JP6108830B2 - 歩行の安定性を評価可能な携帯型情報装置、プログラム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、ユーザの歩行を検出して、ユーザの位置・移動状況を把握する技術に関する。

ユーザの歩行を検出して、ユーザの位置・移動状況を把握する携帯型情報装置が、現在、広く普及している。例えば、ユーザの歩数をカウントして移動距離や消費熱量を提示する歩数計機能は、スマートフォン、携帯電話機等の携帯端末の多くに実装されている。

さらに、ユーザの歩行（体動）を検出する技術として、特許文献１には、使用者の体動を検出する携帯端末装置が開示されている。この装置では、検出された加速度に基づいて、装置が静止しているか否かを判断し、静止判断時に算出した補正値を、非静止判断時での加速度に適用して当該加速度を変換することによって、使用者の運動の特徴を判定している。

また、特許文献２には、加速度検出部からの信号の周期が基準周波数範囲内か否かを判定した上で歩数を計数する電子歩数計が開示されている。

さらに、特許文献３には、外乱磁界による地磁気の乱れを高い精度で検出する地磁気センサを用いた、移動体の進行方向等を表示するための移動体表示装置が開示されている。

特開２００６−１９８０７３号公報 特開２００５−３０９６９２号公報 特開２００６−１３３１５４号公報

一般に、ユーザの歩行を検出して、ユーザの位置・移動状況を把握する際、安定的な歩行が行われているかどうかを判断した上で、装置に内蔵されたセンサによって取得されたデータを解析する必要がある。ここで安定的な歩行とは、内蔵センサの出力において、当該出力からユーザの位置・移動状況を推定することが所定の精度で可能となる程度の、歩行に該当するデータが取得される状態を指す。

尚、歩行が不安定であるために又は取り付けが不安定であるために、ユーザの所持する装置の姿勢がユーザに対して変動し、これによって歩行運動が原因ではないセンサ出力の変動が引き起こされた際、このような出力変動は、ユーザの位置・移動状況を推定する場合の障害となる。従って、安定的な歩行が行われている、とするためには、装置姿勢が歩行中のユーザに対して概ね変動せず安定していることも重要となる。

しかしながら、上述したような従来技術を用いても、装置姿勢が安定していて歩行が安定的に行われているか否か、を判断することは困難である。

例えば、特許文献１に開示された技術は、あくまでも装置が静止しているか否かを判定するのみであり、非静止時には、装置姿勢がユーザに対して安定しているか否かを判断することはできない。また、特許文献２に開示された技術も、加速度変動が歩行によるものであるか否かを判定するのみであり、歩行中の装置姿勢がユーザに対して安定しているか否かを判断できるものではない。

さらに、特許文献３に開示された技術を用いても、環境の影響による外乱磁界の有無を判定するのみであり、装置姿勢の変動による磁界の外乱の有無を判定することはできない。

尚、以上に述べた課題を解決することは、特に、装置内蔵のセンサ出力を用いて歩行者の室内等での位置を推定する際、非常に重要となる。実際、室内環境のようなＧＰＳ（Global Positioning System）が使用困難な場所において、そのような位置推定を高い信頼性をもって行うためには、装置姿勢が安定していて、位置推定を行えるまで十分に安定した歩行状態にあるか否か、を見極めることが必須となる。

そこで、本発明は、装置姿勢が安定していて安定的な歩行が行われているか否かを評価することが可能な携帯型情報装置、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、加速度をベクトル量として測定可能な加速度センサを備え、測定された加速度ベクトルに基づいて、装置を携帯したユーザの歩行に係る情報を取得する携帯型情報装置であって、
測定された複数の加速度ベクトルが円錐状に分布している可能性があるか否かを判定する軸分布判定手段と、
軸分布判定手段によって真の判定がなされた複数の加速度ベクトルの分布を円錐で近似し、この円錐の狭まり具合である円錐の狭小性を、歩行の安定性として評価する円錐評価手段と
を有する携帯型情報装置が提供される。

この携帯型情報装置の軸分布判定手段に係る一実施形態として、軸分布判定手段は、携帯型情報装置に固定された装置座標系の軸であって、複数の加速度ベクトルが軸の正負双方にまたがって分布していない軸が少なくとも１つ存在する際、真の判定を行うことも好ましい。

また、円錐評価手段に係る一実施形態として、円錐評価手段は、正規化された複数の加速度ベクトルの分布を近似した円錐における高さｈの所定高さ閾値Ｈに対する比率が高いほど、この円錐における底面半径ｒの所定半径閾値Ｒに対する比率が低いほど、又はこの円錐における中心線と母線とのなす角度θの所定角度閾値Θに対する比率が低いほど、円錐がより狭小であると評価することも好ましい。

さらに、円錐評価手段に係る他の実施形態として、円錐評価手段は、正規化された複数の加速度ベクトルの分布を近似した円錐の高さｈが所定高さ閾値Ｈ以上である際、この円錐の底面半径ｒが所定半径閾値Ｒ以下である際、又はこの円錐における中心線と母線とのなす角度θが所定角度閾値Θ以下である際、円錐が狭小であると判定することも好ましい。

また、本発明の携帯型情報装置は、測定された加速度ベクトルのデータにおける歩行の候補となる加速度変動を検出する歩行推定手段と、
加速度変動が歩行によるものかどうかの歩行該当性を評価する歩行評価手段と
を更に有することも好ましい。

ここで、この歩行推定手段に係る一実施形態として、歩行推定手段は、測定された加速度ベクトル群から重力加速度ベクトルを算出し、重力加速度ベクトルを用いて各時点での加速度ベクトルの重力方向成分を算出して、重力方向成分の時系列から歩行の候補となる加速度変動を検出することも好ましい。

また、歩行評価手段に係る一実施形態として、歩行評価手段は、検出された加速度変動の時間間隔を抽出して時間間隔の標準偏差ｓを算出し、時間間隔が指定範囲内に収まっている場合に、所定の標準偏差閾値Ｓに対する標準偏差ｓの比率ｓ／Ｓが低いほど、加速度変動の歩行該当性がより高いと評価することも好ましい。

さらに、歩行評価手段に係る他の実施形態として、歩行評価手段は、検出された加速度変動の時間間隔を抽出して時間間隔の標準偏差ｓを算出し、時間間隔が指定範囲内に収まっており、且つ標準偏差ｓが所定の標準偏差閾値Ｓ以下である際、加速度変動は歩行に該当すると判定することも好ましい。

また、本発明の携帯型情報装置における他の実施形態として、円錐評価手段は、歩行評価手段から取得した標準偏差ｓの値が大きいほど、所定高さ閾値Ｈをより小さな値に決定又は更新し、又は所定半径閾値Ｒ若しくは所定角度閾値Θをより大きな値に決定又は更新することも好ましい。

さらに、本発明の携帯型情報装置における他の実施形態として、円錐評価手段は、正規化された複数の加速度ベクトルの分布を近似した円錐における高さｈの所定高さ閾値Ｈに対する比率が高いほど、この円錐における底面半径ｒの所定半径閾値Ｒに対する比率が低いほど、又はこの円錐における中心線と母線とのなす角度θの所定角度閾値Θに対する比率が低いほど、円錐狭小性がより高いと評価し、
歩行評価手段は、検出された加速度変動の時間間隔を抽出して時間間隔の標準偏差ｓを算出し、時間間隔が指定範囲内に収まっている場合に、所定の標準偏差閾値Ｓに対する標準偏差ｓの比率ｓ／Ｓが低いほど、加速度変動の歩行該当性がより高いと評価し、
評価された円錐狭小性と評価された歩行該当性とに基づいて歩行安定性を決定する歩行安定性決定手段を更に有することも好ましい。

本発明によれば、さらに、加速度をベクトル量として測定可能な加速度センサを備え、測定された加速度ベクトルに基づいて、装置を携帯したユーザの歩行に係る情報を取得する装置に搭載されたコンピュータを機能させる歩行安定性評価プログラムであって、
測定された複数の加速度ベクトルが円錐状に分布している可能性があるか否かを判定する軸分布判定手段と、
軸分布判定手段によって真の判定がなされた複数の加速度ベクトルの分布を円錐で近似し、この円錐の狭まり具合である円錐の狭小性を、歩行の安定性として評価する円錐評価手段と
してコンピュータを機能させる歩行安定性評価プログラムが提供される。

本発明によれば、さらにまた、加速度をベクトル量として測定可能な加速度センサを備え、測定された加速度ベクトルに基づいて、装置を携帯したユーザの歩行に係る情報を取得する装置に搭載されたコンピュータにおけるソフトウェアの情報処理による歩行安定性評価方法であって、
測定された複数の加速度ベクトルが円錐状に分布している可能性があるか否かを判定する第１のステップと、
第１のステップで真の判定がなされた複数の加速度ベクトルの分布を円錐で近似し、この円錐の狭まり具合である円錐の狭小性を、歩行の安定性として評価する第２のステップと
を有する歩行安定性評価方法が提供される。

本発明の携帯型情報装置、歩行安定性評価プログラム及び方法によれば、装置姿勢が安定していて安定的な歩行が行われているか否かを評価することができる。また、その結果、ユーザの位置・移動状況をより正確に推定することも可能となる。

本発明による携帯型情報装置を所持して歩行する状況を説明するための概略図である。 本発明による携帯端末の一実施形態を示す機能構成図である。 加速度ベクトル群が円錐評価可能であるか否かを判定する軸分布判定を説明するためのグラフである。 加速度ベクトル群の分布を近似した円錐の広がり具合に基づいて、当該円錐の狭小性を評価する円錐評価を説明するためのグラフである。 加速度変動が歩行によるものかどうかを評価・判定する歩行該当性評価を説明するためのグラフ及び概略図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明による携帯型情報装置を所持して歩行する状況を説明するための概略図である。尚、図１において、本発明による携帯型情報装置の一実施形態として携帯端末１が挙げられているが、携帯型情報装置は当然、携帯端末に限定されるものではない。

図１（Ａ）によれば、ユーザは、携帯端末１を所持しながら建物内を歩行している。この携帯端末１は、加速度をベクトル量として測定可能な加速度センサ１００を備えている。携帯端末１において、この加速度センサ１００から出力される加速度情報を入力した安定歩行評価・判定部１０は、携帯端末１の姿勢が歩行中のユーザに対して概ね変動せず安定していて歩行が安定的に行われているか否かを判定し、又は歩行（端末姿勢）の安定性を評価する。

ここで、安定的な歩行とは、加速度センサ１００の出力において、当該出力からユーザの位置・移動状況を推定することが所定の精度で可能となる程度の、歩行に該当するデータが取得される状態を指す。

携帯端末１は、さらに、地磁気センサ１０２及び／又はジャイロセンサ１０３と、加速度センサ１００を含むこれらのセンサからの出力を用いてユーザの位置・進行方向を推定する位置・進行方向推定部１６とを備えていることも好ましい。位置・進行方向推定部１６は、例えば加速度センサ１００及び地磁気センサ１０２からの出力を用いてユーザの進行する方位を決定し、さらに、例えばジャイロセンサ１０３からの出力を用いてユーザの進行向きの転換量を決定する。さらに、例えば加速度センサ１００からの出力を用いて、歩数及び進行距離（道のり）を求め、進行距離情報と進行方向の変化情報とを勘案して、現在位置を推定する。

位置・進行方向推定部１６は、このようなユーザの位置・進行方向の推定の際、安定歩行評価・判定部１０によって実施された歩行安定性の評価・判定結果に基づき、（所定以上の）歩行安定性があると評価・判定された場合にのみ、所定の精度・信頼性が確保された位置・進行方向を推定したものと判断する。または、評価された歩行安定性の度合いに応じ、推定した位置・進行方向に合わせてその推定の精度・信頼性を提示してもよい。

携帯端末１は、このように装置姿勢が安定していて安定的な歩行が行われているか否かを適切に評価・判定するべく、具体的には、
（ａ）加速度センサ１００によって測定された複数の加速度ベクトルが円錐状に分布している可能性があるか否かを判定し、
（ｂ）上記（ａ）で真の判定がなされた複数の加速度ベクトルの分布を円錐（直円錐）で近似し、この円錐の狭まり具合である円錐の狭小性を、歩行の安定性として評価する。

携帯端末１は、歩行安定性の評価・判定のため、さらに、
（ｃ）加速度センサ１００によって測定された加速度ベクトルのデータにおける歩行の候補となる加速度変動を検出し、
（ｄ）検出された加速度変動が歩行によるものかどうかの歩行該当性を評価する
ことも好ましい。ここで、上記（ｄ）においては、
（ｄ’）検出された加速度変動の時間間隔を抽出してこの時間間隔の標準偏差ｓを算出し、この時間間隔が指定範囲内に収まっている場合に、所定の標準偏差閾値Ｓに対する当該標準偏差ｓの比率ｓ／Ｓが低いほど、当該加速度変動の歩行該当性がより高いと評価してもよい。

このように、携帯端末１を用い、複数の加速度ベクトルの分布の円錐狭小性を、歩行の安定性として評価・判定することができる。ここで、円錐狭小性は、加速度ベクトルの変動が歩行時に観測されるようなある方向範囲内の周期的な変化に相当するか否か、また相当する場合、加速度ベクトルの向きがどの程度小さな範囲内に収まるかを示す指標となる。

さらに、携帯端末１を用いて、加速度データの歩行該当性を評価・判定することも可能となる。その結果、携帯端末１に内蔵されたセンサのみを用いることによって、装置姿勢が安定していて安定的な歩行が行われているか否かを評価・判定することができる。また、この評価・判定結果を用いて、ユーザの位置・移動状況をより正確に推定することも可能となるのである。

尚、本発明による歩行安定性評価は、当然に、図１（Ａ）に示したようなユーザの建物内での歩行に対する評価・判定に限定されるものではない。例えば、図１（Ｂ）に示したように、市街地での移動によって収集された端末内蔵のセンサからの出力データに基づいて、本発明による歩行安定性評価を実施することもできる。即ち、図１（Ｂ）によれば、ユーザは、携帯端末１を所持しながら市街地の道路（歩道）を歩行によって進行する。携帯端末１は、このようなユーザの歩行の安定性をも、上述した方法によって評価・判定することができるのである。

［携帯端末１の機能構成］
図２は、本発明による携帯端末１の一実施形態を示す機能構成図である。

図２によれば、携帯端末１は、加速度センサ１００と、表示部１０１と、プロセッサ・メモリとを有する。また、地磁気センサ１０２及び／又はジャイロセンサ１０３（図１）を有していてもよい。さらに、通信部１０４を有することも好ましい。ここで、プロセッサ・メモリは、プログラムを実行することによってその機能を実現させる。

また、プロセッサ・メモリは、機能構成部として、加速度データ蓄積部１１と、円錐判断部１２と、歩行判断部１３と、歩行安定性決定部１４と、歩行安定性データ蓄積部１５とを有する。尚、これらの機能構成部が、安定歩行評価・判定部１０（図１）を構成する。また、地磁気センサ１０２及び／又はジャイロセンサ１０３が搭載された場合、更に位置・進行方向推定部１６（図１）を有することも好ましい。

加速度センサ１００は、加速度をベクトル量として測定する加速度測定計であり、例えばＭＥＭＳ技術を用いて形成された、例えば静電容量方式又はピエゾ抵抗方式による、３軸タイプの加速度計測計とすることができる。加速度センサ１００として、重力加速度を計測し、携帯端末１を所持したユーザの歩数をカウントすることを可能とする加速度センサを用いることも好ましい。

地磁気センサ１０２（図１）は、例えば、磁気抵抗（AMR、GMR又はTMR）効果、磁気インピーダンス（MI）効果、フラックスゲート（FG）方式又はホール効果を利用して地磁気を測定する３軸タイプの地磁気計測計とすることができる。尚、この地磁気センサ１０２と加速度センサ１００とを組み合わせて、携帯端末１の方位を測定する方位測定部とすることも可能である。

ジャイロセンサ１０３（図１）は、角速度を検出するジャイロスコープであって、向きの転換（変化）を検知・測定する向き転換測定部として機能する。ジャイロセンサ１０３として、例えば、振動したアームに作用するコリオリ力による構造体の変形から角速度を検出する３軸タイプの振動ジャイロセンサを用いることができる。ここで、構造体は、水晶、圧電セラミックス等の圧電材料を素材として、ダブルＴ型、音叉型、Ｈ型、三角柱、円柱等の形状に形成されたものである。また、構造体を、シリコン等を素材として、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術で形成することもできる。さらに、ジャイロセンサ１０３として、流体式ジャイロセンサ、光学式ジャイロセンサ等を採用することも可能である。

加速度データ蓄積部１１は、加速度センサ１００によって測定された各軸成分の加速度測定値を入力して、各（サンプリング）時点での加速度ベクトルを蓄積する。また、この加速度ベクトル（群）データを円錐判断部１２に出力する。

円錐判断部１２は、軸分布判定部１２０と、円錐評価部１２１とを有する。軸分布判定部１２０は、測定された複数の加速度ベクトル（加速度ベクトル群）が円錐状に分布している可能性があるか否かを判定する。ここで、携帯端末１に固定された端末座標系の軸であって、加速度ベクトル群が当該軸の正負双方にまたがって分布していない軸が少なくとも１つ存在する際、真の判定（円錐状に分布している可能性があるとの判定）を行うことも好ましい。

円錐評価部１２１は、軸分布判定部１２０によって真の判定がなされた加速度ベクトル群の分布を円錐で近似し、この円錐の狭まり具合である円錐の狭小性を、歩行の安定性として評価する。具体的には、正規化された加速度ベクトル群の分布を近似した円錐における高さｈにおける、所定高さ閾値Ｈに対する比率が高いほど、この円錐がより狭小であると評価することも好ましい。また、正規化された加速度ベクトル群の分布を近似した円錐の高さｈが所定高さ閾値Ｈ以上である際、この円錐が狭小であると判定することも好ましい。

歩行判断部１３は、歩行推定部１３０と、歩行評価部１３１とを有する。歩行推定部１３０は、測定された加速度ベクトルのデータにおける歩行の候補となる加速度変動を検出する。また、歩行評価部１３１は、加速度変動が歩行によるものかどうかの歩行該当性を評価する。具体的には、検出された加速度変動の時間間隔を抽出して、これらの時間間隔の標準偏差ｓを算出し、時間間隔が指定範囲内に収まっている場合に、所定の標準偏差閾値Ｓに対する当該標準偏差ｓの比率ｓ／Ｓが低いほど、加速度変動の歩行該当性がより高いと評価することも好ましい。また、時間間隔が指定範囲内に収まっており、且つ標準偏差ｓが所定の標準偏差閾値Ｓ以下である際、加速度変動は歩行に該当すると判定することも好ましい。

歩行安定性決定部１４は、円錐評価部１２１において評価された円錐狭小性と、歩行評価部１３１において評価された歩行該当性とに基づいて、歩行安定性を決定する。

歩行安定性データ蓄積部１５は、歩行安定性決定部１４によって、各期間において決定された歩行安定性を蓄積する。表示部１０１は、例えばディスプレイであり、決定された歩行安定性の情報を表示する。また、通信部１０４は、信号の送受信のための通信インタフェースであり、決定された歩行安定性の情報を、通信ネットワークを介して、例えば歩行安定性データ管理サーバに送信する。ここで、歩行安定性データ管理サーバは、複数の携帯端末１を所持したユーザにおける歩行安定性情報を、蓄積・集計・管理するサーバである。

［軸分布判定］
図３は、加速度ベクトル群が円錐評価可能であるか否かを判定する軸分布判定を説明するためのグラフである。

最初に、所定の評価・判定期間における各（サンプリング）時点での加速度ベクトルの群を取得し、端末（装置）に固定された端末座標系（ｘｙｚ座標系）に、この加速度ベクトル群を取り込んで分布させる。図３（Ａ１）及び（Ａ２）には、それぞれ円錐評価が可能である加速度ベクトル群、及び円錐評価が可能ではない加速度ベクトル群の分布を示す。

図３（Ａ１）の円錐評価可能な加速度ベクトル群は、端末座標系の原点から見て２π（半球）未満の立体角を張るように分布している。この分布は、各加速度ベクトルを大きさが１となるように正規化すれば、原点を頂点とし１つの高さｈを有する円錐で近似されることが可能となる。

一方、図３（Ａ２）の円錐評価が可能ではない加速度ベクトル群は、端末座標系の原点から見て２π（半球）以上の立体角を張るように分布している。この分布は、１つの円錐で近似することができない（高さｈを規定することができない）。尚、図３（Ａ１）及び（Ａ２）に示した分布を構成するに当たって、所定の大きさ範囲内に入らない大きさを有する加速度ベクトルデータは、ノイズとして除外することも好ましい。

ここで、軸分布判定は、加速度ベクトル群が円錐評価可能であるか否かの判定であるが、このような図３（Ａ１）及び（Ａ２）に示した２種類の分布を判別することに相当する。この判別方法の一実施形態を以下に説明する。

図３（Ｂ）に、図３（Ａ１）の円錐評価の可能な加速度ベクトル群の分布の一例を示す。この分布内の複数の加速度ベクトルにおいて、加速度ベクトルのｘ成分Ａ_X、ｙ成分Ａ_Y及びｚ成分Ａ_Zにおける、
（ａ）最小値を、それぞれmin(Ａ_X)、min(Ａ_Y)及びmin(Ａ_Z)とし、
（ｂ）最大値を、それぞれmax(Ａ_X)、max(Ａ_Y)及びmax(Ａ_Z)とする。

図３（Ｂ）の分布においては、
（１） max(Ａ_X)×min(Ａ_X)＜０，max(Ａ_Y)×min(Ａ_Y)＜０，且つ
max(Ａ_Z)×min(Ａ_Z)＞０
の関係が成り立つ。これは、複数の加速度ベクトルが、ｘ軸及びｙ軸に関しては、軸の正負双方にまたがって分布しているが、ｚ軸に関しては、軸の一方側（図３（Ｂ）では負側）にのみ分布していることを示している。

このように、円錐評価の可能な加速度ベクトル群の分布においては、ｘｙｚ軸のうち、複数の加速度ベクトルが当該軸の正負双方にまたがって分布していない軸が少なくとも１つ存在する（図３（Ｂ）ではｚ軸となる）ことが理解される。一方、円錐評価が可能ではない加速度ベクトル群の分布においては、
（２） max(Ａ_X)×min(Ａ_X)≦０，max(Ａ_Y)×min(Ａ_Y)≦０，且つ
max(Ａ_Z)×min(Ａ_Z)≦０
の関係が成り立ち、ｘｙｚ軸の全てにおいて、複数の加速度ベクトルが軸の正負双方にまたがって分布することが理解される。

これにより、
（３） max(Ａ_X)×min(Ａ_X)＞０，又はmax(Ａ_Y)×min(Ａ_Y)＞０，又は
max(Ａ_Z)×min(Ａ_Z)＞０ならば、円錐評価が可能である、
（４） max(Ａ_X)×min(Ａ_X) ≦０，且つmax(Ａ_Y)×min(Ａ_Y) ≦０，且つ
max(Ａ_Z)×min(Ａ_Z) ≦０ならば、円錐評価が可能でない、
として、軸分布判定を行うことができる。

この軸分布判定を行われた加速度ベクトル群は、（円錐評価が可能であるとの）真の判定が行われた際、次の円錐評価の処理に移行し、一方、偽の判定が行われた際、以後の処理を行うまでもなく、動作（歩行）が不安定であると判定されてもよい。

［円錐評価・判定］
次いで、加速度ベクトル群の分布を近似した円錐の広がり具合に基づいて、当該円錐の狭小性を評価する。

最初に、軸分布判定で真の判定がなされた加速度ベクトル群の分布を、円錐（直円錐）で近似する。この際、予め、複数の加速度ベクトルＡ_i＝（Ａ_Xi，Ａ_Yi，Ａ_Zi）（ｉ＝１，２，・・・，ｎ：ｎはサンプリング数）を、次式
（５） ｘ_i＝Ａ_Xi／｜Ａ_i｜，ｙ_i＝Ａ_Yi／｜Ａ_i｜，ｚ_i＝Ａ_Zi／｜Ａ_i｜
｜Ａ_i｜＝（Ａ_Xi ^２＋Ａ_Yi ^２＋Ａ_Zi ^２）^０．５
を用いて、正規化された加速度ベクトルａ_i＝（ｘ_i，ｙ_i，ｚ_i）に変換する。

次いで、正規化された加速度ベクトルａ_iの先端位置（ｘ_i，ｙ_i，ｚ_i）を、最小二乗法を用いて円錐の底面（平面）に近似する。ここで、最小二乗法は、残差の二乗の和が最小となるように、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。ここで、残差とは、i番目のデータａ_iに対して予測された関数値ｆ（ａ_i）と、測定されたデータｍ_iとの差、即ち、ｍ_i−ｆ（ａ_i）である。

平面（円錐の底面）は、一般に、
（６） ａｘ＋ｂｙ＋ｃｚ＝０
によって表される。ここで、（ａ，ｂ，ｃ）は、この平面に対する法線ベクトルとなる。正規化された加速度ベクトルａ_i＝（ｘ_i，ｙ_i，ｚ_i）については以下の関係が成立する。

上式（７）を変形すると、次式

が成立し、（ａ，ｂ，ｃ）を算出することができる。ここで、式（８）における「−１」は、逆行列であることを表す。

算出されたベクトル（ａ，ｂ，ｃ）から決定される平面（円錐の底面）ａｘ＋ｂｙ＋ｃｚ＝０と、原点（円錐の頂点）との距離、即ち円錐の高さｈを、次式

を用いて算出する。

得られた高さｈは、この円錐が正規化された加速度ベクトルａ_iによることから、円錐の広がり具合を表す。即ち、高さｈが大きいほど（１に近いほど）、円錐の広がりはより小さく、円錐がより狭小であることになる。これは、ユーザの動作による加速度ベクトルの向きの変動範囲がより小さいことを意味し、動作（歩行）が安定していることに相当する。そこで、一実施形態として、高さｈが所定の高さ閾値Ｈ以上（ｈ≧Ｈ）である際、円錐が狭小であると判定してもよい。

図４は、加速度ベクトル群の分布を近似した円錐の広がり具合に基づいて、当該円錐の狭小性を評価する円錐評価を説明するためのグラフである。

図４（Ａ）、図４（Ｂ）及び図４（Ｃ）に、それぞれ（高さｈ）＜（高さ閾値Ｈ）、（高さｈ）＝（高さ閾値Ｈ）及び（高さｈ）＞（高さ閾値Ｈ）の場合の円錐の状態を示す。ここで、図４（Ｂ）及び図４（Ｃ）の場合、即ち、
（１０） （高さｈ）≧（高さ閾値Ｈ）
の際に、円錐の広がり具合が十分に小さく、円錐が狭小である（動作（歩行）が安定している）とする。尚、高さ閾値Ｈは、例えば０．９に設定される。

また、図４（Ｄ）に示すように、変更態様として、円錐の高さｈの代わりに、円錐の底面半径ｒが所定半径閾値Ｒ以下である際、又は円錐中心線と母線とのなす角度θが所定角度閾値Θ以下である際、円錐が狭小であると判定することも可能である。ここで、特に、角度閾値Θは、動作（歩行）時における加速度ベクトルの向きのブレとして許容できる範囲に相当する。従って、判定のパラメータとして、円錐の高さｈ（＝cosθ）の代わりに角度θを用い、角度閾値Θを採用することによって、直感的に所望の判定を行うことが容易となる。

尚、底面半径ｒについては、例えば、正規化された加速度ベクトル群と平面ａｘ＋ｂｙ＋ｃｚ＝０との交点が形成する領域を円で近似し、この円の半径をｒとすることで導出される。また、角度θについては、例えば、複数の加速度ベクトル群における平均ベクトルを中心線とし、加速度ベクトルの各々と中心線とのなす角度のうちで最大値をθとすることで導出される。

さらに、変更態様として、円錐における高さｈの所定高さ閾値Ｈに対する比率が高いほど、円錐における底面半径ｒの所定半径閾値Ｒに対する比率が低いほど、又は円錐における角度θの所定角度閾値Θに対する比率が低いほど、この円錐がより狭小である、と評価することも可能である。

以上説明したように、本実施形態によれば、加速度ベクトルの変動が歩行時に観測されるようなある方向範囲内の周期的な変化に相当するか否か、また相当する場合、加速度ベクトルの向きがどの程度小さな範囲内に収まるかを示す指標となる円錐狭小性を評価・判定することが可能となる。

［歩行推定］
次いで、加速度データの歩行該当性を評価・判定する実施形態について説明する。最初に、測定された加速度ベクトルのデータにおける歩行の候補となる加速度変動を検出する。このような加速度変動の検出方法として、既知の方法を用いることが可能である。ここでは、測定された加速度ベクトル群から重力加速度ベクトルを算出する代表的な方法（ステップ１〜３）を説明する。

（ステップ１）重力加速度ベクトルＧを、所定時間（例えば２秒間）内に観測された複数の加速度ベクトルＡ_iの平均をもって近似的に導出する。即ち、
（１１） Ｇ＝ΣＡ_i／ｎ
とする。ここで、Σは、ｉについての１からｎ（当該所定時間での加速度ベクトルのサンプリング数）までの総和（Summation）である。
（ステップ２）観測された各時点での加速度ベクトルＡ_iの重力方向成分ｇ_iを、次式
（１２） ｇ_i＝Ａ_i・Ｇ （・は内積を示す）
を用いて算出する。
（ステップ３）重力方向成分ｇ_iの時系列から、ピークを検出する。このピークをなす加速度変動が、歩行の候補となる。

ここで、ピークの検出方法として、以下の３条件（ａ）〜（ｃ）を全て満たす点をピークとする方法を用いることができる。
（ａ）前後の点よりも値が大きい（極大値をとる）。
即ち、ｇ_i＞ｇ_i-1，且つｇ_i＞ｇ_i+1
（ｂ）時間軸上のｉを中心とする指定ウィンドウ｛ｉ−Ｗ，・・・，ｉ＋Ｗ｝内で最大値である。
即ち、ｇ_i＝max（ｇ_i-W，・・・，ｇ_i+W）
（ｃ）当該指定ウィンドウ｛ｉ−Ｗ，・・・，ｉ＋Ｗ｝内での最大値と最小値との差が所定閾値Ｄ以上である。
即ち、max（ｇ_i-W，・・・，ｇ_i+W）−min（ｇ_i-W，・・・，ｇ_i+W）＞Ｄ

次いで、以上に説明したように、検出された歩行の候補となるピーク（加速度変動）が歩行によるものかどうかの歩行該当性を評価する。

［歩行該当性評価・判定］
図５は、加速度変動が歩行によるものかどうかを評価・判定する歩行該当性評価を説明するためのグラフ及び概略図である。

図５（Ａ）に、検出された歩行の候補となるピーク（加速度変動）を示す。ここで、このピークが歩行によるものかどうかを判定する。この判定方法として、既知の方法を用いることが可能である。ここでは、ピークの時間間隔の標準偏差を算出する方法（ステップ４〜６）を説明する。
（ステップ４）検出されたピーク（の極大値又は極小値）の時間間隔Ｔ₁，Ｔ₂，・・・を算出する。
（ステップ５）時間軸上の指定ウィンドウ（例えば５秒）内における時間間隔Ｔ₁，Ｔ₂，・・・，Ｔ_ｍの標準偏差ｓを算出する。
（ステップ６）時間間隔Ｔ₁，Ｔ₂，・・・，Ｔ_ｍが、指定範囲（下限閾値と上限閾値との間の範囲）に収まっており、且つ標準偏差ｓが所定の標準偏差閾値Ｓ以下である際、当該ウィンドウ内のピーク（加速度変動）は歩行に該当する、と判定する。

尚、上記ステップ６において、歩行に該当するか否かの判定の代わりに、
（ステップ６’）Ｔ₁，Ｔ₂，・・・，Ｔ_ｍが指定範囲内に収まっている場合に、所定の標準偏差閾値Ｓに対する標準偏差ｓの比率ｓ／Ｓが低いほど、ピーク（加速度変動）の歩行該当性がより高い、と評価してもよい。

［閾値Ｈ、Ｒ又はΘの更新］
ここで、他の実施形態として、上記ステップ５で算出した時間間隔の標準偏差ｓを、円錐評価にフィードバックし、例えば円錐の高さ閾値Ｈを動的に決定することも可能である。

具体的には、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、上記ステップ５で算出された標準偏差ｓの値が大きいほど、円錐評価における高さ閾値Ｈをより小さな値に決定若しくは更新し、又は円錐評価における半径閾値Ｒ若しく角度閾値Θをより大きな値に決定若しくは更新することも好ましい。

例えば、予め設定された基準高さ閾値Ｈ_S、基準半径閾値Ｒ_S、若しくは基準角度閾値Θ_Sに対して、決定された比率Ｓ／ｓ若しくは比率ｓ／Ｓを乗じた値を、高さ閾値Ｈ、半径閾値Ｒ、若しくは角度閾値Θとして決定又は更新してもよい。即ち、
（１３） Ｈ＝Ｈ_S×（Ｓ／ｓ），Ｒ＝Ｒ_S×（ｓ／Ｓ）又はΘ＝Θ_S×（ｓ／Ｓ）
とすることも好ましい。尚、このような閾値の決定又は更新は、歩行評価部１３１（図２）から標準偏差ｓ及び標準偏差閾値Ｓのデータを入力した円錐評価部１２１の閾値設定部において、実行される。

このようにフィードバックすることによって、閾値Ｓのみを調整するだけで、より速く歩行した場合であっても、安定歩行と判定することができる設定に調整可能となる。

［歩行安定性評価・判定］
以上に説明した評価・判定方法に基づき、以下の条件（ａ）〜（ｃ）が全て満たされた際、（装置（端末）姿勢が安定していて）安定的な歩行が行われていると判定することも好ましい。
（ａ）加速度ベクトル群が円錐評価可能であって、円錐の広がり具合（例えば円錐の高さｈ）が所定閾値以内（高さｈが高さ閾値Ｈ以上）であり、円錐狭小と判定される。
（ｂ）歩行の候補となる加速度変動（ピーク）が検出される。
（ｃ）ピーク（加速度変動）の時間間隔が指定範囲内であって、その標準偏差ｓが標準偏差閾値Ｓ以下であり、歩行に該当すると判定される。

さらに、安定的な歩行か否かを判定するのではなく、歩行の安定性を数値又は幾つかの段階として出力する形態も可能である。例えば、
（ａ）（円錐狭小性）＝ｈ／Ｈ （ｈが大きいほど狭小）
（ｂ）（歩行該当性）＝Ｓ／ｓ （ｓが小さいほど該当）
（ｃ）（歩行安定性）＝（円錐狭小性）×（歩行該当性）
として、歩行が安定的かどうかを、数値（歩行安定性）で提示してもよい。ここで、（円錐狭小性）として、Θ／θ、又はＲ／ｒを用いることも可能である。

また、
（ａ）（円錐狭小性）＝（Ａ判定） （ｈ≧０．９）
（Ｂ判定） （０．９＞ｈ≧０．７）
（Ｃ判定） （ｈ＜０．７）
（ｂ）（歩行該当性）＝（Ａ判定） （ｓ≦０．２）
（Ｂ判定） （１≧ｓ＞０．２）
（Ｃ判定） （ｓ＞１）
（ｃ）（歩行安定性）＝（円錐狭小性）と（歩行該当性）とのうち判定の低い方（悪い方）
のように段階で提示してもよい。ここで、（円錐狭小性）の判定の段階を決めるパラメータとして、ｈの代わりに、θ又はｒを用いることも可能である。

尚、（円錐狭小性）の評価と（歩行該当性）の評価とは、どちらを先に行ってもよい。また、（円錐狭小性）の評価を行い、所定以上の判定（例えばＡ又はＢ判定）が得られた場合にのみ、（歩行該当性）を評価することも可能である。

このように、歩行安定性を数値又は段階で提示することによって、後に実施されるユーザの位置・移動状況の推定における、要求される種々の精度のレベルに対応することができる。例えば、それほど高い精度を必要としない位置推定に対しては、所定以上の数値又は段階を示す歩行安定性ならば、その加速度データを採用してもよいとすることができる。

以上、詳細に説明したように、本発明によれば、装置姿勢が安定していて安定的な歩行が行われているか否かを評価・判定することができる。また、その結果、安定的な歩行のデータを選別して使用することができるので、ユーザの位置・移動状況をより正確に推定することも可能となる。

さらに、本発明は、携帯型情報装置（携帯端末１）に内蔵されたセンサのみを用いることによって、装置姿勢が安定していて安定的な歩行が行われているか否かを評価・判定することを可能にするのである。従って、本発明による携帯型情報装置の実施形態として、例えば、加速度センサを常備しているスマートフォン、タブレット型コンピュータ、電子書籍、ＰＤＡ(Personal Digital Assistant)のようなユーザインタフェース装置も採用可能となる。

以上に述べた本発明の種々の実施形態において、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。以上に述べた説明はあくまで例であって、何ら本発明を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 携帯端末（携帯型情報装置）
１００ 加速度センサ
１０１ 表示部
１０２ 地磁気センサ
１０３ ジャイロセンサ
１０４ 通信部
１０ 安定歩行評価・判定部
１１ 加速度データ蓄積部
１２ 円錐判断部
１２０ 軸分布判定部
１２１ 円錐評価部
１３ 歩行判断部
１３０ 歩行推定部
１３１ 歩行評価部
１４ 歩行安定性決定部
１５ 歩行安定性データ蓄積部
１６ 位置・進行方向推定部

Claims (12)

1. 加速度をベクトル量として測定可能な加速度センサを備え、測定された加速度ベクトルに基づいて、装置を携帯したユーザの歩行に係る情報を取得する携帯型情報装置であって、
   測定された複数の加速度ベクトルが円錐状に分布している可能性があるか否かを判定する軸分布判定手段と、
   前記軸分布判定手段によって真の判定がなされた当該複数の加速度ベクトルの分布を円錐で近似し、当該円錐の狭まり具合である当該円錐の狭小性を、歩行の安定性として評価する円錐評価手段と
   を有することを特徴とする携帯型情報装置。
2. 前記軸分布判定手段は、前記携帯型情報装置に固定された装置座標系の軸であって、当該複数の加速度ベクトルが当該軸の正負双方にまたがって分布していない軸が少なくとも１つ存在する際、真の判定を行う
   ことを特徴とする請求項１に記載の携帯型情報装置。
3. 前記円錐評価手段は、正規化された当該複数の加速度ベクトルの分布を近似した当該円錐における高さｈの所定高さ閾値Ｈに対する比率が高いほど、当該円錐における底面半径ｒの所定半径閾値Ｒに対する比率が低いほど、又は当該円錐における中心線と母線とのなす角度θの所定角度閾値Θに対する比率が低いほど、当該円錐がより狭小であると評価する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の携帯型情報装置。
4. 前記円錐評価手段は、正規化された当該複数の加速度ベクトルの分布を近似した当該円錐の高さｈが所定高さ閾値Ｈ以上である際、当該円錐の底面半径ｒが所定半径閾値Ｒ以下である際、又は当該円錐における中心線と母線とのなす角度θが所定角度閾値Θ以下である際、当該円錐が狭小であると判定する
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の携帯型情報装置。
5. 測定された加速度ベクトルのデータにおける歩行の候補となる加速度変動を検出する歩行推定手段と、
   当該加速度変動が歩行によるものかどうかの歩行該当性を評価する歩行評価手段と
   を更に有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の携帯型情報装置。
6. 前記歩行推定手段は、測定された加速度ベクトル群から重力加速度ベクトルを算出し、当該重力加速度ベクトルを用いて各時点での加速度ベクトルの重力方向成分を算出して、当該重力方向成分の時系列から歩行の候補となる加速度変動を検出する
   ことを特徴とする請求項５に記載の携帯型情報装置。
7. 前記歩行評価手段は、検出された加速度変動の時間間隔を抽出して当該時間間隔の標準偏差ｓを算出し、当該時間間隔が指定範囲内に収まっている場合に、所定の標準偏差閾値Ｓに対する当該標準偏差ｓの比率ｓ／Ｓが低いほど、当該加速度変動の歩行該当性がより高いと評価する
   ことを特徴とする請求項５又は６に記載の携帯型情報装置。
8. 前記歩行評価手段は、検出された加速度変動の時間間隔を抽出して当該時間間隔の標準偏差ｓを算出し、当該時間間隔が指定範囲内に収まっており、且つ当該標準偏差ｓが所定の標準偏差閾値Ｓ以下である際、当該加速度変動は歩行に該当すると判定する
   ことを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載の携帯型情報装置。
9. 前記円錐評価手段は、前記歩行評価手段から取得した標準偏差ｓの値が大きいほど、前記所定高さ閾値Ｈをより小さな値に決定若しくは更新し、又は前記所定半径閾値Ｒ若しくは前記所定角度閾値Θをより大きな値に決定若しくは更新する
   ことを特徴とする請求項７又は８に記載の携帯型情報装置。
10. 前記円錐評価手段は、正規化された当該複数の加速度ベクトルの分布を近似した当該円錐における高さｈの所定高さ閾値Ｈに対する比率が高いほど、当該円錐における底面半径ｒの所定半径閾値Ｒに対する比率が低いほど、又は当該円錐における中心線と母線とのなす角度θの所定角度閾値Θに対する比率が低いほど、円錐狭小性がより高いと評価し、
    前記歩行評価手段は、検出された加速度変動の時間間隔を抽出して当該時間間隔の標準偏差ｓを算出し、当該時間間隔が指定範囲内に収まっている場合に、所定の標準偏差閾値Ｓに対する当該標準偏差ｓの比率ｓ／Ｓが低いほど、当該加速度変動の歩行該当性がより高いと評価し、
    評価された当該円錐狭小性と評価された当該歩行該当性とに基づいて歩行安定性を決定する歩行安定性決定手段を更に有する
    ことを特徴とする請求項５、６、７又は９に記載の携帯型情報装置。
11. 加速度をベクトル量として測定可能な加速度センサを備え、測定された加速度ベクトルに基づいて、装置を携帯したユーザの歩行に係る情報を取得する装置に搭載されたコンピュータを機能させる歩行安定性評価プログラムであって、
    測定された複数の加速度ベクトルが円錐状に分布している可能性があるか否かを判定する軸分布判定手段と、
    前記軸分布判定手段によって真の判定がなされた当該複数の加速度ベクトルの分布を円錐で近似し、当該円錐の狭まり具合である当該円錐の狭小性を、歩行の安定性として評価する円錐評価手段と
    してコンピュータを機能させることを特徴とする歩行安定性評価プログラム。
12. 加速度をベクトル量として測定可能な加速度センサを備え、測定された加速度ベクトルに基づいて、装置を携帯したユーザの歩行に係る情報を取得する装置に搭載されたコンピュータにおけるソフトウェアの情報処理による歩行安定性評価方法であって、
    測定された複数の加速度ベクトルが円錐状に分布している可能性があるか否かを判定する第１のステップと、
    第１のステップで真の判定がなされた当該複数の加速度ベクトルの分布を円錐で近似し、当該円錐の狭まり具合である当該円錐の狭小性を、歩行の安定性として評価する第２のステップと
    を有することを特徴とする歩行安定性評価方法。

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