JP7374408B2 - 位置推定システム - Google Patents

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Description

本発明は位置推定システムに関わる。
送信機と受信機との間の無線通信を通じて送信機の位置を推定する技術が知られている。例えば、特許文献１に記載の位置推定システムは、識別情報を担うビーコン信号を略同一の送信電力で送信する複数の送信機と、複数の送信機の配列方向に沿って移動可能な受信機とを備えている。受信機は、各送信機の近傍でビーコン信号を受信したときの受信強度の平均値を第１の閾値として記憶するとともに、隣接する送信機の中間でビーコン信号を受信したときの受信強度の平均値を第２の閾値として記憶している。受信機は、送信機から受信したビーコン信号の受信強度を第１の閾値及び第２の閾値と比較することにより、受信機の現在位置を推定する。一方、特許文献２に記載の位置推定システムは、移動通信端末を含む複数の通信端末のうち、ある通信端末が他の通信端末から受信したときの受信強度をアクセスポイントに集めて統計処理をすることにより、移動通信端末の位置推定精度の劣化を緩和している。
特開２０１５－２２４９４３号公報 特開２０１７－１５５７７号公報
しかし、特許文献１に記載の位置推定システムは、ビーコン信号の受信強度の実測値に基づいて第１の閾値及び第２の閾値を決定しているため、電波の受信環境が変化する都度に、ビーコン信号の受信強度の実測をやり直す必要がある。また、工場内やオフィス内など、電波を遮蔽する或いは反射する物が多い環境では、マルチパス・フェージングの影響により、受信機の位置を正確に推定することが困難である。一方、特許文献２に記載の位置推定システムは、統計処理に時間を要するため、リアルタイムな位置推定には不向きである。
また、この種の位置推定システムでは、送信機からの電波の指向性に偏りがあると、送信機の位置が同じでも、送信機の向きに応じて受信機が受信する電波の強度が大きく変動し、送信機の位置推定精度が低下する虞がある。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、送信装置の位置を十分な精度で推定することを目的とする。
上述の課題を解決するため、本発明に関わる位置推定システムは、所定の基準位置に関して対称的に配置された複数の送信機を有する送信装置と、複数の送信機のそれぞれから水平面に平行な全方位に送信される電波を受信する複数の受信機と、各受信機が受信する電波の受信強度に基づいて送信装置の位置を推定する推定部と、を備え、所定の基準位置は、送信装置が配置される人体又は移動体における、電波の一部を遮蔽又は減衰させる任意の部位である。送信装置は、工場内を移動する作業者に取り付けられており、位置推定システムは、作業者の位置と工場設備の稼働状況とを関連付けて表示する表示装置を更に備える。
本発明に関わる位置推定システムによれば、送信装置の位置を十分な精度で推定することができる。
本発明の実施形態に関わる位置推定システムの一例を示す説明図である。 本発明の実施形態に関わる位置推定システムの送信装置の構成を示す説明図である。 本発明の実施形態に関わる位置推定システムの表示装置に表示される画面の説明図である。 本発明の実施形態に関わる受信機の配置例を示す説明図である。 本発明の実施形態に関わる受信機毎の測定結果を示すグラフである。 本発明の実施形態に関わるエリア毎の測定結果を示すグラフである。 本発明の実施形態に関わる位置推定システムの他の構成例を示す説明図である。
以下、各図を参照しながら本発明の実施形態について説明する。ここで、同一符号は同一の構成要素を示すものとし、重複する説明は省略する。
図１は、本発明の実施形態に関わる位置推定システム１０の構成を示す説明図である。位置推定システム１０は、送信装置２０と、複数の受信機３１～３８と、コンピュータシステム４０とを備えている。送信装置２０は、移動可能であり、その所在位置は不明であるものとする。一方、複数の受信機３１～３８は、特定の位置に固定されており、その所在位置は既知であるものとする。送信装置２０は、送信装置２０に固有の識別情報を担うビーコン信号を全方位に向けてブロードキャスト送信する。複数の受信機３１～３８のそれぞれは、送信装置２０からのビーコン信号を受信し、その受信強度に関わる情報であるＲＳＳＩ（Received Signal Strength Indication）をコンピュータシステム４０に出力する。コンピュータシステム４０は、受信機３１～３８から出力されるＲＳＳＩに基づいて送信装置２０の現在位置を推定する。送信装置２０と受信機３１～３８との間の通信規格として、近距離無線通信規格（例えば、Wifi（Wireless Fidelity）（登録商標）、UWB（Ultra Wide Band）、Bluetooth（登録商標）、Bluetooth Low Energyなど）を用いることができる。
コンピュータシステム４０は、プロセッサ４１と、記憶資源４２と、通信インタフェース４３と、表示装置４４とを備えている。記憶資源４２は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体（例えば、ハードディスクドライブ、ソリッドステートドライブ、メモリカード、光ディスクドライブ、半導体メモリなど）の記憶領域である。記憶資源４２には、コンピュータシステム４０の動作を制御するコンピュータプログラム５０が記憶されている。コンピュータプログラム５０は、受信機３１～３８から出力される各ＲＳＳＩを、通信インタフェース４３を通じて入力し、各ＲＳＳＩに基づいて、送信装置２０の位置を推定するソフトウエアモジュールである推定ツール５１を含む。プロセッサ４１は、推定ツール５１を解釈及び実行することにより、送信装置２０の位置を推定する推定部として機能する。このように、送信装置２０の位置を推定する推定部としての機能は、プロセッサ４１と推定ツール５１との協働により実現されるものであるが、専用のハードウェア資源（例えば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ））やファームウェアを用いて同様の機能を実現してもよい。
ここで、図２を参照しながら、送信装置２０の詳細について説明する。図２に示す例では、送信装置２０を人体９０に取り付ける例を示している。図２では、ＸＹ平面は、水平面に平行であり、Ｚ方向は、鉛直方向に平行であり、人体９０は、鉛直方向に平行に起立しているものとする。送信装置２０は、送信装置２０に固有の識別情報を担う同一のビーコン信号を全方位に向けてブロードキャスト送信する複数の送信機２１，２２を備えている。複数の送信機２１，２２のそれぞれは、ビーコン信号を全方位に向けてブロードキャスト送信するアンテナ（例えば、モノポールアンテナ、板状逆Ｆアンテナなど）を備えている。図２に示す例では、送信機２１，２２は、頭部９３を間に挟んで、肩９１，９２に取り付けられている。符号８１，８２は、それぞれ、送信機２１，２２の電波の指向性を示している。図２に示すように、頭部９３によって、電波の一部が遮蔽又は減衰されるため、これらの送信機２１，２２のうち一方だけが人体９０に取り付けられると、電波の指向性８１，８２に偏りが生じる。送信機２１，２２からの電波の指向性８１，８２に偏りがあると、人体９０の位置が同じでも、送信機２１，２２の向きに応じて受信機３１～３８が受信するビーコン信号の受信強度が大きく変動し、送信装置２０の位置推定精度が低下し得る。このため、複数の送信機２１，２２は、所定の基準位置（例えば、頭部９３）に関して対称的に配置されている。これにより、送信電波の指向性８１，８２の偏りを互いに補うことができる。例えば、図２に示す例では、送信機２１から＋Ｘ方向への送信電力の不足を送信機２２が補うことができる。同様に、送信機２２から－Ｘ方向への送信電力の不足を送信機２１が補うことができる。このような配置によれば、複数の送信機２１，２２は、全体として、ＸＹ平面に平行な全方位に向けて一様に電波を放射することができるため、その指向性は、実質的に無指向性となる。これにより、送信機２１，２２の向きの変化に伴う受信機３１～３８のＲＳＳＩの変動を抑制し、送信装置２０の位置推定精度を高めることができる。
なお、基準位置に関して、送信機２１，２２を対称的に配置する仕方は、図２に示す例に限られるものではない。例えば、送信機２１，２２を、人体９０の両上腕部に配置してもよく、人体９０の胸部と背部に配置してもよく、或いは、人体９０の前頭部と後頭部に配置してもよい。また、送信機２１，２２を人体９０に取り付ける場合の基準位置は、頭部９３に限られるものではなく、人体９０の任意の部位でよい。また、送信機２１，２２を移動体（例えば、台車など）に搭載する場合の基準位置は、移動体の任意の部位でよい。
ここで、図１の説明に戻る。人体９０は、例えば、工場内を移動しながら工場設備６１～６８の運転を操作する作業者である。工場設備６１～６８は、例えば、ラダー図と呼ばれるリレー回路を記号化したプログラミング言語で記述されたソフトウエアを実行するプログラマブルロジックコントローラである。符号７１～７４は、作業者である人体９０が通過することが予想される位置１０１～１０８の何れかを含むエリアを示している。複数の受信機３１～３８は、エリア毎に対応付けられたグループにグループ化されている。例えば、受信機３１，３２は、エリア７１内に配置され、且つ、エリア７１に対応付けられたグループにグループ化されている。エリア７１は、位置１０１，１０２を含み、受信機３１は、位置１０１に近接する工場設備６１の近傍に配置され、受信機３２は、位置１０２に近接する工場設備６２の近傍に配置されている。受信機３３，３４は、エリア７２内に配置され、且つ、エリア７２に対応付けられたグループにグループ化されている。エリア７２は、位置１０３，１０４を含み、受信機３３は、位置１０３に近接する工場設備６３の近傍に配置され、受信機３４は、位置１０４に近接する工場設備６４の近傍に配置されている。受信機３５，３６は、エリア７３内に配置され、且つ、エリア７３に対応付けられたグループにグループ化されている。エリア７３は、位置１０５，１０６を含み、受信機３５は、位置１０５に近接する工場設備６５の近傍に配置され、受信機３６は、位置１０６に近接する工場設備６６の近傍に配置されている。受信機３７，３８は、エリア７４内に配置され、且つ、エリア７４に対応付けられたグループにグループ化されている。エリア７４は、位置１０７，１０８を含み、受信機３７は、位置１０７に近接する工場設備６７の近傍に配置され、受信機３８は、位置１０８に近接する工場設備６８の近傍に配置されている。
推定ツール５１は、グループ毎に平均化されたＲＳＳＩに基づいて、送信装置２０が所在するエリアを推定する。推定ツール５１は、例えば、受信機３１，３２のそれぞれが出力するＲＳＳＩの平均値、受信機３３，３４のそれぞれが出力するＲＳＳＩの平均値、受信機３５，３６のそれぞれが出力するＲＳＳＩの平均値、及び受信機３７，３８のそれぞれが出力するＲＳＳＩの平均値のうち、どの平均値が最も高いかを判定する。そして、推定ツール５１は、最も高いＲＳＳＩの平均値を出力する受信機のグループに対応づけられているエリア内に送信装置２０が所在しているものと推定する。次に、推定ツール５１は、送信装置２０が所在するものと推定されるエリアに対応付けられるグループ内の複数の受信機のそれぞれが出力するＲＳＳＩを比較することにより、そのエリア内のどの位置付近に送信装置２０が所在しているのかを推定する。例えば、受信機３１，３２のそれぞれが出力するＲＳＳＩの平均値が最も高い場合、推定ツール５１は、エリア７１内に送信装置２０が所在しているものと推定する。そして、受信機３２が出力するＲＳＳＩよりも受信機３１が出力するＲＳＳＩが高い場合、推定ツール５１は、位置１０１付近に送信装置２０が所在するものと推定する。
表示装置４４は、作業者である人体９０の位置と工場設備６１～６８の稼働状況とを関連付けて表示する。エリア７１～７４には、複数人の作業者が作業を行っていてもよい。各作業者に取り付けられる送信装置２０から送信されるビーコン信号に重畳されている識別情報から各作業者を識別することができる。図３は、表示装置４４に表示される画面の一例を示している。図３において、「設備名」の欄は、工場設備６１～６８のそれぞれの名称「Ａ」～「Ｈ」を示している。「稼働状況」の欄は、工場設備が稼働中であるか或いは停止中であるかを示している。「ＭＴＢＦ」の欄は、工場設備の平均故障間隔を示している。「作業者」の欄は、工場設備に近接する位置付近に所在する作業者の識別記号を示している。例えば、図３の画面によれば、「Ｘ」の識別記号により識別される作業者が、設備名が「Ａ」である工場設備６１に近接する位置１０１付近に所在していることが分かる。これにより、どの作業者が、何時、どの工場設備で作業を行っていたかを示す作業履歴を取得できるため、作業効率の改善に役立てることができる。
なお、電波遮蔽物などの影響により、各受信機３１～３８が受信する電波の受信強度が作業者の位置を推定するのに十分でないときに、推定ツール５１は、工場設備６１～６８の稼働状況を基に作業者の位置を推定してもよい。例えば、工場設備６１の付近に電波遮蔽物が置かれており、その影響を受けて、受信機３１が受信する電波の受信強度が作業者の位置を推定するのに十分でないときに、工場設備６１が稼働しているならば、推定ツール５１は、工場設備６１に近接する位置１０１付近に作業者が所在しているものと推定してもよい。
本実施形態に関わる位置推定システム１０によれば、複数の送信機２１，２２は、電波の指向性８１，８２の偏りを互いに補うように配置されているため、送信機２１，２２の向きの変化に伴う受信機３１～３８のＲＳＳＩの変動を抑制し、送信装置２０の位置推定精度を高めることができる。また、送信装置２０の位置を推定するためには、複数の送信機２１，２２のうち何れか一方からの電波を受信できればよいため、電波遮蔽物による影響を受け難いという利点を有する。また、送信装置２０の位置を推定するために、統計処理などの複雑な計算を必要としないため、送信装置２０の位置をリアルタイムかつ迅速に推測することができる。また、複数の受信機３１～３８は、エリア毎に対応付けられたグループにグループ化されており、異なるエリアに対応する受信機の影響を受けないため、マルチパス・フェージングによる影響を低減できる。
次に、図４乃至図６を参照しながら、位置推定システム１０による送信装置２０の位置推定に関わる測定結果について説明する。
図４に示すレイアウトは、エリア７４が省略されている点、及び設備６１～６７の配置の仕方が図１とは異なる点において、図１に示すレイアウトとは異なるが、その余の点において図１に示す構成と同じである。例えば、図４には、コンピュータシステム４０は図示されていないが、受信機３１～３６は、コンピュータシステム４０に接続している。なお、図４において、符号１００は、送信装置２０を搭載した人体９０の移動経路を示す。
図５は、受信機毎の測定結果を示すグラフである。受信機３１～３６のそれぞれには、「１」～「６」までの番号が割り振られており、図５のグラフの縦軸は、ＲＳＳＩから推定される送信装置２０の位置に最も近い受信機の番号を示す。また、図５のグラフの横軸は、時間を示す。符号５０１のグラフは、受信機毎の理想的な測定結果を示している。図４に示す例では、送信装置２０は、移動経路１００に沿って、受信機３１，３３，３５，３６，３４，３２の順にその近傍を通過する。グラフ５０１では、時刻Ｔ０から時刻Ｔ１までの期間に送信装置２０は、受信機３１の近傍を通過している。時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの期間に送信装置２０は、受信機３３の近傍を通過している。時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの期間に送信装置２０は、受信機３５の近傍を通過している。時刻Ｔ３から時刻Ｔ４までの期間に送信装置２０は、受信機３６の近傍を通過している。時刻Ｔ４から時刻Ｔ５までの期間に送信装置２０は、受信機３４の近傍を通過している。時刻Ｔ５から時刻Ｔ６までの期間に送信装置２０は、受信機３２の近傍を通過している。一方、符号５０２のグラフは、受信機毎の実際の測定結果を示している。
図６は、エリア毎の測定結果を示すグラフである。エリア７１～７３のそれぞれには、「１」から「３」までの番号が割り振られており、図６のグラフの縦軸は、ＲＳＳＩから推定される送信装置２０の位置に最も近いエリアの番号を示す。また、図６のグラフの横軸は、時間を示す。符号６０１のグラフは、理想的な測定結果を示している。図６に示す例では、送信装置２０は、移動経路１００に沿って、エリア７１，７２，７３，７２，７１の順に通過する。グラフ６０１では、時刻Ｔ０から時刻Ｔ１までの期間に送信装置２０は、エリア７１通過している。時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの期間に送信装置２０は、エリア７２を通過している。時刻Ｔ２から時刻Ｔ４までの期間に送信装置２０は、エリア７３を通過している。時刻Ｔ４から時刻Ｔ５までの期間に送信装置２０は、エリア７２を通過している。時刻Ｔ５から時刻Ｔ６までの期間に送信装置２０は、エリア７１を通過している。一方、符号６０２のグラフは、エリア毎の実際の測定結果を示している。
図５及び図６の結果を比較すると、エリア毎の実際の測定結果６０２とエリア毎の理想的な測定結果６０１との差は、受信機毎の実際の測定結果５０２と受信機毎の理想的な測定結果５０１との差よりも小さいため、受信機３１～３６のグループ化は、送信装置２０の位置推定精度の向上に有用であることが分かる。受信機３１～３６のグループ化に加えて、工場設備６１～６７の稼働状況に基づく作業者の位置推定を併用することにより、その位置推定精度を一層高めることができる。
また、送信装置２０が、同一エリア内の少なくとも二つの受信機の間（例えば、エリア７１内の受信機３１，３２の間）を通過するように受信機を配置し、その二つの受信機の測定信号（ＲＳＳＩ）を比較することにより、その同一エリア内のどちら側に送信装置２０が所在しているのかを推定することができる。
上述の説明では、送信装置２０が移動し、受信機３１～３８の位置が固定されている例を示したが、本発明は、受信装置が移動し、送信機の位置が固定される例にも適用可能である。図７は、そのような例を示す。符号１２０は、移動可能な受信装置を示し、その所在位置は不明であるものとする。一方、符号１３１～１３８は、位置が固定されている送信機を示し、その所在位置は既知であるものとする。それぞれの送信機１３１～１３８からは、例えば、固有の識別情報を担うビーコン信号が全方位に送信されている。受信装置１２０は、それぞれの送信機１３１～１３８からビーコン信号を受信すると、その受信強度に関わる情報であるＲＳＳＩを、受信したビーコン信号に含まれる識別情報と、ビーコン信号の受信時刻に関わる情報と共に、コンピュータシステム４０に出力する。コンピュータシステム４０は、受信装置１２０から出力される各種の情報（例えば、受信装置１２０が受信したビーコン信号のＲＳＳＩを示す情報、受信装置１２０が受信したビーコン信号に含まれる識別情報、及び受信装置１２０が受信したビーコン信号の受信時刻に関わる情報）を基に、受信装置１２０の現在位置を推定する。受信装置１２０の位置推定方法は、送信装置２０の位置推定方法と同様である。
受信装置１２０は、送信機１３１～１３８からのビーコン信号を受信する複数の受信機１２１，１２２を備えている。受信装置１２０は、例えば、作業者である人体９０に取り付けることが可能であり、この場合、複数の受信機１２１，１２２は、所定の基準位置（例えば、頭部９３）に関して対称的に配置されている。例えば、受信機１２１，１２２を、人体９０の両上腕部に配置してもよく、人体９０の胸部と背部に配置してもよく、或いは、人体９０の前頭部と後頭部に配置してもよい。また、受信機１２１，１２２を人体９０に取り付ける場合の基準位置は、頭部９３に限られるものではなく、人体９０の任意の部位でよい。また、受信機１２１，１２２を移動体（例えば、台車など）に搭載する場合の基準位置は、移動体の任意の部位でよい。これにより、受信電波の指向性の偏りを互いに補うことができ、実質的に無指向性の受信感度を実現できる。
上述の説明では、工場内を移動する作業者に送信装置２０を取り付ける例を示したが、工場内を移動する部品運搬台車に送信装置２０を取り付けてもよい。これにより、作業者又は部品運搬台車の待ち時間や工場設備の稼働状況などを踏まえて、作業効率の改善に役立てることができる。また、送信装置２０は、病院内を移動する医療従事者、患者、又は医療機器に取り付けられてもよい。これにより、病院内を移動する医療従事者、患者、又は医療機器の所在を把握できるため、医療従事者の所在確認、医療機器や患者の捜索時間の短縮、患者の診療回数の記録などに役立てることができる。この場合、表示装置４４は、医療従事者、患者、又は医療機器の所在位置を表示してもよい。また、送信装置２０は、オフィス内を移動する労働者に取り付けられてもよい。これにより、労働者の出退勤管理、労働者の所在確認、部下と上司との接触回数の記録などに役立てることができる。この場合、表示装置４４は、労働者の所在位置を表示してもよい。上述の例の他、送信装置２０は、所在確認を要するあらゆる移動機器に取り付けられてもよい。
なお、送信装置２０を構成する送信機の数は、２つに限られるものではなく、送信電波の指向性の偏りを互いに補うように、３つ以上の送信機を配置してもよい。同様に、受信装置１２０を構成する受信機の数は、２つに限られるものではなく、受信電波の指向性の偏りを互いに補うように、３つ以上の受信機を配置してもよい。
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るととともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。また、実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
１０…位置推定システム ２０…送信装置 ２１，２２…送信機 ３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７，３８…受信機 ４０…コンピュータシステム ４１…プロセッサ ４２…記憶資源 ４３…通信インタフェース ４４…表示装置 ５０…コンピュータプログラム ５１…推定ツール ６１，６２，６３，６４，６５，６６，６７，６８…工場設備 ７１，７２，７３，７４…エリア ８１，８２…電波の指向性 ９０…人体 ９１，９２…肩 ９３…頭部 １０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６，１０７，１０８…位置

Claims (5)

  1. 所定の基準位置に関して対称的に配置された複数の送信機を有する送信装置と、
    前記複数の送信機のそれぞれから水平面に平行な全方位に送信される電波を受信する複数の受信機と、
    各受信機が受信する前記電波の受信強度に基づいて前記送信装置の位置を推定する推定部と、
    を備える位置推定システムであって、前記所定の基準位置は、前記送信装置が配置される人体又は移動体における、電波の一部を遮蔽又は減衰させる任意の部位であり、
    前記送信装置は、工場内を移動する作業者に取り付けられており、
    前記位置推定システムは、前記作業者の位置と工場設備の稼働状況とを関連付けて表示する表示装置を更に備える、位置推定システム。
  2. 請求項１に記載の位置推定システムであって、
    前記複数の受信機は、エリア毎に対応付けられたグループにグループ化されており、
    前記推定部は、グループ毎に演算及び比較された前記電波の受信強度に基づいて、前記送信装置が所在するエリアを推定する、位置推定システム。
  3. 請求項１又は２に記載の位置推定システムであって、
    前記送信装置は、工場内を移動する作業者に取り付けられており、
    各受信機は、前記作業者が作業する何れかの工場設備の近傍に位置するエリアに対応づけられており、
    各受信機が受信する前記電波の受信強度が前記作業者の位置を推定するのに十分でないときに、前記推定部は、稼働している工場設備の近傍に位置するエリアに、前記作業者が所在しているものと推定する、位置推定システム。
  4. 請求項２に記載の位置推定システムであって、
    一つのエリアには、前記複数の受信機のうち少なくとも二つの受信機が設置されており、
    前記送信装置は、前記少なくとも二つの受信機の間を通過する、位置推定システム。
  5. 所定の基準位置に関して対称的に配置された複数の送信機を有する送信装置と、
    前記複数の送信機のそれぞれから水平面に平行な全方位に送信される電波を受信する複数の受信機と、
    各受信機が受信する前記電波の受信強度に基づいて前記送信装置の位置を推定する推定部と、を備え、
    前記送信装置は、工場内を移動する作業者に取り付けられており、
    前記所定の基準位置は、前記送信装置が配置される前記作業者における、電波の一部を遮蔽又は減衰させる任意の部位であり、
    各受信機は、前記作業者が作業する何れかの工場設備の近傍に位置するエリアに対応づけられており、
    各受信機が受信する前記電波の受信強度が前記作業者の位置を推定するのに十分でないときに、前記推定部は、稼働している工場設備の近傍に位置するエリアに、前記作業者が所在しているものと推定する、位置推定システム。
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