JP2009060181A - 位置情報取得システム及び受信端末 - Google Patents

Abstract

【課題】屋内における高精度な位置特定を可能にするために、可視光送信装置と６軸センサを組み合わせることによって、位置の推定を行うこと
【解決手段】端末１００側に搭載される３軸加速度センサ１３０によって、重力ベクトルに対する端末の傾きを検知し、同様に搭載される３軸地磁気センサ１４０によって地磁気ベクトルに対する端末１００の方位を検知する。
ＬＥＤ照明器具（光源）２００から伝送される位置情報から、絶対的な位置の情報が取得可能となり、この絶対的な位置と端末１００の傾きと方位とを組み合わせることにより、受信端末１００が存在する位置を、高精度に推定するものである。端末の視野角（ＦＯＶ×２度）にＬＥＤ照明器具が入るとき、可視光送信機からの位置情報を取得可能となる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、可視光通信による位置情報の取得に関し、特に、精密な位置情報を取得することができるシステムに関するものである。

近年、ＧＰＳによる位置検出や平面地図表示といったナビゲーションサービスが携帯電話向けに実用化されている。既存の主な位置情報取得システムには例えば、以下のようなものが挙げられる。
（１）ＧＰＳ測位
ＧＰＳ測位の原理は受信機と３個の衛星との距離を測ることがシステムの基本であり、衛星から送信された電波が受信機に到達するまでに要した時間を測定することで、ＧＰＳ衛星との距離に変換するものである。
ＧＰＳ測位を行うためには少なくとも同時に４個以上のＧＰＳ衛星を捉えることが要求されることとなり、トンネルの中やビルの谷間、木陰や地下街、建物の中など、ＧＰＳ衛星との間に遮蔽物がある環境ではこのシステムが機能せず、特に屋内における測位では問題となる。

（２）通信基地局を利用した測位
ＧＰＳを用いた測位方式の他に、ＰＨＳや携帯電話の通信基地局を用いて利用者の位置を特定するセル方式という測位方法が存在する。
１つの基地局がカバーする範囲が狭いことから複数の基地局を設置することでサービスエリアを構築しており、この特徴を利用して、ＰＨＳ端末が受信する複数の基地局の電界強度から位置を推定するものである。実用化されているサービスでは最大１０個の基地局からの電波を受信して位置を推定するものであり、測位精度は基地局が多い都市部においても１００ｍ程度である。
このシステムではＰＨＳのサービスエリア内であれば測位が可能となるため、基地局が多数設置されている地下鉄やビル内においても測位は可能となる。
また、同様に携帯電話においても基地局を利用したサービスが提供されているが、携帯電話の基地局はＰＨＳに比べて１つの基地局がカバーする範囲が数１００ｍ〜数ｋｍと広いことから測位精度が低下するという問題点がある。

さて、歩行者ナビゲーションにおける測位方式では、ＧＰＳまたはＰＨＳ・携帯電話の通信基地局を利用したハイブリッド測位が一般的に用いられているが、ＧＰＳ衛星の電波を十分に受信することができない、窓から離れた屋内や地下街では位置を割り出すことができず、通信基地局を利用した測位のみとなることから誤差が３００ｍ以上になる場合があるとされている。
また、通信基地局を利用した測位においても、携帯電話のセルサイズは一般的に数１００ｍ〜数ｋｍであることから、ＧＰＳ測位が使用できない屋内環境下においては大きな測位誤差を生じることは避けられない。つまり、ＧＰＳ測位では電波が届かない場所での測位が課題となり、また通信基地局を利用した測位ではその測位精度に問題が生じる。

このような問題を解決する手段として、無線ＬＡＮやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＲＦＩＤなどの近距離無線を利用したローカル測位や、他の内蔵センサでＧＰＳ情報を補完するセンサ測位が検討されている。
近距離無線通信による位置情報取得の原理は、携帯電話の通信基地局を利用したセル方式と同様のものであり、無線ＬＡＮのアクセス・ポイント（ＡＰ）やＢｌｕｅｔｏｏｔｈ通信機器、ＲＦＩＤのアクティブ・タグなどの無線発信器が携帯電話における基地局の役割を果たし、携帯電話が電波を受信したＡＰの位置を携帯電話の位置とするものである。
ローカル測位では、同じセル方式でも携帯電話の基地局と比べてセル半径が小さいために精度の高い位置情報が得られる他、複数のアクセス・ポイントからの電波を利用して３点測量の原理で位置算出を行うことにより、より高精度な位置情報が取得可能であると期待されている。

しかし、ローカル測位は近距離無線設備のある場所でしか使用できないことに加えて、アクセス・ポイントを設置する必要があるといった課題が挙げられ、また加速度センサや地磁気センサによって現在の位置を算出するセンサ測位においても、ＧＰＳ電波の届かない場所での長時間の利用では誤差の蓄積が懸念されるといった問題点が挙げられる。
さらに、磁気コンパスを内蔵することで進行方向に応じて平面地図を回転表示するヘディング・アップ機能を搭載する技術も実用化されている。

しかし、平面地図表示だけでは利用者が頭の中で周囲の建物の配置と対応付けることが要求されることから、より身近なナビゲーションサービスを実現するために、直感的に周囲の状況を把握可能にする技術が開発された。
それは、ＧＰＳと姿勢探知技術を組み合わせ、自分の位置情報と手に持った端末の３次元的な姿勢を検出し、位置情報と端末の姿勢の変化から携帯端末の画面に自分の周囲の様子や目的の方向を３次元的に表示するナビゲーション技術である。

３次元姿勢探知技術は、３軸の加速度センサを用いて端末の傾きを検知し、３軸の地磁気センサを用いることによって端末の向いている方角を検知するものであり、このような６軸センサ（３軸加速度センサ＋３軸地磁気センサ）を利用することによって端末の全ての姿勢状態を検知することが可能になる。
これらにはＭＥＭＳ技術を活用した加速度センサと小型の地磁気センサが採用されており、センサを姿勢検知演算用ＣＰＵと共に１枚のボードに実装することにより姿勢検知ユニットの小型化を図ることにも成功しており、今後ますます携帯電話への搭載が期待される（非特許文献１参照）。
しかし、現在の技術では、屋内での位置検出を行うに当たり、ＲＦＩＤなどのＩＣタグを用いる方法が提案されているに留まり、インフラ整備の必要性があるなどの問題点が挙げられる。
「携帯・自動車・ロボット狙い 複合センサーの開発が続々 加速度，角速度，方位の検出を１パッケージで」，日経マイクロデバイス，２００６年７月号，ｐ８９−９１ 小峯敏彦，田中裕一，春山真一郎，中川正雄，"白色LED を用いた照明光通信の提案" 信学技報，OCS2001-71，2001

本願発明の目的は、屋内における高精度な位置特定を可能にするために、可視光送信装置と６軸センサを組み合わせることによって、位置の推定を行うことである。

本発明の目的を達成するために、本発明は、設置されている位置の情報を、可視光により送信する光源と、３軸加速度センサと、３軸地磁気センサと、光源からの位置情報を受信する可視光受信部と、演算部とを備える可視光受信端末とを備え、前記受信端末は、前記可視光受信部により受信した前記光源の位置情報と、前記３軸加速度センサによる３次元の姿勢情報及び前記３軸地磁気センサによる３次元の方位とにより、前記演算部で補正された端末の位置情報を演算することを特徴とする位置情報取得システムである。
また、３軸加速度センサと、３軸地磁気センサと、光源からの位置情報を受信する可視光受信部と、演算部とを備える可視光受信端末も本発明であって、前記可視光受信部により受信した光源の位置情報と、前記３軸加速度センサによる３次元の姿勢情報及び前記３軸地磁気センサによる３次元の方位とにより、前記演算部で補正された端末の位置情報を演算することを特徴とする。
前記可視光受信部は、予め定めた視野角を有することで、正確な位置を演算することができる。

本願発明では、可視光通信によって伝送される光源からの位置情報に加えて、６軸センサに搭載された３軸加速度センサの傾きデータと３軸地磁気センサによる方角の情報を用いることによって、位置推定範囲を限定し、高精度な位置の推定を行っている。
これにより、ＬＥＤ照明器具に受信端末をかざすだけで、屋内において位置を推定することが可能となる。近年では赤外線通信機能（ＩｒＤＡ）がほとんどの携帯電話に搭載されていることから、受信端末として、携帯電話のフォトダイオード（ＰＤ）を想定することで、送受信共にインフラ整備の観点からも問題を解決できる。

図面を用いて、本願発明の実施形態を説明する。
本システムの概要を図１により説明する。
本システムでは、ＬＥＤ照明器具（光源）２００から伝送される可視光送信装置からの位置情報を端末１００によって受信することで、ＧＰＳのように絶対的な位置情報が端末に取得可能となる。なお、可視光送信装置等については、非特許文献２を参照されたい。
しかし、図１における大きい円の部分が示しているように、ＬＥＤ２００の照射範囲内であればあらゆる場所で同一の可視光送信装置からの情報が受信可能となることから、可視光送信機の受信可能エリア内で誤差が生じることになる。
この問題を回避し可視光送信機からの照射範囲内での誤差を低減するために、端末１００のＦＯＶ（Field of View：視界）を制限することが考えられる。しかし、単に端末の視界を制限した場合、受信可能エリアは数ｍに限定されることから、ＲＦＩＤなどのローカル測位同様、近距離無線設備のある場所での使用に限られることとなる。
つまり、可視光による位置情報取得システムにおいては、送信機としてＬＥＤ照明２００を考えているため、ＬＥＤが広範囲に照射する中で、真下に受信機があるときのみ、正確な位置情報を得ることが可能ということになる。
また、端末１００の傾きは考慮されていないことから、受信端末を真上に向けた状態で可視光送信機からの情報を受信しなければならないといった欠点も挙げられ、実用性に乏しいと言える。
そこで、本システムでは、端末１００に設置した６軸センサを組み合わせることを考え、この６軸センサの傾きデータを利用することによって、ＬＥＤ照明の真下以外でも可視光送信機からの位置情報を受信可能にし、ＬＥＤ照明からの位置情報を受信できるあらゆる場所において、高精度に位置を推定している。

図２は、本システムの概念図を示したものである。
図２に示したシステムでは、端末１００側に搭載される３軸加速度センサ１３０によって、重力ベクトルに対する端末の傾きを検知し、同様に搭載される３軸地磁気センサ１４０によって地磁気ベクトルに対する端末１００の方位を検知する。
ＬＥＤ照明器具（光源）２００から伝送される位置情報から、絶対的な位置の情報が取得可能となり、この絶対的な位置と端末１００の傾きと方位とを組み合わせることにより、受信端末１００が存在する位置を、高精度に推定するものである。端末の視野角（ＦＯＶ×２度）にＬＥＤ照明器具が入るとき（ＬＥＤ照明器具が受信端末１００の視野内にあるとき）、可視光送信機からの情報を取得可能となる。

図３に端末１００の構成を、ブロック図で示す。
本システムの端末１００では、可視光の光源２００から得た位置情報を、フォトダイオード等の受光素子１１０，受信装置１２０により得る。さらに、３軸加速度センサ１３０と３軸地磁気センサ１４０を組み合わせた６軸センサによって、端末１００の傾きおよび方向を検出する。これらの情報を演算装置１５０によって計算して、予め与えられている端末の視野角を考慮し、端末１００の正確な位置を推測する。これによって得られた結果をディスプレイ制御装置１７０に送ることでディスプレイ１８０に位置情報を表示する。
また、必要ならば、データ送信装置１６０により、得られた端末１００の位置情報を他の装置に送信することも可能である。
このように、本システムでは、端末（受信機）１００のＦＯＶを制限することで、通信可能エリアを限定して測位誤差を小さくすることが可能である。

本システムにおける位置推定では、端末１００の傾きによって位置を推定することから、その精度は、ＬＥＤ照明器具（光源）２００と受信端末１００との高さに大きく影響を受ける。よって、可視光送信装置からの情報に絶対位置を参照する位置情報に加えて、天井の高さに関する情報を付加することによって、さらに高精度な位置推定が期待される。
この場合は、演算装置１５０において、受信した光源２００の位置情報及び光源２００の高さの情報と端末１００の傾き，方向の情報を用いて、位置を推定する。
このように、６軸センサを用いることで、照明の真下以外の場所で位置情報を受信した際にも、測位の推定が可能となる。つまり、端末をＬＥＤ照明にかざすだけで、より高精度な測位が可能となるシステムである。
推定されるエリアは、受信端末の傾きに応じて通信エリアに差異が生じることから、受信端末の傾きデータと可視光送信機を組み合わせることにより、位置の情報を得ることができる。

図４は、受信端末の傾きと方位により、位置の推定を行うことを説明するための図である。図４（ａ）は、光源（送信器）２００と受信端末１００との関係を示しており、図４（ｂ）は受信端末１００の回転角αを、図４（ｃ）は受信端末１００の傾き角θを示している。
図４（ａ）に示すように、点Ｂを可視光の位置情報を送信するＬＥＤの光源２００とし、その座標を（ｘ_ｔ，ｙ_ｔ，ｚ_ｔ）とする。また、受信端末１００の中心座標を点Ｒとし、この座標を（ｘ_ｒ，ｙ_ｒ，ｚ_ｒ）とする．受信端末１００は、θ方向とα方向に傾きを持ち、送受信機間ＢＲの距離をｄとする。端末１００から天井までの距離ＡＲをｄ_ｖ，受信端末１００から天井に向かって伸ばした法線と天井との交点を点Ｃとする。このとき∠ＡＲＣ はθとなり、∠ＢＲＣをξとする。また、線分ＡＲ，ＢＲ，ＡＣは、
ＡＲ＝ｄ_ｖ＝ｚ_ｔ−ｚ_ｒ （１）
ＢＲ＝ｄ＝√｛（ｘ_ｔ−ｘ_ｒ）^２＋（ｙ_ｔ−ｙ_ｒ）^２＋（ｚ_ｔ−ｚ_ｒ）^２｝（２）
ＡＣ＝ｄ_ｖｔａｎθ （３）
となり，受信端末から天井へ伸ばした線分ＣＲは、線分ＡＣ，ＡＲを用いて以下の式で示される。
ＣＲ＝√(ＡＣ^２＋ＡＲ^２) （４）
また，線分ＢＣは座標による計算から、
ＢＣ＝√｛（ｘ_ｒ＋ＡＣｃｏｓα−ｘ_ｔ）^２＋（ｙ_ｒ＋ＡＣｓｉｎα−ｙ_ｔ）^２｝
（５）
となることから、ｃｏｓξは余弦定理を用いて以下の式で表される．
ｃｏｓξ＝（ＢＲ^２＋ＣＲ^２−ＢＣ^２）／（２・ＢＲ・ＣＲ） （６）
可視光通信システムは、送受信機が見通し範囲内であれば受信可能であるため、ＬＥＤ 照明が受信機の視野内にあるときに通信可能となる。そのため、以下の式が成立するとき通信可能となる。
ｃｏｓξ＞＝ｃｏｓΨ_ｃ （７）

推定される位置の範囲（誤差）は、受信機の傾き角が増すにつれて増加し、推定される位置はある程度の範囲を持つ。これを、図５に示す。図５（ａ）は受信端末の視野角５ｄｅｇ（度）であり、図５（ｂ）は２０ｄｅｇ（度）の場合である。グラフでは、横軸に部屋のx 軸成分を示し、縦軸にy 軸成分を示す。
図５（ａ）より、受信機の傾き角θに応じて通信エリアに差異が生じることから、受信端末の傾きデータと可視光による位置情報システムを組合せることで位置の識別をすることが可能であると言える。推定される範囲は、図５（ａ）に示されるように受信機の傾き角θが増すにつれて増加しており、推定される位置はある程度の範囲を持つ。しかし、受信機の傾き角θが６０ｄｅｇの場合においても、直径３ｍ以内の円に限定されることから、視野角が５度とすれば、３ｍの範囲内となり、高精度な位置推定という観点において目的を達成する。

図５（ｂ）は受信機のＦＯＶを２０ｄｅｇと変化させた場合であり、図５（ａ）と比較することで、受信機の傾き角θの違いによる位置推定範囲を図示したものである。
本システムにおいて推定される範囲は、受信機の傾き角θが大きくなるに従ってそのエリア面積は大きくなる。図５（ｂ）の場合においては、受信端末の傾き角θが６０ｄｅｇ のとき、直径２０ｍ弱もの広い範囲内に受信端末が存在することが分かるのみであるため、室内での利用を想定した場合にはあまり実用的・魅力的ではない。しかし、図５（ａ），（ｂ）を比較することで、受信端末のＦＯＶを狭めることで推定される面積は減少していることが分かる。このことから、受信機のＦＯＶを狭い角度に制限することによって位置推定範囲の限定が可能となる。

可視光通信の位置情報システムを用いた位置推定では、受信端末の高さ、すなわち利用者の高さによって推定されるエリア面積に影響を及ぼすものと考えられる。そのため、ここでは、受信機の高さの影響について解析を行う。
図６（ａ）は、受信機の傾き角θを６０ｄｅｇとした場合に、受信端末の高さを１．０ｍ〜２．０ｍの間で変化させたときの位置推定範囲への影響について解析を行った結果である。図６（ａ）より、受信端末の高さを変化させることによって、ｘ軸方向にエリアがシフトしていることが分かる。これから、位置情報を受信する際の端末の高さによって推定される位置に誤差が生じている。
また、受信端末の高さが位置推定範囲に与える影響は傾き角θの大きい方が顕著に現れることが明らかである。しかし、傾き角θが６０ｄｅｇの場合においても、受信端末の高さによる推定誤差は約４．５ｍであることから、屋内環境での歩行者の案内には十分な精度であると言える。

受信端末の傾き角θが４５ｄｅｇ以下であれば、受信端末の高さによる位置推定範囲への影響は大幅に小さくなることから、受信端末の高さは高精度な位置推定にさほど影響を及ぼさないと考えられる。
図６（ｂ）は図６（ａ）と同様に、受信端末の傾き角θが４５ｄｅｇの場合を図示したものである。このとき、受信端末の高さに起因した誤差は約２．５ｍであることから、受信端末の高さによる位置推定範囲への影響は，受信端末の傾き角θの減少によって低減されることは明らかである．

６軸センサを用いた位置検出では、３軸加速度センサおよび３軸地磁気センサの精度が位置推定範囲に大きく影響を与える。ここで、３軸地磁気センサの精度を±６．３７５ｄｅｇ、また、３軸加速度センサの精度を±２ｄｅｇとした際の、位置推定範囲について解析を行った結果を図７に示す。
図７中の楕円状の位置推定範囲の周りを囲む範囲が、６軸センサの精度を考慮した位置推定範囲である。３軸加速度センサおよび３軸地磁気センサの測定精度の影響によって、推定されるエリア面積が増加していることが分かる。また、受信端末の傾き角θが６０ｄｅｇのとき推定範囲は比較的大きくなるが、直径約４ｍ以内の円に収まることから，ＧＰＳの測位精度数１０ｍ程度を大幅に改善しており、高精度な位置推定が可能である。
光源から伝送される位置情報は、受信端末のＦＯＶを限定しない場合（ＦＯＶ９０ｄｅｇ）、図７中の最も大きな円で表されたエリアが示すように、非常に広範囲で受信可能となってしまう。しかし、単に受信機のＦＯＶを限定するのでは図７中の中心の小さな円で示されるように、位置情報システムの受信可能エリアは極端に制限され、ユーザが照明の真下に来ないと位置が検出できないため非常に使いにくい。

本発明では、受信端末のＦＯＶを制限し，６軸センサの傾きデータを使用しつつ可視光位置伝送システムによって絶対位置情報を得ることで、推定される面積を小さくしつつ、ＬＥＤ照明の真下以外でも測位が可能となる。６軸センサの傾きデータを利用しない場合、ＦＯＶ９０ｄｅｇの場合における可視光位置伝送システムの受信可能エリアである大きい円の部分の面積はおよそ１７７ｍ^２であるのに対し、ＦＯＶを５ｄｅｇに制限し傾きデータを利用したとき、受信端末の傾き角θが６０ｄｅｇにおいて６軸センサの精度を考慮した場合に推定される範囲（図７中の最も大きな楕円状のエリア＋最も大きな楕円の周りを囲むエリア）は約９ｍ^２である。
これにより、本発明では単に可視光位置情報を受信する場合と比較して、推定される面積を約５％に限定することが可能となる。よって、本発明の方式を用いることで測位精度を面積比で２０倍に向上させることができる。
このように、センサ測位のみでは、誤差の蓄積から高精度な位置推定は困難であったが、絶対位置を伝送する可視光送信機からの情報に加えて、6軸センサの傾きデータを利用することによって端末を持つユーザの現在位置を推定する本システムは、誤差の蓄積という問題点を解決し、高精度な位置推定が可能である。

上述したように、本システムでは、可視光送信機としてLED照明器具、受信端末として例えば携帯電話に搭載される受光素子を想定することで、インフラの整備の観点からも問題を解決できる。
また、イメージセンサなどの複雑な装置を使用することなく、既存のシステムを活用することで位置の推定を実現できる。
さらに、可視光送信機と6軸センサを組み合わせることによって、センサ測位が持つ誤差の蓄積およびローカル測位が持つインフラ整備の問題を同時に解決でき、既存のシステムでは困難であった屋内での高精度位置推定を実現すると共に、屋内外におけるシームレスな位置サービスを構築できる可能性がある。
したがって、本システムは高精度に位置を推定する手法として多いに期待できると言える。

本システムの概要を説明するための図である。 本システムの原理を説明するための図である。 本システムにおける端末の構成を説明する図である。 本システムにおける位置の計算を説明する図である。 本システムにおける端末の視野角（ＦＯＶ）の影響を説明する図である。 本システムにおける端末の高さの影響を説明する図である。 本システムにおけるセンサの誤差の影響を説明する図である。

Claims (4)

1. 設置されている位置の情報を、可視光により送信する光源と、
   ３軸加速度センサと、３軸地磁気センサと、光源からの位置情報を受信する可視光受信部と、演算部とを備える可視光受信端末とを備え、
   前記受信端末は、前記可視光受信部により受信した前記光源の位置情報と、前記３軸加速度センサによる３次元の姿勢情報及び前記３軸地磁気センサによる３次元の方位とにより、前記演算部で補正された端末の位置情報を演算することを特徴とする位置情報取得システム。
2. 前記受信端末の可視光受信部は、予め定めた視野角を有することを特徴とする請求項１に記載の位置情報取得システム。
3. ３軸加速度センサと、３軸地磁気センサと、光源からの位置情報を受信する可視光受信部と、演算部とを備える可視光受信端末であって、
   前記可視光受信部により受信した光源の位置情報と、前記３軸加速度センサによる３次元の姿勢情報及び前記３軸地磁気センサによる３次元の方位とにより、前記演算部で補正された端末の位置情報を演算することを特徴とする可視光受信端末。
4. 前記可視光受信部は、予め定めた視野角を有することを特徴とする請求項３に記載の可視光受信端末。