JP2009093440A - 加速度センサによって検出された歩行者の歩数を補完する携帯端末及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】歩行者が、携帯端末を手持ちで歩行している場合であっても、その携帯端末に搭載された加速度センサによって導出される歩数が、手振れの影響を考慮して補完され、正確な歩数を計数する携帯端末及びプログラムを提供する。
【解決手段】携帯端末は、歩行者の歩数を計数する歩行タイミング決定手段する。その手段は、加速度データから合成加速度値を算出する合成加速度算出手段と、所定時間間隔における複数の合成加速度値を記憶するバッファ手段と、第２の時点の合成加速度値から第１の時点の合成加速度値を減算した差分が零又は正（≧０）となる増加傾向にあるときに、差分が負（＜０）となる減少傾向に移行した時の極大点の数を検出するピーク検出手段と、差分が増加傾向にあるときに、合成加速度値の差分が、零に近づいた後、再び増加した時の撫肩区間の数を、極大点の数に加算して補完する歩数補完手段とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、加速度センサによって検出された歩行者の歩数を補完する携帯端末及びプログラムに関する。特に、現在位置及び進行方向をリアルタイムに導出する自律航法技術に関する。

従来、加速度センサ及び方位センサを用いて、現在位置及び進行方向をリアルタイムに導出する自律航法技術がある。自律航法技術は、ＧＰＳ(Global Positioning System)技術と組み合わされて、主にカーナビゲーションシステム(Car Navigation System)に利用されている。カーナビゲーションシステムは、自動車の運転者に対して、正確な現在位置及び進行方向と、目的地への走行経路案内とを、ディスプレイに表示する。

カーナビゲーションシステムは、ＧＰＳによって測位した現在位置情報を、車速パルス又はジャイロのような自律航法技術によって補正する。また、道路地図情報を必要に応じて読み出し、現在の走行経路が道路上と一致するように、現在位置及び進行方向を補正する（投影法によるマップマッチング技術、例えば特許文献１参照）。これにより、センサの誤差によって、現在位置が、道路上でない位置になることを防ぐことができる。

これに対し、このようなナビゲーション技術を、歩行者の所持する携帯端末に適応したシステムもある。具体的には、検出した歩行者の「歩数」と、その歩行者の「歩幅」とを用いて、始点からの累積的な現在位置を導出する（例えば特許文献２参照）。自律航法技術を歩行者に適応した場合、水平方向の移動以外の加速度成分も検出される。従って、測定される距離は、単純に加速度センサの出力を積分するのではなく、歩数及び歩幅から導出される。

「歩数」は、携帯端末内の加速度センサによって検出された軸毎の加速度を二乗和し、そのピーク−ピーク間を１歩として検出する（例えば特許文献３参照）。「歩幅」は、利用者が予め設定するか、若しくは利用者の身長から推定する。又は、他の技術によれば、歩行者に規定距離を歩行させることによって、その歩幅をキャリブレーションする技術もある（例えば非特許文献１参照）。

「進行方向」は、「方位センサ」によって検出される。方位センサとしては、一般に地磁気センサが利用される。地磁気センサを用いて検出した端末の姿勢及び方向を、ディスプレイに３次元表示する技術もある（例えば特許文献４参照）。また、進行方向に交差点を介して複数の道路が存在する場合、その交差点を、現在位置とする技術もある（例えば特許文献５参照）。

自律航法技術を用いた現在位置の決定について、センサデータの累積的誤差の影響を防ぐために、交差点での右折左折を検出した際に、その交差点を、現在位置の特定のための始点とする技術もある（例えば特許文献６参照）。即ち、方向転換が検出される毎に、センサデータの累積的誤差がリセットされることなり、その後の現在位置の特定に、先の累積的誤差が影響しない。

しかしながら、前述の技術によれば、正確な「歩数」を計数できない限り、現在位置の特定に大きい誤差を生じることとなる。

図１は、従来技術における加速度センサを用いた歩数の計数を表す説明図である。

図１によれば、歩行者は、携帯端末を手持ちにし、その手を前後に振りながら歩行している。携帯端末は、加速度センサを備えている。図１には、加速度センサによって検出された合成加速度Ｇと、歩数（時間経過）との関係をプロットしたグラフも表されている。合成加速度Ｇは、携帯端末の加速度センサから得られた軸毎の加速度を、二乗和した値である。

図１のグラフによれば、歩行者の手が真下にある時（最下点）、手持ちされた携帯端末の合成加速度は、極大（最大）となる。逆に、歩行者の手が最も高い位置にある時（最上点）、その合成加速度は、極小（最小）となる。

そうすると、歩行者に手持ちされた携帯端末について、その合成加速度が、極大又は極小となる回数（ピーク−ピーク間の回数）を計数することによって、手振りの回数が導出される。手振りの１回は、歩行者の１歩に相当する。このように、合成加速度Ｇを１次微分し、その極大点（又は極小点）を計数することによって、最下点を計数し、結果的に「歩数」を計数する。

特開平５−０６１４０８号公報 特開平９−０８９５８４号公報 特開２００５−０３８０１８号公報 特開２００４−０４６００６号公報 特開平３−０９９３９９号公報 特開昭６３−０１１８１３号公報 「Nike＋iPodユーザーズガイド」、第２７頁、「online」、［平成１９年８月３１日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://manuals.info.apple.com/ja/nikeipod_users_guide.pdf＞

しかしながら、特許文献３に記載された技術は、１歩毎の極大点を検出するものであるが、実際に、歩行者が手持ちにした携帯端末によって歩数を計数すると、歩行者の１歩は、常に極大点とならない。従って、加速度センサによって検出された歩数は、実際の歩数よりも少なくなる。理由としては、手持ち状態であるために、加速度センサによって検出される波形が乱れることに基づく。特に、歩行者が手を前方と後方に振る場合に、合成加速度の大きさが異なるためである。

そこで、本発明は、歩行者が、携帯端末を手持ちで歩行している場合であっても、その携帯端末に搭載された加速度センサによって導出される歩数が、手振れの影響を考慮して補完され、正確な歩数を計数する携帯端末及びプログラムを提供することを目的とする。

本発明によれば、歩行者によって所持されており、加速度データを出力する加速度センサと、該加速度データから歩行者の歩数を計数する歩行タイミング決定手段とを有する携帯端末であって、
歩行タイミング決定手段は、
加速度データから合成加速度値を算出する合成加速度算出手段と、
所定時間間隔における複数の合成加速度値を記憶するバッファ手段と、
第２の時点の合成加速度値から第１の時点の合成加速度値を減算した差分が零又は正（≧０）となる増加傾向にあるときに、差分が負（＜０）となる減少傾向に移行した時の極大点の数を検出するピーク検出手段と、
増加傾向にあるときに、合成加速度値の差分が、零に近づいた後、再び増加した時の撫肩区間の数を、極大点の数に加算して補完する歩数補完手段と
を有することを特徴とする。

本発明の携帯端末における他の実施形態によれば、歩数補完手段は、合成加速度値の差分が、第１の閾値θ１以下となった後、第２の閾値θ２よりも大きくなった際に、撫肩区間と判定することも好ましい。

本発明の携帯端末における他の実施形態によれば、加速度センサは、１軸、２軸又は３軸のタイプのものであって、合成加速度値は、全ての軸の加速度値の二乗和であることも好ましい。

本発明の携帯端末における他の実施形態によれば、
歩行者の１歩毎の歩幅を出力する歩幅決定手段と、
歩行タイミング決定手段から出力された歩数に、歩幅決定手段から出力された歩幅を積算して、移動量を算出する移動量積算手段と、
移動量に応じて、始点からの現在位置を決定する現在位置決定手段と
を有することも好ましい。

本発明によれば、歩行者によって所持される携帯端末に搭載されたコンピュータを機能させるプログラムであって、加速度データを出力する加速度センサを有し、該加速度データから歩行者の歩数を計数する歩行タイミング決定手段としてコンピュータを機能させる携帯端末用のプログラムであって、
歩行タイミング決定手段は、
加速度データから合成加速度値を算出する合成加速度算出手段と、
所定時間間隔における複数の合成加速度値を記憶するバッファ手段と、
第２の時点の合成加速度値から第１の時点の合成加速度値を減算した差分が零又は正（≧０）となる増加傾向にあるときに、差分が負（＜０）となる減少傾向に移行した時の極大点の数を検出するピーク検出手段と、
増加傾向にあるときに、合成加速度値の差分が、零に近づいた後、再び増加した時の撫肩区間の数を、極大点の数に加算して補完する歩数補完手段と
してコンピュータを機能させることを特徴とする。

本発明の携帯端末用のプログラムにおける他の実施形態によれば、歩数補完手段は、合成加速度値の増加差分が、第１の閾値θ１以下となった後、第２の閾値θ２よりも大きくなった際に、撫肩区間と判定するようにコンピュータを機能させることも好ましい。

本発明の携帯端末用のプログラムにおける他の実施形態によれば、加速度センサは、１軸、２軸又は３軸のタイプのものであって、合成加速度値は、全ての軸の加速度値の二乗和であるようにコンピュータを機能させることも好ましい。

本発明の携帯端末用のプログラムにおける他の実施形態によれば、
歩行者の１歩毎の歩幅を出力する歩幅決定手段と、
歩行タイミング決定手段から出力された歩数に、歩幅決定手段から出力された歩幅を積算して、移動量を算出する移動量積算手段と、
移動量に応じて、始点からの現在位置を決定する現在位置決定手段と
してコンピュータを機能させることも好ましい。

本発明の携帯端末及びプログラムによれば、歩行者が、携帯端末を手持ちで歩行している場合であっても、その携帯端末に搭載された加速度センサによって導出される歩数が、手振れの影響を考慮して補完され、正確な歩数を計数する。

以下では、図面を用いて、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。

図２は、本発明の携帯端末における機能構成図である。

図２によれば、携帯端末１は、マイクロプロセッサ部１０と、地磁気センサ１１と、加速度センサ１２と、ＧＰＳ部１３と、地図情報記憶部１４と、ディスプレイ部１５とを有する。

地磁気センサ１１は、前後方向と左右方向（及び上下方向）の地磁気の方向を測定する。地磁気センサ１１は、検出コイルを分離し、分離した検出コイルからそれぞれ検出された出力値を用いて地磁気の方位角を得る。例えば、地磁気センサを含む携帯端末が傾いた状態であっても、その傾き分を差し引いて水平方向の地磁気を計算し、方位を検出することができる。

加速度センサ１２は、加速度、即ち単位時間当たりの速度の変化を検出する。そのタイプとしては、１軸、２軸又は３軸がある。携帯端末の傾きを検出することができる３軸タイプの場合、３次元の加速度を検出でき、地球の重力（静的加速度）の計測にも対応できる。

地図情報記憶部１４は、例えば道路地図のような走行経路を表す地図情報を記憶する。また、ディスプレイ部１５は、マイクロプロセッサ部１０から出力された現在位置及び進行方向を、地図情報と共に表示する。これにより、歩行者に対してナビゲーション機能を提供する。

マイクロプロセッサ部１０は、歩行タイミング決定部１０１と、進行方向決定部１０２と、方向転換判定部１０３と、歩幅決定部１０４と、移動量積算部１０５と、現在位置決定部１０６として機能するようなプログラムを実行する。ここで、本発明の特徴的機能は、歩行タイミング決定部１０１にある。

歩行タイミング決定部１０１は、加速度センサ１２から出力された軸毎の加速度から、歩行者の歩数を計数する。そして、その歩数毎の加速度を、進行方向決定部１０２及び歩幅決定部１０４へ出力する。

歩行タイミング決定部１０１は、合成加速度算出部１０１１と、バッファ部１０１２と、ピーク検出部１０１３と、歩数補完部１０１４とを有する。

合成加速度算出部１０１１は、加速度センサ１２から出力された軸毎の加速度から、合成加速度値Ｇを算出する。合成加速度値Ｇは、全ての軸の加速度値の二乗和である。例えば、３軸の加速度センサの場合、各軸の加速度をＧｘ、Ｇｙ、Ｇｚとしたとき、合成加速度値Ｇは、以下の式によって得られる。
合成加速度値Ｇ＝Ｇｘ²＋Ｇｙ²＋Ｇｚ²

バッファ部１０１２は、所定時間間隔における合成加速度値Ｇを、時系列で記憶する。バッファ部１０１２は、歩行者の少なくとも２歩分に相当する数（例えば１６個）の合成加速度Ｇを記憶する。

ピーク検出部１０１３は、第２の時点の合成加速度値から第１の時点の合成加速度値を減算した差分が零又は正（≧０）となる増加傾向にあるときに、差分が負（＜０）となる減少傾向に移行した時の極大点の数を検出する。即ち、ピーク検出部１０１３は、バッファ部１０１２に記憶された複数の合成加速度Ｇについて、２つの合成加速度毎の差分が、増加傾向から減少傾向に移行する点を極大点として検出する。

歩数補完部１０１４は、第２の時点の合成加速度値から第１の時点の合成加速度値を減算した差分が零又は正（≧０）となる増加傾向にあるときに、差分が、零に近づいた後、再び増加した時の撫肩区間の数を、極大点の数に加算して補完する。即ち、歩数補完部１０１４は、所定の撫肩区間を、１歩の極大点として検出する。具体的には、歩数補完部１０１４は、合成加速度値の増加差分が、第１の閾値θ１以下となった後、第２の閾値θ２よりも大きくなった際に、撫肩区間と判定する。

図３は、本発明における歩数の計数を補完する説明図である。

図３によれば、実際に、歩行者が手持ちにした携帯端末によって歩数を計数した場合における合成加速度と歩数との関係グラフが表されている。現実には、図１のように、手の最下点が極大点となるような理想的なグラフにならない。図３のように、最下点であっても極大点とならず、撫肩区間として生じる。本発明によれば、この「撫肩区間」を検出し、その数を、極大点の数に加算することによって、歩数を補完する。

「撫肩区間」とは、２つの極大点の間にあって、一度、合成加速度の増加の傾きが緩やかになり、再度、その傾きが急に増加する区間を意味する。「撫肩区間」は、実際には手振りの最下点であるが、極大点として検出できない区間である。

図３には、撫肩区間と判定するために、２つの閾値θ１及びθ２が表されている。また、判定する区間は、合成加速度の差分（傾き）が０以上の区間である（極小点から極大点へ向かう登り斜面）。
（Ｓ３０１）時間的に隣接する合成加速度の差分（後の合成加速度−先の合成加速度）ωが、第２の閾値θ２よりも大きくなったことを検出する。
（Ｓ３０２）その後、合成加速度の差分ωが、第１の閾値θ１以下となったことを検出する。
（Ｓ３０３）その後、合成加速度の差分ωが、第２の閾値θ２よりも大きくなったことを検出する。このとき、「撫肩区間」が発生したと判定する。

図４は、本発明における歩数の計数の数値例である。

図４のグラフは、携帯端末を手持ちにした歩行者が、実際に歩行した場合に発生した合成加速度と歩数との関係を表す。
第３−４個目で、合成加速度の差分が第２の閾値（８０）よりも大きくなっている。
第５−６個目で、合成加速度の差分が第１の閾値（４０）以下となり、「撫肩区間」の開始を検出する。
第９−１０個目で、合成加速度の差分が第２の閾値（８０）よりも大きくなり、「撫肩区間」の終了を検出する。この時点で、１歩と判定する。
第１１−１２−１３個目で、第１３個目が差分の減少傾向にあるので、第１２個目について合成加速度の差分の極大点を検出する。この時点で、１歩と判定する。

再度、図２を参照し、携帯端末の他の機能構成部について説明する。

進行方向決定部１０２は、所定時間毎に、地磁気センサ１１からの方位情報と、歩行タイミング決定部１０１からの１歩毎の加速度データとから、進行方向を決定する。方向転換判定部１０３は、進行方向決定部１０２から出力された進行方向について、方向転換がなされたか否かを判定する。

歩幅決定部１０４は、歩行タイミング決定部１０１からの１歩の加速度データを受け取り、１歩毎の歩幅を決定する。移動量積算部１０５は、現在位置に、１歩分の進行方向及び歩幅を積算する。現在位置決定部１０６は、地図情報記憶部１４から地図情報を取得し、積算された移動量から現在位置を特定する。現在位置決定部１０６は、方向転換判定部１０３が方向転換したと判定すれば、地図情報における近傍の交差点の位置を現在位置として決定する。また、方向転換していないと判定すれば（直進したと判定すれば）、マップマッチングによって投影された位置を、現在位置として決定する。

以上、詳細に説明したように、本発明の携帯端末及びプログラムによれば、歩行者が、携帯端末を手持ちで歩行している場合であっても、その携帯端末に搭載された加速度センサによって導出される歩数が、手振れの影響を考慮して補完され、正確な歩数を計数する。

前述した本発明における種々の実施形態によれば、当業者は、本発明の技術思想及び見地の範囲における種々の変更、修正及び省略を容易に行うことができる。前述の説明はあくまで例であって、何ら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。

従来技術における加速度センサを用いた歩数の計数を表す説明図である。 本発明における携帯端末の機能構成図である。 本発明における歩数の計数を補完する説明図である。 本発明における歩数の計数の数値例である。

符号の説明

１ 携帯端末
１０ マイクロプロセッサ部
１０１ 歩行タイミング決定部
１０２ 進行方向決定部
１０３ 方向転換判定部
１０４ 歩幅決定部
１０５ 移動量積算部
１０６ 現在位置決定部
１１ 地磁気センサ
１２ 加速度センサ
１３ ＧＰＳ部
１４ 地図情報記憶部
１５ ディスプレイ部

Claims (8)

1. 歩行者によって所持されており、加速度データを出力する加速度センサと、該加速度データから前記歩行者の歩数を計数する歩行タイミング決定手段とを有する携帯端末であって、
   前記歩行タイミング決定手段は、
   前記加速度データから合成加速度値を算出する合成加速度算出手段と、
   所定時間間隔における複数の前記合成加速度値を記憶するバッファ手段と、
   第２の時点の合成加速度値から第１の時点の合成加速度値を減算した差分が零又は正（≧０）となる増加傾向にあるときに、前記差分が負（＜０）となる減少傾向に移行した時の極大点の数を検出するピーク検出手段と、
   前記増加傾向にあるときに、前記合成加速度値の差分が、零に近づいた後、再び増加した時の撫肩区間の数を、前記極大点の数に加算して補完する歩数補完手段と
   を有することを特徴とする携帯端末。
2. 前記歩数補完手段は、前記合成加速度値の差分が、第１の閾値θ１以下となった後、第２の閾値θ２よりも大きくなった際に、前記撫肩区間と判定することを特徴とする請求項１に記載の携帯端末。
3. 前記加速度センサは、１軸、２軸又は３軸のタイプのものであって、前記合成加速度値は、全ての軸の加速度値の二乗和であることを特徴とする請求項１又は２に記載の携帯端末。
4. 前記歩行者の１歩毎の歩幅を出力する歩幅決定手段と、
   前記歩行タイミング決定手段から出力された歩数に、前記歩幅決定手段から出力された歩幅を積算して、移動量を算出する移動量積算手段と、
   前記移動量に応じて、始点からの現在位置を決定する現在位置決定手段と
   を有すること特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の携帯端末。
5. 歩行者によって所持される携帯端末に搭載されたコンピュータを機能させるプログラムであって、加速度データを出力する加速度センサを有し、該加速度データから前記歩行者の歩数を計数する歩行タイミング決定手段としてコンピュータを機能させる携帯端末用のプログラムであって、
   前記歩行タイミング決定手段は、
   前記加速度データから合成加速度値を算出する合成加速度算出手段と、
   所定時間間隔における複数の前記合成加速度値を記憶するバッファ手段と、
   第２の時点の合成加速度値から第１の時点の合成加速度値を減算した差分が零又は正（≧０）となる増加傾向にあるときに、前記差分が負（＜０）となる減少傾向に移行した時の極大点の数を検出するピーク検出手段と、
   前記増加傾向にあるときに、前記合成加速度値の差分が、零に近づいた後、再び増加した時の撫肩区間の数を、前記極大点の数に加算して補完する歩数補完手段と
   してコンピュータを機能させることを特徴とする携帯端末用のプログラム。
6. 前記歩数補完手段は、前記合成加速度値の増加差分が、第１の閾値θ１以下となった後、第２の閾値θ２よりも大きくなった際に、前記撫肩区間と判定するようにコンピュータを機能させることを特徴とする請求項５に記載の携帯端末用のプログラム。
7. 前記加速度センサは、１軸、２軸又は３軸のタイプのものであって、前記合成加速度値は、全ての軸の加速度値の二乗和であるようにコンピュータを機能させることを特徴とする請求項５又は６に記載の携帯端末用のプログラム。
8. 前記歩行者の１歩毎の歩幅を出力する歩幅決定手段と、
   前記歩行タイミング決定手段から出力された歩数に、前記歩幅決定手段から出力された歩幅を積算して、移動量を算出する移動量積算手段と、
   前記移動量に応じて、始点からの現在位置を決定する現在位置決定手段と
   してコンピュータを機能させることを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載の携帯端末用のプログラム。

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