JP2019190937A - 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

Abstract

【課題】走行と歩行とを区別し、精度の高い進行方向検出ができる。【解決手段】進行方向計算装置は（１）は、加速度センサ（１０）と、加速度センサ（１０）が検知した加速度の鉛直成分の変化に基づいて安定的計測期間と遊脚期間を特定する期間特定部（１３）と、遊脚期間の加速度の鉛直成分の最小値により歩行または走行を判別する行動判定部（１４）と、安定的計測期間の前記加速度の水平成分から速度ベクトルを計算するベクトル計算部（１５）と、行動判定部（１４）による判定結果とベクトル計算部（１５）が算出した速度ベクトルとに基づいてユーザの進行方向を決定する進行方向決定部（１６）とを備える。【選択図】図１

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。

自律航法にはＧＰＳ（Global Positioning System）を用いたカーナビゲーションシステムなどが実現されている。しかし、ＧＰＳの電波の届かない屋内や地下街ではＧＰＳに代わるビーコンなどの目標物の設置が必要でありインフラの整備にコストを要する。そこで、歩行者がもつ携帯装置の加速度センサや地磁気センサ、ジャイロセンサなどを用いて歩行者の位置を特定する歩行者自律航法が提案されている。歩行者自律航法ではセンサの情報から進行方向と歩幅を計算し、１歩毎の移動地点を累積してスタート地点からの相対的な位置を計算する。

特に、進行方向を計算するプロセスが重要で、歩行動作が概ね等速運動に見えるが実際には、前足が付いた時には減速し、後ろ足で地面を蹴って加速する運動の繰り返しである性質を利用して計算を行うことが提案されている。

特許文献１には、ジャイロセンサと地磁気センサを組み合わせて選択的に進行方向を決める技術が開示されている。特許文献２には、加速度センサの値から歩行に関する周波数成分を抜き出して進行方向を決める技術が開示されている。特許文献３には、加速度の分散を求めて加速度軸を推定し進行方向を検定する技術が開示されている。特許文献４には、水平加速度の正／負の向きを判断して積算することにより進行方向を決定する技術が開示されている。

特開２００９−１８６３７６（２００９年８月２０日公開） ＷＯ２００６／１０４１４０（２００６年１０月５日公開） 特開２０１２−２１８７０（２０１２年２月２日公開） 特開２０１３−１６０６５７（２０１３年８月１９日公開）

しかしながら、特許文献１に記載の技術によれば、ジャイロおよび地磁気センサで歩行者が旋回した角度しか計算できない。歩行者は必ず前を向いて進んでいるとは限らないので横に一歩踏み出し時などを検出できない。特許文献２に記載の技術によれば、周波数分析のために数歩分のセンサデータの蓄積が必要となり、携帯装置に必要なメモリ量が飛躍的に大きくなり、またクラウドサービスの活用など必要なリソースが多大になり現実的なサービスが困難である。特許文献３に記載の技術によれば、１歩分の加速度全てのデータから分散を求めて統計的な考え方を用いているが、走行時と歩行時の進行方向に関する加速度成分の方向の違いを区別ができていない。特許文献４に記載の技術によれば、水平加速度の正／負の向きを判断して加速度を積算しているが走行時と歩行時の進行方向に関する加速度成分の方向の違いを区別ができていない。

本発明の一態様は、走行と歩行とを区別し、精度の高い進行方向検出ができる進行方向計算装置および進行方向検出方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、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安定的計測期間と遊脚期間を特定する期間特定部と、前記遊脚期間の加速度の鉛直成分を参照して歩行または走行を判別する行動判定部と、前記安定的計測期間の加速度の水平成分から速度ベクトルを計算するベクトル計算部と、前記行動判定部による判定結果と前記ベクトル計算部が算出した速度ベクトルと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る。

上記の課題を解決するため、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安定的計測期間と遊脚期間を特定する期間特定ステップと、前記遊脚期間の加速度の鉛直成分を参照して歩行または走行を判別する行動判定ステップと、前記安定的計測期間の加速度の水平成分から加速度ベクトルを計算するベクトル計算ステップと、前記行動判定ステップによる判定結果と前記ベクトル計算ステップが算出した加速度ベクトルと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、走行と歩行とを区別し、精度の高い進行方向検出ができる進行方向計算装置および進行方向検出方法を提供することができる。

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。 実施形態１に係るセンサ軸と絶対座標軸の関係を示す図である。 実施形態１に係る歩行分析と加速度との関係を示した図である。 実施形態１に係る進行方向決定方法の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。 実施形態２に係るセンサ軸と絶対座標軸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の流れを示すフローチャートである。

〔実施形態１〕
以下、本実施形態１について、図１〜図４を用いて説明する。

（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のブロック図である。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、座標系変換部１２、期間特定部１３、行動判定部１４、ベクトル計算部１５、および進行方向決定部１６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、座標系変換部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、座標系変換部１２に送信する。

座標系変換部１２、期間特定部１３、行動判定部１４、ベクトル計算部１５、および進行方向決定部１６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する。座標系変換部１２、期間特定部１３、行動判定部１４、ベクトル計算部１５、および進行方向決定部１６によるユーザの進行方向の決定処理の具体例については後述する。座標系変換部１２、期間特定部１３、行動判定部１４、ベクトル計算部１５、および進行方向決定部１６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、座標系変換部１２、期間特定部１３、行動判定部１４、ベクトル計算部１５、および進行方向決定部１６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、座標系変換部１２、期間特定部１３、行動判定部１４、ベクトル計算部１５、および進行方向決定部１６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、センサ軸と絶対座標軸の関係を示す図である。図３は、歩行分析と加速度との関係を示した図である。図４は、進行方向決定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〜Ｓ５を含む。以下では、図２〜３を参照しながら図４におけるＳ１〜Ｓ５の各ステップの詳細を順番に説明する。

［Ｓ１．座標系変換ステップ］
以下では、座標系変換部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、座標系変換部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。

ステップＳ１では、進行方向計算装置１の座標系変換部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、本ステップにおいて、座標系変換部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、座標系変換部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、本ステップにおいて、座標系変換部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。座標系変換部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、座標系変換部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。座標系変換部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、座標系変換部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。

座標系変換部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。以下の数式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。

座標系変換部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。

座標系変換部１２は、数式１で計算した加速度ベクトルの鉛直成分のデータを期間特定部１３、行動判定部１４に送信し、加速度ベクトルの水平成分のデータをベクトル計算部１５に送信する。

［Ｓ２．期間特定ステップ］
ステップＳ２では、進行方向計算装置１の期間特定部１３は、座標系変換部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、安定的計測期間と、遊脚期間とを特定する。ここで、期間特定部１３は、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を、第１の時点として特定し、加速度ベクトルの鉛直成分が２番目の極大値を取る時点を、第２の時点として特定し、特定した前記第１の時点から前記第２の時点までの期間を、前記安定的計測期間として特定する。

特定方法の一例として、以下で説明するように、期間特定部１３は、加速度ベクトルの鉛直成分の変化に基づいて、ユーザの片足の踵が着地した時点を第１の時点として特定し、前記ユーザの片足のつま先が着地した時点を第２の時点として特定する。また、１つの安定的計測期間と、その次の安定的計測期間との間の期間が遊脚期間である。

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。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、前述した安定的計測期間である。

図３に示すように、安定的計測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。安定的計測期間の終点である点Ｂは、ユーザの踏み出した足のつま先が地面に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。

一般的に、人の歩行においては、片方の足の踵が接地した時点から、当該片方の足のつま先が接地する時点までの期間には、個人差が生じにくい。

上記構成によれば、ユーザの片方の足の踵が接地した時点から、ユーザの片方の足のつま先が接地する時点までを安定的計測期間として扱うため、ユーザの歩行または走行する際の個人差が生じにくい箇所で、安定的計測期間を特定することができる。

その結果、上記安定的計測期間において、進行方向計算装置１は歩行または走行をより好適に判別することができる。

また、特定方法の他の例として、以下で説明するように、期間特定部１３は、加速度ベクトルの鉛直成分の変化に基づいて、ユーザの片足の踵が着地した時点を第１の時点として特定し、前記ユーザの他方の足の踵が浮いた時点を第２の時点として特定する。具体的には、点Ｂをユーザのもう一方の足（後ろ足）の踵が浮いた時点として扱う方法も用いることができる。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。安定的計測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。安定的計測期間は、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。

図３に示すように、安定的計測期間において、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。これは、歩行時には足が着地した時にブレーキかかるため進行方向と逆向きの力がかかり、走行時は、着地から足が離れる間が加速されるため進行方向に力がかかるためである。ただし、図３に示すように、安定的計測期間における加速度ベクトルの変動量は、遊脚期間での加速度ベクトルの変動量に比べて小さい。したがって、安定的計測期間において、進行方向計算装置１は歩行または走行をより好適に判別することができる。

期間特定部１３は、特定した安定的計測期間の情報を、ベクトル計算部１５に送信し、遊脚期間の情報を、行動判定部１４に送信する。図３の例示では、安定的計測期間の情報は、点Ａから点Ｂまでの時間を示し、遊脚期間時間の情報は、隣接する安定的計測期間の間の時間を示す。

［Ｓ３．行動判定ステップ］
ステップＳ３では、進行方向計算装置１の行動判定部１４は、座標系変換部１２から取得した加速度ベクトルの鉛直成分と、期間特定部１３から取得した遊脚期間とを分析することによって、ユーザが歩行しているのか、または走行しているのかを特定する。

加速度ベクトルの鉛直成分は、接地時に重力加速度に対する抗力として上向きに正の加速度を持つ、両足が完全に地面から離れると負の値を持つようになる。歩行と走行の定義は、常にどちらかの足が接地しているのが歩行であり、両足が宙に浮く瞬間がある場合に走行となる。図３に示すように、遊脚期間の点Ｃにおいて加速度ベクトルの鉛直成分は、下に凸のボトムを持つ。このボトムでの加速度ベクトルの鉛直成分が正の値の時は歩行と判断し、負の値の時は走行と判断する。

行動判定部１４は、ユーザの行動として、歩行または走行を判定した後、判定結果を進行方向決定部１６に送信する。

［Ｓ４．ベクトル計算ステップ］
ステップＳ４では、進行方向計算装置１のベクトル計算部１５は、期間特定部１３から、安定的計測期間の情報を取得する。ベクトル計算部１５は、安定的計測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、安定的計測期間における速度ベクトルを計算する。ベクトル計算部１５は、計算した速度ベクトルの情報を、進行方向決定部１６に送信する。

上記構成によれば、安定的計測期間における速度ベクトルを高精度に計算することができる。

［Ｓ５．進行方向決定ステップ］
ステップＳ５では、進行方向計算装置１の進行方向決定部１６は、行動判定部１４で判定した結果と、ベクトル計算部１５が計算した速度ベクトルとに基づいて、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１６は、歩行時は速度ベクトルの向きとは反対方向を、ユーザの進行方向であると決定し、走行時は速度ベクトルの向きをユーザの進行方向であると決定する。

上記構成によれば、安定的計測期間において、ユーザの進行方向を好適に決定することができる。

上述したように、本実施形態におけ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を備えた進行方向計算装置１による進行方向決定方法であって、加速度センサ１０が検知した前記加速度の鉛直成分の変化に基づいて安定的計測期間と遊脚期間を特定する期間特定ステップＳ２と、前記遊脚期間の加速度の鉛直成分を参照して歩行または走行を判別する行動判定ステップＳ３と、前記安定的計測期間の加速度の水平成分から加速度ベクトルを計算するベクトル計算ステップＳ４と、前記行動判定ステップＳ３による判定結果と前記ベクトル計算ステップＳ４にて算出した加速度ベクトルと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Ｓ５とを含む。

上記構成によれば、走行と歩行とを区別し、精度の高い進行方向検出ができる。

〔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。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。以下その相違点を中心に説明する。

（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２のブロック図である。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、地磁気センサ２１、ジャイロセンサ２２、座標系変換部２３、期間特定部２４、行動判定部２５、ベクトル計算部２６、進行方向決定部２７を備えている。

加速度センサ２０および地磁気センサ２１は、実施形態１における加速度センサ１０および地磁気センサ１１と同様な構成を備えるためその詳細な説明は省略する。ジャイロセンサ２２は互いに直交するＸＹＺ軸周りの回転角速度を検知する。ジャイロセンサ２２は、検知した角速度を示す角速度データを、座標系変換部２３に送信する。

座標系変換部２３、期間特定部２４、行動判定部２５、ベクトル計算部２６、および進行方向決定部２７は、加速度センサ２０から取得する加速度データ、および、地磁気センサ２１から取得する地磁気データ、ジャイロセンサ２２から取得する角速度データに基づいて、ユーザの進行方向を決定する。座標系変換部２３、期間特定部２４、行動判定部２５、ベクトル計算部２６、および進行方向決定部２７は、進行方向計算装置２が備えたＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリによって実現される。

（進行方向決定方法の流れ）
図６〜図７を用いて、座標系変換部２３、期間特定部２４、行動判定部２５、ベクトル計算部２６、および進行方向決定部２７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、実施形態２にセンサ軸と絶対座標軸の関係を示す図である。図７は、実施形態２に係る進行方向決定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〜Ｓ２５を含む。以下では、Ｓ２１〜Ｓ２５の各ステップの詳細を順番に説明する。

［Ｓ２１．座標系変換ステップ］
以下では、座標系変換部２３が加速度センサ２０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。座標系変換部２３が地磁気センサ２１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。また、座標系変換部２３がジャイロセンサ２２から取得する３軸方向の角速度データを、角速度ベクトルと呼ぶ。

ステップＳ２１では、進行方向計算装置２の座標系変換部２３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２（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２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、本ステップにおいて、座標系変換部２３は、まず、ユーザが静止しているとき、加速度センサ２０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２０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、座標系変換部２３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、本ステップにおいて、座標系変換部２３は、地磁気センサ２１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。座標系変換部２３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、座標系変換部２３は、ＥＮＵ座標系におけるＮ軸方向を特定することができる。座標系変換部２３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、座標系変換部２３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。

姿勢に対応する四元数（クォータニオン）を表現すると、数式２になる。

時刻t=kにおける姿勢を

とし、t=k+１における姿勢を

とした場合に、加速度ベクトルと地磁気ベクトルを用いて、座標系変換部２３は、姿勢

を、数式２を用いて求めることができる。一方、角速度ベクトルを用いると、数式６を用いて姿勢を求めることができる。

ここで、Ｗｘ、Ｗｙ、Ｗｚは、角速度ベクトルの各成分を示す。

なお、この

と

とから、
フィルタ後の姿勢

を導く手法は、相補フィルタやカルマンフィルタなどいくつかあるが、ここでは最も簡便な相補フィルタについて数式１０に示す。座標系変換部２３は、数式１０を用いてフィルタ後の姿勢を算出する。

このフィルタ後の姿勢を示す四元数を用いた座標系の変換を数式１１に示す。座標系変換部２３は、数式１１を用いて座標系の変換を行う。

座標系変換部２３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。

座標系変換部２３は、数式２から数式５で計算した加速度ベクトルの鉛直成分のデータを期間特定部２４、行動判定部２５に送信し、加速度ベクトルの水平成分のデータをベクトル計算部２６に送信する。

ステップＳ２２〜ステップＳ２５では実施形態１におけるステップＳ３〜ステップＳ６と同様な処理を行うため、ステップＳステップＳ２２〜ステップＳ２５の詳細な説明は省略する。

〔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（特に座標系変換部１２、期間特定部１３、行動判定部１４、ベクトル計算部１５、および進行方向決定部１６）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（特に座標系変換部２３、期間特定部２４、行動判定部２５、ベクトル計算部２６、および進行方向決定部２７）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、加速度センサ（１０、２０）が検知した前記加速度の鉛直成分の変化に基づいて安定的計測期間と遊脚期間とを特定する期間特定部（１３、２４）と、前記遊脚期間における加速度の鉛直成分を参照して歩行または走行を判別する行動判定部（１４、２５）と、前記安定的計測期間における加速度の水平成分から速度ベクトルを計算するベクトル計算部（１５、２６）と、行動判定部（１４、２５）による判定結果とベクトル計算部（１５、２６）が算出した速度ベクトルと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（１６、２７）とを備える。

上記の構成によれば、走行と歩行とを区別し、精度の高い進行方向検出ができる進行方向計算装置を提供することができる。

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、期間特定部（１３、２４）は、前記加速度の鉛直成分が１番目の極大値を取る時点を、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、第２の時点として特定し、特定した前記第１の時点から前記第２の時点までの期間を、前記安定的計測期間として特定してもよい。

上記の構成によれば、第１の時点と第２の時点とを用いて安定的計測期間を好適に特定することができる。

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、期間特定部（１３、２４）は、前記加速度の鉛直成分の変化に基づいて、前記ユーザの片足の踵が着地した時点を前記第１の時点として特定し、前記ユーザの片足のつま先が着地した時点を前記第２の時点として特定してもよい。

上記の構成によれば、ユーザの片足の動作を用いて第１時点と第２時点とを好適に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２において、期間特定部（１３、２４）は、前記加速度の鉛直成分の変化に基づいて、前記ユーザの片足の踵が着地した時点を前記第１の時点として特定し、前記ユーザの他方の足の踵が浮いた時点を前記第２の時点として特定してもよい。

上記の構成によれば、ユーザの両足の動作を用いて第１時点と第２時点とを好適に特定することができる。

本発明の態様５に係る進行方向計算装置は、上記態様１〜４のいずれか１項において、ベクトル計算部（１５、２６）は、前記安定的計測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、前記速度ベクトルを計算してもよい。

上記の構成によれば、安定的計測期間における速度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６に係る進行方向計算装置は、上記態様１〜５のいずれか１項において、進行方向決定部（１６、２７）は、前記走行時は前記速度ベクトルと同方向、前記歩行時は前記速度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、安定的計測期間において、ユーザの進行方向と速度方向とが反対になることを利用して、速度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７に係る進行方向計算装置は、上記態様１〜６のいずれか１項において、地磁気センサ（１１、２１）と、地磁気センサ（１１、２１）が検知した地磁気の方向に基づいて、加速度センサ（１０、２０）が検知した前記加速度の座標系を、鉛直方向と水平方向の２軸とを含む座標系に変換する座標系変換部（１２、２３）とをさらに備え、期間特定部（１３、２４）は、座標系変換部（１２、２３）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、前記安定的計測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（１０、２０）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、安定的計測期間を特定することができる。

本発明の態様８に係る進行方向計算装置は、上記態様１〜６のいずれか１項において、ジャイロセンサ（２２）と、ジャイロセンサ（２２）が検知した回転角に基づいて、加速度センサ（１０、２０）が検知した前記加速度の座標系を、鉛直方向と水平方向の２軸とを含む座標系に変換する座標系変換部（１２、２３）とをさらに備え、期間特定部（１３、２４）は、座標系変換部（１２、２３）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、前記安定的計測期間を特定してもよい。

上記の構成によっても、上記態様７と同様の効果を奏する。

本発明の態様９に係る進行方向計算装置は、上記態様７において、ジャイロセンサ（２２）を更に備え、座標系変換部（１２、２３）は、ジャイロセンサ（２２）が検知した回転角に更に基づいて、加速度センサ（１０、２０）が検知した前記加速度の座標系を、鉛直方向と水平方向の２軸とを含む座標系に変換し、期間特定部（１３、２４）は、座標系変換部（１２、２３）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、前記安定的計測期間を特定してもよい。

上記の構成によれば、座標系変換部（１２、２３）は、ジャイロセンサ（２２）が検知した回転角に更に基づいて加速度の座標系を変換することによって、加速度センサ（１０、２０）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、安定的計測期間を特定することができる。

本発明の態様１０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安定的計測期間と遊脚期間を特定する期間特定ステップと、前記遊脚期間の加速度の鉛直成分を参照して歩行または走行を判別する行動判定ステップと、前記安定的計測期間の加速度の水平成分から加速度ベクトルを計算するベクトル計算ステップと、前記行動判定ステップによる判定結果と前記ベクトル計算ステップにて算出した加速度ベクトルと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１１に係る進行方向決定方法は、上記態様１０において、前記期間特定ステップにおいて、前記加速度の鉛直成分が１番目の極大値を取る時点を、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、第２の時点として特定し、特定した前記第１の時点から前記第２の時点までの期間を、前記安定的計測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１２に係る進行方向決定方法は、上記態様１１において、前記期間特定ステップにおいて、前記加速度の鉛直成分の変化に基づいて、前記ユーザの片足の踵が着地した時点を前記第１の時点として特定し、前記ユーザの片足のつま先が着地した時点を前記第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１３に係る進行方向決定方法は、上記態様１１において、前記期間特定ステップにおいて、前記加速度の鉛直成分の変化に基づいて、前記ユーザの片足の踵が着地した時点を前記第１の時点として特定し、前記ユーザの他方の足の踵が浮いた時点を前記第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１４に係る進行方向決定方法は、上記態様１０〜１３のいずれか１項において、前記ベクトル計算ステップにおいて、前記安定的計測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、前記加速度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１５に係る進行方向決定方法は、上記態様１０〜１４のいずれか１項において、前記進行方向決定ステップにおいて、前記走行時は前記加速度ベクトルと同方向、前記歩行時は前記加速度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。

本発明の態様１６に係る進行方向決定方法は、上記態様１０〜１５のいずれか１項において、地磁気センサを用いて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ステップを更に備え、前記期間特定ステップにおいて、前記座標系変換ステップ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、前記安定的計測期間を特定しもよい。

上記の構成によれば、上記態様７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１７に係る進行方向決定方法は、上記態様１０〜１５のいずれか１項において、ジャイロセンサを用いて検知した回転角に基づいて、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ステップを更に備え、前記期間特定ステップにおいて、前記座標系変換ステップ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、前記安定的計測期間を特定しもよい。

上記の構成によれば、上記態様８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１８に係る進行方向決定方法は、上記態様１６において、前記座標系変換ステップにおいて、ジャイロセンサを用いて検知した回転角に更に基づいて、前記加速度センサが検知した前記加速度の座標系を、鉛直方向と水平方向の２軸とを含む座標系に変換し、前記期間特定ステップにおいて、前記座標系変換ステップ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、前記安定的計測期間を特定してもよい。

上記の構成によれば、上記態様９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１９に係る制御プログラムは、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、前記期間特定部と、前記行動判定部と、前記ベクトル計算部と、前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である。

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 進行方向検出装置
１０、２０ 加速度センサ
１１、２１ 地磁気センサ
２２ ジャイロセンサ
１２、２３ 座標系変換部
１３、２４ 期間特定部
１４、２５ 行動判定部
１５、２６ ベクトル計算部
１６、２７ 進行方向決定部
Ｓ１、Ｓ２０ 座標系変換ステップ
Ｓ２、Ｓ２１ 座標系変換ステップ
Ｓ３、Ｓ２２ 期間特定ステップ
Ｓ４、Ｓ２３ 行動判定ステップ
Ｓ５、Ｓ２４ ベクトル計算ステップ
Ｓ６、Ｓ２５ 進行方向決定ステップ

Claims (19)

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安定的計測期間と遊脚期間とを特定する期間特定部と、
   前記遊脚期間における加速度の鉛直成分を参照して歩行または走行を判別する行動判定部と、
   前記安定的計測期間における加速度の水平成分から速度ベクトルを計算するベクトル計算部と、
   前記行動判定部による判定結果と前記ベクトル計算部が算出した速度ベクトルと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る
   ことを特徴とする進行方向計算装置。
2. 前記期間特定部は、前記加速度の鉛直成分が１番目の極大値を取る時点を、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、第２の時点として特定し、特定した前記第１の時点から前記第２の時点までの期間を、前記安定的計測期間として特定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の進行方向計算装置。
3. 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、前記ユーザの片足の踵が着地した時点を前記第１の時点として特定し、前記ユーザの片足のつま先が着地した時点を前記第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、前記ユーザの片足の踵が着地した時点を前記第１の時点として特定し、前記ユーザの他方の足の踵が浮いた時点を前記第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。
5. 前記ベクトル計算部は、前記安定的計測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、前記速度ベクトルを計算する
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の進行方向計算装置。
6. 前記進行方向決定部は、前記走行時は前記速度ベクトルと同方向、前記歩行時は前記速度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１〜５のいずれか１項に記載の進行方向計算装置。
7. 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、前記安定的計測期間を特定する
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の進行方向計算装置。
8. ジャイロセンサと、
   前記ジャイロセンサが検知した回転角に基づいて、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、前記安定的計測期間を特定する
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の進行方向計算装置。
9. ジャイロセンサを更に備え、
   前記座標系変換部は、
   前記ジャイロセンサが検知した回転角に更に基づいて、前記加速度センサが検知した前記加速度の座標系を、鉛直方向と水平方向の２軸とを含む座標系に変換し、
   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、前記安定的計測期間を特定する
   ことを特徴とする請求項７に記載の進行方向計算装置。
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安定的計測期間と遊脚期間を特定する期間特定ステップと、
    前記遊脚期間の加速度の鉛直成分を参照して歩行または走行を判別する行動判定ステップと、
    前記安定的計測期間の加速度の水平成分から加速度ベクトルを計算するベクトル計算ステップと、
    前記行動判定ステップによる判定結果と前記ベクトル計算ステップにて算出した加速度ベクトルと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。
11. 前記期間特定ステップにおいて、前記加速度の鉛直成分が１番目の極大値を取る時点を、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、第２の時点として特定し、特定した前記第１の時点から前記第２の時点までの期間を、前記安定的計測期間として特定する
    ことを特徴とする請求項１０に記載の進行方向決定方法。
12. 前記期間特定ステップにおいて、前記加速度の鉛直成分の変化に基づいて、前記ユーザの片足の踵が着地した時点を前記第１の時点として特定し、前記ユーザの片足のつま先が着地した時点を前記第２の時点として特定する
    ことを特徴とする請求項１１に記載の進行方向決定方法。
13. 前記期間特定ステップにおいて、前記加速度の鉛直成分の変化に基づいて、前記ユーザの片足の踵が着地した時点を前記第１の時点として特定し、前記ユーザの他方の足の踵が浮いた時点を前記第２の時点として特定する
    ことを特徴とする請求項１１に記載の進行方向決定方法。
14. 前記ベクトル計算ステップにおいて、前記安定的計測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、前記加速度ベクトルを計算する
    ことを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の進行方向決定方法。
15. 前記進行方向決定ステップにおいて、前記走行時は前記加速度ベクトルと同方向、前記歩行時は前記加速度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１０〜１４のいずれか１項に記載の進行方向決定方法。
16. 地磁気センサを用いて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ステップを更に備え、
    前記期間特定ステップにおいて、前記座標系変換ステップ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、前記安定的計測期間を特定する
    ことを特徴とする請求項１０〜１５のいずれか１項に記載の進行方向決定方法。
17. ジャイロセンサを用いて検知した回転角に基づいて、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ステップを更に備え、
    前記期間特定ステップにおいて、前記座標系変換ステップ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、前記安定的計測期間を特定する
    ことを特徴とする請求項１０〜１５のいずれか１項に記載の進行方向決定方法。
18. 前記座標系変換ステップにおいて、
    ジャイロセンサを用いて検知した回転角に更に基づいて、前記加速度センサが検知した前記加速度の座標系を、鉛直方向と水平方向の２軸とを含む座標系に変換し、
    前記期間特定ステップにおいて、
    前記座標系変換ステップ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、前記安定的計測期間を特定する
    ことを特徴とする請求項１６に記載の進行方向決定方法。
19. 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、前記期間特定部と、前記行動判定部と、前記ベクトル計算部と、前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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