JP2008004096A - 入力装置の空間認識方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】入力装置の把持状態や姿勢と関係なく空間の三次元情報を入力できるよう、角速度計および角速度計を利用した入力装置を提供する。
【解決手段】角速度計および角速度計を利用して基準座標系に対するオイラー角を計算する段階、および前記計算されたオイラー角を利用して前記入力装置の動きに対する空間の位置情報を認識する段階を含むことを特徴とする空間認識方法を提供する。これを利用した機構を入力装置に組み込むことで、入力装置の把持状態や姿勢と関係なく空間の三次元情報を入力できるようになる。
【選択図】図１

Description

本発明は入力装置の動きに対する空間認識方法およびその装置に関するもので、更に詳細には角速度計および加速度計を利用してオイラー角を計算し入力装置の動きに対する空間を認識する方法およびその装置に関するものである。

一般的に航法システム(navigation system)は航法センサを利用して位置、姿勢、速度、加速度、時間、方向角、角速度等の位置把握に関する多様な情報を提供するシステムを意味するものであって、航法アルゴリズム(navigation algorithm)はこのような航法システムで導入されるアルゴリズムの一つで航体の姿勢を測定するための目的に使用される。

航法座標系(ｎａｖｉｇａｔｉｏｎａｌ ｆｒａｍｅ）は図１に図示したように航体の質量の中心を原点として、Ｎ軸を北側と定義し、Ｅ軸を東側と定義し、Ｄ軸が垂直下と定義されるローカルレベル(ｌｏｃａｌ−ｌｅｖｅｌ）座標系である。前記Ｄ軸は地球楕円体に垂直であり、前記Ｎ軸は地球か移転ベクトルのローカルレベル面から北側への正射形であり、前記Ｅ軸(Ｄ軸とＮ軸)が成す面と右側に垂直軸を形成する。前記航法座標系は姿勢計算の基準となる座標系である。

胴体座標系(ｂｏｄｙ ｆｒａｍｅ)は図１に図示されたように航体の質量の中心を原点としＸｂ軸は航体の船首方向であり、Ｙｂ軸はＸｂ軸に対して航体の右側方向、Ｚｂ軸は航体の船主下方向と定義される座標系である。

このように、前記胴体座標系と前記航法座標系は同じ原点に対する回転によって一致させることができ、このような回転は即、航体の姿勢(ａｔｔｉｔｕｄｅ)に該当する。

しかし、前記胴体座標系の場合、座標軸の方向が航体の運動によって変化するため航法の基準座標系として利用することができない。センサが前記航体に直接付着された場合、センサ出力は前記胴体座標系で表現され、このような場合センサ出力を他の座標系に変換させる過程が必要である。

オイラー角(Ｅｕｌｅｒ Ａｎｇｌｅ)は図２に図示されたように基準座標系、すなわち地表面に対して固定されている航法座標系に対する回転角度(ピッチ(ｐｉｔｃｈ)、ロール(ｒｏｌｌ)、ヨー(ｙａｗ)を表すため、絶対的な角度を表示することができるようになり上下／左右の基準が絶対的となる。

従来加速度計を利用した入力装置は加速度計を使用して航法座標系においてロール角とチッピ角を求めることができ、前記求められたロール角とピッチ角を使用する入力装置としてジョイスティック、角速度マウスなどがある。すなわち従来加速度計を利用した入力装置は傾きを感知して前記ロール角をＸ座標に変換し、前記ピッチ角をＹ座標に変換してカーソルを移動させ、角度の変化時に発生する重力ベクトル成分を利用して角速度を測定する。

しかし、従来加速度計を利用した入力装置は傾斜の変化を測定するため、左右移動時にユーザの動きをスムーズに測定することができないという問題点があった。また、従来加速度計を利用した入力装置は動きや歩いている状態等のような動作状態で重力加速度成分以外に前進方向加速度、衝撃等が混在するため、正確な動きを抽出することができなという問題点があった。

さらに、従来加速度計を利用した入力装置はほとんどすべての場合、初期状態はレベル状態を維持しなければならないためレベル状態を維持していない状態で初期化をした場合、移動の限界が発生するため、重力を感知するセンサが垂直状態に立っている場合、角度を求めることができないという問題点があった。

一方、従来角速度計を利用した入力装置は角速度計によって角速度を測定し、前記測定された角速度を積分する過程を経て角度を測定することができる。しかし、従来角速度計を利用した入力装置はバイアスの時間／温度による変化によって累積誤差が発生するため、正確な姿勢を得ることができないという問題点があった。

また、従来角速度計を利用した入力装置は胴体座標系内での姿勢変化だけを求めるため、姿勢の正確度が低下するという問題点があった。さらに、従来角速度計を利用した入力装置はペンまたはマウスを持つ姿勢によって軸が変化するため、常に一定な方向でペンやマウスを持って動作させなければならないため、ユーザが使用するに不便であるという問題点があった。

さらに、従来角速度計を利用した入力装置は角速度値だけを利用するため、角度を測定することができず相対的な値だけを取るため、動作の再演性が低下するという問題点があった。また、従来の閾値を利用する方式の場合、微細信号に対してバイアスとして認識し精密な動作をの具現が難しく、このとき誤って推定されたバイアス情報を使用することによって角度のドリフト現象が発生するという問題点があった。

したがって、入力装置が空間で動く場合、正確な角度を測定し入力装置の空間の動きを正確に認識する方案が切実に要請されている。

本発明は上記のような従来技術の問題点を解決するために案出されたものであって、角速度計と加速度計を利用して６自由度航法システムを構成し、基準座標系に対するオイラー角を計算して空間上で動き動作する入力装置の空間認識方法およびその装置を提供することを目的とする。

本発明の他の目的は角速度計だけでなく、加速度計を利用して角度の発散を防ぎ絶対的な角度を測定して角度の正確性を向上させる得る入力装置の空間認識方法およびその装置を提供するものである。

本発明のまた他の目的は胴体座標系での角度でない基準航法座標系と胴体座標系間のオイラー角を利用してプレゼンターまたはマウス自体の把持状態や姿勢に関係なく動きを表すことができる入力装置の空間認識方法およびその装置を提供するものである。

本発明のまた他の目的は角速度計以外の加速度計を利用して角速度計のバイアスを数学的に補正することができる入力装置の空間認識方法およびその装置を提供するものである。

本発明のまた他の目的は航法座標系と胴体座標系間のオイラー角を測定して絶対的な姿勢および角度情報を抽出することができるため、ユーザが入力装置をどんな形態で握っていたとしても絶対的なポジショニングが可能な入力装置の空間認識方法およびその装置を提供するものである。

前記目的を達成し従来技術の問題点を解決するために、本発明は角速度計および加速度計を利用して基準座標系に対するオイラー角を計算する段階および前記計算されたオイラー角を利用して前記入力装置の動きに対する空間の位置情報を認識する段階を含むことを特徴とする空間認識方法を提供する。

本発明の他の実施形態によれば、入力装置の空間認識装置は前記入力装置の動きによる空間の位置情報を認識し、前記認識された位置情報を伝送する送信機および前記送信機から伝送される前記位置情報を受信する受信機を含み、前記送信機は、前記入力装置による角速度および加速度を測定する慣性測定モジュールと、前記角速度および前記加速度を利用してオイラー角を計算し、前記計算されたオイラー角を利用して前記入力装置の位置情報を生成する第1主制御モジュールおよび無線通信方式によって前記位置情報を前記受信機に伝送し、前記受信機から伝送されるデータを受信する第１送受信モジュールを含み、前記受信機は、前記送信機から伝送される位置情報を受信し、前記送信機に必要なデータを伝送する第２送受信モジュールと、前記受信された位置情報を処理する第２主制御モジュールおよび前記処理された位置情報を連結された製品に伝達するための通信を遂行する通信モジュールを含む。

本明細書で使用される入力装置は、プレゼンター、ＰＣ用空間マウス、デジタルＴＶ用拡張型空間リモコン、３次元体感型ゲーム用空間入力器、ＨＭＤ(Ｈｅａｄ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙ)入力装置、歩行距離記録計、車両用航法装置、車両用ブラックボックス等のような現在一般的に使用されている装置だけではなく、将来使用されるすべての入力装置を包括する概念である。

本発明によれば、角速度計と加速度計を利用して6自由度航法システムを構成し、基準座標系に対するオイラー角を計算して空間上で動き動作するプレゼンター、マウスまたはリモコンの動きを認識することができる。

また、本発明によれば、角速度計だけでなく角速度計を利用して角度の発散を防ぎ、絶対的な角度を測定することができるため、角度の正確性を向上させることができる。

また、本発明によれば、胴体座標系での角度でない基準航法座標系と胴体座標系間のオイラー角を利用するためプレゼンターまたはマウス自体の把持状態や姿勢に関係なく動きを示すことができる。

また本発明によれば、角速度計以外の角速度計を利用して角速度計のバイアスを数学的に補正することができる。

また、本発明によれば、胴体座標系での角度でない航法座標系と胴体座標系間のオイラー角を測定し絶対的な姿勢および角度情報を抽出することができるため、ユーザが入力装置をどんな形態で握っていても絶対的にポジショニングが可能である。

以下では添付された図を参照し本発明の実施形態による入力装置の空間認識方法およびその装置を詳細に説明する。
図３は本発明による入力装置の空間認識装置の構成を示す図である。
図３を参照すれば、本発明による入力装置の空間認識装置３００は送信機３１０および受信機３２０を含む。

送信機３１０はプレゼンター、マウスまたはリモコン等のような入力装置が、動きによって認識された空間位置情報を無線通信方式によって受信機３２０に伝送する。すなわち送信機３１０は前記入力装置の動きによる角速度データおよび加速度データを測定し、前記測定された角速度データおよび前記加速度データを利用してオイラー角を計算し、前記計算されたオイラー角を利用して前記入力装置の動きによる空間の位置情報を把握し無線通信方式によって受信機に伝送する。

受信機３１０は図４に図示されたような構成で具現され得る。以下図４を参照し送信機に対する構成およびその動作を下記で詳細に説明する。
図４は送信機に対する構成の一形態を示す図である。
図４を参照すれば、送信機３１０は慣性測定モジュール４１０、主制御モジュール４２０、無線送受信モジュール４３０、キー入力モジュール４４０および充電モジュール４５０を含む。

慣性測定モジュール(Inertial Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｍｏｄｕｌｅ)４１０は角速度計４１１および加速度計４１２を含み、送信機３１０の動きによる角速度データおよび加速度データを各々測定する。

角速度計４１１は送信機３１０の動きによる角速度データを測定する。前記角速度データは角速度計４１１であるジャイロスコープ(Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ)による単位時間当たりの角度変化量を意味し、前記角速度データを一度積分すれば角度となるため、角速度計４１１は姿勢を計算するために必ず必要なセンサに該当する。

加速度計(ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ)４１２は送信機３１０の動きによる加速度データを測定する。前記加速度データは加速度計４１２により測定された加速度を意味するが、このような加速度計データを積分し、速度、距離等を算出することができるようになる。

このように、本発明による入力装置の空間認識装置３００は角速度計４１１および加速度計４１２を統合した慣性測定モジュール４１０によって前記角速度データおよび前記加速度データを測定する。

主制御モジュール４２０は慣性測定モジュール４１０で測定された角速度データおよび加速度データを利用してオイラー角を計算する。

このように、本発明による送信機３１０は角速度計４１１だけでなく加速度計４１２を利用してオイラー角を計算するため、前記計算されたオイラー角に対する正確度を向上させることができる。

また、本発明による入力装置の空間認識装置３００は角速度計４１１と加速度計を統合して角度を測定するため、胴体座標系での角度でない航法座標系と胴体座標系間のオイラー角を計算することができる。

したがって、本発明による入力装置の空間認識装置３００は前記胴体座標系での角度でない前記基準個法座標系と前記胴体座標系間のオイラー角を利用するため、プレゼンターまたはマウス自体の把持状態や姿勢に関係なく動きを表すことができる。前記オイラー角は地表面に対して固定されている基準座標に対する角度を表すため、絶対的な角度を表示することができ、上下／左右の基準が絶対的となる。

主制御モジュールは加速度計４１２情報を利用して角速度計４１１のバイアスを推定するため従来デッドゾーン(ｄｅａｄ ｚｏｎｅ)を与える方式と異なり数学的に角速度計４１１のバイアスを推定することができる。

主制御モジュール４２０は角速度計４１１と加速度計４１２間の統合およびバイアス推定にカルマンフィルタリング(Ｋａｌｍａｎ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ)技法を利用する。前記カルマンフィルタリング技法は移動中である標的の探索及び追跡のために最も多く応用され、線形システムの状態変数を推定する技法であって1960年カルマンによって紹介された。

このように、本発明による入力装置の空間認識装置３００は従来活性化ボタン等を利用してバイアスを推定する方式でないため、バイアスの推定が体系的である。

主制御モジュール４２０は前記計算されたオイラー角を利用して送信機３１０の動きによる位置情報を把握する。

このように、本発明による入力装置の空間認識装置３００は絶対的な姿勢及びオイラー角を抽出することができるため、ユーザが前記入力装置をどんな形態で掴んでいたとしても絶対的なポジショニング（ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ）が可能である。

無線送受信モジュール４３０は前記位置情報を無線通信方式によって受信機３２０に伝送し、受信機３２０から伝送されるデータを前記無線通信方式によって受信する。

キーモジュール４４０は送信機３１０の動作に必要なキーを具備し、前記具備されたキーがユーザによって押された場合、それに対応されるキーデータを生成し、前記生成されたキーデータを主制御モジュール４２０に提供する。

主制御モジュール４２０はキーモジュール４４０から提供された前記キーデータを分析し、前記分析されたキーデータに対応される動作を遂行するように送信機３１０を制御する。
主制御モジュール４２０はオイラー角のドリフト現象を数学的に計算し、防止することができるため、長時間使用したり、微細な入力を持続的に加える場合でもバイアスの推定を遂行することができる。

充電モジュール４５０は送信機３１０の動作に必要な電源を供給するバッテリーを充電する。
このように、本発明による入力装置の送信機３１０は角速度計４１１及び加速度計４１２を利用して基準座標系に対するオイラー角を計算し、前記計算されたオイラー角を利用して前記入力装置の動きに対する認識された空間の位置情報を、前記無線通信方式によって受信機３２０に伝送する。

受信機３２０は前記無線通信方式によって送信機３１０から伝送される前記位置情報を受信する。
図５は受信機に対する構成の一形態を示す図である。
図５を参照すれば、受信機３２０は無線送受信モジュール５１０、主制御モジュール５２０及び通信モジュール５３０を含む。

無線送受信モジュール５１０は送信機３１０から伝送される前記位置情報を前記無線通信方式によって受信し、送信機３１０に伝達しようとするデータを前記無線通信方式によって送信機３１０に伝送する。

主制御モジュール５２０は受信機３２０の動作を全般的に制御し、前記受信された位置情報に対する処理を遂行する。

通信モジュール５３０はコンピュータ５００、プロジェクタまたはテレビジョン等のような製品と連動され、前記連動された製品との通信を施行するためのインターフェースモジュールとしてＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）またはＳＰＩ（Ｓｅｒｉａｌ Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）等を含む。すなわち通信モジュール５３０は前記位置情報をコンピュータ５００、プロジェクタまたはテレビジョン等のような製品に伝送する。したがって、前記製品は通信モジュール５３０を通して伝送された前記位置情報による空間上で動き、動作するプレゼンター、マウスまたはリモコン等の動きを把握し、これを画面上に表示することができる。

このように、本発明による入力装置の空間認識装置３００は、角速度計と加速度計を利用して６自由度航法システムを構成し、基準座標系に対するオイラー角を計算し、空間上で動き動作するプレゼンター、マウスまたはリモコンの動きを認識することができる。

したがって、本発明による入力装置の空間認識装置３００は、送信機３１０から前記入力装置の動きによる位置情報を、無線通信方式を利用して受信機３２０を伝送し、受信機３２０が前記位置情報をコンピュータ５００、プロジェクタまたはテレビジョン等のような製品に伝達することによって前記製品において情報入力装置として使用され得る。

図６は、本発明の実施形態による入力装置の空間認識方法の流れを示す図である。
図６を参照すれば、段階６１０で入力装置は角速度計によって角速度データを測定し、段階６２０で加速度計によって加速度データを測定する。

このように、本発明による入力装置の空間認識方法は前記角速度計によって角速度データを測定する段階６１０及び前記加速度計によって加速度データを測定する段階６２０を順次的に遂行し、前記角速度データと前記加速度データを順次的に測定することもできるが、段階６１０及び段階６２０を同時に遂行し、前記角速度データと前記加速度データを同時に測定することもできる。

段階６３０で前記入力装置は前記加速度計によって測定された加速度データを利用して前記角速度計のデバイスを推定する。

また、段階６３０で前記入力装置はカルマンフィルタリング技法を利用して前記角速度計のバイアスを推定することができる。前記カルマンフィルタリング技法は前記角速度計及び前記加速度計を統合することにも利用する。

このように、本発明による入力装置の空間認識方法は加速度計情報を利用して角速度計のバイアスを推定するため従来のデッドゾーンを与える方式などと異なり数学的に角速度計のバイアスを推定することができる。

しがたって、本発明のよる入力装置の空間認識方法は角度のドリフト現象を数学的に計算し防止することができるため、長時間使用したり、微細な入力を持続的に加える場合でもバイアスの推定が行われる。

また、本発明による入力装置の空間認識方法は前記角速度計のバイアスを数学的に補正することができるため、前記角速度計のバイアス現象を排除することができる。

段階６４０で前記入力装置は前記測定された角速度データ及び前記加速度データを利用してオイラー角を計算する。すなわち段階６４０で前記入力装置は前記測定された角速度データ及び前記加速度データを利用して基準航法座標系と胴体座標系間のオイラー角を計算する。

このように、本発明による入力装置の空間認識方法は前記角速度データ及び前記加速度データを利用してオイラー角を計算するため、前記計算されたオイラー角の正確度を向上させることができる。

段階６５０で前記入力装置は前記計算されたオイラー角を利用して動きに対する空間の位置情報を認識する。前記入力装置は送信機を通して前記認識された位置情報を無線通信方式によってコンピュータ、プロジェクタまたはテレビジョンと連動される受信機に伝送し、前記受信機で受信された前記位置情報を前記連動される製品に伝達する。前記製品は空間認識機能を有する前記入力装置を通して位置情報の伝達を受けることによって、前記入力装置を情報入力装置として使用することができる。

このように、本発明による入力装置の空間認識方法は胴体座標系での角度でない基準航法座標系と胴体座標系間のオイラー角を利用するため、プレゼンターまたはマウス自体の把持状態や姿勢と関係ない動きを表すことができる。

また、本発明による入力装置の空間認識方法は角速度計と加速度計を統合して角度を測定するため、胴体座標系での角度でない航法座標系と胴体座標系間のオイラー角を測定し、絶対的な姿勢及び角度情報を抽出することができるため、入力装置がどんな状態で握られているとしても絶対的なポジショニングが可能である。

また本願による入力装置の空間認識方法は多様なコンピュータで具現される動作を遂行するためプログラム命令を含むコンピュータ判読可能媒体を含む。前記コンピュータ判読可能媒体はプログラム命令、データファイル、データ構造などを単独でまたは組合わせて含むことができる。前記媒体は、プログラム命令は本発明のために特別に設計され構成されたものであったり、コンピュータソフトウェア当業者に公知され使用可能なものであり得る。

コンピュータ判読可能媒体の例としてはハードディスク、フロッピーディスク、及び磁気テープのような磁気媒体（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｅｄｉａ）、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤのような光記録媒体（ｏｐｔｉｃａｌ ｍｅｄｉａ）、フロプディカルディスク（ｆｌｏｐｔｉｃａｌ ｄｉｓｋ）のような磁気−光媒体（ｍａｇｎｅｔｏ−ｏｐｔｉｃａｌ ｍｅｄｉａ）、及びロム（ＲＯＭ）、ラム（ＲＡＭ）、フラッシュメモリなどのようなプログラム命令を保存し、遂行するように特別に構成されたハードウェア装置が含まれる。

前記媒体はプログラム命令、データ構造などを保存する信号を伝送する搬送波を含む光または金属線、導波管などの伝送媒体であり得る。プログラム命令の例としてはコンパイラによって作られたもののような機械語コードだけでなくインタープリタ等を使用しコンピュータによって実行し得る高級言語コードを含む。

このように本発明は限定された実施形態と図面により説明されたが、本発明は前記の実施形態に限定されるものではなく、これは本発明が属する分野で通常の知識を有する者であれば、このような委細から多様な修正及び変形が可能である。したがって、本発明思想は前述の特許請求の範囲によってのみ把握されなければならず、この均等または等価的変形すべては本発明思想の範疇に属するといえる。

航法座標系と胴体座標系を示す図である オイラー角を示す図である。 本発明による入力装置の空間認識装置に対する構成を示す図である。 送信機に対する構成の一形態を示す図である。 受信機に対する構成の一形態を示す図である。 本発明による実施形態による入力装置の空間認識方法のフローを示す図である。

符号の説明

３１０ 送信機
３２０ 受信機
４１０ 慣性測定モジュール
４１１ 角速度計
４１２ 角速度計
４２０、５２０ 主制御モジュール
４３０、５１０ 無線送受信モジュール
４４０ キーモジュール
４５０ 充電モジュール
５３０ 通信モジュール

Claims (7)

1. 入力装置の動きに対する空間を認識する方法において、
   角速度計によって角速度を測定する段階と、
   加速度計によって加速度を測定する段階と、
   前記加速度データを利用して前記角速度計のバイアスを推定する段階と、
   前記角速度データ及び前記加速度データを利用して基準航法座標系と胴体座標系間のオイラー角を計算する段階、および
   前記計算されたオイラー角を利用して前記入力装置の動きに対する空間の位置情報を認識する段階を含むことを特徴とする空間認識方法。
2. 前記角速度計のバイアスを推定する段階は、
   カルマンフィルタリング技法によって前記角速度計のバイアスを推定することを特徴とする請求項１に記載の空間認識方法。
3. 請求項１または２に記載の方法をコンピュータで実行するためのプログラムを記録するコンピュータ判読可能媒体。
4. 入力装置の動きに対する空間を認識する装置において、
   前記入力装置の動きによる空間の位置情報を認識し、前記認識された位置情報を伝送する送信機と、
   前記送信機から伝送された前記位置情報を受信する受信機を含み、
   前記送信機は
   前記入力装置の動きによる角速度データ及び加速度データを測定する慣性測定モジュールと、
   前記角速度データ及び加速度データを利用して基準航法座標系と胴体座標系間のオイラー角を計算し、前記計算されたオイラー角を利用して前記入力装置の位置情報を生成し、前記加速度データを利用して前記角速度計のバイアスを推定する第１主制御モジュールと、
   無線通信方式によって前記位置情報を前記受信機に伝送し、前記受信機から伝送されたデータを受信する第１送受信モジュールを含み、
   前記受信機は、
   前記送信機から伝送される位置情報を受信し、前記送信機に必要なデータを送信する第２送受信モジュールと、
   前記受信された位置情報を処理する第２種制御モジュール、および
   前記処理された情報を連結された製品に伝達するための通信を遂行する通信モジュールを含むことを特徴とする空間認識装置。
5. 前記慣性測定モジュールは、
   前記角速度データを推定する角速度計と、
   前記加速度データを測定する加速度計を含むことを特徴とする請求項４に記載の空間認識装置。
6. 前記第１制御モジュールは、
   カルマンフィルタリング技法を利用して前記角速度計の前記バイアスを推定することを特徴とする請求項４に記載の空間認識装置。
7. 前記入力装置は、
   プレゼンター、マウスまたはリモコンを含むことを特徴とする請求項４に記載の空間認識装置。

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