JP6914647B2 - Position estimation device, position estimation program and position estimation method - Google Patents
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Description
本発明は、位置推定装置、位置推定プログラム及び位置推定方法に関し、例えば、環境モデルを用いて屋内での反射波の経路を追跡し、その経路を利用して位置を推定する位置推定装置、位置推定プログラム及び位置推定方法に適用し得るものである。 The present invention relates to a position estimation device, a position estimation program, and a position estimation method. For example, a position estimation device and a position that track a path of a reflected wave indoors using an environmental model and estimate a position using the path. It can be applied to the estimation program and the position estimation method.
近年、屋内測位技術が注目されている。特にGPS信号が到達しない屋内において、人員の動線検知や、工場内での資材管理などの目的で、屋内測位技術が求められている。 In recent years, indoor positioning technology has been attracting attention. Especially indoors where GPS signals do not reach, indoor positioning technology is required for the purpose of detecting the flow line of personnel and managing materials in factories.
例えば、屋外の建物の影となるところや、屋内の物陰などの見通しが良好でない環境で位置推定技術を利用することが多く、見通しが良好でない環境においても高精度で位置推定できることが強く望まれている。また、位置推定精度については、約50[cm]以内の高い精度が求められている。 For example, the position estimation technology is often used in an environment where the visibility is not good, such as in the shadow of an outdoor building or in an indoor shadow, and it is strongly desired to be able to estimate the position with high accuracy even in an environment where the visibility is not good. ing. Further, the position estimation accuracy is required to be high within about 50 [cm].
特許文献1は、電波による位置推定方式であり、直接波の到来がない見通し外でも、回折波を利用して送信器の到来方向を推定する方式を開示している。
特許文献2は、電波による位置推定方式であり、推定精度を高めるために、電波の照射に指向性を持たせて、受信側で送信器の到来方向を予想、送信アンテナの向きを追従させる方式を開示している。
特許文献3は、音波による位置推定方式であり、直接波に加えて反射波を含めて位置推定を行なう方式を開示している。
しかしながら、特許文献1の記載技術は、垂直偏波、水平偏波の割合から、到来波の種別を直接波/回折波/反射波の到来波のいずれかであることを推定する。直接波がない場合は、到来方向が直接波とほぼ等しい回折波の方向に送信機が存在すると推定する。特許文献1の記載技術は、回折波のみを使用するため、完全に見通し外での位置推定はできず、見通し外で反射波のみを使用した位置推定ができない。また、特許文献1の記載技術は、回折波の到来方向を発信機の位置と推定するので位置推定精度が不正確となってしまうおそれがある。
However, the technique described in
特許文献2の記載技術は、レイトレース法と指向性アンテナを使用して、電波の到来方向を精度良く推定する。受信側でドップラ周波数を検知、無線機の移動に追従するように受信側から送信側へ移動方向を電話回線で通知して、送信アンテナの方向を制御する。受信機と送信機が連携した大規模なシステムとなりコストが高い。また、見通し外は考慮していないため、見通し外で移動方向推定の誤差が大きくなった場合、見通し内に戻ってから方向推定が復旧するまでの時間は位置推定精度が不正確となってしまうおそれがある。
The technique described in
特許文献3の記載技術は、直接波を使用することが前提であるため、見通し外での位置推定をできない。また、音源方向への延長領域は、音源方向に沿う直線の周りに角度推定誤差を付加した領域を前提としているために位置推定誤差が大きい。
Since the technique described in
上記課題に鑑み、本発明は、見通しの悪い環境(見通し外)においても位置推定検出が可能であり、受信側と送信側との連携が不要な簡易なシステムで構築可能でき、さらに従来よりも高精度な位置を推定できる位置推定装置、位置推定プログラム及び位置推定方法を提供する。 In view of the above problems, the present invention can perform position estimation detection even in an environment with poor visibility (out of line of sight), can be constructed with a simple system that does not require cooperation between the receiving side and the transmitting side, and is more than ever. Provided are a position estimation device, a position estimation program, and a position estimation method capable of estimating a position with high accuracy.
かかる課題を解決するために、第1の本発明は、送信側が拡散変調した信号を含む送信波の送信位置を、送信波の反射波に基づいて推定する位置推定装置において、(1)到来波を捕捉する複数の受信部と、(2)各受信部から各受信信号に含まれている拡散変調された信号波を取得し、各信号波成分と事前設定した送信波の波形データとの相関をとり、相関値が最大値となる位置を直接波の先頭位置とし、受信信号から直接波の信号成分を減算して、受信信号に含まれている反射波を分離する複数の分離処理部と、(3)各分離処理部により分離された各反射波の相互相関をとり、各受信部に到来した各反射波の到来時間差を検出する時間差検出部と、(4)各反射波の到来時間差に基づいて各反射波の到来角度を推定する到来角度推定部と、(5)各反射波の到来角度に基づいて各反射波の到来経路を追跡し、各反射波の到来経路の交点を、送信波の送信位置として推定する位置推定部とを備えることを特徴とする。 In order to solve such a problem, the first invention is in a position estimation device that estimates the transmission position of a transmission wave including a signal diffusely modulated by the transmission side based on the reflected wave of the transmission wave. And (2) the diffusion-modulated signal wave contained in each received signal is acquired from each receiving unit, and the correlation between each signal wave component and the waveform data of the preset transmitted wave is obtained. The position where the correlation value becomes the maximum value is set as the head position of the direct wave, and the signal component of the direct wave is subtracted from the received signal to separate the reflected wave contained in the received signal. , (3) Time difference detection unit that detects the arrival time difference of each reflected wave that has arrived at each receiving unit by mutual correlation of each reflected wave separated by each separation processing unit, and (4) Arrival time difference of each reflected wave. The arrival angle estimation unit that estimates the arrival angle of each reflected wave based on, and (5) the arrival path of each reflected wave is tracked based on the arrival angle of each reflected wave, and the intersection of the arrival paths of each reflected wave is determined. It is characterized by including a position estimation unit that estimates as a transmission position of a transmission wave.
第2の本発明は、送信側が拡散変調した信号を含む送信波の送信位置を、複数の受信部がそれぞれ捕捉した到来波に含まれる送信波の反射波に基づいて、推定する位置推定プログラムにおいて、コンピュータを、(1)各受信部から各受信信号に含まれている拡散変調された信号波を取得し、各信号波成分と事前設定した上記送信波の波形データとの相関をとり、相関値が最大値となる位置を直接波の先頭位置とし、受信信号から直接波の信号成分を減算して、受信信号に含まれている反射波を分離する複数の分離処理部と、(2)各分離処理部により分離された各反射波の相互相関をとり、各受信部に到来した各反射波の到来時間差を検出する時間差検出部と、(3)各反射波の到来時間差に基づいて各反射波の到来角度を推定する到来角度推定部と、(4)各反射波の到来角度に基づいて各反射波の到来経路を追跡し、各反射波の到来経路の交点を、送信波の送信位置として推定する位置推定部として機能させることを特徴とする。 The second invention is in a position estimation program that estimates the transmission position of a transmission wave including a signal diffusely modulated by the transmitting side based on the reflected wave of the transmission wave included in the incoming wave captured by each of a plurality of receiving units. , (1) Obtain the diffusion-modulated signal wave contained in each received signal from each receiving unit, correlate each signal wave component with the preset waveform data of the transmitted wave, and correlate with each other. A plurality of separation processing units that separate the reflected wave contained in the received signal by subtracting the signal component of the direct wave from the received signal with the position where the value becomes the maximum value as the head position of the direct wave, and (2). A time difference detection unit that establishes the mutual correlation of each reflected wave separated by each separation processing unit and detects the arrival time difference of each reflected wave that has arrived at each receiving unit, and (3) each based on the arrival time difference of each reflected wave. The arrival angle estimation unit that estimates the arrival angle of the reflected wave, and (4) traces the arrival path of each reflected wave based on the arrival angle of each reflected wave, and transmits the transmission wave at the intersection of the arrival paths of each reflected wave. It is characterized in that it functions as a position estimation unit that estimates as a position.
第3の本発明は、送信側が拡散変調した信号を含む送信波の送信位置を、送信波の反射波に基づいて推定する位置推定方法において、(1)複数の受信部のそれぞれが到来波を捕捉し、(2)複数の分離処理部のそれぞれが、各受信部から各受信信号に含まれている拡散変調された信号波を取得し、各信号波成分と事前設定した送信波の波形データとの相関をとり、相関値が最大値となる位置を直接波の先頭位置とし、受信信号から直接波の信号成分を減算して、受信信号に含まれている反射波を分離し、(3)時間差検出部が、各分離処理部により分離された各反射波の相互相関をとり、各受信部に到来した各反射波の到来時間差を検出し、(4)到来角度推定部が、各反射波の到来時間差に基づいて各反射波の到来角度を推定し、(5)位置推定部が、各反射波の到来角度に基づいて各反射波の到来経路を追跡し、各反射波の到来経路の交点を、送信波の送信位置として推定することを特徴とする。 A third aspect of the present invention is a position estimation method in which the transmission side estimates the transmission position of a transmission wave including a diffusion-modulated signal based on the reflected wave of the transmission wave. Captured, (2) each of the plurality of separation processing units acquires the diffusion-modulated signal wave contained in each received signal from each receiving unit, and waveform data of each signal wave component and preset transmission wave. The position where the maximum correlation value is obtained is set as the head position of the direct wave, the signal component of the direct wave is subtracted from the received signal, and the reflected wave contained in the received signal is separated (3). ) The time difference detection unit takes the mutual correlation of each reflected wave separated by each separation processing unit, detects the arrival time difference of each reflected wave that has arrived at each receiving unit, and (4) the arrival angle estimation unit detects each reflection. The arrival angle of each reflected wave is estimated based on the arrival time difference of the wave, and (5) the position estimation unit tracks the arrival path of each reflected wave based on the arrival angle of each reflected wave, and the arrival path of each reflected wave. It is characterized in that the intersection of is estimated as the transmission position of the transmitted wave.
本発明によれば、見通しの悪い環境においても位置推定検出が可能であり、受信側と送信側との連携が不要な簡易なシステムで構築可能でき、さらに高精度な位置を推定できる。 According to the present invention, position estimation detection can be performed even in an environment with poor visibility, a simple system that does not require cooperation between the receiving side and the transmitting side can be constructed, and a more accurate position can be estimated.
(A)第1の実施形態
以下では、本発明に係る位置推定装置、位置推定プログラム及び位置推定方法の第1の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
(A) First Embodiment The first embodiment of the position estimation device, the position estimation program, and the position estimation method according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(A−1)第1の実施形態の構成
図2は、第1の実施形態に係る位置推定を行なう環境を説明する説明図である。
(A-1) Configuration of First Embodiment FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating an environment for performing position estimation according to the first embodiment.
図2に示す環境は、GPS信号が到達しない屋内である場合を例示する。送信機2は例えば超音波を送信するものであり、受信機1は、送信機2が送信した超音波を受信するものである。なお、この実施形態では、超音波を使用する場合を例示するが、超音波に限定されるものではなく、音波、電波などを使用してもよい。
The environment shown in FIG. 2 illustrates the case where the GPS signal does not reach indoors. The
図2は、室内を上から見たときの平面図を例示しているが、環境は三次元空間であってもよい。さらに、図2では、1台の送信機2及び受信機1を示しているが、複数台の送信機2及び受信機1が配置されるようにしてもよい。また、少なくとも送信機2は、移動可能であってもよい。
FIG. 2 illustrates a plan view of the room when viewed from above, but the environment may be a three-dimensional space. Further, although FIG. 2 shows one
図2の環境には複数の反射体5が存在する。反射体5は、室内の壁、障害物等のように送信機2からの超音波信号を反射する物体である。
There are a plurality of
図2では超音波は受信機1に直接受信されない環境を例示する。つまり、直接波は反射体5に遮断され、反射体5に反射した反射波のみが受信機1に到来する場合を例示する。
FIG. 2 illustrates an environment in which ultrasonic waves are not directly received by the
図3は、第1の実施形態に係る送信機2の内部構成を示す内部構成図である。
FIG. 3 is an internal configuration diagram showing an internal configuration of the
図3において、送信機2は、所定の周波数(例えば20[kHz]以上の周波数)のパルス信号を発生するパルス発生器21、パルス発生器21により発生された超音波としてのパルス信号を送信する送信部22とを有する。送信部22は、超音波素子などを有するものを適用できる。
In FIG. 3, the
なお、この実施形態では、送信機2が超音波を送信する場合を例示する。しかし、スピーカと組み合わせて送信機2が音波を送信したり、高周波装置と組み合わせて送信機2が電波を送信したりしてもよい。
In this embodiment, the case where the
図1は、第1の実施形態に係る受信機1の内部構成を示す構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram showing an internal configuration of the
図1において、受信機1は、少なくとも2系統の受信処理部11(11−1、11−2)、相関値検出部12、時間差検出部13、到来角度推定部14、位置推定部15、電力検出部16を有する。また、各受信処理部11(11−1、11−2)は、受信部111、信号増幅器112、分離処理部113を有する。
In FIG. 1, the
なお、分離処理部113、相関値検出部12、時間差検出部13、到来角度推定部14、位置推定部15、電力検出部16は、例えばマイクロコンピュータによる実装するようにしてもよい。つまり、CPUが、ROMに格納される処理プログラム(位置推定プログラム)を実行することにより、各種機能が実現される。
The separation processing unit 113, the correlation value detection unit 12, the time
受信機1は、到来した各反射波の遅延時間に基づいて各反射波の到来角度を推定し、レイトレース法を用いて各反射波の到来経路を推定して、超音波の送信点(すなわち、送信機2の位置)を推定するものである。
The
なお、受信機1は、送信機2からの直接波も受信可能であり、直接波を用いて送信機2の位置を推定することも可能であるが、この実施形態では、特に反射波のみで送信機2の位置を推定する場合を説明する。
The
受信部111は、到来した超音波を受信して、超音波素子により電気信号に変換した信号を増幅器112に与える。 The receiving unit 111 receives the incoming ultrasonic waves and gives the amplifier 112 a signal converted into an electric signal by the ultrasonic element.
信号増幅器112は、受信部111からの受信信号を増幅して、分離処理部113に与えるものである。 The signal amplifier 112 amplifies the received signal from the receiving unit 111 and gives it to the separation processing unit 113.
分離処理部113は、信号増幅器112により増幅された受信信号に基づいて、直接波と反射波、もしくは、複数の送信機2の分離処理を行なうものである。例えば、受信信号には直接波の信号成分と反射波の信号成分とが含まれ得る。分離処理部113は、受信信号から反射波の信号成分を分離する。
The separation processing unit 113 performs separation processing of the direct wave and the reflected wave, or a plurality of
なお、受信機1は、予め設定された直接波の信号成分を保持したり、又は送信機2との通信により直接波の信号成分を保持したりして、直接波の信号成分を認識することができる。
The
相関値検出部12は、各信号処理部11−1及び11−2による分離結果に基づいて、受信処理部11−1及び受信処理部11−2のそれぞれで受信した受信信号の相関をとるものである。これにより、受信処理部11−1及び受信処理部11−2で受信した信号波を検出できる。 The correlation value detection unit 12 correlates the received signals received by the reception processing unit 11-1 and the reception processing unit 11-2 based on the separation results of the signal processing units 11-1 and 11-2. Is. As a result, the signal wave received by the reception processing unit 11-1 and the reception processing unit 11-2 can be detected.
時間差検出部13は、相関値検出部12による相関結果に基づいて、受信処理部11−1の受信部111で受信した反射波と、受信処理部11−2の受信部111で受信した反射波との間の時間差(遅延時間)を検出するものである。
The time
到来角度推定部14は、時間差は検出部13により検出された反射波の時間差に基づいて、各反射波の経路(以下、これを「レイ」とも呼ぶ。)の到来角度を推定する。
The arrival
電力検出部16は、相関値検出部12により得られた相関値に基づいて、各レイの相関値の電力値を検出するものである。 The power detection unit 16 detects the power value of the correlation value of each ray based on the correlation value obtained by the correlation value detection unit 12.
位置推定部15は、到来角度推定部14により推定された各反射波の到来経路の到来角度と、予め設定された環境モデル(周辺に配置されている物体の配置モデル)とを利用して、各反射波の経路(各レイ)の交点を求めることで、送信機2の位置を推定する。
The
位置推定部15は、各レイの反射回数をカウントする反射回数計数部151を有する。
The
以下では、第1の実施形態に係る受信機1における分離処理、相関値検出処理、時間差検出処理、到来角度推定処理、位置推定処理を、図面を参照して説明する。
Hereinafter, the separation process, the correlation value detection process, the time difference detection process, the arrival angle estimation process, and the position estimation process in the
(A−2)分離処理
電波、音波を使用する位置推定技術では、直接波と反射波の行路差が少ない場合に、直接波の信号成分と反射波の信号成分とが重畳することがあるため、信号成分を分離処理する必要がある。また、複数の送信機2からの信号を受信機1が受信する場合、各信号が重畳することがあり、その場合も送信機2毎の各信号を分離処理する必要がある。
(A-2) Separation processing In the position estimation technology that uses radio waves and sound waves, the signal component of the direct wave and the signal component of the reflected wave may overlap when the path difference between the direct wave and the reflected wave is small. , It is necessary to separate the signal components. Further, when the
以下に、分離処理部113における超音波を使用した場合の各信号の分離処理を説明する。 The separation processing of each signal when ultrasonic waves are used in the separation processing unit 113 will be described below.
超音波を使用する場合、超音波振動子の残響現象によって、反射波が検出できない場合がある。 When ultrasonic waves are used, the reflected wave may not be detected due to the reverberation phenomenon of the ultrasonic vibrator.
残響とは、超音波振動子が減衰振動を行っている間に発生する振動余韻である。残響は、駆動開始から減衰するまで、送信信号時間を超えた時間がかかる。 The reverberation is a vibration reverberation generated while the ultrasonic vibrator is performing damped vibration. The reverberation takes a time exceeding the transmission signal time from the start of driving to the attenuation.
図4は、第1の実施形態において、送信機2が送信した超音波の波形(送信信号)と、受信機1が受信した受信信号の波形とを示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a waveform (transmitted signal) of ultrasonic waves transmitted by the
図4において、横軸は時間であり、送信信号は送信時刻を基準としている。図4に示すように、送信信号の駆動時間に対して、受信信号の駆動時間が残響により長くなっていることが分かる。 In FIG. 4, the horizontal axis is time, and the transmission signal is based on the transmission time. As shown in FIG. 4, it can be seen that the drive time of the received signal is longer due to the reverberation with respect to the drive time of the transmission signal.
例えば、直接波と反射波が観測できる環境で、直接波と反射波の経路差が少ない場合に、直接波の残響時間中に反射波が到来して、反射波の信号成分が直接波の信号成分に埋もれてしまい、反射波の信号成分を検出できない場合などが考えられる。 For example, in an environment where a direct wave and a reflected wave can be observed, when the path difference between the direct wave and the reflected wave is small, the reflected wave arrives during the reverberation time of the direct wave, and the signal component of the reflected wave is a direct wave signal. It is conceivable that the signal component of the reflected wave cannot be detected because it is buried in the component.
図5は、直接波の残響時間中に反射波が埋もれる場合を説明する説明図である。 FIG. 5 is an explanatory diagram illustrating a case where the reflected wave is buried during the reverberation time of the direct wave.
図5(A)は、受信信号が直接波のみを含む場合を示し、図5(B)は、受信信号が、直接波と反射波とを含む場合を示す。 FIG. 5A shows a case where the received signal includes only a direct wave, and FIG. 5B shows a case where the received signal includes a direct wave and a reflected wave.
図5(B)に示すように、「送信点−反射点−受信点」の位置関係上、送信時刻から7.0[ms]で反射波を検出するはずであるが、反射波の信号成分(波形)が直接波の信号成分(波形)に埋もれてしまい、反射波の信号成分を検出できていない。 As shown in FIG. 5 (B), the reflected wave should be detected at 7.0 [ms] from the transmission time due to the positional relationship of "transmission point-reflection point-reception point", but the signal component of the reflected wave (Waveform) is buried in the signal component (waveform) of the direct wave, and the signal component of the reflected wave cannot be detected.
受信信号に反射波のみが含まれる場合も、同じ現象が見られて、反射波どうしの行路差が小さい場合に、先着の反射波の残響時間中に後着の反射波が到来して後着の反射波が分離できない場合がある。 The same phenomenon is observed when the received signal contains only the reflected wave, and when the path difference between the reflected waves is small, the reflected wave of the second arrival arrives during the reverberation time of the first reflected wave and the second arrival arrives. The reflected wave may not be separated.
反射波の分離方法として、あらかじめ直接波の波形データを保持しておき、受信信号から直接波のデータを減算して、反射波を抽出する方法が考えられる。 As a method of separating the reflected wave, it is conceivable to hold the waveform data of the direct wave in advance and subtract the data of the direct wave from the received signal to extract the reflected wave.
図6は、第1の実施形態に係る分離処理部113による反射波を分離する分離処理を示すフローチャートである。 FIG. 6 is a flowchart showing a separation process for separating the reflected wave by the separation process unit 113 according to the first embodiment.
分離処理部113は、直接波の波形データを保持する(S11)。直接波の波形データは、予め設定するようにしてもよいし、送信機2と受信機1との間の通信により直接波の波形データを授受して受信機1が保持するようにしてもよい。
The separation processing unit 113 holds the waveform data of the direct wave (S11). The direct wave waveform data may be set in advance, or the direct wave waveform data may be exchanged and held by the
分離処理部113は、信号処理部112から受信信号を取得すると、受信信号のデータと直接波の波形データとの相関を取り、相関値が最大値となる位置を直接波の先頭位置として検出する(S12)。分離処理部113は、直接波の先頭位置を検出すると、受信信号データから直接波の波形データを減算して(S13)、反射波の波形データを抽出する(S14)。 When the separation processing unit 113 acquires the received signal from the signal processing unit 112, the separation processing unit 113 correlates the received signal data with the waveform data of the direct wave, and detects the position where the maximum correlation value is the head position of the direct wave. (S12). When the separation processing unit 113 detects the head position of the direct wave, it subtracts the waveform data of the direct wave from the received signal data (S13) and extracts the waveform data of the reflected wave (S14).
上記のように、分離処理部113は、推定した直接波の波形の先頭位置から、受信信号に対して直接波データを減衰して反射波データを抽出する。この処理は反射波のみの分離時にも有効である。 As described above, the separation processing unit 113 extracts the reflected wave data by attenuating the direct wave data with respect to the received signal from the head position of the estimated direct wave waveform. This process is also effective when separating only the reflected wave.
反射波の分離方法として、直接波を減算する以外にも、送信波形に対してコード拡散などの変調処理を施して、受信時に該当コードで相関をとることで、直接波から反射波を分離することが可能である。 As a method of separating the reflected wave, in addition to subtracting the direct wave, the transmitted waveform is subjected to modulation processing such as code diffusion, and the reflected wave is separated from the direct wave by correlating with the corresponding code at the time of reception. It is possible.
図7は、第1の実施形態に係る超音波信号の信号波形例を示す図である。図8は、反射波が直接波の位相とずれたときの様子を示す図である。 FIG. 7 is a diagram showing a signal waveform example of the ultrasonic signal according to the first embodiment. FIG. 8 is a diagram showing a state when the reflected wave is out of phase with the direct wave.
図7では、超音波送信信号が例えば40[kHz]である場合を示している。図7に示すような送信信号が送信機2から送信され、図8に示すように、直接波に対して位相がずれた反射波が直接波に埋もれて受信機1に受信されることがある。
FIG. 7 shows a case where the ultrasonic transmission signal is, for example, 40 [kHz]. A transmission signal as shown in FIG. 7 is transmitted from the
反射波は直接波に対して位相がずれているが、反射波の信号波形は直接波の信号波形に近似しているため、反射波の信号波形と直接波の波形データとの相関値が大きくなり、反射波の分離処理が難しいという問題がある。 The reflected wave is out of phase with the direct wave, but since the signal waveform of the reflected wave is close to the signal waveform of the direct wave, the correlation value between the signal waveform of the reflected wave and the waveform data of the direct wave is large. Therefore, there is a problem that it is difficult to separate the reflected wave.
これに対して、以下に示すように、超音波信号にコード拡張変調を行なうことにより反射波を分離することができる。 On the other hand, as shown below, the reflected wave can be separated by performing code expansion modulation on the ultrasonic signal.
図9は、超音波信号のコード拡散変調を説明する説明図である。図10は、コード拡散変調した場合の直接波と反射波の波形を示す図である。 FIG. 9 is an explanatory diagram illustrating code diffusion modulation of an ultrasonic signal. FIG. 10 is a diagram showing waveforms of a direct wave and a reflected wave when code diffusion modulation is performed.
図9に示すように、図9(A)に例示する信号波形に、所定周期でcode”0”とcode”1”とを交互にかけると、図9(B)に例示する信号波形となる。code”1”をかけた区間の信号も位相はそのままだが、code”0”をかけた区間の信号は周波数を変更させるものとする。 As shown in FIG. 9, when code "0" and code "1" are alternately applied to the signal waveform illustrated in FIG. 9 (A) at a predetermined cycle, the signal waveform illustrated in FIG. 9 (B) is obtained. .. The phase of the signal in the section multiplied by code "1" remains the same, but the frequency of the signal in the section multiplied by code "0" is changed.
図10に示すように、信号波形にcodeをかけることにより、直接波に対して反射波の位相がずれた場合でも、反射波の信号波形は直接波の信号波形に近似しなくなるので、反射波の信号波形と直接波の波形データとの相関値は小さくなるので、反射波を分離することができる。 As shown in FIG. 10, by applying a code to the signal waveform, even if the reflected wave is out of phase with respect to the direct wave, the signal waveform of the reflected wave does not resemble the signal waveform of the direct wave. Since the correlation value between the signal waveform of the above and the waveform data of the direct wave becomes small, the reflected wave can be separated.
なお、この場合、送信機2がcodeをかけた場合は、受信機1がcodeを共有することが必要であり、分離処理部113は、送信機2が使用したcodeで変調した波形で相関をとる。例えば、送信機2と受信機1との間で、送信機2が使用したコード情報を含む制御情報を授受することにより、送信機2と受信機1はcodeを共有できる。
In this case, when the
なお、超音波信号のコード拡散変調を利用する変形実施形態として、各送信機2が使用するcodeを送信機2毎に割り当てるようにしてもよい。これにより、各送信機2が使用するcodeが異なるため、各送信機2がユニークなコードで変調させることができる。その結果、受信機1は、codeに基づいて受信した信号の送信先である送信機2を特定することができ、各送信機2が使用したcodeを用いて復調する。
As a modified embodiment using the code diffusion modulation of the ultrasonic signal, the code used by each
(A−3)相関値検出処理、時間差検出処理
図11は、第1の実施形態に係る相関値検出処理及び時間差検出処理を説明する説明図である。
(A-3) Correlation value detection process and time difference detection process FIG. 11 is an explanatory diagram illustrating the correlation value detection process and the time difference detection process according to the first embodiment.
相関値検出部12及び時間差検出部13は、各分離処理部113により分離された複数の受信波形を用いて相関値及び時間差検出を行なう。
The correlation value detection unit 12 and the time
相関値検出部12は、各分離処理部113により分離処理された信号を取得する。すなわち、各分離処理部113により直接波の波形データが減算されて、直接波と反射波とをから直接波の波形データを減算した受信信号を取得する。 The correlation value detection unit 12 acquires the signal separated by each separation processing unit 113. That is, the waveform data of the direct wave is subtracted by each separation processing unit 113, and the received signal obtained by subtracting the waveform data of the direct wave from the direct wave and the reflected wave is acquired.
相関値検出部12は、各受信波形を現状の先頭位置からシフトしていき、お互いの相互相関値を検出していく。先頭から相互相関値のピーク(最大値)を検出する。そして、時間差検出処理部13は、一方の信号波形の先頭位置から相互相関値の最大値となる時間を、複数の受信波形の時間差として検出する。
The correlation value detection unit 12 shifts each received waveform from the current head position and detects mutual correlation values. The peak (maximum value) of the cross-correlation value is detected from the beginning. Then, the time difference
(A−4)到来角度推定処理
図12は、第1の実施形態に係る到来角度推定処理の基本概念を説明する説明図である。
(A-4) Arrival Angle Estimating Process FIG. 12 is an explanatory diagram illustrating a basic concept of the arrival angle estimation processing according to the first embodiment.
到来角度推定部14は、例えば、既知技術であるMUSIC法や、複数の受信機の到来時間差を使って到来方向を推定などの手段を用いて、反射波の到来方向を推定する。
The arrival
図12では、アレイ受信として、受信処理部11−1及び11−2のそれぞれの受信部111を線形ベクトルに配置した場合の例である。 FIG. 12 shows an example in which the receiving units 111 of the receiving processing units 11-1 and 11-2 are arranged in a linear vector as array reception.
2つの受信部111間の到来時間差をτ、超音波信号の到来速度をc、2つの受信部111の間の距離長をd、超音波信号の到来方向(角度)をθとすると、式(1)が成り立つ。
図12に示すように、2つの受信部111が距離長dだけ離れた状態で、角度θの方向から超音波信号が各受信部111に到来した場合、それぞれの受信部111における超音波信号の到来時間は異なる。すなわち、一方の受信部111に超音波信号は到来し、到来時間差(遅延時間)τ後に、他方の受信部111に超音波信号が到来する。式(1)は、図12に例示する関係より、到来方向θを導出する関係式である。 As shown in FIG. 12, when two receiving units 111 are separated by a distance length d and an ultrasonic signal arrives at each receiving unit 111 from the direction of the angle θ, the ultrasonic signal in each receiving unit 111 The arrival time is different. That is, the ultrasonic signal arrives at one receiving unit 111, and the ultrasonic signal arrives at the other receiving unit 111 after the arrival time difference (delay time) τ. Equation (1) is a relational expression for deriving the arrival direction θ from the relation illustrated in FIG.
式(1)を変形すると、到来方向(角度)θは式(2)となる。
図13は、第1の実施形態に係る到来方向推定処理を説明する説明図である。 FIG. 13 is an explanatory diagram illustrating an arrival direction estimation process according to the first embodiment.
図13に示すように、送信機2からの超音波信号は、直接波として各受信部111に到来したり、反射体5に反射された反射波として各受信部111に到来したりする。
As shown in FIG. 13, the ultrasonic signal from the
到来角度推定部14は、時間差検出部13により検出された各受信波形(すなわち、直接波、反射波)の時間差を到来時間差τとして、式(2)に従って、各信号波形の到来方向を推定する。
The arrival
ここで、式(2)において、2つの受信部111の間の距離長d、超音波信号の到来速度cは予め設定することができる。従って、各信号波形の到来時間差τが分かれば、各信号波形の到来方向を推定することができる。 Here, in the equation (2), the distance length d between the two receiving units 111 and the arrival speed c of the ultrasonic signal can be set in advance. Therefore, if the arrival time difference τ of each signal waveform is known, the arrival direction of each signal waveform can be estimated.
なお、図13では、直接波が到来する場合を例示しているが、反射波のみが受信機1に到来する場合も、同様に反射波の到来方向を推定することができる。
Although FIG. 13 illustrates the case where the direct wave arrives, the arrival direction of the reflected wave can be similarly estimated when only the reflected wave arrives at the
(A−5)位置推定処理
(A−5−1)基本的な概念
図14は、第1の実施形態に係る位置推定処理を示すフローチャートである。図15は、第1の実施形態に係る位置推定処理を説明する説明図である。
(A-5) Position estimation process (A-5-1) Basic concept FIG. 14 is a flowchart showing a position estimation process according to the first embodiment. FIG. 15 is an explanatory diagram illustrating the position estimation process according to the first embodiment.
図14において、位置推定部15は、位置推定に係る環境モデルを設定し(S21)、環境モデルにおける受信機1の位置を設定する(S22)。
In FIG. 14, the
環境モデルは、例えば、室内フロアモデル(縦、横、高さ)や、反射体5の位置、形状、大きさ(縦、横、高さ)等を含む二次元空間、三次元空間のモデルである。環境モデルは、予め受信機1に設定されるようにしてもよいし、適宜変更可能であってもよい。例えば、室内に移動可能な物体がある場合には、反射体5の位置関係が変更され得るが、その場合には環境モデルの内容を変更するようにしてもよい。いずれにしても位置推定時の室内フロアモデル、反射体15の位置関係を示すモデルを使用する。
The environment model is, for example, an indoor floor model (length, width, height), a two-dimensional space including the position, shape, size (length, width, height) of the
また、環境モデルは、二次元座標、三次元座標で構成されており、その基準点に対して、受信機1の位置をセットする。これにより、設定された環境モデルにおける受信機1の位置を決めることができる。
Further, the environment model is composed of two-dimensional coordinates and three-dimensional coordinates, and the position of the
位置推定部15は、環境モデルにおける受信機1の位置を基点とし、到来角度推定部14により推定された各信号波の到来方向θを設定し(S23)、レイトレース法を用いて、各信号波の到来経路を追跡する(S24)。レイトレース法は、各レイの到来方向と、室内であればフロアモデル、障害物などのデータからレイの交点を求める処理である。
The
位置推定部15は、各信号波の到来経路を追跡していき、各線(レイ)の交点を送信点(すなわち、送信機2の位置)として推定する(S25)。
The
図16は、レイトレース法を用いた送信点の推定処理を説明する説明図である。 FIG. 16 is an explanatory diagram illustrating a transmission point estimation process using the ray tracing method.
図16では、説明を容易にするため、基点(受信機1の位置)から2つのレイ(レイ3、レイ4)を、トレース場合を例示している。
In FIG. 16, for ease of explanation, a case where two rays (
図16(A)において、位置推定部15は、基点1から到来方向の延長線上にレイ3を伸ばしていく。このとき、レイ3が反射体5とぶつかった点を「交点31」とする。レイ3が反射体5にぶつかったとき、位置推定部15は反射体5に対する角度(反射角)を求め、「交点31」から反射角と等しい入射角に向けてレイ3を伸ばしていく。
In FIG. 16A, the
同様に、図16(B)に示すように、位置推定部15は、基点1から到来方向の延長線上にレイ4を伸ばしていく。そして、レイ3とレイ4とが交差する点を送信点の位置と推定できる。
Similarly, as shown in FIG. 16B, the
上記では、X−Y水平面上の2次元での位置推定処理を説明したが、図17に示すように、3次元での位置推定を行なうようにしてもよい。この場合、到来角度推定部14が水平方向の到来角度推定に加えて、垂直方向の角度の方向を推定して、3次元での到来方向を推定する。そして、位置推定部15が、各信号波の3次元の到来方向に基づいてレイトレースを行ない、3次元での位置推定を実施するようにしてもよい。
In the above, the position estimation process in two dimensions on the XY horizontal plane has been described, but as shown in FIG. 17, the position estimation in three dimensions may be performed. In this case, the arrival
(A−5−2)複数の交点がある場合の位置推定処理
図18は、複数の交点がある場合の位置推定処理を説明する説明図である。
(A-5-2) Position estimation process when there are a plurality of intersections FIG. 18 is an explanatory diagram illustrating a position estimation process when there are a plurality of intersections.
図18に示すように、レイトレース法により、複数の信号波の到達経路(レイ)を追跡していくと、複数の反射回数が生じるときには、複数の交点(図18の交点61、交点62)が生じることがある。つまり、複数の送信点候補が生じることになる。この場合、複数の交点(交点61、交点62)のうち、どの交点を送信点として推定するかが問題となる。 As shown in FIG. 18, when the arrival paths (rays) of a plurality of signal waves are traced by the ray tracing method, when a plurality of reflection times occur, a plurality of intersections (intersection 61, intersection 62 in FIG. 18) May occur. That is, a plurality of transmission point candidates will be generated. In this case, the problem is which of the plurality of intersections (intersection 61, intersection 62) is estimated as the transmission point.
この実施形態では、位置推定部15が、各レイの反射回数をカウントする反射回数計数部151を有し、反射回数計数部151が、各レイの反射回数に基づいて、各レイの作成を制限するようにしてもよい。
In this embodiment, the
図19は、反射回数計数部151による反射回数の制限処理を示すフローチャートである。 FIG. 19 is a flowchart showing a process of limiting the number of reflections by the reflection number counting unit 151.
図19において、まず、反射回数計数部151は、各レイの反射回数を初期化する(S31)。そして、位置推定部15が、レイトレース法により、環境モデルにおいて各レイを作成する。このとき、反射回数計数部151は、各レイが反射体5と反射するか否かを監視し(S32)、各レイが反射体5に反射する場合、S33に進む。
In FIG. 19, first, the reflection number counting unit 151 initializes the reflection number of each ray (S31). Then, the
反射回数計数部151は、各レイの生成を制限するための閾値が設定されており、各レイの反射回数と閾値を比較し、各レイの反射回数が閾値以下であるか否かを判定する(S33)。 The reflection count counting unit 151 has a threshold value for limiting the generation of each ray, compares the reflection count of each ray with the threshold value, and determines whether or not the reflection count of each ray is equal to or less than the threshold value. (S33).
このとき、各レイの反射回数が閾値以下の場合、当該レイの反射回数をインクリメント(すなわち、「1」を加算)し(S34)、入射角が反射角と等しいレイを作成する(S35)。 At this time, if the number of reflections of each ray is equal to or less than the threshold value, the number of reflections of the ray is incremented (that is, "1" is added) (S34) to create a ray whose incident angle is equal to the reflection angle (S35).
一方、各レイの反射回数が閾値以下でない場合、当該レイの作成を終了する。 On the other hand, if the number of reflections of each ray is not less than or equal to the threshold value, the creation of the ray is terminated.
このように、各レイの反射回数に基づいて各レイの作成を制限することにより、複数のレイの交点の数を1点することができる。 In this way, by limiting the creation of each ray based on the number of reflections of each ray, the number of intersections of the plurality of rays can be set to one point.
レイは、その反射回数が増すほどに経路距離が増し、経路距離が増すほど減衰により不正確な信号となる。この実施形態では、反射回数計数部151を備えることにより、レイトレース時の各レイの反射回数を制限することで、交点1を1点とすることができ、送信点を確定することができる。
As the number of reflections of the ray increases, the path distance increases, and as the path distance increases, the signal becomes inaccurate due to attenuation. In this embodiment, by providing the reflection number counting unit 151, the number of reflections of each ray at the time of ray tracing is limited, the
なお、この実施形態では、反射回数に基づいてレイの作成を制限する場合を例示したが、これに限定されるものではない。 In this embodiment, the case of limiting the creation of rays based on the number of reflections has been illustrated, but the present invention is not limited to this.
例えば、閾値を用いて、レイトレース法により作成する各レイの長さを制限するようにしてもよい。この方法によっても、レイの長さを制限することで、各レイの交点の数を制限することができ、送信点を1点とすることができる。また例えば、複数のレイの最初の交点が生じたときに、その交点を送信点と推定するようにしてもよい。また、3つ以上のレイがある場合には、3つ以上のレイの交点を送信点として推定するようにしてもよい。 For example, a threshold may be used to limit the length of each ray created by the ray tracing method. Also by this method, the number of intersections of each ray can be limited by limiting the length of the rays, and the transmission point can be set to one point. Further, for example, when the first intersection of a plurality of rays occurs, the intersection may be estimated as the transmission point. Further, when there are three or more rays, the intersection of the three or more rays may be estimated as a transmission point.
(A−5−3)信頼性の高いレイの選択
直接波が到来しない見通し外の環境では、反射波のみを使用して位置推定処理を実施する場合を説明した。
(A-5-3) Selection of highly reliable ray In the non-line-of-sight environment where the direct wave does not arrive, the case where the position estimation process is performed using only the reflected wave has been described.
しかし、送信機2が移動するような場合には、見通し外の環境だけではなく、見通し内と見通し外とが逐次変わり得る。見通し内の環境の場合、受信機1における受信信号は、直接波/反射波/回折波が混在することになる。
However, when the
そこで、この実施形態では、位置推定部15が、電力検出部16により検出された信号波の電力値に基づいて高い電力値の信号波を選択し、その信号波の到来角度を用いてレイトレースする。これにより、信頼性の高いレイを選択して、送信点を推定することができる。
Therefore, in this embodiment, the
図20は、第1の実施形態において、複数の信号波の中から、信頼性の高い信号波を選択する処理を示すフローチャートである。 FIG. 20 is a flowchart showing a process of selecting a highly reliable signal wave from a plurality of signal waves in the first embodiment.
まず、相関値検出部12は、上述したように、受信処理部11−1及び受信処理部11−2のそれぞれの受信部111で受信した各信号波(受信波)の相関を取り、受信波を検出する。 First, as described above, the correlation value detection unit 12 correlates each signal wave (received wave) received by each of the receiving units 111 of the receiving processing unit 11-1 and the receiving processing unit 11-2, and receives the received wave. Is detected.
図21は、受信処理部11−1の受信部111で受信した受信波と、受信処理部11−2の受信部111で受信した受信波を示す図である。図21では、直接波と、2つの反射波1と反射波2とが検出された場合を示している。
FIG. 21 is a diagram showing a reception wave received by the reception unit 111 of the reception processing unit 11-1 and a reception wave received by the reception unit 111 of the reception processing unit 11-2. FIG. 21 shows a case where a direct wave, two reflected
電力検出部16は、受信処理部11−1の受信部111の各信号波の波形と、受信処理部11−2の受信部111の各信号波の波形の時間関係に基づいて、各波形の関連付けを行なう。例えば、図21において、受信処理部11−1の受信部111で受信した受信波と、受信処理部11−2の受信部111で受信した受信波の受信波形では、3つの信号波が検出されているので、最初の信号波を直接波、次の信号波を反射波1、最後の信号波を反射波2と推定する。さらに、電力検出部16は、各信号波(直接波、反射波1、反射波2)の電力値(振幅値)を検出する。なお、電力値は、波形区間の平均電力値であってもよいし、最大電力値であってもよい。
The power detection unit 16 of each waveform is based on the time relationship between the waveform of each signal wave of the reception unit 111 of the reception processing unit 11-1 and the waveform of each signal wave of the reception unit 111 of the reception processing unit 11-2. Make an association. For example, in FIG. 21, three signal waves are detected in the received waveforms of the received wave received by the receiving unit 111 of the receiving processing unit 11-1 and the received wave received by the receiving unit 111 of the receiving processing unit 11-2. Therefore, it is estimated that the first signal wave is a direct wave, the next signal wave is a reflected
図20において、位置推定部15は、電力検出部16から各信号波の電力値を取得し(S41)、各信号波の電力値と予め設定された閾値を比較し、電力値が閾値を超えるか否かを判定する(S42)。そして、電力値が閾値を超える場合、位置推定部15はその信号波を選択し(S43)、電力値が閾値以下の場合、位置推定部15はその信号波を使用しない(S44)。
In FIG. 20, the
位置推定部15は、選択した信号波の到来角度を用いて、レイトレース法によりレイを作成し、当該信号波の到来方向を追跡する(S45)。そして、各レイの交点を送信点として推定する(S46)。
The
なお、上記では、レイの選択を行なう指標として、信号波の電力値を用いる場合を例示したがこれに限定されるものではない。例えば、各レイの交点までの到達経路としてもよい。 In the above, the case where the power value of the signal wave is used as an index for selecting the ray has been illustrated, but the present invention is not limited to this. For example, it may be an arrival route to the intersection of each ray.
(A−6)位置推定の実施例
[位置推定精度の確認]
見通し外の環境において、反射波のみを用いた位置推定精度を実測した実施例を説明する。
(A-6) Example of position estimation
[Confirmation of position estimation accuracy]
An example in which the position estimation accuracy using only the reflected wave is actually measured in a non-line-of-sight environment will be described.
図22は、送信機2としてスピーカを用いた。受信機1として2個のマイクロフォンを有するアレイを用いた。2個のマイクロフォン間の距離は200[cm]とした。2個のマイクロフォンの中間点を原点[0,0]と設定する。
In FIG. 22, a speaker was used as the
2個のマイクロフォン(原点)より到来角度推定を実施して、2種類の反射波(反射波1、反射波2)の到来角度を推定する。
The arrival angle is estimated from the two microphones (origins), and the arrival angles of the two types of reflected waves (reflected
各反射波のトレースを追うと反射板にぶつかり、その入射角と反射角を等しく置いて入射波のトレースを追うと交点を結ぶ。その交点をスピーカの推定位置とする。 If you follow the trace of each reflected wave, it will hit the reflector, and if you follow the trace of the incident wave with the incident angle and the reflection angle set equal, you will connect the intersection. The intersection is set as the estimated position of the speaker.
図23は、評価結果である。図23において、送信点の「期待位置の座標」は[−200cm,−3.5cm]であるところ、送信点の「推定位置の座標」は[−208cm,−6.9cm]であった。送信点の位置推定誤差は8.7[cm]と、高精度な位置推定が可能であった。 FIG. 23 is an evaluation result. In FIG. 23, the "coordinates of the expected position" of the transmission point were [-200 cm, -3.5 cm], while the "coordinates of the estimated position" of the transmission point were [-208 cm, -6.9 cm]. The position estimation error of the transmission point was 8.7 [cm], and highly accurate position estimation was possible.
[分離処理の確認]
超音波を使った位置推定で、あらかじめ直接波の波形データを保持しておき、直接波の残響に反射波が埋もれている波形に対して、受信信号から直接波のデータを減算して反射波を抽出する方法での精度を確認した。
[Confirmation of separation process]
In position estimation using ultrasonic waves, the waveform data of the direct wave is held in advance, and the reflected wave is subtracted from the received signal for the waveform in which the reflected wave is buried in the reverberation of the direct wave. We confirmed the accuracy of the method of extracting.
図24は実施環境の測定条件を示す。図24に示すように、スピーカとマイクロフォンとの間の距離が200[cm]とした。この場合、直接波と反射波との行路差が小さいので、直接波の残響部分に反射波が埋もれている状態である。 FIG. 24 shows the measurement conditions of the implementation environment. As shown in FIG. 24, the distance between the speaker and the microphone was set to 200 [cm]. In this case, since the path difference between the direct wave and the reflected wave is small, the reflected wave is buried in the reverberation portion of the direct wave.
ここで、あらかじめ直接波の波形データを保持しておき、受信信号と直接波の相関をとり、最大値となる位置から保持しておいた直接波を減算した。 Here, the waveform data of the direct wave was held in advance, the received signal was correlated with the direct wave, and the held direct wave was subtracted from the position where the maximum value was obtained.
図25は、受信信号の波形と、受信信号から直接波のデータを減算して反射波を抽出した波形である。図25に示すように、受信信号の2個目の山が、反射波であるが、直接波に埋もれて先頭位置が分からない。一方、減算後の波形は抽出された反射波の先頭が明確に分かる。 FIG. 25 shows a waveform of the received signal and a waveform obtained by extracting the reflected wave by directly subtracting the wave data from the received signal. As shown in FIG. 25, the second peak of the received signal is the reflected wave, but it is buried in the direct wave and the head position cannot be known. On the other hand, in the waveform after subtraction, the head of the extracted reflected wave can be clearly seen.
図26は、評価結果である。図26に示すように、直接波と反射波の期待行路差は28.25[cm]であるところ、直接波と反射波の推定行路差26.27[cm]であった。推定誤差は2[cm]と高精度な行路推定が可能であった。 FIG. 26 is an evaluation result. As shown in FIG. 26, the expected path difference between the direct wave and the reflected wave was 28.25 [cm], but the estimated path difference between the direct wave and the reflected wave was 26.27 [cm]. The estimation error was 2 [cm], which enabled highly accurate route estimation.
(A−7)第1の実施形態の効果
上述したように、第1の実施形態によれば、反射波のみを使用することで見通し外環境位置推定を行うことが可能である。
(A-7) Effect of First Embodiment As described above, according to the first embodiment, it is possible to estimate the non-line-of-sight environment position by using only the reflected wave.
また、第1の実施形態によれば、行路差が少ない受信信号は分離処理を実施するとともに、レイトレースを実施することで正確な位置推定を行なうことが可能である。 Further, according to the first embodiment, it is possible to perform accurate position estimation by performing ray tracing while performing separation processing on the received signal having a small path difference.
さらに、第1の実施形態によれば、見通し内/見通し外環境でも受信レベルなどで信頼性の高いレイを選択することで、より正確な位置推定を行うことが可能である。 Further, according to the first embodiment, it is possible to perform more accurate position estimation by selecting a ray having high reliability in terms of reception level or the like even in a line-of-sight / non-line-of-sight environment.
(B)第2の実施形態
次に、本発明に係る位置推定装置、位置推定プログラム及び位置推定方法の第2の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
(B) Second Embodiment Next, a second embodiment of the position estimation device, the position estimation program, and the position estimation method according to the present invention will be described with reference to the drawings.
第2の実施形態では、送信機2と受信機1のいずれか又は両方に指向性を持たせる点で、第1の実施形態と異なる。
The second embodiment differs from the first embodiment in that either or both of the
それ以外は、第1の実施形態と同様であり、第2の実施形態に係る受信機1は、第1の実施形態の図1に示す内部構成を有し、第2の実施形態に係る送信機2は、第1の実施形態の図3に示す内部構成を有する。
Other than that, it is the same as that of the first embodiment, and the
送信機2が指向性を持たせて超音波信号を送信し、受信機1が指向性を持たせて超音波信号を受信することにより、受信機1は、より高い精度で送信機2の位置を推定することができる。
The
なお、送信機2及び受信機1が、電波、超音波信号について指向性を持たせる指向性技術は、既存技術を広く適用することができるため、ここでの詳細な説明は省略する。特に超音波信号の送信に係る指向性技術として、例えば、ホーンなど機構的な手段でより指向性を高めることが可能である。
Since the existing technology can be widely applied to the directivity technology in which the
図27は、指向性を持たせた場合の位置推定処理を説明する説明図である。 FIG. 27 is an explanatory diagram illustrating a position estimation process when directivity is provided.
図27(A)は、受信機1が、送信機2の指向性の範囲内に存在している場合を示し、図27(B)は、受信機1が、送信機2の指向性の範囲外に存在している場合を示す。
27 (A) shows the case where the
従来、見通し外の環境で、受信機1が送信機2の位置を推定することが難しいという課題がある。
Conventionally, there is a problem that it is difficult for the
例えば、送信機2が移動可能であるとする。図27(A)に示すように、受信機1が、送信機2の指向性範囲内に存在している場合には、受信機1は、直接波を受信することができるため、送信機2の位置を推定することができる。
For example, assume that the
しかし、図27(B)に示すように、受信機1が、送信機2の指向性の範囲外にある場合、受信機1は、直接波を受信できず、送信機2の位置を推定できないことがある。
However, as shown in FIG. 27 (B), when the
従来、受信機と送信機とを連動させて、送信機のアンテナ/スピーカを受信機側に向かせる方法もある。しかし、受信機と送信機とを連携させる場合、大規模システムとなり、コストが高くなる。 Conventionally, there is also a method of linking the receiver and the transmitter to direct the antenna / speaker of the transmitter toward the receiver side. However, when the receiver and the transmitter are linked, it becomes a large-scale system and the cost becomes high.
本発明は、見通し外において、反射波のみでも位置推定を実施可能であるため、送信機2が移動し、受信機1が送信機2の指向性範囲外となっても、送信機2及び受信機1が指向性を追従することなしに、受信機1が送信機1の位置を推定することができる。
Since the present invention can perform position estimation using only the reflected wave outside the line of sight, the
図28は、第2の実施形態において、指向性を持たせた場合の位置推定処理を説明する説明図である。 FIG. 28 is an explanatory diagram illustrating a position estimation process in the case of giving directivity in the second embodiment.
図28(A)に示すように、受信機1が送信機2の指向性範囲内の場合(見通し内)の場合は、当然、受信機1は送信機2の位置を推定できる。
As shown in FIG. 28A, when the
また、図28(B)に示すように、受信機1が送信機2の指向性範囲外であり、見通し外のときでも、周辺の壁などの反射体5に反射した反射波が受信機1に到来することができれば、受信機1は反射波のみを利用して送信機2の位置を推定することができる。
Further, as shown in FIG. 28 (B), even when the
図29は、第2の実施形態において、複数の送信機2を設けた場合の位置推定処理を説明する説明図である。
FIG. 29 is an explanatory diagram illustrating a position estimation process when a plurality of
例えば、指向性を持たせた複数の送信機2を送信側の装置に搭載させることにより、直接波、反射波などが受信機1に到来するため、より確実に位置推定を行なうことができる。
For example, by mounting a plurality of
図29(A)に示すように、受信機1がある送信機2の指向性範囲内の存在する時には、直接波と、反射体5に反射した反射波が受信機1に到来する可能性がある。また図29(B)に示すように、送信機2が移動したときでも、別の送信機2の指向性範囲に受信機1が存在する可能性が高くなるので、この場合にも、直接波、反射波が受信機1に到来すれば、受信機1は位置推定を行なうことができる。
As shown in FIG. 29 (A), when the
なお、第2の実施形態では、送信機2が、指向性を持たせて送信信号を送信する場合を例示した。しかし、当然、受信機1に指向性を持たせても同様な効果がある。
In the second embodiment, the case where the
また、第2の実施形態では、直接波と反射波の例を示したが、当然、回折波も含めた様々な種類の到来波の組み合わせでも同様な効果がある。 Further, in the second embodiment, an example of a direct wave and a reflected wave is shown, but of course, a combination of various types of incoming waves including a diffracted wave has the same effect.
(C)第3の実施形態
次に、本発明に係る位置推定装置、位置推定プログラム及び位置推定方法の第3の実施形態を、図面を参照して説明する。
(C) Third Embodiment Next, a third embodiment of the position estimation device, the position estimation program, and the position estimation method according to the present invention will be described with reference to the drawings.
第3の実施形態は、受信機1は、送信機1の推定位置をマッピング表示する機能を有する。
In the third embodiment, the
図31は、第3の実施形態に係る受信機1の主な内部構成を示す内部構成図である。図30は、第3の実施形態に係るマッピング表示画面の一例を示す画面図である。
FIG. 31 is an internal configuration diagram showing a main internal configuration of the
図31において、第3の実施形態に係る受信機1は、図1に示す構成要素に加えて、表示制御部17、表示部18を有する。
In FIG. 31, the
表示制御部17は、位置推定部15により推定された位置推定情報と、環境モデルのデータを取得し、環境モデルに基づく室内環境において、送信点の位置をマッピング表示制御するものである。
The display control unit 17 acquires the position estimation information estimated by the
表示部18は、例えばディスプレイ等の表示部であり、表示制御部17からのマッピングデータに基づいて、例えば図30に例示するような、送信機2の推定位置を含む地図画面を表示する。
The
受信機1の位置推定部15が推定した位置推定情報及び環境モデルのデータが表示制御部17に与えることができれば、表示制御部17及び表示部18は、受信機1に搭載されている必要はない。表示制御部17及び表示部18が受信機1に対して遠隔の場所にあり、受信機1から離れた位置で送信機1の位置を表示するようにしてもよい。
If the position estimation information estimated by the
また、表示制御部17及び表示部18は、複数の受信機1と接続しており、多数の送信機1の推定位置を、1つの地図上にマッピング表示するようにしてもよい。
Further, the display control unit 17 and the
第3の実施形態によれば、位置推定部15が推定した推定位置を、レイトレースで使用する環境モデルに基づく地図上にマッピング表示することができる。
According to the third embodiment, the estimated position estimated by the
また、第3の実施形態によれば、例えば屋内の壁などにより、見通すことができない送信機2の位置を、正確に地図上にマッピングして表示させることができる。
Further, according to the third embodiment, the position of the
1…受信機、11(11−1、11−2)…受信処理部、12…相関値検出部、13…時間差検出部、14…到来角度推定部、15…位置推定部、16…電力検出部、17…表示制御部、18…表示部、111…受信部、112…信号増幅器、113…分離処理部、
2…送信機、21…パルス発生器、22…送信部。
1 ... Receiver, 11 (11-1, 11-2) ... Reception processing unit, 12 ... Correlation value detection unit, 13 ... Time difference detection unit, 14 ... Arrival angle estimation unit, 15 ... Position estimation unit, 16 ... Power detection Unit, 17 ... Display control unit, 18 ... Display unit, 111 ... Receiver unit, 112 ... Signal amplifier, 113 ... Separation processing unit,
2 ... transmitter, 21 ... pulse generator, 22 ... transmitter.
Claims (7)
到来波を捕捉する複数の受信部と、
上記各受信部から各受信信号に含まれている拡散変調された信号波を取得し、上記各信号波と事前に設定した上記送信波の波形データとの相関をとり、相関値が最大値となる位置を直接波の先頭位置とし、受信信号から直接波の信号成分を減算して、受信信号に含まれている反射波を分離する複数の分離処理部と、
上記各分離処理部により分離された各反射波の相互相関をとり、上記各受信部に到来した各反射波の到来時間差を検出する時間差検出部と、
上記各反射波の到来時間差に基づいて各反射波の到来角度を推定する到来角度推定部と、
上記各反射波の到来角度に基づいて各反射波の到来経路を追跡し、各反射波の到来経路の交点を、送信波の送信位置として推定する位置推定部と
を備えることを特徴とする位置推定装置。 In a position estimation device that estimates the transmission position of a transmission wave including a signal diffusely modulated by the transmission side based on the reflected wave of the transmission wave.
Multiple receivers that capture incoming waves,
The diffusion-modulated signal wave included in each received signal is acquired from each of the above receiving units, and the each signal wave is correlated with the waveform data of the transmitted wave set in advance, and the correlation value is set to the maximum value. A plurality of separation processing units that separate the reflected wave contained in the received signal by subtracting the signal component of the direct wave from the received signal, with the position as the head position of the direct wave.
A time difference detection unit that cross-correlates each reflected wave separated by each of the separation processing units and detects the arrival time difference of each reflected wave that has arrived at each of the receiving units.
An arrival angle estimation unit that estimates the arrival angle of each reflected wave based on the arrival time difference of each reflected wave,
A position characterized by including a position estimation unit that tracks the arrival path of each reflected wave based on the arrival angle of each reflected wave and estimates the intersection of the arrival paths of each reflected wave as the transmission position of the transmitted wave. Estimator.
上記位置推定部が、上記各反射波成分のうち、電力値が閾値を超える反射波の到来経路を追跡して、上記送信点の位置を推定する
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の位置推定装置。 It is equipped with a power detection unit that detects the power value of each of the above reflected wave components.
Any of claims 1 to 4, wherein the position estimation unit tracks the arrival path of the reflected wave whose power value exceeds the threshold value among the reflected wave components, and estimates the position of the transmission point. Position estimation device described in.
コンピュータを、
上記各受信部から各受信信号に含まれている拡散変調された信号波を取得し、各信号波成分と事前設定した上記送信波の波形データとの相関をとり、相関値が最大値となる位置を直接波の先頭位置とし、受信信号から直接波の信号成分を減算して、受信信号に含まれている反射波を分離する複数の分離処理部と、
上記各分離処理部により分離された各反射波の相互相関をとり、上記各受信部に到来した各反射波の到来時間差を検出する時間差検出部と、
上記各反射波の到来時間差に基づいて各反射波の到来角度を推定する到来角度推定部と、
上記各反射波の到来角度に基づいて各反射波の到来経路を追跡し、各反射波の到来経路の交点を、送信波の送信位置として推定する位置推定部と
して機能させることを特徴とする位置推定プログラム。 In a position estimation program that estimates the transmission position of a transmission wave including a signal diffusely modulated by the transmission side based on the reflected wave of the transmission wave included in the arrival wave captured by each of a plurality of receivers.
Computer,
The diffusion-modulated signal wave included in each received signal is acquired from each of the above receiving units, and each signal wave component is correlated with the preset waveform data of the transmitted wave, and the correlation value becomes the maximum value. A plurality of separation processing units that separate the reflected wave contained in the received signal by subtracting the signal component of the direct wave from the received signal with the position as the head position of the direct wave.
A time difference detection unit that cross-correlates each reflected wave separated by each of the separation processing units and detects the arrival time difference of each reflected wave that has arrived at each of the receiving units.
An arrival angle estimation unit that estimates the arrival angle of each reflected wave based on the arrival time difference of each reflected wave,
The feature is that the arrival path of each reflected wave is tracked based on the arrival angle of each reflected wave, and the intersection of the arrival paths of each reflected wave functions as a position estimation unit that estimates the transmission position of the transmitted wave. Position estimation program to do.
複数の受信部のそれぞれが到来波を捕捉し、
複数の分離処理部のそれぞれが、上記各受信部から各受信信号に含まれている拡散変調された信号波を取得し、各信号波成分と事前設定した上記送信波の波形データとの相関をとり、相関値が最大値となる位置を直接波の先頭位置とし、受信信号から直接波の信号成分を減算して、受信信号に含まれている反射波を分離し、
時間差検出部が、上記各分離処理部により分離された各反射波の相互相関をとり、上記各受信部に到来した各反射波の到来時間差を検出し、
到来角度推定部が、上記各反射波の到来時間差に基づいて各反射波の到来角度を推定し、
位置推定部が、上記各反射波の到来角度に基づいて各反射波の到来経路を追跡し、各反射波の到来経路の交点を、送信波の送信位置として推定する
ことを特徴とする位置推定方法。 In a position estimation method in which the transmission position of a transmission wave including a signal diffusely modulated by the transmission side is estimated based on the reflected wave of the transmission wave.
Each of the multiple receivers captures the incoming wave and
Each of the plurality of separation processing units acquires the diffusion-modulated signal wave contained in each received signal from each of the received units, and correlates each signal wave component with the preset waveform data of the transmitted wave. The position where the correlation value becomes the maximum value is set as the head position of the direct wave, the signal component of the direct wave is subtracted from the received signal, and the reflected wave contained in the received signal is separated.
The time difference detection unit takes a cross-correlation of each reflected wave separated by each of the above separation processing units, and detects the arrival time difference of each reflected wave that has arrived at each of the above receiving units.
The arrival angle estimation unit estimates the arrival angle of each reflected wave based on the arrival time difference of each of the reflected waves.
The position estimation unit tracks the arrival path of each reflected wave based on the arrival angle of each of the reflected waves, and estimates the intersection of the arrival paths of each reflected wave as the transmission position of the transmitted wave. Method.
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