JP2013002886A - 携帯機器 - Google Patents

Abstract

【課題】携帯機器の方位や、軌跡データを生成する技術を提供する。
【解決手段】３軸の加速度センサ１２は、その３軸が地磁気センサ１４の３軸と平行となるように配置される。信号処理部２０は、地磁気センサ１４の出力Ｓ１と、加速度センサ１２の出力Ｓ２を受ける。信号処理部２０は、加速度センサ１２の３軸出力のうち、最も大きな成分を有する軸を鉛直軸と判定し、それ以外の２軸と対応する地磁気センサ１４の２軸の出力を利用して、本携帯機器１の方位を算出するように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、携帯機器に関する。

近年、携帯電話端末、デジタルカメラ、ゲーム機器、オーディオプレイヤをはじめとする携帯型の小型端末（以下、携帯機器という）に、ＧＰＳ（Global Positioning System）が搭載されている。携帯機器のユーザは、ＧＰＳの位置情報を利用して、目的地までのナビゲーションとして利用したり、移動経路のログを残したりすることが可能となっている。

携帯機器の軌跡を示すデータ（以下、軌跡データともいう）は、高い頻度でＧＰＳの位置情報を取得し、都度得られる位置情報を補間することにより生成することができる。しかしながらＧＰＳの消費電力は大きいため、バッテリ駆動型の携帯機器では、その動作時間が著しく短くなるという問題がある。

特開２０１１−２２１２８号公報

本発明は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、携帯機器の方位や、軌跡データを生成する技術の提供にある。

本発明のある態様は、携帯機器に関する。携帯機器は、３軸の地磁気センサと、その３軸が地磁気センサの３軸と平行となるように配置される３軸の加速度センサと、地磁気センサの出力と、加速度センサの出力を受ける信号処理部と、を備える。信号処理部は、加速度センサの３軸出力のうち、最も大きな成分を有する軸を鉛直軸と判定し、それ以外の２軸と対応する地磁気センサの２軸の出力を利用して、本携帯機器の方位φを算出するように構成される。

携帯機器は、ユーザによってさまざまな方向で保持される。たとえば、あるときにはユーザは、ディスプレイを地面と水平に保持し、あるときには、ディスプレイを地面と垂直に保持する。この態様によれば、ユーザが携帯機器の持ち方を変えても、携帯機器の方位φを検出できる。

ある態様の携帯機器は、加速度センサの出力をフィルタリングするローパスフィルタをさらに備えてもよい。重力は、加速度センサの出力ベクトル値の静止成分として現れる。したがって、ローパスフィルタにより静止成分を抽出し、３軸出力のうち、最も大きな成分を有する軸を判定することで、鉛直軸を決定することができる。

ある態様において、信号処理部は、地磁気センサの鉛直軸と判定された軸以外の２軸のうちの一方、および、それと平行な加速度センサの軸を、基準軸と規定し、地磁気センサの鉛直軸以外の２軸の出力にもとづき、地磁気と基準軸のなす角度θを算出してもよい。
これにより、地磁気の方向を検出できる。

ある態様の携帯機器は、本携帯機器の位置情報を取得するＧＰＳ（Global Positioning System）ユニットをさらに備えてもよい。信号処理部は、第１の地点においてＧＰＳユニットが取得した位置情報と、第２の地点においてＧＰＳユニットが取得した位置情報から、本携帯機器の初期移動方向φ_ＩＮＩＴを取得し、そのときの地磁気と基準軸のなす角度θ_ＩＮＩＴを取得し、それ以降は、地磁気と基準軸のなす角度θを累積的に取得してもよい。
信号処理部は、地磁気と基準軸のなす角度θを用いて、本携帯機器の移動方向を、
φ＝（θ−θ_ＩＮＩＴ）＋φ_ＩＮＩＴにより算出できる。また基準軸に対する本携帯機器の移動方向αを
α＝φ_ＩＮＩＴ−θにより算出できる。

信号処理部は、加速度センサの出力にもとづき本携帯機器の移動距離を取得し、移動距離が所定の条件を満たすごとに、地磁気と基準軸のなす角度θを取得し、角度θと移動距離のセットを累積的に保持してもよい。
これにより、低消費電力で軌跡データを生成できる。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、携帯機器の方位を検出できる。

実施の形態に係る携帯機器の構成を示すブロック図である。 加速度センサおよび地磁気センサの配置を示す、携帯機器の斜視図である。 図３（ａ）〜（ｃ）は、信号処理部による鉛直軸の判定を説明する図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、信号処理部が算出する角度θを説明する図である。 信号処理部による、携帯機器の移動方向φおよびαを説明する図である。 軌跡データを生成する方法を示すフローチャートである。 軌跡データが生成される様子を示す図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

図１は、実施の形態に係る携帯機器１の構成を示すブロック図である。携帯機器１は、携帯電話端末、デジタルカメラ、ゲーム機器、オーディオプレイヤなどであり、ＧＰＳユニット１０、３軸加速度センサ１２、３軸地磁気センサ１４、ローパスフィルタ１６、信号処理部２０、メモリ３０を備える。その他に携帯機器１は、ディスプレイや、スピーカをはじめとする本発明と関連の小さなユニットを備えるが、それらは省略される。

ＧＰＳユニット１０は、ＧＰＳ衛星からの電波を受信し、携帯機器１の位置情報（座標）を測定し、位置情報を示す位置データＳ４を生成する。

加速度センサ１２は、Ｘａ、Ｙａ、Ｚａの３軸を有し、各軸方向の加速度成分を示す加速度データＳ１ｘ〜Ｓ１ｚを生成する。

地磁気センサ１４は、Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂの３軸を有し、各軸方向の地磁気の大きさを示す地磁気データＳ３ｘ〜Ｓ３ｚを生成する。

ローパスフィルタ１６は、加速度センサ１２からの加速度データＳ１ｘ〜Ｓ１ｚを受け、静止成分（低周波成分）を抽出し、加速度データＳ２ｘ〜Ｓ２ｚを生成する。地磁気センサ１４に対して重力は、静止成分として作用するため、ローパスフィルタ１６によって低周波成分を抽出することにより、重力の方向を検出できる。

加速度データＳ１、Ｓ２、地磁気データＳ３、位置データＳ４は信号処理部２０に入力される。信号処理部２０は、これらのデータＳ１〜Ｓ４にもとづき、携帯機器１の向き、位置などを算出する。メモリ３０は、各データＳ１〜Ｓ４、信号処理部２０が算出した携帯機器１の向き、位置を格納する。

図２は、加速度センサ１２および地磁気センサ１４の配置を示す、携帯機器１の斜視図である。

加速度センサ１２の３軸Ｘａ、Ｙａ、Ｚａはそれぞれ、地磁気センサ１４の３軸Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂのうち対応するひとつと平行になるように配置される。図２では、ＸａとＸｂ、ＹａとＹｂ、ＺａとＺｃが平行な場合を示すが、平行となる軸の組み合わせは任意である。また、加速度センサ１２の各軸と、それと対応する地磁気センサ１４の軸は、平行であればよく、向きは反対であってもよい。

携帯機器１は、ユーザによってさまざまな方向で保持される。たとえば、あるときにはユーザは、ディスプレイを地面と水平に保持し、あるときには、ディスプレイを地面と垂直に保持する。そこで、信号処理部２０は、加速度センサ１２の３軸出力Ｓ２ｘ〜Ｓ２ｚのうち、最も大きな成分を有する軸を、地面と垂直な鉛直軸と判定する。そして信号処理部２０は、鉛直軸と判定された軸以外の２軸と対応する地磁気センサ１４の２軸の出力を利用して、携帯機器１の方位を算出するように構成される。

図３（ａ）〜（ｃ）は、信号処理部２０による鉛直軸の判定を説明する図である。
図３（ａ）では、加速度センサ１２のＺａ軸が、重力ｇ方向となるため、加速度データＳ２のＺａ軸の成分Ｓ２ｚが最も大きくなる。そこで信号処理部２０は、加速度センサ１２のＺａ軸およびそれと平行な地磁気センサ１４のＺｂ軸を、鉛直軸と判定する。そして信号処理部２０は、地磁気センサ１４からの地磁気データＳ３のうち、Ｚｂ軸以外のデータＳ３ｘ、Ｓ３ｙを利用して、携帯機器１の方位φを算出する。

図３（ｂ）では、加速度センサ１２のＹａ軸が、重力ｇ方向となるため、加速度データＳ２のＹａ軸の成分Ｓ２ｙが最も大きくなる。この場合、加速度センサ１２のＹａ軸および地磁気センサ１４のＹｂ軸が、鉛直軸と判定され、地磁気データＳ３のうち、Ｙｂ軸以外のデータＳ３ｘ、Ｓ３ｚを利用して、携帯機器１の方位φを算出する。

図３（ｃ）では、加速度センサ１２のＸａ軸が、重力ｇ方向となるため、加速度データＳ２のＸａ軸の成分Ｓ２ｘが最も大きくなる。この場合、加速度センサ１２のＸａ軸および地磁気センサ１４のＸｂ軸が、鉛直軸と判定され、地磁気データＳ３のうち、Ｘｂ軸以外のデータＳ３ｙ、Ｓ３ｚを利用して、携帯機器１の方位φを算出する。

方位φを算出する際には、傾斜補正を行うことが望ましい。地磁気センサ１４は、水平では正確な方位を示すが、傾いた状態では正確な方位が示せなくなる。そこで信号処理部２０は、加速度センサ１２の出力データをもちいて地磁気センサ１４の傾斜角を計算し、傾斜角を利用して方位の誤差を補正する。なお、歩行時には加速度センサ１２の出力が振動するため、傾斜角の計算が困難となるため、傾斜補正には、ローパスフィルタ１６の出力Ｓ２を利用することが望ましい。

以上の信号処理部２０の処理により、ユーザが携帯機器１の持ち方を変えても、携帯機器の方位φを検出できる。

信号処理部２０は、地磁気センサ１４の鉛直軸と判定された軸以外の２軸のうちの一方、および、それと平行な加速度センサ１２の軸を、基準軸（地磁気基準方向）と規定する。
たとえば信号処理部２０は、あるひとつの軸（ここではＹｂとする）を標準の基準軸に規定しておき、Ｙｂ軸が鉛直軸でない場合には、Ｙｂ軸を基準軸に設定する。Ｙｂ軸が鉛直軸である場合には、Ｚ軸Ｚｂを基準軸と設定する。
あるいは信号処理部２０は、Ｚｂ軸が鉛直軸のとき、Ｙｂ軸を基準軸に、Ｙｂ軸が鉛直軸のとき、Ｘｂ軸を基準軸に、Ｘｂ軸が鉛直軸のとき、Ｚｂ軸を基準軸に設定してもよい。このように基準軸の決め方は任意である。

信号処理部２０は、地磁気センサ１４の鉛直軸以外の２軸の出力にもとづき、地磁気と基準軸のなす角度θを算出する。図４（ａ）、（ｂ）は、信号処理部２０が算出する角度θを説明する図である。図４（ａ）、（ｂ）は、携帯機器１を上からみた図である。図４（ａ）は、Ｚｂ軸が鉛直方向、Ｙｂ軸が基準軸の場合である。破線は地磁気の方向を示す。
地磁気センサ１４のＹｂ軸方向、Ｘｂ軸方向の地磁気データＳ３ｙ、Ｓ３ｘを用いて、θは、
θ＝ｔａｎ^−１（Ｓ３ｘ／Ｓ３ｙ）
で与えられる。θは、地磁気方向（すなわち北方向）に対して、基準軸すなわち携帯機器１の向きが何度ずれているかを示す。

図４（ｂ）は、Ｙｂ軸が鉛直方向、Ｚｂ軸が基準軸の場合である。このときの角度θは、
θ＝ｔａｎ^−１（Ｓ３ｘ／Ｓ３ｚ）
で与えられる。

続いて、地磁気方向と基準軸がなす角度θを用いて、携帯機器１の移動方向を推定する方法を説明する。この方法では、携帯機器１の向きと、携帯機器１の進行方向は、常に一定の関係が保たれることを前提としている。

信号処理部２０は、第１の地点Ｐ１においてＧＰＳユニット１０が取得した位置データＳ４_１と、第２の地点Ｐ２において取得した位置データＳ４_２から、携帯機器１の初期移動方向φ_ＩＮＩＴを取得する。ここでは移動方向φは、北方向（地磁気方向）を基準とした角度で与えられ、東方向で９０度、南方向で１８０度、西方向で２７０度をとるように定められる。

また信号処理部２０は、第１地点Ｐ１、第２地点Ｐ２の少なくとも一方、たとえば第２地点Ｐ２において、地磁気と基準軸のなす角度θ_ＩＮＩＴを取得する。そして、初期移動方向φ_ＩＮＩＴと、角度θ_ＩＮＩＴを対応付ける。

それ以降は、信号処理部２０はＧＰＳを使用せずに、地磁気と基準軸のなす角度θにもとづいて、携帯機器１の移動方向φおよびαを計算により推定する。
移動方向φは、地磁気方向（北方向）を基準とした携帯機器１の移動方向である。移動方向αは、携帯機器１の基準軸に対する携帯機器１の移動方向である。

図５は、信号処理部２０による、携帯機器１の移動方向φおよびαを説明する図である。ここでは、Ｚｂ軸が鉛直方向、Ｙｂ軸が基準軸であるとする。第１地点Ｐ１から第２地点Ｐ２に移動したとき、それぞれの地点においてＧＰＳユニット１０が取得した位置データＳ４から、初期の移動方向φ_ＩＮＩＴが計算される。

そして、第２地点Ｐ２において、地磁気と基準軸のなす角度θ_ＩＮＩＴが取得される。移動方向φ_ＩＮＩＴと、角度θ_ＩＮＩＴを対応付けることで、それ以降は、角度θにもとづき、携帯機器１の移動方向φおよびαを計算する。携帯機器１のユーザが、携帯機器１の持ち方を変えない限り、進行方向と基準軸の関係は保たれる。この場合、図５から、基準軸Ｙｂに対する携帯機器１の移動方向は、常に、式（１）を満たすことがわかる。
α＝（φ_ＩＮＩＴ−θ_ＩＮＩＴ） …（１）
信号処理部２０は、式（１）にもとづき、携帯機器１の基準軸と、移動方向のずれ角αを計算する。たとえばユーザが基準軸であるＹｂ軸が正面（進行方向）を向くように携帯機器１を保持する場合には、α＝０°となる。

第２地点Ｐ２にて方向を変え、第３地点Ｐ３に移動したとする。第３地点Ｐ３における基準軸と地磁気方向のなす角度θを用いると、携帯機器１の地磁気方向（北方向）を基準とする移動方向φは、式（２）で与えられる。
φ＝θ＋α …（２）

式（２）に式（１）を代入すると、式（３）を得る。
φ＝θ＋φ_ＩＮＩＴ−θ_ＩＮＩＴ …（３）

信号処理部２０は、式（３）にもとづき、基準軸と地磁気方向のなす角度θを用いて、携帯機器１の移動方向を計算することができる。

続いて、信号処理部２０による、軌跡データの生成について説明する。図６は、軌跡データを生成する方法を示すフローチャートである。図７は、軌跡データが生成される様子を示す図である。図７には、各地点においてなされる、図６のフローチャートのステップが示される。

最初に、ＧＰＳユニット１０により第１の地点Ｐ１において位置データＳ４_１を取得する（Ｓ１００）。その後、所定の距離Ｌ１、移動したら（Ｓ１０２のＹ）、第２の地点Ｐ２において、ＧＰＳユニット１０により位置データＳ４_２を取得する（Ｓ１０４）。携帯機器１の移動距離は、加速度センサ１２のデータにもとづいて取得できる。たとえば加速度センサ１２を歩数計として利用できる。加速度センサ１２により取得された歩数に、ユーザの歩幅を掛け合わせることにより、移動距離が計算できる。

続いて、位置データＳ４_１、Ｓ４_２から初期移動方向φ_ＩＮＩＴ（Ｓ１０６）する。そして、地磁気データＳ３にもとづき基準軸を規定し、基準軸と地磁気方向のなす角度θ_ＩＮＩＴ（Ｓ１０８）、基準軸に対する移動方向α（Ｓ１１０）を取得する。

以降、所定の移動距離Ｌ２ごとに、移動距離と角度θを取得する（Ｓ１１２）。移動距離と移動方向を示す角度θにもとづき、位置データＳ４_２が示す位置からの軌跡を、ＧＰＳユニット１０を用いずに順に計算することができる。

ユーザが携帯機器１を持ち代える携帯機器１の姿勢が大きく変化すると（Ｓ１１４のＹ）、角度αが変化したり、鉛直方向が変化することにより、基準軸が変化する。この場合、ステップＳ１００に戻る。

携帯機器１の姿勢が大きく変化しない場合（Ｓ１１４のＮ）、累積した移動距離が所定のしきい値Ｌ３以上か否かが判定される（Ｓ１１６）。累積の移動距離がしきい値Ｌ３を超えない場合（Ｓ１１６のＮ）、ステップＳ１１２に戻る。

累積の移動距離がしきい値Ｌ３を超えると（Ｓ１１６のＹ）、これまでに取得した移動距離と角度θから、現在の位置データＳ４_３を計算するとともに（Ｓ１１８）、ＧＰＳユニット１０により現在の位置データＳ４_４を再取得する（Ｓ１２０）。計算した位置データＳ４_３とＧＰＳユニット１０により測定した位置データＳ４_４の誤差があるしきい値以下に収まっている場合（Ｓ１２２のＮ）、ステップＳ１１２に戻る。以降は、地点Ｐ４の位置データＳ４_４が示す位置を基準として、移動距離Ｌ２および角度θにもとづき、軌跡データを生成する。

誤差がしきい値を超えると（Ｓ１２２のＹ）、ステップＳ１０２に戻る。そして、所定の距離Ｌ１移動すると（Ｓ１０２のＹ）、ＧＰＳユニットにより位置データＳ４_２を取得する。続くステップＳ１０６では、ステップＳ１２０にて取得した位置データＳ４_４を位置データＳ４_１として利用し、位置データＳ４_４および位置データＳ４_２にもとづき、移動方向φＩ_ＮＩＴが算出される。

以上が、信号処理部２０による、軌跡データの生成である。
このように携帯機器１によれば、ＧＰＳユニットを利用せずに、地点Ｐ３における移動方向を示すデータθと、移動距離を累積的に取得することにより、軌跡データを生成できる。すなわち自律航法が可能となる。ＧＰＳユニットの使用回数が減少することから、携帯機器１の消費電力が低減され、その結果電池の持ち時間を長くすることができる。これは、電池駆動型の携帯機器１においてきわめて重要な利点である。

実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１…携帯機器、１０…ＧＰＳユニット、１２…加速度センサ、１４…地磁気センサ、１６…ローパスフィルタ、２０…信号処理部、３０…メモリ、Ｓ１，Ｓ２…加速度データ、Ｓ３…地磁気データ、Ｓ４…位置データ。

Claims (7)

1. ３軸の地磁気センサと、
   その３軸が前記地磁気センサの３軸と平行となるように配置される３軸の加速度センサと、
   前記地磁気センサの出力と、前記加速度センサの出力を受ける信号処理部と、
   を備え、
   前記信号処理部は、
   前記加速度センサの３軸出力のうち、最も大きな成分を有する軸を鉛直軸と判定し、それ以外の２軸と対応する前記地磁気センサの２軸の出力を利用して、本携帯機器の方位を算出するように構成されることを特徴とする携帯機器。
2. 前記加速度センサの出力をフィルタリングするローパスフィルタをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の携帯機器。
3. 前記信号処理部は、
   前記地磁気センサの鉛直軸と判定された軸以外の２軸のうちの一方、および、それと平行な前記加速度センサの軸を、基準軸と規定し、
   前記地磁気センサの鉛直軸以外の２軸の出力にもとづき、地磁気と前記基準軸のなす角度θを算出することを特徴とする請求項１または２に記載の携帯機器。
4. 本携帯機器の位置情報を取得するＧＰＳ（Global Positioning System）ユニットをさらに備え、
   前記信号処理部は、
   第１の地点において前記ＧＰＳユニットが取得した位置情報と、第２の地点において前記ＧＰＳユニットが取得した位置情報から、本携帯機器の初期移動方向φ_ＩＮＩＴを取得し、
   そのときの前記地磁気と前記基準軸のなす角度θ_ＩＮＩＴを取得し、
   それ以降は、前記地磁気と前記基準軸のなす角度θを累積的に取得することを特徴とする請求項３に記載の携帯機器。
5. 前記信号処理部は、前記加速度センサの出力にもとづき本携帯機器の移動距離を取得し、移動距離が所定の条件を満たすごとに、前記地磁気と前記基準軸のなす角度θを取得し、角度θと移動距離のセットを累積的に保持することを特徴とする請求項４に記載の携帯機器。
6. 前記信号処理部は、前記基準軸に対する本携帯機器の移動方向αを
   α＝φ_ＩＮＩＴ−θ_ＩＮＩＴ
   を用いて算出することを特徴とする請求項４または５に記載の携帯機器。
7. 前記信号処理部は、前記地磁気と前記基準軸のなす角度θを用いて、本携帯機器の移動方向を、
   φ＝（θ−θ_ＩＮＩＴ）＋φ_ＩＮＩＴ
   により算出することを特徴とする請求項４または５に記載の携帯機器。

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