JP2019196999A - 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
以下、本発明の第一実施形態による空調システムを図1〜図8を参照して説明する。
図1は、本発明の第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と位置推定装置30とは、無線LAN、Bluetooth(登録商標)、超音波通信などの通信手段によって通信可能に構成されている。
マイクM1〜M4は、端末装置40が発した音sを検出するセンサである。
アンプ31は、マイクM1〜M4が音sを検出して電気信号に変換したアナログの音信号をマイクM1〜M4別に取得し、それぞれの振幅を増幅する。アンプ31は、増幅後のアナログ音信号(マイクM1〜M4ごとのアナログ音信号)をフィルタ32へ出力する。
フィルタ32は、アンプ31から取得したアナログ音信号の不要な高周波成分及び低周波成分を減衰させて、予め定められた周波数帯のアナログ音信号をA/Dコンバータ33へ出力する。フィルタ32は、端末装置40が出力する音sの周波数(例えば、15kHz付近)を通すように構成されている。
A/Dコンバータ33は、フィルタ32から取得したアナログ音信号をデジタル音信号へ変換する。A/Dコンバータ33は、変換後のデジタル音信号を、マイコン34へ出力する。
到達時刻推定部35は、マイクM1〜M4のそれぞれが音sを検出した時刻(到達時刻)を推定する。
位置推定部36は、マイクM1〜M4のうちの1つのマイク(例えばマイクM1)を基準として、基準となるマイクM1が音sを検出した時刻と、他の3つのマイクM2〜M4が音sを検出した時刻との差、つまり、音sがマイクM1に到達する時刻と、マイクM2〜M4に到達する時刻との時間差(到達時間差)を算出する。位置推定部36は、算出した到達時間差に基づいて、音sが発された位置(ユーザが存在する位置)を推定する。
通信部37は、端末装置40と通信を行い、到達時刻推定処理や位置推定処理の成功または失敗の結果を送信する。
図2は、本発明の第一実施形態におけるマイクの配置例を示す図である。
図2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〜M4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。
位置推定部36は、マイクM1〜M4が音sを検出した時刻の差(到達時間差)に基づいて端末装置40の位置を推定する。位置の推定には、TDOA(Time Difference Of Arrival)等の公知の手法を用いることにより推定することができる。例えば、マイクM1〜M4の座標をそれぞれ(A1、B1、C1)、(A2、B2、C2)、(A3、B3、C3)、(A4、B4、C4)とし、端末装置40の位置の座標を(x、y、z)とし、マイクM1への音sの到達時刻とマイクM1〜M4への音sの到達時刻の差をそれぞれt1、t2、t3、t4とし、端末装置40とマイクM1の距離をd、音速をcとすると、以下の連立方程式が得られる。
(x−A1)2+(y−B1)2+(z−C1)2−(d+c・t1)2=0
(x−A2)2+(y−B2)2+(z−C2)2−(d+c・t2)2=0
(x−A3)2+(y−B3)2+(z−C3)2−(d+c・t3)2=0
(x−A4)2+(y−B4)2+(z−C4)2−(d+c・t4)2=0
TDOAによれば、端末装置40の位置は、ニュートン−ラプソン法等の近似計算を用いて、上記の方程式を解くことにより算出することができる。このように、音源位置を推定するためには、各マイク間の到達時間差を正確に算出しなければならない。その為には、マイクM1〜M4への正確な到達時刻が検出できなければならない。ここで、スマートフォン等の端末装置40が出力する音sの性質について説明する。
図3(a)に、端末装置40が発するアナログ音信号の一例を示す。スマートフォン等が出力するアナログ音信号の音圧の振幅は、図3(a)に示すようにばらつきがある。従って、音sの到達を検出するためには、音圧に閾値を設け、この閾値を所定の回数上回ると、その時刻を音sの到達時刻と決定する方法が考えられる。
図3(b)は、マイクM1等で検出する音sの音圧の大きさ(振幅)の経時的変化を示している。図3(b)は、スマートフォン等が出力する音sは、出力開始から音圧の振幅が徐々に増大し、その波形の形状がラッパ状となることを示している。波形がこのように変化する場合、音sの到達を判定するための音圧の閾値をどのように設けるかによって到達時刻が変化することになり、音sの検出の判定が不明瞭になる。また、スマートフォンの機種や音sの周波数などによって音圧の立ち上がり方(傾き)や音圧のピーク(振幅のピーク)が異なるため、一つの閾値によって音sの到達判定を行うことができなくなる。そこで、本実施形態では、音sの波形の立ち上がり形状がラッパ状となることを利用して、音sの到達時刻を推定する。次に図4を用いて、本実施形態の到達時刻の推定方法を説明する。
図4は、本発明の第一実施形態における音の到達時刻の推定方法を説明する図である。
まず、到達時刻推定部35は、音sの波形信号の振幅の経時的変化に対して近似曲線を算出する。次に近似曲線を外挿して波形信号との交点を算出する。図4の破線グラフL1は、音sの波形信号における音圧の時系列のピーク位置を結ぶ近似曲線を時間を遡る方向に外挿した曲線の例である。このようにして求めた交点(時刻t1)を音sの検出開始時刻とする。到達時刻推定部35は、時刻T1を音sの到達時刻として推定してもよいし、時刻T1から所定の時間Δtだけ後の時刻T2を音sの到達時刻として推定してもよい。近似曲線は、例えば、アークタンジェント関数、シグモイド関数を基準にフィッティングを行って算出してもよい。あるいは、計算負荷を小さくするためには、1次関数や2次関数によって近似してもよい。
または、音sの検出終了時刻に着目して、音sの到達時刻として推定してもよい。この場合、予め端末装置40が出力する音sの周波数f0と、1回の出力あたりにN周期分だけ音sを出力することを定めておく。そして、音sの検出終了時刻の手前の時間帯について、上記と同様にして、音sの波形信号の振幅の経時的変化に対して近似曲線を算出する。次に近似曲線を時間が経過する方向に外挿して波形信号との交点を算出する。図4の破線グラフL2は、音sの音圧の時系列のピーク位置を結ぶ近似曲線を外挿した曲線である。このようにして求めた交点(時刻T3)を音sの検出終了時刻とする。なお、音sの検出終了時刻付近の波形信号に対する近似曲線の傾きは、おおよそ、音sの検出開始時刻付近の波形信号に対する近似曲線とY軸対称となることが分かっている。その為、音sの立ち上がりに対する近似曲線(破線グラフL1)を算出して、この近似曲線を利用して、音sの検出終了時刻付近の波形信号に対する近似曲線(破線グラフL2)を算出しても良い。あるいは、音sの検出終了時刻付近の波形信号に対してフィッティングを行って近似曲線(破線グラフL2)を算出しても良い。
到達時刻推定部35は、時刻T2を算出すると、1周期の時間(1/f0)に予め定められた出力周期回数のNを乗じて音sの出力開始から終了までの時間TLを算出する。次に到達時刻推定部35は、時刻T3から時間TLだけ遡った時刻T4を音sの到達時刻として推定する。
あるいは、上記のようにして求めた時刻T1または時刻T2と、時刻T4の重み付け平均によって、音sの到達時刻として推定してもよい。音sの到達時刻は、例えば、以下の式によって算出することができる。
音sの到達時刻 = α×時刻T1 + (1−α)×時刻T4
以上、音sのアナログ音信号の波形を例にして、波形信号に対する近似曲線の算出と、近似曲線に基づく音sの到達時刻の推定について説明した。図1に示す構成では、到達時刻推定部35は、A/Dコンバータ33が出力した音sのデジタル音信号に対して、音sの到達開始時からの立ち上がりや音sの到達終了時における立ち下がりの形状(傾き)を示す近似曲線を算出して、音sの到達時刻を推定する。その推定方法は、図4のアナログ音信号の例を用いて説明した処理内容と同様である。
図5を用いて、音sの立ち上がり時の波形信号を用いた位置推定処理の流れについて説明する。前提として、位置推定部36は、マイクM1〜M4の位置情報を記憶しているとする。また、端末装置40が出力する音sの周波数f0は定められていて、フィルタ32はその周波数f0を中心として所定範囲の周波数帯を通過するように構成されている。
まず、ユーザが端末装置40を操作して、所定の周波数の音sの出力を開始する。マイクM1〜M4は、音sを検出する(ステップS11)。マイクM1〜M4は、音sを検出すると、音sのアナログ音信号を、アンプ31へ出力する。アンプ31は、マイクM1〜M4が出力した音sのアナログ音信号をそれぞれ増幅させ、フィルタ32へ出力する。フィルタ32は、増幅後の4つのアナログ音信号から、所定の周波数付近を抽出してA/Dコンバータ33へ出力する。A/Dコンバータ33は、フィルタ32が出力した4つのアナログ音信号のそれぞれをデジタル音信号に変換して、デジタル音信号をマイコン34へ出力する。
位置推定部36は、マイクM1〜M4への音sの到達時刻から、例えば、マイクM1とマイクM2への音sの到達時刻差、マイクM1とマイクM3への音sの到達時刻差、マイクM1とマイクM4への音sの到達時刻差を算出し、TDOAにより音源(端末装置40)の位置を推定する(ステップS14)。
図6を用いて、音sの立ち下がり時の波形信号を用いた位置推定処理の流れについて説明する。図5の前提に加え、端末装置40が1回の出力時にN周期分の音sを出力することが定められ、その情報を端末装置40とマイコン34とが共有しているとする。図5で説明した処理と同様の処理については説明を省略する。
まず、ユーザが端末装置40を操作して、所定の周波数の音sの出力を開始する。マイクM1〜M4は、音sを検出する(ステップS11)。マイクM1〜M4のそれぞれが検出した音sのアナログ音信号は、アンプ31、フィルタ32を通過して、A/Dコンバータ33でデジタル音信号に変換される。マイコン34の到達時刻推定部35は、4つのデジタル音信号を取得する。
図7を用いて、音sの立ち上がり時および立ち下がり時の波形信号を用いた位置推定処理の流れについて説明する。前提条件は図6で説明したものと同様である。図5、図6で説明した処理と同様の処理については説明を省略する。
まず、ユーザが端末装置40を操作して、所定の周波数の音sの出力を開始する。マイクM1〜M4は、音sを検出する(ステップS11)。マイクM1〜M4のそれぞれが検出した音sのアナログ音信号は、アンプ31、フィルタ32を通過して、A/Dコンバータ33でデジタル音信号に変換される。マイコン34の到達時刻推定部35は、4つのデジタル音信号を取得する。
次に位置推定部36は、TDOAにより音源(端末装置40)の位置を推定する(ステップS14)。
図8は、本発明の第一実施形態における空調制御の一例を示すフローチャートである。
まず、ユーザが端末装置40を操作して、所定の周波数の音sの出力を行う(ステップS21)。空調機10では、マイクM1〜M4が音sを検出する(ステップS22)。位置推定装置30は、マイクM1〜M4が出力した音sのデジタル音信号を取得し、到達時刻の推定、音源位置の推定を行う。例えば、音の受信強度が閾値未満の場合や、N周期分の音が取得できないなどの場合、位置推定装置30の到達時刻推定部35は、受信失敗と判定し(ステップS23;No)、通信部37は、端末装置40へエラー信号を送信する(ステップS24)。一方、音sを正常に受信できた場合(ステップS23;Yes)、通信部37は、端末装置40へ受信成功を示す信号を送信する。端末装置40は、受信成功を知らせるメッセージをディスプレイに表示したり、音を鳴らしたりして受信の成功をユーザに通知する。あるいは、空調機10側で、受信成功をユーザに通知するために音を鳴らしたり、LEDを点灯させたりしてもよい。音sの受信に成功した場合、位置推定装置30は、音源の位置を推定する(ステップS25)。推定の方法は、図5〜図7で説明したとおりである。
ステップS24、ステップS27でエラー信号を受信した場合、端末装置40は、ディスプレイ等にメッセージを表示させたり、受信または位置推定に失敗したことを通知する可聴音を鳴らしたり、LEDランプを点灯させたりして、ユーザにエラーを通知する。ユーザは、これらの通知を確認すると、再度、端末装置40を操作して、音sを出力する(ステップS21)。以降、位置推定が成功するまで、上記の過程を繰り返す。
以下、本発明の第二実施形態による空調システムを、図9を参照して説明する。
図9は、本発明の第二実施形態における空調システムの一例を示す図である。
本発明の第二実施形態に係る構成のうち、本発明の第一実施形態に係る空調システムを構成する機能部と同じものには同じ符号を付し、それらの説明を省略する。第二実施形態に係る空調システムでは、位置推定装置30Aが、A/Dコンバータ33の代わりにコンパレータ38を備え、到達時刻推定部35の代わりに到達時刻推定部35Aを備える。 また、第二実施形態では、端末装置40が1回の出力時にN周期分の音sを出力することが定められ、その情報を端末装置40とマイコン34とが共有しているとする。
コンパレータ38は、フィルタ32が出力した音sのアナログ音信号の振幅と、所定の閾値とを比較してアナログ音信号の振幅が閾値を上回れば「1」を出力し、アナログ音信号の振幅が閾値以下であれば「0」を出力する。ここで閾値とは、端末装置40から出力された音sが到達したか否かを判定するための値である。コンパレータ38は、「0」または「1」のパルス信号を到達時刻推定部35Aへ出力する。
位置推定部36は、マイクM1〜M4への音sの到達時刻の推定値から、例えば、マイクM1とマイクM2への音sの到達時刻差、マイクM1とマイクM3への音sの到達時刻差、マイクM1とマイクM4への音sの到達時刻差を算出し、TDOAにより音源(端末装置40)の位置を推定する。
また、到達時刻推定部35は、音sが到達していると判定される状態から通算して所定回数、又は連続して所定回数(例えば10回)ピーク値が閾値を下回ると、音sの到達が終了したと判定する。音sの到達が終了したと判定した場合、最後に振幅のピーク値が閾値を上回った時刻を検出終了時刻とし、検出終了時刻から、N/f0だけ遡った時刻を音sの到達時刻として推定する(第2の到達時刻)。あるいは、到達時刻推定部35は、第1の到達時刻と、第2の到達時刻とを算出し、2つの平均や、重み付き平均を音sの到達時刻として推定してもよい。
閾値に基づく到達時刻の推定の場合、近似曲線を算出する場合と比較して、より少ない計算負荷で到達時刻を推定することができる。
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、30A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、記憶領域を主記憶装置902に確保する。
位置推定装置30、30A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・・・アンプ
32・・・フィルタ
33・・・A/Dコンバータ
34、34A・・・マイコン
35、35A・・・到達時刻推定部
36・・・位置推定部
37・・・通信部
38・・・コンパレータ
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 (13)
- センサが検出した音の波形信号を取得し、前記波形信号に基づいて前記音の検出開始時刻または検出終了時刻を推定し、前記検出開始時刻または前記検出終了時刻に基づいて、前記音の前記センサへの到達時刻を推定する到達時刻推定部と、
前記到達時刻推定部が推定した複数の前記センサにおける前記音の到達時刻の時間差に基づいて前記音の出力位置を推定する位置推定部と、
を備える位置推定装置。 - 前記到達時刻推定部は、
前記波形信号の振幅の経時的変化を示す近似曲線に基づいて前記検出開始時刻を推定し、前記検出開始時刻から所定の範囲内にある時刻を前記音の到達時刻として推定する、
請求項1に記載の位置推定装置。 - 前記到達時刻推定部は、
前記波形信号の振幅の経時的変化を示す近似曲線に基づいて前記検出終了時刻を推定し、前記検出終了時刻から所定の時間だけ遡った時刻を前記音の到達時刻として推定する、
請求項1に記載の位置推定装置。 - 前記到達時刻推定部は、
前記波形信号の振幅の経時的変化を示す近似曲線に基づいて前記検出開始時刻および前記検出終了時刻を推定し、前記検出終了時刻から所定の時間だけ遡った時刻と前記検出開始時刻との重み付け平均により前記音の到達時刻を推定する、
請求項1に記載の位置推定装置。 - 前記到達時刻推定部は、
前記波形信号の振幅の大きさが所定の閾値を上回る回数が所定回数以上となる時刻を前記検出開始時刻として推定し、前記検出開始時刻から所定の範囲内にある時刻を前記音の到達時刻として推定する、
請求項1に記載の位置推定装置。 - 前記到達時刻推定部は、
前記波形信号の振幅の大きさが所定の閾値を上回る最後の時刻を前記検出終了時刻として推定し、前記検出終了時刻から所定の時間だけ遡った時刻を前記音の到達時刻として推定する、
請求項1に記載の位置推定装置。 - 前記到達時刻推定部は、
前記波形信号の振幅の大きさが所定の閾値を上回る回数が所定回数以上となる時刻を前記検出開始時刻として推定し、
前記振幅が前記閾値を上回る最後の時刻を前記検出終了時刻として推定し、前記検出終了時刻から所定の時間だけ遡った時刻と前記検出開始時刻との重み付け平均により前記音の到達時刻を推定する、
請求項1に記載の位置推定装置。 - 前記音の到達時刻の推定、または、前記音の出力位置の推定に失敗すると、エラー信号を出力する通信部、をさらに備える請求項1から請求項7の何れか1項に記載の位置推定装置。
- 音を検出する複数のセンサと、
前記センサが検出した音の波形信号のうち、所定の範囲の周波数の波形信号を抽出するフィルタと、
前記フィルタが出力する前記音の波形信号をデジタル信号に変換するコンバータと、
をさらに備える請求項1から請求項8の何れか1項に記載の位置推定装置。 - 音を検出する複数のセンサと、
前記センサが検出した音の波形信号のうち、所定の範囲の周波数の波形信号を抽出するフィルタと、
前記フィルタが出力する前記音の波形信号の振幅が所定の閾値より大きいか否かを出力するコンパレータと、
をさらに備える請求項5から請求項7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10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出力位置を対象として空調を行う、
空調システム。 - センサが検出した音の波形信号を取得し、前記波形信号に基づいて前記音の検出開始時刻または検出終了時刻を推定し、前記検出開始時刻または前記検出終了時刻に基づいて、前記音の到達時刻を推定するステップと、
複数の前記センサにおける前記音の到達時刻の時間差に基づいて前記音の出力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、
センサが検出した音の波形信号を取得し、前記波形信号に基づいて前記音の検出開始時刻または検出終了時刻を推定し、前記検出開始時刻または前記検出終了時刻に基づいて、前記音の到達時刻を推定する手段、
複数の前記センサにおける前記音の到達時刻の時間差に基づいて前記音の出力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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