JPH0861916A - Optical position and posture detection device - Google Patents

Optical position and posture detection device

Info

Publication number
JPH0861916A
JPH0861916A JP21803594A JP21803594A JPH0861916A JP H0861916 A JPH0861916 A JP H0861916A JP 21803594 A JP21803594 A JP 21803594A JP 21803594 A JP21803594 A JP 21803594A JP H0861916 A JPH0861916 A JP H0861916A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
angle
light
unit
side unit
orientation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP21803594A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2733743B2 (en
Inventor
Toru Suzuki
亨 鈴木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
DIGITAL STREAM KK
Original Assignee
DIGITAL STREAM KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by DIGITAL STREAM KK filed Critical DIGITAL STREAM KK
Priority to JP21803594A priority Critical patent/JP2733743B2/en
Publication of JPH0861916A publication Critical patent/JPH0861916A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP2733743B2 publication Critical patent/JP2733743B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Abstract

PURPOSE: To provide an optical position and posture detection device easy to be installed, due to the capability of the linear formation of a stationary side unit, and not requiring light intensity information as the whole of incident light, due to mounting an angle detector on the stationary side unit and a light emitter at a portable side unit as a position detecting object. CONSTITUTION: Regarding the optical position and posture detection device formed out of a stationary side unit 10 laid for equipment to give information on a position and a posture, and a portable side unit 12 movable relative to the unit 10, the unit 10 has two light sources 18 and 20 arranged at the prescribed positions and emitting light while alternately being switched to each other, and an angle detector 22 for detecting the incident angle of light from the light source 26 of the unit 12. Also, this unit 12 has one light source 26, and an angle detector 28 for detecting the angle of incident light from the two light sources 18 and 20 of the unit 10. A position and a posture are calculated on the basis of information obtained from the two angle detectors 22 and 28.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、光学式位置および姿勢
検出装置に関し、特に、3次元位置および姿勢を検出す
る装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical position / orientation detecting device, and more particularly to a device for detecting three-dimensional position / orientation.

【0002】[0002]

【従来の技術】光学式位置および姿勢検出装置が先願の
特願平5−225252号に提案されている。この先願
の出願の光学式位置および姿勢検出装置においては、3
次元の位置および姿勢を検出するために、固定側に3つ
の光源(例えば、LED)を同一線上にないように配置
し、1つの受光器を携帯側(可動側)に配置している。
2. Description of the Related Art An optical position and attitude detector is proposed in Japanese Patent Application No. 5-225252, which is a prior application. In the optical position and orientation detection device of the application of this earlier application,
In order to detect the dimensional position and orientation, three light sources (for example, LEDs) are arranged on the fixed side so as not to be on the same line, and one light receiver is arranged on the portable side (movable side).

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述の特許出
願の発明においては、固定側に3つの光源を同一線上に
ならないように配置せざるをえないために、設置のしに
くさなどの使用上で不便な面があった。また、光の到達
強度比を基に位置を算出することから、計算精度を上げ
るには、「光を検出範囲内のあらゆる方向に均一な強度
で放射させなければならない」といった制約と、各光源
からの光を被検出ユニット側で受光するにあたり、「光
の入射角度による受光器面の光線密度の変化分を計算上
で補正する必要がある」といった制約とが生じていた。
However, in the invention of the above-mentioned patent application, since it is necessary to arrange the three light sources on the fixed side so as not to be on the same line, it is difficult to install them. There was an inconvenient side above. In addition, since the position is calculated based on the light arrival intensity ratio, in order to improve the calculation accuracy, there are restrictions such as "light must be emitted with uniform intensity in all directions within the detection range" and each light source. When the light from the above is received on the side of the detected unit, there is a constraint that "the change in the light density of the light receiving surface depending on the incident angle of light needs to be corrected in the calculation".

【0004】したがって、本発明の目的は、固定側ユニ
ットを直線的に形成できるため設置が容易に行うことが
でき、かつ固定側に角度検出器を設け、位置の被検出物
である携帯側に発光器を設けることによって入射光全体
としての光強度情報を必要としない光学式位置および姿
勢検出装置を提供することにある。
Therefore, the object of the present invention is that the fixed side unit can be formed linearly, so that the unit can be easily installed, and the angle detector is provided on the fixed side so that the fixed side unit can be installed on the portable side which is the object to be detected. An object of the present invention is to provide an optical position / orientation detecting device that does not require light intensity information of the entire incident light by providing a light emitter.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】前述の目的を達成するた
めに、本発明は、位置および姿勢が入力すべき機器に対
して配置された固定側ユニットと該固体側ユニットに対
して可動な携帯側ユニットから成る光学式位置および姿
勢検出装置において、前記固体側ユニットは、所定の距
離に配置されて交互に切り換えて発光される2つの光源
と、前記携帯側ユニットの光源からの光の入射角を検出
する角度検出器とを有し、前記携帯側ユニットは、1つ
の光源と、前記固体側ユニットの2つの光源からの光の
入射角を検出する角度検出器とを有し、前記2つの角度
検出器から得られた情報に基づいて位置および姿勢を算
出することを特徴とする光学式位置および姿勢検出装置
を採用するものである。
In order to achieve the above-mentioned object, the present invention provides a mobile unit that is movable with respect to a fixed unit and a solid unit that are arranged with respect to a device whose position and orientation should be input. In the optical position and orientation detection device including a side unit, the solid-side unit is provided with two light sources arranged at a predetermined distance and alternately switched to emit light, and an incident angle of light from the light source of the portable unit. And an angle detector that detects an incident angle of light from two light sources of the solid-state unit, and the portable side unit includes one of the two light sources. The optical position / orientation detection device is characterized in that the position / orientation is calculated based on the information obtained from the angle detector.

【0006】[0006]

【実施例】次に、図面を参照して、本発明の実施例を説
明する。
Embodiments of the present invention will now be described with reference to the drawings.

【0007】(機械的構成)図1は、本発明の光学式位
置および姿勢検出装置を示す斜視図である。図1に示す
ように、本発明の光学式位置および姿勢検出装置は、固
定側受発光(受光および発光)ユニット(以下、固定側
ユニットという)10と、携帯側受発光(受光および発
光)ユニット(以下、携帯側ユニットという)12とか
ら成る。固定側ユニット10は、携帯側ユニットの位置
および姿勢に関する情報が入力されるコンピュータ等の
装置の本体や周辺機器(例えば、キーボード、CRTな
ど)の任意の適当な位置に固定されるかまたは配置され
る。
(Mechanical Structure) FIG. 1 is a perspective view showing an optical position / orientation detecting apparatus of the present invention. As shown in FIG. 1, an optical position / orientation detecting device of the present invention comprises a fixed side light emitting / receiving (light receiving and emitting) unit (hereinafter referred to as a fixed side unit) 10 and a portable side light receiving / emitting (light receiving and emitting) unit. (Hereinafter referred to as a mobile unit) 12. The fixed-side unit 10 is fixed or arranged at any appropriate position of the main body of an apparatus such as a computer or peripheral equipment (for example, keyboard, CRT, etc.) to which information regarding the position and orientation of the portable-side unit is input. It

【0008】固定側ユニット10は、例えば、細長い直
方体形の固定側ユニット本体14と、この本体14を水
平方向に支持している支持部材16から成る。本体14
の一方の垂直面には、所定の距離だけ離した位置に2つ
の光源18、20が配置されている。光源18、20の
各々は、例えば、複数のLED(light emitting diode
)から成るLEDアレイまたは単独のLEDから成る。
なお、ここで、複数のLEDを用いるのは、単独のLE
Dでは、十分に光の強度を得ることがきない場合に、強
度を高めるためである。また、本体14の垂直面の中央
部分には、光の角度検出器として作用する受光器22
(以下、角度検出器という場合もある)が配置されてお
り、この受光器22は、図3に関連して後述するが、好
ましくは、光の入射範囲を制限する開口が設けられた4
分割フォトディテクタから成るか、または任意の適当な
2次元入射角度を検出できる2次元入射角度検出器(例
えば、図5に関連して後述する5面張り付け型角度検出
器)から成ってもよい。なお、本明細書で「2次元入射
角度検出器」とは、水平角および垂直角のような2つ入
射角を1つの素子で検出できる素子をいう。なお、本体
14内部には、図14に関連して後述するが、情報を処
理して携帯側ユニットの位置、姿勢を算出するための電
気回路部品が配置されている。
The fixed unit 10 comprises, for example, an elongated rectangular parallelepiped fixed unit main body 14 and a support member 16 for supporting the main body 14 in the horizontal direction. Body 14
Two light sources 18 and 20 are arranged at positions separated by a predetermined distance on one vertical surface. Each of the light sources 18 and 20 includes, for example, a plurality of LEDs (light emitting diodes).
) LED array or a single LED.
It should be noted that, here, a plurality of LEDs are used for a single LE.
This is because in D, when the light intensity cannot be obtained sufficiently, the intensity is increased. Further, in the central portion of the vertical surface of the main body 14, a light receiver 22 that acts as a light angle detector is provided.
(Hereinafter, it may be referred to as an angle detector) is arranged, and this light receiver 22 is preferably provided with an opening 4 for limiting the incident range of light, which will be described later with reference to FIG.
It may consist of a split photodetector, or it may consist of a two-dimensional angle of incidence detector capable of detecting any suitable two-dimensional angle of incidence (eg a five-sided angle detector as described below in connection with FIG. 5). In this specification, the “two-dimensional incident angle detector” refers to an element capable of detecting two incident angles such as a horizontal angle and a vertical angle with one element. As will be described later with reference to FIG. 14, electric circuit components for processing information and calculating the position and orientation of the portable unit are arranged inside the main body 14.

【0009】携帯側ユニット12は、例えば、断面ほぼ
正方形状の直方体形の携帯側ユニット本体24から成
り、このユニット本体24の1つの垂直側面には、光の
角度検出器として作用する受光器28(以下、角度検出
器という場合もある)が配置されており、この受光器2
8は、図5に関連して後述するが、好ましくは、5面張
り付け型角度検出器から成る。また、ユニット本体の上
面には、光源26がその光の発光面を受光器28と同一
側に向けて配置されている。この受光器28は、固定側
ユニット10の光源18、20と同様に、複数のLED
から成るLEDアレイまたは単独のLEDから成るもの
である。
The portable unit 12 comprises, for example, a rectangular parallelepiped portable unit body 24 having a substantially square cross section, and one vertical side surface of the unit body 24 has a light receiver 28 acting as an angle detector of light. (Hereinafter, it may be called an angle detector.)
Reference numeral 8 will be described later with reference to FIG. 5, and preferably comprises a five-sided adhesive type angle detector. Further, on the upper surface of the unit body, a light source 26 is arranged with its light emitting surface facing the same side as the light receiver 28. This light receiver 28, like the light sources 18 and 20 of the fixed-side unit 10, has a plurality of LEDs.
LED array consisting of or a single LED.

【0010】(位置および姿勢の検出項目)図2は、固
定側ユニット10に対する携帯側ユニット12の位置お
よび姿勢の検出項目を説明するための斜視図である。図
2に示すように、本発明では、固定側ユニット10に対
する携帯側ユニット12の位置として、空間位置座標
(3次元位置座標)が検出でき、姿勢として、垂直方位
角、水平方位角および回転角が検出できる。
(Detection Items of Position and Attitude) FIG. 2 is a perspective view for explaining detection items of the position and attitude of the portable unit 12 with respect to the fixed unit 10. As shown in FIG. 2, in the present invention, spatial position coordinates (three-dimensional position coordinates) can be detected as the position of the mobile unit 12 with respect to the fixed unit 10, and vertical azimuth angle, horizontal azimuth angle, and rotation angle can be detected as the attitude. Can be detected.

【0011】(動作概要)固定側ユニット10に対する
携帯側ユニット12の位置および姿勢の検出動作は、概
略すると、以下のように行われる。 (a)最初に、固定側ユニット10の一方の光源18を
点灯させ、携帯側ユニット12の角度検出器28(二次
元角度検出器)で光源18からの光の入射方向を水平、
垂直方向について検出する。 (b)次に、固定側ユニット10の光源18の消灯後、
固定側ユニット10の他方の光源20を点灯させ、同様
に、携帯側ユニット12の角度検出器28で光源20か
らの光の入射方向を水平、垂直方向について検出する。 (c)次に、固定側ユニット10の光源20の消灯後、
今度は、携帯側ユニット12の光源26を点灯し、固定
側ユニット12の角度検出器22(二次元角度検出器)
で光源26からの光の入射方向を水平、垂直方向につい
て検出する。 (d)以上により、位置、姿勢を計算するのに必要なデ
ータは全て揃うことになる。その後、これらのデータを
用いて計算を行い、位置、姿勢を求める。 (e)その後、前述の(a)〜(d)の動作を繰り返す
ことによって、順次、その時点での位置と姿勢が求めら
れる。
(Summary of Operation) The position and orientation of the portable unit 12 with respect to the fixed unit 10 can be detected as follows. (A) First, one of the light sources 18 of the fixed-side unit 10 is turned on, and the angle detector 28 (two-dimensional angle detector) of the portable-side unit 12 makes the incident direction of the light from the light source 18 horizontal.
Detect in the vertical direction. (B) Next, after turning off the light source 18 of the fixed-side unit 10,
The other light source 20 of the fixed-side unit 10 is turned on, and similarly, the incident direction of the light from the light source 20 is detected in the horizontal and vertical directions by the angle detector 28 of the mobile-side unit 12. (C) Next, after turning off the light source 20 of the fixed-side unit 10,
This time, the light source 26 of the portable unit 12 is turned on, and the angle detector 22 (two-dimensional angle detector) of the fixed unit 12 is turned on.
The direction of incidence of light from the light source 26 is detected in the horizontal and vertical directions. (D) By the above, all the data necessary for calculating the position and orientation are gathered. After that, calculation is performed using these data to obtain the position and orientation. (E) After that, by repeating the above-mentioned operations (a) to (d), the position and orientation at that time are sequentially obtained.

【0012】(光線入射角算出方法) (1)4分割フォトディテクタ 図3は、角度検出器(二次元角度検出器)として用いる
4分割フォトディテクタを説明するための図である。4
分割フォトディテクタ22bは、例えば、4分割ピン
(PIN)フォトダイオードのような上下左右に4分割
された部分(図3cのa〜dで示すような部分)を有
し、各部分が入射した光の光量を個々に(独立して)検
出するものである。この4分割フォトディテクタ22b
は、ケース22a内に配置され、ケース22aの前方に
は、絞り機能を持つ、例えば、図示のような円形の開口
22c(または、正方形の開口でもよい)が形成されて
いる。外部光源、例えば、光源26からの光はその開口
22cを通過した後、フォトディテクタの各部に当たる
ことになる。
(Light incident angle calculation method) (1) Four-division photo detector FIG. 3 is a diagram for explaining a four-division photo detector used as an angle detector (two-dimensional angle detector). Four
The split photodetector 22b has, for example, a vertically split left / right divided into four portions (portions as shown by a to d in FIG. 3c) such as a four-divided pin (PIN) photodiode, and each portion of the incident light The amount of light is detected individually (independently). This 4-division photo detector 22b
Is disposed in the case 22a, and a circular opening 22c (or a square opening as shown) having a diaphragm function is formed in front of the case 22a. The light from an external light source, for example, the light source 26, passes through the opening 22c and then strikes each part of the photodetector.

【0013】次に、角度検出の原理を説明すると、図3
aに示すように、1つの光源26と受光部22の位置関
係によって、受光部の向いている方向と光源の方向が異
なるときには、光が受光部に対して傾いて入射してく
る。このときの光が受光部にあたる様子の一例を図3c
に示す。
Next, the principle of angle detection will be described with reference to FIG.
As shown in a, when the direction in which the light receiving section faces and the direction of the light source differ due to the positional relationship between the one light source 26 and the light receiving section 22, the light is obliquely incident on the light receiving section. An example of how the light at this time strikes the light receiving portion is shown in FIG. 3c.
Shown in

【0014】開口の形状で通過してきた光の、4分割フ
ォトディテクタ上に結ぶ像の中心が開口の中心よりずれ
ることより、各フォトディテクタの各部分の間に出力差
が生じる。例えば、各部分a、b、c、dで得られる出
力値をa、b、c、dとすると、図3cの場合には、
(a+b)<(c+d)となり、出力差を差動回路等で
取り出すこととすると、光量差に比例した電流もしくは
電圧を得ることができる。
The center of the image of the light passing through in the shape of the aperture on the four-division photodetector deviates from the center of the aperture, so that an output difference occurs between the respective parts of the photodetectors. For example, if the output values obtained in the respective parts a, b, c, d are a, b, c, d, then in the case of FIG.
If (a + b) <(c + d) holds and the output difference is taken out by a differential circuit or the like, a current or voltage proportional to the light amount difference can be obtained.

【0015】図4は、前述のような場合における差動出
力と光線入射角度の関係を示すグラフである。この関係
に基づいて、差動出力から光線入射角度を決定すること
ができる。
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the differential output and the light beam incident angle in the above case. Based on this relationship, the light incident angle can be determined from the differential output.

【0016】今、前述のように、光の入射方向に関し
て、(a+b)と(c+d)における光量比較で、例え
ば水平方向の入射角度が分かるとすれば、(a+c)と
(b+d)における光量比較で、垂直方向の光の入射角
度が分かることになる。
As described above, regarding the incident directions of light, if the incident angles in the horizontal direction are known by comparing the amounts of light in (a + b) and (c + d), the amounts of light in (a + c) and (b + d) are compared. Then, the incident angle of light in the vertical direction can be known.

【0017】(2)5面張り付け型角度検出器 図5は、5面張り付け型角度検出器(二次元角度検出
器)を説明するための図であり、図5aは、5面張り付
け型角度検出器の平面図であり、図5bは、5面張り付
け型角度検出器の断面図である。図5aに示すように、
この形式の角度検出器28は、例えば、4角錐台形のベ
ース28fの5つの各表面に同一面積のフォトディテク
タである例えばフォトダイオードチップ28a〜28e
を張り付けたものである。図5bを参照して、この角度
検出器を用いたときの角度検出の原理を説明すると、原
理は、一言でいえば、「光源からの光の当たるところに
ある頂角を挟んだ両側のフォトディテクタに入射する光
の光量差を基に光の入射角を求める」ことである。
(2) Five-sided attachment type angle detector FIG. 5 is a diagram for explaining a five-sided attachment type angle detector (two-dimensional angle detector), and FIG. 5a is a five-sided attachment type angle detector. Fig. 5b is a plan view of the device, and Fig. 5b is a cross-sectional view of the five-side attached angle detector. As shown in Figure 5a,
This type of angle detector 28 is, for example, photodiode chips 28a to 28e, which are photodetectors having the same area on each of five surfaces of a base 28f having a truncated pyramid shape.
Is attached. The principle of angle detection when this angle detector is used will be described with reference to FIG. 5b. In a word, the principle is that “the angle on both sides of the apex angle where the light from the light source hits is sandwiched. The angle of incidence of light is calculated based on the difference in the amount of light that enters the photodetector. "

【0018】今、図5bに示すように、頂角の2等分線
に垂直な線とフォトディテクタの取付け面とのなす角度
をβ、光源と頂角の2等分線とのなす角度をθとおく
と、各フォトディテクタからの出力は光の入射方向に対
するフォトディテクタの投影面積に比例することから、
以下の式が得られる。 フォトディテクタ28aの出力∝cos(θ−β) フォトディテクタ28bの出力∝cos(θ+β) 全出力で規格化したフォトディテクタ28a、28b間
の差動出力を「D(a−b)/(a+b)」とすると、 D={cos(θ−β)−cos(θ+β)}/{cos(θ−β)+cos( θ+β)} =tanθ・tanβ よって、θ=arctan(D/tanβ) ・・・・・・ (1)
Now, as shown in FIG. 5b, the angle between the line perpendicular to the bisector of the apex angle and the mounting surface of the photodetector is β, and the angle between the light source and the bisector of the apex angle is θ. Putting it another way, the output from each photodetector is proportional to the projected area of the photodetector with respect to the incident direction of light.
The following equation is obtained. Output of photodetector 28a ∝cos (θ−β) Output of photodetector 28b ∝cos (θ + β) Let “D (a−b) / (a + b)” be the differential output between photodetectors 28a and 28b normalized by all outputs. , D = {cos (θ−β) −cos (θ + β)} / {cos (θ−β) + cos (θ + β)} = tan θ · tan β Therefore, θ = arctan (D / tan β). 1)

【0019】以上のようにして、2つのフォトディテク
タ28a、28bの全出力で規格化した差動出力から光
源22に対して角度検出器28がなす角度が求められる
ことになる。図5aから分かるように、例えば、水平方
向に関しては、フォトディテクタ28a、28b、28
cに対して光が入射する方向によって、フォトディテク
タ28a、28bの組み合わせ、またはフォトディテク
タ28b、28cの組み合わせのいずれかを用いて角度
を検出でき、したがって、広い範囲の入射角度を検出で
きる。また、同様に、垂直方向に関しては、フォトディ
テクタ28d、28b、28eに対して光が入射する方
向によって、フォトディテクタ28d、28bの組み合
わせ、またはフォトディテクタ28b、28eの組み合
わせのいずれかを用いて角度を検出でき、したがって、
同様に広い範囲の入射角度を検出できる。
As described above, the angle formed by the angle detector 28 with respect to the light source 22 can be obtained from the differential output standardized by the total output of the two photodetectors 28a and 28b. As can be seen from FIG. 5a, for example with respect to the horizontal direction, photodetectors 28a, 28b, 28
Depending on the direction in which the light is incident on c, the angle can be detected using either the combination of photodetectors 28a, 28b or the combination of photodetectors 28b, 28c, and thus a wide range of incident angles can be detected. Similarly, in the vertical direction, the angle can be detected using either the combination of the photodetectors 28d and 28b or the combination of the photodetectors 28b and 28e, depending on the direction in which light is incident on the photodetectors 28d, 28b and 28e. , Therefore
Similarly, a wide range of incident angles can be detected.

【0020】本発明において、光の入射角度検出に対し
て上記の2つの構成のいずれを使用するかは、この光学
式位置および姿勢検出装置をどのような用途に用いるか
によって決まるものであり、この実施例で示すように、
固定側ユニットには4分割フォトディテクタを用い、携
帯側ユニットには5面張り付け型角度検出器を用いるこ
とに限定されるものではない。
In the present invention, which of the above two configurations is used for detecting the incident angle of light depends on what purpose the optical position and attitude detecting device is used. As shown in this example,
The fixed-side unit is not limited to using the four-division photodetector, and the mobile-side unit is not limited to using the five-sided attachment type angle detector.

【0021】4分割フォトディテクタは、部品が製作し
易く、開口とフォトディテクタの間の距離を変えること
で角度検出感度の設定が容易にでき、検出範囲は狭くな
るが、感度を高めやすいといった特徴がある。一方、5
面張り付け型角度検出器では、感度を一定に保ったまま
角度の検出範囲を広くとれるといった特徴がある。結局
のところ、別の角度検出装置を含め、用途に適した角度
検出装置を選べばよく、それぞれの特徴を生かすこと
で、種々の機器への対応が可能である。
The four-division photodetector is characterized in that the parts are easy to manufacture, the angle detection sensitivity can be easily set by changing the distance between the opening and the photodetector, and the detection range is narrowed, but the sensitivity is easily increased. . Meanwhile, 5
The surface-attached angle detector is characterized in that the angle detection range can be widened while keeping the sensitivity constant. After all, it is only necessary to select an angle detection device suitable for the purpose, including another angle detection device, and it is possible to support various devices by making the best use of their respective characteristics.

【0022】(空間座標計算方法)図6は、空間座標を
説明するための図面である。図6aに示すように、最初
に、固定側ユニットの2つの光源を結ぶ線と携帯側ユニ
ットとを含む平面を考え、その平面をX’Z’平面とす
る。固定側ユニットをX’軸上に置き、角度検出器22
の位置を原点とし、2つの光源18、20がそれぞれ
(+d,0)座標位置と(−d,0)座標位置にあると
する。携帯側ユニットは(X’p,Z’p)座標位置に
あるとする。なお、ここで、”X’p”、”Z’p”
は、実際の座標(X,Y,Z)上の値ではないことに留
意すべきである。
(Spatial Coordinate Calculation Method) FIG. 6 is a diagram for explaining spatial coordinates. As shown in FIG. 6a, first, consider a plane including the line connecting the two light sources of the fixed-side unit and the portable-side unit, and let that plane be the X′Z ′ plane. The fixed side unit is placed on the X'axis, and the angle detector 22
It is assumed that the position of is the origin and the two light sources 18 and 20 are at the (+ d, 0) coordinate position and the (-d, 0) coordinate position, respectively. It is assumed that the portable unit is at the (X'p, Z'p) coordinate position. Here, "X'p" and "Z'p"
It should be noted that is not a value on the actual coordinates (X, Y, Z).

【0023】ここで、既知の値と角度検出によって求め
られている値は、図6bに示す図において、d、θ、φ
(φ:光源20と角度検出器28を結ぶ直線と光源18
と角度検出器28を結ぶ直線がなす角度、即ち、光源1
8から光の入射角と光源20らの光の入射角との差)で
あり、求めようする値は、原点より”X’p”、”Z’
p”までの距離”L”である。
Here, the known value and the value obtained by the angle detection are d, θ, φ in the diagram shown in FIG. 6b.
(Φ: a straight line connecting the light source 20 and the angle detector 28 and the light source 18
Angle formed by a straight line connecting the angle detector 28 with the angle detector 28, that is, the light source 1
8 is the difference between the incident angle of light from 8 and the incident angle of light from the light source 20, and the values to be obtained are "X'p" and "Z 'from the origin.
The distance to p "is" L ".

【0024】図6cに示すように、原点から(X’p,
Z’p)までの距離をLとし、Lによって分割されるφ
の一方をφ1、他方をφ2とし、θの補角をαとする
と、以下の関係式が成り立つ。 d・cosα+d・sinα/tanφ1=L ・・・・ (2) −d・cosα+d・sinα/tanφ2=L ・・・・ (3) (2)式より、 φ1=arctan(d・sinα/(L−d・cosα)) 同様に、(3)式より、 φ2=arctan(d・sinα/(L+d・cosα)) よって、 φ1+φ2=φ=arctan(d・sinα/(L−d・cosα)) +arctan(d・sinα/(L+d・cosα)) ・・(5) 定義から明らかなように、α=π/2−θであるから、
(5)式により、Lとφの関係が求まったことになる。
As shown in FIG. 6c, from the origin (X'p,
Z'p) is L and φ is divided by L
If one of them is φ1, the other is φ2, and the complementary angle of θ is α, the following relational expression holds. d · cos α + d · sin α / tan φ1 = L ··· (2) −d · cos α + d · sin α / tan φ2 = L ··· (3) From the equation (2), φ1 = arctan (d · sin α / (L- Similarly, from the equation (3), φ2 = arctan (d · sinα / (L + d · cosα)) Therefore, φ1 + φ2 = φ = arctan (d · sinα / (L−d · cosα)) + arctan ( d · sin α / (L + d · cos α)) (5) Since it is clear from the definition that α = π / 2−θ,
From the equation (5), the relation between L and φ is obtained.

【0025】前述のように、Lが決まれば、X’Z’平
面上の座標値(X’p,Z’p)は、X’p=L・co
sθ、Z’p=L・sinθの関係によって計算され、
携帯側ユニットのX’Z’平面上の位置が得られること
になるが、(5)式の形を見る限り、θとφからLを直
接計算するのは困難である。そこで、実際の計算では、
マイクロコンピュータで行うことを念頭におき、精度が
必要な場合には収束計算でLを求め、精度が必要でない
場合には近似計算でLを求める。
As described above, when L is determined, the coordinate value (X'p, Z'p) on the X'Z 'plane is X'p = L.co
Calculated by the relationship of sθ and Z′p = L · sinθ,
Although the position of the portable unit on the X'Z 'plane can be obtained, it is difficult to directly calculate L from θ and φ as far as the form of the expression (5) is concerned. So, in the actual calculation,
In consideration of what is done by a microcomputer, L is obtained by convergence calculation when accuracy is required, and L is obtained by approximation calculation when accuracy is not required.

【0026】(1)収束計算法 (5)式を直接利用せず、Z’軸とθの角度をなす直線
を考え(Lはこの中に含まれる)、最初に直線上の適当
な位置に任意の点(X’t,Z’t)をとる。この点と
(+d,0)、(−d,0)がつくる三角形において、
(X’t,Z’t)位置の頂角を求め、φとの比較を行
う。なお、この頂角は、以下の式で与えられる。 arctan{(d−X’t)/Z’t}+arcta
n(d+X’t)/Z’t}
(1) Convergence calculation method Without directly using the equation (5), a straight line forming an angle of θ with the Z'axis is considered (L is included in this), and first, at an appropriate position on the straight line. Take an arbitrary point (X't, Z't). In the triangle formed by this point and (+ d, 0), (-d, 0),
The apex angle at the (X't, Z't) position is obtained and compared with φ. The apex angle is given by the following equation. arctan {(d-X't) / Z't} + arcta
n (d + X't) / Z't}

【0027】比較の結果、φの方が小さければ、(X’
t,Z’t)を原点からより遠くに設定し、大きい場合
にはより近くに設定し直して同様な計算を行う。この作
業を繰り返し、予め決めた誤差範囲に入れば計算を終了
する。この時点での(X’t,Z’t)が(X’p,
Z’p)となる。なお、原点から求めた位置までの距離
としてのLは、以下の式で与えられる。 L=√(X’p2 +Z’p2 ) ・・・・・・・ (6)
As a result of the comparison, if φ is smaller, (X '
t, Z′t) is set farther from the origin, and when it is larger, it is set closer and the same calculation is performed. This operation is repeated, and if it falls within a predetermined error range, the calculation ends. (X't, Z't) at this point is (X'p,
Z'p). L as the distance from the origin to the calculated position is given by the following formula. L = √ (X'p 2 + Z'p 2 ) ... (6)

【0028】(2)近似計算法 φ1およびφ2の絶対値が小さいと仮定して、tanφ
1≒φ1、tanφ2≒φ2で近似できるとする。
(5)式から、 φ1+φ2=φ≒d・sinα/(L−d・cosα)
+d・sinα/(L+d・cosα)=2・L・d・
sinα/{L2 −(d・cosα)2 } したがって、 φ・L2 −2・d・sinα・L−φ・(d・cos
α)2 =0 したがって、 L={d・sinα±√[(d・sinα)2 +(φ・
d・cosα)2 ]}/φ ここで、φの値はある程度小さいとし、平方根内の第2
項を無視すると、 L≒(d・sinα±d・sinα)/φ −符号は無意味であるから、以下の(7)式が得られ
る。 L≒2・d・sinα/φ=2・d・cosθ/φ ・・・・ (7) 加えて,座標値としては、以下のような結果になる。 X’p=2・d・sinθ・cosθ/φ ・・・・・ (8) Z’p=2・d・(cosθ)2 /φ ・・・・・ (9)
(2) Approximate calculation method Assuming that the absolute values of φ1 and φ2 are small, tanφ
It is assumed that the approximation can be made by 1≈φ1 and tan φ2≈φ2.
From the formula (5), φ1 + φ2 = φ≈d · sin α / (L−d · cos α)
+ D · sin α / (L + d · cos α) = 2 · L · d ·
sin α / {L 2 − (d · cos α) 2 } Therefore, φ · L 2 −2 · d · sin α · L−φ · (d · cos
α) 2 = 0 Therefore, L = {d · sin α ± √ [(d · sin α) 2 + (φ ·
d · cos α) 2 ]} / φ Here, if the value of φ is small to some extent, the second
If the terms are ignored, the following expression (7) is obtained because L≈ (d · sin α ± d · sin α) / φ − sign is meaningless. L≈2 · d · sin α / φ = 2 · d · cos θ / φ (7) In addition, the following results are obtained as coordinate values. X'p = 2 · d · sin θ · cos θ / φ (8) Z′p = 2 · d · (cos θ) 2 / φ (9)

【0029】これで準備が整ったので、最終的に求めよ
うとしている、実際の座標軸上での携帯側ユニットの座
標(Xp,Yp,Zp)を導出する。ここまでに、
(6)式または(7)式から、原点から携帯側までの距
離Lが求まっていることに留意すべきである。
Now that the preparation is completed, the coordinates (Xp, Yp, Zp) of the portable unit on the actual coordinate axes to be finally obtained are derived. By this time
It should be noted that the distance L from the origin to the mobile phone side is obtained from the equation (6) or the equation (7).

【0030】図7は、本発明の光学式位置および姿勢検
出装置をX軸方向に見た側面図である。図7に示す位置
関係から容易に理解できるように、携帯側ユニット12
の座標(Xp,Yp,Zp)値は、距離Lをベクトルと
考えたときのY方向(垂直方向)の角度vによって、以
下の(10)式に示すY座標値が最初に求まる。 Yp=L・sinv ・・・・・・・・ (10) X、Z座標値Xp、ZpはベクトルLをXZ平面に投影
した場合の先端座標であることから、以下の(11)
式、(12)式で与えられる。 Xp=L・cosv・sinθ ・・・・・ (11) Zp=L・cosv・cosθ ・・・・・ (12) 以上のようにして、(10)〜(12)式によって、携
帯側ユニットの3次元空間座標を得ることができる。
FIG. 7 is a side view of the optical position / orientation detecting device of the present invention as viewed in the X-axis direction. As can be easily understood from the positional relationship shown in FIG. 7, the portable-side unit 12
As for the coordinate (Xp, Yp, Zp) value of, the Y coordinate value shown in the following equation (10) is first obtained from the angle v in the Y direction (vertical direction) when the distance L is considered as a vector. Yp = L · sinv (10) Since the X, Z coordinate values Xp, Zp are the tip coordinates when the vector L is projected on the XZ plane, the following (11)
Equation (12) is given. Xp = L · cosv · sin θ (11) Zp = L · cosv · cos θ (12) As described above, according to the equations (10) to (12), Three-dimensional space coordinates can be obtained.

【0031】(姿勢計算方法)前述の(光線入射角算出
方法)において、入射してくる光の水平、垂直方向が検
出できることを明らかにした。携帯側ユニットの角度検
出器より求めたこれらの角度は、携帯側ユニットの回転
角が0であれば、そのまま携帯側ユニットの水平、垂直
方向を表す。ただし、固定側ユニットの光源は2つある
ので、携帯側ユニットを水平方向に配置し、その中間点
を原点とすれば、各々の光源に対する水平角(H1、H
2とする)の平均値(H1+H2)/2が原点に対して
の水平角となる。垂直角に関しては、原理的に各々の光
源から求めた値は同一(V1=V2)になるはずであ
る。逆に同一でない場合には、携帯側ユニットが回転し
ていることを意味し、その差を利用して回転角を求める
ことになる。
(Posture calculation method) It was clarified that the horizontal and vertical directions of incident light can be detected in the above-mentioned (ray beam incident angle calculation method). If the rotation angle of the mobile unit is 0, these angles obtained from the angle detector of the mobile unit directly represent the horizontal and vertical directions of the mobile unit. However, since the fixed unit has two light sources, if the portable unit is arranged in the horizontal direction and the intermediate point is the origin, the horizontal angle (H1, H
The average value (H1 + H2) / 2 of 2) is the horizontal angle with respect to the origin. Regarding the vertical angle, the values obtained from each light source should be the same (V1 = V2) in principle. On the contrary, if they are not the same, it means that the portable unit is rotating, and the difference is used to obtain the rotation angle.

【0032】(1)回転角 図8は、回転角を計算する方法を説明するための図面で
ある。図8において、2つの固定側ユニットの光源1
8、20と携帯側ユニットを含む平面をXZ平面とし、
固定側ユニットの2つの光源を結ぶ線を水平方向(X軸
方向)、Y方向を垂直方向とする。また、図8上に示し
ているように携帯側ユニットに依存した局部的な座標系
(X’,Y’,Z’)をとっておく。この座標系のZ’
軸は基準の座標系のZ軸と同一とし、X’、Y’軸は携
帯側ユニットの回転に伴い、Z軸を中心に回転するもの
とする。また、携帯側ユニット内の角度検出器として、
図1に示す実施例では、5面張り付け型角度検出器を用
いているが、4分割フォトディテクタを用いていること
もできるので、以下に示す図9において、5面張り付け
型角度検出器を用いる場合について説明し、図10にお
いて、4分割フォトディテクタを用いる場合について説
明する。
(1) Rotation Angle FIG. 8 is a diagram for explaining a method of calculating the rotation angle. In FIG. 8, two fixed-side unit light sources 1
A plane including 8, 20 and the portable unit is defined as an XZ plane,
The line connecting the two light sources of the fixed unit is the horizontal direction (X-axis direction), and the Y direction is the vertical direction. Further, as shown in FIG. 8, a local coordinate system (X ', Y', Z ') depending on the portable unit is set. Z'of this coordinate system
The axis is the same as the Z axis of the reference coordinate system, and the X ′ and Y ′ axes rotate about the Z axis as the portable unit rotates. Also, as an angle detector in the mobile unit,
In the embodiment shown in FIG. 1, a five-sided attachment type angle detector is used. However, a four-divided photodetector can also be used. Therefore, in FIG. The case of using a four-division photodetector in FIG. 10 will be described.

【0033】さて、座標系に対して携帯側ユニットが回
転角を持たない場合は、角度検出器の受光パターンは図
9a、図10aに示すようであり、固定側ユニットの各
々の光源に対する入射角を求めても垂直方向に関しては
角度差は生じない。即ち、図9の5面張り付け型角度検
出器の例では、例えば2箇所の光源からの5面張り付け
型角度検出器の中央部分の受光量をそれぞれa、a’と
し、図示上その上の部分の受光量をb、b’とすると、
b/a=b’/a’となる。また図10の4分割フォト
ディテクタの例では、例えば、2つの4分割フォトディ
テクタの各部分の受光量をそれぞれ、a、b、c、dお
よびa’、b’、c’、d’とすると、(a+c)−
(b+d)=(a’+c’)−(b’+d’)である。
When the portable unit does not have a rotation angle with respect to the coordinate system, the light receiving patterns of the angle detector are as shown in FIGS. 9a and 10a, and the incident angle with respect to each light source of the fixed unit. There is no difference in angle in the vertical direction even if is calculated. That is, in the example of the five-face attachment type angle detector of FIG. 9, for example, the light receiving amounts of the central portions of the five-face attachment type angle detectors from the two light sources are set to a and a ′, respectively, and the portions above the diagram are shown. Let b and b'be the received light amounts of
b / a = b '/ a'. Further, in the example of the four-division photodetector in FIG. 10, for example, assuming that the light receiving amounts of the respective portions of the two four-division photodetectors are a, b, c, d and a ′, b ′, c ′, d ′, respectively, ( a + c)-
(B + d) = (a '+ c')-(b '+ d').

【0034】しかし、回転角を持つと、図9b、図10
bのような受光パターンとなることから、図9b、図1
0にそれぞれ示した通り、光源18に対する垂直方向の
角度と光源20に対する垂直方向の角度との間には差が
生じてくる。即ち、図9bの場合には、b/a<b’/
a’となり、図10bの場合には、(a+c)−(b+
d)>(a’+c’)−(b’+d’)となる。
However, when the angle of rotation is given, it is shown in FIGS.
Since the light receiving pattern is as shown in FIG.
As indicated by 0, there is a difference between the vertical angle with respect to the light source 18 and the vertical angle with respect to the light source 20. That is, in the case of FIG. 9b, b / a <b '/
a ′, and in the case of FIG. 10b, (a + c) − (b +
d)> (a '+ c')-(b '+ d').

【0035】なお、以下の説明は4分割フォトディテク
タに関しのみを行うが、5面張り付け型角度検出器の場
合にも同様に成り立つものである。携帯側ユニットを基
準に見方を変えると、図11に示すように、あたかも光
源間に高低差(h)が生じたものとみなすこともでき
る。この考え方を進めることで、図12に示した、1回
転360°内を4つに区切った領域において、携帯側ユ
ニットが今どの領域に入る回転角となっているのかを判
断することが可能となる。即ち、2つの光源に対してそ
れぞれ水平角、垂直角を求めた場合、検出上の水平角間
の差よりも垂直角間の差の方が大きい状況であれば、携
帯側ユニットの回転状態は図12の領域IIまたはIV
中にあることになる。さらに、領域IIまたはIVのい
ずれであるかを特定するには、光源18と光源20との
位置関係を基に判断する。即ち、固定側ユニットの光源
18、20を順に点灯し、携帯側ユニットでそれぞれの
入射角を求めるのであるが、光源18に対する垂直角V
1が光源20に対しての垂直角V2より大きいと、携帯
側ユニットを基準として見た光源の位置関係は、図11
のように、光源18の方が上にきていることを意味す
る。従って、この場合は、携帯側ユニットは領域II内
の回転状態に置かれていると判断できる。このように各
角度間の大小関係等の判定を行うことで、携帯側ユニッ
トの回転状況がどの領域に属しているかを特定すること
が可能である。
The following description will be made only with respect to the four-division photodetector, but the same applies to the case of the five-face-attached type angle detector. If the viewpoint is changed based on the portable unit, it can be considered as if a height difference (h) has occurred between the light sources, as shown in FIG. By advancing this way of thinking, it is possible to judge which region the rotation angle of the mobile unit is currently in, in the region shown in FIG. Become. That is, when the horizontal angle and the vertical angle are calculated for the two light sources, and the difference between the vertical angles is larger than the difference between the detected horizontal angles, the rotation state of the portable unit is as shown in FIG. Region II or IV of
Will be inside. Further, in order to specify which one of the regions II or IV, the determination is made based on the positional relationship between the light source 18 and the light source 20. That is, the light sources 18 and 20 of the fixed-side unit are sequentially turned on, and the incident angles of each of them are obtained by the portable-side unit.
When 1 is larger than the vertical angle V2 with respect to the light source 20, the positional relationship of the light sources viewed from the portable unit is as shown in FIG.
, Means that the light source 18 is coming up. Therefore, in this case, it can be determined that the portable unit is placed in the rotating state within the area II. By determining the magnitude relationship between the angles in this manner, it is possible to specify to which region the rotation status of the portable unit belongs.

【0036】次に、段階として、特定された各領域の中
において、回転角度は一体何度なのかを求めることにな
る。それにはまず、領域が分かったことで、それに合わ
せて水平、垂直角を定義しなおす必要がある。例えば、
領域II内に携帯側ユニットの回転状態があるとする
と、基準の座標系と携帯側ユニットに属した座標系とで
は、90°前後の回転ずれが存在することになり、4分
割フォトディテクタの差分でとる水平、垂直の意味は、
基準の座標系においては、垂直、水平方向と、逆の意味
合いとなることが起きる。このように領域によって、水
平、垂直方向のつじつまを合わせておかなければならな
い。
Next, as a step, the number of rotation angles in each specified region is calculated. To do this, we first need to redefine the horizontal and vertical angles to match the knowledge of the region. For example,
If there is a rotation state of the mobile unit in the area II, there will be a rotation shift of about 90 ° between the reference coordinate system and the coordinate system belonging to the mobile unit, and the difference between the four-division photo detectors will result. The meaning of horizontal and vertical is
In the reference coordinate system, the opposite meanings occur in the vertical and horizontal directions. In this way, the horizontal and vertical directions must be adjusted according to the area.

【0037】さて、領域により定義し直した各角度(H
1、V1、H2、V2)をもとに以下の式で±45°内
の回転角度”rot”が求まる。 rot=arctan{(V1−V2)/(H1−H2)} ・・ (13) この式の意味は、「(H1−H2)が回転の方向を表す
ベクトルの水平成分、(V1−V2)が垂直成分となる
ことで、そのベクトルの水平方向からの傾きを計算し、
回転位置を得る」といったことである。
Now, each angle (H
1, V1, H2, V2), the rotation angle "rot" within ± 45 ° can be obtained by the following formula. rot = arctan {(V1-V2) / (H1-H2)} (13) The meaning of this equation is that "(H1-H2) is the horizontal component of the vector representing the direction of rotation, and (V1-V2) is By becoming a vertical component, calculate the inclination of the vector from the horizontal direction,
Get the rotational position. "

【0038】以上のように、特定された領域中の回転角
度が決まったことで、結局、携帯側ユニットの回転が3
60°内のどの角度にあるのかが計算できたことにな
る。
As described above, since the rotation angle in the specified area is determined, the rotation of the portable side unit is eventually 3 times.
This means that it is possible to calculate which angle is within 60 °.

【0039】図13は、各領域の決定と領域決定後の回
転角算出を行う動作のフローチャートである。各領域の
決定と領域決定後の回転角算出は以下のように行われ
る。最初、回転角を0とし、2つの光源からの水平入射
角、垂直入射角をそれぞれ求める。そして、求めた水平
入射角および垂直入射角をそれぞれH1、H2、V1、
V2とするとき、水平入射角の差CH(=H1−H2)
と垂直入射角の差CV(=V1−V2)を求める(ステ
ップS1)。
FIG. 13 is a flowchart of the operation of determining each area and calculating the rotation angle after the area is determined. The determination of each area and the rotation angle calculation after the area determination are performed as follows. First, the rotation angle is set to 0, and the horizontal incident angle and the vertical incident angle from the two light sources are obtained. Then, the obtained horizontal incident angle and vertical incident angle are respectively H1, H2, V1,
When V2, the horizontal incident angle difference CH (= H1-H2)
And a vertical incident angle difference CV (= V1-V2) is obtained (step S1).

【0040】次に、CVがCHの絶対値より大きいか否
かを判定し(ステップS2)、大きい場合には、回転角
は領域IIにあり、水平、垂直角の再計算を行う(ステ
ップS3)。ステップS2で、CVがCHの絶対値より
小さいと判断されると、−CVがCHの絶対値より大き
いか否かを判定し(ステップS4)、大きい場合には、
回転角は領域IVにあり、水平、垂直角の再計算を行う
(ステップS5)。ステップS4で、−CVがCHの絶
対値より小さいと判断されると、CHが零より小さいか
否かが判定され(ステップS6)、小さい場合、回転角
は領域IIIにあり水平、垂直角の再計算を行う(ステ
ップS7)。ステップS6で、CHが零より大きいと判
断されると、回転角は領域1にある。ステップS3、
5、7の後、およびステップS6で否と判定された後
は、回転角の算出を行う(ステップS8)。
Next, it is determined whether or not CV is larger than the absolute value of CH (step S2). If it is larger, the rotation angle is in the area II, and the horizontal and vertical angles are recalculated (step S3). ). When it is determined in step S2 that CV is smaller than the absolute value of CH, it is determined whether -CV is larger than the absolute value of CH (step S4).
The rotation angle is in the area IV, and the horizontal and vertical angles are recalculated (step S5). When it is determined in step S4 that -CV is smaller than the absolute value of CH, it is determined whether CH is smaller than zero (step S6). If smaller, the rotation angle is in the region III and the rotation angle is in the horizontal or vertical direction. Recalculation is performed (step S7). When it is determined in step S6 that CH is greater than zero, the rotation angle is in the region 1. Step S3,
After 5 and 7, and after it is determined to be no in step S6, the rotation angle is calculated (step S8).

【0041】(2)水平方位角、垂直方位角 (1)の回転角の計算で扱ってきた「水平角」、「垂直
角」は、基本的には、携帯側ユニット上の座標系におけ
る角度であったため、本来の姿勢を表現する目的を実現
するために、基準座標系から見た「水平角」、「垂直
角」の数字に変換しなければならない。携帯側ユニット
の基準系に対する回転角「rot」が(13)式より求
まっているので、図14aから図14bへのように、Z
軸を中心とした座標の回転変換を行う。具体的には、図
14cに示すように、携帯側ユニットの座標系における
「水平角」、「垂直角」を表す単位方向ベクトル成分を
基準座標系から見た成分で表現し直す。
(2) Horizontal azimuth angle, vertical azimuth angle The "horizontal angle" and "vertical angle" treated in the calculation of the rotation angle of (1) are basically angles in the coordinate system on the portable unit. Therefore, in order to realize the purpose of expressing the original posture, it is necessary to convert the numbers into “horizontal angle” and “vertical angle” viewed from the reference coordinate system. Since the rotation angle “rot” of the mobile unit with respect to the reference system is obtained from the equation (13), as shown in FIGS. 14a to 14b, Z
Performs rotation conversion of coordinates around the axis. Specifically, as shown in FIG. 14c, the unit direction vector components representing the “horizontal angle” and the “vertical angle” in the coordinate system of the portable unit are re-expressed by the components viewed from the reference coordinate system.

【0042】携帯側ユニットの座標系から見た、自分自
身の水平方向角度、垂直方向角度をそれぞれ「H’」、
「V’」とすると、携帯側ユニットの座標系単位ベクト
ルは[sin(H’),sin(V’),√{1─si
n(H’)2 −sin(V’)2 }で表される。Xh’
=sin(H’)、Yh’=sin(V’)と置き、
「Xh」、「Yh」を基準座標系においての対応する単
位ベクトル成分とすれば、角度「rot]の回転変換に
より、 Xh=Xh’・cos(rot)+Yh’・sin(r
ot) Yh=−Xh’・sin(rot)+Yh’・cos
(rot) となる。
When viewed from the coordinate system of the portable unit, the horizontal angle and vertical angle of the unit are respectively “H ′”,
If “V ′”, the coordinate system unit vector of the mobile unit is [sin (H ′), sin (V ′), √ {1−si
n (H ′) 2 −sin (V ′) 2 }. Xh '
= Sin (H '), Yh' = sin (V '),
Assuming that “Xh” and “Yh” are the corresponding unit vector components in the reference coordinate system, Xh = Xh ′ · cos (rot) + Yh ′ · sin (r
ot) Yh = -Xh'.sin (rot) + Yh'.cos
(Rot).

【0043】よって、基準系からみた水平方向角度、垂
直方向角度をH、Vで表せば、Xh=sin(H)、Y
h=sin(V)の関係から、以下の式が得られる。 H=arcsin(Xh) ・・・・ (13) V=arcsin(Yh) ・・・・ (14) 以上により、携帯側ユニットの水平、垂直方向の向きが
求められる。
Therefore, if the horizontal angle and the vertical angle viewed from the reference system are represented by H and V, then Xh = sin (H), Y
The following equation is obtained from the relationship of h = sin (V). H = arcsin (Xh) ··· (13) V = arcsin (Yh) ··· (14) From the above, the horizontal and vertical directions of the portable unit can be obtained.

【0044】(3次元位置座標および姿勢の算出手順)
本発明の光学式位置および姿勢検出装置の動作全体を容
易に理解し易いように、今まで逐次説明してきた3次元
の位置座標および姿勢の算出方法を要約すると以下の通
りである。 〔I〕各光源の点灯と光の入射角の検出 (a) 動作:固定側ユニットの一方の光源18の点灯と角度検
出 内容:携帯側ユニットの角度検出器28で固定側ユニッ
トの光源18からの光の入射角を水平、垂直方向につい
て検出する。 検出値:H’1、V’1 (b) 動作:固定側ユニットの他方の光源20の点灯と角度検
出 内容:携帯側ユニットの角度検出器28で固定側ユニッ
トの光源20からの光の入射角を水平、垂直方向につい
て検出する。 検出値:H’2、V’2 (c) 動作:携帯側ユニットの光源26の点灯と角度検出 内容:固定側ユニットの角度検出器22で携帯側ユニッ
トの光源26からの光の入射角を水平、垂直方向につい
て検出 検出値:H3、V3 〔II〕座標、姿勢の計算 (a)携帯ユニットの回転角の計算 内容:H’1、V’1、H’2、V’2より、基準座標
系(固定側ユニットの座標系)に対して携帯側ユニット
の回転角を算出する。 算出値:rot (b)携帯側ユニットの固定側ユニットの各光源に対す
る水平角、垂直角の補正計算 内容:回転角(rot)分の補正をH’1、V’1、
H’2、V’2に対して行い、基準座標系における水平
角、垂直角にそれぞれを変換する。 算出値:H1、V1、H2、V2 (c)携帯側ユニットの基準座標系においての水平角、
垂直角の計算 内容:H1、V1、H2、V2の平均化によって、携帯
側ユニットの基準系における水平角、垂直角を最終決定
する。 算出値:H、V (d)携帯側ユニットの座標計算 内容:携帯側ユニットの角度検出器と固定側ユニットの
それぞれの光源の3点を頂点とする三角形に関し、補正
後のH1、H2から携帯側ユニットの位置の頂角の角度
φを算出し、その値と以前に検出ずみのH3、V3か
ら、携帯側ユニットの空間位置座標を算出する。 算出値:X、Y、Z 以上の手順により、携帯側ユニットの3次元の位置座標
(X、Y、Z)および姿勢(水平方位角H、垂直方位角
V、回転角rot)を求めることができる。
(Procedure for calculating three-dimensional position coordinates and posture)
In order to easily understand the entire operation of the optical position / orientation detecting device of the present invention, the three-dimensional position coordinate and attitude calculating method which has been sequentially described so far is summarized as follows. [I] Lighting of each light source and detection of incident angle of light (a) Operation: Lighting of one light source 18 of fixed side unit and angle detection Description: From the light source 18 of the fixed side unit by the angle detector 28 of the portable side unit The angle of incidence of the light is detected in the horizontal and vertical directions. Detected value: H'1, V'1 (b) Operation: Lighting and angle detection of the other light source 20 of the fixed side unit Content: Incident of light from the light source 20 of the fixed side unit by the angle detector 28 of the portable side unit Detects corners horizontally and vertically. Detected value: H'2, V'2 (c) Operation: Lighting of the light source 26 of the mobile unit and angle detection Details: The angle detector 22 of the fixed unit measures the incident angle of light from the light source 26 of the mobile unit. Detection in horizontal and vertical directions Detected values: H3, V3 [II] Coordinates and attitude calculation (a) Calculation of rotation angle of mobile unit Contents: From H'1, V'1, H'2, V'2, reference The rotation angle of the portable unit is calculated with respect to the coordinate system (coordinate system of the fixed unit). Calculated value: rot (b) Correction calculation of horizontal angle and vertical angle for each light source of the stationary unit of the mobile unit Contents: Correction of the rotation angle (rot) by H′1, V′1,
It is performed for H'2 and V'2, and is converted into a horizontal angle and a vertical angle in the reference coordinate system. Calculated values: H1, V1, H2, V2 (c) Horizontal angle of the portable unit in the reference coordinate system,
Calculation of vertical angle Contents: The horizontal angle and vertical angle in the reference system of the portable unit are finally determined by averaging H1, V1, H2, and V2. Calculated values: H, V (d) Coordinate calculation of the portable unit Contents: For the triangles with the three points of the light sources of the angle detector of the portable unit and the fixed unit as the vertices, carry from corrected H1 and H2 The angle φ of the apex angle of the position of the side unit is calculated, and the spatial position coordinate of the portable unit is calculated from the value and the previously detected H3 and V3. Calculated values: X, Y, Z The three-dimensional position coordinates (X, Y, Z) and attitude (horizontal azimuth H, vertical azimuth V, rotation angle rot) of the portable unit can be obtained by the above procedure. it can.

【0045】(回路構成)図15は、本発明の光学式位
置および姿勢検出装置の回路ブロック図である。図15
に示すように、携帯側ユニットは、その内部に、光源2
6を点灯させる際の中央演算処理ユニット56からの信
号をバッファー増幅するバッファアンプ34と、フォト
ディテクタ(角度検出器)28からの信号を電流−電圧
変換する電流−電圧変換アンプ30と、変換された信号
を演算する演算器32を有する。
(Circuit Configuration) FIG. 15 is a circuit block diagram of the optical position and orientation detection apparatus of the present invention. FIG.
As shown in FIG.
A buffer amplifier 34 for buffer-amplifying the signal from the central processing unit 56 when turning on 6 and a current-voltage conversion amplifier 30 for current-voltage converting the signal from the photodetector (angle detector) 28 are converted. It has a calculator 32 for calculating a signal.

【0046】固定側ユニットは、その内部に、光源1
8、20を点灯させる際の中央演算処理ユニット56か
らの信号をバッファー増幅するバッファアンプ54と、
フォトディテクタ(角度検出器)22からの信号を電流
−電圧変換する電流−電圧変換アンプ50と、変換され
た信号を演算する演算器52を有する。固定側ユニット
は、さらに、演算器32、52からの信号を切り換える
データ切り替器40と、切り替えた信号を処理する一連
の素子、バンドパスフィルタ42、ゲイン調整器44、
検波回路46、ローパスフィルタ48を有し、これらの
信号をA/D変換するA/D変換器を備えた中央演算処
理ユニット56を有する。中央演算処理ユニット56
は、今まで説明してきた位置および姿勢算出のための演
算を行う。
The fixed unit has the light source 1 inside.
A buffer amplifier 54 for buffer-amplifying a signal from the central processing unit 56 when turning on 8 and 20;
It has a current-voltage conversion amplifier 50 for converting a signal from the photodetector (angle detector) 22 into a current-voltage, and a calculator 52 for calculating the converted signal. The fixed unit further includes a data switch 40 that switches the signals from the arithmetic units 32 and 52, a series of elements that processes the switched signals, a bandpass filter 42, and a gain adjuster 44.
It has a detection circuit 46 and a low-pass filter 48, and has a central processing unit 56 having an A / D converter for A / D converting these signals. Central processing unit 56
Performs the calculation for calculating the position and orientation described so far.

【0047】[0047]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
固定側ユニットを直線的に形成できるため設置が容易に
行うことができ、かつ固定側に角度検出器を設け、位置
の被検出物である携帯側に発光器を設けることによって
入射光全体としての光強度情報を必要としない光学式位
置および姿勢検出装置が得られる。
As described above, according to the present invention,
Since the fixed side unit can be formed linearly, it can be easily installed, and by providing an angle detector on the fixed side and a light emitter on the portable side, which is the object to be detected at the position, An optical position and orientation detection device is obtained that does not require light intensity information.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】図1は、本発明の光学式位置および姿勢検出装
置を示す斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view showing an optical position and orientation detection device of the present invention.

【図2】図2は、固定側ユニットに対する携帯側ユニッ
トの位置および姿勢の検出項目を説明するための斜視図
である。
FIG. 2 is a perspective view for explaining detection items of a position and a posture of a mobile unit with respect to a fixed unit.

【図3】図3は、角度検出器として用いる4分割フォト
ディテクタを説明するための図である。
FIG. 3 is a diagram for explaining a four-division photo detector used as an angle detector.

【図4】図4は、差動出力と光線入射角度の関係を示す
グラフである。
FIG. 4 is a graph showing a relationship between a differential output and a light ray incident angle.

【図5】図5は、5面張り付け型角度検出器(二次元角
度検出器)を説明するための図である。
FIG. 5 is a diagram for explaining a five-sided attachment type angle detector (two-dimensional angle detector).

【図6】図6は、空間座標を説明するための図面であ
る。
FIG. 6 is a diagram for explaining spatial coordinates.

【図7】図7は、本発明の光学式位置および姿勢検出装
置をX軸方向に見た側面図である。
FIG. 7 is a side view of the optical position and orientation detection device of the present invention as viewed in the X-axis direction.

【図8】図8は、回転角を計算する方法を説明するため
の図面である。
FIG. 8 is a diagram for explaining a method of calculating a rotation angle.

【図9】図9は、5面張り付け型角度検出器における回
転角を計算する方法を説明するための図面である。
FIG. 9 is a diagram for explaining a method of calculating a rotation angle in a five-sided attachment type angle detector.

【図10】図10は、4分割フォトディテクタにおける
回転角を計算する方法を説明するための図面である。
FIG. 10 is a diagram for explaining a method of calculating a rotation angle in a 4-division photo detector.

【図11】図11は、回転角を計算する方法を説明する
ための図面である。
FIG. 11 is a diagram for explaining a method of calculating a rotation angle.

【図12】図12は、回転角を計算する方法を説明する
ための図面である。
FIG. 12 is a diagram for explaining a method of calculating a rotation angle.

【図13】図13は、回転角を計算における動作のフロ
ーチャートである。
FIG. 13 is a flowchart of an operation in calculating a rotation angle.

【図14】図14は、座標軸変換を説明するための図で
ある。
FIG. 14 is a diagram for explaining coordinate axis conversion.

【図15】図15は、本発明の光学式位置および姿勢検
出装置の回路ブロック図である。
FIG. 15 is a circuit block diagram of the optical position and attitude detection device of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 固定側ユニット 12 携帯側ユニット 18 光源 20 光源 22 フォトディテクタ(角度検出器) 26 光源 28 フォトディテクタ(角度検出器) 10 Fixed-side unit 12 Portable-side unit 18 Light source 20 Light source 22 Photodetector (angle detector) 26 Light source 28 Photodetector (angle detector)

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 位置および姿勢が入力すべき機器に対し
て配置された固定側ユニットと該固体側ユニットに対し
て可動な携帯側ユニットから成る光学式位置および姿勢
検出装置において、前記固体側ユニットは、所定の距離
に配置されて交互に切り換えて発光される2つの光源
と、前記携帯側ユニットの光源からの光の入射角を検出
する角度検出器とを有し、前記携帯側ユニットは、1つ
の光源と、前記固体側ユニットの2つの光源からの光の
入射角を検出する角度検出器とを有し、前記2つの角度
検出器から得られた情報に基づいて位置および姿勢を算
出することを特徴とする光学式位置および姿勢検出装
置。
1. An optical position / orientation detecting device comprising a fixed-side unit arranged for a device whose position and orientation should be input and a portable-side unit movable relative to the solid-side unit, wherein the solid-side unit Has two light sources arranged at a predetermined distance and alternately switched to emit light, and an angle detector for detecting an incident angle of light from the light source of the portable unit, and the portable unit includes: It has one light source and an angle detector that detects the incident angle of light from the two light sources of the solid-state unit, and calculates the position and orientation based on the information obtained from the two angle detectors. An optical position and attitude detection device characterized by the above.
【請求項2】 請求項1記載の光学式位置および姿勢検
出装置において、前記光源の各々は、1つの単独の発光
素子または複数の発光素子のアレイから成ることを特徴
とする光学式位置および姿勢検出装置。
2. The optical position and attitude detection apparatus according to claim 1, wherein each of the light sources is composed of a single light emitting element or an array of a plurality of light emitting elements. Detection device.
【請求項3】 請求項1記載の光学式位置および姿勢検
出装置において、前記角度検出器は2次元角度検出器か
ら成ることを特徴とする光学式位置および姿勢検出装
置。
3. The optical position / orientation detecting device according to claim 1, wherein the angle detector comprises a two-dimensional angle detector.
【請求項4】 請求項3記載の光学式位置および姿勢検
出装置において、前記2次元角度検出器は、光源からの
光の水平入射角および垂直入射角を検出することを特徴
とする光学式位置および姿勢検出装置。
4. The optical position and attitude detection device according to claim 3, wherein the two-dimensional angle detector detects a horizontal incident angle and a vertical incident angle of light from a light source. And attitude detection device.
【請求項5】 請求項4記載の光学式位置および姿勢検
出装置において、前記固定側ユニットの角度検出器は、
上下左右に4つの単独に光を検出する部分を持ちかつ光
の入射を制限する開口が前方に配置された4分割フォト
ディテクタであり、前記携帯側ユニットの角度検出器
は、4角錐台形の5つの面にフォトディテクタを配置し
た5面張り付け型角度検出器であることを特徴とする光
学式位置および姿勢検出装置。
5. The optical position / orientation detection device according to claim 4, wherein the angle detector of the fixed-side unit comprises:
A four-divided photodetector having four independent light detecting parts on the upper, lower, left and right sides, and an opening for restricting the incidence of light is arranged in the front, and the angle detector of the portable unit has five four-sided pyramid trapezoids. An optical position / orientation detecting device, which is a five-faced type angle detector having a photodetector on its surface.
【請求項6】 請求項1乃至4のいずれか1つに記載の
光学式位置および姿勢検出装置において、位置および姿
勢として3次元の位置(空間座標)および姿勢(水平方
位角、垂直方位角、回転)が検出されることを特徴とす
る光学式位置および姿勢検出装置。
6. The optical position and orientation detection device according to claim 1, wherein the position and orientation are three-dimensional positions (spatial coordinates) and orientations (horizontal azimuth angle, vertical azimuth angle, Rotation) is detected, and an optical position and attitude detection device.
【請求項7】 位置および姿勢が入力すべき機器に対し
て配置された固定側ユニットと該固体側ユニットに対し
て可動な携帯側ユニットから成る光学式位置および姿勢
検出装置において、前記固体側ユニットは、所定の距離
に配置されて交互に切り換えて発光される2つの光源
と、前記携帯側ユニットの光源からの光の入射角を検出
する角度検出器とを有し、前記携帯側ユニットは、1つ
の光源と、前記固体側ユニットの2つの光源からの光の
入射角を検出する角度検出器とを有し、前記固定側ユニ
ットの角度検出器は、前記携帯側ユニットの光源からの
光の水平角および垂直角を検出し、前記携帯側ユニット
の角度検出器は、前記固定側ユニットの2つの光源の各
々からの光の水平角および垂直角を検出し、前記角度検
出器で検出した水平角および垂直角に基づいて3次元の
位置および姿勢を算出することを特徴とする光学式位置
および姿勢検出装置。
7. An optical position / orientation detecting device comprising a fixed-side unit arranged for a device whose position and orientation should be input and a portable-side unit movable with respect to the solid-side unit, wherein the solid-side unit. Has two light sources arranged at a predetermined distance and alternately switched to emit light, and an angle detector for detecting an incident angle of light from the light source of the portable unit, and the portable unit includes: The light source includes one light source and an angle detector that detects an incident angle of light from the two light sources of the solid-side unit, and the angle detector of the fixed-side unit detects the light from the light source of the portable-side unit. The horizontal angle and the vertical angle are detected, and the angle detector of the portable side unit detects the horizontal angle and the vertical angle of light from each of the two light sources of the fixed side unit, and the horizontal angle detected by the angle detector is detected. Horn An optical position / orientation detection device, which calculates a three-dimensional position and orientation based on the vertical angle.
【請求項8】 請求項7記載の光学式位置および姿勢検
出装置において、携帯側ユニットの座標系を固定側ユニ
ットの座標系に変換する手段をさらに有することを特徴
とする光学式位置および姿勢検出装置。
8. The optical position and orientation detection device according to claim 7, further comprising means for converting the coordinate system of the portable unit into the coordinate system of the fixed unit. apparatus.
【請求項9】 請求項7記載の光学式位置および姿勢検
出装置において、前記固定側ユニットに対する前記携帯
側ユニットの回転を領域に分けて判断する手段をさらに
有することを特徴とする光学式位置および姿勢検出装
置。
9. The optical position and orientation detection device according to claim 7, further comprising means for determining the rotation of the portable unit with respect to the fixed unit in regions. Attitude detection device.
JP21803594A 1994-08-19 1994-08-19 Optical position and attitude detection device Expired - Fee Related JP2733743B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP21803594A JP2733743B2 (en) 1994-08-19 1994-08-19 Optical position and attitude detection device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP21803594A JP2733743B2 (en) 1994-08-19 1994-08-19 Optical position and attitude detection device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH0861916A true JPH0861916A (en) 1996-03-08
JP2733743B2 JP2733743B2 (en) 1998-03-30

Family

ID=16713627

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP21803594A Expired - Fee Related JP2733743B2 (en) 1994-08-19 1994-08-19 Optical position and attitude detection device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2733743B2 (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007225365A (en) * 2006-02-22 2007-09-06 Fujitsu Ltd Attitude angle detection method and detector
JP2009115778A (en) * 2007-11-07 2009-05-28 Lite-On Semiconductor Corp Three-dimensional space multi-degree-of-freedom detecting equipment and detecting method thereof
JP2009115777A (en) * 2007-11-07 2009-05-28 Lite-On Semiconductor Corp Three-dimensional space position detecting equipment and detecting method thereof
WO2011102165A1 (en) * 2010-02-19 2011-08-25 三菱重工業株式会社 Crane sway sensor and crane
JP2011232190A (en) * 2010-04-28 2011-11-17 Seiko Epson Corp Equipment with position detecting function

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007225365A (en) * 2006-02-22 2007-09-06 Fujitsu Ltd Attitude angle detection method and detector
JP2009115778A (en) * 2007-11-07 2009-05-28 Lite-On Semiconductor Corp Three-dimensional space multi-degree-of-freedom detecting equipment and detecting method thereof
JP2009115777A (en) * 2007-11-07 2009-05-28 Lite-On Semiconductor Corp Three-dimensional space position detecting equipment and detecting method thereof
WO2011102165A1 (en) * 2010-02-19 2011-08-25 三菱重工業株式会社 Crane sway sensor and crane
JP2011232190A (en) * 2010-04-28 2011-11-17 Seiko Epson Corp Equipment with position detecting function

Also Published As

Publication number Publication date
JP2733743B2 (en) 1998-03-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5510893A (en) Optical-type position and posture detecting device
US5059789A (en) Optical position and orientation sensor
EP1211484B1 (en) Deviation detection device, rotary laser apparatus with the same, and position determining system with deviation detecting/correcting device
US5393970A (en) Optical location tracking devices
US5705804A (en) Quadrant light detector
US6417839B1 (en) System for position and orientation determination of a point in space using scanning laser beams
US6081257A (en) Control stick rotatably positionable in three axes
JPH02236108A (en) Solar sensor
US4633256A (en) Method and apparatus for four-beam radar
JPH02504315A (en) Device for determining the relative position of the reference axis of an object with respect to reference light, especially laser light
CN109379586A (en) The tilt angle test method and device of camera module
US20100208245A1 (en) Apparatus and method for a light direction sensor
EP0596982B1 (en) System for determining the direction of incident optical radiation
JPH0861916A (en) Optical position and posture detection device
JPH05240940A (en) Optical measuring system
JP3227849B2 (en) Position detection device
CN105628007B (en) A kind of sextuple high-precision rapid alignment based on zone plate, measuring system
JP2621108B2 (en) Non-contact positioning device for plate
JPH07332954A (en) Method and apparatus for measuring displacement and inclination
Kotus et al. Localization of sound sources with dual acoustic vector sensor
JPH0648194B2 (en) Inclination detector
JPH09329417A (en) Light projector-receiver inter-calibration method for three-dimensional measurement
JP2689266B2 (en) Three-dimensional position measuring device
RU2610135C2 (en) Method for synthesis of fixed relative direction-finding characteristic of static amplitude sensor of faceted type of remote radiant flux source and device therefor
JPH01203907A (en) Three-dimensional position and attitude measuring method

Legal Events

Date Code Title Description
LAPS Cancellation because of no payment of annual fees