JPH06174487A - 姿勢検出装置 - Google Patents
姿勢検出装置Info
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- JPH06174487A JPH06174487A JP4359700A JP35970092A JPH06174487A JP H06174487 A JPH06174487 A JP H06174487A JP 4359700 A JP4359700 A JP 4359700A JP 35970092 A JP35970092 A JP 35970092A JP H06174487 A JPH06174487 A JP H06174487A
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- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 29
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 22
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- 230000005484 gravity Effects 0.000 abstract description 5
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- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 4
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- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 回転運動及び並進運動する物体の回転角速
度、姿勢角、位置標定用加速度情報を加速度センサーの
出力のみから推定する軽量・安価な装置を提供する。 【構成】 物体の内部または表面に特定の位置関係及び
加速度検出方向をもって配置した複数の加速度センサー
によって、運動時に生じる各部の微小な加速度差を検出
し、それより回転角加速度及び位置計算用加速度情報を
推定する。つぎに回転角加速度の推定値を積分すること
により回転角速度を推定し、それを微小な時間区間で再
び積分することにより、その時間区間における回転角の
増分を推定する。つぎに、コータニオンパラメータを用
いて運動物体に固定された座標から慣性座標への座標変
換行列を求める。最後に座標変換行列より姿勢角を求め
出力する。
度、姿勢角、位置標定用加速度情報を加速度センサーの
出力のみから推定する軽量・安価な装置を提供する。 【構成】 物体の内部または表面に特定の位置関係及び
加速度検出方向をもって配置した複数の加速度センサー
によって、運動時に生じる各部の微小な加速度差を検出
し、それより回転角加速度及び位置計算用加速度情報を
推定する。つぎに回転角加速度の推定値を積分すること
により回転角速度を推定し、それを微小な時間区間で再
び積分することにより、その時間区間における回転角の
増分を推定する。つぎに、コータニオンパラメータを用
いて運動物体に固定された座標から慣性座標への座標変
換行列を求める。最後に座標変換行列より姿勢角を求め
出力する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】回転運動及び並進運動を同時また
は交互に行う物体の姿勢角検出に使用可能。たとえば、
船舶、自動車、航空機、ロボット等。
は交互に行う物体の姿勢角検出に使用可能。たとえば、
船舶、自動車、航空機、ロボット等。
【０００２】
【従来の技術】運動物体の姿勢角検出の分野では例外な
くジャイロが用いられている。ジャイロには剛体ジャイ
ロ、レーザジャイロ、光ファイバジャイロ等がある。位
置の標定にはジャイロと組んで加速度センサーが用いら
れている。加速度センサーは位置の計算のみを目的とし
て使われている。
くジャイロが用いられている。ジャイロには剛体ジャイ
ロ、レーザジャイロ、光ファイバジャイロ等がある。位
置の標定にはジャイロと組んで加速度センサーが用いら
れている。加速度センサーは位置の計算のみを目的とし
て使われている。
【０００３】
【課題】ジャイロは重量、体積、消費電力が大きく搭載
上不利であるばかりでなく、精密機器であることから寿
命も比較的短く、高価で取扱いに注意がいる。これらの
欠点を解消する姿勢角検出の手段が望まれている。
上不利であるばかりでなく、精密機器であることから寿
命も比較的短く、高価で取扱いに注意がいる。これらの
欠点を解消する姿勢角検出の手段が望まれている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】慣性空間において不規則
な回転角加速度を持つ回転運動及び不規則な加速度を持
つ並進運動を同時または交互に行う物体の内部または表
面上にとった複数の点は、それぞれ異なった方向および
値の加速度を持つ。本発明は物体の内部または表面に特
定の位置関係及び検出方向をもって配置した複数の加速
度センサーによって、運動時に生じる各部の微少な加速
度差を検出し、それより回転角速度、姿勢角、位置標定
用加速度情報を推定する装置である。図１に本発明の構
成図を示す。大きく分けて、センサー部１、前処理部
２、積分部３、積分部４、コータニオン更新計算部５、
姿勢角計算部６、コータニオン初期値計算部７からな
る。以下、各ブロックごとに動作を箇条書きにする。
な回転角加速度を持つ回転運動及び不規則な加速度を持
つ並進運動を同時または交互に行う物体の内部または表
面上にとった複数の点は、それぞれ異なった方向および
値の加速度を持つ。本発明は物体の内部または表面に特
定の位置関係及び検出方向をもって配置した複数の加速
度センサーによって、運動時に生じる各部の微少な加速
度差を検出し、それより回転角速度、姿勢角、位置標定
用加速度情報を推定する装置である。図１に本発明の構
成図を示す。大きく分けて、センサー部１、前処理部
２、積分部３、積分部４、コータニオン更新計算部５、
姿勢角計算部６、コータニオン初期値計算部７からな
る。以下、各ブロックごとに動作を箇条書きにする。
【０００５】（イ）センサー部１は、図２に示す運動物
体２４に取り付けられた複数の加速度センサーからな
る。図２を説明する。運動物体２４の重心を原点１２と
し物体に固定されたＸＹＺ座標を定義する。Ｙ座標軸２
０上、原点から正方向に一定距離（これを腕の長さＬｐ
と呼ぶ）離れた場所に加速度センサー１４を取り付け
る。矢印２２は座標軸の正方向を示す。負方向に同一距
離はなれた場所にも加速度センサー１３を取り付ける。
両方とも加速度検出方向はＸＹ面に対し垂直とする。矢
印２３は加速度検出方向を示す。Ｚ座標軸２１上、原点
から正方向及び負方向に腕の長さＬｑ分はなれた場所に
２個の加速度センサー１８、１７を取り付ける。両方と
も加速度検出方向はＹＺ面に対し垂直とする。Ｘ座標軸
上、原点から正方向及び負方向に腕の長さＬｒ分はなれ
た場所に２個の加速度センサー１５、１６を取り付け
る。両方とも加速度検出方向はＸＺ面に対し垂直とす
る。センサー部１は、それぞれの座標軸に取り付けられ
た加速度センサーの検出値を前処理部２へ出力する。Ｘ
座標軸１９に取り付けられた加速度センサー１５、１６
の検出値をａｒＬ、ａｒＲと置く。Ｙ座標軸２０に取り
付けらた加速度センサー１３、１４の検出値をａｐＬ、
ａｐＲと置く。Ｚ座標軸２１に取り付けられた加速度セ
ンサー１８、１７の検出値をａｑＬ、ａｑＲと置く。
体２４に取り付けられた複数の加速度センサーからな
る。図２を説明する。運動物体２４の重心を原点１２と
し物体に固定されたＸＹＺ座標を定義する。Ｙ座標軸２
０上、原点から正方向に一定距離（これを腕の長さＬｐ
と呼ぶ）離れた場所に加速度センサー１４を取り付け
る。矢印２２は座標軸の正方向を示す。負方向に同一距
離はなれた場所にも加速度センサー１３を取り付ける。
両方とも加速度検出方向はＸＹ面に対し垂直とする。矢
印２３は加速度検出方向を示す。Ｚ座標軸２１上、原点
から正方向及び負方向に腕の長さＬｑ分はなれた場所に
２個の加速度センサー１８、１７を取り付ける。両方と
も加速度検出方向はＹＺ面に対し垂直とする。Ｘ座標軸
上、原点から正方向及び負方向に腕の長さＬｒ分はなれ
た場所に２個の加速度センサー１５、１６を取り付け
る。両方とも加速度検出方向はＸＺ面に対し垂直とす
る。センサー部１は、それぞれの座標軸に取り付けられ
た加速度センサーの検出値を前処理部２へ出力する。Ｘ
座標軸１９に取り付けられた加速度センサー１５、１６
の検出値をａｒＬ、ａｒＲと置く。Ｙ座標軸２０に取り
付けらた加速度センサー１３、１４の検出値をａｐＬ、
ａｐＲと置く。Ｚ座標軸２１に取り付けられた加速度セ
ンサー１８、１７の検出値をａｑＬ、ａｑＲと置く。
【０００６】（ロ）前処理部２はセンサー部１からの入
力を処理してＸ座標軸１９回りの回
力を処理してＸ座標軸１９回りの回
【０００７】推定の計算式を数式１に示す。数式１は次
の原理による。一定角速度ばかりでなく時間的に不規則
な回転角速度をもつ回転運動をおこなっている棒の両端
に取り付けられた２個の加速度センサーは、それぞれ異
なった加速度を検出する。加速度の検出方向は棒の両端
が描く円の接線方向とする。また回転中心は棒の重心位
置とし、棒の中間にあるとする。このとき、２個の加速
度センサーの出力差は棒の回転角加速度に比例する。ま
た、棒が回転運動しながら並進運動も同時に行っている
とすると、出力和は棒の並進運動加速度を検出する。
の原理による。一定角速度ばかりでなく時間的に不規則
な回転角速度をもつ回転運動をおこなっている棒の両端
に取り付けられた２個の加速度センサーは、それぞれ異
なった加速度を検出する。加速度の検出方向は棒の両端
が描く円の接線方向とする。また回転中心は棒の重心位
置とし、棒の中間にあるとする。このとき、２個の加速
度センサーの出力差は棒の回転角加速度に比例する。ま
た、棒が回転運動しながら並進運動も同時に行っている
とすると、出力和は棒の並進運動加速度を検出する。
【０００８】
【数式１】 速度情報として装置の外へ出力する。これは図１の出力
９で示される。
９で示される。
【０００９】（ハ）積分部は前処理部において推定した
回転角加速度の推定値を積分し回転角速度の推定値を求
める。この処理を連続系で記述すると数式２となる。数
式２を微小な時間キザミΔＴで離散的に表現すると数式
３となり、数式３を用いて数式２を離散化すると数式４
となる。姿勢検出装置の中で行う実際の計算 積分部４及び装置の外へ出力する。これは図１の出力１
０で示される。
回転角加速度の推定値を積分し回転角速度の推定値を求
める。この処理を連続系で記述すると数式２となる。数
式２を微小な時間キザミΔＴで離散的に表現すると数式
３となり、数式３を用いて数式２を離散化すると数式４
となる。姿勢検出装置の中で行う実際の計算 積分部４及び装置の外へ出力する。これは図１の出力１
０で示される。
【００１０】
【数式２】
【００１１】
【数式３】
【００１２】
【数式４】
【００１３】（ニ）積分部は前の積分部において求めた
回転角速度の推定値を、もう一度微小な時間区間［ｔ，
ｔ＋ΔＴ］で積分し、その時間区間における回転角度の
増分 分を表す。
回転角速度の推定値を、もう一度微小な時間区間［ｔ，
ｔ＋ΔＴ］で積分し、その時間区間における回転角度の
増分 分を表す。
【００１４】
【数式５】 これを同様に数式３を用いて離散化すると数式６とな
る。
る。
【００１５】
【数式６】 実際の計算処理には離散化した数式６を用いる。
【００１６】（ホ）コータニオン更新計算部は積分部で
求めた回転角度の増分を用いて、コータニオンパラメー
タの更新を行う。更新の計算は従来の方法を高速化した
数式７を用いる。これをコータニオンパラメータの高速
更新計算法と言うことにする。数式７では１次から４次
まで４通りの計算式を記述してあるが、必要な精度に応
じて、どれかひとつの式を選択する。次数が大きくなる
ほど精度は高い。
求めた回転角度の増分を用いて、コータニオンパラメー
タの更新を行う。更新の計算は従来の方法を高速化した
数式７を用いる。これをコータニオンパラメータの高速
更新計算法と言うことにする。数式７では１次から４次
まで４通りの計算式を記述してあるが、必要な精度に応
じて、どれかひとつの式を選択する。次数が大きくなる
ほど精度は高い。
【００１７】
【数式７】
【００１８】（ヘ）姿勢角計算部は、まずコータニオン
更新計算部で更新されたコータニオンパラメータを用い
て運動物体固定座標から慣性座標への座標変換行列を求
める。 そのあと、座標変換行列から運動物体の姿勢角
（オイラー角）を求める。座標変換行列の計算は数式８
による。関数ｓｉｇｎを数式９のように定義すると、姿
勢角の計算は数式１０による。求まった姿勢角θ、φ、
φは装置の外へ出力される。これは図１の出力１１で示
される。
更新計算部で更新されたコータニオンパラメータを用い
て運動物体固定座標から慣性座標への座標変換行列を求
める。 そのあと、座標変換行列から運動物体の姿勢角
（オイラー角）を求める。座標変換行列の計算は数式８
による。関数ｓｉｇｎを数式９のように定義すると、姿
勢角の計算は数式１０による。求まった姿勢角θ、φ、
φは装置の外へ出力される。これは図１の出力１１で示
される。
【００１９】
【数式８】
【００２０】
【数式９】
【００２１】
【数式１０】
【００２２】（ト）コータニオン初期値計算部は初期姿
勢角に対応するコータニオンパラメータを求める。初期
姿勢角は運動物体に固定された座標の慣性座標に対する
姿勢角（オイラー角）である。オイラー角の変換の順序
はθ→φ→φである。求められたコータニオンパラメー
タはコータニオン更新計算部（ホ）に初期値を与える。
計算式は数式１０に示す。
勢角に対応するコータニオンパラメータを求める。初期
姿勢角は運動物体に固定された座標の慣性座標に対する
姿勢角（オイラー角）である。オイラー角の変換の順序
はθ→φ→φである。求められたコータニオンパラメー
タはコータニオン更新計算部（ホ）に初期値を与える。
計算式は数式１０に示す。
【００２３】
【数式１０】
【００２４】
【作用】慣性空間において不規則な回転運動及び並進運
動を同時または交互に行う物体の内部または表面の異な
った点は、それぞれ異なった加速度を持つ。本発明の作
用は次の様に書ける。物体の内部または表面に特定の位
置関係及び加速度検出方向をもって配置した複数の加速
度センサーによって運動時に生じる微小な加速度差を検
出し、それより回転角加速度及び位置計算用加速度情報
を推定する。つぎに回転角加速度（単位ｒａｄ／ｓｅｃ
２）の推定値を積分することにより回転角速度（単位ｒ
ａｄ／ｓｅｃ）を推定し、それを微小な時間区間で再び
積分することにより、その時間区間における回転角の増
分（単位ｒａｄ）を推定する。つぎに、コータニオンパ
ラメータを用いて運動物体に固定された座標から慣性座
標への座標変換行列を求める。このとき、さきほどの回
転角の増分推定値を使う。最後に座標変換行列より姿勢
角を求め出力する。
動を同時または交互に行う物体の内部または表面の異な
った点は、それぞれ異なった加速度を持つ。本発明の作
用は次の様に書ける。物体の内部または表面に特定の位
置関係及び加速度検出方向をもって配置した複数の加速
度センサーによって運動時に生じる微小な加速度差を検
出し、それより回転角加速度及び位置計算用加速度情報
を推定する。つぎに回転角加速度（単位ｒａｄ／ｓｅｃ
２）の推定値を積分することにより回転角速度（単位ｒ
ａｄ／ｓｅｃ）を推定し、それを微小な時間区間で再び
積分することにより、その時間区間における回転角の増
分（単位ｒａｄ）を推定する。つぎに、コータニオンパ
ラメータを用いて運動物体に固定された座標から慣性座
標への座標変換行列を求める。このとき、さきほどの回
転角の増分推定値を使う。最後に座標変換行列より姿勢
角を求め出力する。
【００２５】
【実施例】本発明を航空機の姿勢角検出に応用した例を
計算機シミュレーションによって示す。図３に示すごと
く加速度センサーを航空機に取り付ける。腕の長さは５
ｍである。原点に取り付けた加速度センサーはＹ軸方向
の位置計算用加速度情報をとりだすためのものである。
加速度センサーのモデルを図４に示す。座標軸は機体の
重心を原点とするＸＹＺ座標とする。機体は６自由度モ
デルを用い、重心を中心として回転運動を行うとする。
適当に操舵して機体が回転運動及び並進運動したとき、
本発明の装置が姿勢角の真値にどれだけ近い値を出力す
るか、加速度センサーの最小検出Ｇ２５（＝最小検出加
速度）をパラメータとして例示する。最大検出Ｇ２６は
２０Ｇとする。図２と加速度センサーの取付方は異なっ
ているが計算処理の考え方は同じである。結果を図５、
図６、図７に示す。図５は姿勢角θの推定値と真値の
差、図６は姿勢角φの推定値と真値の差、図７は姿勢角
φの推定値と真値の差である。
計算機シミュレーションによって示す。図３に示すごと
く加速度センサーを航空機に取り付ける。腕の長さは５
ｍである。原点に取り付けた加速度センサーはＹ軸方向
の位置計算用加速度情報をとりだすためのものである。
加速度センサーのモデルを図４に示す。座標軸は機体の
重心を原点とするＸＹＺ座標とする。機体は６自由度モ
デルを用い、重心を中心として回転運動を行うとする。
適当に操舵して機体が回転運動及び並進運動したとき、
本発明の装置が姿勢角の真値にどれだけ近い値を出力す
るか、加速度センサーの最小検出Ｇ２５（＝最小検出加
速度）をパラメータとして例示する。最大検出Ｇ２６は
２０Ｇとする。図２と加速度センサーの取付方は異なっ
ているが計算処理の考え方は同じである。結果を図５、
図６、図７に示す。図５は姿勢角θの推定値と真値の
差、図６は姿勢角φの推定値と真値の差、図７は姿勢角
φの推定値と真値の差である。
【００２６】
【発明の効果】図５、図６、図７を見ると、本発明は加
速度センサーの最小検出Ｇ２５が小さければ十分実用に
なることを示している。ちなみに最小検出Ｇ２５が０．
０１ｍＧ（ミリＧ）の製品は販売されている。本発明で
は姿勢角を検出するのに加速度センサーと信号処理用の
マイクロプロセッサのみを用いジャイロを使わない。し
たがって、軽量にしかも安価にできる。耐故障の面から
も有利である。ただし、精度の面でジャイロより劣り、
長時間では誤差が蓄積するので模型飛行機のように短時
間の飛行で軽量化が要求される用途に応用可能である。
速度センサーの最小検出Ｇ２５が小さければ十分実用に
なることを示している。ちなみに最小検出Ｇ２５が０．
０１ｍＧ（ミリＧ）の製品は販売されている。本発明で
は姿勢角を検出するのに加速度センサーと信号処理用の
マイクロプロセッサのみを用いジャイロを使わない。し
たがって、軽量にしかも安価にできる。耐故障の面から
も有利である。ただし、精度の面でジャイロより劣り、
長時間では誤差が蓄積するので模型飛行機のように短時
間の飛行で軽量化が要求される用途に応用可能である。
【００２７】
【図１】本発明の原理を示すブロック図。
【図２】加速度センサー配置の一例。
【図３】本発明を航空機に適用した場合の加速度センサ
ー配置の一例。
ー配置の一例。
【図４】加速度センサーのモデル。
【図５】加速度センサーの最小検出Ｇをパラメータとし
た姿勢角θの推定値と真値の差。
た姿勢角θの推定値と真値の差。
【図６】加速度センサーの最小検出Ｇをパラメータとし
た姿勢角φの推定値と真値の差。
た姿勢角φの推定値と真値の差。
【図７】加速度センサーの最小検出Ｇをパラメータとし
た姿勢角φの推定値と真値の差。
た姿勢角φの推定値と真値の差。
【００２８】
１ ： センサー部 ２ ： 前処理部 ３ ： 積分部 ４ ： 積分部 ５ ： コータニオン更新計算部 ６ ： 姿勢角計算部 ７ ： コータニオン初期値計算部 ８ ： 初期姿勢角入力 １１ ： 出力（姿勢角の推定値θ、φ、φを出力す
る） １２ ： 原点 １３ ： 加速度センサー １４ ： 加速度センサー １５ ： 加速度センサー １６ ： 加速度センサー １７ ： 加速度センサー １８ ： 加速度センサー １９ ： Ｘ座標軸 ２０ ： Ｙ座標軸 ２１ ： Ｚ座標軸 ２２ ： 矢印（座標軸の正方向を示す） ２３ ： 矢印（加速度センサーの検出方向を示す） ２４ ： 運動物体の輪郭 ２５ ： 最小検出Ｇ（＝最小検出加速度） ２６ ： 最大検出Ｇ（＝最大検出加速度）
る） １２ ： 原点 １３ ： 加速度センサー １４ ： 加速度センサー １５ ： 加速度センサー １６ ： 加速度センサー １７ ： 加速度センサー １８ ： 加速度センサー １９ ： Ｘ座標軸 ２０ ： Ｙ座標軸 ２１ ： Ｚ座標軸 ２２ ： 矢印（座標軸の正方向を示す） ２３ ： 矢印（加速度センサーの検出方向を示す） ２４ ： 運動物体の輪郭 ２５ ： 最小検出Ｇ（＝最小検出加速度） ２６ ： 最大検出Ｇ（＝最大検出加速度）
フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０５Ｄ 1/10 9323−3Ｈ // Ｂ６３Ｂ 39/00 9035−3Ｄ
Claims (2)
- 【請求項１】 回転運動及び並進運動を同時または交互
に行う物体、たとえば、船舶、自動車、航空機、ロボッ
ト等の内部または表面に、特定の位置関係及び検出方向
をもって配置した複数の加速度センサーの検出値から物
体の回転角速度、姿勢角、及び位置標定用加速度情報を
推定する姿勢検出装置。 - 【請求項２】 運動物体固定座標から慣性空間座標への
変換マトリクスを求めるために使用されるコータニオン
パラメータの高速更新計算法を組み込んだ請求項１の姿
勢検出装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4359700A JPH06174487A (ja) | 1992-12-10 | 1992-12-10 | 姿勢検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4359700A JPH06174487A (ja) | 1992-12-10 | 1992-12-10 | 姿勢検出装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06174487A true JPH06174487A (ja) | 1994-06-24 |
Family
ID=18465852
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4359700A Pending JPH06174487A (ja) | 1992-12-10 | 1992-12-10 | 姿勢検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06174487A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007322392A (ja) * | 2006-06-05 | 2007-12-13 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 姿勢平滑化方法およびそのプログラム |
| JP2009528547A (ja) * | 2006-03-15 | 2009-08-06 | クゥアルコム・インコーポレイテッド | センサベースのオリエンテーションシステム |
| JP4860697B2 (ja) * | 2005-08-01 | 2012-01-25 | トヨタ自動車株式会社 | 加速度センサの補正装置および加速度センサの出力値補正方法 |
| KR101323785B1 (ko) * | 2012-10-16 | 2013-10-31 | 숭실대학교산학협력단 | 입체 회전각 측정장치 및 입체 회전각 측정방법 |
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| CN107194968A (zh) * | 2017-05-18 | 2017-09-22 | 腾讯科技（上海）有限公司 | 图像的识别跟踪方法、装置、智能终端和可读存储介质 |
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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