JP5278288B2 - 位置検出装置、位置検出方法および移動体 - Google Patents

Description

本発明は、位置検出装置、位置検出方法および移動体に関する。

超音波を用いてその伝搬時間を測定し、電子ペン等の座標入力装置および移動ロボット等の移動体の位置検出を行う方法や装置が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。超音波の伝搬時間を利用した位置検出方法では、移動体から一定周期で超音波と赤外線を同時に送信し、レシーバで受信する。図７に、レシーバで検出される信号の一例を示す。本例では、移動体から送信される超音波は、バースト状の波形の信号で、各送信周期において同じ波形のものが送信されている。超音波と赤外線とには速度差があるため、受信に時間差（ｔ１、ｔ２等）が生じる。レシーバは、まず赤外線を受信し、ついで伝搬距離に応じて遅れて到達する超音波を受信する。そこで、赤外線を受信した時点から、超音波を受信した時点までの時間を超音波の伝搬時間として測定する。この伝搬時間を利用して移動体の位置を特定する。

この方法では、複数の移動体を同時に使用する場合、レシーバでは各移動体の識別ができない。このため、ある赤外線信号に対応する超音波の識別が困難で、正常に座標検出ができない。さらに、複数の移動体が同時に動作している状況では、レシーバで異なる移動体から送信された超音波を同時に受信する可能性がある。超音波送信信号はバースト状の波形のため、混ざり合ったそれぞれの超音波を分離するのが非常に難しい。このため、それぞれの超音波の到達時点を検出することが困難となり、移動体の正確な位置検出ができない。

そこで、複数の移動体を識別して位置検出を行うために、時分割で超音波を送信し、ペンを同時動作させるペン入力装置が提案されている（例えば、特許文献４参照）。このペン入力装置では、ペンをペンホルダに挿入したときに、固定体がタイミング信号をペンに与えることにより、固定体側とペン側のクロックを同期させる。このときに与えるタイミング信号を、ペン毎に分けることにより時分割を実現する。

また、複数の移動体を識別して位置検出を行う他の一例として、赤外線等に固有の識別信号を付与して送信することも提案されている（例えば、特許文献５、６参照）。この位置検出方法では、固定体（レシーバ）からＩＤ情報を含んだ赤外線信号等の電磁波信号を発信し、移動体側では自身のＩＤに該当する電磁波信号を受信した場合にのみ超音波を発信するようにする。なお、ＩＤ情報を含む電磁波信号を送信する間隔は、座標入力を行なう最大範囲を超音波が移動する時間より長く設定する。図８に示すように、使用する移動体の数をｎ、座標を測定する周期をＴとすると、一個の移動体に割り当てられる時間Ｔ／ｎは、移動範囲との関係で決める必要がある。電子ペンの手書きの筆跡を再現するといった場合には、Ｔをいたずらに長く設定できない。例えば、描画範囲がＡ４サイズ、Ｔ＝１０ｍｓの場合、超音波の伝搬距離は最長で３５０ｍｍ、伝搬時間は１ｍｓ程度となる。別ＩＤの時間枠に入らないように余裕を見てＴ／ｎ＝２ｍｓと設定すると、最大５個の移動体を同時に使用できる。一方、プロジェクタの投影画面での電子ペン使用を想定すると、最遠点が２ｍにも達し、伝搬時間は７ｍｓ程度となる。Ｔ＝２０ｍｓでは、余裕を考慮すると２個の移動体の同時使用が可能となる。

また、複数の移動体を識別して位置検出を行うさらに他の一例として、別の電子ペンからの赤外線を受信すると一定期間、赤外線信号及び超音波信号の発信を停止する電子ペンを備える手書き筆跡入力システムも提案されている（例えば、特許文献７参照）。この手書き筆跡入力システムでは、例えば、第１の電子ペンが筆記を始めると、第２の電子ペンは、第１の電子ペンからの赤外線信号を受信することで、他の電子ペン（第１の電子ペン）が筆記中であることを検出する。第１の電子ペンからの赤外線信号を受信した時点から一定期間（停止期間）内では、第２の電子ペンは、筆記状態に変化しても赤外線信号および超音波を発信せず、停止期間明けに発信する。

米国特許第６１１８２０５号明細書 特開２００３−２８８１５７号公報 特開２００５−４３３３７号公報 特許第３５５１５９１号公報 特開２００４−１９９５６０号公報 特開２００８−１０７２５１号公報 特開２００９−１８１４０９号公報

しかしながら、上述したクロックの同期により時分割を実現する方法では、予め固定体がタイミング信号を移動体に与え、移動体と固定体の同期を取るため、移動体と固定体のクロックのずれが座標検出精度に大きく影響を与えてしまう問題がある。また、時間経過に伴い、誤差が累積していく可能性がある。

また、上述した赤外線等に固有の識別信号を付与して送信する方法では、赤外線・超音波のどちらか一方を固定体から移動体に送信する構成とすることで、移動体が信号を発信する時間帯が重ならないようにすることにより、複数の移動体を共存可能としている。しかしながら、移動体を使用していない状態でも、固定体から赤外線もしくは超音波を送信する必要があり、電力消費の増加につながる。一方、固定体からの信号の送信回数を少なくして電力消費を削減する方法についても開示されている。しかしながら、固定体からの信号の送信を一旦休止してから、再開する場合に、必ず座標を測定する周期分の時間遅れが発生する。特に、例えば、プロジェクタの投影画面でペンを使用し、ペンの軌跡を順次投影画面上に表示する場合には、書き始めの点が描画されないこととなる。さらに、軌跡の線が描画されるには、２点分の座標が必要であるため、もう一周期分の遅れが発生し、ペンの使用者は描画遅れにより使用しづらいという問題がある。

また、上述した別の移動体からの赤外線を受信すると、一定期間、赤外線信号及び超音波信号の発信を停止する方法では、停止期間内に、複数の移動体が筆記状態に変化した場合、停止期間明けに複数の移動体から同時に赤外線信号と超音波とが発信され、混信が起こる。この結果、複数の移動体を識別して位置検出を行えない場合がある。

本発明の目的は、上述した課題を解決し、複数の移動体を同時に使用する場合であっても、各移動体の位置を正確かつ安定的に検出することが可能な位置検出装置、位置検出方法および移動体を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明の位置検出装置は、
少なくとも１つの移動体と、レシーバとを備え、
前記移動体が、
トリガ信号を送信するトリガ信号送信手段と、
前記移動体自身のトリガ信号以外のトリガ信号を受信するトリガ信号受信手段と、
超音波を送信する超音波送信手段と、
前記移動体が送信するトリガ信号および超音波の送信タイミングを、前記移動体固有に設定された待機時間に基づいて制御する制御手段とを備え、
前記移動体が送信するトリガ信号は、前記移動体を識別可能であり、
前記レシーバが、
前記移動体からトリガ信号を受信するトリガ信号受信手段と、
前記移動体が送信する超音波を受信する超音波受信手段と、
前記受信した超音波から超音波到達時点を検出し、前記トリガ信号を受信した時点と前記検出された超音波到達時点とから、超音波が前記移動体から前記超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間を算出する時間算出手段と、
算出した前記超音波伝搬時間と前記超音波受信手段相互の間隔長に基づいて、前記移動体の位置を算出する位置算出手段とを備え、
前記超音波受信手段が、少なくとも２つ備えられており、
前記少なくとも２つの超音波受信手段は、相互に離れて配置されることを特徴とする。

また、本発明の位置検出方法は、前記本発明の位置検出装置を使用し、
前記移動体が送信するトリガ信号は、前記移動体を識別可能であり、
前記移動体が、前記移動体自身のトリガ信号以外のトリガ信号を受信するトリガ信号受信工程と、
前記移動体が送信するトリガ信号および超音波の送信タイミングを、前記移動体固有に設定された待機時間に基づいて制御する制御工程と、
前記移動体から前記レシーバに、トリガ信号を送信するトリガ信号送信工程と、
前記レシーバが、前記移動体からトリガ信号を受信するトリガ信号受信工程と、
前記移動体が、超音波を前記レシーバに送信する超音波送信工程と、
前記レシーバが、前記移動体が送信する超音波を受信する超音波受信工程と、
前記受信した超音波から超音波到達時点を検出し、前記トリガ信号を受信した時点と前記検出された超音波到達時点とから、超音波が前記移動体から前記超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間を算出する時間算出工程と、
算出した前記超音波伝搬時間と前記超音波受信手段相互の間隔長に基づいて、前記移動体の位置を算出する位置算出工程とを含むことを特徴とする。

また、本発明の移動体は、前記本発明の位置検出装置に使用され、
トリガ信号を送信するトリガ信号送信手段と、
前記トリガ信号送信手段が送信するトリガ信号以外のトリガ信号を受信するトリガ信号受信手段と、
超音波を送信する超音波送信手段と、
前記移動体が送信するトリガ信号および超音波の送信タイミングを、前記移動体固有に設定された待機時間に基づいて制御する制御手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、複数の移動体を同時に使用する場合であっても、各移動体の位置を正確かつ安定的に検出することが可能な位置検出装置、位置検出方法および移動体を提供することができる。

本発明の位置検出装置の実施形態１における一例の構成を示すブロック図である。 本発明の位置検出装置の実施形態１における一例の構成を示すブロック図に信号の流れを表示した図である。 本発明の実施形態１における移動体の動作を示す図である。 本発明の実施形態１における移動体の位置算出方法を２次元で示す図である。 本発明の位置検出装置の実施形態２における一例の構成を示す図である。 本発明の位置検出装置の実施形態３における一例の構成を示す図である。 関連技術における位置検出方法の一例を示す図である。 関連技術における位置検出方法のその他の例を示す図である。

以下、本発明の位置検出装置、位置検出方法および移動体について、詳細に説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態に限定されない。

（実施形態１）
図１に、本実施形態の位置検出装置の一例の構成を示す。本例では、移動体が３つの場合を説明する。図示の通り、この位置検出装置１０は、３つの移動体１００ａ、１００ｂおよび１００ｃと、前記３つの移動体１００ａ、１００ｂおよび１００ｃから離れた所定の位置に設置されたレシーバ２００と、前記３つの移動体１００ａ、１００ｂおよび１００ｃが移動した軌跡を表示する表示パネル３００とを備えている。表示パネル３００は、通常に使用されるモニターでもよいし、液晶ディスプレイやプラズマディスプレイのような大画面ディスプレイや、プロジェクタで投影された投影画面でも構わない。

移動体１００ｂは、制御回路１０１と、トリガ駆動回路１０２と、トリガ送信部１０３ｂと、トリガ受信部１０４ｂと、トリガ検出回路１０５と、超音波駆動回路１０６と、超音波送信部１０７とを備えている。制御回路１０１は、トリガ駆動回路１０２、トリガ検出回路１０５および超音波駆動回路１０６に電気的に接続されている。トリガ駆動回路１０２は、トリガ送信部１０３ｂに電気的に接続されている。トリガ検出回路１０５は、トリガ受信部１０４ｂに電気的に接続されている。超音波駆動回路１０６は、超音波送信部１０７に電気的に接続されている。
本実施形態での制御回路１０１、トリガ駆動回路１０２およびトリガ送信部１０３ｂは、本発明における「トリガ信号を送信するトリガ信号送信手段」に相当する。本実施形態でのトリガ受信部１０４ｂおよびトリガ検出回路１０５は、本発明における「移動体自身のトリガ信号以外のトリガ信号を受信するトリガ信号受信手段」に相当する。本実施形態での制御回路１０１は、本発明における「移動体が送信するトリガ信号および超音波の送信タイミングを、前記移動体固有に設定された待機時間に基づいて制御する制御手段」に相当する。本実施形態での超音波駆動回路１０６および超音波送信部１０７は、本発明における「超音波を送信する超音波送信手段」に相当する。

移動体１００ａは、移動体１００ｂにおけるトリガ送信部１０３ｂおよびトリガ受信部１０４ｂに代えて、トリガ送信部１０３ａおよびトリガ受信部１０４ａを備える以外は、移動体１００ｂと同様の構成である。図１において、移動体１００ａにおけるトリガ送信部１０３ａおよびトリガ受信部１０４ａ以外の構成部材は、図示を簡潔にするため記載を省略している。図２においても同様とする。

移動体１００ｃは、移動体１００ｂにおけるトリガ送信部１０３ｂおよびトリガ受信部１０４ｂに代えて、トリガ送信部１０３ｃおよびトリガ受信部１０４ｃを備える以外は、移動体１００ｂと同様の構成である。図１において、移動体１００ｃにおけるトリガ送信部１０３ｃおよびトリガ受信部１０４ｃ以外の構成部材は、図示を簡潔にするため記載を省略している。図２においても同様とする。

レシーバ２００は、トリガ受信部２０１と、トリガ検出回路２０２と、超音波受信部２０３−１および２０３−２と、サンプリング回路２０４−１および２０４−２と、メモリ２０５と、データ処理回路２０６とを備えている。トリガ受信部２０１は、トリガ検出回路２０２に電気的に接続されている。超音波受信部２０３−１は、サンプリング回路２０４−１に、超音波受信部２０３−２は、サンプリング回路２０４−２に、それぞれ電気的に接続されている。トリガ検出回路２０２並びにサンプリング回路２０４−１および２０４−２は、メモリ２０５に電気的に接続されている。メモリ２０５は、データ処理回路２０６に電気的に接続されている。
本実施形態でのトリガ受信部２０１、トリガ検出回路２０２は、本発明における「移動体からトリガ信号を受信するトリガ信号受信手段」に相当する。本実施形態での超音波受信部２０３−１および２０３−２、並びにサンプリング回路２０４−１および２０４−２は、本発明における「移動体が送信する超音波を受信する超音波受信手段」に相当する。

データ処理回路２０６は、表示パネル３００と電気的に接続されている。本実施形態での表示パネル３００は、本発明における「表示手段」に相当する。

制御回路１０１は、例えば、中央演算処理回路（ＣＰＵ）を備える。前記制御手段が実行する制御は、後述する。なお、本実施形態の位置検出装置を構成する移動体が、例えば、操作部、表示部、メモリ等を備える場合には、制御回路１０１は、例えば、これらの部材と電気的に接続されていてもよい。

トリガ送信部１０３ｂは、トリガ信号として光を使用する場合には、例えば、発光ダイオードを用いればよく、トリガ信号として電波を使用する場合には、例えば、電波発信器を用いればよい。トリガ送信部１０３ａおよび１０３ｃについても同様である。
トリガ受信部１０４ｂとしては、通知されるトリガ信号が光である場合には、例えば、フォトダイオードを用いればよく、通知されるトリガ信号が電波である場合には、例えば、電波受信アンテナを用いればよい。トリガ受信部１０４ａおよび１０４ｃについても同様である。

つぎに、図２および図３を参照して、本実施形態の位置検出装置を用いた位置検出方法を説明する。前記両図において、図１と同一部分には同一符号を付している。

本実施形態の位置検出装置では、まず、移動体１００ａは、位置検出要求（ＯＮ）時に、トリガ送信部１０３ａから、位置検出要求のトリガ信号を送信する（ａ１）。移動体１００ｂのトリガ受信部１０４ｂ、移動体１００ｃのトリガ受信部１０４ｃおよびレシーバ２００のトリガ受信部２０１が、このトリガ信号を受信する。このトリガ信号は、ＯＮの間、所定のトリガ送信周期（Ｔ）で繰り返し送信される。また、移動体１００ａは、位置検出要求のトリガ信号の送信と同時に、超音波送信部（図２において、図示せず）から、超音波を送信する。この超音波送信は、例えば、後述する移動体１００ｂにおける超音波送信と同様である。なお、この超音波送信は、トリガ信号送信の一定時間経過後であってもよく、移動体１００ｂおよび移動体１００ｃにおいても同様とする。

移動体１００ａから送信されるトリガ信号は、例えば、電磁波信号である電波または赤外線信号として送信される。このトリガ信号は、各移動体を識別可能な信号である。後述する移動体１００ｂおよび移動体１００ｃから送信されるトリガ信号も、同様である。このトリガ信号には、例えば、識別情報を付加してもよい。トリガ信号として、例えば、移動体毎に重複が生じないよう帯域分割された信号を用いることで、レシーバ２００において移動体を確実に一意に識別可能となる。
なお、移動体を識別するトリガ信号として、特定帯域の電磁波信号を用いる場合には、移動体は、特定帯域の電磁波信号を複数種類発信できることが好ましい。このようにすることで、同時に使用する移動体の組み合わせに応じて、各移動体の識別信号を変更することができ、識別信号の重複を避けることができる。

移動体１００ｂでは、トリガ受信部１０４ｂは、受信したトリガ信号を電気信号に変換し、トリガパルスとして出力する（ａ２）。トリガ検出回路１０５は、トリガ受信部１０４ｂからのトリガパルスを検出すると、制御回路１０１へ通知する（ａ３、移動体におけるトリガ信号受信工程）。

本発明では、各移動体には、それぞれの移動体自身が送信するトリガ信号以外のトリガ信号を受信した場合にトリガ信号と超音波の送信を待機させる待機時間（ｔ）が設定されている。本実施形態の位置検出装置において、前述の「移動体自身が送信するトリガ信号以外のトリガ信号」とは、他の移動体から送信されるトリガ信号である。具体的には、移動体１００ｂ自身が送信するトリガ信号以外のトリガ信号とは、移動体１００ａおよび移動体１００ｃから送信されるトリガ信号である。この待機時間は、移動体毎に固有に設定される。すなわち、移動体毎に設定される待機時間の長さが異なる。前記待機時間は、例えば、前述のトリガ送信周期より短く（Ｔ＞ｔ）、かつ移動体が移動する範囲におけるレシーバと移動体との最大距離を超音波が伝搬する時間より長く設定される（待機時間設定工程）。前記トリガ送信周期は、例えば、全ての移動体の待機時間を足した時間より長く設定される。本実施形態の位置検出装置では、例えば、移動体１００ａの待機時間（ｔ_ａ）、移動体１００ｂの待機時間（ｔ_ｂ）および移動体１００ｃの待機時間（ｔ_ｃ）を足した時間より、前記トリガ送信周期が長く設定される（Ｔ＞ｔ_ａ＋ｔ_ｂ＋ｔ_ｃ）。

本実施形態の位置検出装置では、ｔ_ａ、ｔ_ｂ、ｔ_ｃの順に待機時間が長くなるように設定されている（ｔ_ａ＜ｔ_ｂ＜ｔ_ｃ）。例えば、前述のトリガ送信周期を２５ｍｓとした場合には、ｔ_ａを７ｍｓ、ｔ_ｂを８ｍｓ、ｔ_ｃを９ｍｓとすることができる。
なお、本実施形態の位置検出装置では、前述の待機時間が予め設定されているが、本発明は、この例に限定されず、例えば、制御回路によって、移動体の数等に応じて、トリガ信号受信時等、その都度設定してもよい。

制御回路１０１は、トリガ検出回路１０５からのトリガ検出の通知を受けると（ａ３）、ｔ_ｂのカウントダウンを開始する。移動体１００ｂは、このｔ_ｂの経過中に位置検出要求（ＯＮ）があっても、トリガ信号および超音波を送信しない。
また、移動体１００ｃにおいても、移動体１００ｂと同様に、ｔ_ｃのカウントダウンを開始する。移動体１００ｃは、このｔ_ｃの経過中に位置検出要求（ＯＮ）があっても、トリガ信号および超音波を送信しない。

移動体１００ｂでは、ｔ_ｂの経過後（ｔ_ｂがゼロになる）、制御回路１０１は、トリガ駆動回路１０２に対してトリガ信号の生成を指示する信号を出力する（ｂ１）。本実施形態での制御回路１０１による一連の制御は、本発明における「制御工程」に相当する。トリガ駆動回路１０２は、制御回路１０１からの指示信号に基づきトリガ駆動用信号を生成する（ｂ２）。トリガ送信部１０３ｂは、トリガ駆動回路１０２からのトリガ駆動用信号により駆動され、トリガ信号を空間に送出する（ｂ３、トリガ信号送信工程）。このトリガ信号は、ＯＮの間、所定のトリガ送信周期（Ｔ）で繰り返し送信される。移動体１００ａのトリガ受信部１０４ａ、移動体１００ｃのトリガ受信部１０４ｃおよびレシーバ２００のトリガ受信部２０１は、このトリガ信号を受信する。なお、図２では、図示を簡潔にするために、トリガ受信部１０４ａおよびトリガ受信部１０４ｃへのトリガ信号の送信を示す矢印ｂ３の記載を省略している。

一方、制御回路１０１は、矢印ｂ１に示す信号の出力と同時に、超音波駆動回路１０６に対して超音波の生成を指示する信号を出力する（ｃ１）。超音波駆動回路１０６は、制御回路１０１からの指示信号に基づき超音波駆動信号を生成する（ｃ２）。超音波送信部１０７は、超音波駆動回路１０６からの駆動信号により超音波を空間に送出する（ｃ３、超音波送信工程）。

レシーバ２００は、各移動体が識別可能な信号を送信するので、どの移動体から送信された信号であるか認識可能である。移動体１００ｂからのトリガ信号を受信すると、トリガ信号を受信した時刻からの一定時間（移動体が移動する範囲におけるレシーバと移動体との最大距離を超音波が伝搬する時間より長い時間）を、超音波受信時間と設定する。この超音波受信時間中に、マイク等の超音波受信部により超音波を受信する。レシーバ２００は、受信した超音波から超音波到達時点を検出し、この超音波到達時点と、トリガ信号を受信した時刻からの経過時間とにより超音波伝搬時間を算出する。詳細は、後述する。レシーバ２００における移動体１００ａおよび移動体１００ｃからのトリガ信号および超音波の受信も、同様とする。なお、移動体１００ｂが、トリガ信号送信後一定時間経過後に超音波送信をする場合は、算出された超音波伝搬時間から、この一定時間をマイナスする。

本実施形態の位置検出装置では、前述のとおり、ｔ_ｃがｔ_ｂより長く設定されている。このため、移動体１００ｃは、ｔ_ｃが経過中（ｔ_ｃのカウントダウン中）に、移動体１００ｂからのトリガ信号を受信することとなる。移動体１００ｃは、移動体１００ｂからのトリガ信号を受信すると、その時点でｔ_ｃのカウントダウンをリセットし、ｔ_ｃのカウントダウンを始めから再開する。
このｔ_ｃの経過後、移動体１００ｃのトリガ送信部１０３ｃは、移動体１００ｂと同様の方法で、トリガ信号を空間に送出する（図２において、図示せず）。このトリガ信号は、ＯＮの間、所定のトリガ送信周期（Ｔ）で繰り返し送信される。このトリガ信号の送信と同時に、移動体１００ｃの超音波送信部（図２において、図示せず）から超音波を送信する。この超音波送信は、例えば、前述の移動体１００ｂにおける超音波送信と同様である。
なお、移動体１００ａでも、移動体１００ｂからのトリガ信号を受信すると、制御回路（図２において、図示せず）は、ｔ_ａのカウントダウンを開始する。ただし、移動体１００ａは、前述のとおり、所定のトリガ送信周期でトリガ信号を送信することとなっているため、ｔ_ａは、ｔ_ｃより短く設定されているが、ｔ_ａが先に経過しても、つぎのトリガ送信周期まで、移動体１００ａからトリガ信号が送信されることはない。

移動体１００ｃから送信されたトリガ信号は、移動体１００ａのトリガ受信部１０４ａ、移動体１００ｂのトリガ受信部１０４ｂおよびレシーバ２００のトリガ受信部２０１で受信される。移動体１００ａおよび移動体１００ｂでは、移動体１００ｃからのトリガ信号を受信すると、前述と同様に、ｔ_ａおよびｔ_ｂのカウントダウンが開始される。ただし、移動体１００ｂも、移動体１００ａと同様に、所定のトリガ送信周期でトリガ信号を送信することとなっているため、移動体１００ａのつぎのトリガ信号送信のタイミングより先に、ｔ_ｂが経過しても、つぎのトリガ送信周期まで、移動体１００ｂからトリガ信号が送信されることはない。

本実施形態の位置検出装置では、前述のように、各移動体に備わる制御回路が、各移動体からのトリガ信号および超音波の送信タイミングを、移動体毎に固有に設定された待機時間に基づき制御する。各移動体は、その使用中（ＯＮ）において、トリガ信号を送信した時点から、一定周期でトリガ信号送信および超音波信号送信の一連の動作を繰り返し実行する。このため、レシーバは、各移動体からの超音波を識別可能に受信できる。この結果、本実施形態の位置検出装置のように、複数の移動体を同時に使用する場合であっても、各移動体の位置を正確かつ安定的に検出することができる。

なお、１つの移動体のみを利用する場合は、別の移動体からのトリガ信号を受信し、待機時間のカウントダウンを開始することがないため、位置検出要求（ＯＮ）が発生すると、制御回路は、ただちにトリガ駆動回路に対してトリガ信号の生成を指示する信号と、超音波駆動回路に対して超音波の生成を指示する信号とを同時に出力する。

以下、レシーバ２００によるトリガ信号および超音波の受信以降の信号の流れを、移動体１００ｂからのトリガ信号および超音波の場合を用いて、詳細に説明する。

トリガ受信部２０１は、移動体１００ｂからのトリガ信号を受信し（ｂ３）、このトリガ信号を電気信号に変換し、トリガパルスとして出力する（ｄ１、トリガ信号受信工程）。トリガ検出回路２０２は、トリガ受信部２０１からのトリガパルスを検出すると、どの移動体から受信したかの情報も含め、そのトリガパルスの受信時刻をトリガ受信時刻データとしてメモリ２０５に格納する（ｄ２）。

超音波受信部２０３−１と２０３−２とは、予め定められた間隔長を介して互いに離した状態で設置されており、移動体１００ｂから送信された超音波を受信し（ｃ３）、これを電気信号に変換し、サンプリング回路２０４−１、２０４−２に出力する（ｅ１−１、ｅ１−２、超音波受信工程）。

サンプリング回路２０４−１、２０４−２は、超音波受信部２０３−１、２０３−２から出力される電気信号を一定間隔でサンプルし、順次メモリ２０５に格納する（ｅ２−１、ｅ２−２）。

データ処理回路２０６は、必要に応じて、メモリ２０５に格納されている超音波受信部２０３−１、２０３−２のそれぞれで受信した超音波波形データを読み出し（ｆ１）、フィルタリングを行い超音波波形としてメモリ２０５に格納する（ｆ２）。

また、データ処理回路２０６は、メモリ２０５に格納されたトリガパルスの受信時刻から一定の時間を経過した時刻までの間に、メモリ２０５に格納された超音波データから、超音波到達時点を検出する。前記一定の時間は、例えば、予め移動体が移動する範囲におけるレシーバと移動体との最大距離（可動範囲）を超音波が伝搬する時間よりも長く設定される。ついで、トリガ受信時刻から超音波到達時点までの経過時間、即ち移動体１００ｂからレシーバ２００に到達するまでの超音波の伝搬時間を、超音波受信部２０３−１、２０３−２のそれぞれで受信した超音波毎に算出する（時間算出工程）。

さらに、データ処理回路２０６は、超音波受信部２０３−１、２０３−２のそれぞれで受信した超音波毎に算出された移動体１００ｂからレシーバ２００に到達するまでの超音波の伝搬時間と、超音波受信部２０３−１、２０３−２の間隔長とに基づいて移動体１００ｂの可動範囲内における位置を算出する（位置算出工程）。

データ処理回路２０６は、表示パネル３００と電気的に接続され、前記算出された移動体の位置を表示することもできる。

データ処理回路２０６による位置算出手順の例について、以下に説明する。図４は、移動体１００ｂと超音波受信部２０３−１、２０３−２との位置算出方法を２次元で示す図である。図４において、レシーバ２００は、移動体１００ｂの可動範囲の左側に設置された場合であり、Ｐは移動体１００ｂの可動範囲上のＸ−Ｙ座標における位置座標値（ｘ、ｙ）、Ｓ１、Ｓ２はそれぞれ超音波受信部２０３−１、２０３−２の位置を示している。

また、ｄ１は移動体１００ｂから超音波受信部２０３−１までの距離、ｄ２は移動体１００ｂから超音波受信部２０３−２までの距離である。Ｄは超音波受信部２０３−１、２０３−２の中央をＸ−Ｙ座標の原点とした場合の原点からのＹ軸方向の距離である。また、αは移動体１００ｂと超音波受信部２０３−１とを結ぶ直線がＹ軸となす角度を示している。

ここで、超音波受信部２０３−１と２０３−２とで受信した超音波の伝搬時間をそれぞれｔ１、ｔ２とし、また、音速をＡとする。距離ｄ１、ｄ２は、ｄ１＝Ａ×ｔ１、ｄ２＝Ａ×ｔ２として算出することができる。超音波受信部２０３−１、２０３−２の間隔長（２Ｄ）と、距離ｄ１、ｄ２とには、以下の式（１）に示す関係が成立していることから、移動体１００ｂの位置（ｘ、ｙ）は、式（２）により求めることができる。

上記のように、レシーバ２００の２つの超音波受信部２０３−１と２０３−２で受信した超音波の伝搬時間と、超音波受信部２０３−１、２０３−２の間隔長とから、三角測量の原理によって移動体１００ｂの位置を正確に決定可能となる。

上記で算出された移動体１００ｂの位置情報（ｘ、ｙ）は、表示パネル３００に出力され、移動体１００の位置が表示パネル３００上に表示される（ｇ、表示工程）。

本実施形態の位置検出装置および位置検出方法は、電子ペンシステムに用いることができる。この場合、前記移動体は、電子ペンであることが好ましい。また、本実施形態の位置検出装置および位置検出方法は、ロボットシステムにおける位置検出に用いることもできる。この場合、前記移動体は、ロボットであることが好ましい。

（実施形態２）
以下の実施形態では、本発明による位置検出装置を、電子ペンシステムに適用した場合を説明する。

本実施形態において、本発明の位置検出装置を構成する移動体は、電子ペンである。電子ペンとは、ペン先から信号を発し、レシーバで受信することにより、リアルタイムでペン先の位置を検知する入力デバイスである。表示パネル上で走査して軌跡を前記表示パネル上に表示してもよいし、別の走査領域で走査した軌跡を表示パネル上に表示してもよい。

図５に、本実施形態による位置検出装置の一例の構成を示す。図５に示すように、本実施形態の位置検出装置は、３本の電子ペン５００ａ、５００ｂおよび５００ｃと、各電子ペンから離れた所定の位置に設置されたレシーバ２００と、各電子ペンによって描いた軌跡を表示する表示パネル３００とを備えている。本例では、電子ペン５００ａ、５００ｂおよび５００ｃは、表示パネル３００上で使用される。表示パネル３００は、通常に使用されるモニターでもよいし、液晶ディスプレイやプラズマディスプレイのような大画面ディスプレイや、プロジェクタで投影された投影画面でもよい。

電子ペン５００ａは、制御回路１０１と、トリガ駆動回路１０２と、トリガ送信部１０３ａと、トリガ受信部１０４ａと、トリガ検出回路１０５と、超音波駆動回路１０６と、超音波送信部１０７とを備えている。各部の動作は、実施形態１と同様である。
電子ペン５００ｂは、制御回路１０１と、トリガ駆動回路１０２と、トリガ送信部１０３ｂと、トリガ受信部１０４ｂと、トリガ検出回路１０５と、超音波駆動回路１０６と、超音波送信部１０７とを備えている。各部の動作は、実施形態１と同様である。
電子ペン５００ｃは、制御回路１０１と、トリガ駆動回路１０２と、トリガ送信部１０３ｃと、トリガ受信部１０４ｃと、トリガ検出回路１０５と、超音波駆動回路１０６と、超音波送信部１０７とを備えている。各部の動作は、実施形態１と同様である。

これら以外の構成は、前述の実施形態１と同様である。

各電子ペンのトリガ送信部から送信されるトリガ信号は、各電子ペンを一意に識別可能な信号とする。トリガ信号として、例えば、電子ペン毎に重複が生じないよう帯域分割された信号を用いることで、レシーバ２００において移動体を確実に一意に識別可能となる。

本実施形態では、最初に使用状態になった電子ペンが、トリガ信号を送信する。使用状態の判別は、例えば、ペン先にスイッチを設けておくことで検知することができる。このスイッチは、表示パネル３００への記録（押圧）が開始されたら、オンとなり、記録が終わったらオフとなるようにすればよい。表示パネル３００への押圧により連動してスイッチが押されてオン状態となったら、他の電子ペンは、待機時間の経過後、トリガ信号および超音波を送信する。前記待機時間に基づくトリガ信号および超音波の送信タイミングの制御は、各電子ペンが備える制御回路により実行される。この制御は、実施形態１と同様である。

表示パネル上で使用する場合、算出される各電子ペンの位置情報と表示パネルにおける表示位置とを対応付けておくことで、ペン先に対応する位置で軌跡の表示ができ、実際にペン書きをする感覚での操作が可能となる。

各電子ペンは、その使用中（ＯＮ）において、トリガ信号を送信した時点から、一定周期でトリガ信号送信および超音波信号送信の一連の動作を繰り返し実行する。この結果、複数の各電子ペンに対して、順次その軌跡を精度よく描画することができる。

複数の電子ペンは、同一の表示パネル上で用いることができる。また、前記別の走査領域を複数用いて、それぞれの走査領域において別の電子ペンを用いて描いた軌跡を、同一の表示パネル上に表示することもできる。表示パネル上と別の走査領域上のそれぞれで描いた軌跡を、前記表示パネル上に合わせて表示することもできる。複数の走査領域を用いる場合、それぞれの走査領域毎に超音波受信部を設けておくことが好ましい。

また、電子ペンから送信するトリガ信号に、識別情報以外にも電子ペンの情報を付加することができる。一例としては、電子ペンに描画に必要な情報を設定可能なようにする。例えば、色設定が可能なように構成し、現在の色情報をトリガ信号でレシーバに送信する。レシーバはその情報によりペンの軌跡の表示色を変更することが可能となる。他には、線幅や色の濃さ、さらには、圧力センサを付加して、ペン先に掛かる圧力等を送信することも可能である。描画に必要な情報の設定を変更できるようなものであれば、例えば、黒色で描画している途中で、同じ電子ペンを使用して赤色での描画に変更することもできる。前記描画に必要な情報として、イレイサの設定をしておくこともできる。

あるいは、電子ペンに温度センサを付加して、現在の温度を取得し、トリガ信号でレシーバに送信することもできる。レシーバはその情報により、現在の温度に応じた音速を計算することで、より精度の高い伝搬時間の計算が可能となり、表示精度が向上する。

（実施形態３）
以下の実施の形態では、本発明による位置検出装置を、ロボットシステムに適用した場合を説明する。

本実施形態において、本発明の位置検出装置を構成する移動体は、ロボットである。レシーバをある空間の天井や壁に設置することでロボットの空間内の位置を検出することができる。空間内のロボットの位置を把握することで、ロボットを制御し衝突回避といった用途に使用可能である。

図６に、本実施形態による位置検出装置の一例の構成を示す。図６に示すように、本実施形態の位置検出装置は、３体のロボット６００ａ、６００ｂおよび６００ｃと、ロボットの移動空間内の所定の位置に設置されたレシーバ２００と、各ロボットの移動軌跡を表示する表示パネル３００とを備えている。表示パネル３００は、通常に使用されるモニターでもよいし、液晶ディスプレイやプラズマディスプレイのような大画面ディスプレイや、プロジェクタで投影された投影画面でもよい。

ロボット６００ａは、制御回路１０１と、トリガ駆動回路１０２と、トリガ送信部１０３ａと、トリガ受信部１０４ａと、トリガ検出回路１０５と、超音波駆動回路１０６と、超音波送信部１０７とを備えている。各部の動作は、実施形態１と同様である。
ロボット６００ｂは、制御回路１０１と、トリガ駆動回路１０２と、トリガ送信部１０３ｂと、トリガ受信部１０４ｂと、トリガ検出回路１０５と、超音波駆動回路１０６と、超音波送信部１０７とを備えている。各部の動作は、実施形態１と同様である。
ロボット６００ｃは、制御回路１０１と、トリガ駆動回路１０２と、トリガ送信部１０３ｃと、トリガ受信部１０４ｃと、トリガ検出回路１０５と、超音波駆動回路１０６と、超音波送信部１０７とを備えている。各部の動作は、実施形態１と同様である。

レシーバ２００は、実施形態１で述べたものと同様のものである。

各ロボットは、例えば、移動が開始されたら（ＯＮ）、レシーバにトリガ信号を送信する。移動状態の判別は、例えば、ロボットに移動を検知するセンサを設けておき、移動が開始されたら前記センサで感知し、前記センサから電気信号を制御回路で検出すればよい。

本実施形態は、移動体としてロボットを用いるほかは、実施形態１と同様に実施することができる。

ロボットシステムでは、ロボットの移動空間が広いため、ロボットに温度センサを付加して、現在の温度を取得し、トリガ信号でレシーバに送信することが好ましい。レシーバはその情報により、現在の温度に応じた音速を計算することで、より精度の高い伝搬時間の計算が可能となり、表示精度が向上する。

以上好ましい実施の形態と実施例をあげて本発明を説明したが、本発明は必ずしも、上記実施形態に限定されるものでなく、その技術的思想の範囲内において様々に変形して実施することができる。例えば、移動体を人間等に装着し、レシーバをある空間の天井や壁に設置することで、空間内での動線検出や位置追跡といった用途にも適用することができる。

１０ 位置検出装置
１００ａ、１００ｂ、１００ｃ 移動体
１０１ 制御回路
１０２ トリガ駆動回路
１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ トリガ送信部
１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ トリガ受信部
１０５ トリガ検出回路
１０６ 超音波駆動回路
１０７ 超音送信部
２００ レシーバ
２０１ トリガ受信部
２０２ トリガ検出回路
２０３−１、２０３−２ 超音波受信部
２０４−１、２０４−２ サンプリング回路
２０５ メモリ
２０６ データ処理回路
３００ 表示パネル
５００ａ、５００ｂ、５００ｃ 電子ペン
６００ａ、６００ｂ、６００ｃ ロボット

Claims (16)

1. 少なくとも１つの移動体と、レシーバとを備え、
   前記移動体が、
   トリガ信号を送信するトリガ信号送信手段と、
   前記移動体自身のトリガ信号以外のトリガ信号を受信するトリガ信号受信手段と、
   超音波を送信する超音波送信手段と、
   前記移動体が送信するトリガ信号および超音波の送信タイミングを、前記移動体固有に設定された待機時間に基づいて制御する制御手段とを備え、
   前記移動体が送信するトリガ信号は、前記移動体を識別可能であり、
   前記レシーバが、
   前記移動体からトリガ信号を受信するトリガ信号受信手段と、
   前記移動体が送信する超音波を受信する超音波受信手段と、
   前記受信した超音波から超音波到達時点を検出し、前記トリガ信号を受信した時点と前記検出された超音波到達時点とから、超音波が前記移動体から前記超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間を算出する時間算出手段と、
   算出した前記超音波伝搬時間と前記超音波受信手段相互の間隔長に基づいて、前記移動体の位置を算出する位置算出手段とを備え、
   前記超音波受信手段が、少なくとも２つ備えられており、
   前記少なくとも２つの超音波受信手段は、相互に離れて配置されることを特徴とする位置検出装置。
2. 前記制御手段が、
   前記待機時間中では、トリガ信号および超音波を送信しないように、前記送信タイミングを制御し、
   前記待機時間経過後に、トリガ信号および超音波を送信するように、前記送信タイミングを制御する制御手段であることを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
3. 前記制御手段が、
   前記待機時間中に、前記移動体のトリガ信号受信手段が前記移動体自身のトリガ信号以外のトリガ信号を受信すると、前記待機時間をリセットする制御手段であることを特徴とする請求項１または２記載の位置検出装置。
4. 前記移動体が、周期的にトリガ信号を送信し、
   前記待機時間は、前記移動体のトリガ信号送信周期より短く、かつ前記移動体が移動する範囲における前記レシーバと前記移動体との最大距離を超音波が伝搬する時間より長く設定されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の位置検出装置。
5. 前記トリガ信号が、前記移動体毎に重複が生じないよう帯域分割された電磁波信号であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の位置検出装置。
6. 前記移動体が、電子ペンであることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の位置検出装置。
7. 前記移動体が、ロボットであることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の位置検出装置。
8. さらに、前記算出された移動体の位置を表示する表示手段を備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の位置検出装置。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の位置検出装置を使用し、
   前記移動体が送信するトリガ信号は、前記移動体を識別可能であり、
   前記移動体が、前記移動体自身のトリガ信号以外のトリガ信号を受信するトリガ信号受信工程と、
   前記移動体が送信するトリガ信号および超音波の送信タイミングを、前記移動体固有に設定された待機時間に基づいて制御する制御工程と、
   前記移動体から前記レシーバに、トリガ信号を送信するトリガ信号送信工程と、
   前記レシーバが、前記移動体からトリガ信号を受信するトリガ信号受信工程と、
   前記移動体が、超音波を前記レシーバに送信する超音波送信工程と、
   前記レシーバが、前記移動体が送信する超音波を受信する超音波受信工程と、
   前記受信した超音波から超音波到達時点を検出し、前記トリガ信号を受信した時点と前記検出された超音波到達時点とから、超音波が前記移動体から前記超音波受信手段に到達するまでの超音波伝搬時間を算出する時間算出工程と、
   算出した前記超音波伝搬時間と前記超音波受信手段相互の間隔長に基づいて、前記移動体の位置を算出する位置算出工程とを含むことを特徴とする位置検出方法。
10. 前記制御工程において、
    前記待機時間中では、トリガ信号および超音波を送信しないように、前記送信タイミングを制御し、
    前記待機時間経過後に、トリガ信号および超音波を送信するように、前記送信タイミングを制御することを特徴とする請求項９記載の位置検出方法。
11. 前記制御工程において、
    前記待機時間中に、前記移動体が前記移動体自身のトリガ信号以外のトリガ信号を受信すると、前記待機時間をリセットすることを特徴とする請求項９または１０記載の位置検出方法。
12. 前記トリガ信号送信工程において、
    周期的にトリガ信号を送信し、
    さらに、前記待機時間を、前記トリガ信号送信周期より短く、かつ前記移動体が移動する範囲における前記レシーバと前記移動体との最大距離を超音波が伝搬する時間より長く設定する待機時間設定工程を含むことを特徴とする請求項９から１１のいずれか一項に記載の位置検出方法。
13. 前記トリガ信号が、前記移動体毎に重複が生じないよう帯域分割された電磁波信号であることを特徴とする請求項９から１２のいずれか一項に記載の位置検出方法。
14. さらに、前記算出された移動体の位置を表示する表示工程を含むことを特徴とする請求項９から１３のいずれか一項に記載の位置検出方法。
15. トリガ信号を送信するトリガ信号送信手段と、
    前記トリガ信号送信手段が送信するトリガ信号以外のトリガ信号を受信するトリガ信号受信手段と、
    超音波を送信する超音波送信手段と、
    前記移動体が送信するトリガ信号および超音波の送信タイミングを、前記移動体固有に設定された待機時間に基づいて制御する制御手段とを備えることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の位置検出装置に使用される移動体。
16. 前記トリガ信号が、特定の帯域の電磁波信号であり、前記特定の帯域を変更する変更手段を備えることを特徴とする請求項１５記載の移動体。

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