JP2016161364A - 音による座標測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】任意の点を原点とする空間座標系において、対象点の空間座標を簡便な装置構成と方法で測定する。【解決手段】対象点に音の発音部を設け、既知の座標に配置され且つ前記発音部が発音した音を受音する複数の受音部を設け、複数の受音部のうちの任意の二つの受音部により構成される受音部対で発音部より発音される音を受音し、一つの受音部対について発音部〜第一の受音部の距離と発音部〜第二の受音部の距離の差である伝播行路距離差を算出し、伝播行路距離差を複数の受音部対についてそれぞれ同様に算出し、複数の受音部の既知の座標と複数の受音部対それぞれの伝播行路距離差より発音部の座標を算出することで対象点の座標を測定する。【選択図】図１

Description

本発明は、任意の箇所を原点とする座標系において音によって対象点の座標を測定する装置に関するものである。

三次元座標を得る手段としては、光学式・超音波式・電波式・機械式・磁気式・ＧＰＳ（グローバルポジショニングシステム）などの様々な方式がある。しかし、どの方式にも一長一短があり、安価で使いやすく且つ精度が良い方式が実用化されておらず、製品としても存在しない。

住宅などの建設業界の基礎工事測量分野では、測量対象点を反射プリズムが装着された指示器（ポールなど）で指し示し、本体内蔵のカメラから得られる画像を解析することでその反射プリズムを追尾しレーザー計測により得られる距離情報と内蔵された２軸のサーボモーターそれぞれから得られる角度情報から三次元座標を導出する製品がある。

しかしながら、同方式では、極めて高性能なエンコーダーが必要となるためコストが高額となってしまう。また、計測においては、上記の通りモーターを使って計測点指示器を追尾する必要があるので追尾可能な範囲内で指示器を移動せざるをえず使い勝手が悪い。加えて、複数箇所を複数人で同時計測することも不可能である。

そこで本願発明者はこれらの問題を解決すべく発明を成し、特願２０１２−２２７９０９（特開２０１４−０８１２３２）「無線による座標測定装置」を出願した。

特開２０１４−０８１２３２号公報

特許文献１の技術は無線を使用するものである。無線は障害物の影響が軽微であり三次元座標測定を行う上では好適な手段の一つであるが、どの周波数帯であっても混信や高調波などのノイズの影響があり、またマルチパスといった問題があり、運用するフィールドに制限を設ける必要があり、汎用性が低下してしまう。
加えて、無線の伝播速度は毎秒３０万キロメートルであり、多数の用途が見込める距離レンジである１０ｍ以内の測量では到達時間が微小であり安価な電子部品を用いることが困難であるという問題もある。

そこで上述の諸問題を解決すべく本発明が成された。
本発明による座標測定装置は、
「音を発音する発音部と、
任意の空間座標系において既知の座標に配置され且つ発音部が発音した音を受音する複数の受音部と、
複数の受音部のうちの任意の二つの受音部からなる受音部対を複数有し、受音部対に含まれる受音部で受音した音に基づいて、発音部から受音部対の第一の受音部までの距離と発音部から受音部対の第二の受音部までの距離との差である伝播行路距離差を算出する伝播行路距離差算出部と、
複数の受音部の既知の座標と、複数の受音部対についてそれぞれ算出された伝播行路距離差と、に基づいて発音部の座標を算出する発音部座標算出部と、
を具備する」
ことを特徴としている。

また、本発明の座標測定装置の発音部は、
「発音部は複数の受音部とは別体に設けられている」
ことを特徴としている。

更に、本発明の座標測定装置は、
「音は、特定の波形パターンを含む」
ことを特徴としている。

本発明により、単一周波数の正弦波のみで三次元座標測定が可能となる。

詳細な説明の前に、本明細書内で共通の事項について説明する。
本発明において、発音部が発音する音は超音波・可聴音波・低周波音波などであり大気や水などを媒体とする弾性波であり、座標とは特に断りの無い限り立体（三次元）空間の直交座標系の座標を意味するものとする。

本発明の概念を示す図である。 受音部の構造を示す図である。 受音部対で受音した音の信号波形を示す図である。

図１は、本発明の基本的な概念を示している。
基準モジュールは、一連の座標測定を行う間は移動させないよう扱うものであり、仮想座標系の原点（もしくは特定の座標）と看做すことができる。基準モジュールには複数の受音部（マイクロフォン）があり、図１では５つの受音部としてあるが、特にこれに限定されない。
仮想座標系は、仮に、左右水平方向をＸ軸、垂直方向をＹ軸、奥行水平方向をＺ軸、としている。
計測モジュールは、座標を計測したい点を指し示す計測点指示部、音を発音する発音部（スピーカー）、座標計測を行った結果を表示する計測結果表示部から構成される。使用者はこの計測モジュールを持って移動し、座標計測を行いたい点を測定点指示部で指し示すようにし、図示しない計測開始スイッチを押下することにより計測を開始するよう計測モジュールに指示する。仮想座標系における座標計測の結果は計測結果表示部に表示される。

図２は、基準モジュールの受音部の構造について示している。
まず、計測モジュールの発音部より音が発音される。音として特定のものを図示してはいないが、発音部から発音された音として基準モジュール側が認識できる特定の波形パターンを含むようにしているが、もちろんこれに限定される理由は無い。
基準モジュールには受音部が５つあり、それぞれ受音部Ｒ１〜Ｒ５としている。
各受音部Ｒ１〜Ｒ５では計測モジュールの発音部より発音された音をそれぞれ受音する。

各受音部Ｒ１〜Ｒ５で受音された音は電気信号に変換されたうえでＢＰＦ（バンドパスフィルター）で特定の周波数帯域のものだけを濾波する。この濾波は上述の「特定の波形パターン」を抽出する目的で行う。
濾波された信号はＡ／Ｄ（アナログ−ディジタル）変換器を通してマイコンに読取られる。マイコンでは読み取った信号をデータとして処理する。

図３は、濾波された後の信号の波形の例について示している。縦軸は信号レベル、横軸は時間、である。
とある特定の２つの受音部においては、発音部からの直線距離の差（距離差）があるので同じ音を受音しても時間的にタイミングが異なる。このタイミングの差異を音に含まれる「特定の波形パターン」を検出することにより行う。図３のように、「到達時間差」だけの時間差があると、この到達時間差に音速をかけた値が距離差となる。
以下、前述の先行技術文献（特願２０１２−２２７９０９／特開２０１４−０８１２３２）に基づき、共通点については参照のみで扱い、異なる点を中心に説明する。

先行技術の要旨は、４つの受信部対を想定し、受信部対の２つの受信部それぞれと送信部との距離の差を算出し、４つの受信部対の距離差を以って送信部の三次元座標を求める、というものである。
４つの受信部対を構成するためにコスト低減を踏まえて４つの受信部を三角錐状に配置する方式を採用したが、本発明ではより計測精度を高めるために５つの受音部を四角錐状に配置する方式とした。
まず、前述の通り「特定の波形パターン」の検出により、各発音部相互に音の到達時間差を求めることができる。

この際、受音部Ｒ１と受音部Ｒ２〜Ｒ５との相互の距離差Ｄｍ（ｍ＝１〜４）は、各「音の到達時間差」をＨｍ、音速をｃ、とすると、Ｄｍ＝Ｈｍ×ｃとなる。
なお、以降の数式で多用する添え字ｎとｍについては以下の通りである。
ｎは、複数の受音部のうちの特定の１つを示す数字であり、本実施例では受音部が５つあるので、ｎは１〜５の範囲となる。

このうち、ｎ＝１の受音部を中心的に扱い、ｎ＝１以外の受音部（ｎ＝２〜５）との組み合わせで受音部対を構成することとする。すなわち、受音部をＲｎと表記すると、受音部対は「Ｒ１対Ｒ２」「Ｒ１対Ｒ３」「Ｒ１対Ｒ４」「Ｒ１対Ｒ５」の４つが存在することになる。受音部対のこれらの４通り組み合わせをｍで示す。例えば「Ｒ１対Ｒ２」はｍ＝１である。受音部が５つある場合、ｍは１〜４の範囲となる。ｍを用いた違う書き方をすると、受音部対「Ｒ１対Ｒ（ｍ＋１）」を示しているという意味でもある。

このことより、発音部が発音する音に含まれる「特定の波形パターン」が既知であれば、「発音部と受音部対のうちの片方の受音部との距離」と「発音部と受音部対のうちのもう片方の受音部との距離」の差Ｄがわかるのである。
他の受音部の信号との関係性についても同じことがいえるので、発音部を基準として受音部Ｒ１〜Ｒ５相互の距離差も同様に求まることになる。

先行技術では４つの受信部で４つの受信部対を構成していたが、本発明では５つの受音部で４つの受音部対を構成するようにしたため、先行技術文献の式４に該当する部分は以下のようになる。

ここまでの内容に基づき、距離差Ｄｍから発音部の座標を求める方法を説明する。
発音部ｌの座標をｌ（ｘ，ｙ，ｚ）とする。
受音部Ｒ１〜Ｒ５の座標は既知でありこれをＲｎ（ｘ，ｙ，ｚ）とする（ｎ＝１〜５）。
受音部Ｒｎと発音部ｌとの直線距離をｄｎとする（ｎ＝１〜５）。
ｄ１とｄ２〜ｄ４の差（距離差）をｒｍとする（ｍ＝１〜４）。
受音部Ｒ１とＲｎの間に生じる既知の回路上の遅延要因を距離に換算したものをＡｍ（ｍ＝１〜４）とする。

この時、
Ｔ１＝Ｄ１−Ａ１
Ｔ２＝Ｄ２−Ａ２
Ｔ３＝Ｄ３−Ａ３
Ｔ４＝Ｄ４−Ａ４
とすると、
中間変数としてＣ・Ｘ・Ｙ・Ｚを以下のように定義できる。

上述の中間変数を元に発音部の座標ｌ（ｘ，ｙ，ｚ）は以下の式により求まる。

このようにして、５つの受音部の既知の座標と、各受音部より構成される受音部対それぞれにおいて測定された伝播行路距離差と、を数式に代入することで発音部の座標を求めることが可能となる。

図１の計測モジュールにおいて、三次元座標測定の対象になるのは発音部の存在する部位となるが、計測モジュール内に加速度センサーなどを設けて重力方向に対する姿勢を取得するようにすれば、発音部から計測点指示部までの距離は既知であるので、計測点指示部の座標も算出することが可能となる。

更に、計測は基準モジュール側で行うが、計測結果は計測モジュール側へ通信手段をもって通知しても良い。図２に示してある例ではＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）を用いて計測した結果を計測モジュールへ送信している。

以上、本発明について好適な実施例を挙げて説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない限り多くの改変を施すことが可能であるのは勿論である。

量産可能な発音部および受音部を用いて特定箇所の座標測定を簡便に行うことができ、寸法測定や測量などの作業の効率を向上させるなどの効果を有している。

Claims (3)

1. 音を発音する発音部と、
   任意の空間座標系において既知の座標に配置され且つ前記発音部が発生した音を受音する複数の受音部と、
   前記複数の受音部のうちの任意の二つの受音部からなる受音部対を複数有し、該受音部対に含まれる受音部で受音した音に基づいて、前記発音部から該受音部対の第一の受音部までの距離と前記発音部から該受音部対の第二の受音部までの距離との差である伝播行路距離差を算出する伝播行路距離差算出部と、
   前記複数の受音部の既知の座標と、前記複数の受音部対についてそれぞれ算出された前記伝播行路距離差と、に基づいて前記発音部の座標を算出する発音部座標算出部と、
   を具備することを特徴とする座標測定装置。
2. 前記発音部は前記複数の受音部とは別体に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の座標測定装置。
3. 前記音は、特定の波形パターンを含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の座標測定装置。