(57)【要約】【課題】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。【解決手段】歩行者の進行方向を決定する進行方向決定手段とを有する携帯端末であって、進行方向決定手段は、時間経過に応じた加速度データ及び地磁気データを３次元座標系にプロットし、近似的な加速度面及び地磁気面を導出する平面近似手段と、加速度面と地磁気面との間の平面間角度φを算出する平面間角度算出手段と、平面間角度φに基づいて、地磁気面に対する方向角θを歩行者の進行方向として算出する方向角算出手段とを有する。【選択図】図２
2009133691.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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から前記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、
前記進行方向決定手段は、
時間経過に応じた前記加速度データ及び地磁気データを３次元座標系にプロットし、腕振りによって生じる加速度面及び／又は地磁気面を近似的に導出する平面近似手段と、
前記加速度面と前記地磁気面との間の平面間角度φを算出する平面間角度算出手段と、
前記平面間角度φに基づいて、前記地磁気面に対する方向角θを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。
【請求項２】
前記方向角算出手段は、重力方向と地磁気のなす角Ｉを用いて、
角度量θmeasure＝arcsin（tan(φ)／tan(Ｉ)）
北に向かって、前記加速度面の左側に前記地磁気面がある場合、方向角θ＝θmeasureとし、前記加速度面の右側に地磁気面がある場合、方向角θ＝−θmeasureとして算出することを特徴とする請求項１に記載の携帯端末。
【請求項３】
前記平面近似手段は、前記加速度面及び／又は前記地磁気面を、最小二乗法によって近似することを特徴とする請求項１又は２に記載の携帯端末。
【請求項４】
前記加速度センサから入力された前記加速度データを、歩数毎、又は歩数に基づく時間単位毎に区分し、前記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、
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から３のいずれか１項に記載の携帯端末。
【請求項５】
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４に記載の携帯端末。
【請求項６】
前記平面近似手段に入力される前記加速度データ及び前記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を特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の携帯端末。
【請求項７】
前記方向角算出手段から出力された前記方向角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を特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の携帯端末。
【請求項８】
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、前記加速度データ及び前記地磁気データから前記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、
前記進行方向決定手段は、
時間経過に応じた前記加速度データ及び地磁気データを３次元座標系にプロットし、腕振りによって生じる加速度面及び地磁気面を近似的に導出する平面近似手段と、
前記加速度面と前記地磁気面との間の平面間角度φを算出する平面間角度算出手段と、
前記平面間角度φに基づいて、前記地磁気面に対する方向角θを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。
【請求項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を有し、歩行者によって所持される携帯端末について、前記加速度データ及び前記地磁気データから前記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、
時間経過に応じた前記加速度データ及び地磁気データを３次元座標系にプロットし、腕振りによって生じる加速度面及び地磁気面を近似的に導出する第１のステップと、
前記加速度面と前記地磁気面との間の平面間角度φを算出する第２のステップと、
前記平面間角度φに基づいて、前記地磁気面に対する方向角θ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携帯端末の進行方向決定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
「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）。
【０００６】
「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）。
【０００７】
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。
【０００８】
【特許文献１】特開平５−０６１４０８号公報
【特許文献２】特開平９−０８９５８４号公報
【特許文献３】特開２００５−０３８０１８号公報
【特許文献４】特開２００４−０４６００６号公報
【特許文献５】特開平３−０９９３９９号公報
【特許文献６】特開昭６３−０１１８１３号公報
【非特許文献１】「Nike＋iPodユーザーズガイド」、第２７頁、「online」、［平成１９年８月３１日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://manuals.info.apple.com/ja/nikeipod_users_guide.pdf＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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ものである。しかしながら、実際に、歩行者が手持ちにし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、歩行者が手を前方と後方に振るために、センサによって検出されるデータは大きく変動する。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。
【００１０】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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、
時間経過に応じた加速度データ及び地磁気データを３次元座標系にプロットし、腕振りによって生じる加速度面及び／又は地磁気面を近似的に導出する平面近似手段と、
加速度面と地磁気面との間の平面間角度φを算出する平面間角度算出手段と、
平面間角度φに基づいて、地磁気面に対する方向角θを算出する方向角算出手段と
を有することを特徴とする。
【００１２】
本発明の携帯端末における他の実施形態によれば、方向角算出手段は、重力方向と地磁気のなす角Ｉを用いて、
角度量θmeasure＝arcsin（tan(φ)／tan(Ｉ)）
北に向かって、加速度面の左側に地磁気面がある場合、方向角θ＝θmeasureとし、加速度面の右側に地磁気面がある場合、方向角θ＝−θmeasureとして算出することも好ましい。
【００１３】
本発明の携帯端末における他の実施形態によれば、平面近似手段は、加速度面及び／又は地磁気面を、最小二乗法によって近似することも好ましい。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
本発明の携帯端末における他の実施形態によれば、平面近似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。
【００１７】
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。
【００１８】
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、
時間経過に応じた加速度データ及び地磁気データを３次元座標系にプロットし、腕振りによって生じる加速度面及び地磁気面を近似的に導出する平面近似手段と、
加速度面と地磁気面との間の平面間角度φを算出する平面間角度算出手段と、
平面間角度φに基づいて、地磁気面に対する方向角θを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。
【００１９】
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、
時間経過に応じた加速度データ及び地磁気データを３次元座標系にプロットし、腕振りによって生じる加速度面及び地磁気面を近似的に導出する第１のステップと、
加速度面と地磁気面との間の平面間角度φを算出する第２のステップと、
平面間角度φに基づいて、地磁気面に対する方向角θ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。
【発明の効果】
【００２０】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。即ち、その軸とその曲線とからなる面は、地磁気面（地磁気ベクトル群の成す面）として表される。
【００２７】
図２は、現実に発生する加速度面及び地磁気面を表す説明図である。
【００２８】
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。また、図２には、携帯端末が図１に表された位置Ａ、位置Ｂ及び位置Ｃにある場合の地磁気及び加速度も、表されている。位置Ａ、位置Ｂ及び位置Ｃの地磁気及び加速度のプロットを結ぶことによって、地磁気面及び加速度面を検出できる。
【００２９】
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、地磁気到来方向と反対側に地磁気面が検出できる。この地磁気面は、原点を通り進行方向と重力方向の双方に対し垂直な直線を軸として、地磁気ベクトルを母線とした、円錐の側面の一部を構成する。
【００３０】
図３は、本発明によって角度量θmeasureを算出する説明図である。
【００３１】
図２によれば、地磁気面は、腕振りに応じた曲面によって表されているが、本発明によれば、図３のように、その地磁気面を平面に近似する。地磁気面を平面に近似することによって、加速度面と地磁気面との平面間角度φを算出することができる。尚、加速度面についても、腕振りによって曲面となる場合には、近似して平面化する必要がある。
【００３２】
地磁気面及び加速度面の曲面を平面に近似する方法としては、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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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=1n(ｚｉ−αｘｉ−βｙｉ)                                式（３）
【００３６】
ここで、以下のように規定したとする。
Ａ＝Σi=1n(ｘｉ２)
Ｂ＝Σi=1n(ｙｉ２)
Ｃ＝Σi=1n(ｚｉ２)
Ｄ＝Σi=1n(ｘｉ×ｙｉ)
Ｅ＝Σi=1n(ｘｉ×ｚｉ)
Ｆ＝Σi=1n(ｙｉ×ｚｉ)
【００３７】
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）
【００３８】
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。
【数１】
2009133691.tif 000003
【００３９】
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。
【００４０】
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】
2009133691.tif 000004
【００４１】
【表２】
2009133691.tif 000005
【００４２】
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
【００４３】
以下の表３によれば、時間経過ｐ１〜ｐ９に基づいて、観測された地磁気データｘ，ｙ，ｚが表されている。
【表３】
2009133691.tif 000006
【００４４】
【表４】
2009133691.tif 000007
【００４５】
表３及び表４によれば、α及びβは、以下のように算出される。
α＝-0.31856737
β＝ 0.690214824
【００４６】
平面間角度φは、加速度面及び地磁気面の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）
地磁気面の法線ベクトルＮｍ＝（αｍ，βｍ，−１）
Ｎａ・Ｎｍ：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）
｜Ｎｍ｜：地磁気面の法線ベクトルＮｍの大きさ（線分の長さ）
｜Ｎａ｜｜Ｎｍ｜：２つの法線ベクトルの大きさの積
【００４７】
表１〜表４によれば、Ｎａ及びＮｍは、以下のようになる。
Ｎａ＝（0.012705529，-0.014162858，-1）
｜Ｎａ｜＝1.000180992
Ｎｍ＝（-0.318567368，0.690214824，-1）
｜Ｎｍ｜＝1.2561376
【００４８】
このとき、ベクトルの成す角と内積の関係より、以下のように平面間角度φを算出することができる。
Ｎａ・Ｎｍ＝｜Ｎａ｜｜Ｎｍ｜ｃｏｓφ                            式（９）
ｃｏｓφ＝（Ｎａ・Ｎｍ）／（｜Ｎａ｜｜Ｎｍ｜）                  式（１０）
φ＝ａｒｃｃｏｓ（（Ｎａ・Ｎｍ）／（｜Ｎａ｜｜Ｎｍ｜））        式（１１）
【００４９】
また、図３によれば、重力方向と、地磁気ベクトルとのなす角Ｉが表されている。Ｉは、携帯端末が位置する緯度によって決定される。
【００５０】
そして、本発明によれば、最初に、平面間角度φに基づいて、地磁気面に対する角度量θmeasureを算出する。このとき、重力方向と地磁気のなす角Ｉを用いて、以下の式によって、角度量θmeasureを算出する。
角度量θmeasure＝arcsin（tan(φ)／tan(Ｉ)）
これによって、歩行者の進行方向を決定することができる。
【００５１】
表１〜表４によれば、前述の式に当てはめて、平面間角度φを算出する。
Ｎａ・Ｎｍ＝0.012705529×(-0.318567368)＋(-0.014162858)×0.690214824
＋(-1)×(-1)
＝0.986177018
｜Ｎａ｜｜Ｎｍ｜＝1.000180992×1.2561376
＝1.256365
Ｎａ・Ｎｍ＝｜Ｎａ｜｜Ｎｍ｜cosφ                              式（９）
0.986177018＝1.256365・cosφ
cosφ＝（Ｎａ・Ｎｍ）／（｜Ｎａ｜｜Ｎｍ｜）                    式（１０）
＝0.986177018／1.256365
φ＝arccos（（Ｎａ・Ｎｍ）／（｜Ｎａ｜｜Ｎｍ｜））              式（１１）
＝arccos（0.986177018／1.256365）
＝0.668189[rad]
＝38.28444[deg]
【００５２】
最終的に、重力方向と地磁気のなす角Iを用いて、角度量θmeasureが算出される。尚、以下では、重力方向と地磁気のなす角Iは４１°としている。
θmeasure＝arcsin（tan 38.28444 ／tan Ｉ）
＝65.23026581[deg]
【００５３】
図４は、歩行者の進行方向が、北に向かっている場合の地磁気面及び加速度面のセンサ座標系における相対的な位置関係を表す説明図である。
【００５４】
図４によれば、簡単化のために重力方向を図の下方向としているが、実際に重力がセンサ座標系におい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、加速度面と地磁気面の相対的な位置関係については端末姿勢には依存しない。
【００５５】
また、図４によれば、腕振り運動によって、加速度ベクトルが、重力と進行方向の双方に垂直な軸を回転軸として振り子状に運動することにより、加速度面は、進行方向と平行な平面を構成する。地磁気面も、加速度面と同様の運動によって構成される。このとき、地磁気が、南北方向へ検出されるため、地磁気面は、進行方向に基づく加速度面と平行（重畳）になる（θ＝０、φ＝０）。従って、進行方向から見た視点ａによれば、奥が北であって、地磁気面及び加速度面は重畳し、線となって見える。また、進行方向に対して側面から見た視点ｂによれば、加速度面を正面に見て、それに重畳する地磁気面も正面に見える。このとき、重力方向と地磁気のなす角Ｉに対するtanＩが、横方向に表される。更に、鉛直真上方向から見た視点ｃによれば、地磁気面及び加速度面は重畳し、線となって見える。
【００５６】
図５は、歩行者の進行方向が、北に対してθの角度の方向に向かっている場合の地磁気面及び加速度面のセンサ座標系における相対的な位置関係を表す説明図である。
【００５７】
図５によれば、北へ向かっている場合と異なって、地磁気は、重力方向を軸として進行方向に対してθだけ回転した方向から到来する。加速度面及び地磁気面は、北へ向かっている場合と同様に、腕振り運動によって、加速度ベクトル及び地磁気ベクトルが、重力と進行方向の双方に垂直な軸を回転軸として振り子状に運動することによって構成される。従って、進行方向から見た視点ａによれば、加速度面に対する地磁気面は、角度φの位置にある。図５のように、φに対するtanφが、横方向に表される。また、進行方向に対して側面から見た視点ｂによれば、加速度面を正面に見て、それに重畳する地磁気面も正面に見える。更に、鉛直真上方向から見た視点ｃによれば、地磁気面の原点の対辺は、原点からtanφだけ離れたところで、進行方向と平行に位置する。
【００５８】
図６は、歩行者の進行方向が、西（北に対して９０°の角度の方向）に向かっている場合の地磁気面及び加速度面のセンサ座標系における相対的な位置関係を表す説明図である。
【００５９】
図６によれば、地磁気は、重力方向を軸として進行方向に対して９０°だけ回転した方向から到来する。加速度面及び地磁気面は、他の進行方向の場合と同様に、腕振り運動によって、加速度ベクトル及び地磁気ベクトルが、重力と進行方向の双方に垂直な軸を回転軸として振り子状に運動することによって構成される。従って、進行方向から見た視点ａによれば、加速度面に対する地磁気面は、重力方向と地磁気のなす角Ｉ（＝φ）の位置にある。図６のように、Ｉに対するtanＩが、横方向に表される。また、進行方向に対して側面から見た視点ｂによれば、加速度面を正面に見て、それに重畳する地磁気面も正面に見える。更に、鉛直真上方向から見た視点ｃによれば、地磁気面の原点の対辺は、進行向からtanＩだけ離れたところで、進行方向と平行に位置する。
【００６０】
図７は、方向角θの向きを表す説明図である。上段は、北を１２時方向として鉛直真上方向から見た図であり、下段は、進行方向（加速度面）に対し垂直な方向（上段で示した視点）から見た図である。
【００６１】
加速度面及び地磁気面の平面間角度φと、重力方向及び地磁気のなす角Iとによって、前述した計算により数学的に求められる角度量θmeasureは、０°〜９０°である。一方、実際の方向角θというと、北から時計回りを正方向として−９０°〜＋９０°である。
【００６２】
図７（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、同一の角度量θmeasureが得られる。例えば、方向角として、３０°（北東−南西方向）及び−３０°（北西−南東方向）の２通りの場合に、φとIから算出される角度量θmeasureは、３０°で同一である。方向角θは、加速度面と地磁気面の位置関係（地磁気面が加速度面の左右どちら側に位置するか）によって確定することができる。
（ａ）北に向かって、加速度面の左側に地磁気面がある場合、方向角θ＝θmeasureとなる。
（ｂ）北に向かって、加速度面の右側に地磁気面がある場合、方向角θ＝−θmeasureとなる。
【００６３】
図７（ｃ）は、進行方向が南北方向であり、図７（ｄ）によれば、進行方向が東西方向である。
（ｃ）加速度面と地磁気面は同一平面上にあり、右側や左側の区別はない場合、方向角θ＝θmeasure＝０°となる。
（ｄ）地磁気面の位置（右側、左側）によらず、方向角θ＝θmeasure＝９０°となる（＋９０°と−９０°は方向角としては同一）。
【００６４】
方向角θ及び角度量θmeasure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。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８の前方決定部１０７によって実現される）。
【００６５】
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。
【００６６】
図８は、本発明の携帯端末における機能構成図である。
【００６７】
図８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。
【００６８】
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、検出コイルを分離し、分離した検出コイルからそれぞれ検出された値を出力する。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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、歩行タイミング決定部１０１からの加速度データとから、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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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、平面近似部１０２２と、平面間角度算出部１０２３と、方向角算出部１０２４と、補正部１０２５とを有する。フィルタ部１０２１及び補正部１０２５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。
【００８０】
平面近似部１０２２は、時間経過に応じた加速度データ及び地磁気データを３次元座標系にプロットし、例えば図２のような座標図形を生成する。入力される加速度データ及び地磁気データは、所定時間単位（例えば１歩分）に検出された複数のデータの組である。次に、平面近似部１０２２は、センサの測定誤差や腕振りに応じて厳密な平面とはならない加速度面及び地磁気面を、平面に近似する。地磁気面は、歩行者の進行方向が南北方向である場合を除き、曲面となる。従って、例えば、最小二乗法など既知の方法を用いて、その曲面を平面に近似する。
【００８１】
平面間角度算出部１０２３は、平面近似部１０２２によって算出された平面の加速度面及び平面の地磁気面の間の平面間角度φを算出する。平面間角度φは、両平面の法線ベクトルの間の角度から算出できる。加速度面と地磁気面の位置関係（角度φ）は、腕振り方向、即ち歩行者の進行方向によって変化する。進行方向が南北方向である場合、加速度面と地磁気面は同一平面上にある。一方、進行方向が東西方向である場合、角度φは最大となる。
【００８２】
方向角算出部１０２４は、平面間角度算出部１０２３によって算出された平面間角度φに基づいて、地磁気面に対する角度量θmeasureを算出する。即ち、地磁気面に対する角度量θmeasureは、南北方向を意味する０°から、東西方向を意味する９０°までの間となる。ここで、重力方向と地磁気のなす角Ｉを用いて、以下の式によって、角度量θmeasureを算出する。
角度量θmeasure＝arcsin（tan(φ)／tan(Ｉ)）
【００８３】
また、方向角算出部１０２４は、角度量θmeasureに基づく加速度面と地磁気面の位置関係から、方向角θを導出する。加速度面に対して左側に地磁気面がある場合、方向角θ＝θmeasureとなり、加速度面に対して右側に地磁気面がある場合、方向角θ＝−θmeasureとなる。尚、進行方向が、南北方向にある場合、方向角θ＝θmeasure＝０°であり、東西方向にある場合、方向角θ＝θmeasure＝９０°となる（＋９０°と−９０°は方向角としては同一）。
【００８４】
フィルタ部１０２１は、平面近似部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。
【００８５】
補正部１０２５は、方向角算出部１０２４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。
【００８６】
例えば、以下の表５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２０°（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。
【表５】
2009133691.tif 000008
【００８７】
また、補正部１０２５は、除去されたデータについて、以下の表６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。
【表６】
2009133691.tif 000009
【００８８】
更に、補正部１０２５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７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。
【表７】
2009133691.tif 000010
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】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。
【図２】現実に発生する加速度面及び地磁気面を表す説明図である。
【図３】本発明によって角度量θmeasureを算出する説明図である。
【図４】歩行者の進行方向が、北に向かっている場合の地磁気面及び加速度面のセンサ座標系における相対的な位置関係を表す説明図である。
【図５】歩行者の進行方向が、北に対してθの角度の方向に向かっている場合の地磁気面及び加速度面のセンサ座標系における相対的な位置関係を表す説明図である。
【図６】歩行者の進行方向が、西（北に対して９０°の角度の方向）に向かっている場合の地磁気面及び加速度面のセンサ座標系における相対的な位置関係を表す説明図である。
【図７】方向角θの向きを表す説明図である。
【図８】本発明の携帯端末における機能構成図である。
【符号の説明】
【００９２】
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  平面近似部
１０２３  平面間角度算出部
１０２４  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
【図１】
2009133691.tif 000011
【図２】
2009133691.tif 000012
【図３】
2009133691.tif 000013
【図４】
2009133691.tif 000014
【図５】
2009133691.tif 000015
【図６】
2009133691.tif 000016
【図７】
2009133691.tif 000017
【図８】
2009133691.tif 000018