JP4069469B2 - 自律的移動支援装置 - Google Patents

Description

この発明は、超音波あるいは電波あるいは光波を利用した飛行機あるいは自動車あるいは歩行者あるいはロボット等の移動体の自律的移動支援システムにおいて、アクテイブタグから発信される超音波信号あるいは高周波信号あるいは光信号を携帯端末で複数の指向性アンテナあるいは送受波器を用いて受信しあるいは当該アクテイブタグにおいて複数の指向性アンテナあるいは送受波器を切替えて発信された超音波信号あるいは高周波信号あるいは光信号を当該携帯端末で受信し、当該複数の指向性アンテナあるいは送受波器を切替えあるいは組合わせを変えた時に当該携帯端末が受信した超音波信号あるいは高周波信号あるいは光信号のタイミングあるいは振幅あるいは周波数あるいは位相を測定することで当該アクテイブタグが存在する位置あるいは存在する方向あるいは距離あるいは位置あるいはこれらの組合わせが検知できる飛行体あるいは移動体の飛行あるいは移動を支援するための装置に関するものである。

方向探知機については、従来から複数のアンテナを切替えて電波の到来方向を探知する方法として従来から循環切換型ドップラ方向探知機があり、最近では特許文献１に示すような複数のアンテナを切替えるもの、あるいは特許文献２に示すようなＡ／Ｄコンバータでデジタル信号に変換しデジタル処理を行うもものがあるる。一方、方位を測定するためのレーダー装置としては特許文献１の三次元レーダーがあり、あるいは特許文献２のようにアンテナの合成分配器を設けることで水平・垂直の方位識別を時分割で行う方法があり、あるいは非特許文献２の７６ＧＨｚ帯の自動車用ミリ波レーダーでは複数の送信側指向性アンテナと受信側指向性アンテナの指向性の組合わせを変えて水平方向の方位を測定する方法がある。

従来のドップラ方向探知機では円周上に配置した複数のアンテナを順次循環して切換えることによって生じるドップラー効果から切換走査と同期した低周波信号を取り出し当該低周波信号の位相から受信信号の到来方向を測定するものであり、受信用のアンテナや装置全体が大きくなり、また数百ＭＨｚ帯以上の高い周波数の高周波信号や連続あるいはバースト状に発信される電波やスペクトル拡散された電波が発信された方向を探知するのが難しいかほとんど不可能である。
一方、最近の方向探知機では特許文献１のように複数のアンテナを切替えるものでは位相差の測定を高速に行わなければならないためアナログ式の位相検波器を用いなければ処理が遅くなり、特許文献２のようにデジタル信号に変換して位相差を算出処理する場合には複数のアンテナを切替えて処理を行うと時間遅れが生じるためアンテナを合成するほうほうしか採れない問題点がある。これに対して本発明の実施例の図４の方式では複数のアンテナを切替えてしかもデジタル信号に変換して処理する場合でも特許文献８に示す高周波論理回路を用いてデジタル信号処理を行うとリアルタイムでの処理が可能となる。
特許文献３の三次元レーダーでは大型で複雑となり高価となる欠点があり、特許文献４のレーダ装置では送受信アンテナを合成分配することで探知と方位測定に必要な振幅情報と位相情報を取得して処理する場合に、デジタル信号に変換して処理するとリアルタイムの処理が難しいので、位相情報を取得する際に複数のアンテナ出力の差をとっているため方位の中心部分で出力が最低となり十分な出力が得られないために方位の測定精度が悪くなっているのに対して、本発明の実施例の図４では複数のアンテナあるいは送受波器を切替える際に個々のアンテナあるいは送受波器毎あるいはアンテナあるいは送受波器の組合わせ毎にデジタル信号に変換し位相ベクトルを検出してリアルタイム処理を行うため方位の中心で特に振幅が大きく位相の測定の精度が高くなっている。
非特許文献４の７６ＧＨｚ帯の自動車用ミリ波レーダでは衝突を防止するためにリアルタイムの処理が必要でありデジタル信号に変換して処理が出来ないので、方向を測定するのにビームを極端に絞った複数個の送信アンテナと受信アンテナの指向性の方向を組合わせているので組合わせを細かくすることが難しく±４°程度の精度のものであるのに対して、本発明の実施例の図４では±１°の精度が実現できる。
特許文献５〜７の水中超音波機器では障害物あるいは反射物が位置する方向を測定するためのスキャニング探知と深さを測定するための測深探知に分けて実施しなければならないのに対して本発明の実施例の図１ではスキャニング探知と深さを測定するための測深探知の両方を同時に実施できる。
特表２００２−５２９９４２号公報 特開平０９−２３６６４６号公報 特開２００１−４２０３６号公報 特開平１１−１７４１４７号公報 特開平０５−２３２２２５号公報 特開平０５−２８８８５１号公報 特開２００１−１４１８０８号公報 特願２００４−０５７５０８号 坂巻佳壽美著「見てわかるデジタル信号処理」株式会社工業調査会出版 Masaru OGAWA "ELECTRICALLY SCANNED MILLIMETER WAVE AUTOMOTIVE RADAR" MWE2003 Microwave Workshop Digest, [WS4-2], P105-P109, November 26-28, 2003

従来の方法では、超音波信号あるいは高周波信号あるいは光信号をデジタル信号に変換して高速の処理を行う場合にリアルタイムで処理するのが難しく、方向探知装置のようにある程度の遅れが許容される場合を除いては、高速処理が要求される個所をアナログ回路で処理することが必要であり方位測定の精度が悪く装置も高価となり小型化が難しく、従来の方法が適用できない問題があった。

この発明に係わる自律的移動支援装置は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、アクテイブタグあるいは携帯端末の小型化可能であり、アクテイブタグあるいは携帯端末において複数の指向性アンテナあるいは送受波器を切替えあるいは組合わせを変えた時に受信した超音波信号あるいは高周波信号あるいは光信号のタイミングあるいは振幅あるいは周波数あるいは位相あるいはこれらの組合わせをリアルタイムで検出し、当該検出結果から当該アクテイブタグまでの方向あるいは距離あるいは高さあるいは深さを高い精度でリアルタイムに検知することができる。

この発明の自律的移動支援装置において、当該携帯端末の複数のアンテナあるいは送受波器を周期的に切替えあるいは組合わせを変えながらスペクトル拡散符号との同期を短時間で確立し、当該受信した超音波信号あるいは高周波信号あるいは光信号をデジタル信号に変換し当該超音波信号あるいは高周波信号あるいは光信号のタイミングあるいは振幅あるいは周波数あるいは位相あるいはこれらの組合わせをリアルタイムで検出し、位相差の測定を±１°以内の精度で行なうことで当該アクテイブタグが位置する方向と距離が高い精度でリアルタイムに検知できる。

この発明に係わる自律的移動支援装置は、アクテイブタグと携帯端末から構成され、当該アクテイブタグは主に路面あるいは歩道上あるいは街灯柱あるいは電柱あるいは交通信号器などに固定して設置され、識別用符号と測定用符号により変調されあるいはスペクトル拡散された超音波信号あるいは高周波信号あるいは光信号を間欠的に発信し、当該携帯端末は携帯電話機に内蔵されて歩行者あるいはロボットなどの移動体が携帯あるいは装着して用い、当該識別用符号により当該アクテイブタグを識別し、当該測定用符号により当該アクテイブタグが位置する方向あるいは距離あるいは位置を高い精度で検知することで自律的な移動を支援する。

以下、本発明の実施例を図１に従って説明する。図１において、１はアクテイブタグ、２は携帯端末、３１はアクテイブタグ１のアンテナの指向性パターン、４０１は交通信号機、４０２は交通信号を設置するための柱、４０３は横断歩道、４０４は歩行者である。
ここで、携帯端末２は間隔ｒ（ｍ）離して２基の指向性アンテナを搭載しており、アクテイブタグ１からＤ（ｍ）の距離で当該アクテイブタグの指向性アンテナの方向からｄ（ｍ）ずれた位置に有るものとする。アクテイブタグ１からは指向性３１の方向にスペクトル拡散符号で拡散された高周波信号が放射されており、携帯端末２は２基の指向性アンテナを周期的に切替えながら当該高周波信号を受信しているものとする。
携帯端末２から見てアクテイブタグタグ１が位置する方向を検知するためにアクテイブタグ１から発信される高周波信号の拡散符号あるいは搬送波の伝搬位相差を測定するものとすると、伝搬位相差Δφは、Δφ＝（２π／λ）｛ｒ×（ｄ／Ｄ）｝から求められる。伝搬位相差Δφを当該高周波信号の搬送波の位相差で測定する場合を検討すると、無線周波数を２．４ＧＨｚ帯とすると、λ＝０．１２５ｍとなり、ｒ＝０．０３ｍ、ｄ＝０．１ｍ、Ｄ＝１０ｍとすると、Δφ＝５０．２４｛０．０３×（０．１／１０）｝＝０．０１５ラジアン＝０．９°となる。搬送波の伝搬位相差Δφの測定精度はπ/4ラジアンの１００分の１すなわち±０．００８ラジアン＝±０．４５°程度が実現可能であるので、測定精度は１０ｍ先で±３ｃｍ程度となる。すなわち、携帯端末２において、２基の指向性アンテナの間隔が３ｃｍの場合、１０ｍ先のアクテイブタグ１の位置が±３ｃｍの精度で検知できることになる。
次に、伝搬位相差Δφを拡散符号の位相差で測定する場合を検討すると、拡散符号の伝搬速度を４Ｍｂｐｓとすると、λ＝７５ｍとなり、ｒ＝０．４ｍ、ｄ＝１ｍ、Ｄ＝１０ｍとすると、Δφ＝０．０８４｛０．４×（１／１０）｝＝０．００３４ラジアン＝０．２°となる。拡散符号の伝搬位相差Δφの測定精度は搬送波の位相差を測定するより少し良く±０．００６ラジアン＝±０．３４°程度が実現可能であるので、測定精度は１０ｍ先で±４５ｃｍ程度となる。すなわち、携帯端末２において、２基の指向性アンテナの間隔が４０ｃｍの場合、１０ｍ先のアクテイブタグ１の位置が±４５ｃｍの精度で検知できることになる。
上記の場合は、周辺の反射物の影響を考え無い理想的な場合であるが、実際には反射物の影響で測定精度が悪くなる。対策として、アクテイブタグ１と携帯端末２に円偏波指向性アンテナを用いることで反射物の影響を軽減できる他、位相差の測定を１ｍｓ／回の高速で行い１００回の移動平均をとることで、測定精度を１０倍とし±０．０４５°に向上できる。
また、アクテイブタグ１において、アンテナの指向性の方向を歩道沿いと考えると、歩道からのズレｄ（ｍ）を検知することで、歩道から外れたことをアラームとして出力し、歩く方向を修正することができる。
また、スペクトル拡散符号の位相差を測定することで大まかな方向の制御を行い、搬送波の位相差を測定することで精密な方向の制御をすることで相互に補完し、あるいは地磁気センサーあるいは加速度センサーなどを補助的に用いて絶対方位を測定しあるいは移動距離を積算することで方向あるいは位置の検知精度の向上を図ることができる。
また、上記とは別に距離を検知する方法として、当該アクテイブタグ１において同期しあるいは直交する複数の搬送波周波数の間でホッピングしあるいは同期しあるいは直交する複数の搬送波あるいは複数の副搬送波あるいは複数の変調信号あるいはこれらの組合せにより複数の異なる周波数の高周波信号を生成しあるいは任意の信号により振幅変調あるいは両側帯波変調あるいは単側帯波変調しあるいは直交周波数分割多重化して複数の異なる周波数の高周波信号を生成して同時あるいは交互に発信し、当該携帯端末２において当該複数の異なる周波数の高周波信号相互間の位相差を検出することで当該アクテイブタグ１と携帯端末２の距離Ｄ（ｍ）を受信タイミングから検知するよりもはるかに高い精度で検知できる。
例えば、当該アクテイブタグ１から発信される高周波信号の周波数がｆ０から（ｆ０＋Δｆ）にホッピングされると、当該携帯端末２において受信された高周波信号の搬送波の位相は、電波の伝搬速度をＣ（ｍ／ｓ）とすると、Ｓ１＝ＡＳｉｎ｛２πｆ０ｔ＋φ０＋２πＤ／（Ｃ／ｆ０）｝、Ｓ２＝ＢＳｉｎ｛２π（ｆ０＋Δｆ）ｔ＋φ０＋２πＤ／（Ｃ／（ｆ０＋Δｆ））｝となる。Ｓ１およびＳ２の位相を検出すると、Φ１＝｛φ０＋２πＤ／（Ｃ／ｆ０）｝、Φ２＝｛φ０＋２πＤ／（Ｃ／（ｆ０＋Δｆ））｝となるので、Φ２−Φ１＝２πＤ｛１／（Ｃ／（ｆ０＋Δｆ））−１／（Ｃ／ｆ０）｝＝２πＤ｛（（ｆ０＋Δｆ）／Ｃ）−（ｆ０／Ｃ）｝＝２πＤ（Δｆ／Ｃ）となり、位相差（Φ２−Φ１）を検出することで距離Ｄは、Ｄ＝（Φ２−Φ１）／｛２π（Δｆ／Ｃ）｝となり、０．８３３ＭＨｚをホッピングさせると約１ｍ当たりで１°の位相差が生じ、３６０°の位相差が生じるまでに約３６０ｍの距離が検知できることになる。
携帯端末２においてアクテイブタグ１の方向と距離が検知できれば、携帯端末２を携帯する歩行者あるいはロボット４０４が横断歩道４０３を横断する際に、横断歩道４０３の範囲から外れたことを検知し歩行者あるいはロボット４０４に対して警報を音声などでアナウンスすることで歩行者あるいはロボット４０４が安全に横断できるよう支援することができる。
更に、位相差の測定精度を±０．０３°まで向上できれば、当該アクテイブタグ１で生成されるスペクトル拡散符号を利用して長い尺度（１００ｍ単位等）とし、当該アクテイブタグ１でホッピングさせることで短い尺度（１ｃｍ単位等）とし、通常の巻尺と同様な感覚で、１ｃｍ単位で１００ｍまでの距離が検知できることになる。１００ｍを越える距離は当該スペクトル拡散符号を利用して更に１００ｍ単位で延長できる。
なお、アクテイブタグ１において、周波数がｆ０から（ｆ０＋Δｆ）にホッピングされる代わりに同期しあるいは直交する複数の高周波信号を同時にあるいは交互に切替えて発信し、当該携帯端末２側で当該複数の高周波信号間の位相差を検出しても同様な効果が得られる。
また、当該携帯端末２に複数のアンテナを接続して切替える代わりに、当該アクテイブタグ１に複数のアンテナを接続して切替え当該携帯端末２では単一のアンテナを用いて受信しても同様な効果が得られる。
また、横断歩道を渡る歩行者以外にも、歩道あるいはバリアフリー道路を歩く歩行者、あるいは自動車あるいはロボットのような移動体、衛星あるいは着陸態勢にある飛行機などの飛行体に対しても同様な効果が得られる。
また、当該アクテイブタグ１が交通信号機３０１に近接して設置された場合には、交通信号機３０１と連動して、進行、注意、停止等の情報あるいは当該アクテイブタグ１を仮設することによって工事中、迂回せよなどの臨時の情報を発信することができるので、歩行者４０４は安全に横断歩道４０３を横断でき、その他のバリアフリー道路などを安全に歩行できる。

図２は本発明の他の実施例を示す概念図であり、１ａ〜１ｄはアクテイブタグ、３１ａ〜３１ｄはアクテイブタグ１ａ〜１ｄのアンテナの指向性パターン、４０３ａ〜４０３ｅは横断歩道あるいは歩道等の境界線、４０４ａ、４０４ｂは歩行者、４０５ａ、４０５ｂは進行方向、４０６ａ、４０６ｂはアクテイブタグ１ａと１ｂ、１ｃと１ｄを結ぶ中心線、４０７ａ〜４０７ｄはアクテイブタグ１ａ〜１ｄから歩行者４０４ａ、４０４ｂに向けた方向線である。
図２において、アクテイブタグ１ａ〜１ｄは境界線４０３ａ〜４０３ｄに近接して設置され交通信号機に連動して歩行、注意、停止などの状態が発信され、当該アクテイブタグ１ａ〜１ｄのアンテナの指向性パターン３１ａ〜３１ｄは横断歩道の境界線４０３ａ〜４０３ｄに沿って向けられており、当該指向性パターン３１ａ〜３１ｄの方向にスペクトル拡散符号で拡散された高周波信号が放射されている。
一方、歩行者４０４ａ、４０４ｂが携帯する携帯端末にはアンテナ２基を間隔を離して搭載しており、アンテナ切替合成器により周期的に切替えあるいは組合わせを変えながら高周波信号を受信することでアクテイブタグ１ａ〜１ｄの識別番号を検知し当該高周波信号が到来した方向と距離を高精度で検知することができる。
当該歩行者４０４ａが携帯する携帯端末ではアクテイブタグ１ａと１ｂから発信された高周波信号を方向線３１ａと３１ｂを通って受信し、当該アクテイブタグ１ａと１ｂの方向と距離を検知することができるので、当該アクテイブタグ１ａと１ｂを結ぶ中心線４０６ａ上に居る時はアクテイブタグ１ａの方向が右でアクテイブタグ１ｂの方向が左（左右が反対）であるが距離は等しいことが検知できる。当該横断歩道の境界線４０３ａと４０３ｂの内側に居る時には、アクテイブタグ１ａを右に見てアクテイブタグ１ｂを左に見ており、この状態にある場合は、歩行者４０４ａは交通信号の状態を確認しながら４０５ａの方向に安全に歩行できることになる。
一方の歩行者４０４ｂが携帯する携帯端末においてはアクテイブタグ１ｃと１ｄから発信された高周波信号を方向線３１ｃと３１ｄを通って受信し、当該アクテイブタグ１ｃと１ｄの方向と距離を検知することができるので、当該アクテイブタグ１ｃと１ｄを結ぶ中心線４０６ｂの上に居る時にはアクテイブタグ１ｃの方向が左でアクテイブタグ１ｄの方向が右（左右が反対）であるが距離は等しいことが検知できる。横断歩道の境界線４０３ｃと４０３ｄの内側に居る時にはアクテイブタグ１ｃを左に見てアクテイブタグ１ｄを右に見ており、この状態にある場合には、歩行者４０４ｂは交通信号の状態を確認しながら４０５ｂの方向に安全に歩行できることになる。
歩行者４０４ｂが、アクテイブタグ１ｃと１ｄに最接近したところで左に向きを変える地点が音声でアナウンスされると次のアクテイブタグ１ａと１ｂからの高周波信号が受信でき次の横断歩道の境界線４０３ａと４０３ｂの内側に居ることを検知出来るので、歩行者４０４ｂは左折して引き続き安全に歩行を続けることができることになる。
当該携帯端末に複数のアンテナを間隔を置いて設置して切替える代わりに、当該アクテイブタグ１ａ〜１ｄに複数のアンテナを間隔を置いて設置して切替えることでも同様な効果が得られる。
また、当該アクテイブタグ１ａ〜１ｈの指向性アンテナが歩道あるいは横断歩道あるいは車道あるいは車道のレーンあるいはバリヤフリー道路あるいは移動体の移動可能な幅のほぼ中央に設置され、当該携帯端末の複数組のアンテナを当該歩行者４０４ａ、４０４ｂの幅の中心あるいは両端に設け当該歩行者４０４ａ、４０４ｂの幅の中心が向いている方向と当該アクテイブタグ１ａ〜１ｈが設置された方向とのズレを検知し当該歩行者４０４ａ、４０４ｂが移動する場合の移動範囲を制御しあるいは誘導することで移動を支援することができる。
また、当該携帯端末の２基のアンテナが歩行者４０４ａ、４０４ｂの幅の間隔で進行方向あるいは後方向の両側に設けられあるいは歩行者４０４ａ、４０４ｂの両肩あるいは両胸あるいは左右方向あるいは上下方向に任意の間隔を置いて設けることで同様な効果が得られる。
また、当該アクテイブタグ１ａ〜１ｄの指向性パターン３１ａ〜３１ｄに対向する形で指向性アンテナが設置されると、歩行者４０４ａと４０４ｂは帰路にも逆方向へ安全に歩行できる。

図３は本発明のアクテイブタグの実施例を示す構成図であり、１はアクテイブタグ、１１ａ、１１ｂは指向性アンテナ、１２はアンテナスイッチ、１３は電力増幅器、１４は直交周波数ホッピング発生回路、１５はシンセサイザ、１６は基準発振器、１７は拡散符号生成部と制御部、３１ａ、３１ｂは指向性パターン、１０５は蓄電用コンデンサー、１０６は太陽電池、１０７は発光体である。
指向性アンテナ１１ａ、１１ｂは、アクテイブタグ１の外部に設置して同軸ケーブルで接続するか、一方をアクテイブタグ１の内部に封入し他方を外部に設けて同軸ケーブルにより接続しており、要求の指向性パターン３１ａ、３１ｂを有しており、アンテナスイッチ１２を介して電力増幅器１３に接続されている。
基準発振器１６により生成されたクロック信号により２．４ＧＨｚ帯あるいは５ＧＨｚ帯の信号がシンセサイザ１５により生成され、直交周波数ホッピング発生回路１４により直交する複数の副搬送波信号を切替ながら単側帯波変調をすることで直交周波数ホッピングを行なうと共にスペクトル拡散符号により拡散し電力増幅器１３に出力信号を供給する。
アクテイブタグ１は制御部１７で制御されて間欠発信されており、例えば、１００ｍｓ周期で２ｍｓ間発信すると負荷率は２％であり、消費電力が極端に節約できる。太陽電池１０６により発電された電力を蓄電用コンデンサ１０５に蓄電すれば、太陽光あるいは人工照明が得られる場所に半永久的に設置できる。また、アクテイブタグ１全体を防水ケースに収納し耐圧力、耐衝撃、耐振動性能を有するものとすると、道路面表面、歩道表面、あるいは床面に埋め込まれて設置される他に、専用の柱、街路灯柱、電力線柱、通信線柱、壁、天井あるいはその他の建造物に取り付けつけて使用される。
また、接続する指向性アンテナは２基以上が可能であり、時分割により切替えられ、指向性アンテナ毎に識別番号を変えて高周波信号を発信できる。
また、当該アクテイブタグ１を単一のアンテナを含めて薄型のプレイト状に構成することで一般住宅の表札代わりとして設置する場合には、サービスエリアを道路幅５ｍ程度として発信時の電力消費を極力抑え、１秒間に２ｍｓの程度の間欠発信として負荷率を０．２％程度まで削減し、発信時の消費電流を１０ｍＡ程度に抑えると、平均消費電流は１０μＡＨとなり太陽光線の反射光でも十分に機能させることができる。
また、当該アクテイブタグ１に搭載された発光素子１０７はオプションであり、夜間に間欠的に点灯させることによってアクテイブタグ１の所在あるいは動作状態を確認することができる。

図４は本発明の携帯端末の実施例を示す構成図であり、２は携帯端末、２１ａ、２１ｂは指向性アンテナ、２２はアンテナ切替合成器、２３は受信機、２４は信号検出制御部、２５は操作表示部、６１はアナログデジタル変換器、６２は信号検出器、６３は基準発振器、２０１、２０２、２０３は接続端子である。
アンテナ切替部２２はアクテイブタグから発信される測定用拡散符号を受信する間にアンテナ２１ａと２１ｂを切替えるためのものであり接続端子２０２を介して信号検出器６２により駆動され、受信機２３は受信した高周波信号を中間周波信号あるいはベースバンド信号に変換した後接続端子２０１を介して信号検出制御部２４に受信出力信号を出力する。
当該受信出力信号は基準発振器６３に同期してアナログデジタル変換器６１によりデジタル信号に変換され、信号検出器６２に入力される。信号検出器６２では１周期分の固定相関器との相関がとられ、Ｓｉｎ、Ｃｏｓのルックアップテーブルとの積和演算あるいは高速フーリエ変換あるいはその他の方法によって振幅スペクトルと位相スペクトルが検出され、当該振幅スペクトルと位相スペクトルから信号検出器６２によって当該受信出力信号のタイミングあるいは振幅あるいは周波数あるいは位相あるいはこれらの組合わせをリアルタイムで検出することができる。
当該振幅スペクトルによって受信出力信号のなかで固定相関器と相関が大きい信号の振幅が検出され、当該位相スペクトルによってその搬送波の位相が検出される。そこで、指向性アンテナ２１ａと２１ｂの間隔をアクテイブタグから発信される高周波信号の搬送波の１波長以下とし交互に切替えながら当該振幅スペクトルが閾値を越える時に位相スペクトルを検出すると、当該アンテナ２１ａと２１ｂとの間の位相差から当該アクテイブタグが位置する方向が検出できることになる。
ここで、当該アナログ／デジタル変換器は４ビット程度のものを用い数十回の測定の移動平均値を求めることで、各アンテナ毎の拡散符号の進み信号と遅れ信号の差を１/１００以上の精度で読み取ることができるので、各拡散符号の１ビットの長さを０．２５μｓとすると位相差を０．２５ｎｓ（７．５ｃｍ）以下の精度で検出することができ、搬送波の周波数を２．４ＧＨｚとすると波長の長さλ＝１２．５ｃｍであるので搬送波の位相差を０．０１ラジアン（０．２ｍｍ）程度の精度で検出でき、アナログ／デジタル変換器６１として８ビット以上のものを用いることで更に精度を向上させることができる。
また、当該携帯端末２の指向性アンテナの方向を左右あるいは上下に大きく振り回し当該振幅スペクトルを検出することで当該アクテイブタグから受信する入力電力の大きさが最大となる方向を検知することで上記の位相差を測定する機能を補完することができる。
また、当該受信機２３にＡＧＣ機能を搭載し、当該振幅スペクトルが飽和しないように受信機２３の利得を抑えることができる。
また、当該携帯端末２の受信機がＬｏｗｅｒ ＩＦ方式あるいはダイレクトコンバージョン方式の場合には当該受信機の出力信号を拡散符号の伝送速度と同一の周波数の中間周波数に変換することで信号検出器６２の演算を容易にすることができる。
また、従来のように受信機の出力信号を処理するのにデジタルシグナルプロセッサーを用いると電力消費が大きくなるのに対して、高周波で動作する高周波論理回路を採用することでリアルタイムでの分析が可能であり電池の寿命を延長することができる。
また、周波数スペクトルを検出するために分解能に応じて必要な数の高速で動作する高周波論理回路を設け当該高周波論理回路を用いて積和演算を行いあるいは高速フーリエ変換を行いあるいは当該デジタル信号から振幅スペクトルあるいは位相スペクトルあるいはこれらの両方を検出しあるいは任意の期間の平均をとりあるいは窓関数を設けて演算を行いあるいは任意のサンプリング数毎あるいは任意のサンプリング周期数毎に検出結果を時系列ならべあるいはタイムスタンプを付して出力しあるいはこれらを組合わせることができる。
また、当該受信機の出力信号を当該基準発振器に同期して変換したデジタル信号を多段のシフトレジスタに蓄積し当該シフトレジスタから整数の間隔をおいて少なくとも４段を選択して１組とし複数の整数について選択して複数組のデジタル信号を生成しあるいは当該受信機の出力信号を基準発振器と同期して複数種類のサンプリング周期でデジタル信号に変換し当該サンプリング周期毎にシフトレジスタに蓄積して複数組のデジタル信号を生成し当該複数組のデジタル信号を積和演算しあるいは高速フーリエ変換して必要な分解能を確保することができる。
また、当該高速で動作する高周波論理回路が少なくとも４段のシフトレジスタとエックスクルージブオア回路と加算器から構成され当該デジタル信号とＳｉｎおよびＣｏｓのルックアップテーブルとの積和演算を行うことができる。
また、当該タイミングあるいは振幅あるいは周波数あるいは位相あるいはこれらの組合せをリアルタイムで検出するために用いるＳｉｎのルックアップテーブルが０、１、０、−１、あるいは１、１、−１、−１、あるいはこれらの整数倍あるいは整数分の１の繰り返しでありあるいはＣｏｓのルックアップテーブルが１、０、−１、０あるいは１、−１、−１、１、あるいはこれらの整数倍あるいは整数分の１の繰り返しでありあるいは積和演算を行う際の−１の乗算は当該デジタル信号の補数を求めあるいはこれらの組合わせることで当該高周波論理回路を単純化できる。

図５は本発明の信号検出器の基本構成を示す図であり、５１はアクテイブタグがバースト状に発信するスペルトル拡散符号、５２はシフトレジスタ、５３は携帯端末で生成されるスペクトル拡散符号１周期分の固定レジスタ、５４はΣＳｉｎ積和演算器、５５はΣＣｏｓ積和演算器、５６はアクテイブタグと携帯端末間の遅延時間、５７は振幅スペクトル検出器、５８は位相スペクトル検出器、５９、６０は出力端子である。
当該アクテイブタグにおいて発信されるスペクトル拡散符号５１の１周期分あるいは１符号長分が例えばＭ系列８チップで構成されているものとする。
当該拡散符号５１が発信され当該携帯端末において受信されデジタル信号に変換された後にシフトレジスタ５２に順次入力され２つの出力に分岐される。１周期分の固定相関器５３において、当該シフトレジスタ５２に入力されたデジタル信号とクロック周期毎に相関がとられ、その結果は、ΣＳｉｎ積和演算器５４によりＳｉｎのルックアップテーブルと掛算され加算され、更に、ΣＣｏｓ積和演算器５５によりＣｏｓのルックアップテーブルと掛算され加算される。
当該ΣＳｉｎ積和演算器５４の出力とΣＣｏｓ積和演算器５５の出力は、振幅スペクトル検出器５７によって、例えば、各々２乗して加算し平方根を求めあるいは各々の絶対値を加算しあるいは各々のピーク値を加算することで振幅スペクトルが検出され接続端子５９から出力され、位相スペクトル検出器５８によりお互いの比を求めることで位相スペクトルが算出され接続端子６０から出力される。
当該アクテイブタグと携帯端末間の遅延時間５６は当該アクテイブタグが発信したスペクトル拡散符号５１の１周期分が携帯端末のシフトレジスタ５２に入力されるまでの主として携帯端末の遅れ時間により生じるものであり、何らかの反射物により反射されあるいは障害物により回折されて受信される複数のスペクトル拡散符号は各障害物あるいは反射物毎に必ずアクテイブタグのスペクトル拡散符号５１の１周期分が順番にシフトレジスタ５２に入力され１周期分が揃ったところで相関出力が最大となるので、当該障害物あるいは反射物による遅延時間が拡散符号のチップ長さを単位として検出することができる。
かくして、何らかの障害物あるいは反射物からの反射されあるいは回折されてマルチパスが生じ、順次受信されるスペクトル拡散符号５１に応じてΣＳｉｎ積和演算器５４とΣＣｏｓ積和演算器５５からベクトルに応じた出力が順次出力されるので、振幅スペクトル検出器５７の出力の閾値を越え次に出力が閾値を越えるまでのクロック数をカウントすることで反射波あるいは回折波が到達した時間が計測でき、当該振幅スペクトル検出器５７の出力で反射あるいは回折の強さが検知でき、アンテナを切替えた際の位相スペクトル検出器５８の出力から当該障害物あるいは反射物の方向あるいは高さあるいは深さが検知できる。
ここで、当該スペクトル拡散符号５１のチップ長と当該高周波信号の搬送波あるいは副搬送波あるいは中間周波信号の波長とを比較して何れか周波数が高い方の２倍以上の周期（４倍の周期が望ましい）でデジタル信号に変換する。

図６は本発明の携帯端末の構成例を示す斜視図であり、２は携帯端末、２１ａ、２１ｂは携帯端末２用に載された指向性アンテナ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ、２１ｄは外部に設けられた指向性アンテナ、３０１は接続用同軸ケーブル、３０２はレドーム、３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃは指向性アンテナの間隔、３０４は骨伝導スピーカ、３０５は携帯電話機用アンテナである。
携帯端末２は携帯電話機の筐体に内蔵されており、携帯電話機用アンテナ３０５とは別に携帯電話機の表示部を見た時の前方方向に向けて携帯端末２用の指向性アンテナ２１ａと２２ｂが搭載されており、オプションとして、同軸ケーブルにより接続されたレドーム３０１の中に指向性アンテナ２１ｃ〜２１ｆが収納されており、当該指向性アンテナ２１ａと２１ｂあるいは２１ｃ〜２１ｆは同一方向に指向しておりアンテナ切替合成器で周期的に切替えられあるいは組合わせが変えられ、携帯端末２に内蔵されている受信機に接続されている。
指向性アンテナ２１ａと２１ｄとの間の長さ３０３ａと指向性アンテナ２１ｃ〜２１ｆの間の間隔３０３ｂ、３０３ｃは、例えば当該携帯端末２が受信する高周波信号の搬送波の４分の１の長さよりやや短めに設定されている。
当該指向性アンテナ２１ａ〜２１ｄの指向性の方向を付近に存在するアクテイブタグの方向に向けると、当該指向性アンテナ２１ａ、２１ｂあるいは２１ｃ〜２１ｆの中心線が当該アクテイブタグの方向と一致している時は各指向性アンテナ２１ａ、２１ｂあるいは２１ｃ〜２１ｆに入力する当該高周波信号の搬送波の位相は完全に一致しておりこれらの指向性アンテナを切替えて受信した高周波信号の搬送波の位相差は僅少であるが、当該中心線が当該アクテイブタグの方向からづれると当該指向性アンテナ２１ａ、２１ｂあるいは２１ｃ〜２１ｆを切替えた際の当該搬送波の位相差が大きくなる。
例えば、当該中心線が当該アクテイブタグの方向から左右方向にずれると、指向性アンテナ２１ａと２１ｂとの間あるいは外部の指向性アンテナ２１ｃと２１ｆ、２１ｄと２１ｅとの間の当該搬送波の位相差が大きくなる。外部に接続した４基の指向性アンテナの間隔は当該高周波信号の４分の１波長に設定されているので、当該中心線の方向が当該アクテイブタグの方向から左右方向に±９０°づれたとき前記の指向性アンテナ間の当該搬送波の位相差が±９０°づれることになる。
逆に、当該中心線が当該アクテイブタグの方向から上下にずれると、指向性アンテナ２１ａと２１ｂの間の当該高周波信号の位相差は僅少であるが、外部の指向性アンテナ２１ｃと２１ｄ、２１ｆと２１ｅとの間の当該搬送波の位相差は大きくなる。外部に接続した４基の指向性アンテナの間隔は当該高周波信号の４分の１波長に設定されているので、当該中心線の方向が当該アクテイブタグの方向から上下に±９０°づれたとき当該搬送波の位相差が±９０°づれることになる。
なお、方位を精度良く検知する為には当該携帯端末２のアンテナ２１ａと２１ｂの間のアイソレーションを高めることで測定の精度を高められることが実験で確かめられている。
一方、対角線上にある指向性アンテナ２１ｃと２１ｅとの間あるいは２１ｆと２１ｄとの間では左右あるいは上下の何れの方向にづれても当該搬送波の位相差が大きくづれることになる。
当該高周波信号の搬送波の位相差を測定するとき位相差が±９０°を越えると当該中心線の方向を特定するのが難しくなるのでこの範囲を越えないことが条件となるが、上記のように配列すると当該搬送波が後ろ方向から到来しない限りこの範囲を越えることはない。当該搬送波が後ろ方向から到来する場合には、地磁気センサなどを補助的に用いて判定することが可能である。
本発明の携帯端末２を歩行者が懐中電灯を照らす要領で前方をサーチすると、アクテイブタグが存在する方向が精度よく測定できるので、当該アクテイブタグのアンテナの指向性を安全な歩道に沿って指向させれば、歩行者が当該アクテイブタグの指向性の方向に沿って当該アクテイブタグの方向に正確に歩行できるので、安全な歩行が確保できることになる。
当該指向性アンテナの間隔を当該搬送波の波長の４分の１より大きくして例えば２分の１波長とすると、当該中心線の方向と当該アクテイブタグの方向が±３０°づれると、当該搬送波の位相差が±９０°になることから更に高精度の測定が可能となる。
当該携帯端末２で検知された結果は表示部で表示され、あるいは骨伝導スピーカ３０４によってアナウンスされる。
ここで、高周波信号の搬送波の周波数として２．４ＧＨｚ帯を用いると、指向性アンテナ４基を装着するときでもレドームの直径が６ｃｍ程度となり、大型の懐中電灯と同程度の大きさとなるので、歩行者が携帯して利用でき利便性が大なる歩行者支援のための装置が実現できる。
また、アクテイブタグを間欠発信状態にすると、電波の有効利用を図ると共に、当該アクテイブタグの電力消費を低減し太陽電池などによって駆動することが可能となる。１００ｍｓの間隔で２ｍｓの間バースト状に発信すると、電流消費は５０分の１に削減できる。
また、当該携帯端末２に重力センサーを組込み指向性アンテナの内左右方向に位置するものと上下方向にあるものとを識別することで当該携帯端末を携帯する際に余分な注意を省略できるメリットがでる。
また、当該携帯端末２の複数のアンテナを位相合成しアンテナの指向性を制御して当該アクテイブタグの方向をサーチすることで取扱あるいは操作を容易にすることが可能となる。
また、当該携帯端末２に複数のアンテナを設ける代わりに、アクテイブタグ側に複数のアンテナを設けアンテナ切換合成器により切換えて高周波信号を発信し、当該携帯端末２において単一あるいは複数のアンテナを用いて受信することによってアクテイブタグ側の複数のアンテナ間で前記搬送波信号あるいは副搬送波信号あるいは変調信号あるいはベースバンド信号の位相差を測定することによって当該アクテイブタグが設置された方向を検知することも可能である。
また、当該携帯端末２の複数のアンテナを切替える際に切替順序を常に２１ｃから順に２１ｆまで一方向に切替える代わりに２１ｆから逆に２１ｃまで逆方向に切替えることを交互に行い検出した位相差を差し引くことで、基準発振器の周波数変化あるいは回路の伝達時間あるいは伝達位相の変化等によって生じる基礎的な誤差を削除することができる。
また、当該アクテイブタグのアンテナが歩道に沿って設置されあるいは横断歩道の安全地帯に設置された場合に、右側が危険で左側が安全であれば右側通行が可能であると判断して誘導することで視覚障害者でも安全に歩行が可能となる。
また、当該携帯端末２に設けられあるいは接続された表示装置あるいは音声装置において予め設定された基準方向を当該携帯端末２を所持しあるいは設置された移動主体が現在向いている方向とし当該移動主体が目的として進行すべき方向を表示しあるいは指し示しあるいはアナウンスすることによって当該移動主体が方向転換を容易にすることができる。
また、当該携帯端末２をヘッドランプ状に頭に装着しあるいは胸のベストに装着することでハンドフリーな使用が可能となる。
また、当該携帯端末２のアンテナを２個並べると、２．４ＧＨｚの場合、幅が３ｃｍ、長さが６ｃｍ程度となりめがねの大きさ程度となるので左右方向の検知にはめがね状に装着することも可能である。

以上の説明では、数値制御発振器を用いるよう説明しているがデジタルＰＬＬ回路を用いるなど等価な方法によっても同様な効果が得られる。
また、自己相関器としてデジタル方式について説明したが、アナログ方式を用いても同様な効果が得られる。
また、当該アクテイブタグから超音波トランスデューサーあるいは超音波送波器を用いて超音波信号を発信し、当該携帯端末において超音波トランスデューサーあるいは超音波受波器を用いて超音波信号を受信し、あるいは当該アクテイブタグにおいて発光ダイオードあるいはレーザーダイオードを用いて光信号を発信し当該携帯端末においてホトダイオードを用いて光信号を受信することでも同様な効果が得られる。なお、本出願では、超音波トランスデューサーあるいは超音波送受波器と発光ダイオードあるいはレーザーダイオードあるいはホトダイオードを総称して送受波器と呼称するものとする。
また、スペクトル拡散を行なわず無変調あるいはアナログ信号あるいはデジタル信号により変調された高周波信号の搬送波の位相差を複数のアンテナを切替えて測定することでも同様な効果が得られる。
また、複数のアンテナを切替える代わりに、複数のアンテナに対応する携帯端末を個別に設けて携帯端末間の位相差を測定することでも同様な効果が得られる。
また、当該携帯端末の周辺に歩行者等の障害物が存在するとアクテイブタグからの発信される超音波信号あるいは高周波信号あるいは光信号が遮蔽される場合がありあるいは反射されてマルチパスによる誤差の原因になるので、アクテイブタグに指向性が鋭い指向性アンテナを用い比較的に高い位置に設置し上方より吹き降ろす形指向性を向けることが望ましい。
また、複数のアンテナあるいは送受波器がケーブルにより直列あるいは並列に接続されあるいは漏洩ケーブルを構成し歩行者あるいは移動体の進行方向に沿って設置しあるいは特定エリアの周辺部に設置することで進行方向の誘導あるいは特定エリアのガイダンスを効果的に行うことができる。
また、当該アクテイブタグにおいて生成した光信号を当該高周波信号を副搬送波として変調し空間に放射し当該携帯端末において受信した光信号から当該高周波信号を復調することで方向と距離が検知できる。
また、当該アクテイブタグを太陽電池と蓄電用コンデンサとの一体構造とし薄型構造の防水筐体に収納することで、道路表面に埋設し、ビル等の建設物あるいは輸送物体の表面に貼付け、あるいは一般住宅の表札の代わりに設置することができる。
また、当該アクテイブタグあるいは携帯端末の何れか一方が衛星を含む飛行物体あるいは自動車あるいは歩行者あるいはロボットを含む移動物体に搭載されあるいは装着されあるいは携帯されても同様な効果が得られる。
また、当該複数のアンテナを切替合成器により少なくとも２群に分けて出力し当該２群間の相関を求めることでも同様な効果が得られる。
また、当該携帯端末あるいはアクテイブタグあるいは中継手段あるいはこれらの任意の組合わせが複数のアンテナを有する場合、一つの手段の複数のアンテナが切替られる場合に他の手段の複数のアンテナを固定することで方向あるいは距離の検知を容易にしあるいは検知精度を維持できる。

本発明の一実施例を示す概念図である。 本発明の他の実施例を示す概念図である。 本発明のアクテイブタグの実施例を示す構成図である。 本発明の携帯端末の実施例示す構成図である。 本発明の信号検出器の実施例を示す構成図である。 本発明の携帯端末の構成例を示す斜視図である。

符号の説明

１、１ａ〜１ｄ アクテイブタグ
２ 携帯端末
１１ａ、１１ｂ アクテイブタグ１の指向性アンテナ
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ〜２１ｆ 携帯端末２の指向性アンテナ
１２、２２ アンテナ切替合成器
１３ 電力増幅器
１４ 直交周波数ホッピング発生回路
１５ シンセサイザ
１６ 基準発振器
１７ 拡散符号生成部と制御部
２３ 受信機
２４ 信号検出制御部
２５ 操作表示部
３１ａ〜３１ｄ アクテイブタグ１のアンテナの指向性パターン
５１ アクテイブタグ１が生成するスペルトル拡散符号
５２ シフトレジスタ
５３ １周期分の固定相関器
５４ ΣＳｉｎ積和演算器
５５ ΣＣｏｓ積和演算器
５６ アクテイブタグと携帯端末の間の遅延時間
５７ 振幅スペクトル検出器
５８ 位相スペクトル検出器
５９、６０ 接続端子
６１ アナログデジタル変換器
６２ 信号検出器
６３ 基準発振器
１０５ 蓄電用コンダンサー
１０６ 太陽電池
１０７ 発光ダイオード
２０１、２０２、２０３ 接続端子
３０１ 接続用同軸ケーブル
３０２ アンテナ用レドーム
３０３ａ、３０２ｂ、３０３ｃ アンテナ間隔
３０４ 骨伝導スピーカ
３０５ 携帯電話機用アンテナ
４０１ 交通信号機
４０２ 交通信号機を取り付ける柱
４０３、４０３ａ〜４０３ｄ 横断歩道の境界線
４０４、４０４ａ、４０４ｂ 歩行者あるいはロボット

Claims (7)

1. アクテイブタグを利用した移動体の移動支援システムにおいて、
   超音波信号あるいは高周波信号あるいは光信号を発信するためのアクテイブタグと、当該アクテイブタグから発信される超音波信号あるいは高周波信号あるいは光信号を受信するための端末装置から構成され、
   前記アクテイブタグが複数台であり、エリア内に間隔を置いて固定して設置され、
   前記端末装置が前記エリア内を移動する物体に装着され、あるいは歩行者によって携帯され、
   前記アクテイブタグから発信される信号が、少なくとも周波数が異なる複数の搬送波信号あるいは副搬送波信号あるいは変調信号あるいはベースバンド信号から構成され、
   前記アクテイブタグが、前記複数の搬送波信号あるいは副搬送波信号あるいは変調信号あるいはベースバンド信号に対して１波長以下の間隔で配置された複数のアンテナあるいは送受波器と、当該複数のアンテナあるいは送受波器を周期的に切替えおよび／あるいは組み合わせを変えるための切替合成器を有し、
   前記端末装置が単一のアンテナあるいは送受波器、あるいは前記複数の搬送波信号あるいは副搬送波信号あるいは変調信号あるいはベースバンド信号に対して１波長以上の間隔で配置された複数のアンテナあるいは送受波器と、当該複数のアンテナあるいは送受波器を周期的に切替えおよび／あるいは組み合わせを変えるための切替合成器を有し、
   前記端末装置が、前記アクテイブタグから発信される前記複数の搬送波信号あるいは副搬送波信号あるいは変調信号あるいはベースバンド信号を受信するための受信機と、前記受信機の出力信号を基準発振器に同期してデジタル信号に変換し、当該デジタル信号を処理するための信号検出制御部を有し、
   前記端末装置が、表示画面に表示しおよび／あるいは音声によるアナウンスによって歩行者の自律的な移動を促すために移動支援手段を有し、
   前記信号検出制御部において、前記アクテイブタグの複数のアンテナあるいは送受波器に対応し、かつ前記複数の搬送波信号あるいは副搬送波信号あるいは変調信号あるいはベースバンド信号に対応し、かつ前記端末装置が複数のアンテナあるいは送受波器を有する場合にはこれらに対応して、少なくとも前記複数の搬送波信号あるいは副搬送波信号あるいは変調信号あるいはベースバンド信号の位相を検出し、
   前記検出結果から、アクテイブタグが位置する方向あるいは前記端末装置が向かっている方向、および前記アクテイブタグと前記端末装置との間の距離を測定することによって、
   前記移動支援手段を起動して歩行者の自律的な移動を支援することを特徴とする自律的移動支援装置。
2. 前記アクテイブタグが複数のアンテナあるいは送受波器を更に複数組有し、あるいは端末装置の複数のアンテナあるいは送受波器が、前後方向あるいは左右方向あるいは上下方向あるいは対角線方向あるいはこれらの組合わせの方向に離間して配置されていることを特徴とする請求項第１項に記載の自律的移動支援装置
3. 前記アクテイブタグのアンテナあるいは送受波器が比較的に鋭い指向性ビームを有し、当該アンテナあるいは送受波器が移動体あるいは歩行者が安全に移動できるエリア内に適当な間隔をおいて設置され、あるいは当該指向性ビームが当該エリアに沿う形で設置され、あるいは特定の２点間で対向する形で設置され、あるいはこれらの組合わせで設置されることを特徴とする請求項第１項又は第２項に記載の自律的移動支援装置
4. 前記アクテイブタグのアンテナあるいは送受波器が、前記超音波信号あるいは高周波信号あるいは光信号を複数の放射素子によって連続して漏洩させる漏洩ケーブルであり、当該漏洩ケーブルが移動体あるいは歩行者の進行方向に沿って設置され、あるいは、特定エリアの周辺部に設置されることを特徴とする請求項第１項又は第２項に記載の自律的移動支援装置
5. 前記端末装置が、地磁気センサーあるいは加速度センサーを搭載して前記検知結果を補完し、かつ／あるいは自動アナウンス装置あるいは表示装置を搭載して前記検知結果の内、方向あるいは角度を表示し、かつ／あるいは音声により方向および距離をアナウンスすることを特徴とする請求項第１項に記載の自律的移動支援装置
6. 前記アクテイブタグが、太陽電池および蓄電用コンデンサとの一体構造であり、全体が防水筐体あるいは耐衝撃性の筐体に収納され、道路の表面あるいは歩道の表面あるいは屋外に露出される個所に設置されるのに耐える構造であり、主として太陽光あるいは人工の照明光からエネルギーを受けて動作することを特徴とする請求項第１項に記載の自律的移動支援装置
7. 前記アクテイブタグが太陽電池および蓄電用コンデンサとの一体構造であり、薄型の平板状の防水ケースに収納され、一般住宅あるいはオフイスの表札の代わりに設置できることを特徴とする請求項第１項から第６項のうち何れかに記載した自律的移動支援装置

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