JP6264209B2 - 携帯端末装置、風速を算出する方法およびプログラム - Google Patents

Description

本件開示の発明は、携帯端末装置、風速を算出する方法およびプログラムに関する。

音波を利用する風速計あるいは流量計において、音が風上から風下に向かって伝搬するとき、音が音速に風速を加算した速さで伝搬すること利用する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。当該技術においては、音源から発せられた音が、音源から所定距離だけ離れた位置に設けられた受音器に到達するまでの時間に基づいて、風向および風速を測定する。

特開平８−１１０７８８号公報

しかし、スマートフォン等の携帯端末装置に搭載されているスピーカとマイクを利用して風向および風速を測定する場合、携帯端末装置の処理能力では、精度よく風向及び風速を測定することが困難であると考えられる。具体的には、例えば携帯端末装置のスピーカとマイクとの間隔を０．１５ｍとすると、スピーカから発せられた音は０．４４ミリ秒程度の時間でマイクに到達すると考えられる。すなわち、音速を１２２５（ｋｍ／ｈ）とすると、１２２５（ｋｍ／ｈ）=１２２５０００／３６００（ｍ／ｓ）＝３４０（ｍ／ｓ）
であるから、到達にかかる時間ＴはＴ＝０．１５／３４０＝０．４４（ｍｓ）となる。

このように短時間の伝搬時間を計時するには、携帯端末装置のＣＰＵ（Central Processing Unit）や音声ＤＳＰ（Digital Signal Processing）、マイク等の処理系に、計時処理における高精度な分解能を達成することが求められる。例えば、携帯端末装置における風速の算出処理において、無風時と風速１０ｍ／ｓ時とを区別するには、無風時の音速３４０ｍ／ｓと追い風時の音速３５０ｍ／ｓの各音のマイクへの到達時間（それぞれ０．４４１ｍｓと０．４２９ｍｓ）の時間差を分解する、すなわち０．０１２ｍｓ（１２μｓ）の分解能が求められる。しかし、上記の携帯端末装置に用いられている処理系の性能では、上記の計時処理を精度よく行うための分解能を達成することはできない。また、より高性能の処理系を携帯端末装置に採用することは現実的でない。

本件開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであり、処理系の高性能化によらないで風速を算出することが可能な携帯端末装置を提供することを目的とする。

本件開示の携帯端末装置は、１つの側面では、所定の時間幅で周波数が変化する音を所定の時間間隔で繰り返し出力する音出力部と、出力された音を受音する受音部と、所定の時間幅で周波数が変化する音と受音された音とを合成する音合成部と、合成された音におけるうなりの周期を算出する第１の算出部と、算出されたうなりの周期の極大値および極小値を用いて風速を算出する第２の算出部とを有する。

本件開示の技術によれば、処理系の高性能化によらないで風速を算出することが可能な携帯端末装置を提供することができる。

図１は、一実施形態における携帯端末装置の構成を示す概略構成図である。 図２は、一実施形態における携帯端末装置の機能部を示す機能ブロック図である。 図３は、一実施形態における携帯端末装置を示す模式図である。 図４は、一実施形態における合成された音のうなりの周期を示すグラフである。 図５は、一実施形態における携帯端末処理が実行する処理のフローチャートである。 図６は、一実施形態における合成された音のうなりの周期と方位との組を示すテーブルの概略を示す表である。

まず、一実施形態における携帯端末装置について図面を参照しながら説明する。ただし、本件開示の技術は、下記の実施形態において示す構成に限定されるものではない。

図１に示すように、本実施形態に係る携帯端末装置１０は、ディスプレイ１０ａ、スピーカ１０ｂ、マイク１０ｃ、地磁気センサ１０ｄ、ＣＰＵ（Central Processing Unit）
１０ｅ、ＲＯＭ（Read Only Memory）１０ｆ、ＲＡＭ（Random Access Memory）１０ｇを備える。携帯端末装置１０としては、例えば携帯端末装置１０の正面および背面が平坦面であるスマートフォン等が挙げられる。なお、携帯端末装置１０の上記各部は、バス１０ｈによって互いに接続されている。

ディスプレイ１０ａは、ＣＰＵ１０ｅによって実行される各種プログラムの処理結果を表示する。本実施形態では、例えばＣＰＵ１０ｅによって算出された風速や風向を示す情報が表示される。スピーカ１０ｂは、ＣＰＵ１０ｅの制御に従って所定の周波数降下率で周波数が変化する音を出力する。スピーカ１０ｂが、本実施形態における音出力部の一例に相当する。マイク１０ｃは、スピーカ１０ｂから出力された音を受音する。マイク１０ｃによって受音された音は、ＣＰＵ１０ｅに送信される。マイク１０ｃが、本実施形態における受音部の一例に相当する。

本実施形態において、地磁気センサ１０ｄは、２軸の電子コンパスである。地磁気センサ１０ｄは、ユーザが携帯端末装置１０を地面に水平に保持しているときに、水平面上において携帯端末装置１０の前後方向と当該方向に直交する左右方向の地磁気を検出する。そして、地磁気センサ１０ｄは、検出した上記２方向における地磁気の強さに基づいていずれの方向が北であるかを計算する。なお、地磁気センサ１０ｄは、少なくとも２軸の電子コンパスであればよく、代わりに３軸の電子コンパスを用いてもよい。地磁気センサ１０ｄが３軸の電子コンパスである場合は、前後方向と左右方向に加えて上下方向、すなわち水平面の法線方向の地磁気も検出される。このため、例えば携帯端末装置１０が水平面に対して傾いた状態であっても、当該傾きを差し引いて水平方向の地磁気を計算することで正しい方位が計算される。

ＣＰＵ１０ｅは、以下に説明する音の出力および合成、うなりの周期、風向、風速の算出等の種々の処理を制御及び実行する。ＲＯＭ１０ｆには、ＣＰＵ１０ｅによって実行される種々のプログラム、スピーカ１０ｂから出力される音の波形データ等が格納されている。ＲＡＭ１０ｇには、ＣＰＵ１０ｅの制御により、ＲＯＭ１０ｆに格納されたプログラムが展開される。また、ＲＡＭ１０ｇには、ＣＰＵ１０ｅによって算出されるうなりの周期と地磁気センサ１０ｄにより検出される方位との組が保存される。

図２に、本実施形態における携帯端末装置１０の機能ブロック図を示す。ＣＰＵ１０ｅはＲＯＭ１０ｆに格納された各種プログラムをＲＡＭ１０ｇに展開して実行することで、音合成部２０ａ、第１の算出部２０ｂ、第２の算出部２０ｃ、第３の算出部２０ｄとして機能する。

音合成部２０ａは、スピーカ１０ｂから出力されてマイク１０ｃによって受音された音とＲＯＭ１０ｆに保存された音とを合成する。第１の算出部２０ｂは、音合成部２０ａによって合成された音におけるうなりの周期を算出する。なお、音の合成および合成された音におけるうなりの周期の算出は、周知の技術を用いて実行できるため、ここでは詳細な説明は省略する。第２の算出部２０ｃは、算出されたうなりの周期の最大値および最小値を特定する。さらに、第２の算出部２０ｃは、特定した最大値、最小値を用いて風速を算出する。第３の算出部２０ｄは、算出されたうなりの周期と地磁気センサ１０ｄにより検出された方位との組から、うなりの周期の最大値および最小値を有する組に含まれる方位を用いて風向を算出する。

図３に本実施形態における携帯端末装置１０の模式図を示す。図３は、ユーザ（図示せず）が携帯端末装置１０を、互いに対向する正面１１および背面１２が地面に水平となるように保持した状態を示す。図３に示すように、互いに直交する３軸であるＸ、Ｙ、Ｚ軸を設定し、ＸＹ平面を地面と平行な面とすると、携帯端末装置１０の正面１１および背面１２はＸＹ平面に平行となる。また、携帯端末装置１０は、ユーザによってＺ軸に平行な軸ＡＸを中心として回転される。

本実施形態では、ユーザは、携帯端末装置１０を図３の矢印が示すように地面に水平な面内において回転させる。携帯端末装置１０は、地面に水平な面内において回転されているときに、スピーカ１０ｂからＲＯＭ１０ｆに保存された音、すなわち所定の時間幅で周波数が変化する音を出力し、スピーカ１０ｂから出力された音がマイク１０ｃによって受音される。

例えば、スピーカ１０ｂから高音から低音へ下がる音、すなわち所定の周波数降下率で周波数が変化する音を出力して、マイク１０ｃによって受音する場合、出力された音は、空気中を伝搬してマイク１０ｃに到達する。空気中を伝搬する音は、伝搬中に風の影響を受ける。例えば、風上にスピーカ１０ｂ、風下にマイク１０ｃがある位置関係では、スピーカ１０ｂからマイク１０ｃに伝搬する音の伝搬速度は、無風状態の場合における伝搬速度に比べて速くなる。逆に、風下にスピーカ１０ｂ、風上にマイク１０ｃがある位置関係では、スピーカ１０ｂからマイク１０ｃに伝搬する音の伝搬速度は、無風状態の場合における伝搬速度に比べて遅くなる。

また、ＲＯＭ１０ｆに保存された音は、無風状態においてスピーカ１０ｂからマイク１０ｃに伝搬する音とみなすことができる。したがって、携帯端末装置１０において風が吹いている場合に、スピーカ１０ｂからマイク１０ｃに伝搬した音と、ＲＯＭ１０ｆに保存された音とを合成すると、うなりが生じる。うなりの周期は、風速、すなわち音がスピーカ１０ｂからマイク１０ｃに伝搬する速さによって変化する。本実施形態では、携帯端末装置１０を地面に水平な面内において回転させて携帯端末装置１０の位置を変えていくときに、複数の位置においてスピーカ１０ｂからマイク１０ｃに伝搬した音とＲＯＭ１０ｆに保存された音とを合成する。そして、合成の結果生じるうなりの周期に基づいて風速および風向を算出する。

本実施形態では、以下の式（１）を用いて上記の通り合成した結果生じるうなりの周期が算出される。
ここで、Ｔはうなりの周期、ΔｆはＲＯＭ１０ｆに保存された音の周波数降下率、Ｌは携帯端末装置１０のスピーカ１０ｂとマイク１０ｃの離間距離、ｔは携帯端末装置１０の周囲の現在の気温、Ｖｗは携帯端末装置１０における現在の風速である。なお、本実施形態では、音速を３３１ｍ／ｓとする。

携帯端末装置１０において風が吹いているときの、風上にスピーカ１０ｂがあり風下にマイク１０ｃがある、すなわち追い風の場合に携帯端末装置１０による合成の結果生じるうなりの周期をＴａとする。同様に風下にスピーカ１０ｂがあり風上にマイク１９ｃがある、すなわち向かい風の場合に携帯端末装置１０による合成の結果生じるうなりの周期をＴｂとする。このとき式（１）より、以下の式（２）、（３）が得られる。

式（２）、（３）において、気温ｔと風速Ｖｗの値が未知である。したがって、うなりの周期Ｔａ、Ｔｂがわかれば、式（２）、（３）からなる連立方程式が解け、風速Ｖｗの値が求められる。なお、風速Ｖｗの値とともに気温ｔも求められる。

図４は、本実施形態における、上記のうなりの周期Ｔａ、Ｔｂの計測例を示すグラフである。図４において、周波数降下率Δｆ＝２３０００Ｈｚ／ｓ、スピーカ１０ｂとマイク１０ｃの離間距離Ｌ＝０．１０ｍ、携帯端末装置１０の周囲の現在の気温ｔ＝１５℃、携帯端末装置１０の現在の風速Ｖｗ＝１０ｍ／ｓとする。なお、図４において横軸は時間（秒）を表し、縦軸はうなりの振幅（ｄＢ）を表す。図４に示すように、追い風の場合に計測されるうなりの周期Ｔａは、向かい風の場合に計測されるうなりの周期ＴｂよりもΔＴだけ長いことがわかる。

携帯端末装置１０を地面に水平な面内において回転させた場合に、うなりの周期は、スピーカ１０ｂが風上にありマイク１０ｃが風下にある場合に最大値を取る。また、うなりの周期は、スピーカ１０ｂが風下にありマイク１０ｃが風上にある場合に最小値を取る。そして、うなりの周期は、スピーカ１０ｂおよびマイク１０ｃが風上または風下以外の位置にある場合は、最大値と最小値の間の値を取る。なお、携帯端末装置１０を１回転以上させる場合は、上記の最大値および最小値はそれぞれ極大値および極小値とみなすことができる。

したがって、本実施形態では、携帯端末装置１０を地面に水平な面内において回転させて携帯端末装置１０の位置を変えていくときに、うなりの周期の最大値および最小値から風速を求める。さらに、うなりの周期が最大または最小となるときの地磁気センサが示す方位から風向を求める。

図５に、本実施形態において、携帯端末装置１０において風速および風向を算出するために実行される処理のフローチャートを示す。本実施形態においては、例えばユーザから風速および風向の算出処理を開始する操作を受け付けたときに、ＣＰＵ１０ｅが図５に示すフローチャートの処理を開始する。

ＯＰ１０１において、ＣＰＵ１０ｅは計時を開始する。なお、ＣＰＵ１０ｅは、ＣＰＵクロックやリアルタイムクロックを用いて時間の経過を計測する方法等、周知の技術を用いて計時処理を行う。次いで、処理はＯＰ１０２に進められる。ＯＰ１０２では、ＣＰＵ１０ｅは、ＲＯＭ１０ｆに保存されている所定の周波数降下率で周波数が変化する音を、スピーカ１０ｂから出力する。さらに、ＣＰＵ１０ｅはマイク１０ｃを制御して、スピーカ１０ｂから出力された音を受音する。スピーカ１０ｂから出力された音がマイク１０ｃによって受音されると、ＣＰＵ１０ｅは処理をＯＰ１０３に進める。

ＯＰ１０３において、ＣＰＵ１０ｅは、地磁気センサ１０ｄから現在の方位を示すデータを取得する。ＣＰＵ１０ｅは、取得した方位のデータをＲＡＭ１０ｇに保存する。これにより、ＣＰＵ１０ｅは、当該取得した方位のデータと、後述するＯＰ１０５で計測されるうなりの周期との組を作成することができる。次いで、ＣＰＵ１０ｅは処理をＯＰ１０４に進める。

ＯＰ１０４において、ＣＰＵ１０ｅは、ＲＯＭ１０ｆに保存されている上記の音とマイク１０ｃによって受音した音とを合成する。ＣＰＵ１０ｅによるこれらの音の合成における各音の音波の重ね合わせの結果、図４に例示するうなりの波形が得られる。なお、携帯端末装置１０において、マイク１０ｃにより受音された音の信号をローパスフィルタに通す構成を採用してもよい。このような構成とすることで、音波の重ね合わせによって、より好適なうなりの波形のエンベロープ（包絡線）が得られる。音の合成によりうなりの波形が得られると、ＣＰＵ１０ｅは処理をＯＰ１０５に進める。

ＯＰ１０５では、ＣＰＵ１０ｅは、ＯＰ１０３において得られたうなりの波形から、うなりの周期を計測する。図４に例示するように、うなりの波形において、重ね合わせられる各音が弱め合う、すなわち振幅が極小となる地点から次に弱め合う地点までの時間幅をうなりの周期とみなす。ＣＰＵ１０ｅは、うなりの周期の計測が完了したら、計測したうなりの周期とＯＰ１０３において取得した方位との組をＲＡＭ１０ｇに保存する。

図６に、本実施形態における、うなりの周期と方位との組を示すテーブルを例示する。当該テーブルはＲＡＭ１０ｇに保存されている。図６に示すように、ＯＰ１０３において取得した方位がうなりの周期（秒）と組み合わせて保存される。これにより、うなりの周期が最大または最小となるときの携帯端末装置の向き、すなわちスピーカ１０ｂとマイク１０ｃが、それぞれ風上と風下のどちらに位置するかがわかる。

ＯＰ１０６では、ＣＰＵ１０ｅは、ＯＰ１０１において計時処理が開始されてからの経過時間が所定時間を超えているか否かを判定する。経過時間が所定時間を超えている場合は（ＯＰ１０６：Ｙｅｓ）、ＣＰＵ１０ｅは処理をＯＰ１０７に進める。また、経過時間が所定時間以下である場合は（ＯＰ１０６：Ｎｏ）、ＣＰＵ１０ｅは処理をＯＰ１０２に戻して、再度スピーカ１０ｂから音を出力し、ＯＰ１０３〜ＯＰ１０５における方位データの取得、音の合成、うなりの周期の計測および保存を実行する。

ＯＰ１０７では、ＣＰＵ１０ｅは、ＯＰ１０１において開始した計時処理を終了し、処理をＯＰ１０８に進める。ＯＰ１０８では、ＣＰＵ１０ｅは、ＯＰ１０５においてＲＡＭ１０ｇに保存した方位とうなりの周期との組のデータを用いて、携帯端末装置１０上を通過する風の風速および風向を決定する。図６の例であれば、うなりの周期は東北東において最大値０．１９を取り、西南西において最小値０．１３を取ることがわかる。したがって、ＣＰＵ１０ｅは、上記の式（２）、（３）を用いて風速Ｖｗを求める。

さらに、風は、うなりの周期が最大となるときの方位から最小となるときの方位に向かって吹いているとみなせることから、ＣＰＵ１０ｅはうなりの周期と組になっている方位
を用いて風向を決定する。すなわち、うなりの周期が最大となるときの方位が風上、うなりの周期が最小となるときの方位が風下とみなすことができる。図６の例であれば、東北東の風が吹いていると決定する。ＣＰＵ１０ｅは、ＯＰ１０８において風速および風向を決定したら、決定した風速および風向をディスプレイ１０ａに表示し、本フローチャートの処理を終了する。

以上より、ＣＰＵ１０ｅは、周波数降下率で周波数が変化する音がスピーカ１０ｂから出力されてマイク１０ｃにより受音されるまでの時間に相当する時間分解能を有しなくとも、上記の合成した音のうなりの周期および風速を算出する処理能力があればよい。すなわち、本実施形態によれば、ＣＰＵ１０ｅの処理負荷を抑えつつ、風速および風向を算出することができる。

以上が本実施形態に関する説明であるが、上記の携帯端末装置の構成や処理は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想と同一性を失わない範囲内において種々の変更が可能である。例えば、上記の説明では、風速とともに風向を算出する構成としたが、地磁気センサ１０ｄを設けず、上記の通り合成した音のうなりの周期の最大値（極大値）と最小値（極小値）を用いて、上記の式（２）、（３）から風速を求める構成としてもよい。

また、ＲＯＭ１０ｆに保存される音がどのように周波数が変化する音であるかは、適宜構成することができる。すなわち、上記の説明では、所定の周波数降下率で周波数が変化する音としたが、例えば所定の時間幅で周波数が上昇する音、すなわち所定の周波数上昇率で周波数が変化する音を代わりに用いてもよい。

さらに、上記の説明では、うなりの周期の算出と地磁気センサによる方位の検出の処理を、ＣＰＵ１０ｅにより計測される所定時間内に実行する構成としたが、当該処理の開始および終了を別の構成を用いて行ってもよい。例えば、携帯端末装置において、ユーザによる風速の算出を開始する操作に基づいて当該処理が開始されるように構成する。そして、地磁気センサによって検出される方位に基づいて、携帯端末装置が地面に平行な面内を所定回数回転したと判定されたときに処理が終了されるように構成することもできる。

＜コンピュータが読み取り可能な記録媒体＞
コンピュータその他の機械、装置（以下、コンピュータ等）に上記情報処理装置の設定を行うための管理ツール、ＯＳその他を実現させるプログラムをコンピュータ等が読み取り可能な記録媒体に記録することができる。そして、コンピュータ等に、この記録媒体のプログラムを読み込ませて実行させることにより、その機能を提供させることができる。ここで、コンピュータは、例えば、携帯端末装置等である。

ここで、コンピュータ等が読み取り可能な記録媒体とは、データやプログラム等の情報を電気的、磁気的、光学的、機械的、または化学的作用によって蓄積し、コンピュータ等から読み取ることができる記録媒体をいう。このような記録媒体のうちコンピュータ等から取り外し可能なものとしては、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、ＤＶＤ、ブルーレイディスク、ＤＡＴ、８ｍｍテープ、フラッシュメモリ等のメモリカード等がある。また、コンピュータ等に固定された記録媒体としてハードディスクやＲＯＭ等がある。

以上の実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。

（付記１）
所定の時間幅で周波数が変化する音を所定の時間間隔で繰り返し出力する音出力部と、
前記出力された音を受音する受音部と、
前記所定の時間幅で周波数が変化する音と前記受音された音とを合成する音合成部と、
前記合成された音におけるうなりの周期を算出する第１の算出部と、
前記算出されたうなりの周期の極大値および極小値を用いて風速を算出する第２の算出部と
を有する携帯端末装置。

（付記２）
前記出力された音の伝搬時における前記携帯端末装置の方位を検出する地磁気センサと、
前記算出されたうなりの周期と前記検出された方位との組から、うなりの周期の極大値および極小値を有する組に含まれる方位を用いて風向を算出する第３の算出部と
をさらに有する付記１に記載の携帯端末装置。

（付記３）
所定の時間幅で周波数が変化する音を所定の時間間隔で繰り返し音出力部から出力し、
前記出力された音を受音部により受音し、
前記受音された音と前記保存された音とを合成し、
前記合成された音におけるうなりの周期を算出し、
前記算出されたうなりの周期の極大値および極小値を用いて風速を算出する
方法。

（付記４）
前記出力された音の伝搬時における前記携帯端末装置の方位を地磁気センサにより検出し、
前記算出されたうなりの周期と前記検出された方位との組から、うなりの周期の極大値および極小値を有する組に含まれる方位を用いて風向を算出する
付記３に記載の方法。

（付記５）
所定の時間幅で周波数が変化する音を所定の時間間隔で繰り返し音出力部から出力し、
前記出力された音を受音部により受音し、
前記受音された音と前記保存された音とを合成し、
前記合成された音におけるうなりの周期を算出し、
前記算出されたうなりの周期の極大値および極小値を用いて風速を算出する
処理をコンピュータに実行させるプログラム。

（付記６）
前記出力された音の伝搬時における前記携帯端末装置の方位を地磁気センサにより検出し、
前記算出されたうなりの周期と前記検出された方位との組から、うなりの周期の極大値および極小値を有する組に含まれる方位を用いて風向を算出する
付記５に記載のプログラム。

１０ 携帯端末装置
１０ａ ディスプレイ
１０ｂ スピーカ
１０ｃ マイク
１０ｄ 地磁気センサ
１０ｅ ＣＰＵ
１０ｆ ＲＯＭ
１０ｇ ＲＡＭ
２０ａ 音合成部
２０ｂ 第１の算出部
２０ｃ 第２の算出部
２０ｄ 第３の算出部

Claims (4)

1. 所定の時間幅で周波数が変化する音を所定の時間間隔で繰り返し出力する音出力部と、
   前記出力された音を受音する受音部と、
   前記所定の時間幅で周波数が変化する音と前記受音された音とを合成する音合成部と、
   前記合成された音におけるうなりの周期を算出する第１の算出部と、
   前記算出されたうなりの周期の極大値および極小値を用いて風速を算出する第２の算出部と
   を有する携帯端末装置。
2. 前記出力された音の伝搬時における前記携帯端末装置の方位を検出する地磁気センサと、
   前記算出されたうなりの周期と前記検出された方位との組から、うなりの周期の極大値および極小値を有する組に含まれる方位を用いて風向を算出する第３の算出部と
   をさらに有する請求項１に記載の携帯端末装置。
3. 所定の時間幅で周波数が変化する音を所定の時間間隔で繰り返し音出力部から出力し、
   前記出力された音を受音部により受音し、
   前記受音された音と前記保存された音とを合成し、
   前記合成された音におけるうなりの周期を算出し、
   前記算出されたうなりの周期の極大値および極小値を用いて風速を算出する
   方法。
4. 所定の時間幅で周波数が変化する音を所定の時間間隔で繰り返し音出力部から出力し、
   前記出力された音を受音部により受音し、
   前記受音された音と前記保存された音とを合成し、
   前記合成された音におけるうなりの周期を算出し、
   前記算出されたうなりの周期の極大値および極小値を用いて風速を算出する
   処理をコンピュータに実行させるプログラム。