JP4515497B2 - 進行方向計測装置及び進行方向計測方法 - Google Patents

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Description

本発明は、進行方向計測装置及び進行方向計測方法に関し、より詳細には、地磁気センサ及び加速度センサを搭載した携帯端末において、ＧＰＳ（Grobal Positioning system；全地球測位システム）を利用できない屋内や高層建築物周辺など測位精度の出難い場所で歩行者用ナビゲーション装置として使うことができる進行方向計測装置及び進行方向計測方法に関する。
近年、携帯電話に代表されるＧＰＳ機能を備えた小型の携帯端末が盛んに開発されている。これらの携帯端末では、ＧＰＳ装置や携帯電話網による地図の配信や表示アプリケーションを連動させて、歩行者用のナビゲーションを行う応用例がある。
しかしながら、ＧＰＳを利用した測位では、屋内等のＧＰＳ信号が非常に微弱である場所や、建造物周辺などの補足衛星数を確保できない場所では、測位が困難あるいは精度が悪化するなどの問題点がある。
現在行われている歩行者用のナビゲーションは、屋外でのサービスが主流であるが、デパートの中や地下街など屋内でのサービスが切望されており、ＩＣタグ、赤外線、電波、超音波など多数の屋内測位システムが研究されている。しかしながら、屋内測位システムは、何れも基盤整備が必要であり、多大なコストと時間がかかる。
歩行者用のナビゲーションを行える携帯端末には、歩行者の進行方向と地図の表示を合わせるために、地磁気センサが搭載されているものがある。また、携帯端末の姿勢を検知するために加速度センサも合わせて搭載されているものもある（任意の姿勢で方位を知るためには加速度センサによって姿勢を知ることが必須である）。
既に歩行者用ナビゲーション装置で利用されている地磁気センサや加速度センサを利用して、自律航法が実現されれば、基盤技術の整備をすることなく、また、携帯端末に新たな部品を搭載することなく屋内などでのナビゲーションが可能となる。
地磁気センサや加速度センサを利用した自律航法については、例えば、特許文献１〜３に開示されている。
特許文献１のものは、ＧＰＳ信号を受信できなくとも、歩行者の移動方位をより正確に検出でき、かつ歩行状態に合った歩幅に変更することで、自律航法（例えば、歩数×歩幅、歩幅の修正及び移動方向を検出するセンサを有する構成）による歩行者の位置検出精度を高めた携帯用位置検出装置に関するもので、この携帯用位置検出装置では、歩数計を用いて「歩数×歩幅」の演算で移動位置を検出し、加速度センサを用いて１歩あたりの歩行時間から歩行状態に合った歩幅に修正し、地磁気センサを用いて移動方向を検出することにより、自律航法で歩行者の移動位置を精度良く検出するようにしたものである。これにより、ＧＰＳ衛星信号を受信できない林の中や高層ビルの谷間などに位置する場合であっても、携帯用位置検出装置を携帯している歩行者の位置を、歩幅の精度を高めながら、実用上十分な精度で知ることを可能にしたものである。
また、特許文献２のものは、屋内外を移動する歩行者の歩行航行を測定する歩行航行装置に関するもので、この歩行航行装置は、コンピュータを備え、このコンピュータに接続された入力装置は、歩行者のウエストに装着され、歩行者が歩行するとき、前進方向加速度計及び上方向加速度計によって前進方向及び上方向の加速度が検出され、コンピュータに備えられているＣＰＵにより、それらの検出結果から交差相関関数を算出し、予めハードディスク（ＨＤ）に記憶されている水平歩行や上昇歩行、下降歩行の交差相関関数と比較し、いずれか１つの歩行行動を判別するようにしたもので、これにより、階段を昇降するような高低差が低い経路を歩行者が歩いたことを容易に知ることができるようにしたものである。
また、特許文献３のものは、歩行による移動体の移動における進行方向の検出を行なう歩行方向検出装置に関するもので、鉛直方向の加速度成分の変化が極大を呈したときと極小を呈したときとの間の水平方向の加速度成分の変化が極大を示す時の水平方向の加速度成分の向いている方向から歩行方向を推定する。
しかしながら、上述した特許文献１乃至３に開示されているものは、携帯端末をウェストなどに規定の姿勢で固定した状態で使用するか、あるいは姿勢は規定しなくとも装着後キャリブレーションが必要であるなど、使用者に一定の制限を課すものであり、使い勝 手が決して良いとはいえるものではなかった。
また、上述した特許文献３に開示されているものは、特定期間に取得された加速度測定値群のうち一つを選び出し、歩行方向の推定に用いているが、加速度測定値には歩行運動とは関係のないノイズ成分が混入し易いため、精度の良い歩行方向の推定は難しい。ノイズとしては例えば、センサシステムと歩行者の服が触れただけで、大きなパルス上の加速度が測定される。
そこで、ナビゲーション中の携帯端末の保持の仕方が自由であり、歩行者（使用者）にストレスを与えることのない歩行者用のナビゲーションを可能とすることが要望されている。
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ＧＰＳを利用できない屋内や高層建築物周辺など測位精度の出難い場所で歩行者用ナビゲーション装置として使うことができる進行方向計測装置及び進行方向計測方法を提供することにある。
特開２０００−９７７２２号公報 特開２００２−１３９３４０号公報 特開２００３−３０２４１９号公報
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、加速度を検出する３軸の加速度検出手段と、該加速度検出手段により検出された歩行者の歩行に伴って変化する３軸加速度出力データを所定回数以上繰り返して取得する加速度出力データ取得手段とを備えた進行方向計測装置であって、前記加速度出力データ取得手段によって取得された数歩分の期間の加速度データ群を平均することによって重力加速度を算出する第１の重力加速度算出手段と、該第１の重力加速度算出手段により算出された重力加速度に直交する平面上に投影された前記加速度データ群の一歩の期間に相当する周波数成分を算出する周波数成分算出手段と、前記周波数成分に基づいて、前記進行方向計測装置に付随する端末座標系から見た前記歩行者の移動方向を推定する第１の移動方向推定手段とを備えたことを特徴とする。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、地磁気を検出する３軸の地磁気検出手段と、該地磁気検出手段により検出された前記歩行者の歩行に伴って変化する３軸地磁気出力データを所定回数以上繰り返して取得する地磁気出力データ取得手段と、前記地磁気出力データ取得手段によって取得された地磁気データ群と、前記第１の移動方向推定手段によって推定された前記歩行者の移動方向に基づいて、地上座標系に対する前記歩行者の歩行方向を推定する第１の歩行方向推定手段とを備えたことを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明は、加速度を検出する３軸の加速度検出手段と、該加速度検出手段により検出された歩行者の歩行に伴って変化する３軸加速度出力データを所定回数以上繰り返して取得する加速度出力データ取得手段とを備えた進行方向計測装置であって、前記加速度出力データ取得手段によって取得された各加速度データのノルムを計算し、該計算された加速度ノルムデータ群の一歩の期間に相当する周波数成分と、前記加速度出力データ取得手段によって取得された加速度データ群の一歩の期間に相当する周波数成分とを算出する周波数成分算出手段と、前記加速度ノルムデータ群の一歩の期間に相当する周波数成分と、前記加速度出力データ取得手段によって取得された加速度データ群の一歩の期間に相当する周波数成分とに基づいて、前記進行方向計測装置に付随する座標系から見た重力加速度の方向を算出する第２の重力加速度算出手段と、該第２の重力加速度算出手段により算出された重力加速度に直交する平面上に投影された前記加速度データ群の二歩の期間に相当する周波数成分を算出する周波数成分算出手段と、前記二歩の期間に相当する周波数成分に基づいて、前記進行方向計測装置に付随する端末座標系から見た前記歩行者の移動方向を推定する第２の移動方向推定手段とを備えたことを特徴とする。
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、地磁気を検出する３軸の地磁気検出手段と、該地磁気検出手段により検出された前記歩行者の歩行に伴って変化する３軸地磁気出力データを所定回数以上繰り返して取得する地磁気出力データ取得手段と、前記地磁気出力データ取得手段によって取得された前記加速度ノルムデータ群の出力がピークを示すときの地磁気データと、前記第２の移動方向推定手段によって推定された前記歩行者の移動方向に基づいて、地上座標系に対する前記歩行者の歩行方向を推定する第２の歩行方向推定手段とを備えたことを特徴とする。
また、請求項５に記載の発明は、加速度を検出する３軸の加速度検出手段と、該加速度検出手段により検出された歩行者の歩行に伴って変化する３軸加速度出力データを所定回数以上繰り返して取得する加速度出力データ取得手段とを備えた進行方向計測装置であって、前記加速度出力データ取得手段によって取得された数歩分の期間の加速度データ群を平均することによって重力加速度を算出する第１の重力加速度算出手段と、該第１の重力加速度算出手段により算出された重力加速度に直交する平面上に投影された前記加速度データ群の一歩の期間に相当する周波数成分を算出する周波数成分算出手段と、前記周波数成分に基づいて、前記進行方向計測装置に付随する端末座標系から見た前記歩行者の移動方向を推定する第１の移動方向推定手段と、前記加速度出力データ取得手段によって取得された各加速度データのノルムを計算し、該計算された加速度ノルムデータ群の一歩の期間に相当する周波数成分と、前記加速度出力データ取得手段によって取得された加速度データ群の一歩の期間に相当する周波数成分とを算出する周波数成分算出手段と、前記加速度ノルムデータ群の一歩の期間に相当する周波数成分と、前記加速度出力データ取得手段によって取得された加速度データ群の一歩の期間に相当する周波数成分とに基づいて、前記進行方向計測装置に付随する端末座標系から見た重力加速度の方向を算出する第２の重力加速度算出手段と、該第２の重力加速度算出手段により算出された重力加速度に直交する平面上に投影された前記加速度データ群の二歩の期間に相当する周波数成分を算出する周波数成分算出手段と、前記二歩の期間に相当する周波数成分に基づいて、前記進行方向計測装置に付随する端末座標系から見た前記歩行者の移動方向を推定する第２の移動方向推定手段と、地磁気を検出する３軸の地磁気検出手段と、該地磁気検出手段により検出された前記歩行者の歩行に伴って変化する３軸地磁気出力データを所定回数以上繰り返して取得する地磁気出力データ取得手段と、前記地磁気出力データ取得手段によって取得された地磁気データ群と、前記第１の移動方向推定手段によって推定された前記歩行者の移動方向に基づいて、地上座標系に対する前記歩行者の歩行方向を推定する第１の歩行方向推定手段と、前記地磁気出力データ取得手段によって取得された前記加速度ノルムデータ群の出力のピークの際の地磁気データと、前記第２の移動方向推定手段によって推定された前記歩行者の移動方向に基づいて、地上座標系に対する前記歩行者の歩行方向を推定する第２の歩行方向推定手段とを備えたことを特徴とする。
また、請求項６に記載の発明は、加速度を検出する３軸の加速度検出手段と、該加速度検出手段により検出された歩行者の歩行に伴って変化する３軸加速度出力データを所定回数以上繰り返して取得する加速度出力データ取得手段とを備えた進行方向計測装置における進行方向計測方法であって、前記加速度出力データ取得手段によって取得された数歩分の期間の加速度データ群を平均することによって重力加速度を算出する第１の重力加速度算出ステップと、該第１の重力加速度算出ステップにより算出された重力加速度に直交する平面上に投影された前記加速度データ群の一歩の期間に相当する周波数成分を算出する周波数成分算出ステップと、前記周波数成分に基づいて、前記進行方向計測装置に付随する端末座標系から見た前記歩行者の移動方向を推定する第１の移動方向推定ステップとを有することを特徴とする。
また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、地磁気を検出する３軸の地磁気検出ステップと、該地磁気検出ステップにより検出された前記歩行者の歩行に伴って変化する３軸地磁気出力データを所定回数以上繰り返して取得する地磁気出力データ取得ステップと、前記地磁気出力データ取得ステップによって取得された地磁気データ群と、前記第１の移動方向推定ステップによって推定された前記歩行者の移動方向に基づいて、地上座標系に対する前記歩行者の歩行方向を推定する第１の歩行方向推定ステップとを有することを特徴とする。
また、請求項８に記載の発明は、加速度を検出する３軸の加速度検出手段と、該加速度検出手段により検出された歩行者の歩行に伴って変化する３軸加速度出力データを所定回数以上繰り返して取得する加速度出力データ取得手段とを備えた進行方向計測装置における進行方向計測方法であって、前記加速度出力データ取得手段によって取得された各加速度データのノルムを計算し、該計算された加速度ノルムデータ群の一歩の期間に相当する周波数成分と、前記加速度出力データ取得手段によって取得された加速度データ群の一歩の期間に相当する周波数成分とをそれぞれ算出する周波数成分算出ステップと、前記加速度ノルムデータ群の一歩の期間に相当する周波数成分と、前記加速度出力データ取得手段によって取得された加速度データ群の一歩の期間に相当する周波数成分とに基づいて、前記進行方向計測装置に付随する座標系から見た重力加速度の方向を算出する第２の重力加速度算出ステップと、該第２の重力加速度算出ステップにより算出された重力加速度に直交する平面上に投影された前記加速度データ群の二歩の期間に相当する周波数成分を算出する周波数成分算出ステップと、前記二歩の期間に相当する周波数成分に基づいて、前記進行方向計測装置に付随する端末座標系から見た前記歩行者の移動方向を推定する第２の移動方向推定ステップとを有することを特徴とする。
また、請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の発明において、地磁気を検出する３軸の地磁気検出ステップと、該地磁気検出ステップにより検出された前記歩行者の歩行に伴って変化する３軸地磁気出力データを所定回数以上繰り返して取得する地磁気出力データ取得ステップと、前記地磁気出力データ取得ステップによって取得された前記加速度ノルムデータ群の出力のピークの際の地磁気データと、前記第２の移動方向推定ステップによって推定された前記歩行者の移動方向に基づいて、地上座標系に対する前記歩行者の歩行方向を推定する第２の歩行方向推定ステップとを有することを特徴とする。
本発明によれば、ＧＰＳを利用できない屋内や高層建築物周辺など測位精度の出難い場所で歩行者用ナビゲーション装置として使うことができる進行方向計測装置及び進行方向計測方法を提供することにより、地磁気センサと加速度センサを備えた携帯端末で歩行者用の自律航法を実現し、使用者にストレスを与えない歩行者用ナビゲーション装置及びナビゲーション方法を実現することができる。
図１は、本発明に係る進行方向計測装置の一実施形態を説明するための構成図である。 図２は、地磁気センサと加速度センサとを備えた携帯端末を用いて自律航法を実現するための進行方向計測装置の動作を説明するためのフローチャートを示す図である。 図３は、歩行者座標系と絶対地上座標系の関係を示す図である。 図４は、端末座標系と絶対地上座標系との関係を示した図である。 図５Ａは、携帯端末を概ね姿勢固定している場合の歩行者の歩行イメージを示す図その１である。 図５Ｂは、携帯端末を概ね姿勢固定している場合の歩行者の歩行イメージを示す図その２である。 図５Ｃは、携帯端末を概ね姿勢固定している場合の歩行者の歩行イメージを示す図その３である。 図５Ｄは、携帯端末を概ね姿勢固定している場合の歩行者の歩行イメージを示す図その４である。 図６Ａは、携帯端末を手に持って腕をスウィングさせて歩行する場合を示す図その１である。 図６Ｂは、携帯端末を手に持って腕をスウィングさせて歩行する場合を示す図その２である。 図６Ｃは、携帯端末を手に持って腕をスウィングさせて歩行する場合を示す図その３である。 図７は、端末座標系を歩行者座標系に概ね固定させて歩行したときの加速度測定値の周波数スペクトルを示す図である。 図８は、最下点における端末座標系を歩行者座標系に一致させて、スウィングさせた腕に携帯端末を保持して歩行したときの加速度測定値の周波数スペクトルを示す図である。
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
図１は、本発明に係る進行方向計測装置の一実施例を説明するための構成図で、図中符号、１は３軸の加速度検出部、２は加速度出力データ取得部、３は第１重力加速度算出部、４は第２重力加速度算出部、５は第１移動方向推定部、６は３軸の地磁気検出部、７は地磁気出力データ取得部、８は第１歩行方向推定部、９は第２移動方向推定部、１０は第２歩行方向推定部を示している。
３軸の加速度検出部１は、歩行者が保持していて、その歩行者の歩行に伴って変化する進行方向計測装置の３軸の加速度を検出するもので、加速度出力データ取得部２は、３軸の加速度検出部１により検出された歩行者の歩行に伴って変化する３軸加速度出力データを所定回数以上繰り返して取得するものである。
また、第１重力加速度算出部３は、歩行者が進行方向計測装置を概ね固定した姿勢で保持して歩行している場合に、加速度出力データ取得部２によって取得された数歩分の期間の加速度データ群を平均することによって重力加速度を算出するものである。
また、第２重力加速度算出部４は、歩行者が進行方向計測装置を保持し、スウィングしながら（腕を体の横で振りながら）歩行している場合に、加速度出力データ取得部２によって取得された各加速度データのノルムを計算し、この計算された加速度ノルムデータ群の一歩の期間に相当する周波数成分と、加速度出力データ取得部２によって取得された加速度データ群の一歩の期間に相当する周波数成分とに基づいて、スウィングの最下点にある時の進行方向計測装置に付随する端末座標系から見た重力加速度の方向を算出するものである。
また、第１移動方向推定部５は、第１重力加速度算出部３により算出された重力加速度に直交する平面上に投影された加速度データ群の一歩の期間に相当する周波数成分に基づいて、進行方向計測装置に付随する端末座標系から見た歩行者の移動方向を推定するものである。
また、３軸の地磁気検出部６は、歩行者が保持していて、その歩行者の歩行に伴って変化する進行方向計測装置の地磁気を検出するもので、地磁気出力データ取得部７は、３軸の地磁気検出部６により検出された歩行者の歩行に伴って変化する３軸地磁気出力データを所定回数以上繰り返して取得するものである。
また、第１歩行方向推定部８は、歩行者が進行方向計測装置を概ね固定した姿勢で保持して歩行している場合に、地磁気出力データ取得部７によって取得された地磁気データ群と、第１移動方向推定部５によって推定された歩行者の移動方向に基づいて、地上座標系に対する歩行者の歩行方向を推定するものである。
また、第２移動方向推定部９は、第２重力加速度算出部４により算出された重力加速度に直交する平面上に投影された加速度データ群の二歩の期間に相当する周波数成分に基づいて、腕が最下点にある時の進行方向計測装置に付随する端末座標系から見た歩行者の移動方向を推定するものである。
また、第２歩行方向推定部１０は、歩行者が進行方向計測装置を手に保持し、腕を体の横で振りながら歩行している場合に、地磁気出力データ取得部７によって取得された腕が最下点にある時の地磁気データと、第２移動方向推定部９によって推定された歩行者の移動方向に基づいて、地上座標系に対する歩行者の歩行方向を推定するものである。
さらに、本発明の進行方向計測装置は、第１歩行方向推定部８と第２歩行方向推定部１０の機能を備えることができる。
図２は、地磁気センサと加速度センサとを備えた携帯端末を用いて自律航法を実現するための進行方向計測装置の動作を説明するためのフローチャートを示す図である。
まず、携帯端末に搭載された地磁気センサと加速度センサで歩行中の地磁気及び加速度を検出する（Ｓ１）。通常、歩行方向を推定するアルゴリズムは、携帯端末の携帯状態によって異なる。携帯端末の携帯状態とは、例えば、歩行者がナビゲーション中に地図が表示された画面を見ながら歩行している場合や携帯端末を胸のポケットに入れて歩行している場合のように、携帯端末の歩行中の姿勢が概ね一定である状態や、手で保持されているが腕は体の横でスウィングされている状態や、携帯端末がカバンの中に入れられている場合など様々な状態が考えられる。
次に、取得された一連の加速度データ群に基づいて、携帯端末の姿勢角を計算する（Ｓ２）。歩行者が地図画面を見ながら歩行している場合でも、画面を立てて見る場合もあるし、水平で見る場合もある。姿勢角が異なれば、端末に固定された座標系で測定される地磁気及び加速度の測定値は異なる。図３は、歩行者座標系と絶対地上座標系の関係を示す図である。姿勢角は、通常、図３に示すような重力と地磁気によって構成される座標系（絶対地上座標系；南北方向をｘ軸（北向きを正）、東西方向をｙ軸（西向きを正）、鉛直方向をｚ軸（上向きを正）とする座標系と定義する）に対する姿勢を言うが、厳密に言えば、携帯端末の携帯状態によって定義が異なる。例えば、歩行者が地図画面を見ながら歩行する時のように携帯端末が概ね固定されている場合は、姿勢の変化が無いので姿勢角の定義は単純であるが、手に持ち体の横でスウィングさせている場合は、時々刻々と姿勢が変化しているため、特定の時点での姿勢で定義する。特定の時点とは、例えば、腕が最下点を通過する瞬間とすれば良い。
次に、歩行方向の計算を行なう（Ｓ３）。姿勢が推定された後、いつも同じ姿勢での測定値を評価できるように、取得された一連の地磁気データ群及び加速度データ群を絶対地上座標系での測定値に変換する（以下、変換後測定値という；Ｓ３１）。
携帯端末の歩行携帯状態ごとに用意されたアルゴリズムに基づいて、変換後の地磁気測定値及び変換後の加速度測定値が処理され、歩行者の進行方向が計算される（Ｓ３２）。
更に例えば、歩数と歩幅を掛け合わせることによって歩行距離を計算し、歩行方向と組み合わせれば相対移動位置を知ることができ、自律航法が可能となる。
ＧＰＳを搭載した歩行者用ナビゲーション装置であれば、ＧＰＳによる測位が成功した時は、ＧＰＳから得られた情報に基づいて現在位置を更新し、ＧＰＳによる測位が行われていない時には、自律航法によって現在位置を修正することによって、よりきめ細かに現在位置を修正できるだけでなく、屋内や建築物周辺などのＧＰＳ信号を受信できない場所や、測位精度が出難い場所でもナビゲーションを継続することができるようになる。
歩行者が、歩行者用ナビゲーション装置を用いて歩行する場合、携帯端末を手に保持して携帯端末に表示された地図を確認しながら歩行したり、確認後目印となる地点までは携帯端末を手に保持して腕をスウィングさせながら歩行する、という２つの携帯端末の携帯状態が支配的であると考えられる。従って、上述した２つの携帯端末の携帯状態で、進行方向を推定できれば、歩行中のかなりの時間で自律航法を実現できる。
以下、上述した２つの状況、すなわち、１）携帯端末を手に保持するなどして、概ね姿勢固定で歩行する場合、２）携帯端末を手にで保持し、腕をスウィングさせながら歩行する場合の歩行方向の推定方法について説明する。
＜概ね姿勢固定で歩行する場合＞
歩行者の進行方向をｘ軸、進行方向に直交する水平面内の軸をｙ軸、鉛直方向をｚ軸とする歩行者に固定された３軸直交座標系について説明する。この歩行者に固定された３軸直交座標系を、以下、歩行者座標系という。携帯端末は、歩行者座標系に対して任意の姿勢で固定される。携帯端末の座標系（すなわち、地磁気センサ及び加速度センサの測定軸からなる座標系）を、以下、端末座標系という。図４は、端末座標系と絶対地上座標系との関係を示した図で、図中符号１１は３軸地磁気センサ、１２は３軸加速度センサ、１３はナビゲーション装置を示している。
以下に、歩行者座標系から見た加速度について説明する。
図５Ａ乃至図５Ｄは、携帯端末を概ね姿勢固定している場合の歩行者の歩行イメージを示す図で、端末座標系と歩行者座標系の関係は、歩行中は概ね変わらない。通常の歩行中、歩行者座標系では、運動加速度は概ね次のように測定される。すなわち、支配的な加速度は、鉛直方向（ｚ軸）の加速度で、一歩にかかる時間を一周期とする周期データとして観測される（図７のＺａｍｐ参照）。進行方向（ｘ軸）の加速度も一歩毎に加速方向と減速方向が存在し、一歩を一周期とする周期データとして観測される（図７のＸａｍｐ参照）。進行方向の加速度と鉛直方向の加速度の一歩を周期とする成分は、実験的に概ね９０度程度の位相差が存在することがわかっている。横方向（ｙ軸）の加速度は一歩毎に反対に振れ、このため二歩を一周期とする周期データとして観測される（図７のＹａｍｐ参照）。横方向の加速度の一歩を周期とする成分は小さい。歩行者座標系と端末座標系を概ね一致させて歩行したとき（図５Ｄの姿勢を保って歩行した場合）に端末座標系で測定された各方向（鉛直方向、進行方向、横方向）における加速度の周波数スペクトルは図７に示されている。
次に、端末座標系から見た歩行者の進行方向について説明する。
端末座標系で、測定された加速度の一歩を周期とする周波数成分のうち鉛直方向成分を取り除くことができれば、残りの一歩を周期とする周波数成分の最も強い方向が歩行者の端末座標系から見た進行方向（この時点では動線はわかるが前後はまだ不明）となる。さらに鉛直方向の加速度の一歩を周期とする周波数成分の位相と鉛直方向以外の加速度（すなわち、進行方向の加速度）の一歩を周期とする周波数成分の位相を比較することによって向き（動線上の前後）を知ることができる。歩行者用のナビゲーションで使用するときは、端末座標系から見た進行方向を絶対地上座標系から見た方向に変換することによって、歩行者の歩行方向を算出する。
次に、絶対地上座標系に対する端末座標系の姿勢角について説明する。
端末座標系で測定された加速度から、鉛直方向成分を取り除くためには、端末座標系から見た鉛直方向がわからなければならない。また、歩行者用のナビゲーションを実現するためには、絶対地上座標系から見た方向がわからなければならない。すなわち、絶対地上座標系に対する端末座標系の関係、すなわち、姿勢角が必要となる。
次に、姿勢角の計算について説明する。
絶対地上座標系に対する端末座標系の姿勢角は、以下のようにして求められる。すなわち、歩行者が安定して、直線上を歩行しているならば、一歩歩く間に速度の増減はあるものの、一歩毎の平均速度は変化しない。さらに、携帯端末は、概ね姿勢一定であると仮定しているため、端末座標系で測定された加速度のうち運動加速度（測定される全加速度から重力加速度を差し引いたもの）の一歩分の加速度の積分値は０となる（何故なら、０でなければ一歩毎に歩行速度が変化することになる）。すなわち、端末座標系で測定された全加速度（重力加速度＋運動加速度）を一歩分積分すると重力加速度のみが残る。このようにして得られた重力加速度Ｇと地磁気Ｍから、携帯端末の姿勢を計算することができる。地磁気Ｍは、直線上を歩く間はほとんど変化しないと仮定できるので、適当な時点での測定値を代表させても良いし、特定期間の平均値を使用しても良い。絶対地上座標系から見た端末座標系のｘ，ｙ，ｚ座標軸を表す単位ベクトルｅｘ，ｅｙ，ｅｚは、
Figure 0004515497
 となる。
次に、歩行方向の計算について説明する。
姿勢を求めた後、端末座標系で測定された加速度を絶対地上座標系で測定された値に座標変換する。端末座標系で測定された値ｘＵは、次式で絶対地上座標系での測定値ｘｇに変換される。すなわち
Figure 0004515497
 座標変換された加速度のＺ成分が鉛直方向の加速度となる。座標変換された加速度のＸ，Ｙ成分の一歩を周期とする周波数成分を計算すると、振幅の比で表される方向が歩行者の歩行方向（動線）となる。さらに、座標変換された加速度のＺ成分の一歩を周期とする周波数成分の位相と、Ｘ，Ｙ成分の一歩を周期とする周波数成分の位相を比較することによって、歩行者の歩行する方向きがわかる。絶対地上座標系に変換された加速度ａｇにフーリエ変換を施し、得られた一歩分の期間に相当する周波数成分の振幅をＡｘ、Ａｙ、Ａｚ、位相をφｘ、φｙ、φｚとすると、進行方向θｄは、
Figure 0004515497
 で計算される。
上述の方法は、少なくとも一歩分の期間の測定値群から計算される、振幅、及び位相を用いて進行方向を推定するために、瞬間的なノイズの影響を受けにくい。
＜端末をスウィングさせた場合＞
以下に、腕が最下点に来る時に端末座標系と歩行者座標系が一致する歩き方をしたときの端末座標系から見た加速度について説明する。
図６Ａ乃至図６Ｃは、携帯端末を手に持って腕をスウィングさせて歩行する場合を示す図で、携帯端末は、歩行者座標系から見て振り子状の運動をする。この図６Ａに示すように、歩行者が携帯端末を手に持ち腕を下げた状態で、端末座標系と歩行者座標系が一致しているとする。この状態から歩行者が歩行を開始し、歩行中周期的にこの状態（端末座標系と歩行者座標系が一致）を通過すると仮定すると、端末座標系では、運動加速度は概ね次のように測定される。
腕は振り子上状の運動をしており、端末座標系のＺ成分の加速度は、一歩歩く毎に最下点を通過するので、一歩の期間を周期とする周波数成分が支配的となる（図８のＺａｍｐ参照）。しかし、他の（Ｘ，Ｙ）成分は、二歩歩くごとに腕が最下点を同じ方向に通過することからもわかるように、測定値は、基本的には二歩を周期とする周期データとなる（図８のＸａｍｐ,Ｙａｍｐ参照）。Ｙ（横方向）成分は、歩行者の歩行時の左右の振れによって生じるものであるが、Ｘ（進行方向）成分に比べ通常充分小さい。端末座標系のＸ及びＺ成分の二歩を周期とする周波数成分の位相差は概ね０度であることが実験的にわかっている。最下点における端末座標系を歩行者座標系に一致させて、スウィングさせた腕に携帯端末を保持して歩行したときの加速度測定値の周波数スペクトルは図８に示してある。
次に、絶対地上座標系に対する端末座標系の姿勢角（腕が最下点を通過するときの）の計算について説明する。
歩行者が携帯端末を手に持って、上述したように手を振りながら歩行しているが、携帯端末の持ち方が任意である場合は、次のようにして歩行方向を推定することが出来る。すなわち、まず、各軸の加速度測定値の一歩を周期とする周波数成分(ａｘ, φｘ)，(ａｙ, φｙ)，(ａｚ, φｚ)及び、加速度測定値のノルムの一歩の期間に相当する周波数成分（Ｎ，φＮ）を計算し、次式で求められる値を重力加速度Ｇとする。
Figure 0004515497
 次に、手が最下点を通過するときの地磁気をＭとする。次式により、腕が最下点を通過するときの端末座標系の絶対地上座標系に対する姿勢が求まる。
Figure 0004515497
 次に、歩行方向の計算について説明する。
姿勢を求めた後、端末座標系で測定された加速度を絶対地上座標系で測定された値に座標変換する。端末座標系で測定された値ｘＵは、次式で絶対地上座標系での測定値ｘｇに変換される。すなわち、
Figure 0004515497
 座標変換された加速度のＸ，Ｙ成分の二歩を周期とする周波数成分を計算すると、振幅の比で表される方向が歩行者の進行方向となる。さらに、座標変換された加速度のＺ成分の一歩を周期とする周波数成分の位相と、Ｘ，Ｙ成分の二歩を周期とする周波数成分の位相を比較することによって、歩行者の歩行する方向がわかる。絶対地上座標系に変換された加速度ａｇにフーリエ変換を施し、得られた二歩分の期間に相当する周波数成分の振幅をＡｘ、Ａｙ、Ａｚ、位相をφｘ、φｙ、φｚとすると、進行方向θｄは、
Figure 0004515497
 で計算される。
上述の方法は、少なくとも二歩分の期間の測定値群から計算される、振幅、及び位相を用いて進行方向を推定するために、瞬間的なノイズの影響を受けにくい。
本発明は、ＧＰＳを利用できない屋内や高層建築物周辺など測位精度の出難い場所で歩行者用ナビゲーション装置として使うことができる進行方向計測装置及び進行方向計測方法を提供することにより、地磁気センサと加速度センサを備えた携帯端末で歩行者用の自律航法を実現し、使用者にストレスを与えない歩行者用ナビゲーション装置及びナビゲーション方法を実現することができる。

Claims (9)

  1. 加速度を検出する３軸の加速度検出手段と、該加速度検出手段により検出された歩行者の歩行に伴って変化する３軸加速度出力データを所定回数以上繰り返して取得する加速度出力データ取得手段とを備えた進行方向計測装置であって、
    前記加速度出力データ取得手段によって取得された数歩分の期間の加速度データ群を平均することによって重力加速度を算出する第１の重力加速度算出手段と、
    該第１の重力加速度算出手段により算出された重力加速度に直交する平面上に投影された前記加速度データ群の一歩の期間に相当する周波数成分を算出する周波数成分算出手段と、
    前記周波数成分に基づいて、前記進行方向計測装置に付随する端末座標系から見た前記歩行者の移動方向を推定する第１の移動方向推定手段と
    を備えたことを特徴とする進行方向計測装置。
  2. 地磁気を検出する３軸の地磁気検出手段と、
    該地磁気検出手段により検出された前記歩行者の歩行に伴って変化する３軸地磁気出力データを所定回数以上繰り返して取得する地磁気出力データ取得手段と、
    前記地磁気出力データ取得手段によって取得された地磁気データ群と、前記第１の移動方向推定手段によって推定された前記歩行者の移動方向に基づいて、地上座標系に対する前記歩行者の歩行方向を推定する第１の歩行方向推定手段と
    を備えたことを特徴とする請求項１に記載の進行方向計測装置。
  3. 加速度を検出する３軸の加速度検出手段と、該加速度検出手段により検出された歩行者の歩行に伴って変化する３軸加速度出力データを所定回数以上繰り返して取得する加速度出力データ取得手段とを備えた進行方向計測装置であって、
    前記加速度出力データ取得手段によって取得された各加速度データのノルムを計算し、該計算された加速度ノルムデータ群の一歩の期間に相当する周波数成分と、前記加速度出力データ取得手段によって取得された加速度データ群の一歩の期間に相当する周波数成分とを算出する周波数成分算出手段と、
    前記加速度ノルムデータ群の一歩の期間に相当する周波数成分と、前記加速度出力データ取得手段によって取得された加速度データ群の一歩の期間に相当する周波数成分とに基づいて、前記進行方向計測装置に付随する座標系から見た重力加速度の方向を算出する第２の重力加速度算出手段と、
    該第２の重力加速度算出手段により算出された重力加速度に直交する平面上に投影された前記加速度データ群の二歩の期間に相当する周波数成分を算出する周波数成分算出手段と、
    前記二歩の期間に相当する周波数成分に基づいて、前記進行方向計測装置に付随する端末座標系から見た前記歩行者の移動方向を推定する第２の移動方向推定手段と
    を備えたことを特徴とする進行方向計測装置。
  4. 地磁気を検出する３軸の地磁気検出手段と、
    該地磁気検出手段により検出された前記歩行者の歩行に伴って変化する３軸地磁気出力データを所定回数以上繰り返して取得する地磁気出力データ取得手段と、
    前記地磁気出力データ取得手段によって取得された前記加速度ノルムデータ群の出力がピークを示すときの地磁気データと、前記第２の移動方向推定手段によって推定された前記歩行者の移動方向に基づいて、地上座標系に対する前記歩行者の歩行方向を推定する第２の歩行方向推定手段と
    を備えたことを特徴とする請求項３に記載の進行方向計測装置。
  5. 加速度を検出する３軸の加速度検出手段と、該加速度検出手段により検出された歩行者の歩行に伴って変化する３軸加速度出力データを所定回数以上繰り返して取得する加速度出力データ取得手段とを備えた進行方向計測装置であって、
    前記加速度出力データ取得手段によって取得された数歩分の期間の加速度データ群を平均することによって重力加速度を算出する第１の重力加速度算出手段と、
    該第１の重力加速度算出手段により算出された重力加速度に直交する平面上に投影された前記加速度データ群の一歩の期間に相当する周波数成分を算出する周波数成分算出手段と、
    前記周波数成分に基づいて、前記進行方向計測装置に付随する端末座標系から見た前記歩行者の移動方向を推定する第１の移動方向推定手段と、
    前記加速度出力データ取得手段によって取得された各加速度データのノルムを計算し、該計算された加速度ノルムデータ群の一歩の期間に相当する周波数成分と、前記加速度出力データ取得手段によって取得された加速度データ群の一歩の期間に相当する周波数成分とを算出する周波数成分算出手段と、
    前記加速度ノルムデータ群の一歩の期間に相当する周波数成分と、前記加速度出力データ取得手段によって取得された加速度データ群の一歩の期間に相当する周波数成分とに基づいて、前記進行方向計測装置に付随する端末座標系から見た重力加速度の方向を算出する第２の重力加速度算出手段と、
    該第２の重力加速度算出手段により算出された重力加速度に直交する平面上に投影された前記加速度データ群の二歩の期間に相当する周波数成分を算出する周波数成分算出手段と、
    前記二歩の期間に相当する周波数成分に基づいて、前記進行方向計測装置に付随する端末座標系から見た前記歩行者の移動方向を推定する第２の移動方向推定手段と、
    地磁気を検出する３軸の地磁気検出手段と、
    該地磁気検出手段により検出された前記歩行者の歩行に伴って変化する３軸地磁気出力データを所定回数以上繰り返して取得する地磁気出力データ取得手段と、
    前記地磁気出力データ取得手段によって取得された地磁気データ群と、前記第１の移動方向推定手段によって推定された前記歩行者の移動方向に基づいて、地上座標系に対する前記歩行者の歩行方向を推定する第１の歩行方向推定手段と、
    前記地磁気出力データ取得手段によって取得された前記加速度ノルムデータ群の出力のピークの際の地磁気データと、前記第２の移動方向推定手段によって推定された前記歩行者の移動方向に基づいて、地上座標系に対する前記歩行者の歩行方向を推定する第２の歩行方向推定手段と
    を備えたことを特徴とする進行方向計測装置。
  6. 加速度を検出する３軸の加速度検出手段と、該加速度検出手段により検出された歩行者の歩行に伴って変化する３軸加速度出力データを所定回数以上繰り返して取得する加速度出力データ取得手段とを備えた進行方向計測装置における進行方向計測方法であって、
    前記加速度出力データ取得手段によって取得された数歩分の期間の加速度データ群を平均することによって重力加速度を算出する第１の重力加速度算出ステップと、
    該第１の重力加速度算出ステップにより算出された重力加速度に直交する平面上に投影された前記加速度データ群の一歩の期間に相当する周波数成分を算出する周波数成分算出ステップと、
    前記周波数成分に基づいて、前記進行方向計測装置に付随する端末座標系から見た前記歩行者の移動方向を推定する第１の移動方向推定ステップと
    を有することを特徴とする進行方向計測方法。
  7. 地磁気を検出する３軸の地磁気検出ステップと、
    該地磁気検出ステップにより検出された前記歩行者の歩行に伴って変化する３軸地磁気出力データを所定回数以上繰り返して取得する地磁気出力データ取得ステップと、
    前記地磁気出力データ取得ステップによって取得された地磁気データ群と、前記第１の移動方向推定ステップによって推定された前記歩行者の移動方向に基づいて、地上座標系に対する前記歩行者の歩行方向を推定する第１の歩行方向推定ステップと
    を有することを特徴とする請求項６に記載の進行方向計測方法。
  8. 加速度を検出する３軸の加速度検出手段と、該加速度検出手段により検出された歩行者の歩行に伴って変化する３軸加速度出力データを所定回数以上繰り返して取得する加速度出力データ取得手段とを備えた進行方向計測装置における進行方向計測方法であって、
    前記加速度出力データ取得手段によって取得された各加速度データのノルムを計算し、該計算された加速度ノルムデータ群の一歩の期間に相当する周波数成分と、前記加速度出力データ取得手段によって取得された加速度データ群の一歩の期間に相当する周波数成分とをそれぞれ算出する周波数成分算出ステップと、
    前記加速度ノルムデータ群の一歩の期間に相当する周波数成分と、前記加速度出力データ取得手段によって取得された加速度データ群の一歩の期間に相当する周波数成分とに基づいて、前記進行方向計測装置に付随する座標系から見た重力加速度の方向を算出する第２の重力加速度算出ステップと、
    該第２の重力加速度算出ステップにより算出された重力加速度に直交する平面上に投影された前記加速度データ群の二歩の期間に相当する周波数成分を算出する周波数成分算出ステップと、
    前記二歩の期間に相当する周波数成分に基づいて、前記進行方向計測装置に付随する端末座標系から見た前記歩行者の移動方向を推定する第２の移動方向推定ステップと
    を有することを特徴とする進行方向計測方法。
  9. 地磁気を検出する３軸の地磁気検出ステップと、
    該地磁気検出ステップにより検出された前記歩行者の歩行に伴って変化する３軸地磁気出力データを所定回数以上繰り返して取得する地磁気出力データ取得ステップと、
    前記地磁気出力データ取得ステップによって取得された前記加速度ノルムデータ群の出力のピークの際の地磁気データと、前記第２の移動方向推定ステップによって推定された前記歩行者の移動方向に基づいて、地上座標系に対する前記歩行者の歩行方向を推定する第２の歩行方向推定ステップと
    を有することを特徴とする請求項８に記載の進行方向計測方法。
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