移動要素に剛結合された３軸加速度計の連続的な位置により形成された経路の特徴を決定する装置および方法
移動要素（ＥＭ）に剛結合された３軸加速度計（３Ａ）の、前記３軸加速度計（３Ａ）の第１の静止時点（ｔ０）と前記第１の静止時点（ｔ０）に後続する第２の静止時点（ｔｎ）との間における連続的な位置により形成された軌跡の特徴を決定する装置であって、前記装置が更に、地球基準座標系に結合された固定グローバル基準座標系（ＧＦ）内で、前記第１および第２の静止時点（ｔ０，ｔｎ）の間で実質的に一定であるベクトル場のベクトルを測定する追加的な３軸センサであって前記移動要素（ＥＭ）に剛結合されていると共に加速度計（３Ａ）の基準座標系内で固定されている追加センサと、制御手段（ＣＭＤ）とを含んでいる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動要素に結合された３軸加速度計の連続的な位置により形成された軌跡の特徴を決定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、本発明はモーションキャプチャの分野、および動き回る人物の位置特定に関する。モーションキャプチャは、一般的且つ公共的な用途、例えば娯楽レジャー用途（対話型ゲームコンソール、スポーツにおける動きの追跡、仮想現実または拡張現実）、歩行者の誘導を支援する用途（現在最も広く利用されているのがＧＰＳ等の衛星ナビゲーションシステムである）、弱者すなわち環境に起因して一時的に弱い立場にある人々（障がい者または失明した人々）の可動性を支援する用途、およびフィットネス用途（歩数計、消費エネルギーまたは移動距離の計算）に関する。モーションキャプチャはまた、医療用途（高齢者および／または要介護者の追跡、姿勢矯正用の歩行解析または診断支援）、安全または救助用途（火災発生中の建物内における消防士の位置特定、作戦行動時の兵士の追跡、または囚人の監視等）、並びに商用用途（ショッピングセンターまたはスーパーマーケット内で消費者が辿った軌跡に関する統計、有用なアーキタイプの定義、または場所に依存する商業サービスの提案）にも関する。
【０００３】
物体、または屋外ではＧＰＳシステム等、衛星を利用したナビゲーション支援システムにより、および屋内では超広帯域（ＵＷＢ）またはＷｉＦｉ送信に基づく電波探知システムにより認識される信号放射体を含む物体を装着した人物の動きを再構成することが特に知られている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】「”Ａｎ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ＵＷＢ ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｎｏｎ ｌｉｎｅ−ｏｆ−ｓｉｇｈｔ （ＮＬＯＳ） ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ”（Ａ．Ｍａａｌｉ，Ａ．Ｏｕｌｄａｌｉ，Ｈ．Ｍｉｍｏｕｎ，ａｎｄ Ｇ．Ｂａｕｄｏｉｎ），Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｅｒｖａｓｉｖｅ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，ＩＳＷＰＣ，３ｒｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ」 ２００８年５月
【非特許文献２】「”Ｉｎｅｒｔｉａｌ ｈｅａｄ−ｔｒａｃｋｅｒ ｓｅｎｓｏｒ ｆｕｓｉｏｎ ｂｙ ａ ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｓｅｐａｒａｔｅ−ｂｉａｓ ｋａｌｍａｎ ｆｉｌｔｅｒ”（Ｅ．Ｆｏｘｌｉｎ），Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ Ａｎｎｕａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ １９９６」 １９９６年３月
【非特許文献３】「”Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐａｔｉｏ−ｔｅｍｐｏｒａｌ ｇａｉｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｗｅａｒａｂｌｅ ｍｏｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒｓ”（Ｋ．Ｋｏｇｕｒｅ Ｌ．Ｓｅｏｎ−Ｗｏｏ，ａｎｄ Ｋ．Ｍａｓｅ），Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ ａｎｄ Ｂｉｏｌｏｇｙ Ｓｏｃｉｅｔｙ．ＩＥＥＥ−ＥＭＢＳ ２００５．２７ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ」 ２００５年
【非特許文献４】「”Ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｗｉｔｈ ｓｈｏｅ−ｍｏｕｎｔｅｄ ｉｎｅｒｔｉａｌ ｓｅｎｓｏｒｓ”（Ｅ．Ｆｏｘｌｉｎ），Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｇｒａｐｈｉｃｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ＩＥＥＥ，２５:３８−４６，Ｎｏｖ−Ｄｅｃ ２００５」 ２００５年１１月
【非特許文献５】「”Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｏｏｔ−ｍｏｕｎｔｅｄ ｉｎｅｒｔｉａｌ ｓｅｎｓｏｒｓ ｉｎｔｏ ａ Ｂａｙｅｓｉａｎ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ”（Ｐ．Ｒｏｂｅｒｔｓｏｎ Ｂ．Ｋｒａｃｈ），Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ，Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，２００８．ＷＰＮＣ ２００８．５ｔｈ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ」 ２００８年３月
【非特許文献６】「”Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ ｗａｌｋｉｎｇ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｆｒｏｍ ｆｏｏｔ ｉｎｅｒｔｉａｌ ｓｅｎｓｉｎｇ” （Ｓ．Ｓｃａｐｅｌｌａｔｏ Ｆ．Ｃａｖａｌｌｏ Ａ．Ｍ．Ｓａｂａｔｉｎｉ，ａｎｄ Ｃ．Ｍａｒｔｅｌｌｏｎｉ），Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ」 ２００５年３月
【非特許文献７】「”Ｍｕｌｔｉｓｅｎｓｏｒ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｗａｌｋｉｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｆｏｏｔ ｉｎｅｒｔｉａｌ ｓｅｎｓｉｎｇ”（Ｄ．Ａｌｖａｒｅｚ Ａ．Ｍ Ｌｏｐｅｚ Ｊ．Ｒｏｄｒｉｇｕｅｚ−Ｕｒｉａ Ｊ．Ｃ．Ａｌｖａｒｅｚ，ａｎｄ Ｒ．Ｃ．Ｇｏｎｚａｌｅｚ），Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ ａｎｄ Ｂｉｏｌｏｇｙ Ｓｏｃｉｅｔｙ，２００７，ＥＭＢＳ ２００７．２９ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ」 ２００７年８月
【非特許文献８】「”Ａｎ ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ ｓｈｏｅ−ｍｏｕｎｔｅｄ ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ”（Ｋ．Ｆｙｆｅ，Ｇeｒａｒｄ Ｌａｃｈａｐｅｌｌｅ，Ｒ．Ｓｔｉｒｌｉｎｇ，ａｎｄ Ｊ．Ｃｏｌｌｉｎ），Ｐｒｏｃ．Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｃｏｎｆ．（ＧＮＳＳ），ＣＤ−ＲＯＭ，Ａｕｓｔｒｉａｎ Ｉｎｓｔ．ｏｆ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ」 ２００３年４月
【非特許文献９】「”Ｒｏｂｕｓｔ ｓｔｅｐ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ” （Ｄ．Ｈ．Ｈｗａｎｇ，Ｊ．Ｈ．Ｊａｎｇ，ａｎｄ Ｊ．Ｗ．Ｋｉｍ），Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，４３（１４）」 ２００７年７月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
屋外屋内を問わず、多くの地理的領域において、衛星を利用するナビゲーション支援または電波探知システムに依存するナビゲーションは極めて扱いが厄介なことがわかる。その理由は、場所に依存する尺度の測定に必要な無線信号が、例えばナビゲーション支援システムの１個以上の衛星群から発信され、擬距離の測定に必要とされる信号が利用不可能な場合等に妨害されるためである。実際に、これらの遮蔽または妨害された状況により位置情報の精度が大幅に低下し、時にはナビゲーション支援サービスが利用不可能になる場合もあり、２００８年５月発行の文献「”Ａｎ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ＵＷＢ ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｎｏｎ ｌｉｎｅ−ｏｆ−ｓｉｇｈｔ （ＮＬＯＳ） ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ”（Ａ．Ｍａａｌｉ，Ａ．Ｏｕｌｄａｌｉ，Ｈ．Ｍｉｍｏｕｎ，ａｎｄ Ｇ．Ｂａｕｄｏｉｎ），Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｅｒｖａｓｉｖｅ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，ＩＳＷＰＣ，３ｒｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ」３７９〜３８２ページに例示されている。一般に、上述の実装では、一般的且つ公共的な用途に不適当または実際に害をなすコスト、消費量、寸法、および／またはインフラが顕著である。
【０００６】
他のシステムは、通常は慣性測定値を与える姿勢センサ（加速度計、磁力計、ジャイロメーター）を用いることにより、所与の出発点を基準として経路を計算することを目的とする。これらの測定により、多少は正確且つ複雑な手段によりナビゲーションを行なうことが可能になり、例えば、１９９６年３月発行「”Ｉｎｅｒｔｉａｌ ｈｅａｄ−ｔｒａｃｋｅｒ ｓｅｎｓｏｒ ｆｕｓｉｏｎ ｂｙ ａ ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｓｅｐａｒａｔｅ−ｂｉａｓ ｋａｌｍａｎ ｆｉｌｔｅｒ”（Ｅ．Ｆｏｘｌｉｎ），Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ Ａｎｎｕａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ １９９６」１８５〜１９４ページ、２００５年発行「”Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐａｔｉｏ−ｔｅｍｐｏｒａｌ ｇａｉｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｗｅａｒａｂｌｅ ｍｏｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒｓ”（Ｋ．Ｋｏｇｕｒｅ Ｌ．Ｓｅｏｎ−Ｗｏｏ，ａｎｄ Ｋ．Ｍａｓｅ），Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ ａｎｄ Ｂｉｏｌｏｇｙ Ｓｏｃｉｅｔｙ．ＩＥＥＥ−ＥＭＢＳ ２００５．２７ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ」６８３６〜６８３９ページ、２００５年１１月発行「”Ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｗｉｔｈ ｓｈｏｅ−ｍｏｕｎｔｅｄ ｉｎｅｒｔｉａｌ ｓｅｎｓｏｒｓ”（Ｅ．Ｆｏｘｌｉｎ），Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｇｒａｐｈｉｃｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ＩＥＥＥ，２５:３８−４６，Ｎｏｖ−Ｄｅｃ ２００５」、または２００８年３月発行「”Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｏｏｔ−ｍｏｕｎｔｅｄ ｉｎｅｒｔｉａｌ ｓｅｎｓｏｒｓ ｉｎｔｏ ａ Ｂａｙｅｓｉａｎ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ”（Ｐ．Ｒｏｂｅｒｔｓｏｎ Ｂ．Ｋｒａｃｈ），Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ，Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，２００８．ＷＰＮＣ ２００８．５ｔｈ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ」５５〜６１ページ等の文献に記述されている。このようなシステムは、コストおよび複雑度が高く、且つ精度を欠いている場合が多い。
【０００７】
Ｗｉｉ等のビデオゲームコンソールは、光および／または超音波センサを用いてゲーム制御要素の軌跡を決定する。これらのシステムは高価でしかも限定的である。
【０００８】
２００５年３月発行「”Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ ｗａｌｋｉｎｇ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｆｒｏｍ ｆｏｏｔ ｉｎｅｒｔｉａｌ ｓｅｎｓｉｎｇ” （Ｓ．Ｓｃａｐｅｌｌａｔｏ Ｆ．Ｃａｖａｌｌｏ Ａ．Ｍ．Ｓａｂａｔｉｎｉ，ａｎｄ Ｃ．Ｍａｒｔｅｌｌｏｎｉ），Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ」４８６〜４９４ページ、または２００７年８月発行「”Ｍｕｌｔｉｓｅｎｓｏｒ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｗａｌｋｉｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｆｏｏｔ ｉｎｅｒｔｉａｌ ｓｅｎｓｉｎｇ”（Ｄ．Ａｌｖａｒｅｚ Ａ．Ｍ Ｌｏｐｅｚ Ｊ．Ｒｏｄｒｉｇｕｅｚ−Ｕｒｉａ Ｊ．Ｃ．Ａｌｖａｒｅｚ，ａｎｄ Ｒ．Ｃ．Ｇｏｎｚａｌｅｚ），Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ ａｎｄ Ｂｉｏｌｏｇｙ Ｓｏｃｉｅｔｙ，２００７，ＥＭＢＳ ２００７．２９ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ」５７１９〜５７２２ページに記述されているように、２個の加速度計および１個のジャイロメーターがユーザーの矢状面に配置されていると仮定することにより、当該平面におけるセンサの姿勢を決定できるようになる。加速度は足軸上で積分される。これらのシステムは低コストではあるが、他に短所が現れる。一方、これらはセンサ群が矢状面上に完全に配置されていると仮定するが、これをユーザーが実際に行なうのはほぼ不可能であり、センサまたはセンサ群の位置決めが拙いことに関して推定誤差が生じる。一方、これらは矢状面上で歩行が行なわれると仮定するが、これは例えば横方向に歩き続ける場合には当てはまらない。
【０００９】
２００３年４月に発行された文献「”Ａｎ ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ ｓｈｏｅ−ｍｏｕｎｔｅｄ ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ”（Ｋ．Ｆｙｆｅ，Ｇｅｒａｒｄ Ｌａｃｈａｐｅｌｌｅ，Ｒ．Ｓｔｉｒｌｉｎｇ，ａｎｄ Ｊ．Ｃｏｌｌｉｎ），Ｐｒｏｃ．Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｃｏｎｆ．（ＧＮＳＳ），ＣＤ−ＲＯＭ，Ａｕｓｔｒｉａｎ Ｉｎｓｔ．ｏｆ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ」において、センサが向いている角度を計算すべく３個の加速度計および第４の加速度計を備えたシステムを開示している。この追加の加速度計は、同一移動要素に配置されているが、後者からある程度離されている。２個のセンサは従って、同一の回転および同一の移動を観測する。このような構造により、実質的に一定である方向の回りに回転している移動要素の回転速度を推定できるようにする一方、ジャイロメーターが不要になる。このシステムは、ＡｌｖａｒｅｚおよびＳｃａｐｅｌｌａｔｏ他が提案したジャイロメーターを備えたシステムに関して、一軸ジャイロメーターを一対の加速度計で代替することでコストを削減している。しかし、そのようなシステムは、矢状面に直交する軸の回りの回転だけを考慮しているため、上で引用した例と同じ短所を呈する。更に、一対の加速度計による回転の推定は、ジャイロメーターの支援により実行されたのと全く同様に、顕著なドリフトを呈する。例えば足が静止している場合に、進行方向もまた磁力計の支援により決定される、これにより移動の求める方向ではなく足の方向が得られる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の目的は、低コストで軌跡を決定して、上述の問題を解決することである。
【００１１】
本発明の一態様によれば、移動要素に剛結合された３軸加速度計の、３軸加速度計の第１の静止時点と前記第１の静止時点に後続する第２の静止時点との間における連続的な位置により形成された軌跡の特徴を決定する装置を提案し、前記装置は更に、地球基準座標系に結合された固定グローバル基準座標系内で、前記第１および第２の静止時点の間で実質的に一定であるベクトル場のベクトルを測定する追加的な３軸センサであって前記移動要素に剛結合されていると共に前記加速度計の前記基準座標系内で固定されている追加センサと、制御手段とを含んでいて、前記制御手段が、
− ３軸加速度計の前記第１および第２の静止時点を決定する第１の手段と、
− ３軸加速度計により得られたベクトルに基づいて、または追加センサにより得られたベクトルに基づいて、加速度計または追加センサに結合された移動基準座標系内で、前記第１および第２の静止時点の間における３軸加速度計の実質的に不変である回転軸、および前記実質的に一定である回転軸に直交する平面を決定する第２の手段と、
− 前記連続的な各時点において、前記移動基準座標系内で３軸加速度計により得られたベクトルおよび追加センサにより得られたベクトルの前記平面への第１の正射影を計算する第１の手段と、
− 前記連続的な各時点において、追加センサにより得られたベクトルの前記第１の正射影に基づいて、前記移動基準座標系から前記固定グローバル基準座標系に切り替える回転を決定する第３の手段と、
− 前記連続的な各時点において、３軸加速度計により得られたベクトルの前記平面において、前記第１の計算手段により得られた、前記第１の正射影の前記固定グローバル基準座標系における第２の正射影を計算する第２の手段と、
− 前記固定グローバル基準座標系内で、地球重力および前記装置のドリフトに影響されることなく、前記平面に集中する加速度を得るために、前記固定グローバル基準座標系における各第２の正射影から、前記連続的な各時点の平均ベクトルを減算する第３の計算手段と、
− 集中する加速度に基づいて軌跡の特徴を計算する第４の手段とを含んでいる。
【００１２】
このような装置により、移動要素に結合された３軸加速度計の軌跡を正確且つ低コストで決定できるようにする。移動要素は、足や手のように人体の一部であっても、または動物の体の一部であっても、あるいはロボットやコンピュータマウスのような人工体の一部であってよい。以下の説明において、本発明を人体の足について記述しているが、任意の移動要素にも同様に適用することができる。
【００１３】
一実装モードにおいて、前記連続的な位置は実質的に同一平面上にある。
【００１４】
例えば、本装置は、人間、動物、または人工体の移動要素に剛結合された３軸加速度計の、３軸加速度計の第１の静止時点と前記第１の静止時点に後続する第２の静止時点との間における実質的に同一平面上の連続的な位置により形成された軌跡を決定する装置であってよく、３軸加速度計は、前記第１および第２の静止時点の間で実質的に一定である方向に対して回転している。前記装置は更に、地球基準座標系に結合された固定グローバル基準座標系内で、前記第１および第２の静止時点の間で実質的に一定であるベクトル場のベクトルを測定する追加センサすなわち、前記移動要素に剛結合されていると共に前記加速度計の測定軸と実質的に平行な測定軸を有している追加センサと、制御手段とを含んでいて、前記制御手段は、
− ３軸加速度計の前記第１および第２の静止時点を決定する第１の手段と、
− ３軸加速度計により得られたベクトルに基づいて、または追加センサにより得られたベクトルに基づいて、３軸加速度計および追加センサに結合された移動基準座標系内で、前記第１および第２の静止時点の間における多くの連続的な各時点において、３軸加速度計の軌跡の平面を決定する第２の手段と、
− 前記連続的な各時点において 前記移動基準座標系内で３軸加速度計により得られたベクトルのおよび追加センサにより得られたベクトルの３軸加速度計の軌跡の前記平面上への正射影を計算する第１の手段と、
− 前記連続的な各時点において、追加センサにより得られたベクトルの前記正射影に基づいて、前記移動基準座標系から前記固定グローバル基準座標系に切り替える回転を決定する第３の手段と、
− 前記連続的な各時点において、前記第１の計算手段により得られた３軸加速度計により得られたベクトルの前記固定グローバル基準座標系内での正射影を計算する第２の手段と、
− 前記固定グローバル基準座標系内で、地球重力および前記装置のドリフトに影響されることなく、３軸加速度計の軌跡の前記平面に集中する加速度を得るために、前記第２の計算手段により得られた前記連続的な各時点における平均ベクトルを減算する第３の計算手段と、
− 前記第１および第２の静止時点の間における前記平面内の３軸加速度計の、前記固定グローバル基準座標系内で表された軌跡を得るために、前記第３の計算手段により得られた集中する加速度の二重時間積分を計算する第４の手段と、
を含んでいる。
【００１５】
このような装置により、移動要素に結合された３軸加速度計の平面軌跡の特徴を正確且つ低コストで決定できるようにする。
【００１６】
従って、一実装モードにおいて、前記移動要素は足であり、前記時間間隔は前記足の歩調に対応して３軸加速度計の前記第１および第２の静止時点を分離する。
【００１７】
一実装モードによれば、前記制御手段は、３軸加速度計の前記固定グローバル基準座標系で表された各々の位置を前記第１の静止時点および前記第２の静止時点に関連付けるべく適合された、方向ベクトルを計算する第１の手段を含んでいる。
【００１８】
前記固定グローバル基準座標系の前記ベクトルの方向は、移動の方向および移動距離の長さを与える。
【００１９】
一実装モードにおいて、軌跡の前記平面は垂直であって、前記制御手段は更に、追加センサにより測定された前記ベクトル場に関する移動進行方向を計算する第２の手段を含んでいて、前記第２の計算手段は、追加センサにより測定された前記ベクトル場の、軌跡の前記平面に直交する水平面上への正射影を実行すべく適合されている。
【００２０】
前記追加センサが磁力計である場合、北側への移動の方向が得られる。例えば、移動の方向を地図上にプロットするか、またはこのベクトルの座標を与えることが可能であるため、ユーザーが移動した方向を示す。
【００２１】
一実装モードにおいて、軌跡の前記平面は垂直であって、３軸加速度計の軌跡の前記平面を決定する前記第２の手段は、前記移動基準座標系内で、前記連続的な各時点で３軸加速度計により得られたベクトルにより形成される３列からなる行列の特異値分解を実行して、より大きい２個の特異値に対応する２個のベクトルを抽出すべく適合されている。
【００２２】
本装置は、平面内を移動していて、実質的に一定である方向の回りに回転を実行する。この計算手段は、堅牢且つ動作の数の観点から安価である。更に、移動要素上のセンサの向きとは無関係である。任意であってよい軌跡の方向に関して何らの仮定もしていない。
【００２３】
一実装モードにおいて、軌跡の前記平面は垂直であって、３軸加速度計の軌跡の前記平面を決定する前記第２の手段は、前記連続的な各時点で３軸加速度計により得られたベクトルにより形成された３列からなる行列である自己相関行列を前記移動基準座標系内で固有値および固有ベクトルに分解すべく、且つより大きい２個の固有値に対応する２個の固有ベクトルを抽出すべく適合されている。
【００２４】
同様に、本装置は平面内を移動していて、実質的に一定である方向の回りに回転を実行する。この計算手段は、堅牢且つ動作の数に関して安価である。更に、移動要素上のセンサの向きとは無関係である。任意であってよい軌跡の方向に関して何らの仮定もしていない。
【００２５】
一実装モードによれば、前記第２の計算手段は、地球基準座標系に関連付けられていて、追加センサにより得られたベクトル、および前記第１のベクトルに直交していて軌跡の前記平面に属している第２のベクトルに基づいて、前記第１の計算手段により得られた第１のベクトルにより定義される中間基準座標系へ切り替える第５の計算手段を含んでいる。
【００２６】
前記第１のベクトルが利用でき、且つグローバル基準座標系への切り替えに極めて少ない回数の乗算および加算しか行なわないため、実行すべき計算の数が最小化される。
【００２７】
一実装モードにおいて、前記移動基準座標系から前記固定グローバル基準座標系に切り替える回転を決定する前記第３の手段が角度を推定する手段を含んでいて、前記切換回転は、前記実質的に一定であるベクトル場への正射影、およびこれに続く３軸加速度計の軌跡の前記平面における前記推定された角度分の回転により定義される。
【００２８】
この推定により、軌跡を既知のグローバル基準座標系、例えばＮＥＤすなわち「Ｎｏｒｔｈ−Ｅａｓｔ−Ｄｏｗｎ」基準座標系を向かせることが可能になる。
【００２９】
例えば、前記推定手段は、移動要素の接触面、および３軸加速度計により送信されたベクトルに基づいて前記第５の計算手段により送信されたベクトルの傾斜に基づいて、前記角度を推定すべく適合されている。
【００３０】
傾斜は、加速度計の位置に基づいて移動要素の接触面の傾斜を提供する所定の対応テーブルにより知ることができる。
【００３１】
傾斜が正確に知られたならば（例えば建物内では傾斜は往々にしてゼロであり、別の例は傾きが一定である傾斜面の歩行である）ならばこの方式は堅牢である。この方式により、軌跡の推定された特徴において、足は各静止時点で地面にある。
【００３２】
例えば、前記推定手段は、前記連続的な各時点で３軸加速度計により得られたベクトルにより形成された行列に基づいて前記第５の計算手段により得られた３列からなる行列の特異値分解に基づいて前記角度を推定すべく適合されている。
【００３３】
この場合、傾斜に関する知識は必要とされず、全ては信号の統計に基づいている。
【００３４】
例えば、前記推定手段は前記角度を、追加センサにより得られたベクトルに基づいて前記第１の計算手段により得られたベクトルと、３軸加速度計により得られたベクトルに基づいて前記第１の計算手段により得られたベクトルとの間の、前記第１または第２の静止時点における角度として推定すべく適合されている。
【００３５】
この場合、マッピングは一切必要とせず、また自身の高さよりも長い軌跡等、軌跡に関する何らの仮定も必要としない。
【００３６】
一実装モードにおいて、前記制御手段は、前記第４の計算手段により得られたデータに基づいて、前記第１および第２の静止時点の間に、および／または３軸加速度計の２個の連続的な静止時点を分離する一組の連続的な時間内に移動する距離を計算する第３の手段を含んでいる。
【００３７】
３軸加速度計の２個の連続的な静止時点の間に移動した距離、従って、足の場合、２個の連続的な着地の間に足により移動した距離は容易に計算される。
【００３８】
一実装モードによれば、前記制御手段は、前記第４の計算手段により得られたデータに基づいて、３軸加速度計の２個の連続的な静止時点を分離する一組の連続的な時間間隔の軌跡を計算する第４の手段を含んでいる。
【００３９】
本発明は、多くの計算を減らして、移動の間におけるユーザーの軌跡の特徴を計算できるようにする。
【００４０】
一実装モードにおいて、前記追加センサは、前記第１および第２の静止時点の間で実質的に一定である地磁界を測定する３軸磁力計である。
【００４１】
従って、例えばジャイロメーターを用いる場合に比べてコストが減少する。
【００４２】
一実装モードによれば、前記３軸加速度計は、前記３軸加速度計の静止時点において、移動要素の接触面の高さに実質的に置かれるように配置されている。
【００４３】
この場合、加速度は足が着地している間は実際にゼロであるため、本装置の精度を改善する。
【００４４】
一実装モードにおいて、前記追加センサが、前記３軸加速度計の静止時点において、前記移動要素の接触面からある程度離れて配置されている。
【００４５】
地上で地磁界を測定する際の妨害は避けられるため、本装置の精度が向上する。
【００４６】
一実装モードによれば、前記制御手段は、移動要素に結合されているか、または移動要素からある程度離れて配置されていて、実時間または非実時間で動作すべく適合されている。
【００４７】
前記制御手段が移動要素と共にまたは単独で移動し、且つ実時間また非実時間で情報を処理する装置を製造することが可能である。
【００４８】
本発明の別の態様によれば、上述のような少なくとも１個の装置を含んでいて、プレーヤーが進む少なくとも一歩を示す画面またはスピーカー等の視覚または聴覚インジケータを含むビデオゲームシステムを提案する。
【００４９】
従って、指令の適切な実行を監視して、例えばスコアを確定することが可能である。
【００５０】
本発明の別の態様によれば、上述の少なくとも１個の装置を含む跳躍解析システムを提案する。
【００５１】
従って、高さ、長さ、持続時間、跳躍の質を推定することが可能である。
【００５２】
本発明の別の態様によれば、上述の少なくとも１個の装置を含む屋外または屋内の地理位置情報システムを提案する。
【００５３】
本システムは、手動での初期化（ユーザーが地図上での自身の位置を指す）により、または他の地理位置情報システム（ＧＰＳ、ＵＷＢ等）の支援を受けて補間可能な低コストのシステムである。後者の場合、提案するシステムは他のシステムの性能を向上させるかまたは、それがもはや利用不可能な場合（例えば建物内でのＧＰＳ）に、自身を置換する。
【００５４】
本発明の別の態様によれば、上述の少なくとも１個の装置を含んでいて、ユーザーのエネルギー消費を計算するシステムを提案する。
【００５５】
この装置は、足の移動に関する重要な情報を保持できる。従って一歩の間にわたりこの情報を積分することにより各時点での足の高さを考慮したエネルギー消費の精密な推定値を得ることが可能である。
【００５６】
例えば、３軸加速度計の軌跡の特徴は、３軸加速度計の速度、または３軸加速度計の軌跡を含んでいる。
【００５７】
本発明の別の態様によれば、移動要素に剛結合された３軸加速度計の、３軸加速度計の第１の静止時点と前記第１の静止時点に後続する第２の静止時点との間における連続的な位置により形成された軌跡の特徴を、更に、地球基準座標系に結合された固定グローバル基準座標系内で、前記第１および第２の静止時点の間で実質的に一定であるベクトル場のベクトルを測定する追加的な３軸センサであって前記移動要素に剛結合されていると共に前記加速度計の前記基準座標系内で固定されている追加センサにより決定する方法をも提案し、前記方法が、
− ３軸加速度計の前記第１および第２の静止時点を決定するステップと、
− ３軸加速度計により得られたベクトルに基づいて、または追加センサにより得られたベクトルに基づいて、加速度計または追加センサに結合された移動基準座標系内で、前記第１および第２の静止時点の間における３軸加速度計の実質的に不変である回転軸を決定するステップ、および前記実質的に不変である回転軸に直交する平面を決定するステップと、
− 前記連続的な各時点において、前記移動基準座標系内で３軸加速度計により得られたベクトルおよび追加センサにより得られたベクトルの前記平面への第１の正射影を計算するステップと、
− 前記連続的な各時点において、追加センサにより得られたベクトルの前記第１の正射影に基づいて、前記移動基準座標系から前記固定グローバル基準座標系に切り替える回転を決定するステップと、
− 前記連続的な各時点において、３軸加速度計により得られたベクトルの前記平面において、前記第１の正射影の前記固定グローバル基準座標系における第２の正射影を計算するステップと、
− 前記固定グローバル基準座標系内で、地球重力および前記装置のドリフトに影響されることなく、前記平面に集中する加速度を得るために、前記固定グローバル基準座標系における各第２の正射影から、前記連続的な各時点の平均ベクトルを減算するステップと、
− 集中する加速度に基づいて軌跡の特徴を決定するステップと、
を含んでいる。
【００５８】
本発明は、完全に非限定的な例により記述され、添付の図面に描かれたいくつかの実装モードを精査することで更によく理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の一態様による装置の一実装モードの模式図である。
【図２】本発明の一態様による、図１の装置の制御手段の一実施モードの模式図である。
【００６０】
これらの図の組において、同一ラベルを付された要素は類似している。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００６１】
図１に示すように、制御モジュールＣＭＤは、３軸加速度計３Ａおよび局所的且つ実質的に一定であるベクトル場のベクトルを測定する追加センサ、この例では地磁界を測定する３軸磁力計３Ｍにより送信された測定値を受信する。３軸加速度計３Ａは移動要素ＥＭに結合されていて、磁力計３Ｍもまた同じ移動要素ＥＭに直接または間接的に結合されていて、その測定軸は加速度計の測定軸と実質的に平行である。移動要素ＥＭは、例えば、非限定的に人体の足であってよい。
【００６２】
無論、変型として、磁力計が加速度計の基準座標系に固定されている場合、２個のセンサの基準座標系は交換行列により結合されており、全く同一の基準座標系内でセンサの測定値の座標を使用すべく、他のセンサの基準座標系内のセンサの１個の基準座標系の座標を表すために更なる変換を実行するだけで十分である。
【００６３】
第１の判定モジュールＭＤ１は、３軸加速度計３Ａおよび３軸磁力計３Ｍにより送信された測定値に基づいて、３軸加速度計の第１の静止時点ｔ０および前記第１の静止時点ｔ０に後続する第２の静止時点ｔｎを決定できるようにする。移動要素ＥＭが足である場合、静止時点は接触面への足の着地に対応する。第１のモジュールＭＤ１が使用する技術は、２００７年７月発行の文献「”Ｒｏｂｕｓｔ ｓｔｅｐ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ” （Ｄ．Ｈ．Ｈｗａｎｇ，Ｊ．Ｈ．Ｊａｎｇ，ａｎｄ Ｊ．Ｗ．Ｋｉｍ），Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，４３（１４）」に記述されているものであってよく、その中で著者らは加速度計のノルムの信号において歩調を示す典型的な信号に対応する基本形状の検出を試みている。この形状が検出された場合、開始は時点ｔ０に対応し、終了は時点ｔｎに対応する。
【００６４】
連続的な各時点ｔ０，ｔ１，．．．，ｔｎは、第１の静止時点ｔ０と第２の静止時点ｔｎの間に時系列的に位置している。多くの連続的な各時点ｔ０，ｔ１，．．．，ｔｎは、センサからもたらされた信号のデジタル化におよびサンプリングに対応しており、これに続いて較正が実行されて測定された物理量に戻る。
【００６５】
第２の判定モジュールＭＤ２は、３軸加速度計３Ａおよび３軸磁力計３Ｍに結合された移動基準座標系ＬＦ内の多くの連続的な各時点ｔ０，ｔ１，．．．，ｔｎにおいて、３軸加速度計３Ａにより得られたベクトルに基づいて、３軸加速度計３Ａの前記軌跡の平面
【数１】
を決定できるようにする。
【００６６】
一変型例として、図２に示すように、第２の判定モジュールＭＤ２は、３軸磁力計３Ｍにより得られたベクトルに基づいて、前記軌跡の平面
【数２】
を決定することができる。この変型で用いられる方式は、３軸加速度計３Ａの測定値を３軸磁力計３Ｍの測定値で代替することに類似している。
【００６７】
平面
【数３】
は、３軸加速度計３Ａまたは３軸磁力計の各軸へ送信された測定値を考慮することにより、高々三次元空間内の位置またはベクトルであると考えられる測定値を含む平面に対応し、ベクトル
【数４】
により定義される軸は、測定値の射影の変化が最小の軸である。ベクトル
【数５】
は、軌跡
【数６】
の平面の法線ベクトルであるが、３軸加速度計３Ａの回転軸でもある。
【００６８】
これらの３個のベクトル
【数７】
を定義するために、第２の決定手段は，ｔ０とｔｎを包含する範囲で取得したサンプルの数ｎ＋１であるｎ＋１行、および３軸加速度計３Ａの３軸ｘ、ｙ、ｚ３個の測定値に対応する３列からなる行列ＡＬＦを形成する。次式が得られる。
【数８】
【００６９】
一変型例として、連続的な各時点ｔ０，ｔ１，．．．，ｔｎにおけるサンプルの部分集合だけを取り出すことが可能である。
【００７０】
行列ＡＬＦ（＝ＡＬＦ（ｔ０，．．．，ｔｎ）に基づいて３個のベクトル
【数９】
を決定するいくつかの実装モードが可能である。
【００７１】
一実装モードは、行列ＡＬＦ：ＡＬＦ＝ＵＳＶの特異値分解ＳＶＤを実行することからなる。Ｖは、３行３列からなる行列であって、各列は３個のベクトル
【数１０】
の１個に対応している。行列Ｓは、３個の特異値ｓ１，ｓ２，ｓ３を含んでいる。これら３個の特異値ｓ１，ｓ２，ｓ３は降順にランク付けされなければならない。ベクトル
【数１１】
は、最小特異値に対応する行列Ｖの列である。他の２列は、平面
【数１２】
を形成するベクトルの座標を与える。
【００７２】
別の実装モードは、相関行列Ｒ＝ＡＬＦＴＡＬＦを３個の固有ベクトルおよび固有値（Ｒ＝ｕＴＳｕ）に分解し、減少している固有値ｓ１，ｓ２，ｓ３によりこれらをランク付けして３個のベクトル
【数１３】
を得る。ＡＬＦＴはＡＬＦの行列転置に対応する。より大きい２個の固有値に対応する２個の固有ベクトルが平面
【数１４】
に対応し、固有ベクトル
【数１５】
は最小固有値に対応する。
【００７３】
制御モジュールＣＭＤもまた、連続的な各時点ｔ０，ｔ１，．．．，ｔｎにおいて、３軸加速度計３Ａの軌跡
【数１６】
の平面上で、前記移動基準座標系ＬＦ内の３軸加速度計３Ａにより得られたベクトル、および３軸磁力計３Ｍにより得られたベクトルの正射影を計算する第１の計算モジュールＭＣ１を含んでいる。射影の行列は次式で得られる。
【数１７】
【００７４】
制御モジュールＣＭＤは更に、連続的な各時点ｔ０，ｔ１，．．．，ｔｎにおいて、３軸磁力計３Ｍにより得られたベクトルの正射影に基づいて、移動基準座標系ＬＦから、地球の基準座標系に結合された固定グローバル基準座標系ＧＦに切り替える回転を決定する第３のモジュールＭＤ３を含んでいる。第３の判定モジュールＭＤ３は、ベクトル
【数１８】
により形成された中間平面ＩＦを効果的に決定する。ｂｐ（ｔ）は、地磁界ＢＬＦ（ｔ）の単位ベクトルであって、
【数１９】
は軌跡または歩容
【数２０】
の平面内でベクトルｂｐ（ｔ）を９０°回転させることにより得られる。
【００７５】
従って、第３の判定モジュールは中間基準座標系ＩＦのベクトルを次式で計算する。
【数２１】
【００７６】
制御モジュールＣＭＤの第２の計算モジュールＭＣ２は、連続的な各時点ｔ０，ｔ１，．．．，ｔｎにおいて、３軸加速度計３Ａにより得られたベクトルの、固定グローバル基準座標系ＧＦ内で第１の計算モジュールＭＣ１により得られた正射影の計算を実行する。
【００７７】
第２の計算モジュールＭＣ２は、地球の基準座標系に結合された中間基準座標系ＩＦ内での切り替えを計算する第５の計算モジュールＭＣ５を含んでいる。換言すれば、
【数２２】
は軌跡
【数２３】
の平面内で中間基準座標系ＩＦのベクトル
【数２４】
に正射影されて、軌跡
【数２５】
の平面に射影される中間基準座標系ＩＦ内で次式により表される加速度測定値を得る。
【数２６】
【００７８】
移動基準座標系ＬＦから固定グローバル基準座標系ＧＦに切り替える回転を決定する第３のモジュールＭＤ３は、角度αを推定するモジュールＭＥＳＴを含んでいて、２個の静止時点ｔ０とｔｎの間における前記切り換え回転は実質的に一定である地磁界上への正射影、およびこれに続く３軸加速度計３Ａの軌跡の平面
【数２７】
内での推定角度α分の回転により定義されている。
【００７９】
換言すれば、推定モジュールＭＥＳＴは、中間基準座標系ＩＦ
【数２８】
からベクトル
【数２９】
により定義される歩行平面内におけるグローバル基準座標系ＧＦに切り替えるべく実行される回転α（回転行列Ｍαにより特徴付けられた）を発見可能にするものであり、グローバル基準座標系ＧＦ存在の第３のベクトルは
【数３０】
である。
【００８０】
歩行者向けナビゲーションの場合、
【数３１】
は歩行平面内で水平であり、
【数３２】
は垂直である。
【００８１】
αを決定するために、推定モジュールＭＥＳＴのいくつかの実装モードが可能である。
【００８２】
第１の実装モードは、次式によりαを推定する際に、水平に関する時点ｔ０およびｔｎにおける足の２個の着地点の間の傾斜θを知ることからなっていてよい。
【数３３】
【００８３】
この傾斜θは、当該歩調が持続する間は傾斜が一定であることを考慮することにより、または人（移動要素ＥＭ）がいる場所の接触面の傾斜を出力として与える内蔵マッピング機能の支援を受けて，ｔ０またはｔｎにおいて着地した際の足に付けたセンサの傾きにより推定することができる。
【００８４】
別の実施モードにおいて、足の移動に沿って加速度の最大変動が生じることを認めることにより、加速行列ＡＩＦの特異値分解すなわちＳＶＤが行列Ｍαを決定し、最大特異値に対応する特異ベクトルはベクトル
【数３４】
に対応している。
【数３５】
【００８５】
特異値分解は、ＡＩＦ＝ＵＳＶと書くことができ、ここで、Ｖは行列Ｍである。
【００８６】
この仮定が有効であるのは、０傾斜の平坦な地面での垂直移動よりも水平移動が大きくなるように歩幅が広い場合だけである。傾斜がゼロでない場合、この方式は使用可能であるが、
【数３６】
は、第１の静止時点ｔ０におけるセンサの位置を第２の静止時点ｔｎにおける自身の位置に接合するベクトルを除いて水平ではない。
【００８７】
時点ｔ０およびｔｎにおいて足が静止しているという事実から出発して、別の実施モードを検討することもできる。
垂直線はこの時点で３軸加速度計３Ａにより測定された加速度に沿っていて、αは
【数３７】
の間、または
【数３８】
の間の角度である。
【００８８】
第２の計算モジュールＭＣ２はまた、測定値Ａｐをグローバル基準座標系に射影する乗算器を含んでいる。
【数３９】
【００８９】
制御モジュールＣＭＤは更に、固定グローバル基準座標系ＧＦにおける地球重力および装置のドリフトの影響を受けることなく、３軸加速度計３Ａの軌跡の平面
【数４０】
に集中する加速度を得るために、前記連続的な各時点ｔ０，ｔ１，．．．，ｔｎにおいて前記第２の計算手段ＭＣ２により得られたベクトルから、前記連続的な各時点上の平均ベクトルを減算する第３の計算モジュールＭＣ３を含んでいる。第３の計算モジュールは、水平および垂直平均の収縮の以下の計算を実行する。
【数４１】
【００９０】
制御モジュールＣＭＤはまた、例えば、第３の計算モジュールＭＣ３により得られた集中する加速度の二重時間積分により、集中する加速度に基づいて３軸加速度計３Ａの軌跡の特徴を計算する第４のモジュールＭＣ４を含んでいることにより、この場合、固定グローバル基準座標系ＧＦで表された３軸加速度計３Ａの、すなわち、第１の着地と第２の着地、または静止時点ｔ０およびｔｎの間において、一歩進む間の足の軌跡の平面におけるユーザーの足の軌跡を得る。
【００９１】
第４の計算モジュールＭＣ４は、軌跡のまたは歩行の平面における足の、より正確には足に結合された加速度計の軌跡を計算するために、加速度を時間に関して２回積分可能にする。数値積分は、矩形法による積分を用いて以下の関係式を利用することにより実行できる。
【数４２】
【００９２】
ここで、ＦｅはＨｚで表されるサンプリング周波数であり、行列
【数４３】
の成分はｍ／ｓ２で表される。
【数４４】
は各々、グローバル基準座標系｛ｈ，ｖ｝の２軸に沿った速度および位置ベクトルである。
【００９３】
一変型例として、第４の計算モジュールＭＣ４は、例えばスプライン関数を用いることにより、数値計算のより複雑なモードにより２重積分を行なうことができる。
【００９４】
一変型例として、第４の計算モジュールＭＣ４は、速度に戻るために１重積分を実行することができる。
【００９５】
制御モジュールＣＭＤは、３軸加速度計３Ａの前記固定グローバル基準座標系ＧＦで表された各々の位置を第１の静止時点ｔ０および第２の静止時点ｔｎに関連付けるべく適合された、方向ベクトルを計算する第１のモジュールＭＥＬ１を含んでいてよい。
【００９６】
制御モジュールＣＭＤはまた、追加センサにより測定された前記ベクトル場に関して、この場合は３軸磁力計３Ｍにより測定された地磁界に関して、移動進行方向を計算する第２のモジュールＭＥＬ２を含んでいてよい。第２の計算モジュールＭＥＬ２は、以下の方法の進行方向を計算することができる。
【００９７】
移動の進行方向は、地球磁気の北極と移動の方向との間の角度として定義される。これを、北に対する人の向きである人の進行方向と混同してはならない。往々にして文献で推定されるのは後者である。人の進行方向は往々にしてその移動と同じであると仮定される。これは前方へ歩いている場合だけに当てはまり、後方、横方向、または僅かに斜めに歩いている場合はそうではない。従って、第２の計算モジュールＭＥＬ２は以下のように、移動の進行方向、より一般的にはＮＥＤ（Ｎｏｒｔｈ，Ｅａｓｔ，Ｄｏｗｎ）基準座標系における軌跡を推定する。
【００９８】
上記において、軌跡は足の軌跡の平面に対応する平面
【数４５】
内で推定される。第３のベクトル
【数４６】
は、３個の次元が各々歩行平面における水平方向、歩行平面における垂直方向、および同様に水平と仮定される歩行平面の法線ベクトルに対応している、基準座標系
【数４７】
を形成できるようにする。
【００９９】
進行方向を計算するために、以下の計算が実行される。
ＢＧＦ＝Ｂｈ＋Ｂｖ＋Ｂｕ３
ここで、
【数４８】
は３軸磁力計３Ｍの測定値ＢＧＦのｈ＝{１，０，０}への射影であり、
【数４９】
は３軸磁力計３Ｍの測定値ＢＧＦのｖ＝{０，１，０}への射影であり、
【数５０】
は３軸磁力計３Ｍの測定値ＢＧＦの
【数５１】
への射影であって、
【数５２】
は歩行平面に直交するベクトルであってセンサの基準座標系内で表されて既に計算済みである。
【０１００】
成分Ｂｕ３は、時間の関数として実質的に不変でなければならず、従って平面内の歩行、より一般的には実質的に不変である軸の回りの回転、および地磁界Ｂが妨げられないことを仮定するに至る。実際にはこれは一般的ではないため、第２の計算モジュールは、当該成分の推定値として（静止時点ｔ０およびｔｎの間における）この一歩の間の時間平均を求めることができる。
【０１０１】
進行方向ＢＨおよびＢｕ３を単独で決定することが有用である。依然としてベクトル
【数５３】
の符号の不確定性が残る。実際に、上で定義したように、
【数５４】
は移動方向の反対方向であってよく、
【数５５】
は上向きまたは下向きであってよい。
【０１０２】
第２の計算モジュールＭＥＬ２は、以下のように基準座標系
【数５６】
を構築する。
【数５７】
は
【数５８】
歩行平面内でセンサの移動方向を向いている水平ベクトルであり、
【数５９】
は
【数６０】
は下向きの垂直ベクトルであり、
【数６１】
は右手基準座標系
【数６２】
を形成する
【数６３】
歩行平面に垂直なベクトルである。
【０１０３】
ベクトル
【数６４】
は以下のように決定される。
【数６５】
は装置のユーザーの移動方向に対応する水平ベクトルである。これは、第４の計算モジュールＭＣ４により与えられた移動ベクトル
【数６６】
の第１成分と対応する水平移動ｘｈ（ｔ）により得られる。ｘｈ（ｔ）が正値ならば
【数６７】
であり、移動方向において移動は正値でなければならない。
【数６８】
は垂直且つ下向きである。
【数６９】
へのＢ（ｔ）の射影が正値ならば
【数７０】
であり、測定された地磁界Ｂは常に下向きでなければならない。
【数７１】
は、他の２ベクトルと共に右手基準座標系
【数７２】
を形成している第３のベクトルである。
【０１０４】
｛北、東｝基準座標系における移動方向
【数７３】
と磁北との間の角度αは以下の式を反転させることにより得られる。
【数７４】
【０１０５】
制御モジュールＣＭＤはまた、第４の計算モジュールにより提供されたデータに基づいて、第１および第２の静止時点ｔ０およびｔｎすなわち一歩の間に、および／または３軸加速度計の２個の連続的静止時点ｔ０およびｔｎすなわち連続的な歩行を分離する一組の連続的な時間内に移動した距離を計算する第３のモジュールＭＥＬ３を含んでいてよい。
【０１０６】
例えば、一歩で移動する水平距離は以下で与えられる。
ｄｈ（ｔ０，ｔｎ）＝ｘｈ（ｔｎ）−ｘｈ（ｔ０）
一連の歩行の場合、移動距離は各一歩について計算される距離の合計により与えられる。
【０１０７】
制御モジュールＣＭＤはまた、第４の計算モジュールにより得られたデータに基づいて、３軸加速度計３Ａの２個の連続的な静止時点ｔ０およびｔｎを分離する一組の連続的な時間間隔、この場合は一組の連続的な歩行における軌跡を計算する第４のモジュールＭＥＬ４を含んでいてよい。例えば、第２の計算モジュールＭＥＬ２で用いたのと同じ式により、または装置がそれらを含んでいる場合は第２の計算モジュールＭＥＬ２の結果に直接基づいてよい。対応する水平面内での移動はｘｈ（ｔ）により与えられる。北を向く軸に沿った移動は以下の関係により与えられる。
【数７５】
東を向く軸に沿った移動は以下の関係により与えられる。
【数７６】
下方への移動は以下の関係により与えられる。
ｘＤ（ｔ）＝±ｘｖ（ｔ），但し、符号は、下向きである
【数７７】
の符号で与えられる。
【０１０８】
一連の歩行に対する水平面（ｘＮ（ｔ），ｘＥ（ｔ））の推定軌跡はこのように得られる。
【０１０９】
また、ＮＥＤ基準座標系から所望の基準座標系への切り替えを可能にする回転行列が既知である任意のグローバル基準座標系ＧＦ内での移動を推定することも可能である。例えば、人が自分のゲームコンソールの前にいるような場合である。人が静止して画面に向かっている場合、測定値の取得を行なうことが可能である。計算された人の進行方向は、当人の仮想描写の向きの基準として役立つ。
【０１１０】
一変型例として、２個の連続的な静止時点を考える代わりに、軌跡の平面内の速度ベクトルが既知である２個の連続的な各時点、および２個の時点の角度αと合わせて考えることもでき、これらのデータは追加センサにより測定するかまたは追加センサにより提供された測定値に基づいて推定することができる。このような場合、第４の計算モジュールは、第１の時点の速度で速度を初期化して、２個の時点の速度に依存する定数を集中する加速度に加算しなければならない。
【０１１１】
実質的に不変である軸の回りの回転のより一般的な場合において、第２の決定モジュールＭＤ２が３軸追加センサを用いて回転軸を推定し、第１の計算モジュールＭＣ１もまたベクトルｕ３に沿って射影を実行する。更に、第３の計算モジュールＭＣ３はベクトルｕ３に沿って集中する加速度を計算し、第４の計算モジュールＭＣ４は後者の集中する加速度を、速度を得るために１回、位置を得るために２回積分する。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
本発明は、移動要素、特に足に結合された３軸加速度計の平面軌跡を正確に且つ低コストで決定できるようにする。移動要素は、手のように人体の別の一部、動物の体の一部、またはロボットやコンピュータマウスなどの人工体の一部であってよい。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動要素に結合された３軸加速度計の連続的な位置により形成された軌跡の特徴を決定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、本発明はモーションキャプチャの分野、および動き回る人物の位置特定に関する。モーションキャプチャは、一般的且つ公共的な用途、例えば娯楽レジャー用途（対話型ゲームコンソール、スポーツにおける動きの追跡、仮想現実または拡張現実）、歩行者の誘導を支援する用途（現在最も広く利用されているのがＧＰＳ等の衛星ナビゲーションシステムである）、弱者すなわち環境に起因して一時的に弱い立場にある人々（障がい者または失明した人々）の可動性を支援する用途、およびフィットネス用途（歩数計、消費エネルギーまたは移動距離の計算）に関する。モーションキャプチャはまた、医療用途（高齢者および／または要介護者の追跡、姿勢矯正用の歩行解析または診断支援）、安全または救助用途（火災発生中の建物内における消防士の位置特定、作戦行動時の兵士の追跡、または囚人の監視等）、並びに商用用途（ショッピングセンターまたはスーパーマーケット内で消費者が辿った軌跡に関する統計、有用なアーキタイプの定義、または場所に依存する商業サービスの提案）にも関する。
【０００３】
物体、または屋外ではＧＰＳシステム等、衛星を利用したナビゲーション支援システムにより、および屋内では超広帯域（ＵＷＢ）またはＷｉＦｉ送信に基づく電波探知システムにより認識される信号放射体を含む物体を装着した人物の動きを再構成することが特に知られている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】「”Ａｎ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ＵＷＢ ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｎｏｎ ｌｉｎｅ−ｏｆ−ｓｉｇｈｔ （ＮＬＯＳ） ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ”（Ａ．Ｍａａｌｉ，Ａ．Ｏｕｌｄａｌｉ，Ｈ．Ｍｉｍｏｕｎ，ａｎｄ Ｇ．Ｂａｕｄｏｉｎ），Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｅｒｖａｓｉｖｅ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，ＩＳＷＰＣ，３ｒｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ」 ２００８年５月
【非特許文献２】「”Ｉｎｅｒｔｉａｌ ｈｅａｄ−ｔｒａｃｋｅｒ ｓｅｎｓｏｒ ｆｕｓｉｏｎ ｂｙ ａ ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｓｅｐａｒａｔｅ−ｂｉａｓ ｋａｌｍａｎ ｆｉｌｔｅｒ”（Ｅ．Ｆｏｘｌｉｎ），Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ Ａｎｎｕａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ １９９６」 １９９６年３月
【非特許文献３】「”Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐａｔｉｏ−ｔｅｍｐｏｒａｌ ｇａｉｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｗｅａｒａｂｌｅ ｍｏｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒｓ”（Ｋ．Ｋｏｇｕｒｅ Ｌ．Ｓｅｏｎ−Ｗｏｏ，ａｎｄ Ｋ．Ｍａｓｅ），Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ ａｎｄ Ｂｉｏｌｏｇｙ Ｓｏｃｉｅｔｙ．ＩＥＥＥ−ＥＭＢＳ ２００５．２７ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ」 ２００５年
【非特許文献４】「”Ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｗｉｔｈ ｓｈｏｅ−ｍｏｕｎｔｅｄ ｉｎｅｒｔｉａｌ ｓｅｎｓｏｒｓ”（Ｅ．Ｆｏｘｌｉｎ），Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｇｒａｐｈｉｃｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ＩＥＥＥ，２５:３８−４６，Ｎｏｖ−Ｄｅｃ ２００５」 ２００５年１１月
【非特許文献５】「”Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｏｏｔ−ｍｏｕｎｔｅｄ ｉｎｅｒｔｉａｌ ｓｅｎｓｏｒｓ ｉｎｔｏ ａ Ｂａｙｅｓｉａｎ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ”（Ｐ．Ｒｏｂｅｒｔｓｏｎ Ｂ．Ｋｒａｃｈ），Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ，Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，２００８．ＷＰＮＣ ２００８．５ｔｈ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ」 ２００８年３月
【非特許文献６】「”Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ ｗａｌｋｉｎｇ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｆｒｏｍ ｆｏｏｔ ｉｎｅｒｔｉａｌ ｓｅｎｓｉｎｇ” （Ｓ．Ｓｃａｐｅｌｌａｔｏ Ｆ．Ｃａｖａｌｌｏ Ａ．Ｍ．Ｓａｂａｔｉｎｉ，ａｎｄ Ｃ．Ｍａｒｔｅｌｌｏｎｉ），Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ」 ２００５年３月
【非特許文献７】「”Ｍｕｌｔｉｓｅｎｓｏｒ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｗａｌｋｉｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｆｏｏｔ ｉｎｅｒｔｉａｌ ｓｅｎｓｉｎｇ”（Ｄ．Ａｌｖａｒｅｚ Ａ．Ｍ Ｌｏｐｅｚ Ｊ．Ｒｏｄｒｉｇｕｅｚ−Ｕｒｉａ Ｊ．Ｃ．Ａｌｖａｒｅｚ，ａｎｄ Ｒ．Ｃ．Ｇｏｎｚａｌｅｚ），Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ ａｎｄ Ｂｉｏｌｏｇｙ Ｓｏｃｉｅｔｙ，２００７，ＥＭＢＳ ２００７．２９ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ」 ２００７年８月
【非特許文献８】「”Ａｎ ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ ｓｈｏｅ−ｍｏｕｎｔｅｄ ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ”（Ｋ．Ｆｙｆｅ，Ｇeｒａｒｄ Ｌａｃｈａｐｅｌｌｅ，Ｒ．Ｓｔｉｒｌｉｎｇ，ａｎｄ Ｊ．Ｃｏｌｌｉｎ），Ｐｒｏｃ．Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｃｏｎｆ．（ＧＮＳＳ），ＣＤ−ＲＯＭ，Ａｕｓｔｒｉａｎ Ｉｎｓｔ．ｏｆ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ」 ２００３年４月
【非特許文献９】「”Ｒｏｂｕｓｔ ｓｔｅｐ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ” （Ｄ．Ｈ．Ｈｗａｎｇ，Ｊ．Ｈ．Ｊａｎｇ，ａｎｄ Ｊ．Ｗ．Ｋｉｍ），Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，４３（１４）」 ２００７年７月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
屋外屋内を問わず、多くの地理的領域において、衛星を利用するナビゲーション支援または電波探知システムに依存するナビゲーションは極めて扱いが厄介なことがわかる。その理由は、場所に依存する尺度の測定に必要な無線信号が、例えばナビゲーション支援システムの１個以上の衛星群から発信され、擬距離の測定に必要とされる信号が利用不可能な場合等に妨害されるためである。実際に、これらの遮蔽または妨害された状況により位置情報の精度が大幅に低下し、時にはナビゲーション支援サービスが利用不可能になる場合もあり、２００８年５月発行の文献「”Ａｎ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ＵＷＢ ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｎｏｎ ｌｉｎｅ−ｏｆ−ｓｉｇｈｔ （ＮＬＯＳ） ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ”（Ａ．Ｍａａｌｉ，Ａ．Ｏｕｌｄａｌｉ，Ｈ．Ｍｉｍｏｕｎ，ａｎｄ Ｇ．Ｂａｕｄｏｉｎ），Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｅｒｖａｓｉｖｅ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，ＩＳＷＰＣ，３ｒｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ」３７９〜３８２ページに例示されている。一般に、上述の実装では、一般的且つ公共的な用途に不適当または実際に害をなすコスト、消費量、寸法、および／またはインフラが顕著である。
【０００６】
他のシステムは、通常は慣性測定値を与える姿勢センサ（加速度計、磁力計、ジャイロメーター）を用いることにより、所与の出発点を基準として経路を計算することを目的とする。これらの測定により、多少は正確且つ複雑な手段によりナビゲーションを行なうことが可能になり、例えば、１９９６年３月発行「”Ｉｎｅｒｔｉａｌ ｈｅａｄ−ｔｒａｃｋｅｒ ｓｅｎｓｏｒ ｆｕｓｉｏｎ ｂｙ ａ ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｓｅｐａｒａｔｅ−ｂｉａｓ ｋａｌｍａｎ ｆｉｌｔｅｒ”（Ｅ．Ｆｏｘｌｉｎ），Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ Ａｎｎｕａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ １９９６」１８５〜１９４ページ、２００５年発行「”Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐａｔｉｏ−ｔｅｍｐｏｒａｌ ｇａｉｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｗｅａｒａｂｌｅ ｍｏｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒｓ”（Ｋ．Ｋｏｇｕｒｅ Ｌ．Ｓｅｏｎ−Ｗｏｏ，ａｎｄ Ｋ．Ｍａｓｅ），Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ ａｎｄ Ｂｉｏｌｏｇｙ Ｓｏｃｉｅｔｙ．ＩＥＥＥ−ＥＭＢＳ ２００５．２７ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ」６８３６〜６８３９ページ、２００５年１１月発行「”Ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｗｉｔｈ ｓｈｏｅ−ｍｏｕｎｔｅｄ ｉｎｅｒｔｉａｌ ｓｅｎｓｏｒｓ”（Ｅ．Ｆｏｘｌｉｎ），Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｇｒａｐｈｉｃｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ＩＥＥＥ，２５:３８−４６，Ｎｏｖ−Ｄｅｃ ２００５」、または２００８年３月発行「”Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｏｏｔ−ｍｏｕｎｔｅｄ ｉｎｅｒｔｉａｌ ｓｅｎｓｏｒｓ ｉｎｔｏ ａ Ｂａｙｅｓｉａｎ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ”（Ｐ．Ｒｏｂｅｒｔｓｏｎ Ｂ．Ｋｒａｃｈ），Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ，Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，２００８．ＷＰＮＣ ２００８．５ｔｈ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ」５５〜６１ページ等の文献に記述されている。このようなシステムは、コストおよび複雑度が高く、且つ精度を欠いている場合が多い。
【０００７】
Ｗｉｉ等のビデオゲームコンソールは、光および／または超音波センサを用いてゲーム制御要素の軌跡を決定する。これらのシステムは高価でしかも限定的である。
【０００８】
２００５年３月発行「”Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ ｗａｌｋｉｎｇ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｆｒｏｍ ｆｏｏｔ ｉｎｅｒｔｉａｌ ｓｅｎｓｉｎｇ” （Ｓ．Ｓｃａｐｅｌｌａｔｏ Ｆ．Ｃａｖａｌｌｏ Ａ．Ｍ．Ｓａｂａｔｉｎｉ，ａｎｄ Ｃ．Ｍａｒｔｅｌｌｏｎｉ），Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ」４８６〜４９４ページ、または２００７年８月発行「”Ｍｕｌｔｉｓｅｎｓｏｒ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｗａｌｋｉｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｆｏｏｔ ｉｎｅｒｔｉａｌ ｓｅｎｓｉｎｇ”（Ｄ．Ａｌｖａｒｅｚ Ａ．Ｍ Ｌｏｐｅｚ Ｊ．Ｒｏｄｒｉｇｕｅｚ−Ｕｒｉａ Ｊ．Ｃ．Ａｌｖａｒｅｚ，ａｎｄ Ｒ．Ｃ．Ｇｏｎｚａｌｅｚ），Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ ａｎｄ Ｂｉｏｌｏｇｙ Ｓｏｃｉｅｔｙ，２００７，ＥＭＢＳ ２００７．２９ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ」５７１９〜５７２２ページに記述されているように、２個の加速度計および１個のジャイロメーターがユーザーの矢状面に配置されていると仮定することにより、当該平面におけるセンサの姿勢を決定できるようになる。加速度は足軸上で積分される。これらのシステムは低コストではあるが、他に短所が現れる。一方、これらはセンサ群が矢状面上に完全に配置されていると仮定するが、これをユーザーが実際に行なうのはほぼ不可能であり、センサまたはセンサ群の位置決めが拙いことに関して推定誤差が生じる。一方、これらは矢状面上で歩行が行なわれると仮定するが、これは例えば横方向に歩き続ける場合には当てはまらない。
【０００９】
２００３年４月に発行された文献「”Ａｎ ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ ｓｈｏｅ−ｍｏｕｎｔｅｄ ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ”（Ｋ．Ｆｙｆｅ，Ｇｅｒａｒｄ Ｌａｃｈａｐｅｌｌｅ，Ｒ．Ｓｔｉｒｌｉｎｇ，ａｎｄ Ｊ．Ｃｏｌｌｉｎ），Ｐｒｏｃ．Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｃｏｎｆ．（ＧＮＳＳ），ＣＤ−ＲＯＭ，Ａｕｓｔｒｉａｎ Ｉｎｓｔ．ｏｆ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ」において、センサが向いている角度を計算すべく３個の加速度計および第４の加速度計を備えたシステムを開示している。この追加の加速度計は、同一移動要素に配置されているが、後者からある程度離されている。２個のセンサは従って、同一の回転および同一の移動を観測する。このような構造により、実質的に一定である方向の回りに回転している移動要素の回転速度を推定できるようにする一方、ジャイロメーターが不要になる。このシステムは、ＡｌｖａｒｅｚおよびＳｃａｐｅｌｌａｔｏ他が提案したジャイロメーターを備えたシステムに関して、一軸ジャイロメーターを一対の加速度計で代替することでコストを削減している。しかし、そのようなシステムは、矢状面に直交する軸の回りの回転だけを考慮しているため、上で引用した例と同じ短所を呈する。更に、一対の加速度計による回転の推定は、ジャイロメーターの支援により実行されたのと全く同様に、顕著なドリフトを呈する。例えば足が静止している場合に、進行方向もまた磁力計の支援により決定される、これにより移動の求める方向ではなく足の方向が得られる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の目的は、低コストで軌跡を決定して、上述の問題を解決することである。
【００１１】
本発明の一態様によれば、移動要素に剛結合された３軸加速度計の、３軸加速度計の第１の静止時点と前記第１の静止時点に後続する第２の静止時点との間における連続的な位置により形成された軌跡の特徴を決定する装置を提案し、前記装置は更に、地球基準座標系に結合された固定グローバル基準座標系内で、前記第１および第２の静止時点の間で実質的に一定であるベクトル場のベクトルを測定する追加的な３軸センサであって前記移動要素に剛結合されていると共に前記加速度計の前記基準座標系内で固定されている追加センサと、制御手段とを含んでいて、前記制御手段が、
− ３軸加速度計の前記第１および第２の静止時点を決定する第１の手段と、
− ３軸加速度計により得られたベクトルに基づいて、または追加センサにより得られたベクトルに基づいて、加速度計または追加センサに結合された移動基準座標系内で、前記第１および第２の静止時点の間における３軸加速度計の実質的に不変である回転軸、および前記実質的に一定である回転軸に直交する平面を決定する第２の手段と、
− 前記連続的な各時点において、前記移動基準座標系内で３軸加速度計により得られたベクトルおよび追加センサにより得られたベクトルの前記平面への第１の正射影を計算する第１の手段と、
− 前記連続的な各時点において、追加センサにより得られたベクトルの前記第１の正射影に基づいて、前記移動基準座標系から前記固定グローバル基準座標系に切り替える回転を決定する第３の手段と、
− 前記連続的な各時点において、３軸加速度計により得られたベクトルの前記平面において、前記第１の計算手段により得られた、前記第１の正射影の前記固定グローバル基準座標系における第２の正射影を計算する第２の手段と、
− 前記固定グローバル基準座標系内で、地球重力および前記装置のドリフトに影響されることなく、前記平面に集中する加速度を得るために、前記固定グローバル基準座標系における各第２の正射影から、前記連続的な各時点の平均ベクトルを減算する第３の計算手段と、
− 集中する加速度に基づいて軌跡の特徴を計算する第４の手段とを含んでいる。
【００１２】
このような装置により、移動要素に結合された３軸加速度計の軌跡を正確且つ低コストで決定できるようにする。移動要素は、足や手のように人体の一部であっても、または動物の体の一部であっても、あるいはロボットやコンピュータマウスのような人工体の一部であってよい。以下の説明において、本発明を人体の足について記述しているが、任意の移動要素にも同様に適用することができる。
【００１３】
一実装モードにおいて、前記連続的な位置は実質的に同一平面上にある。
【００１４】
例えば、本装置は、人間、動物、または人工体の移動要素に剛結合された３軸加速度計の、３軸加速度計の第１の静止時点と前記第１の静止時点に後続する第２の静止時点との間における実質的に同一平面上の連続的な位置により形成された軌跡を決定する装置であってよく、３軸加速度計は、前記第１および第２の静止時点の間で実質的に一定である方向に対して回転している。前記装置は更に、地球基準座標系に結合された固定グローバル基準座標系内で、前記第１および第２の静止時点の間で実質的に一定であるベクトル場のベクトルを測定する追加センサすなわち、前記移動要素に剛結合されていると共に前記加速度計の測定軸と実質的に平行な測定軸を有している追加センサと、制御手段とを含んでいて、前記制御手段は、
− ３軸加速度計の前記第１および第２の静止時点を決定する第１の手段と、
− ３軸加速度計により得られたベクトルに基づいて、または追加センサにより得られたベクトルに基づいて、３軸加速度計および追加センサに結合された移動基準座標系内で、前記第１および第２の静止時点の間における多くの連続的な各時点において、３軸加速度計の軌跡の平面を決定する第２の手段と、
− 前記連続的な各時点において 前記移動基準座標系内で３軸加速度計により得られたベクトルのおよび追加センサにより得られたベクトルの３軸加速度計の軌跡の前記平面上への正射影を計算する第１の手段と、
− 前記連続的な各時点において、追加センサにより得られたベクトルの前記正射影に基づいて、前記移動基準座標系から前記固定グローバル基準座標系に切り替える回転を決定する第３の手段と、
− 前記連続的な各時点において、前記第１の計算手段により得られた３軸加速度計により得られたベクトルの前記固定グローバル基準座標系内での正射影を計算する第２の手段と、
− 前記固定グローバル基準座標系内で、地球重力および前記装置のドリフトに影響されることなく、３軸加速度計の軌跡の前記平面に集中する加速度を得るために、前記第２の計算手段により得られた前記連続的な各時点における平均ベクトルを減算する第３の計算手段と、
− 前記第１および第２の静止時点の間における前記平面内の３軸加速度計の、前記固定グローバル基準座標系内で表された軌跡を得るために、前記第３の計算手段により得られた集中する加速度の二重時間積分を計算する第４の手段と、
を含んでいる。
【００１５】
このような装置により、移動要素に結合された３軸加速度計の平面軌跡の特徴を正確且つ低コストで決定できるようにする。
【００１６】
従って、一実装モードにおいて、前記移動要素は足であり、前記時間間隔は前記足の歩調に対応して３軸加速度計の前記第１および第２の静止時点を分離する。
【００１７】
一実装モードによれば、前記制御手段は、３軸加速度計の前記固定グローバル基準座標系で表された各々の位置を前記第１の静止時点および前記第２の静止時点に関連付けるべく適合された、方向ベクトルを計算する第１の手段を含んでいる。
【００１８】
前記固定グローバル基準座標系の前記ベクトルの方向は、移動の方向および移動距離の長さを与える。
【００１９】
一実装モードにおいて、軌跡の前記平面は垂直であって、前記制御手段は更に、追加センサにより測定された前記ベクトル場に関する移動進行方向を計算する第２の手段を含んでいて、前記第２の計算手段は、追加センサにより測定された前記ベクトル場の、軌跡の前記平面に直交する水平面上への正射影を実行すべく適合されている。
【００２０】
前記追加センサが磁力計である場合、北側への移動の方向が得られる。例えば、移動の方向を地図上にプロットするか、またはこのベクトルの座標を与えることが可能であるため、ユーザーが移動した方向を示す。
【００２１】
一実装モードにおいて、軌跡の前記平面は垂直であって、３軸加速度計の軌跡の前記平面を決定する前記第２の手段は、前記移動基準座標系内で、前記連続的な各時点で３軸加速度計により得られたベクトルにより形成される３列からなる行列の特異値分解を実行して、より大きい２個の特異値に対応する２個のベクトルを抽出すべく適合されている。
【００２２】
本装置は、平面内を移動していて、実質的に一定である方向の回りに回転を実行する。この計算手段は、堅牢且つ動作の数の観点から安価である。更に、移動要素上のセンサの向きとは無関係である。任意であってよい軌跡の方向に関して何らの仮定もしていない。
【００２３】
一実装モードにおいて、軌跡の前記平面は垂直であって、３軸加速度計の軌跡の前記平面を決定する前記第２の手段は、前記連続的な各時点で３軸加速度計により得られたベクトルにより形成された３列からなる行列である自己相関行列を前記移動基準座標系内で固有値および固有ベクトルに分解すべく、且つより大きい２個の固有値に対応する２個の固有ベクトルを抽出すべく適合されている。
【００２４】
同様に、本装置は平面内を移動していて、実質的に一定である方向の回りに回転を実行する。この計算手段は、堅牢且つ動作の数に関して安価である。更に、移動要素上のセンサの向きとは無関係である。任意であってよい軌跡の方向に関して何らの仮定もしていない。
【００２５】
一実装モードによれば、前記第２の計算手段は、地球基準座標系に関連付けられていて、追加センサにより得られたベクトル、および前記第１のベクトルに直交していて軌跡の前記平面に属している第２のベクトルに基づいて、前記第１の計算手段により得られた第１のベクトルにより定義される中間基準座標系へ切り替える第５の計算手段を含んでいる。
【００２６】
前記第１のベクトルが利用でき、且つグローバル基準座標系への切り替えに極めて少ない回数の乗算および加算しか行なわないため、実行すべき計算の数が最小化される。
【００２７】
一実装モードにおいて、前記移動基準座標系から前記固定グローバル基準座標系に切り替える回転を決定する前記第３の手段が角度を推定する手段を含んでいて、前記切換回転は、前記実質的に一定であるベクトル場への正射影、およびこれに続く３軸加速度計の軌跡の前記平面における前記推定された角度分の回転により定義される。
【００２８】
この推定により、軌跡を既知のグローバル基準座標系、例えばＮＥＤすなわち「Ｎｏｒｔｈ−Ｅａｓｔ−Ｄｏｗｎ」基準座標系を向かせることが可能になる。
【００２９】
例えば、前記推定手段は、移動要素の接触面、および３軸加速度計により送信されたベクトルに基づいて前記第５の計算手段により送信されたベクトルの傾斜に基づいて、前記角度を推定すべく適合されている。
【００３０】
傾斜は、加速度計の位置に基づいて移動要素の接触面の傾斜を提供する所定の対応テーブルにより知ることができる。
【００３１】
傾斜が正確に知られたならば（例えば建物内では傾斜は往々にしてゼロであり、別の例は傾きが一定である傾斜面の歩行である）ならばこの方式は堅牢である。この方式により、軌跡の推定された特徴において、足は各静止時点で地面にある。
【００３２】
例えば、前記推定手段は、前記連続的な各時点で３軸加速度計により得られたベクトルにより形成された行列に基づいて前記第５の計算手段により得られた３列からなる行列の特異値分解に基づいて前記角度を推定すべく適合されている。
【００３３】
この場合、傾斜に関する知識は必要とされず、全ては信号の統計に基づいている。
【００３４】
例えば、前記推定手段は前記角度を、追加センサにより得られたベクトルに基づいて前記第１の計算手段により得られたベクトルと、３軸加速度計により得られたベクトルに基づいて前記第１の計算手段により得られたベクトルとの間の、前記第１または第２の静止時点における角度として推定すべく適合されている。
【００３５】
この場合、マッピングは一切必要とせず、また自身の高さよりも長い軌跡等、軌跡に関する何らの仮定も必要としない。
【００３６】
一実装モードにおいて、前記制御手段は、前記第４の計算手段により得られたデータに基づいて、前記第１および第２の静止時点の間に、および／または３軸加速度計の２個の連続的な静止時点を分離する一組の連続的な時間内に移動する距離を計算する第３の手段を含んでいる。
【００３７】
３軸加速度計の２個の連続的な静止時点の間に移動した距離、従って、足の場合、２個の連続的な着地の間に足により移動した距離は容易に計算される。
【００３８】
一実装モードによれば、前記制御手段は、前記第４の計算手段により得られたデータに基づいて、３軸加速度計の２個の連続的な静止時点を分離する一組の連続的な時間間隔の軌跡を計算する第４の手段を含んでいる。
【００３９】
本発明は、多くの計算を減らして、移動の間におけるユーザーの軌跡の特徴を計算できるようにする。
【００４０】
一実装モードにおいて、前記追加センサは、前記第１および第２の静止時点の間で実質的に一定である地磁界を測定する３軸磁力計である。
【００４１】
従って、例えばジャイロメーターを用いる場合に比べてコストが減少する。
【００４２】
一実装モードによれば、前記３軸加速度計は、前記３軸加速度計の静止時点において、移動要素の接触面の高さに実質的に置かれるように配置されている。
【００４３】
この場合、加速度は足が着地している間は実際にゼロであるため、本装置の精度を改善する。
【００４４】
一実装モードにおいて、前記追加センサが、前記３軸加速度計の静止時点において、前記移動要素の接触面からある程度離れて配置されている。
【００４５】
地上で地磁界を測定する際の妨害は避けられるため、本装置の精度が向上する。
【００４６】
一実装モードによれば、前記制御手段は、移動要素に結合されているか、または移動要素からある程度離れて配置されていて、実時間または非実時間で動作すべく適合されている。
【００４７】
前記制御手段が移動要素と共にまたは単独で移動し、且つ実時間また非実時間で情報を処理する装置を製造することが可能である。
【００４８】
本発明の別の態様によれば、上述のような少なくとも１個の装置を含んでいて、プレーヤーが進む少なくとも一歩を示す画面またはスピーカー等の視覚または聴覚インジケータを含むビデオゲームシステムを提案する。
【００４９】
従って、指令の適切な実行を監視して、例えばスコアを確定することが可能である。
【００５０】
本発明の別の態様によれば、上述の少なくとも１個の装置を含む跳躍解析システムを提案する。
【００５１】
従って、高さ、長さ、持続時間、跳躍の質を推定することが可能である。
【００５２】
本発明の別の態様によれば、上述の少なくとも１個の装置を含む屋外または屋内の地理位置情報システムを提案する。
【００５３】
本システムは、手動での初期化（ユーザーが地図上での自身の位置を指す）により、または他の地理位置情報システム（ＧＰＳ、ＵＷＢ等）の支援を受けて補間可能な低コストのシステムである。後者の場合、提案するシステムは他のシステムの性能を向上させるかまたは、それがもはや利用不可能な場合（例えば建物内でのＧＰＳ）に、自身を置換する。
【００５４】
本発明の別の態様によれば、上述の少なくとも１個の装置を含んでいて、ユーザーのエネルギー消費を計算するシステムを提案する。
【００５５】
この装置は、足の移動に関する重要な情報を保持できる。従って一歩の間にわたりこの情報を積分することにより各時点での足の高さを考慮したエネルギー消費の精密な推定値を得ることが可能である。
【００５６】
例えば、３軸加速度計の軌跡の特徴は、３軸加速度計の速度、または３軸加速度計の軌跡を含んでいる。
【００５７】
本発明の別の態様によれば、移動要素に剛結合された３軸加速度計の、３軸加速度計の第１の静止時点と前記第１の静止時点に後続する第２の静止時点との間における連続的な位置により形成された軌跡の特徴を、更に、地球基準座標系に結合された固定グローバル基準座標系内で、前記第１および第２の静止時点の間で実質的に一定であるベクトル場のベクトルを測定する追加的な３軸センサであって前記移動要素に剛結合されていると共に前記加速度計の前記基準座標系内で固定されている追加センサにより決定する方法をも提案し、前記方法が、
− ３軸加速度計の前記第１および第２の静止時点を決定するステップと、
− ３軸加速度計により得られたベクトルに基づいて、または追加センサにより得られたベクトルに基づいて、加速度計または追加センサに結合された移動基準座標系内で、前記第１および第２の静止時点の間における３軸加速度計の実質的に不変である回転軸を決定するステップ、および前記実質的に不変である回転軸に直交する平面を決定するステップと、
− 前記連続的な各時点において、前記移動基準座標系内で３軸加速度計により得られたベクトルおよび追加センサにより得られたベクトルの前記平面への第１の正射影を計算するステップと、
− 前記連続的な各時点において、追加センサにより得られたベクトルの前記第１の正射影に基づいて、前記移動基準座標系から前記固定グローバル基準座標系に切り替える回転を決定するステップと、
− 前記連続的な各時点において、３軸加速度計により得られたベクトルの前記平面において、前記第１の正射影の前記固定グローバル基準座標系における第２の正射影を計算するステップと、
− 前記固定グローバル基準座標系内で、地球重力および前記装置のドリフトに影響されることなく、前記平面に集中する加速度を得るために、前記固定グローバル基準座標系における各第２の正射影から、前記連続的な各時点の平均ベクトルを減算するステップと、
− 集中する加速度に基づいて軌跡の特徴を決定するステップと、
を含んでいる。
【００５８】
本発明は、完全に非限定的な例により記述され、添付の図面に描かれたいくつかの実装モードを精査することで更によく理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の一態様による装置の一実装モードの模式図である。
【図２】本発明の一態様による、図１の装置の制御手段の一実施モードの模式図である。
【００６０】
これらの図の組において、同一ラベルを付された要素は類似している。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００６１】
図１に示すように、制御モジュールＣＭＤは、３軸加速度計３Ａおよび局所的且つ実質的に一定であるベクトル場のベクトルを測定する追加センサ、この例では地磁界を測定する３軸磁力計３Ｍにより送信された測定値を受信する。３軸加速度計３Ａは移動要素ＥＭに結合されていて、磁力計３Ｍもまた同じ移動要素ＥＭに直接または間接的に結合されていて、その測定軸は加速度計の測定軸と実質的に平行である。移動要素ＥＭは、例えば、非限定的に人体の足であってよい。
【００６２】
無論、変型として、磁力計が加速度計の基準座標系に固定されている場合、２個のセンサの基準座標系は交換行列により結合されており、全く同一の基準座標系内でセンサの測定値の座標を使用すべく、他のセンサの基準座標系内のセンサの１個の基準座標系の座標を表すために更なる変換を実行するだけで十分である。
【００６３】
第１の判定モジュールＭＤ１は、３軸加速度計３Ａおよび３軸磁力計３Ｍにより送信された測定値に基づいて、３軸加速度計の第１の静止時点ｔ０および前記第１の静止時点ｔ０に後続する第２の静止時点ｔｎを決定できるようにする。移動要素ＥＭが足である場合、静止時点は接触面への足の着地に対応する。第１のモジュールＭＤ１が使用する技術は、２００７年７月発行の文献「”Ｒｏｂｕｓｔ ｓｔｅｐ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ” （Ｄ．Ｈ．Ｈｗａｎｇ，Ｊ．Ｈ．Ｊａｎｇ，ａｎｄ Ｊ．Ｗ．Ｋｉｍ），Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，４３（１４）」に記述されているものであってよく、その中で著者らは加速度計のノルムの信号において歩調を示す典型的な信号に対応する基本形状の検出を試みている。この形状が検出された場合、開始は時点ｔ０に対応し、終了は時点ｔｎに対応する。
【００６４】
連続的な各時点ｔ０，ｔ１，．．．，ｔｎは、第１の静止時点ｔ０と第２の静止時点ｔｎの間に時系列的に位置している。多くの連続的な各時点ｔ０，ｔ１，．．．，ｔｎは、センサからもたらされた信号のデジタル化におよびサンプリングに対応しており、これに続いて較正が実行されて測定された物理量に戻る。
【００６５】
第２の判定モジュールＭＤ２は、３軸加速度計３Ａおよび３軸磁力計３Ｍに結合された移動基準座標系ＬＦ内の多くの連続的な各時点ｔ０，ｔ１，．．．，ｔｎにおいて、３軸加速度計３Ａにより得られたベクトルに基づいて、３軸加速度計３Ａの前記軌跡の平面
【数１】
を決定できるようにする。
【００６６】
一変型例として、図２に示すように、第２の判定モジュールＭＤ２は、３軸磁力計３Ｍにより得られたベクトルに基づいて、前記軌跡の平面
【数２】
を決定することができる。この変型で用いられる方式は、３軸加速度計３Ａの測定値を３軸磁力計３Ｍの測定値で代替することに類似している。
【００６７】
平面
【数３】
は、３軸加速度計３Ａまたは３軸磁力計の各軸へ送信された測定値を考慮することにより、高々三次元空間内の位置またはベクトルであると考えられる測定値を含む平面に対応し、ベクトル
【数４】
により定義される軸は、測定値の射影の変化が最小の軸である。ベクトル
【数５】
は、軌跡
【数６】
の平面の法線ベクトルであるが、３軸加速度計３Ａの回転軸でもある。
【００６８】
これらの３個のベクトル
【数７】
を定義するために、第２の決定手段は，ｔ０とｔｎを包含する範囲で取得したサンプルの数ｎ＋１であるｎ＋１行、および３軸加速度計３Ａの３軸ｘ、ｙ、ｚ３個の測定値に対応する３列からなる行列ＡＬＦを形成する。次式が得られる。
【数８】
【００６９】
一変型例として、連続的な各時点ｔ０，ｔ１，．．．，ｔｎにおけるサンプルの部分集合だけを取り出すことが可能である。
【００７０】
行列ＡＬＦ（＝ＡＬＦ（ｔ０，．．．，ｔｎ）に基づいて３個のベクトル
【数９】
を決定するいくつかの実装モードが可能である。
【００７１】
一実装モードは、行列ＡＬＦ：ＡＬＦ＝ＵＳＶの特異値分解ＳＶＤを実行することからなる。Ｖは、３行３列からなる行列であって、各列は３個のベクトル
【数１０】
の１個に対応している。行列Ｓは、３個の特異値ｓ１，ｓ２，ｓ３を含んでいる。これら３個の特異値ｓ１，ｓ２，ｓ３は降順にランク付けされなければならない。ベクトル
【数１１】
は、最小特異値に対応する行列Ｖの列である。他の２列は、平面
【数１２】
を形成するベクトルの座標を与える。
【００７２】
別の実装モードは、相関行列Ｒ＝ＡＬＦＴＡＬＦを３個の固有ベクトルおよび固有値（Ｒ＝ｕＴＳｕ）に分解し、減少している固有値ｓ１，ｓ２，ｓ３によりこれらをランク付けして３個のベクトル
【数１３】
を得る。ＡＬＦＴはＡＬＦの行列転置に対応する。より大きい２個の固有値に対応する２個の固有ベクトルが平面
【数１４】
に対応し、固有ベクトル
【数１５】
は最小固有値に対応する。
【００７３】
制御モジュールＣＭＤもまた、連続的な各時点ｔ０，ｔ１，．．．，ｔｎにおいて、３軸加速度計３Ａの軌跡
【数１６】
の平面上で、前記移動基準座標系ＬＦ内の３軸加速度計３Ａにより得られたベクトル、および３軸磁力計３Ｍにより得られたベクトルの正射影を計算する第１の計算モジュールＭＣ１を含んでいる。射影の行列は次式で得られる。
【数１７】
【００７４】
制御モジュールＣＭＤは更に、連続的な各時点ｔ０，ｔ１，．．．，ｔｎにおいて、３軸磁力計３Ｍにより得られたベクトルの正射影に基づいて、移動基準座標系ＬＦから、地球の基準座標系に結合された固定グローバル基準座標系ＧＦに切り替える回転を決定する第３のモジュールＭＤ３を含んでいる。第３の判定モジュールＭＤ３は、ベクトル
【数１８】
により形成された中間平面ＩＦを効果的に決定する。ｂｐ（ｔ）は、地磁界ＢＬＦ（ｔ）の単位ベクトルであって、
【数１９】
は軌跡または歩容
【数２０】
の平面内でベクトルｂｐ（ｔ）を９０°回転させることにより得られる。
【００７５】
従って、第３の判定モジュールは中間基準座標系ＩＦのベクトルを次式で計算する。
【数２１】
【００７６】
制御モジュールＣＭＤの第２の計算モジュールＭＣ２は、連続的な各時点ｔ０，ｔ１，．．．，ｔｎにおいて、３軸加速度計３Ａにより得られたベクトルの、固定グローバル基準座標系ＧＦ内で第１の計算モジュールＭＣ１により得られた正射影の計算を実行する。
【００７７】
第２の計算モジュールＭＣ２は、地球の基準座標系に結合された中間基準座標系ＩＦ内での切り替えを計算する第５の計算モジュールＭＣ５を含んでいる。換言すれば、
【数２２】
は軌跡
【数２３】
の平面内で中間基準座標系ＩＦのベクトル
【数２４】
に正射影されて、軌跡
【数２５】
の平面に射影される中間基準座標系ＩＦ内で次式により表される加速度測定値を得る。
【数２６】
【００７８】
移動基準座標系ＬＦから固定グローバル基準座標系ＧＦに切り替える回転を決定する第３のモジュールＭＤ３は、角度αを推定するモジュールＭＥＳＴを含んでいて、２個の静止時点ｔ０とｔｎの間における前記切り換え回転は実質的に一定である地磁界上への正射影、およびこれに続く３軸加速度計３Ａの軌跡の平面
【数２７】
内での推定角度α分の回転により定義されている。
【００７９】
換言すれば、推定モジュールＭＥＳＴは、中間基準座標系ＩＦ
【数２８】
からベクトル
【数２９】
により定義される歩行平面内におけるグローバル基準座標系ＧＦに切り替えるべく実行される回転α（回転行列Ｍαにより特徴付けられた）を発見可能にするものであり、グローバル基準座標系ＧＦ存在の第３のベクトルは
【数３０】
である。
【００８０】
歩行者向けナビゲーションの場合、
【数３１】
は歩行平面内で水平であり、
【数３２】
は垂直である。
【００８１】
αを決定するために、推定モジュールＭＥＳＴのいくつかの実装モードが可能である。
【００８２】
第１の実装モードは、次式によりαを推定する際に、水平に関する時点ｔ０およびｔｎにおける足の２個の着地点の間の傾斜θを知ることからなっていてよい。
【数３３】
【００８３】
この傾斜θは、当該歩調が持続する間は傾斜が一定であることを考慮することにより、または人（移動要素ＥＭ）がいる場所の接触面の傾斜を出力として与える内蔵マッピング機能の支援を受けて，ｔ０またはｔｎにおいて着地した際の足に付けたセンサの傾きにより推定することができる。
【００８４】
別の実施モードにおいて、足の移動に沿って加速度の最大変動が生じることを認めることにより、加速行列ＡＩＦの特異値分解すなわちＳＶＤが行列Ｍαを決定し、最大特異値に対応する特異ベクトルはベクトル
【数３４】
に対応している。
【数３５】
【００８５】
特異値分解は、ＡＩＦ＝ＵＳＶと書くことができ、ここで、Ｖは行列Ｍである。
【００８６】
この仮定が有効であるのは、０傾斜の平坦な地面での垂直移動よりも水平移動が大きくなるように歩幅が広い場合だけである。傾斜がゼロでない場合、この方式は使用可能であるが、
【数３６】
は、第１の静止時点ｔ０におけるセンサの位置を第２の静止時点ｔｎにおける自身の位置に接合するベクトルを除いて水平ではない。
【００８７】
時点ｔ０およびｔｎにおいて足が静止しているという事実から出発して、別の実施モードを検討することもできる。
垂直線はこの時点で３軸加速度計３Ａにより測定された加速度に沿っていて、αは
【数３７】
の間、または
【数３８】
の間の角度である。
【００８８】
第２の計算モジュールＭＣ２はまた、測定値Ａｐをグローバル基準座標系に射影する乗算器を含んでいる。
【数３９】
【００８９】
制御モジュールＣＭＤは更に、固定グローバル基準座標系ＧＦにおける地球重力および装置のドリフトの影響を受けることなく、３軸加速度計３Ａの軌跡の平面
【数４０】
に集中する加速度を得るために、前記連続的な各時点ｔ０，ｔ１，．．．，ｔｎにおいて前記第２の計算手段ＭＣ２により得られたベクトルから、前記連続的な各時点上の平均ベクトルを減算する第３の計算モジュールＭＣ３を含んでいる。第３の計算モジュールは、水平および垂直平均の収縮の以下の計算を実行する。
【数４１】
【００９０】
制御モジュールＣＭＤはまた、例えば、第３の計算モジュールＭＣ３により得られた集中する加速度の二重時間積分により、集中する加速度に基づいて３軸加速度計３Ａの軌跡の特徴を計算する第４のモジュールＭＣ４を含んでいることにより、この場合、固定グローバル基準座標系ＧＦで表された３軸加速度計３Ａの、すなわち、第１の着地と第２の着地、または静止時点ｔ０およびｔｎの間において、一歩進む間の足の軌跡の平面におけるユーザーの足の軌跡を得る。
【００９１】
第４の計算モジュールＭＣ４は、軌跡のまたは歩行の平面における足の、より正確には足に結合された加速度計の軌跡を計算するために、加速度を時間に関して２回積分可能にする。数値積分は、矩形法による積分を用いて以下の関係式を利用することにより実行できる。
【数４２】
【００９２】
ここで、ＦｅはＨｚで表されるサンプリング周波数であり、行列
【数４３】
の成分はｍ／ｓ２で表される。
【数４４】
は各々、グローバル基準座標系｛ｈ，ｖ｝の２軸に沿った速度および位置ベクトルである。
【００９３】
一変型例として、第４の計算モジュールＭＣ４は、例えばスプライン関数を用いることにより、数値計算のより複雑なモードにより２重積分を行なうことができる。
【００９４】
一変型例として、第４の計算モジュールＭＣ４は、速度に戻るために１重積分を実行することができる。
【００９５】
制御モジュールＣＭＤは、３軸加速度計３Ａの前記固定グローバル基準座標系ＧＦで表された各々の位置を第１の静止時点ｔ０および第２の静止時点ｔｎに関連付けるべく適合された、方向ベクトルを計算する第１のモジュールＭＥＬ１を含んでいてよい。
【００９６】
制御モジュールＣＭＤはまた、追加センサにより測定された前記ベクトル場に関して、この場合は３軸磁力計３Ｍにより測定された地磁界に関して、移動進行方向を計算する第２のモジュールＭＥＬ２を含んでいてよい。第２の計算モジュールＭＥＬ２は、以下の方法の進行方向を計算することができる。
【００９７】
移動の進行方向は、地球磁気の北極と移動の方向との間の角度として定義される。これを、北に対する人の向きである人の進行方向と混同してはならない。往々にして文献で推定されるのは後者である。人の進行方向は往々にしてその移動と同じであると仮定される。これは前方へ歩いている場合だけに当てはまり、後方、横方向、または僅かに斜めに歩いている場合はそうではない。従って、第２の計算モジュールＭＥＬ２は以下のように、移動の進行方向、より一般的にはＮＥＤ（Ｎｏｒｔｈ，Ｅａｓｔ，Ｄｏｗｎ）基準座標系における軌跡を推定する。
【００９８】
上記において、軌跡は足の軌跡の平面に対応する平面
【数４５】
内で推定される。第３のベクトル
【数４６】
は、３個の次元が各々歩行平面における水平方向、歩行平面における垂直方向、および同様に水平と仮定される歩行平面の法線ベクトルに対応している、基準座標系
【数４７】
を形成できるようにする。
【００９９】
進行方向を計算するために、以下の計算が実行される。
ＢＧＦ＝Ｂｈ＋Ｂｖ＋Ｂｕ３
ここで、
【数４８】
は３軸磁力計３Ｍの測定値ＢＧＦのｈ＝{１，０，０}への射影であり、
【数４９】
は３軸磁力計３Ｍの測定値ＢＧＦのｖ＝{０，１，０}への射影であり、
【数５０】
は３軸磁力計３Ｍの測定値ＢＧＦの
【数５１】
への射影であって、
【数５２】
は歩行平面に直交するベクトルであってセンサの基準座標系内で表されて既に計算済みである。
【０１００】
成分Ｂｕ３は、時間の関数として実質的に不変でなければならず、従って平面内の歩行、より一般的には実質的に不変である軸の回りの回転、および地磁界Ｂが妨げられないことを仮定するに至る。実際にはこれは一般的ではないため、第２の計算モジュールは、当該成分の推定値として（静止時点ｔ０およびｔｎの間における）この一歩の間の時間平均を求めることができる。
【０１０１】
進行方向ＢＨおよびＢｕ３を単独で決定することが有用である。依然としてベクトル
【数５３】
の符号の不確定性が残る。実際に、上で定義したように、
【数５４】
は移動方向の反対方向であってよく、
【数５５】
は上向きまたは下向きであってよい。
【０１０２】
第２の計算モジュールＭＥＬ２は、以下のように基準座標系
【数５６】
を構築する。
【数５７】
は
【数５８】
歩行平面内でセンサの移動方向を向いている水平ベクトルであり、
【数５９】
は
【数６０】
は下向きの垂直ベクトルであり、
【数６１】
は右手基準座標系
【数６２】
を形成する
【数６３】
歩行平面に垂直なベクトルである。
【０１０３】
ベクトル
【数６４】
は以下のように決定される。
【数６５】
は装置のユーザーの移動方向に対応する水平ベクトルである。これは、第４の計算モジュールＭＣ４により与えられた移動ベクトル
【数６６】
の第１成分と対応する水平移動ｘｈ（ｔ）により得られる。ｘｈ（ｔ）が正値ならば
【数６７】
であり、移動方向において移動は正値でなければならない。
【数６８】
は垂直且つ下向きである。
【数６９】
へのＢ（ｔ）の射影が正値ならば
【数７０】
であり、測定された地磁界Ｂは常に下向きでなければならない。
【数７１】
は、他の２ベクトルと共に右手基準座標系
【数７２】
を形成している第３のベクトルである。
【０１０４】
｛北、東｝基準座標系における移動方向
【数７３】
と磁北との間の角度αは以下の式を反転させることにより得られる。
【数７４】
【０１０５】
制御モジュールＣＭＤはまた、第４の計算モジュールにより提供されたデータに基づいて、第１および第２の静止時点ｔ０およびｔｎすなわち一歩の間に、および／または３軸加速度計の２個の連続的静止時点ｔ０およびｔｎすなわち連続的な歩行を分離する一組の連続的な時間内に移動した距離を計算する第３のモジュールＭＥＬ３を含んでいてよい。
【０１０６】
例えば、一歩で移動する水平距離は以下で与えられる。
ｄｈ（ｔ０，ｔｎ）＝ｘｈ（ｔｎ）−ｘｈ（ｔ０）
一連の歩行の場合、移動距離は各一歩について計算される距離の合計により与えられる。
【０１０７】
制御モジュールＣＭＤはまた、第４の計算モジュールにより得られたデータに基づいて、３軸加速度計３Ａの２個の連続的な静止時点ｔ０およびｔｎを分離する一組の連続的な時間間隔、この場合は一組の連続的な歩行における軌跡を計算する第４のモジュールＭＥＬ４を含んでいてよい。例えば、第２の計算モジュールＭＥＬ２で用いたのと同じ式により、または装置がそれらを含んでいる場合は第２の計算モジュールＭＥＬ２の結果に直接基づいてよい。対応する水平面内での移動はｘｈ（ｔ）により与えられる。北を向く軸に沿った移動は以下の関係により与えられる。
【数７５】
東を向く軸に沿った移動は以下の関係により与えられる。
【数７６】
下方への移動は以下の関係により与えられる。
ｘＤ（ｔ）＝±ｘｖ（ｔ），但し、符号は、下向きである
【数７７】
の符号で与えられる。
【０１０８】
一連の歩行に対する水平面（ｘＮ（ｔ），ｘＥ（ｔ））の推定軌跡はこのように得られる。
【０１０９】
また、ＮＥＤ基準座標系から所望の基準座標系への切り替えを可能にする回転行列が既知である任意のグローバル基準座標系ＧＦ内での移動を推定することも可能である。例えば、人が自分のゲームコンソールの前にいるような場合である。人が静止して画面に向かっている場合、測定値の取得を行なうことが可能である。計算された人の進行方向は、当人の仮想描写の向きの基準として役立つ。
【０１１０】
一変型例として、２個の連続的な静止時点を考える代わりに、軌跡の平面内の速度ベクトルが既知である２個の連続的な各時点、および２個の時点の角度αと合わせて考えることもでき、これらのデータは追加センサにより測定するかまたは追加センサにより提供された測定値に基づいて推定することができる。このような場合、第４の計算モジュールは、第１の時点の速度で速度を初期化して、２個の時点の速度に依存する定数を集中する加速度に加算しなければならない。
【０１１１】
実質的に不変である軸の回りの回転のより一般的な場合において、第２の決定モジュールＭＤ２が３軸追加センサを用いて回転軸を推定し、第１の計算モジュールＭＣ１もまたベクトルｕ３に沿って射影を実行する。更に、第３の計算モジュールＭＣ３はベクトルｕ３に沿って集中する加速度を計算し、第４の計算モジュールＭＣ４は後者の集中する加速度を、速度を得るために１回、位置を得るために２回積分する。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
本発明は、移動要素、特に足に結合された３軸加速度計の平面軌跡を正確に且つ低コストで決定できるようにする。移動要素は、手のように人体の別の一部、動物の体の一部、またはロボットやコンピュータマウスなどの人工体の一部であってよい。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動要素（ＥＭ）に剛結合された３軸加速度計（３Ａ）の、前記３軸加速度計（３Ａ）の第１の静止時点（ｔ０）と前記第１の静止時点（ｔ０）に後続する第２の静止時点（ｔｎ）との間における連続的な位置により形成された軌跡の特徴を決定する装置であって、前記装置が更に、地球基準座標系に結合された固定グローバル基準座標系（ＧＦ）内で、前記第１および第２の静止時点（ｔ０，ｔｎ）の間で実質的に一定であるベクトル場のベクトルを測定する追加的な３軸センサであって、前記移動要素（ＥＭ）に剛結合されていると共に前記加速度計（３Ａ）の前記基準座標系内で固定されている前記追加センサと、制御手段（ＣＭＤ）とを含んでいて、前記制御手段（ＣＭＤ）が、
− 前記３軸加速度計（３Ａ）の前記第１および第２の静止時点（ｔ０，ｔｎ）を決定する第１の手段（ＭＤ１）と、
− 前記３軸加速度計（３Ａ）により得られたベクトルに基づいて、または前記追加センサにより得られた前記ベクトルに基づいて、前記加速度計（３Ａ）または前記追加センサに結合された移動基準座標系（ＬＦ）内で、前記第１および第２の静止時点（ｔ０，ｔｎ）の間における前記３軸加速度計（３Ａ）の実質的に不変である回転軸、および前記実質的に不変である回転軸に直交する平面を決定する第２の手段（ＭＤ２）と、
− 前記連続的な各時点（ｔ０，ｔ１，．．．，ｔｎ）において、前記移動基準座標系（ＬＦ）内で前記３軸加速度計（３Ａ）により得られたベクトルおよび前記追加センサにより得られた前記ベクトルの前記平面への第１の正射影を計算する第１の手段（ＭＣ１）と、
− 前記連続的な各時点（ｔ０，ｔ１，．．．，ｔｎ）において、前記追加センサにより得られた前記ベクトルの前記第１の正射影に基づいて、前記移動基準座標系（ＬＦ）から前記固定グローバル基準座標系（ＧＦ）に切り替える回転を決定する第３の手段（ＭＤ３）と、
− 前記連続的な各時点（ｔ０，ｔ１，．．．，ｔｎ）において、前記３軸加速度計（３Ａ）により得られた前記ベクトルの前記平面において、前記第１の計算手段（ＭＣ１）により得られた、前記第１の正射影の前記固定グローバル基準座標系（ＧＦ）における第２の正射影を計算する第２の手段（ＭＣ２）と、
− 前記固定グローバル基準座標系（ＧＦ）内で、地球重力および前記装置のドリフトに影響されることなく、前記平面に集中する加速度を得るために、前記固定グローバル基準座標系（ＧＦ）における各第２の正射影から、前記連続的な各時点（ｔ０，ｔ１，．．．，ｔｎ）の平均ベクトルを減算する第３の計算手段（ＭＣ３）と、
− 前記集中する加速度に基づいて前記軌跡の特徴を計算する第４の手段（ＭＣ４）と、
を含む装置。
【請求項２】
前記連続的な位置が実質的に同一平面上にある、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記移動要素（ＥＭ）が足であり、前記時間間隔が、前記足の歩調に対応して前記３軸加速度計（３Ａ）の前記第１および第２の静止時点（ｔ０，ｔｎ）を分離する、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記制御手段（ＣＭＤ）が、前記３軸加速度計（３Ａ）の前記固定グローバル基準座標系（ＧＦ）で表された各々の位置を前記第１の静止時点（ｔ０）および前記第２の静止時点（ｔｎ）に関連付けるべく適合された、方向ベクトルを計算する第１の手段（ＭＥＬ１）を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記軌跡の前記平面が垂直であって、前記制御手段（ＣＭＤ）が更に、前記追加センサにより測定された前記ベクトル場に関する移動進行方向を計算する第２の手段（ＭＥＬ２）を含んでいて、前記第２の計算手段（ＭＥＬ２）が、前記追加センサにより測定された前記ベクトル場ベクトルの、前記軌跡の前記平面に直交する水平面上への正射影を実行すべく適合されている、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記軌跡の前記平面が垂直であって、前記３軸加速度計（３Ａ）の前記軌跡の前記平面を決定する前記第２の手段（ＭＤ２）が、前記移動基準座標系（ＬＦ）内で、前記連続的な各時点（ｔ０，ｔ１，．．．，，ｔｎ）で前記３軸加速度計（３Ａ）により得られたベクトルにより形成される３列からなる行列
【数１】
の特異値分解を実行して、より大きい２個の特異値に対応する２個のベクトルを抽出すべく適合されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記軌跡の前記平面が垂直であって、前記３軸加速度計（３Ａ）の前記軌跡の前記平面を決定する前記第２の手段（ＭＤ２）が、前記連続的な各時点（ｔ０，ｔ１，．．．，ｔｎ）で前記３軸加速度計（３Ａ）により得られた前記ベクトルにより形成された３列からなる行列である前記自己相関行列を前記移動基準座標系（ＬＦ）内で固有値および固有ベクトルに分解すべく、且つ前記より大きい２個の固有値に対応する前記２個の固有ベクトルを抽出すべく適合されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
前記第２の計算手段（ＭＣ２）が、前記地球基準座標系に関連付けられていて、前記追加センサにより得られたベクトル、および前記第１のベクトルに直交していて軌跡の前記平面に属している第２のベクトルに基づいて、前記第１の計算手段（ＭＣ１）により得られた第１のベクトルにより定義される中間基準座標系（ＩＦ）へ切り替える第５の計算手段（ＭＣ５）を含んでいる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
前記移動基準座標系（ＬＦ）から前記固定グローバル基準座標（ＧＦ）系に切り替える前記回転を決定する前記第３の手段（ＭＤ３）が角度（α））を推定する手段（ＭＥＳＴ）を含んでいて、前記切換回転が、前記実質的に一定であるベクトル場への正射影、およびこれに続く前記３軸加速度計（３Ａ）の軌跡の前記平面における前記推定された角度（α）分の回転により定義される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
前記推定手段（ＭＥＳＴ）が、前記移動要素（ＥＭ）の前記接触面の傾斜（θ）と、前記３軸加速度計（３Ａ）により送信されたベクトルに基づいて前記第５の計算手段（ＭＣ５）により送信された前記ベクトルとに基づいて、前記角度（α）を推定すべく適合されている、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記推定手段（ＭＥＳＴ）が、前記連続的な各時点（ｔ０，ｔ１，．．．，ｔｎ）で前記３軸加速度計（３Ａ）により得られた前記ベクトルにより形成された行列（ＡＩＦ）に基づいて前記第５の計算手段（ＭＣ５）により得られた３列からなる行列の特異値分解に基づいて、前記角度（α）を推定すべく適合されている、請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
前記推定手段（ＭＥＳＴ）が、前記角度（α）を、前記追加センサにより得られた前記ベクトルに基づいて前記第１の計算手段（ＭＣ１）により得られた前記ベクトルと、前記３軸加速度計（３Ａ）により得られた前記ベクトルに基づいて前記第１の計算手段（ＭＣ１）により得られた前記ベクトルとの間の、前記第１または第２の静止時点（ｔ０，ｔｎ）における角度として推定すべく適合されている、請求項９に記載の装置。
【請求項１３】
前記制御手段（ＣＭＤ）が、前記第４の計算手段（ＭＣ４）により得られたデータに基づいて、前記第１および第２の静止時点（ｔ０，ｔｎ）の間に、および／または前記３軸加速度計（３Ａ）の２個の連続的な静止時点（ｔ０，ｔｎ）を分離する一組の連続的な時間内に移動する距離を計算する第３の手段（ＭＥＬ３）を含んでいる、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
前記制御手段（ＣＭＤ）が、前記第４の計算手段（ＭＣ４）により得られた前記データに基づいて、前記３軸加速度計（３Ａ）の２個の連続的な静止時点（ｔ０，ｔｎ）を分離する一組の連続的な時間間隔の軌跡を計算する第４の手段（ＭＥＬ４）を含んでいる、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１５】
前記追加センサが、前記第１および第２の静止時点（ｔ０，ｔｎ）の間で実質的に一定である地磁界を測定する３軸磁力計（３Ｍ）である、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１６】
前記３軸加速度計（３Ａ）が、前記３軸加速度計（３Ａ）の静止時点において、前記移動要素（ＥＭ）の接触面の高さに実質的に置かれるように配置されている、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１７】
前記追加センサが、前記３軸加速度計（３Ａ）の静止時点において、前記移動要素（ＥＭ）の前記接触面からある程度離れて配置されている、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１８】
前記制御手段（ＣＭＤ）が、前記移動要素（ＥＭ）に結合されているか、または前記移動要素（ＥＭ）からある程度離れて配置されていて、実時間または非実時間で動作すべく適合されている請求項１〜１７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１９】
プレーヤーが進む少なくとも一歩を示す視覚または聴覚インジケータを含み、請求項３〜１７のいずれか１項に記載の装置を含むことを特徴とする、ビデオゲームシステム。
【請求項２０】
請求項３〜１７のいずれか１項に記載の装置を少なくとも１つ含むことを特徴とする、跳躍解析システム。
【請求項２１】
請求項３〜１７のいずれか１項に記載の装置を含むことを特徴とする、屋外または屋内の地理位置情報システム。
【請求項２２】
請求項３〜１７のいずれか１項に記載の装置を少なくとも１つ含むことを特徴とする、ユーザーのエネルギー消費を計算するシステム。
【請求項２３】
前記３軸加速度計（３Ａ）の前記軌跡の特徴が、前記３軸加速度計（３Ａ）の速度を含んでいる、請求項１〜２２のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２４】
前記３軸加速度計（３Ａ）の前記軌跡の特徴が、前記３軸加速度計（３Ａ）の軌跡を含んでいる、請求項１〜２３のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２５】
移動要素（ＥＭ）に剛結合された３軸加速度計（３Ａ）の、前記３軸加速度計（３Ａ）の第１の静止時点（ｔ０）と前記第１の静止時点（ｔ０）に後続する第２の静止時点（ｔｎ）との間における連続的な位置により形成された軌跡の特徴を、更に、地球基準座標系に結合された固定グローバル基準座標系（ＧＦ）内で、前記第１および第２の静止時点（ｔ０，ｔｎ）の間で実質的に一定であるベクトル場のベクトルを測定する追加的な３軸センサであって前記移動要素（ＥＭ）に剛結合されていると共に前記加速度計（３Ａ）の前記基準座標系内で固定されている追加センサにより決定する方法であって、
− 前記３軸加速度計（３Ａ）の前記第１および第２の静止時点（ｔ０，ｔｎ）を決定するステップと、
− 前記３軸加速度計（３Ａ）により得られたベクトルに基づいて、または前記追加センサにより得られたベクトルに基づいて、前記加速度計（３Ａ）または前記追加センサに結合された移動基準座標系（ＬＦ）内で、前記第１および第２の静止時点の間における前記３軸加速度計の実質的に不変である回転軸を決定するステップ、および前記実質的に不変である回転軸に直交する平面を決定するステップと、
− 前記連続的な各時点（ｔ０，ｔ１，．．．，ｔｎ）において、前記移動基準座標系内で前記３軸加速度計（３Ａ）により得られたベクトルおよび前記追加センサにより得られたベクトルの前記平面への第１の正射影を計算するステップと、
− 前記連続的な各時点（ｔ０，ｔ１，．．．，ｔｎ）において、前記追加センサにより得られたベクトルの前記第１の正射影に基づいて、前記移動基準座標系（ＬＦ）から前記固定グローバル基準座標系（ＧＦ）に切り替える回転を決定するステップと、
− 前記連続的な各時点（ｔ０，ｔ１，．．．，ｔｎ）において、前記３軸加速度計（３Ａ）により得られたベクトルの前記平面において、前記第１の正射影の前記固定グローバル基準座標系における第２の正射影を計算するステップと、
− 前記固定グローバル基準座標系内で、地球重力および前記装置のドリフトに影響されることなく、前記平面に集中する加速度を得るために、前記固定グローバル基準座標系（ＧＦ）における各第２の正射影から、前記連続的な各時点（ｔ０，ｔ１，．．．，ｔｎ）の平均ベクトルを減算するステップと、
− 前記集中する加速度に基づいて前記軌跡の特徴を計算するステップとを含む方法。
【請求項１】
移動要素（ＥＭ）に剛結合された３軸加速度計（３Ａ）の、前記３軸加速度計（３Ａ）の第１の静止時点（ｔ０）と前記第１の静止時点（ｔ０）に後続する第２の静止時点（ｔｎ）との間における連続的な位置により形成された軌跡の特徴を決定する装置であって、前記装置が更に、地球基準座標系に結合された固定グローバル基準座標系（ＧＦ）内で、前記第１および第２の静止時点（ｔ０，ｔｎ）の間で実質的に一定であるベクトル場のベクトルを測定する追加的な３軸センサであって、前記移動要素（ＥＭ）に剛結合されていると共に前記加速度計（３Ａ）の前記基準座標系内で固定されている前記追加センサと、制御手段（ＣＭＤ）とを含んでいて、前記制御手段（ＣＭＤ）が、
− 前記３軸加速度計（３Ａ）の前記第１および第２の静止時点（ｔ０，ｔｎ）を決定する第１の手段（ＭＤ１）と、
− 前記３軸加速度計（３Ａ）により得られたベクトルに基づいて、または前記追加センサにより得られた前記ベクトルに基づいて、前記加速度計（３Ａ）または前記追加センサに結合された移動基準座標系（ＬＦ）内で、前記第１および第２の静止時点（ｔ０，ｔｎ）の間における前記３軸加速度計（３Ａ）の実質的に不変である回転軸、および前記実質的に不変である回転軸に直交する平面を決定する第２の手段（ＭＤ２）と、
− 前記連続的な各時点（ｔ０，ｔ１，．．．，ｔｎ）において、前記移動基準座標系（ＬＦ）内で前記３軸加速度計（３Ａ）により得られたベクトルおよび前記追加センサにより得られた前記ベクトルの前記平面への第１の正射影を計算する第１の手段（ＭＣ１）と、
− 前記連続的な各時点（ｔ０，ｔ１，．．．，ｔｎ）において、前記追加センサにより得られた前記ベクトルの前記第１の正射影に基づいて、前記移動基準座標系（ＬＦ）から前記固定グローバル基準座標系（ＧＦ）に切り替える回転を決定する第３の手段（ＭＤ３）と、
− 前記連続的な各時点（ｔ０，ｔ１，．．．，ｔｎ）において、前記３軸加速度計（３Ａ）により得られた前記ベクトルの前記平面において、前記第１の計算手段（ＭＣ１）により得られた、前記第１の正射影の前記固定グローバル基準座標系（ＧＦ）における第２の正射影を計算する第２の手段（ＭＣ２）と、
− 前記固定グローバル基準座標系（ＧＦ）内で、地球重力および前記装置のドリフトに影響されることなく、前記平面に集中する加速度を得るために、前記固定グローバル基準座標系（ＧＦ）における各第２の正射影から、前記連続的な各時点（ｔ０，ｔ１，．．．，ｔｎ）の平均ベクトルを減算する第３の計算手段（ＭＣ３）と、
− 前記集中する加速度に基づいて前記軌跡の特徴を計算する第４の手段（ＭＣ４）と、
を含む装置。
【請求項２】
前記連続的な位置が実質的に同一平面上にある、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記移動要素（ＥＭ）が足であり、前記時間間隔が、前記足の歩調に対応して前記３軸加速度計（３Ａ）の前記第１および第２の静止時点（ｔ０，ｔｎ）を分離する、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記制御手段（ＣＭＤ）が、前記３軸加速度計（３Ａ）の前記固定グローバル基準座標系（ＧＦ）で表された各々の位置を前記第１の静止時点（ｔ０）および前記第２の静止時点（ｔｎ）に関連付けるべく適合された、方向ベクトルを計算する第１の手段（ＭＥＬ１）を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記軌跡の前記平面が垂直であって、前記制御手段（ＣＭＤ）が更に、前記追加センサにより測定された前記ベクトル場に関する移動進行方向を計算する第２の手段（ＭＥＬ２）を含んでいて、前記第２の計算手段（ＭＥＬ２）が、前記追加センサにより測定された前記ベクトル場ベクトルの、前記軌跡の前記平面に直交する水平面上への正射影を実行すべく適合されている、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記軌跡の前記平面が垂直であって、前記３軸加速度計（３Ａ）の前記軌跡の前記平面を決定する前記第２の手段（ＭＤ２）が、前記移動基準座標系（ＬＦ）内で、前記連続的な各時点（ｔ０，ｔ１，．．．，，ｔｎ）で前記３軸加速度計（３Ａ）により得られたベクトルにより形成される３列からなる行列
【数１】
の特異値分解を実行して、より大きい２個の特異値に対応する２個のベクトルを抽出すべく適合されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記軌跡の前記平面が垂直であって、前記３軸加速度計（３Ａ）の前記軌跡の前記平面を決定する前記第２の手段（ＭＤ２）が、前記連続的な各時点（ｔ０，ｔ１，．．．，ｔｎ）で前記３軸加速度計（３Ａ）により得られた前記ベクトルにより形成された３列からなる行列である前記自己相関行列を前記移動基準座標系（ＬＦ）内で固有値および固有ベクトルに分解すべく、且つ前記より大きい２個の固有値に対応する前記２個の固有ベクトルを抽出すべく適合されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
前記第２の計算手段（ＭＣ２）が、前記地球基準座標系に関連付けられていて、前記追加センサにより得られたベクトル、および前記第１のベクトルに直交していて軌跡の前記平面に属している第２のベクトルに基づいて、前記第１の計算手段（ＭＣ１）により得られた第１のベクトルにより定義される中間基準座標系（ＩＦ）へ切り替える第５の計算手段（ＭＣ５）を含んでいる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
前記移動基準座標系（ＬＦ）から前記固定グローバル基準座標（ＧＦ）系に切り替える前記回転を決定する前記第３の手段（ＭＤ３）が角度（α））を推定する手段（ＭＥＳＴ）を含んでいて、前記切換回転が、前記実質的に一定であるベクトル場への正射影、およびこれに続く前記３軸加速度計（３Ａ）の軌跡の前記平面における前記推定された角度（α）分の回転により定義される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
前記推定手段（ＭＥＳＴ）が、前記移動要素（ＥＭ）の前記接触面の傾斜（θ）と、前記３軸加速度計（３Ａ）により送信されたベクトルに基づいて前記第５の計算手段（ＭＣ５）により送信された前記ベクトルとに基づいて、前記角度（α）を推定すべく適合されている、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記推定手段（ＭＥＳＴ）が、前記連続的な各時点（ｔ０，ｔ１，．．．，ｔｎ）で前記３軸加速度計（３Ａ）により得られた前記ベクトルにより形成された行列（ＡＩＦ）に基づいて前記第５の計算手段（ＭＣ５）により得られた３列からなる行列の特異値分解に基づいて、前記角度（α）を推定すべく適合されている、請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
前記推定手段（ＭＥＳＴ）が、前記角度（α）を、前記追加センサにより得られた前記ベクトルに基づいて前記第１の計算手段（ＭＣ１）により得られた前記ベクトルと、前記３軸加速度計（３Ａ）により得られた前記ベクトルに基づいて前記第１の計算手段（ＭＣ１）により得られた前記ベクトルとの間の、前記第１または第２の静止時点（ｔ０，ｔｎ）における角度として推定すべく適合されている、請求項９に記載の装置。
【請求項１３】
前記制御手段（ＣＭＤ）が、前記第４の計算手段（ＭＣ４）により得られたデータに基づいて、前記第１および第２の静止時点（ｔ０，ｔｎ）の間に、および／または前記３軸加速度計（３Ａ）の２個の連続的な静止時点（ｔ０，ｔｎ）を分離する一組の連続的な時間内に移動する距離を計算する第３の手段（ＭＥＬ３）を含んでいる、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
前記制御手段（ＣＭＤ）が、前記第４の計算手段（ＭＣ４）により得られた前記データに基づいて、前記３軸加速度計（３Ａ）の２個の連続的な静止時点（ｔ０，ｔｎ）を分離する一組の連続的な時間間隔の軌跡を計算する第４の手段（ＭＥＬ４）を含んでいる、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１５】
前記追加センサが、前記第１および第２の静止時点（ｔ０，ｔｎ）の間で実質的に一定である地磁界を測定する３軸磁力計（３Ｍ）である、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１６】
前記３軸加速度計（３Ａ）が、前記３軸加速度計（３Ａ）の静止時点において、前記移動要素（ＥＭ）の接触面の高さに実質的に置かれるように配置されている、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１７】
前記追加センサが、前記３軸加速度計（３Ａ）の静止時点において、前記移動要素（ＥＭ）の前記接触面からある程度離れて配置されている、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１８】
前記制御手段（ＣＭＤ）が、前記移動要素（ＥＭ）に結合されているか、または前記移動要素（ＥＭ）からある程度離れて配置されていて、実時間または非実時間で動作すべく適合されている請求項１〜１７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１９】
プレーヤーが進む少なくとも一歩を示す視覚または聴覚インジケータを含み、請求項３〜１７のいずれか１項に記載の装置を含むことを特徴とする、ビデオゲームシステム。
【請求項２０】
請求項３〜１７のいずれか１項に記載の装置を少なくとも１つ含むことを特徴とする、跳躍解析システム。
【請求項２１】
請求項３〜１７のいずれか１項に記載の装置を含むことを特徴とする、屋外または屋内の地理位置情報システム。
【請求項２２】
請求項３〜１７のいずれか１項に記載の装置を少なくとも１つ含むことを特徴とする、ユーザーのエネルギー消費を計算するシステム。
【請求項２３】
前記３軸加速度計（３Ａ）の前記軌跡の特徴が、前記３軸加速度計（３Ａ）の速度を含んでいる、請求項１〜２２のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２４】
前記３軸加速度計（３Ａ）の前記軌跡の特徴が、前記３軸加速度計（３Ａ）の軌跡を含んでいる、請求項１〜２３のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２５】
移動要素（ＥＭ）に剛結合された３軸加速度計（３Ａ）の、前記３軸加速度計（３Ａ）の第１の静止時点（ｔ０）と前記第１の静止時点（ｔ０）に後続する第２の静止時点（ｔｎ）との間における連続的な位置により形成された軌跡の特徴を、更に、地球基準座標系に結合された固定グローバル基準座標系（ＧＦ）内で、前記第１および第２の静止時点（ｔ０，ｔｎ）の間で実質的に一定であるベクトル場のベクトルを測定する追加的な３軸センサであって前記移動要素（ＥＭ）に剛結合されていると共に前記加速度計（３Ａ）の前記基準座標系内で固定されている追加センサにより決定する方法であって、
− 前記３軸加速度計（３Ａ）の前記第１および第２の静止時点（ｔ０，ｔｎ）を決定するステップと、
− 前記３軸加速度計（３Ａ）により得られたベクトルに基づいて、または前記追加センサにより得られたベクトルに基づいて、前記加速度計（３Ａ）または前記追加センサに結合された移動基準座標系（ＬＦ）内で、前記第１および第２の静止時点の間における前記３軸加速度計の実質的に不変である回転軸を決定するステップ、および前記実質的に不変である回転軸に直交する平面を決定するステップと、
− 前記連続的な各時点（ｔ０，ｔ１，．．．，ｔｎ）において、前記移動基準座標系内で前記３軸加速度計（３Ａ）により得られたベクトルおよび前記追加センサにより得られたベクトルの前記平面への第１の正射影を計算するステップと、
− 前記連続的な各時点（ｔ０，ｔ１，．．．，ｔｎ）において、前記追加センサにより得られたベクトルの前記第１の正射影に基づいて、前記移動基準座標系（ＬＦ）から前記固定グローバル基準座標系（ＧＦ）に切り替える回転を決定するステップと、
− 前記連続的な各時点（ｔ０，ｔ１，．．．，ｔｎ）において、前記３軸加速度計（３Ａ）により得られたベクトルの前記平面において、前記第１の正射影の前記固定グローバル基準座標系における第２の正射影を計算するステップと、
− 前記固定グローバル基準座標系内で、地球重力および前記装置のドリフトに影響されることなく、前記平面に集中する加速度を得るために、前記固定グローバル基準座標系（ＧＦ）における各第２の正射影から、前記連続的な各時点（ｔ０，ｔ１，．．．，ｔｎ）の平均ベクトルを減算するステップと、
− 前記集中する加速度に基づいて前記軌跡の特徴を計算するステップとを含む方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公表番号】特表２０１２−５０６５５０（Ｐ２０１２−５０６５５０Ａ）
【公表日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５３２６１１（Ｐ２０１１−５３２６１１）
【出願日】平成２１年１０月２０日（２００９．１０．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００９／０６３７４１
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０４６３６４
【国際公開日】平成２２年４月２９日（２０１０．４．２９）
【出願人】（５１１０９８４１５）
【出願人】（５１００７４８９６）
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月２０日（２００９．１０．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００９／０６３７４１
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０４６３６４
【国際公開日】平成２２年４月２９日（２０１０．４．２９）
【出願人】（５１１０９８４１５）
【出願人】（５１００７４８９６）
【Ｆターム（参考）】
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