JPH11211479A - Attitude angle detecting device - Google Patents
Attitude angle detecting deviceInfo
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- JPH11211479A JPH11211479A JP10026537A JP2653798A JPH11211479A JP H11211479 A JPH11211479 A JP H11211479A JP 10026537 A JP10026537 A JP 10026537A JP 2653798 A JP2653798 A JP 2653798A JP H11211479 A JPH11211479 A JP H11211479A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、移動体の姿勢検出
や姿勢制御、あるいは、バーチャルリアリティー等に使
用されるヘッドマウントディスプレイのうち、頭の姿勢
角度を検出するトラッカー、3Dゲームパッド等、3次
元空間中で被測定対象物の姿勢角(3軸の回転角度)を
検出するのに用いる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 tracker for detecting a posture angle of a head, a 3D game pad, etc., among head mounted displays used for posture detection and posture control of a moving body, or virtual reality. The present invention relates to a posture angle detection device used for detecting a posture angle (a rotation angle of three axes) of an object to be measured in a three-dimensional space.
【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姿勢角検出方法として、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、
ヘッドマウントディスプレイ(以下、HMDという)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、外部に設置した超音
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 posture angle detection method used in virtual reality to detect head movement, a weak AC magnetic field is generated from an externally provided AC magnetic field source.
A method using an AC magnetic field, which is detected by a sensor unit arranged in a head mounted display (hereinafter referred to as HMD) and a head operation is detected by a control operation unit, and an ultrasonic signal from an externally installed ultrasonic generation source There is a method of using an ultrasonic wave, which is detected by a sensor unit arranged on the HMD and detected by a control operation unit to detect a head movement.
【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
いを発生した。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
The movement of the image of the HMD was slowed down, making the patient feel sick and causing 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
くなる可能性があったり、あるいは、センサの前に腕や
髪の毛があるだけでも、受信不能になり、誤動作してし
まうという問題があった。In the latter method using ultrasonic waves,
There is a possibility that the signal may not be detected due to malfunction due to various other ultrasonic signals, a shield between the signal source and the sensor, or there is an arm or hair in front of the sensor However, there is a problem that reception becomes impossible and malfunctions occur.
【0005】従って、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
移動体の姿勢制御・検出に用いられる姿勢角検出装置を
提供することである。Accordingly, the present invention has solved the above problems,
It is an object of the present invention to provide a posture angle detection device used for posture control / detection of a movable body which can be used widely by alleviating restrictions on the place and environment of use.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明に係る姿勢角検出装置は、互いに直交する3
軸の回りの角速度を検出する第1、第2、及び第3のジ
ャイロスコープと、上記3軸の加速度を検出する第1、
第2、及び第3の加速度センサと、互いに直交する2軸
の地磁気を検出する地磁気センサを配置し、前記3個の
ジャイロスコープの出力する角速度に基づいて単位時間
あたりの移動角度(運動角)を検出する運動角検出手段
と、加速度及び地磁気に基づいて静止角を検出する静止
角検出手段と、静止角検出手段の検出結果が正しいかど
うかを判別する判別装置と、この判別装置の判別結果
と、運動角検出手段と静止角検出手段の演算結果を用い
て、出力すべき姿勢角度を演算する姿勢角演算装置を備
え、外部の信号発生源を使用することなく移動体の姿勢
角度を検出できるようにしたことを特徴とする。In order to solve the above-mentioned problems, a posture angle detecting device according to the present invention comprises:
First, second, and third gyroscopes for detecting angular velocities around an axis; and first, for detecting accelerations of the three axes,
A second and third acceleration sensor and a geomagnetic sensor for detecting two axes of geomagnetism orthogonal to each other are arranged, and a movement angle (movement angle) per unit time based on the angular velocities output by the three gyroscopes. Motion angle detecting means for detecting a static angle, a static angle detecting means for detecting a static angle based on acceleration and geomagnetism, a discriminating device for discriminating whether or not the detection result of the static angle detecting means is correct, and a discriminating result of this discriminating device And an attitude angle calculation device that calculates the attitude angle to be output using the calculation results of the motion angle detection means and the stationary angle detection means, and detects the attitude angle of the moving body without using an external signal source It is characterized by being made possible.
【0007】即ち、本発明は、平面内で直交するX軸、
Y軸に直交する軸をZ軸とした、互いに直交する3軸の
回りの回転角を検出する姿勢角検出装置において、X
軸、Y軸、及びZ軸の回りの角速度を検出する3個のジ
ャイロスコープと、該各ジャイロスコープの角速度に応
じた出力に基づいて単位時間あたりの移動角度を演算す
る運動角演算装置と、上記3軸の加速度を検出する3個
の加速度センサと、X軸及びY軸の2軸の地磁気を検出
する2個の地磁気センサと、前記加速度センサ及び地磁
気センサの出力に基づいて、前記3軸回りの静止角を演
算する静止角演算装置と、該静止角演算装置による演算
結果の真偽を判別する判別装置と、該判別装置の演算結
果に応じて、前記運動角演算装置及び静止角演算装置の
演算結果から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る。That is, the present invention provides an X-axis orthogonal to a plane,
In a posture angle detecting device for detecting rotation angles around three axes orthogonal to each other, with an axis orthogonal to the Y axis being a Z axis,
Three gyroscopes for detecting angular velocities around the axis, the Y-axis, and the Z-axis; a motion angle calculating device that calculates a moving angle per unit time based on an output corresponding to the angular speed of each of the gyroscopes; Three acceleration sensors for detecting the three-axis acceleration, two geomagnetic sensors for detecting the two-axis geomagnetism of the X-axis and the Y-axis, and the three-axis acceleration sensor based on the outputs of the acceleration sensor and the geomagnetic sensor. A static angle calculating device for calculating a surrounding static angle, a discriminating device for determining whether the result of calculation by the static angle calculating device is true or false, and a motion angle calculating device and a static angle calculating device according to the calculation result of the discriminating device. And a posture angle calculation device that calculates a posture angle from the calculation result of the device.
【0008】また、本発明は、前記ジャイロスコープ
が、振動子及び該振動子をジャイロスコープとして動作
させるための駆動検出回路からなり、前記振動子は、非
磁性材料で構成される上記の姿勢角検出装置である。Further, according to the present invention, the gyroscope comprises a vibrator and a drive detecting circuit for operating the vibrator as a gyroscope, and the vibrator is made of a non-magnetic material. It is a detection device.
【0009】また 本発明は、前記ジャイロスコープの
出力部にハイパスフィルタを接続し、該ハイパスフィル
タからの出力を用いて単位時間あたりの移動角度を演算
する上記の姿勢角検出装置である。Further, the present invention is the above-described attitude angle detecting device, wherein a high-pass filter is connected to an output section of the gyroscope, and a movement angle per unit time is calculated using an output from the high-pass filter.
【0010】また 本発明は、前記ハイパスフィルタ
が、カットオフ周波数可変手段を有する上記の姿勢角検
出装置である。The present invention is also the above attitude angle detecting device, wherein the high-pass filter has a cut-off frequency varying means.
【0011】また、本発明は、前記3軸の加速度センサ
のx軸及びy軸の加速度センサからの出力Ax(n)、
Ay(n)から、仮のロール角R(n)、仮のピッチ角
P(n)を演算するロール角演算手段、ピッチ角演算手
段と、地磁気のx方向成分Mx(n)、y方向成分My
(n)を計測する2軸の地磁気センサと、演算する単位
時間で1単位時間過去の方位角演算結果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(n)、Ay(n)及びバックアップメ
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、地磁気の
Z方向成分Mzの符号を判定する地磁気Mz符号判別手
段と、地磁気のZ方向成分地磁気Mz絶対値演算手段
と、前記地磁気Mz符号判別手段と、地磁気Mz絶対値
演算手段よりZ軸方向成分の地磁気Mzを計算する地磁
気Mz演算手段と、前記地磁気Mx、My、Mzより、
基準座標系での地磁気のX,Y,Z成分HX,HY,H
Zを演算する座標変換演算手段と、基準座標系における
前記のHX、HYにより方位角Φを演算する方位演算手
段から構成され、地磁気Mz演算手段により仮想的に地
磁気Mzを求めることにより地磁気センサ2軸だけで方
位角Φ(n)が計測できる上記の姿勢角検出装置であ
る。The present invention also provides an output Ax (n) from the x-axis and y-axis acceleration sensors of the three-axis acceleration sensor.
Roll angle calculation means and pitch angle calculation means for calculating a provisional roll angle R (n) and a provisional pitch angle P (n) from Ay (n), an x-direction component Mx (n) of the geomagnetism, and a y-direction component My
A two-axis geomagnetic sensor for measuring (n), a backup memory for storing the azimuth angle calculation result Φ (n-1) one unit time in the past for the unit time for calculation, and an output Ax ( n), determined from Ay (n) and a backup memory contents Φ (n-1), the north component inclination angle calculating means for calculating a north component theta 2 of the inclination angle, the sign of the geomagnetism in the Z-direction component Mz Mz code discriminating means, Z-direction component geomagnetism Mz absolute value calculating means, geomagnetic Mz sign discriminating means, and geomagnetic Mz calculating means for calculating Z-axis component geomagnetism Mz from the geomagnetic Mz absolute value calculating means From the geomagnetics Mx, My, Mz,
X, Y, Z components HX, HY, H of geomagnetism in the reference coordinate system
The geomagnetic sensor 2 includes a coordinate transformation calculating means for calculating Z and an azimuth calculating means for calculating an azimuth angle Φ based on the HX and HY in the reference coordinate system. The above attitude angle detecting device can measure the azimuth angle Φ (n) only by the axis.
【0012】また、本発明は、前記姿勢角検出装置の北
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(n)、Ay(n)
とする時、北方向成分傾斜角θ2は、θ2=sin-1[A
x(n)・cos(−Φ(n−1))+Ay(n)・s
in(−Φ(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、θ0<
θ2 ≦90度であれば、地磁気Mz符号はプラスと判別
する上記の姿勢角検出装置である。Further, according to the present invention, in the northern component tilt angle calculating device and the geomagnetic Mz code discriminating means of the attitude angle detecting device, the northward component tilt angle θ 2 , the magnetic field dip angle θ 0 at the origin, the backup memory The output is Φ (n-1), and the outputs of the two axes of the acceleration sensor are Ax (n) and Ay (n), respectively.
, The north component inclination angle θ 2 is θ 2 = sin −1 [A
x (n) · cos (−Φ (n−1)) + Ay (n) · s
in (−Φ (n−1))], and −90 degrees ≦
If θ 2 ≦ θ 0 , the geomagnetic Mz sign is minus and θ 0 <
If θ 2 ≦ 90 degrees, the above-described attitude angle detection device determines that the geomagnetic Mz sign is positive.
【0013】また、本発明は、前記3軸の加速度センサ
および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、仮のヨー角Φ、仮のピッチ角P、仮のロー
ル角Rの検出結果が、正しいかどうかの判別手段とし
て、3軸の加速度センサの合成レベルが、ほぼ1Gであ
ることにより、加速度センサの現在の出力Ax(n),
Ay(n),Az(n)が行うアルゴリスムが、数1の
時、静止角検出手段からの姿勢角情報は正しいと判別す
る上記の姿勢角検出装置である。Further, the present invention provides a method for detecting a temporary yaw angle Φ, a temporary pitch angle P, and a temporary roll angle R, which are obtained by a static angle detecting means comprising the three-axis acceleration sensor and the two-axis geomagnetic sensor. As a means for determining whether the result is correct, since the combined level of the three-axis acceleration sensor is approximately 1 G, the current output Ax (n),
The above attitude angle detection device determines that the attitude angle information from the static angle detection means is correct when the algorithm performed by Ay (n) and Az (n) is Equation 1.
【0014】[0014]
【数1】(Equation 1)
【0015】また、本発明は、前記姿勢角検出装置の求
めるべき出力をロール角α(n)、ピッチ角β(n)、
ヨー角γ(n)、運動角検出手段から求められる運動角
を△X(n)、△Y(n)、△Z(n)、静止角検出手
段から求められる静止角をR(n)、P(n)、Φ
(n)、一定定数をC1,C2,C3とすると、判別装置
の判別結果により、静止角検出手段からの姿勢角情報は
正しいと判別する場合、α(n)=α(n−1)+△X
(n)−C1、β(n)=β(n−1)+△Y(n)−
C2、γ(n)=γ(n−1)+△Z(n)−C3によ
り、また、静止角検出手段からの姿勢角情報は誤りと判
別する場合は、α(n)=α(n−1)+△X(n)、
β(n)=β(n−1)+△Y(n)、γ(n)=γ
(n−1)+△Z(n)により、姿勢角を演算する上記
の姿勢角検出装置である。Further, according to the present invention, the output to be obtained by the attitude angle detecting device is a roll angle α (n), a pitch angle β (n),
The yaw angle γ (n), the motion angles obtained from the motion angle detecting means are ヨ ー X (n), △ Y (n), △ Z (n), the static angle obtained from the static angle detecting means is R (n), P (n), Φ
(N) Assuming that the constants are C 1 , C 2 , and C 3 , α (n) = α (n− 1) + △ X
(N) −C 1 , β (n) = β (n−1) + ΔY (n) −
When C 2 , γ (n) = γ (n−1) + △ Z (n) −C 3 , and when the attitude angle information from the static angle detection means is determined to be incorrect, α (n) = α (N-1) + △ X (n),
β (n) = β (n−1) + △ Y (n), γ (n) = γ
(N-1) + ΔZ (n) is the above-described attitude angle detection device that calculates an attitude angle.
【0016】また、本発明は、前記姿勢角検出装置の求
めるべき出力をロール角α(n)、ピッチ角β(n)、
ヨー角γ(n)、運動角検出手段から求められる運動角
を△X(n)、△Y(n)、△Z(n)、静止角検出手
段から求められる姿勢角をR(n)、P(n)、Φ
(n)、1以下の比例定数をk1,k2,k3とすると、
判別装置の判別結果により、静止角検出手段からの姿勢
角情報は正しいと判別する場合は、α(n)=α(n−
1)+△X(n)−k1[α(n−1)+△X(n)−
R(n)]、β(n)=β(n−1)+△Y(n)−k
2[β(n−1)+△Y(n)−P(n)]、 γ(n)
=γ(n−1)+△Z(n)−k3[γ(n−1)+△
Z(n)−Φ(n)]により、また、静止角検出手段か
らの姿勢角情報は誤りと判別する場合は、α(n)=α
(n−1)+△X(n)、β(n)=β(n−1)+△
Y(n)、γ(n)=γ(n−1)+△Z(n)によ
り、姿勢角を演算する上記の姿勢角検出装置である。Further, according to the present invention, the output to be obtained by the attitude angle detecting device is a roll angle α (n), a pitch angle β (n),
The yaw angle γ (n), 運動 X (n), △ Y (n), △ Z (n) are the motion angles obtained from the motion angle detecting means, R (n) is the attitude angle obtained from the stationary angle detecting means, P (n), Φ
(N), when a following proportionality constant and k 1, k 2, k 3 ,
When it is determined that the posture angle information from the stationary angle detecting means is correct based on the determination result of the determination device, α (n) = α (n−
1) + ΔX (n) −k 1 [α (n−1) + ΔX (n) −
R (n)], β (n) = β (n−1) + △ Y (n) −k
2 [β (n-1) + △ Y (n) -P (n)], γ (n)
= Γ (n-1) + {Z (n) -k 3 [γ (n-1) +}
Z (n) −Φ (n)], and when the attitude angle information from the static angle detection means is determined to be incorrect, α (n) = α
(N-1) + {X (n), β (n) = β (n-1) + n
The above attitude angle detection device calculates the attitude angle by Y (n), γ (n) = γ (n−1) + △ Z (n).
【0017】[0017]
【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.
【0018】ここで説明するセンサ座標系から基準座標
系への座標変換演算は、ヨー角Φ→ピッチ角R→ロール
角Pの順に行うものとして説明する。The coordinate conversion operation from the sensor coordinate system to the reference coordinate system described here will be described as being performed in the order of yaw angle Φ → pitch angle R → roll angle P.
【0019】ここで、センサ座標系でのセンサ出力とし
て、次の記号を用いる。 ジャイロスコープの出力:Jx(n)、Jy(n)、J
z(n)。 加速度センサの出力:Ax(n)、Ay(n)、Az
(n)。 地磁気センサの出力:Mx(n)、My(n)。 地磁気センサの計算値:Mz(n)。Here, the following symbols are used as sensor outputs in the sensor coordinate system. Gyroscope output: Jx (n), Jy (n), J
z (n). Output of acceleration sensor: Ax (n), Ay (n), Az
(N). Output of geomagnetic sensor: Mx (n), My (n). Calculated value of geomagnetic sensor: Mz (n).
【0020】また、上記センサ座標系でのセンサ出力を
基準座標系に座標変換して得た値として、次の記号を用
いる。ジャイロスコープの出力から得た基準座標系X、
Y、Z軸回りの運動角:△X(n)、△Y(n)、△Z
(n)。加速度センサの出力から得た基準座標系X軸回
りの回転角(仮のロール角):R(n)、同じく、Y軸
回りの回転角(仮のピッチ角):P(n)、同じく、Z
軸回りの回転角(仮のヨー角):Φm(n)。地磁気セ
ンサの出力から得たZ軸回りの回転角(方位角或いは仮
のヨー角):Φ(n)。上記演算結果より求める最終的
に出力するべき基準座標系X、Y、Z軸回りの回転角度
をロール角α(n)、ピッチ角β(n)、ヨー角γ
(n)とする。The following symbols are used as values obtained by converting the sensor output in the sensor coordinate system into the reference coordinate system. The reference coordinate system X obtained from the output of the gyroscope,
Motion angles around Y and Z axes: △ X (n), △ Y (n), △ Z
(N). Rotation angle around the X axis (temporary roll angle) obtained from the output of the acceleration sensor (temporary roll angle): R (n) Similarly, rotation angle around the Y axis (temporary pitch angle): P (n) Z
Rotation angle around axis (temporary yaw angle): Φ m (n). A rotation angle (azimuth angle or temporary yaw angle) around the Z axis obtained from the output of the geomagnetic sensor: Φ (n). The rotation angles around the reference coordinate systems X, Y, and Z axes to be finally output obtained from the above calculation results are roll angle α (n), pitch angle β (n), yaw angle γ
(N).
【0021】図1には、基準座標系(X−Y−Z系)と
センサ座標系(x−y−z系)が一致している場合につ
いて示す。図1に示すように、水平面で直交する軸をX
軸、Y軸とし、そのX軸、Y軸それぞれに直交する軸を
Z軸とするとき、これら互いに直交するX軸、Y軸、Z
軸が形成する基準座標系において、X軸回りの回転角度
をロール角α、Y軸回りの回転角度をピッチ角β、Z軸
回りの回転角度をヨー角γと記す。FIG. 1 shows a case where the reference coordinate system (XYZ system) and the sensor coordinate system (xyz system) match. As shown in FIG. 1, the axis orthogonal to the horizontal plane is X
When an axis orthogonal to each of the X axis and the Y axis is defined as a Z axis, the X axis, the Y axis, and the Z axis
In the reference coordinate system formed by the axes, the rotation angle about the X axis is referred to as a roll angle α, the rotation angle about the Y axis is referred to as a pitch angle β, and the rotation angle about the Z axis is referred to as a yaw angle γ.
【0022】図1には、本発明の姿勢角検出装置におけ
るジャイロスコープ、加速度センサ、地磁気センサの配
置を示す。図1で示すセンサ座標系において、互いに直
交する3軸(x軸、y軸、及びz軸)の回りの角速度を
検出するための第1のジャイロスコープ5、第2のジャ
イロスコープ6、及び第3のジャイロスコープ7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。また、前記3軸は、第1の加速度センサ1
0、第2の加速度センサ11、及び第3の加速度センサ
12が、配置されている。更に、x軸及びy軸には、第
1の地磁気センサ8及び第2の地磁気センサ9が、それ
ぞれy軸に平行に配置されている。FIG. 1 shows an arrangement of a gyroscope, an acceleration sensor, and a geomagnetic sensor in the attitude angle detecting device of the present invention. In the sensor coordinate system shown in FIG. 1, a first gyroscope 5, a second gyroscope 6, and a second gyroscope 6 for detecting angular velocities around three axes (x axis, y axis, and z axis) orthogonal to each other. The gyroscope 7 of 3
They are arranged parallel to the x, y, and z axes, that is, perpendicular to each other. The three axes are the first acceleration sensor 1
0, a second acceleration sensor 11, and a third acceleration sensor 12 are arranged. Further, a first geomagnetic sensor 8 and a second geomagnetic sensor 9 are arranged on the x axis and the y axis, respectively, in parallel with the y axis.
【0023】図2には、基準座標系(X−Y−Z系)に
対して、センサ座標系(x−y−z系)が、ずれた場合
について示す。図2では、基準座標系の−Z方向に重力
加速度が働いており、センサ座標系のx軸、y軸方向へ
の分力が、Ax(n)、Ay(n)であることを示して
いる。なお、重力加速度は、センサ座標系のz軸方向の
力Az(n)と等しい。FIG. 2 shows a case where the sensor coordinate system (xyz system) deviates from the reference coordinate system (XYZ system). FIG. 2 shows that the gravitational acceleration acts in the −Z direction of the reference coordinate system, and the component forces in the x-axis and y-axis directions of the sensor coordinate system are Ax (n) and Ay (n). I have. The gravitational acceleration is equal to the force Az (n) in the z-axis direction of the sensor coordinate system.
【0024】図3は、本発明の一実施の形態における姿
勢角検出装置の全体構成を示す図である。図3に示すよ
うに、本発明の姿勢角度検出装置は、図1に示した直交
配置された3個のジャイロスコープと、そのジャイロス
コープそれぞれに接続されるハイパスフィルタと、ハイ
パスフィルタを介したジャイロスコープの出力から単位
時間あたりの移動角度(運動角)を演算する運動角演算
装置31と、図1に示した3個の加速度センサと、2個
の地磁気センサと、前記3個の加速度センサのうち、第
1の加速度センサ10から仮のロール角R、第2の加速
度センサ11から仮のピッチ角Pを求め、さらにその仮
のロール角R、仮のピッチ角Pから仮のヨー角Φを求め
る静止角演算装置32と、該静止角演算装置32の演算
結果の真偽を判別するための判別装置33、及び前記運
動角演算装置31、静止角演算装置32、判別装置33
からの信号を処理する姿勢角演算装置30とで構成され
ている。FIG. 3 is a diagram showing the overall configuration of the attitude angle detecting device according to one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the attitude angle detecting device of the present invention includes three orthogonally arranged gyroscopes shown in FIG. 1, a high-pass filter connected to each of the gyroscopes, and a gyro through a high-pass filter. A motion angle calculator 31 for calculating a movement angle (movement angle) per unit time from an output of the scope, three acceleration sensors shown in FIG. 1, two geomagnetic sensors, and three acceleration sensors A temporary roll angle R is obtained from the first acceleration sensor 10 and a temporary pitch angle P is obtained from the second acceleration sensor 11, and a temporary yaw angle Φ is obtained from the temporary roll angle R and the temporary pitch angle P. The static angle computing device 32 to be obtained, a discriminating device 33 for discriminating whether the computation result of the static angle computing device 32 is true or false, and the motion angle computing device 31, the static angle computing device 32, and the discriminating device 33
And an attitude angle calculation device 30 that processes signals from the computer.
【0025】最初に、ジャイロスコープの内容を説明す
る。本発明の姿勢角検出装置におけるジャイロスコープ
は、圧電セラミック、圧電単結晶、或いはシリコン等の
非磁性材料からなる振動子を用いることが可能である。
本実施の形態では、(株)トーキン製の圧電振動セラミ
ックジャイロを用いた。First, the contents of the gyroscope will be described. As the gyroscope in the attitude angle detecting device of the present invention, a vibrator made of a nonmagnetic material such as piezoelectric ceramic, piezoelectric single crystal, or silicon can be used.
In the present embodiment, a piezoelectric vibrating ceramic gyro manufactured by Tokin Co., Ltd. was used.
【0026】図3に示すように、3軸のジャイロスコー
プ5,6,7の出力部には、それぞれ、ハイパスフィル
タ36、37、38が接続され、ハイパスフィルタの出
力部に運動角演算装置31が接続されている。なお、ジ
ャイロスコープは、小型で安価な物ほど静止していると
きの出力(オフセット)のばらつき及び変動が大きい
が、これを安定化したものを用いると、姿勢検出装置が
高価で大型になってしまう。As shown in FIG. 3, high-pass filters 36, 37 and 38 are connected to the outputs of the three-axis gyroscopes 5, 6 and 7, respectively, and the motion angle calculator 31 is connected to the outputs of the high-pass filters. Is connected. In the case of a gyroscope, the smaller and cheaper the gyroscope, the larger the variation and fluctuation of the output (offset) when the gyroscope is stationary, but using a stabilized gyroscope makes the posture detection device expensive and large. I will.
【0027】また、ハイパスフィルタは、前記ジャイロ
スコープのオフセットをキャンセルするもので、ハイパ
スフィルタを用いた後の出力を用いることで、安価で小
型で高精度の姿勢角検出装置を得ることができ、通常
0.1Hz以下の低い周波数に設定される。なお、それ
ぞれのハイパスフィルタは、カットオフ周波数の可変手
段を有している。また、前記低周波のハイパスフィルタ
は、電源投入時から安定するまで時間がかかるので、必
要に応じてハイパスフィルタのカットオフ周波数を高く
することにより、安定した出力を短時間で得ることがで
きる。カットオフ周波数を高くし安定出力を得た後は、
即時にカットオフ周波数は低い状態(測定状態)に戻さ
れる。The high-pass filter cancels the offset of the gyroscope. By using the output after using the high-pass filter, an inexpensive, compact, and highly accurate attitude angle detecting device can be obtained. Usually, it is set to a low frequency of 0.1 Hz or less. Each high-pass filter has a cut-off frequency varying unit. In addition, since the low-frequency high-pass filter takes time from power-on to stabilization, a stable output can be obtained in a short time by increasing the cut-off frequency of the high-pass filter as needed. After increasing the cutoff frequency and obtaining a stable output,
The cutoff frequency is immediately returned to a low state (measurement state).
【0028】移動体に搭載された姿勢角検出装置(被測
定物)の回転角速度に応じた各ジャイロスコープの出力
Jx(n)、Jy(n)、Jz(n)は、運動角演算装
置31によって、座標変換を行って演算する単位時間で
1単位時間過去の出力β(n−1)から、次式の如く、
基準座標系における現在の単位時間あたりの移動角度
(運動角)△X(n)に変換される。The outputs Jx (n), Jy (n) and Jz (n) of each gyroscope according to the rotational angular velocity of the attitude angle detecting device (measured object) mounted on the moving body are calculated by the motion angle calculating device 31. From the output β (n−1) one unit time past the unit time calculated by performing coordinate transformation, the following equation is obtained:
It is converted into the current movement angle (movement angle) per unit time in the reference coordinate system △ X (n).
【0029】ΔX(n) = cos[β(n-1)]×Jx(n) + sin[β
(n-1)]×Jz(n)、 ΔY(n) = sin[α(n-1)]× sin[β(n-1)]×Jx(n)+cos[α
(n-1)]×Jy(n)-sin[α(n-1)]×cos[β(n-1)]×Jz(n)、 ΔZ(n) = -cos[α(n-1)]×sin[β(n-1)]×Jx(n)+sin[α
(n-1)]×Jy(n)+cos[α(n-1)]× cos[β(n-1)]×Jz(n)ΔX (n) = cos [β (n-1)] × Jx (n) + sin [β
(n-1)] × Jz (n), ΔY (n) = sin [α (n-1)] × sin [β (n-1)] × Jx (n) + cos [α
(n-1)] × Jy (n) -sin [α (n-1)] × cos [β (n-1)] × Jz (n), ΔZ (n) = − cos [α (n-1 )] × sin [β (n-1)] × Jx (n) + sin [α
(n-1)] × Jy (n) + cos [α (n-1)] × cos [β (n-1)] × Jz (n)
【0030】次に、図4を用いて静止角演算装置の説明
を行う。静止角演算装置は、先にも述べたように、姿勢
角検出装置の静的動作時の姿勢角である仮のロール角
R、仮のピッチ角P、仮のヨー角Φを出力するものであ
る。Next, the static angle calculating device will be described with reference to FIG. As described above, the static angle calculation device outputs the temporary roll angle R, the temporary pitch angle P, and the temporary yaw angle Φ which are the attitude angles during the static operation of the attitude angle detection device. is there.
【0031】図1に示す加速度センサ10、11は、図
2に示すように、それぞれ、センサ座標系でのx、y軸
上の重力加速度のx、y成分分力Ax(n)、Ay
(n)を検出するように配置されている。また、図1に
示す地磁気センサ8、9は、それぞれx、y軸上の地磁
気分力Mx(n)、My(n)を検出するように配置さ
れている。As shown in FIG. 2, the acceleration sensors 10 and 11 shown in FIG. 1 respectively have x and y component components Ax (n) and Ay of the gravitational acceleration on the x and y axes in the sensor coordinate system.
(N). The geomagnetic sensors 8 and 9 shown in FIG. 1 are arranged to detect geomagnetic component forces Mx (n) and My (n) on the x and y axes, respectively.
【0032】加速度センサの出力Ax(n)、Ay
(n)は、各々ロール角演算手段、ピッチ角演算手段に
て下式により、基準座標系の水平面(XY平面)との傾
斜角である仮のロール角R(n)及び仮のピッチ角P
(n)を算出する。The outputs Ax (n) and Ay of the acceleration sensor
(N) is a tentative roll angle R (n) and a tentative pitch angle P which are inclination angles with respect to the horizontal plane (XY plane) of the reference coordinate system, respectively, by the roll angle calculating means and the pitch angle calculating means by the following equations.
(N) is calculated.
【0033】 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)
【0034】基準座標系での仮のヨー角Φ(n)は、基
準座標系での地磁気成分を用いて、 Φ(n)=tanー1[HX(n)/HY(n)] で表わされる。なお、加速度センサの出力Az(n)に
よるヨー角Φm(n)と前記ヨー角Φ(n)を比較演算
することで、高精度にヨー角を演算できる。姿勢角検出
装置が水平面上で回転する場合は、地磁気センサの出力
Mx(n)及びMy(n)が、それぞれ、HX(n)及
びHY(n)に等しく、 Φ(n)=tanー1[Mx(n)/My(n)] が成り立つ。The provisional yaw angle Φ (n) in the reference coordinate system is represented by Φ (n) = tan -1 [HX (n) / HY (n)] using the geomagnetic component in the reference coordinate system. It is. The yaw angle Φ m (n) based on the output Az (n) of the acceleration sensor is compared with the yaw angle Φ (n) to calculate the yaw angle with high accuracy. When the attitude angle detector rotates on a horizontal plane, the outputs Mx (n) and My (n) of the geomagnetic sensor are equal to HX (n) and HY (n), respectively, and Φ (n) = tan −1 [Mx (n) / My (n)] holds.
【0035】原点時の方位角をΦ(0)とすれば、ヨー
角γ(n)は、 γ(n)=Φ(n)−Φ(0) となる。Assuming that the azimuth angle at the origin is Φ (0), the yaw angle γ (n) is γ (n) = Φ (n) −Φ (0).
【0036】しかし、姿勢角検出装置がロール角Rやピ
ッチ角Pを持ち、水平でないときには、 HX=cos[P(n)]×Mx+sin[P(n)]
×Mz、 HY=sin[R(n)]×sin[P(n)]×Mx
+cos[R(n)]×cos[P(n)]×Mz の式を用いて、仮のロール角R(n)、仮のピッチ角P
(n)を用いて座標変換を行い、基準座標系での地磁気
成分を求めて、 Φ(n)=tanー1[HX(n)/HY(n)] に代入し、求める。However, when the attitude angle detecting device has a roll angle R and a pitch angle P and is not horizontal, HX = cos [P (n)] × Mx + sin [P (n)]
× Mz, HY = sin [R (n)] × sin [P (n)] × Mx
+ Cos [R (n)] × cos [P (n)] × Mz, the temporary roll angle R (n) and the temporary pitch angle P
Coordinate conversion is performed using (n), a geomagnetic component in the reference coordinate system is obtained, and the result is substituted into Φ (n) = tan -1 [HX (n) / HY (n)].
【0037】その際、地磁気Z方向成分Mz(n)が必
要となる。At this time, a component Zz (n) in the geomagnetic Z direction is required.
【0038】以下の方法で仮想的にMzを算出する。Mz is virtually calculated by the following method.
【0039】まず、地磁気Htを以下の手順で求める。
最初に、姿勢角検出装置(被測定物)を90度傾け、磁
気センサ10あるいは磁気センサ11が、基準座標系の
Z軸に向くようにする。そして、例えば、キーやボタン
を押すなど、何らかの信号を送り、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。First, the geomagnetism Ht is determined by the following procedure.
First, the attitude angle detection device (measured object) is tilted by 90 degrees so that the magnetic sensor 10 or the magnetic sensor 11 faces the Z axis of the reference coordinate system. Then, for example, a signal such as pressing a key or a button is sent, and the value of the sensor facing the Z axis at that time is stored in the memory as Mz (0).
【0040】次に、姿勢角検出装置(被測定物)を原点
位置に戻し、もう一度、何らかの信号を送り、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),M
y(0),Mz(0)を用いて、Htは数2から求ま
る。Next, the attitude angle detecting device (measured object) is returned to the origin position, a signal is sent again, and the values of the magnetic sensors Mx (n) and My (n) are changed to Mx (0) and Myx.
(0) is stored in the memory. These Mx (0), M
Ht is obtained from Equation 2 using y (0) and Mz (0).
【0041】[0041]
【数2】 (Equation 2)
【0042】さらに、Mzの符号を算出するために、姿
勢角検出装置(被測定物)の地磁気北方向成分の傾斜角
から判断できる。このために、バックアップメモリーと
北方向成分傾斜角演算手段を有する。Further, in order to calculate the sign of Mz, it can be determined from the inclination angle of the north component of the geomagnetic field of the attitude angle detecting device (measured object). For this purpose, a backup memory and a north component inclination angle calculating means are provided.
【0043】演算処理にて算出した、演算する単位時間
で、1単位時間過去の仮のヨー角Φ(n−1)をバック
アップメモリーに記憶しておき、この仮のヨー角Φ(n
−1)と加速度センサ出力Ax(n)、Ay(n)の値
から、北方向成分傾斜角演算手段で、姿勢角検出装置
(被測定物)の傾斜角度の地磁気北方向成分θ2を次式
により算出する。The temporary yaw angle Φ (n-1), which is one unit time past in the unit time to be calculated, calculated in the arithmetic processing, is stored in the backup memory, and this temporary yaw angle Φ (n
From the values of the acceleration sensor outputs Ax (n) and Ay (n), the north component inclination angle calculation means calculates the geomagnetic north component θ 2 of the inclination angle of the attitude angle detection device (measured object) as follows. It is calculated by the formula.
【0044】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、θ0<θ2≦90度であれば、地磁気Mz符号は
プラスと判別する。Θ 2 = sin −1 [Ax (n) × cosΦ (n−
1) + Ay (n) × sin Φ (n−1)]. If −90 degrees ≦ θ 2 ≦ θ 0 , the geomagnetic Mz sign is minus, and if θ 0 <θ 2 ≦ 90 degrees, the geomagnetic Mz sign is negative. The Mz code is determined to be positive.
【0045】次に、本発明の姿勢角検出装置における、
前記3軸の加速度センサの合成ベクトルが、ほぼ1Gで
あることにより行うアルゴリズム、即ち、数1の時、記
静止角検出装置で演算される仮のロール角R(n)、仮
のピッチ角P(n)、仮のヨー角Φ(n)が正しいかど
うかを判別する判別装置33を説明をする。Next, in the attitude angle detecting device of the present invention,
An algorithm performed when the combined vector of the three-axis acceleration sensor is approximately 1 G, that is, when the expression 1 is used, the tentative roll angle R (n) and the tentative pitch angle P calculated by the static angle detection device are calculated. (N) The determination device 33 that determines whether the temporary yaw angle Φ (n) is correct will be described.
【0046】[0046]
【数1】(Equation 1)
【0047】判別装置33は、静止角検出手段におけ
る、X軸方向の加速度Ax(n)、Y軸方向の加速度A
y(n)より、ロール角R=sin-1(Ax/cos
P)、及びピッチ角P=sin-1Ayを求める。The discriminating device 33 calculates the acceleration Ax (n) in the X-axis direction and the acceleration A
From y (n), the roll angle R = sin −1 (Ax / cos
P) and the pitch angle P = sin -1 Ay.
【0048】しかし、ここで、Ax(n),Ay(n)
は、重力加速度の傾斜角成分と運動加速度の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、
3軸の加速度センサの合成ベクトルAの大きさを数3に
より求め、この値が1Gの近傍であれば、軸の方向の運
動加速度がない、即ち、ロール角R、ピッチ角Pが正し
いと判断し、静的モードにする。そうでない場合は、軸
方向に運動加速度があると判断し、静止角検出手段から
の演算結果は正しくないとし、動的モードにするもので
ある。However, here, Ax (n), Ay (n)
Is a composite vector of the inclination angle component of the gravitational acceleration and the X- and Y-axis components of the motion acceleration. Therefore, if there is a motion acceleration, the roll angle and the pitch angle will not be correct. Therefore,
The magnitude of the composite vector A of the three-axis acceleration sensor is obtained by Expression 3, and if this value is near 1 G, it is determined that there is no motion acceleration in the axial direction, that is, the roll angle R and the pitch angle P are correct. And enter static mode. Otherwise, it is determined that there is a motion acceleration in the axial direction, the calculation result from the static angle detection means is not correct, and the dynamic mode is set.
【0049】[0049]
【数3】 (Equation 3)
【0050】ここでは、加速度センサの出力を演算して
判別する手法について述べたが、磁気センサの出力に誤
差が生じ、大きく変動したとき等の場合も静止角検出手
段の出力は正しくないと判別する。Although the method of calculating and determining the output of the acceleration sensor has been described above, it is determined that the output of the static angle detecting means is not correct even when an error occurs in the output of the magnetic sensor and the output fluctuates greatly. I do.
【0051】次に、上記判別装置33の判別結果に応じ
て、運動角検出手段の出力及び静止角検出手段の出力を
演算する運動角演算装置31と静止角演算装置32から
最終的な出力を得る姿勢角演算装置30で行われる演算
方法について説明する。Next, the final outputs from the motion angle calculating device 31 and the static angle calculating device 32 for calculating the output of the motion angle detecting means and the output of the static angle detecting means in accordance with the result of the discrimination by the discriminating device 33. A calculation method performed by the obtained attitude angle calculation device 30 will be described.
【0052】この演算の基本は、判別装置33によって
静止角検出手段の出力が誤っていると判別されたときに
は、現在の姿勢角検出結果は、1単位時間過去の姿勢角
検出結果と運動角を加算したものとなり、判別装置33
によって静止角検出手段の出力が正しいと判別されたと
きには、現在の姿勢角検出結果は、1単位過去の姿勢角
検出結果と運動角を加算したものから補正値を減算した
ものである。なお、補正値は、誤差と比例定数を乗算し
たもの、或いは一定定数である。ここで、誤差は、1単
位時間過去の姿勢角検出結果に現在の運動角を加算した
ものから静止角検出手段による現在の検出結果を減算し
たものである。The basis of this calculation is that when the determination device 33 determines that the output of the static angle detection means is incorrect, the current attitude angle detection result is obtained by comparing the attitude angle detection result one unit time past with the motion angle. The result is the sum of the values,
When it is determined that the output of the static angle detecting means is correct, the current posture angle detection result is obtained by subtracting the correction value from the sum of the posture angle detection result one unit past and the motion angle. The correction value is a value obtained by multiplying the error by a proportional constant or a constant. Here, the error is obtained by subtracting the current detection result by the stationary angle detection means from the sum of the posture angle detection result in the past unit time and the current motion angle.
【0053】これを式で表すと、本実施の形態におい
て、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)、運動角検出手段から得ら
れる運動角を△X(n)、△Y(n)、△Z(n)、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、When this is expressed by an equation, in the present embodiment, the output to be obtained by the attitude angle detecting device of the present invention is α
(N), β (n), γ (n), 運動 X (n), △ Y (n), △ Z (n), the motion angle obtained from the motion angle detecting means, The corner is R (n), P
(N), Φ (n),
【0054】静止角検出手段からの姿勢角情報は正しい
と判別する場合、 α(n)=α(n−1)+△X(n)−C1、 β(n)=β(n−1)+△Y(n)−C2、 γ(n)=γ(n−1)+△Z(n)−C3、 ここで、C1,C2,C3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、マイナスの時、マイナスにより姿勢角を演
算する。When it is determined that the attitude angle information from the stationary angle detecting means is correct, α (n) = α (n−1) + △ X (n) −C 1 , β (n) = β (n−1) ) + ΔY (n) −C 2 , γ (n) = γ (n−1) + ΔZ (n) −C 3 , where C 1 , C 2 , and C 3 are errors arbitrarily selected. When the sign of the error is plus, when the sign of the error is plus, and when the sign is minus, the attitude angle is calculated by minus.
【0055】また、静止角検出手段からの姿勢角情報が
誤と判別する場合、 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する。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) + △ Y (n), γ (n) = γ (n−1) + △ Z (n), and the attitude angle is calculated.
【0056】また、本発明の他の実施の形態として、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)、運動角検出手段から得られる運動角
を△X(n)、△Y(n)、△Z(n)、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、As another embodiment of the present invention, the outputs to be obtained by the attitude angle detecting device of the present invention are α (n), β
(N), γ (n), the motion angles obtained from the motion angle detecting means are △ X (n), △ Y (n), △ Z (n), and the static angle obtained from the static angle detecting means is R (n ), P (n), Φ
(N)
【0057】静止角検出手段からの姿勢角情報は正しい
と判別する場合、 α(n)=α(n−1)+△X(n)−k1[α(n−1)+△
X(n)−R(n)]、 β(n)=β(n−1)+△Y(n)−k2[β(n−1)+△
Y(n)−P(n)]、 γ(n)=γ(n−1)+△Z(n)−k3[γ(n−1)+△
Z(n)−Φ(n)]、 により姿勢角を演算する。ここで、k1,k2,k3は、
任意に選択させる1以下の比例定数である。If it is determined that the posture angle information from the stationary angle detecting means is correct, α (n) = α (n−1) + {X (n) −k 1 [α (n−1) +}
X (n) −R (n)], β (n) = β (n−1) + {Y (n) −k 2 [β (n−1) +}
Y (n) −P (n)], γ (n) = γ (n−1) + {Z (n) −k 3 [γ (n−1) +}
Z (n) −Φ (n)], and calculates the attitude angle. Here, k 1 , k 2 , and k 3 are
It is a proportional constant of 1 or less that can be arbitrarily selected.
【0058】また、静止角検出手段からの姿勢角情報が
誤と判別する場合、 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する。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) + △ Y (n), γ (n) = γ (n−1) + △ Z (n), and the attitude angle is calculated.
【0059】このように、静止角検出手段の出力が正し
いときのみ、誤差を補正しながら、運動角の積算で姿勢
角を求めることにより、高速な応答性と、静止時の安定
性、再現性を同時に満足できるようにした姿勢角検出装
置である。As described above, only when the output of the static angle detecting means is correct, the attitude angle is obtained by integrating the motion angles while correcting the error, thereby providing high-speed response, stability at rest, and reproducibility. Is a posture angle detection device which can satisfy the above at the same time.
【0060】図5は、本発明の実施の形態の姿勢角検出
装置を適用したHMDの一例を示す。このHMDは、目
前にあるディスプレイ1に表示された映像が、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2で計測した頭の姿勢角を信号ケー
ブル3で映像発生装置4に送信し、映像発生装置4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. 5 shows an example of an HMD to which the attitude angle detecting device according to the embodiment of the present invention is applied. The HMD is provided so that the image displayed on the display 1 in front of the HMD changes in conjunction with the movement of the head and allows the user to experience a virtual space. , The head posture angle measured by the posture angle detection device 2 is transmitted to the video generation device 4 via the signal cable 3, and the video generation device 4
Since the image corresponding to the attitude angle is transmitted to the HMD, the image developed to the right is displayed, and the image is provided so that a 360-degree image of the entire space can be realized by the movement of the head.
【0061】[0061]
【発明の効果】以上、説明したように、本発明による姿
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、また、高速応答で累積誤差のない角度情報
が得られる高性能なHMDを構成することができる。As described above, when the attitude angle detecting device according to the present invention is applied to the HMD, a high-performance high-speed response-free angle information with no accumulated error can be obtained without using an external signal. An HMD can be configured.
【0062】また、本発明による姿勢角検出装置によれ
ば、ジャイロスコープ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。また、ハイパスフィルタ
を使用することにより、小型・低価格化、高精度化が可
能である。Further, according to the attitude angle detecting device of the present invention, since the gyroscope is mounted as an element, it is possible to reduce the size and weight, and since the ceramic vibrator is used, there is no magnetic noise. Even if it is close to the magnetic sensor, the function will not be impaired. Also, by using a high-pass filter, miniaturization, low cost, and high accuracy can be achieved.
【0063】さらに、本発明によれば、3個の加速度セ
ンサと、2個の地磁気センサにより、簡単な計算だけ
で、誤差成分有無の判別・補正処理を高精度で行うこと
ができ、高速応答で、高精度な姿勢角検出装置を提供で
きる。Further, according to the present invention, the three acceleration sensors and the two terrestrial magnetism sensors can perform the determination / correction processing of the presence / absence of an error component with high accuracy only by a simple calculation, and provide a high-speed response. Thus, a highly accurate attitude angle detecting device can be provided.
【図1】本発明の姿勢角検出装置のジャイロスコープ、
加速度センサ、地磁気センサの配置を示し、基準座標系
(X−Y−Z系)とセンサ座標系(x−y−z系)が一
致している場合を示す図。FIG. 1 is a gyroscope of a posture angle detecting device according to the present invention;
The figure which shows arrangement | positioning of an acceleration sensor and a geomagnetic sensor, and shows the case where a reference coordinate system (XYZ system) and a sensor coordinate system (xyz system) correspond.
【図2】基準座標系(X−Y−Z系)とセンサ座標系
(x−y−z系)が一致していない座標系を示す図。FIG. 2 is a diagram showing a coordinate system in which a reference coordinate system (XYZ system) and a sensor coordinate system (xyz system) do not match.
【図3】本発明の姿勢角検出装置の構成を示す図。FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a posture angle detection device of the present invention.
【図4】本発明の姿勢角検出装置のうち、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 stationary angle calculation device in the posture angle detection device of the present invention.
【図5】HMDにおける姿勢角検出装置の使用状況の説
明図。FIG. 5 is an explanatory diagram of a usage state of a posture angle detection device in an HMD.
1 ディスプレイ 2 姿勢角検出装置(被測定物) 3 信号ケーブル 4 映像発生装置 5 (第1の)ジャイロスコープ 6 (第2の)ジャイロスコープ 7 (第3の)ジャイロスコープ 8 (第1の)地磁気センサ 9 (第2の)地磁気センサ 10 (第1の)加速度センサ 11 (第2の)加速度センサ 12 (第3の)加速度センサ 30 姿勢角演算装置 31 運動角演算装置 32 静止角演算装置 33 判別装置 36 (第1の)ハイパスフィルタ 37 (第2の)ハイパスフィルタ 38 (第3の)ハイパスフィルタ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Display 2 Attitude angle detection apparatus (DUT) 3 Signal cable 4 Image generator 5 (First) gyroscope 6 (Second) gyroscope 7 (Third) gyroscope 8 (First) geomagnetism Sensor 9 (second) geomagnetic sensor 10 (first) acceleration sensor 11 (second) acceleration sensor 12 (third) acceleration sensor 30 attitude angle calculator 31 motion angle calculator 32 static angle calculator 33 discrimination Device 36 (first) high-pass filter 37 (second) high-pass filter 38 (third) high-pass filter
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI G01V 3/40 G01V 3/40 // G01R 33/02 G01R 33/02 L ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification symbol FI G01V 3/40 G01V 3/40 // G01R 33/02 G01R 33/02 L
Claims (9)
軸をZ軸とした、互いに直交する3軸の回りの回転角を
検出する姿勢角検出装置において、X軸、Y軸、及びZ
軸の回りの角速度を検出する3個のジャイロスコープ
と、該各ジャイロスコープの角速度に応じた出力に基づ
いて単位時間あたりの移動角度を演算する運動角演算装
置と、上記3軸の加速度を検出する3個の加速度センサ
と、X軸及びY軸の2軸の地磁気を検出する2個の地磁
気センサと、前記加速度センサ及び地磁気センサの出力
に基づいて、前記3軸回りの静止角を演算する静止角演
算装置と、該静止角演算装置による演算結果の真偽を判
別する判別装置と、該判別装置の演算結果に応じて、前
記運動角演算装置及び静止角演算装置の演算結果から姿
勢角を演算する姿勢角演算装置とから構成されることを
特徴とする姿勢角検出装置。1. An attitude angle detecting device for detecting rotation angles around three mutually orthogonal axes, with an axis orthogonal to an X axis and a Y axis orthogonal to each other in a plane as a Z axis. And Z
Three gyroscopes for detecting angular velocities around axes, a motion angle calculating device for calculating a moving angle per unit time based on an output corresponding to the angular velocities of the respective gyroscopes, and detecting the accelerations of the three axes Three acceleration sensors, two terrestrial magnetism sensors for detecting terrestrial magnetism in two axes of X-axis and Y-axis, and a static angle around the three axes is calculated based on outputs of the acceleration sensor and the terrestrial magnetism sensor. A static angle computing device, a discriminating device for discriminating whether the computation result by the static angle computing device is true or false, and an attitude angle based on the computation result of the motion angle computing device and the static angle computing device according to the computation result of the discriminating device. And a posture angle calculating device for calculating the following.
振動子をジャイロスコープとして動作させるための駆動
検出回路からなり、前記振動子は、非磁性材料で構成さ
れることを特徴とする請求項1記載の姿勢角検出装置。2. The gyroscope comprises a vibrator and a drive detection circuit for operating the vibrator as a gyroscope, wherein the vibrator is made of a non-magnetic material. The attitude angle detecting device as described in the above.
スフィルタを接続し、該ハイパスフィルタからの出力を
用いて単位時間あたりの移動角度を演算することを特徴
とする請求項1または2記載の姿勢角検出装置。3. The attitude angle according to claim 1, wherein a high-pass filter is connected to an output unit of the gyroscope, and a movement angle per unit time is calculated using an output from the high-pass filter. Detection device.
波数可変手段を有することを特徴とする請求項3記載の
姿勢角検出装置。4. The attitude angle detecting device according to claim 3, wherein the high-pass filter has a cut-off frequency variable unit.
の加速度センサからの出力Ax(n)、Ay(n)か
ら、仮のロール角R(n)、仮のピッチ角P(n)を演
算するロール角演算手段、ピッチ角演算手段と、地磁気
のx方向成分Mx(n)、y方向成分My(n)を計測
する2軸の地磁気センサと、演算する単位時間で1単位
時間過去の方位角演算結果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A
x(n)、Ay(n)及びバックアップメモリーの内容
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、地磁気のZ方向成分M
zの符号を判定する地磁気Mz符号判別手段と、地磁気
のZ方向成分地磁気Mz絶対値演算手段と、前記地磁気
Mz符号判別手段と、地磁気Mz絶対値演算手段よりZ
軸方向成分の地磁気Mzを計算する地磁気Mz演算手段
と、前記地磁気Mx、My、Mzより、基準座標系での
地磁気のX,Y,Z成分HX,HY,HZを演算する座
標変換演算手段と、基準座標系における前記のHX、H
Yにより方位角Φを演算する方位演算手段から構成さ
れ、地磁気Mz演算手段により仮想的に地磁気Mzを求
めることにより地磁気センサ2軸だけで方位角Φ(n)
が計測できることを特徴とする請求項1ないし4のいず
れかに記載の姿勢角検出装置。5. A tentative roll angle R (n) and a tentative pitch angle P (n) based on outputs Ax (n) and Ay (n) from the x-axis and y-axis acceleration sensors of the three-axis acceleration sensor. ), A two-axis geomagnetic sensor for measuring the x-direction component Mx (n) and the y-direction component My (n) of the geomagnetism, and one unit time for the unit time to be calculated A backup memory for storing the past azimuth angle calculation result Φ (n-1), and an output A of the acceleration sensor
a north component tilt angle calculating means for calculating a north component θ 2 of the tilt angle from x (n), Ay (n) and the contents Φ (n-1) of the backup memory;
a geomagnetic Mz code discriminating means for judging the sign of z, a geomagnetic Z-direction component geomagnetic Mz absolute value calculating means, the geomagnetic Mz code discriminating means, and a geomagnetic Mz absolute value calculating means.
Geomagnetic Mz calculating means for calculating an axial component geomagnetism Mz; coordinate conversion calculating means for calculating geomagnetic X, Y, Z components HX, HY, HZ in a reference coordinate system from the geomagnetism Mx, My, Mz; , HX, H in the reference coordinate system
An azimuth calculating means for calculating an azimuth angle Φ from Y, and a terrestrial magnetism Mz calculating means virtually obtains the terrestrial magnetism Mz.
The attitude angle detecting device according to any one of claims 1 to 4, wherein the attitude angle can be measured.
演算手段及び地磁気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(n)、Ay(n)とする時、北方向
成分傾斜角θ2は、θ2=sin-1[Ax(n)・cos
(−Φ(n−1))+Ay(n)・sin(−Φ(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、θ0<θ2 ≦90度で
あれば、地磁気Mz符号はプラスと判別することを特徴
とする請求項1ないし5のいずれかに記載の姿勢角検出
装置。6. A north component tilt angle θ 2 , a geomagnetic dip θ 0 at the origin, and a backup memory output of Φ ( n-1), and when the outputs of the two axes of the acceleration sensor are Ax (n) and Ay (n), respectively, the north component inclination angle θ 2 is θ 2 = sin −1 [Ax (n) · cos
(−Φ (n−1)) + Ay (n) · sin (−Φ (n−
1))], if −90 degrees ≦ θ 2 ≦ θ 0 , the geomagnetic Mz sign is determined to be negative, and if θ 0 <θ 2 ≦ 90 degrees, the geomagnetic Mz sign is determined to be positive. The attitude angle detecting device according to any one of claims 1 to 5, wherein
磁気センサからなる静止角検出手段から求められる、仮
のヨー角Φ、仮のピッチ角P、仮のロール角Rの検出結
果が、正しいかどうかの判別手段として、3軸の加速度
センサの合成レベルが、ほぼ1Gであることにより、加
速度センサの現在の出力Ax(n),Ay(n),Az
(n)が行うアルゴリスムが、数1の時、静止角検出手
段からの姿勢角情報は正しいと判別することを特徴とす
る請求項1ないし6のいずれかに記載の姿勢角検出装
置。 【数1】 7. The detection results of the provisional yaw angle Φ, the provisional pitch angle P, and the provisional roll angle R obtained by the static angle detection means including the three-axis acceleration sensor and the two-axis geomagnetic sensor are correct. As a means for determining whether or not the combined output of the three-axis acceleration sensor is approximately 1 G, the current outputs Ax (n), Ay (n), Az of the acceleration sensor
7. The attitude angle detecting device according to claim 1, wherein when the algorithm performed by (n) is Equation 1, the attitude angle information from the stationary angle detecting means is determined to be correct. (Equation 1)
ロール角α(n)、ピッチ角β(n)、ヨー角γ
(n)、運動角検出手段から求められる運動角を△X
(n)、△Y(n)、△Z(n)、静止角検出手段から
求められる静止角をR(n)、P(n)、Φ(n)、一
定定数をC1、C2、C3とすると、判別装置の判別結果
により、静止角検出手段からの姿勢角情報は正しいと判
別する場合、α(n)=α(n−1)+△X(n)−C
1、β(n)=β(n−1)+△Y(n)−C2、γ
(n)=γ(n−1)+△Z(n)−C3により、ま
た、静止角検出手段からの姿勢角情報は誤りと判別する
場合は、α(n)=α(n−1)+△X(n)、β
(n)=β(n−1)+△Y(n)、γ(n)=γ(n
−1)+△Z(n)により、姿勢角を演算することを特
徴とする請求項1ないし7のいずれかに記載の姿勢角検
出装置。8. An output to be obtained by the attitude angle detecting device is a roll angle α (n), a pitch angle β (n), and a yaw angle γ.
(N), the motion angle obtained from the motion angle detecting means is represented by ΔX
(N), △ Y (n), △ Z (n), R (n), P (n), Φ (n), and the fixed constants C 1 , C 2 , when C 3, the discrimination result of the discriminating device, to determine the attitude angle information from the static angle detecting means correct, α (n) = α ( n-1) + △ X (n) -C
1 , β (n) = β (n−1) + ΔY (n) −C 2 , γ
If (n) = γ (n−1) + ΔZ (n) −C 3 , and if the attitude angle information from the static angle detection unit is determined to be incorrect, α (n) = α (n−1) ) + △ X (n), β
(N) = β (n−1) + △ Y (n), γ (n) = γ (n
The attitude angle detecting device according to any one of claims 1 to 7, wherein the attitude angle is calculated from -1) + △ Z (n).
ロール角α(n)、ピッチ角β(n)、ヨー角γ
(n)、運動角検出手段から求められる運動角を、△X
(n)、△Y(n)、△Z(n)、静止角検出手段から
求められる姿勢角をR(n)、P(n)、Φ(n)、1
以下の比例定数をk1,k2,k3とすると、判別装置の
判別結果により、静止角検出手段からの姿勢角情報は正
しいと判別する場合は、α(n)=α(n−1)+△X
(n)−k1[α(n−1)+△X(n)−R
(n)]、β(n)=β(n−1)+△Y(n)−k2
[β(n−1)+△Y(n)−P(n)]、 γ(n)
=γ(n−1)+△Z(n)−k3[γ(n−1)+△
Z(n)−Φ(n)]により、また、静止角検出手段か
らの姿勢角情報は誤りと判別する場合は、α(n)=α
(n−1)+△X(n)、β(n)=β(n−1)+△
Y(n)、γ(n)=γ(n−1)+△Z(n)によ
り、姿勢角を演算することを特徴とする請求項1ないし
8記載の姿勢角検出装置。9. An output to be obtained by the attitude angle detecting device is a roll angle α (n), a pitch angle β (n), and a yaw angle γ.
(N), the motion angle obtained from the motion angle detecting means is represented by ΔX
(N), △ Y (n), △ Z (n), and the attitude angles determined by the static angle detection means are R (n), P (n), Φ (n),
Assuming that the following proportional constants are k 1 , k 2 , and k 3 , α (n) = α (n−1) when it is determined that the posture angle information from the static angle detection unit is correct based on the determination result of the determination device. ) + △ X
(N) −k 1 [α (n−1) + ΔX (n) −R
(N)], β (n) = β (n−1) + ΔY (n) −k 2
[Β (n-1) + △ Y (n) -P (n)], γ (n)
= Γ (n-1) + {Z (n) -k 3 [γ (n-1) +}
Z (n) −Φ (n)], and when the attitude angle information from the static angle detection means is determined to be incorrect, α (n) = α
(N-1) + {X (n), β (n) = β (n-1) + n
The attitude angle detecting device according to claim 1, wherein the attitude angle is calculated by Y (n), γ (n) = γ (n−1) + △ Z (n).
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- 1998-01-23 JP JP02653798A patent/JP4023889B2/en not_active Expired - Fee Related
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