JP2008093120A - 消費エネルギー計測装置および消費エネルギー計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＧＰＳおよび加速度センサを用いて精度の高い消費エネルギーを算出できる消費エネルギー計測装置を提供する。
【解決手段】この消費エネルギー計測装置は、ＧＰＳ衛星から受信した当該装置の位置情報、速度情報、時刻情報を取得して測位情報として記憶する測位情報取得部と、加速度センサで検出した３次元加速度成分を取得して加速度情報として記憶する加速度情報取得部と、測位情報と加速度情報を基に、当該装置が移動したときのエネルギー消費量を計算する消費エネルギー算出部と、算出されたエネルギー消費量を表示する表示部と、を備えたものである。消費エネルギー算出部は、加速度情報から算出されるエネルギー消費量が測位情報から算出されるエネルギー消費量より小さいときには、加速度情報から算出するエネルギー消費量を選択し、さもない場合には、加速度情報と測位情報から算出するエネルギー消費量を選択して総エネルギー消費量を算出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、消費エネルギー計測装置および消費エネルギー計測システムに関し、特に、ＧＰＳ（汎地球測位システム）および加速度センサを応用して、利用者が歩行や走行等の移動を行った際のエネルギー消費量を計測して表示する消費エネルギー計測装置および消費エネルギー計測システムに関する。

従来から、運動時における消費エネルギーの簡便な測定手段として、人体運動の垂直方向振動を加速度センサで検出して、この検出された振動回数を運動時における歩数とし、この歩数に基づいて予め定められた計算式に従って消費エネルギーが計算されている。

このような歩数による計測手段では、平地、階段や坂道の昇り・降りといったように歩行の状態が異なっている場合においてもその区別はできず、全て同レベルの運動として認識されることになる。
例えば、平地のときのエネルギー消費量と階段昇りのエネルギー消費量では、後者のほうが明らかに大きいにもかかわらず同じエネルギー消費量とされ、正しいエネルギー消費量を計算することができない。

この問題点を解決するために、特許文献１では、ＧＰＳ受信部で受信した信号より得られる緯度、経度、標高、時刻のデータから移動速度を求め、予め算出してある移動速度と傾斜角のマトリックスを参照して、求めた移動速度に対応する１分間当たりのエネルギー消費量に換算して求めている。

また、従来、移動した距離がわかっていれば、その距離における加速度を加速度センサで計測することによって、移動した全体距離におけるエネルギー消費量は、（質量×加速度×移動した距離）の積算によって求めることができた。
特開平８−３３６５１２号公報

しかしながら、人が自動車や電車などの乗り物に乗って移動したときには、特許文献１の技術であっても、ＧＰＳ測位情報だけでは、人が運動しているのか、あるいは、乗り物に人が乗っているのか区別することができない。このため、乗り物に乗って移動した時には、それほどのエネルギーを消費していないにもかかわらず、大きなエネルギーを消費しているような値を示してしまうことになる。

また、加速度センサを用いる場合には、ＧＰＳで測位して獲得されるような位置情報、速度情報などが扱えないため、上下に移動するときのエネルギー消費量を計算することは難しい。

本発明は、上述のような実情を考慮してなされたものであって、ＧＰＳおよび加速度センサを用いて、精度の高い消費エネルギーを算出できる消費エネルギー計測装置および消費エネルギー計測システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明では次のような構成をとる。
消費エネルギー計測装置は、ＧＰＳ衛星から受信した当該装置の位置情報と速度情報、時刻情報を取得して、測位情報として測位情報記憶部に記憶する測位情報取得部と、加速度センサで検出した３次元加速度成分を取得して、加速度情報として加速度情報記憶部に記憶する加速度情報取得部と、前記測位情報と前記加速度情報を基に、当該装置が移動したときのエネルギー消費量を計算する消費エネルギー算出部と、前記消費エネルギー算出部で算出されたエネルギー消費量を表示する表示部と、を備えている。
ここで、消費エネルギー計測装置が携帯電話であってもよいし、また、消費エネルギー計測装置を搭載した携帯電話であっても構わない。

前記消費エネルギー算出部は、前記加速度情報から算出されるエネルギー消費量が前記測位情報から算出されるエネルギー消費量より小さいときには、前記加速度情報から算出するエネルギー消費量を選択し、さもない場合には、前記加速度情報と前記測位情報から算出するエネルギー消費量を選択して、総エネルギー消費量を算出するようにした。

さらに、次のような構成をもつ携帯端末とサーバとをネットワークで接続して、携帯端末を所持するユーザのエネルギー消費量を求めるように構成してもよい。
前記携帯端末は、消費エネルギー計測の開始と終了を当該端末と前記サーバとに指示する指示部と、ＧＰＳ衛星から受信した当該装置の位置情報と速度情報、時刻情報を取得して、測位情報として前記サーバへ転送する測位情報取得部と、加速度センサで検出した３次元加速度成分を取得して、加速度情報として前記サーバへ転送する加速度情報取得部と、前記サーバで算出されたエネルギー消費量を受信して表示する表示部と、を備えている。
また、前記サーバは、前記携帯端末から受信した測位情報と加速度情報とをそれぞれ記憶部に記憶する受信部と、前記測位情報と前記加速度情報を基に、前記携帯端末が移動したときのエネルギー消費量を計算する消費エネルギー算出部と、前記消費エネルギー算出部で算出されたエネルギー消費量を前記携帯端末へ送信する送信部と、を備えている。
ここで、前記携帯端末を携帯電話としてもよい。
このような構成をとると、前記携帯端末からネットワークを介して消費エネルギー計測の起動および停止が行えるようになる。

あるいは、次のような構成をもつ端末装置と携帯端末とをネットワークで接続して、携帯端末を所持するユーザのエネルギー消費量を求めるように構成してもよい。前記端末装置は、前記携帯端末であってもよい。
前記端末装置は、消費エネルギー計測の開始と終了を前記携帯端末に指示する指示部と、前記携帯端末から送信されたエネルギー消費量を受信して表示する表示部とを備えている。
また、前記携帯端末は、ＧＰＳ衛星から受信した当該装置の位置情報と速度情報、時刻情報を取得して、測位情報として測位情報記憶部に記憶する測位情報取得部と、加速度センサで検出した３次元加速度成分を取得して、加速度情報として加速度情報記憶部に記憶する加速度情報取得部と、前記測位情報と前記加速度情報を基に、当該装置が移動したときのエネルギー消費量を計算する消費エネルギー算出部と、前記消費エネルギー算出部で算出されたエネルギー消費量を前記端末装置へ送信する送信部と、を備えている。
ここで、前記携帯端末を携帯電話としてもよい。
このような構成をとると、前記端末装置からネットワークを介して消費エネルギー計測の起動および停止が行えるようになる。

あるいは、次のような構成をもつ端末装置と携帯端末とサーバをネットワークで接続して、携帯端末を所持するユーザのエネルギー消費量を求めるように構成してもよい。前記端末装置は、前記携帯端末であってもよい。
前記端末装置は、消費エネルギー計測の開始と終了を前記携帯端末に指示する指示部と、前記携帯端末から送信されたエネルギー消費量を受信して表示する表示部を備えている。
前記携帯端末は、前記端末装置から消費エネルギー計測の開始と終了を受信すると、前記サーバに消費エネルギー計測の開始と終了を前記サーバに指示する指示部と、ＧＰＳ衛星から受信した当該装置の位置情報と速度情報、時刻情報を取得して、測位情報として前記サーバへ転送する測位情報取得部と、加速度センサで検出した３次元加速度成分を取得して、加速度情報として前記サーバへ転送する加速度情報取得部と、前記サーバで算出されたエネルギー消費量を受信して前記端末装置へ送信する送信部と、を備えている。
前記サーバは、前記携帯端末から受信した測位情報と加速度情報とをそれぞれ記憶部に記憶する受信部と、前記測位情報と前記加速度情報を基に、前記携帯端末が移動したときのエネルギー消費量を計算する消費エネルギー算出部と、前記消費エネルギー算出部で算出されたエネルギー消費量を前記携帯端末へ送信する送信部と、を備えている。
ここで、前記携帯端末を携帯電話としてもよい。
このような構成をとると、前記端末装置からネットワークを介して消費エネルギー計測の起動および停止が行えるようになる。

本発明によれば、ユーザがどのような移動方法で移動しても、ＧＰＳおよび加速度センサを用いることによって、移動方法に応じたエネルギー消費量を計算することができるので、従来に比較して精度の高いエネルギー消費量を算出することができる。

従来は、乗り物（自転車、自動車、電車等）に乗ったときのユーザのエネルギー消費量とウォーキングやランニングのときのエネルギー消費量を区別することが困難であったが、本発明によれば、乗り物に乗って移動する場合や、ウォーキングやランニングなど運動して移動する場合に応じたエネルギー消費量を算出できる。

また、ユーザのエネルギー消費量の計算処理の起動・停止および計算結果の通知をネットワークを介して指示することができる。

以下、図面を参照して本発明の消費エネルギー計測装置および消費エネルギー計測システムに係る好適な実施形態について説明する。

図１は、本実施形態に係る消費エネルギー計測装置のハードウェアの構成を示すブロック図である。同図において、消費エネルギー計測装置は、制御部１、測位情報受信部２、加速度センサ３、操作部４、表示部５、記憶部６、消費エネルギー計測部７、時計８を含んで構成されている。

制御部１は、ＣＰＵ（中央処理装置）で構成され、記憶部６に記憶された所定の制御プログラムを実行することにより、例えば、操作や表示等の入出力制御等の当該装置全体の動作を制御する。
測位情報受信部２は、ＧＰＳ衛星から受信するＧＰＳ信号から現在の位置情報（緯度、経度、標高）と速度情報（方向、速さ）、時刻情報（ＵＴＣ時刻）とを取得し、それらを制御部１に渡す。
加速度センサ３は、身体の動きによって生じる互いに直交する３軸方向（左右、前後、上下）の加速度成分を検出し、それらを制御部１に渡す。

操作部４は、電源、各種データ入力ボタンや十字ボタンを含んで構成されており、ユーザの個人情報（名前、年齢、性別、体重、基礎代謝量等）のエネルギー消費量算出のための基礎情報やエネルギー消費量の表示を指示するために用いられるものである。そして、ユーザが何らかのボタン等を操作する度に、どのボタンが操作されたかが制御部１に通知される。
表示部５は、例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等から構成され、制御部１から供給される表示データに基づき、操作部４により入力されたデータやエネルギー消費量推定結果や警報等を表示する。
記憶部６は、不揮発性のメモリや揮発性のメモリなどで構成され、制御部１で実行される制御プログラム、各種アプリケーションプログラムやデータを格納したり、制御プログラムや各種アプリケーションプログラムが実行時に一時的にデータ等を格納する。

消費エネルギー計測部７は、測位情報受信部２で受信した以前の測位ポイントから現在の測位ポイントまでの測位情報、および加速度センサ３から得られる加速度情報を用いて、エネルギー消費量を計算する。
時計８は、基準時刻を生成し、測位情報受信部２と加速度センサ３とに供給して、これらを同期させて作動させる。測位情報受信部２のＧＰＳから得られた時刻（ＵＴＣ）は、時計８が正しく時を刻むように補正する。

次に、消費エネルギー計測部７について詳細に説明する。
図２は、消費エネルギー計測部７の機能構成を示すブロック図であり、同図において、消費エネルギー計測部７は、消費エネルギー算出部７０、計測開始指示部７１、測位情報取得部７２、加速度情報取得部７４、消費エネルギー表示部７８、計測終了指示部７９を含んでいる。また、個人情報、途中経過や累積結果を記憶するために、測位情報記憶部７３、加速度情報記憶部７５、移動履歴記憶部７６、個人情報記憶部７７を記憶部６に保持する。
消費エネルギー計測部７は、図１のようなハードウェア構成において、図２のような機能構成により、ユーザの移動・運動に伴って消費されるエネルギーを算定する。

先ず、以下の説明で用いる表記について説明しておく。
M: 質量[g]を表し、本実施形態ではユーザの体重を表す。
t:ＧＰＳから得た衛星時計の時刻をＵＴＣで表す。
P(t): 測位情報受信部２でＧＰＳから受信した位置情報（緯度[°]、経度[°]、標高[m]）を表す。
A(t): 加速度センサ３から得る３次元加速度 [m/sec²]を表す。また、各成分（ｘ成分、ｙ成分、ｚ成分）を(Ax(t), Ay(t), Az(t)）と表記する。
V(t): 測位情報受信部２でＧＰＳから受信した速度情報（真北を０°とした方向、速さ[m/sec]）を表す。
μ: 摩擦係数を表す。
g: 重力の加速度を表し、ここでは-9.8[m/sec²]とする。
E[J]:ジュールで表したエネルギー消費量を表す。
E[cal]:カロリーで表したエネルギー消費量を表す。

次に、消費エネルギー計測部７で用いられる記憶部について説明する。
測位情報記憶部７３は、図３に例示するように、測位情報取得部７２によって取得された本消費エネルギー計測装置の位置情報および速度情報を測位ポイントごとに記憶する。
測位情報記憶部７３は、同図によると、測位ポイントごとに、測位ポイント名、時刻（ＵＴＣ：Coordinated Universal Time）、位置情報（緯度（°）、経度（°）、標高（ｍ））、速度情報（真北を０°とする方向（°）、速さ（ｍ／ｓｅｃ））を記憶する。

加速度情報記憶部７５は、図４に例示するように、測位情報記憶部７３に記憶されている時刻に対応して、加速度情報取得部７４によって取得された３次元加速度情報を記憶する。加速度情報記憶部７５は、同図によると、時計８の時刻、この時刻の３次元加速度情報、即ち、左右方向（ｘ方向）成分、前後方向（ｙ方向）成分、上下方向（ｚ方向）成分のそれぞれの加速度を単位ｍ／ｓｅｃ^２で記憶する。

移動履歴記憶部７６は、図５に例示するように、計測期間中の測位ポイントごとに、消費エネルギー算出部７０で算出された距離と消費エネルギー等を記憶する。移動履歴記憶部７６は、同図によると、測位ポイントごとに、測位ポイント名、時刻情報（ＵＴＣ）、１つ前の測位ポイントから現在の測位ポイントまでの距離（ｍ）、この測位ポイント間のエネルギー消費量（Ｊ：ジュール）を記憶する。

個人情報記憶部７７は、図６に例示するように、本消費エネルギー計測装置を操作するユーザの個人情報である名前、年令、性別、体重（ｋｇ）および基礎代謝量を記憶するものであり、本装置を利用するに先立ち操作部４を用いて予め設定しておくものである。特に、エネルギー消費量の計算に用いられる体重は設定しておかなければならない。

次に、消費エネルギー計測装置の各処理部について説明する。
ユーザがエネルギー消費量の計測を開始したいときには、本消費エネルギー計測装置の操作部４に備えた開始ボタンを押すか、または、エネルギー消費量の計測メニューから開始を選択する。

制御部１は、開始ボタンが押されたこと、または開始の選択がなされたことを検知し、計測開始指示部７１を実行させる。
計測開始指示部７１は、予め設定しておいた時間間隔を時計８に設定する。これにより測位情報受信部２や加速度センサ３がそれぞれ起動されそれぞれの情報が獲得されるようになる。

さらに、計測開始指示部７１は、測位情報記憶部７３および加速度情報記憶部７５をクリアし、測位情報取得部７２および加速度情報取得部７４を起動させる。
これにより、ユーザの移動（運動）によって情報が集められ、エネルギー消費量がリアルタイムで算定されて表示される。

ユーザがエネルギー消費量の計測を終了したいときには、本消費エネルギー計測装置の操作部４に備えた終了ボタンを押すか、または、エネルギー消費量の計測メニューから終了を選択する。
制御部１は、終了ボタンが押されたこと、または終了の選択がなされたことを検知し、計測終了指示部７９を実行させる。
計測終了指示部７９は、測位情報受信部２および加速度センサ３を停止させるとともに、測位情報取得部７２および加速度情報取得部７４も停止させる。これによりエネルギー消費量の算出・表示が停止する。

測位情報取得部７２は、予め時計８で設定された時間間隔で生成された時刻に測位情報受信部２から位置情報（緯度、経度、標高）および速度情報（方向、速さ）、時刻情報（ＵＴＣ時刻）を獲得し、測位ポイントごとに、測位ポイント名、時刻、位置情報および速度情報を測位情報記憶部７３に記憶させる。上記の時間間隔は、通常１秒程度に１回、早くて０.１秒程度に１回である。測位情報受信部２のＧＰＳから得られた時刻（ＵＴＣ）は、時計８が正しく時を刻むように補正する。

また、消費エネルギー計測装置（を装着したユーザ）の移動速度が小さいときや、ＧＰＳ電波が弱い環境では、速度V(t)が検出できないことがある。この場合は、取得された測位ポイント間の移動距離dP(t)とその移動にかかった時間dtとから、速度V(t)を
V(t) = dP(t)/dt
として求めて、代用することにする。

加速度情報取得部７４は、予め設定された時間間隔に時計８で生成された時刻に加速度センサ３から３次元加速度情報（ｘ成分、ｙ成分、ｚ成分）を獲得し、取得した時刻ごとに、時刻と３次元加速度情報を加速度情報記憶部７５に記憶させる。上記の時間間隔は、通常１ｍｓ程度に１回であり、ＧＰＳの測定速度の100〜1000倍程度高速に獲得する。

消費エネルギー算出部７０は、測位情報記憶部７３、加速度情報記憶部７５および個人情報記憶部７７を参照して、エネルギー消費量を計算して、測位ポイント間のエネルギー消費量は移動履歴記憶部７６へ記憶し、計測開始からのエネルギー消費量は表示部５へ表示させる。

まず、運動で消費されるエネルギーの計算式について説明する。
従来、エネルギー消費量は、移動エネルギーと位置エネルギーとの総和として、次の式（４）で求められていた。

この位置情報受信部２でＧＰＳから得られる測位情報からエネルギー消費量を算出する式（１）に、加速度センサで獲得される加速度情報を加えて、式（２）の計算式でエネルギー消費量を計算する。

さらに、式（２）で（A(t) + (dV(t)/dt + μ・V(t) - g ))の項は、加速度センサが重力加速度gを含む加速度情報を測定する場合、（A(t) - g ）はA(t)で表されることになる。したがって、 (A(t)- g ) + (dV(t)/dt + μ・V(t) )の項は、(A(t) + (dV(t)/dt + μ・V(t) ))となる。

次に、式（２）を展開すると、ＧＰＳで計測された項（V(t)とP(t) ）と加速度センサで計測された項（A(t) ）との積は、加速度センサの項がＧＰＳ測定時間内に平均化されて０（零）に近似されるので、(dV(t)/dt + μ・V(t))・∫A(t)・dtの積と、A(t)・dP(t)/dtの積は０（零）となり、式（２）は、次に示される式（３）に変形される。

本発明では、上記の式（３）を用いてエネルギー消費量を計算する。しかし、上述したように、従来の技術では「消費エネルギー計測装置を携帯する人が乗り物に乗っているときと歩いているときで人が消費するエネルギー量を正しく計算することができない」という問題があった。

例えば、図７は、オフィスからウォーキング→ランニング→電車→ウォーキングで帰宅したとき、（Ａ）従来の加速度センサのみで計測した場合、（Ｂ）従来のＧＰＳのみで計測した場合、（Ｃ）本発明の計測（ＧＰＳと加速度センサ）の場合について、算出した運動エネルギー消費量を示したものである。

図７によると、人が歩いているかまたは走っているときには、（Ａ）の場合、加速度センサでノコギリ波のような加速度エネルギーの振動が計測され、これにより大きな振幅で細かく振動したエネルギー消費量が測定値として得られ、（Ｂ）の場合、緩やかに変動する消費エネルギーが計測される。
また、図７によると、人が電車／自動車に乗っているときには、（Ａ）の場合、加速度エネルギーの振動は小さく、（Ｂ）の場合、消費エネルギーは大きく計測される。

したがって、本発明では、ＧＰＳで計測した測位情報から求めたエネルギー消費量に比べて加速度センサで計測した情報から求めたエネルギー消費量が小さければ、人は乗り物に乗っていると判定して加速度センサ情報によるエネルギー消費量のみを、人が消費するエネルギーと考える。
また、加速度センサで計測した情報によるエネルギー消費量がＧＰＳで計測した測位情報から求められたエネルギー消費量と比べて同じ程度であれば、人は乗り物には乗っていないと判定して、測位情報と加速度情報とからエネルギー消費量を求めるようにした。

この判定には、隣り合う測位ポイント間における加速度情報から算出されるエネルギー消費量（第１項の∫A(t)・A(t)・dt、式（４）に相当する）と、測位情報から算出されるエネルギー消費量（第２項の(dV(t)/dt+μ・V(t)-g)・(dP(t)/dt)、式（５）に相当する）とを比較して行うものとする。

上述のように、本発明の場合（図７（Ｃ））では、図７（Ａ）や図７（Ｂ）の場合に比べ、人が電車／自動車に乗って移動する区間はエネルギー消費量が小さく、ウォーキングで運動しながら移動する区間ではエネルギー消費量は大きく、ランニングで運動しながら移動する区間ではさらに大きなエネルギー消費量が得られ、妥当なエネルギー消費量の算出が期待できる。

消費エネルギー算出部７０では、上記の点を考慮して、最新の測位ポイントと１つ前の測位ポイント間でのエネルギー消費量を次の処理で計算する。

（１）最新の測位ポイントと１つ前の測位ポイントにおける測位情報（位置情報と速度情報、時刻情報）を取得して、(dV(t)/dt+μ・V(t)-g)・(dP(t)/dt)を計算する。

（２）最新の測位ポイントと１つ前の測位ポイント間に計測された加速度情報を加速度情報記憶部７５から取得して、（∫A(t)・A(t)・dt）を計算する。

（３）（∫A(t)・A(t)・dt）＜(dV(t)/dt+μ・V(t)-g)・(dP(t)/dt)のときには、測位情報以外の加速度情報から式（４）を使って、エネルギー消費量を計算する。このとき、Mは個人情報記憶部７７の体重から取得する。

（４）（∫A(t)・A(t)・dt）≧(dV(t)/dt+μ・V(t)-g)・(dP(t)/dt)のときには、測位情報と加速度情報から式（３）を使って、エネルギー消費量を計算する。このとき、Mは個人情報記憶部７７の体重から取得する。

（５）計算されたエネルギー消費量は、最新の測位ポイントの測位ポイント名、時刻および距離と対応させて移動履歴記憶部７６へ記憶する。
ここで、距離は、最新の測位ポイントと１つ前の測位ポイント間で∫(dP(t)/dt)・dtを計算することによって得る。

（６）計測開始から現時点までの計測結果をリアルタイムで表示部５に表示させる。
移動履歴記憶部７６に累積される消費エネルギーは、測位ポイント間におけるものであるから、計測開始から現時点までの計測結果を表示させるために、次のように移動距離、移動時間と平均移動速度を計算して、図８に例示したように、測位情報記憶部７３から現時点の時刻、位置情報と速度情報を取得して、計算結果とともに表示部５に表示させる。

（移動距離）＝（移動履歴記憶部７６に記憶された測位ポイント間の距離の総和）。
（移動時間）＝（移動履歴記憶部７６に記憶された最新の測位ポイントにおける時刻）−（移動履歴記憶部７６に記憶された計測開始の測位ポイントにおける時刻）。
（平均時速）＝（移動距離）／（移動時間）。

上記のエネルギー消費量は、単位がジュールであるが、カロリー係数Ｋを導入して、上記の式（３）乃至式（５）を式（６）乃至式（８）に変換することによって、なじみのある単位カロリーで計算することができる。このとき、カロリー係数Ｋは、個人情報記憶部７７の基礎代謝量などから取得する。

次に、既に計測が終了した後でも、これまでのエネルギー消費状況を次の操作によって表示することができる。
（１）操作部４を操作して、エネルギー消費量の計測メニューを表示させる。
このメニューには、「計測開始」、「計測終了」の他に「計測結果選択表示」と「計測結果表示」の項目がある。
（２）「計測結果表示」を選択すると、移動履歴記憶部７６に記憶されている計測開始から計測終了までの全区間におけるエネルギー消費量を表示する。
（３）「計測結果選択表示」を選択すると、移動履歴記憶部７６に記憶されている測位ポイント名とその測位ポイントでの時刻の対応表が表示され、この中からエネルギー消費量を表示させたい開始と終了の測位ポイントを指定すると、この間におけるエネルギー消費量を表示する。

上記のようにエネルギー消費量の計測メニューで「計測結果選択表示」または「計測結果表示」が選択されて、エネルギー消費量を表示させたい開始と終了の測位ポイントが指定されると、制御部１は消費エネルギー表示部７８を起動して、指定された開始と終了の測位ポイントを引き渡す。

消費エネルギー表示部７８は、移動履歴記憶部７６を参照して、指定された開始の測位ポイントと終了の測位ポイント間の時刻、距離、エネルギー消費量とから、次のような計算を行って、図９に例示したように表示部５に表示させる。

（全消費エネルギー）＝（開始の測位ポイントと終了の測位ポイント間の消費エネルギーの総和）。
（移動距離）＝（開始の測位ポイントと終了の測位ポイント間の距離の総和）。
（移動時間）＝（終了の測位ポイントにおける時刻）−（開始の測位ポイントにおける時刻）。
（平均時速）＝（移動距離）／（移動時間）。

図１０は、本実施形態に係る消費エネルギー計測装置における処理手順を示すフローチャートである。
まず、ユーザは、本消費エネルギー計測装置の操作部４に備えた開始ボタンを押すか、または、エネルギー消費量の計測メニューから開始を選択して、エネルギー消費量の計測を開始させる。本消費エネルギー計測装置では、開始ボタンが押されたこと、または開始の選択がなされたことを検知し、予め設定しておいた時間間隔に時計８で生成される時刻に、測位情報受信部２や加速度センサ３がそれぞれ起動されそれぞれの情報が獲得されるようになる（ステップＳ１０）。

次いで、測位情報取得部７２により、予め設定された時間間隔（通常１秒程度に１回、早くて０.１秒程度に１回）に時計８で生成された時刻に測位情報受信部２から位置情報（緯度、経度、標高）および速度情報（方向、速さ）、時刻情報（ＵＴＣ時刻）を獲得し、測位ポイントごとに、測位ポイント名、時刻、位置情報および速度情報を測位情報記憶部７３に記憶させ、測位情報受信部２のＧＰＳから得られた時刻（ＵＴＣ）は、時計８が正しく時を刻むように補正する（ステップＳ１２）。

この間、加速度情報取得部７４により、予め設定された時間間隔（通常１ｍｓ程度に１回）に時計８で生成された時刻に加速度センサ３から３次元加速度情報（ｘ成分、ｙ成分、ｚ成分）を獲得し、取得した時刻ごとに、時刻と３次元加速度情報を加速度情報記憶部７５に記憶させる（ステップＳ１３）。

上記のステップＳ１２とＳ１３とは並行に動作されており、１つの測位ポイントに関する測位情報を得るたびに、消費エネルギー算出部７０が起動されて、ユーザの移動（運動）によって集められた情報によりリアルタイムに算定されたエネルギー消費量が表示部５に表示される。

消費エネルギー算出部７０では、最新の測位ポイントと１つ前の測位ポイントにおける測位情報（位置情報、速度情報、時刻情報）を取得して、(dV(t)/dt+μ・V(t)-g)・(dP(t)/dt)を計算し、また、最新の測位ポイントと１つ前の測位ポイント間に計測された加速度情報を加速度情報記憶部７５から取得して、（∫A(t)・A(t)・dt）を計算して、（∫A(t)・A(t)・dt）と(dV(t)/dt+μ・V(t)-g)・(dP(t)/dt)とを比較する（ステップＳ１４）。

（∫A(t)・A(t)・dt）＜(dV(t)/dt+μ・V(t)-g)・(dP(t)/dt)のときには（ステップＳ１４／ＹＥＳ）、測位情報以外の加速度情報から式（４）を使って、エネルギー消費量を計算し、計算されたエネルギー消費量を、最新の測位ポイントの測位ポイント名、時刻および距離と対応させて移動履歴記憶部７６へ記憶する（ステップＳ１５）。

一方、（∫A(t)・A(t)・dt）≧(dV(t)/dt+μ・V(t)-g)・(dP(t)/dt)のときには（ステップＳ１４／ＮＯ）、測位情報と加速度情報から式（３）を使って、エネルギー消費量を計算し、計算されたエネルギー消費量を、最新の測位ポイントの測位ポイント名、時刻および距離と対応させて移動履歴記憶部７６へ記憶する（ステップＳ１６）。
ここで、距離は、最新の測位ポイントと１つ前の測位ポイント間で∫(dP(t)/dt)・dtを計算することによって得る。

測位情報記憶部７３から現時点の時刻、位置情報と速度情報を取得し、計測開始から現時点までの移動距離、移動時間と平均移動速度を計算して、図８に例示したように、計算結果とともに表示部５に表示させる（ステップＳ１７）。
上記のエネルギー消費量を、式（６）乃至式（８）でカロリー単位に変換することによって、カロリー単位で表示するようにしてもよい。
その測位ポイントから、測位情報記憶部７３に記憶された測位情報を参照し、図１１のように地図を表示部５に提示して、その地点でのエネルギー消費量を表示するようにしてもよい。

ユーザが本消費エネルギー計測装置の操作部４に備えた終了ボタンを押すか、または、エネルギー消費量の計測メニューから終了を選択したことを検知すると（ステップＳ１８／ＮＯ）、測位情報受信部２および加速度センサ３を停止させるとともに、測位情報取得部７２および加速度情報取得部７４も停止させる。
一方、エネルギー消費量の計測終了を検知しなかったときには（ステップＳ１８／ＹＥＳ）、ステップＳ１１へ戻って、次の測位ポイントの入力を待つ。

また、既に計測が終了した後でも、移動履歴記憶部７６に記憶されている計測開始から計測終了までの全区間におけるエネルギー消費量、あるいは、任意の測位ポイントの区間におけるエネルギー消費量を表示できる。

次に、実際の計測値を用いて説明する。
今、ユーザが本消費エネルギー計測装置をポケットに入れて、図１１に示した約７ｋｍ周回コースを２周、合計約１４ｋｍをランニングしたとする。
本消費エネルギー計測装置では、約２秒毎に得られる測位情報を順次入力して、図３に示すようなデータを蓄積する。図１２は、ランニング距離と測位情報のうち標高との関係を示し、測位ポイントＰ１０６，Ｐ１３６，Ｐ１３７，Ｐ５８９，Ｐ５９０の各点の位置に丸印が付されている。また、図１３は、測位ポイントＰ１３６およびＰ１３７付近で測定された測位情報の時刻、速度情報（方向と速さ）、位置（緯度、経度、標高）を数値で示し、速度情報を矢印で示すものである。

上記のような例において、いくつかの測位ポイントの測位情報を用い、式（１）で移動エネルギーと位置エネルギーに基づくエネルギー消費量を計算してみる。
ここで、この例における（緯度、経度）の位置付近では、0.00001°は約1.11111mであるとする。

（a）時刻ＵＴＣ 00:34:57付近でのエネルギー消費量：
隣接した２つの測位ポイントＰ１３６とＰ１３７の測位データを式（１）に代入して、この２点間のエネルギー消費量を試算する。
（式（１）の右辺の第１項）＝∫ M・(dV(t)/dt + μ・V(t))・(dP(t)/dt)・dt
＝M・((V(t137)-V(t136))/(t137-t136) + μ・V(t137))・((P(t137)-P(t136))/(t137-t136))・(t137-t136)
＝M・((V(t137)-V(t136))/(2.2) + μ・V(t137))・(P(t137)-P(t136))
＝M・((1.58m/sec, 35°)/(2.2) + μ・(3.6m/sec, 318°))・(8.6m, 320°)
＝M・((1.58・8.6・cos(75°)/(2.2) + μ・3.6・8.6・cos(2°))
＝M・( 1.60 + μ・30.94 )

（式（１）の右辺の第２項）＝- ∫ M・g ・(dP(t)/dt)・dt
＝- M・g ・((P(t137)-P(t136))/(t137-t136))・(t137-t136)
＝- M・g ・(P(t137)-P(t136))
＝- M・(-9.8) ・(-1)
＝- M・9.8

したがって、測位ポイントＰ１３６とＰ１３７の２点間のエネルギー消費量 E (P137-P136) [J]は、次のように表される。
E (P137-P136) [J] ∝（式（１）の右辺の第１項）＋式（１）の右辺の第２項）
∝ M・( 1.60 + μ・30.94 ) -M・9.8
∝ M・( -8.20 + μ・30.94 )

(b) 時刻ＵＴＣ 00:52:00付近でのエネルギー消費量：
隣接した２つの測位ポイントＰ５９０とＰ５８９の測位データを式（１）に代入して、この２点間のエネルギー消費量を試算する。
（式（１）の右辺の第１項）＝∫ M・(dV(t)/dt + μ・V(t))・(dP(t)/dt)・dt
＝M・((V(t590)-V(589))/(t590-t589) + μ・V(t590))・((P(t590)-P(t589))/(t590-t589))・(t590-t589)
＝M・((V(t590)-V(589))/(2.1) + μ・V(t590))・(P(t590)-P(t589))
＝M・((0.69m/sec, 34°)/(2.1) + μ・(2.73m/sec,122°))・(7.28m, 106°)
＝M・((0.69・7.28・cos(72°)/(2.1) + μ・2.73・7.28・cos(16°))
＝M・( 1.55 + μ・19.10 )

（式（１）の右辺の第２項）＝- ∫ M・g ・(dP(t)/dt)・dt
＝- M・g ・((P(t590)-P(t589))/(t590-t589))・(t1590-t589)
＝- M・g ・(P(t590)-P(t589))
＝- M・(-9.8) ・(1)
＝+ M・9.8

したがって、測位ポイントＰ５９０とＰ５８９の２点間のエネルギー消費量 E (P590-P589) [J]は、次のように表される。
E (P590-P589) [J] ∝（式（１）の右辺の第１項）＋式（１）の右辺の第２項）
∝ M・( 1.55 + μ・19.10 ) + M・9.8
∝ M・( 11.35 + μ・19.10 )

次に、これら２箇所で算出したエネルギー消費量の意味を説明する。
図３、１２、１３を参照すると、(a)付近は、下り坂を時速１３ｋｍで右にカーブしながら走っており、(b)付近では、登り坂を時速１０ｋｍでほぼ直線に走っているので、位置エネルギーの観点から（a）付近では減り、(b)付近では増えている。
仮に、M=６０ｋｇ, μ=1.0とすれば、
E (P137-P136) [J] ∝ 1364
E (P590-P589) [J] ∝ 1827
となり、登り坂の(b)付近のエネルギー消費量は下り坂の(a)付近のそれに比べて1.3倍大きい。

また、本消費エネルギー計測装置を身に付けてランニングするユーザの運動消費カロリーは、カロリー係数（ここでは、Ｋ＝０.２４とする）を用いて、上記の式（６）〜（８）により、次のように求められる。
E (P137-P136) [cal] = 0.24 × 1364 = 327 [cal]
E (P590-P589) [cal] = 0.24 × 1827 = 438 [cal]

このランニングで消費した全エネルギーは、上述の要領で獲得した全測位ポイント１９６３点（Ｐ１〜Ｐ１９６３）について、式（１）に従って積分するとによって、図９のように求めることができる。
また、一般に、測位ポイントＰ２００からＰ１０００まで、スタートから現在地まで、というように任意の区間のエネルギー消費量を式（１）で算出することができる。

次に、加速度センサの加速度情報を加えたエネルギー消費量を計算する。このランニングの場合は、加速度情報により算出されるエネルギー量は測位情報により算出されるエネルギー量に比べて小さくないので、式（３）による計算法が選択される。
したがって、このランニングで消費した総エネルギー量は、次のような算出結果が期待できる。
エネルギー消費量：E [J] = 3500 [Kjoule]
E [cal] = 840 [Kcal]

このように実施形態を構成することによって、ＧＳＰによる測位情報と３次元加速度センサによる加速度情報によって、エネルギー算出方法を選択するようにしたので、車に乗っていても歩いていても人が消費するエネルギー量を求めることができる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で各種の変形、修正が可能であるのは勿論である。
例えば、図１４（Ａ）に示したように、携帯電話である端末Ａで計測した測位情報（位置情報、速度情報、時刻情報）と加速度情報を通信部によってネットワークで接続されたサーバへ送信し、これらの情報を基にこのサーバでエネルギー消費量を算出し、算出したエネルギー消費量を端末Ａで受信して表示するようにしてもよい。

この場合、端末Ａでは次の機能を備えている。
（１）端末Ａの測位情報を得るためにＧＰＳ衛星からＧＰＳ信号を受信する（ＧＰＳ受信部）。このＧＰＳ信号から現在の位置情報（緯度、経度、標高）と速度情報（方向、速さ）、時刻情報（ＵＴＣ時刻）を取得し、ネットワークを介してサーバへ転送する（測位情報送信部）。

（２）端末Ａに加速度センサを備え、この加速度センサで身体の動きによって生じる互いに直交する３軸方向（左右、前後、上下）の加速度成分を検出し、得た３次元加速度成分をネットワークを介してサーバへ転送する（加速度情報送信部）。

（３）端末Ａには、エネルギー消費量の計測を開始や終了を指示するための開始ボタン／終了ボタンあるいはメニューを備えており、これらの指示により端末ＡのＧＰＳ受信部や加速度センサの開始と終了を制御する。
また、端末Ａは、サーバに対して、消費エネルギー計測の開始・終了もネットワークを介して指示する。

（４）端末Ａは、サーバから送られてきたエネルギー消費量を受信して、表示部へ表示させる。
（５）また、端末Ａでは、エネルギー消費の計測が終了した後に、サーバに対して計測された任意の測位ポイント間あるいは全ての測位ポイント間におけるエネルギー消費量の算出を要求し、返信されてきたエネルギー消費量を表示部へ表示する。

このために、サーバでは次の機能を備えている。
（６）端末Ａから計測開始の指示を受信したときには、端末Ａから送られてくるデータの初期化（例えば、データ記憶領域の初期化や累積計算領域の初期化等）を行う。また、計測終了の指示を受信したときには、計測データの終了処理を行う。
（７）端末Ａから受信した測位情報および加速度情報をそれぞれ記憶部へ格納する。
また、測位情報が受信されたときには、上述した方式によりエネルギー消費量を算出し、途中経過を記憶部へ格納するとともに、端末Ａへ返信する。
（８）端末Ａから計測の終了した後のエネルギー消費の提示要求を受信したときには、記憶部に記憶された途中経過から、指定された測位ポイント間あるいは全ての測位ポイント間におけるエネルギー消費量を算出し、端末Ａに返信する。

このように、端末Ａにエネルギー消費量の計算機能がなくとも、端末Ａで計測された情報によりリアルタイムにエネルギー消費量を知ることができる。

また、例えば、図１４（Ｂ）に示したように、端末Ａの指示に基づいて、通信部をもつ携帯電話である端末Ｂでエネルギー消費量を計測するようにしてもよい。このとき、端末Ａと端末Ｂとを１対１にして利用する場合や、１つの端末Ａに対して複数の端末Ｂを対応させて利用するようにしてもよい。

この場合、端末Ａでは次の機能を備えている。
（１）端末Ａには、エネルギー消費量の計測を開始や終了を指示するための開始ボタン／終了ボタンあるいはメニューを備えており、これらの指示により端末Ａは、端末Ｂに対して、消費エネルギー計測の開始・終了もネットワークを介して指示する。
（２）端末Ａは、端末Ｂから送られてきたエネルギー消費量を受信して、表示部へ表示させる。
（３）また、端末Ａでは、エネルギー消費の計測が終了した後に、端末Ｂに対して計測された任意の測位ポイント間あるいは全ての測位ポイント間におけるエネルギー消費量の算出を要求し、返信されてきたエネルギー消費量を表示部へ表示する。

このために、端末Ｂでは次の機能を備えている。
（４）端末Ａから計測開始の指示を受信したときには、データの初期化（例えば、データ記憶領域の初期化や累積計算領域の初期化等）を行う。また、計測終了の指示を受信したときには、計測データの終了処理を行う。
（５）端末Ｂの測位情報を得るためにＧＰＳ衛星からＧＰＳ信号を受信し、このＧＰＳ信号から現在の位置情報（緯度、経度、標高）と速度情報（方向、速さ）、時刻情報（ＵＴＣ時刻）を取得し、記憶部へ格納する。

（６）端末Ｂに加速度センサを備え、この加速度センサで身体の動きによって生じる互いに直交する３軸方向（左右、前後、上下）の加速度成分を検出し、得た３次元加速度成分を記憶部へ格納する。
（７）測位情報が受信されたときには、上述した方式によりエネルギー消費量を算出し、途中経過を記憶部へ格納するとともに、端末Ａへ返信する。
（８）端末Ａから計測の終了した後のエネルギー消費の提示要求を受信したときには、記憶部に記憶された途中経過から、指定された測位ポイント間あるいは全ての測位ポイント間におけるエネルギー消費量を算出し、端末Ａに返信する。

また、例えば、図１４（Ｃ）に示したように、図１４（Ｂ）の通信部をもつ携帯電話である端末Ｂがエネルギー消費量を計算する機能がない場合、この計算をサーバに代行させるようにしてもよい。
また、図１４（Ｂ）の端末Ａは、図１４（Ａ）の端末Ａと同じ機能をもつ端末であってもよい。
また、図１４（Ｃ）の端末Ａは、図１４（Ａ）の端末Ａと同じ機能をもつ端末であってもよい。

実施形態に係る消費エネルギー計測装置のハードウェアの構成を示すブロック図である。 消費エネルギー計測部の機能構成を示すブロック図である。 測位情報記憶部のデータ構造の例である。 加速度情報記憶部のデータ構造の例である。 移動履歴記憶部のデータ構造の例である。 個人情報記憶部のデータ構造の例である。 従来と本発明のエネルギー消費量の算出比較結果を示す例である。 計測途中におけるエネルギー消費量の表示例である。 計測終了後のエネルギー消費量の表示例である。 実施形態に係る消費エネルギー計測装置における処理手順を示すフローチャートである。 計算事例で使うランニングコースである。 ランニング距離（マイル単位）と測位情報のうち標高（フィート単位）との関係を示す図である 測位ポイントＰ１３６およびＰ１３７付近の測位情報のうち速度情報（方向と速度）を示す図である。 消費エネルギー計測システムの構成例である。

符号の説明

１…制御部、２…測位情報受信部、３…加速度センサ、４…操作部、５…表示部、６…記憶部、７…消費エネルギー計測部、８…時計、７０…消費エネルギー算出部、７１…計測開始指示部、７２…測位情報取得部、７３…測位情報記憶部、７４…加速度情報取得部、７５…加速度情報記憶部、７６…移動履歴記憶部、７７…個人情報記憶部、７８…消費エネルギー表示部、７９…計測終了指示部。

Claims (10)

1. ＧＰＳ衛星から受信した当該装置の位置情報と速度情報、時刻情報を取得して、測位情報として測位情報記憶部に記憶する測位情報取得部と、加速度センサで検出した３次元加速度成分を取得して、加速度情報として加速度情報記憶部に記憶する加速度情報取得部と、前記測位情報と前記加速度情報を基に、当該装置が移動したときのエネルギー消費量を計算する消費エネルギー算出部と、前記消費エネルギー算出部で算出されたエネルギー消費量を表示する表示部と、を備えたことを特徴とする消費エネルギー計測装置。
2. 請求項１に記載の消費エネルギー計測装置において、前記消費エネルギー算出部は、前記加速度情報から算出されるエネルギー消費量が前記測位情報から算出されるエネルギー消費量より小さいときには、前記加速度情報から算出するエネルギー消費量を選択し、さもない場合には、前記加速度情報と前記測位情報から算出するエネルギー消費量を選択して、総エネルギー消費量を算出することを特徴とする消費エネルギー計測装置。
3. 携帯電話が請求項１または請求項２に記載の消費エネルギー計測装置であることを特徴とする携帯電話。
4. 携帯端末とサーバとをネットワークで接続した消費エネルギー計測システムにおいて、
   前記携帯端末は、ＧＰＳ衛星から受信した当該装置の位置情報と速度情報、時刻情報を取得して、測位情報として前記サーバへ転送する測位情報取得部と、加速度センサで検出した３次元加速度成分を取得して、加速度情報として前記サーバへ転送する加速度情報取得部と、前記サーバで算出されたエネルギー消費量を受信して表示する表示部と、を備え、
   前記サーバは、前記携帯端末から受信した測位情報と加速度情報とをそれぞれ記憶部に記憶する受信部と、前記測位情報と前記加速度情報を基に、前記携帯端末が移動したときのエネルギー消費量を計算する消費エネルギー算出部と、前記消費エネルギー算出部で算出されたエネルギー消費量を前記携帯端末へ送信する送信部と、
   を備えたことを特徴とする消費エネルギー計測システム。
5. 端末装置と携帯端末とをネットワークで接続した消費エネルギー計測システムにおいて、
   前記端末装置は、前記携帯端末から送信されたエネルギー消費量を受信して表示する表示部を備え、前記端末装置は、前記携帯端末であってもよく、
   前記携帯端末は、ＧＰＳ衛星から受信した当該装置の位置情報と速度情報、時刻情報を取得して、測位情報として測位情報記憶部に記憶する測位情報取得部と、加速度センサで検出した３次元加速度成分を取得して、加速度情報として加速度情報記憶部に記憶する加速度情報取得部と、前記測位情報と前記加速度情報を基に、当該装置が移動したときのエネルギー消費量を計算する消費エネルギー算出部と、前記消費エネルギー算出部で算出されたエネルギー消費量を前記端末装置へ送信する送信部と、
   を備えたことを特徴とする消費エネルギー計測システム。
6. 端末装置と携帯端末とサーバとをネットワークで接続した消費エネルギー計測システムにおいて、
   前記端末装置は、前記携帯端末から送信されたエネルギー消費量を受信して表示する表示部を備え、前記端末装置は、前記携帯端末であってもよく、
   前記携帯端末は、ＧＰＳ衛星から受信した当該装置の位置情報と速度情報、時刻情報を取得して、測位情報として前記サーバへ転送する測位情報取得部と、加速度センサで検出した３次元加速度成分を取得して、加速度情報として前記サーバへ転送する加速度情報取得部と、前記サーバで算出されたエネルギー消費量を受信して前記端末装置へ送信する送信部と、を備え、
   前記サーバは、前記携帯端末から受信した測位情報と加速度情報とをそれぞれ記憶部に記憶する受信部と、前記測位情報と前記加速度情報を基に、前記携帯端末が移動したときのエネルギー消費量を計算する消費エネルギー算出部と、前記消費エネルギー算出部で算出されたエネルギー消費量を前記携帯端末へ送信する送信部と、
   を備えたことを特徴とする消費エネルギー計測システム。
7. 請求項４に記載の消費エネルギー計測システムにおいて、
   前記携帯端末は、消費エネルギー計測の開始と終了を当該端末と前記サーバとに指示する指示部を備え、前記携帯端末からネットワークを介して消費エネルギー計測の起動および停止を行えるようにしたことを特徴とする消費エネルギー計測システム。
8. 請求項５に記載の消費エネルギー計測システムにおいて、
   前記端末装置は、消費エネルギー計測の開始と終了を前記携帯端末に指示する指示部を備え、
   前記端末装置からネットワークを介して消費エネルギー計測の起動および停止を行えるようにしたことを特徴とする消費エネルギー計測システム。
9. 請求項６に記載の消費エネルギー計測システムにおいて、
   前記端末装置は、消費エネルギー計測の開始と終了を前記携帯端末に指示する指示部を備え、
   前記携帯端末は、前記端末装置から消費エネルギー計測の開始と終了を受信すると、前記サーバに消費エネルギー計測の開始と終了を前記サーバに指示する指示部を備え、
   前記端末装置からネットワークを介して消費エネルギー計測の起動および停止を行えるようにしたことを特徴とする消費エネルギー計測システム。
10. 請求項４乃至９のいずれかに記載の消費エネルギー計測システムにおいて、前記携帯端末が携帯電話であることを特徴とする消費エネルギー計測システム。

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