JP2008224489A - 位置推定装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】所定周波数の電波を送信する送信機と、所定の場所に配置されて、前記送信機が送信した電波をそれぞれ受信する複数の受信機とを有する位置推定装置であって、前記送信機は、複数の異なる周波数の電波を順次送信する一方、前記各受信機は、前記前記送信機から送信される複数の周波数の電波を受信して、これら電波の受信電界強度を測定する電界強度測定部と、前記各受信機の前記電界強度測定部が測定した受信電界強度から前記送信機の位置を求める位置演算部とを備える。
【選択図】図1
Description
ちなみに位置情報システムに用いられる電波は、もっぱらUHF帯以上の周波数が用いられる。この場合、無線タグ等の送信機がわずかに移動しただけでも、受信機は、マルチパスによる影響を顕著に受け、それ故、受信電界強度が大きく変化し、特に受信電界強度が極端に低下するヌルポイントが生じることもある。このヌルポイントは、電波到達の可逆性から受信機と送信機の位置を入れ替えても同様に生じる。このため、従来の位置情報システムにあっては、無線タグの位置を得ることが困難になるという問題があった。
前記送信機は、複数の異なる周波数の電波を順次送信する一方、前記各受信機は、前記前記送信機から送信される複数の周波数の電波を受信して、これら電波の受信電界強度を測定する電界強度測定部と、前記各受信機の前記電界強度測定部が測定した受信電界強度から前記送信機の位置を求める位置演算部とを備えることを特徴としている。
また前記位置演算部は、前記電界強度測定部が測定した前記受信電界強度の平均値から前記送信機と前記受信機との距離を求めることを特徴としている。
上述の位置推定装置は、送信機から送信される複数の異なる周波数の電波を受信機が受信し、それぞれの電波における受信電界強度の最大値または平均値から各送信機までの距離を求め、この求めた複数の距離から例えば三辺測量法によって送信機の位置を推定する。
前記受信機は、複数の前記送信機から送信される電波をそれぞれ受信して、前記タイムスロットを検出する受信機同期回路と、この受信機同期回路によって得られた前記タイムスロット毎に複数の前記送信機からそれぞれ送信される複数の異なる周波数の電波を受信して、これら電波の受信電界強度をそれぞれ求める電界強度測定部と、この電界強度測定部によって求められた前記送信機毎の受信電界強度から該受信機の位置を求める位置演算部とを備えることを特徴としている。
また本発明の請求項2または3に係る位置推定装置は、複数の受信機の電界強度測定部がそれぞれ測定した前記受信電界強度の最大値または平均値から送信機の位置を推定しているので、マルチパスによる受信電界強度の影響をよりいっそう抑えることができ、高精度に位置を推定することができるという優れた効果が得られる。
また本発明の請求項7に係る位置推定装置は、複数の送信機がそれぞれ送信した複数の周波数の電波における受信電界強度の平均値を用いて位置推定を行っているので、マルチパスによる受信電界強度の影響を抑えることができ、高精度に位置を推定することができるという優れた効果を奏し得る。
<第一の実施形態>
さて、図1において10は、複数の周波数の電波を送信する送信機であり、20は、この送信機10が送信する複数の周波数の電波をそれぞれが受信する複数の受信機である。尚、これら受信機20は、所定の位置に予め配置されている。
概略的には、上述したように構成された本発明の特徴ある位置推定装置の作動についてより詳細に説明する。
送信機10は、図2に示すように所定のタイミングで二つの異なる周波数f1,f2の電波を送信する。この図は、送信機10が周波数f1の電波を送信し始める時間を基準時刻[t=0]としている。
次いで時刻[t=t1]になるとタイミング生成部15は、増幅器13の作動を停止させて電波の送信を停止させるとともに、周波数切換部12に周波数の切り換え指示を与えて発振器11の発振周波数をf2に切り換える。そして[t=t2]になるとタイミング生成部15は、時刻[t=t3]までの間、増幅器13を作動させる。すると送信機10は、周波数f2の電波を送信アンテナ14から送信する。
一方、複数の受信機20は、このようにして送信された電波をそれぞれ受信アンテナ21から取り込む。同期部24は、送信機10が送信した周波数f1の電波を受信したことによって前述した送信機10のタイミング生成部15のタイミングと同期する。そして同期部24は、[t=0]〜[t=t1]の間、周波数切換部23に同調部22の受信周波数を[f1]にするように切り換え指示を与える。同調部22が受信した周波数f1の受信信号は、電界強度測定部25に与えられ、電界強度が計測されて保持される。
尚、受信機20の同期部24は、送信機10のタイミング生成部15が周波数を切り換えるタイミングに同期して受信機20の受信周波数を切り換えるように構成されている。
ちなみに自由空間における受信電力Pr(理論値)は、よく知られているように次式で求めることができる。
さて、上記条件でシミュレーションを行うと図4に示すように送信点Txから送信された単一周波数の電波は、直接波以外にも、多数の反射波が受信点Rxに到来するという結果が得られた。ちなみにこの図は、受信点の座標(x,y,z)=(6,4,1.5)に到来する直接波および反射波をその上方から視野して示したものである。
このグラフに示されるように受信電力Prの理論値は、送信点Txと受信点Rxの距離が離れるにつれて徐々に減衰していくものの、シミュレーションによって得られた受信電界強度は、マルチパスによって受信点Rxに到達した電波が互いに強めあうときには、理論値よりも受信電界強度が強くなる反面、互いに弱めあうときは理論値よりも受信電界強度が弱くなることが読み取れる。
そして、受信電界強度RSSIのいずれか一方の最大値、あるいは二つの周波数f1,f2の受信電界強度RSSIの平均値を用いて推定距離を求めるとそれぞれ図12および図13に示す結果が得られる。これらの図に示されるように受信電界強度RSSIの最大値あるいは平均値のいずれも推定距離のばらつきが2〜3m程度に抑えられていることがわかる。つまり、送信点Txから異なる二つの周波数の電波を送信して上記演算をすれば、単一周波数を送信した場合に比べて推定距離の誤差が相当小さくなっていることが読み取れる。
したがって、これらのシミュレーション結果からわかるように異なる周波数を多く用いるほど、推定距離のばらつきが小さくなるという結論が導ける。また推定距離のばらつきは、平均値を用いるよりも最大値を用いた方が、そのばらつきが小さくなるこという結果も得られた。
ちなみに位置演算部30には、受信電界強度RSSIから受信点Rxの位置を求める代表的な方式としてセルID方式と三辺測量方式等が適用される。
一方、三辺測量方式は、平面に受信機を複数配置し、移動する送信機からの電波を最寄りの三つの受信機で受信し、各々の受信機で測定した受信電力から送信機までの距離を推定し、三つの受信機の位置座標と推定距離から送信機の位置座標を求める方式である。
しかるに本発明の距離推定装置は、送信機から送信される複数の周波数の電波を用いているので、位置演算部30にセルID方式あるいは三辺測量方式のいずれの方式を採用しても推定位置の誤差を少なくすることができる。
また、上述した送信機10は、容易に移動できるように電池が電源として用いられた場合、この電池の消耗を少なくするため、送信時間はできるだけ短時間であることが好ましい。このため送信機は、通常はスリープ状態にしておき、タイマーで1秒毎、1分毎あるいは1時間毎などに所定の時間周期で間欠的に送信を行わせることが望ましい。ちなみに送信機から送信される電波に送信機を識別させる送信IDを載せる程度であれば送信時間は、1ms以下で十分である。送信IDとは、送信機の識別子のことで送信電波に乗せる情報の一つであり、これにより位置演算部などで送信器を携帯する者までわかり得るので、例えば、誰がどこにいるなど建物内の人員の管理に資するものである。
<第二の実施形態>
次に本発明の第二の実施形態に係る位置推定装置について説明する。この実施形態が上述した第一の実施形態と異なるところは、複数の送信機が所定の場所にそれぞれ配置されて、複数の異なる周波数の電波をそれぞれ送信する一方、受信機がこれら各送信機からそれぞれ送信された電波を受信して、これらの電波の受信電界強度から各送信機までの距離を求め、この求めた距離から現在の位置を求める点にある。
さて、図17において10A,10Bは、例えば屋内のそれぞれ異なる場所に配置されて予め割り当てられたタイムスロット毎に二つの異なる周波数(f1,f2)の電波を送信する送信機であり、20は、これら送信機10A,10Bから送信される電波を受信する受信機である。尚、この図では、理解をしやすくするため、二台の送信機10A,10Bだけを描いているが、三台以上の送信機を用いて構成してもかまわない。
図18に示すように二つの送信機10A,10Bは、送信機10Aが送信した後、送信機10Bが送信するサイクルを一周期Tとして、送信機10A,10B毎に予め割り当てられたタイムスロット内で交互に電波を送信する。
同期部16,24が互いに同期するには、例えば、送信機10Aがマスタ送信局となり、同期化のための電波(タイミング信号)を送出し、送信機10Bおよび受信機20は、このタイミング信号を受信して送信機10Aの同期部16Aのタイミングと一致するようにそれぞれの同期部16B,24を同期させればよい。
その他、同期化の方法としては、例えば図19に示すように複数の送信機のうちの1台(図19では送信機10A)に同期部16Aを設け、この同期部16Aから出力されるタイミング信号を他の送信機(図19では送信機10B)にケーブル17等で配信するようにして周波数を切り換えるように構成してもかまわない。
次いで時刻[t=t1]になると同期部16Aは、増幅器13Aの作動を停止させて電波の送信を停止させるとともに、周波数切換部12Aに周波数の切り換え指示を与えて発振器11Aの発振周波数をf2に切り換える。そして[t=t2]になると同期部16Aは、時刻[t=t3]までの間、増幅器13Aを作動させる。すると送信機10Aは、周波数f2の電波を送信アンテナ14Aから送信する。このようにして送信機10Aは、予め送信機10Aに与えられたタイムスロットTaの間、異なる二つの周波数の電波を送信する。
まず、[t=ta]のとき、送信機10Bの同期部16Bは、発振器11Bの発振周波数をf1にするべく周波数切換部12Bに周波数の切り換え指示を与えると共に、増幅器13Bを作動させる。すると送信機10Bは、送信アンテナ14Bから周波数f1の電波を送信する。
一方、受信機20は、このようにして送信された電波を受信アンテナ21から取り込む。同期部24は、送信機10AのタイムスロットTaにおいて時刻[t=0]〜[t=t1]の間、周波数切換部23に同調部22の受信周波数を[f1]にするように切り換え指示を与える。同調部22が受信した周波数f1の受信信号は、電界強度測定部25に与えられ、電界強度が計測されて保持される。
このようにして送信機10AのタイムスロットTaにおいて、電界強度測定部25が計測した送信機10Aが送信した異なる二つの周波数f1,f2の電界強度は、位置演算部30に与えられる。位置演算部30は、いずれか一方の電界強度が最大となる値(最大値)または、これらの電界強度を平均して得られた値(平均値)を採用し、その電界強度から送信機10Aまでの距離を求める。
このように本発明の位置推定装置は、送信機10A,10Bのそれぞれが異なる二つの周波f1,f2の電波を送信する一方、受信機20は、これらの送信機10A,10Bからそれぞれ送信された二つの周波数f1,f2の電波の電波を受信して、これら電波の電界強度の最大値または平均値から送信機10A,10Bまでの距離を求めているので、マルチパスによって生じるヌルポイントの影響を受けることが少なく、高精度に受信機20の位置を推定することができる。
例えば前述した実施形態は、送信機10A,10Bおよび受信機20のそれぞれに同期部16A,16B,24を備えたものを例示したが、これらの同期部を排除し、送信機が送信する電波の周波数を切り換える時間間隔を予め定めておいてもよい。そして受信機20は、送信機から送信される複数の周波数の電波のうち、最初に送信される周波数の電波を受信し、送信機の送信タイミングを検出する。次いで送信機が周波数を切り換える時間になったとき、受信機は、送信機から送信される周波数に切り換えて受信をする。このようにすることで本発明の位置推定装置は、より簡易な構成でありながら高精度に位置を推定することが可能となる。
11 発振器
12 周波数切換部
13 増幅器
14 送信アンテナ
15 タイミング生成部
20 受信機
21 受信アンテナ
22 同調部
23 周波数切換部
24 同期部
25 電界強度測定部
30 位置演算部
Claims (7)
- 所定周波数の電波を送信する送信機と、
所定の場所に配置されて、前記送信機が送信した電波をそれぞれ受信する複数の受信機と
を有する位置推定装置であって、
前記送信機は、複数の異なる周波数の電波を順次送信する一方、
前記各受信機は、前記前記送信機から送信される複数の周波数の電波を受信して、これら電波の受信電界強度を測定する電界強度測定部と、
前記各受信機の前記電界強度測定部がそれぞれ測定した受信電界強度から前記送信機の位置を求める位置演算部と
を備えることを特徴とする位置推定装置。 - 前記位置演算部は、前記電界強度測定部がそれぞれ測定した前記受信電界強度の最大値から前記送信機と前記受信機との距離を求めることを特徴とする請求項1に記載の位置推定装置。
- 前記位置演算部は、前記電界強度測定部がそれぞれ測定した前記受信電界強度の平均値から前記送信機と前記受信機との距離を求めることを特徴とする請求項1に記載の位置推定装置。
- 所定の場所にそれぞれ配置されて、複数の異なる周波数の電波をそれぞれ送信する複数の送信機と、
これら送信機からそれぞれ送信された前記電波を受信して、これらの電波の受信電界強度から前記各送信機までの距離を求め、この求めた距離から現在の位置を求める受信機と
を備えることを特徴とする位置推定装置。 - 前記送信機は、他の送信機とそれぞれ同期付けられて予め割り当てられたタイムスロットの到来を判定する送信機同期部と、
この送信機同期部により予め割り当てられたタイムスロットの到来が検出されたとき、該タイムスロット内に複数の異なる周波数の電波を予め定められた順序で送信する送信部と
を具備し、
前記受信機は、複数の前記送信機から送信される電波をそれぞれ受信して、前記タイムスロットを検出する受信機同期回路と、
この受信機同期回路によって得られた前記タイムスロット毎に複数の前記送信機からそれぞれ送信される複数の異なる周波数の電波を受信して、これら電波の受信電界強度をそれぞれ求める電界強度測定部と、
この電界強度測定部によって求められた前記送信機毎の受信電界強度から該受信機の位置を求める位置演算部と
を備えることを特徴とする請求項4に記載の位置推定装置。 - 前記位置演算部は、前記送信機毎の受信電界強度の最大値から各送信機と前記受信機との距離をそれぞれ求め、この求めた複数の距離から該受信機の位置を得ることを特徴とする請求項5に記載の位置推定装置。
- 前記位置演算部は、前記受信電界強度の平均値から各送信機と前記受信機との距離をそれぞれ求め、この求めた複数の距離から該受信機の位置を得ることを特徴とする請求項5または6に記載の位置推定装置。
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