JP6701153B2 - 移動体の位置計測システム - Google Patents

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Description

本発明は、移動体の位置を計測する技術に関する。
現在の航空機の運航管理では、GPS(Global Positioning System)を利用した高精度の位置計測技術により高密度運航を実現している。そのため、各機のGPS機器が偽のGPS信号によるなりすましやジャミングを受けた場合、高密度運航に必要な位置精度が確保できなくなり、管制官の指示のもとで周辺機体との運航間隔を広げるなどの対応が必要となる。さらに、GPS信号のジャミングやなりすましが複数機に及んだ場合には、これら複数機に対して運航間隔を広げる必要が生じるため、運航スケジュールに著しい乱れを生じてしまう。
また、無人機(無人航空機)の運用においても、GPSを利用した自機位置計測が広く用いられている。そのため、無人機のGPS機器が偽のGPS信号によるなりすましやジャミングを受けた場合、無人機が正確な自機位置を把握できなくなり、最悪の場合には迷走や墜落に至るおそれがある。
そこで、例えば特許文献1に記載の技術では、飛行体に搭載した撮像装置によって既知の位置に設けられた多重円形などのターゲットマークを撮像し、取得した画像に基づいてターゲットマークと飛行体との位置関係を演算している。この技術によれば、GPS信号などの外部信号に依らずに、飛行体の自機位置を計測することができる。
特開2012−71645号公報
しかしながら、上記特許文献1に記載の技術では、ターゲットマークが単純な形状や模様のものであるため、その識別機能に限界がある。例えば複数のターゲットを航路上に配しておき、航空機に各ターゲットを識別・特定させて、その座標情報から自機位置を計測させることなどはできない。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、航空機などの移動体の位置を、外部信号に依らずに好適に計測することを目的とするものである。
上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、移動体と、識別情報を有する標識とを備えて構成された移動体の位置計測システムであって、
前記移動体は、航空機であって、
当該移動体の自機位置をGPS信号に基づいて補正しつつ計測する慣性航法装置と、
前記標識の画像を取得する光学センサと、
前記光学センサにより取得した標識の画像に基づいて、当該標識の識別情報と、前記移動体から見た当該標識の方位とを取得する情報取得手段と、
取得された標識の識別情報に基づいて、当該標識の座標を取得する座標取得手段と、
取得された標識の方位及び座標に基づいて、当該移動体の位置を算出する位置算出手段と、
を有し、
前記標識は、色相変化パターンを昼間用の前記識別情報として有し、スペクトル又は温度の変化パターンを夜間用の前記識別情報として有し、変化パターンの終了から次の開始までが一定の消灯時間によって区切られ、
電波妨害により前記GPS信号に含まれる位置情報に基づいて自機位置を測位できない場合に、当該位置計測システムによる前記移動体の位置計測を行い、
前記標識は、互いに異なる位置に固定されるとともに各々が固有の識別情報を有する少なくとも2つが設けられ、
前記移動体は、
少なくとも2つの前記標識の各々の識別情報と座標とを対応付けた標識データを予め記憶している記憶手段を有し、
前記座標取得手段が、取得された標識の識別情報に基づいて、前記標識データを参照して当該標識の座標を取得し、
前記位置算出手段が、少なくとも2つの標識の方位及び座標に基づいて、当該移動体の位置を算出し、
少なくとも2つの前記標識が、移動経路上の前記移動体の前記光学センサから捕捉可能なように配列されていることを特徴とする。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の移動体の位置計測システムにおいて、
前記GPS信号をGPS衛星から受信するGPS受信機を有し、
前記GPS信号に含まれる位置情報の信頼性が低いと判定された場合に、当該位置計測システムによる前記移動体の位置計測を行うことを特徴とする。
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の移動体の位置計測システムにおいて、
前記移動体が無人航空機であることを特徴とする。
本発明によれば、色相、スペクトル又は温度の変化パターンとして標識に具備された識別情報が、移動体に搭載された光学センサにより取得され、この標識の識別情報に基づいて当該標識の座標が取得されて、移動体の自機位置が算出される。
あるいは、位置取得手段により取得された情報に基づいて得られた移動体の位置が、固有の反射スペクトルやスペクトル変化パターン、色相変化パターン、輝度変化パターン、温度変化パターンにより発信局から移動体にデータ送信される。
これにより、色相、スペクトル又は温度の変化パターン等を利用して移動体に必要な情報を伝達し、自機位置を取得させることができる。
したがって、移動体の位置を、外部信号に依らずに好適に計測することができる。
第1実施形態における位置計測システムの概念図である。 第1実施形態における無人機の概略の機能構成を示すブロック図である。 第1実施形態における標識の構成例を説明するための図である。 第1実施形態における位置計測システムによる位置計測方法の流れを示すフローチャートである。 第2実施形態における位置計測システムの概念図である。 第2実施形態における位置計測システムの概略の機能構成を示すブロック図である。 第2実施形態における位置発信局からの位置情報の発信形態例を説明するための図である。 第2実施形態における位置計測システムによる位置計測方法の流れを示すフローチャートである。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
[第1実施形態]
<位置計測システムの構成>
まず、本発明の第1実施形態における位置計測システム100の構成について説明する。
図1は、位置計測システム100の概念図であり、図2は、位置計測システム100における無人機10の概略の機能構成を示すブロック図であり、図3は、位置計測システム100における標識20の構成例を説明するための図である。
図1に示すように、位置計測システム100は、無人機(無人航空機)10と複数の標識20(図1では2つのみ図示)とを備えて構成され、外部からの信号に依らずに無人機10に自機位置の情報を取得させるためのものである。
図2に示すように、無人機10は、当該無人機10を飛行させるための飛行機構11のほか、光学センサ13、GPS(Global Positioning System)受信機14、慣性航法装置15、記憶部18及び制御部19を備えている。
このうち、光学センサ13は、機外の画像情報を取得可能な撮像手段であり、本実施形態においては、標識20の画像を取得するためのものである。この光学センサ13は、後述するように、標識20の識別情報を捉えることができるものである。
GPS受信機14は、無人機10の自機位置(現在位置)の情報を含むGPS信号を、GPS衛星から受信するものである。このGPS受信機14は、GPS信号の受信状況や、GPS信号から取得した無人機10の自機位置の情報を、制御部19へ出力する。
なお、GPS以外の衛星測位システムを利用してもよく、その場合にはGPS受信機14を当該システムに対応した機器に替える必要があるのは勿論である。
慣性航法装置15は、ジャイロや加速度計により、外部からの電波に依ることなく無人機10の位置や速度等を計測可能なものである。この慣性航法装置15は、計測した無人機10の自機位置の情報を制御部19へ出力する。また、慣性航法装置15は、誤差の累積を低減するために、GPS信号から取得された自機位置に基づく補正を加えて慣性航法位置を出力する。
記憶部18は、無人機10の各種機能を実現するためのプログラムやデータを記憶するとともに、作業領域としても機能するメモリである。本実施形態においては、記憶部18は、標識データ180を予め記憶している。
標識データ180は、複数の標識20の各々について、その識別子と当該標識20の座標情報とが対応付けられて記憶されたデータである。識別子とは、複数の標識20の各々を識別するための各標識20固有の情報(例えば識別番号)である。
制御部19は、無人機10の各部を中央制御する。具体的に、制御部19は、飛行機構11を駆動制御して無人機10の飛行を制御したり、光学センサ13の動作を制御したりする。
複数の標識20は、それぞれが地上又は海上の互いに異なる位置に固定された状態で、例えば無人機10の飛行航路に沿うようにして配列されている。但し、複数の標識20は、飛行航路に沿って配列されていなくともよく、飛行航路上の無人機10の光学センサ13から捕捉可能なように配列されていればよい。
これら複数の標識20は、それぞれが固有の識別情報を有している。標識20の「識別情報」とは、当該標識20の識別子に対応しており、この識別子を上空からの撮像により認識・取得可能な形式に符号化(コード化)したものである。
この標識20の識別情報としては、例えば、図3(a)に示すような特殊な反射スペクトルが挙げられる。この場合、光学センサ13にはスペクトルを捉えられるものが必要であるが、夜間の計測が可能であり、また変化を伴わないので1回の計測には画像1枚の撮像時間で足りる。
または、図3(b)に示すように、一定周期でスペクトルの変化するパネルを標識20に設けて、そのスペクトル変化パターンを識別情報として用いてもよい。
または、図3(c)に示すように、一定周期で色相の変化する照明を標識20に設けて、その色相変化パターンを識別情報として用いてもよい。この場合、光学センサ13は可視光を捉えられる比較的に安価なもので足りるが、夜間の計測ができない。
または、図3(d)に示すように、一定周期で輝度の変化する照明等を標識20に設けて、その輝度変化パターンを識別情報として用いてもよい。
あるいは、図3(e)に示すように、一定周期で温度の変化するパネルを標識20に設けて、その温度変化パターンを識別情報として用いてもよい。この場合、光学センサ13には赤外線を捉えられるものが必要であるが、夜間の計測が可能である。
また、これらの識別情報を組み合わせて1つの標識20に用いてもよい。例えば、色相変化パターンを昼間用の識別情報とし、反射スペクトルを夜間用の識別情報として1つの標識20に具備させてもよい。この場合、2種類の識別情報は、同一の標識20を示す1つの識別子に対応しているのは勿論である。
なお、変化パターンを利用する場合には、例えば一定の消灯時間(温度の無変化時間)によってパターンの開始と終了を区切ればよい。
<位置計測方法>
続いて、第1実施形態の位置計測システム100において、飛行中の無人機10が自機位置を取得する位置計測方法について説明する。
図4は、この位置計測方法の流れを示すフローチャートである。
位置計測システム100による位置計測は、本実施形態では、GPS受信機14がジャミングや偽信号のなりすましを受けるなどしてGPS信号に含まれる位置情報の信頼性が低いと判定された場合に実行される。
この位置計測では、図4に示すように、まず制御部19は、光学センサ13で地上又は海上の標識20を撮像し(ステップS1)、この標識20の識別情報を取得するとともに、当該標識20の方位(無人機10から見た方位)を計測して取得する(ステップS2)。
次に、制御部19は、取得した標識20の識別情報から、当該標識20の識別子を取得する(ステップS3)。
具体的に、制御部19は、パターン等の識別情報に対応する予め設定されたデコード情報を用い、このパターン等に符号化された識別子を取得する。
次に、制御部19は、取得した識別子を記憶部18の標識データ180と照合し、この識別子を有する標識20の座標情報を取得する(ステップS4)。
そして、制御部19は、少なくとも2つの標識20についての座標情報とその方位を参照し、この少なくとも2つの方位ベクトルの交点として、無人機10の自機位置を算出する(ステップS5)。算出した自機位置は慣性航法装置15が出力する慣性航法位置の補正に用いられる。
これにより、例えばGPS受信機14がジャミングや偽信号のなりすましを受けるなどして慣性航法装置15による自機位置計測の信頼性が損なわれた場合であっても、好適に無人機10の自機位置を計測することができる。
次に、制御部19は、位置計測を終了させるか否かを判定し(ステップS6)、終了させないと判定した場合には(ステップS6;No)、上述のステップS1へ処理を移行する。
一方、例えば無人機10の目的地への到着等により位置計測を終了させると判定した場合には(ステップS6;Yes)、制御部19は、位置計測を終了させる。
以上のように、本第1実施形態によれば、固有の反射スペクトル、スペクトル変化パターン、色相変化パターン、輝度変化パターン又は温度変化パターンとして標識20に具備された識別情報が、無人機10に搭載された光学センサ13により取得される。そして、この標識20の識別情報に基づいて当該標識20の座標が取得されて、無人機10の自機位置が算出される。
これにより、スペクトルや色相、輝度、温度の変化パターンを利用して無人機10に必要な情報(標識20の座標)を伝達し、自機位置を取得させることができる。
したがって、無人機10の位置を、外部信号に依らずに好適に計測することができる。
ひいては、GPS受信機14がジャミングやなりすましを受けた場合であっても、慣性航法装置15単体よりも高精度の自機位置計測を行うことができる。
なお、標識20の識別情報は、当該標識20の識別子でなく座標情報を符号化したものであってもよい。この場合、標識データ180を参照することなく自機位置の算出が可能であるが、単純な識別子を符号化したものよりも情報量が増える。
[第2実施形態]
<位置計測システムの構成>
続いて、本発明の第2実施形態における位置計測システム200の構成について説明する。なお、上記第1実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
図5は、位置計測システム200の概念図であり、図6は、位置計測システム200の概略の機能構成を示すブロック図であり、図7は、位置計測システム200における位置発信局50からの位置情報の発信形態例を説明するための図である。
図5に示すように、位置計測システム200は、無人機(無人航空機)30と、複数の定点カメラ40と、複数の位置発信局50とから構成されている。なお、図5では、定点カメラ40と位置発信局50は各々2つのみ図示している。
図6に示すように、無人機30は、飛行機構11、光学センサ13、GPS受信機14、慣性航法装置15及び制御部19を、上記第1実施形態における無人機10と同様に備えるほか、各位置発信局50との間で各種情報を送受信可能な送受信機31を備えている。
複数の定点カメラ40は、無人機30の画像情報を取得するための撮像手段であり、それぞれが地上又は海上の互いに異なる所定の位置(座標)に固定された状態で、例えば無人機10の飛行航路に沿うようにして配列されている。これら複数の定点カメラ40は、情報を送受信可能なネットワークを介して各位置発信局50と接続されており、各定点カメラ40で取得した画像情報やその撮像方位の情報が、当該定点カメラ40の座標情報を付されて各位置発信局50に送信されるようになっている。
なお、複数の定点カメラ40は、各々に制御部が設けられてその動作が自律的に制御されることとしてもよいし、例えばいずれかの位置発信局50に動作制御されることとしてもよい。また、複数の定点カメラ40は、無人機10の飛行航路に沿って配列されていなくともよく、飛行航路上の無人機10を捕捉可能なように配列されていればよい。
複数の位置発信局50は、無人機30に座標情報を送信するための設備であり、例えば無人機10の飛行航路に沿うようにして設置されている。但し、複数の位置発信局50は、飛行航路に沿って設置されていなくともよく、飛行航路上の無人機10と通信可能なように設置されていればよい。
各位置発信局50は、通信部51と、制御部52とを備えている。
通信部51は、情報を送受信可能なネットワークを介して複数の定点カメラ40と接続されており、各定点カメラ40で取得された画像情報等が送信されてくる。また、通信部51は、無人機30の送受信機31と通信可能となっており、他者から傍受されにくいデータ送信形態で無人機30に座標情報を送信可能となっている。
このようなデータ送信形態としては、無人機30の光学センサ13で取得可能な情報の変化パターン等により、符号化した座標情報をデータ送信する形態を用いることができる。
具体的には、例えば図7(a)に示すような特殊な反射スペクトルを有するパネルを通信部51の発信器とし、この反射スペクトルにより座標情報をデータ送信するものが挙げられる。この場合、光学センサ13にはスペクトルを捉えられるものが必要であるが、夜間の計測が可能であり、また変化を伴わないので1回の計測には画像1枚の撮像時間で足りる。
または、図7(b)に示すように、一定周期でスペクトルの変化するパネルを通信部51の発信器とし、そのスペクトル変化パターンにより座標情報をデータ送信してもよい。
または、図7(c)に示すように、一定周期で色相の変化する照明を発信器とし、その色相変化パターンにより座標情報をデータ送信してもよい。この場合、光学センサ13は可視光を捉えられる比較的に安価なもので足りるが、夜間の計測ができない。
または、図7(d)に示すように、一定周期で輝度の変化する照明等を発信器とし、その輝度変化パターンにより座標情報をデータ送信してもよい。
あるいは、図7(e)に示すように、一定周期で温度の変化するパネルを発信器とし、その温度変化パターンにより座標情報をデータ送信してもよい。この場合、光学センサ13には赤外線を捉えられるものが必要であるが、夜間の計測が可能である。
また、これらのデータ送信形態を組み合わせてデータ送信可能な発信器としてもよい。例えば、色相変化パターンを昼間用のデータ送信形態とし、温度変化パターンを夜間用のデータ送信形態としてもよい。
制御部52は、図6に示すように、位置発信局50の各部を中央制御する。具体的に、制御部52は、複数の定点カメラ40から取得した画像情報等に基づいて無人機30の位置を算出したり、この位置情報(座標情報)を通信部51から無人機30に送信したりする。
<位置計測方法>
続いて、第2実施形態の位置計測システム200において、飛行中の無人機30が自機位置を取得する位置計測方法について説明する。
図8は、この位置計測方法の流れを示すフローチャートである。
位置計測システム200による位置計測は、本実施形態では、GPS受信機14がジャミングや偽信号のなりすましを受けるなどしてGPS信号に含まれる位置情報の信頼性が低いと判定された場合に実行される。
この位置計測では、図8に示すように、まず定点カメラ40により、飛行中の無人機30が撮像される(ステップT1)。
そして、撮像された無人機30の画像情報とその撮像方位の情報が、この定点カメラ40の座標情報を付されて各位置発信局50に送信される(ステップT2)。
次に、位置発信局50の制御部52が、送信されてきた情報に基づいて、無人機30の位置を算出する(ステップT3)。
具体的に、制御部52は、まず、無人機30の画像情報とその撮像方位の情報から、定点カメラ40から見た無人機30の方位を算出する。それから、制御部52は、少なくとも2つの定点カメラ40についての座標情報と当該定点カメラ40から見た無人機30の方位とを参照し、この少なくとも2つの方位ベクトルの交点として、無人機30の位置を算出する。
なお、定点カメラ40から見た無人機30の方位は、この定点カメラ40に設けられた制御部で予め算出され、この方位と当該定点カメラ40の座標情報とが位置発信局50に送信されることとしてもよい。
次に、算出された無人機30の位置が、上述したような傍受されにくいデータ送信形態で位置発信局50から無人機30にデータ送信される(ステップT4)。
具体的には、まず位置発信局50の制御部52が、算出した無人機30の位置情報(座標情報)を、光学センサ13で取得可能な情報(固有のスペクトル、又はスペクトル・色相・輝度・温度の変化パターン)に符号化し、この情報を発信するように通信部51の発信器を動作等させる。そして、無人機30の制御部19が、光学センサ13により位置発信局50の発信器を撮像することにより、この情報が無人機30に取得される。その後、制御部19は、取得した情報に対応する予め設定されたデコード情報を用い、この情報に符号化された位置情報(座標情報)を取得する。取得された位置情報は慣性航法装置15が出力する慣性航法位置の補正に用いられる。
これにより、例えばGPS受信機14がジャミングや偽信号のなりすましを受けるなどして慣性航法装置15による自機位置計測の信頼性が損なわれた場合であっても、好適に無人機30の自機位置を計測することができる。
なお、このデータ送信時には、各位置発信局50が無人機30に向けてデータ送信を行うこととしてもよいし、それぞれのデータ送信可能範囲(距離)に基づいて、無人機30にデータ送信可能な位置発信局50のみがデータ送信を行うこととしてもよい。
次に、無人機30及び位置発信局50の各々で位置計測を終了させるか否かが判定され(ステップT5)、終了させないと判定された場合には(ステップT5;No)、上述のステップT1へ処理が移行される。
一方、例えば無人機30の目的地への到着等により位置計測を終了させると判定された場合には(ステップT5;Yes)、位置計測が終了される。
以上のように、本第2実施形態によれば、無人機30を撮像した定点カメラ40の座標及び当該定点カメラ40から見た無人機30の方位に基づいて無人機30の位置が算出される。そして、算出された無人機30の位置が、固有のスペクトルやスペクトル変化パターン、色相変化パターン、輝度変化パターン、温度変化パターンにより、位置発信局50から無人機30にデータ送信される。
これにより、スペクトルや色相・輝度・温度の変化パターンを利用して無人機30に必要な情報を伝達し、その自機位置を取得させることができる。
したがって、無人機30の位置を、外部信号に依らずに好適に計測することができる。
ひいては、GPS受信機14がジャミングやなりすましを受けた場合であっても、慣性航法装置15単体よりも高精度の自機位置計測を行うことができる。
また、符号化された特殊なデータ送信形態であるため、広域の電波送信に比べ、他者からの傍受を受けにくくすることができる。
[変形例]
なお、本発明を適用可能な実施形態は、上述した2つの実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態では、標識20又は定点カメラ40が少なくとも2つあれば(すなわち、座標と方位が2組取得できれば)、無人機の位置を算出することができる。
但し、測距手段を無人機10又は定点カメラ40に設け、標識20又は定点カメラ40と無人機との距離を計測できるようにすれば、1つの位置算出に必要な標識20又は定点カメラ40は1つで足りる。
また、上記実施形態では、位置計測システムによる無人機の位置計測は、GPS信号に含まれる位置情報の信頼性が低いと判定された場合に実行されることとしたが、常時実行されることとしてもよい。
また、第1実施形態における標識20は、既知の座標に固定されていれば、地上や海上、空中のいずれに設けられていてもよい。
また、第2実施形態における定点カメラ40は、既知の座標に設けられていれば固定されていなくともよい。例えば、当該定点カメラ40に代えて、正確な位置検出が可能な無人航空機に搭載されたカメラを用いることとしてもよい。
さらに言えば、第2実施形態における定点カメラ40は、無人機(移動体)の位置に関する情報を取得できればよく、例えば当該定点カメラ40に代えてレーダーを用いることとしてもよい。レーダーを用いた場合には、定点カメラと異なり、1台だけで無人機(移動体)の位置を特定できる。
また、第1実施形態における標識20の識別情報は、当該標識20の特殊形状(又は模様、あるいは形状や模様の変化)としてもよい。
また、第2実施形態のおける位置発信局50からのデータ送信形態は、通信部51に無人機30のものと対応した指向性アンテナを設けて電波でデータ送信するものとしてもよい。この場合には、位置発信局50の制御部52が、指向性アンテナを無人機30の位置(方向)に向けたうえで、無人機30の位置情報を電波で送信すればよい。
また、本発明に係る移動体は、無人機(無人航空機)に限定されず、例えば有人の航空機であってもよいし、有人又は無人の船舶や車両などであってもよい。
100、200 位置計測システム
10、30 無人機
13 光学センサ
14 GPS受信機
15 慣性航法装置
18 記憶部
180 標識データ
19 制御部
20 標識
31 送受信機
40 定点カメラ
50 位置発信局
51 通信部
52 制御部

Claims (3)

  1. 移動体と、識別情報を有する標識とを備えて構成された移動体の位置計測システムであって、
    前記移動体は、航空機であって、
    当該移動体の自機位置をGPS信号に基づいて補正しつつ計測する慣性航法装置と、
    前記標識の画像を取得する光学センサと、
    前記光学センサにより取得した標識の画像に基づいて、当該標識の識別情報と、前記移動体から見た当該標識の方位とを取得する情報取得手段と、
    取得された標識の識別情報に基づいて、当該標識の座標を取得する座標取得手段と、
    取得された標識の方位及び座標に基づいて、当該移動体の位置を算出する位置算出手段と、
    を有し、
    前記標識は、色相変化パターンを昼間用の前記識別情報として有し、スペクトル又は温度の変化パターンを夜間用の前記識別情報として有し、変化パターンの終了から次の開始までが一定の消灯時間によって区切られ、
    電波妨害により前記GPS信号に含まれる位置情報に基づいて自機位置を測位できない場合に、当該位置計測システムによる前記移動体の位置計測を行い、
    前記標識は、互いに異なる位置に固定されるとともに各々が固有の識別情報を有する少なくとも2つが設けられ、
    前記移動体は、
    少なくとも2つの前記標識の各々の識別情報と座標とを対応付けた標識データを予め記憶している記憶手段を有し、
    前記座標取得手段が、取得された標識の識別情報に基づいて、前記標識データを参照して当該標識の座標を取得し、
    前記位置算出手段が、少なくとも2つの標識の方位及び座標に基づいて、当該移動体の位置を算出し、
    少なくとも2つの前記標識が、移動経路上の前記移動体の前記光学センサから捕捉可能なように配列されていることを特徴とする移動体の位置計測システム。
  2. 前記GPS信号をGPS衛星から受信するGPS受信機を有し、
    前記GPS信号に含まれる位置情報の信頼性が低いと判定された場合に、当該位置計測システムによる前記移動体の位置計測を行うことを特徴とする請求項1に記載の移動体の位置計測システム。
  3. 前記移動体が無人航空機であることを特徴とする請求項1又は2に記載の移動体の位置計測システム。
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