JP7203406B2 - 自動照明位置検出システム - Google Patents

Description

本発明は、固定物の位置の自動検出及び決定に関する。より具体的には、本発明は、固定物の相対位置を決定することに関する。

フロアプランは、ビルの自動化、空間利用、屋内経路捜索および屋内位置決めシステムのグラフィカルユーザインターフェースにおいて使用される効果的な視覚ツールであり得る。フロアプランは、典型的には、ビルの設計および建設段階で建築家またはデザイナーが作成する。しかしながら、それらには、一般的に、照明システムで使用されるコンポーネントの正確な位置は含まれておらず、ビルの初期設計段階後にシステムが追加または変更される場合には特にそうである。

従って、各システムプロバイダは、コンポーネントの位置を示す異なるフロアプランのセットを作成し、検証し、維持しなければならない。多くの場合、プロバイダはさまざまなソフトウェアアプリケーションを使用しており、フロアプランを簡単に共有できないため、ビルのライフサイクル全体にわたって正確なフロアプランを維持するための高度な取り組みを既に行っているビルの管理者に負担がかかる。

多くの場合、取り組みの多くは、図面を物理的空間と比較することによって、装置の物理的位置がフロアプラン上に正確に示されることを人手作業で保証することに費やされている。大規模なビルの場合、照明制御システムには、フロアプラン上に正確に表されなければならない、何千ものセンサ、照明器具、および他の制御装置が含まれ得る。

本発明は、照明器具の相対位置を自動的に決定することを目的とする。相対位置が決定されると、その位置は適切なフロアプランに示され得る。相対位置は、照明器具間の構造化光（structured light）および調整を使用して決定され得る。

図面において、例示的な実施形態が示される。
図１は、本発明のある実施形態による固有の識別子および相対位置を決定する装置の概略図である。 図２は、天井に取り付けられた本発明のある実施形態における２つの装置の概略図である。 図３は、幾何学的形状の一部を示す、天井に取り付けられた本発明のある実施形態における２つの装置の概略図である。 図４は、幾何学的形状の更なる一部を示す、天井に取り付けられた本発明のある実施形態における２つの装置の概略図である。 図５Ａ～図５Ｉは、放射装置によって放射される構造化光の受信装置による概略図である。 図６は、コントローラおよびアプリケーションとのピアツーピアネットワークを介して接続された複数の装置の概略図である。

（発明の詳細な説明）
照明の相対位置を決定するために、構造化光の投影および照明間の通信が使用される。

構造化光は、構造化されたパターンの光を物体に投影するために光源を有する装置を使用する技術である。構造化された光のパターンは、明るい領域と暗い領域による格子状または孤形等の、検出および識別可能にパターン化された光の任意の投影であってもよい。構造化光パターンは、床、地面または他の物体において反射されてもよく、受信装置のイメージセンサによって捕捉されてもよい。光を投影する装置および反射されたイメージを受信する装置は、異なっていてもよく、ある程度の距離が離れて配置されてもよい。

受信装置は、受信したイメージの幾何学的な解析を実施して構造化光を識別し、受信装置と物体との間の距離を決定する。受信装置は、構造化光の投影の位置および部分が受信装置の視野内にあることを決定することによってこれを実施する。

構造化光の他の用途では、システムは、プロジェクタとレシーバの相対的な位置を知ることができ、投影された構造化光は、プロジェクタおよびレシーバから構造化光を反射する物体までの距離、または構造化光を反射する物体の形状を決定するために使用される。例えば、ニンテンドーＷｉｉ（登録商標）は、構造化された赤外線を使用して、合成光エミッタ（放射器）／レシーバ（受信器）に関連したプレイヤの位置および動きを決定する。本明細書にて説明されているシステムでは、プロジェクタとレシーバの相対位置は最初からは既知ではないが、構造化光を用いて決定され得る。

飛行時間（ＴｏＦ：Time of flight）法は、光の既知の速度を用いて２点間の距離を決定する。これには、光がエミッタから移動し、エミッタと同じ場所にあるレシーバに戻ること、典型的には、物体からの光が反射すること、が求められ得る。計算は、光がエミッタから移動し、物体を反射して検出されるまでの時間に基づいて行われ、光が移動した距離が決定される。これは、光の速度を時間に掛け、光がこの距離を２回移動することを考慮に入れて、２で割ることによって行われ得る。

飛行時間法はいくつかの用途に使用され得るが、ある実施形態では、固定物から床またはテーブル等の反射面までの距離を測定するために使用され得る。この距離は、固定物が取り付けられる天井の高さを決定するために使用され、構造化光の検出を較正するために使用され得る。

図１を参照すると、１つ以上の装置の識別子および相対位置を決定する装置の概略図が示されている。装置は、構造化光のイメージを投影し、他の類似する装置と通信し得る。装置は、他の同様の装置との信号の送信および受信を使用して通信することができる。通信信号は、赤外線を使用してもよく、装置は、通信信号のためにディフューザおよびコレクタ等のレンズを使用してもよい。装置は、赤外線に加えて、または赤外線の代わりに、有線、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＮＦＣ、Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）等の他の通信信号を使用して、信号を送信および受信してもよい。装置は、赤外線を使用するなど、ノード間通信を使用して装置間で通信することによって、分散型ネットワークを形成してもよい。このノード間通信は、集中制御のないピアツーピアネットワークであってもよい。

それぞれの装置に固有の識別子は、近傍の、または同じグループの他の装置に通信され得る。赤外線通信信号は、これらの通信を、放射装置に物理的に近い装置への通信に自己制限し得る。Ｗｉ－Ｆｉ等の、代替の種類の通信信号は、範囲がより広く、近傍にある装置内のより多くの装置を含み得る。

電子装置１００は、電力管理回路１１０、イメージセンサ１３１、飛行時間センサ１３２を含むがこれらに限定されない様々なセンサ１３０、制御論理処理１４０、データ記憶装置およびメモリ１４１、デジタル信号処理１５０、ネットワーク通信インターフェース１６０、可視光または赤外線通信のエミッタおよびレシーバ回路１７０等のサブシステムを含み得る。

電力管理回路１１０は、主電源をより低い電圧の電力に変換する等、装置による使用のために利用可能な電源を変換し得る。回路１１０は、ソーラー、ＥＭエネルギーハーベスタまたは他の電源に接続してもよい。それは、電力供給および使用に応じて、例えばバッテリ等によって、電力使用および蓄電を管理および調整し得る。

図２は、天井に取り付けられた、放射装置２０１および受信装置２０２の、２つの装置正面図の図である。放射装置２０１は、構造化光イメージ２１０を床に投影し得る。装置２０１は、ＬＥＤ、レーザまたはその他の光放射素子を使用して、光を床に投影してもよい。構造化光は、テーブル、机、椅子、または人々等の、装置の下の他の物体に投影されてもよい。

構造化光イメージ２２０の一部は、受信装置２０２に向けて反射され得る。投影されたイメージの一部２２０のみが、受信装置のイメージセンサの視野内に含まれてもよい。受信装置は、広い視野角を可能にするために、広角レンズまたは検出器を使用してもよい。構造化光の全部または部分的な図の検出を用いて、受信装置は、放射装置に対するその装置自身の相対位置を決定し得る。

受信装置は、その装置自身が検出可能な構造化光イメージの部分、および装置の位置に関する構造化光の位置を決定し得る。飛行時間センサによって、或いは高さが与えられることによって、装置から構造化イメージまでの距離が既知である場合、受信装置は、投影された構造化光イメージの期待されるサイズを決定し得る。構造化イメージから装置までの距離が既知でない場合、受信装置は、投影されたイメージのサイズまたは間隔から距離を推定してもよい。例えば、投影された構造化光が格子状の形状である場合、受信装置は、格子線の間隔を決定し得る。格子線の間隔が決定され、エミッタまたはレシーバ装置の両方からの投影された光イメージの距離の推定値が分かると、距離が装置によって決定され得る。

受信装置の飛行時間センサは、受信装置と床等の反射幾何学平面との間の距離を測定するために使用され得る。受信装置から、構造化イメージが投影される反射幾何学平面の距離は、構造化光パターンの識別するために使用され得る。

図２は、構造化光を放射する装置２０１と、構造化光を受信する装置２０２とを示しているが、時として、装置２０２が構造化光を放射し、装置２０１が構造化光を受信してもよい。第１の装置に第２の装置から投影された構造化光を検出させ、第２の装置に第１の装置の構造化光を検出させることによって、相対位置の決定がより正確に実施され得ることで、システムによる、投影された光を妨害するテーブルおよび椅子等の物体の検出をより容易にし、追加の装置に関連して発生する位置決定を可能にする。

図３は、構造化光イメージを反射するために使用される幾何学的平面と関連する放射装置３０１と受信装置３０２との間の距離（Ｄ）の斜視図を示す。初期において、Ｄは既知でなくてもよい。受信装置と幾何学的平面３１０との間の距離はＡで示される。幾何学的平面に沿った、受信装置の真下の点から始まり、投影されたイメージの反射点で終わる距離はＢで示される。ラインＡとラインＢとの間の斜辺は、Ｃで示される。放射装置および受信装置は、同一平面上にある必要はない。

構造化光の投影を使用することによって、装置３０２と装置３０１との間の距離Ｄが決定され得る。飛行時間センサが、距離ＡおよびＡ´を決定するために使用されてもよい。

図４は、共通平面に沿った放射装置と受信装置との間の角度、およびそれらの間の距離（Ｄ）の斜視図を示す。角度は初期において既知でない。構造化光の投影を使用することによって、距離Ｄおよび角度が決定され得る。

図５Ａから図５Ｉは、一連の、受信装置のイメージセンサによって受信された構造化光イメージの領域を表現したものを示す。受信したイメージの幾何学的構成は、放射装置と受信装置との間の相対位置（距離および方向）に依存する。一例として、構造化光は、放射装置の真下を円の中心とする明／暗の傾斜を有する円である。受信装置は、検出された孤形の信号と、装置が検出可能な孤形の部分とを使用して、投影された構造化光の中心を決定し、それにより光を放射する装置の相対位置を決定することができる。

電子装置１００のネットワークは、少なくとも、通信回路１７０、構造化光を投影可能な光エミッタおよびレシーバ回路１７０、イメージ検出回路１３１および距離測定回路１３２のそれぞれを含み得る。それぞれの装置１００は、天井、または天井に取り付けられた照明器具、または他のビル自動化コンポーネントに搭載されてもよい。ぞれぞれの装置は、近傍にある装置によって投影された構造化光を検出することによって、それ自体から近傍にある装置までの距離および方向の測定値のセットを収集し得る。

図６を参照すると、このデータは、他の装置、中央コントローラ４００と共有され、或いはアプリケーション４２０に公開されてもよい。それぞれの装置は、コントローラ４００と直接通信してもよく、或いは、装置１００間のピアツーピアネットワークを介して通信してもよい。アプリケーション４２０は、すべての装置１００によって公開されたデータを収集し、相対座標のセットを使用して、装置および好ましくはフロアプランの相対位置を計算し、表示し、またはレンダリングし得る。相対位置またはフロアプランは、モバイル機器またはウェブブラウザを実行するコンピュータ上で見ることができる。

検出回路のイメージは、他の装置によって投影され、その視野内で可視化された構造化光パターンを解析する低解像度ピクセル配列で構成されてもよい。ある実施形態では、一度に１つの装置だけがその構造化光を投影し得る。装置は、互いに通信して、一度に１つの装置だけがその光を投影していることを保証してもよい。他の実施形態では、複数の装置が同時に投影することができ、好ましくは、構造化光はそれぞれの装置に固有である。

ある実施形態では、構造化光を検出するために低解像度イメージセンサが使用される。これによって、イメージセンサは、装置の下の人、活動または文書から機密情報を誤って取得し得ない。これにより、プライバシー侵害およびサイバーセキュリティの可能性に対する懸念が軽減され得る。

高さの測定をそれぞれの受信された投影イメージの解析と組み合わせることによって、それぞれの装置からその視野内のすべての装置までの距離および方向が決定され得る。投影面からの装置の高さは、投影された構造化イメージの大きさと比較されてもよい。検出装置が反射面から離れるほど、構造化光は小さく見える。装置の視野内における構造化光の位置は、放射装置に対する相対的な角度および距離を決定するために使用される。

図３を参照すると、高さの測定によってＡが決定される。構造化光の検出は、距離Ｂを計算するために使用される。ＡとＢの組み合わせが、距離Ｄを決定するために使用され得る。

図５を参照すると、装置の構造化光センサは、その視野内における近傍にある装置によって放射された構造化光の一部のみを検出し得る。例えば、イメージ（ａ）は、近傍にある放射装置が検出装置から直接北にあることを示す。同様に、イメージ（ｂ）は、放射装置が検出装置の北東にあることを示す。イメージ（ｃ）もまた、放射装置が北東にあることを示すが、（ｂ）の放射装置よりも近いことを示す。北、北東等の方向は、図５に示されるイメージに対するラベルとして提供される。ある実施形態では、検出装置は、近傍にある装置への絶対的な方向の検出を有さなくてもよい。このような構造化光の使用は、近傍する装置の相対的な方向を決定するために使用されてもよい。ある実施形態では、１つ以上の装置は、絶対的な方向および／または位置を提供するコンパスまたはＧＰＳ受信機を含んでもよい。

例えば、装置Ａは、装置Ｂの構造化された投影イメージを検出することができ、装置Ｂは、装置Ｃの構造化された投影イメージを検出することができてもよい。構造化された投影イメージを使用して、装置Ａは装置Ｂとの相対位置を決定してもよく、同様に装置Ｂは装置Ｃとの相対位置を決定してもよい。この情報を使用し、ピアツーピア方式で他のいずれかの装置に相対位置を通信し、或いは情報を中央アプリケーションに通信することによって、ＡとＣの相対位置が決定され得る。

同様の決定は、少なくとも１つの装置の投影イメージを検出することができる追加の装置を用いて行われてもよい。装置が複数の装置の投影イメージを検出可能である場合、その相対位置の決定はより正確なものとなり得る。

装置は、その構造化光を投影している近隣にある装置に通信するために、赤外線通信信号の中に固有の識別子を符号化することによって、互いに区別されてもよい。それぞれの装置は、その装置が検出した近傍にある装置のそれぞれの相対距離および方向の測定値を含むデータのセットを、それらの固有の識別番号と共に収集してもよい。

ソフトウェアアプリケーションは、それぞれの装置によって受信された相対座標系を使用して、互いの構造化光パターンを見ることができるすべての装置をフロアプラン上にプロットし得る。絶対位置および／または絶対方向が既知である場合、装置のシステムの向きおよび位置が決定され、或いは固定されてもよい。コントローラまたはオペレータは、一部の装置が他の装置の可視範囲内にない場合、フロアプラン上に装置を再配置または追加してもよい。例えば、小さな部屋の装置は、装置自身の相対位置を決定することができるが、他の装置と通信し、或いは他の装置の投影されたイメージを検出する能力はなくてもよい。

本発明の様々な実施形態を例として詳細に説明したが、本発明から逸脱することなく変更および修正を行い得ることは当業者には明らかであろう。本発明は、添付の特許請求の範囲に含まれるこれら変更および修正のすべてを含む。

Claims (13)

1. 位置決め電子装置であって、
   反射面に構造化光パターンを投影するプロジェクタと、
   第２の位置決め電子装置のプロジェクタを使用して投影された１つ以上の反射された構造化光パターンの全部または一部を検出するイメージセンサと、
   通信信号を１つ以上の他の位置決め電子装置に送信および受信するための通信トランシーバと、
   前記位置決め電子装置から前記反射面までの距離を検出するための距離検出器と、
   検出された前記反射された構造化光パターンと、前記距離検出器によって検出された前記距離とを使用して、前記第２の位置決め電子装置に対する前記位置決め電子装置の相対位置を決定し、前記通信トランシーバを使用して前記相対位置を通信するための制御論理プロセッサと、
   を備え、
   前記構造化光パターンは、受信する前記位置決め電子装置に既知であるパターンであって、前記制御論理プロセッサは、前記反射された構造化光パターンの期待される形状とイメージセンサからの実際の形状とを用いて、前記相対位置を計算する、電子装置。
2. １つの近傍にある電子装置のみが構造化光パターンを投影し、前記電子装置の識別子が前記通信トランシーバで受信されることによって、前記制御論理プロセッサが、前記イメージセンサによって検出された前記構造化光パターンを投影する前記電子装置を識別可能である、請求項１に記載の電子装置。
3. 前記通信トランシーバは赤外線トランシーバである、請求項１に記載の電子装置。
4. 前記イメージセンサは、電子装置によって投影された前記検出された構造化光パターン内の固有の識別子を検出し、前記固有の識別子は前記構造化光パターンを投影する前記電子装置を識別する、請求項１に記載の電子装置。
5. 前記制御論理プロセッサは、１つ以上の電子装置の前記相対位置を中央コントローラに通信する、請求項１に記載の電子装置。
6. 前記電子装置は照明器具である、請求項１に記載の電子装置。
7. 第１の電子装置および第２の電子装置の相対位置を決定する方法であって、
   前記第１の電子装置から第１の構造化光パターンを反射面に投影するステップと、
   前記第２の電子装置のイメージセンサを用いて前記第１の構造化光パターンの一部を検出するステップと、
   距離検出器により前記第２の電子装置から前記反射面までの距離を検出するステップと、
   前記第２の電子装置によって検出された前記第１の構造化光パターンの前記一部と、前記距離検出器によって検出された前記距離とに基づいて、前記第１の電子装置と前記第２の電子装置との前記相対位置を決定するステップと、
   前記相対位置を前記第２の電子装置から前記第１の電子装置に通信するステップと、
   を含み、
   前記構造化光パターンは、受信する前記第２の電子装置に既知であるパターンであって、前記相対位置を決定するステップにおいて、前記反射された構造化光パターンの期待される形状と前記イメージセンサからの実際の形状とが使用される、方法。
8. 前記第１の電子装置および前記第２の電子装置は、天井に取り付けられた照明器具である、請求項７に記載の方法。
9. 前記第２の電子装置から第２の構造化光パターンを前記反射面に投影するステップと、
   前記第１の電子装置のイメージセンサを用いて前記第２の構造化光パターンの一部を検出するステップと、
   前記第１の電子装置によって検出された前記第２の構造化光パターンの前記一部に基づいて、前記第１の電子装置と前記第２の電子装置との前記相対位置を決定するステップと、
   精度を向上させるために、前記第１の電子装置および前記第２の電子装置によって測定された前記相対位置を比較するステップと、をさらに含む、請求項７に記載の方法。
10. 追加の電子装置によって構造化光パターンを投影し、検出するステップと、前記構造化光パターンのどの部分が検出されたかと、前記電子装置の前記相対位置を決定するステップと、前記相対位置を前記追加の電子装置から他の電子装置に通信するステップと、をさらに含む、請求項９に記載の方法。
11. １つの電子装置のみが構造化光パターンを投影し、前記電子装置の識別子を他の電子装置に通信することによって、前記他の電子装置が、どの電子装置が前記構造化光を投影しているかを識別可能である、請求項９に記載の方法。
12. 前記通信するステップにおいて、赤外線トランシーバが使用される、請求項７に記載の方法。
13. 前記電子装置の前記相対位置は、さらに、中央コントローラに通信される、請求項７に記載の方法。

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