(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速度センサーの第１の姿勢における出力値が所定値であるか否かを判定することと、
前記所定値ではないと判定した場合に、前記加速度センサーの姿勢変更の指示をすることと、
前記加速度センサーの前記姿勢変更された第２の姿勢における出力値が前記所定値であるか否かを判定することと、
前記所定値であると判定されたときの複数の姿勢と、当該姿勢における前記加速度センサーの出力値との組合せを用いて、前記加速度センサーのバイアスを推定することと、
を含む加速度バイアス推定方法。
【請求項２】
前記所定値は重力加速度相当値である、
請求項１に記載の加速度バイアス推定方法。
【請求項３】
前記第１の姿勢及び前記第２の姿勢は、絶対座標系における前記加速度センサーの姿勢であり、
前記推定することは、前記絶対座標系における加速度として重力加速度以外の加速度がゼロであることを参照値として用いて、前記バイアスを推定することを含む、
請求項２に記載の加速度バイアス推定方法。
【請求項４】
前記加速度センサーの出力値に基づいて設定した静止時の基準姿勢と、ジャイロセンサーの出力値とを用いて、前記加速度センサーの姿勢を算出することを更に含み、
前記推定することは、前記算出された姿勢と前記加速度センサーの出力値との組合せを用いて前記バイアスを推定することである、
請求項１乃至３の何れか一項に記載の加速度バイアス推定方法。
【請求項５】
前記推定することは、新たな前記組合せが得られる毎に逐次的に前記バイアスを推定する逐次近似演算処理を行うことを含む、
請求項１乃至４の何れか一項に記載の加速度バイアス推定方法。
【請求項６】
加速度センサーの姿勢を算出する姿勢算出部と、
前記姿勢算出部により算出された複数の姿勢と当該姿勢における前記加速度センサーの出力値との組合せを用いて、前記加速度センサーのバイアスを推定する推定部と、
を含む処理部を備え、
前記処理部は、前記加速度センサーの第１の姿勢における出力値が所定値であるか否かを判定し、前記所定値ではないと判定した場合に、前記加速度センサーを第２の姿勢に変更するための指示を行う計測装置。
【請求項７】
前記所定値は重力加速度相当値である請求項６に記載の計測装置。
【請求項８】
前記第１の姿勢及び前記第２の姿勢は、絶対座標系における前記加速度センサーの姿勢であり、
前記推定部は、前記絶対座標系における加速度として重力加速度以外の加速度がゼロであることを参照値として用いて、前記バイアスを推定する、
請求項７に記載の計測装置。
【請求項９】
前記姿勢算出部は、前記加速度センサーの出力値に基づいて設定した静止時の基準姿勢と、ジャイロセンサーの出力値とを用いて、前記加速度センサーの姿勢を算出し、
前記推定部は、前記姿勢算出部により算出された姿勢と前記加速度センサーの出力値との組合せを用いて前記バイアスを推定する、
請求項６乃至８の何れか一項に記載の計測装置。
【請求項１０】
前記推定部は、新たな前記組合せが得られる毎に逐次的に前記バイアスを推定する逐次近似演算処理を行う、
請求項６乃至９の何れか一項に記載の計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度センサーのバイアスを推定する方法等に関する。
【背景技術】
【０００２】
いわゆるシームレス測位やモーションセンシング、姿勢制御など様々な分野において、センサーの活用が注目されている。センサーとしては、加速度センサーやジャイロセンサー、圧力センサー、地磁気センサーなどが広く知られている。センサーの計測結果を利用して慣性航法演算を行って移動体（例えば自転車や自動車、電車、船、飛行機など）の位置算出を行う技術も考案されている。
【０００３】
例えば、慣性センサーの一種である加速度センサーを考えた場合、その出力値には、いわゆるゼロ点バイアスに代表されるバイアス（以下、「加速度バイアス」と称す。）が含まれる。この加速度バイアスの存在により、加速度センサーの出力値を用いて慣性航法演算を行った場合、その演算結果に大きな誤差が生じる場合がある。例えば、特許文献１や２には、加速度バイアスを推定するための技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００７／０７７８５９号
【特許文献２】特開２０１０−２７１２０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般的に、加速度センサーのみを用いて加速度バイアスを推定しようとした場合、加速度センサーを特定の姿勢にし、重力加速度を参照して推定演算を行う必要がある。しかし、この方法では、加速度センサーの姿勢が特定の姿勢から少しでもずれていると、加速度バイアスが正しく推定されなくなるおそれがある。外部装置を用いて加速度センサーを特定の姿勢にする技術も考案されているが、この方法では外部装置が必須となる。
【０００６】
また、加速度センサー以外のセンサー（例えば地磁気センサーやＧＰＳ（Global Positioning System）センサー。以下包括的に「参照用センサー」と称す。）の参照情報を用いて加速度バイアスを推定する手法も考案されている。しかし、これらの手法では、加速度バイアスの推定精度がもっぱら参照用センサーの検出精度に依存する。そのため、参照用センサーの検出精度が低い場合には、加速度バイアスの推定精度が低下する。また、そもそも参照用センサーによる検出が不可能な環境においては、加速度バイアスの推定そのものを行うことができないという問題もある。
【０００７】
本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、加速度バイアスを推定するための全く新しい手法を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以上の課題を解決するための第１の形態は、３軸の加速度センサーの姿勢を変化させることと、前記姿勢と前記加速度センサーの出力値との複数の組合せを用いて、前記加速度センサーのバイアスを推定することと、を含む加速度バイアス推定方法である。
【０００９】
この第１の形態によれば、３軸の加速度センサーの姿勢を変化させ、その場合の姿勢と加速度センサーの出力値との複数の組合せを用いて、加速度センサーのバイアスを推定する。詳細については実施形態で述べるが、本願発明者は、加速度センサーの姿勢と出力値とバイアスとの関係を発見した。この関係に基づき、加速度センサーの姿勢と出力値との複数の組合せを用いることで、加速度センサーのバイアスを推定することが可能となる。
【００１０】
また、この場合、他の形態として、３軸の加速度センサーと、前記加速度センサーの姿勢を算出する姿勢算出部と、前記姿勢算出部により算出された複数の姿勢と当該姿勢における前記加速度センサーの出力値との組合せを用いて、前記加速度センサーのバイアスを推定する推定部と、を備えた計測装置を構成すると、第１の形態と同様の作用効果を発揮する計測装置を実現できる。
【００１１】
第２の形態は、第１の形態の加速度バイアス推定方法において、前記推定することは、前記加速度センサーの出力値が重力加速度相当値であるときの前記姿勢と当該出力値との組合せを用いて前記バイアスを推定することである、加速度バイアス推定方法である。
【００１２】
また、第３の形態として、第２の形態の加速度バイアス推定方法における前記姿勢は、絶対座標系における前記加速度センサーの姿勢であり、前記推定することは、前記絶対座標系における加速度として重力加速度以外の加速度がゼロであることを参照値として用いて、前記バイアスを推定することを含む、加速度バイアス推定方法を構成することとしてもよい。
【００１３】
第２の形態によれば、加速度センサーの出力値が重力加速度相当値であるときの加速度センサーの姿勢と当該出力値との組合せを用いてバイアスを推定する。この場合において、第３の形態のように、絶対座標系における加速度として重力加速度以外の加速度がゼロであることを参照値として用いることで、加速度センサーのバイアスを正しく推定することが可能となる。
【００１４】
また、第４の形態として、第１乃至第３の何れかの形態の加速度バイアス推定方法において、前記加速度センサーの出力値に基づいて設定した静止時の基準姿勢と、前記加速度センサーと一体に設けたジャイロセンサーの出力値とを用いて、前記加速度センサーの姿勢を算出することを更に含み、前記推定することは、前記算出された姿勢と前記加速度センサーの出力値との組合せを用いて前記バイアスを推定することである、加速度バイアス推定方法を構成することとしてもよい。
【００１５】
この第４の形態によれば、加速度センサーの出力値に基づいて静止時の基準姿勢を設定する。この設定した基準姿勢を、加速度センサーと一体に設けたジャイロセンサーの出力値とともに用いることで、加速度センサーの姿勢を算出することができる。バイアスの推定に用いる姿勢は、このようにして算出した姿勢である。
【００１６】
また、第５の形態として、第１乃至第４の何れかの形態の加速度バイアス推定方法において、前記推定することは、新たな前記組合せが得られる毎に逐次的に前記バイアスを推定する逐次近似演算処理を行うことを含む、加速度バイアス推定方法を構成することとしてもよい。
【００１７】
この第５の形態によれば、加速度センサーの姿勢と出力値との新たな組合せが得られる毎に逐次的にバイアスを推定する逐次近似演算処理を行うことで、加速度センサーのバイアスの推定を効果的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】（１）慣性航法演算装置の外観構成図。（２）慣性航法演算装置のブロック図。
【図２】加速度バイアス推定用データのデータ構成例を示す図。
【図３】加速度バイアス推定処理の流れを示すフローチャート。
【図４】実験結果の一例を示す図。
【図５】実験結果の一例を示す図。
【図６】第２の加速度バイアス推定処理の流れを示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態の一例について説明する。本実施形態は、慣性航法演算を行う慣性航法演算装置に本発明を適用した場合の実施形態である。但し、本発明を適用可能な形態が以下説明する実施形態に限定されるわけでないことは勿論である。
【００２０】
１．構成
図１は、本実施形態における慣性航法演算装置１の構成を説明するための図であり、図１（１）は慣性航法演算装置１の外観構成図であり、図１（２）は慣性航法演算装置１の機能構成を示すブロック図である。
【００２１】
慣性航法演算装置１は、例えばユーザーの腰部に装着可能に構成された小型の電子機器であり、ユーザーがウオーキングやランニング等の運動を行う際に装着して、慣性航法演算を行うことが可能に構成されている。ユーザーの位置や速度等の情報を履歴的に記憶しておくことで、ユーザーは後から移動経路を確認したり、運動記録等の情報の編集を行うことが可能に構成されている。
【００２２】
慣性航法演算装置１は、センサー部２０を備える。センサー部２０は、３軸の加速度センサー２１と、３軸のジャイロセンサー２３とを有して構成される。加速度センサー２１とジャイロセンサー２３とは一体的に構成されており、共通の座標系における各軸方向の加速度及び各軸周りの角速度を検出して出力するように構成されている。加速度センサー２１によって検出された加速度のことを「検出加速度」と称し、ジャイロセンサー２３によって検出された角速度のことを「検出角速度」と称する。
【００２３】
本実施形態では、慣性航法演算装置１が慣性航法演算を行う座標系を絶対座標系と定義する。絶対座標系はナビゲーションフレーム（ｎフレーム）とも呼ばれる。絶対座標系としては、例えば北東下座標系として知られるＮＥＤ（North East Down）座標系を適用することができる。
【００２４】
また、慣性航法演算装置１に固定され、実空間を移動、回転する座標系をローカル座標系と定義し、センサー部２０は、ローカル座標系での検出値を出力するように構成されているものとして説明する。ローカル座標系はボディフレーム（ｂフレーム）とも呼ばれる。つまり、本実施形態において、センサー部２０の検出座標系はローカル座標系と一致する。
【００２５】
ローカル座標系は、図１（１）に示すように、例えば、紙面向かって右方向を正とする左右方向をｘ軸（ロール軸）、紙面向かって手前方向を正とする前後方向をｙ軸（ピッチ軸）、紙面向かって下方向を正とする上下方向をｚ軸（ヨー軸）とする３次元直交座標系である。このローカル座標系において、ｘ軸の軸周りの回転角をロール角“φ”、ｙ軸の軸周りの回転角をピッチ角“θ”、ｚ軸の軸周りの回転角をヨー角“Ψ”と定義する。これらの各軸周りの回転角を用いて、絶対座標系におけるセンサー部２０の姿勢（加速度センサー２１の姿勢）を表現する。
【００２６】
図１（２）に示すように、慣性航法演算装置１は、主要な機能構成として、処理部１０と、センサー部２０と、操作部３０と、表示部４０と、音出力部５０と、通信部６０と、時計部７０と、記憶部８０とを備えて構成される。
【００２７】
処理部１０は、記憶部８０に記憶されているシステムプログラム等の各種プログラムに従って慣性航法演算装置１の各部を統括的に制御する制御装置及び演算装置であり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＤＳＰ（Digital Signal Processor）等のプロセッサーを有して構成される。
【００２８】
処理部１０は、主要な機能部として、初期設定部１１と、姿勢算出部１３と、加速度バイアス推定部１５と、慣性航法演算部１７とを有する。但し、これらの機能部は一実施例として記載したものに過ぎず、必ずしもこれら全ての機能部を必須構成要素としなければならないわけではない。また、これら以外の機能部を必須構成要素としてもよいことは勿論である。
【００２９】
操作部３０は、例えばタッチパネルやボタンスイッチ等により構成される入力装置であり、押下されたキーやボタンの信号を処理部１０に出力する。この操作部３０の操作により、運動の開始や運動の終了といった各種指示入力がなされる。
【００３０】
表示部４０は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等により構成され、処理部１０から入力される表示信号に基づいた各種表示を行う。表示部４０には、慣性航法演算の演算結果等の情報が表示される。
【００３１】
音出力部５０は、スピーカー等を有して構成される音出力装置であり、処理部１０から出力される音出力信号に基づいた各種音出力を行う。音出力部５０からは、音声ガイダンスや、歩行或いは走行に係るペース音等が音出力される。
【００３２】
記憶部８０は、ＲＯＭ（Read Only Memory）やフラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の記憶装置によって構成され、慣性航法演算装置１のシステムプログラムや、加速度バイアス推定演算、慣性航法演算等の各種機能を実現するための各種プログラム、データ等を記憶している。また、各種処理の処理中データ、処理結果などを一時的に記憶するワークエリアを有する。
【００３３】
２．原理
処理部１０の機能ブロックである初期設定部１１、姿勢算出部１３及び加速度バイアス推定部１５が行う処理について詳細に説明する。
【００３４】
２−１．初期設定
２−１−１．ジャイロバイアスの推定
ジャイロセンサー２３の出力値に含まれるバイアス（以下、「ジャイロバイアス」と称す。）を取り除くため、初期設定部１１は、静止時におけるジャイロセンサー２３の出力値を用いてジャイロバイアスを推定する。具体的には、例えば、慣性航法演算装置１を静止させた状態で一定期間、ジャイロセンサー２３の出力値を取得する。そして、その一定期間分の出力値を平均処理し、その平均値をジャイロバイアスと推定する。
【００３５】
２−１−２．基準姿勢の設定
センサー部２０の静止時の基準姿勢を設定する。具体的には、慣性航法演算装置１を静止させた状態で一定期間、加速度センサー２１の出力値を取得する。そして、その一定期間分の出力値を平均処理し、その平均値を用いて基準姿勢を設定する。
【００３６】
センサー部２０の基準姿勢を表す基準姿勢角として、次式（１）に従って、基準ロール角“φ0”及び基準ピッチ角“θ0”を算出する。
【数１】
0006003146.tif 000002
但し、“ｆ＝（ｆx，ｆy，ｆz）”は、加速度センサー２１の出力値の平均値である。なお、加速度センサー２１の出力値からヨー角“Ψ”を算出することはできないが、基準ヨー角“Ψ0”としては所与の値（例えばゼロ）を設定すればよい。
【００３７】
２−１−３．加速度ノルムの算出
静止時における検出加速度の大きさを算出する。この場合も、慣性航法演算装置１を静止させた状態で一定期間、加速度センサー２１の出力値を取得する。そして、その一定期間分の出力値を平均処理し、その平均値を用いて、次式（２）に従って加速度ノルム「ＡｃｃＮｏｒｍ」を算出する。
【数２】
0006003146.tif 000003
【００３８】
２−２．姿勢算出
姿勢算出部１３は、初期設定部１１によって設定された静止時の基準姿勢と、ジャイロセンサー２３の出力値とを用いて、センサー部２０の姿勢を算出する。具体的には、ジャイロセンサー２３の出力値である角速度を時間積分して、所定の時間間隔における姿勢角の変化分を算出する。そして、算出した姿勢角の変化分を基準姿勢角に加算することで、センサー部２０の姿勢を算出する。
【００３９】
２−３．加速度バイアス推定
加速度バイアス推定部１５は、所定の加速度バイアス推定演算を行って、加速度バイアスを推定する。加速度バイアス推定演算では、加速度センサー２１の姿勢及び加速度センサー２１からの出力値と、バイアスとを結び付ける所与の関係に基づいて加速度バイアスを推定する。
【００４０】
姿勢算出部１３によって算出される姿勢には、加速度バイアスに起因する誤差（以下、「姿勢誤差」と称す。）が含まれている。前述したように、本実施形態では、加速度センサー２１の出力値を用いて基準姿勢を設定している。しかし、加速度センサー２１の出力値には加速度バイアスが含まれており、この加速度バイアスによる姿勢の誤差分が基準姿勢に含有されている。このため、基準姿勢に基づき算出される姿勢にも、加速度バイアスによる姿勢誤差が含まれることになる。
【００４１】
正しい姿勢が明らかであれば、絶対座標系（ｎフレーム）とローカル座標系（ｂフレーム）とは、例えば方向余弦行列（ＤＣＭ（Direction Cosine Matrix））を用いて互いの座標系を簡単に換算することができる。ところが、姿勢誤差の存在により、方向余弦行列を用いて絶対座標系からローカル座標系に座標変換した場合の座標系は、厳密にはローカル座標系とは一致しない。つまり、変換後の座標系は、姿勢誤差の分だけローカル座標系からずれた座標系となる。この姿勢誤差に起因する座標系のズレを加味したローカル座標系をローカル誤差座標系と定義する。
【００４２】
加速度センサー２１からは、加速度バイアスを含む検出値が出力されるため、加速度センサー２１の出力値は、言ってみればローカル誤差座標系での出力値である。従って、加速度センサー２１の出力値から加速度バイアスを減算することで、ローカル座標系での加速度（いわば真の加速度）が求まる。これを式で表すと、次式（３）のようになる。
【数３】
0006003146.tif 000004
【００４３】
式（３）において、「ｆc＝（ｆcx，ｆcy，ｆcz）」はローカル誤差座標系での加速度である。「Ｂａ＝（Ｂａx，Ｂａy，Ｂａz）」は加速度バイアスである。「ｆb＝（ｆbx，ｆby，ｆbz）」はローカル座標系での加速度である。「Ｃbc」はローカル誤差座標系からローカル座標系への変換行列（以下、「第１の変換行列」と称す。）であり、「Ｃcn」は絶対座標系からローカル誤差座標系への変換行列（以下、「第２の変換行列」と称す。）である。また、「ｆn＝（ｆnx，ｆny，ｆnz）」は絶対座標系での加速度である。
【００４４】
ローカル誤差座標系での加速度ｆcは加速度センサー２１の出力値であり、既知である。加速度バイアスＢａは未知である。加速度バイアスＢａが未知であるため、ローカル座標系での加速度ｆbも未知である。第１の変換行列Ｃbcは、姿勢誤差に基づく方向余弦行列として定義されるが、姿勢誤差が未知であるため、第１の変換行列Ｃbcも未知である。第２の変換行列Ｃcnは、姿勢算出部１３によって算出された姿勢に基づく方向余弦行列として定義されるため、既知である。また、絶対座標系での加速度ｆnは未知である。
【００４５】
ここで、第１の変換行列Ｃbcは、姿勢誤差が微小であると仮定することで、次式（４）のように近似することができる。
【数４】
0006003146.tif 000005
【００４６】
式（４）において、「Ｉ3」は３×３の単位行列である。また、「（Δφ，Δθ、ΔΨ）」は姿勢誤差であり、それぞれロール角誤差、ピッチ角誤差及びヨー角誤差である。
【００４７】
また、式を簡単にするために、式（３）の右辺の「Ｃcnｆn」を、次式（５）のように置き換える。
【数５】
0006003146.tif 000006
但し、「ｆcDCM＝（ｆcDCM_x，ｆcDCM_y，ｆcDCM_z）」である。これは、絶対座標系上の加速度を第２の変換行列を用いてローカル誤差座標系上の値に変換した加速度を表している。
【００４８】
このとき、式（３）は、式（４）及び式（５）を用いて、次式（６）のように書き換えることができる。
【数６】
0006003146.tif 000007
【００４９】
式（６）を成分に分けて書き表すと、次式（７）のようになる。
【数７】
0006003146.tif 000008
【００５０】
式（７）の行列式は３元の連立方程式を表している。この連立方程式から未知数である姿勢誤差「（Δφ，Δθ、ΔΨ）」を消去すると、最終的に次式（８）が導出される。
【数８】
0006003146.tif 000009
【００５１】
式（８）における未知数は、加速度バイアスＢａの３成分と加速度ｆcDCMの３成分との計６個である。ここで、式（８）を用いて加速度バイアスＢａを推定するために、絶対座標系における加速度として重力加速度以外の加速度がゼロであることを参照値として用いる。具体的には「ｆn＝（０，０，ｇ）」とする参照値を設定する。
【００５２】
第２の変換行列Ｃcnは、センサー部２０の姿勢を用いて定義されるため、姿勢算出部１３によって算出された姿勢「（φ，θ，Ψ）」と参照値「ｆn＝（０，０，ｇ）」とを用いれば、式（５）からローカル誤差座標系での加速度ｆcDCMを推定することができる（以下、推定した加速度ｆcDCMのことを「推定加速度」と称する。）。
【００５３】
これにより、式（８）における未知数は、加速度バイアスＢａの３成分の３個となる。そのため、原理的には少なくとも３本の式を立てることができれば、式（８）を用いて加速度バイアスＢａを求めることができる。しかし、コンピュータプログラムとして実用化する際には、未知数を求める演算は、収束演算を利用した近似解を求める演算となる。そのため、より短時間に正しい解（未知数）を求めるためにも、より多くの式が得られる方が良い。
【００５４】
より多くの式を立式するために、本実施形態では、センサー部２０の姿勢を変化させ、その場合のセンサー部２０の姿勢と加速度センサー２１の出力値との複数の組合せを取得する。具体的には、ユーザーによって慣性航法演算装置１の姿勢を変化させてもらい、それぞれの姿勢において姿勢算出部１３によって算出された姿勢と加速度センサー２１の出力値との複数の組合せを取得する。そして、これらの組合せを用いて式（８）をそれぞれ立式し、それらの連立方程式を解くことで、加速度バイアスＢａを推定する。
【００５５】
但し、前述したように、本実施形態では、絶対座標系における加速度として重力加速度以外の加速度がゼロであることを参照値として用いることとしている。つまり、式（５）においてｆn＝（０，０，ｇ）として推定加速度ｆcDCMを推定することにしている。このため、センサー部２０に重力加速度以外の加速度が発生していない状態における加速度センサー２１の姿勢と出力値との組合せを、加速度バイアスの推定演算に使用することが必要とされる。
【００５６】
そこで、ユーザーに慣性航法演算装置１をゆっくりと回転させるように指示を与え、それぞれの姿勢において加速度センサー２１の出力値が重力加速度相当値であるか否かを判定する。そして、加速度センサー２１の出力値が重力加速度相当値であると判定した場合にのみ、その状態における加速度センサー２１の姿勢と出力値との組合せを加速度バイアスの推定演算に採用する。
【００５７】
３．データ構成
図１に示すように、記憶部８０には、処理部１０により読み出され、加速度バイアス推定処理（図３参照）として実行される加速度バイアス推定プログラム８１と、慣性航法演算処理として実行される慣性航法演算プログラム８２とが記憶されている。加速度バイアス推定処理については、フローチャートを用いて詳細に後述する。
【００５８】
慣性航法演算処理では、慣性航法演算部１７は、センサー部２０の出力値を用いて、従来公知の慣性航法演算を行って、慣性航法演算装置１の位置、速度及び移動方向を算出する。この慣性航法演算では、慣性航法演算部１７は、初期設定部１１によって推定されたジャイロバイアスをジャイロセンサー２３の出力値から減算して演算に使用するとともに、加速度バイアス推定部１５によって推定された加速度バイアスを加速度センサー２１の出力値から減算して演算に使用する。
【００５９】
また、記憶部８０には、センサーデータ８３と、初期設定データ８４と、加速度バイアス推定用データ８５と、加速度バイアスデータ８６と、慣性航法演算データ８７とが記憶される。
【００６０】
センサーデータ８３は、センサー部２０の検出結果が記憶されたデータである。例えば、所定時間間隔毎にセンサー部２０から出力される加速度及び角速度のデータが時系列に記憶される。
【００６１】
初期設定データ８４は、初期設定部１１が初期設定で求めた各種の諸量が記憶されたデータである。基準姿勢やジャイロバイアス、加速度ノルムといったデータがこれに含まれる。
【００６２】
加速度バイアス推定用データ８５は、加速度バイアス推定部１５が加速度バイアスの推定演算を行うために用いるデータであり、そのデータ構成の一例を図２に示す。各々の加速度バイアス推定用データ８５には、データの番号であるデータＮｏ８５１が対応付けられている。そして、センサー部２０の検出軸８５３と、姿勢算出部１３によって算出された姿勢を表す算出姿勢角８５５と、加速度センサー２１の出力値である検出加速度８５７と、参照値を用いて推定した推定加速度８５９とが対応付けて記憶される。
【００６３】
加速度バイアスデータ８６は、加速度バイアス推定部１５によって推定された加速度バイアスの値が記憶されたデータである。
慣性航法演算データ８７は、慣性航法演算部１７によって演算された位置や速度、移動方向等が記憶されたデータである。
【００６４】
４．処理の流れ
図３は、記憶部８０に記憶されている加速度バイアス推定プログラム８１に従って処理部１０が実行する加速度バイアス推定処理の流れを示すフローチャートである。この加速度バイアス推定処理では、センサー部２０から所定時間間隔毎に出力値が出力されて、記憶部８０のセンサーデータ８３に随時記憶されるものとして説明する。
【００６５】
最初に、初期設定部１１が、初期設定を行う（ステップＡ１）。具体的には、上記の原理に従って、基準姿勢と、ジャイロバイアスと、加速度ノルムとをそれぞれ算出し、初期設定データ８４として記憶部８０に記憶させる。
【００６６】
次いで、処理部１０は、検出加速度が重力加速度相当であるか否かを判定する（ステップＡ３）。具体的には、加速度センサー２１の最新の出力値を用いて加速度ノルムを算出し、初期設定データ８４に記憶されている加速度ノルムとの差の絶対値を求める。そして、その絶対値が所定の閾値未満（或いは閾値以下）である場合に、検出加速度が重力加速度相当であると判定する。
【００６７】
検出加速度が重力加速度相当であると判定した場合は（ステップＡ３；Ｙｅｓ）、姿勢算出部１３が、初期設定データ８４に記憶されている基準姿勢と、ジャイロセンサー２３の出力値とを用いて、センサー部２０の姿勢（姿勢角）を算出する（ステップＡ５）。
【００６８】
次いで、処理部１０は、ローカル誤差座標系での加速度を推定する（ステップＡ７）。具体的には、ステップＡ５で求めた算出姿勢角を用いて第２の変換行列を定義する。そして、第２の変換行列を参照値に作用させることで、ローカル誤差座標系での加速度を推定する。
【００６９】
次いで、処理部１０は、ステップＡ５で求めた算出姿勢角８５５と、加速度センサー２１の最新の検出加速度８５７と、ステップＡ７で求めた推定加速度８５９とを対応付けた加速度バイアス推定用データ８５を用いて、逐次近似演算処理を行う（ステップＡ９）。
【００７０】
逐次近似演算処理では、例えば逐次最小二乗法を利用して、式（８）に従って加速度バイアスの推定値を求める。この逐次最小二乗法では、加速度センサーの最新の姿勢及び出力値の組合せを用いて１時刻前の加速度バイアスの推定値を修正することで、加速度バイアスの近似解を求める。なお、逐次最小二乗法それ自体は従来公知であるため、数式を用いた説明は割愛する。
【００７１】
次いで、処理部１０は、収束条件が成立したか否かを判定する（ステップＡ１１）。具体的には、例えば、１時刻前に求めた加速度バイアスの推定値と、今回求めた加速度バイアスの推定値との差を算出し、その差が所定の閾値未満（或いは閾値以下）であることが所定回数連続した場合に、収束条件が成立したと判定する。
【００７２】
収束条件が成立しなかったと判定した場合は（ステップＡ１１；Ｎｏ）、処理部１０は、ユーザーに対する姿勢変更指示を行う（ステップＡ１３）。例えば、ユーザーに装置をゆっくりと回転させるように促すメッセージを表示部４０に表示させたり、音声ガイダンスを音出力部５０から音出力させるなどすればよい。そして、処理部１０は、ステップＡ３に戻る。
【００７３】
ステップＡ１１において収束条件が成立したと判定した場合は（ステップＡ１１；Ｙｅｓ）、処理部１０は、加速度バイアスの推定値を、加速度バイアスデータ８６として記憶部８０に記憶させる（ステップＡ１５）。そして、処理部１０は、加速度バイアス推定処理を終了する。
【００７４】
５．実験結果
図４及び図５を参照して、本実施形態の加速度バイアス推定方法の有効性を説明する。
図４は、逐次最小二乗法を用いて加速度バイアスを推定した場合の加速度バイアスの収束の様子を示す図である。図４において、横軸は、加速度バイアスの推定に用いた観測値（加速度センサーの姿勢及び出力値の組合せ）の数を示し、縦軸は加速度バイアスを示す。ｘ軸の加速度バイアスを実線で、ｙ軸の加速度バイアスを点線で、ｚ軸の加速度バイアスを一点鎖線でそれぞれ示している。
【００７５】
この結果を見ると、観測値の数がおよそ１００個となった時点で、全ての検出軸の加速度バイアスが収束していることがわかる。１００個というと多いように感じるかもしれないが、検出加速度が重力加速度相当であると判定されている間の観測値は随時採用されるため、加速度センサー２１の姿勢変化に要する時間は短時間で済む。
【００７６】
図５は、上記の実験で得られた加速度バイアスの推定値を示す図である。ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸のそれぞれについて、加速度バイアスの真値と推定値とを対比したテーブルを示している。この結果を見ると、各検出軸について加速度バイアスの推定値は真値に近い値となっていることがわかる。
【００７７】
６．作用効果
加速度センサー２１の姿勢を様々に変化させた場合の当該姿勢と加速度センサー２１の出力値との複数の組合せを用いて、加速度バイアスを推定する。本実施形態では、絶対座標系における加速度として重力加速度以外の加速度がゼロであることを参照値として用いて加速度バイアスを推定する。そのため、加速度センサー２１の検出加速度が重力加速度相当であるか否かを判定し、この条件を満たす場合の姿勢及び出力値の組合せを加速度バイアスの推定演算に用いることで、加速度バイアスを正しく推定することが可能となる。
【００７８】
本実施形態では、加速度センサー２１の出力値に基づいて、加速度センサー２１の静止時の基準姿勢を設定する。そして、設定した基準姿勢と、加速度センサー２１と一体に設けたジャイロセンサー２３の出力値とを用いて、加速度センサー２１の姿勢を算出する。加速度センサー２１の出力値には加速度バイアスが含まれるため、加速度センサー２１の出力値に基づいて設定した基準姿勢は、加速度バイアスによる姿勢誤差を含んでいる。本実施形態では、この姿勢誤差による座標系のズレを考慮し、ローカル誤差座標系での加速度（バイアスを内在する加速度センサーの出力値）と、ローカル座標系での加速度（いわば真の加速度）との関係に基づいて導出した演算方法を用いて、加速度バイアスの推定演算を行う。
【００７９】
上記の推定演算では、加速度センサー２１の姿勢と出力値との新たな組合せが得られる毎に逐次的に加速度バイアスを推定する逐次近似演算処理を用いて加速度バイアスを推定する。この逐次近似演算処理は、１時刻前の加速度バイアスの推定値を新たに取得した観測値を用いて修正することで加速度バイアスを推定していく処理となるため、過去に取得した観測値をメモリに保存しておく必要はなく、メモリ容量を節約できる。
【００８０】
本実施形態の加速度バイアス推定方法では、加速度センサーを回転させる動作の制限が少なく、加速度センサーを決められた姿勢にする必要がないため、ユーザーへの負担が少ないという利点がある。また、従来の手法のように、加速度センサーを決められた姿勢にするための外部装置を必要とせず、慣性センサーのみで加速度バイアスを推定することができる。さらに、地磁気センサーやＧＰＳセンサー等の参照用センサーの参照情報を必要としないため、参照用センサーの検出精度や周囲の環境の如何に関わらず、加速度バイアスを推定することができる。
【００８１】
７．変形例
本発明を適用可能な実施例は、上記の実施例に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは勿論である。以下、変形例について説明する。
【００８２】
７−１．加速度バイアス推定演算
上記の実施形態では、逐次近似演算処理を行って加速度バイアスを推定したが、一括的に加速度バイアスを推定する一括近似演算処理を行って加速度バイアスを推定することとしてもよい。
【００８３】
図６は、この場合に処理部１０が、図３の加速度バイアス推定処理に代えて実行する第２の加速度バイアス推定処理の流れを示すフローチャートである。なお、加速度バイアス推定処理と同一のステップについては同一の符号を付して再度の説明を省略し、加速度バイアス推定処理とは異なる部分を中心に説明する。
【００８４】
ステップＡ７の後、処理部１０は、ステップＡ５で求めた算出姿勢角８５５と、加速度センサー２１の最新の検出加速度８５７と、ステップＡ７で求めた推定加速度８５９とを対応付けた加速度バイアス推定用データ８５を、記憶部８０に蓄積記憶させる（ステップＢ９）。
【００８５】
次いで、処理部１０は、記憶部８０に所定数（例えば１００個）の加速度バイアス推定用データ８５が蓄積されているか否かを判定する（ステップＢ１１）。そして、まだ所定数に達していないと判定した場合は（ステップＢ１１；Ｎｏ）、ステップＡ１３へと移行する。
【００８６】
また、データ数が所定数に達していると判定した場合は（ステップＢ１１；Ｙｅｓ）、処理部１０は、一括近似演算処理を行う（ステップＢ１３）。具体的には、記憶部８０に蓄積された所定数の加速度バイアス推定用データ８５を用いて、例えば一括処理による最小二乗法を利用して加速度バイアスを推定する。そして、処理部１０は、加速度バイアスの推定値を記憶部８０に記憶させた後（ステップＡ１５）、第２の加速度バイアス推定処理を終了する。
【００８７】
７−２．適用例
上記の実施形態では、腰に装着する慣性航法演算装置に本発明を適用した場合の実施形態について説明したが、本発明を適用可能な電子機器はこれに限られるわけではない。例えば、携帯型ナビゲーション装置（ポータブルナビ）や携帯型電話機、パソコン、ＰＤＡといった他の電子機器にも本発明を適用可能である。
【００８８】
また、加速度センサーの加速度バイアスを推定するのが本願の主要な特徴の１つであるため、加速度センサーを利用する形態であれば、測位以外の形態にも本発明を適用可能である。例えば、センサー部２０及び処理部１０を有する歩数計に本発明を適用してもよい。その場合、処理部１０は、慣性航法演算部１７の代わりに歩数検出部を具備し、この歩数検出部が、加速度センサー２１のバイアスを補正して利用する形態となる。
【００８９】
７−３．処理の主体
上記の実施形態では、センサー部の出力値を用いて、電子機器の処理部（プロセッサー）が加速度バイアスの推定を行うこととして説明した。しかし、加速度センサー及びジャイロセンサーとプロセッサーとが一体化されたセンサーユニット（例えばＩＮＳ（Inertial Navigation System））を電子機器に設けることとし、センサーユニットの処理部が加速度バイアスの推定を行うこととしてもよい。この場合は、推定した加速度バイアスを用いて加速度センサーの検出値を補正し、センサーユニットからは、バイアスによる誤差が補償された検出値が出力されるように構成することができる。
【符号の説明】
【００９０】
１  慣性航法演算装置、  １０  処理部、  ２０  センサー部、  ２１  加速度センサー、  ２３  ジャイロセンサー、  ３０  操作部、  ４０  表示部、  ５０  音出力部、  ６０  通信部、  ７０  時計部、  ８０  記憶部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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