JPH09318382A - Method and device for detecting posture angle - Google Patents
Method and device for detecting posture angleInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は姿勢角検出装置及び
方法に関し、特に運動体の実時間での姿勢角検出装置及
び方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a posture angle detecting apparatus and method, and more particularly to a posture angle detecting apparatus and method in real time of a moving body.
【０００２】[0002]
【従来の技術】飛行機や自動車等の運動体の姿勢角は、
運動体の姿勢、運動方向、速度等を制御するためのパラ
メータとして重要であり、その姿勢角の高精度検出は重
要である。2. Description of the Related Art The posture angle of a moving body such as an airplane or an automobile is
It is important as a parameter for controlling the posture, movement direction, speed, etc. of a moving body, and highly accurate detection of the posture angle is important.
【０００３】従来、姿勢角への高精度検出のためには、
ジャイロ装置が用いられるが、ジャイロ装置は高価であ
るため、安価な姿勢角検出装置として傾斜計を用いて重
力に対する傾斜角を測定し、得られた傾斜角と向きによ
り姿勢を判定する装置が実用化されている。この姿勢角
検出装置では、運動体が水平方向に動き始めるときと、
運動状態から停止状態に至るときに傾斜計が加速度を検
出してしまい誤った姿勢情報を出力してしまう。そのた
め、傾斜計の出力をローパスフィルタに通すことにより
加速度成分を除去して姿勢変化だけを検出している。し
かし、ローパスフィルタは、一次遅れ特性を持つため、
上記装置では姿勢変化を迅速に検出することができない
という問題がある。Conventionally, in order to detect the posture angle with high accuracy,
A gyro device is used, but since the gyro device is expensive, a device that measures the inclination angle against gravity using an inclinometer as an inexpensive attitude angle detection device and determines the attitude based on the obtained inclination angle and orientation is practical Has been converted. In this posture angle detection device, when the moving body starts to move in the horizontal direction,
The inclinometer detects the acceleration when the motion state changes to the stop state and outputs incorrect posture information. Therefore, the output of the inclinometer is passed through a low-pass filter to remove the acceleration component and detect only the posture change. However, since the low-pass filter has the first-order lag characteristic,
The above device has a problem that it cannot detect a change in posture quickly.
【０００４】そこで、特開平2ー161504号公報では、移動
体の重心に対して対称に一対の傾斜計を設け、この一対
の傾斜計の出力差を求めて重心を中心とする回転角加速
度を求め、この角加速度信号を第１のローパスフィルタ
に与えて低域成分を取り出している。更に、一対の傾斜
計の何れか一方の出力から第２のローパスフィルタによ
り低域成分を取り出し、角加速度信号の低域成分と、一
方の傾斜計の出力の低域成分を加算することにより一次
遅れが除去された姿勢検出信号を得ている。Therefore, in Japanese Unexamined Patent Publication No. 2-161504, a pair of inclinometers are provided symmetrically with respect to the center of gravity of the moving body, and the output difference between the pair of inclinometers is obtained to determine the rotational angular acceleration about the center of gravity. Then, the angular acceleration signal is given to the first low-pass filter to extract the low-frequency component. Further, a low-pass component is extracted from the output of either one of the pair of inclinometers by the second low-pass filter, and the low-pass component of the angular acceleration signal and the low-pass component of the output of one of the inclinometers are added to obtain the primary The attitude detection signal with the delay removed is obtained.
【０００５】また、かかる従来の姿勢角検出装置より簡
易に姿勢角の検出を行う装置として、角速度計の出力を
直接積分する姿勢角検出装置も従来から用いられてい
る。Further, as an apparatus for detecting an attitude angle more easily than the conventional attitude angle detecting apparatus, an attitude angle detecting apparatus which directly integrates the output of the angular velocity meter has also been used.
【０００６】図５には、角速度計の出力を直接積分する
姿勢角検出装置を用いた姿勢角制御装置／ナビゲーショ
ン装置の制御方式の構成ブロック図が示されている。角
速度計１０で検出された運動体の角速度は、角速度積分
手段２０で角速度積分の初期値を基にして数値的に積分
されて姿勢角が得られる。姿勢角制御装置／ナビゲーシ
ョン装置３０は、得られた姿勢角情報を基にナビゲーシ
ョン等の所定の動作を行う。また得られた姿勢角は角速
度積分手段２０の初期値として入力される。FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of a control system of an attitude angle control device / navigation device using an attitude angle detection device that directly integrates the output of the angular velocity meter. The angular velocity of the moving body detected by the angular velocity meter 10 is numerically integrated by the angular velocity integrating means 20 based on the initial value of the angular velocity integration to obtain the posture angle. The posture angle control device / navigation device 30 performs a predetermined operation such as navigation based on the obtained posture angle information. Further, the obtained attitude angle is input as an initial value of the angular velocity integrating means 20.
【０００７】[0007]
【発明が解決しようとする課題】以上のように従来の姿
勢角検出装置としては、傾斜計を用いる装置と、角速度
計の出力を積分する装置が実用化されているが、それぞ
れ次のような課題を抱えており、高精度姿勢検出の要望
に応えるものとはなっていない。As described above, as the conventional attitude angle detecting device, the device using the inclinometer and the device integrating the output of the angular velocity meter have been put into practical use. However, it does not meet the demand for highly accurate posture detection.
【０００８】すなわち、傾斜計を用いる装置は、運動体
の重心に対して傾斜計を対称配置しなければならないた
め、ハードウェア構成等に影響を与えてしまう。また、
角速度計を使用せずに加速時計と同じ原理で機能する傾
斜計の出力の差分から姿勢変化情報を得るのは、物理的
に無理があり、構成が複雑化する。That is, in the device using the inclinometer, the inclinometer must be symmetrically arranged with respect to the center of gravity of the moving body, which affects the hardware configuration and the like. Also,
It is physically impossible to obtain attitude change information from the output difference of an inclinometer that operates on the same principle as an accelerating clock without using an angular velocimeter, which complicates the configuration.
【０００９】更に、角速度計の出力を積分する装置で
は、角速度計の出力が周囲環境変動の影響を受けるため
出力誤差が生じる恐れがある。また、角速度の数値積分
による数値誤差が発生する恐れがある。更に、両者の誤
差を含んだ姿勢角が次のステップでの積分にフィードバ
ックされて誤差が累積され、姿勢角誤差が時間とともに
増大してしまう。Further, in the device for integrating the output of the angular velocity meter, the output of the angular velocity meter is affected by the fluctuation of the surrounding environment, so that an output error may occur. In addition, a numerical error may occur due to the numerical integration of the angular velocity. Further, the attitude angle including both errors is fed back to the integration in the next step and the errors are accumulated, and the attitude angle error increases with time.
【００１０】すなわち、従来の姿勢角検出装置では、角
速度出力が誤差を含んでいること及び角速度を数値的に
積分することによる演算誤差の両者により姿勢角の誤差
が時間と共に増加し検出精度が劣化するという問題点が
ある。That is, in the conventional attitude angle detecting device, the error of the attitude angle increases with time due to both the angular velocity output containing an error and the calculation error caused by numerically integrating the angular velocity, and the detection accuracy deteriorates. There is a problem of doing.
【００１１】そこで、本発明の目的は、上述従来の問題
を解決し、簡単な構成で姿勢角を実時間で高精度に検出
できる姿勢角検出装置及び方法を提供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION It is therefore an object of the present invention to provide an attitude angle detecting apparatus and method which can solve the above-mentioned conventional problems and can detect the attitude angle in real time with high accuracy with a simple structure.
【００１２】[0012]
【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
め、本発明では、他のハードウェアを追加することな
く、運動体に搭載されている加速度計、角速度計から成
る運動測定系をそのまま活用し、姿勢角の誤差を含んだ
重力ベクトルと参照重力ベクトルとを比較することによ
り、姿勢角の誤差を実時間で測定している。すなわち、
本発明では、ストラップダウン型慣性測定系の加速度出
力から姿勢角の誤差だけを陰に含んだ重力成分を抽出し
た見掛けの重力成分と地球上では既知量である重力ベク
トルとの差により姿勢角の誤差補正を行い、姿勢角の検
出精度を向上している。In order to solve the above-mentioned problems, the present invention maintains the motion measuring system consisting of an accelerometer and an angular velocity meter mounted on a moving body without adding any other hardware. By utilizing this, and comparing the gravity vector including the error of the attitude angle with the reference gravity vector, the error of the attitude angle is measured in real time. That is,
In the present invention, the attitude angle is determined by the difference between the apparent gravity component extracted from the acceleration output of the strap-down inertial measurement system and the gravity component that implicitly includes only the error of the attitude angle and the gravity vector that is a known amount on the earth. The accuracy of attitude angle detection is improved by performing error correction.
【００１３】本発明による姿勢角検出装置は、運動体の
角速度を測定して運動体固定軸上の角速度を出力する角
速度測定手段と、該角速度測定手段の出力を積分して現
在の運動体姿勢角を出力する角速度積分手段と、前記運
動体の加速度を測定して運動体固定軸上の加速度を出力
する加速度測定手段と、該加速度測定手段の出力から運
動体固定軸上での重力成分を抽出する重力成分抽出手段
と、運動体固定軸上のベクトル成分を基準軸上のベクト
ル成分に変換する座標変換手段と、基準軸上において、
姿勢角誤差を有する重力成分と参照重力成分とを比較す
ることにより姿勢角誤差を測定する姿勢角誤差算出手段
と、姿勢角誤差を用いて姿勢角の補正を行う姿勢角補正
手段と、を備えて構成される。An attitude angle detecting apparatus according to the present invention comprises an angular velocity measuring means for measuring an angular velocity of a moving body and outputting an angular velocity on a fixed axis of the moving body, and an output of the angular velocity measuring means for integrating the present moving body posture. An angular velocity integrating means for outputting an angle, an acceleration measuring means for measuring the acceleration of the moving body and outputting an acceleration on a fixed axis of the moving body, and a gravity component on the fixed axis of the moving body from the output of the acceleration measuring means. Gravity component extraction means for extracting, coordinate conversion means for converting a vector component on the fixed axis of the moving body into a vector component on the reference axis, and on the reference axis,
An attitude angle error calculating unit that measures an attitude angle error by comparing a gravity component having an attitude angle error and a reference gravity component, and an attitude angle correcting unit that corrects the attitude angle using the attitude angle error. Consists of
【００１４】本発明の他の態様による姿勢角検出方法
は、運動体が静止している状態か運動している状態かの
判断を行うステップと、前記運動体が静止していると判
断した場合、運動体姿勢角の初期値を算出するステップ
と、前記運動体の角速度を積分して前記運動体の姿勢角
を求めるステップと、前記運動体の固定軸のｘ軸、ｙ軸
及びｚ軸方向のそれぞれの加速度成分と重力成分を用い
て重力成分の抽出を行うステップと、前記運動体の姿勢
角を用いて、前記運動体の固定軸上の重力成分を基準軸
上の重力成分へ変換するステップと、前記基準軸上の重
力成分と基準軸上の参照重力成分に基づいて前記運動体
の姿勢角誤差を推定するステップと、前記姿勢角誤差に
基づいて前記運動体姿勢角の補正を行い、補正された運
動体姿勢角を前記運動体姿勢角の初期値とするステップ
と、を備えて構成される。A posture angle detecting method according to another aspect of the present invention comprises a step of determining whether the moving body is stationary or exercising, and a step of determining that the moving body is stationary. A step of calculating an initial value of a posture angle of the moving body, a step of integrating the angular velocity of the moving body to obtain a posture angle of the moving body, and x, y and z axis directions of a fixed axis of the moving body. A step of extracting the gravity component using each acceleration component and the gravity component of the above, and using the posture angle of the moving body, converting the gravity component on the fixed axis of the moving body into the gravity component on the reference axis. A step of estimating a posture angle error of the moving body based on a gravity component on the reference axis and a reference gravity component on the reference axis, and correcting the posture angle of the moving body based on the posture angle error. , The corrected moving body posture angle Configured with a step of the initial value of the body posture angle, a.
【００１５】ここで、前記運動体姿勢角としてオイラー
角が用いられ、前記運動体姿勢角の初期値としては、傾
斜計として機能する加速度計の出力が用いられ、前記重
力成分推定は、そのカットオフ周波数が前記運動体の姿
勢変動を伴う運動のうち最も周波数の高い運動よりは高
い周波数に設定されているローパスフィルタを用いるこ
とにより抽出される。このローパスフィルタは、カット
オフ周波数を適宜切替えることができるような適応フィ
ルタとすることもできる。Here, an Euler angle is used as the posture angle of the moving body, an output of an accelerometer functioning as an inclinometer is used as an initial value of the posture angle of the moving body, and the gravitational component estimation is performed by cutting it. The off-frequency is extracted by using a low-pass filter whose frequency is set to be higher than that of the motion having the highest frequency among the motions involving the posture variation of the moving body. The low-pass filter may be an adaptive filter that can switch the cutoff frequency as appropriate.
【００１６】[0016]
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態例を図面
を参照しながら説明する。図１は本発明による姿勢角検
出装置の一実施形態例を示す構成ブロック図である。ま
た、図２には、以下で使用される運動体固定軸及び基準
軸との関係が示されている。運動体固定軸は、運動体に
剛に固定された仮想的な軸であり、基準軸は運動体の姿
勢角制御装置及びナビゲーション装置が基準とする、例
えば、地表面に固定された仮想的な軸であり、運動体姿
勢角はこれら両者の軸の角度関係で定義される。Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration block diagram showing an embodiment of an attitude angle detecting device according to the present invention. Further, FIG. 2 shows a relationship between a moving body fixed axis and a reference axis used below. The moving body fixed axis is a virtual axis that is rigidly fixed to the moving body, and the reference axis is a virtual axis that is referenced by the posture angle control device and the navigation device of the moving body, for example, a virtual axis that is fixed on the ground surface. It is an axis, and the posture angle of the moving body is defined by the angular relationship between these two axes.
【００１７】本実施形態による姿勢角検出装置は、従来
と同様な角速度計１０、角速度積分手段２０及び姿勢角
制御装置／ナビゲーション装置３０の他に、加速度計４
０、重力成分推定手段５０、座標変換手段６０、姿勢角
誤差算出手段７０及び姿勢角補正手段８０を備えてい
る。The attitude angle detecting device according to the present embodiment includes the accelerometer 4 in addition to the angular velocity meter 10, the angular velocity integrating means 20 and the attitude angle control device / navigation device 30 which are the same as the conventional ones.
0, gravity component estimating means 50, coordinate converting means 60, attitude angle error calculating means 70, and attitude angle correcting means 80.
【００１８】角速度計１０は、運動体の角速度を検出し
て運動体固定軸上角速度を出力する。角速度積分手段２
０は、角速度計１０から出力される運動体固定軸上角速
度を受け、後述する姿勢角補正手段８０から出力される
１ステップ前の運動体姿勢角を初期値として角速度積分
処理を実行して現在の運動体姿勢角を算出する。The angular velocity meter 10 detects the angular velocity of the moving body and outputs the angular velocity on the fixed axis of the moving body. Angular velocity integrating means 2
0 receives the angular velocity on the fixed axis of the moving body output from the gyroscope 10, and executes the angular velocity integration process with the posture angle of the moving body one step before, which is output from the posture angle correcting unit 80 described later, as an initial value, and is present. The posture angle of the moving body is calculated.
【００１９】また、加速度計４０は、運動体の加速度を
検出して運動体固定軸上加速度を出力する。重力推定手
段５０は、加速度計４０から出力される運動体固定軸上
での重力成分の推定を行い、運動体固定軸上推定重力成
分を出力する。すなわち、重力推定手段５０は、例え
ば、ストラップダウン型慣性測定系の加速度出力を姿勢
角の変動を伴う運動体の固有運動のうち最も周波数の高
い固有運動の周波数よりは高いカットオフ周波数を有す
るローパスフィルタで処理することによって運動体固定
軸上の重力成分を推定する。The accelerometer 40 detects the acceleration of the moving body and outputs the fixed axis acceleration of the moving body. The gravity estimating means 50 estimates the gravity component on the fixed axis of the moving body output from the accelerometer 40, and outputs the estimated gravity component on the fixed axis of the moving body. That is, the gravity estimating means 50 uses, for example, a low-pass filter having a cutoff frequency higher than the frequency of the eigenmotion having the highest frequency among the eigenmotions of the moving body that accompanies fluctuations in the posture angle of the acceleration output of the strapdown inertial measurement system. The gravity component on the fixed axis of the moving body is estimated by processing with a filter.
【００２０】座標変換手段６０は、重力成分推定手段５
０から出力される運動体固定軸上推定重力成分と角速度
積分手段２０から出力される運動体姿勢角を用いて基準
軸上疑似重力成分を算出する。座標変換手段６０は、例
えば、姿勢角により記述される運動体固定軸上の重力ベ
クトル量を基準軸上の重力ベクトル量へ変換を行う方向
余弦行列を用いて重力成分推定手段５０より推定された
運動体固定軸上の重力成分を基準軸上への変換を行う。The coordinate conversion means 60 is a gravity component estimation means 5
The pseudo-gravity component on the reference axis is calculated by using the estimated gravity component on the fixed axis of the moving body output from 0 and the attitude angle of the moving body output from the angular velocity integrating means 20. The coordinate transformation unit 60 is estimated by the gravity component estimation unit 50 using a direction cosine matrix that transforms the gravity vector amount on the fixed axis of the moving body described by the posture angle into the gravity vector amount on the reference axis, for example. The gravity component on the fixed axis of the moving body is converted to the reference axis.
【００２１】姿勢角誤差算出手段７０は、座標変換手段
６０から出力される基準軸上疑似重力成分と基準軸上参
照重力成分とを比較することにより姿勢角誤差を算出す
る。例えば、既知量である基準軸上の重力成分と見掛け
の重力成分との方向余弦により姿勢角誤差を算出する。The attitude angle error calculating means 70 calculates the attitude angle error by comparing the on-axis pseudo-gravity component output from the coordinate converting means 60 with the on-axis reference gravity component. For example, the posture angle error is calculated by the direction cosine of the known gravity component of the gravity component on the reference axis and the apparent gravity component.
【００２２】姿勢角補正手段８０は、姿勢角誤差算出手
段７０から出力される姿勢角誤差を用いて、角速度積分
手段２０から出力される運動体姿勢角の補正を行い、運
動体推定姿勢角を算出する。姿勢角制御装置／ナビゲー
ション装置３０は、姿勢角補正手段８０から出力される
運動体推定姿勢角を基にして所定の動作を実行する。The posture angle correcting means 80 corrects the moving body posture angle output from the angular velocity integrating means 20 using the posture angle error output from the posture angle error calculating means 70 to obtain the moving body estimated posture angle. calculate. The posture angle control device / navigation device 30 executes a predetermined operation based on the moving body estimated posture angle output from the posture angle correction means 80.
【００２３】次に、上述実施形態の具体的処理手順を図
３のフローチャートを参照して説明する。先ず、運動体
が静止している状態か運動している状態かの判断、初期
状態の判断を行う（ステップＳ１）。この判断は、例え
ば、加速度計４０の出力の履歴をメモリに蓄えておき、
仮に３０秒以上変化がなければ静止しているとみなすこ
とにより行うことができる。ステップＳ１において、運
動体が静止していると判断した場合、運動体姿勢角の初
期値を算出する（ステップＳ２）。この運動体姿勢角の
初期値としては、傾斜計として機能している加速度計４
０の出力を用いることができる。次に、ステップＳ４に
おける角速度計１０の出力の数値積分処理を実行するた
めの初期値を更新する（ステップＳ３）。初期値は運動
体姿勢角であり、静止状態であればステップＳ２の処理
により求められた運動体姿勢角を、運動状態であれば後
述するステップＳ９姿勢角の出力処理結果を採用する。Next, a specific processing procedure of the above embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. First, it is determined whether the moving body is stationary or exercising, and the initial state is determined (step S1). For this determination, for example, the history of the output of the accelerometer 40 is stored in the memory,
If there is no change for 30 seconds or more, it can be performed by assuming that it is stationary. When it is determined in step S1 that the moving body is stationary, the initial value of the posture angle of the moving body is calculated (step S2). The initial value of the posture angle of the moving body is the accelerometer 4 which functions as an inclinometer.
An output of 0 can be used. Next, the initial value for executing the numerical integration process of the output of the angular velocity meter 10 in step S4 is updated (step S3). The initial value is the posture angle of the moving body. In the stationary state, the posture angle of the moving body obtained by the process of step S2 is used. In the moving state, the output processing result of the posture angle of step S9 described later is adopted.
【００２４】続いて、角速度計１０の出力を数値的に積
分する（ステップＳ４）。運動体固定軸のｘ軸、ｙ軸、
ｚ軸まわりのそれぞれの角速度を測定するように運動体
内部に取り付けられている角速度計の現在の出力を
［ｐ，ｑ，ｒ］とし、角速度積分の初期値となる１積分
周期前の運動体姿勢角を［Ψ’，θ’，φ’］、すなわ
ち、一般的にオイラー角の名称で定義されている姿勢角
を採用することにすれば、現在の運動体姿勢角［Ψ，
θ，φ］は次の関係式により記述できる。Then, the output of the angular velocity meter 10 is numerically integrated (step S4). The x-axis and y-axis of the moving body fixed axis
A moving body one integration period before, which is the initial value of the angular velocity integration, where the current output of the angular velocity meter installed inside the moving body so as to measure the respective angular velocities around the z axis is [p, q, r]. If the posture angle is [Ψ ', θ', φ '], that is, the posture angle generally defined by the name of Euler angle is adopted, the current posture angle of the moving body [Ψ,
θ, φ] can be described by the following relational expression.
【数１】 ただし、（・）は時間微分を表わす。この微分方程式
は、例えば、数値的解法の一つであるルンゲクッタ法等
により解くことができる。このとき、ステップＳ４の処
理出力である運動体姿勢角には、角速度計の出力誤差に
よる誤差と数値的積分に起因する誤差の両者が陰に含ま
れている。[Equation 1] However, (•) represents time differentiation. This differential equation can be solved by, for example, the Runge-Kutta method, which is one of the numerical solution methods. At this time, the moving body posture angle that is the processing output of step S4 implicitly includes both an error due to an output error of the gyro and an error due to numerical integration.
【００２５】次に、運動体固定軸のｘ軸、ｙ軸及びｚ軸
方向のそれぞれの加速度を測定するように運動体内部に
取り付られている加速度計の運動体の加速度成分と重力
成分からなる出力を用いて、重力成分の抽出を行う（ス
テップＳ５）。重力成分の抽出を行うためには、例え
ば、ローパスフィルタを利用することができ、そのカッ
トオフ周波数は、運動体の姿勢変動を伴う運動のうち最
も周波数の高い運動よりは大きく設定すれば良い。ステ
ップＳ５の処理で得られる運動体固定軸上の重力成分
は、真の重力成分と抽出誤差からなる。Next, from the acceleration component and the gravity component of the moving body of the accelerometer mounted inside the moving body so as to measure the acceleration in each of the x-axis, y-axis and z-axis directions of the moving body fixed axis, The gravity component is extracted using the output (step S5). In order to extract the gravitational component, for example, a low-pass filter can be used, and its cutoff frequency may be set to be higher than the highest frequency motion among the motions involving posture variation of the moving body. The gravity component on the fixed axis of the moving body obtained in the process of step S5 includes a true gravity component and an extraction error.
【００２６】続いて、ステップＳ４の処理の出力である
誤差を有した運動体姿勢角を用いて、ステップＳ５の処
理出力である運動体固定軸上の重力成分［γｘ，γｙ，
γｚ］を基準軸上の重力成分［ηｘ，ηｙ，ηｚ］へ変
換する。Then, using the posture of the moving body having an error, which is the output of the processing of step S4, the gravity component [γx, γy,
γz] is converted into a gravity component [ηx, ηy, ηz] on the reference axis.
【００２７】具体的には、運動体姿勢角により記述され
る運動体固定軸に対する基準軸への方向余弦行列Ｌを用
いて、Specifically, using the direction cosine matrix L to the reference axis with respect to the fixed axis of the moving body, which is described by the posture angle of the moving body,
【数２】 により変換できる。運動体姿勢角としてオイラー角を採
用しているならば、[Equation 2] Can be converted by If the Euler angle is used as the body posture angle,
【数３】 となる。このとき、ステップＳ５の処理の抽出誤差が無
視できるほど小さいとすれば、ステップＳ６の処理の出
力は姿勢角誤差を含んだ基準軸上の重力成分となる。(Equation 3) Becomes At this time, if the extraction error of the process of step S5 is so small that it can be ignored, the output of the process of step S6 becomes a gravity component on the reference axis that includes the attitude angle error.
【００２８】更に、続いて、ステップＳ６処理の出力で
ある姿勢角誤差を含んだ基準軸上の重力成分と基準軸上
の参照重力成分との比較により、運動体姿勢角の誤差を
推定する。基準軸上の参照重力成分は、例えば、地表面
を基準軸として採用している場合、［０，０，１］（単
位；Ｇ）となる。このとき、運動体姿勢角の誤差［△
ｘ，△ｙ，△ｚ］は、Further, subsequently, the error of the posture angle of the moving body is estimated by comparing the gravity component on the reference axis including the posture angle error output from the step S6 with the reference gravity component on the reference axis. The reference gravity component on the reference axis is, for example, [0, 0, 1] (unit: G) when the ground surface is adopted as the reference axis. At this time, the error of the posture angle of the moving body [△
x, Δy, Δz] is
【数４】 となる。運動体姿勢角としてオイラー角を採用している
場合は、(Equation 4) Becomes If the Euler angle is used as the body posture angle,
【数５】 となり、△θがθの誤差量、△φがφの誤差量となる。(Equation 5) Therefore, Δθ is the error amount of θ, and Δφ is the error amount of φ.
【００２９】次に、ステップＳ７処理により求められた
姿勢角誤差を用いて、ステップＳ４処理の出力である誤
差を陰に有した運動体姿勢角の補正を行った後（ステッ
プＳ８）、誤差補正が行われた運動体姿勢角を姿勢角制
御装置／ナビゲーション装置３０に出力するとともに、
姿勢角積分初期値の更新データとして出力する（ステッ
プＳ９）。Next, after using the attitude angle error obtained by the processing in step S7, the attitude angle of the moving body, which has an error as an output of the processing in step S4, is corrected (step S8), and then the error is corrected. And outputs the posture angle of the moving body to the posture angle control device / navigation device 30,
It is output as update data of the initial value of the posture angle integration (step S9).
【００３０】図４には、上述本発明を適用した姿勢角検
出装置と、適用しない従来の姿勢角検出装置で生ずる姿
勢角誤差の時間的特性が示されている。本発明を適用し
ない従来の姿勢角検出装置では、前述のとおり、姿勢角
誤差は時間に対して累積されるが、本発明を適用した姿
勢角検出装置によれば、姿勢角誤差は重力成分の抽出精
度程度に抑えることが可能になることが明かである。FIG. 4 shows the temporal characteristics of the attitude angle error that occurs in the attitude angle detecting device to which the present invention is applied and the conventional attitude angle detecting device to which the present invention is not applied. In the conventional attitude angle detection device to which the present invention is not applied, the attitude angle error is accumulated with respect to time as described above. However, according to the attitude angle detection device to which the present invention is applied, the attitude angle error is a gravitational component. It is clear that it is possible to reduce the extraction accuracy to about the same level.
【００３１】以上の実施形態例では、運動体姿勢角とし
てオイラー角を採用しているが、例えば、４元数を利用
した姿勢角表現を用いることにり、オイラー角を用いた
角速度積分の計算特異性を回避することができる。ま
た、図１の重力成分推定手段５０としてはローパスフィ
ルタを用い、そのカットオフ周波数を運動体の姿勢変動
を伴う運動のうち最も周波数の高い運動よりは高い周波
数に設定しているが、運動体の運動がある特定のパター
ンになるような場合については、カットオフ周波数を適
宜切替えることができるような適応フィルタで実現する
こともできる。こうすることにより、運動体姿勢角の検
出精度をさらに向上することができる。Although the Euler angle is adopted as the posture angle of the moving body in the above-described embodiments, for example, the posture angle expression using the quaternion is used to calculate the angular velocity integral using the Euler angle. Specificity can be avoided. Further, a low-pass filter is used as the gravity component estimating means 50 in FIG. 1, and its cutoff frequency is set to a higher frequency than the highest frequency movement among the movements involving posture variation of the moving body. In the case where the movement of the above becomes a specific pattern, it can be realized by an adaptive filter capable of appropriately switching the cutoff frequency. By doing so, the accuracy of detecting the posture angle of the moving body can be further improved.
【００３２】[0032]
【発明の効果】以上説明したように、本発明の姿勢角検
出装置及び方法では、重力の方向を利用して運動体姿勢
角の誤差を推定しているので、の重力が既知である場所
を運動する運動体に関して運動体姿勢角の検出精度が向
上し、姿勢角制御、ナビゲーションの性能を改善するこ
とができる。また、本発明は運動体に搭載されている運
動測定系の情報のみしか利用しておらず、既存のソフト
ウェアへの追加で実現できるため、姿勢角制御／ナビゲ
ーションを必要とする運動体に関して姿勢角の検出精度
を向上するためのハードウェアの追加が必要なく既存の
運動体へハードウェアの影響を及ぼさないようにするこ
とができる。As described above, in the posture angle detecting apparatus and method of the present invention, the error of the posture angle of the moving body is estimated by utilizing the direction of gravity, so that the place where the gravity is known is The accuracy of detecting the posture angle of the moving body with respect to the moving body can be improved, and the performance of the posture angle control and the navigation can be improved. Further, since the present invention uses only the information of the motion measurement system installed in the moving body and can be realized by adding it to the existing software, the posture angle control / navigation is required for the moving body. It is possible to prevent the existing moving body from being affected by the hardware, because it is not necessary to add the hardware to improve the detection accuracy of.
【図１】本発明の姿勢角検出装置を示す構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram showing an attitude angle detection device of the present invention.
【図２】本発明の姿勢角検出装置における姿勢角の説明
図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of an attitude angle in the attitude angle detection device of the present invention.
【図３】本発明の姿勢角検出装置の一実施例の動作を示
す動作図である。FIG. 3 is an operation diagram showing an operation of the embodiment of the attitude angle detection device of the present invention.
【図４】本発明の姿勢角検出装置の効果の説明図であ
る。FIG. 4 is an explanatory diagram of an effect of the attitude angle detection device of the present invention.
【図５】従来の姿勢角検出装置を示す構成図である。FIG. 5 is a configuration diagram showing a conventional attitude angle detection device.
１０ 角速度計 ２０ 角速度積分手段 ３０ 姿勢角制御装置／ナビゲーション装置 ４０ 加速度計 ５０ 重力成分推定手段 ６０ 座標変換手段 ７０ 姿勢角誤差推定手段 ８０ 姿勢角誤差補正手段 10 Angular Velocity Meter 20 Angular Velocity Integrating Means 30 Attitude Angle Control / Navigation Device 40 Accelerometer 50 Gravity Component Estimating Means 60 Coordinate Converting Means 70 Attitude Angle Error Estimating Means 80 Attitude Angle Error Correcting Means
Claims (6)
の角速度を出力する角速度測定手段と、 該角速度測定手段の出力を積分して現在の運動体姿勢角
を出力する角速度積分手段と、 前記運動体の加速度を測定して運動体固定軸上の加速度
を出力する加速度測定手段と、 該加速度測定手段の出力から運動体固定軸上での重力成
分を抽出する重力成分抽出手段と、 運動体固定軸上のベクトル成分を基準軸上のベクトル成
分に変換する座標変換手段と、 基準軸上において、姿勢角誤差を有する重力成分と参照
重力成分とを比較することにより姿勢角誤差を測定する
姿勢角誤差算出手段と、 姿勢角誤差を用いて姿勢角の補正を行う姿勢角補正手段
と、を備えることを特徴とする姿勢角検出装置。1. An angular velocity measuring means for measuring an angular velocity of a moving body to output an angular velocity on a fixed axis of the moving body, and an angular velocity integrating means for integrating an output of the angular velocity measuring means to output a current posture angle of the moving body. An acceleration measuring means for measuring the acceleration of the moving body and outputting an acceleration on the fixed axis of the moving body; and a gravity component extracting means for extracting a gravity component on the fixed axis of the moving body from the output of the acceleration measuring means. , Coordinate conversion means for converting the vector component on the fixed axis of the moving body to the vector component on the reference axis, and the attitude angle error by comparing the gravity component having the attitude angle error and the reference gravity component on the reference axis. An attitude angle detecting device comprising: an attitude angle error calculating means for measuring; and an attitude angle correcting means for correcting the attitude angle using the attitude angle error.
状態かの判断を行うステップと、 前記運動体が静止していると判断した場合、運動体姿勢
角の初期値を算出するステップと、 前記運動体の角速度を積分して前記運動体の姿勢角を求
めるステップと、 前記運動体の固定軸のｘ軸、ｙ軸及びｚ軸方向のそれぞ
れの加速度成分と重力成分を用いて重力成分の抽出を行
うステップと、 前記運動体の姿勢角を用いて、前記運動体の固定軸上の
重力成分を基準軸上の重力成分へ変換するステップと、 前記基準軸上の重力成分と基準軸上の参照重力成分に基
づいて前記運動体の姿勢角誤差を推定するステップと、 前記姿勢角誤差に基づいて前記運動体姿勢角の補正を行
い、補正された運動体姿勢角を前記運動体姿勢角の初期
値とするステップと、を備えることを特徴とする姿勢角
検出方法。2. A step of determining whether the moving body is stationary or exercising, and when it is determined that the moving body is stationary, an initial value of the posture angle of the moving body is calculated. A step of integrating the angular velocity of the moving body to obtain a posture angle of the moving body; and using acceleration components and gravity components in the x-axis, y-axis and z-axis directions of the fixed axis of the moving body. A step of extracting a gravity component; a step of converting a gravity component on a fixed axis of the moving body into a gravity component on a reference axis by using the posture angle of the moving body; and a gravity component on the reference axis, Estimating a posture angle error of the moving body based on a reference gravity component on a reference axis; correcting the posture angle of the moving body based on the posture angle error; and correcting the corrected posture angle of the moving body to the motion. The step of setting the initial value of the body posture angle, Attitude-angle detecting method, characterized in that it comprises.
請求項１または２に記載の姿勢角検出装置及び方法。3. The posture angle detecting device and method according to claim 1, wherein the moving body posture angle is an Euler angle.
計として機能する加速度計の出力を用いる請求項２に記
載の姿勢角検出方法。4. The posture angle detecting method according to claim 2, wherein an output of an accelerometer functioning as an inclinometer is used as the initial value of the posture angle of the moving body.
前記運動体の姿勢変動を伴う運動のうち最も周波数の高
い運動よりは高い周波数に設定されているローパスフィ
ルタを用いて抽出される請求項１または２に記載の姿勢
角検出装置及び方法。5. The low-pass filter whose cut-off frequency is set to a frequency higher than that of the motion having the highest frequency among the motions accompanied by posture fluctuation of the moving body, wherein the gravity component is extracted. The attitude angle detection apparatus and method according to 1 or 2.
数を適宜切替えることができるような適応フィルタであ
る請求項５に記載の姿勢角検出装置及び方法。6. The attitude angle detecting apparatus and method according to claim 5, wherein the low-pass filter is an adaptive filter capable of appropriately switching a cutoff frequency.
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
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