JP2009133691A - Portable terminal, program, and method for determining traveling direction of pedestrian by using acceleration sensor and geomagnetic sensor - Google Patents

Portable terminal, program, and method for determining traveling direction of pedestrian by using acceleration sensor and geomagnetic sensor Download PDF

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大輔 上坂
Kenji Iwamoto
健嗣 岩本
Shigeki Muramatsu
茂樹 村松
Satoshi Nishiyama
智 西山
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a portable terminal, a program, and a method for determining as accurately as possible the traveling direction of a pedestrian by using an acceleration sensor and a geomagnetic sensor mounted on the portable terminal even in the case the pedestrian is walking with the portable terminal in hand. <P>SOLUTION: This portable terminal comprises a traveling direction determination means for determining the traveling direction of the pedestrian. The determination means comprises a plane approximation means for plotting acceleration data and geomagnetic data corresponding to the passage of time on a three-dimensional coordinate system to derive an approximate acceleration plane and a geomagnetic plane, an interplanar angle calculation means for calculating an interplanar angle ψ between the acceleration plane and the geomagnetic plane, and a direction angle calculation means for calculating a direction angle θ relative to the geomagnetic plane as the traveling direction of the pedestrian based on the interplanar angle ψ. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、加速度センサ及び地磁気センサを用いて歩行者の進行方向を決定する携帯端末、プログラム及び方法に関する。特に、進行方向及び現在位置をリアルタイムに導出する自律航法技術に関する。   The present invention relates to a portable terminal, a program, and a method for determining a traveling direction of a pedestrian using an acceleration sensor and a geomagnetic sensor. In particular, the present invention relates to an autonomous navigation technique for deriving a traveling direction and a current position in real time.

従来、加速度センサ及び方位センサを用いて、進行方向及び現在位置をリアルタイムに導出する自律航法技術がある。自律航法技術は、GPS(Global Positioning System)技術と組み合わされて、主にカーナビゲーションシステム(Car Navigation System)に利用されている。カーナビゲーションシステムは、自動車の運転者に対して、正確な進行方向及び現在位置と、目的地への走行経路案内とを、ディスプレイに表示する。   Conventionally, there is an autonomous navigation technique that derives a traveling direction and a current position in real time using an acceleration sensor and a direction sensor. Autonomous navigation technology is combined with GPS (Global Positioning System) technology and is mainly used for a car navigation system. The car navigation system displays, on a display, an accurate traveling direction and current position, and a travel route guide to a destination for a driver of a car.

カーナビゲーションシステムは、GPSによって測位した現在位置情報を、車速パルス又はジャイロのような自律航法技術によって補正する。また、道路地図情報を必要に応じて読み出し、現在の走行経路が道路上と一致するように、進行方向及び現在位置を補正する(投影法によるマップマッチング技術、例えば特許文献1参照)。これにより、センサの誤差によって、現在位置が、道路上でない位置になることを防ぐことができる。   The car navigation system corrects the current position information measured by the GPS by an autonomous navigation technique such as a vehicle speed pulse or a gyro. Further, the road map information is read out as necessary, and the traveling direction and the current position are corrected so that the current travel route coincides with the road (refer to map matching technology based on a projection method, for example, Patent Document 1). As a result, it is possible to prevent the current position from being a position not on the road due to a sensor error.

これに対し、このようなナビゲーション技術を、歩行者の所持する携帯端末に適応したシステムもある。具体的には、検出した歩行者の「歩数」と、その歩行者の「歩幅」とを用いて、始点からの累積的な現在位置を導出する(例えば特許文献2参照)。自律航法技術を歩行者に適応した場合、水平方向の移動以外の加速度成分も検出される。従って、測定される距離は、単純に加速度センサの出力を積分するのではなく、歩数及び歩幅から導出される。   On the other hand, there is a system in which such navigation technology is applied to a portable terminal possessed by a pedestrian. Specifically, a cumulative current position from the starting point is derived using the detected “number of steps” of the pedestrian and the “step length” of the pedestrian (see, for example, Patent Document 2). When the autonomous navigation technology is applied to a pedestrian, acceleration components other than horizontal movement are also detected. Thus, the measured distance is derived from the number of steps and the step length, rather than simply integrating the output of the acceleration sensor.

「歩数」は、携帯端末内の加速度センサによって検出された軸毎の加速度を二乗和の平方根とし(√(x2+y2+z2))、そのピーク−ピーク間を1歩として検出する(例えば特許文献3参照)。「歩幅」は、利用者が予め設定するか、若しくは利用者の身長から推定する。又は、他の技術によれば、歩行者に規定距離を歩行させることによって、その歩幅をキャリブレーションする技術もある(例えば非特許文献1参照)。 The “number of steps” is detected by taking the acceleration for each axis detected by the acceleration sensor in the mobile terminal as the square root of the sum of squares (√ (x 2 + y 2 + z 2 )) and taking the peak-to-peak as one step (for example, (See Patent Document 3). The “step length” is preset by the user or estimated from the height of the user. Alternatively, according to another technique, there is a technique of calibrating the stride by causing a pedestrian to walk a specified distance (see, for example, Non-Patent Document 1).

「進行方向」は、「方位センサ」によって検出される。方位センサとしては、一般に地磁気センサが利用される。地磁気センサを用いて検出した端末の姿勢及び方向を、ディスプレイに3次元表示する技術もある(例えば特許文献4参照)。また、進行方向に交差点を介して複数の道路が存在する場合、その交差点を、現在位置とする技術もある(例えば特許文献5参照)。   The “traveling direction” is detected by the “direction sensor”. As the direction sensor, a geomagnetic sensor is generally used. There is also a technique for three-dimensionally displaying the orientation and direction of a terminal detected using a geomagnetic sensor on a display (see, for example, Patent Document 4). In addition, when there are a plurality of roads through an intersection in the traveling direction, there is a technique in which the intersection is the current position (see, for example, Patent Document 5).

自律航法技術を用いた現在位置の決定について、センサデータの累積的誤差の影響を防ぐために、交差点での右折左折を検出した際に、その交差点を、現在位置の特定のための始点とする技術もある(例えば特許文献6参照)。即ち、方向転換が検出される毎に、センサデータの累積的誤差がリセットされることなり、その後の現在位置の特定に、先の累積的誤差が影響しない。   A technology to determine the current position using autonomous navigation technology, in order to prevent the influence of the cumulative error of sensor data, when the right turn or left turn at the intersection is detected, the intersection is the starting point for specifying the current position (See, for example, Patent Document 6). That is, every time a turn is detected, the cumulative error of the sensor data is reset, and the previous cumulative error does not affect the subsequent specification of the current position.

特開平5−061408号公報JP-A-5-061408 特開平9−089584号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-089584 特開2005−038018号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2005-038018 特開2004−046006号公報JP 2004-046006 A 特開平3−099399号公報JP-A-3-099399 特開昭63−011813号公報JP 63-011813 A 「Nike+iPodユーザーズガイド」、第27頁、「online」、[平成19年8月31日検索]、インターネット<URL:http://manuals.info.apple.com/ja/nikeipod_users_guide.pdf>"Nike + iPod User's Guide", page 27, "online", [searched August 31, 2007], Internet <URL: http://manuals.info.apple.com/en/nikeipod_users_guide.pdf>

特許文献4に記載された技術によれば、加速度センサ及び地磁気センサを用いて静止状態における方位を導出するものである。しかしながら、実際に、歩行者が手持ちにした携帯端末によって方位を導出する場合、手持ち状態のためにセンサによって検出される波形が乱れ、正しい方位を導出することはできない。特に、歩行者が手を前方と後方に振るために、センサによって検出されるデータは大きく変動する。また、歩行者が手持ちするような携帯端末については、サイズやコストの制約から、カーナビゲーションシステムに搭載されるジャイロセンサを用いることも難しい。   According to the technique described in Patent Document 4, an orientation in a stationary state is derived using an acceleration sensor and a geomagnetic sensor. However, when the azimuth is actually derived by a portable terminal held by a pedestrian, the waveform detected by the sensor is disturbed due to the handheld state, and the correct azimuth cannot be derived. In particular, since the pedestrian shakes his / her hand forward and backward, the data detected by the sensor varies greatly. Moreover, it is difficult to use a gyro sensor mounted on a car navigation system for a portable terminal held by a pedestrian due to size and cost constraints.

そこで、本発明は、歩行者が、携帯端末を手持ちで歩行している場合であっても、その携帯端末に搭載された加速度センサ及び地磁気センサを用いて、歩行者の進行方向をできる限り正確に決定する携帯端末、プログラム及び方法を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention uses the acceleration sensor and the geomagnetic sensor mounted on the mobile terminal as accurately as possible even when the pedestrian is walking with the mobile terminal handheld. It is an object of the present invention to provide a portable terminal, a program, and a method that are determined.

本発明によれば、3軸の加速度データを出力する加速度センサと、3軸の地磁気データを出力する地磁気センサと、加速度データ及び地磁気データから歩行者の進行方向を決定する進行方向決定手段とを有し、歩行者によって所持される携帯端末であって、
進行方向決定手段は、
時間経過に応じた加速度データ及び地磁気データを3次元座標系にプロットし、腕振りによって生じる加速度面及び/又は地磁気面を近似的に導出する平面近似手段と、
加速度面と地磁気面との間の平面間角度φを算出する平面間角度算出手段と、
平面間角度φに基づいて、地磁気面に対する方向角θを算出する方向角算出手段と
を有することを特徴とする。
According to the present invention, the acceleration sensor that outputs the triaxial acceleration data, the geomagnetic sensor that outputs the triaxial geomagnetic data, and the traveling direction determination means that determines the traveling direction of the pedestrian from the acceleration data and the geomagnetic data. A portable terminal possessed by a pedestrian,
The direction of travel determination means is
A plane approximation means for plotting acceleration data and geomagnetic data according to the passage of time in a three-dimensional coordinate system and approximately deriving an acceleration surface and / or a geomagnetic surface caused by arm swing;
A plane-to-plane angle calculating means for calculating a plane-to-plane angle φ between the acceleration surface and the geomagnetic surface;
And a direction angle calculating means for calculating a direction angle θ with respect to the geomagnetic surface based on the interplane angle φ.

本発明の携帯端末における他の実施形態によれば、方向角算出手段は、重力方向と地磁気のなす角Iを用いて、
角度量θmeasure=arcsin(tan(φ)/tan(I))
北に向かって、加速度面の左側に地磁気面がある場合、方向角θ=θmeasureとし、加速度面の右側に地磁気面がある場合、方向角θ=−θmeasureとして算出することも好ましい。
According to another embodiment of the portable terminal of the present invention, the direction angle calculation means uses the angle I formed by the direction of gravity and the geomagnetism,
Angle measure θmeasure = arcsin (tan (φ) / tan (I))
It is also preferable to calculate the direction angle θ = θmeasure when the geomagnetic surface is on the left side of the acceleration surface toward the north, and the direction angle θ = −θmeasure when the geomagnetic surface is on the right side of the acceleration surface.

本発明の携帯端末における他の実施形態によれば、平面近似手段は、加速度面及び/又は地磁気面を、最小二乗法によって近似することも好ましい。   According to another embodiment of the portable terminal of the present invention, it is also preferable that the plane approximation means approximates the acceleration surface and / or the geomagnetic surface by a least square method.

本発明の携帯端末における他の実施形態によれば、
加速度センサから入力された加速度データを、歩数毎、又は歩数に基づく時間単位毎に区分し、進行方向決定手段へ出力する歩行タイミング決定手段と、
進行方向決定手段から出力された、歩数毎、又は歩数に基づく時間単位毎の進行方向について、方向転換がなされたか否かを判定する方向転換判定手段と
を更に有することも好ましい。
According to another embodiment of the mobile terminal of the present invention,
Gait timing determination means for classifying the acceleration data input from the acceleration sensor for each number of steps or for each time unit based on the number of steps, and outputting to the traveling direction determination means;
It is also preferable to further include a direction change determination unit that determines whether or not the direction change has been made for each step number or the traveling direction for each time unit based on the step number output from the traveling direction determination unit.

本発明の携帯端末における他の実施形態によれば、
歩行者の歩行の向き、即ち、加速度面の前方を決定する前方決定手段を更に有し、
前方決定手段は、加速度センサから出力された加速度データ列における合成加速度の連続するピーク点のうち大きい方を、加速度面の前方として決定し、その旨を方向転換判定手段へ通知することも好ましい。
According to another embodiment of the mobile terminal of the present invention,
It further has a forward determining means for determining the direction of walking of the pedestrian, that is, the front of the acceleration surface,
Preferably, the forward determining means determines the larger one of the continuous peak points of the composite acceleration in the acceleration data string output from the acceleration sensor as the front of the acceleration surface, and notifies the direction change determining means to that effect.

本発明の携帯端末における他の実施形態によれば、平面近似手段に入力される加速度データ及び地磁気データについて、
所定時間範囲のデータをメモリし、最大値及び最小値から所定割合のデータを除去するフィルタ手段を更に有することも好ましい。
According to another embodiment of the portable terminal of the present invention, about acceleration data and geomagnetic data input to the plane approximation means,
It is also preferable to further include filter means for storing data in a predetermined time range and removing a predetermined ratio of data from the maximum value and the minimum value.

本発明の携帯端末における他の実施形態によれば、方向角算出手段から出力された方向角θについて、
所定時間範囲の方向角θをメモリし、当該方向角θの前後の変化が所定角度閾値以上となっている方向角θを除去する補正手段を更に有することも好ましい。
According to another embodiment of the mobile terminal of the present invention, for the direction angle θ output from the direction angle calculation means,
It is also preferable to further include correction means for storing the direction angle θ in a predetermined time range and removing the direction angle θ in which a change before and after the direction angle θ is equal to or greater than a predetermined angle threshold.

本発明によれば、3軸の加速度データを出力する加速度センサと、3軸の地磁気データを出力する地磁気センサとを有し、歩行者によって所持される携帯端末に搭載されたコンピュータを、加速度データ及び地磁気データから歩行者の進行方向を決定する進行方向決定手段として機能させる携帯端末用のプログラムであって、
進行方向決定手段は、
時間経過に応じた加速度データ及び地磁気データを3次元座標系にプロットし、腕振りによって生じる加速度面及び地磁気面を近似的に導出する平面近似手段と、
加速度面と地磁気面との間の平面間角度φを算出する平面間角度算出手段と、
平面間角度φに基づいて、地磁気面に対する方向角θを算出する方向角算出手段と
してコンピュータを機能させることを特徴とする。
According to the present invention, an acceleration sensor that outputs triaxial acceleration data and a geomagnetic sensor that outputs triaxial geomagnetic data, and a computer mounted on a portable terminal carried by a pedestrian, the acceleration data And a program for a mobile terminal that functions as a traveling direction determining means for determining a traveling direction of a pedestrian from geomagnetic data,
The direction of travel determination means is
A plane approximation means for plotting acceleration data and geomagnetic data according to the passage of time in a three-dimensional coordinate system and approximately deriving an acceleration surface and a geomagnetic surface caused by arm swing;
A plane-to-plane angle calculating means for calculating a plane-to-plane angle φ between the acceleration surface and the geomagnetic surface;
The computer is caused to function as direction angle calculation means for calculating the direction angle θ with respect to the geomagnetic surface based on the interplane angle φ.

本発明によれば、3軸の加速度データを出力する加速度センサと、3軸の地磁気データを出力する地磁気センサとを有し、歩行者によって所持される携帯端末について、加速度データ及び地磁気データから歩行者の進行方向を決定する進行方向決定方法であって、
時間経過に応じた加速度データ及び地磁気データを3次元座標系にプロットし、腕振りによって生じる加速度面及び地磁気面を近似的に導出する第1のステップと、
加速度面と地磁気面との間の平面間角度φを算出する第2のステップと、
平面間角度φに基づいて、地磁気面に対する方向角θを算出する第3のステップと
を有することを特徴とする。
According to the present invention, a mobile terminal possessed by an pedestrian having an acceleration sensor that outputs triaxial acceleration data and a geomagnetic sensor that outputs triaxial geomagnetic data walks from acceleration data and geomagnetic data. A method of determining the direction of travel of a person,
A first step of plotting acceleration data and geomagnetic data according to the passage of time in a three-dimensional coordinate system and approximately deriving an acceleration surface and a geomagnetic surface caused by arm swing;
A second step of calculating a plane angle φ between the acceleration surface and the geomagnetic surface;
And a third step of calculating a direction angle θ with respect to the geomagnetic surface based on the interplane angle φ.

本発明の携帯端末、プログラム及び方法によれば、歩行者が、携帯端末を手持ちで歩行している場合であっても、その携帯端末に搭載された加速度センサ及び地磁気センサを用いて、歩行者の進行方向をできる限り正確に決定することができる。   According to the mobile terminal, the program, and the method of the present invention, even if the pedestrian is walking with the mobile terminal held by hand, the pedestrian can be detected using the acceleration sensor and the geomagnetic sensor mounted on the mobile terminal. Can be determined as accurately as possible.

以下では、図面を用いて、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、歩行者の歩行態様と、加速度変動方向及び地磁気変動方向とを表す説明図である。   FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating a walking mode of a pedestrian, an acceleration variation direction, and a geomagnetic variation direction.

図1によれば、歩行者は、携帯端末を手持ちにし、その手を前後に振りながら歩行している。このような一般的な歩行態様を横方向から見れば、携帯端末の位置は、円弧を描きながら振り子状に前後に変動している。また、進行方向から見れば、携帯端末の位置は、上下に変動している。   According to FIG. 1, a pedestrian is walking while holding a portable terminal and shaking his / her hand back and forth. If such a general walking mode is seen from the lateral direction, the position of the mobile terminal fluctuates back and forth in a pendulum shape while drawing an arc. Further, when viewed from the traveling direction, the position of the mobile terminal fluctuates up and down.

携帯端末を手持ちした腕における肩部分は、携帯端末の位置変動が描く円弧の回転軸となる。この曲線の変動は、携帯端末に搭載された加速度センサ又は地磁気センサによって検出される。即ち、その回転軸とその円弧とからなる平面(扇形)は、加速度面(加速度ベクトル群の成す面)として表される。携帯端末が手持ちで振られる限り、この加速度面は、進行方向と平行になる。   The shoulder portion of the arm holding the mobile terminal serves as a rotation axis of an arc drawn by the position change of the mobile terminal. This curve variation is detected by an acceleration sensor or a geomagnetic sensor mounted on the portable terminal. That is, a plane (fan shape) composed of the rotation axis and the arc is represented as an acceleration surface (a surface formed by an acceleration vector group). As long as the mobile terminal is shaken by hand, this acceleration plane is parallel to the traveling direction.

また、加速度センサから出力された加速度データを二乗和の平方根(√(x2+y2+z2))を求めることによって、合成加速度が得られる。図1によれば、歩行者に把持された携帯端末の位置として、位置A、位置B及び位置Cが表されている。位置Bは、歩行者の手が真下にある時(最下点)であり、手持ちされた携帯端末の合成加速度は、極大(最大)となる。逆に、位置A及び位置Cは、歩行者の手が最も高い位置にある時(最上点)であり、その合成加速度は、極小(最小)となる。従って、合成加速度が極大となった時の携帯端末の位置は、重力方向を表すこととなる。これによって、加速度データによって、腕振り方向に基づく加速度面と、重力方向とを導出することができる。 Further, by obtaining the square root of the sum of squares (√ (x 2 + y 2 + z 2 )) from the acceleration data output from the acceleration sensor, a combined acceleration can be obtained. According to FIG. 1, the position A, the position B, and the position C are represented as the position of the mobile terminal held by the pedestrian. The position B is when the hand of the pedestrian is directly below (the lowest point), and the combined acceleration of the handheld portable terminal becomes a maximum (maximum). Conversely, position A and position C are when the pedestrian's hand is at the highest position (top point), and the resultant acceleration is minimal (minimum). Therefore, the position of the mobile terminal when the combined acceleration becomes maximum represents the direction of gravity. Thus, the acceleration plane based on the arm swing direction and the gravity direction can be derived from the acceleration data.

更に、歩行者及び携帯端末に対しては、地磁気が到来している。歩行者が、端末を一定の姿勢で保持し、一方向に真っ直ぐ進行している限り、その地磁気のセンサ座標系における到来方向は同じである。しかしながら、歩行者は、手持ちにした携帯端末を前後に振るために、その腕振りに応じて、地磁気の到来方向が、曲線を描いて変動する。この曲線の変動は、携帯端末に搭載された地磁気センサによって検出される。即ち、その軸とその曲線とからなる面は、地磁気面(地磁気ベクトル群の成す面)として表される。   Furthermore, geomagnetism has arrived for pedestrians and mobile terminals. As long as the pedestrian holds the terminal in a constant posture and travels straight in one direction, the arrival direction in the geomagnetic sensor coordinate system is the same. However, in order for a pedestrian to swing his / her portable terminal back and forth, the direction of arrival of geomagnetism varies in a curved manner according to his arm swing. This curve variation is detected by a geomagnetic sensor mounted on the portable terminal. That is, the surface formed by the axis and the curve is represented as a geomagnetic surface (a surface formed by a geomagnetic vector group).

図2は、現実に発生する加速度面及び地磁気面を表す説明図である。   FIG. 2 is an explanatory diagram showing an acceleration surface and a geomagnetic surface that actually occur.

図2によれば、加速度センサから得られた3軸の加速度データ(x、y、z)と、地磁気センサから得られた3軸の地磁気データ(x、y、z)とが、3次元座標系にプロットされたものである。また、図2には、携帯端末が図1に表された位置A、位置B及び位置Cにある場合の地磁気及び加速度も、表されている。位置A、位置B及び位置Cの地磁気及び加速度のプロットを結ぶことによって、地磁気面及び加速度面を検出できる。   According to FIG. 2, the three-axis acceleration data (x, y, z) obtained from the acceleration sensor and the three-axis geomagnetic data (x, y, z) obtained from the geomagnetic sensor are expressed in three-dimensional coordinates. Plotted in the system. FIG. 2 also shows geomagnetism and acceleration when the mobile terminal is located at position A, position B, and position C shown in FIG. By connecting the geomagnetism and acceleration plots at positions A, B and C, the geomagnetic surface and the acceleration surface can be detected.

また、図2によれば、歩行者は、南から到来している地磁気に対して、方向角θの方向へ歩行している。このとき、携帯端末を手持ちした歩行者による腕振り動作に応じて、進行方向に平行に加速度面が検出でき、地磁気到来方向と反対側に地磁気面が検出できる。この地磁気面は、原点を通り進行方向と重力方向の双方に対し垂直な直線を軸として、地磁気ベクトルを母線とした、円錐の側面の一部を構成する。   Moreover, according to FIG. 2, the pedestrian is walking in the direction of the direction angle θ with respect to the geomagnetism coming from the south. At this time, the acceleration plane can be detected in parallel to the traveling direction according to the arm swinging motion of the pedestrian holding the mobile terminal, and the geomagnetic plane can be detected on the side opposite to the geomagnetism arrival direction. This geomagnetic surface constitutes a part of a side surface of a cone having a straight line passing through the origin and perpendicular to both the traveling direction and the gravity direction as an axis and having a geomagnetic vector as a generating line.

図3は、本発明によって角度量θmeasureを算出する説明図である。   FIG. 3 is an explanatory diagram for calculating the angle amount θmeasure according to the present invention.

図2によれば、地磁気面は、腕振りに応じた曲面によって表されているが、本発明によれば、図3のように、その地磁気面を平面に近似する。地磁気面を平面に近似することによって、加速度面と地磁気面との平面間角度φを算出することができる。尚、加速度面についても、腕振りによって曲面となる場合には、近似して平面化する必要がある。   According to FIG. 2, the geomagnetic surface is represented by a curved surface corresponding to the arm swing, but according to the present invention, the geomagnetic surface is approximated to a plane as shown in FIG. By approximating the geomagnetic surface to a plane, the plane angle φ between the acceleration surface and the geomagnetic surface can be calculated. The acceleration surface also needs to be approximated and planarized when it becomes a curved surface by arm swing.

地磁気面及び加速度面の曲面を平面に近似する方法としては、例えば、最小二乗法がある。最小二乗法は、残差の2乗の和が最小になるように、その現象に対し、予測関数f(x)のそれぞれの係数を決定する方法である。残差とは、i番目のデータnに対して予測された関数値f(n)と、測定されたデータmとの差、即ちm−f(n)である。 As a method of approximating the curved surfaces of the geomagnetic surface and the acceleration surface to a plane, for example, there is a least square method. The least square method is a method of determining each coefficient of the prediction function f (x) for the phenomenon so that the sum of the squares of the residuals is minimized. The residual, and the i-th data n i with respect to the predicted function values f (n i), which is the difference between the measured data m i, i.e. m i -f (n i).

一般に原点を通る平面は、以下の式(1)によって表される。
ax+by+cz=0 式(1)
このとき、(a,b,c)は、平面に対する法線ベクトルとなる。
In general, a plane passing through the origin is represented by the following equation (1).
ax + by + cz = 0 Formula (1)
At this time, (a, b, c) is a normal vector with respect to the plane.

ここで、計算を単純化するために、式(1)を、式(2)のように変形する。
z=αx+βy 式(2)
尚、(a,b,c)は法線ベクトルであるため、c=−1として問題無い。
Here, in order to simplify the calculation, Equation (1) is transformed into Equation (2).
z = αx + βy Equation (2)
Since (a, b, c) is a normal vector, there is no problem when c = -1.

n個の点群x,y,z(i=1〜n)が与えられたとき、以下の式(3)が最小となるα及びβを算出すればよい。
S=Σi=1 n(z−αx−βy) 式(3)
When n point groups x i , y i , and z i (i = 1 to n) are given, α and β that minimize the following expression (3) may be calculated.
S = Σ i = 1 n (z i −αx i −βy i ) Equation (3)

ここで、以下のように規定したとする。
A=Σi=1 n(x )
B=Σi=1 n(y )
C=Σi=1 n(z )
D=Σi=1 n(x×y)
E=Σi=1 n(x×z)
F=Σi=1 n(y×z)
Here, it is assumed that it is defined as follows.
A = Σ i = 1 n (x i 2 )
B = Σ i = 1 n (y i 2 )
C = Σ i = 1 n (z i 2 )
D = Σ i = 1 n (x i × y i )
E = Σ i = 1 n (x i × z i )
F = Σ i = 1 n (y i × z i )

このとき、式(3)は、以下のような式(4)になる。
S=Aα+Bβ+C+2αβD−2αE−2βF 式(4)
At this time, the expression (3) becomes the following expression (4).
S = Aα 2 + Bβ 2 + C + 2αβD-2αE-2βF Formula (4)

式(4)をαの関数とみたとき、凹型の2次関数となり、極小値が最小となる。これは、βにおいても同様である。即ち、Sをα、βに関して偏微分し、0となる点が求める解となる。

Figure 2009133691
When Expression (4) is regarded as a function of α, it becomes a concave quadratic function, and the minimum value is minimized. The same applies to β. That is, S is partially differentiated with respect to α and β, and a point that becomes 0 is obtained.
Figure 2009133691

式(5)及び式(6)を解くと、以下の式(7)及び式(8)のように算出できる。
α=(BE−DF)/(AB−D) 式(7)
β=(AF−DE)/(AB−D) 式(8)
前述したように、法線ベクトルは(α,β,−1)である。
When the equations (5) and (6) are solved, they can be calculated as the following equations (7) and (8).
α = (BE-DF) / (AB-D 2 ) Formula (7)
β = (AF−DE) / (AB−D 2 ) Formula (8)
As described above, the normal vector is (α, β, −1).

以下の表1によれば、時間経過p〜pに基づいて、観測された加速度データx,y,zが表されている。

Figure 2009133691
According to Table 1 below, the observed acceleration data x, y, and z are represented based on the time lapses p 1 to p 9 .
Figure 2009133691

Figure 2009133691
Figure 2009133691

表1及び表2によれば、α及びβは、以下のように算出される。
α= 0.012705529
β=-0.014162858
According to Tables 1 and 2, α and β are calculated as follows.
α = 0.012705529
β = -0.014162858

以下の表3によれば、時間経過p〜pに基づいて、観測された地磁気データx,y,zが表されている。

Figure 2009133691
According to Table 3 below, the observed geomagnetic data x, y, and z are represented based on the time lapses p 1 to p 9 .
Figure 2009133691

Figure 2009133691
Figure 2009133691

表3及び表4によれば、α及びβは、以下のように算出される。
α=-0.31856737
β= 0.690214824
According to Tables 3 and 4, α and β are calculated as follows.
α = -0.31856737
β = 0.690214824

平面間角度φは、加速度面及び地磁気面の2つの平面それぞれについて、前述したように法線ベクトルを算出する。最初に、各法線ベクトルを以下のように定義する。
加速度面の法線ベクトルNa=(αa,βa,−1)
地磁気面の法線ベクトルNm=(αm,βm,−1)
Na・Nm:2つの法線ベクトルの内積(スカラー積)
|Na|:加速度面の法線ベクトルNaの大きさ(線分の長さ)
|Nm|:地磁気面の法線ベクトルNmの大きさ(線分の長さ)
|Na||Nm|:2つの法線ベクトルの大きさの積
As described above, the inter-plane angle φ is calculated for the two planes of the acceleration plane and the geomagnetic plane as described above. First, each normal vector is defined as follows.
Acceleration surface normal vector Na = (αa, βa, −1)
Normal vector Nm = (αm, βm, −1) of the geomagnetic surface
Na · Nm: inner product of two normal vectors (scalar product)
| Na |: Size of normal vector Na of acceleration surface (length of line segment)
| Nm |: Size of normal vector Nm of geomagnetic surface (length of line segment)
| Na || Nm |: product of the sizes of two normal vectors

表1〜表4によれば、Na及びNmは、以下のようになる。
Na=(0.012705529,-0.014162858,-1)
|Na|=1.000180992
Nm=(-0.318567368,0.690214824,-1)
|Nm|=1.2561376
According to Tables 1 to 4, Na and Nm are as follows.
Na = (0.012705529, -0.014162858, -1)
| Na | = 1.000180992
Nm = (-0.318567368, 0.690214824, -1)
| Nm | = 1.2561376

このとき、ベクトルの成す角と内積の関係より、以下のように平面間角度φを算出することができる。
Na・Nm=|Na||Nm|cosφ 式(9)
cosφ=(Na・Nm)/(|Na||Nm|) 式(10)
φ=arccos((Na・Nm)/(|Na||Nm|)) 式(11)
At this time, the plane-to-plane angle φ can be calculated from the relationship between the angle formed by the vector and the inner product as follows.
Na · Nm = | Na || Nm | cosφ Formula (9)
cosφ = (Na · Nm) / (| Na || Nm |) Equation (10)
φ = arccos ((Na · Nm) / (| Na || Nm |)) Equation (11)

また、図3によれば、重力方向と、地磁気ベクトルとのなす角Iが表されている。Iは、携帯端末が位置する緯度によって決定される。   In addition, according to FIG. 3, the angle I formed by the direction of gravity and the geomagnetic vector is represented. I is determined by the latitude at which the mobile terminal is located.

そして、本発明によれば、最初に、平面間角度φに基づいて、地磁気面に対する角度量θmeasureを算出する。このとき、重力方向と地磁気のなす角Iを用いて、以下の式によって、角度量θmeasureを算出する。
角度量θmeasure=arcsin(tan(φ)/tan(I))
これによって、歩行者の進行方向を決定することができる。
According to the present invention, first, the angle amount θmeasure with respect to the geomagnetic surface is calculated based on the interplane angle φ. At this time, the angle amount θmeasure is calculated by the following formula using the angle I formed by the gravity direction and the geomagnetism.
Angle measure θmeasure = arcsin (tan (φ) / tan (I))
Thereby, the advancing direction of a pedestrian can be determined.

表1〜表4によれば、前述の式に当てはめて、平面間角度φを算出する。
Na・Nm=0.012705529×(-0.318567368)+(-0.014162858)×0.690214824
+(-1)×(-1)
=0.986177018
|Na||Nm|=1.000180992×1.2561376
=1.256365
Na・Nm=|Na||Nm|cosφ 式(9)
0.986177018=1.256365・cosφ
cosφ=(Na・Nm)/(|Na||Nm|) 式(10)
=0.986177018/1.256365
φ=arccos((Na・Nm)/(|Na||Nm|)) 式(11)
=arccos(0.986177018/1.256365)
=0.668189[rad]
=38.28444[deg]
According to Tables 1 to 4, the inter-plane angle φ is calculated by applying the above formula.
Na · Nm = 0.012705529 × (-0.318567368) + (-0.014162858) × 0.690214824
+ (-1) x (-1)
= 0.986177018
| Na || Nm | = 1.000180992 × 1.2561376
= 1.256365
Na · Nm = | Na || Nm | cosφ Formula (9)
0.986177018 = 1.256365 ・ cosφ
cosφ = (Na · Nm) / (| Na || Nm |) Equation (10)
= 0.986177018 / 1.256365
φ = arccos ((Na · Nm) / (| Na || Nm |)) Equation (11)
= Arccos (0.986177018 / 1.256365)
= 0.668189 [rad]
= 38.28444 [deg]

最終的に、重力方向と地磁気のなす角Iを用いて、角度量θmeasureが算出される。尚、以下では、重力方向と地磁気のなす角Iは41°としている。
θmeasure=arcsin(tan 38.28444 /tan I)
=65.23026581[deg]
Finally, the angle amount θmeasure is calculated using the angle I formed by the direction of gravity and the geomagnetism. In the following, the angle I between the direction of gravity and the geomagnetism is 41 °.
θmeasure = arcsin (tan 38.28444 / tan I)
= 65.23026581 [deg]

図4は、歩行者の進行方向が、北に向かっている場合の地磁気面及び加速度面のセンサ座標系における相対的な位置関係を表す説明図である。   FIG. 4 is an explanatory diagram showing a relative positional relationship in the sensor coordinate system between the geomagnetic surface and the acceleration surface when the pedestrian travels in the north direction.

図4によれば、簡単化のために重力方向を図の下方向としているが、実際に重力がセンサ座標系においてどの方向に検出されるかは、端末の姿勢に依存する。但し、加速度面と地磁気面の相対的な位置関係については端末姿勢には依存しない。   According to FIG. 4, the gravity direction is set as the downward direction in the figure for simplification, but in which direction gravity is actually detected in the sensor coordinate system depends on the attitude of the terminal. However, the relative positional relationship between the acceleration surface and the geomagnetic surface does not depend on the terminal posture.

また、図4によれば、腕振り運動によって、加速度ベクトルが、重力と進行方向の双方に垂直な軸を回転軸として振り子状に運動することにより、加速度面は、進行方向と平行な平面を構成する。地磁気面も、加速度面と同様の運動によって構成される。このとき、地磁気が、南北方向へ検出されるため、地磁気面は、進行方向に基づく加速度面と平行(重畳)になる(θ=0、φ=0)。従って、進行方向から見た視点aによれば、奥が北であって、地磁気面及び加速度面は重畳し、線となって見える。また、進行方向に対して側面から見た視点bによれば、加速度面を正面に見て、それに重畳する地磁気面も正面に見える。このとき、重力方向と地磁気のなす角Iに対するtanIが、横方向に表される。更に、鉛直真上方向から見た視点cによれば、地磁気面及び加速度面は重畳し、線となって見える。   In addition, according to FIG. 4, the acceleration surface moves in a pendulum shape with the axis perpendicular to both the gravity and the traveling direction as a rotation axis by the arm swinging motion, so that the acceleration surface has a plane parallel to the traveling direction. Constitute. The geomagnetic surface is also configured by the same movement as the acceleration surface. At this time, since the geomagnetism is detected in the north-south direction, the geomagnetic surface is parallel (superimposed) to the acceleration surface based on the traveling direction (θ = 0, φ = 0). Therefore, according to the viewpoint a seen from the traveling direction, the back is north, and the geomagnetic surface and the acceleration surface are superimposed and appear as lines. Moreover, according to the viewpoint b seen from the side with respect to the traveling direction, the acceleration surface is seen in front, and the geomagnetic surface superimposed on it is also seen in front. At this time, tanI with respect to the angle I between the gravity direction and the geomagnetism is represented in the horizontal direction. Further, according to the viewpoint c viewed from the direction directly above the vertical, the geomagnetic surface and the acceleration surface are superimposed and appear as lines.

図5は、歩行者の進行方向が、北に対してθの角度の方向に向かっている場合の地磁気面及び加速度面のセンサ座標系における相対的な位置関係を表す説明図である。   FIG. 5 is an explanatory diagram showing the relative positional relationship between the geomagnetic surface and the acceleration surface in the sensor coordinate system when the traveling direction of the pedestrian is in the direction of an angle θ with respect to the north.

図5によれば、北へ向かっている場合と異なって、地磁気は、重力方向を軸として進行方向に対してθだけ回転した方向から到来する。加速度面及び地磁気面は、北へ向かっている場合と同様に、腕振り運動によって、加速度ベクトル及び地磁気ベクトルが、重力と進行方向の双方に垂直な軸を回転軸として振り子状に運動することによって構成される。従って、進行方向から見た視点aによれば、加速度面に対する地磁気面は、角度φの位置にある。図5のように、φに対するtanφが、横方向に表される。また、進行方向に対して側面から見た視点bによれば、加速度面を正面に見て、それに重畳する地磁気面も正面に見える。更に、鉛直真上方向から見た視点cによれば、地磁気面の原点の対辺は、原点からtanφだけ離れたところで、進行方向と平行に位置する。   According to FIG. 5, unlike the case of heading north, the geomagnetism comes from a direction rotated by θ with respect to the traveling direction with the direction of gravity as the axis. The acceleration surface and the geomagnetic surface are moved in a pendulum-like manner by moving the acceleration vector and the geomagnetic vector about the axis perpendicular to both the gravity and the traveling direction by the arm swinging motion as in the case of moving north. Composed. Therefore, according to the viewpoint a viewed from the traveling direction, the geomagnetic surface with respect to the acceleration surface is at the position of the angle φ. As shown in FIG. 5, tanφ with respect to φ is represented in the horizontal direction. Moreover, according to the viewpoint b seen from the side with respect to the traveling direction, the acceleration surface is seen in front, and the geomagnetic surface superimposed on it is also seen in front. Further, according to the viewpoint c viewed from the direction directly above the vertical, the opposite side of the origin of the geomagnetic surface is located parallel to the traveling direction at a distance of tanφ from the origin.

図6は、歩行者の進行方向が、西(北に対して90°の角度の方向)に向かっている場合の地磁気面及び加速度面のセンサ座標系における相対的な位置関係を表す説明図である。   FIG. 6 is an explanatory diagram showing the relative positional relationship between the geomagnetic surface and the acceleration surface in the sensor coordinate system when the traveling direction of the pedestrian is toward the west (the direction at an angle of 90 ° with respect to the north). is there.

図6によれば、地磁気は、重力方向を軸として進行方向に対して90°だけ回転した方向から到来する。加速度面及び地磁気面は、他の進行方向の場合と同様に、腕振り運動によって、加速度ベクトル及び地磁気ベクトルが、重力と進行方向の双方に垂直な軸を回転軸として振り子状に運動することによって構成される。従って、進行方向から見た視点aによれば、加速度面に対する地磁気面は、重力方向と地磁気のなす角I(=φ)の位置にある。図6のように、Iに対するtanIが、横方向に表される。また、進行方向に対して側面から見た視点bによれば、加速度面を正面に見て、それに重畳する地磁気面も正面に見える。更に、鉛直真上方向から見た視点cによれば、地磁気面の原点の対辺は、進行向からtanIだけ離れたところで、進行方向と平行に位置する。   According to FIG. 6, the geomagnetism comes from a direction rotated by 90 ° with respect to the traveling direction about the gravity direction. Like the other traveling directions, the acceleration surface and the geomagnetic surface are moved in a pendulum manner by moving the acceleration vector and the geomagnetic vector about the axis perpendicular to both the gravity and the traveling direction by the arm swinging motion. Composed. Therefore, according to the viewpoint a viewed from the traveling direction, the geomagnetic surface with respect to the acceleration surface is at a position of an angle I (= φ) formed by the gravity direction and the geomagnetism. As shown in FIG. 6, tanI with respect to I is represented in the horizontal direction. Moreover, according to the viewpoint b seen from the side with respect to the traveling direction, the acceleration surface is seen in front, and the geomagnetic surface superimposed on it is also seen in front. Furthermore, according to the viewpoint c viewed from the direction directly above the vertical, the opposite side of the origin of the geomagnetic surface is located in parallel with the traveling direction at a distance of tanI from the traveling direction.

図7は、方向角θの向きを表す説明図である。上段は、北を12時方向として鉛直真上方向から見た図であり、下段は、進行方向(加速度面)に対し垂直な方向(上段で示した視点)から見た図である。   FIG. 7 is an explanatory diagram showing the direction of the direction angle θ. The upper row is a view seen from vertically above with the north at 12 o'clock, and the lower row is a view seen from a direction (viewpoint shown in the upper row) perpendicular to the traveling direction (acceleration plane).

加速度面及び地磁気面の平面間角度φと、重力方向及び地磁気のなす角Iとによって、前述した計算により数学的に求められる角度量θmeasureは、0°〜90°である。一方、実際の方向角θというと、北から時計回りを正方向として−90°〜+90°である。   The angle amount θmeasure mathematically determined by the above-described calculation based on the angle φ between the acceleration surface and the geomagnetic surface and the angle I between the direction of gravity and the geomagnetism is 0 ° to 90 °. On the other hand, the actual direction angle θ is −90 ° to + 90 ° with the clockwise direction from north as the positive direction.

図7(a)及び(b)によれば、南北方向を境界として左右(東西)対称となる2通りの位置に対して、同一の角度量θmeasureが得られる。例えば、方向角として、30°(北東−南西方向)及び−30°(北西−南東方向)の2通りの場合に、φとIから算出される角度量θmeasureは、30°で同一である。方向角θは、加速度面と地磁気面の位置関係(地磁気面が加速度面の左右どちら側に位置するか)によって確定することができる。
(a)北に向かって、加速度面の左側に地磁気面がある場合、方向角θ=θmeasureとなる。
(b)北に向かって、加速度面の右側に地磁気面がある場合、方向角θ=−θmeasureとなる。
According to FIGS. 7A and 7B, the same angle amount θmeasure is obtained with respect to two positions that are left-right (east-west) symmetrical with respect to the north-south direction. For example, when there are two direction angles of 30 ° (northeast-southwest direction) and −30 ° (northwest-southeast direction), the angle amount θmeasure calculated from φ and I is the same at 30 °. The direction angle θ can be determined by the positional relationship between the acceleration surface and the geomagnetic surface (whether the geomagnetic surface is located on the left or right side of the acceleration surface).
(A) When there is a geomagnetic surface on the left side of the acceleration surface toward north, the direction angle θ = θmeasure.
(B) When there is a geomagnetic surface on the right side of the acceleration surface toward the north, the direction angle θ = −θmeasure.

図7(c)は、進行方向が南北方向であり、図7(d)によれば、進行方向が東西方向である。
(c)加速度面と地磁気面は同一平面上にあり、右側や左側の区別はない場合、方向角θ=θmeasure=0°となる。
(d)地磁気面の位置(右側、左側)によらず、方向角θ=θmeasure=90°となる(+90°と−90°は方向角としては同一)。
7C, the traveling direction is the north-south direction, and according to FIG. 7D, the traveling direction is the east-west direction.
(C) When the acceleration surface and the geomagnetic surface are on the same plane and there is no distinction between the right side and the left side, the direction angle θ = θmeasure = 0 °.
(D) Regardless of the position of the geomagnetic surface (right side, left side), the direction angle θ = θmeasure = 90 ° (+ 90 ° and −90 ° are the same as the direction angle).

方向角θ及び角度量θmeasureは、南北方向に対する進行方向の成す角である。進行方向は、無向直線であり前後の区別が無い。このとき、北を0度とした時計回りの方位角(0〜360°)を導出するために、加速度面の前方(又は後方)を決定する必要がある(尚、この決定は、後述する図8の前方決定部107によって実現される)。   The direction angle θ and the angle amount θmeasure are angles formed by the traveling direction with respect to the north-south direction. The traveling direction is an undirected straight line, and there is no distinction between front and rear. At this time, in order to derive a clockwise azimuth angle (0 to 360 °) with north as 0 degree, it is necessary to determine the front (or rear) of the acceleration surface (this determination will be described later). 8 forward determination unit 107).

加速度面の前方は、合成加速度の連続するピーク点のうち大きい方に特定することができる。歩行により発生する加速度の大きさは、体の左右で対称であるが、携帯端末は、片手(体の中央から左右どちらかに偏った位置)で保持するため、左右非対称に検出される。例えば、歩行者が、右手に携帯端末を把持している場合に、右足で地面を蹴った際の加速度の大きさと、左足で地面を蹴った際の加速度の大きさとは、異なって検出される。この場合、右足で地面を蹴った際の加速度は、左足で地面を蹴った際の加速度よりも大きい。通常、人間の歩行は、手と足とが連動しており、例えば右手が前に出ている時に、右足が地面を蹴り出している。そのために、携帯端末を把持した側の足で地面を蹴ったと判断できれば、そのときの携帯端末は、前方に位置していると判断できる。   The front of the acceleration surface can be specified as the larger one of the continuous peak points of the combined acceleration. Although the magnitude of acceleration generated by walking is symmetric on the left and right sides of the body, the mobile terminal is detected asymmetrically because it is held with one hand (a position biased to the left or right from the center of the body). For example, when a pedestrian is holding a mobile terminal with his right hand, the magnitude of acceleration when kicking the ground with the right foot and the magnitude of acceleration when kicking the ground with the left foot are detected differently. . In this case, the acceleration when kicking the ground with the right foot is larger than the acceleration when kicking the ground with the left foot. Usually, in human walking, a hand and a foot are interlocked. For example, when the right hand is in front, the right foot kicks out the ground. Therefore, if it can be determined that the ground has been kicked with the foot on the side holding the mobile terminal, it can be determined that the mobile terminal at that time is positioned forward.

図8は、本発明の携帯端末における機能構成図である。   FIG. 8 is a functional configuration diagram of the mobile terminal according to the present invention.

図8によれば、携帯端末1は、マイクロプロセッサ部10と、地磁気センサ11と、加速度センサ12と、GPS部13と、地図情報記憶部14と、ディスプレイ部15とを有する。   According to FIG. 8, the mobile terminal 1 includes a microprocessor unit 10, a geomagnetic sensor 11, an acceleration sensor 12, a GPS unit 13, a map information storage unit 14, and a display unit 15.

地磁気センサ11は、3軸方向(前後方向、左右方向及び上下方向)の地磁気の方向を測定する。地磁気センサ11は、検出コイルを分離し、分離した検出コイルからそれぞれ検出された値を出力する。   The geomagnetic sensor 11 measures the direction of geomagnetism in three axial directions (front-rear direction, left-right direction, and up-down direction). The geomagnetic sensor 11 separates the detection coils and outputs values detected from the separated detection coils.

加速度センサ12は、加速度、即ち単位時間当たりの速度の変化を検出する。携帯端末の傾きを検出することができる3軸タイプの場合、3次元の加速度を検出でき、地球の重力(静的加速度)の計測にも対応できる。   The acceleration sensor 12 detects acceleration, that is, a change in speed per unit time. In the case of the three-axis type that can detect the tilt of the mobile terminal, three-dimensional acceleration can be detected, and measurement of the gravity (static acceleration) of the earth can be supported.

GPS部13は、基準の現在位置となる緯度経度情報を測位する。測位された現在位置を基準点として、歩行者の現在位置を、歩数、歩幅及び進行方向によって積算することができる。   The GPS unit 13 measures latitude and longitude information that is the current position of the reference. Using the measured current position as a reference point, the current position of the pedestrian can be integrated according to the number of steps, the step length, and the traveling direction.

地図情報記憶部14は、例えば道路地図のような走行経路を表す地図情報を記憶する。また、ディスプレイ部15は、マイクロプロセッサ部10から出力された進行方向及び現在位置を、地図情報と共に表示する。これにより、歩行者に対してナビゲーション機能を提供する。   The map information storage unit 14 stores map information representing a travel route such as a road map. The display unit 15 displays the traveling direction and the current position output from the microprocessor unit 10 together with the map information. This provides a navigation function for pedestrians.

マイクロプロセッサ部10は、歩行タイミング決定部101と、進行方向決定部102と、方向転換判定部103と、歩幅決定部104と、移動量積算部105と、現在位置決定部106と、前方決定部107として機能するようなプログラムを実行する。   The microprocessor unit 10 includes a walking timing determination unit 101, a traveling direction determination unit 102, a direction change determination unit 103, a stride determination unit 104, a movement amount integration unit 105, a current position determination unit 106, and a front determination unit. A program that functions as 107 is executed.

歩行タイミング決定部101は、加速度センサ12から出力された加速度データ列を、所定時間毎、例えば歩数毎、又は歩数に基づく時間単位毎の、加速度データに分割する。例えば、合成加速度の変化、即ち移動時の揺れ具合から歩数を算出することもできる。   The walking timing determination unit 101 divides the acceleration data string output from the acceleration sensor 12 into acceleration data for every predetermined time, for example, for each number of steps, or for each time unit based on the number of steps. For example, the number of steps can be calculated from the change in the combined acceleration, that is, the degree of shaking during movement.

進行方向決定部102は、所定時間毎に、地磁気センサ11からの地磁気データと、歩行タイミング決定部101からの加速度データとから、進行方向を決定する。本発明は、この進行方向決定部102における進行方向の特定方法に基づく。   The traveling direction determination unit 102 determines the traveling direction from the geomagnetic data from the geomagnetic sensor 11 and the acceleration data from the walking timing determination unit 101 at predetermined time intervals. The present invention is based on the method of specifying the traveling direction in the traveling direction determination unit 102.

前方決定部107は、加速度センサ12から出力された加速度データ列から、歩行者の歩行の向き、即ち、加速度面の前方を決定する。加速度面の前方は、合成加速度の大きさによって特定することができる。例えば、携帯端末を把持した側の足で地面を蹴ったとき、加速度が大きくなり、その携帯端末は前方に位置していると判断できる。   The forward determination unit 107 determines the direction of walking of the pedestrian, that is, the front of the acceleration plane, from the acceleration data string output from the acceleration sensor 12. The front of the acceleration surface can be specified by the magnitude of the combined acceleration. For example, when the ground is kicked with the foot on the side holding the mobile terminal, the acceleration increases, and it can be determined that the mobile terminal is positioned forward.

方向転換判定部103は、進行方向決定部102から進行方向のデータを受け取り、前方決定部107から前方の向きのデータを受け取る。方向転換判定部103は、メモリを有し、進行方向及び向きのデータを時間経過に応じて記憶する。そして、方向転換判定部103は、メモリに記憶された一定の時間範囲の進行方向について、方向転換がなされたか否かを判定する。   The direction change determination unit 103 receives data on the traveling direction from the traveling direction determination unit 102 and receives data on the forward direction from the front determination unit 107. The direction change determination unit 103 has a memory and stores data on the direction of travel and the direction as time passes. And the direction change determination part 103 determines whether the direction change was made about the advancing direction of the fixed time range memorize | stored in memory.

歩幅決定部104は、歩行タイミング決定部101から1歩分の加速度データを受け取り、1歩毎の歩幅を決定する。決定された歩幅は、移動量積算部105へ出力される。尚、歩幅決定部104は、その歩幅の情報を方向転換判定部103にも出力する。   The stride determination unit 104 receives acceleration data for one step from the walking timing determination unit 101, and determines the stride for each step. The determined stride length is output to the movement amount accumulating unit 105. The stride length determination unit 104 also outputs the stride information to the direction change determination unit 103.

移動量積算部105は、進行方向決定部102から進行方向の情報を受け取り、歩幅決定部104から歩幅の情報を受け取る。そして、移動量積算部105は、1歩分の進行方向及び歩幅を積算する。現在位置決定部106は、地図情報記憶部14から地図情報を取得し、積算された移動量から現在位置を特定する。現在位置決定部106は、方向転換判定部103が方向転換したと判定すれば、地図情報における近傍の交差点の位置を現在位置として決定する。また、方向転換していないと判定すれば(直進したと判定すれば)、マップマッチングによって投影された位置を、現在位置として決定する。   The movement amount accumulating unit 105 receives the traveling direction information from the traveling direction determining unit 102 and the stride information from the stride determining unit 104. Then, the movement amount accumulation unit 105 accumulates the traveling direction and the stride for one step. The current position determination unit 106 acquires map information from the map information storage unit 14 and identifies the current position from the accumulated movement amount. If the current position determination unit 106 determines that the direction change determination unit 103 has changed direction, the current position determination unit 106 determines the position of a nearby intersection in the map information as the current position. If it is determined that the direction has not changed (if it is determined that the vehicle has moved straight), the position projected by map matching is determined as the current position.

本発明の特徴となる進行方向決定部102は、フィルタ部1021と、平面近似部1022と、平面間角度算出部1023と、方向角算出部1024と、補正部1025とを有する。フィルタ部1021及び補正部1025は、本発明について本質的な機能では無いが、これによって進行方向の精度を向上させることができる。   The traveling direction determination unit 102, which is a feature of the present invention, includes a filter unit 1021, a plane approximation unit 1022, an interplane angle calculation unit 1023, a direction angle calculation unit 1024, and a correction unit 1025. The filter unit 1021 and the correction unit 1025 are not essential functions of the present invention, but can improve the accuracy of the traveling direction.

平面近似部1022は、時間経過に応じた加速度データ及び地磁気データを3次元座標系にプロットし、例えば図2のような座標図形を生成する。入力される加速度データ及び地磁気データは、所定時間単位(例えば1歩分)に検出された複数のデータの組である。次に、平面近似部1022は、センサの測定誤差や腕振りに応じて厳密な平面とはならない加速度面及び地磁気面を、平面に近似する。地磁気面は、歩行者の進行方向が南北方向である場合を除き、曲面となる。従って、例えば、最小二乗法など既知の方法を用いて、その曲面を平面に近似する。   The plane approximation unit 1022 plots acceleration data and geomagnetic data corresponding to the passage of time in a three-dimensional coordinate system, and generates a coordinate figure as shown in FIG. 2, for example. The input acceleration data and geomagnetic data are a set of a plurality of data detected in a predetermined time unit (for example, one step). Next, the plane approximation unit 1022 approximates the acceleration plane and the geomagnetic plane that do not become a strict plane according to the measurement error of the sensor and the arm swing. The geomagnetic surface is a curved surface unless the pedestrian travels in the north-south direction. Therefore, the curved surface is approximated to a plane by using a known method such as a least square method.

平面間角度算出部1023は、平面近似部1022によって算出された平面の加速度面及び平面の地磁気面の間の平面間角度φを算出する。平面間角度φは、両平面の法線ベクトルの間の角度から算出できる。加速度面と地磁気面の位置関係(角度φ)は、腕振り方向、即ち歩行者の進行方向によって変化する。進行方向が南北方向である場合、加速度面と地磁気面は同一平面上にある。一方、進行方向が東西方向である場合、角度φは最大となる。   The plane-to-plane angle calculation unit 1023 calculates the plane-to-plane angle φ between the plane acceleration surface and the plane geomagnetic surface calculated by the plane approximation unit 1022. The interplane angle φ can be calculated from the angle between the normal vectors of both planes. The positional relationship (angle φ) between the acceleration surface and the geomagnetic surface changes depending on the arm swinging direction, that is, the traveling direction of the pedestrian. When the traveling direction is the north-south direction, the acceleration surface and the geomagnetic surface are on the same plane. On the other hand, when the traveling direction is the east-west direction, the angle φ is maximum.

方向角算出部1024は、平面間角度算出部1023によって算出された平面間角度φに基づいて、地磁気面に対する角度量θmeasureを算出する。即ち、地磁気面に対する角度量θmeasureは、南北方向を意味する0°から、東西方向を意味する90°までの間となる。ここで、重力方向と地磁気のなす角Iを用いて、以下の式によって、角度量θmeasureを算出する。
角度量θmeasure=arcsin(tan(φ)/tan(I))
The direction angle calculation unit 1024 calculates an angle amount θmeasure with respect to the geomagnetic surface based on the interplane angle φ calculated by the interplane angle calculation unit 1023. That is, the angle amount θmeasure with respect to the geomagnetic surface is between 0 ° meaning the north-south direction and 90 ° meaning the east-west direction. Here, using the angle I formed by the direction of gravity and the geomagnetism, the angle amount θmeasure is calculated by the following equation.
Angle measure θmeasure = arcsin (tan (φ) / tan (I))

また、方向角算出部1024は、角度量θmeasureに基づく加速度面と地磁気面の位置関係から、方向角θを導出する。加速度面に対して左側に地磁気面がある場合、方向角θ=θmeasureとなり、加速度面に対して右側に地磁気面がある場合、方向角θ=−θmeasureとなる。尚、進行方向が、南北方向にある場合、方向角θ=θmeasure=0°であり、東西方向にある場合、方向角θ=θmeasure=90°となる(+90°と−90°は方向角としては同一)。   The direction angle calculation unit 1024 derives the direction angle θ from the positional relationship between the acceleration surface and the geomagnetic surface based on the angle amount θmeasure. When there is a geomagnetic surface on the left side with respect to the acceleration surface, the direction angle θ = θmeasure, and when there is a geomagnetic surface on the right side with respect to the acceleration surface, the direction angle θ = −θmeasure. When the traveling direction is in the north-south direction, the direction angle θ = θmeasure = 0 °, and in the east-west direction, the direction angle θ = θmeasure = 90 ° (+ 90 ° and −90 ° are the direction angles). Are the same).

フィルタ部1021は、平面近似部1022に入力される加速度データ及び地磁気データについて、所定時間範囲のデータをメモリし、最大値及び最小値から所定割合のデータを除去する。即ち、突飛なデータを除去することができる。   The filter unit 1021 stores data in a predetermined time range for acceleration data and geomagnetic data input to the plane approximation unit 1022, and removes a predetermined ratio of data from the maximum value and the minimum value. In other words, unexpected data can be removed.

補正部1025は、方向角算出部1024から出力された方向角θについて、所定時間範囲の方向角θをメモリし、当該方向角θの前後の変化が所定角度閾値以上となっている方向角θを除去する。   The correction unit 1025 stores the direction angle θ in a predetermined time range for the direction angle θ output from the direction angle calculation unit 1024, and the direction angle θ in which a change before and after the direction angle θ is equal to or greater than a predetermined angle threshold value. Remove.

例えば、以下の表5のように、1つのデータだけが前後のデータよりも突飛な値、例えば20°(所定角度閾値)以上振れていた場合、そのデータを除去する。

Figure 2009133691
For example, as shown in Table 5 below, when only one data is swung more than a previous value, for example, 20 ° (predetermined angle threshold), the data is removed.
Figure 2009133691

また、補正部1025は、除去されたデータについて、以下の表6のように、時間的に前後に算出された単位区間の方向角θの平均によって補完することも好ましい。

Figure 2009133691
Further, the correction unit 1025 preferably supplements the removed data with the average of the direction angles θ of the unit sections calculated before and after in time as shown in Table 6 below.
Figure 2009133691

更に、補正部1025は、蓄積した複数の方向角θの変化が、平均化することも好ましい。以下の表7によれば、一定範囲の方向角θ毎に、平均化したものである。

Figure 2009133691
Further, the correction unit 1025 preferably averages the accumulated changes in the plurality of direction angles θ. According to Table 7 below, the values are averaged for each direction angle θ within a certain range.
Figure 2009133691

以上、詳細に説明したように、本発明の携帯端末、プログラム及び方法によれば、歩行者が、携帯端末を手持ちで歩行している場合であっても、その携帯端末に搭載された加速度センサ及び地磁気センサを用いて、歩行者の進行方向をできる限り正確に決定することができる。   As described above in detail, according to the mobile terminal, the program and the method of the present invention, even if the pedestrian is walking with the mobile terminal handheld, the acceleration sensor mounted on the mobile terminal And the geomagnetic sensor can be used to determine the traveling direction of the pedestrian as accurately as possible.

前述した本発明における種々の実施形態によれば、当業者は、本発明の技術思想及び見地の範囲における種々の変更、修正及び省略を容易に行うことができる。前述の説明はあくまで例であって、何ら制約しようとするものではない。本発明は、特許請求の範囲及びその均等物として限定するものにのみ制約される。   According to the various embodiments of the present invention described above, those skilled in the art can easily make various changes, modifications and omissions within the scope of the technical idea and the viewpoint of the present invention. The above description is merely an example, and is not intended to be restrictive. The invention is limited only as defined in the following claims and the equivalents thereto.

歩行者の歩行態様と、加速度変動方向及び地磁気変動方向とを表す説明図である。It is explanatory drawing showing the walk mode of a pedestrian, an acceleration fluctuation direction, and a geomagnetic fluctuation direction. 現実に発生する加速度面及び地磁気面を表す説明図である。It is explanatory drawing showing the acceleration surface and geomagnetic surface which generate | occur | produce in reality. 本発明によって角度量θmeasureを算出する説明図である。It is explanatory drawing which calculates angle amount (theta) measure by this invention. 歩行者の進行方向が、北に向かっている場合の地磁気面及び加速度面のセンサ座標系における相対的な位置関係を表す説明図である。It is explanatory drawing showing the relative positional relationship in the sensor coordinate system of the geomagnetic surface and acceleration surface when the advancing direction of a pedestrian is heading to the north. 歩行者の進行方向が、北に対してθの角度の方向に向かっている場合の地磁気面及び加速度面のセンサ座標系における相対的な位置関係を表す説明図である。It is explanatory drawing showing the relative positional relationship in the sensor coordinate system of a geomagnetic surface and an acceleration surface in case the advancing direction of a pedestrian is heading to the direction of the angle of (theta) with respect to the north. 歩行者の進行方向が、西(北に対して90°の角度の方向)に向かっている場合の地磁気面及び加速度面のセンサ座標系における相対的な位置関係を表す説明図である。It is explanatory drawing showing the relative positional relationship in the sensor coordinate system of a geomagnetic surface and an acceleration surface in case the advancing direction of a pedestrian is heading to the west (direction of an angle of 90 degrees with respect to north). 方向角θの向きを表す説明図である。It is explanatory drawing showing the direction of direction angle (theta). 本発明の携帯端末における機能構成図である。It is a functional block diagram in the portable terminal of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 携帯端末
10 マイクロプロセッサ部
101 歩行タイミング決定部
102 進行方向決定部
1021 フィルタ部
1022 平面近似部
1023 平面間角度算出部
1024 方向角算出部
1025 補正部
103 方向転換判定部
104 歩幅決定部
105 移動量積算部
106 現在位置決定部
107 前方決定部
11 地磁気センサ
12 加速度センサ
13 GPS部
14 地図情報記憶部
15 ディスプレイ部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Portable terminal 10 Microprocessor part 101 Walking timing determination part 102 Travel direction determination part 1021 Filter part 1022 Plane approximation part 1023 Interplane angle calculation part 1024 Direction angle calculation part 1025 Correction part 103 Direction change determination part 104 Step length determination part 105 Movement amount Accumulation unit 106 Current position determination unit 107 Forward determination unit 11 Geomagnetic sensor 12 Acceleration sensor 13 GPS unit 14 Map information storage unit 15 Display unit

Claims (9)

3軸の加速度データを出力する加速度センサと、3軸の地磁気データを出力する地磁気センサと、前記加速度データ及び前記地磁気データから前記歩行者の進行方向を決定する進行方向決定手段とを有し、歩行者によって所持される携帯端末であって、
前記進行方向決定手段は、
時間経過に応じた前記加速度データ及び地磁気データを3次元座標系にプロットし、腕振りによって生じる加速度面及び/又は地磁気面を近似的に導出する平面近似手段と、
前記加速度面と前記地磁気面との間の平面間角度φを算出する平面間角度算出手段と、
前記平面間角度φに基づいて、前記地磁気面に対する方向角θを算出する方向角算出手段と
を有することを特徴とする携帯端末。
An acceleration sensor that outputs triaxial acceleration data, a geomagnetic sensor that outputs triaxial geomagnetic data, and a traveling direction determination means that determines the traveling direction of the pedestrian from the acceleration data and the geomagnetic data, A portable device carried by a pedestrian,
The traveling direction determination means includes
A plane approximation means for plotting the acceleration data and the geomagnetic data according to the passage of time in a three-dimensional coordinate system and approximately deriving an acceleration plane and / or a geomagnetic plane caused by arm swing;
A plane-to-plane angle calculating means for calculating a plane-to-plane angle φ between the acceleration surface and the geomagnetic surface;
A portable terminal comprising: a direction angle calculating unit that calculates a direction angle θ with respect to the geomagnetic surface based on the interplane angle φ.
前記方向角算出手段は、重力方向と地磁気のなす角Iを用いて、
角度量θmeasure=arcsin(tan(φ)/tan(I))
北に向かって、前記加速度面の左側に前記地磁気面がある場合、方向角θ=θmeasureとし、前記加速度面の右側に地磁気面がある場合、方向角θ=−θmeasureとして算出することを特徴とする請求項1に記載の携帯端末。
The direction angle calculation means uses the angle I formed by the direction of gravity and the geomagnetism,
Angle measure θmeasure = arcsin (tan (φ) / tan (I))
To the north, when the geomagnetic surface is on the left side of the acceleration surface, the direction angle θ = θmeasure, and when the geomagnetic surface is on the right side of the acceleration surface, the direction angle θ = −θmeasure is calculated. The mobile terminal according to claim 1.
前記平面近似手段は、前記加速度面及び/又は前記地磁気面を、最小二乗法によって近似することを特徴とする請求項1又は2に記載の携帯端末。   The mobile terminal according to claim 1, wherein the plane approximation unit approximates the acceleration surface and / or the geomagnetic surface by a least square method. 前記加速度センサから入力された前記加速度データを、歩数毎、又は歩数に基づく時間単位毎に区分し、前記進行方向決定手段へ出力する歩行タイミング決定手段と、
前記進行方向決定手段から出力された、前記歩数毎、又は歩数に基づく時間単位毎の進行方向について、方向転換がなされたか否かを判定する方向転換判定手段と
を更に有することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の携帯端末。
The acceleration data input from the acceleration sensor is divided for each number of steps, or for each time unit based on the number of steps, and the walking timing determining means for outputting to the traveling direction determining means,
The apparatus further comprises direction change determination means for determining whether or not the direction change has been made for each of the number of steps output from the direction of travel determination means or for each time unit based on the number of steps. Item 4. The mobile terminal according to any one of Items 1 to 3.
歩行者の歩行の向き、即ち、加速度面の前方を決定する前方決定手段を更に有し、
前記前方決定手段は、前記加速度センサから出力された加速度データ列における合成加速度の連続するピーク点のうち大きい方を、加速度面の前方として決定し、その旨を前記方向転換判定手段へ通知することを特徴とする請求項4に記載の携帯端末。
It further has a forward determining means for determining the direction of walking of the pedestrian, that is, the front of the acceleration surface,
The forward determination means determines the larger one of the continuous peak points of the composite acceleration in the acceleration data string output from the acceleration sensor as the front of the acceleration surface, and notifies the direction change determination means to that effect. The mobile terminal according to claim 4.
前記平面近似手段に入力される前記加速度データ及び前記地磁気データについて、
所定時間範囲のデータをメモリし、最大値及び最小値から所定割合のデータを除去するフィルタ手段を更に有することを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の携帯端末。
About the acceleration data and the geomagnetic data input to the plane approximation means,
6. The portable terminal according to claim 1, further comprising a filter unit that stores data in a predetermined time range and removes a predetermined ratio of data from a maximum value and a minimum value.
前記方向角算出手段から出力された前記方向角θについて、
所定時間範囲の方向角θをメモリし、当該方向角θの前後の変化が所定角度閾値以上となっている方向角θを除去する補正手段を更に有することを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の携帯端末。
For the direction angle θ output from the direction angle calculation means,
7. The apparatus according to claim 1, further comprising correction means for storing a direction angle θ in a predetermined time range and removing the direction angle θ in which a change before and after the direction angle θ is equal to or greater than a predetermined angle threshold. The portable terminal of any one of Claims.
3軸の加速度データを出力する加速度センサと、3軸の地磁気データを出力する地磁気センサとを有し、歩行者によって所持される携帯端末に搭載されたコンピュータを、前記加速度データ及び前記地磁気データから前記歩行者の進行方向を決定する進行方向決定手段として機能させる携帯端末用のプログラムであって、
前記進行方向決定手段は、
時間経過に応じた前記加速度データ及び地磁気データを3次元座標系にプロットし、腕振りによって生じる加速度面及び地磁気面を近似的に導出する平面近似手段と、
前記加速度面と前記地磁気面との間の平面間角度φを算出する平面間角度算出手段と、
前記平面間角度φに基づいて、前記地磁気面に対する方向角θを算出する方向角算出手段と
してコンピュータを機能させることを特徴とする携帯端末用のプログラム。
A computer having an acceleration sensor that outputs triaxial acceleration data and a geomagnetic sensor that outputs triaxial geomagnetic data, and is mounted on a portable terminal carried by a pedestrian is obtained from the acceleration data and the geomagnetic data. A program for a portable terminal that functions as a traveling direction determining means for determining a traveling direction of the pedestrian,
The traveling direction determination means includes
A plane approximation means for plotting the acceleration data and the geomagnetic data according to the passage of time in a three-dimensional coordinate system, and approximately deriving an acceleration surface and a geomagnetic surface caused by arm swing;
A plane-to-plane angle calculating means for calculating a plane-to-plane angle φ between the acceleration surface and the geomagnetic surface;
A program for a portable terminal, which causes a computer to function as direction angle calculation means for calculating a direction angle θ with respect to the geomagnetic surface based on the interplane angle φ.
3軸の加速度データを出力する加速度センサと、3軸の地磁気データを出力する地磁気センサとを有し、歩行者によって所持される携帯端末について、前記加速度データ及び前記地磁気データから前記歩行者の進行方向を決定する進行方向決定方法であって、
時間経過に応じた前記加速度データ及び地磁気データを3次元座標系にプロットし、腕振りによって生じる加速度面及び地磁気面を近似的に導出する第1のステップと、
前記加速度面と前記地磁気面との間の平面間角度φを算出する第2のステップと、
前記平面間角度φに基づいて、前記地磁気面に対する方向角θを算出する第3のステップと
を有することを特徴とする携帯端末の進行方向決定方法。
A portable terminal having an acceleration sensor that outputs triaxial acceleration data and a geomagnetic sensor that outputs triaxial geomagnetic data, and the progress of the pedestrian based on the acceleration data and the geomagnetic data. A traveling direction determination method for determining a direction,
A first step of plotting the acceleration data and the geomagnetic data according to the passage of time in a three-dimensional coordinate system and approximately deriving an acceleration surface and a geomagnetic surface caused by arm swing;
A second step of calculating an interplane angle φ between the acceleration surface and the geomagnetic surface;
And a third step of calculating a direction angle θ with respect to the geomagnetic surface based on the inter-plane angle φ.
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