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JP6515709B2 - Biological information detection device - Google Patents
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JP6515709B2 - Biological information detection device - Google Patents

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Description

本発明は、生体情報検出装置に関する。   The present invention relates to a biological information detection apparatus.

生体情報検出装置の一形式として、特許文献1に示されているものが知られている。特許文献1の図1に示されているように、生体情報検出装置は、車両の運転者の生体信号を計測する計測装置20、車両に加わる加速度を検出する加速度センサ31、および、制御装置10を備えている。制御装置10は、加速度センサ31によって検出された加速度に基づいて、計測装置20によって計測された生体信号を補正することにより精度の高い運転者の生体情報を生成して、運転者の状態を推定している。制御装置10は、加速度に応じたマップを適用することにより生体信号の補正量を導出している。このマップは、実験等によって予め導出されたものである。   What is shown by patent document 1 as one form of a biometric information detection apparatus is known. As shown in FIG. 1 of Patent Document 1, the biological information detection device includes a measurement device 20 that measures a biological signal of a driver of a vehicle, an acceleration sensor 31 that detects an acceleration applied to the vehicle, and a control device 10. Is equipped. The control device 10 corrects the biosignal measured by the measuring device 20 based on the acceleration detected by the acceleration sensor 31 to generate biomedical information of the driver with high accuracy, and estimate the driver's state. doing. The control device 10 derives the correction amount of the biological signal by applying a map according to the acceleration. This map is derived in advance by experiment or the like.

特開2009−213636号公報JP, 2009-213636, A

しかしながら、特許文献1に示されている生体情報検出装置においては、予め導出されたマップを用いて生体信号の補正を行っているため、補正量が画一的となる。また、マップが車両側の情報のみに基づいているため、運転者の個人差に十分に対応することができない。一方、生体情報検出装置の生体情報の推定精度をさらに向上したい要請がある。   However, in the biological information detection apparatus disclosed in Patent Document 1, since the correction of the biological signal is performed using the map derived in advance, the correction amount becomes uniform. In addition, since the map is based only on the information on the vehicle side, the driver's individual difference can not be sufficiently addressed. On the other hand, there is a demand to further improve the estimation accuracy of biological information of the biological information detection apparatus.

そこで、本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、生体情報検出装置において、乗員の個人差に関係なく生体情報の推定精度の向上を図ることを目的とする。   Therefore, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to improve the estimation accuracy of biological information regardless of the individual difference of the occupant in the biological information detection apparatus.

上記の課題を解決するため、請求項1に係る生体情報検出装置は、移動体に取り付けられ、乗員の生体情報を検出して、生体情報に応じた出力信号を出力する生体情報センサと、移動体の運動状態量を検出する運動状態量検出部と、生体情報センサによって出力された出力信号および運動状態量検出部によって検出された運動状態量に基づいて、カルマンフィルタの状態方程式におけるプロセスノイズを決定するプロセスノイズ決定部と、プロセスノイズ決定部によって決定されたプロセスノイズを用いるとともに、生体情報センサによって出力された出力信号を観測値として用いたカルマンフィルタによって、生体情報を推定する生体情報推定部と、を備えている。   In order to solve the above problems, the biometric information detection apparatus according to claim 1 is attached to a moving body, detects a person's biometric information, and outputs an output signal according to the biometric information, and movement Process noise in the Kalman filter's equation of state is determined based on the motion state amount detection unit that detects the motion state amount of the body, the output signal output by the biological information sensor, and the motion state amount detected by the motion state amount detection unit. A process noise determination unit, and a biological information estimation unit that estimates biological information using a process noise determined by the process noise determination unit and a Kalman filter using an output signal output from the biological information sensor as an observation value; Is equipped.

これによれば、プロセスノイズ決定部は、生体情報センサからの出力信号および運動状態量検出部からの運動状態量に基づいて、カルマンフィルタに用いられる状態方程式のプロセスノイズを決定する。生体情報センサの出力信号が乗員によって異なるため、カルマンフィルタのプロセスノイズは、乗員の個人差に対応するように決定される。そして、生体情報推定部は、このプロセスノイズを用いたカルマンフィルタによって、生体情報を推定する。よって、生体情報検出装置は、乗員の個人差に対応するように生体情報を推定することができるため、車両側の情報のみを用いて生体情報を推定する場合に比べて、生体情報の推定精度の向上を図ることができる。   According to this, the process noise determination unit determines the process noise of the state equation used for the Kalman filter based on the output signal from the biological information sensor and the motion state quantity from the motion state quantity detection unit. Since the output signal of the biological information sensor differs depending on the occupant, the process noise of the Kalman filter is determined to correspond to the individual difference of the occupant. Then, the biological information estimation unit estimates biological information using a Kalman filter using this process noise. Therefore, the biological information detection apparatus can estimate the biological information so as to correspond to the individual difference of the occupant, and therefore the estimation accuracy of the biological information as compared to the case of estimating the biological information using only the information on the vehicle side Can be improved.

本発明による生体情報検出装置の一実施形態の構成を示す概要図である。It is a schematic diagram showing composition of one embodiment of a living body information detecting device by the present invention. 図1に示す生体情報検出装置のブロック図である。It is a block diagram of a living body information detecting device shown in FIG. 図2に示す周波数解析部の解析結果を示す図である。It is a figure which shows the analysis result of the frequency analysis part shown in FIG. 図2に示す制御装置で実行されるプログラムのフローチャートである。It is a flowchart of the program run by the control apparatus shown in FIG.

本発明に係る生体情報検出装置1の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。生体情報検出装置1は、移動体の乗員の生体情報を推定するものである。移動体は、例えば車両や航空機である。生体情報は、例えば、心拍や呼吸である。本実施形態においては、移動体を車両、生体情報を呼吸として説明する。生体情報検出装置1は、図1に示すように、生体情報センサ10、運動状態量検出部20、制御装置30および出力部40を備えている。制御装置30と、生体情報センサ10、運動状態量検出部20および出力部40とは、無線または有線によって通信可能に接続されている。   An embodiment of a biological information detection apparatus 1 according to the present invention will be described with reference to the drawings. The living body information detection device 1 estimates living body information of a passenger of a moving body. The moving body is, for example, a vehicle or an aircraft. The biological information is, for example, a heart beat or a respiration. In the present embodiment, a moving body is described as a vehicle, and biological information as respiration. As shown in FIG. 1, the living body information detection apparatus 1 includes a living body information sensor 10, an exercise state quantity detection unit 20, a control device 30, and an output unit 40. The control device 30, the living body information sensor 10, the motion state amount detection unit 20, and the output unit 40 are communicably connected by wireless or wire.

生体情報センサ10は、移動体に取り付けられ、乗員Mの生体情報を検出して、生体情報に応じた出力信号Sを出力するものである。生体情報センサ10は、例えば、レーダドップラセンサ等の電波式センサ、圧電素子等の圧力センサや加速度センサである。本実施形態においては、生体情報センサ10を圧電素子とする。生体情報センサ10は、例えば、車両のシート2において、乗員Mの胸郭の背面側の体の部分を支持するクッション部2aに配設されている。乗員Mの呼吸によって乗員Mの胸郭の拡大と縮小とが繰り返されるため、クッション部2aが繰り返し押圧される。このクッション部2aが押圧されることにより生じる圧力が生体情報センサ10に伝播することにより、生体情報センサ10が変形する。生体情報センサ10は、変形量に応じた出力信号Sを制御装置30に出力する。また、生体情報センサ10は、所定方向W(例えば、車両の前後方向)の圧力に応じて変形するように配設されている。   The biological information sensor 10 is attached to a mobile body, detects biological information of the occupant M, and outputs an output signal S according to the biological information. The biological information sensor 10 is, for example, a radio wave type sensor such as a radar Doppler sensor, a pressure sensor such as a piezoelectric element, or an acceleration sensor. In the present embodiment, the biological information sensor 10 is a piezoelectric element. The biological information sensor 10 is disposed, for example, on a cushion portion 2a that supports a body portion on the back side of the chest of the occupant M in a seat 2 of a vehicle. Since the chest of the occupant M is repeatedly expanded and contracted by the breathing of the occupant M, the cushion portion 2a is repeatedly pressed. The pressure generated by pressing the cushion portion 2a is transmitted to the biological information sensor 10, whereby the biological information sensor 10 is deformed. The biological information sensor 10 outputs an output signal S corresponding to the amount of deformation to the control device 30. In addition, the biological information sensor 10 is disposed so as to be deformed in accordance with the pressure in a predetermined direction W (for example, the longitudinal direction of the vehicle).

運動状態量検出部20は、移動体の運動状態量を検出するものである。本実施形態において、運動状態量は加速度である。具体的には、運動状態量検出部20は、車両の加速度を検出する加速度センサである。運動状態量検出部20は、所定方向Wの加速度を検出する。運動状態量検出部20は、例えば車両のシート2のフレーム部(図示なし)に配設されている。運動状態量検出部20は、車両の加速度を検出信号(以下、加速度信号Aとする。)として制御装置30に出力する。   The motion state amount detection unit 20 detects a motion state amount of a moving object. In the present embodiment, the motion state quantity is acceleration. Specifically, the motion state quantity detection unit 20 is an acceleration sensor that detects the acceleration of the vehicle. The motion state quantity detection unit 20 detects an acceleration in a predetermined direction W. The motion state quantity detection unit 20 is disposed, for example, in a frame portion (not shown) of the seat 2 of the vehicle. The motion state quantity detection unit 20 outputs the acceleration of the vehicle to the control device 30 as a detection signal (hereinafter referred to as an acceleration signal A).

制御装置30は、生体情報検出装置1を統括制御するものである。制御装置30は、図2に示すように、振動ノイズ除去部31、周波数解析部32、減算部33、生体情報周波数導出部34、プロセスノイズ決定部35および生体情報推定部36を備えている。   The control device 30 centrally controls the biological information detection device 1. As shown in FIG. 2, the control device 30 includes a vibration noise removal unit 31, a frequency analysis unit 32, a subtraction unit 33, a biological information frequency derivation unit 34, a process noise determination unit 35, and a biological information estimation unit 36.

振動ノイズ除去部31は、生体情報センサ10によって出力された出力信号Sから、出力信号Sに含まれる車両の振動ノイズを除去するものである。振動ノイズは、生体情報センサ10の伝達関数のモデルに基づいて、運動状態量検出部20によって出力された加速度信号Aから決定(推定)される。すなわち、伝達関数のモデルに加速度信号Aが入力されることにより、振動ノイズが推定されて出力される。伝達関数のモデルは、例えばARXタイプの外部自己回帰モデルであり、制御装置30に記憶されている。そして、出力信号Sから振動ノイズが減算されることにより、出力信号Sに含まれる振動ノイズの大部分が出力信号Sから除去される。振動ノイズが除去された出力信号Sは、生体情報推定部36に出力される。   The vibration noise removal unit 31 removes vibration noise of the vehicle included in the output signal S from the output signal S output by the biological information sensor 10. The vibration noise is determined (estimated) from the acceleration signal A outputted by the motion state quantity detection unit 20 based on the transfer function model of the biological information sensor 10. That is, by inputting the acceleration signal A to the transfer function model, vibration noise is estimated and output. The transfer function model is, for example, an external autoregressive model of ARX type, and is stored in the controller 30. Then, by subtracting the vibration noise from the output signal S, most of the vibration noise included in the output signal S is removed from the output signal S. The output signal S from which the vibration noise has been removed is output to the biological information estimation unit 36.

周波数解析部32は、生体情報センサ10によって出力された出力信号Sおよび運動状態量検出部20によって出力された加速度信号Aに対して周波数解析をそれぞれ行うものである。周波数解析部32は、具体的には、出力信号Sおよび加速度信号Aに対して高速フーリエ変換の演算をそれぞれ行う。これにより、出力信号Sの振幅である生体振幅Saおよび加速度信号Aの振幅である加速度振幅Aaが、所定周波数毎に導出される(図3参照)。所定周波数は、例えば0.05Hzである。   The frequency analysis unit 32 performs frequency analysis on the output signal S output by the biological information sensor 10 and the acceleration signal A output by the motion state quantity detection unit 20. Specifically, the frequency analysis unit 32 performs fast Fourier transform operations on the output signal S and the acceleration signal A, respectively. Thereby, the biological body amplitude Sa which is the amplitude of the output signal S and the acceleration amplitude Aa which is the amplitude of the acceleration signal A are derived for each predetermined frequency (see FIG. 3). The predetermined frequency is, for example, 0.05 Hz.

減算部33は、周波数解析部32の周波数解析結果に基づいて、出力信号Sの強さから加速度信号Aの強さを減算するものである。減算部33は、具体的には、出力信号Sの強さである生体振幅Saから、加速度信号Aの強さである加速度振幅Aaを所定周波数毎に減算して、減算結果である振幅差を所定周波数毎に導出する。   The subtracting unit 33 subtracts the intensity of the acceleration signal A from the intensity of the output signal S based on the frequency analysis result of the frequency analysis unit 32. Specifically, the subtraction unit 33 subtracts the acceleration amplitude Aa, which is the strength of the acceleration signal A, from the biological amplitude Sa, which is the strength of the output signal S, for each predetermined frequency, and calculates the difference in amplitude as a subtraction result. It derives for every predetermined frequency.

生体情報周波数導出部34は、生体情報センサ10によって出力された出力信号Sおよび運動状態量検出部20によって出力された加速度信号Aに基づいて、出力信号Sにおける生体情報を含む周波数である生体情報周波数fbを導出するものである。生体情報周波数導出部34は、具体的には、減算部33の減算結果である振幅差に基づいて、生体情報周波数fbを導出する。ここで、生体情報センサ10は、生体情報だけでなく加速度も検出するため、出力信号Sは、生体情報および加速度を含んでいる。一方、運動状態量検出部20は、加速度のみを検出する。よって、出力信号Sおよび加速度信号Aの高速フーリエ変換の演算結果を比較した場合、出力信号Sの生体振幅Saと加速度信号Aの加速度振幅Aaとの差である振幅差が比較的大きい周波数については、出力信号Sにおける生体情報を含む周波数であると推定できる。よって、この振幅差が比較的大きい周波数が生体情報周波数fbに相当する(図3参照)。具体的には、生体情報周波数導出部34は、減算部33の減算結果である振幅差が所定判定値以上である周波数を、生体情報周波数fbとして導出する。所定判定値は、実験等により実測されて導出されている。   Based on the output signal S output by the biological information sensor 10 and the acceleration signal A output by the motion state quantity detection unit 20, the biological information frequency deriving unit 34 is biological information that is a frequency including biological information in the output signal S. The frequency fb is derived. Specifically, the biological information frequency deriving unit 34 derives the biological information frequency fb based on the amplitude difference which is the subtraction result of the subtracting unit 33. Here, since the biological information sensor 10 detects not only the biological information but also the acceleration, the output signal S includes the biological information and the acceleration. On the other hand, the motion state quantity detection unit 20 detects only the acceleration. Therefore, when the calculation result of the fast Fourier transform of the output signal S and the acceleration signal A is compared, the frequency having a relatively large amplitude difference which is the difference between the biological amplitude Sa of the output signal S and the acceleration amplitude Aa of the acceleration signal A , It can be estimated that it is a frequency including biological information in the output signal S. Therefore, a frequency with a relatively large amplitude difference corresponds to the biological information frequency fb (see FIG. 3). Specifically, the biological information frequency deriving unit 34 derives, as the biological information frequency fb, a frequency whose amplitude difference, which is the subtraction result of the subtracting unit 33, is equal to or greater than a predetermined determination value. The predetermined judgment value is measured and derived by experiment or the like.

さらに、生体情報周波数導出部34は、導出された生体情報周波数fbの生体周波数幅fbhおよび生体周波数中心値fbc(図3参照)を算出する。生体周波数幅fbhは、生体情報周波数fbの最大値と最小値との差である。生体周波数中心値fbcは、生体情報周波数fbの中心の値である。   Further, the biological information frequency deriving unit 34 calculates a biological frequency width fbh and a biological frequency center value fbc (see FIG. 3) of the derived biological information frequency fb. The biological frequency width fbh is a difference between the maximum value and the minimum value of the biological information frequency fb. The biological frequency center value fbc is a value at the center of the biological information frequency fb.

プロセスノイズ決定部35は、生体情報センサ10によって出力された出力信号Sおよび運動状態量検出部20によって出力された加速度信号Aに基づいて、カルマンフィルタの状態方程式におけるプロセスノイズvを決定するものである。プロセスノイズ決定部35は、具体的には、プロセスノイズマップに基づいて、生体情報周波数導出部34によって導出された生体情報周波数fbからプロセスノイズvを決定する。プロセスノイズマップは、制御装置30に記憶され、プロセスノイズvと生体情報周波数fbとの相関関係を示すものである。プロセスノイズマップには、具体的には、プロセスノイズvと、生体情報周波数fbの生体周波数幅fbhおよび生体周波数中心値fbcとの相関関係が示されている。相関関係は、生体周波数幅fbhが大きくなるにしたがって、プロセスノイズvが大きくなるという正の相関関係である。相関関係は、実験等により実測されて導出されている。すなわち、プロセスノイズ決定部35は、プロセスノイズマップに基づいて、生体情報周波数導出部34によって導出された生体情報周波数fbの生体周波数幅fbhおよび生体周波数中心値fbcからプロセスノイズvを決定する。プロセスノイズ決定部35によって決定されたプロセスノイズvは、生体情報推定部36に出力される。   The process noise determination unit 35 determines the process noise v in the equation of state of the Kalman filter based on the output signal S output by the biological information sensor 10 and the acceleration signal A output by the motion state quantity detection unit 20. . Specifically, the process noise determination unit 35 determines the process noise v from the biological information frequency fb derived by the biological information frequency deriving unit 34 based on the process noise map. The process noise map is stored in the control device 30, and indicates the correlation between the process noise v and the biological information frequency fb. Specifically, the process noise map indicates the correlation between the process noise v, the biological frequency width fbh of the biological information frequency fb, and the biological frequency center value fbc. The correlation is a positive correlation that the process noise v increases as the biological frequency width fbh increases. The correlation is measured and derived by experiment or the like. That is, the process noise determination unit 35 determines the process noise v from the biological frequency width fbh of the biological information frequency fb derived by the biological information frequency derivation unit 34 and the biological frequency center value fbc based on the process noise map. The process noise v determined by the process noise determination unit 35 is output to the biological information estimation unit 36.

生体情報推定部36は、プロセスノイズ決定部35によって決定されたプロセスノイズvを用いるとともに、生体情報センサ10によって出力された出力信号Sを観測値として用いたカルマンフィルタによって、生体情報を推定するものである。生体情報推定部36は、具体的には、振動ノイズ除去部31によって振動ノイズが除去された出力信号Sを観測値として用いる。   The biological information estimation unit 36 estimates biological information by using a process noise v determined by the process noise determination unit 35 and a Kalman filter using an output signal S output by the biological information sensor 10 as an observation value. is there. Specifically, the biological information estimation unit 36 uses the output signal S from which the vibration noise has been removed by the vibration noise removal unit 31 as an observation value.

次に、生体情報推定部36による生体情報の推定のためのカルマンフィルタの利用を示す。なお、本実施形態において、カルマンフィルタは、拡張カルマンフィルタである。
ここでは、出力信号Sが、ゆっくり変化する振幅要素および位相要素を有する正弦波の高調波成分の和としてモデル化される。

Figure 0006515709
Next, use of a Kalman filter for estimation of biological information by the biological information estimation unit 36 will be shown. In the present embodiment, the Kalman filter is an extended Kalman filter.
Here, the output signal S is modeled as the sum of harmonic components of a sinusoidal wave with slowly varying amplitude and phase elements.
Figure 0006515709

この式から、以下の状態を示すベクトルが与えられる。

Figure 0006515709
From this equation, a vector indicating the following condition is given.
Figure 0006515709

正弦成分の振幅ak,iの経時的な変化は、付加的なホワイトガウスノイズにより次のようにモデル化される。
(数3)
k+1,i=ak,i+vk,i
The change over time of the amplitude a k, i of the sine component is modeled by the additional white Gaussian noise as follows.
(Number 3)
a k + 1, i = a k, i + v k, i a

瞬間的な基本パルスωの経時的な変化もまた、付加的なホワイトガウスノイズにより次のようにモデル化される。
(数4)
ωk+1,i=ωk,i+v ω
The temporal change of the instantaneous basic pulse ω k is also modeled by the additional white Gaussian noise as follows.
(Number 4)
ω k + 1, i = ω k, i + v k ω

基本パルスと高調波成分との間の位相差θ(t)に対しても同様であり、瞬間的な位相φk+1,i(t)の経時的な変化は次式により得られる。
(数5)
φk+1,i=i・φk,i+vk,i φ
The same applies to the phase difference θ i (t) between the basic pulse and the harmonic component, and the temporal change of the instantaneous phase φ k + 1, i (t) is obtained by the following equation.
(Number 5)
φ k + 1, i = i · φ k, i + v k, i φ

このような選択は、ωが、実際のパルスと信号のサンプリング周波数との比率として表されることを意味する。その結果、状態遷移を示す状態方程式は線形であり、次式によって与えられる。vは、プロセスノイズvである。

Figure 0006515709
Such a choice implies that ω k is expressed as the ratio of the actual pulse to the sampling frequency of the signal. As a result, the state equation indicating the state transition is linear and is given by the following equation. v k is process noise v.
Figure 0006515709

これは、次のように書くこともできる。
(数7)
k+1=A・x+v (1)
ここで、

Figure 0006515709
This can also be written as:
(Number 7)
x k + 1 = A · x k + v k (1)
here,
Figure 0006515709

プロセスノイズvの成分の分散の推定は、推定されるパラメータ(パルス、振幅成分および位相成分)の変化速度とアルゴリズム収束速度とに影響を及ぼす。 The estimation of the variance of the component of the process noise v k affects the rate of change of the estimated parameters (pulse, amplitude component and phase component) and the algorithm convergence speed.

式(1)を考慮すると、基本的に予想される観測を示す式は、次式により与えられる。

Figure 0006515709
観測を示す式は非線形であるため、拡張カルマンフィルタの使用が裏付けられる。yは観測値である。観測ノイズであるnの分散は、出力信号Sで観測されるノイズの分散に関連する。 Considering equation (1), the equation showing the fundamentally expected observations is given by the following equation.
Figure 0006515709
The equation that indicates the observation is non-linear, supporting the use of an extended Kalman filter. y k is an observation value. The variance of the observation noise nk is related to the variance of the noise observed in the output signal S.

拡張カルマンフィルタのアルゴリズムは、次のように実行される。
初期化ステップは、次の通りである。また、プロセスノイズ決定部35によって決定されたプロセスノイズvの値が、vの初期値として与えられる。

Figure 0006515709
The extended Kalman filter algorithm is implemented as follows.
The initialization steps are as follows. Also, the value of the process noise v determined by the process noise determination unit 35 is given as an initial value of v k .
Figure 0006515709

k∈{1,2,・・・,∞}の場合、拡張カルマンフィルタの予測式は、次の通りである。

Figure 0006515709
更新される式は、次のようになる。
Figure 0006515709
ここで、
Figure 0006515709
ここで、QωとRηは、それぞれvとnの共分散行列である。また、Iは、単位行列である。従って、これは、拡張カルマンフィルタの標準アルゴリズムである。 If k∈ {1, 2,...,}}, the prediction formula of the extended Kalman filter is as follows.
Figure 0006515709
The updated expression is as follows.
Figure 0006515709
here,
Figure 0006515709
Here, Q ω and R η are covariance matrices of v k and n k , respectively. Also, I is an identity matrix. Thus, this is the standard algorithm of the extended Kalman filter.

本発明の場合、このアルゴリズムは、次のように適応される。次の観測ノイズの値は、ゼロに等しいと仮定しても良い。

Figure 0006515709
In the case of the present invention, this algorithm is adapted as follows. The value of the next observation noise may be assumed to be equal to zero.
Figure 0006515709

状態遷移を示す式(1)が線形であることが分かっているので、次のようになる。

Figure 0006515709
ここで、Aは、式(2)から得られる。 Since it is known that Formula (1) which shows a state transition is linear, it becomes as follows.
Figure 0006515709
Here, A is obtained from equation (2).

式(1)および式(3)を考慮すると、次のようになる。

Figure 0006515709
および
Figure 0006515709
Considering Equation (1) and Equation (3), the following is obtained.
Figure 0006515709
and
Figure 0006515709

最後に、式(3)は、次の通りになる。

Figure 0006515709
Finally, equation (3) is as follows.
Figure 0006515709

出力部40は、生体情報推定部36によって推定された生体情報を示す信号を外部に出力するためのインターフェースである。   The output unit 40 is an interface for outputting a signal indicating the biological information estimated by the biological information estimation unit 36 to the outside.

次に、上述した生体情報検出装置1における車両の乗員Mの生体情報を推定する推定制御について、図4に示すフローチャートに沿って説明する。生体情報検出装置1は、例えば、生体情報の推定を開始するスイッチ(図示なし)がオンされた場合、推定制御を開始する。   Next, estimation control for estimating the biological information of the occupant M of the vehicle in the biological information detection apparatus 1 described above will be described along the flowchart shown in FIG. For example, when a switch (not shown) for starting estimation of biometric information is turned on, the biometric information detection device 1 starts estimation control.

制御装置30は、現時刻の出力信号Sおよび加速度信号Aを取得し(ステップS102)、上述したように、出力信号Sおよび加速度信号Aに対して、高速フーリエ変換の演算を行う(ステップS104;周波数解析部32)。制御装置30は、上述したように、生体振幅Saから加速度振幅Aaを所定周波数毎に減算し(ステップS106;減算部33)、減算結果である振幅差に基づいて生体情報周波数fbの生体周波数幅fbhおよび生体周波数中心値fbcを算出する(ステップS108;生体情報周波数導出部34)。そして、制御装置30は、上述したように、プロセスノイズマップに基づいて、生体情報周波数fbの生体周波数幅fbhおよび生体周波数中心値fbcからプロセスノイズvを決定する(ステップS110;プロセスノイズ決定部35)。   Control device 30 obtains output signal S and acceleration signal A at the current time (step S102), and performs fast Fourier transform operation on output signal S and acceleration signal A as described above (step S104; Frequency analysis unit 32). As described above, control device 30 subtracts acceleration amplitude Aa from living body amplitude Sa for each predetermined frequency (step S106; subtraction unit 33), and based on the difference between the amplitudes, the living body frequency width of biological information frequency fb fbh and a biological frequency center value fbc are calculated (step S108; biological information frequency deriving unit 34). Then, as described above, control device 30 determines process noise v from biological frequency width fbh of biological information frequency fb and biological frequency center value fbc based on the process noise map (step S110; process noise determination unit 35). ).

制御装置30は、上述したように、カルマンフィルタのアルゴリズムにおける初期化ステップを実行する(ステップS112;生体情報推定部36)。さらに、制御装置30は、上述したように出力信号Sから振動ノイズを除去し(ステップS114;振動ノイズ除去部31)、カルマンフィルタのアルゴリズムに基づいて、現時刻における生体情報を推定する(ステップS116;生体情報推定部36)。制御装置30は、現時刻において推定された生体情報を出力する(ステップS118;出力部40)。   As described above, the control device 30 executes the initialization step in the Kalman filter algorithm (step S112; biological information estimation unit 36). Furthermore, as described above, control device 30 removes vibration noise from output signal S (step S114; vibration noise removal unit 31), and estimates biological information at the current time based on the algorithm of the Kalman filter (step S116; Biological information estimation unit 36). Control device 30 outputs the biological information estimated at the current time (step S118; output unit 40).

そして、制御装置30は、所定時間Tsが経過したか否かを判定する(ステップS120)。所定時間Tsは、例えば1秒である。所定時間Tsが経過していない場合、制御装置30は、ステップS120を繰り返し実行する。一方、所定時間Tsが経過した場合、制御装置30は、プログラムをステップS122に進める。制御装置30は、ステップS122にて現時刻の出力信号Sおよび加速度信号Aを取得して、プログラムをステップS114に戻す。すなわち、制御装置30は、生体情報の推定を所定時間Ts毎に繰り返し実行する。   Then, control device 30 determines whether or not predetermined time Ts has elapsed (step S120). The predetermined time Ts is, for example, one second. If the predetermined time Ts has not elapsed, the control device 30 repeatedly executes step S120. On the other hand, when the predetermined time Ts has elapsed, the control device 30 advances the program to step S122. Control device 30 obtains output signal S and acceleration signal A at the current time in step S122, and returns the program to step S114. That is, the control device 30 repeatedly executes estimation of biological information at predetermined time intervals Ts.

本実施形態によれば、生体情報検出装置1は、車両に取り付けられ、乗員Mの生体情報(呼吸)を検出して、生体情報に応じた出力信号Sを出力する生体情報センサ10と、車両の加速度を検出する運動状態量検出部20と、生体情報センサ10によって出力された出力信号Sおよび運動状態量検出部20によって検出された加速度に基づいて、カルマンフィルタの状態方程式におけるプロセスノイズvを決定するプロセスノイズ決定部35と、プロセスノイズ決定部35によって決定されたプロセスノイズvを用いるとともに、生体情報センサ10によって出力された出力信号Sを観測値として用いたカルマンフィルタによって、生体情報を推定する生体情報推定部36と、を備えている。
これによれば、プロセスノイズ決定部35は、生体情報センサ10からの出力信号Sおよび運動状態量検出部20からの加速度信号Aに基づいて、カルマンフィルタに用いられる状態方程式のプロセスノイズvを決定する。生体情報センサ10の出力信号Sが乗員Mによって異なるため、カルマンフィルタのプロセスノイズvは、乗員Mの個人差に対応するように決定される。そして、生体情報推定部36は、このプロセスノイズvを用いたカルマンフィルタによって、生体情報を推定する。よって、生体情報検出装置1は、乗員Mの個人差に対応するように生体情報を推定することができるため、車両側の情報のみを用いて生体情報を推定する場合に比べて、生体情報の推定精度の向上を図ることができる。
According to the present embodiment, the biological information detection device 1 is attached to the vehicle, detects the biological information (respiration) of the occupant M, and outputs the output signal S according to the biological information; The process noise v in the state equation of the Kalman filter is determined based on the motion state quantity detection unit 20 that detects the acceleration of the target, the output signal S output by the biological information sensor 10 and the acceleration detected by the movement state quantity detection unit 20 A living body which estimates biological information by using a process noise determination unit 35 and a process noise v determined by the process noise determination unit 35, and using an output signal S output from the biological information sensor 10 as an observation value And an information estimation unit 36.
According to this, the process noise determination unit 35 determines the process noise v of the state equation used for the Kalman filter based on the output signal S from the biological information sensor 10 and the acceleration signal A from the motion state quantity detection unit 20. . Since the output signal S of the biological information sensor 10 differs depending on the occupant M, the process noise v of the Kalman filter is determined to correspond to the individual difference of the occupant M. Then, the biological information estimation unit 36 estimates biological information by a Kalman filter using the process noise v. Therefore, the biological information detection device 1 can estimate the biological information so as to correspond to the individual difference of the occupant M. Therefore, compared with the case where the biological information is estimated using only the information on the vehicle side, The estimation accuracy can be improved.

また、生体情報センサ10によって出力された出力信号Sおよび運動状態量検出部20によって検出された加速度に基づいて、生体情報の周波数である生体情報周波数fbを導出する生体情報周波数導出部34と、プロセスノイズvと生体情報周波数fbとの相関関係を示すプロセスノイズマップと、をさらに備え、プロセスノイズ決定部35は、プロセスノイズマップに基づいて、生体情報周波数導出部34によって導出された生体情報周波数fbからプロセスノイズvを決定する。
これによれば、生体情報周波数導出部34が、生体情報の周波数に相当する生体情報周波数fbを導出する。そして、プロセスノイズ決定部35がプロセスノイズマップに基づいて、生体情報周波数fbからプロセスノイズvを決定する。よって、従来技術のように、乗員Mの生体情報にかかわらず、車両側の情報のみによってプロセスノイズvを決定する場合に比べて、生体情報検出装置1は、生体情報の推定精度を確実に向上することができる。
A biological information frequency deriving unit 34 for deriving a biological information frequency fb which is a frequency of biological information based on the output signal S outputted by the biological information sensor 10 and the acceleration detected by the motion state quantity detecting unit 20; The process noise determination unit 35 further includes a process noise map indicating the correlation between the process noise v and the biological information frequency fb, and the process noise determination unit 35 calculates the biological information frequency derived by the biological information frequency deriving unit 34 based on the process noise map. Determine the process noise v from fb.
According to this, the biological information frequency deriving unit 34 derives the biological information frequency fb corresponding to the frequency of the biological information. Then, the process noise determination unit 35 determines the process noise v from the biological information frequency fb based on the process noise map. Therefore, the biological information detection device 1 reliably improves the estimation accuracy of the biological information as compared with the case where the process noise v is determined only by the information on the vehicle side regardless of the biological information of the occupant M as in the prior art. can do.

また、生体情報センサ10によって出力された出力信号Sおよび運動状態量検出部20によって検出された加速度に対して、周波数解析をそれぞれ行う周波数解析部32と、周波数解析部32の周波数解析結果に基づいて、出力信号Sの強さから加速度の強さを減算する減算部33と、をさらに備え、生体情報周波数導出部34は、減算部33の減算結果が所定判定値以上である周波数を生体情報周波数fbとして導出する。
これによれば、減算部33が周波数解析部32の解析結果に基づいて、出力信号Sの強さである生体振幅Saから加速度信号Aの強さである加速度振幅Aaを所定周波数毎に減算し、生体情報周波数導出部34がこの減算結果に基づいて生体情報周波数fbを導出する。よって、生体情報検出装置1は、乗員Mの生体情報の周波数である生体情報周波数fbを、比較的簡便に設定することができる。
Also, based on the frequency analysis result of the frequency analysis unit 32 that performs frequency analysis on the output signal S output by the biological information sensor 10 and the acceleration detected by the motion state quantity detection unit 20, respectively. The biological information frequency deriving unit 34 further includes a subtracting unit 33 that subtracts the intensity of the acceleration from the intensity of the output signal S, and the biological information frequency deriving unit 34 determines the frequency at which the subtraction result of the subtracting unit 33 is equal to or higher than a predetermined determination value. It derives as frequency fb.
According to this, based on the analysis result of the frequency analysis unit 32, the subtraction unit 33 subtracts the acceleration amplitude Aa, which is the strength of the acceleration signal A, from the biological amplitude Sa, which is the strength of the output signal S, for each predetermined frequency. The biological information frequency deriving unit 34 derives the biological information frequency fb based on the subtraction result. Therefore, the living body information detection device 1 can set the living body information frequency fb, which is the frequency of the living body information of the occupant M, relatively easily.

また、生体情報は、乗員Mの呼吸である。
これによれば、乗員Mの呼吸には個人差があるため、プロセスノイズvは、乗員Mの個人差に確実に対応するように決定される。よって、生体情報検出装置1は、乗員Mの個人差に確実に対応するように生体情報を推定することができる。また、乗員Mの呼吸には、周期のゆらぎがある。このような場合においても、プロセスノイズ決定部35が、生体情報センサ10からの出力信号Sおよび運動状態量検出部20からの加速度信号Aに基づいてプロセスノイズvを決定するため、プロセスノイズvは、乗員Mの呼吸の周期のゆらぎに応じて決定される。よって、生体情報検出装置1は、乗員Mの個人差および呼吸のゆらぎに対応するように生体情報を推定することができるため、車両側の情報のみを用いて生体情報を推定する場合に比べて、生体情報の推定精度をより確実に向上することができる。
The biological information is the breathing of the occupant M.
According to this, since there is an individual difference in the breathing of the occupant M, the process noise v is determined to correspond to the individual difference of the occupant M with certainty. Therefore, the living body information detection apparatus 1 can estimate living body information so as to correspond reliably to the individual difference of the occupant M. In addition, the breathing of the occupant M has periodic fluctuation. Even in such a case, since the process noise determination unit 35 determines the process noise v based on the output signal S from the biological information sensor 10 and the acceleration signal A from the motion state quantity detection unit 20, the process noise v is , According to the fluctuation of the breathing cycle of the occupant M. Therefore, the biological information detection device 1 can estimate the biological information so as to correspond to the individual difference of the occupant M and the fluctuation of the respiration, and therefore, compared to the case where the biological information is estimated using only the information on the vehicle side. The estimation accuracy of biological information can be more reliably improved.

なお、上述した実施形態において、生体情報検出装置の一例を示したが、本発明はこれに限定されず、他の構成を採用することもできる。例えば、上述した各実施形態において、運動状態量は車両の加速度であるが、これに代えて、車両の速度としても良い。
また、上述した実施形態において、カルマンフィルタは、非線形システムであるが、これに代えて、線形システムとしても良い。
In the embodiment described above, an example of the biological information detection apparatus is shown, but the present invention is not limited to this, and other configurations can be adopted. For example, in each of the embodiments described above, the motion state amount is the acceleration of the vehicle, but instead, it may be the velocity of the vehicle.
Also, in the embodiment described above, the Kalman filter is a non-linear system, but may be a linear system instead.

また、上述した実施形態において、プロセスノイズ決定部35によって決定されたプロセスノイズvは、カルマンフィルタのアルゴリズムにおけるプロセスノイズvの初期値として用いられているが、これに代えて、例えば所定時間Ts以上の長さに設定された更新時間毎にプロセスノイズ決定部35によって決定されたプロセスノイズvを用いるようにしても良い。具体的には、プロセスノイズvの初期値を設定してから更新時間毎にプロセスノイズ決定部35によってプロセスノイズvを決定し、そのプロセスノイズvを用いてカルマンフィルタのアルゴリズムにおけるプロセスノイズvを更新する。
また、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、生体情報センサ10および運動状態量検出部20の個数や配設位置、検出可能な加速度等の方向などを変更しても良い。
In the above-described embodiment, the process noise v determined by the process noise determination unit 35 is used as an initial value of the process noise v k in the Kalman filter algorithm, but instead, for example, a predetermined time Ts or more The process noise v determined by the process noise determination unit 35 may be used for each update time set to the length of. Specifically, after setting the initial value of the process noise v, the process noise determination unit 35 determines the process noise v at every update time, and updates the process noise v k in the Kalman filter algorithm using the process noise v Do.
In addition, the numbers and positions of the living body information sensor 10 and the motion state quantity detection unit 20, directions of detectable acceleration and the like may be changed without departing from the scope of the present invention.

1…生体情報検出装置、10…生体情報センサ、20…運動状態量検出部、30…制御装置、31…振動ノイズ除去部、記憶部、32…周波数解析部、33…減算部、34…生体情報周波数導出部、35…プロセスノイズ決定部、36…生体情報推定部、40…出力部、A…加速度信号、fb…生体情報周波数、M…乗員、S…出力信号、v…プロセスノイズ。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... biological information detection apparatus, 10 ... biological information sensor, 20 ... motion state quantity detection part, 30 ... control apparatus, 31 ... vibration noise removal part, storage part, 32 ... frequency analysis part, 33 ... subtraction part, 34 ... living body Information frequency derivation unit, 35: Process noise determination unit, 36: Biological information estimation unit, 40: Output unit, A: Acceleration signal, fb: Biological information frequency, M: Crew, S: Output signal, v: Process noise.

Claims (3)

移動体に取り付けられ、乗員の生体情報を検出して、前記生体情報に応じた出力信号を出力する生体情報センサと、
前記移動体の運動状態量を検出する運動状態量検出部と、
前記生体情報センサによって出力された前記出力信号および前記運動状態量検出部によって検出された前記運動状態量に基づいて、カルマンフィルタの状態方程式におけるプロセスノイズを決定するプロセスノイズ決定部と、
前記プロセスノイズ決定部によって決定された前記プロセスノイズを用いるとともに、前記生体情報センサによって出力された前記出力信号を観測値として用いたカルマンフィルタによって、前記生体情報を推定する生体情報推定部と、を備えている生体情報検出装置。
A biological information sensor attached to a mobile body, detecting an occupant's biological information, and outputting an output signal according to the biological information;
A motion state amount detection unit that detects a motion state amount of the moving body;
A process noise determination unit that determines process noise in a state equation of a Kalman filter based on the output signal output by the biological information sensor and the movement state amount detected by the movement state amount detection unit;
And a biological information estimation unit for estimating the biological information by a Kalman filter using the process noise determined by the process noise determination unit and using the output signal output from the biological information sensor as an observation value. Biological information detection device.
前記生体情報センサによって出力された前記出力信号および前記運動状態量検出部によって検出された前記運動状態量に基づいて、前記生体情報の周波数である生体情報周波数を導出する生体情報周波数導出部と、
前記プロセスノイズと前記生体情報周波数との相関関係を示すプロセスノイズマップと、をさらに備え、
前記プロセスノイズ決定部は、前記プロセスノイズマップに基づいて、前記生体情報周波数導出部によって導出された前記生体情報周波数から前記プロセスノイズを決定する請求項1記載の生体情報検出装置。
A biological information frequency deriving unit that derives a biological information frequency that is a frequency of the biological information based on the output signal output by the biological information sensor and the exercise state amount detected by the exercise state amount detection unit;
And a process noise map indicating correlation between the process noise and the biological information frequency,
The biological information detection apparatus according to claim 1, wherein the process noise determination unit determines the process noise from the biological information frequency derived by the biological information frequency deriving unit based on the process noise map.
前記生体情報センサによって出力された前記出力信号および前記運動状態量検出部によって検出された前記運動状態量に対して、周波数解析をそれぞれ行う周波数解析部と、前記周波数解析部の周波数解析結果に基づいて、前記出力信号の強さから前記運動状態量の強さを減算する減算部と、をさらに備え、
前記生体情報周波数導出部は、前記減算部の減算結果が所定判定値以上である周波数を前記生体情報周波数として導出する請求項2記載の生体情報検出装置。
Based on the frequency analysis result of frequency analysis performed on the output signal output by the biological information sensor and the motion state amount detected by the motion state amount detection unit, and the frequency analysis result of the frequency analysis unit And a subtracting unit that subtracts the strength of the motional state quantity from the strength of the output signal;
The biological information detection apparatus according to claim 2, wherein the biological information frequency deriving unit derives a frequency at which the subtraction result of the subtracting unit is equal to or higher than a predetermined determination value as the biological information frequency.
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