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発明の名称 動体運動測定装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−242192(P2001−242192A)
公開日 平成13年9月7日(2001.9.7)
出願番号 特願2000−49614(P2000−49614)
出願日 平成12年2月25日(2000.2.25)
代理人 【識別番号】100066153
【弁理士】
【氏名又は名称】草野 卓 (外1名)
【テーマコード(参考)】
2F105
【Fターム(参考)】
2F105 AA10 BB08 
発明者 増田 雄一
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 動体に取付けて動体の動きを検出する変動検出器を具備し、変動検出器の出力信号が閾値範囲内であることに応答して変動検出器の出力誤差を変動検出器の出力信号に負帰還する負帰還経路を具備することを特徴とする動体運動測定装置。
【請求項2】 請求項1に記載される動体運動測定装置において、変動検出器から入力される出力信号が閾値範囲内のときは動体が静止していると判定する静止判定部を具備し、静止判定部が静止と判定する度毎に変動検出器の出力信号を変動検出器の出力誤差と推定する誤差推定部を具備し、誤差推定部により推定された変動検出器の出力誤差を変動検出器から入力される出力信号に帰還して変動検出器の出力信号を補正する減算部を具備することを特徴とする動体運動測定装置。
【請求項3】 請求項2に記載される動体運動測定装置において、誤差推定部により推定された変動検出器の出力誤差を積分して積分結果を変動検出器から入力される出力信号に帰還することを特徴とする動体運動測定装置。
【請求項4】 請求項1に記載される動体運動測定装置において、正の入力端を変動検出器の出力端に接続する減算部を具備し、入力端を減算部の出力端に接続する静止判定部を具備し、この静止判定部は減算部を介して入力される変動検出器の出力信号のレベルを当該静止判定部内に設定される閾値範囲と比較して閾値範囲内であることを示す閉成制御信号或いは閾値範囲外であることを示す解放制御信号を出力し、入力端を入力スイツチを介して静止判定部の出力端に接続する誤差推定部を具備し、この誤差推定部はその出力端を出力スイツチを介して減算部の負の入力端に接続し、閉成制御信号或いは解放制御信号により入力スイツチおよび出力スイツチを同時に閉成制御或いは解放制御することを特徴とする動体運動測定装置。
【請求項5】 請求項4に記載される動体運動測定装置において、出力スイツチと減算部の負の入力端の間に積分器を介在させたことを特徴とする動体運動測定装置。
【請求項6】 請求項1ないし請求項5の内の何れかに記載される動体運動測定装置において、変動検出器は角速度計、加速度計、速度計、傾斜計の内から選択された何れかであることを特徴とする動体運動測定装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、動体運動測定装置に関し、特に、人間の如き動体に取り付けて動体の動きを測定する動体運動測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】人間の如き動体の動きを測定するに際して、角速度計を変動検出器として使用し、この角速度計の角速度信号出力を積分して人間の運動を測定する場合、角速度計の角速度信号出力の誤差であるバイアスにより時間の経過につれて得られる角度は発散する。ここで、バイアスとは、角速度計が静止した状態にあるにも関わらず、角速度計から出力される角速度信号をいう。得られる角度の発散を小さくするには、バイアスの安定性の良好な角速度計を選定使用するか、或いは、角速度計の1回当たりの測定時間を短時間としてバイアス変動量に起因する誤差を許容し得る限度内に収めることを実施している。ところが、バイアスの安定性の良好な角速度計は、外形寸法が大きい上に大変に高価である。廉価な角速度計の価格と高価な角速度計の価格の間には数千円程度から数十万円程度に到る大きな価格差がある。そして、1回当たりの測定時間を短時間として頻繁にバイアス測定を実施してバイアスを更新することは、動体運動測定装置の使い勝手を煩雑にする。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】この発明は、変動検出器である角速度計の角速度信号出力が動体の動きを基に設定した角速度閾値範囲内に収まる小さい時は角速度計は静止しているとみなしてバイアス推定動作状態に入り、この頻繁に行なわれる静止の度毎にバイアス推定が繰り返し実行されてバイアスの更新がなされる構成を採用することにより、バイアスの安定性が良好とは言い難い廉価な角速度計を変動検出器として使用して精度の高い測定を実施することができる使い勝手の良好な動体運動測定装置を提供するものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】請求項1:動体に取り付けて動体の動きを検出する変動検出器1を具備し、変動検出器1の出力信号が閾値範囲内であることに応答して変動検出器1の出力誤差を変動検出器1の出力信号に負帰還する負帰還経路を具備する動体運動測定装置を構成した。
そして、請求項2:請求項1に記載される動体運動測定装置において、変動検出器1から入力される出力信号が閾値範囲内のときは動体が静止していると判定する静止判定部26を具備し、静止判定部26が静止と判定する度毎に変動検出器1の出力信号を変動検出器1の出力誤差と推定する誤差推定部27を具備し、誤差推定部27により推定された変動検出器1の出力誤差を変動検出器1から入力される出力信号に帰還して変動検出器1の出力信号を補正する減算部24を具備する動体運動測定装置を構成した。
【0005】また、請求項3:請求項2に記載される動体運動測定装置において、誤差推定部27により推定された変動検出器1の出力誤差を積分して積分結果を変動検出器1から入力される出力信号に帰還する動体運動測定装置を構成した。
更に、請求項4:請求項1に記載される動体運動測定装置において、正の入力端を変動検出器1の出力端に接続する減算部24を具備し、入力端を減算部24の出力端に接続する静止判定部26を具備し、この静止判定部26は減算部24を介して入力される変動検出器1の出力信号のレベルを当該静止判定部内に設定される閾値範囲と比較して閾値範囲内であることを示す閉成制御信号或いは閾値範囲外であることを示す解放制御信号を出力し、入力端を入力スイツチ291を介して静止判定部26の出力端に接続する誤差推定部27を具備し、この誤差推定部27はその出力端を出力スイツチ292を介して減算部24の負の入力端に接続し、閉成制御信号或いは解放制御信号により入力スイツチ291および出力スイツチ292を同時に閉成制御或いは解放制御する動体運動測定装置を構成した。
【0006】また、請求項5:請求項4に記載される動体運動測定装置において、出力スイツチ292と減算部24の負の入力端の間に積分器28を介在させた動体運動測定装置を構成した。
そして、請求項6:請求項1ないし請求項5の内の何れかに記載される動体運動測定装置において、変動検出器1は角速度計、加速度計、速度計、傾斜計の内から選択された何れかである動体運動測定装置を構成した。
【0007】
【発明の実施の形態】この発明の実施の形態を図1ないし図3を参照して説明する。図1は動体に取り付けて動体の運動を測定する動体運動測定装置を示す図である。1は動体の動きを検出する変動検出器であり、角速度計が使用されている。変動検出器1としては、角速度計の他に加速度計、速度計、傾斜計の如き装置を使用することができる。2は信号処理部であり、角速度計1の測定結果に演算処理を施してバイアス補正された角速度信号を求める信号処理部である。この信号処理部2は、角速度計1から入力される角速度信号をディジタルの角速度信号に変換するA/D変換器21、入力されるディジタルの角速度信号の演算処理を実行するCPU22、演算処理プログラムおよび各種のデータを格納するメモリ23より成る。図2はCPU22の実行する処理内容を示すブロック図である。24は減算部、25はセンサノイズ除去フィルタ、26は静止判定部、27は誤差推定部、28は積分器である。誤差推定部27としてバイアス推定フィルタが使用されている。センサノイズ除去フィルタ25、静止判定部26、誤差推定部27、積分器28は、この順に接続されて減算部24の出力端から負の入力端に到る負帰還ループを形成している。
【0008】角速度計1より出力される角速度信号は、CPU22において演算処理を施されるに先だってA/D変換器21に入力され、ディジタルの角速度信号に変換される。この角速度信号は真の角速度信号とこれに加算された誤差角速度信号であるバイアスより成る。減算部24にはその正の入力端を介して測定された角速度信号が入力される一方、負の入力端を介して積分器28から出力されるバイアス推定値が入力される。減算部24において測定された角速度信号からバイアス推定値を減算した後の角速度信号は、センサノイズ除去フィルタ25に入力され、ノイズ成分を除去されてから静止判定部26に供給される。この静止判定部26は、動体の動きの特徴から予め抽出しておいた角速度閾値範囲を内部に設定して比較部を形成している。静止判定部26は、入力される角速度信号と角速度閾値範囲との間の比較を比較部において行い、角速度信号の値が角速度閾値範囲内に収まっている場合、角速度計は静止しているとみなして点線で示される制御線を介して入力スイツチ291および出力スイツチ292の双方を閉成制御する。角速度信号の値が角速度閾値範囲内に収まっているということは、換言すれば、角速度計1が取り付けられている動体が静止していることを意味する。入力スイツチ291および出力スイツチ292の双方を閉とすることにより、誤差推定部27と積分器28とを他の動作部に接続して負帰還ループを形成し、バイアス推定動作状態に入る。このバイアス推定動作状態において、静止判定部26を経由して出力される角速度信号は入力スイツチ291を介して誤差推定部27に入力される。誤差推定部27は、一般に、低域通過フィルタより成り、入力される角速度信号の内の一部を低域通過させ、出力スイツチ292を介して積分器28に入力する。ここで、上述した通り、角速度計1が静止した状態の角速度計の出力が角速度計のバイアスであると定義されていることから、角速度信号の値が角速度閾値範囲内に収まっている場合、即ち、角速度計1が静止した状態の誤差推定部27の出力は、これをバイアス推定値として取り扱うことができる。このバイアス推定値は積分器28に時々刻々入力され、積算される。
【0009】以上の負帰還ループの動作を数値を当てはめて具体的に説明するに、静止判定部26の角速度閾値範囲が±5゜/secの場合に角速度計1から+2゜/secの角速度信号が入力されると、静止判定部26の比較部は、+2゜/secは±5゜/secの角速度閾値範囲内であるところから、この角速度計1を取り付けた動体は静止していると判断し、入力スイツチ291および出力スイツチ292の双方を閉成制御する。両スイツチが閉成制御されたことにより+2゜/secの角速度信号は誤差推定部27を介して出力され、これが現在のバイアス推定値とする。このバイアス推定値+2゜/secは積分器28に供給される。その結果、積分器28の出力する積分結果は増大するに到る。ところで、センサノイズ除去フィルタ25、静止判定部26、誤差推定部27、積分器28は、この順に接続されて減算部24の出力端から負の入力端に到る負帰還ループを形成しており、減算部24において正の入力端に入力される角速度計1の角速度信号出力から負の入力端に入力される積分器28の出力が減算される構成を具備しているので、積分器28の積算出力が+2゜/secとなった時に減算部24の出力は0となるので、以降は積分器28に加算は行なわれず、積分器出力は一定の+2゜/secに保持される。即ち、積分器28の出力が角速度計1のバイアス推定値となる。この通りにして、動体が静止している場合、積分器28の出力は追従して角速度計1の出力に等しくなる。
【0010】角速度信号が角速度閾値範囲を超える動体が動いていることを示す場合、静止判定部26の比較部は点線で示される制御線を介して入力スイツチ291および出力スイツチ292の双方を解放制御する。これにより、誤差推定部27を負帰還ループから切り離してバイアス推定動作を停止する。ここで、出力スイツチ292は、誤差推定部27を積分器28から完全に切り離してバイアス推定動作を停止時に誤差推定部27が積分器28に与える影響を防止することを目的として接続されている。積分器28はバイアス推定動作を停止したところで、動作停止直前の積分値であるバイアス推定値を保持した状態にある。即ち、積分器28の出力は最新のバイアス推定値を示す。ここで、減算部24において、正の入力端を介して入力されるバイアスを含む角速度計1の角速度信号出力から、負の入力端を介して入力される積分器28の最新のバイアス推定値を減算することにより最新のバイアス推定値によるバイアス補正を施されたバイアス補正済み角速度信号出力が得られる。
【0011】以上の通り、この発明の動体運動測定装置は、角速度計の角速度信号出力が動体の動きを基に設定した角速度閾値範囲内に収まる小さい時は角速度計は静止しているとみなしてバイアス推定動作状態に入り、この静止の度毎にバイアス推定が繰り返し実行される。人間の如き動体の動きを測定して角度変動を測定する場合、静止は頻繁に行われるので、これに対応してバイアスの更新が頻繁に行われる。従って、動体運動測定装置をバイアスの安定性が良好とは言い難い廉価な角速度計を採用して構成しても、不安定なバイアスを自動的に頻繁に更新して最新のバイアスにより角速度計の測定した角速度信号を補正して精度の高い測定を実施することができる。
【0012】以上の実施例においては、誤差推定部27の出力するバイアス推定値は積分器28を介して減算部24の負の入力端に供給されているが、この積分器28を介在させずに誤差推定部27の出力端を減算部24の負の入力端に接続してバイアス推定値を直接に減算部24の負の入力端に供給して動体運動測定装置を構成することができる。この動体運動測定装置は、動体が変動検出器1の出力信号が閾値範囲内に収まる僅かな動きをしている時はバイアス推定動作を実行しながら動体の運動測定をするが、出力信号が閾値範囲内に収まらない大きな動きをしている時は変動検出器1の出力信号のバイアス補正せずに動体の運動測定をすることになる。
【0013】
【発明の効果】以上の通りであって、この発明によれば、人間の如き動体の動きの特徴から抽出した閾値範囲を変動検出器に設定し、変動検出器の出力信号からバイアス推定値を減算した結果が閾値範囲内であればバイアス推定値を更新し、このバイアス推定値により変動検出器の出力信号のバイアスを補正するので、小型の安価な変動検出器を使用しても長時間精度良く運動の変動を測定することができる。この静止状態は頻繁に生起するので、バイアス推定値の更新は頻繁に行なわれ、常に適正なバイアス推定値により減算補正がなされた変動検出器の出力信号を得ることができる。




 

 


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