(57)【要約】測定対象であるベクトル物理量の大きさが均一な空間で取得された測定データ群でなくとも、信頼性の高いオフセットを推定すること。推定されたオフセットの信頼性を一段と向上させること。複数の成分からなるベクトル物理量を繰り返して検出し、ベクトル物理量データ群を取得し、取得したベクトル物理量データ群から差分ベクトル群を算出し、該算出された差分ベクトル群を用いた所定の評価式に基づいて取得したベクトル物理量データ群に含まれる基準点を推定する。算出された差分ベクトル群が基準点の推定に適しているか否かを判定し、該判定結果に基づいて所定の差分ベクトル群のみを基準点の推定のために出力する。また、推定された基準点の信頼度を差分ベクトル群を用いて判定し、該判定結果に基づいて所定の基準点のみをオフセットとして出力する。
2008146757.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物理量を計測する物理量計測装置であって、
複数の成分からなるベクトル物理量を検出するベクトル物理量検出手段と、
前記検出されたベクトル物理量をベクトル物理量データとして繰り返し取得することにより、ベクトル物理量データ群を取得するデータ取得手段と、
前記取得したベクトル物理量データ群から差分ベクトル群を算出し、該算出された差分ベクトル群を用いた所定の評価式に基づいて、前記取得したベクトル物理量データ群に含まれる基準点を推定する基準点推定手段と
を具えたことを特徴とする物理量計測装置。
【請求項２】
前記基準点推定手段は、
前記取得したベクトル物理量データ群の各成分の差によって前記差分ベクトル群を算出する差分ベクトル算出部と、
前記算出された差分ベクトル群を用いた前記評価式に基づいて、前記取得したベクトル物理量データ群の各成分を座標値とする所定の座標系上に定められた前記基準点の座標を推定し、該推定された基準点の座標をオフセットとして出力する基準点推定部と
を含むことを特徴とする請求項１記載の物理量計測装置。
【請求項３】
前記基準点推定手段は、
前記算出された差分ベクトル群の各差分ベクトルが、前記基準点の推定に適しているか否かを判定し、該判定結果に基づいて所定の差分ベクトル群のみを前記基準点の推定のために出力する差分ベクトル信頼性算出部
をさらに具えたことを特徴とする請求項１又は２記載の物理量計測装置。
【請求項４】
前記基準点推定手段は、
前記推定された基準点の信頼度を前記差分ベクトル群を用いて判定し、該判定結果に基づいて所定の基準点のみをオフセットとして出力する信頼性算出部
をさらに具えたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の物理量計測装置。
【請求項５】
前記評価式は、
前記差分ベクトルと、該差分ベクトルの中点と前記基準点を結ぶベクトルの内積の絶対値のＮ乗を用いて定められることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の物理量計測装置。
【請求項６】
前記評価式は、
前記差分ベクトルの中点と、前記基準点から該差分ベクトルに引いた垂線の足となる点との距離のＮ乗を用いて定められることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の物理量計測装置。
【請求項７】
前記ベクトル物理量検出手段は、２成分のベクトル物理量検出手段であり、
前記評価式は、前記差分ベクトルの垂直二等分線と前記基準点との距離のＮ乗を用いて定められることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の物理量計測装置。
【請求項８】
前記ベクトル物理量検出手段は、３成分のベクトル物理量検出手段であり、
前記評価式は、前記差分ベクトルの垂直二等分平面と前記基準点との距離のＮ乗を用いて定められることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の物理量計測装置。
【請求項９】
前記ベクトル物理量検出手段は、２成分のベクトル物理量検出手段であり、
前記評価式は、複数の前記差分ベクトルの垂直二等分線によって定まる点と前記基準点との距離のＮ乗を用いて定められることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の物理量計測装置。
【請求項１０】
前記ベクトル物理量検出手段は、３成分のベクトル物理量検出手段であり、
前記評価式は、３つ以上の前記差分ベクトルの垂直二等分平面によって定まる点と前記基準点との距離のＮ乗を用いて定められることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の物理量計測装置。
【請求項１１】
前記Ｎは２であることを特徴とする請求項５ないし１０記載の物理量計測装置。
【請求項１２】
前記基準点推定手段は、
前記差分ベクトルを構成する２つのベクトル物理量データが取得された時間差が所定値以下である差分ベクトルを用いて、前記基準点を推定することを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載の物理量計測装置。
【請求項１３】
前記基準点推定手段は、
前記差分ベクトルの大きさを算出し、
前記差分ベクトルの大きさが所定値以上となる差分ベクトルを用いて、前記基準点を推定することを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載の物理量計測装置。
【請求項１４】
前記基準点推定手段は、
前記データ取得手段が新たに取得したベクトル物理量データを含む２つのベクトル物理量データから計算される差分ベクトルと、前記データ取得手段が前記新たに取得したベクトル物理量データより前に取得した２つのベクトル物理量データから計算される差分ベクトルの成す角を計算し、
前記成す角が所定値以上となる場合、前記新たに取得したベクトル物理量データから計算される差分ベクトルを用いて基準点を推定することを特徴とする請求項１ないし１３のいずれかに記載の物理量計測装置。
【請求項１５】
前記基準点推定手段は、
前記基準点の座標を推定するために用いた差分ベクトル群の各々について、
該差分ベクトルの中点と前記基準点推定手段によって推定された基準点を結ぶベクトルとの成す角を算出し、
該成す角と９０度との差の最大値が、所定値以下である場合前記基準点をオフセットとして出力することを特徴とする請求項１ないし１４のいずれかに記載の物理量計測装置。
【請求項１６】
前記基準点の座標を推定するために用いた差分ベクトル群の各々について、
推定された基準点から該差分ベクトルに下ろした垂線の足と、該差分ベクトルの中点との距離を算出し、
該算出された距離の最大値が、所定値以下である場合前記基準点をオフセットとして出力することを特徴とする請求項１ないし１５のいずれかに記載の物理量計測装置。
【請求項１７】
前記ベクトル物理量検出手段は、２成分のベクトル物理量検出手段であり、
前記基準点推定手段は、
前記基準点の座標を推定するために用いた差分ベクトル群の各々について、
該差分ベクトルの垂直二等分線と前記推定された基準点の距離を算出し、
該算出された距離の最大値が、所定値以下である場合前記基準点をオフセットとして出力することを特徴とする請求項１ないし１６のいずれかに記載の物理量計測装置。
【請求項１８】
前記ベクトル物理量検出手段は、３成分のベクトル物理量検出手段であり、
前記基準点推定手段は、
前記基準点の座標を推定するために用いた差分ベクトル群の各々について、
該差分ベクトルの垂直二等分平面と前記推定された基準点の距離を算出し、
該算出された距離の最大値が、所定値以下である場合前記基準点をオフセットとして出力することを特徴とする請求項１ないし１７のいずれかに記載の物理量計測装置。
【請求項１９】
前記ベクトル物理量検出手段は、前記物理量として磁気を検出する磁気センサであることを特徴とする請求項１ないし１８のいずれかに記載の物理量計測装置。
【請求項２０】
前記ベクトル物理量検出手段は、前記物理量として加速度を検出する加速度センサであることを特徴とする請求項１ないし１８のいずれかに記載の物理量計測装置。
【請求項２１】
物理量を計測する物理量計測方法であって、
複数の成分からなるベクトル物理量を検出するベクトル物理量検出工程と、
前記検出されたベクトル物理量をベクトル物理量データとして繰り返し取得することにより、ベクトル物理量データ群を取得するデータ取得工程と、
前記取得したベクトル物理量データ群から差分ベクトル群を算出し、該算出された差分ベクトル群を用いた所定の評価式に基づいて、前記取得したベクトル物理量データ群に含まれる基準点を推定する基準点推定工程と
を具えたことを特徴とする物理量計測方法。
【請求項２２】
前記基準点推定工程は、
前記取得したベクトル物理量データ群の各成分の差によって前記差分ベクトル群を算出する差分ベクトル算出工程と、
前記算出された差分ベクトル群を用いた前記評価式に基づいて、前記取得したベクトル物理量データ群の各成分を座標値とする所定の座標系上に定められた前記基準点の座標を推定し、該推定された基準点の座標をオフセットとして出力する基準点推定工程と
を含むことを特徴とする請求項２１記載の物理量計測方法。
【請求項２３】
前記基準点推定工程は、
前記算出された差分ベクトル群の各差分ベクトルが、前記基準点の推定に適しているか否かを判定し、該判定結果に基づいて所定の差分ベクトル群のみを前記基準点の推定のために出力する差分ベクトル信頼性算出工程
をさらに具えたことを特徴とする請求項２１又は２２記載の物理量計測方法。
【請求項２４】
前記基準点推定工程は、
前記推定された基準点の信頼度を前記差分ベクトル群を用いて判定し、該判定結果に基づいて所定の基準点のみをオフセットとして出力する信頼性算出工程
をさらに具えたことを特徴とする請求項２１ないし２３のいずれかに記載の物理量計測方法。
【請求項２５】
前記評価式は、
前記差分ベクトルと、該差分ベクトルの中点と前記基準点を結ぶベクトルの内積の絶対値のＮ乗を用いて定められることを特徴とする請求項２１ないし２４のいずれかに記載の物理量計測方法。
【請求項２６】
前記評価式は、
前記差分ベクトルの中点と、前記基準点から該差分ベクトルに引いた垂線の足となる点との距離のＮ乗を用いて定められることを特徴とする請求項２１ないし２４のいずれかに記載の物理量計測方法。
【請求項２７】
前記ベクトル物理量検出工程は、２成分のベクトル物理量検出工程であり、
前記評価式は、前記差分ベクトルの垂直二等分線と前記基準点との距離のＮ乗を用いて定められることを特徴とする請求項２１ないし２４のいずれかに記載の物理量計測方法。
【請求項２８】
前記ベクトル物理量検出工程は、３成分のベクトル物理量検出工程であり、
前記評価式は、前記差分ベクトルの垂直二等分平面と前記基準点との距離のＮ乗を用いて定められることを特徴とする請求項２１ないし２４のいずれかに記載の物理量計測方法。
【請求項２９】
前記ベクトル物理量検出工程は、２成分のベクトル物理量検出工程であり、
前記評価式は、複数の前記差分ベクトルの垂直二等分線によって定まる点と前記基準点との距離のＮ乗を用いて定められることを特徴とする請求項２１ないし２４のいずれかに記載の物理量計測方法。
【請求項３０】
前記ベクトル物理量検出工程は、３成分のベクトル物理量検出工程であり、
前記評価式は、３つ以上の前記差分ベクトルの垂直二等分平面によって定まる点と前記基準点との距離のＮ乗を用いて定められることを特徴とする請求項２１ないし２４のいずれかに記載の物理量計測方法。
【請求項３１】
前記Ｎは２であることを特徴とする請求項２５ないし３０記載の物理量計測方法。
【請求項３２】
前記基準点推定工程は、
前記差分ベクトルを構成する２つのベクトル物理量データが取得された時間差が所定値以下である差分ベクトルを用いて、前記基準点を推定することを特徴とする請求項２１ないし３１のいずれかに記載の物理量計測方法。
【請求項３３】
前記基準点推定工程は、
前記差分ベクトルの大きさを算出し、
前記差分ベクトルの大きさが所定値以上となる差分ベクトルを用いて、前記基準点を推定することを特徴とする請求項２１ないし３２のいずれかに記載の物理量計測方法。
【請求項３４】
前記基準点推定工程は、
前記データ取得工程で新たに取得されたベクトル物理量データを含む２つのベクトル物理量データから計算される差分ベクトルと、前記データ取得工程で前記新たに取得されたベクトル物理量データより前に取得された２つのベクトル物理量データから計算される差分ベクトルの成す角を計算し、
前記成す角が所定値以上となる場合、前記新たに取得されたベクトル物理量データから計算される差分ベクトルを用いて基準点を推定することを特徴とする請求項２１ないし３３のいずれかに記載の物理量計測方法。
【請求項３５】
前記基準点推定工程は、
前記基準点の座標を推定するために用いた差分ベクトル群の各々について、
該差分ベクトルの中点と前記基準点推定工程によって推定された基準点を結ぶベクトルとの成す角を算出し、
該成す角と９０度との差の最大値が、所定値以下である場合前記基準点をオフセットとして出力することを特徴とする請求項２１ないし３４のいずれかに記載の物理量計測方法。
【請求項３６】
前記基準点の座標を推定するために用いた差分ベクトル群の各々について、
推定された基準点から該差分ベクトルに下ろした垂線の足と、該差分ベクトルの中点との距離を算出し、
該算出された距離の最大値が、所定値以下である場合前記基準点をオフセットとして出力することを特徴とする請求項２１ないし３５のいずれかに記載の物理量計測方法。
【請求項３７】
前記ベクトル物理量検出工程は、２成分のベクトル物理量検出工程であり、
前記基準点推定工程は、
前記基準点の座標を推定するために用いた差分ベクトル群の各々について、
該差分ベクトルの垂直二等分線と前記推定された基準点の距離を算出し、
該算出された距離の最大値が、所定値以下である場合前記基準点をオフセットとして出力することを特徴とする請求項２１ないし３６のいずれかに記載の物理量計測方法。
【請求項３８】
前記ベクトル物理量検出工程は、３成分のベクトル物理量検出工程であり、
前記基準点推定工程は、
前記基準点の座標を推定するために用いた差分ベクトル群の各々について、
該差分ベクトルの垂直二等分平面と前記推定された基準点の距離を算出し、
該算出された距離の最大値が、所定値以下である場合前記基準点をオフセットとして出力することを特徴とする請求項２１ないし３７のいずれかに記載の物理量計測方法。
【請求項３９】
前記ベクトル物理量検出工程は、磁気センサにより前記物理量としての磁気を検出することを特徴とする請求項２１ないし３８のいずれかに記載の物理量計測方法。
【請求項４０】
前記ベクトル物理量検出工程は、加速度センサにより前記物理量として加速度を検出することを特徴とする請求項２１ないし３８のいずれかに記載の物理量計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物理量計測装置および物理量計測方法に関する。より詳細には、ベクトル物理量を検出するセンサが取得したベクトル物理量データ群からベクトル物理量データ群に含まれるオフセットを推定するための物理量計測装置および物理量計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気センサを２方向または３方向に配置し、地磁気を測定して方位を計算する方位角計測装置（いわゆる電子コンパス）が知られている。近年、方位角計測装置の小型化が進み、携帯電話やＰＤＡ(Ｐｅｒｓｏｌｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ)を始めとする携帯機器に搭載される例がある。【０００３】
このような方位角計測装置は、磁気センサの周辺にスピーカなどの着磁された部品が配置された場合、着磁された部品からもれる磁場も地磁気と同時に検出するため、測定信号から地磁気以外に起因する信号成分を差し引いてから方位を求めないと、誤った方位が計算されてしまう。地磁気以外に起因する定常的な信号成分をオフセットと呼ぶ。【０００４】
携帯機器に適した方位角計測装置のオフセットの推定方法は特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されている方法は、携帯機器が使用者の使用状況に応じて様々な姿勢を取る事を利用し、使用者に意識させること無く自動的に携帯機器に搭載された方位角計測装置のオフセットを推定する技術である。【０００５】
図１１は、従来の方位角計測装置において、オフセットを推定する方法の概念を説明する図である。【０００６】
地磁気の大きさが均一な環境で、使用者が方位角計測装置１を自由に動かしたとき、方位角計測装置１が取得する地磁気データは、データに含まれるオフセットを中心とする球面上に分布する。なお、方位角計測装置１の各測定軸の感度は同じであるとする。【０００７】
（本件では、上述の通りデータに含まれる地磁気以外の成分をオフセットと呼ぶ。オフセットの推定にあたり、まず、地磁気データ群が分布する球面（地磁気を３軸の地磁気センサを用いて検出した場合）の中心が推定される。球面の中心を基準点と呼ぶ。次に推定された基準点の信頼性(システムが許容できる推定誤差で推定されているか)が調べられ、信頼性があると判断された基準点がシステムのオフセットとして採用される。信頼性の判定をしない場合は基準点はそのままシステムのオフセットとして採用される）。【０００８】
特許文献１によると、方位角計測装置１によって繰り返し取得された３軸測定データ群を（ｘi，ｙi，ｚi）としたとき、評価式［数１］を最小にするように基準点(ｏx，ｏy，ｏz)を推定するのが妥当であり、このとき基準点は［数２］で示される連立一次方程式の解によって求められるとしている。即ち、【０００９】
【数１】
2008146757.tif 000003
【００１０】
【数２】
2008146757.tif 000004
【００１１】
ここで、【００１２】
【数３】
2008146757.tif 000005
【００１３】
で、Ｎは取得した地磁気データ数である。【００１４】
センサのオフセットを求める他の方法が特許文献８に開示されている。特許文献８によると、次期検出手段が検出した３点以上の磁気データのうち、任意の２点間を結ぶ直線に対する垂直二等分線と、前期任意の２点とは異なる他の２点間を結ぶ直線に対する垂直二等分線の交点をオフセットとしている。【００１５】
また、複数の磁気データから任意の２点を多数抽出し、それぞれの２点間を結ぶ直線ごとに垂直二等分線を多数設定するとともに、前記多数の垂直二等分線が交差する複数の交点の座標を平均化したものをオフセットとしている。【００１６】
近年、携帯機器に組込み可能な軽量小型の３軸加速度センサとしてＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術を用いた半導体デバイスのピエゾ抵抗型３軸加速度センサが開発されている（例えば、特許文献７参照）。【００１７】
加速度センサのオフセットを、使用者に意識させること無く自動的に推定する手法が特許文献５や特許文献６に開示されている。いずれも［数２］を基礎とする技術であるが、加速度特有の性質を利用し、信頼度の高いオフセットを推定するための技術が開示されている。【００１８】
３軸加速度センサが検出する重力加速度測定データは、図１１の方位角計測装置と同様に、加速度センサのオフセットを中心とする球面上に分布する。なお、加速度センサの各測定軸の感度は同じであるとする。【００１９】
加速度センサは重力加速度と同時に運動加速度を検出するため、信頼度の高いオフセットを求めるためには重力加速度と運動加速度の分離が技術的なポイントとなる。【００２０】
特許文献５は時間的に連続する加速度測定データから携帯端末が静止したことを判定し、そのときの加速度測定データのみを用いオフセットを推定している。【００２１】
特許文献６は時間的に連続する加速度測定データのばらつきから加速度測定データに運動加速度が含まれる確率を見積もり、運動加速度を含んだ測定データからもオフセットを推定できるようにしている。【００２２】
【特許文献１】ＰＣＴ／ＪＰ２００３／００８２９３
【特許文献２】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００９３２４
【特許文献３】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／０１８８８８
【特許文献４】特開２００５−１９５３７６号公報
【特許文献５】ＰＣＴ／ＪＰ２００５／０１４８１７
【特許文献６】ＰＣＴ／ＪＰ２００６／３２６０１５
【特許文献７】特開２００３−１０１０３３号公報
【特許文献８】特開２００６−２２６８１０号公報
【発明の開示】
【００２３】
上述した［数２］は、地磁気の大きさが均一な空間で取得された地磁気データ群から、地磁気データ群に含まれるオフセットを推定する式である。
【００２４】
しかしながら、地磁気の大きさが均一な環境は少ない。
【００２５】
図１２は、市街地にて直線上を歩行しながら地磁気の大きさ、地磁気の伏角、及び歩行方位(地磁気方位)を計測した結果を示す図である。
【００２６】
図１２のデータを取得したときの歩行速度は概ね１ｍ／１秒程度であったので、横軸の単位はおおよそｍ（メートル）と考えて良い。場所により地磁気が変動していることがわかる。建造物に含まれる鉄などの磁性体によって地磁気の引込みが生じるため、一般的に地磁気は人工建造物の周囲では均一でない。
【００２７】
このため、方位角計測装置が取得した地磁気測定データを無作為に抽出し、［数２］を用いてオフセットを求めたとしても正確な値が得られるとは限らない。
【００２８】
特許文献８に開示されている垂直二等分線の交点からオフセットを求める手法を用いれば、少なくとも個々の垂直二等分線を設定する二つの磁気データが同じ地磁気の大きさの場所で取得されていれば、全ての磁気データが取得された場所の地磁気の大きさが同じでなくともセンサのオフセットを求めることができる。
【００２９】
［数２］と組み合わせて、信頼度の高いオフセットを推定する技術が特許文献１、特許文献２、特許文献３などに開示されている。特許文献１は例えば、［数２］による推定に用いた測定データ群の各軸成分の最大値と最小値の差分を算出し、差分が所定値以上の場合、推定された基準点をオフセットとして採用するとしている。地磁気の大きさが様々な場所で取得されたデータ群でも、データ群が広い領域に分布していれば推定される基準点の精度は高まる。
【００３０】
また、定期的に推定される基準点群の各軸成分の最大値と最小値の差分（ばらつき）を算出し、差分が所定値以下の場合、推定された基準点をオフセットとして採用するとしている。推定される基準点のばらつきが小さい時は、推定に用いられた測定データ群が均一な地磁気環境で取得された可能性が高い。
【００３１】
特許文献３では、推定に用いた測定データ群を平面に当てはめ、当てはめた平面と測定データ群の距離を算出し、距離の最大値が所定値以上の場合推定された基準点をオフセットとして採用するとしている。
【００３２】
特許文献２では、前記所定値を定期的に（例えばオフセットが所定の回数得られる度に）厳しくする、または、特定の事象が発生した場合（例えば携帯端末にメモリカード等の磁性体部品が装着された）に緩めることにより、携帯機器の操作開始直後は信頼度が低くても速やかにオフセットを推定し、徐々にオフセットの信頼性を高めていく手法が開示されている。
【００３３】
図１３は、従来の基準点推定手段３００の構成を示すブロック図である。
【００３４】
基準点推定手段３００は、データ取得手段３０１によって取得されたデータを必要に応じて蓄積し、基準点推定部３０２によってその蓄積されたデータ群から予め決められた評価式３０３に基づいてデータ取得手段３０１が出力するデータに含まれる基準点を推定し、オフセットとして出力される。通常、推定された基準点は、信頼性が調べられ（特許文献１、特許文献２、特許文献３）、信頼性があると判定された基準点のみオフセットとして出力される。
【００３５】
しかしながら、上述した従来の方法は、何れも精度の良い基準点をオフセットとして採用する確率を高めるための手法であり、推定に用いたデータによっては誤って精度の低い基準点を採用してしまう場合もある。誤って精度の低い基準点を採用しないように、所定値を厳しく設定しすぎると、オフセットを得るまでに非常に長い時間がかかってしまう。方位角計測装置を利用するシステムが要求する複数の仕様（必要なオフセットの平均精度、精度の悪いオフセットが得られる頻度、オフセットを得るまでの時間、等）を満たす所定値を設定することは一般に非常に難しい。
【００３６】
重力加速度は、場所が変わってもほとんど変化しないため、運動加速度を含まない純粋な重力加速度データを得られた場合［数２］により、高精度のオフセットを求めることができる。
【００３７】
運動加速度を含まない測定データは特許文献５に開示されているように携帯機器の静止判定をして、静止時の測定データより得ることができる。例えば所定時間Ｔの間に取得された加速度測定データ群の各測定軸のばらつきが所定範囲ＴＨ以下である場合に携帯機器は静止していると判定することが出来る。Ｔを長くし、ＴＨを小さくすることによって測定データに運動加速度が含まれる確率は減少するが、代わりに静止データを得るまでに長い時間がかかるようになる（従って、オフセットを求めるまでに長い時間がかかるようになる）。オフセットが推定されるまでの時間を速めるためにＴやＴＨを緩めに設定した場合、得られる静止データは運動加速度を含んでいる場合もある。
【００３８】
携帯端末の使用者が端末を動かしていなくとも、誤った重力加速度データが取得されることがある。例えば、エレベータは概ね０．１Ｇ（≒１ｍ／ｓ2）の定加速度で加減速する。また、技術の進歩により昇降中の振動もなくなってきている。このため、エレベータ内で静止した加速度センサは１．１Ｇ、または０．９Ｇ程度の定加速度を受ける場合があり、かつ上述の静止判定基準を満たすことが多い。
【００３９】
携帯端末を誤って落とした場合、携帯端末にかかる加速度は（携帯端末の回転運動の度合いによるが）概ね０Ｇとなる。自由落下中は、上述の静止判定基準を満たすことが多い。
【００４０】
従来においては、上述したような特許文献１、特許文献２、特許文献３に開示されている方位角計測装置の方法を利用して、推定された基準点の信頼度を計算していたが、これらの方法は何れも重力加速度のみで基準点が推定されたのか否かについては判定できなかった。
【００４１】
そこで、本発明の目的は、測定対象であるベクトル物理量の大きさが均一な空間で取得された測定データ群でなくとも、信頼性の高いオフセットを推定することが可能なベクトル物理量計測装置を提供することにある。
【００４２】
また、本発明の他の目的は、推定されたオフセットの信頼性を一段と向上させることが可能なベクトル物理量計測装置を提供することにある。
【００４３】
本発明は、物理量を計測する物理量計測装置であって、複数の成分からなるベクトル物理量を検出するベクトル物理量検出手段と、前記検出されたベクトル物理量をベクトル物理量データとして繰り返し取得することにより、ベクトル物理量データ群を取得するデータ取得手段と、前記取得したベクトル物理量データ群から差分ベクトル群を算出し、該算出された差分ベクトル群を用いた所定の評価式に基づいて、前記取得したベクトル物理量データ群に含まれる基準点を推定する基準点推定手段とを具えたことを特徴とする。
【００４４】
前記基準点推定手段は、前記取得したベクトル物理量データ群の各成分の差によって前記差分ベクトル群を算出する差分ベクトル算出部と、前記算出された差分ベクトル群を用いた前記評価式に基づいて、前記取得したベクトル物理量データ群の各成分を座標値とする所定の座標系上に定められた前記基準点の座標を推定し、該推定された基準点の座標をオフセットとして出力する基準点推定部とを含んでもよい。
【００４５】
前記基準点推定手段は、前記算出された差分ベクトル群の各差分ベクトルが、前記基準点の推定に適しているか否かを判定し、該判定結果に基づいて所定の差分ベクトル群のみを前記基準点の推定のために出力する差分ベクトル信頼性算出部をさらに具えてもよい。
【００４６】
前記基準点推定手段は、前記推定された基準点の信頼度を前記差分ベクトル群を用いて判定し、該判定結果に基づいて所定の基準点のみをオフセットとして出力する信頼性算出部をさらに具えてもよい。
【００４７】
前記評価式は、前記差分ベクトルと、該差分ベクトルの中点と前記基準点を結ぶベクトルの内積の絶対値のＮ乗を用いて定めてもよい。
【００４８】
前記評価式は、前記差分ベクトルの中点と、前記基準点から該差分ベクトルに引いた垂線の足となる点との距離のＮ乗を用いて定めてもよい。
【００４９】
前記ベクトル物理量検出手段は、２成分のベクトル物理量検出手段であり、前記評価式は、前記差分ベクトルの垂直二等分線と前記基準点との距離のＮ乗を用いて定めてもよい。
【００５０】
前記ベクトル物理量検出手段は、３成分のベクトル物理量検出手段であり、前記評価式は、前記差分ベクトルの垂直二等分平面と前記基準点との距離のＮ乗を用いて定めてもよい。
【００５１】
前記ベクトル物理量検出手段は、２成分のベクトル物理量検出手段であり、前記評価式は、複数の前記差分ベクトルの垂直二等分線によって定まる点と前記基準点との距離のＮ乗を用いて定めてもよい。
【００５２】
前記ベクトル物理量検出手段は、３成分のベクトル物理量検出手段であり、前記評価式は、３つ以上の前記差分ベクトルの垂直二等分平面によって定まる点と前記基準点との距離のＮ乗を用いて定めてもよい。
【００５３】
前記Ｎは２としてもよい。
【００５４】
前記基準点推定手段は、前記基準点推定に使用する差分ベクトルを構成する２つのベクトル物理量データが取得された時間差が所定値以下である差分ベクトルを用いて、前記基準点を推定してもよい。
【００５５】
前記基準点推定手段は、前記差分ベクトルの大きさを算出し、前記差分ベクトルの大きさが所定値以上となる差分ベクトルを用いて、前記基準点を推定してもよい。
【００５６】
前記基準点推定手段は、前記データ取得手段が新たに取得したベクトル物理量データを含む２つのベクトル物理量データから計算される差分ベクトルと、前記データ取得手段が前記新たに取得したベクトル物理量データより前に取得した２つのベクトル物理量データから計算される差分ベクトルの成す角を計算し、前記成す角が所定値以上となる場合、前記新たに取得したベクトル物理量データから計算される差分ベクトルを基準点の推定に用いてもよい。
【００５７】
前記基準点推定手段は、前記基準点の座標を推定するために用いた差分ベクトル群の各々について、該差分ベクトルの中点と前記基準点推定手段によって推定された基準点を結ぶベクトルとの成す角を算出し、該成す角と９０度との差の最大値が、所定値以下である場合前記基準点をオフセットとして出力してもよい。
【００５８】
前記基準点の座標を推定するために用いた差分ベクトル群の各々について、推定された基準点から該差分ベクトルに下ろした垂線の足と、該差分ベクトルの中点との距離を算出し、該算出された距離の最大値が、所定値以下である場合前記基準点をオフセットとして出力してもよい。
【００５９】
前記ベクトル物理量検出手段は、２成分のベクトル物理量検出手段であり、前記基準点推定手段は、前記基準点の座標を推定するために用いた差分ベクトル群の各々について、該差分ベクトルの垂直二等分線と前記推定された基準点の距離を算出し、該算出された距離の最大値が、所定値以下である場合前記基準点をオフセットとして出力してもよい。
【００６０】
前記ベクトル物理量検出手段は、３成分のベクトル物理量検出手段であり、前記基準点推定手段は、前記基準点の座標を推定するために用いた差分ベクトル群の各々について、該差分ベクトルの垂直二等分平面と前記推定された基準点の距離を算出し、該算出された距離の最大値が、所定値以下である場合前記基準点をオフセットとして出力してもよい。
【００６１】
前記ベクトル物理量検出手段は、前記物理量として磁気を検出する磁気センサとしてもよい。
【００６２】
前記ベクトル物理量検出手段は、前記物理量として加速度を検出する加速度センサとしてもよい。
【００６３】
本発明は、物理量を計測する物理量計測方法であって、複数の成分からなるベクトル物理量を検出するベクトル物理量検出工程と、前記ベクトル物理量を繰り返して検出し、ベクトル物理量データとして取得することにより、ベクトル物理量データ群を取得するデータ取得工程と、前記取得したベクトル物理量データ群から差分ベクトル群を算出し、該算出された差分ベクトル群を用いた所定の評価式に基づいて、前記取得したベクトル物理量データ群に含まれる基準点を推定する基準点推定工程とを具えたことを特徴とする。
【００６４】
本発明によれば、複数の成分からなるベクトル物理量を繰り返して検出し、ベクトル物理量データとして取得することにより、ベクトル物理量データ群を取得し、取得したベクトル物理量データ群から差分ベクトル群を算出し、該算出された差分ベクトル群を用いた所定の評価式に基づいて取得したベクトル物理量データ群に含まれる基準点を推定するようにしたので、測定対象であるベクトル物理量の大きさが均一な空間で取得された測定データ群でなくとも、信頼性の高いオフセットを推定することができる。
【００６５】
また、本発明によれば、算出された差分ベクトル群の各差分ベクトルが基準点の推定に適しているか否かを判定し、該判定結果に基づいて所定の差分ベクトル群のみを基準点の推定のために用い、また推定された基準点の信頼度を差分ベクトル群を用いて判定し、該判定結果に基づいて所定の基準点のみをオフセットとして出力するようにしたので、推定されたオフセットの信頼性を一段と向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態である、物理量計測システムの全体的な概略構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、基準点推定手段の構成例を示すブロック図である。
【図３】図３は、物理量計測装置における物理量計測の概要を示すフローチャートである。
【図４】図４は、地磁気サイズが均一でない環境で取得されたデータ群からオフセットを推定する方法を説明する図である。
【図５】図５は、本発明の第２の実施の形態である、図２に示した基準点推定手段の他の構成例を示すブロック図である。
【図６Ａ】図６Ａは、基準点の推定に利用する差分ベクトルと、測定データに混入するノイズと、オフセットの関係を説明する図であって、差分ベクトルの大きさが大きい場合の例である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、基準点の推定に利用する差分ベクトルと、測定データに混入するノイズと、オフセットの関係を説明する図であって、差分ベクトルの大きさが小さい場合の例である。
【図７Ａ】図７Ａは、基準点の推定に利用する差分ベクトルと、差分ベクトルを構成する測定データの取得時間差と、オフセットとの関係を説明する図であって、時間差が小さい場合の例である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、基準点の推定に利用する差分ベクトルと、差分ベクトルを構成する測定データの取得時間差と、オフセットとの関係を説明する図であって、時間差が大きい場合の例である。
【図８Ａ】図８Ａは、測定データにノイズが混入した場合に、基準点の推定に利用する差分ベクトルと、差分ベクトル間の成す角と、オフセットとの関係を説明する図であって、差分ベクトル間の成す角が小さい場合の例である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、測定データにノイズが混入した場合に、基準点の推定に利用する差分ベクトルと、差分ベクトル間の成す角と、オフセットとの関係を説明する図であって、差分ベクトル間の成す角が大きい場合の例である。
【図９】図９は、本発明の第３の実施の形態である、図４に示した基準点推定部４２の構成例を示すブロック図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、真のオフセットと、推定された基準点と、推定された基準点から推定に用いた差分ベクトルの中点に引いたベクトルの関係を説明する図であって、ノイズが混入していない測定データから構成された差分ベクトルで基準点の推定が行われた場合の例である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、真のオフセットと、推定された基準点と、推定された基準点から推定に用いた差分ベクトルの中点に引いたベクトルの関係を説明する図であって、ノイズが混入した測定データから構成された差分ベクトルで基準点の推定が行われた場合の例である。
【図１１】図１１は、従来の方位角計測装置において、オフセットを推定する方法の概念を説明する図である。
【図１２】図１２は、市街地にて直線上を歩行しながら地磁気の大きさ、地磁気の伏角、及び歩行方位(地磁気方位)を計測した結果を示す図である。
【図１３】図１３は、従来の基準点推定手段の構成を示すブロック図である。
【図１４】図１４は、［数４］、及び文献８に開示される手法でオフセットを推定する場合の概念を説明する図である。
【図１５】図１５は、［数５］で推定されるオフセットの推定ばらつきを説明するための図である。
【図１６】図１６は、文献８に開示される手法で推定されるオフセットの推定ばらつきを説明するための図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６７】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。【００６８】
［第１の例］
本発明の第１の実施の形態を、図１〜図４基づいて説明する。【００６９】
＜構成＞
図１は、物理量計測システム１００の全体的な概略構成を示す。【００７０】
物理量計測システム１００は、物理量計測装置１０と、演算部２００とからなる。【００７１】
物理量計測装置１０は、ベクトル物理量検出手段２０と、データ取得手段３０と、基準点推定手段４０とからなる。【００７２】
ベクトル物理量検出手段２０は、複数の成分からなるベクトル物理量を検出する。【００７３】
データ取得手段３０は、検出されたベクトル物理量をベクトル物理量データとして繰り返し取得することにより、ベクトル物理量データ群を取得する。【００７４】
基準点推定手段４０は、取得したベクトル物理量データ群から差分ベクトル群を算出し、該算出された差分ベクトル群を用いた所定の評価式に基づいてベクトル物理量データ群に含まれる基準点を推定し、該推定された基準点をオフセットとして出力する。【００７５】
また、演算部２００は、物理量計測装置１０により取得されたベクトル物理量データ群と、推定されたオフセットとから、システムに必要な情報を算出する。【００７６】
図２は、基準点推定手段４０の構成例を示す。【００７７】
基準点推定手段４０は、差分ベクトル算出部４１と、基準点推定部４２とからなる。【００７８】
差分ベクトル算出部４１は、取得したベクトル物理量データ群の各成分の差によって差分ベクトル群（Ｖ１）を算出する。【００７９】
基準点推定部４２は、算出された差分ベクトル群（Ｖ１）及び差分ベクトル算出に使用したベクトル物理量データ群（Ｄ１）を用いた評価式４３に基づいて、取得したベクトル物理量データ群の各成分を座標値とする所定の座標系上に定められた基準点の座標を統計的手法によって推定し、該推定された基準点の座標をオフセットとして出力する。【００８０】
以下、各部の具体的な構成例について説明する。【００８１】
ベクトル物理量検出手段２０は、２成分又は３成分の物理量を検出し、検出した物理量に対応する信号を出力する。対象となる物理量として、例えば、地磁気、加速度などがある。【００８２】
ベクトル物理量検出手段２０の構成としては、例えば、磁気を検出し、その検出した磁気に比例する電圧を出力する磁気センサや、加速度を検出し、その検出した加速度に比例する電圧を出力する加速度センサなどを用いることができる。【００８３】
データ取得手段３０は、ベクトル物理量検出手段２０が出力した信号を後段（基準点推定手段４０以後）の各ブロックが処理しやすい形式に変換して取得する。【００８４】
また、データ取得手段３０は、例えば、物理量検出手段が出力した信号を増幅し、増幅された信号をＡ／Ｄ変換し、変換されたデジタルデータを出力する。増幅と同時にノイズ除去のためにフィルター処理が施される場合もある。【００８５】
通常、磁気センサ、加速度センサなどに代表されるセンサは、非常に小さな信号を出力するため、増幅し、フィルター処理を施しＳ／Ｎを向上させた後、コンピュータ等で処理しやすいデジタルデータに変換され出力される。Ａ／Ｄ変換をせずにアナログ信号のまま後段の処理を行ってもよい。【００８６】
＜動作＞
以下、本システムの動作について説明する。
（物理量計測の概要）
図３は、物理量計測装置１０における物理量計測の概要を示すフローチャートである。【００８７】
ステップＳ１では、複数の成分からなるベクトル物理量を検出する。【００８８】
ステップＳ２では、ベクトル物理量を繰り返して検出し、取得してベクトル物理量データ群を取得する。【００８９】
ステップＳ３では、取得したベクトル物理量データ群の各成分の差をとり、差分ベクトル群を算出する。【００９０】
ステップＳ４では、差分ベクトル群を用いた評価式に基づいて、取得したベクトル物理量データ群の各成分を座標値とする所定の座標系上に定められた基準点の座標を統計的手法によって推定する。これにより、その推定された基準点の座標をオフセットとして出力する。【００９１】
以下、物理量計測について具体例を挙げて説明する。
（基準点の推定）
図２の基準点推定手段４０において、データ取得手段３０によって取得された２つの測定データ、または測定データ群から計算される２つのデータから、差分ベクトルを計算する。そして、必要に応じて、差分ベクトル及び該差分ベクトルを構成しているデータを蓄積する。その蓄積された差分ベクトル群及び該差分ベクトルを構成しているデータ群から予め決められた評価式に基づいてデータ取得手段が出力するデータに含まれる基準点を推定して、オフセットとして出力する。【００９２】
後述するように、評価式に差分ベクトルを用いることにより、ベクトル物理量の大きさが均一でない環境で取得されたデータ群からもオフセットの推定が可能となる。【００９３】
差分ベクトルを構成する２つのデータは、データ取得手段が取得したデータでも良いし、ノイズの影響を低減するために、測定データ群に何らかの計算処理（例えば、平均)を施して得られる値を用いてもよい。【００９４】
（演算処理）
図１に示す物理量計測システム１００は、演算部２００において、通常、物理量計測装置１０のデータ取得手段３０が取得した測定データ、及び基準点推定手段４０が推定したオフセットを受けて、システムに必要な情報を計算する。【００９５】
例えば、物理量検出手段が３軸磁気センサであり、地磁気を検出して方位角を算出することが目的の方位角計測装置の場合、推定されたオフセット、及び取得された測定データから、まず地磁気の値を算出し、更に方位角を算出する。【００９６】
具体的には、推定されたオフセットを(ｏx，ｏy，ｏz)、本発明に係る物理量計測システム１００を備えた携帯機器が、水平の（磁気センサｘ測定軸、ｙ測定軸が水平面上にある）ときの磁気測定データをｍ＝（ｘi，ｙi，ｚi）とすると、ｘ測定軸の磁北に対する方位は次式で計算される。【００９７】
【数６】
2008146757.tif 000006
【００９８】
例えば、ベクトル物理量検出手段２０が３軸加速度センサであり、携帯機器の水平面に対する傾きを算出することが目的の傾斜角計測装置の場合、推定されたオフセット、及び取得されたデータからまず重力加速度の値が計算され、更に携帯機器の傾斜角が算出される。【００９９】
具体的には、推定されたオフセットを(ｏx，ｏy，ｏz)、重力加速度測定データをｇ＝（ｘi，ｙi，ｚi）とすると、水平面に対するｘ測定軸の成す角Φ、ｙ測定軸の成す角ηは次式で計算される。【０１００】
【数７】
2008146757.tif 000007
【０１０１】
（オフセットの推定方法）
前述したように地磁気の大きさが変わらない環境で、３軸の磁気センサを用いて地磁気データを取得した場合、地磁気の測定データは球面上に分布する。２軸の磁気センサを水平面上で動かした場合、地磁気データはオフセットを中心とした円（所謂方位円）上に分布する。以下では、簡単化のため２次元の場合を主として説明するが、３次元の場合も同様に理論を展開できる。【０１０２】
図４は、地磁気サイズが均一でない環境で取得されたデータ群からオフセットを推定する方法を説明する図である。【０１０３】
例えば、自動車のダッシュボードの上に水平に固定した２軸の磁気センサが検出する磁気の時間変化を表す。一般に自動車は、さまざまな磁場環境の中を高速で通過する。例えば、橋は鉄構造物であることが多く地磁気が引き込まれ大きさ、方向とも変化する。道路にも鉄構造物が埋められている場合もある。また、都市の道路の場合道路周辺のビルなどの影響も受ける。このため、自動車内に設置された磁気センサが検出する地磁気測定値は一つの円上に分布せず、同心円状の複数の円上に分布する。従って、［数２］（［数２］を２成分の場合に補正した式）を用いて求められるオフセットの精度は一般に悪い。【０１０４】
図４では、本発明の概念を説明するために、地磁気の大きさの異なる３つの領域を通過した場合に取得される磁気データを表した図である。【０１０５】
地磁気の大きさが同じ領域で取得された２つの地磁気データの垂直２等分線はオフセットを通る。地磁気の大きさが同じ領域で取得された２つの地磁気データの組が二組あれば、垂直二等分線からオフセットを推定することが出来る。実際の地磁気測定データにはノイズが含まれていることが多く、また地磁気の大きさが同じ領域で必ずしも２つの地磁気データを取得できるとは限らないため、複数のペアデータから統計的にオフセットを求めることが望ましい。【０１０６】
地磁気センサによって繰り返し取得された２軸測定データ群をｍi＝（ｘi，ｙi）、地磁気センサの測定データに含まれるオフセットをｏ＝（ｏx，ｏy）とする。一つの方位円上にある二つの地磁気データから構成される差分ベクトルと、地磁気センサのオフセットと該差分ベクトルの中点を結ぶベクトルの内積は０である。【０１０７】
実際には、地磁気の大きさは場所が少しでも変わると変動することが多く、厳密に同じ方位円上の測定データを２つ取得することは難しいが、場所が近い（即ち、時間的に近い）ところで取得された２つのデータは、ほぼ同じ大きさの方位円上にあると考えても差しつかえない。方位円の大きさが時間とともに変動しても、同じ（程度の）大きさの方位円上にある測定データの組を取得できれば、各々の測定データの組から作られる内積は全て０に近い値である。全ての測定データの組から作られる内積の絶対値の２乗は下式のようになる。【０１０８】
【数８】
2008146757.tif 000008
【０１０９】
理想的には、Ｓの値は０となるが、実際の測定値にはノイズが含まれていたり、厳密に同じ方位円上にはない測定データの組であったりするため、０に近い値となる。［数６］を最小値にするようなｏを求めるのが推定方法として妥当である。［数６］を最小にする方法として、Ｎｅｗｔｏｎ−Ｒａｐｈｓｏｎ法などの反復法により、漸近的にｏを求めていく方法もあるが、以下の連立方程式を解くことによって解析的に求めることもできる。【０１１０】
【数９】
2008146757.tif 000009
【０１１１】
一つの方位円上の二点から構成される差分ベクトルの垂直二等分線が方位円の中心を通ることから、［数６］の代わりに［数８］、または［数９］の評価式を定義し、これらの表下式が最小値をとるようにoを定めることもできる。【０１１２】
【数１０】
2008146757.tif 000010
【０１１３】
【数１１】
2008146757.tif 000011
【０１１４】
［数８］は、２つの測定データから構成される差分ベクトルの中点と、基準点から差分ベクトルに引いた垂線の足となる点との距離の２乗を各差分ベクトルごとに計算し、各差分ベクトルごとに計算された値の和となっている。【０１１５】
［数９］は、２つの測定データから構成される差分ベクトルの垂直二等分線と、基準点との距離の２乗を各差分ベクトルごとに計算し、各差分ベクトルごとに計算された値の和となっている。（３成分の物理量検出装置の場合は、“２つの測定データから構成される差分ベクトルの垂直二等分面と、基準点との距離の２乗を各差分ベクトルごとに計算し、各差分ベクトルごとに計算された値の和となっている”となる。［数９］は、ベクトル記述であるため、２成分でも３成分でも同じである）。【０１１６】
［数８］と［数９］は、導出の思考過程が異なるだけで、同じ式である。【０１１７】
［数８］と［数９］を最小にする方法として、Ｎｅｗｔｏｎ−Ｒａｐｈｓｏｎ法などの反復法により、漸近的にｏを求めていく方法がある。【０１１８】
［数６］、［数８］、［数９］は、絶対値の２乗の和の形をしているが、一般的には絶対値のN乗の和としてよい。例えば、［数６］の評価式の変わりに次式を用いてもよい。【０１１９】
【数１２】
2008146757.tif 000012
【０１２０】
Ｎが大きくなると一般的には計算量が増え、また、計算過程で扱わなければならなくなる値の範囲が大きくなるため、数値を表現するビット数に制約があるシステムには向かない。【０１２１】
２つの差分ベクトルの垂直二等分線（物理量検出手段が２成分の物理量を検出する場合。３成分の場合、３つの差分ベクトルの垂直二等分平面となる）は、基準点を通る。よって、２つの差分ベクトルの組を何組か作り、各組ごとに垂直二等分線の交点を計算し、各組ごとに計算された交点と基準点との距離の和のＮ乗を評価式に定めてもよい（［数１１］）。【０１２２】
【数１３】
2008146757.tif 000013
【０１２３】
ただし、ベクトルａに関して、ａTは横ベクトルを表す。【０１２４】
さらに拡張して、複数（例えばＡ個）の差分ベクトルから特定の点を定める方法を定義し、Ａ個の差分ベクトルの組を何組か作り、各組ごとに特定の点を計算し、各組ごとに計算された特定の点と基準点との距離の和のＮ乗を評価式に定めてもよい。【０１２５】
例えば、３個の差分ベクトルから［数６］を解くことによって得られる(ｏx，ｏy)を特定点の定義とすることができる。【０１２６】
［第２の例］
本発明の第２の実施の形態を、図５〜図８に基づいて説明する。なお、前述した第１の例と同一部分については、その説明を省略し、同一符号を付す。【０１２７】
図５は、図２に示した基準点推定手段４０の他の構成例を示す。【０１２８】
基準点推定手段４０には、差分ベクトル信頼性算出部５０がさらに備えられている。【０１２９】
差分ベクトル信頼性算出部５０は、前述した図３に示すように、ステップＳ１０において、算出された差分ベクトル群の各差分ベクトルが、基準点の推定に適しているか否かを判定し、該判定結果に基づいて所定の差分ベクトル群のみを基準点の推定のために出力する。【０１３０】
以下、差分ベクトル信頼性算出部５０の機能について具体的に説明する。【０１３１】
図１のデータ取得手段３０によって取得された任意の２つのデータから差分ベクトルを計算し、評価式［数６］、［数８］、又は［数９］を最小にするようにｏを求めたとしても、通常測定データにはノイズが混入しており、また、差分ベクトルを構成する２つのデータが必ずしも一つの方位円上にない、などの理由により、差分ベクトルを構成する２つのデータの選び方によっては、オフセットの推定精度が悪い場合がある。そのため、基準点推定に適した差分ベクトルのみを選別して、基準点の推定を行う方が好ましい。【０１３２】
図５の差分ベクトル信頼性算出部５０は、一つないしは複数の方法で、差分ベクトル算出部４１から出力された差分ベクトル群の各差分ベクトルが基準点の推定に適しているか否か判断し、基準点の推定に適していると判断された差分ベクトルのみから構成される差分ベクトル群Ｖ２、および差分ベクトル群を構成するデータ群（各差分ベクトルを計算するために使用したベクトル物理量データの集まり）Ｄ２を基準点推定部４２に出力する。【０１３３】
（基準点の推定例１）
図６Ａ，図６Ｂは、基準点の推定に利用する差分ベクトルと、測定データ４０１に混入するノイズと、オフセット４００との関係を説明する図である。【０１３４】
図６Ａは差分ベクトルの大きさが大きい場合の例、図６Ｂは差分ベクトルの大きさが小さい場合の例である。【０１３５】
図６Ａ，図６Ｂにおいて、選んだ一組のデータの一つにノイズが混入した場合の差分ベクトルの垂直二等分線と、方位円の中心との関係を示す。【０１３６】
差分ベクトルの大きさが小さくなるほど、同じノイズでも差分ベクトルの垂直二等分線が方位円の中心から離れることがわかる。これにより、ノイズの影響による推定誤差を低減するためには、基準点推定にはなるべく大きな差分ベクトルを用いたほうが良いことがわかる。【０１３７】
しかし、大きな差分ベクトルを得るためにお互い離れた場所（離れた時間）で取得された二つの磁気データを使用することは、前述したように地磁気の大きさが場所により変動するため好ましくない。従って、差分ベクトルを算出する二つの磁気データの取得された時間は既定の値以下に決めておくべきである。【０１３８】
以下に、本発明と文献８の技術の差異を説明する。【０１３９】
市街地のように人工構造物の多い場所では地磁気が均一な領域は非常に狭く、従って歩行者が取得する二つの磁気データは、例え磁気データが時間的に近接していたとしてもそれらを取得した場所の地磁気の大きさは完全には一致していない場合がほとんどである。また、自動車などの着磁した移動体、屋内外の様々な電流の影響により磁気データにはノイズが混入していることが多い。【０１４０】
図８は、ノイズの混入した地磁気データによって設定される二つの垂直二等分線の交点と真のオフセットの関係を示した図である。磁気データにノイズが混入している場合、オフセットの推定に用いる垂直二等分線によっては大きな誤差が含まれる。【０１４１】
図１４は、［数７］、及び文献８に開示される手法でオフセットを推定する場合の概念を説明する図である。【０１４２】
図１４では真の地磁気センサのオフセットをＸとし、地磁気センサの測定値が描く方位円を点線で示している。このとき12点の磁気データから［数７］によって推定されるオフセットを４１０、文献８によって推定されるオフセットを５００で示している。【０１４３】
［数７］によって推定されるオフセット４１０は、１２点全ての磁気データから一度に求められる。【０１４４】
文献８によるオフセット５００は、まず測定データ４０１、次に測定データ４２０、最後に測定データ４３０で表わされるそれぞれ４点から作られる二つの二等分線の交点を求め、最後に求められた三つの交点を平均することによってオフセットを推定している。全ての磁気データには方位円の半径の１０％以下のノイズを混入させている。【０１４５】
図１４において示されるように、本発明の［数７］により求められたオフセット４１０と、文献８にて開示されている方法で求められたオフセット５００とは同じとはならない。【０１４６】
本発明による方法では、多くの差分ベクトルに重畳された重畳されたノイズの影響は、そのランダム性のために相殺され、ノイズが重畳していても真値に近いオフセットの値を算出できている。【０１４７】
一方、文献８の方法では、比較的近い距離の2点を結ぶ垂直2等分線を用い、さらに、その比較的近い２つの垂直二等分線の交点をもとめ、それを平均している。この場合、比較的近い２つの垂直二等分線に含まれるノイズの影響は、必ずしも相殺されず、オフセットの値としてはかえってノイズの影響が増大されてしまい、真値とは大きく異なるオフセットの値が求まりやすい。このとき、複数の垂直二等分線の交点を平均したとしても、そのノイズの影響が相殺されることはなく、求められたオフセットの真値との誤差がおおきくなると考えられる。【０１４８】
図１５は、本発明の［数７］によるオフセット推定を１０００回行い、推定されたオフセットをすべて表示した図である。【０１４９】
図１６は、文献８の手法によるオフセット推定を１０００回行い、推定されたオフセットをすべて表示した図である。【０１５０】
図１５、図１６とも各回同じ磁気データからオフセットを推定した。二つの図を比べると、明らかに、本発明による方法のほうがオフセットの推定精度が高いことがわかる。【０１５１】
（基準点の推定例２）
図７Ａ，図７Ｂは、基準点の推定に利用する差分ベクトルと、差分ベクトルを構成する測定データ４０１の取得時間差と、オフセット４００との関係を説明する図である。【０１５２】
図７Ａは時間差が小さい場合の例、図７Ｂは時間差が大きい場合の例である。【０１５３】
図７Ａ，図７Ｂにおいては、差分ベクトルの大きさが大きくても、同じ方位円上にない測定データ４０１から計算された差分ベクトルの垂直二等分線がオフセット４００を示す点から大きく離れてしまう場合があることを示す。４０２は、地磁気推移である。【０１５４】
（基準点の推定例３）
図８Ａ，図８Ｂは、測定データ４０１にノイズが混入した場合に、基準点の推定に利用する差分ベクトルと、差分ベクトル間の成す角と、オフセット４００との関係を説明する図である。【０１５５】
図８Ａは差分ベクトル間の成す角が小さい場合の例、図８Ｂは差分ベクトル間の成す角が大きい場合の例である。【０１５６】
図８Ａ，図８Ｂにおいて、測定データ４０１にノイズが混入した場合に、基準点の推定に利用する差分ベクトルと、差分ベクトル間の成す角と、オフセット４００との関係を示す。２つの差分ベクトルの成す角が小さい(平行に近い)と、推定される基準点（２つの差分ベクトルの交点）は、真のオフセットから大きく離れてしまう場合がある。【０１５７】
これに対して、２つの差分ベクトルの成す角が９０度（直角）に近いときは、ノイズの影響を一般に受け難い。多数の差分ベクトルから統計的にオフセットを推定する場合は、差分ベクトルが様々な方位に均等に分布しているとノイズの影響を受け難くなる。【０１５８】
全ての測定データを携帯機器のメモリ等に格納しておき、格納された測定データから様々な方位に分布するような差分ベクトルを計算することは、メモリや計算能力の問題から難しい。携帯機器のような小型のシステムでは、様々な方位の差分ベクトルを得る手法として次のような方法がある。【０１５９】
即ち、差分ベクトル信頼性算出手段によって直前に信頼性があると判定された差分ベクトルを基準として、該差分ベクトルと新たに計算された差分ベクトルの成す角が所定の角度以上であるとき、新たに計算された差分ベクトルを信頼性のある差分ベクトルして、基準点推定に用いる。反対に成す角が所定の角度以下の時は信頼性がないとして新たに計算された差分ベクトルを破棄する。このようにすることによって、同じ方向を指す差分ベクトルばかりで基準点が推定されることがなくなる。【０１６０】
［第３の例］
本発明の第３の実施の形態を、図９および図１０に基づいて説明する。なお、前述した各例と同一部分については、その説明を省略し、同一符号を付す。【０１６１】
図９は、図５に示した基準点推定部４２の構成例を示す。【０１６２】
基準点推定部４２には、推定部５１と、信頼性算出部５２とが備えられている。【０１６３】
推定部５１は、算出された差分ベクトル群を用いた評価式４３に基づいて、ベクトル物理量データ群に含まれる基準点を推定する。【０１６４】
信頼性算出部５２は、前述した図３に示すように、ステップＳ２０において、その推定された基準点の信頼度を差分ベクトル群を用いて判定し、該判定結果に基づいて所定の基準点のみをオフセットとして出力する。【０１６５】
以下、信頼性算出部５２の機能について具体的に説明する。【０１６６】
前述したように、測定データにはノイズが混入したり、地磁気の大きさが変動したりするために、推定される基準点には通常誤差が含まれている。推定された基準点がどの程度信頼できるかどうか調べ、信頼できると判定されたときにのみ推定された基準点をオフセットとして出力すべきである。【０１６７】
図１０Ａ，図１０Ｂは、真のオフセット４００と、推定された基準点４０３と、推定された基準点４０３から推定に用いた差分ベクトルの中点に引いたベクトルの関係を説明する図である。【０１６８】
図１０Ａは、ノイズが混入していない測定データ４０１から構成された差分ベクトルで基準点の推定が行われた場合の例である。図１０Ｂは、ノイズが混入した測定データ４０１から構成された差分ベクトルで基準点の推定が行われた場合の例である。【０１６９】
図１０Ａ，図１０Ｂにおいて、推定に用いた個々の差分ベクトルが、ベクトル物理量の大きさが同じ環境で取得され、さらにノイズの混入していない測定データ４０１から構成されている場合、推定される基準点は真のオフセット４００に一致し、各差分ベクトルの中点と基準点を結んだベクトルは各差分ベクトルと直交する。【０１７０】
逆に、推定に用いた差分ベクトルが、ベクトル物理量の大きさが異なる環境で取得され、あるいはノイズが混入したデータから構成されている場合、推定される基準点４０３は真のオフセットとは一致せず、各差分ベクトルの中点と基準点を結んだベクトルの成す角は９０度以下となる。【０１７１】
推定に用いた全ての差分ベクトルについて、差分ベクトルと、推定された基準点と差分ベクトルの中点を結ぶベクトルとの成す角を計算する。計算された全ての成す角と９０度との差が所定値以下である場合推定された基準点を信頼できると判定する。逆に、成す角と９０度との差が一つでも所定値以上であれば、推定された基準点は信頼できないと判定して、破棄する。これにより、信頼度を一段と向上させたオフセットを推定することが可能となる。【０１７２】
上述したように、本発明における測定の対象となるベクトル物理量の卑近な例として、地磁気や加速度などが挙げられる。他にも、人工的に作り出した定常的な磁場や電場など、ベクトル物理量の大きさの変化が、ベクトル物理量とベクトル物理量検出手段の相対的な姿勢関係の変化に比べて遅ければ、どんな物理量でもよい。
【図１】
2008146757.tif 000014
【図２】
2008146757.tif 000015
【図３】
2008146757.tif 000016
【図４】
2008146757.tif 000017
【図５】
2008146757.tif 000018
【図６Ａ】
2008146757.tif 000019
【図６Ｂ】
2008146757.tif 000020
【図７Ａ】
2008146757.tif 000021
【図７Ｂ】
2008146757.tif 000022
【図８Ａ】
2008146757.tif 000023
【図８Ｂ】
2008146757.tif 000024
【図９】
2008146757.tif 000025
【図１０Ａ】
2008146757.tif 000026
【図１０Ｂ】
2008146757.tif 000027
【図１１】
2008146757.tif 000028
【図１２】
2008146757.tif 000029
【図１３】
2008146757.tif 000030
【図１４】
2008146757.tif 000031
【図１５】
2008146757.tif 000032
【図１６】
2008146757.tif 000033
【手続補正書】
【提出日】平成21年10月1日(2009.10.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】明細書
【発明の名称】物理量計測装置および物理量計測方法
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物理量計測装置および物理量計測方法に関する。より詳細には、ベクトル物理量を検出するセンサが取得したベクトル物理量データ群からベクトル物理量データ群に含まれるオフセットを推定するための物理量計測装置および物理量計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気センサを２方向または３方向に配置し、地磁気を測定して方位を計算する方位角計測装置（いわゆる電子コンパス）が知られている。近年、方位角計測装置の小型化が進み、携帯電話やＰＤＡ(Ｐｅｒｓｏｌｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ)を始めとする携帯機器に搭載される例がある。
【０００３】
このような方位角計測装置は、磁気センサの周辺にスピーカなどの着磁された部品が配置された場合、着磁された部品からもれる磁場も地磁気と同時に検出するため、測定信号から地磁気以外に起因する信号成分を差し引いてから方位を求めないと、誤った方位が計算されてしまう。地磁気以外に起因する定常的な信号成分をオフセットと呼ぶ。
【０００４】
携帯機器に適した方位角計測装置のオフセットの推定方法は特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されている方法は、携帯機器が使用者の使用状況に応じて様々な姿勢を取る事を利用し、使用者に意識させること無く自動的に携帯機器に搭載された方位角計測装置のオフセットを推定する技術である。
【０００５】
図１１は、従来の方位角計測装置において、オフセットを推定する方法の概念を説明する図である。
【０００６】
地磁気の大きさが均一な環境で、使用者が方位角計測装置１を自由に動かしたとき、方位角計測装置１が取得する地磁気データは、データに含まれるオフセットを中心とする球面上に分布する。なお、方位角計測装置１の各測定軸の感度は同じであるとする。
【０００７】
（本件では、上述の通りデータに含まれる地磁気以外の成分をオフセットと呼ぶ。オフセットの推定にあたり、まず、地磁気データ群が分布する球面（地磁気を３軸の地磁気センサを用いて検出した場合）の中心が推定される。球面の中心を基準点と呼ぶ。次に推定された基準点の信頼性(システムが許容できる推定誤差で推定されているか)が調べられ、信頼性があると判断された基準点がシステムのオフセットとして採用される。信頼性の判定をしない場合は基準点はそのままシステムのオフセットとして採用される）。
【０００８】
特許文献１によると、方位角計測装置１によって繰り返し取得された３軸測定データ群を（ｘi，ｙi，ｚi）としたとき、評価式［数１］を最小にするように基準点(ｏx，ｏy，ｏz)を推定するのが妥当であり、このとき基準点は［数２］で示される連立一次方程式の解によって求められるとしている。即ち、
【０００９】
【数１】
2008146757.tif 000034
【００１０】
【数２】
2008146757.tif 000035
【００１１】
ここで、
【００１２】
【数３】
2008146757.tif 000036
【００１３】
で、Ｎは取得した地磁気データ数である。
【００１４】
センサのオフセットを求める他の方法が特許文献８に開示されている。特許文献８によると、次期検出手段が検出した３点以上の磁気データのうち、任意の２点間を結ぶ直線に対する垂直二等分線と、前期任意の２点とは異なる他の２点間を結ぶ直線に対する垂直二等分線の交点をオフセットとしている。
【００１５】
また、複数の磁気データから任意の２点を多数抽出し、それぞれの２点間を結ぶ直線ごとに垂直二等分線を多数設定するとともに、前記多数の垂直二等分線が交差する複数の交点の座標を平均化したものをオフセットとしている。
【００１６】
近年、携帯機器に組込み可能な軽量小型の３軸加速度センサとしてＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術を用いた半導体デバイスのピエゾ抵抗型３軸加速度センサが開発されている（例えば、特許文献７参照）。
【００１７】
加速度センサのオフセットを、使用者に意識させること無く自動的に推定する手法が特許文献５や特許文献６に開示されている。いずれも［数２］を基礎とする技術であるが、加速度特有の性質を利用し、信頼度の高いオフセットを推定するための技術が開示されている。
【００１８】
３軸加速度センサが検出する重力加速度測定データは、図１１の方位角計測装置と同様に、加速度センサのオフセットを中心とする球面上に分布する。なお、加速度センサの各測定軸の感度は同じであるとする。
【００１９】
加速度センサは重力加速度と同時に運動加速度を検出するため、信頼度の高いオフセットを求めるためには重力加速度と運動加速度の分離が技術的なポイントとなる。
【００２０】
特許文献５は時間的に連続する加速度測定データから携帯端末が静止したことを判定し、そのときの加速度測定データのみを用いオフセットを推定している。
【００２１】
特許文献６は時間的に連続する加速度測定データのばらつきから加速度測定データに運動加速度が含まれる確率を見積もり、運動加速度を含んだ測定データからもオフセットを推定できるようにしている。
【００２２】
【特許文献１】ＰＣＴ／ＪＰ２００３／００８２９３
【特許文献２】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００９３２４
【特許文献３】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／０１８８８８
【特許文献４】特開２００５−１９５３７６号公報
【特許文献５】ＰＣＴ／ＪＰ２００５／０１４８１７
【特許文献６】ＰＣＴ／ＪＰ２００６／３２６０１５
【特許文献７】特開２００３−１０１０３３号公報
【特許文献８】特開２００６−２２６８１０号公報
【発明の開示】
【００２３】
上述した［数２］は、地磁気の大きさが均一な空間で取得された地磁気データ群から、地磁気データ群に含まれるオフセットを推定する式である。
【００２４】
しかしながら、地磁気の大きさが均一な環境は少ない。
【００２５】
図１２は、市街地にて直線上を歩行しながら地磁気の大きさ、地磁気の伏角、及び歩行方位(地磁気方位)を計測した結果を示す図である。
【００２６】
図１２のデータを取得したときの歩行速度は概ね１ｍ／１秒程度であったので、横軸の単位はおおよそｍ（メートル）と考えて良い。場所により地磁気が変動していることがわかる。建造物に含まれる鉄などの磁性体によって地磁気の引込みが生じるため、一般的に地磁気は人工建造物の周囲では均一でない。
【００２７】
このため、方位角計測装置が取得した地磁気測定データを無作為に抽出し、［数２］を用いてオフセットを求めたとしても正確な値が得られるとは限らない。
【００２８】
特許文献８に開示されている垂直二等分線の交点からオフセットを求める手法を用いれば、少なくとも個々の垂直二等分線を設定する二つの磁気データが同じ地磁気の大きさの場所で取得されていれば、全ての磁気データが取得された場所の地磁気の大きさが同じでなくともセンサのオフセットを求めることができる。
【００２９】
［数２］と組み合わせて、信頼度の高いオフセットを推定する技術が特許文献１、特許文献２、特許文献３などに開示されている。特許文献１は例えば、［数２］による推定に用いた測定データ群の各軸成分の最大値と最小値の差分を算出し、差分が所定値以上の場合、推定された基準点をオフセットとして採用するとしている。地磁気の大きさが様々な場所で取得されたデータ群でも、データ群が広い領域に分布していれば推定される基準点の精度は高まる。
【００３０】
また、定期的に推定される基準点群の各軸成分の最大値と最小値の差分（ばらつき）を算出し、差分が所定値以下の場合、推定された基準点をオフセットとして採用するとしている。推定される基準点のばらつきが小さい時は、推定に用いられた測定データ群が均一な地磁気環境で取得された可能性が高い。
【００３１】
特許文献３では、推定に用いた測定データ群を平面に当てはめ、当てはめた平面と測定データ群の距離を算出し、距離の最大値が所定値以上の場合推定された基準点をオフセットとして採用するとしている。
【００３２】
特許文献２では、前記所定値を定期的に（例えばオフセットが所定の回数得られる度に）厳しくする、または、特定の事象が発生した場合（例えば携帯端末にメモリカード等の磁性体部品が装着された）に緩めることにより、携帯機器の操作開始直後は信頼度が低くても速やかにオフセットを推定し、徐々にオフセットの信頼性を高めていく手法が開示されている。
【００３３】
図１３は、従来の基準点推定手段３００の構成を示すブロック図である。
【００３４】
基準点推定手段３００は、データ取得手段３０１によって取得されたデータを必要に応じて蓄積し、基準点推定部３０２によってその蓄積されたデータ群から予め決められた評価式３０３に基づいてデータ取得手段３０１が出力するデータに含まれる基準点を推定し、オフセットとして出力される。通常、推定された基準点は、信頼性が調べられ（特許文献１、特許文献２、特許文献３）、信頼性があると判定された基準点のみオフセットとして出力される。
【発明が解決しようとする課題】
【００３５】
しかしながら、上述した従来の方法は、何れも精度の良い基準点をオフセットとして採用する確率を高めるための手法であり、推定に用いたデータによっては誤って精度の低い基準点を採用してしまう場合もある。誤って精度の低い基準点を採用しないように、所定値を厳しく設定しすぎると、オフセットを得るまでに非常に長い時間がかかってしまう。方位角計測装置を利用するシステムが要求する複数の仕様（必要なオフセットの平均精度、精度の悪いオフセットが得られる頻度、オフセットを得るまでの時間、等）を満たす所定値を設定することは一般に非常に難しい。
【００３６】
重力加速度は、場所が変わってもほとんど変化しないため、運動加速度を含まない純粋な重力加速度データを得られた場合［数２］により、高精度のオフセットを求めることができる。
【００３７】
運動加速度を含まない測定データは特許文献５に開示されているように携帯機器の静止判定をして、静止時の測定データより得ることができる。例えば所定時間Ｔの間に取得された加速度測定データ群の各測定軸のばらつきが所定範囲ＴＨ以下である場合に携帯機器は静止していると判定することが出来る。Ｔを長くし、ＴＨを小さくすることによって測定データに運動加速度が含まれる確率は減少するが、代わりに静止データを得るまでに長い時間がかかるようになる（従って、オフセットを求めるまでに長い時間がかかるようになる）。オフセットが推定されるまでの時間を速めるためにＴやＴＨを緩めに設定した場合、得られる静止データは運動加速度を含んでいる場合もある。
【００３８】
携帯端末の使用者が端末を動かしていなくとも、誤った重力加速度データが取得されることがある。例えば、エレベータは概ね０．１Ｇ（≒１ｍ／ｓ2）の定加速度で加減速する。また、技術の進歩により昇降中の振動もなくなってきている。このため、エレベータ内で静止した加速度センサは１．１Ｇ、または０．９Ｇ程度の定加速度を受ける場合があり、かつ上述の静止判定基準を満たすことが多い。
【００３９】
携帯端末を誤って落とした場合、携帯端末にかかる加速度は（携帯端末の回転運動の度合いによるが）概ね０Ｇとなる。自由落下中は、上述の静止判定基準を満たすことが多い。
【００４０】
従来においては、上述したような特許文献１、特許文献２、特許文献３に開示されている方位角計測装置の方法を利用して、推定された基準点の信頼度を計算していたが、これらの方法は何れも重力加速度のみで基準点が推定されたのか否かについては判定できなかった。
【００４１】
そこで、本発明の目的は、測定対象であるベクトル物理量の大きさが均一な空間で取得された測定データ群でなくとも、信頼性の高いオフセットを推定することが可能なベクトル物理量計測装置を提供することにある。
【００４２】
また、本発明の他の目的は、推定されたオフセットの信頼性を一段と向上させることが可能なベクトル物理量計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００４３】
本発明は、物理量を計測する物理量計測装置であって、複数の成分からなるベクトル物理量を検出するベクトル物理量検出手段と、前記検出されたベクトル物理量をベクトル物理量データとして繰り返し取得することにより、ベクトル物理量データ群を取得するデータ取得手段と、前記取得したベクトル物理量データ群から差分ベクトル群を算出し、該算出された差分ベクトル群を用いた所定の評価式に基づいて、前記取得したベクトル物理量データ群に含まれる基準点を推定する基準点推定手段とを具えたことを特徴とする。
【００４４】
前記基準点推定手段は、前記取得したベクトル物理量データ群の各成分の差によって前記差分ベクトル群を算出する差分ベクトル算出部と、前記算出された差分ベクトル群を用いた前記評価式に基づいて、前記取得したベクトル物理量データ群の各成分を座標値とする所定の座標系上に定められた前記基準点の座標を推定し、該推定された基準点の座標をオフセットとして出力する基準点推定部とを含んでもよい。
【００４５】
前記基準点推定手段は、前記算出された差分ベクトル群の各差分ベクトルが、前記基準点の推定に適しているか否かを判定し、該判定結果に基づいて所定の差分ベクトル群のみを前記基準点の推定のために出力する差分ベクトル信頼性算出部をさらに具えてもよい。
【００４６】
前記基準点推定手段は、前記推定された基準点の信頼度を前記差分ベクトル群を用いて判定し、該判定結果に基づいて所定の基準点のみをオフセットとして出力する信頼性算出部をさらに具えてもよい。
【００４７】
前記評価式は、前記差分ベクトルと、該差分ベクトルの中点と前記基準点を結ぶベクトルの内積の絶対値のＮ乗を用いて定めてもよい。
【００４８】
前記評価式は、前記差分ベクトルの中点と、前記基準点から該差分ベクトルに引いた垂線の足となる点との距離のＮ乗を用いて定めてもよい。
【００４９】
前記ベクトル物理量検出手段は、２成分のベクトル物理量検出手段であり、前記評価式は、前記差分ベクトルの垂直二等分線と前記基準点との距離のＮ乗を用いて定めてもよい。
【００５０】
前記ベクトル物理量検出手段は、３成分のベクトル物理量検出手段であり、前記評価式は、前記差分ベクトルの垂直二等分平面と前記基準点との距離のＮ乗を用いて定めてもよい。
【００５１】
前記ベクトル物理量検出手段は、２成分のベクトル物理量検出手段であり、前記評価式は、複数の前記差分ベクトルの垂直二等分線によって定まる点と前記基準点との距離のＮ乗を用いて定めてもよい。
【００５２】
前記ベクトル物理量検出手段は、３成分のベクトル物理量検出手段であり、前記評価式は、３つ以上の前記差分ベクトルの垂直二等分平面によって定まる点と前記基準点との距離のＮ乗を用いて定めてもよい。
【００５３】
前記Ｎは２としてもよい。
【００５４】
前記基準点推定手段は、前記基準点推定に使用する差分ベクトルを構成する２つのベクトル物理量データが取得された時間差が所定値以下である差分ベクトルを用いて、前記基準点を推定してもよい。
【００５５】
前記基準点推定手段は、前記差分ベクトルの大きさを算出し、前記差分ベクトルの大きさが所定値以上となる差分ベクトルを用いて、前記基準点を推定してもよい。
【００５６】
前記基準点推定手段は、前記データ取得手段が新たに取得したベクトル物理量データを含む２つのベクトル物理量データから計算される差分ベクトルと、前記データ取得手段が前記新たに取得したベクトル物理量データより前に取得した２つのベクトル物理量データから計算される差分ベクトルの成す角を計算し、前記成す角が所定値以上となる場合、前記新たに取得したベクトル物理量データから計算される差分ベクトルを基準点の推定に用いてもよい。
【００５７】
前記基準点推定手段は、前記基準点の座標を推定するために用いた差分ベクトル群の各々について、該差分ベクトルの中点と前記基準点推定手段によって推定された基準点を結ぶベクトルとの成す角を算出し、該成す角と９０度との差の最大値が、所定値以下である場合前記基準点をオフセットとして出力してもよい。
【００５８】
前記基準点の座標を推定するために用いた差分ベクトル群の各々について、推定された基準点から該差分ベクトルに下ろした垂線の足と、該差分ベクトルの中点との距離を算出し、該算出された距離の最大値が、所定値以下である場合前記基準点をオフセットとして出力してもよい。
【００５９】
前記ベクトル物理量検出手段は、２成分のベクトル物理量検出手段であり、前記基準点推定手段は、前記基準点の座標を推定するために用いた差分ベクトル群の各々について、該差分ベクトルの垂直二等分線と前記推定された基準点の距離を算出し、該算出された距離の最大値が、所定値以下である場合前記基準点をオフセットとして出力してもよい。
【００６０】
前記ベクトル物理量検出手段は、３成分のベクトル物理量検出手段であり、前記基準点推定手段は、前記基準点の座標を推定するために用いた差分ベクトル群の各々について、該差分ベクトルの垂直二等分平面と前記推定された基準点の距離を算出し、該算出された距離の最大値が、所定値以下である場合前記基準点をオフセットとして出力してもよい。
【００６１】
前記ベクトル物理量検出手段は、前記物理量として磁気を検出する磁気センサとしてもよい。
【００６２】
前記ベクトル物理量検出手段は、前記物理量として加速度を検出する加速度センサとしてもよい。
【００６３】
本発明は、物理量を計測する物理量計測方法であって、複数の成分からなるベクトル物理量を検出するベクトル物理量検出工程と、前記ベクトル物理量を繰り返して検出し、ベクトル物理量データとして取得することにより、ベクトル物理量データ群を取得するデータ取得工程と、前記取得したベクトル物理量データ群から差分ベクトル群を算出し、該算出された差分ベクトル群を用いた所定の評価式に基づいて、前記取得したベクトル物理量データ群に含まれる基準点を推定する基準点推定工程とを具えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００６４】
本発明によれば、複数の成分からなるベクトル物理量を繰り返して検出し、ベクトル物理量データとして取得することにより、ベクトル物理量データ群を取得し、取得したベクトル物理量データ群から差分ベクトル群を算出し、該算出された差分ベクトル群を用いた所定の評価式に基づいて取得したベクトル物理量データ群に含まれる基準点を推定するようにしたので、測定対象であるベクトル物理量の大きさが均一な空間で取得された測定データ群でなくとも、信頼性の高いオフセットを推定することができる。
【００６５】
また、本発明によれば、算出された差分ベクトル群の各差分ベクトルが基準点の推定に適しているか否かを判定し、該判定結果に基づいて所定の差分ベクトル群のみを基準点の推定のために用い、また推定された基準点の信頼度を差分ベクトル群を用いて判定し、該判定結果に基づいて所定の基準点のみをオフセットとして出力するようにしたので、推定されたオフセットの信頼性を一段と向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態である、物理量計測システムの全体的な概略構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、基準点推定手段の構成例を示すブロック図である。
【図３】図３は、物理量計測装置における物理量計測の概要を示すフローチャートである。
【図４】図４は、地磁気サイズが均一でない環境で取得されたデータ群からオフセットを推定する方法を説明する図である。
【図５】図５は、本発明の第２の実施の形態である、図２に示した基準点推定手段の他の構成例を示すブロック図である。
【図６Ａ】図６Ａは、基準点の推定に利用する差分ベクトルと、測定データに混入するノイズと、オフセットの関係を説明する図であって、差分ベクトルの大きさが大きい場合の例である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、基準点の推定に利用する差分ベクトルと、測定データに混入するノイズと、オフセットの関係を説明する図であって、差分ベクトルの大きさが小さい場合の例である。
【図７Ａ】図７Ａは、基準点の推定に利用する差分ベクトルと、差分ベクトルを構成する測定データの取得時間差と、オフセットとの関係を説明する図であって、時間差が小さい場合の例である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、基準点の推定に利用する差分ベクトルと、差分ベクトルを構成する測定データの取得時間差と、オフセットとの関係を説明する図であって、時間差が大きい場合の例である。
【図８Ａ】図８Ａは、測定データにノイズが混入した場合に、基準点の推定に利用する差分ベクトルと、差分ベクトル間の成す角と、オフセットとの関係を説明する図であって、差分ベクトル間の成す角が小さい場合の例である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、測定データにノイズが混入した場合に、基準点の推定に利用する差分ベクトルと、差分ベクトル間の成す角と、オフセットとの関係を説明する図であって、差分ベクトル間の成す角が大きい場合の例である。
【図９】図９は、本発明の第３の実施の形態である、図４に示した基準点推定部４２の構成例を示すブロック図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、真のオフセットと、推定された基準点と、推定された基準点から推定に用いた差分ベクトルの中点に引いたベクトルの関係を説明する図であって、ノイズが混入していない測定データから構成された差分ベクトルで基準点の推定が行われた場合の例である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、真のオフセットと、推定された基準点と、推定された基準点から推定に用いた差分ベクトルの中点に引いたベクトルの関係を説明する図であって、ノイズが混入した測定データから構成された差分ベクトルで基準点の推定が行われた場合の例である。
【図１１】図１１は、従来の方位角計測装置において、オフセットを推定する方法の概念を説明する図である。
【図１２】図１２は、市街地にて直線上を歩行しながら地磁気の大きさ、地磁気の伏角、及び歩行方位(地磁気方位)を計測した結果を示す図である。
【図１３】図１３は、従来の基準点推定手段の構成を示すブロック図である。
【図１４】図１４は、数４、及び文献８に開示される手法でオフセットを推定する場合の概念を説明する図である。
【図１５】図１５は、数５で推定されるオフセットの推定ばらつきを説明するための図である。
【図１６】図１６は、文献８に開示される手法で推定されるオフセットの推定ばらつきを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００６７】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００６８】
［第１の例］
本発明の第１の実施の形態を、図１〜図４に基づいて説明する。
【００６９】
＜構成＞
図１は、物理量計測システム１００の全体的な概略構成を示す。
【００７０】
物理量計測システム１００は、物理量計測装置１０と、演算部２００とからなる。
【００７１】
物理量計測装置１０は、ベクトル物理量検出手段２０と、データ取得手段３０と、基準点推定手段４０とからなる。
【００７２】
ベクトル物理量検出手段２０は、複数の成分からなるベクトル物理量を検出する。
【００７３】
データ取得手段３０は、検出されたベクトル物理量をベクトル物理量データとして繰り返し取得することにより、ベクトル物理量データ群を取得する。
【００７４】
基準点推定手段４０は、取得したベクトル物理量データ群から差分ベクトル群を算出し、該算出された差分ベクトル群を用いた所定の評価式に基づいてベクトル物理量データ群に含まれる基準点を推定し、該推定された基準点をオフセットとして出力する。
【００７５】
また、演算部２００は、物理量計測装置１０により取得されたベクトル物理量データ群と、推定されたオフセットとから、システムに必要な情報を算出する。
【００７６】
図２は、基準点推定手段４０の構成例を示す。
【００７７】
基準点推定手段４０は、差分ベクトル算出部４１と、基準点推定部４２とからなる。
【００７８】
差分ベクトル算出部４１は、取得したベクトル物理量データ群の各成分の差によって差分ベクトル群（Ｖ１）を算出する。
【００７９】
基準点推定部４２は、算出された差分ベクトル群（Ｖ１）及び差分ベクトル算出に使用したベクトル物理量データ群（Ｄ１）を用いた評価式４３に基づいて、取得したベクトル物理量データ群の各成分を座標値とする所定の座標系上に定められた基準点の座標を統計的手法によって推定し、該推定された基準点の座標をオフセットとして出力する。
【００８０】
以下、各部の具体的な構成例について説明する。
【００８１】
ベクトル物理量検出手段２０は、２成分又は３成分の物理量を検出し、検出した物理量に対応する信号を出力する。対象となる物理量として、例えば、地磁気、加速度などがある。
【００８２】
ベクトル物理量検出手段２０の構成としては、例えば、磁気を検出し、その検出した磁気に比例する電圧を出力する磁気センサや、加速度を検出し、その検出した加速度に比例する電圧を出力する加速度センサなどを用いることができる。
【００８３】
データ取得手段３０は、ベクトル物理量検出手段２０が出力した信号を後段（基準点推定手段４０以後）の各ブロックが処理しやすい形式に変換して取得する。
【００８４】
また、データ取得手段３０は、例えば、物理量検出手段が出力した信号を増幅し、増幅された信号をＡ／Ｄ変換し、変換されたデジタルデータを出力する。増幅と同時にノイズ除去のためにフィルター処理が施される場合もある。
【００８５】
通常、磁気センサ、加速度センサなどに代表されるセンサは、非常に小さな信号を出力するため、増幅し、フィルター処理を施しＳ／Ｎを向上させた後、コンピュータ等で処理しやすいデジタルデータに変換され出力される。Ａ／Ｄ変換をせずにアナログ信号のまま後段の処理を行ってもよい。
【００８６】
＜動作＞
以下、本システムの動作について説明する。
（物理量計測の概要）
図３は、物理量計測装置１０における物理量計測の概要を示すフローチャートである。
【００８７】
ステップＳ１では、複数の成分からなるベクトル物理量を検出する。
【００８８】
ステップＳ２では、ベクトル物理量を繰り返して検出し、取得してベクトル物理量データ群を取得する。
【００８９】
ステップＳ３では、取得したベクトル物理量データ群の各成分の差をとり、差分ベクトル群を算出する。
【００９０】
ステップＳ４では、差分ベクトル群を用いた評価式に基づいて、取得したベクトル物理量データ群の各成分を座標値とする所定の座標系上に定められた基準点の座標を統計的手法によって推定する。これにより、その推定された基準点の座標をオフセットとして出力する。
【００９１】
以下、物理量計測について具体例を挙げて説明する。
（基準点の推定）
図２の基準点推定手段４０において、データ取得手段３０によって取得された２つの測定データ、または測定データ群から計算される２つのデータから、差分ベクトルを計算する。そして、必要に応じて、差分ベクトル及び該差分ベクトルを構成しているデータを蓄積する。その蓄積された差分ベクトル群及び該差分ベクトルを構成しているデータ群から予め決められた評価式に基づいてデータ取得手段が出力するデータに含まれる基準点を推定して、オフセットとして出力する。
【００９２】
後述するように、評価式に差分ベクトルを用いることにより、ベクトル物理量の大きさが均一でない環境で取得されたデータ群からもオフセットの推定が可能となる。
【００９３】
差分ベクトルを構成する２つのデータは、データ取得手段が取得したデータでも良いし、ノイズの影響を低減するために、測定データ群に何らかの計算処理（例えば、平均)を施して得られる値を用いてもよい。
【００９４】
（演算処理）
図１に示す物理量計測システム１００は、演算部２００において、通常、物理量計測装置１０のデータ取得手段３０が取得した測定データ、及び基準点推定手段４０が推定したオフセットを受けて、システムに必要な情報を計算する。
【００９５】
例えば、物理量検出手段が３軸磁気センサであり、地磁気を検出して方位角を算出することが目的の方位角計測装置の場合、推定されたオフセット、及び取得された測定データから、まず地磁気の値を算出し、更に方位角を算出する。
【００９６】
具体的には、推定されたオフセットを(ｏx，ｏy，ｏz)、本発明に係る物理量計測システム１００を備えた携帯機器が、水平の（磁気センサｘ測定軸、ｙ測定軸が水平面上にある）ときの磁気測定データをｍ＝（ｘi，ｙi，ｚi）とすると、ｘ測定軸の磁北に対する方位は次式で計算される。
【００９７】
【数４】
2008146757.tif 000037
【００９８】
例えば、ベクトル物理量検出手段２０が３軸加速度センサであり、携帯機器の水平面に対する傾きを算出することが目的の傾斜角計測装置の場合、推定されたオフセット、及び取得されたデータからまず重力加速度の値が計算され、更に携帯機器の傾斜角が算出される。
【００９９】
具体的には、推定されたオフセットを(ｏx，ｏy，ｏz)、重力加速度測定データをｇ＝（ｘi，ｙi，ｚi）とすると、水平面に対するｘ測定軸の成す角Φ、ｙ測定軸の成す角ηは次式で計算される。
【０１００】
【数５】
2008146757.tif 000038
【０１０１】
（オフセットの推定方法）
前述したように地磁気の大きさが変わらない環境で、３軸の磁気センサを用いて地磁気データを取得した場合、地磁気の測定データは球面上に分布する。２軸の磁気センサを水平面上で動かした場合、地磁気データはオフセットを中心とした円（所謂方位円）上に分布する。以下では、簡単化のため２次元の場合を主として説明するが、３次元の場合も同様に理論を展開できる。
【０１０２】
図４は、地磁気サイズが均一でない環境で取得されたデータ群からオフセットを推定する方法を説明する図である。
【０１０３】
例えば、自動車のダッシュボードの上に水平に固定した２軸の磁気センサが検出する磁気の時間変化を表す。一般に自動車は、さまざまな磁場環境の中を高速で通過する。例えば、橋は鉄構造物であることが多く地磁気が引き込まれ大きさ、方向とも変化する。道路にも鉄構造物が埋められている場合もある。また、都市の道路の場合道路周辺のビルなどの影響も受ける。このため、自動車内に設置された磁気センサが検出する地磁気測定値は一つの円上に分布せず、同心円状の複数の円上に分布する。従って、［数２］（［数２］を２成分の場合に補正した式）を用いて求められるオフセットの精度は一般に悪い。
【０１０４】
図４では、本発明の概念を説明するために、地磁気の大きさの異なる３つの領域を通過した場合に取得される磁気データを表した図である。
【０１０５】
地磁気の大きさが同じ領域で取得された２つの地磁気データの垂直２等分線はオフセットを通る。地磁気の大きさが同じ領域で取得された２つの地磁気データの組が二組あれば、垂直二等分線からオフセットを推定することが出来る。実際の地磁気測定データにはノイズが含まれていることが多く、また地磁気の大きさが同じ領域で必ずしも２つの地磁気データを取得できるとは限らないため、複数のペアデータから統計的にオフセットを求めることが望ましい。
【０１０６】
地磁気センサによって繰り返し取得された２軸測定データ群をｍi＝（ｘi，ｙi）、地磁気センサの測定データに含まれるオフセットをｏ＝（ｏx，ｏy）とする。一つの方位円上にある二つの地磁気データから構成される差分ベクトルと、地磁気センサのオフセットと該差分ベクトルの中点を結ぶベクトルの内積は０である。
【０１０７】
実際には、地磁気の大きさは場所が少しでも変わると変動することが多く、厳密に同じ方位円上の測定データを２つ取得することは難しいが、場所が近い（即ち、時間的に近い）ところで取得された２つのデータは、ほぼ同じ大きさの方位円上にあると考えても差しつかえない。方位円の大きさが時間とともに変動しても、同じ（程度の）大きさの方位円上にある測定データの組を取得できれば、各々の測定データの組から作られる内積は全て０に近い値である。全ての測定データの組から作られる内積の絶対値の２乗は下式のようになる。
【０１０８】
【数６】
2008146757.tif 000039
【０１０９】
理想的には、Ｓの値は０となるが、実際の測定値にはノイズが含まれていたり、厳密に同じ方位円上にはない測定データの組であったりするため、０に近い値となる。［数６］を最小値にするようなｏを求めるのが推定方法として妥当である。［数６］を最小にする方法として、Ｎｅｗｔｏｎ−Ｒａｐｈｓｏｎ法などの反復法により、漸近的にｏを求めていく方法もあるが、以下の連立方程式を解くことによって解析的に求めることもできる。
【０１１０】
【数７】
2008146757.tif 000040
【０１１１】
一つの方位円上の二点から構成される差分ベクトルの垂直二等分線が方位円の中心を通ることから、［数６］の代わりに［数８］、または［数９］の評価式を定義し、これらの表下式が最小値をとるようにoを定めることもできる。
【０１１２】
【数８】
2008146757.tif 000041
【０１１３】
【数９】
2008146757.tif 000042
【０１１４】
［数８］は、２つの測定データから構成される差分ベクトルの中点と、基準点から差分ベクトルに引いた垂線の足となる点との距離の２乗を各差分ベクトルごとに計算し、各差分ベクトルごとに計算された値の和となっている。
【０１１５】
［数９］は、２つの測定データから構成される差分ベクトルの垂直二等分線と、基準点との距離の２乗を各差分ベクトルごとに計算し、各差分ベクトルごとに計算された値の和となっている。（３成分の物理量検出装置の場合は、“２つの測定データから構成される差分ベクトルの垂直二等分面と、基準点との距離の２乗を各差分ベクトルごとに計算し、各差分ベクトルごとに計算された値の和となっている”となる。［数９］は、ベクトル記述であるため、２成分でも３成分でも同じである）。
【０１１６】
［数８］と［数９］は、導出の思考過程が異なるだけで、同じ式である。
【０１１７】
［数８］と［数９］を最小にする方法として、Ｎｅｗｔｏｎ−Ｒａｐｈｓｏｎ法などの反復法により、漸近的にｏを求めていく方法がある。
【０１１８】
［数６］、［数８］、［数９］は、絶対値の２乗の和の形をしているが、一般的には絶対値のN乗の和としてよい。例えば、［数６］の評価式の変わりに次式を用いてもよい。
【０１１９】
【数１０】
2008146757.tif 000043
【０１２０】
Ｎが大きくなると一般的には計算量が増え、また、計算過程で扱わなければならなくなる値の範囲が大きくなるため、数値を表現するビット数に制約があるシステムには向かない。
【０１２１】
２つの差分ベクトルの垂直二等分線（物理量検出手段が２成分の物理量を検出する場合。３成分の場合、３つの差分ベクトルの垂直二等分平面となる）は、基準点を通る。よって、２つの差分ベクトルの組を何組か作り、各組ごとに垂直二等分線の交点を計算し、各組ごとに計算された交点と基準点との距離の和のＮ乗を評価式に定めてもよい（［数１１］）。
【０１２２】
【数１１】
2008146757.tif 000044
【０１２３】
ただし、ベクトルａに関して、ａTは横ベクトルを表す。
【０１２４】
さらに拡張して、複数（例えばＡ個）の差分ベクトルから特定の点を定める方法を定義し、Ａ個の差分ベクトルの組を何組か作り、各組ごとに特定の点を計算し、各組ごとに計算された特定の点と基準点との距離の和のＮ乗を評価式に定めてもよい。
【０１２５】
例えば、３個の差分ベクトルから［数６］を解くことによって得られる(ｏx，ｏy)を特定点の定義とすることができる。
【０１２６】
［第２の例］
本発明の第２の実施の形態を、図５〜図８に基づいて説明する。なお、前述した第１の例と同一部分については、その説明を省略し、同一符号を付す。
【０１２７】
図５は、図２に示した基準点推定手段４０の他の構成例を示す。
【０１２８】
基準点推定手段４０には、差分ベクトル信頼性算出部５０がさらに備えられている。
【０１２９】
差分ベクトル信頼性算出部５０は、前述した図３に示すように、ステップＳ１０において、算出された差分ベクトル群の各差分ベクトルが、基準点の推定に適しているか否かを判定し、該判定結果に基づいて所定の差分ベクトル群のみを基準点の推定のために出力する。
【０１３０】
以下、差分ベクトル信頼性算出部５０の機能について具体的に説明する。
【０１３１】
図１のデータ取得手段３０によって取得された任意の２つのデータから差分ベクトルを計算し、評価式［数６］、［数８］、又は［数９］を最小にするようにｏを求めたとしても、通常測定データにはノイズが混入しており、また、差分ベクトルを構成する２つのデータが必ずしも一つの方位円上にない、などの理由により、差分ベクトルを構成する２つのデータの選び方によっては、オフセットの推定精度が悪い場合がある。そのため、基準点推定に適した差分ベクトルのみを選別して、基準点の推定を行う方が好ましい。
【０１３２】
図５の差分ベクトル信頼性算出部５０は、一つないしは複数の方法で、差分ベクトル算出部４１から出力された差分ベクトル群の各差分ベクトルが基準点の推定に適しているか否か判断し、基準点の推定に適していると判断された差分ベクトルのみから構成される差分ベクトル群Ｖ２、および差分ベクトル群を構成するデータ群（各差分ベクトルを計算するために使用したベクトル物理量データの集まり）Ｄ２を基準点推定部４２に出力する。
【０１３３】
（基準点の推定例１）
図６Ａ，図６Ｂは、基準点の推定に利用する差分ベクトルと、測定データ４０１に混入するノイズと、オフセット４００との関係を説明する図である。
【０１３４】
図６Ａは差分ベクトルの大きさが大きい場合の例、図６Ｂは差分ベクトルの大きさが小さい場合の例である。
【０１３５】
図６Ａ，図６Ｂにおいて、選んだ一組のデータの一つにノイズが混入した場合の差分ベクトルの垂直二等分線と、方位円の中心との関係を示す。
【０１３６】
差分ベクトルの大きさが小さくなるほど、同じノイズでも差分ベクトルの垂直二等分線が方位円の中心から離れることがわかる。これにより、ノイズの影響による推定誤差を低減するためには、基準点推定にはなるべく大きな差分ベクトルを用いたほうが良いことがわかる。
【０１３７】
しかし、大きな差分ベクトルを得るためにお互い離れた場所（離れた時間）で取得された二つの磁気データを使用することは、前述したように地磁気の大きさが場所により変動するため好ましくない。従って、差分ベクトルを算出する二つの磁気データの取得された時間は既定の値以下に決めておくべきである。
【０１３８】
以下に、本発明と文献８の技術の差異を説明する。
【０１３９】
市街地のように人工構造物の多い場所では地磁気が均一な領域は非常に狭く、従って歩行者が取得する二つの磁気データは、例え磁気データが時間的に近接していたとしてもそれらを取得した場所の地磁気の大きさは完全には一致していない場合がほとんどである。また、自動車などの着磁した移動体、屋内外の様々な電流の影響により磁気データにはノイズが混入していることが多い。
【０１４０】
図８は、ノイズの混入した地磁気データによって設定される二つの垂直二等分線の交点と真のオフセットの関係を示した図である。磁気データにノイズが混入している場合、オフセットの推定に用いる垂直二等分線によっては大きな誤差が含まれる。
【０１４１】
図１４は、［数７］、及び文献８に開示される手法でオフセットを推定する場合の概念を説明する図である。
【０１４２】
図１４では真の地磁気センサのオフセットをＸとし、地磁気センサの測定値が描く方位円を点線で示している。このとき12点の磁気データから［数７］によって推定されるオフセットを４１０、文献８によって推定されるオフセットを５００で示している。
【０１４３】
［数７］によって推定されるオフセット４１０は、１２点全ての磁気データから一度に求められる。
【０１４４】
文献８によるオフセット５００は、まず測定データ４０１、次に測定データ４２０、最後に測定データ４３０で表わされるそれぞれ４点から作られる二つの二等分線の交点を求め、最後に求められた三つの交点を平均することによってオフセットを推定している。全ての磁気データには方位円の半径の１０％以下のノイズを混入させている。
【０１４５】
図１４において示されるように、本発明の［数７］により求められたオフセット４１０と、文献８にて開示されている方法で求められたオフセット５００とは同じとはならない。
【０１４６】
本発明による方法では、多くの差分ベクトルに重畳された重畳されたノイズの影響は、そのランダム性のために相殺され、ノイズが重畳していても真値に近いオフセットの値を算出できている。
【０１４７】
一方、文献８の方法では、比較的近い距離の2点を結ぶ垂直2等分線を用い、さらに、その比較的近い２つの垂直二等分線の交点をもとめ、それを平均している。この場合、比較的近い２つの垂直二等分線に含まれるノイズの影響は、必ずしも相殺されず、オフセットの値としてはかえってノイズの影響が増大されてしまい、真値とは大きく異なるオフセットの値が求まりやすい。このとき、複数の垂直二等分線の交点を平均したとしても、そのノイズの影響が相殺されることはなく、求められたオフセットの真値との誤差がおおきくなると考えられる。
【０１４８】
図１５は、本発明の［数７］によるオフセット推定を１０００回行い、推定されたオフセットをすべて表示した図である。
【０１４９】
図１６は、文献８の手法によるオフセット推定を１０００回行い、推定されたオフセットをすべて表示した図である。
【０１５０】
図１５、図１６とも各回同じ磁気データからオフセットを推定した。二つの図を比べると、明らかに、本発明による方法のほうがオフセットの推定精度が高いことがわかる。
【０１５１】
（基準点の推定例２）
図７Ａ，図７Ｂは、基準点の推定に利用する差分ベクトルと、差分ベクトルを構成する測定データ４０１の取得時間差と、オフセット４００との関係を説明する図である。
【０１５２】
図７Ａは時間差が小さい場合の例、図７Ｂは時間差が大きい場合の例である。
【０１５３】
図７Ａ，図７Ｂにおいては、差分ベクトルの大きさが大きくても、同じ方位円上にない測定データ４０１から計算された差分ベクトルの垂直二等分線がオフセット４００を示す点から大きく離れてしまう場合があることを示す。４０２は、地磁気推移である。
【０１５４】
（基準点の推定例３）
図８Ａ，図８Ｂは、測定データ４０１にノイズが混入した場合に、基準点の推定に利用する差分ベクトルと、差分ベクトル間の成す角と、オフセット４００との関係を説明する図である。
【０１５５】
図８Ａは差分ベクトル間の成す角が小さい場合の例、図８Ｂは差分ベクトル間の成す角が大きい場合の例である。
【０１５６】
図８Ａ，図８Ｂにおいて、測定データ４０１にノイズが混入した場合に、基準点の推定に利用する差分ベクトルと、差分ベクトル間の成す角と、オフセット４００との関係を示す。２つの差分ベクトルの成す角が小さい(平行に近い)と、推定される基準点（２つの差分ベクトルの交点）は、真のオフセットから大きく離れてしまう場合がある。
【０１５７】
これに対して、２つの差分ベクトルの成す角が９０度（直角）に近いときは、ノイズの影響を一般に受け難い。多数の差分ベクトルから統計的にオフセットを推定する場合は、差分ベクトルが様々な方位に均等に分布しているとノイズの影響を受け難くなる。
【０１５８】
全ての測定データを携帯機器のメモリ等に格納しておき、格納された測定データから様々な方位に分布するような差分ベクトルを計算することは、メモリや計算能力の問題から難しい。携帯機器のような小型のシステムでは、様々な方位の差分ベクトルを得る手法として次のような方法がある。
【０１５９】
即ち、差分ベクトル信頼性算出手段によって直前に信頼性があると判定された差分ベクトルを基準として、該差分ベクトルと新たに計算された差分ベクトルの成す角が所定の角度以上であるとき、新たに計算された差分ベクトルを信頼性のある差分ベクトルして、基準点推定に用いる。反対に成す角が所定の角度以下の時は信頼性がないとして新たに計算された差分ベクトルを破棄する。このようにすることによって、同じ方向を指す差分ベクトルばかりで基準点が推定されることがなくなる。
【０１６０】
［第３の例］
本発明の第３の実施の形態を、図９および図１０に基づいて説明する。なお、前述した各例と同一部分については、その説明を省略し、同一符号を付す。
【０１６１】
図９は、図５に示した基準点推定部４２の構成例を示す。
【０１６２】
基準点推定部４２には、推定部５１と、信頼性算出部５２とが備えられている。
【０１６３】
推定部５１は、算出された差分ベクトル群を用いた評価式４３に基づいて、ベクトル物理量データ群に含まれる基準点を推定する。
【０１６４】
信頼性算出部５２は、前述した図３に示すように、ステップＳ２０において、その推定された基準点の信頼度を差分ベクトル群を用いて判定し、該判定結果に基づいて所定の基準点のみをオフセットとして出力する。
【０１６５】
以下、信頼性算出部５２の機能について具体的に説明する。
【０１６６】
前述したように、測定データにはノイズが混入したり、地磁気の大きさが変動したりするために、推定される基準点には通常誤差が含まれている。推定された基準点がどの程度信頼できるかどうか調べ、信頼できると判定されたときにのみ推定された基準点をオフセットとして出力すべきである。
【０１６７】
図１０Ａ，図１０Ｂは、真のオフセット４００と、推定された基準点４０３と、推定された基準点４０３から推定に用いた差分ベクトルの中点に引いたベクトルの関係を説明する図である。
【０１６８】
図１０Ａは、ノイズが混入していない測定データ４０１から構成された差分ベクトルで基準点の推定が行われた場合の例である。図１０Ｂは、ノイズが混入した測定データ４０１から構成された差分ベクトルで基準点の推定が行われた場合の例である。
【０１６９】
図１０Ａ，図１０Ｂにおいて、推定に用いた個々の差分ベクトルが、ベクトル物理量の大きさが同じ環境で取得され、さらにノイズの混入していない測定データ４０１から構成されている場合、推定される基準点は真のオフセット４００に一致し、各差分ベクトルの中点と基準点を結んだベクトルは各差分ベクトルと直交する。
【０１７０】
逆に、推定に用いた差分ベクトルが、ベクトル物理量の大きさが異なる環境で取得され、あるいはノイズが混入したデータから構成されている場合、推定される基準点４０３は真のオフセットとは一致せず、各差分ベクトルの中点と基準点を結んだベクトルの成す角は９０度以下となる。
【０１７１】
推定に用いた全ての差分ベクトルについて、差分ベクトルと、推定された基準点と差分ベクトルの中点を結ぶベクトルとの成す角を計算する。計算された全ての成す角と９０度との差が所定値以下である場合推定された基準点を信頼できると判定する。逆に、成す角と９０度との差が一つでも所定値以上であれば、推定された基準点は信頼できないと判定して、破棄する。これにより、信頼度を一段と向上させたオフセットを推定することが可能となる。
【０１７２】
上述したように、本発明における測定の対象となるベクトル物理量の卑近な例として、地磁気や加速度などが挙げられる。他にも、人工的に作り出した定常的な磁場や電場など、ベクトル物理量の大きさの変化が、ベクトル物理量とベクトル物理量検出手段の相対的な姿勢関係の変化に比べて遅ければ、どんな物理量でもよい。
【国際調査報告】
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