JP4439896B2

JP4439896B2 - 移動型デバイスおよびナビゲーション方法

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Publication number: JP4439896B2
Application number: JP2003404970A
Authority: JP
Inventors: ディートリヒアルネ; シュミットハウケ; アトゥジャン−ピエール
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-12-03
Filing date: 2003-12-03
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2023-12-03
Also published as: US6975959B2; DE10350108A1; JP2004184418A; US20040107072A1

Description

本発明は、強化されたナビゲーションおよびオリエンテーションのための移動型デバイスおよびナビゲーション方法ならびに仮想ナビゲーションシステムに関する。

移動型デバイスのための現在のビジュアルナビゲーションインタフェースシステム（"visualization interfaces"）は一般に、その利便性ならびに提供されるビジュアルシミュレーションの写実性の点で欠点をもっている。移動型デバイスのためのビジュアライゼーションインタフェースないしは視覚化インタフェースのためには通常、ビジュアライゼーションについての配向つまりオリエンテーションを与えるために能動的なユーザ入力が必要とされる。ユーザはマウスやキーパッドあるいはタッチスクリーンカーソルなどのような補助デバイスを介して、入力を与えることができる。この場合、ユーザが特定のビューオリエンテーションに対応するビジュアル情報を得たいのであれば、ユーザはマウスまたはカーソルを選択方向に向けなければならなくなる。このような能動的な入力のためには手が自由になっていなければならず、このことはビジュアライゼーションインタフェースがパーソナルディジタルアシスタント（ＰＤＡ）のようなハンドヘルドデバイスに組み込まれているときには、これによってすでに一方の手が塞がれているため不都合となる可能性がある。

全地球的測位システム（ＧＰＳ）受信機を装備しそれにより位置座標の得られるビジュアライゼーションインタフェースであっても一般的には、マップオリエンテーション変更能力が制限されたかたちでしか２次元の「マップ」ビューを提供しない。このようなシステムではユーザロケーションを２次元マップ上でハイライトさせることができ、ユーザロケーションが変更されると、そのロケーション変更が反映されるようマップがシーケンシャルに更新される。シーケンシャルなマップイメージは、ユーザが特定のコース方向に移動したとき「ノースアップ」コンフィギュレーションあるいは「コースアップ」コンフィグレーションで現れる。これに加えてＧＰＳベースの現在のビジュアライゼーションインタフェースは、３次元のシミュレーションについては制限された能力しかもっておらず、その理由はＧＰＳ受信システムによっても通常は姿勢情報（角度配向情報）が提供されないからである。

したがって本発明の課題は、ユーザがビューオリエンテーションに関してフレキシブルにマップを辿ることができるようにし、あるいは周囲環境を３次元で動きを伴ってあるいは静止した状態で視覚化できるようにした、手動で便利に扱うことのできるビジュアライゼーションインタフェースを提供することである。

本発明によればこの課題は、ビジュアライゼーションインタフェースと、該移動型デバイスの動きを表す信号を供給する第１のセンサと、該移動型デバイスの動きを表す別の信号を供給する第２のセンサと、前記の第１のセンサおよび第２のセンサから信号を受け取るプロセッサとが設けられており、前記第１のセンサは慣性センサを有しており、前記プロセッサは受け取った信号から移動型デバイスの３次元のポジションと３次元のオリエンテーションを計算し、計算されたポジションならびにオリエンテーションに基づきビジュアライゼーションインタフェースを介して周囲環境のリアルタイムシミュレーションを行い、前記プロセッサは前記慣性センサからの信号を、ａ）ナビゲーション機能ではないユーザコントロールオペレーションのアクティブ状態への移行、およびｂ）ズームオペレーションの実行、のうち少なくとも１つのために使用することにより解決される。

本発明による移動型デバイスの１つの実施形態によれば第１のセンサには慣性センサが含まれている。

本発明による移動型デバイスによれば、この移動型デバイスを手で動かし、その動きを第１のセンサと第２のセンサが検出することにより、ユーザは周囲環境の２次元または３次元のシミュレーションにおけるビューポイント、ロケーションおよび姿勢を制御することができる。

１つの実施形態によれば慣性センサには直線加速度センサが含まれており、このセンサはそれぞれｘ方向軸、ｙ方向軸、ｚ方向軸に沿った移動型デバイスの加速度を測定する。慣性センサに回転速度センサを含めてもよく、このセンサはｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を中心とした移動型デバイスの回転速度を測定する。

１つの実施形態によれば第２のセンサにはＧＰＳ受信機が含まれる。このＧＰＳ受信機から導出されたナビゲーション情報を、慣性センサのドリフトを求めるために使用すると有利である。

別の観点によれば移動型デバイスのプロセッサは、ユーザコントロールオペレーションをアクティブ状態にしたり非アクティブ状態にしたりするために慣性センサからの信号を使用する。たとえば急激な動きをディスプレイのオン／オフに使用できるし、ズームインまたはズームアウトなどのようなファンクションをアクティブ状態にしたり非アクティブ状態にしたりするために使用できる。

特定の周囲環境に関するナビゲーション情報を受け取ったり更新したりする手段を移動型デバイスに装備することもでき、これによって内部メモリリソースに連続的に格納するには大規模すぎる可能性もある大量のデータを取得できるようになる。

特定の情報を用いることで、移動型デバイスをナビゲーションツアーガイドとして利用することができる。この点に関してナビゲーション情報に、他に様々な周囲環境がある中でフェア、展示会、美術館、会議、公共建造物、キャンパスに関するマップとイメージデータを含めることができる。本発明による移動型デバイスを有利に適用することのできる種々の特別な適用事例には、船舶用ナビゲーションや航空ナビゲーション計器類のシミュレーション（ならびにそのためのバックアップ提供）が含まれる。

第２の実施形態によれば、第１のセンサと第２のセンサの双方にＧＰＳ受信機が含まれている。

別の観点によれば本発明によって、強化されたナビゲーションおよびオリエンテーションのための以下のような移動型デバイスが提供される。すなわちこの移動型デバイスには、ビジュアルディスプレイをもつユーザインタフェースと、移動型デバイスの動きを検出しユーザコントロールならびにビジュアルディスプレイにおけるイメージの生成に使用されるフィードバック信号を供給する慣性センサとが設けられている。フィードバック信号から移動型デバイスのロケーションおよび姿勢を導出することができる。

１つの実施形態によれば移動型デバイスにはプロセッサと特定の場所のナビゲーションイメージ情報を受け取る手段とが設けられている。この場合、プロセッサは慣性センサが発生した信号から移動型デバイスのロケーションと姿勢を計算し、このロケーションと姿勢ならびにイメージ情報受け取り手段を介して受け取った情報とから特定の場所の周囲環境イメージを生成し、このイメージによって移動型デバイスの計算されたロケーションおよび姿勢から見た周囲環境が描写される。この実施形態によれば移動型デバイスにはＧＰＳ受信機が含まれている。この事例ではプロセッサは、ＧＰＳ受信機から導出されたＧＰＳ情報に支援されたロケーションを計算する。

１つの特別な実施形態によれば慣性センサには、ｘ方向軸、ｙ方向軸、ｚ方向軸における加速度を検出する直線加速度センサと、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を中心とした回転速度を検出する回転速度センサが含まれている。

慣性センサから受け取った所定の信号に応答して、プロセッサはユーザインタフェースのコントロールをアクティブ状態にしたり非アクティブ状態にしたりすることができる。たとえばユーザが移動型デバイスを急激に動かし、それによって高い周波数の信号が引き起こされると、プロセッサはユーザインタフェースのコントロールがアクティブ状態になるようまたは非アクティブ状態になるようトリガすることができ、これによって移動型デバイスの機能に対する便利なマニュアルコントロールが実現される。

本発明のさらに別の観点によれば本発明によって、強化されたナビゲーションおよびオリエンテーションのための以下のような移動型デバイスが提供される。すなわちこの移動型デバイスにはビジュアライゼーションインタフェースと、移動型デバイスの姿勢を検出して相応の信号を生成するセンサとが設けられており、このセンサによってユーザコントロールならびにビジュアライゼーションにおけるイメージの生成のためのフィードバックが供給される。このイメージのビューポイントは移動型デバイスの検出された姿勢に対応するものである。

１つの実施形態によれば、センサには移動型デバイスの回転速度を検出する少なくとも１つの慣性センサが含まれている。さらに別の実施形態によれば移動型デバイスには、ポジションセンサと特定の場所のナビゲーションイメージ情報を受け取る手段とプロセッサとが設けられている。そしてこのプロセッサは、ポジションセンサから供給される信号と姿勢センサからの信号と受け取った特定の場所のナビゲーションイメージ情報とを使用して、ナビゲートされる周囲環境のリアルタイムの２次元ビューおよび３次元シミュレーションを生成する。

特許請求の範囲に記載された移動型デバイスには、移動型デバイスのポジション計算を支援するためプロセッサと結合されたＧＰＳ受信機が含まれている。

本発明によれば、ビジュアルディスプレイを有する移動型デバイスを使用したナビゲーション方法も提供される。この方法には、移動型デバイスの動きを表す第１の信号セットを検出するステップと、移動型デバイスの動きを表す第２の信号セットを検出するステップと、前記の第１の信号セットと第２の信号セットのうち少なくとも一方に基づき移動型デバイスのポジションを求めるステップと、前記の第１の信号セットと第２の信号セットのうち少なくとも一方に基づき移動型デバイスのオリエンテーションを求めるステップと、移動型デバイスの前記のロケーションとオリエンテーションに基づき周囲環境の２次元ビューと３次元ビューのうち少なくとも１つを生成するステップが設けられている。

この方法の１つの実施形態によれば、移動型デバイスのユーザ機能が第１の信号セットに基づき制御される。

本発明による方法の１つの実施形態によれば、第１の信号セットは慣性センサによって生成される。第１の信号セットによって、ｘ方向軸、ｙ方向軸、ｚ方向軸における移動型デバイスの直線加速度と、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を中心とした移動型デバイスの回転速度を表すようにすることができる。また、第２の信号セットをＧＰＳ受信機によって生成させることができる。この実施形態によれば、慣性センサにより得られた信号に基づき求められたポジションを、ＧＰＳ受信機により得られた信号から導出されたポジション情報を使用して較正できるようになる。

ナビゲーション中に詳細イメージ生成用の大量のデータを取得するため、移動型デバイスは特定の場所のナビゲーション情報を受け取り、受け取った特定の場所のナビゲーションイメージ情報を使用して、求められた移動型デバイスのポジションとオリエンテーションに基づき周囲環境の２次元および／または３次元のビューを生成する。

本発明による方法にさらに、特定の適用事例に合わせて作られたオペレーションを含めることができる。このような適用事例として仮想空間のナビゲーションを挙げることができ、この場合、受け取った特定の場所のナビゲーションイメージ情報を利用し、これによって仮想空間の詳細グラフィックが提供される。さらに適用事例として挙げることができるのは、沿岸エリアにおける船舶用イメージ情報を受け取り、受け取った特定の場所の船舶用イメージ情報を利用して沿岸エリアのマップビューならびに障害物を含む沿岸の３次元ビューを生成することである。さらに航空輸送手段において、第１の信号セットと第２に信号セットから導出されたデータを利用しユーザインタフェースにおいて搭載ナビゲーション計器類をシミュレートすることも挙げられる。

本発明によれば、マップ情報とイメージ情報を含むナビゲーション情報のソースと移動型デバイスを含むビジュアルナビゲーションシステムも提供される。上記ソースにはナビゲーション情報を伝達する手段が含まれており、上記移動型デバイスには、ソースからナビゲーション情報を受け取る手段と慣性センサとＧＰＳ受信機とプロセッサとが含まれており、このプロセッサは慣性センサ、ＧＰＳ受信機ならびにナビゲーション情報受け取り手段と結合されている。プロセッサにはさらに以下のモジュールが含まれている：ｉ）ナビゲーションモジュール、このモジュールは慣性センサとＧＰＳ受信機からのデータを用いて移動型デバイスのポジションを計算し、受け取ったマップ情報ならびに推定されたポジションを用いてマップデータを生成する；ｉｉ）ユーザインタフェースモジュール、このモジュールは慣性センサからのデータを用いて移動型デバイスのオリエンテーションを計算し、ナビゲーションモジュールにより計算されたポジションと計算されたオリエンテーションと受け取ったイメージ情報を用いて３次元シミュレーションを生成し、さらに慣性センサから受け取った信号に従ってユーザファンクションを制御する。

図１には、本発明に従ってユーザオリエンテーションおよびナビゲーションの能力が高められた移動型デバイスの機能を示す図である。図示されているように、移動型デバイス１０は複数のディスプレイエリア１７，１８をもつビジュアライゼーションインタフェース１５を有しており、これはナビゲートされた周囲環境を表示するため液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）として実現することができる。１つの実施形態によれば１つのディスプレイエリア１７は特定のビューオリエンテーションに従ってナビゲートされた周囲環境について３次元のビューを描写し、ディスプレイエリア１８は同じビューオリエンテーションに従ってディスプレイ上に配向された２次元の平面ビューを描写する。これらのディスプレイによって、ユーザコントロール用のボタンなどのようなグラフィックユーザインタフェースコントロールを表示させるようにしてもよい。あとで説明するように、ナビゲートされ表示される周囲環境を移動型デバイスが所定の時点に位置している現実の周囲環境に対応させてもよいが、移動型デバイスの動きによってユーザが辿る異なる「バーチャル」な周囲環境に対応させることもできる。

このようなナビゲーションはブロック２０で表されたセンサを用いて達成され、それによれば移動型デバイスの動きを予測するための信号が供給される。上述のように第１の実施形態によれば、センサには慣性加速度センサや回転速度センサが含まれている。この場合、（１つのＧＰＳ受信機を使用して）絶対ポジションのみを推定したり、あるいは（２つ以上のＧＰＳ受信機を使用して）絶対ポジションとオリエンテーションの双方を推定したりするために１つまたは複数のＧＰＳ受信機を用いることに加えて、移動型デバイスの相対的並進運動と回転の双方を推定するために上述のセンサが設けられている。別の実施形態によればセンサには、慣性センサを使用することなく３次元で絶対ポジションとオリエンテーションを推定するために複数のＧＰＳ受信機が設けられている。慣性センサによれば、グラフィックユーザインタフェースコントロールの状態の変更に用いられるような所定のタイプのユーザインタラクションに使用可能なダイレクトな信号が供給される。したがってユーザが突然、移動型デバイスを動かしたり向きを変えたりして加速度または回転速度が急激に増加したときにオン／オフやスタート、ロードといった基本ユーザ機能をアクティブにすることができる。様々な加速度、回転速度および／またはＧＰＳロケーション信号をブロック２５において処理することで、いっそうゆっくりとしたまたは滑らかな動きをナビゲーションに使用することができ、積分により姿勢（これは移動型デバイスのオリエンテーションをｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に関して向首角、ピッチ角、ロール角で定義する）とロケーションが得られる。

図２には、本発明の第１の実施形態による移動型デバイスの詳細図が示されている。図示されているようにセンサブロック２０には以下のような６つの個別のセンサが含まれている：３つの加速度センサ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ、これらはデカルト座標系におけるｘ，ｙ，ｚ方向の直線加速度を測定する。回転速度センサ２２ａ，２２ｂ，２２ｃ、これらはｘ，ｙ，ｚ軸をそれぞれ中心とした回転速度を測定する。また、慣性センサを、許容できる感度をもつマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）のコンポーネントとして実装することができる。ユーザが（移動型デバイス１０とともに）動くと、あるいは静止中に移動型デバイスをわざと動かすと、センサ２１ａ，２１ｂ，２１ｃならびにセンサ２２ａ，２２ｂ，２２ｃは相対的な動きを検出し、加速度または回転速度を表す相応の電気信号を発生させる。

センサ２１ａ，２１ｂ，２１ｃおよび２２ａ，２２ｂ，２２ｃからの信号をアナログ／ディジタル変換器３５へ供給することができ、そこにおいてセンサにより生成されたアナログ信号がディジタル信号に変換され、その信号がフィルタエレメントに供給される。フィルタエレメントをハイパスディジタルフィルタとして実装することができ、これはアナログ／ディジタル変換器からのディジタル信号における高周波成分を通過させる。フィルタエレメントはマイクロプロセッサとして実装可能なプロセッサ４０内に設けることができる。プロセッサ４０は、センサの１つまたは複数の高周波成分が高い振幅をもち移動型デバイスが何らかの方向に突然動かされたり回転させられたりしたことを示しているかを判定する。上述のように移動型デバイス１０の急激な動きを、デバイスのオン／オフ、コントロールをアクティブ状態または非アクティブ状態にすること、ビジュアライズされた周囲環境のズームインまたはアウトなど、制御オペレーションに利用できる。このようにしてプロセッサ４０はフィルタエレメントの出力を利用して、制御オペレーションがアクティブ状態にされたのか非アクティブ状態にされたのかを判定する。

プロセッサ４０はさらにＧＰＳ受信機５０から出力を受け取る。ＧＰＳ受信機５０からの出力によって時間信号が供給され、これによりプロセッサ４０はグローバルなＧＰＳクロックに対しイベントの同期合わせを行えるようになり、さらに較正の目的でポジションチェックを行えるようになる。付加的な実施形態によれば、移動型デバイスに１つまたは複数の付加的なＧＰＳ受信機（図示せず）を設けることができ、これによって移動型デバイスの絶対的なオリエンテーションを大雑把に推定できるようになる。慣性ベースのセンサをＧＰＳ受信機と組み合わせるのが有利であり、その理由は検出システム各々の力が互いに補い合われるからである。慣性センサは、ＧＰＳナビゲーションシステムよりも短い時間と距離でいっそう精確な動きとオリエンテーションを得るために設けられる傾向にあり、それというのもＧＰＳシステムは数フィートまでという最大分解能をもっており、その範囲内でしか精確でないからである。しかも上述のように一般にＧＰＳシステムによっても詳細なオリエンテーション推定は得られず、また、衛星からのＧＰＳ信号の受信は十分な数の衛星またはビーコンが視認されているかという状態が変化するにつれて変動する可能性がある。慣性センサはインドアの適用に殊に有用であり、室内では一般にＧＰＳ信号はまったく得られないかまたはインフラに多くのコストをかけないかぎり得られないのに対し、慣性センサをベースとしたナビゲーションシステムはごく僅かなインフラで動作する。

他方、慣性センサにはたとえば温度変動などに起因してバイアスが加わり不整合状態が引き起こされ、これによってそれらのセンサから出力された信号に従い計算されたポジションやオリエンテーションに対する値にシステマティックなドリフトないしはオフセットが生じてしまう可能性がある。このため慣性センサによって発せられた信号は、長い期間にわたればＧＰＳシステムから得られた同等の信号よりも整合性について劣ってしまう可能性がある。したがって有利であるのは、全般的に動きの推定に慣性センサを使用し、１つまたは複数のＧＰＳ受信機５０により得られた「標準の」座標、時刻および／またはオリエンテーションを利用してセンサ２１ａ，２１ｂ，２１ｃを較正することで、計算されたポジションおよび／またはオリエンテーションにおけるドリフトに対し周期的に補正することである。

これらの利点を得るためプロセッサ４０はロケーションとオリエンテーションを２つのやり方で計算し、つまり慣性センサ２１ａ，２１ｂ，２１ｃからの信号を積分する一方、ＧＰＳ受信機５０を介して受信した信号から周知のＧＰＳ計算手順に従い位置座標を計算する。後者の手順を実行する目的でプロセッサ４０に様々なＧＰＳチップコンポーネントを含めることができ、あるいはそれらをプロセッサ４０に接続することができる。さらにプロセッサ４０はローカルメモリユニット４４とも接続されており、このメモリユニットは道路、建物、天候、イメージなどのような地理的オブジェクトに関するデータを記憶し、個々のディスプレイ１７，１８において２次元および３次元のビューで周囲環境をグラフィカルに描写させるために用いられる。この地理的データは移動中、移動型デバイスをときおり結合させることのできるドッキングステーションから得ることができる。これに加えてあるいはこれに対する代案として、移動型デバイスはセルラ受信機４８を介して個々の情報アップデータを受け取ることができる。

移動デバイス１０の全体的な並進運動および回転運動を推定するためプロセッサ４０は、慣性センサ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２２ａ，２２ｂ，２２ｃにより検出され供給された直線加速度パラメータａ_ｘ，ａ_ｙ，ａ_ｚと回転速度ω_ｘ，ω_ｙ，ω_ｚを積分する。積分各々によって出発状態を表す新たなパラメータすなわち慣性速度、ロケーションならびに姿勢を表す新たなパラメータが形成される。これらのパラメータは通常、移動型デバイス１０にとっては未知であり、したがって入力するかまたは推定しなければならない。この点に関して複数の初期化技術を利用することができる。１つの技術によれば、動きのない期間にドリフト値を推定することができる。これは何らかのやり方で（たとえばクレードルまたは単に机上におくことで）デバイスを位置固定し較正を開始することによって実現できる。初期の姿勢状態を直線加速度計においてじかに測定することで求めることができ、これによれば３つの姿勢角度のうち２つの角度が規定され、ついで第３の方向を求めるために別のピッチ角度またはロール角度の測定が繰り返される。付加的に姿勢とロケーションの双方に対する初期状態を、参照ロケーションに近づけデバイスを水平にかつ現在の周囲に似ているマップディスプレイと整列するよう保持することによって求めてもよい。確認にあたりユーザはこれらの初期条件をセットする。初期条件を供給するためにドッキングステーションを用いてもよい。ドッキングステーションを据え付けステーションとして、あるいは移動型デバイス用のインタフェースをもつクレードルとして配置することができる。さらにドッキングステーションを利用すれば、現場固有のデータ（たとえばマップや住所氏名録など）を非搭載のデータベースから移動型デバイスへドッキングステーションインタフェースを介してダウンロードすることができる。

初期状態の考慮およびセンサドリフトの補正を含めロケーションと姿勢を計算した後、プロセッサ４０はこの情報を利用して、個々のディスプレイ１７，１８に描写される周囲環境に対する２次元および３次元でのビジュアライゼーションを計算する。次にこのことについて説明する。

図３は、複数のＧＰＳ受信機を有する本発明の第２の実施形態による移動型デバイスの概略図である。図３に示されているように、移動型デバイス１０は第１のＧＰＳ５０と第２のＧＰＳ受信機５５を有している。プロセッサ４０は第１のＧＰＳ受信機５０からの入力を用い、緯度、経度ならびに複数のＧＰＳ衛星から伝送されたＧＰＳ信号の受信時点が異なるのを利用し三角測量によって推定された姿勢に基づき座標位置を計算する。移動型デバイス１０上で第１のＧＰＳ受信機５０からいくらか距離をおいて配置された第２のＧＰＳ受信機５５からの入力を用いてプロセッサ４０は、個々のＧＰＳ受信機５０，５５により受信された各ＧＰＳ信号のタイミングの相対的な差を比較することにより、移動型デバイスの姿勢を推定することができる。したがってこの実施形態によれば、慣性センサに頼らずＧＰＳシステムを利用してロケーションと姿勢が推定される。

図４には、本発明の第１の実施形態に従って構成された移動型デバイス１０のソフトウェアモデルが示されている。図示されているように慣性センサおよびＧＰＳセンサのブロック２０，５０は相応のデータを（プロセッサ内にインプリメントされている）位置特定ブロック６０を出力し、このブロックにおいて３次元での移動型デバイスのロケーションが求められる。位置特定ブロック６０はロケーション情報をナビゲーションブロック７０に供給する。計算されたロケーションを用いてナビゲーションブロック７０はマップデータベース７５内の特定の情報をアクセスすることができ、これには与えられたロケーションに関係がある特定の場所のグラフィカルな「関心地点 "point of interest"」情報（特定の場所の建物、レストラン、ガソリンスタンドなど）が含まれている。

ここで強調しておくと、データベースにより与えられる情報を必ずしもユーザの実際のロケーションに対応させなくてもよく、移動型デバイスを使用してユーザが進む仮想的な地理に関係させることができる。このようにした場合、移動型デバイスの「ロケーション」は仮想の周囲環境内のポジションということになり、ユーザが移動型デバイスとともに動くと、ユーザが動く速度と方向で仮想の周囲環境内のロケーションが移動する。さらにユーザが移動型デバイスを回転させ、それにより仮想周囲環境内でビューポイントまたはオリエンテーションが実際に変化すると、仮想周囲環境のビジュアライゼーションが変化することになる。周囲環境各々を描写するために必要とされるデータ量が移動型デバイスのローカルメモリユニットにとって大きくなりすぎる可能性があるので、ユーザの経路に沿った様々なロケーションでドッキングステーションにおいて新たな情報をダウンロードすることにより（および「古い」情報を消去することにより）データを断続的に取得することができ、および／または（ワイヤレスコネクティビティブロック９０として示された）セルラ受信機を介して情報を取得することができ、このセルラ受信機はビジュアルナビゲーションの支援用に設計されたナビゲーションデータプロバイダからの伝送を受け取る。

得られた地理データおよび特定の場所の関心地点を利用してナビゲーションブロック７０は、求められたポジションのまわりのナビゲートされた周囲環境のデータ「マップ」を生成する。ナビゲーションブロック７０は、生成したマップをユーザインタフェースジジェネレータブロック８０に供給する。ユーザインタフェースジェネレータブロック８０も慣性センサブロック２０から入力を受け取り、さらにイメージデータベース８５から入力を受け取る。慣性センサブロック２０からの入力にはオリエンテーションデータが含まれており、イメージデータベース８５からの入力には特定の場所の周囲環境における様々な建物、地形ならびに目印の３次元モデルと建物の全体構造や広告掲示板イメージなどのような２次元のイメージが含まれている。ユーザインタフェースジェネレータブロック８０はデータマップと入力オリエンテーションデータとイメージデータベース８５からのデータを使用して、移動型デバイスのポジションとオリエンテーションの双方に従いビジュアライゼーションインタフェース１５のディスプレイエリア１７，１８にグラフィックビジュアライゼーションを生成する。さらに前述のようにユーザインタフェースジェネレータ８０は、慣性センサブロック２０を介してじかに受け取ったユーザコマンドに基づいてディスプレイを変更することができる。たとえばユーザインタフェースジェネレータブロック８０によれば、ユーザが移動型デバイスを特定の方向に急激に動かすことで実行される「ターンオフ」コマンドに応答してディスプレイ１７，１８をブランクにすることができる。

ユーザオリエンテーションならびにナビゲーション能力の強められた移動型デバイスを使用すると非常に有利な適用事例が数多く存在する。図５にはツアーガイドアプリケーションが例示されており、これによれば移動型デバイスは美術館を巡るユーザのオリエンテーションを助け、その際、美術館におけるあるセクションの２次元平面ビューとともに現在の周囲環境１０５の３次元シミュレーション１０１が表示される。これによって美術館内でユーザがどこにいるのかを明確に指示することができ、さらにユーザが訪れたい様々な部屋や展示への道筋をユーザがまえもって計画できるようになる（物体は単純化されたブロックで表現されており、それらは芸術作品を表すけれども詳細に描く必要はない）。これに加えて３次元のビュー１０２にテキストと音声を含めることができ、これによって展示されている様々な芸術作品を見分けることができ、さらにユーザのすぐそばの周囲にある物体各々に係わる別の情報へのリンクをハイライトして含めることができる。移動型デバイスは仮想の周囲環境も進むことができるので、移動型デバイスのナビゲーション能力を高めたことで、移動型デバイスに美術館内の周囲環境の生成に適したマップやイメージデータが備わっているならば、ユーザは別の場所から美術館を巡ることができるようになる。このようにすればユーザは美術館に収容されている作品を見つけ出すことができるし、様々な展示まで歩いて行くのにかかる時間を推定できる。

同じようにして、本発明に従って構成された移動型デバイスをフェアや会議、公共建造物、軍事建造物または法人建造物、キャンパス、基地などのような他の無数の複雑な周囲環境においてオリエンテーションおよびナビゲーションするために適用することができる。さらにこのようなツーリングアプリケーションを、複雑な機械装置の一部分の３次元モデルのビジュアライゼーションなどのような仮想的な周囲環境に拡張することができ、このことでユーザは移動型デバイスのチューニング（またはピッチ角／ロール角の変更）によって遠近法による視覚的な角度を変更することができる。ゲームアプリケーションは、本発明による移動型デバイスの能力増強における別の潜在的な使い方である。

図６には、沿岸のナビゲーションを容易にするよう本発明に従って構成された移動型デバイスの有利な使い方が示されている。現在、沿岸ナビゲーションは、密集エリアまたは航行上の障害物のあるエリアにおいて関心の注がれる試みといえよう。移動型デバイスを用いると、ユーザがそのような沿岸エリアに近づいたとき、その沿岸エリアの２次元のマップビュー２０１と沿岸の３次元のビューが表示される。移動型デバイスを回転させると沿岸の３次元ビューが変化し、それによってユーザはオリエンテーションされる。提案されたコース変更や航行上の障害物によって仮想のビューを増やすことができる。この適用事例は、National Maritime Association (NIMA) によりかなり精確なディジタル***モデルデータとディジタル海図がすでに提供されていることから殊に都合がよい。

図７には、本発明による移動型デバイスの別の有利な実施形態が航空ナビゲーションのコンテキストにおいて例示されている。一般に航空機に対する計器の認定要求は最小限のものであるが、１つの計器におけるただ１つの故障が生じただけで大惨事がもたらされるおそれがある。Federal Aviation Administration (FAA) 承認の飛行計器は概して高価であるので、本発明による移動型デバイスを航空機における安価なバックアップ機器として使用することができる。図６に示されているように、移動型デバイスのディスプレイエリアにより航空機器３０１，３０２のディスプレイがエミュレートされ、これによって以下の情報を提供することができる：姿勢、高度、コース、機首方位、正確な対地速度、垂直方向速度等。このようなシミュレーションを実行できる理由は、移動型デバイスの慣性センサおよび／またはＧＰＳセンサが航空機の動きに応答し、それによって航空機が移動したときにそのロケーションとオリエンテーションを推定できるからである。このようにして移動型デバイスを、メインの航空システムが機能しないときの貴重なバックアップシステムとして慣用の機器の何分の一かのコストで用いることができる。

これまで述べてきた説明では本発明による方法ならびにシステムについていくつかの例を挙げて述べてきたが、本発明をそれらの例に限定しようというものではない。むしろ、当業者であれば本明細書で開示されている方法ならびに装置の原理に基づき変更を行えることは自明であり、そのような変形や修正および／または補足は以下の特許請求の範囲で規定される本発明の範囲内に含まれるものである。
以下、本発明の有利な実施形態について要約しておく。
本発明によれば、強化されたナビゲーションおよびオリエンテーションのための移動型デバイスにおいて、ビジュアルディスプレイをもつユーザインタフェースと慣性センサが設けられており、該慣性センサは移動型デバイスの動きを検出し、該慣性センサによりユーザコントロールおよびビジュアルディスプレイにおけるイメージ生成のためのフィードバック信号が供給される。
１つの実施形態によれば、前記慣性センサは移動型デバイスのロケーションおよび姿勢を導出する信号を発生する。
さらに別の実施形態によれば、プロセッサと、特定の場所のナビゲーションイメージ情報を受け取る手段とが設けられており、前記プロセッサは、慣性センサが発生した信号から移動型デバイスのロケーションおよび姿勢を計算し、該ロケーションおよび姿勢ならびにイメージ情報を受け取る前記手段からの情報に基づき前記プロセッサは特定の場所の周囲環境のイメージを生成し、該イメージは移動型デバイスの計算されたロケーションと姿勢から見た前記特定の場所の周囲環境の描写を表す。
さらに別の実施形態によれば、ＧＰＳ受信機が設けられており、前記プロセッサは該ＧＰＳ受信機から導出されたＧＰＳ情報に支援されて前記ロケーションを計算する。
１つの実施形態によれば、前記慣性センサには、ｘ方向軸、ｙ方向軸、ｚ方向軸における加速度を検出する直線加速度センサと、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を中心とした回転速度を検出する回転速度センサとが含まれる。
１つの実施形態によれば、慣性センサから受け取った特定の信号に応答して、前記プロセッサはユーザインタフェースのコントロールをアクティブおよび非アクティブにする。
本発明によれば、強化されたナビゲーションおよびオリエンテーションのための移動型デバイスにおいて、ビジュアライゼーションインタフェースと、移動型デバイスの姿勢を検出して相応の信号を発生させるセンサとが設けられており、該センサからの信号は、ユーザコントロールおよびビジュアライゼーションインタフェースにおけるイメージ生成のためのフィードバックとして使用され、前記ビジュアライゼーションインタフェースにおけるイメージのビューポイントは移動型デバイスの検出された姿勢に対応する。
本発明の１つの実施形態によれば、前記センサには少なくとも１つの慣性センサが含まれており、該少なくとも１つの慣性センサは移動型デバイスの回転速度を検出する。
１つの実施形態によれば、ポジションセンサと特定の場所のナビゲーションイメージ情報を受け取る手段とプロセッサとが設けられており、該プロセッサは前記ポジションセンサにより供給された信号と、移動型デバイスの姿勢を検出するためのセンサにより供給された信号と、受け取った特定の場所のナビゲーション情報とを使用して、ナビゲートされる周囲環境のリアルタイムの２次元ビューおよび３次元シミュレーションを生成する。
さらに別の実施形態によれば、移動型デバイスのポジション計算を支援するためプロセッサと結合されたＧＰＳ受信機が設けられている。

本発明に従いユーザオリエンテーションおよびナビゲーションの能力が高められた移動型デバイスの機能ブロックダイアグラムである。本発明の第１の実施形態に従って構成された移動型デバイスのコンポーネントを示すブロック図である。複数のＧＰＳ受信機を備えた本発明の第２の実施形態に従って構成された移動型デバイスのコンポーネントを示すブロック図である。本発明の第１の実施形態に従って構成された移動型デバイスのソフトウェアモデルを示す図である。本発明に従って構成された移動型デバイスのツアーガイドアプリケーションを示すブロック図である。本発明に従って構成された移動型デバイスを使用した海上ナビゲーションの様子を示す図である。本発明に従って構成された移動型デバイスをバックアップ航空機器として適用した事例を示す図である。

符号の説明

１０移動型デバイス
１５ビジュアライゼーションインタフェース
１７，１８ディスプレイエリア
２０ナビゲーションブロック
２５信号処理ブロック
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ加速度センサ
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ回転速度センサ
３５アナログ／ディジタル変換器
４０プロセッサ
４４ローカルメモリ
５０第１のＧＰＳ受信機
５５第２のＧＰＳ受信機

Claims

強化されたナビゲーションおよびオリエンテーションのための移動型デバイスにおいて、
ビジュアライゼーションインタフェースと、
該移動型デバイスの動きを表す信号を供給する第１のセンサと、
該移動型デバイスの動きを表す別の信号を供給する第２のセンサと、
前記の第１のセンサおよび第２のセンサから信号を受け取るプロセッサとが設けられており、
前記第１のセンサは慣性センサを有しており、
前記プロセッサは受け取った信号から移動型デバイスの３次元のポジションと３次元のオリエンテーションを計算し、計算されたポジションならびにオリエンテーションに基づきビジュアライゼーションインタフェースを介して周囲環境のリアルタイムシミュレーションを行い、
前記プロセッサは前記慣性センサからの信号を、ａ）ナビゲーション機能ではないユーザコントロールオペレーションのアクティブ状態への移行、およびｂ）ズームオペレーションの実行、のうち少なくとも１つのために使用することを特徴とする、
移動型デバイス。
移動型デバイスが手で動かされ、その動きが前記の第１および第２のセンサにより検出されることにより、ユーザは周囲環境の２次元および３次元のシミュレーションのうち少なくとも１つにおけるビューポイント、ロケーションならびに姿勢を制御する、請求項１記載の移動型デバイス。
前記慣性センサには直線加速度センサが含まれており、該センサはそれぞれｘ方向軸、ｙ方向軸、ｚ方向軸に沿った移動型デバイスの加速度を測定する、請求項１記載の移動型デバイス。
前記慣性センサには回転速度センサが含まれており、該センサはそれぞれｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を中心とした移動型デバイスの回転速度を測定する、請求項３記載の移動型デバイス。
前記第２のセンサはＧＰＳ受信機である、請求項２記載の移動型デバイス。
前記ＧＰＳ受信機から導出されたナビゲーション情報は前記慣性センサのバイアスを求めるために用いられる、請求項５記載の移動型デバイス。
固有の周囲環境に関するナビゲーション情報を受け取る手段が設けられている、請求項１記載の移動型デバイス。
前記ナビゲーション情報はフェア、展示会、美術館、会議、公共施設、キャンパスのうち少なくとも１つに関連する、請求項７記載の移動型デバイス。
前記ナビゲーション情報は船舶用の沿岸エリアおよび潜在的な航行障害物に関する、請求項７記載の移動型デバイス。
前記ナビゲーション情報は航空ナビゲーションに関する、請求項７記載の移動型デバイス。
前記ビジュアライゼーションインタフェースは、据え付けられた搭載航空計器装備に対するバックアップとしてシミュレートされた航空計器装備を表示する、請求項１０記載の移動型デバイス。
前記の第１および第２のセンサにはＧＰＳ受信機が含まれる、請求項１記載の移動型デバイス。
ビジュアルディスプレイを有する移動型デバイスを用いたナビゲーション方法において、
移動型デバイスの動きを表す第１の信号セットを検出するステップと、
移動型デバイスの動きを表す第２の信号セットを検出するステップと、
前記の第１の信号セットと第２の信号セットのうち少なくとも一方に基づき移動型デバイスのポジションを求めるステップと、
前記の第１の信号セットと第２の信号セットのうち少なくとも一方に基づき移動型デバイスのオリエンテーションを求めるステップと、
移動型デバイスの前記のロケーションとオリエンテーションに基づき周囲環境の２次元ビューと３次元ビューのうち少なくとも１つを生成するステップと、
前記第１の信号セットに基づき、ａ）前記移動型デバイスのナビゲーション機能ではないユーザ機能のアクティブ状態への移行、およびｂ）ズームオペレーション、のうち少なくとも１つをコントロールするステップを有することを特徴とする、
ナビゲーション方法。
前記第１の信号セットを慣性センサにより生成する、請求項１３記載の方法。
前記第１の信号セットは、ｘ方向軸、ｙ方向軸、ｚ方向軸における移動型デバイスの直線加速度と、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を中心とした移動型デバイスの回転速度を表す、請求項１３記載の方法。
前記第２の信号セットをＧＰＳ受信機により発生する、請求項１４記載の方法。
慣性センサにより供給された第１の信号セットに基づき求められたポジションを、ＧＰＳ受信機により供給された第２の信号セットから導出されたポジション情報を用いて較正する、請求項１６記載の方法。
特定の場所のナビゲーションイメージ情報を受け取り、
受け取った該特定の場所のナビゲーションイメージ情報を用いて移動型デバイスのポジションとオリエンテーションに基づき周囲環境の２次元ビューおよび３次元ビューの少なくとも一方を生成する、請求項１３記載の方法。
受け取った前記特定の場所のナビゲーションイメージ情報を用いて仮想空間をナビゲートし、前記ナビゲーションイメージ情報により該仮想空間の詳細なグラフィックを提供する、請求項１８記載の方法。
沿岸エリアにおける特定の場所の船舶用イメージ情報を受け取り、受け取った該特定の場所の船舶用イメージ情報を用いて、沿岸エリアのマップビューならびに障害物を含む３次元の沿岸ビューを生成する、請求項１７記載の方法。
航空輸送手段において、前記の第１の信号セットと第２の信号セットから導出されたデータを使用して搭載ナビゲーション計器装備をユーザインタフェースとしてシミュレーションする、請求項１３記載の方法。
仮想ナビゲーションシステムにおいて、
ナビゲーション情報のソースと移動型デバイスが設けられており、
前記ナビゲーション情報にはマップ情報とイメージ情報が含まれ、前記ソースにはナビゲーション情報を伝達する手段が含まれ、
前記移動型デバイスには、前記ソースからナビゲーション情報を受け取る手段と、慣性センサと、ＧＰＳ受信機と、前記の慣性センサおよびＧＰＳ受信機ならびにナビゲーション情報を受け取る手段と結合されたプロセッサとが設けられており、
該プロセッサにはナビゲーションモジュールとユーザインタフェースジェネレータモジュールとが設けられており、
前記ナビゲーションモジュールは、前記の慣性センサおよびＧＰＳ受信機からのデータを用いて移動型デバイスのポジションを計算し、受け取ったマップ情報と計算された該ポジションを用いてマップデータを生成し、
前記ユーザインタフェースジェネレータモジュールは、前記慣性センサからのデータを用いて移動型デバイスのオリエンテーションを計算し、前記ナビゲーションモジュールにより計算されたポジションおよび計算されたオリエンテーションならびに受け取ったイメージ情報を用いて３次元のシミュレーションを生成し、
前記慣性センサから受け取った信号に従い、ａ）ナビゲーション機能ではないユーザコントロールオペレーションのアクティブ状態への移行、およびｂ）ズームオペレーションのうち少なくとも１つをコントロールすることを特徴とする、
仮想ナビゲーションシステム。
前記プロセッサは、前記ビジュアライゼーションインタフェースをオンまたはオフするために、前記慣性センサからの信号を使用する、請求項１記載の移動型デバイス。
前記プロセッサは、急激な動きを表す信号と急激でない動きを表す信号とを区別し、前記急激な動きを表す信号は、ａ）ナビゲーション機能ではないユーザコントロールオペレーションのアクティブ状態への移行、およびｂ）ズームオペレーションのうち少なくとも１つを実行するためにプロセッサにより使用され、前記急激でない動きを表す信号は、リアルタイムの周囲環境シミュレーションを含むナビゲーションオペレーションを実行するためにプロセッサにより使用される、請求項１記載の移動型デバイス。
シミュレートされる前記周囲環境は、移動型デバイスが位置している実際の空間環境とは異なる、請求項１記載の移動型デバイス。