JP5893254B2

JP5893254B2 - 自律測位に用いる重力ベクトルを補正する携帯装置、プログラム及び方法

Info

Publication number: JP5893254B2
Application number: JP2011066822A
Authority: JP
Inventors: 大輔上坂; 村松　茂樹; 茂樹村松
Original assignee: KDDI Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 2011-03-24
Filing date: 2011-03-24
Publication date: 2016-03-23
Anticipated expiration: 2031-03-24
Also published as: JP2012202780A

Description

本発明は、自律測位に用いる重力ベクトルを補正する技術に関する。

従来、正確な端末姿勢を推定するために、重力ベクトルを補正する技術がある（例えば特許文献１参照）。この技術によれば、携帯装置は、角速度センサ及び加速度センサを有し、角速度データ及び加速度データから重力方向を逐次算出する。重力ベクトルは、角速度データに基づいて算出される。最初に、その重力ベクトルを、加速度ベクトルの方向へ近づくように補正する。次に、端末が所定の運動をする場合に、その重力ベクトルを、加速度データ及び角速度データの予め定義された関係から推定される重力方向へ近づくように補正する。最後に、その重力ベクトルを、所定期間における加速度ベクトルの平均の方向へ近づくように補正する。このように補正された重力ベクトルを用いて、正確な端末姿勢を推定することができる。

特開２０１０−２６３９３０号公報

特許文献１に記載の技術によれば、携帯装置に、少なくとも角速度センサを搭載する必要がある。また、加速度データと角速度データとの関係を予め定義しておく必要があり、携帯装置を保持する態様の個人差には対応できない。

そこで、本発明は、携帯装置を保持する態様の個人差に関係なく、重力ベクトルを補正することができる携帯装置、プログラム及び方法を提供することを目的とする。

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、
絶対位置を測位するＧＰＳ(Global Positioning System)測位手段と、
加速度データ及び地磁気データを用いて重力ベクトルを算出すると共に、自律的に測位した推定方位角ｄを出力する自律測位手段と、
時間経過に応じて、先の時刻の絶対位置と後の時刻の絶対位置とから絶対方位角θを導出する絶対方位角導出手段と
を有する携帯装置において、
推定方位角ｄ及び絶対方位角θと、地磁気データにおける地磁気ベクトルの伏角φとから、ピッチオフセットｐ（角度）を算出し、該ピッチオフセットｐを自律測位手段へ出力するピッチオフセット算出手段を更に有し、
自律測位手段は、重力ベクトルをピッチオフセットｐだけ逆算して補正し、該重力ベクトルを用いて推定方位角ｄを算出する
ことを特徴とする。

本発明の携帯装置における他の実施形態によれば、
ピッチオフセット算出手段は、以下の式によってピッチオフセットｐを算出する

ことも好ましい。

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、
絶対位置を測位するＧＰＳ測位手段と
を有する携帯装置に搭載されたコンピュータを機能させるものであって、
加速度データ及び地磁気データを用いて重力ベクトルを算出すると共に、自律的に測位した推定方位角ｄを出力する自律測位手段と、
時間経過に応じて、先の時刻の絶対位置と後の時刻の絶対位置とから絶対方位角θを導出する絶対方位角導出手段と
してコンピュータを機能させるプログラムにおいて、
推定方位角ｄ及び絶対方位角θと、地磁気データにおける地磁気ベクトルの伏角φとから、ピッチオフセットｐ（角度）を算出し、該ピッチオフセットｐを自律測位手段へ出力するピッチオフセット算出手段としてコンピュータを更に機能させ、
自律測位手段は、重力ベクトルをピッチオフセットｐだけ逆算して補正し、該重力ベクトルを用いて推定方位角ｄを算出する
ようにコンピュータを機能させることを特徴とする。

本発明の携帯装置用のプログラムにおける他の実施形態によれば、
ピッチオフセット算出手段は、以下の式によってピッチオフセットｐを算出する

としてコンピュータを更に機能させることも好ましい。

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、
絶対位置を測位するＧＰＳ測位手段と、
加速度データ及び地磁気データを用いて重力ベクトルを算出すると共に、自律的に測位した推定方位角ｄを出力する自律測位機能と、
時間経過に応じて、先の時刻の絶対位置と後の時刻の絶対位置とから絶対方位角θを導出する絶対方位角導出機能と
を有する携帯装置の重力ベクトルの補正方法において、
推定方位角ｄ及び絶対方位角θと、地磁気データにおける地磁気ベクトルの伏角φとから、ピッチオフセットｐ（角度）を算出し、該ピッチオフセットｐを自律測位機能へ出力するステップと、
自律測位機能が、重力ベクトルをピッチオフセットｐだけ逆算して補正し、該重力ベクトルを用いて推定方位角ｄを算出するステップと
を有することを特徴とする。

本発明の携帯装置、プログラム及び方法によれば、自律位置（加速度データ及び地磁気データ）と絶対位置（ＧＰＳ測位データ）とを用いることによって、携帯装置を保持する態様の個人差に関係なく、重力ベクトルを補正することができる。

本発明における携帯装置の機能構成図である。ヨーオフセットを表すユーザ座標系である。ピッチオフセットを表すユーザ座標系である。ｙ軸から見た重力ベクトルを表すユーザ座標系である。ｚ軸から見た重力ベクトルを表すユーザ座標系である。

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。

図１は、本発明における携帯装置の機能構成図である。

携帯装置１は、ユーザに所持されるものであって、例えば携帯電話機又はスマートフォンのようなものである。図１によれば、携帯装置１は、加速度センサ１０１と、地磁気センサ１０２と、ＧＰＳ測位部１０３とを有する。

加速度センサ１０１は、加速度、即ち単位時間当たりの速度の変化を検出する。携帯装置の傾きを検出することができる３軸タイプの場合、３次元の加速度を検出でき、地球の重力（静的加速度）の計測にも対応できる。

地磁気センサ１０２は、３軸方向（前後方向、左右方向及び上下方向）の地磁気の方向を測定する。地磁気センサ１０２は、ホール素子を分離し、分離したホール素子からそれぞれ検出された値を出力する。

ＧＰＳ測位部１０３は、絶対位置となる緯度経度情報を測位する。

また、携帯装置１は、自律測位部１１１と、絶対方位角導出部１１２と、ヨーオフセット算出部１１３と、ピッチオフセット算出部１１４と、アプリケーション部１１５とを有する。アプリケーション部１１５は、自律測位部１１１から導出された推定方位角ｄ''を用いて、様々なサービスをユーザに提供する。これら機能構成部は、携帯装置１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。また、これら機能構成部の処理の流れは、重力ベクトルの補正方法としても理解できる。

ここで、進行向きをｘ軸正方向、進行向きに対して左手方向をｙ軸正方向、進行向きに対する上方をｚ軸正方向とするとする。このとき、各軸の回転を、以下のように表す。
ｘ軸周りの回転：ロール(roll)
ｙ軸周りの回転：ピッチ(pitch)
ｚ軸周りの回転：ヨー(yaw)

また、重力ベクトルに影響を与える誤差は、ヨー及びピッチである。従って、重力ベクトルを補正するためには、ヨーオフセットｙとピッチオフセットｐとが算出できればよい。即ち、本発明によれば、ロールオフセットｒは、重力ベクトルに影響を与えないものとする。

自律測位部１１１は、加速度データ及び地磁気データを用いて重力ベクトルを算出すると共に、自律的に測位した推定方位角ｄ（°）を出力する。自律測位部１１１は、既存のデッドレコニング(Dead Reckoning：ＤＲ)技術（自律推測航法技術）に基づくものであって、屋内のように測位電波を受信できない場所にあっても、その位置を自律的に測位することができる。デッドレコニング技術は、エンコーダや慣性センサを利用した相対的自己位置推定技術をいい、一般に、既知の初期値（位置と姿勢）に対して、地磁気データ又は角速度データ（ジャイロスコープ）及び加速度データを足し合わせて、その後の位置及び姿勢を算出する。そのために、デッドレコニング技術のみでは、誤差が蓄積していくことなる。即ち、重力ベクトルの誤差も蓄積していくこととなる。

図１によれば、自律測位部１１１は、ヨーオフセット算出部１１３からのヨーオフセットｙと、ピッチオフセット算出部１１４からのピッチオフセットｐを入力する。自律測位部１１１は、自ら算出した推定方位角にヨーオフセットｙを足し合わせ（逆算）、また、自ら算出した重力ベクトルにピッチオフセットｐを足し合わせる（逆算）。これによって、重力ベクトル誤差による自律測位の誤差を補正することができる。

絶対方位角導出部１１２は、ＧＰＳ測位部１０３から取得した絶対位置を、時間経過に応じて蓄積する。そして、先の時刻の絶対位置と後の時刻の絶対位置とから絶対方位角θ（°）を導出する。絶対方位角θは、ヨーオフセット算出部１１３及びピッチオフセット算出部１１４へ出力される。

ヨーオフセット算出部１１３は、自律測位部１１１から得られた推定方位角ｄと、絶対測位部１１２から得られた絶対方位角θとを入力する。そして、ヨーオフセット算出部１１３は、推定方位角ｄ及び絶対方位角θからヨーオフセットｙを算出する。

図２は、ヨーオフセットを表すユーザ座標系である。

図２（ａ）は、上方（ｚ軸上）から見た地表面を表すユーザ座標系である。図２（ｂ）は、前後、左右、上下方向を表すユーザ座標系である。ここで、重力ベクトルは、ヨーに誤差を生じているとする。このとき、ヨーオフセットｙは、方位角90°方向と270°方向に進行した際の推定方位角ｄ₉₀及びｄ₂₇₀から算出することができる。
ｙ＝（ｄ₂₇₀＋ｄ₉₀）／２−１８０
即ち、ｄ₉₀及びｄ₂₇₀の左右のずれを、ヨーオフセットｙとすることができる。

このように算出されたヨーオフセットｙは、自律測位部１１１へフィードバックされる。これによって、自律測位部１１１は、自ら推定された重力ベクトルに対してヨーオフセットｙを引いたベクトルを、重力ベクトルとして位置を推定する。

これによって、自律測位部１１１は、ヨーオフセットｙを用いて、推定方位角ｄのヨーを補正する。ヨーの補正後の推定方位角ｄ'は、以下のように算出される。
ｄ'＝ｄ−ｙ

ピッチオフセット算出部１１４は、自律測位部１１１から出力されたヨー補正後の推定方位角ｄ'と、絶対測位部１１２から得られた絶対方位角θとを入力すると共に、地磁気センサ１０２から地磁気ベクトルの伏角φを入力する。そして、ピッチオフセット算出部１１４は、ピッチオフセットｐを算出する。

図３は、ピッチオフセットを表すユーザ座標系である。

図３（ａ）は、上方（ｚ軸上）から見た地表面を表すユーザ座標系である。図２（ｂ）は、前後、左右、上下方向を表すユーザ座標系である。図３によれば、南から北へ向けて地磁気が到来している。
φ：地磁気ベクトルの伏角
ｄ：推定方位角
ｄ'：ヨー補正された推定方位角
θ：絶対方位角
地磁気ベクトルの大きさ：１
角度は、北から時計回りで表される。
図３によれば、地磁気ベクトルは、前後成分、回転軸成分及び鉛直成分に分解される。
前後成分＝sinφcosθ
回転軸成分＝sinφsinθ
鉛直成分＝cosφ
回転面成分＝（前後成分，鉛直成分）

ピッチオフセットは、左右方向（ｙ軸）を回転軸とした、重力ベクトルの回転オフセットである。重力ベクトルにピッチオフセットがかかることにより、重力ベクトルを基準とした座標系では、地磁気ベクトルの方が、本来あるべき位置から回転して見える。

図４は、ｙ軸から見た重力ベクトルを表すユーザ座標系である。

図４（ａ）によれば、ピッチ誤差を含まない実際の重力ベクトルを表す。
図４（ｂ）によれば、ピッチ誤差を含む推定の重力ベクトルを表す。
図４（ｃ）によれば、図４（ｂ）の推定の重力ベクトルを鉛直方向へ強制的に回転させたものを表す。
図４（ｄ）によれば、図４（ａ）及び図４（ｃ）を重ね合わせたものである。これによれば、地磁気ベクトルが回転しているように見える。

図５は、ｚ軸から見た重力ベクトルを表すユーザ座標系である。

図５によれば、重力ベクトルに対する垂直な面（地表面、即ちｚ軸）から見たものである。ここで、重力ベクトルが正しい場合に見える地磁気ベクトルと、重力ベクトルがオフセットしている場合に見える地磁気ベクトルとは、ずれて見える。ヨー補正後の推定方位角ｄ'は、絶対方位角θに対してピッチオフセットを含む。

そこで、ピッチオフセット算出部１１４は、ヨー補正後の推定方位角ｄ'からピッチオフセットｐを逆算する。地磁気ベクトルの回転軸成分は、回転の影響を受けないので、前述のとおり、一定である。
回転軸成分＝sinφsinθ 式（１）

一方で、回転面成分（前後成分、鉛直成分）は、以下のように表される。
ｍ＝（sinφcosθ、cosφ）
これに、回転ｐ（ピッチオフセット）を加えると、以下のようになる。

つまり、ピッチオフセットがかかった前後成分（観測値）は、以下のように表される。
前後成分＝sinφcosθcosｐ−cosφsinｐ式（２）

回転後の、回転軸成分（式１）と前後成分（式２）とから、以下の式が成り立つ。

ここで、三角関数の合成の公式を用いて、式（３）を変形すると、以下のようになる。

このように算出されたピッチオフセットｐは、自律測位部１１１へフィードバックされる。これによって、自律測位部１１１は、自ら推定された重力ベクトルに対してピッチオフセットｐを引いたベクトルを、重力ベクトルとして位置を推定する。

以上、詳細に説明したように、本発明の携帯装置、プログラム及び方法によれば、自律位置（加速度データ及び地磁気データ）と絶対位置（ＧＰＳ測位データ）とを用いることによって、携帯装置を保持する態様の個人差に関係なく、重力ベクトルを補正することができる。

本発明によれば、自律測位部の推定方位角と絶対測位部の絶対方位角との誤差分から、重力ベクトルのオフセットを算出し、そのオフセットを自律測位部にフィードバックすることによって、できる限り正確な自律測位の結果を出力するようにしている。これによって、角速度センサを搭載する必要がなく、自律測位に必須の加速度センサ及び地磁気センサとＧＰＳ測位部とのみを搭載していればよい。

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。

１携帯装置
１０１加速度センサ
１０２地磁気センサ
１０３ＧＰＳ測位部
１１１自律測位部
１１２絶対方位角導出部
１１３ヨーオフセット算出部
１１４ピッチオフセット算出部
１１５アプリケーション部
２ＧＰＳ衛星

Claims

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、
絶対位置を測位するＧＰＳ(Global Positioning System)測位手段と、
前記加速度データ及び前記地磁気データを用いて重力ベクトルを算出すると共に、自律的に測位した推定方位角ｄを出力する自律測位手段と、
時間経過に応じて、先の時刻の絶対位置と後の時刻の絶対位置とから絶対方位角θを導出する絶対方位角導出手段と
を有する携帯装置において、
前記推定方位角ｄ及び前記絶対方位角θと、前記地磁気データにおける地磁気ベクトルの伏角φとから、ピッチオフセットｐ（角度）を算出し、該ピッチオフセットｐを前記自律測位手段へ出力するピッチオフセット算出手段を更に有し、
前記自律測位手段は、前記重力ベクトルを前記ピッチオフセットｐだけ逆算して補正し、該重力ベクトルを用いて前記推定方位角ｄを算出する
ことを特徴とする携帯装置。
前記ピッチオフセット算出手段は、以下の式によってピッチオフセットｐを算出する

ことを特徴とする請求項１に記載の携帯装置。
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、
絶対位置を測位するＧＰＳ測位手段と
を有する携帯装置に搭載されたコンピュータを機能させるものであって、
前記加速度データ及び前記地磁気データを用いて重力ベクトルを算出すると共に、自律的に測位した推定方位角ｄを出力する自律測位手段と、
時間経過に応じて、先の時刻の絶対位置と後の時刻の絶対位置とから絶対方位角θを導出する絶対方位角導出手段と
してコンピュータを機能させるプログラムにおいて、
前記推定方位角ｄ及び前記絶対方位角θと、前記地磁気データにおける地磁気ベクトルの伏角φとから、ピッチオフセットｐ（角度）を算出し、該ピッチオフセットｐを前記自律測位手段へ出力するピッチオフセット算出手段としてコンピュータを更に機能させ、
前記自律測位手段は、前記重力ベクトルを前記ピッチオフセットｐだけ逆算して補正し、該重力ベクトルを用いて前記推定方位角ｄを算出する
ようにコンピュータを機能させることを特徴とする携帯装置用のプログラム。
前記ピッチオフセット算出手段は、以下の式によってピッチオフセットｐを算出する

としてコンピュータを機能させることを特徴とする請求項３に記載の携帯装置用のプログラム。
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、
絶対位置を測位するＧＰＳ測位手段と、
前記加速度データ及び前記地磁気データを用いて重力ベクトルを算出すると共に、自律的に測位した推定方位角ｄを出力する自律測位機能と、
時間経過に応じて、先の時刻の絶対位置と後の時刻の絶対位置とから絶対方位角θを導出する絶対方位角導出機能と
を有する携帯装置の重力ベクトルの補正方法において、
前記推定方位角ｄ及び前記絶対方位角θと、前記地磁気データにおける地磁気ベクトルの伏角φとから、ピッチオフセットｐ（角度）を算出し、該ピッチオフセットｐを前記自律測位機能へ出力するステップと、
前記自律測位機能が、前記重力ベクトルを前記ピッチオフセットｐだけ逆算して補正し、該重力ベクトルを用いて前記推定方位角ｄを算出するステップと
を有することを特徴とする携帯装置の重力ベクトルの補正方法。