JP2012503194A - 加速度計からの測定値を処理する方法 - Google Patents

Abstract

固定された基準フレームに対する加速度計の向きを推定する方法が提供されており、当該方法は、加速度計に作用する加速度の、３つの直交軸の成分を示している信号を当該加速度計から得るステップと、加速度の最大成分を有する前記軸を識別するステップと、加速度計に作用する加速度及び加速度の最大成分を有する前記軸の間の角度を決定することによって加速度計の向きを決定するステップとを含む。推定された向きを用いて、固定された基準フレームの垂直加速度を推定する方法が更に提供されている。

Description

本発明は加速度を三次元で測定する加速度計に関し、特に加速度計からの測定値を処理する方法に関する。

概して三次元空間にある物体は、3つの直交軸に沿った転位及び3つの直交軸の周りの回転の、6つの自由度をもっている。3本の転位軸の各々に沿った物体の動きは他の2本の軸から独立しており、いずれかの回転軸の周りに対する回転からも独立しているので、運動は、実際に6つの自由度を有する。

モニタされる物体の合計6つの自由度を測定し且つ演算するために、従来は複数のセンサが必要であることが、慣性力センサの分野でよく知られている。通常、3本の転位軸に沿って加速度を測定できる加速度計と、3本の回転軸の周りの回転角を測定できるジャイロと、外部磁界に対する物体の方向を測定できる磁力計とが、物体の6つの自由度をモニタするために使用されている。

これらのシステムにおいて、三次元の加速度計は3つの考え得る自由度を測定できるに過ぎず、6つの自由度を測定するために電子ジャイロが使われている。地球基準システムへと変換されねばならない加速度の測定を可能にするアルゴリズムが、（地球に対して固定された基準座標軸（フレーム）など）外部の基準フレームに対して加速度計の回転を補正するために使われている。しかしながら、ジャイロを使用することは複数の欠点がある。即ち、第1に、ジャイロは高価であり、加速度計又は磁力計と比較して多くのエネルギを消費し、第2に、加速度計基準システムを地球基準システムへと回転させるために用いるアルゴリズムは、高い計算能力を要する。

この種のシステムは、センサユニット（又は複数のセンサユニット）を胴体に取り付けることによって人の動きをモニタするために、しばしば使用される。しかしながら、人の動きの6つの自由度を測定するための3種類の異なるタイプのセンサの必要性は、上で説明されたジャイロの使用に付随する欠点に加え、非常に大きく扱いにくい装置を結果として生じる。

本発明の目的は、ジャイロ又は他の方位センサがない場合に、加速度計の向きを推定する方法を提供することである。

本発明の更なる目的又は代替目的は、加速度計からの測定値から（地球など）外部の基準フレームの垂直方向の加速度を推定する方法を提供することである。

本発明の第1の態様によれば、固定された基準フレームに対する加速度計の向きを推定する方法が提供され、当該方法は、加速度計に作用する加速度の、３つの直交軸の成分を示す信号を加速度計から得るステップと、
加速度の最大成分を有する軸を識別するステップと、加速度計に作用している加速度と前記加速度の最大成分を有する軸との間の角度を決定することによって、加速度計の向きを測定するステップとを含んでいる。

好ましくは、加速度計に作用する加速度と、加速度の最大成分を有する軸との間の角度（θ）は、次式により決定される。

ここで、Azは加速度の最大成分を有する軸に沿った加速度成分であり、Ax及びAyは、他の2本の軸に沿った加速度成分である。

好ましくは本方法は、特定のサンプリング時刻iにおいて決定された向きのローカルな不安定性を、特定のサンプリング時刻の前後の複数のサンプリング時刻に対する加速度計からの一連の信号を得ることによって調べるステップと、3つの直交軸に沿って加速度計に作用する加速度成分の標準値の変動を、一連の信号の各々に対して計算するステップとを更に含む。

好ましくは、標準値の変動を計算するステップは、以下の式を計算するステップを含む。

ここで、a＋bは一連の信号の数であり、αは加速度の急激な変化を示す値である。

好ましくは、αは15m／s²から20m／s²までの範囲から選択される値である。

好ましくは、重力による加速度が加速度計に作用している。

好ましい実施例では、固定された基準フレームの既知の方向に重力が作用し、加速度計に作用する加速度と、加速度の最大成分を有する軸との間の角度が、当該既知の方向に対する加速度計の向きの推定値を提供する。

本発明の第2の態様では、固定された基準フレームに対する特定の方向の加速度を、固定された基準フレームに対して任意の向きをもつ加速度計に作用する加速度の測定値から推定する方法が提供されている。当該方法は、上で説明された固定された基準フレームに対する加速度計の向きを推定するステップと、加速度の測定値から推定された加速度計の向きを、特定の方向の加速度を決定するために使用するステップとを含んでいる。

本発明の第3の態様によれば、固定された基準フレームの垂直方向の加速度を、固定された基準フレームに対して任意の向きを有する加速度計に作用する加速度の測定値から推定する方法が提供されている。当該方法は、上で説明された固定された基準フレームに対する加速度計の向きを推定するステップと、加速度の測定値から推定された加速度計の向きを、垂直方向の加速度を決定するために使用するステップとを含んでいる。

好ましくは、推定された向きを使用するステップは、次式の数値を求めるステップを含む。
θ＞0か、又はローカルな不安定性がある場合、

θ＜0か、又はローカルな不安定性が無い場合、

ここで、gは重力による垂直方向の加速度の大きさである。

本発明の第4の態様によれば、固定された基準フレームに対する加速度計の向きを推定する装置が提供されている。当該装置は、上で説明した方法を実行するよう適応された信号処理手段を有する。

本発明の第5の態様によれば、固定された基準フレームの垂直方向の加速度を、加速度計に作用する加速度の測定値から推定する装置が提供されている。当該加速度計は、固定された基準フレームに対して任意の向きを有し、当該装置は、上で説明した方法を実行するよう適応された信号処理手段を有する。

本発明の第6の実施例によれば、適切なコンピュータ又はプロセッサ上で実行された場合、上で説明した方法を実行するよう適応されたコンピュータ実行コードを有するコンピュータ・プログラムが提供されている。

このように本発明は、ジャイロ又は他のいかなるセンサも必要とせずに加速度計の傾斜角を算出するための方法を提供しており、更に、固定された基準フレームの垂直加速度を当該傾斜角から算出する方法を提供している。加速度計の動きが遅い場合（例えば±20m／s²よりも少ない垂直加速度を有する動きの場合）、本発明により算出された垂直加速度は、ジャイロ及び他のセンサを含むシステムを使用して算出されたものと同程度の精度であろう。

本発明の実施例が、ここで、以下の図面を参照して例の態様のみにて説明されるであろう。

測定された加速度から加速度計の向きの算出を例示している線図である。 加速度計の向きを推定する方法を例示しているフロー図である。 加速度計がユーザに取り付けられていることを例示している線図である。 本発明による方法の性能を示している一連のグラフである。

図1は、加速度計で測定された加速度Aの測定値の例示である。当該加速度計は、加速度計に作用している加速度Aを三次元で測定し、当該加速度Aを（xa、ya、及びzaとラベル付けされた）3つの直交軸に沿って示す信号を出力する。

加速度計が、固定された基準フレームに対して動くことができる人又は他の物体に取り付けられた場合、加速度計の向きが、固定された基準フレームに対して変化することが考え得る。

この図1では加速度Aは、それぞれ3本の軸に沿って測定された成分Ax、Ay、及びAzをもっている。

（重力以外の）小さな加速度又は無加速度を受けている加速度計の場合、加速度計が感じる加速度Aは、実質的に重力加速度に相当することであろう。したがって、この仮定から、加速度Aと、固定された基準フレームにおける方向が知られている重力とを関連づけることが可能である。

加速度計の向きは、加速度Aと最大の加速度の大きさを有する加速度計の軸との間の角度を算出することにより推定されることができる。

加速度計の向きを推定する方法が図2に例示されている。ステップ101では、加速度計は、当該加速度計に作用している加速度を測定し、加速度計の3つの直交軸（それぞれxa、ya、及びza）に沿った加速度成分を示す信号（Az、Ay、及びAz）を出力する。

次にステップ103で、最高の大きさをもつ成分を識別するために、加速度Aの各成分の大きさが比較される。

以下の説明では、最高の大きさをもつ成分の軸（xa、ya、又はza）はza'と表記され、他の2本の軸はxa'及びya'と表記される。この態様にて本方法は、加速度計の初期位置に関係なく加速度計の向きを決定することが可能である。例えば、固定された基準フレームにおける垂直方向の軸にza軸が相当すると意図されることができるものの、加速度計は、この態様で物体又は人に取り付けられずともよい（ya軸が、固定された基準フレームでの垂直方向の軸と最も密接に一致してもよい）。

図1では、加速度の最大成分を有する前記軸がzaであり、この軸がza'とラベル付けされ、最大の加速度成分がAzであることに留意されたい。

次にステップ105では、加速度Aと加速度の最大成分を有する前記軸（za'）との間の角度が決定される。このように、角度θが次式によって与えられることが図1から見てとれる。

全ての加速度成分がゼロ（即ち、Ax＝Ay＝Az＝0）である場合、θ、即ち向きは推定されることができない。この状態では加速度計は自由落下状態にある。

このように、この角度θが重力を基準として用いて決定されるので、角度θは加速度計の向きを示すものとして考えられることが可能である。

固定された基準フレームに対して加速度計が自由に動くことができるので、加速度の急激な変化によって生じるローカルな不安定性について調べることが望ましい。この態様で、決定された向きにおける、加速度のこれらの急激な変化によって生じた誤差を補正することが可能である。特にローカルな不安定性は、加速度Aの成分の標準値の変動を一定の時間にわたって計算することによって調べられる。

複数の信号が、複数のサンプリング時刻での加速度を表している加速度計から得られる。これら複数のサンプリング時刻は、サンプリング時刻iの前後の両方に好ましくは存在し、加速度計の向きが算出される。

加速度Aの成分の標準値の変動が、次式を用いて算出される。

ここで、aは、加速度計の向きが算出されるサンプリング時刻以降のサンプリング時刻の数であり、bは、加速度計の向きが算出されるサンプリング時刻以前のサンプリング時刻の数であり、αは、加速度の急激な変化を示す値である。

好ましくはαは、15m／s²乃至20m／s²の範囲から選択された値である。更に一層好ましい実施例では、αは17m／s²である

本発明の好ましい実施態様では、a及びbは10である。

一旦角度θが算出されると、固定された基準フレームの垂直方向の加速度を決定できる。特に、この垂直加速度は、例えば人が着席姿勢から起立姿勢へと移動する場合に発生する垂直加速度を算出するために用いることができる。

図3は、人4に取り付けられた加速度計2を示す。この図では人4は、着座姿勢から起立姿勢への途中であり、加速度計2は垂直から角度θの向きにある。加速度の最大成分を有する前記軸（Az）が示されている。

垂直方向の加速度が次式から算出される。
θ＞0か、又はローカルな不安定性がある場合、

θ＜0か、又はローカルな不安定性が無い場合、

ここで、gは重力による垂直方向の加速度の大きさである。図1及び図3ではθ＜0であると理解されよう。

図4は、本発明による方法を確証するために使われた幾つかのテストデータを示している一連のグラフである。特に、図4の第1のグラフは、加速度計の軸の各々に沿った加速度を表している複数の信号を示している。第2のグラフは、加速度計及びジャイロを使用して算出された垂直加速度を示す。第3のグラフは、本願明細書で説明されている方法により推定された垂直加速度を示す。第4のグラフは、第2のグラフと第3のグラフとの間の相対誤差を示す。このように、ジャイロが用いられて垂直加速度を決定する方法と比較して、本発明による方法は概して5％未満の誤差に結果としてなることが見てとれる。

これゆえ、ジャイロ又は他のいかなるセンサも必要とせずに、加速度計の傾斜角を算出する方法が提供され、固定された基準フレームの垂直加速度を前記傾斜角から算出する方法が提供される。向き及び垂直加速度を算出する方法は、加速度計及びジャイロが通常使用されるどのようなアプリケーションでも用いられることができ、特に、人が転倒した場合又は転倒直前の場合を検出するデバイスにおいて使うことができる。上で説明したように本方法は、座った姿勢から起立する人に係わる垂直加速度を決定するために用いることもできる。

本発明が図面及び前述の説明にて詳細に例示され且つ説明された一方、斯様な例示及び説明は図示目的又は説明目的であり、拘束性はないと看做されており、本発明が、開示された実施例に限定されることはない。

図面、開示物、及び添付の請求項の学習から、開示された実施例に対するバリエーションが、請求された本発明を実施する際の当業者により理解されることができ、遂行されることができる。請求項において、単語「有する」が他のエレメント又はステップを除外することはなく、不定冠詞「a」又は「an」が複数を除外することはない。単一のプロセッサ又は他のユニットが、請求項において詳述された複数の項目の機能を満たすことができる。特定の手段が相互に異なる従属請求項において詳述されているという単なる事実は、これらの手段の組合せが有効に使われ得ないとは示していない。コンピュータ・プログラムは、他のハードウェアと共に、又は当該ハードウェアの一部として供給されている光記憶媒体又は半導体媒体などの適切な媒体上に記憶/配布されてもよいが、しかし、例えばインターネット又は他の有線若しくは無線の通信システムを介して他の形で配布されてもよい。請求項中のいかなる参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されてはならない。

Claims (13)

1. 固定された基準フレームに対する加速度計の向きを推定する方法であって、
   加速度計に作用している加速度の、３つの直交軸の成分を示す信号を当該加速度計から得るステップと、
   加速度の最大成分を有する前記軸を識別するステップと、
   前記加速度計に作用している加速度と前記加速度の最大成分を有する前記軸との間の角度を決定することによって、前記加速度計の向きを決定するステップと、
   を含む方法。
2. 前記加速度計に作用する加速度と、前記加速度の最大成分を有する前記軸との間の角度θが次式、
   

   

   により決定され、ここで、
   Azは前記最大の加速度成分を有する前記軸に沿った加速度成分であり、Ax及びAyは他の2本の軸に沿った加速度成分であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 特定のサンプリング時刻の前後の複数のサンプリング時刻に対して前記加速度計から一連の信号を得るステップと、
   当該一連の信号の各々に対して、前記加速度計に作用する加速度の、前記３つの直交軸の成分の標準値の変動を計算するステップと、
   によって、特定のサンプリング時刻において決定された向きのローカルな不安定性を調べるステップを更に有する、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記基準値の変動を計算するステップが、次式
   

   

   を計算するステップを含み、ここで、
   a＋bは一連の信号の数であり、αは加速度の急激な変化を示す値であることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 前記αが、15m／s²乃至20m／s²の範囲から選択された値であることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 重力による加速度が前記加速度計に作用することを特徴とする、請求項１乃至５の何れかに記載の方法。
7. 前記固定された基準フレームの既知の方向に重力が作用し、前記加速度計に作用する加速度と前記最大の加速度成分を有する前記軸との間の角度が前記既知の方向に対する当該加速度計の向きの推定値を提供することを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 固定された基準フレームに対して任意の向きをもつ加速度計に作用する加速度の測定値から、当該固定された基準フレームの特定の方向における加速度を推定する方法であって、
   請求項１乃至７の何れかに記載された前記固定された基準フレームに対する当該加速度計の向きを推定するステップと、
   加速度の測定から推定された前記加速度計の向きを、特定の方向における加速度を決定するために使用するステップと、
   を含む、方法。
9. 固定された基準フレームに対して任意の向きをもつ加速度計に働く加速度の測定値から、当該固定された基準フレームの垂直方向における加速度を推定する方法であって、
   請求項７に記載の前記固定された基準フレームに対する当該加速度計の向きを推定するステップと、
   加速度の測定から推定された前記加速度計の向きを、垂直方向における加速度を決定するために使用するステップと、
   を含む、方法。
10. 請求項２及び３に従属する場合、前記推定された向きを使用するステップが、
    θ＞0か、又はローカルな不安定性がある場合、
    

    

    θ＜0か、又はローカルな不安定性が無い場合、
    

    

    の数値を求めるステップを含み、ここで、
    gは重力による垂直方向の加速度の大きさである、請求項９に記載の方法。
11. 固定された基準フレームに対する加速度計の向きを推定する装置であって、
    請求項１乃至７の何れかの方法におけるステップを実行する処理手段、
    を有する、装置。
12. 固定された基準フレームに対して任意の向きをもつ加速度計に作用する加速度の測定値から、固定された基準フレームの垂直方向の加速度を推定する装置であって、
    請求項９又は１０に記載の方法におけるステップを実行するよう適応された処理手段、
    を有する、装置。
13. 適切なコンピュータ又はプロセッサ上で実行された場合、請求項１乃至１０の何れかの方法におけるステップを実行するコンピュータ実行コードを有する、コンピュータ・プログラム。

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