(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動体に設けられた角速度センサと角速度センサの出力を積分する積分器を有し、可動体の初期設定方位に対する方位を検出する可動体の方位検出システムにおいて、
固定構造物に設置された、一次元的な光を発光する発光手段と、
可動体に設けられた、発光手段から出射する光をシリンドリカルレンズを介して受光する撮像素子からなる撮像手段と、
撮像素子で受光した長手方向の光分布強度信号のデータ幅と予め設定された閾値とを比較して初期設定方位を検出する二値化手段と、
二値化手段の出力により積分器をリセットする積分器リセット手段と、
を備えた角速度センサのドリフト誤差をリセットし初期設定方位に復帰させることを特徴とする可動体の方位検出システム。
【請求項２】
可動体に設けられた角速度センサと角速度センサの出力を積分する積分器を有し、可動体の初期設定方位に対する方位を検出する可動体の方位検出装置において、
可動体に設けられた、固定構造物に設置された発光手段から出射する一次元的な光をシリンドリカルレンズを介して受光する撮像素子からなる撮像手段と、
撮像素子で受光した長手方向の光分布強度信号のデータ幅と予め設定された閾値とを比較して初期設定方位を検出する二値化手段と、
二値化手段の出力により積分器をリセットする積分器リセット手段と、
を備えた角速度センサのドリフト誤差をリセットし初期設定方位に復帰させることを特徴とする可動体の方位検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＴＶゲーム機やＶＤＴ作業等のヒューマン・インターフェース・デバイスとして操作者の頭部や体部に装着し、装着部の動き（方位）を検出して出力する、あるいはロボット等の可動部に装着し、可動部の動き（方位）を検出して出力する方位検出システム、及び方位検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の方位検出装置の一例であるトラッカーの概要構成を図９に示す。
トラッカーは、例えばヘルメット、ゴーグル等の装着部材に取り付けられ操作者（人体）の頭部に装着される。また、操作者の前方には目的物体（例えば、ＴＶモニタ）が設置される。
トラッカーは、目的物体（例えば、ＴＶモニタ）に関して仮定された相互に交差する３軸の角速度を検出する角速度センサ（ジャイロ）１０１とこの検出値の経時的積分値を計算する積分器１０２を備え、３軸の各軸の回りの回動角を検出することにより操作者のトラッカー装着部の動き（方位）を出力する。
【０００３】
また、ジャイロ出力が温度等の要因で時間変動（ドリフト）することにより出力誤差（方位誤差）が発生するために、磁気センサ１０３で検出した地磁気成分を基準（基準方位）とし、減算器１０６により積分器１０２の出力である方位出力との差をとり、この差に基づいて所定の補正ゲイン１０４とし、減算器１０５によりジャイロ出力から減算することにより出力誤差（方位誤差）を補正している。
トラッカーは、操作者の動きに伴う３次元上の移動量並びに回転量を検出し、この検出量に応じてＴＶモニタの表示画像を変えたり、カーソルの移動を行うようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のトラッカーの誤差補正方法では磁気センサで検出した地磁気成分を方位基準としているため、特に屋内環境では鉄等の着磁体や電子機器などが発生する磁気外乱の影響を受けて基準方位が変化（時間変化及び作業場所による変化）してしまい、結果として出力誤差（方位誤差）が発生してしまった。
このような誤差が蓄積するたびに操作者はトラッカーに内蔵、あるいは別に設置してあるリセットスイッチを押すなどして積分器をリセットすることにより誤差を補正していた。
【０００５】
本発明は、このような従来のトラッカーの誤差補正方法が有する欠点を除去し、外乱を受けることなく、リセットスイッチを押すなどといった煩わしさの無い、安定した出力誤差低減効果を有するトラッカー等の方位検出における誤差補正方法を提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による可動体の方位検出システムは、
可動体の上面の固定構造物に設置された、スリット光のようにほぼ一次元的な空間分布で発光する発光手段と、
可動体に装着された、一次元的な光を受光するシリンドリカル（円筒）レンズを有する撮像手段と、撮像手段の投影光の長手方向の光分布強度（投影光データ幅）を設定された閾値と比較して初期設定方位を検出する二値化手段と、二値化手段の出力によりリセット信号を生成し、ジャイロ出力を積分する積分器をリセットする積分器リセット手段とを備える。
【０００７】
発光手段は、スリット状の光（ほぼ一次元的な空間分布で発光）を出射する機能を有している。発光手段は操作者の頭上（天井等）、例えば操作者の前後方向にスリット光が分布するように設置する。従って、発光手段として天井に設置された棒状蛍光灯の照明器具を利用することが可能である。
撮像手段は、シリンドリカルレンズと二次元撮像素子から構成される。シリンドリカルレンズは円柱を長手方向に切断した形状を有しており、曲率方向には集光するが長手方向には集光作用を有しないという特徴がある。この特性のため、発光手段出力とシリンドリカルレンズ長手方向が平行な場合には集光作用をほとんど受けず二次元撮像素子上にそのまま直線状に投影されるが、方向が直交する場合には集光作用により点として投影される。どちらでもない時には発光手段出力とレンズ長手方向の成す角度に比例した長さの直線が投影される。すなわち、撮像手段を操作者頭部に装着すれば、操作者の向く方位（左右方向）に応じた直線長の投影像が撮像素子上に投影されることになる。以下、シリンドリカルレンズのレンズ曲率方向の座標をＸ軸、長手方向の座標をＹ軸とする。
【０００８】
二値化手段は、次の構成を有する。
二次元投影データ生成手段は、二次元撮像素子の出力を入力とし、二次元（Ｘ、Ｙ軸）投影データを生成する。
二値化データ算出手段は、光強度に比例する撮像素子上の各画素の値（画素数）をＸ軸方向に積算し、二値化データ閾値と比較する。例えば二値化データ閾値より大きければ”１ ”、逆ならば”０ ”とする。上記の操作をＸ軸方向に順次行いＹ軸投影データを得る。すなわち、発光手段出力とシリンドリカルレンズ長手方向が平行であれば”１ ”の個数は最大となり、逆に直交すれば最小となる。以下、”１ ”の個数をデータ幅とする。データ幅算出手段は、データ幅とデータ幅閾値とを比較しデータ幅閾値以上である場合に信号を発生する。すなわち、発光手段出力とシリンドリカルレンズ長手方向が平行な場合に二値化手段は出力を発生する。
【０００９】
二値化手段の出力は積分器リセット手段に入力する。積分器リセット手段は、入力値と入力値を単位時間遅延させた信号との排他的論理和をとり、さらに入力値と排他的論理和の出力との論理積をとり、論理積の出力を入力とし、入力値に対応してＯＮ／ＯＦＦするスイッチを有し、スイッチのＯＮ状態の時、ジャイロ出力を積分する積分器をゼロリセットする。
操作者の前後方向に光が分布するよう発光手段（スリット光）を設置してある場合、操作者が正面（初期設定方位）を向くと二値化手段から出力が発生する。排他的論理和手段には二値化手段出力と二値化手段出力を単位時間遅延した信号が入力されるので、二値化手段の立ち上がり（又は）立ち下がり時に単位時間だけ出力を発生する。論理積手段には排他的論理和手段出力と二値化手段出力を入力し、二値化手段出力の立ち上がり時に単位時間だけ出力を発生する。
【００１０】
従って、操作者が正面を向いて二値化手段出力が発生した瞬間に単位時間だけスイッチがＯＮ状態となり、積分器がリセットされることになる。
すなわち、ジャイロドリフトによる誤差が発生しても、発光手段設置方向（スリット光方向）を基準方位（初期設定方位）として補正されることになる。
本発明ではスリット光とシリンドリカルレンズを利用することで、初期設定方位を正確に検出でき、外部磁気の影響が皆無であり、誤差を補正するためにリセットスイッチを押すという煩わしさから操作者が解放される、という特徴を有する。
【００１１】
さらに、一般に実施されている画像処理による位置姿勢計測とは異なり、発光手段は一つだけで複数の基準点が不要、基準点から幾何学的な関係を求めて位置姿勢計算するといった複雑な画像処理が不要、という特徴をも有する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の可動体の方位検出装置において、操作者（人体）の動き（方位）を検出する実施例について説明する。
図１は、本発明の実施状況の例である。本発明をトラッカーシステム（方位検出システム）に適用した場合の概要構成を図２に示し、また、トラッカーシステムの詳細な構成を図３に示す。
トラッカーシステムは、トラッカー１と発光手段２から構成される。
【００１３】
操作者は、頭部にヘルメット等に取り付けられたトラッカー１（方位検出装置）を装着し、頭上には発光手段（スリット光）２が設置してある。また、操作者の前方には操作者の頭部の動き、すなわち、操作者の向きに対応した画像を表示するＴＶモニタ３が設置される。（なお、ＴＶモニタに代えてヘルメット等に装着した両眼視ディスプレイ装置も用いることができる。）操作者とトラッカー（撮像手段）座標との関係を図４に示す。
トラッカー１は、撮像手段１０とジャイロ４０から構成される検出部と、二値化手段２０と積分器リセット手段３０と積分器５０から構成される処理部を備える。
【００１４】
発光手段２はスリット状の光（例えば、発光部の幅１に対し、発光部の長手方向が１０以上の、ほぼ一次元的な空間分布で発光）を出射する機能を有する。具体的には、例えばシリンドリカルレンズを通過したＬＥＤの光出力、あるいは  照明器具の棒状の蛍光灯などが利用できる。発光手段は操作者の頭上、例えば操作者の前後方向に光が分布するように天井に設置する。あるいはトラッカー（または撮像手段のみ）を回転させ、発行手段の長手方向と撮像手段の軸（シリンドリカルレンズ長手方向）とを一致させてもよい。結果として、発行手段と操作者との関係は図５のようになる。
（撮像手段１０）
発行手段２からの光は、撮像手段１０のシリンドリカルレンズ１１を通過して二次元撮像素子１２上に結像する。二次元撮像素子としてはＣＣＤ（電荷結合素子）やＣＭＯＳセンサが例えば小型カメラ用に市販されている。
【００１５】
図５（ａ）に示すように操作者が正面（初期設定方位）を向いている場合には、発光手段長手方向と撮像素子のＹ軸とがほぼ平行なため、二次元撮像素子上には光がそのまま直線状に投影される（図６（ａ）参照）。
また、図５（ｂ）に示すように操作者が斜め横を向いている場合には、発光手段長手方向と二次元撮像素子のＹ軸とが斜めに横切るため二次元撮像素子上の投影光は短い直線状となり、特に操作者が真横を向いた場合には、図６（ｂ）に示すように投影光はスポット状となる。
（二値化手段２０）
二値化手段２０は、二次元投影データ生成手段２１と二値化データ算出手段２３、二値化データ閾値２２とデータ幅算出手段２５、データ幅閾値２４から構成される。
【００１６】
二次元投影データ生成手段２１では、撮像手段１０の二次元撮像素子１２の出力から二次元投影データを得る。
二値化データ算出手段２３は、二次元投影データをＸ軸方向に積算し、図７右のように一次元投影データを得る。次に、生成された一次元投影データから予め設定された二値化データ閾値２２より大きな領域の長さをデータ幅とする。二値化データ閾値２４としては、例えば最大積算値の５０％点とする（図７参照）。（なお、Ｘ軸方向の投影データがＹ軸方向にほぼ均一に分布している場合はＸ軸方向に積算する処理を省略することができる。）
シリンドリカルレンズの特性から初期設定方位に対する操作者の向く方位（左右方向）に応じた直線長の投影像が撮像素子上に投影されるため、結果としてデータ幅は方位に比例した量である。
【００１７】
データ幅算出手段２５では、このデータ幅がデータ幅閾値２４よりも大きい領域を“前方（初期設定方位）”とみなすことが可能となる（図８（ａ））。二値化手段２０は、このデータ幅閾値以上の場合に出力を発生する（図８（ｂ））。データ幅閾値としては、例えば最大データ幅の９９％点とする。（なお、上記実施例において、シリンドリカルレンズを９０度回転させて配置し、データ幅がデータ幅閾値よりも小さい領域を”前方”とみなすとしてもよい。）
操作者の前後方向に光が分布するよう発光手段が設置してある場合、操作者が横向きから正面を向くと二値化手段出力が発生する。
（積分器リセット手段３０）
排他的論理和手段３２には、二値化手段出力（図８（ｂ））と、単位時間遅延手段３１で単位時間遅延した二値化手段出力（図８（ｃ））が入力されるので、二値化手段出力の立ち上がり（又は）立ち下がり時に単位時間だけ出力が発生する（図８（ｄ））。論理積手段３３には排他的論理和手段出力と二値化手段出力を入力し、二値化手段出力の立ち上がり時に単位時間だけ出力を発生する（図８（ｅ））。
【００１８】
従って、操作者が横向きから正面を向いて二値化手段出力が発生した瞬間に単位時間だけスイッチがＯＮ状態になり、積分器５０がリセットされることになる。単位時間としては、スイッチが動作して積分器がリセットされる時間だけあればよく、例えば１０ms程度とする。
すなわち、ジャイロ４０のドリフトによる誤差が発生しても、発光手段設置方向を基準方位（初期設定方位）として補正されることになる。
以上、本発明をトラッカーシステム及びトラッカーに適用した実施例ついて説明したが、本発明をロボットに適用して可動体の方位を検出してロボットの制御を行うこともできる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明は、可動体に設けられた角速度センサと角速度センサの出力を積分する積分器を有し、可動体の初期設定方位に対する方位を検出する可動体の方位検出システムにおいて、固定構造物に設置された一次元的な光を発光する発光手段と、可動体に設けられた、発光手段から出射する光をシリンドリカルレンズを介して受光する撮像素子からなる撮像手段と、撮像素子で受光した長手方向の光分布強度信号を予め設定された閾値と比較して初期設定方位を検出する二値化手段と、二値化手段の出力により積分器をリセットする積分器リセット手段とを有することにより、一次元的に分布する発光手段を基準に方位検出装置の出力誤差を補正するために、従来の磁気センサによる誤差補正方法の欠点である外乱の影響が無く、操作者が誤差を補正するためにリセットスイッチを押したりするという煩わしい操作を行うことから解放されるという効果が得られる。
【００２０】
さらに、一般に実施されている画像処理による位置姿勢計測方法とは異なり、発光手段は一つだけで複数の基準点が不要であり、基準点から幾何学的な関係を求めて位置姿勢計算するといった複雑な画像処理が不要となる効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施状況説明図。
【図２】本発明の実施例であるトラッカーシステムの概要構成図。
【図３】本発明の実施例であるトラッカーシステムの詳細構成図。
【図４】操作者とトラッカー撮像手段の座標説明図。
【図５】発光手段とトラッカーとの位置関係説明図。
【図６】発光手段とレンズ方向による投影像の差異説明図。
【図７】結像した発光手段と投影データとの関係説明図。
【図８】積分器リセット手段の動作説明図。
【図９】従来のトラッカーの概要構成図。
【符号の説明】
１・・・トラッカー、２・・・発光手段、３・・・ＴＶモニタ、１０・・・撮像手段、２０・・・二値化手段、３０・・・積分器リセット手段、４０・・・ジャイロ、５０・・・積分器
【図１】
0003866553.tif 000002
【図２】
0003866553.tif 000003
【図３】
0003866553.tif 000004
【図４】
0003866553.tif 000005
【図５】
0003866553.tif 000006
【図６】
0003866553.tif 000007
【図７】
0003866553.tif 000008
【図８】
0003866553.tif 000009
【図９】
0003866553.tif 000010