JP3884442B2 - 3次元慣性航法システムに基づいた入力システムおよびその軌跡推定方法 - Google Patents
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Description
3次元慣性航法システム(INS: Inertial Navigation System)とは、3次元空間上で動く物体の位置と姿勢を推定するため、3軸加速度情報と3軸角速度情報を検出し、検出された情報を動いている物体に適用するシステムを言う。3次元慣性航法システムでは、角速度情報測定値の積分値を用いて物体の姿勢を計算し、これにより加速度情報を補正して、補正された加速度情報を1回積分して速度情報が計算され、2重積分して位置情報が計算できる。
従来の慣性航法システムを利用した入力システムは、ホスト装置20および入力装置10を含む。
ホスト装置20は、入力装置10からの動きに基づいて動きに対応するイメージをディスプレイする。
加速度センサ11は、入力装置10の動きに基づいて動きに対応する加速度情報Ab(Abx,Aby,Abz)を生成して変換演算部14に出力する。加速度情報において、小添字bはボディフレームでの加速度情報であることを意味し、小添字x、yおよびzはx軸、y軸およびz軸に対する情報であることを意味する。
回転角情報演算部13は、角速度センサ12からの角速度情報を受け付ける。入力された角速度情報は、所定の演算過程を経て回転角情報χ(Φ、θ、Ψ)に変換される。回転角情報に変換されるための所定の演算過程は公知の技術に属するので、本明細書ではそれに対する詳細な説明は省略する。
下記の数式を説明する前に数式に利用される用語の定義を以下に説明する。
●航法フレーム(navigation flame)は、ボディフレームでの検出結果に基づいて所定の演算行列を適用することによって、ホスト装置300に適用され得る情報を算出するための基準フレームである。ここで、航法フレームの座標軸をX0、Y0、Z0と称する。
●ボディフレームでの角速度情報に基づいて回転角情報を算出するための行列は次の通りである。
ボディフレームでの加速度情報をAbで、ボディフレームでの角速度情報をWbで、ボディフレームでの角速度情報に基づいて回転角情報を算出するための行列をRで、重力加速度をGで、ボディフレームでのベクトルを航法フレームでのベクトルに変換するための行列を〜で表す場合、航法フレームでの位置情報であるPn、航法フレームでの速度情報であるVnおよび回転角情報であるχは、数式1、数式2および数式3により次のように表すことができる。
したがって、加速度センサおよび角速度センサから各々出力されたボディフレームでの加速度情報および角速度情報は、各々航法フレームでの速度情報および位置情報に変換演算され、変換演算された位置情報は3次元上の動きに対応する動きのイメージは、最適投影平面に投影された後送信部15に出力される。
このような方式により入力装置10の動きは、ホスト装置20にディスプレイされる。
しかし、上述したように加速度センサと角速度センサとを全て使用する場合、入力装置の重さが全体的に増加して携帯性に適合しないという短所がある。角速度センサのコストも高価であるため、これを利用する入力装置も高価になるという短所がある。角速度センサおよび加速度センサを全て駆動する必要があるので、電力の消費量が多いという短所がある。また、角速度センサを使用する場合、初期の校正作業が必ず必要であるため、角速度センサを具備する場合、校正作業を行わなければならないという面倒さがある。
ここで、ボディフレームの座標軸をX、Y、Zとする場合、Aby1、Aby2は各々Y軸に対する動き直前の加速度情報、動き直後の加速度情報を意味し、Abz1、Abz2は各々Z軸に対する動き直前の加速度情報、動き直後の加速度情報を意味し、航法フレームに対する座標軸をX0、Y0、Z0とする場合、Ψ1、Ψ2は各々Z0軸に対する動き直前の回転角情報、動き直後の回転角情報を意味し、θ1はΨ1による回転によりY0が回転した後の軸を意味するY1軸に対する動き直前の回転角情報を意味し、θ2はΨ2による回転によりY0が回転した後の軸を意味するY1軸に対する動き直後の回転角情報を意味し、Φ1はΨ1、θ1各々の回転によりX0軸が回転した後の軸を意味するX2軸に対する動き直前の回転角情報を意味し、Φ2はΨ2、θ2各々の回転によりX0軸が回転した後の軸を意味するX2軸に対する動き直前の回転角情報を意味する。
ここで、ボディフレームの座標軸をX、Y、Zとする場合、AbX1、AbX2は各々X軸に対する動き直前の加速度情報、動き直後の加速度情報を意味し、Aby1、Aby2は各々Y軸に対する動き直前の加速度情報、動き直後の加速度情報を意味し、Abz1、Abz2は各々Z軸に対する動き直前の加速度情報、動き直後の加速度情報を意味し、航法フレームに対する座標軸をX0、Y0、Z0とする場合、Ψ1、Ψ2は各々Z0軸に対する動き直前の回転角情報、動き直後の回転角情報を意味し、θ1はΨ1による回転によりY0が回転した後の軸を意味するY1軸に対する動き直前の回転角情報を意味し、θ2はΨ2による回転によりY0が回転した後の軸を意味するY1軸に対する動き直後の回転角情報を意味する。
前記動きの加速度情報から前記重力加速度に基づいた加速度情報を分離する所定の方法は、前記動きの加速度情報を低域通過フィルタに通過させることが好ましい。
前記(b1)ステップにおける所定の方法は、前記動きの加速度情報を低域通過フィルタに通過させることが好ましい。
図2は、本発明の1実施形態に係る回転角情報の推定演算部120を備えた入力装置100を含む入力システムのブロック図である。
本発明に係る入力システムは、入力装置100およびホスト装置300を具備する。
加速度センサ110は、入力装置100の動きに基づいてx、y、zの3つの軸に基づいてボディフレームのX、Y、Zの3つの軸に対応するように設けられる。加速度センサ110は、入力装置100の動きに基づいて動きの加速度情報、動き直前の加速度情報および動き直後の加速度情報を検出した後各々出力する。入力装置内に3個の加速度センサが設けられることが好ましいが、2軸加速度情報を検出できる加速度センサを2個設けることも可能である。
図2の実施形態によると、入力装置100の動きに対する軌跡推定をするためには、入力装置100により表現しようとする動き直前と動き直後に入力装置100を動かしてはならないという仮定が必要である。これによって、本発明に係る加速度センサ110は、入力装置100により表現しようとする動き直前の加速度情報および動き直後の加速度情報を検出できる。動き直前の加速度情報は、表現しようとする動きのまさに直前の加速度情報を意味する。また、動き直後の加速度情報は、表現しようとする動きのまさに直後の加速度情報を意味する。動きの加速度情報は、ユーザにより表現しようとする動きに基づいた加速度情報を意味する。
本実施形態において、回転角情報の推定演算部120は、第1演算部121および第2演算部122を含む。
第1演算部121は、加速度センサ110から入力装置100の動き直前の加速度情報および動き直後の加速度情報を受ける。
第1演算部121は、動き直後の加速度情報に基づいて所定の演算過程を通じて動き直後の回転角情報のうち、Φおよびθを各々演算する。ここで動き直後の回転角情報は、動き直後の加速度情報に対応する回転角情報である。
第2演算部122は、第1演算部121から算出された動き直前の回転角情報のうち、Φとθを受け付ける。
第2演算部122は、入力された動き直前の回転角情報のうちΦおよび動き直後の回転角情報のうちΦに基づいて、所定の演算過程を通じて動きの回転角情報Φを演算する。
第2演算部122は、入力された動き直前の回転角情報のうちθおよび動き直後の回転角情報のうちθに基づいて、所定の演算過程を通じて動きの回転角情報θを演算する。
Φ(t)=a*t+b ・・・(数式6)
また、動き直前の時刻をt1で、動き直後の時刻をt2で、[θ(t2)-θ(t1)]/(t2-t1)をcで、-c*t1+θ(t1)をdで表す場合、動きの回転角情報のうちθ(t)は次の数式7により表すことができる。
変換演算部130は、加速度センサ110から動きの加速度情報を受け付け、回転角情報の推定演算部120から推定された動きの回転角情報を受け付ける。入力された動きの加速度情報および動きの回転角情報に基づいて、図1での変換演算部のように航法フレームでの動きの速度情報(Vn)および動きの位置情報(Pn)を算出する。
送信部140は、最適平面演算部135から出力された投影された位置情報をホスト装置300に出力する。送信部140は有線通信モジュールから構成できるが、ブルートゥース(bluetooth)のような無線通信モジュールであることが好ましい。
図3は、本発明の他の実施形態に係る回転角情報の推定演算部120を備える入力装置200が含まれた入力システムのブロック図である。
図2で説明したように、本発明に係る入力システムは、ホスト装置300および入力装置200を含む。
変換演算部230および送信部240は図2における説明と同じであるため、ここでは加速度センサ210および回転角情報の推定演算部220に対してのみ説明する。
本実施形態に係る加速度センサ210は、動きの加速度情報を検出した後出力する。図2の実施形態とは異なり、動き直前の加速度情報および動き直後の加速度情報は検出する必要がない。
分離部221は、出力された動きの加速度情報を受け付ける。次いで、入力された動きの加速度情報から入力装置200の動き自体に基づいた加速度情報と重力加速度に基づいた加速度情報を所定の方法により分離する。
所定の方法は、分離部221が低域通過フィルタ(LPF: Low Pass Filter)を備えることが好ましい。
演算部222は、重力加速度に基づいた加速度情報を入力される。
演算部222は、入力された重力加速度に基づいた加速度情報に基づいて数式4および数式5を通して動きの回転角情報を算出する。
また、上述したように、数式4および数式5は停止した状態でのみ適用可能である。したがって、重力加速度に基づいた加速度情報に対して数式4および数式5を適用できる。演算部222は、重力加速度に基づいた加速度情報を受け付け、数式4および数式5の適用によって動きの回転角情報を算出する。
但し、本明細書ではΨに対しては推定しなかった。その理由はΨ自体が入力装置に対する軌跡復元に大きい影響を及ぼさないためである。したがって、前記2つの実施形態ではΨに対した値を0にセッティングする。
通常、加速度センサから出力された動きの加速度情報は、重力加速度に基づいた加速度情報および動き自体に基づいた加速度情報が合成されて出力される。図面に示しているように、一般に動き自体に基づいた加速度情報は1Hzから20Hzの間の周波数帯に存在し、重力加速度に基づいた加速度情報は0Hz近くの周波数帯に存在する。
分離部221に低域通過フィルタを備えた場合、高周波数帯の加速度情報はフィルタリングされて出力されずに低周波数帯の加速度情報のみが出力される。したがって、図面に示しているように、重力加速度に基づいた加速度情報のみが出力される。
図2および図5を参照して説明する。まず、ユーザにより入力装置100が所定の動きをなしながら動く。入力装置100内の加速度センサ110は、入力装置100の動きに基づいて動きの加速度情報を検出した後に出力する(S400)。
算出された動きの回転角情報は、変換演算部130に出力される。また、加速度センサ110から出力された加速度情報も変換演算部130に出力される。変換演算部130は、入力された加速度情報および角速度情報に基づいて航法フレームに対する動きの位置情報を算出する(S430)。
図6は、図3の実施形態に係る入力システムの軌跡推定方法に対するフローチャートである。
出力された動きの加速度情報には、動き自体に基づいた加速度情報および重力加速度に基づいた加速度情報が含まれる。出力された動きの加速度情報は、回転角情報の推定演算部220に入力される。回転角情報の推定演算部220内の分離部221は、入力された動きの加速度情報から動き自体に基づいた加速度情報および重力加速度に基づいた加速度情報を各々分離する(S510)。
算出された動きの回転角情報は変換演算部230に出力される。また、加速度センサ210から出力された加速度情報も変換演算部230に出力される。変換演算部230は、入力された加速度情報および角速度情報に基づいて航法フレームに対する動きの位置情報を算出する(S530)。
図7Aは、本発明を適用した入力装置に基づいた所定の数字に対する結果を示す図面である。
図面の一点鎖線、破線、実線、及び二点鎖線は、図2にともなう実施形態によって角速度センサがない入力装置により文字を書いた場合の数字、図3にともなう実施形態によって角速度センサがない入力装置により文字を書いた場合の数字、スタイラス(stylus)ペンを利用してタブレット(tablet)上に直接文字を書いた場合の数字、及び、角速度センサがある入力装置により文字を書いた場合の数字である。
図7Bは、数字6〜9に対して実験した結果であり、図7Cは英文字G、H、IおよびJに対して実験した結果である。
図7A、図7Bおよび図7Cに示しているように、角速度センサがある状態およびタブレットに直接文字を書いた状態と本発明に係る各々の実施形態にともなう文字の状態はほぼ同一であり、文字を認識できる水準もほぼ同一であることが分かる。
但し、図2に示している実施形態および図3に示している実施形態は、入力装置で所定の演算過程が行われ、それにともなう最終的な結果値である位置情報のみホスト装置に伝送されるように構成されている。
110、210 加速度センサ
120、220 回転角情報の推定演算部
121 第1演算部
122 第2演算部
221 分離部
222 演算部
130、230 変換演算部
140、240 送信部
300 ホスト装置
Claims (22)
- 入力装置の3次元上の動きに基づいて前記動きに対応する動きの位置情報を検出し、検出した前記動きの位置情報をホスト装置に出力する入力システムにおいて、
動き直前の加速度情報、動きの加速度情報および動き直後の加速度情報を出力する加速度センサと、
出力された前記動き直前の加速度情報および前記動き直後の加速度情報に基づいて、所定の演算過程を通じて動きの回転角情報(Φ、θ)を推定する回転角情報の推定演算部と、
推定された前記動きの回転角情報および出力された前記動きの加速度情報に基づいて、前記動きの位置情報を算出する変換演算部と、
前記動きの位置情報を最適の平面に投影する最適平面演算部と、
を含むことを特徴とする3次元慣性航法システムに基づいた入力システム。 - 前記回転角情報の推定演算部は、
出力された前記動き直前の加速度情報および前記動き直後の加速度情報に基づいて、所定の演算過程を通じて動き直前の回転角情報(Φ1、θ1)および動き直後の回転角情報(Φ2、θ2)を算出する第1演算部と、
算出された前記動き直前の回転角情報および前記動き直後の回転角情報に基づいて、所定の演算過程を通じて前記動きの回転角情報を算出する第2演算部と、
を含むことを特徴とする請求項1に記載の3次元慣性航法システムに基づいた入力システム。 - 前記第1演算部において、
前記動き直前の回転角情報Φ1および前記動き直後の回転角情報Φ2は、
に基づいて算出されることを特徴とする請求項2に記載の3次元慣性航法システムに基づいた入力システム。 - 前記第1演算部において、
前記動き直前の回転角情報θ1および前記動き直後の回転角情報θ2は、
に基づいて算出されることを特徴とする請求項2に記載の3次元慣性航法システムに基づいた入力システム。 - 前記第2演算部において、
前記動きの回転角情報Φは、
Φ(t)=a*t+b
(ここで、t1は動き直前の時刻を意味し、t2は動き直後の時刻を意味し、aは[Φ(t2)-Φ(t1)]/(t2-t1)を意味し、bは-a*t1+Φ(t1)を意味し、航法フレームに対する座標軸をX0、Y0、Z0とする場合、ΨはZ0軸に対する回転角情報を意味し、θはΨによる回転によりY0が回転した後の軸を意味するY1軸に対する回転角情報を意味し、ΦはΨ、θ各々の回転によりX0軸が回転した後の軸を意味するX2軸に対する回転角情報を意味する)
に基づいて算出されることを特徴とする請求項2に記載の3次元慣性航法システムに基づいた入力システム。 - 前記第2演算部において、
前記動きの回転角情報θは、
θ(t)=c*t+d
(ここで、t1は動き直前の時刻を意味し、t2は動き直後の時刻を意味し、cは[θ(t2)-θ(t1)]/(t2-t1)を意味し、dは-c*t1+θ(t1)を意味し、航法フレームに対する座標軸をX0、Y0、Z0とする場合、ΨはZ0軸に対する回転角情報を意味し、θはΨによる回転によりY0が回転した後の軸を意味するY1軸に対する回転角情報を意味する)
に基づいて算出されることを特徴とする請求項2に記載の3次元慣性航法システムに基づいた入力システム。 - 入力装置の3次元上の動きに基づいて前記動きに対応される動きの位置情報を検出し、検出された前記動きの位置情報をホスト装置に出力する入力システムにおいて、
動きの加速度情報を出力する加速度センサと、
出力された前記動きの加速度情報から分離された重力加速度に基づいた加速度情報に基づいて、動きの回転角情報(Φ、θ)を推定する回転角情報の推定演算部と、
推定された前記動きの回転角情報および出力された前記動きの加速度情報に基づいて、前記動きの位置情報を算出する変換演算部と、
前記動きの位置情報を最適の平面に投影する最適平面演算部と、
を含むことを特徴とする3次元慣性航法システムに基づいた入力システム。 - 前記回転角情報の推定演算部は、
出力された前記動きの加速度情報から前記入力装置の動き自体に基づいた加速度情報および前記重力加速度に基づいた加速度情報を所定の方法に基づいて分離する分離部と、
分離された前記重力加速度に基づいた加速度情報に基づいて、所定の演算過程を通じて前記動きの回転角情報を算出する演算部と、
を含むことを特徴とする請求項7に記載の3次元慣性航法システムに基づいた入力システム。 - 前記動きの加速度情報から前記重力加速度に基づいた加速度情報を分離する所定の方法は、
前記動きの加速度情報を低域通過フィルタに通過させることを特徴とする請求項8に記載の3次元慣性航法システムに基づいた入力システム。 - 入力装置の3次元上の動きに基づいて前記動きに対応される動きの位置情報を検出し、検出した前記動きの位置情報をホスト装置に出力する入力システムを利用した軌跡推定方法において、
(a)動きの加速度情報、動き直前の加速度情報および動き直後の加速度情報を出力するステップと、
(b)出力された前記動き直前の加速度情報および前記動き直後の加速度情報に基づいて、所定の演算過程を通じて動きの回転角情報(Φ、θ)を推定するステップと、
(c)推定された前記動きの回転角情報および出力された前記動きの加速度情報に基づいて、前記動きの位置情報を算出するステップと、
(d)前記動きの位置情報を最適の平面に投影するステップと、
を含むことを特徴とする3次元慣性航法システムに基づいた入力システムの軌跡推定方法。 - 前記(b)ステップは、
(b1)出力された前記動き直前の加速度情報および前記動き直後の加速度情報に基づいて、所定の演算過程を通じて動き直前の回転角情報(Φ1、θ1)および動き直後の回転角情報(Φ2、θ2)を算出するステップと、
(b2)算出された前記動き直前の回転角情報および前記動き直後の回転角情報に基づいて、所定の演算過程を通じて前記動きの回転角情報を算出するステップと、
を含むことを特徴とする請求項12に記載の3次元慣性航法システムに基づいた入力システムの軌跡推定方法。 - 前記(b1)ステップにおいて、
前記動き直前の回転角情報Φ1および前記動き直後の回転角情報Φ2は、
に基づいて算出されることを特徴とする請求項13に記載の3次元慣性航法システムに基づいた入力システムの軌跡推定方法。 - 前記(b1)ステップにおいて、
前記動き直前の回転角情報θ1および前記動き直後の回転角情報θ2は、
に基づいて算出されることを特徴とする請求項13に記載の3次元慣性航法システムに基づいた入力システムの軌跡推定方法。 - 前記(b2)ステップにおいて、
前記動きの回転角情報Φは、
Φ(t)=a*t+b
(ここで、t1は動き直前の時刻を意味し、t2は動き直後の時刻を意味し、aは[Φ(t2)-Φ(t1)]/(t2-t1)を意味し、bは-a*t1+Φ(t1)を意味し、航法フレームに対する座標軸をX0、Y0、Z0とする時、ΨはZ0軸に対する回転角情報を意味し、θはΨによる回転によりY0が回転した後の軸を意味するY1軸に対する回転角情報を意味し、ΦはΨ、θ各々の回転によりX0軸が回転した後の軸を意味するX2軸に対する回転角情報を意味する)
に基づいて算出されることを特徴とする請求項13に記載の3次元慣性航法システムに基づいた入力システムの軌跡推定方法。 - 前記(b2)ステップにおいて、
前記動きの回転角情報θは、
θ(t)=c*t+d
(ここで、t1は動き直前の時刻を意味し、t2は動き直後の時刻を意味し、cは[θ(t2)-θ(t1)]/(t2-t1)を意味し、dは-c*t1+θ(t1)を意味し、航法フレームに対する座標軸をX0、Y0、Z0とする場合、ΨはZ0軸に対する回転角情報を意味し、θはΨによる回転によりY0が回転した後の軸を意味するY1軸に対する回転角情報を意味する)
に基づいて算出されることを特徴とする請求項13に記載の3次元慣性航法システムに基づいた入力システムの軌跡推定方法。 - 入力装置の3次元上の動きに基づいて前記動きに対応される動きの位置情報を検出し、検出された前記動きの位置情報をホスト装置に投影させる入力システムを利用した軌跡推定方法において、
(a)動きの加速度情報を出力するステップと、
(b)出力された前記動きの加速度情報から分離された重力加速度に基づいた加速度情報に基づいて、動きの回転角情報(Φ、θ)を推定するステップと、
(c)推定された前記動きの回転角情報および出力された前記動きの加速度情報に基づいて、前記動きの位置情報を算出するステップと、
(d)前記動きの位置情報を最適の平面に投影するステップと、
を含むことを特徴とする3次元慣性航法システムに基づいた入力システムの軌跡推定方法。 - 前記(b)ステップは、
(b1)出力された前記動きの加速度情報から前記入力装置の動き自体に基づいた加速度情報と前記重力加速度に基づいた加速度情報とを所定の方法に基づいて分離するステップと、
(b2)分離された前記重力加速度に基づいた加速度情報に基づいて、所定の演算過程を通じて前記動きの回転角情報を算出するステップと、
を含むことを特徴とする請求項18に記載の3次元慣性航法システムに基づいた入力システムの軌跡推定方法。 - 前記(b1)ステップにおける所定の方法は、
前記動きの加速度情報を低域通過フィルタに通過させることを特徴とする請求項19に記載の3次元慣性航法システムに基づいた入力システムの軌跡推定方法。
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