JP2015181641A - スケートボーディングの技である「オーリー」の高さ測定デバイスおよび測定システム - Google Patents
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Abstract
【課題】従来のように第三者の人手やビデオカメラ等を用意する必要なく、手持ちの携帯端末で手軽かつ正確にスケードボーディングの「オーリー」の高さを測定できるシステムを提供することを課題とする。また、高さを測定するだけではなく、測定した結果に対応して飛び越えることが可能な物を表示することにより、より一層使用者のスケートボーディング技術の向上に役立つシステムを提供することを課題とする。【解決手段】3軸加速度センサや測距センサ等のセンサを駆使し、その結果を手元の携帯端末と共有することにより、手軽かつ正確に使用者の飛躍距離を測定することを可能とする新しいスケートボーディングの技である「オーリー」の高さ測定システム【選択図】図１
Description
本発明は、スケートボーディングの「オーリー」という技に対してセンサ駆使することにより「オーリー」の正確な高さやボードの姿勢を測定する測定デバイスおよび測定システムに関する。
スケートボーディングは若者のストリートカルチャーの象徴であり、男女問わず幅広い年齢層の人々に愛されており、多種多様な技が存在する。その中でも、「オーリー」はどの技においても基本となる型であり、とても重要度が高い。このため、スケーター達は自身が毎回どの程度の高さまでジャンプできるか、ジャンプ中のボードの姿勢はどうだったかを効率的に把握したいと考えている。
従来、「オーリー」の高さや姿勢の測定は第三者の人手を借り、実際に高さを見て、推測してもらう方法や、ビデオカメラを用いて録画し、後に自分で確認する方法、または実際の障害物を飛び越える等の方法で行われていた。
従来、「オーリー」の高さや姿勢の測定は第三者の人手を借り、実際に高さを見て、推測してもらう方法や、ビデオカメラを用いて録画し、後に自分で確認する方法、または実際の障害物を飛び越える等の方法で行われていた。
しかし、従来の方法では、いずれも場所と手間がかかり過ぎてしまい、また正確な数値を知ることが出来ない。
関連技術として、搭乗者の重心を測定するシステムとして特許文献１の技術がある。このシステムは、ボードにひずみセンサを複数個取り付け、信号増幅回路により増幅された信号の演算を行う回路とモニター制御回路を有し、電源、モーター及び電動装置、タイヤ、ステアリング機構、衝撃吸収機構を構成とし、搭乗者の重心を測定するものであるが、ボードの高さを測定することはできない。
そこで、本発明は3軸加速度センサや測距センサ等のセンサを駆使することにより場所を問わず、正確な数値として測定することを課題とする。
関連技術として、搭乗者の重心を測定するシステムとして特許文献１の技術がある。このシステムは、ボードにひずみセンサを複数個取り付け、信号増幅回路により増幅された信号の演算を行う回路とモニター制御回路を有し、電源、モーター及び電動装置、タイヤ、ステアリング機構、衝撃吸収機構を構成とし、搭乗者の重心を測定するものであるが、ボードの高さを測定することはできない。
そこで、本発明は3軸加速度センサや測距センサ等のセンサを駆使することにより場所を問わず、正確な数値として測定することを課題とする。
発明者は、複数のセンサを用いた測定システムを開発することにより、「オーリー」の際のボードの高さと傾きの測定を簡易化することができると考えた。
本発明は、以下の技術手段から構成される。
（１）測距センサと、3軸加速度センサと、電源用電池と、無線通信手段と、制御部を備える電子回路基板と、スケートボードに取り外しすることのできる電子回路基板を収納することのできるケースと、例えば、スマートフォンやタブレット端末のような、無線通信手段、入力装置、記憶装置、表示装置および通信装置を備える携帯端末と、を備えた測定システムであって、制御部が、周期的に測距センサと、3軸加速度センサから、ボードの底と地面との距離と、ボードの地面に対する傾きを測定し、この二値からボードの地面からの高さを取得する手段と、周期的にボードの地面からの高さとその瞬間のボードの地面に対する傾きとを無線通信手段を通して携帯端末へ送信する手段と、を備えることを特徴とする測定システム。
（１）測距センサと、3軸加速度センサと、電源用電池と、無線通信手段と、制御部を備える電子回路基板と、スケートボードに取り外しすることのできる電子回路基板を収納することのできるケースと、例えば、スマートフォンやタブレット端末のような、無線通信手段、入力装置、記憶装置、表示装置および通信装置を備える携帯端末と、を備えた測定システムであって、制御部が、周期的に測距センサと、3軸加速度センサから、ボードの底と地面との距離と、ボードの地面に対する傾きを測定し、この二値からボードの地面からの高さを取得する手段と、周期的にボードの地面からの高さとその瞬間のボードの地面に対する傾きとを無線通信手段を通して携帯端末へ送信する手段と、を備えることを特徴とする測定システム。
（２）携帯端末が、周期的に送信されてくるボードの地面からの高さを随時受信し、最大値を表示する手段と、周期的に送られてくるボードの地面からの高さとその瞬間のボードの地面に対する傾きからボードの空中で最も平行に近い時点を選定し、その時点の高さの表示する手段と、周期的に送られてくるボードの地面からの高さとその瞬間のボードの地面に対する傾きから仮想のボードの動きをCGでシミュレーションする手段と、を備えることを特徴とする（１）の測定システム。
本発明によれば、オーリーの高さやスケートボードの角度等を測定するために必要とされていた、カメラやビデオ、第三者の人手等が不要となり、身近で常日頃使用しているスマートフォンやタブレット端末のみでそれぞれの値を測定することが可能となる。これにより、従来までは必要とされていたカメラを設置するための場所や、第三者の人手等の確保をする手間が無くなる。また、デバイス自体が取り外し可能である為、既存のスケートボードに取り付けることができる上、オーリー以外の技を使う時には取り外すことが出来る。
発明を実施するための形態を実際に測定する手順の一例で説明する。
まず、本発明の測定システムのデバイス本体１の使用状態を説明する。
図１には、スケートボード本体２を示している。図１(a)が使用者の乗る平面であり図１(b)が本発明のデバイス１が取り付けられる底面である。図１(b)に示すように、本発明のデバイス本体１は、スケートボード２の本体裏側部分の中央に取り付けて使用される。
まず、本発明の測定システムのデバイス本体１の使用状態を説明する。
図１には、スケートボード本体２を示している。図１(a)が使用者の乗る平面であり図１(b)が本発明のデバイス１が取り付けられる底面である。図１(b)に示すように、本発明のデバイス本体１は、スケートボード２の本体裏側部分の中央に取り付けて使用される。
本発明は、スケートボード本体２に取り付けられるデバイス本体１と、このデバイス本体１からの信号を受信し測定結果を表示する携帯端末４と、を備えており、デバイス本体１によって測定したスケートボード２の高さと角度を携帯端末４に表示させることを特徴とした測定システムである。
デバイス本体１は、ボードの高さを測定するための測距センサ６であるシャープ (SHARP)社のGP2Y0A710Kと、ボードの傾きを測定するための3軸加速度センサ９であるカイオニクス社のKXM52-1050と、携帯端末４とのBluetooth通信を行うためのBluetooth(登録商標)シリアルモジュール１１である伊RoboTech srl社のRBT-001と、電源電池１２と、それらを制御するためのマイコン８であるAtmel Corporation社のATMEGA328P-PUと、各種センサ、モジュールを設置するための電気回路基盤７と、電気回路基板７を収納するためのケース１５と、電気回路基盤７を収納したケース１５を衝撃から保護するための吸衝材(αGEL（登録商標）)１４を備えている。吸衝材である(αGEL（登録商標）)１４は、地上18cmから2cmの「αGEL（登録商標）」１４の上に生卵を落としても割れない程の吸衝性能と、-40~200℃の幅広い温度条件下で安定した性能を発揮する耐久性を有するものである。
携帯端末４は、Bluetooth(登録商標)通信機能を備えたものである。このような携帯端末４としては、例えば、スマートフォンやタブレット、ノートパソコン等を挙げることができるが、とくに限定されない。
[システム構成]
以下、測定システムの各構成物品に関し、詳細に説明する。
図２に示す本実施例のシステムは、高さを測定し、演算処理を施して携帯端末に送信する回路部１と、送信された値を受信してディスプレイ上に表示する携帯端末４を主要な構成要素とする。
以下、測定システムの各構成物品に関し、詳細に説明する。
図２に示す本実施例のシステムは、高さを測定し、演算処理を施して携帯端末に送信する回路部１と、送信された値を受信してディスプレイ上に表示する携帯端末４を主要な構成要素とする。
以下に想定している部品の大きさと重量を示す。
・シャープ測距モジュール GP2Y0A710K 58mm×17.6mm 9g
・KXM52-1050 10mm×10mm 1g以下
・ RBT-001 29mm×29mm 10g程度
・リチウムコイン電池3V CR2020C φ20×2.5mm 2.4g
・ボタン電池基盤取付用ホルダー CR2032用(小型タイプ)29×23mm 1g以下
・AVRマイコン ATMEGA328P-PU 35mm×7mm 1g以下
・基板 72mm×72mm 35g
・ケース(アルミニウム素材) 50g程度
・αGEL 比重 0.98 (水を１とする) 100g程度
なお、各部品は、上述した大きさや重量に限定されない。ボードの大きさや重さ形状などに応じて、適切なものを採用すればよい。
・シャープ測距モジュール GP2Y0A710K 58mm×17.6mm 9g
・KXM52-1050 10mm×10mm 1g以下
・ RBT-001 29mm×29mm 10g程度
・リチウムコイン電池3V CR2020C φ20×2.5mm 2.4g
・ボタン電池基盤取付用ホルダー CR2032用(小型タイプ)29×23mm 1g以下
・AVRマイコン ATMEGA328P-PU 35mm×7mm 1g以下
・基板 72mm×72mm 35g
・ケース(アルミニウム素材) 50g程度
・αGEL 比重 0.98 (水を１とする) 100g程度
なお、各部品は、上述した大きさや重量に限定されない。ボードの大きさや重さ形状などに応じて、適切なものを採用すればよい。
(電子回路基板)
本回路基盤７は電源となる電源電池１２とそのボタン電池基盤取付用ホルダー１０と演算処理を行うマイコン８（特許請求の範囲にいう演算装置に相当する）と各種センサ類と基板とそれらを衝撃から保護するためのαGEL(登録商標)１４によって構成されている。
図７に示すように、本回路基板７は衝撃から保護するために、αGEL(登録商標)１４を用いたケース１５に入れられる。
本回路基盤７は電源となる電源電池１２とそのボタン電池基盤取付用ホルダー１０と演算処理を行うマイコン８（特許請求の範囲にいう演算装置に相当する）と各種センサ類と基板とそれらを衝撃から保護するためのαGEL(登録商標)１４によって構成されている。
図７に示すように、本回路基板７は衝撃から保護するために、αGEL(登録商標)１４を用いたケース１５に入れられる。
（電源ボタン）
電源のON/OFFについては、図３にあるようにデバイス本体１に取り付けてある電源ボタン５を押すことでデバイスが起動する。電源ボタン５は図７の断面図にあるように、電源ボタン５上部がケース１５から出ている。そして、上記記載のケース１５から出ている電源ボタン５上部を押すことにより電気回路基板７上にあるスイッチが同時に押される仕組みになっている。
電源のON/OFFについては、図３にあるようにデバイス本体１に取り付けてある電源ボタン５を押すことでデバイスが起動する。電源ボタン５は図７の断面図にあるように、電源ボタン５上部がケース１５から出ている。そして、上記記載のケース１５から出ている電源ボタン５上部を押すことにより電気回路基板７上にあるスイッチが同時に押される仕組みになっている。
（電源電池）
電源電池１２としては上記記載のリチウムコイン電池3Vを用いる。またその電池を取り付けするボタン電池基盤取付用ホルダー１０として上記記載のCR2032を使用する。本デバイスでは、電池以外にも、外部電力としてUSBポートを設置することでデバイスへの電力を供給することも可能である。
電源電池１２としては上記記載のリチウムコイン電池3Vを用いる。またその電池を取り付けするボタン電池基盤取付用ホルダー１０として上記記載のCR2032を使用する。本デバイスでは、電池以外にも、外部電力としてUSBポートを設置することでデバイスへの電力を供給することも可能である。
（測距センサ）
測距センサ６としては上記記載のGP2Y0A710Kを用いる。この測距センサ６は赤外線とPSDを使用して非接触で距離を測定することができるものである。測距センサ６の寸法は29.5×13×21.6mmあり、20cm〜150cmまでの距離を測定可能である。平均的なオーリーのジャンプ時の高さは60cm〜80cm程度であるため、今回のデバイスの用途（オーリーの高さ測定）に対して適しているといえる。測距センサ６に関しては図８の断面図にあるように、測距センサ６の赤外線の照射部分がケース１５に形成されている穴の位置に配置されており、赤外線の照射部分は露出した状態となっている。したがって、測距センサ６を備えた電気回路基板７がケース１５内に収容されていても、測距センサ６により地面１３との距離を測定することができる。なお、測距センサ６は、赤外線の照射部分以外は上記記載のαGEL(登録商標)１４に覆われている。また、本デバイスで使用できる上記以外の部品として超音波センサがあげられる。超音波センサでは、デバイスに取り付けた超音波センサの超音波の発信から受信までに要した時間と、音速との関係を演算することでサンサから地面１３までの距離を算出することが可能である。
測距センサ６としては上記記載のGP2Y0A710Kを用いる。この測距センサ６は赤外線とPSDを使用して非接触で距離を測定することができるものである。測距センサ６の寸法は29.5×13×21.6mmあり、20cm〜150cmまでの距離を測定可能である。平均的なオーリーのジャンプ時の高さは60cm〜80cm程度であるため、今回のデバイスの用途（オーリーの高さ測定）に対して適しているといえる。測距センサ６に関しては図８の断面図にあるように、測距センサ６の赤外線の照射部分がケース１５に形成されている穴の位置に配置されており、赤外線の照射部分は露出した状態となっている。したがって、測距センサ６を備えた電気回路基板７がケース１５内に収容されていても、測距センサ６により地面１３との距離を測定することができる。なお、測距センサ６は、赤外線の照射部分以外は上記記載のαGEL(登録商標)１４に覆われている。また、本デバイスで使用できる上記以外の部品として超音波センサがあげられる。超音波センサでは、デバイスに取り付けた超音波センサの超音波の発信から受信までに要した時間と、音速との関係を演算することでサンサから地面１３までの距離を算出することが可能である。
（3軸加速度センサ）
3軸加速度センサ９としては上記記載のKXM52-1050を用いる。
3軸加速度センサ９では、センサ内の梁構造で支えられた微小な可動部でのわずかな位置変化を静電容量の変化として検出し、それらを電気回路によって増幅・計測し、滞空中の地面に対するボードの傾きの値として検出する。スケートボードの傾きを正確に測定するために、3軸加速度センサ９はスケートボードに対して平行に取り付ける。
また3軸加速度センサ９以外に、本デバイスにおいてボードの傾きを検出するセンサとして、3軸ジャイロモジュールがあげられる。3軸ジャイロモジュールは、振動する物体に加わる転向力から角速度を計算するものである。モーターやベアリング等の部品を使用しないため軽量で信頼性が高く、スマートフォンなどにも用いられている。
3軸加速度センサ９としては上記記載のKXM52-1050を用いる。
3軸加速度センサ９では、センサ内の梁構造で支えられた微小な可動部でのわずかな位置変化を静電容量の変化として検出し、それらを電気回路によって増幅・計測し、滞空中の地面に対するボードの傾きの値として検出する。スケートボードの傾きを正確に測定するために、3軸加速度センサ９はスケートボードに対して平行に取り付ける。
また3軸加速度センサ９以外に、本デバイスにおいてボードの傾きを検出するセンサとして、3軸ジャイロモジュールがあげられる。3軸ジャイロモジュールは、振動する物体に加わる転向力から角速度を計算するものである。モーターやベアリング等の部品を使用しないため軽量で信頼性が高く、スマートフォンなどにも用いられている。
（マイコン）
マイコン８としては上記記載のATMEGA328P-PUを用いる。マイコン８は、電源を入れられた時点で鉛直方向に対する傾きの校正を行う機能を有している。
マイコン８では、スケートボード本体２の地面１３からの真の高さを求める補正計算も行う。具体的には、測距センサ６からの信号と3軸加速度センサ９の信号に基づいて、補正計算を行う。
平均的なオーリーの滞空時間は500msec〜1500msecであるため、一定間隔（10msec）ごとに測距センサ６によってスケートボード本体２からの地面との距離と、3軸加速度センサ９で鉛直方向に対する傾きと、を測定する。鉛直方向に対する傾きの測定については、図４にあるようにデバイスに取り付けた3軸加速度センサ９を用いて滞空中の地面に対するボードの鉛直方向に対する傾きを値として検出する。測距センサ６と地面との距離と3軸加速度センサ９で測定した鉛直方向に対する傾きとを用いて、マイコン８上では、スケートボード本体２の地面１３からの真の高さを求める補正計算が行われる。補正計算の方法は、図５、図６のように3軸加速度センサ９によってX-Z面での角度θ、Y-Z面での角度φを測定し、それらの角度情報から測距センサ６によって測定した測定値L’に対して二度の補正を行い、真の高さLを求める。計算式はまず、X-Z面での角度θを用いて補正する。ここでの補正式はL”=L’cosθとなる。次に、Y-Z面での角度φを用いて補正する。ここでの補正式はL=L”cosθとなる。二度の補正によって真の地面１３から高さを求めることができる。
マイコン８としては上記記載のATMEGA328P-PUを用いる。マイコン８は、電源を入れられた時点で鉛直方向に対する傾きの校正を行う機能を有している。
マイコン８では、スケートボード本体２の地面１３からの真の高さを求める補正計算も行う。具体的には、測距センサ６からの信号と3軸加速度センサ９の信号に基づいて、補正計算を行う。
平均的なオーリーの滞空時間は500msec〜1500msecであるため、一定間隔（10msec）ごとに測距センサ６によってスケートボード本体２からの地面との距離と、3軸加速度センサ９で鉛直方向に対する傾きと、を測定する。鉛直方向に対する傾きの測定については、図４にあるようにデバイスに取り付けた3軸加速度センサ９を用いて滞空中の地面に対するボードの鉛直方向に対する傾きを値として検出する。測距センサ６と地面との距離と3軸加速度センサ９で測定した鉛直方向に対する傾きとを用いて、マイコン８上では、スケートボード本体２の地面１３からの真の高さを求める補正計算が行われる。補正計算の方法は、図５、図６のように3軸加速度センサ９によってX-Z面での角度θ、Y-Z面での角度φを測定し、それらの角度情報から測距センサ６によって測定した測定値L’に対して二度の補正を行い、真の高さLを求める。計算式はまず、X-Z面での角度θを用いて補正する。ここでの補正式はL”=L’cosθとなる。次に、Y-Z面での角度φを用いて補正する。ここでの補正式はL=L”cosθとなる。二度の補正によって真の地面１３から高さを求めることができる。
（Bluetooth(登録商標)シリアルモジュール）
Bluetooth(登録商標)通信用のシリアルモジュール１１としては上記記載のRBT-001を用いる。Bluetooth(登録商標)シリアルモジュール１１を介してマイコン８上で演算し求めた、スケートボード本体２の地面１３からの真の高さの値を携帯端末４へと送信する。またこれ以外の本デバイスで使用できる上記以外の通信手段として赤外線を用いた通信による代用が可能である。
Bluetooth(登録商標)通信用のシリアルモジュール１１としては上記記載のRBT-001を用いる。Bluetooth(登録商標)シリアルモジュール１１を介してマイコン８上で演算し求めた、スケートボード本体２の地面１３からの真の高さの値を携帯端末４へと送信する。またこれ以外の本デバイスで使用できる上記以外の通信手段として赤外線を用いた通信による代用が可能である。
(携帯端末)
測定した値を使用者側の携帯端末４に送信することと、デバイス本体１から送られてきた値を受信することにあたっては、Bluetooth(登録商標)を経由して測定した値を携帯端末４に送信また、受信してそれを処理し、図９のようにディスプレイ上に表示する。
測定した値を使用者側の携帯端末４に送信することと、デバイス本体１から送られてきた値を受信することにあたっては、Bluetooth(登録商標)を経由して測定した値を携帯端末４に送信また、受信してそれを処理し、図９のようにディスプレイ上に表示する。
測定スタートとリセットの指示については、使用者が携帯端末４を操作し、携帯端末４から測定デバイスへ測定のスタートとリセットの信号がおくられる。
携帯端末４が受信したスケートボードの地面１３からの高さの最大値を表示する方法は、デバイスから逐次受信する地面１３からの高さの値を、それまでの最大値と随時比較し、より高い値を最大値として表示する。
最も地面１３から平行に近い時点での高さを選定して表示する方法としては、3軸加速度センサ９で求められ、マイコン８とBluetooth(登録商標)を介して送られてきた鉛直方向に対する傾きの情報から、スケートボード本体２の空中で最も地面１３に対して平行に近い時点を選定し、その時点の高さの最大値を表示させる。
最も地面１３から平行に近い最高到達点の値から、スケートボード本体２が飛び越える事が可能な物を表示する方法については上記で記した地面１３から最も平行に近い最高到達点の値から、実際に飛び越えることができる物を携帯端末４の画面上に図９のように表示させる。実際に飛び越えることができる物を選定する方法を以下に記す。携帯端末４には複数の身近にある物の画像、それら身近にある物の高さの情報を記憶しておく。測定を行った際の地面１３から最も平行に近い最高到達点の値と、登録している身近にある物の高さの情報とを比較し、最高到達点の値が上回っている身近にある物の高さの中で、最も高い物を、実際に飛び越えることができるものとして選定する。登録しておく身近にある物として高さが約70cmの三角コーン、高さが約45cmであるベンチ、高さが約5cmである角材が挙げられる。何故最高到達点を基準にせずに、平行時の最高到達点を基準にするかというと、物を飛び越える為にはスケートボード本体２は地面１３に対して平行でなければならない為である。
携帯端末４で行われる最終の処理は、一定時間毎に送られてくるスケートボード本体２の傾きの値と、同時点での地面１３からの真の高さから、携帯端末４上で処理を行い、仮想のボードの動きをCGでシミュレーションを行うことである。シミュレーションの様子としては図１０のようなイメージである。また、今回はディスプレイを搭載したスマートフォンや、タブレット等の携帯端末４を前提として考えているが、その他の手段として、ディスプレイを搭載しない処理のみを行う端末と、液晶ディスプレイを外部出力として設置することにより、大画面での値の表示が可能とするものがある。
本発明の測定システムは、スケードボードのなどのように移動する対象物の高さ測定に適している。
１ デバイス本体
２ スケートボード本体
３ 使用者
４ 携帯端末
５ 電源ボタン
６ 測距センサ
７ 電気回路基盤
８ マイコン
９ 3軸加速度センサ
１０ ボタン電池基盤取付用ホルダー
１１ Bluetooth(登録商標)シリアルモジュール
１２ 電源電池
１３ 地面
１４ αGEL(登録商標)
１５ ケース
１６ スケートボードの最高到達点の表示画面
１７ スケートボードが最も地面と平行な地点での最高到達点の表示画面
２ スケートボード本体
３ 使用者
４ 携帯端末
５ 電源ボタン
６ 測距センサ
７ 電気回路基盤
８ マイコン
９ 3軸加速度センサ
１０ ボタン電池基盤取付用ホルダー
１１ Bluetooth(登録商標)シリアルモジュール
１２ 電源電池
１３ 地面
１４ αGEL(登録商標)
１５ ケース
１６ スケートボードの最高到達点の表示画面
１７ スケートボードが最も地面と平行な地点での最高到達点の表示画面
本発明は、スケートボーディングの「オーリー」という技に対してセンサ駆使することにより「オーリー」の正確な高さやボードの姿勢を測定する測定デバイスおよび測定システムに関する。
スケートボーディングは若者のストリートカルチャーの象徴であり、男女問わず幅広い年齢層の人々に愛されており、多種多様な技が存在する。その中でも、「オーリー」はどの技においても基本となる型であり、とても重要度が高い。このため、スケーター達は自身が毎回どの程度の高さまでジャンプできるか、ジャンプ中のボードの姿勢はどうだったかを効率的に把握したいと考えている。
従来、「オーリー」の高さや姿勢の測定は第三者の人手を借り、実際に高さを見て、推測してもらう方法や、ビデオカメラを用いて録画し、後に自分で確認する方法、または実際の障害物を飛び越える等の方法で行われていた。
従来、「オーリー」の高さや姿勢の測定は第三者の人手を借り、実際に高さを見て、推測してもらう方法や、ビデオカメラを用いて録画し、後に自分で確認する方法、または実際の障害物を飛び越える等の方法で行われていた。
しかし、従来の方法では、いずれも場所と手間がかかり過ぎてしまい、また正確な数値を知ることが出来ない。
関連技術として、搭乗者の重心を測定するシステムとして特許文献１の技術がある。このシステムは、ボードにひずみセンサを複数個取り付け、信号増幅回路により増幅された信号の演算を行う回路とモニター制御回路を有し、電源、モーター及び電動装置、タイヤ、ステアリング機構、衝撃吸収機構を構成とし、搭乗者の重心を測定するものであるが、ボードの高さを測定することはできない。
そこで、本発明は3軸加速度センサや測距センサ等のセンサを駆使することにより場所を問わず、正確な数値として測定することを課題とする。
関連技術として、搭乗者の重心を測定するシステムとして特許文献１の技術がある。このシステムは、ボードにひずみセンサを複数個取り付け、信号増幅回路により増幅された信号の演算を行う回路とモニター制御回路を有し、電源、モーター及び電動装置、タイヤ、ステアリング機構、衝撃吸収機構を構成とし、搭乗者の重心を測定するものであるが、ボードの高さを測定することはできない。
そこで、本発明は3軸加速度センサや測距センサ等のセンサを駆使することにより場所を問わず、正確な数値として測定することを課題とする。
発明者は、複数のセンサを用いた測定システムを開発することにより、「オーリー」の際のボードの高さと傾きの測定を簡易化することができると考えた。
本発明は、以下の技術手段から構成される。
（１）測距センサと、3軸加速度センサと、電源用電池と、無線通信手段と、制御部を備える電気回路基板と、スケートボードに取り外しすることのできる電気回路基板を収納することのできるケースと、例えば、スマートフォンやタブレット端末のような、無線通信手段、入力装置、記憶装置、表示装置および通信装置を備える携帯端末と、を備えた測定システムであって、制御部が、周期的に測距センサと、3軸加速度センサから、ボードの底と地面との距離と、ボードの地面に対する傾きを測定し、この二値からボードの地面からの高さを取得する手段と、周期的にボードの地面からの高さとその瞬間のボードの地面に対する傾きとを無線通信手段を通して携帯端末へ送信する手段と、を備えることを特徴とする測定システム。
（２）携帯端末が、周期的に送信されてくるボードの地面からの高さを随時受信し、最大値を表示する手段と、周期的に送られてくるボードの地面からの高さとその瞬間のボードの地面に対する傾きからボードの空中で最も平行に近い時点を選定し、その時点の高さの表示する手段と、周期的に送られてくるボードの地面からの高さとその瞬間のボードの地面に対する傾きから仮想のボードの動きをCGでシミュレーションする手段と、を備えることを特徴とする（１）の測定システム。
（１）測距センサと、3軸加速度センサと、電源用電池と、無線通信手段と、制御部を備える電気回路基板と、スケートボードに取り外しすることのできる電気回路基板を収納することのできるケースと、例えば、スマートフォンやタブレット端末のような、無線通信手段、入力装置、記憶装置、表示装置および通信装置を備える携帯端末と、を備えた測定システムであって、制御部が、周期的に測距センサと、3軸加速度センサから、ボードの底と地面との距離と、ボードの地面に対する傾きを測定し、この二値からボードの地面からの高さを取得する手段と、周期的にボードの地面からの高さとその瞬間のボードの地面に対する傾きとを無線通信手段を通して携帯端末へ送信する手段と、を備えることを特徴とする測定システム。
（２）携帯端末が、周期的に送信されてくるボードの地面からの高さを随時受信し、最大値を表示する手段と、周期的に送られてくるボードの地面からの高さとその瞬間のボードの地面に対する傾きからボードの空中で最も平行に近い時点を選定し、その時点の高さの表示する手段と、周期的に送られてくるボードの地面からの高さとその瞬間のボードの地面に対する傾きから仮想のボードの動きをCGでシミュレーションする手段と、を備えることを特徴とする（１）の測定システム。
本発明によれば、オーリーの高さやスケートボードの角度等を測定するために必要とされていた、カメラやビデオ、第三者の人手等が不要となり、身近で常日頃使用しているスマートフォンやタブレット端末のみでそれぞれの値を測定することが可能となる。これにより、従来までは必要とされていたカメラを設置するための場所や、第三者の人手等の確保をする手間が無くなる。また、デバイス自体が取り外し可能である為、既存のスケートボードに取り付けることができる上、オーリー以外の技を使う時には取り外すことが出来る。
発明を実施するための形態を実際に測定する手順の一例で説明する。
まず、本発明の測定システムのデバイス本体１の使用状態を説明する。
図１には、スケートボード本体２を示している。図１(a)が使用者の乗る平面であり図１(b)が本発明のデバイス１が取り付けられる底面である。図１(b)に示すように、本発明のデバイス本体１は、スケートボード２の本体裏側部分の中央に取り付けて使用される。
まず、本発明の測定システムのデバイス本体１の使用状態を説明する。
図１には、スケートボード本体２を示している。図１(a)が使用者の乗る平面であり図１(b)が本発明のデバイス１が取り付けられる底面である。図１(b)に示すように、本発明のデバイス本体１は、スケートボード２の本体裏側部分の中央に取り付けて使用される。
本発明は、スケートボード本体２に取り付けられるデバイス本体１と、このデバイス本体１からの信号を受信し測定結果を表示する携帯端末４と、を備えており、デバイス本体１によって測定したスケートボード２の高さと角度を携帯端末４に表示させることを特徴とした測定システムである。
デバイス本体１は、ボードの高さを測定するための測距センサ６であるシャープ(SHARP)社のGP2Y0A710Kと、ボードの傾きを測定するための3軸加速度センサ９であるカイオニクス社のKXM52-1050と、携帯端末４とのBluetooth通信を行うためのBluetooth(登録商標)シリアルモジュール１１である伊RoboTech srl社のRBT-001と、電源電池１２と、それらを制御するためのマイコン８であるAtmel Corporation(アトメル)社のATMEGA328P-PUと、各種センサ、モジュールを設置するための電気回路基板７と、電気回路基板７を収納するためのケース１５と、電気回路基板７を収納したケース１５を衝撃から保護するための吸衝材(αGEL（登録商標）)１４を備えている。吸衝材である(αGEL（登録商標）)１４は、地上18cmから2cmの「αGEL（登録商標）」１４の上に生卵を落としても割れない程の吸衝性能と、-40~200℃の幅広い温度条件下で安定した性能を発揮する耐久性を有するものである。
携帯端末４は、Bluetooth(登録商標)通信機能を備えたものである。このような携帯端末４としては、例えば、スマートフォンやタブレット、ノートパソコン等を挙げることができるが、とくに限定されない。
[システム構成]
以下、測定システムの各構成物品に関し、詳細に説明する。
図２に示す本実施例のシステムは、高さを測定し、演算処理を施して携帯端末に送信する回路部１と、送信された値を受信してディスプレイ上に表示する携帯端末４を主要な構成要素とする。
以下、測定システムの各構成物品に関し、詳細に説明する。
図２に示す本実施例のシステムは、高さを測定し、演算処理を施して携帯端末に送信する回路部１と、送信された値を受信してディスプレイ上に表示する携帯端末４を主要な構成要素とする。
以下に想定している部品の大きさと重量を示す。
・シャープ測距モジュール GP2Y0A710K 58mm×17.6mm 9g
・KXM52-1050 10mm×10mm 1g以下
・ RBT-001 29mm×29mm 10g程度
・リチウムコイン電池3V CR2020C φ20×2.5mm 2.4g
・ボタン電池基板取付用ホルダー CR2032用(小型タイプ)29×23mm 1g以下
・AVRマイコン ATMEGA328P-PU 35mm×7mm 1g以下
・基板 72mm×72mm 35g
・ケース(アルミニウム素材) 50g程度
・αGEL 比重 0.98 (水を１とする) 100g程度
なお、各部品は、上述した大きさや重量に限定されない。ボードの大きさや重さ形状などに応じて、適切なものを採用すればよい。
・シャープ測距モジュール GP2Y0A710K 58mm×17.6mm 9g
・KXM52-1050 10mm×10mm 1g以下
・ RBT-001 29mm×29mm 10g程度
・リチウムコイン電池3V CR2020C φ20×2.5mm 2.4g
・ボタン電池基板取付用ホルダー CR2032用(小型タイプ)29×23mm 1g以下
・AVRマイコン ATMEGA328P-PU 35mm×7mm 1g以下
・基板 72mm×72mm 35g
・ケース(アルミニウム素材) 50g程度
・αGEL 比重 0.98 (水を１とする) 100g程度
なお、各部品は、上述した大きさや重量に限定されない。ボードの大きさや重さ形状などに応じて、適切なものを採用すればよい。
(電気回路基板)
電気回路基板７は電源となる電源電池１２とそのボタン電池基板取付用ホルダー１０と演算処理を行うマイコン８（特許請求の範囲にいう演算装置に相当する）と各種センサ類と基板とそれらを衝撃から保護するためのαGEL(登録商標)１４によって構成されている。
図７に示すように、電気回路基板７は衝撃から保護するために、αGEL(登録商標)１４を用いたケース１５に入れられる。
電気回路基板７は電源となる電源電池１２とそのボタン電池基板取付用ホルダー１０と演算処理を行うマイコン８（特許請求の範囲にいう演算装置に相当する）と各種センサ類と基板とそれらを衝撃から保護するためのαGEL(登録商標)１４によって構成されている。
図７に示すように、電気回路基板７は衝撃から保護するために、αGEL(登録商標)１４を用いたケース１５に入れられる。
（電源ボタン）
電源のON/OFFについては、図３にあるようにデバイス本体１に取り付けてある電源ボタン５を押すことでデバイスが起動する。電源ボタン５は図７の断面図にあるように、電源ボタン５上部がケース１５から出ている。そして、上記記載のケース１５から出ている電源ボタン５上部を押すことにより電気回路基板７上にあるスイッチが同時に押される仕組みになっている。
電源のON/OFFについては、図３にあるようにデバイス本体１に取り付けてある電源ボタン５を押すことでデバイスが起動する。電源ボタン５は図７の断面図にあるように、電源ボタン５上部がケース１５から出ている。そして、上記記載のケース１５から出ている電源ボタン５上部を押すことにより電気回路基板７上にあるスイッチが同時に押される仕組みになっている。
（電源電池）
電源電池１２としては上記記載のリチウムコイン電池3Vを用いる。またその電池を取り付けするボタン電池基板取付用ホルダー１０として上記記載のCR2032を使用する。本デバイスでは、電池以外にも、外部電力としてUSBポートを設置することでデバイスへの電力を供給することも可能である。
電源電池１２としては上記記載のリチウムコイン電池3Vを用いる。またその電池を取り付けするボタン電池基板取付用ホルダー１０として上記記載のCR2032を使用する。本デバイスでは、電池以外にも、外部電力としてUSBポートを設置することでデバイスへの電力を供給することも可能である。
（測距センサ）
測距センサ６としては上記記載のGP2Y0A710Kを用いる。この測距センサ６は赤外線とPSDを使用して非接触で距離を測定することができるものである。測距センサ６の寸法は29.5×13×21.6mmあり、20cm〜150cmまでの距離を測定可能である。平均的なオーリーのジャンプ時の高さは60cm〜80cm程度であるため、今回のデバイスの用途（オーリーの高さ測定）に対して適しているといえる。測距センサ６に関しては図８の断面図にあるように、測距センサ６の赤外線の照射部分がケース１５に形成されている穴の位置に配置されており、赤外線の照射部分は露出した状態となっている。したがって、測距センサ６を備えた電気回路基板７がケース１５内に収容されていても、測距センサ６により地面１３との距離を測定することができる。なお、測距センサ６は、赤外線の照射部分以外は上記記載のαGEL(登録商標)１４に覆われている。また、本デバイスで使用できる上記以外の部品として超音波センサがあげられる。超音波センサでは、デバイスに取り付けた超音波センサの超音波の発信から受信までに要した時間と、音速との関係を演算することでサンサから地面１３までの距離を算出することが可能である。
測距センサ６としては上記記載のGP2Y0A710Kを用いる。この測距センサ６は赤外線とPSDを使用して非接触で距離を測定することができるものである。測距センサ６の寸法は29.5×13×21.6mmあり、20cm〜150cmまでの距離を測定可能である。平均的なオーリーのジャンプ時の高さは60cm〜80cm程度であるため、今回のデバイスの用途（オーリーの高さ測定）に対して適しているといえる。測距センサ６に関しては図８の断面図にあるように、測距センサ６の赤外線の照射部分がケース１５に形成されている穴の位置に配置されており、赤外線の照射部分は露出した状態となっている。したがって、測距センサ６を備えた電気回路基板７がケース１５内に収容されていても、測距センサ６により地面１３との距離を測定することができる。なお、測距センサ６は、赤外線の照射部分以外は上記記載のαGEL(登録商標)１４に覆われている。また、本デバイスで使用できる上記以外の部品として超音波センサがあげられる。超音波センサでは、デバイスに取り付けた超音波センサの超音波の発信から受信までに要した時間と、音速との関係を演算することでサンサから地面１３までの距離を算出することが可能である。
（3軸加速度センサ）
3軸加速度センサ９としては上記記載のKXM52-1050を用いる。
3軸加速度センサ９では、センサ内の梁構造で支えられた微小な可動部でのわずかな位置変化を静電容量の変化として検出し、それらを電気回路によって増幅・計測し、滞空中の地面に対するボードの傾きの値として検出する。スケートボードの傾きを正確に測定するために、3軸加速度センサ９はスケートボードに対して平行に取り付ける。
また3軸加速度センサ９以外に、本デバイスにおいてボードの傾きを検出するセンサとして、3軸ジャイロモジュールがあげられる。3軸ジャイロモジュールは、振動する物体に加わる転向力から角速度を計算するものである。モーターやベアリング等の部品を使用しないため軽量で信頼性が高く、スマートフォンなどにも用いられている。
3軸加速度センサ９としては上記記載のKXM52-1050を用いる。
3軸加速度センサ９では、センサ内の梁構造で支えられた微小な可動部でのわずかな位置変化を静電容量の変化として検出し、それらを電気回路によって増幅・計測し、滞空中の地面に対するボードの傾きの値として検出する。スケートボードの傾きを正確に測定するために、3軸加速度センサ９はスケートボードに対して平行に取り付ける。
また3軸加速度センサ９以外に、本デバイスにおいてボードの傾きを検出するセンサとして、3軸ジャイロモジュールがあげられる。3軸ジャイロモジュールは、振動する物体に加わる転向力から角速度を計算するものである。モーターやベアリング等の部品を使用しないため軽量で信頼性が高く、スマートフォンなどにも用いられている。
（マイコン）
マイコン８としては上記記載のATMEGA328P-PUを用いる。マイコン８は、電源を入れられた時点で鉛直方向に対する傾きの校正を行う機能を有している。
マイコン８では、スケートボード本体２の地面１３からの真の高さを求める補正計算も行う。具体的には、測距センサ６からの信号と3軸加速度センサ９の信号に基づいて、補正計算を行う。
平均的なオーリーの滞空時間は500msec〜1500msecであるため、一定間隔（10msec）ごとに測距センサ６によってスケートボード本体２からの地面との距離と、3軸加速度センサ９で鉛直方向に対する傾きと、を測定する。鉛直方向に対する傾きの測定については、図４にあるようにデバイスに取り付けた3軸加速度センサ９を用いて滞空中の地面に対するボードの鉛直方向に対する傾きを値として検出する。測距センサ６と地面との距離と3軸加速度センサ９で測定した鉛直方向に対する傾きとを用いて、マイコン８上では、スケートボード本体２の地面１３からの真の高さを求める補正計算が行われる。補正計算の方法は、図５、図６のように3軸加速度センサ９によってX-Z面での角度θ、Y-Z面での角度φを測定し、それらの角度情報から測距センサ６によって測定した測定値L’に対して二度の補正を行い、真の高さLを求める。計算式はまず、X-Z面での角度θを用いて補正する。ここでの補正式は となる。次に、Y-Z面での角度φを用いて補正する。ここでの補正式は となる。二度の補正によって真の地面１３から高さを求めることができる。
マイコン８としては上記記載のATMEGA328P-PUを用いる。マイコン８は、電源を入れられた時点で鉛直方向に対する傾きの校正を行う機能を有している。
マイコン８では、スケートボード本体２の地面１３からの真の高さを求める補正計算も行う。具体的には、測距センサ６からの信号と3軸加速度センサ９の信号に基づいて、補正計算を行う。
平均的なオーリーの滞空時間は500msec〜1500msecであるため、一定間隔（10msec）ごとに測距センサ６によってスケートボード本体２からの地面との距離と、3軸加速度センサ９で鉛直方向に対する傾きと、を測定する。鉛直方向に対する傾きの測定については、図４にあるようにデバイスに取り付けた3軸加速度センサ９を用いて滞空中の地面に対するボードの鉛直方向に対する傾きを値として検出する。測距センサ６と地面との距離と3軸加速度センサ９で測定した鉛直方向に対する傾きとを用いて、マイコン８上では、スケートボード本体２の地面１３からの真の高さを求める補正計算が行われる。補正計算の方法は、図５、図６のように3軸加速度センサ９によってX-Z面での角度θ、Y-Z面での角度φを測定し、それらの角度情報から測距センサ６によって測定した測定値L’に対して二度の補正を行い、真の高さLを求める。計算式はまず、X-Z面での角度θを用いて補正する。ここでの補正式は となる。次に、Y-Z面での角度φを用いて補正する。ここでの補正式は となる。二度の補正によって真の地面１３から高さを求めることができる。
（Bluetooth(登録商標)シリアルモジュール）
Bluetooth(登録商標)通信用のシリアルモジュール１１としては上記記載のRBT-001を用いる。Bluetooth(登録商標)シリアルモジュール１１を介してマイコン８上で演算し求めた、スケートボード本体２の地面１３からの真の高さの値を携帯端末４へと送信する。またこれ以外の本デバイスで使用できる上記以外の通信手段として赤外線を用いた通信による代用が可能である。
Bluetooth(登録商標)通信用のシリアルモジュール１１としては上記記載のRBT-001を用いる。Bluetooth(登録商標)シリアルモジュール１１を介してマイコン８上で演算し求めた、スケートボード本体２の地面１３からの真の高さの値を携帯端末４へと送信する。またこれ以外の本デバイスで使用できる上記以外の通信手段として赤外線を用いた通信による代用が可能である。
(携帯端末)
測定した値を使用者側の携帯端末４に送信することと、デバイス本体１から送られてきた値を受信することにあたっては、Bluetooth(登録商標)を経由して測定した値を携帯端末４に送信また、受信してそれを処理し、図９のようにディスプレイ上に表示する。
測定した値を使用者側の携帯端末４に送信することと、デバイス本体１から送られてきた値を受信することにあたっては、Bluetooth(登録商標)を経由して測定した値を携帯端末４に送信また、受信してそれを処理し、図９のようにディスプレイ上に表示する。
測定スタートとリセットの指示については、使用者が携帯端末４を操作し、携帯端末４から測定デバイスへ測定のスタートとリセットの信号がおくられる。
携帯端末４が受信したスケートボードの地面１３からの高さの最大値を表示する方法は、デバイスから逐次受信する地面１３からの高さの値を、それまでの最大値と随時比較し、より高い値を最大値として表示する。
最も地面１３から平行に近い時点での高さを選定して表示する方法としては、3軸加速度センサ９で求められ、マイコン８とBluetooth(登録商標)を介して送られてきた鉛直方向に対する傾きの情報から、スケートボード本体２の空中で最も地面１３に対して平行に近い時点を選定し、その時点の高さの最大値を表示させる。
最も地面１３から平行に近い最高到達点の値から、スケートボード本体２が飛び越える事が可能な物を表示する方法については上記で記した地面１３から最も平行に近い最高到達点の値から、実際に飛び越えることができる物を携帯端末４の画面上に図９のように表示させる。実際に飛び越えることができる物を選定する方法を以下に記す。携帯端末４には複数の身近にある物の画像、それら身近にある物の高さの情報を記憶しておく。測定を行った際の地面１３から最も平行に近い最高到達点の値と、登録している身近にある物の高さの情報とを比較し、最高到達点の値が上回っている身近にある物の高さの中で、最も高い物を、実際に飛び越えることができるものとして選定する。登録しておく身近にある物として高さが約70cmの三角コーン、高さが約45cmであるベンチ、高さが約5cmである角材が挙げられる。何故最高到達点を基準にせずに、平行時の最高到達点を基準にするかというと、物を飛び越える為にはスケートボード本体２は地面１３に対して平行でなければならない為である。
携帯端末４で行われる最終の処理は、一定時間毎に送られてくるスケートボード本体２の傾きの値と、同時点での地面１３からの真の高さから、携帯端末４上で処理を行い、仮想のボードの動きをCGでシミュレーションを行うことである。シミュレーションの様子としては図１０のようなイメージである。また、今回はディスプレイを搭載したスマートフォンや、タブレット等の携帯端末４を前提として考えているが、その他の手段として、ディスプレイを搭載しない処理のみを行う端末と、液晶ディスプレイを外部出力として設置することにより、大画面での値の表示が可能とするものがある。
本発明の測定システムは、スケードボードのなどのように移動する対象物の高さ測定に適している。
１ デバイス本体
２ スケートボード本体
３ 使用者
４ 携帯端末
５ 電源ボタン
６ 測距センサ
７ 電気回路基板
８ マイコン
９ 3軸加速度センサ
１０ ボタン電池基板取付用ホルダー
１１ Bluetooth(登録商標)シリアルモジュール
１２ 電源電池
１３ 地面
１４ αGEL(登録商標)
１５ ケース
１６ スケートボードの最高到達点の表示画面
１７ スケートボードが最も地面と平行な地点での最高到達点の表示画面
２ スケートボード本体
３ 使用者
４ 携帯端末
５ 電源ボタン
６ 測距センサ
７ 電気回路基板
８ マイコン
９ 3軸加速度センサ
１０ ボタン電池基板取付用ホルダー
１１ Bluetooth(登録商標)シリアルモジュール
１２ 電源電池
１３ 地面
１４ αGEL(登録商標)
１５ ケース
１６ スケートボードの最高到達点の表示画面
１７ スケートボードが最も地面と平行な地点での最高到達点の表示画面
Claims (4)
- スケートボードの傾きを測定するための3軸加速度センサと、
スケートボードの高さを測定する測距センサと、
3軸加速度センサと測距センサで測定した数値を演算するための演算装置と、
演算された値を外部に無線送信するための無線通信用モジュールと、
前記3軸加速度センサと前記測距センサと前記演算装置と前記無線通信用モジュールとを設置するための電気回路基盤と、
衝撃を緩和するための吸衝材を有した前記電気回路基板を収納するケースと、
を備えた測定デバイス。 - 請求項１記載の測定デバイスにおいて
デバイスを起動する手段と、
3軸加速度センサと測距センサから値を逐次取得し、演算装置上で演算する手段と、
演算された値を無線通信モジュールを介して無線送信する手段を有する測定デバイス。 - デバイス本体と、デバイス本体からの信号を受信し測定結果を表示する携帯端末と、を有しており、
デバイス本体は、
請求項１または請求項２記載の測定デバイスである測定システム。 - 請求項３記載の測定デバイスにおいて
前記携帯端末が、
デバイスから送信されてきた値を受信する手段と、
受信した値から地面に対して最も鉛直方向に対して垂直だった値と最も地面との高さが高かった値のみを保存し、画面上に表示する手段と、
画面上から測定の終了をさせるための手段を有する測定システム。
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2014
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