JP6741862B2 - 進行方向計算装置、進行方向決定方法、および制御プログラム - Google Patents

Description

本発明は、進行方向計算装置、進行方向決定方法、および制御プログラムに関し、例えば、自律航法（PDR：Pedestrian Dead Reckoning）のために、ユーザの進行方向を決定する進行方向計算装置に関する。

従来、ＧＰＳ（Global Positioning System）から受信する位置情報を用いて、現在位置を特定する技術が存在する。例えば、スマートホンなどの携帯装置には、当該携帯装置がＧＰＳから受信する位置情報に基づいて、ユーザを道案内する歩行者ナビゲーションアプリケーションが実装されている。しかしながら、ユーザが屋内や地下街にいる場合、携帯装置は、ＧＰＳからの電波を受信することができない。この場合、歩行者ナビゲーションアプリケーションは、自律航法によってユーザの現在位置を計算する（例えば、特許文献１）。

通常、自律航法では、ユーザが１歩移動するごとに、ユーザの進行方向と歩幅とを計算し、ユーザがこれまでに移動した距離および方向を積算することによって、ユーザの現在位置を計算する。したがって、自律航法では、歩行動作時のユーザの進行方向を決定するプロセスが特に重要である。歩行動作は、概ね等速運動のようだが、実際には、ユーザの足が着地したときの減速運動と、ユーザの足が地面を蹴ったときの加速運動とが、周期的に交互に繰り返されている。歩行動作のこの性質を利用して、ユーザの進行方向の計算を行う様々な技術が提案されている。

例えば、特許文献２には、加速度センサのセンサ値から、ユーザの歩行に関する周波数成分を抜き出して、抜き出した周波数成分に基づいて、ユーザの進行方向を決定する技術が開示されている。特許文献３には、ユーザが左足を踏み出したときの水平方向の加速度ベクトルと、ユーザが右足を踏み出したときの水平方向の加速度ベクトルとがなす角を二等分するベクトルの方向を、ユーザの進行方向として計算する技術が開示されている。特許文献４には、携帯装置に生じる加速度から、ＤＣ成分すなわち周波数０の成分を除去することにより、ユーザの歩行に関する加速度の成分を抜き出す技術が開示されている。

日本国公開特許公報「特開２００９−１８６３７６号公報（２００９年８月２０日公開）」 国際公開公報「Ｗ０２００６／１０４１４０号公報（２００６年１０月５日公開）」 日本国公開特許公報「特開２０１２−２１８７０号公報（２０１２年２月２日公開）」 日本国公開特許公報「特開２０１３−１６０６５７号公報（２０１３年８月１９日公開）」

しかしながら、特許文献２に記載の技術は、少なくとも数歩分のセンサ値のデータを、携帯装置に常に蓄積するため、携帯装置に必要なメモリ量が飛躍的に大きくなる。さらに、特許文献２に記載の技術は、クラウドサービスなどの多大なリソースが必要である。そのため、特許文献２に記載の技術は現実的ではない。

特許文献３に記載の技術では、加速度ベクトルから、ユーザの歩行に関する水平成分を抜き出す必要があるが、ユーザの歩行に関する水平成分は非常に小さいため、体の揺れなどに基づく不要な水平成分と分離することが困難である。特許文献４に記載の技術でも、ユーザの歩行に関する加速度の水平成分を不要な成分から正確に分離することが困難である。したがって、上記の特許文献に記載の技術では、歩行中のユーザの進行方向を高精度に計算することができない。

本発明の一態様は、ユーザの進行方向を高精度に計算することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る進行方向計算装置は、ユーザに発生する３軸方向の加速度を検知する加速度センサと、前記加速度センサが検知した前記加速度の鉛直成分の変化に基づいて、前記加速度センサが検知した前記加速度の水平成分が負である減速期間の少なくとも一部を、安定的減速期間として特定する期間特定部と、前記期間特定部が特定した前記安定的減速期間における前記ユーザの水平面内での減速方向を示す減速ベクトルを計算する減速ベクトル計算部と、前記減速ベクトル計算部が計算した前記減速ベクトルに基づいて、前記ユーザの進行方向を決定する進行方向決定部とを備えている。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る進行方向決定方法は、ユーザに発生する加速度を検知する加速度センサを備えた進行方向計算装置による進行方向決定方法であって、前記加速度センサが検知した前記加速度の鉛直成分の変化に基づいて、前記加速度センサが検知した前記加速度の水平成分が負である減速期間の少なくとも一部を、安定的減速期間として特定する歩行動作分析ステップと、前記歩行動作分析ステップにおいて特定した前記安定的減速期間における前記ユーザの水平面内での減速方向を示す減速ベクトルを計算する減速ベクトル計算ステップと、前記減速ベクトル計算ステップにおいて計算した前記減速ベクトルに基づいて、前記ユーザの進行方向を決定する進行方向決定ステップとを含む。

本発明の一態様によれば、歩行中のユーザの進行方向を高精度に計算することができる。

実施形態１に係る進行方向計算装置のブロック図である。 ＸＹＺ座標系の軸方向とＥＮＵ座標系の軸方向との関係を示す図である。 歩行中のユーザに発生する加速度の変化を示す図である。 実施形態１に係る進行方向決定方法流れを示すフローチャートである。 実施形態２に係る進行方向計算装置のブロック図である。 ＸＹＺ座標系の軸方向とＸ´Ｙ´Ｕ座標系の軸方向との関係を示す図である。 実施形態２に係る進行方向決定方法流れを示すフローチャートである。

〔実施形態１〕
本発明の実施形態１を図に沿って以下に説明する。

（進行方向計算装置１の構成）
図１は、実施形態１に係る進行方向計算装置１の構成を示す。図１に示すように、進行方向計算装置１は、加速度センサ１０、地磁気センサ１１、座標変換部１２、期間特定部１３、減速ベクトル計算部１４、および進行方向決定部１５を備えている。

加速度センサ１０は、互いに直交する３軸（以下では、ＸＹＺ軸と呼ぶ）方向における進行方向計算装置１の加速度を検知する。加速度センサ１０は、検知した進行方向計算装置１の加速度を示す加速度データを、座標変換部１２に送信する。地磁気センサ１１は、互いに直交するＸＹＺ軸方向の地磁気の強度を検知する。地磁気センサ１１は、検知した地磁気の強度を示す地磁気データを、座標変換部１２に送信する。

座標変換部１２、期間特定部１３、減速ベクトル計算部１４、および進行方向決定部１５は、加速度センサ１０から取得する加速度データ、および、地磁気センサ１１から取得する地磁気データに基づいて、ユーザの進行方向を決定（後述）する。座標変換部１２、期間特定部１３、減速ベクトル計算部１４、および進行方向決定部１５は、進行方向計算装置１が備えたＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリによって実現される。

図１では、加速度センサ１０と地磁気センサ１１とを別のハードウェアとして表現している。しかしながら、進行方向計算装置１は、加速度センサ１０と地磁気センサ１１とをワンパッケージに収めた６軸センサを備えていてもよいし、加速度センサ１０および地磁気センサ１１に加えて、ジャイロセンサなどの他の種類のセンサも備えていてもよい。また、図１では、座標変換部１２、期間特定部１３、減速ベクトル計算部１４、および進行方向決定部１５を、それぞれ独立した機能ブロックとして図示しているが、一つのＭＣＵ（micro controller unit）のソフトウェアとして実現することもできる。

（進行方向決定方法の流れ）
図２〜図４を用いて、座標変換部１２、期間特定部１３、減速ベクトル計算部１４、および進行方向決定部１５が、ユーザの進行方向を決定する方法の流れを説明する。図２は、ＸＹＺ座標系とＥＮＵ座標系との関係を示す図である。図３は、ユーザが歩行している間における加速度ベクトルの鉛直成分および水平成分の変化の一例を示す。図４は、ユーザの進行方向を決定する方法の流れを示すフローチャートである。

図４に示すように、ユーザの進行方向を決定する方法は、ステップＳ１〜Ｓ４を含む（Ｓ１）。以下では、Ｓ１〜Ｓ４の各ステップの詳細を順番に説明する。

［Ｓ１．座標変換］
ここでは、座標変換部１２が加速度センサ１０から取得する３軸方向の加速度データを、加速度ベクトルと呼ぶ。また、座標変換部１２が地磁気センサ１１から取得する３軸方向の地磁気データを、地磁気ベクトルと呼ぶ。

図４にＳ１として示すように、進行方向計算装置１の座標変換部１２は、ＸＹＺ座標系における加速度ベクトルを、ＥＮＵ座標系における加速度ベクトルに変換する。ＥＮＵ座標系は、地平直交座標系とも呼ばれる。ＥＮＵ座標系では、進行方向計算装置１（ユーザ）から見て、東方向がＥ軸の正方向であり、北方向がＮ軸の正方向であり、天頂方向がＵ軸の正方向である。すなわち、ＥＮＵ座標系は、鉛直方向の１つの軸（Ｕ軸）と、水平面内の２つの軸（Ｅ軸およびＮ軸）とで構成される。ユーザが進行方向計算装置１を保持している姿勢によっては、ＸＹＺ軸とＥＮＵ軸とが一致しているとは限らない。

具体的には、座標変換部１２は、まず、ユーザが静止しているとき、加速度センサ１０から、ＸＹＺ座標系における加速度ベクトルを取得する。ユーザが静止しているとき、加速度センサ１０は、重力加速度のみを検知するので、加速度ベクトルは鉛直方向を指す。鉛直方向は、ＥＮＵ座標系におけるＵ軸方向に対応する。したがって、Ｚ軸方向とＵ軸方向とが一致している場合、ＸＹＺ座標系における鉛直方向の加速度ベクトルにおいて、Ｘ成分およびＹ成分はゼロになる。換言すれば、ＸＹＺ座標系における加速度ベクトルのＸ成分およびＹ成分の少なくとも一方がゼロではない場合、Ｚ軸方向とＵ軸方向との間にずれがある。したがって、座標変換部１２は、ＸＹＺ座標系における加速度ベクトルのＸ成分およびＹ成分に基づいて、Ｚ軸方向とＵ軸方向との間のずれを計算することができる。

次に、座標変換部１２は、地磁気センサ１１から、ＸＹＺ座標系における地磁気ベクトルを取得する。地磁気ベクトルは、常に、磁北成分と鉛直下向き成分とを含む。地磁気ベクトルの磁北成分は、ＥＮＵ座標系におけるＮ軸の正方向の成分と対応する。また、地磁気ベクトルの鉛直下向き成分は、Ｕ軸の負方向の成分と対応する。座標変換部１２は、地磁気ベクトルから、鉛直下向き成分を除去する。これにより、座標変換部１２は、ＥＮＵ座標系におけるＮ軸方向を特定することができる。座標変換部１２は、特定したＮ軸方向とＹ軸方向との間のずれを計算する。また、このようにして、Ｕ軸方向とＺ軸方向との間のずれ、および、Ｎ軸方向とＹ軸方向との間のずれが計算された場合、座標変換部１２は、Ｅ軸方向とＸ軸方向との間のずれも計算することができる。以下では、ＸＹＺ軸とＥＮＵ軸との間のずれを、姿勢と呼ぶ場合がある。

図２に示すように、ＸＹＺ軸とＥＮＵ軸との間のずれ、すなわち姿勢は、ロール(φ)、ヨー(ψ)、およびピッチ(θ)によって表される。ロール(φ)、ヨー(ψ)、およびピッチ(θ)は、オイラー角と呼ばれる。ロール(φ)は、Ｘ軸とＥ軸との間のずれを表す。ヨー(ψ)は、Ｙ軸とＮ軸との間のずれを表す。ピッチ(θ)は、Ｚ軸とＵ軸との間のずれを表す。

座標変換部１２は、姿勢に対応する回転行列を用いて、ＸＹＺ座標系における加速度ベクトル（Ax, Ay, Az）を、ＥＮＵ座標系における加速度ベクトル（Ae, An, Au）に変換する。以下の式（１）では、オイラー角（ロール(φ)，ピッチ(θ)，ヨー(ψ)）を用いて、回転行列を表現している。

座標変換部１２は、ＥＮＵ座標系における加速度ベクトル（Ae, An, Au）から、Ｕ成分を除去することによって、加速度ベクトルの水平成分（An, Au）を得ることができる。また、ＥＮＵ座標系における加速度ベクトル（Ae, An, Au）からＵ成分を抽出することによって、加速度ベクトルの鉛直成分Aeを得ることができる。

座標変換部１２は、このように計算した加速度ベクトルの鉛直成分および水平成分のデータを、期間特定部１３に送信する。

なお、ユーザが歩行している場合、進行方向計算装置１は動き続けているので、座標変換部１２は、ユーザが歩行している間、姿勢を計算し続ける必要がある。座標変換部１２は、加速度センサおよび地磁気センサから取得するデータに基づいて、姿勢を計算することができる。しかしながら、進行方向計算装置１がジャイロセンサを備えている場合、座標変換部１２は、ジャイロセンサから取得するデータを併用することによって、姿勢をより精度よく計算することができる。

［Ｓ２．歩行動作の分析（歩行動作分析ステップ）］
図４にＳ２として示すように、進行方向計算装置１の期間特定部１３は、座標変換部１２から取得した加速度ベクトルの鉛直成分および水平成分のデータを分析することによって、安定的減速期間を特定する。ここで、安定的減速期間とは、(i)加速度ベクトルの水平成分が負である減速期間の少なくとも一部であって、(ii)加速度ベクトルの鉛直成分が１番目の極大値を取る時点から２番目の極大値を取る時点までの期間のことである。以下で説明するように、安定的減速期間は、ユーザの両足が接地している期間に相当する。期間特定部１３は、特定した安定的減速期間の情報を、減速ベクトル計算部１４に送信する。

図３は、ユーザが歩行している間における加速度ベクトルの鉛直成分および水平成分の変化の一例を示す。ここでは、図３に示す点Ａ（第１の時点）から点Ｂ（第２の時点）までの期間における加速度ベクトルに注目する。点Ａから点Ｂまでの期間が、前述した安定的減速期間である。

図３に示すように、安定的減速期間の始点である点Ａは、ユーザの片足（踏み出した足）の踵が接地した時点である。このとき、接地したユーザの片足は、地面からの反力を受ける。したがって、点Ａにおいて、加速度ベクトルの鉛直成分は、上に凸の第１のピーク（前述した１番目の極大値に対応）を持つ。点Ａの後、加速度ベクトルの鉛直成分は、一度減少した後で再び増大する。安定的減速期間の終点である点Ｂは、ユーザがもう一方の片足（後ろ足）で地面を蹴った時点あるいは後ろ足の踵が浮いた時点である。このとき、地面を蹴ったユーザの片足は、地面からの反力を受ける。したがって、点Ｂにおいて、加速度ベクトルの鉛直成分は、上に凸の第２のピーク（前述した２番目の極大値に対応）を持つ。安定的減速期間は、ユーザの片足の踵が接地した時点から、ユーザのもう一方の片足の踵が浮いた時点までの期間であると言い換えることもできる。あるいは、安定的減速期間は、ユーザの両足が接地している期間であると言い換えることもできる。

図３に示すように、安定的減速期間において、加速度ベクトルの水平成分は負である。また、図３から分かるように、安定的減速期間において、ユーザは急激に減速するため、加速度ベクトルは比較的大きな値となる。また、安定的減速期間では、ユーザの両足が接地しているため、ユーザの体は比較的安定しており、ユーザの体の横揺れなど、ユーザの歩行とは関係のない動作が小さい。したがって、安定的減速期間において、水平方向のユーザの加速度は、ユーザの歩行に主に基づいているので、ユーザの進行方向（図３の右方向）とほぼ逆向きに発生している。

［Ｓ３．減速ベクトルの計算（減速ベクトル計算ステップ）］
図４にＳ３として示すように、進行方向計算装置１の減速ベクトル計算部１４は、期間特定部１３から、安定的減速期間の情報を取得する。減速ベクトル計算部１４は、安定的減速期間における加速度ベクトルの水平成分を積分することによって、安定的減速期間における減速ベクトルを計算する。減速ベクトルの向きは、ユーザの水平面内での進行方向と一致する。減速ベクトル計算部１４は、計算した減速ベクトルの情報を、進行方向決定部１５に送信する。

前述したように、安定的減速期間では、ユーザの体の横揺れなどの動作が小さい。つまり、安定的減速期間における加速度ベクトルの水平成分は、ほとんどユーザの歩行に基づいている。したがって、減速ベクトル計算部１４が計算する減速ベクトルのＳ／Ｎ比は高い。すなわち、減速ベクトル計算部１４は、ユーザの歩行に基づく減速ベクトルを、高精度に計算することができる。

［Ｓ４．進行方向の決定（進行方向決定ステップ）］
図４にＳ４として示すように、進行方向計算装置１の進行方向決定部１５は、減速ベクトル計算部１４が計算した減速ベクトルに基づいて、ユーザの進行方向を決定する。具体的には、進行方向決定部１５は、減速ベクトルの向きとは逆方向を、ユーザの進行方向であると決定する。

前述したように、減速ベクトル計算部１４が計算する減速ベクトルはＳ／Ｎ比が高いため、進行方向決定部１５は、減速ベクトルに基づいて、ユーザの進行方向を高精度に決定することができる。

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、図５〜図７を参照して説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。

本実施形態２では、ユーザに発生する加速度の鉛直成分と水平成分とを分離する方法が前記実施形態１とは異なる。

（進行方向計算装置２の構成）
図５は、実施形態２に係る進行方向計算装置３の構成を示す。図５に示すように、進行方向計算装置２は、加速度センサ２０、絶対方位取得手段２１（方位情報取得部）、加速度成分分離部２２、期間特定部２３、減速ベクトル計算部２４、座標系変換部２５、および進行方向決定部２６を備えている。

加速度センサ２０は、互いに直交するＸＹＺ軸方向における進行方向計算装置２の加速度を検知する。加速度センサ２０は、検知した進行方向計算装置２の加速度の情報を、加速度データとして、加速度成分分離部２２に送信する。

絶対方位取得手段２１、加速度成分分離部２２、期間特定部２３、減速ベクトル計算部２４、座標系変換部２５、および進行方向決定部２６は、加速度センサ２０から取得する加速度データに基づいて、ユーザの進行方向を決定（後述）する。絶対方位取得手段２１、加速度成分分離部２２、期間特定部２３、減速ベクトル計算部２４、座標系変換部２５、および進行方向決定部２６は、進行方向計算装置１が備えたＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリによって実現される。

図５では、絶対方位取得手段２１、加速度成分分離部２２、期間特定部２３、減速ベクトル計算部２４、座標系変換部２５、および進行方向決定部２６を、それぞれ独立した機能ブロックとして図示しているが、一つのＭＣＵ（micro controller unit）のソフトウェアとして実現することもできる。

（進行方向決定方法の流れ）
図６〜図７を用いて、絶対方位取得手段２１、加速度成分分離部２２、期間特定部２３、減速ベクトル計算部２４、座標系変換部２５、および進行方向決定部２６が、ユーザの進行方向を決定する方法の流れを説明する。図６は、ＸＹＺ座標系とＸ´Ｙ´Ｕ座標系との関係を示す図である。図７は、ユーザの進行方向を決定する方法の流れを示すフローチャートである。

図７に示すように、ユーザの進行方向を決定する方法は、ステップＳ２１〜Ｓ２６を含む。ステップＳ２１〜Ｓ２６のうち、歩行動作を分析するステップ（Ｓ２３）は、前記実施形態１で説明したＳ２と同じである。減速ベクトルを計算するステップ（Ｓ２４）は、前記実施形態１で説明したＳ２４と同じである。また、進行方向を決定するステップ（Ｓ２６）は、前記実施形態１で説明したＳ４と同じである。したがって、以下では、Ｓ２１、Ｓ２２、およびＳ２５の各ステップのみの詳細を順番に説明する。

［Ｓ２１．絶対方位の取得］
図７にＳ２１として示すように、絶対方位取得手段２１は、絶対方位すなわち東西南北方向および鉛直方向を特定する。例えば、絶対方位取得手段２１は、地磁気センサ（図示せず）から、地磁気データを取得してもよいし、カメラ（図示せず）を用いて撮影した画像から、画像認識処理によって、ランドマークである建造物等を探索してもよい。あるいは、絶対方位取得手段２１は、外部から、絶対方位の情報を取得してもよい。いずれの構成であっても、絶対方位取得手段２１は、情報源から、絶対方位の情報を簡単に取得することができる。

［Ｓ２２．加速度成分の分離（加速度成分分離ステップ）］
図７にＳ２２として示すように、加速度成分分離部２２は、ユーザが静止しているときに、加速度センサ２０から加速度データ（以下では、加速度ベクトルと呼ぶ）を取得する。前記実施形態１で説明したように、ユーザが静止しているときの加速度ベクトルは、鉛直成分のみを含む。したがって、加速度成分分離部２２は、ユーザが静止しているときの加速度ベクトルの向きに基づいて、鉛直方向を特定することができる。加速度成分分離部２２は、以下の式（２）に示す回転行列を用いて、加速度ベクトルの鉛直成分と水平成分とを分離する。

式（２）の左辺において、(Ax, Ay)は、加速度ベクトルの水平成分であり、Azは、加速度ベクトルの鉛直成分である。式（２）のピッチ(θ)は、Ｚ軸とＵ軸との間のずれを表す。式（２）のロール(φ)は、Ｘ軸とＸ´軸との間のずれを表す。なお、式（２）に示す回転行列は、前記実施形態１で説明した式（１）に示す回転行列において、ヨー（ψ）を０°とした場合に相当する。

加速度成分分離部２２は、こうして鉛直成分と水平成分とに分離した加速度ベクトルのデータを、期間特定部２３および減速ベクトル計算部２４に送信する。

前記実施形態１で説明したように、期間特定部２３は、加速度ベクトルの鉛直成分に基づいて、安定的減速期間を計算する（Ｓ２３）。そして、期間特定部２３は、計算した安定的減速期間の情報を、減速ベクトル計算部２４に送信する。

減速ベクトル計算部２４は、期間特定部２３が計算した安定的減速期間、および、加速度成分分離部２２から取得した加速度ベクトルの水平成分(Ax, Ay)に基づいて、減速ベクトルを計算する（Ｓ２４）。減速ベクトルの向きは、安定的減速期間におけるユーザの進行方向と一致する。減速ベクトル計算部２４は、計算した減速ベクトルの情報を、座標系変換部２５に送信する。

［Ｓ２５．座標変換］
図７にＳ２５として示すように、座標系変換部２５は、減速ベクトル計算部２４から、減速ベクトルの情報を取得する。また、座標系変換部２５は、絶対方位取得手段２１から、ヨー(ψ)の情報を取得する。ヨー(ψ)は、Ｙ軸とＹ´軸との間のずれを示す。座標系変換部２５は、以下の式（３）に示す回転行列を用いて、Ｘ´Ｙ´座標系における減速ベクトル(Vx, Vy)を、Ｘ´Ｙ´座標系における減速ベクトル(Vx´, Vy´)に変換する。

座標系変換部２５は、座標変換後の減速ベクトルの情報を、進行方向決定部２６に送信する。進行方向決定部２６は、座標系変換部２５から取得した減速ベクトル(Vx´, Vy´)に基づいて、ユーザの進行方向を決定する（Ｓ２６）。具体的には、進行方向決定部２６は、減速ベクトル(Vx´, Vy´)の向きと逆の向きを、ユーザの進行方向として特定する。また、進行方向決定部２６は、減速ベクトル(Vx´, Vy´)の長さを、ユーザの移動距離として計算することができる。

本実施形態２の構成によれば、実施形態１で説明した方法とは異なる手順および手段を用いて、ユーザの進行方向を決定することができる。特に、本実施形態２の構成によれば、前記実施形態１の構成のように、加速度ベクトルの鉛直成分と水平成分とを分離するために、地磁気センサを使用する必要がない。

〔実施形態３〕
（ソフトウェアによる実現例）
進行方向計算装置１の制御ブロック（特に座標変換部１２、期間特定部１３、減速ベクトル計算部１４、および進行方向決定部１５）は、集積回路（ＩＣチップ）等に形成された論理回路（ハードウェア）によって実現してもよいし、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を用いてソフトウェアによって実現してもよい。同様に、進行方向計算装置２の制御ブロック（特に加速度成分分離部２２、期間特定部２３、減速ベクトル計算部２４、座標系変換部２５、および進行方向決定部２６）は、集積回路（ＩＣチップ）等に形成された論理回路（ハードウェア）によって実現してもよいし、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を用いてソフトウェアによって実現してもよい。

後者の場合、進行方向計算装置１，２は、各機能を実現するソフトウェアであるプログラムの命令を実行するＣＰＵ、上記プログラムおよび各種データがコンピュータ（またはＣＰＵ）で読み取り可能に記録されたＲＯＭ（Read Only Memory）または記憶装置（これらを「記録媒体」と称する）、上記プログラムを展開するＲＡＭ（Random Access Memory）などを備えている。そして、コンピュータ（またはＣＰＵ）が上記プログラムを上記記録媒体から読み取って実行することにより、本発明の目的が達成される。上記記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、上記プログラムは、該プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体（通信ネットワークや放送波等）を介して上記コンピュータに供給されてもよい。なお、本発明の一態様は、上記プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。

〔まとめ〕
本発明の態様１に係る進行方向計算装置（１、２）は、ユーザに発生する３軸方向の加速度を検知する加速度センサ（１０、２０）と、前記加速度センサが検知した前記加速度の鉛直成分の変化に基づいて、前記加速度センサが検知した前記加速度の水平成分が負である減速期間の少なくとも一部を、安定的減速期間として特定する期間特定部（１３、２３）と、前記期間特定部が特定した前記安定的減速期間における前記ユーザの水平面内での減速方向を示す減速ベクトルを計算する減速ベクトル計算部（１４、２４）と、前記減速ベクトル計算部が計算した前記減速ベクトルに基づいて、前記ユーザの進行方向を決定する進行方向決定部（１５、２６）とを備えている。

上記の構成によれば、安定的減速期間における加速度の水平成分から、減速ベクトルを計算することができる。こうして計算された減速ベクトルは、ユーザが水平面内でどの方向に減速しているかを示す。

ユーザの体の揺れなどは、進行とは無関係の加速度を発生させる原因となる。しかしながら、上記の構成によれば、加速度の鉛直成分の変化に基づいて、進行とは無関係の加速度が少ない安定的減速期間を特定することができる。したがって、安定的減速期間における減速ベクトルに基づいて、ユーザの進行方向を高精度に計算することができる。

本発明の態様２に係る進行方向計算装置は、上記態様１において、前記期間特定部は、前記加速度の鉛直成分の変化に基づいて、前記ユーザの片足が着地した第１の時点と、前記ユーザの他の片足が浮く第２の時点とを特定し、特定した前記第１の時点から前記第２の時点までを、前記安定的減速期間として特定してもよい。

上記の構成によれば、安定的減速期間には、ユーザの両足が着地しているため、ユーザの体の揺れなどを原因とする、進行とは無関係の加速度が少ない。そのため、安定的減速期間には、ユーザの体の揺れなどに基づく減速ベクトルのノイズが小さいので、安定的減速期間における減速ベクトルに基づいて、ユーザの進行方向を高精度に計算することができる。

本発明の態様３に係る進行方向計算装置は、上記態様２において、前記期間特定部は、前記安定的減速期間において、前記加速度の鉛直成分が１番目の極大値をとる時点を、前記第１の時点として特定し、前記加速度の鉛直成分が２番目の極大値を取る時点を、前記第２の時点として特定してもよい。上記の構成によれば、加速度の鉛直成分の極大値（上に凸のピーク）に基づいて、ユーザの両足が着地している安定的減速期間を特定することができる。

本発明の態様４に係る進行方向計算装置は、上記態様１から３のいずれかにおいて、前記減速ベクトル計算部は、前記安定的減速期間における前記加速度の水平成分を積分することによって、前記減速ベクトルを計算してもよい。上記の構成によれば、安定的減速期間における減速ベクトルを高精度に計算することができる。

本発明の態様５に係る進行方向計算装置は、上記態様１から４のいずれかにおいて、前記進行方向決定部は、前記減速ベクトルの向きとは反対方向を、前記ユーザの進行方向として決定してもよい。上記の構成によれば、安定的減速期間において、ユーザの進行方向と減速方向とが逆になることを利用して、減速ベクトルの向きに基づいて、ユーザの進行方向を決定することができる。

本発明の態様６に係る進行方向計算装置は、上記態様１から５のいずれかにおいて、地磁気センサ（１１）と、前記地磁気センサが検知した地磁気の方向に基づいて、前記加速度センサが検知した前記加速度の座標系を、鉛直軸と水平方向の２軸とを含む座標系に変換する座標系変換部（座標変換部１２）とをさらに備え、前記期間特定部は、前記座標系変換部によって座標系を変換された前記加速度の鉛直成分に基づいて、前記安定的減速期間を特定してもよい。上記の構成によれば、加速度の座標系を変換することによって、加速度センサが検知する３軸方向の加速度を、鉛直成分と水平成分とに分離することができる。そして、分離した加速度の鉛直成分に基づいて、安定的減速期間を特定することができる。

本発明の態様７に係る進行方向計算装置は、上記態様１から５のいずれかにおいて、方位情報取得部（絶対方位取得手段２１）と、前記方位情報取得部が取得した方位の情報に基づいて、前記減速ベクトル計算部が計算した前記減速ベクトルの座標系を、鉛直軸と水平方向の２軸とを含む座標系に変換する座標系変換部（２５）とをさらに備え、前記進行方向決定部は、前記座標系変換部によって座標系を変換された減速ベクトルに基づいて、前記ユーザの進行方向を決定してもよい。上記の構成によれば、方位情報取得部が取得した方位の情報に基づいて、座標変換前の座標系と座標変換後の座標系とのオフセットを予め計算して、計算結果に基づいて、前記減速ベクトルの座標系を変換することができる。加速度の座標系を変換することによって、減速ベクトルを、鉛直成分と水平成分とに分離することができる。そして、分離した減速ベクトルの水平成分に基づいて、ユーザの進行方向を決定することができる。

本発明の態様８に係る進行方向決定方法は、ユーザに発生する３軸方向の加速度を検知する加速度センサ（１０、２０）を備えた進行方向計算装置（１、２）による進行方向決定方法であって、前記加速度センサが検知した前記加速度の鉛直成分の変化に基づいて、前記加速度センサが検知した前記加速度の水平成分が負である減速期間の少なくとも一部を、安定的減速期間として特定する歩行動作分析ステップと、前記歩行動作分析ステップにおいて特定した前記安定的減速期間における前記ユーザの水平面内での減速方向を示す減速ベクトルを計算する減速ベクトル計算ステップと、前記減速ベクトル計算ステップにおいて計算した前記減速ベクトルに基づいて、前記ユーザの進行方向を決定する進行方向決定ステップとを含む。上記の構成によれば、上記態様１に係る進行方向計算装置と同様の効果を奏する。

本発明の態様９に係る進行方向決定方法は、上記態様８において、前記加速度センサが検知した前記加速度の鉛直成分と水平成分とを分離する加速度成分分離ステップをさらに含み、前記歩行動作分析ステップでは、前記加速度成分分離ステップにおいて分離された前記加速度の鉛直成分を取得して、取得した前記加速度の鉛直成分の変化に基づいて、前記安定的減速期間を特定してもよい。上記の構成によれば、上記態様２に係る進行方向計算装置と同様の効果を奏する。

本発明の態様１０に係る進行方向決定方法は、上記態様８または９において、前記歩行動作分析ステップでは、前記ユーザの片足が着地した第１の時点から、前記ユーザの他の片足が浮く第２の時点までを、前記安定的減速期間として特定してもよい。上記の構成によれば、上記態様３に係る進行方向計算装置と同様の効果を奏する。

本発明の態様１１に係る進行方向決定方法は、上記態様１０において、前記歩行動作分析ステップでは、前記安定的減速期間において、前記加速度の鉛直成分が１番目の極大値をとる時点を、前記第１の時点として特定し、前記加速度の鉛直成分が２番目の極大値を取る時点を、前記第２の時点として特定してもよい。上記の構成によれば、上記態様４に係る進行方向計算装置と同様の効果を奏する。

本発明の態様１２に係る進行方向決定方法は、上記態様８から１１のいずれかにおいて、前記減速ベクトル計算ステップでは、前記安定的減速期間における前記加速度の水平成分を積分することによって、前記減速ベクトルを計算してもよい。上記の構成によれば、上記態様５に係る進行方向計算装置と同様の効果を奏する。

本発明の態様１３に係る進行方向決定方法は、上記態様８から１２のいずれかにおいて、前記進行方向決定ステップでは、前記減速ベクトルの向きとは反対方向を、前記ユーザの進行方向として決定してもよい。上記の構成によれば、上記態様６に係る進行方向計算装置と同様の効果を奏する。

本発明の各態様に係る進行方向計算装置は、コンピュータによって実現してもよく、この場合には、コンピュータを上記進行方向計算装置が備える各部（ソフトウェア要素）として動作させることにより上記進行方向計算装置をコンピュータにて実現させる進行方向計算装置の制御プログラム、およびそれを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体も、本発明の範疇に入る。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

１、２ 進行方向計算装置
１０、２０ 加速度センサ
１１ 地磁気センサ
１２ 座標変換部（座標系変換部）
１３、２３ 期間特定部
１４、２４ 減速ベクトル計算部
１５、２６ 進行方向決定部
２１ 絶対方位取得手段（方位情報取得部）
２５ 座標系変換部
Ｓ１ 座標系変換ステップ
Ｓ２、Ｓ２３ 歩行動作分析ステップ
Ｓ２、Ｓ２４ 減速ベクトル計算ステップ
Ｓ４、Ｓ２６ 進行方向決定ステップ

Claims (14)

1. ユーザに発生する３軸方向の加速度を検知する加速度センサと、
   前記加速度センサが検知した前記加速度の鉛直成分の変化に基づいて、前記加速度センサが検知した前記加速度の水平成分が負である減速期間の少なくとも一部を、前記ユーザの両足が着地している安定的減速期間として特定する期間特定部と、
   前記期間特定部が特定した前記安定的減速期間における前記ユーザの水平面内での減速方向を示す減速ベクトルを計算する減速ベクトル計算部と、
   前記減速ベクトル計算部が計算した前記減速ベクトルに基づいて、前記ユーザの進行方向を決定する進行方向決定部とを備えた
   ことを特徴とする進行方向計算装置。
2. ユーザに発生する３軸方向の加速度を検知する加速度センサと、
   前記加速度センサが検知した前記加速度の鉛直成分の変化に基づいて、前記加速度センサが検知した前記加速度の水平成分が負である減速期間の少なくとも一部を、安定的減速期間として特定する期間特定部と、
   前記期間特定部が特定した前記安定的減速期間における前記ユーザの水平面内での減速方向を示す減速ベクトルを計算する減速ベクトル計算部と、
   前記減速ベクトル計算部が計算した前記減速ベクトルに基づいて、前記ユーザの進行方向を決定する進行方向決定部とを備え、
   前記期間特定部は、前記加速度の鉛直成分の変化に基づいて、前記ユーザの片足が着地した第１の時点と、前記ユーザの他の片足が浮く第２の時点とを特定し、特定した前記第１の時点から前記第２の時点までを、前記安定的減速期間として特定することを特徴とする進行方向計算装置。
3. 前記期間特定部は、前記安定的減速期間において、前記加速度の鉛直成分が１番目の極大値をとる時点を、前記第１の時点として特定し、前記加速度の鉛直成分が２番目の極大値を取る時点を、前記第２の時点として特定することを特徴とする請求項２に記載の進行方向計算装置。
4. 前記減速ベクトル計算部は、前記安定的減速期間における前記加速度の水平成分を積分することによって、前記減速ベクトルを計算することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の進行方向計算装置。
5. 前記進行方向決定部は、前記減速ベクトルの向きとは反対方向を、前記ユーザの進行方向として決定することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の進行方向計算装置。
6. 地磁気センサと、
   前記地磁気センサが検知した地磁気の方向に基づいて、前記加速度センサが検知した前記加速度の座標系を、鉛直方向の１軸と水平方向の２軸とを含む座標系に変換する座標系変換部とをさらに備え、
   前記期間特定部は、前記座標系変換部によって座標系を変換された前記加速度の鉛直成分に基づいて、前記安定的減速期間を特定することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の進行方向計算装置。
7. 方位情報取得部と、
   前記方位情報取得部が取得した方位の情報に基づいて、前記減速ベクトル計算部が計算した前記減速ベクトルの座標系を、鉛直方向の１軸と水平方向の２軸とを含む座標系に変換する座標系変換部とをさらに備え、
   前記進行方向決定部は、前記座標系変換部によって座標系を変換された減速ベクトルに基づいて、前記ユーザの進行方向を決定することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の進行方向計算装置。
8. ユーザに発生する３軸方向の加速度を検知する加速度センサを備えた進行方向計算装置による進行方向決定方法であって、
   前記加速度センサが検知した前記加速度の鉛直成分の変化に基づいて、前記加速度センサが検知した前記加速度の水平成分が負である減速期間の少なくとも一部を、前記ユーザの両足が着地している安定的減速期間として特定する歩行動作分析ステップと、
   前記歩行動作分析ステップにおいて特定した前記安定的減速期間における前記ユーザの水平面内での減速方向を示す減速ベクトルを計算する減速ベクトル計算ステップと、
   前記減速ベクトル計算ステップにおいて計算した前記減速ベクトルに基づいて、前記ユーザの進行方向を決定する進行方向決定ステップとを含む
   ことを特徴とする進行方向決定方法。
9. 前記加速度センサが検知した前記加速度の鉛直成分と水平成分とを分離する加速度成分分離ステップをさらに含み、
   前記歩行動作分析ステップでは、前記加速度成分分離ステップにおいて分離された前記加速度の鉛直成分を取得して、取得した前記加速度の鉛直成分の変化に基づいて、前記安定的減速期間を特定することを特徴とする請求項８に記載の進行方向決定方法。
10. ユーザに発生する３軸方向の加速度を検知する加速度センサを備えた進行方向計算装置による進行方向決定方法であって、
    前記加速度センサが検知した前記加速度の鉛直成分の変化に基づいて、前記加速度センサが検知した前記加速度の水平成分が負である減速期間の少なくとも一部を、安定的減速期間として特定する歩行動作分析ステップと、
    前記歩行動作分析ステップにおいて特定した前記安定的減速期間における前記ユーザの水平面内での減速方向を示す減速ベクトルを計算する減速ベクトル計算ステップと、
    前記減速ベクトル計算ステップにおいて計算した前記減速ベクトルに基づいて、前記ユーザの進行方向を決定する進行方向決定ステップとを含み、
    前記歩行動作分析ステップでは、前記ユーザの片足が着地した第１の時点から、前記ユーザの他の片足が浮く第２の時点までを、前記安定的減速期間として特定することを特徴とする進行方向決定方法。
11. 前記歩行動作分析ステップでは、前記安定的減速期間において、前記加速度の鉛直成分が１番目の極大値をとる時点を、前記第１の時点として特定し、前記加速度の鉛直成分が２番目の極大値を取る時点を、前記第２の時点として特定することを特徴とする請求項１０に記載に進行方向決定方法。
12. 前記減速ベクトル計算ステップでは、前記安定的減速期間における前記加速度の水平成分を積分することによって、前記減速ベクトルを計算することを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１項に記載の進行方向決定方法。
13. 前記進行方向決定ステップでは、前記減速ベクトルの向きとは反対方向を、前記ユーザの進行方向として決定することを特徴とする請求項８〜１２のいずれか１項に記載の進行方向決定方法。
14. 請求項１に記載の進行方向計算装置としてコンピュータを機能させるための制御プログラムであって、上記期間特定部、上記減速ベクトル計算部、および上記進行方向決定部としてコンピュータを機能させるための制御プログラム。

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