(57)【要約】  本開示の実施形態は、通常の製品操作中に磁気センサ測定値及びバックグラウンド計算値を用いてジャイロセンサを較正するための方法及び装置に向けられる。一実施形態において、磁気センサ測定値を用い、計測された磁気ベクトル配向をジャイロ積分から計算されたその予測配向と比較することによって、ジャイロ利得を調整する。バックグラウンド・プロセスは、常にジャイロ利得の種々の値についてのこの不一致を比較し、その平均誤差を最小するものを選択する。一実施形態において、磁気センサ測定値を用いることによって、ジャイロ積分によって得られるデバイス配向が改善される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
関連したメモリを有するデバイス内のマイクロプロセッサと、
前記デバイスの３Ｄ配向及び／又は３Ｄ運動を検知することができる、前記デバイス内の少なくとも２組の独立したセンサと、
を含み、少なくとも１つのセンサの組は、デバイス運動の初めにうまく較正されず、
ａ）一連の時刻ｔ＝０、１、．．．、ｋにおいて前記センサからセンサ・データを読み出し、格納し、処理するステップと、
ｂ）ｔ＝０、１、．．．、ｋにおける前記センサ・データを用いて、時刻ｔ＝ｋにおけるデバイスの３Ｄ配向を推定するステップと、
ｃ）以前の時刻ｔ＝ｍ、．．．、ｋ（０≦ｍ≦ｋ）についてのセンサ測定値を用いて、上述の１つのセンサの組の次の時刻ｔ＝（ｋ＋１）値を予測するステップと、
ｄ）予測されたセンサ値と観測されたセンサ値との間の差を構築するステップと、
ｅ）前記差を用いて、上記の前記推定されたデバイスの３Ｄ配向の判定、及び／又は、前記デバイス運動の初めにうまく較正されなかった前記センサの組の較正を連続的に改善するステップと、
を実行するための、前記マイクロプロセッサ内で動作可能なマイクロプロセッサ・プログラムをさらに含むことを特徴とするデバイス。
【請求項２】
前記センサの組は磁気センサの組及びジャイロセンサの組を含むことを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記ジャイロセンサの組は、前記デバイス運動の初めにうまく較正されないことを特徴とする、請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記ジャイロセンサの組の較正方法が、
所定の時間間隔にわたってジャイロセンサ信号を観測するステップと、
未知のジャイロ較正パラメータの第１の推測値又はそれらの名目値のうちの１つを適用することにより、前記ジャイロ信号を補正するステップと、
前記観測され、そのように補正されたジャイロ信号に基づいて、前記時間間隔の間の前記デバイス配向の認識される変化を判定するステップと、
前記得られたデバイス配向の変化によって適切に補正された、積分間隔の初め及び終わりの磁気センサ値を比較するステップと、
前記観測された磁気信号と名目上の回転補正された磁気信号との間の差の尺度から得られる補正を適用することによって、ジャイロ較正パラメータの初期値を補正するステップと、
を含むことを特徴とする、請求項３に記載のデバイス。
【請求項５】
全てのジャイロチャネルに対して、１つだけの較正パラメータが決定されることを特徴とする、請求項４に記載のデバイス。
【請求項６】
前記較正パラメータは、前記名目値に対する未知のジャイロ利得補正であることを特徴とする、請求項５に記載のデバイス。
【請求項７】
前記較正パラメータは、前記名目値に対する未知のジャイロバイアス補正であることを特徴とする、請求項５に記載のデバイス。
【請求項８】
前記時間間隔の終わりにおける前記磁気信号と、前記時間間隔の初めにおける前記磁気ベクトルの前記回転補正値との間の前記差の前記尺度は、これらの２つのベクトルのベクトル差のベクトルノルムであることを特徴とする、請求項４に記載のデバイス。
【請求項９】
同じ時間間隔において、複数の代替的な回転が較正下のジャイロパラメータの異なる仮定値を用いて求められることを特徴とする、請求項４に記載のデバイス。
【請求項１０】
異なる時間間隔において、前記ジャイロ較正パラメータの異なる値が、前記回転判定のために用いられることを特徴とする、請求項４に記載のデバイス。
【請求項１１】
較正パラメータは、前記観測された磁気信号と前記回転補正された磁気信号との間の差の前記計算された尺度に対して最小値を生じるパラメータの組み合わせを見出すことによって求められることを特徴とする、請求項４に記載のデバイス。
【請求項１２】
所定の時間間隔にわたってジャイロセンサ信号を観測し、
ジャイロ較正パラメータを適用することによって前記ジャイロ信号を補正し、
前記観測され、そのように補正されたジャイロ信号に基づいて、前記時間間隔の間の前記デバイス配向の認識される変化を判定し、
前記時間間隔の初め及び終わりにおける磁気センサ信号を観測し、
磁気較正パラメータを適用することによって前記磁気センサ信号を補正し、
前記較正補正された磁気センサ信号における観測される変化と一致し、かつ、前記ジャイロ信号から求められた前記回転に最も近い、前記時間間隔の間の前記デバイス配向の認識される変化を求め、
前記ジャイロセンサから得られた回転と、前記磁気センサ観測値と一致する回転との組み合わせとして、前記時間間隔の間の前記デバイス回転を求める、
ことによって、前記デバイス回転を求めるステップをさらに含むことを特徴とする、請求項２に記載のデバイス。
【請求項１３】
回転近似の尺度が、前記ジャイロ信号積分から計算された４元数と前記磁気センサ観測値と一致するデバイス回転をもたらす４元数との間の４元数差のノルムであることを特徴とする、請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１４】
関連したメモリを有するマイクロプロセッサと、デバイスの３Ｄ配向及び／又は３Ｄ運動を検知することができる少なくとも２組の独立センサとを含み、少なくとも１つのセンサの組はデバイス運動の初めにうまく較正されない、デバイスにおいて、マイクロセッサ・プログラムが、
ａ）一連の時刻ｔ＝０、１、．．．、ｋにおいて前記センサからセンサ・データを読み出し、格納し、処理するステップと、
ｂ）ｔ＝０、１、．．．、ｋにおける前記センサ・データを用いて、時刻ｔ＝ｋにおけるデバイスの３Ｄ配向を推定するステップと、
ｃ）以前の時刻ｔ＝ｍ、．．．、ｋ（０≦ｍ≦ｋ）についてのセンサ測定値を用いて、上述の１つのセンサの組の次の時刻ｔ＝（ｋ＋１）の値を予測するステップと、
ｄ）予測されたセンサ値と観測されたセンサ値との間の差を構築するステップと、
ｅ）前記差を用いて、上記の前記推定されたデバイスの３Ｄ配向の判定、及び／又は、前記デバイス運動の初めにうまく較正されなかった前記センサの組の較正を連続的に改善するステップと、
を実行するように、前記マイクロプロセッサ内で動作可能であることを特徴とする方法。
【請求項１５】
前記センサの組は磁気センサの組及びジャイロセンサの組を含むことを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記ジャイロセンサの組は、前記デバイス運動の初めにうまく較正されないことを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
所定の時間間隔にわたってジャイロセンサ信号を観測するステップと、
未知のジャイロ較正パラメータの第１の推測値又はそれらの名目値のうちの１つを適用することにより、前記ジャイロ信号を補正するステップと、
前記観測され、そのように補正されたジャイロ信号に基づいて、前記時間間隔の間の前記デバイス配向の認識される変化を判定するステップと、
前記得られたデバイス配向の変化によって適切に補正された、積分間隔の初め及び終わりの磁気センサ値を比較するステップと、
前記観測された磁気信号と名目上の回転補正された磁気信号との間の差の尺度から得られる補正を適用することによって、ジャイロ較正パラメータの初期値を補正するステップと、
によりジャイロセンサの組を較正するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
コンピューティング・デバイスによって実行されるとき、前記コンピューティング・デバイスに、
ａ）一連の時刻ｔ＝０、１、．．．、ｋにおいて前記センサからセンサ・データを読み出し、格納し、処理するステップと、
ｂ）ｔ＝０、１、．．．、ｋにおける前記センサ・データを用いて、時刻ｔ＝ｋにおけるデバイスの３Ｄ配向を推定するステップと、
ｃ）以前の時刻ｔ＝ｍ、．．．、ｋ（０≦ｍ≦ｋ）についてのセンサ測定値を用いて、上述の１つのセンサの組の時刻ｔ＝（ｋ＋１）の値を予測するステップと、
ｄ）予測されたセンサ値と観測されたセンサ値との間の差を構築するステップと、
ｅ）前記差を用いて、上記の前記推定されたデバイスの３Ｄ配向の判定、及び／又は、前記デバイス運動の初めにうまく較正されなかった前記センサの組の較正を連続的に改善するステップと、
を含む方法を実行させる１組の命令が上に格納された機械可読媒体。
【請求項１９】
前記センサの組は磁気センサの組及びジャイロセンサの組を含むことを特徴とする、請求項１８に記載の媒体。
【請求項２０】
前記方法は、
所定の時間間隔にわたってジャイロセンサ信号を観測するステップと、
未知のジャイロ較正パラメータの第１の推測値又はそれらの名目値のうちの１つを適用することにより、前記ジャイロ信号を補正するステップと、
前記観測され、そのように補正されたジャイロ信号に基づいて、前記時間間隔の間の前記デバイス配向の認識される変化を判定するステップと、
前記得られたデバイス配向の変化によって適切に補正された、積分間隔の初め及び終わりの磁気センサ値を比較するステップと、
前記観測された磁気信号と名目上の回転補正された磁気信号との間の差の尺度から得られる補正を適用することによって、
によってジャイロセンサの組を較正するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１９に記載の媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、磁気センサを組み込んだデバイスに関し、より具体的には、慣性ジャイロスコープ・センサを含むシステムに関する。
本出願は、２０１０年１１月８日出願の米国特許仮出願第６１／４５６，４６７号の優先権の利益を主張するものであり、その内容の全体が引用により本明細書に組み入れられる。
【背景技術】
【０００２】
低価格の慣性センサ及び他のセンサは、スマートフォン、ゲーム・コントローラ及び多くの他のものなど、多数の家庭用電子デバイスにおいて非常に普及している。このことは、開発者に非常に困難な要求を課すことになる。製品が安くなるほど、技術的にあまり高度でなくなることが顧客には予想できるが、低価格低精度のセンサを用いる際でさえ、製品は、堅固で気楽な操作経験を提供しなければならない。
【０００３】
デバイスの製造において、デバイスが顧客に出荷される前のデバイスの製造時に、デバイスが使用する全てのセンサを較正することが一般的である。こうしたいわゆる工場較正は、特別な設備、制御された環境、及び訓練を受けた人員によって非常に正確に行うことができる。しかしながら、製品が顧客に使用される時点までに、温度変化、異なるバッテリ電圧、及び設計技師の制御を超える他の影響のために、センサの較正がずれる。
【０００４】
この適切な較正の問題は、ナビゲーション又は姿勢決定の解に用いられるように、ある期間にわたって積分する必要があるセンサにとって特に重要である。積分較正誤差は時間の経過と共に増大し、結果として得られる解をあっという間に受容できないものにする。
【０００５】
このことは、適切なデバイス動作を確実にするために、デバイス内に使用される全てのセンサに対して、上で列挙した環境影響が原因で通常のデバイス動作中に生じる、信号ドリフト及び実効利得の変化のようなこうした影響の自律的なリアルタイム較正を可能にする適切なソフトウェア（ｓｗ）及びアルゴリズムが存在すべきであることを意味する。言い換えれば、実用設計では、センサ較正パラメータをリアルタイムで自律的に監視し、調整する内部アルゴリズムを組み込む必要がある。
このことはまた、積分センサ誤差の影響の低減を可能にする方法がなければならないことも意味する。
【０００６】
従って、本開示の目的は、通常のデバイス動作中にジャイロセンサの較正パラメータをリアルタイムで自動的に調整する方法を提供することによって、前述の問題の１つ又はそれ以上を解決することである。
本開示の目的はまた、ジャイロ積分における誤差の低減を可能にする方法を提供することである。
【０００７】
今日の典型的なシステムは、３軸加速度計、３軸磁気センサ及び３軸ジャイロセンサなどのセンサ一式を有する。全てのこれらのセンサは、有効に使用できるように、較正する必要がある。加速度計の較正の最も一般的な方法は、システムが静止している瞬間を用い、重力ベクトルを自然標準として用いて、加速度計のバイアス及び利得を求めることである。これらの静止状態は、ユーザ較正中にユーザにより設定することができ、又は、静止位置においては重力ベクトルのみが加速度計表示値に影響を与えるので、例えば、特許文献１におけるような「ゼロ運動検出器（ｚｅｒｏ  ｍｏｔｉｏｎ  ｄｅｔｅｃｔｏｒ）」を介して、リアルタイム操作中に検出することができる。異なる配向のデバイスによる複数の測定値を用いて、完全な加速度計較正を行うことができる。一例として、特許文献２を参照されたい。
【０００８】
磁気センサは、通常、自然の地磁場を用いて較正される。較正は、幾つかの所定のデバイス配向における測定値を記録することによって、又は、例えば特許文献３における操作の又はユーザ較正デバイスの３Ｄ運動を用いるバックグラウンド・プロセスとして行うことができる。このような手順は、較正を行うたびに新しい較正パラメータをもたらす。
【０００９】
ＧＰＳセンサは、磁気センサが用いられるナビゲーション・システムにおいて広く用いられており、非常に一般的になっているので、ＧＰＳ速度ベクトルの方向を磁気センサから得られる方向と比較することによる、磁気センサの較正に用いられることが多い。磁気センサに対する必要な較正パラメータを得るために、カルマン・フィルタ手順の直接計算が用いられる。
【００１０】
地球上のあらゆる場所で周知であり高精度で表にまとめられている、地球の重力及び地磁場の絶えず存在する自然の力を用いることにより、並びに、ＧＰＳ及び温度のような付加的なセンサを用いることにより、当業者が、デバイス内で使用される磁気及び加速度センサを正確に較正するための適切な手順を得る可能にする大量の作業が存在する。
【００１１】
当業者であれば認識するように、デバイスの配向がうまく較正された磁気及び重力センサの測定値から得られるとき、各々の姿勢決定は独立である。従って、磁気及び重力ベクトル方向の決定において不可避の誤差は時間と共に蓄積されない。全く逆に、結果として得られる軌跡を滑らかにすることにより、各軌跡の点における配向誤差を低減させることができる。
【００１２】
しかしながら、デバイスが未知の加速を経験する状況においては、内部加速度計を用いて地球重力ベクトルに関するデバイス配向を判定することができない。磁気ベクトルだけではデバイス配向を復元するのに十分ではなく、単一のアンテナＧＰＳを用いてボディ配向を復元することもできない。このような場合、ジャイロセンサを用いてデバイスの３Ｄ配向を判定する以外に選択枝がない。
【００１３】
ジャイロセンサは、その局所座標軸の周りの回転速度を計測している。適切に積分されると、これは、その最初の配向からの全体の３Ｄボディ回転をもたらす。しかしながら、ジャイロ信号を積分して配向を得る必要があるので、ジャイロバイアス又は利得におけるいずれの誤差も時間と共に急速に増大する。
【００１４】
ジャイロバイアスは、そうした瞬間が検出できると仮定して、回転が存在しない瞬間にジャイロ信号を観測することによって求めることができる。しかしながら、ジャイロ利得を較正するためには、各軸の周りで非常に正確な周知の回転を行う必要があり、そのことは工場設定においてさえ実行するのが困難であり、現場でのリアルタイム較正は事実上不可能である。
【００１５】
Ｔｅｋａｗｙ他による特許文献４及び特許文献５は、ジャイロドリフトを較正するために、複数のＧＰＳアンテナにおける異なるＧＰＳ衛星からの電力差を用いる。
Ｄｒａｇ他による特許文献６は、配向の一次的方法として光センサを用いる。この特許は、これらの光信号を用いてジャイロを較正できることに言及しているが、それをどのように行い得るについては説明していない。
Ａｃｈｋａｒ他による特許文献７はまた、カルマン・フィルタを介してジャイロドリフト（バイアス）を推定するために、太陽及び北極検出器（Ｓｕｎ  ａｎｄ  Ｎｏｒｔｈ  Ｐｏｌｅ  ｄｅｔｅｃｔｏｒ）を使用するが、これはＢａｓｕｔｈａｋｕｒ他による特許文献８により用いられる方法にも類似している。
【００１６】
従って、現在、利得較正方法は、通常は車両用のＧＰＳ、衛星用の星位置同定具、又は水中装置用のソナーである、デバイス軌跡配向の外部判定に頼る必要がある。しかしながら、そうした方法は、手持ち式デバイスの場合に一般的である、軌跡に依存しない回転をデバイスが経験する場合には機能しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】米国特許第５，９９１，６９２号明細書
【特許文献２】米国特許第６，７２９，１７６号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００９／００７００５６号明細書
【特許文献４】米国特許第７，６６７，６４５号明細書
【特許文献５】米国特許第７，３９３，４２２号明細書
【特許文献６】米国特許第７，６５７，１８３号明細書
【特許文献７】米国特許第５，５６２，２６６号明細書
【特許文献８】米国特許第５，４５２，８６９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本開示の目的は、通常のデバイス動作中にジャイロセンサの較正パラメータを、リアルタイムで自動的に調整する実際的で効率的な方法を提供することである。本開示の目的はまた、デバイス配向の判定の精度を高める実際的で効率的な方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本開示は、当業者には周知の方法のいずれかによる較正に先立って、磁気センサの測定値を用いる適切なリアルタイム計算を行う方法、及び、ジャイロセンサの積分を実行してジャイロセンサの利得に対する補正を求める方法を、当業者に指示するものである。
【００２０】
本開示は、ジャイロセンサが適切に較正される場合、ジャイロ信号の適切な積分によって計算されるデバイス回転が、積分が開始する瞬間のそれらの配向から、ジャイロ積分が終了する瞬間の観測されたそれらの配向まで、磁気ベクトル成分を回転させるべきであることを述べる。従って、観測された磁気ベクトルと回転した磁気ベクトルとの間の不一致の何らかの尺度を用いて、ジャイロセンサの較正を改善することができる。
【００２１】
そのような確立された近似の尺度を用いて、本開示は、ジャイロ較正誤差が大きいほど、この不一致の尺度が大きくなること、及びこの尺度の最小値がジャイロセンサの最良の較正に対応することを教示する。従って、用いられるジャイロパラメータと、磁気ベクトルの計測された配向及び推定された配向間の誤差との間に依存性が確立されれば、ジャイロ較正パラメータの正しい値が、この表面に対する最小値をもたらす。
【００２２】
本開示はまた、ジャイロ積分で計算されるデバイス配向は、計算された回転が磁気ベクトルの観測された配向と一致することを確実にすることによって改善することができることも、当業者に指示する。
【００２３】
本開示の一実施形態は、関連したメモリを有するマイクロプロセッサと、デバイスの３Ｄ配向及び／又は３Ｄ運動を検知することができる、デバイス内の少なくとも２組の独立したセンサとを含み、少なくとも１つのセンサの組はデバイス運動の初めにうまく較正されていず、マイクロプロセッサ内で動作可能なマイクロプロセッサ・プログラムをさらに含むデバイスである。このプログラムは、ａ）一連の時刻ｔ＝０，１，．．．ｋにおいて、センサからセンサ・データを読み出し、格納し、処理するステップと、ｂ）ｔ＝０，１，．．．ｋにおけるセンサ・データを用いて、時刻ｔ＝ｋにおけるデバイスの３Ｄ配向を推定するステップと、ｃ）以前の時刻ｔ＝ｍ，．．．，ｋ（０≦ｍ≦ｋ）についてのセンサ測定値を用いて、上述の１つのセンサの組の次の時刻ｔ＝（ｋ＋１）値を予測するステップと、ｄ）予測されたセンサ値と観測されたセンサ値との間の差を構築するステップと、ｅ）この差を用いて、上記の推定されたデバイスの３Ｄ配向の判定、及び／又はデバイス運動の初めにうまく較正されなかったセンサの組の較正を連続的に改善するステップとを実行する。
【００２４】
本デバイスの一実施形態において、センサの組は、磁気センサの組及びジャイロセンサの組である。一実施形態において、ジャイロセンサの組は、デバイス運動の初めにうまく較正されない。
【００２５】
一実施形態において、ジャイロセンサの組を較正する方法が、所定の時間間隔にわたってジャイロセンサ信号を観測するステップと、未知のジャイロ較正パラメータの第１の推測値又はそれらの名目値のうちの１つを適用することにより、ジャイロ信号を補正するステップと、観測された、そのように補正されたジャイロ信号に基づいて、この時間間隔の間のデバイス配向の認識される変化を判定するステップと、得られたデバイス配向の変化によって適切に補正された、積分間隔の初め及び終わりの磁気センサ値を比較するステップと、観測された磁気信号と名目上の回転補正された磁気信号との間の差の尺度から得られる補正を適用することによって、ジャイロ較正パラメータの初期値を補正するステップとを含む。
【００２６】
本デバイスの例示的な一実施形態において、全てのジャイロチャネルに対して。１つだけの較正パラメータが決定される。較正パラメータは、名目値に対する未知のジャイロ利得補正とすることができる。一実施形態において、較正パラメータは、名目値に対する未知のジャイロバイアス補正とすることができる。
【００２７】
別の実施形態において、複数の較正パラメータを求めることができる。このような実施形態において、較正パラメータは、ジャイロセンサの各々についての未知の利得補正とすることができる。代替的に、較正パラメータは、ジャイロセンサの各々についての未知のバイアス補正とすることができる。別の実施形態において、較正パラメータは、全てのジャイロセンサの未知のバイアス補正と未知の利得補正との組み合わせである。
【００２８】
別の実施形態において、時間間隔の終わりにおける磁気信号と、時間間隔の初めにおける磁気ベクトルの回転補正された値との間の差の尺度は、これらの２つのベクトルのベクトル差のベクトルノルムである。１つの実施形態において、同じ時間間隔において、複数の代替的な回転は、較正下のジャイロパラメータの異なる仮定値を用いて求めることができる。代替的に、異なる時間間隔において、ジャイロ較正パラメータの異なる値は、回転判定のために用いることができる。そうした場合、補正パラメータ値は、最適な実験設計の方法によって選択することができる。
【００２９】
一実施形態において、較正パラメータは、観測された磁気信号と回転補正された磁気信号との間の差の計算された尺度に対して最小値を生じるパラメータの組み合わせを見出すことによって求めることができる。代替的に、１つの較正パラメータの組に対して記録されたデータを用いて、全ての計算をオフラインで行い、次いで、較正パラメータの人為的な変更により再計算することができる。
【００３０】
一実施形態において、本開示によるデバイス回転の判定方法は、所定の時間間隔にわたってジャイロセンサ信号を観測し、ジャイロ較正パラメータを適用することによってジャイロ信号を補正し、観測され、そのように補正されたジャイロ信号に基づいて、この時間間隔の間のデバイス配向の認識される変化を判定するステップを含む。本方法は、この時間間隔の初め及び終わりにおける磁気センサ信号を観測し、磁気較正パラメータを適用することによって磁気センサ信号を補正し、較正補正された磁気センサ信号における観測される変化と一致し、かつ、ジャイロ信号から求められた回転に最も近い、この時間間隔の間のデバイス配向の認識される変化を判定し、ジャイロセンサから得られた回転と、磁気センサ観測値と一致する回転との組み合わせとして、この時間間隔の間のデバイス回転を判定するステップをさらに含む。
【００３１】
そうした実施形態において、回転の近似の尺度は、ジャイロ信号積分から計算された４元数と、磁気センサ観測値と一致するデバイス回転をもたらす４元数との間の４元数差のノルムである。この計算は、実際の運動の際のセンサ値の記録を用いてオフラインで行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】プロセッサ（１０１）、メモリバス（１０２）、メモリ（１０３）、（１０４）、（１０５）、及びＩ／Ｏインタフェース（１０６）を含むマイクロコンピュータ（１００）から成るデバイスを示す。マイクロコンピュータは、ディスプレイ（１１１）及び入力デバイス（１１２）を有する。Ｉ／Ｏインタフェースは、一揃いのセンサ、即ち３軸ジャイロセンサ（１２２）、３軸磁気センサ（１２３）及び３軸加速度計（１２４）に、それらのＡ／Ｄコンバータ（１２１）により接続される。ＣＰＵは、Ｉ／Ｏ（１０６）を介して全てのセンサをサンプリングし、対応する値を記憶装置（１０５）又は主メモリ（１０３）内に格納する。こうした取得されたセンサ・データを処理する適切なコンピュータ・プログラムは、ＲＯＭ（１０４）内に格納され、ＣＰＵ（１０１）によって実行される。
【図２】製造者によりもたらされる名目のジャイロ利得が用いられたときの、ジャイロ積分を介した軌跡の復元を示す。破線は真の軌跡を示す。
【図３】本方法の一実施において見出された最適利得が適用されたときの、同じ軌跡の復元を提供する。
【図４】磁気ベクトル復元における誤差が、その製造者の名目値からのジャイロ利得の変動にどのように依存するかについての実験データのグラフを示す。
【図５】磁気ベクトル復元の誤差をリアルタイムで計算する方法についてのアルゴリズム・フローチャートを提供する。
【図６】ジャイロ利得の最適値を、ジャイロ利得の種々異なる値について得られた複数の誤差値から計算する方法を示す。
【図７】複数の誤差値を、ＣＰＵの性能に応じて並列に又は順次計算することができることを示す。実際の軌跡計算は、初めに名目の製造者利得値Ｇ０を用いて行われ、次いで最適利得Ｇｏｐｔに、これが使用可能になり次第切り換えられる。
【図８】ジャイロ積分から得られた回転、即ち４元数Ｌｅが、磁気ベクトルＭの観測された結果としえて得られる配向と一致し、且つ、ジャイロ回転Ｌｅに最も近い回転Ｌｆを計算することにより、どのように改善されるかを示す。４元数Ｌｍは、磁気ベクトルＭをその観測された位置Ｍ（ｋ）から、ｔ＝ｋ＋１における観測される配向である図示された配向Ｍ（ｋ＋１）まで回転させる回転をもたらす。次いで、４元数Ｌｆが２つの回転、即ち、Ｌｍ及びＭの周りの付加的回転から構成される。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下の説明において、より完全な開示を提供するために、多くの特定の詳細が説明される。しかしながら、当業者であれば、本開示技術は、これらの特定の詳細なしに実施できることが明らかであろう。場合によっては、周知の構造部は、本開示技術を不明瞭にするのを避けるために詳細には説明されていないことがある。
【００３４】
好ましい実施において、回転を判定するために４元数演算が用いられる。しかしながら、この選択は、本開示を制約するものではなく、説明のためだけに用いられている。当業者であれば、回転行列、オイラー角などの他の回転表現、又は他の方法が存在することを理解している。
【００３５】
４元数は、ある特定の数学的特性を有する、４つの実数の順序集合ｑ＝（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）である。４元数の詳しい説明は、それに関する多くの教科書に見出すことができる。本開示の目的のために、単位４元数を用いる。
【数１】
2013543976.tif 000003
単位４元数は、単位ベクトルｅ＝（ｅ１，ｅ２，ｅ３）の周りの、角度αの回転を表す。
【数２】
2013543976.tif 000004
従って、座標系（ｘ，ｙ，ｚ）で表されるベクトルｍ＝［ｍｘ，ｍｙ，ｍｚ］がベクトルｅの周りを角度αだけ回転される場合、ベクトルｍの新しい座標は、
【数３】
2013543976.tif 000005
である。
【００３６】
４元数表現において、剛体の回転は、以下の微分方程式
【数４】
2013543976.tif 000006
により表すことができる。
ここで、ω＝［ωｘ，ωｙ，ωｚ］は、ボディ座標系における回転の角速度ベクトルであり、これは、適切に較正されたジャイロセンサによって計測される。
【００３７】
この微分方程式の解は、ルンゲ・クッタ法又は当業者に周知の何れかの他の方法を用いて数値的に得ることができる。同時に、剛体が初めに４元数ｑ１だけ回転され、次いで４元数ｑ２だけ回転されるとき、回転全体は、順序積
【数５】
2013543976.tif 000007
によって表し得ることを考慮に入れる必要がある。
【００３８】
時刻Ｔ＝ｔ０において、単位座標フレームにおける磁気ベクトルの測定値は、
【数６】
2013543976.tif 000008
であり、時刻Ｔ＝ｔｋにおおいて計測された磁気ベクトルは、次の内部成分
【数７】
2013543976.tif 000009
を有すると仮定する。
【００３９】
Ｔ＝ｔ０からＴ＝ｔｋまでの回転は、制約条件（５）のもとで式（４）を積分することによって計算することができる。この積分により４元数ｑｋが生じたと仮定する。次に、式（３）を用いると、回転座標系における予測される磁気ベクトルの構成は、
【数８】
2013543976.tif 000010
となるはずである。
【００４０】
この段階で、磁気ベクトルの観測値と推定値を比較して、近似の尺度を生成することができる。説明の１つの方法として、これら２つのベクトルの差のベクトルノルムを用いる。
【数９】
2013543976.tif 000011
【００４１】
この操作は、次の時間間隔ｔ（ｋ）−ｔ（ｋ＋１）等において行うことができる。その結果、蓄積誤差の尺度を計算することができる。
【数１０】
2013543976.tif 000012
【００４２】
未処理のジャイロセンサ測定値は、センサによって生成される電圧又は電流のデジタル値である。これらの値を、ｇ＝[ｇｘ, ｇｙ, ｇｚ]のように示すものとする。これらの値は、式（４）に用いられる角回転速度ωに関係する。ベクトルω及びｇは、以下の、
【数１１】
2013543976.tif 000013
のような、それらの成分の各々についての一次関係により関連付けられることが、当技術分野において一般的に知られている。
従って、式（４）に用いられる角速度ωは、
【数１２】
2013543976.tif 000014
のように、未処理のジャイロ信号から得ることができる。
【００４３】
式（１２）において、ｃｋはジャイロの利得を表し、ｂｋはジャイロバイアスを表す。デバイスの配向の正しい判定を可能にするために、デバイス操作時に、ｃｋ及びｂｋの値を正確に知っている必要がある。これらのパラメータは工場較正中に決定されることが多いが、操作中の実際の値は僅かに異なる。実際のωの値は、式（１２）として計算された値とは、未知のもの小さい利得補正μだけ異なるものとする。
【数１３】
2013543976.tif 000015
【００４４】
未知のパラメータμを求めるために、幾つかの異なるμの値を用いて幾つかのジャイロ積分（４）を並列に又は順次実行することを提案する。好ましい実施において、限定としてではなく例証として、ｄを０＜ｄ＜＜１の小さい正数であるものとして、μ０＝０、μ１＝＋ｄ、μ２＝−ｄの場合の３つの積分を並列に実行する。μ０＝０の場合の積分の結果はデバイス操作のために使用され、他方、他の積分はバックグラウンドで実行され、それらの結果は、以下に説明するように真のμ値の決定のために用いられる。
【００４５】
近似の尺度Ｅｍ−式（１０）が、これらの積分の各々について計算される。結果として、集合｛Ｅｍ（ｋ），ｍ（ｋ）｝は、図４に示されるような依存性曲線Ｅｍ対μを構成する。次に、この関数の最小値を生じるμの最適値を、二次フィット（ｑｕａｄｒａｔｉｃ  ｆｉｔ）、又は当業者には既知の何れかの他の関数最小値決定法を用いて見出すことができる。図４は、ある実際のデバイスの操作中に収集されたデータで見出された二次フィット及び最小値を示す。
【００４６】
μ＝μ*の最適値が見出された後、これが名目の積分に用いられ、μ０＝μ＊、μ１＝μ＊＋ｄ、μ２＝μ＊−ｄであり、プロセス全体が継続するので、ジャイロ利得のあらゆる可能なリアルタイム変化が直ちに検出される。
【００４７】
提示される例証は、単一の可変関数の最小値として１つのパラメータだけを決定する。しかしながら、より多くのパラメータを推定する必要がある場合には、同様の手順を行うことができる。実際に、３つのジャイロ軸の各々についての補正パラメータμ、即ち、μｘ、μｙ、μｚを別個に見出さなければならないとする。次に、補正［０，０，０］、［ｄ，ｄ，ｄ］及び［−ｄ，−ｄ，−ｄ］を用いる３つの並列積分の同じ特許を繰り返す代わりに、例えば第１の実行に対して［０，０，０］、［ｄ，ｄ，ｄ］及び［−ｄ，−ｄ，−ｄ］など、各実行に対して１つのパラメータを変化させることができ、次に、最適共通因子μ*が上記のように求められた後、パラメータ［０，０，０］、［ｄ，０，０］及び［−ｄ，０，０］を用いて次の実行を行うことができ、それにより付加的な補正μｘ*が求められ、次いでμｙ*が求められ、以下同様である。
【００４８】
代替的に、追加の並列積分を用いることにより、各実行において、３つのパラメータ全てが求められる実験を設計することができる。式（４）を解くための計算負荷は大きくないので、そうしたシステムに典型的に用いられる今日のマクロプロセッサを用いて、複数のスレッドの同時の並列計算は完全に達成可能である。
【００４９】
別の実施において、１つのμの値に対して１つの積分スレッドだけが毎回実行され、次に、これらの積分が異なる時間に行われた場合でも、幾つかの積分の結果が比較される。
【００５０】
全ての較正パラメータが最適化された場合でも、ジャイロ信号は不可避の雑音を有し、この雑音の積分は、積分時間の平方根に比例して時間と共に増大する配向誤差をもたらす。これらの誤差は、ある所定の閾値より小さいあらゆるジャイロ信号を強制的にゼロにするデッドゾーン技術を用いることによって減らすことができるが、除去することはできない。デッドゾーン技術は全体のＳＮＲ（信号対雑音比）を改善するが、雑音積分の全体の影響を排除するものではない。
【００５１】
従って、上述の問題を軽減するために、本開示は、ジャイロ積分に加えて、磁気ベクトルを用いて配向決定を改善する方法を教示する。
【００５２】
磁気センサが適切に較正される場合、式（４）−（５）に従ったジャイロ積分から計算される回転は、ベクトルｍ（ｔ０）をｍ（ｔ）にもっていく回転と一致するはずである。Ｌｇを式（４）−（５）から計算された４元数とする。
【００５３】
ベクトルｍをｍ０からｍ１まで回転させる回転は、４元数Ｌｍを用いて行うことができる。：
【数１４】
2013543976.tif 000016
【００５４】
ベクトルｍ１を変更せずに、新しいベクトルｍ１の周りの付加的な回転が可能である。この付加的な回転は４元数Ｌｒによって表すことができる。：
【数１５】
2013543976.tif 000017
ここで、βは付加的な回転の角度であり、この時点では定められていない。本開示は、４元数Ｌｍ及びＬｒによる全回転（Ｌｅ（β）として表す）が、回転Ｌｇに最も近くなるように、角度βを選択すべきであることを教示する。：
【数１６】
2013543976.tif 000018
【００５５】
４元数の近似の尺度についての本開示の好ましい実施において、４元数の差のノルムが選択される。従って、ノルム（Ｌｇ−Ｌｅ（β））の最小化から、付加的な回転βが求められる。
【数１７】
2013543976.tif 000019
【００５６】
式（１７）は、当業者にはよく知られている多くの方法によって解くことができる。式（１７）の最小値がβ＝β*で達成されるとする。
【００５７】
従って、各ジャイロ積分ステップの終わりに、潜在的に回転を記述する２つの４元数：Ｌｇ及びＬｅ（β*）が存在する。これらの２つの４元数をどのように用い得るかについては、例えば、各４元数の推定される精度に逆比例する重みによる加重和のような、複数の方法がある。好ましい実施は、これら２つの４元数の平均を用いている。図８は、本開示の好ましい実施が、制御された条件におけるテスト・ケースの回転に対して達成した改善を示す。
【００５８】
当業者であれば、開示される実施形態は、上述の１つ又はそれ以上の利点を実現することが容易に分かるであろう。前述の明細書を読んだ後で、当業者であれば、種々の変更、等価物の置き換え、並びに本明細書で広く開示されたような種々の他の実施形態に影響を与えることができるであろう。従って、本明細書で与えられる保護は、添付の特許請求の範囲に含まれる定義及びその等価物によってのみ限定されることが意図されている。
【符号の説明】
【００５９】
１００：マイクロコンピュータ
１０１：プロセッサ
１０２：メモリバス
１０３：主メモリ
１０４：ＲＯＭ
１０５：記憶装置
１０６：Ｉ／Ｏインタフェース
１１１：ディスプレイ
１１２：入力デバイス
１２１：Ａ／Ｄコンバータ
１２２：３軸ジャイロセンサ
１２３：３軸磁気センサ
１２４：３軸加速度計
【図１】
2013543976.tif 000020
【図２】
2013543976.tif 000021
【図３】
2013543976.tif 000022
【図４】
2013543976.tif 000023
【図５】
2013543976.tif 000024
【図６】
2013543976.tif 000025
【図７】
2013543976.tif 000026
【図８】
2013543976.tif 000027
【手続補正書】
【提出日】平成25年7月10日(2013.7.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子デバイスであって、
メモリと通信するマイクロプロセッサと、
前記電子デバイスの回転位置を判定するためのジャイロスコープ・センサと、
前記ジャイロスコープ・センサにより生成されるジャイロスコープ・センサ・データに適用されるように適合された格納された利得パラメータと、
前記電子デバイスの前記回転位置を判定するための磁気センサと、
前記マイクロプロセッサに、
前記ジャイロスコープ・センサからのある期間と関連した時系列の組のジャイロスコープ・データを積分することと、
前記磁気センサからの前記期間と関連した時系列の組の磁気センサ・データを測定することと、
前記期間からの前記積分されたジャイロスコープ・センサ・データを、前記期間からの前記磁気センサ・データと比較して、前記期間についての誤差測定を生成することと、
前記誤差測定に基づいて、更新されたジャイロスコープ・センサ利得パラメータを決定することと、
前記格納されたジャイロスコープ・センサ利得パラメータを前記更新されたジャイロスコープ・センサ利得パラメータに調整することと、
を含む、フィードバック・プロセスの一部としての動作を実行させるように指示するように構成されたメモリ格納命令と、
を含むことを特徴とする電子デバイス。
【請求項２】
前記格納されたジャイロスコープ・センサ利得パラメータは、複数の格納されたジャイロスコープ・センサ利得パラメータの第１の格納されたジャイロスコープ・センサ利得パラメータであり、回路は、
前記複数の格納されたジャイロスコープ・センサ利得パラメータの各々を用いて前記時系列のジャイロスコープ・センサ・データを積分して、複数の利得調整済みの積分されたジャイロスコープ・センサ・データを生成することを実行するようにさらに適合され、
前記比較することは、前記複数の利得調整済みの積分されたジャイロスコープ・センサ・データの各々を観察された磁気センサ・データと比較して、複数の誤差測定を生成することであり、
前記更新されたジャイロスコープ・センサ利得パラメータを決定することは、前記複数の誤差測定に基づいて、予想されるジャイロスコープ・センサ利得パラメータを決定することであり、
前記回路はさらに、前記複数の誤差測定に基づいて後続の時系列のジャイロスコープ・データと共に用いるための後続の複数の格納されたジャイロスコープ・センサ利得パラメータを選択することを実行するように適合されることを特徴とする、請求項１に記載の電子デバイス。
【請求項３】
前記後続の複数の格納されたジャイロスコープ・センサ利得パラメータを選択することは、前記予想されるジャイロスコープ・センサ利得パラメータより著しく小さい第１のジャイロスコープ・センサ利得パラメータと、前記予想されるジャイロスコープ・センサ利得パラメータより著しく大きい第２のジャイロスコープ・センサ利得パラメータとを含むように実行されることを特徴とする、請求項２に記載の電子デバイス。
【請求項４】
前記期間は第１の期間であり、前記引き起こすことは、第２の期間が開始する前にリアルタイムで実行されることを特徴とする、請求項１に記載の電子デバイス。
【請求項５】
前記期間は第１の期間であり、前記誤差測定は第１の誤差測定であり、前記引き起こすことは、第２の期間が終了した後に実行され、第２の誤差測定は前記第２の期間と関連付けられ、前記更新されたジャイロスコープ・センサ利得パラメータを決定することは、前記第１の誤差測定及び前記第２の誤差測定の両方に基づいていることを特徴とする、請求項１に記載の電子デバイス。
【請求項６】
前記回路は、前記積分されたジャイロスコープ・センサ・データに基づいて、前記ジャイロの回転配向バイアスを修正する次のステップを実行するようにさらに適合されることを特徴とする、請求項１に記載の電子デバイス。
【請求項７】
前記期間は第１の期間であり、前記誤差測定は第１の誤差測定であり、前記モバイル電子デバイスは、
前記第１の期間及び少なくとも１つの以前の期間からのジャイロスコープ・データを格納するように適合された前記メモリをさらに含み、
前記メモリは、前記マイクロプロセッサに、
前記少なくとも１つの以前の期間を選択し、
前記少なくとも１つの以前の期間と関連した以前のジャイロスコープ・センサ・データを受信する、
ように指示するように構成された命令をさらに格納し、
前記更新されたジャイロスコープ・センサ利得パラメータの決定は、前記受信した以前のジャイロスコープ・センサ・データに基づいていることを特徴とする、請求項１に記載の電子デバイス。
【請求項８】
電子デバイス内のプロセッサにおいて、前記電子デバイス内に含まれるジャイロスコープ・センサからのある期間と関連した時系列のジャイロスコープ・センサ・データを受信することと、
前記時系列のジャイロスコープ・センサ・データを積分してジャイロスコープ４元数にすることと、
前記電子デバイス内に含まれる磁気センサからの前記期間と関連した時系列の磁気センサ・データを受信することと、
前記時系列の磁気センサ・データを磁気４元数に変換することと、
前記ジャイロスコープ４元数を前記磁気４元数と比較して、前記期間についての誤差測定を生成することと、
前記誤差測定に基づいて更新されたジャイロスコープ・センサ利得パラメータを決定することと、
前記格納されたジャイロスコープ・センサ利得パラメータに前記更新されたジャイロスコープ・センサ利得パラメータへの変化を引き起こし、後続のジャイロスコープ・センサ・データが前記更新されたジャイロスコープ・センサ利得パラメータにより調整されるようにすることと、
を含む方法。
【請求項９】
前記格納されたジャイロスコープ・センサ利得パラメータは、複数の格納されたジャイロスコープ・センサ利得パラメータの第１の格納されたジャイロスコープ・センサ利得パラメータであり、前記方法は、
前記複数の格納されたジャイロスコープ・センサ利得パラメータの各々を用いて前記時系列のジャイロスコープ・センサ・データを積分して、複数の利得調整済みのジャイロスコープ４元数を生成することをさらに含み、
前記比較するステップは、前記複数の利得調整済み積分された４元数の各々を前記磁気４元数と比較して、複数の誤差４元数を生成することであり、
前記更新されたジャイロスコープ・センサ利得パラメータを決定することは、前記複数の誤差４元数に基づいて、予想される最適なジャイロスコープ・センサ利得パラメータを決定することであり、
前記方法はさらに、前記複数の誤差４元数に基づいて後続の時系列のジャイロスコープ・データと共に用いるための後続の複数の格納されたジャイロスコープ・センサ利得パラメータを選択することを含むことを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記後続の複数の格納されたジャイロスコープ・センサ利得パラメータを選択することは、前記予想される最適なジャイロスコープ・センサ利得パラメータより著しく小さい第１のジャイロスコープ・センサ利得パラメータと、前記最適なジャイロスコープ・センサ利得パラメータより著しく大きい第２のジャイロスコープ・センサ利得パラメータとを含むように実行されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記期間は、第１の期間であり、前記引き起こすことは、第２の期間が開始する前にリアルタイムで実行されることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記期間は第１の期間であり、前記誤差４元数は第１の誤差４元数であり、前記引き起こすことは、第２の期間が終了した後に実行され、第２の誤差４元数は前記第２の期間と関連付けられ、前記更新されたジャイロスコープ・センサ利得パラメータを決定することは、前記第１の誤差４元数及び前記第２の誤差４元数の両方に基づいていることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記ジャイロスコープ４元数に基づいて前記ジャイロセンサの回転配向バイアスを修正することをさらに含むことを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
前記期間は第１の期間であり、前記誤差４元数は第１の誤差４元数であり、前記方法は、
前記少なくとも１つの以前の期間と関連した以前のジャイロスコープ・センサ・データを受信することをさらに含み、
前記更新されたジャイロスコープ・センサ利得パラメータを決定することは、前記受信した以前のジャイロスコープ・センサ・データに基づいていることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【国際調査報告】
2013543976.tif 000028
2013543976.tif 000029