JPS62500195A - 物体の動きの少くとも１個の特性値を決定するための方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 一茜」生ｐ名称 物体の動きの少くとも１個の特性値を決定するだめの方法と装置 上術分」 本発明は、移動されたまたは移動中の物体、例えば走行中またはジョギング中の 人間の加速度、速度および／′または移動距離を決定するだめの方法と装置に関 する。

本発明の装置は、移動される物体例えば自動車に適用された検出器の方向角の変 化を決定するためにも使用されｌ釆援籠 ａ）　慣性航法装置の領域では、移動距離を、決定された加速度値を積分して計 算する方法が知られている。これらの装置では、カル・ダン継手で（自由に動け るように）吊された台が使用され、この台は、回転儀によって水平面に対して安 定した位置に保持される。西ドイツ特許公開公報第２９２０４４３号に開示され るように、加速度変換装置として、振子を使用することもできる。特に、慣性質 量を有する振子は、電磁気的に生成されたトルクによって、そのゼロ（ｉ置に保 持される。このトルクを生成するのに必要な励磁電流は５慣性質量に働く加速度 に対する基準尺度となる。

ｂ）　更に、いわゆる吊下式航法装置が知られていて、移動物体にとり付けられ た加速度変換装置を含み、座標変換計算機によって速度と移動距離を訓算するた めに、決定された加速度と同転儀の変イ☆情報を使用する。

Ｃ）　更知、加速度検出器と１ノで、慣性質量の線型変位の原理と、復元ばねを 有シ２．磁場に投首されたコイルとに従って動作する装置が知られている（ドイ ツ国特許公告第２３０３１０４−り。線型９．位に」′ってコイル内に誘起され る電圧は、積分されて、コイルの加速度の基準尺度となる。

上記ａ）の慣性航法装置Ｐよびｂ）の航法装置は複雑で高価な搬機設計であって 、更に広範囲で複雑な割算、調整および制御を必要とする。

上記Ｃ）の装置は、線型移動される慣性質−址の機械的導入という点から考えて 、比較的大きい摩擦力がかかる。

従って非周期的な低加速度の測定には適用されない。更にこのような装置は、加 速度検出器が厳密に水平に移動物体に固定されないと、相当な誤差分生じやすい 。

発明の概要 本発明の目的は、本質的に線型移動する物体の加速度、速度および／捷だ目、移 動距離を測定し決定し、更に決定した値を直接表示するだめの方法と装置とを提 供することである。

本発明の池の目的は、特に移動中の運動者に設けられ、その加速度、速度および ７才たけ移動距離を決定および表示するための方法と装置とを提供することであ る。

本発明の他の目的は、僅かな加速度において高感度で上記測定をするだめの装置 を提供することである。

本発明の他の目的は、運動者にその運動に影響せずに全装置が取伺けらノする小 型で衝撃防御伺設計の軽量である装置を提供することである。

本発明の他の目的は、運動者に取付けられ、水平でない方向の影響が取除かノ１ ．る少くとも１ベクトル方向を有するに記装置を提供することである。

本発明の他の目的は経費」二有利な実施である。

本発明のこれらの目的および他の目的は、物体の動き（加速度、速度、移動距離 ）の少くとも１個の特性値を決定するだめの装置によって達成され、該装置は、 ａ）前記物体は取付は可能なハウジングと、ｂ）前記ハウジングに配置され、前 記物体の動きの方向と反対方向に自由に偏向するために吊るされた振子を含む検 出手段と Ｃ）前記検出手段に関連し、前記振子の前記偏向に応答して電気信号を生成する ための変換手段と、ｄ）前記電気信号を受信し、前記電気信号を基に該振子の振 動に対する微分方程式を解き、前記少くとも１個の運動特性値を計算するための 処理手段と、およびｅ）前記処理手段によって計算された前記少くとも１個の運 動特性値を表示するための表示手段とを有する。

本発明による装置により、従来の加速度変換装置で復元トルクを生成するために 必要であった複雑な制御回路は除かれる。決定された値を積分するだけでよく、 これは通常の数値積分３Ｉ算機で実行される。

本発明の装置は人体または動物に関連した使用に限定されるのが望ましい。装置 をからだの平均重心に対応する高さに取付けることに上って、重心を通る垂直軸 に関する方向の安定ベクトルが、人間または動物の平衡感覚の作用で得られる。

即ち、人間はその平衡感覚により基準方向を設定するので、複雑な回転儀や制御 回路の配置が不要になる。

本発明による装置の変換装置または検出器は振子に固定されたインダクタンスコ イルであって、慣性質量が、加速／減速のない時に垂直軸方向に一致できるよう だ枢軸回転可能に搭載されたインダクタンスコイルを使用する。従って、この垂 直軸に直交する加速度ベクトル方向は、常に、物体の変換装置取付は角度には無 関係に予定される。

物体の動きがなければ、変換装置と検出手段とは、物体の傾きによって検出器が その停止位置から回転された傾き角を決定するために応用されることに留意され 度い。

振子の振動に関する同時線型微分方程式は次の通シである。

（Ｔ）　；＋ｚρ−ａ＋ぺＱ　＋に１ｓｌｎａ＝　Ｋ２　（ａｘｃｏｓａ　−ａ ｙｓｍａ　）ここでａ−偏向角 ρ、ωＩＫ、　、に２−振子の物理的設計上の定数ａｘ、ａｙ＝加速度のｘ、ｙ 成分で振子の物理的設計により決定される。

角度ａが小さいと、ｙ成分はＣＯ５ａ〜１と５Ｉ１１α〜０から無視できる。

上記から、簡略にした微分方程式として次式を得る（＋１）　：＋２ρム＋ぺａ ＝に２ａｘ式（■）より、動きの方向の加速度ａｘハ、αおよび／またはａが適 当な検出器および変換手段で決定されるとすれば、計算できる。

極めて低い軸受摩擦を考えると、本発明の変換器または検出器は加速度が少なく ても、きわめて低誤差で高感度動作を行う。

本発明の装置は、傾斜角に関する全ての動きおよび変化を認識し得るので、本発 明による検出装置は例えば自動車の警報システムに好ましく適用される。更に、 傾斜角の監視結果の変化は、建物、橋、塔等との組合せにも有用である。

市場に出回っていて可動コイル検流計に使用されている可動コイルシステムを用 いることによって、本発明の装置の製造費は極めて軽減される。慣性質量を有す る公知の可動コイルを使用するのが特に容易である。

皿型ｉ１差ｌ五里 第１ａ図と第１ｂ図は、本発明に係る装置に使用される検出器の側面図と平面図 である。

第２図は、本発明の装置の電子的部分のブロック図である。

第：３図は、振子の加速１寺の運動を示す概略図である。

第・１図は、本発明による装置をつけた物体の傾きの、Ｓニー化を示−すための 本発明の装置の使用を説明するだめの概略ＩＡである。

第５１図と第５ｂ図は、本発明の装置の他の実施例の、第１ａ図おｌ：び第ｉｂ 図と同様な側面図上・よび平面図である。

第６　ａ図と第６ｂ図は、本発明の装置（で関連して使用される減衰装置の側面 図と平面図である。

第７図は、人体の重心位置を示す概略図である。

第８図は、本発明の装置を人体にとり゛つける方法を示す概略図である。

第９ａ図乃至第９ｄ図は、本発明の装置の全体を示す図である。

および 第１０図は、本発明による装置の主要部を示す概略ブロック図である。

発明の好ましい実施例の説明 本発明（Ｃよる方法と装置を、本発明の２個の実施例を示す図面を参照して例と して説明する。

第１０図を参照すると、本発明の装＃は原則として、幾子を有する機緘的加速度 検出装置ｚＯと、振子の運動を電気信号に変えるだめの変換装置３０と、例えば インテル社の８０５１等のマイクロプロセッサのような装置、で、変換器３０か ら電気信号を受けて、振動の微分方程式に従って処理を行う処理装置４０と、お よび、種々のギ−・のいずれかを術！、）かすことによって処理＃置４０を制イ ア１シ４、処チ１！装迩により処理され記憶された結果も・よび他の値を表示す るだめの入力、／表示装置５０とにより構成される。

望寸し、い実施！、ＩＩＪ　ＩＣｂ−いて本発明の原理を実施する場合、加速度 検出器と変換装置ｅ、４８、第１１図および第ｉ　ｌ）ヅｊに示す検出２／変換 装置１００にに１ｔみオサれる。

第１０図に示す全ての装置は、第９ａ図と第９ｂ図に関連して後述するハウジン グ６０内に配列されることに留意さ扛度い。簡単のために、第１ａ図、第１ｂ図 、第５ａ図および第５ｂ図においてはハウジングは除かれていて、本発明の装置 の種々の要素はより概略的に示されている。

第１ａ図と第１ｂ図を参照すると、移動体の加速度または傾きの変化を検出する ための検出器は、慣性質量５を有する振子４を含み、これはハウジング６０内で 水平に延びる軸３に枢軸的に回転可能に確保される（第９図）。

参照番号１１は、本発明の装置がとりつけられる人体を示す。永久磁石６け、筒 状で中実軸３を・有する電機子９と磁極片７−８との間に磁界５を生成する。電 機子９は、磁石６によりハウジングに固定される。磁２極片７−８の内側円筒壁 面と電機子９との間Ｋｉｄ、本質的に円筒状の空隙１０が形成され、これは全体 的に一定の幅を有する。

従って空隙１０の殆んどの部分にそって一様な磁界１が存在する。

インダクタンスコイル２は軸３の中上・線３の周囲に回転可能に取ｆｔｔｉられ 、身体の運動によって振子４が傾けられると、空隙１０内の磁界１内でコイル２ が動くように、振子４に確保される。

検出／変換装置１．００の動作は以下の通りである（第３図〜第４図）。

本発明の装置は走者の身体に固定され、その走者の速度と走行距離の決定に使わ れると仮定する。身体１１が運動を続けると、方向ベクトル１３に従って加速さ れる。

この加速度は、ベクトル１３と反対の方向ベクトル１２の方向に、慣性質量５に 対して作用する。従って、振子４ば、垂直軸１６で示される停止位置から、第１ 図ａに示すように時計回り方向に角度αだけ偏向する。これにより、インダクタ ンスコイル２に角度αだけ回転する。コイル２が回転しその巻線が磁界１の磁界 を横切ると、端子間に電位差１４が生じる。角度αと誘起電圧との関係は次式で 示される。

第３図から分るように、角度ａは加速度と次式で示されるような関係を有する。

ここでｇは重力ｊＪＤ速度である。

小さな角度αは近似的に ど茨わせる。より大きい角の偏向に関（〜で（徒、角度Ｑの増加は、加速度ａの 対応する上昇に比べて小さい。これ罠より、より低い角度範囲内で、高精度の測 定を広範囲に渡って実行できる。線型性からの偏差は方程式（ＩＶ）によって決 定される。このような偏差は、後述するよって処理装置５０で補償され得る。空 隙１０を適当に設計すれば、誘起電Ｅは以下のよって、より線型性を持つように できる。

より低い角度αの範囲では、空隙幅はより犬きくなり得て、式（ＩＶ）の関係で 、αの増加圧反比例して減少する。

線型性からの偏差は、角度αの増加と共に増加する磁気誘導によって補償される 。

式（ＩＴＩ）と（Ｖ）を考慮すると誘起電Ｅ１４の大きさは、加速度ａの変化に 比例する。つまり、方向ベクトル１ｚと１３の各々の長さの変化に比例する。従 って、次式が１３の各々に従って、加速度ａが得られる。即ち、加速度ａは振子 の偏向角αに正比例する。

振子４の初期の過渡的振動を減衰するために、減衰手段を設けてもよい。このよ うな減衰手段は、導電材料の枠にインダクタンスコイル２を巻付けたものを含む こともある。この枠は、振子４の運動で枠内に誘起された電流によって、振子４ の運動を減衰させる。

代替的ｌ減衰手段を第５ａし１と第５　ｂ　％　、’・ζ伯グがこれれｔ　４′ ｌｔ＋　３　Ｌ免固定され已ことてよって、振子の偏向で・助く板１８を内部し τ＆′け々−室部１７を含ｒ）　ｏ減衰は、ｌＪｉ　１８か時計℃１（９方向（ イ゛回転さｒまた時に室部１７のｔこ４３部分（第６、【図）の間に生ずる圧力 差ケこよってＬＰ！−施されろ。、この出力差１７Ｌ、板１８の下端と室部１７ の内部表［酊との間の狭隙］９によってゆっくりと等化される。減衰の範囲は、 空隙１９の幅を適当に選択すること−ご決定゛ごき、己。

既に指摘し、たよりに、振子の偏向角、および／′まだは、子の第１次導関数Ｃ ；を測定するために適当な手段が必要である。望捷しい実施例では、誘導性によ ってコイル２は、アナログまたはディジタル原理で動作する適当な光学的、／電 気的賓換器、ψ１］えば符号化ディスク、ＣＣＤクロック・ぐルス計数手段等に よってαを測定してもよい。更に、誘・序的またンよ容″量的知動作するブリツ ノ回路、ホール検出器、またけ圧電抵抗変換器を用いて０を測定してもよい０ 加速度ａの計算は、ａとみが測定されれば簡単になＺ。

点く留意され度い。

第２図を参黒して、本発明の装置の電子的部分を説明する。

検出／変換装置１００からの誘起電圧１４は、処理／演算装置１０１に印加され る。第２図は、中央処理装置ＣＰＵ　２２、これに関連するＲＡ、Ｍ　２３、プ ログラムメモリ２．１、表・−１′８挨置２５．〜インターフェース装置２Ｇお よび人力装（こ２７＋象む。検出／宝倹装置１．００からの１透起′市圧１４１ ’ｊ：　Ａ、／Ｄ変喚装苦２１を介−してＣＰＵ　２２番て印加される６、 人力装置２７河、種′Ｚの演算子、ｉ′ｆｔをア行）ることをＣＰＵ２２に指示 すＺ、ための各種ギーと備えてもよい。任意の結果Ｊ、た（１所禦の値は表示装 置２５によっＣ表示してもよい（５、仙の評価のために・１°ンタ＝−フェース ２６を介して１Ｂ力されてもよい。

検出７／′変換装置１００からの誘起電圧１４はアナＬ７グ信号３２として、増 幅器２０を経てＡ、／Ｔ）変換器２１に印加される。ＣＦ’Ｕ　２２は接続路３ １を通（，２て送信されてきた信号によって、Ａ、’Ｄ変換器のどの入力を入力 信号として受信するかを決定する。Ａ／Ｔ）変換器２１１−ｊ：アナログ入力信 号３２をデ・ソタル値３０に変換し２、このｒノタル値３０は、制御線３３を介 してＣＰＵ　２２から指令された所定の間隔Δｔ、でＣＰＵ　２２によって受信 される。身体の運動の始めにおいて、ＣＰＵは初期値ａ　をＲＡＭ２３に記憶す ６６次の走査ザイクルで、角度変化Δａｆ対応するディジタル値がＣＰＵ　２２ に受信され、第２７′イジタル値α１がＲＡＭ　２３に記憶される。これが繰返 し７実行される。所定の時間間隔Ｊｔ　内での反復加算Ｋｘって、誘起電圧１４ の積分が実行される。積分定数（・、ｔ、直前の積分の結果である。ある時点で 計算された結果（ゲ、移動体のその時点での加速度を示す。入力装置２７から命 令があれば、このような結果を表示装置２６に供給して表示することもできる。

更に、この結果を他の評価のためてインターフ□−ス装置２Ｇを介して出力（７ てもよい。

当業者て自明であるが、速度と移動距離の値は、以下の式を用いて更に積分計算 を行うことで得られる。

ｉ＝ｕΔｔ　、　ｕ＝ｏ、　＋　−（■）ここでＶ・＝時間計　での速度 Ｓｌ一時間ｔ１までに移動した距離 この計算はプログラムメモリ２４内に記憶された制御プログラムによって公知の 方法で実行される。時間Δｔ、を決定するだめのクロック信号とタイミング信号 は、クロック発生器３４で生成される。

更に、既に記述したように、本発明の装置は、身体が当初の位置から異なる位置 に回転したとき、傾斜角γの変化を決定するのにも使用できる。第４図にこの場 合を示す。誘起電圧１４の積分は式（［ＩＩ）から回転角γに比例し、最初の積 分によって傾きγが得られる。このような装置は自動車にとりつけて警報装置と して使用できる。

動作−１−１車の位置変化、例えば前部寸だは後部を持ち上げたり、もしくは押 しまたりまだは引いたりすることばよる全ての変化は、振子の偏向、誘起′１℃ 圧１４の発生、そして出力信号を起因し、この信号は、警報手段を駆動するのに 使用できる。

第２図に示すように、方向ベクトル１３に所定の角度で配置された方向ベクトル を有する検出７／変換装置１０３を使用してもよい。各検出／変換装置１０３は 増幅装置３５を有し、このアナログ出力信号は、信号線３１を介Ｌ７て、ＣＰＵ 　２２　Ｋよってプログラム可能な入力からん勺変換器２１に印加される。入力 手段２７によりＣＰＵ　２２は、全ての検出／変換装置１０３からの信号がＲＡ Ｍ　２３に記憶され、装置２５に表示されるように制御され得る。

第５図は本発明の装置の他の実施ヅ１であって、検出／変換装置ｉｏｏと１０３ が互いに結合されている。第１ａ図と第１ｂ図に関して説明したように磁気回路 は１個だけで、これによって磁場１０が生成され、磁場内には、共通軸３の周り に回転可能なインダクタンスコイル２と５３が設けられている。インダクタンス コイル２は慣性質量５０を有する振子４に固定される。振子５１にかかる加速度 Ｙがない限り、振子５１は、振子４の停止位置１６に対する所定の角度θで、バ ネ５２によって所定の位置に保持される。振子４と５１に加速度が加われば、第 １の実施例で説明したように誘起電圧１４と５４が発生する。

第７図と第８図は、本発明の装置を、どのよう洗走者の身体に取付けるかを示す 。典型的には、装置は、身体の重心４０の位置に対応する高さに取付けられる。

走者のモ均的な平衡感覚によって、地表面４２に平行に、基単方向４１が設定さ れる。従って、＠４３は、、停止位置の部子４の方向にな、乙。

第９ａ図乃至第９ｄ図は・・ウノング６０内での種々の装置の物理的配置を示す 。望ましくは、取付手段６１け、ｆｌｌえばベルｌ−またはクリップを用いて、 ノ・ウノング６０を走者の身体の重心の高さに取付けるのに用いられる。

またけ、この装置を布片と・一体にしてもよい。矢印６２は連動と加速度の方向 を示す。

Ａ−巳断面 Ｆｔ’３．２ １寺１（昭６２−５００．Ｈ）５　（７）、。２．□Ａｌｌ。Ｍａｔ　ＡｌｌＡ ｌ１１ｌｋ　＋１゜ＰＣＴ／ＥＰ　８５１００４４６１隼、Ｎ＞ｌＥ二（τｏＴ ：ミ三工５１ＴＥ：’ｔＭＡＴＩＯＮＡ、ＬＳＥＡ＋ＲＣＦ、ＲＥ？ＯＲＴＯＮ

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. １．身体の運動（加速度、速度、移動距離）の少くとも１個の特性値を決定する ための装置において、該装置は ａ）前記身体に取付可能なハウジングと、ｂ）前記ハウジング内に配置され、前 記身体の運動方向と反対の方向に自由に偏向できるために吊された振子を含む検 出手段と、 ｃ）前記検出手段に関連し、前記振子の前記偏向に応動して電気信号を発生する ための変換手段と、ｄ）前記電気信号を受信し、前記電気信号を基に前記振子の 振動の微分方程式を解き、前記少くとも１個の運動特性値を計算するための処理 手段と、およびｅ）前記処理手段によって計算された前記少くとも１個の運動特 性値を表示するための表示手段とを有することを特徴とする装置。
2. ２．請求の範囲第１項記載の装置において、前記変換手段は、前記振子の偏向に より磁界内で回転するため、前記振子に固定されたインダクタンス手段を含み、 前記磁界は、前記インダクタンス手段が動き得る空隙であって前記インダクタン ス手段の回転軸の周囲に円筒状に配置された磁気手段によって形成される前記空 隙内に生成されることを特徴とする装置。
3. ３．請求の範囲第１項記載の装置において、前記処理手段は、 マイクロプロセツサと、前記振動微分方程式を解くためのプログラムを記憶する ためのプログラムメモリと、システムクロツクと時間基準信号とを生成するため のクロック発生器と、前記変換手段から受信された電気信号と中間結果と前記マ イクロプロセッサによって計算された前記少くとも１個の特性値とから得られた 値を記憶するためのＲＡＭ手段と、および該プログラムメモリに記憶された前記 プログラムの部分を実行するため前記マイクロプロセツサを条件付けするための 入力手段とを有することを特徴とする装置。
4. ４．請求の範囲第３項記載の装置において、前記処理手段は、更に処理を行うた め、前記ＲＡＭ手段に記憶されたデータを出力するための出力手段を更に含むこ とを特徴とする装置。
5. ５．請求の範囲第２項記載の装置において、前記振子は、前記身体の加速／減速 がないとき垂直軸に対する所定の角度で前記振子が保持される位置に前記振子を 戻すための復元バネ手段によってバイアスされていることを特徴とする装置。
6. ６．請求の範囲第１項または第２項記載の装置において、前記第１検出手段の方 向と異なる方向の運動を検出するため、前記第１検出手段の方向に対して所定の 角度で配置された少くとも１個の他の検出手段を含むことを特徴とする装置。
7. ７．請求の範囲第６項記載の装置において、前記少くとも１個の他の検出手段は 、他の振子であって前記検出手段の偏向時前記他の振子と共に回転するための他 のインダクタンス手段を有する前記他の振子を含み、更に、前記他の振子に作用 する加速／減速のない時バネ手段によって、前記第１振子の該停止位置に対し所 定の角度を有する停止位置にバイアスされることを特徴とする装置。
8. ８．請求の範囲第２項記載の装置に赴いて、前記振子は減衰手段を備えているこ とを特徴とする装置。
9. ９．請求の範囲第３項記載の装置において、前記空際は幅が可変であることを特 徴とする装置。
10. １０．請求の範第１項記載の装置において、前記ハウジングけ、前記少くとも１ 個の運動特性値を表示するための表示手段と、前記運動特性値の１個を計算する ために前記処理手段を設定するための選択手段とを前記ハウジングの最上面に有 することを特徴とする装置。
11. １１．請求の範囲第１項記載の位置において、前記変換手段は光学的／電気的変 換手段であることを特徴とする装置。
12. １２．請求の範囲第１項記載の装置において、前記変換手段は力応答手段である ことを特徴とする装置。
13. １３．移動体の傾斜毎度の変化を決定するための装置であって、該装置は、 少くとも１方向に自由偏向するため吊るされた振子を含む検出手段と、 前記振子の偏向に依存して電気信号を発生するための変換手段と、および 前記電気信号を受信し、出力情報を生成するための評価手段とを 有することを特徴とする装置。
14. １４．請求の範囲第１３項記載の装置において、前記評価手段は、前記傾斜角度 の変化が所定値を越えたとき、出力信号を生成することを特徴とする装置。
15. １５．請求の範囲第１３項記載の装置においで、前記評価多段は、該傾斜毎度の 変化量を示す出力信号を生成することを特徴とする装置。
16. １６．請求の範囲第１３項記載の装置において、前記変換手段は光学的／電気的 変換手段であることを特徴とする装置。
17. １７．請求の範囲第１３項記載の装置において、前記変換手段ば力応答手段であ ることを特徴とする装置。
18. １８．請求の範囲第１項記載の装置にかいて、前記変換手段は前記振子の偏向の 角度αに依存して電気信号を発注することを特徴とする装置。
19. １９．請求の範囲第１項記載の装置において、前記変換手段は前記振子の偏向角 αの変化に依存して電気信号を発注することを特徴とする装置。
20. ２０．身体の運動（加速度、速度および移動距離）の少くとも１個の特性値を決 定する方法であって、該方法はａ）前記身体に固定された振子の、運動の始まり からの偏向を検出し、 ｂ）前記振子の運動に依存して電気信号を発生し、ｃ）前記電気信号を基に、振 動の微分方程式を解き、ｄ）前記振動の微分方程式の前記解を基に、前記少くと も１個の運動特性値を計算し、およびｅ）前記少くとも１個の運動特性値を選択 的に出力するステップを含むことを特徴とする方法。