JP7059114B2 - Position measuring device and position measuring method - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、位置計測装置および位置計測方法に関する。 Embodiments of the present invention relate to a position measuring device and a position measuring method.
近年、位置測位サービスの増加に伴い、位置測位技術に注目が集まっている。例えば、GPSを使用できない屋内において、歩行者が携行する端末の取得した歩行情報に基づいて位置を推定するものがある。しかし、端末の取り付け位置または方向がずれてしまうと正しく進行方向を推定することができない。そこで、垂直方向の加速度成分の変化が極大のときと極小のときとの間で、水平方向の加速度成分の変化が極大を示すときに、この水平方向の加速度成分の方向を進行方向として推定する技術が知られている。 In recent years, with the increase in positioning services, attention has been focused on positioning technology. For example, there is a device that estimates a position based on walking information acquired by a terminal carried by a pedestrian in a room where GPS cannot be used. However, if the mounting position or direction of the terminal is deviated, the traveling direction cannot be estimated correctly. Therefore, when the change in the horizontal acceleration component shows the maximum between the time when the change in the vertical acceleration component is the maximum and the time when the change in the vertical direction is the minimum, the direction of the horizontal acceleration component is estimated as the traveling direction. The technology is known.
前述の技術では、水平方向の加速度成分のみを用いて進行方向を推定しているので、測定ノイズの影響を受け易く、精度のよい進行方向の推定が難しい。そのため、歩行者の位置の計測精度を向上させることができないという課題がある。 In the above-mentioned technique, since the traveling direction is estimated using only the horizontal acceleration component, it is easily affected by the measurement noise and it is difficult to accurately estimate the traveling direction. Therefore, there is a problem that the measurement accuracy of the position of a pedestrian cannot be improved.
本発明の実施形態は、このような事情を考慮してなされたもので、歩行位置の計測精度を向上させることができる位置計測技術を提供することを目的とする。 An embodiment of the present invention has been made in consideration of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a position measurement technique capable of improving the measurement accuracy of a walking position.
本発明の実施形態に係る位置計測装置は、位置計測の対象となる対象者の動作により変化する3軸の角速度をセンシングする角速度センサと、前記対象者の動作により変化する3軸方向の加速度をセンシングする加速度センサと、前記3軸の角速度により求められる回転を示す値に基づいて前記3軸方向の加速度をグローバル座標の水平方向および垂直方向に対応するグローバル加速度に変換する座標変換部と、前記グローバル加速度に基づいて前記グローバル座標の1歩の区間および歩幅を求める歩幅推定部と、前記1歩の区間における垂直方向の前記グローバル加速度の位相を進めた値と水平方向の前記グローバル加速度の値とに基づいて進行方向を求める進行方向推定部と、前記歩幅と前記進行方向に基づいて歩行位置を求める位置推定部と、を備える。 The position measuring device according to the embodiment of the present invention has an angular velocity sensor that senses a three-axis angular velocity that changes depending on the movement of the subject to be positioned, and an acceleration in the three-axis direction that changes depending on the movement of the subject. The acceleration sensor for sensing, the coordinate conversion unit that converts the acceleration in the three-axis direction into the global acceleration corresponding to the horizontal and vertical directions of the global coordinates based on the value indicating the rotation obtained by the angular velocity of the three axes, and the above. A stride estimation unit that obtains a step section and stride of the global coordinates based on the global acceleration, a value obtained by advancing the phase of the global acceleration in the vertical direction in the section of the step, and a value of the global acceleration in the horizontal direction. A traveling direction estimation unit that obtains a traveling direction based on the above, and a position estimation unit that obtains a walking position based on the stride length and the traveling direction are provided.
本発明の実施形態により、歩行位置の計測精度を向上させることができる位置計測技術が提供される。 An embodiment of the present invention provides a position measurement technique capable of improving the measurement accuracy of a walking position.
以下、図面を参照しながら、位置計測装置の実施形態について詳細に説明する。まず、本実施形態の位置計測装置について図1から図16を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the position measuring device will be described in detail with reference to the drawings. First, the position measuring device of this embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 16.
図1の符号1は、本実施形態の位置計測装置としての端末である。この端末1は、例えば、工場またはプラントなどの作業現場において、作業者である人の位置を特定するために用いられる。なお、作業現場のみならず、他の場所で端末1を用いても良い。また、端末1は、人が歩行により移動したときに、その歩幅と進行方向とを推定することで、移動後の位置を推定するようにしている。
図1に示すように、端末1は、スマートフォンなどの小型の携帯端末から成る。この端末1は、位置計測の対象者である人が所持し、この人の歩行または走りなどの動作を検出する。また、この端末1は、人が着用している服のポケットに収容されて使用される。そのため、端末1の向きは、人に対して固定的ではなく、端末1の向き(傾き)が常に変化してしまう可能がある。
As shown in FIG. 1, the
以下の説明において、人が居る空間の絶対的な座標系をグローバル座標Cと称する。このグローバル座標Cは、X軸とY軸が地面(床面)に沿って延び、Z軸が垂直方向(鉛直方向)に沿って延びる座標系である。つまり、地面に対して固定的な座標系がグローバル座標Cである。これに対して端末1に搭載されるセンサで検出されるu軸,v軸,w軸の座標系がある。この端末1を中心とした座標系を端末座標C’と称する。この端末座標C’は、端末1に対して固定的な座標系である。端末1が回転されると、端末座標C’の3軸方向がグローバル座標Cの3軸方向に対して変化する。
In the following description, the absolute coordinate system of the space where a person is located is referred to as global coordinates C. The global coordinate C is a coordinate system in which the X-axis and the Y-axis extend along the ground (floor surface) and the Z-axis extends in the vertical direction (vertical direction). That is, the coordinate system fixed to the ground is the global coordinate C. On the other hand, there are u-axis, v-axis, and w-axis coordinate systems detected by the sensor mounted on the
次に、位置計測装置としての端末1のシステム構成を図2に示すブロック図を参照して説明する。本実施形態の位置計測装置は、プロセッサおよびメモリなどのハードウェア資源を有し、CPUが各種プログラムを実行することで、ソフトウェアによる情報処理がハードウェア資源を用いて実現されるコンピュータで構成される。さらに、本実施形態の位置計測方法は、プログラムをコンピュータに実行させることで実現される。
Next, the system configuration of the
端末1は、3軸角速度センサ2と、3軸加速度センサ3と、3軸磁界センサ4と、座標変換部5と、歩幅推定部6と、進行方向推定部7と、位置推定部8と、情報出力部9とを備える。これらは、メモリまたはHDDに記憶されたプログラムがCPUによって実行されることで実現される。
The
3軸角速度センサ2は、端末座標C’の3軸の角速度をセンシングする。3軸加速度センサ3は、端末座標C’の3軸方向の加速度をセンシングする。3軸磁界センサ4は、端末座標C’の3軸方向の磁界ベクトルをセンシングする。なお、3軸加速度センサ3によりセンシングされる加速度の値には、人の歩行により生じる加速度のみならず、重力加速度も含まれる。
The 3-axis
座標変換部5は、端末座標C’の3軸の角速度により求められた端末1の回転状態に基づいて端末座標C’の3軸方向の加速度をグローバル座標Cの水平方向および垂直方向に対応するグローバル加速度に変換する処理を行う。歩幅推定部6は、グローバル加速度に基づいてグローバル座標Cの1歩の区間および歩幅を求める処理を行う。
The
進行方向推定部7は、1歩の区間における垂直方向のグローバル加速度の位相を進めた値と水平方向のグローバル加速度の値とに基づいて進行方向を求める処理を行う。位置推定部8は、歩幅と進行方向に基づいて歩行位置を求める処理を行う。なお、歩行位置とは、所定の位置から人が歩行したときに、人が歩行後に居る位置である。
The traveling
情報出力部9は、歩行位置などの所定の情報を出力する。この情報出力部9は、所定の情報を表示するディスプレイで構成される。また、情報出力部9は、音声で所定の情報を通知するスピーカでも良いし、遠隔地に所定の情報を送信する送信装置でも良いし、所定の情報を記憶媒体に記憶させる記憶装置でも良い。
The
次に、具体的な処理内容を以下に説明する。3軸角速度センサ2は、端末1の各軸u,v,w回りの角速度ωu(t),ωv(t),ωw(t)[rad/s]を、所定のサンプリング間隔ΔT[s]でセンシングする。3軸加速度センサ3は、端末1の各軸u,v,w方向の加速度Au(t),Av(t),Aw(t)[m/s2]を、所定のサンプリング間隔ΔT[s]でセンシングする。3軸磁界センサ4は、端末1の各軸u,v,w方向の磁界Bu(t),Bv(t),Bw(t)[μT]を、所定のサンプリング間隔ΔT[s]でセンシングする。
Next, the specific processing contents will be described below. The 3-axis
座標変換部5は、角速度センサ2で得られた角速度から端末1の回転を演算する。また、磁界センサ4の値をグローバル座標Cに変換する。また、グローバル座標Cの磁界ベクトルが、地磁気に基づく北方向、または予め作成した磁界マップに一致するように端末1の回転を示す値を補正する。このようにすれば、端末1の使用場所の磁界の方向に基づいて端末1の回転状態を補正されるので、端末1の位置、つまり歩行位置の計測精度を向上させることができる。
The coordinate
また、座標変換部5は、加速度センサ3の値をグローバル座標Cに変換し、グローバル座標Cの加速度ベクトル平均値が垂直方向になるように端末1の回転を示す値を補正する。つまり、座標変換部5は、グローバル加速度の平均値によりグローバル座標Cの垂直方向であるZ方向を求め、この垂直方向に対応するように端末1の回転状態を補正する。このようにすれば、求められたグローバル座標Cの垂直方向の値に誤差がある場合に、その誤差を修正することができる。
Further, the coordinate
歩幅推定部6は、座標変換部5で得られた垂直方向の加速度をバンドパスフィルタにかける。そして、垂直方向の加速度の値がプラスからマイナスになる時点から次にプラスからマイナスになる時点までを1歩の区間として検出し、その区間の垂直方向または3軸合成の加速度の最大値および最小値から歩幅を演算する。なお、人が静止した状態から歩行を開始するときには、最初に人の重心が下がり、その後に重心が上がる(図7参照)。そのため、垂直方向の加速度の値がプラスからマイナスになる時点を1歩の最初の時点として処理を行う。このようにすれば、グローバル加速度の値に基づいて1歩の区間を簡素な処理で求めることができる。
The
進行方向推定部7は、グローバル座標Cの垂直方向の加速度の位相を進めた値と、グローバル座標Cの1歩の区間のX方向、Y方向を乗算および累積して、逆正接(arctan)から進行方向を演算する。このようにすれば、歩幅と進行方向の計測精度を向上させることができる。
The traveling
位置推定部8は、歩幅推定部6が求めた歩幅と、進行方向推定部7が求めた進行方向から人の歩行位置を求める。情報出力部9は、位置推定部8が求めた歩行位置を示す情報を出力する。
The
次に、位置計測装置としての端末1が実行するメイン制御処理について図3のフローチャートを用いて説明する。なお、図2に示すブロック図を適宜参照する。この処理は、一定時間毎に繰り返される処理である。
Next, the main control process executed by the
図3に示すように、まず、ステップS1において、3軸角速度センサ2は、端末座標C’の3軸の角速度をセンシングする。次のステップS2において、3軸加速度センサ3は、端末座標C’の3軸の加速度をセンシングする。次のステップS3において、3軸磁界センサ4は、端末座標C’の3軸の磁界をセンシングする。
As shown in FIG. 3, first, in step S1, the 3-axis
次のステップS4において、端末1は、座標変換処理(図4参照)を実行する。次のステップS5において、端末1は、歩幅推定処理(図5参照)を実行する。次のステップS6において、端末1は、進行方向推定処理(図6参照)を実行する。
In the next step S4, the
次のステップS7において、端末1は、位置推定処理を実行する。次のステップS8において、端末1は、情報出力処理を実行する。そして、処理を終了する。
In the next step S7, the
次に、位置計測装置としての端末1が実行する座標変換処理について図4のフローチャートを用いて説明する。なお、図2に示すブロック図を適宜参照する。この処理は、一定時間毎に繰り返される処理である。
Next, the coordinate conversion process executed by the
図4に示すように、まず、ステップS11において、座標変換部5は、端末1の回転演算を行う。座標変換部5は、端末座標C’の角速度ωu(t),ωv(t),ωw(t)を用いて、端末1の回転ベクトルq(t)={q0(t),q1(t),q2(t),q3(t)}を求める。なお、回転ベクトルはクォータニオンである。ここで、端末1の各軸のベクトルをu,v,wとすると、以下の数式(1)~(3)により、端末1の回転ベクトルq(t)を求めることができる。
As shown in FIG. 4, first, in step S11, the coordinate
n=uωu(t)+vωv(t)+wωw(t) (1)
θ=ΔT√(ω2
u(t)+ω2
v(t)+ω2
w(t)) (2)
q(t)=q(t-ΔT)(cos(θ/2)+n sin(θ/2)) (3)
n = uω u (t) + vω v (t) + wω w (t) (1)
θ = ΔT√ (ω 2 u (t) + ω 2 v (t) + ω 2 w (t)) (2)
q (t) = q (t-ΔT) (cos (θ / 2) + n sin (θ / 2)) (3)
次のステップS12において、座標変換部5は、磁界の座標変換を行う。座標変換部5は、端末1の各軸u,v,w方向の磁界Bu(t),Bv(t),Bw(t)をグローバル座標CのX,Y,Zへ座標変換する。端末1の回転ベクトルq(t)の共役クォータニオンをq*(t)とすれば、以下の数式(4)により、グローバル座標Cの磁界Bx(t),By(t),Bz(t)を求めることができる。
In the next step S12, the coordinate
{Bx(t),By(t),Bz(t)}=q(t){Bu(t),Bv(t),Bw(t)}q*(t) (4) {B x (t), By (t), B z (t)} = q (t) {B u (t), B v (t), B w (t)} q * (t) (4 )
次のステップS13において、座標変換部5は、磁界に基づいて端末1の回転を示す値の補正を行う。座標変換部5は、地磁気に基づいて、グローバル座標Cの磁界の向きが北方向になるように、端末1の回転を示す値を補正する。正確には、磁界ベクトルは、その使用場所での偏角となるはずである。例えば、東京周辺の偏角は西偏約7度である。そこで、グローバル座標CのX方向を北とするならば、以下の数式(5)となるように、端末1の回転ベクトルq(t)を補正する。このようにすれば、地磁気により端末1の回転状態を補正することができる。
In the next step S13, the coordinate
arctan(By(t)/Bx(t))=偏角 (5) arctan (B y (t) / B x (t)) = Argument (5)
鉄筋鉄骨コンクリート製の建物の内部では、地磁気が遮蔽され、室内の磁界の方向が北とならない場合がある。このような場合は、測位するエリアの磁界を、磁界測定装置を用いて予め測定して磁界マップを作成しておく。そして、前述の数式(4)で求めた磁界の方向が、事前に作成した磁界マップと一致するように端末1の回転ベクトルq(t)を補正する。このようにすれば、地磁気の影響を受けない建物内であっても端末1の回転状態を補正することができる。
Inside a reinforced steel-framed concrete building, the geomagnetism may be shielded and the direction of the magnetic field in the room may not be north. In such a case, the magnetic field in the positioning area is measured in advance using a magnetic field measuring device to create a magnetic field map. Then, the rotation vector q (t) of the
次のステップS14において、座標変換部5は、加速度の座標変換を行う。座標変換部5は、端末1の各軸u,v,w方向の加速度Au(t),Av(t),Aw(t)をグローバル座標CのX,Y,Zへ座標変換する。端末1の回転ベクトルq(t)の共役クォータニオンをq*(t)とすれば、以下の数式(6)により、グローバル座標Cの加速度Ax(t),Ay(t),Az(t)を求めることができる。
In the next step S14, the coordinate
{Ax(t),Ay(t),Az(t)}=q(t){Au(t),Av(t),Aw(t)}q*(t) (6) {A x (t), A y (t), A z (t)} = q (t) {A u (t), A v (t), A w (t)} q * (t) (6 )
次のステップS15において、座標変換部5は、加速度による回転の補正を行う。ここで、グローバル座標Cの加速度平均値は、垂直方向になるはずなので、以下の数式(7)~(9)となるように、端末1の回転ベクトルq(t)を補正する。ただし、Average(x)は、例えば、3秒間の平均値を示す。そして、処理を終了する。
In the next step S15, the coordinate
Average(Ax(t))=0 (7)
Average(Ay(t))=0 (8)
Average(Az(t))=G (9)
Average (A x (t)) = 0 (7)
Average (A y (t)) = 0 (8)
Average (A z (t)) = G (9)
次に、位置計測装置としての端末1が実行する歩幅推定処理について図5のフローチャートを用いて説明する。なお、図2に示すブロック図を適宜参照する。この処理は、一定時間毎に繰り返される処理である。
Next, the stride estimation process executed by the
図5に示すように、まず、ステップS21において、歩幅推定部6は、グローバル座標Cの加速度Ax(t),Ay(t),Az(t)をバンドパスフィルタにかけて、Abx(t),Aby(t),Abz(t)を求める。バンドパスフィルタは、例えば、1~5Hz程度を通過帯域とする。
As shown in FIG. 5, first, in step S21, the
次のステップS22において、歩幅推定部6は、1歩区間の検出を行う。例えば、加速度の値がプラスからマイナスになる時点から、次にプラスからマイナスになる時点までを1歩の区間として検出する。
In the next step S22, the
次のステップS23において、歩幅推定部6は、1歩の区間のバンドパスフィルタした垂直方向の加速度Abz(t)の最大値および最小値を求める。
In the next step S23, the
次のステップS24において、歩幅推定部6は、以下の数式(10)により、歩幅を求める。ただし、例えば、N=1/4 とする。そして、処理を終了する。
In the next step S24, the
歩幅=係数×(Abz(t)の最大値-Abz(t)の最小値)N (10) Stride = Coefficient x (Maximum value of Ab z (t)-Minimum value of Ab z (t)) N (10)
次に、位置計測装置としての端末1が実行する進行方向推定処理について図6のフローチャートを用いて説明する。なお、図2に示すブロック図を適宜参照する。この処理は、一定時間毎に繰り返される処理である。
Next, the traveling direction estimation process executed by the
図6に示すように、まず、ステップS31において、進行方向推定部7は、グローバル座標Cの加速度Ax(t),Ay(t),Az(t)をバンドパスフィルタにかけて、Abx(t),Aby(t),Abz(t)を求める。バンドパスフィルタは、例えば、1~5Hz程度を通過帯域とする。
As shown in FIG. 6, first, in step S31, the traveling
次のステップS32において、進行方向推定部7は、垂直方向加速度の位相を進める処理を行う。ここで、位相を進めた垂直方向加速度Adz(t)は、例えば、以下の数式(11)によって求める。ここで、Δ1,Δ2は差分の時間である。
In the next step S32, the traveling
Adz(t)=Abz(t+Δ1)-Abz(t-Δ2) (11) Ad z (t) = Ab z (t + Δ 1 )-Ab z (t−Δ 2 ) (11)
または、単に、Adz(t)=Abz(t+Δ)として求めてもよい。この場合は、例えば、Δ=1歩の時間/4 とする。 Alternatively, it may be simply obtained as Ad z (t) = Ab z (t + Δ). In this case, for example, Δ = time of one step / 4.
次のステップS33において、進行方向推定部7は、1歩の区間のX方向加速度、Y方向加速度と、位相を進めた垂直方向加速度を乗算および累積する処理を行う。ここで、以下の数式(12)および(13)によって、1歩の区間のX方向、Y方向の乗算および累積を求める。
In the next step S33, the traveling
Sx=Σ{Abx(t)Adz(t)} (12)
Sy=Σ{Aby(t)Adz(t)} (13)
S x = Σ {Ab x (t) Ad z (t)} (12)
S y = Σ { Aby (t) Ad z (t)} (13)
次のステップS34において、進行方向推定部7は、逆正接演算を行い、進行方向を求める処理を行う。ここで、以下の数式(14)によって、進行方向を求める。そして、処理を終了する。
In the next step S34, the traveling
進行方向=arctan(Sy/Sx) (14) Direction of travel = arctan (S y / S x ) (14)
本実施形態では、進行方向推定部7は、垂直方向のグローバル加速度の値をバンドパスフィルタで処理し、この処理した値の時間の差分をとることで、グローバル加速度の位相を進めた値を求める。このようにすれば、時間の差分を用いることで、グローバル加速度の位相を進めた値を求める処理を容易に行うことができる。
In the present embodiment, the traveling
なお、本実施形態では、ステップS32において、進行方向推定部7が、垂直方向加速度の位相を進める処理を行っているが、その他の態様であっても良い。例えば、進行方向推定部7が、端末座標C’の3軸方向の加速度の合計値の位相を進める処理を行っても良い。つまり、位相を進める対象となる値は、少なくとも垂直方向加速度の成分が含まれている値であれば良い。
In the present embodiment, in step S32, the traveling
図3に示すように、メイン制御処理において、前述の座標変換処理、歩幅推定処理、座標変換処理の後、ステップS7の位置推定処理において、位置推定部8は、歩幅推定部6で求めたi歩目の歩幅[i]と、進行方向推定部7で求めたi歩目の進行方向[i]から、i歩目の歩行位置x[i],y[i]を以下の数式(15)および(16)によって求める。
As shown in FIG. 3, in the main control process, after the coordinate conversion process, the stride estimation process, and the coordinate conversion process described above, in the position estimation process of step S7, the
歩行位置x[i]=x[i-1]+歩幅[i]cos(進行方向[i]) (15)
歩行位置y[i]=y[i-1]+歩幅[i]sin(進行方向[i]) (16)
Walking position x [i] = x [i-1] + stride length [i] cos (direction of travel [i]) (15)
Walking position y [i] = y [i-1] + stride length [i] sin (direction of travel [i]) (16)
そして、ステップS8の情報出力処理において、情報出力部9は、位置推定処理で求められた歩行位置を出力する。
Then, in the information output process of step S8, the
図7は、人Pの歩行の例を示す模式図である。歩行に伴って、端末1を取り付けた人Pの上半身(重心位置)は上下する。ここで、人Pが通常の省エネルギーな歩行を行う場合には、位置エネルギーと運動エネルギーは相互に変換される。そのため、端末1の位置が下がるときに進行方向に向かって加速され、端末1の位置が上がるときに進行方向に減速される。
FIG. 7 is a schematic diagram showing an example of walking of human P. As the person walks, the upper body (center of gravity position) of the person P to which the
図8は、人の歩行と加速度の関係を示すグラフである。これらのグラフの横軸は時間を表し、縦軸は変化量を表す。図8において、一点鎖線のグラフL1は、位置h(t)を示す。点線のグラフL2は、垂直方向の加速度h’’(t)を示す。実線のグラフL3は、位相を進めた垂直方向の加速度h’’(t+π/2)を示す。二点鎖線のグラフL4は、進行方向の加速度v’(t)を示す。 FIG. 8 is a graph showing the relationship between human walking and acceleration. The horizontal axis of these graphs represents time, and the vertical axis represents the amount of change. In FIG. 8, graph L1 of the alternate long and short dash line indicates the position h (t). The dotted line graph L2 shows the vertical acceleration h ″ (t). The solid graph L3 shows the vertical acceleration h ″ (t + π / 2) with the phase advanced. The two-dot chain line graph L4 shows the acceleration v'(t) in the traveling direction.
図8に示すように、人Pが複数歩の歩行を行っているとき、端末1の位置と垂直方向の加速度は、逆位相になる。さらに、位相を進めた垂直方向の加速度と進行方向の加速度は、ほぼ同位相になる。なお、位相を進めるとは、グラフの波形が時間的に先に変化することを示す。グラフL2の位相を進めることで、グラフL3になっている。
As shown in FIG. 8, when the person P is walking a plurality of steps, the acceleration in the direction perpendicular to the position of the
端末の位置h(t)と速度v(t)の間でエネルギーが保存されるとすれば、以下の数式(17)の関係がある。ただし、mは人の質量、Eは保持するエネルギーである。 If energy is conserved between the position h (t) of the terminal and the velocity v (t), there is a relationship of the following mathematical formula (17). However, m is the mass of a person and E is the energy held.
m h(t)+(1/2)m v2(t)=E (17) mh (t) + (1/2) mv 2 (t) = E (17)
また、端末の位置h(t)を以下の数式(18)のようにモデル化する。ただし、C=2π/T、Tは1歩の周期である。 Further, the position h (t) of the terminal is modeled by the following mathematical formula (18). However, C = 2π / T and T are cycles of one step.
h(t)=cos(Ct) (18) h (t) = cos (Ct) (18)
ここで、垂直方向の加速度h’’(t)と水平方向の加速度vx’(t),vy’(t)は、以下の数式(19)~(21)となる。だたし、θは進行方向である。 Here, the vertical acceleration h''(t) and the horizontal acceleration v x '(t), v y '(t) are the following mathematical formulas (19) to (21). However, θ is the direction of travel.
h''(t)=-C2cos(Ct) (19)
vx'(t)=(C√2sin(Ct))/(2(E/m-cos(Ct))1/2)cos(θ) (20)
vy'(t)=(C√2sin(Ct))/(2(E/m-cos(Ct))1/2)sin(θ) (21)
h'' (t) =-C 2 cos (Ct) (19)
v x '(t) = (C√2sin (Ct)) / (2 (E / m-cos (Ct)) 1/2 ) cos (θ) (20)
v y '(t) = (C√2sin (Ct)) / (2 (E / m-cos (Ct)) 1/2 ) sin (θ) (21)
例えば、h’’(t)の位相をπ/2進めると以下の数式(22)となる。 For example, if the phase of h ″ (t) is advanced by π / 2, the following formula (22) is obtained.
h''(t+π/2)=C2 sin(Ct) (22) h'' (t + π / 2) = C 2 sin (Ct) (22)
1歩の区間の加速度vx’(t),vy’(t)と、位相を進めた垂直方向加速度h’’(t+π/2)を乗算および累積すれば、以下の数式(23)および(24)となる。 By multiplying and accumulating the acceleration v x '(t), v y '(t) in one step section and the vertical acceleration h'' (t + π / 2) with the phase advanced, the following formula (23) and (24).
Sx=Σ{v'x(t)h''(t+π/2)}
=Σ{(C√2 sin(Ct))/(2(E/m-cos(Ct))1/2)cos(θ) C2 sin(Ct)}
=C3√2 Σ{sin2(Ct)/(2(E/m-cos(Ct))1/2)}cos(θ) (23)
S x = Σ { v'x (t) h'' (t + π / 2)}
= Σ {(C√2 sin (Ct)) / (2 (E / m-cos (Ct)) 1/2 ) cos (θ) C 2 sin (Ct)}
= C 3 √ 2 Σ {sin 2 (Ct) / (2 (E / m-cos (Ct)) 1/2 )} cos (θ) (23)
Sy=Σ{v'y(t)h''(t+π/2)}
=Σ{(C√2sin(Ct))/(2(E/m-cos(Ct))1/2)sin(θ) C2sin(Ct)}
=C3√2 Σ{sin2(Ct)/(2(E/m-cos(Ct))1/2)}sin(θ) (24)
S y = Σ { v'y (t) h'' (t + π / 2)}
= Σ {(C√2 sin (Ct)) / (2 (E / m-cos (Ct)) 1/2 ) sin (θ) C 2 sin (Ct)}
= C 3 √ 2 Σ {sin 2 (Ct) / (2 (E / m-cos (Ct)) 1/2 )} sin (θ) (24)
ここで、逆正接を求めれば、以下の数式(25)となり、進行方向が求められる。 Here, if the inverse tangent is obtained, the following mathematical formula (25) is obtained, and the traveling direction is obtained.
進行方向=arctan(Sy/Sx)
={C3√2 Σ{sin2(Ct)/(2(E/m-cos(Ct))1/2)}sin(θ)}
/{C3√2 Σ{sin2(Ct)/(2(E/m-cos(Ct))1/2)}cos(θ)}
=sin(θ)/cos(θ)
=θ (25)
Direction of travel = arctan (S y / S x )
= {C 3 √ 2 Σ {sin 2 (Ct) / (2 (E / m-cos (Ct)) 1/2 )} sin (θ)}
/ {C 3 √ 2 Σ {sin 2 (Ct) / (2 (E / m-cos (Ct)) 1/2 )} cos (θ)}
= sin (θ) / cos (θ)
= θ (25)
図9は、人の歩行の例を示す説明図である。人Pが歩くときに、1~4歩目はX方向に歩き、5~8歩目は概ねY方向に横歩きした例を示している。このときの加速度波形の例を図10および図11に示す。図10において、実線のグラフL5は、垂直方向加速度Azを示す。点線のグラフL6は、バンドパスフィルタした垂直方向加速度Abzを示す。図11において、実線のグラフL7は、バンドパスフィルタして位相進めた垂直方向加速度Adzを示す。点線のグラフL8は、バンドパスフィルタしたX方向加速度Abxを示す。一点鎖線のグラフL9は、バンドパスフィルタしたY方向加速度Abyを示す。 FIG. 9 is an explanatory diagram showing an example of walking by a person. When the person P walks, the 1st to 4th steps walk in the X direction, and the 5th to 8th steps walk sideways in the Y direction. Examples of the acceleration waveform at this time are shown in FIGS. 10 and 11. In FIG. 10, the solid line graph L5 shows the vertical acceleration Az . The dotted line graph L6 shows the bandpass filtered vertical acceleration Ab z . In FIG. 11, the solid line graph L7 shows the vertical acceleration Ad z phase-advanced by bandpass filtering. The dotted line graph L8 shows the bandpass filtered X-direction acceleration Ab x . Graph L9 of the alternate long and short dash line shows the bandpass-filtered Y -direction acceleration Aby.
垂直方向加速度Azをバンドパスフィルタにかけて、バンドパスフィルタした垂直方向加速度Abzを求める。バンドパスフィルタした垂直方向加速度Abzの値がプラスからマイナスになる時点から、次にプラスからマイナスになる時点までを1歩の区間として検出する。 The vertical acceleration Az is applied to a bandpass filter to obtain the bandpass filtered vertical acceleration Ab z . The period from the time when the value of the vertical acceleration Abz filtered by the bandpass changes from plus to minus to the time when the value changes from plus to minus is detected as one step section.
1~4歩目では、バンドパスフィルタして位相進めた垂直方向加速度AdzとバンドパスフィルタしたX方向加速度Abxとがほぼ同位相である。4~7歩目では、バンドパスフィルタして位相進めた垂直方向加速度AdzとバンドパスフィルタしたY方向加速度Abyとがほぼ同位相である。 In the 1st to 4th steps, the vertical acceleration Ad z that has been phase-advanced by the bandpass filter and the X-direction acceleration Ab x that has been bandpass-filtered are substantially in phase. In the 4th to 7th steps, the vertical acceleration Ad z that is phase-advanced by the bandpass filter and the Y direction acceleration Aby that is bandpass filtered are substantially in phase.
図12は、本実施形態と従来技術の歩行位置の例を示す説明図である。人Pが歩くときに、1~4歩目はX方向に歩き、5~8歩目は概ねY方向に横歩きした例を示している。図12において、実線のグラフJ1は、本実施形態の端末1により求めた歩行位置を示す。点線のグラフJ2は、従来技術の端末により求めた歩行位置を示す。
FIG. 12 is an explanatory diagram showing an example of the walking position of the present embodiment and the prior art. When the person P walks, the 1st to 4th steps walk in the X direction, and the 5th to 8th steps walk sideways in the Y direction. In FIG. 12, the solid line graph J1 shows the walking position obtained by the
従来技術の端末により進行方向を求めた歩行位置では、5~8歩目においても端末(身体)が概ねX方向を向いているため、X方向に進んでいるような値が算出される。これに対して、本実施形態の端末1により進行方向を求めた歩行位置では、Y方向に進んでいる値が算出されることが分かる。このように、本実施形態では、歩行位置の計測精度を向上させることができる。
At the walking position where the traveling direction is obtained by the terminal of the prior art, the terminal (body) is generally facing the X direction even at the 5th to 8th steps, so that the value as if the terminal (body) is traveling in the X direction is calculated. On the other hand, it can be seen that at the walking position where the traveling direction is obtained by the
図13は、変形例1の進行方向推定処理を示すフローチャートである。なお、図2に示すブロック図を適宜参照する。この処理は、一定時間毎に繰り返される処理である。この変形例1の進行方向推定処理は、ステップS31からステップS34が前述の進行方向推定処理(図6)と同様のステップであるので、説明を省略する。
FIG. 13 is a flowchart showing the traveling direction estimation process of the modified example 1. The block diagram shown in FIG. 2 will be referred to as appropriate. This process is a process that is repeated at regular time intervals. As for the traveling direction estimation process of the
図13に示すように、ステップS34の次に進むステップS35において、進行方向推定部7は、1歩の区間の垂直方向の加速度Az(t)の最小値を求める。
As shown in FIG. 13, in step S35 following step S34, the traveling
次のステップS36において、進行方向推定部7は、垂直方向の加速度Az(t)の最小値が、走行判定値である一定値以下であるか否かを判定する。ここで、垂直方向の加速度Az(t)の最小値が一定値以下の場合(ステップS36がYES)は、人が走っていると判定して、ステップS37に進む。一方、垂直方向の加速度Az(t)の最小値が一定値を超えている場合(ステップS36がNO)は、処理を終了する。
In the next step S36, the traveling
本実施形態では、最小値が、走行判定値である一定値以下の場合、例えば、垂直方向の加速度Az(t)の最小値がゼロ以下の場合に走りと判定する。人が走り始めると足が地面から離れる瞬間があるので、垂直方向の加速度Az(t)の最小値がゼロ以下になる瞬間が生じる。このときの加速度を判定に用いる。 In the present embodiment, when the minimum value is equal to or less than a certain value which is a traveling determination value, for example, when the minimum value of the vertical acceleration Az (t) is zero or less, it is determined to be traveling. When a person starts running, there is a moment when the foot is off the ground, so there is a moment when the minimum value of the vertical acceleration Az (t) becomes zero or less. The acceleration at this time is used for the determination.
次のステップS37において、進行方向推定部7は、走りと判定された場合に、進行方向を180°変換する。これにより、走りの場合でも正しく進行方向を推定できる。そして、処理を終了する。
In the next step S37, the traveling
図14は、人の走りの例を示す模式図である。走りに伴って、端末1を取り付けた人Pの上半身は上下する。人Pが跳躍するとき、即ち端末位置が上がるときに進行方向に加速され、人Pが着地するとき、即ち端末位置が下がるときに進行方向に減速される。
FIG. 14 is a schematic diagram showing an example of human running. As the person runs, the upper body of the person P to whom the
図15は、人の走りと加速度の関係を示すグラフである。これらのグラフの横軸は時間を表し、縦軸は変化量を表す。図15において、一点鎖線のグラフL11は、位置h(t)を示す。点線のグラフL12は、垂直方向の加速度h’’(t)を示す。実線のグラフL13は、位相を進めた垂直方向の加速度h’’(t+π/2)を示す。二点鎖線のグラフL14は、進行方向の加速度v’(t)を示す。 FIG. 15 is a graph showing the relationship between human running and acceleration. The horizontal axis of these graphs represents time, and the vertical axis represents the amount of change. In FIG. 15, graph L11 of the alternate long and short dash line indicates the position h (t). The dotted line graph L12 shows the vertical acceleration h ″ (t). The solid line graph L13 shows the vertical acceleration h ″ (t + π / 2) with the phase advanced. The two-dot chain line graph L14 shows the acceleration v'(t) in the traveling direction.
これらのグラフに示すように、端末1の位置と垂直方向の加速度は逆位相になる。さらに、位相を進めた垂直方向の加速度と進行方向の加速度は逆位相になる。
As shown in these graphs, the position of the
変形例1において、進行方向推定部7は、1歩の区間における垂直方向のグローバル加速度の最小値が走行判定値以下の場合に、対象者である人が走行していると判定し、進行方向を180°変換する。このようにすれば、対象者である人が走行しても進行方向を求めることができる。
In the first modification, the traveling
図16は、変形例2の座標変換処理を示すフローチャートである。なお、図2に示すブロック図を適宜参照する。この処理は、一定時間毎に繰り返される処理である。この変形例2の座標変換処理は、ステップS11からステップS15が前述の座標変換処理(図4)と同様のステップであるので、説明を省略する。
FIG. 16 is a flowchart showing the coordinate conversion process of the
図16に示すように、ステップS15の次に進むステップS16において、座標変換部5は、一定時間内の角速度の最大-最小の値を求める46は、例えば、1秒間の角速度ωu(t),ωv(t),ωw(t)の各軸の最大値と最小値を求め、以下の数式(26)により、その最大-最小の値を求める。だたし、max(x),min(x)は、それぞれ1秒間の最大値と最小値を求める関数である。
As shown in FIG. 16, in step S16 following step S15, the coordinate
最大-最小=max(ωu(t))-min(ωu(t)),
max(ωv(t))-min(ωv(t)),
max(ωw(t))-min(ωw(t)) の最大値 (26)
Maximum-Minimum = max (ω u (t))-min (ω u (t)),
max (ω v (t))-min (ω v (t)),
Maximum value of max (ω w (t))-min (ω w (t)) (26)
次のステップS17において、座標変換部5は、一定時間内の角速度の最大-最小の値が、静止判定値である一定値以下であるか否かを判定する。つまり、人が歩行または走りをせずに端末1が静止しているか否かを判定する。ここで、最大-最小の値が一定値以下である場合(ステップS17がYES)は、ステップS18に進む。一方、最大-最小の値が一定値を超えている場合(ステップS17がNO)は、処理を終了する。
In the next step S17, the coordinate
本実施形態では、一定時間内の角速度の最大-最小の値が、静止判定値である一定値以下の場合、例えば、前述の数式(26)の値が、0.01[rad/s]の場合に、端末1は静止していると判定する。
In the present embodiment, when the maximum-minimum value of the angular velocity within a certain time is equal to or less than a certain value which is a rest determination value, for example, the value of the above-mentioned formula (26) is 0.01 [rad / s]. In this case, it is determined that the
次のステップS18において、座標変換部5は、一定時間内の角速度の平均をオフセットとする。例えば、1秒間の角速度ωu(t),ωv(t),ωw(t)の各軸の平均値を求め、それをオフセットとする。そして、以後のステップS11の端末1の回転演算では、センシングした値からオフセットを減算して用いる。これにより、角速度センサ2にオフセットがある場合でも、角速度センサ値を補正できる。そして、処理を終了する。
In the next step S18, the coordinate
変形例2において、座標変換部5は、一定時間内の3軸の角速度の最大値と最小値の差が静止判定値以下の場合に、対象者である人が静止していると判定し、この静止しているときの角速度の平均値を求め、この平均値とオフセット値として設定する。このようにすれば、角速度センサ2が角速度をセンシングしたときに生じる誤差をキャンセルすることができる。
In the second modification, the coordinate
なお、本実施形態において、基準値(判定値)を用いた任意の値の判定は、「任意の値が基準値以上か否か」の判定でも良いし、「任意の値が基準値を超えているか否か」の判定でも良い。或いは、「任意の値が基準値以下か否か」の判定でも良いし、「任意の値が基準値未満か否か」の判定でも良い。また、基準値が固定されるものでなく、変化するものであっても良い。従って、基準値の代わりに所定範囲の値を用い、任意の値が所定範囲に収まるか否かの判定を行っても良い。また、予め装置に生じる誤差を解析し、基準値を中心として誤差範囲を含めた所定範囲を判定に用いても良い。 In the present embodiment, the determination of an arbitrary value using the reference value (judgment value) may be the determination of "whether or not the arbitrary value is equal to or higher than the reference value" or "the arbitrary value exceeds the reference value". It may be judged whether or not it is. Alternatively, it may be a determination of "whether or not an arbitrary value is equal to or less than a reference value" or a determination of "whether or not an arbitrary value is less than a reference value". Further, the reference value is not fixed but may change. Therefore, a value in a predetermined range may be used instead of the reference value, and it may be determined whether or not an arbitrary value falls within the predetermined range. Further, the error generated in the apparatus may be analyzed in advance, and a predetermined range including the error range centered on the reference value may be used for the determination.
なお、本実施形態のフローチャートにおいて、各ステップが直列に実行される形態を例示しているが、必ずしも各ステップの前後関係が固定されるものでなく、一部のステップの前後関係が入れ替わっても良い。また、一部のステップが他のステップと並列に実行されても良い。 Although the flowchart of the present embodiment illustrates a mode in which each step is executed in series, the context of each step is not necessarily fixed, and even if the context of some steps is exchanged. good. Also, some steps may be executed in parallel with other steps.
なお、本実施形態の位置計測装置で実行されるプログラムは、ROMなどに予め組み込んで提供される。もしくは、このプログラムは、インストール可能な形式または実行可能な形式のファイルでCD-ROM、CD-R、メモリカード、DVD、フレキシブルディスク(FD)などのコンピュータで読み取り可能な非一過性の記憶媒体に記憶されて提供するようにしても良い。 The program executed by the position measuring device of the present embodiment is provided by incorporating it into a ROM or the like in advance. Alternatively, the program may be a non-transient storage medium that is a computer-readable file such as a CD-ROM, CD-R, memory card, DVD, or flexible disk (FD) in an installable or executable format. It may be stored and provided in.
また、この位置計測装置で実行されるプログラムは、インターネットなどのネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせて提供するようにしても良い。また、この位置計測装置は、構成要素の各機能を独立して発揮する別々のモジュールを、ネットワークまたは専用線で相互に接続し、組み合わせて構成することもできる。 Further, the program executed by this position measuring device may be stored on a computer connected to a network such as the Internet, and may be downloaded and provided via the network. In addition, this position measuring device can also be configured by connecting separate modules that independently exert each function of the components to each other by a network or a dedicated line and combining them.
なお、本実施形態では、進行方向推定部7が、1歩の区間における垂直方向のグローバル加速度の位相を進めた値と水平方向のグローバル加速度の値とに基づいて進行方向を求める処理を行っているが、その他の態様でも良い。例えば、進行方向推定部7が、1歩の区間における端末座標C’の3軸方向の加速度の合計値の位相を進めた値と水平方向のグローバル加速度の値とに基づいて進行方向を求める処理を行っても良い。
In this embodiment, the traveling
なお、本実施形態では、端末1に、座標変換部5と歩幅推定部6と進行方向推定部7と位置推定部8と情報出力部9とが設けられているが、他の実施形態であっても良い。例えば、座標変換部5と歩幅推定部6と進行方向推定部7と位置推定部8と情報出力部9が、端末1から離れた位置に設けられたコンピュータなどの処理装置に搭載されていても良い。そして、このコンピュータと端末1とが無線通信回線で接続され、端末1の各センサで検出した情報を処理装置に送信して処理を行っても良い。
In the present embodiment, the
以上説明した実施形態によれば、1歩の区間における垂直方向のグローバル加速度の位相を進めた値と水平方向のグローバル加速度の値とに基づいて進行方向を求める進行方向推定部を備えることにより、歩行位置の計測精度を向上させることができる。 According to the embodiment described above, by providing a traveling direction estimation unit that obtains a traveling direction based on a value obtained by advancing the phase of the global acceleration in the vertical direction and a value of the global acceleration in the horizontal direction in one step section. The measurement accuracy of the walking position can be improved.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 Although some embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, changes, and combinations can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and variations thereof are included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof, as are included in the scope and gist of the invention.
1…端末、2…角速度センサ、3…加速度センサ、4…磁界センサ、5…座標変換部、6…歩幅推定部、7…進行方向推定部、8…位置推定部、9…情報出力部、C…グローバル座標、C’…端末座標、P…人。 1 ... terminal, 2 ... angular velocity sensor, 3 ... acceleration sensor, 4 ... magnetic field sensor, 5 ... coordinate conversion unit, 6 ... stride estimation unit, 7 ... traveling direction estimation unit, 8 ... position estimation unit, 9 ... information output unit, C ... global coordinates, C'... terminal coordinates, P ... people.
Claims (11)
前記対象者の動作により変化する3軸方向の加速度をセンシングする加速度センサと、
前記3軸の角速度により求められる回転を示す値に基づいて前記3軸方向の加速度をグローバル座標の水平方向および垂直方向に対応するグローバル加速度に変換する座標変換部と、
前記グローバル加速度に基づいて前記グローバル座標の1歩の区間および歩幅を求める歩幅推定部と、
前記1歩の区間における垂直方向の前記グローバル加速度の位相を進めた値と水平方向の前記グローバル加速度の値とに基づいて進行方向を求める進行方向推定部と、
前記歩幅と前記進行方向に基づいて歩行位置を求める位置推定部と、
を備える位置計測装置。 An angular velocity sensor that senses the three-axis angular velocity that changes depending on the movement of the subject to be positioned,
An acceleration sensor that senses acceleration in the three axes that changes depending on the movement of the subject, and
A coordinate conversion unit that converts the acceleration in the three-axis direction into the global acceleration corresponding to the horizontal and vertical directions of the global coordinates based on the value indicating the rotation obtained by the angular velocity of the three axes.
A stride estimation unit that obtains a step section and stride of the global coordinates based on the global acceleration, and
A traveling direction estimation unit that obtains a traveling direction based on a value obtained by advancing the phase of the global acceleration in the vertical direction and a value of the global acceleration in the horizontal direction in the one-step section.
A position estimation unit that obtains a walking position based on the stride length and the traveling direction,
A position measuring device equipped with.
前記座標変換部は、前記3軸方向の磁界ベクトルを前記グローバル座標の水平方向および垂直方向に対応するグローバル磁界ベクトルに変換し、前記グローバル磁界ベクトルが使用場所の磁界の方向に対応するように前記回転を示す値を補正する請求項1または請求項2に記載の位置計測装置。 Equipped with a magnetic field sensor that senses a magnetic field vector in the three-axis direction
The coordinate conversion unit converts the magnetic field vector in the three-axis direction into a global magnetic field vector corresponding to the horizontal and vertical directions of the global coordinates, and the global magnetic field vector corresponds to the direction of the magnetic field at the place of use. The position measuring device according to claim 1 or 2, wherein the value indicating rotation is corrected.
前記対象者の動作により変化する3軸方向の加速度を加速度センサによりセンシングするステップと、
前記3軸の角速度により求められる回転を示す値に基づいて前記3軸方向の加速度をグローバル座標の水平方向および垂直方向に対応するグローバル加速度に変換するステップと、
前記グローバル加速度に基づいて前記グローバル座標の1歩の区間および歩幅を求めるステップと、
前記1歩の区間における垂直方向の前記グローバル加速度の位相を進めた値と水平方向の前記グローバル加速度の値とに基づいて進行方向を求めるステップと、
前記歩幅と前記進行方向に基づいて歩行位置を求めるステップと、
を含む位置計測方法。 A step of sensing the angular velocity of three axes, which changes depending on the movement of the subject to be positioned, with an angular velocity sensor, and
The step of sensing the acceleration in the three-axis direction, which changes due to the movement of the subject, by the acceleration sensor, and
A step of converting the acceleration in the three-axis direction into a global acceleration corresponding to the horizontal and vertical directions of the global coordinates based on the value indicating the rotation obtained by the angular velocity of the three axes.
A step of obtaining a step section and a stride of the global coordinates based on the global acceleration, and
A step of obtaining a traveling direction based on a value obtained by advancing the phase of the global acceleration in the vertical direction and a value of the global acceleration in the horizontal direction in the one-step section.
A step of obtaining a walking position based on the stride length and the traveling direction, and
Position measurement method including.
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