JP3918911B2 - 回転角検出装置、音声再生装置および頭部装着型ディスプレイ装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、被検出体の回転角速度を検出する角速度センサを用いた回転角検出装置、および回転角検出装置を備える音声再生装置や頭部装着型ディスプレイ装置などの電子機器に関する。
【0002】
【従来の技術】
角速度センサの出力の角速度検出信号を積分して、被検出体の回転角(回転角度)を検出することは、様々な分野で行われ、考えられている。
【0003】
例えば、ヘッドホンに角速度センサを取り付けて、ヘッドホンを装着したリスナ頭部の回転を検出し、その検出結果に応じて音声信号を処理することによって、リスナが左右の方向に向いても、音声信号の音像をリスナ頭外の任意の固定した位置に定位させて、その位置にスピーカが配置されている場合と同等の音場が得られるようにすることが考えられている。
【0004】
また、カーナビゲーションシステムでは、車の進行方向の変化を検出することによって正しい進行方向を算出し、これと車速センサの出力とによって、あるいは衛星を利用して位置を知るGPS(Global Positioning System)とを併用して、現在位置を算出している。
【0005】
しかし、角速度センサの出力の角速度検出信号中には、オフセット成分として、直流に近い非常に低い周波数の成分が含まれており、しかも、そのオフセット成分のレベルは、角速度センサごとにばらつき、温度などの環境の変化によって変動する。
【0006】
そのため、角速度センサの出力の角速度検出信号を、そのまま積分して回転角を検出すると、被検出体が静止しているときでも、回転しているものとして検出されてしまうとともに、被検出体が回転しているときにおいても、その回転角を正確に検出することができない。そのため、角速度センサの出力の角速度検出信号から、このオフセット成分を除去する必要がある。
【0007】
図6は、このオフセット成分を除去する従来の回転角検出装置を示す。この回転角検出装置では、角速度センサ10の出力信号が、A/Dコンバータ21でデジタルデータに変換されて、ローパスフィルタ22を通じて取り出される。ローパスフィルタ22は、角速度センサ10の出力信号から必要な帯域の成分を取り出すもので、そのカットオフ周波数は、例えば100Hzとされる。
【0008】
このローパスフィルタ22から取り出された角速度検出信号Doが、ハイパスフィルタ101に供給されて、オフセット成分である低周波成分が除去される。ハイパスフィルタ101のカットオフ周波数は、例えば0.01Hzとされる。
【0009】
しかし、オフセット成分を除去するために、角速度検出信号Doをハイパスフィルタ101を通じて取り出すと、図7に示すように、ハイパスフィルタ101の出力の角速度検出信号DpにバックラッシュBを生じ、これが積分回路103で積分されると、大きな誤差となる。
【0010】
そのため、ハイパスフィルタ101の出力の角速度検出信号Dpは、低レベル除去回路102に供給されて、角速度検出信号Dp中の、図7においてレベル範囲Lで示す低レベル信号が除去され、その除去後の角速度検出信号Dqが、積分回路103で積分される。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図6の従来の回転角検出装置では、ハイパスフィルタ101によって、もとの角速度検出信号Doからオフセット成分を除去するため、オフセット成分除去後の角速度検出信号DpにバックラッシュBを生じ、このバックラッシュBを除去するために、低レベル除去回路102によって、オフセット成分除去後の角速度検出信号Dp中の低レベル信号を除去するため、オフセット成分ではない角速度検出成分も一部、失われてしまって、回転角を高精度で検出することができない。
【0012】
ハイパスフィルタ101の時定数を大きくしてバックラッシュBを抑え、低レベル除去回路102で低レベル信号を除去することなく、ハイパスフィルタ101の出力の角速度検出信号Dpを、そのまま積分回路103で積分することも考えられる。しかし、そうすると、ハイパスフィルタ101が定常状態に達するのに時間がかかり、その間は、オフセット成分を除去することができなくなり、回転角を検出することができなくなる。
【0013】
そこで、この発明は、角速度センサを用いた回転角検出装置において、回転角を高精度で検出することができるようにしたものである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
この発明の回転角検出装置は、
被検出体の回転角速度を検出する角速度センサの出力信号から、低周波成分を検出するローパスフィルタと、
その検出された低周波成分が、オフセット値として、複数サンプル分、書き込まれる記憶部と、
前記角速度センサの出力信号から、前記被検出体が回転しているか否かを判定する回転判定部と、
この回転判定部によって前記被検出体が回転していないと判定されたときには、前記ローパスフィルタによって検出された低周波成分を、オフセット値として前記記憶部に書き込み、前記回転判定部によって前記被検出体が回転していると判定されたときには、前記記憶部への低周波成分の書き込みを停止し、前記記憶部から複数サンプル分のオフセット値を読み出す制御部と、
前記記憶部から読み出された複数サンプル分のオフセット値の平均値を算出し、その算出結果を前記角速度センサの出力信号から減算し、その減算結果を積分する演算部と、
を備えるものとする。
【0015】
【発明の実施の形態】
〔回転角検出装置の実施形態…図1および図2〕
図1は、この発明の回転角検出装置の一実施形態を示す。
【0016】
被検出体1には、その回転角速度を検出する、圧電振動ジャイロなどの角速度センサ10を取り付ける。角速度センサ10の出力の角速度検出信号中には、オフセット成分として、直流に近い非常に低い周波数の成分が含まれており、しかも、そのオフセット成分のレベルは、角速度センサごとにばらつき、温度などの環境の変化によって変動する。
【0017】
この角速度センサ10の出力信号は、A/Dコンバータ21でデジタルデータに変換して、ローパスフィルタ22を通じて取り出す。ローパスフィルタ22は、角速度センサ10の出力信号から必要な帯域の成分を取り出すもので、そのカットオフ周波数は、例えば100Hzとする。
【0018】
このローパスフィルタ22から取り出された角速度検出信号Doは、オフセット検出部30内のローパスフィルタ31に供給して、低周波成分を検出する。ローパスフィルタ31のカットオフ周波数は、例えば、0.125Hz〜0.002Hzの範囲内で選定する。
【0019】
同時に、ローパスフィルタ22から取り出された角速度検出信号Doを、オフセット検出部30内の回転判定部32に供給して、回転判定部32によって、角速度検出信号Doの変化の程度から、被検出体1が回転しているか否かを判定する。
【0020】
具体的に、回転判定部32では、デジタルデータである角速度検出信号Doの1サンプルごとに、そのサンプル値を直前のサンプル値と比較して、両者の間の変化が所定の閾値以内であるときには、被検出体1が静止していると判定し、両者の間の変化が所定の閾値を超えるときには、被検出体1が回転していると判定するように、回転判定部32を構成する。
【0021】
この回転判定部32の判定結果は、バッファ制御部33に供給し、バッファ制御部33では、回転判定部32によって被検出体1が静止していると判定されたときには、そのときローパスフィルタ31によって検出された低周波成分を、オフセット値としてリングバッファ34に書き込む。
【0022】
リングバッファ34は、例えば、図2に示すように、最大16サンプル分のオフセット値を書き込むことができ、16サンプル分が書き込まれたときには、古いものから順に消去されて、新しいものが書き込まれるように構成する。
【0023】
バッファ制御部33では、回転判定部32によって被検出体1が回転していると判定されたときには、そのときローパスフィルタ31によって検出された低周波成分のリングバッファ34への書き込みを停止し、リングバッファ34から、これに書き込まれている最大16サンプル分のオフセット値を読み出す。
【0024】
そして、平均化処理部35で、このリングバッファ34から読み出された最大16サンプル分のオフセット値の平均値を算出し、加算回路40で、この平均化処理部35の算出結果の信号Dsを、信号検出部20のローパスフィルタ22からの角速度検出信号Do中のオフセット成分として、角速度検出信号Doから減算し、その減算結果の信号Dvを、オフセット成分除去後の角速度検出信号として、積分回路51で積分する。
【0025】
被検出体1が静止しているときの、ローパスフィルタ31によって検出された低周波成分は、角速度センサごとのばらつきや、温度などの環境の変化にかかわらず、角速度センサ10の出力の角速度検出信号Do中のオフセット成分に等しいのに対して、被検出体1が回転しているときの、ローパスフィルタ31によって検出された低周波成分は、角速度検出成分を含み、オフセット成分と一致しない。
【0026】
上述した回転角検出装置では、この被検出体1が静止しているときの、オフセット成分に等しい低周波成分のみを、リングバッファ34に書き込み、被検出体1が回転しているときには、直前の被検出体1が静止していたときの低周波成分を、リングバッファ34から読み出して、その平均値を、角速度センサ10の出力の角速度検出信号Doから減算するので、オフセット成分を確実かつ正確に除去することができ、回転角を高精度で検出することができる。
【0027】
ローパスフィルタ31の時定数は、制御信号Scによって変更できるようにし、被検出体1を備え、当該の回転角検出装置が設けられる電子機器の、電源投入時などの動作開始時には、時定数を小さくし、その後、次第に時定数を大きくする。
【0028】
これによって、電子機器の動作開始時、短時間でローパスフィルタ31を安定状態に収束させることができ、短時間で回転角の高精度の検出を開始することができる。
【0029】
出力処理部50では、必要に応じて、積分回路51の出力の回転角検出信号を、方位変換部52に供給して、被検出体1の基準方位に対する回転方向および回転角を、被検出体1の方位として検出する。
【0030】
〔音声再生装置の実施形態…図3および図4〕
この発明の回転角検出装置は、例えば、ヘッドホンによって音声を聴取し、かつリスナ頭外の任意の固定した位置に音像を定位させる音声再生装置に用いることができる。
【0031】
図3は、その原理を示し、リスナ3がヘッドホン5を装着して、その左右の音響変換器5Lおよび5Rによって音声を聴取し、リスナ3が左右の方向に向いても、音声信号の音像を、例えば、リスナ前方の正中面上の音源7で示す位置に定位させて、その位置にスピーカが配置されている場合と同等の音場を得るものである。この場合、音源7からリスナ3の左耳3Lおよび右耳3Rに至る伝達関数をHLおよびHRとする。
【0032】
図4は、この場合の、この発明の音声再生装置の一実施形態を示し、ヘッドホン5には角速度センサ10を取り付け、この角速度センサ10の出力信号を、図1に示した構成の回転角検出装置60に供給して、ヘッドホン5を装着したリスナ頭部の回転を検出する。
【0033】
この場合、回転角検出装置60の出力処理部50からは、そのときのリスナ頭部の方位(向き)θの、図3の音源7の方位θ0からの回転方向および回転角が検出されるようにする。
【0034】
この実施形態では、それぞれリスナ頭部の方位θがθ0,θ1,θ2,‥‥θnのときの、図3の音源7からリスナ3の左耳3Lに至る伝達関数HL(θ0),HL(θ1),HL(θ2),‥‥HL(θn)および音源7からリスナ3の右耳3Rに至る伝達関数HR(θ0),HR(θ1),HR(θ2),‥‥HR(θn)に相当するインパルス応答を畳み込むデジタルフィルタ71−0,71−1,71−2,‥‥71−nおよび72−0,72−1,72−2,‥‥72−nを設け、入力デジタル音声信号Diを、デジタルフィルタ71−0,71−1,71−2,‥‥71−nおよび72−0,72−1,72−2,‥‥72−nに供給する。θ1,θ2,‥‥θnは、θ0の方位から右回り方向および左回り方向に等角間隔で設定する。
【0035】
そして、セレクタ73Lによって、デジタルフィルタ71−0,71−1,71−2,‥‥71−nのうちの、回転角検出装置60からの検出信号によって示される、そのときのリスナ頭部の方位θに最も近い方位に対応するフィルタの出力信号を、ヘッドホン5の左側の音響変換器5Lに供給されるべき音声信号として取り出し、セレクタ73Rによって、デジタルフィルタ72−0,72−1,72−2,‥‥72−nのうちの、回転角検出装置60からの検出信号によって示される、そのときのリスナ頭部の方位θに最も近い方位に対応するフィルタの出力信号を、ヘッドホン5の右側の音響変換器5Rに供給されるべき音声信号として取り出す。
【0036】
セレクタ73Lおよび73Rの出力のデジタル音声信号は、D/Aコンバータ74Lおよび74Rでアナログ音声信号に変換し、その2系統のアナログ音声信号を、音声増幅回路75Lおよび75Rで増幅して、ヘッドホン5の左右の音響変換器5Lおよび5Rに供給する。
【0037】
この場合、音声再生装置の電源投入時などの動作開始時、回転角検出装置60の図1に示したローパスフィルタ31によって低周波成分が検出されるまでの間は、回転角検出装置60から正確な検出信号が得られず、音声信号Diの音像が所期の位置に定位されなくなる。
【0038】
そこで、制御信号Scによって音声増幅回路75Lおよび75Rを制御して、音声再生装置の動作開始時、回転角検出装置60の図1に示したローパスフィルタ31によって低周波成分が検出されるまでの間は、音声出力を無音状態とする。
【0039】
〔頭部装着型ディスプレイ装置の実施形態…図5〕
この発明の回転角検出装置は、例えば、頭部装着型ディスプレイ装置、いわゆるHMD(Head Mounted Display)に用いることができる。
【0040】
図5は、この発明の頭部装着型ディスプレイ装置の一実施形態を示す。頭部装着型ディスプレイ装置の頭部装着部81は、使用者9の眼前に位置する本体部82と、これを使用者9の耳にかけるアーム部83Lおよび83Rとからなり、本体部82に液晶パネルなどの映像表示部85Lおよび85Rが設けられる。
【0041】
この頭部装着部81に角速度センサ10を取り付けて、図1に示した構成の回転角検出装置60を設け、頭部装着部81を装着した使用者頭部の回転を検出する。
【0042】
この場合、回転角検出装置60の出力処理部50からは、そのときの使用者頭部の方位(向き)の、図5において使用者9の正面の方位からの回転方向および回転角が検出されるようにする。
【0043】
一方、入力端子91Lおよび91Rに得られるデジタル映像信号SLおよびSRを、映像処理部92Lおよび92Rに供給する。
【0044】
映像処理部92Lおよび92Rは、画像メモリを備え、回転角検出装置60からの検出信号によって、映像信号SLおよびSRの画像メモリへの書き込み、および画像メモリからの読み出しを制御することによって、後述のように、頭部装着部81の映像表示部85Lおよび85Rに表示される映像を、それぞれの表示画面86Lおよび86R上で左右方向に移動させることができるように構成する。
【0045】
映像処理部92Lおよび92Rからの映像信号は、D/Aコンバータ93Lおよび93Rでアナログ映像信号に変換し、そのアナログ映像信号を、表示駆動部94Lおよび94Rに供給し、表示駆動部94Lおよび94Rによって、映像表示部85Lおよび85Rを駆動する。
【0046】
使用者9が図5のように正面を向いた状態から、左方向に向いたときには、映像処理部92Lおよび92Rでの処理によって、映像表示部85Lおよび85Rの表示画面86Lおよび86R上の、使用者頭部の回転角に応じて右側に移動した位置に、それぞれ映像が表示されるようにし、逆に、使用者9が図5のように正面を向いた状態から、右方向に向いたときには、映像処理部92Lおよび92Rでの処理によって、映像表示部85Lおよび85Rの表示画面86Lおよび86R上の、使用者頭部の回転角に応じて左側に移動した位置に、それぞれ映像が表示されるようにする。
【0047】
これによって、使用者9は、映像表示部85Lおよび85Rが設けられた頭部装着部81を装着した状態で、左右の方向に向いても、正面の固定された位置に映像が表示されているように映像を見ることができる。
【0048】
この場合、頭部装着型ディスプレイ装置の電源投入時などの動作開始時、回転角検出装置60の図1に示したローパスフィルタ31によって低周波成分が検出されるまでの間は、回転角検出装置60から正確な検出信号が得られず、仮想的な映像表示位置が所期の位置に定まらなくなる。
【0049】
そこで、制御信号Scによって映像処理部92Lおよび92Rを制御して、頭部装着型ディスプレイ装置の動作開始時、回転角検出装置60の図1に示したローパスフィルタ31によって低周波成分が検出されるまでの間は、表示画面86Lおよび86R上で映像表示位置を移動させずに静止させ、または表示画面86Lおよび86R上に動作開始時の不安定な状態にある旨の警告を表示する。
【0050】
この実施形態の頭部装着型ディスプレイ装置と、図4に示した実施形態の音声再生装置とを組み合わせれば、視聴者が左右の方向に向いても、常に、視聴環境の一定位置に映像が表示されているように映像を見ることができ、視聴環境の一定位置に音像が定位する映像音声再生システムを構築することができる。
【0051】
【発明の効果】
上述したように、この発明によれば、角速度センサを用いた回転角検出装置において、回転角を高精度で検出することができる。
【0052】
また、低周波成分の検出用のローパスフィルタの時定数を、装置の動作開始時には相対的に小さくし、その後、相対的に大きくすることによって、装置の動作開始時、短時間でローパスフィルタを安定状態に収束させることができ、短時間で回転角の高精度の検出を開始することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の回転角検出装置の一実施形態を示す図である。
【図2】図1の回転角検出装置の一部を示す図である。
【図3】リスナ頭外の位置に音像を定位させる場合の説明に供する図である。
【図4】この発明の音声再生装置の一実施形態を示す図である。
【図5】この発明の頭部装着型ディスプレイ装置の一実施形態を示す図である。
【図6】従来の回転角検出装置を示す図である。
【図7】図6の回転角検出装置の説明に供する図である。
【符号の説明】
主要部については図中に全て記述したので、ここでは省略する。
Claims (7)
- 被検出体の回転角速度を検出する角速度センサの出力信号から、低周波成分を検出するローパスフィルタと、
その検出された低周波成分が、オフセット値として、複数サンプル分、書き込まれる記憶部と、
前記角速度センサの出力信号から、前記被検出体が回転しているか否かを判定する回転判定部と、
この回転判定部によって前記被検出体が回転していないと判定されたときには、前記ローパスフィルタによって検出された低周波成分を、オフセット値として前記記憶部に書き込み、前記回転判定部によって前記被検出体が回転していると判定されたときには、前記記憶部への低周波成分の書き込みを停止し、前記記憶部から複数サンプル分のオフセット値を読み出す制御部と、
前記記憶部から読み出された複数サンプル分のオフセット値の平均値を算出し、その算出結果を前記角速度センサの出力信号から減算し、その減算結果を積分する演算部と、
を備える回転角検出装置。 - 請求項1の回転角検出装置において、
前記ローパスフィルタの時定数が、装置の動作開始時には相対的に小さくされ、その後、相対的に大きくされる回転角検出装置。 - 請求項1または2の回転角検出装置を備える音声再生装置であって、前記角速度センサがヘッドホンに取り付けられ、前記回転角検出装置の出力信号によって音声信号が制御される音声再生装置。
- 請求項3の音声再生装置において、
装置の動作開始時、前記回転角検出装置の前記ローパスフィルタによって低周波成分が検出されるまでの間は、音声出力が無音状態とされる音声再生装置。 - 請求項1または2の回転角検出装置を備える頭部装着型ディスプレイ装置であって、その頭部装着部に前記角速度センサが取り付けられ、前記回転角検出装置の出力信号によって、前記頭部装着部に設けられた映像表示部上での映像表示が制御される頭部装着型ディスプレイ装置。
- 請求項5の頭部装着型ディスプレイ装置において、
装置の動作開始時、前記回転角検出装置の前記ローパスフィルタによって低周波成分が検出されるまでの間は、前記映像表示部上で映像表示位置が静止され、または前記映像表示部上に警告が表示される頭部装着型ディスプレイ装置。 - 請求項1または2の回転角検出装置を備える電子機器。
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