身体运动检测设备、身体运动检测方法及身体运动检测程序的制作方法

专利名称：身体运动检测设备、身体运动检测方法及身体运动检测程序的制作方法
技术领域：
本发明涉及诸如例如计步器之类的、检测用户(使用者)的身体 运动以便对其进行测量的所谓的身体运动检测设备。
背景技术：
虽然许多传统的计步器已经在穿戴主单元的位置或者方向方面 受到了限制，但是近些年来已经提出了其中可以自由地设置穿戴位置 和穿戴方向的身体运动检测设备。在这些设备当中，已经提出了一种 用于在使用多轴传感器检测身体运动的同时使用这些多轴传感器来 估算定向的方法和设备。它的有利之处在于，与其中使用角度传感器 等来估算定向的方法相比，可以实现较低的成本。例如，稍后描述的专利文献l公开了这样一种方法，其中，由多 个具有相互不同检测方向的身体运动传感器来检测加速度，通过分析 来自传感器的信号模式来确定/选择操作轴，并且通过对操作轴的信号分析来检测移动。此外，稍后描述的专利文献2公开了这样一种方法， 其中，实现了相互正交的双轴或者三轴加速度传感器，其中根据来自 每个轴的传感器信号的合成矢量来估算身体运动的运动方向，并且通 过分析在已经估算的运动方向上的信号分量来检测身体运动。 以上所述的专利文献1和专利文献2如下所述。 专利文献l:日本未经审查的专利申请^^开2004- 141669; 专利文献2:日本未经审查的专利申请公开2005 - 140533。发明内容本发明要解决的问题然而，专利文献l中公开的方法涉及仅仅将作为适合于测量的传 感器的多个传感器之一选为操作轴，因此存在有许多下述这样的情 况，其中要检测的用户的身体运动方向(运动方向)和选定的操作轴 不 一致，并因此认为这个方法不能胜任作为取决于设备主单元的穿戴 方向进行信号检测的方法。
此外，利用专利文献2中公开的方法，如果设备由例如悬桂绳所 悬挂，则诸如设备的摆动动量之类的、与用户的运动方向无关的噪声 分量被包括在根据来自每个轴的传感器信号而计算的合成矢量中，并 因此不能正确地执行方向估算。因此，专利文献2中公开的方法也被 认为是不能胜任作为取决于设备主单元的穿戴方向来进行信号检测 的方法。
考虑到上述情况，本发明的一个目的是允许根据用户身体运动的 方向(运动方向)以精确的方式检测用户的身体运动，而不会受穿戴 设备主单元的位置或者方向的影响。
解决问题的手段
为了解决上述问题，根据本发明的权利要求1的身体运动检测设 备包含
多轴加速度传感器；
重力加速度计算装置，用于根据加速度矢量计算重力加速度矢 量，其中所述加速度矢量是多轴加速度传感器的检测输出；
垂直分量提取装置，用于使用来自加速度传感器的加速度矢量和 由重力加速度计算装置计算的重力加速度矢量来提取加速度垂直分 量；以及
垂直身体运动检测装置，用于通过分析由垂直分量提取装置提取 的加速度垂直分量来检测沿垂直方向的身体运动。
根据权利要求1的身体运动检测设备，重力加速度计算装置对作 为多轴加速度传感器的检测输出的加速度矢量执行计算处理，由此计 算重力加速度矢量。将所计算的重力加速度矢量提供给垂直分量提取 装置，在该垂直分量提取装置中还考虑加速度矢量执行预定的计算处理，由此提取在该加速度矢量中包括的垂直分量。由垂直身体运动检 测装置分析这个垂直分量，由此可以准确地检测用户的垂直方向的身 体运动。这样，从作为加速度传感器的检测输出的加速度矢量中获得重力 加速度矢量，并且综合地使用重力加速度矢量和加速度矢量以便获得 该加速度矢量的垂直分量，由此可以准确地检测出用户的垂直方向的 身体运动，而不受身体运动检测设备的穿戴位置和穿戴方向的影响。此外，根据本发明的权利要求3的身体运动检测设备包含 多轴加速度传感器；重力加速度计算装置，用于根据加速度矢量计算重力加速度矢 量，其中所述加速度矢量是多轴加速度传感器的检测输出；水平分量提取装置，用于基于与由重力加速度计算装置所计算的 重力加速度矢量和来自加速度传感器的加速度矢量在三维空间中的 偏角相对应的计算表达式，来提取加速度水平分量；以及水平身体运动检测装置，用于通过分析由水平分量提取装置提取 的加速度水平分量来检测沿水平方向的身体运动。根据权利要求3的身体运动检测设备，重力加速度计算装置对作 为多轴加速度传感器的检测输出的加速度矢量执行计算处理，由此计 算重力加速度矢量。将所计算的重力加速度矢量提供给水平分量提取 装置，在该水平分量提取装置中基于考虑了该加速度矢量和重力加速 度矢量在三维空间中的偏角的预定计算表达式来提取包括在加速度矢量中的水平分量。由水平身体运动检测装置分析这个水平分量，由 此可以准确地检测用户的水平方向的身体运动。这样，从作为加速度传感器的检测输出的加速度矢量中获得重力 加速度矢量，并且综合地使用加速度矢量和重力加速度矢量以便获得 该加速度矢量的水平分量，由此可以准确地检测出用户的水平方向的 身体运动，而不受身体运动检测设备的穿戴位置和穿戴方向的影响。优点通过防止因用户对设备的穿戴位置和穿戴方向的影响而出现用户身体运动的检测精度的差别，可以实现稳定的身体运动检测。此夕卜， 这可以得到实现而不需要诸如角度传感器等之类的附加传感器。


图l是描述已经应用了本发明第一实施例的计步器的框图。
图2是描述在图1所示的计步器中执行的处理的流程图。 图3是描述用于图l所示的计步器中的重力加速度矢量的计算表 达式的图。
图4是描述已经应用了本发明实施例的用户接口设备的框图。
图5是描述在图4所示的用户接口设备处执行的处理的流程图。
图6是描述在使用三轴加速度传感器的情况下加速度矢量an、 重力加速度矢量g和加速度矢量an的垂直分量vn的图示。
图7是描述在使用三轴加速度传感器的情况下考虑到重力加速 度矢量g的偏角来计算加速度矢量an的垂直分量vn的情况的图示。
图8是描述在使用三轴加速度传感器的情况下计算加速度矢量 an的水平分量hn的情况的图示。
图9是描述在使用双轴加速度传感器的情况下加速度矢量an、 重力加速度矢量g和加速度矢量an的垂直分量vn的图示。
图IOA是描述加速度数据图形的示例的图示。
图IOB是描述加速度矢量的长度示例的图示。
图10C是描述垂直分量示例的图示。
图IOD是描述水平分量示例的图示。
具体实施例方式
将参考附图描述根据本发明的设备、方法和程序的实施例。 [本发明的基本思想
首先，在对根据本发明的设备、方法和程序的实施例进行具体描 述之前，将描述本发明的基本思想以便利于对这个实施例的描述。为 了简单地概述本发明的基本思想，它"(1)使用被配置具有相互正交的轴的多轴加速度传感器，并且使用来自多轴加速度传感器的检测输
出来估算在重力场中的重力加速度矢量，以及(2)基于该重力加速 度矢量的估算结果来从来自同一个加速度传感器的检测输出中提取 垂直方向的信号分量，，。
通过以这种方法综合地使用来自多轴加速度传感器的全部轴的 检测输出来提取垂直分量，允许精确地检测用户的至少垂直方向的运 动，而不受用户对于加速度传感器的穿戴位置和穿戴方向的影响，因 此不需要估算操作轴。
现在，将详细描述使用三轴加速度传感器的情况。将描述加速度 传感器具有X轴、Y轴、和Z轴三个轴，并如图6中的表达式(l-l) 所示，将从加速度传感器获得的在某个时间点的加速度矢量an描述 为axn ( X轴分量)、ayn ( Y轴分量)、和azn ( Z轴分量)。从图 6的表达式(1 - 1)所示的加速度矢量(加速度矢量的数据序列)中 估算出重力加速度矢量g,并且还执行身体运动检测。
具体而言，通过计算加速度矢量an的每个轴的平均移动值，并 且釆用其平均矢量作为重力加速度矢量g,可以更简单地执行重力加 速度矢量g的估算。在这种情况下，应该在充分长的时间段上计算移 动平均，以便减少身体运动对信号分量的影响。此外，可以使用诸如 利用最小二乘法来分析加速度矢量的每个轴的值之类的方法来计算 重力加速度矢量g。
如图6中的表达式(1 - 2)所示，使用加速度矢量an估算重力 加速度矢量g的结果被表示为gx ( X轴分量)、gy (Y轴分量)、和 gz (Z轴分量)。在这种情况下，可以通过图6的表达式(1-3)中 所示的计算来获得加速度矢量an的垂直分量vn。也就是说，如图6 中的表达式(1-3)所示的那样，通过用重力加速度矢量g的绝对值 (大小)来除加速度矢量an和重力加速度矢量g的内积的乘积，可 以获得加速度矢量an的垂直分量vn。
因此，可以通过根据由三轴加速度传感器检测的加速度矢量an 以及从这个加速度矢量获得的重力加速度矢量g进行计算，来精确地获得垂直分量vn。也就是说，本发明基于这样的思想，即，通过综合 地使用来自多轴加速度传感器的检测输出，并且通过数值计算从其中 仅仅分离出垂直分量，可以精确地检测出用户的垂直方向的身体运 动。
此外，可以通过首先获得重力加速度矢量g在三维空间中的偏 角，然后旋转加速度矢量an,来执行类似的计算。也就是说，如图7 中的(2-1)和(2-2)所示表示偏角9和(|)，由图7中的表达式(2國3) 计算的a'xn是加速度矢量an的垂直分量，而且a'xn与垂直分量vn 相一致。此外，矢量a'yn和矢量a，zn的内积是加速度矢量an在其中 重力加速度矢量g是法向矢量的平面上的正交投影。
也就是说，从来自三轴加速度传感器的检测输出中获得的加速度 矢量an可以被分成包括垂直分量和水平分量的分量，所以，除了垂 直分量之外，还可以通过分析水平分量来检测水平方向的身体运动。 具体地说，可以由图8中的表达式(3-1)和图8中的表达式(3-2) 获得水平矢量的长度hn。
因此，在使用考虑到重力加速度矢量的偏角的计算表达式的方法 中，可以相对容易地并且还精确地获得用户的垂直方向的身体运动和 水平方向的身体运动。
要注意到，虽然这里已经描述了与使用三轴加速度传感器的情况 相关的示例，但是本发明不限于此。本发明的基本概念可以以与使用 三轴加速度传感器的情况相同的方式应用于使用双轴加速度传感器 的情况。
也就是说，如图9中的表达式(4-1)(加速度矢量)和图9中 的表达式(4 - 2 )(重力加速度矢量)所示表示来自双轴加速度传感 器的加速度矢量an和重力加速度矢量g，可以以与使用三轴加速度传 感器相同的方式、根据图6中的表达式(1-3)计算垂直分量。
如果如图9中的表达式(4-3)所示表示重力加速度矢量g的偏 角e，则根据图9中的表达式(4-4)，加速度矢量an可以被分为垂 直分量a'xn和与之正交的水平分量a，yn，并且a'xn和垂直分量vn相一致。
以这种方法，甚至在使用双轴加速度传感器的情况下，也可以通
过图9所示的表达式和图6所示的表达式(1-3)来精确地检测用户 的垂直方向的身体运动，而且如果考虑了重力加速度矢量g的偏角0， 则还可以精确地检测用户的水平方向的身体运动。
图10A到图10D以图形的形式示出了当用户正在进行锻炼诸如 正在行走时利用由用户穿戴的三轴加速度传感器以50赫兹的采样频 率获取的、长达四秒的加速度数据，以及在根据本发明的上述基本概 念执行分量分解的情况下获得的数据。
也就是说，图10A是来自三轴加速度传感器的加速度数据的图 形，图IOB是根据三轴加速度数据计算得到的加速度矢量的长度(大 小)的图形，以及图IOC是利用使用图6到图8描述的方法、根据三 轴加速度数据进行计算而获得的垂直分量的图形。此外，图IOD是利 用使用图6到图8描述的方法、根据三轴加速度数据进行计算而获得 的水平分量的图形。
图IOA到图IOD所示的图形说明了这样的情况，其中，在检测 加速度数据的时候，用户主要执行垂直方向的运动，但是在大约第80 个采样、大约第100个采样、以及大约第170个采样处出现作为噪声 分量而存在的水平方向运动。
然而，水平分量中存在噪声分量，因此，根据本发明的基本概念， 可以通过将加速度数据(加速度矢量)分量分解为垂直分量(图10C ) 和水平分量(图10D)而从垂直分量中除去水平分量，因此很明显可 以准确地检测用户的垂直方向的身体运动。当然，可以从水平分量中 除去垂直分量噪声，因此可以准确地检测用户的水平方向的身体运 动。也就是说，分量分解具有减少噪声的优点。
[本发明的具体应用示例
现在将详细描述通过应用如上所述的本发明的基本思想而实现 的根据本发明的设备、方法和程序的实施例。 [应用到计步器上首先，将描述把根据本发明的设备、方法、和程序应用到计步器
上的示例。图1是用于描述根据当前实施例的计步器100的框图。如 图1所示，根据当前实施例的计步器100配置有三轴加速度传感器 101，其经由A/D转换器102连接到控制单元110的，并且计步器IOO 还配置有相连接的显示单元103和操作单元104。
三轴加速度传感器101可以具有其中单轴加速度传感器被布置 在三个互相正交的X轴、Y轴、和Z轴上的配置，或者可以具有其中 有三个互相正交的轴的加速度传感器被密封到封装件中的配置。将来 自三轴加速度传感器110的X轴、Y轴、和Z轴中每一个的检测输出 (模拟输出)提供给A/D转换器102，在那里转换为可以在控制单元 110处进行处理的数字数据，并且将其提供给控制单元110。
控制单元110用于控制根据当前实施例的计步器100中的部件， 并且如图1所示，配置有经由CPU总线115连接的CPU (中央处理 单元)111、 ROM (只读存储器)112、 RAM (随机存取存储器)113、 和非易失性存储器114，以便采取微计算机的配置。
现在，CPU 111是用于在控制单元110处进行处理和控制的主要 机构，这些处理和控制诸如为执行各种类型的程序、形成要提供给部 件的控制信号、执行各种类型的计算等。ROM 112存储和保持处理 所必需的各种类型的程序和数据。
此外，RAM 113主要用作工作区域，诸如暂时存储处理的中间 结果等。非易失性存储器114是诸如例如EEPROM (电可擦可编程 只读存储器)或者闪速存储器之类的、其中即使断电也不清除所存储 的数据的存储器，并且存储和保持即使断电也应该被保持的数据，诸 如设置参数、添加的程序等。
连接到控制单元110的显示单元103包括显示控制电路，具有诸 如例如LCD (液晶显示器)、有机EL (电致发光)显示器、CRT (阴 极射线管)等之类的显示设备，并且根据控制单元110进行的控制来 显示步骤的计数值、各种类型的指导信息等。具体而言，显示器103 接收从控制单元110提供的显示数据，基于该显示数据形成要提供给显示设备的图像信号，并且将其提供给显示设备，由此在显示设备的
显示屏幕上显示与来自控制单元110的显示数据相对应的显示信息。
此外，操作单元104具有复位键、各种类型的功能键等，并且可 以接受来自用户的操作输入并且将与之对应的电信号提供给控制单 元IIO。控制单元110因此控制各个部件，以便可以执行根据来自用 户的指令的处理。
利用根据当前实施例的计步器100，控制单元IIO被提供有来自 三轴加速度传感器IOI的检测输出(加速度矢量数据)，并且基于预 定的计算表达式从检测输出中计算重力加速度矢量。控制单元110基
于预定的计算表达式来提取加速度矢量的垂直分量，其中该预定的计 算表达式考虑了已经计算出的重力加速度矢量和来自三轴加速度传
感器101的加速度矢量。
控制单元110然后通过分析所提取的加速度矢量的垂直分量来
检测用户沿垂直方向的身体运动，即，与行走相对应的身体运动，并 且对其进行计数，由此可以准确地测量用户的步数。也就是说，控制
单元110实现了作为重力加速度计算装置的功能，作为垂直分量提取
装置的功能，作为用于检测垂直方向的身体运动的垂直身体运动检测 装置的功能，以及作为用于计数所检测的垂直方向的身体运动的计数 装置的功能。
图2是描述用于执行脚步计数的处理的流程图，该处理主要在根 据图1所示的实施例的计步器100的控制单元110中执行。当向根据 当前实施例的计步器IOO接通电源，并且经由操作单元104接收到用 执行脚步测量的指令输入时，控制单元110的CPU 111执行图2所示 的处理。
首先，控制单元110开始获取经由A/D转换器102提供的加速 度数据(加速度矢量)(步骤S101)，并且计算重力加速度矢量g 的初始值(步骤S102)。然后，重置釆样计数器c(清零)(步骤S103)。 从步骤S101到步骤S103的处理等同于在通电之后的所谓初始处理。
控制单元110然后确定采样计数器c的值是否大于预定值N(步骤S104)。利用这个实施例，每N (N是l或者更大的整数)个采样 地执行重力加速度矢量g的重新计算，以便减少计算量。
如果在步骤S104的确定处理中确定采样计数器c的值大于规定 的值N，则控制单元110执行重力加速度矢量g的重新计算处理(步 骤S105 )，并且随后将采样计数器c设置为值0 (步骤S106 )。也就 是说，步骤S106的处理是采样计数器c的重置处理。
如果在步骤S104的确定处理中确定采样计数器c的值不大于规 定的值N，则控制单元110使用在步骤S102计算的重力加速度矢量g 的初始值和加速度矢量an来提取加速度矢量的垂直分量vn (步骤 S107)。
也就是说，在当前实施例中，在步骤S105中对重力加速度矢量 g的重新计算处理和在步骤S102中对重力加速度矢量的初始值的计 算处理是基本上相同的处理，其中通过获取加速度值的每个轴的数据 的移动平均作为重力加速度的估算值而计算得到重力加速度矢量g。
为了详细描述在步骤S103和步骤S105中执行的处理，在从作 为过去的加速度数据的M个采样(当前采样位置为nl)获得重力加 速度的情况下，可以使用图3所示的计算。也就是说，如图3中的表 达式(l)所示，在获得X轴的重力加速度矢量gx时，将从比当前采 样位置早M+l个釆样的位置起到nl为止的每个采样的X轴的加速度 数据axn加在一起，获得总值，并且将这个总值除以值M，借此可以 获得X轴的重力加速度矢量gx。
以同样的方式，如图3中的表达式(2)所示，在获得Y轴的重 力加速度矢量gy时，将从比当前采样位置早M+l个采样的位置起到 nl为止的每个釆样的Y轴的加速度数据ayn加在一起，获得总值， 并且将这个总值除以值M，借此可以获得Y轴的重力加速度矢量gy。 此外，如图3中的表达式(3)所示，在获得Z轴的重力加速度矢量 gz时，将从比当前采样位置早M+l个采样的位置起到nl为止的每个 釆样的Z轴的加速度数据azn加在一起，获得总值，并且将这个总值 除以值M,借此可以获得Z轴的重力加速度矢量gz。
1在根据图3所示的计算表达式计算重力加速度矢量时，应该在充 分长的时间段上进行平均，以便平均和抵消由于移动所导致的加速度 分量。然而，它应该被设置为例如大约几秒，这是因为，如果太长， 则不能跟随设备的倾斜(不能正确地反映设备的倾斜)。
在步骤S107的垂直分量提取处理中，根据图6所示的表达式(1 -3)或者图7所示的表达式(2-3)，可以基于最新的加速度矢量an 和重力加速度矢量g获得(提取)垂直分量vn。这样获得的垂直分量 vn呈现出与伴随着用户行走运动的垂直运动相对应的峰值。
因此，控制单元110可以通过借助于恰当的阈值确定步骤S107 中提取的垂直分量，来检测用户的垂直方向的身体运动，并且可以通 过对其进行计数来准确地计数与用户的行走相对应的步数(步骤 S108)。
控制单元110然后从三轴加速度传感器101获取最新的加速度矢 量(步骤S109 )，将采样计数器c增一 (步骤S110 )，并且重复从 步骤S104开始的处理。
因此，根据当前实施例的计步器100被提供有来自三轴加速度传 感器IOI的加速度矢量an，计算重力加速度矢量g,并因此可以通过 使用重力加速度矢量g和加速度矢量an进行的数值计算来提取加速 度矢量an的垂直分量vn。
在用户将根据当前实施例的计步器100穿戴在他/她身体上的同 时行走时从测量数据中提取的垂直分量呈现出与伴随行走的垂直运 动相对应的峰值，所以，也如上所述，可以通过适当的阈值确定来对 行走进行计数。也就是说，在用户将计步器100穿戴在身体上的情况
下，可以实现这样的计步器，其可以通过穿戴在用户身体上的适当位 置来准确地测量用户的步数，而不受计步器的穿戴位置或者穿戴方向 的影响，从而可以如想要的那样设置操作轴。
要注意到，如图2所示，利用根据当前实施例的计步器100，每 N个采样地执行重力加速度的估算以便减少计算量，但是本发明不局 限于此。也可以每个釆样地执行重力加速度的估算。用于估算重力加速度的计算处理不局限于获得每个轴的数据的移动平均。例如，可以 使用诸如最小二乘法等之类的方法。
要注意到，图2所示的流程图中的处理对应于本发明的方法。在 上文中，已经将控制单元110描述为实现了作为重力加速度计算装置 的功能、作为垂直分量提取装置的功能、作为用于检测垂直方向的身 体运动的垂直身体运动检测装置的功能、以及作为用于对所检测的垂 直方向的身体运动进行计数的计数装置的功能。
也就是说，创建执行图2所示的流程图中的每个步骤的处理的程 序(软件)，并且将其存储在控制单元110的ROM 112中，允许实 现上述计步器100。当然，可以进行这样的配置，其中作为重力加速 度计算装置的功能、作为垂直分量提取装置的功能、作为用于检测垂 直方向的身体运动的垂直身体运动检测装置的功能、以及作为用于对 所检测的垂直方向身体运动进行计数的计数装置的功能每个都配置 有不同的电路。
[应用到用户接口设备
接下来，将描述把根据本发明的设备、方法、和程序应用到用户 接口设备的示例。根据当前实施例的用户接口设备200可以检测用户 的水平方向身体运动，并且使用它作为来自用户的输入信息来控制设
备的操作。
图4是用于描述根据当前实施例的用户接口设备200的框图。如 图4所示，除了已经提供了输出单元201这一点之外，用户接口设备 200以与图1所示的计步器IOO相同的方式进行配置。因此，利用图 4所示的用户接口设备200，用相同的参考数字表示以与图100所示 的计步器IOO相同的方式进行配置的部分，并且将省略对这样的部分 的详细描述。
用户接口设备200的不同之处在于，参考图l描述的计步器100 执行对来自加速度传感器101的加速度矢量an的垂直分量vn的提取 /处理，而用户接口设备200执行对来自加速度传感器101的加速度矢 量an的水平分量hn的提取/处理。利用根据当前实施例的用户接口设备200，在检测用户沿水平方 向的身体运动时，输出单元201输出一个信号以便进行通知，并且将 其提供给外部设备，由此可以控制外部设备。在这种情况下，输出单 元201是被实现为红外遥控器信号的传输单元的部分，其由红外光发 射单元、无线电波信号传输单元、或者用于将电信号传输到通过导线 连接的外部设备的输出终端等形成。
根据当前实施例的用户接口设备200由用户持在手中使用，并且 在检测到用户已经水平地摇晃了用户接口设备200时，生成电源开/ 关信号，该信号例如经由输出单元201传输到外部设备，以便远程控 制该外部设备。
对于除电源开/关之外的操作，在控制单元110处生成与来自用 户的已经经由操作单元104接受的操作输入相对应的信号，并且经由 输出单元201将其传输到其它设备，允许执行各种类型的远程控制。 如上所述，可以通过水平地摇晃用户接口设备来简单地执行电源的开 /关，并且此外，即使垂直地摇晃了也没有电源的开/关，所以还可以 防止错误操作。
同样地利用这个用户接口设备200，控制单元IIO被提供有来自 三轴加速度传感器101的检测输出(加速度矢量数据)，并且基于预 定的计算表达式从检测输出中计算重力加速度矢量。控制单元110基 于预定的计算表达式来提取加速度矢量的垂直分量，其中该预定的计 算表达式考虑了已经计算出的重力加速度矢量和来自三轴加速度传 感器101的加速度矢量。
控制单元110然后通过分析已经提取的加速度矢量的水平分量， 来检测用户沿水平方向的身体运动，即，检测用户是否已经沿水平方 向摇晃了用户接口设备200,并且如果用户已经沿水平方向摇晃了， 则可以形成电源开/关控制信号，并且从输出单元201传输该信号。
也就是说，利用用户接口设备200，控制单元110实现了作为重 力加速度计算装置的功能、作为水平分量提取装置的功能、作为用于 检测水平方向身体运动的水平身体运动检测装置的功能、以及作为用于形成与所检测的水平方向身体运动相对应的控制信号的控制装置 的功能。
图5是描述主要在如图4所示的根据该实施例的用户接口设备 200的控制单元110中执行的处理的流程图。当向根据当前实施例的 用户接口设备200接通电源，并且经由操作单元104接收到用于执行 脚步测量的指令输入时，控制单元110中的CPU lll执行图5所示的 处理。
首先，控制单元110开始获取经由A/D转换器102提供的加速 度数据(加速度矢量)(步骤S201),并且计算重力加速度矢量g 的初始值(步骤S202)。然后重置釆样计数器c(清零)(步骤S203 )。 从步骤S201到步骤S203的处理等同于在通电之后的所谓初始处理。
控制单元110然后确定采样计数器c的值是否大于预定值N(步 骤S204)。同样地利用这个用户接口设备200，以与参考图2描述的 计步器100的处理相同的方式，每N (N是l或者更大的整数)个采 样地执行重力加速度矢量g的重新计算，以便减少计算量。
如果在步骤S204的确定处理中确定采样计数器c的值大于规定 的值N,则控制单元110执行重力加速度矢量g的重新计算处理(步 骤S205 )，并且随后将采样计数器c设置为值0 (步骤S206 )。也就 是说，步骤S206的处理是采样计数器c的重置处理。
如果在步骤S204的确定处理中确定采样计数器c的值不大于规 定的值N，则控制单元IIO使用在步骤S202计算的重力加速度矢量g 的初始值和加速度矢量an来提取加速度矢量的水平分量hn (步骤 S207)。
也就是说，同样地利用图5所示的处理，在步骤S205中对重力 加速度矢量g的重新计算处理和在步骤S202中对重力加速度矢量的 初始值的计算处理是基本上相同的处理，其中通过采用加速度值的每 个轴的数据的移动平均作为重力加速度的估算值来计算重力加速度 矢量g。在步骤S203和步骤S205中执行的具体处理已经参考图3进 行了描述。在步骤S207的水平分量提取处理中，根据图7所示的表达式(2 -3)和图8所示的表达式(3-1)或者图8所示的表达式(3-2)， 可以基于最新的加速度矢量an和重力加速度矢量g获得(提取)水 平分量hn。这样获得的水平分量hn呈现出与伴随着用户水平摇晃用 户接口设备的运动相对应的峰值。
因此，控制单元110通过借助于适当的阈值确定在步骤S207提 取的水平分量来检测用户的水平方向的身体运动，并且在检测到时， 形成与之对应的控制信号并且输出这些信号(步骤S208)。控制单元 110然后从三轴加速度传感器101获取最新的加速度矢量(步骤 S209)，将采样计数器c增一 (步骤S210)，并且重复从步骤S204 开始的处理。
因此，根据当前实施例的用户接口设备200被提供有来自三轴加 速度传感器101的加速度矢量an,计算重力加速度矢量g，并因此可 以通过使用重力加速度矢量g和加速度矢量an进行的数值计算来提 取加速度矢量an的水平分量hn。
同样地对于利用用户接口设备200的情况，以与上述计步器100 的情况相同的方式，可以准确地检测和使用用户保持用户接口设备并 沿水平方向摇晃它的动作，而不受用户保持用户接口设备200的方向 或者用户保持用户接口设备200的方式的影响。
要注意到，如图5所示，利用根据当前实施例的用户接口设备 500，每N个采样地执行对重力加速度的估算以便减少计算量，但是 本发明不局限于此。也可以每个采样地执行对重力加速度的估算。用 于估算重力加速度的计算处理不局限于对每个轴的数据的移动平均。 例如，可以使用诸如最小二乘法等之类的方法。
要注意到，图4所示的流程图中的处理对应于本发明的方法。在 上文中，已经将控制单元110描述为实现了作为重力加速度计算装置 的功能、作为水平分量提取装置的功能、作为用于检测水平方向的身 体运动的水平身体运动检测装置的功能、以及作为用于形成与所检测 的水平方向身体运动相对应的控制信号的控制装置的功能。也就是说，创建执行图2所示的流程图中的每个步骤的处理的程 序(软件)，并且将其存储在控制单元110的ROM 112中，允许实 现上述用户接口设备200。当然，可以进行这样的配置，其中作为重 力加速度计算装置的功能、作为水平分量提取装置的功能、作为用于 检测水平方向身体运动的水平身体运动检测装置的功能、以及作为用 于形成与所检测的水平方向身体运动相对应的控制信号的控制装置 的功能中的每一个都配置有不同的电路。
此外，这里已经将用户接口设备200描述为在用户沿水平方向摇 晃时形成例如电源开/关信号并且将其传输到外部设备。为此可以设想 到各种外部设备，诸如电视接收机、无线电接收机、诸如VTR(视频 磁带记录器)和DVD播放器和CD播放器等之类的重放设备和记录/ 重放设备、以及各种类型的其它电子设备。
此外，可使用诸如便携式音乐重放设备、蜂窝电话终端、便携式 信息终端等之类的各种类型的便携式电子设备，并且可以进行这样的 布置，其中在这样的设备中实现上述用户接口设备200，以便在检测 到水平方向身体运动的情况下执行控制，诸如，在沿水平方向摇晃时， 如果电源关闭则打开电源，以及并且如果打开了电源则关闭电源等。
当然，对于这种情况可以进行这样的配置，其中如果在电源处于 打开状态下要关闭电源时，则进行有关是否正在执行处理的确定，并 且仅仅在不执行处理的情况下才关闭电源，并且在正在执行某一类处 理的情况下，发出警告声音以便影响控制，从而使得在关闭电源将会 造成麻烦的情况下不关闭电源。
此外，虽然上述实施例已经被设置为利用计步器100检测垂直方 向的身体运动以及利用用户接口设备200检测水平方向的身体运动， 但是本发明不局限于此。可以利用单个设备执行对垂直方向身体运动 的检测和对水平方向身体运动的检测。
例如，在利用计步器100的情况下，其中检测水平方向身体运动 的设置将会允许通过沿水平方向摇晃计步器100来导通/关闭电源，并 且在导通电源之后，起到通过对垂直方向的身体运动进行检测和计数来准确地测量脚步的计步器的作用。此外，在利用用户接口设备200的情况下，其中检测垂直方向身 体运动的布置将会允许对于检测到垂直方向身体运动的情况以及检 测到水平方向身体运动的情况执行不同的控制。此外，本发明可以应用于诸如便携式硬盘播放器、MD(MiniDisc(注册商标))播放器、便携式信息终端、或者具有音乐重放功能的蜂窝电话设备等之类的各种类型的音乐重放设备，以便准确地检测用户的垂直方向的身体运动，根据垂直方向身体运动的周期掌握用户的垂直方向身体运动的节奏，并且控制音乐的重放节奏以便与用户身体 运动的节奏相匹配。当然，不仅可以与垂直方向的身体运动相对应地进行控制，而且可以与水平方向的身体运动相对应地进行控制。这里要注意到，音乐的重放节奏是音乐数据的重放速度，表示每 分钟的节拍数目(BPM:每分钟的节拍)。此外，用户身体运动的节 奏表示每分钟的最小可测量身体运动单位(一个动作(身体运动)) 的数目，其是身体上的动作速度(身体运动)，其在用户动作(身体 运动)是行走或者跑步等的情况下为每分钟的步数，并且在动作是跳 跃的情况下为每分钟的跳跃次数等。因此，本发明不仅可以准确地检测用户的身体运动，而且可以掌 握身体运动的节奏并且因此执行诸如音乐(歌曲)之类的内容的重放 控制。当然，它不局限于音乐等的重放控制，而是可以应用到与用户 的身体运动相对应地控制要进行控制的各种类型设备的操作的情况。
权利要求
1、一种身体运动检测设备，包含多轴加速度传感器；重力加速度计算装置，用于根据加速度矢量计算重力加速度矢量，其中所述加速度矢量是所述多轴加速度传感器的检测输出；垂直分量提取装置，用于使用来自所述加速度传感器的所述加速度矢量和由所述重力加速度计算装置计算的所述重力加速度矢量来提取加速度垂直分量；以及垂直身体运动检测装置，用于通过分析由所述垂直分量提取装置提取的所述加速度垂直分量来检测沿垂直方向的身体运动。
2、 如权利要求1所述的身体运动检测设备，还包含计数装置， 用于对由所述垂直检测装置检测的沿垂直方向的身体运动进行计数。
3、 一种身体运动检测设备，包含多轴加速度传感器；重力加速度计算装置，用于根据加速度矢量计算重力加速度矢 量，其中所述加速度矢量是所述多轴加速度传感器的检测输出；水平分量提取装置，用于基于计算表达式来提取加速度水平分量，其中所述计算表达式与由所述重力加速度计算装置所计算的所述重力加速度矢量和来自所述加速度传感器的加速度矢量在三维空间中的偏角相对应；以及水平身体运动检测装置，用于通过分析由所述水平分量提取装置提取的所述加速度水平分量来检测沿水平方向的身体运动。
4、 如权利要求3所述的身体运动检测设备，还包含控制装置， 用于形成与由所述水平检测装置检测的沿水平方向的身体运动相对 应的控制信号。
5、 一种身体运动检测方法，包含重力加速度计算处理，用于根据加速度矢量计算重力加速度矢量，其中所述加速度矢量是多轴加速度传感器的检测输出；垂直分量提取处理，用于使用来自所述加速度传感器的所述加速 度矢量和在所述重力加速度计算处理中计算的所述重力加速度矢量来提取加速度垂直分量；以及垂直身体运动检测处理，用于通过分析在所述垂直分量提取处理 中提取的所述加速度垂直分量来检测沿垂直方向的身体运动。
6、 如权利要求5所述的身体运动检测方法，还包含计数处理， 用于对在所述垂直检测处理中检测的沿垂直方向的身体运动进行计 数。
7、 一种身体运动检测方法，包含重力加速度计算处理，用于根据加速度矢量计算重力加速度矢 量，其中所述加速度矢量是多轴加速度传感器的检测输出；水平分量提取处理，用于基于计算表达式来提取加速度水平分 量，其中所述计算表达式与在所述重力加速度计算处理中计算的所述 重力加速度矢量和来自所述加速度传感器的加速度矢量在三维空间 中的偏角相对应；以及水平身体运动检测处理，用于通过分析在所述水平分量提取处理中提取的所述加速度水平分量来检测沿水平方向的身体运动。
8、 如权利要求7所述的身体运动检测方法，还包含控制处理， 用于形成与在所述水平检测处理中检测的沿水平方向的身体运动相 对应的控制信号。
9、 一种身体运动检测程序，用于使在一个设备中实现的计算机 通过接收来自多轴加速度传感器的检测输出来检测用户的身体运动， 所述程序包含重力加速度计算步骤，用于根据加速度矢量计算重力加速度矢 量，其中所述加速度矢量是所述多轴加速度传感器的检测输出；垂直分量提取步骤，用于使用来自所述加速度传感器的所述加速 度矢量和在所述重力加速度计算步骤中计算的所述重力加速度矢量 来提取加速度垂直分量；以及垂直身体运动检测步骤，用于通过分析在所述垂直分量提取步骤中提取的所述加速度垂直分量来检测沿垂直方向的身体运动。
10、 如权利要求9所述的身体运动检测程序，还包含计数步骤， 用于对在所述垂直检测步骤中检测的沿垂直方向的身体运动进行计 数。
11、 一种身体运动检测程序，用于使在一个设备中实现的计算机 通过接收来自多轴加速度传感器的检测输出来检测用户的身体运动， 所述程序包含重力加速度计算步骤，用于根据加速度矢量计算重力加速度矢 量，其中所述加速度矢量是所述多轴加速度传感器的检测输出；水平分量提取步骤，用于基于计算表达式来提取加速度水平分量，其中所述计算表达式与在所述重力加速度计算步骤中计算的所述重力加速度矢量和来自所述加速度传感器的加速度矢量在三维空间中的偏角相对应；以及水平身体运动检测步骤，用于通过分析在所述水平分量提取步骤中提取的所述加速度水平分量来检测沿水平方向的身体运动。
12、 如权利要求11所述的身体运动检测程序，还包含控制步 骤，用于形成与在所述水平检测步骤中检测的沿水平方向的身体运动 相对应的控制信号。
全文摘要
公开了一种身体运动检测设备，它可以根据运动方向准确地检测用户的身体运动，而不受设备主体在身体上的安装位置和定向的影响。控制部分(110)计算作为来自三轴加速度传感器(101)的检测输出的加速度矢量，并且计算重力加速度矢量。执行其中考虑了所计算的重力加速度矢量和所述加速度矢量的预定计算，以提取包括在加速度矢量中的垂直分量。通过分析该垂直分量来准确地检测用户身体沿垂直方向的运动。
文档编号G01P15/18GK101317188SQ20078000037
公开日2008年12月3日 申请日期2007年2月20日 优先权日2006年2月22日
发明者牧野坚一 申请人:索尼株式会社