JP3513803B2 - 動体運動測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】この発明は、動体運動測定装
置に関し、特に、人間の如き動体に取り付けて動体の動
きを測定する動体運動測定装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】人間の如き動体の動きを測定するに際し
て、角速度計を変動検出器として使用し、この角速度計
の角速度信号出力を積分して人間の運動を測定する場
合、角速度計の角速度信号出力の誤差であるバイアスに
より時間の経過につれて得られる角度は発散する。ここ
で、バイアスとは、角速度計が静止した状態にあるにも
関わらず、角速度計から出力される角速度信号をいう。
得られる角度の発散を小さくするには、バイアスの安定
性の良好な角速度計を選定使用するか、或いは、角速度
計の１回当たりの測定時間を短時間としてバイアス変動
量に起因する誤差を許容し得る限度内に収めることを実
施している。ところが、バイアスの安定性の良好な角速
度計は、外形寸法が大きい上に大変に高価である。廉価
な角速度計の価格と高価な角速度計の価格の間には数千
円程度から数十万円程度に到る大きな価格差がある。そ
して、１回当たりの測定時間を短時間として頻繁にバイ
アス測定を実施してバイアスを更新することは、動体運
動測定装置の使い勝手を煩雑にする。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】この発明は、変動検出
器である角速度計の角速度信号出力が動体の動きを基に
設定した角速度閾値範囲内に収まる小さい時は角速度計
は静止しているとみなしてバイアス推定動作状態に入
り、この頻繁に行なわれる静止の度毎にバイアス推定が
繰り返し実行されてバイアスの更新がなされる構成を採
用することにより、バイアスの安定性が良好とは言い難
い廉価な角速度計を変動検出器として使用して精度の高
い測定を実施することができる使い勝手の良好な動体運
動測定装置を提供するものである。 【０００４】 【課題を解決するための手段】動体に取り付けて動体の
動きを検出する変動検出器１と、変動検出器１の出力信
号が閾値範囲内であることに応答して変動検出器１の出
力誤差を変動検出器１の出力信号に負帰還する負帰還経
路を有する動体運動測定装置において、正の入力端を変
動検出器１の出力端に接続する減算部２４を具備し、入
力端を減算部２４の出力端に接続して変動検出器１の出
力信号が閾値範囲内のときは動体が静止していると判定
する静止判定部２６を具備し、この静止判定部２６は減
算部２４を介して入力される変動検出器の出力信号のレ
ベルを当該静止判定部内に設定される閾値範囲と比較し
て閾値範囲内であることを示す閉成制御信号或は閾値範
囲外であることを示す解放制御信号を出力し、入力端を
入力スイツチ２９１を介して静止判定部２６の出力端に
接続すると共にその出力端を出力スイツチ２９２に接続
する誤差推定部２７を具備し、入力端を出力スイツチ２
９２に接続すると共にその出力端を減算部２４の負の入
力端に接続する積分器２８を具備し、静止判定部２６、
誤差推定部２７、積分器２８はこの順に入力スイツチ２
９１および出力スイツチ２９２を介して接続されて減算
部２４の出力端から負の入力端に到る負帰還経路を形成
し、閉成制御信号或いは解放制御信号により入力スイツ
チ２９１および出力スイツチ２９２を同時に閉成制御或
いは解放制御する動体運動測定装置を構成した。 【０００５】 【発明の実施の形態】この発明の実施の形態を図１ない
し図３を参照して説明する。図１は動体に取り付けて動
体の運動を測定する動体運動測定装置を示す図である。
１は動体の動きを検出する変動検出器であり、角速度計
が使用されている。変動検出器１としては、角速度計の
他に加速度計、速度計、傾斜計の如き装置を使用するこ
とができる。２は信号処理部であり、角速度計１の測定
結果に演算処理を施してバイアス補正された角速度信号
を求める信号処理部である。この信号処理部２は、角速
度計１から入力される角速度信号をディジタルの角速度
信号に変換するＡ／Ｄ変換器２１、入力されるディジタ
ルの角速度信号の演算処理を実行するＣＰＵ２２、演算
処理プログラムおよび各種のデータを格納するメモリ２
３より成る。図２はＣＰＵ２２の実行する処理内容を示
すブロック図である。２４は減算部、２５はセンサノイ
ズ除去フィルタ、２６は静止判定部、２７は誤差推定
部、２８は積分器である。誤差推定部２７としてバイア
ス推定フィルタが使用されている。センサノイズ除去フ
ィルタ２５、静止判定部２６、誤差推定部２７、積分器
２８は、この順に接続されて減算部２４の出力端から負
の入力端に到る負帰還ループを形成している。 【０００６】角速度計１より出力される角速度信号は、
ＣＰＵ２２において演算処理を施されるに先だってＡ／
Ｄ変換器２１に入力され、ディジタルの角速度信号に変
換される。この角速度信号は真の角速度信号とこれに加
算された誤差角速度信号であるバイアスより成る。減算
部２４にはその正の入力端を介して測定された角速度信
号が入力される一方、負の入力端を介して積分器２８か
ら出力されるバイアス推定値が入力される。減算部２４
において測定された角速度信号からバイアス推定値を減
算した後の角速度信号は、センサノイズ除去フィルタ２
５に入力され、ノイズ成分を除去されてから静止判定部
２６に供給される。この静止判定部２６は、動体の動き
の特徴から予め抽出しておいた角速度閾値範囲を内部に
設定して比較部を形成している。静止判定部２６は、入
力される角速度信号と角速度閾値範囲との間の比較を比
較部において行い、角速度信号の値が角速度閾値範囲内
に収まっている場合、角速度計は静止しているとみなし
て点線で示される制御線を介して入力スイツチ２９１お
よび出力スイツチ２９２の双方を閉成制御する。角速度
信号の値が角速度閾値範囲内に収まっているということ
は、換言すれば、角速度計１が取り付けられている動体
が静止していることを意味する。入力スイツチ２９１お
よび出力スイツチ２９２の双方を閉とすることにより、
誤差推定部２７と積分器２８とを他の動作部に接続して
負帰還ループを形成し、バイアス推定動作状態に入る。
このバイアス推定動作状態において、静止判定部２６を
経由して出力される角速度信号は入力スイツチ２９１を
介して誤差推定部２７に入力される。誤差推定部２７
は、一般に、低域通過フィルタより成り、入力される角
速度信号の内の一部を低域通過させ、出力スイツチ２９
２を介して積分器２８に入力する。ここで、上述した通
り、角速度計１が静止した状態の角速度計の出力が角速
度計のバイアスであると定義されていることから、角速
度信号の値が角速度閾値範囲内に収まっている場合、即
ち、角速度計１が静止した状態の誤差推定部２７の出力
は、これをバイアス推定値として取り扱うことができ
る。このバイアス推定値は積分器２８に時々刻々入力さ
れ、積算される。 【０００７】以上の負帰還ループの動作を数値を当ては
めて具体的に説明するに、静止判定部２６の角速度閾値
範囲が±５゜／ｓｅｃの場合に角速度計１から＋２゜／
ｓｅｃの角速度信号が入力されると、静止判定部２６の
比較部は、＋２゜／ｓｅｃは±５゜／ｓｅｃの角速度閾
値範囲内であるところから、この角速度計１を取り付け
た動体は静止していると判断し、入力スイツチ２９１お
よび出力スイツチ２９２の双方を閉成制御する。両スイ
ツチが閉成制御されたことにより＋２゜／ｓｅｃの角速
度信号は誤差推定部２７を介して出力され、これが現在
のバイアス推定値とする。このバイアス推定値＋２゜／
ｓｅｃは積分器２８に供給される。その結果、積分器２
８の出力する積分結果は増大するに到る。ところで、セ
ンサノイズ除去フィルタ２５、静止判定部２６、誤差推
定部２７、積分器２８は、この順に接続されて減算部２
４の出力端から負の入力端に到る負帰還ループを形成し
ており、減算部２４において正の入力端に入力される角
速度計１の角速度信号出力から負の入力端に入力される
積分器２８の出力が減算される構成を具備しているの
で、積分器２８の積算出力が＋２゜／ｓｅｃとなった時
に減算部２４の出力は０となるので、以降は積分器２８
に加算は行なわれず、積分器出力は一定の＋２゜／ｓｅ
ｃに保持される。即ち、積分器２８の出力が角速度計１
のバイアス推定値となる。この通りにして、動体が静止
している場合、積分器２８の出力は追従して角速度計１
の出力に等しくなる。 【０００８】角速度信号が角速度閾値範囲を超える動体
が動いていることを示す場合、静止判定部２６の比較部
は点線で示される制御線を介して入力スイツチ２９１お
よび出力スイツチ２９２の双方を解放制御する。これに
より、誤差推定部２７を負帰還ループから切り離してバ
イアス推定動作を停止する。ここで、出力スイツチ２９
２は、誤差推定部２７を積分器２８から完全に切り離し
てバイアス推定動作の停止時に誤差推定部２７が積分器
２８に与える影響を防止することを目的として接続され
ている。積分器２８はバイアス推定動作の停止したとこ
ろで、動作停止直前の積分値であるバイアス推定値を保
持した状態にある。即ち、積分器２８の出力は最新のバ
イアス推定値を示す。ここで、減算部２４において、正
の入力端を介して入力されるバイアスを含む角速度計１
の角速度信号出力から、負の入力端を介して入力される
積分器２８の最新のバイアス推定値を減算することによ
り最新のバイアス推定値によるバイアス補正を施された
バイアス補正済み角速度信号出力が得られる。 【０００９】以上のとおり、この発明の動体運動測定装
置は、角速度計の角速度信号出力が動体の動きを基に設
定した角速度閾値範囲内に収まる小さい時は角速度計は
静止しているとみなしてバイアス推定動作状態に入り、
この静止の度毎にバイアス推定が繰り返し実行される。
人間の如き動体の動きを測定して角度変動を測定する場
合、静止は頻繁に行われるので、これに対応してバイア
スの更新が頻繁に行われる。従って、動体運動測定装置
をバイアスの安定性が良好とは言い難い廉価な角速度計
を採用して構成しても、不安定なバイアスを自動的に頻
繁に更新して最新のバイアスにより角速度計の測定した
角速度信号を補正して精度の高い測定を実施することが
できる。 【００１０】 【発明の効果】以上の通りであって、この発明によれ
ば、人間の如き動体の動きの特徴から抽出した閾値範囲
を変動検出器に設定し、変動検出器の出力信号からバイ
アス推定値を減算した結果が閾値範囲内であればバイア
ス推定値を更新し、このバイアス推定値により変動検出
器の出力信号のバイアスを補正するので、小型の安価な
変動検出器を使用しても長時間精度良く運動の変動を測
定することができる。この静止状態は頻繁に生起するの
で、バイアス推定値の更新は頻繁に行なわれ、常に適正
なバイアス推定値により減算補正がなされた変動検出器
の出力信号を得ることができる。即ち、この発明は、静
止判定部２６、誤差推定部２７、積分器２８は、この順
に入力スイツチ２９１および出力スイツチ２９２を介し
て接続されて減算部２４の出力端から負の入力端に到る
負帰還経路を形成し、閉成制御信号或いは解放制御信号
により入力スイツチ２９１および出力スイツチ２９２を
同時に閉成制御或いは解放制御する構成を具備してい
る。ここで、非静止時は入力スイツチ２９１および出力
スイツチ２９２は開放制御されていて負帰還経路を形成
していないところから、静止状態が実現すると殆ど即時
に静止判定部２６はこれに応答して閉成制御信号を出力
し、入力スイツチ２９１および出力スイツチ２９２を同
時には閉成制御して誤差推定部２７は誤差推定を開始す
る。これにより、上述した頻繁に生起する静止状態に対
応する頻繁なバイアス推定値の更新に常に適正に対処し
て変動検出器の減算補正がなされた出力信号を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】実施例を説明する図。 【図２】図１の一部を詳細に説明する図。 【図３】動体に変動検出器を取り付けたところを示す
図。 【符号の説明】 １ 変動検出器 ２ 信号処理部 ２１ Ａ／Ｄ変換器 ２２ ＣＰＵ ２３ メモリ ２４ 減算部 ２５ センサノイズ除去フィルタ ２６ 静止判定部 ２８ 積分器 ２７ 誤差推定部 ２９１ 入力スイツチ ２９２ 出力スイ
ツチ

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 動体に取付けて動体の動きを検出する変
   動検出器と、変動検出器の出力信号が閾値範囲内である
   ことに応答して変動検出器の出力誤差を変動検出器の出
   力信号に負帰還する負帰還経路を有する動体運動測定装
   置において、 正の入力端を変動検出器の出力端に接続する減算部を具
   備し、 入力端を減算部の出力端に接続して変動検出器の出力信
   号が閾値範囲内のときは動体が静止していると判定する
   静止判定部を具備し、 この静止判定部は減算部を介して入力される変動検出器
   の出力信号のレベルを当該静止判定部内に設定される閾
   値範囲と比較して閾値範囲内であることを示す閉成制御
   信号或は閾値範囲外であることを示す解放制御信号を出
   力し、 入力端を入力スイツチを介して静止判定部の出力端に接
   続すると共にその出力端を出力スイツチに接続する誤差
   推定部を具備し、入力端を出力スイツチに接続すると共にその出力端を減
   算部の負の入力端に接続する積分器を具備し、 静止判定部、誤差推定部、積分器はこの順に入力スイツ
   チおよび出力スイツチを介して接続されて 減算部の出力
   端から負の入力端に到る負帰還経路を形成し、閉成制御
   信号或いは解放制御信号により入力スイツチおよび出力
   スイツチを同時に閉成制御或いは解放制御することを特
   徴とする動体運動測定装置。