WO2018230560A1 - 位置検出装置および位置検出方法 - Google Patents

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acceleration
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acceleration information
moving
position detection
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源之 佐藤
和孝 菊田
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国立大学法人東北大学
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    • G01C21/188—Compensation of inertial measurements, e.g. for temperature effects for accumulated errors, e.g. by coupling inertial systems with absolute positioning systems
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P21/00—Testing or calibrating of apparatus or devices covered by the preceding groups

Definitions

  • the present invention relates to a position detection device and a position detection method using an acceleration sensor.
  • Non-Patent Document 1 a method for detecting the position of the apparatus without using an acceleration sensor.
  • a method not using an acceleration sensor for example, a method of correcting position information acquired by GPS using image information acquired by a camera is known (for example, see Non-Patent Document 1).
  • Non-Patent Document 2 a method using a laser transmitter has been proposed as a method for detecting the position of the apparatus (for example, see Non-Patent Document 2).
  • a laser transmitter a plurality of laser transmitters are installed around the device, and the position of the device is detected based on information contained in radio waves transmitted and received between the device and the laser transmitter.
  • Non-Patent Document 1 when using position information acquired by GPS as in the method described in Non-Patent Document 1, it is necessary for the device to be able to receive signals by GPS. Therefore, the position cannot be detected in a place where GPS signals cannot be received, such as indoors or mountainous areas. In addition, when using image information acquired by a camera, position detection depends on environmental conditions such as ambient brightness and distance.
  • Non-Patent Document 2 it is necessary to install a laser transmitter around the apparatus. For this reason, an environment in which a laser transmitter can be installed to detect the position is required. In addition, since a plurality of laser transmitters are required, the cost of the system increases.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems in the prior art, and a position detection apparatus and a position that can improve the accuracy of position detection using an acceleration sensor without using external information.
  • An object is to provide a detection method.
  • a position detection device is a position detection device that is mounted on a device and detects the position of the device, the acceleration sensor detecting acceleration information of the device, and the acceleration information detected by the acceleration sensor.
  • a stationary acceleration removing unit that removes stationary acceleration information indicating acceleration information in a stationary state of the device and generates moving acceleration information indicating acceleration information in a moving state of the device, and an error component included in the moving acceleration information
  • An error deriving unit for deriving the position, an acceleration correcting unit for subtracting the error component from the moving acceleration information, and correcting the moving acceleration information, and acquiring the position information of the device based on the corrected moving acceleration information
  • a position information acquisition unit is a position detection device that is mounted on a device and detects the position of the device, the acceleration sensor detecting acceleration information of the device, and the acceleration information detected by the acceleration sensor.
  • a stationary acceleration removing unit that removes stationary acceleration information indicating acceleration information in a stationary state of the device and generates moving acceleration information indicating acceleration information in a moving state of the device,
  • the position detection method is a position detection method for detecting the position of a device, the step of detecting acceleration information of the device, and the acceleration in a stationary state of the device from the detected acceleration information. Removing stationary acceleration information indicating information, generating moving acceleration information indicating acceleration information in a moving state of the device, deriving an error component included in the moving acceleration information, and from the moving acceleration information Subtracting an error component to correct the moving acceleration information, and acquiring the position information of the device based on the corrected moving acceleration information.
  • position information is acquired using an acceleration sensor without using external information by acquiring position information based on acceleration information obtained by removing an error component from acceleration information detected by the acceleration sensor. Accuracy can be improved.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating an example of a configuration of a position detection device according to a first embodiment. It is a functional block diagram which shows an example of a structure of the arithmetic unit of FIG. It is a flowchart which shows an example of the flow of the position detection process by the position detection apparatus of FIG. It is a graph which shows an example of the acceleration information detected with the acceleration sensor. It is a graph which shows an example of the result of having removed stationary acceleration information from the acceleration information of FIG. It is a graph which shows an example as a result of removing a trend from movement acceleration information. It is a graph which shows an example of the acceleration information detected with the acceleration sensor. It is a graph which shows an example of the speed information obtained based on the acceleration information of FIG.
  • the position detection apparatus according to the first embodiment is used for, for example, a detector for detecting an object embedded in the ground, and detects the position of an on-board device.
  • a position detection device is used, for example, as an inertial navigation device that detects the position of the mounted device without using information obtained from the outside.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating an example of the configuration of the position detection apparatus 1 according to the first embodiment.
  • the position detection device 1 includes an arithmetic device 10 and an acceleration sensor 20 and is mounted on a mounted device such as a detector.
  • the acceleration sensor 20 detects acceleration information in each of the three axial directions that are perpendicular to each other at a preset timing and supplies the acceleration information to the arithmetic device 10.
  • the acceleration sensor 20 for example, a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sensor is used.
  • the calculation device 10 detects the position of the mounted device on which the position detection device 1 is mounted based on the acceleration information received from the acceleration sensor 20, and generates position information indicating the position.
  • the computing device 10 is, for example, a microcomputer, and includes hardware such as a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), a nonvolatile memory, an input device, an output device, and a storage device such as an HDD (Hard Disk Drive). And program software executed on a microcomputer.
  • the calculation device 10 and the acceleration sensor 20 are integrally configured as the position detection device 1, but this is not limited to this example.
  • the acceleration sensor 20 may be provided in the mounted device, and the arithmetic device 10 may be provided in an external device such as a PC.
  • the arithmetic device 10 and the acceleration sensor 20 are connected by wire or wirelessly.
  • FIG. 2 is a functional block diagram showing an example of the configuration of the arithmetic device 10 of FIG. As illustrated in FIG. 2, the arithmetic device 10 includes a static acceleration removing unit 11, an error deriving unit 12, an acceleration correcting unit 13, and a position information acquiring unit 14.
  • the stationary acceleration removing unit 11 performs a process of removing acceleration information in a stationary state before and after the movement of the mounted device from the acceleration information supplied from the acceleration sensor 20. Specifically, the static acceleration removing unit 11 removes, from the acceleration information, static acceleration information that is acceleration information in a stationary state before the mounted device starts moving and a stationary state after the movement ends. And the static acceleration removal part 11 extracts the movement acceleration information which is the acceleration information in the movement state of mounted equipment.
  • the error deriving unit 12 derives a trend that is an error component included in the acceleration information based on the moving acceleration information extracted by the stationary acceleration removing unit 11.
  • the trend is an error component such as a DC (Direct Current) offset component caused by hysteresis, which is a characteristic of the MEMS sensor, when the MEMS sensor is used as the acceleration sensor 20, for example.
  • DC Direct Current
  • the acceleration correcting unit 13 performs a process of correcting the moving acceleration information based on the moving acceleration information extracted by the stationary acceleration removing unit 11 and the trend derived by the error deriving unit 12. Specifically, the acceleration correction unit 13 corrects the movement acceleration information by subtracting the trend from the movement acceleration information.
  • the position information acquisition unit 14 acquires position information indicating the position from the start point of the acceleration sensor 20 provided in the mounted device based on the moving acceleration information corrected by the acceleration correction unit 13. Specifically, the position information acquisition unit 14 acquires position information by performing double integration on the corrected movement acceleration information. At this time, the position information acquisition unit 14 uses preset position information of the start point and end point of the acceleration sensor 20.
  • FIG. 3 is a flowchart showing an example of a flow of position detection processing by the position detection device 1 of FIG.
  • a case where the position in any one of the three axial directions detected by the acceleration sensor 20 is detected will be described as an example. Also in the case of detecting the other two axial positions, the position can be detected by performing the same processing.
  • step S1 the user who performs position detection manually or automatically moves the mounted device provided with the acceleration sensor 20 (step S1).
  • the user places the mounted device provided with the acceleration sensor 20 at a position that is a starting point of position detection, and then moves the starting point to be an end point.
  • the acceleration sensor 20 detects the acceleration information at the set timing, and supplies the detected acceleration information to the stationary acceleration removing unit 11 of the arithmetic device 10 (step S2).
  • “move the mounted device provided with the acceleration sensor 20” is simply described as “move the acceleration sensor 20”.
  • the stationary acceleration removing unit 11 removes stationary acceleration information that is acceleration information in a stationary state before and after the movement from the acceleration information detected by the acceleration sensor 20 (step S3).
  • the acceleration information detected by the acceleration sensor 20 may include acceleration information in a stationary state before and after the movement of the acceleration sensor 20.
  • the acceleration does not become “0” even when the acceleration sensor 20 is stationary, and the acceleration sensor 20 may show a value as if it is moving.
  • the acceleration value in the stationary state becomes an error when detecting the position, and becomes a factor of reducing the detection accuracy. Therefore, in step S3, processing for removing stationary acceleration information, which is acceleration information in a stationary state, from acceleration information detected by the acceleration sensor 20 is performed.
  • the determination of whether the acceleration sensor 20 is in a stationary state or a moving state is made based on the jerk of acceleration information detected by the sensor.
  • the jerk indicates the amount of change in acceleration per unit time. For example, when a transition is made from a stationary state to a moving state, or from a moving state to a stationary state, the acceleration changes greatly, and the jerk also becomes a large value.
  • the static acceleration removing unit 11 removes the static acceleration information from the acceleration information detected by the acceleration sensor 20, and generates moving acceleration information that is acceleration information in the moving state.
  • the error deriving unit 12 of the arithmetic device 10 performs a process of deriving a trend that is an error component included in the acceleration information from the moving acceleration information (step S4). Then, the acceleration correction unit 13 of the arithmetic device 10 performs the movement acceleration information correction process based on the trend derived by the error deriving unit 12 (step S5).
  • the moving acceleration information generated by the stationary acceleration removing unit 11 based on the acceleration information detected by the acceleration sensor 20 includes a trend that is an error component such as a DC offset with respect to acceleration caused by hysteresis as a characteristic of the MEMS sensor. ing. Therefore, in order to accurately detect the position of the acceleration sensor 20, it is necessary to remove the influence of this trend.
  • the trend includes a direct current component such as a DC offset and a component that gradually changes with time. Therefore, here, the trend ⁇ (t) is defined by an approximate expression such as a linear function as shown in Expression (2).
  • “a” and “b” in Equation (2) are constants for determining the trend ⁇ (t).
  • the moving acceleration information f (t) can be expressed as shown in the equation (3).
  • the equation (5) for calculating the true acceleration information ⁇ (t) is derived from the equation (3), and the constants a and b calculated based on the equation (4) are used to obtain the moving acceleration information.
  • True acceleration information ⁇ (t) obtained by removing the trend ⁇ (t) from f (t) can be obtained.
  • the position information acquisition unit 14 of the arithmetic device 10 performs a process of acquiring position information based on the true acceleration information ⁇ (t) calculated by the acceleration correction unit 13 (step S6).
  • the position information can be calculated by performing double integration on the true acceleration information ⁇ (t).
  • the position information acquisition unit 14 calculates speed information v (t) based on the calculated true acceleration information ⁇ (t).
  • the speed information v (t) can be obtained by integrating the true acceleration information ⁇ (t), and is calculated by the equation (6).
  • the speed information v (0) is an initial value and indicates a speed before the start of acceleration measurement.
  • the speed information v (T) at the time T when the acceleration measurement by the acceleration sensor 20 is completed is calculated based on the equation (7).
  • the speed information v (0) in Expression (7) indicates the speed before the start of acceleration measurement, as in Expression (6).
  • the acceleration sensor 20 is in a stationary state before and after the start of the acceleration measurement. Therefore, the speed information v (0) in the equations (6) and (7) and the equation ( The value of the speed information v (T) in 7) is “0”. This can be understood from the fact that the direct current component included in the trend ⁇ (t) is removed from the moving acceleration information f (t) in the equation (5).
  • the position information acquisition unit 14 calculates position information x (t) based on the calculated speed information v (t).
  • the position information x (t) can be obtained by integrating the speed information v (t), and is calculated by Expression (8).
  • the position information x (0) is an initial value and indicates a position before the start of acceleration measurement.
  • the position information x (T) at the time T when the acceleration measurement by the acceleration sensor 20 is completed is calculated based on the equation (9).
  • the position information x (0) in Expression (9) indicates the position before the start of acceleration measurement, as in Expression (8).
  • the acceleration sensor 20 is moved so that the position before the measurement of the acceleration matches the position after the measurement, and the moving acceleration information f (t) at that time is derived. Then, the position information x (t) is acquired based on the true acceleration information ⁇ (t) obtained by removing the trend ⁇ (t) from the derived movement acceleration information f (t). Thereby, since various error factors included in the acceleration information detected by the acceleration sensor 20 are removed, the position of the acceleration sensor 20 can be detected with high accuracy.
  • FIG. 4 is a graph showing an example of acceleration information detected by the acceleration sensor 20.
  • FIG. 5 is a graph showing an example of a result obtained by removing stationary acceleration information from the acceleration information of FIG. As shown in FIGS. 4 and 5, the stationary acceleration information is removed by the stationary acceleration removing unit 11, so that the stationary acceleration information before and after the movement that the acceleration sensor 20 is considered to be stationary is removed. Recognize.
  • FIG. 6 is a graph showing an example of the result of removing the trend from the movement acceleration information.
  • a graph indicated by a solid line indicates the moving acceleration information f (t) generated by the static acceleration removing unit 11.
  • a graph indicated by a dotted line indicates true acceleration information ⁇ (t) obtained by removing the trend from the moving acceleration information f (t) by the acceleration correction unit 13.
  • the graph shown with a dashed-dotted line shows the trend ⁇ (t).
  • FIG. 7 is a graph showing an example of acceleration information detected by the acceleration sensor 20.
  • FIG. 8 is a graph showing an example of speed information obtained based on the acceleration information of FIG.
  • FIG. 9 is a graph showing an example of position information obtained based on the speed information of FIG.
  • FIG. 7 shows acceleration information detected by the acceleration sensor 20.
  • FIG. 8 shows speed information obtained by integrating the acceleration information of FIG.
  • FIG. 9 shows position information obtained by integrating the speed information of FIG.
  • the detection result of the position information when the position detection process shown in FIG. 3 is performed will be described.
  • the case where the acceleration sensor 20 is actually moved and the position information shown in FIG. 3 is performed to acquire the position information is compared with the case where the position information is acquired without performing the position detection process. .
  • FIG. 10 is a schematic diagram for explaining the movement of the acceleration sensor 20 when position information is acquired.
  • FIG. 11 is a graph for explaining the acquisition result of the position information when the acceleration sensor 20 is moved.
  • a graph indicated by a solid line indicates the position of the acceleration sensor 20 when the position detection process is performed.
  • a graph indicated by a dotted line indicates the position of the acceleration sensor 20 when the position detection process is not performed.
  • the position detection device 1 generates the movement acceleration information by removing the stationary acceleration information from the acceleration information detected by the acceleration sensor 20, and the error component from the generated movement acceleration information.
  • the movement acceleration information is corrected by subtracting.
  • the position detection apparatus 1 acquires the positional information on an apparatus based on the corrected movement acceleration information. In this manner, by removing the error component from the acceleration information detected by the acceleration sensor 20, the error factor at the time of position detection is removed, so that the position information can be detected with high accuracy.
  • the start point and the end point when moving the acceleration sensor 20 have been described as being the same position, but the present invention is not limited thereto, and the start point and the end point may be different.
  • a trend is derived by adding a virtual operation of returning from the end point to the start point at the end portion of the acceleration information detected by the acceleration sensor 20. Then, the moving acceleration information based on the actual acceleration information detected by the acceleration sensor 20 is corrected with the derived trend.
  • position data of the start point and end point can be acquired, and the position data can be used. Specifically, when the position detecting device is moved / scanned, the movement / scan is started from the determined start point and the movement / scan is completed at the determined end point. In this way, the position data of the start point and the end point known in a certain coordinate system can be input to the position detection device (can be input as a set value in advance) and used. Of course, there is no problem when the start point and the end point are at the same position.
  • 1 position detector 10 arithmetic unit, 11 static acceleration removing unit, 12 error deriving unit, 13 acceleration correcting unit, 14 position information acquiring unit, 20 acceleration sensor.

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Abstract

位置検出装置は、機器に搭載され、機器の位置を検出する位置検出装置であって、機器の加速度情報を検出する加速度センサと、加速度センサで検出された加速度情報から、機器の静止状態における加速度情報を示す静止加速度情報を除去し、機器の移動状態における加速度情報を示す移動加速度情報を生成する静止加速度除去部と、移動加速度情報に含まれる誤差成分を導出する誤差導出部と、移動加速度情報から誤差成分を差し引いて、移動加速度情報を補正する加速度補正部と、補正された移動加速度情報に基づき、機器の位置情報を取得する位置情報取得部とを備える。

Description

位置検出装置および位置検出方法
　本発明は、加速度センサを用いた位置検出装置および位置検出方法に関する。
　従来、加速度センサを用いて装置の位置を検出する方法が実用化されている。また、最近では、加速度センサを用いた位置の検出精度を向上させるため、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）または映像情報を加えた方法も提案されている。このように、加速度センサを用いて位置を検出する技術に、ＧＰＳによって取得した位置情報またはカメラ等によって得られる映像情報を組み合わせた手法は、例えば車載型カーナビゲーション等に用いられている。
　一方、加速度センサを使用せずに装置の位置を検出する方法も提案されている。加速度センサを使用しない方法としては、例えば、ＧＰＳによって取得した位置情報をカメラによって取得した画像情報を用いて補正する方法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
　また、装置の位置を検出する方法として、レーザ発信機を用いた方法が提案されている（例えば、非特許文献２参照）。レーザ発信機を用いる場合には、装置の周囲に複数のレーザ発信機を設置し、装置とレーザ発信機との間で送受信される電波に含まれる情報に基づき、装置の位置を検出する。
Agrawal,M., & Konolige,K. (2006)."Real-time Localization in Outdoor Environments using Stereo Vision and Inexpensive GPS." In 18th International Conference on Pattern Recognition (ICPR'06) (pp.1063-1068).IEEE. I,M.,Wulf,O., & Wagner,B. (2008)."A GPS and laser-based localization for urban and non-urban outdoor environments." In 2008 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (pp.149-154).IEEE.
　しかしながら、非特許文献１に記載の方法のように、ＧＰＳによって取得した位置情報を用いる場合、装置がＧＰＳによる信号を受信できる必要がある。そのため、屋内または山岳地帯などＧＰＳの信号を受信できない場所では、位置を検出することができない。また、カメラによって取得した画像情報を用いる場合、位置の検出が周囲の明るさおよび距離などの環境状態に左右されてしまう。
　さらに、非特許文献２に記載の方法では、装置の周囲にレーザ発信機を設置する必要がある。そのため、位置を検出するためにレーザ発信機を設置できる環境が必要となる。また、複数のレーザ発信機が必要となるため、システムとしてのコストが増大する。
　このように、従来の位置検出方法では、加速度センサによる装置の位置の検出精度を向上させるためには、外部から得られる情報が必要となるため、位置を検出する環境が制限されてしまうという課題があった。
　本発明は、上記従来の技術における課題に鑑みてなされたものであって、外部からの情報を利用することなく、加速度センサを用いた位置検出の精度を向上させることができる位置検出装置および位置検出方法を提供することを目的とする。
　本発明に係る位置検出装置は、機器に搭載され、前記機器の位置を検出する位置検出装置であって、前記機器の加速度情報を検出する加速度センサと、前記加速度センサで検出された前記加速度情報から、前記機器の静止状態における加速度情報を示す静止加速度情報を除去し、前記機器の移動状態における加速度情報を示す移動加速度情報を生成する静止加速度除去部と、前記移動加速度情報に含まれる誤差成分を導出する誤差導出部と、前記移動加速度情報から前記誤差成分を差し引いて、前記移動加速度情報を補正する加速度補正部と、補正された前記移動加速度情報に基づき、前記機器の位置情報を取得する位置情報取得部とを備えるものである。
　また、本発明に係る位置検出方法は、機器の位置を検出する位置検出方法であって、前記機器の加速度情報を検出するステップと、検出された前記加速度情報から、前記機器の静止状態における加速度情報を示す静止加速度情報を除去し、前記機器の移動状態における加速度情報を示す移動加速度情報を生成するステップと、前記移動加速度情報に含まれる誤差成分を導出するステップと、前記移動加速度情報から前記誤差成分を差し引いて、前記移動加速度情報を補正するステップと、補正された前記移動加速度情報に基づき、前記機器の位置情報を取得するステップとを有するものである。
　本発明によれば、加速度センサで検出された加速度情報から誤差成分を除去した加速度情報に基づいて位置情報を取得することにより、外部からの情報を利用することなく、加速度センサを用いた位置検出の精度を向上させることができる。
実施の形態１に係る位置検出装置の構成の一例を示すブロック図である。 図１の演算装置の構成の一例を示す機能ブロック図である。 図１の位置検出装置による位置検出処理の流れの一例を示すフローチャートである。 加速度センサで検出された加速度情報の一例を示すグラフである。 図４の加速度情報から静止加速度情報を除去した結果の一例を示すグラフである。 移動加速度情報からトレンドを除去した結果の一例を示すグラフである。 加速度センサで検出された加速度情報の一例を示すグラフである。 図７の加速度情報に基づいて得られる速度情報の一例を示すグラフである。 図８の速度情報に基づいて得られる位置情報の一例を示すグラフである。 位置情報を取得する場合の加速度センサの動きについて説明するための概略図である。 加速度センサを移動させた場合の位置情報の取得結果について説明するためのグラフである。
実施の形態１．
　以下、本発明の実施の形態１に係る位置検出装置について説明する。本実施の形態１に係る位置検出装置は、例えば、地中に埋設された物体を探知するための探知器等に用いられ、搭載機器の位置を検出するものである。このような位置検出装置は、例えば、外部から得られる情報を用いることなく、搭載機器の位置を検出する慣性航法装置として用いられる。
［位置検出装置１の構成］
　図１は、本実施の形態１に係る位置検出装置１の構成の一例を示すブロック図である。図１に示すように、位置検出装置１は、演算装置１０および加速度センサ２０を備え、探知器等の搭載機器に搭載されるものである。
　加速度センサ２０は、互いに垂直となる３つの軸方向それぞれの加速度情報を、予め設定されたタイミングで検出し、演算装置１０に供給する。加速度センサ２０として、例えばＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）センサが用いられる。
　演算装置１０は、加速度センサ２０から受け取った加速度情報に基づき、この位置検出装置１が搭載される搭載機器の位置を検出し、位置を示す位置情報を生成する。演算装置１０は、例えばマイクロコンピュータであり、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）、不揮発性メモリ、入力装置、出力装置およびＨＤＤ（Ｈａｒｄ　Ｄｉｓｋ　Ｄｒｉｖｅ）等の記憶装置などのハードウェアと、マイクロコンピュータ上で実行されるプログラムソフトウェア等とで構成されている。
　なお、この例では、位置検出装置１として演算装置１０と加速度センサ２０とが一体的に構成されているように説明したが、これはこの例に限られない。例えば、加速度センサ２０のみを搭載機器に設け、演算装置１０をＰＣ等の外部の機器に設けてもよい。この場合、演算装置１０と加速度センサ２０とは、有線または無線で接続する。
［演算装置１０の構成］
　図２は、図１の演算装置１０の構成の一例を示す機能ブロック図である。図２に示すように、演算装置１０は、静止加速度除去部１１、誤差導出部１２、加速度補正部１３および位置情報取得部１４を備えている。
　静止加速度除去部１１は、加速度センサ２０から供給された加速度情報から、搭載機器の移動前後の静止状態における加速度情報を除去する処理を行う。具体的には、静止加速度除去部１１は、加速度情報から、搭載機器が移動を開始する前の静止状態と、移動終了後の静止状態とにおける加速度情報である静止加速度情報を取り除く。そして、静止加速度除去部１１は、搭載機器の移動状態における加速度情報である移動加速度情報を抽出する。
　誤差導出部１２は、静止加速度除去部１１で抽出された移動加速度情報に基づき、加速度情報に含まれる誤差成分であるトレンドを導出する。トレンドは、例えば加速度センサ２０としてＭＥＭＳセンサが用いられた場合に、ＭＥＭＳセンサの特性であるヒステリシスに起因するＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ　Ｃｕｒｒｅｎｔ）オフセット成分などの誤差成分である。
　加速度補正部１３は、静止加速度除去部１１で抽出された移動加速度情報と、誤差導出部１２で導出されたトレンドとに基づき、移動加速度情報を補正する処理を行う。具体的には、加速度補正部１３は、移動加速度情報からトレンドを差し引くことにより、移動加速度情報を補正する。
　位置情報取得部１４は、加速度補正部１３で補正された移動加速度情報に基づき、搭載機器に設けられた加速度センサ２０の始点からの位置を示す位置情報を取得する。具体的には、位置情報取得部１４は、補正された移動加速度情報に対して二重積分を行うことにより、位置情報を取得する。このとき、位置情報取得部１４は、予め設定された加速度センサ２０の始点および終点の位置情報を用いる。
［位置検出処理］
　次に、位置検出処理について説明する。本実施の形態１では、加速度センサ２０によって検出された加速度情報から位置情報を取得する際に、加速度情報に含まれる誤差成分を除去することによって、精度の高い位置情報を取得する。
　図３は、図１の位置検出装置１による位置検出処理の流れの一例を示すフローチャートである。なお、以下では、加速度センサ２０で検出される３軸方向のうちいずれか１つの軸方向の位置を検出する場合を例にとって説明する。他の２つの軸方向の位置を検出する場合についても、同様の処理を行うことによって位置を検出することができる。
（装置の移動）
　まず、位置検出を行うユーザは、加速度センサ２０が設けられた搭載機器を手動または自動的に移動させる（ステップＳ１）。この場合、ユーザは、加速度センサ２０が設けられた搭載機器を、位置検出の始点となる位置に配置した後、この始点が終点となるように移動させる。このとき、加速度センサ２０は、加速度情報を設定タイミングで検出し、検出した加速度情報を演算装置１０の静止加速度除去部１１に供給する（ステップＳ２）。なお、以下の説明において、「加速度センサ２０が設けられた搭載機器を移動させる」ことを、単に「加速度センサ２０を移動させる」のように記載することとする。
（静止加速度情報の取得）
　次に、静止加速度除去部１１は、加速度センサ２０によって検出された加速度情報から移動前後の静止状態における加速度情報である静止加速度情報を除去する（ステップＳ３）。
　加速度センサ２０で検出される加速度情報には、加速度センサ２０の移動開始前と移動終了後とにおける静止状態での加速度情報も含まれている場合がある。一般に、ＭＥＭＳの加速度センサ２０を用いた場合、加速度センサ２０が静止状態であっても加速度が「０」とならず、あたかも加速度センサ２０が移動しているような値を示すことがある。この静止状態での加速度の値は、位置を検出する際の誤差となり、検出精度が低下する要因となる。そこで、ステップＳ３では、加速度センサ２０で検出された加速度情報から、静止状態における加速度情報である静止加速度情報を取り除く処理が行われる。
　加速度センサ２０が静止状態であるか、または移動状態であるかの判断は、センサによって検出された加速度情報の躍度に基づき行われる。躍度は、単位時間当たりの加速度の変化量を示すものである。例えば静止状態から移動状態、あるいは移動状態から静止状態に遷移した場合には、加速度が大きく変化するため、躍度も大きな値となる。
　したがって、躍度に対して予め閾値となる範囲を設定しておき、躍度が閾値の設定範囲内である場合に、加速度センサ２０が移動または停止したと判断することができる。このようにして、静止加速度除去部１１は、加速度センサ２０によって検出された加速度情報から静止加速度情報を取り除き、移動状態における加速度情報である移動加速度情報を生成する。
（トレンドの導出および除去）
　次に、演算装置１０の誤差導出部１２は、移動加速度情報から加速度情報に含まれる誤差成分であるトレンドを導出する処理を行う（ステップＳ４）。そして、演算装置１０の加速度補正部１３は、誤差導出部１２で導出されたトレンドに基づき、移動加速度情報の補正処理を行う（ステップＳ５）。
　加速度センサ２０によって検出された加速度情報に基づき静止加速度除去部１１によって生成された移動加速度情報には、ＭＥＭＳセンサの特性としてのヒステリシスに起因する加速度に対するＤＣオフセット等の誤差成分であるトレンドが含まれている。そのため、加速度センサ２０の位置を正確に検出するためには、このトレンドによる影響を取り除く必要がある。
　加速度センサ２０の検出結果に基づく移動加速度情報をｆ（ｔ）とし、誤差成分（トレンド）をε（ｔ）とし、真の加速度情報をα（ｔ）とすると、これらの間には、式（１）に示す関係が成立する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　一方、トレンドには、ＤＣオフセット等の直流成分と、時間的に緩やかに変化する成分が含まれている。そのため、ここでは、トレンドε（ｔ）を式（２）のように一次関数などによる近似式で定義する。ここで、式（２）における「ａ」および「ｂ」は、トレンドε（ｔ）を決定するための定数である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　したがって、式（１）および式（２）に基づき、移動加速度情報ｆ（ｔ）は、式（３）に示すように表現することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　次に、加速度センサ２０による加速度の計測が時刻０から時刻Ｔまで行った場合の移動加速度情報ｆ（ｔ）に対する誤差関数Ｅｒｒｏｒを式（４）に示すように定義する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　そして、式（４）の誤差関数Ｅｒｒｏｒの値が最小となるような定数ａおよびｂを算出する。これは、移動加速度情報ｆ（ｔ）を「ａｔ＋ｂ」という１次関数で最小自乗近似したことに相当する。これにより、トレンドε（ｔ）が決定される。なお、上記のような近似に限らず、２次以上のｎ次関数によるものなど、既知の近似方法を用いることが出来る。
　次に、式（３）から真の加速度情報α（ｔ）を算出するための式（５）を導出し、式（４）に基づき算出された定数ａおよびｂを用いることにより、移動加速度情報ｆ（ｔ）からトレンドε（ｔ）を除去した真の加速度情報α（ｔ）を得ることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
（位置情報の取得）
　次に、演算装置１０の位置情報取得部１４は、加速度補正部１３で算出した真の加速度情報α（ｔ）に基づき、位置情報を取得する処理を行う（ステップＳ６）。位置情報は、真の加速度情報α（ｔ）に対して二重積分を行うことによって算出することができる。
　まず、位置情報取得部１４は、算出した真の加速度情報α（ｔ）に基づき、速度情報ｖ（ｔ）を算出する。速度情報ｖ（ｔ）は、真の加速度情報α（ｔ）を積分することによって得ることができ、式（６）によって算出される。式（６）において、速度情報ｖ（０）は初期値であり、加速度の計測開始前の速度を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　また、加速度センサ２０による加速度の計測が終了した時刻Ｔにおける速度情報ｖ（Ｔ）は、式（７）に基づき算出される。式（７）における速度情報ｖ（０）は、式（６）と同様に、加速度の計測開始前の速度を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　ここで、本実施の形態１では、加速度の計測の開始前および終了後、加速度センサ２０は静止状態であるため、式（６）および式（７）における速度情報ｖ（０）、ならびに式（７）における速度情報ｖ（Ｔ）は、値が「０」となる。これは、式（５）において移動加速度情報ｆ（ｔ）からトレンドε（ｔ）に含まれる直流成分が除去されることからもわかる。
　次に、位置情報取得部１４は、算出した速度情報ｖ（ｔ）に基づき、位置情報ｘ（ｔ）を算出する。位置情報ｘ（ｔ）は、速度情報ｖ（ｔ）を積分することによって得ることができ、式（８）によって算出される。式（８）において、位置情報ｘ（０）は初期値であり、加速度の計測開始前の位置を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　また、加速度センサ２０による加速度の計測が終了した時刻Ｔにおける位置情報ｘ（Ｔ）は、式（９）に基づき算出される。式（９）における位置情報ｘ（０）は、式（８）と同様に、加速度の計測開始前の位置を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　なお、速度情報ｖ（ｔ）に含まれる直流成分およびトレンド成分は、「ｖ（０）＝ｖ（Ｔ）＝０」で表されるように、すでに除去されている。そのため、位置情報ｘ（Ｔ）も値が「０」となる。すなわち、加速度の計測前の位置と計測後の位置とが一致する。
　このように、本実施の形態１では、加速度の計測前の位置と計測後の位置とが一致するように加速度センサ２０を移動させ、その際の移動加速度情報ｆ（ｔ）を導出する。そして、導出された移動加速度情報ｆ（ｔ）からトレンドε（ｔ）を除去した真の加速度情報α（ｔ）に基づき、位置情報ｘ（ｔ）を取得する。これにより、加速度センサ２０によって検出された加速度情報に含まれる様々な誤差要因が取り除かれるため、加速度センサ２０の位置を精度よく検出することができる。
　図４は、加速度センサ２０で検出された加速度情報の一例を示すグラフである。図５は、図４の加速度情報から静止加速度情報を除去した結果の一例を示すグラフである。図４および図５に示すように、静止加速度除去部１１によって静止加速度情報が除去されることにより、加速度センサ２０が静止状態であったと考えられる移動前後の静止加速度情報が除去されていることがわかる。
　図６は、移動加速度情報からトレンドを除去した結果の一例を示すグラフである。図６において、実線で示すグラフは、静止加速度除去部１１によって生成された移動加速度情報ｆ（ｔ）を示す。点線で示すグラフは、加速度補正部１３によって移動加速度情報ｆ（ｔ）からトレンドを除去した真の加速度情報α（ｔ）を示す。一点鎖線で示すグラフは、トレンドε（ｔ）を示す。
　図６に示すように、ＤＣオフセット等の誤差成分により、移動前の静止状態と移動後の静止状態とにおける移動加速度情報ｆ（ｔ）は、加速度が「０」となっていないことがわかる。これに対して、トレンドが除去された真の加速度情報α（ｔ）は、移動前の静止状態と移動後の静止状態とにおいて、加速度が「０」となっており、静止状態が正しく検出されていることがわかる。
　図７は、加速度センサ２０で検出された加速度情報の一例を示すグラフである。図８は、図７の加速度情報に基づいて得られる速度情報の一例を示すグラフである。図９は、図８の速度情報に基づいて得られる位置情報の一例を示すグラフである。
　図７は、加速度センサ２０で検出された加速度情報を示す。図８は、図７の加速度情報を積分して得られる速度情報を示す。図９は、図８の速度情報を積分して得られる位置情報を示す。このように、加速度センサ２０で検出された加速度情報を二重積分することにより、加速度センサ２０の位置情報を取得できることがわかる。
　次に、図３に示す位置検出処理を行った場合の位置情報の検出結果について説明する。ここでは、加速度センサ２０を実際に移動させ、図３に示す位置検出処理を行って位置情報を取得した場合と、位置検出処理を行わずに位置情報を取得した場合とを比較して説明する。
　図１０は、位置情報を取得する場合の加速度センサ２０の動きについて説明するための概略図である。図１１は、加速度センサ２０を移動させた場合の位置情報の取得結果について説明するためのグラフである。図１１において、実線で示すグラフは、位置検出処理を行った場合の加速度センサ２０の位置を示す。点線で示すグラフは、位置検出処理を行わない場合の加速度センサ２０の位置を示す。なお、ここでは、３軸のうちのＸ軸およびＹ軸からなるＸＹ座標上で加速度センサ２０を移動させた場合を例にとって説明する。
　図１０の矢印で示す順序に従い、加速度センサ２０を設定された始点から始点と同一位置の終点まで移動させると、図１１に示すように、位置検出処理を行った場合には、加速度センサ２０を実際に移動させた際の軌跡とほぼ同等の位置検出結果が得られたことがわかる。一方、位置検出処理を行わない場合には、加速度センサ２０の移動軌跡と異なる位置検出結果が得られた。特に、この例では、始点の位置と終点の位置とが一致していないことがわかる。
　以上のように、本実施の形態１に係る位置検出装置１は、加速度センサ２０で検出された加速度情報から静止加速度情報を除去して移動加速度情報を生成し、生成した移動加速度情報から誤差成分を差し引いて、移動加速度情報を補正する。そして、位置検出装置１は、補正された移動加速度情報に基づき、機器の位置情報を取得する。このように、加速度センサ２０で検出された加速度情報から誤差成分を除去することにより、位置検出の際の誤差要因が取り除かれるため、位置情報を精度よく検出することができる。
　以上、本発明の実施の形態１について説明したが、本発明は、上述した本発明の実施の形態１に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。
　例えば、上述した例では、加速度センサ２０を移動させる場合の始点と終点とが同一位置となるように説明したが、これに限られず、始点と終点が異なるようにしてもよい。この場合には、加速度センサ２０で検出された加速度情報の末端部分に、終点から始点まで戻る仮想的な動作を追加してトレンドを導出する。そして、加速度センサ２０によって検出された実際の加速度情報に基づく移動加速度情報を、導出したトレンドで補正する。
　また、ある座標系で位置が既知の始点と終点とを用いることで、始点および終点の位置データが取得可能となり、その位置データを利用することができる。具体的には位置検出装置を移動・走査する際に、決められた始点から移動・走査を開始し決められた終点で移動・走査を完了する。このようにすれば、ある座標系で既知である始点と終点の位置データを、位置検出装置に入力（あらかじめ設定値として入力してても可能）して利用することができる。なお、当然始点と終点が同一位置の場合も問題は無い。
　１　位置検出装置、１０　演算装置、１１　静止加速度除去部、１２　誤差導出部、１３　加速度補正部、１４　位置情報取得部、２０　加速度センサ。

Claims (7)

  1. 　機器に搭載され、前記機器の位置を検出する位置検出装置であって、
    　前記機器の加速度情報を検出する加速度センサと、
    　前記加速度センサで検出された前記加速度情報から、前記機器の静止状態における加速度情報を示す静止加速度情報を除去し、前記機器の移動状態における加速度情報を示す移動加速度情報を生成する静止加速度除去部と、
    　前記移動加速度情報に含まれる誤差成分を導出する誤差導出部と、
    　前記移動加速度情報から前記誤差成分を差し引いて、前記移動加速度情報を補正する加速度補正部と、
    　補正された前記移動加速度情報に基づき、前記機器の位置情報を取得する位置情報取得部と
    を備えることを特徴とする位置検出装置。
  2. 　前記位置情報取得部は、前記加速度センサで検出された前記加速度情報に基づき、前記機器の位置を検出する際に、前記機器を移動させた際の前記機器の始点位置のデータと終点位置のデータとを用いて位置を検出することを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
  3. 　前記誤差導出部は、
    　前記誤差成分を近似式によって導出する
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の位置検出装置。
  4. 　前記近似式を一次関数による近似式とする
    ことを特徴とする請求項３に記載の位置検出装置。
  5. 　前記静止加速度除去部は、
    　前記加速度情報の変化量を示す躍度と設定範囲とを比較し、前記躍度が前記設定範囲内である場合に、前記躍度に対応する加速度情報が前記静止加速度情報であると判断する
    ことを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の位置検出装置。
  6. 　前記位置情報取得部は、
    　補正された前記移動加速度情報を二重積分して、前記位置情報を取得する
    ことを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の位置検出装置。
  7. 　機器の位置を検出する位置検出方法であって、
    　前記機器の加速度情報を検出するステップと、
    　検出された前記加速度情報から、前記機器の静止状態における加速度情報を示す静止加速度情報を除去し、前記機器の移動状態における加速度情報を示す移動加速度情報を生成するステップと、
    　前記移動加速度情報に含まれる誤差成分を導出するステップと、
    　前記移動加速度情報から前記誤差成分を差し引いて、前記移動加速度情報を補正するステップと、
    　補正された前記移動加速度情報に基づき、前記機器の位置情報を取得するステップと
    を有することを特徴とする位置検出方法。
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