专利名称：姿势检测装置的校正参数生成方法、用于生成姿势检测装置的校正参数的装置以及姿势 ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及校正参数生成方法、用于生成校正参数的装置以及带校正功能的姿势检测装置，它们用于将包含对3轴角速度或加速度进行检测的传感器的姿势检测装置的检测值，校正为规定的正交坐标系中的检测值。
背景技术：
近年来，通过角速度传感器及加速度传感器检测物体姿势的姿势检测装置被用于各种用途。例如，在日本特开平9-106322号公报中记载了如下这样的头戴式显示器该头戴式显示器通过检测用户的头部姿势而使位于眼前的显示器所显示的影像与头部动作联动地变化，能体验到虚拟空间。处于用户头部姿势角内的影像反映在头戴式显示器上。为了检测该姿势角，将具有角速度传感器及加速度传感器的姿势检测装置安装在头戴式显示器的规定位置。在安装姿势检测装置时，如果安装成传感器的检测轴与用于表示头部姿势角的正交坐标系的3个轴分别平行，则由于该安装角的误差而导致姿势检测装置的检测值含有误差。因此，严格地规定了安装姿势检测装置的位置及角度。
发明内容
发明要解决的问题但是，如果在姿势检测装置内部安装传感器时安装角稍微偏移，则即使严格规定了安装姿势检测装置的位置及角度也无法获得高精度的检测结果。从成本方面来说，要求传感器的安装角不存在误差是不现实的，所以预先计算安装角误差，利用与安装角误差相应的校正参数来校正姿势检测装置的检测值。式⑴以及式⑵分别表示使用了校正参数的角速度传感器用校正式以及加速度传感器用校正式。[式 1]fG (x) = fG ip) +Jfe (ρ\χ - + ο(| χ I)· · ·(1)[式 2]
_8] fA(x) = fA[p)+Jh (p){x _ p) + φ I)"·(2)在式(1)中，函数矩阵式(雅可比矩阵式)Jfe是角速度传感器用的校正参数，fe(x) 和fe(P)分别是角速度传感器的本次校正值和上次校正值(理想值)。同样，在式⑵中， 函数矩阵式(雅可比矩阵式)JfA是加速度传感器用的校正参数，fA(x)和fA(P)分别是加速度传感器的本次校正值和上次校正值(理想值)。另外，在式(1)、式O)中，X和P分别是角速度传感器的本次检测值和上次检测值，O是朗道符号。因为传感器的安装角误差对于每个姿势检测装置而不同，所以在出厂测试等时要针对各个姿势检测装置生成式(1)、式O)的校正参数(JfG、JfA)。图13A 图13C以及图 14A 图14C示出了生成校正参数(Jfe、JfA)的现有方法。在现有方法中，首先，将姿势检测
5装置设置在安装于工作台510上的插座520中，按照图13A 图13C所示的步骤，使旋转臂 530绕X轴、绕Y轴、绕Z轴以规定的角速度进行旋转，取得姿势检测装置的各检测值，将各检测值和各理想值代入式(1)而获得联立方程式，对该联立方程式进行求解，生成角速度传感器用的校正参数。此外，按照图14A 图14C所示的步骤操作旋转臂530，使其静止于 X轴、Y轴、Z轴的正方向为铅直向上的状态(铅直向下地施加重力加速度的状态)，取得姿势检测装置的各检测值，将各检测值和各理想值代入式( 而获得联立方程式，对该联立方程式进行求解，生成加速度传感器用的校正参数。在图13A 图13C以及图14A 图14C所示的旋转臂530的操作中，如果工作台 510相对于X轴、Y轴、Z轴未按规定角度准确地进行固定，则无法取得准确地反映角速度传感器以及加速度传感器的安装角误差的检测值。但是，为了使工作台510相对于X轴、Y轴、 Z轴按规定角度准确地进行固定，包含工作台510以及旋转臂530的用于生成校正参数的装置500趋于大型化。另外，为了使工作台510相对于X轴、Y轴、Z轴按规定角度准确地进行固定，需要相当长的时间。为了生成针对同时包含角速度传感器和加速度传感器的姿势检测装置的校正参数，需要分别进行图13A 图13C所示的旋转臂530的操作和图14A 图 14C所示的旋转臂530的操作，所以更加耗费时间。因此，在现有方法中存在校正参数的生成成本高的问题。本发明是鉴于以上这样的问题点而完成的，根据本发明的几个方式，能够提供一种校正参数生成方法，该校正参数生成方法能以更低的成本生成用于校正由传感器安装角误差引起的检测值误差的校正参数，此外，还提供能够以更低的成本实现的用于生成校正参数的装置以及带校正功能的姿势检测装置。解决问题的手段(1)本发明提供一种姿势检测装置的校正参数生成方法，该姿势检测装置包含对角速度或加速度进行检测的第1传感器、第2传感器和第3传感器，所述第1传感器、第2传感器和第3传感器被安装成检测轴分别与相互垂直的第1轴、第2轴和第3轴大致平行，该校正参数生成方法生成校正式的校正参数，该校正式将根据所述第1传感器、所述第2传感器和所述第3传感器的检测信号检测物体姿势的姿势检测装置的检测值，校正成以所述第 1轴、所述第2轴和所述第3轴为坐标轴的正交坐标系中的检测值，其特征在于，该校正参数生成方法包含以下步骤将旋转板设置成使得上表面处于水平；在具有相互垂直的第1面、 第2面、第3面的长方体形状的夹具的所述第1面上，以所述第1轴与所述第2面垂直、所述第2轴与所述第3面垂直、所述第3轴与所述第1面垂直的方式，固定所述姿势检测装置； 第1检测值取得步骤，将所述夹具的与所述第2面相对的面固定在所述旋转板的所述上表面，使所述旋转板静止或以规定角速度旋转，取得所述姿势检测装置的检测值；第2检测值取得步骤，将所述夹具的与所述第3面相对的面固定在所述旋转板的所述上表面，使所述旋转板静止或以规定角速度旋转，取得所述姿势检测装置的检测值；第3检测值取得步骤， 将所述夹具的与所述第1面相对的面固定在所述旋转板的所述上表面，使所述旋转板静止或以规定角速度旋转，取得所述姿势检测装置的检测值；以及校正参数生成步骤，根据所取得的检测值生成所述校正参数。在考虑将X轴、Y轴、Z轴作为坐标轴的正交坐标系的情况下，不特别限定第1轴、 第2轴、第3轴与X轴、Y轴、Z轴之间的对应关系。
根据本发明，由于采用了长方体形状的夹具，所以很容易在第1面上，以第1轴、第 2轴、第3轴与夹具的第1面、第2面、第3面分别垂直的方式，固定姿势检测装置。并且，如果将旋转板设置为使得上表面处于水平，则仅通过将夹具的与第2面、第3面、第1面相对的面分别固定在旋转板的上表面，就能简单地使第1轴、第2轴、第3轴分别与铅直方向平行。此外，在第1轴、第2轴、第3轴分别与铅直方向平行的状态下，使旋转板静止或旋转， 由此，能够在短时间内简单地取得加速度传感器或角速度传感器的检测值。S卩，只需要最初一次性地将旋转板设置为使得上表面处于水平，就能够固定旋转板的旋转方向，所以能够大幅地缩短用于取得与第1轴、第2轴、第3轴相关的检测值的设置时间。因此，根据本发明，能够以更低的成本生成用于校正由传感器的安装角误差引起的检测值误差的校正参数。(2)在本发明的姿势检测装置的校正参数生成方法中，所述校正式可以包含用于将所述第1传感器、所述第2传感器和所述第3传感器的各检测值校正成所述正交坐标系中的各检测值的第1校正矩阵、第2校正矩阵和第3校正矩阵，作为所述校正参数，并且，所述校正式表示为通过下述方式得到的3个矩阵之和，该方式为将所述第1校正矩阵、所述第2校正矩阵和所述第3校正矩阵各自与分别包含对所述第1传感器、所述第2传感器和所述第3传感器的各检测值进行A/D转换后的数字值作为要素的各个矩阵相乘，由此获得所述3个矩阵。(3)在本发明的姿势检测装置的校正参数生成方法中，所述第1校正矩阵、所述第 2校正矩阵和所述第3校正矩阵可以是将所述第1传感器、所述第2传感器和所述第3传感器的各检测轴分别转换成所述第1轴、所述第2轴和所述第3轴的旋转矩阵的逆矩阵。(4)在本发明的姿势检测装置的校正参数生成方法中，所述校正参数生成步骤可以包含以下步骤根据在所述第1检测值取得步骤中取得的所述检测值，计算所述第2传感器和所述第3传感器的绕所述第1轴的各安装角误差；根据在所述第2检测值取得步骤中取得的所述检测值，计算所述第1传感器和所述第3传感器的绕所述第2轴的各安装角误差；根据在所述第3检测值取得步骤中取得的所述检测值，计算所述第1传感器和所述第2 传感器的绕所述第3轴的各安装角误差；根据所述第1传感器的绕所述第2轴的所述安装角误差和绕所述第3轴的所述安装角误差，生成所述第1校正矩阵；根据所述第2传感器的绕所述第1轴的所述安装角误差和绕所述第3轴的所述安装角误差，生成所述第2校正矩阵；以及根据所述第3传感器的绕所述第1轴的所述安装角误差和绕所述第2轴的所述安装角误差，生成所述第3校正矩阵。(5)本发明提供一种用于生成姿势检测装置的校正参数的装置，该姿势检测装置包含对角速度或加速度进行检测的第1传感器、第2传感器和第3传感器，所述第1传感器、 第2传感器和第3传感器被安装成检测轴分别与相互垂直的第1轴、第2轴和第3轴大致平行，该用于生成姿势检测装置的校正参数的装置被使用于生成校正式的校正参数，该校正式将根据所述第1传感器、所述第2传感器和所述第3传感器的检测信号检测物体姿势的姿势检测装置的检测值，校正成以所述第1轴、所述第2轴和所述第3轴为坐标轴的正交坐标系中的检测值，其特征在于，该用于生成姿势检测装置的校正参数的装置包含长方体形状的夹具，其具有相互垂直的第1面、第2面、第3面，该夹具能够以所述第1轴与所述第 2面垂直、所述第2轴与所述第3面垂直、所述第3轴与所述第1面垂直的方式，将所述姿势检测装置固定在所述第1面上；旋转板，其能够在上表面上固定所述夹具的分别与所述第1 面、所述第2面、所述第2面相对的面中的任意一面；以及旋转控制部，其使所述旋转板以规定角速度进行旋转。根据本发明，由于采用了长方体形状的夹具和旋转板，从而不需要旋转臂，所以能够提供更小型且低成本的用于生成校正参数的装置。通过采用本发明的用于生成校正参数的装置，从而如上所述，能够在短时间内简单地取得安装在姿势检测装置中的各传感器的检测值的校正参数。(6)本发明提供一种姿势检测装置，其特征在于，该姿势检测装置包含第1传感器、第2传感器和第3传感器，它们被安装成检测轴分别与相互垂直的第1轴、第2轴和第3 轴大致平行，检测角速度或加速度；存储部，其存储有校正式的校正参数，该校正式将所述第1传感器、所述第2传感器和所述第3传感器的各检测值，校正成以所述第1轴、所述第 2轴和所述第3轴为坐标轴的正交坐标系中的检测值；A/D转换处理部，其进行将所述第1 传感器、所述第2传感器和所述第3传感器的各检测信号转换成数字信号的处理；以及校正计算处理部，其进行根据各个所述数字信号和所述校正参数计算所述校正式的处理，所述校正式包含用于将所述第1传感器、所述第2传感器和所述第3传感器的各检测值校正成所述正交坐标系中的各检测值的第1校正矩阵、第2校正矩阵和第3校正矩阵，作为所述校正参数，并且，所述校正式表示为通过下述方式得到的3个矩阵之和，该方式为将所述第1 校正矩阵、所述第2校正矩阵和所述第3校正矩阵各自与分别包含对所述第1传感器、所述第2传感器和所述第3传感器的各检测值进行A/D转换后的数字值作为要素的各个矩阵相乘，由此获得所述3个矩阵。现有的校正式(1)、校正式(2)中的函数矩阵式(雅可比矩阵式)不是直接反映传感器的安装角误差的校正参数，另外，在校正式(1)、校正式O)中，根据上次检测值而采用函数矩阵式(雅可比矩阵式)类推本次检测值，所以当对检测值实施某种映射时无法获得校正值。因此，校正式(1)、校正式(2)在提高校正精度方面存在极限。根据本发明，能够将各传感器的安装角误差直接地反映到由校正计算处理部计算出的校正式所包含的3个校正矩阵中。另外，根据本发明，在针对本次检测值的校正值的计算中，由校正计算处理部计算的校正式不需要上次的检测值，所以只要获得本次的检测值就能够直接计算出校正值。因此，根据本发明，能实现校正精度更高且校正计算处理更快的姿势检测装置。(7)在本发明的姿势检测装置中，所述第1校正矩阵、所述第2校正矩阵和所述第 3校正矩阵可以是将所述第1传感器、所述第2传感器和所述第3传感器的各检测轴分别转换成所述第1轴、所述第2轴和所述第3轴的旋转矩阵的逆矩阵。(8)本发明的姿势检测装置可以包含信号选择处理部，该信号选择处理部进行以规定周期依次选择所述第1传感器、所述第2传感器和所述第3传感器的各所述检测信号中的任意一个的处理，所述A/D转换处理部可以包含A/D转换电路，该A/D转换电路对所述信号选择处理部选择的检测值依次进行A/D转换处理。
图1是示出作为本实施方式的校正参数生成方法的对象的姿势检测装置的结构
8的一例的图。图2是本实施方式的姿势检测装置的立体图。图3是示出包含在角速度传感器中的振子的一例的平面图。图4是用于说明包含在角速度传感器中的振子的动作的图。图5是用于说明包含在角速度传感器中的振子的动作的图。图6是示出包含在角速度传感器中的驱动电路以及检测电路的结构的一例的图。图7A是用于说明传感器的安装角误差的图。图7B是用于说明传感器的安装角误差的图。图7C是用于说明传感器的安装角误差的图。图8是示出本实施方式的用于生成校正参数的装置的结构的图。图9是示出本实施方式的校正参数生成步骤的一例的流程图。图IOA是用于说明本实施方式的校正参数生成步骤的图。图IOB是用于说明本实施方式的校正参数生成步骤的图。图IOC是用于说明本实施方式的校正参数生成步骤的图。图11是示出本实施方式的姿势检测装置的结构的图。图12是示出本实施方式的姿势检测装置的另一结构的图。图13A是用于说明现有的校正参数生成方法的图。图13B是用于说明现有的校正参数生成方法的图。图13C是用于说明现有的校正参数生成方法的图。图14A是用于说明现有的校正参数生成方法的图。图14B是用于说明现有的校正参数生成方法的图。图14C是用于说明现有的校正参数生成方法的图。
具体实施例方式以下，利用附图对本发明的优选实施方式进行详细说明。此外，以下说明的实施方式不对权利要求书所记载的本发明的内容进行不合理的限定。另外，以下说明的结构并非都是本发明的必要技术特征。此外，在以下的说明中，本发明的第1轴、第2轴、第3轴分别对应于X轴、Y轴、Z 轴，但本发明的第1轴、第2轴、第3轴与X轴、Y轴、Z轴之间的对应关系不限于此，可以为任意的对应关系。1.姿势检测装置1-1.姿势检测装置的结构图1是示出作为本实施方式的校正参数生成方法的对象的姿势检测装置的结构的一例的图。如图1所示，本实施方式中的姿势检测装置1构成为包含角速度传感器模块2和加速度传感器模块3，该角速度传感器模块2对绕X轴、Y轴、Z轴的角速度进行检测，该加速度传感器模块3对X轴、Y轴、Z轴方向的加速度进行检测。角速度传感器模块2包含分别对绕X轴、Y轴、Z轴的角速度进行检测的X轴角速度传感器10a、Y轴角速度传感器10b、Z轴角速度传感器10c。
X轴角速度传感器IOa包含振子11a、使振子Ila振动的驱动电路20a以及产生角速度检测信号38a的检测电路30a，振子Ila的驱动电极12a、13a与驱动电路20a连接，振子Ila的检测电极14a、15a与检测电路30a连接。同样，Y轴角速度传感器IOb包含振子lib、使振子lib振动的驱动电路20b、产生角速度检测信号38b的检测电路30b，振子lib的驱动电极12b、13b与驱动电路20b连接，振子lib的检测电极14b、15b与检测电路30b连接。同样，Z轴角速度传感器IOc包含振子11c、使振子Ilc振动而进行驱动的驱动电路20c以及产生角速度检测信号38c的检测电路30c，振子Ilc的驱动电极12c、13c与驱动电路20c连接，振子Ilc的检测电极14c、15c与检测电路30c连接。加速度传感器模块3包含分别对X轴、Y轴、Z轴方向的加速度进行检测的X轴加速度传感器50a、Y轴加速度传感器50b和Z轴加速度传感器50c。X轴加速度传感器50a包含振子5la、使振子51a振动的驱动电路60a以及生成加速度检测信号78a的检测电路70a，振子51a的驱动电极52a、53a与驱动电路60a连接，振子51a的检测电极5如、5^1与检测电路70a连接。同样，Y轴加速度传感器50b包含振子5lb、使振子51b振动的驱动电路60b以及产生加速度检测信号78b的检测电路70b，振子51b的驱动电极52b、5 与驱动电路60b连接，振子51b的检测电极Mb、55b与检测电路70b连接。同样，Z轴加速度传感器50c包含振子51c、使振子51c振动的驱动电路60c以及产生加速度检测信号78c的检测电路70c，振子51c的驱动电极52c、53c与驱动电路60c连接，振子51c的检测电极Mc、55c与检测电路70c连接。此外，角速度传感器10a、10b、10c分别作为本发明的第1传感器、第2传感器以及第3传感器发挥功能。同样，加速度传感器50a、50b、50c分别作为本发明的第1传感器、第 2传感器以及第3传感器发挥功能。图2是本实施方式的姿势检测装置的立体图。如图2所示，在姿势检测装置1中，角速度传感器模块2以及加速度传感器模块3 分别形成为立方体(广义上为长方体。以下相同。)的形状，并收纳于长方体形状的封装4 中。以姿势检测装置1为基准来确定X轴、Y轴、Z轴。例如，在构成姿势检测装置1的封装4是长方体形状的情况下，可以将与封装4的正交的3个面fe、5b、5c垂直的轴分别设为X轴、Y轴、Z轴。另外，可任意地确定X轴、Y轴、Z轴的正方向，在本实施方式中，将图2 所示的箭头的尖所朝向的方向设为各轴的正方向。1-2.角速度传感器模块如图2所示，在角速度传感器模块2中，角速度传感器10a、10b、IOc以检测轴分别与X轴、Y轴、Z轴大致平行的方式安装在绝缘基板80上，振子11a、lib、Ilc分别被收容于封装82a、82b、82c内。封装82a、82b、82c的周围被树脂铸模件覆盖。封装82a由封装主体8 和盖体86a构成、封装82b由封装主体84b和盖体86b 构成、封装82c由封装主体8 与盖体86c构成。封装主体84a、84b、8k通过层叠多个陶瓷片并进行烧结，而形成为长方体的箱状。盖体86a、86b、86c由玻璃板、金属板及陶瓷片等形成，经由金属焊料、低融点玻璃等接合材料，对分别收容有振子lla、llb、llc的封装主体84a、84b、84c的上表面开口部进行真空密封。振子1 la、1 Ib、11 c通过形成在绝缘基板80上的布线图案(未图示)分别与驱动电路20a、20b、20c及检测电路30a、30b、30c连接。驱动电路20a与检测电路30a、驱动电路20b与检测电路30b、驱动电路20c与检测电路30c可被IC化为3个芯片并分别收容于封装82a、82b、82c内。另外，驱动电路20a、 20b、20c、检测电路30a、30b、30c也可以被IC化为1个芯片并配置在绝缘基板80上。此外，在图2中省略图示的是，来自检测电路30a、30b、30c的各检测信号38a、38b、 38c经由外部输出端子(未图示)输出至姿势检测装置1的外部。图3是示出包含在角速度传感器中的振子的一例的平面图。分别包含在角速度传感器10a、10b、10c中的振子lla、llb、llc均是相同的构造，所以在图3中仅图示了振子Ila 的构造。此外，图3中的X轴、Y轴、Z轴表示石英轴，与图2中的X轴、Y轴、Z轴没有关系。振子Ila由石英等压电材料的薄板形成，驱动振动臂41a(广义上为驱动用振动片)从驱动用基部4 起在石英的Y轴方向上延伸。在驱动振动臂41a的侧面以及上表面分别形成有驱动电极12a以及13a。如图1所示，驱动电极12a、13a与驱动电路20a连接。驱动用基部4 经由在石英的X轴方向上延伸的连结臂4 与检测用基部47a连接。检测振动臂42a(广义上为检测振动片)从检测用基部47a起在石英的Y轴方向上延伸。在检测振动臂42a的上表面形成有检测电极14a以及15a，在检测振动臂42a的侧面形成有电极16a。如图1所示，检测电极14a、15a与驱动电路20a连接。另外，电极16a接地。当对驱动振动臂41a的驱动电极12a与驱动电极13a之间提供由交变电压/交变电流构成的驱动信号时，如图4所示，驱动振动臂41a由于压电效应而像箭头B那样进行弯曲振动。这里，如图5所示，当振子Ila进行以石英的Z轴为旋转轴的旋转运动时，驱动振动臂41a在与箭头B的弯曲振动方向和石英的Z轴双方均垂直的方向上获得科里奥利力。 结果，连结臂4 进行如箭头C所示的振动。并且，检测振动臂42a与连结臂45a的振动 (箭头C)联动，与连结臂4 进行如箭头D这样的弯曲振动。并且，由于基于这些弯曲振动而产生的逆压电效应，在检测振动臂42a的检测电极14a、15a与电极16a之间，分别产生逆向的交变电压/交变电流。如以上这样，振子Ila 将石英的Z轴作为检测轴，检测基于科里奥利力的角速度分量，并经由检测电极14a、15a输出检测信号。此外，在图3的结构中，为了使振子Ila的平衡性良好，将检测用基部47a配置在中央，并使检测振动臂4 从检测用基部47a起在+Y轴和-Y轴这两个方向上延伸。此外， 使连结臂4 从检测用基部47a起在+X轴和-X轴这两个方向上延伸，使驱动振动臂41a 从各个连结臂4 起在+Y轴和-Y轴这两个方向上延伸。另外，使驱动振动臂41a的末端成为宽度扩展的宽度扩展部43a，进而通过施重来增加科里奥利力。另外，通过施重效应，能够利用短的振动臂来获得期望的谐振频率。基于相同的原因，使检测振动臂42a的末端成为宽度扩展的宽度扩展部46a，进而进行施重。此外，振子Ila不限于上述结构，只要是输出包含基于科里奥利力的角速度分量的检测信号的振子即可。例如，可以是兼任驱动振动臂和检测振动臂的结构，另外，也可以是在驱动振动臂及检测振动臂上形成有压电膜的结构。
图6是示出包含在角速度传感器中的驱动电路以及检测电路的结构的一例的图。 驱动电路20a、20b、20c均为相同的结构，检测电路30a、30b、30c均为相同的结构，所以在图 3中仅图示了驱动电路20a以及检测电路30a的结构。如图6所示，驱动电路20a构成为包含电流电压转换器(I/V转换器)21a、AC放大器22a、自动增益控制电路(AGC) 23a和比较器Ma。当振子Ila振动时，从驱动电极13a输出基于压电效应的交流电流作为反馈信号， 并输入至电流电压转换器(Ι/ν转换器)21a。电流电压转换器(I/V转换器)21a将输入的交流电流转换成与振子Ila的振动频率相同频率的交流电压信号后进行输出。从电流电压转换器(I/V转换器)21a输出的交流电压信号输入至AC放大器22a。 AC放大器a对所输入的交流电压信号进行放大而输出。从AC放大器2 输出的交流电压信号输入至自动增益控制电路(AGC) 23a。自动增益控制电路(AGC) 23a控制增益，使得所输入的交流电压信号的振幅保持为恒定值，将增益控制后的交流电压信号输出至振子Ila的驱动电极12a。振子Ila根据输入至该驱动电极12a的交流电压信号进行振动。由AC放大器2 放大后的交流电压信号输入至比较器Ma，向检测电路30a的同步检波电路3 输出方波电压信号，该方波电压信号将交流电压信号的振幅中心作为基准电压，根据交流电压信号与基准电压信号的比较结果切换输出电平。如图6所示，检测电路30a构成为包含电荷放大器3la、32a、差动放大器33a、AC放大器34a、同步检波电路35a、DC放大器36a以及积分电路(LPF 低通滤波器)37a。经由检测电极12a、13a向电荷放大器31a、3h输入由振子Ila检测出的相位彼此相反的检测信号(交流电流)。并且，电荷放大器31a、3h将所输入的检测信号(交流电流)转换成以基准电压为中心的交流电压信号。差动放大器33a对电荷放大器31a的输出信号与电荷放大器32a的输出信号进行差动放大。差动放大器33a的输出信号还被AC放大器3 进行放大。 同步检波电路3 根据比较器2 输出的方波电压信号，对AC放大器3 的输出信号进行同步检波，由此提取角速度分量。同步检波电路3 例如可构成为如下的开关电路在方波电压信号的电平高于基准电压时，该开关电路直接输出AC放大器3 的输出信号，在方波电压信号的电平低于基准电压时，该开关电路使AC放大器3 的输出信号相对于基准电压反转而输出。由同步检波电路3 提取出的角速度分量信号被DC放大器36a放大后输入至积分电路(LPF) 37a。积分电路(LPF) 37a对DC放大器3 的输出信号中的高频分量进行衰减而提取直流分量，由此产生角速度检测信号38a而输出至外部。1-3.加速度传感器模块如图2所示，加速度传感器模块3具有基座90、镇物(weight) 100,3个加速度传感器50a、50b、50c。此外在图2中，图1所示的驱动电路60a、60b、60c以及检测电路70a、 70b,70c省略了图示，它们被配置在封装4中的恰当位置处，来自检测电路70a、70b、70c的各检测信号78a、78b、78c经由外部输出端子(未图示)输出至姿势检测装置1的外部。基座90以3个正方形的壁部相互垂直的方式而形成，从而构成立方形，并且具有
12CN 102216790 A 与X轴、Y轴、Z轴方向相互垂直的3个安装面91、92、93。镇物100由具有规定质量的立方体构成，具有相互垂直的3个接合面101、102、103。基座90以及镇物100例如采用铝合金等恰当的材料形成。在本实施方式中，加速度传感器50a、50b、50c构成为分别包含由石英等压电材料的薄板形成的双音叉型振子51a、51b、51c。关于振子51a、51b、51c，以检测轴分别与X轴、Y轴、Z轴大致平行的方式，将一方的基端部56a、56b、56c分别安装在基座90的元件安装面91、92、93上，并垂直地支承在基座90的各壁部上。振子51a、51b、51c的另一方的基端部57a、57b、57c分别接合于与元件安装面91、92、93对应的镇物100的元件接合面101 103。由此，镇物100从X轴、Y轴、 Z轴方向，被振子51a、51b、51c支承成悬置的状态。在振子51a的2个驱动振动臂58a的上下主面以及两侧面上，设置有驱动电极 52a、53a(省略图示)，当利用驱动电路60a在驱动电极52a、53a之间施加了规定的交流电压时，2个驱动振动臂58a以规定的频率在彼此相反的方向(即接近或相离的方向)上进行弯曲振动。在振子51a以规定的频率振动的状态下，当加速度传感器模块3受外力作用而对镇物100施加了 X轴方向的加速度时，与该加速度的大小以及方向对应地，对振子51a作用在长边方向(即，X轴方向)上压缩或拉伸的力。振子51a的频率以如下方式变化在作用压缩力时频率减小，在作用拉伸力时频率增加。因此，利用检测电路70a检测振子51a的频率变化量，根据频率的变化量计算在X轴方向上作用的负荷，由此可计算出对镇物100作用的X轴方向的加速度的大小及方向。振子51b、51c的构造与振子51a的构造相同，可以按照同样的方式计算Y轴和Z 轴方向的加速度的大小及方向。此外，驱动电路60a、60b、60c的结构与图6所示的驱动电路20a相同，另夕卜，检测电路70a、70b、70c的结构可以与检测频率变化量的已有电路相同，所以省略其说明。2.校正参数生成方法2-1.传感器安装角误差在理想状态下，角速度传感器10a、IObUOc被安装成检测轴分别与X轴、Y轴、Z轴精确地平行。同样，在理想状态下，加速度传感器50a、50b、50c被安装成检测轴分别与X轴、 Y轴、Z轴精确地平行。但是，从成本角度来看，很难这样精确地安装角速度传感器10a、10b、 IOc以及加速度传感器50a、50b、50c。因此，实际上如图7A所示，X轴角速度传感器IOa被安装成检测轴与绕Y轴旋转微小角Δ θ 2Χ、绕ζ轴旋转微小角Δ θ &的X’轴平行。同样，实际上如图7Β所示，Y轴角速度传感器IOb被安装成检测轴与绕Z轴旋转微小角Δ e3y、绕X 轴旋转微小角Δ θ ly的Y’轴平行，且实际上如图7C所示，Z轴角速度传感器IOc被安装成检测轴与绕X轴旋转微小角Δ θ lz、绕Y轴旋转微小角Δ轴平行。即，X轴角速度传感器IOa的绕Y轴的安装角误差以及绕Z轴的安装角误差分别是Δ θ&、Δ θ3χ，Y轴角速度传感器IOb的绕Z轴的安装角误差以及绕X轴的安装角误差分别是Δ Θ&、Δ 0ly，Z轴角速度传感器IOc的绕X轴的安装角误差以及绕Y轴的安装角误差分别是Δ θ3ζ、Δ θ1ζ。加速度传感器50a、50b、50c也同样存在安装角误差。因此，角速度传感器10a、 10b、10c、加速度传感器50a、50b、50c的各检测值偏离理想值。
13
2-2.数学方面的考察现有的校正式(1)、校正式(2)中的函数矩阵式(雅可比矩阵式)不是直接反映传感器的安装角误差的校正参数，另外，在校正式(1)、校正式O)中，以上次检测值为基础使用函数矩阵式(雅可比矩阵式)来类推本次的检测值，所以当对检测值实施某种映射时，无法获得校正值。因此，校正式(1)、校正式(2)在提高校正精度方面存在极限。因此，以下， 从数学方面考察精度更高的校正。禾Ij用式(3)给出在3维欧几里德空间中绕X轴、Y轴、Z轴分别实施角度θ旋转的旋转矩阵Τ1、Τ2、Τ3。[式3]
(I 0 0、T1 (0) = I O cosi sta θ ,T1
—sin沒 Cosffj并且，可利用旋转矩阵T1、T2、T3之积的组合来表示3维欧几里德空间中的任意旋转。例如，利用式⑷给出通过绕Z轴旋转角度θ 3、绕Y轴旋转角度θ 2、绕X轴旋转角度 θ ！而将XYZ坐标系转换成V Y’ V坐标系的矩阵Ts。以下，将Ts称为“转换矩阵”。[式4]
[
权利要求
1.一种姿势检测装置的校正参数生成方法，该姿势检测装置包含对角速度或加速度进行检测的第1传感器、第2传感器和第3传感器，所述第1传感器、第2传感器和第3传感器被安装成检测轴分别与相互垂直的第1轴、第2轴和第3轴大致平行，该校正参数生成方法生成校正式的校正参数，该校正式将根据所述第1传感器、所述第2传感器和所述第3传感器的检测信号检测物体姿势的所述姿势检测装置的检测值，校正成以所述第1轴、所述第2轴和所述第3轴为坐标轴的正交坐标系中的检测值，其特征在于，该校正参数生成方法包含以下步骤将旋转板设置成使得上表面处于水平；在具有相互垂直的第1面、第2面、第3面的长方体形状的夹具的所述第1面上，以所述第1轴与所述第2面垂直、所述第2轴与所述第3面垂直、所述第3轴与所述第1面垂直的方式，固定所述姿势检测装置；第1检测值取得步骤，将所述夹具的与所述第2面相对的面固定在所述旋转板的所述上表面，使所述旋转板静止或以规定角速度旋转，取得所述姿势检测装置的检测值；第2检测值取得步骤，将所述夹具的与所述第3面相对的面固定在所述旋转板的所述上表面，使所述旋转板静止或以规定角速度旋转，取得所述姿势检测装置的检测值；第3检测值取得步骤，将所述夹具的与所述第1面相对的面固定在所述旋转板的所述上表面，使所述旋转板静止或以规定角速度旋转，取得所述姿势检测装置的检测值；以及校正参数生成步骤，根据所取得的检测值生成所述校正参数。
2.根据权利要求1所述的姿势检测装置的校正参数生成方法，其特征在于，所述校正式包含用于将所述第1传感器、所述第2传感器和所述第3传感器的各检测值校正成所述正交坐标系中的各检测值的第1校正矩阵、第2校正矩阵和第3校正矩阵，作为所述校正参数，并且，所述校正式表示为通过下述方式得到的3个矩阵之和，该方式为 将所述第1校正矩阵、所述第2校正矩阵和所述第3校正矩阵各自与分别包含对所述第1 传感器、所述第2传感器和所述第3传感器的各检测值进行A/D转换后的数字值作为要素的各个矩阵相乘，由此获得所述3个矩阵。
3.根据权利要求2所述的姿势检测装置的校正参数生成方法，其特征在于，所述第1校正矩阵、所述第2校正矩阵和所述第3校正矩阵是将所述第1传感器、所述第2传感器和所述第3传感器的各检测轴分别转换成所述第1轴、所述第2轴和所述第3 轴的旋转矩阵的逆矩阵。
4.根据权利要求2或3所述的姿势检测装置的校正参数生成方法，其特征在于， 所述校正参数生成步骤包含以下步骤根据在所述第1检测值取得步骤中取得的所述检测值，计算所述第2传感器和所述第 3传感器的绕所述第1轴的各安装角误差；根据在所述第2检测值取得步骤中取得的所述检测值，计算所述第1传感器和所述第 3传感器的绕所述第2轴的各安装角误差；根据在所述第3检测值取得步骤中取得的所述检测值，计算所述第1传感器和所述第 2传感器的绕所述第3轴的各安装角误差；根据所述第1传感器的绕所述第2轴的所述安装角误差和绕所述第3轴的所述安装角误差，生成所述第1校正矩阵；根据所述第2传感器的绕所述第1轴的所述安装角误差和绕所述第3轴的所述安装角误差，生成所述第2校正矩阵；以及根据所述第3传感器的绕所述第1轴的所述安装角误差和绕所述第2轴的所述安装角误差，生成所述第3校正矩阵。
5.一种用于生成姿势检测装置的校正参数的装置，该姿势检测装置包含对角速度或加速度进行检测的第1传感器、第2传感器和第3传感器，所述第1传感器、第2传感器和第 3传感器被安装成检测轴分别与相互垂直的第1轴、第2轴和第3轴大致平行，该用于生成姿势检测装置的校正参数的装置被使用于生成校正式的校正参数，该校正式将根据所述第 1传感器、所述第2传感器和所述第3传感器的检测信号检测物体姿势的所述姿势检测装置的检测值，校正成以所述第1轴、所述第2轴和所述第3轴为坐标轴的正交坐标系中的检测值，其特征在于，该用于生成姿势检测装置的校正参数的装置包含长方体形状的夹具，其具有相互垂直的第1面、第2面、第3面，该夹具能够以所述第1 轴与所述第2面垂直、所述第2轴与所述第3面垂直、所述第3轴与所述第1面垂直的方式， 将所述姿势检测装置固定在所述第1面上；旋转板，其能够在上表面上固定所述夹具的分别与所述第1面、所述第2面、所述第2 面相对的面中的任意一面；以及旋转控制部，其使所述旋转板以规定角速度进行旋转。
6.一种姿势检测装置，其特征在于，该姿势检测装置包含第1传感器、第2传感器和第3传感器，它们被安装成检测轴分别与相互垂直的第1轴、 第2轴和第3轴大致平行，检测角速度或加速度；存储部，其存储有校正式的校正参数，该校正式将所述第1传感器、所述第2传感器和所述第3传感器的各检测值，校正成以所述第1轴、所述第2轴和所述第3轴为坐标轴的正交坐标系中的检测值；A/D转换处理部，其进行将所述第1传感器、所述第2传感器和所述第3传感器的各检测信号转换成数字信号的处理；以及校正计算处理部，其进行根据各个所述数字信号和所述校正参数计算所述校正式的处理，所述校正式包含用于将所述第1传感器、所述第2传感器和所述第3传感器的各检测值校正成所述正交坐标系中的各检测值的第1校正矩阵、第2校正矩阵和第3校正矩阵，作为所述校正参数，并且，所述校正式表示为通过下述方式得到的3个矩阵之和，该方式为 将所述第1校正矩阵、所述第2校正矩阵和所述第3校正矩阵各自与分别包含对所述第1 传感器、所述第2传感器和所述第3传感器的各检测值进行A/D转换后的数字值作为要素的各个矩阵相乘，由此获得所述3个矩阵。
7.根据权利要求6所述的姿势检测装置，其特征在于，所述第1校正矩阵、所述第2校正矩阵和所述第3校正矩阵是将所述第1传感器、所述第2传感器和所述第3传感器的各检测轴分别转换成所述第1轴、所述第2轴和所述第3 轴的旋转矩阵的逆矩阵。
8.根据权利要求6或7所述的姿势检测装置，其特征在于，该姿势检测装置包含信号选择处理部，该信号选择处理部进行如下处理以规定周期依次选择所述第1传感器、所述第2传感器和所述第3传感器的各所述检测信号中的任意一个，所述A/D转换处理部包含A/D转换电路，该A/D转换电路对所述信号选择处理部选择出的检测值依次进行A/D转换处理。
全文摘要
将旋转板(230)设置成使得上表面(231)处于水平(S10)，在长方体夹具(210)的表面(221)上，以X轴(第1轴)与表面(212)(第2面)垂直、Y轴(第2轴)与表面(213)(第3面)垂直、Z轴(第3轴)与表面(211)(第1面)垂直的方式，固定姿势检测装置(1)(S12)。并且，在旋转板的上表面上依次固定长方体夹具的与表面(212、213、211)相对的各个表面(S14、S20、S26)，使旋转板静止或者以固定角速度旋转而取得姿势检测装置的检测值(S16、818、S22、S24、S28、S30)，生成校正参数(S32)。
文档编号G06F3/033GK102216790SQ20098014532
公开日2011年10月12日 申请日期2009年11月12日 优先权日2008年11月13日
发明者宇田川裕文, 小林祥宏 申请人:爱普生拓优科梦株式会社