JP4041899B2 - 超音波距離測定システムおよび超音波距離測定方法 - Google Patents
超音波距離測定システムおよび超音波距離測定方法 Download PDFInfo
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Description
また、超音波を利用して距離や座標位置を測定する技術が存在する。電波や光などの電磁波およびケーブルを伝搬する電気信号は、空気中を伝搬する超音波に比較して百万倍ほど高速に伝搬するので、ほぼ無限大の伝搬速度を持つと見なすことができる。具体的には、まず、送信ノードは、電磁波または電気信号と超音波信号と同時に発生する。つぎに、受信ノードまたは集中ノードは、両信号の到着タイミングに関する信号を集め、超音波の伝搬遅延時間を知る。そして、既知である空気中の音速で当該伝播遅延時間を除すことで、送信ノードと受信ノードとの間隔(距離)を計算する。換言すると、送信ノードは、ビーコンを超音波チャンネルに、また一般情報を含むタイミング信号を電波(赤外線も同様)チャンネルで同時に送信する。受信ノードは、両方の信号を受信し、各信号の到着時刻の差を計算して、ノード間の距離を計算する。なお、特定ノードから見て、座標位置のわかっている3組以上のノードに対して距離測定を行うことで、当該特定ノードの空間座標位置を求めることができる。
また、例えば、個々の内部クロックが同期されていないノード群と中央サーバとがネットワークを介して接続されたシステムでノード間の距離を測定する技術が存在する。具体的には、まず、受信ノードは、送信ノードから超音波で送信された超音波ビーコンを受信する。つぎに、受信ノードは、受信した超音波ビーコンの到着時刻をLANを介して中央サーバに送信することで、中央サーバに距離計算を依頼する。そして、個々のノードの動作を監視している中央サーバは、送信ノードおよび受信ノードからの信号を比較し、その到着時間差からノード間の距離を計算して、計算した距離を受信ノードに送信する。そして、受信ノードは、送信ノードとの距離を得る。
また、その他の関連する技術として、例えば特許文献1、特許文献2、特許文献3、特許文献4などが開示されている。
一方、超音波のみを用いて距離を測定するという方式には反射型があるのみで、漠然と対象の位置を捉えること以上はできず、また情報処理に必要な一般情報を超音波で伝送することはできない、という問題点があった。
さらに、可搬型端末ではごく短時間に、単発での距離測定を行えることが便利であるが、従来方式ではそのような用途に使用した場合に必ずしも十分な性能が得られない、という問題点もあった。
超音波距離測定システム100は、図1に示すように、通信パケットを生成し、通信パケットを超音波で送信する送信ノード102と、通信パケットを受信し、送信ノードとの間の距離を測定する受信ノード104とがインターネット通信網106を介して無線で通信可能に接続して構成されている。ここで、全ての送信ノード102および受信ノード104は、NTP(Network Time Protocol)を用いてインターネット通信網106を介してその内部クロックを予め同期している。なお、図1では、超音波距離測定システム100が、1つの送信ノード102と3つの受信ノード104で構成された一例を示しているが、送信ノード102および受信ノード104の個数はこれに限定されない。また、本実施の形態では、符号102のノードを送信ノード、符号104のノードを受信ノードとして説明するが、それぞれのノードの構成は同一であってもよく、それぞれが必要に応じて役割を担うことができる。
p1=2π×(1−frac((0.0005+s1)×f1))
・・・(数式1)
p2=2π×(1−frac((0.0005+s2)×f2))
・・・(数式2)
p3=2π×(1−frac((0.0005+s3)×f3))
・・・(数式3)
ここで、frac(x)は、xの小数部を取り出す演算である。
なお、ステップSA−1〜SA−3までの処理は一度実行しておけばよい。
T12=T0+(((φ1−φ2)/2π)+(r1f1−r2f2))/(f1−f2) ・・・(数式4)
T23=T0+(((φ2−φ3)/2π)+(r2f2−r3f3))/(f2−f3) ・・・(数式5)
T31=T0+(((φ3−φ1)/2π)+(r3f3−r1f1))/(f3−f1) ・・・(数式6)
つまり、素搬送波の位相関係が特定の値になる時刻を計算することで時刻基準点を再現する。
Tr=T0+(T12+T23+T31)/3 ・・・(数式7)
D=(Tr−Ts)/c ・・・(数式8)
ここで、cは音速であり、摂氏20度、1気圧の乾燥した大気中で約340m/sである。なお、それ以外の環境では、予め補正する。
また、電磁波と超音波で距離を測定する従来技術では、受信ノードは超音波と電磁波の受信を行わなければならない。そのため、例えば、どちらか一方の受信が失敗すると計測を行うことができず、信頼性が悪い。また、小型デジタル機器のプロセッサソフトウェアで受信ルーチンを作る場合、両チャンネルの受信に高速かつ高精度の処理を必要とし、コストが高くなる。また、ノード間での計測処理数が増加した場合、受信割り込み処理の回数は本システムと比べて約2倍を要し、大規模応用に不適である。
また、GPSなどで距離を測定する従来技術では、一般に数メートル程度の精度しか達成できず、本システムのように数cmの精度の計測は困難である。また、携帯電話やPHSのアンテナゾーンで追跡する方法では、ゾーンのグリッド(一般に数百メートル)以上に細かい距離計測はできない。また、電波や赤外線ビーコンを設置して、受信信号のレベル低下から距離を推定する方法では、電波の遮蔽物があいだにあって信号減衰すると、測定誤差になり、正確な距離計測は困難である。また、これら測定方法では、電波源が屋外にあると、電波の到達しない屋内では利用できない。
周波数により位相、振幅伝搬特性の変化する通信路を利用する通信システムで使用する時刻基準点情報伝送方法であって、
送信ノードにおいて、位相を管理するための複数個の周波数信号を生成する周波数信号生成ステップと、
送信ノードにおいて、前記複数個の周波数信号の各位相が所定の条件の関係になった時点を時刻基準点と定義し、前記周波数信号の関係が前記時刻基準点の所定の条件に合うように前記複数個の周波数信号の位相を揃える位相調整ステップと、
送信ノードにおいて、前記位相を揃えた複数個の周波数信号を直接搬送波の通信信号として送信または他周波数の搬送波で変調した通信信号として送信する送信ステップと、
受信ノードにおいて、前記直接搬送波の通信信号を受信または前記変調された通信信号を受信して復調する受信ステップと、
受信ノードにおいて、前記受信した通信信号の周波数成分を分解して個々の位相情報を抽出する位相情報抽出ステップと、
受信ノードにおいて、抽出した複数の位相情報を比較してそれらが所定の条件の関係になった時点を時刻基準点として決定する時刻基準点決定ステップと、
を含むことを特徴とする時刻基準点情報伝送方法。
102 送信ノード
102a CPU
102b 無線LAN
102c 内部クロック
102d〜102f 波形メモリ
102g〜102i 移相器
102j DA変換器
102k 超音波送信素子
104 受信ノード
104a CPU
104b 無線LAN
104c 内部クロック
104d 波形メモリ
104e AD変換器
104f 超音波送信素子
106 インターネット通信網
Claims (6)
- 複数の情報端末において、1つの情報端末から通信パケットを送信し、他の情報端末で通信パケットを受信することにより、該当する情報端末間の距離を測定する超音波距離測定システムであって、
送信側の情報端末および受信側の情報端末は、所定の時刻同期手法を用いて無線LANを介してその内部クロックを予め同期しており、
送信側の情報端末は、
通信パケットを送受信する際の同期の基準となる時刻基準点で所定の複数の周波数の搬送波の位相をゼロに揃えて当該複数の搬送波を1つに合成した同期パターンと、内部クロックから取得した時刻であって時刻基準点が送信された時刻である送信タイムスタンプと、を含む通信パケットを生成する通信パケット生成手段と、
前記通信パケット生成手段で生成した通信パケットを超音波で送信する通信パケット送信手段と、
を備え、
受信側の情報端末は、
送信側の情報端末から超音波で送信された、同期パターンおよび送信タイムスタンプを含む通信パケットを受信する通信パケット受信手段と、
前記通信パケット受信手段で通信パケットの受信を開始した時刻である開始時刻を内部クロックから取得し、受信した通信パケットから同期パターンを取り出し、当該取り出した同期パターンおよび前記所定の複数の周波数の搬送波を用いて各搬送波の前記開始時刻での位相を計算し、当該計算した各位相がゼロになる時刻を計算することで時刻基準点を算出し、当該算出した時刻基準点と前記開始時刻との和であって時刻基準点が受信された時刻である受信タイムスタンプを生成する受信タイムスタンプ生成手段と、
前記受信タイムスタンプ生成手段で生成した受信タイムスタンプと前記通信パケット受信手段で受信した通信パケットに含まれる送信タイムスタンプとの差に基づいて送信側の情報端末と当該受信側の情報端末との距離を算出する距離算出手段と、
を備えたことを特徴とする超音波距離測定システム。 - 複数の情報端末において、1つの情報端末から通信パケットを送信し、他の情報端末で通信パケットを受信することにより、該当する情報端末間の距離を測定する超音波距離測定システムであって、
送信側の情報端末および受信側の情報端末は、所定の時刻同期手法を用いて無線LANを介してその内部クロックを予め同期しており、
送信側の情報端末は、
通信パケットを送受信する際の同期の基準となる時刻基準点で所定の複数の周波数の搬送波の位相をゼロに揃えて当該複数の搬送波を1つに合成した同期パターンと、内部クロックから取得した送信時刻と当該送信時刻から実際に通信パケットの時刻基準点が送信されるまでの時間差である送信補正値との和であって時刻基準点が送信された時刻である送信タイムスタンプと、を含む通信パケットを生成する通信パケット生成手段と、
前記通信パケット生成手段で生成した通信パケットを超音波で送信する通信パケット送信手段と、
を備え、
受信側の情報端末は、
送信側の情報端末から超音波で送信された、同期パターンおよび送信タイムスタンプを含む通信パケットを受信する通信パケット受信手段と、
前記通信パケット受信手段で通信パケットの受信を開始した時刻である開始時刻を内部クロックから取得し、受信した通信パケットから同期パターンを取り出し、当該取り出した同期パターンおよび前記所定の複数の周波数の搬送波を用いて各搬送波の前記開始時刻での位相を計算し、当該計算した各位相がゼロになる時刻を、前記開始時刻が取得されてから実際に通信パケットの時刻基準点が受信されるまでの時間差である受信補正値を用いて計算することで時刻基準点を算出し、当該算出した時刻基準点と前記開始時刻との和であって時刻基準点が受信された時刻である受信タイムスタンプを生成する受信タイムスタンプ生成手段と、
前記受信タイムスタンプ生成手段で生成した受信タイムスタンプと前記通信パケット受信手段で受信した通信パケットに含まれる送信タイムスタンプとの差に基づいて送信側の情報端末と当該受信側の情報端末との距離を算出する距離算出手段と、
を備えたことを特徴とする超音波距離測定システム。 - 前記通信パケットは、送信側の情報端末を識別する識別ID、任意の通信データ、チェックサムのうち少なくとも1つをさらに含むこと、
を特徴とする請求項1または2に記載の超音波距離測定システム。 - 前記通信パケットは、送信側の情報端末の座標位置をさらに含み、
前記受信側の情報端末は、
異なる複数の送信側の情報端末から連続して通信パケットを受信した場合、前記距離算出手段で算出した各送信側の情報端末と当該受信側の情報端末との距離および各送信側の情報端末の座標位置に基づいて当該受信側の情報端末の位置を推定する位置推定手段、
をさらに備えたことを特徴とする請求項1から3のいずれか1つに記載の超音波距離測定システム。 - 前記送信側の情報端末は固定されたものであり、前記受信側の情報端末は移動可能なものであること、
を特徴とする請求項1から4のいずれか1つに記載の超音波距離測定システム。 - 複数の情報端末において、1つの情報端末から通信パケットを送信し、他の情報端末で通信パケットを受信することにより、該当する情報端末間の距離を測定する超音波距離測定方法であって、
送信側の情報端末および受信側の情報端末は、所定の時刻同期手法を用いて無線LANを介してその内部クロックを予め同期しており、
送信側の情報端末において、通信パケットを送受信する際の同期の基準となる時刻基準点で所定の複数の周波数の搬送波の位相をゼロに揃えて当該複数の搬送波を1つに合成した同期パターンと、内部クロックから取得した送信時刻と当該送信時刻から実際に通信パケットの時刻基準点が送信されるまでの時間差である送信補正値との和であって時刻基準点が送信された時刻である送信タイムスタンプと、を含む通信パケットを生成し、生成した通信パケットを超音波で送信し、
受信側の情報端末において、送信側の情報端末から超音波で送信された、同期パターンおよび送信タイムスタンプを含む通信パケットを受信し、通信パケットの受信を開始した時刻である開始時刻を内部クロックから取得し、受信した通信パケットから同期パターンを取り出し、当該取り出した同期パターンおよび前記所定の複数の周波数の搬送波を用いて各搬送波の前記開始時刻での位相を計算し、当該計算した各位相がゼロになる時刻を、前記開始時刻が取得されてから実際に通信パケットの時刻基準点が受信されるまでの時間差である受信補正値を用いて計算することで時刻基準点を算出し、当該算出した時刻基準点と前記開始時刻との和であって時刻基準点が受信された時刻である受信タイムスタンプを生成し、生成した受信タイムスタンプと受信した通信パケットに含まれる送信タイムスタンプとの差に基づいて送信側の情報端末と当該受信側の情報端末との距離を算出すること、
を特徴とする超音波距離測定方法。
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