JP5072100B2 - Portable terminal, program and method for determining direction of travel of pedestrian using acceleration sensor and geomagnetic sensor - Google Patents
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Description
本発明は、加速度センサ及び地磁気センサを用いて歩行者の進行方向を決定する携帯端末、プログラム及び方法に関する。特に、進行方向及び現在位置をリアルタイムに導出する自律航法技術に関する。 The present invention relates to a portable terminal, a program, and a method for determining a traveling direction of a pedestrian using an acceleration sensor and a geomagnetic sensor. In particular, the present invention relates to an autonomous navigation technique for deriving a traveling direction and a current position in real time.
従来、加速度センサ及び方位センサを用いて、進行方向及び現在位置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、正確な進行方向及び現在位置と、目的地への走行経路案内とを、ディスプレイに表示する。 Conventionally, there is an autonomous navigation technique that derives a traveling direction and a current position in real time using an acceleration sensor and a direction sensor. Autonomous navigation technology is combined with GPS (Global Positioning System) technology and is mainly used for a car navigation system. The car navigation system displays, on a display, an accurate traveling direction and current position, and a travel route guide to a destination for a driver of a car.
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、進行方向及び現在位置を補正する(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。 The car navigation system corrects the current position information measured by the GPS by an autonomous navigation technique such as a vehicle speed pulse or a gyro. Further, the road map information is read out as necessary, and the traveling direction and the current position are corrected so that the current travel route coincides with the road (refer to map matching technology based on a projection method, for example, Patent Document 1). As a result, it is possible to prevent the current position from being a position not on the road due to a sensor error.
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。 On the other hand, there is a system in which such navigation technology is applied to a portable terminal possessed by a pedestrian. Specifically, a cumulative current position from the starting point is derived using the detected “number of steps” of the pedestrian and the “step length” of the pedestrian (see, for example, Patent Document 2). When the autonomous navigation technology is applied to a pedestrian, acceleration components other than horizontal movement are also detected. Thus, the measured distance is derived from the number of steps and the step length, rather than simply integrating the output of the acceleration sensor.
「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の平方根とし(√(x2+y2+z2))、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)。 The “number of steps” is detected by taking the acceleration for each axis detected by the acceleration sensor in the mobile terminal as the square root of the sum of squares (√ (x 2 + y 2 + z 2 )) and taking the peak-to-peak as one step (for example, (See Patent Document 3). The “step length” is preset by the user or estimated from the height of the user. Alternatively, according to another technique, there is a technique of calibrating the stride by causing a pedestrian to walk a specified distance (see, for example, Non-Patent Document 1).
「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)。 The “traveling direction” is detected by the “direction sensor”. As the direction sensor, a geomagnetic sensor is generally used. There is also a technique for three-dimensionally displaying the orientation and direction of a terminal detected using a geomagnetic sensor on a display (see, for example, Patent Document 4). In addition, when there are a plurality of roads through an intersection in the traveling direction, there is a technique in which the intersection is the current position (see, for example, Patent Document 5).
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。 A technology to determine the current position using autonomous navigation technology, in order to prevent the influence of the cumulative error of sensor data, when the right turn or left turn at the intersection is detected, the intersection is the starting point for specifying the current position (See, for example, Patent Document 6). That is, every time a turn is detected, the cumulative error of the sensor data is reset, and the previous cumulative error does not affect the subsequent specification of the current position.
特許文献4に記載された技術によれば、加速度センサ及び地磁気センサを用いて静止状態における方位を導出することができる。静止状態では、加速度センサによって検出される加速度ベクトルは、重力のみを表す。従って、その重力ベクトルとその地磁気ベクトルとを用いて導出される世界座標系から、方位を導出することができる。 According to the technique described in Patent Literature 4, it is possible to derive the azimuth in a stationary state using an acceleration sensor and a geomagnetic sensor. In the stationary state, the acceleration vector detected by the acceleration sensor represents only gravity. Therefore, the direction can be derived from the world coordinate system derived using the gravity vector and the geomagnetic vector.
しかしながら、実際に、歩行者に所持された携帯端末によって方位を導出する場合、手持ち状態のためにセンサによって検出される波形が乱れ、正しい方位を導出することはできない。特に、歩行時に生じる加速度ベクトルは、重力の他に、運動加速度や腕振り運動による遠心力などが合成されたものである。従って、重力方向を決定できないために世界座標系も導出できず、結局、方位を導出することもできない。また、歩行者が手持ちするような携帯端末については、サイズやコストの制約から、カーナビゲーションシステムに搭載されるジャイロセンサを用いることも難しい。 However, when the azimuth is derived by a portable terminal carried by a pedestrian, the waveform detected by the sensor is disturbed due to the handheld state, and the correct azimuth cannot be derived. In particular, the acceleration vector generated during walking is a combination of motion acceleration, centrifugal force due to arm swing motion, and the like in addition to gravity. Therefore, since the direction of gravity cannot be determined, the world coordinate system cannot be derived, and eventually the azimuth cannot be derived. Moreover, it is difficult to use a gyro sensor mounted on a car navigation system for a portable terminal held by a pedestrian due to size and cost constraints.
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及び地磁気センサを用いて、歩行者の進行方向をできる限り正確に決定する携帯端末、プログラム及び方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention uses the acceleration sensor and the geomagnetic sensor mounted on the mobile terminal as accurately as possible even when the pedestrian is walking with the mobile terminal handheld. It is an object of the present invention to provide a portable terminal, a program, and a method that are determined.
本発明によれば、3軸の加速度データを出力する加速度センサと、3軸の地磁気データを出力する地磁気センサと、加速度データ及び地磁気データから歩行者の進行方向を決定する進行方向決定手段とを有し、歩行者によって所持される携帯端末であって、
進行方向決定手段は、
複数の加速度ベクトルから重力方向の重力ベクトルを導出し、且つ、該重力ベクトルに対応する地磁気ベクトルを選択する基準ベクトル導出手段と、
重力ベクトルと地磁気ベクトルからなる方位基準面の法線ベクトルを導出する方位基準面導出手段と、
複数の加速度ベクトルから加速度面の法線ベクトルを近似的に算出する加速度面算出手段と、
方位基準面の法線ベクトルと加速度面の法線ベクトルとのなす角を方向角として算出する方向角算出手段と
を有することを特徴とする。
According to the present invention, the acceleration sensor that outputs the triaxial acceleration data, the geomagnetic sensor that outputs the triaxial geomagnetic data, and the traveling direction determination means that determines the traveling direction of the pedestrian from the acceleration data and the geomagnetic data. A portable terminal possessed by a pedestrian,
The direction of travel determination means is
A reference vector deriving means for deriving a gravity vector in the direction of gravity from a plurality of acceleration vectors and selecting a geomagnetic vector corresponding to the gravity vector;
An orientation reference plane deriving means for deriving a normal vector of the orientation reference plane composed of a gravity vector and a geomagnetic vector;
An acceleration surface calculating means for approximately calculating a normal vector of the acceleration surface from a plurality of acceleration vectors;
Direction angle calculating means for calculating an angle formed by a normal vector of the azimuth reference plane and a normal vector of the acceleration plane as a direction angle is provided.
本発明の携帯端末における他の実施形態によれば、
加速度センサから入力された加速度データを、歩数毎、又は歩数に基づく時間単位毎に区分し、進行方向決定手段へ出力する歩行タイミング決定手段と、
進行方向決定手段から出力された、歩数毎、又は歩数に基づく時間単位毎の進行方向について、方向転換がなされたか否かを判定する方向転換判定手段と
を更に有することも好ましい。
According to another embodiment of the mobile terminal of the present invention,
Gait timing determination means for classifying the acceleration data input from the acceleration sensor for each number of steps or for each time unit based on the number of steps, and outputting to the traveling direction determination means;
It is also preferable to further include a direction change determination unit that determines whether or not the direction change has been made for each step number or the traveling direction for each time unit based on the step number output from the traveling direction determination unit.
本発明の携帯端末における他の実施形態によれば、
歩行者の歩行の向き、即ち、加速度面の前方を決定する前方決定手段を更に有し、
前方決定手段は、加速度センサから出力された加速度データ列における合成加速度の連続するピーク点のうち大きい方を、加速度面の前方として決定し、その旨を方向転換判定手段へ通知することも好ましい。
According to another embodiment of the mobile terminal of the present invention,
It further has a forward determining means for determining the direction of walking of the pedestrian, that is, the front of the acceleration surface,
Preferably, the forward determining means determines the larger one of the continuous peak points of the composite acceleration in the acceleration data string output from the acceleration sensor as the front of the acceleration surface, and notifies the direction change determining means to that effect.
本発明の携帯端末における他の実施形態によれば、
基準ベクトル導出手段に入力される加速度データ及び地磁気データについて、
所定時間範囲のデータをメモリし、最大値及び最小値から所定割合のデータを除去するフィルタ手段を更に有することも好ましい。
According to another embodiment of the mobile terminal of the present invention,
About acceleration data and geomagnetic data input to the reference vector deriving means,
It is also preferable to further include filter means for storing data in a predetermined time range and removing a predetermined ratio of data from the maximum value and the minimum value.
本発明の携帯端末における他の実施形態によれば、
方向角算出手段から出力された方向角θについて、
所定時間範囲の方向角θをメモリし、当該方向角θの前後の変化が所定角度閾値以上となっている方向角θを除去する補正手段を更に有することも好ましい。
According to another embodiment of the mobile terminal of the present invention,
For the direction angle θ output from the direction angle calculation means,
It is also preferable to further include correction means for storing the direction angle θ in a predetermined time range and removing the direction angle θ in which a change before and after the direction angle θ is equal to or greater than a predetermined angle threshold.
本発明によれば、3軸の加速度データを出力する加速度センサと、3軸の地磁気データを出力する地磁気センサとを有し、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、加速度データ及び地磁気データから歩行者の進行方向を決定する進行方向決定手段として機能させる携帯端末用のプログラムであって、
進行方向決定手段は、
複数の加速度ベクトルから重力方向の重力ベクトルを導出し、且つ、該重力ベクトルに対応する地磁気ベクトルを選択する基準ベクトル導出手段と、
重力ベクトルと地磁気ベクトルからなる方位基準面の法線ベクトルを導出する方位基準面導出手段と、
複数の加速度ベクトルから加速度面の法線ベクトルを近似的に算出する加速度面算出手段と、
方位基準面と加速度面の両平面の法線ベクトルのなす角を方向角として算出する方向角算出手段と
してコンピュータを機能させることを特徴とする。
According to the present invention, an acceleration sensor that outputs triaxial acceleration data and a geomagnetic sensor that outputs triaxial geomagnetic data, and a computer mounted on a portable terminal carried by a pedestrian, the acceleration data And a program for a mobile terminal that functions as a traveling direction determining means for determining a traveling direction of a pedestrian from geomagnetic data,
The direction of travel determination means is
A reference vector deriving means for deriving a gravity vector in the direction of gravity from a plurality of acceleration vectors and selecting a geomagnetic vector corresponding to the gravity vector;
An orientation reference plane deriving means for deriving a normal vector of the orientation reference plane composed of a gravity vector and a geomagnetic vector;
An acceleration surface calculating means for approximately calculating a normal vector of the acceleration surface from a plurality of acceleration vectors;
The computer is made to function as a direction angle calculation means for calculating an angle formed by normal vectors of both the azimuth reference plane and the acceleration plane as a direction angle.
本発明によれば、3軸の加速度データを出力する加速度センサと、3軸の地磁気データを出力する地磁気センサとを有し、歩行者によって所持される携帯端末について、加速度データ及び地磁気データから歩行者の進行方向を決定する進行方向決定方法であって、
複数の加速度ベクトルから重力方向の重力ベクトルを導出し、且つ、該重力ベクトルに対応する地磁気ベクトルを選択する第1のステップと、
重力ベクトルと重力ベクトルに対応する地磁気ベクトルの法線ベクトルを導出する第2のステップと、
複数の加速度ベクトルから加速度面の法線ベクトルを近似的に算出する第3のステップと、
方位基準面と加速度面の法線ベクトルのなす角を方向角として算出する第4のステップと
を有することを特徴とする。
According to the present invention, a mobile terminal possessed by an pedestrian having an acceleration sensor that outputs triaxial acceleration data and a geomagnetic sensor that outputs triaxial geomagnetic data walks from acceleration data and geomagnetic data. A method of determining the direction of travel of a person,
Deriving a gravity vector in the direction of gravity from a plurality of acceleration vectors and selecting a geomagnetic vector corresponding to the gravity vector;
A second step of deriving a gravity vector and a normal vector of the geomagnetic vector corresponding to the gravity vector;
A third step of approximately calculating a normal vector of an acceleration surface from a plurality of acceleration vectors;
And a fourth step of calculating an angle formed by a normal vector between the azimuth reference plane and the acceleration plane as a direction angle.
本発明の携帯端末、プログラム及び方法によれば、加速度データ群の軌跡と北方位との方向角を算出できるので、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及び地磁気センサを用いて、歩行者の進行方向をできる限り正確に決定することができる。 According to the portable terminal, the program and the method of the present invention, since the direction angle between the locus of the acceleration data group and the north direction can be calculated, even if the pedestrian is walking with the portable terminal in hand, Using the acceleration sensor and the geomagnetic sensor mounted on the portable terminal, the traveling direction of the pedestrian can be determined as accurately as possible.
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。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、歩行者の歩行態様と、加速度変動方向及び地磁気変動方向とを表す説明図である。 FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating a walking mode of a pedestrian, an acceleration variation direction, and a geomagnetic variation direction.
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。このような一般的な歩行態様を横方向から見れば、携帯端末の位置は、円弧を描きながら振り子状に前後に変動している。また、進行方向から見れば、携帯端末の位置は、上下に変動している。 According to FIG. 1, a pedestrian is walking while holding a portable terminal and shaking his / her hand back and forth. If such a general walking mode is seen from the lateral direction, the position of the mobile terminal fluctuates back and forth in a pendulum shape while drawing an arc. Further, when viewed from the traveling direction, the position of the mobile terminal fluctuates up and down.
携帯端末を手持ちした腕における肩部分は、携帯端末の位置変動が描く円弧の回転軸となる。この曲線の変動は、携帯端末に搭載された加速度センサ又は地磁気センサによって検出される。即ち、その回転軸とその円弧とからなる平面(扇形)は、加速度面(加速度ベクトル群の成す面)として表される。携帯端末が手持ちで振られる限り、この加速度面は、進行方向と平行になる。 The shoulder portion of the arm holding the mobile terminal serves as a rotation axis of an arc drawn by the position change of the mobile terminal. This curve variation is detected by an acceleration sensor or a geomagnetic sensor mounted on the portable terminal. That is, a plane (fan shape) composed of the rotation axis and the arc is represented as an acceleration surface (a surface formed by an acceleration vector group). As long as the mobile terminal is shaken by hand, this acceleration plane is parallel to the traveling direction.
また、加速度センサから出力された加速度データを二乗和の平方根(√(x2+y2+z2))を求めることによって、合成加速度が得られる。図1によれば、歩行者に把持された携帯端末の位置として、位置A、位置B及び位置Cが表されている。位置Bは、歩行者の手が真下にある時(最下点)であり、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、位置A及び位置Cは、歩行者の手が最も高い位置にある時(最上点)であり、その合成加速度は、極小(最小)となる。従って、合成加速度が極大となった時の携帯端末の位置は、重力方向を表すこととなる。これによって、加速度データによって、腕振り方向に基づく加速度面と、重力方向とを導出することができる。 Further, by obtaining the square root of the sum of squares (√ (x 2 + y 2 + z 2 )) from the acceleration data output from the acceleration sensor, a combined acceleration can be obtained. According to FIG. 1, the position A, the position B, and the position C are represented as the position of the mobile terminal held by the pedestrian. The position B is when the hand of the pedestrian is directly below (the lowest point), and the combined acceleration of the handheld portable terminal becomes a maximum (maximum). Conversely, position A and position C are when the pedestrian's hand is at the highest position (top point), and the resultant acceleration is minimal (minimum). Therefore, the position of the mobile terminal when the combined acceleration becomes maximum represents the direction of gravity. Thus, the acceleration plane based on the arm swing direction and the gravity direction can be derived from the acceleration data.
更に、歩行者及び携帯端末に対しては、地磁気が到来している。歩行者が、端末を一定の姿勢で保持し、一方向に真っ直ぐ進行している限り、その地磁気のセンサ座標系における到来方向は同じである。しかしながら、歩行者は、手持ちにした携帯端末を前後に振るために、その腕振りに応じて、地磁気の到来方向が、曲線を描いて変動する。この曲線の変動は、携帯端末に搭載された地磁気センサによって検出される。 Furthermore, geomagnetism has arrived for pedestrians and mobile terminals. As long as the pedestrian holds the terminal in a constant posture and travels straight in one direction, the arrival direction in the geomagnetic sensor coordinate system is the same. However, in order for a pedestrian to swing his / her portable terminal back and forth, the direction of arrival of geomagnetism varies in a curved manner according to his arm swing. This curve variation is detected by a geomagnetic sensor mounted on the portable terminal.
図2は、現実に発生する加速度面及び方位基準面を表す図である。簡単化のために、重力方向を図の下方向としているが、重力そのものを検出することはできない。また、実際に、地磁気が、センサ座標系に対してどの方向に検出されるかは、端末の姿勢に依存する。但し、加速度面と方位基準面の関係については、端末の姿勢には依存しない。 FIG. 2 is a diagram illustrating an acceleration plane and an azimuth reference plane that are actually generated. For the sake of simplicity, the gravity direction is set as the downward direction in the figure, but gravity itself cannot be detected. In addition, in which direction the geomagnetism is actually detected with respect to the sensor coordinate system depends on the attitude of the terminal. However, the relationship between the acceleration plane and the orientation reference plane does not depend on the attitude of the terminal.
図2によれば、加速度センサから得られた3軸の加速度データ(x、y、z)と、地磁気センサから得られた3軸の地磁気データ(x、y、z)とが、3次元座標系にプロットされたものである。異なる端末位置において測定された加速度データのプロットから、加速度面を検出できる。また、あるタイミングにおける加速度ベクトルと地磁気ベクトルの組から、方位基準面を検出することができる。 According to FIG. 2, the three-axis acceleration data (x, y, z) obtained from the acceleration sensor and the three-axis geomagnetic data (x, y, z) obtained from the geomagnetic sensor are expressed in three-dimensional coordinates. Plotted in the system. An acceleration plane can be detected from a plot of acceleration data measured at different terminal positions. Further, the azimuth reference plane can be detected from a set of acceleration vector and geomagnetic vector at a certain timing.
また、図2によれば、歩行者は、南から到来している地磁気に対して、方向角θの方向へ歩行している。このとき、携帯端末を手持ちした歩行者による腕振り動作に応じて、進行方向に平行に加速度面が検出でき、南北方向に平行に方位基準面が検出できる。 Moreover, according to FIG. 2, the pedestrian is walking in the direction of the direction angle θ with respect to the geomagnetism coming from the south. At this time, the acceleration plane can be detected in parallel with the traveling direction and the azimuth reference plane can be detected in parallel with the north-south direction according to the arm swinging motion of the pedestrian holding the mobile terminal.
本発明によれば、複数の加速度データを平面に近似することによって、方向角θを算出することができる。 According to the present invention, the direction angle θ can be calculated by approximating a plurality of acceleration data to a plane.
加速度面を近似的に算出する方法としては、例えば、最小二乗法がある。最小二乗法は、残差の2乗の和が最小になるように、その現象に対し、予測関数f(x)のそれぞれの係数を決定する方法である。残差とは、i番目のデータniに対して予測された関数値f(ni)と、測定されたデータmiとの差、即ちmi−f(ni)である。 As a method for approximately calculating the acceleration surface, for example, there is a least square method. The least square method is a method of determining each coefficient of the prediction function f (x) for the phenomenon so that the sum of the squares of the residuals is minimized. The residual, and the i-th data n i with respect to the predicted function values f (n i), which is the difference between the measured data m i, i.e. m i -f (n i).
一般に原点を通る平面は、以下の式(1)によって表される。
ax+by+cz=0 式(1)
このとき、(a,b,c)は、平面に対する法線ベクトルとなる。
In general, a plane passing through the origin is represented by the following equation (1).
ax + by + cz = 0 Formula (1)
At this time, (a, b, c) is a normal vector with respect to the plane.
ここで、計算を単純化するために、式(1)を、式(2)のように変形する。
z=αx+βy 式(2)
尚、(a,b,c)は法線ベクトルであるため、c=−1として問題無い。
Here, in order to simplify the calculation, Equation (1) is transformed into Equation (2).
z = αx + βy Equation (2)
Since (a, b, c) is a normal vector, there is no problem when c = -1.
n個の点群xi,yi,zi(i=1〜n)が与えられたとき、以下の式(3)が最小となるα及びβを算出すればよい。
S=Σi=1 n(zi−αxi−βyi)2 式(3)
When n point groups x i , y i , and z i (i = 1 to n) are given, α and β that minimize the following expression (3) may be calculated.
S = Σ i = 1 n (z i −αx i −βy i ) Equation 2 (3)
ここで、以下のように規定したとする。
A=Σi=1 n(xi 2)
B=Σi=1 n(yi 2)
C=Σi=1 n(zi 2)
D=Σi=1 n(xi×yi)
E=Σi=1 n(xi×zi)
F=Σi=1 n(yi×zi)
Here, it is assumed that it is defined as follows.
A = Σ i = 1 n (x i 2 )
B = Σ i = 1 n (y i 2 )
C = Σ i = 1 n (z i 2 )
D = Σ i = 1 n (x i × y i )
E = Σ i = 1 n (x i × z i )
F = Σ i = 1 n (y i × z i )
このとき、式(3)は、以下のような式(4)になる。
S=Aα2+Bβ2+C+2αβD−2αE−2βF 式(4)
At this time, the expression (3) becomes the following expression (4).
S = Aα 2 + Bβ 2 + C + 2αβD-2αE-2βF Formula (4)
式(4)をαの関数とみたとき、凹型の2次関数となり、極小値が最小となる。これは、βにおいても同様である。即ち、Sをα、βに関して偏微分し、0となる点が求める解となる。
式(5)及び式(6)を解くと、以下の式(7)及び式(8)のように算出できる。
α=(BE−DF)/(AB−D2) 式(7)
β=(AF−DE)/(AB−D2) 式(8)
前述したように、法線ベクトルは(α,β,−1)である。
When the equations (5) and (6) are solved, they can be calculated as the following equations (7) and (8).
α = (BE-DF) / (AB-D 2 ) Formula (7)
β = (AF−DE) / (AB−D 2 ) Formula (8)
As described above, the normal vector is (α, β, −1).
以下の表1によれば、時間経過p1〜p9に基づいて、観測された加速度データx,y,zが表されている。
表1及び表2によれば、α及びβは、以下のように算出される。
α= 0.012705529
β=−0.014162858
According to Tables 1 and 2, α and β are calculated as follows.
α = 0.012705529
β = −0.014162858
加速度面の法線ベクトルna=(αa,βa,−1) Normal vector n a = (α a , β a , −1) of the acceleration surface
方位基準面は、加速度ベクトルと地磁気ベクトルの外積を法線ベクトルとした平面である。一般に、2つのベクトルa=(xa,ya,za)、b=(xb,yb,zb)の外積は、次の式で求められる。
a×b=(yazb−ybza,zaxb−zbxa,xayb−xbya)式(9)
従って、
加速度ベクトルa0=(xa,ya,za)、地磁気ベクトルm0=(xm,ym,zm)としたとき、方位基準面の法線ベクトルn0=(xn,yn,zn)は、
n0=a0×m0
=(yazm−ymza,zaxm−zmxa,xaym−xmya)式(10)
で表される。
The azimuth reference plane is a plane whose normal vector is the outer product of the acceleration vector and the geomagnetic vector. In general, the outer product of two vectors a = (x a , y a , z a ), b = (x b , y b , z b ) is obtained by the following equation.
a × b = (y a z b -y b z a, z a x b -z b x a, x a y b -x b y a) (9)
Therefore,
When the acceleration vector a 0 = (x a , y a , z a ) and the geomagnetic vector m 0 = (x m , y m , z m ), the normal vector n 0 = (x n , y of the azimuth reference plane) n , z n ) is
n 0 = a 0 × m 0
= (Y a z m -y m z a, z a x m -z m x a, x a y m -x m y a) formula (10)
It is represented by
表3によれば、方位基準面の法線ベクトルは、以下のように算出される。
n0=(−7977,−31222,−158899)
According to Table 3, the normal vector of the azimuth reference plane is calculated as follows.
n 0 = (− 7977, −31222, −158899)
方向角θを算出するため、加速度面及び方位基準面の2つの平面それぞれについて、前述したように法線ベクトルを算出する。最初に、各法線ベクトルを以下のように定義する。
加速度面の法線ベクトルna=(αa,βa,−1)
方位基準面の法線ベクトルn0=(xn,yn,zn)
na・n0:2つの法線ベクトルの内積(スカラー積)
|na|:加速度面の法線ベクトルnaの大きさ(線分の長さ)
|n0|:方位基準面の法線ベクトルn0の大きさ(線分の長さ)
|na||n0|:2つの法線ベクトルの大きさの積
In order to calculate the direction angle θ, the normal vector is calculated as described above for each of the two planes of the acceleration plane and the azimuth reference plane. First, each normal vector is defined as follows.
Normal vector n a = (α a , β a , −1) of the acceleration surface
Normal vector of azimuth reference plane n 0 = (x n , y n , z n )
n a · n 0 : inner product (scalar product) of two normal vectors
| N a |: the magnitude of the normal vector n a of the acceleration surface (length of the segment)
| N 0 |: Size of normal vector n 0 of the orientation reference plane (length of line segment)
| N a || n 0 |: product of magnitudes of two normal vectors
表1〜表3によれば、na及びn0は、以下のようになる。
na=(0.012705529,−0.014162858,−1)
|na|=1.000180992
n0=(−7977,−31222,−158899)
|n0|=162133.7041
According to Tables 1 to 3, n a and n 0 is as follows.
n a = (0.012705529, −0.014162858, −1)
| N a | = 1.000180992
n 0 = (− 7977, −31222, −158899)
| N 0 | = 162133.7041
このとき、ベクトルの成す角と内積の関係より、以下のように方向角θを算出することができる。
na・n0=|na||n0|cosθ 式(11)
cosθ=(na・n0)/(|na||n0|) 式(12)
θ=arccos((na・n0)/(|na||n0|)) 式(13)
At this time, the direction angle θ can be calculated from the relationship between the angle formed by the vector and the inner product as follows.
n a · n 0 = | n a || n 0 | cos θ Equation (11)
cos θ = (n a · n 0 ) / (| n a || n 0 |) Equation (12)
θ = arccos ((n a · n 0 ) / (| n a || n 0 |)) Equation (13)
表1〜表3によれば、前述の式に当てはめて、方向角θを算出する。
na・n0=0.012705529×(−7977)+(−0.014162858)×(−31222)
+(−1)×(−1)
=159239.8407
|na||n0|=1.000180992×162133.7041
=162163.0490033724672
na・n0=|na||n0|cosθ 式(11)
159239.8407=162163.0490033724672・cosθ
cosθ=(na・n0)/(|na||n0|) 式(12)
=159239.8407/162163.0490033724672
=0.981973647
θ=arccos((na・n0)/(|na||n0|)) 式(13)
=arccos(0.981973647)
=0.190161893 [rad]
=10.89547387 [deg]
According to Tables 1 to 3, the direction angle θ is calculated by applying the above formula.
n a · n 0 = 0.012705529 × (−7977) + (− 0.014162858) × (−31222)
+ (-1) × (-1)
= 159239.8407
| N a || n 0 | = 1.000180992 × 162133.7041
= 162163.0490033724672
n a · n 0 = | n a || n 0 | cos θ Equation (11)
159239.8407 = 162163.0490033724672 ・ cosθ
cos θ = (n a · n 0 ) / (| n a || n 0 |) Equation (12)
= 159239.8407 / 162163.0490033724672
= 0.981973647
θ = arccos ((n a · n 0 ) / (| n a || n 0 |)) Equation (13)
= Arccos (0.981973647)
= 0.190161893 [rad]
= 10.89547387 [deg]
図3は、方向角θの向きを表す説明図である。北を12時方向として鉛直真上方向から見た図である。 FIG. 3 is an explanatory diagram showing the direction of the direction angle θ. It is the figure which looked at the north from 12 o'clock direction from right above.
前述した計算により加速度面と方位基準面の法線ベクトルから数学的に求められる方向角θは、0°〜180°である。一方、実際の方位角θというと、北から時計回りを正方向として0°〜360°である。 The direction angle θ mathematically determined from the normal vectors of the acceleration plane and the azimuth reference plane by the calculation described above is 0 ° to 180 °. On the other hand, the actual azimuth angle θ is 0 ° to 360 ° with the clockwise direction from north as the positive direction.
方向角θは、南北方向に対する進行方向の成す角である。進行方向は、無向直線であり前後の区別が無い。図3(a)及び(b)によれば、南北方向を境界として左右(東西)対称となる2通りの位置に対して、同一の方向角θが得られる。例えば、方位角として、30°(北東方向)及び330°(北西方向)の2通りの場合に、加速度面及び方位基準面から算出される方向角θは、30°で同一である。このとき、北を0度とした時計回りの方位角(0〜360°)を導出するために、加速度面の前方(又は後方)を決定する必要がある(尚、この決定は、後述する図4の前方決定部107によって実現される)。 The direction angle θ is an angle formed by the traveling direction with respect to the north-south direction. The traveling direction is an undirected straight line, and there is no distinction between front and rear. According to FIGS. 3A and 3B, the same direction angle θ can be obtained for two positions that are left-right (east-west) symmetrical with respect to the north-south direction. For example, when there are two azimuth angles of 30 ° (northeast direction) and 330 ° (northwest direction), the direction angle θ calculated from the acceleration plane and the azimuth reference plane is the same at 30 °. At this time, in order to derive a clockwise azimuth angle (0 to 360 °) with north as 0 degree, it is necessary to determine the front (or rear) of the acceleration surface (this determination will be described later). 4 forward decision unit 107).
加速度面の前方は、合成加速度の連続するピーク点のうち大きい方に特定することができる。歩行により発生する加速度の大きさは、体の左右で対称であるが、携帯端末は、片手(体の中央から左右どちらかに偏った位置)で保持するため、左右非対称に検出される。例えば、歩行者が、右手に携帯端末を把持している場合に、右足で地面を蹴った際の加速度の大きさと、左足で地面を蹴った際の加速度の大きさとは、異なって検出される。この場合、右足で地面を蹴った際の加速度は、左足で地面を蹴った際の加速度よりも大きい。通常、人間の歩行は、手と足とが連動しており、例えば右手が前に出ている時に、右足が地面を蹴り出している。そのために、携帯端末を把持した側の足で地面を蹴ったと判断できれば、そのときの携帯端末は、前方に位置していると判断できる。 The front of the acceleration surface can be specified as the larger one of the continuous peak points of the combined acceleration. Although the magnitude of acceleration generated by walking is symmetric on the left and right sides of the body, the mobile terminal is detected asymmetrically because it is held with one hand (a position biased to the left or right from the center of the body). For example, when a pedestrian is holding a mobile terminal with his right hand, the magnitude of acceleration when kicking the ground with the right foot and the magnitude of acceleration when kicking the ground with the left foot are detected differently. . In this case, the acceleration when kicking the ground with the right foot is larger than the acceleration when kicking the ground with the left foot. Usually, in human walking, a hand and a foot are interlocked. For example, when the right hand is in front, the right foot kicks out the ground. Therefore, if it can be determined that the ground has been kicked with the foot on the side holding the mobile terminal, it can be determined that the mobile terminal at that time is positioned forward.
図4は、本発明の携帯端末における機能構成図である。 FIG. 4 is a functional configuration diagram of the portable terminal according to the present invention.
図4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。
According to FIG. 4, the mobile terminal 1 includes a
地磁気センサ11は、3軸方向(前後方向、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、ホール素子を分離し、分離したホール素子からそれぞれ検出された値を出力する。
The
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。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。
The
GPS部13は、基準の現在位置となる緯度経度情報を測位する。測位された現在位置を基準点として、歩行者の現在位置を、歩数、歩幅及び進行方向によって積算することができる。
The
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から出力された進行方向及び現在位置を、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。
The map
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、前方決定部107として機能するようなプログラムを実行する。
The
歩行タイミング決定部101は、加速度センサ12から出力された加速度データ列を、所定時間毎、例えば歩数毎、又は歩数に基づく時間単位毎の、加速度データに分割する。例えば、合成加速度の変化、即ち移動時の揺れ具合から歩数を算出することもできる。
The walking
進行方向決定部102は、所定時間毎に、地磁気センサ11からの地磁気データと、加速度センサ12からの加速度データと、歩行タイミング決定部101からの歩行タイミングデータから、進行方向を決定する。本発明は、この進行方向決定部102における進行方向の特定方法に基づく。
The traveling
前方決定部107は、加速度センサ12から出力された加速度データ列から、歩行者の歩行の向き、即ち、加速度面の前方を決定する。加速度面の前方は、合成加速度の大きさによって特定することができる。例えば、携帯端末を把持した側の足で地面を蹴ったとき、加速度が大きくなり、その携帯端末は前方に位置していると判断できる。
The
方向転換判定部103は、進行方向決定部102から進行方向のデータを受け取り、前方決定部107から前方の向きのデータを受け取る。方向転換判定部103は、メモリを有し、進行方向及び向きのデータを時間経過に応じて記憶する。そして、方向転換判定部103は、メモリに記憶された一定の時間範囲の進行方向について、方向転換がなされたか否かを判定する。
The direction
歩幅決定部104は、歩行タイミング決定部101から1歩分の加速度データを受け取り、1歩毎の歩幅を決定する。決定された歩幅は、移動量積算部105へ出力される。尚、歩幅決定部104は、その歩幅の情報を方向転換判定部103にも出力する。
The
移動量積算部105は、進行方向決定部102から進行方向の情報を受け取り、歩幅決定部104から歩幅の情報を受け取る。そして、移動量積算部105は、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。
The movement
本発明の特徴となる進行方向決定部102は、フィルタ部1021と、基準ベクトル導出部1022と、方位基準面算出部1023と、加速度面算出部1024と、方向角算出部1025と、補正部1026とを有する。フィルタ部1021及び補正部1026は、本発明について本質的な機能では無いが、これによって進行方向の精度を向上させることができる。
The traveling
基準ベクトル導出部1022は、複数の加速度データから重力方向の重力ベクトルを導出し、且つ、その重力ベクトルに対応する地磁気ベクトルを選択する。
The reference
方位基準面算出部1023は、基準ベクトル導出部1022によって得られた1組の加速度ベクトル及び地磁気ベクトルから構成される方位基準面を算出する。方位基準面は、1組の加速度ベクトル及び地磁気ベクトルの外積から得られる。
The azimuth reference
加速度面算出部1024は、単位区間中の複数の加速度ベクトル群を、例えば最小二乗法など既知の方法を用いて、平面に近似する。
The acceleration
方向角算出部1025は、方位基準面算出部1023によって算出された方位基準面及び加速度面算出部1024によって算出された加速度面の両平面の法線ベクトルの間の角度から方向角θを算出する。加速度面と方位基準面の位置関係は、腕振り方向、即ち歩行者の進行方向によって変化する。
The direction
フィルタ部1021は、基準ベクトル導出部1022に入力される加速度データ及び地磁気データについて、所定時間範囲のデータをメモリし、最大値及び最小値から所定割合のデータを除去する。即ち、突飛なデータを除去することができる。
The
補正部1026は、方向角算出部1025から出力された方向角θについて、所定時間範囲の方向角θをメモリし、当該方向角θの前後の変化が所定角度閾値以上となっている方向角θを除去する。
The
例えば、以下の表4のように、1つのデータだけが前後のデータよりも突飛な値、例えば90°(所定角度閾値)以上振れていた場合、そのデータを除去する。
また、補正部1026は、除去されたデータについて、以下の表5のように、時間的に前後に算出された単位区間の方向角θの平均によって補完することも好ましい。
更に、補正部1026は、蓄積した複数の方向角θの変化が、平均化することも好ましい。以下の表6によれば、一定範囲の方向角θ毎に、平均化したものである。
以上、詳細に説明したように、本発明の携帯端末、プログラム及び方法によれば、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及び地磁気センサを用いて、歩行者の進行方向をできる限り正確に決定することができる。 As described above in detail, according to the mobile terminal, the program and the method of the present invention, even if the pedestrian is walking with the mobile terminal handheld, the acceleration sensor mounted on the mobile terminal And the geomagnetic sensor can be used to determine the traveling direction of the pedestrian as accurately as possible.
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。 According to the various embodiments of the present invention described above, those skilled in the art can easily make various changes, modifications and omissions within the scope of the technical idea and the viewpoint of the present invention. The above description is merely an example, and is not intended to be restrictive. The invention is limited only as defined in the following claims and the equivalents thereto.
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
1021 フィルタ部
1022 基準ベクトル導出部
1023 座標系変換行列算出部
1024 座標系変換部
1025 方向角算出部
1025 補正部
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
107 前方決定部
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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (7)
前記進行方向決定手段は、
複数の加速度ベクトルから重力方向の重力ベクトルを導出し、且つ、該重力ベクトルに対応する地磁気ベクトルを選択する基準ベクトル導出手段と、
前記重力ベクトルと前記地磁気ベクトルからなる方位基準面の法線ベクトルを導出する方位基準面導出手段と、
複数の加速度ベクトルから加速度面の法線ベクトルを近似的に算出する加速度面算出手段と、
前記方位基準面の法線ベクトルと前記加速度面の法線ベクトルとのなす角を方向角として算出する方向角算出手段と
を有することを特徴とする携帯端末。 An acceleration sensor that outputs triaxial acceleration data; a geomagnetic sensor that outputs triaxial geomagnetic data; and a traveling direction determination means that determines a traveling direction of a pedestrian from the acceleration data and the geomagnetic data. A portable terminal owned by a person,
The traveling direction determination means includes
A reference vector deriving means for deriving a gravity vector in the direction of gravity from a plurality of acceleration vectors and selecting a geomagnetic vector corresponding to the gravity vector;
An azimuth reference plane deriving means for deriving a normal vector of the azimuth reference plane composed of the gravity vector and the geomagnetic vector;
An acceleration surface calculating means for approximately calculating a normal vector of the acceleration surface from a plurality of acceleration vectors;
A portable terminal, comprising: a direction angle calculating unit that calculates an angle formed by a normal vector of the azimuth reference plane and a normal vector of the acceleration plane as a direction angle.
前記進行方向決定手段から出力された、前記歩数毎、又は歩数に基づく時間単位毎の進行方向について、方向転換がなされたか否かを判定する方向転換判定手段と
を更に有することを特徴とする請求項1に記載の携帯端末。 The acceleration data input from the acceleration sensor is divided for each number of steps, or for each time unit based on the number of steps, and the walking timing determining means for outputting to the traveling direction determining means,
The apparatus further comprises direction change determination means for determining whether or not the direction change has been made for each of the number of steps output from the direction of travel determination means or for each time unit based on the number of steps. Item 2. The mobile terminal according to Item 1.
前記前方決定手段は、前記加速度センサから出力された加速度データ列における合成加速度の連続するピーク点のうち大きい方を、加速度面の前方として決定し、その旨を前記方向転換判定手段へ通知することを特徴とする請求項2に記載の携帯端末。 It further has a forward determining means for determining the direction of walking of the pedestrian, that is, the front of the acceleration surface,
The forward determination means determines the larger one of the continuous peak points of the composite acceleration in the acceleration data string output from the acceleration sensor as the front of the acceleration surface, and notifies the direction change determination means to that effect. The mobile terminal according to claim 2.
所定時間範囲のデータをメモリし、最大値及び最小値から所定割合のデータを除去するフィルタ手段を更に有することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の携帯端末。 About the acceleration data and the geomagnetic data input to the reference vector deriving means,
The mobile terminal according to any one of claims 1 to 3, further comprising filter means for storing data in a predetermined time range and removing a predetermined ratio of data from a maximum value and a minimum value.
所定時間範囲の方向角θをメモリし、当該方向角θの前後の変化が所定角度閾値以上となっている方向角θを除去する補正手段を更に有することを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の携帯端末。 For the direction angle θ output from the direction angle calculation means,
5. The apparatus according to claim 1, further comprising a correction unit that stores the direction angle θ in a predetermined time range and removes the direction angle θ in which a change before and after the direction angle θ is equal to or greater than a predetermined angle threshold. The portable terminal of any one of Claims.
前記進行方向決定手段は、
複数の加速度ベクトルから重力方向の重力ベクトルを導出し、且つ、該重力ベクトルに対応する地磁気ベクトルを選択する基準ベクトル導出手段と、
前記重力ベクトルと前記地磁気ベクトルからなる方位基準面の法線ベクトルを導出する方位基準面導出手段と、
複数の加速度ベクトルから加速度面の法線ベクトルを近似的に算出する加速度面算出手段と、
前記方位基準面と前記加速度面の両平面の法線ベクトルのなす角を方向角として算出する方向角算出手段と
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。 A computer having an acceleration sensor that outputs triaxial acceleration data and a geomagnetic sensor that outputs triaxial geomagnetic data, and is mounted on a portable terminal carried by a pedestrian is obtained from the acceleration data and the geomagnetic data. A program for a portable terminal that functions as a traveling direction determining means for determining a traveling direction of the pedestrian,
The traveling direction determination means includes
A reference vector deriving means for deriving a gravity vector in the direction of gravity from a plurality of acceleration vectors and selecting a geomagnetic vector corresponding to the gravity vector;
An azimuth reference plane deriving means for deriving a normal vector of the azimuth reference plane composed of the gravity vector and the geomagnetic vector;
An acceleration surface calculating means for approximately calculating a normal vector of the acceleration surface from a plurality of acceleration vectors;
A program for a portable terminal, which causes a computer to function as direction angle calculation means for calculating an angle formed by normal vectors of both planes of the azimuth reference plane and the acceleration plane as a direction angle.
複数の加速度ベクトルから重力方向の重力ベクトルを導出し、且つ、該重力ベクトルに対応する地磁気ベクトルを選択する第1のステップと、
前記重力ベクトルと前記重力ベクトルに対応する地磁気ベクトルの法線ベクトルを導出する第2のステップと、
複数の加速度ベクトルから加速度面の法線ベクトルを近似的に算出する第3のステップと、
前記方位基準面と前記加速度面の法線ベクトルのなす角を方向角として算出する第4のステップと
を有することを特徴とする携帯端末の進行方向決定方法。 A portable terminal having an acceleration sensor that outputs triaxial acceleration data and a geomagnetic sensor that outputs triaxial geomagnetic data, and the progress of the pedestrian based on the acceleration data and the geomagnetic data. A traveling direction determination method for determining a direction,
Deriving a gravity vector in the direction of gravity from a plurality of acceleration vectors and selecting a geomagnetic vector corresponding to the gravity vector;
A second step of deriving a normal vector of the gravity vector and a geomagnetic vector corresponding to the gravity vector;
A third step of approximately calculating a normal vector of an acceleration surface from a plurality of acceleration vectors;
A method of determining a traveling direction of a mobile terminal, comprising: a fourth step of calculating an angle formed by a normal vector of the azimuth reference plane and the acceleration plane as a direction angle.
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