JP5511088B2 - 自律測位に用いる重力ベクトルを補正する携帯装置、プログラム及び方法 - Google Patents
自律測位に用いる重力ベクトルを補正する携帯装置、プログラム及び方法 Download PDFInfo
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Description
本発明は、自律測位に用いる重力ベクトルを補正する技術に関する。
従来、正確な端末姿勢を推定するために、重力ベクトルを補正する技術がある（例えば特許文献１参照）。この技術によれば、携帯装置は、角速度センサ及び加速度センサを有し、角速度データ及び加速度データから重力方向を逐次算出する。重力ベクトルは、角速度データに基づいて算出される。最初に、その重力ベクトルを、加速度ベクトルの方向へ近づくように補正する。次に、端末が所定の運動をする場合に、その重力ベクトルを、加速度データ及び角速度データの予め定義された関係から推定される重力方向へ近づくように補正する。最後に、その重力ベクトルを、所定期間における加速度ベクトルの平均の方向へ近づくように補正する。このように補正された重力ベクトルを用いて、正確な端末姿勢を推定することができる。
特許文献１に記載の技術によれば、携帯装置に、少なくとも角速度センサを搭載する必要がある。また、加速度データと角速度データとの関係を予め定義しておく必要があり、携帯装置を保持する態様の個人差には対応できない。
そこで、本発明は、携帯装置を保持する態様の個人差に関係なく、重力ベクトルを補正することができる携帯装置、プログラム及び方法を提供することを目的とする。
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を用いて重力ベクトルを算出すると共に、自律的に測位した推定方位角ｄを出力する自律測位手段と
を有し、重力ベクトルを推定する携帯装置であって、
ユーザ行動に基づく当該装置の円周移動中に、推定方位角ｄを蓄積する推定方位角バッファ手段と、
当該装置の円周移動後、始動位置から終動位置までの推定方位角ｄ毎の座標変化を累積した南北方向座標差Ｎ（Σcosｄ）及び東西方向座標差Ｅ（Σsinｄ）を導出する座標差導出手段と、
南北方向座標差Ｎに基づいてピッチオフセットｐを算出するピッチオフセット算出手段、及び／又は、東西方向座標差Ｅに基づいてロールオフセットｒを算出するロールオフセット算出手段とを有し、
自律測位手段は、ピッチオフセットｐ及び／又はロールオフセットｒによって補正した重力ベクトルを用いて推定方位角ｄを算出することを特徴とする。
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を用いて重力ベクトルを算出すると共に、自律的に測位した推定方位角ｄを出力する自律測位手段と
を有し、重力ベクトルを推定する携帯装置であって、
ユーザ行動に基づく当該装置の円周移動中に、推定方位角ｄを蓄積する推定方位角バッファ手段と、
当該装置の円周移動後、始動位置から終動位置までの推定方位角ｄ毎の座標変化を累積した南北方向座標差Ｎ（Σcosｄ）及び東西方向座標差Ｅ（Σsinｄ）を導出する座標差導出手段と、
南北方向座標差Ｎに基づいてピッチオフセットｐを算出するピッチオフセット算出手段、及び／又は、東西方向座標差Ｅに基づいてロールオフセットｒを算出するロールオフセット算出手段とを有し、
自律測位手段は、ピッチオフセットｐ及び／又はロールオフセットｒによって補正した重力ベクトルを用いて推定方位角ｄを算出することを特徴とする。
本発明の携帯装置における他の実施形態によれば、
ピッチオフセット算出手段は、南北方向座標差Ｎと、ピッチオフセットｐとが、以下の式を満たすように対応付けられたピッチオフセットテーブルを有し、
φ：所定の地磁気ベクトルから重力ベクトルに対する伏角
ｄ：１歩毎の推定方位角
θ：円周移動によって得られるｄの変化を０〜２πの連続的変化に近似した方位角
当該ピッチオフセットテーブルを用いて、当該南北方向座標差Ｎから、ピッチオフセットｐを導出するものであり、
ロールオフセット算出手段は、東西方向座標差Ｅと、ロールオフセットｒとが、以下の式を満たすように対応付けられたロールオフセットテーブルを有し、
当該ロールオフセットテーブルを用いて、当該東西方向座標差Ｅから、ロールオフセットｒを導出することも好ましい。
ピッチオフセット算出手段は、南北方向座標差Ｎと、ピッチオフセットｐとが、以下の式を満たすように対応付けられたピッチオフセットテーブルを有し、
ｄ：１歩毎の推定方位角
θ：円周移動によって得られるｄの変化を０〜２πの連続的変化に近似した方位角
当該ピッチオフセットテーブルを用いて、当該南北方向座標差Ｎから、ピッチオフセットｐを導出するものであり、
ロールオフセット算出手段は、東西方向座標差Ｅと、ロールオフセットｒとが、以下の式を満たすように対応付けられたロールオフセットテーブルを有し、
本発明の携帯装置における他の実施形態によれば、
推定方位角ｄが０°〜３６０°まで変化する円周移動期間を検出する円周移動期間検出手段を更に有し、
推定方位角バッファ手段は、円周移動期間における推定方位角ｄを蓄積することも好ましい。
推定方位角ｄが０°〜３６０°まで変化する円周移動期間を検出する円周移動期間検出手段を更に有し、
推定方位角バッファ手段は、円周移動期間における推定方位角ｄを蓄積することも好ましい。
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、
を有する携帯装置に搭載されたコンピュータを機能させるものであって、
加速度データ及び地磁気データを用いて重力ベクトルを算出すると共に、自律的に測位した推定方位角ｄを出力する自律測位手段と
してコンピュータを機能させる、重力ベクトルを推定するプログラムであって、
ユーザ行動に基づく当該装置の円周移動中に、推定方位角ｄを蓄積する推定方位角バッファ手段と、
当該装置の円周移動後、始動位置から終動位置までの推定方位角ｄ毎の座標変化を累積した南北方向座標差Ｎ（Σcosｄ）及び東西方向座標差Ｅ（Σsinｄ）を導出する座標差導出手段と、
南北方向座標差Ｎに基づいてピッチオフセットｐを算出するピッチオフセット算出手段、及び／又は、東西方向座標差Ｅに基づいてロールオフセットｒを算出するロールオフセット算出手段とを有し、
自律測位手段は、ピッチオフセットｐ及び／又はロールオフセットｒによって補正した重力ベクトルを用いて推定方位角ｄを算出する
ようにコンピュータを更に機能させることを特徴とする。
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、
を有する携帯装置に搭載されたコンピュータを機能させるものであって、
加速度データ及び地磁気データを用いて重力ベクトルを算出すると共に、自律的に測位した推定方位角ｄを出力する自律測位手段と
してコンピュータを機能させる、重力ベクトルを推定するプログラムであって、
ユーザ行動に基づく当該装置の円周移動中に、推定方位角ｄを蓄積する推定方位角バッファ手段と、
当該装置の円周移動後、始動位置から終動位置までの推定方位角ｄ毎の座標変化を累積した南北方向座標差Ｎ（Σcosｄ）及び東西方向座標差Ｅ（Σsinｄ）を導出する座標差導出手段と、
南北方向座標差Ｎに基づいてピッチオフセットｐを算出するピッチオフセット算出手段、及び／又は、東西方向座標差Ｅに基づいてロールオフセットｒを算出するロールオフセット算出手段とを有し、
自律測位手段は、ピッチオフセットｐ及び／又はロールオフセットｒによって補正した重力ベクトルを用いて推定方位角ｄを算出する
ようにコンピュータを更に機能させることを特徴とする。
本発明の携帯装置用のプログラムにおける他の実施形態によれば、
ピッチオフセット算出手段は、南北方向座標差Ｎと、ピッチオフセットｐとが、以下の式を満たすように対応付けられたピッチオフセットテーブルを有し、
φ：所定の地磁気ベクトルから重力ベクトルに対する伏角
ｄ：１歩毎の推定方位角
θ：円周移動によって得られるｄの変化を０〜２πの連続的変化に近似した方位角
当該ピッチオフセットテーブルを用いて、当該南北方向座標差Ｎから、ピッチオフセットｐを導出するものであり、
ロールオフセット算出手段は、東西方向座標差Ｅと、ロールオフセットｒとが、以下の式を満たすように対応付けられたロールオフセットテーブルを有し、
当該ロールオフセットテーブルを用いて、当該東西方向座標差Ｅから、ロールオフセットｒを導出する
ようにコンピュータを機能させることも好ましい。
ピッチオフセット算出手段は、南北方向座標差Ｎと、ピッチオフセットｐとが、以下の式を満たすように対応付けられたピッチオフセットテーブルを有し、
ｄ：１歩毎の推定方位角
θ：円周移動によって得られるｄの変化を０〜２πの連続的変化に近似した方位角
当該ピッチオフセットテーブルを用いて、当該南北方向座標差Ｎから、ピッチオフセットｐを導出するものであり、
ロールオフセット算出手段は、東西方向座標差Ｅと、ロールオフセットｒとが、以下の式を満たすように対応付けられたロールオフセットテーブルを有し、
ようにコンピュータを機能させることも好ましい。
本発明の携帯装置用のプログラムにおける他の実施形態によれば、
推定方位角ｄが０°〜３６０°まで変化する円周移動期間を検出する円周移動期間検出手段を更に有し、
推定方位角バッファ手段は、円周移動期間における推定方位角ｄを蓄積するようにコンピュータを更に機能させることも好ましい。
推定方位角ｄが０°〜３６０°まで変化する円周移動期間を検出する円周移動期間検出手段を更に有し、
推定方位角バッファ手段は、円周移動期間における推定方位角ｄを蓄積するようにコンピュータを更に機能させることも好ましい。
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を用いて重力ベクトルを算出すると共に、自律的に測位した推定方位角ｄを出力する自律測位機能と
を有する携帯装置について、重力ベクトルを補正する方法であって、
ユーザ行動に基づく当該装置の円周移動中に、推定方位角ｄを蓄積し、当該装置の円周移動後、始動位置から終動位置までの推定方位角ｄ毎の座標変化を累積した南北方向座標差Ｎ（Σcosｄ）及び東西方向座標差Ｅ（Σsinｄ）を導出する第１のステップと、
南北方向座標差Ｎに基づいてピッチオフセットｐを算出し、及び／又は、東西方向座標差Ｅに基づいてロールオフセットｒを算出する第２のステップと、
自律測位機能が、ピッチオフセットｐ及び／又はロールオフセットｒによって補正した重力ベクトルを用いて推定方位角ｄを算出する第３のステップと
を有することを特徴とする。
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を用いて重力ベクトルを算出すると共に、自律的に測位した推定方位角ｄを出力する自律測位機能と
を有する携帯装置について、重力ベクトルを補正する方法であって、
ユーザ行動に基づく当該装置の円周移動中に、推定方位角ｄを蓄積し、当該装置の円周移動後、始動位置から終動位置までの推定方位角ｄ毎の座標変化を累積した南北方向座標差Ｎ（Σcosｄ）及び東西方向座標差Ｅ（Σsinｄ）を導出する第１のステップと、
南北方向座標差Ｎに基づいてピッチオフセットｐを算出し、及び／又は、東西方向座標差Ｅに基づいてロールオフセットｒを算出する第２のステップと、
自律測位機能が、ピッチオフセットｐ及び／又はロールオフセットｒによって補正した重力ベクトルを用いて推定方位角ｄを算出する第３のステップと
を有することを特徴とする。
本発明の重力ベクトル補正方法における他の実施形態によれば、
ピッチオフセットｐの算出には、南北方向座標差Ｎと、ピッチオフセットｐとが、以下の式を満たすように対応付けられたピッチオフセットテーブルを有し、
φ：所定の地磁気ベクトルから重力ベクトルに対する伏角
ｄ：１歩毎の推定方位角
θ：円周移動によって得られるｄの変化を０〜２πの連続的変化に近似した方位角
当該ピッチオフセットテーブルを用いて、当該南北方向座標差Ｎから、ピッチオフセットｐを導出し、
ロールオフセットｒの算出には、東西方向座標差Ｅと、ロールオフセットｒとが、以下の式を満たすように対応付けられたロールオフセットテーブルを有し、
当該ロールオフセットテーブルを用いて、当該東西方向座標差Ｅから、ロールオフセットｒを導出する
ようにコンピュータを機能させることも好ましい。
ピッチオフセットｐの算出には、南北方向座標差Ｎと、ピッチオフセットｐとが、以下の式を満たすように対応付けられたピッチオフセットテーブルを有し、
ｄ：１歩毎の推定方位角
θ：円周移動によって得られるｄの変化を０〜２πの連続的変化に近似した方位角
当該ピッチオフセットテーブルを用いて、当該南北方向座標差Ｎから、ピッチオフセットｐを導出し、
ロールオフセットｒの算出には、東西方向座標差Ｅと、ロールオフセットｒとが、以下の式を満たすように対応付けられたロールオフセットテーブルを有し、
ようにコンピュータを機能させることも好ましい。
本発明の重力ベクトル補正方法における他の実施形態によれば、
第１のステップについて、推定方位角ｄが０°〜３６０°まで変化する円周移動期間を検出し、該円周移動期間における推定方位角ｄを蓄積することも好ましい。
第１のステップについて、推定方位角ｄが０°〜３６０°まで変化する円周移動期間を検出し、該円周移動期間における推定方位角ｄを蓄積することも好ましい。
本発明の携帯装置、プログラム及び方法によれば、ユーザの円周移動によって取得した地磁気データ及び推定方位角からピッチオフセット及び／又はロールオフセットを算出し、そのオフセットによって重力ベクトルを補正することにより、携帯装置を保持する態様の個人差に関係なく、自律測位の精度を向上させることができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明における携帯装置の機能構成図である。
携帯装置１は、ユーザに所持されるものであって、例えば携帯電話機又はスマートフォンのようなものである。図１によれば、携帯装置１は、加速度センサ１０１と、地磁気センサ１０２とを有する。
加速度センサ１０１は、加速度、即ち単位時間当たりの速度の変化を検出する。携帯装置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。
地磁気センサ１０２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１０２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。
また、携帯装置１は、自律測位部１１１と、座標差導出部１１２と、円周移動期間検出部１１３と、推定方位角バッファ部１１４と、ピッチオフセット算出部１１５と、ロールオフセット算出部１１６と、アプリケーション部１１７とを有する。アプリケーション部１１７は、自律測位部１１１から導出された推定方位角ｄを用いて、様々なサービスをユーザに提供する。これら機能構成部は、携帯装置１に搭載されたコンピュータを機能させるプログラムを実行することによって実現される。また、これら機能構成部の処理の流れは、重力ベクトルの補正方法としても理解できる。
自律測位部１１１は、加速度データ及び地磁気データを用いて重力ベクトルを算出すると共に、自律的に測位した推定方位角ｄ（°）を出力する。自律測位部１１１は、既存のデッドレコニング(Dead Reckoning：ＤＲ)技術（自律推測航法技術）に基づくものであって、屋内のように測位電波を受信できない場所にあっても、その位置を自律的に測位することができる。デッドレコニング技術は、エンコーダや慣性センサを利用した相対的自己位置推定技術をいい、一般に、既知の初期値（位置と姿勢）に対して、地磁気データ又は角速度データ（ジャイロスコープ）及び加速度データを足し合わせて、その後の位置及び姿勢を算出する。そのために、デッドレコニング技術のみでは、誤差が蓄積していくことなる。即ち、重力ベクトルの誤差も蓄積していくこととなる。
図１によれば、自律測位部１１１は、ピッチオフセット算出部１１５からピッチオフセットｐがフィードバックされ、ロールオフセット算出部１１６からロールオフセットｒがフィードバックされる。ここで、移動向きをｘ軸正方向、移動向きに対して左手方向をｙ軸正方向、移動向きに対する上方をｚ軸方向とするとする。このとき、各軸の回転を、以下のように表す。
ｘ軸周りの回転 ： ロール(roll)
ｙ軸周りの回転 ： ピッチ(pitch)
ｚ軸周りの回転 ： ヨー(yaw)
ｘ軸周りの回転 ： ロール(roll)
ｙ軸周りの回転 ： ピッチ(pitch)
ｚ軸周りの回転 ： ヨー(yaw)
自律測位部１１１は、自ら算出した推定方位角にピッチオフセットｐを足し合わせ（逆算）、また、自ら算出した重力ベクトルにロールオフセットｒを足し合わせる（逆算）。これによって、自律測位における重力ベクトルの誤差を補正することができ、その後の自律測位の精度を向上させることができる。
図２は、当該携帯装置を所持したユーザの円周移動を表す説明図である。
図２のように、携帯装置１は、ユーザに対して、始動位置と終動位置とが一致するように円周方向に一周回るように指示する。ここで、自律測位部１１１自ら算出する重力ベクトルに誤差が含まれることによって、自律測位部１１１から出力される推定方位角ｄにも誤差を生じる。これは、始動位置座標と終動位置座標とが一致しないという誤差を生じる。即ち、自律測位部１１１内の重力ベクトルの誤差によって、移動軌跡が変形することとなる。この重力ベクトルには、ピッチオフセットとロールオフセットとの誤差が含まれる。
「ピッチオフセット」は、左右方向を回転軸とした重力ベクトルの回転オフセットである。また、「ロールオフセット」は、前後方向を回転軸とした重力ベクトルの回転オフセットである。ここで、単一の方向に移動（歩行）した場合に、地磁気データ及び加速度データから重力ベクトルを補正しようとした場合、以下の問題が発生する。
（１）ピッチオフセットとロールオフセットとを、分離することができない。
（２）移動における絶対方位をＧＰＳ(Global Positioning System)から取得する必要がある。
（２）移動における絶対方位をＧＰＳ(Global Positioning System)から取得する必要がある。
これに対し、本発明によれば、当該携帯装置１を所持したユーザに、円周方向に１周回って、円を描くように移動（歩行）させるだけであって、ＧＰＳも必要としない。
座標差導出部１１２は、ユーザの行動に基づいて、当該装置が円周方向に一周回った際に、始動位置と終動位置の座標差から、南北方向座標差Ｎ及び東西方向座標差Ｅを導出する。
その座標差から、以降の処理によってオフセットが逆算される。尚、以下のように、注目すべき点がある。
（１）円を描くように歩行した場合、東西方向座標差Ｅには、ピッチオフセットはのらない。即ち、相殺されて０となる。
（２）円を描くように歩行した場合、南北方向座標差Ｎには、ロールオフセットはのらない。即ち、相殺されて０となる。
（１）円を描くように歩行した場合、東西方向座標差Ｅには、ピッチオフセットはのらない。即ち、相殺されて０となる。
（２）円を描くように歩行した場合、南北方向座標差Ｎには、ロールオフセットはのらない。即ち、相殺されて０となる。
このように、円周方向に１周移動することによって、絶対方位角を必要としないために、ＧＰＳのような絶対測位部を搭載する必要がない。携帯端末を保持するユーザも、円を描くように歩いて、始動位置に戻ればよいだけであって、方位を意識する必要もない。
本発明における他の実施形態によれば、円周移動期間検出部１１３を更に備えるものであってもよい。円周移動期間検出部１１３は、推定方位角の変化から、ユーザが周回していることを検出する。推定方位角が０°〜３６０°まで変化することを検出する。
円周移動期間検出部１１３に対応して、推定方位角バッファ部１１４を更に有する。推定方位角バッファ部１１４は、円周移動期間に、自律測位部１１１から出力された複数の推定方位角ｄを蓄積し、それら推定方位角を、円周移動期間検出部１１３へ出力する。推定方位角は、円周移動期間における例えば歩数毎に取得されるものであってもよい。
尚、円周移動期間は、ユーザ自ら、当該携帯端末へ「円周移動開始」を入力し、円周方向に一回りし、その後、当該携帯端末へ「円周移動終了」を入力するものであってもよい。この場合、円周移動期間検出部１１３及び推定方位角バッファ部１１４を、携帯装置に搭載する必要もない。
図３は、重力ベクトルＧと地磁気ベクトルＭとの関係を表すユーザ座標系である。
図３によれば、重力ベクトルＧによって推定された移動方位角θが表されている。また、重力ベクトルＧに対して、地磁気ベクトルＭは、伏角φを有する。ここで、伏角φは、当該携帯端末による円周方向への一回りの移動があっても、一定である。
地磁気は、南から北へ向けて到来しており、地磁気ベクトルは、地域によって固有の伏角φを伴って、北（磁北）方向を示すベクトルとなる。また、重力ベクトルＧに対して垂直な平面（地表面）への射影ベクトルは、北向きベクトルを表す。北向きベクトルから前向きベクトルへの回転角θは、移動方向方位角を表す。角度は、北から時計回りで表される。
図３によれば、地磁気ベクトルは、前後成分、回転軸成分及び鉛直成分に分解される。
前後成分 ＝sinφcosθ
回転軸成分＝sinφsinθ
鉛直成分 ＝cosφ
前後成分 ＝sinφcosθ
回転軸成分＝sinφsinθ
鉛直成分 ＝cosφ
重力ベクトルにオフセットがかかることによって、重力ベクトルを基準とした座標系では、地磁気ベクトルが、本来あるべき位置から回転して見える。これを重力ベクトルに対し垂直な面（地表面）から見ると、北方向が正しい位置からずれて見える。このときのθが、観測される方位角ｄとなる。
［ピッチオフセット算出部１１５］
ピッチオフセット算出部１１５は、当該ユーザの始動位置と終動位置との間の南北方向座標差Ｎに基づいて、ピッチオフセットｐを算出する。ここで、南北方向座標差Ｎは、図２によって表されている。ピッチオフセット算出部１１５は、南北方向座標差Ｎに対応付けてピッチオフセットｐを記憶したピッチオフセットテーブルを有する。
ピッチオフセット算出部１１５は、当該ユーザの始動位置と終動位置との間の南北方向座標差Ｎに基づいて、ピッチオフセットｐを算出する。ここで、南北方向座標差Ｎは、図２によって表されている。ピッチオフセット算出部１１５は、南北方向座標差Ｎに対応付けてピッチオフセットｐを記憶したピッチオフセットテーブルを有する。
ここで、地磁気ベクトルに対して、ピッチオフセットｐをかけた場合を考える。地磁気ベクトルの回転軸成分は、回転の影響を受けないために、一定である。
回転軸成分＝sinφsinθ
回転軸成分＝sinφsinθ
一方で、回転面成分（前後成分、鉛直成分）は、以下のように表される。
ｍ＝（sinφcosθ，cosφ）
これに、回転ｐ（ピッチオフセット）を加えると、以下のようになる。
ｍ＝（sinφcosθ，cosφ）
これに、回転ｐ（ピッチオフセット）を加えると、以下のようになる。
つまり、ピッチオフセットがかかった前後成分（観測値）は、以下のように表される。
前後成分＝sinφcosθcosｐ−cosφsinｐ
前後成分＝sinφcosθcosｐ−cosφsinｐ
推定方位角ｄに、１歩進んだ際の座標は、以下のように表される。
（Ｅ，Ｎ）＝（ｅ１，ｎ１）＝（sinｄ１，cosｄ１）
（Ｅ，Ｎ）＝（ｅ１，ｎ１）＝（sinｄ１，cosｄ１）
Ｅ及びＮは、前述した回転面成分及び前後成分によって、以下のようにθ及びｐの式で表される。
ここで、ユーザがＸ歩かけて、方位角０°から時計回りに一周歩行した際の座標を考える。東西方向の座標は、前述の式によって、以下のように表される。
この式によれば、奇関数となり、Ｅ＝０となる。これは、ピッチオフセットｐがのらないことを意味する。
また、南北方向の座標は、前述の式によって、以下のように表される。
この式によれば、南北方向の座標Ｎとピッチオフセットｐとを関係付けることができる。ピッチオフセットテーブルは、南北方向の座標Ｎとピッチオフセットｐとを対応付けて予め記憶する。勿論、本発明によれば、前述の式をリアルタイムに算出するものであってもよいが、その算出の演算処理量に負荷がかかるために、テーブルに予め登録していることが好ましい。
［ロールオフセット算出部１１６］
ロールオフセット算出部１１６は、当該ユーザの始動位置と終動位置との間の東西方向座標差Ｅに基づいて、ロールオフセットｒを算出する。ここで、東西方向座標差Ｅは、図２によって表されている。ロールオフセット算出部１１６は、東西方向座標差Ｅに対応付けてロールオフセットｒを記憶したロールオフセットテーブルを有する。
ロールオフセット算出部１１６は、当該ユーザの始動位置と終動位置との間の東西方向座標差Ｅに基づいて、ロールオフセットｒを算出する。ここで、東西方向座標差Ｅは、図２によって表されている。ロールオフセット算出部１１６は、東西方向座標差Ｅに対応付けてロールオフセットｒを記憶したロールオフセットテーブルを有する。
ここで、地磁気ベクトルに対して、ロールオフセットｒをかけた場合を考える。地磁気ベクトルの前後成分は、回転の影響を受けないために、一定である。
回転軸成分＝sinφcosθ
回転軸成分＝sinφcosθ
一方で、回転面成分（水平成分、鉛直成分）は、以下のように表される。
ｍ＝（sinφsinθ，cosφ）
これに、回転ｒ（ピッチオフセット）を加えると、以下のようになる。
ｍ＝（sinφsinθ，cosφ）
これに、回転ｒ（ピッチオフセット）を加えると、以下のようになる。
つまり、ロールオフセットがかかった水平成分（観測値）は、以下のように表される。
水平成分＝sinφsinθcosｒ−cosφsinｒ
水平成分＝sinφsinθcosｒ−cosφsinｒ
推定方位角ｄに、１歩進んだ際の座標は、以下のように表される。
（Ｅ，Ｎ）＝（ｅ１，ｎ１）＝（sinｄ１，cosｄ１）
（Ｅ，Ｎ）＝（ｅ１，ｎ１）＝（sinｄ１，cosｄ１）
Ｅ及びＮは、前述した回転面成分及び水平成分によって、以下のようにθ及びｒの式で表される。
ここで、ユーザがＸ歩かけて、方位角０°から時計回りに一周歩行した際の座標を考える。東西方向の座標は、前述の式によって、以下のように表される。
この式によれば、東西方向の座標Ｅとロールオフセットｒとを関係付けることができる。ロールオフセットテーブルは、東西方向の座標Ｅとロールオフセットｒとを対応付けて予め記憶する。勿論、本発明によれば、前述の式をリアルタイムに算出するものであってもよいが、その算出の演算処理量に負荷がかかるために、テーブルに予め登録していることが好ましい。
また、南北方向の座標は、前述の式によって、以下のように表される。
この式によれば、奇関数となり、Ｎ＝０となる。これは、ロールオフセットｒがのらないことを意味する。
前述したように、一周歩行した後の座標には、以下のような特性を有する。
南北方向：ピッチオフセットｐのみが反映される
東西方向：ロールオフセットｒのみが反映される
これによって、歩行者が一周したあとの座標から、ピッチオフセットとロールオフセットとを導出することができる。
南北方向：ピッチオフセットｐのみが反映される
東西方向：ロールオフセットｒのみが反映される
これによって、歩行者が一周したあとの座標から、ピッチオフセットとロールオフセットとを導出することができる。
このように算出されたピッチオフセットｐ及び／又はロールオフセットｒは、自律測位部１１１へフィードバックされる。これによって、自律測位部１１１は、自ら推定された重力ベクトルに対してピッチオフセットｐを引いたベクトルを、重力ベクトルとして位置を推定する。
最後に、前述した南北方向座標差Ｎとピッチオフセットｐとの関係式、及び、東西方向座標差Ｅとロールオフセットｒとの関係式について、補足的に説明する。
式における「θ」は、「正当方位角」を意味する。ここで、本発明によれば、正当方角θを、直接的に観測する必要がない。当該携帯装置を円周方向に１周回すことによって、正当方位角は、例えばθ＝０°，１°，２°，・・・，３５９°のように連続的に変化したものとみなされるからである。そして、本発明によれば、円周方向に１周回った後、その座標差からピッチオフセット及びロールオフセットを逆算することができる。
ここで、位置のズレとして現れる座標差は、正当方位角θを変化させながら移動（歩行）した場合に、推定方位角ｄから得られる推定位置の蓄積の結果である。従って、前述の式によれば、東西方向座標差Ｅ及び南北方向座標差Ｎは、ピッチオフセットｐ及びロールオフセットｒを伴った、正当方位角θ（０〜２πまでの変化）の積分によって表される。この式の中で、予め観測できている値（入力すべき既知の値）は、地磁気ベクトルの伏角φ（固定値）、南北方向座標差Ｎ、東西方向座標差Ｅのみである。
更に、前述した実施形態によれば、ピッチオフセットｐ及びロールオフセットｒを算出するために、テーブルを用いている。勿論、ｐ＝・・・及びｒ＝・・・と表した式によってリアルタイムに算出することも可能であるが、多大な演算量を要する。そのために、ｐとＮ、及び、ｒとＥの関係を、予めシミュレートした値を、テーブルに保持しておく。これによって、ピッチオフセット算出部１１４及びロールオフセット算出部１１５は、Ｎ及びＥに基づいてテーブルを引くだけで、ｐ及びｒを得ることができる。
以上、詳細に説明したように、本発明の携帯装置、プログラム及び方法によれば、ユーザの円周移動によって取得した地磁気データ及び推定方位角からピッチオフセット及び／又はロールオフセットを算出し、そのオフセットによって重力ベクトルを補正することにより、携帯装置を保持する態様の個人差に関係なく、自律測位の精度を向上させることができる。
前述した本発明の種々の実施形態について、本発明の技術思想及び見地の範囲の種々の変更、修正及び省略は、当業者によれば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。
１ 携帯装置
１０１ 加速度センサ
１０２ 地磁気センサ
１１１ 自律測位部
１１２ 座標差導出部
１１３ 円周移動期間検出部
１１４ 推定方位角バッファ部
１１５ ピッチオフセット算出部
１１６ ロールオフセット算出部
１１７ アプリケーション部
１０１ 加速度センサ
１０２ 地磁気センサ
１１１ 自律測位部
１１２ 座標差導出部
１１３ 円周移動期間検出部
１１４ 推定方位角バッファ部
１１５ ピッチオフセット算出部
１１６ ロールオフセット算出部
１１７ アプリケーション部
Claims (9)
- 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、
前記加速度データ及び前記地磁気データを用いて重力ベクトルを算出すると共に、自律的に測位した推定方位角ｄを出力する自律測位手段と
を有し、重力ベクトルを推定する携帯装置であって、
ユーザ行動に基づく当該装置の円周移動中に、前記推定方位角ｄを蓄積する推定方位角バッファ手段と、
当該装置の円周移動後、始動位置から終動位置までの推定方位角ｄ毎の座標変化を累積した南北方向座標差Ｎ（Σcosｄ）及び東西方向座標差Ｅ（Σsinｄ）を導出する座標差導出手段と、
前記南北方向座標差Ｎに基づいてピッチオフセットｐを算出するピッチオフセット算出手段、及び／又は、前記東西方向座標差Ｅに基づいてロールオフセットｒを算出するロールオフセット算出手段とを有し、
前記自律測位手段は、前記ピッチオフセットｐ及び／又は前記ロールオフセットｒによって補正した重力ベクトルを用いて推定方位角ｄを算出する
ことを特徴とする携帯装置。 - 前記ピッチオフセット算出手段は、前記南北方向座標差Ｎと、前記ピッチオフセットｐとが、以下の式を満たすように対応付けられたピッチオフセットテーブルを有し、
ｄ：１歩毎の推定方位角
θ：円周移動によって得られるｄの変化を０〜２πの連続的変化に近似した方位角
当該ピッチオフセットテーブルを用いて、当該南北方向座標差Ｎから、ピッチオフセットｐを導出するものであり、
前記ロールオフセット算出手段は、前記東西方向座標差Ｅと、前記ロールオフセットｒとが、以下の式を満たすように対応付けられたロールオフセットテーブルを有し、
ことを特徴とする請求項１に記載の携帯装置。 - 推定方位角ｄが０°〜３６０°まで変化する円周移動期間を検出する円周移動期間検出手段を更に有し、
前記推定方位角バッファ手段は、前記円周移動期間における前記推定方位角ｄを蓄積することを特徴とする請求項１又は２に記載の携帯装置。 - 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、
を有する携帯装置に搭載されたコンピュータを機能させるものであって、
前記加速度データ及び前記地磁気データを用いて重力ベクトルを算出すると共に、自律的に測位した推定方位角ｄを出力する自律測位手段と
してコンピュータを機能させる、重力ベクトルを推定するプログラムであって、
ユーザ行動に基づく当該装置の円周移動中に、前記推定方位角ｄを蓄積する推定方位角バッファ手段と、
当該装置の円周移動後、始動位置から終動位置までの推定方位角ｄ毎の座標変化を累積した南北方向座標差Ｎ（Σcosｄ）及び東西方向座標差Ｅ（Σsinｄ）を導出する座標差導出手段と、
前記南北方向座標差Ｎに基づいてピッチオフセットｐを算出するピッチオフセット算出手段、及び／又は、前記東西方向座標差Ｅに基づいてロールオフセットｒを算出するロールオフセット算出手段とを有し、
前記自律測位手段は、前記ピッチオフセットｐ及び／又は前記ロールオフセットｒによって補正した重力ベクトルを用いて推定方位角ｄを算出する
ようにコンピュータを更に機能させることを特徴とする携帯装置用のプログラム。 - 前記ピッチオフセット算出手段は、前記南北方向座標差Ｎと、前記ピッチオフセットｐとが、以下の式を満たすように対応付けられたピッチオフセットテーブルを有し、
ｄ：１歩毎の推定方位角
θ：円周移動によって得られるｄの変化を０〜２πの連続的変化に近似した方位角
当該ピッチオフセットテーブルを用いて、当該南北方向座標差Ｎから、ピッチオフセットｐを導出するものであり、
前記ロールオフセット算出手段は、前記東西方向座標差Ｅと、前記ロールオフセットｒとが、以下の式を満たすように対応付けられたロールオフセットテーブルを有し、
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４に記載の携帯装置用のプログラム。 - 推定方位角ｄが０°〜３６０°まで変化する円周移動期間を検出する円周移動期間検出手段を更に有し、
前記推定方位角バッファ手段は、前記円周移動期間における前記推定方位角ｄを蓄積するようにコンピュータを更に機能させることを特徴とする請求項４又は５に記載の携帯装置用のプログラム。 - 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、
前記加速度データ及び前記地磁気データを用いて重力ベクトルを算出すると共に、自律的に測位した推定方位角ｄを出力する自律測位機能と
を有する携帯装置について、重力ベクトルを補正する方法であって、
ユーザ行動に基づく当該装置の円周移動中に、前記推定方位角ｄを蓄積し、当該装置の円周移動後、始動位置から終動位置までの推定方位角ｄ毎の座標変化を累積した南北方向座標差Ｎ（Σcosｄ）及び東西方向座標差Ｅ（Σsinｄ）を導出する第１のステップと、
前記南北方向座標差Ｎに基づいてピッチオフセットｐを算出し、及び／又は、前記東西方向座標差Ｅに基づいてロールオフセットｒを算出する第２のステップと、
前記自律測位機能が、前記ピッチオフセットｐ及び／又は前記ロールオフセットｒによって補正した重力ベクトルを用いて推定方位角ｄを算出する第３のステップと
を有することを特徴とする重力ベクトル補正方法。 - 前記ピッチオフセットｐの算出には、前記南北方向座標差Ｎと、前記ピッチオフセットｐとが、以下の式を満たすように対応付けられたピッチオフセットテーブルを有し、
ｄ：１歩毎の推定方位角
θ：円周移動によって得られるｄの変化を０〜２πの連続的変化に近似した方位角
当該ピッチオフセットテーブルを用いて、当該南北方向座標差Ｎから、ピッチオフセットｐを導出し、
前記ロールオフセットｒの算出には、前記東西方向座標差Ｅと、前記ロールオフセットｒとが、以下の式を満たすように対応付けられたロールオフセットテーブルを有し、
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７に記載の重力ベクトル補正方法。 - 第１のステップについて、推定方位角ｄが０°〜３６０°まで変化する円周移動期間を検出し、該円周移動期間における前記推定方位角ｄを蓄積する
ことを特徴とする請求項７又は８に記載の重力ベクトル補正方法。
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