(57)【特許請求の範囲】
【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、Ｚ軸回りの回転角であるヨー角、Ｚ軸の回りにヨー角だけ座標軸を回した後の新しいＹ軸回りの回転角であるピッチ角及びＺ軸の回りにヨー角だけ回し、新しいＹ軸の回りにピッチ角だけ回した後のさらに新しいＸ軸回りの回転角であるロール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、ロ−ル角、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、ピッチ角及びヨー角を演算する静止角演算装置と、該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、前記静止角演算装置による演算結果により姿勢角の補正係数を選択する補正係数選択装置と、前記判別装置の演算結果に応じて、前記運動角演算装置と静止角演算装置の演算結果及び前記補正係数選択装置の選択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ことを特徴とする姿勢角検出装置。
【請求項２】
前記補正係数選択装置において、静止角検出手段から求められる静止角は、あらかじめ予想される精度によって複数の領域に分割されており、補正係数選択装置は前記分割された領域に応じた補正係数ｍ１（ｉ）、ｍ２(ｉ)、ｍ３（ｉ）（但し、ｉは２以上の前記分割された領域を表す自然数で、数値が大きいほど静止角が高角度の領域を表す）を持ち、現在の静止角の領域に応じて補正係数を選択して姿勢角を演算することを特徴とし、前記補正係数ｍ１（ｉ）、ｍ２(ｉ)、ｍ３（ｉ）は、
ｍ１（１）＞＝ｍ１（２）＞＝・・・・・・＞＝ｍ１（ｉ）
ｍ２（１）＞＝ｍ２（２）＞＝・・・・・・＞＝ｍ２（ｉ）
ｍ３（１）＞＝ｍ３（２）＞＝・・・・・・＞＝ｍ３（ｉ）
であることを特徴とする請求項１記載の姿勢角検出装置。
【請求項３】
前記姿勢角検出装置の求めるべき出力をロール角α（ｎ）、ピッチ角β（ｎ）、ヨー角γ（ｎ）、運動角検出手段から求められる運動角を、仮のロール角変化ΔＸ（ｎ）、仮のピッチ角変化ΔＹ（ｎ）、仮のヨー角変化ΔＺ（ｎ）、静止角検出手段から求められる静止角を、仮のロール角Ｒ（ｎ）、仮のピッチ角Ｐ（ｎ）、仮のヨー角Φ（ｎ）、求めるべき出力と静止角との誤差を、α（ｎ−１）＋ΔＸ（ｎ）−Ｒ（ｎ）、β（ｎ−１）＋ΔＹ（ｎ）−Ｐ（ｎ）、γ（ｎ−１）＋ΔＺ（ｎ）−Φ（ｎ）、１以下の比例定数をｋ、前記補正係数選択装置により選択された補正係数をｍ１、ｍ２、ｍ３とすると、判別装置の判別結果により、 静止角検出手段からのそれぞれの姿勢角情報Ｒ・Ｐ・Φのうち正しいと判別されたときの姿勢角は、
α(ｎ)＝α(ｎ−１)＋ΔＸ(ｎ)−ｋ［α(ｎ−１)＋ΔＸ(ｎ)−Ｒ(ｎ)］×ｍ１、
β(ｎ)＝β(ｎ−１)＋ΔＹ(ｎ)−ｋ［β(ｎ−１)＋ΔＹ(ｎ)−Ｐ(ｎ)］×ｍ２、
γ(ｎ)＝γ(ｎ−１)＋ΔＺ(ｎ)−ｋ［γ(ｎ−１)＋ΔＺ(ｎ)−Φ(ｎ)］×ｍ３により、
静止角検出手段からのそれぞれの姿勢角情報Ｒ・Ｐ・Φのうち誤りと判別された姿勢角情報に対応する姿勢角は、
α（ｎ）＝α（ｎ−１）＋ΔＸ（ｎ）、
β（ｎ）＝β（ｎ−１）＋ΔＹ（ｎ）、
γ（ｎ）＝γ（ｎ−１）＋ΔＺ（ｎ）により、
演算することを特徴とする請求項２記載の姿勢角検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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。
【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。
【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。
【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。
【０００５】
従って、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。
【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、Ｚ軸回りの回転角であるヨー角、Ｚ軸の回りにヨー角だけ座標軸を回した後の新しいＹ軸回りの回転角であるピッチ角及びＺ軸の回りにヨー角だけ回し、新しいＹ軸の回りにピッチ角だけ回した後のさらに新しいＸ軸回りの回転角であるロール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、ロ−ル角、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、ピッチ角及びヨー角を演算する静止角演算装置と、該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、前記静止角演算装置による演算結果により姿勢角の補正係数を選択する補正係数選択装置と、前記判別装置の演算結果に応じて、前記運動角演算装置と静止角演算装置の演算結果及び前記補正係数選択装置の選択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ことを特徴とする姿勢角検出装置である。
【０００７】
また、本発明は、前記補正係数選択装置において、静止角検出手段から求められる静止角[仮のロール角Ｒ（ｎ）、仮のピッチ角Ｐ（ｎ）、仮のヨー角Φ（ｎ）]は、あらかじめ予想される精度によって複数の領域に分けられており、補正係数選択装置は前記分割された領域に応じた補正係数ｍ１（ｉ）、ｍ２(ｉ)、ｍ３（ｉ）（但し、ｉは２以上の前記分割領域を表す自然数で、ｉが小さいほど静止角が小さく予想される精度が良い）を持ち、現在の静止角の領域に応じて補正係数を選択して姿勢角を演算することを特徴とし、前記補正係数ｍ１(ｉ)、ｍ２(ｉ)、ｍ３(ｉ)は、
ｍ１（１）＞＝ｍ１（２）＞＝・・・・・・＞＝ｍ１（ｉ）
ｍ２（１）＞＝ｍ２（２）＞＝・・・・・・＞＝ｍ２（ｉ）
ｍ３（１）＞＝ｍ３（２）＞＝・・・・・・＞＝ｍ３（ｉ）
であることを特徴とする姿勢角検出装置である。
【０００８】
また、本発明は、前記姿勢角検出装置の求めるべき出力をロール角α（ｎ）、ピッチ角β（ｎ）、ヨー角γ（ｎ）、運動角検出手段から求められる運動角を、仮のロール角変化ΔＸ（ｎ）、仮のピッチ角変化ΔＹ（ｎ）、仮のヨー角変化ΔＺ（ｎ）、静止角検出手段から求められる静止角を、仮のロール角Ｒ（ｎ）、仮のピッチ角Ｐ（ｎ）、仮のヨー角Φ（ｎ）、求めるべき出力と静止角との誤差をα（ｎ−１）＋ΔＸ（ｎ）−Ｒ（ｎ）、β（ｎ−１）＋ΔＹ（ｎ）−Ｐ（ｎ）、γ（ｎ−１）＋ΔＺ（ｎ）−Φ（ｎ）、１以下の比例定数をｋ、前記補正係数選択装置により選択された補正係数をｍ１、ｍ２、ｍ３とすると、判別装置の判別結果により、 静止角検出手段からのそれぞれの姿勢角情報Ｒ・Ｐ・Φのうち正しいと判別されたときの姿勢角は、
α(ｎ)＝α(ｎ−１)＋ΔＸ(ｎ)−ｋ［α(ｎ−１)＋ΔＸ(ｎ)−Ｒ(ｎ)］×ｍ１、
β(ｎ)＝β(ｎ−１)＋ΔＹ(ｎ)−ｋ［β(ｎ−１)＋ΔＹ(ｎ)−Ｐ(ｎ)］×ｍ２、
γ(ｎ)＝γ(ｎ−１)＋ΔＺ(ｎ)−ｋ［γ(ｎ−１)＋ΔＺ(ｎ)−Φ(ｎ)］×ｍ３により、
静止角検出手段からのそれぞれの姿勢角情報Ｒ・Ｐ・Φのうち誤りと判別された姿勢角情報に対応する姿勢角は、
α（ｎ）＝α（ｎ−１）＋ΔＸ（ｎ）、
β（ｎ）＝β（ｎ−１）＋ΔＹ（ｎ）、
γ（ｎ）＝γ（ｎ−１）＋ΔＺ（ｎ）により、
演算することを特徴とする姿勢角検出装置である。
【０００９】
【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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
図２は、本発明における姿勢角検出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１２ａ，１２ｂ，１２ｃの出力から仮の姿勢角を演算して求める運動角演算装置１８を備えた運動角検出手段１１と、２個の地磁気センサ２２ａ，２２ｂと２個の加速度センサ２３ａ，２３ｂ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、この静止角検出手段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、静止角により補正係数を選択する補正係数選択装置３３と、運動角演算装置１８、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。
【００１３】
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、Ｚ軸回りの回転角をヨー角、Ｚ軸の回りにヨー角だけ座標軸を回した後の新しいＹ軸回りの回転角をピッチ角及びＺ軸の回りにヨー角だけ回し、新しいＹ軸の回りにピッチ角だけ回した後のさらに新しいＸ軸回りの回転角をロール角と記す）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、センサ座標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、センサ座標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、センサ座標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。尚、本実施の形態では、（株）トーキン製の圧電振動セラミックジャイロを用いた。
【００１４】
次に、本発明の姿勢角検出装置のうち、静止角演算装置について示す。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Ａｙ（ｎ）より、ロール角Ｒ（ｎ）及びピッチ角Ｐ（ｎ）を下記の式（１）、（２）より求める。
【００１５】
Ｒ（ｎ）＝ｓｉｎ-1[Ａｘ（ｎ）／ｃｏｓＰ（ｎ）]・・・・・（１）
【００１６】
Ｐ（ｎ）＝ｓｉｎ-1Ａｙ（ｎ）・・・・・・・（２）
【００１７】
ここで、上記式（１）、（２）は、アークサイン関数である。従って、Ｒ、Ｐは、低角度のとき精度が高く、高角度のときは精度が低い。例えば、Ａｘ、Ａｙの出力分解能が０.０１Ｇのときを考えると、０°付近での分解能は０.５７°であり、９０°付近の分解能は８.１１°である。また、Φに関しても、演算過程にＲ、Ｐを用いているので、Ｒ、Ｐのいずれかが高角度のときに精度が低くなる。したがって、Ｒ、Ｐが高角度のときは静止角演算装置が正しいと判断した場合にも精度が低いことに留意しなければならない。
【００１８】
次に、本発明の姿勢角検出装置のうち、補正係数選択装置について示す。上記のように静止角の精度は変化するが、あらかじめこれをいくつかの領域に分割し、それぞれの領域に適当な補正係数ｍ１、ｍ２、ｍ３を入れておく。表１にその１例を示す。
【００１９】
（表１）
0004004165.tif 000002
【００２０】
表１に示すように、Ｒ、Ｐが高角度になり精度が低くなるにつれて、補正係数が小さくなる。ｍ１にはＲの精度が影響し、ｍ２にはＰの精度が影響し、ｍ３にはＲ、Ｐ両方の精度が影響していることが分かる。このように、補正係数選択装置は現在の姿勢角により補正係数ｍ１、ｍ２、ｍ３を決定する。
【００２１】
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仮の姿勢角を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Ｒ及びＰが正しいと判断された場合は、
α(ｎ)＝α(ｎ−１)＋ΔＸ(ｎ)−ｋ［α(ｎ−１)＋ΔＸ(ｎ)−Ｒ(ｎ)］×ｍ１
β(ｎ)＝β(ｎ−１)＋ΔＹ(ｎ)−ｋ［β(ｎ−１)＋ΔＹ(ｎ)−Ｐ(ｎ)］×ｍ２
γ(ｎ)＝γ(ｎ−１)＋ΔＺ(ｎ)−ｋ［γ(ｎ−１)＋ΔＺ(ｎ)−Φ(ｎ)］×ｍ３
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。
【００２２】
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）＋ΔＸ（ｎ）
β（ｎ）＝β（ｎ−１）＋ΔＹ（ｎ）
γ（ｎ）＝γ（ｎ−１）＋ΔＺ（ｎ）
により、姿勢角を演算し、求める。
【００２３】
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。  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。
【００２４】
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。
【００２５】
【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。
【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。
【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。
【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。
【符号の説明】
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    オフセット修正装置
１８    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
３３    補正係数選択装置
４２    姿勢角演算装置
【図１】
0004004165.tif 000003
【図２】
0004004165.tif 000004
【図３】
0004004165.tif 000005