(57)【要約】【課題】  各々が超音波信号を送信及び受信できる複数の対象を含んだ２方向超音波位置決め及びナビゲーション・システムを提供する。【解決手段】  第１の対象は開始超音波信号を送信し開始超音波信号に応答する第２の対象を識別する。第２の対象は開始超音波信号を受信してから所定時間の遅延の後に応答超音波信号を送信する。第１の対象は応答超音波信号を受信し、そして、第１の対象と第２の対象との間の距離を開始超音波信号の送信で開始され応答超音波信号の受信で終了する時間間隔と、所定時間の遅延に関する知識と、前もって知られた遅延時間以外の知識とに基づいて決定する。
2005516190.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々が超音波信号を送信及び受信するように構成された複数の対象を持つ位置決めシステムを操作する方法であって、
複数の対象中の第１の対象から開始超音波信号を送信し、この開始超音波信号は開始超音波信号に応答する複数の対象中の第２の対象を識別するコードを含み、
複数の対象中の第２の対象から応答超音波信号を送信し、
応答超音波信号を複数の対象中の第１の対象で受信し、
開始超音波信号の送信で開始し応答超音波信号の受信で終了する時間間隔に基づいて、複数の対象中の第１の対象と第２の対象の間の距離を決定する、
ことを含む方法。
【請求項２】
応答超音波信号は、複数の対象中の第２の対象で開始超音波信号が受信されてから所定時間の遅延の後に送信される請求項１に記載の方法。
【請求項３】
応答超音波信号は、開始超音波信号が受信された方向へ送信される請求項２に記載の方法。
【請求項４】
開始超音波信号が、複数の超音波信号の中から受信されて、複数の超音波信号の各々について計算された良好度指数に基づいて複数の超音波信号の中から選択される請求項１に記載の方法。
【請求項５】
応答超音波信号が、その応答超音波信号を送信した対象を識別するために符号化されている請求項１に記載の方法。
【請求項６】
各々が超音波信号を送信及び受信するように構成された複数の対象を持つ位置決めシステムを操作する方法であって、
複数の対象中の第１の対象から開始超音波信号を送信し、この開始超音波信号は開始超音波信号を受信することを意図された複数の対象中の第２の対象を識別する無線周波数信号を同伴し、
複数の対象中の第２の対象から応答超音波信号を送信し、
応答超音波信号を複数の対象中の第１の対象で受信し、
開始超音波信号の送信で開始し応答超音波信号の受信で終了する時間間隔に基づいて、複数の対象中の第１の対象と第２の対象の間の距離を決定する、
ことを含む方法。
【請求項７】
複数の対象中の第２の対象は、複数の対象中の第２の対象を識別する無線周波数信号に後続する開始超音波信号を受信してから、遅延時間の後に応答超音波信号を送信する請求項６に記載の方法。
【請求項８】
超音波信号に同伴した無線周波数信号はさらに遅延時間についての情報を含む請求項７に記載の方法。
【請求項９】
応答超音波信号は、開始超音波信号が受信された方向へ送信される請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
応答超音波信号が、その応答超音波信号を送信した対象を識別する無線周波数信号を同伴する請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
各々が超音波信号を送信及び受信するように構成された２よりも多い数の複数の対象と、
複数の対象中の第１の対象上に配置されて開始超音波信号を送信するように構成された第１超音波アレイと、各開始超音波信号はその開始超音波信号に応答するための複数の対象中の別の１つを識別するコードを含み、
複数の対象中の第２の対象上に配置されて複数の対象中の第２の対象を識別するためにコード化された開始超音波信号に対して応答超音波信号を送信することにより応答するように構成された第２超音波アレイと、を含み
そして、第１超音波アレイは応答超音波信号を受信するように構成され且つ開始超音波信号の送信及び応答超音波信号の受信の間の時間間隔を記録するタイマーに接続されている、超音波位置決めシステム。
【請求項１２】
第２超音波アレイが異なる方向に向いた複数の超音波送受信機を含み、そして応答超音波信号が開始超音波信号を受信した超音波送受信機から送信される請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
応答超音波信号は、応答超音波信号が送信された対象を識別するために符号化されている請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
配置された前記第２超音波アレイが、複数の対象中の第２の対象を識別する開始超音波信号を受信してから所定時間の遅延の後に応答超音波信号を送信することにより、複数の対象中の第２の対象を識別する開始超音波信号に応答するようにプログラムされている請求項１１に記載のシステム。
【請求項１５】
複数の対象中の第１の対象上に配置されて、音速及びタイマーに記録された時間間隔に基づいて、複数の対象中の第１の対象と第２の対象との間の距離を計算するように構成されたプロセッサを、
さらに含む請求項１１に記載のシステム。
【請求項１６】
プロセッサに接続された温度及び湿度センサーをさらに含む請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
複数の対象中の第１の対象が位置決めされる移動プラットホームであり、複数の対象中の第２の対象が固定位置の複数のビーコンの１つである請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
音速が、ビーコン間超音波測定により決定される請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
各々が超音波信号を送信及び受信するように構成された複数の対象と、
複数の対象中の第１の対象上に配置されて、開始超音波信号を送信するように構成された第１超音波アレイと、
複数の対象中の第１の対象上に配置されて、開始超音波信号に応答することが意図された複数の対象中の別の１つを識別するために各開始超音波信号と共に無線周波数信号を送信するように構成された無線送信機と、
複数の対象の各々に配置された無線受信機と、
複数の対象中の第２の対象上に配置されて、複数の対象中の第２の対象を識別する無線周波数信号の受信に後続する開始超音波信号に応答するように構成された第２超音波アレイと、を含み
そして、第１超音波アレイは応答超音波信号を受信するように構成され且つ開始超音波信号の送信及び応答超音波信号の受信の間の時間間隔を記録するタイマーに接続されている、超音波位置決めシステム。
【請求項２０】
複数の対象中の第２の対象上に配置されて、応答超音波信号と共に第２の対象を識別する無線周波数信号を送信するように構成された無線送信機をさらに含む請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
複数の対象中の第２の対象上の超音波アレイが、複数の対象中の第２の対象を識別する無線周波数信号に後続する開始超音波信号の受信から遅延時間の後に応答超音波信号を送信する請求項１９に記載のシステム。
【請求項２２】
無線周波数信号がさらに遅延時間の情報を含む請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
複数の対象中の第１の対象が位置決めされる移動プラットホームであり、複数の対象中の第２の対象が固定位置の複数のビーコンの１つである請求項１９に記載のシステム。
【請求項２４】
複数のビーコンを持つ位置決めシステムを較正するための方法であって、
所定の制約の組に従いサービス体積内又は周りにビーコンを配置し、
ビーコン間の２方向超音波測定を使用してビーコン間距離の組を決定し、
座標フレームの原点を第１ビーコンに設定し、
座標フレームの１つの軸を第１ビーコンから第２ビーコンへの方向に沿って設定し、
第２ビーコンの最初の座標を第１ビーコンと第２ビーコンとの間の距離に基づいて決定し、
第３ビーコンの最初の座標を第１ビーコンと第２ビーコンとの間の距離、第２ビーコンと第３ビーコンとの間の距離、及び第３ビーコンと第１ビーコンとの間の距離に基づき、及び所定の制約に基づいて決定する、
ことを含む方法。
【請求項２５】
ビーコンについて最終座標を得るために、最初の座標を反復して改善することをさらに含む請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に移動プラットホームをナビゲートする方法及びシステムに関し、より詳細には、２方向超音波距離測定を利用したビーコンに基づく位置決め又はナビゲーション・システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
今日、固定ビーコンの組に対して移動対象を位置決め又はナビゲートするために空気中の超音波距離測定を利用することが広く行われている。これらのシステムの多くは、送信機から受信機までの超音波信号の伝搬時間測定を使用している。送信機は位置決めされるべき移動対象に置かれて、環境中に戦略的に置かれたビーコン上に受信機が設けられるか、又は、反対に送信機はビーコン上に置かれて受信機が移動対象上に置かれる。いくつかのシステムでは、主として送信機と受信機との間の時間同期目的のために、超音波信号は無線周波数信号を伴う。他のいくつかのシステムでは、超音波信号と無線周波数などの他の信号との伝搬時間の間の差が、各ビーコンと移動対象との間の距離を決定するために使用される。移動対象がビーコンに対して相当な速度で移動する状況では、送信された超音波信号の信号周波数のドップラー・シフトが、移動対象の位置と速度を決定する際の補助として使用される。
【０００３】
これらの従来のシステムでは、距離測定精度が、超音波信号の伝搬速度、すなわち、空気中の音速の正確な測定に依存している。空気中の音速は、雰囲気温度、湿度、及び風の影響など多くの要因に依存している。現在利用可能な温度計及び湿度計では、全波経路中の温度と湿度を測定することは困難であり、従って、超音波信号の全経路に沿って音速を予測することは困難である。さらに、風の流れの存在下では、既存のシステムは距離計算において大きな誤差を生じ、よって、位置決め誤差を生ずる。本発明は、従来技術の超音波距離測定システムのこれらの問題を解決する。
さらに、大部分の従来のナビゲーション・システムは、システムの設置者が、ビーコンの位置を調査して、その位置を手動でシステムに入力している。イー・レマスター及びエス・ロック著、「自己差動送受信機を用いたスードライト・アレイの自動較正」、インスティテュート・オブ・ナビゲーションＧＰＳ−９９会議、ナッシュビル、テネシー、１９９９年９月参照。いくつかのシステムは自動較正として分類されているが、まだ、ある正確な距離測定をユーザが実行することを要求している。エー・マハジャン及びエフ・フィゲロア著、「超音波を用いた３Ｄ位置検出システムの自動自己設置及び較正方法」、フレキシブル・オートメイションに関する日米シンポジウム、ボストン、１９９６年７月７−１０日、４５３−４６０頁参照。本発明は、また、従来技術システムのビーコン調査の必要性を無くしている。
【発明の開示】
【０００４】
本発明のシステム及び方法は、風による音速変化を軽減する２方向超音波位置決め及びナビゲーションにより、上述した問題を解決する。さらに、２方向超音波距離測定技術は、プラットホーム間の時間同期の必要性を無くす。本発明の１つの実施の形態では、自律的な又は半自律的な装置又は移動プラットホームが、固定位置を持ついくつかのビーコンに対して位置決め又はナビゲートされる。位置決め応用は、２方向の超音波伝搬時間の測定を用いて移動プラットホームの局所化することを含む。ナビゲーション応用は、２方向の超音波伝搬時間の測定により決定された移動プラットホームの位置に基づいた増加センサーを使用して移動プラットホームを追跡することを含む。
【０００５】
本発明の１つの実施の形態によると、２方向超音波測定方法は、イニシエーターから開始超音波信号を送信し、開始超音波信号は意図された受け手を識別し、意図された受け手が開始超音波信号を受信し、開始超音波信号の受信から所定時間の遅延の後に受け手から応答超音波信号を送信し、イニシエーターが応答超音波信号を受信し、そして、イニシエーターと受け手との間の距離を開始超音波信号の送信開始時と応答超音波信号の受信終了時の時間間隔と、所定時間の遅延及び開始と応答超音波信号の長さについての知識とに基づいて決定する。イニシエーターを移動プラットホームと関連付けし、受け手をビーコンの１つに関連付けしてもよく、又は、この反対としてもよく、若しくは、イニシエーターと受け手とを共にビーコンとしてもよい。
【０００６】
本発明の実施の形態によると、システムは移動プラットホーム上に好ましくは置かれたモジュールの第１組と、ビーコンの各々に好ましくは置かれたモジュールの第２組とを含む。モジュールのこの２組は、超音波信号により、そしていくつかの実施の形態ではＲＦ信号にもより、通信することで結合されている。モジュールの各組は、アナログ／デシタル変換器を介してデジタル信号プロセッサに接続された超音波アレイを含む。超音波アレイはさらに、超音波信号を送信し受信するための少なくとも１つの超音波送受信機又はトランスデューサ対を含む。デジタル信号プロセッサは、超音波信号の送信と受信を制御し、信号到着時間及び受信した超音波信号の品質についての良好度指数を計算することを含む。モジュールの第１組はさらに、２方向超音波伝搬時間測定に基づいて移動プラットホームの位置を決定するための位置決めアルゴリズムを実行するために、デジタル信号プロセッサに接続された中央処理ユニットを含む。
【０００７】
システムは、ビーコンの位置を決定するための手動の調査装置を必要としない自己較正にすることができる。複数のビーコンの位置を自己較正するための方法は、（１）ビーコン間超音波測定を用いてビーコン間の組の距離を測定するステップと、（２）座標システムの原点の第１ビーコンを設定するステップと、（３）座標システムの１つの軸上の第２ビーコンを設定し、そして第１ビーコンと第２ビーコンとの間の距離に基づいて第２ビーコンの座標を決定するステップと、（４）第３ビーコンの座標を、第１ビーコンと第２ビーコンとの間の距離、第２ビーコンと第３ビーコンとの間の距離、第３ビーコンと第１ビーコンとの間の距離及び第３ビーコンの位置についての所定の制約に基づいて、決定するステップと、（５）複数のビーコンの決定された位置を反復改善するステップとを含む。
【０００８】
（最良の形態の詳細な説明）
図１は、本発明の１つの実施の形態による２方向超音波位置決め及びナビゲーション・システム１００の全体を示すブロック図である。システム１００は、移動プラットホームＰ及びいくつかのビーコンＢ0、Ｂ1、・・・及びＢN-1を含む。ここで、Ｎは１よりも大きい整数であり（すなわち、少なくとも２）、好ましくは２よりも大きい。ビーコンＢ0、Ｂ1、・・・及びＢN-1は、調査された位置に置くことができる。代りに、ビーコンは任意の位置に置くことができる。そして、これらの位置は、以下に詳細に説明する初期システム自己較正手順の際にユーザ入力無しに、自動的に決定される。システム１００は、所定の地理的範囲又はサービス体積１０１内で、移動プラットホームＰを位置決めするため又は追跡するために２方向超音波伝搬時間の測定を実行する。
【０００９】
ビーコンＢ0、Ｂ1、・・・及びＢN-1の数Ｎは、地理的範囲１０１中で移動プラットホームＰの正確な位置決めを与えるために十分な数である。２次元（２Ｄ）構成では、超音波信号の伝搬速度が知られていると仮定すると、移動プラットホームＰの位置決め又はナビゲーションに必要なビーコンの最小数は２である。しかし、これは解決するのが困難な不明確さを生ずる。従って、典型的に、ビーコンが同一線上にはない態様で置かれる時、２次元構成に対する最小のビーコン数は３である。この考え方が図７に示されている。同様に、３次元（３Ｄ）位置決め又はナビゲーション・システムに対しては、必要なビーコンの最小数は３であるが、追加の知識が無いと解決困難な幾何学的な不明確さを持つ。このため、４つの（同一平面上にない）ビーコンを使用する。音の伝搬速度を正確に知ることができず、プラットホーム対ビーコン測定結果を用いて解く場合は、２Ｄ位置決め／ナビゲーション・システムについてはビーコンの最小数は４であり、３Ｄ位置決め／ナビゲーション・システムについてはビーコンの最小数は５である。本発明の１つの実施の形態では、ビーソン対ビーコン測定（後で詳細に説明する）が音速を計算するために使用される。ビーコンは、ビーコン間の測定が空気中の音速の変化の結果となるように、好ましくは固定位置にある。この測定は、位置決め又はナビゲーション・システムにより用いられる音速を更新するために、定期的に（例えば、５分毎に）実行される。
【００１０】
さらに、実際問題として、良い精度を与えるため、正確な位置決め解決を容易にするために良好な幾何学を提供するように配置されることを確保する必要があり、必要なビーコン数を増大する。ピー・ケー・レイ及びエイ・マハジャン著、「超音波位置推定システム中の受信機の最適位置を得るためのジェネテイック・アルゴリズム」、ロボテイックス及び自律システム、２００１年１月参照。また、測定誤差又は装置故障に対して整合性と頑健さをシステムに与えるため、追加のビーコンが正確さのために必要とみなされる数に加えることができる。もし、ビーコンのいずれかが全環境１０１中で見ることができない場合、サービス体積１０１のいずれの部分でも位置決め正確性が悪化しないことを保証するためにより多くのビーコンを追加しなければならない。
【００１１】
図１Ａは、本発明の実施の形態によるシステム１００のモジュールの第１組１１０を示すブロック図である。モジュールの第１組１１０は、好ましくは移動プラットホーム（プラットホーム）Ｐ上に置かれ、そして超音波信号を送信し受信するための超音波アレイ（アレイ）１１１を含む。また、モジュールの第１組１１０は好ましくは、１つ又は複数の音響トランスデューサ又は送受信機を持つ超音波アレイ１１１に接続されたアナログ・ツー・デジタル変換器（ＡＤＣ）１１２と、アナログ・ツー・デジタル変換器１１２に接続されたデジタル信号プロセッサ１１３と、デジタル信号プロセッサ１１３に接続された中央処理ユニット（ＣＰＵ）１１４とを含む。モジュールの第１組はさらに、ＣＰＵ１１４に接続されたメモリ・ユニット１１５と、ＣＰＵ１１４に接続されたユーザ・インターフェイス１１６とを含む。システム１００がプラットホームＰをナビゲートするために使用される時、モジュールの第１組１１０はさらに、移動体移動距離計制御及びフィードバック・センサー１１７ａと、センサー１１７ａ及びＣＰＵ１１４の間に接続されたフィールド・プログラム可能ゲートアレイ（ＤＳＰ）１１８とを含む。モジュールの第１組１１０はさらに、後に詳細に説明するように、無線周波数信号を使用してビーコンと通信するためにデジタル信号プロセッサ１１３に接続された無線周波数データ通信リンク１１９を含むことができる。モジュールの第１組１１０はさらに、モバイル・プラットホームＰの動きを正確にモデルするための情報を得るために、１つ又は複数のジャイロスコープと加速度計などの増加的ナビゲーション・センサー１１７ｂを含むことができる。
【００１２】
図１Ｂは、本発明の実施の形態によるシステム１００のモジュールの第２組１２０を示すブロック図である。モジュールの第２組１２０は好ましくは、ＮのビーコンＢ0、Ｂ1、・・・及びＢN-1の各々に置かれて、超音波信号を送信し受信するための１つ又は複数の音響トランジューサ又は送受信機を有する超音波アレイ１２１を含む。超音波アレイ１２１の音響トランスデューサ又は送受信機は、アナログ信号コンデイショニング回路１２２によりデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）１２３に接続されている。後で詳細に説明するように空気中の音速がシステム１００により決定される本発明の実施の形態の場合、モジュールの第２組１２０はさらにＤＳＰ１２３に接続された温度及び／又は相対湿度センサー１２４を含む。モジュールの第２組１２０はさらに、メモリ又はデータバンク１２８と無線周波数を使用してプラットホームＰ及び／又は他のビーコンと通信するためにデジタル信号プロセッサ１２３に接続された無線周波数データ通信リンク１２９を含むことができる。
【００１３】
アナログ信号コンデイショニング回路１１２又は１２２は、それぞれデジタル信号をアナログ信号に変換して、結果として得られたアナログ信号を超音波アレイ１１１又は１２１により送信するために条件を整える。また、アナログ信号コンデイショニング回路１１２又は１２２は、それぞれ超音波アレイ１１１又は１２１から受信されたアナログ信号をＤＳＰ１１３又は１２３により処理するためのデジタル信号に変換して条件を整える。
【００１４】
図１Ｃは、本発明の１つの実施の形態による（移動システム１１０又はビーコン１２０の）超音波アレイ１１１又は１２１を示すブロック図である。超音波アレイ１１１又は１２１は、１つ又は複数の超音波トランスデューサからなる。送信と受信に対して別のトランスデューサがあっても良く、又は、トランスデューサは送受信機として動作できる。図１Ｃにおいて、超音波アレイ１１１又は１２１は４つの送受信機又はトランスデューサ対１Ａ、１Ｂ、２Ａ、２Ｂを含み、１Ａと１Ｂは互いに背中合わせで置かれ、２Ａと２Ｂは互いに背中合わせで且つ１Ａと１Ｂに対して直交して置かれていて、４つのトランスデューサ対が４つの異なる水平方向に対向している。超音波アレイ１１１と１２１は異なる応用のために異なって構成できるより多い又は少ない送受信機又はトランスデューサを含むことができるので、図１Ｃは、単に超音波アレイ１１１と１２１の多くの可能な構成の１つを示す。
【００１５】
多くの場合、プラットホーム又はビーコンの超音波信号の発信元は、超音波信号の意図された受信先の相対的方向の知識を持たない。従って、どの送受信機又はトランスデューサを使用して超音波信号を送信するかを知らない。意図された受け手に超音波信号が確実に受信されるようにする１つの方法は、アレイ１１１又は１２１の全てのトランスデューサ対から出力することである。アレイの複数のトランスデューサから同時に送信する時、信号打消し効果を避けるために十分なトランスデューサ・ビーム分離を確保するための注意をする必要がある。この結果、しばしば、１測定サイクル以上が必要とされる。本発明の好適な実施の形態では、超音波信号は一時に送受信機対１Ａと１Ｂから放送され、そしてその後に送受信機２Ａと２Ｂから放送される。
【００１６】
いくつかの応用では、超音波信号の発信元は意図された受信アレイに関する位置について大体の知識を持ち、そして成功的なリンク・クロージャのために送信する最適なトランスデューサの知識を持つ。
【００１７】
アレイ１１１又は１２１中のトランスデューサは、それぞれアナログ信号コンデイショニング回路１１２又は１２２を介して、デジタル信号プロセッサ１１３又は１２３に接続されている。アナログ信号コンデイショニング回路１２２は、受信信号をデジタル信号プロセッサ１２３により使用されるデジタル形式に変換するアナログ・ツー・デジタル変換器（ＡＤＣ）１２６を含む。また、回路１２２は、超音波アレイ１２１のトランスデューサ対に送られるアナログ信号へデジタル信号を変換するためのデジタル・ツー・アナログ変換器１２７を含む。回路１１２は同様に構成されている。デジタル信号プロセッサ１１３又は１２３は、各受信信号の品質についての良好度指数と信号到着時間を計算することを含み、信号の送信と受信を制御できる。デジタル信号プロセッサ１１３はさらに、後に説明するような位置決め／ナビゲーション・アルゴリズムを実行するＣＰＵ１１４に接続されている。
【００１８】
図２は、本発明の１つの実施の形態によるイニシエーターと応答者の間の２方向伝搬時間測定サイクル２００を示す。説明を簡単にするため、イニシエーターはプラットホームＰであると仮定し、応答者は１つのビーコン、例えば、Ｂ0と仮定する。しかし、もし、イニシエーターが１つのビーコンとし、応答者がプラットホームＰ又は別のビーコンである場合、後の説明に僅かな修正が必要である。図２に示すような２方向伝搬時間測定サイクル２００において、プラットホームＰは時間０で、信号期間ＴSを持つ少なくとも１つの開始超音波信号を送信する。超音波信号２１０の送信に対応して、プラットホームＰはタイマーを時間Ｔstart＝ＴSで開始する。ビーコンＢ0が超音波信号２１０の受信を時間Ｔp,orで成功したと仮定する。ビーコンＢ0は、短い固定時間遅延Ｔdの後、プラットホームＰへ少なくとも１つの応答超音波信号２２０を送信することにより、プラットホームＰに応答する。応答超音波信号２２０は開始超音波信号２１０と同じ又は異なる信号期間を持つ。同じビーコンによりほぼ同時刻に複数の識別可能な超音波信号を受信した時、ビーコンは各受信信号について良好度指数を内部的に計算して、どの受信信号が最大の良好度指数を有するかを決定し、内部的に計算された最大の良好度指数を持つ受信信号に対してのみ応答する。後でより詳細に良好度指数の決定について説明する。本発明の１つの実施の形態では、ビーコンＢ0上の超音波アレイ１２１は、複数の送受信機又はトランスデューサ対を含み、ビーコン上の１つの送受信機又はトランスデューサが他より前に信号を検出する。ビーコンＢ0は、信号の複数経路影響を無くするために最初に到着した開始超音波信号にのみ応答する。信号の複数経路は別の対象に衝突してその対象からビーコンＢ0へ反射されることにより発生する。
【００１９】
プラットホームＰで応答超音波信号２２０の検出が成功したと仮定すると、信号到着時のタイマーの時間（ＴSTOP）が記録される。２方向伝搬時間が、ＴSTOPから、固定時間遅延、信号期間、及び他の処理遅延（予め知られている）を引算することで計算できる。２方向伝搬時間測定は、プラットホームとビーコンＢ0の間の距離に、２方向伝搬時間を半分にして得られる伝搬時間に空気中の音速を掛算することにより、変換される。典型的に、上記プロセスが繰返されて、プラットホームＰが次に見える他のビーコンの各々と通信する。本発明のさらなる実施の形態では、後で詳述するように、時々、プラットホームは複数のビーコンへ信号を送ることができる。この場合、開始又は応答超音波信号が、いずれのビーコンＢ0、Ｂ1、・・・及びＢN-1又はプラットホームＰのいずれにおいても、過剰な自己干渉（信号受信の成功を妨げる）を発生しないことを保証するための特別な注意が取られる。
【００２０】
（ｘo、ｙo、ｚo）と（ｘr、ｙr、ｚr）にそれぞれ位置するプラットホームＰと１つのビーコン、例えば、Ｂ0、の間の一方向伝搬時間測定は次のように得られる。
【００２１】
【数１】
2005516190.tif 000003
【００２２】
ここで、ｃorは、プラットホームＰからビーコンＢ0への経路に沿った平均音速を表し、そしてｄorはプラットホームＰからビーコンＢ0への距離である。上記表現は三次元応用を仮定している。プラットホームと全てのビーコンが同じ平面内に又はほぼ同じ平面内に位置する場合、第３番目の座標ｚは無視できる。同様にして、ビーコンＢ0からプラットホームＰと間の一方向伝搬時間測定は次のように得られる。
【００２３】
【数２】
2005516190.tif 000004
【００２４】
ここで、もし、プラットホームＰが静止又はゆっくりと動く、すなわち、その速度が空気中の音速よりもずっと遅い場合、ｄro＝ｄorである。上記表現では、ｃroは、ビーコンＢ0からプラットホームＰへの経路に沿った平均の音速を表す。空気中の音速は、環境センサーの指示と既知の解析的な式により計算できる、若しくは、ビーコン間、又は、プラットホームとビーコンの間、又は、両方の組合わせの２方向伝搬時間測定２００から決定できる。
【００２５】
音速に対する風効果は、後で説明するように、２方向超音波位置決め／ナビゲーション・システム１００を使用することにより、顕著に減少できる。空気中の音速の一次オーダー近似は次の式で得られる。
【数３】
2005516190.tif 000005
【００２６】
これはエッチ・ウェン及びピー・ベランジャー著、「超音波に基づいたロボット位置決め推定」、ＩＥＥＥトランザクション・オン・ロボテイックスアンドエステイメーション、Ｖｏｌ．１３、Ｎｏ．５、１９９７年１０月に記載されている。上式で、
2005516190.tif 000006
Ｔは摂氏での雰囲気温度である。
2005516190.tif 000007
そして、ｃ0は温度０°での音速である（約３３１．４５ｍ／ｓ）。もし、
2005516190.tif 000008
2005516190.tif 000009
図３に示すように、
2005516190.tif 000010
2005516190.tif 000011
２つの一方向測定は、
【００２７】
【数４】
2005516190.tif 000012
【００２８】
及び
【００２９】
【数５】
2005516190.tif 000013
【００３０】
を与える。
【００３１】
すなわち、一方向システムにおける風効果に起因するタイミング誤差は、
2005516190.tif 000014
システム１００における２方向伝搬時間測定では、
【００３２】
【数６】
2005516190.tif 000015
【００３３】
であり、ここで、
2005516190.tif 000016
項が風効果によるタイミング誤差を表し、誤差は
2005516190.tif 000017
に比例すること意味する。すなわち、２方向システム１００におけるタイミング誤差は
2005516190.tif 000018
に比例する。通常の状態では、
2005516190.tif 000019
であり、２方向パラダイムは位置決め精度に顕著な改良を示す。従って、改良された距離測定と位置決めシステムの基礎を提供する。この長所を示す例が以下に説明される。
2005516190.tif 000020
2005516190.tif 000021
2005516190.tif 000022
【００３４】
【数７】
2005516190.tif 000023
【００３５】
明らかに、２方向測定距離ｄ+-が、風の流れに沿った一方向測定距離ｄ+又は風の流れに逆らった一方向測定距離ｄ-のいずれよりも正確である。この例は、２方向測定サイクルの際、プラットホームＰが静止したまま又はゆっくりと移動すると仮定している。従って、ビーコンとプラットホームの間の幾何学的関係は、実際の応用ではこの手法を有効とする、１秒以下ではおおよそ一定である。より高速で動く移動プラットホームに対しては、測定サイクル中の動きをナビゲーション・アルゴリズムの一部としてモデル化する必要がある。
【００３６】
本発明の１つの実施の形態では、システム１００は、複数のビーコンを含み、そして各超音波信号は１つのみの意図された受け手を持つ。この操作モードを容易にするため、超音波信号は、例えば、信号変調を用いてコード化される。少なくとも１つの独特のコードが各ビーコンに関連付けられる。いくつかの場合は、プラットホーム自身に関連付けられる。周知の変調技術は、周波数シフト・キーイング、位相シフト・キーイング、又は、パルス・ポジショニング（オン−オフ・キーイング）である。超音波トランスデューサ／送受信機及び関連の同調回路が信号設計を支援するために十分な帯域幅を提供するために構成される。好適な実施の形態では、超音波信号は、バイナリ位相シフト・キーイング（ＢＰＳＫ）を用いて情報がコード化される。特に、２つの基本関数が次のように定義される。
【００３７】
【数８】
2005516190.tif 000024
【００３８】
これら２つの関数のアンチポーダル関係のため、実際は単一の基本関数のみが必要である。送信信号の形式は次の通りである。
【００３９】
【数９】
2005516190.tif 000025
【００４０】
すなわち、全パルス期間は積ＮＴcである。ここで、Ｎは２進値シーケンス｛ｇp｝の長さであり、Ｔcは各チップの期間である（すなわち、２進値シーケンスの各項目）。上式では、シーケンス｛ｇp｝は、信号処理の技術分野の当業者には周知のように良い信号相関特性を与えるように選ばれている。一例として、長さ１２７のゴールド・コードがこの目的のために使用される。これらのコードは伝搬時間検出のための良好な自己相関特性を与えると共に、異なる信号シーケンス間では低い相互相関特性を与え、信号の受け手の独特な識別を容易にする。サンプル化一致フィルタが実時間信号検出のためにアナログ信号コンデイショニング回路１１２／１２２に実現されている。一致フィルタの出力値は信号到着を検出するために閾値と比較される。そして、正確な到着時間が最初の閾値の横断後に続く短い間隔での一致フィルタ出力のローカル最大値を見つけることにより計算される。また、対応する一致フィルタの最大値が、予想される測定誤差の計算及び／又は同時的到着（異なるアレイ面で）の間の差別化のための信号検出良好度指数として使用できる。数学的に、サンプル化一致フィルタからの結果としての信号は次のよう表される。
【００４１】
【数１０】
2005516190.tif 000026
【００４２】
ここで、
ｍ＝１，２，３，・・・
Δｔ＝サンプル時間間隔
Ｎc＝チップあたりのサンプル数＝Ｔc／Δｔ
ｒ［ｍ］＝サンプル化受信信号＝ｒ（（ｍ−１）Δｔ），ｒ（ｔ）＝０，ｔ＜０に対し
ｃ［ｋ］＝ｃｏｓ（ω（ｋ−１）Δｔ）
ｚ［ｍ］＝ｔ＝（ｍ−１）Δｔでのサンプル化一致フィルタ出力
【００４３】
図４には、入力信号を検出するための相関器の回路のブロック図が示されている。もし、利得制御がアナログ／デジタル変換器１１２／１２２中で使用されない場合、一致フィルタ出力の振幅は受信信号の振幅と比例する。この効果を軽減するために、アルゴリズムは一致フィルタ出力を受信及び理想信号の自己相関関係により規格化するために、幾分修正できる。
【００４４】
【数１１】
2005516190.tif 000027
【００４５】
各超音波アレイ１１１又は１２１に割当てられた識別コード数は、アレイ中のトランスデューサの数と方向に依存する。そして、より一般的には、アレイ・アーキテクチャとどのように、トランスデューサが使用されかに依存する。１つの実施の形態では、各アレイ１１１又は１２１は、各々がトランスデューサ対（図１Ｃ参照）を４つの面を含む。隣り合う面から送信された超音波ビームパターンは重なり合う、そして２つの別個の装置識別コードが各超音波アレイ（ビーコン又はプラットホーム）に関連付けられる。送信された各信号は、各超音波アレイがそれ自身に独特なコードのみを聞くようにするため、コードでもって意図された受け手を指定する。次に、検出された信号に応答する時、アレイはそれ自身に独特な対応するコードでもって応答する。独特のコードの使用は、間違った検出を防止するのに役立つ。本発明の別の実施の形態では、送信された信号の意図された受け手は、超音波信号に付随するＲＦ信号を使用して通信する。
【００４６】
隣り合うトランスデューサの送信された超音波ビームパターンが重なり合うため、隣接するトランスデューサからの同時的な送信は信号位相差から生ずる信号の打ち消し効果の可能性のため好ましくない。すなわち、超音波アレイの反対側の面上のトランスデューサのみが（又は、「送信対」）、同時的に送信できる。超音波アレイの反対側のトランスデューサの各対には別個のコードが割当てられる。そして、少なくとも２つの別個のコードがアレイ中の２つのトランスデューサ対の各々を識別することができるように、各超音波アレイに割当てられる。測定サイクルのイニシエーターでは、典型的には、どの面（又は、面の対）が所望の受け手に対し最適に整列しているかに関しての情報はイニシエーターには無い、従って、イニシエーターは信号のシーケンスをイニシエーターの超音波アレイの各送信対から送信する。さらに、送信信号のシーケンス中の各信号は意図された受け手に関連した異なる１つの識別コードにより符号化されている。いくつかの場合は、各信号はその信号を送信した送信対に関連したコードも含むことができる。多くの場合、複数経路信号は直接経路信号よりも大きな信号エネルギーを持つ可能性があるため、意図された受け手は、送信信号の複数経路送信効果を最小にするために、検出閾値以上のコード化信号の最初の受信に対してのみ応答する。閾値以上の受信されるべき最初のコード化信号のみを処理することにより、システムは送信装置から受け手の装置へ間接的経路を経た複数経路信号を無視する（すなわち、効率的にフィルタ除去する）。
【００４７】
受け手においては、異なるアレイ面からの受信チャンネルは独立且つ並列的に処理される。複数の信号が時間的に近接して到着する時、装置は最良の受信を有する面から受信された信号に対して応答する（例えば、最大の相関関係値又は良好度指数を持つ面）。
【００４８】
本発明の１つの実施の形態では、プラットホームＰはビーコンＢ0、Ｂ1、・・・及びＢN-1に対するその位置を決定するために、順にビーコンＢ0、Ｂ1、・・・及びＢN-1にポーリングする。図５に示される本発明の実施の形態によると、ポーリング・スキームはプラットホームＰと３つのビーコンＢ0、Ｂ1とＢ2を含む。このポーリング・スキームでは、各ビーコンはプラットホームＰに位置するアレイ１１１中の２つの送信対から連続して２回信号を受ける。図５に示すように、プラットホームＰは、ビーコンＢ0を識別する信号コードＣ0を持つ開始超音波信号を送信対１Ａ、１Ｂから送信する（“ＴＸ：Ｃ0”）。この信号はビーコンＢ0により受信されて認識される（“ＲＸ：Ｃ0”）。これに応答して、ビーコンＢ0は、図２に示すように、信号Ｃ0を受信してから所定時間の遅延の後に、信号コードＣ2によりコード化された応答超音波信号を送信する。応答超音波信号Ｃ2は好ましくはアレイ１２１の信号Ｃ0を受信したのと同じ送受信機から送信される。この信号はプラットホームＰにより受信されて認識される（“ＲＸ：Ｃ2”）。その後、すぐに、プラットホームＰは送信対２Ａ、２Ｂから、ビーコンＢ0をまた識別する信号コードＣ1を持つ別の開始超音波信号を送信する。信号Ｃ1はビーコンＢ0によりまた受信されて認識される。これに応答して、ビーコンＢ0は、図２に示されるように信号Ｃ1の受信から所定時間の遅延の後に、Ｃ3でコード化された別の応答超音波信号を送信する。応答信号Ｃ3は好ましくは、アレイ１２１の信号Ｃ1を受信したのと同じ送受信機又はトランスデューサから送信される。この信号はプラットホームＰにより受信されて認識される（“ＲＸ：Ｃ3”）。
【００４９】
プラットホームＰは同じプロセスを使用して他のビーコンへポールし続ける。いくつかの信号は意図された受け手により受信されないだろう。例えば、図５に示すように、プラットホームＰはビーコンＢ1を識別する信号コードＣ4を持つ開始超音波信号を送信する。送信対１Ａ、１Ｂにより送信されたこの信号はビーコンＢ1により受信されない。そして、プラットホームＰはまたビーコンＢ1を識別する信号コードＣ5を持つ別の開始超音波信号を、今度は送信対２Ａ、２Ｂから送信する。この信号Ｃ5はビーコンＢ1により受信されて認識される（“ＲＸ：Ｃ5”）。これに応答して、ビーコンＢ1は図２に示されるように信号Ｃ5の受信から所定時間の遅延の後に、Ｃ7でコード化された応答超音波信号を送信する。応答信号Ｃ7は好ましくは、アレイ１２１の信号Ｃ5を受信したのと同じ送受信機又はトランスデューサから送信される。この信号はプラットホームＰにより受信されて認識される（“ＲＸ：Ｃ7”）。
【００５０】
さらに図５を参照すると、プラットホームＰは、ビーコンＢ2を識別する信号コードＣ8を持つ開始超音波信号を送信し続ける。信号コードＣ8を持つ開始超音波信号は送信対１Ａ、１ＢからプラットホームＰにより送信される。この信号はビーコンＢ2により受信されて認識される（“ＲＸ：Ｃ8”）。これに応答して、ビーコンＢ2は図２に示されるように信号Ｃ8の受信から所定時間の遅延の後に、Ｃ10でコード化された応答超音波信号を送信する。応答信号Ｃ10は好ましくは、アレイ１２１の信号Ｃ8を受信したのと同じ送受信機又はトランスデューサから送信される。この信号はプラットホームＰにより受信されて認識される（“ＲＸ：Ｃ10”）。その後、すぐに、プラットホームＰは送信対２Ａ、２Ｂから、ビーコンＢ2をまた識別する信号コードＣ9を持つ別の開始超音波信号を送信する。信号Ｃ9はビーコンＢ2によりまた受信されて認識される。これに応答して、ビーコンＢ2は、図２に示されるように信号Ｃ9の受信から所定時間の遅延の後に、Ｃ11でコード化された別の応答超音波信号を送信する。応答信号Ｃ11は好ましくは、アレイ１２１の信号Ｃ9を受信したのと同じ送受信機又はトランスデューサから送信される。図５に示す例では、この信号はプラットホームＰにより受信されない。信号が意図された受け手に受信されない、不十分な送信振幅、受け手での不十分な信号感度、複数経路又は雑音を含む、多くの理由が存在する。
【００５１】
本発明の代替的な実施の形態では、システム１００はプラットホームと各ビーコンの間、及び／又は、ビーコン間のＲＦデータ通信リンク１１９／１２９を確立するための無線周波数（ＲＦ）装置を含む。ＲＦリンクは、プラットホームとビーコンの間（及び／又はビーコンとビーコン）の独立データ通信チャンネルを与える。超音波信号の受け手の識別は、超音波信号自身を符号化する代りに、無線周波数データ通信リンク１１９／１２９を使用して通信できる。送信された超音波信号の受け手を識別するためにＲＦリンクを使用する１つの方法は、超音波信号と一緒に受け手を識別するＲＦトリッガー信号を送信することである。超音波信号を受信した時、受け手は超音波信号の受信が成功したことを示すためにＲＦアクノレッジ信号を送信する。ＲＦ信号は光速で伝搬するので（空気中の音速よりも、おおよそ３オーダーほど高速）、付随する超音波信号に対し本質的に即座に受け手に到着する。
【００５２】
図６Ａと図６Ｂは、１つのプラットホームＰと４つのビーコンＢ0、Ｂ1、Ｂ2、及びＢ3を持つシステムに対するＲＦリンク１１９／１２９を使用したポーリング・スキームを示す。この例では、イニシエーターはそのアレイ１１１／１２１中のどのトランスデューサ面が送信のために最適であるかについての知識を持たない。このため、ＲＦリンクの無い前のスキームと同じように、各受け手は連続して２回信号を受ける。図６Ａと６Ｂに示すように、プラットホームＰは、配列１１１の送信対１Ａと１Ｂから開始超音波信号Ｃ0を送信する（“ＴＸ”）。ほぼ同時に、プラットホームＰはまたＲＦリンク１１９を介して、超音波信号Ｃ0の受け手としてビーコンＢ0とビーコンＢ2の両方を識別する１つのＲＦトリガー信号（“ＲＦＴ”）、又は、１つがビーコンＢ0を識別しそして別がビーコンＢ2を識別する２つのＲＦトリガー信号のいずれかを送信する。ビーコンＢ2を識別するＲＦＴはビーコンＢ2で受信されて、すぐ後に到着する超音波信号Ｃ0を受け取るためにＢ2をトリガーする。所定の遅延後、ビーコンＢ2はアレイ１２１中の超音波信号Ｃ0を受信した同じ送受信機から応答超音波信号Ｃ6を送信する。ほぼ同時に、ビーコンＢ2はまた、ＲＦリンク１２９を介して、超音波信号Ｃ6のイニシエーターとしてビーコンＢ2を識別し、受け手としてプラットホームＰを識別するＲＦアクノレッジ（“ＲＦＡ”）を送信する。
【００５３】
Ｂ0を識別するＲＦＴは、ビーコンＢ0で受信されて、ＲＦＴのすぐ後に到着する超音波信号Ｃ0を受け取るためにＢ0をトリガーする。所定の遅延後、ビーコンＢ0のアレイ１２１中の超音波信号Ｃ0を受信した同じ送受信機からビーコンＢ0は応答超音波信号Ｃ2を送信する。ほぼ同時に、ビーコンＢ0はまた、ＲＦリンク１２９を介して、超音波信号Ｃ2のイニシエーターとしてビーコンＢ0を識別し、受け手としてプラットホームＰを識別するＲＦアクノレッジ（“ＲＦＡ”）を送信する。応答超音波信号は対応するＲＦＡがプラットホームに到着したすぐ後にプラットホームＰに到着する。Ｂ2からのＲＦＡはＢ0からのＲＦＡが受信される前に受信されるため、信号Ｃ6がＢ2からであり、信号Ｃ2がＢ0からであることを、Ｃ6はＣ0の前に受信されるからプラットホームは知る。
【００５４】
図６Ａと６Ｂに示すように、このプロセスが再びビーコンＢ0とＢ2について繰返される。しかし、今度は、開始超音波信号Ｃ1は送信対２Ａ、２Ｂから送信される。次に、プラットホームは他の２つのビーコンを２回ポールする。一回は、開始超音波信号を送信対１Ａと１Ｂから送信し、一回は送信対２Ａと２Ｂから送信する。図６Ａと６Ｂに示された例では、これらの信号のいくつかは意図された受け手に受信されない（例えば、送信方向又は送信信号の強度のため）。
【００５５】
それぞれの送信に対してイニシエーター及び／又は受け手の識別を与えることに加えて、トリッガー・メッセージは各受け手に独特な追加の固定のターンアラウンド遅延に関する情報も提供できる。いくつかの実現では、別個の各ビーコンの「固定」のターンアラウンド遅延は調節可能又はプログラム可能であり、戻り信号の重なり合う確率を最小にするためにシステムがターンアラウンド遅延を調節することを可能にする。戻り信号の重なり合いは、受信機の雑音の増加を発生しそしてイニシエーターでの戻り信号検出を成功を阻害するために、好ましくない。複数の受け手への同時的（又は、ほぼ同時的）信号は、予想される伝搬時間の前もっての知識がある場合は可能である。これは、しばしばシステムが開始された後、位置決め又はナビゲーション・システム１００が定常状態性能に達して、プラットホームとビーコンの相対的な位置が既にほぼ決定されている時である。
【００５６】
ＲＦリンクの別の用途はシステム１００に電力節約機能を加えることである。これにより、システム１００が動作していない時に、ビーコンは遠隔的に低電力スリープ・モードに切替えることができる。
【００５７】
いくつかの信号はそれらの意図された受け手に受信されないけれど、多くの場合（ＲＦリンクのある場合又はない場合）は、同じビーコンに目標付けしたポーリングの両試みは、ビーコンとプラットホームでの信号検出ができる。しばしば、特定の意図された受け手への信号の両試みが成功する時は、プラットホームとビーコンとの間の距離測定の結果は信号の複数経路のため間違っている可能性がある。通常、間違った測定はより長い経路、従って、より長い伝搬時間に対応している。従って、容易に認識できる。システム１００の位置決め又はナビゲーション・アルゴリズムは、これらの間違った測定を検知して無視する。この手順は送信のために最適面が既知の場合は最適化できる。アレイ設計と精度要件に依存して、トランスデューサ面の中心とそれぞれのビーコンの基準位置（典型的にアレイ・ヘッドの中心）との間の幾何学的差異を考慮する必要があるだろう。
【００５８】
本発明の別の実施の形態では、ＣＰＵ１１４は、システム１００と遠隔ステーションとの間に分布され、データがプラットホームと遠隔ステーションとの間に無線周波数装置を使用して通信される。本実施の形態の１つのバージョンでは、開始超音波信号は、ビーコンから送信され、プラットホームは受信された各開始超音波信号に対して応答超音波信号を送信することによりビーコンに対して応答する。ビーコンは遠隔ステーションに対して結果として得られた距離測定を送信し、そして、遠隔ステーションはプラットホームの位置を計算する。そして、結果として得られた位置情報はプラットホームのナビゲーションに使用するためにプラットホームに送信される。
【００５９】
本発明の１つの実施の形態では、プラットホームＰに対する座標フレームは、外部基準（絶対的経度及び緯度）に結び付けられた絶対座標フレームではなく、ビーコン位置に結び付けられたローカル座標システムである。三辺測量又は追跡（例えば、カルマンフィルター）アルゴリズムが、プラットホームの位置を得るために使用することは当業者にとり周知である。解くための方程式は本質的に非線型である。静的プラットホームに対する１つのアルゴリズムが、エフ・フィゲロア及びエイ・マハジャン著の文献、「超音波を使用した自立的移動体のための信頼性ナビゲーション・システム」、コントロール・エンジニアリング・プラクティス、Ｖｏｌ．２、Ｎｏ．１、４９−５４頁、１９９２年２月に開示されている。このアルゴリズムは、伝播時間測定を用いて解決されるべき未知の音速を含む。次の行列形式において、
【００６０】
【数１２】
2005516190.tif 000028
【００６１】
ここで、
ｔｏｆi＝ｉ番目のビーコンまでの２方向伝搬時間、ｉ＝０，１，・・・Ｎ−１。
（ｘi，ｙi，ｚi）＝ｉ番目のビーコンの座標、
ｒi＝ｘi2＋ｙi2＋ｚi2、
（ｕ，ｖ，ｗ）＝プラットホームＰの座標、
ｃ＝音速、
ｐ＝ｕi2＋ｖi2＋ｗi2、
である。
【００６２】
上記公式は、冗長的な未知数（ｐ）を含むため、最適ではないが、簡潔であり、５つの異なるビーコンから少なくとも５つの測定が入手でき、そして、全てのビーコンが３Ｄ構成で同じ平面内にある又は２Ｄ構成で同じ線上にあるという幾何学的特異な状態を回避できる限り、簡単に解決できる。このモデルはプラットホームが静止又はゆっくりと動いている間に測定がされて、音の平均速度がさまざまな視線方向で一定であり、そして測定バイアス（例えば、受け手の装置での固定時間の遅延）が伝搬時間から取り除かれると仮定している。
【００６３】
代替的に、静的又はゆっくりと動くプラットホームを位置付けるための共通の手法は、次のように非線型方程式の組を線型化することから得られる反復最小２乗推定を含む。
【００６４】
【数１３】
2005516190.tif 000029
【００６５】
プラットホームの開始近似位置（ｕ，ｖ，ｗ）は、既知であると仮定する。この考えは、以下の式の組を使用して、音速ｃ＋Δｃ及びプラットホーム位置（ｕ＋Δｕ，ｖ＋Δｖ，ｗ＋Δｗ）の改善された推定値を連続的に計算することである。
【００６６】
【数１４】
2005516190.tif 000030
【００６７】
又は
【００６８】
【数１５】
2005516190.tif 000031
【００６９】
ここで、
【００７０】
【数１６】
2005516190.tif 000032
【００７１】
は、ｉ番目の測定残余であり、ｉ＝０，１，・・・，ｎ−１。ｃは、温度測定と可能な相対的湿度の値に基づいて最初に計算可能な推定音速の現在の近似である。ｎは、測定に利用可能なビーコンの数である。
【００７２】
2005516190.tif 000033
（ｕ，ｖ，ｗ）Tは、現在のプラットホーム位置の推定である。
（Δｕ，Δｖ，Δｗ）Tは、プラットホーム位置差分修正である。
Δｃは、音速の差分修正である。
2005516190.tif 000034
【００７３】
【数１７】
2005516190.tif 000035
【００７４】
は、測定偏導関数の行列である。
【００７５】
上記式（２）に対する重み付け最小２乗解は、次式で得られる。
【００７６】
【数１８】
2005516190.tif 000036
【００７７】
2005516190.tif 000037
Ｗは対角要素σ02σ12・・・σn-12を持ち、全ての他の要素がゼロである重み付け行列である。ここで、σi2はｉ番目の測定の誤差変動である。誤差変動は、測定の不確定さを表し、事前に既知であると仮定する。測定変動が未知の場合、Ｗは単位（すなわち、全てσi2のが１に等しい）に取られて、重み付けされない解を発生する。プラットホーム位置の改良された近似と音速のスケーリング・ファクターは、上述のように計算されて、これらのパラメータの最尤推定値を与える。手順は、十分な収束（又は、病的な場合は発散）が検出されるまで、繰返される（すなわち、新しい近似位置として（ｕ＋Δｕ，ｖ＋Δｖ，ｗ＋Δｗ）の改善された推定値を取って繰返す）。式（１）の前の線型方法に比べて式（２）を使用した反復技術の長所は、反復方法がより正確な位置と音速の推定値を与える傾向を持つことである。しかし、この反復手法は収束のために最初の音速と位置の近似値を必要とする。いくつかの場合、このような近似値が入手できず、そして式（１）が、後の式（２）を使用した反復のための最初の近似値を与えるために始めに解くことができる。
【００７８】
本発明の代替的な実施の形態では、音速は既知であると仮定される。例えば、ん側は環境値の読取りから又はビーコン間の測定から計算できる。この場合、未知数はプラットホームの位置座標（ｕ，ｖ，ｗ）だけである。したがって、式（１）又は（２）の行次元は1つ減る。
【００７９】
プラットホームが移動している時に超音波の伝搬時間測定を正確に利用するためには、各測定時の期間の移動を無視できるようにプラットホームが大変ゆっくりと移動するか（「シー・シー・ツアイ著「超音波測定及び推測航法の融合による移動ロボットの局所化システム」、ＩＥＥＥトランザクションオンインスツルメントアンドメジャメント」、Ｖｏｌ．４７、Ｎ０．５、１９９８年１０月）、又は、各測定時のプラットホームの移動が正確にモデル化できることのいずれかが必要である。「移動のモデル化」の要求は、信号のビーコンからプラットホームへ（及び／又はプラットホームからビーコンへ）伝搬する時間中にプラットホームの移動が大きいといういくつかの状態における空気中の音速が遅いという事実に関する。したがって、車輌移動プラットホームを含むナビゲーション応用にシステム１００が使用される時、車輌走行距離計制御／フィードバック・センサー１１７ａと、センサー１１７ａとＣＰＵ１１４との間に接続されたフィールド・プログラム可能ゲートアレイ（又はＤＳＰ）１１８をさらに含む。システム１００はさらに、ジャイロスコープ及び加速度計１１７ｂなど改良された精度のために、追加のナビゲーション・センサーを含むことができる。これらの部品は、測定サイクル中のプラットホームＰの移動及び回転を測定する（又は推定をする）。追跡アルゴリズム中の測定モデルは次のように適当に増大される。
【００８０】
【数１９】
2005516190.tif 000038
【００８１】
ここで、（ｕTX，ｖTX，ｗTX）T及び（ｕRX，ｖRX，ｗRX）Tは、それぞれｉ番目のビーコンに送信時及びｉ番目のビーコンからの受信時のプラットホームの位置である。プラットホーム位置（ｕTX，ｖTX，ｗTX）T及び（ｕRX，ｖRX，ｗRX）Tは、車輌の方向及び速度の推定又は測定のいずれかを使用して、測定が組み込まれた時のプラットホーム位置に関する。センサーを局地ナビゲーション・システムに組み入れる時には、座標フレーム（本体フレーム、地球基準慣性フレーム及びビーコン関連フレーム等）の適当な計算一貫性が維持されることを確保することが大切である。
【００８２】
図８は、本発明の２方向超音波位置決め技術を用いたナビゲーション・システムのナビゲーション・データの流れ図である。移動プラットホームを追跡するためのナビゲーション・アルゴリズムは良く知られている。例えば、エル・クリーマン著、「超音波ビーコンと推測航法を用いた移動ロボットの最適な位置決め推定と方向付け」、ＩＥＥＥロボテイックスとオートメイション国際会議、フランス、ニース、２５８２−２５８７頁、１９９２年５月１０−１５日、及び、ジェー・ジェー・レオナード及びエッチ・エフ・デュラント−ホワイト著、「幾何学的ビーコンを追跡して移動ロボットを位置付ける」、ＩＥＥＥトランス、ロボテックスアンドオートメイション、７（３）：３７６−３８２、１９９１年６月を参照。
【００８３】
上述した位置決め及びナビゲーション・アルゴリズムは、プラットホーム・アレイ上の超音波アレイは、プラットホーム座標に対応した位置基準点に置かれる。もし、そうでなければ、測定式は、超音波アレイから位置基準点まで（例えば、移動車輌ロボットの頂上のアレイ・アンテナからその軸の中心まで）の本体フレーム変換を含むために修正される。この変換は、車輌方向の知識を必要とし、そしてナビゲーション追跡アルゴリズムは必要なパラメータの推定値を含む（例えば、２Ｄ応用においては車輌の進行方向）。
【００８４】
さらに、実際には、ハードウェア異常及び複数経路などにより、間違った測定が発生しやすいことに注意する。この結果、上述した位置決め及びナビゲーション・アルゴリズムの成功的な実現は、これら間違った測定を検出して除去するための統計的局外検定のある形式を含むべきである。このような検定は当業者にはステューデンタイズド残余検定及びカルマン・フィルター改良検定が良く知られている。
【００８５】
本発明のさらなる実施の形態では、プラットホーム間測定及び／又は温度及び可能な相対的湿度の数値などの環境数値がさらに、音速計算を増強するために使用される。音速が空間的に変動しないと予想される場合（すなわち、信号経路に沿って大きな温度勾配がない）、その平均値は時変ランダム定数としてモデル化できる。従って、時間のどの瞬間でも、空気中の音速はサービス体積中で一定であると仮定されるが、時間的に（ゆっくりと）変化すると予想される。この変化は、温度／環境値から計算でき、又は、例えば、プラットホーム−ビーコン又はビーコン間測定に基づいて推測できる。後でより詳細に説明するシステムが自己較正の場合、温度及び可能な相対的湿度値を用いた較正中は音速は固定されるが、その後の操作に対して解決される。１つの実施の形態では、ビーコンはさまざまなビーコン対間の伝搬時間を測定するために互いに定期的に信号を送信するように構成される。そして、この情報は現在の音速を計算するために使用される。ビーコン間距離は固定されているから、ビーコン間の伝搬時間測定に基づく音速の計算は典型的に大変正確である。
【００８６】
別の実施の形態では、温度及び／又は湿度センサーがプラットホーム及び／又は各ビーコンに組み込まれる。プラットホーム又は遠隔装置中のＣＰＵが全てのビーコン及びプラットホームからの温度情報を受信して、温度情報を使用して空間的に変化する音速スケーリング地図を作成する。１つの手法は、各装置（プラットホーム及びビーコン）で温度依存ファクター、
2005516190.tif 000039
を計算することである。ここで、Ｔkはｋ番目の装置での摂氏の温度である。修正された測定モデルは空間的な音速変化を補償するために使用される。
【００８７】
【数２０】
2005516190.tif 000040
【００８８】
ｃは（全体）平均音速値を表す。上記モデルは、経路に沿って温度が線型に変化すること仮定するが、実際の環境は多分異なるであろう。しかし、この近似により発生する誤差は多くの動作環境では十分に小さい。
【００８９】
ビーコン位置を決定するための手動検出装置の必要性を無くするため、このシステムは自己較正にすることができる。典型的に、自己較正は、システムが後で再構成されない限り、システム１００を訓練及び使用する前に、最初の導入時に１回だけ行われる。自己較正手順は、単一ローカル座標システム中のビーコン位置を決定する。ローカル・ナビゲーション・システムの自己較正手順は、全てのビーコンが互いに距離測定できる場合に単純化できる。自己較正問題（二次元の場合）に対する１つの手法が、ＧＰＳのような信号を用いた無線周波数に基づいた距離測定システムを開示した、イー・ルマスター及びエス・ロック著、「自己差動送受信機を用いたスードライト・アレイの自己較正」、インスティテュートオブナビゲーション、ＧＰＳ−９９会議、ナッシュビル、テネシー、１９９９年９月に記載されている。
【００９０】
本発明の１つの実施の形態では、ビーコン間測定は、その後の位置決め又はナビゲーションのための相対的座標システムを構築するために集合的に使用される。最初に、全ての可能なビーコン間測定が行われる。成功的なビーコン間測定は、測定サイクル２００に参加する２つのビーコンは視線の可視性を持ち、そして互いの範囲内にあることが必要である。改良された正確性はサービス体積中のさまざまな位置からのプラットホーム−ビーコン測定を組み込むことを期待される。以下の自己較正の説明は、２Ｄ構成を仮定している。３Ｄへの拡張はこれらの手順にわずかな修正のみを必要とする。また、説明は測定は伝搬時間ではなく距離であることを仮定している。このため、信号伝搬時間から距離への変換は既に完了している。
【００９１】
ビーコン間の距離が与えられるだけでは、座標フレーム中のビーコンの座標又は位置についての解は、ビーコンの配置がなんらかの方法で制約されない限り、唯一にならない。本発明の１つの実施の形態では、最初にＮ個のビーコンＢ0、Ｂ1、・・・及びＢN-1は、次の制約に従い、サービス体積中のさまざまな固定位置に置かれる。
【００９２】
最初の３つの設置されるビーコンＢ0、Ｂ1、及びＢ2は、互いに測定可能であり且つ共通線に接近しないように配置される（すなわち、最初の３つのビーコンは互いの範囲内にあり、互いの視線を持つが、単一線上又は近くには置かれない）。さらに、Ｂ0−Ｂ1−Ｂ2の配置は反時計方向である（すなわち、ビーコンＢ0上に立つと、そしてＢ1、Ｂ2の方向を見ると左側にある）。
【００９３】
（１）さらなるビーコンＢ3、Ｂ4、・・・及びＢN-1は、どんなビーコンＢkも、組Ｂ0、Ｂ1、・・・及びＢN-1内の共通な線に接近していない少なくとも３つの他のビーコンを見ることができるように設置される。
【００９４】
（２）好ましくはシステムの頑健さのための冗長性を持つ、サービス体積中に適当な幾何学的解決を与えるのに十分なビーコンが設置される。本発明の１つの実施の形態では、ビーコンの数は少なくとも４つである。
【００９５】
図９は、本発明の１つの実施の形態による自己較正手順９００を示す。自己較正手順９００は、反復により後で改善される最初の状態を必要とする反復調節を含む。本発明の１つの実施の形態では、ビーコンが上記制約に従い配置された後（ステップ９１０）、ビーコン間距離の組を決定するためにビーコン間測定が行われ（ステップ９２０）、最初にＢ0がシステム１００の座標フレームの原点として固定され（ステップ９３０）、又は、Ｂ0は２Ｄ構成において座標（０，０）を持つ。最初に、Ｂ0からＢ1への方向が座標システムのｘ軸として定義される（ステップ９４０）。従って、Ｂ1は最初に座標（ｄ01，０）を持つ。ｄ01は、２つのビーコン間のビーコン間測定により決定されるビーコンＢ0とＢ1の間の距離である。そして、ビーコンＢ2の最初の位置がコサイン法により決定される（ステップ９５０）。すなわち、Ｂ2＝（ｘ2，ｙ2）。
【００９６】
2005516190.tif 000041
【００９７】
ｄ02とｄ12は、それぞれ、Ｂ2とＢ0及びＢ1の間の測定された距離である。ビーコンＢ2のｙ座標は、ビーコン配置Ｂ0−Ｂ1−Ｂ2が反時計方向であるという制約のために正であると仮定される。他の全ての座標は、同様に決定される（ステップ９６０）。例えば、ビーコンＢkの座標は、ビーコン組Ｂ0、Ｂ1、・・・、Ｂk-1の位置が知れた後に決定される。
【００９８】
ビーコンの最初の位置が決定されると、ビーコンの正確な位置が反復により改善される（ステップ９７０）。本発明の１つの実施の形態では、下に説明するように、ムーア・ペンローズ一般逆行列法が反復プロセスに使用される。各個別距離測定ｄijは、次のように、２つのビーコンＢi及びＢj間の距離を表す。
【００９９】
【数２１】
2005516190.tif 000042
【０１００】
利用可能な測定Ｍが収集されてベクトル形式に配列される。また、ビーコン座標が２Ｎ要素を持つ状態ベクトルに配列される。
【０１０１】
【数２２】
2005516190.tif 000043
【０１０２】
そして、ビーコン座標の修正が状態修正ベクトルに配列される。
【０１０３】
【数２３】
2005516190.tif 000044
【０１０４】
座標修正のための行列方程式は次のようになる。
【０１０５】
【数２４】
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【０１０６】
ここで、
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【０１０７】
【数２５】
2005516190.tif 000047
【０１０８】
Ｍｘ２Ｎの行列Ａのｋ番目の行は、４つの非ゼロ要素を持つだけである。
【０１０９】
【数２６】
2005516190.tif 000048
【０１１０】
従って、行列Ａは、相対的にわずかな非ゼロ要素を持ち、せいぜい２Ｎ−３の階数を持つ疎である。
2005516190.tif 000049
【０１１１】
【数２７】
2005516190.tif 000050
【０１１２】
ここで、Ａ+は、Ａのムーア・ペンローズ一般逆行列である。疎行列のムーア・ペンローズ一般逆行列を計算する効率的な方法は、数値解析分野の当業者には良く知られている。反復が、十分な収束が検出されるまで続けられる
2005516190.tif 000051
又は、病的な場合に発散が検出されるまで続けられる（例えば、有効な測定が十分でない結果、多すぎる反復）。この方法は、行列方程式の階数が欠けている場合、自動的に補償する。
【０１１３】
本発明の代替的な実施の形態では、プラットホーム−ビーコン測定は精度の改善のためにサービス体積中のさまざまの位置で行われる。この場合、未知ベクトルは測定が行われるこれらの各位置のプラットホーム座標を含むために拡張される。本発明の別の実施の形態では、実際に予想される測定誤差の排除のために幾何学的及び／又は統計的検査が含まれる。
【０１１４】
自己較正手順は、実際に発生し得る不明確さ幾何学的特異点（又は悪条件）を解決するために特別な注意を払わなければならないことを除き、上述したように、全体にかなり明確である。また、もし、貧弱な開始条件が選ばれると、問題の非線型性質のため、収束の困難性が発生する。ビーコン座標が既知又は計算される際の精度は、システムの操作中のプラットホームの全体の位置決め精度を制限する。自己較正システムは、ビーコン位置が正確に調査されるシステムに比べて、本質的に精度が低い。自己較正精度を制限してプラットホーム位置測定の「精度の希釈化」を結果する２つの要素は、ビーコンの相対的幾何学と距離測定精度である。十分に多いビーコンを環境内又は周りの好適な位置に置くことによりシステムが「良い幾何学」を持つように確保することは、システム設置者（例えば、ユーザ）の責任である。例えば、移動プラットホームが許容されたプラットホーム位置範囲内の全ての位置で少なくとも４つのビーコンに対して直接的な信号経路を持つばかりでなく、プラットホームと４つのビーコンの間の信号経路の方向が全ての可能なプラットホーム位置で少なくとも指定された最小角度（例えば、２０度）で分離されるように、ビーコンは配置されるべきである。もし、４つのビーコンのみを使用してこれらの要件を満足することは不可能である場合、移動プラットホームの全ての可能な位置に対してこれらの要件を満たす４つのビーコンがシステムのビーコン組中に存在するようにするために、システムは１つ又はそれ以上の追加のビーコンを含むべきである。
【０１１５】
位置決め又はナビゲーションの結果の精度に影響する他の重要な要因は、未知のプラットホームの特性と未知のローカル温度及び可能な相対的湿度状態とであり、これらは較正されていない本体フレーム・バイアスと局所的な音速決定の不正確さを含む、測定モデルの不正確さを結果する。プラットホームとビーコン中の信号処理エラーと回路中の信号の伝搬時間に関する不正確さは、自己較正プロセスとプラットホーム位置決定の精度を減少する。移動プラットホームの運動速度と方向を決定するために、ジャイロスコープ、加速度計、及び車輪センサーなどの増加的センサーの使用に位置決めシステムの精度が依存している範囲では、これらのセンサーの精度が位置決めシステムの精度を制限するであろう。環境状態に起因する移動プラットホームの車輪の滑りもまた、位置決め精度を減少する。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
【図１】本発明の好適な実施の形態による２方向超音波距離測定システムの全体のブロック図。
【図１Ａ】本発明の実施の形態による２方向超音波距離測定システムのモジュールの第１組を示すブロック図。
【図１Ｂ】本発明の実施の形態による２方向超音波距離測定システムのモジュールの第２組を示すブロック図。
【図１Ｃ】本発明の実施の形態による超音波アレイを示すブロック図。
【図２】本発明の実施の形態による開始及び応答超音波信号の対のタイムチャート図。
【図３】開始及び応答超音波信号の方向に対する風の方向を示すベクトル図。
【図４】符号化された超音波信号を復号するためのデコーダのブロック図。
【図５】本発明の実施の形態による移動プラットホームとビーコンのグループとの間の超音波信号の組に対する送信と受信時間を示すタイムチャート図。
【図６Ａ】本発明の実施の形態による移動プラットホームとビーコンのグループとの間の無線周波数信号が同伴する超音波信号の組に対する送信と受信時間を示すタイムチャート図。
【図６Ｂ】図６Ａを説明する表。
【図７】２つの数少ないビーコンから発生する可能な位置決め不明瞭さを示す図。
【図８】本発明の実施の形態による移動プラットホームについてのナビゲーション・データ流れ図。
【図９】本発明の実施の形態による自己較正手順を示すフローチャート。
【図１】
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【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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