JP4956811B2

JP4956811B2 - 歩数計

Info

Publication number: JP4956811B2
Application number: JP2008116791A
Authority: JP
Inventors: 義信本蔵; 竜二正木
Original assignee: Aichi Micro Intelligent Corp
Current assignee: Aichi Micro Intelligent Corp
Priority date: 2008-04-28
Filing date: 2008-04-28
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2028-04-28
Also published as: JP2009266060A

Description

本発明は、加速度センサを用いて歩行に対応する精確な動加速度信号を抽出することで、精度のよい計数ができる歩数計および携帯電話やＰＤＡなどの携帯機器に内蔵した歩数計に関するものである。

従来より、直交するＸ、Ｙ、Ｚの３軸加速度センサを用いて歩数を計数する電子式歩数計が開発されている。
歩数計は主として人の体に装着されて使用される。また携帯電話などの携帯機器に内蔵されることもあるので、歩数計の装着の仕方、歩き方などにより加速度センサには歩行以外のノイズとなる加速度成分が加わるため、その出力信号は複雑である。したがってこのような複雑な加速度信号から、精度よく歩数を計数するためには、歩行に対応する精確な動加速度信号を抽出することが肝要である。
例えば、特許文献１による方法では、Ｘ、Ｙ、Ｚそれぞれの加速度信号を２０ｍｓ間隔で検出し、図２（ａ）に示されるようにａ点とｂ点の検出値からｂ−ａの差分を２５６レベルで取り、歩数検出閾値を６と設定し、ｂ−ａが６以上であるとき１歩と判断している。しかしながら、この方法では歩行以外の原因による加速度が混入するとノイズとなり間違った判断をしてしまい、精度良く歩数のカウントが困難となる恐れがあった。

また、特許文献１には、Ｘ、Ｙ、Ｚの加速度検出方向それぞれの加速度センサの出力信号に対して、周波数成分に応じた歩数検出しきい値を設けることにより、歩数を検出する技術が開示されている。
しかし、このシステムでは歩行の１歩を判断するためにＸ、Ｙ、Ｚの３つの加速度信号それぞれに対して、周波数成分に応じて複数の歩数検出しきい値を設けることを必要としている。このため、システムの構成が複雑になり演算量が多く、歩数計を携帯機器に内蔵する場合には小型化および省電力化に対して障害となるおそれがある。

特開２００１−１４３０４８号公報

本発明は検出したＸ、Ｙ、Ｚの３軸加速度センサの加速度信号から歩行に対応する精確な振動する動加速度を抽出することで、シンプルな構成で精度よく歩数を計数できる、小規模システム、かつ低消費電力の歩数計を実現するものである。

前述の課題を達成するために、本発明の請求項１に記載の発明は、３軸加速度センサと、絶対値演算手段による３軸加速度センサの出力信号のベクトルの絶対値を第１の低周波フィルタ手段および該第１の低周波フィルタ手段よりも低い周波数成分を通過させる第２の低周波フィルタ手段に入力し、差動演算手段による前記第１および第２の低周波フィルタ手段のそれぞれの出力信号の差から、歩行に対応する精確な動加速度信号を求めることを特徴とする歩数計である。このように構成することにより、人の歩行の形態に伴って発生したり、人と歩数計との相対運動等に伴って発生する高周波ノイズや歩数計が姿勢変化することによって感受する重力成分等による低周波ノイズを大幅に低減し、歩行に対応する精確な動加速度信号を求めることができるので精度の高い歩数計を実現できる。また、本発明の歩数計は、Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸加速度センサからの３つの出力信号を絶対値に変換して一つの信号とすることにより、演算量を小規模にすることで、低消費電力の歩数計を実現するものである。

また、請求項２記載の発明は、前記第１の低周波フィルタ手段の後ろに前記第２の低周波フィルタ手段を直列に接続するともに、前記第１の低周波フィルタ手段の出力信号と前記第２の低周波フィルタ手段の出力信号の差から、歩行に対応する精確な動加速度信号を求めることを特徴とする歩数計である。

また、請求項３記載の発明は、請求項１および請求項２の歩数計において、前記第１の低周波フィルタ手段および前記第２の低周波フィルタ手段はそれぞれＩＩＲ低周波フィルタであることを特徴とする歩数計である。
なお、ＩＩＲ低周波フィルタとはＩｎｆｉｎｉｔｅＩｍｐｕｌｓｅＲｅｓｐｏｎｓｅ型の低周波通過デジタルフィルタである。

また、請求項４記載の発明は、請求項３における歩数計において、連続した所定回数の歩数を歩いたときに、任意の連続した２歩の歩行に要した時間が所定の時間以内であり、かつ任意の１歩に要した時間の最大値と最小値の差が所定の時間以内であるときに歩行状態であることを判定する、歩行状態判定手段を備えることを特徴とする歩数計である。この歩行状態判定装置により歩行の状態でないときに、それを判断して、その状態でかかる加速度を検知したときに誤カウントしてしまうことを防止することができる。そのため、更に精度の高い歩数計を実現できる。

また、請求項５記載の発明は、請求項４の歩数計において、前記動加速度信号の大きさがしきい値を超える回数が所定の回数に達するまでに、該動加速度信号のゼロ点を超える回数の合計値が所定の数以上であるときに歩行以外の加速度振動であると判定する、非歩行振動検出装置を備えることを特徴とする歩数計である。非歩行振動検出装置を備えることにより、歩行による加速度か歩行以外の原因による加速度、特に、キー操作による振動加速度を歩数として誤カウントしてしまうことを防止することができるので、携帯電話あるいは，ＰＤＡのような情報入力のためのキースイッチを持つ携帯機器に精確な歩数計を内蔵することを可能にする。

したがって、本発明によれば３軸加速度センサの出力信号から、歩行に対応する精確な歩行加速度をもとめることができる。更に、シンプルな構成で精度よく歩数を計数でき、小規模システム、かつ低消費電力の歩数計を実現できる。

本発明の実施の形態について図１〜図６を用いて説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態における歩数計１０の構成を示すブロック図である。この歩数計１０は、３軸加速度センサ２０、歩行加速度演算部３０、計数部４０および表示部５０から構成される。

３軸加速度センサ２０はＸ，Ｙ，Ｚの互いに直交する軸方向の３つの加速度信号Ａｘ、Ａｙ、Ａｚを出力するものであり、それぞれの出力信号はマイクロコンピュータのソフトウエアで構成する歩行加速度演算部３０の絶対値演算手段３１に接続される。

絶対値演算手段３１は√（Ａｘ²＋Ａｙ²＋Ａｚ²）という３軸の加速度ベクトルの絶対値信号ｐを算出するものであり、第１の低周波フィルタ手段である第１のＩＩＲ低周波フィルタ３２と、第２の低周波フィルタ手段である第２のＩＩＲ低周波フィルタ３３に出力する。この加速度の絶対値信号ｐは、たとえば図２（ａ）に示すように歩行による振動加速度信号とノイズとなる高周波の加速度信号および加速度センサのオフセットあるいは極低周波の信号を含み、そして常に正極性の信号である。
この絶対値信号ｐは加速度センサがどのような姿勢であっても、常にひとの歩行によって生じる振動による動加速度情報を含んでいる。
また、この加速度の絶対値信号ｐは、Ｘ，Ｙ，Ｚの前記３つの加速度信号が１つにまとめられたものであるから、これ以降の演算規模を１／３に縮小する効果があるのでコンピュータの消費電力を低くすることができる。

前記第１のＩＩＲ低周波フィルタ３２は第１の所定のカットオフ周波数を持つ低周波通過型のフィルタであり、前記加速度の絶対値信号ｐに含まれる歩行の計測に対してノイズとなる高周波成分を減衰させ、図２（ｂ）に示すような歩行による振動による動加速度信号ｓ１を出力する。

前記第２のＩＩＲ低周波フィルタ３３は前記第１の所定のカットオフ周波数よりも低い周波数の第２の所定のカットオフ周波数を持つ低周波通過型のフィルタであり、前記加速度の絶対値信号ｐを入力して図２（ｃ）に示す出力信号ｓ２を出力する。
第２のＩＩＲ低周波フィルタは、第２の所定のカットオフ周波数よりも低い周波数の信号を通過させるものであり、その出力信号は歩行時の極低周波の揺れによる加速度成分や、経年的に変化する加速度センサのゼロ点オフセット成分など、歩行の計測に対して主としてノイズとなる成分である。すなわち、この出力信号ｓ２においては歩行による振動による動加速度信号や前記高周波成分は減衰させられている。

差動演算手段３４は、前記第１および第２のＩＩＲ低周波フィルタの出力信号ｓ１とｓ２との差を演算するものである。これによってｓ１に含まれている、歩行時の極低周波の揺れによる加速度成分や、経年的に変化する加速度センサのゼロ点オフセットなどのノイズ成分が差し引かれるので、差動演算手段３４の出力信号は図２（ｄ）に示すようにゼロ点を挟んで正負に変化する波形になり、歩行に対応する精確な動加速度信号ｑを得ることができる。
なお、これまでに示した図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）における横軸の数値は時間で単位は秒、縦軸は演算上の相対的な数値である。

計数部４０はマイクロコンピュータのソフトウエアで構成するものであり、前記差動演算手段３４で算出した動加速度信号ｑとあらかじめ設定した、しきい値との信号の大きさを比較するステップ検出器４１と歩数を積算する計数器４２とからなる。このステップ検出器４１は、図３のタイムチャートに示すごとく、たとえば動加速度信号ｑの大きさが第１のしきい値である４０ｍｇよりも大となるときに立ち上がり、さらに第２のしきい値−２０ｍｇよりも小となったときにたち下がるステップ信号ｒを発報する。このステップ信号ｒのひとつを一歩とし、図３に表したｒ１、ｒ２・・・ｒ６は、合計６歩のステップを表現している。このステップ信号ｒを受けて計数器４２が数値を“１”ずつ増加するように計数する。ここでｍｇとは重力加速度の１／１０００のことである。

そして、表示部は前記計数部４０で計数したカウント値を、たとえば液晶画面で数値あるいは図柄で表示するものである。

次に、本発明の第２の実施形態を図４で説明する。本実施形態は図１で説明した第１の実施形態における歩行加速度演算部３０の構成のみが異なるので、歩行加速度演算部３０を図示してその構成と作用を説明する。
すなわち、第２の実施形態は、前記第１のＩＩＲ低周波フィルタの後ろに前記第２のＩＩＲ低周波フィルタ３３を直列に直接するものである。
すなわち、前記第１のＩＩＲ低周波フィルタの出力信号ｓ１を第２のＩＩＲ低周波フィルタに入力することで、前記加速度の絶対値信号ｐに含まれている歩行の計測に対してノイズとなる高周波成分を十分に減衰させるとともに、歩行時の低周波の揺れによる加速度成分や、経年的に発生する加速度センサのゼロ点オフセット成分をｓ２として精度よく出力することができる。

したがって、差動演算手段３４は、第１実施形態と同様に歩行に対応する精確な動加速度信号ｑを出力するものである。

次に、本発明の第３の実施形態を図５で説明する。本実施形態は前記第１および第２の実施形態における計数部４０の構成のみが異なるので、計数部４０のみを図示してその構成と作用を説明する。

すなわち、第３の実施形態は図５に示すごとく、前記計数部４０において前記ステップ検出器４１と前記計数器４２との間に歩行状態判定手段４００を追加するものである。この歩行状態判定手段４００は歩行以外に加えられた加速度により歩数を誤カウントしてしまうことを防止するためのものであり、第１ステップ時間チェッカ４０１と第２ステップ時間チェッカ４０２とカウント制御装置４０３とからなる。

第１ステップ時間チェッカ４０１は前記ステップ検出器４１からステップ信号ｒを入力し、図３のｒ１からｒ６の連続する６ステップ、すなわち連続する６歩の中で、一歩に要した５つの時間ｔ１からｔ５の最大値と最小値の差が所定の時間、ここでは０．５秒以下であれば、たとえばロジックレベルの“１”を次段のカウント制御装置４０３に発報する。また、０．５秒以上であれば“０”を発報する。
また、第２ステップ時間チェッカ４０２はステップ検出器４１からステップ信号ｒを入力し、前記６歩において、連続する２歩を歩行するのに要した４つの時間Ｔ１からＴ４が所定の時間内、ここでは０．６秒から２秒の間に３個以上あれば、ロジックレベルの“１”を次段のカウント制御装置４０３に発報する。また、２個以下のときは“０”を発報する。

カウント制御装置４０３は、前記ステップ信号ｒを計数器４２へ伝達するためのスイッチの機能を持ち、前記第１ステップ時間チェッカ４０１と第２ステップ時間チェッカ４０２から共に“１”の発報を受けたときのみ、歩行中であると判断して、ステップ信号ｒを計数器４２へ伝達する。計数器４２はステップ信号ｒが伝達されるたびに１ずつ積算する。また、前記カウント制御装置４０３が歩行状態であると判断したときは、すでに６歩を歩行しているので、６カウントを計数器に加算させる。
また、前記第１ステップ時間チェッカ４０１あるいは第２ステップ時間チェッカ４０２のいずれか、あるいはその両方が“０”を発報したときは、カウント制御装置４０３は、前記ステップ信号ｒを遮断して計数器４２への伝達をやめる。

その後、第１ステップ時間チェッカ４０１と第２ステップ時間チェッカが共に“１”を発報するとカウント制御装置が歩行状態であると判断し、上記のごとくステップ信号ｒを再び計数器４２へ伝達し、同時に６カウントを加算させる。
この歩行状態判定手段４００は上記の第１ステップ時間チェッカや第２ステップ時間チェッカ以外の図示しない歩行状態に関する情報を検出する手段からの情報にも対応して、ステップ信号ｒの加算を止めたり、再開したりすることができる。そのため、外部入力端子ｕ１、ｕ２、、、ｕｎを備えている。
ここでｎは任意の整数である。
これによって歩行による加速度以外の加速度信号が加えられたときに、誤カウントすることがない精度の高い歩数計を実現することができる。

次に、本発明の第４の実施形態を前出の図５で説明する。本実施形態は、携帯電話あるいは，ＰＤＡのような情報入力のためのキースイッチを持つ携帯機器に歩数計を内蔵した場合に，キー操作による振動加速度を歩数として誤カウントしてしまうことを避けるため、非歩行振動検出装置を備えるものである。
非歩行振動検出装置６０は前記動加速度信号ｑを入力し、また出力信号は前記カウント制御装置４０３の外部入力端子のひとつｕ１に接続される。

この非歩行振動検出装置６０は動加速度信号ｑが所定のしきい値、ここでは４０ｍｇを超える数が６に達するまでに動加速度信号ｑのゼロ点を超える回数の合計が所定の数、ここでは１５以上になったときに、歩行以外の原因による加速度信号が入力されていると判断するものである。図６の代表的な実験例において動加速度信号ｑがしきい値４０ｍｇを超えたときの波形を６個の矢印で示している。また、図６は矢印が６個に達するまでに、この動加速度ｑがゼロ点を超える回数の合計が３４であることを表している。

したがって、この場合には携帯機器のキー操作などによる歩行以外の原因による加速度信号であると判断し、非歩行振動検出装置６０はロジックレベルの“１”を発報するとともに、外部入力端子ｕ１を通して前記カウント制御装置４０３に伝達する。
カウント制御装置４０３は、前記ステップ信号ｒが計数器４２へ伝達されるのを遮断し誤って歩数が加算されることを防止する。
また前記非歩行振動検出装置６０は上記の「動加速度信号ｑがしきい値４０ｍｇを超える数が６に達するまでに動加速度信号ｑのゼロ点を超える回数の合計が１５以上になったとき」という条件を満たさないときには、ロジックレベルの“０“を発報する。カウント制御装置４０３はこの信号を受けて再びステップ信号ｒを計数器４２に伝達し、歩数のカウントを再開する。

歩数カウントの再開に当たっては、前記の歩行状態判定手段４００の、第１ステップ時間チェッカ４０１と第２ステップ時間チェッカ４０２の発報する“１”を受けて確実に歩行していることをカウント制御装置が４０３が確認してから行われる。したがって、誤カウントを避けたきわめて精度の高い歩数計を実現する。

本発明は、加速度センサを用いて歩行に対応する精確な動加速度信号を抽出することで、精度のよい計数ができる歩数計および携帯電話やＰＤＡなどの携帯機器に内蔵した歩数計に利用可能である。

本発明の歩数計のブロック図である。加速度の波形の絶対値、低周波フィルタの出力ならびに差動演算の出力信号を示す図である。ステップ検出器の動作概念を示すタイムチャートである。歩行加速度演算部の部分ブロック図である。計数部の部分ブロック図である。第４の実施形態の非歩行加速度信号である動加速度信号ｑを示す図である。

符号の説明

１０歩数計
２０３軸加速度センサ
３０歩行加速度演算部
３１絶対値演算手段
３２第１のＩＩＲ低周波フィルタ
３３第２のＩＩＲ低周波フィルタ
３４差動演算手段
４０計数部
４１ステップ検出器
４２計数器
４３時間比較器
４００歩行状態判定手段
４０１第１ステップ時間チェッカ
４０２第２ステップ時間チェッカ
４０３カウント制御装置
５０表示部
６０非歩行振動検出装置

Claims

３軸加速度センサと、絶対値演算手段による３軸加速度センサの出力信号の絶対値を第１の低周波フィルタ手段および第１の低周波フィルタ手段よりも低い周波数成分を通過させる第２の低周波フィルタ手段に入力し、差動演算手段による前記第１および第２の低周波フィルタ手段のそれぞれの出力信号の差から、歩行に対応して振動する動加速度信号を求め、該動加速度信号をカウントする計数部を有することを特徴とする歩数計。
請求項１の歩数計において、前記第１の低周波フィルタ手段の後ろに前記第２の低周波フィルタ手段を直列に接続するともに、前記第１の低周波フィルタ手段の出力信号と前記第２の低周波フィルタ手段の出力信号の差から、歩行に対応する動加速度信号を求めることを特徴とする歩数計。
請求項１および請求項２の歩数計において、前記第１の低周波フィルタ手段および前記第２の低周波フィルタ手段はそれぞれＩＩＲ低周波フィルタであることを特徴とする歩数計。
請求項３における計数部において、連続した所定回数の歩数を歩いたときに、任意の連続した２歩の歩行に要した時間が所定の時間以内であり、かつ任意の１歩に要した時間の最大値と最小値の差が所定の時間以内であるときに歩行状態であると判定する、歩行状態判定手段を備えることを特徴とする歩数計。
請求項４の歩数計において、前記動加速度信号の大きさがしきい値を超える回数が所定の回数に達するまでに、該動加速度信号のゼロ点を超える回数が所定の数以上であるときに歩行以外の加速度振動であると判定する非歩行振動検出装置を備えることを特徴とする歩数計。