JP6322960B2 - 慣性装置、方法及びプログラム - Google Patents
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Description
慣性センサの出力に基づいて得られた加速度に含まれる水平成分及び鉛直成分のうち、前記鉛直成分がピークとなるピーク時刻を検出する検出部と、
前記ピーク時刻を中心とする所定の期間内の前記加速度の水平成分を用いて、水平方向の移動速度を表す水平速度を算出する算出部と、
前記水平速度が所定の範囲内である場合に、前記出力が歩行動作によるものであると判定する判定部と、
前記水平速度が、歩行動作によるものと判定された場合に、前記水平速度を用いて、進行方向を推定する推定部と、
を有し、
前記出力が、前記歩行動作とは異なる非歩行動作であるかを認識し、
前記推定部は、前記非歩行動作が認識されている間は前記進行方向を推定しない。
コンピュータが、慣性センサの出力に基づいて得られた加速度に含まれる水平成分及び鉛直成分のうち、前記鉛直成分がピークとなるピーク時刻を検出する検出段階と、
コンピュータが、前記ピーク時刻を中心とする所定の期間における、前記加速度の水平成分を用いて、水平方向の移動速度を表す水平速度を算出する算出段階と、
コンピュータが、前記水平速度が所定の範囲内である場合に、前記出力が歩行動作によるものであると判定する判定段階と、
コンピュータが、前記水平速度が、歩行動作によるものと判定された場合に、前記水平速度を用いて、進行方向を推定する推定段階と、
を有し、
前記出力が、前記歩行動作とは異なる非歩行動作であるかを認識し、
前記推定段階では、前記非歩行動作が認識されている間は前記進行方向を推定しない。
2. ハードウェア構成
3. 機能
3.1 座標系変換
拡張カルマンフィルタの一般式
拡張カルマンフィルタの適用
時間発展の手続き
第一の観測更新の手続き
第二の観測項新の手続き
TRIADアルゴリズムを用いた姿勢情報の計算
3.2 進行方向推定
3.3 進行方向推定結果
まず、図1を用いて、本発明の一実施形態における慣性装置の概要を説明する。図1は、慣性装置1を所持するユーザが歩行する様子を表している。本明細書では、ユーザの歩行する方向がx軸で表され、x軸と垂直であり、かつ、地面に平行な方向がy軸で表され、鉛直方向がz軸で表される。
次に、図2を用いて、本発明の一実施形態における慣性装置1のハードウェア構成を説明する。図2は、慣性装置1が、スマートフォンのような携帯デバイスである場合の、ハードウェア構成例である。
次に、図3を用いて、本発明の一実施形態における慣性装置1の機能ブロックを説明する。本節では、慣性装置1の機能を、「座標系変換」機能と、「進行方向推定」機能の、二つに分けて説明する。
慣性装置1において座標系変換機能を実行する座標系変換部100は、加速度取得部101と、角速度取得部102と、地磁気取得部103と、姿勢演算部104と、地磁気信頼性評価部105と、絶対加速度変換部107とを含む。座標系変換部100は、加速度センサ14より取得された、センサの座標系(デバイス座標系)における三軸の加速度を、絶対座標系における加速度(絶対加速度)に変換する。
図17は、一般的に知られている拡張カルマンフィルタの一般式を表す。カルマンフィルタでは、時間ステップをひとつ進めるために、時間発展と観測更新の二つの手続きが実行される。時間発展の手続きでは、前の時刻の推定状態から、現在時刻の推定状態が計算される。また、観測更新の手続では、現在時刻の観測を用い、推定値を補正して、より正確な状態が推定される。これらの手続を逐次繰り返すことによって、最適な状態変数が推定される。
姿勢演算部104は、上述した拡張カルマンフィルタにおける「時間発展の手続き」を、角速度センサ15の出力による姿勢情報の更新に用いる(ロール角、ピッチ角、ヨー角)。また、拡張カルマンフィルタにおける「観測更新の手続き」を、加速度センサ14の出力による姿勢情報の更新に用いる(ロール角、ピッチ角)(以後、「第一の観測更新の手続き」と呼ぶ)。また、「観測更新の手続き」を、さらに、地磁気センサ16の出力による姿勢情報の更新にも用いる(ヨー角)(以後、「第二の観測更新の手続き」と呼ぶ)。
まず、図5−図7を用いて、拡張カルマンフィルタにおける時間発展の手続きを説明する。姿勢演算部104は、当該手続きを実行し、後述する状態推定モデルにおいて、ジャイロ出力値を入力として、拡張カルマンフィルタの時間発展の手続きに従って時間積分を行う。そして、更新されたクオータニオンベクトルqと、誤差共分散行列Pを得る(ロール・ピッチ・ヨー角)。
次に、図8を用いて、拡張カルマンフィルタにおける第一の観測更新の手続きを説明する。姿勢演算部104は、当該手続きを実行し、加速度取得部101から得られる水平方向の角度情報と、現在のクオータニオンベクトルの水平角度情報とを比較し、その誤差分を補正する処理を行う(ロール・ピッチ角のみ)。
(1)観測残差
次に、図9を用いて、拡張カルマンフィルタにおける第二の観測更新の手続きを説明する。姿勢演算部104は、後述する地磁気信頼性評価部105から、地磁気取得部103の取得した情報が信頼できるものであるかについての通知を受け取る。そして、地磁気取得部103からの情報が信頼できる場合に、TRIADアルゴリズムに従って取得された姿勢情報から算出されるヨー角の情報を用いて、当該手続きを行い、クオータニオンベクトルのヨー角成分の補正を行う。TRIADアルゴリズムを用いた演算方法については後述する。
(1)観測残差
ここで、図16を用いて、地磁気信頼性評価部105が、既知のTRIADアルゴリズムにより、第二の姿勢情報を計算する例を説明する。
ステップS42において、AccRefとMagRefの外積を求め、その結果を正規化することにより、MagCrossAccを求める。
−地磁気ベクトルの絶対値が規定の範囲内か
−第一の姿勢情報と地磁気ベクトルから得られる伏角値が規定の範囲内か
−第二の姿勢情報と地磁気ベクトルから得られる伏角値が規定の範囲内か
ここで、規定の範囲は、国土地理院が発行している、伏角情報と、地磁気ベクトルの大きさの情報を用いて、設定することができる。
慣性装置1において進行方向推定機能を実行する進行方向推定部200は、バンドパスフィルタ201と、ピーク検出部204と、ピーク位置記憶部205と、移動加速度記憶部206と、水平成分移動速度特徴情報管理部207と、鉛直成分ピーク移動加速度取得部208と、水平成分移動速度特徴情報取得部209と、周期取得部210と、判定部211と、進行方向差出部212とを含む。進行方向推定部200は、座標系変換部100によって得られた、絶対座標系における加速度から、ユーザの一歩ごとの進行方向を求める。
次に、図22を用いて、歩行動作と非歩行動作の判定に伴う進行方向推定結果を説明する。図22は、本発明の一実施形態における慣性装置1を右手に所持した人が、歩行動作と非歩行動作を行なった場合の、進行方向推定結果を示している。
11 CPU
12 RAM
13 ROM
14 加速度センサ
15 角速度センサ(ジャイロセンサ)
16 地磁気センサ
17 マイク
18 スピーカ
19 通信モジュール
20 Bluetooth通信モジュール
21 GPS通信モジュール
22 ディスプレイ
23 タッチパネル
24 電池
25 気圧センサ
100 座標系変換部
101 加速度取得部
102 角速度取得部
103 地磁気取得部
104 姿勢演算部
105 地磁気信頼性評価部
107 絶対加速度変換部
201 バンドパスフィルタ
204 ピーク検出部
205 ピーク位置記憶部
206 移動加速度記憶部
207 水平成分移動速度特徴情報管理部
208 鉛直成分ピーク移動加速度取得部
209 水平成分移動速度特徴情報取得部
210 周期取得部
211 判定部
212 進行方向推定部
Claims (13)
- 慣性センサの出力に基づいて得られた加速度に含まれる水平成分及び鉛直成分のうち、前記鉛直成分がピークとなるピーク時刻を検出する検出部と、
前記ピーク時刻を中心とする所定の期間内の前記加速度の水平成分を用いて、水平方向の移動速度を表す水平速度を算出する算出部と、
前記水平速度が所定の範囲内である場合に、前記出力が歩行動作によるものであると判定する判定部と、
前記水平速度が、歩行動作によるものと判定された場合に、前記水平速度を用いて、進行方向を推定する推定部と、
を有し、
前記出力が、前記歩行動作とは異なる非歩行動作であるかを認識し、
前記推定部は、前記非歩行動作が認識されている間は前記進行方向を推定しない
慣性装置。 - 前記慣性センサは、加速度センサ、角速度センサ及び地磁気センサを含み、
前記加速度センサ及び前記角速度センサの出力を用いて、当該慣性装置の姿勢を表す姿勢情報を求める演算部と、
前記地磁気センサの出力の信頼性を評価する評価部と、
を有し、
前記演算部は、前記地磁気センサの出力が信頼できる場合に、前記地磁気センサの出力をさらに用いて、前記姿勢情報を求める
請求項1に記載の慣性装置。 - 前記評価部は、
前記演算部が、前記加速度センサ及び前記角速度センサの出力を用いて求めた姿勢情報である第一の姿勢情報と、
該第一の姿勢情報、予め取得された、リファレンスとなる前記加速度センサ及び前記角速度センサの出力、並びに前記地磁気センサの出力に基づいて求めた第二の姿勢情報と、
を比較することにより、前記地磁気センサの出力の信頼性を評価する、
請求項2に記載の慣性装置。 - 前記第一の姿勢情報及び前記第二の姿勢情報は、クオータニオンベクトルによって表現される、
請求項3に記載の慣性装置。 - 前記評価部は、前記第一の姿勢情報及び前記第二の姿勢情報の微分値の差が所定の範囲内である場合に、前記地磁気センサの出力が信頼できると判定する、
請求項4に記載の慣性装置。 - 前記演算部は、
前記角速度センサの出力を用いて、ロール角、ピッチ角及びヨー角についての前記姿勢情報を求める第一の手続きと、
前記加速度センサの出力を用いて、ロール角及びピッチ角についての前記姿勢情報を求める第二の手続きと、
前記地磁気センサの出力を用いて、ヨー角についての前記姿勢情報を求める第三の手続きと、
を実行する、請求項2に記載の慣性装置。 - 前記ピークは、前記加速度の鉛直成分が負となる場合のピークである、
請求項1乃至6何れか一項に記載の慣性装置。 - 前記判定部は、さらに、前記ピーク時刻における前記加速度の鉛直成分が所定の範囲内である場合に、前記出力が歩行動作によるものであると判定する、
請求項7に記載の慣性装置。 - 前記ピーク時刻に基づいて移動周期を取得する周期取得部
をさらに有し、
前記判定部は、さらに、前記移動周期が所定の範囲内である場合に、前記出力が移動動作によるものであると判定する、
請求項1乃至8何れか一項に記載の慣性装置。 - 前記判定部は、さらに、前記水平速度を用いて求めた、当該慣性装置の進行方向に対する左右のぶれ幅が、所定の範囲内である場合に、前記出力が歩行動作によるものであると判定する、
請求項1乃至9何れか一項に記載の慣性装置。 - 前記水平速度は、二つのベクトルによって表され、
前記推定部は、二つのベクトルの合成ベクトルの向きを進行方向と推定する、
請求項1乃至10何れか一項に記載の慣性装置。 - コンピュータが、慣性センサの出力に基づいて得られた加速度に含まれる水平成分及び鉛直成分のうち、前記鉛直成分がピークとなるピーク時刻を検出する検出段階と、
コンピュータが、前記ピーク時刻を中心とする所定の期間における、前記加速度の水平成分を用いて、水平方向の移動速度を表す水平速度を算出する算出段階と、
コンピュータが、前記水平速度が所定の範囲内である場合に、前記出力が歩行動作によるものであると判定する判定段階と、
コンピュータが、前記水平速度が、歩行動作によるものと判定された場合に、前記水平速度を用いて、進行方向を推定する推定段階と、
を有し、
前記出力が、前記歩行動作とは異なる非歩行動作であるかを認識し、
前記推定段階では、前記非歩行動作が認識されている間は前記進行方向を推定しない
方法。 - コンピュータに、請求項12に記載の方法を実行させるプログラム。
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