JP2019074400A - 位置推定装置、空調システム、位置推定方法及びプログラム - Google Patents
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Abstract
Description
f1=(x−A1)2+(y−B1)2+(z−C1)2−(c(t1−d))2=0
f2=(x−A2)2+(y−B2)2+(z−C2)2−(c(t2−d))2=0
f3=(x−A3)2+(y−B3)2+(z−C3)2−(c(t3−d))2=0
f4=(x−A4)2+(y−B4)2+(z−C4)2−(c(t4−d))2=0
受信機の位置はこの方程式を解くことにより得られるが、一般にこの方程式の解は、ニュートン−ラプソン法等の近似計算を用いて求めることが多い。この近似計算は、処理負荷が高く、同様の計算を空調機の制御に適用しようとしても、空調機に搭載できるコンピュータの性能を超える可能性がある。また、近似計算によって解を導出する場合、探索の初期値によっては、局所解に陥ってしまうことがある。
以下、本発明の一実施形態による冷媒回路を図1〜図13を参照して説明する。
図1は、本発明の一実施形態における空調システムの一例を示す図である。
図示するように空調システムは、空調機10と、端末装置40と、マイクM1〜M4とを含む。空調機10は、制御装置20を備える。制御装置20は、空調機10の運転を制御する。制御装置20は、空間wの一部のエリアを対象として、空調を行うよう空調機10を制御する機能を有している。制御装置20は、位置推定装置30を備える。位置推定装置30は、端末装置40が発した音sに基づいて、音sが発された位置を推定する。制御装置20は、例えば、位置推定装置30が推定した位置を対象として空調制御を行う。端末装置40は、所定の周波数の音sを出力する機能を有している。また、端末装置40は、端末装置40が存在する空間wにおけるエリアを指定する情報kを、空調機10(制御装置20)へ送信する機能を有している。端末装置40は、例えば、スマートフォン等の情報処理装置である。あるいは、端末装置40は、音を出力する装置と、情報kを出力する装置の2台で構成されていてもよい。マイクM1〜M4は、端末装置40が発した音を検出する。
位置推定装置30は、音情報取得部31と、到達時間差算出部32と、位置推定部33と、センサ情報取得部34と、地図情報作成部35と、記憶部36を備える。
音情報取得部31は、マイクM1〜M4が音sを検出して電気信号に変換した音信号をマイクM1〜M4別に取得する。音情報取得部31は、マイクM1〜M4と各マイクが音sを検出した時刻(音情報取得部31が音信号を取得した時刻)とを対応付けて記憶部36に記録する。
図3は、本発明の一実施形態におけるマイクの配置例を示す図である。
図3にマイクM1〜M4の配置例を示す。マイクM1〜M4は、空間wの天井に、例えばマイクM1〜Mの各々が、空調機10の吹き出し口の中心を重心とする正方形の頂点をなすように配置される。
図4に到達時間差を算出するための座標系の例を示す。まず、4つのマイクM1〜M4の重心を原点oとする。すると、空間wの位置P1は、原点からの距離rと、X軸の正方向を0度としたときの角度θを用いて、極座標(r、θ)で表すことができる。ある時刻に位置P1(音源P1と記載する場合がある)にて端末装置40が音sを発してから、マイクM1、M2、M3、M4の各々が音sを検出するまでの時間をそれぞれTm1、Tm2、Tm3、Tm4とする。音源P1の位置が変化すると、音源P1とマイクM1〜M4の距離が変化するので、Tm1〜Tm4も変化する。Tm1〜Tm4は、rおよびθの関数として表すことができる。図5にこの様子を示す。
図5は、距離r別に角度θとTm1〜Tm4との関係を示したグラフである。例えば、左上端のグラフは、マイクM1〜M4の重心からの距離rが0.5mの場合の角度θとTm1〜Tm4の関係を示したグラフである。到達時間Tm1〜Tm4は、角度θの変化に伴うマイクM1〜M4と音源P1の距離の変化に応じて図示するように変化する。他のグラフについても同様である。例えば、右下端のグラフは、マイクM1〜M4の重心からの距離rが3mの場合の角度θとTm1〜Tm4の関係を示したグラフである。左上端のグラフ(距離r=0.5m)と比べ、距離が離れた分だけ、全体的に到達時間が長くなっている。
図6は、角度θと到達時間差との関係を距離r毎に示したグラフを、到達時間差ΔT21、ΔT31、ΔT41別に示したものである。例えば、左端のグラフは、到達時間差ΔT21について、距離r=0.5m、1m、2mの場合の到達時間差と角度θの関係を示している。音sの音源P1の位置とマイクM1およびマイクM2の位置関係の変化に応じて、到達時間は図示するように変化する。他のグラフについても同様である。
また、到達時間差Δ21等のグラフが温度ごとに用意されているならば、空間wの室温に応じた到達時間差Δ21等のグラフを参照して逆引きを行うことで、より正確な音源の位置を推定することができる。
図7は、本発明の一実施形態におけるLUTの一例を示す図である。
図6で例示したものは、音源P1の位置を極座標で表したグラフであるのに対し、図7のLUT37は、音源P1の位置を直交座標で表したときのX,Y座標と到達時間差Δ21との関係を規定したテーブルである。LUT37の各列は図4で例示したマイクM1〜M4の重心を原点とする直交座標におけるX座標の値が対応し、各行はY座標の値が対応する。テーブルの各セルには、対応する行と列が示す座標位置に音源P1が存在するときの到達時間Δt21の値が記載されている。このテーブルは次のような手順で作成することができる。(1)例えば、X=[−10、10]、Y=[−10、10][m]の範囲で空間を格子状に分割する。格子の間隔は、空間wの大きさに応じて任意に決定する。(2)次に各格子点(x、y)から音を発したときの各マイクMi(i=1〜4)への到達時間tiを計算する。ここで、格子点と各マイクMiの距離をdi、音速をcとすると、到達時間ti=di/cである。(3)次にマイクM1を基準としたΔT21、ΔT31、ΔT41を計算し、ΔT21(x、y)、ΔT31(x、y)、ΔT41(x、y)のマップを作成する。図7のLUTはこのようにして作成されたテーブルの一例である。
なお、LUT37では、極座標と到達時間差との対応関係が規定されていてもよい。
図8は、本発明の一実施形態における位置推定結果の一例を示す第1の図である。
音源P1の真の位置のXYZ座標を(1,3,3)とする。図には高さ方向(Z軸)を省略したマイクM1〜M4と音源P1の位置関係が示してある。本実施形態の位置推定方法による音源P1の座標の推定結果は(1,3,3)である。一方、従来の4つの連立方程式の解をニュートンラプソン法によって算出する方法を用いると、座標の推定結果は(1,3,3)である。この推定結果により、本実施形態の到達時間差ΔT21〜ΔT41とLUT37とを用いた位置推定を行うことで、計算負荷を低減しつつ、音源P1の真の位置を正確に推定できることが確認できた。
音源P1の真の位置のXYZ座標を(0,5,3)とする。本実施形態の位置推定方法による音源P1の座標の推定結果は(0,5,3)である。一方、従来の4つの連立方程式の解をニュートンラプソン法によって算出する方法を用いると、座標の推定結果は(0,−6.9,−2.6)である。従来法による解を図中に丸印で示す。この例のように2つのマイク(M1およびM3、M2およびM4)から等距離にあるような位置に音源P1がある場合、音源P1の位置は特異点となり、従来法を用いると正しく位置推定を行うことができない。これに対し、本実施形態の位置推定方法によれば、2つのマイクから等距離にあるような位置に音源P1がある場合であっても、位置を正確に推定できることが確認できた。
図10は、本発明の一実施形態における位置推定方法の一例を示すフローチャートである。
前提として、空間wの天井にはマイクM1〜M4が設けられている。また、記憶部36には、到達時間差ΔT21、ΔT31、ΔT41と音源P1の位置(座標情報)との対応テーブル、つまり図7で例示したLUT37が記録されている。
ユーザは、空間wにおける所望の位置(空調対象とするエリア)に移動し、端末装置40を操作して、所定の周波数の音sを出力させる。すると、マイクM1〜M4が音sを検出する(ステップS11)。音情報取得部31は、マイクM1〜M4の各々から音信号を取得する。音情報取得部31は、マイクM1〜M4の各々から音信号を取得した時刻と各マイクの識別情報を対応付けて記憶部36に記録する。次に到達時間差算出部32が、マイクM1による音信号の取得時刻を基準とする他のマイクM2、M3、M4の到達時間差ΔT21m、ΔT31m、ΔT41mを算出する(ステップS12)。次に到達時間差算出部32は、算出した実際の到達時間差ΔT21m、ΔT31m、ΔT41mを位置推定部33へ出力する。
d=c(T)×t
ここで、音速c(T)は温度Tの関数で、経験的に以下が成り立つ。
c(T)=331.5+0.6×T[m/s] (T[degC]はセ氏温度)
従って、様々な温度ごとにLUT37を用意しておかなくても、例えば、ある温度(25degC)におけるLUT37を用意しておけば、センサ情報取得部34が取得した温度を用いて、上記した(1)〜(3)の手順によって、温度の影響分を加算して補正した音速に基づく、補正後の到達時間差を算出し、任意の温度に応じたテーブルを作成することができる。
本実施形態の位置推定装置30を備えることにより、制御装置20は、ユーザが所望するエリアを対象とする空調制御を行うことができる。
次にこれまでに説明した方法で推定した位置情報を用いて地図情報を作成し、その地図情報を空調制御に利用する方法について説明する。例えば、空調機10の据え付け時に据え付け作業を行うスタッフが、図示しない端末装置40aから音saを出力しつつ、空間wの内壁沿いに移動する。位置推定装置30は、所定の周期でマイクM1〜M4が出力した音信号を取得し、その位置情報を推定する。地図情報作成部35は、これらの位置情報が示す点を結んで、空間wの形状を表した地図情報を作成する。地図情報は、空間wの内側形状を模した2次元または3次元の図である。図11に地図情報の一例を示す。
地図情報作成部35は、記憶部36に記録された座標情報を用いて、図11で例示する地図情報Gを作成する。さらに地図情報作成部35は、例えば、地図情報Gの内側の領域を、空調機10が空調制御を区別して行うことが可能な大きさの単位領域で分割してもよい。図11の各セル(E11など)が分割後の単位領域である。地図情報作成部35は、地図情報Gを記憶部36に記録する。
前提として、据え付けスタッフは、空間wを壁沿いに一方方向に移動するとする。まず、空調機10の据え付け作業を行うスタッフが、空間wの内の所定の位置に移動して、端末装置40aを操作し、端末装置40aから音saを出力させる(ステップS21)。マイクM1〜M4は、音saを検出し(ステップS22)、音信号を位置推定装置30へ出力する。位置推定装置30では、音情報取得部31が音信号を取得する。また、位置推定部33が、図10のフローチャートで説明した処理によって、端末装置40aが音saを発した音源の位置を推定する(ステップS23)。位置推定部33は、推定した音源の位置情報を、音saを検出した時刻と対応付けて記憶部36に記録する(ステップS24)。次に地図情報作成部35が、全ての位置について位置情報を記録済みかどうかを判定する(ステップS25)。例えば、据え付けスタッフが、空間wの計測が終了したことを示す操作を端末装置40aに対して行うと、端末装置40aが測定完了信号を位置推定装置30へ送信する。地図情報作成部35は、測定完了信号を取得すると、全ての位置について位置情報を記録済みであると判定する。全ての位置情報が記録済みではない場合(ステップS25;No)、ステップS21からの処理を繰り返す。全ての位置情報が記録済みの場合(ステップS25;Yes)、地図情報作成部35は、記憶部36に記録された位置情報を、位置情報と対応して記録された時刻順に結んで空間wの形状を表す地図情報を作成する(ステップS26)。
コンピュータ900は、CPU901、主記憶装置902、補助記憶装置903、インタフェース904を備える。
上述の位置推定装置30は、コンピュータ900を備える。そして、上述した各処理部の動作は、プログラムの形式で補助記憶装置903に記憶されている。CPU901は、プログラムを補助記憶装置903から読み出して主記憶装置902に展開し、当該プログラムに従って上記処理を実行する。また、CPU901は、プログラムに従って、上述した記憶部36に対応する記憶領域を主記憶装置902に確保する。
位置推定装置30は、1台のコンピュータで構成されていても良いし、通信可能に接続された複数のコンピュータで構成されていてもよい。
20・・・制御装置
30・・・位置推定装置
31・・・音情報取得部
32・・・到達時間差算出部
33・・・位置推定部
34・・・センサ情報取得部
35・・・地図情報作成部
36・・・記憶部
37・・・LUT(ルックアップテーブル)
40・・・端末装置
M1、M2、M3、M4・・・マイク
w・・・空間
s・・・音
900・・・コンピュータ
901・・・CPU
902・・・主記憶装置
903・・・補助記憶装置
904・・・インタフェース
Claims (10)
- 空間に設けられた複数のマイクが、前記空間において発された音を検出した各々の時刻を取得する時刻情報取得部と、
取得した各々の前記時刻に基づいて、複数の前記マイクのうち基準となる1つの前記マイクが前記音を検出した時刻と他の各々のマイクが検出した時刻との差である到達時間差を算出する到達時間差算出部と、
予め定められた前記到達時間差および所定の音源位置の関係を定めたルックアップテーブルと、実際に前記到達時間差算出部が算出した前記到達時間差とに基づいて、前記音の発信位置を推定する位置推定部と、
を備える位置推定装置。 - 前記位置推定部は、
前記到達時間差算出部が算出した前記到達時間差と、前記ルックアップテーブルに基づく前記到達時間差との差が最小となるときの前記ルックアップテーブルに基づく前記音源位置を、前記音の発信位置として推定する、
請求項1に記載の位置推定装置。 - 前記ルックアップテーブルには、複数の前記マイクが配置された位置の重心を原点とする座標系で表された前記音源位置と前記到達時間差との関係が記録されている、
請求項1または請求項2に記載の位置推定装置。 - 前記ルックアップテーブルには、前記マイクが配置された空間の環境条件に応じた前記到達時間差および前記音源位置の関係が記録されている、
請求項1から請求項3の何れか1項に記載の位置推定装置。 - 前記空間の環境条件は、温度および湿度および気圧のうち少なくとも一つである、
請求項4に記載の位置推定装置。 - 前記ルックアップテーブルには、所定の温度における前記到達時間差および前記音源位置の関係が記録され、
前記位置推定部は、前記ルックアップテーブルに基づく前記到達時間差を実際の温度に基づいて補正し、補正後の前記ルックアップテーブルと前記到達時間差算出部が算出した前記到達時間差とに基づいて、前記音の発信位置を推定する、
請求項1から請求項3の何れか1項に記載の位置推定装置。 - 前記空間の内部を移動しながら発された前記音について前記位置推定部が推定した前記音の発信位置に基づいて、前記空間の形状を示す地図情報を作成する地図情報作成部、
をさらに備える請求項1から請求項6の何れか1項に記載の位置推定装置。 - 請求項1から請求項7の何れか1項に記載の位置推定装置を備え、
前記位置推定装置が推定した前記音の発信位置を対象として空調を行う、空調システム。 - 空間に設けられた複数のマイクが、前記空間において発された音を検出した各々の時刻を取得するステップと、
取得した各々の前記時刻に基づいて、複数の前記マイクのうち基準となる1つの前記マイクが前記音を検出した時刻と他の各々のマイクが検出した時刻との差である到達時間差を算出するステップと、
予め定められた前記到達時間差および所定の音源位置の関係を定めたルックアップテーブルと、実際に前記到達時間差を算出するステップで算出した前記到達時間差とに基づいて、前記音の発信位置を推定するステップと、
を有する位置推定方法。 - コンピュータを、
空間に設けられた複数のマイクが、前記空間において発された音を検出した各々の時刻を取得する手段、
取得した各々の前記時刻に基づいて、複数の前記マイクのうち基準となる1つの前記マイクが前記音を検出した時刻と他の各々のマイクが検出した時刻との差である到達時間差を算出する手段、
予め定められた前記到達時間差および所定の音源位置の関係を定めたルックアップテーブルと、実際に前記到達時間差を算出する手段が算出した前記到達時間差とに基づいて、前記音の発信位置を推定する手段、
として機能させるためのプログラム。
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