WO2019031264A1 - 移動体測位システムおよび物流管理システム - Google Patents

Abstract

本開示の移動体測位システム（１００）は、アレーアンテナ（１２）および処理回路（１４）を有する移動体（１０）と、所定の位置に配置され、それぞれが識別情報を含む信号波を周期的または断続的に放射する複数のビーコン（２０）と、各識別情報を複数のビーコン（２０）のそれぞれの位置に関連づけるデータを格納する記憶装置（４０）とを備える。アレーアンテナ（１２）は、複数のアンテナ素子を有し、複数のビーコン（２０）のそれぞれから放射された信号波を順次または同時に受信してアレー信号を出力する。処理回路は、受信した信号波から識別情報を読み出し、データを参照し、識別情報に基づいて信号波を放射した少なくとも１個のビーコンの位置を決定する。処理回路は、アレー信号に基づいて信号波の到来方向を推定し、信号波を放射した少なくとも１個のビーコンの位置および推定された信号波の到来方向に基づいて前記移動体の測位を行う。

Description

移動体測位システムおよび物流管理システム

　本願は、移動体測位システムおよび物流管理システムに関する。

　衛星電波を受信できない屋内などの環境で携帯端末などの位置を推定するインドア・ポジショニング・システムの開発が活発に進められている。例えば携帯端末が内蔵するビーコンが信号波を放射する場合、この信号波を環境内に固定された複数のアレーアンテナで受信することにより、携帯端末の位置を推定することが可能になる。

　１個のアレーアンテナによれば、電磁波を放射するビーコンの方向、すなわち信号波の到来方向を推定することができる。ただし、アレーアンテナからビーコンまでの正確な距離を求めることはできない。従って、ビーコンの位置を正確に推定するためには、異なる位置に配置された複数のアレーアンテナを用いて、それぞれのアレーアンテナを基準とする信号波の到来方向から幾何学的な計算を行う必要がある。

　電磁波放射源の方向を１個のアレーアンテナによって推定し、その推定位置をカメラで取得した画像内に表示する技術が特開２００７－１９８２８号公報に開示されている。このような技術によれば、カメラで取得した画像に含まれている建造物などの配置を参考にして、電波放射源の方向または位置を推定することが可能になる。

特開２００７－１９８２８号公報

　上記の従来技術によれば、アレーアンテナによって電波放射源の方向を推定することは可能であるが、アレーアンテナの位置そのものは既知であるとの前提が採用されている。

　本開示の実施形態は、新しい移動体測位システムおよび物流管理システムを提供する。

　本開示の移動体測位システムは、例示的な実施形態において、アレーアンテナおよび処理回路を有する移動体と、所定の位置に配置され、それぞれが識別情報を含む信号波を周期的または断続的に放射する複数のビーコンと、各識別情報を前記複数のビーコンのそれぞれの位置に関連づけるデータを格納する記憶装置とを備える。前記アレーアンテナは、複数のアンテナ素子を有し、前記複数のビーコンのそれぞれから放射された信号波を順次または同時に受信して前記複数のアンテナ素子からアレー信号を出力する。前記処理回路は、受信した前記信号波から前記識別情報を読み出し、前記記憶装置に格納されている前記データを参照し、前記識別情報に基づいて、前記信号波を放射した少なくとも１個のビーコンの位置を決定し、前記アレー信号に基づいて、受信した前記信号波の到来方向を推定し、前記信号波を放射した前記少なくとも１個のビーコンの位置および推定された前記信号波の前記到来方向に基づいて、前記移動体の測位を行う。

　本開示の他の移動体測位システムは、例示的な実施形態において、アレーアンテナ、処理回路、および通信モジュールを有する移動体と、所定の位置に配置され、それぞれが識別情報を含む信号波を周期的または断続的に放射する複数のビーコンと、前記識別情報を前記複数のビーコンのそれぞれの位置に関連づけるデータを格納する記憶装置を有し、かつ、前記通信モジュールを介して前記移動体と通信を行う、管理装置とを備える。前記アレーアンテナは、複数のアンテナ素子を有し、前記複数のビーコンのそれぞれから放射された信号波を順次または同時に受信して前記複数のアンテナ素子からアレー信号を出力する。前記処理回路は、前記アレー信号に基づいて、受信した前記信号波の到来方向を推定し、受信した前記信号波から前記識別情報を読み出す。前記管理装置は、前記通信モジュールを介して、推定された前記信号波の前記到来方向および前記識別情報を前記移動体から取得し、前記記憶装置に格納されている前記データを参照し、前記識別情報に基づいて、前記信号波を放射した少なくとも１個のビーコンの位置を決定し、前記信号波を放射した前記少なくとも１個のビーコンの位置および前記信号波の前記到来方向に基づいて、前記移動体の測位を行う。

　本開示の物流管理システムは、例示的な実施形態において、上記の移動体測位システムと、前記移動体によって運ばれる荷物が前記移動体から荷卸しされたことを検知するセンシング装置と、前記移動体測位システムによって測定された前記移動体の位置と、前記センシング装置の出力とに基づいて、前記移動体から荷卸しされた前記荷物の位置を記憶する荷物位置管理装置とを備える。

　本開示の実施形態によれば、アレーアンテナを備える移動体の位置を測定することができる。

図１は、本開示の実施形態における移動体測位システムの例示的な構成例を示す図である。 図２は、工場または倉庫などの建造物の天井に複数のビーコンが配置されている例を示す図である。 図３は、直線状に配置されたＭ個のアンテナ素子を有するアレーアンテナと、異なる方向から到来する複数の信号波との関係を示す図である。 図４は、ｋ番目の信号波を受信しているアレーアンテナを模式的に示す図である。 図５は、天井に多数のビーコンが配置された倉庫などの建造物の内部を模式的に示す斜視図である。 図６は、本開示の実施形態における個々のビーコン２０の構成例を模式的に示す図である。 図７Ａは、第１のモードで動作するビーコンから第１の時間間隔Ｔ１で放射される信号波を模式的に示す波形図である。 図７Ｂは、第２のモードで動作するビーコンから第２の時間間隔Ｔ２で放射される信号波を模式的に示す波形図である。 図８は、アレーアンテナによる到来方向の推定が相対的に高い正確度を示す領域Ｃを模式的に示す斜視図である。 図９は、アレーアンテナによる到来方向の推定が相対的に高い正確度を示す領域Ｃを模式的に示す平面図である。 図１０は、移動体の姿勢（向き）が不特定の場合において、角度αが４０°の場合に移動体が存在し得る円周Ｐ１を模式的に示す図である。 図１１は、移動体の姿勢が不特定の場合において、角度αが２０°の場合に移動体が存在し得る円周Ｐ２を模式的に示す図である。 図１２は、相対的に低い密度でビーコンが配列されている例を示す図である。 図１３Ａは、移動体の移動に伴ってビーコンの動作を第１モードから第２モードに切り替える様子を模式的に示す図である。 図１３Ｂは、移動体の移動に伴ってビーコンの動作を第１モードから第２モードに切り替える様子を模式的に示す図である。 図１４は、本開示による物流管理システムの実施形態を説明するための倉庫内の模式的レイアウト図である。 図１５は、本開示による物流管理システムの他の実施形態を説明するための倉庫内の模式的レイアウト図である。 図１６は、本開示による物流管理システムの更に他の実施形態を説明するための倉庫内の模式的レイアウト図である。

　以下、本開示の実施形態を説明する。なお、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。本発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供する。これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。

＜基本構成例＞
　本開示は、移動体測位システム、および移動体測位システムを利用する物流管理システムに関している。

　まず、図１を参照して、本開示の実施形態における移動体測位システムの例示的な構成例を説明する。

　この例における移動体測位システム１００は、アレーアンテナ１２および処理回路１４を有する少なくとも１個の移動体１０と、所定の位置に配置され、それぞれが識別情報を含む信号波を周期的または断続的に放射する複数のビーコン２０とを備える。図１には、例示的に２個の移動体１０が示されている。移動体１０の典型例は、無人搬送車、有人搬送車、移動ロボット、および／またはドローンである。

　種々の実施形態において、複数のビーコン２０は、床面に平行な平面に沿って拡がるグリッドの格子点位置に配置され得る。ある具体例において、複数のビーコン２０は、建造物の天井に配列され得る。図１の例では、Ｎ×Ｍ個（ＮおよびＭは、いずれも正の整数）のビーコン２０が２次元面内においてＮ行およびＭ列に周期的に配列されている。図１では、個々のビーコン２０を区別するため、ｉ行ｊ列（ｉおよびｊは、１≦ｉ≦Ｎ、１≦ｊ≦Ｍを満たす整数）の位置にあるビーコン２０に（ｉ，ｊ）の参照符号を付している。ビーコン２０の配列は、行および列状の矩形配列に限定されない。各ビーコン２０は、種々の形状を有する領域内において、任意の位置に配置され得る。

　本開示における移動体測位システム１００は、各識別情報を複数のビーコン２０のそれぞれの位置に関連づけるデータを格納する記憶装置４０を備えている。この関連づけは、例えば、全てのビーコン２０について、（ｉ，ｊ）＝（ｘｉ，ｙｉ）の関係を示す詳細なテーブルによって表現され得る。ここで、（ｘｉ，ｙｉ）は、ビーコン（ｉ，ｊ）の位置座標である。より具体的には、例えば３行２列目に位置しているビーコン（３，２）の位置は、上記のデータを参照することにより、例えば（１５，２０）であることを知ることができる。床面のある基準位置を原点（０,０）とするとき、例えば真東に１５ｍ、真北に２０ｍの位置にビーコン（３，２）の位置があることがわる。なお、このように正確な位置座標の値を知ることが必要のない場合もある。つまり、信号波から読み出された識別情報により、その信号波を発するビーコン２０が３行２列の位置にあることがわかれば十分な場合もある。本開示では、このような場合でも、各識別情報は、複数のビーコン２０のそれぞれの位置に関連づけられているものとする。

　記憶装置４０は、移動体１０が備えていてもよいし、移動体１０から離れた位置に置かれていてもよい。図１の左側に記載されている移動体１０は、記憶装置４０を内蔵している。

　図示されている例において、複数のビーコン２０および移動体１０は、それぞれ、近距離無線通信規格に従って通信する通信モジュールＣＭを有している。記憶装置４０が移動体１０から離れた位置に置かれている場合、移動体１０は、移動体１０が備える通信モジュールＣＭを用いて、無線通信によって記憶装置４０から前記データの一部を取得することができる。取得したデータの一部は、移動体１０が備える不図示のメモリに保持される。

　処理回路１４および通信モジュールＣＭは、単一または複数の半導体集積回路によって実現され得る。処理回路１４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサまたはコンピュータと呼ばれることがある。処理回路１４は、汎用的なマイクロコントローラまたはデジタルシグナルプロセッサなどのコンピュータと、当該コンピュータに種々の命令を実行させるコンピュータプログラムを内蔵したメモリとを備える回路によって実現され得る。処理回路１４には、不図示のレジスタ、キャッシュメモリおよび／またはバッファが含まれ得る。

　図２は、工場または倉庫などの建造物の天井Ｃに複数のビーコン２０が配置されている例を示している。この例において、移動体１０は、床Ｆの上を走行する。図２に示されている例において、複数のビーコン２０から信号波Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５が放射されている。

　ビーコン２０は、タグとも呼ばれる。本開示のある実施形態において、ビーコン２０は、ブルートゥース（登録商標）・ロー・エナジー規格に従って信号波を放射し得る（アドバタイジング）。ビーコン２０は、他の近距離無線通信規格に従って動作する機器であってもよい。信号波の周波数は、例えばマイクロ波帯域またはミリ波帯域である。ビーコン２０からは、例えば１０ミリ秒以上１０秒以下の時間間隔で例えば２．４ギガヘルツ帯の信号波が放射される。信号波の周波数は、アレーアンテナ１２で受信できる限り、一定である必要はなく、複数の周波数をホッピングし得る。

　ビーコン２０による信号波の放射は、ビーコン２０のアンテナに依存する異方性を有していてもよい。ビーコン２０が放射する信号波は、ビーコン２０に関する識別情報とは別に、付加情報を含み得る。付加情報の例は、ビーコン２０の位置座標である。ビーコン２０は、外部にある種々のセンサと電気的に接続されていてもよい。このような場合、ビーコン２０は、これらのセンサによって取得された種々の測定値を信号波に含めて放射することも可能である。

　図２の例において、移動体１０のアレーアンテナ１２には、ビーコン２０から放射された信号波Ｗ１－Ｗ５がそれぞれ異なる角度で入射し得る。図２の例では、アレーアンテナ１２の中心を始点とする矢印Ｄ１の方向には信号波Ｗ１を放射しているビーコン２０が存在している。同様に、アレーアンテナ１２の中心を始点とする矢印Ｄ２および矢印Ｄ３の方向には、それぞれ、信号波Ｗ２を放射しているビーコン２０および信号波Ｗ３を放射しているビーコン２０が存在している。移動体１０が移動すると、そのアレーアンテナ１２を基準とするビーコン２０の相対位置は変化する。このため、アレーアンテナ１２の中心を始点としてビーコン２０に向けられた矢印Ｄ１－Ｄ３の方向（角度）は、移動体１０の移動に伴って変化する。

　図２には、アレーアンテナ１２を備えていない移動体１０Ａが記載されている。この移動体１０Ａは、アレーアンテナ１２を備える移動体１０に追従して、あるいは、移動体１０に牽引されて走行してもよい。逆に、アレーアンテナ１２を備えていない移動体１０Ａがアレーアンテナ１２を備える移動体１０を牽引したり、誘導したりしてもよい。図２には、無線端末を携帯するユーザ１が記載されている。ユーザ１は、無線端末により、移動体１０および／または移動体１０Ａと通信し、走行指示を送信することもできる。ユーザ１は、移動体１０が測定した移動体１０の位置（自己位置）を示す情報を移動体１０から直接に取得してもよい。移動体１０の操舵の形式は任意である。移動体１０がフォークリフトである場合、作業者が移動体１０に乗って移動体１０を運転し得る。

＜アレー信号処理＞
　図３および図４を参照して、アレーアンテナ１２の構成例および処理回路１４による信号波の到来方向推定の原理を説明する。アレーアンテナ１２は、２次元（平面）状に配列された複数のアンテナ素子を有している。処理回路１４は、到来方向推定アルゴリズムを実行して信号波の到来方向を推定するコンピュータであり得る。

　簡単のため、２次元状に配置されたアンテナ素子のうちの、直線状に配置された一列のアンテナ素子に着目して、当該一列のアンテナ素子に入射する信号波の到来方向を推定する技術を説明する。

　図３は、直線状に配置されたＭ個のアンテナ素子１２－１、・・・、１２－ｍ、・・・、１２－Ｍを有するアレーアンテナ１２と、異なる方向から到来する複数の信号波Ｗｋとの関係を示している。ここで、Ｍは２以上、典型的には４以上の整数であり、ｍは１以上Ｍ以下の整数である。また、Ｋは１以上の整数であり、ｋは１以上Ｋ以下の整数である。信号波Ｗｋは、例えば図２に示されるように天井Ｃに配列されたビーコン２０から放射された電磁波である。ビーコン２０がブルートゥース（登録商標）・ロー・エナジー規格に従って信号波を放射する場合、この電磁波は、所定の時間間隔で放射されるマイクロ波であり、識別情報を含むアドバダイシングパケットの形態で変調されている。

　アレーアンテナ１２には、様々な角度から到来する複数の信号波Ｗ１、・・・、Ｗｋ、・・・、ＷＫが、同時に、または順次、入射する。信号波の入射角度（到来方向を示す角度θｋ）は、アレーアンテナ１２のブロードサイドＢ（アンテナ素子群が並ぶ平面に対して垂直な方向）を基準とする到来方向の角度を表している。ｋ番目の信号波Ｗｋに注目する。「ｋ番目の信号波」とは、異なる方位に存在する複数のビーコン２０からアレーアンテナ１２にＫ個の信号波が入射しているときにおける、入射角θ_kによって識別される信号波を意味する。

　図４は、ｋ番目の信号波を受信しているアレーアンテナ１２を模式的に示している。図示される例において、Ｍ個のアンテナ素子１２－１、・・・、１２－ｍ、・・・、１２－Ｍを備えるアレーアンテナ１２から、信号波Ｗｋに応答して信号（アレー信号）が出力される。このアレー信号は、Ｍ個の要素を持つ「ベクトル」として、数１のように表現できる。
（数１）
　Ｓ＝［Ｓ₁，Ｓ₂，…，Ｓ_M］^T

　ここで、Ｓ_m（ｍ：１～Ｍの整数；以下同じ。）は、ｍ番目のアンテナ素子が受信した信号の値である。上つきのＴは転置を意味する。Ｓは列ベクトルである。列ベクトルＳは、アレーアンテナ１２の構成によって決まる方向ベクトル（ステアリングベクトルまたはモードベクトル）と、波源（信号源）であるビーコン２０における信号波を示す複素ベクトルとの積によって与えられる。波源の個数がＫであるとき、各波源から個々のアンテナ素子に到来する信号の波が線形的に重畳される。このとき、Ｓ_mは数２のように表現できる。

　数２におけるａ_k、θ_kおよびφ_kは、それぞれ、ｋ番目の信号波の振幅、信号波の入射角度（到来方向を示す角度）、および初期位相である。また、λは到来波の波長、ｊは虚数単位である。

　数２から理解されるように、Ｓ_mは、実部（Ｒｅ）と虚部（Ｉｍ）とから構成される複素数として表現されている。ノイズ（内部雑音または熱雑音）を考慮してさらに一般化すると、アレー信号Ｘは数３のように表現できる。
（数３）
　Ｘ＝Ｓ＋Ｎ

　Ｎはノイズのベクトル表現である。処理回路１４は、数３に示されるアレー信号Ｘを用いて到来波の自己相関行列Ｒｘｘ（数４）を求める。

　ここで、上付きのＨは複素共役転置（エルミート共役）を表す。処理回路１４は、自己相関行列Ｒｘｘの固有値を算出する。求めた複数の固有値のうち、熱雑音によって定まる所定値以上の値を有する固有値（信号空間固有値）の個数が、到来波の個数に対応する。そして、信号波の到来方向の尤度が最も大きくなる（最尤度となる）角度を算出することにより、受信した信号波を放射したビーコン２０の個数および方向を特定することができる。信号波の到来方向を示す角度を推定する方法は、この例に限定されない。種々の到来方向推定アルゴリズムを用いて行うことができる。

　直線状に配置された一列のアンテナ素子を用いた場合、アンテナ素子の列に入射する無線信号に位相差が生じる方向（第１方向）については、無線信号の到来方向を推定することができる。しかしながら、第１方向に垂直な第２方向については、無線信号の到来方向を推定することはできない。第２方向に関する到来方向を推定するためには、２次元（平面）的に配置されたアンテナ素子を用いることが必要である。２次元的に配置されたアンテナ素子を用いて第１方向および第２方向の両方に関する角度を算出する技術は周知であるため、本明細書での詳細な説明は省略する。

　本実施形態において、アレーアンテナ１２の直径は、例えば２０センチメートル程度であり、平面内に２次元状に配列された例えば７個のアンテナ素子を備える。アレーアンテナ１２の重量は、例えば５００グラム程度である。アレーアンテナ１２の構成およびサイズは、この例に限定されない。上面から視たアレーアンテナ１２の外観形状も、円形である必要はなく、楕円形、長方形、多角形、星形、その他の形状であり得る。アンテナ素子の個数は、８個以上であってもよいし、３～６個の範囲内にあってもよい。

　本開示の実施形態におけるアンテナ素子は、床Ｆに平行な平面内に配列されている。具体的には、アレーアンテナ１２の中心に位置する１個のアンテナ素子の周りに、６個のアンテナ素子が等間隔で同心円上に配列され得る。この配置はあくまでも一例にすぎない。

　アレーアンテナ１２は、不図示のモノリシック・マイクロ波集積回路などの高周波回路およびＡＤ変換回路を内蔵していてもよい。このような回路は、アレーアンテナ１２に備えられる代わりに、処理回路１４とアレーアンテナ１２との間に接続されていてもよい。

　このように本開示の実施形態において、アレーアンテナ１２は、複数のアンテナ素子を有し、複数のビーコン２０のそれぞれから放射された信号波を順次または同時に受信して複数のアンテナ素子からアレー信号を出力する。処理回路１４は、受信した信号波から識別情報を読み出す。そして、記憶装置４０に格納されているデータを参照し、識別情報に基づいて、信号波を放射した少なくとも１個のビーコンの位置を決定する。処理回路１４は、アレーアンテナ１２から出力されたアレー信号に基づいて信号波の到来方向を推定し、信号波の到来方向を規定する角度を推定する。信号波の到来方向は、ＤＯＡ（Direction Of Arrival）またはＡＯＡ（Angle Of Arrival）と称されることがある。

　上記の方法によって推定される信号波の到来方向は、移動体１０を基準とする角度（極座標）によって規定される。一方、複数のビーコン２０のそれぞれの位置は既知である。従って、信号波から識別情報を読み出すことにより、その信号波を放射したビーコン２０を特定することができる。前述したように、記憶装置４０には、各識別情報を複数のビーコン２０のそれぞれの位置に関連づけるデータが格納されている。このデータを参照すれば、識別情報によって特定されたビーコン２０の位置を把握することができる。

　図５は、天井Ｃに多数のビーコン２０が配置された倉庫などの建造物の内部を模式的に示す斜視図である。図５には、１個または複数個のビーコン２０から放射された信号波を受け取り、測位（localizationまたはpositioning）を実行しながら走行する３台の移動体１０ａ、１０ｂ、１０ｃが記載されている。図５には、移動体１０ａ、１０ｂ、１０ｃの運行を管理する管理装置３０が示されている。

　なお、図５では、ビーコン２０が目立つように個々のビーコン２０を大きく記載している。ビーコン２０は、例えば約１センチメール×約１センチメール程度の小さなサイズを有していてもよい。ビーコン２０は、人に視認できない状態で天井Ｃに埋め込まれていてもよい。複数のビーコン２０の幾つかは、壁面、窓、および柱などの固定物に取り付けられていてもよい。天井などの取り付け面は平坦である必要はなく、全てのビーコン２０が１枚の平面内に位置している必要もない。

　図５に示されるように、広い範囲に多数のビーコン２０が配置されている形態では、全てのビーコン２０が連続して信号波を放射し続けると、個々のビーコン２０による消費電力が過度に増加してしまう。このため、ビーコン２０は、信号波の放射（ブロードキャスト）のインターバル（時間周期）を変更する機能を有していることが好ましい。

　図６は、本開示の実施形態における個々のビーコン２０の構成例を模式的に示す図である。図６に示されるように、ビーコン２０は、信号波を放射するアンテナ２４と、アンテナ２４に接続された半導体集積回路２６と、電源として動作する電池（バッテリ）２８とを有している。アンテナ２４は、小型のアンテナであり、アレーアンテナである必要はない。半導体集積回路２６は、プロセッサ、メモリ、高周波発振器回路などを含み得る。

　ある実施形態において、複数のビーコン２０のそれぞれは、第１の時間間隔で信号波を放射する第１のモードで動作することと、第１の時間間隔よりも短い第２の時間間隔で信号波を放射する第２のモードで動作することが可能である。複数のビーコン２０のそれぞれは、第２のモードで動作するときに可視光を発する光源２２を有していてもよい。

　複数のビーコン２０は、座標が既知の所定位置に着脱可能に取り付けられている。長期間の使用によってバッテリ２８の供給電圧が低下したビーコン２０は、所定の位置から外され、新しいビーコンに交換され得る。ビーコン２０のバッテリ２８のみが新しいバッテリに交換されてもよい。

　複数のビーコン２０は、それぞれ、例えば天井に配置された複数の照明器具に取り付けられていてもよい。個々の照明装置は、電灯線などから給電を受ける点灯回路を有している。ビーコン２０は、このような点灯回路から給電されてもよい。また、ビーコン２０の消費電力は少ないため、バッテリの代わりに、照明器具の光源が発する光を電力に変換する小型太陽電池などの素子をビーコン２０の電源として利用しても良い。

　図７Ａは、第１のモードで動作するビーコン２０から第１の時間間隔Ｔ１で放射される信号波を模式的に示す波形図である。矢印で示される複数の矩形部分が信号波の放射が行われている期間を示している。第１の時間間隔Ｔ１は、例えば５秒以上に設定され得る。

　図７Ｂは、第２のモードで動作するビーコン２０から第２の時間間隔Ｔ２で放射される信号波を模式的に示す波形図である。矢印で示される複数の矩形部分が信号波の放射が行われている期間を示している。第２の時間間隔Ｔ２は、１秒以下、例えば５００ミリ秒以下に設定され得る。

　ビーコン２０は、通常、第１のモードで動作している。しかし、例えば移動体１０が接近してきたとき、第１のモードから第２のモードに動作を切り替えることができる。移動体１０が接近してきたことを検知するため、様々な構成を採用することができる。ある例によれば、特定のビーコン２０を検出した移動体１０から当該ビーコン２０に要求信号波（リクエスト）を送信する。具体的には、移動体１０は、受信した信号波から識別情報を読み出すことにより、信号波を放射した少なくとも１個のビーコンの個数が単数か複数かを判別することができる。信号波を放射したビーコン２０の個数が単数のときは、この単数のビーコン２０に要求信号波を送信する。一方、信号波を放射したビーコン２０の個数が複数のときは、当該複数のビーコン２０のうちから選択された幾つかのビーコン２０に要求信号波を送信する。典型的には、移動体１０の現在位置に最も近いビーコン２０に要求信号波が送られ得る。複数のビーコン２０のそれぞれは、第１のモードで動作しているときに要求信号波を受け取ると、第１のモードから第２のモードに切り替える。こうすることにより、信号波の放射に伴う電力の非効率的な消費が抑制される。その結果、バッテリ２８の寿命が延びる。ブルートゥース（登録商標）・ロー・エナジー規格に従う場合、ビーコン２０はアドバタイザーとして動作し、アレーアンテナ１２を備える移動体１０はスキャナとして動作し得る。ビーコン２０が放射する信号波は、前述したように、アドバタイジングパケットの形態で識別情報などを移動体１０に伝えることができる。

　なお、図２の例では、信号波Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５を放射しているビーコン２０は第１のモードで動作し、信号波Ｗ１、Ｗ２を放射しているビーコン２０は第２のモードで動作している。第１のモードで動作しているビーコン２０は、第２のモードで動作しているビーコン２０に比べて、移動体１０から相対的に遠い位置にある。

＜測位＞
　前述したように、アレーアンテナ１２および処理回路１４の動作の結果、受信した信号波の到来方向を推定することができる。しかし、信号波の到来方向は、移動体１０を基準とする、信号波を発したビーコン２０の方向である。以下、ビーコン２０が発した信号波の到来方向に基づいて、移動体１０の位置および姿勢を求める方法の例を説明する。

　図８および図９を参照する。図８は、アレーアンテナ１２による到来方向の推定が相対的に高い正確度を示す領域Ｃを模式的に示す斜視図である。図９は、領域Ｃを模式的に示す平面図である。

　アレーアンテナ１２による到来方向の推定が相対的に高い正確度を示す領域Ｃの範囲は、領域Ｃを底面とする円錐によって規定される。この円錐の高さＨは、アレーアンテナ１２からビーコン２０の配列面までの距離に相当する。円錐の頂点にアレーアンテナ１２の中心が位置し、円錐の頂角はアレーアンテナ１２の画角または視野（angle of view）に相当する。円錐の大きさは、アレーアンテナ１２の感度および指向性、ならびにビーコン２０の信号波放射パワーおよび指向性などに依存する。

　移動体１０は、この円錐の外側に位置する多数のビーコン２０と通信することは可能である。しかし、受信した信号波の到来方向の推定正確度は、円錐から離れるに従って低下する傾向にある。正確度の高い測位（位置推定）を行うには、領域Ｃの内部に位置するビーコン２０を利用することが好ましい。

　図８および図９に示される例において、ビーコン２０Ｘから放射された信号波の到来方向Ｄが角度αおよび角度βによって特定されている。図８には、移動体１０に固有のローカル座標（移動体座標）のｗ軸が示され、図９には、このローカル座標のｕ軸およびｖ軸が示されている。ｕｖ平面は床に平行である。ｗ軸は鉛直方向（高さ方向）に平行である。ｕ軸、ｖ軸、およびｗ軸は、相互に直交する右手系ｕｖｗ座標を構成している。一方、倉庫などの建造物に固有の座標は、相互に直交するＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸によって構成される右手系のＸＹＺ座標である。ＸＹＺ座標は、個々の移動体１０の位置および姿勢（向き）に拠らないグローバルな世界座標である。

　図８に示されるように、角度αは、到来方向Ｄとｗ軸との間の角度である。一方、図９に示されるように、角度βは、到来方向Ｄをｕ-ｖ面に垂直に投影して形成した線分とｕ軸との間の角度（方位角）である。ここで、移動体１０の向きが不明であると、世界座標のＸ軸と移動体座標のｕ軸との間の角度は不明である。

　前述したように、信号波に含まれていた識別情報に基づいて、ビーコン２０Ｘの位置座標が取得される。また、アレー信号処理により、ビーコン２０Ｘからの信号波の到来方向（角度αおよび角度βの推定値）が得られる。しかし、角度αおよび角度βの推定値は、移動体１０を基準にする値であるため、移動体１０の向きが決まらないと、グローバル座標上における移動体１０の位置座標は決まらない。

　図１０は、移動体１０の向きが不特定の場合において、到来方向の角度αが４０°のときに移動体１０が存在し得る円周Ｐ１を模式的に示す図である。これに対して、図１１は、移動体１０の向きが不特定の場合において、到来方向の角度αが２０°のときに移動体１０が存在し得る円周Ｐ２を模式的に示す図である。図１０および図１１からわかるように、角度αが小さいほど、移動体１０が存在する可能性がある範囲は狭くなる。なお、移動体１０の向きが既知である場合、移動体１０の位置は円周Ｐ１またはＰ２の一点に特定できる。

　移動体１０が受け取る信号波が１つであり、その到来方向の先に１個のビーコン２０しか存在しない場合は、このように移動体１０の向きが不明であれば、移動体１０の位置は不特定になる。しかし、移動体１０の位置および向きは、複数（好ましくは３個以上）のビーコン２０からの信号波の到来方向を推定できれば、それら複数のビーコン２０の座標に基づいて算出され得る。すなわち、例えば図１０に示されるビーコン２０Ｘを頂点とする円錐の底面における円周Ｐ１と、他のいずれかのビーコン２０を頂点とする円錐の底面における円周との交点に移動体１０が存在していることになる。これにより、移動体１０の位置のみならず姿勢（角度）を推定することも可能になる。従って、ビーコン２０の配列は、領域Ｃ（図８、図９）が常に複数のビーコン２０を含むように決定されることが好ましい。ただし、移動体１０が移動する過程で、一時的に、領域Ｃ内に含まれるビーコン２０の個数が１個になることがあっても、移動体１０のそれまでの向きが既知であり、その向きが走行中に維持されていると仮定できれば、移動体１０の位置を特定することが可能である。

　次に図１２を参照する。図１２では、図９に比べて相対的に低い密度でビーコン２０が配列されている。移動体座標のｕｖ面の原点は、グローバル座標のＸＹ面を移動するため、ｕｖ面の原点とＸＹ面の原点とは必ずしも一致しない。しかし、図１２には、両原点が一致した状態を模式的に記載し、Ｘ軸に対するｕ軸の回転を示す角度Θを表わしている。

　前述したように、ある１個のビーコン２０に対する到来方向を示す角度α、βが得られたとしても、移動体１０の向き、すなわち角度θが不明であれば、ｕｖ面の原点の位置（移動体の位置）は、そのビーコン２０の周り（角度αでビーコン２０を臨み得る領域）のどこに位置しているかは定まらない。

　図１２には、図９に示される領域Ｃに相当する第１領域Ｃ１と、第１領域Ｃ１よりも広い第２領域Ｃ２が記載されている。第１領域Ｃ１に位置するビーコン２０に比べると、第２領域Ｃ２に位置するビーコン２０では、到来方向の推定の正確度は相対的に低い。しかし、第１領域Ｃ１に位置するビーコン２０からの信号波に加えて、第２領域Ｃ２に位置するビーコン２０からの信号波を用いることにより、移動体１０の位置および向きを推定することが可能である。第１領域Ｃ１の外側においては、角度αよりも方位角である角度βの推定精度の方が高い。このため、角度βの情報は、より遠くに位置するビーコン２０からの信号波を利用しても相対的に正確度は高く、移動体１０の向きを求める上で有益な情報を得ることが可能である。

　図１３Ａおよび図１３Ｂは、移動体１０の移動に伴ってビーコン２０の動作を第１モードから第２モードに切り替える様子を模式的に示している。これらの図において、第１モードで動作するビーコン２０は白い矩形で示されているが、第２モードで動作するビーコン２０ａは、ハッチング付きの矩形で示されている。第２モードで動作するビーコン２０ａは、移動体１０の予定経路に沿って選択されている。移動体１０は、信号波を受信する時間間隔を測定することにより、第２モードで動作するビーコン２０ａを第１モードで動作するビーコン２０から識別することができる。移動体１０は、第２モードで動作するビーコン２０ａを検出することにより、走行すべき経路（進行方向）を知ることが可能になる。

　上記の動作は、システムが移動体１０の運行管理装置を用いることにより実現できる。ある実施形態において、移動体測位システムは、運行管理装置３０を備える。運行管理装置３０は、複数のビーコン２０との間で無線通信を行い、複数のビーコン２０から選択した１個または複数のビーコン２０の動作を第１のモードから第２のモードに切り替えさせる。運行管理装置３０は、移動体１０の移動ルートに沿って複数のビーコン２０の動作を、順次、第１のモードから第２のモードに切り替える。また、移動体１０は、第２のモードで動作するビーコン２０ａに接近するように移動する。

　なお、運行管理装置３０は、移動体１０がアレー信号処理によって求めた自己位置情報を無線通信によって移動体１０から取得し、移動体１０の位置をトラッキングすることができる。

　上記の実施形態では、移動体１０が測位のための演算処理を行っている。本開示の移動体測位システムは、この例に限定されない。他の実施形態において、移動体１０ではなく、管理装置３０が移動体１０の位置を決定するための演算処理を実行する。このような実施形態の移動体測位システムも、上述の移動体１０および複数のビーコン２０を備える。また、この移動体測位システムは、識別情報を複数のビーコンのそれぞれの位置に関連づけるデータを格納する記憶装置を有する管理装置であって、通信モジュールを介して移動体１０と通信を行う管理装置３０を備える。この管理装置３０は、通信モジュールを介して、推定された信号波の到来方向および識別情報を移動体から取得する。そして、記憶装置に格納されているデータを参照する。また、識別情報に基づいて、信号波を放射した少なくとも１個のビーコンの位置を決定する。更に、管理装置３０は、信号波を放射した少なくとも１個のビーコン２０の位置および信号波の到来方向に基づいて、移動体１０の位置を推定することができる。

　本開示は、上述した種々の移動体測位システムを備える物流管理システムにも関している。この物流管理システムは、移動体によって運ばれる荷物が移動体から荷卸しされたことを検知するセンシング装置を備える。センシング装置は、移動体を運転する作業者が携帯しているモバイル端末であってもよい。また、センシング装置は、移動体に取り付けられた重量センサであってもよい。モバイル端末の場合、そのタッチスクリーンを操作することにより、作業者は荷卸しを行った荷物の番号などをセンシング装置に入力する。この物流管理システムは、移動体測位システムによって測定された移動体の位置と、センシング装置の出力とに基づいて、移動体から荷卸しされた荷物の位置を記憶する荷物位置管理装置を備える。

　図１４は、本開示による物流管理システムの実施形態を説明する倉庫内の模式的レイアウト図である。この例では、倉庫の天井において、Ｎ×Ｍ個（ＮおよびＭは、いずれも正の整数）のビーコン２０がＮ行およびＭ列に周期的に配列されている。図１４において、個々のビーコン２０を区別するため、ｉ行ｊ列（ｉおよびｊは、１≦ｉ≦Ｎ、１≦ｊ≦Ｍを満たす整数）の位置にあるビーコン２０に（ｉ，ｊ）の参照符号を付している。

　この例における移動体１０は、有人搬送台車である。移動体１０は、センシング装置５５を搭載した状態で倉庫内に移動する。操舵は移動体１０に乗車しているユーザ（作業者または運転者）が行う。移動体１０は、破線で示された経路を移動する。経路は、図示される例に限定されず、より複雑なパターンを有していてもよい。経路の途中において、作業者が荷物６０および荷物６２をそれぞれ異なる位置に荷卸しした。荷卸しに際して、作業者は荷卸しを行ったことを示す操作をセンシング装置５５に対して行う。この実施形態において、センシング装置５５は、作業者の入力操作に応じて荷物が移動体１０から荷卸しされたことを、無線通信によって荷物位置管理装置５０に送信する。こうして、荷物位置管理装置５０は、荷物が置かれたことを、そのときの移動体１０の位置に関連づけて記憶することができる。移動体１０の位置は、前述した移動体測位システムによる移動体１０のトラッキングに基づいて取得することができる。また、移動体測位システムによる移動体１０の測位は、センシング装置５５が作業者の入力操作があったときに実行してもよい。

　移動体１０を操舵する者は、移動体１０の走行ルートを前もって知る必要は無く、倉庫内で移動体１０を走行させながら、適当な空きスペースに荷物を降ろしてもよい。

　荷物位置管理装置５０は、移動体１０の運行管理装置３０を兼ねていてもよい。この場合、荷物位置管理装置５０は、荷物を置くべき位置を作業者に知得させるため、適切な走行ルートを決定した後、走行ルートに沿ってビーコン２０の動作を第１モードから第２モードに切り替えてもよい。第２モードで動作するビーコン２０の光源２２が可視光を発すると、移動体１０を操舵する者は、光源２２の発光状を頼りに、走行ルートに沿って移動体１０を走行させることが可能になる。

＜他の実施形態＞
　走行する移動体１０の位置、あるいは荷下ろしの位置について、正確な位置座標が必要のない場合もある。そのような場合、「位置」としては、複数のビーコン２０にそれぞれ割り当てられた複数の区画領域のいずれであるかが特定できれば十分である。

　図１５は、本開示による物流管理システムの他の実施形態を示す図である。図１５には、複数のビーコン２０にそれぞれ割り当てられた複数の区画領域７０が示されている。区画領域７０は、縦横に延びる一点鎖線の境界線２００によって仕切られている。境界線２００は仮想的な線であり、実際に建造物の天井または床に引かれている必要はない。

　図１５の例において、荷物６０は、ＩＤ２１の識別番号を有するビーコン２０に割り当てられた区画領域７０に置かれている。一方、荷物６２は、ＩＤ３８の識別番号を有するビーコン２０に割り当てられた区画領域７０に置かれている。

　このように、本実施形態における荷物６０、６２の位置は、具体的なグルーバル座標の値ではなく、区画領域単位に特定される。前述したように、本開示の移動体測位システムによれば、移動体１０から荷下ろしをしたときに最も近い位置にあるビーコン２０に固有の識別情報を検出できる。この識別情報があれば、荷物を置いた位置を区画領域単位で特定することが可能である。移動体１０に最も近い位置にあるビーコンとは、信号波を受けたアレーアンテナを基準として、図８に示す角度αが最も小さな到来方向を示すビーコンである。

　この場合、移動体１０の向き（図１２の角度Θ）を知る必要はない。従って、信号波の到来方向（特に角度α）が推定できれば、移動体１０の最も近い位置にあるビーコン２０を識別することは容易である。

　図１６は、本開示による物流管理システムの更に他の実施形態を示す図である。この例において、ビーコン２０の配列は、一定の周期を有していない。区画領域７０は、荷物の置かれる領域にあわせて決定され得るため、ビーコン２０は、大きさが異なる区画領域７０の例えば中心に相当する位置に配置され得る。

　本開示の移動体測位システムは、屋内における移動体の測位に好適に用いられる。また、屋外においても、ビーコンを適切に配置することにより、移動体の測位に利用することが可能である。また、物流倉庫、工場、病院、空港などにおいて、部品、完成品、荷物などの搬送および位置管理に好適に利用され得る。

１０・・・移動体、１２・・・アレーアンテナ、１４・・・処理回路、２０・・・ビーコン、２２・・・光源、２４・・・アンテナ、２６・・・半導体集積回路、２８・・・バッテリ（電池）、３０・・・管理装置、４０・・・記憶装置、５０・・・荷物位置管理装置

Claims (18)

1. 　アレーアンテナおよび処理回路を有する移動体と、
   　所定の位置に配置され、それぞれが識別情報を含む信号波を周期的または断続的に放射する複数のビーコンと、
   　各識別情報を前記複数のビーコンのそれぞれの位置に関連づけるデータを格納する記憶装置と、
   を備え、
   　前記アレーアンテナは、複数のアンテナ素子を有し、前記複数のビーコンのそれぞれから放射された信号波を順次または同時に受信して前記複数のアンテナ素子からアレー信号を出力し、
   　前記処理回路は、
   　受信した前記信号波から前記識別情報を読み出し、
   　前記記憶装置に格納されている前記データを参照し、前記識別情報に基づいて、前記信号波を放射した少なくとも１個のビーコンの位置を決定し、
   　前記アレー信号に基づいて、受信した前記信号波の到来方向を推定し、
   　前記信号波を放射した前記少なくとも１個のビーコンの位置および推定された前記信号波の前記到来方向に基づいて、前記移動体の測位を行う、移動体測位システム。
2. 　前記複数のビーコンは、床面に平行な平面に沿って拡がるグリッドの格子点位置に配置されている、請求項１に記載の移動体測位システム。
3. 　前記複数のビーコンは、建造物の天井に配列されている、請求項１または２に記載の移動体測位システム。
4. 　前記複数のビーコンおよび前記移動体は、それぞれ、近距離無線通信規格に従って通信する通信モジュールを有している、請求項１から３のいずれかに記載の移動体測位システム。
5. 　前記処理回路は、前記信号波を放射した前記少なくとも１個のビーコンの位置および推定された前記信号波の前記到来方向に基づいて、前記移動体の姿勢を求める、請求項１から４のいずれかに記載の移動体測位システム。
6. 　前記複数のビーコンのそれぞれは、
   　第１の時間間隔で前記信号波を放射する第１のモードで動作することと、前記第１の時間間隔よりも短い第２の時間間隔で前記信号波を放射する第２のモードで動作することが可能である、請求項１から５のいずれかに記載の移動体測位システム。
7. 　前記複数のビーコンのそれぞれは、前記第２のモードで動作するときに可視光を発する光源を有している、請求項６に記載の移動体測位システム。
8. 　前記移動体は、受信した前記信号波から前記識別情報を読み出した後、前記信号波を放射した前記少なくとも１個のビーコンの個数が単数のときは当該単数のビーコンに要求信号波を送信し、前記信号波を放射した前記少なくとも１個のビーコンの個数が複数のときは当該複数のビーコンのうちから選択された幾つかのビーコンに前記要求信号波を送信し、
   　前記複数のビーコンのそれぞれは、前記第１のモードで動作しているときに前記要求信号波を受け取ると、前記第１のモードから前記第２のモードに切り替える、請求項６または７に記載に移動体測位システム。
9. 　前記移動体の運行管理装置を備え、
   　前記運行管理装置は、前記複数のビーコンとの間で無線通信を行い、前記複数のビーコンから選択した１個または複数のビーコンの動作を前記第１のモードから前記第２のモードに切り替えさせる、請求項６から８のいずれかに記載の移動体測位システム。
10. 　前記運行管理装置は、前記移動体の移動ルートに沿って前記複数のビーコンの動作を、順次、前記第１のモードから前記第２のモードに切り替えさせ、
    　前記移動体は、前記第２のモードで動作するビーコンに接近するように移動する、請求項９に記載の移動体測位システム。
11. 　前記複数のビーコンのそれぞれは、前記信号波を放射するアンテナと、前記アンテナに接続された半導体集積回路と、電源として動作する電池とを有しており、前記所定の位置に着脱可能に取り付けられている、請求項１から１０のいずれかに記載の移動体測位システム。
12. 　前記移動体は、無人搬送車、有人搬送車、移動ロボット、およびドローンのいずれかを含む、請求項１から１１のいずれかに記載の移動体測位システム。
13. 　前記移動体の運行管理装置を備え、
    　前記運行管理装置は、測定された前記移動体の位置を示す情報を無線通信によって前記移動体から取得し、前記移動体の位置をトラッキングする、請求項１から１２のいずれかに記載の移動体測位システム。
14. 　前記移動体は、前記記憶装置を備えている、請求項１から１３のいずれかに記載の移動体測位システム。
15. 　前記記憶装置は前記移動体から離れており、
    　前記移動体は、無線通信によって前記記憶装置から前記データの一部を取得する、請求項１から１３のいずれかに記載の移動体測位システム。
16. 　アレーアンテナ、処理回路、および通信モジュールを有する移動体と、
    　所定の位置に配置され、それぞれが識別情報を含む信号波を周期的または断続的に放射する複数のビーコンと、
    　前記識別情報を前記複数のビーコンのそれぞれの位置に関連づけるデータを格納する記憶装置を有し、かつ、前記通信モジュールを介して前記移動体と通信を行う、管理装置と、
    を備え、
    　前記アレーアンテナは、複数のアンテナ素子を有し、前記複数のビーコンのそれぞれから放射された信号波を順次または同時に受信して前記複数のアンテナ素子からアレー信号を出力し、
    　前記処理回路は、前記アレー信号に基づいて、受信した前記信号波の到来方向を推定し、受信した前記信号波から前記識別情報を読み出し、
    　前記管理装置は、
    　前記通信モジュールを介して、推定された前記信号波の前記到来方向および前記識別情報を前記移動体から取得し、
    　前記記憶装置に格納されている前記データを参照し、前記識別情報に基づいて、前記信号波を放射した少なくとも１個のビーコンの位置を決定し、
    　前記信号波を放射した前記少なくとも１個のビーコンの位置および前記信号波の前記到来方向に基づいて、前記移動体の測位を行う、移動体測位システム。
17. 　請求項１から１６のいずれかに記載の移動体測位システムと、
    　前記移動体によって運ばれる荷物が前記移動体から荷卸しされたことを検知するセンシング装置と、
    　前記移動体測位システムによって測定された前記移動体の位置と、前記センシング装置の出力とに基づいて、前記移動体から荷卸しされた前記荷物の位置を記憶する荷物位置管理装置と、
    を備える、物流管理システム。
18. 　前記センシング装置は、ユーザの入力操作に応じて前記荷物が前記移動体から荷卸しされたことを検知し、前記出力を無線通信によって前記荷物位置管理装置に送信する、請求項１７に記載の物流管理システム。

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