JP6680475B2 - 位置認識システム - Google Patents

Description

本発明は、ビル、オフィスなどの建物内での人の移動や作業場内での移動体の位置を認識する物体の位置認識システムに関すものである。

現在、人や物体の所在を確認する方法として、例えば徘徊老人にGPS受信機を持たせ、受信したGPS情報を、確認したい人や見守りサーバーに送信するシステムは実用化されている。しかし、GPS情報の受信は、室内では、不可能で、オフィスのような建物内で、利用することはできない。先行技術文献には、監視カメラを多数配置し、人の移動を解析する技術が開示されているが、例えば、オフィスの会議室にいる人のすべてを特定することは困難である。

特許文献1には、多数のカメラを設置し、カメラ映像を解析することで、人の移動を検出しているが、カメラ映像で特定するのは、不審者とかの個人で、個人の移動を複数のカメラで追跡する技術が開示されているが、カメラ映像から複数の人の移動を同時に追跡する技術は開示されていない。

特開２０１０−６８４６６

オフィスビル内で従業員一人一人の現在の所在を確認できるようにすることで、従業員が自分の机にいない時、今どこにいるのか（喫煙室にいるのか、会議室にいるのかなど）を把握でき、人探しの労力・無駄をなくす。このことは、喫煙者の一日の喫煙時間が測定できたり、昼食休憩時間を過ぎても業務に復帰できてない社員の状況も把握でき、人事管理の観点から重要である。また、従業員の移動状態や静止状態も合わせて管理し、従業員が眠っているのかどうかや健康状態も監視できるようにする。

本発明においては、従業員一人一人に無線通信可能なタグを持たせ、オフィス内に無線局を所要数配置し、タグと無線局との通信結果を、通信できたタグ番号と無線局番号（つまりオフィス内での配置箇所情報に相当する）、および無線局からみたタグの所在位置を示す角度（二つの無線局を結ぶ直線と、タグと二つの無線局を結ぶ二つの角度）情報を、サーバーに送信し、サーバーで従業員が今どこにいるのかを角度情報をもとに演算・特定を行い、従業員の所在情報を管理できるようにする。こんにち、多くの企業では、従業員一人一人に入出門管理のためIDカードを発行し、そのIDカードを透明なホルダーに入れ、そのホルダーを従業員の首にかけるシステムが多用されているが、上記タグは、IDカードとともに、ホルダー内に収納することが可能な物理的大きさ、重量で、実現する。

オフィス内で従業員一人一人の居場所が常時把握でき、その人への緊急連絡を取りたいときなどに、その人の居場所を探す煩わしさから解放される。居場所が常時把握できることは居場所の履歴管理ができることになり、人事管理上、いろいろなデータを作成することができ、タグを所持しているかどうかは勿論、従業員の勤怠管理や健康管理データ、などが容易に作成可能となる。

本発明による位置認識システムの基本原理を、二つの無線局とタグの位置で形成される三角形をもちいて説明する図である。 本発明による位置認識システムの基本原理で、ひとつの無線局の部分を、拡大して示す図である。 本発明による位置認識システムの基本原理で、ひとつの無線局の部分を、拡大して示すもうひとつの図である。 本発明による無線局とタグとの配置の概念を示す図である。 本発明によるタグと無線局、サーバーとの接続を示す図である。 本発明によるタグと無線局、サーバーの各々の動作を関連づけて示す図である。 本発明によるタグと無線局の電波の発信タイミングを示す図である。 本発明によるタグから無線局への通信データ、無線局からサーバーへの通信データの信号形式を示す図である 本発明によるタグの内部構成を示す図である。 本発明による無線局の内部構成を示す図である。 本発明によるタグの内部にある加速度センサの出力を示す図である。

以下本発明を図面に基づいて説明する。

図１、図２、図３は本発明による位置認識システムの基本原理を示すものである。

図1において、S１、S２は隣接する無線局、Tはタグの位置、α、βは角度を示す。S１、S２間の距離は、無線局間の距離Lで既知である。α、βを図２に示す方法で測定することで、Tの位置は、無線局S１から角度αの方向で、TS１の距離にある、あるいは、無線局S2から角度βの方向で、TS2の距離にあると認識する。

図１において、以下の二つの式が成立する。

TS１×cosα ＋ TS２×cosβ = L
TS１×sinα = TS２×sinβ
二つの式より、TS１、TS２を求めると、
TS１= L×sinβ/sin(α+β) ・・ ・ ・（１）
TS２= L×sinα/sin(α+β) ・・ ・・・（２）
となる。

次に図２を用いてα、βの測定法を示す。

図２においては、無線局S１に、電波の波長の半分の間隔でアンテナS１a、 S１bを置く。電波の周波数が９２０MHｚとすれば、波長は、３２センチメートルとなり、図２のDは１６センチメートルである。TがS１から3メートル以上とかそれなりの距離離れているとすると、Tからの電波は、S１a、S１bに平行に到達すると近似できる。

Dcosα = Δｄであり、Δｄを求めることで角度αが求まる。

Δdは時間にすれば、Δｄ/ｃ (ｃは電波の速さ)であり、
アンテナS１bの受信電波をsin ωt（ω = 2πf、fは周波数）とすれば、アンテナS１aの受信電波は、sin ω(t-Δｄ/ｃ)となり、アンテナS１a、S１bの受信電波を乗算すれば、
sin ωt× sin ω(t-Δｄ/ｃ) = 1/2×{ cosωΔｄ/ｃ − cos(2ωt-ωΔｄ/ｃ)}・・・・（３）
となり、フィルタで２ω成分を取り除けば、
フィルタ出力Φは、
Φ = cos(ωΔｄ/ｃ) = cos(ωDcosα/ｃ)
arccos Φ= ωDcosα/ｃ
cosα = (ｃ/ωD)arccosΦ = (1/π)×arccos Φ ・・・・（４）
が算出される。cosβも同様に算出できる。

なお、cos α の値が1に近いとき、cos関数値は変化が少なく、
αの算出には誤差がともないやすいので、このようなときは、cosαの代替として、sinαを用いるようにする。

このため図３に示すように、アンテナS１cがS１aに対して直角に設けられる。

このとき、図２に示すΔｄ は、Δｄ = D sin α となり、同様の計算で、
sinα = (1/π)×arccos Φ で、αが小さいとき、sinαの値は０ に近い数字となりcosαに比べ大きく変化するので、誤差をより小さくすることができる。

図４は、建物内に設置される無線局とタグとの位置関係を模式的に示す。

個々の無線局の電波の届く範囲は図の破線エリア程度である。実際の建物内では、図４に示すような模式的な配置で無線局が設置されるとは限らない。後述するが各タグは、どの無線局からの電波を受信しているのかがわかる。

無線局の無線電波出力は、建物の面積や構造（階数等）によって無線局をいくつ設置するかを考慮しながら決める。本発明では、電波としては、ISMバンド（産業、科学、医療用バンド）にある920MHz帯の利用を考えている。

このとき、送信電力は電波法で規定の範囲で設定すればよく、無線局をいくつ設置するかを考慮しながら決める。無線局間の距離を５０メートル程度にすることも一つの目安である。構内内線電話にPHS電話を用いている建物では、内線電話のために構内に設置しているPHS基地局に、後述するアンテナを付加すれば、本発明の無線局として利用することもできる。

図５に示すように各無線局はタグと無線通信するが、サーバーとの通信は、サーバーがパソコンであったりもするので、有線LAN、WiFi、公衆通信網等の使用が考えられる。無線接続の場合は、タグと無線局との無線通信に影響を及ぼさないように注意することが必要である。

無線局には予め、個々の無線局にID符号が割り当てられており、そのID符号を無線電波として発信する。個々の無線局は、図７に示すように、隣接する無線局間で電波が干渉しないよう巡回的に電波を発信し、タグは無線電波を受信し、ID符号を復元することで、自分がどの無線局からの電波を受信しているのかを知る。このとき、受信レベルの高い二つの無線局からのIDを復元する。タグは、図7に示すように無線局から発信される電波の隙間タイミングで、復元したふたつのID符号と自己のタグ番号を無線局に送信する。

図６は、タグ、無線局、サーバーの動作関連を示す。本発明の実施形態として、オフィス内でタグをつけた人（社員）が移動する例について説明する。

タグは、後述するが、人の移動を検知するためタグ内部に設けた加速度センサの出力を常時モニタしていて、人が移動を終えて静止したことを検出したら、無線局からの電波を受信し、受信レベルの高い二つの無線局情報（無線局のID符号）を復元する。自己のタグ番号とともに図８（a）に示すような信号形式で図7に示すタイミングで電波発信する。タグからの電波を受信した無線局は、自己のIDと同一のIDが受信出来たら、受信した電波を利用し、前記した角度の計算に入る。二つの無線局がこの作業を行う。角度が計算出来たら、自己のID符号と角度情報をサーバーに送る。サーバーは、受信した無線局IDと角度情報から数値演算を行う事でタグの位置を割り出し、無線局の配置図とともに、タグが建物内の何処にいるかを判定する。このような動作はすべてのタグに対し、また各タグが移動から静止状態になったとき行われ、所在情報はデータバンクに蓄えられ、誰が、どこにいるのかの個人別居所判定や、個人別居所履歴管理や、社員の健康状態などを把握するタグ状態管理が常時行われている。

無線局からの電波の発信周期・タイミングは、建物内に設置する無線局の数、タグの数、タグの所在をモニタする周期などで決定される。人の移動をモニタする場合は、１分でも充分であるが、ここでは、無線局からの電波は、１無線局当たり１秒周期で発信されるケースで試算してみる。無線局から発信する電波は、ID符号のみで、たかだか2バイトの長さで充分である。その信号を19.2kbpsの通信速度で変調すると仮定すると、電波の発生時間は、２×８/１９．２ｍｓ =０．８３３ｍｓ≒１ｍｓであり、1無線局当たり、９９９ｍｓの空き時間がある。近接する２つの無線局からの電波も受信できるだろうから、空き時間は、２ｍｓ削減し９９７ｍｓと考える。タグから無線局へ送出するデータ図８（a)の長さは、各信号が２バイト、合計で１０バイトとし、通信速度を19.2kbpsすると、４．１６ｍｓである。タグの総数を100とし、例えば全社員が大会議室などに集合するケースを想定すると、９９７ｍｓの間に、図８（a）に示すタグ情報を100個送信する事が必要で、100個のタグ情報が時分割的に送信されるとしても、４１６ｍｓあればよく、前記９９７ｍｓの空き時間に１００個のタグ情報の送信は十分可能である。

実際には、各タグからの発信電波はタグごとに電波のチャンネル（変調周波数）が、９２０．１Mhz、９２０．２Mhz、９２０．３Mhzのように、１００KHz毎とかに、あらかじめ割り当てられており、タグの電波が、時分割でなく、同時刻に発信されてもタグ情報の復元は可能である。また、前記した通信速度１９．２ｋｂｐｓを更に向上することは容易であり、建物内に設置する無線局の数、タグの数、伝送する情報量、等から速度を決定すればよい。

サーバーの中では、個人別居所判定や個人別居所履歴管理が行われていてそれぞれの出力は、表１、表２に示すようなものとなる。

表１の例では、９時５３分時点で、社員Ａは設計部、社員Ｂは営業部、社員Ｃは会議室１、社員Ｄは応接室２、社員Ｅはロビー１、社員Ｆは喫煙室にいることがわかる。

表２の例では、社員Ａは１０時から１１時近くまで設計部にいて、１１時から会議室１で会議、その後社員食堂で昼食、１３時からは営業部にいることがわかる。社員Ａは設計部所属であることが別途わかっているので、１０時から１１時近くまでは居室で仕事、午後は営業部の人と打ち合わせしていたと推定できる。

図９は、タグの内的構成を示す。

タグは、加速度センサ１０、電池１１、電源供給制御回路１２、タグ番号発生回路１３、信号形成回路１４、無線局ID復元回路１５、受信レベル検知回路１６、無線送信回路１７、無線受信回路１８、生体情報センサ１９、センサ解析回路２０、電池残量検知回路２１、入出門検知回路２２よりなる。社員が、会社の建物に入ると入出門検知回路２２が、そのことを感じ電池１１に加速度センサ１０に電源を供給すること依頼する。また社員が建物から外にでると入出門検知回路２２がそのことを感じ、電池１１に加速度センサ１０への電源供給を停止させる。加速度センサ１０は、社員が建物内にいるときは、常時電源が供給されていて、各個人の移動から静止状態への変化がモニタされている。移動から静止に移ったと判断されたときは、電源供給制御回路から他の回路に電源が供給され、まず最初に無線局からの電波を受信する。無線受信回路１８の出力は、受信レベル検知回路１６で、受信レベルが測定され、時分割的に受信される4つの無線局の電波の中から信号レベルの高い二つの無線局を選び、タグは、その二つの無線局の近傍にいると判断され、その無線局からのID符号が、無線局ID復元回路１５で復元される。

復元された二つの無線局IDとタグ固有のタグ番号が、信号形成回路１４で通信信号として合成され、無線送信回路１７より図7に示すタイミングで送信される。後述するが、このときタグ所有者の体温や心拍数を測定する生体情報センサ１９の情報とともに送信すれば、社員の健康管理にも利用できる。

タグの動作は加速度センサ１０の出力をモニタすることから始まる。加速度センサ１０の出力波形を図１１に示すが、歩行中の出力は、図１１のaのように振幅が高く、机で仕事をしているときは、左右を見たり、首を上下するなどの動き量で歩行中よりは小さい図１１のｂのような振幅となる。眠っているときの動きは、仕事をしているときの動きより少なく、首が上下する程度の振幅で図１１のｃのようなレベルである。くしゃみをした場合は図１１のｄのように、インパルス的になる。個人タグを携帯してなく、カバンの中や机の上などに置かれたままの時は、加速度センサの出力は静止状態を示す図１１のｅのようにゼロになる。センサ解析回路２０はこのような判断を行う回路である。

タグ所有者が、居眠り中、くしゃみをした、静止中の解析結果は、図８（a）の制御信号として送る。電池残量検知回路２１は、電池の残量を検知する回路で、所定の残量より少なくなったら、そのことを図８（a）の制御信号として送り、サーバーで、とあるタグ番号の電池残量が少ないと知ったときは、タグを所有する社員に電話などでそのことを知らせる。

図８（a）の制御信号は、下記の状態を知らせる信号を含んでいる。

・電池残量が少ない
・タグ不所持(タグ静止中)
・居眠り中
・くしゃみをした
・生体情報異常（体温、心拍数が高い）
生体情報異常とは、測定された生体情報が、予め設定した値と比較し、正常か異常かを判断し、異常と判断された時の信号である。

センサ解析回路２０で、加速度センサ出力をモニタするが、加速度センサの出力振幅と時間を見ながら、振幅が小さくなり、所定時間を経過したら、静止したと判断する。静止と判断された時点で、必要な回路に電源を供給する。タグの移動が少ないとき、つまり、加速度センサ出力振幅がそれほど大きくなく、時間も少ない時は、机の近辺を移動しただけ、あるいは会議室で、説明に起立しただけ、で所在には変化なしと判断し、必要な回路への電源供給は行わない。このような方法によって、タグの電池寿命の長期化を図る。なお、終日居室の机で仕事をする場合も多く、この場合、移動を確認できないので、センサ解析情報や電池残量を知らせることができない。そのため、図示しないが、タグは、３０分とか１時間のタイマを有し、移動がなくても、３０分とか１時間に１回は、図８（a）信号を送る。このことで、タグ不携帯の社員も把握できる。タグ不携帯者がサーバーで判明したら、その人に電話連絡し、携帯を促す。

図１０は、無線局の内部構成を示す図である。

無線局は、アンテナS１a３２、アンテナS１b３１、アンテナS１c３０、無線受信回路３４、乗算回路３５、切替器３３、フィルタ３６、係数変換回路３７、閾値判定回路３８、逆三角関数テーブル３９、無線局ID回路４０、信号合成回路４１、無線送信回路４２、送信回路４３よりなる。

無線局ID回路４０の出力は、無線送信回路４２より、前記したように図７に示すような周期で定期的に電波発信されている。

アンテナS１a３２、アンテナS１b３１、アンテナS１c３０は各々図２、図３に示したアンテナS１a、S１b、S１c信号である。無線局がタグからID信号を受信し自己のIDとの一致を確認したら、自分のエリア内にいるタグの位置関係の把握計算、つまり角度計算に入る。アンテナS１aとS１bの無線受信電波が乗算回路３５で乗算され、上記した式（３）が実行される。乗算結果がフィルタ３６によって、cosωΔｄ/ｃ が抽出される。

フィルタ出力をΦを利用し、前記した式（４） より
cosα = (ｃ/ωD)arccosΦ = (1/π)×arccos Φ
が、求まる。

係数変換回路３７は、式（４）のπの係数を正規化し、つまりフィルタ出力をπ倍し
cosα = arccos Φ
とするためのものである。

αの角度は、プラス９０度からマイナス９０度の範囲で、cosαの値は、１〜０の値をとるが、逆三角関数テーブル２９で、無線局の設置時にタグを無線局に対し９０度の地点に置き、その時の逆三角関数テーブル３９の出力が０（コサイン９０度）、タグを０度の地点に置き、その時の逆三角関数テーブル３９の出力を１（コサイン０度）、となるよう、フィルタ出力Φと逆三角関数テーブル３９の対応についての初期設定は別途必要である。コサイン０度近辺ではコサイン値の変化が少なく、誤差を伴いやすいので、閾値判定回路３８で、逆三角関数テーブル２９が、１±１５％とかの数値（閾値としては、±１０％、±１５％とかの数値を決め）のときは、切替器２３で、無線受信回路３４へ入る入力を、アンテナS１b２１からアンテナS１c２０へ切り替える。これは前記した図３の説明を実行しているわけである。

逆三角関数テーブル２９には、arccos値に対応した数値情報がテーブルに保存されていて、逆三角関数テーブル３９の出力には、所望のcosα値が得られる。このcos αの値と、無線局のID符号が、信号合成回路４１で、図８（b）のように合成され、送信回路４３からサーバーに送信される。

以上の無線局の角度計算の動作はタグから自己のID符号を受けた2つの無線局が同時に行うものである。

二つの無線局から二つのID符号とcosα、cosβを受信したサーバーは、二つの無線局の距離Lが既知であるため、前記した式（１）、式（２）の計算で、タグの存在個所が判明する。サーバー内のタグの位置計算には、図示しないが、三角関数テーブルを用意し、受信したcosα、cosβをもとに、sinα、sinβ、sin(α+β)を求める方法が採られよう。無線局の設置場所は、別途、建物内の無線局配置図に示されており、前記計算結果を、無線局配置図と対比すれば、建物内のどの箇所（部屋名とか）にいるのかがわかる。

なお、無線局の逆三角関数テーブル出力３９のcosαの値に替わり、図示しないが、さらに三角関数テーブルを設けてαの値を求め、cosαに替わってαの値を信号合成回路４１に送ってもよい。この場合、サーバーでの位置計算には、
角度α、βの数値から、cosα、cosβ、sinα、sinβ、sin(α+β)を求める方法が採られよう。

前記したようにタグは、加速度センサを設け、センサ解析回路２０で移動中、執務中、居眠り中、くしゃみをした、静止中かが判断されるが、体温や心拍数を計測する生体情報センサ１９を内蔵することで、社員の健康管理データを把握する事が可能である。この場合、タグの形状としては首からぶら下げるタイプでなく、腕時計型のリストタイプが望ましい。

これらのデータは、タグの信号形成回路１４で合成され、図８（a）の信号形式で無線局に送信される。無線局は、これらのデータを受信すると、図８（b）のように、そのままタグ番号とともにサーバーに送信する。なお、生体情報は予め設定した値と比較し、異常か正常かを制御信号で送り、正常な時は、生体情報の送信を省略してもよい。

図８（a）の制御情報、生体情報を受信したサーバーでは、表３のような管理表で、社員の状況を把握する。１４時に体温が高く、くしゃみのでる社員Xや、１４時１０分に体温が高く、心拍数が高くなった社員Jは要注意である。また、電池残量が少ないYやタグ不所持の社員Ｂや社員Ｓには電話連絡し、そのことを伝える。

図９の無線送信回路１７、図１０の無線送信回路３２では、図示してないが、図８の信号が、FSKやQAM方式などで、前記したように、割り当てられているチャネル周波数を変調して送信している。図１０の送信回路３３は、サーバーとの接続には、有線LAN、WiFi、公衆通信網が使用されるので、それらに対応したものになる。

上記の説明では、オフィス内での人の居場所の認識について述べたが、オフィス内で可搬的に使用される共有物（技術開発会社においては、測定器等）あるいは作業場における移動体に対してもタグを付すことで、移動体の所在が即座に分かる。また、本発明は建物内に限ることなく、屋外でのイベント広場などでも、人や移動体の居所をリアルタイムに把握できるものである。

人の所在確認のため、移動から静止に転移したことトリガーとして説明したが、サーバーから定期的にポーリングしたり、あるいは、タグそのものが所有する内部タイマで、タグが３０分毎とか定期的に所在を連絡する方法も採れる。この場合は、所在情報として、「移動中」が加わる。

オフィス内で社員が今どこにいるのかが即座に分かることから、社員と話し合いたいときなど、即、居場所を見つけることができること、また、社員の行動履歴を管理できるだけでなく、喫煙時間までも正確に知ることができる。人事管理上、社員の健康管理や勤怠管理にも好適なツールとなり、本発明は企業内での導入が図られることになろう。その結果、社員の業務効率向上に寄与することになる。

１０ 加速度センサ
１１ 電池
１２ 電源供給制御回路
１３ タグ番号発生回路
１４ 信号形成回路
１５ 無線局ID復元回路
１６ 受信レベル検知回路
１７ 無線送信回路
１８ 無線受信回路
１９ 生体情報センサ
２０ センサ解析回路
２１ 電池残量検知回路
２２ 入出門検知回路
３０ アンテナS1c
３１ アンテナS1b
３２ アンテナS1a
３３ 切替器
３４ 無線受信回路
３５ 乗算回路
３６ フィルタ
３７ 係数変換回路
３８ 閾値判定回路
３９ 逆三角関数テーブル
４０ 無線局ID回路
４１ 信号合成回路
４２ 無線送信回路
４３ 送信回路

Claims (1)

1. 複数の物体の各々に付帯され、各々が固有のタグ番号を有する複数のタグと、前記物体が移動する領域内に設置され、各々が固有のID符号を有する複数の無線局と、前記無線局からの電波を受信するサーバとで構成され、
   前記タグは無線通信回路と加速度計を有し、
   前記無線局は、自己の固有のID符号を定期的に電波出力する手段を有するとともに、各無線局には、3本のアンテナS1a、S1b、S1cを、アンテナS1aを基軸にして、アンテナS1aとアンテナS1bを結ぶ直線が、アンテナS1aとアンテナS1cを結ぶ直線と直交し、かつ、アンテナS1aとアンテナS1bの距離およびアンテナS1aとアンテナS1cの距離が電波の波長に関連した距離となるように配置し、
   前記タグが前記加速度計の出力により前記物体が移動から静止状態に移ったと判断したとき前記タグの無線通信回路に給電し、
   前記タグは前記複数の無線局からの電波を受信し、該受信した電波の無線局に固有のID符号を復元することにより該タグが付された物体に近接する前記複数の無線局の中から２つの無線局S1、S2を特定し、該２つの無線局S1、S2に固有のID符号と該物体のタグ番号とを、無線局に電波出力し、
   無線局S1とS2を結ぶ線と、前記物体の位置とで形成される三角形において、無線局S1から前記物体の位置を仰ぐ角度αと、無線局S2から前記物体を仰ぐ角度βを、3本のうちの２本のアンテナS1a、S1bで、タグからの電波を受信し、受信した２つの電波を乗算し、フィルタ処理したのち三角関数テーブルを利用して求め、かつ、アンテナS1aとアンテナS1bにより求められた角度α、βの値が小さいときは、アンテナS1bに替わってアンテナS1cで受信した電波を前記乗算に利用し、前記角度α、角度βに関連した角度情報を前記物体のタグ番号、無線局のID符号とともに前記サーバに送り、
   前記サーバは前記領域内に設置されている複数の無線局の配置図情報をもとに、無線局から受信した無線局のID符号、前記物体のタグ番号、角度情報に基づいて物体の位置を特定することを特徴とする物体の位置認識システム。

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