JP2010262563A - 携帯端末、軌跡情報取得方法およびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】携帯端末を利用して、比較的低コストで重力加速度の影響を除外した軌跡情報を比較的正確に求める。
【解決手段】ほぼ直方体形状の筐体の短辺に沿ったｙ軸方向の加速度、および、筐体の長辺および短辺の両辺に垂直なｘ軸方向の加速度を検出する加速度センサと、ｙ軸を中心とした筐体の回転の角速度を検出する角速度センサとを備える。検出された角速度に基づいて筐体の傾斜角を算出する。平面上に筐体の短辺を接触させた状態で筐体を移動させたとき、加速度センサのｘ軸加速度測定値Mxに対する重力加速度の影響を、前記算出された傾斜角θに基づいて補正する。この補正により得られる並進加速度ａxとｙ軸方向の並進加速度ａy（My)とに基づいて平面上の２軸方向の移動量を算出する。筐体の静止状態が検出されたとき、加速度検出センサ出力および重力加速度に基づいて傾斜角を算出し、この算出された傾斜角で前記求められた傾斜角θを置換する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ほぼ直方体形状の筐体を有する携帯端末を用いてその移動の軌跡情報を取得する方法および軌跡情報取得プログラム、さらにはその携帯端末に関する。

現在、携帯電話端末にはさまざまな機能が搭載され、高機能化が進んでいるが、その入力デバイスは依然としてキー入力が主である。

近年、少なくとも２軸の加速度センサを搭載した携帯端末本体を二次元平面上で動かすことで文字や図などの入力を行う技術が提案されている（特許文献１〜３参照）。

特に特許文献３に記載の技術では、３軸の加速度センサを用いて、３軸それぞれに沿った方向の加速度の測定結果、並びに基準姿勢からの回転角である姿勢角の測定結果を収集し、これらに基づいて並進加速度を算出し、並進加速度および姿勢角に基づいて端末の移動軌跡を求めている。

特開２００８−７０９２０号公報 特開２００７−１９４９５８号公報 特開２００７− ６６１８０号公報

特許文献１、２に記載の従来技術では、端末を動かしたときに生じる加速度を測定し、軌跡情報を求める際に、加速度から移動量を計算するために２回積分を行う必要があり、累積誤差が大きな問題となる。この累積誤差の大きな要因として、重力加速度の影響がある。加速度センサは常に移動による加速度と重力加速度の合成である加速度ベクトルを測定することになるため、移動による加速度と重力加速度を分離する必要がある。

端末の姿勢を一定に保ちながら移動させている限りは、静止時に加速度センサの測定値より求めた姿勢から重力加速度を分離することが可能である。しかし、端末を手動により移動させる場合、手のブレなどによる端末の姿勢変化は不可避である。この場合、重力加速度と移動による加速度を正確に分離することは困難である。

特許文献３に記載の従来技術では、重力加速度を考慮しているが、３次元で端末の姿勢を求めるためにヨー、ピッチ、ローの３軸の回転を考慮する必要があり、複雑な計算を伴うという問題があった。また、これら３軸の回転を測定するためには加速度センサとは別に、３軸の地磁気センサや３軸の角速度センサを用いる必要があり、実装面積やコスト面でも負担となった。

本発明はこのような背景においてなされたものであり、携帯端末を利用して、比較的低コストで重力加速度の影響を除外した軌跡情報を比較的正確に求めることを企図する。

本発明による携帯端末は、ほぼ直方体形状の筐体と、この筐体に内蔵され、少なくとも、前記筐体の短辺に沿った第１の軸方向の加速度、および、前記筐体の長辺および短辺の両辺に垂直な第２の軸方向の加速度を検出する加速度検出手段と、前記筐体の短辺に平行な軸を中心とした筐体の回転の角速度を検出する角速度検出手段と、検出された角速度に基づいて前記筐体の傾斜角を算出する傾斜角算出手段と、前記筐体の短辺を平面上に接触させた状態で前記筐体を移動させたとき前記加速度検出手段の前記第２の軸方向の加速度測定値に対する重力加速度の影響を、前記傾斜角算出手段により算出された傾斜角に基づいて補正する補正手段と、前記補正された加速度と前記第１の軸方向の加速度とに基づいて平面上の２軸方向の移動量を算出する移動量算出手段を備える。

これにより、端末（筐体）を平面上で移動させることにより軌跡情報が得られる。その際、前記筐体の短辺を平面上に接触させた状態で前記筐体を移動させるので、重力加速度の影響を除去するためには、実質的に、筐体の傾斜角は１軸についてのみ考慮すれば足りる。

前記加速度検出手段の検出出力に基づいて前記筐体の静止状態を検出し、静止状態が検出されたとき、前記加速度検出手段の検出出力および重力加速度に基づいて前記傾斜角を算出し、この算出された傾斜角で前記傾斜角算出手段により算出された傾斜角を置換する置換手段をさらに備えてもよい。これにより、角速度検出手段の誤差が蓄積することが防止される。

本発明による、携帯端末による軌跡情報取得方法は、ほぼ直方体形状の筐体を有する携帯端末を用いてその移動の軌跡情報を取得する方法であって、前記筐体の短辺を平面上に接触させた状態で前記筐体を移動させたときの少なくとも、前記筐体の短辺に沿った第１の軸方向の加速度、および、前記筐体の長辺および短辺の両辺に垂直な第２の軸方向の加速度を検出するステップと、前記筐体の短辺に平行な軸を中心とした筐体の回転の角速度を検出するステップと、検出された角速度に基づいて前記筐体の傾斜角を算出するステップと、前記第２の軸方向の加速度測定値に対する重力加速度の影響を、前記求められた傾斜角に基づいて補正するステップと、前記補正された加速度と前記第１の軸方向の加速度とに基づいて平面上の２軸方向の移動量を算出するステップとを備えたものである。

本発明による軌跡情報取得プログラム前記筐体の短辺を平面上にはこの方法の各ステップをコンピュータに実行させるものである。

本発明によれば、少なくとも２軸の加速度検出出力と１軸の角速度検出出力に基づいて、簡素な方法で端末の姿勢変化に基づく重力加速度の影響を除去し、より精度の高い軌跡情報を求めることができる。

本発明の実施の形態において携帯端末により軌跡情報を入力する際の携帯端末の姿勢を説明するための図である。 本発明の実施の形態における加速度センサの各軸の測定値および並進加速度と重力加速度の関係を説明するための図である。 本発明の実施の形態に係る携帯端末の外観構成を示した図である。 本発明の実施の形態に係る携帯端末の概略のハードウェア構成を示したブロック図である。 本発明の実施の形態に係る携帯端末の測定データ処理を説明するためのフローチャートである。

以下、本発明の好適な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。本実施の形態においては携帯端末として携帯電話端末を例として説明する。ただし、本発明は携帯電話端末に限るものではなく、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）やゲーム機など、ほぼ直方体形状の筐体を有する携帯型の情報機器に適用することができる。

図１は、本実施の形態において携帯端末１００により軌跡情報を入力する際の携帯端末１００の姿勢を説明するための図である。図示のように携帯端末の長方体形状の筐体をユーザが把持して、その筐体の１短辺を机などの水平の平面（描画平面）上に載置（接触）した状態で、ペンのように立てて並進運動をさせる。これにより、その移動の軌跡情報を入力する。今、便宜上、描画平面上の筐体の短辺に沿った方向をｙ軸（第１の軸方向）、平面上でｙ軸に垂直な方向をｘ軸（第２の軸方向）とし、ｘ軸、ｙ軸の両方に垂直な方向（鉛直方向）をｚ軸とする。

携帯端末１００の筐体の短辺を図示のように平面上に接触させて保持した状態では、手のブレなどにより起こる姿勢変化を考えても、ｘ軸を中心とした筐体の回転（すなわち傾き）は生じにくい。また、ｚ軸を中心とした回転（すなわち鉛直方向を軸とする回転）は生じたとしても、その回転の加速度には加速度センサのｘ軸、ｙ軸方向への重力加速度の混入を伴わないため、その累積誤差への影響は小さい。このような観点から、本発明者は、直方体形状の筐体を有する携帯端末１００においては、図１に示すようにｙ軸を中心とした回転（図の左右方向の傾き）だけを考慮して加速度の補正を行えば十分に精度よく軌跡情報を算出することが出来ることに想到した。

この場合、図２に示すように、加速度センサの各軸の測定値および並進加速度と重力加速度の関係は次のように簡単な三角関数の式（１）（２）で表すことができる。

Ｍx＝ａx・cosθ＋ｇ・sinθ （１）
Ｍz＝−ａx・sinθ＋ｇ・cosθ （２）

図２において、ａx：ｘ軸並進加速度、ａy：ｙ軸並進加速度、ｇ：重力加速度、Ｍｘ：ｘ軸加速度測定値、Ｍｙ：ｙ軸加速度測定値、Ｍｚ：ｚ軸加速度測定値である。ａx、ａy、ｇのベクトルは互いに直交関係にある。Ｍｚのベクトルの方向は筐体の長辺の傾き方向であり、Ｍｘのベクトルの方向は筐体主平面に垂直な方向である。ベクトルＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚは互いに直交関係にある。式（１）から分かるように、加速度センサのｘ軸の加速度測定値Ｍｘには重力加速度に基づく誤差（ｇ・sinθ）が内包されている。

そこで、移動中の端末の傾斜角θを求めれば、式（１）（２）から次式（３）（４）のように重力加速度成分の除去された並進加速度ａxが得られる。並進加速度ａxを求めるためは式（３）（４）のいずれを用いてもよい。但し、後述する精度の観点から基本的には式（３）を用いる。式（４）は必要時に補助的に用いれば足りる。

ａx＝（Ｍx−ｇ・sinθ）／cosθ （３）
ａx＝（Ｍz−ｇ・cosθ）／sinθ （４）

このように本手法を用いることで、単純な処理で的確に重力加速度成分を分離することができ、加速度から簡単かつ高精度で軌跡情報を得ることができる。また、３軸加速度の他は移動中の傾斜角θだけを測定すればよいため、３次元の姿勢すべてを考慮する場合に比べて、測定に必要なセンサなどの構成も簡単となり、コストや実装面積の面でも優位性を有する。

本発明の実施の形態として、端末の傾斜角θの測定のため、１軸の角速度センサを用いた例について説明する。

図３に、本実施の形態に係る携帯端末１００の外観構成を示す。

この携帯端末１００はほぼ直方体形状の筐体１２０を有する。この筐体１２０の主平面に表示部１０４の表示画面と操作部１０５が配置される。操作部１０５はテンキーを初めとした各種の操作キーを含む。表示部１０４の上部にはスピーカ１０７が配置されている。操作部１０５の下部にはマイク１０８が配置されている。筐体１２０の一側面には本実施の形態において利用する描画ボタン１０５ａが配置されている。この描画ボタン１０５ａも操作部１０５に含まれるものとする。筐体１２０には、上述したｘ軸，ｙ軸，ｚ軸の３軸の加速度センサ１０９と、１軸の角速度センサ１１０とが内蔵されている。１軸の角速度センサ１１０は筐体の短辺に平行な軸（ｙ軸）を中心とした筐体の回転の角速度を検出する角速度検出手段である。この角速度の検出出力に基づいて端末の傾斜角θが求められる。

図４は、携帯端末１００の概略のハードウェア構成を示したブロック図を示す。携帯端末１００は、制御部１０１と、通信部１０３と、表示部１０４と、操作部１０５と、記憶部１０６と、スピーカ１０７と、マイク１０８と、加速度センサ１０９と、角速度センサ１１０とを備え、制御部１０１は各部とバス１１１を介して接続されている。

通信部１０３は、アンテナ１０２を介して基地局との間で電波の送受信を行うことにより、通信を行う機能を有する。記憶部１０６は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリ等の記憶手段であり、ＯＳや各種アプリケーション・プログラムおよび、各種データ等を記憶する。スピーカ１０７は、受話音声や着信音、アラーム音などの音を出力する機能を有する。マイク１０８は、送話音声等を集音する機能を有する。加速度センサ１０９は、上述した３軸方向の端末の加速度を検出する加速度検出手段である。角速度センサ１１０は、端末の角速度を測定する角速度検出手段である。この角速度に基づいて上記の通りｙ軸を中心とした筐体の傾斜角θが算出される。制御部１０１は、記憶部１０６に記憶されたプログラムを実行することにより、各部の制御および必要なデータ処理を行う。本発明における傾斜角算出手段、補正手段、置換手段、移動量算出手段は、いずれも制御部１０１により構成される。

本実施の形態のように角速度センサ１１０を用いて傾斜角θを求める場合、得られた角速度を時間積分する必要がある。このため、長時間測定を続けると角度に誤差が累積してしまうという問題がある。このような角度の累積誤差を防ぐため、端末の静止判定を行い、静止時に加速度センサの測定値から傾斜角θを求める。静止判定は加速度センサ１０９の出力に基づいて行うことができる。ａx＝０かつａy＝０のとき（静止時）、上記式（１）（２）はそれぞれ式（１）’（２）’のようになり、これらに基づいて、傾斜角θは次式（５）または（６）で求められる。

Ｍx＝ｇ・sinθ （１）’
Ｍz＝ｇ・cosθ （２）’
θ＝arcsin（Ｍｘ／ｇ） （５）
θ＝arccos（Ｍｚ／ｇ） （６）
ここで、端末の傾きθが小さい場合、ｓｉｎθの値は極めて小さくなる。つまり、ｘ軸加速度センサの測定値Ｍｘも非常に小さな値となる。加速度センサの分解能にもよるが、この場合、測定値のＳ／Ｎが悪くなり、信頼性が低下する。そのため、静止時の傾きの算出においては、式（５）よりも式（６）を用いることが好ましい。上記式（３）、（４）についても同様に、式（３）の方を用いることが好ましい。

このように静止時の加速度センサ１０９から求めた傾斜角で、角速度センサ１１０の出力に基づいて得られたその時点の傾斜角θを置き換える。文字や図などを描画する場合においては、連続して端末を移動させる時間は限られており、比較的短い間隔で端末は静止状態になる。したがって、この補正の機会が断続的に出現するので誤差の累積が防げ、常に精度の高い傾斜角θを得ることが出来る。

図５のフローチャートにより、携帯端末１００の測定データ処理を説明する。

まず、角速度センサ１１０および加速度センサ１０９に新しい測定データが準備できると（Ｓ１）、両センサからそれぞれ測定データを読み出す（Ｓ２，Ｓ３）。次に、角速度センサ１１０から得た角速度を積分することによって現在の端末の傾斜角θを算出する（Ｓ４）。この傾斜角θを例えば上記式（３）に代入することにより、加速度センサ１０９のｘ軸の測定値Ｍｘより重力加速度成分を除去し、移動によって生じた並進加速度ａxを算出する（Ｓ５）。

次に、この重力加速度成分を除去したｘ軸の並進加速度ａxおよびｙ軸の並進加速度ａyの値より端末の静止判定を行う（Ｓ６）。

端末が非静止状態にあれば、加速度ａx、ａyを積分することにより、ｘ軸、ｙ軸それぞれの速度ｖx，ｖyならびに平面上の２軸方向の移動量（ひいては位置）を算出する（Ｓ９、Ｓ１０）。

ついで、これらｘ軸、ｙ軸の位置情報をあらかじめ設定された比率に従い、表示画面上の座標に変換し、その座標にカーソルを移動する（Ｓ１１）。このとき、操作部１０５の描画ボタン１０５ａが押下されている場合には（Ｓ１２，Ｙｅｓ）、カーソルの前回の座標と今回の座標とを結ぶ直線を描画する（Ｓ１３）。この描画結果はリアルタイムに表示部１０４の表示画面で確認することができる。

ステップＳ６において端末が静止していると判定された場合には、速度を０にリセットする（Ｓ７）。これとともに、傾斜角θの置換を行う（Ｓ８）。すなわち、式（５）または（６）より求めた端末の傾斜角θで、角速度から算出している現在の傾斜角θを置き換える。上述のように、これは、角速度センサ１１０により求められた角速度の累積誤差を解消するよう傾斜角θを校正することに相当する。この傾斜角θの置換により角速度の累積誤差を抑制でき、比較的精度の高い傾斜角を維持することが出来る。

ユーザによって処理終了の指示がなされるまで（Ｓ１４）、この一連の流れを繰り返すことによって端末の動きによる文字や図形などの描画を行う。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、上記で言及した以外にも種々の変形、変更を行うことが可能である。

例えば、携帯端末の筐体としてはいわゆるストレート型のものを示したが、上部筐体と下部筐体とからなる折り畳み式やスライド式の端末であってもよい。また、いわゆる２軸回転ヒンジを用いたの折り畳み式の端末を用いれば、描画時に下部筐体を図１のように描画平面上に押し当てて描画に利用するとともに、表示画面がユーザに見やすいように所定の角度に上部筐体を２軸回転させて用いるようにしてもよい。

描画ボタン１０５ａは、専用のボタンであってもよいし、既存のボタンを本機能に併用するものであってもよい。また、描画ボタン１０５ａは端末の側部に設けたが、その配置位置は必ずしも側部である必要はなく、表面または背面に設けたボタンであってもよい。

取得された座標情報は端末内部の処理に利用したが、有線または無線により端末の外部へ出力して利用するようにしてもよい。

上記実施の形態で説明した機能をコンピュータで実現するためのコンピュータプログラムおよびプログラムをコンピュータ読み取り可能に格納した記録媒体も本願発明に含まれる。プログラムを供給するための「記録媒体」としては、例えば、磁気記憶媒体（フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ等）、光ディスク（ＭＯやＰＤ等の光磁気ディスク、ＣＤ、ＤＶＤ等）、半導体ストレージ、紙テープなどを挙げることができる。

１００…携帯端末、１０１…制御部、１０２…アンテナ、１０３…通信部、１０４…表示部、１０５…操作部、１０５ａ…描画ボタン、１０６…記憶部、１０７…スピーカ、１０８…マイク、１０９…加速度センサ、１１０…角速度センサ

Claims (9)

1. ほぼ直方体形状の筐体と、
   この筐体に内蔵され、少なくとも、前記筐体の短辺に沿った第１の軸方向の加速度、および、前記筐体の長辺および短辺の両辺に垂直な第２の軸方向の加速度を検出する加速度検出手段と、
   前記筐体の短辺に平行な軸を中心とした筐体の回転の角速度を検出する角速度検出手段と、
   検出された角速度に基づいて前記筐体の傾斜角を算出する傾斜角算出手段と、
   前記筐体の短辺を平面上に接触させた状態で前記筐体を移動させたとき前記加速度検出手段の前記第２の軸方向の加速度測定値に対する重力加速度の影響を、前記傾斜角算出手段により算出された傾斜角に基づいて補正する補正手段と、
   前記補正された加速度と前記第１の軸方向の加速度とに基づいて平面上の２軸方向の移動量を算出する移動量算出手段と、
   を備えた携帯端末。
2. 前記加速度検出手段の検出出力に基づいて前記筐体の静止状態を検出し、静止状態が検出されたとき、前記加速度検出手段の検出出力および重力加速度に基づいて前記傾斜角を算出し、この算出された傾斜角で前記傾斜角算出手段により算出された傾斜角を置換する置換手段を
   さらに備えた請求項１に記載の携帯端末。
3. 前記加速度検出手段は、前記第１の軸方向と第２の軸方向の両軸に垂直な第３の軸方向の加速度をも検出し、前記静止状態での前記傾斜角の算出には、当該第３の軸方向の加速度の検出出力を用いる請求項２に記載の携帯端末。
4. ほぼ直方体形状の筐体を有する携帯端末を用いてその移動の軌跡情報を取得する方法であって、
   前記筐体の短辺を平面上に接触させた状態で前記筐体を移動させたときの少なくとも、前記筐体の短辺に沿った第１の軸方向の加速度、および、前記筐体の長辺および短辺の両辺に垂直な第２の軸方向の加速度を検出するステップと、
   前記筐体の短辺に平行な軸を中心とした筐体の回転の角速度を検出するステップと、
   検出された角速度に基づいて前記筐体の傾斜角を算出するステップと、
   前記第２の軸方向の加速度測定値に対する重力加速度の影響を、前記求められた傾斜角に基づいて補正するステップと、
   前記補正された加速度と前記第１の軸方向の加速度とに基づいて平面上の２軸方向の移動量を算出するステップと
   を備えた、携帯端末による軌跡情報取得方法。
5. 前記第１および第２の軸方向の加速度の検出出力に基づいて前記筐体の静止状態を検出するステップと、
   静止状態が検出されたとき、前記加速度の検出出力および重力加速度に基づいて前記傾斜角を算出し、この算出された傾斜角で前記角速度に基づいて求められた傾斜角を置換するステップとを
   さらに備えた、請求項４に記載の携帯端末による軌跡情報取得方法。
6. 前記第１の軸方向と第２の軸方向の両軸に垂直な第３の軸方向の加速度を検出するステップをさらに備え、前記静止状態での前記傾斜角の算出には、当該第３の軸方向の加速度の検出出力を用いる請求項５に記載の携帯端末による軌跡情報取得方法。
7. ほぼ直方体形状の筐体を有する携帯端末を用いてその移動の軌跡情報を取得する方法を実現するコンピュータプログラムであって、
   前記筐体の短辺を平面上に接触させた状態で前記筐体を移動させたときの少なくとも、前記筐体の短辺に沿った第１の軸方向の加速度、および、前記筐体の長辺および短辺の両辺に垂直な第２の軸方向の加速度を検出するステップと、
   前記筐体の短辺に平行な軸を中心とした筐体の回転の角速度を検出するステップと、
   検出された角速度に基づいて前記筐体の傾斜角を算出するステップと、
   前記第２の軸方向の加速度測定値に対する重力加速度の影響を、前記求められた傾斜角に基づいて補正するステップと、
   前記補正された加速度と前記第１の軸方向の加速度とに基づいて平面上の２軸方向の移動量を算出するステップと
   をコンピュータに実行させる軌跡情報取得プログラム。
8. 前記第１および第２の軸方向の加速度の検出出力に基づいて前記筐体の静止状態を検出するステップと、
   静止状態が検出されたとき、前記加速度の検出出力および重力加速度に基づいて前記傾斜角を算出し、この算出された傾斜角で前記角速度に基づいて求められた傾斜角を置換するステップとを
   さらにコンピュータに実行させる請求項７に記載の軌跡情報取得プログラム。
9. 前記第１の軸方向と第２の軸方向の両軸に垂直な第３の軸方向の加速度を検出するステップをさらに備え、前記静止状態での前記傾斜角の算出には、当該第３の軸方向の加速度の検出出力を用いる請求項８に記載の軌跡情報取得プログラム。

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