JPH11211480A - 姿勢角検出装置 - Google Patents
姿勢角検出装置Info
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- JPH11211480A JPH11211480A JP10026538A JP2653898A JPH11211480A JP H11211480 A JPH11211480 A JP H11211480A JP 10026538 A JP10026538 A JP 10026538A JP 2653898 A JP2653898 A JP 2653898A JP H11211480 A JPH11211480 A JP H11211480A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 使用する場所や環境の制限を緩和し、幅広く
使用できる姿勢角検出装置を提供すること。 【解決手段】 ヘッドマウントディスプレイ本体１に
は、姿勢角検出装置２を配置し、信号ケーブル４で映像
発生装置７に接続する。
使用できる姿勢角検出装置を提供すること。 【解決手段】 ヘッドマウントディスプレイ本体１に
は、姿勢角検出装置２を配置し、信号ケーブル４で映像
発生装置７に接続する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、特に、移動体の姿
勢検出や姿勢制御、バーチャルリアリティ等に使用され
るヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤという）
のうち頭の姿勢角を検出するトラッカー、３Ｄゲームパ
ッド等、３次元空間中で対象物の姿勢角（３軸の回転
角）の検出に用いるのに適した姿勢角検出装置に関す
る。
勢検出や姿勢制御、バーチャルリアリティ等に使用され
るヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤという）
のうち頭の姿勢角を検出するトラッカー、３Ｄゲームパ
ッド等、３次元空間中で対象物の姿勢角（３軸の回転
角）の検出に用いるのに適した姿勢角検出装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来、バーチャルリアリティーに使用さ
れ、頭の動きを検出する方法として、外部に設置された
交流磁場発生源から微弱交流磁場を発生し、ＨＭＤに配
置したセンサ部で検知し、制御演算部で頭の動きを検出
する交流磁場を利用する方法や、外部に設置された超音
波発生源からの超音波信号をＨＭＤに配置したセンサ部
で検知し、制御演算部で頭の動きを検出する超音波を利
用する方法がある。
れ、頭の動きを検出する方法として、外部に設置された
交流磁場発生源から微弱交流磁場を発生し、ＨＭＤに配
置したセンサ部で検知し、制御演算部で頭の動きを検出
する交流磁場を利用する方法や、外部に設置された超音
波発生源からの超音波信号をＨＭＤに配置したセンサ部
で検知し、制御演算部で頭の動きを検出する超音波を利
用する方法がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
交流磁場を利用した方法では、信号発生源が微弱交流磁
場のため、ノイズをキャンセルするためにフィルタを多
用することにより応答性が低下し、頭の動きに比べて、
ＨＭＤの映像の動きが遅くなり、気分を悪くしたり、酔
いを発生する場合があった。
交流磁場を利用した方法では、信号発生源が微弱交流磁
場のため、ノイズをキャンセルするためにフィルタを多
用することにより応答性が低下し、頭の動きに比べて、
ＨＭＤの映像の動きが遅くなり、気分を悪くしたり、酔
いを発生する場合があった。
【０００４】また、後者の超音波を利用した方法では、
他の様々な超音波信号の影響を受けての誤動作や、信号
発生源とセンサとの間の遮蔽物により信号を検出できな
くなる可能性があり、センサの前に腕や髪の毛があるだ
けで受信不能になり、誤動作してしまうなどの問題があ
った。
他の様々な超音波信号の影響を受けての誤動作や、信号
発生源とセンサとの間の遮蔽物により信号を検出できな
くなる可能性があり、センサの前に腕や髪の毛があるだ
けで受信不能になり、誤動作してしまうなどの問題があ
った。
【０００５】本発明は、上記問題点を解消し、使用する
場所や環境の制限を緩和し、幅広く使用できる姿勢角検
出装置を提供するものである。
場所や環境の制限を緩和し、幅広く使用できる姿勢角検
出装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、水平面で直交
するＸ軸、Ｙ軸及び該Ｘ軸、Ｙ軸のそれぞれに直交する
Ｚ軸回りの角速度を検出する３個のジャイロと、該ジャ
イロの角速度に応じた出力に基づいて、単位時間に移動
した角度である運動角を演算する運動角演算装置と、少
なくともＸ−Ｙ平面で互いに直交する２軸の加速度を検
出するように配置され、Ｘ軸回りの回転角であるロ−ル
角、Ｙ軸回りの回転角であるピッチ角を検出するための
加速度センサと、少なくとも前記２軸の地磁気を検出す
るよう配置される地磁気センサと、該加速度センサ及び
地磁気センサの出力に基づいて、ロール角、ピッチ角及
びＺ軸回りの回転角であるヨー角を演算する静止角演算
装置と、前記静止角演算装置による演算結果の真偽を判
定演算する判別装置と、該判別装置の演算結果に応じ
て、運動角演算装置の演算結果から出力する姿勢角を演
算する姿勢角演算装置とから構成される姿勢角検出装置
であって、前記ジャイロの出力部のそれぞれに接続され
るＡ／Ｄコンバータと、該Ａ／Ｄコンバータの値をハイ
パスフィルタ処理するＩＩＲ（infinite impulse res
ponse：無限長インパルス応答）型デジタルハイパスフ
ィルタと、前記Ａ／Ｄコンバータからの値を基準値を境
に正負を判定するための正負反転判定装置と、前記ハイ
パスフィルタのＩＩＲ遅延係数をリセットするＩＩＲ遅
延係数リセット装置とを備え、正負判定装置の正負が逆
転したときに、ＩＩＲ遅延係数リセット装置により、前
記ハイパスフィルタのＩＩＲ係数をリセットする姿勢角
検出装置である。
するＸ軸、Ｙ軸及び該Ｘ軸、Ｙ軸のそれぞれに直交する
Ｚ軸回りの角速度を検出する３個のジャイロと、該ジャ
イロの角速度に応じた出力に基づいて、単位時間に移動
した角度である運動角を演算する運動角演算装置と、少
なくともＸ−Ｙ平面で互いに直交する２軸の加速度を検
出するように配置され、Ｘ軸回りの回転角であるロ−ル
角、Ｙ軸回りの回転角であるピッチ角を検出するための
加速度センサと、少なくとも前記２軸の地磁気を検出す
るよう配置される地磁気センサと、該加速度センサ及び
地磁気センサの出力に基づいて、ロール角、ピッチ角及
びＺ軸回りの回転角であるヨー角を演算する静止角演算
装置と、前記静止角演算装置による演算結果の真偽を判
定演算する判別装置と、該判別装置の演算結果に応じ
て、運動角演算装置の演算結果から出力する姿勢角を演
算する姿勢角演算装置とから構成される姿勢角検出装置
であって、前記ジャイロの出力部のそれぞれに接続され
るＡ／Ｄコンバータと、該Ａ／Ｄコンバータの値をハイ
パスフィルタ処理するＩＩＲ（infinite impulse res
ponse：無限長インパルス応答）型デジタルハイパスフ
ィルタと、前記Ａ／Ｄコンバータからの値を基準値を境
に正負を判定するための正負反転判定装置と、前記ハイ
パスフィルタのＩＩＲ遅延係数をリセットするＩＩＲ遅
延係数リセット装置とを備え、正負判定装置の正負が逆
転したときに、ＩＩＲ遅延係数リセット装置により、前
記ハイパスフィルタのＩＩＲ係数をリセットする姿勢角
検出装置である。
【０００７】
【発明の実施の形態】以下、図面によって本発明の実施
の形態について説明する。
の形態について説明する。
【０００８】図１は、姿勢角検出装置を適用したＨＭＤ
の一例を示し、このＨＭＤは、目前にあるディスプレイ
に表示された映像が使用者の頭の動きに連動して変化
し、仮想空間を体験できるように設けられているもの
で、このＨＭＤを装着したまま右を向くと、姿勢角検出
装置で計測した頭の姿勢角を映像発生装置に送信し、映
像発生装置は、その姿勢角にあった映像をＨＭＤに送信
するので、右に展開する映像が映し出され、頭の動きに
よって全空間の３６０度の映像を実感できるように設け
られているものである。
の一例を示し、このＨＭＤは、目前にあるディスプレイ
に表示された映像が使用者の頭の動きに連動して変化
し、仮想空間を体験できるように設けられているもの
で、このＨＭＤを装着したまま右を向くと、姿勢角検出
装置で計測した頭の姿勢角を映像発生装置に送信し、映
像発生装置は、その姿勢角にあった映像をＨＭＤに送信
するので、右に展開する映像が映し出され、頭の動きに
よって全空間の３６０度の映像を実感できるように設け
られているものである。
【０００９】図１に示すように、符号１は、ＨＭＤ本体
を示し、このＨＭＤ本体１には、本発明である姿勢角検
出装置２が配置され、信号ケーブル４で映像発生装置７
に接続されている。
を示し、このＨＭＤ本体１には、本発明である姿勢角検
出装置２が配置され、信号ケーブル４で映像発生装置７
に接続されている。
【００１０】図２は、本発明における姿勢角変換装置の
全体構成を示すブロック図である。図２に示すように、
３個のジャイロの出力から単位時間あたりの移動角（運
動角）を演算して求める運動角演算装置１７を備えた運
動角検出手段１１と、２個の地磁気センサと２個の加速
度センサから静止角を求める静止角演算装置２４を備え
た静止角検出手段２１と、静止角検出手段２１で求めた
姿勢角に誤差が含まれるかどうか（例えば、直線的な加
速度が加わって、傾斜計としての加速度センサに傾斜以
外の信号が含まれる場合）を判別する判別装置３２と、
運動角演算装置１７、静止角演算装置２４及び判別装置
３２からの信号を処理する姿勢角演算装置４２とで構成
されている。
全体構成を示すブロック図である。図２に示すように、
３個のジャイロの出力から単位時間あたりの移動角（運
動角）を演算して求める運動角演算装置１７を備えた運
動角検出手段１１と、２個の地磁気センサと２個の加速
度センサから静止角を求める静止角演算装置２４を備え
た静止角検出手段２１と、静止角検出手段２１で求めた
姿勢角に誤差が含まれるかどうか（例えば、直線的な加
速度が加わって、傾斜計としての加速度センサに傾斜以
外の信号が含まれる場合）を判別する判別装置３２と、
運動角演算装置１７、静止角演算装置２４及び判別装置
３２からの信号を処理する姿勢角演算装置４２とで構成
されている。
【００１１】図３は、本発明の姿勢角検出装置における
ジャイロ、加速度センサ、地磁気センサの配置を示す説
明図である。図３に示すように、互いに直交する３軸
（水平面で直交する軸をＸ軸、Ｙ軸、そのＸ軸、Ｙ軸そ
れぞれに直交する軸をＺ軸、Ｘ軸回りの回転角度をロー
ル角、Ｙ軸回りの回転角度をピッチ角、Ｚ軸回りの回転
角度をヨー角と記す。）の回りの角速度を検出するため
の第１のジャイロ１２ａ、第２のジャイロ１２ｂ及び第
３のジャイロ１２ｃは、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸各軸に平行に、即
ち互いに直交して配置されている。ヨー角を検出する第
１の地磁気センサ２２ａ及び第２の地磁気センサ２２ｂ
は、水平面で互いに直交する２軸（ここでは、Ｘ軸及び
Ｙ軸）とで構成されている。同様に、第１の加速度セン
サ２３ａ及び第２の加速度センサ２３ｂは、水平面で互
いに直交する２軸（ここでは、Ｘ軸及びＹ軸）に配置さ
れている。ジャイロは、圧電セラミック、圧電単結晶、
あるいは、シリコン等の非磁性材料からなる振動子を用
いることができる。本実施の形態では、（株）トーキン
製圧電振動セラミックジャイロを用いた。
ジャイロ、加速度センサ、地磁気センサの配置を示す説
明図である。図３に示すように、互いに直交する３軸
（水平面で直交する軸をＸ軸、Ｙ軸、そのＸ軸、Ｙ軸そ
れぞれに直交する軸をＺ軸、Ｘ軸回りの回転角度をロー
ル角、Ｙ軸回りの回転角度をピッチ角、Ｚ軸回りの回転
角度をヨー角と記す。）の回りの角速度を検出するため
の第１のジャイロ１２ａ、第２のジャイロ１２ｂ及び第
３のジャイロ１２ｃは、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸各軸に平行に、即
ち互いに直交して配置されている。ヨー角を検出する第
１の地磁気センサ２２ａ及び第２の地磁気センサ２２ｂ
は、水平面で互いに直交する２軸（ここでは、Ｘ軸及び
Ｙ軸）とで構成されている。同様に、第１の加速度セン
サ２３ａ及び第２の加速度センサ２３ｂは、水平面で互
いに直交する２軸（ここでは、Ｘ軸及びＹ軸）に配置さ
れている。ジャイロは、圧電セラミック、圧電単結晶、
あるいは、シリコン等の非磁性材料からなる振動子を用
いることができる。本実施の形態では、（株）トーキン
製圧電振動セラミックジャイロを用いた。
【００１２】また、図２に示すように、３軸のジャイロ
１２ａ、１２ｂ、１２ｃの出力部には、それぞれ、Ａ／
Ｄコンバータ１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、ＩＩＲ型デジタ
ルハイパスフィルタ１４が接続され、ハイパスフィルタ
１４の出力部にハイパスフィルタを介した値より移動し
た角度を演算する運動角演算装置１７が接続されてい
る。さらに、ハイパスフィルタ１４のＩＩＲ遅延係数を
リセットするＩＩＲ係数リセット装置１６と、Ａ／Ｄコ
ンバータ１３ａ、１３ｂ、１３ｃからの値をある基準値
（０点）を境に正負を判定するための正負反転判定装置
１５とを備える。ハイパスフィルタ１４は、正負反転判
定装置の正負が逆転したときにＩＩＲ係数をリセット
し、従来のハイパスフィルタによる悪影響（戻り電圧）
をキャンセルすることによって、ジャイロのオフセット
電圧をキャンセルすると同時に、悪影響も排除し、高精
度が得られる。
１２ａ、１２ｂ、１２ｃの出力部には、それぞれ、Ａ／
Ｄコンバータ１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、ＩＩＲ型デジタ
ルハイパスフィルタ１４が接続され、ハイパスフィルタ
１４の出力部にハイパスフィルタを介した値より移動し
た角度を演算する運動角演算装置１７が接続されてい
る。さらに、ハイパスフィルタ１４のＩＩＲ遅延係数を
リセットするＩＩＲ係数リセット装置１６と、Ａ／Ｄコ
ンバータ１３ａ、１３ｂ、１３ｃからの値をある基準値
（０点）を境に正負を判定するための正負反転判定装置
１５とを備える。ハイパスフィルタ１４は、正負反転判
定装置の正負が逆転したときにＩＩＲ係数をリセット
し、従来のハイパスフィルタによる悪影響（戻り電圧）
をキャンセルすることによって、ジャイロのオフセット
電圧をキャンセルすると同時に、悪影響も排除し、高精
度が得られる。
【００１３】図４は、本発明の姿勢角検出装置のうち、
静止角演算装置のブロック図である。図４に示すよう
に、加速度センサの出力Ａｘ（ｎ）、Ａｙ（ｎ）からロ
ール角Ｒ（ｎ）、ピッチ角Ｐ（ｎ）を演算するロール角
演算手段、ピッチ角演算手段と、前回のヨー角演算結果
Φ（ｎ−１）を記憶しておくためのバックアップメモリ
ーと、加速度センサの出力Ａｘ、Ａｙ及びバックアメモ
リーの内容Φ（ｎ−１）より傾斜角度の北方向成分Θ2
を演算する北方向成分傾斜角演算手段と、地磁気Ｚ方向
成分Ｍｚのうち符号を判定する地磁気Ｍｚ符号判別手段
と、地磁気Ｍｚ絶対値演算手段と、この地磁気Ｍｚ符号
判別手段と地磁気Ｍｚ絶対値演算手段より地磁気のＺ軸
方向成分Ｍｚを計算する地磁気Ｍｚ演算手段と、センサ
座標系において、測定或いは求めた地磁気のＸ軸方向成
分Ｍｘ、Ｙ軸方向成分Ｍｙと、Ｍｚから水平座標軸であ
るＨｘ、Ｈｙ、Ｈｚへの変換を行う座標変換演算手段
と、このＨｘ、Ｈｙにより方位を演算する方位演算手段
とから構成され、地磁気Ｍｚ演算手段により仮想的に地
磁気のＺ軸方向成分Ｍｚを求めることにより、２軸の地
磁気センサだけでヨー角を検出する。
静止角演算装置のブロック図である。図４に示すよう
に、加速度センサの出力Ａｘ（ｎ）、Ａｙ（ｎ）からロ
ール角Ｒ（ｎ）、ピッチ角Ｐ（ｎ）を演算するロール角
演算手段、ピッチ角演算手段と、前回のヨー角演算結果
Φ（ｎ−１）を記憶しておくためのバックアップメモリ
ーと、加速度センサの出力Ａｘ、Ａｙ及びバックアメモ
リーの内容Φ（ｎ−１）より傾斜角度の北方向成分Θ2
を演算する北方向成分傾斜角演算手段と、地磁気Ｚ方向
成分Ｍｚのうち符号を判定する地磁気Ｍｚ符号判別手段
と、地磁気Ｍｚ絶対値演算手段と、この地磁気Ｍｚ符号
判別手段と地磁気Ｍｚ絶対値演算手段より地磁気のＺ軸
方向成分Ｍｚを計算する地磁気Ｍｚ演算手段と、センサ
座標系において、測定或いは求めた地磁気のＸ軸方向成
分Ｍｘ、Ｙ軸方向成分Ｍｙと、Ｍｚから水平座標軸であ
るＨｘ、Ｈｙ、Ｈｚへの変換を行う座標変換演算手段
と、このＨｘ、Ｈｙにより方位を演算する方位演算手段
とから構成され、地磁気Ｍｚ演算手段により仮想的に地
磁気のＺ軸方向成分Ｍｚを求めることにより、２軸の地
磁気センサだけでヨー角を検出する。
【００１４】さらに、図４に示すように、北方向成分傾
斜角演算装置及び地磁気Ｍｚ符号判別手段において、北
方向成分傾斜角θ2、原点時の地磁気の伏角θ0、バック
アップメモリの出力をΦ（ｎ−１）、加速度センサ２軸
の出力をそれぞれＡｘ、Ａｙとすると、 θ2 ＝sin-1［Ax(n)・cosΦ(n-1)＋Ay(n)・sinΦ(n-1)］ により求められ、−９０度≦θ2≦θ0であれば、地磁気
Ｍｚ符号はマイナスであり、θ0＜θ2≦９０度であれ
ば、地磁気Ｍｚ符号はプラスと判別する。
斜角演算装置及び地磁気Ｍｚ符号判別手段において、北
方向成分傾斜角θ2、原点時の地磁気の伏角θ0、バック
アップメモリの出力をΦ（ｎ−１）、加速度センサ２軸
の出力をそれぞれＡｘ、Ａｙとすると、 θ2 ＝sin-1［Ax(n)・cosΦ(n-1)＋Ay(n)・sinΦ(n-1)］ により求められ、−９０度≦θ2≦θ0であれば、地磁気
Ｍｚ符号はマイナスであり、θ0＜θ2≦９０度であれ
ば、地磁気Ｍｚ符号はプラスと判別する。
【００１５】更に詳しく説明すると、移動体が水平面
（即ちＸ−Ｙ平面）で回転する時、方位角Φ（ｎ）は地
磁気センサからの出力Ｍｘ（ｎ）、Ｍｙ（ｎ）により、 Φ（ｎ）＝ｔａｎー1［Ｍｘ（ｎ）／Ｍｙ（ｎ）］ ・・・（１） と求められ、原点時の方位をΦ0とすれば、方位角Ｙ
（ｎ）は、 Ｙ（ｎ）＝Φ（ｎ）−Φ0 ・・・（２） となる。
（即ちＸ−Ｙ平面）で回転する時、方位角Φ（ｎ）は地
磁気センサからの出力Ｍｘ（ｎ）、Ｍｙ（ｎ）により、 Φ（ｎ）＝ｔａｎー1［Ｍｘ（ｎ）／Ｍｙ（ｎ）］ ・・・（１） と求められ、原点時の方位をΦ0とすれば、方位角Ｙ
（ｎ）は、 Ｙ（ｎ）＝Φ（ｎ）−Φ0 ・・・（２） となる。
【００１６】しかし、移動体がロール角やピッチ角を持
ち、水平でない時には、そのロール角、ピッチ角を用い
て座標変換を行い、絶対座標での地磁気をＭｘ（ｎ）、
Ｍｙ（ｎ）を求め、式（１）、（２）を適用する。その
際、地磁気のＺ軸方向成分Ｍｚ（ｎ）が必要となる。
ち、水平でない時には、そのロール角、ピッチ角を用い
て座標変換を行い、絶対座標での地磁気をＭｘ（ｎ）、
Ｍｙ（ｎ）を求め、式（１）、（２）を適用する。その
際、地磁気のＺ軸方向成分Ｍｚ（ｎ）が必要となる。
【００１７】地磁気Ｚ方向成分Ｍｚ（ｎ）の求め方は、
先ず符号を求めるために、Φ（ｎ−１）を用いて北方向
成分（北方向のピッチ角）θ2を求める。 θ2＝sin-1［Ax(n)・cosΦ(n-1)+Ay(n)・sinΦ(n-1)］ このθ2と原点時にあらかじめ地磁気の伏角θ0を求めて
置き、比較する。 θ0=tan-1［Mz(0)/(Mx(0)2+My(0)2)1/2］ −９０度≦θ2≦θ0であれば、Ｍｚの符号はマイナスで
あり、θ0＜θ2≦９０度であれば、Ｍｚの符号はプラス
である。次に、Ｍｚの絶対値は地磁気Ｈｔが分かってい
れば、数１で求まる。
先ず符号を求めるために、Φ（ｎ−１）を用いて北方向
成分（北方向のピッチ角）θ2を求める。 θ2＝sin-1［Ax(n)・cosΦ(n-1)+Ay(n)・sinΦ(n-1)］ このθ2と原点時にあらかじめ地磁気の伏角θ0を求めて
置き、比較する。 θ0=tan-1［Mz(0)/(Mx(0)2+My(0)2)1/2］ −９０度≦θ2≦θ0であれば、Ｍｚの符号はマイナスで
あり、θ0＜θ2≦９０度であれば、Ｍｚの符号はプラス
である。次に、Ｍｚの絶対値は地磁気Ｈｔが分かってい
れば、数１で求まる。
【００１８】
【数１】
【００１９】地磁気Ｈｔは、以下の手順で求める。ま
ず、センサユニット部を９０度傾け磁気センサ１あるい
は磁気センサ２がＺ軸に向くようにする。そして何らか
の信号を送り、例えばキーやボタンを押すなどをし、そ
の時のＺ軸に向いているセンサの値をＭｚ（０）として
メモリに格納する。次にセンサユニット部を原点位置に
戻し、もう一度何らかの信号を送り、地磁気センサＭｘ
（ｎ），Ｍｙ（ｎ）の値をＭｘ（０），Ｍｙ（０）とし
てメモリに格納する。これらＭｘ（０），Ｍｙ（０），
Ｍｚ（０）を用いてＨｔは、数２となる。
ず、センサユニット部を９０度傾け磁気センサ１あるい
は磁気センサ２がＺ軸に向くようにする。そして何らか
の信号を送り、例えばキーやボタンを押すなどをし、そ
の時のＺ軸に向いているセンサの値をＭｚ（０）として
メモリに格納する。次にセンサユニット部を原点位置に
戻し、もう一度何らかの信号を送り、地磁気センサＭｘ
（ｎ），Ｍｙ（ｎ）の値をＭｘ（０），Ｍｙ（０）とし
てメモリに格納する。これらＭｘ（０），Ｍｙ（０），
Ｍｚ（０）を用いてＨｔは、数２となる。
【００２０】
【数２】
【００２１】次に、本発明の姿勢角検出装置のうち、判
別装置について示す。２軸の加速度センサと２軸の地磁
気センサからなる静止角検出手段から求められる仮の姿
勢角が正しいかどうかを判断する判別装置は、次のとお
りである。
別装置について示す。２軸の加速度センサと２軸の地磁
気センサからなる静止角検出手段から求められる仮の姿
勢角が正しいかどうかを判断する判別装置は、次のとお
りである。
【００２２】即ち、２軸の加速度センサ出力から得られ
るＸ軸方向の加速度Ａｘ（ｎ）及びＹ軸方向の加速度Ａ
ｙ（ｎ）より、ロール角Ｒ（ｎ）及びピッチ角Ｐ（ｎ）
を次式より求める。
るＸ軸方向の加速度Ａｘ（ｎ）及びＹ軸方向の加速度Ａ
ｙ（ｎ）より、ロール角Ｒ（ｎ）及びピッチ角Ｐ（ｎ）
を次式より求める。
【００２３】 Ｒ（ｎ）＝ｓｉｎ-1［Ａｘ（ｎ）／ｃｏｓＰ（ｎ）］ Ｐ（ｎ）＝ｓｉｎ-1Ａｙ（ｎ）
【００２４】ここで、Ａｘ（ｎ）、Ａｙ（ｎ）は、重力
加速度の傾斜角速度のＸ、Ｙ軸方向成分との合成ベクト
ルなので、運動加速度がある場合には正しいロール角、
ピッチ角にならない。そこで、Ｒ（ｎ）からＲ（ｎ−
１）を引いたものが０の近傍であり、あるいはＰ（ｎ）
からＰ（ｎ−１）を引いたものが０の近傍であるなら
ば、運動加速度がない、即ちＲ（ｎ）、とＰ（ｎ）が正
しいと判断する。そうでない場合は、運動加速度がある
と判断する。即ち、数３あるいは数４のうち、少なくと
も一つが、ほぼ０であるとき、静止角検出手段からの姿
勢角情報は正しいと判定する。
加速度の傾斜角速度のＸ、Ｙ軸方向成分との合成ベクト
ルなので、運動加速度がある場合には正しいロール角、
ピッチ角にならない。そこで、Ｒ（ｎ）からＲ（ｎ−
１）を引いたものが０の近傍であり、あるいはＰ（ｎ）
からＰ（ｎ−１）を引いたものが０の近傍であるなら
ば、運動加速度がない、即ちＲ（ｎ）、とＰ（ｎ）が正
しいと判断する。そうでない場合は、運動加速度がある
と判断する。即ち、数３あるいは数４のうち、少なくと
も一つが、ほぼ０であるとき、静止角検出手段からの姿
勢角情報は正しいと判定する。
【００２５】
【数３】
【００２６】
【数４】
【００２７】上記、２軸の加速度センサから求められる
判定結果をもとに、運動角検出手段及び静止角検出手段
から求められる運動角及び静止角から、姿勢角演算装置
により、本発明による姿勢角検出装置が求めるべき姿勢
角を演算する。
判定結果をもとに、運動角検出手段及び静止角検出手段
から求められる運動角及び静止角から、姿勢角演算装置
により、本発明による姿勢角検出装置が求めるべき姿勢
角を演算する。
【００２８】次に、本発明の姿勢角検出装置のうち、姿
勢角演算装置について示す。本発明の姿勢角検出装置の
求めるべき出力をα（ｎ）、β（ｎ）、γ（ｎ）、動的
な運動角検出手段から得られる運動角を△Ｘ（ｎ）、△
Ｙ（ｎ）、△Ｚ（ｎ）、静的な静止角検出手段から求め
られる静止角をＲ（ｎ）、Ｐ（ｎ）、Φ（ｎ）とする
と、静止角検出手段からの姿勢角情報は正しいと判断す
る場合、 α（ｎ）＝α（ｎ−１）＋△Ｘ（ｎ）−Ｃ β（ｎ）＝β（ｎ−１）＋△Ｙ（ｎ）−Ｃ γ（ｎ）＝γ（ｎ−１）＋△Ｚ（ｎ）−Ｃ ここで、Ｃは任意に選択される誤差より大きくない定数
で、符号は、誤差の符号がプラスの時、プラスであり、
マイナスの時、マイナスである。
勢角演算装置について示す。本発明の姿勢角検出装置の
求めるべき出力をα（ｎ）、β（ｎ）、γ（ｎ）、動的
な運動角検出手段から得られる運動角を△Ｘ（ｎ）、△
Ｙ（ｎ）、△Ｚ（ｎ）、静的な静止角検出手段から求め
られる静止角をＲ（ｎ）、Ｐ（ｎ）、Φ（ｎ）とする
と、静止角検出手段からの姿勢角情報は正しいと判断す
る場合、 α（ｎ）＝α（ｎ−１）＋△Ｘ（ｎ）−Ｃ β（ｎ）＝β（ｎ−１）＋△Ｙ（ｎ）−Ｃ γ（ｎ）＝γ（ｎ−１）＋△Ｚ（ｎ）−Ｃ ここで、Ｃは任意に選択される誤差より大きくない定数
で、符号は、誤差の符号がプラスの時、プラスであり、
マイナスの時、マイナスである。
【００２９】また、静止角検出手段からの姿勢角情報が
誤と判断する場合、 α（ｎ）＝α（ｎ−１）＋△Ｘ（ｎ） β（ｎ）＝β（ｎ−１）＋△Ｙ（ｎ） γ（ｎ）＝γ（ｎ−１）＋△Ｚ（ｎ） により、姿勢角を演算し、求める。
誤と判断する場合、 α（ｎ）＝α（ｎ−１）＋△Ｘ（ｎ） β（ｎ）＝β（ｎ−１）＋△Ｙ（ｎ） γ（ｎ）＝γ（ｎ−１）＋△Ｚ（ｎ） により、姿勢角を演算し、求める。
【００３０】また、本発明の他の実施の形態として、静
止角検出手段からの姿勢角情報は正しいと判断する場
合、 α(ｎ)＝α(ｎ−１)＋△Ｘ(ｎ)−ｋ［α(ｎ−１)＋△Ｘ
(ｎ)−Ｒ(ｎ)］ β(ｎ)＝β(ｎ−１)＋△Ｙ(ｎ)−ｋ［β(ｎ−１)＋△Ｙ
(ｎ)−Ｐ(ｎ)］ γ(ｎ)＝γ(ｎ−１)＋△Ｚ(ｎ)−ｋ［γ(ｎ−１)＋△Ｚ
(ｎ)−Φ(ｎ)］ により、姿勢角を演算する。ここで、ｋは任意に選択さ
せる１以下の比例定数である。
止角検出手段からの姿勢角情報は正しいと判断する場
合、 α(ｎ)＝α(ｎ−１)＋△Ｘ(ｎ)−ｋ［α(ｎ−１)＋△Ｘ
(ｎ)−Ｒ(ｎ)］ β(ｎ)＝β(ｎ−１)＋△Ｙ(ｎ)−ｋ［β(ｎ−１)＋△Ｙ
(ｎ)−Ｐ(ｎ)］ γ(ｎ)＝γ(ｎ−１)＋△Ｚ(ｎ)−ｋ［γ(ｎ−１)＋△Ｚ
(ｎ)−Φ(ｎ)］ により、姿勢角を演算する。ここで、ｋは任意に選択さ
せる１以下の比例定数である。
【００３１】また、静止角検出手段からの姿勢角情報が
誤と判断する場合、 α（ｎ）＝α（ｎ−１）＋△Ｘ（ｎ） β（ｎ）＝β（ｎ−１）＋△Ｙ（ｎ） γ（ｎ）＝γ（ｎ−１）＋△Ｚ（ｎ） により、姿勢角を演算し、求める。
誤と判断する場合、 α（ｎ）＝α（ｎ−１）＋△Ｘ（ｎ） β（ｎ）＝β（ｎ−１）＋△Ｙ（ｎ） γ（ｎ）＝γ（ｎ−１）＋△Ｚ（ｎ） により、姿勢角を演算し、求める。
【００３２】従って、本実施の形態のように、本発明の
姿勢角検出装置をＨＭＤに適用した場合、外部信号を用
いることなく、高速応答で累積誤差のない角度情報を得
ることができ、高性能である。
姿勢角検出装置をＨＭＤに適用した場合、外部信号を用
いることなく、高速応答で累積誤差のない角度情報を得
ることができ、高性能である。
【００３３】ジャイロの出力部にハイパスフィルタを挿
入することにより、ドリフトの影響を除くことができる
が、信号も影響を受けてしまい、正しい出力にならない
［図５（ｃ）］。これは、コンデンサの戻り電圧による
もので、特に正だけ、あるいは負だけの出力が続いた時
などに顕著に表れる。本発明のように、ジャイロの出力
部のそれぞれに接続されるＡ／Ｄコンバータと、このＡ
／Ｄコンバータの値をハイパスフィルタ処理するＩＩＲ
型デジタルハイパスフィルタと、Ａ／Ｄコンバータから
の値を基準値を境に正負を判定するための正負反転判定
装置と、ハイパスフィルタのＩＩＲ遅延係数をリセット
するＩＩＲ遅延係数リセット装置とを設けることによっ
て、この影響をなくすことができる。フィルタの出力に
おいて、正負が反転した時にバッファをリセットする処
理により、戻り電圧がなくなり、正しい出力が得られる
［図５（ｄ）］。
入することにより、ドリフトの影響を除くことができる
が、信号も影響を受けてしまい、正しい出力にならない
［図５（ｃ）］。これは、コンデンサの戻り電圧による
もので、特に正だけ、あるいは負だけの出力が続いた時
などに顕著に表れる。本発明のように、ジャイロの出力
部のそれぞれに接続されるＡ／Ｄコンバータと、このＡ
／Ｄコンバータの値をハイパスフィルタ処理するＩＩＲ
型デジタルハイパスフィルタと、Ａ／Ｄコンバータから
の値を基準値を境に正負を判定するための正負反転判定
装置と、ハイパスフィルタのＩＩＲ遅延係数をリセット
するＩＩＲ遅延係数リセット装置とを設けることによっ
て、この影響をなくすことができる。フィルタの出力に
おいて、正負が反転した時にバッファをリセットする処
理により、戻り電圧がなくなり、正しい出力が得られる
［図５（ｄ）］。
【００３４】なお、本発明による姿勢角検出装置におい
て、ジャイロを素子で搭載しているので、小型軽量化が
可能であり、セラミック振動子を使用しているので、磁
気ノイズは受けず、磁気センサと近接させても、機能を
損なうことがない。ＩＩＲ型デジタルハイパスフィルタ
ーを使用することにより、高精度化が可能である。
て、ジャイロを素子で搭載しているので、小型軽量化が
可能であり、セラミック振動子を使用しているので、磁
気ノイズは受けず、磁気センサと近接させても、機能を
損なうことがない。ＩＩＲ型デジタルハイパスフィルタ
ーを使用することにより、高精度化が可能である。
【００３５】また、本実施の形態では、地磁気センサ、
加速度センサが、それぞれ２個の例を示したが、少なく
とも、どちらか一方が３個でもよい。小型化という点で
は、本実施の形態が最も好ましい。
加速度センサが、それぞれ２個の例を示したが、少なく
とも、どちらか一方が３個でもよい。小型化という点で
は、本実施の形態が最も好ましい。
【００３６】
【発明の効果】本発明によれば、使用する場所や環境の
制限を緩和し、幅広く使用できる姿勢角検出装置を提供
することができた。
制限を緩和し、幅広く使用できる姿勢角検出装置を提供
することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＨＭＤにおける姿勢角検出装置の使用
状況の説明図。
状況の説明図。
【図２】本発明の姿勢角変換装置の全体構成を示すブロ
ック図。
ック図。
【図３】本発明の姿勢角検出装置におけるジャイロ、加
速度センサ、地磁気センサの配置を示す説明図。
速度センサ、地磁気センサの配置を示す説明図。
【図４】本発明の姿勢角検出装置における静止角演算装
置の構成を示すブロック図。
置の構成を示すブロック図。
【図５】運動角の出力波形を示す図。図５（ａ）は、ジ
ャイロの入力波形を示す図。図５（ｂ）は、ジャイロの
出力波形を示す図。図５（ｃ）は、ハイパスフィルタの
出力波形を示す図。図５（ｄ）は、ＩＩＲ型デジタルハ
イパスフィルタの出力波形を示す図。
ャイロの入力波形を示す図。図５（ｂ）は、ジャイロの
出力波形を示す図。図５（ｃ）は、ハイパスフィルタの
出力波形を示す図。図５（ｄ）は、ＩＩＲ型デジタルハ
イパスフィルタの出力波形を示す図。
１ ＨＭＤ本体 ２ 姿勢角検出装置 ４ 信号ケーブル ７ 映像発生装置 １１ 運動角検出手段 １２ａ 第１のジャイロ １２ｂ 第２のジャイロ １２ｃ 第３のジャイロ １３ａ （第１の）Ａ／Ｄコンバータ １３ｂ （第２の）Ａ／Ｄコンバータ １３ｃ （第３の）Ａ／Ｄコンバータ １４ （ＩＩＲ型デジタル）ハイパスフィルタ １５ 正負反転判定装置 １６ ＩＩＲ係数リセット装置 １７ 運動角演算装置 ２１ 静止角検出手段 ２２ａ 第１の地磁気センサ ２２ｂ 第２の地磁気センサ ２３ａ 第１の加速度センサ ２３ｂ 第２の加速度センサ ２４ 静止角演算装置 ３２ 判別装置 ４２ 姿勢角演算装置
Claims (1)
- 【請求項１】 水平面で直交するＸ軸、Ｙ軸及び該Ｘ
軸、Ｙ軸のそれぞれに直交するＺ軸回りの角速度を検出
する３個のジャイロと、該ジャイロの角速度に応じた出
力に基づいて、単位時間に移動した角度である運動角を
演算する運動角演算装置と、少なくともＸ−Ｙ平面で互
いに直交する２軸の加速度を検出するように配置され、
Ｘ軸回りの回転角であるロ−ル角、Ｙ軸回りの回転角で
あるピッチ角を検出するための加速度センサと、少なく
とも前記２軸の地磁気を検出するよう配置される地磁気
センサと、該加速度センサ及び地磁気センサの出力に基
づいて、ロール角、ピッチ角及びＺ軸回りの回転角であ
るヨー角を演算する静止角演算装置と、前記静止角演算
装置による演算結果の真偽を判定演算する判別装置と、
該判別装置の演算結果に応じて、運動角演算装置の演算
結果から出力する姿勢角を演算する姿勢角演算装置とか
ら構成される姿勢角検出装置であって、前記ジャイロの
出力部のそれぞれに接続されるＡ／Ｄコンバータと、該
Ａ／Ｄコンバータの値をハイパスフィルタ処理するＩＩ
Ｒ型デジタルハイパスフィルタと、前記Ａ／Ｄコンバー
タからの値を基準値を境に正負を判定するための正負反
転判定装置と、前記ハイパスフィルタのＩＩＲ遅延係数
をリセットするＩＩＲ遅延係数リセット装置とを備え、
正負判定装置の正負が逆転したときに、ＩＩＲ遅延係数
リセット装置により、前記ハイパスフィルタのＩＩＲ係
数をリセットすることを特徴とする姿勢角検出装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02653898A JP3992206B2 (ja) | 1998-01-23 | 1998-01-23 | 姿勢角検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02653898A JP3992206B2 (ja) | 1998-01-23 | 1998-01-23 | 姿勢角検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11211480A true JPH11211480A (ja) | 1999-08-06 |
| JP3992206B2 JP3992206B2 (ja) | 2007-10-17 |
Family
ID=12196282
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP02653898A Expired - Lifetime JP3992206B2 (ja) | 1998-01-23 | 1998-01-23 | 姿勢角検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3992206B2 (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003103050A (ja) * | 2001-09-28 | 2003-04-08 | Nec Tokin Corp | 姿勢角度検出装置及び該装置の操作装置への取り付け方法 |
| JP2008289645A (ja) * | 2007-05-24 | 2008-12-04 | Shimadzu Corp | モーショントラッカ装置 |
| KR101066855B1 (ko) | 2009-03-27 | 2011-09-26 | 주식회사 네이스코 | 수평유지용 각속도 센서 |
| JP5876607B1 (ja) * | 2015-06-12 | 2016-03-02 | 株式会社コロプラ | フローティング・グラフィカルユーザインターフェース |
| CN106706018A (zh) * | 2016-12-28 | 2017-05-24 | 北京奇艺世纪科技有限公司 | Vr设备中九轴传感器性能的测试方法、装置及测试转台 |
| US10778893B2 (en) | 2017-12-22 | 2020-09-15 | Seiko Epson Corporation | Detection device, display device and detection method |
| US11402927B2 (en) | 2004-05-28 | 2022-08-02 | UltimatePointer, L.L.C. | Pointing device |
| US11841997B2 (en) | 2005-07-13 | 2023-12-12 | UltimatePointer, L.L.C. | Apparatus for controlling contents of a computer-generated image using 3D measurements |
-
1998
- 1998-01-23 JP JP02653898A patent/JP3992206B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003103050A (ja) * | 2001-09-28 | 2003-04-08 | Nec Tokin Corp | 姿勢角度検出装置及び該装置の操作装置への取り付け方法 |
| US11416084B2 (en) | 2004-05-28 | 2022-08-16 | UltimatePointer, L.L.C. | Multi-sensor device with an accelerometer for enabling user interaction through sound or image |
| US11755127B2 (en) | 2004-05-28 | 2023-09-12 | UltimatePointer, L.L.C. | Multi-sensor device with an accelerometer for enabling user interaction through sound or image |
| US11402927B2 (en) | 2004-05-28 | 2022-08-02 | UltimatePointer, L.L.C. | Pointing device |
| US11409376B2 (en) | 2004-05-28 | 2022-08-09 | UltimatePointer, L.L.C. | Multi-sensor device with an accelerometer for enabling user interaction through sound or image |
| US11841997B2 (en) | 2005-07-13 | 2023-12-12 | UltimatePointer, L.L.C. | Apparatus for controlling contents of a computer-generated image using 3D measurements |
| JP2008289645A (ja) * | 2007-05-24 | 2008-12-04 | Shimadzu Corp | モーショントラッカ装置 |
| KR101066855B1 (ko) | 2009-03-27 | 2011-09-26 | 주식회사 네이스코 | 수평유지용 각속도 센서 |
| JP5876607B1 (ja) * | 2015-06-12 | 2016-03-02 | 株式会社コロプラ | フローティング・グラフィカルユーザインターフェース |
| WO2016199492A1 (ja) * | 2015-06-12 | 2016-12-15 | 株式会社コロプラ | フローティング・グラフィカルユーザインターフェース |
| JP2017004357A (ja) * | 2015-06-12 | 2017-01-05 | 株式会社コロプラ | フローティング・グラフィカルユーザインターフェース |
| US9959679B2 (en) | 2015-06-12 | 2018-05-01 | Colopl, Inc. | Floating graphical user interface |
| CN106706018A (zh) * | 2016-12-28 | 2017-05-24 | 北京奇艺世纪科技有限公司 | Vr设备中九轴传感器性能的测试方法、装置及测试转台 |
| CN106706018B (zh) * | 2016-12-28 | 2019-06-14 | 重庆爱奇艺智能科技有限公司 | Vr设备中九轴传感器性能的测试方法、装置及测试转台 |
| US10778893B2 (en) | 2017-12-22 | 2020-09-15 | Seiko Epson Corporation | Detection device, display device and detection method |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3992206B2 (ja) | 2007-10-17 |
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