(57)【要約】  位置測定システムは、囲まれた３次元空間（１００）においてタグの位置を決定するために音響信号を使用して通信する基地局（１２０，２００）及び応答器タグ（１４０，２５０）を含む。前記基地局は、特定のタグの識別子と共に符号化された要求信号（３１０）を送信する。前記特定のタグは、固定の遅延（ｔ２−ｔ１）の後に音響応答信号（３３０）を用いて応答する。前記基地局は、受信されたラインオブサイト信号（３３０）及びその反射（３４０）に基づいて前記タグの位置を決定する。前記応答信号は、前記タグのステータスを含むデータ、又は関連したセンサ（２７０）若しくはアクチュエータ（２８０）からのデータと共に符号化されてもよい。前記要求信号は、前記タグ又は前記関連したセンサ及びアクチュエータを制御するデータと共に符号化されてもよい。電力管理方式が前記タグにより実行されてもよい。
2008507710.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも部分的に囲まれた３次元空間内に配置され、送信器、受信器及びタイマを含む基地局と、
前記少なくとも部分的に囲まれた３次元空間内に配置されるべき対象に関連付けられ、送信器、受信器及びタイマを含む応答器タグと、
を有する位置測定システムにおいて、
前記基地局の前記送信器が、前記応答器タグに応答するように命令する第１の無線信号を送信し、
前記第１の無線信号が音響信号を有し、
前記応答器タグの前記受信器が前記第１の無線信号を受信し、前記応答器タグの前記タイマが、前記第１の無線信号の受信に応答して、いつ前記第１の無線信号の受信から所定の時間期間が経過したかを決定し、前記応答器タグの前記送信器が、前記応答器タグの前記タイマに応答して、前記所定の時間期間が経過した後に第２の無線信号を送信し、
前記第２の無線信号が音響信号を有し、
前記第２の無線信号及び前記少なくとも部分的に囲まれた３次元空間内の前記第２の無線信号の反射が、異なる時間において前記基地局の前記受信器により受信され、
前記少なくとも部分的に囲まれた３次元空間内の前記応答器タグの位置が、前記基地局の前記タイマを使用することにより、前記第２の無線信号の受信の時間及び前記第２の無線信号の反射の受信の時間に基づいて決定される、
位置測定システム。
【請求項２】
前記基地局の前記タイマが、前記第１の無線信号の前記送信の時間を記録し、
前記基地局が、前記送信の時間と前記受信の時間との間の経過した時間に基づいて前記応答器タグの位置を決定する、
請求項１に記載の位置測定システム。
【請求項３】
複数のそれぞれの応答器タグが、前記少なくとも部分的に囲まれた３次元空間内に配置されるべきそれぞれの対象に関連付けられ、
前記複数のそれぞれの応答器タグの各々が、関連付けられた識別子を持ち、
前記第１の無線信号が、前記応答器タグの中の特定の応答器タグの前記関連付けられた識別子と共に符号化され、前記応答器タグの中の前記特定の応答器タグに応答するように命令する、
請求項１に記載の位置測定システム。
【請求項４】
前記第２の無線信号が、前記応答器タグのステータスを示すデータと共に符号化される、
請求項１に記載の位置測定システム。
【請求項５】
前記第２の無線信号が、前記応答器タグのバッテリのステータスを示すデータと共に符号化される、
請求項４に記載の位置測定システム。
【請求項６】
前記第２の無線信号が、前記応答器タグの前記受信器により受信された前記第１の無線信号の品質を示すデータと共に符号化される、
請求項１に記載の位置測定システム。
【請求項７】
前記第１の無線信号が、前記応答器タグ内の電力管理設定を制御するデータと共に符号化される、
請求項１に記載の位置測定システム。
【請求項８】
前記第１の無線信号が、前記応答器タグに関連付けられたセンサの動作を制御するデータと共に符号化される、
請求項１に記載の位置測定システム。
【請求項９】
前記第１の無線信号が、前記応答器タグに関連付けられたアクチュエータの動作を制御するデータと共に符号化される、
請求項１に記載の位置測定システム。
【請求項１０】
複数のそれぞれの応答器タグが、前記少なくとも部分的に囲まれた３次元空間内に配置されるべきそれぞれの対象に関連付けられ、
前記複数のそれぞれの応答器タグの各々が、関連付けられた識別子を持ち、
前記第１の無線信号が、前記複数のそれぞれの応答器タグの中の少なくとも２つの応答器タグの前記関連付けられた識別子と共に符号化され、前記複数のそれぞれの応答器タグの中の前記少なくとも２つの応答器タグに応答するように命令する、
請求項１に記載の位置測定システム。
【請求項１１】
複数のそれぞれの応答器タグが、前記少なくとも部分的に囲まれた３次元空間内に配置されるべきそれぞれの対象に関連付けられ、
前記複数のそれぞれの応答器タグの中の少なくとも２つの応答器タグが、ＣＤＭＡ符号化を使用してそれぞれの無線信号を送信することにより前記第１の無線信号に応答する、
請求項１に記載の位置測定システム。
【請求項１２】
前記第２の無線信号が、前記応答器タグに関連付けられたセンサからのデータと共に符号化される、
請求項１に記載の位置測定システム。
【請求項１３】
前記センサからのデータが光強度を示す、
請求項１２に記載の位置測定システム。
【請求項１４】
前記センサからのデータが音レベルを示す、
請求項１２に記載の位置測定システム。
【請求項１５】
前記センサからのデータが前記応答器タグの移動の量を示す、
請求項１２に記載の位置測定システム。
【請求項１６】
送信器と、
受信器と、
タイマと、
を有する、少なくとも部分的に囲まれた３次元空間内に配置された位置測定システム内の基地局において、
前記送信器が、前記少なくとも部分的に囲まれた３次元空間内の応答器タグに応答するように命令する第１の無線信号を送信し、
前記第１の無線信号が音響信号を有し、
前記応答器タグが、前記第１の無線信号の受信の所定の時間期間後に第２の無線信号を送信し、
前記第２の無線信号が音響信号を有し、
前記受信器が、前記第２の無線信号及び前記少なくとも部分的に囲まれた３次元空間内の前記第２の無線信号の反射を異なる時間において受信し、
前記少なくとも部分的に囲まれた３次元空間内の前記応答器タグの位置が、前記タイマを使用して、前記第２の無線信号の受信の時間及び前記第２の無線信号の反射の受信の時間に基づいて決定される、
基地局。
【請求項１７】
前記タイマを使用して、前記第２の無線信号の受信の時間及び前記第２の無線信号の反射の受信の時間に基づいて前記少なくとも部分的に囲まれた３次元空間内の前記応答器タグの位置を決定するアルゴリズムを実施するプロセッサ、
を有する、請求項１６に記載の基地局。
【請求項１８】
前記基地局の前記タイマが、前記第１の無線信号の送信の時間を記録し、
前記基地局が、前記送信の時間と前記受信の時間との間の経過した時間に基づいて前記応答器タグの位置を決定する、
請求項１６に記載の基地局。
【請求項１９】
送信器と、
受信器と、
タイマと、
を有する、少なくとも部分的に囲まれた３次元空間内に配置されるべき対象に関連付けられた位置測定システム内の応答器タグにおいて、
前記受信器が、前記応答器タグに応答するように命令する基地局からの第１の無線信号を受信し、
前記第１の無線信号が音響信号を有し、
前記タイマが、前記第１の無線信号の受信に応答して、いつ前記第１の無線信号の受信から所定の時間期間が経過したかを決定し、
前記送信器が、前記タイマに応答して、前記所定の時間期間が経過した後に第２の無線信号を送信し、
前記第２の無線信号が音響信号を有し、
前記第２の無線信号及び前記少なくとも部分的に囲まれた３次元空間内の前記第２の無線信号の反射が、前記基地局により異なる時間において受信され、
前記少なくとも部分的に囲まれた３次元空間内の前記応答器タグの位置が、前記基地局における前記第２の無線信号の受信の時間及び前記第２の無線信号の反射の受信の時間に基づいて決定される、
応答器タグ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、参照によりここに組み込まれる、２００４年６月２６日出願（整理番号ＵＳ０４０３１１）の仮特許出願番号第６０／５９１０７４号の利益を主張する。
【０００２】
本発明は、一般的には、室内の対象を位置測定する位置測定システムに関し、より具体的には、要求−応答方式において超音波を含む音響無線信号を使用する位置測定システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
対象の位置を検出する様々なアプローチが開発されている。例えば、全地球測位システム（ＧＰＳ）受信器は、位置を決定するために車両及びハンドヘルド装置に設けられている。位置測定技術は、リアルタイム在庫制御、資産管理、スポーツ、移動ロボット工学、仮想現実、及びモーションキャプチャ、並びにセキュリティシステムのような応用分野においても増加的に見つけられる。位置測定システムは、メートルからキロメートルまで異なり得る精度で人、装置、動物又は対象の位置を測定することができる。一部の位置測定システムは、対象の方位を同様に測定する。更に、音響システムは、水中の位置推定（例えば軍事用、ソナー、水中ナビゲーション及び海洋生物学的応用）において使用されている。
【０００４】
屋内の応用に対して、ＧＰＳ及び水中アプローチは適切ではない。代わりに、様々な屋内位置測定アプローチが提案されている。例えば、ＲＦ−ＩＤトランスポンダシステムは、要求−応答方式を使用して動作する。他のアプローチは、音響応答を有するＲＦ要求を使用する。しかしながら、従来のアプローチは、低コスト位置測定システムを提供するのに適切ではなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、基地局が、音響信号を応答器タグ（responder tag）に送信することにより前記タグからの応答を要求し、前記タグが、前記タグ自体の超音波信号を送信することにより応答する音響要求−応答方式を提供することにより上述の及び他の問題に対処する。前記基地局及び前記応答器タグは、部屋のような屋内の位置測定に使用され、前記応答器タグにより送信された音響信号の反射が、前記部屋の中の前記応答器タグの位置を決定するのに使用される。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
特に、本発明の一態様において、位置測定システムは、少なくとも部分的に囲まれた３次元空間内に配置された基地局を含み、送信器、受信器及びタイマを含む。前記少なくとも部分的に囲まれた３次元空間に配置されるべき対象に関連付けられた応答器タグも送信器、受信器及びタイマを含む。前記基地局の前記送信器は、前記応答器タグに応答するように命令する第１の音響無線信号を送信する。前記応答器タグの前記受信器は、前記第１の無線信号を受信し、前記応答器タグの前記タイマは、前記第１の無線信号の受信に応答して、いつ前記第１の無線信号の受信から所定の時間期間が経過したかを決定し、前記応答器タグの前記送信器は、前記応答器タグの前記タイマに応答して、前記所定の時間期間が経過した後に第２の音響無線信号を送信する。前記第２の無線信号及び前記少なくとも部分的に囲まれた３次元空間内の前記第２の無線信号の反射は、異なる時間において前記基地局の前記受信器により受信され、前記少なくとも部分的に囲まれた３次元空間内の前記応答器タグの位置は、前記基地局の前記タイマを使用して、前記第２の無線信号の受信の時間及び前記第２の無線信号の反射の受信の時間に基づいて決定される。
【０００７】
対応する基地局、応答器タグ及びプログラム記憶装置も提供されることができる。
【０００８】
図面において、全ての図において、対応する部分は同じ参照符号により参照される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、本発明による、部屋１００内の位置測定システムの図を示す。前記位置測定システムが設けられた前記部屋は、例えば壁、天井及び床により少なくとも部分的に囲まれている３次元空間であると見なされることができる。基地局（ＢＳ）１２０は、前記部屋内の固定位置に、好ましくは基地局と応答器タグ又はモバイル装置（ＭＤ）１４０のあり得る位置との間に遮断されないラインオブサイト（line of sight）が存在するように高い位置に取り付けられる。前記応答器タグは、位置が決定されるべき対象に取り付けられるか、そうでなければ前記対象の一部であることができる。更に、前記対象は、センサ及び／又はアクチュエータを持つことができる。前記位置測定システムは、多数の異なる応用に対して使用されることができ、その例は以下の通りである。
１．セキュリティシステム。一例は、運動及び位置（ドア／窓が開くこと）、又は振動（ガラスが粉々になること）、又は移動される対象（位置及び運動）を登録するセンサタグを含む。前記タグの位置が既知であるという事実は、このようなセキュリティシステムを構成することを容易にする。前記対象が移動される場合に対して、前記基地局は、前記対象がどこに運ばれるか、及びそれが許可されるかを評価することができる。この運動が許可されていない場合、前記基地局は警報を鳴らすことができる。
２．アンビエントインテリジェンス（Ambient Intelligent）ユーザインターフェース。例は、以下を含む。
ａ．ユーザがタグを持つ小さな対象を移動することができ、前記タグの位置が相互作用アプリケーションを制御するために使用されるインタラクティブなテーブル表面'画面'。ボードゲーム等に使用されることができる。
ｂ．ユーザがタグを持つ小さな磁石を移動することができる、インタラクティブな壁'ホワイトボード'。これらの位置は、前記ホワイトボードの画面上に情報を呼び出すのに使用される。
ｃ．室内の特定の対象の位置が照明及び雰囲気設定を制御する、アンビエント対象ユーザインターフェース。
ｄ．照明制御。例えば、テーブル上で３つのタグを互いに対して移動することは、前記照明の色及び雰囲気を変化させる。
３．ゲーム。
ａ．インタラクティブなボードゲーム。
ｂ．子供用ゲーム−室内のタグを持つ特別な対象（例えばアクションフィギュア）の位置が、インタラクティブな物語のストーリー展開又はパーソナルコンピュータ（ＰＣ）若しくは室内の大画面上で実行するゲームを決定する。
ｃ．子供用のかくれんぼゲーム。
４．紛失したものを探す−システムが、鍵輪、遠隔制御装置、財布等のような重要な対象が、現在どこに位置するのか、又は例えば前記部屋から移動されたために、現在、位置測定されることができない場合にどこで最後に検出されたかをユーザに伝えることができる。
５．アルツハイマー患者の介護−システムが、迷子になった患者の位置を追跡し、場合により、例えば前記患者が近づくドアを閉めるような行動をとることを可能にする。
６．老人介護−対象のタグが監視され、人が彼又は彼女の日々のルーチン行動を実行したことを保証することができる。
７．家又は他の場所における子供の監視−子供が危険又は立ち入り禁止領域を避けることを保証する。
【００１０】
１つのアプローチにおいて、本発明による位置測定システムは、部屋ごとに１つの単一基地局１２０を含み、例のタグ１４０のような１つ以上の低コスト音響応答器タグを含む、音響／超音波位置測定システムである。このシステムは、前記基地局が部屋の中のモバイルタグの３次元位置を計算することを可能にする双方向音響要求／応答通信方式を導入することにより以前の位置推定システムを拡張する。単純及び低コストであることができる前記タグは、適切に符号化された応答信号を用いて、空気の媒体において伝播する音響周波数における要求信号に応答する。音響信号は、約２０ｋＨｚ以上の超音波範囲、約２０ｋＨｚないし１ＭＨｚの低超音波範囲、及び一部の実験で使用され、実際に有用であると期待される約２０ないし１００ｋＨｚの低超音波範囲の一部を含む。人間の可聴音響範囲は、約０ないし２ｋＨｚからである。
【００１１】
複数の、例えば少なくとも３つの基地局が、対象と前記基地局との間のラインオブサイト伝送（line of sight transmissions）のみに基づいて前記対象の位置を決定するために使用されることができるのに対し、単一の基地局の実施例はより低コストを提供する。１つの可能性は、前記単一の基地局が、前記タグからのラインオブサイト信号（line of sight signal）及び前記部屋の中の壁、天井、床及び可能な他の表面からの反射により生じた反射信号を使用して前記タグの位置を決定することである。他の可能性は、前記基地局が、前記タグからの前記ラインオブサイト信号の方向及び距離を検出するトランスデューサのアレイを使用することである。反射を使用するアプローチは、より低コストなシステムを生じる。どちらの場合でも、前記基地局は、１つ以上の前記タグに音響周波数信号を送信し、この後に、前記１つ以上のタグが音響周波数において応答信号を用いて応答する。前記基地局は、この信号及び前記反射を受信し、前記信号および前記反射が受信された時間、前記受信された信号の振幅特性、前記信号の既知の伝播速度及び前記部屋の既知の幾何学的構造に基づいて前記タグの位置を計算する。図１の例の部屋１００に対して、"ａ"は、タグ１４０により送信されたラインオブサイト信号の経路を示し、"ｂ"、"ｃ"及び"ｄ"は、この信号の一次反射の経路を示す。
【００１２】
前記部屋の幾何学的構造は、例えば、前記タグが、前記部屋の指定された位置に配置された後に前記基地局に信号を送信するセットアップ段階に学習されることができるか、又は前記幾何学的構造は、例えばＰＣ上で実行する適切なアプリケーションを介して前記基地局にプログラムされ、インターフェース２２０を介して基地局２００と通信することができる。
【００１３】
ここに記載される構成は、多数の理由から低コストなタグを生じる。例えば、前記位置測定システムは前記タグ及び前記基地局においてＲＦモジュールを必要とせず、前記タグと前記基地局との間のクロック同期が必要ではないので、コストは減少される。代わりに、低コストの圧電超音波トランスデューサが使用されることができる。駆動エレクトロニクスは、集積回路の価格における、比較的単純な低周波制御及び増幅器エレクトロニクスを含む。更に、前記タグは、これ自体の位置を計算する必要がなく、したがって処理要件は減少される。更に、ＲＦ信号に対して、飛行時間（times-of-flight）の測定は高価かつ複雑であり、距離の測定としてＲＦ信号の信号強度を使用することは信頼できないことが既知であるのに対し、音響信号は、正確な位置推定を提供する。
【００１４】
更に、前記位置測定システムは、前記基地局及び／又は前記タグが、情報を転送するために符号化信号を使用することを可能にすることにより、例えば、前記基地局が特定のタグに対して応答する、若しくは前記タグの挙動若しくは関連したアクチュエータを制御するように要求する、又は前記タグが符号化された情報を前記基地局に送り返し、前記タグのステータス若しくは関連したセンサからのデータを提供するような増大された機能性を提供することができる。
【００１５】
図２は、本発明による、基地局及び応答器タグのブロック図を示す。ブロック２０５及び２５５は"タイマ"を示す。ブロック２１０及び２６０は"プロセッサ"を示す。ブロック２１２及び２６２は"メモリ"を示す。ブロック２１５及び２６５は"電源"を示す。ブロック２７０は"センサ"を示す。ブロック２８０は"アクチュエータ"を示す。基地局２００は、プロセッサ２１０と、メモリ２１２と、タイマ２０５と、電源２１５と、送信器２２５と、受信器２３０と、受信された信号を増幅する増幅器２３２とを含む。タグ又はモバイル装置２５０も、プロセッサ２６０と、メモリ２６２と、タイマ２５５と、電源２６５と、送信器２７５と、受信器２８０と、受信された信号を増幅する増幅器２５２とを含み得る。送信器２２５及び２７５並びに受信器２３０及び２８０は、各場合において、音響周波数で動作することができる。
【００１６】
メモリ２１２及び２６２は、ここに記載された機能を達成するためにそれぞれのプロセッサ２１０及び２６０により実行される、ソフトウェア、マイクロコード又はファームウェアのような命令を記憶することができる。メモリ２１２及び２６２は、したがって、実行可能な命令を明白に実施するプログラム記憶装置であると見なされることができる。メモリ２１２は、必要であれば、受信された信号４００のサンプル、１つ以上のタグに対する前記ラインオブサイト信号及び反射の到着の回数、タグの以前／現在の３次元位置、位置推定の信頼性、センサ読み取りのログ等のような他のデータをも記憶してもよい。前記基地局に対する電源２１５は、ＡＣ電源又はバッテリであってもよく、タグ２５０に対する電源２６５は、前記タグが室内で移動可能であることを可能にするために、一般に、バッテリ、又は太陽エネルギ、燃料電池等のような無線装置に電力供給する他の構成要素であるべきである。基地局２００のタイマ２０５は、要求信号の送信と、前記ラインオブサイト信号及びその反射を含むタグからの応答信号の受信との間の経過した時間を決定するために使用される。タグ２５０のタイマ２５５は、前記基地局からの前記要求信号、例えば反射の前に受信された前記ラインオブサイト要求信号の受信と、前記タグによる前記応答信号の送信との間の遅延を実施するために使用される。タイマ２０５及び２５５は、別個の構成要素である必要はないが、それぞれのプロセッサ２１０及び２６０により備えられることができる。タイマ２５５は、復号−処理−信号送信のシーケンスにより課せられる事前設計された固定遅延を提供することができる手段であることができる。送信器２２５及び２７５並びに受信器２３０及び２８０は、基地局２００及びタグ２５０に対するそれぞれのトランスデューサに随意に結合されることができる。このようなトランスデューサは、送信状態と受信状態との間で切り替えることができる。インターフェース２２０は、前記基地局が、他の基地局又はアプリケーションが実行され、基地局２００により提供される位置データを使用するパーソナルコンピュータ若しくは他の装置のような他の装置と通信することを可能にする。例えば、前記基地局は、受信された信号に関するデータをＰＣに送信することができ、前記ＰＣは、前記タグの位置を決定するために前記データを使用して計算を実行する。更に、１つ以上のセンサ２７０及びアクチュエータ２８０は、タグ２５０に関連付けられることができる。
【００１７】
図３は、本発明による図２の基地局（ＢＳ）及び応答器タグ又はモバイル装置（ＭＤ）により送信された音響信号に対するタイミング図を示す。前記位置測定システムの１つの可能な動作シーケンスは、１つのタグに対する１つの位置推定の完全なサイクルを経ることによりステップごとにここに記載される。
【００１８】
１．前記基地局（ＢＳ）は、複数のタグが前記部屋の中に存在すると仮定して、いずれのタグを位置測定する必要があるかを決定する。これは、例えば、位置情報を使用するアプリケーションの必要性に基づいて決定されることができる。更に、タグは、以前のクエリ（query）から所定の時間期間が経過したときに、又は前記タグが、おそらく、前記タグの最後のクエリから、他のタグと比較して、最大の距離を移動したという予測に基づいて、クエリされることができる。
【００１９】
２．前記基地局が、時間ｔ0において矢印３１０により表される音響要求信号を送出する。矢印３２０により表される前記要求信号の反射は、前記タグにより使用されない。複数のタグが存在する場合、前記要求信号は、例えば、ＡＳＫ、ＦＳＫ、ＢＰＳＫ及びＣＤＭＡ等のような既存の変調技術を使用して、クエリされる信号になるように前記タグの識別子と共に符号化されることもできる。送信の後に、前記基地局は、直ちに受信モードに切り替え、前記クエリされたタグからの応答信号を待つ。前記基地局は、前記タグからの前記応答信号及び前記応答信号の反射の到着までに経過する時間を記録するために時間ｔ0においてタイマ２０５を開始する。前記要求信号は、以下に更に記載されるように追加の情報と共に変調又は符号化されうる。
【００２０】
３．前記基地局から前記要求信号を受信すると、'アウェイク'である、即ち低電力'スリープ'モードではない全てのタグは、前記要求信号を受信及び復号し始める。１つのアプローチにおいて、時間ｔ1に前記信号を受信する唯一のタグＴに対して、復号された識別子が、前記タグ自体の識別子と一致する。他の全てのタグは、前記要求信号を無視する。タグＴは、応答信号を用いて前記基地局に応答する準備をする。
【００２１】
４．タグＴは、タイマ２５５により実施された固定の遅延ｔdel＝ｔ2−ｔ1後の時間ｔ2において矢印３３０により表される応答信号で応答する。前記応答信号は、単純な低エネルギ音響パルスであり得る。又は、情報は、更に下に記載されるように、前記応答信号に変調又は符号化されることができる。
【００２２】
５．前記応答信号は、前記部屋を伝播し、時間ｔ3に初めて前記基地局に到達する。応答を待っていた前記基地局は、時間ｔ3に開始する前記応答信号ｙを記録する。信号ｙは、前記タグの応答の、矢印３４０により表される、後の反射を含む。前記基地局のタイマ２０５は、前記応答の第１の（ラインオブサイト）信号成分が到着する瞬間である、時間ｔ3において停止される。
【００２３】
６．前記基地局は、前記タグにより送信された前記符号化された情報が存在する場合にはｙから前記符号化された情報を復号する。
【００２４】
７．前記基地局は、前記基地局自体と前記タグとの間の絶対距離を、ｄ＝ｃ・(ｔ3−ｔ0−ｔdel)／２を使用して計算し、ここでｃはｍ／ｓの音の速度であり、ｔ3及びｔ1は上述されたように規定され、ｔdel＝ｔ2−ｔ1は、前記タグが前記要求信号を受信する時間と応答信号を送信することにより応答する時間との間の、タイマ２５５により実施されるような固定の所定時間遅延である。
【００２５】
距離ｄ及び記録された信号ｙ内の音響反射のパターンを使用して、前記基地局は、前記タグの位置を計算する。例えば、２００４年１１月４日に公開されたＰＣＴ公開公報第ＷＯ２００４／０９５０５６号（整理番号ＰＨＮＬ０３０３９５ＥＰＰ）、又はE.O. Dijk, Indoor Ultrasonic Position Estimation Using A Single Base Station, Technische Universiteit Eindhoven (2004), ISBN 90-386-0912-4に記載された方法の１つが使用されることができ、両方の文献が参照によりここに組み込まれる。例えば、署名照合方法が使用されてもよく、前記基地局により受信される前記信号及びその反射の時系列署名が、事前に記憶されたモデル署名又はテンプレートと照合される。例えば、図４ａは、基地局受信器により検出された超音波信号を示す。前記タグにより送信された信号は、壁、床及び／又は天井、並びに場合により室内の他の物体に反射し、振幅Ａを持つ信号４００として前記基地局の受信器に向かって移動する。前記基地局において、復調及びアナログデジタル変換に沿って、関心の周波数帯域の外のノイズを除去するためにフィルタリングが使用されることができる。前記信号は、時間ｔ１においてラインオブサイト部分であり得る第１のピーク４１２、反射された信号部分である、時間ｔ２における第２のピーク４１４、時間ｔ３における第３のピーク４１６、場合により更に弱い強度の反射を含む。異なる署名テンプレートは、例えば、シミュレーションから又は前記部屋の異なる既知の位置における前記タグからの信号を、異なるタグ位置と関連付けられた署名テンプレートのデータベースに記録することから、備えられることができる。テンプレート４２０（図４ｂ）及びテンプレート４３０（図４ｃ）のような記憶された署名テンプレートは、比較アルゴリズムを使用して受信された信号４００と比較され、いずれのテンプレートが最も近い照合であるかを決定する。前記最も近い照合テンプレートに関連付けられた位置は、この場合、前記タグの位置と見なされる。前記受信された信号と比較される必要があるテンプレートの数を狭めるために、以前の位置及び運動の方向に基づいてタグの現在の位置を推定するような、様々なアプローチが使用されることができることに注意する。
【００２６】
８．前記基地局が、同じ又は異なるタグに対して上記サイクルを繰り返す。
【００２７】
以下のような様々なタイプの情報が、前記タグにより送信された前記応答信号に符号化されることができる。
１．関連したセンサ２７０からの読み出し、例えば、
ａ．光強度
ｂ．音レベル
ｃ．前記タグの運動の量
ｄ．接触又は圧力センサ読み出し
２．タグステータス、タグバッテリステータス、例えば残りの電力の量、
３．前記要求信号の受信の品質、例えば、信号対雑音比、信号電力、又は前記要求信号の特定の反射の電力に対する前記要求信号の相対的電力。
【００２８】
同様に、以下のような様々なタイプの情報が、タグ識別子に加えて、前記基地局により送信された前記要求信号に符号化されることができる。
１．タグ電力管理用の命令。例えば、前記基地局は、タグに低電力モードに切り替えるように命令することができ、前記低電力モードにおいて前記タグは時間期間だけ'スリープ'し、所定の時間間隔だけ起動し（wakes up）、前記所定の時間間隔の間に前記タグは、要求信号がこの間隔の間に送信されていないかを確認する。又は前記タグは、例えば、運動感知装置からの信号に基づいて、移動される場合に起動することができる。いずれの場合でも、このような電力管理方式は、電力消費及び必要とされるバッテリサイズを減少することができる。"電力管理"に関する以下の更なる記載を参照する。
２．タグセンサに対する命令。例えば、前記基地局は、タグにセンサ２７０を制御するように、例えば幾分頻繁に特定の測定を実行するように、異なる測定を実行するように、又はセンサ２７０の感度又はキャリブレーションを調整するように、命令することができる。
３．タグアクチュエータ２８０に対する命令。例えば、前記基地局は、タグに、例えば点滅する照明のようなアクチュエータを制御するように、又は例えば紛失した対象を位置測定するために、人が聞くことができる音を作る可聴装置のようなアクチュエータを制御するように、命令することができる。
【００２９】
電力管理
電力消費を減少するために、前記応答器タグは、ほとんどの時間、低電力スリープ状態に保たれることができる。このアプローチにおいて、前記タグは、定期的に起動し、埋め込まれた受信器にポールし（polls）、前記基地局からの送信が存在するかどうかを決定する。送信が存在する場合、前記タグは、前記低電力状態から通常動作状態に切り替え、前記信号を記録し始める。又は前記タグは、所定の時間期間に対して、１つ以上の符号化された超音波送信を含み得る信号を記憶することができる。前記応答器タグは、したがって、常に前記基地局信号を聞く'オン'状態でいなければならないことはない。例えば、前記タグは、２００ｍｓごとに起動して１ｍｓの期間だけ聞くことができる。したがって、前記タグは、９９５／１０００の時間に対してスリープ状態であることができ、これは、大幅に電力を節約する。前記基地局は、前記タグにより検出されるように少なくとも２００ｍｓだけ連続した超音波信号を送信することにより前記タグを起動させることができる。前記タグは、少なくとも例えば１００ｍｓだけ起動する。このとき、前記基地局は、前記部屋の中に符号化された要求信号を送信し、前記符号化された要求信号は、１００ｍｓのタイムウィンドウにおいて前記タグにより受信され、復号される。この後に、前記タグは、記載されたように前記基地局に応答を送信し、低電力'スリープ'モードに戻る。前記低電力状態の間、前記タグは、タイマを有する低電力（例えばマイクロワット）起動回路のみに電力供給する。この回路は、所定の時間間隔、例えば上記例において２００ｍｓ後に前記タグを通常動作モードに戻るよう駆動する。
【００３０】
電力管理に対する代替的な方法
代替的な電力管理技術は、前記部屋の中に音響信号送信が存在しない場合には常に低電力状態であるタグを使用することを必要とする。前記タグは、超音波受信器トランスデューサからの信号を増幅する、受信器（２８０）に接続された低電力（例えばマイクロワット）増幅器２５２を用いて、連続的に受信器（２８０）を監視するプロセッサ（２６０）内の低電力起動回路を持つ。十分な信号が（閾値及び／又は電流積分回路を用いて）検出される場合、前記タグのマイクロプロセッサは、前記低電力スリープモードから前記通常動作モードに切り替えられることができる。
【００３１】
符号化されたタグ応答
このアプローチにおいて、１より多いタグが、前記基地局により同時にクエリされることができる。前記タグは、前記タグの識別子を適切に前記信号に符号化することにより応答し、この結果、前記基地局は、同時に様々なタグから受信された前記符号化された信号を分離することができる。例えば、符号分割多重アクセス（ＣＤＭＡ）符号化が使用されてもよい。１つのアプローチにおいて、前記基地局は、全てのタグに対して応答するように全体的な要求を送信する。又は前記要求は、２以上のタグの識別子と共に符号化されてもよい。前記タグのそれぞれに対して、信号ｙをｎの別個の信号ｙ1、ｙ2等に復号した後に、前記位置推定は、各タグｉに対して信号ｙiを使用して実行されることができる。このアプローチの利点は、より多くのタグが前記基地局により同時にクエリされることができるので、前記システムの全体的な更新速度が向上されることができることである。更に、この符号化された応答は、上述の他のタイプの符号化された情報と組み合わされてもよい。
【００３２】
タグ位置推定のクエリ速度
タグに対する位置推定の更新速度は、前記システム内のタグの数に依存する。システム内に多くの（例えば>>１０の）タグが存在しうるが、これは、それぞれの位置が監視されるべきであることを意味しない。活動していない又は動かないタグは、例えば前記基地局がタグの移動に関して持っている以前の情報に基づいて、スキップされてもよく、又は前記基地局により低い頻度でクエリされてもよく、より速く移動するタグは、より頻繁にクエリされることができる。
【００３３】
実験から、屋内環境において、時間ｔ＝０に送信された４０ｋＨｚの典型的な短い（≦１ｍｓ）超音波信号が、およそ時間ｔ＝１００ｍｓ又はそれ以前にノイズの中で検出不可能になることが知られている。１回の要求−応答が２回の送信、即ち前記基地局から１回及びタグから１回を必要とすることを考慮すると、タグに対する位置推定サイクルは、多くともおよそ２００ｍｓかかる。したがって、少なくとも毎秒５回の位置更新が可能である。動き回るＮのタグに対して、タグごとの平均位置測定更新速度は、毎秒５／Ｎ回の更新になる。この性能は、上述のようにＣＤＭＡを使用するような符号化されたタグ応答を使用することにより向上されることができる。典型的には、全てのタグが同時に移動しているわけではないので、これは、単一の部屋における位置測定システムに対して許容可能な性能を提供するべきである。
【００３４】
改良された位置推定に対する音響アレイ
前記基地局は、前記タグからの音響応答信号において追加の情報を検出するために２つ以上の超音波トランスデューサのアレイを使用することができる。これのより広いアイデアの単純な例は、参照によりここに組み込まれる２００４年３月９日出願のオランダ特許出願第０４１００９５０．７号（整理番号ＰＨＮＬ０４０１３２ＥＰＰ）に記載されている。このような（受信モードの）超音波トランスデューサのアレイを用いて、前記タグからの入ってくる超音波直接ラインオブサイト信号の方向及び入ってくる反射信号の方向が推定されることができる。この情報は、前記タグの３次元位置を決定する際に役立つことができる。音響アレイの使用は一般に文献において既知である。例えば、L.J. Ziomek, Fundamentals of Acoustic Field Theory and Space-Time Signal Processing, CRC press (1995)を参照する。更に、アレイと反射の組み合わせは、"Indoor Ultrasonic Position Estimation Using A Single Base Station"と題された、上で参照されたE.O. Dijkの文献のセクション８．３．３に簡潔に記載されている。
【００３５】
位置追跡と音響反射の組み合わせ
このアイデアは、上で参照されたE.O. Dijkの文献の第１７３ページに記載されている。これは、超音波反射に基づいて、３次元位置推定のロバストネス／精度を大幅に向上することができる。
【００３６】
本発明の好適な実施例と見なされるものが示され、記載されたが、もちろん、形態又は詳細の様々な修正及び変更が、本発明の精神から逸脱することなく容易に行われることができると理解される。したがって、本発明は、記載され、図示された厳密な形態に限定されないと意図され、添付の請求項の範囲内に入り得る全ての変形例をカバーすると解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明による室内の位置測定システムの図を示す。
【図２】本発明による基地局及び応答器タグのブロック図を示す。
【図３】本発明による図２の基地局及び応答器タグにより送信される音響信号のタイミング図を示す。
【図４ａ】本発明による基地局受信器により検出される超音波信号を示す。
【図４ｂ】本発明による第１の信号テンプレートを示す。
【図４ｃ】本発明による第２の信号テンプレートを示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【国際調査報告】
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