(57)【要約】【解決手段】  本発明の装置は、対象である構造物の少なくとも一部を透過する信号を送信及び／又は受信するように配置された複数のトランシーバであって、各トランシーバは、その他のトランシーバの少なくとも一つからの信号を受信する複数のトランシーバと、受信した信号の強さと、複数のトランシーバの位置と、建築慣例の事前知識と、構造物外部の特徴とを用いて、対象である構造物のマップを生成し、及び／又は、対象である構造物内の人間の動きを検出するプロセッサとを備えている。対象である構造物のマップを生成し、及び／又は、対象である構造物内の人間の動きを検出する方法も提供される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象である構造物の少なくとも一部を透過する信号を送信及び／又は受信するように配置された複数のトランシーバであって、各トランシーバは、その他のトランシーバの少なくとも一つからの信号を受信する複数のトランシーバと、
受信した信号の強さと、複数のトランシーバの位置と、建築慣例の事前知識と、構造物外部の特徴とを用いて、対象である構造物のマップを生成し、及び／又は、対象である構造物内の人間の動きを検出するプロセッサと、
備えている装置。
【請求項２】
複数のトランシーバは、可動アンテナを有する又は有していないＷｉＦｉトランシーバである、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
複数のトランシーバは、間隔を置いてハーネスに沿って取り付けられている、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
複数のトランシーバの複数の組が、垂直に離間した平面に配置され、プロセッサは、それら平面に沿ったマップを生成し、対象である構造物の３次元を生成する、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
マップは、信号強度のマップである、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
マップは、断層逆投影アルゴリズムを用いて生成される、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
対象である構造物内の未知又は既知の場所に配置されている非協動的又は協動的な送信機を更に備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
対象である構造物内に配置された送信機は、ＷｉＦｉルーターである、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
対象である構造物の内部のマップにおける推測を向上させるために、断層撮影再構成と組み合わせて、建築慣例の事前知識と、対象である構造外部の特徴とを、ベイズ推定を用いて組み入れることでマップが生成される、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
対象である構造物の少なくとも一部を透過する信号を送信及び／又は受信するように複数のトランシーバを配置するステップであって、各トランシーバは、その他のトランシーバの少なくとも一つからの信号を受信するステップと、
受信した信号の強さと、複数のトランシーバの位置とを用いて、対象である構造物のマップを生成するステップと、
を含む方法。
【請求項１１】
複数のトランシーバは、可動アンテナを有する又は有していないＷｉＦｉトランシーバである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
複数のトランシーバは、間隔を置いてハーネスに沿って取り付けられている、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
複数のトランシーバの複数の組は、垂直に離間した平面に配置され、マップは、対象である構造物の３次元マップである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
マップは、信号強度のマップである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
マップは、断層逆投影アルゴリズムを用いて生成される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
対象である構造物内の未知又は既知の場所に配置されている非協動的又は協動的な送信機を使用して、複数のトランシーバに信号送信するステップを更に含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
対象である構造物内に配置された送信機は、ＷｉＦｉルーターである、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
対象である構造物の少なくとも一部を透過する信号を送信及び／又は受信するように複数のトランシーバを配置するステップであって、各トランシーバは、その他のトランシーバの少なくとも一つからの信号を受信するステップと、
受信した信号の強さと、複数のトランシーバの位置とを用いて、対象である構造物内の人間の動きを検出するステップと、
を含む方法。
【請求項１９】
受信した信号の強さと、複数のトランシーバの位置とを用いて、対象である構造物内の人間の動きを検出し追跡するステップは、瞬間的に変動する送信機及び／又は受信機の信号経路の時間的順序を用いる、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、構造物のマップを作成し、その構造物における対象物の動きを検出する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
軍関係者、法執行関係者やファーストレスポンダ（first responders）は、日頃から様々な危険な状況に遭遇している。特定のある危険な状況では、内部について詳細を知ることなく、建物又は構造物に入る必要がある。内部空間と中身の情報とが入る前に分かっていれば、レスポンダの安全と任務成功の可能性とが向上する。
【０００３】
このような機能を与えるための今までの試みは、比較的あいまいなものである。一例として、レーダースコープがある。これは、２．４ＧＨｚのハンドへルドのレーダー装置であって、１２インチまでのコンクリート越しに、隣室にいる人間の動きを検出できるが、人間が部屋のどこにいるかについての情報をもたらさない。
【０００４】
建物の内部をマッピングし、その中にいる人の動きを検出できる方法及び装置であって、できるだけ多くのファーストレスポンダに採用され得るように商業的に実施できる方法及び装置が非常に望まれている。
【発明の概要】
【０００５】
ある形態では、本発明は、対象である構造物の少なくとも一部を透過する信号を送信及び／又は受信するように配置された複数のトランシーバを含む装置をもたらす。複数のトランシーバの各々は、その他のトランシーバの中の少なくとも一つから信号を受信し、受信した信号の強度と、複数のトランシーバの位置と、建築慣例（building practices）の事前知識と、構造物の外側の特徴とを用いて、対象である構造物のマップを生成し、及び／又は、対象である構造物内を人間が動くと、それらの位置を決定する。マップは、プロセッサを用いて、又は、表示装置にて情報を重ねることで生成されてよい。対象の構造物における人間の位置及び／又は動きは、受信した信号の強度の変動の時間的順序（temporal order）から決定できる。
【０００６】
別の形態では、本発明は、対象である構造物のマップを生成し、及び／又は、対象である構造物内の人間の動きを検出する方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、本発明の実施形態を実施するのに使用できるシステムの概略図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態を実施するのに使用できるシステムの概略図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態を実施するのに使用できるシステムの概略図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態を実施するのに使用できるシステムの概略図である。
【図５】図５は、本発明の実施形態を実施するのに使用できるシステムの概略図である。
【図６】図６は、本発明の実施形態を実施するのに使用できるシステムの概略図である。
【０００８】
【図７】図７は、対象である構造物の概略図である。
【０００９】
【図８】図８は、本発明の実施形態を実施するのに使用できるシステムの概略図である。
【図９】図９は、本発明の実施形態を実施するのに使用できるシステムの概略図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施形態を実施するのに使用できるシステムの概略図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施形態を実施するのに使用できるシステムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
ある形態では、本発明は、対象である部屋又はその他の構造物について、粗いマップ（crude map）を生成する装置を提供する。本発明は、もっぱら、市販されている既製の（ＣＯＴＳ）構成要素を用いて、プログラミングのみを変更することで実施可能である。ある実施形態では、ＷｉＦｉ信号が活用されて、建物の内部のマップが作られる（即ち、ＷｉＦｉマッピング）。ＷｉＦｉ装置は、非常に廉価であって、放射と健康の関連について既に明らかにされていることから、有利である。
【００１１】
ＷｉＦｉマッピングでは、建物の内部マップが、一式のＷｉＦｉ送信機及び受信機と、断層逆投影法（tomographic backprojection）のような処理方法とを用いて生成され得る。図１は、単純な矩形である、対象である建物又はその他の構造物１０の概略図であって、ＷｉＦｉ送信機／受信機モジュール１２、１４、１６及び１８（トランシーバとも称される）が、建物の壁の外側の位置Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤに配置されている。図１は、説明上、４つのトランシーバを示しているが、より多くのトランシーバを使用できることは理解できるであろう。更に、この実施形態では、対象である構造物の外側にトランシーバが示されているが、より一般的には、トランシーバは、対象の構造物の少なくとも一部を透過する信号を送信及び／又は受信するような、どのような場所に配置されてもよい。 
【００１２】
マッピング処理の始めに、トランシーバ１２は信号を送信し、位置Ｂ、Ｃ及びＤにて建物の外にあるＷｉＦｉ受信機は、（１）それらが、位置ＡにあるＷｉＦｉ送信機からの信号を受信できるか否かと、（２）信号が受信される場合には、受信した信号の強度とを報告する。この情報は、受信機２０に報告（例えば、送信）されてよい。受信機２０は、情報を処理するプロセッサを含んでおり、建物内部のマップを出力２２として出力する。プロセッサは、断層逆投影法のような既知のマッピング手法を用いるようにプログラミングされてよい。さもなくば、情報は、例えば、インターネットを介して遠隔のプロセッサに送信されてよく、その遠隔のプロセッサがマップを生成する。
【００１３】
この例では、ＷｉＦｉトランシーバは、単純なワンルームの住宅の周囲に配置されている。位置Ａにある第１送信機がオンにされる。そして、位置Ｂ、Ｃ及びＤにある受信機は、それらが、位置Ａにある送信機が送信したＷｉＦｉ信号を受信するか否か（及びその強度）を報告する。送信機１２から受信機１４、１６及び１８への信号経路は夫々、経路１、２及び３として示されている。次に、位置Ａにある送信機がオフにされて、位置Ｂにある送信機がオンにされる。その後、位置Ｃ及び位置Ｄ（随意選択的に、位置Ａ）にある受信機は、それらが位置Ｂにある送信機からの信号を受信したか否かについて報告を返す。
【００１４】
図２は、位置Ｂにある送信機がＷｉＦｉ信号を送信し、位置Ｃ及びＤにて建物の外にある受信機が、それらが、位置Ｂにある送信機で送信された信号を受信できるか否かを報告し、受信した信号の強度を知らせる模様を図示している。逆向き（例えば、位置Ｂの送信機から位置Ａにある受信機への経路３に沿った向き）で経路を複製する信号は余分であるが、測定精度を上げるのには有用である。
【００１５】
この処理は、位置Ｃ及びＤにある送信機から信号を送信して、繰り返される。このような処理により、最終的に、図３に示すようなノード間で可能な全ての経路について情報が生成される。
【００１６】
図１、２及び３に示すように部屋が空である場合には、受信した信号の全てが、ほぼ同じ大きさを有していると考えることができるかも知れない。これは通常、壁内の不均一性（例えば、間柱や梁）と、構造物内における反射信号間の電磁波の位相関係とから、現実のケースとはならない。
【００１７】
更に、これらの信号は、図１、２及び３で表現されているような「レーザービーム」には似ずに、図４に示されているような信号パターンを生じるように広がるだろう。反射が図示されていないので、これらの信号パターンでさえも過剰に単純化されている。図４は、位置Ａにある送信機のビームの形状２４と、位置Ｄにある受信機で受信するビームの形状２６の例を示している。壁の反射は図示されていない。
【００１８】
受信信号を処理することで、内部の大雑把な近似を示すマップを生成できる。位置Ａの送信機と位置Ｄの受信機の間の経路についてのインタロゲーション（interrogation）の正味の領域は、図５に示すように、ほぼ送信ビームと受信ビームの交差領域である。言い換えると、この領域における如何なる障害物も、Ｄでの受信信号の減衰に寄与する。望まれない反射の効果を除いて、送信ビームと受信ビームの共通部分にない領域からは、データは得られないであろう。これは、４つよりも多いトランシーバを用いる動機を与える。マップの解像度（resolution）は、より多くのトランシーバを用いることで増加する。これは、例えば、ハーネスにトランシーバの複数の群をまとめて、建物の壁に沿ってそれを延ばすことで、又は、トランシーバの幾つかを移動させて、新たな位置から更なる測定を行うことで達成されてよい。
【００１９】
建物のマップ又はイメージを作り出す一つの方法は、伝送減衰（transmission attenuation）マップを生成することである。これは単に、伝送強度（transmission strength）マップの逆数である。対象物又は人間は、伝送が最も弱い又はゼロである経路に恐らく存在する。図５は、送信ビームと受信ビームの形状に起因したインタロゲーションの正味の領域を示している。位置Ａの送信機と位置Ｄの受信機の間の伝送が図５にて弱いならば、覆域（coverage area）は、暗く遮られる。マップは、送信／受信ペアの間の陰影図形（shading diagram）を組み合わせることで生成される。
【００２０】
図６は、単純な内部パーティション２８（例えば、クロゼット）を有する建物のケースを示している。このケースでは、位置Ａの送信機と位置Ｂの受信機の間の信号は、位置Ｂの送信機と位置Ｄの受信機の間の経路のようなその他の経路に対して、特に減衰することが予想できるであろう。さらなる受信機がないと、パーティション又はある障害物の存在を越えて推定できないであろう。多量に重なった衣服が、パーティションと同じ効果を有するかも知れない。それにも拘わらず、この単純なシステムは、信号経路に沿った障害物の証明を与える。これは、それでも、部屋に入って、発生し妨害するどんなことにも立ち向かわなければならない兵士又はファーストレスポンダに有用な情報である。
【００２１】
断層撮影再構成（tomographic reconstruction）により、トランシーバの平面内にある障害物のマップが生成される。トランシーバは、単一の平面内にできるだけ近づいて置かれるべきである。実際には、平面は、限りなく薄くはなく、アンテナと、障害物の電磁散乱とに依存している。この幅は、（クロスボウモート（Crossbow motes）を用いた非常に小さい建物での実証試験にて、垂直方向に）１フィートのオーダーであると、又は、非常に厚いと推測されている。それ故に、追加の測定値が、（垂直方向に）約１フィート離間した水平な複数の「切断（cutting）」面に配置された複数のトランシーバから集められると、真に３Ｄである建物のマップを得ることができる。この種の収集は、壁と、積み重ねられた衣服のようなその他の障害物とを区別できるので、有用である。これは、通常、壁は、床と天井の間の全ての距離を横切っており、家具と積み重ねられた衣服や箱はそうではないからである。複数の平面で測定値を集めるために、垂直方向に変位した平面に配置されたトランシーバの別々の組を用いることで、又は、垂直方向のデータ収集ステップにて一組のトランシーバを持ち上げることで、追加の測定値が集められてよい。
【００２２】
アーミーコープスオブエンジニアズ（Army Corps of Engineers）、ワールドワイドコンストラクションプラクティシズ（Worldwide Construction Practices）ソフトウェアに集められたもののような、局所的な建設慣例（construction practices）の予備知識が使用されて、壁の位置の推定をさらに正確にしてよい。例えば、小さくて狭いバスルームが住宅に通常存在しているならば、このことは、データの解釈を誘導すべきである。ベイズ推定手順が使用されて、建築慣例の予備知識を断層撮影再構成法と組み合わせてよい。局所的な建設慣例は、要するに、建物の構造の規則の組又は「グラマー（grammar）」の種類である。断層撮影データと組み合わせて既存の種類のグラマーを使用することは、建物の配置を推測するのに役に立つ。何が典型的な構成であるかについての知識は、伝送減衰マップ又は断層撮影マップの（機械又は人間による）解釈の指針となるはずである。
【００２３】
更なる予備知識は、窓やドアなどの外側建具の配置である。例えば、建物外面の正面玄関が開くことを妨げる内壁はおそらく存在しないであろう。改築されていない建物では、内壁は窓を隔てていない可能性が高い。幾つかの建物は、幾つかの内壁がありそうな場所の情報に一般的に関係している外部の目印（例えば、壁を補強するタイロッド）を有する。これらの観察できるものの全てを「構造物の外部特徴」と称する。
【００２４】
図７−１０は、建築構造のグラマーの予備知識をどのように使用して、構造物マップに特徴を与えるかについて示している。図７は、構造物３０の真のフロア平面図であって、構造物３０は、外側にある複数の窓３２及びドア３４と、内部ドア３８を有する内壁３６とを含んでいる。トランシーバは、構造物の外側の位置Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤに配置できる。更に、ある実施形態では、位置Ｅにあるトランシーバのような、対象である構造物内にある未知又は既知の場所にある非協動的又は協動的な送信機４０からの信号も用いてよい。
【００２５】
図８は、位置Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤにある４つのトランシーバによる信号減衰ダイアグラムである。構造物内の障害物で減衰した信号４２及び４４は、暗い陰影で示されている。図９にて、線４６及び４８は、典型的な建設慣例（又は、従来の建築「グラマー」）の事前知識では導かれない、対角にある壁の配置を推測している。図１０では、線５０は、建設慣例の事前知識とデータとを考慮して障害物の場所を推測するより良い方法を示している。図１０は、線５０は、推測した壁の場所と向きを示している。壁は、垂直であると推測される。なぜならば、それは、典型的な構成と矛盾しないからである。この線の位置は、信号の強さと、典型的な建設慣例では、内壁が外壁に対して垂直に配置されるという知識とを用いて決定されている。図７−１０に示したように、限られてはいるものの、構造物内部の知識を、据え付けた４つのトランシーバのみを用いて修得することができる。
【００２６】
図１１は、対象である別の構造物７６における壁６０、６２、６４、６６、６８、７０、７２及び７４の簡単で、あり得そうなモデルである。位置の陰影がより暗くなると、その場所に壁がある可能性がより高くなる。壁の可能性は、伝送減衰マップ又は断層撮影再構成の陰影が最も暗い場所で最大になる。ある実施例では、ハイブリッドなグラフ−確率モデルが用いられて、壁の位置が推測されてよい。
【００２７】
別の形態では、本発明は、構造物内に配置された送信機を使用してよい。建物の居住者が、図７に示す送信機４０のようなＷｉＦｉルーターを設置していると、その位置が知られていなくとも、それにも拘わらず、それは、有用な情報を与え得る。このケースでは、居住者のＷｉＦｉルーターは、建物内に配置されており、受信機は、建物の外側に配置されている。この種の受動的な配置を用いることで、建物内の動きと、動きの大まかな向きとをさらに検出できる。なぜならば、動いている物は、送信された放射を妨げる又は妨害するからである。
【００２８】
本明細書で説明されたシステムの改善が、電気的可動アンテナを有するＷＩＦｉトランシーバを用いることでなされてよい。可動アンテナを有するシステムは、よりよい画像を生成するであろう。
【００２９】
別の形態では、本発明は、建物内の人間の動きを検出するのに使用されてよい。ＷｉＦｉ動き検出では、動き検出能力は、人間が建物内を動くと、人間の体が、送信機と受信機の間で電磁場を妨害する現象に起因している。この現象は、（たまたま持っているならば）居住者自身のＷｉＦルーターと建物の外側にある一つの受信機以外の何も用いないで、観測されるかも知れない。しかしながら、動きを検出する能力は、上述したように建物の周囲にＷｉＦｉトランシーバを散在させると増加する。
【００３０】
トランシーバが建物に沿って設置されると、各信号は、普段は時間に亘って大きく変化しない。人間が、図５のトランシーバＡとトランシーバＤ（１２と１８）の間の経路のような伝送経路を通って動くと、信号が瞬間的に比較的大きく減衰する。人間の経路は、瞬間的に変動する送信機／受信機の経路の時間的な順序から推定され得る。
【００３１】
ある実施形態では、（ジグビー（Zigbee）ラジオやセンサーモートのような）トランシーバ及びプロセッサが使用されて、ＷｉＦｉ信号が利用されて、建物の内部のマップを作成し（ＷｉＦｉマッピング）、及び／又は、居住者の動きを検出する（ＷｉＦｉ動き検出）。ジグビーは、ワイヤレスパーソナルエリアネットワークのＩＥＥＥ８０２．１５．４−２００３基準に基づいた小さく、低電力のデジタルラジオを用いた一組の高性能通信プロトコルの規格である。
【００３２】
本発明は、格好のＷｉＦｉ信号、つまり、建物の外側に置かれたトランシーバからのＷｉＦｉ信号を使用できる。上述したシステムを用いることで、動きを検出して、一世代住宅のような簡単な建物の内部の粗い地図を生成できる。この能力は、クロスボウＩＲＩＳジグビーラジオのような、民生のセンサーモートトランシーバを用いて迅速に開発可能である。
【００３３】
ある形態では、本発明は、建物の内部のマップを生成し、及び／又は、建物内の人間の動きを検出して、ファーストレスポンダと市街戦を支援するために従来技術の限界を克服する。別の形態では、本発明は、構造物の内部のマップを生成する方法を提供し、対象である構造物の少なくとも一部を透過する信号を送信及び／又は受信する複数のトランシーバを、各トランシーバはその他のトランシーバの少なくとも一つから信号を受信するように配置するステップと、受信した信号の強度と、トランシーバの位置とを用いて、対象である構造物のマップを生成し、及び／又は、対象である構造物内の人間の動きを検出するステップとを含む。この方法は、電磁場の妨害を利用して、構造物内の居住者の動きを検出できる（即ち、ＷｉＦｉ動き検出）。ある実施形態では、本発明の方法は、電磁場の複数の妨害を検出して、それらの場所を特定することで、動いている居住者の人数を推定できる。
【００３４】
本発明は、一般に入手できる部品を用いて実施されて、壁を透視する能力をもたらす。幾つかの実施形態について、本発明が説明されたが、特許請求の範囲で規定された本発明の範囲から逸脱することなく、説明された実施形態に様々な変更がなされてよいことは、当業者には明らかであろう。
【図１】
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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６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
2015527573.tif 000014
2015527573.tif 000015