姿势信息计算装置、姿势信息计算系统及姿势信息计算法制造方法及图纸

本发明专利技术提供姿势信息计算装置、姿势信息计算系统及姿势信息计算法，能够实现简单的结构，并且能够抑制位置的发散而确切地计算虚拟3维空间中的姿势。传感器信息取得部(210)取得由3个角速度传感器分别检测的绕3个轴的角速度信息(GX、GY、GZ)以及由3个加速度传感器分别检测的3个轴方向的加速度信息(AX、AY、AZ)。姿势信息计算部220根据角速度信息(GX、GY、GZ)和加速度信息(AX、AY、AZ)计算虚拟3维空间中的姿势角和位置座标。尤其，姿势信息计算部(220)根据由加速度信息(AX、AY、AZ)得到的惯性座标系加速度矢量(A)，计算固定座标系速度矢量，与该固定座标系速度矢量对应地计算虚拟3维空间中的位置座标。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及姿势信息计算装置、姿势信息计算系统以及姿势信息计算方法。
技术介绍
近年来，在各种情况下均利用了使用惯性传感器计算物体姿势的系统。例如，在汽车、直升机等移动体上安装3轴角速度传感器和3轴加速度传感器，根据从传感器获得的信息计算移动体的姿势，由此实现进行移动体姿势的稳定控制的系统等。一般情况下，物体的姿势可根据姿势角和位置来确定。通过对3轴角速度传感器检测出的角速度矢量进行1阶积分来获得物体的姿势角。不过，由于3轴角速度传感器的输出值包含微小的偏移量，所以，对角速度矢量进行1阶积分将导致偏移量逐渐蓄积。因此，通过计算获得的姿势角相对于正确姿势角的误差与偏移量成比例地逐渐增大，例如，虽然物体是静止的，但却得到了好像正在以微小的角速度进行旋转的结果。作为解决此问题的方法，例如日本特开平9-5104号公报及日本特开2007-183138号公报所公开的那样，使用卡尔曼滤波器根据传感器输出值来估计姿势角真值的方法是公知的。另一方面，物体的位置是通过对3轴加速度传感器检测出的加速度矢量进行2阶积分而获得的。因为在3轴加速度传感器的输出值中也包含微小的偏移量，所以偏移量逐渐蓄积，从而虽然物体是静止的，但却得到了好像正在移动这样的结果。而且，因为是对加速度矢量进行2阶积分，所以，通过计算获得的位置相对于正确位置的误差增加，该误差的增大速度与偏移量的平方成正比，因而该增加速度远远大于姿势角误差的增大速度。因此， 为了使用卡尔曼滤波器估计位置的真值，必需增大卡尔曼增益。但是，当增大卡尔曼增益时，使物体的计算出的位置回归到正确位置的速度过快，虽然实际上物体在慢慢移动，但却得到了好像处于静止这样的计算结果。尤其，如果传感器的偏移量比较大，则必需将卡尔曼增益设定得更大，在现实中，仅基于加速度传感器的输出值使用卡尔曼滤波器来估计物体的位置是极困难的。为了解决此问题，在现实中使用了根据加速度传感器的输出值和从外部获得的特定信息来估计物体位置的方法。例如，将红外线发光装置固定在规定位置处，利用固定在物体上的CXD照相机对该红外线发光装置进行摄像，由此能够获得物体与红外线发光装置之间的相对位置关系的信息，所以可使用该信息并利用卡尔曼滤波器来估计物体位置的真值。但是，在这样的方法中，因为需要传感器以外的装置，所以系统变得大型化。另一方面，例如在使用定点设备来操作虚拟3D模型这样的用途中，要求虚拟3D模型的位置不会因时间的经过而发散，并且要求虚拟3D模型跟随于定点设备的动作而动作， 不过，有时不要求计算出虚拟3D模型的精确位置。在不需要计算这样的精确位置的系统中，低成本化的要求变高，不希望系统大型化。
技术实现思路
本专利技术正是鉴于以上这样的问题而完成的，根据本专利技术的几个方式，可提供结构5简单且能够抑制位置发散而确切地计算出虚拟3维空间中的姿势的姿势信息计算装置、姿势信息计算系统以及姿势信息计算方法。(1)本专利技术提供一种姿势信息计算装置，其根据由3个角速度传感器分别检测的绕相互不平行的3个轴的角速度信息和由3个加速度传感器分别检测的相互不平行的3个轴方向的加速度信息，计算虚拟3维空间中的姿势角和位置座标，该姿势信息计算装置包含传感器信息取得部，其取得绕上述3个轴的角速度信息和上述3个轴方向的加速度信息；以及姿势信息计算部，其根据上述传感器信息取得部所取得的绕上述3个轴的角速度信息和上述3个轴方向的加速度信息，计算上述虚拟3维空间中的上述姿势角和上述位置座标，上述姿势信息计算部根据由上述3个轴方向的加速度信息得到的惯性座标系加速度矢量计算固定座标系速度矢量，与该固定座标系速度矢量对应地计算上述虚拟3维空间中的上述位置座标。在本专利技术的姿势信息计算装置中，首先，将惯性座标系(传感器座标系)的加速度矢量变换为固定座标系的速度矢量。这里，在根据惯性座标系的加速度矢量计算固定座标系的位置(距离)时需要进行2阶积分，但在根据惯性座标系的加速度矢量计算固定座标系的速度矢量时，只需进行1阶积分即可。此外，在本专利技术的姿势信息计算装置中，具有如下特征，即与该固定座标系的速度矢量对应地生成虚拟3维空间中的位置座标。由此，因传感器偏移引起的位置座标(对加速度矢量进行1阶积分而获得)的漂移量和姿势角(对角速度矢量进行1阶积分而获得)的漂移量为相同程度，以往应用于姿势角的计算的使用了卡尔曼滤波器的方法等也能够应用于本专利技术中的位置座标的计算。因此，根据本专利技术，能够提供结构简单且能够抑制位置的发散而确切地计算虚拟3维空间中的姿势的姿势信息计算装置。(2)在该姿势信息计算装置中，可以构成为，上述姿势信息计算部包含姿势信息更新部，其根据绕上述3个轴的角速度信息和3个轴方向的加速度信息，对为了确定上述虚拟3维空间中的上述姿势角和上述位置座标所需的给定参数进行更新；姿势信息修正部， 其按照给定的约束条件来修正由上述姿势信息更新部进行更新后的上述参数；以及姿势信息生成部，其根据由上述姿势信息修正部进行修正后的上述参数，计算上述虚拟3维空间中的上述姿势角和上述位置座标，上述姿势信息更新部包含速度矢量更新单元，该速度矢量更新单元根据上述惯性座标系加速度矢量和时刻k-Ι处的上述固定座标系速度矢量，更新时刻k处的上述固定座标系速度矢量，上述姿势信息修正部包含速度矢量修正单元，该速度矢量修正单元按照使上述固定座标系速度矢量的范数成为0的约束条件，修正由上述速度矢量更新单元进行更新后的时刻k处的上述固定座标系速度矢量，上述姿势信息生成部包含位置座标生成单元，该位置座标生成单元与由上述速度矢量修正单元进行修正后的时刻k处的上述固定座标系速度矢量对应地生成上述虚拟3维空间中的上述位置座标。在该姿势信息计算装置中，在进行了固定座标系速度矢量的更新处理之后，按照使范数成为0( S卩，使固定座标系速度矢量成为(0、0、0))的约束条件进行修正处理，与修正后的固定座标系速度矢量对应地生成虚拟3维空间中的位置座标。由此，以返回到与固定座标系速度矢量(0、0、0)对应的规定座标(例如原点)的方式生成位置座标，所以能够抑制由偏移漂移引起的位置座标的发散。另外，根据该姿势信息计算装置，因为将固定座标系的速度矢量与虚拟3维空间的位置座标对应起来(并非将固定座标系的位置座标与虚拟3维空间的位置座标对应起来)，所以能够比较容易地调整返回到规定座标的速度，使得位置座标确切地跟随于传感器的输出。(3)在该姿势信息计算装置中，可以构成为，上述速度矢量更新单元执行以下处理根据时刻k-Ι处的固定座标系姿势角矢量使上述惯性座标系加速度矢量进行旋转而变换为固定座标系加速度矢量，从该固定座标系加速度矢量中减去固定座标系重力加速度矢量，以规定的单位时间对相减结果进行1阶积分而计算单位时间固定座标系速度矢量，在上述速度矢量修正单元进行修正后的时刻k-Ι处的上述固定座标系速度矢量中加上上述单位时间固定座标系速度矢量，由此来更新时刻k处的上述固定座标系速度矢量。(4)在该姿势信息计算装置中，可以构成为，上述位置座标生成单元将由上述速度矢量修正单元进行修正后的时刻k处的上述固定座标系速度矢量作为时刻k处的上述位置座标。由此，不需要进行基于修正后的固定座标系速度矢量生成位置座标的计算，所以能够降低计算量。(5)在该姿势信息计算本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种姿势信息计算装置，其根据由３个角速度传感器分别检测的绕相互不平行的３个轴的角速度信息和由３个加速度传感器分别检测的相互不平行的３个轴方向的加速度信息，计算虚拟３维空间中的姿势角和位置座标，该姿势信息计算装置包含：传感器信息取得部，其取得绕上述３个轴的角速度信息和上述３个轴方向的加速度信息；以及姿势信息计算部，其根据由上述传感器信息取得部取得的绕上述３个轴的角速度信息和上述３个轴方向的加速度信息，计算上述虚拟３维空间中的上述姿势角和上述位置座标，其中，上述姿势信息计算部根据由上述３个轴方向的加速度信息得到的惯性座标系加速度矢量计算固定座标系速度矢量，与该固定座标系速度矢量对应地计算上述虚拟３维空间中的上述位置座标。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：宇田川裕文，小林祥宏，中冈康，
申请(专利权)人：精工爱普生株式会社，
类型：发明
国别省市：JP