(57)【要約】【課題】少数の基地局のみ利用、且つ時刻同期不要にて位置推定を可能とする。【解決手段】2つの音波基地局3(3A,3B)が、所定の送信間隔とパルス情報とに従って音波をパルス列状に送信する。ユーザ端末1にはスイング動作が加えられ、スイング検出部16は当該スイング区間を方位センサ部15の取得方向より検出する。音波受信部12は音波を受信し、間隔算出部14はスイング区間における音波の受信間隔を算出する。方向推定部17は、ドップラー効果に類似の原理を用いて、所定の送信間隔と受信間隔との差異に基づいてスイングの際の音波基地局3A,3Bそれぞれの方向を推定する。位置推定部18は推定された2つの方向と、音波基地局3A,3Bそれぞれの既知の位置と、に基づいてユーザ端末1の位置を推定する。【選択図】図1
2013205169.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音波を送信する2つの音波基地局からの音波受信範囲内において、所定位置を中心としたスイング動作を加えられることで、自身が存在する当該所定位置を推定するユーザ端末であって、
音波を受信する音波受信部と、
各音波基地局が配置された所定箇所の情報並びに各音波送信基地局がパルス列として送信する音波の所定の送信間隔及び音波パルス情報を記憶し、前記受信した音波がいずれの2つの音波基地局から送信されたものであるかを特定する基地局特定部と、
前記ユーザ端末の向きを取得する方位センサ部と、
前記取得された向きの時間変化が所定条件を満たして単調増加又は単調減少となる時間区間を、前記ユーザ端末に前記スイング動作が加えられているスイング区間として検出するスイング検出部と、
前記受信した音波の前記スイング区間の部分より、前記特定された2つの音波基地局の各々が送信した音波の受信間隔をそれぞれ、前記特定された2つの音波基地局の各々における前記所定の送信間隔及び前記音波パルス情報に基づいて算出する受信間隔算出部と、
前記所定位置から前記特定された2つの音波基地局の各々へと至る方向をそれぞれ、前記算出された受信間隔と前記特定された2つの音波基地局の各々における前記送信間隔との大小関係が逆転しようとする際に前記取得された向きに基づいて推定する方向推定部と、
前記推定された2つの方向及び前記特定された2つの音波基地局が配置された所定箇所に基づいて、前記所定位置を推定する位置推定部とを含むことを特徴とするユーザ端末。
【請求項２】
前記受信間隔算出部は、前記スイング区間を前記所定の送信間隔に区切り、各区間より前記音波パルス情報に一致する部分を受信時刻として求めることで前記受信間隔を算出することを特徴とする請求項1に記載のユーザ端末。
【請求項３】
前記受信間隔算出部は、
前記各区間より、前記音波パルス情報から生成されるリファレンス信号との相関値が最大となる時刻を仮の受信時刻として求めることで仮の受信間隔を算出すると共に、仮の受信時刻に受信順を付与する間隔仮算出部と、
前記仮の受信間隔と前記所定の送信間隔との差が所定の第一閾値以内に収まり続ける一連の仮の受信間隔のうち、仮の受信時刻の個数が最大のものを正しく算出できた受信間隔の集合と判断し、それ以外の部分に対応する仮の受信時刻を外れ値として除外する外れ値除去部と、
前記正しく算出できた受信間隔の集合における受信時刻より、前記除外された仮の受信時刻へとシフトする際の前記付与された受信順の差に等しい整数に、前記所定の送信間隔を乗じた分だけ、前記正しく算出できた受信間隔の集合における受信時刻よりシフトした時刻を中心とする所定範囲内において、前記音波パルス情報から生成されるリファレンス信号との相関値が最大となる時刻を算出することで、前記除外された仮の受信時刻に対応する本来の受信時刻を再算出し、前記正しく算出できた受信間隔の集合における受信時刻と、当該再算出された受信時刻と、に基づいて前記受信間隔算出部が算出する受信間隔を求める間隔再算出部と、を含むことを特徴とする請求項２に記載のユーザ端末。
【請求項４】
前記外れ値除去部が、前記スイング区間における前記取得された向きの平均変化率として与えられるスイングの角速度にて、前記所定の送信間隔の間、前記スイング動作における円弧に所定の上限値の半径を想定して前記スイング動作があった際の直線移動距離を、音速として想定される所定値で割った値として、前記第一閾値を定めることを特徴とする請求項３に記載のユーザ端末。
【請求項５】
前記間隔再算出部が、前記正しく算出できた受信間隔の集合における受信時刻よりシフトした時刻を中心とする前記所定範囲の幅を、前記第一閾値に基づいて定めることを特徴とする請求項３または４に記載のユーザ端末。
【請求項６】
前記間隔再算出部は受信時刻を再算出する都度、当該再算出された受信時刻を前記正しく算出できた受信間隔の集合に追加しながら、所定の順序に従って前記除外された仮の受信時刻に対応する本来の受信時刻を再算出することを繰り返すことを特徴とする請求項３ないし５のいずれかに記載のユーザ端末。
【請求項７】
前記間隔再算出部は、前記所定の順序として、前記除外された仮の受信時刻のうち、前記正しく算出できた受信間隔の集合における受信時刻と、の時刻の差を最小とするものから順に、対応する本来の受信時刻の再算出を行うことを特徴とする請求項６に記載のユーザ端末。
【請求項８】
前記音波受信部にて3つ以上の音波基地局からの音波が受信可能な場合に、前記基地局特定部は当該3つ以上の音波基地局を前記特定し、前記受信間隔算出部は当該特定された3つ以上の音波基地局の各々が送信した音波の受信間隔を前記算出し、前記方向推定部は当該特定された3つ以上の音波基地局の各々へと至る方向を前記推定し、
前記位置推定部は、前記推定された3つ以上の方向のうち、なす角が最も直角に近い2つの音波基地局が配置された所定箇所と当該2つにつき前記推定された方向とに基づいて前記所定位置を推定することを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のユーザ端末。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかに記載のユーザ端末と、
前記所定箇所に配置された各音波送信基地局のうちの2つと、
前記各音波送信基地局の前記配置された所定箇所並びに前記所定の送信間隔及び前記音波パルス情報を記憶し、当該記憶している情報をデータ通信にて前記基地局特定部に通知することで前記基地局特定部が前記記憶できるようにするサーバと、を備える位置推定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音波(超音波を含む)を利用したユーザ端末及び位置推定システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
音波を利用した位置推定システムに関する既存技術として、非特許文献1に開示された技術を紹介する。
【０００３】
非特許文献1の技術は、超音波基地局を複数設置することで、位置推定が可能な技術である。超音波基地局とスマートフォンや携帯端末等のユーザ端末との間で超音波信号を交換することで位置を推定する。超音波基地局の位置情報は既知である必要がある。
【０００４】
具体的には、3個以上の超音波基地局とユーザ端末間との距離を推定し、3点測量に基づいて、位置情報を推定する。距離推定は、先ず、超音波の伝搬時間を計算し、次に、伝搬距離に超音波の伝搬速度を掛け合わせることで実現する。伝搬時間の計算は、超音波の送信時刻と受信時刻を記録することで実現する。
【０００５】
よって、距離推定には、超音波基地局とユーザ端末間との時刻同期が必要である。時刻同期には、GPS(全地球測位システム；Global Positioning System)信号を利用する方法や、携帯網の基地局を利用する方法、超音波基地局とユーザ端末間で直接信号を交換する方法がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】"A New Location Technique for the Active Office", IEEE Personal Communications, vol. 4, no. 5, pp. 43-47, 1997.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
非特許文献１の技術には次のような課題があった。すなわち、超音波基地局とユーザ端末間との時刻同期を必要とする。この結果、時刻同期に必要なハードウェアやソフトウェア導入により、超音波基地局やユーザ端末のコストが増大していた。
【０００８】
非特許文献1の技術にはまた、次のような課題もあった。位置推定するために、同時に3個以上の基地局(無線基地局や超音波基地局)とユーザ端末間で信号を交換する必要があった。よって、基地局を多数設ける必要があり、この観点からもコストが高いという課題があった。
【０００９】
本発明の目的は、上記の従来技術の課題を解決し、時刻同期が不要であって且つ少数の基地局のみで位置推定を可能とするユーザ端末及び位置推定システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明は、音波を送信する2つの音波基地局からの音波受信範囲内において、所定位置を中心としたスイング動作を加えられることで、自身が存在する当該所定位置を推定するユーザ端末であって、音波を受信する音波受信部と、各音波基地局が配置された所定箇所の情報並びに各音波送信基地局がパルス列として送信する音波の所定の送信間隔及び音波パルス情報を記憶し、前記受信した音波がいずれの2つの音波基地局から送信されたものであるかを特定する基地局特定部と、前記ユーザ端末の向きを取得する方位センサ部と、前記取得された向きの時間変化が所定条件を満たして単調増加又は単調減少となる時間区間を、前記ユーザ端末に前記スイング動作が加えられているスイング区間として検出するスイング検出部と、前記受信した音波の前記スイング区間の部分より、前記特定された2つの音波基地局の各々が送信した音波の受信間隔をそれぞれ、前記特定された2つの音波基地局の各々における前記所定の送信間隔及び前記音波パルス情報に基づいて算出する受信間隔算出部と、前記所定位置から前記特定された2つの音波基地局の各々へと至る方向をそれぞれ、前記算出された受信間隔と前記特定された2つの音波基地局の各々における前記送信間隔との大小関係が逆転しようとする際に前記取得された向きに基づいて推定する方向推定部と、前記推定された2つの方向及び前記特定された2つの音波基地局が配置された所定箇所に基づいて、前記所定位置を推定する位置推定部とを含むことを特徴とする。
【００１１】
また上記目的を達成するため、本発明は、前記ユーザ端末と、前記所定箇所に配置された各音波送信基地局のうちの2つと、前記各音波送信基地局の前記配置された所定箇所並びに前記所定の送信間隔及び前記音波パルス情報を記憶し、当該記憶している情報をデータ通信にて前記基地局特定部に通知することで前記基地局特定部が前記記憶できるようにするサーバと、を備える位置推定システムであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、2つのの音波基地局から所定間隔をおいてパルス列状に送信される送信音波を利用して、スイング動作を加えられるユーザ端末において当該送信音波を受信し、ドップラー効果に類似する原理に基づいて受信間隔と送信間隔との差が逆転しようとする際のユーザ端末の向きを2つの音波基地局の各々が存在する方向として推定し、当該推定された方向及び2つの音波基地局の位置に基づいてユーザ端末の位置を推定することができる。よってユーザ端末が位置推定する際に必要な音波基地局は2つのみでよく、少数の基地局のみで位置推定が可能となる。さらに当該位置推定は、ユーザ端末と音波基地局との間での時刻同期を用いることなく可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】一実施形態に係る位置推定システムの機能ブロック図である。
【図２】間隔算出部の機能ブロック図である。
【図３】一実施形態に係る位置推定方法の手順を示す図である。
【図４】サーバにて管理されユーザ端末に通知される各音波基地局の情報の例を概念的に示す図である。
【図５】外れ値除去部が閾値を決定する際の想定環境を示す図である。
【図６】外れ値除去処理の一実施例をプログラム記法の形式で記載したものである。
【図７】再算出処理を概念的に説明するための図である。
【図８】方向推定を説明するための図である。
【図９】位置推定を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図1は、本発明の一実施形態に係る位置推定システムの機能ブロック図である。位置推定システム10は、ユーザ端末1、サーバ2及び少なくとも2つの音波基地局3A,3Bを備える。なお、音波基地局3A,3Bの両者に共通する説明の場合、音波基地局3として説明することとする。
【００１５】
ユーザ端末1は、通信部11、音波受信部12、基地局特定部13、間隔算出部14、方位センサ部15、スイング検出部16、方向推定部17、及び位置推定部18を含む。当該各部等の概要は次の通りである。
【００１６】
図示するように、通信部11とサーバ2とは、インターネット等によってデータ通信を行う。また、音波基地局3(すなわち3A及び3B)はスピーカ等を含んで構成され、所定の音波送信情報に従ってパルス列状の音波を所定の送信間隔を設けて連続的に送信し、当該送信された音波をマイク等を含んで構成される音波受信部12が受信する。当該音波は超音波であってもよい。
【００１７】
サーバ2は一般に複数存在する音波基地局3の各々の情報を管理している。当該情報には、音波基地局3の各々が送信する音波についての所定の音波送信情報及び音波基地局3の各々の所定の配置箇所の情報が含まれる。音波送信情報には、送信するパルス列状の音波の周波数、パルス幅、波形等の各パルスを特定するパルス情報と、当該パルス情報に従って送信される各パルス間の送信間隔の情報とが含まれる。
【００１８】
サーバ2はデータ通信により当該情報をユーザ端末1へと通知する。基地局特定部13は当該通知された情報を記憶すると共に、当該情報を利用することにより、ユーザ端末1にて受信した音波がいずれの2つの音波基地局3A,3Bが送信したものであるかを特定する。本発明では、当該特定された音波基地局3を基準としたユーザ端末1の位置の推定が可能となる。
【００１９】
間隔算出部14は、当該受信した音波において音波基地局3が所定の送信間隔を設けて送信した各音波の受信間隔を算出する。方位センサ部15は地磁気センサやジャイロセンサ等を含んで構成され、ユーザ端末1の向きを取得する。
【００２０】
スイング検出部16は、ユーザが典型的には手でユーザ端末1を持って円弧状の軌道を描いてスイングすることで、ユーザ端末1に加えられるスイング動作を当該動作の加えられている時間区間として検出する。
【００２１】
方向推定部17は、当該スイング動作が加えられている際のユーザ位置すなわちスイングの回転中心から音波基地局3へと向かう方向を推定する。
【００２２】
位置推定部18は2つの音波基地局3A,3Bにつき当該推定された方向及びそれら音波基地局3A,3Bの所定箇所の情報に基づいて、当該スイング動作が加えられている際の、ユーザ位置を推定する。本発明では当該位置推定が可能となるために、2つの音波基地局3A,3Bよりユーザ端末1が音波を受信できていればよく、また、音波基地局3A,3Bとユーザ端末1とのいずれの2者間においても時刻同期は必要ない。
【００２３】
よって、少なくとも3つの基地局を必要とする従来技術と比較して、本発明では音波基地局3を多数設ける必要がなく、設置コストの低減が可能となる。また、大音量のスピーカを搭載することで音波の受信可能範囲を広げ、2つの音波基地局3A,3Bで位置推定を可能とする範囲を広げることができる。さらに、詳細を後述するように、本発明では時刻同期を利用せずに位置推定が可能である。
【００２４】
図2は、間隔算出部14の機能ブロック図である。間隔算出部14は、間隔仮算出部41、外れ値除去部42及び間隔再算出部43を含み、当該各部は間隔算出部14が受信間隔を算出する際の細部の処理を担う。その概要は次の通りである。
【００２５】
間隔仮算出部41は、音波基地局3による所定の送信間隔毎に区切って受信音波を解析して、音波基地局3が送信した音波に対応する箇所(対応していると想定される箇所)を1箇所ずつ仮算出して、受信間隔を仮算出する。
【００２６】
外れ値除去部42は、当該仮算出された受信箇所によって得られる仮の受信間隔と音波基地局3による所定の送信間隔との差が所定の閾値以上である場合に、対応する仮算出された受信箇所を外れ値として除外する等の処理を行う。
【００２７】
間隔再算出部43は、外れ値として除外された受信箇所が誤りで仮算出されていたために、仮算出の際に求め損ねてしまっていた本来の受信箇所を再算出することで、間隔算出部14による最終的な出力としての受信間隔を求める。
【００２８】
図3は、本発明の一実施形態に係る位置推定方法の手順を示す図である。図示するように、(手順1)〜(手順5)が順次実行される。各手順の概要は次の通りである。図3を参照して、図1及び図2の各部等の処理の詳細を説明する。
【００２９】
(手順1)
音波基地局3(3A及び3B)は、サーバ2が管理している設定情報に従って所定の音波送信情報で構成されるパルス列状の音波の送信を開始し、以降当該送信を継続する。
【００３０】
(手順2)
ユーザ端末1は、通信部11によるデータ通信によってサーバ2より、管理している各音波基地局3の情報を取得する。ユーザ端末1ではまた、音波受信部12が録音を開始すると共に、基地局特定部13が音波基地局3の各々の送信間隔よりも長い所定区間の録音を各音波情報で解析して、ユーザ端末1自身が複数の音波基地局3のうちのいずれの2つの音波基地局3A,3Bから音波を受信しているかを決定する。
【００３１】
当該各音波基地局の情報の例を図4に示す。図示するように音波基地局3の各々である音波基地局3-1,3-2, ...,3-Nには互いに異なる設定情報としてそれぞれ、一例として(x,y)座標の形式で与えられる位置情報(X_1, Y_1), (X_2, Y_2), ...,(X_N, Y_N)及び音波送信情報Acoustic_1, Acoustic_2, ...,Acoustic_Nが設定されている。
【００３２】
(手順3)
スイング検出部16が、リアルタイムで方位センサ部15によって取得されているユーザ端末1の向きに基づいて、ユーザ端末1に加えられるスイング動作を時間区間として検出する。なお、不図示の手順においてユーザはユーザ端末1を手に持つなどして、自身の位置を中心としてユーザ端末1をスイングさせるものとする。当該スイングとは、中心の周りに概ね等しい半径の円軌道を描くような動作である。
【００３３】
ここで、具体的なスイング検出は例えば次のようにすればよい。
【００３４】
方位センサ部15の取得したユーザ端末1の向きをD(t)(0≦D(t)<360)とする。ここで、tは時刻を表し、北を0度、西を90度、南を180度、東を270度とし、反時計回りに向きの値が増加するものとする。スイング検出部16は、リアルタイムで更新して追加取得され現時点tまでの履歴として得られる向きD(t)を常時監視し、以下の条件1または2が満たされた場合に、スイング動作が加えられたと判定する。
【００３５】
条件1(反時計回りのスイングの場合)：
D(t_s)<D(t_e) かつ 
D(t_e)-D(t_s)>THRESHOLD1 かつ
時刻t_sから時刻t_eの範囲でD(t)が単調増加
【００３６】
条件2(時計回りのスイングの場合)：
D(t_s)>D(t_e) かつ 
D(t_s)-D(t_e)>THRESHOLD1 かつ
時刻t_sから時刻t_eの範囲でD(t)が単調減少
【００３７】
条件1又は条件2を満たす、時刻t_s、t_eが存在する場合、区間t_sからt_eをスイング区間とする。ここで、THRESHOLD1はスイングの回転角度の閾値である。例えば、THRESHOLD1=90度とした場合、90度以上スイングした場合にのみ、スイングと判定され、スイング区間が検出される。
【００３８】
すなわち、向きの履歴D(t)においてTHRESHOLD1より大きい角度に渡って単調増加又は単調減少が継続しているような区間[t_s, t_e]が検出された場合、当該区間[t_s, t_e]をスイング区間としてスイングが検出されることとなる。また、当該区間[t_s, t_e]を少しでも拡張した区間については単調増加又は単調減少ではなくなる。なお、向きの値が0度または360度を横切る場合も、値の変化自体に関しては連続的な変化へと読み替えることで、単調増加又は単調減少を適切に判定するものとする。
【００３９】
なお、条件1及び2においてさらに、次の条件a及び／又はbを課してスイング判定を行ってもよい。
条件a        t_s−t_e＞THRESHOLD_a
条件b        t_s−t_e＜THRESHOLD_b
【００４０】
ここで、THRESHOLD_a及びTHRESHOLD_bはそれぞれ、速すぎる回転及び遅すぎる回転を正常なスイングとしての検出から除外するための所定の閾値(なお、両方を用いる場合は、THRESHOLD_a＜THRESHOLD_bとして定める)である。
【００４１】
(手順4)
間隔算出部14が、(手順3)にて検出されたスイング区間[t_s, t_e]での音波受信部12の録音より、音波基地局3が送信した音波を受信した箇所を求めて受信間隔を算出し、また、音波受信箇所において方位センサ部15の取得したユーザ端末1の向きを記録しておく。受信間隔の算出は以下のように(受信間隔の仮算出)、(外れ値の除去)及び(受信間隔の再算出)の３つのステップによって行われる。
【００４２】
なお、当該手順4は、手順2にて特定された音波基地局3A,3Bの各々を対象として実施される。
【００４３】
(受信箇所の仮算出)
間隔仮算出部41が、間隔算出部14における中間出力として、スイング区間における音波の受信箇所を求め、受信間隔を仮算出する。
【００４４】
当該仮算出を説明するため、記号を次のように定める。スイング区間における録音すなわち音波の受信サンプルをS(i)(i=1,2,…,n)とする。ここでnは受信サンプル長とする。すなわち、スイング区間[t_s, t_e]の開始時刻t_sにおける受信サンプルがS(1)であり、終了時刻t_eにおける受信サンプルがS(n)であり、i番目の受信サンプルがS(i)である。
【００４５】
また、受信している音波を送信している音波基地局3における音波の送信間隔が、当該受信サンプルSI個の幅に対応するものとする。（すなわち、実際の送信間隔は、SIに音波受信のサンプリング間隔を乗じたものに等しい。）なお、当該対応があることを前提に、送信間隔を適宜「送信間隔SI」と称することとする。
【００４６】
受信時刻の仮算出は、以下の手順(1)〜(4)によって行われる。
(1)カウンタ変数kを初期値k=0とし、(2)へ進む。
(2)S(k*SI+1)〜S((k+1)*SI)の範囲から音波の受信時刻R(k+1)を算出し、(3)へ進む。
(3)(k+1)*SI<nの場合、k=k+1として(2)に戻り、それ以外の場合k=k+1として(4)へ進む。
(4)算出した受信時刻の個数m=kとして終了する。
【００４７】
上記手順により、音波の受信時刻R(k)(k=1,2,…,m)を算出し、受信間隔も求める。なお当該算出は前述の通り、最終出力のための仮算出である。(2)の受信時刻を算出する一般的な方法として、相関値を利用する方法がある。具体的には、音波送信情報からリファレンス信号(送信されるパルス列のうち1個のパルスを含む信号)を作成し、リファレンス信号と受信サンプルS(i)(iは(2)で指定された範囲内)の相関値が最大となる点を受信時刻R(k)とする。
【００４８】
本発明においては音波の送信間隔と受信間隔とは概ね等しい。よって、受信サンプルS(i)を送信間隔に対応するサンプル個数SI個毎に区切ると、音波受信及び録音が正常に行われている前提のもと、各区間内には必ず1つの受信箇所が存在することとなる。上記手順ではこのことを利用して、簡素に受信箇所を仮算出する。
【００４９】
なお、上記手順(2)で設定した範囲の端部に受信音波の箇所が存在してしまっている場合は、受信サンプルをSI個ずつ区切った最初の部分と最後の部分とに隣接する音波パルスの一部分ずつが分割されて存在していることとなるので、受信時刻R(k)を適切に求めることができない。
【００５０】
このことに対する対策を講じた上記手順(2)の別実施例として、次のようにしてもよい。k=0の場合のみ(2)の範囲の幅をSIから例えばx*SIに拡張してR(1)を求める。ここでxは1<x<2の定数であり例えばx=1.5とすればよい。すなわち、k=0の場合、(2)では
S(1)〜S(x*SI)
の範囲を設定して、当該範囲内よりリファレンス信号との相関値の最大箇所としてR(1)を算出する。
【００５１】
k=1以降では、(ノイズなどではない)真の音波受信箇所が仮算出される場合に、SI個の区間の中間付近で算出されるように、(2)の範囲を
S((k−1/2)*SI + R(1) + 1)〜S((k+1/2)*SI+R(1))
として、R(k)を算出する。なお、上記範囲を定めるS(i)内のiの値がSI/2の除算によって整数でなくなった場合には、適宜範囲をサンプリング間隔の1/2だけシフトされればよい。
【００５２】
こうして、音波の受信時刻R(k)及びその受信間隔が、音波基地局3A,3Bのそれぞれについて仮算出される。当該両者においては一般には、受信時刻の個数kも異なる。
【００５３】
なおまた、前述の基地局特定部13において受信音波を送信している2つの音波基地局3(3A及び3B)を特定する際にも、少なくとも音波の送信間隔よりも長い録音を、各音波基地局3の音波パルスをリファレンス信号として相関値の最大値を求め、当該最大値が最大になるような音波基地局3を音波を送信している基地局として特定すればよい。
【００５４】
(外れ値の除去)
外れ値除去部42が、上記仮算出された受信時刻R(k)と、送信間隔SIと、後述する閾値THRESHOLDとの情報より、受信時刻R(k)のうち誤って受信判定されてしまったものを外れ値として除外する。ここで、外れ値としては、反射波や雑音等を誤って算出した場合の受信時刻R(k)が考えられる。外れ値を除去することで、方向推定部17における方向推定の精度向上が期待できる。
【００５５】
このため外れ値除去部42はまず、閾値THRESHOLDを次のように[スイング角速度の検出]及び[閾値の決定]の2つのステップによって求める。
【００５６】
[スイング角速度の検出]
スイングの角速度wを次式で算出する。
w=|D(t_e)−D(t_s)| / (t_e−t_s)
なお、記号は前述の通りである。すなわち、スイング区間[t_s, t_e]における方位センサ部15の取得したユーザ端末1の向きD(t)が記録されているので、この中からt=t_e, t_sの時点での値を参照することで上記角速度wを求めることができる。
【００５７】
[閾値の決定]
外れ値を除去する際の閾値THRESHOLDを決定する。閾値を決定する際の想定環境を図5に示す。ここで、スイングの中心となるユーザ位置を点Pとし、ユーザ端末1のスイング半径をRとし、スイング軌道をS1とし、音波基地局3の位置を点Qとしている。送信間隔SIを設けてパルス列として送信される各音波のうち、ある音波pを受信してから、次の音波p+1を受信するまでのスイング角度θは次式で計算できる。
θ=w*SI
なおここで、スイング速度wはスイング区間に渡って一定であるとみなしている。
【００５８】
ある音波pを受信してから、次の音波p+1を受信するまでのユーザ端末1と音波基地局3との距離変化をDC(R,θ)とする。DC(R,θ)が最大となるユーザ端末1の位置を考えると、音波p及びp+1の受信位置が図5に示すようにそれぞれ、点P1及び点P2となる場合に最大となる。
【００５９】
ここで、ある１つの一連の受信位置となった場合を固定して考えると、当該一連の受信位置の中で最大値を与える点P1及び点P2とは、音波パルスを順次受信した際のユーザ端末1の位置であって、且つ線分P1P2の向きが、音波基地局3の位置Qを通るスイング軌道S1の接線Lの向きと最も近くなるような点である。すなわち、線分P1P2は音波パルスを順次受信した隣接する2点のうち、当該点同士を結ぶ線分が接線Lと最も平行に近くなるような2点によって定められる。なお、接線Lはスイング軌道S1に対して2本定まる場合があるが、この場合2本の接線のうち検討している線分P1P2に近い側の接線を用いる。また図中、点Tは接線Lのスイング軌道S1に対する接点である。
【００６０】
さらに、当該ある1つの一連の受信位置のうち理想的な場合を考えると、接線Lの向きに最も近いような線分P1P2が接線Lと平行となるように点P1及びP2が存在している場合に、距離変化DC(R,θ)の想定しえる最大値DCmax(R,θ)が得られる。具体的には、次式で表される。
DCmax(R,θ)= 2*R*sin(θ/2)
【００６１】
現実的なDCmax(R,θ)の値について考慮する。スイング半径Rはユーザの腕の長さと同程度と仮定できる。成人男性の腕の長さは0.7m程度であるため、マージンをとって、R=0.8mとする。この場合の距離変化の最大値DCmax(θ)は次式で表される。
DCmax(θ)=1.6*sin(θ/2)
【００６２】
最後に、DCmax(θ)から閾値THRESHOLD[秒]を次式で決定する。ここで、vは音速を表す。
THRESHOLD=DCmax(θ)/v
【００６３】
以上のように、検出されたスイングの角速度w及び送信間隔SIより定まる2つの隣接音波パルスを受信する際のスイング角度θと、スイング半径R及び音速vとして想定される所定値と、によって閾値THRESHOLDを決定することができる。この際特にスイング半径Rには、ユーザの腕の長さの上限値として想定される所定値を用いればよい。こうして、閾値THRESHOLDはスイング動作への所定の想定と送信間隔SIとに基づいて定義され、送信間隔SIの違いによって対象としている音波基地局3A,3Bのそれぞれにつき異なる値が定まる。
【００６４】
以上、前処理として[スイング角速度の検出]及び[閾値の決定]を行ったのち、外れ値除去部42は、閾値THRESHOLD、送信間隔SI、受信時刻R(k)の情報から外れ値を除去する。方針としては、送信間隔SIと受信間隔の差(以下、間隔差と呼ぶ)が閾値THRESHOLD以上の場合、該当する音波を外れ値として除去する。
【００６５】
図6は当該外れ値の除去処理の一実施例を、簡易なプログラム記法の形式で記載したものである。その他の手法によって外れ値の除去を実行してもよい。
【００６６】
まず、1行目から16行目が、音波の集合の分割の処理を表しており、ここではm個の音波集合Aを、間隔差が閾値THRESHOLD未満となる音波の部分集合Biに分割する。numberは分割された部分集合Biの個数を表す。なお、numberが1の場合、外れ値なしと判断して処理を終了する。
【００６７】
一方、numberが1より大きい場合、18行目から23行目にてdirectの値を決定することにより、外れ値の除去の処理を行う。すなわち、複数抽出された部分集合Bjの中から最大の要素数を持つ部分集合Bdirectを正しく算出できた音波の集合と判断し、それ以外の音波を外れ値と判断して除去する。
【００６８】
なお、図6では当該部分集合Bdirectを特定するためのdirectの値の決定処理のみが記載されており、実際に除去する部分の処理については記載していないが、外れ値除去部42は当該除去の処理を行う。
【００６９】
なお、1行目から16行目の音波の集合の分割の処理はプログラム表記の通りであるが、その要部は概ね次の通りである。1行目で音波の各受信時刻R(k)(k=1,2, ..., m)をそのインデクス集合Aとして用意しておき、当該インデクス集合を以降の処理において外れ値が除去された各部分集合Bi＝{ni, ni+1, ..., mi−1, mi}へと振り分けることとなる。なお各部分集合Biは、最初は空集合φとして用意しておく。
【００７０】
当該振り分ける際、Aの最初の要素を順次削除する(8行目「A'=A'−{z}」；A'はAの一時変数)と共に、順次Biへと削除した分を追加しながら(10行目)逐次、次のような判定を行う。すなわち、隣接する2要素であるところの、Aの最初の要素z(8行目など)とBiの最後の要素y(8行目など)との間における受信間隔|R(z)−R(y)|と、送信間隔SIとの差がTHRESHOLD未満であれば(9行目)、間隔差がTHRESHOLD以上ではないことを意味しているので、当該Aから要素を削除してBiへ追加する処理を継続する。
【００７１】
また、当該判定で間隔差がTHRESHOLD以上であると判定された場合、当該判定された要素を境界にBiとBi+1とが分かれることとなる。このようにして例えばA={1,2,3,4,5,6,7}に対してR(4)が除去された場合、B1={1,2,3}及びB2={5,6,7}が得られることとなる。
【００７２】
(受信間隔の再算出)
以上の外れ値の除去処理により1個以上の音波が除去された場合、間隔再算出部43は、再度音波の受信時刻を算出し、当該再算出された時刻より受信間隔を再算出することで、間隔算出部14の最終的な出力となす。これにより、方向推定に利用できる音波の個数を増やし、方向推定の精度向上に寄与する効果がある。
【００７３】
なお、除去すべき外れ値が存在しなかった場合(number＝1の場合に相当)、間隔再算出部43は間隔仮算出部41の仮算出した受信間隔をそのままで、間隔算出部14の最終的な出力となす。
【００７４】
音波q(1<=q<=m)の受信時刻R(q)が除去された場合を考える。以下の手順(1)〜(3)により、受信時刻R(q)を再度算出する。
【００７５】
(1)正しく算出できた音波の集合Bdirectの要素pの中で、|p−q|が最小となるものをp'とする。
(2)min=R(p')+(q−p')*SI−THRESHOLD,
max= R(p')+(q−p')*SI+THRESHOLDとする。
(3)受信サンプルS(min)〜S(max)の範囲から音波の受信時刻R(q)を再算出する。
【００７６】
ここで、(3)の再算出の処理には仮算出の際と同様の、リファレンス信号との相関値が最大になる点を求める手法を利用することができる。
【００７７】
また当該再算出において、除外された音波qが複数ある場合、各音波qにつき順次上記手順(1)〜(3)を実行する。この際、再算出された音波qは正しく算出された音波の集合Bdirectの要素に逐次加えて集合Bdirectを更新しつつ、再算出が行われていない残りの音波qについて手順(1)〜(3)を継続する。
【００７８】
こうして、音波基地局3A,3Bのそれぞれにつき仮算出された受信時刻R(k)が、それぞれ再算出され、その受信間隔も再算出されることとなる。
【００７９】
図7は当該再算出処理を概念的に説明するための図である。(A)が再算出前を、(B)が再算出後を表しており、両者において[1]〜[4]の各区間は間隔仮算出部41がR(k)を仮算出したS(k*SI+1)〜S((k+1)*SI)の範囲を表し、黒丸(●)又は白丸(○)は仮算出された各R(k)であり、このうち白丸が(A)においては外れ値と判定されたものを、(B)においては再算出されたものを表している。
【００８０】
すなわち、再算出前の(A)では[3]の白丸(○)はその他の黒丸(●)が概ね等間隔であるのを大きく乱して存在しているので、外れ値と判定されたものである。これに対して手順(2)によって概ね等間隔となるような所定の範囲内に(B)に示すようにS(min)〜S(max)の範囲が設定される。その中から再度手順(3)によってR(q)を再算出することで、(B)の白丸(○)に示すような、概ねその他の黒丸(●)と同様に等間隔に並ぶような位置を定めることができる。
【００８１】
なお手順(2)では、正しく受信した箇所であるR(p')からSIの整数個分(q−p'個分；正負によってシフト方向も表す)シフトした位置を中心として幅が2*THRESHOLDとなるような範囲を定めるので、(B)に示すように概ね等間隔となるように範囲S(min)〜S(max)を定めることができる。なお、手順(2)の式を修正して、同様にシフトした位置を中心として幅が2*THRESHOLDではなく、THRESHOLDの所定数倍となるような範囲として S(min)〜S(max)を定めてもよい。
【００８２】
なおまた外れ値除去部42で外れ値として除去されるのは一連の隣接する受信音波からなる集合Bdirect以外の全てであり、図7の白丸のように1個だけ孤立して除去されることはないが、図7では再算出処理の概念的な説明のために便宜的に1個だけ孤立した白丸を示している。
【００８３】
なおまた当該再算出において、除外された音波qが複数ある場合、手順(1)〜(3)を各音波qにつき順次実行する際に、対象となる各音波qの処理順序は、所定の順序、例えば受信時刻が最も早い側又は最も遅い側から順次定めるようにしてもよい。また、各更新時点での正しく算出された音波の集合Bdirectの要素との受信時刻の差が最小となるものを順次選ぶことで順序を定めるようにしてもよい。具体的には、次のように定めてもよい。
【００８４】
まず、受信時刻の差diff(q)を次のように定める。正しく算出された音波の集合Bdirect(上記の再算出された音波qを追加して更新された場合を含む)の要素pのうち、その受信時刻と音波qの受信時刻との差|R(p)−R(q)|を最小とする要素を、音波qに依存することを含めてp＝pmin(q)と表記し、p＝pmin(q)の場合の受信時刻の差を音波qの関数として、diff(q)＝|R(q)−pmin(q)|とする。
【００８５】
こうして、各音波qの処理順序は、diff(q)の値が最小となるようなqを順次選ぶことで定めてよい。この場合、再算出されたqを正しく算出された音波の集合Bdirectに加えたうえで、以降のdiff(q)を求めるものとする。
【００８６】
(手順5)
【００８７】
方向推定部17がユーザ端末1より音波基地局3A及び3Bのぞれぞれへと至る方向、より正確には、スイング時のスイング中心であったユーザ位置より音波基地局3A及び3Bのぞれぞれへと至る方向、を推定し、位置推定部18が当該推定された2つの方向と音波基地局3A及び3Bの所定の位置情報に基づいてユーザ端末1の音波基地局3A及び3Bを基準とした位置を推定する。当該各推定は具体的には次の通りである。
【００８８】
(方向推定)
方向推定部17は、間隔算出部14の求めた音波の受信間隔と、当該各受信間隔に対応する音波の受信時刻において方位センサ部15が取得したユーザ端末1の方向と、に基づいて、スイング時のおけるユーザ端末1から音波基地局3(3A及び3Bのそれぞれ)へと至る方向を推定する。当該方向推定には、非特許文献2又は特許文献1に示されている方法等が利用できるが、スイングする端末が音波送信するのではなく、受信している点が異なるので、本発明では音波基地局3の処理が簡易化される。
【００８９】
[非特許文献2]"音波を使った端末間の相対方向推定方式の提案", 電子情報通信学会2010年ソサイエティ大会, B-7-47.
[特許文献1]特開2012-042244号公報
【００９０】
図8は、当該方向推定を説明するための図である。(A)には、ユーザ端末1のスイングを実行するユーザの位置Pと、スイングの軌跡としての円弧S1と、当該スイング中に音波受信部12がパルス音波の各々を受信した円弧S1上の点Q1,Q2,Q3,Q4及びQ5と、音波基地局3の位置Qと、当該各点Q1,Q2,Q3,Q4及びQ5のそれぞれより位置Qまで到達する音波の伝搬W1,W2,W3,W4及びW5とを示している。(B)には、当該(A)の説明に加えて、当該(A)におけるQ1〜Q5の各点における時刻t1〜t5と、当該位置及び時刻でのユーザ端末1の端末向きの例が図表として示されている。
【００９１】
時間区間としてのスイング区間をスイング検出部16が検出すると、方向推定部17は、方向推定に必要な情報として、当該区間内で音波基地局3からの音波を受信した各時刻ti及び当該各時刻にて方位センサ部15の取得した方向D(ti)の情報を取得する。ここで各時刻tiとはすなわち、間隔算出部14が受信間隔を算出した際の対応する受信時刻である。例えば図8では、(A)のスイング動作Rにつき検出されたスイング区間に対し、(B)での各時刻t1〜t5に対する端末向き0°〜180°を取得する。
【００９２】
一方、あらかじめ(手順2)において当該音波を受信する送信元となっている音波基地局3における送信間隔の情報は既知であり、当該送信間隔の一例と間隔算出部14の算出した受信間隔の一例とを並べて図8の(C)に示してある。
【００９３】
すなわち、送信間隔は等しく100msに設定されている。一方、各時刻t1〜t5(送信時刻)で区切られる各区間に対応する受信間隔は99ms, 100ms及び101msの値が存在する。区間t2−t1(時刻t1からt2までの区間を表し、以下同様とする)では、「送信間隔−受信間隔＝+1ms」であり、「送信間隔＞受信間隔」である。これは、(A)に示すように、区間t2−t1では音波パルスの音源である音波基地局3の存在する位置Qにユーザ端末1が近づくよう移動しながら音波を受信しているためである。
【００９４】
逆に区間t4−t3及びt5−t4では、「送信間隔−受信間隔＝−1ms」であり、「送信間隔＜受信間隔」である。これは、(A)に示すように、区間t4−t3及びt5−t4では音波パルスの音源である音波基地局3の存在する位置Qからユーザ端末1が遠ざかるよう移動しながら音波を受信しているためである。
【００９５】
一方、区間t3−t2は、近づくよう移動するのと遠ざかるよう移動するのが混在するので、「送信間隔≒受信間隔」となり、(A)より明らかなように推定すべき方向PQは当該区間内に存在する方向となる。
【００９６】
方向推定部17はこのように、ドップラー効果に類似の原理に基づいて、送信間隔と受信間隔の大小関係が逆転しようとする際の区間にて方位センサ部15の示す方向を、音波基地局3の存在する方向として推定する。なお、大小関係が逆転しようとする際の区間t3−t2に対して、推定方向はその端点t2又はt3のいずれかの時刻での方向を割り当ててもよいし、当該区間内の所定点、例えば中点(t2+t3)/2の時刻での方向を割り当ててもよい。
【００９７】
なおまた、図8の例では送受信間隔の大小関係が「送信間隔＞受信間隔」より「送信間隔＜受信間隔」へと逆転している。逆に「送信間隔＜受信間隔」から「送信間隔＞受信間隔」へと逆転する場合は、図8の考察と全く同様にして、逆転する際の区間に対応する方向の逆方向(180°を加えた方向)が推定方向となる。スイングを360°行うと逆転が180°離れた区間で2回現れるが、その場合も同様である。
【００９８】
よって、より一般には方向推定部17は、送信間隔と受信間隔との大小関係が切り替わる際の方位センサ部15の示す方向に基づく所定の方向、すなわち、送信間隔の方が長い関係から送信間隔の方が短い関係に逆転する場合は当該方位センサ部15の示した方向を、送信間隔の方が短い関係から送信間隔の方が長い関係に逆転する場合は当該方位センサ部15の示した方向の逆方向を、音波基地局3の存在する方向として推定する。
【００９９】
なお、スイング軌道は音波基地局3の方向をその平面上において指定可能な平面上において概ね水平となる円弧ないし円状であればよい。ユーザが手でユーザ端末1をスイングさせる際の半径の変動が所定範囲内であることでこのような軌跡は実現可能である。
【０１００】
(位置推定)
位置推定部18は、ユーザ端末1の位置を推定する。音波基地局3Aの位置情報(X_A、Y_A)、推定方向Direction_Aと、音波基地局3Bの位置情報(X_B、Y_B)、推定方向Direction_Bから、ユーザ端末1の位置(X、Y)を次のようにしてよって推定する。
【０１０１】
図9に、当該位置推定における座標関係を示す。点Pはユーザ端末1の位置(X, Y)であり、点QA,QBはそれぞれ音波基地局3A,3Bの位置(X_A, Y_A),(X_B, Y_B)であり、QA及びQBの位置と、と推定方向Direction_A及びDirection_BによってPの位置が定まる。なお、推定方向Direction_A,Direction_Bは方位センサ部15の取得方向と同様に、北を0度、西を90度、南を180度、東を270度とし、反時計回りに方向の値が増加するものとする。
【０１０２】
図示するように、音波基地局3Aの位置QA(X_A、Y_A)を通り、方向Direction_Aに伸びる直線Aと、音波基地局3Bの位置QB(X_B、Y_B)を通り、方向Direction_Bに伸びる直線Bとの交点がユーザ端末1の位置P(X、Y)となる。
【０１０３】
ここで、直線A、直線Bは次式で表される。
直線A：y=tan(Direction_A+90)*x+(Y_A-tan(Direction_A+90)*X_A)
直線B：y=tan(Direction_B+90)*x+(Y_B-tan(Direction_B+90)*X_B)
【０１０４】
よって、直線A、直線Bの交点(X、Y)は以下の通りとなる。
X=( (T_A*X_A-T_B*X_B)-(Y_A-Y_B) ) / (T_A-T_B)
Y=T_A*T_B*(X_A-X_B)
(ただし、T_A=tan(Direction_A+90)、T_B=tan(Direction_B+90)とする)
【０１０５】
なお、追加的な一実施例として、音波受信可能な音波基地局3が3A,3B,3Cの3つ存在する場合には、当該3つを対象として手順1〜4を実施した後、手順5では、3つの音波基地局3のうちから次のようにして2つを選んで、当該2つを対象として上記手順5を実施することでユーザ端末1の位置を求めてもよい。
【０１０６】
すなわち、音波基地局3A, 3B及び3Cにつき推定された方向をそれぞれ、Direction_A, Direction_B及びDirection_Cとすると、当該3方向の中から2方向を選んだ際に2方向がなす角が直角に最も近いような2つの音波基地局3より、位置を求める。これは、なす角をx(0度≦x≦90度)とすると、xが0度に近いほど角度が「浅い」ため推定位置の誤差が大きくなり、逆にxが90度すなわち直角に近いほど推定位置の誤差が小さくなると考えられるためである。
【０１０７】
なおまた当該追加的な一実施例は、音波基地局3の配置関係によって偶然3つの音波基地局3A,3B,3Cより受信可能になった場合を想定しており、本発明を実施するエリアの全域において常に3つの音波基地局3からの音波受信を要求するものではない。また、3つ以上の音波基地局3から音波受信可能な場合も全く同様にすることができる。
【０１０８】
以上、本発明によれば、ユーザ端末1と音波基地局3との間の時刻同期を必要とせず、位置推定可能となる。また、位置推定に必要な音波基地局3の個数を、従来の3個から、2個に減らすことが可能となる。これにより、ユーザ端末と基地局の機器コストと、基地局の設置数の低減が期待できる。
【０１０９】
また、本発明の利用例として、以下が考えられる。
【０１１０】
ショッピングモールや、スーパー、地下街、図書館等における経路案内。ショッピングモールで興味のある店舗に行きたい場合や、スーパーでお肉コーナーに行きたい場合等、現在値と目的地までの経路を提供する。この際、事前に複数の音波基地局3を設置し、送信音波情報を設定する必要がある。音波基地局3の役割を、案内放送しているスピーカや、音楽を再生している既存スピーカに担わせるようにすることも可能である。
【符号の説明】
【０１１１】
10…位置推定システム、1…ユーザ端末、2…サーバ、3,3A,3B…音波基地局、11…通信部、12…音波受信部、13…基地局特定部、14…間隔算出部、15…方位センサ部、16…スイング検出部、17…方向推定部、18…位置推定部
【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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