JP4205930B2

JP4205930B2 - 携帯用自律航法装置

Info

Publication number: JP4205930B2
Application number: JP2002327119A
Authority: JP
Inventors: 賢治小巻; 英二志水; 將井原; 嘉美藤田
Original assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Priority date: 2002-11-11
Filing date: 2002-11-11
Publication date: 2009-01-07
Anticipated expiration: 2022-11-11
Also published as: JP2004163168A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、歩行者用の携帯ナビゲーションシステムとして使用される携帯用自律航法装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
歩行者の自位置を検出する携帯ナビゲーションシステムは、歩行者の歩数と歩幅とから移動距離を算出し、その移動距離と方位とから自位置を逐次積算検出するシステムであり、ＧＰＳにより積算誤差を補正することにより精度よく位置検出を行うことができる。また、その位置データを無線等で送ることにより管理者が携帯者を管理したり、携帯者が相互に位置情報をやり取りできるシステムを構築できる。
【０００３】
ここで、歩行者の歩数は、歩数計や加速度センサにより直接的に検出できる。しかし、歩行者の歩幅は直接的な検出が不可能であり、他の情報から間接的な推定を行わざるを得ない。そして、その推定方法として、ＧＰＳ情報を用いて歩行途中の２点間の距離（歩行者の移動距離）を求め、その移動距離を、その間に検出された歩数で除することにより歩幅を算出する方法が特許文献１に記載されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０９−０８９５８４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ＧＰＳ情報を用いて歩幅を推定する方法は、演算間隔を短く詰めることにより誤差を排除でき，高い精度を確保できる。しかしながら、ＧＰＳ信号を精度よく受信できない屋内、地下、森、ビルの谷間、高速道路下などでは使用できず、この間に測位誤差が累積されて測位精度が落ちる。特に、屋内では地図情報もないため、地図とのマッチングも行えず、測位精度の低下は顕著となる。
【０００６】
また、ＧＰＳによる測位は消費電力が大きく、この観点から極力ＧＰＳ測位に依存しないことが求められているが、ＧＰＳによる測位に依存しない場合は前述した測位精度の低下が問題になる。
【０００７】
同様に、方位の検出には、誤差が積算されない地磁気センサが主に使用されるが、最近の歩行環境として地下、エレベータ内、鉄骨近くというような地磁気が乱れた環境が少なくなく、このような環境下では方位の正確な検出が困難になる。角速度センサを併用することも考えられているが、併用のタイミングなどが明らかでないため、高精度な補完は困難である。
【０００８】
本発明の目的は、ＧＰＳによる測位に依存することなく正確な測位が可能な携帯用自律航法装置を提供することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、地磁気が乱れた環境下でも正確な測位が可能な携帯用自律航法装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目標を達成するために、本発明の携帯用自律航法装置は、歩行者が歩行するときの歩数を検出する歩数検出手段と、歩行者が歩行するときの方位を検出する方位検出手段と、歩行者が歩行するときの歩幅を推定する歩幅推定手段と、検出された歩数と推定された歩幅とから歩行者の移動距離を算出し、その移動距離と検出された方位とから地図上の自位置を特定する測位手段とを備えており、前記歩幅推定手段は、加速度センサにより一歩あたりの移動方向加速度を測定し、その移動方向加速度及び歩行周期から歩幅を推定すると共に、その歩幅の推定に、歩行運動面内の角速度を参照信号として使用するように構成されている。
【００１１】
前記方位検出手段は、地磁気センサ及び角速度センサを有しており、地磁気センサの出力が基準値より低下したときに地磁気センサから角速度センサに切り替えて方位の検出を行うように構成することができる。
【００１２】
本発明の携帯用自律航法装置においては、歩行者の歩幅が次のようにして正確に推定される。歩行においては、表１に示すように、歩行ペースと歩幅との積により移動距離が求まる。その移動距離には移動方向加速度がよく対応する（図４参照）。しかし、移動方向加速度だけから歩幅を求めることはできない。移動距離は歩幅だけでなく、歩行ペースの影響も受けるからである。そこで歩行周期も考慮する。歩行周期とは一歩あたりの所要時間であり、これと歩行周期とを考慮することにより、ＧＰＳ情報に依存せずとも歩幅の正確な推定が可能になる。
【００１３】
【表１】

【００１４】
移動方向加速度の測定には、歩数及び歩行周期を検出するための上下方向加速度の測定に使用される３軸の加速度センサを流用できる。これによりハードウエアの増大を伴わずに移動方向加速度の測定が可能になる。ちなみに、歩行者の一歩ごとに上下方向加速度が変化するので、その上下方向加速度の変化から歩行振動が検知され、歩数及び歩行周期が直接的に検出される。
【００１５】
歩行者の歩行振動を検出する際の問題として、歩行ペースが遅くなると、歩行振動が小さくなるため、センサ出力のＳ／Ｎ比が低減する。このため、歩行振動の検出が困難となり、誤差も増大する。この場合は、歩行運動面内（歩行方向に平行な垂直面内）の角速度から歩数及び歩幅を求める（表１参照）。歩行においては、図５に示すように、歩行運動面内の角速度ωの変化より歩行運動が検出され、その大きさより歩幅が推定される。これを組み合わせることにより、歩行ペースにも影響されることなく、歩幅の正確な推定が可能になる。
【００１６】
歩行運動面内の角速度の検出には、方位の検出に使用される３軸の角速度センサを流用できる。これによりハードウエアの増大を伴わずに歩行運動面内の角速度の検出が可能になる。ちなみに、方位の検出は、水平面内の角速度を検出することにより可能である。
【００１７】
歩行ペースの緩急に関係なく、歩行運動面内の角速度ωのみから歩行運動を検出することもできるが、角速度ωによる歩行の検出では、感度は高いものの個人差による影響や誤差の累積が大きく、常時使用は好ましくない。角速度ωによる歩行運動の検出は、移動方向加速度及び歩行周期からの歩幅推定の補完に用いることにより特に効力を発揮する。
【００１８】
ＧＰＳ信号が受信可能は場所では、これを歩幅の推定に使用したり、測定位置の補正に使用することにより、誤差の累積の少ない測位が可能となる。消費電力を低減するために、ＧＰＳ信号が受信可能な場所でも、移動方向加速度及び歩行周期から歩幅を推定することは有効である。ただし、この推定のみでは誤差の累積が問題になる。このため、ＧＰＳ信号の併用は重要である。
【００１９】
また、地磁気センサの出力が基準値より低下したときに地磁気センサから角速度センサに切り替えて方位の検出を行うことにより地磁気が乱れた環境下でも正確な方位検出が可能となる。方位誤差は数度を超えると問題になる。エレベータを例にとると、図６に示すように、扉前で地磁気レベルは定格レベルの９０％以下に低下し、これに伴って方位誤差は５度を超え問題となる。エレベータ内では地磁気レベルは更に下がり、方位誤差は９０度にも達する。基準値として定格地磁気レベルの９０％を選択すると、これ以下では角速度センサにより正確な方位検出が可能となる。
【００２０】
角速度センサのみによる方位検出では、誤差の累積が問題になる。地磁気センサの出力低下時に角速度センサを限定的に使用することにより、高精度で安定な方位検出が可能となるのである。
【００２１】
この角速度センサが歩行運動面内の角速度の検出に流用可能なことは前述したとおりである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示す携帯用自律航法装置の構成図、図２は軸方向及び面の説明図、図３は同携帯用自律航法装置の機能を示すフローチャートである。
【００２３】
本実施形態の携帯用自律航法装置は、図１に示すように、周知構成のマイクロコンピュータ１を備えている。マイクロコンピュータ１の入力側には、３軸の加速度センサ２、３軸の地磁気センサ３、３軸のジャイロセンサ４、ＧＰＳレシーバ５及び操作部６が接続されている。また、その出力側には表示部７が接続され、入出力側には地図情報を記憶した記憶媒体８が接続されている。
【００２４】
３軸の加速度センサ２は、図２に示すように、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の各加速度を測定する。その測定データはマイクロコンピュータ１に入力され、上下方向加速度の測定（歩数及び歩行周期の検出）及び移動方向加速度の測定（歩幅の検出）に使用される。３軸の地磁気センサ３も同様に地磁気の強度をＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向について各検出する。その検出データはマイクロコンピュータ１に入力され、方位の検出に使用される。３軸のジャイロセンサ４は、Ｘ軸及びＹ軸を含む平面（α面）におけるＺ軸回りの角速度、Ｘ軸及びＺ軸を含む平面（β面）におけるＹ軸回りの角速度、及びＹ軸及びＺ軸を含む平面（γ面）におけるＸ軸回りの角速度をそれぞれ測定する。その測定データはマイクロコンピュータ１に入力され、方位の検出、歩数の検出及び歩幅の検出に使用される。
【００２５】
マイクロコンピュータ１は、ソフトウエアにより内部に測位手段を構成している。測位手段は、上記各センサからのデータと共に、ＧＰＳレシーバ５を介して入力されるＧＰＳ情報を処理し、記憶媒体８との間で情報の授受を行いながら、携帯者の自位置を特定して表示部８に表示された地図上に表示する。測位手段の機能を図３のフローチャートにより詳細に説明する。
【００２６】
歩幅の推定は以下のようにして行われる。３軸の加速度センサ２の３出力より、歩行者の歩行に伴う上下方向加速度及び移動方向加速度が検出される（ステップＳ１）。この検出においては、上記３出力より重力方向が検出され、この方向から当該装置の上下方向が特定される。また、上下方向加速度からは歩行振動が検知され、歩数が求められる。次いで、ＧＰＳ電波強度からＧＰＳ情報が使用可能か否かが判断される（ステップＳ２）。ＧＰＳ情報が使用可能の場合は、ＧＰＳ情報から求めた歩行者の移動距離と歩数とから、歩幅が算出される（ステップＳ３，Ｓ７）。
【００２７】
ＧＰＳ情報が受信不可能の場合は、上下方向加速度をしきい値と比較する（ステップＳ４）。上下方向加速度がしきい値より大きい場合は、一歩ごとの移動方向加速度最大値を検出する。また、前記歩数から歩行周期を求める（ステップＳ５）。歩行周期は、単位歩行時間を歩数で除することにより求められる。そして、求めた移動方向加速度最大値及び歩行周期を表１のテーブルと照合して、歩幅を求める（ステップＳ６，Ｓ７）。
【００２８】
例えば移動方向加速度の最大値が「中」で歩行周期が「小」の場合、歩幅は「大」となる。また、それぞれ「小」「中」の場合は「小」、「大」「中」の場合は「大」、「中」「大」の場合は「小」となる。
【００２９】
ＧＰＳ情報が受信不可能の場合で、且つ上下方向加速度がしきい値より小さい場合は、３軸のジャイロセンサ４の３出力より、歩行運動面内の角速度を検出する（ステップＳ８）。その角速度の変化から歩数及び歩幅を検出する。
【００３０】
このようにして、ＧＰＳ情報が受信不可能の環境下で歩数及び歩幅が検出される。検出された歩数及び歩幅から歩行者の移動距離が算出される。
【００３１】
一方、方位は以下のようにして検出される。３軸の地磁気センサ３の３出力が取り込まれる（ステップＳ１１）。その出力強度がしきい値と比較される（ステップＳ１２）。しきい値は、例えば定格強度の９０％レベルとされる。出力強度がしきい値より大きい場合は、３軸の地磁気センサ３の３出力から方位が検出される（ステップＳ１３）。
【００３２】
出力強度がしきい値より小さい場合は、水平面内の角速度が検出され（ステップＳ１４）、その角速度から方位が検出される。歩行者の移動距離と方位とから自位置が求められることは前述したとおりである。
【００３３】
上記実施形態では、ＧＰＳ情報が受信不可能の場合に移動方向加速度と歩行周期とから歩幅を推定したが、ＧＰＳ情報が受信可能の場合にこの推定を行うこともできる。これにより、消費電力が嵩むＧＰＳ測位の依存度を低減でき、消費電力の節減を図ることかできる。
【００３４】
【発明の効果】
以上に説明したとおり、本発明の携帯型自律航法装置は、加速度センサにより一歩あたりの移動方向加速度を測定し、その移動方向加速度及び歩行周期から歩幅を推定すると共に、その歩幅の推定に、歩行運動面内の角速度を参照信号として使用することことにより、ＧＰＳによる測位に依存することなく正確な測位を行うことができる。これにより全環境で正確な携帯ナビゲーションを可能にすると共に、ＧＰＳによる測位時間を短くして消費電力の低減を可能にする。
【００３５】
また、本発明の携帯型自律航法装置は、方位の検出に地磁気センサ及び角速度センサを併用し、地磁気センサの出力が基準値より低下したときに地磁気センサから角速度センサに切り替えて方位の検出を行うことにより、地磁気が乱れた環境下でも正確な測位を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す携帯用自律航法装置の構成図である。
【図２】軸方向及び面の説明図である。
【図３】同携帯用自律航法装置の機能を示すフローチャートである。
【図４】歩幅と移動方向加速度との関係を示すグラフである。
【図５】歩行運動面内の角速度の説明図である。
【図６】地磁気レベルと方位誤差との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１マイクロコンピュータ
２加速度センサ
３地磁気センサ
４ジャイロセンサ
５ＧＰＳレシーバ
６操作部
７表示部
８記憶媒体

Claims

歩行者が歩行するときの歩数を検出する歩数検出手段と、歩行者が歩行するときの方位を検出する方位検出手段と、歩行者が歩行するときの歩幅を推定する歩幅推定手段と、検出された歩数と推定された歩幅とから歩行者の移動距離を算出し、その移動距離と検出された方位とから地図上の自位置を特定する測位手段とを備えており、前記歩幅推定手段は、加速度センサにより一歩あたりの移動方向加速度を測定し、その移動方向加速度及び歩行周期から歩幅を推定すると共に、その歩幅の推定に、歩行運動面内の角速度を参照信号として使用することを特徴とする携帯用自律航法装置。
前記加速度センサとして、前記歩数及び前記歩行周期を検出するための上下方向加速度の測定に使用される３軸の加速度センサを併用することを特徴とする請求項１に記載の携帯用自律航法装置。
前記歩幅推定手段は、前記加速度センサの出力のＳ／Ｎ比が低減したときに歩行運動面内の角速度から歩幅を推定することを特徴とする請求項１に記載の携帯用自律航法装置。
前記歩行運動面内の角速度を検出するセンサとして、方位の検出に使用される３軸の角速度センサを併用すること特徴とする請求項１に記載の携帯用自律航法装置。
前記歩幅推定手段は、ＧＰＳ信号を参照信号として使用することを特徴とする請求項１に記載の携帯用自律航法装置。
前記方位検出手段は、地磁気センサ及び角速度センサを有しており、地磁気センサの出力が基準値より低下したときに地磁気センサから角速度センサに切り替えて方位の検出を行うことを特徴とする請求項１に記載の携帯用自律航法装置。