JP2015090284A - キャリブレーション装置、キャリブレーション方法、及び、キャリブレーションプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】対象物体の座標を計測する位置計測システムにおいて、座標値が不明である計測ポイントに関するキャリブレーションを効率的に行うことを可能とする。【解決手段】キャリブレーション装置４は、座標系に配置された複数の計測ポイントのうちの少なくともいずれかと対象物体との距離、及び、当該計測ポイントの座標値を基に、対象物体の座標値を計測する位置計測システム５における、座標値が不明である第一の前記計測ポイントに設置され、信号波を送信あるいは受信する第一の信号波送受信部４１−ａと、座標値が判明している１以上の第二の前記計測ポイントに設置され、前記信号波を送信あるいは受信する第二の信号波送受信部４１−１乃至３と、信号波が前記第一及び第二の信号波送受信部の間を伝搬するのに要する時間、及び、第二の計測ポイントの座標値を基に、第一の計測ポイントの座標値を算出する算出部４０と、を備える。【選択図】 図１０

Description

本願発明は、複数の計測ポイントのうちの少なくともいずれかと対象物体との距離、及び、当該計測ポイントが位置する座標が示す値を基に、当該対象物体が位置する座標を計測する位置計測システムにおける、当該計測ポイントが位置する座標が示す値を算出するキャリブレーション装置等に関する。

超音波等の信号波を使用して、対象物体が位置する座標を計測する位置計測システムは、一般的に、超音波発信器が取り付けられた対象物体から発信された超音波を、所定の計測ポイントに設置された複数の超音波受信器で受信することにより、対象物体が位置する座標を計測する。

この際、位置計測システムは、対象物体から発信された超音波が超音波受信器に伝搬するのに要した時間から、各超音波受信器と対象物体との直線距離を算出する。そして、位置計測システムは、各計測ポイントが位置する座標を中心とする、半径が対象物体との直線距離である複数の球面上における交点が位置する座標を算出することによって、対象物体が位置する座標を計測する。

この場合、各計測ポイントが位置する座標が示す値が不正確である場合、位置計測システムが計測した、対象物体が位置する座標も不正確となる。したがって、通常、各計測ポイントが位置する座標を正確に計測する処理であるキャリブレーションが行われる。

このキャリブレーションに関連する技術として、特許文献１には、位置計測システムが計測対象とする最大範囲を特定したのち、その最大範囲を特定する特定点に発振器ユニットを設置して、全ての特定点の位置を計測することによりキャリブレーションを行うようにしたシステムが開示されている。

特開2013-124939号公報

例えば、位置計測システムが計測対象とする空間領域を拡大する場合、拡大した空間領域に配置された対象物体が位置する座標（即ち、当該空間領域を表す座標系における座標位置）を計測するためには、超音波受信器を追加設置しなければならない場合がある。この際、追加設置した超音波受信器が位置する正確な座標が不明であるため、当該超音波受信器についてキャリブレーションを行う必要がある。

この場合、複数の超音波発信器を搭載したキャリブレーション装置を個別に準備して、キャリブレーション装置を所定の場所に置いたのち、追加設置した超音波受信器についてキャリブレーションを行うことが考えられる。この場合、専用のキャリブレーション装置を準備して、所定の場所におかれたキャリブレーション装置に搭載された複数の超音波発信器が位置する座標を計測しておく必要があり、効率的であるとは言えない。また、特許文献１に開示された技術は、追加設置などの理由により、座標が示す値が不明確である超音波受信器に関するキャリブレーションを効率的に行う課題を解決するためのものではない。

本願発明の主たる目的は、この課題を解決した、キャリブレーション装置、キャリブレーション方法、及び、キャリブレーションプログラムを提供することである。

本願発明に係るキャリブレーション装置は、座標系に配置された複数の計測ポイントのうちの少なくともいずれかと対象物体との距離、及び、当該計測ポイントが位置する座標値を基に、前記対象物体が位置する座標値を計測する位置計測システムにおける、座標値が不明である第一の前記計測ポイントに設置され、信号波を送信あるいは受信する第一の信号波送受信手段と、座標値が判明している１以上の第二の前記計測ポイントに設置され、前記信号波を送信あるいは受信する第二の信号波送受信手段と、前記信号波が前記第一及び第二の信号波送受信手段の間を伝搬するのに要する時間、及び、前記第二の計測ポイントが位置する座標値を基に、前記第一の計測ポイントが位置する座標値を算出する算出手段と、を備えることを特徴とする。

上記目的を達成する他の見地において、本願発明のキャリブレーション方法は、情報処理装置によって、座標系に配置された複数の計測ポイントのうちの少なくともいずれかと対象物体との距離、及び、当該計測ポイントが位置する座標値を基に、前記対象物体が位置する座標値を計測する位置計測システムにおける、座標値が不明である第一の前記計測ポイントにおいて、信号波を送信あるいは受信し、座標値が判明している１以上の第二の前記計測ポイントにおいて、前記信号波を送信あるいは受信し、前記信号波が前記第一及び第二の計測ポイントの間を伝搬するのに要する時間、及び、前記第二の計測ポイントが位置する座標値を基に、前記第一の計測ポイントが位置する座標値を算出することを特徴とする。

また、上記目的を達成する更なる見地において、本願発明に係るキャリブレーションプログラムは、座標系に配置された複数の計測ポイントのうちの少なくともいずれかと対象物体との距離、及び、当該計測ポイントが位置する座標値を基に、前記対象物体が位置する座標値を計測する位置計測システムにおける、座標値が不明である第一の前記計測ポイントにおいて、信号波を送信あるいは受信する第一の信号波送受信処理と、座標値が判明している１以上の第二の前記計測ポイントにおいて、前記信号波を送信あるいは受信する第二の信号波送受信処理と、前記信号波が前記第一及び第二の計測ポイントの間を伝搬するのに要する時間、及び、前記第二の計測ポイントが位置する座標値を基に、前記第一の計測ポイントが位置する座標値を算出する算出処理と、をコンピュータに実行させることを特徴とする。

更に、本発明は、係る情報読取プログラム（コンピュータプログラム）が格納された、コンピュータ読み取り可能な、不揮発性の記憶媒体によっても実現可能である。

本願発明は、計測ポイントと対象物体との間の距離、及び、計測ポイントが位置する座標を基に対象物体が位置する座標を計測する位置計測システムにおいて、座標が不明である計測ポイントに関するキャリブレーションを効率的に行うことを可能とする。

本願発明の第１の実施形態に係るキャリブレーション装置の構成を示すブロック図である。 本願発明の第１の実施形態に係るキャリブレーション装置の動作を示すフローチャートである。 本願発明の第１の実施形態に係る超音波送受信部の構成を示すブロック図である。 本願発明の第１の実施形態において、計測ポイントのＺ座標を算出する際の超音波が伝搬する伝搬経路を例示する立体図である。 本願発明の第１の実施形態において、計測ポイントのＸ座標及びＹ座標を算出する際の超音波が伝搬する伝搬経路を例示する立体図である。 本願発明の第１の実施形態において、計測ポイントのＸ座標及びＹ座標を算出する際の超音波が伝搬する伝搬経路を例示する平面図である。 本願発明の第１の実施形態において、ＸＹ平面における計測ポイント間の位置関係を例示する図である。 本願発明の第１の実施形態における、逐次計算法による計測ポイントのＸ座標及びＹ座標の算出例を示す図である。 専用のキャリブレーションユニットを用いて、計測ポイントに関するキャリブレーションを行う方法を例示する立体図である。 本願発明の第２の実施形態に係るキャリブレーション装置の構成を示すブロック図である。 本願発明の各実施形態のキャリブレーション装置を実行可能な情報処理装置の構成を示すブロック図である。

以下、本願発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は第１の実施形態のキャリブレーション装置１の構成を概念的に示すブロック図である。本実施形態のキャリブレーション装置１は、対象物体が位置する座標を計測する位置計測システム２の中に備えられている。キャリブレーション装置１は、算出部１０、超音波送受信部１１−１乃至３、超音波送受信部１１−ａ乃至ｃ、及び、通信ネットワーク１２を備えている。

算出部１０は、電子回路の場合もあれば、コンピュータプログラムとそのコンピュータプログラムに従って動作するプロセッサによって実現される場合もある。超音波送受信部１１−１乃至３、及び、超音波送受信部１１−ａ乃至ｃは、電子回路、あるいは、コンピュータプログラムとそのコンピュータプログラムに従って動作するプロセッサによって制御される、超音波を送受信する機能を有する電子デバイスである。

超音波送受信部１１−１乃至３、及び、超音波送受信部１１−ａ乃至ｃは、位置計測システム２が対象物体が位置する座標を計測する際に、対象物体に取り付けられた超音波発信器から送信された超音波を受信する。位置計測システム２は、超音波が、対象物体から各超音波送受信部に伝搬するのに要した時間から、対象物体と各超音波送受信部との間の直線距離を算出し、算出した各直線距離と、各超音波送受信部が位置する座標が示す値を基に、対象物体が位置する座標を計測する。

超音波送受信部１１−１の構成を示すブロック図を図３に例示する。超音波送受信部１１−２乃至３、及び、超音波送受信部１１−ａ乃至ｃも、超音波送受信部１１−１と同様の構成である。超音波送受信部１１−１は、超音波受信素子１１０、増幅回路１１１、検出回路１１２、超音波発信素子１１３、駆動回路１１４、発振回路１１５、及び、同期回路１１６を備えている。

超音波受信素子１１０は、超音波によって発生する気圧の変化を電気信号へ変換する。増幅回路１１１は、超音波受信素子１１０によって変換された電気信号を増幅する。検出回路１１２は、増幅回路１１１によって増幅された電気信号を検出する。超音波送受信部１１−１は、超音波受信素子１１０、増幅回路１１１、及び、検出回路１１２により、超音波受信機能を実現する。

超音波発信素子１１３は、電気信号を気圧の変化へ変換する。駆動回路１１４は、超音波発信素子１１３を駆動する。発振回路１１５は、駆動回路１１４に超音波振動を発生させる。超音波送受信部１１−１は、超音波発信素子１１３、駆動回路１１４、及び、発振回路１１５により、超音波送信機能を実現する。

同期回路１１６は、図１に示した通信ネットワーク１２を介して、超音波送受信部１１−２乃至３、及び、超音波送受信部１１−ａ乃至ｃと通信可能に接続され、それらの超音波送受信部との間で同期信号を送受信する。尚、通信ネットワーク１２は、有線通信ネットワークの場合もあれば無線通信ネットワークの場合もある。

超音波送受信部１１−１乃至３は、それぞれ、位置計測システム２における計測ポイント２０−１乃至３に設置されている。計測ポイント２０−１乃至３が位置する３次元空間座標Ｐ１、Ｐ２、及び、Ｐ３は、それぞれ、（Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１）、（Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２）、（Ｘ３、Ｙ３、Ｚ３）であり、その値は既知である。超音波送受信部１１−ａ乃至ｃは、新たに追加設置された超音波送受信部であり、それぞれ、位置計測システム２における計測ポイント２０−ａ乃至ｃに設置されている。計測ポイント２０−ａ乃至ｃが位置する３次元空間座標Ｐａ、Ｐｂ、及び、Ｐｃは、それぞれ、（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）、（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）、（Ｘｃ、Ｙｃ、Ｚｃ）であり、その値は不明である。したがって、キャリブレーション装置１は、計測ポイント２０−ａ乃至ｃについて、キャリブレーションを実施する。

キャリブレーション装置１が計測ポイント２０−ａが位置するＺ座標（Ｚ座標値）Ｚａを算出する際に、計測ポイント２０−ａに設置された超音波送受信部１１−ａから送信された超音波が伝搬する搬経路を例示する立体図を図４に示す。

超音波送受信部１１−ａは、位置計測システム１における床面に垂直または略垂直に超音波を送信し、超音波が床面にて反射した反射波を受信する。超音波送受信部１１−ａは、超音波を送信してからその反射波を受信するまでに要した伝搬時間Ｔａを計測し、Ｔａが示す値を算出部１０へ入力する。超音波送受信部１１−ｂ乃至ｃも、超音波送受信部１１−ａと同様の処理を行い、それぞれ、伝搬時間Ｔｂ及びＴｃが示す値を算出部１０へ入力する。

キャリブレーション装置１が計測ポイント２０−ａが位置するＸ座標（Ｘ座標値）Ｘａ及びＹ座標（Ｙ座標値）Ｙａを算出する際に、超音波送受信部１１−１乃至３から超音波送受信部１１−ａに送信された超音波が伝搬する伝搬経路を例示する立体図を図５に示す。

超音波送受信部１１−１乃至３は、それぞれ、超音波送受信部１１−ａに対して、同期信号を通信ネットワーク１２を介して送信するとともに、床面に対して超音波を送信する。超音波送受信部１１−ａは、超音波送受信部１１−１乃至３から同期信号を受信するとともに、超音波送受信部１１−１乃至３からそれぞれ送信された超音波が床面にて反射した反射波を受信する。超音波送受信部１１−ａは、超音波送受信部１１−１乃至３のそれぞれについて、反射波を受信した時刻と同期信号を受信した時刻との差分である伝搬時間Ｔ１ａ、Ｔ２ａ、及び、Ｔ３ａを計測し、Ｔ１ａ、Ｔ２ａ、及び、Ｔ３ａが示す値を算出部１０へ入力する。超音波送受信部１１−ｂも超音波送受信部１１−ａと同様の処理を行い、超音波送受信部１１−１乃至３のそれぞれについて、反射波を受信した時刻と同期信号を受信した時刻との差分である伝搬時間Ｔ１ｂ、Ｔ２ｂ、及び、Ｔ３ｂが示す値を算出部１０へ入力する。超音波送受信部１１−ｃも超音波送受信部１１−ａ乃至ｂと同様の処理を行い、超音波送受信部１１−１乃至３のそれぞれについて、反射波を受信した時刻と同期信号を受信した時刻との差分である伝搬時間Ｔ１ｃ、Ｔ２ｃ、及び、Ｔ３ｃが示す値を算出部１０へ入力する。

算出部１０は、超音波送受信部１１−ａから入力された、伝搬時間Ｔａが示す値を基に、計測ポイント２０−ａが位置するＺ座標Ｚａを算出する。

摂氏温度がｔ（度）である場合、超音波が大気中を伝搬する速度（音速）ｃ（メートル／秒）は、式１により求められる。

・・・・・・（式１）

算出部１０は、図４に示す立体図から、Ｚａを、式２を使用して算出する。

・・・・・・（式２）

算出部１０は、計測ポイント２０−ｂ乃至ｃが位置するＺ座標Ｚｂ及びＺｃについても、それぞれ、Ｔｂ及びＴｃが示す値から、Ｚａと同様に算出する。

算出部１０は、超音波送受信部１１−ａから入力された、伝搬時間Ｔ１ａ、Ｔ２ａ、及び、Ｔ３ａが示す値を基に、計測ポイント２０−ａが位置するＸ座標Ｘａ、及び、Ｙ座標Ｙａを算出する。

図５において、計測ポイント２０−１と計測ポイント２０−ａとを包含し、かつ、床面に垂直な断面における、超音波送受信部１１−１から超音波送受信部１１−ａに超音波が伝搬する伝搬経路を例示する平面図を図６に示す。

図６においてＬ１ａは、超音波送受信部１１−１から超音波送受信部１１−ａに超音波が伝搬する伝搬経路の距離となる。算出部１０は、Ｌ１ａを、式３を使用して算出する。

・・・・・・（式３）

図６において、Ｒ１ａは、超音波送受信部１１−１から超音波送受信部１１−ａに超音波が伝搬する伝搬経路に関するＸＹ平面上の距離である。算出部１０は、Ｒ１ａを、式４を使用して算出する。

・・・・・・（式４）

算出部１０は、超音波送受信部１１−２乃至３から超音波送受信部１１−ａに超音波が伝搬する伝搬経路の距離であるＬ２ａ及びＬ３ａを、Ｔ２ａ及びＴ３ａを基に、Ｌ１ａと同様に算出する。算出部１０は、超音波送受信部１１−２乃至３から超音波送受信部１１−ａに超音波が伝搬する伝搬経路に関するＸＹ平面上の距離であるＲ２ａ及びＲ３ａを、それぞれ、Ｌ２ａ及びＬ３ａを基に、式５及び式６を使用して算出する。

・・・・・・（式５）

・・・・・・（式６）

ＸＹ平面における計測ポイント２０−１乃至３、及び、計測ポイント２０−ａに関する位置関係を図７に例示する。図７に示す通り、計測ポイント２０−ａが位置する座標は、
計測ポイント２０−１が位置する座標を中心とする半径がＲ１ａである円、計測ポイント２０−２が位置する座標を中心とする半径がＲ２ａである円、及び、計測ポイント２０−３が位置する座標を中心とする半径がＲ３ａである円の交点となる。すなわち、算出部１０は、式７乃至９による連立方程式を解くことにより、計測ポイント２０−ａが位置するＸ座標Ｘａ、及び、Ｙ座標Ｙａを算出する。

・・・・・・（式７）

・・・・・・（式８）

・・・・・・（式９）

算出部１０が値を求める変数は、Ｘａ及びＹａの２つであり、算出部１０は、式７乃至９のいずれか２つにより、Ｘａ及びＹａが示す値を求めることができる。算出部１０は、また、式７乃至９を全て使用して、最小二乗法と合わせた反復による逐次計算法（ニュートン法）により、Ｘａ及びＹａが示す値を求めてもよい。逐次計算法において、Ｘａ及びＹａの初期値をＸ０及びＹ０とし、ＸＹ平面における座標（Ｘａ，Ｙａ）と座標（Ｘ０，Ｙ０）との間の距離Ｒ０と式７乃至９により決定されるＲ１ａ乃至Ｒ３ａとの差分をΔＲ１ａ乃至ΔＲ３ａとし、ＸａとＸ０との差分をΔＸとし、ＹａとＹ０との差分をΔＹとする。ΔＲｉａ（ｉは１乃至３の整数）、Ｒ０、Ｘｉ、Ｙｉ、ΔＸ、及び、ΔＹの間には、式１０乃至１２の関係がある。

・・・・・・（式１０）

・・・・・・（式１１）

・・・・・・（式１２）

算出部１０は、Ｘ０及びＹ０に所定の値を設定し、式７乃至１２に基づき逐次計算を行うことにより、Ｘａ及びＹａが示す値を算出する。

例えば、計測ポイント２０−１乃至３が位置する座標が、それぞれ、Ｐ１＝（０．００，０．００，３．００）、Ｐ２＝（２．００，０．００，３．００）、Ｐ３＝（０．００，２．００，２．９８）（座標に関する単位は、いずれもメートルとする）であり、室温が２５度である場合、Ｔａ＝０．０１７３５（秒）となる。算出部１０は、Ｔａ、及び、式１乃至２を使用して、Ｚａが示す値３．０１（メートル）を算出する。

上述の場合、Ｔ１ａ＝０．０１９１５（秒）、Ｔ２ａ＝０．０１８２７（秒）、Ｔ３ａ＝０．０１８２５（秒）となる。算出部１０は、式３乃至６を使用して、Ｒ１ａ＝２．８２３０３０３（メートル）、Ｒ２ａ＝１．９８７１５８８（メートル）、Ｒ３ａ＝２．０１５５１４８（メートル）であることを算出する。

上述した場合において、算出部１０が、Ｒ１ａ乃至Ｒ３ａが示す値と式７乃至１２に基づき、逐次計算法により、Ｘａ及びＹａが示す値を算出した結果を図８に示す。逐次計算法による計測ポイントが位置するＸ座標及びＹ座標の算出結果２００においては、算出部１０は、Ｘ０及びＹ０に１００．００を設定し、６回逐次計算を実行した結果、Ｘａ＝２．０１（メートル）、Ｙａ＝１．９８（メートル）であることを算出する。

算出部１１は、計測ポイント２０−ｂが位置する座標についても、計測ポイント２０−ａが位置する座標と同様に算出する。この際、算出部１１は、計測ポイント２０−１乃至３、及び、計測ポイント２０−ａのうちのいずれか３つの計測ポイントが位置する座標が示す値を基に算出する。算出部１１が計測ポイント２０−ａが位置する座標が示す値を使用する場合、超音波送受信部１１−ａは、超音波送受信部１１−１乃至３と同様に動作する。さらに、算出部１１は、計測ポイント２０−ｃが位置する座標についても、計測ポイント２０−ａ乃至ｂが位置する座標と同様に算出する。この際、算出部１１は、計測ポイント２０−１乃至３、及び、計測ポイント２０−ａ乃至ｂのうちのいずれか３つの計測ポイントが位置する座標が示す値を基に算出する。算出部１１が計測ポイント２０−ｂが位置する座標が示す値を使用する場合、超音波送受信部１１−ｂは、超音波送受信部１１−１乃至３と同様に動作する。

次に図２のフローチャートを参照して、本実施形態に係るキャリブレーション装置１の動作（処理）について詳細に説明する。

超音波送受信部１１−ａは、床面に垂直または略垂直に超音波を送信し、その超音波が床面にて反射した反射波を受信し、送信してから受信するまでの時間Ｔａを、算出部１０へ入力する（ステップＳ１０１）。算出部１０は、Ｔａが示す値を基に、超音波送受信部１１−ａが設置された計測ポイントが位置するＺ座標Ｚａが示す値を算出する（ステップＳ１０２）。

キャリブレーション装置１は、整数ｉが示す値を１乃至３に順次設定して、ステップＳ１０３からステップＳ１０８に係るループ処理を実行する（ステップＳ１０３）。超音波送受信部１１−ｉは、超音波送受信部１１−ａに対して同期信号を送信するとともに、床面に対して超音波を送信する（ステップＳ１０４）。超音波送受信部１１−ａは、超音波送受信部１１−ｉから同期信号を受信するとともに、超音波送受信部１１−ｉから送信された超音波が床面にて反射した反射波を受信する（ステップＳ１０５）。超音波送受信部１１−ａは、超音波送受信部１１−ｉから超音波が伝搬するのに要した時間Ｔｉａを算出して、算出部１０へ入力する（ステップＳ１０６）。算出部１０は、Ｔｉａが示す値を基に、超音波送受信部１１−ｉと超音波送受信部１１−ａとの平面距離Ｒｉａを算出する（ステップＳ１０７）。

ｉが示す値が３未満である場合、処理は、整数ｉに１を加算してステップＳ１０３に戻り、ｉが示す値が３である場合、処理は、ステップＳ１０９へ進む（ステップＳ１０８）。算出部１０は、超音波送受信部１１−１乃至３が設置された計測ポイントが位置する座標が示す値と、平面距離Ｒ１ａ乃至Ｒ３ａが示す値を基に、超音波送受信部１１−ａが設置された計測ポイントが位置するＸ座標Ｘａ及びＹ座標Ｙａが示す値を算出し（ステップＳ１０９）、全体の処理は終了する。

尚、上述した実施形態では、 説明の便宜上から、キャリブレーション装置１が、計測ポイント２０−ａが位置する座標を、３個の計測ポイント２０−１乃至３が位置する座標から算出する場合について説明した。しかしながら、上述した実施形態を例に説明した本発明は、キャリブレーション装置１が計測ポイント２０−ａが位置する座標を算出する際に参照する座標が３個の場合には限定されない。

即ち、キャリブレーション装置１は、既に座標が示す値が判明している４個以上の計測ポイントが位置する座標から、目的の計測ポイントが位置する座標を算出してもよい。より具体的には、例えば、キャリブレーション装置１は、目的の計測ポイントからの距離が所定の基準値以内に位置する、座標が示す値が既知である計測ポイントを検出する。そして、キャリブレーション装置１は、検出された計測ポイントの個数が示す回数分、上述したステップＳ１０３からステップ１０８に係るループ処理を繰り返して実行し、目的の計測ポイントが位置する座標を、より正確に算出してもよい。

本実施形態に係るキャリブレーション装置１は、計測ポイントと対象物体との間の距離、及び、計測ポイントが位置する座標を基に対象物体が位置する座標を計測する位置計測システム２において、座標が不明である計測ポイントに関するキャリブレーションを効率的に行うことができる。その理由は、算出部１０が、座標が判明している計測ポイントに設置された超音波送受信部１１−１乃至３と、座標が不明である計測ポイントに設置された超音波送受信部１１−ａ乃至ｃとの間を超音波が伝搬する時間を基に、超音波送受信部１１−ａ乃至ｃが位置する座標を算出するからである。

位置計測システム２が、対象物体が位置する座標を正確に計測するためには、座標が示す値が不明である計測ポイント２０−ａ乃至ｃが位置する座標について、キャリブレーションを行う必要がある。超音波送受信部２０−１乃至３、及び、超音波送受信部２０−ａ乃至ｃが、本実施形態のような超音波送信機能を備えていない場合に、計測ポイント２０−ａ乃至ｃに関するキャリブレーションを行う方法を例示する立体図を図９に示す。

図９に示す通り、計測ポイント２０−ａ乃至ｃに関するキャリブレーションは、専用キャリブレーションユニット３を使用して行われる。専用キャリブレーションユニット３は、超音波発信器３０乃至３３を備えており、計測ポイント２０−ａ乃至ｃに対して、超音波を発信する。尚、図９に示す例では、専用キャリブレーションユニット３は、４つの超音波発信器を備えているが、計測ポイント２０−ａ乃至ｃが位置する３次元座標が示す値を算出するためには、３つ以上の超音波発信器を備えればよい。専用キャリブレーションユニット３は、超音波が超音波発信器３０乃至３３から計測ポイント２０−ａ乃至ｃに伝搬するのに要した時間から、超音波発信器３０乃至３３と計測ポイント２０−ａ乃至ｃとの距離を算出したのち、超音波発信器３０乃至３３が位置する座標を基に、計測ポイント２０−ａ乃至ｃが位置する座標を算出する。

一般的に、音波の特性として、音波発振器から３次元空間に音波が発信される際に、音波のエネルギー密度は、音波発振器を中心とした球体の表面積に比例して発散される。すなわち、音波発振器からの距離の２乗に比例して音波のエネルギーが減衰する「発散減衰」が発生する。また、大気中を音波が伝搬する際に、大気中に存在する分子の回転飽和現象及び振動飽和に起因する「吸収減衰」が発生する。したがって、専用キャリブレーションユニット３は、計測ポイント２０−ａ乃至ｃから所定の距離以内に配置される必要がある。例えば、計測ポイント２０−ａと計測ポイント２０−ｂとが、ある程度離れている場合、図９に示す通り、計測ポイント２０−ａ及びｂが位置する座標をそれぞれ算出する際に、専用キャリブレーションユニット３を置く場所を移動させる必要がある。専用キャリブレーションユニット３を置く場所を移動させた場合、その都度、超音波発信器３０乃至３３が位置する座標を計測する作業が発生することになる。したがって、図９に示すキャリブレーションを行う方法は、あまり効率的ではない。

これに対して、本実施形態では、超音波送受信部２０−１乃至３、及び、超音波送受信部２０−ａ乃至ｃが超音波送受信機能を備えているため、キャリブレーション装置１は、計測ポイント２０―１乃至３と計測ポイント２０−ａ乃至ｃとの間の距離を算出することができる。そして、キャリブレーション装置１は、既に判明している超音波送受信部２０−１乃至３が位置する座標が示す値を使用して、計測ポイント２０−ａ乃至ｃが位置する座標が示す値を算出できるため、キャリブレーションを効率的に行うことができる。

また、キャリブレーション装置１は、計測ポイント２０−ａが位置する座標を算出した後、計測ポイント２０−ｂが位置する座標を算出する際に、計測ポイント２０−ａが位置する座標が示す値を使用することができる。キャリブレーション装置１は、さらにそののち、計測ポイント２０−ｃが位置する座標を算出する際に、計測ポイント２０−ａ乃至ｂが位置する座標が示す値を使用することができる。すなわち、キャリブレーション装置１は、座標が示す値が不明である計測ポイントが位置する座標を算出した後、当該計測ポイントが位置する座標が示す値を使用して、連鎖的に座標が示す値が不明である計測ポイントが位置する座標を算出する。したがって、例えば、位置計測システム２が計測対象とする空間領域が拡大され、計測ポイントの数を大幅に増加させるような場合でも、キャリブレーション装置１は、新規に設置された計測ポイントに関するキャリブレーションを効率的に実行することができる。

さらに、キャリブレーション装置１は、超音波送受信部１１−ａ乃至ｃが床面に垂直または略垂直に超音波を反射させることにより、計測ポイント２０−ａ乃至ｃが位置するＺ座標が示す値を算出する。したがって、キャリブレーション装置１は、式７乃至９による連立方程式において、Ｚ座標に係る要素を排除できるため、算出部１０が実行する演算を簡素化することができる。尚、超音波送受信部１１−ａ乃至ｃが、床面同様、何れかの壁面に対して垂直または略垂直に超音波を反射させることにより、キャリブレーション装置１が、Ｘ座標あるいはＹ座標が示す値を算出してもよい。あるいは、超音波送受信部１１−ａ乃至ｃが床面あるいは側面に垂直または略垂直に超音波を反射させる機能を備えずに、キャリブレーション装置１は、計測ポイント２０−ａ乃至ｃが位置するＺ座標についても、計測ポイント２０−１乃至３が位置する座標が示す値から算出する場合もある。

また、キャリブレーション装置１は、超音波送受信部１１−１乃至３から送信された超音波が床面を反射したのち超音波送受信部１１−ａ乃至ｃに伝搬するまでの伝搬経路の距離を算出する。超音波送受信部１１−１乃至３が、床面における反射を利用せずに直線的に超音波送受信部１１−ａ乃至ｃに送信した場合、いずれかの超音波送受信部が、超音波が伝搬する際に障害物となる可能性がある。したがって、キャリブレーション装置１は、いずれかの超音波送受信部が、超音波が伝搬する際に障害物となる問題を回避することができる。

尚、本実施形態に係るキャリブレーション装置１は、超音波送受信部１１−１乃至３から超音波送受信部１１−ａ乃至ｃに送信された超音波が伝搬するのに要した時間を計測しているが、その逆に、超音波送受信部１１−ａ乃至ｃから超音波送受信部１１−１乃至３に送信された超音波が伝搬するのに要した時間を計測してもよい。

また、本実施形態に係るキャリブレーション装置１は、計測ポイント２０−ａが位置するＸ座標及びＹ座標が示す値を、逐次計算法を使用して式７乃至９による連立方程式を解くことにより算出しているが、別の数学的手法を用いてＸ座標及びＹ座標が示す値を算出してもよい。

尚、本実施形態に係るキャリブレーション装置１は、計測ポイント２０−１乃至３と計測ポイント２０−ａ乃至ｃとの間の距離を計測する際に超音波を使用しているが、例えば赤外線等の超音波以外の信号波を使用してもよい。

また、位置測定システム２における対象物体が、直線レールの上を動く場合など所定の直線の上に限定して存在する場合は、対象物体が位置する座標は１次元で示されるため、計測ポイントが位置する座標も１次元で示すことが可能である。位置測定システム２における対象物体が、所定の平面の上に限定して存在する場合は、対象物体が位置する座標は２次元で示されるため、計測ポイントが位置する座標も２次元で示すことが可能である。

＜第２の実施形態＞
図１０は第２の実施形態のキャリブレーション装置４の構成を概念的に示すブロック図である。

本実施形態のキャリブレーション装置４は、第一の信号波送受信部４１−ａ、第二の信号波送受信部４１−１乃至３、及び、算出部４０を備えている。

第一の信号波送受信部４１−ａは、座標系に配置された複数の計測ポイントのうちの少なくともいずれかと対象物体との距離、及び、当該計測ポイントが位置する座標値を基に、対象物体が位置する座標値を計測する位置計測システム５における、座標値が不明である第一の前記計測ポイントに設置され、信号波を送信あるいは受信する。

第二の信号波送受信部４１−１乃至３は、座標値が判明している１以上、例えば３つの第二の計測ポイントにそれぞれ設置され、信号波を送信あるいは受信する。

算出部４０は、信号波が第一の信号波送受信部４１−ａ及び第二の信号波送受信部４１−１乃至３の間を伝搬するのに要する時間、及び、第二の計測ポイントが位置する座標値を基に、第一の計測ポイントが位置する座標値を算出する。

本実施形態に係るキャリブレーション装置４は、計測ポイントと対象物体との間の距離、及び、計測ポイントが位置する座標を基に対象物体が位置する座標を計測する位置計測システム５において、座標が不明である計測ポイントに関するキャリブレーションを効率的に行うことができる。その理由は、算出部４０が、座標が判明している計測ポイントに設置された超音波送受信部４１−１乃至３と、座標が不明である計測ポイントに設置された超音波送受信部４１−ａとの間を超音波が伝搬する時間を基に、超音波送受信部４１−ａが位置する座標を算出するからである。

＜ハードウェア構成例＞
上述した各実施形態において図１、及び、図１０に示した各部は、ソフトウェアプログラムの機能（処理）単位（ソフトウェアモジュール）と捉えることができる。但し、これらの図面に示した各部の区分けは、説明の便宜上の構成であり、実装に際しては、様々な構成が想定され得る。この場合のハードウェア環境の一例を、図１１を参照して説明する。

図１１は、本発明の模範的な実施形態に係るキャリブレーション装置を実行可能な情報処理装置９００（コンピュータ）の構成を例示的に説明する図である。即ち、図１１は、図１、及び、図１０に示したキャリブレーション装置を実現可能なコンピュータ（情報処理装置）の構成であって、上述した実施形態における各機能を実現可能なハードウェア環境を表す。

図１１に示した情報処理装置９００は、ＣＰＵ９０１（Ｃｅｎｔｒａｌ＿Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ＿Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ９０２（Ｒｅａｄ＿Ｏｎｌｙ＿Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ９０３（Ｒａｎｄｏｍ＿Ａｃｃｅｓｓ＿Ｍｅｍｏｒｙ）、ハードディスク９０４（記憶装置）、外部装置との通信インタフェース９０５（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ：以降、「Ｉ／Ｆ」と称する）、ＣＤ−ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ＿Ｄｉｓｃ＿Ｒｅａｄ＿Ｏｎｌｙ＿Ｍｅｍｏｒｙ）等の記憶媒体９０７に格納されたデータを読み書き可能なリーダライタ９０８、及び、入出力インタフェース９０９を備え、これらの構成がバス９０６（通信線）を介して接続された一般的なコンピュータである。

そして、上述した実施形態を例に説明した本発明は、図１１に示した情報処理装置９００に対して、その実施形態の説明において参照したブロック構成図（図１、及び、図１０）或いはフローチャート（図２）の機能を実現可能なコンピュータプログラムを供給した後、そのコンピュータプログラムを、当該ハードウェアのＣＰＵ９０１に読み出して解釈し実行することによって達成される。また、当該装置内に供給されたコンピュータプログラムは、読み書き可能な揮発性の記憶メモリ（ＲＡＭ９０３）またはハードディスク９０４等の不揮発性の記憶デバイスに格納すれば良い。

また、前記の場合において、当該ハードウェア内へのコンピュータプログラムの供給方法は、ＣＤ−ＲＯＭ等の各種記憶媒体９０７を介して当該装置内にインストールする方法や、インターネット等の通信回線を介して外部よりダウンロードする方法等のように、現在では一般的な手順を採用することができる。そして、このような場合において、本発明は、係るコンピュータプログラムを構成するコード或いは、そのコードが格納された記憶媒体９０７によって構成されると捉えることができる。

以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上述した実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。

１ キャリブレーション装置
２ 位置計測システム
３ 専用キャリブレーションユニット
４ キャリブレーション装置
５ 位置計測システム
１０ 算出部
１１−１乃至３ 超音波送受信部
１１−ａ乃至ｃ 超音波送受信部
１１０ 超音波受信素子
１１１ 増幅回路
１１２ 検出回路
１１３ 超音波発信素子
１１４ 駆動回路
１１５ 発振回路
１１６ 同期回路
１２ 通信ネットワーク
２０−１乃至３ 計測ポイント
２０−ａ乃至ｃ 計測ポイント
３０乃至３３ 超音波発信器
４０ 算出部
４１−ａ 第一の信号波送受信部
４１−１乃至３ 第二の信号波送受信部
２００ 逐次計算法による計測ポイントが位置するＸ座標及びＹ座標の算出結果
９００ 情報処理装置
９０１ ＣＰＵ
９０２ ＲＯＭ
９０３ ＲＡＭ
９０４ ハードディスク
９０５ 通信インタフェース
９０６ バス
９０７ 記憶媒体
９０８ リーダライタ
９０９ 入出力インタフェース

Claims (10)

1. 座標系に配置された複数の計測ポイントのうちの少なくともいずれかと対象物体との距離、及び、当該計測ポイントが位置する座標値を基に、前記対象物体が位置する座標値を計測する位置計測システムにおける、座標値が不明である第一の前記計測ポイントに設置され、信号波を送信あるいは受信する第一の信号波送受信手段と、
   座標値が判明している１以上の第二の前記計測ポイントに設置され、前記信号波を送信あるいは受信する第二の信号波送受信手段と、
   前記信号波が前記第一及び第二の信号波送受信手段の間を伝搬するのに要する時間、及び、前記第二の計測ポイントが位置する座標値を基に、前記第一の計測ポイントが位置する座標値を算出する算出手段と、
   を備えるキャリブレーション装置。
2. 前記算出手段は、複数の前記第一の計測ポイントのいずれかが位置する座標値を算出した後、当該第一の計測ポイントを前記第二の計測ポイントの１つとみなして、当該第一の計測ポイントを除く前記第一の計測ポイントが位置する座標値を算出する、
   請求項１に記載のキャリブレーション装置。
3. 前記第一の信号波送受信手段は、前記位置計測システムが有する、前記対象物体を取り囲む面のうちの少なくともいずれかに垂直または略垂直に前記信号波を送信したのち、前記信号波が前記面にて反射した反射波を受信し、
   前記算出手段は、前記第一の信号波送受信手段が前記信号波を送信してから、前記反射波を受信するまでの時間を基に、１乃至３次元のいずれかで示される、前記第一の計測ポイントが位置する座標値に関する、少なくともいずれかの要素が示す値を算出する、
   請求項１または２に記載のキャリブレーション装置。
4. 前記第一及び第二の信号波送受信手段は、前記信号波を発信する場合、前記位置計測システムが有する、前記対象物体を取り囲む面のうちの少なくともいずれかに向けて前記信号波を送信し、前記信号波を受信する場合、他の前記信号波送受信手段から送信されたのち、前記信号波が前記面にて反射した反射波を受信する、
   請求項１乃至３のいずれかに記載のキャリブレーション装置。
5. 情報処理装置によって、
   座標系に配置された複数の計測ポイントのうちの少なくともいずれかと対象物体との距離、及び、当該計測ポイントが位置する座標値を基に、前記対象物体が位置する座標値を計測する位置計測システムにおける、座標値が不明である第一の前記計測ポイントにおいて、信号波を送信あるいは受信し、
   座標値が判明している１以上の第二の前記計測ポイントにおいて、前記信号波を送信あるいは受信し、
   前記信号波が前記第一及び第二の計測ポイントの間を伝搬するのに要する時間、及び、前記第二の計測ポイントが位置する座標値を基に、前記第一の計測ポイントが位置する座標値を算出する、
   キャリブレーション方法。
6. 複数の前記第一の計測ポイントのいずれかが位置する座標値を算出した後、当該第一の計測ポイントを前記第二の計測ポイントの１つとみなして、当該第一の計測ポイントを除く前記第一の計測ポイントが位置する座標値を算出する、
   請求項５に記載のキャリブレーション方法。
7. 前記第一の計測ポイントから、前記位置計測システムが有する、前記対象物体を取り囲む面のうちの少なくともいずれかに垂直または略垂直に前記信号波を送信したのち、前記第一の計測ポイントにおいて、前記信号波が前記面にて反射した反射波を受信し、
   前記信号波を送信してから、前記反射波を受信するまでの時間を基に、１乃至３次元のいずれかで示される、前記第一の計測ポイントが位置する座標値に関する、少なくともいずれかの要素が示す値を算出する、
   請求項５または６に記載のキャリブレーション方法。
8. 座標系に配置された複数の計測ポイントのうちの少なくともいずれかと対象物体との距離、及び、当該計測ポイントが位置する座標値を基に、前記対象物体が位置する座標値を計測する位置計測システムにおける、座標値が不明である第一の前記計測ポイントにおいて、信号波を送信あるいは受信する第一の信号波送受信処理と、
   座標値が判明している１以上の第二の前記計測ポイントにおいて、前記信号波を送信あるいは受信する第二の信号波送受信処理と、
   前記信号波が前記第一及び第二の計測ポイントの間を伝搬するのに要する時間、及び、前記第二の計測ポイントが位置する座標値を基に、前記第一の計測ポイントが位置する座標値を算出する算出処理と、
   をコンピュータに実行させるキャリブレーションプログラム。
9. 複数の前記第一の計測ポイントのいずれかが位置する座標値を算出した後、当該第一の計測ポイントを前記第二の計測ポイントの１つとみなして、当該第一の計測ポイントを除く前記第一の計測ポイントが位置する座標値を算出する前記算出処理、
   をコンピュータに実行させる請求項８に記載のキャリブレーションプログラム。
10. 前記位置計測システムが有する前記対象物体を取り囲む面のうちの少なくともいずれかに垂直または略垂直に前記信号波を送信したのち、前記信号波が前記面にて反射した反射波を受信する前記第一の信号波送受信処理と、
    前記第一の信号波送受信処理が前記信号波を送信してから、前記反射波を受信するまでの時間を基に、１乃至３次元のいずれかで示される、前記第一の計測ポイントが位置する座標値に関する、少なくともいずれかの要素が示す値を算出する前記算出処理と、
    をコンピュータに実行させる請求項８または９に記載のキャリブレーションプログラム。

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