JP4714853B2 - デッドレコニング装置 - Google Patents

Description

本発明は、歩行者に装着されたセンサシステムによって人の歩行動作を計測、解析して、その移動方位と歩幅を装着型計算機システムが推定することにより、その歩行者に対して道案内などのアプリケーションを提供するために利用するデッドレコニング装置に関するものである。

位置情報を取得する手段としてもっともよく使われているのは、非特許文献１で詳しく述べられているＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）による測位技術である。この技術では、４個以上のＧＰＳ衛星を捕捉することによって、緯度・経度・高さの３次元位置を計測できる。しかしながら、衛星からの信号が遮断される屋内環境では利用できないうえに、利用できる環境下においても歩幅（１めーとる以下）の精度で位置を取得することは困難である。

特開２００５−１１４５３７号公報 米国特許第５，５８３，７７６号明細書 「ＧＰＳ−理論と応用」Ｂ・ホフマン−ウェレンホフ、Ｈ・リヒテネガー、Ｊ・コリンズ、シュプリンガー・フェアラーク東京 "Personal positioningbased on walking locomotion analysis with self-contained sensors and a wearablecamera," Masakatsu Kourogi, Takeshi Kurata, Proceedings of InternationalSymposium on Mixed and Augmented Reality (ISMAR2003), pp. 103-112, 2003.

非特許文献２の技術では、歩行動作に基づいてその移動方位と歩幅を自蔵センサ群（加速度センサ、ジャイロセンサ、磁気方位センサ）を計測、推定して積算するデッドレコニング手法が提案されている。しかしながら、基準位置からの誤差が積算するため、長期間にわたって独立して動作することは困難である。特許文献２の技術も、歩行動作に基づくデッドレコニングを行うことで、基準位置からの相対移動ベクトルを推定する手法を提案しているが、非特許文献２の技術と同様に、累積誤差の問題が生じる。そのための、外部の位置計測手段（ＧＰＳや電界強度測位、無線タグ測位システムなど）と組み合わせる必要がある。

歩行動作に基づくデッドレコニング手法を他の絶対位置計測技術と統合して組み合わせて利用することで、デッドレコニング手法とそれぞれの絶対位置計測技術の弱点を相互に補強することで、より頑健かつ精度の高い絶対位置計測を可能とすることが本発明の課題である。そのためには、歩行動作に基づくデッドレコニングが出力する位置には、信頼性に関する情報が付与されている必要がある。

本発明の目的は、歩行者に装着されたセンサシステムによって人の歩行動作を計測、解析して、その移動方位と歩幅を装着型計算機システムが推定することにより、その歩行者に対して道案内などのアプリケーションを提供するために利用するデッドレコニング装置を提供することにある。

上記のような目的を達成するため、本発明においては、歩行動作に基づくデッドレコニング手法の推定結果に信頼性を付与することで、ＧＰＳや無線タグシステムなどによる他の絶対位置計測手段との組み合わせが可能となる。これの絶対位置計測手段は同様に計測結果の信頼性を同時に得ることができるため、組み合わせることができる。

歩行動作に基づくデッドレコニング手法では、歩行動作の移動方位と歩幅を推定する過程があり、そこでそれぞれの推定結果について信頼性が得られるとき、それらの合成結果であるデッドレコニングの結果についても、同様に信頼性を算出することが可能である。移動方位の推定結果と歩幅の推定結果について得られる信頼性に基づいて、デッドレコニングによる相対移動ベクトルの推定結果の信頼性を算出し、これを出力することによって、同様に位置推定結果とその信頼性を出力する絶対位置計測手段を組み合わせて、それぞれの信頼性に基づいて、現在の尤もらしい位置の推定結果とその信頼性を取得する。

ここで、信頼性の定量的評価方法は共通のものであって、相互に重ね合わせることができるものがのぞましく、正規分布による表現方法はもっとも適しているものの一つである。もう一つの適した表現は、ノンパラメトリックな分布ベースの表現で、尤もらしさを分布によって表し、他のパラメトリックおよびノンパラメトリックな分布との重ね合わせによって、２つ以上の位置推定結果が得られたときに、それぞれの結果を重ね合わせて尤もらしい結果を得ることができる。

本発明によれば、歩行動作に基づくデッドレコニングを用いて位置を推定する装置において、1つ以上の位置推定手段が与えられたとき、デッドレコニングによる位置推定結果とそれらの位置推定手段の位置推定結果を組み合わせて尤もらしい位置推定結果を得ることができる。

本発明を実施する最良の形態を、図１〜４を用いて説明する。図１には本発明によるデッドレコニング装置の実施例の全体図が示されている。１０１の自蔵センサ群（ｓｅｌｆ−ｃｏｎｔａｉｎｅｄ ｓｅｎｓｏｒｓ）は、単体で独立して動作することができる外界センシング手段であり、加速度センサやジャイロセンサ、磁気方位センサが具体例として挙げられる。自蔵センサ群１０１は歩行動作を計測、解析するためのセンシング手段として用いられる。移動方位推定手段１０２は１０１からの信号を入力として移動方位を推定（１０４）して、その信頼性（１０５）を出力する移動方位手段である。歩幅推定手段１０３は、自蔵センサ群１０１からの信号を入力として歩行動作を検出してその歩幅（１０６）を推定してその推定結果の信頼性（１０７）を出力する歩幅推定手段である。相対移動ベクトル信頼性の推定手段１０８は、移動方位（１０４）とその信頼性（１０５）、歩幅（１０６）とその信頼性（１０７）を入力として、基準位置から相対移動ベクトルを累積計算して、その信頼性を算定して出力する相対移動ベクトル・信頼性の推定手段である。

図２は、図１の自蔵センサ群１０１と共に移動方位推定手段１０２の詳細を説明する図である。実施例の一つである。図２に示すように、自蔵センサ群１０１は、３つの自蔵センサから構成されており、３軸の加速度センサ、３軸のジャイロセンサ、３軸の磁気方位センサから構成されている。２０１は加速度ベクトル、２０２は角速度ベクトル、２０３は磁気方位ベクトルを示している。これらのベクトルは、センサ系で表される軸合わせされた計測結果である。２０９は、磁気方位ベクトルと姿勢角算出手段から出力されるセンサの姿勢角（２１０）を入力として計測された磁気方位ベクトルが利用可能であるかを判定する地磁気監視手段である。地磁気監視手段２０９は、磁気方位ベクトル（２０４）と利用可能かどうかのフラグ（２０５）を出力する。２０８は、加速度ベクトル（２０１）と角速度ベクトル（２０２）、磁気方位ベクトル（２０４）、磁気方位ベクトルの利用可否フラグ（２０５）を入力として、自蔵センサ群１０１が装着された人の姿勢角を算出する。姿勢角は、たとえば、ヨー・ロール・ピッチなどで表現される。姿勢角を算出するためには、重力方位ベクトルを算出する必要があり、これは角速度ベクトルと加速度ベクトルを入力として算出できる。重力方位ベクトルが得られているとき、角速度ベクトルまたは磁気方位ベクトルが与えられると姿勢角を算出することができる。姿勢角算出手段２０８は利用可否フラグ（２０５）がＯＮであるとき、磁気方位ベクトル（２０４）を用いて姿勢角を算出し、それ以外のときは、角速度ベクトルを用いて姿勢角を算出する。姿勢角の信頼性は、この姿勢角算出手段２０８を精度の正確な基準姿勢角センサと比べてその誤差の分散を前もって計測しておくこと得ることができる。

図３は、図１の自蔵センサ群１０１共に歩幅推定手段１０３の詳細を説明する図である。実施例の一つである。３０１および３０２は、それぞれ加速度センサおよびジャイロセンサから出力される加速度ベクトル（３軸）と角速度ベクトル（３軸）の計測結果を表している。これらの計測結果は、センサ系を中心とした座標系で出力される。重力方位ベクトル算出手段３０８において、これらを入力として重力加速度ベクトル（３軸）を算出して算出結果３０３として出力する。歩行動作による加速度ベクトル算出手段３０９では、加速度ベクトル（３０１）と重力加速度ベクトル（３０３）を入力として、歩行動作によって発生している加速度ベクトル（３０４）を算出して、出力する。歩行動作検出手段３１０においては、重力加速度ベクトル（３０３）と歩行動作による加速度ベクトル（３０４）を入力として、歩行動作を解析して、検出する。

このための手法としては、例えば、非特許文献２などで提案されている手法が利用できる。歩行動作検出手段３１０は、歩行動作の検出結果（３０５）を出力し、歩幅推定手段３１１は検出された結果（３０５）に基づいて、歩行動作の大きさを、重力加速度ベクトル（３０３）と歩行動作によって引き起こされる加速度ベクトル（３０４）に基づいて計測して、歩幅として出力する。この計算方法の一つは、非特許文献２で提案されている。歩幅の信頼性として、多数の人についてこの計測手法を適用したときに得られている計測結果の真値に対する分散を用いることができる。

相対移動ベクトルは、歩幅と移動方位を積算することで算出することができるが、その信頼性は正規分布としてパラメトリックに表現すると、合成されるデッドレコニングの推定結果も正規分布として近似することができる。図４には略式的にその近似の様子を示している。これは、図５と図６に示す数式によって更新される方法で正規分布を計算することができる。

図７は、デッドレコニング装置と他の二つの位置計測手段を組み合わせる装置を示す図である。図７においては、本発明における、デッドレコニング装置と１つ以上の位置計測手段と組み合わせて用いる場合の実施例を示している。歩行動作に基づくデッドレコニング装置（４０１）はその位置推定結果（４１１）とその信頼性（４１２）を出力しており、ＧＰＳに基づく測位装置（４０２）は、その位置推定結果（４１３）とその信頼性（４１４）を出力している。デッドレコニングによる位置推定結果の信頼性は、たとえば、図５と図６によって表される正規分布を用いてあらわすことができる。ＧＰＳによる測位結果は、正規分布の誤差分布に従うことが分かっており、そのときの分散を用いることで信頼性を表すことができる。無線タグによる測位装置（４０３）は、位置推定結果（４１５）とその信頼性（４１６）を出力している。無線タグによる測位とは、信号の到達範囲が小さい無線タグを用いたもので、信号を検出するかもしくはその信号強度を計測することで位置を計測する技術である。測位結果の信頼性は実験的に分散を求めることで与えることができる。位置推定結果の信頼性が正規分布によって表されているとき、カルマンフィルタを用いてこれらの推定結果を統合することができる。また、位置推定結果の信頼性がノンパラメトリックな分布（たとえばヒストグラム）によって表現されているとき、それらの分布の重ね合わせによって、推定結果を統合することも可能である。

図８は、ＧＰＳによって得られる測位結果をデッドレコニングが確実とみなす領域に入る場合と入らない場合で受け入れるか除外するかを決定する仕組みを説明する図である。図８に示されるように、ＧＰＳによる測位結果とデッドレコニング装置との統合において、デッドレコニングの推定結果から得られる９５％安全領域（この中に９５％確実に真値が存在する領域）に入るＧＰＳの測位結果は受け入れて用いて、それ以外の測位結果は計測には用いないことで、信号のマルチパスによって発生する誤差を含む測位結果を除外する仕掛けが示される。

図９は、本発明を実現するためのハードウェアの構成図を示す図であり、本発明を実際に動作するシステムとして実装した場合のダイアグラムを示している。自蔵センサ群（ここでは、ＭｉｃｒｏＳｔｒａｉｎ社の３ＤＭ−Ｇが用いられている）、無線タグリーダ、ＧＰＳもじュールをセンシング手段として備え、組み込み型システム（装着可能なほど小さいものであり、例えば、日本ＳＧＩのＶｉｅｗＲａｎｇｅｒが用いられている）によってこれらの出力を処理する。処理結果は無線ＬＡＮ経由で、位置推定結果の閲覧用のＰＣに送信される。そこでは、地図ソフトウェアが動作しており、現在位置などを確認できる仕組みである。

本発明によるデッドレコニング装置の実施例の全体の構成を示す図である。 自蔵センサ群１０１と共に移動方位推定手段１０２の詳細を説明する図である。 自蔵センサ群１０１と共に歩幅推定手段１０３の詳細を説明する図である。 歩行動作に基づくデッドレコニングの推定結果の信頼性を正規分布によって近似する方法を図示したものである。 図４の計算方法を数式で示す第１の図である。 図４の計算方法を数式で示す第２の図である。 デッドレコニング装置と他の二つの位置計測手段を組み合わせる装置を示す図である。 ＧＰＳによって得られる測位結果をデッドレコニングが確実とみなす領域に入る場合と入らない場合で受け入れるか除外するかを決定する仕組みを説明する図である。 本発明を実現するためのハードウェアの構成図を示す図である。

Claims (3)

1. 歩行動作に基づいて基準位置からの相対移動ベクトルを出力するデッドレコニング装置において、
   歩行動作を計測、解析して一歩ごとに歩行動作の移動方位と歩幅を推定して出力する手段と、
   前記出力された移動方位と前記出力された歩幅の信頼性を算定して出力する手段と、
   前記出力された移動方位と前記出力された歩幅に基づいて基準位置からの相対移動ベクトルを推定して出力する手段と、
   前記出力された移動方位と前記出力された歩幅、前記出力された移動方位の信頼性、前記出力された歩幅の信頼性に基づいて、前記出力された相対移動ベクトルの信頼性を算定して出力する手段とを備え、
   歩行動作を計測、解析して一歩ごとに歩行動作の移動方位と歩幅の推定結果とそれぞれの推定結果の信頼性を出力する手段が、歩行動作の移動方位と歩幅の推定結果の信頼性として事前に実験的に得られているそれぞれの分散を出力するものであって、
   前記出力された移動方位と前記出力された歩幅、前記出力された移動方位の信頼性、前記出力された歩幅の信頼性に基づいて、前記出力された相対移動ベクトルとその信頼性を推定して出力する手段として、前記相対移動ベクトルの信頼性が正規分布によってパラメトリックに表現され、
   具体的には、第ｉ歩目の歩行動作においては、平均ベクトルＭｉと誤差分散共分散行列Ciによって定まる正規分布として表現されるものであり、
   平均ベクトルＭ（ｉ）と誤差分散共分散行列Ｃ（ｉ）は、推定された移動方位θｉと歩幅li、それぞれの推定結果の分散と、歩行動作の前の時点における誤差分散共分散行列Ｃ（ｉ−１）に基づいて更新手段を備えることで、
   平均ベクトルＭ（ｉ）を相対移動ベクトルの推定結果として出力し、誤差分散共分散行列Ｃ（ｉ）をその推定結果の信頼性として出力することを特徴とする、
   歩行動作に基づく基準位置からの相対移動ベクトルとその信頼性を出力するデッドレコニング装置。
2. 請求項１記載のデッドレコニング装置において、
   外部に絶対位置の推定結果とその信頼性を出力する手段を一つ以上備え、
   基準位置が与えられている前記デッドレコニング装置が出力する絶対位置とその信頼性を、前記絶対位置・信頼性出力手段の出力と統合することで、現時点における絶対位置の推定結果とその信頼性を更新して出力することを特徴とする、
   歩行動作に基づくデッドレコニング装置と外部絶対位置・信頼性出力手段を組み合わせた絶対位置・信頼性出力装置。
3. 請求項２記載の歩行動作に基づくデッドレコニング装置と外部絶対位置・信頼性出力手段を組み合わせた絶対位置・信頼性出力装置において、
   前記外部絶対位置・信頼性出力手段が、正規分布の平均ベクトルと分散共分散行列によって絶対位置と信頼性をそれぞれ出力し、
   基準位置が前もって与えられている前記デッドレコニング装置は、絶対位置とその信頼性を正規分布の平均ベクトルＭ（ｉ）と誤差分散共分散行列Ｃ（ｉ）によってそれぞれ出力し、
   前記絶対位置・信頼性の出力手段が出力する絶対位置とその信頼性と統合することで、前記デッドレコニング装置と前記絶対位置・信頼性出力手段の出力結果を組み合わせて、現在の位置の推定結果とその信頼性を出力することを特徴とする、
   歩行動作に基づくデッドレコニング装置と外部絶対位置・信頼性出力手段を組み合わせた絶対位置・信頼性出力装置。

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