JP4954792B2 - 速度計 - Google Patents

Description

本発明は、使用者の移動速度を計測する速度計に関する。

従来から、歩数計測用のセンサとして加速度センサが使用されており、前記加速度センサから出力される上下振動或いは着地衝撃による信号から、歩数を求め、予め決められた所定の歩幅を掛け、移動距離や移動速度を求める技術は古くから公知である。
しかしながら、歩数を正確に求めることは比較的容易だが、正確な歩幅の設定が困難である。

歩幅を正確に求める（設定する）ために、次のような技術が提案されている。
例えば、特許文献１には、歩数×歩幅で求める移動距離の精度を高めるため、ピッチに応じて歩幅を調整するようにした発明が開示されている。
また、特許文献２には、加速度と歩幅の相関を利用し、加速度から正確な歩幅を求め、それに歩数を掛けて移動距離を求めるようにした発明が開示されている。

このように、特許文献１、２記載の発明においては、歩幅に基づいて速度を算出するように構成している。
しかしながら、「ピッチと歩幅」、「加速度と歩幅」いずれもある程度の相関はあるが、条件が限定されたり、相関が弱かったりと、歩幅について十分な精度が得られない。したがって、歩幅に基づいて正確な速度を求めることは困難という問題がある。

特開平７−３３３０００号公報 特開平９−１５２３５５号公報

本発明は、歩幅に基づかずに移動速度を計測できるようにすることを課題としている。

本発明によれば、使用者の腕部及び脚部を除く身体部位に装着して使用され、使用者の移動によって生じる加速度に対応するレベルの加速度信号を出力する加速度センサ手段と、前記使用者の移動速度と前記加速度信号の関係式を算出する関係式算出手段と、少なくとも前記関係式を記憶する記憶手段と、前記加速度センサ手段から加速度信号を受信し、前記加速度信号、前記記憶手段に記憶した前記関係式を用いて前記使用者の移動速度を算出する速度算出手段とを備えて成ることを特徴とする速度計が提供される。

加速度センサ手段は、使用者の腕部及び脚部を除く身体部位に装着して使用され、移動によって生じる加速度に対応するレベルの加速度信号を出力する。関係式算出手段は、前記使用者の移動速度と前記加速度信号の関係式を算出する。速度算出手段は、前記加速度センサ手段から加速度信号を受信し、前記加速度信号、記憶手段に記憶した前記関係式を用いて前記使用者の移動速度を算出する。

ここで、前記関係式算出手段は、前記使用者が既知の距離を移動することによって得られる移動速度と前記加速度信号のレベルとの関係に基づいて前記定数を算出するように構成してもよい。
また、前記関係式算出手段は、前記使用者が既知の所定距離を移動するに要した時間を複数回計測することによって得られる移動速度の平均値と、前記加速度信号レベルの平均値とに基づいて前記定数を算出するように構成してもよい。

また、前記関係式はＹ＝ａＸ＋ｂ（但し、Ｙは平均移動速度、Ｘは加速度信号レベルの平均値、ａ及びｂは定数）であり、前記関係式算出手段は、２回の計測結果に基づいて前記定数ａ、ｂを算出するように構成してもよい。
また、前記加速度センサ手段は、相互に感度軸が異なる複数の加速度センサを含むように構成してもよい。

また、少なくとも前記加速度センサ手段は前記使用者の腰部又は胸部に装着して使用されるように構成してもよい。
また、前記速度を表示する表示手段を有し、前記表示手段は腕に装着して使用されるように構成してもよい。
また、前記加速度センサ手段からの加速度信号に基づいて歩数を算出する歩数算出手段を備えて成るように構成してもよい。

本発明によれば、歩幅に基づかずに移動速度を計測することが可能になる。

先ず、本発明の実施の形態に係る速度計において、速度計測を行うための基本概念を説明する。本実施の形態に係る速度計において、使用者の歩行速度を計測するために加速度センサを使用している。
図７は、本実施の形態に使用する加速度センサの装着部位を示す図である。

少なくとも加速度センサ７０２は使用者７０１の身体部位に装着して使用するが、歩行状態で動きの少ない身体部位に装着して使用する。例えば、使用者７０１の腕部（指から二の腕までの部位）７０６及び脚部（つま先から大腿部までの部位）７０７を除く身体部位に装着して使用される。加速度センサ７０２の装着部位としては、腰部７０４あるいは胸部７０５が好適である。頭部や首部に装着して使用することもできる。
加速度センサ７０２からの加速度信号に基づいて算出した歩行速度は、無線送信等によって、手首に装着した表示部７０３により表示する。

図８は、歩行ピッチと、加速度センサから出力される加速度信号の所定時間（例えば６０秒）の平均値（平均加速度）との関係を示す特性図である。図８には、使用者７０１が加速度センサ７０２を腰部７０４に装着した状態で、異なる３種類の速度で歩行した例を示している。特性８０１〜８０３は、各々、歩行速度が４ｋｍ／ｈ、５ｋｍ／ｈ、６ｋｍ／ｈで歩行した場合の特性である。

図８から解るように、所定時間の平均加速度は歩行ピッチが変化した場合でも略一定であり、平均加速度と歩行速度には高い相関関係がある。
本実施の形態に係る速度計は、加速度センサから出力される加速度の、所定時間における平均値と使用者の移動速度に高い相関があり、この相関は、加速度センサの装着部位をある程度限定すれば、歩行ピッチに依存しないという知見に基づいて成されたものである。
尚、図８の特性は、加速度センサ７０２を使用者７０１の腰部７０４に装着した状態で計測したものであるが、胸部７０５等の歩行状態で動きの少ない部位（腕部７０６や脚部７０７以外の身体部位）に装着しても同様の結果が得られると考えられる。

以下、本発明の実施の形態に係る速度計について説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る速度計のブロック図である。
図１において、速度計は、使用者の歩行を検出して、その加速度に対応するレベルの加速度信号を出力する検出部１０１、操作スイッチ等によって構成され速度計測開始操作等の各種操作を行う入力部１０２、検出部１０１からの加速度信号に基づいて歩行速度や歩数の算出処理等を行う処理部１０３、計測した歩行速度や歩数等を表示する表示部１０４および記憶部１０５を備えている。

検出部１０１は、相互に感度軸が異なる（本実施の形態では相互に９０度異なる）加速度センサ１０９、１１１、１１３を有する複数（本実施の形態では３つ）の加速度センサ部１０６〜１０８を備えている。
加速度センサ部１０６は、Ｘ軸方向の感度軸を有し加速度に応じた信号レベルのアナログ形式の加速度信号を出力する加速度センサ１０９、加速度センサ１０９からの加速度信号をサンプリングすることによってアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換して、対応する信号レベルのデジタル形式加速度信号を出力する加速度レベル検出部１１０を備えている。

同様に、加速度センサ部１０７は、Ｙ軸方向の感度軸を有し加速度に応じた信号レベルのアナログ形式の加速度信号を出力する加速度センサ１１１、加速度センサ１１１からの加速度信号をアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換して、対応する信号レベルのデジタル形式加速度信号を出力する加速度レベル検出部１１２を備えている。
また、加速度センサ部１０８は、Ｚ軸方向の感度軸を有し加速度に応じた信号レベルのアナログ形式の加速度信号を出力する加速度センサ１１３、加速度センサ１１３からの加速度信号をアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換して、対応する信号レベルのデジタル形式加速度信号を出力する加速度レベル検出部１１４を備えている。

処理部１０３は、中央処理装置（ＣＰＵ）によって構成されている。
記憶部１０５は、処理部１０３が実行するプログラムを記憶したＲＯＭおよび処理部１０３がプログラムを実行する際に作業領域等として使用されるＲＡＭから構成される。記憶部１０５のＲＡＭには、検出部１０１からの加速度信号に基づいて速度算出を行うための速度演算式の記憶領域１１５、速度データの記憶領域１１６、特定速度時の加速度データ１、２の記憶領域１１７、１１８が設けられている。また、図示していないが、歩数やピッチ等のデータを記憶するデータ記憶領域が設けられている。

発振部１１９は、計時動作の基準となる時計信号を生成する。処理部１０３は、入力部１０２の操作に応じて、発振部１１９からの時計信号を基に歩行時間等の時間計測をすることができる。
表示部１０４は処理部１０３と有線によって接続するように構成できるが、図７で説明したように、無線によって処理部１０３と接続するように構成してもよい。

ここで、検出部１０１、表示部１０４、記憶部１０５は、各々、加速度センサ手段、表示手段、記憶手段を構成している。また、処理部１０３は関係式算出手段、速度算出手段および歩数算出手段を構成している。

加速度センサ手段は、使用者の腕部及び脚部を除く身体部位に装着して使用され、歩行によって生じる加速度に対応するレベルの加速度信号を出力することができる。
関係式算出手段は、予備モードにおいて前記使用者の歩行速度と前記加速度信号の関係式を算出することができる。記憶手段は前記関係式を記憶することができる。

速度算出手段は、計測モードにおいて前記加速度センサ手段からの加速度信号を受信し、前記記憶手段に記憶した前記関係式を用いて前記使用者の歩行速度を算出することができる。
表示手段は前記速度及び／又は歩数を表示することができ、例えば、腕に装着して使用するように構成できる。

図２及び図３は、平均加速度信号レベルと歩行速度との関係を求めるモード（予備モード）の処理を示すフローチャートである。この処理は、主として処理部１０３が記憶部１０５のＲＯＭに記憶したプログラムを記憶部１０５のＲＡＭにロードして実行することによって行われる。
また、図４及び図５は、前記予備モードにおいて表示部１０４の表示内容を示す図である。
以下、図１〜図５を用いて、予備モードの動作を説明する。

先ず使用者は、少なくとも加速度センサ１０９、１１１、１１３を自己の腰部に装着し、入力部１０２を操作することによって予備モードの動作を開始させる。
処理部１０３は、入力部１０２による予備モード開始操作に応答して、表示部１０４が図４（ａ）の表示を行うように制御する。
使用者は、表示部１０４の表示を見て、入力部１０２のボタンを押して予備モードでの計測スタートを入力し、第１速度（ゆっくり）（例えば４ｋｍ／ｈ）で歩行を開始する。

処理部１０３は、予備モードでの計測スタートを検出すると（ステップＳ２０１）、発振部１１９からの時計信号に基づいて計時動作を開始する（ステップＳ２０２）。
同時に、各加速度センサ１０９、１１１、１１３も動作開始して、加速度に応じた信号レベルのアナログ形式加速度信号を出力する。

また、処理部１０３は、表示部１０４を図４（ｂ）の表示に切り換えるように制御する。
処理部１０３は、所定周期で生じるように設定したサンプリングタイミングが到来すると（ステップＳ２０３）、各加速度センサ１０９、１１１、１１３からの加速度信号を対応する加速度レベル検出部１１０、１１２、１１４がサンプリングして出力するように制御する。各加速度レベル検出部１１０、１１２、１１４は、対応する加速度センサ１０９、１１１、１１３からの加速度信号をデジタル信号形式の加速度信号に変換して出力する。

処理部１０３は、各加速度レベル検出部１１０、１１２、１１４からのデジタル形式加速度信号を検出し、加速度レベルを計測する（ステップＳ２０４）。このとき、加速度レベル検出部１１０、１１２、１１４から出力される加速度信号のレベルをＸＡ、ＹＡ、ＺＡとすると、加速度レベルは次式により算出する。
加速度レベル＝√（ＸＡ^２＋ＹＡ^２＋ＺＡ^２）
尚、本実施の形態では、３つの加速度センサ１０９、１１１、１１３を用いているため、加速度レベルを前記式によって算出したが、用いる加速度センサの数や条件等に応じて、適宜適切な式を用いて算出することができる。

次に、処理部１０３は、その内部カウンタ（図示せず）の計数値に１加算する（ステップ２０５）。前記カウンタの計数値は、１つの加速度レベル検出部からの加速度信号を計測した数に相当する。
次に処理部１０３は、記憶部１０５に記憶していた加速度レベルの積算値に、今回計測した加速度レベルを積算して、新たな加速度レベルの積算値を記憶部１０５に保存する（ステップＳ２０６）。

処理部１０３は、使用者が入力部１０２から計測ストップ指示を入力しない限り、処理ステップＳ２０２に戻って前記処理を繰り返す（ステップＳ２０７）。
使用者は、１００ｍ歩行した時点で、入力部１０２を操作して計測ストップ指示を入力する。処理部１０３は、処理ステップＳ２０７において、使用者が入力部１０２から計測ストップ指示を入力したと判断すると、計時動作を終了する（ステップＳ２０８）。同時に処理部１０３は、表示部１０４を図４（ｃ）の表示に切り換えるように制御する。

次に処理部１０３は、計測した時間及び加速度レベル積算値に基づいて単位時間当たりの平均加速度レベル１を算出する（ステップＳ２０９）。このとき、処理部１０３は下記式によって平均加速度レベル１を算出する。
平均加速度レベル１＝加速度レベル積算値／カウンタの計数値

次に処理部１０３は、計測した時間及び既知の歩行距離（本実施の形態では表示部１０４に表示した距離１００ｍ）に基づいて計測期間中の平均速度１を算出する（ステップＳ２１０）。このとき、処理部１０３は下記式によって平均速度１を算出する。
平均速度１＝歩行距離／計測時間
処理部１０３は、算出した平均加速度レベル１及び平均速度１を対応付け、これを特定速度時加速度データ１として記憶部１０５の記憶領域１１７に記憶し、１回目の計測処理を終了する（ステップＳ２１１）。

続いて処理部１０３は、表示部１０４が図５（ａ）の表示を行うように制御する。
使用者は、表示部１０４の表示を見て、入力部１０２のボタンを押して予備モードでの２回目の計測スタートを入力し、第２速度（はやく）（例えば６ｋｍ／ｈ）で歩行を開始する。

処理部１０３は、予備モードでの２回目の計測スタートを検出すると、前記１回目の計測と同様の処理を行い、下記式によって平均加速度レベル２及び平均速度２を算出する。処理部１０３は、これらを対応付け、特定速度時加速度データ２として記憶部１０５の記憶領域１１８に記憶し、処理を終了する（ステップＳ２０１〜Ｓ２１１）。
平均加速度レベル２＝加速度レベル積算値／カウンタの計数値
平均速度２＝歩行距離／計測時間

続いて処理部１０３は、記憶部１０５に記憶した特定速度時加速度データ１、２を参照して（図３のステップＳ３０１、Ｓ３０２）、下記の速度演算式の定数ａ、ｂを算出し、速度演算式を決定する（ステップＳ３０３）。
平均速度＝ａ×平均加速度レベル＋ｂ
このようにして平均速度と平均加速度レベルの関係式が求められるため、以後、処理部１０３は、前記速度演算式を用いて、検出部１０１からの加速度信号に基づいて、当該使用者の平均歩行速度を算出することが可能になる。

処理部１０３は、前記速度演算式を記憶部１０５の記憶領域１１５に格納して記憶する（ステップＳ３０４）。尚、定数ａ、ｂのみを記憶部１０５に記憶し、前記定数を用いて所定の演算処理を行って前記速度演算式と同じ演算を行うようにしてもよい。このように、少なくとも使用者の歩行速度と加速度信号の関係式に用いる定数を記憶部１０５に記憶するように構成することができる。

図６は、前記の如くして決定した速度演算式を用いて歩行速度を計測するモード（計測モード）の処理を示すフローチャートである。この処理は、主として処理部１０３が記憶部１０５のＲＯＭに記憶したプログラムを記憶部１０５のＲＡＭにロードして実行することによって行われる。

先ず使用者は、予備モードと同様に、少なくとも加速度センサ１０９、１１１、１１３を自己の腰部に装着し、入力部１０２を操作することによって計測モードの動作を開始させると共に歩行開始する。
処理部１０３は、入力部１０２による計測開始指示を検出すると（ステップＳ６０１）、計測動作を開始する。

これにより、各加速度センサ１０９、１１１、１１３が動作開始して、歩行によって生じる加速度に応じた信号レベルのアナログ形式加速度信号を出力する。
処理部１０３は、入力部１０２による計測終了（ストップ）指示を検出した場合には処理を終了するが（ステップＳ６０２）、前記指示を検出しない場合には、サンプリングタイミングが到来したか否かを判断する（ステップＳ６０３）。

処理部１０３は、サンプリングタイミングが到来したと判断すると、各加速度センサ１０９、１１１、１１３からの加速度信号を対応する加速度レベル検出部１１０、１１２、１１４がサンプリングして出力するように制御する。
処理部１０３は、各加速度レベル検出部１１０、１１２、１１４からのデジタル形式加速度信号を検出し、処理ステップＳ２０４と同様にして、加速度レベルを計測する（ステップＳ６０４）。尚、用いる加速度センサの数や条件等に応じて、適宜適切な式を用いて算出することができることは前記同様である。

次に処理部１０３は、記憶部１０５に記憶していた加速度レベルの積算値に、今回計測した加速度レベルを積算して、新たな加速度レベルの積算値を記憶部１０５に保存する（ステップＳ６０５）。
次に、処理部１０３は、その内部カウンタの計数値に１加算する（ステップ６０６）。前記カウンタの計数値は、１つの加速度レベル検出部からの加速度信号を計測した数に相当する。

処理部１０３は、平均加速度計測タイミングが発生したと判断すると（ステップＳ６０７）、記憶部１０５に記憶した加速度レベル積算値及び前記カウンタの計数値に基づいて単位時間当たりの平均加速度レベルを算出する（ステップＳ６０８）。平均加速度計測タイミングは、前記カウンタの計数値が所定値になる毎に発生するように構成できる。
処理部１０３は、前記カウンタをリセットして計数値を零にする（ステップＳ６０９）。

続いて処理部１０３は、前記速度演算式を参照し（ステップＳ６１０）、前記速度演算式に前記平均加速度レベルを代入することによって、平均速度を算出する（ステップＳ６１１）。
処理部１０３は、算出した平均速度の情報を表示部１０４に出力し（ステップS６１２）、前記速度を表示するように表示部１０４を制御する。これにより、表示部１０４には、使用者の平均速度が表示される。また、処理部１０３は、入力部１０２からの指示に応答して、検出部１０１からの加速度信号に基づいて歩数やピッチを算出し、表示部１０４に表示するように制御する。これにより、表示部１０４には、歩数、ピッチ等が表示される。

以上述べたように、本実施の形態に係る速度計によれば、歩幅に基づかずに歩行速度を計測することが可能になる。
また、歩行時に発生する加速度信号に基づいて歩行速度を算出するため、歩数と歩幅設定値をもとに歩行速度を演算する従来の速度計よりも高い精度で歩行速度を計測することが可能である。
また、使用者が歩幅を予め設定する必要はなく、また、歩行時の歩行状態（意図的な歩幅変更）に影響されない精度の高い速度計を実現することが可能になる。

尚、本実施の形態では、歩行速度の例で説明したが、歩行に限らず、走行等、使用者が移動する移動速度の測定に適用可能である。
また、速度計全体を一体構成する必要はなく、使用者の利便性を考慮して、加速度センサを搭載した送信部と、表示部を搭載した受信部とを別々の装置としてシステム構成することも可能である。この場合、送信部から受信部へデータを送信する方式として無線通信方式の利用も可能である。
また、送信データの種類によって、処理部の処理内容をそれぞれ送信部と受信部に適宜分割して搭載することも可能である。

使用者の腕部及び脚部以外の部位に装着し、前記使用者の移動速度を計測する速度計に利用可能である。また、心電計や歩数計等の他の機器と組み合わせた速度計としても利用可能である。

本発明の実施の形態に係る速度計のブロック図である。 本発明の実施の形態に係る速度計の処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る速度計の処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る速度計の表示内容を示す説明図である。 本発明の実施の形態に係る速度計の表示内容を示す説明図である。 本発明の実施の形態に係る速度計の処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に使用する加速度センサの装着部位を示す図である。 本発明の実施の形態におけるピッチ−平均加速度の関係を示す特性図である。

符号の説明

１０１・・・検出部
１０２・・・入力部
１０３・・・処理部
１０４・・・表示部
１０５・・・記憶部
１０６〜１０８・・・加速度センサ部
１０９、１１１、１１３・・・加速度センサ
１１０、１１２、１１４・・・加速度レベル検出部
１１５〜１１８・・・記憶領域
１１９・・・発振部

Claims (7)

1. 使用者の腕部及び脚部を除く身体部位に装着して使用され、使用者の移動によって生じる加速度に対応するレベルの加速度信号を出力する加速度センサ手段と、
   前記加速度センサ手段を用いて前記使用者の移動速度と前記加速度信号の関係式を算出する関係式算出手段と、
   少なくとも前記関係式を記憶する記憶手段と、
   前記加速度センサ手段から加速度信号を受信し、前記加速度信号、前記記憶手段に記憶した前記関係式を用いて前記使用者の移動速度を算出する速度算出手段とを備え、
   前記関係式算出手段は、前記使用者が既知の所定距離を移動するに要した時間を複数回計測することによって得られる移動速度の平均値と、前記加速度信号レベルの平均値とに基づいて前記関係式を算出することを特徴とする速度計。
2. 使用者の腕部及び脚部を除く身体部位に装着して使用され、使用者の移動によって生じる加速度に対応するレベルの加速度信号を出力する加速度センサ手段と、
   前記加速度センサ手段を用いて前記使用者の移動速度と前記加速度信号の関係式を算出する関係式算出手段と、
   少なくとも前記関係式を記憶する記憶手段と、
   前記加速度センサ手段から加速度信号を受信し、前記加速度信号、前記記憶手段に記憶した前記関係式を用いて前記使用者の移動速度を算出する速度算出手段とを備え、
   前記関係式はＹ＝ａＸ＋ｂ（但し、Ｙは平均移動速度、Ｘは加速度信号レベルの平均値、ａ及びｂは定数）であり、前記関係式算出手段は、２回の計測結果に基づいて前記定数ａ、ｂを算出することを特徴とする速度計。
3. 前記関係式算出手段は、前記使用者が既知の距離を移動することによって得られる移動速度と前記加速度信号のレベルとの関係に基づいて前記関係式を算出することを特徴とする請求項１又は２記載の速度計。
4. 前記加速度センサ手段は、相互に感度軸が異なる複数の加速度センサを含むことを特徴とする請求項１又は２記載の速度計。
5. 少なくとも前記加速度センサ手段は前記使用者の腰部又は胸部に装着して使用されることを特徴とする請求項１又は２記載の速度計。
6. 前記速度を表示する表示手段を有し、前記表示手段は腕に装着して使用されることを特徴とする請求項１又は２記載の速度計。
7. 前記加速度センサ手段からの加速度信号に基づいて歩数を算出する歩数算出手段を備えて成ることを特徴とする請求項１又は２記載の速度計。

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