JP2001091289A - センサユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 使用環境に依存せず、且つ姿勢等の高精度の
センシングが可能なセンサユニットを提供する。 【解決手段】 姿勢及び動きを検出するジャイロユニッ
ト６、視野内の物体の相対姿勢及びその動きを検出する
人工網膜ＩＣ７、周辺に存する音源の存在を検出する音
響センサ８、Ｄ−ＧＰＳ９、及びこれらのセンサの動作
を制御するコントローラ５を可搬性の筐体に収容してセ
ンサユニットを構成する。コントローラ５は、各センサ
３〜９による検出結果を実時間で受け入れ、これらの検
出結果を所定のメモリ領域上に形成された情報空間内に
更新自在に記録し、この記録された検出結果をもとに筐
体の周辺で発生する事象を表す情報を導出する。これに
より、人間の知覚動作を模擬した動きを検出できるよう
にした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、人間、ロボット、
車両、航空機等の被検体の姿勢、動き成分、位置等を複
合的に検出し、必要に応じて他の検出データに基づいて
計器の誤差分を自律的に補正することにより高精度の検
出結果を恒常的に得る、センサユニットに関する。

【０００２】

【発明の背景】被検体の姿勢や動きを検出し、この検出
結果と映像の表現データとを実時間でリンクさせること
により、被検体の姿勢等に応じた映像を表示手段に表示
させる技術がある。このような技術において、被検体の
姿勢や動きを検出する場合、従来は、主として以下の二
つの方式が採用されている。第１の方式は、角速度を検
出するジャイロセンサと加速度を検出する加速度計とを
それぞれ二次元又は三次元の軸線上に配置したセンサユ
ニットを用い、このセンサユニットを取り付けた被検体
の姿勢や動きを検出する方式である。第２の方式は、三
次元的な微弱磁場を発磁コイルから発生し、その磁場の
変化を磁力センサを用いて被検体の姿勢等を検出する方
式である。この方式では、磁場の影響が及ぶ数メートル
範囲での方向及び場所でセンシングすることになる。

【０００３】しかしながら、従来方式には、以下のよう
な問題点があった。第１の方式では、ジャイロセンサが
早い動きに追随できる利点はあるが、センサ特有のドリ
フトが発生しやすく、被検体の向きに対して高精度の検
出ができない。ジャイロセンサでは、検出した角速度を
積分して角度に変換することになるため、僅かな誤差で
もそれが累乗に蓄積されることになる。このような誤差
の原因としては、電気回路部の温度特性の変化によるも
のがある。これは、抵抗やアンプなどの温度により特性
の変化を拾ってしまい、それが検出データのドリフトと
して現れるのである。また、ジャイロセンサの特性によ
るものがある。この種のジャイロセンサとしては振動型
のものが主流であるが、使用に際して剛体が振動するた
め、安定振動にいたるまでに時間を要し、それがドリフ
トとして現れるのである。このようなドリフトの発生
は、ジャイロセンサを採用する以上、不可避となる。ジ
ャイロセンサは、このドリフトを自律的に補正すること
ができないため、例えば被検体が正面を向いたことを感
知できる赤外線センサ等を利用したリファレンス装置を
用いて補正していくことになる。このようなリファレン
ス装置は、設置場所が固定されるのが通常なので、ドリ
フト補正を逐次行おうとするとセンサユニットの使用範
囲が限定されてしまい、野外での使用や携帯しての使用
は不可能である。

【０００４】第２の方式では、外乱の影響を受けやすい
ため様々なフィルタリング処理が必要となり、微弱磁場
を利用することとも相まって、検出結果を画定するまで
に要する時間が長いという問題がある。つまり、応答性
が悪いという問題である。この結果、被検体の実際の動
きを実時間で出力することができず、一定の時間経過後
に出力されることになり、実時間処理を要する用途には
不向きとなる。磁場を強くしてノイズに強くすれば応答
性はある程度解決するが、被検体が人間の場合、磁場の
人体への悪影響の心配や、医療分野のおいて心臓のペー
スメーカーへの影響などで、磁場を極力弱くすることが
市場から要求されており、この時間的な遅れの解決は不
可能に近いといえる。第２の方式では、発磁コイルを設
置することから限られた場所内で被検体の姿勢等を計測
することになり、第１の方式の場合と同様、自由な空間
でのセンシングが不可能である。

【０００５】本発明は、以上の背景に鑑み、使用する環
境に依存せず、姿勢等の高精度のセンシングを可能にす
るセンサユニットを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本願出願人は、従来は存
在しない人間の知覚動作を模擬することができるセンサ
ユニットを構成することで、上記課題の解決を図るもの
である。

【０００７】−第１のセンサユニット− 第１のセンサユニットは、自己の姿勢及び動きを検出す
る第１センサ、自己の視野にある物体の相対姿勢及びそ
の動きを検出する第２センサ、自己の周辺に存する音源
の存在を検出する第３センサのうち少なくとも二つのセ
ンサと、これらのセンサの動作を制御するコントローラ
とを所定の筐体に収容して成り、前記コントローラが、
各センサによる検出結果を実時間で受け入れ、これらの
検出結果を所定のメモリ領域上に形成された情報空間内
に更新自在に記録し、この記録された検出結果をもとに
前記筐体の周辺で発生する事象を表す情報を導出するよ
うに構成されているものである。

【０００８】第１のセンサユニットにおける好ましい実
施の形態としては、前記コントローラを、各センサから
出力されるデータを相互に補完することにより各センサ
に共通する一つの物理量を導出するように構成する。第
１センサと第２センサとを含んでセンサユニットを構成
する場合、第１センサからの出力データに基づいて第２
センサの出力データを予測し、予測結果が肯定的である
場合に、予測されたデータをもとに第１センサによる誤
差成分を自律的に補正するように構成する。

【０００９】第１センサが前記筐体上に形成される複数
次元の軸線回りの角速度を計測する複数のジャイロセン
サを含むものであり、第２センサが入力画像から画像輪
郭を抽出してその画像輪郭の動き成分を演算によって導
出する手段を有するものであるとき、前記コントローラ
は、第１センサからの出力データのうち第１周波数帯の
データと、第２センサからの出力データのうち第１周波
数帯とは異なる第２周波数帯のデータとを統合するよう
に構成する。

【００１０】構成を簡略化する観点からは、第２センサ
として、目標物を映し出す手段と前記目標物の画像輪郭
を抽出してその画像輪郭の動き成分を演算によって導出
する手段とを１チップ化した人工網膜ＩＣを用いる。

【００１１】第３センサは、例えば、音信号の強度を計
測する１又は複数の指向性マイクを含む音響センサであ
り、同一の音源からの音信号の強度を異なる角度から計
測することで自己に対する当該音源の方向を検出するも
のである。

【００１２】なお、絶対位置を検出するＧＰＳセンサと
絶対方位を検出する方位センサの少なくとも一方を前記
筐体にさらに収容してセンサユニットを構成し、前記コ
ントローラが、これらのセンサにより検出された情報を
考慮して前記筐体の現在位置を導出するようにしても良
い。

【００１３】−第２のセンサユニット− 第２のセンサユニットは、センシング対象となる被検体
に取り付けられるもので、前記被検体の姿勢及び動きを
検出する第１センサと、前記被検体から見た物体の相対
姿勢及びその動きを検出する第２センサと、各センサの
動作を制御するコントローラとを有し、該コントローラ
が、各センサによる検出結果を実時間で受け入れ、これ
らの検出結果を所定のメモリ領域上に形成された情報空
間内に更新自在に記録し、この記録された検出結果を相
互に補完するとともに補完後の検出結果をもとに前記被
検体の周辺で発生する事象を表す情報を導出するように
構成されているものである。

【００１４】第２のセンサユニットは、自己の動作姿勢
又は動きを制御する主制御手段を有する被検体に取り付
け、前記コントローラで導出した情報を前記主制御手段
に伝えるように構成することができる。この場合の被検
体は、例えば自律歩行型のロボット、飛行体、車両等で
ある。

【００１５】この第２のセンサユニットの好ましい実施
の形態としては、前記コントローラを、各センサから実
時間で出力されるデータに基づいて次に検出されるデー
タの範囲を常時予測し、予測結果に応じて異なる情報を
生成するように構成する。例えば、予測結果が否定的と
なる事態が発生した場合に、自律的にそれを無視するよ
うな制御信号を生成したり、前記主制御手段への通知情
報を生成したりする。また、前記被検体の周辺の音源の
存在を検出する第３センサ、前記被検体の絶対位置を検
出する第４センサ、基準方位に対する前記被検体の方位
を検出する第５センサの少なくとも一つをさらに備える
ようにし、前記コントローラが、第３、第４又は第５の
センサから出力されるデータを前記事象を表す情報に反
映させるように構成する。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を人間の知覚動作を
模擬するセンサユニットに適用した場合の実施の形態を
説明する。図１（ａ）は人間の知覚を示す説明図であ
る。人間の知覚は、平行感覚を司る三半規管１、視覚を
司る目２、聴覚を司る耳３、及びこれらの器官を統括的
に管理する頭脳４の相互作用によって実現される。

【００１７】三半規管１は、自己の相対的な姿勢やその
動き、方向を感知するものであり、その原理は、水成分
の動きから頭の前後左右の傾き度合いや方向を感知する
というものである。しかし、三半規管１のみでは、例え
ば暗い部屋で何回か回転すると目的とする方向を見失っ
てしまったり、目をつぶりながら片足で立ち続けること
ができずに目をあけてしまったり、両足で立ってしまう
ことがある。このような場合、絶対的な方向や傾斜は、
目２からの視覚情報や耳３からの音源情報で補完され
る。

【００１８】目２は、自己の姿勢や周囲の事物に対する
自己の相対位置、自己の動き、相手との相対速度、相手
との距離等を感知するが、目２からの情報のみでは、自
己や相手の速い動きに対応しにくかったり、暗い状態で
は感知精度が低いことは良く経験するところである。こ
のような場合、三半規管１及び耳３からの情報によって
感知情報が補完される。

【００１９】耳３は、音源の存在や、その音源と自己と
の距離・方向等を感知するが、耳３からの情報のみでは
感知精度が低いため、やはり、目２や三半規管１からの
情報によって感知精度の補完が行われる。

【００２０】頭脳４は、三半規管１、目２、耳３からの
情報に基づいて情報相互の補完や事象の発生確認、その
他の判断を行う。例えば現在又は過去の視覚情報及び音
情報をもとに、自己の周辺の事物の存在や配置等を空間
的に認識する。人が肩を叩かれたときに振り向くことが
出来るのは、後ろに障害になる物が無いことを知ってい
るからである。つまり、頭脳４は、現在認識されるいる
情報のみに基づくのではなく、事前に取得してある情報
をも加味することによって常に空間的に存在する情報を
整理しておくのである。このようにして、自己の動きに
あった空間を作りだし、人は安心して歩行できる。

【００２１】このような人間の知覚と等価の機能を実現
するため、本実施形態では、図１（ｂ）のような構成の
センサユニットを構成する。このセンサユニットは、可
搬性の筐体に、頭脳４に相当するコントローラ５、三半
規管１に相当するジャイロユニット６、目２に相当する
人工網膜ＩＣ７、耳に相当する音響センサ８、及び、Ｄ
‐ＧＰＳ９（differential‐globalpositioning syste
mの略称である。）、及びこれらの電源（図示省略）を
装着して構成される。

【００２２】ジャイロユニット６は、複数のジャイロセ
ンサ及び加速度計を含んで成り、これらの計器によっ
て、筐体の姿勢やその動きを検出するものである。ジャ
イロセンサは、筐体内に形成されるＸ，Ｙ，Ｚ軸（ピッ
チ、ロール、ヨー）又はＸ，Ｙ軸上に配置され、各軸線
回りの角速度を計測する。加速度計は、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸又
はＸ，Ｙ軸上に配置され、軸線傾斜による重力加速度と
運動加速度との和を計測する。本実施形態では、ジャイ
ロセンサは筐体の旋回角度を含む姿勢の計測に利用し、
加速度計は、筐体の加速・停止加速度の計測、旋回によ
る横加速度等の計測に利用する。この計測により得られ
たデータ（以下、この実施形態では「計測データ」と称
する）は、必要に応じて増幅器（図示省略）によって増
幅され、時系列にコントローラ５に出力されるようにな
っている。なお、方位計を含んでジャイロユニットを構
成しても良い。この場合は、上記計測データに絶対方位
に対する筐体の相対方位を表すデータが付加される。

【００２３】ジャイロセンサは、温度変化がその計測デ
ータに影響を与える場合があるので、寒冷地方や温暖地
方で使用する場合は、計測データを温度係数で補正する
温度補正手段を付加することが望ましい。ジャイロユニ
ット（特にジャイロセンサ）６は、筐体の動きにダイレ
クトに反応して計測データを出力することができ、しか
も軸線回りの動き成分に基づいて計測データを出力する
ものであるから高周波の動きに対しては精度が高いが、
軸線回りの動きが少ない場合、つまり低周波の動きに対
しては精度を確保することが比較的困難である。また、
ジャイロセンサについては、前述のように計測データに
ドリフト成分が蓄積されるという本質的な問題がある。

【００２４】人工網膜ＩＣ７は、筐体の周囲における目
標物の存在を認識し、認識した目標物の位置関係や自己
又は目標物の動き成分を検出するセンサである。人工網
膜ＩＣ７は、例えば特開平１０−３４０３４９号公報に
開示されたものを用いることができる。この開示された
人工網膜ＩＣは、ＣＣＤ（charge coupleddevice）の
機能や画像の輪郭抽出機能などを選択することができ、
ロジックゲートアレイで画像入力のためのクロックを生
成し、内容で処理した結果をチップ内メモリに記憶でき
るようなものである。

【００２５】本実施形態では、この人工網膜ＩＣ７を用
いて自己の視野にある目標物を動画として映しだし、こ
れにより得られたそれぞれの画像の輪郭情報を抽出する
とともに、抽出した輪郭情報の差分から自己に対する目
標物の相対的な動き成分を表す物理量、具体的には角速
度、速度、移動方向、移動量、移動後の方位等の演算を
行う。そのために、まず自己と目標物との間で発生する
動きベクトルを検出する。図２は、人工網膜ＩＣ７にお
ける動きベクトルの検出手順を示した図であり、図３は
その概念図である。人工網膜ＩＣ７では、図２に示され
るように、まず、目標物を映した動画から１画面分の画
像を入力し、その目標物の画像の輪郭情報を抽出する
（ステップＳ１０１、Ｓ１０２）。図３（ａ）はこの処
理を概念的に示したものである。抽出された１画面分の
輪郭情報は、図３（ｂ）のような形態で図示しないチッ
プ内メモリに記録される（ステップＳ１０３）。一定時
間経過後、同一目標物を同じ角度で映し出し、同様の処
理を行う。ここでは、直前に映した画像を前回画像、そ
の後に映した画像を今回画像とすると、図３（ｃ）のよ
うに、前回画像の輪郭情報と今回画像の輪郭情報の特定
部位を基準として、量及び方向をパラメータとするベク
トル成分を論理演算によって抽出することができる。例
えば前回画像の輪郭情報（ドット）と今回画像の輪郭情
報（ドット）の排他的論理和を判定することで、移動し
たドットのみを抽出することができる。人工網膜ＩＣ７
では、このベクトル成分をその画像についての動きベク
トルとして検出する（ステップＳ１０４，Ｓ１０５）。

【００２６】移動ベクトルの検出に際しては、目標物の
移動速度を予測して移動したドットの探索範囲を決めて
いく。探索範囲では、最初に横方向に移動して探索範囲
をスキャンし、次に上下方向に移動して探索範囲をスキ
ャンする。そして、探索できたドットの色情報を参照
し、それが特定部位のドット（起点ドット）のものと同
様であれば、そのドットを移動先ドットとする。以上は
目標物が動いている場合の手順であるが、目標物自体は
動かず、人工網膜ＩＣ７が動いている場合もほぼ同様の
手順で動きベクトルを検出することができる。

【００２７】この人工網膜ＩＣ７は、機能的には、ＣＣ
Ｄと画像処理手段とを組み合わせたものであるが、本実
施形態では、上記のように目標物の動きベクトルを検出
できれば足りるので、目標物の画像の輪郭情報に基づく
動き成分を簡易に抽出できる人工網膜ＩＣを用いること
としたものである。従って、同機能をもつセンサでこれ
を代用することを否定するものではない。

【００２８】人工網膜ＩＣ７は、単独でも使用可能であ
るが、人間の目のように二つの人工網膜ＩＣ７を所定間
隔で併設し、同一目標物の動き等を二つの人工網膜ＩＣ
７で同時に検出するような形態も可能である。このよう
にすれば、各人工網膜ＩＣ７のチップ内メモリに記録さ
れる目標物の輪郭情報の相対位置からセンサユニットか
らその目標物までの距離を演算できるようになる。車両
に搭載する場合には、車間距離計として利用することが
できる。

【００２９】人工網膜ＩＣ７は、実際に映しだした目標
物の画像に基づいて動き成分を演算するため、低周波の
動きに対しては検出精度が高いが、画像処理を行うこと
から２値化処理を伴い、また、通常は目標物の位置の相
対変化等を認識する処理が伴うため、目標物の高周波の
動きに対して精度を高く維持することは困難である。

【００３０】音響センサ８は、同一音源からの音信号を
複数の方向から計測し、計測された音信号の到達時間差
からその音源の方向を特定できるようにしたセンサであ
る。音響センサ８の具体的な構成としては、音源からの
音信号を検出する指向性マイクとこの指向性マイクで受
信した音信号から特定周波数、例えば５０〜１００Ｈｚ
の低周波領域の音信号を抽出し、抽出した音信号の到達
時間差から音源方向を特定するための演算処理を行う処
理手段を含んで構成する。人間の耳のように、２つの指
向性マイクを一定間隔で配置し、この２つの指向性マイ
クに同時に入力された音信号の到達時間差から音源方向
を特定できるようにしても良い。なお、処理手段では、
上記低周波領域の音の強度変化パターンをバンドパスフ
ィルタで切り取り、その切り取ったパターンとそのとき
の音源の方向とを記憶しておいて、同様のパターンが発
生したときにその方向の角度を参考値にするようにして
処理の効率化を図ることも可能である。

【００３１】Ｄ‐ＧＰＳ９はＧＰＳの一種であり、ＧＰ
Ｓ信号をＧＰＥＸ（衛星測位情報センタ）の固定基準局
で受信し、誤差を計算した後、補正データをＦＭ多重放
送で送信するシステムであり、自己の絶対位置や速度を
ワールド座標系でコントローラ５に出力するものであ
る。このＤ−ＧＰＳ９は、一般のＧＰＳに比べて１０倍
以上の検出精度が得られることは良く知られている。

【００３２】コントローラ５は、例えばＲＯＭ等に記録
された所定のプログラムをＣＰＵが読み込んで実行する
ことにより形成されるもので、各センサ６〜９の動作を
制御することを主たる機能とするが、各センサ６〜９か
らの計測データをＲＡＭ等の内部メモリに形成される情
報空間に統合化する機能、統合された計測データをもと
に各センサ６〜９の利点を引き出し、弱点については他
のセンサの計測データで補正する機能、時々刻々センス
され、統合される計測データに基づいて次の計測データ
を予測し、この予測値に対して合理性のある（ある許容
範囲内の）結果から自己（センサユニット）の動きや目
標物の動きを認識する機能を有するものである。内部メ
モリの情報空間には、例えば−１８０〜０〜＋１８０の
ように３６０度に渡る各センサ６〜９の計測結果を時間
情報と共に随時更新自在に記録されるようになってお
り、これによって、空間的、時間的なデータの統合、及
び統合されたデータを利用したデータ予測その他の判断
処理を可能にしている。

【００３３】次に、本実施形態によるセンサユニットの
動作を説明する。このセンサユニットでは、人間の三半
規管を模擬した三半規管動作、視覚を模擬した視覚動
作、聴覚を模擬した聴覚動作を行う。 ＜三半規管動作＞センサユニットにおける三半規管動作
は、主としてジャイロユニット６の計測データに基づい
て、筐体、筐体取付体等の被検体の姿勢（傾き、向き
等）及びその動きをコントローラ５を通じて認識するこ
とにより実現される。但し、ジャイロユニット６のみで
は、センサユニットを取り付けた被検体が、例えば電源
断後再立ち上げ後に何回か回転したときに、その被検体
の正しい姿勢を確定することが困難となる場合がある。
このような場合を想定し、本実施形態では、三半規管動
作を模擬するためのデータについては、人工網膜ＩＣ７
より得られた視覚情報、人工網膜ＩＣ７からの計測デー
タに基づいて演算された物理量の情報、音響センサ８に
よって検出された情報やそれに基づく物理量の情報で補
完するようにしている。また、動きの度合い（検出周波
数）によっては、ジャイロユニット６の計測データに代
えて、人工網膜ＩＣ７からの計測データを用いる。

【００３４】＜視覚動作＞センサユニットにおける視覚
動作は、主として人工網膜ＩＣ７の計測結果に基づい
て、目標物の存在、被検体自体又は目標物の相対的な動
き、被検体の姿勢や位置、向きをコントローラ５を通じ
て認識することにより実現される。但し、人工網膜ＩＣ
７のみでは、被検体や目標物の速い動きに対応しにくか
ったり、夜間等の暗い環境では、目標物や被検体の絶対
的な位置や姿勢等を正しく認識できなかったりする。こ
のような場合を想定し、本実施形態では、速い動きの場
合にはジャイロユニット６の計測データに基づく姿勢や
向きの情報で人工網膜ＩＣ７による検出結果を補完し、
位置や方位については、音響センサ８によって検出され
た情報やそれに基づいて演算された物理量の情報、Ｄ−
ＧＰＳ９によって検出された位置情報で補完する。

【００３５】＜聴覚動作＞センサユニットにおける聴覚
動作は、主として音響センサ８の計測結果に基づいて被
検体の向きや音源までの距離をコントローラ５を通じて
認識することにより実現される。但し、音響センサ８か
らの情報のみでは、音信号の強度が弱すぎたり、音源に
対する２方向の角度が小さい場合には精度を十分に確保
することができない場合がある。一方、音源の方向を検
出する際に、人工網膜ＩＣ７で実際に映しだした画像を
もとに音源の方向を予測することによって、音源方向の
探索に要する時間の短縮化が可能になる。そこで、本実
施形態では、人工網膜ＩＣ７により検出された情報を聴
覚動作の補完に用いる。

【００３６】＜コントローラによる統合処理＞上記の三
半規管動作、視覚動作、聴覚動作は、センサユニットの
コントローラ５が各センサ６〜９から時々刻々収集した
情報をメモリ領域に空間的、時間的にそれぞれ更新自在
に統合的に記録しておき、これらの情報に基づいて情報
相互の補完、予測等を行うことによって実現される。コ
ントローラでは、上記各動作のサポートのほか、被検体
の周辺で発生した事象の認識その他の各種判断処理を行
う。以下、各処理の内容を詳細に説明する。

【００３７】人工網膜ＩＣ７で画像処理を通じて目標物
の動きを検出（演算）する場合、入力された目標物の映
像の動きが自己が動いた結果なのか、目標物が動いた結
果なのかを区別する必要がある。コントローラ５は、こ
の場合の判定に、ジャイロユニット６の計測データを利
用する。図４（ａ）は、人工網膜ＩＣ７自身が目標物
（楕円で図示）４１に向かって前進している場合の映像
例、図４（ｂ）は、人工網膜ＩＣ７は移動せず、目標物
４１が図中央から左側に動く場合の例である。図４
（ａ）において、目標物４１は、人工網膜ＩＣ７が前進
するにつれて大きくなるが、ジャイロユニット６の角速
度は変化していない。この場合、人工網膜ＩＣ７が移動
していることを示す映像であると認識できる。他方、図
４（ｂ）において、目標物４１は大きさが同一のまま左
側に移動しているが、ジャイロユニット６の角速度は変
化しない。このような場合、目標物４１が動いていると
いう認識ができる。

【００３８】また、人工網膜ＩＣ７と目標物とが共に動
く場合もジャイロユニット６の検出結果を利用して実際
の動き成分を正確なものに補正することができる。例え
ば図５（ａ）のように、人工網膜ＩＣ７が固定されてい
ることが判っているとき、動き成分があればそれは目標
物が動いた結果であり、目標物における設定部位の動き
ベクトル５１のみで目標物の動きに関する物理量を演算
することができる。しかし、図５（ｂ）のように、目標
物と人工網膜ＩＣ７とが共に動いている場合（図示の場
合は同一方向の移動）は、目標物についての動きベクト
ル５２のほか、ジャイロユニットによる動き（ベクトル
量）５３を考慮する必要がある。図５（ｃ）は、両ベク
トルの差分５４を示したものであり、この差分ベクトル
が実際の動きベクトルを表すことになる。このように動
きベクトルを補正することにより、動きの検出精度を高
めることができる。

【００３９】ジャイロユニット６が高周波の動きに対し
ては精度が高く、他方、人工網膜ＩＣ７が低周波の動き
に対して精度が高いことは前述のとおりである。コント
ローラ５では、この点に着目して、ジャイロセンサ６か
らの出力データのうち第１周波数帯のデータと人工網膜
ＩＣ７からの出力データのうち第１周波数帯とは異なる
第２周波数帯のデータとを統合し、両周波数域をカバー
する統合的な計測データを得るようにする。具体的に
は、ジャイロユニット６の検出信号からハイパスフィル
タ６ａで低周波成分を除去し、６０Ｈｚ〜０．５Ｈｚ程
度の信号を出力するようにし、逆に、人工網膜ＩＣ７の
検出信号は、ローパスフィルタ７ａで高周波成分を除去
し、０．５Ｈｚ以下の信号を出力する。そして、両信号
を統合する。また、例えば６０Ｈｚでセンシングしたと
すると、角速度は、ジャイロセンサ６の計測データでは
６０Ｈｚで演算可能であるが、人工網膜ＩＣ７では、最
大で２０Ｈｚでの演算になる。これは、人工網膜ＩＣ７
では、時間的に離れた３つのポイント（三角形ポイン
ト）の差分で角速度の演算がなされるためである。つま
り、三角形の一頂点である第１ポイントと他の頂点であ
る第２ポイントとの差分で速度を演算し、第１、第２、
第３ポイントの差分で角速度を演算することになるから
である。ジャイロユニット６の場合は、それぞれのポイ
ントでの角速度演算が可能である。このように周波数特
性の異なる２種類のセンサ６，７からの計測データを、
それぞれの周波数特性に合ったフィルタを通してミキシ
ングする。上記例でいえば、３つのポイントのうち１回
は人工網膜ＩＣ７で計測し、その間はジャイロセンサ６
で計測して両者をミキシングする。これにより、ジャイ
ロユニット６の利点と人工網膜ＩＣ７の利点とを融合さ
せて、精度が高い領域での計測データに基づく検出結果
を得ることができる。

【００４０】ジャイロユニット６による計測データと人
工網膜ＩＣセンサ７による演算結果とを相互にリファレ
ンスして姿勢等の検出精度を高めることもできる。図６
は、この場合のコントローラ５の処理手順説明図であ
る。コントローラ５では、ジャイロユニット６による計
測データ（角速度を表すデータ）を人工網膜ＩＣ７での
演算に要する時間分だけ積算（積分）し（ステップＳ２
０１）、人工網膜ＩＣ７において演算される角速度を予
測しておく（ステップＳ２０２）。このジャイロユニッ
ト６の計測データをもとに人工網膜ＩＣ７によって演算
される角速度を予測するのは、以下の理由による。ジャ
イロユニット６により得られる角速度は瞬間的な計測デ
ータを積分することにより得られるのに対し、人工網膜
ＩＣ７の場合は、積分を要さずにそれがダイレクトに得
られる。しかし、人工網膜ＩＣ７では、前述のように画
像の２値化のための処理を伴うことから、演算までに一
定の時間を要する。両者の動作が正常であった場合は結
果がほぼ同じになるので問題はないが、人工網膜ＩＣ７
のいて処理の誤り等があった場合には、演算結果に誤差
が生じる。しかし、そのことは、実際に演算されてみて
初めて判る。そこで、まずジャイロユニット６の計測デ
ータを信頼し、人工網膜ＩＣ７における演算の後に異常
の有無を判定することとしたものである。

【００４１】人工網膜ＩＣ７により演算された角速度が
所定の範囲外、すなわちジャイロセンサ６で予測された
値を超えているかどうかを判定し、超えていた場合はジ
ャイロユニット６による角速度を採用し（ステップＳ２
０３、Ｓ２０４：Ｎｏ、Ｓ２０５）、ステップＳ２０１
の処理に戻る。このような事態は、主として動きが高い
周波数のものであった場合に生じる。一方、両者の演算
結果が所定範囲以内であった場合は、相対的に精度が高
い人工網膜ＩＣ７で演算された角速度を採用する（ステ
ップＳ２０３，Ｓ２０４：Ｙｅｓ、Ｓ２０６）。その
後、採用された角速度とジャイロユニット６により計測
された角速度との差分を求める。人工網膜ＩＣ７ではド
リフト成分が発生しないので、両者に差がある場合は、
その差は通常はジャイロセンサのドリフト成分である。
そこで、上記差分をフィードバック補正する（ステップ
Ｓ２０８）。

【００４２】ジャイロセンサ６の計測データ及び人工網
膜ＩＣ７の計測データを相互に確認することによって、
ジャイロセンサのドリフト成分を補正することもでき
る。ここでは、単位時間（例えば１秒）毎に人工網膜Ｉ
Ｃ７及びジャイロユニット６により得られる動き成分を
表す計測データがコントローラ５に入力されるものとす
る。コントローラ５では、人工網膜ＩＣ７で動き成分が
検出されておらず、且つジャイロユニット６の角速度が
０であるときは、ジャイロユニット６に誤差がないこと
になるので、両者の値を初期値にする。一方、人工網膜
ＩＣ７では動き成分が検出されていないがジャイロユニ
ット６の角速度が有限値であった場合は、ジャイロユニ
ット６により得られる角速度はドリフト成分であること
になるので、この有限値を０に補正する。このように、
ジャイロユニット６及び人工網膜ＩＣ７の欠点を互いの
利点によってカバーしあうことができ、精度の高い姿勢
検出等が可能になる。また、従来のドリフト成分の自律
補正が可能なセンサユニットを構成することが可能にな
る。

【００４３】上述の聴覚動作によって、例えば被検体の
正面からのずれ量を検出することができる。従って、人
工網膜ＩＣ７等によって検出（演算）された被検体の正
面方向を聴覚動作によって補完することができる。ま
た、音源の方向検出の応用として、単位時間における音
源の移動量を音響センサ８で検出してその音源の移動速
度を演算することができ、さらに、音源が固定されてい
る状態で音源の移動成分を検出することでセンサユニッ
トの移動の事実や移動量、移動方向等を検出することが
できる。前述のように、人工網膜ＩＣ７では、夜間等で
目標物の動き等を正しく検出することが困難であるが、
人工網膜ＩＣ７による計測と同期させて音響センサ８で
音源の移動成分を検出し、その検出結果を人工網膜ＩＣ
７による検出動作に反映させることで、人工網膜ＩＣ７
による検出精度を高めることができる。

【００４４】ジャイロユニット６、人工網膜ＩＣ７、音
響センサ８、Ｄ−ＧＰＳ９からのデータに基づいてそれ
ぞれ共通の物理量を検出することができる。例えば、ジ
ャイロユニット６に含まれる加速度計から被検体の移動
速度及び移動量を検出できるし、人工網膜ＩＣ７の動き
成分を積算することでも被検体の移動量や移動速度を検
出することができる。さらに、上述のように音響センサ
８によっても音源又は被検体の移動速度や移動量を検出
することができる。また、Ｄ−ＧＰＳ９によっても速度
を演算することができる。そこで、これらの共通の物理
量を互いに他のセンサのものと比較し、それぞれが一定
の許容範囲に入っていることを確認した上で検出結果と
して外部に出力するような使用形態も可能である。ま
た、予め物理量毎に基準となるセンサを決めておき、こ
の基準となるセンサによる検出結果を優先的に使用する
形態、あるいは優先度の高いセンサからのずれを検出し
て他のセンサの動作の不具合を検出するような形態も可
能である。この点については、被検体の姿勢を表すデー
タについても同様である。

【００４５】さらに、上記のように共通の物理量をもと
に、他のセンサによる検出結果による計測結果の不具合
を予測することができる。例えば、Ｄ−ＧＰＳ９では衛
星情報で位置等を検出するが、電波はビルディング等の
反射によってマルチパス（複数経路）を発生させ、位置
の情報に「飛び」が発生する。具体的には、急に２００
ｍ程度位置が飛んだりする。ところが、ジャイロセンサ
６に含まれる加速度データ予想される速度に比べて１秒
間に２００ｍの移動がありえなければ（予測結果が否定
的であった場合）、それが明らかなマルチパスの発生で
あるとして、Ｄ−ＧＰＳ９による計測データを無視す
る。

【００４６】このように、本実施形態のセンサユニット
によれば、人間の知覚動作を模擬したセンシングを行
い、各センサ３〜９における利点を統合し、欠点につい
ては、他のセンサでそれを補うようにしたので、従来に
はない高精度のセンシングが可能になる。また、可搬性
の筐体に各センサ３〜９及びコントローラ５を収容した
ので、使用環境に依存しないセンシングが可能になる。

【００４７】

【実施例】次に、本実施形態のセンサユニットの適用場
面を具体的に説明する。 ＜自律歩行ロボット＞本発明のセンサユニットは、自律
歩行型の二足ロボットの姿勢センサとして適用すること
ができる。図７は、本発明のセンサユニットＶをロボッ
トＷの頭部に配置した状態を示した図である。センサユ
ニットＶはロボットＷの目、耳、三半規管として機能さ
せる。つまり、人間の知覚と同様、ロボットＷ自身の位
置、向いている方向、姿勢、動きを検出する。また、目
標物との間の距離や相対的な動きを出力する。

【００４８】ロボットＷは、人間と同様の歩行動作を行
うために関節部分にサーボモータが設けられており、各
サーボモータが主制御装置Ｕによって制御されるように
なっている。

【００４９】主制御装置Ｕは、センサユニットＶからの
検出情報をもとに現在のロボットＷの等をセンサユニッ
トＶで検出し、これらの検出情報に基づいて、該当する
サーボモータの最適な制御量（目的の姿勢、移動形態を
実現するための制御量）を演算する。例えば、ロボット
Ｗが水平から５度だけ傾斜していた場合、それを最適な
速度で水平にするような演算を行い、所定のモデリング
カーブに従う制御量を演算する。モデリングカーブは、
例えばロボットＷの傾斜を３秒後に水平に戻す際に、そ
のための角速度を直線的にするかとか、最初は早い角速
度にしてその後ゆっくりにするかというような制御のタ
イミングを決定するためのカーブをいう。このモデリン
グカーブは、個々のサーボモータのトルクやロボットＷ
の制御の場所等によって異なる。

【００５０】最適な制御量を演算した後は、モデリング
カーブを所定の制御タイミング（例えば１０Ｈｚ）で分
割し、該当するサーボモータに駆動電力を出力する。こ
の駆動電力の出力によってロボットＷが実際に動いた量
をセンサユニットＶで検出してサーボモータの次の制御
量を確認する、という手順を繰り返す。このようにして
ロボット全体の重心を安定させながら自律歩行を実現す
る。

【００５１】なお、センサユニットＶのコントローラで
は、次の制御タイミングでの計測結果を予測し、これを
ロボットＷの制御装置に伝える。主制御装置Ｕ側でも先
に決定した最適制御量から予想される結果を予測するこ
とができるので、両者の差分が許容範囲内であれば、通
常のフィードバック制御を行う。一方、両者の差分が許
容範囲を超える場合は、ロボットＷとセンサユニットＷ
のいずれかに異常があるとして、制御を中止させる。こ
のように、本発明のセンサユニットを適用することによ
り、自律歩行型の二足ロボットを容易に実現できるよう
になる。

【００５２】＜無人搬送車＞本発明のセンサユニット
は、二足ロボットと同様の主制御装置Ｕをもって自律的
に移動する無人搬送車、例えば過酷な環境や時間での物
体搬送や清掃車等の知覚センサとして利用することもで
きる。この場合の利用形態、例えばコントローラによる
制御形態は、二足ロボットの場合と同様となる。

【００５３】＜飛行体＞本発明のセンサユニットは、飛
行体の姿勢検出センサ、例えばラジコンで操作するヘリ
コプタに搭載され、そのヘリコプタの高度や姿勢等を検
出するためのセンサとして利用することができる。例え
ば、図８（ａ）〜（ｄ）の右側に示される円内の目印の
図形を着地点に記しておき、この図形の変化を検出する
ことで、ヘリコプタの高度や姿勢等を認識することがで
きる。この場合、ヘリコプタの動きを表す動きベクトル
は、ヘリコプタ自体の移動によるものであり、着地点の
図形自体は動かないので、ベクトル演算のみによって検
出結果を得ることができる。

【００５４】なお、ヘリコプタに二足ロボットにおける
主制御装置Ｕの如きものが搭載されている場合は、外部
指示に応じて自律的に自己の姿勢を修正できるようにな
る。また、ヘリコプタでは、風、燃料消費による自重の
変化等、種々の外乱が発生するが、これらの外乱を本発
明のセンサユニットで検出して、その結果を飛行制御に
反映させることも可能である。

【００５５】＜車両＞本発明のセンサユニットは、車両
に搭載して各種センサとして利用することもできる。例
えば、コントローラ５による予測動作を利用して運転中
における障害物及び危険物の認知や子供の飛び出しなど
の危険回避等に利用することができる。すなわち、予測
される検出結果と実際の検出結果とを常時比較し、運転
中のある時期における実際の検出結果が予測される検出
結果と合致しなかった場合（否定的であった場合）、車
両の近傍に障害物が存在すると認識することができる。
また、Ｄ−ＧＰＳ９で検出された自己の速度が４Ｋｍ／
ｈのときに、人工網膜ＩＣ７で検出された速度がスター
ト直後の速度であった場合、Ｄ−ＧＰＳ９の検出結果を
当該車両の初速として認識するが、このとき、横方向に
１０ｋｍ／ｈの変位が認識され、且つジャイロユニット
６で角速度が検出されていなければ、それは予期しない
物体の動作、つまり急に飛び出した物体があると認識さ
れ、車両の停止動作を促すことが可能になる。

【００５６】センサユニットは、車間距離計として利用
することもできる。すなわち、先行車両までの視野角を
人工網膜ＩＣ７で求め、この視野角から先行車両までの
距離を演算することができる。路面上で断続的なパター
ンが続くセンターラインの映像を映すことにより、セン
サユニットを速度計として使用することができる。すな
わち、人工網膜ＩＣ７からセンターラインまでの視野角
を求め、さらに、センターラインのリズミカルなパター
ンの変化を人工網膜ＩＣ７で動きベクトルとして検出す
ることで、当該センサユニットを搭載した車両の速度を
演算することができる。

【００５７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のセンサユニットによれば、複数のセンサの検出結果を
補完させてセンサの利点同士を活かし、欠点については
他のセンサの利点で補うようにしたので、検出精度を高
く維持できるようになる。また、ジャイロセンサを含む
場合に、そのドリフト成分を他のセンサの検出結果をも
とに自律的に補正するようにしたので、使用環境を問わ
ないセンシングが可能になる。さらに、時々刻々センス
されるデータのみならず、空間的、時間的に統合された
データに基づく検出結果が得られるため、人間の知覚動
作に近い検出結果が正確に得られるようになり、従来の
センサ乃至センサユニットでは不可能であった用途に広
く応用することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、人間の知覚動作を示した説明図、
（ｂ）は、本発明のセンサユニットの構成図。

【図２】人工網膜ＩＣにおける動作ベクトルの抽出手順
を示した図。

【図３】（ａ）〜（ｃ）は人工網膜ＩＣにおける動作ベ
クトルの抽出概要を示した図。

【図４】人工網膜ＩＣにおける動きの主体を区別するた
めの説明図であり，（ａ）は人工網膜ＩＣ自身が目標物
に向かって前進している場合の映像例、（ｂ）は、人工
網膜ＩＣは移動せず、目標物が図中央から左側に動く場
合の例である。

【図５】人工網膜ＩＣにおける動きの補正概要を示すた
めの説明図であり、（ａ）は目標物だけが移動する場
合、（ｂ）は、人工網膜ＩＣと目標物とが共に移動する
場合、（ｃ）は補正後の動き量を示した図である。

【図６】ジャイロユニットと人工網膜ＩＣセンサの相互
補完の処理手順を示した図。

【図７】本発明を自律歩行ロボットに適用した場合の概
念図。

【図８】（ａ）〜（ｄ）は、本発明をヘリコプタヘリへ
応用した場合の処理概要を示した図である。

【符号の説明】

５ コントローラ ６ ジャイロユニット ７ 人工網膜ＩＣセンサ ８ 音響センサ ９Ｄ‐ＧＰＳ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０６Ｔ 1/00 Ｇ０６Ｆ 15/62 ３８０ ５Ｌ０９６ 7/20 15/70 ４１０ Ｆターム(参考） 2F029 AA02 AA05 AA07 AA08 AB03 AB05 AB07 AC01 AC04 AC09 AC12 AC16 AC20 2F065 AA04 AA22 AA45 DD03 JJ03 JJ16 JJ23 JJ26 QQ04 QQ14 QQ24 QQ32 2F105 AA02 AA03 AA06 AA10 BB17 BB20 5B057 AA05 BA02 BA04 DA07 DB02 DC16 DC32 DC36 5J062 AA01 CC07 EE04 GG02 5L096 BA05 DA02 FA06 FA69 GA08 HA04

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 自己の姿勢及び動きを検出する第１セン
   サ、自己の視野にある物体の相対姿勢及びその動きを検
   出する第２センサ、自己の周辺に存する音源の存在を検
   出する第３センサのうち少なくとも二つのセンサと、
   これらのセンサの動作を制御するコントローラとを所定
   の筐体に収容して成り、 前記コントローラが、 各センサによる検出結果を実時間で受け入れ、これらの
   検出結果を所定のメモリ領域上に形成された情報空間内
   に更新自在に記録し、この記録された検出結果をもとに
   前記筐体の周辺で発生する事象を表す情報を導出するよ
   うに構成されている、 センサユニット。
2. 【請求項２】 前記コントローラは、各センサから出力
   されるデータを相互に補完することにより各センサに共
   通する一つの物理量を導出するように構成されているこ
   とを特徴とする、 請求項１記載のセンサユニット。
3. 【請求項３】 前記第１センサ及び第２センサを有し、
   前記コントローラが、第１センサからの出力データに基
   づいて第２センサの出力データを予測し、予測結果が肯
   定的である場合に、予測されたデータをもとに第１セン
   サによる誤差成分を自律的に補正するものである、 請求項１記載のセンサユニット。
4. 【請求項４】 前記第１センサ及び第２センサを有し、
   第１センサは前記筐体上に形成される複数次元の軸線回
   りの角速度を計測する複数のジャイロセンサを含むもの
   であり、第２センサは入力画像から画像輪郭を抽出して
   その画像輪郭の動き成分を演算によって導出する手段を
   有するものであり、 前記コントローラは、第１センサからの出力データのう
   ち第１周波数帯のデータと、第２センサからの出力デー
   タのうち第１周波数帯とは異なる第２周波数帯のデータ
   とを統合するように構成されている、 請求項１記載のセンサユニット。
5. 【請求項５】 第２センサが、目標物を映し出す手段
   と、前記目標物の画像輪郭を抽出してその画像輪郭の動
   き成分を演算によって導出する手段とを１チップ化した
   人工網膜ＩＣである、 請求項１記載のセンサユニット。
6. 【請求項６】 第３センサが、音信号の強度を計測する
   １又は複数の指向性マイクを含む音響センサであり、同
   一の音源からの音信号の強度を異なる角度から計測する
   ことで自己に対する当該音源の方向を検出するものであ
   る、 請求項１記載のセンサユニット。
7. 【請求項７】 絶対位置を検出するＧＰＳセンサと絶対
   方位を検出する方位センサの少なくとも一方を前記筐体
   にさらに収容して成り、 前記コントローラが、これらのセンサにより検出された
   情報を考慮して当該筐体の現在位置を導出するように構
   成されている、 請求項１項記載のセンサユニット。
8. 【請求項８】 前記筐体が可搬性のものであり、各セン
   サ及びコントローラが携帯性電源によって駆動されるも
   のである、 請求項１乃至７のいずれかの項記載のセンサユニット。
9. 【請求項９】 センシング対象となる被検体に取り付け
   られ、 前記被検体の姿勢及び動きを検出する第１センサと、 前記被検体から見た物体の相対姿勢及びその動きを検出
   する第２センサと、 各センサの動作を制御するコントローラとを有し、 該コントローラが、各センサによる検出結果を実時間で
   受け入れ、これらの検出結果を所定のメモリ領域上に形
   成された情報空間内に更新自在に記録し、この記録され
   た検出結果を相互に補完するとともに補完後の検出結果
   をもとに前記被検体の周辺で発生する事象を表す情報を
   導出するように構成されている、 センサユニット。
10. 【請求項１０】 前記被検体が自己の動作姿勢又は動き
    を制御する主制御手段を有するものであり、前記コント
    ローラで導出した情報を前記主制御手段に伝えるように
    構成されている、 請求項９記載のセンサユニット。
11. 【請求項１１】 前記コントローラが、各センサから実
    時間で出力されるデータに基づいて次に検出されるデー
    タの範囲を常時予測し、予測結果に応じて異なる情報を
    生成するように構成されている、 請求項９又は１０記載のセンサユニット。
12. 【請求項１２】 前記被検体の周辺の音源の存在を検出
    する第３センサ、前記被検体の絶対位置を検出する第４
    センサ、基準方位に対する前記被検体の方位を検出する
    第５センサの少なくとも一つをさらに有し、前記コント
    ローラが、第３、第４又は第５のセンサから出力される
    データを前記事象を表す情報に反映させるように構成さ
    れている、 請求項９、１０又は１１記載のセンサユニット。