JP5464706B2 - Portable terminal, program and method for determining direction of travel of pedestrian using acceleration sensor and geomagnetic sensor - Google Patents

Portable terminal, program and method for determining direction of travel of pedestrian using acceleration sensor and geomagnetic sensor Download PDF

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本発明は、加速度センサ及び地磁気センサを用いて歩行者の進行方向を決定する技術に関する。特に、進行方向をリアルタイムに導出する自律航法技術に関する。   The present invention relates to a technique for determining a traveling direction of a pedestrian using an acceleration sensor and a geomagnetic sensor. In particular, the present invention relates to an autonomous navigation technique for deriving a traveling direction in real time.

従来、加速度センサ及び方位センサを用いて、進行方向及び現在位置をリアルタイムに導出する自律航法技術がある。自律航法技術は、GPS(Global Positioning System)技術と組み合わされて、主にカーナビゲーションシステム(Car Navigation System)に利用されている。カーナビゲーションシステムは、自動車の運転者に対して、正確な進行方向及び現在位置と、目的地への走行経路案内とを、ディスプレイ部に表示する。   Conventionally, there is an autonomous navigation technique that derives a traveling direction and a current position in real time using an acceleration sensor and a direction sensor. Autonomous navigation technology is combined with GPS (Global Positioning System) technology and is mainly used for a car navigation system. The car navigation system displays an accurate traveling direction and current position and driving route guidance to a destination on a display unit for a driver of a car.

カーナビゲーションシステムは、GPSによって測位した現在位置情報を、車速パルス又はジャイロのような自律航法技術によって補正する。また、道路地図情報を必要に応じて読み出し、現在の走行経路が道路上と一致するように、進行方向及び現在位置を補正する(投影法によるマップマッチング技術、例えば特許文献1参照)。これにより、センサの誤差によって、現在位置が、道路上でない位置になることを防ぐことができる。   The car navigation system corrects the current position information measured by the GPS by an autonomous navigation technique such as a vehicle speed pulse or a gyro. Further, the road map information is read out as necessary, and the traveling direction and the current position are corrected so that the current travel route coincides with the road (refer to map matching technology based on a projection method, for example, Patent Document 1). As a result, it is possible to prevent the current position from being a position not on the road due to a sensor error.

これに対し、このようなナビゲーション技術を、歩行者の所持する携帯端末に適応したシステムもある。具体的には、検出した歩行者の「歩数」と、その歩行者の「歩幅」とを用いて、始点からの累積的な現在位置を導出する(例えば特許文献2参照)。自律航法技術を歩行者に適応した場合、水平方向の移動以外の加速度成分も検出される。従って、測定される距離は、単純に加速度センサの出力を積分するのではなく、歩数及び歩幅から導出される。   On the other hand, there is a system in which such navigation technology is applied to a portable terminal possessed by a pedestrian. Specifically, a cumulative current position from the starting point is derived using the detected “number of steps” of the pedestrian and the “step length” of the pedestrian (see, for example, Patent Document 2). When the autonomous navigation technology is applied to a pedestrian, acceleration components other than horizontal movement are also detected. Thus, the measured distance is derived from the number of steps and the step length, rather than simply integrating the output of the acceleration sensor.

「歩数」は、携帯端末内の加速度センサによって検出された軸毎の加速度を二乗和の平方根とし(√(x+y+z))、そのピーク−ピーク間を1歩として検出する(例えば特許文献3参照)。「歩幅」は、利用者が予め設定するか、若しくは利用者の身長から推定する。又は、他の技術によれば、歩行者に規定距離を歩行させることによって、その歩幅をキャリブレーションする技術もある(例えば非特許文献1参照)。 The “number of steps” is detected by taking the acceleration for each axis detected by the acceleration sensor in the mobile terminal as the square root of the sum of squares (√ (x 2 + y 2 + z 2 )) and taking the peak-to-peak as one step (for example, (See Patent Document 3). The “step length” is preset by the user or estimated from the height of the user. Alternatively, according to another technique, there is a technique of calibrating the stride by causing a pedestrian to walk a specified distance (see, for example, Non-Patent Document 1).

「進行方向」は、「方位センサ」によって検出される。方位センサとしては、一般に地磁気センサが利用される。水平方向の加速度の分布に基づいて進行方向を決定する技術もある(例えば特許文献8、9参照)。また、端末の姿勢を導出するべく鉛直方向を決定した後に、鉛直方向加速度と進行方向加速度との関係を利用して、歩行者の進行方向を決定する技術もある(例えば特許文献4参照)。更に、歩行者の腕振りの特徴から進行方向を決定する技術もある(例えば非特許文献2参照)。更に、特定時点の端末の姿勢から進行方向を決定する技術もある(例えば特許文献5参照)。更に、進行方向に交差点を介して複数の道路が存在する場合、その交差点を、現在位置とする技術もある(例えば特許文献6参照)。   The “traveling direction” is detected by the “direction sensor”. As the direction sensor, a geomagnetic sensor is generally used. There is also a technique for determining a traveling direction based on a horizontal acceleration distribution (see, for example, Patent Documents 8 and 9). There is also a technique for determining the direction of travel of a pedestrian using the relationship between the acceleration in the vertical direction and the acceleration in the travel direction after determining the vertical direction in order to derive the posture of the terminal (see, for example, Patent Document 4). Furthermore, there is a technique for determining the traveling direction from the characteristics of a pedestrian's arm swing (see, for example, Non-Patent Document 2). Further, there is a technique for determining the traveling direction from the attitude of the terminal at a specific time (see, for example, Patent Document 5). Furthermore, when there are a plurality of roads through an intersection in the traveling direction, there is a technique for setting the intersection as the current position (see, for example, Patent Document 6).

自律航法技術を用いた現在位置の決定について、センサデータの累積的誤差の影響を防ぐために、交差点での右折左折を検出した際に、その交差点を、現在位置の特定のための始点とする技術もある(例えば特許文献7参照)。即ち、方向転換が検出される毎に、センサデータの累積的誤差がリセットされることなり、その後の現在位置の特定に、先の累積的誤差が影響しない。   A technology to determine the current position using autonomous navigation technology, in order to prevent the influence of the cumulative error of sensor data, when the right turn or left turn at the intersection is detected, the intersection is the starting point for specifying the current position (See, for example, Patent Document 7). That is, every time a turn is detected, the cumulative error of the sensor data is reset, and the previous cumulative error does not affect the subsequent specification of the current position.

特開平5−061408号公報JP-A-5-061408 特開平9−089584号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-089584 特開2005−038018号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2005-038018 特開2008−039619号公報JP 2008-039619 A WO2006/104140WO2006 / 104140 特開平3−099399号公報JP-A-3-099399 特開昭63−011813号公報JP 63-011813 A 特許第4126388号公報Japanese Patent No. 4126388 特開2008−116315号公報JP 2008-116315 A 特開2009−229399号公報JP 2009-229399 A

「Nike+iPodユーザーズガイド」、第27頁、「online」、[平成21年2月3日検索]、インターネット<URL:http://manuals.info.apple.com/ja/nikeipod_users_guide.pdf>"Nike + iPod User's Guide", page 27, "online", [Search February 3, 2009], Internet <URL: http://manuals.info.apple.com/en/nikeipod_users_guide.pdf> 上坂大輔、岩本健嗣、村松茂樹、西山智、「携帯電話における加速度・地磁気センサを用いた位置取得システム」、マルチメディア・分散・協調とモバイルシンポジウム、論文集、pp.761-767、2008年7月Daisuke Uesaka, Kengo Iwamoto, Shigeki Muramatsu, Satoshi Nishiyama, “Position acquisition system using acceleration and geomagnetic sensors in mobile phones”, Multimedia, Distributed, Cooperation and Mobile Symposium, Proceedings, pp.761-767, July 2008 Moon

特許文献4に記載された技術によれば、所定閾値を超える加速度が検出された方向を、進行方向の候補とする。しかしながら、加速度の分布が、直線状ではなく幅をもつ場合には、多数の進行方向の候補に対する評価が必要でとなり、演算量が膨大になる。   According to the technique described in Patent Document 4, a direction in which acceleration exceeding a predetermined threshold is detected is set as a traveling direction candidate. However, when the acceleration distribution is not linear but has a width, it is necessary to evaluate a large number of candidates in the traveling direction, and the amount of calculation is enormous.

また、特許文献5、8、9に記載された技術によれば、歩行者の身に着けられた携帯端末の姿勢が大凡一定であれば、歩行の際に検出される水平方向の加速度が、進行方向に分布することを利用している。しかしながら、端末を片手に持って移動するような場合、端末の姿勢が大凡一定であっても、水平方向の加速度が進行方向に分布しないことがある。   Further, according to the techniques described in Patent Documents 5, 8, and 9, if the posture of the mobile terminal worn by the pedestrian is roughly constant, the horizontal acceleration detected during walking is Utilizing the distribution in the direction of travel. However, when moving with the terminal held in one hand, the horizontal acceleration may not be distributed in the traveling direction even if the terminal posture is roughly constant.

図1は、歩行者によって手持ちされた携帯端末の態様を表す説明図である。   FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating an aspect of a mobile terminal held by a pedestrian.

図1によれば、歩行者は、携帯端末を手持ちし、その画面を視認している。例えば、携帯端末に地図が表示されており、歩行者は、そのディスプレイ部を閲覧しながら、歩行している場合が想定される。これは、歩行者にとって最も正確に進行方向を知りたい場合における姿勢である。このとき、歩行中の携帯端末の姿勢は、大凡一定となる。携帯端末の姿勢が大凡一定であれば、携帯端末に搭載された加速度センサ及び地磁気センサを用いて、進行方向を推定することができる。   According to FIG. 1, the pedestrian is holding the mobile terminal and viewing the screen. For example, it is assumed that a map is displayed on the mobile terminal and the pedestrian is walking while browsing the display unit. This is the posture when the pedestrian wants to know the traveling direction most accurately. At this time, the posture of the mobile terminal while walking is approximately constant. If the attitude of the mobile terminal is roughly constant, the traveling direction can be estimated using an acceleration sensor and a geomagnetic sensor mounted on the mobile terminal.

センサは、携帯端末に固定的に内蔵されている。そのために、携帯端末の向きが決まれば、センサのx、y、z軸(センサ座標系)の向きも決まる。例えば、図1によれば、x軸はキー面の上から下へ向けて、y軸はキー面の左から右へ向けて、z軸はキー面の裏から表へ向けて、割り当てられている。勿論、センサの座標系の割り当ては、これに限られない。また、歩行者の進行方向に対しては、前向き(後向き)、右向き(左向き)、鉛直方向の座標系が決まる。   The sensor is fixedly built in the mobile terminal. Therefore, if the orientation of the mobile terminal is determined, the orientation of the x, y, and z axes (sensor coordinate system) of the sensor is also determined. For example, according to FIG. 1, the x-axis is assigned from the top to the bottom of the key surface, the y-axis is directed from the left to the right of the key surface, and the z-axis is assigned from the back of the key surface to the front. Yes. Of course, the assignment of the coordinate system of the sensor is not limited to this. Further, forward (backward), right (leftward), and vertical coordinate systems are determined for the direction of travel of the pedestrian.

しかしながら、図1によれば、携帯端末の姿勢は大凡一定しているけれども、歩行に伴って、水平方向及び鉛直方向へ揺れる。また、手持ちされた携帯端末で検出される加速度は、腕によって吸収されることとなる。このような状態で、特許文献4に記載された技術を用いた場合、多数の進行方向の候補に対する評価が必要となり、演算量が膨大になる。   However, according to FIG. 1, although the attitude of the mobile terminal is almost constant, it swings in the horizontal direction and the vertical direction with walking. Further, the acceleration detected by the handheld portable terminal is absorbed by the arm. In such a state, when the technique described in Patent Document 4 is used, it is necessary to evaluate a large number of traveling direction candidates, and the amount of calculation is enormous.

また、いずれの従来技術についても、センサによって検出されたセンサ座標系の加速度データから、進行方向の座標系の加速度を算出する処理を要する。即ち、センサによって検出された個々の加速度データについて、座標変換処理を要する。これは、結果として、演算量の増大を招く。   In addition, any of the conventional techniques requires processing for calculating the acceleration of the coordinate system in the traveling direction from the acceleration data of the sensor coordinate system detected by the sensor. That is, coordinate conversion processing is required for each piece of acceleration data detected by the sensor. This results in an increase in the amount of calculation.

そこで、本発明は、利用者に端末の姿勢が大凡一定となるように所持された携帯端末について、その携帯端末に搭載された加速度センサ及び地磁気センサを用いて、できる限り少ない演算量で歩行者の進行方向を決定する携帯端末、プログラム及び方法を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention provides a pedestrian with the least amount of computation using a acceleration sensor and a geomagnetic sensor mounted on a portable terminal held by the user so that the attitude of the terminal is approximately constant. It is an object of the present invention to provide a portable terminal, a program, and a method for determining the traveling direction of the mobile phone.

本発明によれば、3軸の加速度データを出力する加速度センサと、3軸の地磁気データを出力する地磁気センサと、加速度データ及び地磁気データから歩行者の進行方向を決定する進行方向決定手段とを有し、歩行者によって所持される携帯端末であって、
進行方向決定手段は、
加速度データから、鉛直方向加速度を算出する鉛直方向加速度算出手段と、
鉛直上向き加速度の極大点を歩行タイミングとして検出する歩行タイミング検出手段と、
歩行タイミングに基づいて、指定歩数分の加速度データを取得する指定歩数分加速度取得手段と、
指定歩数分の加速度データから、歩行者の歩行動作によって生じる加速度面を推定する加速度面推定手段と、
加速度面及び鉛直方向加速度から、当該加速度面における法線ベクトルと、前後方向加速度とを算出する前後方向加速度算出手段と、
法線ベクトルにおける右向き単位ベクトルと、重力ベクトルGと、地磁気ベクトルMとを用いて、進行方向を算出する進行方向算出手段と
を有することを特徴とする。
According to the present invention, the acceleration sensor that outputs the triaxial acceleration data, the geomagnetic sensor that outputs the triaxial geomagnetic data, and the traveling direction determination means that determines the traveling direction of the pedestrian from the acceleration data and the geomagnetic data. A portable terminal possessed by a pedestrian,
The direction of travel determination means is
Vertical acceleration calculating means for calculating vertical acceleration from acceleration data;
Walking timing detection means for detecting the maximum point of vertical upward acceleration as walking timing;
Based on the walking timing, acceleration acquisition means for the specified number of steps for acquiring acceleration data for the specified number of steps,
Acceleration surface estimation means for estimating an acceleration surface generated by a walking motion of a pedestrian from acceleration data for a specified number of steps,
A longitudinal acceleration calculation means for calculating a normal vector on the acceleration surface and a longitudinal acceleration from the acceleration surface and the vertical acceleration;
It has a traveling direction calculation means for calculating a traveling direction using a rightward unit vector, a gravity vector G, and a geomagnetic vector M in the normal vector.

本発明の携帯端末における他の実施形態によれば、 前後方向加速度算出手段は、
加速度センサから出力された軸毎の加速度に基づいて、重力ベクトルGを算出し、
加速度面の法線ベクトルVLR及び重力ベクトルGから、前向き又は後向きの前後方向ベクトルVFGを算出し、
前後方向ベクトルVFG及び鉛直方向加速度に基づいて、前後方向ベクトルVFGが前向きである場合、法線ベクトルVLRを右向きとし、前後方向ベクトルVFGが後向きである場合、法線ベクトルVLRを左向きとすることも好ましい。
According to another embodiment of the portable terminal of the present invention, the longitudinal acceleration calculating means is
Based on the acceleration for each axis output from the acceleration sensor, the gravity vector G is calculated,
From the acceleration surface normal vector V LR and the gravity vector G, a forward or backward longitudinal vector V FG is calculated,
Based on the longitudinal vector V FG and the vertical acceleration, when the longitudinal vector V FG is forward, the normal vector V LR is directed to the right, and when the longitudinal vector V FG is backward, the normal vector V LR is It is also preferable to face left.

本発明の携帯端末における他の実施形態によれば、進行方向算出手段は、
重力ベクトルG及び地磁気ベクトルMを用いて、G×M/|G×M|によって東向き単位ベクトルeEastを算出し、
法線ベクトルにおける右向き単位ベクトルeRightと、東向き単位ベクトルeEastとの成す角αを算出し、
東向き単位ベクトルeEastと右向き単位ベクトルeRightとの外積(eEast×eRight)と、重力ベクトルGとの成す角βに基づいて、東向き単位ベクトルeEastに対する方向角θを算出することも好ましい。
According to another embodiment of the portable terminal of the present invention, the traveling direction calculation means is
Using the gravity vector G and the geomagnetic vector M, the eastward unit vector e East is calculated by G × M / | G × M |
Calculate the angle α between the normal vector e Right and the east unit vector e East in the normal vector,
Based on the angle β formed by the outer product (e East × e Right ) of the eastward unit vector e East and the rightward unit vector e Right and the gravity vector G, the direction angle θ with respect to the eastward unit vector e East is calculated. Is also preferable.

本発明の携帯端末における他の実施形態によれば、進行方向算出手段について、
成す角αは、以下の式によって算出され、
α=arccos((eEast・eRight)/(|eEast||eRight|))
方位角θは、成す角αと、外積ベクトルと重力ベクトルGの成す角βとを用いて、以下の式によって導出される
cosβ≧0:θ=α
cosβ<0:θ=360−α
ことも好ましい。
According to another embodiment of the portable terminal of the present invention, the traveling direction calculation means,
The formed angle α is calculated by the following formula:
α = arccos ((e East · e Right ) / (| e East || e Right |))
The azimuth angle θ is derived by the following equation using the angle α formed and the angle β formed by the outer product vector and the gravity vector G: cos β ≧ 0: θ = α
cos β <0: θ = 360−α
It is also preferable.

本発明の携帯端末における他の実施形態によれば、加速度面推定手段は、指定歩数分加速度について、各軸の分散Vxx、Vyy及びVzzを算出し、分散が最小となる軸について、最小二乗法に基づいて加速度面を推定することも好ましい。   According to another embodiment of the portable terminal of the present invention, the acceleration surface estimation means calculates variances Vxx, Vyy and Vzz of each axis for the specified number of steps of acceleration, and uses the least square method for the axis with the smallest variance. It is also preferable to estimate the acceleration plane based on

本発明の携帯端末における他の実施形態によれば、加速度面推定手段は、加速度データに対して、高域周波数成分を遮断するローパスフィルタとして機能することも好ましい。   According to another embodiment of the portable terminal of the present invention, it is also preferable that the acceleration surface estimation means functions as a low-pass filter that blocks high frequency components for acceleration data.

本発明によれば、3軸の加速度データを出力する加速度センサと、3軸の地磁気データを出力する地磁気センサとを有する携帯端末に搭載されたコンピュータを、加速度データ及び地磁気データから歩行者の進行方向を決定する進行方向決定手段として機能させるプログラムであって、
進行方向決定手段は、
加速度データから、鉛直方向加速度を算出する鉛直方向加速度算出手段と、
鉛直上向き加速度の極大点を歩行タイミングとして検出する歩行タイミング検出手段と、
歩行タイミングに基づいて、指定歩数分の加速度データを取得する指定歩数分加速度取得手段と、
指定歩数分の加速度データから、歩行者の歩行動作によって生じる加速度面を推定する加速度面推定手段と、
加速度面及び鉛直方向加速度から、当該加速度面における法線ベクトルと、前後方向加速度とを算出する前後方向加速度算出手段と、
法線ベクトルにおける右向き単位ベクトルと、重力ベクトルGと、地磁気ベクトルMとを用いて、進行方向を算出する進行方向算出手段と
してコンピュータを機能させることを特徴とする。
According to the present invention, a computer mounted on a portable terminal having an acceleration sensor that outputs triaxial acceleration data and a geomagnetic sensor that outputs triaxial geomagnetic data can be used as a pedestrian's progression from acceleration data and geomagnetic data. A program that functions as a traveling direction determination means for determining a direction,
The direction of travel determination means is
Vertical acceleration calculating means for calculating vertical acceleration from acceleration data;
Walking timing detection means for detecting the maximum point of vertical upward acceleration as walking timing;
Based on the walking timing, acceleration acquisition means for the specified number of steps for acquiring acceleration data for the specified number of steps,
Acceleration surface estimation means for estimating an acceleration surface generated by a walking motion of a pedestrian from acceleration data for a specified number of steps,
A longitudinal acceleration calculation means for calculating a normal vector on the acceleration surface and a longitudinal acceleration from the acceleration surface and the vertical acceleration;
The computer is caused to function as a traveling direction calculation means for calculating a traveling direction using the rightward unit vector, the gravity vector G, and the geomagnetic vector M in the normal vector.

本発明によれば、3軸の加速度データを出力する加速度センサと、3軸の地磁気データを出力する地磁気センサとを有する携帯端末によって、加速度データ及び地磁気データから歩行者の進行方向を決定する進行方向決定方法であって、
加速度データから、鉛直方向加速度を算出する第1のステップと、
鉛直上向き加速度の極大点を歩行タイミングとして検出する第2のステップと、
歩行タイミングに基づいて、指定歩数分の加速度データを取得する第3のステップと、
指定歩数分の加速度データから、歩行者の歩行動作によって生じる加速度面を推定する第4のステップと、
加速度面及び鉛直方向加速度から、当該加速度面における法線ベクトルと、前後方向加速度とを算出する第5のステップと、
法線ベクトルにおける右向き単位ベクトルと、重力ベクトルGと、地磁気ベクトルMとを用いて、進行方向を算出する第6のステップと
を有することを特徴とする。
According to the present invention, a portable terminal having an acceleration sensor that outputs triaxial acceleration data and a geomagnetic sensor that outputs triaxial geomagnetic data is used to determine a pedestrian's direction of travel from acceleration data and geomagnetic data. A direction determination method,
A first step of calculating vertical acceleration from acceleration data;
A second step of detecting a maximum point of vertical upward acceleration as a walking timing;
A third step of acquiring acceleration data for a specified number of steps based on the walking timing;
A fourth step of estimating an acceleration plane caused by a walking motion of a pedestrian from acceleration data for a specified number of steps;
A fifth step of calculating a normal vector on the acceleration surface and a longitudinal acceleration from the acceleration surface and the vertical acceleration;
A sixth step of calculating a traveling direction using a rightward unit vector in the normal vector, a gravity vector G, and a geomagnetic vector M is provided.

本発明の携帯端末、プログラム及び方法によれば、端末の姿勢が大凡一定となるように利用者に所持された携帯端末について、その携帯端末に搭載された加速度センサ及び地磁気センサを用いて、できる限り少ない演算量で歩行者の進行方向を決定することができる。これは、センサ座標系の加速度データから前後方向加速度を算出した後、地磁気データを用いて進行方位を決定することに基づく。   According to the portable terminal, the program, and the method of the present invention, it is possible to use the acceleration sensor and the geomagnetic sensor mounted on the portable terminal with respect to the portable terminal held by the user so that the attitude of the terminal is approximately constant. The traveling direction of the pedestrian can be determined with as little calculation amount as possible. This is based on determining the traveling direction using geomagnetic data after calculating the longitudinal acceleration from the acceleration data of the sensor coordinate system.

歩行者によって手持ちされた携帯端末の態様を表す説明図である。It is explanatory drawing showing the aspect of the portable terminal hand-held by the pedestrian. 加速度の変化を表すグラフである。It is a graph showing the change of acceleration. 本発明における携帯端末の機能構成図である。It is a functional block diagram of the portable terminal in this invention. 経過時間に応じた軸毎の加速度のグラフである。It is a graph of the acceleration for every axis | shaft according to elapsed time. 経過時間に応じた鉛直方向加速度のグラフである。It is a graph of the vertical direction acceleration according to elapsed time. 水平方向加速度の変化を表す説明図である。It is explanatory drawing showing the change of a horizontal direction acceleration. 水平方向加速度と鉛直方向加速度との変化の対応を表す説明図である。It is explanatory drawing showing the response | compatibility of the change of a horizontal direction acceleration and a vertical direction acceleration. 現実に発生する加速度面及び法線ベクトルを表す図である。It is a figure showing the acceleration surface and normal vector which actually generate | occur | produce. 重力G及び地磁気Mに対する方位の関係を表す説明図である。It is explanatory drawing showing the relationship of the direction with respect to gravity G and geomagnetism M. 成す角と方位角の関係を表す説明図である。It is explanatory drawing showing the relationship between the angle | corner formed and an azimuth angle.

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図2は、加速度の変化を表すグラフである。   FIG. 2 is a graph showing a change in acceleration.

図2(a)は、端末姿勢に基づくセンサ座標系における加速度の変化を表す。図2(b)は、進行方向に基づく座標系における加速度の変化を表す。図2(a)と図2(b)との間の変換は、単位ベクトルに基づく内積演算である。この変換は、軸の向きが変わるだけであって、加速度の大きさや他軸との関係には影響を与えないことは明らかである。従って、図2(a)の奇数歩目及び偶数歩目それぞれの方向の加速度の分布する平面の成す角を二等分する平面が、進行方向を含む平面であることも明らかである。即ち、軸毎の加速度から進行方向を含む平面を算出し、その後、座標変換を実行することによって進行方向を算出することができる。   FIG. 2A shows a change in acceleration in the sensor coordinate system based on the terminal posture. FIG. 2B shows a change in acceleration in the coordinate system based on the traveling direction. The conversion between FIG. 2A and FIG. 2B is an inner product operation based on a unit vector. It is clear that this conversion only changes the direction of the axis and does not affect the magnitude of acceleration or the relationship with other axes. Therefore, it is also clear that the plane that bisects the angle formed by the planes of acceleration distribution in the odd-numbered steps and even-numbered steps in FIG. 2A is the plane including the traveling direction. That is, it is possible to calculate the traveling direction by calculating a plane including the traveling direction from the acceleration for each axis and then executing coordinate transformation.

図3は、本発明における携帯端末の機能構成図である。   FIG. 3 is a functional configuration diagram of the mobile terminal according to the present invention.

図3によれば、携帯端末1は、利用者によって手持ち可能な端末であって、例えば携帯電話機である。携帯端末1は、進行方向決定部10と、加速度センサ11と、地磁気センサ12と、測位部13と、地図情報記憶部14と、表示制御部15と、ディスプレイ部16とを有する。進行方向決定部10、地図情報記憶部14及び表示制御部15は、携帯端末に搭載されたコンピュータを機能させるプログラムを実行することによって実現される。   According to FIG. 3, the mobile terminal 1 is a terminal that can be held by a user, for example, a mobile phone. The mobile terminal 1 includes a traveling direction determination unit 10, an acceleration sensor 11, a geomagnetic sensor 12, a positioning unit 13, a map information storage unit 14, a display control unit 15, and a display unit 16. The traveling direction determination unit 10, the map information storage unit 14, and the display control unit 15 are realized by executing a program that causes a computer mounted on the portable terminal to function.

加速度センサ11は、x軸、y軸及びz軸毎の加速度(センサ座標系)を検出する。既存の一般的な携帯電話機の場合、加速度センサを予め搭載しているものも多い。検出された加速度データは、進行方向決定部10へ出力される。   The acceleration sensor 11 detects acceleration (sensor coordinate system) for each of the x-axis, y-axis, and z-axis. In the case of existing general mobile phones, there are many cases in which an acceleration sensor is mounted in advance. The detected acceleration data is output to the traveling direction determination unit 10.

図4は、経過時間に応じた軸毎の加速度のグラフである。   FIG. 4 is a graph of acceleration for each axis according to elapsed time.

図4によれば、歩行者が、携帯端末を手持ちし、そのディスプレイ部を視認しながら歩行した場合に、加速度センサによって得られた軸毎の加速度データが表されている。   According to FIG. 4, acceleration data for each axis obtained by an acceleration sensor is shown when a pedestrian holds a mobile terminal and walks while visually checking the display unit.

地磁気センサ12は、南から北へ向かう地球の磁力線である地磁気を検出する。検出された地磁気の水平面に対する正射影の向きが、「北」となる。3軸の地磁気センサの場合、水平でなくても傾きを検出することによって、方位を検出することができる。検出された地磁気データは、進行方向決定部10へ出力される。   The geomagnetic sensor 12 detects geomagnetism, which is the magnetic field lines of the earth from south to north. The direction of the orthogonal projection of the detected geomagnetism with respect to the horizontal plane is “north”. In the case of a triaxial geomagnetic sensor, the orientation can be detected by detecting the tilt even if it is not horizontal. The detected geomagnetic data is output to the traveling direction determination unit 10.

測位部13は、GPS(Global Positioning System)衛星からの測位電波を受信し、現在位置の緯度経度データを取得する。その緯度経度データは、表示制御部15へ出力される。   The positioning unit 13 receives a positioning radio wave from a GPS (Global Positioning System) satellite and acquires latitude and longitude data of the current position. The latitude / longitude data is output to the display control unit 15.

地図情報記憶部14は、地図情報を蓄積する。表示制御部15から指示された現在位置に基づいて、その地図情報を表示制御部15へ出力する。   The map information storage unit 14 accumulates map information. Based on the current position instructed from the display control unit 15, the map information is output to the display control unit 15.

表示制御部15は、進行方向決定部10から進行方向データを入力し、測位部13から現在位置情報を入力する。また、表示制御部15は、現在位置情報を地図情報記憶部14へ出力し、現在位置の地図情報を取得する。そして、表示制御部15は、地図の上に現在位置を表示すると共に、その進行方向を矢印で表示した画像を生成する。その画像は、ディスプレイ部16へ出力される。例えば、歩行者用のナビゲーションシステムに用いられる。   The display control unit 15 receives the traveling direction data from the traveling direction determination unit 10 and the current position information from the positioning unit 13. Further, the display control unit 15 outputs the current position information to the map information storage unit 14 and acquires the map information of the current position. And the display control part 15 produces | generates the image which displayed the present position on the map, and displayed the advancing direction with the arrow. The image is output to the display unit 16. For example, it is used for a navigation system for pedestrians.

ディスプレイ部16は、表示制御部15からの画像を表示することによって、歩行中のユーザに対してその画像を視認させる。   The display unit 16 displays the image from the display control unit 15 so that the walking user can visually recognize the image.

進行方向決定部10は、鉛直方向加速度算出部101と、歩行タイミング検出部102と、指定歩数分加速度取得部103と、加速度面推定部104と、前後方向加速度算出部105と、進行方向算出部106とを有する。以下では、これら機能構成部について、詳細に説明する。   The traveling direction determination unit 10 includes a vertical acceleration calculation unit 101, a walking timing detection unit 102, an acceleration acquisition unit 103 for a specified number of steps, an acceleration surface estimation unit 104, a longitudinal acceleration calculation unit 105, and a traveling direction calculation unit. 106. Hereinafter, these functional components will be described in detail.

[鉛直方向加速度算出部]
鉛直方向加速度算出部101は、加速度データを用いて鉛直方向加速度を算出する。尚、鉛直方向加速度と水平方向加速度とは、互いに直交する。
[Vertical acceleration calculation unit]
The vertical acceleration calculation unit 101 calculates vertical acceleration using acceleration data. The vertical acceleration and the horizontal acceleration are orthogonal to each other.

図5は、経過時間に応じた鉛直方向加速度のグラフである。   FIG. 5 is a graph of vertical acceleration according to elapsed time.

図5によれば、鉛直方向加速度の上側は、鉛直下向きを表し、下側は、鉛直上向きを表す。また、鉛直方向加速度の変化は、歩行と一致する周期性を有する。ここで、鉛直下向き加速度の極大点は、身体が下がった時点、即ち、地面を離れていた足が接地する時点を表す。一方で、鉛直上向き加速度の極大点は、身体が上がった時点、即ち、足が上がった時点を表す。また、鉛直下向き加速度の極小点間、即ち、鉛直上向き加速度の極大点間は、歩行者の一歩を表す。   According to FIG. 5, the upper side of the vertical acceleration represents a vertically downward direction, and the lower side represents a vertically upward direction. In addition, the change in vertical acceleration has a periodicity that coincides with walking. Here, the maximum point of vertical downward acceleration represents the time when the body falls, that is, the time when the foot that has left the ground touches the ground. On the other hand, the maximum point of vertical upward acceleration represents the time when the body is raised, that is, the time when the foot is raised. The interval between the minimum points of vertical downward acceleration, that is, the maximum point of vertical upward acceleration, represents one step of the pedestrian.

[歩行タイミング検出部]
歩行タイミング検出部102は、鉛直方向加速度算出部101から出力される鉛直方向加速度から、歩行者の歩行動作によって生じる歩行タイミングを検出する。歩行タイミングは、鉛直上向き加速度の極大点を歩行タイミングとして検出する。尚、図5によれば、鉛直下向き加速度が極小点となる毎に、その歩行タイミングを、指定歩数分加速度取得部103へ出力する。
[Walking timing detector]
The walking timing detection unit 102 detects the walking timing generated by the walking motion of the pedestrian from the vertical acceleration output from the vertical acceleration calculation unit 101. The walking timing detects the maximum point of vertical upward acceleration as the walking timing. Note that, according to FIG. 5, every time the vertical downward acceleration becomes a minimum point, the walking timing is output to the acceleration acquisition unit 103 for the specified number of steps.

[指定歩数分加速度取得部]
指定歩数分加速度取得部103は、歩行タイミングに基づいて、指定歩数分の加速度データを取得する。指定歩数分の加速度データ毎に、加速度面推定部104へ出力される。
[Acceleration unit for specified number of steps]
The acceleration acquisition unit 103 for the specified number of steps acquires acceleration data for the specified number of steps based on the walking timing. Each piece of acceleration data corresponding to the specified number of steps is output to the acceleration surface estimation unit 104.

図6は、水平方向加速度の変化を表す説明図である。   FIG. 6 is an explanatory diagram showing changes in horizontal acceleration.

図6によれば、現実に、歩行者が、図1のような態様で携帯端末を右手で把持して歩行させて取得した水平方向加速度をプロットしたものである。このように、前進加速度は、加速・減速を繰り返すと同時に、前後・上下を繰り返す。ここで明らかになった点として、水平方向加速度の分布は、進行方向とは一致しないことである。図5によれば、奇数歩目及び偶数歩目(右足と左足)がそれぞれ、別々の方向に分布している。また、明らかになった点として、奇数歩目及び偶数歩目それぞれの方向の二等分線の方向は、進行方向に一致する。これによって、進行方向を算出することができる。   According to FIG. 6, the horizontal acceleration actually obtained by the pedestrian gripping the portable terminal with the right hand and walking in the manner as shown in FIG. 1 is plotted. As described above, the forward acceleration repeats acceleration / deceleration, and at the same time, repeats forward / backward / up / down. The point that became clear here is that the distribution of horizontal acceleration does not coincide with the traveling direction. According to FIG. 5, odd-numbered steps and even-numbered steps (right foot and left foot) are distributed in different directions. In addition, as a clear point, the directions of the bisectors in the directions of the odd and even steps correspond to the traveling direction. Thereby, the traveling direction can be calculated.

更に、一歩の歩行サイクルの加速度は、以下の順に観測される。
鉛直上向きの極大->進行方向後向きの極大->
鉛直下向きの極大->進行方向前向きの極大
これによって、加速度の分布方向によって進行方向前方を選別することができる。
Furthermore, the acceleration of a one-step walking cycle is observed in the following order.
Vertical maxima-> Maximum backward direction->
Vertical downward maximum-> travel direction forward maximum This makes it possible to sort forward in the travel direction according to the direction of acceleration distribution.

図7は、水平方向加速度と鉛直方向加速度との変化の対応を表す説明図である。   FIG. 7 is an explanatory diagram showing the correspondence between changes in horizontal acceleration and vertical acceleration.

図7によれば、2歩分の加速度の軌跡が表されている。また、鉛直方向加速度と水平方向加速度とは、互いに直交する。
[t0] 第1歩目について、鉛直下向き加速度が極大の時点で、水平方向加速度は進行向き左側に遷移している。
[t1] 第1歩目について、鉛直上向き加速度が極大の時点で、水平方向加速度は進行向き右側に遷移している。
[t2] 第2歩目について、鉛直下向き加速度が極大の時点で、水平方向加速度は進行向き右側に遷移している。
[t3] 第2歩目について、鉛直上向き加速度が極大の時点で、水平方向加速度は進行向き左側に遷移している。
According to FIG. 7, the locus of acceleration for two steps is represented. The vertical acceleration and the horizontal acceleration are orthogonal to each other.
[t0] For the first step, when the vertical downward acceleration is a maximum, the horizontal acceleration has shifted to the left in the traveling direction.
[t1] For the first step, when the vertical upward acceleration is maximum, the horizontal acceleration has shifted to the right in the traveling direction.
[t2] Regarding the second step, when the vertical downward acceleration is at a maximum, the horizontal acceleration has shifted to the right in the traveling direction.
[t3] With respect to the second step, when the vertical upward acceleration is at a maximum, the horizontal acceleration is shifted to the left in the traveling direction.

[加速度面推定部]
加速度面推定部104は、指定歩数分の加速度データから、歩行者の歩行動作によって生じる加速度面を推定する。
[Acceleration surface estimation unit]
The acceleration surface estimation unit 104 estimates an acceleration surface generated by a walking motion of a pedestrian from acceleration data for a specified number of steps.

図8は、現実に発生する加速度面及び法線ベクトルを表す図である。   FIG. 8 is a diagram showing acceleration surfaces and normal vectors that are actually generated.

簡単化のために、重力方向を図の下方向としているが、重力そのものを検出することはできない。また、実際に、地磁気が、センサ座標系に対してどの方向に検出されるかは、端末の姿勢に依存する。但し、加速度面と法線ベクトルの関係については、端末の姿勢には依存しない。   For the sake of simplicity, the gravity direction is set as the downward direction in the figure, but gravity itself cannot be detected. In addition, in which direction the geomagnetism is actually detected with respect to the sensor coordinate system depends on the attitude of the terminal. However, the relationship between the acceleration plane and the normal vector does not depend on the attitude of the terminal.

図8によれば、加速度センサから得られた3軸の加速度データ(x、y、z)と、地磁気センサから得られた3軸の地磁気データ(x、y、z)とが、3次元座標系にプロットされたものである。異なる時点で測定された加速度データのプロットから、加速度面を検出できる。また、加速度面に対する法線ベクトルを検出することができる。   According to FIG. 8, the three-axis acceleration data (x, y, z) obtained from the acceleration sensor and the three-axis geomagnetic data (x, y, z) obtained from the geomagnetic sensor are expressed in three-dimensional coordinates. Plotted in the system. An acceleration plane can be detected from plots of acceleration data measured at different times. In addition, a normal vector with respect to the acceleration surface can be detected.

図8によれば、歩行者は、南から到来している地磁気に対して、方向角θの方向へ歩行している。このとき、携帯端末を手持ちした歩行者の動作に応じて、進行方向に平行に加速度面が検出でき、法線ベクトルが特定される。   According to FIG. 8, the pedestrian is walking in the direction of the direction angle θ with respect to the geomagnetism coming from the south. At this time, the acceleration plane can be detected in parallel with the traveling direction in accordance with the motion of the pedestrian holding the mobile terminal, and the normal vector is specified.

本発明によれば、複数の加速度データを平面に近似することによって、法線ベクトルを算出することができる。   According to the present invention, a normal vector can be calculated by approximating a plurality of acceleration data to a plane.

加速度面を近似的に算出する方法としては、例えば、最小二乗法がある。最小二乗法は、残差の2乗の和が最小になるように、その現象に対し、予測関数f(x)のそれぞれの係数を決定する方法である。残差とは、i番目のデータnに対して予測された関数値f(n)と、測定されたデータmとの差、即ちm−f(n)である。 As a method for approximately calculating the acceleration surface, for example, there is a least square method. The least square method is a method of determining each coefficient of the prediction function f (x) for the phenomenon so that the sum of the squares of the residuals is minimized. The residual, and the i-th data n i with respect to the predicted function values f (n i), which is the difference between the measured data m i, i.e. m i -f (n i).

一般に原点を通る平面は、以下の式(1)によって表される。
ax+by+cz=0 式(1)
このとき、(a,b,c)は、平面に対する法線ベクトルとなる。
In general, a plane passing through the origin is represented by the following equation (1).
ax + by + cz = 0 Formula (1)
At this time, (a, b, c) is a normal vector with respect to the plane.

ここで、計算を単純化するために、式(1)を、式(2)のように変形する。
z=αx+βy 式(2)
尚、(a,b,c)は法線ベクトルであるため、c=−1として問題無い。
Here, in order to simplify the calculation, Equation (1) is transformed into Equation (2).
z = αx + βy Equation (2)
Since (a, b, c) is a normal vector, there is no problem when c = -1.

n個の点群x,y,z(i=1〜n)が与えられたとき、以下の式(3)が最小となるα及びβを算出すればよい。
S=Σi=1 n(z−αx−βy) 式(3)
When n point groups x i , y i , and z i (i = 1 to n) are given, α and β that minimize the following expression (3) may be calculated.
S = Σ i = 1 n (z i −αx i −βy i ) Equation 2 (3)

ここで、以下のように規定したとする。
A=Σi=1 n(x )
B=Σi=1 n(y )
C=Σi=1 n(z )
D=Σi=1 n(x×y)
E=Σi=1 n(x×z)
F=Σi=1 n(y×z)
Here, it is assumed that it is defined as follows.
A = Σ i = 1 n (x i 2 )
B = Σ i = 1 n (y i 2 )
C = Σ i = 1 n (z i 2 )
D = Σ i = 1 n (x i × y i )
E = Σ i = 1 n (x i × z i )
F = Σ i = 1 n (y i × z i )

このとき、式(3)は、以下のような式(4)になる。
S=Aα+Bβ+C+2αβD−2αE−2βF 式(4)
At this time, the expression (3) becomes the following expression (4).
S = Aα 2 + Bβ 2 + C + 2αβD-2αE-2βF Formula (4)

式(4)をαの関数とみたとき、凹型の2次関数となり、極小値が最小となる。これは、βにおいても同様である。即ち、Sをα、βに関して偏微分し、0となる点が求める解となる。
When Expression (4) is regarded as a function of α, it becomes a concave quadratic function, and the minimum value is minimized. The same applies to β. That is, S is partially differentiated with respect to α and β, and a point that becomes 0 is obtained.

式(5)及び式(6)を解くと、以下の式(7)及び式(8)のように算出できる。
α=(BE−DF)/(AB−D) 式(7)
β=(AF−DE)/(AB−D) 式(8)
前述したように、法線ベクトルは(α,β,−1)である。
When the equations (5) and (6) are solved, they can be calculated as the following equations (7) and (8).
α = (BE-DF) / (AB-D 2 ) Formula (7)
β = (AF−DE) / (AB−D 2 ) Formula (8)
As described above, the normal vector is (α, β, −1).

加速度面を推定するための他の実施形態として、指定歩数分加速度について、各軸の分散Vxx、Vyy及びVzzを算出し、その分散が最小となる軸について、最小二乗法に基づいて加速度面を推定する。
Vxx=1/n・Σi=1 n(xi−x ̄)2
Vyy=1/n・Σi=1 n(yi−y ̄)2
Vzz=1/n・Σi=1 n(zi−z ̄)2
n:データの個数
x ̄:xの平均値
尚、前述した式(2)によれば、z軸方向の残差が最小となるように加速度面を算出している。
As another embodiment for estimating the acceleration plane, variances Vxx, Vyy, and Vzz of each axis are calculated for the specified number of steps of acceleration, and the acceleration plane is calculated based on the least square method for the axis that minimizes the variance. presume.
Vxx = 1 / n · Σ i = 1 n (x i -x¯) 2
Vyy = 1 / n · Σ i = 1 n (y i -y¯) 2
Vzz = 1 / n · Σ i = 1 n (z i −z ̄) 2
n: number of data x ̄: average value of x Note that, according to the above-described equation (2), the acceleration plane is calculated so that the residual in the z-axis direction is minimized.

また、加速度面推定部104は、加速度データに対して、高域周波数成分を遮断するローパスフィルタとして機能することも好ましい。これによって、異常値としての加速度データを除去することができ、正確な進行方向を算出することができる。   The acceleration surface estimation unit 104 also preferably functions as a low-pass filter that blocks high-frequency components with respect to acceleration data. As a result, acceleration data as an abnormal value can be removed, and an accurate traveling direction can be calculated.

[前後方向加速度算出部]
前後方向加速度算出部105は、加速度面及び鉛直方向加速度から、当該加速度面における法線ベクトルと、前後方向加速度とを算出する。
[Front-back direction acceleration calculation unit]
The longitudinal acceleration calculation unit 105 calculates the normal vector and the longitudinal acceleration on the acceleration surface from the acceleration surface and the vertical acceleration.

[S1]前後方向加速度算出部105は、最初に、加速度センサから出力された軸毎の加速度に基づいて、重力ベクトルGを算出する。 [S1] The longitudinal acceleration calculation unit 105 first calculates a gravity vector G based on the acceleration for each axis output from the acceleration sensor.

図9は、重力G及び地磁気Mに対する方位の関係を表す説明図である。   FIG. 9 is an explanatory diagram showing the orientation relationship with respect to gravity G and geomagnetism M. FIG.

重力ベクトルG及び地磁気ベクトルMは、x軸、y軸及びz軸毎に、以下のように表される。尚、歩行中の携帯端末の姿勢は大凡一定であるために、短時間に観測される地磁気データは、ほぼ一定となる。
重力ベクトルG :G=(gx、gy、gz
地磁気ベクトルM:M=(mx、my、mz
The gravity vector G and the geomagnetic vector M are expressed as follows for each of the x-axis, the y-axis, and the z-axis. In addition, since the posture of the portable terminal while walking is roughly constant, the geomagnetic data observed in a short time is almost constant.
Gravity vector G: G = (g x , g y , g z )
Geomagnetic vector M: M = (m x, m y, m z)

最初に、重力ベクトルGを算出する。歩行時における携帯端末の重力方向は、加速度データを用いても、歩行毎に正確に決定することは困難である。そこで、所定時間範囲に検出された多数のx軸、y軸及びz軸の加速度データを用いて、これら各軸の加速度の和のベクトルの向きを、重力方向とみなす。   First, the gravity vector G is calculated. It is difficult to accurately determine the gravitational direction of the mobile terminal during walking even when using acceleration data. Therefore, the direction of the vector of the sum of the accelerations of each axis is regarded as the direction of gravity using a large number of x-axis, y-axis and z-axis acceleration data detected in a predetermined time range.

i番目の各軸の加速度を、以下のように表す。
x軸の加速度:ACCx[i]
y軸の加速度:ACCy[i]
z軸の加速度:ACCz[i]
n個の加速度データの和は、以下のように表される。
ACCSx=Σi=1 NACCx[i]
ACCSy=Σi=1 NACCy[i]
ACCSz=Σi=1 NACCz[i]
そして、重力ベクトルGは、以下のように表される。
G=(gx、gy、gz)=(ACCSx、ACCSy、ACCSz)
The acceleration of each i-th axis is expressed as follows.
x-axis acceleration: ACC x [i]
y-axis acceleration: ACC y [i]
z-axis acceleration: ACC z [i]
The sum of n pieces of acceleration data is expressed as follows.
ACCS x = Σ i = 1 N ACC x [i]
ACCS y = Σ i = 1 N ACC y [i]
ACCS z = Σ i = 1 N ACC z [i]
The gravity vector G is expressed as follows.
G = (g x , g y , g z ) = (ACCS x , ACCS y , ACCS z )

[S2]次に、前後方向加速度算出部105は、加速度面の法線ベクトルVLR及び重力ベクトルGから、前向き又は後向きの前後方向ベクトルVFGを算出する。ここで、加速度面の法線ベクトルVLR及び重力ベクトルGと、前後方向ベクトルVFGとは、以下のような関係式で表される。
FG=VLR×G ×:クロス積
[S2] Next, the longitudinal acceleration calculation unit 105 calculates a forward or backward longitudinal vector V FG from the normal vector V LR and the gravity vector G of the acceleration plane. Here, the normal vector V LR and the gravity vector G of the acceleration surface and the longitudinal vector V FG are expressed by the following relational expressions.
V FG = V LR × G ×: Cross product

前後方向ベクトルVFG向きの単位ベクトルを、以下のように表す。
FB=(eFBx,eFBy,eFBz
このとき、前後方向加速度AFGは、以下のように表される。
FG=eFGx×Ax+eFGy×Az+eFGz×Az
FGは、前向き又は後向きの加速度である。
A unit vector in the front-rear direction vector V FG is expressed as follows.
e FB = (e FBx , e FBy , e FBz )
At this time, the longitudinal acceleration A FG is expressed as follows.
A FG = e FGx × A x + e FGy × A z + e FGz × A z
A FG is a forward or backward acceleration.

[S3]次に、前後方向加速度算出部105は、前後方向ベクトルVFG及び鉛直方向加速度に基づいて、前後方向ベクトルVFG及び鉛直方向加速度に基づいて、前後方向ベクトルVFGが前向きである場合、法線ベクトルVLRを右向き(+)とし、前後方向ベクトルVFGが後向きである場合、法線ベクトルVLRを左向き(−)とする。 [S3] Next, the longitudinal acceleration calculating unit 105, on the basis of the front-rear direction vector V FG and vertical acceleration, based on the longitudinal direction vector V FG and vertical acceleration, when the longitudinal direction vector V FG is positive When the normal vector V LR is directed to the right (+) and the front-rear direction vector V FG is backward, the normal vector V LR is set to the left (−).

前向き又は後向きのいずれかは、一歩の歩行サイクルについて、加速度が鉛直上向きのピークに続いて->後向きのピーク->下向きのピーク->前向きのピークの順に観測されることから、決定できる。   Either forward or backward can be determined because the acceleration is observed in the order of vertical upward peak-> backward peak-> downward peak-> forward peak for a one-step walking cycle.

[進行方向算出部]
進行方向算出部106は、法線ベクトルにおける右向き単位ベクトルと、重力ベクトルGと、地磁気ベクトルMとを用いて、進行方向を算出する。算出された進行方向は、表示制御部15へ出力される。
[Advancing direction calculation unit]
The traveling direction calculation unit 106 calculates the traveling direction using the rightward unit vector in the normal vector, the gravity vector G, and the geomagnetic vector M. The calculated traveling direction is output to the display control unit 15.

[S1]最初に、進行方向算出部106は、重力ベクトルG及び地磁気ベクトルMを用いて、G×M/|G×M|によって東向き単位ベクトルeEastを算出する。 [S1] First, the traveling direction calculation unit 106 calculates the eastward unit vector e East by G × M / | G × M | using the gravity vector G and the geomagnetic vector M.

再び、図9を参照する。   Refer to FIG. 9 again.

次に、図1と同様にx軸、y軸、z軸が右手系であると想定すると、各向きの単位ベクトルは、以下のように表される。
北向き単位ベクトルeNorth:eNorth=(eNx、eNy、eNz)
東向き単位ベクトルeEast :eEast=(eEx、eEy、eEz)
下向き単位ベクトルeDown :eDown =(eDx、eDy、eDz)
また、加速度データは、以下のように表される。
A=(Ax、Ay、Az
Next, assuming that the x-axis, y-axis, and z-axis are right-handed as in FIG. 1, the unit vectors in each direction are expressed as follows.
North-facing unit vector e North : e North = (e Nx , e Ny , e Nz )
Eastward unit vector e East : e East = (e Ex , e Ey , e Ez )
Downward unit vector e Down : e Down = (e Dx , e Dy , e Dz )
Further, the acceleration data is expressed as follows.
A = (A x , A y , A z )

図9によれば、重力ベクトルG及び地磁気ベクトルMとした場合、各単位ベクトルは、以下のように表される。
北向き単位ベクトルeNorth:eNorth=G×M×G/|G×M×G|
東向き単位ベクトルeEast :eEast =G×M/|G×M|
下向き単位ベクトルeDown :eDown =G/|G|
×:クロス積(ベクトル積、外積)
According to FIG. 9, when the gravity vector G and the geomagnetic vector M are used, each unit vector is expressed as follows.
North-facing unit vector e North : e North = G × M × G / | G × M × G |
East unit vector e East : e East = G × M / | G × M |
Downward unit vector e Down : e Down = G / | G |
×: Cross product (vector product, outer product)

「G×M」(外積)とは、重力ベクトルGと地磁気ベクトルMとによって作られる平面に対して垂直な方向のベクトルを作る。重力ベクトルGの方向を向いて見ると、地磁気ベクトルMから見て時計回りの方向にG×Mが伸びる。地磁気ベクトルMは、南から北へ向いているので、その軸から時計回りに90度となる方向、即ち、G×Mは、「東」の方位を向く。   “G × M” (outer product) creates a vector in a direction perpendicular to the plane formed by the gravity vector G and the geomagnetic vector M. When viewed in the direction of the gravity vector G, G × M extends in a clockwise direction as viewed from the geomagnetic vector M. Since the geomagnetic vector M is directed from the south to the north, the direction of 90 degrees clockwise from the axis, that is, G × M is directed to the “east” direction.

また、「(G×M)×G」とは、東向き単位ベクトルG×Mと重力ベクトルGとによって作られる平面に対して垂直な方向のベクトルを作る。東向き単位ベクトルG×Mを向いて見ると、重力ベクトルから見て時計回りの方向に(G×M)×Gが伸びる。重力ベクトルは、上から下へ向いているので、その軸から時計回りに90度となる方向、即ち、(G×M)×Gは、「北」の方位を向く。   Further, “(G × M) × G” creates a vector in a direction perpendicular to a plane formed by the eastward unit vector G × M and the gravity vector G. When looking toward the eastward unit vector G × M, (G × M) × G extends in the clockwise direction as viewed from the gravity vector. Since the gravity vector is directed from the top to the bottom, the direction of 90 degrees clockwise from the axis, that is, (G × M) × G is directed to the “north” direction.

尚、各向きの加速度ベクトルは、各向きの単位ベクトルeに対して加速度ベクトルAの内積をとることによって算出される。
北向き加速度 :AN=eNx×Ax+eNy×Ay+eNz×Az
東向き加速度 :AE=eEx×Ax+eEy×Ay+eEz×Az
鉛直下向き加速度:AD=eDx×Ax+eDy×Ay+eDz×Az
The acceleration vector in each direction is calculated by taking the inner product of the acceleration vector A with respect to the unit vector e in each direction.
Northward acceleration: A N = e Nx × A x + e Ny × A y + e Nz × A z
East acceleration: A E = e Ex × A x + e Ey × A y + e Ez × A z
Vertical downward acceleration: A D = e Dx × A x + e Dy × A y + e Dz × A z

[S2]次に、進行方向算出部106は、法線ベクトルにおける右向き単位ベクトルeRightと、東向き単位ベクトルeEastとの成す角αを算出する。2つのベクトルの成す角は、内積とノルム(ベクトルの大きさ)積から算出できる。東向き単位ベクトルeEast及び右向き単位ベクトルeRightから、両ベクトルの成す角αは、以下の式で表される。
α=arccos((eEast・eRight)/(|eEast||eRight|)) 式(9)
[S2] Next, the traveling direction calculation unit 106 calculates an angle α formed by the rightward unit vector e Right and the eastward unit vector e East in the normal vector. The angle formed by the two vectors can be calculated from the inner product and the norm (vector magnitude) product. From the eastward unit vector e East and the rightward unit vector e Right , the angle α formed by both vectors is expressed by the following equation.
α = arccos ((e East · e Right ) / (| e East || e Right |)) Equation (9)

[S3]そして、進行方向算出部106は、方位角θを求める。 [S3] Then, the traveling direction calculation unit 106 obtains the azimuth angle θ.

ここで、成す角αは、劣角である(0〜180度)。これに対し、求める方位角θは、0〜360度(北方位を0度とした時計回りの角度)であり、優角を含む。そのため、成す角を方位角に変換する。   Here, the formed angle α is an inferior angle (0 to 180 degrees). On the other hand, the azimuth angle θ to be obtained is 0 to 360 degrees (clockwise angle with the north azimuth being 0 degrees) and includes a dominant angle. Therefore, the formed angle is converted into an azimuth angle.

図10は、成す角と方位角の関係を表す説明図である。   FIG. 10 is an explanatory diagram showing the relationship between the formed angle and the azimuth angle.

図10によれば、東向き単位ベクトルeEastと右向き単位ベクトルeRightの外積ベクトルeEast×eRightによれば、東向き単位ベクトルeEastに対する方向角θが180未満のとき、重力ベクトルと同一方向を示す。このとき、θ=αである。一方で、θが180度以上になるべきときには、eEast×eRightは、重力ベクトルと逆方向を示す。このとき、θ=360−αである。そのため、eEast×eRightと重力ベクトルGの成す角を求め(角度ではなく余弦でもよい)、その結果に基づいてαをθに変換する。 According to FIG. 10, according to the outer product vector e East × e Right of the eastward unit vector e East and the rightward unit vector e Right , the same as the gravity vector when the direction angle θ with respect to the eastward unit vector e East is less than 180. Indicates direction. At this time, θ = α. On the other hand, when θ should be 180 degrees or more, e East × e Right indicates a direction opposite to the gravity vector. At this time, θ = 360−α. Therefore, an angle formed by e East × e Right and the gravity vector G is obtained (cosine instead of angle), and α is converted to θ based on the result.

東向き単位ベクトルeEastに対する方向角θは、eEast×eRightと重力ベクトルGとの成す角をβとを用いて、以下の式によって導出される。
cosβ≧0:θ=α
cosβ<0:θ=360−α
The direction angle θ with respect to the eastward unit vector e East is derived by the following equation using β as the angle formed by e East × e Right and the gravity vector G.
cos β ≧ 0: θ = α
cos β <0: θ = 360−α

以上、詳細に説明したように、本発明の携帯端末、プログラム及び方法によれば、利用者に端末の姿勢が大凡一定となるように所持された携帯端末について、その携帯端末に搭載された加速度センサ及び地磁気センサを用いて、歩行者の進行方向をできる限り正確に決定することができる。   As described above in detail, according to the mobile terminal, the program, and the method of the present invention, the acceleration mounted on the mobile terminal held by the user so that the attitude of the terminal is approximately constant. Using the sensor and the geomagnetic sensor, the direction of travel of the pedestrian can be determined as accurately as possible.

前述した本発明の種々の実施形態について、本発明の技術思想及び見地の範囲の種々の変更、修正及び省略は、当業者によれば容易に行うことができる。前述の説明はあくまで例であって、何ら制約しようとするものではない。本発明は、特許請求の範囲及びその均等物として限定するものにのみ制約される。   Various changes, modifications, and omissions of the above-described various embodiments of the present invention can be easily made by those skilled in the art. The above description is merely an example, and is not intended to be restrictive. The invention is limited only as defined in the following claims and the equivalents thereto.

1 携帯端末
10 進行方向決定部
101 鉛直方向加速度算出部
102 歩行タイミング検出部
103 指定歩数分加速度取得部
104 加速度面推定部
105 前後方向加速度算出部
106 進行方向算出部
11 加速度センサ
12 地磁気センサ
13 測位部
14 地図情報記憶部
15 表示制御部
16 ディスプレイ部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Mobile terminal 10 Travel direction determination part 101 Vertical direction acceleration calculation part 102 Walking timing detection part 103 Acceleration acquisition part for designated steps 104 Acceleration surface estimation part 105 Front-rear direction acceleration calculation part 106 Travel direction calculation part 11 Acceleration sensor 12 Geomagnetic sensor 13 Positioning Unit 14 map information storage unit 15 display control unit 16 display unit

Claims (8)

3軸の加速度データを出力する加速度センサと、3軸の地磁気データを出力する地磁気センサと、前記加速度データ及び前記地磁気データから歩行者の進行方向を決定する進行方向決定手段とを有し、歩行者によって所持される携帯端末であって、
前記進行方向決定手段は、
前記加速度データから、鉛直方向加速度を算出する鉛直方向加速度算出手段と、
鉛直上向き加速度の極大点を歩行タイミングとして検出する歩行タイミング検出手段と、
前記歩行タイミングに基づいて、指定歩数分の加速度データを取得する指定歩数分加速度取得手段と、
前記指定歩数分の加速度データから、歩行者の歩行動作によって生じる加速度面を推定する加速度面推定手段と、
前記加速度面及び前記鉛直方向加速度から、当該加速度面における法線ベクトルと、前後方向加速度とを算出する前後方向加速度算出手段と、
前記法線ベクトルにおける右向き単位ベクトルと、前記重力ベクトルGと、前記地磁気ベクトルMとを用いて、進行方向を算出する進行方向算出手段と
を有することを特徴とする携帯端末。
An acceleration sensor that outputs triaxial acceleration data; a geomagnetic sensor that outputs triaxial geomagnetic data; and a traveling direction determination means that determines a traveling direction of a pedestrian from the acceleration data and the geomagnetic data. A portable terminal owned by a person,
The traveling direction determination means includes
Vertical acceleration calculation means for calculating vertical acceleration from the acceleration data;
Walking timing detection means for detecting the maximum point of vertical upward acceleration as walking timing;
Based on the walking timing, an acceleration acquisition unit for the specified number of steps for acquiring acceleration data for the specified number of steps,
Acceleration surface estimation means for estimating an acceleration surface generated by a walking motion of a pedestrian from acceleration data for the specified number of steps,
A longitudinal acceleration calculation means for calculating a normal vector on the acceleration surface and a longitudinal acceleration from the acceleration surface and the vertical acceleration;
A mobile terminal, comprising: a traveling direction calculation unit configured to calculate a traveling direction using a rightward unit vector in the normal vector, the gravity vector G, and the geomagnetic vector M.
前記前後方向加速度算出手段は、
前記加速度センサから出力された軸毎の加速度に基づいて、重力ベクトルGを算出し、
前記加速度面の法線ベクトルVLR及び前記重力ベクトルGから、前向き又は後向きの前後方向ベクトルVFGを算出し、
前記前後方向ベクトルVFG及び前記鉛直方向加速度に基づいて、前記前後方向ベクトルVFGが前向きである場合、前記法線ベクトルVLRを右向きとし、前記前後方向ベクトルVFGが後向きである場合、前記法線ベクトルVLRを左向きとする
ことを特徴とする請求項1に記載の携帯端末。
The longitudinal acceleration calculation means includes:
Based on the acceleration for each axis output from the acceleration sensor, the gravity vector G is calculated,
From the normal vector V LR of the acceleration surface and the gravity vector G, a forward or backward longitudinal vector V FG is calculated,
Based on the front-rear direction vector V FG and the vertical acceleration, when the front-rear direction vector V FG is forward, the normal vector V LR is rightward, and when the front-rear direction vector V FG is rearward, 2. The mobile terminal according to claim 1, wherein the normal vector VLR is leftward.
前記進行方向算出手段は、
前記重力ベクトルG及び前記地磁気ベクトルMを用いて、G×M/|G×M|によって東向き単位ベクトルeEastを算出し、
前記法線ベクトルにおける右向き単位ベクトルeRightと、前記東向き単位ベクトルeEastとの成す角αを算出し、
前記東向き単位ベクトルeEastと前記右向き単位ベクトルeRightとの外積(eEast×eRight)と、重力ベクトルGとの成す角βに基づいて、前記東向き単位ベクトルeEastに対する方向角θを算出する
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の携帯端末。
The traveling direction calculation means includes
Using the gravity vector G and the geomagnetic vector M, an eastward unit vector e East is calculated by G × M / | G × M |
An angle α formed by a rightward unit vector e Right in the normal vector and the eastward unit vector e East is calculated;
Based on the angle β formed by the outer product (e East × e Right ) of the eastward unit vector e East and the rightward unit vector e Right and the gravity vector G, the direction angle θ with respect to the eastward unit vector e East is determined. The mobile terminal according to claim 1, wherein the mobile terminal is calculated.
前記進行方向算出手段について、
前記成す角αは、以下の式によって算出され、
α=arccos((eEast・eRight)/(|eEast||eRight|))
方位角θは、前記成す角αと、前記外積ベクトルと前記重力ベクトルGの成す角βとを用いて、以下の式によって導出される
cosβ≧0:θ=α
cosβ<0:θ=360−α
ことを特徴とする請求項3に記載の携帯端末。
About the traveling direction calculation means,
The formed angle α is calculated by the following equation:
α = arccos ((e East · e Right ) / (| e East || e Right |))
The azimuth angle θ is derived by the following equation using the angle α formed and the angle β formed by the outer product vector and the gravity vector G: cos β ≧ 0: θ = α
cos β <0: θ = 360−α
The mobile terminal according to claim 3.
前記加速度面推定手段は、
指定歩数分加速度について、各軸の分散Vxx、Vyy及びVzzを算出し、
分散が最小となる軸について、最小二乗法に基づいて加速度面を推定する
ことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の携帯端末。
The acceleration surface estimation means includes
Calculate the variances Vxx, Vyy and Vzz of each axis for the specified number of steps of acceleration.
The mobile terminal according to any one of claims 1 to 4, wherein an acceleration plane is estimated based on a least-squares method for an axis having a minimum variance.
前記加速度面推定手段は、前記加速度データに対して、高域周波数成分を遮断するローパスフィルタとして機能することを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の携帯端末。   The mobile terminal according to any one of claims 1 to 5, wherein the acceleration surface estimation unit functions as a low-pass filter that blocks high frequency components with respect to the acceleration data. 3軸の加速度データを出力する加速度センサと、3軸の地磁気データを出力する地磁気センサとを有する携帯端末に搭載されたコンピュータを、前記加速度データ及び前記地磁気データから歩行者の進行方向を決定する進行方向決定手段として機能させるプログラムであって、
前記進行方向決定手段は、
前記加速度データから、鉛直方向加速度を算出する鉛直方向加速度算出手段と、
鉛直上向き加速度の極大点を歩行タイミングとして検出する歩行タイミング検出手段と、
前記歩行タイミングに基づいて、指定歩数分の加速度データを取得する指定歩数分加速度取得手段と、
前記指定歩数分の加速度データから、歩行者の歩行動作によって生じる加速度面を推定する加速度面推定手段と、
前記加速度面及び前記鉛直方向加速度から、当該加速度面における法線ベクトルと、前後方向加速度とを算出する前後方向加速度算出手段と、
前記法線ベクトルにおける右向き単位ベクトルと、前記重力ベクトルGと、前記地磁気ベクトルMとを用いて、進行方向を算出する進行方向算出手段と
してコンピュータを機能させることを特徴とする携帯端末用のプログラム。
A computer mounted on a portable terminal having an acceleration sensor that outputs triaxial acceleration data and a geomagnetic sensor that outputs triaxial geomagnetic data is used to determine the direction of travel of a pedestrian from the acceleration data and the geomagnetic data. A program that functions as a direction of travel determination means,
The traveling direction determination means includes
Vertical acceleration calculation means for calculating vertical acceleration from the acceleration data;
Walking timing detection means for detecting the maximum point of vertical upward acceleration as walking timing;
Based on the walking timing, an acceleration acquisition unit for the specified number of steps for acquiring acceleration data for the specified number of steps,
Acceleration surface estimation means for estimating an acceleration surface generated by a walking motion of a pedestrian from acceleration data for the specified number of steps,
A longitudinal acceleration calculation means for calculating a normal vector on the acceleration surface and a longitudinal acceleration from the acceleration surface and the vertical acceleration;
A program for a portable terminal, which causes a computer to function as a traveling direction calculation unit that calculates a traveling direction using a rightward unit vector in the normal vector, the gravity vector G, and the geomagnetic vector M.
3軸の加速度データを出力する加速度センサと、3軸の地磁気データを出力する地磁気センサとを有する携帯端末によって、前記加速度データ及び前記地磁気データから歩行者の進行方向を決定する進行方向決定方法であって、
前記加速度データから、鉛直方向加速度を算出する第1のステップと、
鉛直上向き加速度の極大点を歩行タイミングとして検出する第2のステップと、
前記歩行タイミングに基づいて、指定歩数分の加速度データを取得する第3のステップと、
前記指定歩数分の加速度データから、歩行者の歩行動作によって生じる加速度面を推定する第4のステップと、
前記加速度面及び前記鉛直方向加速度から、当該加速度面における法線ベクトルと、前後方向加速度とを算出する第5のステップと、
前記法線ベクトルにおける右向き単位ベクトルと、前記重力ベクトルGと、前記地磁気ベクトルMとを用いて、進行方向を算出する第6のステップと
を有することを特徴とする携帯端末の進行方向決定方法。
A traveling direction determining method for determining a traveling direction of a pedestrian from the acceleration data and the geomagnetic data by a portable terminal having an acceleration sensor that outputs triaxial acceleration data and a geomagnetic sensor that outputs triaxial geomagnetic data. There,
A first step of calculating vertical acceleration from the acceleration data;
A second step of detecting a maximum point of vertical upward acceleration as a walking timing;
A third step of acquiring acceleration data for a specified number of steps based on the walking timing;
A fourth step of estimating an acceleration plane generated by the walking motion of the pedestrian from the acceleration data for the specified number of steps;
A fifth step of calculating a normal vector on the acceleration surface and a longitudinal acceleration from the acceleration surface and the vertical acceleration;
A mobile terminal traveling direction determination method, comprising: a sixth step of calculating a traveling direction using a rightward unit vector in the normal vector, the gravity vector G, and the geomagnetic vector M.
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