姿勢・移動軌跡検出装置、検出方法、プログラムおよび記録媒体
【課題】物体に装着したセンサノードからのデータを利用して物体の姿勢および移動軌跡を検出する。
【解決手段】姿勢・移動軌跡検出装置１は、物体が運動しているアクティビティ区間の前後の静止区間のセンサデータから物体の姿勢を静止区間の各々について推定する静止姿勢推定部１３と、物体の姿勢に基づいてアクティビティ区間の各時刻における物体の姿勢を補間により推定する運動姿勢推定部１４と、アクティビティ区間の各時刻について運動姿勢推定部１４が推定した物体の姿勢における重力加速度を推定する重力加速度推定部１５と、アクティビティ区間の各時刻についてセンサデータと重力加速度とから、外力により生じる物体の加速度を推定する運動加速度推定部１６と、物体の加速度からアクティビティ区間における物体の移動速度および移動量を求める移動軌跡推定部１７とを備える。
【解決手段】姿勢・移動軌跡検出装置１は、物体が運動しているアクティビティ区間の前後の静止区間のセンサデータから物体の姿勢を静止区間の各々について推定する静止姿勢推定部１３と、物体の姿勢に基づいてアクティビティ区間の各時刻における物体の姿勢を補間により推定する運動姿勢推定部１４と、アクティビティ区間の各時刻について運動姿勢推定部１４が推定した物体の姿勢における重力加速度を推定する重力加速度推定部１５と、アクティビティ区間の各時刻についてセンサデータと重力加速度とから、外力により生じる物体の加速度を推定する運動加速度推定部１６と、物体の加速度からアクティビティ区間における物体の移動速度および移動量を求める移動軌跡推定部１７とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばカップや歯ブラシといった３次元空間中で自由に姿勢変化および移動可能な物体を対象とし、これらの物体に装着したセンサノードからセンサデータを受信して、物体の姿勢や移動軌跡を検出する姿勢・移動軌跡検出装置、検出方法、プログラムおよび記録媒体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、物体の移動軌跡を検出するには、ＧＰＳ（Global Positioning System ）や超音波、赤外線、微弱電波を利用したビーコンシステムによる測位と、コンピュータビジョンによる画像解析が利用されてきた。
また、物体の姿勢の検出に関しては、前述のコンピュータビジョンによる画像解析に加えて、地磁気を測定する方位センサによる磁北の方向の検出や加速度センサにより重力加速度を測定することによる鉛直方向の検出が利用されてきた（例えば非特許文献１参照）。この検出方法は、磁北と鉛直といった平行でない２つのベクトルの方向を観測することができれば、物体の３次元姿勢を決定できるという原理による。
【０００３】
【非特許文献１】星貴之，篠田裕之，「リアルタイムに形状計測可能な布状デバイス」，第８回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会（ＳＩ２００７），ｐ．９７７−９７８，２００７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ＧＰＳによる測位は、ＧＰＳの電波が受信できない室内の物体には適用できないという問題点があった。
また、ビーコンシステムおよびコンピュータビジョンによる検出では、観測対象の物体を囲むように空間中にビーコン送信機またはカメラを設置する必要があり、日常的な生活環境への設置が難しいという問題点があった。
【０００５】
一方、方位センサや加速度センサは小型化が進んでおり、例えばカップや歯ブラシといった生活環境中に存在する小型の物体にこれらのセンサを装着することが可能である。さらには、バーコードやＲＦ−ＩＤタグのように生産時または出荷時にセンサを物体に埋め込むことも考えられる。これらのセンサを利用して、物体の姿勢に加えて移動軌跡を検出することが可能となれば、前述のＧＰＳやビーコンシステム、コンピュータビジョンを利用した測位における設置の問題を回避できる。
【０００６】
特に、加速度センサの利用は、物体の移動に関わる外力を検出できることから、物体の移動軌跡の検出には適していると考えられる。しかしながら、加速度センサで測定できる加速度は、地球上で鉛直方向に働く重力加速度と物体の移動に関わる外力との合力となるため、重力加速度と外力を分離する必要がある。
設置方向が固定された物体（例えば、かならず地表面に対して水平に設置され、その姿勢を保ったまま運動する物体）においては、測定される重力加速度を固定して考えることができるため、加速度の測定値から所定の重力加速度を減ずることで移動に関わる外力を求めることができる，しかしながら、カップや歯ブラシなどのように自由に移動させることのできる物体においてはこの仮定は成立せず、測定値からただちに重力加速度を除いた外力を求めることは難しい。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、物体に装着したセンサノードからのセンサデータを利用して、物体の姿勢および移動軌跡を検出することができる姿勢・移動軌跡検出装置、検出方法、プログラムおよび記録媒体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】
【０００８】
本発明は、センサノードが装着された物体の姿勢および移動軌跡を検出する姿勢・移動軌跡検出装置において、センサノードから受信したセンサデータに基づいて物体が運動しているアクティビティ区間を検出するアクティビティ検出手段と、前記アクティビティ区間が検出されたときに、このアクティビティ区間の前後の静止区間を探索する静止区間探索手段と、前記アクティビティ区間の前後の静止区間のセンサデータから物体の姿勢を静止区間の各々について推定する静止姿勢推定手段と、前記アクティビティ区間の前後の静止区間における物体の姿勢に基づいて、前記アクティビティ区間の各時刻における物体の姿勢を補間により推定する運動姿勢推定手段と、前記アクティビティ区間の各時刻について前記運動姿勢推定手段が推定した物体の姿勢における重力加速度を推定する重力加速度推定手段と、前記アクティビティ区間の各時刻について前記センサデータと前記重力加速度推定手段が推定した重力加速度とから、外力により生じる物体の加速度を推定する運動加速度推定手段と、この運動加速度推定手段が推定した物体の加速度から前記アクティビティ区間における物体の移動速度および移動量を求める移動軌跡推定手段とを備えることを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の姿勢・移動軌跡検出装置の１構成例において、前記運動姿勢推定手段は、前記補間を行う際に、前記静止姿勢推定手段が推定した３軸の姿勢のパラメータにそれぞれ独立にジャーク最小原理を適用し、前記アクティビティ区間の各時刻における物体の３軸の姿勢のパラメータを計算することを特徴とするものである。
また、本発明の姿勢・移動軌跡検出装置の１構成例において、前記センサデータは、３軸の加速度観測値と３軸の方位観測値とを含むことを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の姿勢・移動軌跡検出方法は、センサノードから受信したセンサデータに基づいて物体が運動しているアクティビティ区間を検出するアクティビティ検出手順と、前記アクティビティ区間を検出したときに、このアクティビティ区間の前後の静止区間を探索する静止区間探索手順と、前記アクティビティ区間の前後の静止区間のセンサデータから物体の姿勢を静止区間の各々について推定する静止姿勢推定手順と、前記アクティビティ区間の前後の静止区間における物体の姿勢に基づいて、前記アクティビティ区間の各時刻における物体の姿勢を補間により推定する運動姿勢推定手順と、前記アクティビティ区間の各時刻について前記運動姿勢推定手順で推定した物体の姿勢における重力加速度を推定する重力加速度推定手順と、前記アクティビティ区間の各時刻について前記センサデータと前記重力加速度推定手順で推定した重力加速度とから、外力により生じる物体の加速度を推定する運動加速度推定手順と、この運動加速度推定手順で推定した物体の加速度から前記アクティビティ区間における物体の移動速度および移動量を求める移動軌跡推定手順とを備えることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の姿勢・移動軌跡検出プログラムは、センサノードから受信したセンサデータに基づいて物体が運動しているアクティビティ区間を検出するアクティビティ検出手順と、前記アクティビティ区間を検出したときに、このアクティビティ区間の前後の静止区間を探索する静止区間探索手順と、前記アクティビティ区間の前後の静止区間のセンサデータから物体の姿勢を静止区間の各々について推定する静止姿勢推定手順と、前記アクティビティ区間の前後の静止区間における物体の姿勢に基づいて、前記アクティビティ区間の各時刻における物体の姿勢を補間により推定する運動姿勢推定手順と、前記アクティビティ区間の各時刻について前記運動姿勢推定手順で推定した物体の姿勢における重力加速度を推定する重力加速度推定手順と、前記アクティビティ区間の各時刻について前記センサデータと前記重力加速度推定手順で推定した重力加速度とから、外力により生じる物体の加速度を推定する運動加速度推定手順と、この運動加速度推定手順で推定した物体の加速度から前記アクティビティ区間における物体の移動速度および移動量を求める移動軌跡推定手順とを、コンピュータに実行させることを特徴とするものである。
また、本発明の記録媒体は、姿勢・移動軌跡検出プログラムを記録したものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、物体が運動しているアクティビティ区間を検出し、アクティビティ区間の前後の静止区間のセンサデータから物体の姿勢を静止区間の各々について推定し、この推定した物体の姿勢に基づいて、アクティビティ区間における物体の姿勢を補間により推定することにより、物体の運動中の姿勢を求めることができる。さらに、本発明では、アクティビティ区間について推定した物体の姿勢における重力加速度を推定し、アクティビティ区間について測定されたセンサデータと重力加速度とから外力により生じる物体の加速度を推定し、この物体の加速度からアクティビティ区間における物体の移動速度および移動量を求めるようにしたので、物体の運動中に観測される重力加速度と物体の移動に関わる外力とを分離することができ、物体の運動中の移動軌跡（移動速度および移動量）を求めることができる。本発明では、ビーコンシステムやコンピュータビジョンといった手法を使用しないので、日常的な生活環境に容易に適用することができる。
【００１３】
また、本発明では、運動姿勢推定手段が補間を行う際に、静止姿勢推定手段が推定した３軸の姿勢のパラメータにそれぞれ独立にジャーク最小原理を適用し、アクティビティ区間の各時刻における物体の３軸の姿勢のパラメータを計算するので、物体の運動に関与する人の手の運動を考慮して補間することができ、センサデータから物体の運動中の姿勢と移動軌跡を高精度に検出することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
［発明の原理］
本発明は、３次元空間中で自由に姿勢変化および移動が可能な物体の姿勢および移動軌跡を検出するにあたり、移動前後の静止状態における物体の姿勢を求め、移動前の静止状態と移動後の静止状態との間の物体の姿勢を補間することで移動中の物体の姿勢を推定し、推定した物体の姿勢において測定されるべき重力加速度を算出し、実際に測定された加速度から、算出した重力加速度を減ずることで外力による加速度を推定し、この推定した加速度を時間について積分することで物体の移動速度および移動量を算出して、物体の移動軌跡を推定する。
【００１５】
移動前後の静止状態における物体の姿勢は、従来技術で求めることができる。物体の姿勢の補間にあたっては、数学的には一次式による補間を用いても良いのであるが、日常生活環境における物体の移動には人による行為が関与していることから、人の手の運動を近似する方法として知られているジャーク最小モデルに基づく補間式を用いることで、物体の姿勢と移動軌跡の適切な推定を実現する。
【００１６】
［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態に係る姿勢・移動軌跡検出装置の構成を示すブロック図である。
本実施の形態の姿勢・移動軌跡検出装置１は、サーバ１０と、アクティビティ検出部１１と、静止区間探索部１２と、静止姿勢推定部１３と、運動姿勢推定部１４と、重力加速度推定部１５と、運動加速度推定部１６と、移動軌跡推定部１７とから構成される。
【００１７】
本実施の形態が想定している環境では、室内のさまざまな物体に汎用的なセンサノード２が装着されている。図２は本発明の実施の形態に係るセンサノード２の構成を示すブロック図である。センサノード２は、複数種類のセンサ２０と、他のセンサノード２やサーバ１０にデータを送信する通信モジュール２１と、プログラムを記憶するメモリ２２と、メモリ２２に格納されたプログラムに従ってセンサ２０や通信モジュール２１を制御するプロセッサ２３とから構成される。
【００１８】
センサノード２のプロセッサ２３は、稼動しているセンサ２０の測定値を常時収集して処埋する。また、プロセッサ２３は、必要に応じて、通信モジュール２１を通して他のセンサノード２やサーバ１０に収集したデータを送信して、処理を委ねる。プロセッサ２３は、例えば一定時間ごとにデータを送信する。
【００１９】
センサノード２は、３次元空間中で自由に姿勢変化および移動が可能な物体に装着されるので、センサノード２間、およびセンサノード２とサーバ１０間の通信には無線通信を用いることが好ましい。無線通信としては、例えば無線ＬＡＮ（Local Area Network）などを利用できる。
【００２０】
物体の姿勢と移動軌跡の検出にあたっては、センサノード２に搭載されている複数種類のセンサ２０のうち、地磁気を検出する方位センサと加速度を検出する加速度センサとから収集した情報を用いる。方位センサは、互いに交差する２方向ないし３方向に配されたセンサからなり、２次元ないし３次元のベクトル値として、地磁気の大きさを測定することができる。同様に、加速度センサも、２方向ないし３方向に配されたセンサからなり、２次元ないし３次元のベクトル値として、加速度の大きさを測定することができる。測定の頻度は任意であるが、現在市販されているセンサでは５ｍｓ間隔程度での測定を連続して行うことが可能である。
【００２１】
静止しているときの物体の姿勢は、２つの方向ベクトルを用いることで決定することができる。例えば、１つ目の方向ベクトルとして方位センサにより検出した磁北の方向だけが与えられた場合、物体の姿勢はそれだけでは決定することができず、磁北を指すベクトルの周りの回転について自由度が残る。そこで、磁北を指すベクトルと平行でないもう１つのベクトルとして、地球上の鉛直方向を意味する重力加速度のベクトルを与えると、物体の姿勢を決定することができる。
【００２２】
また、物体の姿勢に制約がある場合には、必ずしも３次元のベクトルを用いる必要はない。例えばドアなどに装着されたセンサの場合、鉛直方向への姿勢変化は考慮する必要が無いため、２次元のベクトルが検出できれば十分である。現在市販されているセンサでは、３次元の方位センサと加速度センサがパッケージ化されたものが存在するため、磁北のベクトルと重力加速度のベクトルの組を用いることが実装上は容易である。しかしながら、物体に外力が働いている場合には、重力加速度の方向の検出に工夫が必要であり、本実施の形態はその点について解決する。
【００２３】
図３は本実施の形態の姿勢・移動軌跡検出装置１の動作を示すフローチャートである。前記のとおり、サーバ１０は、センサノード２からのデータを受信する（図３ステップＳ１）。本実施の形態では、センサノード２から送信されるデータは、３軸の加速度ベクトルである加速度観測値と、３軸の地磁気ベクトルである方位観測値である。
【００２４】
次に、静止時の物体の姿勢の決定に先立って、物体が静止しているか否かの判別が必要である。物体が静止状態にあるとき、方位および加速度の測定値には変化が生じないことから、センサデータに変化が生じていない時区間を静止区間とし、他方、センサデータに変化が連続して生じている時区間をアクティビティ区間とする。アクティビティ検出部１１は、センサノード２から受信したセンサデータに変化が連続して生じている時区間をアクティビティ区間として検出し、それ以外の時区間を静止区間とする（図３ステップＳ２）。
【００２５】
移動していない物体の状態変化は積極的に計算し続ける必要が無いため、物体の姿勢および移動軌跡の検出は、アクティビティ区間を対象として行う。アクティビティ区間が検出された際に、その前後の静止区間における物体の姿勢を求め、その姿勢を用いてアクティビティ区間における物体の姿勢および移動軌跡を推定する。
【００２６】
物体の移動軌跡の推定にあたって、まず物体の姿勢に変化がない場合の移動軌跡の推定について考える。物体に外力が加えられた場合、物体は移動する。このときの外力の強さに応じた加速度が、この物体に装着されたセンサノード２の加速度センサによって測定される。ここで、加速度センサによる測定値は、外力による加速度に加えて、物体が存在する地点における重力加速度が重畳されたものとなる。
【００２７】
物体の姿勢に変化がない場合、観測される重力加速度は移動の前後で変化しないので、物体の静止時に測定された加速度の値をその静止地点における重力加速度として、この重力加速度を物体の移動中に観測された個々の加速度測定値から減ずることで、運動に寄与する外力による加速度を算出することができる。この外力による加速度を時間について積分することで物体の速度を求めることができ、さらに物体の速度を積分することで物体の移動量を求めることができる。
【００２８】
物体の姿勢に変化がある場合、その姿勢に応じて物体から見た重力加速度の方向が変化するため、静止時に測定された重力加速度の値を加速度測定値から単純に減ずることはできない。そこで、各時点における物体の姿勢を推定することで、その姿勢において加速度センサで観測されるべき重力加速度の大きさを推定し、推定した重力加速度を加速度測定値から減ずることにより、運動に寄与する外力による加速度を算出することができる。
【００２９】
静止区間探索部１２は、アクティビティ検出部１１においてアクティビティ区間が検出されたときに、このアクティビティ区間の前後の静止区間を探索する（図３ステップＳ３）。ここでは、アクティビティ区間の直前に存在する静止区間をＳＴ1、アクティビティ区間の直後に存在する静止区間をＳＴ2とする。
【００３０】
静止姿勢推定部１３は、静止区間ＳＴ1，ＳＴ2において測定されたセンサデータからそれぞれ静止区間ＳＴ1，ＳＴ2における物体の静止時の姿勢を推定する（図３ステップＳ４）。ここでは、物体の姿勢のパラメータを以下のように定める。まず、物体が静止している地点における北方向をＸ、西方向をＹ、鉛直上向きをＺとした空間座標系を定める。この物体に装着されたセンサノード２における３次元のｘｙｚ座標系と上述のＸＹＺ空間座標系との関係として、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸がそれぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸と一致する方向をセンサノード２（物体）の基準姿勢とする。この基準姿勢から、まずｚ軸周りに回転角ξの回転を行ない、次いでｙ軸周りに回転角φの回転を行ない、ｘ軸周りに回転角θの回転を行ったときの物体の姿勢を（θ，φ，ξ）で表わすこととする。
【００３１】
３軸の加速度センサと３軸の方位センサを持つセンサノード２では、各瞬間に加速度ベクトルａ（ｔ）＝（ａx（ｔ），ａy（ｔ），ａz（ｔ））と、地磁気ベクトルｈ（ｔ）＝（ｈx（ｔ），ｈy（ｔ），ｈz（ｔ））を観測できる。物体が基準姿勢で静止しているときの加速度ベクトルをａ0＝（ａx0，ａy0，ａz0）、地磁気ベクトルをｈ0＝（ｈx0，ｈy0，ｈz0）とする。静止姿勢における加速度は、その静止した地点での重力加速度ベクトルに相当する。
【００３２】
ある時刻ｔにおいて物体が静止しており、センサノード２から観測値ａ（ｔ）＝（ａx（ｔ），ａy（ｔ），ａz（ｔ））とｈ（ｔ）＝（ｈx（ｔ），ｈy（ｔ），ｈz（ｔ））が得られたとする。観測地点の周辺で重力加速度ベクトルと地磁気ベクトルはほぼ一定であるから、基準姿勢での観測値ａ0，ｈ0がそれぞれ時刻ｔにおける観測値ａ（ｔ），ｈ（ｔ）と一致するように物体を基準姿勢から回転させると、時刻ｔにおける物体の姿勢パラメータ（θ（ｔ），φ（ｔ），ξ（ｔ））を求めることができる。
【００３３】
物体が運動しているアクティビティ区間をｔ1≦ｔ≦ｔ2とすると、静止姿勢推定部１３は、アクティビティ区間の直前の静止区間ＳＴ1（正確にはアクティビティ区間の先端時刻ｔ1における静止状態）についてこのときの観測値ａ（ｔ1），ｈ（ｔ1）と基準姿勢での観測値ａ0，ｈ0とから上記のようにして物体の姿勢パラメータ（θ（ｔ1），φ（ｔ1），ξ（ｔ1））を求め、またアクティビティ区間の直後の静止区間ＳＴ2（正確にはアクティビティ区間の終端時刻ｔ2における静止状態）について観測値ａ（ｔ2），ｈ（ｔ2）と基準姿勢での観測値ａ0，ｈ0とから物体の姿勢パラメータ（θ（ｔ2），φ（ｔ2），ξ（ｔ2））を求める（図３ステップＳ４）。
【００３４】
運動姿勢推定部１４は、静止区間ＳＴ1における物体の姿勢と静止区間ＳＴ2における物体の姿勢とから補間を行うことで、アクティビティ区間の各時刻における物体の姿勢を推定する（図３ステップＳ５）。この補間は、数学的には１次式による補間でも十分であるが、本実施の形態においては、日常生活空間における物体の移動には人の行為が関与していることに注目し、人の手の運動の近似として知られているジャーク最小モデルに基づく補間を行う。
【００３５】
ジャーク最小モデルは、人の手の運動を観測した結果として得られたもので、人は本能的にジャーク（跳度、すなわち加速度の時間微分）が最小となるような軌跡で手を動かしていることを示すものである。直感的には、人の手の運動は加速度が滑らかに変化するような軌跡を描いており、そのときの移動量は時間についての５次式として表現される。運動姿勢推定部１４は、姿勢パラメータ（θ，φ，ξ）のそれぞれについて、ジャーク最小モデルによる補間を行う。
【００３６】
時刻ｔにおける物体の位置をｘ（ｔ）とする。ｘ（ｔ）がｔについてｎ回微分可能であるとして、ｘ（ｔ）をｎ回微分したものをｘ(n)（ｔ）と表わすことにする。これにより、時刻ｔにおける物体の速度はｘ(1)（ｔ）、加速度はｘ(2)（ｔ）、跳度はｘ(3)（ｔ）と表すことができる。跳度が最小となるとき，その２回微分についてｘ(5)（ｔ）＝０が成り立つ。
【００３７】
上記と同様に、アクティビティ区間をｔ1≦ｔ≦ｔ2とする。アクティビティ区間の先端時刻ｔ1における静止状態および終端時刻ｔ2における静止状態においては、速度、加速度共に０であるから、時刻ｔ1における物体の位置をｘ1＝ｘ（ｔ1）、時刻ｔ2における物体の位置をｘ2＝ｘ（ｔ2）と表すと、ｘ（ｔ）は以下の方程式の解として定義できる。
【００３８】
ｘ(5)（ｔ）＝０ ・・・（１）
ｘ（ｔ1）＝ｘ1，ｘ(1)（ｔ1）＝０，ｘ(2)（ｔ1）＝０ ・・・（２）
ｘ（ｔ2）＝ｘ2，ｘ(1)（ｔ2）＝０，ｘ(2)（ｔ2）＝０ ・・・（３）
【００３９】
この方程式の解はｔに関する以下の５次式となる。
ｘ（ｔ）＝ｘ1＋（ｘ2−ｘ1）（１０（ｔ／（ｔ2−ｔ1））3
−１５（ｔ／（ｔ2−ｔ1））4＋６（ｔ／（ｔ2−ｔ1））5） ・・（４）
【００４０】
運動姿勢推定部１４は、以上のジャーク最小原理に基づく補間を、姿勢パラメータθ，φ，ξに対してそれぞれ独立に適用することで、時刻ｔ1における姿勢パラメータθ（ｔ1），φ（ｔ1），ξ（ｔ1）と、時刻ｔ2における姿勢パラメータθ（ｔ2），φ（ｔ2），ξ（ｔ2）とから、アクティビティ区間の時刻ｔ（ｔ1≦ｔ≦ｔ2）における姿勢パラメータθ＾（ｔ），φ＾（ｔ），ξ＾（ｔ）を求めることができる（図３ステップＳ５）。
【００４１】
次に、重力加速度推定部１５は、アクティビティ区間の各時刻について、運動姿勢推定部１４が推定した物体の姿勢における重力加速度を推定する（図３ステップＳ６）。重力加速度推定部１５は、アクティビティ区間の時刻ｔ（ｔ1≦ｔ≦ｔ2）における姿勢パラメータθ＾（ｔ），φ＾（ｔ），ξ＾（ｔ）を用いて、静止姿勢における重力加速度ベクトルａ0を回転させることで、時刻ｔの物体の姿勢で観測されるべき重力加速度ｇ＾（ｔ）を求めることができる。
【００４２】
運動加速度推定部１６は、アクティビティ区間の各時刻について、運動に寄与する外力により生じる物体の加速度を推定する（図３ステップＳ７）。運動加速度推定部１６は、物体に装着されたセンサノード２がアクティビティ区間の時刻ｔ（ｔ1≦ｔ≦ｔ2）で観測した加速度ベクトルａ（ｔ）＝（ａx（ｔ），ａy（ｔ），ａz（ｔ））から、重力加速度推定部１５が推定した重力加速度ｇ＾（ｔ）を減ずることで、その瞬間の運動に関わる物体の加速度ａ＾（ｔ）を求めることができる。
ａ＾（ｔ）＝ａ（ｔ）−ｇ＾（ｔ） ・・・（５）
【００４３】
最後に、移動軌跡推定部１７は、運動加速度推定部１６が求めた物体の加速度ａ＾（ｔ）を時間について積分することで、アクティビティ区間における物体の移動速度ｖ（ｔ）および移動量ｘ（ｔ）を算出する（図３ステップＳ８）。移動軌跡推定部１７は、運動加速度推定部１６が求めた運動加速度ａ＾（ｔ）を時刻ｔに関して積分することで移動速度ｖ（ｔ）を求めることができ、さらに移動速度ｖ（ｔ）を積分することで移動量ｘ（ｔ）を求めることができる。
【００４４】
【数１】
【００４５】
以上のようにして、本実施の形態では、物体の運動中の姿勢および移動軌跡を求めることができる。
【００４６】
なお、本実施の形態の姿勢・移動軌跡検出装置は、ＣＰＵ、記憶装置および外部とのインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このようなコンピュータにおいて、本発明の姿勢・移動軌跡検出方法を実現させるための姿勢・移動軌跡検出プログラムは、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、メモリカードなどの記録媒体に記録された状態で提供される。ＣＰＵは、記録媒体から読み込んだプログラムを記憶装置に書き込み、プログラムに従って本実施の形態で説明したような処理を実行する。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、物体に装着されたセンサノードからのセンサデータを用いて、運動中の物体の姿勢と移動軌跡を検出する技術に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施の形態に係る姿勢・移動軌跡検出装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るセンサノードの構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る姿勢・移動軌跡検出装置の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４９】
１…姿勢・移動軌跡検出装置、２…センサノード、１０…サーバ、１１…アクティビティ検出部、１２…静止区間探索部、１３…静止姿勢推定部、１４…運動姿勢推定部、１５…重力加速度推定部、１６…運動加速度推定部、１７…移動軌跡推定部、２０…センサ、２１…通信モジュール、２２…メモリ、２３…プロセッサ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばカップや歯ブラシといった３次元空間中で自由に姿勢変化および移動可能な物体を対象とし、これらの物体に装着したセンサノードからセンサデータを受信して、物体の姿勢や移動軌跡を検出する姿勢・移動軌跡検出装置、検出方法、プログラムおよび記録媒体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、物体の移動軌跡を検出するには、ＧＰＳ（Global Positioning System ）や超音波、赤外線、微弱電波を利用したビーコンシステムによる測位と、コンピュータビジョンによる画像解析が利用されてきた。
また、物体の姿勢の検出に関しては、前述のコンピュータビジョンによる画像解析に加えて、地磁気を測定する方位センサによる磁北の方向の検出や加速度センサにより重力加速度を測定することによる鉛直方向の検出が利用されてきた（例えば非特許文献１参照）。この検出方法は、磁北と鉛直といった平行でない２つのベクトルの方向を観測することができれば、物体の３次元姿勢を決定できるという原理による。
【０００３】
【非特許文献１】星貴之，篠田裕之，「リアルタイムに形状計測可能な布状デバイス」，第８回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会（ＳＩ２００７），ｐ．９７７−９７８，２００７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ＧＰＳによる測位は、ＧＰＳの電波が受信できない室内の物体には適用できないという問題点があった。
また、ビーコンシステムおよびコンピュータビジョンによる検出では、観測対象の物体を囲むように空間中にビーコン送信機またはカメラを設置する必要があり、日常的な生活環境への設置が難しいという問題点があった。
【０００５】
一方、方位センサや加速度センサは小型化が進んでおり、例えばカップや歯ブラシといった生活環境中に存在する小型の物体にこれらのセンサを装着することが可能である。さらには、バーコードやＲＦ−ＩＤタグのように生産時または出荷時にセンサを物体に埋め込むことも考えられる。これらのセンサを利用して、物体の姿勢に加えて移動軌跡を検出することが可能となれば、前述のＧＰＳやビーコンシステム、コンピュータビジョンを利用した測位における設置の問題を回避できる。
【０００６】
特に、加速度センサの利用は、物体の移動に関わる外力を検出できることから、物体の移動軌跡の検出には適していると考えられる。しかしながら、加速度センサで測定できる加速度は、地球上で鉛直方向に働く重力加速度と物体の移動に関わる外力との合力となるため、重力加速度と外力を分離する必要がある。
設置方向が固定された物体（例えば、かならず地表面に対して水平に設置され、その姿勢を保ったまま運動する物体）においては、測定される重力加速度を固定して考えることができるため、加速度の測定値から所定の重力加速度を減ずることで移動に関わる外力を求めることができる，しかしながら、カップや歯ブラシなどのように自由に移動させることのできる物体においてはこの仮定は成立せず、測定値からただちに重力加速度を除いた外力を求めることは難しい。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、物体に装着したセンサノードからのセンサデータを利用して、物体の姿勢および移動軌跡を検出することができる姿勢・移動軌跡検出装置、検出方法、プログラムおよび記録媒体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】
【０００８】
本発明は、センサノードが装着された物体の姿勢および移動軌跡を検出する姿勢・移動軌跡検出装置において、センサノードから受信したセンサデータに基づいて物体が運動しているアクティビティ区間を検出するアクティビティ検出手段と、前記アクティビティ区間が検出されたときに、このアクティビティ区間の前後の静止区間を探索する静止区間探索手段と、前記アクティビティ区間の前後の静止区間のセンサデータから物体の姿勢を静止区間の各々について推定する静止姿勢推定手段と、前記アクティビティ区間の前後の静止区間における物体の姿勢に基づいて、前記アクティビティ区間の各時刻における物体の姿勢を補間により推定する運動姿勢推定手段と、前記アクティビティ区間の各時刻について前記運動姿勢推定手段が推定した物体の姿勢における重力加速度を推定する重力加速度推定手段と、前記アクティビティ区間の各時刻について前記センサデータと前記重力加速度推定手段が推定した重力加速度とから、外力により生じる物体の加速度を推定する運動加速度推定手段と、この運動加速度推定手段が推定した物体の加速度から前記アクティビティ区間における物体の移動速度および移動量を求める移動軌跡推定手段とを備えることを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の姿勢・移動軌跡検出装置の１構成例において、前記運動姿勢推定手段は、前記補間を行う際に、前記静止姿勢推定手段が推定した３軸の姿勢のパラメータにそれぞれ独立にジャーク最小原理を適用し、前記アクティビティ区間の各時刻における物体の３軸の姿勢のパラメータを計算することを特徴とするものである。
また、本発明の姿勢・移動軌跡検出装置の１構成例において、前記センサデータは、３軸の加速度観測値と３軸の方位観測値とを含むことを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の姿勢・移動軌跡検出方法は、センサノードから受信したセンサデータに基づいて物体が運動しているアクティビティ区間を検出するアクティビティ検出手順と、前記アクティビティ区間を検出したときに、このアクティビティ区間の前後の静止区間を探索する静止区間探索手順と、前記アクティビティ区間の前後の静止区間のセンサデータから物体の姿勢を静止区間の各々について推定する静止姿勢推定手順と、前記アクティビティ区間の前後の静止区間における物体の姿勢に基づいて、前記アクティビティ区間の各時刻における物体の姿勢を補間により推定する運動姿勢推定手順と、前記アクティビティ区間の各時刻について前記運動姿勢推定手順で推定した物体の姿勢における重力加速度を推定する重力加速度推定手順と、前記アクティビティ区間の各時刻について前記センサデータと前記重力加速度推定手順で推定した重力加速度とから、外力により生じる物体の加速度を推定する運動加速度推定手順と、この運動加速度推定手順で推定した物体の加速度から前記アクティビティ区間における物体の移動速度および移動量を求める移動軌跡推定手順とを備えることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の姿勢・移動軌跡検出プログラムは、センサノードから受信したセンサデータに基づいて物体が運動しているアクティビティ区間を検出するアクティビティ検出手順と、前記アクティビティ区間を検出したときに、このアクティビティ区間の前後の静止区間を探索する静止区間探索手順と、前記アクティビティ区間の前後の静止区間のセンサデータから物体の姿勢を静止区間の各々について推定する静止姿勢推定手順と、前記アクティビティ区間の前後の静止区間における物体の姿勢に基づいて、前記アクティビティ区間の各時刻における物体の姿勢を補間により推定する運動姿勢推定手順と、前記アクティビティ区間の各時刻について前記運動姿勢推定手順で推定した物体の姿勢における重力加速度を推定する重力加速度推定手順と、前記アクティビティ区間の各時刻について前記センサデータと前記重力加速度推定手順で推定した重力加速度とから、外力により生じる物体の加速度を推定する運動加速度推定手順と、この運動加速度推定手順で推定した物体の加速度から前記アクティビティ区間における物体の移動速度および移動量を求める移動軌跡推定手順とを、コンピュータに実行させることを特徴とするものである。
また、本発明の記録媒体は、姿勢・移動軌跡検出プログラムを記録したものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、物体が運動しているアクティビティ区間を検出し、アクティビティ区間の前後の静止区間のセンサデータから物体の姿勢を静止区間の各々について推定し、この推定した物体の姿勢に基づいて、アクティビティ区間における物体の姿勢を補間により推定することにより、物体の運動中の姿勢を求めることができる。さらに、本発明では、アクティビティ区間について推定した物体の姿勢における重力加速度を推定し、アクティビティ区間について測定されたセンサデータと重力加速度とから外力により生じる物体の加速度を推定し、この物体の加速度からアクティビティ区間における物体の移動速度および移動量を求めるようにしたので、物体の運動中に観測される重力加速度と物体の移動に関わる外力とを分離することができ、物体の運動中の移動軌跡（移動速度および移動量）を求めることができる。本発明では、ビーコンシステムやコンピュータビジョンといった手法を使用しないので、日常的な生活環境に容易に適用することができる。
【００１３】
また、本発明では、運動姿勢推定手段が補間を行う際に、静止姿勢推定手段が推定した３軸の姿勢のパラメータにそれぞれ独立にジャーク最小原理を適用し、アクティビティ区間の各時刻における物体の３軸の姿勢のパラメータを計算するので、物体の運動に関与する人の手の運動を考慮して補間することができ、センサデータから物体の運動中の姿勢と移動軌跡を高精度に検出することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
［発明の原理］
本発明は、３次元空間中で自由に姿勢変化および移動が可能な物体の姿勢および移動軌跡を検出するにあたり、移動前後の静止状態における物体の姿勢を求め、移動前の静止状態と移動後の静止状態との間の物体の姿勢を補間することで移動中の物体の姿勢を推定し、推定した物体の姿勢において測定されるべき重力加速度を算出し、実際に測定された加速度から、算出した重力加速度を減ずることで外力による加速度を推定し、この推定した加速度を時間について積分することで物体の移動速度および移動量を算出して、物体の移動軌跡を推定する。
【００１５】
移動前後の静止状態における物体の姿勢は、従来技術で求めることができる。物体の姿勢の補間にあたっては、数学的には一次式による補間を用いても良いのであるが、日常生活環境における物体の移動には人による行為が関与していることから、人の手の運動を近似する方法として知られているジャーク最小モデルに基づく補間式を用いることで、物体の姿勢と移動軌跡の適切な推定を実現する。
【００１６】
［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態に係る姿勢・移動軌跡検出装置の構成を示すブロック図である。
本実施の形態の姿勢・移動軌跡検出装置１は、サーバ１０と、アクティビティ検出部１１と、静止区間探索部１２と、静止姿勢推定部１３と、運動姿勢推定部１４と、重力加速度推定部１５と、運動加速度推定部１６と、移動軌跡推定部１７とから構成される。
【００１７】
本実施の形態が想定している環境では、室内のさまざまな物体に汎用的なセンサノード２が装着されている。図２は本発明の実施の形態に係るセンサノード２の構成を示すブロック図である。センサノード２は、複数種類のセンサ２０と、他のセンサノード２やサーバ１０にデータを送信する通信モジュール２１と、プログラムを記憶するメモリ２２と、メモリ２２に格納されたプログラムに従ってセンサ２０や通信モジュール２１を制御するプロセッサ２３とから構成される。
【００１８】
センサノード２のプロセッサ２３は、稼動しているセンサ２０の測定値を常時収集して処埋する。また、プロセッサ２３は、必要に応じて、通信モジュール２１を通して他のセンサノード２やサーバ１０に収集したデータを送信して、処理を委ねる。プロセッサ２３は、例えば一定時間ごとにデータを送信する。
【００１９】
センサノード２は、３次元空間中で自由に姿勢変化および移動が可能な物体に装着されるので、センサノード２間、およびセンサノード２とサーバ１０間の通信には無線通信を用いることが好ましい。無線通信としては、例えば無線ＬＡＮ（Local Area Network）などを利用できる。
【００２０】
物体の姿勢と移動軌跡の検出にあたっては、センサノード２に搭載されている複数種類のセンサ２０のうち、地磁気を検出する方位センサと加速度を検出する加速度センサとから収集した情報を用いる。方位センサは、互いに交差する２方向ないし３方向に配されたセンサからなり、２次元ないし３次元のベクトル値として、地磁気の大きさを測定することができる。同様に、加速度センサも、２方向ないし３方向に配されたセンサからなり、２次元ないし３次元のベクトル値として、加速度の大きさを測定することができる。測定の頻度は任意であるが、現在市販されているセンサでは５ｍｓ間隔程度での測定を連続して行うことが可能である。
【００２１】
静止しているときの物体の姿勢は、２つの方向ベクトルを用いることで決定することができる。例えば、１つ目の方向ベクトルとして方位センサにより検出した磁北の方向だけが与えられた場合、物体の姿勢はそれだけでは決定することができず、磁北を指すベクトルの周りの回転について自由度が残る。そこで、磁北を指すベクトルと平行でないもう１つのベクトルとして、地球上の鉛直方向を意味する重力加速度のベクトルを与えると、物体の姿勢を決定することができる。
【００２２】
また、物体の姿勢に制約がある場合には、必ずしも３次元のベクトルを用いる必要はない。例えばドアなどに装着されたセンサの場合、鉛直方向への姿勢変化は考慮する必要が無いため、２次元のベクトルが検出できれば十分である。現在市販されているセンサでは、３次元の方位センサと加速度センサがパッケージ化されたものが存在するため、磁北のベクトルと重力加速度のベクトルの組を用いることが実装上は容易である。しかしながら、物体に外力が働いている場合には、重力加速度の方向の検出に工夫が必要であり、本実施の形態はその点について解決する。
【００２３】
図３は本実施の形態の姿勢・移動軌跡検出装置１の動作を示すフローチャートである。前記のとおり、サーバ１０は、センサノード２からのデータを受信する（図３ステップＳ１）。本実施の形態では、センサノード２から送信されるデータは、３軸の加速度ベクトルである加速度観測値と、３軸の地磁気ベクトルである方位観測値である。
【００２４】
次に、静止時の物体の姿勢の決定に先立って、物体が静止しているか否かの判別が必要である。物体が静止状態にあるとき、方位および加速度の測定値には変化が生じないことから、センサデータに変化が生じていない時区間を静止区間とし、他方、センサデータに変化が連続して生じている時区間をアクティビティ区間とする。アクティビティ検出部１１は、センサノード２から受信したセンサデータに変化が連続して生じている時区間をアクティビティ区間として検出し、それ以外の時区間を静止区間とする（図３ステップＳ２）。
【００２５】
移動していない物体の状態変化は積極的に計算し続ける必要が無いため、物体の姿勢および移動軌跡の検出は、アクティビティ区間を対象として行う。アクティビティ区間が検出された際に、その前後の静止区間における物体の姿勢を求め、その姿勢を用いてアクティビティ区間における物体の姿勢および移動軌跡を推定する。
【００２６】
物体の移動軌跡の推定にあたって、まず物体の姿勢に変化がない場合の移動軌跡の推定について考える。物体に外力が加えられた場合、物体は移動する。このときの外力の強さに応じた加速度が、この物体に装着されたセンサノード２の加速度センサによって測定される。ここで、加速度センサによる測定値は、外力による加速度に加えて、物体が存在する地点における重力加速度が重畳されたものとなる。
【００２７】
物体の姿勢に変化がない場合、観測される重力加速度は移動の前後で変化しないので、物体の静止時に測定された加速度の値をその静止地点における重力加速度として、この重力加速度を物体の移動中に観測された個々の加速度測定値から減ずることで、運動に寄与する外力による加速度を算出することができる。この外力による加速度を時間について積分することで物体の速度を求めることができ、さらに物体の速度を積分することで物体の移動量を求めることができる。
【００２８】
物体の姿勢に変化がある場合、その姿勢に応じて物体から見た重力加速度の方向が変化するため、静止時に測定された重力加速度の値を加速度測定値から単純に減ずることはできない。そこで、各時点における物体の姿勢を推定することで、その姿勢において加速度センサで観測されるべき重力加速度の大きさを推定し、推定した重力加速度を加速度測定値から減ずることにより、運動に寄与する外力による加速度を算出することができる。
【００２９】
静止区間探索部１２は、アクティビティ検出部１１においてアクティビティ区間が検出されたときに、このアクティビティ区間の前後の静止区間を探索する（図３ステップＳ３）。ここでは、アクティビティ区間の直前に存在する静止区間をＳＴ1、アクティビティ区間の直後に存在する静止区間をＳＴ2とする。
【００３０】
静止姿勢推定部１３は、静止区間ＳＴ1，ＳＴ2において測定されたセンサデータからそれぞれ静止区間ＳＴ1，ＳＴ2における物体の静止時の姿勢を推定する（図３ステップＳ４）。ここでは、物体の姿勢のパラメータを以下のように定める。まず、物体が静止している地点における北方向をＸ、西方向をＹ、鉛直上向きをＺとした空間座標系を定める。この物体に装着されたセンサノード２における３次元のｘｙｚ座標系と上述のＸＹＺ空間座標系との関係として、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸がそれぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸と一致する方向をセンサノード２（物体）の基準姿勢とする。この基準姿勢から、まずｚ軸周りに回転角ξの回転を行ない、次いでｙ軸周りに回転角φの回転を行ない、ｘ軸周りに回転角θの回転を行ったときの物体の姿勢を（θ，φ，ξ）で表わすこととする。
【００３１】
３軸の加速度センサと３軸の方位センサを持つセンサノード２では、各瞬間に加速度ベクトルａ（ｔ）＝（ａx（ｔ），ａy（ｔ），ａz（ｔ））と、地磁気ベクトルｈ（ｔ）＝（ｈx（ｔ），ｈy（ｔ），ｈz（ｔ））を観測できる。物体が基準姿勢で静止しているときの加速度ベクトルをａ0＝（ａx0，ａy0，ａz0）、地磁気ベクトルをｈ0＝（ｈx0，ｈy0，ｈz0）とする。静止姿勢における加速度は、その静止した地点での重力加速度ベクトルに相当する。
【００３２】
ある時刻ｔにおいて物体が静止しており、センサノード２から観測値ａ（ｔ）＝（ａx（ｔ），ａy（ｔ），ａz（ｔ））とｈ（ｔ）＝（ｈx（ｔ），ｈy（ｔ），ｈz（ｔ））が得られたとする。観測地点の周辺で重力加速度ベクトルと地磁気ベクトルはほぼ一定であるから、基準姿勢での観測値ａ0，ｈ0がそれぞれ時刻ｔにおける観測値ａ（ｔ），ｈ（ｔ）と一致するように物体を基準姿勢から回転させると、時刻ｔにおける物体の姿勢パラメータ（θ（ｔ），φ（ｔ），ξ（ｔ））を求めることができる。
【００３３】
物体が運動しているアクティビティ区間をｔ1≦ｔ≦ｔ2とすると、静止姿勢推定部１３は、アクティビティ区間の直前の静止区間ＳＴ1（正確にはアクティビティ区間の先端時刻ｔ1における静止状態）についてこのときの観測値ａ（ｔ1），ｈ（ｔ1）と基準姿勢での観測値ａ0，ｈ0とから上記のようにして物体の姿勢パラメータ（θ（ｔ1），φ（ｔ1），ξ（ｔ1））を求め、またアクティビティ区間の直後の静止区間ＳＴ2（正確にはアクティビティ区間の終端時刻ｔ2における静止状態）について観測値ａ（ｔ2），ｈ（ｔ2）と基準姿勢での観測値ａ0，ｈ0とから物体の姿勢パラメータ（θ（ｔ2），φ（ｔ2），ξ（ｔ2））を求める（図３ステップＳ４）。
【００３４】
運動姿勢推定部１４は、静止区間ＳＴ1における物体の姿勢と静止区間ＳＴ2における物体の姿勢とから補間を行うことで、アクティビティ区間の各時刻における物体の姿勢を推定する（図３ステップＳ５）。この補間は、数学的には１次式による補間でも十分であるが、本実施の形態においては、日常生活空間における物体の移動には人の行為が関与していることに注目し、人の手の運動の近似として知られているジャーク最小モデルに基づく補間を行う。
【００３５】
ジャーク最小モデルは、人の手の運動を観測した結果として得られたもので、人は本能的にジャーク（跳度、すなわち加速度の時間微分）が最小となるような軌跡で手を動かしていることを示すものである。直感的には、人の手の運動は加速度が滑らかに変化するような軌跡を描いており、そのときの移動量は時間についての５次式として表現される。運動姿勢推定部１４は、姿勢パラメータ（θ，φ，ξ）のそれぞれについて、ジャーク最小モデルによる補間を行う。
【００３６】
時刻ｔにおける物体の位置をｘ（ｔ）とする。ｘ（ｔ）がｔについてｎ回微分可能であるとして、ｘ（ｔ）をｎ回微分したものをｘ(n)（ｔ）と表わすことにする。これにより、時刻ｔにおける物体の速度はｘ(1)（ｔ）、加速度はｘ(2)（ｔ）、跳度はｘ(3)（ｔ）と表すことができる。跳度が最小となるとき，その２回微分についてｘ(5)（ｔ）＝０が成り立つ。
【００３７】
上記と同様に、アクティビティ区間をｔ1≦ｔ≦ｔ2とする。アクティビティ区間の先端時刻ｔ1における静止状態および終端時刻ｔ2における静止状態においては、速度、加速度共に０であるから、時刻ｔ1における物体の位置をｘ1＝ｘ（ｔ1）、時刻ｔ2における物体の位置をｘ2＝ｘ（ｔ2）と表すと、ｘ（ｔ）は以下の方程式の解として定義できる。
【００３８】
ｘ(5)（ｔ）＝０ ・・・（１）
ｘ（ｔ1）＝ｘ1，ｘ(1)（ｔ1）＝０，ｘ(2)（ｔ1）＝０ ・・・（２）
ｘ（ｔ2）＝ｘ2，ｘ(1)（ｔ2）＝０，ｘ(2)（ｔ2）＝０ ・・・（３）
【００３９】
この方程式の解はｔに関する以下の５次式となる。
ｘ（ｔ）＝ｘ1＋（ｘ2−ｘ1）（１０（ｔ／（ｔ2−ｔ1））3
−１５（ｔ／（ｔ2−ｔ1））4＋６（ｔ／（ｔ2−ｔ1））5） ・・（４）
【００４０】
運動姿勢推定部１４は、以上のジャーク最小原理に基づく補間を、姿勢パラメータθ，φ，ξに対してそれぞれ独立に適用することで、時刻ｔ1における姿勢パラメータθ（ｔ1），φ（ｔ1），ξ（ｔ1）と、時刻ｔ2における姿勢パラメータθ（ｔ2），φ（ｔ2），ξ（ｔ2）とから、アクティビティ区間の時刻ｔ（ｔ1≦ｔ≦ｔ2）における姿勢パラメータθ＾（ｔ），φ＾（ｔ），ξ＾（ｔ）を求めることができる（図３ステップＳ５）。
【００４１】
次に、重力加速度推定部１５は、アクティビティ区間の各時刻について、運動姿勢推定部１４が推定した物体の姿勢における重力加速度を推定する（図３ステップＳ６）。重力加速度推定部１５は、アクティビティ区間の時刻ｔ（ｔ1≦ｔ≦ｔ2）における姿勢パラメータθ＾（ｔ），φ＾（ｔ），ξ＾（ｔ）を用いて、静止姿勢における重力加速度ベクトルａ0を回転させることで、時刻ｔの物体の姿勢で観測されるべき重力加速度ｇ＾（ｔ）を求めることができる。
【００４２】
運動加速度推定部１６は、アクティビティ区間の各時刻について、運動に寄与する外力により生じる物体の加速度を推定する（図３ステップＳ７）。運動加速度推定部１６は、物体に装着されたセンサノード２がアクティビティ区間の時刻ｔ（ｔ1≦ｔ≦ｔ2）で観測した加速度ベクトルａ（ｔ）＝（ａx（ｔ），ａy（ｔ），ａz（ｔ））から、重力加速度推定部１５が推定した重力加速度ｇ＾（ｔ）を減ずることで、その瞬間の運動に関わる物体の加速度ａ＾（ｔ）を求めることができる。
ａ＾（ｔ）＝ａ（ｔ）−ｇ＾（ｔ） ・・・（５）
【００４３】
最後に、移動軌跡推定部１７は、運動加速度推定部１６が求めた物体の加速度ａ＾（ｔ）を時間について積分することで、アクティビティ区間における物体の移動速度ｖ（ｔ）および移動量ｘ（ｔ）を算出する（図３ステップＳ８）。移動軌跡推定部１７は、運動加速度推定部１６が求めた運動加速度ａ＾（ｔ）を時刻ｔに関して積分することで移動速度ｖ（ｔ）を求めることができ、さらに移動速度ｖ（ｔ）を積分することで移動量ｘ（ｔ）を求めることができる。
【００４４】
【数１】
【００４５】
以上のようにして、本実施の形態では、物体の運動中の姿勢および移動軌跡を求めることができる。
【００４６】
なお、本実施の形態の姿勢・移動軌跡検出装置は、ＣＰＵ、記憶装置および外部とのインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このようなコンピュータにおいて、本発明の姿勢・移動軌跡検出方法を実現させるための姿勢・移動軌跡検出プログラムは、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、メモリカードなどの記録媒体に記録された状態で提供される。ＣＰＵは、記録媒体から読み込んだプログラムを記憶装置に書き込み、プログラムに従って本実施の形態で説明したような処理を実行する。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、物体に装着されたセンサノードからのセンサデータを用いて、運動中の物体の姿勢と移動軌跡を検出する技術に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施の形態に係る姿勢・移動軌跡検出装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るセンサノードの構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る姿勢・移動軌跡検出装置の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４９】
１…姿勢・移動軌跡検出装置、２…センサノード、１０…サーバ、１１…アクティビティ検出部、１２…静止区間探索部、１３…静止姿勢推定部、１４…運動姿勢推定部、１５…重力加速度推定部、１６…運動加速度推定部、１７…移動軌跡推定部、２０…センサ、２１…通信モジュール、２２…メモリ、２３…プロセッサ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサノードが装着された物体の姿勢および移動軌跡を検出する姿勢・移動軌跡検出装置において、
センサノードから受信したセンサデータに基づいて物体が運動しているアクティビティ区間を検出するアクティビティ検出手段と、
前記アクティビティ区間が検出されたときに、このアクティビティ区間の前後の静止区間を探索する静止区間探索手段と、
前記アクティビティ区間の前後の静止区間のセンサデータから物体の姿勢を静止区間の各々について推定する静止姿勢推定手段と、
前記アクティビティ区間の前後の静止区間における物体の姿勢に基づいて、前記アクティビティ区間の各時刻における物体の姿勢を補間により推定する運動姿勢推定手段と、
前記アクティビティ区間の各時刻について前記運動姿勢推定手段が推定した物体の姿勢における重力加速度を推定する重力加速度推定手段と、
前記アクティビティ区間の各時刻について前記センサデータと前記重力加速度推定手段が推定した重力加速度とから、外力により生じる物体の加速度を推定する運動加速度推定手段と、
この運動加速度推定手段が推定した物体の加速度から前記アクティビティ区間における物体の移動速度および移動量を求める移動軌跡推定手段とを備えることを特徴とする姿勢・移動軌跡検出装置。
【請求項２】
請求項１記載の姿勢・移動軌跡検出装置において、
前記運動姿勢推定手段は、前記補間を行う際に、前記静止姿勢推定手段が推定した３軸の姿勢のパラメータにそれぞれ独立にジャーク最小原理を適用し、前記アクティビティ区間の各時刻における物体の３軸の姿勢のパラメータを計算することを特徴とする姿勢・移動軌跡検出装置。
【請求項３】
請求項１記載の姿勢・移動軌跡検出装置において、
前記センサデータは、３軸の加速度観測値と３軸の方位観測値とを含むことを特徴とする姿勢・移動軌跡検出装置。
【請求項４】
センサノードが装着された物体の姿勢および移動軌跡を検出する姿勢・移動軌跡検出方法において、
センサノードから受信したセンサデータに基づいて物体が運動しているアクティビティ区間を検出するアクティビティ検出手順と、
前記アクティビティ区間を検出したときに、このアクティビティ区間の前後の静止区間を探索する静止区間探索手順と、
前記アクティビティ区間の前後の静止区間のセンサデータから物体の姿勢を静止区間の各々について推定する静止姿勢推定手順と、
前記アクティビティ区間の前後の静止区間における物体の姿勢に基づいて、前記アクティビティ区間の各時刻における物体の姿勢を補間により推定する運動姿勢推定手順と、
前記アクティビティ区間の各時刻について前記運動姿勢推定手順で推定した物体の姿勢における重力加速度を推定する重力加速度推定手順と、
前記アクティビティ区間の各時刻について前記センサデータと前記重力加速度推定手順で推定した重力加速度とから、外力により生じる物体の加速度を推定する運動加速度推定手順と、
この運動加速度推定手順で推定した物体の加速度から前記アクティビティ区間における物体の移動速度および移動量を求める移動軌跡推定手順とを備えることを特徴とする姿勢・移動軌跡検出方法。
【請求項５】
請求項４記載の姿勢・移動軌跡検出方法において、
前記運動姿勢推定手順は、前記補間を行う際に、前記静止姿勢推定手順で推定した３軸の姿勢のパラメータにそれぞれ独立にジャーク最小原理を適用し、前記アクティビティ区間の各時刻における物体の３軸の姿勢のパラメータを計算することを特徴とする姿勢・移動軌跡検出方法。
【請求項６】
請求項４記載の姿勢・移動軌跡検出方法において、
前記センサデータは、３軸の加速度観測値と３軸の方位観測値とを含むことを特徴とする姿勢・移動軌跡検出方法。
【請求項７】
センサノードが装着された物体の姿勢および移動軌跡を検出する姿勢・移動軌跡検出装置としてコンピュータを動作させる姿勢・移動軌跡検出プログラムにおいて、
センサノードから受信したセンサデータに基づいて物体が運動しているアクティビティ区間を検出するアクティビティ検出手順と、
前記アクティビティ区間を検出したときに、このアクティビティ区間の前後の静止区間を探索する静止区間探索手順と、
前記アクティビティ区間の前後の静止区間のセンサデータから物体の姿勢を静止区間の各々について推定する静止姿勢推定手順と、
前記アクティビティ区間の前後の静止区間における物体の姿勢に基づいて、前記アクティビティ区間の各時刻における物体の姿勢を補間により推定する運動姿勢推定手順と、
前記アクティビティ区間の各時刻について前記運動姿勢推定手順で推定した物体の姿勢における重力加速度を推定する重力加速度推定手順と、
前記アクティビティ区間の各時刻について前記センサデータと前記重力加速度推定手順で推定した重力加速度とから、外力により生じる物体の加速度を推定する運動加速度推定手順と、
この運動加速度推定手順で推定した物体の加速度から前記アクティビティ区間における物体の移動速度および移動量を求める移動軌跡推定手順とを、コンピュータに実行させることを特徴とする姿勢・移動軌跡検出プログラム。
【請求項８】
請求項７記載の姿勢・移動軌跡検出プログラムを記録したことを特徴とする記録媒体。
【請求項１】
センサノードが装着された物体の姿勢および移動軌跡を検出する姿勢・移動軌跡検出装置において、
センサノードから受信したセンサデータに基づいて物体が運動しているアクティビティ区間を検出するアクティビティ検出手段と、
前記アクティビティ区間が検出されたときに、このアクティビティ区間の前後の静止区間を探索する静止区間探索手段と、
前記アクティビティ区間の前後の静止区間のセンサデータから物体の姿勢を静止区間の各々について推定する静止姿勢推定手段と、
前記アクティビティ区間の前後の静止区間における物体の姿勢に基づいて、前記アクティビティ区間の各時刻における物体の姿勢を補間により推定する運動姿勢推定手段と、
前記アクティビティ区間の各時刻について前記運動姿勢推定手段が推定した物体の姿勢における重力加速度を推定する重力加速度推定手段と、
前記アクティビティ区間の各時刻について前記センサデータと前記重力加速度推定手段が推定した重力加速度とから、外力により生じる物体の加速度を推定する運動加速度推定手段と、
この運動加速度推定手段が推定した物体の加速度から前記アクティビティ区間における物体の移動速度および移動量を求める移動軌跡推定手段とを備えることを特徴とする姿勢・移動軌跡検出装置。
【請求項２】
請求項１記載の姿勢・移動軌跡検出装置において、
前記運動姿勢推定手段は、前記補間を行う際に、前記静止姿勢推定手段が推定した３軸の姿勢のパラメータにそれぞれ独立にジャーク最小原理を適用し、前記アクティビティ区間の各時刻における物体の３軸の姿勢のパラメータを計算することを特徴とする姿勢・移動軌跡検出装置。
【請求項３】
請求項１記載の姿勢・移動軌跡検出装置において、
前記センサデータは、３軸の加速度観測値と３軸の方位観測値とを含むことを特徴とする姿勢・移動軌跡検出装置。
【請求項４】
センサノードが装着された物体の姿勢および移動軌跡を検出する姿勢・移動軌跡検出方法において、
センサノードから受信したセンサデータに基づいて物体が運動しているアクティビティ区間を検出するアクティビティ検出手順と、
前記アクティビティ区間を検出したときに、このアクティビティ区間の前後の静止区間を探索する静止区間探索手順と、
前記アクティビティ区間の前後の静止区間のセンサデータから物体の姿勢を静止区間の各々について推定する静止姿勢推定手順と、
前記アクティビティ区間の前後の静止区間における物体の姿勢に基づいて、前記アクティビティ区間の各時刻における物体の姿勢を補間により推定する運動姿勢推定手順と、
前記アクティビティ区間の各時刻について前記運動姿勢推定手順で推定した物体の姿勢における重力加速度を推定する重力加速度推定手順と、
前記アクティビティ区間の各時刻について前記センサデータと前記重力加速度推定手順で推定した重力加速度とから、外力により生じる物体の加速度を推定する運動加速度推定手順と、
この運動加速度推定手順で推定した物体の加速度から前記アクティビティ区間における物体の移動速度および移動量を求める移動軌跡推定手順とを備えることを特徴とする姿勢・移動軌跡検出方法。
【請求項５】
請求項４記載の姿勢・移動軌跡検出方法において、
前記運動姿勢推定手順は、前記補間を行う際に、前記静止姿勢推定手順で推定した３軸の姿勢のパラメータにそれぞれ独立にジャーク最小原理を適用し、前記アクティビティ区間の各時刻における物体の３軸の姿勢のパラメータを計算することを特徴とする姿勢・移動軌跡検出方法。
【請求項６】
請求項４記載の姿勢・移動軌跡検出方法において、
前記センサデータは、３軸の加速度観測値と３軸の方位観測値とを含むことを特徴とする姿勢・移動軌跡検出方法。
【請求項７】
センサノードが装着された物体の姿勢および移動軌跡を検出する姿勢・移動軌跡検出装置としてコンピュータを動作させる姿勢・移動軌跡検出プログラムにおいて、
センサノードから受信したセンサデータに基づいて物体が運動しているアクティビティ区間を検出するアクティビティ検出手順と、
前記アクティビティ区間を検出したときに、このアクティビティ区間の前後の静止区間を探索する静止区間探索手順と、
前記アクティビティ区間の前後の静止区間のセンサデータから物体の姿勢を静止区間の各々について推定する静止姿勢推定手順と、
前記アクティビティ区間の前後の静止区間における物体の姿勢に基づいて、前記アクティビティ区間の各時刻における物体の姿勢を補間により推定する運動姿勢推定手順と、
前記アクティビティ区間の各時刻について前記運動姿勢推定手順で推定した物体の姿勢における重力加速度を推定する重力加速度推定手順と、
前記アクティビティ区間の各時刻について前記センサデータと前記重力加速度推定手順で推定した重力加速度とから、外力により生じる物体の加速度を推定する運動加速度推定手順と、
この運動加速度推定手順で推定した物体の加速度から前記アクティビティ区間における物体の移動速度および移動量を求める移動軌跡推定手順とを、コンピュータに実行させることを特徴とする姿勢・移動軌跡検出プログラム。
【請求項８】
請求項７記載の姿勢・移動軌跡検出プログラムを記録したことを特徴とする記録媒体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００９−２８７９４０（Ｐ２００９−２８７９４０Ａ）
【公開日】平成２１年１２月１０日（２００９．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１３７８１２（Ｐ２００８−１３７８１２）
【出願日】平成２０年５月２７日（２００８．５．２７）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月１０日（２００９．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月２７日（２００８．５．２７）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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