JP4841385B2 - 消費エネルギー計測装置および消費エネルギー計測システム - Google Patents
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例えば、平地のときのエネルギー消費量と階段昇りのエネルギー消費量では、後者のほうが明らかに大きいにもかかわらず同じエネルギー消費量とされ、正しいエネルギー消費量を計算することができない。
消費エネルギー計測装置は、GPS衛星から受信したGPS信号に基づいて当該装置の位置情報と時刻情報を取得して、測位情報として測位情報記憶部に記憶する測位情報取得部と、加速度センサで検出した3次元加速度成分を取得して、加速度情報として加速度情報記憶部に記憶する加速度情報取得部と、前記測位情報と前記加速度情報を基に、所定期間のエネルギー消費量を算出する消費エネルギー算出部と、を備え、前記消費エネルギー算出部は、前記加速度情報から算出されるエネルギー消費量が前記測位情報から算出されるエネルギー消費量より小さいときには、前記加速度情報から算出するエネルギー消費量を選択し、さもない場合には、前記加速度情報と前記測位情報から算出するエネルギー消費量を選択して、総エネルギー消費量を算出する。
ここで、携帯電話が、消費エネルギー計測装置を搭載しても構わない。
前記携帯端末は、消費エネルギー計測の開始と終了を当該端末と前記サーバとに指示する指示部と、GPS衛星から受信したGPS信号に基づいて当該装置の位置情報と時刻情報を取得して、測位情報として前記サーバへ転送する測位情報取得部と、加速度センサで検出した3次元加速度成分を取得して、加速度情報として前記サーバへ転送する加速度情報取得部と、を備えている。
また、前記サーバは、前記携帯端末から受信した測位情報と加速度情報を基に、所定期間のエネルギー消費量を計算する消費エネルギー算出部と、前記消費エネルギー算出部で算出されたエネルギー消費量を前記携帯端末へ送信する送信部と、を備えている。
ここで、前記携帯端末を携帯電話としてもよい。
このような構成をとると、前記携帯端末からネットワークを介して消費エネルギー計測の起動および停止が行えるようになる。
測位情報受信部2は、GPS衛星から受信するGPS信号に基づいて現在の位置情報(緯度、経度、標高)と時刻情報(UTC時刻)とを取得し、速度情報(方向、速さ)を計算して、それらを制御部1に渡す。
加速度センサ3は、身体の動きによって生じる互いに直交する3軸方向(左右、前後、上下)の加速度成分を検出し、それらを制御部1に渡す。
表示部5は、例えば、液晶ディスプレイ(LCD)等から構成され、制御部1から供給される表示データに基づき、操作部4により入力されたデータやエネルギー消費量推定結果や警報等を表示する。
記憶部6は、不揮発性のメモリや揮発性のメモリなどで構成され、制御部1で実行される制御プログラム、各種アプリケーションプログラムやデータを格納したり、制御プログラムや各種アプリケーションプログラムが実行時に一時的にデータ等を格納する。
時計8は、基準時刻を生成し、測位情報受信部2と加速度センサ3とに供給して、これらを同期させて作動させる。測位情報受信部2のGPS信号に基づいて得られた時刻(UTC)は、時計8が正しく時を刻むように補正する。
図2は、消費エネルギー計測部7の機能構成を示すブロック図であり、同図において、消費エネルギー計測部7は、消費エネルギー算出部70、計測開始指示部71、測位情報取得部72、加速度情報取得部74、消費エネルギー表示部78、計測終了指示部79を含んでいる。また、個人情報、途中経過や累積結果を記憶するために、測位情報記憶部73、加速度情報記憶部75、移動履歴記憶部76、個人情報記憶部77を記憶部6に保持する。
消費エネルギー計測部7は、図1のようなハードウェア構成において、図2のような機能構成により、ユーザの移動・運動に伴って消費されるエネルギーを算定する。
M: 質量[g]を表し、本実施形態ではユーザの体重を表す。
t:GPS信号に基づいて得た衛星時計の時刻をUTCで表す。
P(t): 測位情報受信部2でGPS信号に基づいて得た位置情報(緯度[°]、経度[°]、標高[m])を表す。
A(t): 加速度センサ3から得る3次元加速度 [m/sec2]を表す。また、各成分(x成分、y成分、z成分)を(Ax(t), Ay(t), Az(t))と表記する。
V(t): 測位情報受信部2でGPS信号から計算した速度情報(真北を0°とした方向、速さ[m/sec])を表す。
μ: 摩擦係数を表す。
g: 重力の加速度を表し、ここでは-9.8[m/sec2]とする。
E[J]:ジュールで表したエネルギー消費量を表す。
E[cal]:カロリーで表したエネルギー消費量を表す。
測位情報記憶部73は、図3に例示するように、測位情報取得部72によって取得された本消費エネルギー計測装置の位置情報および速度情報を測位ポイントごとに記憶する。
測位情報記憶部73は、同図によると、測位ポイントごとに、測位ポイント名、時刻(UTC:Coordinated Universal Time)、位置情報(緯度(°)、経度(°)、標高(m))、速度情報(真北を0°とする方向(°)、速さ(m/sec))を記憶する。
ユーザがエネルギー消費量の計測を開始したいときには、本消費エネルギー計測装置の操作部4に備えた開始ボタンを押すか、または、エネルギー消費量の計測メニューから開始を選択する。
計測開始指示部71は、予め設定しておいた時間間隔を時計8に設定する。これにより測位情報受信部2や加速度センサ3がそれぞれ起動されそれぞれの情報が獲得されるようになる。
これにより、ユーザの移動(運動)によって情報が集められ、エネルギー消費量がリアルタイムで算定されて表示される。
制御部1は、終了ボタンが押されたこと、または終了の選択がなされたことを検知し、計測終了指示部79を実行させる。
計測終了指示部79は、測位情報受信部2および加速度センサ3を停止させるとともに、測位情報取得部72および加速度情報取得部74も停止させる。これによりエネルギー消費量の算出・表示が停止する。
V(t) = dP(t)/dt
として求めて、代用することにする。
従来、エネルギー消費量は、移動エネルギーと位置エネルギーとの総和として、次の式(4)で求められていた。
また、図7によると、人が電車/自動車に乗っているときには、(A)の場合、加速度エネルギーの振動は小さく、(B)の場合、消費エネルギーは大きく計測される。
また、加速度センサで計測した情報によるエネルギー消費量がGPS信号に基づいて計測した測位情報から求められたエネルギー消費量と比べて同じ程度であれば、人は乗り物には乗っていないと判定して、測位情報と加速度情報とからエネルギー消費量を求めるようにした。
ここで、距離は、最新の測位ポイントと1つ前の測位ポイント間で∫(dP(t)/dt)・dtを計算することによって得る。
移動履歴記憶部76に累積される消費エネルギーは、測位ポイント間におけるものであるから、計測開始から現時点までの計測結果を表示させるために、次のように移動距離、移動時間と平均移動速度を計算して、図8に例示したように、測位情報記憶部73から現時点の時刻、位置情報と速度情報を取得して、計算結果とともに表示部5に表示させる。
(移動時間)=(移動履歴記憶部76に記憶された最新の測位ポイントにおける時刻)−(移動履歴記憶部76に記憶された計測開始の測位ポイントにおける時刻)。
(平均時速)=(移動距離)/(移動時間)。
(1)操作部4を操作して、エネルギー消費量の計測メニューを表示させる。
このメニューには、「計測開始」、「計測終了」の他に「計測結果選択表示」と「計測結果表示」の項目がある。
(2)「計測結果表示」を選択すると、移動履歴記憶部76に記憶されている計測開始から計測終了までの全区間におけるエネルギー消費量を表示する。
(3)「計測結果選択表示」を選択すると、移動履歴記憶部76に記憶されている測位ポイント名とその測位ポイントでの時刻の対応表が表示され、この中からエネルギー消費量を表示させたい開始と終了の測位ポイントを指定すると、この間におけるエネルギー消費量を表示する。
(移動距離)=(開始の測位ポイントと終了の測位ポイント間の距離の総和)。
(移動時間)=(終了の測位ポイントにおける時刻)−(開始の測位ポイントにおける時刻)。
(平均時速)=(移動距離)/(移動時間)。
まず、ユーザは、本消費エネルギー計測装置の操作部4に備えた開始ボタンを押すか、または、エネルギー消費量の計測メニューから開始を選択して、エネルギー消費量の計測を開始させる。本消費エネルギー計測装置では、開始ボタンが押されたこと、または開始の選択がなされたことを検知し、予め設定しておいた時間間隔に時計8で生成される時刻に、測位情報受信部2や加速度センサ3がそれぞれ起動されそれぞれの情報が獲得されるようになる(ステップS10)。
ここで、距離は、最新の測位ポイントと1つ前の測位ポイント間で∫(dP(t)/dt)・dtを計算することによって得る。
上記のエネルギー消費量を、式(6)乃至式(8)でカロリー単位に変換することによって、カロリー単位で表示するようにしてもよい。
その測位ポイントから、測位情報記憶部73に記憶された測位情報を参照し、図11のように地図を表示部5に提示して、その地点でのエネルギー消費量を表示するようにしてもよい。
一方、エネルギー消費量の計測終了を検知しなかったときには(ステップS18/YES)、ステップS11へ戻って、次の測位ポイントの入力を待つ。
今、ユーザが本消費エネルギー計測装置をポケットに入れて、図11に示した約7km周回コースを2周、合計約14kmをランニングしたとする。
本消費エネルギー計測装置では、約2秒毎に得られる測位情報を順次入力して、図3に示すようなデータを蓄積する。図12は、ランニング距離と測位情報のうち標高との関係を示し、測位ポイントP106,P136,P137,P589,P590の各点の位置に丸印が付されている。また、図13は、測位ポイントP136およびP137付近で測定された測位情報の時刻、速度情報(方向と速さ)、位置(緯度、経度、標高)を数値で示し、速度情報を矢印で示すものである。
ここで、この例における(緯度、経度)の位置付近では、0.00001°は約1.11111mであるとする。
隣接した2つの測位ポイントP136とP137の測位データを式(1)に代入して、この2点間のエネルギー消費量を試算する。
(式(1)の右辺の第1項)=∫ M・(dV(t)/dt + μ・V(t))・(dP(t)/dt)・dt
=M・((V(t137)-V(t136))/(t137-t136) + μ・V(t137))・((P(t137)-P(t136))/(t137-t136))・(t137-t136)
=M・((V(t137)-V(t136))/(2.2) + μ・V(t137))・(P(t137)-P(t136))
=M・((1.58m/sec, 35°)/(2.2) + μ・(3.6m/sec, 318°))・(8.6m, 320°)
=M・((1.58・8.6・cos(75°)/(2.2) + μ・3.6・8.6・cos(2°))
=M・( 1.60 + μ・30.94 )
=- M・g ・((P(t137)-P(t136))/(t137-t136))・(t137-t136)
=- M・g ・(P(t137)-P(t136))
=- M・(-9.8) ・(-1)
=- M・9.8
E (P137-P136) [J] ∝(式(1)の右辺の第1項)+式(1)の右辺の第2項)
∝ M・( 1.60 + μ・30.94 ) -M・9.8
∝ M・( -8.20 + μ・30.94 )
隣接した2つの測位ポイントP590とP589の測位データを式(1)に代入して、この2点間のエネルギー消費量を試算する。
(式(1)の右辺の第1項)=∫ M・(dV(t)/dt + μ・V(t))・(dP(t)/dt)・dt
=M・((V(t590)-V(589))/(t590-t589) + μ・V(t590))・((P(t590)-P(t589))/(t590-t589))・(t590-t589)
=M・((V(t590)-V(589))/(2.1) + μ・V(t590))・(P(t590)-P(t589))
=M・((0.69m/sec, 34°)/(2.1) + μ・(2.73m/sec,122°))・(7.28m, 106°)
=M・((0.69・7.28・cos(72°)/(2.1) + μ・2.73・7.28・cos(16°))
=M・( 1.55 + μ・19.10 )
=- M・g ・((P(t590)-P(t589))/(t590-t589))・(t1590-t589)
=- M・g ・(P(t590)-P(t589))
=- M・(-9.8) ・(1)
=+ M・9.8
E (P590-P589) [J] ∝(式(1)の右辺の第1項)+式(1)の右辺の第2項)
∝ M・( 1.55 + μ・19.10 ) + M・9.8
∝ M・( 11.35 + μ・19.10 )
図3、12、13を参照すると、(a)付近は、下り坂を時速13kmで右にカーブしながら走っており、(b)付近では、登り坂を時速10kmでほぼ直線に走っているので、位置エネルギーの観点から(a)付近では減り、(b)付近では増えている。
仮に、M=60kg, μ=1.0とすれば、
E (P137-P136) [J] ∝ 1364
E (P590-P589) [J] ∝ 1827
となり、登り坂の(b)付近のエネルギー消費量は下り坂の(a)付近のそれに比べて1.3倍大きい。
E (P137-P136) [cal] = 0.24 × 1364 = 327 [cal]
E (P590-P589) [cal] = 0.24 × 1827 = 438 [cal]
また、一般に、測位ポイントP200からP1000まで、スタートから現在地まで、というように任意の区間のエネルギー消費量を式(1)で算出することができる。
したがって、このランニングで消費した総エネルギー量は、次のような算出結果が期待できる。
エネルギー消費量:E [J] = 3500 [Kjoule]
E [cal] = 840 [Kcal]
例えば、図14(A)に示したように、携帯電話である端末Aで計測した測位情報(位置情報、速度情報、時刻情報)と加速度情報を通信部によってネットワークで接続されたサーバへ送信し、これらの情報を基にこのサーバでエネルギー消費量を算出し、算出したエネルギー消費量を端末Aで受信して表示するようにしてもよい。
(1)端末Aの測位情報を得るためにGPS衛星からGPS信号を受信する(GPS受信部)。このGPS信号に基づいて現在の位置情報(緯度、経度、標高)と時刻情報(UTC時刻)を取得し、さらに速度情報(方向、速さ)を計算し、ネットワークを介してサーバへ転送する(測位情報送信部)。
また、端末Aは、サーバに対して、消費エネルギー計測の開始・終了もネットワークを介して指示する。
(5)また、端末Aでは、エネルギー消費の計測が終了した後に、サーバに対して計測された任意の測位ポイント間あるいは全ての測位ポイント間におけるエネルギー消費量の算出を要求し、返信されてきたエネルギー消費量を表示部へ表示する。
(6)端末Aから計測開始の指示を受信したときには、端末Aから送られてくるデータの初期化(例えば、データ記憶領域の初期化や累積計算領域の初期化等)を行う。また、計測終了の指示を受信したときには、計測データの終了処理を行う。
(7)端末Aから受信した測位情報および加速度情報をそれぞれ記憶部へ格納する。
また、測位情報が受信されたときには、上述した方式によりエネルギー消費量を算出し、途中経過を記憶部へ格納するとともに、端末Aへ返信する。
(8)端末Aから計測の終了した後のエネルギー消費の提示要求を受信したときには、記憶部に記憶された途中経過から、指定された測位ポイント間あるいは全ての測位ポイント間におけるエネルギー消費量を算出し、端末Aに返信する。
(1)端末Aには、エネルギー消費量の計測を開始や終了を指示するための開始ボタン/終了ボタンあるいはメニューを備えており、これらの指示により端末Aは、端末Bに対して、消費エネルギー計測の開始・終了もネットワークを介して指示する。
(2)端末Aは、端末Bから送られてきたエネルギー消費量を受信して、表示部へ表示させる。
(3)また、端末Aでは、エネルギー消費の計測が終了した後に、端末Bに対して計測された任意の測位ポイント間あるいは全ての測位ポイント間におけるエネルギー消費量の算出を要求し、返信されてきたエネルギー消費量を表示部へ表示する。
(4)端末Aから計測開始の指示を受信したときには、データの初期化(例えば、データ記憶領域の初期化や累積計算領域の初期化等)を行う。また、計測終了の指示を受信したときには、計測データの終了処理を行う。
(5)端末Bの測位情報を得るためにGPS衛星からGPS信号を受信し、このGPS信号に基づいて現在の位置情報(緯度、経度、標高)と時刻情報(UTC時刻)を取得し、さらに速度情報(方向、速さ)を計算して、記憶部へ格納する。
(7)測位情報が受信されたときには、上述した方式によりエネルギー消費量を算出し、途中経過を記憶部へ格納するとともに、端末Aへ返信する。
(8)端末Aから計測の終了した後のエネルギー消費の提示要求を受信したときには、記憶部に記憶された途中経過から、指定された測位ポイント間あるいは全ての測位ポイント間におけるエネルギー消費量を算出し、端末Aに返信する。
また、図14(B)の端末Aは、図14(A)の端末Aと同じ機能をもつ端末であってもよい。
また、図14(C)の端末Aは、図14(A)の端末Aと同じ機能をもつ端末であってもよい。
Claims (5)
- GPS衛星から受信したGPS信号に基づいて当該装置の位置情報と時刻情報を取得して、測位情報として測位情報記憶部に記憶する測位情報取得部と、加速度センサで検出した3次元加速度成分を取得して、加速度情報として加速度情報記憶部に記憶する加速度情報取得部と、前記測位情報と前記加速度情報を基に、所定期間のエネルギー消費量を算出する消費エネルギー算出部と、を備え、
前記消費エネルギー算出部は、前記加速度情報から算出されるエネルギー消費量が前記測位情報から算出されるエネルギー消費量より小さいときには、前記加速度情報から算出するエネルギー消費量を選択し、さもない場合には、前記加速度情報と前記測位情報から算出するエネルギー消費量を選択して、総エネルギー消費量を算出することを特徴とする消費エネルギー計測装置。 - 請求項1に記載の消費エネルギー計測装置を備えることを特徴とする携帯電話。
- 携帯端末とサーバとをネットワークで接続した消費エネルギー計測システムにおいて、
前記携帯端末は、GPS衛星から受信したGPS信号に基づいて当該携帯端末の位置情報と時刻情報を取得して、測位情報として前記サーバへ転送する測位情報取得部と、加速度センサで検出した3次元加速度成分を取得して、加速度情報として前記サーバへ転送する加速度情報取得部と、を備え、
前記サーバは、前記携帯端末から受信した測位情報と加速度情報を基に、所定期間のエネルギー消費量を算出する消費エネルギー算出部と、前記消費エネルギー算出部で算出されたエネルギー消費量を前記携帯端末へ送信する送信部と、
を備え、
前記消費エネルギー算出部は、前記加速度情報から算出されるエネルギー消費量が前記測位情報から算出されるエネルギー消費量より小さいときには、前記加速度情報から算出するエネルギー消費量を選択し、さもない場合には、前記加速度情報と前記測位情報から算出するエネルギー消費量を選択して、総エネルギー消費量を算出することを特徴とする消費エネルギー計測システム。 - 請求項3に記載の消費エネルギー計測システムにおいて、
前記携帯端末は、消費エネルギー計測の開始と終了を当該端末と前記サーバとに指示する指示部を備え、前記携帯端末からネットワークを介して消費エネルギー計測の起動および停止を行えるようにしたことを特徴とする消費エネルギー計測システム。 - GPS衛星から受信したGPS信号に基づいて当該装置の位置情報と時刻情報を取得して、測位情報として測位情報記憶部に記憶する測位情報取得ステップと、加速度センサで検出した3次元加速度成分を取得して、加速度情報として加速度情報記憶部に記憶する加速度情報取得ステップと、前記測位情報と前記加速度情報を基に、所定期間のエネルギー消費量を算出する消費エネルギー算出ステップと、を含み、
前記消費エネルギー算出ステップでは、前記加速度情報から算出されるエネルギー消費量が前記測位情報から算出されるエネルギー消費量より小さいときには、前記加速度情報から算出するエネルギー消費量を選択し、さもない場合には、前記加速度情報と前記測位情報から算出するエネルギー消費量を選択して、総エネルギー消費量を算出することを特徴とする消費エネルギー計測方法。
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