JP7619073B2 - Attitude estimation method, attitude estimation device, and movable device - Google Patents
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Description
本発明は、姿勢推定方法、姿勢推定装置、及び可動装置に関する。 The present invention relates to a posture estimation method, a posture estimation device, and a movable device.
物体に慣性計測ユニット(IMU:Inertial Measurement Unit)を装着し、慣性計測ユニットの出力信号を用いて物体の位置や姿勢を算出する装置やシステムが知られている。慣性計測ユニットの出力信号にはバイアス誤差があり、姿勢計算にも誤差が生じるため、カルマンフィルターを用いてこれらの誤差を補正し、物体の正確な姿勢を推定する手法が提案されている。例えば、特許文献1には、角速度センサーが有効計測範囲を超えた場合に、誤差情報に基づいて、予測した対象物の姿勢情報を補正し、対象物の姿勢を推定する、姿勢推定方法が記載されている。
There are known devices and systems that attach an inertial measurement unit (IMU) to an object and use the output signal of the inertial measurement unit to calculate the position and attitude of the object. The output signal of the inertial measurement unit has bias errors, which also cause errors in attitude calculations, so a method has been proposed that uses a Kalman filter to correct these errors and estimate the accurate attitude of the object. For example,
しかしながら、角速度センサーや加速度センサーを備えた慣性計測ユニットは、対象物の動作に伴う取り付け位置によってX軸、Y軸、Z軸の方向が異なり、初期状態から各方向のバイアス誤差が生じるので、対象物の姿勢の推定精度が低下し、高精度の計測ができないという課題があった。 However, inertial measurement units equipped with angular velocity sensors and acceleration sensors have different directions for the X-axis, Y-axis, and Z-axis depending on the mounting position as the target object moves, and bias errors occur in each direction from the initial state, which reduces the accuracy of estimating the target object's posture and makes it impossible to perform high-precision measurements.
姿勢推定方法は、対象物の所定の動作における、角速度センサーのバイアス値BW及び分散値PWWと、加速度センサーのバイアス値BA及び分散値PVVと、を測定し、記憶部に記憶する工程と、リセット時に、前記バイアス値BWと、前記分散値PWWと、前記バイアス値BAと、前記分散値PVVと、を前記記憶部から読み出し、初期設定値とする工程と、前記角速度センサー及び前記加速度センサーが静止状態で、角速度と加速度とを計測する工程と、前記角速度センサーの前記バイアス値BW及び前記分散値PWWと、前記加速度センサーの前記分散値PVVと、を前記初期設定値から更新する工程と、前記角速度センサーの出力及び前記加速度センサーの出力からカルマンフィルターを用いて、前記対象物の姿勢を推定する工程と、を含む。 The posture estimation method includes the steps of measuring the bias value BW and variance value PWW of the angular velocity sensor and the bias value BA and variance value PVV of the acceleration sensor during a predetermined movement of the object and storing them in a memory unit; reading the bias value BW, the variance value PWW, the bias value BA, and the variance value PVV from the memory unit at the time of reset and setting them to initial settings; measuring the angular velocity and acceleration while the angular velocity sensor and the acceleration sensor are stationary; updating the bias value BW and the variance value PWW of the angular velocity sensor and the variance value PVV of the acceleration sensor from the initial settings; and estimating the posture of the object using a Kalman filter from the output of the angular velocity sensor and the output of the acceleration sensor.
姿勢推定装置は、対象物の所定の動作における、角速度センサーのバイアス値BW及び分散値PWWと、加速度センサーのバイアス値BA及び分散値PVVと、を記憶する記憶部と、前記角速度センサーの出力及び前記加速度センサーの出力からカルマンフィルターを用いて、前記対象物の姿勢を推定する処理部と、を有する。 The posture estimation device has a memory unit that stores the bias value BW and variance value PWW of the angular velocity sensor and the bias value BA and variance value PVV of the acceleration sensor during a specified movement of the object, and a processing unit that estimates the posture of the object using a Kalman filter from the output of the angular velocity sensor and the output of the acceleration sensor.
可動装置は、上記に記載の姿勢推定装置と、前記姿勢推定装置が推定した対象物の姿勢情報に基づいて、前記対象物の姿勢の制御を行う制御装置と、を備える。 The movable device includes the posture estimation device described above and a control device that controls the posture of the object based on posture information of the object estimated by the posture estimation device.
1.第1実施形態
1.1.姿勢推定装置
先ず、第1実施形態に係る姿勢推定装置1について、図1及び図2を参照して説明する。
本実施形態の姿勢推定装置1は、図1に示すように、処理部20、記憶部としてのROM30、RAM40、記録媒体50、及び通信部60を含み、慣性計測ユニット(IMU)10の出力に基づいて対象物の姿勢を推定する。なお、本実施形態の姿勢推定装置1は、これらの一部の要素を変更又は削除し、あるいは、他の要素を追加した構成であってもよい。
1. First Embodiment 1.1. Posture Estimation Apparatus First, a
1, the
本実施形態では、図1に示すように、姿勢推定装置1は、慣性計測ユニット10と分離されているが、姿勢推定装置1が慣性計測ユニット10を含んでいてもよい。また、慣性計測ユニット10と姿勢推定装置1が1つの筐体に収容されて構成されていてもよいし、慣性計測ユニット10が姿勢推定装置1を収容する本体から分離されて、あるいは分離可能に構成されていてもよい。前者の場合は姿勢推定装置1が対象物に装着され、後者の場合は慣性計測ユニット10が対象物に装着される。
In this embodiment, as shown in FIG. 1, the
本実施形態では、慣性計測ユニット10は、角速度センサー12、加速度センサー14、及び信号処理部16を含む。ただし、本実施形態の慣性計測ユニット10は、これらの一部の要素を変更又は削除し、あるいは、他の要素を追加した構成であってもよい。
In this embodiment, the
角速度センサー12は、互いに交差する、理想的には直交する3軸方向の各々の角速度を計測し、計測した3軸角速度の大きさ及び向きに応じたアナログ信号を出力する。
The
加速度センサー14は、互いに交差する、理想的には直交する3軸方向の各々の加速度を計測し、計測した3軸加速度の大きさ及び向きに応じたアナログ信号を出力する。
The
信号処理部16は、角速度センサー12の出力信号を所定のサンプリング間隔Δtでサンプリングしてデジタル値の角速度データdωに変換する処理を行う。また、信号処理部16は、加速度センサー14の出力信号を所定のサンプリング間隔Δtでサンプリングしてデジタル値の加速度データdαに変換する処理を行う。
The
角速度センサー12及び加速度センサー14は、それぞれ3軸が、慣性計測ユニット10に対して定義される直交座標系であるセンサー座標系の3軸(x軸、y軸、z軸)と一致するように慣性計測ユニット10に取り付けられるのが理想的だが、実際には取り付け角の誤差が生じる。そこで、信号処理部16は、取り付け角誤差に応じてあらかじめ算出された補正パラメーターを用いて、角速度データdω及び加速度データdαをxyz座標系のデータに変換する処理も行う。さらに、信号処理部16は、角速度センサー12及び加速度センサー14の温度特性に応じて、角速度データdω及び加速度データdαを温度補正する処理も行う。
Ideally, the
なお、角速度センサー12及び加速度センサー14にA/D変換や温度補正の機能が組み込まれていてもよい。
The
慣性計測ユニット10は、信号処理部16による処理後の角速度データdω及び加速度データdαを姿勢推定装置1の処理部20に出力する。
The
ROM30は、処理部20が各種の処理を行うためのプログラムや、アプリケーション機能を実現するための各種プログラムやデータ等を記憶している。また、ROM30は、慣性計測ユニット10を対象物の所定の動作に伴う取り付け位置に配置した状態における角速度センサー12のバイアス値BW及び分散値PWWと、加速度センサー14のバイアス値BA及び分散値PVVと、を記憶している。尚、所定の動作とは、対象物の最も頻繁に行われる1つの動作である。また、所定の動作は、複数の動作であっても構わない。その際は、ROM30は、複数の動作、つまり、動作の種別に応じてバイアス値BW,BA及び分散値PWW,PVVを記憶する。
The
RAM40は、処理部20の作業領域として用いられ、ROM30から読み出されたプログラムやデータ、処理部20が各種プログラムに従って実行した演算結果等を一時的に記憶する記憶部である。
記録媒体50は、処理部20の処理により生成されたデータのうち、長期的な保存が必要なデータを記憶する不揮発性の記憶部である。また、記録媒体50は、処理部20が各種の処理を行うためのプログラムや、アプリケーション機能を実現するための各種プログラムやデータ等を記憶していてもよい。
The
処理部20は、ROM30あるいは記録媒体50に記憶されているプログラム、あるいはネットワークを介してサーバーから受信してRAM40や記録媒体50に記憶したプログラムに従って各種の処理を行う。特に、本実施形態では、処理部20は、当該プログラムを実行することにより、バイアス除去部22、姿勢変化量計算部24、速度変化量計算部26、及び姿勢推定部28として機能し、慣性計測ユニット10がΔt間隔で出力する角速度データdω及び加速度データdαに対して所定の演算を行い、対象物の姿勢を推定する処理を行う。また、処理部20は、ユーザーからのリセット指示を受けるとROM30から角速度センサー12のバイアス値BW及び分散値PWWと、加速度センサー14のバイアス値BA及び分散値PVVと、を読み出し、初期設定値とする。尚、所定の動作が複数の動作であった場合、処理部20は、ROM30から複数の動作の中からユーザーが選択した動作に対応するバイアス値BW,BA及び分散値PWW,PVVを読み出し、初期設定値とする。
The
本実施形態では、図2に示すように、慣性計測ユニット10の座標系であるセンサー座標系、例えば互いに直交するx軸、y軸、z軸で構成されるxyz座標系と対象物が存在する空間の座標系であるローカル空間座標系、例えば互いに直交するX軸、Y軸、Z軸で構成されるXYZ座標系を考える。処理部20は、対象物に装着された慣性計測ユニット10から出力されるセンサー座標系の3軸角速度と3軸加速度からローカル空間座標系における対象物の姿勢を推定する。尚、対象物の姿勢とは、慣性計測ユニット10の姿勢ともいえる。
In this embodiment, as shown in FIG. 2, a sensor coordinate system, which is the coordinate system of the
バイアス除去部22は、ROM30から角速度センサー12のバイアス値BW及び分散値PWWと、加速度センサー14のバイアス値BA及び分散値PVVと、を読み出し、これらをバイアス誤差の初期値として、角速度センサー12の出力からバイアス誤差を除去した3軸角速度を計算する処理、及び加速度センサー14の出力からバイアス誤差を除去した3軸加速度を計算する処理を行う。
The
姿勢変化量計算部24は、角速度センサー12の出力に基づいて、対象物の姿勢変化量を計算する。具体的には、姿勢変化量計算部24は、バイアス除去部22によりバイアス誤差が除去された3軸角速度を用いて、サンプリング間隔Δtを変数とする多項式で近似して対象物の姿勢変化量を計算する処理を行う。
The posture change
速度変化量計算部26は、角速度センサー12の出力と、加速度センサー14の出力と、に基づいて、対象物の速度変化量を計算する。具体的には、速度変化量計算部26は、バイアス除去部22によりバイアス誤差が除去された3軸角速度と3軸加速度とを用いて、対象物の速度変化量を計算する処理を行う。
The velocity change
姿勢推定部28は、積分計算部101、姿勢情報予測部102、誤差情報更新部103、補正係数計算部104、姿勢情報補正部105、正規化部106、誤差情報補正部107、回転誤差成分除去部108、バイアス誤差制限部109及び誤差情報調整部110として機能する。そして、姿勢推定部28は、姿勢変化量計算部24が計算した姿勢変化量と速度変化量計算部26が計算した速度変化量とを用いて、対象物の姿勢を推定する処理を行う。実際には、姿勢推定部28は、拡張カルマンフィルターにより、状態ベクトルx及びその誤差共分散行列Σx
2を推定する処理を行う。
積分計算部101は、姿勢情報補正部105により補正され、正規化部106により正規化された直前の姿勢の推定値に、姿勢変化量計算部24が計算した姿勢変化量を積算する積分処理を行う。また、積分計算部101は、姿勢情報補正部105により補正され、正規化部106により正規化された直前の速度の推定値に、速度変化量計算部26が計算した速度変化量を積算する積分処理を行う。
The
姿勢情報予測部102は、姿勢変化量計算部24が計算した姿勢変化量を用いて、対象物の姿勢情報である姿勢クォータニオンqを予測する処理を行う。また、姿勢情報予測部102は、速度変化量計算部26が計算した速度変化量に基づいて、対象物の速度情報である運動速度ベクトルvを予測する処理も行う。実際には、姿勢情報予測部102は、姿勢クォータニオンq及び運動速度ベクトルvを要素として含む状態ベクトルxを予測する処理を行う。
The posture
誤差情報更新部103は、角速度センサー12の出力に基づいて、誤差情報である誤差共分散行列Σx
2を更新する処理を行う。具体的には、誤差情報更新部103は、バイアス除去部22によりバイアス誤差が除去された3軸角速度を用いて、対象物の姿勢誤差を更新する処理を行う。実際には、誤差情報更新部103は、拡張カルマンフィルターにより、誤差共分散行列Σx
2を更新する処理を行う。
The error
回転誤差成分除去部108は、誤差情報である誤差共分散行列Σ2における、基準ベクトルの周りの回転誤差成分を除去する処理を行う。具体的には、回転誤差成分除去部108は、誤差情報更新部103により更新された誤差共分散行列Σx
2における姿勢誤差に含まれる方位角誤差成分を除去する処理を行う実際には、回転誤差成分除去部108、誤差共分散行列Σx
2に対して、姿勢の誤差共分散行列Σq
2のランク制限と方位角誤差成分の除去を行った誤差共分散行列Σx
2を生成する処理を行う。
The rotation error
誤差情報調整部110は、角速度センサー12の出力が有効範囲内であるか否かを判定し、角速度センサー12の出力が有効範囲内ではないと判定した場合に、誤差情報である誤差共分散行列Σx
2における姿勢誤差成分を増加させ、かつ、誤差共分散行列Σx
2における姿勢誤差成分と姿勢誤差成分以外の誤差成分との相関成分を低減させる、例えばゼロにする処理を行う。また、誤差情報調整部110は、加速度センサー14の出力が有効範囲内であるか否かを判定し、角速度センサー12の出力又は加速度センサー14の出力が有効範囲内ではないと判定した場合に、誤差共分散行列Σx,k
2における運動速度誤差成分を増加させ、かつ、誤差共分散行列Σx,k
2における運動速度誤差成分と運動速度誤差成分以外の誤差成分との相関成分を低減させる、例えばゼロにする処理を行う。具体的には、誤差情報調整部110は、角速度センサー12の出力が有効範囲内でないと判定した後の角速度オフスケール回復期間において、回転誤差成分除去部108により生成された誤差共分散行列Σx
2における姿勢誤差成分及び運動速度誤差成分を増加させ、かつ、姿勢誤差成分と姿勢誤差成分以外の誤差成分との相関成分及び運動速度誤差成分と運動速度誤差成分以外の誤差成分との相関成分を低減させる、例えばゼロにする処理を行う。また、誤差情報調整部110は、角速度センサー12の出力が有効範囲内であり、かつ、加速度センサー14の出力が有効範囲内でないと判定した後の加速度オフスケール回復期間において、回転誤差成分除去部108により生成された誤差共分散行列Σx
2における運動速度誤差成分を増加させ、かつ、運動速度誤差成分と運動速度誤差成分以外の誤差成分との相関成分を低減させる、例えばゼロにする処理を行う。
The error
バイアス誤差制限部109は、誤差情報である誤差共分散行列Σx
2における、基準ベクトルの周りの角速度のバイアス誤差成分に対して制限をかける処理を行う。具体的には、バイアス誤差制限部109は、誤差情報調整部110により生成された誤差共分散行列Σx
2における、角速度のバイアス誤差の鉛直成分に対して制限をかける処理を行う。実際には、バイアス誤差制限部109は、角速度のバイアス誤差の鉛直成分が上限値を超えたか否かを判定し、当該鉛直成分が上限値を超えた場合に、当該鉛直成分が当該上限値となるように制限をかけた誤差共分散行列Σx
2を生成する処理を行う。
The bias
補正係数計算部104は、バイアス誤差制限部109により生成された誤差情報である誤差共分散行列Σx
2に基づいて、姿勢情報補正部105による対象物の姿勢情報である姿勢クォータニオンqや速度情報である運動速度ベクトルvの補正量及び誤差情報補正部107による誤差情報である誤差共分散行列Σxの補正量を決める補正係数を計算する処理を行う。実際には、補正係数計算部104は、観測残差Δz、カルマン係数K及び変換行列Hを計算する処理を行う。
The correction
姿勢情報補正部105は、誤差情報である誤差共分散行列Σxに基づいて、姿勢情報予測部102が予測した対象物の姿勢情報である姿勢クォータニオンqを補正する処理を行う。具体的には、姿勢情報補正部105は、バイアス誤差制限部109により生成された誤差共分散行列Σx、並びに基準ベクトルである重力加速度ベクトルgと加速度センサー14の出力から求められる加速度ベクトルαとに基づいて補正係数計算部104が計算したカルマン係数K及び重力加速度の観測残差Δzaを用いて、姿勢クォータニオンqを補正する処理を行う。実際には、姿勢情報補正部105は、拡張カルマンフィルターにより、姿勢情報予測部102が予測した状態ベクトルxを補正する処理を行う。
The attitude
正規化部106は、姿勢情報補正部105が補正した対象物の姿勢情報である姿勢クォータニオンqを、その大きさが変わらないように正規化する処理を行う。実際には、正規化部106は、姿勢情報補正部105が補正した状態ベクトルxを正規化する処理を行う。
The
誤差情報補正部107は、誤差情報である誤差共分散行列Σxを補正する処理を行う。具体的には、誤差情報補正部107は、補正係数計算部104が計算した変換行列H及びカルマン係数Kを用いて、拡張カルマンフィルターにより、バイアス誤差制限部109により生成された誤差共分散行列Σxを補正する処理を行う。
The error
処理部20が推定した対象物の姿勢情報である姿勢クォータニオンqは、通信部60を介して他の装置に送信可能である。
The orientation quaternion q, which is the orientation information of the object estimated by the
以上で述べたように、本実施形態の姿勢推定装置1は、記憶した対象物の所定の動作における、角速度センサー12のバイアス値BW及び分散値PWWと、加速度センサー14のバイアス値BA及び分散値PVVと、に基づいて、角速度センサー12の出力及び加速度センサー14の出力からカルマンフィルターを用い、対象物の姿勢を推定することができる。そのため、対象物の所定の動作に伴う取り付け位置の違いによって生じる初期状態におけるバイアス誤差を補正することができるので、高精度に対象物の姿勢を計測することができる。
As described above, the
1.2.姿勢推定方法
次に、第1実施形態に係る姿勢推定装置1の姿勢推定方法について、図3を参照して説明する。
1.2 Posture Estimation Method Next, a posture estimation method of the
本実施形態に係る姿勢推定装置1の姿勢推定方法は、図3に示すように、測定工程と、記憶工程と、初期値設定工程と、角速度及び加速度計測工程と、初期設定値の更新工程と、姿勢推定工程と、を含む。
As shown in FIG. 3, the posture estimation method of the
1.2.1.測定工程
先ず、ステップS101において、慣性計測ユニット10を対象物の所定の動作である対象物の最も頻繁に行われる1つの動作に伴う取り付け位置に設置し、角速度センサー12のバイアス値BW及び分散値PWWと、加速度センサー14のバイアス値BA及び分散値PVVと、を測定する。
1.2.1. Measurement process First, in step S101, the
1.2.2.記憶工程
ステップS102において、処理部20は、測定した角速度センサー12のバイアス値BW及び分散値PWWと、加速度センサー14のバイアス値BA及び分散値PVVと、を記憶部としてのROM30に記憶する。
1.2.2. Storage Step In step S102, the
1.2.3.初期値設定工程
ステップS103において、ユーザーからのリセット指示を受けると、処理部20は、ROM30から角速度センサー12のバイアス値BW及び分散値PWWと、加速度センサー14のバイアス値BA及び分散値PVVと、を読み出し、バイアス誤差の初期設定値とする。
1.2.3. Initial Value Setting Process In step S103, upon receiving a reset instruction from the user, the
1.2.4.角速度及び加速度計測工程
ステップS104において、角速度センサー12及び加速度センサー14が静止状態で、角速度と加速度とを計測する。尚、計測時間は、200msecである。
In step S104, the angular velocity and acceleration are measured while the
1.2.5.初期設定値の更新工程
ステップS105において、処理部20は、計測した角速度データdωに角速度センサー12のバイアス値BW及び分散値PWWを加算し初期設定値からバイアス誤差を更新する。また、加速度データdαに加速度センサー14の分散値PVVを加算し初期設定値からバイアス誤差を更新する。尚、加速度センサー14のバイアス値BAは、初期設定値の更新をしない。
In step S105, the
1.2.6.姿勢推定工程
ステップS106において、処理部20は、更新したバイアス値BW、分散値PWW、及び分散値PVVと、更新しないバイアス値BAと、に基づいて、角速度センサー12の出力及び加速度センサー14の出力からカルマンフィルターを用いて、対象物の姿勢を推定する。推定した対象物の姿勢情報である姿勢クォータニオンqは、通信部60を介して他の装置に送信する。
In step S106, the
以上で述べたように、本実施形態の姿勢推定方法は、記憶した対象物の所定の動作における、角速度センサー12のバイアス値BW及び分散値PWWと、加速度センサー14のバイアス値BA及び分散値PVVと、に基づいて、角速度センサー12の出力及び加速度センサー14の出力からカルマンフィルターを用い、対象物の姿勢を推定することができる。そのため、対象物の所定の動作に伴う取り付け位置の違いによって生じる初期状態におけるバイアス誤差を補正することができるので、高精度に対象物の姿勢を計測することができる。
As described above, the posture estimation method of this embodiment can estimate the posture of the object using a Kalman filter from the output of the
2.第2実施形態
2.1.姿勢推定方法
次に、第2実施形態に係る姿勢推定方法について、図4を参照して説明する。
2. Second Embodiment 2.1. Posture Estimation Method Next, a posture estimation method according to a second embodiment will be described with reference to FIG.
本実施形態の姿勢推定方法は、第1実施形態の姿勢推定方法に比べ、対象物の所定の動作が複数の動作であり、ROM30に、動作の種別に応じて、対応するバイアス値BW,BA及び分散値PWW,PVVを記憶していること以外は、第1実施形態の姿勢推定方法と同様である。なお、前述した第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。
The posture estimation method of this embodiment is similar to the posture estimation method of the first embodiment, except that the predetermined motion of the target object is a plurality of motions, and the
第2実施形態に係る姿勢推定方法について、図4を参照して説明する。 The posture estimation method according to the second embodiment will be described with reference to FIG. 4.
本実施形態に係る姿勢推定方法は、図4に示すように、測定工程と、記憶工程と、初期値選択工程と、初期値設定工程と、角速度及び加速度計測工程と、初期設定値の更新工程と、姿勢推定工程と、を含む。 As shown in FIG. 4, the posture estimation method according to this embodiment includes a measurement process, a storage process, an initial value selection process, an initial value setting process, an angular velocity and acceleration measurement process, an initial value update process, and a posture estimation process.
2.1.1.測定工程
先ず、ステップS201において、慣性計測ユニット10を対象物の第1の動作に伴う取り付け位置に設置し、角速度センサー12のバイアス値BW及び分散値PWWと、加速度センサー14のバイアス値BA及び分散値PVVと、を測定する。
2.1.1. Measurement Process First, in step S201, the
2.1.2.記憶工程
ステップS202において、測定した角速度センサー12のバイアス値BW及び分散値PWWと、加速度センサー14のバイアス値BA及び分散値PVVと、を記憶部としてのROM30に第1の動作のバイアス値BW,BA及び分散値PWW,PVVとして記憶する。
In step S202, the measured bias value BW and variance value PWW of the
次に、慣性計測ユニット10を対象物の第2の動作に伴う取り付け位置に設置し、ステップS201とステップS202との工程を繰り返す。ステップS201とステップS202との工程は、対象物の複数の動作、つまり、動作の種別に応じて繰り返し行う。
Next, the
2.1.3.初期値選択工程
対象物の複数の動作に対応する各センサー12,14のバイアス値BW,BA及び分散値PWW,PVVを取得した後に、ステップS203において、処理部20は、ユーザーからの動作の選択指示を受ける。
2.1.3. Initial Value Selection Step After acquiring the bias values BW, BA and variance values PWW, PVV of the
2.1.4.初期値設定工程
ステップS204において、ユーザーからのリセット指示を受けると、処理部20は、ROM30から選択された動作に伴う角速度センサー12のバイアス値BW及び分散値PWWと、加速度センサー14のバイアス値BA及び分散値PVVと、を読み出し、バイアス誤差の初期設定値とする。
In step S204, upon receiving a reset instruction from the user, the
2.1.5.角速度及び加速度計測工程
ステップS205は、第1実施形態のステップS104と同じなので、説明を省略する。
2.1.5. Angular Velocity and Acceleration Measurement Step S205 is the same as step S104 in the first embodiment, and therefore a description thereof will be omitted.
2.1.6.初期設定値の更新工程
ステップS206は、第1実施形態のステップS105と同じなので、説明を省略する。
2.1.6. Initial Setting Value Update Process Step S206 is the same as step S105 in the first embodiment, and therefore a description thereof will be omitted.
2.1.7.姿勢推定工程
ステップS207は、第1実施形態のステップS106と同じなので、説明を省略する。
2.1.7. Posture Estimation Step Step S207 is the same as step S106 in the first embodiment, and therefore a description thereof will be omitted.
このような構成とすることで、慣性計測ユニット10を対象物の複数の動作に対応する取り付け位置に設置しても、動作の種別に応じて角速度センサー12のバイアス値BW及び分散値PWWと、加速度センサー14のバイアス値BA及び分散値PVVと、を選択することができるため、初期状態におけるバイアス誤差を補正することができ、高精度に対象物の姿勢を計測することができる。
With this configuration, even if the
3.第3実施形態
3.1.可動装置
次に、第3実施形態に係る姿勢推定装置1を備える可動装置600について、図5及び図6を参照して説明する。
3. Third embodiment 3.1. Movable device Next, a
上記実施形態の姿勢推定装置1は、建設機械の姿勢制御などにおいて効果的に用いることができ、図5及び図6は、可動装置600として建設機械の一例である油圧ショベルを例示している。
The
可動装置600は、図5に示すように、車体を下部走行体612と、下部走行体612上に旋回可能に搭載された上部旋回体611とで構成され、上部旋回体611の前部側に上下方向に回動可能な複数の部材で構成された作業機構620が設けられている。上部旋回体611には不図示の運転席が設けられ、運転席には、作業機構620を構成する各部材を操作する不図示の操作装置が設けられている。そして、上部旋回体611には、上部旋回体611の傾斜角を検出する傾斜センサーとして機能する慣性計測ユニット10dが配置されている。
As shown in FIG. 5, the
作業機構620は、複数の部材として、上部旋回体611の前部側に俯仰動可能に取付けられたブーム613と、ブーム613の先端側に俯仰動可能に取付けられたアーム614と、アーム614の先端側に回動可能に取付けられたバケットリンク616と、アーム614及びバケットリンク616の先端側に回動可能に取付けられたバケット615と、ブーム613を駆動するブームシリンダー617と、アーム614を駆動するアームシリンダー618と、バケット615をバケットリンク616を介して駆動するバケットシリンダー619とを備えている。
The working
ブーム613の基端側は、上部旋回体611に上下方向に回動可能に支持され、ブームシリンダー617の伸縮によってブーム613が上部旋回体611に対して相対的に回転駆動される。そして、ブーム613には、ブーム613の動きの状態を検出する慣性センサーとして機能する慣性計測ユニット10cが配置されている。
The base end of the
ブーム613の先端側には、アーム614の一端側が回転可能に支持され、アームシリンダー618の伸縮によってアーム614がブーム613に対して相対的に回転駆動される。アーム614には、アーム614の動きの状態を検出する慣性センサーとして機能する慣性計測ユニット10bが配置されている。
One end of an
アーム614の先端側には、バケットリンク616とバケット615とが回動可能に支持されていて、バケットシリンダー619の伸縮に応じてバケットリンク616がアーム614に対して相対的に回転駆動され、それに連動してバケット615がアーム614に対して相対的に回転駆動される。そして、バケットリンク616には、バケットリンク616の動きの状態を検出する慣性センサーとして機能する慣性計測ユニット10aが配置されている。
A
慣性計測ユニット10a,10b,10c,10dは、作業機構620の各部材や上部旋回体611に作用する角速度、及び加速度の少なくともいずれかを検出することができる。また、慣性計測ユニット10a,10b,10c,10dは、動作の異なる上部旋回体611、ブーム613、アーム614、バケット615の取り付け位置に応じて、角速度センサー12のバイアス値BW及び分散値PWWと、加速度センサー14のバイアス値BA及び分散値PVVと、が取り付け前に実測されているので、初期状態におけるバイアス誤差を補正することができる。また、慣性計測ユニット10a,10b,10cは、図6に示すように、直列的に接続され、検出信号を演算装置630に送信することができる。このように、慣性計測ユニット10a,10b,10cを直列接続することにより、可動領域内における検出信号を送信するための配線数を減らし、コンパクトな配線構造を得ることができる。コンパクトな配線構造により、配線の敷設方法の選択が容易となり、配線の劣化や損傷などの発生を低減させることが可能となる。
The
更に、可動装置600には、図5に示すように、上部旋回体611の傾斜角や作業機構620を構成するブーム613、アーム614、バケット615の位置姿勢を演算する演算装置630が設けられている。図6に示すように、演算装置630は、上記実施形態の姿勢推定装置1と制御装置632とを含む。姿勢推定装置1は、慣性計測ユニット10a,10b,10c,10dの出力信号に基づいて、可動装置600の姿勢情報を推定する。制御装置632は、姿勢推定装置1が推定した可動装置600の姿勢情報に基づいて、可動装置600の姿勢の制御を行う。具体的には、演算装置630は、各慣性計測ユニット10a,10b,10c,10dからの各種検出信号を入力し、各種検出信号に基づいてブーム613、アーム614、バケット615の位置姿勢又は姿勢角や上部旋回体611の傾斜状態を演算する。演算されたブーム613、アーム614、バケット615の姿勢角を含む位置姿勢信号や上部旋回体611の姿勢角を含む傾斜信号、例えばバケット615の位置姿勢信号は、図示しない運転席のモニター装置の表示、又は作業機構620や上部旋回体611の動作を制御するためのフィードバック情報に用いられる。
Furthermore, the
なお、上記実施形態の姿勢推定装置1が用いられる建設機械(建機)としては、上記に例示した油圧ショベル(ユンボ、バックホー、パワーショベル)の他にも、例えば、ラフテレーンクレーン(クレーン車)、ブルドーザー、掘削機・積み込み機、ホイールローダー、高所作業車(リフト車)などがある。
In addition, examples of construction machinery (construction machines) that can be used with the
本実施形態によれば、姿勢推定装置1により、姿勢の情報を高精度に求めることができるため、可動装置600の適切な姿勢制御を実現できる。また、可動装置600によれば、動作の異なる上部旋回体611、ブーム613、アーム614、バケット615に取り付け位置に応じた角速度センサー12のバイアス値BW及び分散値PWWと、加速度センサー14のバイアス値BA及び分散値PVVと、を有する慣性計測ユニット10a,10b,10c,10dを装着しているため、初期状態におけるバイアス誤差を補正することができるので、高精度に対象物の姿勢を計測することができる。
According to this embodiment, the
なお、本実施形態では、姿勢推定装置1が用いられる可動装置として、農業機械(農機)等の四輪自動車や建設機械(建機)を例にとり説明したが、これら以外にも、オートバイ、自転車、電車、飛行機、二足歩行ロボット、又は、ラジコン飛行機、ラジコンヘリコプター、ドローンなどの遠隔操縦あるいは自律式の飛行体、ロケット、人工衛星、船舶、AG V(無人搬送車)などがある。上記で説明した所定の動作は、バケット615の上げ動作であってもよいし、バケット615の下げ動作であってもよいし、旋回や移動であってもよい。上記で説明した複数の動作は、バケット615の上げ動作、バケット615の下げ動作、旋回や移動などのうち、いずれか2つであってもよい。また、所定の動作は、ロボットアームやドローンの所定の動作であってもよい。さらに、所定の動作は、二足歩行ロボットの歩行動作であってもよい。各慣性計測ユニット10a,10b,10c,10dにおいて、角速度センサー12のバイアス値BW及び分散値PWWは、各慣性計測ユニット10a,10b,10c,10dで異なる値であってもよいし、同じ値であってもよい。可動装置600は、4つの慣性計測ユニット10a,10b,10c,10dを有したが、2つであっても3つであってもよいし、5つ以上であってもよい。
In this embodiment, four-wheeled automobiles such as agricultural machinery (farm machinery) and construction machinery (construction machinery) are used as examples of movable devices in which the
本発明は本実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。 The present invention is not limited to this embodiment, and various modifications are possible within the scope of the present invention.
上述した実施形態及び変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態及び各変形例を適宜組み合わせることも可能である。
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成、例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
The above-described embodiment and modifications are merely examples, and the present invention is not limited to these. For example, the embodiments and modifications can be appropriately combined.
The present invention includes configurations that are substantially the same as the configurations described in the embodiments, for example, configurations with the same functions, methods, and results, or configurations with the same purpose and effects. The present invention also includes configurations in which non-essential parts of the configurations described in the embodiments are replaced. The present invention also includes configurations that achieve the same effects as the configurations described in the embodiments, or configurations that can achieve the same purpose. The present invention also includes configurations in which publicly known technology is added to the configurations described in the embodiments.
1…姿勢推定装置、10…慣性計測ユニット、12…角速度センサー、14…加速度センサー、16…信号処理部、20…処理部、22…バイアス除去部、24…姿勢変化量計算部、26…速度変化量計算部、28…姿勢推定部、30…記憶部としてのROM、40…RAM、50…記録媒体、60…通信部、101…積分計算部、102…姿勢情報予測部、103…誤差情報更新部、104…補正係数計算部、105…姿勢情報補正部、106…正規化部、107…誤差情報補正部、108…回転誤差成分除去部、109…バイアス誤差制限部、110…誤差情報調整部、600…可動装置、611…上部旋回体、612…下部走行体、613…ブーム、614…アーム、615…バケット、616…バケットリンク、617…ブームシリンダー、618…アームシリンダー、619…バケットシリンダー、620…作業機構、630…演算装置、632…制御装置、BA,BW…バイアス値、PVV,PWW…分散値。 1...attitude estimation device, 10...inertial measurement unit, 12...angular velocity sensor, 14...acceleration sensor, 16...signal processing unit, 20...processing unit, 22...bias removal unit, 24...attitude change amount calculation unit, 26...velocity change amount calculation unit, 28...attitude estimation unit, 30...ROM as storage unit, 40...RAM, 50...recording medium, 60...communication unit, 101...integral calculation unit, 102...attitude information prediction unit, 103...error information update unit, 104...correction coefficient calculation unit, 105...attitude information correction unit, 106...normalization unit, 10 7...Error information correction unit, 108...Rotation error component removal unit, 109...Bias error limiting unit, 110...Error information adjustment unit, 600...Movable device, 611...Upper rotating body, 612...Lower traveling body, 613...Boom, 614...Arm, 615...Bucket, 616...Bucket link, 617...Boom cylinder, 618...Arm cylinder, 619...Bucket cylinder, 620...Work mechanism, 630...Calculation unit, 632...Control unit, BA, BW...Bias value, PVV, PWW...Dispersion value.
Claims (4)
加速度センサーのバイアス値BA及び分散値PVVと、を測定し、記憶部に記憶する工程
と、
リセット時に、前記バイアス値BWと、前記分散値PWWと、前記バイアス値BAと、
前記分散値PVVと、を前記記憶部から読み出し、初期設定値とする工程と、
前記角速度センサー及び前記加速度センサーが静止状態で、角速度と加速度とを計測す
る工程と、
前記角速度センサーの前記バイアス値BW及び前記分散値PWWと、前記加速度センサ
ーの前記分散値PVVと、を前記初期設定値から更新する工程と、
前記角速度センサーの出力及び前記加速度センサーの出力からカルマンフィルターを用
いて、前記対象物の姿勢を推定する工程と、
を含み、
前記更新する工程では、測定された前記角速度に前記初期設定値としての前記バイアス
値BWおよび前記分散値PWWを加算して、前記角速度センサーのバイアス誤差を更新し
、更新されたバイアス値BW および更新された分散値PWWを生成し、測定された前記
加速度に前記初期設定値としての前記分散値PVVを加算して、前記加速度センサーのバ
イアス誤差を更新し、更新された分散値PVVを生成し、
前記推定する工程では、前記更新されたバイアス値BW、前記更新された分散値PWW
、初期設定値としての前記バイアス値BA、および前記更新された分散値PVVに基づい
て、前記対象物の姿勢を推定する、姿勢推定方法。 A bias value BW and a variance value PWW of the angular velocity sensor in a given motion of the object;
measuring a bias value BA and a variance value PVV of the acceleration sensor and storing them in a storage unit;
At the time of reset, the bias value BW, the variance value PWW, the bias value BA,
A step of reading out the variance value PVV from the storage unit and setting it as an initial setting value;
measuring an angular velocity and an acceleration while the angular velocity sensor and the acceleration sensor are in a stationary state;
updating the bias value BW and the variance value PWW of the angular velocity sensor and the variance value PVV of the acceleration sensor from the initial setting values;
estimating a posture of the object using a Kalman filter from the output of the angular velocity sensor and the output of the acceleration sensor;
Including,
In the updating step, the bias voltage as the initial setting value is applied to the measured angular velocity.
The bias error of the angular velocity sensor is updated by adding the value BW and the variance value PWW.
, generate an updated bias value BW and an updated variance value PWW,
The variance value PVV as the initial setting value is added to the acceleration to obtain the balance of the acceleration sensor.
update the bias error to generate an updated variance value PVV;
In the step of estimating, the updated bias value BW, the updated variance value PWW
Based on the bias value BA as an initial setting value and the updated variance value PVV,
and estimating the posture of the object .
請求項1に記載の姿勢推定方法。 The predetermined motion is one of the most frequently performed motions of the object.
The pose estimation method of claim 1 .
かに対応する前記バイアス値BWと、前記分散値PWWと、前記バイアス値BAと、前記
分散値PVVと、を前記記憶部から読み出す、
請求項1に記載の姿勢推定方法。 The predetermined operation is a plurality of operations, and the bias value BW, the variance value PWW, the bias value BA, and the variance value PVV corresponding to any one of the plurality of operations according to the type of the operation are read out from the storage unit.
The pose estimation method of claim 1 .
請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の姿勢推定方法。 The measurement time in the stationary state is 200 msec.
The method of pose estimation according to any one of claims 1 to 3.
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