(57)【要約】  無線周波数タグを使用して正確に位置決めするシステムおよび対応するその方法。システムは、位相アレイの組合せ内の少なくとも２つのアンテナと、少なくとも２つのアンテナと結合されているＲＦタグ位置判定ユニットとを備える。システムはまた、主ＲＦ出力および位置検出出力を備える。ＲＦタグ位置判定ユニットは、少なくとも２つのアンテナのそれぞれによって受け取った信号の比較に応答して位置検出出力で位置検出信号を生成するように構成されている。
2013521737.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線周波数（ＲＦ）タグを使用して正確に位置決めするシステムであって、
位相アレイの組合せ内の少なくとも２つのアンテナと、
前記少なくとも２つのアンテナと結合されており、主ＲＦ出力および位置検出出力を備えるＲＦタグ位置判定ユニットであって、前記位相アレイの組合せによって受け取った信号の比較に応答して前記位置検出出力で位置検出信号を生成するように構成されているＲＦタグ位置判定ユニットと
を備える。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、前記ＲＦタグ位置判定ユニットは、前記少なくとも２つのアンテナのそれぞれによって受け取った前記信号の位相の一貫した組合せの位相差遷移を比較するように構成されている。
【請求項３】
請求項１に記載のシステムであって、前記ＲＦタグ位置判定ユニットは、
前記少なくとも２つのアンテナの少なくとも１つと結合されており、前記少なくとも２つのアンテナの前記少なくとも１つへ伝送するための呼掛け信号を生成するように構成されている信号生成器をさらに備える。
【請求項４】
請求項３に記載のシステムであって、前記信号生成器は、前記少なくとも２つのアンテナのそれぞれと結合されている。
【請求項５】
請求項１に記載のシステムであって、前記ＲＦタグ位置判定ユニットは、
前記位置検出信号を生成するように構成されている位相比較器と、
前記位相比較器および前記少なくとも２つのアンテナに結合されている和構成要素と、
前記位相比較器および前記少なくとも２つのアンテナに結合されている差構成要素と
をさらに備える。
【請求項６】
請求項５に記載のシステムであって、前記和構成要素は、
前記少なくとも２つのアンテナの第１のアンテナからの第１の入力信号と、
前記少なくとも２つのアンテナの第２のアンテナからの第２の入力信号と
を受け取るように構成されている。
【請求項７】
請求項５に記載のシステムであって、前記差構成要素は、
前記少なくとも２つのアンテナの第１のアンテナからの第１の入力信号と、
前記少なくとも２つのアンテナの第２のアンテナからの第２の入力信号と
を受け取るように構成されている。
【請求項８】
請求項５に記載のシステムであって、前記和構成要素は、前記少なくとも２つのアンテナから受け取った信号の和を表す和信号を生成するように構成されている。
【請求項９】
請求項５に記載のシステムであって、前記差構成要素は、前記少なくとも２つのアンテナから受け取った信号の差を表す差信号を生成するように構成されている。
【請求項１０】
請求項５に記載のシステムであって、前記ＲＦタグ位置判定ユニットは、
前記少なくとも２つのアンテナの第１のアンテナに結合されており、前記第１のアンテナから受け取った入力信号に対応する少なくとも２つの信号を伝送するように構成されている第１のスプリッタ構成要素をさらに備え、前記第１のスプリッタ構成要素は、前記和構成要素および前記差構成要素に結合されており、前記少なくとも２つの信号の少なくとも一方を前記和構成要素へ伝送し、前記少なくとも２つの信号の少なくとも他方を前記差構成要素へ伝送するように構成されている。
【請求項１１】
請求項１０に記載のシステムであって、前記ＲＦタグ位置判定ユニットは、
前記少なくとも２つのアンテナの第２のアンテナに結合されており、前記第２のアンテナから受け取った入力信号に対応する少なくとも２つの信号を伝送するように構成されている第２のスプリッタ構成要素をさらに備え、前記第２のスプリッタ構成要素は、前記和構成要素および前記差構成要素に結合されており、前記少なくとも２つの信号の少なくとも一方を前記和構成要素へ伝送し、前記少なくとも２つの信号の少なくとも他方を前記差構成要素へ伝送するように構成されている。
【請求項１２】
請求項５に記載のシステムであって、前記位相比較器は、前記和構成要素から受け取った第１の信号と前記差構成要素から受け取った第２の信号との位相差の遷移の判定に応答して前記位相検出信号を生成するように構成されている。
【請求項１３】
請求項１２に記載のシステムであって、前記位相差の前記遷移は、０度の位相差からの所定の距離範囲内から１８０度の位相差からの所定の距離範囲内である。
【請求項１４】
請求項１に記載のシステムであって、前記少なくとも２つのアンテナは、ＲＦタグ付近を横切る車両内に位置決めされている。
【請求項１５】
ＲＦタグ位置を判定する方法であって、
第１のアンテナから第１の応答信号を受け取るステップと、
第２のアンテナから第２の応答信号を受け取るステップと、
前記第１の応答信号および前記第２の応答信号に基づいて和信号を生成するステップと、
前記第１の応答信号と前記第２の応答信号との差に基づいて差信号生成するステップと、
前記生成済みの和信号と前記生成済みの差信号との位相差の遷移の判定に応答して位置検出信号を生成するステップと
を含む。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、位置検出信号を生成する前記ステップは、０度の位相差からの所定の距離範囲内から１８０度の位相差からの所定の距離範囲内への遷移の判定に応答して位置検出信号を生成することを含む。
【請求項１７】
メモリまたはコンピュータ可読媒体であって、プロセッサによって実行されると前記プロセッサに請求項１５に記載の方法を実行させる命令を記憶している。
【請求項１８】
位相アンテナの組合せから受け取った応答信号に基づいてデバイスの位置を判定する位置判定ユニットであって、
第１の和構成要素信号と第１の差構成要素信号との位相差遷移に基づいて位置検出信号を生成するように構成されている位相比較器と、
前記位相比較器に結合されており、前記位相アンテナの組合せの第１のアンテナからの第１の応答信号および前記位相アンテナの組合せの第２のアンテナからの第２の応答信号の受信に応答して、前記第１の和構成要素信号を生成するように構成されている和構成要素と、
前記位相比較器に結合されており、前記第１のアンテナからの第１の応答信号および前記第２のアンテナからの第２の応答信号の受信に応答して、前記第１の差構成要素信号を生成するように構成されている差構成要素と
を備える。
【請求項１９】
請求項１８に記載の位置判定ユニットであって、
前記和構成要素と前記第１のアンテナまたは前記第２のアンテナの少なくとも１つとの間に結合されており、前記差構成要素と前記第１のアンテナまたは前記第２のアンテナの少なくとも１つとの間に結合されている少なくとも１つのスプリッタ構成要素をさらに備える。
【請求項２０】
請求項１８に記載の位置判定ユニットであって、
前記和構成要素に結合されており、前記位相アンテナの組合せへ伝送するための呼掛け信号を生成するように構成されている信号生成器をさらに備える。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
タグ呼掛器によって読み取られる無線周波数（ＲＦ）タグの位置は、呼掛器読取りアンテナの受信可能区域内の任意の場所にすることができる。通常、受信可能区域の幅は、タグ呼掛器に対するＲＦタグの位置を判定するための所望の位置精度より広い。
【０００２】
本発明者が認識している従来の解決策では、読取り可能区域の幅が最高１メートル以上のタグ呼掛器を用いる。さらに、受け取った信号の形状に基づいてＲＦタグの位置を推定するために、信号処理を使用することができる。他のデータ入力に加えてＲＦタグの位置の不確実性に起因して、安全な離隔距離を維持するために、タグ呼掛器を有する車両の前の安全距離が計算されることになる。位置の不確実性が増大すると安全離隔距離も増大し、その結果、位置が分かった場合より大きい離隔距離が必要になる。離隔距離がより大きい結果、車両の処理量が低くなり、最終的には該当する場合、車両の運転者にとって利益がなくなる。
【図面の簡単な説明】
【０００３】
１つまたは複数の実施形態について、限定ではなく例として添付の図面に記載する。これらの図面全体にわたって、同じ参照符号を有する要素は同じ要素である。
【図１】位置判定システムの一実施形態を含むシステムの高位の機能ブロック図である。
【図２】一実施形態とともに使用できるコンピュータシステムの高位の機能ブロック図である。
【図３】別の実施形態による位置判定システムの詳細図の高位の機能ブロック図である。
【図４】一実施形態による信号強度のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００４】
図１は、システム１００の高位の機能ブロック図を示し、システム１００とともに、一実施形態による位置判定システム１０２の一実施形態を非常に有利に使用することができる。システム１００は、走行表面１０６（たとえばレール）の付近の車両１０４（たとえば鉄道車両）を示す例示的なシステムである。理解を明確かつ容易にするために、図１は、走行表面１０６の上に車両１０４の側面図を示す。
【０００５】
図示のように、車両１０４は位置判定システム１０２を備え、走行表面１０６に沿って方向Ａに進む。車両１０４は、無線周波数（ＲＦ）タグ１０８、たとえば無線周波数識別（ＲＦＩＤ）タグのそばを通る。少なくともいくつかの実施形態では、代替ＲＦタグデバイスを使用してＲＦＩＤタグと取り換えることができる。少なくともいくつかの実施形態では、タグ１０８は、使用されるＲＦ周波数で反射または応答能力を提供するように構成されているＲＦタグを含む。少なくともいくつかの実施形態では、ＲＦタグ１０８は別の部品に固定され、かつ／または埋め込まれている。ＲＦタグ１０８は、受動および／または能動デバイスとすることができる。
【０００６】
車両１０４は、１対のアンテナ（「アンテナ１」および「アンテナ２」）１１０、１１２を備え、アンテナ１１０、１１２は、位置判定システム１０２の一部を形成し、車両１０４の表面に沿って互いから直線的に隔置されている。少なくともいくつかの実施形態では、アンテナ１１０、１１２は、ＲＦタグ１０８のそばを、ＲＦタグに対して平行に距離を空けて連続的に通るように位置決めされている。
【０００７】
各アンテナ１１０、１１２は結合されてアンテナアレイを形成し、このアンテナアレイは、それぞれの受信可能区域１１４、１１６内のアンテナ受信可能区域１１４（２点鎖線で示す）およびアンテナ受信可能区域１１６（１点鎖線で示す）と呼ばれる対応する所定の受信可能区域、すなわちアンテナビーム幅にわたって信号を生成するように構成されている。２つの受信可能区域は、それらのアンテナが、和または差のアンテナパターンを形成するように位相の一貫した方法で結合されること、すなわち、それらのアンテナが１つの位相アンテナアレイとして使用されることから生じる。受信可能区域は、アレイパターンと地面（タグの平面）との交わりであり、それぞれ信号１２０、１２２によって概略的に示すように、各アンテナは信号を伝送し、ＲＦタグ１０８からの応答を受け取る。これらのアンテナは、和アレイとして１つの信号を伝送し、和アレイと差アレイの両方として信号を受け取る。
【０００８】
少なくともいくつかの実施形態では、各アンテナ１１０、１１２は、電磁信号を生成する。少なくともいくつかの実施形態では、アンテナ受信可能区域は、幅０．５メートル（ｍ）から１．５ｍ程度とすることができる。少なくともいくつかの実施形態では、３つ以上のアンテナを使用して、アンテナアレイを形成することができる。少なくともいくつかの実施形態では、個々のアンテナ１１０、１１２の代わりに、単一の位相アレイアンテナを使用することができる。
【０００９】
動作の際には、各アンテナアレイ１１０、１１２は、ＲＦタグ１０８へ呼掛け信号を伝送するように構成されている。アンテナアレイのアンテナ１１０またはアンテナ１１２のいずれかからの呼掛け信号の受信に応答して、ＲＦタグ１０８は応答信号を伝送する。少なくともいくつかの実施形態では、応答信号は、反射信号または応答器信号とすることができる。
【００１０】
位置判定システム１０２は、ＲＦタグ位置判定ユニット１２４と通信によって結合されているアンテナアレイ１１０、１１２を備える。少なくともいくつかの実施形態では、位置判定システム１０２は、アンテナ１１０、１１２と直接、電気的に結合されている。位置判定ユニット１２４は、主ＲＦ信号出力１２６および位置検出信号出力１２８と通信によって結合されている。少なくともいくつかの実施形態では、位置判定システム１０２は、主ＲＦ信号出力１２６および位置検出信号出力１２８と直接、電気的に結合されている。
【００１１】
少なくともいくつかの実施形態では、位置判定システム１０２の１つまたは複数の要素は、車両１０４の内部および／または外部に位置決めすることができる。少なくともいくつかの実施形態では、位置判定システム１０２の各要素は車両１０４の外部に位置決めされており、他の実施形態では、位置判定システムの各要素は車両の内部に位置決めされている。
【００１２】
アンテナの間隔および向きは、実現すべきアレイパターンに応じて様々である。少なくともいくつかの実施形態では、アンテナアレイは、各アンテナに相当する個々の要素を有する１つの物理的アンテナパッケージ内に実装される。アンテナアレイおよびタグ１０８の極性（すなわち、電界ベクトルの方向）は、用途に応じて、トラック、すなわち走行表面１０６を横断するか、またはトラックに対して平行とすることができる。少なくともいくつかの実施形態では、呼掛け信号の伝送は、いずれかのアンテナによって、または和アレイとして構成された両方のアンテナによって実行することができる。
【００１３】
図２は、一実施形態とともに使用できるコンピュータシステム２００の高位の機能ブロック図を示す。コンピュータシステム２００は、バス２１０または他の相互接続通信機構を介して通信によって結合された、プロセッサ２０２（あるいは、処理デバイスとも呼ばれる）、入出力（Ｉ／Ｏ）デバイス２０４、メモリ２０６、検出Ｉ／Ｏデバイス２０８を備える。さらに、コンピュータシステム２００は、たとえばバス２１０を介して、検出Ｉ／Ｏ２０８（すなわち、アナログＲＦ信号を処理してデジタル検出信号へ変換するように構成された回路出力）を介するアンテナ１１０、１１２への接続を備える。
【００１４】
検出Ｉ／Ｏデバイス２０８は、位置判定ユニット（ＰＤＵ）１２４、主ＲＦ信号出力１２６、および位置検出信号出力１２８を備える。
【００１５】
少なくともいくつかの実施形態では、プロセッサ２０２は、一実施形態によって実施されるような１組の命令を実行するように構成されたコントローラおよび／または特定用途向けの集積回路（ＡＳＩＣ）とすることができる。
【００１６】
メモリ２０６（コンピュータ可読媒体とも呼ばれる）は、データ、および／またはプロセッサ２０２によって実行される命令、たとえば位置判定機能２１２を記憶するために、バス２１０に結合されたランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）または他の動的記憶デバイスを備えることができる。メモリ２０６はまた、プロセッサ２０２によって実行される命令の実行中に一時的な変数または他の中間情報を記憶するために使用することができる。メモリ２０６はまた、静的情報およびプロセッサ２０２に対する命令を記憶するために、バス２１０に結合された読取り専用メモリ（ＲＯＭ）または他の静的記憶デバイスを備えることができる。
【００１７】
データおよび／または命令を記憶するために、磁気ディスク、光ディスク、または電磁ディスクなどの記憶デバイス（任意選択の破線の枠２１２）を設けて、バス２１０に結合することもできる。
【００１８】
位置判定機能２１２は、アンテナ１１０、１１２に対するＲＦタグ１０８の位置を判定するように構成された１組の回路を備える。
【００１９】
少なくともいくつかの実施形態では、位置判定機能２１２は、プロセッサ２０２によって実行されるとプロセッサに一実施形態による位置判定機能を提供させる１組の実行可能な命令を備える。
【００２０】
Ｉ／Ｏデバイス２０４は、ユーザ対話を可能にする入力デバイス、出力デバイス、および／または組み合わせた入出力デバイスを備えることができる。入力デバイスは、情報およびコマンドをプロセッサ２０２へ通信するために、たとえばキーボード、キーパッド、マウス、トラックボール、トラックパッド、および／またはカーソル方向キーを備えることができる。出力デバイスは、情報をユーザへ通信するために、たとえばディスプレイ、プリンタ、音声合成装置などを備えることができる。少なくともいくつかの実施形態では、Ｉ／Ｏデバイス２０４は、ファイルおよび／またはコマンドのうちの１つまたは複数を伝達できるようにする直列および／または並列接続機構、たとえばイーサネットまたは他のタイプのネットワーク接続を備えることができる。
【００２１】
少なくとも１つの実施形態では、位置決めシステムは、イーサネット通信プロトコルまたはいくつかの直列インターフェースプロトコルの１つを通じて、車載制御システム、たとえば車載列車制御プロセッサに直接インターフェース接続する。
【００２２】
図３は、位置判定システム１０２の少なくとも一部分の高位の機能ブロック図を示す。具体的には、図３は、一実施形態によるタグ位置判定ユニット１２４の詳細図を示す。位置判定ユニット１２４は、第１のＲＦスプリッタ構成要素３００および第２のＲＦスプリッタ構成要素３０２を備え、各スプリッタ構成要素は、それぞれアンテナ１１０、１１２から単一の入力信号を受け取る。すなわち、スプリッタ構成要素３００はアンテナ１１０からの信号入力を受け取り、スプリッタ構成要素３０２はアンテナ１１２からの信号入力を受け取る。アンテナ１１０、１１２によって受け取られる信号入力は、ＲＦタグ１０８によって伝送されてアンテナ１１０、１１２によって受け取られる応答信号である。
【００２３】
少なくともいくつかの実施形態では、ＲＦスプリッタ構成要素３００、３０２の一方または両方は、アンテナアレイの一体型構成要素を構成することができ、たとえばスプリッタ３００は、アンテナ１１０の一部分を構成することができる。
【００２４】
スプリッタ構成要素３００は、アンテナ１１０から受け取った応答信号を和結合器構成要素３０４および差結合器構成要素３０６へ伝送する。少なくともいくつかの実施形態では、スプリッタ構成要素３００は、受け取った応答信号を和結合器構成要素３０４および差結合器構成要素３０６へ同時に伝送する。同様に、スプリッタ構成要素３０２は、アンテナ１１２から受け取った応答信号を和結合器構成要素３０４および差結合器構成要素３０６へ伝送する。
【００２５】
和結合器構成要素３０４は、アンテナ１１０およびアンテナ１１２から受け取った応答信号を位相の一貫した付加的方法で結合させ、その結果得られる信号を主ＲＦ信号出力１２６および位相比較構成要素３０８（位相比較器とも呼ばれる）へ伝送する。差結合器構成要素３０６は、アンテナ１１０およびアンテナ１１２から受け取った応答信号の差に対応する位相の一貫した差信号を生成し、その結果得られる差信号を位相比較構成要素３０８へ伝送する。
【００２６】
少なくともいくつかの実施形態では、単一のアンテナデバイス、たとえば単一の結合ユニット内のアンテナ１１０、１１２が、スプリッタ構成要素３００、３０２、和結合器構成要素３０４、および差結合器構成要素３０６の機能を備えることができる。
【００２７】
位相比較構成要素３０８は、和構成要素３０４から受け取った生成済み和信号と、差結合器構成要素３０６から受け取った生成済み差信号との位相差を比較する。位相比較構成要素３０８は、その結果得られる信号を位置検出信号出力１２８へ伝送する。位置検出信号出力１２８は、その結果得られる生成済みの位相差信号が０°（度）から１８０°（度）へ遷移した時点で位置判定システム１０２、具体的にはアンテナ１１０、１１２がＲＦタグ１０８の上に位置決めされていることを示す。すなわち、アンテナ１１０、１１２はＲＦタグ１０８のいずれかの側に位置決めされており、かつ／またはＲＦタグ１０８はアンテナ１１０、１１２間の等しい距離のところに位置決めされている。少なくともいくつかの実施形態では、位相差遷移の判定は、１８０度の位相差からの所定の距離に基づいて実行される。
【００２８】
このように、主ＲＦ信号出力１２６を使用して、ＲＦタグ１０８を識別し、位置検出信号出力１２８を使用して、ＲＦタグの上のアンテナ１１０、１１２間の中心点の通過を識別する。
【００２９】
図３はまた、信号生成器３１０を示し、信号生成器３１０は、位置判定ユニット１２４の一部分を構成し、タグ１０８へ伝送するための呼掛け信号を生成するように構成されている。信号生成器３１０からの生成済みの呼掛け信号は和結合器構成要素３０４に提供され、和結合器構成要素３０４は、受け取った呼掛け信号を２つの信号に分割し、信号はそれぞれアンテナ１１０、１１２へ送られる。アンテナ１１０、１１２は、受け取った検出信号を位相信号としてタグ１０８の方へ伝送する。
【００３０】
少なくともいくつかの実施形態では、信号生成器３１０は、位置判定ユニット１２４とは別個の構成要素を備えることができる。さらに、いくつかの実施形態では、信号生成器３１０は、アンテナ１１０、１１２によって伝送される呼掛け信号を生成するために、２つ以上の信号生成器を備えることができる。
【００３１】
図４は、それぞれ和構成要素３０４および差構成要素３０６からの生成済みの和信号および差信号の信号強度のグラフを示す。図４は、アンテナがタグを直線的に通り過ぎるときに、わずかに間隔を空けた２つのアンテナによって応答または反射タグから受け取った信号を、和と差の組合せで示す。また図４は、和信号と差信号との判定された位相差を示す。図４のグラフの左側の垂直軸は、和信号および差信号の相対的な信号強度を示す。グラフの右側の垂直軸は、和信号と差信号との位相差を示す。水平軸は、中心点に対する距離を表す。
【００３２】
開示した実施形態が上記の利点の１つまたは複数を実現することが、当業者には容易に理解されるであろう。上記の明細書を読めば、当業者には、本明細書に大まかに開示した様々な変更、均等物の置換え、および様々な他の実施形態を行うことができるであろう。したがって、本明細書に与えられる保護は、添付の特許請求の範囲およびその均等物に包含される定義によってのみ限定されるものとする。
【図１】
2013521737.tif 000003
【図２】
2013521737.tif 000004
2013521737.tif 000005
【図３】
2013521737.tif 000006
2013521737.tif 000007
【図４】
2013521737.tif 000008
【国際調査報告】
2013521737.tif 000009
2013521737.tif 000010