WO2019077856A1 - 位置推定装置、空調システム、位置推定方法及びプログラム - Google Patents

位置推定装置、空調システム、位置推定方法及びプログラム Download PDF

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WO2019077856A1
WO2019077856A1 PCT/JP2018/030361 JP2018030361W WO2019077856A1 WO 2019077856 A1 WO2019077856 A1 WO 2019077856A1 JP 2018030361 W JP2018030361 W JP 2018030361W WO 2019077856 A1 WO2019077856 A1 WO 2019077856A1
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WO
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arrival time
sound
time difference
position estimation
microphones
Prior art date
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PCT/JP2018/030361
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English (en)
French (fr)
Inventor
尚夫 水野
平尾　豊隆
成治 近藤
尚希 西川
貴夫 桜井
清水　健志
真範 丸山
Original Assignee
三菱重工サーマルシステムズ株式会社
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/18—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using ultrasonic, sonic, or infrasonic waves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F11/00—Control or safety arrangements
    • F24F11/70—Control systems characterised by their outputs; Constructional details thereof
    • F24F11/72—Control systems characterised by their outputs; Constructional details thereof for controlling the supply of treated air, e.g. its pressure
    • F24F11/79—Control systems characterised by their outputs; Constructional details thereof for controlling the supply of treated air, e.g. its pressure for controlling the direction of the supplied air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F2120/00—Control inputs relating to users or occupants
    • F24F2120/10—Occupancy
    • F24F2120/14—Activity of occupants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
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    • F24F2130/00—Control inputs relating to environmental factors not covered by group F24F2110/00
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    • G—PHYSICS
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    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/18—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using ultrasonic, sonic, or infrasonic waves
    • G01S5/22—Position of source determined by co-ordinating a plurality of position lines defined by path-difference measurements

Definitions

  • the present invention relates to a position estimation device, an air conditioning system, a position estimation method, and a program.
  • Priority is claimed on Japanese Patent Application No. 2017-200260, filed Oct. 16, 2017, the content of which is incorporated herein by reference.
  • This approximate calculation has a high processing load, and even if the same calculation is applied to the control of the air conditioner, it may exceed the performance of a computer that can be installed in the air conditioner. In addition, when the solution is derived by approximate calculation, depending on the initial value of the search, it may fall into the local solution.
  • Patent Document 1 describes a method for estimating the direction in which a human voice robot is made to communicate with a human by means of conversation.
  • the present invention provides a position estimation device, an air conditioning system, a position estimation method, and a program that can solve the problems described above.
  • the position estimation device includes a time information acquisition unit that acquires each time when a plurality of microphones provided in the space detect the sound emitted in the space; An arrival time difference calculation unit that calculates an arrival time difference that is a difference between the time when one of the microphones serving as the reference detects the sound and the time when each of the other microphones detects based on the time
  • the transmission position of the sound is estimated based on a look-up table which defines the relation between the predetermined arrival time difference and the predetermined sound source position, and the arrival time difference actually calculated by the arrival time difference calculating unit.
  • a position estimation unit is a position estimation unit.
  • the position estimation unit is configured to minimize the difference between the arrival time difference calculated by the arrival time difference calculation unit and the arrival time difference based on the look-up table.
  • the sound source position based on is estimated as the sound transmission position.
  • the look-up table records the relationship between the sound source position and the arrival time difference represented in a coordinate system having an origin at the center of gravity of the position where the plurality of microphones are arranged. ing.
  • the look-up table records the relationship between the arrival time difference and the sound source position according to the environmental condition of the space in which the microphone is disposed.
  • the environmental conditions of the space are at least one of temperature and humidity and pressure.
  • a relationship between the arrival time difference and the sound source position at a predetermined temperature is recorded in the look-up table, and the position estimation unit actually performs the arrival time difference based on the look-up table.
  • the sound transmission position is estimated on the basis of the corrected lookup table and the arrival time difference calculated by the arrival time difference calculation unit.
  • the position estimation device determines the shape of the space based on the sound transmission position of the sound estimated by the position estimation unit for the sound emitted while moving inside the space. It further has a map information creation part which creates map information which shows.
  • an air conditioning system includes the above-described position estimation device, and performs air conditioning on the sound transmission position estimated by the position estimation device.
  • the position estimation method includes the steps of: acquiring a respective time at which a plurality of microphones provided in the space detect a sound emitted in the space; Calculating an arrival time difference which is the difference between the time at which one of the plurality of microphones serving as a reference detects the sound and the time at which each of the other microphones is detected; Estimating the transmission position of the sound based on a look-up table that defines the relationship between the arrival time difference and a predetermined sound source position, and the arrival time difference calculated in the step of actually calculating the arrival time difference; Have.
  • the program includes a computer, a plurality of microphones provided in a space, means for acquiring each time when a sound emitted in the space is detected, and based on the acquired each time
  • a means for calculating an arrival time difference which is a difference between the time at which one of the plurality of microphones serving as a reference detects the sound and the time at which each of the other microphones detects a predetermined time difference
  • it functions as a means for estimating the transmission position of the sound based on a look-up table which defines a predetermined sound source position relationship and the arrival time difference calculated by the means for actually calculating the arrival time difference.
  • the position estimation device the air conditioning system, the position estimation method, and the program described above, the position can be accurately estimated with a small calculation load.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of an air conditioning system according to an embodiment of the present invention.
  • the air conditioning system includes an air conditioner 10, a terminal device 40, and microphones M1 to M4.
  • the air conditioner 10 includes a control device 20.
  • Control device 20 controls the operation of air conditioner 10.
  • the control device 20 has a function of controlling the air conditioner 10 so as to perform air conditioning on a partial area of the space w.
  • the control device 20 includes a position estimation device 30.
  • the position estimation device 30 estimates the position at which the sound s is emitted, based on the sound s emitted by the terminal device 40.
  • the control device 20 performs air conditioning control on the position estimated by the position estimation device 30, for example.
  • the terminal device 40 has a function of outputting a sound s of a predetermined frequency.
  • the terminal device 40 has a function of transmitting information k specifying an area in the space w in which the terminal device 40 exists, to the air conditioner 10 (control device 20).
  • the terminal device 40 is, for example, an information processing device such as a smartphone. Alternatively, the terminal device 40 may be configured of two devices, one for outputting sound and the other for outputting information k.
  • the microphones M1 to M4 detect the sound emitted by the terminal device 40.
  • the position estimation device 30 estimates the position of the sound source (terminal device 40) based on the difference in time when each of the microphones M1 to M4 detects the sound s emitted by the terminal device 40, and the control device 20 Air conditioning control is performed on the position estimated by the estimation device 30.
  • the position estimation device 30 has a function of creating map information of the space w using position estimation of a sound source.
  • the control device 20 acquires information k for specifying an area in the space w designated by the user via the terminal device 40 with respect to the map information generated by the position estimation device 30, and sets the area designated by the information k as a target. Perform air conditioning control. Next, the function of the position estimation device 30 will be described.
  • FIG. 2 is a block diagram showing an example of a position estimation apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the position estimation device 30 includes a sound information acquisition unit 31, an arrival time difference calculation unit 32, a position estimation unit 33, a sensor information acquisition unit 34, a map information creation unit 35, and a storage unit 36.
  • the sound information acquisition unit 31 acquires, for each of the microphones M1 to M4, a sound signal detected by the microphones M1 to M4 and converted to an electrical signal.
  • the sound information acquisition unit 31 associates the microphones M1 to M4 with the time when each microphone detects the sound s (the time when the sound information acquisition unit 31 acquires a sound signal) and records them in the storage unit.
  • the arrival time difference calculation unit 32 determines the time when the reference microphone M1 detects the sound s with reference to one of the microphones M1 to M4 (for example, the microphone M1) and the other three microphones M2 to M4 The difference between the time when s is detected, that is, the time difference between the time when the sound s reaches the microphone M1 and the time when the sound s reaches the microphones M2 to M4, is calculated.
  • the position estimation unit 33 estimates the position at which the sound s is emitted, based on the arrival time difference calculated by the arrival time difference calculation unit 32 and the look-up table 37 stored in the storage unit 36 (hereinafter referred to as LUT 37).
  • the LUT 37 includes a table defining the correspondence between the arrival time difference between two of the microphones M1 to M4 and the predetermined sound source position in the space w.
  • the sensor information acquisition unit 34 acquires information on the temperature, humidity, and air pressure of the space w from the temperature sensor, the humidity sensor, and the air pressure sensor.
  • the temperature sensor, the humidity sensor, and the air pressure sensor may be provided in the air conditioner 10 or may be provided in the space w. Not all of these sensors need to be provided, and any one of them may be provided.
  • the map information creation unit 35 creates map information of the space w using the position information estimated by the position estimation unit 33. More specifically, the map information creation unit 35 uses the position information estimated by the position estimation unit 33 for the sound s output while moving the terminal device 40 along the shape of the space w, and thus the map information of the space w Create
  • the map information creation unit 35 may be provided as an apparatus independent of the position estimation apparatus 30.
  • the storage unit 36 stores the LUT 37, position information of the terminal device 40 estimated by the position estimation unit 33, map information generated by the map information generation unit 35, and the like.
  • the storage unit 36 may be a storage device provided in the position estimation device 30, or may be an external (for example, a data center or the like) storage device.
  • FIG. 3 is a diagram showing an exemplary arrangement of microphones in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 shows an arrangement example of the microphones M1 to M4.
  • the microphones M1 to M4 are arranged on the ceiling of the space w, for example, such that each of the microphones M1 to M forms a vertex of a square whose center of gravity is the center of the outlet of the air conditioner 10.
  • FIG. 4 is a first diagram for explaining the arrival time difference in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 shows an example of a coordinate system for calculating the arrival time difference.
  • the center of gravity of the four microphones M1 to M4 is set as the origin o.
  • the position P1 of the space w can be represented by polar coordinates (r, ⁇ ) using the distance r from the origin and the angle ⁇ when the positive direction of the X axis is 0 degree.
  • the time until each of the microphones M1, M2, M3 and M4 detects the sound s after the terminal device 40 emits the sound s at a position P1 may be described as a sound source P1) at time Tm1, respectively , Tm2, Tm3, and Tm4.
  • Tm1 to Tm4 Since the distance between the sound source P1 and the microphones M1 to M4 changes when the position of the sound source P1 changes, Tm1 to Tm4 also change. Tm1 to Tm4 can be expressed as a function of r and ⁇ . This is shown in FIG.
  • FIG. 5 is a second diagram for explaining the arrival time difference in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the angle ⁇ and Tm1 to Tm4 for each distance r.
  • the graph at the upper left end is a graph showing the relationship between the angle ⁇ and Tm1 to Tm4 when the distance r from the center of gravity of the microphones M1 to M4 is 0.5 m.
  • the arrival times Tm1 to Tm4 change as illustrated according to the change in the distance between the microphones M1 to M4 and the sound source P1 with the change in the angle ⁇ . The same applies to the other graphs.
  • the time (the arrival time difference) at which each of the other microphones M2 to M4 detects the sound c is It is. That is, the arrival time difference ( ⁇ T21) of the microphone M2 is Tm2-Tm1, the arrival time difference ( ⁇ T31) of the microphone M3 is Tm3-Tm1, and the arrival time difference ( ⁇ T41) of the microphone M4 is Tm4-Tm1.
  • the position of the sound source P1 changes, the distance between the sound source P1 and each of the microphones M1 to M4 changes, so that ⁇ T21, ⁇ T31, and ⁇ T41 also change. That is, ⁇ T21, ⁇ T31, ⁇ T41 can be expressed as a function of r and ⁇ . This is shown in FIG.
  • FIG. 6 is a third diagram illustrating the arrival time difference according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the angle ⁇ and the arrival time difference for each distance r, separately for the arrival time differences ⁇ T21, ⁇ T31, and ⁇ T41.
  • the arrival time changes as shown according to the position of the sound source P1 of the sound s and the positional relationship between the microphone M1 and the microphone M2. The same applies to the other graphs.
  • the graphs of arrival time differences ⁇ T21, ⁇ T31, ⁇ T41 illustrated in FIG. 6 are prepared in advance, and when the sound s is actually emitted at the position P1 with the space w, the sounds s are measured with ⁇ T 21 m, ⁇ T 31 m, ⁇ T 41 m Based on the position of the sound source P1 can be estimated.
  • the one that matches is the estimated position of the sound source P1. If a graph of arrival time difference ⁇ 21 etc. is prepared for each temperature, the position of the sound source is estimated more accurately by performing reverse drawing with reference to the graph of arrival time difference ⁇ 21 etc. according to the room temperature of space w be able to.
  • the position of the sound source P1 has been described as representing the plane polar coordinates (FIG. 4), but if the number of microphones is four or more and three or more arrival time difference graphs can be prepared, three sound sources P1
  • the position in the dimension can be estimated. For example, assuming a space w where an employee or the like performs sitting and performing work and it is possible to fix the height direction of the air conditioning target, it is sufficient to estimate a two-dimensional position. In that case, the number of microphones should be at least three, and if two or more arrival time difference graphs can be prepared, position estimation of the sound source P1 is possible.
  • FIG. 7 shows an example of the LUT 37 when the sound source position is represented by two-dimensional coordinates.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of a LUT in an embodiment of the present invention. While the example illustrated in FIG. 6 is a graph representing the position of the sound source P1 in polar coordinates, the LUT 37 in FIG. 7 has X, Y coordinates and arrival time difference ⁇ 21 when the position of the sound source P1 is represented in rectangular coordinates. Is a table that defines the relationship between The respective columns of the LUT 37 correspond to the values of the X coordinate in the rectangular coordinates having the center of gravity of the microphones M1 to M4 illustrated in FIG.
  • each cell of the table the value of arrival time ⁇ t21 when the sound source P1 exists at the coordinate position indicated by the corresponding row and column is described.
  • ⁇ T21, ⁇ T31, and ⁇ T41 are calculated with reference to the microphone M1, and maps of ⁇ T21 (x, y), ⁇ T31 (x, y), and ⁇ T41 (x, y) are created.
  • the LUT in FIG. 7 is an example of a table created in this manner.
  • an item of the Z axis may be included in the table to use the LUT 37 defining the relationship between the three-dimensional coordinates of the sound source position and the arrival time difference ⁇ t21.
  • the table of FIG. 7 is recorded in the storage unit 36. Similar to the illustrated one, the LUT 37 for the arrival time difference ⁇ T 31 and the arrival time difference ⁇ T 41 is also recorded in the storage unit 36. The LUT 37 for the arrival time differences ⁇ T21 to ⁇ T41 at each temperature may be recorded in the storage unit 36 for each temperature. The same applies to humidity and pressure.
  • the position estimation unit 33 estimates the position of the sound source as (10, 10) with reference to the LUT 37.
  • the position estimation unit 33 calculates coordinate information of the sound source P1 using the value of the arrival time difference ⁇ T31m and the LUT 37 regarding the arrival time difference ⁇ T31, and the value of the measured arrival time difference ⁇ T41m and the LUT 37 regarding the arrival time difference ⁇ T41.
  • corresponding coordinate information is calculated by linear interpolation, extrapolation, or the like.
  • the position estimation unit 33 estimates the position indicated by the coordinates as the position of the sound source P1 if the plurality of coordinate information calculated using the LUT 37 corresponding to the arrival time difference between the microphones match. Alternatively, the position estimation unit 33 may calculate an average of a plurality of pieces of coordinate information obtained based on the LUT 37, and use the position indicated by the coordinates as the position of the sound source P1 of the sound s.
  • the position estimation unit 33 determines the coordinates (x, y) such that the error amount ⁇ RMS of the arrival time difference registered in the LUT 37 with the actual value of the arrival time difference defined by the following equation (1) is minimized. It may be calculated and its coordinates (x, y) may be estimated as position information of the sound source P1.
  • ⁇ T 21 m, ⁇ T 31 m, and ⁇ T 41 m are actual arrival time differences
  • ⁇ T 21 (x, y), ⁇ T 31 (x, y), and ⁇ T 41 (x, y) It is the value of the arrival time difference calculated by the outside.
  • the minimum value of equation (1) can be efficiently calculated by the local search method, the steepest descent method, the least square method, or the like.
  • the correspondence between polar coordinates and arrival time differences may be defined.
  • FIG. 8 is a first diagram showing an example of a position estimation result according to an embodiment of the present invention.
  • the figure shows the positional relationship between the microphones M1 to M4 and the sound source P1 whose height direction (Z axis) is omitted.
  • the estimation result of the coordinates of the sound source P1 by the position estimation method of the present embodiment is (1, 3, 3).
  • the estimation result of the coordinates is (1, 3, 3). From this estimation result, it is possible to confirm that the true position of the sound source P1 can be accurately estimated while reducing the calculation load by performing the position estimation using the arrival time differences ⁇ T21 to ⁇ T41 of the present embodiment and the LUT 37.
  • FIG. 9 is a second diagram showing an example of the position estimation result in the embodiment of the present invention.
  • the estimation result of the coordinates of the sound source P1 by the position estimation method of the present embodiment is (0, 5, 3).
  • the estimation result of the coordinates is (0, -6.9, -2.6).
  • the solution according to the conventional method is indicated by circles in the figure.
  • the position of the sound source P1 is a singular point, and using the conventional method, correct position estimation It can not be done.
  • the position estimation method of the present embodiment it can be confirmed that the position can be accurately estimated even when the sound source P1 is at a position equidistant from the two microphones.
  • FIG. 10 is a flowchart showing an example of a position estimation method according to an embodiment of the present invention.
  • microphones M1 to M4 are provided on the ceiling of the space w.
  • the storage unit 36 stores a correspondence table of arrival time differences ⁇ T21, ⁇ T31, ⁇ T41 and the position (coordinate information) of the sound source P1, that is, the LUT 37 illustrated in FIG.
  • the user moves to a desired position (area to be air conditioned) in the space w, operates the terminal device 40, and outputs a sound s of a predetermined frequency.
  • the microphones M1 to M4 detect the sound s (step S11).
  • the sound information acquisition unit 31 acquires sound signals from each of the microphones M1 to M4.
  • the sound information acquisition unit 31 associates the time when the sound signal is acquired from each of the microphones M1 to M4 with the identification information of each microphone, and records them in the storage unit 36.
  • the arrival time difference calculation unit 32 calculates arrival time differences ⁇ T 21 m, ⁇ T 31 m, and ⁇ T 41 m of the other microphones M 2, M 3 and M 4 based on the acquisition time of the sound signal by the microphone M 1 (step S 12).
  • the arrival time difference calculation unit 32 outputs the calculated actual arrival time differences ⁇ T 21 m, ⁇ T 31 m, and ⁇ T 41 m to the position estimation unit 33.
  • the arrival time difference calculation unit 32 acquires candidate values of coordinate information of the sound source P1 corresponding (closest) to the arrival time differences ⁇ T21m, ⁇ T31m, and ⁇ T41m with reference to the LUT 37 illustrated in FIG. .
  • the position estimation unit 33 estimates the position of the sound source P1 based on the candidate value of the coordinate information of the sound source P1 acquired from the LUT 37 (step S14).
  • the arrival time difference calculation unit 32 applies the candidate values of the coordinate information to the above equation (1) to further calculate coordinates (x, y, z) such that the error amount ⁇ RMS is minimized, and The position indicated by the coordinates (x, y, z) is estimated as the position of the sound source P1.
  • the arrival time difference calculation unit 32 calculates the coordinate information 1 acquired from the LUT 37 based on the arrival time difference ⁇ T 21 m, the coordinate information 2 acquired from the LUT 37 based on the arrival time difference ⁇ T 31 m, and the coordinates acquired from the LUT 37 based on the arrival time difference ⁇ T 41 m
  • the average of the information 3 may be calculated, and the value may be estimated as the position information of the sound source P1.
  • the position estimation unit 33 records the estimated position information (coordinate information) in the storage unit 36.
  • the arrival time differences ⁇ T21 to ⁇ T41 and the coordinate information of the sound source position may be defined for each of at least one of temperature, humidity, and atmospheric pressure.
  • the position estimation unit 33 selects a table according to the temperature and the like from the LUT 37 based on at least one of the temperature, the humidity, and the atmospheric pressure, the actual arrival time difference ⁇ T 21 m, and the like.
  • the position estimation unit 33 refers to the selected table to acquire candidate values of coordinate information of the sound source P1.
  • the sensor information acquisition unit 34 acquires the room temperature of the space w from the temperature sensor, and outputs the room temperature to the position estimation unit 33.
  • the position estimation unit 33 acquires coordinate information by referring to a table prepared for the closest temperature of the LUT 37 based on the temperature and the arrival time difference ⁇ T 21 m. The same applies to the arrival time differences ⁇ T 31 m and ⁇ T 41 m. And the position estimation part 33 estimates the position of the sound source P1 using Formula (1).
  • the sound velocity As an environmental condition that affects the sound velocity other than the temperature, it may be possible to calculate the sound velocity according to the air pressure or humidity by performing simulation etc. for the air pressure or humidity so that a table according to the air pressure or humidity can be produced. .
  • the control device 20 can perform air conditioning control for an area desired by the user.
  • the control device 20 moves even if the user moves in the space w. Since the area to be air-conditioned can be changed in accordance with the above, the degree of satisfaction of the user is improved.
  • the air conditioning target area is automatically changed to the second floor, for example, if the user moves from the first floor to the second floor even if the space w spans multiple floors. The convenience can be improved.
  • the position estimated by the position estimation device 30 may be stored, and air conditioning control may be performed based on the estimation result of a certain period. For example, if it is long for the user in space w to stay at a certain position (for example, a place where there is a sofa), the control device 20 performs air conditioning control for the position even if there is no output of sound s from the terminal device 40 May be performed.
  • the terminal device 40 is set to output sounds intermittently, and by accumulating position information associated with the movement of the user, the flow line of the user is analyzed, and the position of the entrance of the space w is estimated. And based on the presumed result of entrance and exit, control device 20 may perform control which does not blow air in the direction of the presumed entrance and exit. The effect of energy saving can be expected by this.
  • all of the microphones M1 to M4 are simultaneously used.
  • estimation of the position of the sound source P1 in the plane can be performed with three microphones.
  • position estimation may be performed using only the microphones M1 to M3 and the remaining microphones may be used if any microphone breaks down.
  • any three of the four microphones may be selected each time, and position estimation may be performed by the selected microphone.
  • Four estimations of position using estimation using the microphones M2, M3 and M4 may be performed to determine an average of the four estimation results as the final position of the sound source P1.
  • the position estimation device 30 estimates the position where the user's voice is emitted, and performs control.
  • the apparatus 20 may perform air conditioning control on the estimated position.
  • the position estimation device 30 acquires sound signals output from the microphones M1 to M4 in a predetermined cycle, and estimates the position information.
  • the map information creation unit 35 creates the map information representing the shape of the space w by connecting the points indicated by the position information.
  • the map information is a two-dimensional or three-dimensional figure imitating the inner shape of the space w. An example of map information is shown in FIG.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of map information in the embodiment of the present invention.
  • the map information creation unit 35 creates the map information G illustrated in FIG. 11 using the coordinate information recorded in the storage unit 36. Furthermore, the map information creation unit 35 may divide, for example, the area inside the map information G into unit areas of a size that allows the air conditioner 10 to perform air conditioning control separately. Each cell (such as E11) in FIG. 11 is a unit area after division.
  • the map information creation unit 35 records the map information G in the storage unit 36.
  • the map information G is transmitted, for example, by the control device 20 to the terminal device 40 owned by the user of the space w, and displayed on the display screen of the terminal device 40. Then, the user selects a desired area from the display screen of the terminal device 40 (for example, P2 in FIG. 11). Then, the terminal device 40 transmits, to the control device 20, identification information E33 (information k) of the area in which P2 is included. Then, the control device 20 performs air conditioning control for the area indicated by E33.
  • FIG. 12 is a flowchart showing an example of map information creation processing according to an embodiment of the present invention.
  • the installation staff moves the space w in one direction along the wall.
  • a staff member who installs the air conditioner 10 moves to a predetermined position in the space w, operates the terminal device 40a, and causes the terminal device 40a to output the sound sa (step S21).
  • the microphones M1 to M4 detect the sound sa (step S22), and output the sound signal to the position estimation device 30.
  • the sound information acquisition unit 31 acquires a sound signal.
  • the position estimation unit 33 estimates the position of the sound source from which the terminal device 40a emits the sound sa by the processing described in the flowchart of FIG.
  • step S23 The position estimation unit 33 records the estimated position information of the sound source in the storage unit 36 in association with the time when the sound sa is detected (step S24).
  • step S25 the map information creation unit 35 determines whether or not position information has been recorded for all positions. For example, when the installation staff performs an operation on the terminal device 40a indicating that the measurement of the space w is finished, the terminal device 40a transmits a measurement completion signal to the position estimation device 30. When acquiring the measurement completion signal, the map information creation unit 35 determines that the position information has been recorded for all the positions. If all position information has not been recorded (step S25; No), the processing from step S21 is repeated. When all the position information has been recorded (step S25; Yes), the map information creation unit 35 connects the position information recorded in the storage unit 36 in the order of the recorded time in correspondence with the position information, and Map information representing the shape is created (step S26).
  • map information of the space w can be created. This map information can be used to select an area to be subjected to air conditioning control.
  • the map information created by the map information creation unit 35 may be three-dimensional map information showing a three-dimensional shape of the space w.
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of a hardware configuration of a position estimation device according to an embodiment of the present invention.
  • the computer 900 includes a CPU 901, a main storage 902, an auxiliary storage 903, and an interface 904.
  • the position estimation device 30 described above comprises a computer 900.
  • the operation of each processing unit described above is stored in the auxiliary storage device 903 in the form of a program.
  • the CPU 901 reads a program from the auxiliary storage device 903 and develops the program in the main storage device 902, and executes the above processing according to the program.
  • the CPU 901 secures a storage area corresponding to the storage unit 36 described above in the main storage unit 902 according to the program.
  • secondary storage 903 is an example of a non-transitory tangible medium.
  • Other examples of non-transitory tangible media include magnetic disks, magneto-optical disks, optical disks, semiconductor memory, etc. connected via interface 904.
  • the distributed computer 900 may expand the program in the main storage unit 902 and execute the above processing.
  • the process of each process in the position estimation apparatus 30 described above is stored in a computer readable recording medium in the form of a program, and the computer of the position estimation apparatus 30 reads and executes this program to execute the above process.
  • the computer-readable recording medium refers to a magnetic disk, a magneto-optical disk, a CD-ROM, a DVD-ROM, a semiconductor memory and the like.
  • the computer program may be distributed to the computer through a communication line, and the computer that has received the distribution may execute the program.
  • the program may be for realizing a part of the functions described above. Furthermore, it may be a so-called difference file (difference program) that can realize the above-described functions in combination with a program already recorded in the computer system.
  • the position estimation device 30 may be configured by one computer or may be configured by a plurality of computers communicably connected.
  • the sound information acquisition unit 31 is an example of a time information acquisition unit.
  • the position of the sound source P1 is an example of the transmission position.
  • the position estimation device the air conditioning system, the position estimation method, and the program described above, the position can be accurately estimated with a small calculation load.
  • Reference Signs List 10 air conditioner 20 control device 30 position estimation device 31 sound information acquisition unit 32 arrival time difference calculation unit 33 position estimation unit 34 sensor information acquisition unit 35 map information creation unit 36 storage unit 37 LUT (look-up table) 40 terminal devices M1, M2, M3, M4 microphone w space s sound 900 computer 901 CPU 902 main storage 903 auxiliary storage 904 interface

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Abstract

空間内の音源の位置を推定する位置推定装置を提供する。位置推定装置は、空間に設けられた複数のマイクが、空間において発された音を検出した各々の時刻を取得し、取得した各々の前記時刻に基づいて、複数のマイクのうち基準となる１つのマイクが音を検出した時刻と他の各々のマイクが検出した時刻との差である到達時間差を算出し、予め定められた到達時間差および所定の音源位置の関係を定めたルックアップテーブルと、実際に算出した到達時間差とに基づいて、音の発信位置を推定する。

Description

位置推定装置、空調システム、位置推定方法及びプログラム
　本発明は、位置推定装置、空調システム、位置推定方法及びプログラムに関する。本願は、２０１７年１０月１６日に、日本に出願された特願２０１７－２００２６０号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　オフィス等の空間を空調する場合、その空間の室温等が均一になるように制御することが多い。これに対し、例えば、ユーザが存在するエリアを対象として室温等の空調制御を行う方法が提供されている。このような制御を行う場合、空調システムは、ユーザが存在する位置を正確に推定する必要がある。従来から位置の推定方法には、様々な方法が提供されている。
　例えば、位置が既知である４つのＧＰＳ衛星から受信した電波の到達時間によって、受信機の位置を推定する方法が知られている。ここで、４つの衛星の座標をそれぞれ（Ａ１、Ｂ１、Ｃ１）、（Ａ２、Ｂ２、Ｃ２）、（Ａ３、Ｂ３、Ｃ３）、（Ａ４、Ｂ４、Ｃ４）とし、受信機の位置の座標を（ｘ、ｙ、ｚ）とし、受信機の時間のずれをｄ、電波の速度を光速ｃとすると、以下の連立方程式が得られる。
　f1＝（x－A1）２＋（y－B1）２＋（z－C1）２－（c（t1－d））２＝０
　f2＝（x－A2）２＋（y－B2）２＋（z－C2）２－（c（t2－d））２＝０
　f3＝（x－A3）２＋（y－B3）２＋（z－C3）２－（c（t3－d））２＝０
　f4＝（x－A4）２＋（y－B4）２＋（z－C4）２－（c（t4－d））２＝０
　受信機の位置はこの方程式を解くことにより得られるが、一般にこの方程式の解は、ニュートン－ラプソン法等の近似計算を用いて求めることが多い。この近似計算は、処理負荷が高く、同様の計算を空調機の制御に適用しようとしても、空調機に搭載できるコンピュータの性能を超える可能性がある。また、近似計算によって解を導出する場合、探索の初期値によっては、局所解に陥ってしまうことがある。
　なお、特許文献１には、人型ロボットが人間と会話によるコミュニケーションを行うために音声が発せられた方向を推定する方法が記載されている。
特表２０１６－５３７６２２号公報
　空調機に搭載されるコンピュータでも無理なく処理できる計算負荷で、局所解に陥ることなく、ユーザが存在する位置を推定できる方法が求められている。
　本発明は、上述の課題を解決することのできる位置推定装置、空調システム、位置推定方法及びプログラムを提供する。
　本発明の一態様によれば、位置推定装置は、空間に設けられた複数のマイクが、前記空間において発された音を検出した各々の時刻を取得する時刻情報取得部と、取得した各々の前記時刻に基づいて、複数の前記マイクのうち基準となる１つの前記マイクが前記音を検出した時刻と他の各々のマイクが検出した時刻との差である到達時間差を算出する到達時間差算出部と、予め定められた前記到達時間差および所定の音源位置の関係を定めたルックアップテーブルと、実際に前記到達時間差算出部が算出した前記到達時間差とに基づいて、前記音の発信位置を推定する位置推定部と、を備える。
　本発明の一態様によれば、前記位置推定部は、前記到達時間差算出部が算出した前記到達時間差と、前記ルックアップテーブルに基づく前記到達時間差との差が最小となるときの前記ルックアップテーブルに基づく前記音源位置を、前記音の発信位置として推定する。
　本発明の一態様によれば、前記ルックアップテーブルには、複数の前記マイクが配置された位置の重心を原点とする座標系で表された前記音源位置と前記到達時間差との関係が記録されている。
　本発明の一態様によれば、前記ルックアップテーブルには、前記マイクが配置された空間の環境条件に応じた前記到達時間差および前記音源位置の関係が記録されている。
　本発明の一態様によれば、前記空間の環境条件は、温度および湿度および気圧のうち少なくとも一つである。
　本発明の一態様によれば、前記ルックアップテーブルには、所定の温度における前記到達時間差および前記音源位置の関係が記録され、前記位置推定部は、前記ルックアップテーブルに基づく前記到達時間差を実際の温度に基づいて補正し、補正後の前記ルックアップテーブルと前記到達時間差算出部が算出した前記到達時間差とに基づいて、前記音の発信位置を推定する。
　本発明の一態様によれば、前記位置推定装置は、前記空間の内部を移動しながら発された前記音について前記位置推定部が推定した前記音の発信位置に基づいて、前記空間の形状を示す地図情報を作成する地図情報作成部、をさらに備える。
　本発明の一態様によれば、空調システムは、上記の位置推定装置を備え、前記位置推定装置が推定した前記音の発信位置を対象として空調を行う。
　本発明の一態様によれば、位置推定方法は、空間に設けられた複数のマイクが、前記空間において発された音を検出した各々の時刻を取得するステップと、取得した各々の前記時刻に基づいて、複数の前記マイクのうち基準となる１つの前記マイクが前記音を検出した時刻と他の各々のマイクが検出した時刻との差である到達時間差を算出するステップと、予め定められた前記到達時間差および所定の音源位置の関係を定めたルックアップテーブルと、実際に前記到達時間差を算出するステップで算出した前記到達時間差とに基づいて、前記音の発信位置を推定するステップと、を有する。
　本発明の一態様は、プログラムは、コンピュータを、空間に設けられた複数のマイクが、前記空間において発された音を検出した各々の時刻を取得する手段、取得した各々の前記時刻に基づいて、複数の前記マイクのうち基準となる１つの前記マイクが前記音を検出した時刻と他の各々のマイクが検出した時刻との差である到達時間差を算出する手段、予め定められた前記到達時間差および所定の音源位置の関係を定めたルックアップテーブルと、実際に前記到達時間差を算出する手段が算出した前記到達時間差とに基づいて、前記音の発信位置を推定する手段、として機能させる。
　上記した位置推定装置、空調システム、位置推定方法及びプログラムによれば、少ない計算負荷で、正確に位置を推定することができる。
本発明の一実施形態における空調システムの一例を示す図である。 本発明の一実施形態における位置推定装置の一例を示すブロック図である。 本発明の一実施形態におけるマイクの配置例を示す図である。 本発明の一実施形態における到達時間差を説明する第１の図である。 本発明の一実施形態における到達時間差を説明する第２の図である。 本発明の一実施形態における到達時間差を説明する第３の図である。 本発明の一実施形態におけるＬＵＴの一例を示す図である。 本発明の一実施形態における位置推定結果の一例を示す第１の図である。 本発明の一実施形態における位置推定結果の一例を示す第２の図である。 本発明の一実施形態における位置推定処理の一例を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態における地図情報の一例を示す図である。 本発明の一実施形態における地図情報の作成処理の一例を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態における位置推定装置のハードウェア構成の一例を示す図である。
＜実施形態＞
　以下、本発明の一実施形態による冷媒回路を図１～図１３を参照して説明する。
　図１は、本発明の一実施形態における空調システムの一例を示す図である。
　図示するように空調システムは、空調機１０と、端末装置４０と、マイクＭ１～Ｍ４とを含む。空調機１０は、制御装置２０を備える。制御装置２０は、空調機１０の運転を制御する。制御装置２０は、空間ｗの一部のエリアを対象として、空調を行うよう空調機１０を制御する機能を有している。制御装置２０は、位置推定装置３０を備える。位置推定装置３０は、端末装置４０が発した音ｓに基づいて、音ｓが発された位置を推定する。制御装置２０は、例えば、位置推定装置３０が推定した位置を対象として空調制御を行う。端末装置４０は、所定の周波数の音ｓを出力する機能を有している。端末装置４０は、端末装置４０が存在する空間ｗにおけるエリアを指定する情報ｋを、空調機１０（制御装置２０）へ送信する機能を有している。端末装置４０は、例えば、スマートフォン等の情報処理装置である。あるいは、端末装置４０は、音を出力する装置と、情報ｋを出力する装置の２台で構成されていてもよい。マイクＭ１～Ｍ４は、端末装置４０が発した音を検出する。
　位置推定装置３０は、端末装置４０が発した音ｓをマイクＭ１～Ｍ４の各々が検出した時刻の差に基づいて、その音源（端末装置４０）の位置を推定し、制御装置２０は、位置推定装置３０が推定した位置を対象として空調制御を行う。
　位置推定装置３０は、音源の位置推定を利用して空間ｗの地図情報を作成する機能を有している。制御装置２０は、位置推定装置３０が作成した地図情報に対して、端末装置４０を介してユーザが指定した空間ｗにおけるエリアを指定する情報ｋを取得し、情報ｋが指定するエリアを対象とする空調制御を行う。次に位置推定装置３０の機能について説明する。
　図２は、本発明の一実施形態における位置推定装置の一例を示すブロック図である。
　位置推定装置３０は、音情報取得部３１と、到達時間差算出部３２と、位置推定部３３と、センサ情報取得部３４と、地図情報作成部３５と、記憶部３６を備える。
　音情報取得部３１は、マイクＭ１～Ｍ４が音ｓを検出して電気信号に変換した音信号をマイクＭ１～Ｍ４別に取得する。音情報取得部３１は、マイクＭ１～Ｍ４と各マイクが音ｓを検出した時刻（音情報取得部３１が音信号を取得した時刻）とを対応付けて記憶部３６に記録する。
　到達時間差算出部３２は、マイクＭ１～Ｍ４のうちの１つのマイク（例えばマイクＭ１）を基準として、基準となるマイクＭ１が音ｓを検出した時刻と、他の３つのマイクＭ２～Ｍ４が音ｓを検出した時刻との差、つまり、音ｓがマイクＭ１に到達する時刻と、マイクＭ２～Ｍ４に到達する時刻との時間差（到達時間差）を算出する。
　位置推定部３３は、到達時間差算出部３２が算出した到達時間差と記憶部３６が記憶するルックアップテーブル３７（以下、ＬＵＴ３７と記載する）とに基づいて、音ｓが発された位置を推定する。ＬＵＴ３７は、マイクＭ１～Ｍ４のうち２つのマイクの間での到達時間差と空間ｗにおける所定の音源位置との対応関係を規定したテーブルを含む。
　センサ情報取得部３４は、温度センサ、湿度センサ、気圧センサから、空間ｗの温度、湿度、気圧の情報を取得する。温度センサ、湿度センサ、気圧センサは、空調機１０が備えるものでもよいし、空間ｗに設けられたものでもよい。これらのセンサは、全て設けられている必要は無く、何れか１つでよい。
　地図情報作成部３５は、位置推定部３３が推定した位置情報を用いて、空間ｗの地図情報を作成する。より具体的には、地図情報作成部３５は、端末装置４０を空間ｗの形状に沿って移動させながら出力した音ｓについて位置推定部３３が推定した位置情報を用いて、空間ｗの地図情報を作成する。地図情報作成部３５は、位置推定装置３０とは独立した装置として設けてもよい。
　記憶部３６は、ＬＵＴ３７、位置推定部３３が推定した端末装置４０の位置情報、地図情報作成部３５が作成した地図情報などを記憶する。記憶部３６は、位置推定装置３０が備える記憶装置でもよいし、外部（例えば、データセンタ等）の記憶装置であってもよい。
　次に図３～図９を用いて本実施形態における位置推定方法を説明する。
　図３は、本発明の一実施形態におけるマイクの配置例を示す図である。
　図３にマイクＭ１～Ｍ４の配置例を示す。マイクＭ１～Ｍ４は、空間ｗの天井に、例えばマイクＭ１～Ｍの各々が、空調機１０の吹き出し口の中心を重心とする正方形の頂点をなすように配置される。
　図４は、本発明の一実施形態における到達時間差を説明する第１の図である。
　図４に到達時間差を算出するための座標系の例を示す。まず、４つのマイクＭ１～Ｍ４の重心を原点ｏとする。すると、空間ｗの位置Ｐ１は、原点からの距離ｒと、Ｘ軸の正方向を０度としたときの角度θを用いて、極座標（ｒ、θ）で表すことができる。ある時刻に位置Ｐ１（音源Ｐ１と記載する場合がある）にて端末装置４０が音ｓを発してから、マイクＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４の各々が音ｓを検出するまでの時間をそれぞれＴｍ１、Ｔｍ２、Ｔｍ３、Ｔｍ４とする。音源Ｐ１の位置が変化すると、音源Ｐ１とマイクＭ１～Ｍ４の距離が変化するので、Ｔｍ１～Ｔｍ４も変化する。Ｔｍ１～Ｔｍ４は、ｒおよびθの関数として表すことができる。図５にこの様子を示す。
　図５は、本発明の一実施形態における到達時間差を説明する第２の図である。
　図５は、距離ｒ別に角度θとＴｍ１～Ｔｍ４との関係を示したグラフである。例えば、左上端のグラフは、マイクＭ１～Ｍ４の重心からの距離ｒが０．５ｍの場合の角度θとＴｍ１～Ｔｍ４の関係を示したグラフである。到達時間Ｔｍ１～Ｔｍ４は、角度θの変化に伴うマイクＭ１～Ｍ４と音源Ｐ１の距離の変化に応じて図示するように変化する。他のグラフについても同様である。例えば、右下端のグラフは、マイクＭ１～Ｍ４の重心からの距離ｒが３ｍの場合の角度θとＴｍ１～Ｔｍ４の関係を示したグラフである。左上端のグラフ（距離ｒ＝０．５ｍ）と比べ、距離が離れた分だけ、全体的に到達時間が長くなっている。
　マイクＭ１を基準のマイクとし、マイクＭ１が音ｃを検出する時刻を基準（時刻＝０）としたときに、他のマイクＭ２～Ｍ４の各々が音ｃを検出する時刻（到達時間差）は以下である。つまり、マイクＭ２の到達時間差（ΔＴ２１）はＴｍ２－Ｔｍ１、マイクＭ３の到達時間差（ΔＴ３１）はＴｍ３－Ｔｍ１、マイクＭ４の到達時間差（ΔＴ４１）はＴｍ４－Ｔｍ１である。音源Ｐ１の位置が変化すると、音源Ｐ１とマイクＭ１～Ｍ４の各々の距離が変化するので、ΔＴ２１、ΔＴ３１、ΔＴ４１も変化する。つまり、ΔＴ２１、ΔＴ３１、ΔＴ４１は、ｒおよびθの関数として表すことができる。図６にこの様子を示す。
　図６は、本発明の一実施形態における到達時間差を説明する第３の図である。
　図６は、角度θと到達時間差との関係を距離ｒ毎に示したグラフを、到達時間差ΔＴ２１、ΔＴ３１、ΔＴ４１別に示したものである。例えば、左端のグラフは、到達時間差ΔＴ２１について、距離ｒ＝０．５ｍ、１ｍ、２ｍの場合の到達時間差と角度θの関係を示している。音ｓの音源Ｐ１の位置とマイクＭ１およびマイクＭ２の位置関係の変化に応じて、到達時間は図示するように変化する。他のグラフについても同様である。
　図５、図６で例示したグラフは、例えば、音速と距離と到達時間の関係（ｄ＝ｃｔ、ｄは距離、ｃは音速、ｔは到達時間）から計算により作成されたものである。音速は温度によって変化することから、図５、図６のグラフを所定の温度ごとに用意しておいてもよい。図６で例示した到達時間差ΔＴ２１、ΔＴ３１、ΔＴ４１のグラフが予め用意されており、実際に空間ｗのある位置Ｐ１にて音ｓが発せられると、その音ｓについて計測したΔＴ２１ｍ、ΔＴ３１ｍ、ΔＴ４１ｍに基づいて、音源Ｐ１の位置が推定できる。例えば、到達時間差ΔＴ２１ｍが２０００μｓであれば、音源Ｐ１の位置情報は、左端のグラフより、ｒ＝０．５ｍ、θ＝２４０度で示される位置であると推定できる。到達時間差ΔＴ２１ｍが０μｓであれば、音源Ｐ１の位置は、ｒ＝０．５ｍ，１ｍ，２ｍの何れか、θ＝０度または１８０度で示される位置である。候補が複数あるので、残りの２つのグラフを、ΔＴ３１ｍ、ΔＴ４１ｍに基づいて逆引きして、音源Ｐ１の位置を推定することができる。つまり、ΔＴ２１ｍ、ΔＴ３１ｍ、ΔＴ４１ｍについて、対応するグラフを逆引きして得られた位置情報（座標情報）の候補うち一致するものが音源Ｐ１の推定位置である。
　到達時間差Δ２１等のグラフが温度ごとに用意されているならば、空間ｗの室温に応じた到達時間差Δ２１等のグラフを参照して逆引きを行うことで、より正確な音源の位置を推定することができる。
　説明の便宜上、音源Ｐ１の位置を平面の極座標（図４）で表すこととして説明を行ったが、マイクの数が４つ以上で、到達時間差のグラフが３つ以上用意できれば、音源Ｐ１の３次元における位置を推定することができる。例えば、オフィス等の、着席して業務を行う空間ｗを想定し、空調対象の高さ方向を固定することができるならば、２次元の位置を推定するだけで良い。その場合は、マイクの数は最低限３つ存在すればよく、到達時間差のグラフは２つ以上用意できれば、音源Ｐ１の位置推定は可能である。
　図６で例示したグラフをデータテーブルの形式で表したものがルックアップテーブルである。図７に音源位置を２次元座標で表したときのＬＵＴ３７の一例を示す。
　図７は、本発明の一実施形態におけるＬＵＴの一例を示す図である。
　図６で例示したものは、音源Ｐ１の位置を極座標で表したグラフであるのに対し、図７のＬＵＴ３７は、音源Ｐ１の位置を直交座標で表したときのＸ，Ｙ座標と到達時間差Δ２１との関係を規定したテーブルである。ＬＵＴ３７の各列は図４で例示したマイクＭ１～Ｍ４の重心を原点とする直交座標におけるＸ座標の値が対応し、各行はＹ座標の値が対応する。テーブルの各セルには、対応する行と列が示す座標位置に音源Ｐ１が存在するときの到達時間Δｔ２１の値が記載されている。このテーブルは次のような手順で作成することができる。（１）例えば、Ｘ＝［－１０、１０］、Ｙ＝［－１０、１０］［ｍ］の範囲で空間を格子状に分割する。格子の間隔は、空間ｗの大きさに応じて任意に決定する。（２）次に各格子点（ｘ、ｙ）から音を発したときの各マイクＭｉ（ｉ＝１～４）への到達時間ｔｉを計算する。ここで、格子点と各マイクＭｉの距離をｄｉ、音速をｃとすると、到達時間ｔｉ＝ｄｉ／ｃである。（３）次にマイクＭ１を基準としたΔＴ２１、ΔＴ３１、ΔＴ４１を計算し、ΔＴ２１（ｘ、ｙ）、ΔＴ３１（ｘ、ｙ）、ΔＴ４１（ｘ、ｙ）のマップを作成する。図７のＬＵＴはこのようにして作成されたテーブルの一例である。
　図６のグラフと同様、Ｚ軸（高さ方向）の項目をテーブルに含め、音源位置の３次元座標と到達時間差Δｔ２１との関係を定義したＬＵＴ３７を用いることができる。図７のテーブルは記憶部３６に記録されている。図示したものと同様、到達時間差ΔＴ３１、到達時間差ΔＴ４１に対するＬＵＴ３７も記憶部３６に記録されている。温度毎にそれぞれの温度における到達時間差ΔＴ２１～ΔＴ４１についてのＬＵＴ３７を記憶部３６に記録しておいてもよい。湿度、気圧についても同様である。
　例えば、計測した到達時間差Δｔ２１ｍの値が２１３１．６の場合、位置推定部３３は、ＬＵＴ３７を参照して、音源の位置を（１０、１０）と推定する。位置推定部３３は、同様に計測した到達時間差ΔＴ３１ｍの値と到達時間差ΔＴ３１に関するＬＵＴ３７、計測した到達時間差ΔＴ４１ｍの値と到達時間差ΔＴ４１に関するＬＵＴ３７を用いて、音源Ｐ１の座標情報を算出する。ＬＵＴ３７に登録されていない到達時間差については、線形補間、補外などにより、対応する座標情報を算出する。位置推定部３３は、各マイク間の到達時間差に対応するＬＵＴ３７を用いて算出した複数の座標情報が一致すれば、その座標が示す位置を音源Ｐ１の位置として推定する。あるいは、位置推定部３３は、ＬＵＴ３７に基づいて得られた複数の座標情報の平均を算出して、その座標が示す位置を音ｓの音源Ｐ１の位置としてもよい。
　また、例えば、位置推定部３３は、次式（１）によって定義される到達時間差の実測値とＬＵＴ３７に登録された到達時間差の誤差量εＲＭＳが最小となるような座標（ｘ、ｙ）を算出し、その座標（ｘ、ｙ）を音源Ｐ１の位置情報として推定してもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、ΔＴ２１ｍ、ΔＴ３１ｍ、ΔＴ４１ｍは到達時間差の実測値、ΔＴ２１（ｘ、ｙ）、ΔＴ３１（ｘ、ｙ）、ΔＴ４１（ｘ、ｙ）は、ＬＵＴ３７に登録された到達時間差の値または補間、補外により算出された到達時間差の値である。式（１）の最小値は、局所探索法、最急降下法、最小二乗法などにより効率的に算出することができる。
　ＬＵＴ３７では、極座標と到達時間差との対応関係が規定されていてもよい。
　次に本実施形態の位置推定方法により音源Ｐ１の位置を推定した結果の例を示す。
　図８は、本発明の一実施形態における位置推定結果の一例を示す第１の図である。
　音源Ｐ１の真の位置のＸＹＺ座標を（１，３，３）とする。図には高さ方向（Ｚ軸）を省略したマイクＭ１～Ｍ４と音源Ｐ１の位置関係が示してある。本実施形態の位置推定方法による音源Ｐ１の座標の推定結果は（１，３，３）である。一方、従来の４つの連立方程式の解をニュートンラプソン法によって算出する方法を用いると、座標の推定結果は（１，３，３）である。この推定結果により、本実施形態の到達時間差ΔＴ２１～ΔＴ４１とＬＵＴ３７とを用いた位置推定を行うことで、計算負荷を低減しつつ、音源Ｐ１の真の位置を正確に推定できることが確認できる。
　図９は、本発明の一実施形態における位置推定結果の一例を示す第２の図である。
　音源Ｐ１の真の位置のＸＹＺ座標を（０，５，３）とする。本実施形態の位置推定方法による音源Ｐ１の座標の推定結果は（０，５，３）である。一方、従来の４つの連立方程式の解をニュートンラプソン法によって算出する方法を用いると、座標の推定結果は（０，－６．９，－２．６）である。従来法による解を図中に丸印で示す。この例のように２つのマイク（Ｍ１およびＭ３、Ｍ２およびＭ４）から等距離にあるような位置に音源Ｐ１がある場合、音源Ｐ１の位置は特異点となり、従来法を用いると正しく位置推定を行うことができない。これに対し、本実施形態の位置推定方法によれば、２つのマイクから等距離にあるような位置に音源Ｐ１がある場合であっても、位置を正確に推定できることが確認できる。
　次に本実施形態の位置推定方法の流れについて説明する。
　図１０は、本発明の一実施形態における位置推定方法の一例を示すフローチャートである。
　前提として、空間ｗの天井にはマイクＭ１～Ｍ４が設けられている。記憶部３６には、到達時間差ΔＴ２１、ΔＴ３１、ΔＴ４１と音源Ｐ１の位置（座標情報）との対応テーブル、つまり図７で例示したＬＵＴ３７が記録されている。
　ユーザは、空間ｗにおける所望の位置（空調対象とするエリア）に移動し、端末装置４０を操作して、所定の周波数の音ｓを出力させる。すると、マイクＭ１～Ｍ４が音ｓを検出する（ステップＳ１１）。音情報取得部３１は、マイクＭ１～Ｍ４の各々から音信号を取得する。音情報取得部３１は、マイクＭ１～Ｍ４の各々から音信号を取得した時刻と各マイクの識別情報を対応付けて記憶部３６に記録する。次に到達時間差算出部３２が、マイクＭ１による音信号の取得時刻を基準とする他のマイクＭ２、Ｍ３、Ｍ４の到達時間差ΔＴ２１ｍ、ΔＴ３１ｍ、ΔＴ４１ｍを算出する（ステップＳ１２）。次に到達時間差算出部３２は、算出した実際の到達時間差ΔＴ２１ｍ、ΔＴ３１ｍ、ΔＴ４１ｍを位置推定部３３へ出力する。
　次に到達時間差算出部３２は、図７で例示したＬＵＴ３７を参照して（ステップＳ１３）、各到達時間差ΔＴ２１ｍ、ΔＴ３１ｍ、ΔＴ４１ｍと対応する（最も近い）音源Ｐ１の座標情報の候補値を取得する。このとき、ＬＵＴ３７に到達時間差ΔＴ２１ｍ等と等しい値が登録されていなければ、補間、補外などを行って音源Ｐ１の座標情報の候補値を取得する。次に位置推定部３３は、ＬＵＴ３７から取得した音源Ｐ１の座標情報の候補値に基づいて、音源Ｐ１の位置を推定する（ステップＳ１４）。例えば、到達時間差算出部３２は、座標情報の候補値を上記した式（１）に適用して、さらに誤差量εＲＭＳが最小となるような座標（ｘ、ｙ、ｚ）を算出し、その座標（ｘ、ｙ、ｚ）が示す位置を音源Ｐ１の位置として推定する。あるいは、到達時間差算出部３２は、到達時間差ΔＴ２１ｍに基づいてＬＵＴ３７から取得した座標情報１と、到達時間差ΔＴ３１ｍに基づいてＬＵＴ３７から取得した座標情報２と、到達時間差ΔＴ４１ｍに基づいてＬＵＴ３７から取得した座標情報３の平均を算出し、その値を音源Ｐ１の位置情報として推定してもよい。位置推定部３３は、推定した位置情報（座標情報）を記憶部３６に記録する。
　ＬＵＴ３７には、温度および湿度および気圧のうち少なくとも一つごとに到達時間差ΔＴ２１～ΔＴ４１と音源位置の座標情報とが定められていてもよい。その場合、位置推定部３３は、温度および湿度および気圧のうち少なくとも一つと、実際の到達時間差ΔＴ２１ｍ等に基づいて、ＬＵＴ３７からその温度等に応じたテーブルを選択する。位置推定部３３は、選択したテーブルを参照して音源Ｐ１の座標情報の候補値を取得する。例えば、センサ情報取得部３４は、温度センサから空間ｗの室温を取得し、位置推定部３３に出力する。位置推定部３３は、その温度と到達時間差ΔＴ２１ｍに基づいてＬＵＴ３７のうち最も近い温度について用意されたテーブルを参照して座標情報を取得する。到達時間差ΔＴ３１ｍ、ΔＴ４１ｍについても同様である。そして、位置推定部３３は、式（１）を用いて音源Ｐ１の位置を推定する。
　また、上記のように音速ｃ［ｍ／ｓ］、音源Ｐ１とマイクＭ１の間の距離をｄ［ｍ］、到達時間ｔ［ｓ］の間には次の関係がある。
　ｄ＝ｃ（Ｔ）×ｔ
　ここで、音速ｃ（Ｔ）は温度Ｔの関数で、経験的に以下が成り立つ。
　ｃ（Ｔ）＝３３１．５＋０．６×Ｔ［ｍ／ｓ］　（Ｔ［ｄｅｇＣ］はセ氏温度）
　従って、様々な温度ごとにＬＵＴ３７を用意しておかなくても、例えば、ある温度（２５ｄｅｇＣ）におけるＬＵＴ３７を用意しておけば、センサ情報取得部３４が取得した温度を用いて、上記（段落００３６）した（１）～（３）の手順によって、温度の影響分を加算して補正した音速に基づく、補正後の到達時間差を算出し、任意の温度に応じたテーブルを作成することができる。
　温度以外にも音速に影響する環境条件として、気圧や湿度に対するシミュレーションなどを行って、気圧や湿度に応じた音速を算出できるようにし、気圧や湿度に応じたテーブルを作製できるようにしてもよい。
　本実施形態によれば、マイクＭ１～Ｍ４に音源Ｐ１から発された音が到着する時刻の差と、空間ｗ内の様々な位置から音を発したときにマイクＭ１～Ｍ４にその音が到着する時刻の差と音を発した位置とを対応付けたＬＵＴ３７とに基づいて音源Ｐ１の正確な位置を推定することができる。本実施形態の到着時間差とＬＵＴ３７とに基づく位置推定方法は、計算負荷が比較的低く、局所解に陥る等の問題もなく、正確な位置を推定できることから、空調機１０が備えるマイコン等の位置推定装置３０にも好適である。
　本実施形態の位置推定装置３０を備えることにより、制御装置２０は、ユーザが所望するエリアを対象とする空調制御を行うことができる。
　また、端末装置４０をユーザが所持するようにし、所定の時間間隔で音ｓを出力するように設定しておくことで、ユーザが空間ｗ内を移動しても、制御装置２０は、その移動に追従して空調対象とするエリアを変更することができるのでユーザの満足度が向上する。音源Ｐ１の３次元座標の推定を行うと、空間ｗが複数のフロアに跨るような場合でも、例えば、ユーザが１階から２階へ移動すれば、空調対象エリアを２階に自動的に変更することができ、利便性が向上する。
　また、位置推定装置３０が推定した位置を蓄積するようにし、一定期間の推定結果に基づいて空調制御を行うようにしてもよい。例えば、空間ｗのユーザが、ある位置（例えば、ソファがある場所）にいる時間が長ければ、制御装置２０は、端末装置４０から音ｓの出力がなくても当該位置を対象とした空調制御を行うようにしてもよい。例えば、端末装置４０から断続的に音を出力するような設定にしておき、ユーザの移動に伴う位置情報を蓄積することによってユーザの動線を解析し、空間ｗの出入り口の位置を推定する。そして、出入り口の推定結果に基づいて、制御装置２０は、推定した出入り口の方向には、送風を行わないような制御を行ってもよい。これにより省エネの効果が期待できる。
　上記の実施形態では、マイクＭ１～Ｍ４の全てを同時に用いることとしたが、音源Ｐ１の平面での位置の推定は、マイクが３つあれば可能である。平面上の位置推定を行う場合、マイクＭ１～Ｍ３だけを使用して位置推定を行い、何れかのマイクが故障した場合に残りのマイクを使用するようにしてもよい。あるいは、４つのマイクのうち、任意の３つのマイクを毎回選択して、選択したマイクによって位置推定を行うようにしてもよい。
　または、平面での位置推定を行う場合、１回の音源Ｐ１の位置推定について、マイクＭ１、Ｍ２、Ｍ３を用いた推定、マイクＭ１、Ｍ３、Ｍ４を用いた推定、マイクＭ１、Ｍ２、Ｍ４を用いた推定、マイクＭ２、Ｍ３、Ｍ４を用いた推定の４回の位置推定処理を行って、４回の推定結果の平均を、最終的な音源Ｐ１の位置として決定してもよい。
　上記の実施形態では、音ｓを端末装置４０から出力することとしたが、ユーザの声を予め登録しておき、位置推定装置３０が、ユーザの声が発された位置を推定して、制御装置２０が、その推定位置に対して空調制御を行うようにしてもよい。
＜地図情報の作成＞
　次にこれまでに説明した方法で推定した位置情報を用いて地図情報を作成し、その地図情報を空調制御に利用する方法について説明する。例えば、空調機１０の据え付け時に据え付け作業を行うスタッフが、図示しない端末装置４０ａから音ｓａを出力しつつ、空間ｗの内壁沿いに移動する。位置推定装置３０は、所定の周期でマイクＭ１～Ｍ４が出力した音信号を取得し、その位置情報を推定する。地図情報作成部３５は、これらの位置情報が示す点を結んで、空間ｗの形状を表した地図情報を作成する。地図情報は、空間ｗの内側形状を模した２次元または３次元の図である。図１１に地図情報の一例を示す。
　図１１は、本発明の一実施形態における地図情報の一例を示す図である。
　地図情報作成部３５は、記憶部３６に記録された座標情報を用いて、図１１で例示する地図情報Ｇを作成する。さらに地図情報作成部３５は、例えば、地図情報Ｇの内側の領域を、空調機１０が空調制御を区別して行うことが可能な大きさの単位領域で分割してもよい。図１１の各セル（Ｅ１１など）が分割後の単位領域である。地図情報作成部３５は、地図情報Ｇを記憶部３６に記録する。
　地図情報Ｇは、例えば、制御装置２０によって、空間ｗのユーザが所有する端末装置４０へ送信され、端末装置４０の表示画面に表示される。すると、ユーザは、端末装置４０の表示画面から所望のエリアを選択する（例えば、図１１のＰ２）。すると、端末装置４０は、Ｐ２が含まれるエリアの識別情報Ｅ３３（情報ｋ）を、制御装置２０へ送信する。すると、制御装置２０は、Ｅ３３が示すエリアを対象とする空調制御を行う。
　図１２は、本発明の一実施形態における地図情報の作成処理の一例を示すフローチャートである。
　前提として、据え付けスタッフは、空間ｗを壁沿いに一方方向に移動するとする。まず、空調機１０の据え付け作業を行うスタッフが、空間ｗの内の所定の位置に移動して、端末装置４０ａを操作し、端末装置４０ａから音ｓａを出力させる（ステップＳ２１）。マイクＭ１～Ｍ４は、音ｓａを検出し（ステップＳ２２）、音信号を位置推定装置３０へ出力する。位置推定装置３０では、音情報取得部３１が音信号を取得する。また、位置推定部３３が、図１０のフローチャートで説明した処理によって、端末装置４０ａが音ｓａを発した音源の位置を推定する（ステップＳ２３）。位置推定部３３は、推定した音源の位置情報を、音ｓａを検出した時刻と対応付けて記憶部３６に記録する（ステップＳ２４）。次に地図情報作成部３５が、全ての位置について位置情報を記録済みかどうかを判定する（ステップＳ２５）。例えば、据え付けスタッフが、空間ｗの計測が終了したことを示す操作を端末装置４０ａに対して行うと、端末装置４０ａが測定完了信号を位置推定装置３０へ送信する。地図情報作成部３５は、測定完了信号を取得すると、全ての位置について位置情報を記録済みであると判定する。全ての位置情報が記録済みではない場合（ステップＳ２５；Ｎｏ）、ステップＳ２１からの処理を繰り返す。全ての位置情報が記録済みの場合（ステップＳ２５；Ｙｅｓ）、地図情報作成部３５は、記憶部３６に記録された位置情報を、位置情報と対応して記録された時刻順に結んで空間ｗの形状を表す地図情報を作成する（ステップＳ２６）。
　本実施形態の位置推定方法を活用すると、空間ｗの地図情報を作成することができる、この地図情報は、空調制御の対象とするエリアの選択に用いることができる。地図情報作成部３５が作成する地図情報は、空間ｗの立体形状を示した３次元の地図情報であってもよい。
　図１３は、本発明の一実施形態における位置推定装置のハードウェア構成の一例を示す図である。
　コンピュータ９００は、ＣＰＵ９０１、主記憶装置９０２、補助記憶装置９０３、インタフェース９０４を備える。
　上述の位置推定装置３０は、コンピュータ９００を備える。そして、上述した各処理部の動作は、プログラムの形式で補助記憶装置９０３に記憶されている。ＣＰＵ９０１は、プログラムを補助記憶装置９０３から読み出して主記憶装置９０２に展開し、当該プログラムに従って上記処理を実行する。ＣＰＵ９０１は、プログラムに従って、上述した記憶部３６に対応する記憶領域を主記憶装置９０２に確保する。
　少なくとも１つの実施形態において、補助記憶装置９０３は、一時的でない有形の媒体の一例である。一時的でない有形の媒体の他の例としては、インタフェース９０４を介して接続される磁気ディスク、光磁気ディスク、光ディスク、半導体メモリ等が挙げられる。このプログラムが通信回線によってコンピュータ９００に配信される場合、配信を受けたコンピュータ９００が当該プログラムを主記憶装置９０２に展開し、上記処理を実行してもよい。
　上述した位置推定装置３０における各処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムを位置推定装置３０のコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしてもよい。
　上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。位置推定装置３０は、１台のコンピュータで構成されていても良いし、通信可能に接続された複数のコンピュータで構成されていてもよい。
　その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。この発明の技術範囲は上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。音情報取得部３１は時刻情報取得部の一例である。音源Ｐ１の位置は発信位置の一例である。
　上記した位置推定装置、空調システム、位置推定方法及びプログラムによれば、少ない計算負荷で、正確に位置を推定することができる。
１０　　　空調機
２０　　　制御装置
３０　　　位置推定装置
３１　　　音情報取得部
３２　　　到達時間差算出部
３３　　　位置推定部
３４　　　センサ情報取得部
３５　　　地図情報作成部
３６　　　記憶部
３７　　　ＬＵＴ（ルックアップテーブル）
４０　　　端末装置
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４　　　マイク
ｗ　　　空間
ｓ　　　音
９００　　　コンピュータ
９０１　　　ＣＰＵ
９０２　　　主記憶装置
９０３　　　補助記憶装置
９０４　　　インタフェース

Claims (10)

  1. 　空間に設けられた複数のマイクが、前記空間において発された音を検出した各々の時刻を取得する時刻情報取得部と、
    　取得した各々の前記時刻に基づいて、複数の前記マイクのうち基準となる１つの前記マイクが前記音を検出した時刻と他の各々のマイクが検出した時刻との差である到達時間差を算出する到達時間差算出部と、
    　予め定められた前記到達時間差および所定の音源位置の関係を定めたルックアップテーブルと、実際に前記到達時間差算出部が算出した前記到達時間差とに基づいて、前記音の発信位置を推定する位置推定部と、
    　を備える位置推定装置。
  2. 　前記位置推定部は、
    　前記到達時間差算出部が算出した前記到達時間差と、前記ルックアップテーブルに基づく前記到達時間差との差が最小となるときの前記ルックアップテーブルに基づく前記音源位置を、前記音の発信位置として推定する、
    　請求項１に記載の位置推定装置。
  3. 　前記ルックアップテーブルには、複数の前記マイクが配置された位置の重心を原点とする座標系で表された前記音源位置と前記到達時間差との関係が記録されている、
    　請求項１または請求項２に記載の位置推定装置。
  4. 　前記ルックアップテーブルには、前記マイクが配置された空間の環境条件に応じた前記到達時間差および前記音源位置の関係が記録されている、
    　請求項１から請求項３の何れか１項に記載の位置推定装置。
  5. 　前記空間の環境条件は、温度および湿度および気圧のうち少なくとも一つである、
    　請求項４に記載の位置推定装置。
  6. 　前記ルックアップテーブルには、所定の温度における前記到達時間差および前記音源位置の関係が記録され、
    　前記位置推定部は、前記ルックアップテーブルに基づく前記到達時間差を実際の温度に基づいて補正し、補正後の前記ルックアップテーブルと前記到達時間差算出部が算出した前記到達時間差とに基づいて、前記音の発信位置を推定する、
    　請求項１から請求項３の何れか１項に記載の位置推定装置。
  7. 　前記空間の内部を移動しながら発された前記音について前記位置推定部が推定した前記音の発信位置に基づいて、前記空間の形状を示す地図情報を作成する地図情報作成部、
    　をさらに備える請求項１から請求項６の何れか１項に記載の位置推定装置。
  8. 　請求項１から請求項７の何れか１項に記載の位置推定装置を備え、
    　前記位置推定装置が推定した前記音の発信位置を対象として空調を行う、空調システム。
  9. 　空間に設けられた複数のマイクが、前記空間において発された音を検出した各々の時刻を取得するステップと、
    　取得した各々の前記時刻に基づいて、複数の前記マイクのうち基準となる１つの前記マイクが前記音を検出した時刻と他の各々のマイクが検出した時刻との差である到達時間差を算出するステップと、
    　予め定められた前記到達時間差および所定の音源位置の関係を定めたルックアップテーブルと、実際に前記到達時間差を算出するステップで算出した前記到達時間差とに基づいて、前記音の発信位置を推定するステップと、
    　を有する位置推定方法。
  10. 　コンピュータを、
    　空間に設けられた複数のマイクが、前記空間において発された音を検出した各々の時刻を取得する手段、
    　取得した各々の前記時刻に基づいて、複数の前記マイクのうち基準となる１つの前記マイクが前記音を検出した時刻と他の各々のマイクが検出した時刻との差である到達時間差を算出する手段、
    　予め定められた前記到達時間差および所定の音源位置の関係を定めたルックアップテーブルと、実際に前記到達時間差を算出する手段が算出した前記到達時間差とに基づいて、前記音の発信位置を推定する手段、
    　として機能させるためのプログラム。
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