JP6917585B2 - Positioning sensors, sensors, and methods - Google Patents
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Description
本発明は、マイクロ波を用いた人物等生体の測位センサー、センサー、および方法に関する。 The present invention relates to positioning sensors, sensors, and methods for living organisms such as humans using microwaves.
人物の位置や状態を知る方法として、無線信号を利用する方法が検討されている。例えば特許文献1には、フーリエ変換を用いてドップラーシフトを含む成分を解析することで検出対象となる人物の位置または状態を知ることができる推定方法などが開示されている。
As a method of knowing the position and state of a person, a method of using a wireless signal is being studied. For example,
しかしながら、特許文献1などに開示される従来技術では、到来波の遅延時間または位相情報を観測可能な複数のアンテナが必要になるなど、人物の位置または方向を推定するために送信機側の位相情報を取得する必要がある。
However, in the prior art disclosed in
本発明は、上述の事情を鑑みてなされたもので、送信機側の位相情報を取得せずに受信側で受信した無線信号から、動体が存在する方向などの推定を行うことができる測位センサーなどを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and is a positioning sensor capable of estimating the direction in which a moving object exists from a radio signal received on the receiving side without acquiring phase information on the transmitting side. And so on.
上記課題を解決するために本発明の一態様に係る測位センサーは、測位センサーであって、m個(mは1以上の整数)の受信アンテナと、前記受信アンテナに接続された給電回路と、前記給電回路に接続されたn個(nは1以上の整数)の可変負荷と、前記給電回路を介して、前記測位センサーから動体が存在しうる所定範囲に対して送信機から送信された送信信号を前記受信アンテナが受信した信号である第1信号を受信する受信機と、前記可変負荷のインピーダンス値を設定するコントローラと、前記コントローラによって前記可変負荷のインピーダンス値が設定された時に、前記設定された前記可変負荷のインピーダンス値に対応した前記第1信号の強度を示す第1信号強度値を記憶するメモリと、前記送信機と前記受信機との間の信号伝搬特性を示す複素伝搬チャネルに対して複数の候補を設定し、前記送信機から送信された第2信号を前記受信機が受信した場合の複数の第2信号強度値を算出し、前記第2信号強度値は前記第2信号の強度を示し、前記複数の第2信号強度値はそれぞれ前記複数の候補に対応し、前記第1信号強度値と各前記複数の第2信号強度値との差分のうち、最小となる差分に対応する候補を選択することで前記複素伝搬チャネルを推定し、前記複素伝搬チャネルに基づいて前記測位センサーに対する前記第1信号の到来方向を推定するプロセッサと、を備える。 In order to solve the above problems, the positioning sensor according to one aspect of the present invention is a positioning sensor, which includes m receiving antennas (m is an integer of 1 or more), a feeding circuit connected to the receiving antenna, and a feeding circuit. Transmission transmitted from the transmitter to a predetermined range in which a moving object may exist from the positioning sensor via the n variable loads (n is an integer of 1 or more) connected to the power supply circuit and the power supply circuit. The receiver that receives the first signal, which is the signal received by the receiving antenna, the controller that sets the impedance value of the variable load, and the setting when the impedance value of the variable load is set by the controller. In the memory that stores the first signal strength value indicating the strength of the first signal corresponding to the impedance value of the variable load, and the complex propagation channel showing the signal propagation characteristics between the transmitter and the receiver. On the other hand, a plurality of candidates are set, a plurality of second signal strength values when the receiver receives the second signal transmitted from the transmitter are calculated, and the second signal strength value is the second signal. The plurality of second signal strength values correspond to the plurality of candidates, and the difference between the first signal strength value and the plurality of second signal strength values is the smallest. The present invention includes a processor that estimates the complex propagation channel by selecting a corresponding candidate and estimates the arrival direction of the first signal with respect to the positioning sensor based on the complex propagation channel.
また、本発明の一態様に係るセンサーは、互いに異なる位置に配置された、複数の上記測位センサーを備え、各前記複数の測位センサーにおける各前記第1信号の到来方向に基づいて、前記動体の位置を推定する。 Further, the sensor according to one aspect of the present invention includes a plurality of the above-mentioned positioning sensors arranged at different positions from each other, and based on the arrival direction of each of the first signals in each of the plurality of positioning sensors, the moving object Estimate the position.
また、本発明の一態様に係る測位センサーは、測位センサーであって、m個(mは1以上の整数)の受信アンテナと、前記受信アンテナに接続された給電回路と、前記給電回路に接続されたn個(nは1以上の整数)の可変負荷と、前記給電回路を介して、前記測位センサーから動体が存在しうる所定範囲に対して送信機から送信された送信信号を前記受信アンテナが受信した信号である第1信号を受信する受信機と、前記可変負荷のインピーダンス値を設定するコントローラと、メモリと、プロセッサと、を備え、前記コントローラは、前記可変負荷のインピーダンス値をK通り(Kは2以上の整数)設定し、前記受信機は、各前記K通りに設定された前記可変負荷のインピーダンス値に対応した各前記第1信号をL回(Lは2以上の整数)受信し、前記メモリは、前記第1信号の強度を示す第1信号強度値であって、前記各K通りに設定された前記可変負荷のインピーダンス値に対応した前記L個の第1信号強度値を記憶し、前記プロセッサは、各前記K通りに設定された前記可変負荷のインピーダンス値に対応した前記L個の第1信号強度値を平均することで、各平均値を算出し、各前記K通りに設定された前記可変負荷のインピーダンス値に対応した前記L個の第1信号強度値から対応する各平均値を減算することで、K×L個の第2信号強度値を算出し、前記送信機と前記受信機との間の信号伝搬特性を示す複素伝播チャネルであって前記L個の第1信号に対応する各前記L個の複素伝搬チャネルに対して、K個の要素を持つM個(Mは2以上の整数)の候補を設定し、各前記L個の複素伝搬チャネルに対して、前記可変負荷が前記K通りに設定された際に前記受信機が受信すると推定される信号強度値を示す前記K個の要素を持つ前記M個の第3信号強度値を算出し、前記各L個の複素伝搬チャネルに対して、前記M個の第3信号強度値と対応する前記第2信号強度値との差分のうち、最小となる差分に対応する候補を選択することで前記各L個の複素伝搬チャネルを推定し、前記各L個の複素伝搬チャネルに対する相関行列を算出し、前記相関行列に基づいて、前記第1信号の前記測位センサーに対する到来方向を推定する。 Further, the positioning sensor according to one aspect of the present invention is a positioning sensor, which is connected to m (m is an integer of 1 or more) receiving antennas, a feeding circuit connected to the receiving antenna, and the feeding circuit. The receiving antenna transmits n variable loads (n is an integer of 1 or more) and transmission signals transmitted from the transmitter to a predetermined range in which a moving object can exist from the positioning sensor via the feeding circuit. The controller includes a receiver that receives the first signal, which is a signal received by the user, a controller that sets the impedance value of the variable load, a memory, and a processor, and the controller passes the impedance value of the variable load in K ways. (K is an integer of 2 or more) is set, and the receiver receives each of the first signals corresponding to the impedance value of the variable load set according to each of the K ways L times (L is an integer of 2 or more). The memory is a first signal strength value indicating the strength of the first signal, and the L first signal strength values corresponding to the impedance values of the variable load set according to each K are used. The processor calculates each average value by averaging the L first signal strength values corresponding to the impedance values of the variable load set in each K way, and each K way. By subtracting each corresponding average value from the L first signal strength values corresponding to the impedance value of the variable load set in, K × L second signal strength values are calculated and transmitted. M complex propagation channels showing signal propagation characteristics between the machine and the receiver and having K elements for each of the L complex propagation channels corresponding to the L first signals. Candidates (M is an integer of 2 or more) are set, and for each of the L complex propagation channels, the signal strength estimated to be received by the receiver when the variable load is set according to the K. The M third signal strength values having the K elements indicating the values are calculated, and the second signal strength values corresponding to the M third signal strength values are calculated for each of the L complex propagation channels. The L complex propagation channels are estimated by selecting the candidate corresponding to the minimum difference among the differences from the signal strength value, and the correlation matrix for each L complex propagation channel is calculated. Based on the correlation matrix, the direction of arrival of the first signal with respect to the positioning sensor is estimated.
なお、これらの全般的または具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラムまたはコンピュータ読み取り可能なCD−ROMなどの記録媒体で実現されてもよく、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。 It should be noted that these general or specific embodiments may be realized in a recording medium such as a system, method, integrated circuit, computer program or computer readable CD-ROM, system, method, integrated circuit, computer program. And any combination of recording media may be realized.
本発明によれば、送信機側の位相情報を取得せずに受信側で受信した無線信号から、動体が存在する方向などの推定を行うことができる。 According to the present invention, it is possible to estimate the direction in which a moving object exists from the radio signal received on the receiving side without acquiring the phase information on the transmitting side.
(本発明の基礎となった知見)
人物の位置または状態を知る方法として、無線信号を利用する方法が検討されている。
(Knowledge that became the basis of the present invention)
As a method of knowing the position or state of a person, a method of using a wireless signal is being studied.
例えば、特許文献1には、フーリエ変換を用いてドップラーシフトを含む成分を解析することで検出対象となる人物の位置または状態を知る方法が開示されている。より具体的には、特許文献1では、まず、複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナを送受信双方に用い、アレーアンテナ間の複素伝搬チャネルを観測する。複素伝搬チャネルは、送信アンテナ数×受信アンテナ数の要素を持つ行列によって表される。複素伝搬チャネルにおいて、各要素(複素伝搬チャネル要素)の絶対値は振幅、複素伝搬チャネル要素の偏角は位相を表す。次に、複素伝搬チャネル要素の時間応答をフーリエ変換し周波数応答行列としたのち、交流成分だけを抽出する。この演算はドップラーシフト成分を取り出していることと等価である。なお、抽出した交流成分も行列によって表される。そして、周波数応答行列の交流成分から相関行列を求め、到来方向推定を行うことで検出対象の方向や位置を検出する。
For example,
また、例えば、特許文献2〜5には、特許文献1と同様に、観測された信号をフーリエ変換することによって、検出対象となる人物(生体)に由来するドップラー成分を取り出し、これを解析することによって生体の位置や生体の心拍や呼吸などの状態を感知する方法が開示されている。特許文献6には、可変インピーダンスアレイを調整することで高速なビーム走査を行い、その反射波により対象からの信号到来方向を推定する方法が開示されている。特許文献7には、複数の周波数を用いた指向性を持つセンサーを異なる方向に設置し、その反射波により対象までの距離および角度を推定することで、対象物体の位置を推定する方法が開示されている。特許文献8には、到来波の遅延時間または位相情報が観測可能な複数のアンテナを備え、対象物体の位置を推定する方法が開示されている。特許文献9では、逆Fアンテナを用いたエスパアンテナを給電回路により構成することで、アンテナ指向性を操作する方法が開示されている。
Further, for example, in
また、例えば非特許文献1には、フーリエ変換を行わずに人体の方向または位置を検出する方法が開示されている。非特許文献1では、フーリエ変換を行わずに変動成分を取り出す方法として、事前に無人状態の伝搬応答を測定しておき、無人状態と有人状態との差分は人物によって生じたものと考えて差分成分を解析することで人物位置を推定する。この方式では、位置を推定するために、1GHz以上の広い帯域の周波数応答を観測し、抽出された人物由来の反射波の伝搬時間を計算することで、異なる場所に置かれた複数アンテナからの距離を推定し、推定した距離を用いて人物位置を推定する。非特許文献2では、有人時の複素伝搬チャネルの時間応答を観測し、異なる時間の複素伝搬チャネル同士を減算することで、壁、什器等の固定物からの反射成分が除去された人物由来の反射波だけを抽出する。
Further, for example,
また、例えば非特許文献3には、無給電アンテナを用いた電波の到来方向の推定方法が開示されている。非特許文献3では、1素子の給電アンテナとそれを取り囲む複数無給電のアンテナを具備する装置、すなわち、位相を観測可能な単一の受信機が1素子の受信アンテナ(給電アンテナ)に接続されており、可変負荷が接続された複数の無給電アンテナが受信アンテナの周囲に円形に配置される装置が開示されている。受信機の受信信号は、無給電アンテナの可変負荷の値に応じて変化するため、無給電アンテナの可変負荷の値を変化させた応答(その時に受信される複素信号)から電波の到来方向を推定することができる。
Further, for example,
しかしながら、例えば特許文献4〜5に開示される単素子アンテナは、人物の呼吸または心拍に起因するドップラーシフトを検出するだけなら十分であるものの、人物の位置または方向を推定するためには到来波の遅延時間または位相情報を観測可能な複数のアンテナが必要になる。
However, for example, the single-element antennas disclosed in
つまり、特許文献4〜5のような単素子アンテナでは、人物の方向や位置の推定は不可能である。
That is, it is impossible to estimate the direction and position of a person with a single element antenna as in
また、特許文献1〜3、6に開示される方法、さらに非特許文献1〜2に開示される方法では、複数アンテナを用いており、人物の方向や位置を推定することが可能である。しかしながら、人物の方向または位置を推定するためには信号の遅延時間や位相を計測可能な精密な受信機が複数必要になる。これは装置の高コスト化を招くという問題がある。
Further, in the methods disclosed in
また、非特許文献3に開示される方法では、位相を観測可能な単一の受信機が1素子の受信アンテナに接続されており、可変負荷が接続された複数の無給電アンテナが受信アンテナの周囲に円形に配置されている。この方法では、無給電アンテナの可変負荷の値を変化させた応答から、到来波の方向を推定する。しかしながら、非特許文献3に開示される方法では、可変負荷の値を切り替えるたびに同一の受信信号が到来する必要があり、さらに受信信号の正確な位相値を知る必要があるという問題がある。これは、送信機と受信機の基準発振器が位相レベルで完全に同期するか、共通の基準発振器を用いる必要があることを意味する。つまり、例えば送信機と受信機とを離して配置する場合は互いに接続することが困難であるため、位相レベルで同期が可能な高価な基準発振器が必要になるという問題がある。生体によって生ずる複素伝搬チャネルの変動は1秒オーダの周期となるため、少なくともその間に位相レベルの同期が取れた状態を保持する必要があるからである。また、複素伝搬チャネルの変動が、生体によるものか送受信機間の基準発振器の周波数差によるものなのかの区別するためである。
Further, in the method disclosed in
なお、特許文献6に開示される方法では、狭い指向性を持つビームを用いて狭い範囲の方向推定を行うことができるが、広い範囲の方向推定には広い指向性を持つビームが必要となる。つまり、特許文献6に開示される方法では、送信機自体が不要であるので送信機側の位相情報は不要であるものの、方向推定の分解能が低いという課題がある。同様に、特許文献7に開示される方法では、広範囲の方向推定に際し、アンテナ数を減らすと、アンテナ間の重複範囲が狭くなり、方向推定の分解能が低くなるという課題がある。
In the method disclosed in
また、近年では、生体が呼吸や心拍等の何らかの生体活動によって電波にドップラーシフトを生じさせるという特徴を利用し、多重波が存在する電波伝搬環境において、生体の存在方向等を推定するアレーアンテナを用いたレーダが検討されている。つまり、生体に電波を照射し、受信信号のフーリエ変換によって生体を経由しない信号成分を除去し、生体から反射する電波の到来方向を推定することで生体方向を推定するレーダが検討されている。 Further, in recent years, an array antenna that estimates the direction of existence of a living body in a radio wave propagation environment in which multiple waves exist is used by utilizing the feature that the living body causes Doppler shift in radio waves due to some biological activity such as respiration and heartbeat. The radar used is being studied. That is, a radar that estimates the living body direction by irradiating the living body with radio waves, removing signal components that do not pass through the living body by Fourier transform of the received signal, and estimating the arrival direction of the radio waves reflected from the living body is being studied.
しかしながら、このようなアレーアンテナを構成するためには素子アンテナ毎に受信機が必要となり、ハードウェア規模が増大するという問題がある。また、受信信号について素子アンテナ間の位相差を正確に知る必要があり、これもハードウェア規模を増大させる原因となる。 However, in order to configure such an array antenna, a receiver is required for each element antenna, and there is a problem that the hardware scale increases. Further, it is necessary to accurately know the phase difference between the element antennas of the received signal, which also causes an increase in the hardware scale.
発明者らは、これらのことを鑑み、送信機側の位相情報を取得しない簡易なハードウェア構成(少ない受信機数)からなる受信側で受信した無線信号から、動体が存在する方向等の推定を行うことができる測位センサー、センサー、および方法を想到した。 In view of these facts, the inventors estimate the direction in which the moving object exists from the radio signal received on the receiving side having a simple hardware configuration (small number of receivers) that does not acquire the phase information on the transmitter side. I came up with positioning sensors, sensors, and methods that can do this.
本発明の一態様に係る測位センサーは、測位センサーであって、m個(mは1以上の整数)の受信アンテナと、前記受信アンテナに接続された給電回路と、前記給電回路に接続されたn個(nは1以上の整数)の可変負荷と、前記給電回路を介して、前記測位センサーから動体が存在しうる所定範囲に対して送信機から送信された送信信号を前記受信アンテナが受信した信号である第1信号を受信する受信機と、前記可変負荷のインピーダンス値を設定するコントローラと、前記コントローラによって前記可変負荷のインピーダンス値が設定された時に、前記設定された前記可変負荷のインピーダンス値に対応した前記第1信号の強度を示す第1信号強度値を記憶するメモリと、前記送信機と前記受信機との間の信号伝搬特性を示す複素伝搬チャネルに対して複数の候補を設定し、前記送信機から送信された第2信号を前記受信機が受信した場合の複数の第2信号強度値を算出し、前記第2信号強度値は前記第2信号の強度を示し、前記複数の第2信号強度値はそれぞれ前記複数の候補に対応し、前記第1信号強度値と各前記複数の第2信号強度値との差分のうち、最小となる差分に対応する候補を選択することで前記複素伝搬チャネルを推定し、前記複素伝搬チャネルに基づいて前記測位センサーに対する前記第1信号の到来方向を推定するプロセッサと、を備える。 The positioning sensor according to one aspect of the present invention is a positioning sensor, which is connected to m (m is an integer of 1 or more) receiving antennas, a feeding circuit connected to the receiving antenna, and the feeding circuit. The receiving antenna receives n (n is an integer of 1 or more) variable loads and transmission signals transmitted from the transmitter to a predetermined range in which a moving object may exist from the positioning sensor via the feeding circuit. The receiver that receives the first signal, which is the signal, the controller that sets the impedance value of the variable load, and the impedance of the variable load that is set when the impedance value of the variable load is set by the controller. A plurality of candidates are set for the memory that stores the first signal strength value indicating the strength of the first signal corresponding to the value and the complex propagation channel that shows the signal propagation characteristics between the transmitter and the receiver. Then, a plurality of second signal strength values when the receiver receives the second signal transmitted from the transmitter are calculated, and the second signal strength value indicates the strength of the second signal, and the plurality of values indicate the strength of the second signal. The second signal strength value corresponds to each of the plurality of candidates, and the candidate corresponding to the minimum difference among the differences between the first signal strength value and each of the plurality of second signal strength values is selected. Includes a processor that estimates the complex propagation channel and estimates the direction of arrival of the first signal with respect to the positioning sensor based on the complex propagation channel.
これにより、送信機側の位相情報を取得せずに受信側で受信した無線信号から、動体が存在する方向の推定を行うことができる。また、m個の受信アンテナは給電回路に接続されているので、m個の受信アンテナの配置の自由度を向上させることができる。 As a result, it is possible to estimate the direction in which the moving object exists from the radio signal received on the receiving side without acquiring the phase information on the transmitting side. Further, since the m receiving antennas are connected to the power feeding circuit, the degree of freedom in arranging the m receiving antennas can be improved.
また、例えば、前記プロセッサは、前記第1信号強度値の時間変動が所定値以下のとき、前記複素伝搬チャネルとして第1複素伝搬チャネルを推定し、前記第1信号強度値の時間変動が前記所定値より大きいとき、前記複素伝搬チャネルとして第2複素伝搬チャネルを推定し、前記第1複素伝搬チャネルに対する相関行列を示す第1相関行列を算出し、前記第2複素伝搬チャネルに対する相関行列を示す第2相関行列を算出し、前記第2相関行列から前記第1相関行列を減算することによって第3相関行列を算出し、前記第3相関行列に基づいて、前記第1信号の前記測位センサーに対する到来角度を推定してもよい。 Further, for example, when the time variation of the first signal strength value is equal to or less than a predetermined value, the processor estimates the first complex propagation channel as the complex propagation channel, and the time variation of the first signal intensity value is the predetermined value. When it is larger than the value, the second complex propagation channel is estimated as the complex propagation channel, the first correlation matrix showing the correlation matrix for the first complex propagation channel is calculated, and the correlation matrix for the second complex propagation channel is shown. The 2 correlation matrix is calculated, the 3rd correlation matrix is calculated by subtracting the 1st correlation matrix from the 2nd correlation matrix, and the arrival of the 1st signal to the positioning sensor based on the 3rd correlation matrix. The angle may be estimated.
また、例えば、前記第1信号強度値の時間変動が前記所定値以下のとき、前記第1信号は前記送信信号が前記動体によって反射された反射信号を含まず、前記第1信号強度値の時間変動が前記所定値より大きいとき、前記第1信号は前記反射信号を含んでもよい。 Further, for example, when the time variation of the first signal intensity value is equal to or less than the predetermined value, the first signal does not include the reflected signal whose transmission signal is reflected by the moving body, and the time of the first signal intensity value is not included. When the variation is greater than the predetermined value, the first signal may include the reflected signal.
また、例えば、前記プロセッサは、第1時刻に、前記複素伝搬チャネルとして第1複素伝搬チャネルを推定し、前記第1時刻より後の第2時刻に、前記複素伝搬チャネルとして第2複素伝搬チャネルを推定し、前記第1複素伝搬チャネルと前記第2複素伝搬チャネルとを用いて、前記第1複素伝搬チャネルと前記第2複素伝搬チャネルとの位相差を算出し、前記位相差が最小となる位相角を決定し、前記位相角が与えられた前記第2複素伝搬チャネルから前記位相角が与えられた前記第1複素伝搬チャネルを減算することによって第3複素伝搬チャネルを算出し、前記第3複素伝搬チャネルに対する相関行列を計算し、前記相関行列に基づいて、前記第1信号の前記測位センサーに対する到来角度を推定してもよい。 Further, for example, the processor estimates the first complex propagation channel as the complex propagation channel at the first time, and sets the second complex propagation channel as the complex propagation channel at the second time after the first time. Estimate, use the first complex propagation channel and the second complex propagation channel to calculate the phase difference between the first complex propagation channel and the second complex propagation channel, and the phase at which the phase difference is minimized. The third complex propagation channel is calculated by determining the angle and subtracting the first complex propagation channel given the phase angle from the second complex propagation channel given the phase angle, and calculating the third complex propagation channel. The correlation matrix for the propagation channel may be calculated, and the arrival angle of the first signal with respect to the positioning sensor may be estimated based on the correlation matrix.
また、本発明の一態様に係るセンサーは、互いに異なる位置に配置された、複数の上記測位センサーを備え、各前記複数の測位センサーにおける各前記第1信号の到来方向に基づいて、前記動体の位置を推定する。 Further, the sensor according to one aspect of the present invention includes a plurality of the above-mentioned positioning sensors arranged at different positions from each other, and based on the arrival direction of each of the first signals in each of the plurality of positioning sensors, the moving object Estimate the position.
また、本発明の一態様に係る測位センサーは、測位センサーであって、m個(mは1以上の整数)の受信アンテナと、前記受信アンテナに接続された給電回路と、前記給電回路に接続されたn個(nは1以上の整数)の可変負荷と、前記給電回路を介して、前記測位センサーから動体が存在しうる所定範囲に対して送信機から送信された送信信号を前記受信アンテナが受信した信号である第1信号を受信する受信機と、前記可変負荷のインピーダンス値を設定するコントローラと、メモリと、プロセッサと、を備え、前記コントローラは、前記可変負荷のインピーダンス値をK通り(Kは2以上の整数)設定し、前記受信機は、各前記K通りに設定された前記可変負荷のインピーダンス値に対応した各前記第1信号をL回(Lは2以上の整数)受信し、前記メモリは、前記第1信号の強度を示す第1信号強度値であって、前記各K通りに設定された前記可変負荷のインピーダンス値に対応した前記L個の第1信号強度値を記憶し、前記プロセッサは、各前記K通りに設定された前記可変負荷のインピーダンス値に対応した前記L個の第1信号強度値を平均することで、各平均値を算出し、各前記K通りに設定された前記可変負荷のインピーダンス値に対応した前記L個の第1信号強度値から対応する各平均値を減算することで、K×L個の第2信号強度値を算出し、前記送信機と前記受信機との間の信号伝搬特性を示す複素伝播チャネルであって前記L個の第1信号に対応する各前記L個の複素伝搬チャネルに対して、K個の要素を持つM個(Mは2以上の整数)の候補を設定し、各前記L個の複素伝搬チャネルに対して、前記可変負荷が前記K通りに設定された際に前記受信機が受信すると推定される信号強度値を示す前記K個の要素を持つ前記M個の第3信号強度値を算出し、前記各L個の複素伝搬チャネルに対して、前記M個の第3信号強度値と対応する前記第2信号強度値との差分のうち、最小となる差分に対応する候補を選択することで前記各L個の複素伝搬チャネルを推定し、前記各L個の複素伝搬チャネルに対する相関行列を算出し、前記相関行列に基づいて、前記第1信号の前記測位センサーに対する到来方向を推定する。 Further, the positioning sensor according to one aspect of the present invention is a positioning sensor, which is connected to m (m is an integer of 1 or more) receiving antennas, a feeding circuit connected to the receiving antenna, and the feeding circuit. The receiving antenna transmits n variable loads (n is an integer of 1 or more) and transmission signals transmitted from the transmitter to a predetermined range in which a moving object can exist from the positioning sensor via the feeding circuit. The controller includes a receiver that receives the first signal, which is a signal received by the user, a controller that sets the impedance value of the variable load, a memory, and a processor, and the controller passes the impedance value of the variable load in K ways. (K is an integer of 2 or more) is set, and the receiver receives each of the first signals corresponding to the impedance value of the variable load set according to each of the K ways L times (L is an integer of 2 or more). The memory is a first signal strength value indicating the strength of the first signal, and the L first signal strength values corresponding to the impedance values of the variable load set according to each K are used. The processor calculates each average value by averaging the L first signal strength values corresponding to the impedance values of the variable load set in each K way, and each K way. By subtracting each corresponding average value from the L first signal strength values corresponding to the impedance value of the variable load set in, K × L second signal strength values are calculated and transmitted. M complex propagation channels showing signal propagation characteristics between the machine and the receiver and having K elements for each of the L complex propagation channels corresponding to the L first signals. Candidates (M is an integer of 2 or more) are set, and for each of the L complex propagation channels, the signal strength estimated to be received by the receiver when the variable load is set according to the K. The M third signal strength values having the K elements indicating the values are calculated, and the second signal strength values corresponding to the M third signal strength values are calculated for each of the L complex propagation channels. The L complex propagation channels are estimated by selecting the candidate corresponding to the minimum difference among the differences from the signal strength value, and the correlation matrix for each L complex propagation channel is calculated. Based on the correlation matrix, the direction of arrival of the first signal with respect to the positioning sensor is estimated.
なお、これらの全般的または具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラムまたはコンピュータ読み取り可能なCD−ROMなどの記録媒体で実現されてもよく、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。 It should be noted that these general or specific embodiments may be realized in a recording medium such as a system, method, integrated circuit, computer program or computer readable CD-ROM, system, method, integrated circuit, computer program. And any combination of recording media may be realized.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、より好ましい形態を構成する任意の構成要素として説明される。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. It should be noted that all of the embodiments described below show a preferred specific example of the present invention. Numerical values, shapes, materials, components, arrangement positions and connection forms of components, steps, order of steps, etc. shown in the following embodiments are examples, and are not intended to limit the present invention. Further, among the components in the following embodiments, the components not described in the independent claims indicating the highest level concept of the present invention will be described as arbitrary components constituting the more preferable form. In the present specification and the drawings, components having substantially the same functional configuration are designated by the same reference numerals, so that duplicate description will be omitted.
(実施の形態1)
[1−1.測位センサーの構成]
図1は、実施の形態1の測位センサーの構成の一例を示すブロック図である。図2は、実施の形態1のプロセッサの機能構成の一例を示すブロック図である。
(Embodiment 1)
[1-1. Positioning sensor configuration]
FIG. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of the positioning sensor according to the first embodiment. FIG. 2 is a block diagram showing an example of the functional configuration of the processor of the first embodiment.
図1に示す測位センサー100は、m個(mは1以上の整数)の受信アンテナ10と、m個の受信アンテナ10に接続された給電回路20と、給電回路20に接続されたn個(nは1以上の整数)の可変負荷30と、受信機40と、コントローラ50と、メモリ60と、プロセッサ70とを備える。測位センサー100は、さらに、送信アンテナ81が接続されている送信機80を備えていてもよい。測位センサー100は、検出対象である生体90の存在する方向θRを推定する。
The
m個の受信アンテナ10は、第1方向に並ぶことで、アレーアンテナを構成している。m個の受信アンテナ10は、第1方向および第2方向に並ぶことで、アレーアンテナを構成してもよい。
The
受信機40は、給電回路20を介して、第1信号を受信する。受信機40が受信する第1信号は、測位センサー100から動体が存在しうる所定範囲に対して送信機80から送信された送信信号を受信アンテナ10が受信した信号である。
The
例えば、送信機80に接続される1つの送信アンテナ81により、送信機80が生成した信号(つまり送信波)が送信される。すると、m個の受信アンテナ10に到達した信号(つまり反射波)は、給電回路20に接続されたn個の可変負荷30によって変調され再度給電回路20を経由して受信機40で観測される。
For example, one transmitting
コントローラ50は、n個の可変負荷30を制御する。より具体的には、コントローラ50は、n個の可変負荷30のインピーダンス値を設定する。
The
メモリ60は、コントローラ50によってn個の可変負荷30のインピーダンス値が設定された時に、設定されたn個の可変負荷30のインピーダンス値に対応した第1信号の強度を示す第1信号強度値を記憶する。つまり、メモリ60は、コントローラ50によってn個の可変負荷30のインピーダンス値が第1の値に設定された時に受信機40が受信する第1信号の第1信号強度値を、第1の値と共に記憶する。より具体的には、メモリ60は、コントローラ50と同期しながら受信機40が受信する第1信号の第1信号強度値を記憶する。よって、メモリ60では、n個の可変負荷30の変化に応じた第1信号強度値が時系列的に記憶される。メモリ60は、第1信号強度値を強度情報として記憶する。なお、本実施の形態において、記憶される第1信号強度値は、振幅のみである。つまり位相は観測できない。
When the impedance values of n variable loads 30 are set by the
プロセッサ70は、メモリ60に記憶された第1信号強度値を用いて各種処理を行う。プロセッサ70の機能的な構成について、図2を用いて説明する。
The
図2に示すように、プロセッサ70は、機能的には、複素伝搬チャネル推定部71と、方向推定部74とを備える。
As shown in FIG. 2, the
複素伝搬チャネル推定部71は、信号算出部72と比較演算部73とを備える。
The complex propagation
信号算出部72は、所定の値に設定された試行用複素伝搬チャネルから第2信号の第2信号強度値を算出する。具体的には、信号算出部72は、送信機80と受信機40との間の信号伝搬特性を示す複素伝搬チャネルに対して複数の候補を設定し、送信機80から送信された第2信号を受信機40が受信したと仮定した場合の複数の第2信号強度値を算出する。ここで、第2信号強度値は、第2信号の強度を示す。また、複数の第2信号強度値は、それぞれ複数の候補に対応する。
The
比較演算部73は、可変負荷30の値を用いて第1信号強度値と各複数の第2信号強度値との差分のうち、最小となる差分に対応する候補を選択することで複素伝搬チャネルの値を探索する。つまり、比較演算部73は、複数の第2信号強度値のそれぞれについて、第1信号強度値と当該第2信号強度値との差分を算出することで、複数の差分を算出する。そして、比較演算部73は、算出した複数の差分のうち、最小となる差分が得られた第2信号強度値に対応する候補を選択する。比較演算部73は、選択した候補に対応する複素伝搬チャネルを受信機40が第1信号を受信したときの複素伝搬チャネルとして推定する。このようにして、複素伝搬チャネル推定部71は、メモリ60から出力される第1強度信号値から受信機12が第1信号を受信したときの複素伝搬チャネルを推定する。
The
方向推定部74は、複素伝搬チャネル推定部71において推定された複素伝搬チャネルに基づいて測位センサー100に対する第1信号の到来方向θRを推定する。本実施の形態では、図1に示すように第1信号は生体90の反射波である。したがって、方向推定部74は、複素伝搬チャネル推定部71において推定された複素伝搬チャネルから生体90が存在する方向を推定することができる。
The direction estimation unit 74 estimates the arrival direction θ R of the first signal with respect to the
[1−2.測位センサーの動作]
以上のよう構成された測位センサー100の推定処理の動作について説明する。図3は、実施の形態1における測位センサーの方向推定処理の概要を示すフローチャートである。
[1-2. Positioning sensor operation]
The operation of the estimation process of the
まず、測位センサー100では、コントローラ50が可変負荷30のインピーダンス値を設定する(S11)。
First, in the
受信機40は、第1信号を受信する(S12)。
The
メモリ60は、コントローラ50によってn個の可変負荷30のインピーダンス値が設定された時に、設定されたn個の可変負荷30のインピーダンス値に対応した第1信号の強度を示す第1信号強度値を記憶する(S13)。
When the impedance values of n variable loads 30 are set by the
プロセッサ70では、送信機80と受信機40との間の信号伝搬特性を示す複素伝搬チャネルに対して複数の候補を設定する(S14)。
The
プロセッサ70は、送信機80から送信された第2信号を受信機40が受信したと仮定した場合の複数の第2信号強度値を算出する(S15)。
The
プロセッサ70は、第1信号強度値と各複数の第2信号強度値との差分のうち、最小となる差分に対応する候補を選択することで複素伝搬チャネルを推定する(S16)。
The
プロセッサ70は、複素伝搬チャネルに基づいて測位センサー100に対する第1信号の到来方向を推定する(S17)。
The
以下、図4、図5および図6を用いて、図3で説明した測位センサー100の方向推定処理の詳細について説明する。
Hereinafter, the details of the direction estimation process of the
図4は、実施の形態1における測位センサーの方向推定処理の詳細を示すフローチャートである。図5は、図4に示すステップS23の詳細を示すフローチャートである。図6は、図4に示すステップS24の詳細を示すフローチャートである。 FIG. 4 is a flowchart showing the details of the direction estimation process of the positioning sensor according to the first embodiment. FIG. 5 is a flowchart showing the details of step S23 shown in FIG. FIG. 6 is a flowchart showing the details of step S24 shown in FIG.
図4に示すように、まず、送信機80により信号が送信開始される(S21)。本実施の形態では、図1に示す送信機80が送信アンテナ81から信号(送信波)を送信する。
As shown in FIG. 4, first, the
ここで、生体90は、m個の受信アンテナ10からなるアレーアンテナから見て方向θRに静止している。
Here, the living
ところで、測位センサー100は、強度情報y(l) measを測定して蓄積する(S22)。ここで、強度情報y(l) measは、受信機40が受信する第1信号の第1信号強度値である。lはインデックス番号であり、強度情報から複素伝搬チャネルを推定する回数を示す。
By the way, the
より具体的には、図5に示すように、まず、コントローラ50は、n個の可変負荷30の値を設定する(S31)。ここで、測位センサー100は、それぞれ可変負荷30により終端されたm個の受信アンテナ10を備えるとして説明する。この場合、n個の可変負荷30の値(可変インピーダンスの値)は、試行回数kを用いて、Zk=[zk1,…、zkn]と表すことができる。続いて、受信機40は、信号強度|yk|を測定する(S32)。なお、測位センサー100は、n個の可変負荷30の値を変化させて、S31およびS32の処理を繰り返す。測位センサー100は、n個の可変負荷30をK通りに変化させて信号強度|yk|を測定する。K通りのn個の可変負荷30の値Zkは互いに異なる(Z1≠Z2…≠Zk)。そして、メモリ60は、n個の可変負荷30の値をK通りに変化させたときに受信機40で測定した強度情報y(l) measを蓄積する(S33)。このようにして得られたK個の強度情報y(l) measは、以下に示すようにベクトルで表すことができる。
More specifically, as shown in FIG. 5, first, the
ここで、lは上述したインデックス番号である。[・]Tは転置を表す。 Here, l is the index number described above. [・] T represents transpose.
なお、この受信信号の信号強度y(l)kは、生体から反射する信号をsとすると、
ΓPkはk番目の可変負荷のインピーダンス値の組み合わせに対応する反射係数を表す。式1および式2で表される強度情報は、第1信号として、複素伝搬チャネル推定部71に出力される。
Γ Pk represents the reflectance coefficient corresponding to the combination of impedance values of the k-th variable load. The intensity information represented by the
次に、測位センサー100は、強度情報y(l) measから受信機40が第1信号を受信したときの複素伝搬チャネルh(l)を推定する(S23)。
Next, the
より具体的には、図6に示すように、まず、複素伝搬チャネル推定部71は、試行用複素伝搬チャネルh(l) testを設定する(S41)。ここで、試行用複素伝搬チャネルh(l) testは任意の値(実部、虚部)すなわち以下に示す所定の値で設定される。
More specifically, as shown in FIG. 6, first, the complex propagation
続いて、複素伝搬チャネル推定部71は、試行用複素伝搬チャネルh(l) testから試行用強度情報y(l) testを算出する(S42)。ここで、試行用強度情報y(l) testはステップS22において既知の可変負荷のときに受信機40が受信したと推定される強度情報であり、上記の第2信号の第2信号強度値に該当する。試行用強度情報y(l) testは以下に示すように算出される。
Subsequently, the complex propagation
続いて、複素伝搬チャネル推定部71は、第1信号の第1信号強度値である強度情報y(l) measと第2信号の第2信号強度値である試行用強度情報y(l) testとの差分(誤差e)を算出する(S43)。ここで、差分(誤差e)は、以下に示す式5で算出される。
Subsequently, the complex propagation
続いて、複素伝搬チャネル推定部71は、差分eが小さくなる試行用複素伝搬チャネルh(l) testを探索し、差分eが最小になる試行用複素伝搬チャネルh(l) testを複素伝搬チャネルh(l)として出力する(S44)。
Subsequently, the complex propagation
以下、図4に戻って説明する。 Hereinafter, the description will be given by returning to FIG.
測位センサー100は、ステップS22で説明した測定処理をさらにL回実施し、都度、ステップS23で説明した推定処理を行う。
The
次に、測位センサー100は、ステップS23で推定された複素伝搬チャネルh(1),…,h(l)から生体90の方向を推定する(S24)。
Next, the
[1−3.推定処理の原理]
次に、複素伝搬チャネル推定部71が試行用複素伝搬チャネルh(l) testから試行用強度情報y(l) test(第2信号強度)を推定する原理について説明する。
[1-3. Principle of estimation processing]
Next, the principle that the complex propagation
図7は、実施の形態1のアンテナモデルの回路モデルを示す図である。 FIG. 7 is a diagram showing a circuit model of the antenna model of the first embodiment.
ここで、SA、SF、ΓPはそれぞれアンテナ10Aと給電回路20と可変負荷30のSパラメータ行列を示し、以下の式6〜式8のように表される。
Here, S A, S F, gamma P respectively indicate the S-parameter matrix of the
ここで、SFF、SFA、SFP、SAF、SAA、SAP、SPF、SPA、SPPは、SFの区分行列である。また、SFF、SFA、SFP、SAF、SAA、SAP、SPF、SPA、SPPの添え字のF、A、およびPは、はそれぞれ給電ポート、アンテナポート、可変負荷ポートを示す。 Here, S FF, S FA, S FP, S AF, S AA, S AP, S PF, S PA, S PP is a block matrix of S F. In addition, S FF , S FA , S FP , S AF , SA A , SAP , S PF , S PA , and S PP subscripts F, A, and P are the power supply port, antenna port, and variable load, respectively. Indicates the port.
また、ΓPは、可変負荷30の反射係数を表す対角行列である。
Further, Γ P is a diagonal matrix representing the reflection coefficient of the
#i番目の可変負荷30の反射係数は、以下の式9のように表される。
The reflection coefficient of the # i- th
ここで、zPi、z0は、それぞれ可変負荷30のインピーダンス値および基準インピーダンス値を示す。
Here, z Pi and z 0 indicate the impedance value and the reference impedance value of the
なお、アンテナ10Aおよび給電回路20のSパラメータは、回路の製作時に決定するため、事前に測定可能である。また、可変負荷30のインピーダンス値も事前に測定可能である。よって、式6〜式8に示したSパラメータ行列、要素、および、可変負荷のインピーダンス値は全て既知である。
Since the S-parameters of the
このとき、給電回路20からアンテナ10Aへ入射する信号をaAとし、アンテナ10Aから給電回路20へ入射する信号をbAとし、給電回路20から可変負荷30へ入射する信号をaPとし、可変負荷30から給電回路20へ入射する信号をbPとし、給電端から給電回路20へ入射する信号をaPとし、給電回路20から給電端へ反射する信号をbFとする。
At this time, the signal incident from the feeding
このとき、以下の関係式が成立する。 At this time, the following relational expression holds.
式10〜式12より、
#i番目のアンテナ10Aの複素指向性をDi(θ)とすると、観測される合成された指向性は、以下の式24で表される。 # Assuming that the complex directivity of the i- th antenna 10A is Di (θ), the observed combined directivity is expressed by the following equation 24.
これによって、任意の可変負荷30でポートPを終端した場合の指向性を計算することができる。ここで、アンテナ10Aの複素指向性は事前に測定可能であるため、既知である。なお、ここでは説明のために給電端Fに信号aFを入力する送信時の指向性、つまり、アンテナ10Aを送信アンテナとして利用する場合について述べたが、アンテナは可逆性が成立するため、式24の指向性は受信時についても同様に言える。つまり、上記のことは、アンテナ10Aを受信アンテナ10に置き換えた場合にも同様に言える。
Thereby, the directivity when the port P is terminated by an arbitrary
[1−4.効果など]
本実施の形態の測位センサー100および測位センサー100を用いた方法によれば、送信機側の位相情報を取得せずに受信側で受信した無線信号から、動体が存在する方向等の推定を行うことができる。また、m個の受信アンテナ10は給電回路20に接続されているので、m個の受信アンテナ10の配置の自由度を向上させることができる。
[1-4. Effect etc.]
According to the
また、本実施の形態の測位センサー100および測位センサー100を用いた方法によれば、位相の測定が不要であり送受信機間で位相レベルの同期が不要であるため、比較的安価な送信機および受信機の利用が可能になる。また、無給電アンテナを利用することにより位相の測定が不要となることから、受信機の数を減らすことが可能になる。
Further, according to the method using the
より具体的には、本実施の形態の測位センサー100では、給電回路20およびn個の可変負荷30に接続されたm個の受信アンテナ10を備え、単独の受信機40で受信信号を観測する。m個の受信アンテナ10の特性はわかっていることから、受信アンテナ10の負荷条件を振って受信機で受信強度(RSSI:Received Signal Strength Indicator)を取得することで、送信機側の位相情報を取得せずに複素伝搬チャネルを推定することができる。換言すると、受信アンテナの可変負荷(インピーダンス値)を変化させることにより、反射率が変わり、疑似的に受信アンテナの指向性が変わる。そのため、複数回(複素伝搬チャネルの未知数以上の回数)、疑似的に受信アンテナの指向性を変え、その際に受信機が受信する受信信号の受信強度から、連立方程式を作成できる。そして、最急降下法によりその連立方程式を解くことで、複素伝搬チャネルを推定することができる。
More specifically, the
このようにして、測位センサー100の外部の送信アンテナから、受信機に接続される受信アンテナと無給電アンテナとに到達する複素伝搬チャネルを、受信機を複数用意することもなく受信強度のみから推定することができる。また、受信強度のみから方向推定を行うことができ位相情報の観測が不要であることから、本実施の形態の測位センサー100では、送信機側の位相情報を取得しない簡易なハードウェア構成すなわち安価な既存の送信機および受信機を用いることが可能になる。
In this way, the complex propagation channel that reaches the receiving antenna connected to the receiver and the non-feeding antenna from the transmitting antenna outside the
(実施の形態2)
実施の形態1における測位センサー100が受信する信号には、送信機80から送信された信号(送信波)が生体90で反射された反射波に加えて、直接波や固定物由来の反射波など、生体90を経由しない反射波も含まれている。実施の形態2では、生体90を経由しない反射波も含まれることを考慮した生体90の方向の推定方法について説明する。以下では、実施の形態1と同じ点は説明を省略し、異なる点を中心に説明する。
(Embodiment 2)
The signal received by the
[2−1.測位センサーの構成]
本実施の形態に係る測位センサー(不図示)は、実施の形態1における測位センサー100に対して、方向推定部740の構成が異なる。
[2-1. Positioning sensor configuration]
The positioning sensor (not shown) according to the present embodiment has a different configuration of the
図8は、実施の形態2における方向推定部の構成の一例を示す図である。 FIG. 8 is a diagram showing an example of the configuration of the direction estimation unit according to the second embodiment.
方向推定部740は、複素伝搬チャネル推定部71において推定された複素伝搬チャネルから第1信号の到来方向を推定する。本実施の形態では、方向推定部740は、図8に示すように、瞬時相関行列算出部741と、記憶部742と、第3相関行列算出部743と、到来角推定部744とを備える。
The
瞬時相関行列算出部741は、複素伝搬チャネル推定部71で推定された第1複素伝搬チャネルより第1相関行列を算出して、記憶部742に記憶させる。また、瞬時相関行列算出部741は、複素伝搬チャネル推定部71で推定された第2複素伝搬チャネルより第2相関行列を算出する。
The instantaneous correlation
本実施の形態では、複素伝搬チャネル推定部71は、受信機40が受信した第1信号の第1信号強度の時間変動が所定の値以下のとき、複素伝搬チャネルとして、第1複素伝搬チャネルを推定する。また、複素伝搬チャネル推定部71は、受信機40が受信した第1信号の第1信号強度の時間変動が所定の値より大きいとき、複素伝搬チャネルとして、第2複素伝搬チャネルを推定する。ここで、第1信号強度の時間変動が所定の値以下の第1信号には、送信アンテナ81から送信され、生体90によって反射された反射信号を含まない。第1信号強度の時間変動が所定の値以下の場合、無人状態(生体90が存在しない状態)で第1信号を受信機40が受信することに該当するからである。一方、第1信号強度の時間変動が所定の値より大きい第1信号には、送信アンテナ81から送信され、生体90によって反射された反射信号を含む。第1信号強度の時間変動が所定の値より大きい場合、有人状態(生体90が存在する状態)で第1信号を受信機40が受信することに該当するからである。
In the present embodiment, the complex propagation
記憶部742は、例えば、HDD(Hard Disk Drive)、不揮発性のメモリなどの記憶装置により実現され、瞬時相関行列算出部741により算出された第1相関行列を記憶する。
The
第3相関行列算出部743は、瞬時相関行列算出部741により算出された第2相関行列から記憶部742に記憶されている第1相関行列を減算することで得られる差分行列を第3相関行列として算出する。
The third correlation
到来角推定部744は、第3相関行列算出部743が算出した第3相関行列から第1信号の到来角を推定する。
The arrival
[2−2.測定センサーの動作]
以上のよう構成された実施の形態2における測位センサー100の方向推定処理の動作について説明する。図9は、実施の形態2における方向推定部の方向推定処理を示すフローチャートである。図10は、実施の形態2における方向推定部の方向推定処理の流れを示す図である。
[2-2. Operation of measurement sensor]
The operation of the direction estimation process of the
まず、複素伝搬チャネル推定部71は、生体90の方向推定を行う前に、複素伝搬チャネル推定部71で無人であることが分かっている状態(無人状態)の第1複素伝搬チャネルを推定する。方向推定部740は、複素伝搬チャネル推定部71で推定された第1複素伝搬チャネルより第1相関行列を算出し、記憶部742に記憶する(S51)。
First, the complex propagation
より具体的には、瞬時相関行列算出部741は、複素伝搬チャネル推定部71により推定された無人状態での第1複素伝搬チャネルhから、瞬時相関行列R01を下記の式25のように算出する。式25において、{・}Hは複素共役転置を表す。
More specifically, the instantaneous correlation matrix calculation unit 741 calculates the instantaneous correlation matrix R 01 from the first complex propagation channel h in the unmanned state estimated by the complex propagation
そして、瞬時相関行列算出部741は、式26に示すように、式25に表される瞬時相関行列をL回求めて平均した行列を算出する。これを第1相関行列R1と定義する。
Then, as shown in the equation 26, the instantaneous correlation
次に、複素伝搬チャネル推定部71は、有人であることが分かっている状態(有人状態)の第2複素伝搬チャネルを推定する。方向推定部740は、複素伝搬チャネル推定部71で推定された第2複素伝搬チャネルより第2相関行列を算出する(S52)。
Next, the complex propagation
より具体的には、瞬時相関行列算出部741は、複素伝搬チャネル推定部71により推定された有人状態での第2複素伝搬チャネルhから、同様に瞬時相関行列R02を下記の式27のように算出する。
More specifically, the instantaneous correlation matrix calculation unit 741 similarly obtains the instantaneous correlation matrix R 02 from the second complex propagation channel h in the manned state estimated by the complex propagation
そして、瞬時相関行列算出部741は、式27に示すように、式28に表される瞬時相関行列をL回求め平均した行列を算出する。これを第2相関行列R2と定義する。
Then, as shown in Equation 27, the instantaneous correlation
次に、方向推定部740は、ステップS52で算出された第2相関行列から記憶部742に記憶されている第1相関行列を減算した差分行列を第3相関行列として算出する(S53)。
Next, the
より具体的には、第3相関行列算出部743は、式26に示される第1相関行列R1から式28に示される第2相関行列R2を減算し、第3相関行列R3(R3= R2−R1)を得る。
More specifically, the third correlation
次に、方向推定部740は、算出した第3相関行列から第1信号の到来角を推定するにより第1信号の到来方向を推定する(S54)。
Next, the
ここで、上述したように、第1相関行列R1は無人時に推定された第1複素伝搬チャネルから算出されたものであり、例えば直接波や壁からの反射波など生体90以外の複素伝搬チャネル成分に対応する。一方、第2相関行列R2は有人時に観測された複素伝搬チャネルから算出されたものであり、生体90を経由する成分と、生体90を経由しない固定成分が合算されている。
Here, as described above, the first correlation matrix R 1 is calculated from the first complex propagation channel estimated when unmanned, and is a complex propagation channel other than the living
したがって、第2相関行列R2から第1相関行列R1を減算することで、理想的には生体90を経由した成分だけが残る。つまり、到来角推定部744は、第3相関行列R3を用いることで、屋内などの多重波環境においても第1信号の到来角すなわち生体90の方向を推定することができる。
Therefore, by the second correlation matrix R 2 subtracts the first correlation matrix R 1, only components ideally passed through the living
[2−3.効果など]
本実施の形態の測位センサーおよび測位センサーを用いた方法によれば、屋内などの多重波環境においても、送信機側の位相情報を取得せずに受信側で受信した無線信号から、動体が存在する方向等の推定を行うことができる。
[2-3. Effect etc.]
According to the positioning sensor and the method using the positioning sensor of the present embodiment, even in a multiple wave environment such as indoors, a moving body exists from the wireless signal received on the receiving side without acquiring the phase information on the transmitting side. It is possible to estimate the direction of the wave.
(実施の形態3)
実施の形態2では、例えば直接波や壁からの反射波など生体90以外の複素伝搬チャネル成分を除去して生体90の方向を推定する方法について説明したが、これに限らない。実施の形態3では、実施の形態2と異なる方法で、生体90以外の複素伝搬チャネル成分を除去して生体90の方向を推定する方法について説明する。以下では、実施の形態1と同じ点は説明を省略し、異なる点を中心に説明する。
(Embodiment 3)
In the second embodiment, a method of estimating the direction of the living
[3−1.測位センサーの構成]
本実施の形態に係る測位センサー(不図示)は、実施の形態1における測位センサー100に対して、方向推定部840の構成が異なる。
[3-1. Positioning sensor configuration]
The positioning sensor (not shown) according to the present embodiment has a different configuration of the
図11は、実施の形態3における方向推定部の構成の一例を示す図である。 FIG. 11 is a diagram showing an example of the configuration of the direction estimation unit according to the third embodiment.
方向推定部840は、複素伝搬チャネル推定部71において推定された複素伝搬チャネルから第1信号の到来方向を推定する。本実施の形態では、方向推定部840は、図11に示すように、記憶部845と、位相角算出部846と、相関行列算出部847と、到来角推定部848とを備える。
The
記憶部845は、例えば、HDD(Hard Disk Drive)、不揮発性のメモリなどの記憶装置により実現され、複素伝搬チャネル推定部71で推定された第1複素伝搬チャネルを記憶する。本実施の形態では、記憶部845は、複素伝搬チャネル推定部71により、所定時刻に、複素伝搬チャネルとして推定された第1複素伝搬チャネルが記憶される。
The
位相角算出部846は、記憶部845に記憶された第1複素伝搬チャネルと、複素伝搬チャネル推定部71において推定された第2複素伝搬チャネルとの位相差を比較する。ここで、第2複素伝搬チャネルは、複素伝搬チャネル推定部71により、所定時刻の後の時刻に、複素伝搬チャネルとして推定されたものである。
The phase
そして、位相角算出部846は、当該位相差の平均が最小となる位相回転(位相角)を探索し、探索した位相回転(位相角)が与えられた第2複素伝搬チャネルから第1複素伝搬チャネルを減算することで得られる差分である第3複素伝搬チャネルを算出する。
Then, the phase
相関行列算出部847は、位相角算出部846が算出した第3複素伝搬チャネルから相関行列を算出する。
The correlation
到来角推定部848は、相関行列算出部847で算出された相関行列から第1信号の到来角を推定する。
The arrival
[3−2.測位センサーの動作]
以上のよう構成された実施の形態3における測位センサー100の方向推定処理の動作について説明する。図12は、実施の形態3における方向推定部の方向推定処理を示すフローチャートである。図13は、実施の形態3における方向推定部の方向推定処理の流れを示す図である。
[3-2. Positioning sensor operation]
The operation of the direction estimation process of the
まず、複素伝搬チャネル推定部71は、ある時点(所定時刻)において推定された複素伝搬チャネルを第1複素伝搬チャネルh(1)として記憶部845に記憶する。ここで、以降(所定時刻の後の時刻)に推定される複素伝搬チャネルを第2複素伝搬チャネルh(l)とする。ここで、lは観測時間(推定時刻)に対応する測定番号である。
First, the complex propagation
次に、方向推定部740は、記憶部845に記憶された第1複素伝搬チャネルと、所定時刻の後の時刻に推定された第2複素伝搬チャネルとの位相差を比較し(S61)、当該位相差の平均が最小となる位相回転(位相角)を探索する(S62)。
Next, the
より具体的には、一般的な多重波環境では、直接波や壁経由の反射波は生体を経由する信号よりも遥かに信号強度が高いものと考えられる。よって、全ての複素伝搬チャネル要素の位相は大きく変動しないものと考えることができる。一方、実施の形態3における測位センサー100により推定された第1複素伝搬チャネルおよび第2複素伝搬チャネルにはランダムな位相が乗じられていると考えられる。これは、測位センサー100が強度情報のみから第1複素伝搬チャネルおよび第2複素伝搬チャネルを推定するからである。絶対的なチャネルの位相は推定できない。
More specifically, in a general multi-wave environment, it is considered that the direct wave and the reflected wave via the wall have much higher signal strength than the signal passing through the living body. Therefore, it can be considered that the phases of all the complex propagation channel elements do not fluctuate significantly. On the other hand, it is considered that the first complex propagation channel and the second complex propagation channel estimated by the
そこで、位相角算出部846は、第1複素伝搬チャネルh(1)と第2複素伝搬チャネルh(l)との主成分である固定成分に変化が無いものと仮定すると、下記の式29に示される△p(l)が最小になる補正位相θlを探索して決定すればよい。
Therefore, assuming that there is no change in the fixed components that are the main components of the first complex propagation channel h (1) and the second complex propagation channel h (l) , the phase
次に、方向推定部740は、ステップS62で探索した位相回転(位相角)が与えられた第2複素伝搬チャネルにから第1複素伝搬チャネルを減算して得た第3複素伝搬チャネルを算出する(S63)。
Next, the
より具体的には、位相角算出部846は、式29を用いて探索した補正位相θlを用いて、差分チャネルを下記の式30のように算出する。この差分チャネルを第3複素伝搬チャネル△h(l)と呼称する。
More specifically, the phase
次に、方向推定部740は、ステップS63で算出した第3複素伝搬チャネルから相関行列を算出する(S64)。
Next, the
より具体的には、相関行列算出部847は、式30に示される第3複素伝搬チャネル△h(l)から相関行列Rを、下記の式31のように算出する。
More specifically, the correlation
ここで、上述したように、式30を用いた減算処理の過程で差分チャネル(第3複素伝搬チャネル)としているため、式31に示される相関行列Rは、常に固定の成分が消去され、生体90由来の成分だけが残る。
Here, as described above, since the difference channel (third complex propagation channel) is used in the process of the subtraction process using the
したがって、式31に示される相関行列Rが判明すれば様々な方向推定処理を適用可能である。このような方向推定方法によれば、別途無人時に第1複素伝搬チャネルの推定を行う必要が無く、什器が移動しているなど伝搬環境が変化した場合でも生体90の方向を推定できる。
Therefore, if the correlation matrix R shown in Equation 31 is known, various direction estimation processes can be applied. According to such a direction estimation method, it is not necessary to separately estimate the first complex propagation channel when unattended, and the direction of the living
[3−3.効果など]
本実施の形態の測位センサーおよび測位センサーを用いた方法によれば、屋内などの多重波環境において伝搬環境が変化した場合でも、送信機側の位相情報を取得せずに受信側で受信した無線信号から、動体が存在する方向等の推定を行うことができる。
[3-3. Effect etc.]
According to the positioning sensor and the method using the positioning sensor of the present embodiment, even if the propagation environment changes in a multiple wave environment such as indoors, the radio received on the receiving side without acquiring the phase information on the transmitter side. From the signal, it is possible to estimate the direction in which the moving object exists.
(実施の形態4)
実施の形態1〜3では、受信機40が受信した第1信号の第1信号強度から複素伝搬チャネルを推定し、生体90の方向推定を行うことについて説明したが、それに限らない。受信機40が受信した第1信号の第1信号強度を最適化した信号強度から複素伝搬チャネルを推定し、生体90の方向推定を行ってもよい。以下、実施の形態4として、実施の形態1と同じ点は説明を省略し、異なる点を中心に説明する。
(Embodiment 4)
In the first to third embodiments, the complex propagation channel is estimated from the first signal strength of the first signal received by the
[4−1.測位センサーの構成]
本実施の形態に係る測位センサー(不図示)は、実施の形態1等における測位センサー100に対して、メモリ600と、複素伝搬チャネル推定部45と、方向推定部940の構成が異なる。なお、測位センサー100におけるコントローラ50は、上述したように、可変負荷30のインピーダンス値を制御する。以下では、コントローラ50は、m個の受信アンテナ10の可変負荷30のインピーダンス値の組み合わせを、K通り(Kは2以上の整数)に制御するとして説明する。
[4-1. Positioning sensor configuration]
The positioning sensor (not shown) according to the present embodiment has a different configuration of the
図14は、実施の形態4におけるメモリと複素伝搬チャネル推定部の構成の一例を示す図である。 FIG. 14 is a diagram showing an example of the configuration of the memory and the complex propagation channel estimation unit in the fourth embodiment.
メモリ600は、可変負荷30のインピーダンス値のK通りの組み合わせそれぞれにおける受信機40が受信する第1信号の第1信号強度をL回(Lは2以上の整数)蓄積し、K通りの組み合わせそれぞれにおけるL回の第1信号強度の平均値である第1平均信号強度を算出する。メモリ600は、K通りの組み合わせそれぞれにおけるL回の第1信号強度であって蓄積した第1信号強度から第1平均信号強度を減算したK×L個の第1差分信号強度を算出して蓄積する。
The
本実施の形態では、メモリ600は、図14に示すように、K通りの可変負荷30のインピーダンス値(図で負荷)の組み合わせそれぞれにおける第1信号の強度情報(第1信号強度)を記録し、さらにこれをL回観測する。つまり、K×L個の第1信号の強度情報(第1信号強度)を記録する。
In the present embodiment, as shown in FIG. 14, the
ここで、1番目の負荷の組み合わせに注目して説明すると、本実施の形態に係る測位センサーはL回の観測を行うため、メモリ600は、第1信号#1−1〜第1信号#1−Lの合計L個の強度情報(第1信号強度#1−1〜第1信号強度#1−L)を蓄積する。そして、メモリ600は、L個の強度情報(第1信号強度)の平均値である平均信号強度#1を算出し、蓄積した第1信号強度#1−1〜第1信号強度#1−Lから平均信号強度#1を減算する。これにより、第1差分信号強度#1−1〜第1差分信号強度#1−Lを得る。
Here, paying attention to the first combination of loads, the positioning sensor according to the present embodiment makes L observations, so that the
同様の処理をK通りの負荷の組み合わせすべてについて実施する。 The same process is performed for all K load combinations.
このように、メモリ600は、受信機40が受信するK×L個の第1信号の第1信号強度を蓄積するのに加えて、第1信号強度を最適化した、K×L個の第1差分信号強度を蓄積する。
As described above, the
複素伝搬チャネル推定部710は、図14に示すように、差分信号算出部720と比較演算部730とを備える。
As shown in FIG. 14, the complex propagation
差分信号算出部720は、それぞれ所定の値を有するL個の試行用差分複素伝搬チャネルを設定し、設定したL個の試行用差分複素伝搬チャネルそれぞれにおいて、K通りの第2差分信号強度を算出する。
The difference
比較演算部730は、差分信号算出部720と連携して、メモリ600において蓄積されたK通りの第1差分信号強度と算出した第2差分信号強度との差が最小になる試行用差分複素伝搬チャネルの値を探索する。そして、比較演算部730は、探索した値を有するL個の試行用差分複素伝搬チャネルを受信機40が第1信号を受信したときのL個の複素差分伝搬チャネルとして推定する。
The
本実施の形態では、差分信号算出部720は、まず1回目の観測に対応する試行用差分複素伝搬チャネル(#1)を任意の値に設定する。この試行用差分複素伝搬チャネル(#1)が正しいものとして、式2により負荷の組み合わせに対応する試行用差分信号強度#1−1〜試行用差分信号強度#K−1(合計K個)を算出する。ここで、試行用差分信号強度は、対応する負荷の組み合わせのときに受信機40が受信したと推定される強度情報であり、上記の第2差分信号強度に該当する。
In the present embodiment, the difference
続いて、比較演算部730は、メモリ600で算出したK個の第1差分信号強度を、差分信号算出部720で算出したK個の試行用差分信号強度(第2差分信号強度)でそれぞれ減算して比較する。ここで、減算は、負荷の組み合わせが同じである差分信号強度どうしで行う。これにより、K個の差分値が得られる。比較演算部730は、得られたK個の差分値の絶対値を合算する等の評価関数を用いて評価し、評価結果を差分信号算出部720にフィードバックする。
Subsequently, the
すると、差分信号算出部720は、フィードバック結果をもとに試行用差分複素伝搬チャネル(#1)を再設定し、これからK個の試行用差分信号強度(第2差分信号強度)を算出する。そして、比較演算部730は、再度、上述した比較演算を行う。
Then, the difference
複素伝搬チャネル推定部710は、このような手順を比較演算結果が最小になるよう何度も繰り返すことで、複素差分伝搬チャネルを推定する。また、複素差分伝搬チャネルの推定には、例えば最急降下法を用いることができる。複素伝搬チャネル推定部710はこのような処理をさらにL回繰り返すことで、L個の時系列な複素差分伝搬チャネルを推定する。
The complex propagation
図15は、実施の形態4における方向推定部の構成の一例を示す図である。 FIG. 15 is a diagram showing an example of the configuration of the direction estimation unit according to the fourth embodiment.
方向推定部940は、相関行列算出部941と到来角推定部942とを備え、複素伝搬チャネル推定部710において推定された複素差分伝搬チャネルから第1信号の到来方向を推定する。相関行列算出部941は、複素伝搬チャネル推定部710において推定された、L個の複素差分伝搬チャネルから相関行列を算出する。到来角推定部942は、相関行列算出部941で算出した相関行列から第1信号の到来角を推定することにより第1信号の到来方向を推定する。
The
本実施の形態では、相関行列算出部941は、複素伝搬チャネル推定部710において推定された複素差分伝搬チャネルそれぞれを瞬時相関行列に変換する。相関行列算出部941は、変換した合計L個の瞬時相関行列を要素ごとに平均化することで、相関行列を算出する。到来角推定部942は、相関行列算出部941により算出された相関行列から第1信号の到来角を推定する。第1信号の到来角は、上述したように検出対象である生体90の方向に該当する。
In the present embodiment, the correlation
[4−2.測位センサーの動作]
以上のよう構成されたメモリ600、複素伝搬チャネル推定部710および方向推定部940それぞれの動作について説明する。
[4-2. Positioning sensor operation]
The operations of the
図16は、実施の形態4におけるメモリの推定処理を示すフローチャートである。 FIG. 16 is a flowchart showing a memory estimation process according to the fourth embodiment.
まず、メモリ600は、可変負荷30のインピーダンス値のK通りの組み合わせそれぞれにおける受信機40が受信する第1信号の第1信号強度をL回(Lは2以上の整数)蓄積する(S71)。
First, the
次に、メモリ600は、K通りの組み合わせそれぞれにおけるL回の第1信号強度の平均値である第1平均信号強度を算出する(S72)。
Next, the
次に、メモリ600は、K通りの組み合わせそれぞれにおけるL回の第1信号強度であって蓄積した第1信号強度から第1平均信号強度を減算したK×L個の第1差分信号強度を算出して蓄積する(S73)。
Next, the
図17は、実施の形態4における複素伝搬チャネル推定部の推定処理を示すフローチャートである。 FIG. 17 is a flowchart showing an estimation process of the complex propagation channel estimation unit according to the fourth embodiment.
まず、複素伝搬チャネル推定部710は、それぞれ所定の値を有するL個の試行用差分複素伝搬チャネルを設定する(S81)。
First, the complex propagation
次に、複素伝搬チャネル推定部710は、設定したL個の試行用差分複素伝搬チャネルそれぞれにおいて、K通りの第2差分信号強度を算出する(S82)。
Next, the complex propagation
次に、複素伝搬チャネル推定部710は、メモリ600に蓄積されたK通りの第1差分信号強度と算出した第2差分信号強度との差が最小になる試行用差分複素伝搬チャネルの値を探索する(S83)。
Next, the complex propagation
そして、複素伝搬チャネル推定部710は、探索した値を有するL個の試行用差分複素伝搬チャネルを受信機40が第1信号を受信したときのL個の複素差分伝搬チャネルとして推定する(S84)。
Then, the complex propagation
図18は、実施の形態4における方向推定部の推定処理を示すフローチャートである。 FIG. 18 is a flowchart showing the estimation process of the direction estimation unit according to the fourth embodiment.
まず、方向推定部940は、複素伝搬チャネル推定部710において推定された、L個の複素差分伝搬チャネルから相関行列を算出する(S91)。
First, the
次に、方向推定部940は、ステップS91で算出した相関行列から第1信号の到来度を推定することにより第1信号の到来方向を推定する(S92)。
Next, the
[4−3.効果など]
以上、本実施の形態の測位センサーおよび測位センサーを用いた方法によれば、屋内などの多重波環境においても、送信機側の位相情報を取得せずに受信側で受信した無線信号から、動体が存在する方向等の推定を行うことができる。
[4-3. Effect etc.]
As described above, according to the positioning sensor and the method using the positioning sensor of the present embodiment, even in a multiple wave environment such as indoors, a moving object is used from a wireless signal received on the receiving side without acquiring phase information on the transmitting side. It is possible to estimate the direction in which the is present.
より具体的には、本実施の形態の測位センサーでは、給電回路およびn個の可変負荷に接続されたm個の受信アンテナを備え、単独の受信機で受信信号を観測する。m個の受信アンテナの特性はわかっていることから、受信アンテナの負荷条件をK通りに振って受信機で受信強度(RSSI:Received Signal Strength Indicator)を取得することで、送信機側の位相情報を取得せずに、最急降下法などにより複素差分伝搬チャネルを推定することができる。つまり、受信アンテナの可変負荷(インピーダンス値)を変化させることにより、反射率が変わり、疑似的に受信アンテナの指向性が変わる。そのため、複数回(複素伝搬チャネルの未知数以上の回数)、疑似的に受信アンテナの指向性を変え、その際に受信機が受信する受信信号の受信強度から、連立方程式を作成できる。そして、最急降下法によりその連立方程式を解くことで、複素差分伝搬チャネルを推定することができる。 More specifically, the positioning sensor of the present embodiment includes a feeding circuit and m receiving antennas connected to n variable loads, and observes the received signal with a single receiver. Since the characteristics of m receiving antennas are known, the phase information on the transmitter side can be obtained by changing the load conditions of the receiving antennas according to K and acquiring the receiving intensity (RSSI: Received Signal Strength Indicator) at the receiver. The complex difference propagation channel can be estimated by the steepest descent method or the like without obtaining. That is, by changing the variable load (impedance value) of the receiving antenna, the reflectance changes, and the directivity of the receiving antenna changes in a pseudo manner. Therefore, the directivity of the receiving antenna can be changed pseudo-multiple times (more than the unknown number of the complex propagation channel), and the simultaneous equations can be created from the receiving intensity of the received signal received by the receiver at that time. Then, the complex difference propagation channel can be estimated by solving the simultaneous equations by the steepest descent method.
なお、実施の形態4に係る効果を確かめるために実験による評価を行ったので、以下説明する。
In addition, since the evaluation by the experiment was performed in order to confirm the effect which concerns on
図19は、実施の形態4における方向推定方法を用いた実験の概念を示す図である。 FIG. 19 is a diagram showing the concept of an experiment using the direction estimation method in the fourth embodiment.
図19に示す実験系におけるアンテナ構成は、送信アンテナに2.47GHz帯の1素子方形パッチアンテナを、受信アンテナに1素子方形パッチアンテナと2素子無給電アンテナによる3素子パッチアレーアンテナを用いた。送信アンテナおよび受信アンテナの高さは、被験者(生体)の腹部の高さに合わせた1.05mに設定した。送信アンテナおよび受信アンテナの間の距離は3.5mに、受信アンテナおよび被験者の間の距離は1.5mに設定した。また、被験者は、アンテナ正面を基準として−20°の位置に直立かつ静止した状態とした。観測時間は12.8秒、可変負荷の値の組み合わせ数はK=16、観測回数はL=128とした。 In the antenna configuration in the experimental system shown in FIG. 19, a 1.47 GHz band 1-element square patch antenna was used as the transmitting antenna, and a 3-element patch array antenna using a 1-element square patch antenna and a 2-element non-feeding antenna was used as the receiving antenna. The height of the transmitting antenna and the receiving antenna was set to 1.05 m, which was adjusted to the height of the abdomen of the subject (living body). The distance between the transmitting antenna and the receiving antenna was set to 3.5 m, and the distance between the receiving antenna and the subject was set to 1.5 m. In addition, the subject was placed upright and stationary at a position of −20 ° with respect to the front of the antenna. The observation time was 12.8 seconds, the number of combinations of variable load values was K = 16, and the number of observations was L = 128.
図20は、実施の形態4における推定方法を用いた実験結果を示す図である。図20では、方向推定処理に、MUSIC(MUltiple SIgnal Classification)法を用いている。 FIG. 20 is a diagram showing the experimental results using the estimation method in the fourth embodiment. In FIG. 20, the MUSIC (MUSIC Signal Classification) method is used for the direction estimation process.
図20において横軸はアンテナ正面を基準とした角度、縦軸はMUSICスペクトラムの強度である。また、MUSICスペクトラムの最大値が到来方向に対応する。実線Aは実施の形態4に係る推定方法を用いた実験結果を示している。また、比較例として、点線Bに従来の推定方法を用いた実験結果を示している。ここで、従来法とは、送信機側の位相情報を取得して行う方法である。点線Bに示される実験結果は、3素子の方形パッチアレーアンテナを用いて全複素伝搬チャネルの観測を行い、12.8秒の観測データから固定である反射成分を除外した後で方向推定を行ったものである。 In FIG. 20, the horizontal axis is the angle with respect to the front of the antenna, and the vertical axis is the intensity of the MUSIC spectrum. Further, the maximum value of the MUSIC spectrum corresponds to the arrival direction. The solid line A shows the experimental result using the estimation method according to the fourth embodiment. Further, as a comparative example, the dotted line B shows the experimental result using the conventional estimation method. Here, the conventional method is a method of acquiring phase information on the transmitter side. The experimental results shown by the dotted line B are obtained by observing all complex propagation channels using a 3-element square patch array antenna, excluding fixed reflection components from the 12.8-second observation data, and then estimating the direction. It is a thing.
図20に示される結果より、実施の形態4に係る推定方法により、高い精度で生体方向が推定できていることが分かる。角度誤差は0.7°であった。 From the results shown in FIG. 20, it can be seen that the living body direction can be estimated with high accuracy by the estimation method according to the fourth embodiment. The angular error was 0.7 °.
このようにして、従来法と比較してもそん色ない精度で生体方向を推定できることが確認された。 In this way, it was confirmed that the biological direction can be estimated with an accuracy comparable to that of the conventional method.
以上、本発明の一態様に係る測位センサーおよび測位センサーによる方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施形態に施したもの、あるいは異なる実施形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。 The positioning sensor and the method using the positioning sensor according to one aspect of the present invention have been described above based on the embodiments, but the present invention is not limited to these embodiments. As long as the gist of the present invention is not deviated, various modifications that can be conceived by those skilled in the art are applied to the present embodiment, or a form constructed by combining components in different embodiments is also included in the scope of the present invention.
例えば、実施の形態1〜4では、生体90の方向推定を行う場合の例を挙げて説明したが、生体90に限らない。高周波の信号が照射された場合に、その活動によって反射波にドップラー効果を与える種々の動体(機械等)にも適用可能である。
For example, in the first to fourth embodiments, an example of estimating the direction of the living
また、例えば、実施の形態1〜4における測位センサーを異なる場所に2つ以上具備するセンサーを用いて、2つ以上の測位センサーがそれぞれ推定する第1信号の到来方向に基づいて、動体の位置を推定するとしてもよい。より具体的には、実施の形態1〜4における測位センサーを異なる場所に2つ以上具備するセンサーの位置を推定する方法であって、第1信号には、送信アンテナから送信され、動体によって反射された反射信号を含まれ、2つ以上の測位センサーそれぞれから推定される第1信号の到来方向に基づいて、例えば三角法などを用いて動体の位置を推定してもよい。2つ以上の測位センサーそれぞれから推定される第1信号の到来方向が交差する位置が動体の位置と推定できるからである。 Further, for example, using sensors having two or more positioning sensors in different locations in the first to fourth embodiments, the position of the moving body is based on the arrival direction of the first signal estimated by each of the two or more positioning sensors. May be estimated. More specifically, it is a method of estimating the position of a sensor having two or more positioning sensors in different places according to the first to fourth embodiments, and the first signal is transmitted from a transmitting antenna and reflected by a moving body. The position of the moving object may be estimated by using, for example, trigonometry, based on the arrival direction of the first signal including the reflected signal and estimated from each of the two or more positioning sensors. This is because the position where the arrival directions of the first signals estimated from each of the two or more positioning sensors intersect can be estimated as the position of the moving object.
なお、測位センサーにおいて、n個の可変負荷30は、m個の受信アンテナ10の数と同じ場合、図21に示すように、アレーアンテナ付近に配置されてもよい。また、n個の可変負荷30は、m個の受信アンテナ10の数よりも多い数である場合、図22に示すように分岐配線上に配置されてもよい。図21は、測位センサーにおいて、給電回路、可変負荷および受信アンテナの配置の一例を示す図である。図22は、測位センサーにおいて、給電回路、可変負荷および受信アンテナの配置の他の一例を示す図である。
In the positioning sensor, when the number of n variable loads 30 is the same as the number of
また、本発明は、このような特徴的な構成要素を備える、測位センサーとして実現することができるだけでなく、測位センサーに含まれる特徴的な構成要素をステップとする推定方法などとして実現することもできる。また、そのような方法に含まれる特徴的な各ステップをコンピュータに実行させるコンピュータプログラムとして実現することもできる。そして、そのようなコンピュータプログラムを、CD−ROM等のコンピュータで読取可能な非一時的な記録媒体あるいはインターネット等の通信ネットワークを介して流通させることができるのは、言うまでもない。 Further, the present invention can be realized not only as a positioning sensor provided with such characteristic components, but also as an estimation method in which the characteristic components included in the positioning sensor are steps. can. It can also be realized as a computer program that causes a computer to execute each characteristic step included in such a method. Needless to say, such a computer program can be distributed via a non-temporary recording medium such as a CD-ROM that can be read by a computer or a communication network such as the Internet.
本発明は、無線信号を利用した動体の方向や位置を推定する方向推定方法、位置推定方法および方向推定装置に利用でき、特に、生体と機械を含む動体の方向や位置を測定する測定器、動体の方向や位置に応じた制御を行う家電機器、動体の侵入を検知する監視装置などに搭載される方向推定方法、並びに、方向推定方法、位置推定方法および散乱断面積を用いた方向推定装置に利用できる。 The present invention can be used in a direction estimation method, a position estimation method, and a direction estimation device for estimating the direction and position of a moving body using a radio signal, and in particular, a measuring instrument for measuring the direction and position of a moving body including a living body and a machine. A direction estimation method installed in home appliances that control according to the direction and position of a moving object, a monitoring device that detects the intrusion of a moving object, and a direction estimation method using a direction estimation method, a position estimation method, and a scattered cross-sectional area. Can be used for.
10 受信アンテナ
10A アンテナ
20 給電回路
30 可変負荷
40 受信機
50 コントローラ
60、600 メモリ
70 プロセッサ
71 複素伝搬チャネル推定部
72 信号算出部
73、730 比較演算部
74、740、840、940 方向推定部
80 送信機
81 送信アンテナ
90 生体
100 測位センサー
720 差分信号算出部
741 瞬時相関行列算出部
742、845 記憶部
743 第3相関行列算出部
744、942 到来角推定部
846 位相角算出部
847、941 相関行列算出部
848 到来角推定部
10
Claims (3)
m個(mは1以上の整数)の受信アンテナと、
前記受信アンテナに接続された給電回路と、
前記給電回路に接続されたn個(nは1以上の整数)の可変負荷と、
前記給電回路を介して、前記測位センサーから動体が存在しうる所定範囲に対して送信機から送信された送信信号を前記受信アンテナが受信した信号である第1信号を受信する受信機と、
前記可変負荷のインピーダンス値を設定するコントローラと、
前記コントローラによって前記可変負荷のインピーダンス値が設定された時に、前記設定された前記可変負荷のインピーダンス値に対応した前記第1信号の強度を示す第1信号強度値を記憶するメモリと、
前記送信機と前記受信機との間の信号伝搬特性を示す複素伝搬チャネルに対して複数の候補を設定し、前記送信機から送信された第2信号を前記受信機が受信した場合の複数の第2信号強度値を算出し、前記第2信号強度値は前記第2信号の強度を示し、前記複数の第2信号強度値はそれぞれ前記複数の候補に対応し、前記第1信号強度値と各前記複数の第2信号強度値との差分のうち、最小となる差分に対応する候補を選択することで前記複素伝搬チャネルを推定し、前記複素伝搬チャネルに基づいて前記測位センサーに対する前記第1信号の到来方向を推定するプロセッサと、を備える、
測位センサー。 It ’s a positioning sensor,
With m receiving antennas (m is an integer of 1 or more),
The power supply circuit connected to the receiving antenna and
N variable loads (n is an integer of 1 or more) connected to the power supply circuit and
A receiver that receives a first signal, which is a signal received by the receiving antenna, a transmission signal transmitted from the transmitter to a predetermined range in which a moving object may exist from the positioning sensor via the power feeding circuit.
A controller that sets the impedance value of the variable load, and
When the impedance value of the variable load is set by the controller, a memory that stores a first signal strength value indicating the strength of the first signal corresponding to the set impedance value of the variable load, and a memory.
A plurality of candidates are set for a complex propagation channel showing signal propagation characteristics between the transmitter and the receiver, and a plurality of candidates when the receiver receives a second signal transmitted from the transmitter. The second signal strength value is calculated, the second signal strength value indicates the strength of the second signal, and the plurality of second signal strength values correspond to the plurality of candidates, respectively, and are combined with the first signal strength value. The complex propagation channel is estimated by selecting a candidate corresponding to the minimum difference among the differences from each of the plurality of second signal strength values, and the first one with respect to the positioning sensor based on the complex propagation channel. It is equipped with a processor that estimates the direction of arrival of the signal.
Positioning sensor.
各前記複数の測位センサーにおける各前記第1信号の到来方向に基づいて、前記動体の位置を推定する、
センサー。 The positioning sensors according to claim 1, which are arranged at different positions from each other, are provided.
The position of the moving object is estimated based on the arrival direction of each of the first signals in each of the plurality of positioning sensors.
sensor.
前記測位センサーは、m個(mは1以上の整数)の受信アンテナと、前記受信アンテナに接続された給電回路と、前記給電回路に接続されたn個(nは1以上の整数)の可変負荷と、受信機と、コントローラと、を備え、
前記コントローラによって前記可変負荷のインピーダンス値を設定し、
前記給電回路を介して前記受信機によって、前記測位センサーから動体が存在しうる所定範囲に対して送信機から送信された送信信号を前記受信アンテナが受信した信号である第1信号を受信し、
前記コントローラによって前記可変負荷のインピーダンス値が設定された時に、前記設定された可変負荷の値に対応した前記第1信号の強度を示す第1信号強度値を記憶し、
前記送信機と前記受信機との間の信号伝搬特性を示す複素伝搬チャネルに対して複数の候補を設定し、
前記送信機から送信された第2信号を前記受信機が受信した場合の複数の第2信号強度値を算出し、前記第2信号強度値は前記第2信号の強度を示し、前記複数の第2信号強度は前記複数の候補に対応し、
前記第1信号強度値と各前記複数の第2信号強度値との差分のうち、最小となる差分に対応する候補を選択することで前記複素伝搬チャネルを推定し、
前記複素伝搬チャネルに基づいて前記測位センサーに対する前記第1信号の到来方向を推定する、
方法。 It is a method of estimating the direction of arrival of a signal in a positioning sensor.
The positioning sensor has m (m is an integer of 1 or more) receiving antennas, a feeding circuit connected to the receiving antenna, and n variable (n is an integer of 1 or more) connected to the feeding circuit. Equipped with a load, a receiver, a controller,
The impedance value of the variable load is set by the controller, and the impedance value is set.
The receiver receives a first signal, which is a signal received by the receiving antenna, from the positioning sensor to a predetermined range in which a moving object may exist, via the feeding circuit.
When the impedance value of the variable load is set by the controller, the first signal strength value indicating the strength of the first signal corresponding to the set variable load value is stored.
A plurality of candidates are set for the complex propagation channel showing the signal propagation characteristics between the transmitter and the receiver.
A plurality of second signal strength values when the receiver receives the second signal transmitted from the transmitter are calculated, and the second signal strength value indicates the strength of the second signal, and the plurality of second signals are shown. 2 signal strength corresponds to the above multiple candidates,
The complex propagation channel is estimated by selecting a candidate corresponding to the minimum difference among the differences between the first signal strength value and each of the plurality of second signal strength values.
The direction of arrival of the first signal with respect to the positioning sensor is estimated based on the complex propagation channel.
Method.
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