JP6965116B2

JP6965116B2 - 位置計測装置および位置計測方法

Info

Publication number: JP6965116B2
Application number: JP2017219948A
Authority: JP
Inventors: 芳富鮫田; 浩行西川; 純平小川; 英彦黒田; 直敬小田; 滋小田中
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2017-11-15
Filing date: 2017-11-15
Publication date: 2021-11-10
Anticipated expiration: 2037-11-15
Also published as: JP2019090700A

Description

本発明の実施形態は、位置計測装置および位置計測方法に関する。

従来、周波数が時間とともに変化する駆動信号に基づいて出力される超音波を、超音波トランスデューサにより受信し、この受信した超音波と駆動信号との相互相関の値の包絡線を求め、この包絡線に基づいて、超音波が送信されてから超音波トランスデューサで受信されるまでの伝送時間を算出し、超音波の送信点から受信点までの距離を計測する技術が知られている。

国際公開第２０１５／１３７４２５号

従来の技術では、超音波トランスデューサにより受信した超音波と駆動信号との相互相関の値を求める必要があるため、計算量が多くなるという課題がある。

本発明の実施形態は、このような事情を考慮してなされたもので、音波信号を用いて位置の特定を行うときの計算量を低減することができる位置計測技術を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る位置計測装置は、少なくとも２つの送信部からそれぞれ送信された音波信号が空気中で合成されて１つの合成音波信号となり、この合成音波信号を受信する受信部と、前記受信した合成音波信号の包絡線を求める包絡線処理部と、前記求められた包絡線に基づいて、一方の前記送信部から前記受信部までの距離と他方の前記送信部から前記受信部までの距離の差を解析する解析部と、前記解析された結果に基づいて、前記受信部の位置を特定する位置特定部と、を備え、第１送信部と第２送信部と第３送信部とを含む少なくとも３つ以上の前記送信部から前記音波信号が送信可能であり、前記解析部は、前記第１送信部から前記受信部までの距離と前記第２送信部から前記受信部までの距離の差を解析する処理と、前記第２送信部から前記受信部までの距離と前記第３送信部から前記受信部までの距離の差を解析する処理と、の少なくとも２回の処理を行う。

本発明の実施形態により、音波信号を用いて位置の特定を行うときの計算量を低減することができる位置計測技術が提供される。

本実施形態の位置計測装置が設けられた建物の内部を示す図。位置計測装置のシステム構成を示すブロック図。３つの送信部と受信部の位置関係を示す図。１次受信処理にて特定される受信部の位置を示す図。２次受信処理にて特定される受信部の位置を示す図。第１実施形態の音波信号の波形を示す図。第１実施形態の合成音波信号と包絡線の波形を示す図。位置計測方法を示すフローチャート。音波送信装置が実行する処理を示すフローチャート。受信端末が実行する処理を示すフローチャート。第２実施形態の音波信号の波形を示す図。第２実施形態の合成音波信号と包絡線の波形を示す図。第２実施形態の送信調整部の変形例を示す図。第３実施形態の音波信号の波形を示す図。第３実施形態の合成音波信号と包絡線の波形を示す図。

（第１実施形態）
以下、本実施形態を添付図面に基づいて説明する。まず、第１実施形態の位置計測装置について図１から図１０を用いて説明する。図１の符号１は、位置計測装置（測位システム）である。

図１に示すように、本実施形態の位置計測装置１は、工場またはプラントに設けられる建物２の内部において、作業者３の位置を特定するために用いられる。なお、位置の特定の対象となるものは、作業者３のみならず、その他のものであっても良い。例えば、建物２の内部にある台車または車両などの位置を特定するために、本実施形態の位置計測装置１を用いても良い。

建物２の内部は、床４と壁５と天井６に囲まれた閉鎖された空間である。天井６には、照明装置７が設けられるとともに、本実施形態の位置計測装置１に用いる複数の送信部８が設けられる。これらの送信部８は、音波信号Ｓ１〜Ｓ３（図２および図３照）を発するスピーカで構成される。送信部８から発せられる音波信号Ｓ１〜Ｓ３として、超音波を用いる。また、音波信号Ｓ１〜Ｓ３は、可聴音であっても良い。

本実施形態では、建物２の天井６に少なくとも３つ以上の送信部８が設けられる。このようにすれば、建物２の内部で作業を行うときに送信部８が邪魔にならずに済む。また、送信部８から送信される音波信号Ｓ１〜Ｓ３（図３参照）が建物２の内部の物品に遮蔽されないようになる。

なお、複数の送信部８は、グリッド状に配置されても良いし、ランダムに配置されても良い。それぞれの送信部８の平面視における位置（座標位置）は、予め特定されている。

作業者３は、音波信号Ｓ１〜Ｓ３を受信する受信端末９を所持している。この受信端末９が送信部８から送信された音波信号Ｓ１〜Ｓ３を受信することで、受信端末９の位置、即ち、作業者３の位置を特定することができる。受信端末９は、作業者３とともに移動可能な端末である。

音波信号Ｓ１〜Ｓ３が送信されるときには、任意の２つの送信部８Ａ，８Ｂが用いられる。任意の２つの送信部８Ａ，８Ｂから送信された２つの音波信号Ｓ１，Ｓ２は、空気中で合成されて１つの合成音波信号Ｒとなる（図２参照）。この合成音波信号Ｒが受信端末９により受信される。この合成音波信号Ｒには、一方の送信部８Ａから送信された音波信号Ｓ１に基づく情報と、他方の送信部８Ｂから送信された音波信号Ｓ２に基づく情報とが含まれる。そして、この合成音波信号Ｒの波形Ｗ３の包絡線Ｅ（図７参照）に基づいて、受信端末９の位置を特定することができる。

また、任意の２つの送信部８Ａ，８Ｂは、所定のタイミングで切り換るようになっている。最初に、任意の２つの送信部８Ａ，８Ｂから送信された音波信号Ｓ１，Ｓ２に基づいて、受信端末９の大凡の位置が特定される。さらに任意の２つの送信部８Ｂ，８Ｃから送信された音波信号Ｓ２，Ｓ３に基づいて、受信端末９の位置が特定される。これら２回の位置の特定を行うことにより、受信端末９の平面視における位置（座標位置）が正確に特定される。

本実施形態では、建物２の内部にある受信端末９の位置を特定する形態を例示しているが、その他の形態であっても良い。例えば、屋外であっても送信部８が設置された環境であれば、屋外にある受信端末９の位置を特定することができる。

次に、位置計測装置１のシステム構成を図２に示すブロック図を参照して説明する。位置計測装置１は、作業者３が携帯する受信端末９と、建物２の構造体に設置されて音波信号Ｓ１〜Ｓ３を送信する音波送信装置１０とを備える。

さらに、受信端末９から送信される無線信号Ｍを受信する無線通信装置１１と、この無線通信装置１１を介して受信端末９から位置情報を取得する管理コンピュータ１２が設けられる。なお、無線通信装置１１および管理コンピュータ１２は、建物２の内部の所定の場所に設けられる。

音波送信装置１０は、複数の送信部８と、これら送信部８から送信される音波信号Ｓ１〜Ｓ３を生成する信号生成部１３と、任意の２つの送信部８Ａ，８Ｂから送信される音波信号Ｓ１，Ｓ２の送信タイミングを調整する送信調整部１４と、音波送信装置１０を制御する音波制御部１５とを備える。

受信端末９は、合成音波信号Ｒを受信する受信部１６と、受信した合成音波信号Ｒの波形Ｗ３の包絡線Ｅ（図７参照）を求める包絡線処理部１７と、求められた包絡線Ｅに基づいて、一方の送信部８Ａから受信部１６までの距離ｄ１と他方の送信部８Ｂから受信部１６までの距離ｄ２の差を解析する解析部１８と、解析された結果に基づいて、受信部１６の位置を特定する位置特定部１９と、特定した位置情報を無線信号Ｍによって無線通信装置１１に送信する無線通信部２０と、受信端末９を制御する端末制御部２１とを備える。

包絡線処理部１７は、受信した合成音波信号Ｒを処理するハイパスフィルタ２２と、ハイパスフィルタ２２で処理した合成音波信号Ｒを検波する検波部２３と、検波された合成音波信号Ｒを処理するローパスフィルタ２４とを備える。

本実施形態のシステムは、プロセッサおよびメモリなどのハードウェア資源を有し、ＣＰＵが各種プログラムを実行することで、ソフトウェアによる情報処理がハードウェア資源を用いて実現されるコンピュータで構成される。さらに、本実施形態の位置計測方法は、プログラムをコンピュータに実行させることで実現される。

本実施形態の信号生成部１３は、音波信号Ｓ１，Ｓ２の振幅と、音波信号Ｓ１，Ｓ２の周波数と、音波信号Ｓ１，Ｓ２の位相とのうちの少なくともいずれか１つの変調を行うことができる。このようにすれば、２つの送信部８の位置の差による変化が、合成音波信号Ｒの波形Ｗ３の包絡線Ｅに現れるようになるので、２つの送信部８に対していずれの方向に受信部１６の位置があるのかを特定することができる。

本実施形態の端末制御部２１は、受信部１６で受信された音波信号Ｓ１〜Ｓ３が、いずれの送信部８から送信されたものであるかを特定する信号識別情報を予め記憶している。なお、音波信号Ｓ１〜Ｓ３にいずれの送信部８から送信されたものであるかを特定する信号識別情報を保持させても良い。また、位置特定部１９は、複数の送信部８の平面視における位置（座標位置）を予め記憶している。

次に、第１実施形態の位置計測方法を説明する。第１実施形態では、音波送信装置１０において、信号生成部１３が、振幅変調を行って正弦波に対して一定間隔で周波数が互いに異なる２つの音波信号Ｓ１，Ｓ２を生成する。つまり、信号生成部１３が、第１状態の音波信号Ｓ１を生成するとともに、この第１状態に対して特定量の差（周波数の差）を設けた第２状態の音波信号Ｓ２を生成する。

また、送信調整部１４は、一方の送信部８Ａから送信される音波信号Ｓ１の送信タイミングと、他方の送信部８Ｂから送信される音波信号Ｓ２の送信タイミングとを異ならせる。つまり、第１状態の送信タイミングの音波信号Ｓ１と、この第１状態の送信タイミングに対して特定量の差（送信タイミングのずれ）を設けた第２状態の送信タイミングの音波信号Ｓ２とが送信される。

このように、第１状態の音波信号Ｓ１が一方の送信部８Ａから送信されるとともに、第２状態の音波信号Ｓ２が他方の送信部８Ｂから送信される。

また、受信端末９において、解析部１８が、音波信号Ｓ１，Ｓ２が送信されるときのタイミングのずれと、一方の送信部８Ａから受信部１６までの距離ｄ１と他方の送信部８Ｂから受信部１６までの距離ｄ２の差と、によって生じる包絡線Ｅの変動時間ｔａの変化を解析する。そして、位置特定部１９が、包絡線Ｅの変動時間ｔａの変化に基づいて、受信部１６の位置を特定する。

なお、変動時間ｔａとは、波形において包絡線Ｅが変動している部分（乱れている）部分の時間のことを示す。

図３から図５に示すように、第１送信部８Ａと第２送信部８Ｂと第３送信部８Ｃの３つの送信部８が設けられた態様を例示する。なお、図３から図５は、平面視における送信部８および受信部１６の位置関係をＸ軸とＹ軸の座標系で示している。

まず、第１送信部８Ａから音波信号Ｓ１が送信されるとともに、第２送信部８Ｂから音波信号Ｓ２が送信され、これらの音波信号Ｓ１，Ｓ２に基づいて受信部１６の位置を特定する処理を説明する。ここで、第１送信部８Ａと第２送信部８Ｂとの中間点を座標の原点とし、第１送信部８Ａと第２送信部８Ｂとの間の中心線をＸ軸とし、第１送信部８Ａと第２送信部８Ｂとの２点を通過する線（中心線に直交する線）をＹ軸として説明する。

音波送信装置１０の信号生成部１３は、正弦波に対して一定間隔で振幅変調した２つの周波数の音波信号Ｓ１，Ｓ２を生成する。例えば、座標（０,ａ）に設置された第１送信部８Ａが、音波信号Ｓ１を送信し、座標（０,−ａ）に設置された第２送信部８Ｂが、音波信号Ｓ２を送信する。

受信端末９の受信部１６は、所定の座標（ｘ，ｙ）にあるとする。ここで、受信部１６は、２つの音波信号Ｓ１，Ｓ２が空気中で合成された合成音波信号Ｒを受信する。そして、受信端末９は、受信した合成音波信号Ｒに基づいて、受信部１６の座標（ｘ，ｙ）を求める。

第１送信部８Ａから受信部１６までの距離ｄ１と、第２送信部８Ｂから受信部１６までの距離ｄ２とは、以下の数式（１）および数式（２）で表される。

d1²=x²+(y-a)² （１）
d2²=x²+(y+a)² （２）

図６（Ａ）は、第１送信部８Ａから送信される音波信号Ｓ１の波形Ｗ１である。図６（Ｂ）は、第２送信部８Ｂから送信される音波信号Ｓ２の波形Ｗ２である。図７は、合成音波信号Ｒの波形Ｗ３である。なお、第１実施形態では、音波信号Ｓ１，Ｓ２が間欠的に送信される。

信号生成部１３は、正弦波に対して一定間隔Ｔで振幅変調し、周波数（ｆ_０＋ｗ）の音波信号Ｓ１と、周波数（ｆ_０−ｗ）の音波信号Ｓ２との２つの音波信号Ｓ１，Ｓ２を生成する。

S1＝2nT+C<t<2nT+T/2+Cのとき、
sin(2π(f₀+w)t) （３）
となる。
それ以外のとき、０となる。

S2＝2nT-C<t<2nT+T/2-Cのとき、
sin(2π(f₀-w)t) （４）
となる。
それ以外のとき、０となる。

ここで、Ｃは、音波信号Ｓ１，Ｓ２の送信タイミングのずれ（ずらし時間）である。この送信タイミングのずれＣは、送信調整部１４にて調整される。つまり、送信調整部１４は、一方の送信部８Ａから音波信号Ｓ１が送信されるタイミングと他方の送信部８Ｂから音波信号Ｓ２が送信されるタイミングとを異ならせる。

この送信タイミングのずれＣは、受信部１６の存在が予め想定される測位範囲Ｈに応じて設定される。例えば、図４に示すように、送信タイミングのずれＣを設定しておくことで、測位範囲Ｈにおいて、一方の送信部８Ａと他方の送信部８Ｂの間を通過する中心線（Ｘ軸）で区分けされる一方の領域（Ｙがプラス値となる座標領域）と他方の領域（Ｙがマイナス値となる座標領域）とのうちのいずれの領域に受信部１６の位置が存在するのかを特定することができる。

なお、測位範囲Ｈは、一方の縁辺Ｈ１から他方の縁辺Ｈ２に亘って設定される範囲である。送信タイミングのずれＣは、一方の縁辺Ｈ１を基準として設定される。この送信タイミングのずれＣを設定しておくことで、受信部１６の位置が座標の原点から見ていずれの方向にあるのかを把握することができる。

図２および図４に示すように、第１送信部８Ａから音波信号Ｓ１が送信されるとともに、第２送信部８Ｂから音波信号Ｓ２が送信される。ここで、それぞれの送信部８Ａ，８Ｂから送信された音波信号Ｓ１，Ｓ２が、受信部１６に到達するまで到達時間の時間差２Δは、以下の数式（５）で表される。

2Δ＝(d1-d2)/音速（５）

それぞれの送信部８Ａ，８Ｂから送信された音波信号Ｓ１，Ｓ２が空気中で合成されて合成音波信号Ｒとなって受信部１６で受信されるので、図７に示すように、合成音波信号Ｒ（受信信号）は、以下の数式（６）となる。

ここで、
R＝2nT+C+Δ<t<2nT+T/2+C+Δ、かつ、2nT-(C+Δ)<t<2nT+T/2-(C+Δ)のとき、
sin(2π(f₀+w)(t+C+Δ))+sin(2π(f₀-w)(t-(C+Δ)) （６）
となる。
それ以外のとき、０となる。

さらに数式（６）を変形すれば、
R=2nT+C+Δ<t<2nT+T/2+C+Δ、かつ、2nT-(C+Δ)<t<2nT+T/2-(C+Δ)のとき、
2cos2π(f₀(C+Δ)+wt)sin2π(f₀t+w(C+Δ)) （７）
となる。
それ以外のとき、０となる。

即ち、2nT+C+Δ<t<2nT+T/2-(C+Δ)の間、数式（７）に示す周波数２ｗの包絡線Ｅが得られる。

図８に示すように、受信端末９の包絡線処理部１７は、合成音波信号Ｒに対して、ハイパスフィルタ２２を用いて処理を行う。次に、検波部２３を用いて合成音波信号Ｒを検波する。さらに、ローパスフィルタ２４を用いて処理を行い、合成音波信号Ｒの波形Ｗ３の包絡線Ｅを得る。そして、解析部１８は、包絡線Ｅの変動時間ｔａを求める。さらに、解析部１８は、第１送信部８Ａから受信部１６までの距離ｄ１と第２送信部８Ｂから受信部１６までの距離ｄ２の差を求める。

測定される包絡線Ｅの変動時間ｔａは、
ta＝T/2−2(C+Δ) （８）
であるので、
送信部８Ａ，８Ｂから受信部１６までの距離に起因する時間差２Δは、
2Δ＝T/2−2C−ta （９）
から求めることができる。

数式（１）、数式（２）、数式（５）、数式（９）から、図４に示すように、受信部１６の位置は、
送信部８Ａ，８Ｂからの距離差＝2Δ×音速（１０）
の線Ｌ１上に位置することが分かる。

送信タイミングのずれＣは、数式（５）より、求める時間差Δの範囲により、Ｃ＋Δがマイナスにならないように予め決定されている。

周期Ｔは、数式（５）より、求める時間差Δの範囲により、Ｔ／２−２（Ｃ＋Δ）がマイナスにならないように予め決定されている。

図４に示すように、第１送信部８Ａから送信される音波信号Ｓ１と、第２送信部８Ｂから送信される音波信号Ｓ２とに基づいて、受信部１６の位置が存在する線Ｌ１が求められる。

次に、図５に示すように、第２送信部８Ｂから送信される音波信号Ｓ２と、第３送信部８Ｃから送信される音波信号Ｓ３とに基づいて、受信部１６の位置が存在する線Ｌ２を求める。

解析部１８は、第２送信部８Ｂから受信部１６までの距離ｄ２と第３送信部８Ｃから受信部１６までの距離ｄ３の差を求める。そして、これら２つの線Ｌ１，Ｌ２が交わる点が、受信部１６の位置として特定される。

第１実施形態では、包絡線Ｅの変動時間ｔａを求めればよいので、相互相関演算に比べて少ない計算量で受信部１６の位置の計測を行うことができる。そのため、受信端末９のバッテリの消耗を抑えることができる。

また、包絡線処理部１７が、ハイパスフィルタ２２と検波部２３とローパスフィルタ２４とを備える。このようにすれば、簡素なシステム構成で合成音波信号Ｒの波形Ｗ３の包絡線Ｅを求めることができる。

また、第１送信部８Ａから受信部１６までの距離ｄ１と第２送信部８Ｂから受信部１６までの距離ｄ２の差を解析する処理と、第２送信部８Ｂから受信部１６までの距離ｄ２と第３送信部ｄ３から受信部１６までの距離ｄ３の差を解析する処理との少なくとも２回の処理を行って受信部１６の位置を特定する。このようにすれば、受信部１６の位置を正確に特定することができる。

次に、第１実施形態の位置計測方法について図８のフローチャートを用いて説明する。なお、図１から図５を適宜参照する。この処理は、一定時間毎に繰り返される処理である。

まず、ステップＳ１１において、音波送信装置１０の信号生成部１３は、正弦波に対して一定間隔で振幅変調した２つの周波数の音波信号Ｓ１，Ｓ２を生成する。なお、送信調整部１４は、それぞれの音波信号Ｓ１，Ｓ２の送信タイミングを調整する。つまり、一方の送信部８Ａから送信される音波信号Ｓ１の送信タイミングと、他方の送信部８Ｂから送信される音波信号Ｓ２の送信タイミングとを異ならせる。

次のステップＳ１２において、第１送信部８Ａから音波信号Ｓ１が送信されるとともに、第２送信部８Ｂから音波信号Ｓ２が送信される。次のステップＳ１３において、２つの音波信号Ｓ１，Ｓ２が空気中で合成される。

次のステップＳ１４において、受信端末９の受信部１６は、合成音波信号Ｒを受信する。次のステップＳ１５において、包絡線処理部１７のハイパスフィルタ２２は、合成音波信号Ｒの波形Ｗ３の処理を行う。

次のステップＳ１６において、包絡線処理部１７の検波部２３が合成音波信号Ｒの波形Ｗ３の処理を行う。次のステップＳ１７において、包絡線処理部１７のローパスフィルタ２４は、合成音波信号Ｒの波形Ｗ３の処理を行い、合成音波信号Ｒの波形Ｗ３の包絡線Ｅが求められる。

次のステップＳ１８において、解析部１８は、包絡線Ｅの解析を行い、包絡線Ｅの変動時間ｔａを求める。次のステップＳ１９において、解析部１８は、変動時間ｔａに基づいて、第１送信部８Ａから受信部１６までの距離ｄ１と第２送信部８Ｂから受信部１６までの距離ｄ２の差を算出する。

次のステップＳ２０において、位置特定部１９は、受信部１６の位置が存在する線Ｌ１を求めることで、受信端末９（受信部１６）の大凡の位置が特定される。そして、処理を終了する。なお、この処理を２回以上繰り返すことで、受信端末９（受信部１６）の正確な位置が特定される。

次に、音波送信装置１０が実行する処理について図９のフローチャートを用いて説明する。なお、図１から図５を適宜参照する。この処理は、一定時間毎に繰り返される処理である。

まず、ステップＳ２１において、音波制御部１５は、現在時刻が１次送信タイミングであるか否かを判定する。ここで、１次送信タイミングでない場合（ステップＳ２１がＮＯ）は、後述のステップＳ２３に進む。一方、１次送信タイミングである場合（ステップＳ２１がＹＥＳ）は、次のステップＳ２２に進む。

次のステップＳ２２において、音波制御部１５は、第１送信部８Ａおよび第２送信部８Ｂからそれぞれ音波信号Ｓ１，Ｓ２を送信する処理を実行する。

次のステップＳ２３において、音波制御部１５は、現在時刻が２次送信タイミングであるか否かを判定する。ここで、２次送信タイミングでない場合（ステップＳ２３がＮＯ）は、処理を終了する。一方、２次送信タイミングである場合（ステップＳ２３がＹＥＳ）は、次のステップＳ２４に進む。

次のステップＳ２４において、音波制御部１５は、第２送信部８Ｂおよび第３送信部８Ｃからそれぞれ音波信号Ｓ２，Ｓ３を送信する処理を実行する。そして、処理を終了する。

次に、受信端末９が実行する処理について図１０のフローチャートを用いて説明する。なお、図１から図５を適宜参照する。この処理は、一定時間毎に繰り返される処理である。

まず、ステップＳ３１において、端末制御部２１は、現在時刻が１次受信タイミングであるか否かを判定する。ここで、１次受信タイミングでない場合（ステップＳ３１がＮＯ）は、後述のステップＳ３３に進む。一方、１次受信タイミングである場合（ステップＳ３１がＹＥＳ）は、次のステップＳ３２に進む。

次のステップＳ３２において、端末制御部２１は、第１送信部８Ａおよび第２送信部８Ｂから送信されたそれぞれの音波信号Ｓ１，Ｓ２を受信する処理を実行する。この処理において、位置特定部１９は、受信部１６の位置が存在する線Ｌ１を求める（図４参照）。

次のステップＳ３３において、端末制御部２１は、現在時刻が２次受信タイミングであるか否かを判定する。ここで、２次受信タイミングでない場合（ステップＳ３３がＮＯ）は、後述のステップＳ３５に進む。一方、２次受信タイミングである場合（ステップＳ３３がＹＥＳ）は、次のステップＳ３４に進む。

次のステップＳ３４において、端末制御部２１は、第２送信部８Ｂおよび第３送信部８Ｃから送信されたそれぞれの音波信号Ｓ２，Ｓ３を受信する処理を実行する。この処理において、位置特定部１９は、受信部１６の位置が存在する線Ｌ２を求める（図５参照）。

次のステップＳ３５において、端末制御部２１は、音波信号を受信する処理を２回以上実行したか否かを判定する。ここで、受信処理を２回以上実行していない場合（ステップＳ３５がＮＯ）は、処理を終了する。一方、受信処理を２回以上した場合（ステップＳ３５がＹＥＳ）は、次のステップＳ３６に進む。

次のステップＳ３６において、位置特定部１９は、線Ｌ１，Ｌ２が交わる点を受信部１６の位置として特定する。なお、無線通信部２０は、受信端末９（受信部１６）の位置情報を管理コンピュータ１２に向けて送信する。そして、処理を終了する。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態の位置計測装置１および位置計測方法について図１１から図１２を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。さらに、図１から図５を適宜参照する。

図１１（Ａ）は、第１送信部８Ａから送信される音波信号Ｓ１の波形Ｗ１である。図１１（Ｂ）は、第２送信部８Ｂから送信される音波信号Ｓ２の波形Ｗ２である。図１２は、合成音波信号Ｒの波形Ｗ３である。

第２実施形態では、音波送信装置１０において、信号生成部１３が、周波数変調を行って正弦波に対して周波数が時間とともに増加または減少する２つの同一の周波数の音波信号Ｓ１，Ｓ２を生成する。なお、２つの音波信号Ｓ１，Ｓ２において、周波数および周波数の時間に応じた増減は、同一態様となっている。図１１では、周波数が時間とともに増加する波形を例示している。

また、受信端末９において、解析部１８が、音波信号Ｓ１，Ｓ２が送信されるときのタイミングのずれと、一方の送信部８Ａから受信部１６までの距離ｄ１と他方の送信部８Ｂから受信部１６までの距離ｄ２の差と、によって生じる包絡線Ｅの周波数ｆｂの変化を解析する。そして、位置特定部１９が、包絡線Ｅの周波数ｆｂの変化に基づいて、受信部１６の位置を特定する。

図１１に示すように、第２実施形態の信号生成部１３は、正弦波に対して周波数が時間とともに増加（または減少）する２つの数の音波信号Ｓ１，Ｓ２を生成する。ここで、周波数増加の係数をｋとすると、音波信号Ｓ１，Ｓ２は、以下の数式（１１）および数式（１２）で表される。

S1＝sin2π(f₀(t+C)+k/2(t+C)²) （１１）
S2＝sin2π(f₀(t-C)+k/2(t-C)²) （１２）

ここで、Ｃは、音波信号Ｓ１，Ｓ２の送信タイミングのずれ（ずらし時間）である。

２つの送信部８Ａ，８Ｂは、それぞれ音波信号Ｓ１，Ｓ２を送信する。これらの送信部８Ａ，８Ｂからそれぞれ音波信号Ｓ１，Ｓ２が受信部１６に到達するまでの時間差２Δとする。ここで、２つの送信部８Ａ，８Ｂから送信された音波信号Ｓ１，Ｓ２が空気中で合成される。

この合成音波信号Ｒが受信部１６で受信される。図１２に示すように、合成音波信号Ｒは、以下の数式（１３）となる。
R＝sin2π(f₀(t+C+Δ)+k/2(t+C+Δ)²)
+sin2π(f₀(t-(C+Δ))+k/2(t-(C+Δ))²) （１３）

さらに変形すれば、数式（１３）は、以下の数式（１４）となる。
R＝2cos2π(f₀(C+Δ)+k(C+Δ)t)sin2π(f₀t+k/2t²+k/2(C+Δ)²) （１４）

即ち、数式（１５）に示す周波数２ｋ（Ｃ＋Δ）の合成音波信号Ｒの波形Ｗ３の包絡線Ｅが得られる。

包絡線Ｅの周波数ｆｂは、
fb＝2k(C+Δ) （１５）
であるので、送信部８Ａ，８Ｂから受信部１６までの距離に起因する時間差２Δは、
2Δ＝fb/k-2C （１６）
から求めることができる。

よって、受信部１６は、送信部８Ａ，８Ｂからの距離差＝２Δ×音速の線Ｌ１上に位置することが分かる。

送信タイミングのずれＣは、数式（１５）より、求める時間差Δの範囲により、Ｃ＋Δがマイナスにならないように予め決定されている。

第２実施形態では、包絡線Ｅの周波数ｆｂを求めるので、ノイズに強い位置の計測が可能になる。また、相互相関演算に比べて少ない計算量で受信部１６の位置の計測を行うことができる。そのため、受信端末９のバッテリの消耗を抑えることができる。

次に、第２実施形態の位置計測方法について説明する。前述の第１実施形態の図８のフローチャートを用いて説明する。第２実施形態では、ステップＳ１１、ステップＳ１８およびステップＳ１９の処理が、第１実施形態と異なり、それら以外のステップの処理は、前述の第１実施形態と同一である。

ステップＳ１１において、音波送信装置１０の信号生成部１３は、正弦波に対して周波数が時間とともに増加または減少する２つの音波信号Ｓ１，Ｓ２を生成する。なお、送信調整部１４は、それぞれの音波信号Ｓ１，Ｓ２の送信タイミングを調整する。つまり、一方の送信部８Ａから送信される音波信号Ｓ１の送信タイミングと、他方の送信部８Ｂから送信される音波信号Ｓ２の送信タイミングとを異ならせる。

ステップＳ１８において、解析部１８は、包絡線Ｅの解析を行い、包絡線Ｅの周波数ｆｂを求める。次のステップＳ１９において、解析部１８は、周波数ｆｂに基づいて、第１送信部８Ａから受信部１６までの距離ｄ１と第２送信部８Ｂから受信部１６までの距離ｄ２の差を算出する。

次に、図１３を用いて第２実施形態の送信調整部の変形例を説明する。この変形例の音波送信装置１０Ａは、信号生成部１３Ａと、この信号生成部１３Ａに接続されるスピーカ２５と、スピーカ２５から音が入力される分岐部２６と、分岐部２６から２方向に分かれた２つの音通過管２７Ａ，２７Ｂ（伝声管）と、それぞれの音通過管２７Ａ，２７Ｂの端部に設けられたラッパ状を成す送信部８Ｄ，８Ｅとを備える。

信号生成部１３で生成された１つの音波信号は、スピーカ２５を用いて出力される。このスピーカ２５から発せられた音波信号は、分岐部２６で２方向に分かれて、２つの音通過管２７Ａ，２７Ｂを通過する。そして、それぞれの送信部８Ｄ，８Ｅから音波信号Ｓ１，Ｓ２として送信される。

それぞれの音通過管２７Ａ，２７Ｂの通過経路Ｐ１，Ｐ２は、それぞれ長さが異なっている。一方の通過経路Ｐ１よりも、他方の通過経路Ｐ２が長くなっている。そのため、一方の通過経路Ｐ１を通過して一方の送信部８Ｄから送信される音波信号Ｓ１は、他方の通過経路Ｐ２を通過して他方の送信部８Ｅから送信される音波信号Ｓ２よりも遅れて送信される。この遅れが、前述の音波信号Ｓ１，Ｓ２の送信タイミングのずれ（ずらし時間）Ｃと同じなるように構成されている。

この変形例では、音通過管２７Ａ，２７Ｂが、スピーカ２５から一方の送信部８Ｄまでの音波信号の通過経路Ｐ１よりもスピーカ２５から他方の送信部８Ｅまでの音波信号の通過経路Ｐ２を長くしている。これらの長さが異なる２つの音通過管２７Ａ，２７Ｂが送信調整部を構成する。このようにすれば、長さが異なる２つの音通過管２７Ａ，２７Ｂという簡素な構成で送信調整部を設けることができる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態の位置計測装置１および位置計測方法について図１４から図１５を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。さらに、図１から図５を適宜参照する。

図１４（Ａ）は、第１送信部８Ａから送信される音波信号Ｓ１の波形Ｗ１である。図１４（Ｂ）は、第２送信部８Ｂから送信される音波信号Ｓ２の波形Ｗ２である。図１５は、合成音波信号Ｒの波形Ｗ３である。

第３実施形態では、音波送信装置１０において、信号生成部１３が、位相変調を行って正弦波に対して位相が互いに異なる２つの音波信号Ｓ１，Ｓ２を生成する。つまり、信号生成部１３が、第１状態の音波信号Ｓ１を生成するとともに、この第１状態に対して特定量の差（位相の差）を設けた第２状態の音波信号Ｓ２を生成する。

なお、第３実施形態の送信調整部１４は、一方の送信部８Ａから送信される音波信号Ｓ１の送信タイミングと、他方の送信部８Ｂから送信される音波信号Ｓ２の送信タイミングとを同じにする。

また、受信端末９において、解析部１８が、音波信号Ｓ１，Ｓ２が生成されるときの位相のずれと、一方の送信部８Ａから受信部１６までの距離ｄ１と他方の送信部８Ｂから受信部１６までの距離ｄ２の差と、によって生じる包絡線Ｅの位相の変化を解析する。そして、位置特定部１９が、包絡線Ｅの位相の変化に基づいて、受信部１６の位置を特定する。

図１４に示すように、第３実施形態の信号生成部１３は、正弦波に対して位相が互いに異なる２つの数の音波信号Ｓ１，Ｓ２を生成する。音波信号Ｓ１，Ｓ２は、以下の数式（１７）および数式（１８）で表される。

S1＝sin(2πf₀t+φ) （１７）
S2＝sin(2πf₀t-φ) （１８）

この合成音波信号Ｒが受信部１６で受信される。図１５に示すように、合成音波信号Ｒは、以下の数式（１９）となる。
R＝sin(2πf₀(t+Δ)+φ)+sin(2πf₀(t-Δ)-φ) （１９）

さらに変形すれば、数式（１９）は、以下の数式（２０）となる。
R＝2cos(2πf₀Δ+φ)sin2π(f₀t) （２０）

ここで、φを−π〜πまで変化させて包絡線Ｅが最大値になったときに、
2πf₀Δ＝φ （２１）
であるから、送信部８Ａ，８Ｂから受信部１６までの距離に起因する時間差２Δは、
2Δ＝φ/(πf₀) （２２）
から求めることができる。

ここで、Δの範囲が小さい場合に、例えば、ｆ_０Δが±０．５の範囲の場合に高感度に測定が可能である。

第３実施形態では、包絡線Ｅの位相を求めるため、音波信号Ｓ１，Ｓ２の波長以下の測定が可能になるので、数十ミリ単位の狭い範囲で受信部１６の位置を特定することができる。また、相互相関演算に比べて少ない計算量で受信部１６の位置の計測を行うことができる。そのため、受信端末９のバッテリの消耗を抑えることができる。

次に、第３実施形態の位置計測方法について説明する。前述の第１実施形態の図８のフローチャートを用いて説明する。第３実施形態では、ステップＳ１１、ステップＳ１８およびステップＳ１９の処理が、第１実施形態と異なり、それら以外のステップの処理は、前述の第１実施形態と同一である。

ステップＳ１１において、音波送信装置１０の信号生成部１３は、正弦波に対して位相が互いに異なる２つの音波信号Ｓ１，Ｓ２を生成する。なお、送信調整部１４は、それぞれの音波信号Ｓ１，Ｓ２の送信タイミングを調整する。つまり、一方の送信部８Ａから送信される音波信号Ｓ１の送信タイミングと、他方の送信部８Ｂから送信される音波信号Ｓ２の送信タイミングとを同じにする。

ステップＳ１８において、解析部１８は、包絡線Ｅの解析を行い、包絡線Ｅの位相を求める。次のステップＳ１９において、解析部１８は、位相に基づいて、第１送信部８Ａから受信部１６までの距離ｄ１と第２送信部８Ｂから受信部１６までの距離ｄ２の差を算出する。

本実施形態に係る位置計測装置を第１実施形態から第３実施形態に基づいて説明したが、いずれか１の実施形態において適用された構成を他の実施形態に適用しても良いし、各実施形態において適用された構成を組み合わせても良い。

例えば、位置計測装置が、包絡線Ｅの変動時間ｔａに基づいて受信部１６の位置を求める第１実施形態と、包絡線Ｅの周波数ｆｂに基づいて受信部１６の位置を求める第２実施形態と、包絡線Ｅの位相に基づいて受信部１６の位置を求める第３実施形態とをそれぞれ切り換えて実行しても良い。例えば、通常時には、包絡線Ｅの変動時間ｔａ、または、包絡線Ｅの周波数ｆｂに基づいて受信部１６の位置を求めるようにし、数十ミリ単位の狭い範囲で受信部１６の位置を特定したい場合には、包絡線Ｅの位相に基づいて受信部１６の位置を求める態様に切り換えるようにしても良い。

なお、本実施形態のフローチャートにおいて、各ステップが直列に実行される形態を例示しているが、必ずしも各ステップの前後関係が固定されるものでなく、一部のステップの前後関係が入れ替わっても良い。また、一部のステップが他のステップと並列に実行されても良い。

本実施形態のシステムは、専用のチップ、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、またはＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサを高集積化させた制御装置と、ＲＯＭ（Read Only Memory）またはＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶装置と、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）またはＳＳＤ（Solid State Drive）などの外部記憶装置と、ディスプレイなどの表示装置と、マウスまたはキーボードなどの入力装置と、通信インターフェースとを備える。このシステムは、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成で実現できる。

なお、本実施形態のシステムで実行されるプログラムは、ＲＯＭなどに予め組み込んで提供される。もしくは、このプログラムは、インストール可能な形式または実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、メモリカード、ＤＶＤ、フレキシブルディスク（ＦＤ）などのコンピュータで読み取り可能な非一過性の記憶媒体に記憶されて提供するようにしても良い。

また、このシステムで実行されるプログラムは、インターネットなどのネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせて提供するようにしても良い。また、このシステムは、構成要素の各機能を独立して発揮する別々のモジュールを、ネットワークまたは専用線で相互に接続し、組み合わせて構成することもできる。

本実施形態では、２つの送信部８Ａ，８Ｂから送信された音波信号Ｓ１，Ｓ２をそれぞれ処理すること、つまり、音波信号Ｓ１，Ｓ２を解析するための処理を２回行う必要がない。そして、合成音波信号Ｒを解析するための１回の処理のみで、２つの送信部８Ａ，８Ｂとの距離ｄ１，ｄ２の差を求めることができる。そのため、計算量を低減することができる。

なお、本実施形態では、受信端末９の位置が特定される度に、その位置情報が管理コンピュータ１２に送信されているが、その他の態様であっても良い。例えば、建物２の内部での作業開始時から作業終了時までの期間の位置情報を全て受信端末９が記憶しておき、作業終了後に記憶した位置情報を一括して管理コンピュータ１２に送信しても良い。また、受信端末９を管理コンピュータ１２に直に接続して位置情報を転送しても良い。

なお、本実施形態では、２つの送信部８Ａ，８Ｂから同時にそれぞれ送信された２つの音波信号Ｓ１，Ｓ２が空気中で合成されて１つの合成音波信号Ｒとなり、この合成音波信号Ｒを受信部１６が受信することで、受信部１６の位置を特定しているが、その他の態様であっても良い。例えば、３つ以上の送信部から同時にそれぞれ送信された３つ以上の音波信号が空気中で合成されて１つの合成音波信号となり、この合成音波信号を受信部が受信することで、受信部の位置を特定しても良い。

以上説明した少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも２つの送信部から音波信号が送信され、これらの音波信号が空気中で合成されて１つの合成音波信号となり、この合成音波信号を受信する受信部を備えることにより、音波信号を用いて位置の特定を行うときの計算量を低減することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…位置計測装置、２…建物、３…作業者、４…床、５…壁、６…天井、７…照明装置、８（８Ａ〜８Ｅ）…送信部、９…受信端末、１０（１０Ａ）…音波送信装置、１１…無線通信装置、１２…管理コンピュータ、１３（１３Ａ）…信号生成部、１４…送信調整部、１５…音波制御部、１６…受信部、１７…包絡線処理部、１８…解析部、１９…位置特定部、２０…無線通信部、２１…端末制御部、２２…ハイパスフィルタ、２３…検波部、２４…ローパスフィルタ、２５…スピーカ、２６…分岐部、２７Ａ，２７Ｂ…音通過管、Ｅ…包絡線、Ｈ…測位範囲、Ｈ１，Ｈ２…測位範囲の縁辺、Ｌ１，Ｌ２…線、Ｍ…無線信号、Ｐ１，Ｐ２…通過経路、Ｒ…合成音波信号、Ｓ１〜Ｓ３…音波信号、Ｗ１〜Ｗ３…波形。

Claims

少なくとも２つの送信部からそれぞれ送信された音波信号が空気中で合成されて１つの合成音波信号となり、この合成音波信号を受信する受信部と、
前記受信した合成音波信号の包絡線を求める包絡線処理部と、
前記求められた包絡線に基づいて、一方の前記送信部から前記受信部までの距離と他方の前記送信部から前記受信部までの距離の差を解析する解析部と、
前記解析された結果に基づいて、前記受信部の位置を特定する位置特定部と、
を備え、
第１送信部と第２送信部と第３送信部とを含む少なくとも３つ以上の前記送信部から前記音波信号が送信可能であり、
前記解析部は、
前記第１送信部から前記受信部までの距離と前記第２送信部から前記受信部までの距離の差を解析する処理と、
前記第２送信部から前記受信部までの距離と前記第３送信部から前記受信部までの距離の差を解析する処理と、
の少なくとも２回の処理を行う、
位置計測装置。
第１状態の前記音波信号を生成するとともに、前記第１状態に対して特定量の差を設けた第２状態の前記音波信号を生成する信号生成部を備え、
第１状態の前記音波信号が一方の前記送信部から送信されるとともに、第２状態の前記音波信号が他方の前記送信部から送信される請求項１に記載の位置計測装置。
前記送信部から送信される前記音波信号を生成する信号生成部を備え、
前記信号生成部が、前記音波信号の振幅と、前記音波信号の周波数と、前記音波信号の位相と、のうちの少なくともいずれか１つの変調を行う請求項１または請求項２に記載の位置計測装置。
前記送信部から送信される前記音波信号を生成する信号生成部と、
一方の前記送信部から前記音波信号が送信されるタイミングと他方の前記送信部から前記音波信号が送信されるタイミングとを異ならせる送信調整部と、
を備え、
前記信号生成部が、振幅変調を行って正弦波に対して一定間隔で周波数が互いに異なる２つの前記音波信号を生成し、
前記解析部が、前記音波信号が送信されるときのタイミングのずれと、一方の前記送信部から前記受信部までの距離と他方の前記送信部から前記受信部までの距離の差と、によって生じる前記包絡線の変動時間を解析し、
前記位置特定部が、前記包絡線の変動時間に基づいて、前記受信部の位置を特定する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の位置計測装置。
前記送信部から送信される前記音波信号を生成する信号生成部と、
一方の前記送信部から前記音波信号が送信されるタイミングと他方の前記送信部から前記音波信号が送信されるタイミングとを異ならせる送信調整部と、
を備え、
前記信号生成部が、周波数変調を行って正弦波に対して周波数が時間とともに増加または減少する前記音波信号を生成し、
前記解析部が、前記音波信号が送信されるときのタイミングのずれと、一方の前記送信部から前記受信部までの距離と他方の前記送信部から前記受信部までの距離の差と、によって生じる前記包絡線の周波数を解析し、
前記位置特定部が、前記包絡線の周波数に基づいて、前記受信部の位置を特定する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の位置計測装置。
前記送信部から送信される前記音波信号を生成する信号生成部を備え、
前記信号生成部が、位相変調を行って正弦波に対して位相が互いに異なる２つの前記音波信号を生成し、
前記解析部が、前記音波信号が生成されるときの位相のずれと、一方の前記送信部から前記受信部までの距離と他方の前記送信部から前記受信部までの距離の差と、によって生じる前記包絡線の位相を解析し、
前記位置特定部が、前記包絡線の位相に基づいて、前記受信部の位置を特定する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の位置計測装置。
前記包絡線処理部が、
前記受信した合成音波信号を処理するハイパスフィルタと、
前記ハイパスフィルタで処理した合成音波信号を検波する検波部と、
前記検波された合成音波信号を処理するローパスフィルタと、
を備える請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の位置計測装置。
建物の内部に存在する移動可能な端末に前記受信部が設けられ、前記建物の天井に少なくとも３つ以上の前記送信部が設けられる請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の位置計測装置。
１つのスピーカから出力された１つの前記音波信号が２つの前記送信部から送信され、
前記送信調整部が、前記スピーカから一方の前記送信部までの前記音波信号の通過経路よりも前記スピーカから他方の前記送信部までの前記音波信号の通過経路を長くする音通過管から成る請求項５に記載の位置計測装置。
少なくとも２つの送信部からそれぞれ送信された音波信号が空気中で合成されて１つの合成音波信号となるステップと、
この合成音波信号を受信部で受信するステップと、
前記受信した合成音波信号の包絡線を求めるステップと、
前記求められた包絡線に基づいて、一方の前記送信部から前記受信部までの距離と他方の前記送信部から前記受信部までの距離の差を解析するステップと、
前記解析された結果に基づいて、前記受信部の位置を特定するステップと、
を含み、
第１送信部と第２送信部と第３送信部とを含む少なくとも３つ以上の前記送信部から前記音波信号が送信可能であり、
前記解析するステップでは、
前記第１送信部から前記受信部までの距離と前記第２送信部から前記受信部までの距離の差を解析する処理と、
前記第２送信部から前記受信部までの距離と前記第３送信部から前記受信部までの距離の差を解析する処理と、
の少なくとも２回の処理を行う、
位置計測方法。