JP5747752B2 - 姿勢推定装置、姿勢推定方法、姿勢推定プログラム - Google Patents
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Description
αmeasuredは、傾斜センサによる姿勢角度の計測結果である。
αpredictは、ジャイロセンサによる姿勢角速度の計測結果を用いて予測した、移動ロボットの姿勢角度の予測値である。
αnは、移動ロボットの姿勢角度の予測値に、傾斜センサによる姿勢角度の計測結果を加味した、移動ロボットの姿勢角度の推定値である。
bnは、ジャイロセンサの姿勢角速度バイアスの推定値である。
bn-1は、前回のジャイロセンサの姿勢角速度バイアスの推定値である。
dtは、サンプリング周期である。
K0は、カルマンフィルタ係数である。
K1は、カルマンフィルタ係数である。
図1に戻り、傾斜角センサ3は、倒立二輪車本体2の現在の姿勢角度を計測するためのものである。本実施形態において傾斜角センサ3は、3軸加速度センサと地磁気センサの組み合わせによって構成されている。3軸加速度センサは、倒立二輪車本体2の姿勢角度のうちロール角度とピッチ角度を計測可能である。地磁気センサは、倒立二輪車本体2の姿勢角度のうちヨー角度を計測可能である。傾斜角センサ3は、計測により得られた姿勢角度信号を姿勢推定部8の第1姿勢角度四元数生成部20に出力する。
ジャイロセンサ4は、倒立二輪車本体2の現在の姿勢角速度を計測するためのものである。本実施形態においてジャイロセンサ4は、MEMSジャイロによって構成されている。ジャイロセンサ4は、計測により得られた姿勢角速度信号を姿勢推定部8の第2姿勢角度四元数生成部21に出力する。
図2の第1姿勢角度四元数生成部20は、傾斜角センサ3の計測結果に基づいて倒立二輪車本体2の姿勢角度の四元数表現である第1姿勢角度四元数αmeasuredを生成するものである。具体的には以下の通りである。
先ず、第1姿勢角度四元数生成部20は、傾斜角センサ3から受信した姿勢角度信号をフィルタ処理して、姿勢角度信号に含まれる望ましくない周波数帯域をカットする。
次に、第1姿勢角度四元数生成部20は、倒立二輪車本体2に対する3軸加速度センサの取り付け角度に基づいて、姿勢角度信号を補正する。これにより、姿勢角度信号から、3軸加速度センサの取り付け角度による影響がキャンセルされる。
次に、第1姿勢角度四元数生成部20は、車輪の回転数を微分して得られる倒立二輪車本体2の加速度に基づいて、姿勢角度信号を補正する。これにより、姿勢角度信号から、自加速度による影響がキャンセルされる。
次に、第1姿勢角度四元数生成部20は、姿勢角度信号(加速度センサベクトル)にヨー角(方位角)を加えた回転を姿勢角度行列に変換する。
次に、第1姿勢角度四元数生成部20は、姿勢角度行列を、姿勢角度の四元数表現である第1姿勢角度四元数αmeasuredに変換する。
第2姿勢角度四元数生成部21は、ジャイロセンサ4の計測結果に基づいて倒立二輪車本体2の姿勢角度の四元数表現である第2姿勢角度四元数αpredictを予測して生成するものである。具体的には以下の通りである。
先ず、第2姿勢角度四元数生成部21は、ジャイロセンサ4から受信した姿勢角速度信号をフィルタ処理して、姿勢角速度信号に含まれる望ましくない周波数帯域をカットする。
次に、第2姿勢角度四元数生成部21は、RAM6から、前回の姿勢角速度バイアスbn-1を取得した上で、姿勢角速度信号αドット measuredから前回の姿勢角速度バイアスbn-1を引き算し、これにサンプリング周期dtを掛け、前回の姿勢角度αn-1に積算し、結果を四元数に変換する。これにより、第2姿勢角度四元数αpredictが求められる。なお、この予測処理は、始めから四元数で演算してもよいし、とりあえずオイラー角で演算して最後に四元数変換することとしてもよい。オイラー角で演算する場合は、下記式(1)による。
フィルタ係数生成部22は、状態フィードバックを実現する際のオブザーバの一種として、カルマンフィルタ係数K0、K1を生成する。カルマンフィルタ係数K0は姿勢角の計測ノイズをフィルタして姿勢角にフィードバックするための係数であり、カルマンフィルタ係数K1は姿勢角の計測ノイズをフィルタして姿勢角速度バイアスにフィードバックするための係数である。
姿勢角度四元数合成部23は、第1姿勢角度四元数αmeasuredと第2姿勢角度四元数αpredictをカルマンフィルタ係数K0でのフィルタ処理により合成して、倒立二輪車本体2の現在の姿勢角度αn(推定値)を生成する。この姿勢角度四元数合成部23による合成処理は、前述したように球面線形補間を利用することで効率良く実行できることを示した。必要であれば、オイラー角で表現した式(2)を参照されたい。姿勢角度四元数合成部23は、生成した倒立二輪車本体2の現在の姿勢角度αn(推定値)を姿勢角度四元数正規化部24に出力する。
姿勢角度四元数正規化部24は、浮動小数点演算の誤差の蓄積を回避すべく、倒立二輪車本体2の現在の姿勢角度αnを正規化する。姿勢角度四元数正規化部24は、正規化した姿勢角度αnをオイラー角変換部25に出力する。
オイラー角変換部25は、姿勢角度αnをオイラー角表現に変換した上で姿勢制御部9に出力する。
姿勢角速度バイアス四元数推定部26は、下記式(9)により角速度バイアス四元数bnを推定する。具体的には以下の通りである。
姿勢角速度バイアス四元数正規化部27は、浮動小数点演算の誤差の蓄積を回避すべく、姿勢角速度バイアス四元数bnを正規化する。そして、姿勢角速度バイアス四元数正規化部27は、正規化した姿勢角速度バイアス四元数bnをRAM6に保存する。
倒立二輪車1の電源を投入すると(S300)、傾斜角センサ3は、倒立二輪車本体2の現在の姿勢角度を計測して、姿勢角度信号を第1姿勢角度四元数生成部20に出力する(S310)。次に、ジャイロセンサ4は、倒立二輪車本体2の現在の姿勢角速度を計測して、姿勢角速度信号を第2姿勢角度四元数生成部21に出力する(S320)。次に、第1姿勢角度四元数生成部20は、傾斜角センサ3から受信した姿勢角度信号に基づいて倒立二輪車本体2の姿勢角度の四元数表現である第1姿勢角度四元数αmeasuredを生成する(S330)。次に、第2姿勢角度四元数生成部21は、ジャイロセンサ4から受信した姿勢角速度信号に基づいて倒立二輪車本体2の姿勢角度の四元数表現である第2姿勢角度四元数αpredictを予測して生成する(S340)。次に、フィルタ係数生成部22は、カルマンフィルタ係数K0、K1を生成する(S350)。なお、S310とS320の処理は可換であり、S330〜S350の処理は適宜順番を入れ替えても良い。次に、姿勢角速度バイアス四元数推定部26は、下記式(9)により姿勢角速度バイアス四元数bnを推定する(S360)。そして、処理をS310に戻して次の周期に備える。
2 倒立二輪車本体
3 傾斜角センサ
4 ジャイロセンサ
8 姿勢推定部
9 姿勢制御部
26 姿勢角速度バイアス四元数推定部
Claims (5)
- 傾斜角センサとジャイロセンサを有する機器本体において、ジャイロセンサの静止状態における出力値の四元数表現である角速度バイアス四元数を推定するバイアス四元数推定装置であって、
前記傾斜角センサの計測結果に基づいて前記機器本体の姿勢角度の四元数表現である第1姿勢角度四元数αmeasuredを生成する第1姿勢角度四元数生成手段と、
前記ジャイロセンサの計測結果に基づいて前記機器本体の姿勢角度の四元数表現である第2姿勢角度四元数αpredictを予測して生成する第2姿勢角度四元数生成手段と、
フィルタ係数K1を生成するフィルタ係数生成手段と、
下記式により角速度バイアス四元数bnを推定する角速度バイアス四元数推定手段と、
を備えたバイアス四元数推定装置。
ただし、bn-1は、前回の角速度バイアス四元数である。 - 請求項1に記載のバイアス四元数推定装置であって、
前記第2姿勢角度四元数生成手段は、前記ジャイロセンサの計測結果から前回の角速度バイアスを引き算し、引き算した結果にサンプリング周期を掛け算し、前記機器本体の前回の姿勢角度に積算することで、前記第2姿勢角度四元数αpredictを生成する、
バイアス四元数推定装置。 - 請求項1又は2に記載の姿勢推定装置であって、
前記角速度バイアス四元数推定手段は、前記フィルタ係数K1が負である場合は、前記フィルタ係数K1の正負を反転させた上で、請求項1の式により前記角速度バイアス四元数bnを推定する、
バイアス四元数推定装置。 - 請求項1〜3の何れかに記載の姿勢推定装置であって、
前記角速度バイアス四元数推定手段は、前記フィルタ係数K1の絶対値が1を超える場合は、前記フィルタ係数K1の絶対値を1にした上で、請求項1の式により前記角速度バイアス四元数bnを推定する、
バイアス四元数推定装置。 - 傾斜角センサとジャイロセンサを有する機器本体において、ジャイロセンサの静止状態における出力値の四元数表現である角速度バイアス四元数を推定するバイアス四元数推定方法であって、
前記傾斜角センサの計測結果に基づいて前記機器本体の姿勢角度の四元数表現である第1姿勢角度四元数αmeasuredを生成する第1姿勢角度四元数生成ステップと、
前記ジャイロセンサの計測結果に基づいて前記機器本体の姿勢角度の四元数表現である第2姿勢角度四元数αpredictを予測して生成する第2姿勢角度四元数生成ステップと、
フィルタ係数K1を生成するフィルタ係数生成ステップと、
下記式により角速度バイアス四元数bnを推定する角速度バイアス四元数推定ステップと、
を含む、バイアス四元数推定方法。
ただし、bn-1は、前回の角速度バイアス四元数である。
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