JPH11211480A - Attitude angle detecting device - Google Patents

Attitude angle detecting device

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JPH11211480A
JPH11211480A JP10026538A JP2653898A JPH11211480A JP H11211480 A JPH11211480 A JP H11211480A JP 10026538 A JP10026538 A JP 10026538A JP 2653898 A JP2653898 A JP 2653898A JP H11211480 A JPH11211480 A JP H11211480A
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angle
axis
iir
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negative
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Hiroshi Abe
洋 阿部
Kazutake Mutou
和健 武藤
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Tokin Corp
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Tokin Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To moderate the limit of the place or environment for use to make a device widely usable by providing a specified HPF for processing the value of an A/D converter connected to the output part of a gyro. SOLUTION: A moving angle arithmetic device 17 finds the movement angle from the outputs of gyros 12a, 12b, 12c, and a static angle arithmetic device 24 finds the static angle from geomagnetic sensors 22a, 22b and acceleration sensors 23a, 23b. A judging device 32 judges whether the attitude angle includes an error or not, and an attitude angle arithmetic device 41 processes the signal from the judging device 32 or the like. An infinite length impulse response (IIR) HPF 14 processes the values of A/D converters 13a, 13b, 13c connected to respective output parts of the gyros 12a, 12b, 12c, and a positive and negative reversion judging device 15 judges whether the values from the A/D converters 13a, 13b, 13c are positive or negative. An IIR delay coefficient reset device 16 resets the IIR delay coefficient of the HPF 14 when the positive and negative signs of the positive and negative reversion judging device 15 is reversed.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、特に、移動体の姿
勢検出や姿勢制御、バーチャルリアリティ等に使用され
るヘッドマウントディスプレイ(以下、HMDという)
のうち頭の姿勢角を検出するトラッカー、3Dゲームパ
ッド等、3次元空間中で対象物の姿勢角(3軸の回転
角)の検出に用いるのに適した姿勢角検出装置に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a head mounted display (hereinafter, referred to as HMD) used for detecting and controlling the attitude of a moving object, virtual reality, and the like.
The present invention relates to a posture angle detection device suitable for use in detecting a posture angle (a rotation angle of three axes) of an object in a three-dimensional space, such as a tracker for detecting a head posture angle, a 3D game pad, and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、バーチャルリアリティーに使用さ
れ、頭の動きを検出する方法として、外部に設置された
交流磁場発生源から微弱交流磁場を発生し、HMDに配
置したセンサ部で検知し、制御演算部で頭の動きを検出
する交流磁場を利用する方法や、外部に設置された超音
波発生源からの超音波信号をHMDに配置したセンサ部
で検知し、制御演算部で頭の動きを検出する超音波を利
用する方法がある。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a method of detecting head movement, which is used in virtual reality, a weak alternating magnetic field is generated from an externally installed alternating magnetic field source, and detected and controlled by a sensor unit arranged in an HMD. A method that uses an alternating magnetic field to detect head movement in the arithmetic unit, or an ultrasonic signal from an externally installed ultrasonic source is detected by the sensor unit located on the HMD, and the head operation is detected by the control arithmetic unit. There is a method using ultrasonic waves to be detected.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
交流磁場を利用した方法では、信号発生源が微弱交流磁
場のため、ノイズをキャンセルするためにフィルタを多
用することにより応答性が低下し、頭の動きに比べて、
HMDの映像の動きが遅くなり、気分を悪くしたり、酔
いを発生する場合があった。
However, in the former method using an alternating magnetic field, since the signal generating source is a weak alternating magnetic field, the responsiveness is reduced by using a large number of filters to cancel noise, and the head is reduced. Compared to the movement of
In some cases, the motion of the image of the HMD was slowed down, resulting in sickness and sickness.

【0004】また、後者の超音波を利用した方法では、
他の様々な超音波信号の影響を受けての誤動作や、信号
発生源とセンサとの間の遮蔽物により信号を検出できな
くなる可能性があり、センサの前に腕や髪の毛があるだ
けで受信不能になり、誤動作してしまうなどの問題があ
った。
In the latter method using ultrasonic waves,
Signals may not be detected due to malfunctions due to the effects of various other ultrasonic signals or obstacles between the signal source and the sensor.Received only with the arm or hair in front of the sensor There has been a problem that it becomes impossible and malfunctions.

【0005】本発明は、上記問題点を解消し、使用する
場所や環境の制限を緩和し、幅広く使用できる姿勢角検
出装置を提供するものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, to alleviate restrictions on the place and environment of use, and to provide a posture angle detecting device which can be used widely.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明は、水平面で直交
するX軸、Y軸及び該X軸、Y軸のそれぞれに直交する
Z軸回りの角速度を検出する3個のジャイロと、該ジャ
イロの角速度に応じた出力に基づいて、単位時間に移動
した角度である運動角を演算する運動角演算装置と、少
なくともX−Y平面で互いに直交する2軸の加速度を検
出するように配置され、X軸回りの回転角であるロ−ル
角、Y軸回りの回転角であるピッチ角を検出するための
加速度センサと、少なくとも前記2軸の地磁気を検出す
るよう配置される地磁気センサと、該加速度センサ及び
地磁気センサの出力に基づいて、ロール角、ピッチ角及
びZ軸回りの回転角であるヨー角を演算する静止角演算
装置と、前記静止角演算装置による演算結果の真偽を判
定演算する判別装置と、該判別装置の演算結果に応じ
て、運動角演算装置の演算結果から出力する姿勢角を演
算する姿勢角演算装置とから構成される姿勢角検出装置
であって、前記ジャイロの出力部のそれぞれに接続され
るA/Dコンバータと、該A/Dコンバータの値をハイ
パスフィルタ処理するIIR(infinite impulse res
ponse:無限長インパルス応答)型デジタルハイパスフ
ィルタと、前記A/Dコンバータからの値を基準値を境
に正負を判定するための正負反転判定装置と、前記ハイ
パスフィルタのIIR遅延係数をリセットするIIR遅
延係数リセット装置とを備え、正負判定装置の正負が逆
転したときに、IIR遅延係数リセット装置により、前
記ハイパスフィルタのIIR係数をリセットする姿勢角
検出装置である。
According to the present invention, there are provided three gyros for detecting an X-axis and a Y-axis orthogonal to a horizontal plane and an angular velocity about a Z-axis orthogonal to each of the X-axis and the Y-axis; Based on the output according to the angular velocity of the motion angle calculation device that calculates the motion angle that is the angle moved per unit time, and arranged to detect at least two-axis acceleration orthogonal to each other at least in the XY plane, An acceleration sensor for detecting a roll angle which is a rotation angle around the X axis and a pitch angle which is a rotation angle around the Y axis; a geomagnetic sensor arranged to detect at least the two axes of geomagnetism; A static angle computing device that computes a roll angle, a pitch angle and a yaw angle that is a rotation angle around the Z axis based on the outputs of the acceleration sensor and the geomagnetic sensor, and computes the truth or false of the computation result by the static angle computing device Discriminator And an attitude angle calculation device that calculates an attitude angle output from the calculation result of the motion angle calculation device according to the calculation result of the discriminating device. A / D converters connected to each other, and an IIR (infinite impulse resres) for high-pass filtering the value of the A / D converter
ponse: infinite-length impulse response) type digital high-pass filter, positive / negative inversion determining device for determining whether the value from the A / D converter is positive or negative on the basis of a reference value, and IIR for resetting an IIR delay coefficient of the high-pass filter An attitude angle detection device comprising a delay coefficient reset device, wherein the IIR delay coefficient reset device resets the IIR coefficient of the high-pass filter when the sign of the sign determination device is reversed.

【0007】[0007]

【発明の実施の形態】以下、図面によって本発明の実施
の形態について説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0008】図1は、姿勢角検出装置を適用したHMD
の一例を示し、このHMDは、目前にあるディスプレイ
に表示された映像が使用者の頭の動きに連動して変化
し、仮想空間を体験できるように設けられているもの
で、このHMDを装着したまま右を向くと、姿勢角検出
装置で計測した頭の姿勢角を映像発生装置に送信し、映
像発生装置は、その姿勢角にあった映像をHMDに送信
するので、右に展開する映像が映し出され、頭の動きに
よって全空間の360度の映像を実感できるように設け
られているものである。
FIG. 1 shows an HMD to which an attitude angle detecting device is applied.
This HMD is provided so that the image displayed on the display in front of the HMD changes in conjunction with the movement of the user's head and allows the user to experience a virtual space. If you turn to the right while holding it, the head posture angle measured by the posture angle detection device is transmitted to the video generation device, and the video generation device transmits the video corresponding to the posture angle to the HMD, so the video developed to the right Is displayed so that a 360-degree image of the entire space can be realized by the movement of the head.

【0009】図1に示すように、符号1は、HMD本体
を示し、このHMD本体1には、本発明である姿勢角検
出装置2が配置され、信号ケーブル4で映像発生装置7
に接続されている。
As shown in FIG. 1, reference numeral 1 denotes an HMD main body, in which an attitude angle detecting device 2 according to the present invention is arranged, and a video signal generating device 7 is connected by a signal cable 4.
It is connected to the.

【0010】図2は、本発明における姿勢角変換装置の
全体構成を示すブロック図である。図2に示すように、
3個のジャイロの出力から単位時間あたりの移動角(運
動角)を演算して求める運動角演算装置17を備えた運
動角検出手段11と、2個の地磁気センサと2個の加速
度センサから静止角を求める静止角演算装置24を備え
た静止角検出手段21と、静止角検出手段21で求めた
姿勢角に誤差が含まれるかどうか(例えば、直線的な加
速度が加わって、傾斜計としての加速度センサに傾斜以
外の信号が含まれる場合)を判別する判別装置32と、
運動角演算装置17、静止角演算装置24及び判別装置
32からの信号を処理する姿勢角演算装置42とで構成
されている。
FIG. 2 is a block diagram showing the overall configuration of the attitude angle conversion device according to the present invention. As shown in FIG.
Motion angle detecting means 11 having a motion angle calculating device 17 for calculating and calculating a motion angle (movement angle) per unit time from the outputs of the three gyros, and stopping from two geomagnetic sensors and two acceleration sensors A static angle detecting means 21 provided with a static angle calculating device 24 for calculating an angle; and whether or not an error is included in the attitude angle calculated by the static angle detecting means 21 (for example, when a linear acceleration is applied, A determination device 32 for determining whether the acceleration sensor includes a signal other than the inclination);
It comprises a motion angle computing device 17, a stationary angle computing device 24, and an attitude angle computing device 42 that processes signals from the discriminating device 32.

【0011】図3は、本発明の姿勢角検出装置における
ジャイロ、加速度センサ、地磁気センサの配置を示す説
明図である。図3に示すように、互いに直交する3軸
(水平面で直交する軸をX軸、Y軸、そのX軸、Y軸そ
れぞれに直交する軸をZ軸、X軸回りの回転角度をロー
ル角、Y軸回りの回転角度をピッチ角、Z軸回りの回転
角度をヨー角と記す。)の回りの角速度を検出するため
の第1のジャイロ12a、第2のジャイロ12b及び第
3のジャイロ12cは、X、Y、Z軸各軸に平行に、即
ち互いに直交して配置されている。ヨー角を検出する第
1の地磁気センサ22a及び第2の地磁気センサ22b
は、水平面で互いに直交する2軸(ここでは、X軸及び
Y軸)とで構成されている。同様に、第1の加速度セン
サ23a及び第2の加速度センサ23bは、水平面で互
いに直交する2軸(ここでは、X軸及びY軸)に配置さ
れている。ジャイロは、圧電セラミック、圧電単結晶、
あるいは、シリコン等の非磁性材料からなる振動子を用
いることができる。本実施の形態では、(株)トーキン
製圧電振動セラミックジャイロを用いた。
FIG. 3 is an explanatory view showing the arrangement of a gyro, an acceleration sensor, and a geomagnetic sensor in the attitude angle detecting device of the present invention. As shown in FIG. 3, three axes orthogonal to each other (an axis orthogonal to the horizontal plane is an X axis, a Y axis, an axis orthogonal to each of the X axis and the Y axis is a Z axis, a rotation angle around the X axis is a roll angle, The first gyro 12a, the second gyro 12b, and the third gyro 12c for detecting the angular velocity around the Y axis are referred to as a pitch angle, and the rotation angle about the Z axis are referred to as a yaw angle. , X, Y, and Z axes are arranged in parallel to each other, that is, orthogonal to each other. First geomagnetic sensor 22a and second geomagnetic sensor 22b for detecting yaw angle
Is composed of two axes (here, X axis and Y axis) orthogonal to each other on a horizontal plane. Similarly, the first acceleration sensor 23a and the second acceleration sensor 23b are arranged on two axes (here, the X axis and the Y axis) orthogonal to each other on a horizontal plane. Gyro is a piezoelectric ceramic, piezoelectric single crystal,
Alternatively, a vibrator made of a nonmagnetic material such as silicon can be used. In the present embodiment, a piezoelectric vibrating ceramic gyro manufactured by Tokin Co., Ltd. was used.

【0012】また、図2に示すように、3軸のジャイロ
12a、12b、12cの出力部には、それぞれ、A/
Dコンバータ13a、13b、13c、IIR型デジタ
ルハイパスフィルタ14が接続され、ハイパスフィルタ
14の出力部にハイパスフィルタを介した値より移動し
た角度を演算する運動角演算装置17が接続されてい
る。さらに、ハイパスフィルタ14のIIR遅延係数を
リセットするIIR係数リセット装置16と、A/Dコ
ンバータ13a、13b、13cからの値をある基準値
(0点)を境に正負を判定するための正負反転判定装置
15とを備える。ハイパスフィルタ14は、正負反転判
定装置の正負が逆転したときにIIR係数をリセット
し、従来のハイパスフィルタによる悪影響(戻り電圧)
をキャンセルすることによって、ジャイロのオフセット
電圧をキャンセルすると同時に、悪影響も排除し、高精
度が得られる。
As shown in FIG. 2, the output units of the three-axis gyros 12a, 12b, 12c have A /
The D converters 13a, 13b, 13c, and the IIR digital high-pass filter 14 are connected, and an output unit of the high-pass filter 14 is connected to a motion angle calculation device 17 that calculates an angle moved from a value passed through the high-pass filter. Further, an IIR coefficient reset device 16 for resetting an IIR delay coefficient of the high-pass filter 14 and a positive / negative inversion for judging whether a value from the A / D converters 13a, 13b, 13c is positive or negative at a certain reference value (zero point). A determination device 15. The high-pass filter 14 resets the IIR coefficient when the polarity of the positive / negative reversal determination device is reversed, and has an adverse effect (return voltage) due to the conventional high-pass filter.
, The offset voltage of the gyro is canceled, and at the same time, adverse effects are eliminated, and high accuracy is obtained.

【0013】図4は、本発明の姿勢角検出装置のうち、
静止角演算装置のブロック図である。図4に示すよう
に、加速度センサの出力Ax(n)、Ay(n)からロ
ール角R(n)、ピッチ角P(n)を演算するロール角
演算手段、ピッチ角演算手段と、前回のヨー角演算結果
Φ(n−1)を記憶しておくためのバックアップメモリ
ーと、加速度センサの出力Ax、Ay及びバックアメモ
リーの内容Φ(n−1)より傾斜角度の北方向成分Θ2
を演算する北方向成分傾斜角演算手段と、地磁気Z方向
成分Mzのうち符号を判定する地磁気Mz符号判別手段
と、地磁気Mz絶対値演算手段と、この地磁気Mz符号
判別手段と地磁気Mz絶対値演算手段より地磁気のZ軸
方向成分Mzを計算する地磁気Mz演算手段と、センサ
座標系において、測定或いは求めた地磁気のX軸方向成
分Mx、Y軸方向成分Myと、Mzから水平座標軸であ
るHx、Hy、Hzへの変換を行う座標変換演算手段
と、このHx、Hyにより方位を演算する方位演算手段
とから構成され、地磁気Mz演算手段により仮想的に地
磁気のZ軸方向成分Mzを求めることにより、2軸の地
磁気センサだけでヨー角を検出する。
FIG. 4 shows a posture angle detecting device according to the present invention.
FIG. 3 is a block diagram of a static angle calculation device. As shown in FIG. 4, a roll angle calculating means for calculating a roll angle R (n) and a pitch angle P (n) from the outputs Ax (n) and Ay (n) of the acceleration sensor, a pitch angle calculating means, A backup memory for storing the yaw angle calculation result Φ (n-1), and a north component 傾斜2 of the inclination angle based on the outputs Ax and Ay of the acceleration sensor and the contents Φ (n-1) of the backup memory.
, A geomagnetic Mz sign determining means for determining the sign of the geomagnetic Z-direction component Mz, a geomagnetic Mz absolute value calculating means, a geomagnetic Mz sign determining means, and a geomagnetic Mz absolute value calculating means. Means for calculating a geomagnetic Z-axis component Mz from the means, and a measured or obtained geomagnetic X-axis component Mx, a Y-axis component My, and a horizontal coordinate axis Hx from the measured or determined geomagnetic component Mz in the sensor coordinate system. It is composed of coordinate transformation calculating means for performing conversion to Hy and Hz, and azimuth calculating means for calculating the azimuth based on Hx and Hy. By calculating the geomagnetic Z-axis direction component Mz virtually by the geomagnetic Mz calculating means. The yaw angle is detected only by a biaxial geomagnetic sensor.

【0014】さらに、図4に示すように、北方向成分傾
斜角演算装置及び地磁気Mz符号判別手段において、北
方向成分傾斜角θ2、原点時の地磁気の伏角θ0、バック
アップメモリの出力をΦ(n−1)、加速度センサ2軸
の出力をそれぞれAx、Ayとすると、 θ2 =sin-1[Ax(n)・cosΦ(n-1)+Ay(n)・sinΦ(n-1)] により求められ、−90度≦θ2≦θ0であれば、地磁気
Mz符号はマイナスであり、θ0<θ2≦90度であれ
ば、地磁気Mz符号はプラスと判別する。
Further, as shown in FIG. 4, in the northern component tilt angle calculating device and the geomagnetic Mz code discriminating means, the northward component tilt angle θ 2 , the dip angle θ 0 of the geomagnetism at the origin, and the output of the backup memory are Φ. (N-1), assuming that the outputs of the two axes of the acceleration sensor are Ax and Ay, respectively, θ 2 = sin -1 [Ax (n) · cosΦ (n-1) + Ay (n) · sinΦ (n-1)] If −90 degrees ≦ θ 2 ≦ θ 0 , the geomagnetic Mz code is determined to be negative, and if θ 02 ≦ 90 degrees, the geomagnetic Mz code is determined to be positive.

【0015】更に詳しく説明すると、移動体が水平面
(即ちX−Y平面)で回転する時、方位角Φ(n)は地
磁気センサからの出力Mx(n)、My(n)により、 Φ(n)=tanー1[Mx(n)/My(n)] ・・・(1) と求められ、原点時の方位をΦ0とすれば、方位角Y
(n)は、 Y(n)=Φ(n)−Φ0 ・・・(2) となる。
More specifically, when the moving body rotates in a horizontal plane (that is, the XY plane), the azimuth angle Φ (n) is determined by the outputs Mx (n) and My (n) from the geomagnetic sensor. ) = Tan -1 [Mx (n) / My (n)] (1) If the azimuth at the origin is Φ 0 , the azimuth angle Y
(N) is as follows: Y (n) = Φ (n) −Φ 0 (2)

【0016】しかし、移動体がロール角やピッチ角を持
ち、水平でない時には、そのロール角、ピッチ角を用い
て座標変換を行い、絶対座標での地磁気をMx(n)、
My(n)を求め、式(1)、(2)を適用する。その
際、地磁気のZ軸方向成分Mz(n)が必要となる。
However, when the moving object has a roll angle or a pitch angle and is not horizontal, coordinate conversion is performed using the roll angle and the pitch angle, and the geomagnetism in absolute coordinates is calculated as Mx (n),
Find My (n) and apply equations (1) and (2). At that time, a Z-axis direction component Mz (n) of the geomagnetism is required.

【0017】地磁気Z方向成分Mz(n)の求め方は、
先ず符号を求めるために、Φ(n−1)を用いて北方向
成分(北方向のピッチ角)θ2を求める。 θ2=sin-1[Ax(n)・cosΦ(n-1)+Ay(n)・sinΦ(n-1)] このθ2と原点時にあらかじめ地磁気の伏角θ0を求めて
置き、比較する。 θ0=tan-1[Mz(0)/(Mx(0)2+My(0)2)1/2] −90度≦θ2≦θ0であれば、Mzの符号はマイナスで
あり、θ0<θ2≦90度であれば、Mzの符号はプラス
である。次に、Mzの絶対値は地磁気Htが分かってい
れば、数1で求まる。
The method of calculating the geomagnetic Z-direction component Mz (n) is as follows.
First, in order to determine the sign, a north component (north pitch angle) θ 2 is determined using Φ (n−1). θ 2 = sin -1 [Ax ( n) · cosΦ (n-1) + Ay (n) · sinΦ (n-1)] placed seeking dip theta 0 in advance geomagnetism at the theta 2 and the origin, comparing . θ 0 = tan −1 [Mz (0) / (Mx (0) 2 + My (0) 2 ) 1/2 ] If −90 degrees ≦ θ 2 ≦ θ 0 , the sign of Mz is minus, If θ 02 ≦ 90 degrees, the sign of Mz is plus. Next, if the geomagnetism Ht is known, the absolute value of Mz can be obtained by Expression 1.

【0018】[0018]

【数1】 (Equation 1)

【0019】地磁気Htは、以下の手順で求める。ま
ず、センサユニット部を90度傾け磁気センサ1あるい
は磁気センサ2がZ軸に向くようにする。そして何らか
の信号を送り、例えばキーやボタンを押すなどをし、そ
の時のZ軸に向いているセンサの値をMz(0)として
メモリに格納する。次にセンサユニット部を原点位置に
戻し、もう一度何らかの信号を送り、地磁気センサMx
(n),My(n)の値をMx(0),My(0)とし
てメモリに格納する。これらMx(0),My(0),
Mz(0)を用いてHtは、数2となる。
The geomagnetism Ht is obtained by the following procedure. First, the sensor unit is tilted by 90 degrees so that the magnetic sensor 1 or the magnetic sensor 2 faces the Z axis. Then, a signal is sent, for example, a key or button is pressed, and the value of the sensor facing the Z axis at that time is stored in the memory as Mz (0). Next, return the sensor unit to the origin position, send some signal again, and
The values of (n) and My (n) are stored in the memory as Mx (0) and My (0). These Mx (0), My (0),
Ht is given by Equation 2 using Mz (0).

【0020】[0020]

【数2】 (Equation 2)

【0021】次に、本発明の姿勢角検出装置のうち、判
別装置について示す。2軸の加速度センサと2軸の地磁
気センサからなる静止角検出手段から求められる仮の姿
勢角が正しいかどうかを判断する判別装置は、次のとお
りである。
Next, a description will be given of a discrimination device among the posture angle detection devices of the present invention. The discriminating device for judging whether or not the temporary attitude angle obtained by the stationary angle detecting means including the two-axis acceleration sensor and the two-axis geomagnetic sensor is correct is as follows.

【0022】即ち、2軸の加速度センサ出力から得られ
るX軸方向の加速度Ax(n)及びY軸方向の加速度A
y(n)より、ロール角R(n)及びピッチ角P(n)
を次式より求める。
That is, the acceleration Ax (n) in the X-axis direction and the acceleration A in the Y-axis direction obtained from the outputs of the two-axis acceleration sensor
From y (n), roll angle R (n) and pitch angle P (n)
Is obtained from the following equation.

【0023】 R(n)=sin-1[Ax(n)/cosP(n)] P(n)=sin-1Ay(n)R (n) = sin −1 [Ax (n) / cosP (n)] P (n) = sin −1 Ay (n)

【0024】ここで、Ax(n)、Ay(n)は、重力
加速度の傾斜角速度のX、Y軸方向成分との合成ベクト
ルなので、運動加速度がある場合には正しいロール角、
ピッチ角にならない。そこで、R(n)からR(n−
1)を引いたものが0の近傍であり、あるいはP(n)
からP(n−1)を引いたものが0の近傍であるなら
ば、運動加速度がない、即ちR(n)、とP(n)が正
しいと判断する。そうでない場合は、運動加速度がある
と判断する。即ち、数3あるいは数4のうち、少なくと
も一つが、ほぼ0であるとき、静止角検出手段からの姿
勢角情報は正しいと判定する。
Here, Ax (n) and Ay (n) are composite vectors of the gravitational acceleration and the X and Y axis components of the inclination angular velocity.
It does not become pitch angle. Then, from R (n) to R (n−
1) minus 0 is near 0, or P (n)
If P (n-1) is close to 0, it is determined that there is no motion acceleration, that is, R (n) and P (n) are correct. Otherwise, it is determined that there is a motion acceleration. That is, when at least one of Expression 3 and Expression 4 is substantially zero, it is determined that the posture angle information from the stationary angle detection unit is correct.

【0025】[0025]

【数3】 (Equation 3)

【0026】[0026]

【数4】 (Equation 4)

【0027】上記、2軸の加速度センサから求められる
判定結果をもとに、運動角検出手段及び静止角検出手段
から求められる運動角及び静止角から、姿勢角演算装置
により、本発明による姿勢角検出装置が求めるべき姿勢
角を演算する。
On the basis of the determination result obtained from the two-axis acceleration sensor, the attitude angle calculating device calculates the attitude angle according to the present invention from the motion angle and the static angle obtained from the motion angle detecting means and the static angle detecting means. The attitude angle to be determined by the detection device is calculated.

【0028】次に、本発明の姿勢角検出装置のうち、姿
勢角演算装置について示す。本発明の姿勢角検出装置の
求めるべき出力をα(n)、β(n)、γ(n)、動的
な運動角検出手段から得られる運動角を△X(n)、△
Y(n)、△Z(n)、静的な静止角検出手段から求め
られる静止角をR(n)、P(n)、Φ(n)とする
と、静止角検出手段からの姿勢角情報は正しいと判断す
る場合、 α(n)=α(n−1)+△X(n)−C β(n)=β(n−1)+△Y(n)−C γ(n)=γ(n−1)+△Z(n)−C ここで、Cは任意に選択される誤差より大きくない定数
で、符号は、誤差の符号がプラスの時、プラスであり、
マイナスの時、マイナスである。
Next, among the attitude angle detecting devices of the present invention, an attitude angle calculating device will be described. The outputs to be obtained by the attitude angle detecting device of the present invention are α (n), β (n), γ (n), and the motion angles obtained from the dynamic motion angle detecting means are {X (n), △
Assuming that Y (n), △ Z (n), and the static angles determined by the static static angle detection means are R (n), P (n), and Φ (n), the attitude angle information from the static angle detection means Is determined to be correct, α (n) = α (n−1) + ΔX (n) −Cβ (n) = β (n−1) + ΔY (n) −Cγ (n) = γ (n−1) + △ Z (n) −C where C is a constant not larger than the arbitrarily selected error, and the sign is plus when the sign of the error is plus;
When minus, minus.

【0029】また、静止角検出手段からの姿勢角情報が
誤と判断する場合、 α(n)=α(n−1)+△X(n) β(n)=β(n−1)+△Y(n) γ(n)=γ(n−1)+△Z(n) により、姿勢角を演算し、求める。
When it is determined that the posture angle information from the stationary angle detecting means is wrong, α (n) = α (n−1) + △ X (n) β (n) = β (n−1) + ΔY (n) γ (n) = γ (n−1) + ΔZ (n) The attitude angle is calculated and obtained.

【0030】また、本発明の他の実施の形態として、静
止角検出手段からの姿勢角情報は正しいと判断する場
合、 α(n)=α(n−1)+△X(n)−k[α(n−1)+△X
(n)−R(n)] β(n)=β(n−1)+△Y(n)−k[β(n−1)+△Y
(n)−P(n)] γ(n)=γ(n−1)+△Z(n)−k[γ(n−1)+△Z
(n)−Φ(n)] により、姿勢角を演算する。ここで、kは任意に選択さ
せる1以下の比例定数である。
As another embodiment of the present invention, when it is determined that the attitude angle information from the static angle detecting means is correct, α (n) = α (n−1) + △ X (n) −k [Α (n-1) + △ X
(n) −R (n)] β (n) = β (n−1) + △ Y (n) −k [β (n−1) + △ Y
(n) −P (n)] γ (n) = γ (n−1) + ΔZ (n) −k [γ (n−1) + ΔZ
(n) −Φ (n)]. Here, k is a proportional constant of 1 or less that is arbitrarily selected.

【0031】また、静止角検出手段からの姿勢角情報が
誤と判断する場合、 α(n)=α(n−1)+△X(n) β(n)=β(n−1)+△Y(n) γ(n)=γ(n−1)+△Z(n) により、姿勢角を演算し、求める。
When it is determined that the posture angle information from the stationary angle detecting means is wrong, α (n) = α (n−1) + △ X (n) β (n) = β (n−1) + ΔY (n) γ (n) = γ (n−1) + ΔZ (n) The attitude angle is calculated and obtained.

【0032】従って、本実施の形態のように、本発明の
姿勢角検出装置をHMDに適用した場合、外部信号を用
いることなく、高速応答で累積誤差のない角度情報を得
ることができ、高性能である。
Therefore, when the attitude angle detecting device of the present invention is applied to the HMD as in the present embodiment, it is possible to obtain angle information without a cumulative error at a high speed without using an external signal, and to obtain a high angle information. Performance.

【0033】ジャイロの出力部にハイパスフィルタを挿
入することにより、ドリフトの影響を除くことができる
が、信号も影響を受けてしまい、正しい出力にならない
[図5(c)]。これは、コンデンサの戻り電圧による
もので、特に正だけ、あるいは負だけの出力が続いた時
などに顕著に表れる。本発明のように、ジャイロの出力
部のそれぞれに接続されるA/Dコンバータと、このA
/Dコンバータの値をハイパスフィルタ処理するIIR
型デジタルハイパスフィルタと、A/Dコンバータから
の値を基準値を境に正負を判定するための正負反転判定
装置と、ハイパスフィルタのIIR遅延係数をリセット
するIIR遅延係数リセット装置とを設けることによっ
て、この影響をなくすことができる。フィルタの出力に
おいて、正負が反転した時にバッファをリセットする処
理により、戻り電圧がなくなり、正しい出力が得られる
[図5(d)]。
By inserting a high-pass filter in the output section of the gyro, the influence of drift can be eliminated, but the signal is also affected and the output is not correct [FIG. 5 (c)]. This is due to the return voltage of the capacitor, and is particularly noticeable when only positive or only negative output continues. As in the present invention, an A / D converter connected to each of the output sections of the gyro and this A / D converter
IIR that high-pass filters the value of the / D converter
Type digital high-pass filter, a positive / negative inversion determining device for determining whether the value from the A / D converter is positive or negative based on a reference value, and an IIR delay coefficient reset device for resetting an IIR delay coefficient of the high-pass filter. , This effect can be eliminated. In the output of the filter, the process of resetting the buffer when the polarity is inverted reverses the return voltage, and a correct output is obtained [FIG. 5 (d)].

【0034】なお、本発明による姿勢角検出装置におい
て、ジャイロを素子で搭載しているので、小型軽量化が
可能であり、セラミック振動子を使用しているので、磁
気ノイズは受けず、磁気センサと近接させても、機能を
損なうことがない。IIR型デジタルハイパスフィルタ
ーを使用することにより、高精度化が可能である。
In the attitude angle detecting device according to the present invention, since the gyro is mounted as an element, it is possible to reduce the size and weight, and since the ceramic vibrator is used, no magnetic noise is received, and the magnetic sensor is not received. Even if they are close to each other, the function is not impaired. By using an IIR digital high-pass filter, high precision can be achieved.

【0035】また、本実施の形態では、地磁気センサ、
加速度センサが、それぞれ2個の例を示したが、少なく
とも、どちらか一方が3個でもよい。小型化という点で
は、本実施の形態が最も好ましい。
In this embodiment, a geomagnetic sensor,
Although two acceleration sensors have been described as examples, at least one of them may be three. This embodiment is most preferable in terms of miniaturization.

【0036】[0036]

【発明の効果】本発明によれば、使用する場所や環境の
制限を緩和し、幅広く使用できる姿勢角検出装置を提供
することができた。
According to the present invention, it is possible to provide a posture angle detecting device that can be used widely by alleviating restrictions on the place and environment of use.

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

【図1】本発明のHMDにおける姿勢角検出装置の使用
状況の説明図。
FIG. 1 is an explanatory diagram of a usage state of a posture angle detection device in an HMD of the present invention.

【図2】本発明の姿勢角変換装置の全体構成を示すブロ
ック図。
FIG. 2 is a block diagram showing the overall configuration of the attitude angle conversion device of the present invention.

【図3】本発明の姿勢角検出装置におけるジャイロ、加
速度センサ、地磁気センサの配置を示す説明図。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing an arrangement of a gyro, an acceleration sensor, and a geomagnetic sensor in the attitude angle detecting device of the present invention.

【図4】本発明の姿勢角検出装置における静止角演算装
置の構成を示すブロック図。
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a static angle calculation device in the attitude angle detection device of the present invention.

【図5】運動角の出力波形を示す図。図5(a)は、ジ
ャイロの入力波形を示す図。図5(b)は、ジャイロの
出力波形を示す図。図5(c)は、ハイパスフィルタの
出力波形を示す図。図5(d)は、IIR型デジタルハ
イパスフィルタの出力波形を示す図。
FIG. 5 is a diagram showing an output waveform of a motion angle. FIG. 5A is a diagram illustrating an input waveform of a gyro. FIG. 5B is a diagram illustrating an output waveform of the gyro. FIG. 5C is a diagram illustrating an output waveform of the high-pass filter. FIG. 5D is a diagram illustrating an output waveform of an IIR digital high-pass filter.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 HMD本体 2 姿勢角検出装置 4 信号ケーブル 7 映像発生装置 11 運動角検出手段 12a 第1のジャイロ 12b 第2のジャイロ 12c 第3のジャイロ 13a (第1の)A/Dコンバータ 13b (第2の)A/Dコンバータ 13c (第3の)A/Dコンバータ 14 (IIR型デジタル)ハイパスフィルタ 15 正負反転判定装置 16 IIR係数リセット装置 17 運動角演算装置 21 静止角検出手段 22a 第1の地磁気センサ 22b 第2の地磁気センサ 23a 第1の加速度センサ 23b 第2の加速度センサ 24 静止角演算装置 32 判別装置 42 姿勢角演算装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 HMD main body 2 Attitude angle detection device 4 Signal cable 7 Image generation device 11 Motion angle detection means 12a First gyro 12b Second gyro 12c Third gyro 13a (First) A / D converter 13b (Second ) A / D converter 13c (Third) A / D converter 14 (IIR digital) high-pass filter 15 Positive / negative inversion determining device 16 IIR coefficient reset device 17 Motion angle computing device 21 Static angle detecting means 22a First geomagnetic sensor 22b Second geomagnetic sensor 23a First acceleration sensor 23b Second acceleration sensor 24 Static angle calculation device 32 Discrimination device 42 Attitude angle calculation device

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 水平面で直交するX軸、Y軸及び該X
軸、Y軸のそれぞれに直交するZ軸回りの角速度を検出
する3個のジャイロと、該ジャイロの角速度に応じた出
力に基づいて、単位時間に移動した角度である運動角を
演算する運動角演算装置と、少なくともX−Y平面で互
いに直交する2軸の加速度を検出するように配置され、
X軸回りの回転角であるロ−ル角、Y軸回りの回転角で
あるピッチ角を検出するための加速度センサと、少なく
とも前記2軸の地磁気を検出するよう配置される地磁気
センサと、該加速度センサ及び地磁気センサの出力に基
づいて、ロール角、ピッチ角及びZ軸回りの回転角であ
るヨー角を演算する静止角演算装置と、前記静止角演算
装置による演算結果の真偽を判定演算する判別装置と、
該判別装置の演算結果に応じて、運動角演算装置の演算
結果から出力する姿勢角を演算する姿勢角演算装置とか
ら構成される姿勢角検出装置であって、前記ジャイロの
出力部のそれぞれに接続されるA/Dコンバータと、該
A/Dコンバータの値をハイパスフィルタ処理するII
R型デジタルハイパスフィルタと、前記A/Dコンバー
タからの値を基準値を境に正負を判定するための正負反
転判定装置と、前記ハイパスフィルタのIIR遅延係数
をリセットするIIR遅延係数リセット装置とを備え、
正負判定装置の正負が逆転したときに、IIR遅延係数
リセット装置により、前記ハイパスフィルタのIIR係
数をリセットすることを特徴とする姿勢角検出装置。
1. An X-axis and a Y-axis orthogonal to each other in a horizontal plane, and
Three gyros for detecting angular velocities around a Z-axis orthogonal to each of the axis and the Y-axis, and a motion angle for calculating a motion angle, which is an angle moved per unit time, based on an output corresponding to the angular velocity of the gyro. An arithmetic unit and arranged to detect accelerations of two axes orthogonal to each other at least in an XY plane;
An acceleration sensor for detecting a roll angle which is a rotation angle around the X axis and a pitch angle which is a rotation angle around the Y axis; a geomagnetic sensor arranged to detect at least the two axes of geomagnetism; A static angle computing device that computes a roll angle, a pitch angle and a yaw angle that is a rotation angle around the Z-axis based on the outputs of the acceleration sensor and the geomagnetic sensor, and computes whether the computation result by the static angle computing device is true or false A discriminating device for
And a posture angle calculation device that calculates a posture angle output from the calculation result of the motion angle calculation device in accordance with the calculation result of the discriminating device. A / D converter connected and II for high-pass filtering the value of the A / D converter
An R-type digital high-pass filter, a positive / negative inversion determining device for determining whether the value from the A / D converter is positive or negative on the basis of a reference value, and an IIR delay coefficient reset device for resetting an IIR delay coefficient of the high-pass filter. Prepared,
An attitude angle detecting device, wherein the IIR coefficient of the high-pass filter is reset by an IIR delay coefficient reset device when the sign of the sign determining device is reversed.
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003103050A (en) * 2001-09-28 2003-04-08 Nec Tokin Corp Attitude angle detector and method of mounting of the same on operating device
JP2008289645A (en) * 2007-05-24 2008-12-04 Shimadzu Corp Motion tracker
KR101066855B1 (en) 2009-03-27 2011-09-26 주식회사 네이스코 Angular velocity sensor for supporting horizontality
JP5876607B1 (en) * 2015-06-12 2016-03-02 株式会社コロプラ Floating graphical user interface
CN106706018A (en) * 2016-12-28 2017-05-24 北京奇艺世纪科技有限公司 VR equipment nine-shaft sensor performance testing method, device and testing rotary table
US10778893B2 (en) 2017-12-22 2020-09-15 Seiko Epson Corporation Detection device, display device and detection method
US11402927B2 (en) 2004-05-28 2022-08-02 UltimatePointer, L.L.C. Pointing device
US11841997B2 (en) 2005-07-13 2023-12-12 UltimatePointer, L.L.C. Apparatus for controlling contents of a computer-generated image using 3D measurements

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003103050A (en) * 2001-09-28 2003-04-08 Nec Tokin Corp Attitude angle detector and method of mounting of the same on operating device
US11416084B2 (en) 2004-05-28 2022-08-16 UltimatePointer, L.L.C. Multi-sensor device with an accelerometer for enabling user interaction through sound or image
US11755127B2 (en) 2004-05-28 2023-09-12 UltimatePointer, L.L.C. Multi-sensor device with an accelerometer for enabling user interaction through sound or image
US11402927B2 (en) 2004-05-28 2022-08-02 UltimatePointer, L.L.C. Pointing device
US11409376B2 (en) 2004-05-28 2022-08-09 UltimatePointer, L.L.C. Multi-sensor device with an accelerometer for enabling user interaction through sound or image
US11841997B2 (en) 2005-07-13 2023-12-12 UltimatePointer, L.L.C. Apparatus for controlling contents of a computer-generated image using 3D measurements
JP2008289645A (en) * 2007-05-24 2008-12-04 Shimadzu Corp Motion tracker
KR101066855B1 (en) 2009-03-27 2011-09-26 주식회사 네이스코 Angular velocity sensor for supporting horizontality
JP5876607B1 (en) * 2015-06-12 2016-03-02 株式会社コロプラ Floating graphical user interface
WO2016199492A1 (en) * 2015-06-12 2016-12-15 株式会社コロプラ Floating graphical user interface
JP2017004357A (en) * 2015-06-12 2017-01-05 株式会社コロプラ Floating graphical user interface
US9959679B2 (en) 2015-06-12 2018-05-01 Colopl, Inc. Floating graphical user interface
CN106706018A (en) * 2016-12-28 2017-05-24 北京奇艺世纪科技有限公司 VR equipment nine-shaft sensor performance testing method, device and testing rotary table
CN106706018B (en) * 2016-12-28 2019-06-14 重庆爱奇艺智能科技有限公司 Test method, device and the test table of nine axle sensor performances in VR equipment
US10778893B2 (en) 2017-12-22 2020-09-15 Seiko Epson Corporation Detection device, display device and detection method

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