JP2009014713A - 移動体の測位装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ピクセル画像に基づくマップマッチングを行う移動体の測位装置を提供する。
【解決手段】移動体の測位装置は、移動体の現在位置とその確からしさの情報をノンパラメトリックな分布として指示する位置情報群を保持する位置記憶装置と、離散時刻Ｔにおける当該移動体の移動距離と方位をあらわす移動ベクトルとその確からしさの情報を出力する移動ベクトル推定装置と、移動体が移動する範囲の周辺地図を移動体の移動分解能に応じた解像度の画像群として保持する画像データベースと、周辺地図に基づいて前記位置情報群と移動ベクトルからマップマッチング処理を行う画素交差判定装置とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばＧＰＳ（全地球測位システム）が利用できない建物内における移動体の現在の位置を正確に測位することができる移動体の測位装置に関するものである。

ナビゲーション分野において、ＧＰＳを主として利用すると共に、ＧＰＳが利用できない場合に、マップマッチングを用いて測位誤差をカバーする手法が、主として自動車ナビゲーションシステムの応用として提案されている。

マップマッチングの手法の多くは、特許文献１、２、３、４や非特許文献１、２、３、５に示されている手法のように、マップ情報として、交差点をノードとして移動路を直線とする移動路ネットワーク情報を用いて、マップマッチング処理を行い、測位誤差をカバーする方法である。

このため、従来のマップマッチングの手法は、例えば、直線路やコーナーなどの整然とした環境においては正しく動作するが、複雑な構造を持つ、例えば屋内環境においては、道路ネットワークのようなマップ情報を作成するのは困難であり、現実的でなく、マップマッチングの手法を有効に利用できない。

また、自動車に比べて小さく、移動方位が細かく変化する移動体となる人間の移動は、単純な直線へのマッチングに基づくマップマッチング手法は、人間の測位目的には不向きである。例えば、非特許文献６に記載の歩行者ポジショニングシステムでは、通路ネットワークに幅を持たせて移動ベクトルと衝突判定を行うが、衝突したときの対処方法が通路ネットワークのエッジに補正するようにしている。
特開２００５−２２６９９９号公報 特開２００７−１２１１３９号公報 米国特許第６，８５６，８９５号明細書 米国特許第６，１０８，６０３号明細書 http://www.fpoir.org/OPEN/FORUM11_DRkonishi_040820.pdf, スライドNo. 19, No. 20, 新居、鷲野「ナビゲーションシステム」、山海堂、ｐｐ．６０−６３， http://www.novatel.com/Documents/Papers/File37.pdf "Personal positioning based on walking locomotion analysis with self-contained sensors and a wearable camera," Masakatsu Kourogi, Takeshi Kurata, Proceedings of International Symposium on Mixed and Augmented Reality (ISMAR2003), pp. 103-112, 2003. 「携帯型装置による人間の移動行動の推定」、計測自動制御学会東北支部、第２２２回研究集会（２００５．６．２９）、資料番号２２２−１０． 「自律方式による歩行者ポジショニングシステムの開発」、地理情報システム学会講演論文集、Ｖｏｌ．１０，ｐｐ．３８９−３９２，２００１．

ところで、移動体のナビゲーションを行う測位装置を実現する場合において、移動体の移動ベクトルを累積的に積算するデッドレコニング装置は、時刻の経過に伴い、累積的に誤差が蓄積する問題を抱えている。

したがって、デッドレコニング装置をベースとする測位装置では、測位の精度を向上するために、位置に関する補正情報を提供する必要がある。このような補正情報を提供する手段としては、例えば、外部の人工的な環境に依存する位置補正手段を用いる方法がある。この方法の例として、ＲＦＩＤタグを環境に埋め込んでこれを検知することによって位置を補正する補正手段がある。このような補正手段を用いる場合には、外部環境に対して手を加える必要があるため、利用環境を整えるための展開コストが増加するという問題がある。

本発明は、この種の問題点を解決するためなされたものであり、本発明の目的は、外部の人工的な環境を利用することなく、自律的な手段によってデッドレコニング装置の累積誤差を除去できる補正手段を備えた移動体の測位装置を提供することにある。具体的に、本発明の目的は、ピクセル画像に基づくマップマッチング処理を行う移動体の測位装置を提供することにある。

本発明においては、上記のような目的を達成するため、基本的な概念として、自律的な位置補正手段として外部環境に関する地図をデータベースとして保持するアプローチを取る。マップマッチング方法が利用可能となるような人工的な環境においては、地図が整備されていることが期待されるため、このような地図をデータベースとして計算機資源に持たせて利用することは現実的である。特に、建物内の地図については、建物を建築するときに使われるＣＡＤデータや建物内の案内図が作成されているため、それらを入手できる可能性が高い。

本発明においては、マップマッチング処理を行うため、移動体の周辺の地図情報をピクセル画像として保持し、このピクセル画像を、移動・通過可能な領域と移動・通過が困難である領域に異なる画素値を割り当てたものとして利用する。例えば、８ビットグレイスケール画像で、このようなマップ画像を表現する場合には、通過できる領域に画素値“２５５”（＝白）を割り当て、壁や障害物などのように移動体が通過できない領域には画素値“０”（＝黒）を割り当て、通過できるが若干の困難や通過を避けられる傾向がある領域には、その困難に応じて０に近い画素値を割り当てる。図５には、後述するように、マップマッチングの処理に用いるピクセル画像の一例が示されている。

ここでマップマッチング処理を行うためのピクセル画像は、画像データベースに蓄積されるが、蓄積される画像は必ずしもピクセル画像に限定されるものではなく、最終的に位置に対応して画素値に変換できるマップ画像の元データであればよい。例えば、スケーラブルベクトルグラフィックス（ＳＶＧ）のような非ピクセル画像の形式（ベクター形式）で保存された画像データであっても、最終的に各座標（位置）の画素値を取り出すことができるため、このような形式で保存された画像データは、本発明においてマップマッチング処理を行うための画像データとして用いることができる。

また、本発明においては、移動体の位置はノンパラメトリックな分布の位置情報群によって表現するものとし、移動ベクトル生成装置が出力する移動ベクトルとその確からしさの情報に基づいて、その移動ベクトルによって生成される移動後の位置の確からしさの情報を更新する。この過程において、移動ベクトルが通過する画素値を勘案して、移動後に生成される位置の候補を生成して移動後の位置の分布を適切に生成することによって、現在位置を逐一更新する。

ここでの移動体の位置を表現する位置情報は、ノンパラメトリックな分布として、データが保持されるが、データを保持する別の一例として、パーティクルフィルタによって分布情報を保持し、更新するような構成として実装されてもよい。

本発明の移動体の測位装置においては、移動体の現在位置を表すために、ノンパラメトリックな分布の位置情報群を用いているが、これに変えて、パラメトリックな分布によって移動体の位置を表現するようにしてもよい。例えば、複数のガウス分布の加算であるガウス混合分布（Ｇａｕｓｓｉａｎ Ｍｉｘｔｕｒｅ Ｍｏｄｅｌ：ＧＭＭ）によって位置を表現することができる。この場合には、各ガウス分布の重み付けとそれぞれの平均値ベクトル、分散共分散行列があれば、移動体の位置の分布を表現することができる。さらに複雑な分布を表現する方法として、このガウス混合分布と有限個のマスク領域を組み合わせて最終的な分布を表現することができる。ここでのマスク領域とは、その領域内の分布の高さが一様に一定値（たとえば“０”）を持つ領域のことである。

具体的には、本発明は１つの態様として、本発明による移動体の測位装置が、移動体の現在位置とその確からしさの情報をノンパラメトリックな分布として指示する位置情報群を保持する位置記憶装置と、離散時刻Ｔにおける当該移動体の移動距離と方位をあらわす移動ベクトルとその確からしさの情報を出力する移動ベクトル推定装置と、当該移動体が移動する範囲の周辺地図を移動体の移動分解能に応じた解像度の画像群として保持する画像データベースと、前記周辺地図に基づいて前記位置情報群と移動ベクトルからマップマッチング処理を行う画素交差判定装置とを備えた移動体の測位装置であって、前記画像データベースは、前記周辺地図を前記移動体が移動可能な領域とそれ以外の領域とで異なる画素値を持ち、かつ位置情報との対応が既知であるピクセル画像群として蓄積し、前記画素交差判定装置は、前記位置記憶装置が保持する離散時刻Ｔに位置情報群と前記移動ベクトル推定装置が出力する移動ベクトル、前記移動ベクトルの確からしさの情報に基づいて、離散時刻Ｔ＋１の位置候補群が生成され、前記位置候補群から、その各候補について、その移動前と移動後を結ぶ移動経路と、画像上の移動・通過できない画素との画素交差判定を行い、生成された位置の候補群を取捨選択して残存する位置候補群を生成し、その結果を正規化して離散時刻Ｔ＋１の位置のノンパラメトリックな分布の位置情報群を生成すると共に、前記位置記憶装置の内容を更新することを特徴とするものである。ここでの位置候補群は離散的な位置情報とその確からしさに関する情報を持つものである。

この場合に、画像データベースに蓄積されるピクセル画像群のピクセル画像は、その画像内の領域の移動・通過のしやすさにしたがって、その位置に対応する画素値の大きさが異なる画像データである。もしくは、ピクセル画像は、各画素が対応する位置の移動・通過のしやすさをあらわす数値に変換可能な画素値を持つ画像データである。画素交差判定装置は、移動経路上で画素値の大小に応じて交差判定結果を算定すると共に、交差の度合いと画素値の大きさに基づいて各々の位置候補群の確からしさを減少させるように構成される。

また、画像データベースに蓄積されている地図のフロア間やフロア内の自動的な移動機能を備える装置に対応する領域には、フロア間やフロア内の自動的な移動機能を備える装置の移動速度や方向に関する情報が付与されており、画素交差判定装置によって、移動機能を備える装置をあらわす領域内に存在する位置候補群については、移動速度と方向の分だけ移動させて前記位置情報群を生成するように構成される。

また、別の態様では、本発明の移動体の測位装置においては、画像データベースに蓄積されるピクセル画像群のピクセル画像には、平面上の隣接状態に関する情報が付与されており、画素交差判定装置は、蓄積されているピクセル画像の間をまたぐ移動ベクトルが推定されて入力されたときに、画像データベースから移動ベクトルの移動可能な位置候補群をすべて含む複数のピクセル画像群を選択して、移動ベクトルに対して交差判定に必要な画素データを取得するように構成される。

また、別の態様では、画像データベースに蓄積されるピクセル画像群のピクセル画像には、位置の高さ方向への隣接状態に関する情報が付与されており、画素交差判定装置は、移動体の上下方向への移動を表す移動ベクトルが生成されたとき、移動ベクトルの移動可能な位置候補群をすべて含む上下間に接続されているピクセル画像群を選択して、その移動ベクトルに対する交差判定に必要な画素データを取得するように構成される。

また、別の態様では、本発明の移動体の測位装置においては、移動ベクトル推定装置が出力する移動ベクトルが、画素交差判定装置による交差判定の処理において、連続した直線通路を表す地図上において時系列方向に連続して通過できない領域に交差する候補が多数存在するとき、その直線通路と移動ベクトルの多数のなす角度を、移動ベクトル推定装置の出力する移動方位の誤差推定に用いて、移動ベクトル推定装置の出力する誤差を補正するように構成される。

また、別の態様では、人の移動における現在位置を測位する場合には、移動体が人となり、移動ベクトル推定装置は、歩行動作検出装置と歩幅推定装置、歩行方位推定装置から構成され、歩行動作検出装置は歩行動作の有無とその確からしさの情報を出力し、歩幅推定装置は歩幅とその確からしさの情報を出力し、歩行方位推定装置は移動方位とその確からしさの情報を出力し、歩行動作の有無とその確からしさの情報、歩幅とその確からしさの情報、移動方位とその確からしさの情報に基づいて移動ベクトルとその確からしさの情報を出力する構成とされる。

また、本発明の移動体の測位装置に用いるピクセル画像を生成する方法では、画像内の領域に移動・通過のしやすさと位置・方位が属性として保存されている３次元モデルデータに基づいて、この３次元モデルを地面に対して直交して真上から平行投影したときに、位置・方位を表現する座標系に位置合わせされたバウンディングボックスであって、かつ３次元モデルを投影される平面上において最小のサイズで含むバウンディングボックスを生成し、バウンディングボックスの頂点の位置情報を、生成されるピクセル画像の位置情報として得ると共に、３次元モデルを平行投影によって射影して、移動・通過のしやすさの属性が投影時に画素値に反映するようにピクセル画像を生成し、生成したピクセル画像を画像データベースに格納する。

ピクセル画像の生成においては、３次元モデルを真上から平行投影するときに、高さ方向に物体が密につまっている画素においては、その画素値を、移動・通過のしやすさ又はしづらさを指標するものとして、その値を設定する方法を用いることができる。例えば、Ｎ％の密度で物体が存在するとき、画素値を次の数式：画素値＝２５５＊（１００−Ｎ）／１００により、設定する方法を用いることができる。

本発明の移動体の測位装置によれば、ピクセル画像に基づくマップマッチング処理によって、移動できないか移動が困難な領域への移動を表す位置候補が除外されるか、またはその確からしさが低減されることにより、移動ベクトル推定装置が出力する移動ベクトルに含まれる誤差を減少させて移動体の位置の推定精度を高めることが可能となる。また、移動体の位置をノンパラメトリックな分布の位置情報群として保持することにより、例えば、移動体が通過する候補として２本の平行な通路が存在したときに、どちらの通路を移動するかを一意に決定するにはデッドレコニング装置の出力する誤差が大きい場合であっても、２本の通路上に分布を生成することによって、二つの候補を同時に追跡することが可能となる。

本発明の移動体の測位装置によれば、移動体の移動ベクトル推定装置とマップマッチング装置から構成されるナビゲーションシステムのための測位装置、また、屋内・屋外環境におけるナビゲーションシステムが提供できる。

図１は本発明による移動体の測位装置の基本的な構成を示すブロック図である。このブロック図は、測位装置における処理の流れ、データの流れを表している。図１において、１０１は位置記憶装置、１０２は移動ベクトル推定装置、１０４は画素交差判定装置、１０５は画像データベース、１１０は位置情報群、１１１は移動ベクトル、１１２は確からしさ情報、１１５は画像データ、１１７は画素交差判定の結果データである。

位置記憶装置１０１は、移動体の現在位置とその確からしさの情報をノンパラメトリックな分布として指示する位置情報群を保持する。すなわち、移動体の現在位置を表す状態を離散的なノンパラメトリックな分布の位置情報群によって保持し、その内容の位置情報群１１０を出力している。移動体の現在位置とされるノンパラメトリックな分布の位置情報群１１０は、具体的なデータ構造としては、例えば、位置を離散的に一定間隔の格子状に表現し、各離散位置に対してその確からしさをあらわす数値を割り振ったものとして実現される。計算機上では各格子上の位置とその確からしさの情報を保持する配列構造あるいはリスト構造によって実装される。

移動ベクトル推定装置１０２は、例えば、移動体が離散時刻Ｔにおける一定時間（＝サンプリング時間）内に移動する距離と方位をあらわす移動ベクトル情報１１１とその確からしさ情報１１２を推定し出力するように構成される。具体的には、ジャイロセンサ、加速度センサなどを含むセンサ装置により実現される。移動ベクトル情報１１１の確からしさ情報１１２は、移動ベクトル情報１１１を正規分布で表現する場合、その誤差分散共分散行列でパラメトリックにあらわすことができる。

移動速度と移動方位を計測することが可能な乗り物の場合には、センサ装置により、簡易に移動ベクトルを取得することが可能である。また、移動速度の直接的な計測が困難である人に装着されることを想定する場合であっても、センサ装置としてジャイロセンサ、地磁気センサ、加速度センサなどを用いることにより、ジャイロセンサまたは地磁気センサにより移動方位を推定し、加速度センサによって運動の大きさを計測して、その移動距離を推定することができる。この場合、確からしさの情報は移動距離や移動方位を計測するときに存在するセンシングデバイスの誤差分布に基づいて取得することができる。また、移動ベクトルを取得する手段としては、非特許文献４に記載のものなどを利用することができる。

画素交差判定装置１０４はマップマッチング処理などを行うプログラムが組み込まれたデータ処理装置により構成されており、位置記憶装置１０１が出力する現在位置に関するノンパラメトリックな分布の位置情報群１１０と、移動ベクトル推定装置１０２が出力する移動ベクトル１１１とその確からしさ情報１１２を入力として、離散時刻Ｔ＋１における移動後の位置の位置候補群（画素交差判定の結果データ１１７）を生成する。これら位置情報群には、移動前と移動後の位置に関する情報、その移動軌跡、移動後の位置の確からしさに関する情報が含まれている。

画素交差判定装置１０４のデータ処理では、例えば、ノンパラメトリックな分布の位置情報群（位置記憶装置１０１が出力する現在位置の位置情報群１１０）が保持する離散的な分布における各位置を、移動ベクトル１１１の分だけ位置をシフトさせて、また、その確からしさ情報１１２を勘案して分布を分散させて次の位置候補群を生成するデータ処理を行う。

画素交差判定装置１０４は、位置候補群の位置をすべてカバーする画像データ１１５を画像データベース１０５から入力して、その位置候補群の各候補について、その移動経路上に移動・通過できない画素との交差が存在するか否かの判定処理を行い、交差する画素に移動・通過できない領域が存在する場合、その候補の位置の確からしさを低下させるか、確からしさを“０”として扱って、その位置候補を削除する。

図２は、画像データベースがスケーラブルベクターグラフィックスのようなベクター形式のデータを用いる場合の移動体の測位装置の構成を示すブロック図である。図２において、１２０１は位置記憶装置、１２０２は移動ベクトル推定装置、１２０４は画素交差判定装置、１２０５はベクター形式画像データベース、１２０６は画素値抽出装置、１２１０は位置情報群、１２１１は移動ベクトル、１２１２は確からしさ情報、１２１５は画像データのベクターデータ、１２１７は画素交差判定の結果データである。図１により説明した基本的な構成に、画素値抽出装置１２０６が追加された構成となっている。図２に示す構成の移動体の測位装置においては、ベクター形式画像データベース１２０５から、画素交差判定装置１２０４が必要とする画素値を含む画像を取り出し、画素値抽出装置１２０６によって対応する位置の画素値を取り出すことによって、移動体の測位装置が必要とする画素交差判定の処理を行う。

図３は、画像データベースがスケーラブルベクターグラフィックスのようなベクター形式のデータを用いる場合の移動体の測位装置の別の構成を示すブロック図である。図３において、１３０１は位置記憶装置、１３０２は移動ベクトル推定装置、１３０４は画素交差判定装置、１３０５はベクター形式画像データベース、１３１０は位置情報群、１３１１は移動ベクトル、１３１２は確からしさ情報、１３１５は画像データのベクターデータ、１３１７は画素交差判定の結果データである。図３に示す移動体の測位装置の構成は、図２に示される移動体の測位装置において、必要としていた画素値抽出装置１２０６が不要となる態様の実施例の構成を示している。図２に示した基本的な構成から画素値抽出装置１２０６が取り除かれ、画素交差判定装置１２０４をベクター交差判定装置１３０４で置き換えたもので構成される。

ベクター交差判定装置１３０４は、入力された移動ベクトル１３１１に対して、交差するベクターデータ１３１５が存在するかどうかを判定する。この実施例においては、ベクターデータ１３１５を画素値に変換することは行わず。ベクター形式のままの画像データを用いて交差判定の処理を行う。ベクターデータ１３１５は直線や曲線を表す数式のデータによって表現されており、これらとの交差判定では、数式上での交差判定の演算によるデータ処理を行う。

交差判定の処理のフローチャートを図４に示す。図４は、マップマッチングの交差判定によって位置候補群が選別される処理のフローチャートである。この処理の概要を説明すると、処理を開始すると、まず、位置候補群の集合内に存在する各位置候補を取り出し、位置候補の移動前と移動後の移動軌跡上に移動できない領域（黒領域）が存在するが否かを判定し、移動できない領域が存在する場合には、その位置候補を集合から除去し（ステップ６０１、ステップ６０２、ステップ６０３）、移動できない領域が存在しない場合には、その位置候補を集合に残存させる（ステップ６０１、ステップ６０２、ステップ６０４）。そして、この処理を全ての位置候補に対して行い、全ての位置候補に対する処理を終了するまで、この処理を行う（ステップ６０５）。

本発明の一つの態様では、画素交差判定で移動・通過できない領域と交差するとその位置候補を完全に除外するが、本発明の別の態様では、その位置候補が持つ確からしさを交差する画素が持つ移動・通過の困難の度合いによって低下させる程度を調整するようにデータ処理を行う。これらの処理を終えて、残存した候補群について正規化を行って、その画素交差判定の結果１１７として出力する。図５には、このような処理で用いるピクセル画像の画像データ１１５の一例を示している。図５に示すように、画像データ１１５のピクセル画像２００において、黒領域２０２は、移動体が通過・移動できない領域であり、白領域２０１は、移動体が通過・移動できる領域である。このピクセル画像２００を用いてマップマッチングの処理を行い、移動候補群がこれらの領域に存在するか否かを判定する。

図６は、ピクセル画像に基づくマップマッチングの処理によって位置候補群が選別される様子を説明する図である。図６の例では、現在位置をあらわすノンパラメトリックな分布の位置情報群３００として、離散的に格子状に配置された各点に確からしさが割り振られたデータが用いられる。この分布の位置情報群３００が、移動ベクトル推定装置の出力した移動ベクトル３０１に基づいて、ピクセル画像の移動できる領域２０１と通過できない領域２０２との交差判定が行われ、その結果として、位置情報群３００が更新される。図６では、その様子の一例が示されている。この例の場合、右の２列の位置候補は、移動ベクトル３０１により移動候補群の判定処理を行うと、移動できない領域に存在する（領域に入ってしまう）ので、その位置候補が集合から除去される。

図７は、パラメトリックな分布によって移動体の位置を表現した場合の処理の例を説明する図である。ここで説明する処理の例では、移動前の分布１４００と推定された移動ベクトル１４０１から、ピクセル画像の移動できる領域２０１と通過できない領域２０２との交差判定が行われ、その結果として、新たな分布１４０２を生成している処理の例である。生成された新たな分布１４０２には、その分布の高さが０となる領域がある。マスク領域１４０３として、この領域を表現して、ガウス混合分布と組み合わせて、移動後の分布１４０２を表現する。

ところで、動く歩道、エスカレータ、エレベータなどのような自動的に移動する機構を備えられた環境において、本発明による移動体の測位装置を用いる場合には、動く歩道やエスカレータのような自動的に移動する機構を備える装置の存在の有無とその移動速度と移動方位に関する情報を、画像データベースに格納した地図のピクセル画像の領域内に持たせておき、移動ベクトルの補正を行って、移動候補群の判定処理を行う。

図８は、動く歩道やエスカレータのような自動的に移動する機構を備えられた環境における移動候補群の判定処理を説明する図である。この場合には、地図を表すピクセル画像の領域内に、動く歩道やエスカレータのような自動的に移動する機構を備える装置の存在の有無とその移動速度と移動方位に関する情報を画像データベースの地図のピクセル画像に持たせている。これによって、位置記憶装置１０１が出力するノンパラメトリックな分布の位置情報群１１０と移動ベクトル推定装置１０２が出力する移動ベクトル１１１、その確からしさ情報１１２に基づいて、画素交差判定装置１０４内で生成される位置候補群は、その自動的に移動する機構によって移動させられる移動ベクトルだけ加算して生成されることで、本来の移動ベクトルに適切に補正される。

図８に示すように、画像データベースが格納している地図のピクセル画像には、動く歩道の領域４０２と、動く歩道の移動ベクトル４０１の情報が付加されており、これらの情報に基づいて、動く歩道領域上に乗った候補群４００については、画像データベースからの情報に基づいて位置を自動的に移動させて更新する。図１の構成の場合には、画像データベース１０５に蓄積されている地図のピクセル画像には、フロア間やフロア内の自動的な移動機能を備える装置に対応する領域に、フロア間やフロア内の自動的な移動機能を備える装置の移動速度や方向に関する情報が付与されており、画素交差判定装置１０４の移動候補群の判定処理では、動く歩道のような移動機能を備える装置をあらわす領域４０２内に存在する位置候補群４００について、動く歩道の移動ベクトル４０１の移動速度と方向に基づいてその分だけ移動させて、位置候補群が生成される。

移動ベクトルの補正は、画素交差判定装置１０４の処理結果に基づいて行われるように構成されても良い。図９は、移動ベクトルの誤差を補正する機能を備えた移動体の測位装置の構成を説明する図である。図９に示すシステム構成では、このダイアグラムに示すように、画素交差判定装置１１０４から補正信号１１１８が移動ベクトル推定装置１１０２に供給されるように構成される。画素交差判定装置１１０４において、位置候補群の各候補について移動・通過できない画素との交差判定を行う過程で、移動・通過できない画素と交差する候補が全体の多数を占める場合には、その交差する角度を移動ベクトル推定装置１１０２の推定誤差とみなして誤差補正信号として出力する。

図１０は、画素交差判定装置により移動ベクトルの誤差が算定される様子の一例を説明する図である。すなわち、図１０に示すように、移動ベクトル推定装置１１０２が出力した移動ベクトル５０１に基づいて、位置候補群５００の移動処理を行う場合、画素交差判定装置１１０４の処理では、領域交差判定によって除外された位置の候補群を判別し、除外された候補群が全体の大半を占めた場合には、直線路の方向５０２と、移動ベクトル５０１とのなす角度を移動ベクトル推定装置（デッドレコニング装置）１１０２の移動方位の誤差としてフィードバックする。

本発明による移動体の測位装置は、移動体のデッドレコニング装置との組み合わせが最も効率的な実施形態の一つとなる。デッドレコニング装置では、移動体の移動ベクトルを出力する機能を備えていることが期待されるため、移動ベクトル推定装置として、デッドレコニング装置をそのまま利用することが可能となる。デッドレコニング装置の多くは内部状態の更新処理をカルマンフィルタとして実装していることが多く、この場合は移動ベクトルとその確からしさの情報をパラメトリックに出力することができる。

また、一般的にデッドレコニング装置は外部からの観測手段が得られるとき、その観測結果を内部の推定結果に反映する機能を備えている。例えば、カーナビゲーションシステムでは、車速パルス出力と車輪の向き（あるいはジャイロセンサ）の出力に基づくデッドレコニング装置を備えているが、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）から得られる観測を取り込む手段を持っている。

このようなシステムに、マップマッチングによる現在位置の補正結果を反映することにより、デッドレコニング装置の累積誤差を低減することが可能となる。図１１は、移動体の測位装置をデッドレコニング装置と組み合わせて実装するときの実施形態であるシステムの一例のダイアグラムであり、その実施形態のシステムの一例をダイアグラムで示したものである。図１１において、位置記憶装置７０１は、現在位置に関する情報をノンパラメトリックな分布を示す位置情報群として保持し、出力７１０として、位置候補群生成装置７０３にその情報を渡す。デッドレコニング装置７０２は、離散時刻Ｔにおける移動ベクトル７１１とその確からしさ情報７１２を出力して、位置候補群生成装置７０３にその情報を渡す。

ここでの移動ベクトル７１１とその確からしさ情報７１２としては、例えば、デッドレコニング装置７０２に設けられたセンシング手段（ジャイロセンサや加速度センサ）によって得られる観測結果とその誤差分散共分散行列を利用することができる。カルマンフィルタの更新ループによってデッドレコニング装置が実装されるため、このような形態でデータを入手できる。

位置候補群生成装置７０３は、位置記憶装置７０１からの現在位置のノンパラメトリックな分布の出力７１０と、移動ベクトル７１１、その確からしさ情報７１２から次の離散時刻Ｔ＋１における位置の候補群（位置候補群の集合）７１４を生成して出力する。

位置の候補群７１４の集合は、位置の各候補について、移動前の位置と移動後の位置、その移動軌跡（例えば、移動前の点と移動後の点を結ぶ直線でもよい）、移動後の位置の確からしさの４つを情報として持っている。画素交差判定装置７０４においては、位置候補群生成装置７０３が出力する位置候補群を入力として、図１を参照する説明で記述したとおり、画像データベース７０５に蓄積されているピクセル画像群の画像データ７１５を取り出して、各候補の移動軌跡上に存在する画素の値に基づいて、マップマッチングを行い、次の時刻の確からしさを決定し、その位置候補群を更新して、更新された位置候補群７１６として出力する。分布生成装置７０６は、この位置候補群７１６を入力して、位置記憶装置７０１において保持するデータ構造（データ形式）のノンパラメトリックな分布の位置情報群７１７を生成して出力する。位置記憶装置７０１は、ノンパラメトリックな分布の位置情報群７１７を入力して、保持する内容を更新すると同時に、その情報を補正信号７１８としてデッドレコニング装置７０２に入力する。

図１２は、デッドレコニング装置の構成を示す図である。図１２に示すように、デッドレコニング装置８０１は、ジャイロセンサ（３軸）８０３と、速度センサ（３軸）８０４と、磁気センサ（３軸）８０５と、これらセンサのデータから移動ベクトルを算出する移動ベクトル推定装置８０２装置から構成されている。デッドレコニング装置と組み合わせる場合には、人に装着することを考慮して小型化できるセンサ（ジャイロセンサ、加速度センサ、地磁気センサ）によりシステムが構成される。

本発明の移動体の測位装置における移動ベクトル推定装置として、人に装着されることを想定する場合には、ジャイロセンサと地磁気センサ、加速度センサの組み合わせによって構成されるデッドレコニング装置を用いることが可能であり、コンパクトな実装システムを構築できる。ジャイロセンサ、地磁気センサ、加速度センサを組み合わせて人の歩行動作を解析して、その移動ベクトルを推定する装置は、例えば非特許文献４などによって実現することが可能である。

図１３は、人に装着されるデッドレコニング装置の構成を示す図である。移動ベクトル推定装置を、加速度センサと磁気センサをセンシング手段として用いて実装する場合のシステム構成の一例を示している。移動ベクトル推定装置が、歩幅推定装置と歩行方位推定装置、歩行動作検出装置の組み合わせによって構築されている。

図１４は、平行投影された３次元モデルを緯度・経度の座標系に位置合わせして取り囲むバウンディングボックスの一例を示す図である。本発明の移動体の測位装置において、マップマッチングに用いるピクセル画像は、既存の３次元モデルデータから生成することができる。この場合には、例えば、３次元モデルデータとして、Google SketchUpのようなソフトウェアを使うと容易に構築することが可能である。このモデルをGoogle Earthのようなソフトウェアに載せて配置すると、位置情報を付与することが可能であり、位置情報が付与された３次元モデルは地面に対して直交する方向に上から平行投影を行うと、人が移動・通過できない領域と、それ以外の領域とで異なる画素値が割り振られる。この平行投影された画像を、緯度・経度に対して位置合わせした上で最小のサイズとなるように含むバウンディングボックスを生成すると、その４隅の座標が画像の座標と一致する。図１４に、バウンディングボックスと３次元モデルを平行投影してできる画像の一例を示している。

ここでのピクセル画像の生成では、案内図のデータのように、画像内の領域に移動・通過のしやすさと位置・方位が属性として保存されている３次元モデルデータに基づいて、３次元モデルを地面に対して直交して真上から平行投影したときに、位置・方位を表現する座標系に位置合わせされたバウンディングボックスを生成する。

ここで生成するバウンディングボックスは、３次元モデルを投影される平面上において最小のサイズで含むバウンディングボックスであり、このバウンディングボックスの頂点の位置情報を、生成されるピクセル画像の位置情報として得る。そして、３次元モデルを平行投影によって射影して、移動・通過のしやすさの属性が投影時に画素値に反映するようにピクセル画像を生成する。生成したピクセル画像は、マップマッチングに用いるピクセル画像として画像データベースに格納する。

なお、３次元モデルにおいては、１フロア分のデータについて、床面から高さ方向に向かって物体がつまっている密度（Ｎ％）が求められて、その密度に応じて移動・通過のしやすさをあらわす画素値を、たとえば、８ビットグレイスケール画像の場合、画素値＝２５５＊（１００−Ｎ）／１００とする式によって算出することができる。

本発明による移動体の測位装置の基本的な構成を示すブロック図である。 画像データベースがスケーラブルベクターグラフィックスのようなベクター形式のデータを用いる場合の移動体の測位装置の構成を説明する図である。 画像データベースがスケーラブルベクターグラフィックスのようなベクター形式のデータを用いる場合の移動体の測位装置の別の構成を説明する図である。 マップマッチングの交差判定によって位置候補群が選別されるフローチャートである。 マップマッチングに用いるピクセル画像の一例を示す図である。 ピクセル画像に基づくマップマッチングによって位置候補群が選別される様子を説明する図である。 パラメトリックな分布によって移動体の位置を表現した場合の処理の例を説明する図である。 動く歩道やエスカレータのような自動的に移動する機構を備えられた環境における移動候補群の判定処理を説明する図である。 移動ベクトルの誤差を補正する機能を備えた移動体の測位装置の構成を説明する図である。 画素交差判定装置により移動ベクトルの誤差が算定される様子の一例を説明する図である。 移動体の測位装置をデッドレコニング装置と組み合わせて実装するときの実施形態のシステムの一例のダイアグラムである。 デッドレコニング装置の構成を示す図である。 人に装着されるデッドレコニング装置の構成を示す図である。 平行投影された３次元モデルを緯度・経度の座標系に位置合わせして取り囲むバウンディングボックスの一例を示す図である。

符号の説明

１０１ 位置記憶装置
１０２ 移動ベクトル推定装置
１０４ 画素交差判定装置
１０５ 画像データベース
１１０ 位置情報群
１１１ 移動ベクトル
１１２ 確からしさ情報
１１５ 画像データ
１１７ 更新された位置情報群
２００ ピクセル画像
２０１ 白領域
２０２ 黒領域
３００ 位置情報群
３０１ 移動ベクトル
４００ 領域上の位置候補群
４０１ 動く歩道の移動ベクトル
４０２ 動く歩道の領域
５００ 位置候補群
５０１ 移動ベクトル
５０２ 直線路の方向
７０１ 位置記憶装置
７０２ デッドレコニング装置
７０３ 位置候補群生成装置
７０４ 画素交差判定装置
７０５ 画像データベース
７０６ 分布生成装置

Claims (11)

1. 移動体の現在位置とその確からしさの情報をノンパラメトリックな分布として指示する位置情報群を保持する位置記憶装置と、
   離散時刻Ｔにおける当該移動体の移動距離と方位をあらわす移動ベクトルとその確からしさの情報を出力する移動ベクトル推定装置と、
   当該移動体が移動する範囲の周辺地図を移動体の移動分解能に応じた解像度の画像群として保持する画像データベースと、
   前記周辺地図に基づいて前記位置情報群と移動ベクトルからマップマッチング処理を行う画素交差判定装置と
   を備えた移動体の測位装置であって、
   前記画像データベースは、前記周辺地図を前記移動体が移動可能な領域とそれ以外の領域とで異なる画素値を持ち、かつ位置情報との対応が既知であるピクセル画像群として蓄積し、
   前記画素交差判定装置は、
   前記位置記憶装置が保持する離散時刻Ｔに位置情報群と、前記移動ベクトル推定装置が出力する移動ベクトル、前記移動ベクトルの確からしさの情報に基づいて、離散時刻Ｔ＋１の位置候補群を生成し、
   前記位置候補群から、その各位置候補について、その移動前と移動後を結ぶ移動経路と、画像上の移動・通過できない画素との画素交差判定を行い、
   生成された位置候補群を取捨選択して残存する位置候補群を生成し、
   その結果を正規化して離散時刻Ｔ＋１の位置のノンパラメトリックな分布の位置情報群を生成すると共に、
   前記位置記憶装置の内容を更新する
   ことを特徴とする移動体の測位装置。
2. 移動体の現在位置とその確からしさの情報をノンパラメトリックな分布として指示する位置情報群を保持する位置記憶装置と、
   離散時刻Ｔにおける当該移動体の移動距離と方位をあらわす移動ベクトルとその確からしさの情報を出力する移動ベクトル推定装置と、
   当該移動体が移動する範囲の周辺地図をベクター形式の画像群として保持する画像データベースと、
   前記周辺地図に基づいて前記位置情報群と移動ベクトルからマップマッチング処理を行うベクター交差判定装置と
   を備えた移動体の測位装置であって、
   前記画像データベースは、前記周辺地図を前記移動体が移動可能な領域とそれ以外の領域とで異なるデータ値を持つベクター形式で、かつ位置情報との対応が既知であるベクター画像群として蓄積し、
   前記画素交差判定装置は、
   前記位置記憶装置が保持する離散時刻Ｔに位置情報群と前記移動ベクトル推定装置が出力する移動ベクトル、前記移動ベクトルの確からしさの情報に基づいて、離散時刻Ｔ＋１の位置候補群が生成され、
   前記位置候補群から、その各位置候補について、その移動前と移動後を結ぶ移動経路と、ベクター画像上の移動・通過できない領域との領域交差判定を行い、
   生成された位置候補群を取捨選択して残存する位置候補群を生成し、
   その結果を正規化して離散時刻Ｔ＋１の位置のノンパラメトリックな分布の位置情報群を生成すると共に、
   前記位置記憶装置の内容を更新する
   ことを特徴とする移動体の測位装置。
3. 請求項１または２に記載の移動体の測位装置において、
   前記位置記憶装置が保持する位置情報群は、
   移動体の現在位置とその確からしさの情報をパラメトリックな分布として指示する位置情報である
   ことを特徴とする移動体の測位装置
4. 請求項１または２に記載の移動体の測位装置において、
   前記位置候補群は離散的な位置情報とその確からしさに関する情報を持つ
   ことを特徴とする移動体の測位装置。
5. 請求項１に記載の移動体の測位装置において、
   前記画像データベースに蓄積されるピクセル画像群のピクセル画像は、その画像内の領域の移動・通過のしやすさにしたがって対応する画素値の大きさが異なるものであり、
   前記画素交差判定装置は、移動経路上で画素値の大小に応じて交差判定結果を算定すると共に、交差の度合いと画素値の大きさに基づいて各々の位置候補群の確からしさを減少させる
   ことを特徴とする移動体の測位装置。
6. 請求項１または２に記載の移動体の測位装置において、
   前記画像データベースに蓄積されている地図のフロア間やフロア内の自動的な移動機能を備える装置に対応する領域には、フロア間やフロア内の自動的な移動機能を備える装置の移動速度や方向に関する情報が付与されており、
   前記画素交差判定装置によって、前記移動機能を備える装置をあらわす領域内に存在する位置候補群については、前記移動速度と方向の分だけ移動させて前記位置情報群を生成する
   ことを特徴とする移動体の測位装置。
7. 請求項１に記載の移動体の測位装置において、
   前記画像データベースに蓄積されるピクセル画像群のピクセル画像には、平面上の隣接状態に関する情報が付与されており、
   前記画素交差判定装置は、蓄積されているピクセル画像の間をまたぐ移動ベクトルが推定されて入力されたときに、画像データベースから前記移動ベクトルの移動可能な位置候補群をすべて含む複数のピクセル画像群を選択して、前記移動ベクトルに対して交差判定に必要な画素データを取得する
   ことを特徴とする移動体の測位装置。
8. 請求項１に記載の移動体の測位装置において、
   前記画像データベースに蓄積されるピクセル画像群のピクセル画像には、位置の高さ方向への隣接状態に関する情報が付与されており、
   前記画素交差判定装置は、移動体の上下方向への移動を表す移動ベクトルが生成されたとき、移動ベクトルの移動可能な位置候補群をすべて含む上下間に接続されているピクセル画像群を選択して、その移動ベクトルに対する交差判定に必要な画素データを取得する
   ことを特徴とする移動体の測位装置。
9. 請求項１または２に記載の移動体の測位装置において、
   前記移動ベクトル推定装置が出力する移動ベクトルが、前記画素交差判定装置による交差判定処理において、連続した直線通路を表す地図上において時系列方向に連続して通過できない領域に交差する候補が多数存在するとき、
   その直線通路と移動ベクトルの多数のなす角度を、移動ベクトル推定装置の出力する移動方位の誤差推定に用いて、前記移動ベクトル推定装置の出力する誤差を補正する
   ことを特徴とする移動体の測位装置。
10. 請求項１または２に記載の移動体の測位装置において、
    前記移動ベクトル推定装置は、歩行動作検出装置と歩幅推定装置、歩行方位推定装置から構成され、
    前記歩行動作検出装置は歩行動作の有無とその確からしさの情報を出力し、
    前記歩幅推定装置は歩幅とその確からしさの情報を出力し、
    前記歩行方位推定装置は移動方位とその確からしさの情報を出力し、
    歩行動作の有無とその確からしさの情報、歩幅とその確からしさの情報、移動方位とその確からしさの情報に基づいて移動ベクトルとその確からしさの情報を出力する
    ことを特徴とする備えた移動体の測位装置。
11. 請求項１に記載の移動体の測位装置に用いるピクセル画像を生成する方法であって、
    画像内の領域に移動・通過のしやすさと位置・方位が属性として保存されている３次元モデルデータに基づいて、
    ３次元モデルを地面に対して直交して真上から平行投影したときに、位置・方位を表現する座標系に位置合わせされたバウンディングボックスであって、かつ３次元モデルを投影される平面上において最小のサイズで含むバウンディングボックスを生成し、
    前記バウンディングボックスの頂点の位置情報を、生成されるピクセル画像の位置情報として得ると共に、
    前記３次元モデルを平行投影によって射影して、移動・通過のしやすさの属性が投影時に画素値に反映するようにピクセル画像を生成し、
    生成したピクセル画像を画像データベースに格納する
    ことを特徴とするピクセル画像を生成する方法。

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