い加速度がいずれであるかについての判別も、判別部１５が行う。

また、判別部１５は、故障判定部として、第１加速度センサ１１と第２加速度センサ１２のそれぞれで検知された物理量を比較することにより、物理量測定装置の故障、例えば、第１加速度センサ１１または第２加速度センサ１２の故障の判定を行う。より具体的には、２つの物理量の一方が他方の所定倍以上、例えば３倍以上の数値であったときは、故障であると判定する。
ここで、故障判定部としての判定は、加速度センサが３つ以上ある場合も実行され、例えば、１つの加速度センサで検知された物理量が、残りの加速度センサで検知された物理量の平均値に対して所定倍以上、例えば３倍以上の数値であったときは故障であると判定する。

図２は、本実施形態の物理量測定装置１０に係る出力値設定の処理の流れを示すフローチャートである。図３と図４は、検知された加速度と出力値の設定例を示す図である。図２〜図４において、Ｚ１（ｎ）は検知時刻ｎにおいて第１加速度センサ１１によって検知された加速度であり、Ｚ２（ｎ）は検知時刻ｎにおいて第２加速度センサ１２によって検知された加速度である。検知時刻ｎ＋１は検知時刻ｎの次の検知時刻である。Ｚｏｕｔ（ｎ）は、検知時刻ｎにおける演算部１４による出力値である。

まず、物理量測定装置１０の起動時の初回の検知として、第１加速度センサ１１で第１加速度Ｚ１（ｎ）が検知され、第２加速度センサ１２で第２加速度Ｚ２（ｎ）が検知され（ステップＳ１）、これらの加速度データは制御部１３へ出力される。制御部１３は、演算部１４に対して、検知された２つの加速度から平均値を計算するよう指示し、演算部１４は、算出した平均値をこの時刻における出力値Ｚｏｕｔ（ｎ）に設定し、この出力値は記憶部１６に保存される（ステップＳ２）。ここで、出力値Ｚｏｕｔ（ｎ）は次式（１）で表される。
Ｚｏｕｔ（ｎ）＝［Ｚ１（ｎ）＋Ｚ２（ｎ）］／２（１）

上記ステップＳ１での検知から所定時間が経過した後の第２回の検知では、第１加速度センサ１１で第１加速度Ｚ１（ｎ＋１）が検知され、第２加速度センサ１２で第２加速度Ｚ２（ｎ＋１）が検知され（ステップＳ３）、これらの加速度データは制御部１３へ出力される。制御部１３は、判別部１５に対して、２つの加速度Ｚ１（ｎ＋１）、Ｚ２（ｎ＋１）の間に、初回の出力値Ｚｏｕｔ（ｎ）が存在するか否かを判別させる（ステップＳ４）。ここで、第２回の検知の時刻を現在の検知時刻とすると、初回の検知の時刻は直前の検知時刻となる。

図３に示すように、２つの加速度Ｚ１（ｎ＋１）、Ｚ２（ｎ＋１）の間に、初回の出力値Ｚｏｕｔ（ｎ）が存在していた場合（ステップＳ４でＹＥＳ）、制御部１３は、演算部１４に対して、２つの加速度Ｚ１（ｎ＋１）、Ｚ２（ｎ＋１）の平均値を算出させ、演算部１４は、算出した平均値をこの時刻における出力値Ｚｏｕｔ（ｎ＋１）に設定し、この出力値は記憶部１６に保存される（ステップＳ５）。ここで、Ｚｏｕｔ（ｎ＋１）は次式（２）で表される。なお、図３においてはＺｏｕｔ（ｎ）が検知時刻ｎからずれ、図４においてはＺｏｕｔ（ｎ＋１）が検知時刻ｎ＋１からずれているが、説明の便宜上ずらしたものである。
Ｚｏｕｔ（ｎ＋１）＝［Ｚ１（ｎ＋１）＋Ｚ２（ｎ＋１）］／２（２）

一方、図４に示すように、２つの加速度Ｚ１（ｎ＋１）、Ｚ２（ｎ＋１）の間に、初回の出力値Ｚｏｕｔ（ｎ）が存在していなかった場合（ステップＳ４でＮＯ）、判別部１５はさらに、第１加速度Ｚ１（ｎ＋１）が第２加速度Ｚ２（ｎ＋１）よりも初回の出力値Ｚｏｕｔ（ｎ）に近いか否かを判別する（ステップＳ６）。
その結果、第１加速度Ｚ１（ｎ＋１）の方が第２加速度Ｚ２（ｎ＋１）よりも初回出力値Ｚｏｕｔ（ｎ）に近い場合（ステップＳ６でＹＥＳ）は、第１加速度Ｚ１（ｎ＋１）がこの検知時刻の出力値Ｚｏｕｔ（ｎ＋１）に設定される（ステップＳ７）。

これに対して、第２加速度Ｚ２（ｎ＋１）の方が第１加速度Ｚ１（ｎ＋１）よりも初回出力値Ｚｏｕｔ（ｎ）に近い、または、第１加速度Ｚ１（ｎ＋１）と第２加速度Ｚ２（ｎ＋１）が同じ値である場合（ステップＳ６でＮＯ）、第２加速度Ｚ２（ｎ＋１）がこの時刻の出力値Ｚｏｕｔ（ｎ＋１）に設定される（ステップＳ８）。
上記ステップＳ５、Ｓ７、Ｓ８の後は、次の検知時刻を現在の検知時刻として、ステップＳ３以降の処理を繰り返す（ステップＳ９）。

ここで、上記ステップＳ６においては、第１加速度Ｚ１（ｎ＋１）が第２加速度Ｚ２（ｎ＋１）よりも初回の出力値Ｚｏｕｔ（ｎ）に近いか否かを判別していたが、第２加速度Ｚ２（ｎ＋１）が第１加速度Ｚ１（ｎ＋１）よりも初回の出力値Ｚｏｕｔ（ｎ）に近いか否かを判別してもよく、その場合にも上記ステップＳ７、Ｓ８と同様に、初回の出力値Ｚｏｕｔ（ｎ）に近い方の加速度をこの時刻の出力値Ｚｏｕｔ（ｎ＋１）に設定する。

図５〜図７は、加速度センサまたは物理量測定装置を静止した状態で置いたときの、経過時間に対する出力の変化を示すグラフである。図５は、１つの加速度センサの検知出力を破線Ｌ１１で示し、図６は、図５で用いた加速度センサを含む２つの加速度センサの検知出力の平均値を点線Ｌ１２で示し、図７は、図６で用いた２つの加速度センサを含む本実施形態の物理量測定装置における出力値を実線Ｌ１３で示す。図８は、図５〜図７に示す値からそれぞれ算出した３σの経過時間に対する変化を示すグラフである。ここで、標準偏差σは、図５〜図７にそれぞれ示すデータについて、各時刻において、直近の連続する所定数のデータごと、例えば連続する２０回分のデータに算出した値である。

図５〜図７を比較すると、１つの加速度センサによる検知出力（図５、破線Ｌ１１）では、加速度センサが静止しているのにかかわらず、検知出力の変動が大きくなっており、ノイズの影響が見られる。これに対して、２つの加速度センサの検知出力の平均値（図６、点線Ｌ１２）を見ると、図５の場合と比べて出力の変動が激しい時間帯は少なくなっているが、依然として変動量が大きくなっており、ノイズの影響が見られる。一方、本実施形態の物理量測定装置による出力値（図７、実線Ｌ１３）では、装置をセットした初期の期間を過ぎてからは、変動が少なく、かつ、ゼロに近い値で安定しており、ノイズの影響を抑えることができているのが分かる。

図８においては、１つの加速度センサによる検知出力（破線Ｌ１１）と、２つの加速度センサの検知出力の平均値（点線Ｌ１２）は３σの値が大きく、検知出力または平均値の変動幅が大きいことが分かる。これに対して、本実施形態の物理量測定装置による出力値（実線Ｌ１３）は、初期の期間を過ぎて安定してからは、破線Ｌ１１と点線Ｌ１２よりも常に小さな値をとっており、出力値の変動幅が小さいことが分かる。

以上のように構成されたことから、上記実施形態によれば、次の効果を奏する。
（１）特殊なフィルタを用いることがなく、また、同種の複数の物理量センサを用いればすむことから、消費電力、装置サイズ、および、演算回路にかかる負荷を抑えることができる。

（２）複数の物理量センサを用い、直前の検知時刻の出力値、または、この出力値に近い検出値を選択していく処理を継続していくため、ノイズの影響が抑えられた安定した出力値を得ることができる。これに対して、例えばカルマンフィルタは移動平均を拡張した理論であり、それぞれのセンサの検知出力のばらつきを平均化できるのみであるため、ノイズを確実に抑えることは難しい。

以下に変形例について説明する。
上記実施形態においては、２つの加速度センサを用いた例を示したが、３つ以上の加速度センサを用いることもできる。この場合も図２に示すのと同様の流れで出力値を設定することができる。より具体的には、図２のステップＳ１〜Ｓ３の処理は加速度センサが３つの場合も同様であり、次のステップＳ４の判別処理については、３つの加速度センサによる検知出力のうちの最大値と最小値の間に直前の検知時刻の出力値Ｚｏｕｔ（ｎ）が存在するか否かを判別する。最大値と最小値の間に出力値Ｚｏｕｔ（ｎ）が存在する場合は、ステップＳ５と同様に３つの検知出力の平均値を出力値Ｚｏｕｔ（ｎ＋１）とする。一方、最大値と最小値の間に出力値Ｚｏｕｔ（ｎ）が存在しない場合は、３つの加速度センサによる検知出力のうち、直前の検知時刻の出力値Ｚｏｕｔ（ｎ）に最も近い値を現在の検知時刻の出力値Ｚｏｕｔ（ｎ＋１）とする。このように加速度センサを３つ以上用いることにより、さらにノイズを抑えやすくなり、精度の高い物理量演算が可能となる。

また、上記実施形態では、２つの加速度センサの両方を動作させ続けていたが、状況に応じて一方の加速度センサのみを動作させるように切り替えてもよい。切り替えの制御は、切替部としての制御部１３が行う。これにより、低消費電力にすることを優先にしたいときには動作させる加速度センサを１つとし、この加速度センサの検知結果に基づいて出力値を算出することができ、また、測定精度を優先するときには２つの加速度センサを動作させて、図２に示す流れにしたがって出力値を算出することができる。このようなセンサの切り替えはセンサが３つ以上の場合も同様であり、状況に応じて動作させるセンサの数を切り替える。
本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。

以上のように、本発明に係る物理量測定装置は、消費電力、装置サイズ、および、演算回路にかかる負荷を抑えつつ、ノイズを抑えることができる点で有用である。

１０物理量測定装置
１１第１加速度センサ
１２第２加速度センサ
１３制御部
１４演算部
１５判別部
Ｌ１１１つの加速度センサによる検知出力
Ｌ１２２つの加速度センサの検知出力の平均値
Ｌ１３物理量測定装置による出力値
Ｚ１（ｎ）、Ｚ１（ｎ＋１）第１加速度センサの検知出力
Ｚ２（ｎ）、Ｚ２（ｎ＋１）第２加速度センサの検知出力
Ｚｏｕｔ（ｎ）出力値

Claims

所定時間ごとの各検知時刻に物理量を検知する同種の２つの物理量センサと、
前記各検知時刻において前記２つの物理量センサのそれぞれで検知された物理量に基づいて出力値を算出する演算部と、
直前の検知時刻について算出された出力値と、現在の検知時刻において前記２つの物理量センサのそれぞれで検知された物理量とに基づいて所定の判別を行う判別部とを備え、
前記演算部は、前記判別部による判別結果に基づいて、各時刻における出力値を算出する物理量測定装置であって、
前記判別部は、現在の検知時刻において前記２つの物理量センサで検知された物理量の間に、直前の検知時刻について算出された出力値が存在しているか否かを判別し、
前記演算部は、
現在の検知時刻において前記２つの物理量センサで検知された物理量の間に、直前の検知時刻について算出された出力値が存在しているときは、現在の検知時刻において前記２つの物理量センサで検知された物理量の平均値を現在の検知時刻についての出力値とし、
現在の検知時刻において前記２つの物理量センサで検知された物理量の間に、直前の検知時刻について算出された出力値が存在していないときは、現在の検知時刻について検知された２つの物理量のうちで、直前の検知時刻について算出された出力値に近い物理量を現在の検知時刻についての出力値とすることを特徴とする物理量測定装置。
前記出力値は、前記２つの物理量センサのそれぞれで最初の時刻に検知された物理量の平均値を初期の出力値とすることを特徴とする請求項１に記載の物理量測定装置。
前記２つの物理量センサのうち、一方の物理量センサのみを動作させるように切り替える切替部を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の物理量測定装置。
前記判別部は、前記２つの物理量センサのそれぞれで検知された物理量の比較により、前記物理量測定装置の故障判定を行うことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の物理量測定装置。
所定時間ごとの各検知時刻に物理量を検知する同種の３つ以上の物理量センサと、
前記各検知時刻において前記３つ以上の物理量センサのそれぞれで検知された物理量に基づいて出力値を算出する演算部と、
直前の検知時刻について算出された出力値と、現在の検知時刻において前記３つ以上の物理量センサのそれぞれで検知された物理量とに基づいて所定の判別を行う判別部とを備え、
前記演算部は、前記判別部による判別結果に基づいて、各時刻における出力値を算出する物理量測定装置であって、
前記判別部は、現在の検知時刻において前記３つ以上の物理量センサで検知された物理量のうち最大値と最小値の間に、直前の検知時刻について算出された出力値が存在しているか否かを判別し、
前記演算部は、
現在の検知時刻において前記３つ以上の物理量センサで検知された物理量のうち最大値と最小値の間に、直前の検知時刻について算出された出力値が存在しているときは、現在の検知時刻において前記３つ以上の物理量センサで検知された物理量の平均値を現在の検知時刻についての出力値とし、
現在の検知時刻において前記３つ以上の物理量センサで検知された物理量のうち最大値と最小値の間に、直前の検知時刻について算出された出力値が存在していないときは、現在の検知時刻について検知された３つ以上の物理量のうちで、直前の検知時刻について算出された出力値に最も近い物理量を現在の検知時刻についての出力値とすることを特徴とする物理量測定装置。