JP6541800B2 - Wireless position detection using magnetic field of single transmitter - Google Patents
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Description
本願は、例えば携帯又は移動体装置などの装置の位置の無線検出に関する。 The present application relates to wireless detection of the position of devices such as, for example, portable or mobile devices.
移動型又は携帯型の物体又は機器、例えば携帯電話機や血液由来センサ（blood-borne sensor）の位置の判定方法に対する要求が増加している。ＧＰＳ、ＬＯＲＡＮ及び同様のシステムは、位置情報を提供することができるが、１５ｍのオーダーの解像度しかないことが多い。また、このようなシステムは、建物の壁やその他構成を介在した信号伝搬の変化により、屋内での使用はより困難になる。ＷＩＦＩ又はＢＬＵＥＴＯＯＴＨ(登録商標)の三角測量が提案されているが、屋内において１〜２ｍという低い精度しかない場合がある。しかし、こうした方式では既知の送信機（ＴＸ）に関する大規模データベースが必要になることが多い。従って、高い精度を有し、大規模なデータベースを必要としない測位システムが求められている。 There is an increasing demand for methods of determining the position of mobile or portable objects or devices, such as mobile phones or blood-borne sensors. GPS, LORAN and similar systems can provide location information but often only have resolution on the order of 15m. Also, such systems are more difficult to use indoors due to changes in signal propagation that intervene in building walls and other configurations. Although WIFI or BLUETOOTH® triangulation has been proposed, it may only have an accuracy as low as 1-2 m indoors. However, such a scheme often requires a large database of known transmitters (TX). Therefore, there is a need for a positioning system that has high accuracy and does not require a large database.
２０１３年６月２７日に公開されたＪｕｎｇ等によるＵＳ２０１３／０１６６００２を引用し、その開示内容を本書に組み入れる。 Reference is made to US 2013/0166002 by Jung et al. Published on June 27, 2013, the disclosure of which is incorporated herein.
可能であれば、同一の参照番号を使用して図面に共通する同一の特徴を指し示している以下の説明及び図面を併せ読むことにより、本願発明の上記及びその他の目的、特徴、利点がより明らかになる。 When possible, the above and other objects, features and advantages of the present invention will be more apparent by reading together the following description and the drawings in which the same reference numerals are used to indicate the same features common to the drawings. become.
添付の図面は、説明を目的とするものであり、必ずしも縮尺どおりではない。 The attached drawings are for the purpose of illustration and are not necessarily to scale.
以下の説明では、ソフトウェアプログラムとして一般的に実施される場合の態様が記載されている。このようなソフトウェアの均等物がハードウェア、ファームウェア又はマイクロコードでも構築できることは当業者であれば容易に理解するであろう。データ操作アルゴリズム及びシステムは周知であるため、本明細書は、特に、ここに記載されたシステム及び方法の一部を形成し、あるいは、前記システム及び方法とより直接的に協働するアルゴリズム及びシステムに関するものである。ここに具体的に図示又は記載されていないが、それに関連する信号を生成又は処理する、このようなアルゴリズム及びシステムの他の態様、並びに、ハードウェア又はソフトウェアは、当該技術分野における既知のこのようなシステム、アルゴリズム、構成部品及び要素から選択される。ここに記載されたシステム及び方法が与えられれば、ここに具体的に図示、示唆又は記載されていないが、いずれかの態様の実施に有用であるソフトウェアは、従来技術であり、当該技術における通常知識の範囲内のものである。 In the following description, aspects are described that are generally implemented as software programs. Those skilled in the art will readily understand that such software equivalents can also be implemented in hardware, firmware or microcode. As data manipulation algorithms and systems are well known, the present description forms, in particular, part of the systems and methods described herein, or alternatively, algorithms and systems that work more directly with said systems and methods. It is about Although not specifically illustrated or described herein, other aspects of such algorithms and systems that generate or process signals associated therewith, as well as hardware or software, are known as such in the art. Selected from various systems, algorithms, components and elements. Given the systems and methods described herein, software that is not specifically illustrated, suggested or described herein, but that is useful in the practice of any aspect is prior art and is not It is in the range of knowledge.
ここでの各態様は、低電力マイクロコントローラを用いて迅速な位置判定を可能にする利点がある。ホットスポット又はアンテナの大規模データベースは不要である。各態様では超高速な動作追跡を可能にする。 Each aspect here has the advantage of enabling rapid position determination using a low power microcontroller. A large database of hotspots or antennas is not required. Each aspect enables ultra-fast motion tracking.
本開示を通じて、アンテナに言及する際に使用する「コイル」という用語は限定的ではなく、列挙した機能を発揮することができる他のタイプのアンテナを使用することができる。ここでの各態様では、低周波、例えば＜１ＭＨｚ又は＜５００ｋＨｚ、〜７０ｋＨｚ又は〜８０ｋＨｚ又は〜３５ｋＨｚが使用される。他の周波数、例えば＞１ＭＨｚを使用することもできる。ここに記載した磁気センサには、磁界成分を測定する２以上の略直交コイルを含むセンサを含めることができる。３軸又はその他磁気抵抗センサも併せて又は代替的に使用することができる。 Throughout the present disclosure, the term "coil" used in referring to an antenna is not limiting, and other types of antenna capable of performing the recited functions can be used. In each aspect herein, low frequencies are used, such as <1 MHz or <500 kHz, ~ 70 kHz or ~ 80 kHz or ~ 35 kHz. Other frequencies may also be used, for example> 1 MHz. The magnetic sensors described herein can include sensors that include two or more substantially orthogonal coils that measure magnetic field components. Triaxial or other magnetoresistive sensors may also be used in combination or alternatively.
本開示を通じて、地球の座標系に言及する際には、送信機及び受信機に共通する又は略共通するその他の基準座標系が含まれる。 Throughout this disclosure, reference to the earth's coordinate system includes other reference coordinate systems that are common or nearly common to the transmitter and receiver.
ある実施形態では、地球座標方位が使用され、測定された磁界をｕｖｗ座標からｘｙｚ座標に回転させ、その後、磁界の強度及び方向を検査し、送信機の近接場のどこで（どの位置で）磁界の強度及び方向が発生しているのかを判定する。この判定位置は受信機（ＲＸ）の位置と略等しい。 In one embodiment, the global coordinate orientation is used to rotate the measured magnetic field from uvw coordinates to xyz coordinates, and then check the strength and direction of the magnetic field, and at which location the magnetic field in the transmitter's near field To determine if the strength and direction of the This determination position is approximately equal to the position of the receiver (RX).
上述したことに鑑み、各態様では、無線送信機近傍における受信機の位置を判定する。送信機からの磁界を検出し、検出した磁界を用いて受信機の位置を判定するという技術的効果がある。各態様の更なる技術的効果には、電子表示装置上に受信機の位置表示を示し、判定位置を送信機、コンピュータ又は演算ユニット又はその他装置に送信することが含まれる。 In view of the above, in each aspect, the position of the receiver in the vicinity of the wireless transmitter is determined. There is a technical effect of detecting the magnetic field from the transmitter and determining the position of the receiver using the detected magnetic field. Further technical effects of each aspect include indicating the position indication of the receiver on the electronic display and transmitting the determined position to the transmitter, computer or computing unit or other device.
図１Ａは、一実施形態による測位システム１００の基本ブロック図である。図示したように、測位システム１００は、送信機（アンテナコイル１０２として図示）と、少なくとも１つの受信機１０４とを含む。受信機１０４は、３軸磁気センサ１０６と、方位センサ１０８とを含む。コイル１０２は、二次元形状や三次元形状の円形、楕円形、長方形、四角形、ひし形、三角形等とすることができる。信号発生装置１１０及びドライバ１１２を含めることにより、波形を生成し、コイル１０２を駆動し、一定周波数の周期的なビーコン信号を送信するようにしてもよい。任意の周期信号を用いることができるが、送信機及び受信機の設計を簡略化するのに最も効果的な正弦波信号が好ましい。送信コイル１０２は、磁界の強度及び方向が空間内の位置に依存する空間磁界を生成する。図示したように、増幅器１１２及びＡ／Ｄ変換器１１６が動作可能に接続され、磁気センサ１０６の出力を演算ユニット１１８の入力に適したデジタル形式に増幅及び変換してもよい。演算ユニット１１８は、更に方位センサ１０８の出力を受信してもよい。 FIG. 1A is a basic block diagram of a positioning system 100 according to one embodiment. As shown, positioning system 100 includes a transmitter (shown as antenna coil 102) and at least one receiver 104. The receiver 104 includes a three-axis magnetic sensor 106 and an orientation sensor 108. The coil 102 can be a two-dimensional or three-dimensional circular, elliptical, rectangular, square, rhombus, triangle, or the like. By including the signal generator 110 and the driver 112, a waveform may be generated, the coil 102 may be driven, and a periodic beacon signal of a constant frequency may be transmitted. Although any periodic signal can be used, the most effective sinusoidal signal is preferred to simplify transmitter and receiver design. The transmitting coil 102 generates a spatial magnetic field whose strength and direction of the magnetic field depend on the position in space. As shown, amplifier 112 and A / D converter 116 may be operatively connected to amplify and convert the output of magnetic sensor 106 into digital form suitable for the input of computing unit 118. Arithmetic unit 118 may also receive the output of orientation sensor 108.
図１Ｂには、三次元環境下におけるシステム１１０の動作が示されている。また、図２には、コイル１０２に対する受信機１０４の位置及び方位の判定に含まれるステップが示されている。受信機１０４の３軸磁気センサ１０６は、送信コイル１０２が生成した受信機１０４の位置（ｘ、ｙ、ｚ）における磁界（Ｈｕ、Ｈｖ、Ｈｗ）を受信機自身の座標系（Ｕ、Ｖ、Ｗ）で測定する（ブロック２０２）。三次元方位センサ１０８は、その方位を地球座標系（αＥａｒｔｈ、βＥａｒｔｈ、γＥａｒｔｈ）で測定する（ブロック２０４）。測定データ（Ｈｕ、Ｈｖ、Ｈｗ）及び（αＥａｒｔｈ、βＥａｒｔｈ、γＥａｒｔｈ）は演算ユニット１１８に提供される。演算ユニット１１８は、受信機、送信機又はその他の場所に配置してもよい。演算ユニット１１８が受信機１０４内に配置されていない場合、無線回線又は有線回線を介して、受信機１０４外に配置された遠隔演算ユニットへ測定データを送信してもよい。地球座標系（αＴｘ，Ｅａｒｔｈ、βＴｘ，Ｅａｒｔｈ、γＴｘ，Ｅａｒｔｈ）における送信コイル１０２の方位は、演算ユニット１１８に提供される（ブロック２０６）。地球座標系（αＴｘ，Ｅａｒｔｈ、βＴｘ，Ｅａｒｔｈ、γＴｘ，Ｅａｒｔｈ）における送信コイル１０２の方位は、無線回線又は有線回線を介して、遠隔演算ユニットにも提供することができる。また、コイルを固定的に設置すれば、地球座標系（αＴｘ，Ｅａｒｔｈ、βＴｘ，Ｅａｒｔｈ、γＴｘ，Ｅａｒｔｈ）における送信コイル１０２の方位の既知の値を演算ユニット１１８に記憶することができ、記憶した値をその後の演算で使用することができる。 FIG. 1B illustrates the operation of system 110 in a three-dimensional environment. Also shown in FIG. 2 are the steps involved in determining the position and orientation of the receiver 104 relative to the coil 102. The 3-axis magnetic sensor 106 of the receiver 104 generates the magnetic field (H u , H v , H w ) at the position (x, y, z) of the receiver 104 generated by the transmitting coil 102 in the coordinate system (U , V, W) (block 202). The three-dimensional orientation sensor 108 measures its orientation in the earth coordinate system (α Earth , β Earth , γ Earth ) (block 204). The measurement data (H u , H v , H w ) and (α Earth , β Earth , γ Earth ) are provided to the arithmetic unit 118. The computing unit 118 may be located at the receiver, transmitter or elsewhere. When the arithmetic unit 118 is not disposed in the receiver 104, measurement data may be transmitted to a remote arithmetic unit disposed outside the receiver 104 via a wireless link or a wired link. The orientation of the transmitting coil 102 in the earth coordinate system (α Tx, Earth , β Tx, Earth , γ Tx, Earth ) is provided to the computing unit 118 (block 206). The orientation of the transmitting coil 102 in the earth coordinate system (α Tx, Earth , β Tx, Earth , γ Tx, Earth ) can also be provided to the remote processing unit via a wireless link or a wired link. In addition, if the coil is fixedly installed, the known value of the orientation of the transmitting coil 102 in the earth coordinate system (α Tx, Earth , β Tx, Earth , γ Tx, Earth ) can be stored in the arithmetic unit 118 The stored values can be used in subsequent calculations.
演算ユニット１１８は、方位センサデータ（αＥａｒｔｈ、βＥａｒｔｈ、γＥａｒｔｈ）及び既知のコイル方位データ（αＴｘ，Ｅａｒｔｈ、βＴｘ，Ｅａｒｔｈ、γＴｘ，Ｅａｒｔｈ）から送信コイル１０２に対する受信機１０４の方位（αｘ、βｙ、γｚ）を推定する（ブロック２０８）。その後、送信コイルに対する推定方位（αｘ、βｙ、γｚ）を使用し、送信コイルの座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）に合わせるように測定磁界ベクトル（Ｈｕ、Ｈｖ、Ｈｗ）を回転させることができる（ブロック２１０）。この処理により、送信コイルの座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）において、送信コイルにより生成される受信機位置（ｘ、ｙ、ｚ）での磁界ベクトル（Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚ）が得られる。物理モデル化によって送信コイルが生成する任意の位置（ｘ、ｙ、ｚ）での予想磁界ベクトル（Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚ）を推定することができるため、推定した磁界ベクトル（Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚ）を利用して受信機の位置（ｘ、ｙ、ｚ）を推定することができる（ブロック２１２）。送信コイル１０２に対する受信機１０４の方位及び位置は、その後、演算ユニット１１８によって出力される（ブロック２１４）。 The arithmetic unit 118 determines the orientation of the receiver 104 with respect to the transmitting coil 102 from the orientation sensor data (α Earth , β Earth , γ Earth ) and the known coil orientation data (α Tx, Earth , β Tx, Earth , γ Tx, Earth ). Estimate (α x , β y , γ z ) (block 208). Then, using the estimated orientation (α x , β y , γ z ) with respect to the transmitting coil, the measured magnetic field vector (H u , H v , H w ) is adjusted to match the transmitting coil coordinate system (X, Y, Z) Can be rotated (block 210). By this process, in the coordinate system (X, Y, Z) of the transmitting coil, the magnetic field vector (H x , H y , H z ) at the receiver position (x, y, z) generated by the transmitting coil is obtained. Be Since it is possible to estimate the predicted magnetic field vector (H x , H y , H z ) at any position (x, y, z) generated by the transmission coil by physical modeling, the estimated magnetic field vector (H x , The location (x, y, z) of the receiver may be estimated using H y , H z ) (block 212). The orientation and position of the receiver 104 with respect to the transmit coil 102 is then output by the computing unit 118 (block 214).
屋内ＲＦ送信の様相は、回線特性、例えば、建物の構造に大きく左右され得る。各実施形態では、例えば、壁、人体、その他屋内環境構成を介して効果的に伝播するよう１ＭＨｚより低い周波数が使用される。このような周波数は数十メートルの波長を有するため、受信機は、送信アンテナの遠方場ではなく、近接場で作動することができる。従って、各実施例において放射性効果を考慮又は補償するする必要はない。低周波数になれば、アンテナが大型化し、物体通過率が改善する。１２ＭＨｚ以上の周波数を用いる各実施形態では、低周波数の場合よりも壁が位置精度に与える影響がより大きくなる。ただし、１２ＭＨｚ以上の周波数は使用可能であり、人体を有利に通過することには変わりない。 The appearance of indoor RF transmission can be highly dependent on the line characteristics, eg, the structure of the building. In each embodiment, for example, frequencies below 1 MHz are used to effectively propagate through walls, human bodies, and other indoor environment configurations. Because such frequencies have a wavelength of tens of meters, the receiver can operate in the near field rather than in the far field of the transmit antenna. Thus, there is no need to consider or compensate for the radiative effects in each embodiment. If the frequency is low, the antenna becomes large and the object passing rate improves. In each embodiment using a frequency of 12 MHz or more, the wall has a greater influence on the position accuracy than in the low frequency case. However, the frequency of 12 MHz or more is usable and does not change to pass the human body advantageously.
低周波数では電磁スペクトルの使用頻度が低いため、開示する実施形態では、様々な低周波数を使用することができる。その他使用者としてアマチュア無線家が含まれる。複数の周波数を異なる送信機に使用することができ、受信機は、特定の送信機周波数に対応するノッチフィルタを備えることにより、干渉を回避することができる。 Because the frequency of use of the electromagnetic spectrum is low at low frequencies, various low frequencies can be used in the disclosed embodiments. Other users include amateur radios. Multiple frequencies can be used for different transmitters, and the receiver can avoid interference by providing a notch filter that corresponds to a particular transmitter frequency.
各種の方位センサ１０８、例えば、固体方位計や加速度計装置を用いることができる。ｘｙｚからｕｖｗへの回転の基準として地球方位が用いられる。３軸磁気センサは、地球磁界（ＤＣ場）及びＴＸ磁界（ＡＣ場）の両方の検出に用いることができ、あるいは、別のセンサを用いることができる。 Various orientation sensors 108 may be used, such as solid state indicators or accelerometer devices. The earth orientation is used as the basis for the rotation from xyz to uvw. A three axis magnetic sensor can be used to detect both the earth's magnetic field (DC field) and the TX magnetic field (AC field), or another sensor can be used.
本開示を通じて、送信機に対する受信機の位置又は方位が判定されると、当該位置又は方位は、別の座標系、例えば、ＷＧＳ８４のような地球相対系、若しくは、室内又は建物の座標系のような局所系に変換することができる。座標変換は、回転、スキュー、並びに、コンピュータグラフィックス及び地図製作の分野における他の周知技術によって行うことができる。 Throughout the disclosure, once the position or orientation of the receiver with respect to the transmitter is determined, the position or orientation may be another coordinate system, such as a global relative system such as WGS 84, or a coordinate system of a room or a building. Can be transformed into a local system. Coordinate transformations can be performed by rotation, skew, and other well known techniques in the field of computer graphics and cartography.
図３には、送信機コイル１０２を用いて、受信機１０４の位置及び方位を検出するシステム１００の実施例が示されている。図３の例では、送信信号周波数として、７５０ｋＨｚを使用し、コイル１０２として、２８巻、２２ｃｍのコイル径、１０Ｖのピーク間信号振幅を使用する。この例では、磁界分布モデルを使用することにより、送信コイル１０２が生成する空間磁界分布を推定し、受信機１０４を追跡してもよい。数式に基づく磁界モデルではなく、磁界分布モデルを使用するのは、数式に基づくモデルでは、特に送信コイル付近において、不正確な磁界を示す傾向があるためである。この分布モデルを使用することにより追跡精度が大幅に改善される。分布モデルを適用するために使用した方法については後述する。まず、コイル１０２の周回のそれぞれを複数個に分割し（この例では３０セグメントを使用）、観測点における磁界ベクトルの合力は、３０セグメントにより生成された磁界ベクトルを加算することによって求められる。コイル１０２の周回の全てについて同じことが繰り返される。あるいは、コイル１０２の各周回をセグメントに分割し、ビオ・サバールの法則を各周回の全セグメントに適用するという処理を行うのに代えて、１周回による磁界を算出し、それにコイル１０２の巻数を掛けることで全磁界を得ることができる。ここでは、コイルワイヤが極細であるものと仮定する。 An example of a system 100 for detecting the position and orientation of receiver 104 using transmitter coil 102 is shown in FIG. In the example of FIG. 3, 750 kHz is used as the transmission signal frequency, and a coil diameter of 28 turns, 22 cm, and a peak-to-peak signal amplitude of 10 V are used as the coil 102. In this example, the magnetic field distribution model may be used to estimate the spatial magnetic field distribution generated by the transmit coil 102 and to track the receiver 104. The magnetic field distribution model is used instead of the magnetic field model based on the equation because the equation based model tends to show an incorrect magnetic field, particularly near the transmitter coil. The tracking accuracy is greatly improved by using this distribution model. The method used to apply the distribution model is described below. First, each of the turns of the coil 102 is divided into a plurality (in this example, 30 segments are used), and the resultant of the magnetic field vectors at the observation point is obtained by adding the magnetic field vectors generated by the 30 segments. The same is repeated for all of the turns of the coil 102. Alternatively, instead of dividing each turn of the coil 102 into segments and applying Biot-Savart's law to all segments of each turn, the magnetic field in one turn is calculated and the number of turns of the coil 102 is calculated. The entire magnetic field can be obtained by applying it. Here, it is assumed that the coil wire is very thin.
地球座標系における受信機１０４の方位（αＥａｒｔｈ、βＥａｒｔｈ、γＥａｒｔｈ）を測定するために受信機１０４の方位センサ１０８として固体方位計兼加速度計を使用する。この例では、方位センサ１０８の出力レートは２２０Ｈｚであり、地球磁場分解能は５ミリガウス、直線加速度感度は４ｍｇ／ｄｉｇｉｔである。固体方位計及び加速度計の測定出力を使用し、受信機の方位（αＥａｒｔｈ、βＥａｒｔｈ、γＥａｒｔｈ）を得る方法を以下に説明する。３軸加速度計は、受信機のピッチ角及びロール角を提供する一方、方位計は、受信機のヨーを提供し、次の式を使用する：
Ａｘは＋ｘ方向の加速度
Ａｙは＋ｙ方向の加速度
Ａｚは＋ｚ方向の加速度
Ｍｘは＋ｘ方向の磁界
Ｍｙは＋ｙ方向の磁界
Ｍｚは＋ｚ方向の磁界とする。
A solid azimuth and accelerometer is used as the orientation sensor 108 of the receiver 104 to measure the orientation (α Earth , β Earth , γ Earth ) of the receiver 104 in the Earth coordinate system. In this example, the output rate of the direction sensor 108 is 220 Hz, the geomagnetic field resolution is 5 milligauss, and the linear acceleration sensitivity is 4 mg / digit. The way in which the azimuth (α Earth , β Earth , γ Earth ) of the receiver is obtained using the measurement outputs of the solid state indicator and the accelerometer will now be described. While the 3-axis accelerometer provides the pitch and roll angles of the receiver, the azimuth meter provides the yaw of the receiver and uses the following equation:
A x is + x direction of the acceleration A y + y direction of the acceleration A z + z-direction acceleration M x + field M y in the x direction + y direction of the magnetic field, M z and + z direction of the magnetic field.
この例の方位センサ１０８は、北、東、下（一般にＮＥＤと称する）の角度変換を使用することにより、多くの航空宇宙用途において使用されている地上基準系を規定する。演算ユニット１１８は、方位センサからデータを受信し、上記式を適用することにより地球に対する受信機１０４の方位を算出する。この例では、古典的なオイラー角ではなく、（ヨー、ピッチ、ロール）角度変換を使用し、相互の変換が容易である。 The orientation sensor 108 in this example defines a ground reference system that is used in many aerospace applications by using north, east, bottom (generally referred to as NED) angle transformations. The arithmetic unit 118 receives data from the orientation sensor and calculates the orientation of the receiver 104 relative to the earth by applying the above equation. In this example, (Yaw, pitch, roll) angle transformations are used instead of the classical Euler angles, and mutual transformations are easy.
次に、地球座標系における送信コイル１０２の既知の方位（αＴｘ，Ｅａｒｔｈ、βＴｘ，Ｅａｒｔｈ、γＴｘ，Ｅａｒｔｈ）を用いて、地球座標系で測定された受信機１０４の方位（αＥａｒｔｈ、βＥａｒｔｈ、γＥａｒｔｈ）が、送信機コイル１０２の座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）における受信機１０４の方位（αｘ、βｙ、γｚ）に変換される。この例では、送信機コイルは直立している。このため、βＴｘ，Ｅａｒｔｈ＝０かつγＴｘ，Ｅａｒｔｈ＝０であることが確実であり、次のようになる。
βＴｘ，Ｅａｒｔｈ≠０又はγＴｘ，Ｅａｒｔｈ≠０の場合、正しい角度を求めるために座標変換を使用することができる。 If β Tx, Earth ≠ 0 or γ Tx, Earth ≠ 0, a coordinate transformation can be used to determine the correct angle.
例示の実施形態では、直交配置された３つの平面コイルを備える３軸コイルが、送信コイル１０２によって生成される磁界ベクトルを測定する磁界センサ１０６として用いられる。固体３軸磁気センサ（例えばHoneywell HMC1043）も使用することができる。受信機１０４の３軸磁気センサ１０６は、受信機１０４の位置における磁界ベクトル（Ｈｕ、Ｈｖ、Ｈｗ）をセンサ１０６（受信機）自体の座標系（Ｕ、Ｖ、Ｗ）で測定する。受信機１０４自体の座標系（Ｕ、Ｖ、Ｗ）で測定された磁界ベクトル（Ｈｕ、Ｈｖ、Ｈｗ）は、送信機コイル１０２の座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）における受信機１０４の方位（αｘ、βｙ、γｚ）を用いて、送信機の座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）における磁界ベクトル（Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚ）に変換される。これは次に示すとおりである。
次に、推定した磁界ベクトル（Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚ）が、送信機の磁界モデルを用いて解析され、受信機の位置が推定される。図４には、コイル１０２に対する受信機１０４の位置を推定するためのフローチャート４００が示されている。まず、受信機の方位（ヨー、ピッチ及びロール）を方位センサ１０８から読み出し、磁界の振幅を３軸磁気センサ１０６から読み出す（工程４０２）。工程４０４では、演算ユニットが、（方位センサ１０８のデータから生成された回転マトリクスを用いて）磁気センサ１０６の３つのコイルから読み出した磁界ベクトルに対し角度補正を適用し、コイル１０２に対する受信機１０４の方位を判定し出力する（工程４０６）。 Next, the estimated magnetic field vectors (H x , H y , H z ) are analyzed using the transmitter's magnetic field model to estimate the position of the receiver. Referring to FIG. 4, a flowchart 400 for estimating the position of receiver 104 relative to coil 102 is shown. First, the orientation (yaw, pitch and roll) of the receiver is read from the orientation sensor 108 and the amplitude of the magnetic field is read from the triaxial magnetic sensor 106 (step 402). At step 404, the arithmetic unit applies angle correction to the magnetic field vectors read from the three coils of the magnetic sensor 106 (using the rotation matrix generated from the data of the orientation sensor 108), and the receiver 104 for the coil 102. And determine the direction (step 406).
工程４０８では、演算ユニット１１８が、工程４０４で補正した角度／方位を用いて、受信機１０４の初期位置の近似値を求める。その内容全体が引用により本書に組み入れられるウィング−ファイ等の「放射線治療用磁気追跡システム」、IEEE Tran. Biomedical Circuits and system 2010に記載されているように、送信コイルが点状信号源であると仮定して場の方程式を用いることにより概算位置を算出してもよい。
こうした近接場方程式は、デカルト座標では次のように記載することができる。
上記式を解くと次のようになる。
但し、Ｋは（所定の送信機と受信機に対し）実証的に算出した比例定数である。
Where K is a proportional constant calculated empirically (for a given transmitter and receiver).
工程４１０に移り、測定した磁界データが、上述した送信コイル１０２用の磁界分布モデルと比較され、誤差が判定される。誤差が所定の限度内であれば、工程４１６に進み、ｘ／ｙ／ｚのステップサイズを所定の下限値と比較する。ステップサイズが下限値であった場合、演算ユニット１１８は、受信機１０４のｘ、ｙ、ｚ推定位置を出力する（工程４２０）。そうでない場合は、ステップサイズを削減、例えば半減し（工程４１８）、誤差を再評価する（工程４１０）。工程４１０において誤差が所定の限度内でないという結果であった場合は、工程４１２に進む。工程４１２では、推定位置周辺の複数位置について磁界予想値が求められる。一例として、２７のコーナーが評価される（ｘ−Δｘ：Δｘ：ｘ＋Δｘ、ｙ−Δｙ：Δｙ：ｙ＋Δｙ、ｚ−Δｚ：Δｚ：ｚ＋Δｚ）、ここでΔはステップサイズである。その後、磁界予想値と、２７のコーナーについて算出された磁界予想値とのユークリッド距離が求められる。（２７のうち）最短距離のコーナーが新開始位置として選択され（工程４１４）、解が収束し誤差が所定の限度内に収まるまで、この工程が繰り返される。図示した例では、対象領域の大半において、１度以下の方位の誤差と、数ミリメートル以下の位置の誤差が観測された。精度は、送信コイル１０２の設計（サイズ、形状、送信電力等）及び受信機１０４の設計（増幅感度、ノイズ特性等）を最適化することにより更に改善される。 Moving to step 410, the measured magnetic field data is compared to the magnetic field distribution model for the transmit coil 102 described above to determine errors. If the error is within predetermined limits, proceed to step 416 and compare the x / y / z step size to a predetermined lower limit. If the step size is the lower limit value, the arithmetic unit 118 outputs the x, y, z estimated position of the receiver 104 (step 420). Otherwise, the step size is reduced, eg, halved (step 418), and the error is re-evaluated (step 410). If the result at step 410 is that the error is not within the predetermined limits, the process proceeds to step 412. At step 412, magnetic field estimates are determined for multiple locations around the estimated location. As an example, 27 corners are evaluated (x-Δx: Δx: x + Δx, y-Δy: Δy: y + Δy, z-Δz: Δz: z + Δz), where Δ is the step size. The Euclidean distance between the expected field value and the expected field value calculated for the 27 corners is then determined. The shortest distance corner (of 27) is selected as the new start position (step 414) and this process is repeated until the solution converges and the error is within predetermined limits. In the illustrated example, in most of the target area, an error in orientation of 1 degree or less and an error in position of a few millimeters or less were observed. The accuracy is further improved by optimizing the design of the transmit coil 102 (size, shape, transmit power, etc.) and the design of the receiver 104 (amplification sensitivity, noise characteristics, etc.).
測位システム１００は、異なる構成を有する種々の演算システム及びネットワークに組み込まれてもよい。図５には、受信機１０４が、テレビ受像機、携帯電話機、タブレット型コンピュータ、ノートブック型コンピュータ、ウェアラブル演算装置、ゲーム装置、映像ストリーミングセットトップボックスのような演算装置１１８に関連付けられた一実施形態が示されている。この実施形態では、演算装置が、位置／方位データを利用するアプリケーション１２１を実行する。受信機１０４は、演算装置１１８内に/上に/で/の下方に/の上方に/の周辺に配置してもよい。受信機１０４は、任意で演算装置１１８の一部としてもよい。受信機１０４を利用して、演算装置１１８は、その位置及び方位を推定することができる。演算装置１１８は、推定された位置及び方位データをそれ自身のアプリケーションに用いてもよく、あるいは、有線又は無線回線を介して、他の演算装置１１９とデータを共有することができる。 Positioning system 100 may be incorporated into various computing systems and networks having different configurations. In FIG. 5, an implementation in which the receiver 104 is associated with a computing device 118 such as a television set, a mobile phone, a tablet computer, a notebook computer, a wearable computing device, a gaming device, a video streaming set top box The form is shown. In this embodiment, the computing device executes an application 121 that utilizes position / orientation data. The receiver 104 may be located within / on / under / under / over / around the computing device 118. Receiver 104 may optionally be part of computing device 118. Using receiver 104, computing device 118 can estimate its position and orientation. The computing device 118 may use the estimated position and orientation data for its own application, or may share data with other computing devices 119 via wired or wireless links.
図６には、更に他の実施形態が示されており、当該実施形態では、ベルト、衣服、メガネ等を用いて送信コイル１０２が人体に装着され、追尾受信機１０４がウェアラブル演算装置に組み込まれている。 FIG. 6 shows still another embodiment, in which the transmission coil 102 is attached to a human body using a belt, clothes, glasses, etc., and the tracking receiver 104 is incorporated in a wearable computing device. ing.
図７には、更に他の実施形態が示されており、当該実施形態では、送信コイル１０２が建物１４０（壁、屋根、天井、床等）に設置され、追尾受信機１０４が移動体演算装置に組み込まれている。 FIG. 7 shows still another embodiment, in which the transmitting coil 102 is installed in a building 140 (wall, roof, ceiling, floor, etc.), and the tracking receiver 104 is a mobile computing device. It is built in.
更に他の実施形態では、送信コイル１０２が演算装置１１８と一体化され、あるいは、動作可能に接続される。この実施形態では、図８に示すように、（磁気センサ１０６と方位センサ１０８を含む）受信機１０４がそれ自身の座標系で磁界強度を測定し、地球座標系でその方位を測定する。受信機１０４内に演算ユニットがある場合、上述したとおり測定データを利用して、その位置及び方位を推定することができる。受信機１０４は、有線又は無線回線を介して、送信コイルに関連付けられた演算装置１１８又はその他の演算装置１１９に対し、測定データ又は位置及び方位の推定データを送ることができる。 In yet another embodiment, the transmit coil 102 is integrated with or operably connected to the computing device 118. In this embodiment, as shown in FIG. 8, the receiver 104 (including the magnetic sensor 106 and the orientation sensor 108) measures the magnetic field strength in its own coordinate system and measures its orientation in the earth coordinate system. If there is an arithmetic unit in the receiver 104, the measured data can be used to estimate its position and orientation as described above. The receiver 104 can send measurement data or estimated position and orientation data to the computing device 118 or other computing device 119 associated with the transmit coil via a wired or wireless link.
図８の実施形態では、受信機１０４が、送信コイル１０２に関連付けられた演算装置１１８又はその他の演算装置１１９に対し、受信機１０４の位置及び方位の推定に必要な生の測定データ又は処理済データを送ることができる。この構成は、送信コイル１０２が静止していない（つまり移動体である）場合に特に有用である。送信コイル１０２が移動体である場合、受信機１０４がその位置及び方位を内部で推定する必要があれば、地球座標系における送信コイル１０２の方位データをリアルタイムで受信機１０４に送る必要がある。受信機１０４は、その位置及び方位を内部で推定する必要がなければ、生の測定データ又は処理済データを演算装置１１８に送ることができ、演算装置１１８は、上述したように、受信機１０４の位置及び方位を推定することができる。 In the embodiment of FIG. 8, the receiver 104 may provide raw computing data or processed to estimate the position and orientation of the receiver 104 relative to the computing device 118 or other computing device 119 associated with the transmit coil 102. It can send data. This configuration is particularly useful when the transmitter coil 102 is not stationary (ie, mobile). When the transmitting coil 102 is a moving object, if the receiver 104 needs to estimate its position and orientation internally, it is necessary to transmit the azimuth data of the transmitting coil 102 in the earth coordinate system to the receiver 104 in real time. The receiver 104 can send the raw measurement data or processed data to the computing device 118 if it is not necessary to estimate its position and orientation internally, and the computing device 118 receives the receiver 104 as described above. The position and orientation of can be estimated.
図９には、図８の実施形態と類似する更に他の実施形態が示されており、当該実施形態では、送信コイル１０２及び演算装置１１８が移動体ウェアラブル演算装置（例えば、使用者の頭部）に組み込まれ、（磁気センサ１０６及び方位センサ１０８を含む）追尾受信機１０４が手首、腕、指等に配置される。手で制御可能なペン形状の追尾受信機を同様に使用してもよい。開示する実施形態のいずれにおいても、２以上の受信機１０４が同時に独立して動作することができ、送信コイル１０２からの同一ビーコン信号を使ってそれぞれの位置及び方位を検出することができる。 FIG. 9 shows yet another embodiment similar to the embodiment of FIG. 8, in which the transmitting coil 102 and the computing device 118 are mobile wearable computing devices (e.g. the head of a user) And the tracking receiver 104 (including the magnetic sensor 106 and the orientation sensor 108) is placed on the wrist, the arm, the finger or the like. A hand-controllable pen-shaped tracking receiver may be used as well. In any of the disclosed embodiments, two or more receivers 104 can operate simultaneously and independently, and the same beacon signal from the transmit coil 102 can be used to detect their position and orientation.
図１０には、図８の実施形態と類似する他の実施形態が示されており、当該実施形態では、タブレット型コンピュータ、スマートフォン、ノートブック型コンピュータ又はスマートテレビとして実現される演算装置１１８が、受信機１０４を内蔵するコントローラ１２３（例えば、ゲームリモコン又はテレビリモコン）から測定データ又は位置／方位の推定データを受信する。コントローラ１２３は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ(登録商標)又は赤外線等の図示した有線又は無線回線を用いて、演算装置１１８と動作可能に通信する。ある実施形態では、演算装置１１８の周辺（例えば、一般的にテレビの周辺付近）に長方形の送信コイル１０２を形成してもよい。 Another embodiment similar to the embodiment of FIG. 8 is shown in FIG. 10, in which the computing device 118 implemented as a tablet computer, a smartphone, a notebook computer or a smart television is shown: Measurement data or position / orientation estimation data is received from a controller 123 (for example, a game remote control or a television remote control) incorporating the receiver 104. The controller 123 operatively communicates with the computing device 118 using the illustrated wired or wireless link, such as Bluetooth® or infrared. In some embodiments, a rectangular transmit coil 102 may be formed around the computing device 118 (e.g., generally around the periphery of a television).
図１１には、図８と類似する更に他の実施形態が示されており、当該実施形態では、演算装置１１８が、受信機１０４を含むコントローラ１２３から測定データ又は位置／方位の推定データを受信するスマートフォン（又はタブレット）として実施される。ここでも演算装置１１８は、コントローラ１２３からの受信データを利用するアプリケーション１２１を実行する。演算装置１１８は、（有線又は無線回線を介して）映像表示能力のある他の装置１３０（例えば、テレビ又は映像モニタ）に映像を送る。 FIG. 11 shows still another embodiment similar to FIG. 8, in which the arithmetic unit 118 receives measurement data or position / orientation estimation data from the controller 123 including the receiver 104. Implemented as a smart phone (or tablet). Also here, the computing device 118 executes an application 121 that utilizes the received data from the controller 123. The computing device 118 sends the video to another device 130 (eg, a television or video monitor) capable of displaying video (via a wired or wireless link).
図１２には、更に他の実施形態が示されており、当該実施形態では、送信コイル１０２及び受信機１０４が、演算装置の一部としてではなく、スタンドアロンの構成要素として動作する。（磁気センサ１０６及び方位センサ１０８を含む）受信機１０４は、その位置における磁界をそれ自身の座標系で測定し、その方位を地球座標系で測定する。受信機１０４が演算ユニットを内蔵する場合、その位置及び方位を上述した方法により送信機の座標系で推定することができる。測定データ又は位置及び方位の推定データは、有線又は無線回線を介して、１つの演算装置１１８（例えば、テレビ、携帯電話機、タブレット型コンピュータ、ノートブック型コンピュータ、デスクトップ型コンピュータ、ウェアラブル装置、ゲーム装置、映像ストリーミングボックス等）又は複数の演算装置（例えば、演算装置１１９）と共有される。この実施形態では、地球座標系における送信コイル１０２の方位が演算システムに知られているものと仮定し、受信機は、受信機１０４の位置及び方位の推定に必要な生の測定データ又は処理済データを演算装置（１１８又は１１９）に送るだけで、演算装置は、受信機１０４の位置及び方位を推定することができる。 Still another embodiment is shown in FIG. 12, in which the transmitting coil 102 and the receiver 104 operate as a stand-alone component rather than as part of a computing device. The receiver 104 (including the magnetic sensor 106 and the orientation sensor 108) measures the magnetic field at that location in its own coordinate system and its orientation in the earth coordinate system. If the receiver 104 incorporates an arithmetic unit, its position and orientation can be estimated in the transmitter's coordinate system in the manner described above. Measured data or estimated data of position and orientation can be connected to one computing device 118 (for example, a television, a mobile phone, a tablet computer, a notebook computer, a desktop computer, a wearable device, a game device) via a wired or wireless circuit. , A video streaming box, etc.) or a plurality of computing devices (eg, computing device 119). In this embodiment, assuming that the orientation of the transmit coil 102 in the Earth's coordinate system is known to the computing system, the receiver may use raw measurement data or processed to estimate the position and orientation of the receiver 104. The computing device can estimate the position and orientation of the receiver 104 simply by sending the data to the computing device (118 or 119).
図１３には、図１２と類似する実施形態が示されており、当該実施形態では、送信コイル１０２が、ベルト、衣服、メガネ等を用いて人体に装着され、追尾受信機１０４が、手首、腕、指等に配置される。手で制御可能なペン形状の追尾受信機１０４を同様に用いてもよい。 An embodiment similar to that of FIG. 12 is shown in FIG. 13, in which the transmitter coil 102 is worn on the human body using belts, clothes, glasses etc., and the tracking receiver 104 is a wrist, Placed on arms, fingers, etc. A hand-controllable pen-shaped tracking receiver 104 may be used as well.
図１４には、図１２と類似する更に他の実施形態が示されており、当該実施形態では、送信コイル１０２が、建物１４０（壁、屋根、天井、床等）に固定的に設置され、移動体追尾受信機１０４は、コイル１０２が送信するビーコン信号を用いてその位置及び方位を推定し、位置及び方位の推定データを有線又は無線ネットワークを介して演算装置１１８に送ることができる。 FIG. 14 shows still another embodiment similar to FIG. 12, in which the transmitting coil 102 is fixedly installed in a building 140 (wall, roof, ceiling, floor, etc.), The mobile tracking receiver 104 can estimate its position and orientation using the beacon signal transmitted by the coil 102, and can send position and orientation estimation data to the computing device 118 via a wired or wireless network.
図１５には、図１２と類似する更に他の実施形態が示されており、当該実施形態では、受信機１０４を含むペン形状のコントローラ１２３が、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ(登録商標)又はＷｉ−Ｆｉ回線を介して、測定データ又は位置／方位の推定データを演算装置１１８（テレビ、携帯電話機、タブレット、ノートブック、デスクトップ等）に送る。演算装置１１８は、コントローラ１２３から受信したデータを利用するアプリケーション１２１を実行する。 FIG. 15 shows yet another embodiment similar to FIG. 12, in which the pen-shaped controller 123 including the receiver 104 is via a Bluetooth® or Wi-Fi line. The measurement data or position / orientation estimation data is sent to the computing device 118 (TV, mobile phone, tablet, notebook, desktop, etc.). The computing device 118 executes an application 121 that uses data received from the controller 123.
図１６には、図１２と類似する更に他の実施形態が示されており、当該実施形態では、受信機１０４を含むペン形状のコントローラ１２３が、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ(登録商標)又はＷｉ−Ｆｉ回線を介して、測定データ又は位置／方位の推定データを演算装置１１８（携帯電話機、タブレット、ノートブック、デスクトップ等）に送る。演算装置１１８は、コントローラ１２３から受信したデータを利用するアプリケーション１２１を実行する。演算装置１１８は、（有線又は無線回線を介して）映像及び／又は音声を映像表示装置１４２（例えば、テレビ、モニタ、プロジェクタ等）に送る。 FIG. 16 shows still another embodiment similar to FIG. 12, in which the pen-shaped controller 123 including the receiver 104 is via a Bluetooth (registered trademark) or Wi-Fi line. Then, the measurement data or position / orientation estimation data is sent to the computing device 118 (mobile phone, tablet, notebook, desktop, etc.). The computing device 118 executes an application 121 that uses data received from the controller 123. Arithmetic unit 118 sends video and / or audio (via a wired or wireless link) to video display 142 (eg, a television, monitor, projector, etc.).
図１７には、位相に基づく象限判別の処理工程１７００が示されている。つまり、処理工程１７００によってシステム１００は受信機が位置するＸＹＺ座標系のＸＹ平面における４つの候補象限のいずれかを判定することができる。送信機コイル１０２が送信機の座標系（Ｘ、Ｙ及びＺ座標系）のＸＹ平面にあると仮定すると、３軸センサ１０６のコイルが受信する信号間の相対位相によってその象限が得られる。最も実用的な応用では、受信機１０４が（送信機１０２の片側の）＋Ｚ方向に位置しているので、このような設定における象限検出方法をここで説明する。この方法を８つの象限システムに拡大し、送信機１０２の任意方向に位置する装置の場所を見つけるようにしてもよい。処理工程１７００は、磁界信号が磁気センサ１０６によって検出される工程１７０２から始まり、その相対位相が記憶される（工程１７０４）。図示した例では、実施ブロック１７０２において信号Ｈｕ−Ｈｗは位相がずれており、信号Ｈｕ−Ｈｗも位相がずれている。工程１７０６において、４つの候補位置（各ｘｙ象限に１つ）は、地球のＵ、Ｖ、Ｗ座標系から送信機のＸ、Ｙ、Ｚ座標系へ信号を変換することによって求められる。４つの候補位置が分かれば、候補の受信機位置における信号間の予想相対位相が算出され（これも工程１７０６）、観測された相対位相と比較される（工程１７０８）。この相対位相が正確に一致することにより、受信機の正確な象限が分かり、受信機の正確な位置が分かる（工程１７１０で出力）。図１７に示した例では、Ｈｕ−Ｈｗ及びＨｖ−Ｈｗのペアは、象限３においてのみ位相がずれた関係にあるため、受信機は実際には象限３にある。 FIG. 17 shows a process 1700 for quadrant determination based on phase. That is, process step 1700 allows system 100 to determine any of the four candidate quadrants in the XY plane of the XYZ coordinate system in which the receiver is located. Assuming that the transmitter coil 102 is in the XY plane of the transmitter's coordinate system (X, Y and Z coordinate system), the relative phase between the signals received by the coils of the 3-axis sensor 106 gives its quadrant. In the most practical application, the receiver 104 is located in the + Z direction (on one side of the transmitter 102), so a quadrant detection method in such a setup will now be described. The method may be extended to an eight quadrant system to locate devices located in any direction of the transmitter 102. Process step 1700 begins at step 1702 where a magnetic field signal is detected by magnetic sensor 106 and its relative phase is stored (step 1704). In the illustrated example, in the implementation block 1702 the signals H u -H w are out of phase and the signals H u -H w are also out of phase. At step 1706, four candidate positions (one for each xy quadrant) are determined by transforming the signal from the Earth's U, V, W coordinate system to the transmitter's X, Y, Z coordinate system. Once the four candidate positions are known, the expected relative phase between the signals at the candidate receiver positions is calculated (also step 1706) and compared with the observed relative phase (step 1708). With this relative phase match exactly, the exact quadrant of the receiver is known and the exact position of the receiver is known (output at step 1710). In the example shown in FIG. 17, a pair of H u -H w and H v -H w, since a relationship that a phase is shifted only in the quadrant 3, the receiver is actually located in quadrant 3.
図４の工程４０８に関する上述した受信機位置の初期近似の方法の代わりに、利用可能な送信機磁界分布モデルを用いて受信機１０４の初期位置の近似を行ってもよい。送信機１０２周辺の（一定の粗い空間を隔てた）様々な位置における磁界ベクトルが、予め算出され、テーブルに記憶されている。この参照テーブルを使用して、受信機１０４の位置を送信機の座標系に直接マッピングすることができる。あるいは、このテーブルを用いて、曲線近似を行い、受信機１０４の近似位置を算出するために使用される多項式（図４の工程４０８と同様）を生成してもよい。多項式の係数は、特定の送信機１０２に特化したものであり、別の送信機のために一般化することはできない。上述した方法のいずれか（又はこれらの方法の組み合わせ）を用いることにより受信機の近似位置座標が分かれば、送信機１０２の分布モデルを用いて、受信機１０４の位置が正確に算出される。この手法は、演算時間の短縮と精度の向上に役立つ。 Instead of the method of initial approximation of receiver position described above for step 408 of FIG. 4, an approximation of the initial position of receiver 104 may be made using an available transmitter field distribution model. The magnetic field vectors at various locations (a certain coarse space apart) around the transmitter 102 are pre-computed and stored in a table. This lookup table can be used to map the position of receiver 104 directly to the transmitter's coordinate system. Alternatively, this table may be used to perform curve approximation to generate a polynomial (similar to step 408 of FIG. 4) used to calculate the approximate position of the receiver 104. The coefficients of the polynomial are specific to a particular transmitter 102 and can not be generalized for another transmitter. If the approximate position coordinates of the receiver are known by using any of the above-described methods (or a combination of these methods), the distribution model of the transmitter 102 is used to accurately calculate the position of the receiver 104. This method is useful for shortening operation time and improving accuracy.
ある実施形態では、送信コイル１０２によって送信されるビーコン信号に、位置及び方位を推定するために受信機１０４によって使用される周期信号が含まれる。更に他の実施形態では、ビーコン信号に、受信機１０４に別の情報を提供する別の信号が含まれてもよい。送信コイル１０２が送信可能な別の情報には、送信コイル識別番号、送信コイル方位、送信コイル位置、送信信号周波数、送信コイルの大きさ及び形状等が含まれる。図１８に示したように、別の情報を含む別の信号は、時分割で送信することができる。図示したように、ビーコン信号１５２の第１部分１５０は測位信号であり、第２部分１５４は別の情報を含む補助信号である。あるいは、図１９に示したように、補助信号（１５６）は、位相変調又は周波数変調を用いて、変調器１６０により周期信号（１５８）とともに送信される。 In one embodiment, the beacon signal transmitted by transmit coil 102 includes a periodic signal used by receiver 104 to estimate position and orientation. In still other embodiments, the beacon signal may include another signal that provides the receiver 104 with additional information. Other information that can be transmitted by the transmission coil 102 includes a transmission coil identification number, transmission coil orientation, transmission coil position, transmission signal frequency, size and shape of transmission coil, and the like. As shown in FIG. 18, another signal containing other information can be transmitted in time division. As shown, the first portion 150 of the beacon signal 152 is a positioning signal, and the second portion 154 is an auxiliary signal that includes other information. Alternatively, as shown in FIG. 19, the auxiliary signal (156) is transmitted by the modulator 160 with the periodic signal (158) using phase modulation or frequency modulation.
複数のシステム１００（つまり、複数組の送信機／受信機）が同じ近辺で動作している場合、ある特定の受信機１０４が複数の送信機からの送信信号を拾う場合があり、それによって受信機の位置を適切に推定することができなくなる。ある実施形態では、異なる送信機コイル１０２が異なる周波数で送信する。そして、図２０に示したように、個別の受信機１０４は、狭帯域回路又はフィルタリングを用いて、それぞれ対応する対象送信機１０２の特定周波数に同調される。図２０では、受信機２がｆ１に同調した狭帯域回路を使用するため、送信コイル１が送信するビーコン信号を拾う。その結果、受信機２は、その位置及び方位を送信コイル１の座標系で推定する。 When multiple systems 100 (i.e., multiple sets of transmitters / receivers) are operating in the same vicinity, a particular receiver 104 may pick up transmissions from multiple transmitters, thereby receiving It becomes impossible to estimate the position of the aircraft properly. In one embodiment, different transmitter coils 102 transmit at different frequencies. Then, as shown in FIG. 20, the individual receivers 104 are tuned to the corresponding specific frequency of the target transmitter 102 using narrow band circuitry or filtering. In FIG. 20, since the receiver 2 uses a narrow band circuit tuned to f1, the beacon signal transmitted by the transmission coil 1 is picked up. As a result, the receiver 2 estimates its position and orientation in the coordinate system of the transmitting coil 1.
ある実施形態では、アンテナコイル１０２を最適化して品質を向上させてもよい。一実施例では、図２１（Ａ）に示したような単純なコイルを使用する。図２１（Ｂ）に示したような構成のＬＣ共振器１６２を用いることにより送信信号の品質を改善することができる。図２１（Ｃ）に示したように、送信コイル１０２を駆動する励振コイル１６４を用いることにより送信信号の品質を更に改善することができる。図２１（Ｂ）及び図２１（Ｃ）に示したコンデンサ１６３は、電圧制御又は機械式制御の可変コンデンサであってもよい。可変コンデンサを用いることにより、ＬＣタンク１６２の共振周波数を調整し、送信信号の周波数に一致させることができる。図２１に示した例では、シングルエンドドライバを使用している。シングルエンドドライバを用いる代わりに、差動ドライバを任意に使用してもよい。 In one embodiment, antenna coil 102 may be optimized to improve quality. In one embodiment, a simple coil as shown in FIG. 21 (A) is used. By using the LC resonator 162 configured as shown in FIG. 21B, it is possible to improve the quality of the transmission signal. As shown in FIG. 21C, the use of the excitation coil 164 for driving the transmission coil 102 can further improve the quality of the transmission signal. The capacitor 163 shown in FIGS. 21B and 21C may be a variable capacitor of voltage control or mechanical control. By using a variable capacitor, the resonant frequency of the LC tank 162 can be adjusted to match the frequency of the transmission signal. In the example shown in FIG. 21, a single end driver is used. Instead of using single-ended drivers, differential drivers may optionally be used.
演算ユニット１１８又は１１９のいずれか、受信機１０４、磁気センサ１０６、方位センサ１０８、信号発生装置１１０、ドライバ１１２及びコントローラ１２３には、１又は２以上の演算プロセッサ、メモリ、並びに、データ解析用及びここに記載したその他の解析実行用のデータ記憶装置、並びに、関連部品が含まれてもよい。各プロセッサには、１又は２以上のマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）、プログラマブルロジックアレイ（ＰＬＡ）、プログラマブルアレイロジックデバイス（ＰＡＬ）又はデジタル信号処理装置（ＤＳＰ）を含めることができる。データ記憶ユニットは、プロセッサアクセス可能な１又は２以上の情報記憶メモリを含み、あるいは、前記情報記憶メモリに通信可能に接続される。メモリは、例えば筐体内にあってもよいし、分散システムの一部であってもよい。「プロセッサアクセス可能なメモリ」という表現には、プロセッサ１８６がデータを送信又は受信することができる全てのデータ記憶装置が含まれるものとし、揮発性又は不揮発性メモリ、リムーバブルメモリ又は固定メモリ、電子メモリ、磁気メモリ、光メモリ、化学メモリ、機械メモリ又はその他メモリが含まれる。プロセッサアクセス可能なメモリの例としては、レジスタ、フロッピーディスク、ハードディスク、テープ、バーコード、コンパクトディスク、ＤＶＤ、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、消去可能でプログラム可能な読み取り専用メモリ（ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ又はＦｌａｓｈ）及びランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）が含まれるが、これらに限定されない。データ記憶システム１４０におけるプロセッサアクセス可能なメモリの１つとして、有体の非一時的なコンピュータ読み取り可能な記憶媒体、つまり、プロセッサに提供される実行のための指令を記憶することに関与する非一時的装置又は製品があり得る。 The arithmetic unit 118 or 119, the receiver 104, the magnetic sensor 106, the azimuth sensor 108, the signal generator 110, the driver 112 and the controller 123, one or more arithmetic processors, memories, and data analysis Other analysis-performing data stores as described herein, as well as related components may be included. Each processor includes one or more microprocessors, microcontrollers, field programmable gate arrays (FPGAs), application specific integrated circuits (ASICs), programmable logic devices (PLDs), programmable logic arrays (PLAs), programmable array logics A device (PAL) or a digital signal processor (DSP) can be included. The data storage unit includes one or more processor accessible information storage memories, or is communicably connected to the information storage memories. The memory may be, for example, in a housing or may be part of a distributed system. The expression "processor accessible memory" includes all data storage devices to which processor 186 can send or receive data, volatile or non-volatile memory, removable or non-removable memory, electronic memory , Magnetic memory, optical memory, chemical memory, mechanical memory or other memory. Examples of processor accessible memory are registers, floppy disks, hard disks, tapes, bar codes, compact disks, DVDs, read only memories (ROMs), erasable programmable read only memories (EPROMs, EEPROMs or Flash) And random access memory (RAM), but is not limited thereto. A tangible non-transitory computer-readable storage medium as one of the processor accessible memories in data storage system 140, ie, non-transitory that is involved in storing instructions for execution provided to a processor. Devices or products.
ここに記載した各態様は、システム又は方法として具体化してもよい。従って、ここに記載の各態様は、全てがハードウェアの態様、全てがソフトウェアの態様（ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコード等を含む）又はソフトウェア態様とハードウェア態様を組み合わせた態様の形態をとってもよい。これらの態様の全てが、ここでは「サービス」、「回路」、「回路構成」、「モジュール」又は「システム」と一般的に称され得る。 Each aspect described herein may be embodied as a system or method. Thus, each aspect described herein may take the form of all hardware aspects, all software aspects (including firmware, resident software, microcode, etc.) or a combination of software and hardware aspects. . All of these aspects may be generically referred to herein as "services", "circuits", "circuit configurations", "modules" or "systems".
また、ここに記載の各態様は、コンピュータプログラム製品として具体化してもよく、有体の非一時的なコンピュータ読み取り可能な媒体上に記憶されたコンピュータ読み取り可能なプログラムコードが含まれる。このような媒体は、当該製品における従来の通りに、例えば、ＣＤ−ＲＯＭのプレスによって、製造することができる。プログラムコードには、プロセッサに（可能であれば他のプロセッサにも）読み込み可能なコンピュータプログラム指令が含まれ、プロセッサによって実行されるここに記載の各態様の機能、動作又は操作工程の要因となる。ここに記載した各態様の動作を実行するためのコンピュータプログラムコードは、１又は２以上のプログラム言語を任意に組み合わせて記載されていてもよい。 Also, each aspect described herein may be embodied as a computer program product, including computer readable program code stored on a tangible non-transitory computer readable medium. Such media can be manufactured as conventional in the product, for example by means of a CD-ROM press. The program code includes computer program instructions readable by a processor (and possibly into another processor) and is responsible for the functions, operations or operating steps of the aspects described herein that are executed by the processor. . Computer program code for executing the operations of the aspects described herein may be described in any combination of one or more program languages.
本発明は、ここに記載した態様の組み合わせを含んでいる。「特定の態様」又は「実施形態」等の言及は、本発明の少なくとも１つの態様に存在する構成を指している。「ある態様」（又は「実施形態」）又は「複数の特定態様」等の異なる言及は、必ずしも同一の態様又は複数態様を指しているわけではないが、そのように表示されている場合や、その技術分野の知識の一つであることが当然に明らかである場合を除き、こうした態様は相互排他的ではない。「方法」又は「複数の方法」等に言及する際の単数形又は複数形の使用は限定的なものではない。他に明示的な記載がなければ、「又は」という用語は、本開示では非排他的な意味で用いられている。 The invention includes a combination of the aspects described herein. References to "a particular aspect" or "embodiment" or the like refer to a feature present in at least one aspect of the present invention. Different references such as “an aspect” (or “embodiment”) or “specific aspects” do not necessarily refer to the same aspect or a plurality of aspects, but they may be displayed as such, or Such aspects are not mutually exclusive, unless it is of course obvious to one of the knowledge in the art. The use of the singular or plural in referring to "a method" or "a plurality of methods" etc. is not limiting. Unless expressly stated otherwise, the term "or" is used in the non-exclusive sense in the present disclosure.
特定の好ましい態様を特に参照して本発明を詳細に説明したが、本発明の精神及び範囲の中において、変更、組み合わせ及び修正が当業者によって行われ得ることが理解されるであろう。
なお、本発明による測位システム及び方法は、例えば、以下のように構成される。
［１］
ａ） 地球座標系における方位が既知であり、測位イベント中に周期信号を送信する送信コイルと、
ｂ） 前記送信コイルによって生成された磁界ベクトルと、地球座標系における受信機の方位とを測定する検出ユニットを有する少なくとも一つの受信機と、
ｃ） 前記測定された磁界ベクトル、地球座標系における前記測定された方位、及び、地球座標系における前記送信コイルの前記既知の方位を用いて、前記送信機の座標系における前記受信機の位置及び方位を推定するように構成される少なくとも一つの演算ユニットとを備える測位システム。
［２］
前記検出ユニットは、磁界を測定する３軸磁気センサと、方位を測定する方位センサとを含む上記［１］に記載の測位システム。
［３］
前記送信コイルは、移動体電子装置に組み込まれ、送信コイル及び位置センサの両方が同時に移動するとともに、地球座標系における前記送信コイルの前記方位は、前記受信機内の前記演算ユニットにリアルタイムで供給される上記［１］に記載の測位システム。
［４］
同時に独立して動作する複数の受信機を備える上記［１］に記載の測位システム。
［５］
前記演算ユニットが前記受信機に組み込まれている上記［１］に記載の測位システム。
［６］
前記演算ユニットは、前記受信機から離間され、前記受信機が、有線又は無線回線を介して、測定された前記磁界ベクトルと、地球座標系における前記方位とを前記演算ユニットに送信する上記［１］に記載の測位システム。
［７］
前記磁気センサは、向きが互いに直交する３つの平面コイルを含む上記［１］に記載の測位システム。
［８］
前記受信機は、前記送信コイルの前記磁界を測定する複数の３軸磁気センサを備える上記［１］に記載の測位システム。
［９］
前記送信コイルは、前記演算ユニットに組み込まれ、前記受信機の位置データが、前記演算ユニットに送信される上記［１］に記載の測位システム。
［１０］
前記演算ユニットは、テレビ受像機、携帯電話機、タブレット型コンピュータ、ノートブック型コンピュータ、デスクトップ型コンピュータ、ウェアラブル装置及びビデオゲーム装置の少なくとも一つを備える上記［１］に記載の測位システム。
［１１］
前記受信機は、前記演算ユニットに組み込まれ、前記送信コイルに対する前記演算ユニットの位置が判定可能である上記［１］に記載の測位システム。
［１２］
前記受信機は、スタンドアロンユニットとして構成され、前記受信機が、有線又は無線回線を介して、位置及び方位データを前記演算ユニットに送信する上記［１］に記載の測位システム。
［１３］
前記送信コイルは、ビーコン信号を送信するように構成され、当該ビーコン信号は、前記受信機の位置を判定するための周期信号部と、補助信号部とを含む上記［１］に記載の測位システム。
［１４］
前記補助信号部は、コイル識別情報、コイル方位、送信信号周波数、送信コイルサイズ及び送信コイル形状の少なくとも一つを含む上記［１３］に記載の測位システム。
［１５］
それぞれが異なる周波数で送信するように構成された複数の送信コイルと、
それぞれが前記送信コイルの一つから信号を受信する複数の受信機とを更に備える上記［１］に記載の測位システム。
［１６］
前記演算ユニットは、位相ベース象限検出を用いて、前記コイルに対する前記受信機位置の象限を判定するように構成される上記［１］に記載の測位システム。
［１７］
前記演算ユニットは、前記受信機位置及び前記受信機の方位の初期推定を行い、その後に初期推定された位置の周辺の複数の位置を評価する上記［１］に記載の測位システム。
［１８］
前記演算ユニットは、更に、前記複数の位置について測定されたフィールド値と、推定されたフィールド値との誤差を評価する上記［１７］に記載の測位システム。
［１９］
前記演算ユニットは、更に、前記複数の位置から第２の推定位置を選択するように構成され、当該第２の推定位置が、他の複数の位置に比べてフィールド誤差が最も小さい上記［１８］に記載の測位システム。
［２０］
送信コイルを用いて測位イベント中に周期信号を送信し、
受信機を用いて、前記送信コイルによって生成される磁界ベクトルと、地球に対する前記受信機の方位とを検出し、
演算ユニットを用いて、測定された前記磁界ベクトル、地球座標系における測定された前記方位及び地球座標系における前記送信コイルの既知の方位を用いて送信機の座標系における前記受信機の位置及び方位を推定する、送信コイルに対する受信機の位置を判定する方法。
Although the invention has been described in detail with particular reference to certain preferred embodiments, it will be understood that variations, combinations and modifications can be carried out by those skilled in the art within the spirit and scope of the invention.
The positioning system and method according to the present invention are, for example, configured as follows.
[1]
a) A transmitting coil whose azimuth in the earth coordinate system is known and which transmits periodic signals during positioning events;
b) at least one receiver comprising a detection unit for measuring the magnetic field vector generated by the transmitting coil and the orientation of the receiver in the earth coordinate system;
c) the position of the receiver in the coordinate system of the transmitter using the measured magnetic field vector, the measured orientation in the earth coordinate system, and the known orientation of the transmitting coil in the earth coordinate system A positioning system comprising at least one computing unit configured to estimate an orientation.
[2]
The positioning system according to [1], wherein the detection unit includes a three-axis magnetic sensor that measures a magnetic field, and an azimuth sensor that measures an azimuth.
[3]
The transmitter coil is incorporated in a mobile electronic device, and both the transmitter coil and the position sensor move simultaneously, and the orientation of the transmitter coil in the earth coordinate system is supplied to the arithmetic unit in the receiver in real time Positioning system according to the above [1].
[4]
The positioning system according to the above [1], comprising a plurality of receivers operating simultaneously and independently.
[5]
The positioning system according to the above [1], wherein the arithmetic unit is incorporated in the receiver.
[6]
The arithmetic unit is separated from the receiver, and the receiver transmits the measured magnetic field vector and the azimuth in the earth coordinate system to the arithmetic unit via a wired or wireless channel [1]. The positioning system according to].
[7]
The positioning system according to the above [1], wherein the magnetic sensor includes three planar coils whose directions are orthogonal to each other.
[8]
The positioning system according to the above [1], wherein the receiver comprises a plurality of three-axis magnetic sensors that measure the magnetic field of the transmission coil.
[9]
The positioning system according to the above [1], wherein the transmission coil is incorporated in the arithmetic unit, and position data of the receiver is transmitted to the arithmetic unit.
[10]
The positioning system according to the above [1], wherein the arithmetic unit comprises at least one of a television set, a mobile phone, a tablet computer, a notebook computer, a desktop computer, a wearable device and a video game device.
[11]
The positioning system according to [1], wherein the receiver is incorporated in the arithmetic unit, and the position of the arithmetic unit with respect to the transmission coil can be determined.
[12]
The positioning system according to the above [1], wherein the receiver is configured as a stand-alone unit, and the receiver transmits position and orientation data to the arithmetic unit via a wired or wireless channel.
[13]
The transmission coil is configured to transmit a beacon signal, and the beacon signal includes the periodic signal unit for determining the position of the receiver, and the auxiliary signal unit, and the positioning system according to the above [1] .
[14]
The positioning system according to the above [13], wherein the auxiliary signal unit includes at least one of coil identification information, coil orientation, transmission signal frequency, transmission coil size, and transmission coil shape.
[15]
A plurality of transmit coils, each configured to transmit at a different frequency;
The positioning system according to the above [1], further comprising: a plurality of receivers each receiving a signal from one of the transmitting coils.
[16]
The positioning system according to [1], wherein the computing unit is configured to determine a quadrant of the receiver position relative to the coil using phase based quadrant detection.
[17]
The positioning system according to [1], wherein the arithmetic unit makes an initial estimation of the receiver position and the azimuth of the receiver, and thereafter evaluates a plurality of positions around the initially estimated position.
[18]
The positioning system according to the above [17], wherein the arithmetic unit further evaluates an error between a field value measured for the plurality of positions and an estimated field value.
[19]
The arithmetic unit is further configured to select a second estimated position from the plurality of positions, and the second estimated position has the smallest field error compared to the other plurality of positions [18]. Positioning system described in.
[20]
Transmit periodic signals during positioning events using a transmit coil,
Using a receiver to detect the magnetic field vector generated by the transmitting coil and the orientation of the receiver with respect to the earth;
Position and orientation of the receiver in the transmitter's coordinate system using the measured magnetic field vector, the measured orientation in the earth's coordinate system and the known orientation of the transmitting coil in the earth's coordinate system using an arithmetic unit A method of determining the position of the receiver relative to the transmitting coil, estimating
Claims (4)
ｂ） 前記送信コイルによって生成された磁界ベクトルと、地球座標系における受信機の方位とを測定する検出ユニットを有する少なくとも一つの受信機と、
ｃ） 前記測定された磁界ベクトル、地球座標系における前記測定された方位、及び、地球座標系における前記送信コイルの前記既知の方位を用いて、前記送信機の座標系における前記受信機の位置及び方位を推定するように構成される少なくとも一つの演算ユニットとを備え、
前記演算ユニットは、位相ベース象限検出を用いて、前記コイルに対する前記受信機位置の象限を判定するように構成される測位システム。 a) A transmitting coil whose azimuth in the earth coordinate system is known and which transmits periodic signals during positioning events;
b) at least one receiver comprising a detection unit for measuring the magnetic field vector generated by the transmitting coil and the orientation of the receiver in the earth coordinate system;
c) the position of the receiver in the coordinate system of the transmitter using the measured magnetic field vector, the measured orientation in the earth coordinate system, and the known orientation of the transmitting coil in the earth coordinate system And at least one arithmetic unit configured to estimate an orientation;
A positioning system , wherein the computing unit is configured to determine a quadrant of the receiver position relative to the coil using phase based quadrant detection.
ｂ） 前記送信コイルによって生成された磁界ベクトルと、地球座標系における受信機の方位とを測定する検出ユニットを有する少なくとも一つの受信機と、
ｃ） 前記測定された磁界ベクトル、地球座標系における前記測定された方位、及び、地球座標系における前記送信コイルの前記既知の方位を用いて、前記送信機の座標系における前記受信機の位置及び方位を推定するように構成される少なくとも一つの演算ユニットとを備え、
前記演算ユニットは、前記受信機位置及び前記受信機の方位の初期推定を行い、その後に初期推定された位置の周辺の複数の位置を評価する測位システム。 a) A transmitting coil whose azimuth in the earth coordinate system is known and which transmits periodic signals during positioning events;
b) at least one receiver comprising a detection unit for measuring the magnetic field vector generated by the transmitting coil and the orientation of the receiver in the earth coordinate system;
c) the position of the receiver in the coordinate system of the transmitter using the measured magnetic field vector, the measured orientation in the earth coordinate system, and the known orientation of the transmitting coil in the earth coordinate system And at least one arithmetic unit configured to estimate an orientation;
A positioning system for performing an initial estimation of the receiver position and an orientation of the receiver and thereafter evaluating a plurality of positions around the initially estimated position .
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