[測位システム]
本発明の実施の形態における測位システム1は、図1に示すように、管理装置2、複数の送信機3、人物等の移動物体に携帯される受信機4を含んで構成される。測位システム1において、管理装置2と複数の送信機3は、無線又は有線の通信ネットワークによって接続される。また、必要に応じて、管理装置2と受信機4を通信ネットワークによって接続してもよい。
測位システム1は、受信機4を携帯する人物等の測位対象物の位置を測定する空間(監視空間)に設置される。図2は、本実施の形態における監視空間を模式的に示した図である。本実施の形態では、広域な施設の屋内を監視空間(点線で示した領域6)として、当該監視空間に存在する人物5の位置を測定する例を説明する。
図2に示すように、監視空間には全36個の送信機3が設置される。そして、複数の送信機3は、監視空間を画定する施設の天井に所定の間隔(例えば、4メートル間隔)で設置される。測位システム1は、複数の送信機3から音響信号を送信し、施設内に存在する受信機4が受信した音響信号に基づいて当該受信機4の位置を測定する。このとき、本実施の形態では、人物5に受信機4を所持または装着させることにより、受信機4の位置を人物5の位置として測定することができる。
なお、本実施の形態では、監視空間である屋内において人物5の位置を測位する測位システム1について説明するが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。例えば、測位システム1を屋外での測位に使用してもよいし、人物ではなく貨物等の物品に受信機4を取り付けて、当該物品の測位に使用してもよい。
以下、図1を参照して、測位システム1の各構成について詳しく説明する。管理装置2は、図1に示すように、通信部21、記憶部22及び同期信号送信部23を含んで構成される。
管理装置2は、複数の送信機3に対して同期信号を送信する。具体的には、同期信号送信部23は、記憶部22に記憶されている測位周期を参照し、通信部21を介して、測位システム1を構成する全ての送信機3に対して当該周期で同期信号を一斉に送信する。ここで、測位システム1は、同期信号送信部23から同期信号が複数の送信機3に対して1回送信される毎に受信機4の位置を1回測定する。すなわち、記憶部22に記憶されている測位周期は、測位システム1が受信機4の測位を行う周期に相当する情報である。測位周期は、同期信号の送信時点から、測位システム1を構成する全ての送信機3が音響信号を送信した後に監視空間においてその残響成分が減衰するまでの時間を考慮して設定することが好適である。測位周期は、予め設定され、記憶部22に予め記憶される。
通信部21は、ネットワークを介して管理装置2と送信機3とを接続するためのインタフェースである。例えば、通信部21は、有線又は無線のLAN、USB等の通信インタフェースである。
記憶部22は、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)等の半導体メモリ、ハードディスク等のメモリ装置を含んで構成される。記憶部22は、測位周期等の測位システム1の各処理において必要な情報を記憶する。記憶部22は、通信部21を介して送信機3や受信機4との間で当該情報を送受信するようにしてもよい。
同期信号送信部23は、CPU(Central Processing Unit)、DSP(Digital Signal Processor)、MCU(Micro Control Unit)等の少なくとも1つのプロセッサ及びその周辺回路を含んで構成される。同期信号送信部23は、記憶部22に記憶された測位周期に基づいて測位システム1を構成する全ての送信機3に対して同期信号を送信する。
なお、本実施の形態では、同期信号送信部23を管理装置2の構成の一つとして説明したが、同期信号送信部23を管理装置2とは別の装置として測位システム1を構成してもよい。この場合、同期信号送信部23は、管理装置2及び送信機3と通信ネットワークによって接続され、管理装置2の記憶部22に記憶された測位周期を参照して、送信機3に対して同期信号を送信すればよい。
次に、測位システム1の送信機3について説明する。送信機3は、監視空間に複数設置される。送信機3の各々は、管理装置2から同期信号を受信し、同期信号に同期させて監視空間に対してSYNC信号と音響信号を送信する。
送信機3は、図3の機能ブロック図に示すように、通信部31、記憶部32、送信制御部33及び音響信号送信部34を含んで構成される。
通信部31は、ネットワークを介して、送信機3と接続するためのインタフェースである。例えば、通信部31は、有線又は無線のLAN、USB等の通信インタフェースである。送信機3は、通信部31を介して、管理装置2の同期信号送信部23から送信された同期信号を受信する。
記憶部32は、ROM、RAM等の半導体メモリ、ハードディスク等のメモリ装置によって構成される。記憶部32は、送信機3において各処理を実行するためのプログラム、設定データや生成されたデータ等の各種情報を記憶する。記憶部32は、自己の送信機3に関する2種類のID(グループID及び周波数帯域ID)を記憶する。また、記憶部32は、周波数帯域テーブルを記憶する。
グループIDは、送信機3の各々が所属するグループを識別するためのIDである。測位システム1を構成する複数の送信機3は、予め、それぞれ所定数の送信機3から構成される所定数のグループに分けられる。同一のグループに所属する送信機3には同一のグループIDが割り当てられる。各送信機3の記憶部32には、それぞれ所属するグループのグループIDが記憶される。
グループIDは、1以上の連続する整数とすることが好適である。例えば、測位システム1を構成する複数の送信機3を4つのグループ(グループ1、グループ2、グループ3、グループ4)に分けた場合、各グループを識別するグループIDをそれぞれ「1」、「2」、「3」、「4」とすればよい。
周波数帯域IDは、送信機3の各々が占有する周波数帯域を識別するためのIDである。各送信機3は、周波数帯域IDによって定まる周波数帯域の音響信号を監視空間に対して送信する。ただし、後述するSYNC信号は、各送信機3に割り当てられた周波数帯域にかかわらず、全ての送信機3で共通の周波数帯域の音響信号とする。
同一のグループに所属する送信機3に対してはそれぞれ異なる周波数帯域IDが割り当てられる。一方、異なるグループに所属する送信機3に対しては同一の周波数帯域IDを割り当てることが許容される。すなわち、測位システム1では、所属グループが異なれば、複数の送信機3に対して同一の周波数帯域IDが割り当てられることがあり、当該複数の送信機3は監視空間に対して同一の周波数帯域で音響信号を送信することが許容されている。
周波数帯域IDは、1以上の連続する整数とすることが好適である。例えば、グループを構成する複数の送信機3の数を上限とする1から始まる連続した整数とすればよい。監視空間に設置された全36個の送信機3をそれぞれ9個の送信機3から構成される4つのグループに分けた場合、各グループに含まれる9個の送信機3に対して「1」から「9」の整数からなる周波数帯域IDを割り当てればよい。
周波数帯域テーブルは、周波数帯域IDと周波数帯域の範囲とを対応付けたデータベースである。各送信機3は、周波数帯域テーブルを参照して、自らに割り当てられた周波数帯域IDに対応する周波数帯域の音響信号を生成して監視空間に送信する。
例えば、周波数帯域テーブルには、周波数帯域ID「1」と周波数帯域「25kHz〜28kHz」、周波数帯域ID「2」と周波数帯域「28kHz〜31kHz」が対応付けられ、以下同様にして、周波数帯域ID「9」と周波数帯域「49kHz〜52kHz」まで対応付けられる。この場合、各周波数帯域IDに対して3kHz幅で周波数帯域が割り当てられていることになる。
なお、上記例では、周波数帯域IDが小さい順に低い周波数帯域を対応付けたが、これに限定されるものではない。例えば、周波数帯域IDが大きい順に低い周波数帯域を対応付けてもよい。また、使用する周波数帯域や割り当てられる周波数帯域の幅も上記例に限定されるものではない。
また、各送信機3の記憶部32には、グループID及び周波数帯域IDが予め記憶される。送信機3が、これらの情報を取得する方法は、特に限定されるものではなく、既存の技術を適用すればよい。例えば、各送信機3に設けられたディップスイッチ(図示しない)によってグループID及び周波数帯域IDを設定できるようにしてもよい。この場合、送信機3は、ディップスイッチの設定からグループID及び周波数帯域IDを読み取って記憶部32に記憶するようにすればよい。
また、例えば、測位システム1を構成する全ての送信機3のグループID、周波数帯域ID及び周波数帯域テーブルを管理装置2の記憶部22に予め記憶しておいてもよい。この場合、各送信機3は、通信部31を介して自己のグループID及び自己の周波数帯域IDに対応する周波数帯域の範囲を管理装置2から取得して記憶部32に記憶するようにすればよい。
送信制御部33は、CPU、DSP、MCU等の少なくとも1つのプロセッサ及びその周辺回路を含んで構成される。送信制御部33は、管理装置2から同期信号を受信すると、SYNC信号のデジタルデータを生成し、後述する音響信号送信部34に出力する。また、送信制御部33は、記憶部32に記憶されたグループID及び周波数帯域IDに基づいて、送信機3における音響信号の送信を制御する。
具体的には、送信制御部33は、記憶部32に記憶されている周波数帯域テーブルを参照して、自己の周波数帯域IDで特定される周波数帯域の音響信号のデジタルデータを生成し、後述する音響信号送信部34に出力する。なお、音響信号は、第1信号(第一音響信号)と第2信号(第二音響信号)から構成される。具体的には、送信制御部33は、記憶部32に記憶されたグループIDを参照して、第1信号と第2信号とが自己のグループIDで特定される時間差で監視空間に送信されるような音響信号のデジタルデータを生成して音響信号送信部34へ出力する。時間差は、グループIDと対応付けて記憶部32に予め記憶させておけばよい。また、時間差の値をグループIDの値として予め記憶させておいてもよい。
時間差は、受信機4にてグループID毎に異なる時間差を区別することが可能な値とすることが好適である。なお、受信機4の位置の測定に必要な時間を短縮するためには、時間差の値は、なるべく短い時間になるように設定することが好適である。第1信号が出力されてから第2信号が出力されるまで時間差、すなわち第2信号の出力タイミングは、第1信号の監視空間における残響成分が十分減衰する時間、及びグループ毎に異なることが判別できる時間の分解能を考慮して決定される。例えば、音波の減衰時間が50msであり、音波において1msの時間の差を判別可能なシステム構成であれば、各グループに対して、50ms以上であってグループ間の差が1ms以上となるように時間差の値を割り当てればよい。具体的には、例えば、グループID「1」に対して51ms、グループID「2」に対して52ms、・・・を割り当てればよい。
なお、本実施の形態では、音響信号のデジタルデータにおいて第1信号と第2信号とを同一の周波数帯域の信号としているが、各送信機3に割り当てられた周波数帯域の範囲内において第1信号と第2信号の周波数帯域を異ならせてもよい。この場合、第2信号の周波数帯域は、第1信号とは異なる周波数帯域、かつ、他の周波数帯域IDに対応付けられている周波数帯域とも異なる帯域にすることが好ましい。例えば、周波数帯域ID「1」である送信機3に割り当てられた周波数帯域が25kHz〜28kHzである場合、第1信号の周波数帯域を25kHz〜26.5kHzとし、第2信号の周波数帯域を26.5kHz〜28kHzとすればよい。また、この場合、前述した残響時間を考慮する必要は無く、第1信号と第2信号との時間差を受信機4が識別可能な時間分解能のみから決定することができる。例えば、グループID「1」であれば時間差を1msとし、グループID「2」であれば時間差を2ms、・・・とすればよい。
また、本実施の形態では、グループ毎に異なる時間差で第1信号と第2信号を送信するが、これに限定されるものではない。すなわち、音響信号の周波数帯域と第1信号と第2信号の時間差の組み合わせによって送信機3の各々が一意に特定できればよい。同一の周波数帯域が割り当てられた送信機3同士には異なる時間差が割り当てられ、同一の時間差が割り当てられた送信機3同士には異なる周波数帯域が割り当てられ、それぞれ割り当てられた周波数帯域及び時間差で第1信号と第2信号を送信するようにすればよい。
本実施の形態では、グループ毎に異なる時間差で第1信号と第2信号を送信するが、例えば、異なるグループであって同一の周波数帯域IDが割り当てられた送信機同士で異なる時間差を設定して第1信号と第2信号を送信してもよい。すなわち、グループ内で複数種類の時間差が設定されていてもよい。この場合も、グループIDと対応付けて、それぞれの時間差を記憶部32に予め記憶させておけばよい。
以下、送信機3から送信される音響信号について詳しく説明する。本実施の形態では、音響信号は、ベースバンドのTSP(Time Stretched Pulse)を超音波帯域に周波数変調させた信号とする。ここで、周波数変調させる帯域は、送信機3における音圧が高い帯域と、受信機4の感度が高い帯域の両方が備わった連続する帯域を選択することが好ましい。音響信号の形式は、上記に限定されるものではない。例えば、TSPではなく、M系列を周波数変調させた信号を音響信号として用いてもよい。また、TSPやM系列等のワイドバンドの信号を用いずに、BPSK (Binary Phase Shift Keying )やQPSK (Quad Phase Shift Keying )を使ったエンコード信号、バーストパルス信号を使用してもよい。
なお、本実施の形態では音響信号を超音波帯域の信号としているが、可聴帯域の信号としてもよい。また、SYNC信号は、音響信号と同様の形式で生成することができる。ただし、SYNC信号の周波数帯域はすべての送信機3において共通とすることが好適である。
次に、送信機3による音響信号の送信タイミングについて説明する。各送信機3の送信制御部33は、予め全ての送信機3で共通のSYNC信号と、自己の周波数帯域IDで特定される周波数帯域の音響信号(第1信号及び第2信号)を生成する。送信制御部33は、通信部31を介して管理装置2から同期信号を受信すると、SYNC信号と音響信号を監視空間へ送信する。すなわち、管理装置2から同期信号が送信される毎に、測位システム1を構成する全ての送信機3からSYNC信号及び音響信号の送信が1回行われる。
図4を参照して、音響信号の送信タイミングについて具体的に説明する。図4は、本実施の形態における音響信号の送信タイミングを模式的に示した図である。図4(a)は、グループID「1」が割り当てられた送信機3から送信される各種信号の周波数帯域及び送信タイミングを示す。図4(b)は、グループID「2」が割り当てられた送信機3から送信される各種信号の周波数帯域及び送信タイミングを示す。図4の縦軸は周波数、横軸は時間を表す。
各グループに属する9個の送信機3ではそれぞれ異なる周波数帯域にて音響信号が送信され、さらに異なる周波数帯域にてSYNC信号も送信されるので、各グループでは使用される周波数帯域は10帯域である。具体的には、SYNC信号で使用する周波数帯域「Bsync」、周波数帯域ID「1」が割り当てられた送信機3が占有する周波数帯域「B1」、周波数帯域ID「2」の送信機3が占有する周波数帯域「B2」、・・・周波数帯域ID「9」の送信機3が占有する周波数帯域「B9」が使用される。
なお、図4では周波数帯域「B3」から周波数帯域「B8」までの図示を省略している。また、これらの周波数帯域の並びは任意である。また、図4では、各送信機3において第1信号及び第2信号を同一の周波数帯域とする例を示すが、上記のとおり、第1信号及び第2信号を別の周波数帯域としてもよい。この場合、周波数帯域「B1−1」及び周波数帯域「B1−2」等として区別する。
図4に示すように、送信機3は、管理装置2から同期信号を受信すると、周波数帯域「Bsync」のSYNC信号を監視空間へ送信する。そして、SYNC信号を送信後、所定時間Tが経過後、自己に割り当てられている周波数帯域IDで特定される周波数帯域の第1信号を送信する。なお、所定時間Tは、予め記憶部32に記憶しておけばよい。また、SYNC信号と第1信号を同時に送信してもよい。送信機3は、第1信号を送信後、自己に割り当てられているグループIDに基づく時間の経過後、自己に割り当てられている周波数帯域IDで特定される周波数帯域の第2信号を送信する。その後、全ての送信機3は、管理装置2から同期信号が再び送信されるまで待機する。
なお、本実施の形態では、第1信号、第2信号及びSYNC信号をそれぞれ別々に生成し、上記のタイミングでそれぞれ送信する態様としたが、これに限定されるものではない。例えば、第1信号、第2信号及びSYNC信号を上記の時間間隔になるように予め合成した合成信号を生成し、当該合成信号を送信するようにしてもよい。
図3に戻り、送信機3の音響信号送信部34について説明する。音響信号送信部34は、D−A変換器、パワーアンプ及びスピーカ等の音響装置を含んで構成される。音響信号送信部34は、送信制御部33からSYNC信号及び音響信号のデジタルデータが入力される度に、デジタルデータからSYNC信号及び音響信号を超音波に変換して監視空間へ送信する。具体的には、送信制御部33からSYNC信号及び音響信号のデジタルデータが入力されると、D−A変換器にて当該デジタルデータがアナログデータに変換される。アナログデータはパワーアンプで増幅された上でスピーカから監視空間へ送信される。すなわち、送信制御部33にて生成されたSYNC信号、第1信号及び第2信号のデジタルデータが音響信号送信部34に入力される度に、当該デジタルデータをアナログデータに変換してスピーカから送信する。送信制御部33は、上記のように各信号の送信タイミングで各信号のデジタルデータを音響信号送信部34に出力するので、音響信号送信部34は、それぞれの送信タイミングにて各信号を監視空間へ送信する。
すなわち、測位システム1では、複数の送信機3が所定数のグループに分けられ、送信機3の各々においてグループ毎に定められた時間差にて周波数帯域IDで定められた周波数帯域の第1信号及び第2信号の音響信号が監視空間に送信される。
再び、図1を参照して、測位システム1の受信機4について詳しく説明する。受信機4は、監視空間内に配置される。例えば、受信機4は、監視空間に存在する人物によって所持又は人物に装着される。受信機4は、送信機3の各々から送信されたSYNC信号及び音響信号を受信する。受信機4は、受信した音響信号に基づいて監視空間における自己の位置を測定する。そして、受信機4は、測定した自己の位置を人物の位置として出力する。
受信機4は、図5の機能ブロック図に示すように、音響信号受信部41、記憶部42、信号解析部43及び出力部44を含んで構成される。
音響信号受信部41は、マイク、マイクアンプ及びA−D変換器を含んで構成される。音響信号受信部41は、送信機3から送信されたSYNC信号及び音響信号を随時受信する。具体的には、音響信号受信部41は、送信機3の各々から監視空間に送信されたSYNC信号及び音響信号をマイクで集音し、集音した音のアナログデータをマイクアンプで増幅した上で、A−D変換器にてデジタルデータに変換する。そして、音響信号受信部41は、変換したデジタルデータを後述する信号解析部43に出力する。なお、信号解析部43へのデジタルデータの出力は、後述する記憶部42を介して行ってもよい。
記憶部42は、ROM、RAM等の半導体メモリ、ハードディスク等のメモリ装置を含んで構成される。記憶部42は、受信機4において各処理を実行するためのプログラム、設定データや生成されたデータ等の各種情報を記憶する。例えば、記憶部42は、高さ情報、グループIDテーブル、周波数帯域IDテーブル、送信機3の配置情報、周波帯域テーブル等の情報を記憶する。高さ情報、グループIDテーブル、周波数帯域テーブル、送信機3の配置情報及び周波帯域テーブルは、受信機4の記憶部32に予め記憶される。
高さ情報は、監視空間における受信機4の床面からの高さを示す情報である。高さ情報は、後述する信号解析部43にて受信機4の位置を測定する際に用いられる。本実施の形態では、受信機4は、人物によって所持又は人物に装着されているため、高さ情報は、床面から人物の手までの高さや、床面から受信機4の装着位置までの高さを考慮して設定される。
グループIDテーブルは、グループIDと上述した第1信号と第2信号との時間差を対応付けたデータベースである。グループIDテーブルは、後述する信号解析部43にて参照され、受信機4が受信した音響信号の第1信号と第2信号との時間差から当該音響信号を送信した送信機3の所属グループを識別するために用いられる。以下、グループIDに対応付けられた時間差を「グループ時間差」と称する。なお、以下の説明では、グループIDテーブルは、グループID「1」とグループ時間差「51ms」、グループID「2」とグループ時間差「52ms」、グループID「3」とグループ時間差「53ms」、グループID「4」とグループ時間差「54ms」がそれぞれ対応付けられたテーブルであるとする。
周波数帯域テーブルは、周波数帯域IDと周波数帯域を対応付けたデータベースである。周波数帯域テーブルは、送信機3に記憶される周波数帯域テーブルと同様である。周波数帯域テーブルは、後述する信号解析部43にて音響信号受信部41で得られたデジタルデータをタイムスロットに分割して周波数帯域毎に解析を行うために用いられる。具体的には、信号解析部43は、SYNC信号を検出すると、当該SYNC信号の検出時点を基準としてタイムスロットを設定して、当該タイムスロットに含まれるデジタルデータに対して信号解析を行う。例えば、SYNC信号を検出してから所定時間後をタイムスロットの開始時点とし、当該開始時点から所定の時間長をタイムスロットとして設定する。当該所定時間は、送信機3にてSYNC信号を検出してから第1信号を送信するまでの所定時間Tに基づいて設定することが好適である。例えば、当該所定時間は、所定時間Tと等しくすることが好適である。また、タイムスロットの時間長は、すべての送信機3において送信される第1信号及び第2信号を含む程度の時間長とすることが好適である。例えば、タイムスロットの時間長を120msとすることが好適である。
なお、タイムスロットの設定方法は、これに限定されるものではない。例えば、SYNC信号と第1信号が同時に送信される場合は、SYNC信号の検出時点をタイムスロットの開始時点としてもよい。また、第1音響信号の送信後にSYNC信号を送信するようにしてもよく、この場合は、SYNC信号の検出時点をタイムスロットの終了時点として、上記のタイムスロットの時間長だけ時間を遡ってタイムスロットを設定してもよい。
配置情報は、監視空間における送信機3の配置を示す情報である。配置情報は、後述する信号解析部43にて参照され、受信機4の位置を測定するために用いられる。本実施の形態では、配置情報として、各送信機3の周波数帯域ID、グループID、床面からの設置高、及び監視空間の床面をXY平面としたときの2次元座標(X,Y)が対応付けられる。
監視空間における送信機3の配置について詳しく説明する。前述したように、測位システム1では、同一の周波数帯域IDが割り当てられた複数の送信機3が監視空間に同一の周波数帯域の音響信号を送信する。このため、これらの音響信号が混信しないように、同一の周波数帯域IDが割り当てられた複数の送信機3は、監視空間において互いに隣り合わない位置かつ所定距離以上離れた位置に設置される。
図6は、本実施の形態における送信機3の配置例を模式的に示した図である。図6において、白丸印は送信機3の位置を示し、白丸で囲った数字は、送信機3の各々の周波数帯域IDを示す。また、同一のグループに属し、同一のグループIDが割り当てられた送信機3をそれぞれ点線で囲って示す。
図6に示す測位システム1の例では、全36個の送信機3で構成されており、それぞれ9個の送信機3から構成される4つのグループに分けられている。そして、同一の周波数帯域IDが割り当てられた複数の送信機3は、互いに隣り合わない位置かつ所定距離以上離れた位置に配置される。このように送信機3を配置することにより、送信機3から同時に送信された音響信号が混信しないようにされている。
例えば、図6に示すように、受信機4が位置4a(黒丸印)に存在している場合、グループID「1」及び周波数帯域ID「1」が割り当てられた送信機3の位置と比べて、グループID「2」及び周波数帯域ID「1」が割り当てられた送信機3、グループID「3」及び周波数帯域ID「1」が割り当てられた送信機3、グループID「4」及び周波数帯域ID「1」が割り当てられた送信機3は、受信機4までの距離が遠い。このため、これらの送信機3が同時に信号を送信しても、受信機4では、最初にグループID「1」及び周波数帯域ID「1」が割り当てられた送信機3から送信された信号が受信され、その後、受信機4までの距離に応じた遅延時間と信号強度の減衰を伴って、他のグループID及び周波数帯域ID「1」が割り当てられた送信機3から送信された信号が受信される。すなわち、周波数帯域ID「1」が割り当てられた送信機3が監視空間に対して同時に音響信号を送信しても、受信機4では、信号の受信タイミング及び信号の強度から受信機4の近くに設置されている送信機3とそれ以外の送信機3を区別することが可能である。
なお、同一の周波数帯域IDが割り当てられた複数の送信機3を所定距離以上離して配置する際、当該所定距離は、これらの複数の送信機3から同時に送信された信号のうち、最も受信機4に近い位置に存在する送信機3から送信された信号の受信波形と、その他の送信機3から送信された信号の受信波形とを受信機4にて信号の強度から区別できるような値とすることが好適である。
また、図6において受信機4が位置4b(黒丸印)の位置に存在している場合、各グループの周波数帯域ID「1」が割り当てられた送信機3から受信機4までの距離が略同一になる。この場合、周波数帯域ID「1」が割り当てられた送信機3から同時に送信された信号は、受信機4にて略同時かつ同程度の信号強度で受信される。したがって、これらの信号を受信までの遅延時間や信号の強度に基づいて区別することが困難である。しかしながら、図6に示すように、受信機4にて周波数帯域ID「1」が割り当てられた送信機3の信号を区別できなくても、他の周波数帯域IDが割り当てられた送信機3、例えば、周波数帯域ID「5」,「6」,「8」が割り当てられた送信機3から送信された信号を用いれば受信までの遅延時間や信号の強度に基づいて送信元の送信機3を区別することができる。すなわち、受信機4は、これらの区別可能な信号に基づいて受信機4の位置を測定することが可能である。
なお、送信機3の配置は、図6に示した例に限定されるものではない。すなわち、測位システム1を構成する36個の送信機3をそれぞれ9個の送信機3から構成される4つのグループに分けたが、これに限定されるものではない。例えば、グループの数や1つのグループを構成する送信機3の数は、監視目的、監視空間の形状、監視空間の面積等の条件を考慮して適宜変更してもよい。
また、グループ毎の送信機3の配置を異ならせてもよい。図7は、送信機3の他の配置例を模式的に示した図である。図7(a)は、測位システム1を構成する送信機3をそれぞれ7個の送信機3から構成される2つのグループに分けた例を示す。図7(b)は、測位システム1を構成する送信機3をそれぞれ5個の送信機3から構成される2つのグループに分けた例を示す。図7に示すとおり、グループを構成する送信機3の数やグループ毎の送信機3の配置は異ならせているが、各送信機3は上記の配置条件を満たし、同一の周波数帯域IDが割り当てられた送信機3が互いに隣り合わない位置、かつ所定距離以上離れた位置に配置されている。
また、図示はしないが、グループ毎に構成する送信機3の数を異ならせてもよい。例えば、グループID「1」が割り当てられた送信機3を7個、グループID「2」が割り当てられた送信機3を5個としてもよい。また、同一のグループIDが割り当てられた送信機3が監視空間において近傍にまとまるように配置されなくてもよい。例えば、グループIDが異なる複数の送信機3が互いに隣接するように送信機3を配置するようにしてもよい。
なお、受信機4が、高さ情報、グループIDテーブル、周波数バンドIDテーブル、送信機3の配置情報を取得する方法は、特に限定されるものではない。例えば、管理装置2の記憶部22に、高さ情報、グループIDテーブル、周波数帯域IDテーブル、送信機3の配置情報を予め記憶しておき、受信機4は、通信ネットワークを介してこれらの情報を取得して記憶部42に記憶させるようにしてもよい。
図5に戻り、受信機4の信号解析部43について説明する。信号解析部43は、CPU、DSP、MCU等の少なくとも1つのプロセッサ及びその周辺回路を含んで構成される。信号解析部43は、受信機4が受信した音響信号を解析して、監視空間における受信機4の位置を測定する。具体的には、信号解析部43は、音響信号受信部41から入力されたデジタルデータにおいてSYNC信号の周波数帯域「Bsync」を監視してSYNC信号を検出する。信号解析部43は、デジタルデータにおいてSYNC信号が検出されると、上記のようにSYNC信号の検出時刻に基づいて所定の時間長のタイムスロットを設定する。そして、信号解析部43は、設定されたタイムスロットのデジタルデータにおいて複数の周波数帯域についてそれぞれ解析を行う。
なお、ベースバンドのTSPを複数の超音波帯域に変調した信号を送信機3から送信する場合、信号解析部43は、入力したデジタルデータから切り出されたタイムスロットから複数のベースバンドに復調して解析を行う。具体的には、まず、信号解析部43は、音響信号受信部41から入力されたデジタルデータの受信波形から、SYNC信号を検出する。SYNC信号は、全ての送信機3から共通の周波数帯域「Bsync」で送信されるので、その周波数帯域の復調信号の最初のパルスは受信機4から最も近い送信機3から送信されたSYNC信号を示す。信号解析部43は、周波数帯域「Bsync」における復調信号が所定強度(以下、SYNC強度)以上となる時点をSYNC信号の検出時刻とする。そして、信号解析部43は、当該SYNC信号の検出時点から所定時間(例えば、所定時間T)が経過した時点を開始時点として、そこから所定の時間長(例えば、120ms)をタイムスロットとして設定する。そして、信号解析部43は、設定されたタイムスロットにおける受信信号を切り出して解析対象とする。
さらに、信号解析部43は、タイムスロットにおける受信信号から周波数帯域IDで特定される周波数帯域毎に復調信号を生成する。信号解析部43は、タイムスロットの受信信号を分析し、複数の周波数帯域におけるパルスの信号強度、タイムスロットの開始時点から第1信号までの時間差(第1時間差)、第1信号と第2信号の時間差(第2時間差)、をそれぞれ求める。
図8は、タイムスロットにおける受信信号の復調波形の例を示した図である。図8では、タイムスロットにおける周波数帯域「B1」の受信信号の復調波形を示す。信号解析部43は、タイムスロットにおける復調信号での第1信号のパルスの強度(レベル)が最初に所定強度(第1信号強度)以上となる第1時点を検出する。そして、信号解析部43は、タイムスロットの開始時点から当該検出した第1時点までの第1時間差s1を求める。
測位システム1では同一の周波数帯域IDが割り当てられている複数の送信機3は所定距離以上離れた位置に設置されている。したがって、タイムスロットにおいて第1信号のパルスが最初に第1信号強度となる時点は、当該複数の送信機3のうち受信機4に最も近い送信機3から送信された第1信号の直接波の受信時点とみなすことができる。
なお、第1信号強度の値は、同一の周波数帯域IDが割り当てられている複数の送信機3間の距離を考慮して、最も受信機4に近い位置に存在する送信機3から送信された第1信号の受信信号(第一受信信号)の波形と、その他の送信機3から送信された第1信号の受信波形とを、受信機4にて区別できる値に予め設定すればよい。
次に、信号解析部43は、タイムスロットにおける第2信号のパルスの強度(レベル)が最初に所定強度(第2信号強度)以上となる第2時点を検出する。そして、信号解析部43は、第1時点と第2時点との時間差である第2時間差d1を求める。
測位システム1では同一の周波数帯域IDが割り当てられた複数の送信機3は所定距離以上離れた位置に設置されている。したがって、タイムスロットにおいて第2信号のパルスが最初に第2信号強度となる時点は、当該複数の送信機3のうち受信機4に最も近い送信機3から送信された第2信号の直接波の受信時点とみなせる。
なお、第2信号強度の値は、同一の周波数帯域IDが割り当てられている複数の送信機3間の距離を考慮して、最も受信機4に近い位置に存在する送信機3から送信された第2信号の受信信号(第二受信信号)の波形と、その他の送信機3から送信された第2信号の受信波形とを、受信機4にて区別できる値に予め設定すればよい。
同様に、信号解析部43は、タイムスロットにおける各周波数帯域「B2」、「B3」、・・・「B9」の受信信号の復調波形に対してそれぞれ第1時間差s2及び第2時間差d2、第1時間差s3及び第2時間差d3、・・・第1時間差s9及び第2時間差d9を求める。
信号解析部43は、各周波数帯域について第1時間差及び第2時間差を求めた後、受信機4の測位に用いる有効時間差を複数個選定する。本実施の形態では、信号解析部43は、有効時間差を3個以上選定する。これは、本実施の形態における信号解析部43が、三角測量の原理で受信機4の位置を測定するためであり、少なくとも3個の送信機3の設置位置、当該送信機3から送信された音響信号が受信機4に受信されるまでに要する時間(第1時間差)が測位に必要となるからである。
このとき、測位に用いられる送信機3は、受信機4の近くに設置されているものから3個選定されることが好ましい。したがって、信号解析部43は、受信機4の位置の近くに設置されている送信機3から送信された音響信号から求められた第1時間差及び第2時間差を有効時間差として選定する。例えば、信号解析部43は、第1時間差を求める際のパルスの信号強度が所定強度(有効強度)以上であり、かつ、第1時間差が短い順に、当該第1時間差及びそれに対応する第2時間差を3個ずつ有効時間差として選定する。
信号解析部43は、3つの有効時間差を選定すると、当該有効時間差に基づいて3つの送信元の送信機3を特定する。まず、信号解析部43は、記憶部42に記憶されている周波数帯域テーブルを参照し、有効時間差として選定された第1時間差を求めたパルスの送信元の送信機3の周波数帯域IDを特定する。具体的には、信号解析部43は、周波数帯域テーブルを参照して、有効時間差を求めた受信信号が検出された周波数帯域が対応付けられている周波数帯域IDを求める。
ここで、測位システム1では、同一の周波数帯域IDが割り当てられた送信機3が同時に音響信号を送信するので、周波数帯域IDだけではどのグループに属する送信機3から送信された音響信号によるものであるかが判別できない。そこで、信号解析部43は、グループを識別するために第2時間差を用いる。具体的には、信号解析部43は、記憶部42に記憶されているグループIDテーブルを参照して、当該テーブルのグループ時間差と有効時間差として選定された第2時間差を比較し、最も近いグループ時間差に対応付けられているグループIDを特定する。
信号解析部43は、このように特定した周波数帯域ID及びグループIDに基づいて測位に用いる送信機3を特定する。例えば、図6において、受信機4が位置4aに存在する場合、グループID「1」及び周波数帯域ID「1」、「2」、「4」が割り当てられた送信機3から送信された音響信号の時間差(第1時間差s1及び第2時間差d1、第1時間差s2及び第2時間差d2並びに第1時間差s4及び第2時間差d4)が有効時間差として選定される。そして、それぞれの第2時間差に基づいて、グループID「1」及び周波数帯域ID「1」の送信機3、グループ「1」及び周波数帯域ID「2」の送信機3、グループID「1」及び周波数帯域ID「4」の送信機3が測位に用いられる送信機3として特定される。
信号解析部43は、測位に用いる3個の送信機3を特定すると、記憶部42に記憶されている受信機4の高さ情報、配置情報に含まれる送信機3の設置高と2次元座標を参照し、これらの情報と各送信機3の第1時間差を用いて、三角測量の原理で受信機4の位置を算出する。すなわち、本実施の形態では、受信機4の位置は、床面をXY平面としたときの2次元座標(X,Y)として測定される。
なお、本実施の形態では、三角測量の原理を用いて受信機4の位置を測定したが、測定方法はこれに限定されるものではなく、上記方法により測位に用いる送信機3を特定し、当該特定した送信機3の位置を用いて受信機4の位置を測定するものであればよい。
信号解析部43は、受信機4の位置を算出すると算出結果を順次出力部44に出力する。次に、図5に戻り、受信機4の出力部44について説明する。出力部44は、信号解析部43から受信機4の位置が入力されると当該位置を外部の装置に出力する。例えば、測定された受信機4の位置を液晶ディスプレイなどの表示装置(図示しない)に表示する。受信機4を人物が所持している又は受信機4が人物に装着されている場合、出力部44は、信号解析部43で測定された受信機4の位置を当該受信機4を携帯する人物の位置として表示してもよい。
なお、出力部44の出力先や出力方法は、これに限定されるものではない。例えば、受信機4に外部の装置と通信を行う通信部(図示しない)を設け、通信ネットワークを介して信号解析部43で測定された受信機4の位置(人物の位置)を出力するようにしてもよい。
また、本実施の形態では、記憶部42、信号解析部43及び出力部44を受信機4の構成の一つとして説明しているが、記憶部42、信号解析部43及び出力部44を受信機4とは別の装置としてもよい。この場合、当該装置は、受信機4と通信ネットワークにより接続され、受信機4の音響信号受信部41から出力されるデジタルデータを順次解析して、受信機4の位置を測定するようにすればよい。
[測位方法]
以下、図9〜図11のフローチャートを参照して、本実施の形態における測位システム1による測位方法について説明する。
まず、図9を参照して、管理装置2による同期信号送信処理について説明する。図9は、本実施の形態における同期信号送信処理のフローチャートである。
測位システム1が動作を開始すると、まず、管理装置2の同期信号送信部23は、複数の送信機3に対して、通信部21を介して同期信号を送信する。このとき、同期信号送信部23は、計時を開始する(S101)その後、同期信号送信部23は、記憶部22に記憶された測位周期を参照し、測位周期になったか否かを判定する(S102)。測位周期になった場合(S102においてYES)、処理はステップS101に移行され、新たな同期信号を複数の送信機3に対して送信する。そして、計時をリセットし、再度計時を開始する。測位周期になっていない場合(S102においてNO)、測位周期になるまで同期信号の送信を待機する。
次に、図10を参照して、送信機3の音響信号送信処理について説明する。図10は、本実施の形態における音響信号送信処理のフローチャートである。
測位システム1が動作を開始すると、送信機3の送信制御部33は、SYNC信号、第1信号及び第2信号のデジタルデータを生成する(S201)。送信制御部33は、通信部31を介して管理装置2から同期信号を受信したか否かを判定する(S202)。同期信号を受信した場合(S202においてYES)、SYNC信号のデジタルデータを音響信号送信部34に出力する。入力を受けた音響信号送信部34は、監視空間にSYNC信号を送信する(S203)。
同期信号を受信していない場合(S202においてNO)、同期信号を受信するまでSYNC信号の送信を待機する。送信制御部33は、SYNC信号の送信を制御すると、計時を開始し、第1信号の送信タイミングであるか否かを判定する(S204)。本実施の形態では、SYNC信号の送信から所定時間Tが経過したか否かを判定する。
当該時間差が経過すると(S204においてYES)、第1信号の送信タイミングになったと判定し、生成しておいた第1信号のデジタルデータを音響信号送信部34に出力する。入力を受けた音響信号送信部34は、監視空間に第1信号を送信する(S205)。当該時間差が経過していない場合(S204においてNO)、第1信号の送信タイミングではないと判定し、当該時間差が経過するまで第1信号の送信を待機する。
送信制御部33は、第1信号の送信を制御すると、計時を開始し、第2信号の送信タイミングであるか否かを判定する(S206)。具体的には、本実施の形態では、記憶部32に記憶されたグループIDを参照し、グループID時間差が経過したか否かを判定する。
当該時間差が経過した場合(S206においてYES)、第2信号の送信タイミングになったと判定し、生成しておいた第2信号のデジタルデータを音響信号送信部34に出力する。入力を受けた音響信号送信部34は、監視空間に第2信号を送信する(S207)。
当該時間差が経過していない場合(S206においてNO)、第2信号の送信タイミングではないと判定し、当該時間差が経過するまで第2信号の送信を待機する。送信制御部33は、第2信号の送信を制御すると、計時を0にし、ステップS202に戻り、再び同期信号を受信するまで待機する。
次に、図11を参照して、受信機4の測位処理について説明する。図11は、本実施の形態における測位処理のフローチャートである。
受信機4は、動作を開始すると、音響信号受信部41にて監視空間の音を集音し、順次、信号解析部43にデジタルデータを出力する。信号解析部43は、入力したデジタルデータに対してSYNC信号の周波数帯域への復調を行い、SYNC信号が含まれているか否かを判定する(S301,S302)。
SYNC信号を検出すると(S302においてYES)、タイムスロットの設定を行う(S303)。SYNC信号が検出されない場合(S302においてNO)、ステップS301に戻り、SYNC信号が検出されるまで、SYNC信号の検出処理を繰り返す。信号解析部43は、タイムスロットを設定すると、周波数帯域毎にステップS305からステップS306の処理を行う。信号解析部43は、処理対象であるタイムスロットについて、周波数帯域毎に復調して解析し、第1時間差を算出する(S305)。その後、処理対象の復調信号を解析し、第2時間差を算出する(S306)。全ての周波数帯域について、ステップS305からステップS306の処理が終了すると、ステップS308に移行する(S304,S307)。
信号解析部43は、全ての周波数帯域に対して第1時間差及び第2時間差を算出すると、その中から有効時間差を所定数選定する。本実施の形態では、有効時間差を3個選定する(S308)。
信号解析部43は、タイムスロット解析が終了すると、特定した有効時間差を求めた周波数帯域について、記憶部42の周波数帯域テーブルを参照し、周波数帯域IDを特定する。そして、記憶部42のグループIDテーブルを参照し、第2時間差に対応するグループIDを特定する。その後、信号解析部43は、特定された周波数帯域ID及びグループIDに基づいて、測位に用いる送信機3を特定する。そして、信号解析部43は、記憶部42に記憶された配置情報を参照し、特定した送信機3の設置の高さと2次元座標を取得する。信号解析部43は、記憶部42に記憶された高さ情報、特定した送信機3の設置高と2次元座標、有効時間差の第1時間差に基づいて、受信機4の位置を測定する。信号解析部43は、測定した位置情報を出力部44に出力する(S309)。
出力部44は、信号解析部43から受信機4の位置の入力を受けると、受信機4を携帯する人物の位置として当該位置を外部に出力する。本実施の形態では、表示装置に人物の位置を表示させる(S310)。出力処理が終わると、ステップS301に戻り、SYNC信号が検出されるまでSYNC信号の検出処理を再び繰り返す。
以上のように、本実施の形態における測位システム1によれば、システムを構成する送信機3の数を増やしても、各送信機3で占有する周波数帯域を狭くしすぎることがない。したがって、測位精度を保ちつつ、測位範囲を拡げることができる。すなわち、監視空間が広域であっても、当該監視空間を移動する受信機4の位置を精度良く測定することが可能となる。