JPWO2007020702A1

JPWO2007020702A1 - センサ装置

Info

Publication number: JPWO2007020702A1
Application number: JP2007530885A
Authority: JP
Inventors: 泰弘田村
Original assignee: 株式会社シーアンドエヌ
Priority date: 2005-08-18
Filing date: 2005-08-18
Publication date: 2009-02-19
Also published as: US20090204351A1; WO2007020702A1

Abstract

センサ装置１０は、３軸の加速度センサ２０と、温度センサ２２と、を有する検出部１２と、加速度ベクトル算出部３０と、加速度ベクトルの大きさを算出する全加速度算出部３４と、加速度ベクトルから傾斜角を算出する傾斜角算出部３２と、温度算出部３６と、を有する処理部１４と、を備える。傾斜角算出部３２は、加速度ベクトルの大きさが重力加速度と異なる場合に、傾斜角の算出処理を中断する。

Description

本発明は、センサ装置に関し、特に加速度センサを備えたセンサ装置に関する。

近年、磁気センサが搭載された携帯電話機などの携帯端末装置が実用化されてきている。このような携帯端末装置は、方位を測定するばかりでなく、ＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）からの位置情報をもとに、測定した方位に応じて現在位置などを画面の地図上に表示する機能を持つものもある。

磁気センサから得ることのできる方位角は、磁気センサのセンサ面が水平のときは正しい方位角を示すが、センサ面が傾いていると誤差を生じる。この誤差は、加速度センサから得られる傾斜角（ピッチ角、ロール角）をもとに水平面に座標変換し、水平時の地磁気ベクトルを求めることによって補正可能である（たとえば特許文献１参照）。
特開２００３−４２７６６号公報

３軸の加速度センサは、静止した状態では重力加速度を検出することができるが、加速度センサが加速度を伴って動いている状態では、重力加速度以外の加速度成分も合わせて検出する。そのため、加速度センサが動いている状態で算出された傾斜角には誤差が含まれている可能性がある。傾斜角に誤差が含まれている場合、傾斜角を基に座標変換し、補正を行った方位角にも誤差が生じてしまう。

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、好適に傾斜角や方位角の測定を行うことのできるセンサ装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のセンサ装置は、３軸の加速度センサと、加速度センサが検出した値から、加速度ベクトルを算出する加速度ベクトル算出部と、加速度ベクトルの大きさを算出する全加速度算出部と、加速度ベクトルに基づいて、加速度センサの傾斜角を算出する傾斜角算出部と、を備え、傾斜角算出部は、加速度ベクトルの大きさが重力加速度と異なる場合に、傾斜角の算出処理を中断する。

この態様によると、加速度ベクトルの大きさが重力加速度と異なる場合には、傾斜角の算出処理を中断する。これにより、重力加速度以外の加速度成分を含んだ加速度センサの検出値をもとに誤った傾斜角を導出する事態を回避することができ、好適に傾斜角の測定を行うことができる。

上記態様のセンサ装置は、温度センサをさらに備えてもよく、加速度ベクトル算出部は、温度センサが検出した温度情報に基づいて、加速度ベクトルを補正して算出してもよい。

加速度センサは、温度変化によってオフセットや感度が変化するので、温度補正を行うことによって、加速度ベクトルの測定精度を向上することができる。また、加速度ベクトルの精度が向上することにより、傾斜角の測定精度を高めることができる。

上記態様のセンサ装置は、地磁気ベクトルを検出する３軸の磁気センサと、磁気センサによって検出された地磁気ベクトルを、傾斜角算出部によって算出された傾斜角を用いて座標変換し、当該センサ装置の方位角を算出する方位角算出部と、をさらに備えてもよく、方位角算出部は、加速度ベクトルの大きさが、重力加速度と異なる場合に、方位角の算出処理を中断してもよい。

この場合、加速度ベクトルの大きさが、重力加速度と異なる場合には、方位角の算出処理を中断する。これにより、重力加速度以外の加速度成分を含んだ加速度センサの検出値をもとに誤った方位角を導出する事態を回避することができ、好適に方位角の測定を行うことができる。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、好適に傾斜角や方位角の測定を行うことができるセンサ装置を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態にかかるセンサ装置の構成を示す図である。傾斜角算出処理のフローチャートである。本発明の第２の実施の形態にかかるセンサ装置の構成を示す図である。方位角算出処理のフローチャートである。

符号の説明

１０センサ装置、１２検出部、１３Ａ／Ｄ変換部、１４処理部、１６記憶部、１８磁気センサ、２０加速度センサ、２２温度センサ、２４気圧センサ、２６地磁気ベクトル算出部、２８方位角算出部、３０加速度ベクトル算出部、３２傾斜角算出部、３４全加速度算出部、３６温度算出部、３８気圧算出部、４０高度算出部、１００センサ装置。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態にかかるセンサ装置１０の構成を示す図である。センサ装置１０は、検出部１２と、Ａ／Ｄ変換部１３と、処理部１４と、記憶部１６と、を備える。検出部１２は、加速度センサ２０と、温度センサ２２と、を有する。センサ装置１０は、加速度センサ２０の傾斜角（ピッチ角α、ロール角β）を測定し、出力することができる。

加速度センサ２０は、３軸の加速度センサであり、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の加速度ベクトルを検出する機能を有する。加速度センサ２０の方式は特に限定されず、抵抗値変化方式、容量変化方式、圧電変化方式などのいずれであってもよい。

温度センサ２２は、センサ装置１０内部の温度を検出する。検出した温度は、温度ドリフトによる加速度センサ２０の出力のズレを補正するために用いられる。加速度センサ２０、温度センサ２２で検出されたアナログ値は、それぞれＡ／Ｄ変換部１３によってデジタル値に変換され、処理部１４に出力される。

記憶部１６は、加速度センサ２０および温度センサ２２の特性データを格納している。記憶部１６は、ＥＥＰＲＯＭ（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙＥｒａｓａｂｌｅＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）などの記憶装置であってよい。

処理部１４は、加速度センサ２０、温度センサ２２から出力され、Ａ／Ｄ変換部１３によってデジタル値に変換された信号を処理し、加速度センサ２０の傾斜角（ピッチ角α、ロール角β）を出力する。ピッチ角αは、Ｘ軸方向の傾斜角であり、ロール角βは、Ｙ軸方向の傾斜角である。処理部１４は、加速度ベクトル算出部３０と、傾斜角算出部３２と、全加速度算出部３４と、温度算出部３６と、を備える。

温度算出部３６は、温度センサ２２で検出され、Ａ／Ｄ変換されたデジタル値Ｄ_ｔから、センサ装置１０内部の温度ｔ（単位：℃）を算出する。温度ｔは、記憶部１６に格納されている温度センサ２２の特性データ（基準温度のデジタル値Ｄ_ｔ０、１℃当たりの変化量ΔＤ_ｔ）を用いて、（１）式にて算出される。（１）式において、ｔ_０は基準温度（℃）である。
ｔ＝ｔ_０＋（Ｄ_ｔ−Ｄ_ｔ０）／ΔＤ_ｔ …（１）

加速度ベクトル算出部３０は、加速度センサ２０で検出され、Ａ／Ｄ変換されたＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸成分のデジタル値（Ｄｘ_ａ，Ｄｙ_ａ，Ｄｚ_ａ）から、加速度ベクトル（ｘ_ａ，ｙ_ａ，ｚ_ａ）（単位：Ｇ）を算出する。加速度ベクトル（ｘ_ａ，ｙ_ａ，ｚ_ａ）は、記憶部１６に格納されている加速度センサ２０の特性データ（３軸成分のオフセットのデジタル値（Ｄｘ_ａｏｆｆ，Ｄｙ_ａｏｆｆ，Ｄｚ_ａｏｆｆ）、および重力加速度（＝１Ｇ）当たりの感度（ΔＤｘ_ａ，ΔＤｙ_ａ，ΔＤｚ_ａ））を用いて、（２）〜（４）式にて算出される。
ｘ_ａ＝（Ｄｘ_ａ−Ｄｘ_ａｏｆｆ）／ΔＤｘ_ａ …（２）
ｙ_ａ＝（Ｄｙ_ａ−Ｄｙ_ａｏｆｆ）／ΔＤｙ_ａ …（３）
ｚ_ａ＝（Ｄｙ_ａ−Ｄｚ_ａｏｆｆ）／ΔＤｚ_ａ …（４）

加速度センサ２０は、温度によりオフセットや感度が変化するので、温度センサ２２が検出した温度情報に基づいて、加速度ベクトルを補正して算出するのが好ましい。温度補正を行うことによって、加速度ベクトル（ｘ_ａ，ｙ_ａ，ｚ_ａ）の測定精度を向上することができる。

全加速度算出部３４は、加速度ベクトル算出部３０によって算出された加速度ベクトル（ｘ_ａ，ｙ_ａ，ｚ_ａ）の大きさを算出する。加速度ベクトル（ｘ_ａ，ｙ_ａ，ｚ_ａ）の大きさを全加速度ａとよぶ。全加速度ａは、（５）式を用いて算出される。

加速度センサ２０が静止している状態では、全加速度ａは、１Ｇと等しくなるが、振動など加速度センサ２０が加速度を伴って動いている場合には、１Ｇとは異なった値となる。

傾斜角算出部３２は、加速度ベクトル算出部３０によって算出された加速度ベクトル（ｘ_ａ，ｙ_ａ，ｚ_ａ）に基づいて、加速度センサ２０の傾斜角（ピッチ角α、ロール角β）を算出する。ピッチ角α、ロール角βの算出式を（６）、（７）式に示す。
α＝ａｒｃｓｉｎ（ｘ_ａ） …（６）
β＝ａｒｃｓｉｎ（ｙ_ａ／ｃｏｓα） …（７）

傾斜角算出部３２は、全加速度算出部３４で算出された全加速度ａが、１Ｇと等しいか否かを判断し、全加速度ａが１Ｇと等しい場合にのみ、傾斜角の算出を行う。傾斜角算出部３２は、重力加速度１Ｇの値を予め保持し、全加速度ａと１Ｇを比較する。全加速度ａが１Ｇと異なる場合には、傾斜角の算出処理を中断する。全加速度ａが１Ｇに等しいか否かは、マージンを持たせて判定を行う。たとえば、全加速度ａが０．９Ｇ≦ａ≦１．１Ｇの範囲内にある場合には、全加速度ａは１Ｇと等しいと判定する。

図２は、傾斜角算出処理のフローチャートである。まず、加速度センサ２０によって加速度の計測を行い、加速度ベクトルのデジタル値（Ｄｘ_ａ，Ｄｙ_ａ，Ｄｚ_ａ）を得る（Ｓ１０）。次に、加速度ベクトル算出部３０において、加速度ベクトル（ｘ_ａ，ｙ_ａ，ｚ_ａ）の算出を行う（Ｓ１２）。次に、全加速度算出部３４において、加速度ベクトル（ｘ_ａ，ｙ_ａ，ｚ_ａ）から、全加速度ａを算出する（Ｓ１４）。

次に、傾斜角算出部３２において、全加速度ａが１Ｇと等しいか否かを判断する（Ｓ１６）。加速度センサ２０によって計測された加速度ベクトルに、重力加速度以外の加速度成分が含まれている場合、全加速度ａは１Ｇとは異なった値となる。よって、全加速度ａが１Ｇと等しいか否かを判断することにより、重力加速度以外の加速度成分が含まれているかどうか判断することができる。

全加速度ａが１Ｇと等しい場合（Ｓ１６のＹ）、傾斜角算出部３２は、傾斜角の算出処理を行う（Ｓ１８）。全加速度ａが１Ｇと異なる場合（Ｓ１６のＮ）、傾斜角算出部３２は、傾斜角の算出処理を行わずに、傾斜角算出処理を中断する。

全加速度ａと重力加速度の比較を行わずに傾斜角の算出処理を行った場合、算出された傾斜角には誤差が含まれている可能性がある。第１の実施の形態に係るセンサ装置１０によれば、重力加速度以外の加速度成分を含んだ加速度センサ２０の検出値をもとに誤った傾斜角を導出する事態を回避することができる。

（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態に係るセンサ装置１００の構成を示す図である。センサ装置１００は、方位角θ、高度ｈを出力することができる。第２の実施の形態では、検出部１２は、さらに磁気センサ１８と、気圧センサ２４と、を有する。また、処理部１４は、さらに地磁気ベクトル算出部２６と、方位角算出部２８と、気圧算出部３８と、高度算出部４０と、を有する。なお、第１の実施の形態と同一の構成要素については、同様の符号を用いて説明する。

気圧センサ２４は、外気の圧力を検出する。気圧算出部３８は、気圧センサ２４で検出され、Ａ／Ｄ変換されたデジタル値Ｄ_ｐから、気圧ｐ（単位：ｈＰａ）を算出する。気圧ｐは、記憶部１６に格納されている気圧センサ２４の特性データ（オフセットのデジタル値Ｄ_ｐｏｆｆ、１ｈＰａ当たりの感度ΔＤ_ｐ）を用いて、（８）式にて算出される。
ｐ＝（Ｄ_ｐ−Ｄ_ｐｏｆｆ）／ΔＤ_ｐ＋１０１３．２５ …（８）

気圧センサ２４は、温度によりオフセットや感度が変化するので、温度センサ２２が検出した温度情報に基づいて、気圧ｐを補正するのが好ましい。温度補正を行うことによって、気圧ｐの測定精度を向上することができる。

高度算出部４０は、気圧算出部３８で算出された気圧ｐと、基準気圧ｐ_０との差から相対高度ｈ（単位：ｍ）を算出する。相対高度は、基準気圧を０ｍとしたときの高度である。気圧は、高度が１００ｍ高くなるごとに１２ｈＰａ下がることから、（９）式を用いて算出することができる。
ｈ＝（ｐ_０−ｐ）×１００／１２ …（９）

磁気センサ１８は、３軸の磁気センサであり、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の地磁気ベクトル成分を検出する機能を有する。磁気センサ１８は、フラックスゲート型磁気センサ、ホール素子、磁気抵抗素子などを組み合わせることによって構成することができる。

地磁気ベクトル算出部２６は、磁気センサ１８で検出され、Ａ／Ｄ変換されたデジタル値（Ｄｘ，Ｄｙ，Ｄｚ）から、地磁気ベクトル（ｘ，ｙ，ｚ）（単位：Ｔ）を算出する。地磁気ベクトル（ｘ，ｙ，ｚ）は、記憶部１６に格納されている磁気センサ１８の特性データ（３軸成分のオフセットのデジタル値（Ｄｘ_ｏｆｆ，Ｄｙ_ｏｆｆ，Ｄｚ_ｏｆｆ）、１μＴ当たりの感度（ΔＤｘ，ΔＤｙ，ΔＤｚ））を用いて、（１０）〜（１２）式により算出される。
ｘ＝（Ｄｘ−Ｄｘ_ｏｆｆ）／ΔＤｘ …（１０）
ｙ＝（Ｄｙ−Ｄｙ_ｏｆｆ）／ΔＤｙ …（１１）
ｚ＝（Ｄｙ−Ｄｚ_ｏｆｆ）／ΔＤｚ …（１２）

方位角算出部２８は、地磁気ベクトル算出部２６で算出された地磁気ベクトル（ｘ，ｙ，ｚ）を、傾斜角算出部３２によって算出された傾斜角（ピッチ角α、ロール角β）を用いて座標変換し、磁気センサ１８の方位角θを算出する。

方位角θは、地磁気ベクトル（ｘ，ｙ，ｚ）のＸ軸成分ｘおよびＹ軸成分ｙから算出されるが、磁気センサ１８が傾斜している場合は、誤差が生じる。そのため、水平面に座標変換して、水平時の地磁気ベクトルを求める。ピッチ角をα、ロール角をβ、変換前の地磁気ベクトルを（ｘ，ｙ，ｚ）、座標変換後の地磁気ベクトルを（ｈｘ，ｈｙ，ｈｚ）としたとき、座標変換式は、（１３）式のように表すことができる。

座標変換後の地磁気ベクトルのＸ軸成分ｈｘおよびＹ軸成分ｈｙを用いて、方位角θは、（１２）式により算出される。
θ＝ａｒｃｔａｎ（ｈｘ／ｈｙ） …（１４）

加速度ベクトル算出部３０は、加速度センサ２０の検出値から、加速度ベクトルを算出する。全加速度算出部３４は、全加速度ａを算出する。傾斜角算出部３２は、全加速度算出部３４で算出された全加速度ａが、１Ｇと等しいか否かを判断し、全加速度ａが１Ｇと等しい場合にのみ、傾斜角の算出を行う。全加速度ａが１Ｇと異なる場合には、傾斜角の算出処理を中断する。傾斜角の算出を行った場合は、方位角算出部２８に傾斜角の値を与える。傾斜角の算出処理を中断した場合は、方位角算出部２８に方位角の算出処理を中断する指示を与える。

図４は、方位角算出処理のフローチャートである。まず、磁気センサ１８によって地磁気の計測を行い、地磁気ベクトルのデジタル値（Ｄｘ，Ｄｙ，Ｄｚ）を得る（Ｓ３０）。次に、地磁気ベクトル算出部２６において、地磁気ベクトル（ｘ，ｙ，ｚ）の算出を行う（Ｓ３２）。

加速度センサ２０は、加速度の計測を行い、加速度ベクトルのデジタル値（Ｄｘ_ａ，Ｄｙ_ａ，Ｄｚ_ａ）を得る（Ｓ３４）。次に、加速度ベクトル算出部３０において、加速度ベクトル（ｘ_ａ，ｙ_ａ，ｚ_ａ）の算出を行う（Ｓ３６）。次に、全加速度算出部３４において、加速度ベクトル（ｘ_ａ，ｙ_ａ，ｚ_ａ）から、全加速度ａを算出する（Ｓ３８）。

次に、傾斜角算出部３２において、全加速度ａが１Ｇと等しいか否かを判断する（Ｓ４０）。全加速度ａが１Ｇと等しい場合（Ｓ４０のＹ）、傾斜角算出部３２は、傾斜角の算出処理を行い、傾斜角の値を方位角算出部２８に与える（Ｓ４２）。全加速度ａが１Ｇと異なる場合（Ｓ４０のＮ）、傾斜角算出部３２は、傾斜角の算出を行わずに、傾斜角算出処理を中断する。傾斜角算出部３２は、傾斜角算出処理を中断した場合に、方位角の算出処理を中断する指示を方位角算出部２８に与える。なお、地磁気ベクトルの算出処理（Ｓ３０〜Ｓ３２）と、傾斜角の算出処理（Ｓ３４〜４２）の順序は逆であってもよく、また、同時であってもよい。

方位角算出部２８は、傾斜角算出部３２から方位角算出処理の中断指示がない場合（Ｓ４４のＮ）、地磁気ベクトル（ｘ，ｙ，ｚ）を座標変換し、座標変換後の地磁気ベクトル（ｈｘ，ｈｙ，ｈｚ）を算出する（Ｓ４６）。その後、座標変換後の地磁気ベクトルのＸ軸成分ｈｘおよびＹ軸成分ｈｙを用いて、方位角θを算出する（Ｓ４８）。一方、方位角算出部２８は、傾斜角算出部３２から方位角算出処理の中断指示があった場合、方位角算出処理を中断する（Ｓ４４のＹ）。

上述したように、加速度センサ２０が加速度を伴って動いている状態では、加速度センサ２０の検出値は重力加速度以外の加速度成分を含むので、算出される傾斜角には誤差が含まれる。この誤差を含んだ傾斜角を用いて座標変換してしまうと、方位角θも誤差を有してしまう。第２の実施の形態に係るセンサ装置１００では、全加速度ａが１Ｇと異なる場合には、方位角θの算出処理を中断するので、重力加速度以外の加速度成分を含んだ加速度センサ２０の検出値をもとに誤った方位角θを導出する事態を回避することができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

たとえば、第２の実施の形態では、傾斜角算出部３２において全加速度ａと１Ｇの比較を行ったが、全加速度算出部３４から方位角算出部２８に全加速度ａの値を与え、方位角算出部２８において全加速度ａと１Ｇの比較を行い、方位角算出処理の中断の判断を行ってもよい。

本発明は、加速度センサを備えたセンサ装置に関する分野に適用することができる。

Claims

３軸の加速度センサと、
前記加速度センサが検出した値から、加速度ベクトルを算出する加速度ベクトル算出部と、
加速度ベクトルの大きさを算出する全加速度算出部と、
加速度ベクトルに基づいて、前記加速度センサの傾斜角を算出する傾斜角算出部と、を備え、
前記傾斜角算出部は、加速度ベクトルの大きさが重力加速度と異なる場合に、傾斜角の算出処理を中断することを特徴とするセンサ装置。
温度センサをさらに備え、
前記加速度ベクトル算出部は、温度センサが検出した温度情報に基づいて、加速度ベクトルを補正して算出することを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
地磁気ベクトルを検出する３軸の磁気センサと、
前記磁気センサによって検出された地磁気ベクトルを、前記傾斜角算出部によって算出された傾斜角を用いて座標変換し、当該センサ装置の方位角を算出する方位角算出部と、をさらに備え、
方位角算出部は、加速度ベクトルの大きさが、重力加速度と異なる場合に、方位角の算出処理を中断することを特徴とする請求項１または２に記載のセンサ装置。