JP6354043B2 - 目標位置、運動および追跡システム - Google Patents

Description

本発明は、目標位置および運動検出のためのシステムであって、電位センサを用いて目標追跡するためのシステムに関するものである。

対象物体の運動についての情報を与えるために、地球の表面と、誘電性または導電性（抵抗性）の運動中の対象物体により生じる電離層との間の周囲の静的直流電場における摂動を使用することが知られている。運動する対象物体の存在だけで周囲の電場に摂動を与えるとともに、対象物体の検出部位において、この電場における局所的な変化をもたらすため、励起場を局所的に作り出す必要は無い。

それらの構成においては、数多くのセンサ、通常は各軸につき２つのセンサが使用されて、センサの位置により規定される検出領域内の単一の運動物体の位置が推測されるとともに、対象追跡のために物体の速度および運動が監視される。

このため、従来技術は、対象物体の運動を検出するために、地球による周囲の静的（直流）電場の使用を開示しているが、そのような従来技術は、対象物体を検出するには、対象物体が運動していなければならないという重大な欠点を有している。

さらに、既知の技術は、複数の対象を扱う場合に、信号取得および処理の複雑性に関して、さらに重要なことには、異なる物体間の正確な識別に関して、大きな制約に悩まされるということが見出されている。

また、米国特許公報ＵＳ２００８／０２５５７７９は、周囲の交流場に配置された交流センサを使用してその場を示す信号を生成するとともに、当該信号を処理して異常を監視することにより、そのような周囲の交流電場における異常を検出する方法を開示している。

我々は、対象位置および運動の検出に、周囲の交流信号、特に、通常は５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの何れかの周波数の広範囲にわたる家庭用主電源、あるいはほんの数例を挙げると、コンピュータ、屋内電気器具、電気モータまたは電力供給装置により生成される背景雑音のような周囲環境に存在するその他の連続交流信号を使用できることを見出した。実際に、我々は、所定の帯域幅の背景雑音を含む広範囲に及ぶ電場を生じさせるその他の連続交流信号が、人工的なものか、または自然によるものであるかどうかに関わらず、対象位置および運動の検出に使用できることも見出している。

特に、連続的な周囲の交流信号の振幅の変動が、対象物体の存在下において、その物体の移動中および静止中の両方で生じることを見出した。一般に、それら信号は、有用な情報を生成することができる信号というよりも、雑音または干渉としてみなされるのが、通常である。既知の技術は、我々の知る限りにおいて、対象物体の位置または移動検出のために目的の設計交流源から特定の交流信号を能動的に生じさせなければならないという前提、あるいは、周囲の交流信号は、物体の位置や運動ではなく、物体の存在の検出を可能にするために、異常がないかどうか監視されることがあるという前提に基づくものである。これまで、周囲の交流場における対象物体の位置および／または運動を検出することを提案する者はなかった。

本発明は、感度が交流摂動に適合するセンサを用いることを想定している。信号を生成するために対象が移動していなければならない静的直流励起場の場合とは異なり、対象センサの通過帯域内の周波数を有する交流励起場が用いられる場合に、静的対象すらも位置を特定することができる。物体が検出領域に導入される前の交流信号振幅が既知である場合、物体が存在するときに生じる変化を観察することができる。その後、交流信号振幅は、物体が取り除かれるか、または移動するまで、変化したレベルで留まることになる。これは、単に、センサが、交流信号の振幅に含まれる情報を検出する一方で、直流応答しか変化せずに振幅が一定である定常状態において直流応答を検出しないという事実に基づくものである。

本発明は、対象物体の位置および運動検出および追跡に外部の励起交流源がセンサのアレイとともに使用される対象位置、運動および追跡システムを提供することにより、従来技術の制限を克服しようとするものである。

本発明は、物体が静止しているか移動しているかに関わらず、対象物体の検出および追跡に外部源からの交流信号の振幅における摂動が検出される対象位置、運動および追跡システムを提供しようとするものである。

本発明は、好ましい形態において、通常５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの周波数を有する主電源により生じる既存の広範囲に及ぶ外部場における対象物体の検出および追跡に適用することができる。

本発明の一態様によれば、対象物体検出システムであって、
周囲の交流励起源により生成される場内の検出領域に対するそれぞれの検出位置に配置される複数の検出ノードであって、各検出ノードが、対象物体により生じる前記場における摂動を検出するように設計された少なくとも１の電位センサを有し、前記センサが、前記交流励起場に応答して検出信号を生成する電極と、前記電極に接続され、前記検出信号を受信および増幅して交流測定信号を出力として生成する増幅器と、前記増幅器の出力から入力への少なくとも１のフィードバック回路であって、前記増幅器の入力インピーダンスを高めるフィードバック回路とを含む、検出ノードと、
各検出ノードと関連付けられた信号処理配列であって、前記周囲の交流励起源により生成される予め設定された帯域幅の外側にある周波数を除去するように構成されたフィルタ回路と、前記交流測定信号に応答して、信号振幅をモニタリングするとともに、対象物体データの生成に使用する振幅情報を生成するレベル検出器とを含む信号処理配列とを備えることを特徴とする対象物体検出システムが提供される。

好ましくは、前記対象物体検出システムは、前記振幅情報に応答して、前記対象物体の位置および運動のうちの少なくとも一方を計算することにより対象物体データを生成する中央処理装置も備える。

本発明の別の態様によれば、対象物体の検出方法であって、
周囲の交流励起源により生成される場内に位置する検出領域に対するそれぞれの検出位置に複数の検出ノードを配置するステップであって、各検出ノードが、対象物体により生じる前記場における摂動を検出するように設計された少なくとも１の電位センサを有し、前記センサが、前記交流励起場に応答して検出信号を生成する電極と、前記電極に接続され、前記検出信号を受信および増幅して交流測定信号を出力として生成する増幅器と、前記増幅器の出力から入力への少なくとも１のフィードバック回路であって、前記増幅器の入力インピーダンスを高めるフィードバック回路とを含むものである、ステップと、
前記周囲の交流励起源により生成される予め設定された帯域幅の外側にある周波数を除去し、信号振幅をモニタリングし、対象物体データの生成に使用する振幅情報を生成することによって、前記交流測定信号を処理するステップとを備えることを特徴とする方法が提供される。

好ましくは、前記方法は、前記振幅情報に応答して、前記対象物体の位置および運動のうちの少なくとも一方を計算することにより対象物体データを生成するステップをさらに備える。

後述する好ましい実施形態において、信号取得は、地球の場における運動により生じる疑似直流低周波信号を除去、特に拒絶することを含む。これは、それら信号が生成される数多くの異なるメカニズムによりそれら信号が振幅の非常に大きな変動を生じる傾向があり、振幅の大きな変動が検出センサの飽和につながり易いためである。実際に、これは、センサの周波数応答が、低周波を拒絶して、外部場の交流励起周波数に最大限応答するように調整されることを意味している。

好ましい実施形態における信号処理は、雑音を制限するためにセンサ出力をフィルタリングすることと、その後に交流信号の振幅を検出することとを含む。これは、ハードウェアピーク検出器、またはｒｍｓ／ＤＣコンバータ、または検出信号をデジタル化して振幅をソフトウェアで判定する手段の何れかを使用することにより達成することができる。

したがって、本発明の重要な特徴は、予め存在する広範囲に及ぶ交流励起場により生成される信号が有用な情報を生成可能な信号としてよりも、雑音または干渉として見なされるのが通常であったため、それら信号を使用できるようにすることと、それら信号を対象物体の位置および／または運動の検出に用いることができるようにすることの実現である。

本発明の拡張において、設定された帯域幅の一般的な雑音背景も、対象検出の信号源として使用することもできる。このアプローチは、主電源の場合のように、コヒーレント単一周波数励起信号に必ずしも限定されるものではない。検出システムは、雑音に関連する周波数帯を受け入れるように設定されたフィルタを含むことと一致するものであってもよい。ピーク検出器またはｒｍｓ／ＤＣコンバータは、コヒーレント信号の検出と全く同じように、雑音を検出することとなる。

本発明は、好ましくは、次の点を含む数多くの有利な特徴および操作モードを有する。
・主電源の場合のようにコヒーレントであるか、または雑音の場合のようにコヒーレントではないかに関わらず、対象位置および／または運動検出システムにおける、様々な既存の外部の交流励起場の源の使用
・動かない対象物体の存在を特定して、その位置を特定するための技術
・無線センサネットワークを用いる実施形態
・誘電性物体により引き起こされる電場の摂動の源泉の検出
・導電性／抵抗性物体により引き起こされる電場の摂動の源泉の検出

添付の図面を参照しながら、ほんの一例として、本発明をさらに説明することとする。
図１は、対象物体と関連させて広い範囲に及ぶ交流励起場を示しており、励起場が、対象物体よりも遥かに大きく、矩形のコーナの４つの検出ノードの位置により規定される検出領域を有する。 図２は、４つの検出ノードを用いる本発明に係る対象物体の位置および運動検出システムの概略図である。 図３は、図２のシステムのセンサと当該センサの前に立つ人間との間の距離の関数として、５０Ｈｚの電源信号の振幅を表すグラフである。 図４は、図３に対応するグラフであるが、振幅が距離の逆数に対して測定されている。 図５は、第１軌道における対象物体の位置を示す図であり、図２の検出システムにより測定されたものと、ビデオカメラにより追跡されたものを示している。 図６は、対象物体の別の軌道を示す図であり、ここでも、図２の検出システムにより測定されたものと、ビデオカメラにより追跡されたものを示している。 図７は、対象物体が停止した数多くの静止位置を示す図であり、図２の検出システムにより測定されたものを示している。 図８は、本発明に係る検出システムの第１実施形態で用いられた第１検出ノードのブロック図である。 図９は、図８の検出ノードのセンサの回路図である。 図１０は、本発明に係る検出システムの第１実施形態で用いられた第２検出ノードのブロック図である。 図１１は、図１０の検出ノードのセンサのブロック図である。 図１２は、本発明に係る検出システムの第１実施形態のブロック図である。 図１３は、検出システムの第１実施形態の概略図であり、対象物体の位置と４つの検出ノードとの間の関係を示すとともに、対象物体の位置を計算するのに用いられた座標系を示している。 図１４は、本発明に係る検出システムの第２実施形態で使用するための第１検出ノードの回路図である。 図１５は、本発明に係る検出システムの第２実施形態で使用するための第２検出ノードの回路図である。 図１６は、図１４または図１５に示す検出ノードを使用する本発明に係る検出システムの第２実施形態のブロック図である。 図１７は、本発明に係る検出システムの更なる実施形態の概略図であり、３つの検出ノードを用いるとともに、対象物体の位置と３つのノードとの間の関係を示している。 図１８は、図１７の対象物体の位置の計算に使用した座標系を示す概略図である。 図１９は、図１７および図１８の検出システムのためにシミュレーションで計算された対象物体の軌跡を示す平面図である。 図２０は、本発明に係る検出システムの更なる実施形態の概略図である。

先ず、図面を参照しながら、本発明の原理について説明することとする。
［検出システムの実施形態］
単一のセンサを床面から１ｍの高さに配置して、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの電源信号（mains signal）の振幅を、センサとその前に立つ人との間の距離の関数として測定した場合に、図３に示すようなプロットが得られる。これは、対象がセンサに近付くに連れて信号振幅が非線形的に大きくなることを明確に示している。このデータを、距離の逆数の関数として再プロットすると、図４に示すようなプロットが得られる。これは、測定に付随する実験誤差の範囲内で線形であるように見えるとともに、距離に対する電場振幅の期待した１／ｒの依存関係を裏付けている。

室内の対象の位置を特定するために使用し得るような本発明に係る単純なシステムの動作を示すために、図２に示すように、４つの検出ノード１０が、３．５ｍ×３．５ｍの正方形の検出領域１２のコーナに配置されている。検出ノード１０は、２つの対向するペアとして配置され、各ペアが一つの軸、すなわち、図示のように、Ｘ軸またはＹ軸を規定するものとなっている。対象物体１４、例えば、人は、検出領域１２内で、点線で示すような軌跡を辿るものとされる。物体１４の位置は、後述する方法を使用して計算され、その方法では、検出ノード１０の各ペアからの信号が比較されて、そのペアにより規定される軸上に座標が生成される。

この例では、対向する検出ノード１０の二つのペアは、方向ＸまたはＹを規定するとともに、その軸との関係で物体の相対位置を判定するために使用される。検出空間の４つのコーナに検出ノードを配置させた場合、検出ノードの何れか２つからの相対的な出力を取ることにより、物体の位置を表すｘおよびｙ座標についての解がもたらされる。これについては、図１３を参照して後で説明する。

この例では、対向する検出ノード１０のペアが、関連する軸に対する物体の相対位置を判定するために使用された。比較の目的で、検出ノード１０から推測される位置情報に光学データを関連付けるために、ビデオカメラ（図示省略）も領域の中心の垂直上方に配置されている。図５は、対象がＸ軸に沿って移動した後にＹ軸に沿って移動することによって得られた軌跡を示しており、最初に検出ノード１０により記録され、次いでビデオカメラによって記録されたものを示している。明らかに、それら２つのデータセット間には、非常に大きな相間関係が存在する。

ＸおよびＹの二軸に沿って移動する代わりに、対象１４が、領域の中心周囲の１ｍの直径を有するほぼ円形の軌道を移動した場合には、図６に示すようなセンサおよびビデオデータが得られる。僅かに歪んだ軌道にも関わらず、この結果から導き出される多くの興味深い結論が存在する。第一に、二つのデータセットは、十分に一致しており、第二に、ビデオおよび電場データの双方で観察されるジグザグパターンは、実在しており、円の周囲を一歩ずつ進む対象と一致する。これは、歩行認識、ジェスチャ認識およびバイオメトリックの目的で、この技術が使用される可能性を許容する。

静止対象の位置を特定するこの交流技術の性能を示す実験において、５．７ｍ×５．７ｍの正方形の検出領域の外周に検出ノード１０が配置された。人の対象は、領域内の中心位置から出発した後、領域内のほぼ矩形の軌跡の周囲の一連の位置に移動して、各位置で止まって所定時間静止している。対象が矩形の縁を辿る間に一連の測定値が取得されるが、それは対象が静止しているときのみである。その結果は、図７に示されている。図６に示すように、経路の歪みが明らかであるが、対象が静止していたときのみに取得されるデータセットから、対象が追跡されることは明らかである。

ここで、図８乃至図１２を参照して、図２に示される検出システムの第１実施形態をさらに説明することとする。それら図面は、検出システムの検出ノード１０としてそれぞれ使用するための２つの異なる電位センサを示すとともに、信号取得、信号処理および表示のための回路要素を含む全体の検出システムのブロック図を示している。図８および図９を参照して、第１電位センサ配列を先ず説明してから、図１０および図１１を参照して、第２電位センサ配列を説明することとする。

図８は、公開された本発明者等の特許出願ＷＯ０３／０４８７８９に開示されるような電位センサを含む検出ノード１０のブロック図である。この出願の開示内容は、引用により本明細書に援用されるものである。図示のように、ディスク電極２０は、電位センサ２２に接続され、この電位センサの後に信号処理配列が続き、この信号処理配列が、励起場の信号周波数で応答を最大化する帯域通過フィルタ２４と、信号振幅情報を与えるレベル検出器２６とを備える。

センサ２２は、図９に示されており、オペアンプ（演算増幅器）２８を備え、このオペアンプは、センサの入力インピーダンスを増大させるとともに低周波の小電位に対するセンサの感度を高めるための正のフィードバックを提供する補助フィードバック回路を含む。この例では、図示のように、フィードバック回路が、ガード回路３０を含み、このガード回路が、シールド上と入力電極上とで同じ電位を維持して浮遊容量を除去するために、アンプ２８の出力から駆動されて入力電極、配線および回路３４を取り囲むシールド３２を備える。また、フィードバック回路は、アンプ２８の出力端子と正の入力端子との間に接続されたブートストラップ回路３６も含む。ブートストラップ回路３６は、２つの要素Ｒ１およびＲ２に分かれた入力バイアス抵抗器と、アンプ２８の出力電圧を２つの抵抗器の中間点に印加するためのコンデンサＣとを備える。このため、入力電圧は、上部抵抗Ｒ１の両端子に現れ、それによりゼロ電流フローおよび無限大のインピーダンスを効果的にもたらす。

図１０を参照すると、同図は、公開された本発明者等の特許出願ＷＯ２００９／０１０７３５に開示されるような同調電位センサを含む検出ノード１０のブロック図である。この出願の開示内容は、引用により本明細書に援用されるものである。図示のように、ディスク電極４０は、同調電位センサ４２に接続され、この同調電位センサの後に信号処理配列が続き、この信号処理配列が、信号振幅情報を与えるレベル検出器４４を備える。センサ４２は、図１１に更に示されており、センサの入力インピーダンスを増大させるとともに小電位に対するセンサの感度を高めるためのフィードバック回路を含む。

図１１に示すセンサ４２は、オペアンプ４６を備え、このオペアンプが、ガード回路４８の形態の正のフィードバック配列を有し、このフィードバック配列が、アンプ４６の出力から駆動されて入力電極４０、入力配線および回路５２を取り囲むシールド５０を備える。センサ４２は、検出システムの周波数応答に合わせた同調フィルタ５４を含む負のフィードバックループ５６をさらに有する。この例では、フィルタ５４は、センサに帯域通過特性を与える狭帯域消去フィルタである。

図８および９の電位センサ配列または図１０および１１の電位センサ配列の何れが用いられるかどうかに関わらず、各ケースでは、４つの同じ検出ノード１０が、図２に示すように、正方形または長方形の対象検出領域１２のコーナに置かれ、Ｘ軸およびＹ軸を規定するようにペアで配置されている。ノード１０の各ペアの二つのセンサは、各ペアの２つの検出ノード１０を関連する差動増幅器にそれぞれの物理的電気接続を介して物理的に接続することにより、関連する軸についての測定値を与えるための差動ペア（differential pair）として機能するように配列されている。全体の検出システムは、信号取得および処理手段とともに、センサの差動ペアを含むとともに、後続の信号処理で得られる出力データを示すディスプレイ装置を含む。そのようなシステムのブロック図が図１２に示されている。

図１２に示すように、各ペアの検出ノード１０の２つのペアは、物理的電気接続６０によって、信号振幅情報を生成する関連する差動増幅器６２に接続され、そこから、データ取得および信号処理コンピュータ６６に取り付けられた多重チャンネルのアナログデジタルコンバータ６４に直接接続されている。コンピュータ６６は、対象物体１４の位置および／または運動を計算する追跡アルゴリズムを格納するメモリ６６ａと、アルゴリズムに従い振幅情報を処理して対象物体データを生成する中央処理装置６６ｂとを含む。コンピュータ６６は、対象物体データをディスプレイ６８に出力した後、ディスプレイが、得られた位置および運動データを密度図（density map）として表示する。

より詳細には、上記アルゴリズムは、明確に定義された電場の特性に基づくもので、帯電した物体、すなわち対象物体の位置および運動を次のようにして判定する。電場は、その源からの距離の逆数で、振幅が低下するものとして知られている。上記アルゴリズムは、この事実を利用して、検出ノード１０のペアからの信号の相対的な振幅を比較し、比較的単純な解をもたらす。

上記アルゴリズムにおいては、図１３に示す座標系を用いることにより、センサの位置が、原点（０，０）に対して対称であるとして規定される。

センサは、２つの差動ペアＡ，ＢおよびＣ，Ｄを形成し、振幅Ｖ_Ｂ−Ｖ_ＡおよびＶ_Ｄ−Ｖ_Ｃを有する電圧出力をそれぞれもたらす。

各差動ペアは、対象のｘおよびｙ位置座標を求めるために独立に使用される。例えば、ｘ軸について、センサのペアＡ，Ｂは、以下に示すように、対象位置ｘを計算するために使用される。

自由空間において、大きさｑの点電荷からの距離ｒにおける交流信号（Ｖ）の振幅は、次のように表すことができる。

したがって、センサＡ，Ｂの各々における交流信号の振幅は、次の方程式によって与えられる。

ここで、ｘは対象のｘ軸座標であり、ｘ_Ａ，ｘ_Ｂは各センサの座標を示している。

次いで、対象位置の２つの連立方程式が、センサ電位を対象位置に関連付けるために使用される。

センサ位置についての対称的配置をｘ_Ｂ＝−ｘ_Ａと設定すると、上記方程式を解くことができ、次の結果が与えられる。

原点についての対象の小さな偏差について、積２Ｖ_ＡＶ_Ｂは対象位置に応じてほぼ一定であり、そのため、解を次のように単純化することができる。

よって、差動出力電圧は、対象位置に直接関係している。

同様に、センサペアＣ，Ｄについて、対象位置のｙ座標を次のように与えることができる。

その結果として、図１３における検出ノードＡ，ＢおよびＣ，Ｄの２ペアを使用するとともに、関連する差動増幅器６２を使用して各ペアの２つのセンサ間の差を取るアルゴリズムを設定することにより、対象物体の座標が得られる。

このため、最も単純な実施においては、それら差信号が対象位置に直接関係するように、コンピュータ６６において線形化モデルが用いられる。この線形近似は、対象がセンサに極端に接近して検出領域を制限することがなく、よって対象運動領域が、センサ間の距離の半分であり、軸の中央に中心が置かれるような状況に適用できる。

より良好な適合度、あるいはより大きな相対検出領域が必要とされる場合には、線形近似法から離れる必要がある。この場合、アルゴリズムは、位置の関数として振幅が異なる補正係数をデータに対して追加的に適用しなければならない。このため、補正係数は、単純な倍率に加えて用いられるとともに、信号振幅と検出ノードからの対象物体の距離との間に存在する正確な非線形関係を考慮するものとなる。

［無線ノードの実施形態］
上述したシステムは、基本的に、４つの検出ノード１０を利用し、その各々が単一のセンサを有し、それらセンサが２組の差動ペアとして機能するように構成されている。検出ノード１０の各対向ペアは、ノードのセンサ間の距離と等しい基準線を有する軸を規定するとともに、電圧規準として機能するために、検出ノード１０と関連する差動増幅器６２との間の物理的電気接続を必要とする。この物理的接続は、望ましくない場合、この構成の本質的な特徴である。実際に、センサのペア間の電場をボルト／ｍで測定しているが、別の言い方をすれば、センサのペアを、二つの測定プローブを有する電圧計と同様のものであると考えることができる。

明らかに、それらセンサが大きな空間の外周の周辺に配置される場合、またはセンサの大きなネットワークの分配が必要とされる場合には、それらセンサ間の物理的接続についての条件が、厳しい制約となる。我々が、個別にセンサの各々からのデータを使用して対象の位置の“デッドレコニング”を行っても、すべてのセンサが、ローカルアースまたは参照接続を必要とすることになる。これは、開放環境に配置されるセンサについて、あるいはセンサが主電源に接続されるインドア用途について、接地接続の使用によって可能となるかもしれないが、一般に、便利なものまたは望ましいものではない。

理想的には、所定の領域における電場摂動を監視する多数の自立型の無線検出ノードを配置することが有利であろう。この課題に対する一つの潜在的な解決策は、単一の測定ノードに含まれるセンサの非常に短い基準線ペアを使用して局所的に電場を測定し、これを、別の同様の検出ノードからの出力と比較することである。このため、上述したような単一センサを含む各ノードは、狭い間隔で並んだセンサのペアを含むノードによって置き換えられる。このようにして、電場勾配の測定を得ることができる。その後、電場の変化というよりも、局所的な電場勾配の変化を観察することによって、摂動が測定されるものとなる。

そのような実施形態の一例が図１４に示されており、この例では、ノード１００が、例えば図９に示すような２つのＥＰセンサ２２を有し、それらが短い基準線に渡って局所的な電場を測定するように構成され、その基準線の長さが、第１電極２０１および第２電極２０２間のほぼ１−１０ｃｍ程度である。これは、参照接続を必要とすることなく達成することができ、ノード１００は、図示の各回路要素にそれぞれの内部バッテリ電源を置くことにより電源内蔵式としてもよい。さらに図示されているように、各センサ２２は、ガード回路３０の形式のフィードバック回路を有する増幅器２８と、直流バイアス電流回路３８と、追加のフィードバック回路装置３９とを備え、このフィードバック回路装置は、例えば、ブートストラッピング、中和、供給変調およびＤＣ・低周波フィードバック回路を含むことができる。

二つのセンサ２２は、差動増幅器７０に接続され、そこから、アナログデジタルコンバータおよび無線データ送信器７２が接続され、このアナログデジタルコンバータおよび無線データ送信器が、差動信号をデジタル形式に変換して、送信のためにアンテナ７４に信号を供給する。なお、帯域通過フィルタ２４および交流信号振幅検出器２６は、図８のように、各センサ２２内に含まれると仮定される。

一例として、図１４の実施形態は、約１０ｃｍの基準線測定を有し、直径２ｃｍのディスク電極を用いると仮定することができる。しかしながら、図１５に示すように、遥かにコンパクトな構成で同じ感度を達成することができる。

電場がボルト／ｍとして規定および測定されるため、非常に短い基準線を使用して局所的電場の測定を実行する場合に、信号の振幅が比例的に小さくなるという結果になる。したがって、この問題を緩和するために使用される、図１４に示す検出ノードの一変形例は、図１５に示すような不平衡の差動ノードである。

図１５に示す実施形態は、基準線が遥かに短く２つの電極２０３，２０４の大きさが極端に異なる点を除いて、図１４に示す実施形態と同じである。基準線測定を１ｃｍ、２つの電極のサイズをそれぞれ２ｃｍおよび^２√１０ｃｍとすることにより、図１４の実施形態と同等な結果を達成できる。このため、図１５において、同じ部品を同じ符号により示して、それ以上の説明を省略する。

電位センサの感度は、広範囲に及ぶ電場に弱く容量結合される場合、電極の自己キャパシタンスによって決定される。したがって、電極サイズを変えると、ノード１００内の２つのセンサ２２の相対感度が変化することとなる。小さい電極２０４は、大きい電極２０３よりも低い感度を示して、差動ペアの平衡を失わせるように機能し、それにより、二つのセンサ２２間の小さな差に対するノード１００の感度を高めることとなる。実際に、小さい電極２０４は、大きな電極２０３と比較した場合に、電場摂動にほんの僅かに依存するローカル参照電位を生成するために使用されて、ローカル人工アースとして機能することとなる。

例えば、図９に示すような、高ダイナミックレンジセンサの使用は、我々の先に公開された特許出願に記載のように、それら技術の可能性のある応用領域の殆どに対して有利である。それは、信号振幅が、物体とセンサ間の距離に応じて幅広く変化する可能性があるからである。

なお、図１４および１５の無線ノード１００は、図９のセンサの代わりに、同じ利点を有する図１１のセンサ４２を同様に良好に採用できる。

図１６は、リモート受信器９２とともに対象位置、運動および追跡システムを形成するように構成された複数の無線ノード１００を示すブロック図である。センサ２２または４２のペアをそれぞれ有するノード１００は、アンテナ７４により受信器９２へとデータを送信し、受信器は、アンテナ９４を介して無線信号を受信する。その後、受信器９２は、データを、データ取得および信号処理コンピュータ９６に供給する。コンピュータ９６は、メモリ９６ａおよび中央処理装置９６ｂを内蔵し、上述したアルゴリズムを用いて、指示された計算を実行し、結果として得られた位置および運動データを密度図としてディスプレイ９８上に表示する。

［発明の実施］
本発明の実用的な実施において、検出領域１２は、交流主電源またはローカル雑音が広がる実質的に任意の場所に配置することができ、その場所には、住居、オフィス、研究所または工場、交通ターミナル、または開放地または野外が含まれる。

励起源は、交流主電源またはローカル発電器からの環境交流信号、または、例えば、コンピュータ、屋内電気器具、電気モータまたは電力供給装置により生成された背景雑音とすることができる。本発明は、励起源として交流主電源を参照して開示および説明してきたが、励起源として周囲雑音を用いることも可能である。この場合、必要な回路は、フィルタ回路の帯域幅／範囲が雑音の帯域幅に適合するように変更される点以外は、全く同じである。

対象物体は、導電性であっても誘電物体であってもよく、例えば、人または車両が含まれる。導電性および／または抵抗性物体は、直接的は方法で、電場摂動を引き起こすこととなる。導電性または抵抗性物体の存在は、物体の寸法にわたって空間的電位を均一にする短絡経路を与えることとなる。励起場で起立している人の場合には、対象の寸法にわたりグランドに場を効率的に短絡する効果を有し、頭部のレベルで〜０Ｖの電位を与える。

［スパース行列の実施形態］
前の実施形態は、矩形検出領域のコーナに置いたセンサの差動ペアの使用に基づくものであるが、センサの差動ペアを用いない代替的な配置構成も可能である。そのような配置構成は図１７および１８に関連して説明されており、ここでは、センサの有線接続を前提としている。この場合、後述するように、差動増幅器６２が省略されて、異なるアルゴリズムがコンピュータ６６のメモリに格納されてコンピュータにより処理を制御する点以外は、図１２のシステムが用いられる。

この場合にはデータ処理がより複雑になるが、電場の明確に定義された特性を利用することにより、上述した実施形態と比較して、少ない数のセンサを使用して対象物体の位置および運動を画像化することも可能になる。電場は、源からの距離の逆数で、振幅が低下するものとして知られている。この事実を利用するとともに、２，３のセンサからの信号の相対的な振幅を比較することにより、三角測量と類似の方法で、以下のアルゴリズムによって、物体の位置が判定される。例えば、検出ノード１０，１００が、検出領域１２の４つのコーナのうちの３つに配置される場合には、センサの何れか２つからの相対出力を取ることにより、弧である解をもたらすものとなる。２つの弧が交差する部分が、物体の位置である。これは、図１７に絵で示されている。

物体の位置を判定するために必要とされる方程式を含むアルゴリズムを構成するために、我々は、前述した第１実施形態のように、センサおよび誘電性物体の位置を最初に規定しなければならない。使用した座標系は図１８に示されている。

数学的には、自由空間において、大きさｑの点電荷からの距離ｒにおける交流信号（Ｖ）の振幅は、次のように表すことができる。

これは、センサにおける振幅が、次のように与えられることを意味している。

ここで、幾つかの割合および変数を定義するのが有効である。

以下の変数を関連付けるために、２つの連立方程式が使用される。

この式は、次のように書くこともできる。

さらに、この式は、次のように書くこともできる。

方程式３．１に（１−Ｂ）を乗じ、方程式３．２に（１−Ａ）を乗じると、次のようになる。

方程式３．２から方程式３．４を差し引くと、次のようになる。

ｘに関してｙを与えるように変形すると、次のようになる。

方程式３．５を方程式３．１に代入すると、次のようになる。

方程式３．６の括弧を展開すると、次のようになる。

方程式３．７を方程式３．６に代入すると、次のようになる。

これは、ｘ＞０およびｙ＞０として、ｘについて解くことができる。その後、これを方程式３．５に代入して、ｙを求めることができる。

この手順のシミュレーションからの一つのフレームは、図１９に示されている。この場合の物体は、センサの平面における楕円軌道において振動する誘電性振り子からなる。この方法は、追加の垂直なＺ軸上に第３スパース行列の単なる追加により、三次元空間で機能するように拡張することもできる。

より複雑な状態が現実の世界では生じることがあり、そこでは、検出領域または室内における追加の物体の存在が電場を歪めることがある。そのため、多くの場合においては、この追加的な複雑さを許容するために、上述した方程式を変形する必要があるであろう。これは、次のように、距離に対する電位の依存度を変更することを含む。

ｎの数値は、実際には、空いている頂点に４番目のセンサを導入することにより、決定することができる。これは、ｎを変化させることにより、２セットの方程式を解いて一点の解について最適化することを可能にする冗長情報をもたらす。その後、割合が、次の式に置換されて、方程式が設定された後、既述したように、解かれる。

［電荷中心の解］
上述した方法は、明白な位置情報を与えるが、これは、単一の移動している誘電性物体についてのみ言える。複数の移動中の物体が含まれる場合については、この方法は、力学条件における質量中心に似た単一の“電荷中心”の解をもたらす。

不明確さを解決する方法は、スパース行列において検出ノード１０，１００の数を増やすことである。かなりの効果を得るのに、２，３の追加的ノードを加えるだけでよい。例えば、図２０に示すように、追加的検出ノードを対象領域１２の各辺に一つずつ加えて、合計で５つの検出ノードおよび実質的に４象限を形成することができる。

検出ノードの各ペアからの相対信号を比較することにより、物体を特定の象限に位置させることができ、その結果、単一の象限の分解能にまで低下する位置の不明確さをすべて取り除くことができる。必要とされる空間分解能に関しては選択事項である。例えば、ジェスチャ認識システムにおける人間の手の場合を例に取ると、不明確さを回避するには、約１ｍ×１ｍの検出領域１２に対して約２０ｃｍの間隔で検出ノードを配置するのが適切であるだろう。この技術は、個別の物体が、ある時点で異なるセクタ内にある限りは、追跡されるのを可能にする。ソフトウェアは、対象領域を複数の物体に分解するために用いることができ、その後、単一セクタ内のそれら物体の追跡を続けるために用いることができる。

上述した本発明は、数多くの有利性および特有の特徴および利点を有し、特に、以下の特徴を含む。
・差動センサノードで場勾配検出技術を使用する静的励起場による対象位置特定および追跡
・電場検出技術を使用する静止対象を含む５０Ｈｚの対象位置特定および追跡
・差動センサノードで場勾配検出技術を使用する静止対象を含む５０Ｈｚの対象位置特定および追跡
・差動ノード感度を増加させるための、検出ノードにおける不均衡なセンサのペアの使用
・環境または背景雑音を含む自然にまたは人為的な要因から生じる非同期／非連続の信号を検出および位置特定するための上記技術の何れかの使用

Claims (15)

1. 対象物体検出システムであって、
   周囲の交流励起源により生成される場内の検出領域に対するそれぞれの検出位置に配置される複数の検出ノードであって、前記周囲の交流励起源が、対象物体の位置または移動検出ための専用の設計交流源以外の交流励起源であり、各検出ノードが、対象物体により生じる前記場における摂動を検出するように設計された少なくとも１の電位センサを有し、前記センサが、交流励起場に応答して検出信号を生成する電極と、前記電極に接続され、前記検出信号を受信および増幅して交流測定信号を出力として生成する増幅器と、前記増幅器の出力から入力への少なくとも１のフィードバック回路であって、前記増幅器の入力インピーダンスを高めるフィードバック回路とを含む、検出ノードと、
   各検出ノードと関連付けられた信号処理配列とを備え、前記信号処理配列が、予め設定された通過帯域の外側にある周波数を除去するように構成されたフィルタ回路を含み、前記交流源が、前記通過帯域内の周波数または周波数帯域を有し、前記信号処理配列がさらに、前記交流測定信号に応答して、信号振幅をモニタリングするとともに、対象物体データの生成に使用する振幅情報を生成するレベル検出器とを含むことを特徴とする対象物体検出システム。
2. 請求項１に記載の検出システムにおいて、
   前記電位センサが、差動ペアで配置されて、各ペアの２つの電位センサからの交流測定信号から差動出力が生成されることを特徴とする検出システム。
3. 請求項２に記載の検出システムにおいて、
   各検出ノードが、単一の前記電位センサを有し、前記検出ノードが、ペアで配置されて、各ペアのノードの２つの電位センサが、前記差動出力を生成するためにそれぞれの差動
   増幅器に接続されていることを特徴とする検出システム。
4. 請求項２に記載の検出システムにおいて、
   各検出ノードが、電位センサのペアを備え、その電極が、前記周囲の交流励起源からの場勾配の変化に応答するように、狭い間隔で配置され、各ノードの２つの電位センサが、前記差動出力を生成するために、付随する差動増幅器に接続されていることを特徴とする検出システム。
5. 請求項４に記載の検出システムにおいて、
   各検出ノードにおける前記２つの電位センサの電極が、約１ｃｍの基準線間隔を有することを特徴とする検出システム。
6. 請求項４に記載の検出システムにおいて、
   各検出ノードにおける前記２つの電位センサの電極が、異なるサイズのディスクを含むことを特徴とする検出システム。
7. 請求項４，５または６に記載の検出システムにおいて、
   各検出ノードが、データ収集装置に前記差動出力を無線送信するための送信器を含み、前記データ収集装置が、前記差動出力を受信するための受信器を含み、前記データ収集装置が、中央処理装置を含むことを特徴とする検出システム。
8. 請求項１乃至７の何れか一項に記載の検出システムにおいて、
   前記検出ノードが、前記検出領域の外周の近傍に配置されていることを特徴とする検出システム。
9. 請求項１乃至８の何れか一項に記載の検出システムにおいて、
   前記検出領域が、前記周囲の交流励起源により生成される広い場により取り囲まれる矩形空間を含み、前記検出ノードが、前記検出領域のコーナに配置されていることを特徴とする検出システム。
10. 請求項９に記載の検出システムにおいて、
    前記検出領域の４つのコーナのうちの３つに配置された３つの検出ノードを含むことを特徴とする検出システム。
11. 請求項９または１０に記載の検出システムにおいて、
    前記検出領域が、グリッドに区分されて、複数の矩形のグリッドセクタを規定し、各グリッドセクタが少なくとも３つの検出ノードにより監視されるように前記検出ノードが配置されていることを特徴とする検出システム。
12. 請求項１乃至１１の何れか一項に記載の検出システムにおいて、
    前記中央処理装置に接続されたディスプレイであって、前記対象物体データに応答して、前記対象物体の位置または運動のうちの少なくとも一方を表示するディスプレイをさらに備えることを特徴とする検出システム。
13. 請求項１乃至１２の何れか一項に記載の検出システムにおいて、
    前記検出領域内の前記対象物体の位置および／または運動を計算するための追跡アルゴリズムを格納するメモリと、
    格納された前記アルゴリズムに従い前記振幅情報を処理するように構成された中央処理装置であって、前記対象物体の位置および運動のうちの少なくとも一方を計算することにより対象物体データを生成する中央処理装置とをさらに備えることを特徴とする検出システム。
14. 対象物体の検出方法であって、
    周囲の交流励起源により生成される場内に位置する検出領域に対するそれぞれの検出位置に複数の検出ノードを配置するステップであって、前記周囲の交流励起源が、対象物体の位置または移動検出のための専用の設計交流源以外の交流励起源であり、各検出ノードが、対象物体により生じる前記場における摂動を検出するように設計された少なくとも１の電位センサを有し、前記センサが、交流励起場に応答して検出信号を生成する電極と、前記電極に接続され、前記検出信号を受信および増幅して交流測定信号を出力として生成する増幅器と、前記増幅器の出力から入力への少なくとも１のフィードバック回路であって、前記増幅器の入力インピーダンスを高めるフィードバック回路とを含むものである、ステップと、
    予め設定された通過帯域の外側にある周波数を除去することによって、前記交流測定信号を処理するステップであって、前記交流源が、前記通過帯域内の周波数または周波数帯域を有するものであるステップと、
    処理された前記交流測定信号の信号振幅をモニタリングして、対象物体データの生成に使用する振幅情報を生成するステップとを備えることを特徴とする方法。
15. 請求項１４に記載の対象物体の検出方法であって、
    対象物体データを生成するために、前記振幅情報から前記対象物体の位置および運動のうちの少なくとも一方を計算するステップをさらに備えることを特徴とする方法。

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