JPH10253361A

JPH10253361A - 信号処理方法及び三次元データ入力装置

Info

Publication number: JPH10253361A
Application number: JP9052108A
Authority: JP
Inventors: Koichi Watanabe; 浩一渡辺; Tomohito Takahata; 智史高畠; Masaaki Ando; 雅明安藤; Michiyasu Tano; 通保田野; Tsutomu Miyasaka; 力宮坂
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd; Data Tec Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd; Data Tec Co Ltd
Priority date: 1997-03-06
Filing date: 1997-03-06
Publication date: 1998-09-25

Abstract

(57)【要約】【課題】振動型ジャイロ等の安価なジャイロセンサを
用いても安定的で精度の良い回転角検出が行える様にし
て、微少角度に対する応答性を高くする。【解決手段】予め定められた軸線回りの角速度が発生
したときにそれを検出して角速度信号に変換するジャイ
ロセンサ４からの出力信号である角速度信号を処理する
際、閾値記憶部９１に予め複数の閾値を格納しておき、
信号比較部９２において角速度信号の絶対値と複数の閾
値との大小関係を判定し、その判定結果に応じて、信号
算出部９３から角速度信号の値と等しいかそれ未満の値
を出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば慣性体の一
次元または多次元的な変位度合いによってコンピュータ
上の仮想三次元画面上の任意の点を決定する三次元デー
タ入力装置に関し、より詳しくは、慣性体の変位度合
い、例えば加速度や角速度を変位検出センサで計測し、
その計測値を多段階に設定された不感帯処理をすること
で、変位検出センサに含まれるノイズを効率よく除去し
積分し、精度の良い変位量検出を実現することを可能に
する技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、バーチャルリアリティ（仮想現実
＝ＶＲ）機器やコンピュータ用のポインティングデバイ
スとして、ジャイロセンサのような回転角センサを用い
る試みがなされている。

【０００３】公知のように、ＶＲの分野では、頭部装着
型ディスプレー（ＨＭＤ）に変位検出センサを付設し、
頭部の姿勢角に応じた映像を提供することで、仮想現実
の世界を経験できるようにする種々の技術が開発されて
いる。このような装置における、ある軸線回りの変位度
合いの計測には、従来磁気センサや地磁気センサが用い
られてきた。しかし、利用範囲が限定される、コストが
高い、外部環境の影響を受けやすい等の欠点があること
から、近年、このような欠点のないジャイロセンサを利
用する例が増えてきている。

【０００４】また、最近はコンピュータ用のポインティ
ングデバイスとして、ジャイロセンサを２個ないし３個
搭載し、デバイスの姿勢変位によってパーソナルコンピ
ュータに附属される表示装置の画面の視点を変えたり、
あるいはカーソルの位置を変えたりする技術も提案され
てきている。

【０００５】ジャイロセンサを利用してある軸線回りの
変位、例えば回転角検出を行う場合は、センサ出力信号
を積分することで回転角に比例する値が得られる。しか
し、この場合、積分の基準となるセンサの０出力値（オ
フセット）がドリフトして、積分時に回転角の値に誤差
が累積する。この誤差は、時間の経過に比例して大きく
なるため、ジャイロセンサから回転角を求める際の大き
な障害となってきた。

【０００６】その様子を図７に示す。図７（ａ）は、ジ
ャイロセンサからの出力信号を縦軸に、時間を横軸にと
って示した図、図７（ｂ）は、図７（ａ）で示した出力
信号の積分値を縦軸に、時間を横軸にとって示した図で
ある。図７（ａ）に示すように、ジャイロセンサからの
出力信号は、本来の角速度検出信号に、図中Ｄで示すオ
フセットドリフト（ＤＣ成分）が重畳された信号であ
り、従って、図７（ａ）に示す信号をそのまま積分する
と、図７（ｂ）に示すように、オフセットドリフトに起
因する誤差（図中網掛け部分で示す）が時間の経過に比
例して大きくなり、回転角の値に累積誤差が生じてしま
う。この対策としては、より高精度のジャイロセンサを
用いることが考えられる。

【０００７】また、信号処理により解決する方法として
不感帯処理という手法が提案されている（特公平４−７
６６１１号公報参照）。これは、センサ信号が積分の基
準値から一定の範囲内（以下、不感帯と称する）にある
ときに積分処理を停止し、センサ信号がこの範囲を越え
た期間に、一定幅を加えた期間のみ、積分処理を実行す
るというものである。この手法により、オフセットのド
リフトがこの範囲内にある場合には、効果的にドリフト
が除去され、安定的な回転角出力を得ることが可能とな
る。

【０００８】この様子を示したのが図８である。図８
（ａ）は図７（ａ）と同様の図であるが、オフセットド
リフトＤがその範囲内にあるような不感帯Ｓが設定され
ている。この不感帯Ｓを設定することにより、図８
（ｂ）に示すようにオフセットドリフトを効果的に除去
することができ、安定的な回転角出力を得ることが可能
になる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ポインティングデバイ
スやＶＲ等の応用で高精度ジャイロを用いようとする
と、そのようなジャイロは高価であり、しかもサイズも
大きいことから、それらの目的には不向きである。振動
型ジャイロのように、小型・低価格なジャイロで回転角
検出を実現することが望まれる。

【００１０】一般に振動ジャイロのような安価なセンサ
ではセンサ出力信号に含まれるドリフトノイズ等の影響
が大きいため、一定幅の不感帯を設けてドリフト成分を
除去する等のノイズ除去処理が必要になる。このような
不感帯処理の場合、安定した角度を得るためには、閾値
の大きさをセンサ信号のランダムノイズに対して充分大
きな値に設定する必要がある。しかし、閾値を大きめに
設定すると、角速度が低速の場合にセンサ信号が閾値以
下になってしまい、実際には回転しているのに、角速度
は０レベルになる場合がある。このため低速の運動が検
出されにくいという問題が生じる。このような問題は、
振動ジャイロのような角速度計のほか、他の種類の変位
検出センサ、例えば加速度計を用いる場合にも同様に生
じる。

【００１１】そこで本発明の課題は、例えば角速度計や
加速度計のような変位検出センサによって変位度合いを
求める場合に、閾値の値をできるだけ小さくして低速回
転時の感度を高め、安定的で精度の良い変位度合いの検
出が行えるようにして、応答性の高い、改良された信号
処理方法を提供することにある。本発明の他の課題は、
上記信号処理方法を採用した三次元データ検出装置を提
供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、予め定められ
た軸線回りの変位度合いを検出する変位検出センサより
取得した所定の変位信号の信号処理方法に適用される。
そして、上記課題は、予め前記変位信号との大小関係を
比較するための複数の閾値を設定しておき、前記変位検
出センサより得られた変位信号と前記複数の閾値とをそ
れぞれ比較して当該変位信号のレベル値以下となるレベ
ル値をもつ信号を生成する過程を含むことにより解決さ
れる。

【００１３】変位検出センサの一例として、ジャイロセ
ンサ等の角速度計からの角速度信号（ω_in）を信号処理
部に入力するとする。ここでは正負２対以上の閾値を設
け、大小関係の隣接する閾値の区間毎に角速度信号（ω
_in）と出力信号（ω_out）間の関係を定義する。その
際、全ての区間内では下記数１式となるように定義す
る。

【数１】

【００１４】例えば、ω_inの絶対値が０に最も近い正負
一対の閾値間に角速度信号の値がある場合においては、
ω_inの値にかかわらずω_out＝０とする。すなわち、こ
の区間では角速度計からの入力信号をノイズ信号と判断
してキャンセルする。また、絶対値が最も大きい正負一
対の閾値よりも角速度信号の値が大きい場合には、角速
度計からの入力値と同じ値を出力する（ω_out＝
ω_in）。すなわち、この区間では入力信号か十分に大き
いため、入力信号はすべて角速度信号であると判断して
いる。それ以外の区間では、０＜ω_out＜ω_inとなるよ
うに出力信号を適当に設定する。すなわち、この区間で
は、入力信号中には、ノイズ成分に微妙な角速度信号が
印加されていると考え、このノイズ分だけ少なくなるよ
うに出力信号（ω_out）を決定する。信号処理部からの
出力信号（ω_out）は積分され、回転角信号に変換され
る。

【００１５】また、本発明は、予め定められた軸線回り
の変位度合いを検出して所定の変位信号に変換する変位
検出センサと、この変位検出センサにより変換された前
記変位信号を処理する信号処理手段と、この信号処理手
段からの出力信号に基づいて前記軸線回りの変位度合い
を算出する変位度合い算出手段とを備えた三次元データ
入力装置に適用される。

【００１６】そして、上記他の課題は、前記信号処理手
段が、複数の閾値が記憶された閾値記憶手段と、この閾
値記憶手段に記憶された複数の閾値のそれぞれと前記変
位信号との大小関係を判定する信号比較手段と、この信
号比較手段の判定結果に応じて、前記変位信号を変数と
する予め定められた複数の関係式に基づいて出力信号の
レベル値を算出する信号レベル値算出手段とを備えるこ
とにより解決される。

【００１７】本発明の好ましい実施態様の一つとして
は、前記信号レベル値算出手段は、前記変位信号のレベ
ル値以下のレベル値の信号を出力するようなものが挙げ
られる。より詳細には、前記変位信号が前記閾値のうち
最小の閾値よりも小さい場合に出力信号のレベル値を所
定値に設定するように構成され、また、前記変位信号の
レベル値が前記最小の閾値以上で、且つ次に小さい閾値
より小さい場合は、前記変位信号から該次に小さい閾値
を減じたレベル値の信号を出力するように構成されるよ
うにする。さらには、前記変位信号が前記閾値のうち最
大の閾値以上である場合は、前記変位信号をそのまま出
力信号とするように構成されるようにする。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形
態である三次元データ入力装置が適用されるポインティ
ングデバイスのハードウェア構成を示すブロック図であ
る。この例では、変位検出センサとして角速度計を用
い、変位信号を角速度信号とした場合の例を示す。但
し、変位信号の意味を角速度信号に限定する趣旨ではな
く、例えば加速度計により得られた加速度信号にも同様
に適用できることはいうまでもない。この実施形態のポ
インティングデバイス１は、操作部である慣性体（図示
略）の角速度を検出する検出部２と、検出部２からの角
速度信号に基づいて角度を算出する信号処理部３とから
構成される。

【００１９】検出部２には、角速度計として機能する１
個ないしは複数個のジャイロセンサ４が装着されてい
る。図示の例ではジャイロセンサ４が２個設けられてお
り、それぞれロール角、ピッチ角を測定する。ジャイロ
センサ４には安価な振動ジャイロが用いられることが好
ましい。ジャイロセンサ４の出力は、アンプ５により必
要に応じて適当な増幅率でアナログ増幅された後に信号
処理部３に入力される。

【００２０】信号処理部３では、角速度信号をＡ／Ｄ変
換部６に入力されディジタル信号に変換する。ディジタ
ル信号に変換された角速度信号は、ついでオフセット補
正部７に入力される。

【００２１】オフセット補正部７では、入力された角速
度信号（ω_in）を、オフセット補正により、回転方向も
含めて角速度に比例した正／負の補正角速度信号（ω’
_in＝ω_in−ω_off）に変換する。オフセット値（ω_off）
は、初期状態で決定した値を用いる方法と、ローパスフ
ィルタ等の出力で常にオフセット値を更新する方法とが
ある。後者の場合、ローパスフィルタのカットオフ周波
数は角速度信号の帯域より低く設定される。

【００２２】複数のジャイロセンサが装着されている場
合には、複数の補正角速度信号（ω’_in）が座標変換部
８に入力される。座標変換部８では、それぞれの補正角
速度信号からロール、ピッチ、ヨーの方向の角速度成分
を求める。

【００２３】これらの角速度成分には、本来の角速度信
号の他にもランダムノイズやドリフトノイズが含まれ
る。特にドリフトノイズは低周波でゆっくりと動くた
め、積分すると誤差が累積してしまう。これを除去する
ため、多段階不感帯処理部９において多段階の不感帯処
理を行う。不感帯処理部９では、補正角速度信号（ω’
_in）の値に応じて以下のような手順で出力信号（ω’
_out）を生成する。

【００２４】信号比較手段として機能する不感帯処理部
９の信号比較部９２は、閾値記憶手段として機能する閾
値記憶部９１に予め格納されている複数の閾値と補正角
速度信号（ω’_in）の値とを比較し、その大小関係を判
定する。信号算出手段として機能する信号算出部９３
は、信号比較部９２の判定結果に基づいて、出力信号
（ω’_out）を算出する。

【００２５】信号算出部９３による出力信号の算出手順
について、以下に具体例として、２段階不感帯処理を例
にして説明する。図２に２段階不感帯処理における入出
力関係の一例を示す。この場合、閾値としては、４つの
値（ＴＨ₁、ＴＨ₂、ＴＨ₃、ＴＨ₄；ＴＨ₁＜ＴＨ₂＜０＜
ＴＨ₃、ＴＨ₄）を用いる。ＴＨ₂＜ω’_in＜ＴＨ₃で規定
される区間内（区間III）、すなわち補正角速度信号が
０に非常に近い場合、その入力は、ランダムノイズ成分
やドリフトノイズ成分であるとみなされ、ω’_out＝０
（初期値）にセットされる。ＴＨ₁＜ω’_in＜ＴＨ₂（区
間II）またはＴＨ₃＜ω’_in＜ＴＨ₄（区間IV）で規定
されている区間に関しては、補正角速度信号にはノイズ
成分に微少な角速度信号成分が印加されていると判断
し、入力された補正角速度信号（ω’in）より小さい値
が出力される。ω’_in ＞ＴＨ₄（区間Ｖ）またはω’_in
＜ＴＨ₁（区間Ｉ）では、十分に大きな角速度信号が印
加されているとして、入力された補正角速度をそのまま
出力する。すなわちω’out＝ω’inとする。具体的な
数式で表現すると、例えば数２式で表すことができる。

【数２】区間II、IVでは、直線でなく曲線で近似しても良い。こ
の場合は、数３式で表すことができる。

【数３】

【００２６】このような不感帯処理によれば、全区間に
渡って連続な入出力関係が得られる。この様子を示した
のが図３である。不感帯処理部９により信号処理がなさ
れた角速度信号（ω’_out）は、回転角算出手段として
機能する積分部１０に送られ、回転角信号に変換され
る。

【００２７】以上説明した信号処理部３のうち、オフセ
ット処理部７、座標変換部８、多段階不感帯処理部９及
び積分部１０は、まとめて単一のコンピュータで実現す
ることができる。これらオフセット処理部７等を単一の
コンピュータで実現した場合のフローチャートを図４に
示す。なお、図４のフローチャートでは、説明の簡略化
のためにＴＨ₁＝−ＴＨ₄、ＴＨ₂＝−ＴＨ₃としている。

【００２８】図４を参照すると、まず、ステップＳ１で
は、オフセット補正部７が、Ａ／Ｄ変換部６からのデジ
タル信号に基づいてオフセット値（ω_off）を決定す
る。ステップＳ２では、オフセット補正部７がＡ／Ｄ変
換部６から入力角速度信号を示すデジタル信号（ω_in）
を取り込む。ステップＳ３では、オフセット補正部７が
入力角速度信号（ω_in）からオフセット値（ω_off）を
減算することで、補正角速度信号（ω’_in）を得る。

【００２９】次いでステップＳ４では、多段階不感帯処
理部９の信号比較部９２が、補正角速度信号（ω’_in）
の絶対値が閾値（ＴＨ₁）より小さいか否かを判定す
る。その結果、判定が肯定されるとステップ５で信号算
出部９３が出力信号（ω’_out）を０にし、判定が否定
されるとステップ６に進む。

【００３０】ステップＳ６では、信号比較部９２が、補
正角速度信号（ω’_in）の絶対値が閾値（ＴＨ2）より
小さいか否かを判定する。その結果、判定が肯定される
とステップ７で信号算出部９３が補正角速度信号（ω’
_in）に基づいた出力信号（ω’_out）を算出し、判定が
否定されるとステップ８に進み、信号算出部９３が補正
角速度信号（ω’_in）をそのまま出力信号（ω’_out）
として出力する。最後に、ステップ９では、積分部１０
が出力信号を積分し、回転角信号に変換する。

【００３１】また、本発明者らは、特願平８―２４４８
７号明細書において、三次元データ入力装置に関する提
案を行った。ここでは図５に示すように、入力信号をハ
イパスフィルタ１１で処理した成分と不感帯処理した後
ローパスフィルタ１２で処理した成分とを加算した後に
積分している。この不感帯処理の部分に、本実施形態の
多段階不感帯処理部９を採用してもよい。図５に示す三
次元データ入力装置によれば、ジャイロ信号に含まれる
ランダムノイズやドリフトノイズを更に効率的に除去す
ることができる。

【００３２】実際の仮想三次元画面上の座標指定は、例
えば以下のような方法で行う。ジャイロセンサ４を２個
搭載し、操作部である回転体のロール軸、ピッチ軸、ヨ
ー軸回りの角速度を検出するようにする。すなわち、上
述の信号処理部３では、２個のジャイロセンサ４からの
信号を先ず座標変換部８でロール、ピッチ軸の成分に分
ける。それぞれのジャイロ信号に関して、多段階不感帯
処理部９によりランダムノイズ、ドリフトノイズを除去
する。この様にして求めた各軸回りの角速度（θ_R、
θ_P、θ_Y）を求める。この２つの角度に一定の係数を掛
けて、仮想三次元空間上の（ｘ、ｙ、ｚ）に対応させ
る。すなわち、下記数４式のような計算式を得る。

【００３３】

【数４】

【００３４】数４式において、Ｋ_R、Ｋ_P、Ｋ_Yはソフト
ウェア的に指定できるようにする。この様子を図６に示
す。また、（ｘ、ｙ、ｚ）で与えられる位置から座標軸
の原点の方向にベクトルがあると考えてそちらの方向か
ら見た三次元映像をＣＧ（コンピュータグラフイック）
により生成することができる。そのような機能のソフト
ウェアと組み合わせれば、本実施形態のポインティング
デバイスを任意の方向に回転させることで、三次元映像
の視点を見たい方向に合わせることができる。また、こ
のようなポインティングデバイスの機能に通常の二次元
マウスの機能を組み合わせれば、通常は二次元マウスと
してコンピュータの制御に用い、三次元映像を扱うとき
には三次元の座標指定が可能なポインティングデバイス
として使用することができる。

【００３５】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、角速度計より回転角を求める場合の閾値処理を行
う際、閾値の値をできるだけ小さくして低速回転時の感
度を高めて、振動型ジャイロ等の安価なジャイロセンサ
を用いても安定的で精度の良い回転角検出が行えるよう
にして、微少角度に対する応答性を高めることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態であるポインティングデバ
イスのハードウェア構成を示すブロック図である。

【図２】一実施形態の入力角速度信号と出力角速度信号
との関係の一例を示す図である。

【図３】一実施形態の入力角速度信号と出力角速度信号
との関係の他の例を示す図である。

【図４】一実施形態の動作を説明するためのフローチャ
ートである。

【図５】本発明の他の実施形態である三次元データ処理
装置の信号処理部のハードウェア構成を示すブロック図
である。

【図６】一実施形態であるポインティングデバイスによ
る三次元座標指定方法を説明するための図である。

【図７】ジャイロセンサの出力信号と回転角検出値との
関係の一例を示す図であって、（ａ）はジャイロセンサ
の出力信号と時間との関係を示す図、（ｂ）は出力信号
の積分値と時間との関係を示す図である。

【図８】従来の不感帯処理法によるジャイロセンサの出
力信号と回転角検出値との関係の一例を示す図であっ
て、（ａ）はジャイロセンサの出力信号と時間との関係
を示す図、（ｂ）は出力信号の積分値と時間との関係を
示す図である。

【符号の説明】

１ポインティングデバイス２検出部３信号処理部４ジャイロセンサ９多段階不感帯処理部９１閾値記憶部９２信号比較部９３信号算出部１０積分部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者安藤雅明京都府長岡京市天神二丁目26番10号株式会社村田製作所内 (72)発明者田野通保東京都大田区蒲田４−42−12 新生ビル株式会社データ・テック内 (72)発明者宮坂力東京都大田区蒲田４−42−12 新生ビル株式会社データ・テック内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】予め定められた軸線回りの変位度合いを
検出する変位検出センサより取得した所定の変位信号の
信号処理方法であって、予め前記変位信号との大小関係
を比較するための複数の閾値を設定しておき、前記変位
検出センサより得られた変位信号と前記複数の閾値とを
それぞれ比較して当該変位信号のレベル値以下となるレ
ベル値をもつ信号を生成する過程を含むことを特徴とす
る信号処理方法。
【請求項２】予め定められた軸線回りの変位度合いを
検出して所定の変位信号に変換する変位検出センサと、
この変位検出センサにより変換された前記変位信号を処
理する信号処理手段と、この信号処理手段からの出力信
号に基づいて前記軸線回りの変位度合いを算出する変位
度合い算出手段とを備えた三次元データ入力装置におい
て、前記信号処理手段が、複数の閾値が記憶された閾値記憶手段と、この閾値記憶手段に記憶された複数の閾値のそれぞれと
前記変位信号との大小関係を判定する信号比較手段と、この信号比較手段の判定結果に応じて、前記変位信号を
変数とする予め定められた複数の関係式に基づいて出力
信号のレベル値を算出する信号レベル値算出手段とを備
えることを特徴とする三次元データ入力装置。
【請求項３】前記信号レベル値算出手段は、前記変位
信号のレベル値以下のレベル値の信号を出力するように
構成されていることを特徴とする請求項２記載の三次元
データ入力装置。
【請求項４】前記信号レベル値算出手段は、前記変位
信号が前記閾値のうち最小の閾値よりも小さい場合に出
力信号のレベル値を所定値に設定するように構成されて
いることを特徴とする請求項２記載の三次元データ入力
装置。
【請求項５】前記信号レベル値算出手段は、前記変位
信号のレベル値が前記最小の閾値以上で、且つ次に小さ
い閾値より小さい場合は、前記変位信号から該次に小さ
い閾値を減じたレベル値の信号を出力するように構成さ
れていることを特徴とする請求項３または４記載の三次
元データ入力装置。
【請求項６】前記信号レベル値算出手段は、前記変位
信号が前記閾値のうち最大の閾値以上である場合は、前
記変位信号をそのまま出力信号とするように構成されて
いることを特徴とする請求項３ないし５のいずれかの項
記載の三次元データ入力装置。