JP2011237452A - 物体の進行方向検知方法、位置検知方法、進行方向検知装置、位置検知装置、移動動態認識方法及び移動動態認識装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装着した人の進行方向と装着した場所の向きが同じ方向を向いていない場合においても正確な進行方向を求める事を可能にする。
【解決手段】方向センサの出力を用いて装置の向いている方向を検知する。加速度センサの加速度データを用いて歩行に伴う加速度変化を水平面に投射し、前記投射した加速度の点群の分布の方向より装置座標系での進行方向を推定する。これにより装置の装着者の絶対方位に対する進行方向を算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は物体、特に人や動物・歩行ロボットなど脚歩行により移動する物体の位置検知方法及びその装置に関する。

カーナビゲーションに代表されるようにＧＰＳ衛星を利用した測位方式が広く利用されており高精度の位置検知が実現している。ところが、屋内や物陰では、ＧＰＳ衛星の信号を受信できないためＧＰＳ衛星を利用した位置検知を行う事が出来ない。車の場合ほとんどの経路が屋外のため物陰等の同行時間は少なく一時的に位置検知不能に陥るだけである。処が歩行者は、屋内での行動が多くＧＰＳ単独で連続して位置検出を行うことは困難である。

そこで、屋内では（特許文献１）に示すようにＧＰＳ衛星を利用しない位置検知手法が用いられている。（特許文献１）の手法は、腰の位置に歩行の振動を検知する加速度センサと人の向いている方向（腰のセンサの向いている方向）を検知する方向センサを取り付ける。加速度センサで検知した振動波形より、歩行動作認識手法を応用した歩幅推定手法を用いて人の移動距離（単位時間の移動距離）を求める。次に腰につけた方向センサを用い人の向いている方向を検知する。移動距離と人の向いている方向より移動軌跡を求め位置を検知する。

本方式は、人の進行方向と体の向いている方向（方向センサで検知する方向）が一致していれば正確な移動軌跡を求める事ができる。しかし、横を向いて歩いた場合など体の向いている方向と進行方向が一致しない場合、体の向いている方向を検知する方向センサと人の進行方向が一致しなくなり移動軌跡に誤差が生じる問題があった。

別の公知例として（特許文献２）に示すようにセンサの取り付け位置のずれにより体の向いている方向と進行方向のずれを検知する手法について述べられている。本手法では移動中に生じるセンサの移動による誤差を取り除く事は可能であるが、センサ取り付け位置に起因しない横を向いての歩行による誤差に関しては述べられていない。

特開２００４−４８５２５１号公報 特開２００５−１７２６２５号公報

前記従来技術の問題点に鑑み、本発明は、人の体の向いている方向と進行方向との差を検知して正確な物体の位置検知を行う位置検知方法及びその装置を提供することにある。

上記課題を達成するために、本発明の物体の位置検知方法は、方向センサを用いて物体の物体座標系の向いている絶対方位を検知すること、前記物体に加わる加速度変化を加速度センサより検知すること、演算装置を用いて、前記加速度変化を水平面に投射し、前記投射した加速度の点群の分布の方向より前記物体座標系を基準とした物体の進行方向を検知すること、及び、前記物体座標系の絶対方位と前記物体座標系を基準とした物体の進行方向より物体の進行方向の絶対方位を検知することを特徴とするものである。

本発明の物体の位置検知方法及びその装置によれば、進行方向と異なる方向を向いて歩行しても正確な進行方向を検知する事が可能になる。

装置構成図。 本発明の装置を人体に装着した例。 方向センサで検知する正面歩行と斜め歩行の違いを表す図。 装置座標系での進行方向推定手段の処理ブロック。 正面歩行時の加速度変化の実測値。 斜め歩行時の加速度変化の実測値。 第一主軸から進行方向を推定する変換関数の例。 第２の実施例の装置構成図。 第３の実施例の処理ブロック。 移動動態を分類するための図。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

図１に本発明の装置構成図を示す。図２には本発明の装置装着の様子を示す。

方向センサ１としてジャイロセンサや磁気センサ（磁気コンパス）などを用いている。
Ａ／Ｄコンバータ２は方向センサ１のアナログ値をマイクロコンピュータなどで処理できるように量子化（デジタル化）する。Ａ／Ｄコンバータ２からのデジタル化された信号は装置座標系の向いている絶対方位を演算する装置３に入力される。装置座標系の向いている絶対方位を演算する装置３では、方向センサ１の方位センサの出力値を用いて本発明の装置の向いている方向を地球の磁北或いは真北を基準とした絶対方位として出力する。

加速度センサ４は本装置に加わる加速度変化を検出する。Ａ／Ｄコンバータ５は加速度センサ４の値を量子化（デジタル化）する。装置座標系での進行方向を推定する装置６は本装置を取り付けた物体の進行方向を本装置の座標系を基準に推定する。なお、処理の詳細については後述する。

装置座標系の向いている絶対方位を演算する装置３の結果は装置の向いている方向は検知できるが装置を取り付けた物体の進行方向は検知する事が出来ない。装置座標系での進行方向を推定する装置６は装置座標系を基準とした物体の進行方向を検知することは出来るが絶対方位に対する進行方向を求める事は出来ない。そこで、取り付け物体の絶対方位に対する進行方向を演算する装置７を用いて装置座標系の向いている絶対方位を演算する装置３と装置座標系での進行方向を推定する装置６を融合して取り付け物体の進行方向を絶対方位を基準として求める。求められた進行方向は表示装置８を用いて進行方向検知結果として表示する。また、検知した進行方向を通信回線を用いて外部へ伝送する通信装置９も備える。この装置９は端末を持つ人が自分の進んでいる方向を検知する場合には不要であるが外部の監視センタなどで遠隔から装着者の進行方向を検知したい場合に利用する。従って、表示装置８及び通信装置９は両方とも必須の装置ではなくどちらか存在すればよい。

なお、各ブロックを装置として説明したが、点線で囲んだ領域１０をマイクロコンピュータなどで処理を行ってもかまわない。

図２は、本発明を採用した装置を人２１に取り付けた例である。人の腰２２及び頭２３に本発明の装置を取り付ける事を想定している。勿論、人のその他の位置に装着する事も可能性である。

図３は人の腰２２の位置に取り付けた場合における図１の装置座標系の向いている絶対方位を演算する装置３で検知される進行方向の検知の様子を示している。

この図３においては装着者３１，３２を真上から見た状態を示している。また、人に取り付けた本発明の装置３３の位置も示している。図３（ａ）は経路の方向と同じ方向を向いて歩行した場合、図３（ｂ）は進行方向とは異なる方向を向いて歩行した場合の例である。図３（ｂ）の例は、例えば二人で会話しながら歩く場合に良く見られる状態である。図３（ａ）では、移動軌跡の方向３５と、過去の足跡３０２と、及び今後進む足跡３９を示している。同様に、図３（ｂ）における移動軌跡の進行方向３６と、過去の足跡３０３、及びこれから進む足跡３０１を示している。

図３（ａ）の場合、装着者の進行方向と装着者３１の向いている方向（装置３３の向いている方向）は一致しているので図１の３で検知される進行方向３４は装着者３１の方向３５と一致する。従って、図１の装置座標系の向いている絶対方位を演算する装置３で検知される進行方向との誤差は発生しない。ところが図３（ｂ）の場合、人の進行方向３６と体の向いている方向が異なっている。従って、図１の装置座標系の向いている絶対方位を演算する装置３で検知される進行方向は方向３８となってしまい実際の人の進行方向３７と異なった進行方向を出力する事になる。つまり、装置座標系の向いている絶対方位を演算する装置３の演算結果だけでは人の向いている方向は検知できるが人の進んでいる方向を検知する事は出来ない。そこで、装置座標系の向いている絶対方位を演算する装置３の出力３８と進行方向３６との差を検知する手段が必要になる。それが図１の装置座標系での進行方向を推定する装置６である。

図４に装置座標系での進行方向推定手段の処理ステップの一例を示す。先ず、３軸加速度センサの出力値を読み込む（４０）。次に水平面の加速度値に変換する（４１）。これは、体に取り付けたセンサが水平面と水平に置かれているとは限らないので、静止状態などにおいて加速度センサの傾き具合を検知し、移動中にこの傾き情報をもとに加速度値を水平面（以後ＸＹ平面）へ投影する事により実現できる。水平面へ投影した加速度値を（ＡＸｎ，ＡＹｎ）とする。ＡＸはＸ方向の加速度成分、ＡＹはＹ方向の加速度成分である。また添え字のｎはデータ数である。次に検知したｎ個の点群を用いて主成分分析の手法を用いて第一主軸を算出する（４２）。図５及び図６に実際の実験結果を示す。図５は進行方向と同じ正面を向いて歩いた場合のＸＹ平面での加速度変化５０と第一主軸５１の様子。図６は約３０度程度体の向きを変えて歩行した時のＸＹ平面での加速度変化６０及びその第一主軸６１である。図５の進行方向と体の向きが同じ場合にはＸＹ平面での加速度変化はほぼ左右対称になり第一主軸も進行方向にほぼ平行な直線になっている。図６では加速度変化は左右非対称になっているが全体的に右側に傾いたような分布になっている。分布の傾きを表す第一主軸６１は進行方向に近い直線の傾きを持っている事がわかる。次に、求められた第一主軸の直線の方程式より第一主軸の直線の方向を求める（４３）。第一主軸の傾きと進行方向が対応しているのであれば第一主軸の直線の方向を求める４３の結果が装置座標系における進行方向を表す角度になるが、実験結果から正確には対応していない。そこで、次に、進行方向と第一主軸の傾きを対応づける変換関数を用いて角度の補正を行う（４４）。図７はその変換関数の一例である。横軸が第一主軸の方向、縦軸が装着した人の進行方向であり、変換関数７１を示している。このような関数を用いる事により第一主軸単独で求めた進行方向の推定値よりも更に精度の高い進行方向を推定する事ができる。変換後の進行方向として、体の向き基準とした進行方向を出力する（４５）。

上述した実施例で示しているように、図１の装置座標系の向いている絶対方位を演算する装置３により本発明の装置が向いている方向、図１の装置座標系での進行方向を推定する装置６により装置座標系を基準とした進行方向を推定できる事を示した。そこで、最後に取り付け物体の絶対方位に対する進行方向を演算する装置７により装置座標系での進行方向を推定する装置３の向いている絶対方位より装置座標系での進行方向を推定する装置６の進行方向の補正量を用いて補正する事により取り付け物体（人）の絶対方位に対する進行方向を求める事ができるようになる。

なお、前述した説明では装着位置を腰を例にとり説明を行ってきたが腰以外の場所、例えば頭部や肩などに取り付けた場合においても同様の補正手段を用いる事ができる。

本実施例の方法及び装置によれば、装着した人の進行方向と装着した場所の向きが同じ方向を向いていない場合においても正確な進行方向を求める事が可能になる。

進行方向と体の向きが違う場合でも正確な移動軌跡を求めるための実施例を示す。

図８に本発明を用いて正確な移動軌跡を検知する場合の構成図を示す。図１で説明した装置構成図に移動距離検知装置８１と距離と方位の積分演算部８２を付加した構成となっている。移動距離検知装置８１は、装置を取り付けた人の移動距離を検知する装置である。例えば、歩数計を用いて検知した歩数と歩幅より距離を求めるような装置である。距離と方位の積分演算部８２は、移動距離検知装置８１で求めた単位時間あたりの移動距離と取り付け物体の絶対方位に対する進行方向演算装置７で求めた進行方向補正後の絶対方位の値を用いて距離と方位の積分演算処理を行い移動軌跡を算出する。算出した移動軌跡は表示装置８を用いて表示したり通信装置９を用いて遠隔地に移動軌跡の検知結果を伝送する。

従来技術では進行方向と体の向いている方向に違いがあると方向センサ１だけでは進行方向の補正が出来ないために距離と方向の積分演算部８２で求めた移動には誤差が生じてしまう問題があった。しかし、本実施例の方法及び装置によれば、進行方向の補正を行う事ができるため、正確な移動軌跡を求める事ができるようになる。

進行方向の補正角度を用いて、取り付けた人がどのような歩行状態で歩行しているか（移動動態）を推定するための実施例を示す。図９は本実施例の処理のブロック図を示す。

図１０は移動動態を分類するための図である。図９は図４の装置座標系での進行方向推定手段の一例を示した図の処理４４までの処理手順は同じである。処理４４の出力は、進行方向と体の向きの差分を出力している。従って、この差分値を用いて移動動態の分類を行う。図１０は、分類の説明図である。正面に対する進行のずれ角度１０６は処理ブロック４４の出力を示している。角度１０１〜１０５は移動動態の分類を表している。例えば、角度１０１までのずれ角度は“正面歩行”、角度１０２は“正面斜め歩行”、角度１０３は“横歩き”、確度１０４は“斜め後ろ歩行”、角度１０５は“後ろ歩き”である。処理ブロック９１は処理ブロック４４の出力結果と図１０の分類図を用いて移動動態の推定を行う。処理ブロック９２では処理ブロック９１で推定した結果を出力し表示や遠隔地へ伝送したりする。

本実施例の方法及び装置によれば、移動動態を推定する事が出来るので、装着者がどのような移動動態で歩行を行っているかを検知する事が可能になる。

１ 方向センサ
２ Ａ／Ｄコンバータ

Claims (10)

1. 方向センサを用いて物体の物体座標系の向いている絶対方位を検知すること、
   前記物体に加わる加速度変化を加速度センサより検知すること、
   演算装置を用いて、前記加速度変化を水平面に投射し、前記投射した加速度の点群の分布の方向より前記物体座標系を基準とした物体の進行方向を検知すること、及び、前記物体座標系の絶対方位と前記物体座標系を基準とした物体の進行方向より物体の進行方向の絶対方位を検知することを特徴とする物体の進行方向検知方法。
2. 請求項１に記載の物体の進行方向検知方法において、
   前記物体の進行方向の検知は、前記投射した加速度の点群の分布から主成分分析を用いて物体の進行方向の絶対方位を検知することを特徴とする物体の進行方向検知方法。
3. 請求項２に記載の物体の進行方向検知方法において、
   前記演算装置は、進行方向と実際の物体の進行方向を対応づける変換関数を参照して、前記主成分分析を用いて検知した進行方向へ補正を行い、物体の進行方向の絶対方位を検知することを特徴とする物体の進行方向検知方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の物体の進行方向検知方法の進行方向検知結果と、
   移動距離検知装置からの移動距離を検知することで、
   前記演算装置において移動軌跡を求めることを特徴とする物体の位置検知方法。
5. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の物体の進行方向検知方法の進行方向検知結果及び物体の物体座標系の向いている絶対方位結果を用いて、
   前記演算装置において、取り付けた物体の移動動態を認識することを特徴とする物体の移動動態認識方法。
6. 物体の物体座標系の向いている絶対方位を検知する手段と、
   前記物体に加わる加速度変化を検知する手段と、
   前記加速度変化を水平面に投射し、前記投射した加速度の点群の分布の方向より前記物体座標系を基準として物体の進行方向を検知する手段と、
   前記物体座標系の絶対方位と前記物体座標系を基準とした物体の進行方向より物体の進行方向の絶対方位を検知する手段とを備えたことを特徴とする物体の進行方向検知装置。
7. 請求項６に記載の物体の進行方向検知装置において、
   物体の進行方向を検知する手段は、前記投射した加速度の点群の分布から主成分分析を用いて物体の進行方向の絶対方位を検知することを特徴とする物体の進行方向検知装置。
8. 請求項７に記載の物体の進行方向検知装置において、
   前記物体の進行方向の絶対方位を検知する手段は、進行方向と実際の物体の進行方向を対応づける変換関数を参照して、前記主成分分析を用いて検知した進行方向へ補正を行い、物体の進行方向の絶対方位を検知することを特徴とする物体の進行方向検知装置。
9. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の物体の進行方向検知装置の進行方向検知結果と、
   移動距離検知装置を備えて、
   前記進行方向検知結果及び前記移動距離検知装置の移動距離より移動軌跡を求める手段を備えたことを特徴とする物体の位置検知装置。
10. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の物体の進行方向検知装置の進行方向検知結果及び物体の物体座標系の向いている絶対方位結果を用いて、取り付けた物体の移動動態を認識する手段を備えたことを特徴とする物体の移動動態認識装置。