(57)【要約】【課題】Ｎ次元空間における位置測定を簡易、且つ、精度よく実施できる位置測定システム及び位置測定方法を提供する。【解決手段】本発明はＮ次元空間における被測定位置を測定する位置測定システムであって、被測定位置に設置され、伝搬速度の異なる複数の信号波を送信する送信器ユニット（１）と、複数の受信位置に設置され、複数の信号波を受信するＮ個の受信器ユニット（２、３）と、各ユニットにおける信号の送受信タイミングを制御及び取得するコントローラ（４）とを備える。コントローラは、受信器ユニットにおける信号波間の遅延時間を求め、該遅延時間及びＮ次元空間における受信位置に基づいて、被測定位置を算出することを特徴とする。【選択図】図１
2013124939.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定位置から信号波を送信し、前記所定位置から離れた複数の受信位置にて前記信号波が受信されるまでの期間をそれぞれ測定することにより、Ｎ次元空間における位置測定を行う位置測定システムにおいて、
前記所定位置に設置され、互いに伝搬速度の異なる複数の信号波を送信する送信器ユニットと、
前記複数の受信位置の各々に設置され、前記送信器ユニットから送信された前記複数の信号波をそれぞれ受信するＮ個の受信器ユニットと、
前記送信器ユニットにおける前記複数の信号波の送信タイミングを制御すると共に、前記受信器ユニットにおける前記複数の信号波の受信タイミングを取得するコントローラと
を備え、
前記コントローラは、前記複数の受信器ユニットにおける前記複数の信号波間の遅延時間を求め、該遅延時間及びＮ次元空間における前記複数の受信位置に基づいて、前記送信器ユニット又は前記Ｎ個の受信器ユニットのいずれか一つが設置された被測定位置を算出することを特徴とする位置測定システム。
【請求項２】
前記送信器ユニットが前記被測定位置に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の位置計測システム。
【請求項３】
前記Ｎ個の受信器ユニットのいずれか一つが前記被測定位置に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の位置計測システム。
【請求項４】
前記Ｎ個の受信器ユニットのうち（Ｎ―１）個は、前記複数の信号波を送信する送信部を備えた送受信器ユニットであり、
前記コントローラは、一の前記送受信器ユニットから送信された複数の信号波を、他の前記送受信器ユニット或いは前記受信器ユニットで受信することにより、前記Ｎ個の受信器ユニットの相対的位置関係を算出することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の位置測定システム。
【請求項５】
前記コントローラは、
前記Ｎ次元空間に対応する画像を表示する表示部を備えており、
前記Ｎ次元空間のうち位置計測を行う平面範囲又は空間範囲である最大移動範囲の境界位置に前記送信器ユニットを設置した状態で位置計測を行い、該取得した位置座標を前記表示部に表示された画像上の対応する点と関連付けて記憶することによりキャリブレーションを行うことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の位置測定システム。
【請求項６】
前記受信器ユニットは、前記送信器ユニットから送信された複数の信号波が直線的に伝搬して受信可能な位置に設置されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の位置測定システム。
【請求項７】
所定位置から信号波を送信し、前記所定位置から離れた複数の受信位置にて前記信号波が受信されるまでの期間をそれぞれ測定することにより、Ｎ次元空間における位置測定を行う位置測定方法において、
前記所定位置に設置された送信器ユニットから、互いに伝搬速度の異なる複数の信号波を送信する送信工程と、
前記複数の受信位置の各々に設置されたＮ個の受信器ユニットで、前記送信器ユニットから送信された前記複数の信号波をそれぞれ受信する受信工程と、
前記複数の受信器における前記複数の信号波間の遅延時間を求める遅延時間計測工程と、
該遅延時間及びＮ次元空間における前記複数の受信位置に基づいて、前記送信器ユニット又は前記Ｎ個の受信器ユニットのいずれか一つが設置された被測定位置を算出する位置算出工程と
を備えたことを特徴とする位置測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定位置から信号波を送信し、該被測定位置から離れた複数の受信位置にて信号波が受信されるまでの期間をそれぞれ測定することにより、被測定位置を測定する位置測定システム及び位置測定方法の技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
２次元空間や３次元空間をはじめとするＮ次元空間における位置（座標）計測は、様々な技術分野において実施されている。位置測定の手法は多岐に亘っているが、その一例として、被測定位置に赤外線や超音波などの信号波を送信する送信器を設置し、該送信器から離れた位置に設置された受信器にて信号波を受信することにより、信号波が伝搬するに要した期間から送信器と受信器との距離を算出し、位置座標を求める手法がある。具体的には、信号波の伝搬速度をＶ、信号波が伝搬するに要した期間をＴとすると、発信器から受信器までの距離Ｌは次式
Ｌ＝Ｖ×Ｔ      （１）
で求められる。
【０００３】
このように信号波の送受信を利用した位置計測の一例が特許文献１に開示されている。図１６は特許文献１の図１に開示された位置測定用の固定ユニット５０の概略図である。特許文献１では被測定位置にある移動体５１から超音波を送信し、固定ユニット５０が有する受信器５２にて受信される。固定ユニット５０には２つの受信器５２ａ及び５２ｂが所定間隔ａを隔てて設けられている。そして、これら２つの受信器５２ａ及び５２ｂまでの超音波の伝搬期間Ｔと超音波の伝搬速度Ｖから上記（１）に基づいて、２つの受信器５２ａ及び５２ｂから移動体５１までの距離Ｌ１、Ｌ２を算出する。一方、受信器５２ａ及び５２ｂ間の距離ａは予め判明しているので、これらＬ１、Ｌ２、ａの値から三角法によって送信器が設置された移動体５１の位置を求めることができる。
【０００４】
特に特許文献１では、超音波の伝搬速度Ｖが測定環境の温度や湿度などの条件に依存することに鑑み、固定ユニット５０に送信器５３を設けられている。送信器５３と受信器５２ａとの距離ｂもまた既知であり、送信器５３から送信される超音波が受信器５２に到達するまでの期間Ｔから、超音波の伝搬速度Ｖは次式
Ｖ＝ｂ／Ｔ      （２）
により正確に求められる。このように実測値に基づいて算出した超音波の伝搬速度を用いることによって、良好な精度で位置測定が行えるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１４０８１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、特許文献１において用いられる固定ユニット５０は、受信器５２ａ及び５２ｂ間の距離ａは固定されており、変更することができない。特許文献１の測定方法で得られる位置座標の測定精度は距離ａに比例する。つまり、超音波を送信する移動体までの距離が大きくなった場合、特許文献１では受信器間の距離ａを変更できないので、測定精度が低下してしまうという問題点がある。
【０００７】
また特許文献１では２次元空間における位置計測方法は開示されているものの、３次元以上の空間における位置測定方法は開示されていない。特に超音波を送信する移動体と受信器との間に障害物などが存在する場合には、特許文献１では超音波が障害物によって妨げられてしまい、正確な測定を行うことができなくなってしまう。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、Ｎ次元空間における位置測定を簡易、且つ、精度よく実施できる位置測定システム及び位置測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る位置計測システムは上記課題を解決するために、所定位置から信号波を送信し、前記所定位置から離れた複数の受信位置にて前記信号波が受信されるまでの期間をそれぞれ測定することにより、Ｎ次元空間における位置測定を行う位置測定システムにおいて、前記所定位置に設置され、互いに伝搬速度の異なる複数の信号波を送信する送信器ユニットと、前記複数の受信位置の各々に設置され、前記送信器ユニットから送信された前記複数の信号波をそれぞれ受信するＮ個の受信器ユニットと、前記送信器ユニットにおける前記複数の信号波の送信タイミングを制御すると共に、前記受信器ユニットにおける前記複数の信号波の受信タイミングを取得するコントローラとを備え、前記コントローラは、前記複数の受信器ユニットにおける前記複数の信号波間の遅延時間を求め、該遅延時間及びＮ次元空間における前記複数の受信位置に基づいて、前記送信器ユニット又は前記Ｎ個の受信器ユニットのいずれか一つが設置された被測定位置を算出することを特徴とする。
【００１０】
また本発明に係る位置測定方法は上記課題を解決するために、所定位置から信号波を送信し、前記所定位置から離れた複数の受信位置にて前記信号波が受信されるまでの期間をそれぞれ測定することにより、Ｎ次元空間における位置測定を行う位置測定方法において、前記所定位置に設置された送信器ユニットから、互いに伝搬速度の異なる複数の信号波を送信する送信工程と、前記複数の受信位置の各々に設置されたＮ個の受信器ユニットで、前記送信器ユニットから送信された前記複数の信号波をそれぞれ受信する受信工程と、前記複数の受信器における前記複数の信号波間の遅延時間を求める遅延時間計測工程と、該遅延時間及びＮ次元空間における前記複数の受信位置に基づいて、前記送信器ユニット又は前記Ｎ個の受信器ユニットのいずれか一つが設置された被測定位置を算出する位置算出工程とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、送信器ユニットから送信された互いに伝搬速度の異なる複数の信号波をＮ個の受信器ユニットで受信した際に、複数の信号波間の遅延期間を測定することにより、送信器ユニットが設置された被測定位置の座標を簡易に得ることができる。特にＮ個の受信器ユニットは別々のユニット体として構成されているので、受信器ユニット間の距離は可変に調整することができる。そのため、被測定位置が遠方にある場合であっても、受信器ユニット間の距離を大きく確保することによって、良好な精度で被測定位置の座標を計測することができる。
【００１２】
本発明の一態様では、前記送信器ユニットが前記被測定位置に設置されているとよい。この態様によれば、送信器ユニットを配置した位置を上記手法により測定することができる。
【００１３】
また本発明の他の態様では、前記Ｎ個の受信器ユニットのいずれか一つが前記被測定位置に設置されている。この態様によれば、一の受信器ユニットを配置した位置を上記手法により測定することができる。
【００１４】
好ましくは、前記Ｎ個の受信器ユニットのうち（Ｎ―１）個は、前記複数の信号波を送信する送信部を備えた送受信器ユニットであり、前記コントローラは、一の前記送受信器ユニットから送信された複数の信号波を、他の前記送受信器ユニット或いは前記受信器ユニットで受信することにより、前記Ｎ個の受信器ユニットの相対的位置関係を算出するとよい。この態様によれば、（Ｎ−１）個の受信器ユニットに送信部を設けることによって、Ｎ個の受信器ユニット間で複数の信号波を送受信して互いの相対的位置関係を求めることができる。これにより、Ｎ個の受信器ユニットを別々のユニット体として構成していても、互いの位置関係を簡易に求めることができる。
【００１５】
また、前記コントローラは、前記Ｎ次元空間に対応する画像を表示する表示部を備えており、前記Ｎ次元空間のうち位置計測を行う平面範囲又は空間範囲である最大移動範囲の境界位置に前記送信器ユニットを設置した状態で位置計測を行い、該取得した位置座標を前記表示部に表示された画像上の対応する点と関連付けて記憶することによりキャリブレーションを行うとよい。一般的に信号波の伝搬速度は、温度や湿度などの測定環境条件に依存する。この態様によれば、画像上の各点を、該各点に対応する位置座標に送信器ユニットを移動して測定した結果と対応付けることにより、測定環境条件の変化による伝搬速度の変動をキャンセルアウトすることができるので、高精度な位置計測を行うことができる。
【００１６】
また、前記受信器ユニットは、前記送信器ユニットから送信された複数の信号波が直線的に伝搬して受信可能な位置に設置されるとよい。受信器ユニットと送信器ユニットと間に障害物などが存在することにより信号波の送受信が妨げられる場合には、位置測定の精度が低下してしまう。この態様では、このような障害物が存在する場合には、送信器ユニットから送信された複数の信号波が受信器ユニットにて直線的に受信可能となるように、各ユニットを設置することにより、良好な測定精度を得ることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、送信器ユニットから送信された互いに伝搬速度の異なる複数の信号波をＮ個の受信器ユニットで受信した際に、複数の信号波間の遅延期間を測定することにより、送信器ユニットが設置された被測定位置の座標を簡易に得ることができる。特にＮ個の受信器ユニットは別々のユニット体として構成されているので、受信器ユニット間の距離は可変に調整することができる。そのため、被測定位置が遠方にある場合であっても、受信器ユニット間の距離を大きく確保することによって、良好な精度で被測定位置の座標を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態に係る位置計測システムの全体構成を示す模式図である。
【図２】本実施形態に係る位置計測システムが備える各ユニットの概略構成を示す模式図である。
【図３】被測定測物の一例である、ボイラ室内に配置された複数のボイラ配管の模式図である。
【図４】本実施形態に係る位置計測システムをボイラ配管の位置計測用に使用した場合の設置例である。
【図５】本実施形態に係る位置計測システムの表示例である。
【図６】２次元空間における位置計測システムの設置例を２次元座標系で示したものである。
【図７】受信器ユニットと送受信器ユニットとの間隔ａの算出方法を示すフローチャートである。
【図８】間隔ａの算出時に受信器ユニットにおける赤外線と超音波の受信タイミングを示すグラフ図である。
【図９】送信器ユニットの設置位置の算出方法を示すフローチャートである。
【図１０】送信器ユニットの設置位置の算出時に受信器ユニットと送受信器ユニットにおける赤外線と超音波の受信タイミングをそれぞれ示すグラフ図である。
【図１１】本実施形態に係る位置計測システムのキャリブレーション操作を工程毎に示すフローチャートである。
【図１２】位置計測システムを３次元の座標空間系に用いた場合の各ユニットの設置例を示す模式図である。
【図１３】３次元空間における位置計測システムの設置例を３次元座標系で示したものである。
【図１４】被測定物に設置された送信器ユニットと、受信器ユニットや送受信器ユニットとの間に、障害物が介在しているケースを３次元座標系で示したものである。
【図１５】図１４に示す設置例の変形例である。
【図１６】従来技術に係る位置測定用の固定ユニットの概略図である。
【図１７】変形例に係る位置計測システムの全体構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００２０】
図１は本実施形態に係る位置計測システム１００の全体構成を示す模式図である。位置計測システム１００は、互いに異なる伝搬速度を有する信号波をユニット間で送受信することにより、各ユニットの位置関係、及び、その送受信タイミングに基づいて、Ｎ（Ｎは任意の正数）次元の座標空間系における被測定位置を算出する。尚、位置計測システム１００は、（Ｎ−１）個の送受信器ユニットを含む合計Ｎ個の受信器ユニットを備えるが、図１では図示を容易にするために送受信器ユニットは代表的に１個のみ図示している。以下の説明では、Ｎ個の受信器ユニットのうち専ら信号の受信のみを行うものを「受信器ユニット」、送受信が可能なものを「送受信器ユニット」と区別して称することとする。
【００２１】
位置測定システム１００は、信号波の送信を行う送信器ユニット１、信号波の受信を行う受信器ユニット２、信号波の送受信を行う（Ｎ−１）個の送受信器ユニット３、並びに、これら各ユニットの動作制御や各種演算処理を行うコントローラ４を備えてなる。送信器ユニット１、受信器ユニット２、及び、送受信器ユニット３は、それぞれ独立したユニットとして構成されており、送信器ユニット１は被測定位置に設置されると共に、受信器ユニット２及び送受信器ユニット３は送信機ユニット１から離れた所定位置に設置される。
【００２２】
図２は本実施形態に係る位置計測システム１００が備える送信器ユニット１、受信器ユニット２、及び、送受信器ユニット３の概略構成を示す模式図である。図２（ａ）は送信器ユニット１の概略構成を示しており、互いに異なる伝搬速度を有する信号波である赤外線と超音波をそれぞれ送信可能な赤外線発信部５と超音波発信部６とを備えている。尚、本実施形態では特に、互いに異なる速度の信号波として赤外線と超音波を用いているが、これに限られないことは言うまでもない。但し、測定精度向上の観点から、これら信号波の速度差は大きいほど好ましい。
【００２３】
図２（ｂ）は受信器ユニット２の概略構成を示している。受信器ユニット２には、上記赤外線発信部５と超音波発信部６から送信された赤外線と超音波をそれぞれ受信するための、赤外線受信センサ７と超音波受信センサ８が備えられている。
【００２４】
図２（ｃ）は送受信器ユニット３の概略構成を示している。送受信器ユニット３には、上記送信器ユニット１が有する赤外線発信部５と超音波発信部６、上記受信器ユニット２が有する赤外線受信センサ７と超音波受信センサ８が共に備えられている。送受信器ユニット３はコントローラ４からの制御信号に基づいて、信号波の送信器或いは受信器として切り替えて使用することができるようになっている。
【００２５】
再び図１に戻って、コントローラ４は例えばＰＣ等の演算装置であり、各ユニットから取得した情報に基づいて演算を行い、送信器ユニット１が設置された被測定物の位置を算出する。このように算出した位置情報の使用用途は様々であるが、例えばディスプレイなどの表示手段の画面上に表示したり、他のアプリケーションに連動して利用するとよい。
【００２６】
ここで本実施形態に係る位置計測システム１００の具体的な使用用途について説明する。図３は被計測物の一例である、ボイラ室内に配置された複数のボイラ配管１０を示している。これらボイラ配管１０は２次元空間（N=２）であるＸＹ平面に沿って配列されている。ボイラ配管１０は高温多湿な環境下で長期間に亘って使用されるため、定期又は不定期的なメンテナンスにて経年劣化状況の検査が行われる。このようなメンテナンスにおける検査の一種として、配列されたボイラ配管１０の任意位置において専用の測定器を用いて配管の肉厚を測定し、その測定値の評価が行われている。この肉厚測定における測定結果はボイラ配管１０が配列された２次元空間の各点において、測定した肉厚データがその測定位置と関連付けて記憶される。
【００２７】
図４は本実施形態に係る位置計測システム１００をボイラ配管１０の２次元位置計測用に使用した場合の設置例である。送信器ユニット１は被測定物であるボイラ配管１０のうち位置座標を特定したい任意の位置に設置される。一方、受信器ユニット２と送受信器ユニット３は、送信器ユニット１から所定距離を隔てた位置に配置される。詳しくは後述するが、位置計測システム１００は、このような設置状態で各ユニット間において赤外線や超音波などの信号波を送受信することによって、位置計測を行う。
【００２８】
図４の例ではコントローラ４としてＰＣを使用しており、測定結果はＰＣのディスプレイ上に表示されるようになっている。図５はボイラ配管１０の肉厚測定で得られた肉厚データと測定位置の表示例である。この例では、情報表示エリア１１には被測定物であるボイラ配管１０を特定するための情報として、「製品名」「型番」「設置場所」が表示されている。また画像表示エリア１２には、実際のボイラ配管１０の写真や画像等が表示され、ボイラ配管１０の様子を視覚的に把握できるようになっている。尚、画像表示エリア１２には実際にボイラ配管１０が設置されている空間が座標系に対応付けられて表示されており、その表示範囲は左下が（０、０）、右下が（Ｘｍａｘ、０）、左上が（０、Ｙｍａｘ）、右上が（Ｘｍａｘ、Ｙｍａｘ）で指定される長方形状の画面で表示されている。
【００２９】
データ表示エリア１３には、画像表示エリア１２に表示された画像上の点のうち、オペレータがマウスやキーボードなどの入力装置によって操作可能なポインタ１４で指定した点の位置座標（ｘ、ｙ）と、当該位置座標において計測されたボイラ配管１０の肉厚データが表示される。尚、画像表示エリア１２に表示される画像には、オペレータがポインタ１４の位置を把握しやすいように、グリッド線などを重畳表示してもよい。
【００３０】
続いて本実施形態に係る位置計測システム１００を用いた２次元空間における位置計測方法について詳細に説明する。図６は２次元空間における位置計測システム１００の設置例を座標系で示した概念図である。ここでは、送信器ユニット１の設置位置を（ｘ、ｙ）、受信器ユニット２の設置位置を原点（０、０）、送受信器ユニット３の設置位置を（ａ、０）としている。また、受信器ユニット２の送信器ユニット１からの距離をＲＡ、送受信器ユニット３の送信器ユニット１からの距離をＲＢとする。また、受信器ユニット２と送受信器ユニット３との間隔をａとする。
【００３１】
尚、受信器ユニット２と送受信器ユニット３との間隔ａは、受信器ユニット２と送受信器ユニット３が互いに別ユニットとして構成されているので、それぞれを任意の位置に設置することで自由に変更できるようになっている。
【００３２】
まず、位置計測システム１００のユーザによって任意に設置された受信器ユニット２と送受信器ユニット３との間隔ａの算出方法について説明する。図７は受信器ユニット２と送受信器ユニット３との間隔ａの算出方法を示すフローチャートである。
【００３３】
コントローラ４は、送受信器ユニット３が送信器として機能するように制御信号を送信して設定を行う（ステップＳ１０１）。そして、送受信器ユニット３が備える赤外線発信部５と超音波発信部６とからそれぞれ赤外線と超音波を同時に送信し（ステップＳ１０２）、受信器ユニット２が備える赤外線受信センサ７と超音波受信センサ８で受信する（ステップＳ１０３）。
【００３４】
図８は、間隔ａの算出時に受信器ユニット２における赤外線と超音波の受信タイミングを示すグラフ図である。赤外線は超音波に比べて伝搬速度が速いため、超音波は赤外線より期間τ１だけ遅延して受信される。コントローラ４は図８に示した遅延期間τ１を取得する（ステップＳ１０４）。そして、取得した遅延期間τ１から間隔ａを次式
ａ＝τ１×（ｃ−ｖ）≒（τ１×ｃ）      （３）
により求める（ステップＳ１０５）。ここで、ｃは赤外線の伝搬速度、ｖ（≪ｃ）は超音波の伝搬速度である。尚、超音波の伝播速度ｖは温度や湿度などの測定環境条件によって変化するが、この影響は後述するキャリブレーションによって解消される。
【００３５】
本実施形態に係る位置計測システム１００では、受信器ユニット２及び送受信ユニット３は互いに別々のユニットとして設けられており、配置間隔ａを自由に変更できるようになっている。この間隔ａは、このように受信器ユニット２と送受信器ユニット３との間で信号波を送受信することにより、相対的位置関係を簡易に求めることができる。
【００３６】
次にこのように算出した間隔ａを用いて、送信器ユニット１の設置位置を算出する方法について説明する。図９は送信器ユニット１の設置位置の算出方法を示すフローチャートである。
【００３７】
コントローラ４は、送受信器ユニット３を受信器として機能するように制御信号を送信することにより設定を行う（ステップＳ２０１）。そして、送信器ユニット１が備える赤外線発信部５と超音波発信部６とからそれぞれ赤外線と超音波を同時に送信し（ステップＳ２０２）、受信器ユニット２と送受信ユニット３がそれぞれ備える赤外線受信センサ７と超音波受信センサ８で受信する（ステップＳ２０３）。
【００３８】
ここで図１０は、位置算出時に受信器ユニット２と送受信器ユニット３における赤外線と超音波の受信タイミングをそれぞれ示すグラフ図である。図８を参照して上述したように、赤外線は超音波に比べて伝搬速度が速いため、受信器ユニット２と送受信器ユニット３では、超音波は赤外線より、それぞれ期間τＡ、τＢだけ遅延して受信される。
【００３９】
コントローラ４は図１０に示した遅延期間τA、τBを取得する（ステップＳ２０４）。そして、この取得した遅延期間τＡ、τＢを用いて、コントローラ４は送信器ユニット１から受信器ユニット２までの距離ＲＡ、送信器ユニット１から送受信器ユニット３までの距離ＲＢを、それぞれ次式
ＲＡ＝τＡ／（１／ｖ―１／ｃ）≒ｖτＡ      （４）
ＲＢ＝τＢ／（１／ｖ―１／ｃ）≒ｖτＢ      （５）
により求める（ステップＳ２０５）。
【００４０】
図６に示すように、発信器ユニット１の設置位置（ｘ、ｙ）は、当該２次元座標系において、受信器ユニット２から半径距離ＲＡの円（ｘ２＋ｙ２＝ＲＡ２）と、送受信器ユニット３から半径距離ＲＢの円（（ｘ−ａ）２＋ｙ２＝ＲＢ２）との交点に位置する。従って、発信器ユニット１の設置位置（ｘ、ｙ）は、
ｘ２＋ｙ２＝ＲＡ２
（ｘ−ａ）２＋ｙ２＝ＲＢ２
を連立して解くことにより求められる。コントローラ４は、このように算出されたｘ、ｙに、ステップＳ２０５で算出したＲＡ、ＲＢの値を代入することにより、発信器ユニット１の設置位置（ｘ、ｙ）がえらあれる（ステップＳ２０６）。
【００４１】
ここで、ステップＳ２０６で求めた設置位置のｘ座標は次式
ｘ＝（ＲＡ２―ＲＢ２）／（２ａ）＋１／２      （６）
で示される。式（６）によればｘ座標は、間隔ａに反比例する。背景技術で述べた特許文献１では、信号波を受信する受信器が固定ユニットに固定されていたため（図１６を参照）、この間隔ａは変更することができなかった。そのため、ボイラ配管などの大規模な構造物を被測定物として取り扱う場合、送信器ユニット１から受信器ユニット２までの距離ＲＡ、送信器ユニット１から送受信器ユニット３までの距離ＲＢが大きくなり、十分な測定精度が得られなかった。一方、本実施例では受信器ユニット２及び送受信器ユニット３が別々のユニットとして設けられているため、これらの設置箇所を変更することによって、間隔ａを可変に調整できる。そのため、ボイラ配管などの大規模な構造物を被測定物として取り扱う場合であっても、間隔ａを大きく設定することで、良好な測定精度が得られる。
【００４２】
ところで本発明に係る位置測定システム１００において送受信される信号波（特に超音波）の伝搬速度は、温度や湿度などの測定環境条件に依存する。そのため、良好な測定精度を得るためには、上記各種演算に用いる伝搬速度に測定環境条件の変化を考慮する必要がある。特に上述したボイラ設備などにおける位置測定は、高温多湿の雰囲気中で行われることが多いため、信号波の伝搬速度の変化が生じやすい。本実施例に係る位置計測システム１００では、このような測定環境条件の変化を、以下に説明するキャリブレーション操作によって考慮し、良好な測定精度を得ることができる。
【００４３】
図１１は本実施形態に係る位置計測システム１００のキャリブレーション操作を工程毎に示すフローチャートである。まずコントローラ４はメモリなどの記憶装置（不図示）から測定対象エリアの対応画像を取得し（ステップＳ３０１）、該対応画像内における発信器ユニット１の最大移動範囲を特定する（ステップＳ３０２）。この最大移動範囲の特定は、具体的に説明すると、図５において画像表示エリア１２の表示範囲を特徴付ける４隅（０、０）、（Ｘｍａｘ、０）、（０、Ｙｍａｘ）、（Ｘｍａｘ、Ｙｍａｘ）を特定することによって行われる。図５の例では画像が長方形状を有するため４隅を特定することによって最大移動範囲が特定できるが、画像が他の形状を有する場合にはその形状を特定するために必要な点数を特定すればよく、例えば画像が多角形状を有する場合には各頂点を特定するとよい。
【００４４】
続いて、位置計測システム１００のオペレータは画像上で特定した点に対応する実空間の位置に発信器ユニット１を設置し（ステップＳ３０３）、位置計測を行い、その測定結果を記憶する（ステップＳ３０４）。この位置測定方法については図９を参照して上述した通りである。そして全ての特定点についてステップＳ３０３及びＳ３０４を実行し（ステップＳ３０５）、キャリブレーションを完了する（エンド）。このように特定した最大移動範囲を、ステップＳ３０１で取得した対応画像上の各点と関連付けて記憶することにより、位置測定精度を向上することができる。信号波（特に超音波）は温度や湿度などの測定環境条件によってその値が変化するが、このように実測値と対応画像とを対応付けることにより測定環境条件の変動の影響をキャンセルできるので、良好な測定精度が得られる。
【００４５】
続いて本発明に係る位置計測システム１００を３次元（Ｎ=３）の座標空間系に用いた場合について説明する。尚、３次元の座標空間における位置計測は、上述した２次元の座標空間における位置計測と共通する部分が多く、重複する説明は適宜省略することとし、ここでは特徴的な部分を中心に説明することとする。
【００４６】
図１２は、位置計測システム１００を３次元（Ｎ=３）の座標空間系に用いた場合の各ユニットの設置例を示す模式図である。送信器ユニット１と受信器ユニット２は、上述した２次元空間における位置測定と同様に一つずつ備えられているが、この場合、送受信器ユニット３は２個備えている（それぞれ符号３ａ及び３ｂで示す）。位置計測システム１００は、このような設置状態において各ユニット間で赤外線や超音波などの信号波を送受信することによって、３次元空間における送信器ユニット１の位置計測を行う。
【００４７】
図１３は３次元空間における位置計測システム１００の設置例を３次元座標系で示したものである。ここでは、送信器ユニット１の設置位置を（ｘ、ｙ、ｚ）、受信器ユニット２の設置位置を原点（０、０、０）、送受信器ユニット３ａの設置位置を（ａ、０、０）、送受信器ユニット３ｂの設置位置を（０、ｂ、０）とする。また、受信器ユニット２の送信器ユニット１からの距離をＲＡ、送受信器ユニット３ａの送信器ユニット１からの距離をＲＢ、送受信器ユニット３ｂの送信器ユニット１からの距離をＲＣとする。また、受信器ユニット２と送受信器ユニット３ａとの間隔をａ、受信器ユニット２と送受信器ユニット３ｂとの間隔をｂとする。
【００４８】
まず、受信器ユニット２と送受信器ユニット３ａ及び３ｂとのそれぞれの間隔ａ及びｂの測定方法について説明する。間隔ａについては、図７を参照して説明したように上式（３）を用いて算出できる。一方、間隔ｂについては、間隔ａを算出する際に用いる送受信ユニット３ａの代わりに、送受信ユニット３ｂを用いることによって同様の式から算出することができる。
【００４９】
次に送信器ユニット１の設置位置の算出方法であるが、これも上述した２次元の座標空間における位置計測（図９を参照）を応用することで行うことができる。位置計測時には、コントローラ４は送受信器ユニット３ａ及び３ｂを共に受信器として機能するように設定し、送信器ユニット１から送信される赤外線と超音波とを、受信器ユニット２、送受信ユニット３ａ及び３ｂで受信する。すると受信器ユニット２と送受信器ユニット３ａ及び３ｂでは、超音波は赤外線より遅延して受信されるので、図１０に準じて、それぞれ期間τＡ、τＢ、τＣだけ遅延して受信される。
【００５０】
送信器ユニット１から受信器ユニット２までの距離ＲＡ、送信器ユニット１から送受信器ユニット３ａまでの距離ＲＢは、遅延期間τＡ、τＢを用いて上式（４）（５）で求められる。送信器ユニット１から送受信器ユニット３ｂまでの距離ＲＣもまたこれに倣って、遅延期間τＣを用いて次式
ＲＣ＝τＣ／（１／ｖ―１／ｃ）≒ｖτＣ      （７）
により求められる。
【００５１】
ここで図１３に示すように、発信器ユニット１の設置位置（ｘ、ｙ、ｚ）は、当該２次元座標系において、受信器ユニット２から半径距離ＲＡの球（ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＝ＲＡ２）と、送受信器ユニット３ａから半径距離ＲＢの球（（ｘ−ａ）２＋ｙ２＋ｚ２＝ＲＢ２）と、送受信器ユニット３ｂから半径距離ＲＣの球（ｘ２＋（ｙ―ｂ）２＋ｚ２＝ＲＣ２）との交点に位置する。つまり、発信器ユニット１の設置位置（ｘ、ｙ、ｚ）は、
ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＝ＲＡ２
（ｘ−ａ）２＋ｙ２＋ｚ２＝ＲＢ２
ｘ２＋（ｙ―ｂ）２＋ｚ２＝ＲＣ２
を連立して解くことにより求められる。コントローラ４は、このように算出されたｘ、ｙ、ｚに、上式（４）（５）（７）で算出したＲＡ、ＲＢ、ＲＣの値を代入することにより、発信器ユニット１の設置位置（ｘ、ｙ、ｚ）を求めることができる。
【００５２】
キャリブレーション操作に関しても、２次元の座標空間における方法（図１１を参照）に準じて行うことができる。具体的に説明すると、２次元の座標空間ではステップＳ３０１で２次元画像を取得し、該２次元画像内に最大移動可能範囲を特定することにより行っていた。これに対し、３次元座標空間では取得する画像を３次元画像とし、該３次元画像内にて最大移動可能範囲を特定することによって、同様にキャリブレーション操作を行うことができる。
【００５３】
このような３次元空間における位置計測は、特に図１４や図１５に示すケースで有用性が高い。図１４は被測定物に設置された送信器ユニット１と、受信器ユニット２や送受信器ユニット３ａ及び３ｂとの間に、障害物３０が介在しているケースを３次元座標系で示したものである。仮にこれらのユニットがXY平面上に２次元的に配置されている場合、ユニット間に障害物３０が存在すると、ユニット間を送受信される信号波（赤外線や超音波）の進路が障害物３０によって妨げられてしまい、正確な位置計測が困難となる。図１４の例では、このような場合であっても送信器ユニット１から受信器ユニット２や送受信器ユニット３ａ及び３ｂに対して、直線的に（赤外線や超音波）が送受信可能な位置に、ｚ方向にずらして配置することにより、障害物３０を回避して精度のよい測定をすることができる。
【００５４】
また、送信器ユニット１から受信器ユニット２や送受信器ユニット３ａ及び３ｂのｚ方向への移動量（ｚ１及びｚ２）が予め判明している場合には、コントローラ４に直接その値を入力することによって、必要な変数パラメータの数を減らすとよい。これにより、図１５に示すように、送受信器ユニット３を一つ減らすことができ、より簡易な構成で精度のよい位置測定を行うことができる。
【００５５】
（変形例）
続いて図１７を参照して、上述の実施形態の変形例について説明する。図１７は、変形例に係る位置計測システム１００´の全体構成を示す模式図である。図１〜図１６を参照して説明した位置計測システム１００では送信器ユニット１を被測定位置に配置すると共に、受信器ユニット２を該送信器ユニット１から所定距離離れた位置に配置していた。この変形例では、逆に受信器ユニット２を被測定位置に配置すると共に、送信器ユニット１を該受信器ユニット２から所定距離離れた位置に配置している。
【００５６】
本変形例では、まず送受信器ユニット３と受信器ユニット２との間で赤外線及び超音波を送受信することで互いの相対的位置関係を算出し、その後、送信器ユニット１から送信された赤外線及び超音波を受信器ユニット２及び送受信器ユニット３で受信することにより、受信器ユニット２が設置されている被測定位置を測定することができる。変形例における、この位置測定方法は上述した実施形態に倣って行うことができる。このように本発明では、被測定位置に送信器ユニット１と受信器ユニット２のいずれを配置してもよく、それぞれ被測定位置を簡易且つ精度よく測定することができる。
【００５７】
以上説明したように、本実施形態に係る位置計測システム１００によれば、送信器ユニット１から送信された互いに伝搬速度の異なる複数の信号波を受信器ユニット２、送受信器ユニット３で受信した際に、複数の信号波間の遅延期間を測定することにより、送信器ユニット１が設置された被測定位置の座標を簡易に得ることができる。特に受信器ユニット２、送受信器ユニット３は別々のユニット体として構成されているので、これらユニット間の距離は可変に調整することができる。そのため、被測定位置が遠方にある場合であっても、受信器ユニット２及び送受信器ユニット３間の距離を大きく確保することによって、良好な精度で被測定位置の座標を計測することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、被測定位置から信号波を送信し、該被測定位置から離れた複数の受信位置にて信号波が受信されるまでの期間をそれぞれ測定することにより、被測定位置を測定する位置測定システム及び位置測定方法に利用可能である。
【符号の説明】
【００５９】
１  受信器ユニット
２  送信器ユニット
３  送受信器ユニット
４  コントローラ
５  赤外線発信部
６  超音波発信部
７  赤外線受信センサ
８  超音波受信センサ
１０  ボイラ配管
１１  情報表示エリア
１２  画像表示エリア
１３  データ表示エリア
１４  ポインタ
１００  位置測定システム
【図１】
2013124939.tif 000003
【図２】
2013124939.tif 000004
【図３】
2013124939.tif 000005
【図４】
2013124939.tif 000006
【図５】
2013124939.tif 000007
【図６】
2013124939.tif 000008
【図７】
2013124939.tif 000009
【図８】
2013124939.tif 000010
【図９】
2013124939.tif 000011
【図１０】
2013124939.tif 000012
【図１１】
2013124939.tif 000013
【図１２】
2013124939.tif 000014
【図１３】
2013124939.tif 000015
【図１４】
2013124939.tif 000016
【図１５】
2013124939.tif 000017
【図１６】
2013124939.tif 000018
【図１７】
2013124939.tif 000019