JP2019168269A - 測位システム、データ処理装置、データ処理方法、プログラム、通信器および音響受信器 - Google Patents

Abstract

【課題】オフィスや向上などの広い屋内空間内を移動する物体の位置を検出することが可能な技術が提供されることが望まれる。【解決手段】データ処理装置は、第１の受信信号から第Ｍの受信信号の少なくとも一部に相当する第１の信号から第Ｌ（Ｌは３以上の整数）の信号それぞれの受信時刻と、前記第１の信号から前記第Ｌの信号それぞれの送信元の通信器の位置と、経路において第２の信号の送信元の通信器から前記第Ｌの信号の送信元の通信器までの中継待ち時間とに基づいて、音響受信器の位置を算出する位置計算部を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、オフィスや向上などの屋内の空間内を移動する物体の位置を検出する測位システムに関する。

一般に、無線を用いた測位技術の例として、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）を用いた技術があり、屋外では数メートルから数十メートルの精度で位置を検出することができる。しかし、屋内では測位精度が外乱に大きく影響を受けるため、良好に位置を検出することができない。屋内での測位精度を向上するための技術としては、Ｗｉ−ｆｉ（登録商標）やＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などの無線信号強度を利用した技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

かかる技術では、一つの移動物体ｋらの第１の測定用信号を親局と複数の中継局で受信するとともに、各中継局は重複しない固有の遅延時間後に第２の測定用信号を同一周波数で送信し、親局が移動物体からの第１の測定用信号と中継局からの第２の測定用信号とを受信して、その到着時間差を測定することにより、第１の測定用信号を親局が受信した時刻と各中継局が受信した時刻との相対時間差を算出し、双曲線航法により移動物体の位置を算出する。前記の測定用信号は、無線信号であり、電波、光、音などを利用できるが、特に音は伝搬速度が他に比べて遅いため、該無線信号の到着時刻を容易に計測可能である。

特開平６−３４２８号公報

しかしながら、かかる技術には、広域の空間で利用することができないという問題点があった。すなわち、移動物体の位置を算出するためには、移動物体と親局の間、移動物体と中継局の間、親局と中継局の間のそれぞれで音響信号を正しく伝送する必要があるが、音響信号は距離に応じて減衰するので、広域の空間では音響信号を伝送できない場合があり、移動物体の位置を算出することができない。

そこで、広域の空間では移動物体の位置を算出できないという問題点を解決し、オフィスや向上などの広い屋内空間内を移動する物体の位置を検出することが可能な技術が提供されることが望まれる。

上記問題を解決するために、本発明のある観点によれば、音響受信器と、経路を構成する第１の通信器から第Ｎ（Ｎは３以上の整数）の通信器と、データ処理装置とを有する測位システムであって、前記第１の通信器は、第１の音響信号を送信する音響信号送信部を備え、前記第Ｋ（Ｋは２以上かつＮ以下の整数）の通信器は、第（Ｋ−１）の音響信号を前記第（Ｋ−１）の通信器から受信する音響信号受信部と、前記第（Ｋ−１）の音響信号が受信されてから第Ｋの中継待ち時間が経過した場合に、第Ｋの音響信号を送信する音響信号送信部と、を備え、前記音響受信器は、前記第１の音響信号から第Ｎの音響信号の少なくとも一部に相当する第１の受信信号から第Ｍの受信信号を受信する音響信号受信部と、
前記第１の受信信号から前記第Ｍの受信信号それぞれの受信時刻を、前記データ処理装置に通知する通知部と、を備え、前記データ処理装置は、前記１の受信信号から前記第Ｍの受信信号の少なくとも一部に相当する第１の信号から第Ｌ（Ｌは３以上の整数）の信号それぞれの受信時刻と、前記第１の信号から前記第Ｌの信号それぞれの送信元の通信器の位置と、前記経路において第２の信号の送信元の通信器から前記第Ｌの信号の送信元の通信器までの中継待ち時間とに基づいて、前記音響受信器の位置を算出する位置計算部を備える、測位システムが提供される。

また、本発明の別の観点によれば、音響受信器と、経路を構成する第１の通信器から第Ｎ（Ｎは３以上の整数）の通信器と、データ処理装置とを有する測位システムにおけるデータ処理装置であって、前記第１の通信器は、第１の音響信号を送信する音響信号送信部を備え、前記第Ｋ（Ｋは２以上かつＮ以下の整数）の通信器は、第（Ｋ−１）の音響信号を前記第（Ｋ−１）の通信器から受信する音響信号受信部と、前記第（Ｋ−１）の音響信号が受信されてから第Ｋの中継待ち時間が経過した場合に、第Ｋの音響信号を送信する音響信号送信部と、を備え、前記音響受信器は、前記第１の音響信号から第Ｎの音響信号の少なくとも一部に相当する第１の受信信号から第Ｍの受信信号を受信する音響信号受信部と、前記第１の受信信号から前記第Ｍの受信信号それぞれの受信時刻を、前記データ処理装置に通知する通知部と、を備え、前記データ処理装置は、前記第１の受信信号から前記第Ｍの受信信号の少なくとも一部に相当する第１の信号から第Ｌ（Ｌは３以上の整数）の信号それぞれの受信時刻と、前記第１の信号から前記第Ｌの信号それぞれの送信元の通信器の位置と、前記経路において第２の信号の送信元の通信器から前記第Ｌの信号の送信元の通信器までの中継待ち時間とに基づいて、前記音響受信器の位置を算出する位置計算部を備える、データ処理装置が提供される。

前記データ処理装置は、前記第１の受信信号から前記第Ｍの受信信号それぞれの受信強度に基づいて、前記第１の信号から前記第Ｌの信号を決定する決定部を備えてもよい。

前記データ処理装置は、前記第１の通信器から第Ｎの通信器それぞれの位置に基づいて、複数の候補経路それぞれにおける隣接通信器間の距離の評価値に基づいて、前記経路を決定する決定部を備えてもよい。

前記データ処理装置は、前記第１の通信器から前記第Ｎの通信器が存在する空間の広さに基づいて、前記第１の通信器から前記第Ｎの通信器それぞれの中継待ち時間を決定する決定部を備えてもよい。

また、本発明の別の観点によれば、音響受信器と、経路を構成する第１の通信器から第Ｎ（Ｎは３以上の整数）の通信器と、データ処理装置とを有する測位システムにおけるデータ処理方法であって、前記第１の通信器は、第１の音響信号を送信する音響信号送信部を備え、前記第Ｋ（Ｋは２以上かつＮ以下の整数）の通信器は、第（Ｋ−１）の音響信号を前記第（Ｋ−１）の通信器から受信する音響信号受信部と、前記第（Ｋ−１）の音響信号が受信されてから第Ｋの中継待ち時間が経過した場合に、第Ｋの音響信号を送信する音響信号送信部と、を備え、前記音響受信器は、前記第１の音響信号から第Ｎの音響信号の少なくとも一部に相当する第１の受信信号から第Ｍの受信信号を受信する音響信号受信部と、前記第１の受信信号から前記第Ｍの受信信号それぞれの受信時刻を、前記データ処理装置に通知する通知部と、を備え、前記データ処理方法は、前記１の受信信号から前記第Ｍの受信信号の少なくとも一部に相当する第１の信号から第Ｌ（Ｌは３以上の整数）の信号それぞれの受信時刻と、前記第１の信号から前記第Ｌの信号それぞれの送信元の通信器の位置と、前記経路において第２の信号の送信元の通信器から前記第Ｌの信号の送信元の通信器までの中継待ち時間とに基づいて、前記音響受信器の位置を算出することを含む、データ処理方法が提供される。

また、本発明の別の観点によれば、コンピュータを、音響受信器と、経路を構成する第１の通信器から第Ｎ（Ｎは３以上の整数）の通信器と、データ処理装置とを有する測位システムにおけるデータ処理装置として機能させるためのプログラムであって、前記第１の通信器は、第１の音響信号を送信する音響信号送信部を備え、前記第Ｋ（Ｋは２以上かつＮ以下の整数）の通信器は、第（Ｋ−１）の音響信号を前記第（Ｋ−１）の通信器から受信する音響信号受信部と、前記第（Ｋ−１）の音響信号が受信されてから第Ｋの中継待ち時間が経過した場合に、第Ｋの音響信号を送信する音響信号送信部と、を備え、前記音響受信器は、前記第１の音響信号から第Ｎの音響信号の少なくとも一部に相当する第１の受信信号から第Ｍの受信信号を受信する音響信号受信部と、前記第１の受信信号から前記第Ｍの受信信号それぞれの受信時刻を、前記データ処理装置に通知する通知部と、を備え、前記データ処理装置は、前記１の受信信号から前記第Ｍの受信信号の少なくとも一部に相当する第１の信号から第Ｌ（Ｌは３以上の整数）の信号それぞれの受信時刻と、前記第１の信号から前記第Ｌの信号それぞれの送信元の通信器の位置と、前記経路において第２の信号の送信元の通信器から前記第Ｌの信号の送信元の通信器までの中継待ち時間とに基づいて、前記音響受信器の位置を算出する位置計算部を備える、プログラムが提供される。

また、本発明の別の観点によれば、第１の音響信号を他の通信器から受信する音響信号受信部と、中継すべき音響情報の送信元の通信器を示す中継規則指示データに基づいて、前記第１の音響信号を中継すべきか否かを判断する制御部と、前記第１の音響信号を中継すべきであると判断された場合、前記第１の音響信号が受信されてから所定の中継待ち時間が経過した場合に、第２の音響信号を送信する音響信号送信部と、を備える、通信器が提供される。

また、本発明の別の観点によれば、音響受信器であって、第１の通信器によって送信された第１の音響信号を受信するとともに、第２の通信器によって前記第１の音響信号が受信されてから所定の中継待ち時間が経過した場合に前記第２の通信器によって送信された第２の音響信号を受信する音響信号受信部と、前記第１の音響信号の受信時刻と前記第２の音響信号の受信時刻とを、前記音響受信器の位置を算出するデータ処理装置に通知する通知部と、音響受信器が提供される。

以上説明したように本発明によれば、オフィスや向上などの広い屋内空間内を移動する物体の位置を検出することが可能な技術が提供される。

本発明の実施形態に係る測位システムの構成例を示す図である。 同一空間内にある１２個の中継器（中継器Ａ、中継器Ｂ、・・・、中継器Ｌ）によって構成される経路決定の例を説明するための図である。 機器配置図（上面図）である。 本発明の実施形態に係る測位システムの動作例を示すシーケンス図である。 本発明の実施形態に係る経路決定の動作説明図である。 本発明の実施形態に係る変調部の動作例を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る位置計算部の動作説明図である。 本実施形態に係るデータ処理装置のハードウェア構成を示す図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

また、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する複数の構成要素を、同一の符号の後に異なる数字を付して区別する場合がある。ただし、実質的に同一の機能構成を有する複数の構成要素等の各々を特に区別する必要がない場合、同一符号のみを付する。また、異なる実施形態の類似する構成要素については、同一の符号の後に異なるアルファベットを付して区別する場合がある。ただし、異なる実施形態の類似する構成要素等の各々を特に区別する必要がない場合、同一符号のみを付する。

［１−１．測位システムの構成］
本発明の実施形態に係る測位システムの構成例について説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る測位システムの構成例を示す図である。図１に示すように、本発明の実施形態に係る測位システム１は、音響受信器３０、複数の中継器（中継器Ａ、中継器Ｂ、・・・、中継器Ｘ）と、サーバー２０とを有する。以下では、複数の中継器それぞれを特に区別しない場合には、複数の中継器における任意の中継器を「中継器１０」と記載する場合がある。中継器１０は、通信器として機能し得る。また、サーバー２０は、データ処理装置として機能し得る。各中継器１０とサーバー２０とは、それぞれの通信装置を介して有線または無線によって（例えば、ネットワークを介して）相互に通信データをやり取りする。音響受信器３０とサーバー２０とは、それぞれの通信装置を介して有線または無線によって（例えば、ネットワークを介して）相互に通信データをやり取りする。

音響受信器３０は、人物が携帯可能な通信機器であり、中継器から音響信号（音波）を受信し、サーバー２０に中継器検出データを出力する。中継器１０は、サーバー２０から中継規則指示データを入力し、他の中継器から音響信号を受信し、他の中継器および音響受信器３０に音響信号を出力する。サーバー２０は、音響受信器３０から中継器検出データを入力し、外部システムから中継器位置データを入力し、中継器１０に中継規則指示データを出力し、外部システムに音響受信器位置データを出力する。

音響受信器３０は、マイクロフォン（以下、「マイク」とも言う。）３１０、復調部３２０および通知部３３０を備える。マイク３１０は、空間から音響信号を入力し、音響信号に基づいて第１の音響入力データを生成し、第１の音響入力データを復調部３２０に出力する。復調部３２０は、マイク３１０から第１の音響入力データを入力し、第１の音響入力データを復調し、復調後のデータ（以下、「復調データ」とも言う。）を第１の復調データとして通知部３３０に出力する。通知部３３０は、復調部３２０から第１の復調データを入力し、第１の復調データを中継器位置検出データとしサーバー２０に出力する。

各中継器１０は、マイク１１０、復調部１２０、制御部１３０、変調部１４０、および、スピーカー１５０を備える。復調部１２０、制御部１３０および変調部１４０は、プロセッサ（例えば、マイクロプロセッサなど）によってプログラムが実行されることによって実現され得る。かかるプログラムは、記録媒体に記録され、記録媒体からプロセッサによって読み取られて実行され得る。

マイク１１０は、マイク３１０と同様に、音響信号を入力し、音響信号に基づいて第２の音響入力データを生成し、第２の音響入力データを復調部１２０に出力する。復調部１２０は、復調部３２０と同様に、マイク３１０から第２の音響入力データを入力し、第２の音響入力データを復調し、復調後のデータ（第２の復調データ）を制御部１３０に出力する。制御部１３０は、復調部１２０から第２の復調データを入力し、変調部１４０に変調前の音響出力データ（以下、「変調データ」とも言う。）を出力し、サーバー２０から中継規則指示データを入力する。変調部１４０は、制御部１３０から変調データを入力し、変調データを変調して音響出力データを生成し、音響出力データをスピーカー１５０に出力する。スピーカー１５０は、変調部１４０から音響出力データを入力し、空間に音響信号を出力する。

サーバー２０は、経路決定部２３０、位置計算部２１０および中継器位置記憶部２２０を備える。経路決定部２３０は、中継器位置記憶部２２０から中継器位置データを入力し、中継器１０および位置計算部２１０に中継規則指示データを出力する。位置計算部２１０は、音響受信器３０から中継器検出データを入力し、経路決定部２３０から中継規則指示データを入力し、中継器位置記憶部２２０から中継器位置データを入力し、外部システムに音響受信器位置データを出力する。中継器位置記憶部２２０は、外部システムから中継器位置データを入力し、位置計算部２１０および経路決定部２３０に中継器位置データを出力する。

図２は、同一空間内にある１２個の中継器（中継器Ａ、中継器Ｂ、・・・、中継器Ｌ）によって構成される経路決定の例を説明するための図である。経路決定については、後に説明する。また、図３は、機器配置図（上面図）である。図３に示した例において、ハッチングが付された丸印は、同一空間内にある１２個の中継器（中継器Ａ、中継器Ｂ、・・・、中継器Ｌ）であり、白丸印は、音響受信器（Ｐ）であり、これらは同一平面上にあるものとする。また、１２個の中継器は、動作説明を簡単にするため、格子状の位置に配置されているものとする。

以上、本発明の実施形態に係る測位システム１の構成例について説明した。

［１−２．測位システムの動作］
図４は、本発明の実施形態に係る測位システム１の動作例を示すシーケンス図である。図５は、本発明の実施形態に係る経路決定の動作説明図である。図６は、本発明の実施形態に係る変調部１４０の動作例を説明するための図である。図７は、本発明の実施形態に係る位置計算部２１０の動作説明図である。以下では、図４に示したシーケンス図に沿って、適宜他の図も交えながら、本発明の実施形態に係る測位システム１の動作例について説明する。

なお、以下では、人物が音響受信器３０を携帯して、中継器Ａ、中継器Ｂ、・・・、中継器Ｌが配置された空間内を移動する場合を想定する。本発明の実施形態に係る測位システム１の動作は、大きく分けて５つのステップによって構成され得る。

ステップ１：中継器位置データの設定
ステップ２：中継規則指示データの生成と通知
ステップ３：中継器による音響信号の伝搬
ステップ４：中継器検出データの通知
ステップ５：音響受信器の位置計算

以下では、ステップごとに測位システム１の動作を説明する。

（１−２−１．ステップ１：中継器位置データの設定（Ｓ１））
まず、サーバー２０の中継器位置記憶部２２０は、外部システムから中継器位置データを入力し、これを記憶する（Ｓ１）。本実施形態では、外部システムが中継器位置データを手動設定するものとする。しかし、中継器位置データは、他の手法によって（例えば、自動的に）検出されてもよい。

（１−２−２．ステップ２：中継規則指示データの生成と通知（Ｓ２））
続いて、サーバー２０の経路決定部２３０は、中継器位置記憶部２２０から中継器位置データを入力すると、次々と中継器間で音響信号を中継するための規則として、中継経路および中継器ごとの待ち時間（中継待ち時間）を決定し、これらを中継規則指示データとして、各中継器の制御部１３０とサーバー２０の位置計算部２１０に通知する。

以下、図２、図３および図５を参照しながら、経路決定部２３０における中継規則指示データの決定動作について説明する。まず、経路決定部２３０は、経路を構成する中継器の視点と終点を設定する（Ｓ１１）。そして、経路決定部２３０は、中継器位置データに基づく、経路上の中継器間の距離の２乗の総和を評価値として、この評価値が最小となる場合の経路と評価値を算出する（Ｓ１２）。かかる評価値の算出手法としては、公知の技術を用いてよいが、本実施形態では、動的計画法を適用する場合を説明する。

例えば、図２に示すように、中継器Ａを始点とし、中継器Ｄを終点とした場合、経路上で中継器Ａに連結する中継器としては、ＡおよびＤを除く１０個の中継器が候補となる。さらにその先に連結する中継器は、ＡおよびＤを除く１０個の中継器が候補となる。ただし、このとき、同じ中継点同士を直接経由する場合（図２における横ライン）の距離は無限大とみなされ、同じ中継点が続けて選択されないようにするのがよい。各候補の中継器における評価値は、連結する一つ前の中継器での評価値に両中継器間の距離の２乗を加算した値の最小値である。

図２には、経路決定部２３０によって最終的に選択された経路が、中継器間を結ぶ線によって示されている（Ｒ（ＡＢ）、Ｒ（ＢＣ）、Ｒ（ＣＧ）、・・・）。まず、経路決定部２３０は、Ｂ〜Ｌにおける評価値を、それぞれとＡとの距離の２乗値として算出する。そして、経路決定部２３０は、Ｂ〜Ｌのうち、Ｃへの累積距離２乗値が最小となる経路を選択する。また、経路決定部２３０は、Ｂ〜Ｌのうち、Ｇへの累積距離２乗値が最小となる経路を選択する。

以降、経路決定部２３０は、右端の層まで繰り返し累積距離２乗値が最小となる経路を選択する。これによって、中継器Ａから中継器Ｄに至る最小評価値が算出され、同時に、最小評価値を満たす場合における中継器の連結順序（すなわち、経路）が得られる。このように、中継器間の距離の２乗の総和が小さい経路を発見することにより、中継器間の音響信号の距離減衰を最小限に抑えることが可能となるため、後述するステップ３における音響信号の中継を高品質に保つことが可能となる。

次に、経路決定部２３０は、評価値を中継器総数−１（図３に示した例では、１１）と所定係数（例えば、４．０）の積と比較し、評価値が小さい場合には（Ｓ１３において「Ｙｅｓ」）、検出された経路を中継器の経路（中継経路）として決定する（Ｓ１６）。ここで、所定係数を４．０（＝２^２）としたのは、中継器間の距離が２ｍ以内であれば、音響信号を良好に伝搬できると想定したからであり、上記所定係数は、音響信号の特性、雑音環境の特性、中継器および音響受信器での音響処理特性などに応じて適宜に定義されてよい。

一方、経路決定部２３０は、評価値が小さくない場合には（Ｓ１３において「Ｎｏ」）、検出された経路と評価値を最適経路候補として一時的に記憶する（Ｓ１４）。そして、経路決定部２３０は、新たな始点および終点の設定が可能である場合には（Ｓ１５において「Ｙｅｓ」）、新たな始点および終点を設定して（Ｓ１１）、再び動的計画法を適用して適切な経路を発見する。新たな始点および終点の設定が不可能である場合には（Ｓ１５において「Ｎｏ」）、最適経路候補を中継器の経路として決定する（Ｓ１６）。

さらに、経路決定部２３０は、各中継器で音響信号を中継する際の待ち時間（中継待ち時間）を決定する（Ｓ１７）。各中継器が音響信号を中継する場合における待ち時間を設けることにより、他の中継器や音響受信器３０での音響信号の混信を避けることが可能となる。本実施形態では、経路決定部２３０が、簡易な手法として、空間の広さに相当する音響信号の伝搬時間を送信の待ち時間として設定する場合を想定する。例えば、空間の広さが１０メートルであれば、２９ミリ秒程度の待ち時間が設定される。

空間の広さはどのように計測されてもよい。例えば、空間を撮像するカメラが設置されている場合には、カメラによって撮像された画像に基づいて、空間の広さが計測されてもよい。あるいは、ある中継器によって音波が発信されてから、他の中継器によって当該音波が受信され、当該音波への返信として当該他の中継器から発信された音波が、当該ある中継器によって受信されるまでの時間の長さに基づいて、空間の広さが計測されてもよい。待ち時間は、空間の広さに基づいて、中継器に依らず一律で決定されてもよいし、空間の端のほうに位置する中継器の待ち時間は、空間の中央に位置する中継器の待ち時間よりも、長く決定されてもよい。

図３の機器配置図に、中継器の経路および待ち時間を例示する。図３を参照すると、中継器Ａから中継器Ｄに至る経路に矢印（矢印上に「音波（中継器ＩＤ）」と記載）が示されている。また、各中継器の記号（例えば、Ｂ）の後ろの括弧内に待ち時間（例えば、Ｗ_Ｂ）が記載されている。

（１−２−３．ステップ３：中継器による音響信号の伝搬（Ｓ３〜Ｓ７））
続いて、各中継器は、経路決定部２３０から中継規則指示データを入力すると、中継規則指示データに基づいて、中継器間で音響信号を中継する。図３の機器配置を例に説明する。中継器Ａ（中継の始点）の制御部１３０は、中継規則指示データに基づいて、中継器Ａの変調部１４０に変調データを出力する。本実施形態においては、当該変調データは、ヘッダーデータと中継元の中継器のＩＤ、例えば、中継器Ａの場合には、「Ａ」に相当するＩＤとする。次に、中継器Ａの変調部１４０は、変調データを音響出力データに変換する。

ここで、変調部１４０の動作について、図６を用いて説明する。本実施形態においては、変調データの上位３ビット（１０１）をヘッダー部とし、下位７ビットをペイロード部とする。ペイロード部には中継元の中継器のＩＤ（最大１２８個の中継器に対応）を格納する。変調方式としては、公知の技術を適用してよいが、本実施形態においては、ＯＯＫ（オンオフキーイング）によるデジタル振幅変調方式を用いることとし、１ビット当たり０．５ミリ秒の変調データに２０ｋＨｚの搬送波データを乗算する形で音響出力データを得る。

次に、スピーカー１５０が音響出力データを入力し、対応する音響信号を空間に発信する。また、他の中継器のマイク１１０は、当該音響信号を受信して、対応する第２の音響入力データを出力する。その後、復調部１２０は、第２の音響入力データを入力して、第２の復調データを出力する。復調部１２０におけるデータの復調手法としては、デジタル振幅変調方式に対応する公知の技術を適用可能であるが、本実施形態においては、復調部１２０は、第２の音響入力データを２乗してローパスフィルタをかけ、閾値との比較により０または１に判定することにより、第２の復調データを得る。

次に、制御部１３０は、中継規則指示データに基づいて、第２の復調データが中継すべき音響信号であるか否かを判定する。例えば、図３においては、中継規則指示データによって中継器Ａから中継器Ｂへの中継が指定されているため、中継器Ｂの制御部１３０は、第２の復調データに中継器ＡのＩＤが含まれる場合のみ、中継規則指示データによって指示された中継器Ｂに対応する待ち時間の後に、音響信号の中継を行い、その他の場合には、中継を行わない。

制御部１３０は、音響信号を中継すべきであると判定した場合、変調部１４０に自身の中継器のＩＤを含む変調データを出力し、変調部１４０が音響出力データを出力し、スピーカー１５０が音響信号を空間に発信する。なお、中継器のスピーカー１５０から発信される音響信号は、当該中継器の近傍に音響受信器３０が存在する場合、当該音響受信器３０によっても受信される。

音響受信器３０は、マイク３１０および復調部３２０を備えており、これらにより、音響信号の発信元の中継器のＩＤを含む第１の復調データが得られる。また、復調部３２０は、マイク３１０が出力する第１の音響入力データに基づき、受信強度を計測する。通知部３３０は、復調部３２０からの第１の復調データに基づいて、受信した音響信号に含まれる中継器ＩＤ、当該音響信号の受信時刻、受信強度を検出する。

以上に説明した中継器の動作により、図３に示されたように、中継器Ａによって発信された音響信号が、中継器Ｂ、Ｃ、Ｇ、Ｆ、Ｅ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ｈ、Ｄの順に伝搬される（Ｓ３〜Ｓ７）。また、音響受信器Ｐは、その近傍にある中継器Ｂ、Ｃ、Ｇ、Ｆからの音響信号を受信して、それぞれに対応する（中継器ＩＤ、受信時刻、受信強度）の組を得る。この組は、図４に示された（Ｂ、Ｔ_Ｂ、Ｓ_Ｂ）、（Ｃ、Ｔ_Ｃ、Ｓ_Ｃ）、（Ｇ、Ｔ_Ｇ、Ｓ_Ｇ）、（Ｆ、Ｔ_Ｆ、Ｓ_Ｆ）に相当する。なお、音響受信器Ｐは、遠方にあるその他の中継器からの音響信号については、受信強度が弱いため受信できない。

（１−２−４．ステップ４：ステップ４：中継器検出データの通知（Ｓ８））
音響受信器３０は、各中継器からの音響信号を受信すると、それぞれに対応する（中継器ＩＤ、受信時刻、受信強度）の組を中継器検出データとして、サーバー２０に通知する（Ｓ８）。

（１−２−５．ステップ５：ステップ５：音響受信器の位置計算（Ｓ９））
サーバー２０の位置計算部２１０は、中継器検出データを入力すると、中継器位置記憶部２２０からの中継器位置データと経路決定部２３０からの中継規則指示データに基づいて、音響受信器３０の位置を特定し、音響受信器３０の位置情報を用いる外部システムに、かかる位置情報（音響受信器位置データ）を通知する（Ｓ９）。以下では、音響受信器３０の位置を特定する手順について詳細に説明する。

まず、位置計算部２１０は、中継器検出データに基づいて、受信強度の大きい３つの中継器を決定する。図３においては、中継器F、Ｂ、Ｇ、Ｃの順に音響受信器Ｐとの距離が小さいため、大きな受信強度が測定されるものとすると、中継器Ｆ、Ｂ、Ｇの３つが、受信強度の大きい３つの中継器として決定される。

次に、位置計算部２１０は、中継器Ｆと中継器Ｂとの受信時刻差Ｔ_ＦＢ、および、中継器Ｆと中継器Ｇとの受信時刻差Ｔ_ＦＧを計算し、受信時刻差Ｔ_ＦＢおよび受信時刻差Ｔ_ＦＧそれぞれを、距離相当値ｄ（ＦＰ）−ｄ（ＢＰ）および（ＦＰ）−ｄ（ＧＰ）に置き換える。なお、ｄ（ＱＲ）は位置Ｑから位置Ｒまでの距離を表す。これらの値は、中継器位置データに基づく距離、中継規則指示データ（中継器の経路および中継器ごとの待ち時間）、空気中の音速ｖを用いて、下記の式（１）のように計算できる。

次に、位置計算部２１０は、中継器の位置と式（１）によって求めた受信時間差に相当する距離とに基づいて、音響受信器３０の位置を特定する。図７を用いて計算手法を説明する。図７において、３つの中継器の位置をＢ（Ｘ_Ｂ，Ｙ_Ｂ）、Ｆ（Ｘ_Ｆ，Ｙ_Ｆ）、Ｇ（Ｘ_Ｇ，Ｙ_Ｇ）、音響受信器３０の位置をＰ（ｘ，ｙ）とすると、以下の非線形連立方程式（２）が成り立つ。

式（２）のうち、（ｘ，ｙ）以外は計測済みであり、式（２）の連立方程式の解を求めれば、音響受信器３０の位置Ｐ（ｘ，ｙ）を特定できる。上記連立方程式の解は、公知の技術を用いて求めることができるが、本実施形態では、ニュートン・ラフソン法を用いて計算する。計算手法の詳細説明は割愛するが、（ｘ，ｙ）の初期値を与えて、（ｘ，ｙ）の近似解と誤差を計算し、当該誤差が収束するまで近似解の計算を繰り返すことで、（ｘ，ｙ）を求めることができる。以上の動作により、音響受信器３０の位置が算出され得る。

以上、本発明の実施形態に係る測位システム１の動作例について説明した。

［１−３．効果］
本発明の実施形態によれば、サーバー２０が中継器群の位置情報に基づいて音響信号の中継経路と中継待ち時間とを決定し、これに従って中継器群が音響信号を伝搬させる。そして、音響受信器３０が中継器群からの音響信号を受信し、中継器ＩＤと受信時刻と受信強度の組をサーバー２０に通知する。サーバー２０は、音響受信器３０における受信強度の大きい３つの中継器を選択し、その位置情報と受信時刻とを用いて音響受信器３０の位置を計算する。なお、位置の計算に際しては、中継器やサーバー２０での時刻情報は用いないため、機器間の時刻同期は不要である。

本発明の実施形態によれば、音響信号が空間内に配置された中継器を次々と伝搬し、音響受信器３０が近傍の複数の中継器からの音響信号を受信することで、サーバー２０が当該音響受信器３０の位置を検出する。そのため、本発明の実施形態によれば、従来技術のように広域の空間で位置を検出できないという問題が解決され、オフィスや工場などの広い屋内空間内を移動する物体の位置を検出することができる。

以上、本発明の実施形態について説明した。

＜２．ハードウェア構成例＞
続いて、本実施形態に係るデータ処理装置のハードウェア構成例について説明する。図８は、本実施形態に係るデータ処理装置のハードウェア構成を示す図である。

図８に示すように、データ処理装置は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）９０１と、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）９０２と、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）９０３と、ホストバス９０４と、ブリッジ９０５と、外部バス９０６と、インタフェース９０７と、入力装置９０８と、出力装置９０９と、ストレージ装置９１０と、通信装置９１１と、を備える。

ＣＰＵ９０１は、演算処理装置および制御装置として機能し、各種プログラムに従ってデータ処理装置内の動作全般を制御する。また、ＣＰＵ９０１は、マイクロプロセッサであってもよい。ＲＯＭ９０２は、ＣＰＵ９０１が使用するプログラムや演算パラメータ等を記憶する。ＲＡＭ９０３は、ＣＰＵ９０１の実行において使用するプログラムや、その実行において適宜変化するパラメータ等を一時記憶する。これらはＣＰＵバス等から構成されるホストバス９０４により相互に接続されている。

ホストバス９０４は、ブリッジ９０５を介して、ＰＣＩ（Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ／Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）バス等の外部バス９０６に接続されている。なお、必ずしもホストバス９０４、ブリッジ９０５および外部バス９０６を分離構成する必要はなく、１つのバスにこれらの機能を実装してもよい。

入力装置９０８は、マウス、キーボード、タッチパネル、ボタン、マイクロフォン、スイッチおよびレバー等ユーザが情報を入力するための入力手段と、ユーザによる入力に基づいて入力信号を生成し、ＣＰＵ９０１に出力する入力制御回路等から構成されている。データ処理装置を操作するユーザは、この入力装置９０８を操作することにより、データ処理装置に対して各種のデータを入力したり処理動作を指示したりすることができる。

出力装置９０９は、例えば、ＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｕｂｅ）ディスプレイ装置、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）装置、ＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）装置、ランプ等の表示装置およびスピーカー等の音声出力装置を含む。

ストレージ装置９１０は、データ格納用の装置である。ストレージ装置９１０は、記憶媒体、記憶媒体にデータを記録する記録装置、記憶媒体からデータを読み出す読出し装置および記憶媒体に記録されたデータを削除する削除装置等を含んでもよい。ストレージ装置９１０は、例えば、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）で構成される。このストレージ装置９１０は、ハードディスクを駆動し、ＣＰＵ９０１が実行するプログラムや各種データを格納する。

通信装置９１１は、例えば、ネットワークに接続するための通信デバイス等で構成された通信インタフェースである。また、通信装置９１１は、無線通信または有線通信のどちらに対応してもよい。

以上、本実施形態に係るデータ処理装置のハードウェア構成例について説明した。

＜３．まとめ＞
本実施形態によれば、音響受信器と、経路を構成する第１の通信器から第Ｎ（Ｎは３以上の整数）の通信器と、データ処理装置とを有する測位システムが提供される。前記第１の通信器は、第１の音響信号を送信する音響信号送信部を備え、前記第Ｋ（Ｋは２以上かつＮ以下の整数）の通信器は、第（Ｋ−１）の音響信号を前記第（Ｋ−１）の通信器から受信する音響信号受信部と、前記第（Ｋ−１）の音響信号が受信されてから第Ｋの中継待ち時間が経過した場合に、第Ｋの音響信号を送信する音響信号送信部と、を備える。

前記音響受信器は、前記第１の音響信号から第Ｎの音響信号の少なくとも一部に相当する第１の受信信号から第Ｍの受信信号を受信する音響信号受信部と、前記第１の受信信号から前記第Ｍの受信信号それぞれの受信時刻を、前記データ処理装置に通知する通知部と、を備える。

前記データ処理装置は、前記１の受信信号から前記第Ｍの受信信号の少なくとも一部に相当する第１の信号から第Ｌ（Ｌは３以上の整数）の信号それぞれの受信時刻と、前記第１の信号から前記第Ｌの信号それぞれの送信元の通信器の位置と、前記経路において第２の信号の送信元の通信器から前記第Ｌの信号の送信元の通信器までの中継待ち時間とに基づいて、前記音響受信器の位置を算出する位置計算部を備える。

かかる構成によれば、オフィスや向上などの広い屋内空間内を移動する物体の位置を検出することが可能な技術が提供されることが可能となる。

＜４．変形例＞
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記では、音響信号の変調方式として、デジタル振幅変調およびＯＯＫ（オンオフキーイング）を用いる場合について説明したが、他の公知の変調方式が用いられてもよい。さらに、上記では、搬送波の周波数を２０ｋＨｚとし、変調データを１０ビットとし、０．５ミリ秒ごとに切り替える方式について説明したが、これらも適宜に変更されてよい。また、復調方式としても、音響入力信号を２乗し、これにローパスフィルタをかけ、２値判定する場合について説明したが、採用される変調方式に対応する方式であれば、他の方式が用いられてもよい。

上記では、サーバー２０の位置計算部２１０が３つの中継器の位置情報とこれに対応する音響信号の受信時刻とに基づき、非線形連立方程式を立て、ニュートン・ラフソン法により音響受信器の位置を計算する場合を説明した。上記非線形連立方程式の解法については、ニュートン・ラフソン法によらず、他の公知の技術が適用されてよい。例えば、上記において説明したように、図７において線分ＢＰと線分ＦＰの距離の差分、および、線分ＧＰと線分ＦＰの距離の差分は、計測により既知であるが、この場合、音響受信器の位置Ｐは２つの双曲線の交点であり、その解法は双曲線航法として知られている。

上記では、サーバー２０の位置計算部２１０が音響信号の受信強度が大きい３つの中継器を決定し、これに基づいて音響受信器の位置を計算する場合を説明した。しかし、音響信号の受信強度によらず、時間順に受信した３つの中継器を決定しても、上記と同様の効果を享受できる。

上記ではサーバー２０の位置計算部２１０が３つの中継器を決定し、これに基づいて音響受信器の位置を計算する場合を説明した。しかし、決定する中継器の数は３つに限定されず、３つ以上であればよい。

上記では、中継器と音響受信器が同一平面上に存在する場合を例として説明したが、中継器と音響受信器は同一平面上にない場合に対しても、本実施形態は適用され得る。このとき、音響受信器の位置として、Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）が特定される。未知数がｘ，ｙ，ｚの３つであるため、音響受信器の位置を特定するための連立方程式は、３つ必要となる。すなわち、上記では、３つの中継器が決定されれば、音響受信器の位置Ｐ（ｘ，ｙ）を特定するために十分であったが、Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）を特定するためには、４つの中継器が決定される必要がある。

上記では、サーバー２０の経路決定部２３０における中継経路の決定を、動的計画法を用いて行う場合について説明した。すなわち、経路上の中継器間距離の２乗の総和を評価値とし、これが最小となる場合の経路を動的計画法により求めた。このような経路の決定には、動的計画法に限定されず、他の公知の技術が用いられてよい。また、上記では、評価値を中継器間距離の２乗の総和としたが、他の好適な評価値を定義して使用してもよい。例えば、評価値として、中継器間距離の総和や中継器間距離の対数の総和が適用され得る。

上記では、空間内に音響受信器が１個だけある場合について説明したが、複数の音響受信器が同時に混在していてもよい。

上記では、図３に示したように、１２個の中継器を格子状に配置する場合について説明したが、中継器の数はこれに限定されず、また各中継器の配置は任意の位置でよい。

１ 測位システム
１０ 中継器
１１０ マイク
１２０ 復調部
１３０ 制御部
１４０ 変調部
１５０ スピーカー
２０ サーバー
２１０ 位置計算部
２２０ 中継器位置記憶部
２３０ 経路決定部
３０ 音響受信器
３１０ マイク
３２０ 復調部
３３０ 通知部

Claims (9)

1. 音響受信器と、経路を構成する第１の通信器から第Ｎ（Ｎは３以上の整数）の通信器と、データ処理装置とを有する測位システムであって、
   前記第１の通信器は、
   第１の音響信号を送信する音響信号送信部を備え、
   前記第Ｋ（Ｋは２以上かつＮ以下の整数）の通信器は、
   第（Ｋ−１）の音響信号を前記第（Ｋ−１）の通信器から受信する音響信号受信部と、
   前記第（Ｋ−１）の音響信号が受信されてから第Ｋの中継待ち時間が経過した場合に、第Ｋの音響信号を送信する音響信号送信部と、を備え、
   前記音響受信器は、
   前記第１の音響信号から第Ｎの音響信号の少なくとも一部に相当する第１の受信信号から第Ｍの受信信号を受信する音響信号受信部と、
   前記第１の受信信号から前記第Ｍの受信信号それぞれの受信時刻を、前記データ処理装置に通知する通知部と、を備え、
   前記データ処理装置は、
   前記１の受信信号から前記第Ｍの受信信号の少なくとも一部に相当する第１の信号から第Ｌ（Ｌは３以上の整数）の信号それぞれの受信時刻と、前記第１の信号から前記第Ｌの信号それぞれの送信元の通信器の位置と、前記経路において第２の信号の送信元の通信器から前記第Ｌの信号の送信元の通信器までの中継待ち時間とに基づいて、前記音響受信器の位置を算出する位置計算部を備える、
   測位システム。
2. 音響受信器と、経路を構成する第１の通信器から第Ｎ（Ｎは３以上の整数）の通信器と、データ処理装置とを有する測位システムにおけるデータ処理装置であって、
   前記第１の通信器は、
   第１の音響信号を送信する音響信号送信部を備え、
   前記第Ｋ（Ｋは２以上かつＮ以下の整数）の通信器は、
   第（Ｋ−１）の音響信号を前記第（Ｋ−１）の通信器から受信する音響信号受信部と、
   前記第（Ｋ−１）の音響信号が受信されてから第Ｋの中継待ち時間が経過した場合に、第Ｋの音響信号を送信する音響信号送信部と、を備え、
   前記音響受信器は、
   前記第１の音響信号から第Ｎの音響信号の少なくとも一部に相当する第１の受信信号から第Ｍの受信信号を受信する音響信号受信部と、
   前記第１の受信信号から前記第Ｍの受信信号それぞれの受信時刻を、前記データ処理装置に通知する通知部と、を備え、
   前記データ処理装置は、
   前記第１の受信信号から前記第Ｍの受信信号の少なくとも一部に相当する第１の信号から第Ｌ（Ｌは３以上の整数）の信号それぞれの受信時刻と、前記第１の信号から前記第Ｌの信号それぞれの送信元の通信器の位置と、前記経路において第２の信号の送信元の通信器から前記第Ｌの信号の送信元の通信器までの中継待ち時間とに基づいて、前記音響受信器の位置を算出する位置計算部を備える、
   データ処理装置。
3. 前記データ処理装置は、前記第１の受信信号から前記第Ｍの受信信号それぞれの受信強度に基づいて、前記第１の信号から前記第Ｌの信号を決定する決定部を備える、
   請求項２に記載のデータ処理装置。
4. 前記データ処理装置は、前記第１の通信器から第Ｎの通信器それぞれの位置に基づいて、複数の候補経路それぞれにおける隣接通信器間の距離の評価値に基づいて、前記経路を決定する決定部を備える、
   請求項２に記載のデータ処理装置。
5. 前記データ処理装置は、前記第１の通信器から前記第Ｎの通信器が存在する空間の広さに基づいて、前記第１の通信器から前記第Ｎの通信器それぞれの中継待ち時間を決定する決定部を備える、
   請求項２に記載のデータ処理装置。
6. 音響受信器と、経路を構成する第１の通信器から第Ｎ（Ｎは３以上の整数）の通信器と、データ処理装置とを有する測位システムにおけるデータ処理方法であって、
   前記第１の通信器は、
   第１の音響信号を送信する音響信号送信部を備え、
   前記第Ｋ（Ｋは２以上かつＮ以下の整数）の通信器は、
   第（Ｋ−１）の音響信号を前記第（Ｋ−１）の通信器から受信する音響信号受信部と、
   前記第（Ｋ−１）の音響信号が受信されてから第Ｋの中継待ち時間が経過した場合に、第Ｋの音響信号を送信する音響信号送信部と、を備え、
   前記音響受信器は、
   前記第１の音響信号から第Ｎの音響信号の少なくとも一部に相当する第１の受信信号から第Ｍの受信信号を受信する音響信号受信部と、
   前記第１の受信信号から前記第Ｍの受信信号それぞれの受信時刻を、前記データ処理装置に通知する通知部と、を備え、
   前記データ処理方法は、
   前記１の受信信号から前記第Ｍの受信信号の少なくとも一部に相当する第１の信号から第Ｌ（Ｌは３以上の整数）の信号それぞれの受信時刻と、前記第１の信号から前記第Ｌの信号それぞれの送信元の通信器の位置と、前記経路において第２の信号の送信元の通信器から前記第Ｌの信号の送信元の通信器までの中継待ち時間とに基づいて、前記音響受信器の位置を算出することを含む、
   データ処理方法。
7. コンピュータを、
   音響受信器と、経路を構成する第１の通信器から第Ｎ（Ｎは３以上の整数）の通信器と、データ処理装置とを有する測位システムにおけるデータ処理装置として機能させるためのプログラムであって、
   前記第１の通信器は、
   第１の音響信号を送信する音響信号送信部を備え、
   前記第Ｋ（Ｋは２以上かつＮ以下の整数）の通信器は、
   第（Ｋ−１）の音響信号を前記第（Ｋ−１）の通信器から受信する音響信号受信部と、
   前記第（Ｋ−１）の音響信号が受信されてから第Ｋの中継待ち時間が経過した場合に、第Ｋの音響信号を送信する音響信号送信部と、を備え、
   前記音響受信器は、
   前記第１の音響信号から第Ｎの音響信号の少なくとも一部に相当する第１の受信信号から第Ｍの受信信号を受信する音響信号受信部と、
   前記第１の受信信号から前記第Ｍの受信信号それぞれの受信時刻を、前記データ処理装置に通知する通知部と、を備え、
   前記データ処理装置は、
   前記１の受信信号から前記第Ｍの受信信号の少なくとも一部に相当する第１の信号から第Ｌ（Ｌは３以上の整数）の信号それぞれの受信時刻と、前記第１の信号から前記第Ｌの信号それぞれの送信元の通信器の位置と、前記経路において第２の信号の送信元の通信器から前記第Ｌの信号の送信元の通信器までの中継待ち時間とに基づいて、前記音響受信器の位置を算出する位置計算部を備える、
   プログラム。
8. 第１の音響信号を他の通信器から受信する音響信号受信部と、
   中継すべき音響情報の送信元の通信器を示す中継規則指示データに基づいて、前記第１の音響信号を中継すべきか否かを判断する制御部と、
   前記第１の音響信号を中継すべきであると判断された場合、前記第１の音響信号が受信されてから所定の中継待ち時間が経過した場合に、第２の音響信号を送信する音響信号送信部と、
   を備える、通信器。
9. 音響受信器であって、
   第１の通信器によって送信された第１の音響信号を受信するとともに、第２の通信器によって前記第１の音響信号が受信されてから所定の中継待ち時間が経過した場合に前記第２の通信器によって送信された第２の音響信号を受信する音響信号受信部と、
   前記第１の音響信号の受信時刻と前記第２の音響信号の受信時刻とを、前記音響受信器の位置を算出するデータ処理装置に通知する通知部と、
   音響受信器。
   
   

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