JP6230064B2 - 動体検出装置及びその方法 - Google Patents

Description

この発明は検出対象エリア内における動体を検出する動体検出装置及びその方法に関する。

火災や噴煙、倒壊現場など、さらには人質を盾にした立て籠もり現場など、救助隊が突入することが困難な現場で、かつセンサ網が敷設されていない、あるいは敷設されていても災害や人為的な工作で電力やセンサ網が寸断されているような状況においては、生存者の探索や犯罪者の動きの把握など、遠隔からの動体情報の収集が必要となる。

このような人などの動体の情報を遠隔から得る方法としてサーモグラフィを用いる方法がある。特許文献１には山岳遭難や海難の遭難者の発見のためにサーモグラフィを用いることが記載されている。

特開２００１−２０１５７４号公報

しかしながら、サーモグラフィでは炎や噴煙、蒸気など熱源が存在するエリアでは、十分な動体情報を得ることが困難である。また、プラント等で自律移動するロボットが故障やクラッキングにより暴走した状況では、熱を表面に出さないロボットの動きを把握することは困難である。よって、熱感知によらない遠隔からの動体検出装置・方法が望まれていた。

この発明はこのような要望に答えるものであって、熱感知によらず、遠隔から検出対象エリア内の動体を検出することができるようにした動体検出装置及びその方法を提供することを目的とする。

請求項１の発明によれば、動体検出装置は、検出対象エリアに散布されたｍ個（ｍ≧１）の送信機と、ｍ個の送信機から発生する電界強度を送信機ごとに識別しつつ測定する受信機と、ｍ個の電界強度の時系列データを処理する処理装置とよりなり、送信機におけるアンテナと送信回路のマッチング回路は動体の存在によって静電容量が変化する静電容量センサを含んで構成され、処理装置は時系列データそれぞれに対して単位時間当たりの差分を順次求めてその差分のヒストグラムを作成する差分ヒストグラム作成手段と、作成した各時系列データの差分ヒストグラムを比較して検出対象エリア内の動体の存在有無を判断する判断手段とを備える。

請求項２の発明によれば、動体検出装置は、検出対象エリアに散布されたｍ個（ｍ≧１）の送信機と、ｍ個の送信機から発生する電界強度を送信機ごとに識別しつつ測定する受信機と、ｍ個の電界強度の時系列データを処理する処理装置とよりなり、送信機におけるアンテナと送信回路のマッチング回路は動体の存在によってインダクタンスが変化するインダクタンスセンサを含んで構成され、処理装置は時系列データそれぞれに対して単位時間当たりの差分を順次求めてその差分のヒストグラムを作成する差分ヒストグラム作成手段と、作成した各時系列データの差分ヒストグラムを比較して検出対象エリア内の動体の存在有無を判断する判断手段とを備える。

請求項３の発明では請求項１又は２の発明において、判断手段は、各差分ヒストグラムに対し、度数に１を加算した値の対数値に対して求めた回帰直線の度数１の軸との交点の階級値及び当てはまりの良さの指標を算出し、指標が悪い場合には動体が存在すると判断し、指標が悪くない場合には指標の良い階級値のみをしきい値として全てのしきい値の平均値と標準偏差を求め、階級値の中に平均値から標準偏差以上離れた値がある場合、動体が存在すると判断する。

請求項４の発明では請求項１乃至３のいずれかの発明において、送信機のケースは正多面体もしくは球体に近い外形形状を有するものとされる。

請求項５の発明によれば、動体検出方法は、アンテナと送信回路のマッチング回路が動体の存在によって静電容量が変化する静電容量センサを含んで構成されたｍ個（ｍ≧１）の送信機を検出対象エリアに散布し、受信機によってｍ個の送信機から発生する電界強度を送信機ごとに識別しつつ測定し、ｍ個の電界強度の時系列データそれぞれに対して単位時間当たりの差分を順次求めてその差分のヒストグラムを作成し、作成した各時系列データの差分ヒストグラムを比較して検出対象エリア内の動体の存在有無を判断する。

請求項６の発明によれば、動体検出方法は、アンテナと送信回路のマッチング回路が動体の存在によってインダクタンスが変化するインダクタンスセンサを含んで構成されたｍ個（ｍ≧１）の送信機を検出対象エリアに散布し、受信機によってｍ個の送信機から発生する電界強度を送信機ごとに識別しつつ測定し、ｍ個の電界強度の時系列データそれぞれに対して単位時間当たりの差分を順次求めてその差分のヒストグラムを作成し、作成した各時系列データの差分ヒストグラムを比較して検出対象エリア内の動体の存在有無を判断する。

請求項７の発明では請求項５又は６の発明において、動体の存在有無の判断処理は、各差分ヒストグラムに対し、度数に１を加算した値の対数値に対して求めた回帰直線の度数１の軸との交点の階級値及び当てはまりの良さの指標を算出し、指標が悪い場合には動体が存在すると判断し、指標が悪くない場合には指標の良い階級値のみをしきい値として全てのしきい値の平均値と標準偏差を求め、階級値の中に平均値から標準偏差以上離れた値がある場合、動体が存在すると判断する。

この発明によれば、送信機におけるアンテナと送信回路のマッチング回路は動体の存在によってインピーダンス整合状態が変化するものとなっており、このインピーダンス整合状態の変化によりアンテナから放射される電磁界は大きく変化するものとなっている。

従って、送信機から発生する電界強度を測定することにより、遠隔から検出対象エリア内の動体の存在を検出することができ、かつ検出対象エリアに炎や噴煙、蒸気などの熱源が存在する場合や熱を表面に出さない移動体であっても動体の存在を検出することができる。

この発明による動体検出装置の一実施例の構成概要を示す図。 （ａ）は図１における送信機の構成例を示す図、（ｂ）は送信機の他の構成例を示す図。 この発明による動体検出装置の災害現場での使用例を示す図。 図３の使用例において図１における差分ヒストグラム作成手段が作成した差分ヒストグラムの一例を示す図。 この発明による動体検出方法による処理フローの一実施例を示すフローチャート。

この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。

図１はこの発明による動体検出装置の一実施例の構成概要を示したものであり、動体検出装置はｍ個（ｍ≧１）の送信機２０と受信機３０と情報送信手段３５と処理装置４０とによって構成されている。

ｍ個の送信機２０は検出対象エリア５０に散布され、受信機３０はｍ個の送信機２０から発生する電界強度を送信機２０ごとに識別しつつ測定する。受信機３０は情報送信手段３５を介して処理装置４０に接続されており、処理装置４０はｍ個の電界強度の時系列データを処理して検出対象エリア５０内の動体の存在有無を検出する。

動体の存在有無の検出対象となる検出対象エリア５０は火災や噴煙、倒壊現場など、さらには人質を盾にした立て籠もり現場、自律移動ロボットが暴走したプラント内などであって、送信機２０はこのような現場に例えば散弾銃のような出射装置で打ち込むことによって、あるいは空中から投下することによって散布される。

送信機２０はこのように散布されるため、散布の際の衝撃に耐える強度、さらには耐熱性を有するものとされ、また例えば瓦礫の隙間を転がって落ちて行き易い程度に小さいものとされる。この点で送信機２０のケースは正多面体もしくは球体に近い外形形状を有することが好ましい。

図２（ａ）は送信機２０の機能構成を示したものであり、送信機２０はアンテナ２１と、送信回路２２と、アンテナ２１と送信回路２２のマッチング（インピーダンス整合）を担うマッチング回路２３とによって構成されている。送信回路２２は例えば３００ＭＨｚ帯微弱無線用ＩＣや４００ＭＨｚ帯特定小電力ＩＣ等の送受信用システムＬＳＩによって構成され、フラッシュメモリなどのメモリ２２ａを具備するものとなっている。メモリ２２ａには送信機２０に固有のＩＤ情報が保存されている。

マッチング回路２３はコイル２３ａと静電容量センサ２３ｂによって構成されている。静電容量センサ２３ｂは物体の存在により物体に反応して静電容量が変化する素子である。例えば、物体が近傍に存在しない状態でアンテナ２１と送信回路２２はマッチング回路２３によってインピーダンス整合が取れているようにする。

このような送信機２０を用いることにより、例えば送信機２０の近傍に人やロボットが存在している場合、さらに人やロボットに動きがある場合、静電容量センサ２３ｂの静電容量が変化し、これによりインピーダンス整合状態が変化する。よって、アンテナ２１から放射される電磁界は大きく変化するため、受信機３０で測定される電界強度が大きく変化することになる。

上述した静電容量センサ２３ｂには例えば下記のＵＲＬに記載されているような静電容量センサを用いることができる。
<URL>https://www.semiconportal.com/archive/editorial/technology/chips/120518-startups.html

図２（ｂ）は送信機の他の構成例を示したものであり、この図２（ｂ）に示した送信機２０’は図２（ａ）に示した送信機２０とマッチング回路が異なるものとなっている。送信機２０’のマッチング回路２４はインダクタンスセンサ２４ａとコンデンサ２４ｂによって構成されている。インダクタンスセンサ２４ａは物体の存在により物体に反応してインダクタンスが変化する素子であり、送信機２０に替えてこのような構成の送信機２０’を用いることもでき、送信機２０と同様、人（動体）が近傍に存在すれば、アンテナ２１から放射される電磁界は大きく変化する。

次に、処理装置４０の構成について説明する。

処理装置４０は入力手段４１と設定手段４２と情報蓄積手段４３と差分ヒストグラム作成手段４４と判断手段４５と出力手段４６と制御手段４７とタイマ４８とを備えている。

受信機３０で送信機２０ごとに識別しつつ測定された電界強度は入力手段４１に入力され、入力された電界強度は情報蓄積手段４３に時系列データとして蓄積される。差分ヒストグラム作成手段４４は送信機２０ごとの時系列データそれぞれに対して単位時間当たりの差分を順次求めて、求めた差分のヒストグラムを作成する。判断手段４５は作成された送信機２０ごとの時系列データの差分ヒストグラムを比較して、検出対象エリア５０内の動体の存在有無を判断する。

検出対象エリア５０内の動体検出を開始するにあたり、登録、設定すべき事項は設定手段４２によって登録、設定される。判断手段４５によって判断された結果は出力手段４６によって出力される。出力手段４６による出力はスピーカによる音声や表示画面上への表示等とされる。制御手段４７は処理装置４０全体の動作を制御する。

図３はこの動体検出装置が使用される状況の一例として、ビルが倒壊した災害現場での瓦礫下の生存者探索を模式的に示したものであり、エリア１〜３は瓦礫下の検出対象エリアを示す。図３中、送信機２０には送信機番号として１〜１２を付与している。番号１〜４の送信機２０はエリア１に散布され、番号５〜８の送信機２０はエリア２に散布されている。また番号９〜１２の送信機２０はエリア３に散布されている。

受信機３０は図３では３台異なる場所に設置されている。受信機３０の設置位置、現場の状況によっては、１台の受信機３０では良好に受信できない場合もあるため、このように複数の受信機３０を場所を変えて設置するのが好ましい。処理装置４０としては、図３に示したようにパーソナルコンピュータを処理装置４０として機能させることができる。

処理装置４０の差分ヒストグラム作成手段４４は前述したように、送信機２０ごとの電界強度の時系列データそれぞれに対して単位時間当たりの電界強度の差分を求め、その差分のヒストグラムを作成する。図４（ａ）〜（ｄ）は図３におけるエリア２に散布された番号５〜８の送信機２０からの電界強度の差分ヒストグラムを例示したものである。

単位時間当たりの電界強度の差分は送信機２０の近傍に動体が存在せず、かつ電波の伝搬環境が安定している場合、小さくなり、差分の小さな値ほど出現回数が多くなる傾向にある。送信機番号５，７，８の差分ヒストグラムは図４（ａ），（ｃ），（ｄ）に示したように、この傾向を示しており、差分の小さな領域の山ほど高く（出現回数が多く）、グラフは単調減少になっている。

これに対し、番号６の送信機２０の近傍には図３に示したように人が存在しており、人の存在、動きによって電界強度が大きく変化するため、差分の大きな値の出現回数が増加し、単調減少のグラフではなくなる。図４（ｂ）に示した送信機番号６の差分ヒストグラムはまさにこの状態となっており、送信機番号５，７，８の差分ヒストグラムとは明らかに異なったものとなっている。

ここで、検出対象エリアに散布した各送信機２０からの電界強度の差分ヒストグラムを比較することにより、検出対象エリア全体に起きている環境変動なのか、特定の送信機２０からの電界強度だけが変動しているのか見分けることができ、後者の場合には動体が存在していると解釈する。図４（ａ）〜（ｄ）に示したような差分ヒストグラムが得られた場合、エリア２には人（動体）が存在していると判断され、エリア２に生存者がいることがわかる。

図５は処理装置４０における動体検出処理フローの一例を示したものであり、以下、図５に示したフローチャートに沿って処理フローを詳細に説明する。

まず、最初に、送信機２０を散布するエリア数Ｎａ、エリア番号ｉ＝１〜Ｎａを登録し（ステップＳ１）、各エリアに散布する送信機番号を登録する（ステップＳ２）。次に、電界強度データ取得の単位時間ｔを設定し、計算に使用する差分ヒストグラムを作成する時間枠Ｔ（ｔの整数倍）を設定する（ステップＳ３）。単位時間ｔは例えば１秒とし、時間枠Ｔは１分〜５分程度とする。

次に、電界強度の差分値記録用としてＴ時間分の配列Ｓｉｊを確保する（ステップＳ４）。ｊはエリアｉに散布した送信機２０の番号とし、ここではｊ＝１〜Ｎｉとする。Ｎｉはエリアｉに散布した送信機数である。次に、差分ヒストグラム作成用の階級値の度数を初期化する（ステップＳ５）。

動体検出はエリア番号ｉ＝１からＮａまでエリア毎に行われる。

ｉ＝１，ｊ＝１とし、さらにｆｉｊ＝０とする（ステップＳ６〜Ｓ８）。ｆｉｊは後述するように、回帰直線の当てはまりの良さの指標の良否を示すフラグであり、ステップＳ８ではｆｉｊ＝０とし、フラグを初期化する。

送信機ｊから信号が届くかどうか、即ち電界強度を測定できるかどうかを確認する（ステップＳ９）。信号が届いている場合、電界強度のデータを取得する（ステップＳ１０）。そして前回の電界強度のデータからの差分を計算する（ステップＳ１１）。ここで前回データとはエリアｉ、送信機ｊの前回のデータのことである。なお、前回データがない場合は差分を０とする。

差分計算後、今回の電界強度のデータを前回の電界強度のデータとして保存する（ステップＳ１２）。測定開始からの経過時間が時間枠Ｔ以下かどうかを判断し（ステップＳ１３）、時間枠Ｔ以下の場合には差分の値を配列Ｓｉｊに記録する（ステップＳ１４）。そして、ステップＳ１５の処理、ステップＳ１６の判断により、番号１からＮｉまでの全ての送信機に対してステップＳ９〜Ｓ１４を実行する。なお、ステップＳ９で送信機ｊから信号がないと判断した場合はステップＳ１５に進む。

ステップＳ１３での判断で経過時間が時間枠Ｔを超えた場合、配列Ｓｉｊの一番古い記録領域に差分の値を上書きする（ステップＳ１７）。そして、配列Ｓｉｊに記録されている差分の値が属する階級値の度数をカウントして差分ヒストグラムを作成する（ステップＳ１８）。次に、作成した差分ヒストグラムの度数に１を加算した値の対数値に対して回帰直線を求め、回帰直線の度数１の軸との交点の階級値Ｕｊ及び回帰直線の当てはまりの良さの指標を算出する（ステップＳ１９）。当てはまりの良さの指標としては相関係数やカイ自乗を用いることができる。

当てはまりの良さの指標が良いかどうかを判断し（ステップＳ２０）、良い場合には当てはまりの良さの指標の良否を示すフラグｆｉｊを、ｆｉｊ＝１として（ステップＳ２１）、ステップＳ１９で算出した階級値Ｕｊをしきい値Ｔｊとする（ステップＳ２２）。そして、ステップＳ１５に進む。一方、ステップＳ２０で当てはまりの良さの指標が良くないと判断した場合、具体的に言えば相関係数だと０に近く、カイ自乗だと１以上の場合、ｆｉｊ＝２とし（ステップＳ２３）、階級値Ｕｊをしきい値Ｔｊとせず、ステップＳ１５に進む。

なお、ステップＳ１８で差分ヒストグラムを作成する際、階級の幅が狭すぎると、度数が１以上の階級値の後に度数が０になる階級値が連続して現れるといった現象が生じうる。これは階級値となる電界強度がある単位でデジタル化されているためで、その差分も当然、デジタル化した値を単位とした値になるためであって、この単位よりも小さな幅に階級の幅を設定すると、上述のような現象が生じる。このような現象が生じた状態で回帰直線を求めると、度数が０の直線に近いような回帰直線になり、結果としてステップＳ２２におけるしきい値Ｔｊが不当に低く見積もられてしまうことになる。

この問題を回避するために、
・ステップＳ１８における差分ヒストグラムの作成においては、電界強度データの最小分解能より階級の幅を大きくする
・ステップＳ１９においては、度数が０になる階級値は回帰直線を求めるための対象データから除外する
といった２つの対策を採る。

次に、ステップＳ１６でｊがＮｉを超えたと判断した場合について説明する。

この場合、まず、ｆｉｊ＝２がｊ＝１，２，…，Ｎｉで１つもないかどうかを判断する（ステップＳ２４）。ｆｉｊ＝２が１つもなければ、次にｆｉｊ＝１が１つでもあるか、言い換えればしきい値Ｔｊが１つでも定義されているかを判断し（ステップＳ２５）、しきい値Ｔｊが１つでも定義されていれば、ｊ＝１，２，…，Ｎｉの範囲でしきい値Ｔｊが定義できているものだけを用いて、しきい値Ｔｊの平均値Ａと標準偏差σを算出する（ステップＳ２６）。そして、階級値Ｕｊの中に平均値Ａから標準偏差σ以上離れた値があるか否かを判断し（ステップＳ２７）、ある場合、動体がエリアｉに存在すると判断し、その旨を通知する（ステップＳ２８）。通知は音声や表示画面上への表示によって行われる。なお、ステップＳ２４での判断でｆｉｊ＝２が１つでもあった場合はステップＳ２８に進み、エリアｉでの動体の存在を通知する。

動体存在通知後はステップＳ２９に進み、ステップＳ２９の処理、ステップＳ３０の判断により、エリア番号ｉ＝１からＮａまで全てのエリアに対してエリア毎に動体の存在有無を検出する。なお、ステップＳ２７で平均値Ａから標準偏差σ以上離れた階級値Ｕｊがないと判断した場合はステップＳ２９に進む。また、ステップＳ３０でｉがＮａを超えたと判断した場合はステップＳ３１に進み、時間が単位時間ｔ進むのを待ち、単位時間ｔ経過したら、上述したステップＳ６〜Ｓ３０を、つまり全てのエリアの動体検出を繰り返し行う。

このようにして送信機２０を散布した検出対象エリア全てに対してエリア毎に動体の存在有無が検出される。なお、上述した例では、平均値Ａから標準偏差σ以上離れた階級値Ｕｊがある場合、動体が存在すると判断しているが、この判断基準は状況に応じて変えてもよく、例えば標準偏差σの２倍以上、あるいは３倍以上、平均値Ａから離れた階級値Ｕｊがある場合に動体が存在すると判断してもよい。

以上、この発明による動体検出装置及び方法の実施例について説明したが、この発明によれば、目視できず、サーモグラフィを用いることができない状況であっても、遠隔から検出対象エリア内に物体が存在するか否かを検出することができ、例えば炎や噴煙、蒸気などの熱源が存在する災害現場等での生存者の探索やプラント内で暴走する自律移動ロボットの所在把握の用途において極めて有用なものとなる。

２０，２０’ 送信機 ２１ アンテナ
２２ 送信回路 ２２ａ メモリ
２３ マッチング回路 ２３ａ コイル
２３ｂ 静電容量センサ ２４ マッチング回路
２４ａ インダクタンスセンサ ２４ｂ コンデンサ
３０ 受信機 ３５ 情報送信手段
４０ 処理装置 ４１ 入力手段
４２ 設定手段 ４３ 情報蓄積手段
４４ 差分ヒストグラム作成手段 ４５ 判断手段
４６ 出力手段 ４７ 制御手段
４８ タイマ ５０ 検出対象エリア

Claims (7)

1. 検出対象エリアに散布されたｍ個（ｍ≧１）の送信機と、
   前記ｍ個の送信機から発生する電界強度を送信機ごとに識別しつつ測定する受信機と、
   ｍ個の電界強度の時系列データを処理する処理装置とよりなり、
   前記送信機におけるアンテナと送信回路のマッチング回路は、動体の存在によって静電容量が変化する静電容量センサを含んで構成され、
   前記処理装置は、
   前記時系列データそれぞれに対して単位時間当たりの差分を順次求めて、その差分のヒストグラムを作成する差分ヒストグラム作成手段と、
   作成した前記各時系列データの差分ヒストグラムを比較して、前記検出対象エリア内の動体の存在有無を判断する判断手段と、
   を備えていることを特徴とする動体検出装置。
2. 検出対象エリアに散布されたｍ個（ｍ≧１）の送信機と、
   前記ｍ個の送信機から発生する電界強度を送信機ごとに識別しつつ測定する受信機と、
   ｍ個の電界強度の時系列データを処理する処理装置とよりなり、
   前記送信機におけるアンテナと送信回路のマッチング回路は、動体の存在によってインダクタンスが変化するインダクタンスセンサを含んで構成され、
   前記処理装置は、
   前記時系列データそれぞれに対して単位時間当たりの差分を順次求めて、その差分のヒストグラムを作成する差分ヒストグラム作成手段と、
   作成した前記各時系列データの差分ヒストグラムを比較して、前記検出対象エリア内の動体の存在有無を判断する判断手段と、
   を備えていることを特徴とする動体検出装置。
3. 請求項１又は２記載の動体検出装置において、
   前記判断手段は、
   前記各差分ヒストグラムに対し、度数に１を加算した値の対数値に対して求めた回帰直線の度数１の軸との交点の階級値及び当てはまりの良さの指標を算出し、
   前記指標が悪い場合には動体が存在すると判断し、
   前記指標が悪くない場合には前記指標の良い階級値のみをしきい値として、全てのしきい値の平均値と標準偏差を求め、前記階級値の中に前記平均値から前記標準偏差以上離れた値がある場合、動体が存在すると判断することを特徴とする動体検出装置。
4. 請求項１乃至３記載のいずれかの動体検出装置において、
   前記送信機のケースは正多面体もしくは球体に近い外形形状を有することを特徴とする動体検出装置。
5. アンテナと送信回路のマッチング回路が動体の存在によって静電容量が変化する静電容量センサを含んで構成されたｍ個（ｍ≧１）の送信機を検出対象エリアに散布し、
   受信機によって前記ｍ個の送信機から発生する電界強度を送信機ごとに識別しつつ測定し、
   ｍ個の電界強度の時系列データそれぞれに対して単位時間当たりの差分を順次求めて、その差分のヒストグラムを作成し、
   作成した前記各時系列データの差分ヒストグラムを比較して前記検出対象エリア内の動体の存在有無を判断することを特徴とする動体検出方法。
6. アンテナと送信回路のマッチング回路が動体の存在によってインダクタンスが変化するインダクタンスセンサを含んで構成されたｍ個（ｍ≧１）の送信機を検出対象エリアに散布し、
   受信機によって前記ｍ個の送信機から発生する電界強度を送信機ごとに識別しつつ測定し、
   ｍ個の電界強度の時系列データそれぞれに対して単位時間当たりの差分を順次求めて、その差分のヒストグラムを作成し、
   作成した前記各時系列データの差分ヒストグラムを比較して前記検出対象エリア内の動体の存在有無を判断することを特徴とする動体検出方法。
7. 請求項５又は６記載の動体検出方法において、
   前記動体の存在有無の判断処理は、
   前記各差分ヒストグラムに対し、度数に１を加算した値の対数値に対して求めた回帰直線の度数１の軸との交点の階級値及び当てはまりの良さの指標を算出し、
   前記指標が悪い場合には動体が存在すると判断し、
   前記指標が悪くない場合には前記指標の良い階級値のみをしきい値として、全てのしきい値の平均値と標準偏差を求め、前記階級値の中に前記平均値から前記標準偏差以上離れた値がある場合、動体が存在すると判断することを特徴とする動体検出方法。

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