(57)【要約】      （修正有）【課題】風による音速変化の補償を行い測定精度の高い位置測定方法を提供する。【解決手段】ドップラー効果を利用した風速の測定結果に基づき音速変化の補償を行う位置測定方法であって、被位置測定体１から所定の周波数の音波を送信して位置測定体２に受信させて、その受信時刻と送信時刻から上記音波の伝搬時間を算出するとともに、ドップラー効果に基づく風による音速変化の補償を行って位置測定体２からの被位置測定体１の距離を算出して位置測定する。【選択図】図１
2013185856.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドップラー効果を利用した風速の測定結果に基づき音速変化の補償を行う位置測定方法であって、被位置測定体から所定の周波数の音波を送信して位置測定体に受信させ、その受信時刻と送信時刻から上記音波の伝搬時間を算出するとともに、ドップラー効果に基づく風による音速変化の補償を行って位置測定体からの被位置測定体の距離を算出して位置測定することを特徴とするドップラー効果を利用した位置測定方法。
【請求項２】
移動する被位置測定体から位置測定用の音波と風速補償用の一定の周波数の音波を交互にスピーカから送信し、位置測定体のマイクで受信して被位置測定体の距離を逐次算出して位置測定する請求項１に記載のドップラー効果を利用した位置測定方法。
【請求項３】
被位置測定体から送信される位置測定用の音波がスペクトル拡散音のＭ系列符号の音波であって、当該音波を受信した位置測定体が行う距離算出方法が当該音波のＭ系列符号について相関処理を行って同期処理するものである請求項１または２に記載のドップラー効果を利用した位置測定方法。
【請求項４】
位置測定体を１個以上とし、移動する被位置測定体との距離を数十ｍ以上離した状態となる位置に設置した請求項１ないし３のいずれかに記載のドップラー効果を利用した位置測定方法。
【請求項５】
被位置測定体を含む音波送信体から所定の周波数の音波を送信して位置測定体を含む音波受信体に受信させ、その音波を周波数解析してそのスペクトル成分の帯域幅より音波送信体から音波受信体間の風速を測定することを特徴とするドップラー効果を利用した風速測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定分野における、特に精度よく位置測定できるドップラー効果を利用した位置測定方法および風速測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、日本の農業において、農業従事者の減少や高齢化に伴い、農業生産、管理作業等の省力化や低コスト化がますます重要な課題となっている。その中で自動化が進んでいない作業の中で、畦畔での除草作業が挙げられる。特に、中山間地の棚田や段畑においては、刈払い機など人力に依存しているのが現状で、この重労働かつ危険な除草作業を自動で行うために小型除草ロボットの開発が進められている。
【０００３】
ロボットが自動で草刈作業をするときに、経路生成や位置検出にはＧＰＳを用いることが考えられる。しかし、精度の高いＧＰＳは、高価であり、また中山間地域では必ずしも必要な数のＧＰＳ衛星を補足できないこともあり、低価格の実用機を目指すのは困難である。
【０００４】
また、屋外等で音波を利用して位置測定する場合、風の吹く環境下では風による音速の変化に伴う測定精度の低下があり、精度よく位置測定できないものであった。
【０００５】
特許調査の結果、特表２００５−５１６１９０号公報のように、各デバイス間で音波を相互に送受信することで、風速の影響を相殺することが提案されている。また、ドップラー効果を利用することにより風速を測定することが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００５−５１６１９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、前者では、各デバイス間で音波を相互に送受信させているため、デバイスや処理が複雑となり、コストが増大する。また、後者のドップラー効果により風速を測定する方法では、スピーカとマイクを固定して設置したもので、スピーカとマイクを固定する必要があり、移動する物体の位置測定システムに応用することが難しい。
【０００８】
そのため、屋外等の風の吹く環境下でも、風による音速の変化に伴う測定精度を低下することなく、移動する物体の位置等を精度よく測定することが課題であった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記のような点に鑑みたもので、上記の課題を解決するために、ドップラー効果を利用した風速の測定結果に基づき音速変化の補償を行う位置測定方法であって、被位置測定体から所定の周波数の音波を送信して位置測定体に受信させ、その受信時刻と送信時刻から上記音波の伝搬時間を算出するとともに、ドップラー効果に基づく風による音速変化の補償を行って位置測定体からの被位置測定体の距離を算出して位置測定することを特徴とするドップラー効果を利用した位置測定方法を提供するにある。
【００１０】
また、移動する被位置測定体から位置測定用の音波と風速補償用の一定の周波数の音波を交互にスピーカから送信し、位置測定体のマイクで受信して被位置測定体の距離を逐次算出して位置測定するドップラー効果を利用した位置測定方法を提供するにある。
【００１１】
さらに、被位置測定体から送信される位置測定用の音波がスペクトル拡散音のＭ系列符号の音波であって、当該音波を受信した位置測定体が行う距離算出方法が当該音波のＭ系列符号について相関処理を行って同期処理するものであるドップラー効果を利用した位置測定方法を提供するにある。
【００１２】
さらにまた、位置測定体を１個以上とし、移動する被位置測定体との距離を数十ｍ以上離した状態となる位置に設置したドップラー効果を利用した位置測定方法を提供するにある。
【００１３】
さらにまた、被位置測定体を含む音波送信体から所定の周波数の音波を送信して位置測定体を含む音波受信体に受信させ、その音波を周波数解析してそのスペクトル成分の帯域幅より音波送信体から音波受信体間の風速を測定することを特徴とするドップラー効果を利用した風速測定方法を提供するにある。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のドップラー効果を利用した位置測定方法は、特許請求の範囲の請求項１のように、ドップラー効果を利用した風速の測定結果に基づき音速変化の補償を行う位置測定方法であって、被位置測定体から所定の周波数の音波を送信して位置測定体に受信させ、その受信時刻と送信時刻から上記音波の伝搬時間を算出するとともに、ドップラー効果に基づく風による音速変化の補償を行って位置測定体からの被位置測定体の距離を算出して位置測定することによって、装置を複雑にすることなく、被位置測定体の位置を測定することができるものであり、ドップラー効果に基づく風による音速変化の補償を行って、屋外等の風の吹く環境下でも、風による音速の変化に伴う測定精度を低下することなく、被位置測定体の位置を精度よく測定することができる。
【００１５】
また、請求項２のように、移動する被位置測定体から位置測定用の音波と風速補償用の一定の周波数の音波を交互にスピーカから送信し、位置測定体のマイクで受信して被位置測定体の距離を逐次算出して位置測定することによって、装置を簡単化できて、上記したようにドップラー効果に基づく風による音速変化の補償を行って、屋外等の風の吹く環境下でも、風による音速の変化に伴う測定精度を低下することなく、移動する被位置測定体の位置を精度よく測定することができる。
【００１６】
さらに、請求項３のように、被位置測定体から送信される位置測定用の音波がスペクトル拡散音のＭ系列符号の音波であって、当該音波を受信した位置測定体が行う距離算出方法が当該音波のＭ系列符号について相関処理を行って同期処理することによって、スペクトル拡散音のＭ系列符号の優れた自己相関特性と雑音耐性を利用して、屋外等の風の吹く環境の雑音下でも、高精度に上記のように位置測定できるとともに、無線ネットワークなので置測定体の追加や除去が容易で、かつその配置も自由に行なえて位置測定することができる。
【００１７】
さらにまた、請求項４のように、位置測定体を１個以上とし、移動する被位置測定体との距離を数十ｍ以上離した状態となる位置に設置したことによって、測定距離が数十ｍ以上の測定であっても、位置測定体からの算出距離で移動する被位置測定体を位置測定することができるとともに、数ｃｍ位の誤差で位置測定することができる。
【００１８】
さらにまた、請求項５のように、被位置測定体を含む音波送信体から所定の周波数の音波を送信して位置測定体を含む音波受信体に受信させ、その音波を周波数解析してそのスペクトル成分の帯域幅より音波送信体から音波受信体間の風速を測定することによって、ドップラー効果を利用して音波送信体から音波受信体間の風速を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の位置測定システムの概要説明図、
【図２】同上の距離算出の概要説明図、
【図３】同上のドップラー効果の風力による音速変化の原理説明図、
【図４】同上の風速の違いによる周波数特性説明図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、
【図５】同上の風による音速変化の周波数特性説明図、
【図６】同上の周波数とパワースペクトルの関係図、
【図７】同上の屋内における風速とパワースペクトルの関係図、
【図８】同上の屋外における風速とパワースペクトルの関係図、
【図９】同上の風速とパワースペクトルの関係図、
【図１０】同上の風速とパワースペクトルの関係図、
【図１１】参考用の風による音速変化の実験結果図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の位置測定方法は、ドップラー効果を利用した風速の測定結果に基づき音速変化の補償を行う位置測定方法であって、被位置測定体から所定の周波数の音波を送信して位置測定体に受信させ、その受信時刻と送信時刻から上記音波の伝搬時間を算出するとともに、ドップラー効果に基づく風による音速変化の補償を行って位置測定体からの被位置測定体の距離を算出して位置測定することを特徴としている。
【００２１】
ドップラー効果を利用した位置測定方法は、図１のように移動する被位置測定体１のまわりに１個以上（図上４個）の位置測定体２を所定の距離を隔てて配設し、位置測定体２から被位置測定体１の距離を逐次測定して被位置測定体１の位置を測定するようにしている。
【００２２】
図２のように上記移動する被位置測定体１には、装着したプロセッサ３によって位置測定用のスペクトル拡散音を含む音波と風速補償用の一定の周波数の音波を交互に作成し、Ｄ／Ａ変換してオーディオアンプ４により増幅し、スピーカ５から位置測定体２側へ送信される。また、この送信するタイミングで、プロセッサ３より同期信号を無線デバイス６に出力して位置測定体２側へ送信して通知するようにしている。
【００２３】
そして、位置測定体２では、図２のように装着した無線デバイス７で上記同期信号を受信して検出した後、プロセッサ８に同期信号を出力し、同期信号を検出した後、上記マイク９から出力される音波信号をＡ／Ｄ変換する。そして、バッファに音波データが溜まった時点で相関処理して相関ピーク検出等の所要の処理を行い、スペクトル拡散音等の音波によってスピーカ５―マイク９間の距離を上記プロセッサ８で算出し、その結果を無線デバイス７を介して被位置測定体１に送信して通知するようにして、その距離情報を基に音速にその伝播時間を乗算して被位置測定体１の位置を測定するようにしている。
【００２４】
１次元では１個の位置測定体２で位置測定でき、２次元では２個の位置測定体２でも位置測定できるが、その際２つの円の交点の一の位置を選択して位置測定できる。図１のように３個以上では、これらの円の交点ないし重なり合う近傍点として位置測定される。
【００２５】
音波は、障害物があっても回り込みやすく、かつ測定手段が安価である利点がある。スペクトル拡散音は雑音耐性を有して精度よく位置測定できるものであり、その音源としてＭ系列符号を音波として用いることで、Ｍ系列符号の優れた自己相関特性と雑音耐性を有していることから測定精度および雑音耐性を向上できる。また、位置測定器２側で相関処理および距離計算を行うことで、相関処理等の演算コストを分散でき、被位置測定体１の負荷が減り、全体のプロセッサを安価に構築できる。さらに、上記のように被位置測定体１と位置測定体２とを無線デバイス６、７を用いて同期制御処理するので、高精度に位置測定ができる。
【００２６】
しかし、屋外等の風の影響があるところでは、上記のように音波による位置測定をすると測定に誤差が生じる。その主な誤差要因は、風によって音速が変化して測定精度が低下することにある。そのため、風による音速変化の補償を行って補正する必要がある。
【００２７】
風が吹く環境下では、音波による距離Ｄ（ｍ）は、スピーカ５からマイク９までの音の伝搬時間△Ｔ（ｓ）、音速Ｖｓ（ｍ／ｓ）、温度ｔ（℃）、風速Ｖｗ（ｍ／ｓ）とすると、次式で求められる。
Ｄ  ＝Ｖｓ×ΔＴ
Ｖｓ＝３３１．５＋０．６１×ｔ＋Ｖｗ
ここに、風速Ｖｗはスピーカ５からマイク９に吹く追風のときはプラス、逆風のときはマイナスになる。
【００２８】
上式より距離Ｄの精度向上には、風速Ｖｗと温度も正確に測定する必要があり、風速と温度の影響を含んだ音速Ｖｓ（ｍ／ｓ）に修正できて、音波の風速変化による補償が可能となる。
【００２９】
本発明では、ドップラー効果を利用した風速による音速変化の補償するもので、図３はその原理を示すものである。図３のようにマイク９とスピーカ５を配置し、スピーカ５から周波数ｆの音波を放射する。このとき、音速ｃは速度Ｖで移動する微粒子に散乱反射し、次式のようにドップラー現象によりマイク９の受音する周波数ｆ''は、次のように求められる。ここに、ｆ’は、微粒子に衝突したときの音の周波数である。
（ｃ  −  Ｖｃｏｓθ1 ）                        ｃ
ｆ’＝────────────ｆ      ｆ''＝────────────ｆ’
c                           （ｃ  −  Ｖｃｏｓθ2 ）
（ｃ  −  Ｖｃｏｓθ1 ）
ｆ''＝────────────ｆ  
（ｃ  −  Ｖｃｏｓθ2 ）
【００３０】
上記の式から、周波数ｆ、ｆ''、ｃ、θ1 、θ2 が既知もしくは測定可能であれば、風速Ｖを求めることができる。しかし、位置測定する場合、スピーカ５またはマイク９の位置は定まらず、よってθ1 、θ2 も一定値にならない。そこで、一定周波数の音を出力したとき、マイク９は、０°＜θ1 ＜９０°、０°＜θ2 ＜９０°の範囲内でドップラー効果が起きた音を受信していると考え、風速により周波数がどのように変化するか、上式に代入して計算した。たとえば、ロボットに設置したスピーカ５からの音を利用して距離を計測するとすれば、０°＜θ1 ＜９０°、０°＜θ2 ＜９０°の範囲内でドップラー効果が起きた音をマイク９で拾っていると考えられる。ここで、音速ｃ＝３４０ｍ／ｓ、送信音波の周波数ｆ＝２４KHz とした。
【００３１】
その結果は、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）であり、各グラフはｘ軸がθ1 、ｙ軸がθ2 、ｚ軸が受信周波数を表している。図５は、風速とそのときの受信周波数の最大値と最小値を表したものである。図４、図５のように風速が強くなると、計測周波数の幅が広がっている。
【００３２】
このような結果、たとえば図５の関係から、風速Ｖｗは、次式のように求めることができる。
１                                      １
Ｖｗ＝────ｆmax −  ３４２．８    Ｖｗ＝−────ｆmin ＋  ３４２．８  
７０                                    ７０
ｆmax 、ｆmin は、受信音波信号をフーリエ変換ときのパワースペクトルがある一定値以上の最大周波数と最小周波数の値である。
【００３３】
しかし、θ1 、θ2 の全ての範囲を同音圧レベルでじ受信できないため、一意に最大周波数と最小周波数を決めることが困難となる。そこで、受信音波信号をフーリエ変換等の周波数解析し、中心周波数ｆc のパワースペクトルFcを基準とした差分値が最大となる周波数ｆｍのパワースペクトルＦｍを求め、その差分値を特徴量ｄf として用いて、風速Ｖｗを次式のように算出した。
Ｆｍ−  Fc                      ｄf −１．６９
ｄf ＝───────            Ｖｗ＝────────
ｆｍ−ｆc                       −０．１７３
【００３４】
したがって、本発明は、ドップラー効果を利用して風速測定することができ、上記のような被位置測定体のスピーカ等を含む音波送信体から所定の周波数の音波を送信して位置測定体のマイク等を含む音波受信体に受信させ、その音波を周波数解析してそのスペクトル成分の帯域幅より音波送信体から音波受信体間の広範囲の平均的な風速を測定することができる。スピーカ等の音波送信体とマイク等の音波受信体の安価な装置で上記したように風速測定することが可能で、別途デバイスを付加することなく、プロセッサで受信した音波を周波数解析して風速を知ることができ、安価な風速測定システムを構築することができる。
【００３５】
そしてまた、上記したようにして位置計測用の音波の出力の直後に風速測定用の音波を出力することで、位置計測用の音波が受けたほぼ同じ風の影響を測定することができ、位置計測用の音波の出力と風速測定用の音波を交互に出力することで、移動する被位置測定体１の位置を逐次測定していくことができる。なお、温度計を設けて音速を補償することもできる。
【実施例】
【００３６】
このようなことからドップラー効果を確かめるために、実験を行った。図６に示しているようにスピーカ５とマイク９を１ｍの距離に設置し、扇風機を用いて、4.46m/s 、2.99m/s 、2.23m/s の風をスピーカ５側からマイク９方向に向かって発生させた。スピーカ５からは、周波数２４KHz の音波を送信し、マイク９で受信した音波を周波数解析した。図６に受信した周波数成分を示す。図６より、原理通り風速が大きくなる程、受信音波の周波数幅が増大している。よって、ドップラー効果を利用して、周波数帯域幅から風速を上記した算出式から風速Ｖｗを決定することができる。表１は、このようにして算出した風速Ｖｗと既製品の風速計を用いて計測した風速を比較して示したもので、本発明のドップラー効果を利用して風速測定することが十分可能であることが実証できた。
【００３７】
表１  ドップラー効果を利用した風速測定と既製品の風速計による風速結果表
【表１】
2013185856.tif 000003
【００３８】
また、スペクトル拡散音と周波数を２４KHz に固定した一定周波数の音を交互にスピーカ５から放射し、屋内と屋外とで実験した。その結果、屋内における風速を変えたそれぞれのパターンのマイク９が受信した音の周波数とそのパワースペクトルの関係は、それぞれ図７、図８のものであった。これにより、風速は強くなるほど周波数の幅が広がっていることが分かる。図９は、ピークとなる２４KHz からのパワースペクトルの差分が一番大きくなる点に注目した結果を示すもので、風速と差分の間に相関が見られる。
【００３９】
図１０は、屋外実験における結果を示す。風向は、マイク９からスピーカ５に向かって吹いていた。上記のように屋内において相関関係が見られ、屋外でも風速と差分の間に相関関係が見られる。屋外では、風速計を同期のためにスピーカとマイクの上に置いて計測したため、実際の風速とずれが生じていたことが考えられるが、風速による音速変化が生じることが分かり、その補償を行うことは有効であると判断できる。
【００４０】
なお、参考用に、暗騒音４０ｄＢ（Ｆ）、出力音圧レベル８０ｄＢ（Ｆ）、測定距離０．５、５、１０、２０，、０、４０、５０ｍとして実験を行った。パソコンによりスペクトル拡散音のＭ系列符号の音波、周波数２４KHz の音波、同期信号を作成し、メディアプロセッサにより出力した。図１、図２で説明したように、スペクトル拡散音は、移動する被位置測定体１のオーディオアンプを通してスピーカにより出力される。同期信号は、無線デバイスに入力され、位置測定体２側へ送信して通知する。
【００４１】
位置測定体２では、無線デバイスで上記同期信号を受信して検出した後、プロセッサに同期信号を出力し、同期信号を認識するとマイク９から出力される音波信号をＡ／Ｄ変換する。そして、録音バッファに音波データが溜まると相関処理し、スピーカ５―マイク９間の距離を算出し、その結果を無線デバイスを介して被位置測定体１のパソコンに送信して表示する。距離取得間隔は３５０ｍｓである。
【００４２】
その結果を図１１に示す。□は実測測定誤差、◇は風速のデータを用いて補償したときの測定誤差である。□は２０ｍ以降の誤差は線形に悪くなる。これは、２０〜５０ｍの間で風が０．３ｍ／ｓ程度マイクからスピーカ方向に吹いていたためである。この風速を音速に足し合せて再計算した結果は◇のプロットである。風の影響を考慮すれば、５０ｍ以内でも誤差２０ｍｍ以内であり、風による音速変化の補償によって、かなりの精度で位置測定することが可能である。
【００４３】
このことは、上記したドップラー効果を利用した風速の測定結果に基づき音速変化の補償を行う位置測定方法に適用できるものであり、特に被位置測定体から送信される位置測定用の音波がスペクトル拡散音のＭ系列符号の音波であって、当該音波を受信した位置測定体が行う距離算出方法が当該音波のＭ系列符号について相関処理を行って同期処理することによって、スペクトル拡散音としてＭ系列符号を介して優れた自己相関特性と雑音耐性を利用して高精度に位置測定できるものである。
【００４４】
そして、上記のように無線ネットワークの構築によって、位置測定体の追加や除去が容易で、かつその配置も自由に行なうことができ、さらに障害物にも位置測定体を所定位置に適宜数設置して対処することができる。
【００４５】
なお、上記したように位置測定体は１次元では１個の位置測定体でよく、２次元では２個の位置測定体でも測定可能である。また、異なるＭ系列符号の音波を利用することによって、同時に２以上の移動する被位置測定体の位置測定を行うことができる。そして、上記のようにして被位置測定体を数十ｍ以上離れて移動しても、数ｃｍ位の誤差で精度よく位置測定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、精度よく位置測定や風速測定できて、農業分野での畦畔や中山間地の棚田や段畑でのロボット等による除草処理、ドーム、工場や屋外での物流、搬送の自走台車走行や清掃ロボット、空港等での自走台車配送や清掃ロボット、除草ロボット、その他の航法システム、屋内、屋外での風循環のモニタリング、気象データ観測、道路通行風速情報システムなどに広く利用することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１…被位置測定体      ２…位置測定体      ３…プロセッサ      ５…スピーカ  ６，７…無線デバイス      ８…プロセッサ      ９…マイク
【図１】
2013185856.tif 000004
【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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