JP2011232335A - 位置および方向を推定するシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 位置および方向を推定するシステムおよび方法を提供する。
【解決手段】 照射光を照射する１つ以上の光照射部を備える照射光送信装置と、前記照射光を受光する１つ以上の受光部を備える受光装置と、前記照射光送信装置あるいは前記受光装置のうちの１つを備える遠隔装置と、前記各受光部で受光する前記照射光の特性を測定して、前記測定された特性を用いて遠隔装置の少なくとも１つの位置と方向を推定する推定装置とを備える。
【選択図】 図３

Description

目標の位置および方向を推定するシステムおよび方法に関する。より詳しくは、赤外線光の指向方向に係る受発光信号減衰特性を用いて対象の位置と方向を推定するモーションセンシング方法に関する。

移動する物体または、対象の３次元位置と方向を推定する技術は、従来映画、グラフィックス／アニメーション産業などで高価／大型モーションキャプチャ装備を用いて３次元空間内物体および人体、動物などの動きをセンシングすることに主に活用されてきた。

しかし、ゲーム産業関連ＣＥ（Ｃｏｎｓｕｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）向けのモーションセンシング技術が注目をあび始めることで、低価格／小型モーションキャプチャによる３次元位置および方向推定方法が数多く開発された。

空間で３Ｄ位置を推定する方法は、大きくカメラを用いる方法と赤外線光を用いる方法、慣性センサを用いる方法に区別することができる。

カメラを用いる方法の場合、複数の２Ｄカメラを用いてカメラ映像内に結像するマーカー／光源の位置を空間上の３次元位置に変換が可能である。しかし、カメラ解像度およびマーカーの大きさなどによって精密度が左右され、高精密なセンシングが難しい。

超音波を用いる方法の場合、超音波が空気中で音速（約３４０ｍ／ｓ）で進むことを利用して、超音波が発信部から受信部まで到達した時間（ＴＯＦ；Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）を測定すれば、距離を計算することができる。３つ以上の同一時点の距離情報を取得した後に、三角測量方式などの方法によって３次元位置を計算する。超音波の場合、カメラのような高価な装備に比べて低価格の装備で高精密なセンシングが可能であるという長所を有する。しかし、超音波は音波間の干渉によって同時発信が困難であり、空気中の超音波信号減衰時間（３ｍの距離で約１００ｍｓｅｃ所要）を勘案すれば、移動体に対するリアルタイムの位置推定が難しいという限界を有する。

慣性センサの場合、加速度、ジャイロセンサを用いて取得される運動および重力加速度、角速度を用いて計算される運動加速度成分を積分して３次元位置を推定することはできる。しかし、時間の経過に応じて誤差が累積し、短い時区間以内だけで位置推定が可能であり、長時間の位置推定には適していない。

本発明の実施形態により、赤外線光の指向方向に係わる受発光信号減衰特性を用いて対象の位置と方向を推定するシステム及び方法を提供する。

また、本発明の実施形態は、各受光部で光照射部別に照射した照射光の強度を測定し、前記測定した照射光の距離に応じて変化する強度と受光指向特性および発光指向特性を用いて遠隔装置の位置と方向を推定する位置および方向を推定するシステムおよび方法を提供する。

一側面において、照射光を照射する１つ以上の光照射部を備える照射光送信装置と、前記照射光を受光する１つ以上の受光部を備える受光装置と、前記照射光送信装置あるいは前記受光装置を備える遠隔装置および前記各受光部で受光する前記照射光の強度を測定して、前記照射光の距離に応じて変化する強度と受光指向特性および発光指向特性を用いて遠隔装置の位置と方向を推定する推定装置とを備える位置および方向を推定するシステムを提供する。

この時、前記光照射部が１つであれば前記受光部は少なくとも３つ以上で構成され、前記光照射部が２つであれば前記受光部は少なくとも２つ以上で構成され、前記光照射部が３つ以上であれば前記受光部は少なくとも１つ以上で構成されることができる。

この時、前記照射光送信装置に２つ以上の前記光照射部が含まれる場合、前記各光照射部の指向方向が互いに異なり、前記指向方向の間の角度が予め設定される。

この時、前記受光装置に２つ以上の前記受光部が含まれる場合、前記各受光部の位置と指向方向は予め設定される。

この時、前記照射光送信装置は、２つ以上の前記光照射部を備える場合、前記光照射部が順次前記照射光を照射するようにし、前記受光装置は前記各受光部を介して受光される前記照射光の順序によって前記光照射部を区分してもよい。

この時、前記照射光送信装置は、２つ以上の前記光照射部を備える場合、前記照射光送信装置は前記照射光を送信する前に、同期信号を送信して前記受光装置と同期化してもよい。

この時、前記照射光送信装置は、２つ以上の前記光照射部を備える場合、前記照射光送信装置は備えている変調部を用いて前記光照射部別に互いに異なる周波数の照射光を同時に照射し、前記受光装置は前記各受光部を介して受光される前記互いに異なる周波数の照射光をフィルタを用いて分離して前記光照射部を区分してもよい。

この時、前記光照射部は、前記照射光を周辺光またはノイズに強い予め設定された周波数で照射してもよい。

この時、前記受光指向特性は、前記受光部で前記照射光を受光する時の指向方向によって受光される強度が変化する特性である。

この時、前記発光指向特性は、前記光照射部から前記照射光を照射する時の指向方向によって受光される強度が変化する特性である。

この時、前記推定装置は、前記光照射部の数が１つで、前記受光部の数が３つで、前記遠隔装置の３軸の方向がすべて固定された場合、または、前記光照射部の数が３つで、前記受光部の数が１つで、前記遠隔装置の３軸の方向がすべて固定された場合、前記遠隔装置の３次元位置を推定することができる。

この時、前記推定装置は、前記光照射部の数が１つで、前記受光部の数が４つで、前記遠隔装置の３軸の方向のうちロール（ｒｏｌｌ）とピッチ（ｐｉｔｃｈ）が固定された場合、または、前記光照射部の数が４つで、前記受光部の数が１つで、前記遠隔装置の３軸の方向のうちロールとピッチが固定された場合、前記遠隔装置の３次元位置と前記遠隔装置の３軸方向のうちヨー（ｙａｗ）を推定することができる。

この時、前記推定装置は、前記光照射部の数が１つで、前記受光部の数が４つで、前記遠隔装置の３軸の方向のうちロールが固定された場合、または、前記光照射部の数が４つで、前記受光部の数が１つで、前記遠隔装置の３軸の方向のうちロールが固定された場合、前記遠隔装置の２次元平面上の位置と前記遠隔装置の３軸方向のうち２次元平面上の方向のピッチとヨーを推定することができる。

この時、前記推定装置は、前記光照射部の数が１つで、前記受光部の数が５つで、前記遠隔装置の３軸の方向のうちロールが固定された場合、または、前記光照射部の数が５つで、前記受光部の数が１つで、前記遠隔装置の３軸の方向のうちロールが固定された場合、前記遠隔装置の３次元位置と前記遠隔装置の３軸方向のうちピッチとヨーを推定することができる。

この時、前記推定装置は、前記光照射部の数が２つで、前記受光部の数が２つで、前記遠隔装置の３軸の方向のうちロールが固定された場合、前記遠隔装置の２次元平面上の位置と前記遠隔装置の３軸方向のうち２次元平面上の方向のピッチとヨーを推定することができる。

この時、前記推定装置は、前記光照射部の数が２つ以上で、前記受光部の数が３つ以上の場合、または、前記光照射部の数が３つ以上で、前記受光部の数が２つ以上の場合、前記遠隔装置の３次元位置と前記遠隔装置の３軸方向のロール、ピッチ、およびヨーを推定することができる。

一方、前記１つ以上の光照射部のうち少なくとも１つは、電子機器をコントロールするリモコンの赤外線発信部であり、前記照射光送信装置は、前記遠隔装置の位置と方向を検出するために照射光を照射する場合と前記電子機器をコントロールする照射光を照射する場合に、互いに異なるコードでエンコーディングして送信し、前記受光装置は、前記リモコンの赤外線発信部で動作可能な光照射部の照射光を復号化し、前記遠隔装置の位置および方向を計算するための前記照射光と判断される場合に、受光した前記照射光を前記推定装置に提供してもよい。

一側面において、１つ以上の光照射部を備える照射光送信装置から照射光を照射するステップと、１つ以上の各受光部で前記照射光を受光するステップと、前記各受光部で受光した前記照射光の強度を測定するステップと、前記測定した照射光の距離に応じて変化する強度と受光指向特性および発光指向特性を用いて前記照射光送信装置あるいは前記受光装置を備える遠隔装置の位置と方向を推定するステップとを備える位置および方向を推定する方法が提供される。

この時、前記光照射部が１つであれば前記受光部は少なくとも３つ以上で構成され、前記光照射部が２つであれば前記受光部は少なくとも２つ以上で構成され、前記光照射部が３つ以上であれば前記受光部は少なくとも１つ以上で構成されることができる。

この時、前記照射光送信装置に２つ以上の前記光照射部が含まれる場合、前記各光照射部の指向方向が互いに異なり、前記指向方向の間の角度が予め設定される。

この時、前記受光装置に２つ以上の前記受光部が含まれる場合、前記各受光部の位置と指向方向は予め設定される。

この時、前記照射光送信装置は、２つ以上の前記光照射部を備える場合、前記照射光を照射するステップは前記光照射部が順次前記照射光を照射するようにし、前記照射光を受光するステップは受光される前記照射光の順序によって前記光照射部を区分してもよい。

この時、前記照射光送信装置は、２つ以上の前記光照射部を備える場合、前記照射光を照射するステップに先立ち同期信号を送信して前記受光装置と同期化するステップをさらに備えることができる。

この時、前記照射光送信装置は、２つ以上の前記光照射部を備える場合、前記照射光を照射するステップは、前記光照射部を介して互いに異なる周波数の照射光を照射し、前記照射光を受光するステップは前記互いに異なる周波数を用いて前記照射光を送信した前記光照射部を区分してもよい。

この時、前記照射光を照射するステップは、前記照射光を周辺光またはノイズに強い予め設定された周波数で照射してもよい。

この時、前記受光指向特性は、前記光照射部から前記照射光を受光する時の指向方向によって受光される強度が変化する特性である。

この時、前記発光指向特性は、前記光照射部から前記照射光を照射する時の指向方向によって受光される強度が変化する特性である。

この時、前記位置と方向を推定するステップは、前記光照射部の数が１つで、前記受光部の数が３つで、前記遠隔装置の３軸の方向がすべて固定された場合、または、前記光照射部の数が３つで、前記受光部の数が１つで、前記遠隔装置の３軸の方向がすべて固定された場合、前記遠隔装置の３次元位置を推定することができる。

この時、前記位置と方向を推定するステップは、前記光照射部の数が１つで、前記受光部の数が４つで、前記遠隔装置の３軸の方向のうちロールとピッチが固定された場合、または、前記光照射部の数が４つで、前記受光部の数が１つで、前記遠隔装置の３軸の方向のうちロールとピッチが固定された場合、前記遠隔装置の３次元位置と前記遠隔装置の３軸方向のうちヨーを推定することができる。

この時、前記位置と方向を推定するステップは、前記光照射部の数が１つで、前記受光部の数が４つで、前記遠隔装置の３軸の方向のうちロールが固定された場合、または、前記光照射部の数が４つで、前記受光部の数が１つで、前記遠隔装置の３軸の方向のうちロールが固定された場合、前記遠隔装置の２次元平面上の位置と前記遠隔装置の３軸方向のうち２次元平面上の方向のピッチとヨーを推定することができる。

この時、前記位置と方向を推定するステップは、前記光照射部の数が１つで、前記受光部の数が５つで、前記遠隔装置の３軸の方向のうちロールが固定された場合、または、前記光照射部の数が５つで、前記受光部の数が１つで、前記遠隔装置の３軸の方向のうちロールが固定された場合、前記遠隔装置の３次元位置と前記遠隔装置の３軸方向のうちピッチとヨーを推定することができる。

この時、前記位置と方向を推定するステップは、前記光照射部の数が２つで、前記受光部の数が２つで、前記遠隔装置の３軸の方向のうちロールが固定された場合、前記遠隔装置の２次元平面上の位置と前記遠隔装置の３軸方向のうち２次元平面上の方向のピッチとヨーを推定することができる。

この時、前記位置と方向を推定するステップは、前記光照射部の数が２つ以上で、前記受光部の数が３つ以上の場合、または、前記光照射部の数が３つ以上で、前記受光部の数が２つ以上の場合、前記遠隔装置の３次元位置と前記遠隔装置の３軸方向のロール、ピッチ、およびヨーを推定することができる。

一方、前記１つ以上の光照射部のうち少なくとも１つは、電子機器をコントロールするリモコンの赤外線発信部で動作可能であり、前記照射光を照射するステップは、前記遠隔装置の位置と方向を検出するために照射光を照射する場合と前記電子機器をコントロールする照射光を照射する場合に、互いに異なるコードでエンコーディングして送信し、前記照射光を受光するステップは、前記リモコンの赤外線発信部で動作可能な光照射部の照射光を復号化し、前記遠隔装置の位置および方向を計算するための前記照射光と判断される場合に、受光した前記照射光を前記推定装置に提供してもよい。

他の側面において、照射光を照射する光照射部を２つ以上備え、前記各光照射部の指向方向が互いに異なる方向に向かって、前記指向方向の間の角度が予め設定された角度で構成されるように前記光照射部が配置された位置および方向を推定するシステムの照射光送信装置が提供される。

この時、前記光照射部が順次前記照射光を照射するように制御する制御部をさらに備えることができる。

この時、前記光照射部別に互いに異なる周波数の照射光を照射するように前記照射光を変調する変調部をさらに備え、前記制御部は、前記互いに異なる周波数の照射光を前記光照射部を介して順次または同時に送信するように制御してもよい。

また、他の側面において、２つ以上の光照射部から互いに異なる指向方向を有する照射光を受光する受光部を２つ以上備え、前記各受光部の位置と指向方向は予め設定された位置および方向を推定するシステムの受光装置が提供される。

この時、前記受光部は、前記照射光を順次受信し、受信される順序によって対応する光照射部に区分してもよい。

この時、前記受光部は、前記照射光がそれぞれ互いに異なる周波数に変調した場合、互いに異なる周波数の前記照射光をフィルタを用いて分離して前記光照射部を区分してもよい。

各受光部で光照射部別に照射した照射光の強度を測定し、前記測定した照射光の距離に応じて変化する強度と受光指向特性および発光指向特性を用いて遠隔装置の位置と方向を推定する位置および方向を推定するシステムおよび方法に関し、位置だけでなく方向を同時に推定することができ、赤外線ベースで実現が安価で小型化が可能である。

赤外線光の発光指向方向によって赤外線光の受光強度が変化する赤外線の発光指向特性を示す図である。 赤外線光の発光指向特性および受光指向特性を示す図である。 発光指向特性と受光指向特性を用いて遠隔装置の位置と方向を推定するシステムの構成を示す図である。 光照射部が１つの場合の遠隔装置の次元位置および方向を推定する概略的なシステムを示す図である。 光照射部が２つの場合の遠隔装置の位置および方向を推定する概略的なシステムを示す図である。 光照射部が２つの場合、位置および方向を推定するための計算時必要なパラメータを表示する図である。 光照射部が１つの場合、位置および方向を推定する例を示すフローチャートである。 光照射部が２つの場合、位置および方向を推定する例を示すフローチャートである。 光照射部が２つの場合、位置および方向を推定する他の例を示すフローチャートである。 目標の位置および方向を推定する他の例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を添付する図面を参照しながら詳細に説明する。

赤外線光は、光照射部と受光部との間の距離と光照射部の指向方向、受光部指向方向によってその測定強度が変化する特性を有する。

図１は、赤外線光の発光指向方向によって赤外線光の受光強度が変化する赤外線の発光指向特性を示す図である。

図１を参照すると、赤外線光は決められた距離で赤外線光の指向方向である光照射部の方向角によって赤外線の受光強度が変化する特性を有する。図１において、Ｚ軸は発光赤外線光の強度を示し、Ｘ軸とＹ軸は受光部で光照射部を測定する測定角度を示す。以下の説明において、発光指向特性は赤外線光を発光する指向方向によって受光強度が変化する赤外線の特性である。

例えば、図１において、ＡとＢが光照射部から同一の距離に位置する測定ポイントである場合、Ａ方向で測定した光の強度はＢ方向で測定した光の強度よりも大きい傾向がある。

図２は、赤外線光の発光指向特性および受光指向特性を示す図である。図２を参照すると、ＡとＢの受光強度を比較して分かるように、赤外線光の受光強度は、発光指向方向角（θ）によって変化する。

図２で、ＡとＢで受信した光である発光した赤外線の光は、それぞれ「０」と「θ」の指向方向角を有する。

また、赤外線光の受光強度は、受光部で赤外線光を受光する方向の受光指向方向角（ψ）によっても影響を受ける。以下の説明において、受光指向特性は赤外線光を受光する指向方向によって受光強度が変化する赤外線の特性である。

光照射部と受光部との間の距離によって測定される強度は、次の式（１）のような特性を有する。

ここで、Ｉは測定される強度であり、ｒは光照射部と受光部との間の距離である。

光照射部の指向方向によって測定される強度は、次の式（２）のような特性を有する。

ここで、Ｉは測定される強度であり、κは光照射部の減衰特性を示す変数であり、θは光照射部が指向する方向角である。

受光部指向方向によって測定される強度は、次の式（３）のような特性を有する。

ここで、Ｉは測定される強度であり、λは受光部減衰特性を示す変数であり、ψは受光部が指向する方向角である。

それで、光照射部と受光部との間の距離と光照射部の指向方向、受光部指向方向に係る特性をすべて考慮して測定される赤外線光の信号強度は、次の式（４）のように測定することができる。

ここで、Ｉは測定される強度であり、ｒは光照射部と受光部との間の距離であり、αは光照射部と受光部特性を考慮したスケールファクタであり、κは光照射部の減衰特性を示す変数であり、θは光照射部が指向する方向角であり、λは受光部減衰特性を示す変数であり、ψは受光部が指向する方向角である。

図３は、発光指向特性と受光指向特性を用いて遠隔装置の位置と方向を推定するシステムの構成を示す図である。

図３を参照すると、位置と方向を推定するシステムは、遠隔装置３１０、照射光送信装置３２０、受光装置３３０、および推定装置３４０を備える。

遠隔装置３１０は、位置と方向を推定する目標装置として照射光送信装置３２０を備える。図３の例で遠隔装置３１０は、照射光送信装置３２０を備えているが、照射光送信装置３２０の代わりに受光装置３３０を備えてもよい。すなわち、遠隔装置３１０は、照射光送信装置３２０、あるいは受光装置３３０を備える。

照射光送信装置３２０は、１つ以上の光照射部３２１，３２２と制御部３２５とを備え、変調部３２３とエンコーダ３２４とをさらに備えてもよい。

光照射部３２１，３２２は、照射光を照射する。この時、光照射部３２１，３２２が２つ以上の場合、各光照射部３２１，３２２の指向方向が互いに異なって指向方向の間の角度が予め設定される。そして、光照射部３２１，３２２から照射する照射光は、赤外線光（Ｉｎｆｒａｒｅｄ ｌｉｇｈｔ）であってもよい。赤外線光は例えば０．７マイクロメータ（ｍｉｃｒｏｍｅｔｅｒ）から３００マイクロメータの間の波長を有することができる。

１つ以上の光照射部３２１，３２２のうち少なくとも１つは、電子機器をコントロールするリモコンの赤外線発信部で動作してもよい。

エンコーダ３２４は、遠隔装置３１０の位置と方向を検出するために照射光を照射する場合と電子機器をコントロールする制御信号としての照射光を照射する場合に、互いに異なるコードでエンコーディングする。

変調部３２３は、照射光を周辺光またはノイズに強いように高いキャリアの予め設定された周波数に変調してもよい。また、変調部３２３は、光照射部３２１，３２２が２つ以上の場合、光照射部３２１，３２２別に予め設定された互いに異なる周波数の照射光が出力されるように照射光を変調する。

制御部３２５は、光照射部３２１，３２２、変調部３２３、およびエンコーダ３２４を制御する。そして、制御部３２５は、光照射部３２１，３２２が２つ以上の場合、光照射部３２１，３２２が順次照射光を照射するように制御する。例えば、順次的な照射は各光照射部のそれぞれが他の光照射部と互いに異なる予め設定されたスロットに光を照射する制御を含む。この時、制御部３２５は、照射光を送信する前に、光照射部３２１，３２２のうち少なくとも１つを介して同期信号を送信し、受光装置３３０と同期化してもよい。

別の方法として、制御部３２５は、光照射部３２１，３２２が２つ以上の場合、変調部３２３を用いて光照射部３２１，３２２別に互いに異なる周波数の照射光を同時に照射するように制御する。互いに異なる周波数は、少なくとも２つの照射光の間の干渉を最小化するために選択される。

受光装置３３０は、１つ以上の受光部３３１，３３２，３３４を備え、フィルタ３３５とデコーダ３３６とをさらに備えてもよい。

受光部３３１，３３２，３３４は、光照射部３２１，３２２から照射する照射光を受光する。この時、受光部３３１，３３２，３３４が２つ以上の場合、各受光部３３１，３３２，３３４の位置と指向方向は予め設定することができる。すなわち、受光部３３１，３３２，３３４の位置と指向方向は、それぞれ異なるように設定することができる。

照射光を順次照射した場合、照射光の受信装置（３３０）は照射光が受光される予め設定された順序によって光照射部３２１，３２２を区分してもよい。この時、光照射部３２１，３２２が２つ以上の場合、受光部３３１，３３２，３３４は、照射光送信装置３２０から照射光を受光する前に同期信号を受信すれば、照射光送信装置３２０と同期化する。

照射光が互いに異なる周波数で照射される場合、互いに異なる周波数の照射光をフィルタ３３５を用いて分離して予め設定された周波数に対応する光照射部３２１，３２２を区分する。

フィルタ３３５は、光照射部３２１，３２２の照射光が予め設定された互いに異なる予め設定された周波数に変調して同時に照射される場合に、受光された照射光を周波数別に分析してもよい。

デコーダ３３６は、リモコンの赤外線発信部で動作可能な光照射部の照射光を復号化し、遠隔装置３１０の位置と方向を検出するために、照射光であるのか、または電子機器をコントロールする制御信号としての照射光であるのかを判断する。そして、判断結果遠隔装置３１０の位置と方向を検出するために照射光と判断されれば、デコーダ３３６は受光した照射光を推定装置３４０に提供する。

推定装置３４０は、信号強度測定部３４２と位置方向推定部３４４とを備えてもよい。信号強度測定部３４２は、各受光部３３１〜３３４から受光した照射光の強度を測定する。

位置方向推定部３４４は、受光部３３１〜３３４から受光した照射光の距離に応じて変化する強度と受光指向特性および発光指向特性を用いて目標（例えば、遠隔装置３１０）の位置ｘ，ｙ，ｚと方向Φ，θ，Ψの一部、またはすべてを推定する。

位置方向推定部３４４は、光照射部３２１と受光部３３１〜３３４の数によって測定できる遠隔装置３１０の位置ｘ，ｙ，ｚと方向Φ，θ，Ψが変化する。

位置ｘ，ｙ，ｚと方向Φ，θ，Ψの一部を推定するための光照射部と受光部の最小限の組合せは次の通りである。光照射部が１つであれば、受光部は少なくとも３つ以上で構成される組合せ。光照射部が２つであれば、受光部は少なくとも２つ以上で構成される組合せ。光照射部が３つ以上であれば、受光部は少なくとも１つ以上で構成される組合せが可能である。

それで、光照射部の数が１つで、遠隔装置３１０が照射光送信装置３２０を備える時の例を図３によって説明する。

図３は、光照射部が１つの場合の遠隔装置の位置および方向を推定する概略的なシステムを示す図である。図３を参照すると、遠隔装置３１０が１つの光照射部３２１を有する場合、位置方向推定部３４４は受光部３３１〜３３４の数によって測定できる位置ｘ，ｙ，ｚと方向Φ，θ，Ψは、下の表１のようになる。ここで、ｘ、ｙ、ｚは３次元座標であり、Φはｚ軸を基準とするロール角であり、ｑはｘ軸を基準とするピッチ角であって、ｙはｙ軸を基準とするヨー角である。

表１を参照すると、位置方向推定部３４４は、光照射部３２１が１つで、受光部３３１〜３３４が３つで、遠隔装置３１０の３軸の方向Φ，θ，Ψがすべて固定された場合、遠隔装置３１０の３次元位置ｘ，ｙ，ｚを推定することができる。

一方、光照射部３２１と受光部３３１〜３３４の数が反対の場合もこれと同様である。すなわち、光照射部が３つで、受光部が１つで、遠隔装置３１０の３軸の方向Φ，θ，Ψがすべて固定された場合、位置方向推定部３４４は遠隔装置３１０の３次元位置ｘ，ｙ，ｚを推定することができる。

表１を参照すると、位置方向推定部３４４は、光照射部３２１が１つで、受光部３３１〜３３４が４つで、遠隔装置３１０の３軸の方向のうちロールΦとピッチθが固定された場合、遠隔装置３１０の３次元位置ｘ，ｙ，ｚと遠隔装置３１０の３軸方向のうちヨーΨを推定することができる。

一方、光照射部３２１と受光部３３１〜３３４の数が反対の場合もこれと同様である。すなわち、光照射部が４つで、受光部が１つで、遠隔装置３１０の３軸の方向のうちロールΦとピッチθが固定された場合、位置方向推定部３４４は、遠隔装置３１０の３次元位置ｘ，ｙ，ｚと遠隔装置３１０の３軸方向のうちヨーΨを推定することができる。

表１を参照すると、位置方向推定部３４４は、光照射部３２１が１つで、受光部３３１〜３３４が４つで、遠隔装置３１０の３軸の方向のうちロールΦが固定された場合、遠隔装置３１０の２次元平面上の位置ｘ，ｙと遠隔装置３１０の３軸方向のうち２次元平面上の方向のピッチθとヨーΨを推定することができる。

一方、光照射部３２１と受光部３３１〜３３４の数が反対の場合もこれと同様である。すなわち、光照射部が４つで、受光部が１つで、遠隔装置３１０の３軸の方向のうちロールΦが固定された場合、位置方向推定部３４４は遠隔装置３１０の２次元平面上の位置ｘ，ｙと遠隔装置３１０の３軸方向のうち２次元平面上の方向のピッチθとヨーΨを推定することができる。

表１を参照すると、位置方向推定部３４４は、光照射部３２１が１つで、受光部３３１〜３３４が５つで、遠隔装置３１０の３軸の方向のうちロールΦが固定された場合、遠隔装置３１０の３次元位置ｘ，ｙ，ｚと遠隔装置３１０の３軸の方向のうちピッチθとヨーΨを推定することができる。

一方、光照射部３２１と受光部３３１〜３３４の数が反対の場合もこれと同様である。すなわち、光照射部が５つで、受光部が１つで、遠隔装置３１０の３軸の方向のうちロールΦが固定された場合、位置方向推定部３４４は遠隔装置３１０の３次元位置ｘ，ｙ，ｚと遠隔装置３１０の３軸の方向のうちピッチθとヨーΨを推定することができる。

次に、光照射部の数が２つで、遠隔装置３１０が照射光送信装置３２０を備える時の例を図４によって説明する。

図４は、光照射部が２つの場合の遠隔装置の位置および方向を推定する概略的なシステムを示す図である。

位置方向推定部３４４は、受光部３３１〜３３４で受光された照射光の距離に応じて変化する強度と受光指向特性および発光指向特性を用いて遠隔装置３１０の位置ｘ，ｙ，ｚと方向Φ，θ，Ψを推定する。位置方向推定部３４４の位置と方向の推定方法を下で図５を参照して詳細に説明しようとする。

図５は、光照射部が２つの場合、３次元位置および方向を推定するための計算時に必要なパラメータを表示する図である。図５を参照して、光照射部３２１，３２２と受光部３３１が指向している単位（ｕｎｉｔ）方向ベクトルをグローバル座標系に対してそれぞれ

と定義する。そして、光照射部３２１，３２２から受光部３３１までの変位を示す方向ベクトルを

と定義する。

また、

がそれぞれなす角度を

として、便宜上式（４）でλ＝１とした場合、各受光部３３１〜３３４で受光される照射光の強度は、次の式（５）、式（６）のように表現することができる。

ここで、

は、ｎ番目の受光部で受光する第１光照射部３３１の照射光の強度である。

ここで、

は、ｎ番目の受光部で受光する第２光照射部３３２の照射光の強度である。

すなわち、２つの光照射部３２１，３２２の照射光が、例えば互いに異なる予め設定されたタイムスロットに順次入って来るか、他の例として互いに異なる周波数で受光される場合、式（５）と式（６）の情報は独立して得られる。したがって、受光部３３１〜３３４は、それぞれ２つの式を求めるこができる。

受光部３３１〜３３４が３つである場合は、遠隔装置３１０の位置と方向に対して６つの式が得られることになる。

このうち

を求めれば、位置と方向のすべてを求めることができるため、各方向ベクトルの成分の９つの未知数を求める問題になる。この時、

は単位ベクトルであるため、大きさが１で

の相対的な位置関係は予め与えられるものであるため、結局３つの追加式が与えられることになる。

したがって、９つの式から９つの未知数を求めるという問題になるため、最適化方式などの数学式を用いて解決可能である。この時、受光部３３１〜３３４の数が増加することになれば、誤差を最小化する正規化問題と考えることができる。

位置方向推定部３４４は、光照射部３２１，３２２が２つの場合、受光部３３１〜３３４の数によって測定できる位置ｘ，ｙ，ｚと方向Φ，θ，Ψの種類が次の表２のように変化する。ここで、ｘ、ｙ、ｚは、３次元座標であり、Φはｚ軸を基準とするロール角であり、ｑはｘ軸を基準とするピッチ角であり、ｙはｙ軸を基準とするヨー角である。

表２を参照すると、位置方向推定部３４４は、光照射部３２１，３２２が２つで、受光部３３１〜３３４が３つの場合、遠隔装置３１０の３次元位置ｘ，ｙ，ｚと遠隔装置３１０の３軸方向のロールΦ、ピッチθとヨーΨを推定することができる。

一方、光照射部３２１と受光部３３１〜３３４の数が反対の場合もこれと同様である。すなわち、光照射部が３つで、受光部が２つの場合、位置方向推定部３４４は、遠隔装置３１０の３次元位置ｘ，ｙ，ｚと遠隔装置３１０の３軸方向のロールΦ、ピッチθとヨーΨを推定することができる。

表２を参照すると、位置方向推定部３４４は、光照射部３２１，３２２が２つで、受光部３３１〜３３４が２つで、遠隔装置３１０の３軸の方向のうちロールΦが固定された場合、遠隔装置３１０の２次元平面上の位置ｘ，ｙと遠隔装置３１０の２次元平面上の方向のピッチθとヨーΨを推定することができる。

以下、上記のように構成された本発明により遠隔装置の位置および方向を推定する方法を図面を参照して説明する。

図７は、光照射部が１つの場合、位置および方向を推定する例を示すフローチャートである。

図７を参照すると、推定装置はステップＳ７１０で各受光部を介して照射光を受光する。そして、推定装置はステップＳ７２０で受光部別に受光した照射光の強度を測定する。そして、推定装置はステップＳ７３０で受光部格別照射光の距離に応じて変化する強度、受光指向特性、および発光指向特性を用いて遠隔装置の位置と方向の一部を表１のように推定する。

図８は、光照射部が２つの場合、位置および方向を推定する例を示すフローチャートである。図８を参照すると、推定装置は、ステップＳ８１０で２つの光照射部から互いに異なる予め設定された方向に順次照射される照射光を各受光部を介して受光する。そして、推定装置は、ステップＳ８２０で受光部別に受光した照射光の強度を測定する。そして、推定装置は、ステップＳ８３０で光照射部から照射光を照射する予め設定された指向方向情報、照射光の強度、受光指向特性、および発光指向特性を用いて遠隔装置の位置と方向を推定する。この時、光照射部が２つ以上で受光部が３つ以上であれば、遠隔装置の３次元位置と３軸方向をすべて推定することができる。

図９は、光照射部が２つの場合、位置および方向を推定する他の例を示すフローチャートである。図９を参照すると、推定装置は、ステップＳ９１０で２つの光照射部から互いに異なる方向と互いに異なる周波数で照射される照射光を各受光部を介して受光する。そして、推定装置は、ステップＳ９２０でフィルタを用いて互いに異なる周波数で受光された照射光を分類する。照射光は２つの光の照射部で同時に照射することができる。

そして、推定装置は、ステップＳ９３０で受光部別に受光した照射光の強度を測定する。そして、推定装置は、ステップＳ９４０で光照射部から照射光を照射する予め設定された指向方向情報、照射光の強度、受光指向特性、および発光指向特性を用いて遠隔装置の位置と方向を推定する。この時、光照射部が２つ以上で受光部が３つ以上であれば、遠隔装置の３次元位置と３軸方向をすべて推定することができる。

図１０は、目標の位置および方向を推定する他の例を示すフローチャートである。図１０を参照すると、推定装置はステップＳ１０１０で赤外線光が照射される。例えば、１つ以上の赤外線照射器によって赤外線光を照射してもよい。ステップＳ１０２０で照射された光の一部を受信する。例えば、複数の光受信器によって照射された光の一部を受信してもよい。ステップＳ１０３０で、各光受信器で受信した照射された光の測定特性を用いて目標の少なくとも１つの位置と方向を推定する。目標は１つ以上の赤外線照射器または複数の光受信器のうち１つを含む遠隔盛業装置であってもよい。測定された特徴は、照射光の強度、照射光の受光指向特性、および照射光の発光指向特性のうち１つ以上を含んでもよい。

上述したように、本発明は限定する実施形態と図面によって説明されているが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明が属する分野で通常の知識を有する者であればばこのような記載から多様な修正および変形が可能である。

したがって、本発明の範囲は、説明した実施形態に限定して決められてはならず、後述する特許請求の範囲だけでなく、この特許請求の範囲と均等なものによって決められなければならない。

３１０：遠隔装置
３２０：照射光送信装置
３２１：第１光照射部
３２２：第２光照射部
３２３：変調部
３２４：エンコーダ
３２５：制御部
３３０：受光装置
３３１：第１受光部
３３２：第２受光部
３３４：第ｎ受光部
３３５：フィルタ
３３６：デコーダ
３４０：推定装置
３４２：信号強度測定部
３４４：位置方向推定部

Claims (44)

1. 照射光を照射する１つ以上の光照射部を備える照射光送信装置と、
   前記照射光を受光する１つ以上の受光部を備える受光装置と、
   前記照射光送信装置あるいは前記受光装置のうちの１つを備える遠隔装置と、
   前記各受光部で受光する前記照射光の特性を測定して、前記測定された特性を用いて遠隔装置の少なくとも１つの位置と方向を推定する推定装置と、
   を備えるシステム。
2. 前記光照射部が１つであれば前記受光部は少なくとも３つ以上で構成され、
   前記光照射部が２つであれば前記受光部は少なくとも２つ以上で構成され、
   前記光照射部が３つ以上であれば前記受光部は少なくとも１つ以上で構成される、請求項１に記載の位置および方向を推定するシステム。
3. 前記照射光送信装置に２つ以上の前記光照射部が含まれる場合、前記各光照射部は互いに異なる方向を指向する、請求項１に記載のシステム。
4. 前記受光装置は、少なくとも２つの受光部が含まれ、前記各受光部の位置と指向方向は予め設定された、請求項１に記載のシステム。
5. 前記照射光送信装置は、少なくとも２つの光照射部を備み、
   前記各光照射部が順次前記照射光を照射するようにする、
   請求項１に記載のシステム。
6. 前記照射光送信装置は前記照射光を送信する前に、同期信号を送信して前記受光装置と同期化する、請求項５に記載のシステム。
7. 前記照射光送信装置は、少なくとも２つの光照射部を備え、
   前記光照射部別が照射光互いに異なる周波数で同時に照射するようにする、
   請求項１に記載のシステム。
8. 前記推定装置は、
   前記測定された特性を用いて前記遠隔装置の３次元位置を推定する、請求項１に記載のシステム。
9. 前記推定装置は、
   前記遠隔装置の３次元位置のうち少なくとも１つと前記遠隔装置の３軸方向のうち１つを推定する、請求項１に記載のシステム。
10. 前記推定装置は、
    前記遠隔装置の２次元位置のうち少なくとも１つと前記遠隔装置の２軸方向を推定する、請求項１に記載のシステム。
11. 前記推定装置は、
    前記遠隔装置の３次元位置のうち少なくとも１つと前記遠隔装置の２軸方向を推定する、請求項１に記載のシステム。
12. 前記推定装置は、
    前記遠隔装置の２次元位置のうち少なくとも１つと前記遠隔装置の２軸方向を推定する、請求項１に記載のシステム。
13. 前記推定装置は、
    前記遠隔装置の３次元位置のうち少なくとも１つと前記遠隔装置の３軸方向を推定する、請求項１に記載のシステム。
14. 前記１つ以上の光照射部のうち少なくとも１つは、信号を送信して電子機器を遠隔でコントロールする赤外線発信部である、
    請求項１に記載のシステム。
15. 前記測定された特性は、前記照射光の強度、前記照射光の受光指向特性、および前記照射光の発光指向特性のうち１つ以上を含む、請求項１に記載のシステム。
16. 照射光を照射する光照射部を２つ以上備え、前記各光照射部は互いに異なる方向を指向し、
    前記照射光は、前記各照射光の測定された特性に基づいて目標の少なくとも１つの位置と方向を推定するために用いる、目標の位置と方向を推定するために用いる照射光送信装置。
17. 前記光照射部が順次前記照射光を照射するように制御する制御部をさらに備える、請求項１６に記載の目標の位置と方向を推定するために用いる照射光送信装置。
18. 前記光照射部別に互いに異なる周波数の照射光を照射するように前記照射光を変調する変調部をさらに備える、請求項１６に記載の目標の位置と方向を推定するために用いる照射光送信装置。
19. 少なくとも２つの前記各光照射部は、赤外線を照射する、請求項１６に記載の目標の位置と方向を推定するために用いる照射光送信装置。
20. ２つ以上の光照射部から照射された照射光を受信する互いに異なる指向方向を有する受光部を２つ以上備え、前記各受光部の位置と指向方向は予め設定され、
    前記照射光は、前記各照射光の測定された特徴に基づいて目標の少なくとも１つの位置と方向を推定するために用いる、目標の位置と方向を推定するために用いる受光装置。
21. 前記受光部は、
    前記照射光を順次受信し、受信される順序によって対応する光照射部に区分する、請求項２０に記載の目標の位置と方向を推定するために用いる受光装置。
22. 前記受光部は、
    前記照射光がそれぞれ互いに異なる周波数に変調した場合、互いに異なる周波数の前記照射光をフィルタを用いて分離して前記光照射部を区分する、請求項２０に記載の目標の位置と方向を推定するために用いる受光装置。
23. 予め設定された角度が互いに異なる方向に整列した少なくとも２つの光照射部と、
    前記２つ以上の光照射部から照射光を受光する少なくとも２つの受光部を備え、前記少なくとも２つの各受光部の位置と指向方向は予め設定されたシステム。
24. ２つの光照射部と３個の受光部を含む、請求項２３に記載のシステム。
25. 前記照射光は、互いに異なる周波数を有する、請求項２３に記載のシステム。
26. 前記照射光は、同時に照射される、請求項２３に記載のシステム。
27. 前記照射光は、順次照射される、請求項２３に記載のシステム。
28. 前記各受光部で受光する前記照射光の特徴を測定し、前記測定された特徴を利用して目標の少なくとも１つの位置と方向を推定する推定装置をさらに備える、請求項２３に記載のシステム。
29. 前記測定された特徴は、前記照射光の強さ、前記照射光の受光指向特性、および前記照射光の発光指向特性のうちの１つ以上を含む、請求項２８に記載のシステム
30. 光を照射する光照射器と、
    前記照射された光の一部を受信する複数の光受信器と、
    前記各光受信器で受信した前記照射された光の測定特性を利用して前記目標の少なくとも１つの位置と方向を推定する推定装置と、
    を備える、目標の位置と方向を推定するシステム。
31. 前記測定された特徴は、前記照射された光の強さ、前記照射された光の受光指向特性、および前記照射された光の発光指向特性のうちの１つ以上を含む、請求項３０に記載の目標の位置と方向を推定するシステム。
32. 前記光照射器は、携帯機器（ｈａｎｄｈｅｌｄ ｄｅｖｉｃｅ）に統合し、前記携帯機器が前記目標である、請求項３０に記載の目標の位置と方向を推定するシステム。
33. 前記複数の光受信器のうちの１つ以上は、携帯機器に統合され、前記携帯機器が前記目標である、請求項３０に記載の目標の位置と方向を推定するシステム。
34. 前記光照射器は、ビデオディスプレイに統合される、請求項３０に記載の目標の位置と方向を推定するシステム。
35. 前記複数の光受信器のうちの１つ以上は、ビデオディスプレイに統合される、請求項３０に記載の目標の位置と方向を推定するシステム。
36. 前記照射された光は、赤外線周波数領域内で照射される、請求項３０に記載の目標の位置と方向を推定するシステム。
37. 前記照射された光は、０．７マイクロメーターから３００マイクロメーターの間の波長を有する、請求項３６に記載の目標の位置と方向を推定するシステム。
38. 前記光照射器は、複数の照射器を含み、各照射器は互いに異なる方向に光を照射するように指向した、請求項３０に記載の目標の位置と方向を推定するシステム。
39. 前記複数の照射器が順次光を照射するように制御するための制御器をさらに備える、請求項３８に記載の目標の位置と方向を推定するシステム。
40. 前記複数の各照射器が異なる照射器と互いに異なる波長の光を同時に照射するように制御するための制御器をさらに含む、請求項３８に記載の目標の位置と方向を推定するシステム。
41. 前記複数の各光受信器は、互いに異なる位置に位置する、請求項３０に記載の目標の位置と方向を推定するシステム。
42. 前記光照射器は、前記ビデオディスプレイを制御するために用いる遠隔制御器の赤外線光送信器としての機能を行う、請求項３５に記載の目標の位置と方向を推定するシステム。
43. 照射器から光が照射されるステップと、
    複数の光受信器で前記照射された光の一部を受信するステップと、
    前記各光受信器で受信した前記照射された光の測定特性を利用して前記目標の少なくとも１つの位置と方向を推定するステップと、
    を含む目標の位置と方向を推定する方法。
44. 前記測定された特徴は、
    前記照射された光の強さ、前記照射された光の受光指向特性、および前記照射された光の発光指向特性のうちの１つ以上を含む、請求項４３に記載の目標の位置と方向を推定する方法。

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