JP5038240B2

JP5038240B2 - モーションセンサ

Info

Publication number: JP5038240B2
Application number: JP2008171014A
Authority: JP
Inventors: 崇弘北浦
Original assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Current assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2028-06-30
Also published as: JP2010009498A

Description

本発明は、モーションセンサに関し、より詳細には、加速度センサを備え、複数のモーションを検出可能なモーションセンサに関する。

近年、加速度センサや地磁気センサ、角速度センサなどのセンサを携帯機器に組み込むことが盛んに行われている。加速度センサを携帯機器に組み込むことで実現が期待される機能としては、重力加速度による信号から携帯機器が保持されている姿勢を判別する機能、ユーザの動作により発生する運動加速度を用いたユーザーインターフェースとしての機能、過度の加速度信号の発生を検知することによる事故検出機能、歩行の振動による加速度から歩数を計測する歩数計機能等の様々なものが考えられる。特に、ユーザーインターフェースとしての機能は、小型化・多機能化が進む携帯機器等において、キー操作による入力に続く利便性・応用性の高い機能として期待されている。

特許文献１には、加速度信号の差分ベクトルを元にしたパターンマッチングを行うことによりユーザの動作パターンを検出するという技術が開示されている。特許文献２には、加速度センサを用いた携帯電話において、ボタンによる操作を行う事なく端末画面のバックライトを点灯させたり、キー操作入力部のＬＥＤを点灯させたりする技術が開示されている。特許文献３には、加速度センサを搭載した携帯機器において、ユーザが携帯機器を使用しているときの振動等による誤差を抑える技術が開示されている。非特許文献１には、３軸加速度センサの成分ごとの加速度信号を用いて別々にタッピング（指先等で軽く叩く動作）を検出する技術が開示されている。より詳細には、ある軸に関して加速度の値が閾値を超え、所定の時間内に再び閾値以下となるような加速度信号を得た場合にタッピングを検出したとして出力を行うというものである。

特開平７−２８５９１号公報特開２００３−１６３７４２号公報特開２００５−２８６８０９号公報 STMicroelectronics N.V., "AN2529 LIS302DL 3-axis digital MEMS accelerometer translates finger taps into actions," 2008

しかしながら、非特許文献１に記載されているような従来の技術では、複数のモーションを検出可能なモーションセンサにおいてそれら複数のモーションの誤検出が生じるという問題があった。たとえば非特許文献１に記載の技術では、図１に示すような手首を中心に携帯機器２００を振る動きをトリガとしたい場合、モーションセンサ１００が備える加速度センサの出力が円周方向および半径方向のどちらも検出の基準値を満たしてしまい（図２参照）、モーションを正しく検出できない。

また、特許文献１に記載の技術では、パターンマッチングを行うためのテーブル等を検出したいモーションの数だけ予め用意する必要があり、パターンマッチング自体も比較的複雑な演算を要するが、小型化や省電力化が重要である携帯機器等でモーションセンシングを行う場合はより簡易な構成でモーションを検出できるほうが望ましい。加えて、携帯電話等のユーザ層は広く低年齢者から高齢者までにわたるため、複雑な動作を複数使い分けることは必ずしもすべてのユーザにとって容易ではなく、より単純な動作の組み合わせにより動作を区別できることが望ましい。

また、誤検出の問題の他に、モーションセンサの使用時の体勢に依存する加速度センサに対する重力加速度の方向と、ユーザのモーションによる運動加速度の方向との関係によりモーションの検出感度が異なるという問題がある。さらに、加速度センサは一般に温度変化によりセンサオフセットが変動することが知られており、このセンサオフセット変動も、重力加速度の問題と同様にユーザによるモーションの検出感度へ影響を与える。モーションセンサが正常に動作するためには、これらに起因する誤差を低減することが必要である。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、加速度センサを備え、複数のモーションを検出可能なモーションセンサにおいて、（１）複数のモーションの誤検出を抑制し、かつ（２）モーションセンサの使用時の体勢、及びモーションセンサが備える加速度センサのオフセットに起因する誤差を低減することにある。

このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、複数のモーションを検出可能なモーションセンサにおいて、加速度を検出して加速度信号を出力する加速度センサと、前記加速度信号に基づいてモーションの判定を行う演算処理部と、前記演算処理部による前記判定の結果に応じて、被制御機器を制御するための制御信号を出力する制御信号出力部とを備え、前記演算処理部は、前記加速度信号に基づいて静止判定を行う静止判定部と、前記静止判定部が静止していないと判定した場合に、前記加速度信号から基準オフセットを除去して、運動加速度信号を出力する基準オフセット除去部と、基準オフセット除去部が出力する前記運動加速度信号の正ピーク及び負ピークを検出するピーク検出部と、前記正ピーク及び前記負ピークの検出結果から、所定期間内に検出された前記正ピーク及び前記負ピークの対であるピーク対を検出するピーク対検出部と、前記ピーク対に基づいてモーションの判定を行うモーション判定部とを備えることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記演算処理部が、前記静止判定部が静止していると判定した場合に、前記基準オフセットを更新する基準オフセット更新部をさらに備えることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２において、前記静止判定部における前記静止判定に用いる第１の加速度閾値と、前記ピーク検出部における前記正ピーク及び前記負ピークの検出にそれぞれ用いる第２および第３の加速度閾値とを記憶した記憶部をさらに備えることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記ピーク対検出部における前記ピーク対の検出に用いる前記所定期間及び、前記ピーク対が検出された後新たなピーク対の検出を行わないピーク対非検出期間とを記憶した記憶部をさらに備えたことを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかにおいて、前記演算処理部が、前記ピーク対を検出した回数であるピーク対数をカウントするピーク対数カウントアップ部をさらに備えることを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項５において、前記ピーク対数カウントアップ部における前記ピーク対数のカウントに用いるピーク対数カウント期間を記憶した記憶部をさらに備え、前記ピーク対数のカウントアップが開始されてから前記ピーク対数カウント期間が経過した場合に前記ピーク対数をリセットすることを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項５において、前記ピーク対数カウントアップ部における前記ピーク対数のカウントに用いるピーク対数カウント期間を記憶した記憶部をさらに備え、前記ピーク対数のカウントアップが停止してから前記ピーク対数カウント期間が経過した場合に前記ピーク対数をリセットすることを特徴とする。

また、請求項８に記載の発明は、請求項５乃至７のいずれかにおいて、前記モーション判定部が、前記ピーク対数を用いてモーションの判定を行うことを特徴とする。

本発明によれば、ピーク対に基づいてモーションの判定を行うため、従来生じていた複数のモーションの誤検出を複雑なパターンマッチングを用いることなく抑制することができ、またピーク対の検出前に基準オフセットを除去することによりモーションセンサの使用状態やオフセットに起因する誤差を低減することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

図３は、本発明に係るモーションセンサの構成を示す図である。モーションセンサ３００は、加速度を検出して加速度信号を出力する加速度センサ１と、加速度信号に基づいてモーションの判定を行う演算処理部２と、演算処理部２による判定結果に応じて、被制御機器５を制御するための制御信号を出力する制御信号出力部３とを備える。演算処理部２は、加速度信号に基づいて静止判定を行う静止判定部２１と、静止判定部２１が静止していないと判定した場合に、加速度信号から基準オフセットを除去して、運動加速度信号を出力する基準オフセット除去部２３と、基準オフセット除去部２３が出力する運動加速度信号の正ピーク及び負ピークを検出するピーク検出部２４と、正ピーク及び負ピークの検出結果から、正ピーク及び負ピークの対であるピーク対を検出するピーク対検出部２５と、ピーク対に基づいてモーションの判定を行うモーション判定部２７とを備える。ここで「基準オフセット」とは、モーションセンサ３００の静止状態における加速度センサ１の出力信号のことをいう。

ピーク対を検出した回数であるピーク対数をカウントするピーク対数カウントアップ部２６をさらに備え、ピーク対数を用いてモーション判定部２７によりモーションの判定を行うこともできる。また、演算処理部２は、静止判定部２１が静止していると判定した場合に、基準オフセットを更新する基準オフセット更新部２２をさらに備えてもよい。演算処理部２および制御信号出力部３は、デジタル回路で実装してもアナログ回路で実装してもよい。被制御機器５としては、携帯電話等の携帯機器が挙げられる。

ここで、図４のフローチャートを参照して、本発明に係るモーションセンサの動作を説明する。図５は、例として、図１に示される動作を２度続けて行った場合に得られる信号のうち、特にｚ軸成分を示している。

まず、加速度センサ１により加速度信号Ａを検出する（ステップＳ１１、図５-Ａｚ）。一般的に加速度信号Ａには、検出信号として取り出したいユーザの動作に伴う運動加速度信号αの他に、温度変化や加速度センサ１の携帯機器への実装時の応力変化等に伴うセンサオフセットと、重力加速度信号が含まれている。

続いて、静止判定部２１において加速度信号Ａに基づいて静止判定を行う（ステップＳ２１）。静止判定の具体的な方法としては、静止判定を行う直近の期間Ｔ１（「第１の期間」に対応）の間に得られた加速度信号Ａの絶対値の最大値｜Ａ｜_maxと最小値｜Ａ｜_minとの差が静止判定のための加速度閾値ＴＨ１（「第１の加速度閾値」に対応）以下となった場合に静止であると判定する方法が簡便である。

ステップＳ２１において静止していると判定された場合は、基準オフセット更新部２２において基準オフセットＢＯの更新を行う（ステップＳ２２、図５-ＢＯｚ）。基準オフセットＢＯとしては、静止と判定された時の加速度信号Ａの値をそのまま用いても良いし、静止判定の期間Ｔ１に含まれる複数の加速度信号Ａの平均値を用いても良い。このように静止と判定された際の加速度信号Ａを基準オフセットＢＯとして設定することで、後述のステップＳ２３の処理により、煩雑な操作や演算を必要とすることなくセンサオフセットや重力加速度信号を取り除くことが可能となる。

ステップＳ２１において静止していないと判定された場合には、まず基準オフセット除去部２３において基準オフセットＢＯの除去を行い、ユーザの動作による運動加速度信号αを得る（ステップＳ２３、図５-αｚ）。基準オフセットＢＯを除去する最も簡易な方法としては、加速度信号Ａから単純に基準オフセットＢＯを減算する方法が考えられる。また、加速度信号Ａに含まれるノイズを減少させるためには、加速度信号Ａの平均値または加速度信号Ａにローパスフィルタ又はバンドパスフィルタをかけた信号から基準オフセットＢＯを減算して運動加速度信号αを得るという方法も有効である。

続いてピーク検出部２４において、ステップＳ２３で得られた運動加速度信号αに対し、正ピーク及び負ピークの検出を行う（ステップＳ２４、図５-ＰＰｚ、ＮＰｚ）。正ピークの検出方法としては、ステップＳ２３で得られた運動加速度信号αが加速度閾値ＴＨ２（「第２の加速度閾値」に対応）を超えた際に正ピークが検出されたとして一定の期間Ｔ２（「第２の期間」に対応）の間、正ピーク信号ＰＰをＯＮとする方法が考えられる。また、負ピークの検出も同様にして、ステップＳ２３で得られた運動加速度信号αが加速度閾値ＴＨ３（「第３の加速度閾値」に対応）を下回った際に負ピークが検出されたとして一定の期間Ｔ２の間、負ピーク信号ＮＰをＯＮとすることで実現できる。これらのピークの検出は、運動加速度信号αの成分ごとに判定することで、被制御機器が振られた方向により別々に判定を行うことが可能である。また、ピークの検出において判定に用いる加速度閾値ＴＨ２及びＴＨ３も運動加速度信号αと同様にｘ，ｙ，ｚの３成分からなるものとみなして成分ごとに異なる値を持たせ、被制御機器が振られる方向により検出感度を変えることも可能である。

続いてピーク対検出部２５において、ステップＳ２４で得られた正ピーク及び負ピークの検出結果から、正ピークと負ピークの対をもってピーク対ＣＬの検出を行う（ステップＳ２５、図５-ＣＬｚ）。ただし、ピーク対ＣＬの検出において正ピークと負ピークの検出される時間的な順序は問わず、何れかのピーク信号がＯＮである期間内に逆符号のピークが検出された場合にピーク対ＣＬが検出されたと判定する。この際、ピーク対ＣＬが検出された直後に、チャタリング等により再び意図しないピーク対ＣＬが検出されてしまうのを防止するために、一度ピーク対ＣＬが検出された後一定の期間Ｔ３（「第３の期間」に対応）の間は、ピーク対ＣＬが検出された軸において次のピーク対ＣＬを検出しないとする。

続いてステップＳ２５で得られたピーク対ＣＬの検出結果から、ピーク対数カウントアップ部２６においてピーク対数ＣＮのカウントアップを行う（ステップＳ２６、図５-ＣＮｚ）。ステップＳ２６では、ピーク対ＣＬが検出される毎にピーク対数ＣＮをカウントアップし最後にカウントアップが行われた時点より、一定の期間Ｔ４（「第４の期間」に対応）が経過しても次のピーク対ＣＬの検出が行われなければピーク対数ＣＮのリセットを行う。ピーク対数のカウントアップが停止してから一定の期間Ｔ４が経過した場合にピーク対数をリセットしてもよい。

モーション判定部２７では、ユーザにより入力されたモーションを判定する（ステップＳ２７）。ステップＳ２７のモーションの判定は、ピーク対数ＣＮの状態がユーザの動作として検出したいモーションと合致しているかにより行うことができる。例えば、Ｚ軸方向に２度振る動作を検出したい場合、記憶部４に所望のモーションの設定値ＳＣＮとしてＳＣＮ＝（ＳＣＮｘ，ＳＣＮｙ，ＳＣＮｚ）＝（０，０，２）と設定しておき、ステップＳ２６で得られたピーク対数ＣＮがＣＮ＝ＳＣＮとなった場合にモーション有りと判定をする。なお、ピーク対数カウントアップ部２６を設けない場合は、ピーク対を検出した場合にモーション有りと判定すればよい。

制御信号出力部３では、演算処理部２より得られた演算処理結果に基づき信号を出力する（ステップＳ３１）。信号の出力方法としては、ステップＳ２７においてモーション有りと判定された場合のみインタラプト信号を出力する方法や、モーションの有無に係らず信号を出力するステップへ到達する毎にその結果を出力するようにする方法が考えられる。また、複数の種類のモーションを検出する場合には、モーション毎に異なる信号を出力するといった方法であっても良い。

なお、静止判定部２１における静止判定に用いる第１の加速度閾値、ピーク検出部２４における正ピーク及び負ピークの検出にそれぞれ用いる第２および第３の加速度閾値、静止判定部２１における静止判定に用いる第１の期間、ピーク対検出部２５におけるピーク対の検出に用いる第２及び第３の期間、ピーク対数カウントアップ部２６におけるピーク対数のカウントに用いる第４の期間は、記憶部４に記憶することができる。

記憶部４に記憶されている各種設定値を変更することで、ユーザによる様々な動作を検出することが可能である。本発明に係るモーションセンサのその他の実施形態における各種設定値の代表的な設定例のリストを図７に示す。例えば静止判定部２１における静止判定の方法として上述の説明では加速度信号Ａの絶対値を用いたが、加速度信号Ａの絶対値ではなく成分ごとに最大値最小値を用いて判定し、全ての軸が加速度閾値ＴＨ１以下の時に静止とする様にしても良い。この時、静止判定の判定期間Ｔ１を長くしたり加速度閾値ＴＨ１を小さく設定するとより厳しい条件の静止判定となり、逆に判定期間Ｔ１を短くしたり加速度閾値ＴＨ１を大きく設定すると緩い条件の静止判定とすることが可能である。また、例えば図６に示されるようなタッピングの動作は、図１に示されるような端末を振る動作と比較して、運動加速度信号αの振幅がより大きくなり正ピーク及び負ピークがより短い時間間隔で検出されると考えられるので、ピーク検出部２４において正・負ピークの有効期間Ｔ２をより短い値とし、加速度閾値ＴＨ２及びＴＨ３の絶対値をより大きな値とすることでタッピングの動作も検出が可能となる。

また、ピーク対検出部２５におけるピーク対ＣＬの誤検出防止は、上述したように成分ごとに独立に行っても良いし、ある成分についてのピーク対ＣＬが検出されたことをトリガに、全ての成分に共通でピーク対ＣＬの誤検出防止期間Ｔ３を設けるよう設定しても構わない。また、その際にピーク対非検出期間Ｔ３をピーク対ＣＬが検出された軸に対しては長めに、その他の軸ではピーク対ＣＬが検出された軸よりも短めとなるような設定も誤検出防止には有効である。

ピーク対数カウントアップ部２６におけるピーク対数のカウントアップ方法としては、被制御機器５の状態（例えば、折りたたみ式携帯電話がオープン状態であるかクローズ状態であるか）と連動させてカウントアップ期間を規定するという方法も可能である。

また、モーション判定部２７におけるモーションの判定方法としては、上述した方法のほかにピーク対数ＣＮの各成分（ＣＮｘ，ＣＮｙ，ＣＮｚ）の和を判定の基準として用いる方法や、所望のモーションの設定値ＳＣＮをＳＣＮ＝（＊，２，＊）のように設定し、Ｙ軸方向以外のモーションが含まれているか否かに係らずＹ軸方向に２度振る動作が含まれていればモーション有りと判定するといった方法であっても良い。

以上の説明では加速度検出部を３軸の加速度センサとしたが、１軸や２軸の３軸以外の加速度センサを用いても本発明を実施できることは明らかである。

従来のモーションセンサを設けた携帯機器を説明するための図である。図１の携帯機器を振る動作を行ったときに、振りの円周方向および半径方向にかかる加速度を示した波形図である。本発明に係るモーションセンサの構成を示す図である。本発明に係るモーションセンサの動作を示すフローチャートである。本発明に係るモーションセンサを設けた携帯機器に対して図１に示される動作を２度続けて行った場合に得られるｚ軸成分の信号を説明するための図である。ユーザが端末をタップする動作を示した模式図である。本発明に係るモーションセンサの各種設定値の代表的な設定例を示す表である。

符号の説明

１加速度センサ
２演算処理部
３制御信号出力部
４記憶部
５被制御機器
２１静止判定部
２２基準オフセット更新部
２３基準オフセット除去部
２４ピーク検出部
２５ピーク対検出部
２６ピーク対数カウントアップ部
２７モーション判定部
１００モーションセンサ
２００携帯機器（「被制御機器」に対応）
３００モーションセンサ

Claims

複数のモーションを検出可能なモーションセンサにおいて、
加速度を検出して加速度信号を出力する加速度センサと、
前記加速度信号に基づいてモーションの判定を行う演算処理部と、
前記演算処理部による前記判定の結果に応じて、被制御機器を制御するための制御信号を出力する制御信号出力部と
を備え、前記演算処理部は、
前記加速度信号に基づいて静止判定を行う静止判定部と、
前記静止判定部が静止していないと判定した場合に、前記加速度信号から基準オフセットを除去して、運動加速度信号を出力する基準オフセット除去部と、
基準オフセット除去部が出力する前記運動加速度信号の正ピーク及び負ピークを検出するピーク検出部と、
前記正ピーク及び前記負ピークの検出結果から、所定期間内に検出された前記正ピーク及び前記負ピークの対であるピーク対を検出するピーク対検出部と、
前記ピーク対に基づいてモーションの判定を行うモーション判定部と
を備えることを特徴とするモーションセンサ。
前記演算処理部は、前記静止判定部が静止していると判定した場合に、前記基準オフセットを更新する基準オフセット更新部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のモーションセンサ。
前記静止判定部における前記静止判定に用いる第１の加速度閾値と、
前記ピーク検出部における前記正ピーク及び前記負ピークの検出にそれぞれ用いる第２および第３の加速度閾値と
を記憶した記憶部をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載のモーションセンサ。
前記ピーク対検出部における前記ピーク対の検出に用いる前記所定期間及び、前記ピーク対が検出された後新たなピーク対の検出を行わないピーク対非検出期間と
を記憶した記憶部をさらに備えた
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のモーションセンサ。
前記演算処理部は、前記ピーク対を検出した回数であるピーク対数をカウントするピーク対数カウントアップ部をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のモーションセンサ。
前記ピーク対数カウントアップ部における前記ピーク対数のカウントに用いるピーク対数カウント期間を記憶した記憶部をさらに備え、
前記ピーク対数のカウントアップが開始されてから前記ピーク対数カウント期間が経過した場合に前記ピーク対数をリセットすることを特徴とする請求項５に記載のモーションセンサ。
前記ピーク対数カウントアップ部における前記ピーク対数のカウントに用いるピーク対数カウント期間を記憶した記憶部をさらに備え、
前記ピーク対数のカウントアップが停止してから前記ピーク対数カウント期間が経過した場合に前記ピーク対数をリセットすることを特徴とする請求項５に記載のモーションセンサ。
前記モーション判定部は、前記ピーク対数を用いてモーションの判定を行うことを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載のモーションセンサ。