JP2007041143A - 携帯機器及びその描画処理制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 機器の持ち姿勢の状態変化に応じた低消費電力化、また違和感のない最適な地図画像表示をすることによってナビゲーションを可能とすること。
【解決手段】 方位角検出部１３により機器の方位を検知し、この方位に基づいて、表示部に地図画像を表示する携帯機器である。機器の表示部の表示面の傾きの程度を検出する加速度検出部１１と、その検出結果によって機器の保持・運搬・利用状態を判定する推定算出部１６を備えている。この推定算出部１６は、検出された機器の傾きが所定時間以上、所定の角度を外れるとき、利用歩行者が地図画像を視認していない使用状態と判定し、地図画像に対して、表示演算処理の休止を行なって低消費電力化を行なうとともに、その判定直前の地図画像データを保持用メモリに書き出し、その後の視認使用状態の再開時の再表示に備えるようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、歩行者用自律航法装置を搭載した携帯機器及びその描画処理制御方法に関し、より詳細には、地磁気センサ等の方位検出手段、及び加速度センサ等の加速度検出手段を内蔵し、歩行ナビゲーション装置として使用することができる歩行者用自律航法装置を搭載した携帯機器、及び検知した方位に基づいて表示部に描画を表示させる描画処理制御方法に関する。

近年、携帯電話に代表されるＧＰＳ（Ｇｒｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；全地球測位システム）機能を備えた小型の携帯機器が盛んに開発されている。これらの機器では、ＧＰＳ装置、携帯電話網等による地図配信、表示アプリケーションなどを連動させて、歩行者用のナビゲーションを行う応用例がある。

歩行者用に歩行ナビゲーションを提供する携帯機器には、歩行者の進行方向と地図の表示を合わせるために、地磁気センサ等の方位検出手段が搭載されているものがある。また、携帯機器の姿勢を検知するために加速度センサ等の加速度検出手段を合わせて搭載されているものもある（任意の姿勢で正確な方位を知るためには加速度検出手段によって姿勢を検知して補正することが必須である）。

方位角センサや加速度センサを利用した自律航法は、例えば、特許文献１及び特許文献２に開示されている。この特許文献１のものは、ＧＰＳ信号を受信できなくとも、歩行者の移動方位をより正確に検出でき、かつ歩行状態に合った歩幅に変更することで、自律航法（例えば、歩数×歩幅、歩幅の修正及び移動方向を検出するセンサを有する構成）による歩行者の位置検出精度を高めた携帯用位置検出装置に関するもので、この携帯用位置検出装置では、歩数計を用いて「歩数×歩幅」の演算で移動位置を検出し、加速度センサを用いて１歩あたりの歩行時間から歩行状態に合った歩幅に修正し、地磁気センサを用いて移動方向を検出することにより、自律航法で歩行者の移動位置を精度良く検出するようにしたものである。これにより、ＧＰＳ衛星信号を受信できない林の中や高層ビルの谷間などに位置する場合であっても、携帯用位置検出装置を携帯している歩行者の位置を、歩幅の精度を高めながら、実用上十分な精度で知ることを可能にしたものである。

また、特許文献２のものは、屋内外を移動する歩行者の歩行航行を測定する歩行航行装置に関するもので、この歩行航行装置は、コンピュータを備え、このコンピュータに接続された入力装置は、歩行者のウエストに装着され、歩行者が歩行するとき、前進方向加速度計及び上方向加速度計によって前進方向及び上方向の加速度が検出され、コンピュータに備えられている中央処理ユニット部（ＣＰＵ）により、それらの検出結果から交差相関関数を算出し、予めハードディスク（ＨＤ）に記憶されている水平歩行や上昇歩行、下降歩行の交差相関関数と比較し、いずれか１つの歩行行動を判別するようにしたもので、これにより、階段を昇降するような高低差が低い経路を歩行者が歩いたことを容易に知ることができるようにしたものである。

特開２０００−９７７２２号公報 特開２００２−１３９３４０号公報 特開２００５−１５７４６５号公報

しかしながら、携帯機器をウエストなどに規定の姿勢で固定した状態で使用するか、あるいは姿勢は規定しなくとも装着後にキャリブレーションが必要であるなど、使用者に一定の制限を課すという問題があった。

また、こうした歩行ナビゲーションで利用されている携帯機器では、機器画面を見ていない状況での機器の持ち姿勢でも地図描画処理が継続されており、電力を消費するという問題があった。また、機器画面を見ていない状態での機器の姿勢角度は、利用時の角度からは大きくかけ離れているため、方位演算と描画処理は実際とまったく異なる状況になってしまうので、見る位置に持っていって利用に復帰した直後には、機器を見ていたときの最後の方向表示に対してまったく別な方向の地図データが画面に表示されてしまうという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、歩行ナビゲーション利用中の携帯機器の保持の仕方が自由でありながら、視認状態あるいは非視認状態という機器の持ち姿勢の状態変化に応じた低消費電力化、また、違和感のない最適な描画表示をすることによって使用者にストレスを与えることのないナビゲーションを可能とする携帯機器及びその描画処理制御方法を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、機器の使用状態に応じて該機器の表示部に描画を表示させる携帯機器において、前記機器の向いている方位を検出する方位角検出手段と、前記機器の表示部の傾き程度を検出する加速度検出手段と、前記方位角検出手段からの方位角データと前記加速度検出手段からの加速度データに基づいて、前記機器の姿勢が視認使用状態か非視認状態かを算出推定する機器姿勢算出推定手段とを備え、前記機器の姿勢が非視認状態のときには、その直前の描画データを保持して描画処理を休止させ、前記機器の姿勢が視認使用状態に復帰したときには、前記保持した描画データを用いて前記表示部に描画を再表示させることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記加速度検出手段が検出した加速度の経時的変化パターンに基づいて、前記機器の移動量を算出推定する移動量算出推定手段を備え、前記機器の姿勢が視認使用状態に復帰したときには、前記保持した描画データを前記移動量に応じてシフトさせて再表示させることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記加速度検出手段が検出した加速度の経時的変化パターンと前記方位角検出手段が検出した方位角の変化パターンに基づいて、前記機器の進行方向の変化量を算出推定する変化量算出推定手段を備え、前記機器の姿勢が視認使用状態に復帰したときには、前記保持した描画データを前記変化量に応じた方位に回転させて再表示させることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１，２又は３に記載の発明において、前記描画データが、地図画像データ・地形図画像データ又はナビゲーション情報であることを特徴とする。なお、ここでナビゲーション情報とは、あらかじめ設定した目的地までの進路に関して、その進路上のいくつかの目標地点への距離や矢印などによる進行方向指示などの各種表示情報を意味している。

また、請求項５に記載の発明は、機器の使用状態に応じて該機器の表示部に描画を表示させる携帯機器における描画処理制御方法において、前記機器の向いている方位を検出する方位角検出ステップと、前記機器の表示部の傾き程度を検出する加速度検出ステップと、前記方位角検出ステップによる方位角と前記加速度検出ステップによる加速度に基づいて、前記機器の姿勢が視認使用状態か非視認状態かを算出推定する機器姿勢算出推定ステップと、前記機器の現在位置と進行方向を計算する計算ステップと、該計算ステップによる計算結果に基づいて、前記機器の現在位置と進行方向に向いた前記描画を前記表示部に表示する表示制御ステップとを有し、前記機器の姿勢が非視認状態のときには、その直前の描画データを保持して描画処理を休止させ、前記機器の姿勢が視認使用状態に復帰したときには、前記保持した描画データを用いて前記表示部に描画を再表示することを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記加速度検出ステップにより検出された加速度の経時的変化パターンに基づいて、前記機器の移動量を算出推定する移動量算出推定ステップを有し、前記機器の姿勢が視認使用状態に復帰したときには、前記保持した描画データを前記移動量に応じてシフトさせて再表示することを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項５又は６に記載の発明において、前記加速度検出ステップにより検出された加速度の経時的変化パターンと前記方位角検出手段が検出した方位角の変化パターンに基づいて、前記機器の進行方向の変化量を算出推定する変化量算出推定ステップを有し、前記機器の姿勢が視認使用状態に復帰したときには、前記保持した描画データを前記変化量に応じた方位に回転させて再表示することを特徴とする。

また、請求項８に記載の発明は、請求項５，６又は７に記載の発明において、前記描画データが、地図画像データ・地形図画像データ又はナビゲーション情報であることを特徴とする。

つまり、本発明の携帯機器は、機器の使用状態に応じて機器の表示部に描画データに基づいて描画を表示させるもので、機器の向いている方位を検出する方位角検出手段と、機器に傾きを検出する加速度検出手段を備え、その検出結果によって機器の保持・運搬・利用状態を判定する算出推定部を備えている。この算出推定部は、検出された機器の傾きが所定時間以上、所定の角度を外れるとき、利用歩行者が描画画像を視認していない使用状態と判定し、描画データに対して、表示演算処理の休止を行なって低消費電力化を行なうとともに、その判定直前の描画データを保持用メモリに書き出し、その後の視認使用状態の再開時の再表示に備えるようにしたものである。

また、非視認状態と判定されている機器の傾きの場合においても、算出推定部が機器の振動及び揺動状態を所定時間以上、所定のパターンで検出した場合は、利用歩行者が方位に応じた情報をすぐに利用する目的で歩行している状態と判断し、方位角検出手段及び加速度検出手段は、機器の方位角と加速度の演算を所定の間隔で継続し続け、かつ、それに基づき機器の移動距離と進行方向を算出している。

算出推定部において、検出された機器の傾きを所定時間以上、所定角度範囲内と判定した場合は、低消費電力化を解除するとともに、状態に応じて、即座に保持用メモリ内に保存していた描画データを表示するか、歩行判断中に検知・演算していたデータに基づいた歩行移動量・進行方向変化角度に応じて当該描画データ画像を動かして表示する。

また、本発明の携帯機器における描画処理制御方法は、機器の姿勢角度が所定範囲内か否かを判断して視認状態か非視認状態かを推定し、非視認状態と推定された場合には、表示演算処理の休止を行なって低消費電力化を行なうとともに、その判定直前の描画データを保持用メモリに書き出し、その後の視認使用状態の再開時の再表示に備えるようにしたものである。

また、機器の移動が直進移動か経路移動かを判断し、直進移動の場合で、視認使用状態に復帰した場合には、保持した描画データを機器の移動量に応じてシフトさせて再表示するもので、また、機器の移動が経路移動の場合で、視認使用状態に復帰した場合には、保持した描画データを機器の経路移動距離に応じた方向変化角度分だけ回転させて再表示するものである。

上述した構成での演算及び表示制御に基づけば、歩行ナビゲーション利用状態での機器の空間内姿勢・挙動を検知し、機器画面を見ていない状態及び歩行者の歩行状態を判断し、無駄な描画処理を止めることができる。また、機器画面を見ていない状態での機器の姿勢角度は利用時の角度からは大きくかけ離れているので、方位演算と描画処理は実際とまったく異なる状況になってしまうので、その間、そのときの描画データを保持したまま描画処理を止めておき、利用状態に復帰した直後には、機器を見ていたときの最後の歩行者の位置をもとにその描画データを動かして再描画することができ、歩行者の利用中の様々な使用動作の中で、機器を見る位置に持っていったときに全然別な方向の画面が表示されることがないので、違和感のない滑らかなナビゲーション利用を提供することができる。

本発明によれば、方位角検出手段と加速度検出手段を備えた携帯機器での歩行ナビゲーションにおいて、「表示画面を見ている／表示画面見ていない」といった視認状態あるいは非視認状態の機器の持ち姿勢の状態変化に応じた低消費電力化、また、違和感のない最適な画像表示をすることによって使用者にストレスを与えることのないナビゲーションを提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明に係る携帯機器の内部の装置構成を示すブロック図で、図中符号１１は３軸加速度検出部、１２は３軸加速度センサ、１３は３軸方位角検出部、１４は３軸方位角センサ、１５は中央処理ユニット部（ＣＰＵ）、１６は状態算出推定部、１６ａは歩行状態推定部、１６ｂは機器姿勢推定部（機器姿勢算出推定手段）、１６ｃは歩行方向推定部（変化量算出推定手段）、１６ｄは歩行量推定部（移動量算出推定手段）、１７は計算部、１８は表示制御部、１９は各種メモリ、２０は表示メモリ、２１はその他のユニット、２２は表示用ディスプレイ、２３は歩数計測部を示している。

３軸加速度検出部１１は、当該携帯機器の傾きと動き（加速度）を検知するための３軸加速度センサ１２を内蔵しており、３軸方位角検出部１３は、地磁気を検知する３軸方位角センサ１４を内蔵している。３軸方位角検出部１３では、３軸方位角センサ１４が地磁気に感応し、それに応じて出力される方位角情報信号を周期的に取り込み、地図画像を表示する機器の画面部分がどの方位を向いているかのデータが生成される。

また、中央処理ユニット部（ＣＰＵ）１５は、当該携帯機器の制御・演算を行なうものであって、３軸加速度検出部１１からの３軸加速度データ及び３軸方位角検出部１３からの３軸方位角データを受けて、機器自体の姿勢角度や動き・進行方向と機器自体の方位方向の算出を行なう算出推定部１６と、この算出推定部１６からの算出推定結果やＧＰＳその他のユニット２１からの情報に基づき、歩行者の現在位置と進行方位を計算する計算部１７と、この計算部１７からの計算結果に応じた地図画像を表示する画面描画処理を行なう表示制御部１８とを、それらの各専用ソフトウエアとともに統括するものである。

このソフトウエア等は、ＲＯＭやＲＡＭなどの各種メモリ１９を備えており、また、各種コントローラやＩ／Ｏなどのその他のユニット２１などもＣＰＵ１５が制御している。表示用メモリ２０は、表示画面へ表示する地図画像データを記憶しているもので、この地図画像データ自身は、携帯機器への物理的な組み込みや通信手段でのデータ配信等によって各種メモリ機構１９と連動して保持・利用される。表示用ディスプレイ２２は、液晶表示部などの携帯機器用の表示を行なうものである。

算出推定部１６は、３軸加速度検出部１１からの３軸加速度データ及び３軸方位角検出部１３からの３軸方位角データに基づいて、歩行者の歩行状態、つまり機器姿勢固定状態かスウィング状態かを推定する歩行状態推定部１６ａ、及び視認使用状態か非視認状態かの機器の姿勢を推定する機器姿勢推定部１６ｂと、歩行状態推定部１６ａや機器姿勢推定部１６ｂからのデータに基づいて、歩行者の歩行方向、つまり直進移動か経路移動かを推定する歩行方向推定部１６ｃと、歩数計測部２３からの歩数データと歩幅データにより歩行量を推定する歩行量推定部１６ｄとを備え、この算出推定部１６からの算出推定結果データが、計算部１７に入力されるように構成されている。

また、ＣＰＵ１５内には、歩数計測部２３が備えられており、この歩数計測部２３は、３軸加速度検出部１１からの３軸加速度データ及び３軸方位角検出部１３からの３軸方位角データに基づいて、歩行者の歩数を計測するもので、この歩数データが、計算部１７と歩行量推定部１６ｄに入力される。なお、歩幅データは、歩行者によって予め設定させるもので、各種メモリ１９に記憶され、歩行量の推定の際に読み出されて使用される。

このように、本発明の携帯機器は、方位角検出部１３により機器の方位を検知し、検出された機器の方位に基づいてこの機器の表示部に地図画像データを表示させる携帯機器である。加速度検出部１１は、機器の表示部の表示面の傾きの程度を検出するものである。機器姿勢算出推定部１６ｂは、方位角検出部１３からの方位角データと加速度検出部１１からの加速度データに基づいて、機器の姿勢が視認使用状態か非視認状態かを推定するものである。

機器の姿勢が非視認状態のときには、その直前の地図画像データを保持して描画処理を休止させ、機器の姿勢が視認使用状態に復帰したときには、保持した地図画像データを用いて表示部に地図画像を再表示するように構成されている。なお、描画処理の休止には、描画自体の計算処理や新規描画動作の休止を行なう場合、および、それらに加え、バックライト等の表示付随手段を停止する、ないしは暗くするような低消費電力化を行なう場合がある。

また、加速度検出部１１が検出した加速度の経時的変化パターンに基づいて、機器の移動量を算出推定する歩行量推定部１６ｄを備え、機器の姿勢が視認使用状態に復帰したときには、保持した地図画像データを移動量に応じてシフトさせて再表示するように構成されている。

また、加速度検出部１１が検出した加速度の経時的変化パターンと方位角検出部１３が検出した方位角の変化パターンに基づいて、機器の進行方向の変化量を算出推定する歩行方向推定部１６ｃを備え、機器の姿勢が視認使用状態に復帰したときには、保持した地図画像データを進行方向の変化量に応じた方位に回転させて再表示するように構成されている。

次に、図１に示した構成からなる本発明の携帯機器における画面上の地図描画処理について説明する。

図２は、３軸方位角検出部と３軸加速度検出部を備えた携帯機器を用いて歩行ナビゲーション情報表示部の表示面の傾きの程度と方向を検出することによって、携帯機器の姿勢に応じた地図描画処理を行なう手順をフローチャートに示した図である。この図２に示されたフローチャートは、３軸方位角検出部１３と、３軸加速度検出部１１と、ＣＰＵ１５内の算出推定部１６と計算部１７と表示制御部１８とによる処理を中心に一連の処理として示されている。

まず、携帯機器においては、位置情報のサービス等の地図画像を利用していて、３軸方位角センサ１４の作動によって機器が検知した方位に基づいて、画面部分に描画表示する地図の向きを変化させ、画面上端部を進行方向とする（いわゆるヘッディングアップ）機構・制御が作動している。この場合、携帯機器に搭載された３軸方位角センサ１４及び３軸加速度センサ１２で歩行中の方位角及び加速度が測定される（ステップ３１）。

次に、携帯機器の姿勢角は、取得された一連の加速度データ群に基づいて計算される。姿勢角が異なれば、機器に固定された座標系で測定される方位角、及び加速度の測定値は異なる。図４は、歩行者座標系と絶対地上座標系の関係を示す図である。姿勢角は、通常、図４に示すような重力と地磁気によって構成される座標系（絶対地上座標系：南北方向をｘ軸（北向きを正）、東西方向をｙ軸（西向きを正）、鉛直方向をｚ軸（上向きを正）とする座標系と定義する）に対する姿勢を言う。

姿勢が推定された後、いつも同じ姿勢での測定値を評価できるように、取得された一連の方位角、及び加速度データ群を絶対地上座標系での測定値に変換する（以下、変換後測定値とする）。

また、携帯機器の歩行携帯状態ごとに用意されたアルゴリズムに基づいて、変換後方位角測定値及び変換後加速度測定値が処理され、歩行者の進行方向が計算される。

通常、携帯機器の携行保持状態は様々に異なる。例えば、歩行者がナビゲーション中に地図が表示された画面を見ながら歩行している場合や携帯機器を胸のポケットに入れて歩行している場合のように携帯機器の歩行中の姿勢が概ね一定である状態や、手で保持されているが腕は体の横でスウィングされている状態や、携帯機器がかばんの中に入れられているなど様々な状態が考えられる。

歩行者が地図画面を見ながら歩行している場合では、画面を立てて見る場合もあるし、水平で見る場合もあるが、情報を視認しているため機器の表示画面の角度はほぼ一定角度範囲の中に入る。見ていない場合は、その範囲外となる。

図３は、携帯機器の表示画面の利用状態を基準にした姿勢角度の定義を示す図である。歩行者の身体から見て、機器を水平にして、歩行進行方向に機器先端部を向けている一般的な場合を機器姿勢の基準とする。機器のあおり角（ｐｉｔｃｈ角）方向の姿勢角度変化をαとし、ひねり角（ｒｏｌｌ角）方向の姿勢角度変化をβとする。利用歩行者から見て機器の表示画面を視認している状態、すなわち、「表示画面を見ている」状態は、このα、βの２つの角度が所定の範囲に入っていることとすることができる（α_１≦α≦α_２、β_１≦β≦β_２）。したがって、所定時間以上、この角度範囲を外れる場合は、利用歩行者が「表示画面をみていない」状態と規定することができる。

また、歩行者が歩行者ナビゲーション装置を用いて歩行する場合、その動作としては、携帯機器を手に保持して携帯機器に表示された地図を確認しながら歩行、確認後に目印となる地点までは携帯機器を手に保持して腕をスウィングさせながら歩行する、という２つの機器携行状態が支配的であると考えられる。

上述した２つの状態、すなわち、１）携帯機器を手に保持するなどして概ね機器姿勢固定で歩行する場合、２）携帯機器を手で保持して腕をスウィングさせながら歩行する場合、において歩行者が一時的に地図を利用していない状況が生じた際に、その「表示画面を見ている／表示画面を見ていない」の状態変化に応じた低消費電力化、また、違和感のない最適な地図画像表示をする方法を実施形態として以下に説明する。

［動作説明１］
まず、携帯機器を手に保持するなどして概ね機器姿勢固定の場合の「画面を見ている／画面を見ていない」の状態変化に応じた低消費電力化、また、違和感のない最適な地図画像表示をする方法と動作について、以下に説明する。

携帯機器を手に保持するなどして概ね機器姿勢を固定して使用している際に、一時的に歩行者が機器を見ていない状況が発生した場合（腕を下ろすなどの機器が非視認状態の場合）、機器のあおり角方向とひねり角方向の姿勢角度変化量α、βのどちらかの角度が所定時間以上、所定範囲（α_１≦α≦α_２、β_１≦β≦β_２）外となったことが算出推定されるので（ステップ３２）、歩行者が機器画面を見ていない状態と判断される。所定範囲の上下限値であるα_１、α_２、β_１、β_２は携帯機器の形状・デザイン・使用方法や加速度センサの取り付け位置などで機器ごとに規定することが可能である。所定範囲外と判断された際は、その直前に表示されていた地図画像データを表示メモリに保持して（ステップ３３）、地図描画処理を休止させて（ステップ３４）、低消費電力化を図る。通常の携帯機器では、その地図描画処理は一定の時間間隔ごとに書き換えを行なっているので、この休止処理がないと機器が大きく傾いた状態での機器座標系で姿勢角・方位角での地図が描画されていることになり、歩行者が携帯機器を再度見ようと機器の姿勢を視認使用状態にすばやく戻した瞬間には、実際に利用歩行者が向いている方向とは異なる方向の地図がヘッディングアップされてしまう。本動作によれば、視認使用状態に戻ったと判断された際には（ステップ３５）、保持した画像データを再表示することで、前に画面を見ていた時の地図画像を表示するため（ステップ３６）、利用歩行者には違和感のないナビゲーション情報の提供となる。

［動作説明２］
次に、携帯機器を手で保持して腕をスウィングさせながら歩行直進する場合の「表示画面を見ていない」状態の前後に応じた低消費電力化、また、違和感のない最適な地図画像表示をする方法と動作について、以下に説明する。

携帯機器を手で保持し腕をスウィングさせながら歩行する場合は、機器のあおり角方向とひねり角方向の姿勢角度変化量α、βのどちらかの角度が所定時間以上、所定範囲（α_１≦α≦α_２、β_１≦β≦β_２）外であると算出推定されるので（ステップ３２）、歩行者が機器画面を見ていない状態と判断され、その状態に移行する前に表示されていた地図画像データを表示メモリに保持して（ステップ３３）、地図描画処理を休止させて（ステップ３４）、低消費電力化を図る。通常の携帯機器では、その地図描画処理は一定の時間間隔ごとに書き換えを行なっているので、この休止処理がないと、携帯機器を手で保持して腕をスウィングさせながら歩行している状態での揺動した機器座標系で姿勢角・方位角での地図が描画されていることになり、歩行者が携帯機器を再度見ようと機器の姿勢を視認使用状態にすばやく戻した瞬間には、実際に利用歩行者が向いている方向とは異なる方向の地図がヘッディングアップされてしまうことになる。また、この場合は歩行者が歩行によりある程度の距離を進んでいるので、視認使用状態に戻った際に、保持しておいた画像データを再表示するだけではその地図と実際の歩行者の現在位置にずれが生じてしまう。

本動作では、ＣＰＵにて方位角検出部と加速度検出部からのデータで歩数を計測しておき、歩幅を掛け合わせることによって直進歩行距離を計算しておくようにし（ステップ３１；歩数を計測する方法は、例えば、特許文献３に示されている）、機器が視認使用状態に戻されて姿勢角度が所定範囲内と判断された時に（ステップ３５）、前に画面を見ていた時の地図画像を表示する上で地図のヘッディングアップ方向にその移動距離相当分をシフトさせて表示することで（ステップ３６）、利用歩行者には違和感のないナビゲーション情報の提供となる。

［動作説明３］
次に、携帯機器を手で保持して腕をスウィングさせながら経路歩行する場合の「表示画面を見ていない」状態の前後に応じた低消費電力化、また、違和感のない最適な地図画像表示をする方法と動作について、以下に説明する。

上述した動作説明２において、歩行者が直進歩行だけでなく経路歩行を行なった場合、歩行者が歩行によりある程度の距離を進み、かつ進行方向が変化するので、機器の視認使用状態に戻った際に、保持しておいた画像データを再表示するだけではその地図と実際の歩行者の現在位置・方向にずれが生じてしまう。

本実施形態では、ＣＰＵにて方位角検出部と加速度検出部からのデータで歩数に加え歩行方向を算出推定することによって（ステップ３７）、機器が視認使用状態に戻されて前に画面を見ていた時の地図画像を表示する時にその経路移動相当の距離に加えて方向変化角度分を回転させて（ステップ３８）表示する（すなわち、距離分のシフトと方向変化分の回転を加えて表示する）ことで、利用歩行者には違和感のないナビゲーション情報の提供となる。

なお、本実施形態に関して、歩行者が歩行者ナビゲーションを携帯機器によって利用中に、この機器を手に保持して歩行している場合の機器内部での歩行方向推定方法については、以下に説明する。

携帯機器の姿勢角については、上述したとおりであるが、厳密に言えば、携帯機器の携帯状態によって定義が異なる。例えば、歩行者が地図画面を見ながら歩行する時のように携帯機器が概ね固定されている場合は、姿勢の変化が無いので姿勢角の定義は単純であるが、手に持って体の横でスウィングさせている場合は、時々刻々と姿勢が変化しているため、特定の時点での姿勢で定義する。特定の時点とは、例えば、腕が最下点を通過する瞬間とすればよい。

また、歩行者の進行方向の計算については、上述したとおりであるが、歩数と歩幅を掛け合わせることによって歩行距離を計算し、歩行方向と組み合わせれば相対移動位置を知ることができ、自律航法が可能となる。歩数を計測する方法は、例えば、特許文献３に示されている。

ＧＰＳを搭載した歩行者用ナビゲーション装置であれば、ＧＰＳによる測位が成功した時は、ＧＰＳから得られた情報に基づいて現在位置を更新し、ＧＰＳによる測位が行われていない時には、自律航法によって現在位置を修正することによって、よりきめ細かに現在位置を修正できるだけでなく、屋内や建築物周辺などのＧＰＳ信号を受信できない場所や、測位精度が出難い場所でもナビゲーションを継続することが出来るようになる。

歩行者の進行方向をｘ軸、進行方向に直交する水平面内の軸をｙ軸、鉛直方向をｚ軸とする歩行者に固定された３軸直交座標系について説明する（図４）。この歩行者に固定された３軸直交座標系を、以下、歩行者座標系という。携帯機器は、歩行者座標系に対して任意の姿勢で固定される。携帯機器の座標系（図５；すなわち、センサの測定軸からなる座標系）を、以下、機器座標系という。図５は、機器座標系と絶対地上座標系との関係を示した図で、図中符号４１は３軸方位角センサ、４２は３軸加速度センサ、４３はナビゲーション装置付き携帯機器を示している。

＜概ね姿勢固定で歩行する場合＞
まず、歩行者座標系から見た加速度について説明する。

図６（ａ）乃至（ｄ）は、携帯機器を概ね姿勢固定している場合の歩行者の歩行イメージを示す図である。通常歩行中、歩行者座標系では運動加速度は概ね次のように測定される。すなわち、支配的な加速度は、鉛直方向（ｚ軸）の加速度で、一歩にかかる時間を一周期とする周期データとして観測される（図８のＺａｍｐ参照）。進行方向（ｘ軸）の加速度も一歩毎に加速方向と減速方向が存在し、一歩を一周期とする周期データとして観測される（図８のＸａｍｐ参照）。進行方向の加速度と鉛直方向の加速度の一歩を周期とする成分は実験的に概ね９０度程度の位相差が存在することがわかっている。横方向（ｙ軸）の加速度は一歩毎に反対に振れ、このため二歩を一周期とする周期データとして観測される（図８のＹａｍｐ参照）。横方向加速度の一歩を周期とする成分は小さい。歩行者座標系と機器座標系を概ね一致させて歩行したとき（図６（ｄ）の姿勢を保って歩行した場合）に機器座標系で測定された加速度の周波数スペクトルは図８に示されている。

次に、機器座標系から見た歩行者の進行方向について説明する。

機器座標系で、測定された加速度の一歩を周期とする周波数成分のうち鉛直方向成分を取り除くことができれば、残りの一歩を周期とする周波数成分の最も強い方向が歩行者の機器座標系から見た進行方向（この時点では動線はわかるが前後はまだ不明）となる。さらに、鉛直方向加速度の一歩を周期とする周波数成分の位相と鉛直方向以外の加速度（すなわち、進行方向の加速度）の一歩を周期とする周波数成分の位相を比較することによって向き（動線上の前後）を知ることが出来る。歩行者ナビゲーションで使用するときは、機器座標系から見た進行方向を絶対地上座標系から見た方向に変換することによって、歩行方向を算出する。

次に、絶対地上座標系に対する機器座標系の姿勢角について説明する。

機器測定座標系で測定された加速度から、鉛直方向成分を取り除くためには、機器座標系から見た鉛直方向がわからなければならない。また、歩行者ナビゲーションを実現するためには、機器座標系から見た、例えば、来た方向がわからなければならない。すなわち、絶対地上座標系に対する機器座標系の姿勢角が必要となる。

次に、姿勢角の計算について説明する。

絶対地上座標系に対する機器座標系の姿勢角は以下のようにして求める。すなわち、人が安定して、直線上を歩行しているならば、一歩歩く間に速度の増減はあるものの、一歩毎の平均速度は変化しない。さらに、携帯機器は概ね姿勢一定であると仮定しているため、機器座標系で測定された加速度のうち運動加速度（測定される全加速度から重力加速度を差し引いたもの）の一歩分の加速度の積分値は０となる（何故なら、０でなければ一歩毎に速度が変化することになる）。すなわち、機器座標系で測定された全加速度（重力加速度＋運動加速度）を一歩分積分すると、重力加速度のみ残る。このようにして得られた重力加速度Ｇと地磁気Ｍから、携帯機器の姿勢を計算することが出来る。地磁気Ｇは直線上を歩く間はほとんど変化しないと仮定できるので、適当な時点での測定値を代表させても良いし、特定期間の平均値を使用しても良い。絶対地上座標系から見た機器座標系のｘ，ｙ，ｚ座標軸を表す単位ベクトルｅ_ｘ，ｅ_ｙ，ｅ_ｚは、

となる。

次に、歩行方向の計算について説明する。

姿勢を求めた後、機器座標系で測定された加速度を絶対地上座標系で測定された値に座標変換する。機器座標系で測定された値ｘ_Ｕは、次式で絶対地上座標系での測定値ｘ_ｇに変換される。すなわち

座標変換された加速度のＺ成分が鉛直方向加速度となる。座標変換された加速度のＸ，Ｙ成分の一歩を周期とする周波数成分を計算すると、振幅の比で表される方向が歩行者の歩行方向（動線）となる。さらに、座標変換された加速度のＺ成分の一歩を周期とする周波数成分の位相と、Ｘ，Ｙ成分の一歩を周期とする周波数成分の位相を比較することによって、歩行者の歩行する向きがわかる。絶対地上座標系に変換された加速度ａ_ｇにフーリエ変換を施し、得られた一歩分の期間に相当する周波数成分の振幅、Ａ_ｘ、Ａ_ｙ、Ａ_ｚ、位相をφ_ｘ、φ_ｘ、φ_ｘとすると、進行方向θ_ｄは、

で計算される。

＜機器をスウィングさせた場合＞
以下に、腕が最下点に来る時に機器座標系と歩行者座標系が一致する歩き方をしたときの機器座標系から見た加速度について説明する。

図７（ａ）乃至（ｃ）は、携帯機器を手に持って腕をスウィングさせて歩行する場合を示す図で、携帯機器は、歩行者座標系から見て振り子状の運動をする。この図７（ａ）に示すように、歩行者が携帯機器を手に持って腕を下げた状態で、機器座標系と歩行者座標系が一致しているとする。この状態から歩行者が歩行を開始し、歩行中周期的にこの状態（機器座標系と歩行者座標系が一致）を通過すると仮定すると、機器座標系では運動加速度は概ね次のように測定される。

腕は振り子状の運動をしており、機器座標系のＺ成分加速度は、一歩歩く毎に最下点を通過するので、一歩の期間を周期とする周波数成分が支配的となる（図９のＺａｍｐ参照）。しかし、他の（Ｘ，Ｙ）成分は二歩歩くごとに腕が最下点を同じ方向に通過することからもわかるように、測定値は、基本的には二歩を周期とする周期データとなる（図９のＸａｍｐ,Ｙａｍｐ参照）。Ｙ（横方向）成分は歩行者の歩行時の左右の振れによって生じるものであるが、Ｘ（進行方向）成分に比べ通常充分小さい。機器座標系のＸ及びＺ成分の二歩を周期とする周波数成分の位相差は概ね０度であることが実験的にわかっている。最下点において機器座標系を歩行者座標系に一致させて、スウィングさせた腕に携帯機器を保持して歩行したときに機器座標系で測定された加速度の周波数スペクトルは図９に示されている。

次に、絶対地上座標系に対する機器座標系の姿勢角（腕が最下点を通過するときの）の計算について説明する。

歩行者が携帯機器を手に持って、上述したように手を振りながら歩行しているが、携帯機器の持ち方が任意である場合は、次のようにして歩行方向を推定することが出来る。すなわち、まず、各軸の加速度測定値の一歩を周期とする周波数成分にＤＣ成分の符号をかけた値を求め、これをＧとする。次に、手が最下点を通過するときの地磁気をＭとする。次式により、腕が最下点を通過するときの機器座標系の絶対地上座標系に対する姿勢が求まる。

次に、歩行方向の計算について説明する。

姿勢を求めた後、機器座標系で測定された加速度を絶対地上座標系で測定された値に座標変換する。機器座標系で測定された値ｘ_Ｕは、次式で絶対地上座標系での測定値ｘ_ｇに変換される。すなわち

座標変換された加速度のＸ，Ｙ成分の二歩を周期とする周波数成分を計算すると、振幅の比で表される方向が歩行者の進行方向となる。さらに、座標変換された加速度のＺ成分の二歩を周期とする周波数成分の位相と、Ｘ，Ｙ成分の二歩を周期とする周波数成分の位相を比較することによって、歩行者の歩行する向きがわかる。絶対地上座標系に変換された加速度ａ_ｇにフーリエ変換を施し、得られた二歩分の期間に相当する周波数成分の振幅、Ａ_ｘ、Ａ_ｙ、Ａ_ｚ、位相をφ_ｘ、φ_ｘ、φ_ｘとすると、進行方向θ_ｄは、

で計算される。

以上のように、本発明は、方位検出手段と加速度検出手段を備えた携帯機器での歩行ナビゲーションにおいて、「表示画面を見ている／表示画面を見ていない」の機器の持ち姿勢の状態変化に応じた低消費電力化、また、違和感のない最適な地図画像表示をすることによって使用者にストレスを与えることのないナビゲーションを提供することができる。

なお、上述した実施形態においては、地図画像データについてのみ説明したが、地形図画像データ又はナビゲーション情報も同等に扱うことができ、それらは、２次元のみならず３次元表示のものや実際の風景の描画や写真のデータなども含まれる。なお、ここでナビゲーション情報とは、あらかじめ設定した目的地までの進路に関して、その進路上のいくつかの目標地点への距離や矢印などによる進行方向指示などの各種表示情報を意味している。また、地図画像データ以外にも、携帯機器を用いて画像のシフトや向きの変更（回転）などを伴う場合についても本発明が適用されることは明らかである。例えば、歩行ナビゲーションのみならず、携帯機器を用いた仮想的な空間のゲーム機能の描画に取り込むことも可能である。

本発明に係る携帯機器の内部の装置構成を示すブロック図である。 ３軸方位角検出部と３軸加速度検出部を備えた携帯機器を用いて歩行ナビゲーション情報表示部の表示面の傾きの程度と方向を検出することによって、携帯機器の姿勢に応じた地図描画処理を行なう手順をフローチャートに示した図である。 携帯機器の表示画面の利用状態を基準にした姿勢角度の定義を示す図である。 歩行者座標系と絶対地上座標系の関係を示す図である。 機器座標系と絶対地上座標系との関係を示した図である。 （ａ）乃至（ｄ）は、携帯機器を概ね姿勢固定している場合の歩行者の歩行イメージを示す図である。 （ａ）乃至（ｃ）は、携帯機器を手に持って腕をスウィングさせて歩行する場合を示す図である。 機器座標系を歩行者座標系に概ね固定させて歩行したときの加速度測定値の周波数スペクトルを示す図である。 スウィングさせた腕に携帯機器を保持して歩行したときの加速度測定値の周波数スペクトルを示す図である。

符号の説明

１１ ３軸加速度検出部
１２ ３軸加速度センサ
１３ ３軸方位角検出部
１４ ３軸方位角センサ
１５ 中央処理ユニット部（ＣＰＵ）
１６ 算出推定部
１６ａ 歩行状態推定部
１６ｂ 機器姿勢推定部（機器姿勢算出推定手段）
１６ｃ 歩行方向推定部（変化量算出推定手段）
１６ｄ 歩行量推定部（移動量算出推定手段）
１７ 計算部
１８ 表示制御部
１９ 各種メモリ
２０ 表示メモリ
２１ その他のユニット
２２ 表示用ディスプレイ
２３ 歩数計測部
４１ ３軸方位角センサ
４２ ３軸加速度センサ
４３ ナビゲーション装置付き携帯機器

Claims (8)

1. 機器の使用状態に応じて該機器の表示部に描画を表示させる携帯機器において、
   前記機器の向いている方位を検出する方位角検出手段と、
   前記機器の表示部の傾き程度を検出する加速度検出手段と、
   前記方位角検出手段からの方位角データと前記加速度検出手段からの加速度データに基づいて、前記機器の姿勢が視認使用状態か非視認状態かを算出推定する機器姿勢算出推定手段とを備え、
   前記機器の姿勢が非視認状態のときには、その直前の描画データを保持して描画処理を休止させ、前記機器の姿勢が視認使用状態に復帰したときには、前記保持した描画データを用いて前記表示部に描画を再表示させることを特徴とする携帯機器。
2. 前記加速度検出手段が検出した加速度の経時的変化パターンに基づいて、前記機器の移動量を算出推定する移動量算出推定手段を備え、前記機器の姿勢が視認使用状態に復帰したときには、前記保持した描画データを前記移動量に応じてシフトさせて再表示させることを特徴とする請求項１に記載の携帯機器。
3. 前記加速度検出手段が検出した加速度の経時的変化パターンと前記方位角検出手段が検出した方位角の変化パターンに基づいて、前記機器の進行方向の変化量を算出推定する変化量算出推定手段を備え、前記機器の姿勢が視認使用状態に復帰したときには、前記保持した描画データを前記変化量に応じた方位に回転させて再表示させることを特徴とする請求項１又は２に記載の携帯機器。
4. 前記描画データが、地図画像データ・地形図画像データ又はナビゲーション情報であることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の携帯機器。
5. 機器の使用状態に応じて該機器の表示部に描画を表示させる携帯機器における描画処理制御方法において、
   前記機器の向いている方位を検出する方位角検出ステップと、
   前記機器の表示部の傾き程度を検出する加速度検出ステップと、
   前記方位角検出ステップによる方位角と前記加速度検出ステップによる加速度に基づいて、前記機器の姿勢が視認使用状態か非視認状態かを算出推定する機器姿勢算出推定ステップと、
   前記機器の現在位置と進行方向を計算する計算ステップと、
   該計算ステップによる計算結果に基づいて、前記機器の現在位置と進行方向に向いた前記描画を前記表示部に表示する表示制御ステップとを有し、
   前記機器の姿勢が非視認状態のときには、その直前の描画データを保持して描画処理を休止させ、前記機器の姿勢が視認使用状態に復帰したときには、前記保持した描画データを用いて前記表示部に描画を再表示することを特徴とする携帯機器における描画処理制御方法。
6. 前記加速度検出ステップにより検出された加速度の経時的変化パターンに基づいて、前記機器の移動量を算出推定する移動量算出推定ステップを有し、前記機器の姿勢が視認使用状態に復帰したときには、前記保持した描画データを前記移動量に応じてシフトさせて再表示することを特徴とする請求項５に記載の携帯機器における描画処理制御方法。
7. 前記加速度検出ステップにより検出された加速度の経時的変化パターンと前記方位角検出手段が検出した方位角の変化パターンに基づいて、前記機器の進行方向の変化量を算出推定する変化量算出推定ステップを有し、前記機器の姿勢が視認使用状態に復帰したときには、前記保持した描画データを前記変化量に応じた方位に回転させて再表示することを特徴とする請求項５又は６に記載の携帯機器における描画処理制御方法。
8. 前記描画データが、地図画像データ・地形図画像データ又はナビゲーション情報であることを特徴とする請求項５，６又は７に記載の携帯機器における描画処理制御方法。
   

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