(57)【要約】【解決手段】ユーザの体の部分の位置を検出するための方法及び装置。ウェアラブルなエミッタユニット（１６）がユーザにより装着され、エミッタユニットはユーザの体の一部に近接した位置に装着される。エミッタユニット（１６）から送信される無線信号は、アンテナ（５２）にて受信ユニット（１４）によって受信される。アンテナ（５２）の４つの異なる対のそれぞれに到達する無線信号の到達時間を決定し、検出された差から、エミッタユニット、従って、ユーザの体の一部の三次元的位置を決定する。【選択図】図１
2016511400.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人のユーザの体の一部分の位置を検出するための装置であって、該装置は、前記ユーザの体の前記部分に近接した位置にユーザが装着するのに適した、ウェアラブルなエミッタユニットで、該エミッタユニットから無線信号を発生して、送信する無線送信機を有しているエミッタユニットと受信ユニットとを備え、前記受信ユニットは、
ａ）前記エミッタユニットからの無線信号を受信するための無線受信手段と、
ｂ）前記無線信号を受信するために、全てが単一平面内に配置されているのではない、少なくとも５つの空間的に離れたアンテナと、
ｃ）前記アンテナの４つの異なる対のそれぞれに到達する前記信号の到達時間差を検出し、前記検出された差から前記受信ユニットに対する前記エミッタユニットの三次元位置を決定するためのコンピューティング手段と、を有している、位置検出装置。
【請求項２】
前記エミッタユニットは、前記ユーザの体のそれぞれの部分に近接したそれぞれの前記位置に前記ユーザが装着するのに適した、それぞれが前記信号を発生して送信するための前記無線送信機を有している複数のエミッタユニットのうちの１つであり、前記受信ユニットのコンピューティング手段は、前記アンテナの前記４つの異なる対のそれぞれに到達する前記信号の各到達時間差を検出し、検出された差から前記受信ユニットに対する前記各エミッタユニットの三次元位置を決定する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記エミッタユニットは、使用中、前記装置の反復動作サイクル中に連続する異なる時間周期の間に送信するように制御される、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記エミッタユニットの各々は、前記サイクル中で次に送信するエミッタユニットに割り当てられた前記時間周期が開始するときに、該エミッタユニットの直前に送信しているエミッタユニットがまだ送信しているかどうかを検出して、その先行エミッタユニットが送信をやめるまで、前記次に送信するエミッタユニットからの送信を遅延させる手段を含む、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
少なくとも１つの前記エミッタユニットは、そこからの送信の開始時点と、当該エミッタユニットが送信を開始するために前記サイクルに割り当てられた時間の開始時点との間の遅延を検知し、前記遅延が所定値に達した場合に信号を発生する手段を有し、前記受信手段は、その信号を受信し、且つその受信に応答してリセット信号を送信するように配置され、前記エミッタユニットは前記リセット信号の受信に応答して、前記サイクルに割り当てられたそれぞれの期間に送信するために、各エミッタユニットを同期させる手段を含む、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記少なくとも１つのエミッタユニットは、前記サイクルの間に送信する最後のエミッタユニットである、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記無線信号の送信周波数を基準周波数と比較することによって、前記又は各エミッタユニットの相対速度を決定するための手段を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記又は少なくとも１つの前記エミッタユニットは、当該エミッタユニットの前記位置についての位置情報を提供するための慣性測定ユニットと、前記受信ユニットに前記位置情報を送信するための手段とを有し、前記受信ユニットは、前記位置情報を受信するための手段を有し、前記装置は、前記又は少なくとも１つの前記エミッタユニットの正確な位置を提供するために、前記位置情報を、前記検出された差から決定される前記エミッタユニットの前記位置についての情報と組み合わせるための手段を有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記組み合わせを行うよう構成されたカルマンフィルタを有する、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記位置についての前記情報は、加速度情報、ジャイロスコープ情報、及び磁力計情報であり、前記ジャイロスコープ情報及び前記磁力計情報は融合されて、前記カルマンフィルタに適用するために加速度情報と組み合わされる、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記受信ユニットは、慣性測定ユニットを有し、該慣性測定ユニットから得られる情報から前記受信ユニットの基準位置を決定する手段が設けられている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
前記受信ユニットは、前記ユーザがウェアラブルである、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１３】
前記受信ユニットは、前記ユーザに前記受信ユニットを支持させるために前記ユーザがウェアラブルなベルトを含む、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１４】
人のユーザの体の一部分の位置を検出する方法であって、ウェアラブルなエミッタユニット及びウェアラブルな受信ユニットが前記ユーザにより装着され、前記エミッタユニットは、前記ユーザの体の前記部分に近接する位置の近くに装着され、前記方法は、
ａ）前記エミッタユニットから無線信号を送信するステップと、
ｂ）前記受信ユニットの、全てのアンテナが同一平面内にあるのではない、少なくとも５つのアンテナで、前記送信された無線信号を受信するステップと、
ｃ）前記アンテナの４つの異なる対のそれぞれに到達する前記無線信号の到達時間差を検出するステップと、
ｄ）前記検出した差から前記受信ユニットに対する前記エミッタユニットの三次元位置を決定するステップと、を含む、位置検出方法。
【請求項１５】
前記エミッタユニットは、前記ユーザの体のそれぞれの部分に近接したそれぞれの前記位置にユーザが各々装着するのに適し、各前記エミッタユニットから前記無線信号を送信し、前記アンテナの異なる４つの対のそれぞれに到達する前記信号の各到達時間差を検出し、かつ前記検出された差から前記受信ユニットに対する前記それぞれのエミッタユニットの前記三次元的位置を検出する、複数のエミッタユニットのうちの１つである、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記エミッタユニットは、使用中、前記装置の反復動作サイクル中に連続した異なる時間周期の間に送信するように制御される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記方法は、次に送信するエミッタユニットに割り当てられた前記時間周期が開始するときに、該エミッタユニットの直前に送信しているエミッタユニットがまだ送信しているかどうかを検出して、その先行エミッタユニットが送信をやめるまで、前記次に送信するエミッタユニットからの送信を遅延させるステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記方法は、少なくとも１つのエミッタユニットによる送信の開始時点と、当該エミッタユニットが送信を開始する、前記サイクル中の前記割り当てられた時間の開始時点との間の遅延を検出し、該遅延が所定値に達した場合に信号を発生するステップを含み、前記受信手段は、その信号を受信し、且つその受信に応答してリセット信号を送信するように配置され、前記エミッタユニットは前記リセット信号の受信に応答して、前記サイクル中に前記割り当てられたそれぞれの期間に送信するために、各エミッタユニットを同期させる、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記少なくとも１つのエミッタユニットは、前記サイクルの間に送信する最後のエミッタユニットである、請求項１８に記載の方法、
【請求項２０】
前記エミッタユニットから送信される前記無線信号の送信周波数を基準周波数と比較することによって、前記エミッタユニットの相対速度を決定するステップを含む、請求項１４〜１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
第１の前記エミッタユニットは、該第１のエミッタユニットの前記位置についての位置情報を提供するための慣性測定ユニットを有し、前記方法は、前記受信ユニットに前記情報を送信し、前記第１のエミッタユニットの正確な位置を提供するために、前記送信された位置情報を前記検出された差から決定される第１のエミッタユニットの位置についての情報とを組み合わせるステップを含む、請求項１４〜２０のいずれかに記載の方法。
【請求項２２】
前記位置についての前記情報は、加速度情報、ジャイロスコープ情報、磁力計情報であり、前記ジャイロスコープ情報及び前記磁力計情報は融合されて、前記カルマンフィルタに適用するために加速度情報と組み合わせられる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
カルマンフィルタによって前記組み合わせが行われる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記受信ユニットは、慣性測定ユニットを有し、該慣性測定ユニットから得られる情報から前記受信ユニットの基準位置を決定する手段が設けられている、請求項１４〜２３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
前記受信ユニットは、前記ユーザがウェアラブルである、請求項１４〜２４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
前記受信ユニットは、前記ユーザによって装着されるベルト形式である、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
前記又は各エミッタユニットは、単一の周波数信号として前記無線信号を送信するよう配置される、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２８】
前記又は各エミッタユニットから送信される前記無線信号は、単一周波数信号である、請求項１４〜２６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２９】
コンピュータシステムの１つ以上のプロセッサが実行する複数の命令を含むコンピュータプログラムであって、該プログラムは、前記１つ以上のプロセッサが実行される際に、前記コンピュータシステムに、請求項１４〜２６のいずれか一項に記載の方法を実行させる、コンピュータプログラム。
【請求項３０】
請求項２９に記載の、ストレージに記憶される前記コンピュータプログラムを含む、非一時的コンピュータ可読データストレージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置検出装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
人間の動き解析システムは、最新のヘルスケア、娯楽及びスポーツ産業において多数の用途がある。多くの用途において、視覚情報（ビデオカメラ）又はマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）のセンサに基づくキャプチャシステムは、人の動きを追跡する主要な手段として用いられている。例えば、商標名Ｗｉｉで市販されているようなゲームコントローラは、モーションパターンをキャプチャするのに慣性測定技術（すなわち、加速度計）を用いている（特許文献１）。他のゲーム機器は、視覚に基づくモーションキャプチャシステムを用いており、例えば、商標名Ｋｉｎｅｔｉｃで市販されているものは、ゲームコントローラの前にいる人の動きをキャプチャするのにビデオ及び赤外線撮像技術を用いており、商標名Ｓｏｎｙ  Ｐｌａｙｓｔａｔｉｏｎ  Ｍｏｖｅはで市販されている動き追跡コントローラは、テレビ搭載カメラの視界内でのプレイヤーの腕（又はハンドヘルドコントローラ）をキャプチャするために視覚及び慣性測定（加速度、ジャイロ運動及び磁場測定）データを用いている（特許文献２）。
【０００３】
視覚情報に基づくモーションキャプチャはエンターテインメント業界に首尾良く適用されているが、それは体の異なる部分の独特のモーションパターンをキャプチャするための特別なスタジオロケーション及び特殊な衣装を必要とする。これに対して、ＭＥＭＳに基づくアプローチは、非標準設定で（すなわち、自然環境において）モーションデータをキャプチャするのに用いることができ、ヘルスケア用途、特にパーキンソン病の患者及び脳卒中や事故からのリハビリテーション過程の患者に関心を集めている。
【０００４】
慣性センサに基づく位置決めシステムは、本質的に、経時的な誤差累積に関連している。有意な研究は、そのような誤差累計をフィルタリング及び推定法によりなくすことに向けられている。一方、到達時間（ＴｏＡ）又は到達時間差（ＴＤоＡ）に基づくエミッタ位置決めシステムによる測定は、そのような人の動き追跡システムには用いられていなかった。そのような遅延時間測定システムは、航空宇宙産業（レーダシステム）、ヘルスケア産業（超音波走査機構）及びグローバルポジショニングシステム（ＧＰＳ）ナビゲーションシステムにて用いられている。これらのうち、レーダ及び超音波の測距法は、反射信号の飛行時間（ＴｏＡ）及びドップラー位相シフトを用い、ＧＰＳシステムはＴＤоＡアプローチを用いて、受信機の位置を決定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７，７７４，１５５号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１０／０１０５４７５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
概して、上記のゲームシステムは比較的簡単で、安価であり、人の位置又は動きを検知することができるが、それらは、一般に、例えば人間に影響を与えている病状の診断に必要とされる精度でこのようなことを行うことはできない。上記のものよりもっと複雑なシステムがおそらく適するかもしれないが、それらは一般に高価で扱いにくい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、人のユーザの体の一部の位置を検知するための装置であって、該装置は、前記ユーザの体の前記部分に近接した位置にユーザが装着するのに適した、ウェアラブルなエミッタユニットで、該エミッタユニットから無線信号を発生して、送信する無線送信機を有しているエミッタユニットと、受信ユニットとを備え、前記受信ユニットは、
ａ）前記エミッタユニットからの無線信号を受信するための無線受信手段と、
ｂ）前記無線信号を受信するために、全てが単一の平面内に配置されているのではない、少なくとも５つの空間的に離れたアンテナと、
ｃ）前記アンテナの４つの異なる対のそれぞれに到達する前記信号の到達時間差を検出し、前記検出された差から前記受信ユニットに対する前記エミッタユニットの三次元的位置を決定するためのコンピューティング手段と、を有している、位置検出装置が提供される。
【０００８】
本発明は、人のユーザの体の一部分の位置を検出する方法であって、ウェアラブルなエミッタユニット及びウェアラブルな受信ユニットが前記ユーザにより装着され、前記エミッタユニットは、前記ユーザの体の前記部分に近接する位置の近くに装着され、前記方法は、
ａ）前記エミッタユニットから無線信号を送信するステップと、
ｂ）前記受信ユニットの、全てのアンテナが同一平面内にあるのではない、少なくとも５つのアンテナで、前記送信された無縁信号を受信するステップと、
ｃ）前記アンテナの４つの異なる対のそれぞれに到達する前記無線信号の到達時間差を検出するステップと、
ｄ）前記検出した差から前記受信ユニットに対する前記エミッタユニットの三次元位置を決定するステップと、を含む位置検出方法も提供する。
【０００９】
本発明は、コンピュータシステムの１つ以上のプロセッサが実行する複数の命令を含むコンピュータプログラムであって、該プログラムは、前記１つ以上のプロセッサが実行される際に、前記コンピュータシステムに、上述の方法を実行させる、コンピュータプログラムも提供する。
【００１０】
本発明は、記憶装置に記憶される上述のコンピュータプログラムも含む、非一時的コンピュータ可読データストレージも提供する。
【００１１】
本発明を、さらに、添付の図面を参照しながら単なる例による説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】受信機ユニットと数個のエミッタユニットを有する、本発明により形成された装置を装着した人のユーザを示す図である。
【図２】ウェアラブルなベルト内に組み込まれる、図１の装置の受信ユニットの概略正面斜視図である。
【図３】図２の受信ユニットの概略背面斜視図である。
【図４】図２及び図３の受信ユニットのアンテナ構造の正面図である。
【図５】図２及び図３の受信ユニットのアンテナの配置を示す概略斜視図である。
【図６】図１の装置のエミッタユニットと、図２及び図３の受信ユニットの一部を示す図である。
【図７】図６のエミッタユニットの構成要素のブロック図である。
【図８】図１及び図６の受信ユニットの構成要素のブロック図である。
【図９】ＲＦ位相オフセットを決定し、Ｉ／Ｑ変調測定を行うための、本発明の受信ユニットのオフセット信号測定ユニットの構成要素のブロック図である。
【図１０】本発明の受信ユニットに組み込まれる基準オフセット信号測定ユニットのブロック図である。
【図１１】本発明のエミッタユニットからの送信信号を例示する波形図である。
【図１２】本発明の実施形態に適用可能な位相決定の原理を例示する一連の図である。
【図１３】本発明の受信ユニットとエミッタユニットとの間の通信のための構成要素を示す図である。
【図１４】本発明の実施形態における信号処理を例示するフローチャートである。
【図１５】本発明の実施形態におけるさらなる信号処理を例示するフローチャートである。
【図１６】本発明の好適な実施形態の動作を説明するのに用いられる基準フレームを示す図である。
【００１３】
図に示される装置１０は、人のユーザの体の部分の相対的な位置に関する情報を提供するように設計される。装置１０は、その様々な構成要素が装置１０の使用時にユーザによって装着されるユニット内に組み込まれているからウェアラブルである。このために、これらのユニットには、ユーザの体に対する固定位置に、例えば直接又はユーザの服にそれらを取り付けるか、又は固定するための手段が設けられている。ユニットには、受信ユニット１４及び６つのエミッタユニット１６、１８、２０、２２、２４、２６がある。ユニット１４は、使用時にユーザの腰に位置付けられ、ユニット１６、１８はユーザの各肩に近接する位置に、ユニット２０、２２はユーザの各手首に近接する位置に、ユニット２４、２６はユーザの各足首に位置付けられる。受信ユニット１４は、例えば、ユーザの腰の周りにループを形成するように連結可能なフックとループのコネクタ５１（図２）の要素によってユーザの腰の周りに位置付けることができるベルト１５を含む。ユニット２０、２２、２４、２６は、同様に形成される手首及び足首バンド４０、４２、４４、４６を用いてユーザに取り付けることができ、ユニット１６、１８はフックとループのコネクタ４８、５０によって取り付け可能であり、その一方の要素は各ユニット上にあり、他方はユーザの服の各肩部に取り付けられる。
【００１４】
図２及び図３は、受信ユニット１４内に組み込まれる受信要素３０、３２、３４、３６を示している。それぞれは２つに無線アンテナ５２を有している。ユーザの正面と背面で、ユーザの片側にある要素３２、３６は、前後方向に互いに離間し、正面と背面でユーザの他の側にある要素３０、３４も同様に、前後方向に互いに離間している。
【００１５】
要素３０、３２、３４、３６は、ユーザが立っている時には、概して水平面に配置される。しかしながら、より具体的には、各受信要素３０〜３６におけるアンテナ５２のうちの第１のものは実質的に同一平面である第１平面５３（図５）にあり、各受信要素におけるアンテナ５２のうちの第２のものは、第１のアンテナが配置される平面から離間して下方にある、他の共通平面５５に配置される。これらの平面は、ユーザが立っている時は概して水平である。
【００１６】
本発明のこの実施形態は、三次元の位置を特定するためのものであり、そのためにはアンテナ５２の少なくとも５つを利用する必要があり、全てのアンテナを利用する必要はない。具体的には、使用する全てのアンテナが共通平面にない限り、任意の５つのアンテナを利用することができる。一例として、以下、上述した平面のうちの上側の平面である平面５３における３つのアンテナが、他の下側の平面５５における２つのアンテナと共に使用され、これらのアンテナが図５に概略的に例示したアレイ５４を形成することを前提とする。
【００１７】
通常、エミッタユニット１６〜２６の各々は、９６０ＭＨｚのような、適切な周波数の無線信号を発生し、これはどのエミッタも同じである。信号は、各エミッタユニットにて独立して発生される。図１１を参照するに、エミッタユニットからの無線信号の送信は、反復時間サイクルＴにて行われる。各サイクル中に、エミッタユニットの各々は、それぞれ同様の一定の時間周期ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｉ、ｊ、ｋ、ｌの間に所定の順序で一度に送信する。送信がそのように行われる順序は重要ではなく、但し受信ユニット１４でその順序を識別可能とする必要がある。都合のいいことに、このようなことは各エミッタユニット内のプロセッサの制御の下で行われ、受信ユニットは送信を同様に識別するためにそれ相応にプログラムされている。受信ユニット１４は、エミッタユニットからの信号をアレイ５４において利用されるアンテナ５２によって次々に受信する。そのようにしてそれぞれのエミッタユニットからの受信信号は、受信ユニット１４のプロセッサ５６で個別に処理される。エミッタユニットから送信されて受信される各信号に対して、プロセッサは、アンテナ５２のうちの１つである、基準アンテナから得られる信号と比較して、基準アンテナにエミッタユニットの信号が到達する時間と他の４つのアンテナのそれぞれに到達する時間との４つの各時間差を決定する。すなわち、４つの時間差とは、
ａ）基準アンテナ５２に信号が到達する時間とアンテナ５２のうちの第２のアンテナに信号が到達する時間との差、
ｂ）基準アンテナ５２に信号が到達する時間とアンテナ５２のうちの第３のアンテナに信号が到達する時間との差、
ｃ）基準アンテナ５２に信号が到達する時間とアンテナ５２のうちの第４のアンテナに信号が到達する時間との差、及び
ｄ）基準アンテナ５２に信号が到達する時間とアンテナ５２のうちの第５のアンテナに信号が到達する時間との差である。
【００１８】
これらの差から、プロセッサ５６は関連するエミッタユニットの基準アンテナに対する相対的な三次元の空間的配置を算出する。各送信サイクルでは、このようなプロセスはエミッタユニットからの各送信に対して連続的に繰り返され、各エミッタユニットの位置を繰り返し決定する。従って、このような情報は、エミッタユニットから送信されて受信される各サイクル毎に周期的に更新される。このようにして、装置１０の着用者の手首、肩、足首の相対的な三次元配置についての情報が生成され、順次更新される。
【００１９】
本発明のこの実施形態では、ユーザの体の部分の位置情報を提供することに加えて、エミッタユニットから送信され、受信ユニット１４によって受信される信号におけるドップラーシフトを検出することによって速度情報が生成される。さらに、エミッタユニットはそれぞれ、慣性測定ユニット（「ＩＭＵ」）９６を含み、これは、グローバル基準フレームに対する各エミッタユニットの向きに関する情報をキャプチャして受信ユニットに送信するための加速度計、ジャイロスコープ及び磁力計を有している。
【００２０】
図６は、１つのエミッタユニット１６と、受信ユニット１４のプロセッサ５６内の構成要素を示している。受信ユニットは、図６にＯＳＭ１、ＯＳＭ２、…ＯＳＭｎと表すオフセット信号測定装置６０を含む。利用される各アンテナ５２に対して１つの装置６０があり、この場合には、５つのアンテナが利用されるので、ｎ＝５である。受信ユニット１４は、装置６０とコンピューティング要素６４との間の通信転送用のバス６６によって、装置６０に接続されるコンピューティング要素６４を含む。プロセッサ５６は、周波数ｆＴＸの発振正弦波信号を発生する周波数発生器６８も含む。
【００２１】
図８は、コンピューティング要素６４の要素を示す。これは、組み込み型コンピュータ７０、Ｗｉｆｉ通信モジュール７２、４Ｇ通信モデム７４、ＵＳＢポート７５、ＳＤＧＣストレージ７６、ローカルフラッシュストレージ７７、電源とバッテリーの管理ユニット７９を含む。
【００２２】
エミッタユニット１６〜２６は、どれも同じであり、例えば図７にエミッタユニット１６が示されている。図示のエミッタユニットは、一定周波数の正弦波信号ｆＴＸ、すなわち発生器６８によって発生されるのと同じ周波数の信号を発生する信号発生器８０を含む。発生器８０からの信号は、アンテナ８６を介して無線信号として送信するための無線送信機８２に送られる。
【００２３】
エミッタユニット１６は、信号発生器を制御し、他の制御機能も実行するための組み込み型コンピュータ８８を含む。これは特に、前述したように、特定のエミッタユニットに割り当てられる上述した各時間サイクルにおける特定の期間中にのみ、無線送信機８２にアンテナ８６を介して無線信号を送信させるように配置される。図示の送信機の追加の構成要素は、例えば、送信に関するデータを記憶するためのローカルフラッシュストレージ９０、エミッタユニットへの及びそれからのデータ転送用のＵＳＢポート９２、エミッタユニット及び外部装置への及びそれからの通信用のＷｉｆｉモジュール９４、慣性測定ユニット９６、及び電源とバッテリーの管理ユニット９８である。
【００２４】
図６のＯＳＭ１は、基準のオフセット信号測定装置を構成し、それは図１０にも例示されている。それは、アレイ５４の１つのアンテナ５２からの無線周波数信号を受信する無線受信機９３を有し、その信号は、エミッタユニットから送信される無線信号から得られる。そのようにして得られる信号は、不所望な信号成分を除去するためにバンドパスフィルタ９６に送られ、また、ＯＳＭ１、ＯＳＭ２…ＯＳＭｎへの出力端９７にも送られる。
【００２５】
図９は、ＯＳＭ２、…ＯＳＭｎのうちの１つを示し、これらの構成は同じである。このようなＯＳＭは、アレイ５４のアンテナ５２の１つに接続される無線受信機１００を含む。エミッタユニット１４からの無線信号は、アンテナ５２で受信され、対応する無線周波数信号を受信機１００に送り、その出力はバンドパスフィルタ１０２を経て、ＯＳＭ１からの出力も受信する、位相差測定ユニット１６４に送られる。ユニット１６４から得られる出力１６５は、ＯＳＭ１が接続されるアンテナ５２にエミッタユニットからの信号が到達する時間に対する、それぞれＯＳＭ２…ＯＳＭｎが接続されるアンテナ５２にエミッタユニット１６〜２６からの信号が到達する到達時間差を示す。この差は、アナログ―デジタル変換器１０６でデジタル形式に変換され、コンピューティング要素６４に伝えられる。
【００２６】
コンピューティング要素６４は、各ＯＳＭ２…ＯＳＭｎのＡ／Ｄ変換器からの出力を受信し、これらに基づいてそれぞれのエミッタユニットの位置を算出する。上述した各動作サイクルの間、この計算は各エミッタユニットに対して順次成される。
【００２７】
エミッタユニット１６〜２６からの無線送信の同期化のための措置が取られる。装置のターンオン時には、動作も初期化するために、受信ユニット１４からエミッタユニットに信号が送られる。これに応答して、前述のように、それぞれのエミッタユニットからの周期的な送信が実行され、エミッタユニットは、受信器に記憶されたプログラム情報に従って、サイクルＴ内のそれぞれ異なる所定のタイムスロットの間に、所定のシーケンスで、各サイクルにおいて一度送信する。このようなプログラミングを通じて、ＯＳＭ装置６０から送信される位置情報は特定の受信ユニットに一意に関連付けることができる。ユニット内の信号発生器はフリーランニングしているため、時間の経過とともにドリフトが発生する可能性がある。これを補償するために、各エミッタユニット１６〜２６は他のユニットからの信号送信を受信することができ、これらには検出回路が含まれており、各動作サイクルＴの間のエミッタの送信時間における累積ドリフトが所定のレベルに達する場合に、受信ユニット１４に信号を送信して、エミッタユニットの動作をリセットし、再初期化する。
【００２８】
図１０を参照するに、ＯＳＭ１は、信号発生器６８（図６）からの周波数ｆＴＸの信号と、バンドパスフィルタ９６からの出力を受信するＩ／Ｑ復調器１０１を含む。復調器１０１は、関連するアンテナ５２で明らかとなるように、送信しているエミッタユニットの速度の空間的な成分を示す出力を発生する。復調信号は、Ａ／Ｄ変換器１０２でデジタル形式に変換されて、コンピューティング要素６４に送られる。各ＯＳＭ２…ＯＳＭｎでは、信号発生器６８（図６）からの信号が受信されて、受信器１００及び、そのＯＳＭのバンドパスフィルタ１０２からの信号も受信するＩ／Ｑ復調器１３０に送られ、後者の信号の周波数は、ＯＳＭにより処理される時間の間にエミッタユニットから送信される周波数であるため、エミッタユニットの速度に依存する。Ｉ／Ｑ復調器１３０は、関連するアンテナ５２で明らかとなるように、送信しているエミッタユニットの速度の空間的成分を示す出力を発生する。この出力は、ＯＳＭのＡ／Ｄ変換器１０６に送られ、そこでデジタル形式に変換されてコンピューティング要素６４に送られる。ＯＳＭ１でも同様である。ＯＳＭにおける、Ｉ／Ｑ復調器のデジタル化された出力から、コンピューティング要素６４はエミッタユニット１６〜２６が送信している時間のベクトル速度を算出し、これは、各エミッタユニットに対する上述した各動作サイクル内で繰り返される。
【００２９】
上述したような、アンテナ５２の対で受信される信号間の位相シフトの計算は、任意の適切なプロセスによっても達成することができる。図１２は、２つの信号間の位相変位がそれぞれ異なる、同じ周波数の２つの正弦波信号「ＬＯ出力」と「ＲＦ出力」をグラフによって示している。「Ｄｏｕｔ」で示されるように、これらの信号を組み合わせた結果は、同じ周波数の正弦波信号だが、相対的な位相変位に応じた振幅値となり、このＲＭＳ値を検出することにより、位相の変化を表す出力を提供する。この技術を、コンピューティング要素６４に用いて、１つのアンテナ５２から得られる基準信号と、他の各アンテナ５２から得られる信号とを比較できるようにして、アンテナにおける信号の位相差（到達時間）を確定することができる。
【００３０】
前記Ｉ／Ｑ復調器は、通常の形式のものでもよく、これは、キャリア信号に生じる周波数変動が、この周波数変動に関する情報を提供するために復号することができる同相及び直交成分を有するフェーザ―として処理されることに基づいて動作する。
【００３１】
コンピューティング要素６４で生成されるような、装置１０によって得られる情報は、任意の都合のよい形で、例えば、通信モデム７４を介して外部送信用に提示するか、又は受信ユニットのＳＤＨＤカードに書き込むことができる。
【００３２】
受信ユニット１４とエミッタユニット１６〜２６との間の、装置１０の制御のための通信及び、エミッタユニット同士間の同じく制御のための通信は、位置及び速度情報を決定するための送信とは別のそれらユニット間の無線送信によって達成される。特に、図１３は、それぞれがこの目的のために各アンテナ１４２に接続され、組み込み型コンピュータ８８又はコンピュータ７０にもそれぞれ接続される無線トランシーバ１４０を有するようなエミッタユニット１６〜２６と受信ユニット１４を示している。コンピュータ７０の制御下で、受信ユニット１４のトランシーバ１４０は、動作を開始するためにアンテナ１４２を介してエミッタユニットに前述の初期化信号を送信し、また、送信における許容ドリフトが所定値に達したことを示す信号が受信されると、エミッタユニットが再同期動作のためにリセット信号も送信する。エミッタユニットにおけるトランシーバ１４０も、ドリフトを決定する目的のためにエミッタユニット間で信号を送信するのに用いられる。特に、各期間Ｔ中の、エミッタユニット１６〜２６からの位置及び速度の決定に用いる信号の送信順序は、各エミッタユニットのコンピューティング要素８８において個別にプログラムされるが、各エミッタユニット１６〜２６は、トランシーバ１４０及びアンテナ１４２を介して、各エミッタユニット１６〜２６によって送られる信号も受信する。エミッタユニットのコンピューティング要素８８は、当面のエミッタユニットが送信を開始するようプログラムされている時点に、先に送信しているエミッタユニットがまた送信しているかどうかを検出し、先のエミッタユニットの送信が終了するまで送信の開始を遅らせるようにプログラムされる。最後のエミッタユニットが送信するときのサイクルにおける、時間間隔が所定の時間間隔よりも長い場合には、その最後のエミッタユニットのコンピューティング要素８８の制御下で、その最後のエミッタユニットによる送信の終了時に、そのエミッタユニットはトランシーバ１４０及びアンテナ１４２を介して前述の信号を受信ユニット１４に送信し、受信ユニットはリセット信号をエミッタユニットに送らせる。リセット信号は受信ユニットによって受信され、エミッタユニットは、リセット信号の受信に応答して、再送信する。リセットのプロセスは、コンピュータ要素８８の制御下において各エミッタユニットの同期が必要であり、そのため、それらは各送信サイクルにおけるそれぞれの所定の開始時点に順次送信を開始するように再プログラムされる。
【００３３】
以下、本発明の具体的な実装について説明する。ここにおいて、用語「タグ」とは、エミッタ１６〜２６のことを言う。ジャイロ、磁力計、加速度計は、特に断りのない限りＩＭＵ９６に組み込まれる。
【００３４】
１．ベルトに対するタグの位置決め
前述のように、最少５つの非同一平面上の受信機がモバイルのタグの位置を突き止めるためにベルトに位置付けられる。時間遅延は、到達の位相差を用いて算出される。
【００３５】
モバイルタグの位置決めは、以下のように達成される。
仮に、
【数１】
2016511400.tif 000003
は、モバイルタグの位置を示すとする。そして、ベルト上の知られている受信局の位置は、Ｓｏ、Ｓｉ、Ｓｊ、Ｓｋ、Ｓｌとする。ｃがＲＦ波の伝播速度を示し、τｉが基準受信機Оに対して受信機ｉ∈{ｉ，ｊ，ｋ，ｌ}に到達する遅延時間を示すとすれば、次式が成立する。
【数２】
2016511400.tif 000004
【００３６】
仮に、
【数３】
2016511400.tif 000005
及び
【数４】
2016511400.tif 000006
とすると、連立方程式は以下の形式で表すことができる。
【数５】
2016511400.tif 000007
ここで、
【数６】
2016511400.tif 000008
である。
【００３７】
全体のグローバル座標系は、Ｓｏにおけるものである。
【００３８】
２．ベルトに対するタグの向き
この欄では、ベルト１４に対するタグの向きを決定するために、エミッタ１６〜２６に組み込まれるＩＭＵからの情報を、どのように活用するかについて説明記載する。
【００３９】
（ａ）磁力計の読みからの回転行列
仮に、タグのフレームにおける磁力計の読みをＭｔとし、ベルトフレームでの読みをＭｂとする。すると、ロドリゲスの公式によって与えられる回転行列は、
【数７】
2016511400.tif 000009
となり、
ここで、
【数８】
2016511400.tif 000010
であり、
2016511400.tif 000011
はそれぞれドット積とクロス積を示し、
【数９】
2016511400.tif 000012
は、時間ｔにおける回転行列を示す。
【００４０】
（ｂ）ジャイロの読みからの回転行列
仮に、ジャイロの読みが、表示は以下のように表され、サンプル時間はτで表される。
【数１０】
2016511400.tif 000013
であり、サンプリング時間がτであるとすると、ジャイロから推定される回転行列は、
【数１１】
2016511400.tif 000014
となり、
ここで、
【数１２】
2016511400.tif 000015
である。また、
【数１３】
2016511400.tif 000016
は、ｘ軸を中心とするθｘの回転を伴う回転行列を示す。このような回転行列は、ジャイロスコープの読みから完全に推定される。
【００４１】
（ｃ）漸進的な回転行列の融合
全体の回転行列は、以下の数式によって表され、Ｗ（ｔ）は時変の重み行列であり、ｔが小さいときには、重みが低くなる。
【数１４】
2016511400.tif 000017
【００４２】
３．位置の絞り込みのための漸進的な送信機のフィルタリング
この欄では、カルマンフィルタを用いてタグの位置を絞り込むためのフィルタリングについて説明する。
【００４３】
数式（１）から推定された位置は、数式（２）から推定された回転行列からベルトの座標系に変換される。送信機における加速度測定値も、ベルトフレームに変換される（ベルト測定加速度）。そして、カルマンフィルタに入力される測定入力は、送信機の位置と加速度である、
【数１５】
2016511400.tif 000018
であり、カルマンフィルタの出力は、位置、速度及び加速度から成る正確な状態である（以下に記載する参考文献１及び２を参照）
【００４４】
４．ベルトの初期設定段階位置及び向きの推定
起動時に、ベルトの位置及び向きは、以下のように基準として決定することができる。
【００４５】
システム（受信ユニット１４）を静止位置に保持し、（加速度計からの）重力を用いて地面の方向を見つけ、初期の座標フレーム位置を確立する。
【００４６】
向き及び位置の漸進的推定
向きは、元の位置及び向きに対して、数式（２）のように漸次的に推定され、位置は加速度計の読みから推定される（前述の３に似ているが、位置の読みを除く）。
【００４７】
［参考文献１］
Pathirana, P.N., Savkin, A.V., Ekanayake, S.W., Bauer, N.J., "A Robust Solution to the Stereo-Vision Based Simultaneous Localization and Mapping Problem with Steady and Moving Landmarks", Advanced Robotics, 25(6-7};765-788, 2011
［参考文献２］
Pathirana, P.N and Herath,S,C.K and Savking, A.V. "Multi-target Tracking via Space Trans- formations Using a Single Frequency Continuouse Wave Radar", IEEE Transaction of Signal Processing, Accepted on the 7th June, 2012
【００４８】
上述の動作は、図１４及び図１５に要約される。
【００４９】
図１４と上記１．及び２．での説明を参照すると、エミッタ１６〜２６では、ＩＭＵ９６が、エミッタフレームにおける加速度測定値２００と、ジャイロスコープからの向き情報２０２と、磁力計からの向き情報２０４を生成する。エミッタユニットの組み込み型コンピュータ８８では、ジャイロスコープからの向き情報を磁力計からの向き情報と融合させて、ベルトフレーム（ベルト１４）に対するエミッタ送信機のフレームの融合回転を表す、出力２０８を発生させる。後者の出力情報は、加速度測定値２００と一緒にエミッタによってベルト１４に無線送信され、組み込み型コンピューティング要素６４によってベルトで行われる到着時間の計算を精緻化するために用いられる。この目的達成のために、前述のように組み込み型コンピュータによって最初に計算済みの時間遅延時の情報２１０は、加速度測定値２００及び融合された回転情報２０８と一緒に、カルマンフィルタ２１２に供給される。カルマンフィルタ２１２は、供給された情報に再帰的に作動して、ベルトフレームに予め記憶された動的モデル２１４に準拠して、位置情報２１０を精緻化する。
【００５０】
図１５は、受信ユニット１４に含まれるＩＭＵ１７０（図８）からの磁力計、ジャイロスコープ、加速度計の測定値２３０、２３２、２３４がベルト１５の位置及び向きを得るためにどのように利用されるかを示している。この情報は、時間ｔ＝０におけるベルト位置及び向きを示している情報２３６と共にベルトに組み合わされる。その情報は、例えば、地面の方向を提供するために、数秒のような所定の時間ベルトを固定の位置及び向きに維持して得られるＩＭＵ１７０の磁力計から得ることができる。
【００５１】
融合された、磁力計及びジャイロスコープの測定値２３０、２３２は、時間ｔ＝０におけるエミッタに関する融合回転情報２３８を生成するために、情報２３６と一緒にベルト１５に供給される。
【００５２】
時間ｔ＝０における加速度計の測定値２３４は、位置及び向き情報２４８を生成するため、融合回転情報２４８と一緒に、カルマンフィルタ２４４及びフィルタ２３８の出力に別個に供給される。加えて、十分なＧＰＳ信号がある、特に屋外の状況では、ＧＰＳ情報はフィルタ２４４に供給することができる。
【００５３】
前記参考文献［１］及び［２］の開示内容は、本明細書の開示の一部を形成するものとして組み込まれる。
【００５４】
融合回転情報２０８、２３８の取得を含む、カルマンフィルタ２１２、１２４への入力を提供するために、図１４の２００、２０４、２０６及び図５の２３４、２３２、２３０に記載される加速度計、ジャイロスコープ、磁力計から得られるデータの使用は、例えば、下記の文献３に記載されているような、既知のプロセスによって達成することができ、この文献の開示は、本明細書の開示の一部を形成するものとして組み込まれる。
Rong Zhu and Zhaoying Zhou: A Real-Time Articulated Human Motion Tracking Using Tri-Axis Inertial/Magnetic Sensors Package, IEEE Transactions On Neural Systems And Rehabilitation Engineering, Vol. 12, No. 2, June 2004
【００５５】
記載された実施形態では、６つのエミッタユニット１６〜２６は利用され、図１に示すように、ユーザの肩、手首及び足首に位置付けられる。このような配置は、例えば人の症状の診断に関連する人体の複数部分の位置の追跡を可能にするのに非常に良好であることが分かった。しかしながら、関連用途に応じて、より少ない又はより多くのエミッタを使用することができ、及び／又は異なる位置付けとすることができる。例えば、図１はユーザの頭に位置付けられたヘッドバンド１８２に付けられた追加のエミッタユニット１８０を示しており、ユーザの頭の位置の追跡を可能にしている。
【００５６】
記載された実施形態では、エミッタは単一の周波数で信号を送信する。
【００５７】
本発明の方法は、エミッタの位置特定化のためにエミッタからの信号の到達時間差を用いることによって、関連するデータにおける誤差に対する有意な免疫を付与することができるので、特に有利である。それに関する性能は、図１４に示すような加速度計、ジャイロスコープ、磁力計の情報の追加的な使用によっても同様に向上する。
【００５８】
上記構成は一例としてのみ提示され、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、多くの補正及び変形を行うことができ、本発明に記載した任意の新規の特徴及び特徴との組み合わせを含む。
【００５９】
本明細書及び以下の特許請求の範囲にわたって、文脈上他に要求されない限り、単語「含む」及び「含んでいる」等の派生語は、整数又はステップ又は整数もしくはステップの群の包含を意味するものと理解され、他のいかなる整数又はステップ又は整数もしくはステップの群も除外するものではない。
【００６０】
本開示において参照する任意の先行文献（又はそこから得られた情報）や任意の知られた方法の参照は、先行文献（又はそこから得られた情報）又は一般に公知の知識の部分を形成する知られた方法であると認識又は容認又は任意の形態の示唆として受け取られるものではなく、受け取られるべきものでもない。
【符号の説明】
【００６１】
１０                                  装置
１２                                  ユーザ
１４                                  受信ユニット
１５                                  ベルト
１６、１８、２０、２２、２４、２６    エミッタユニット
３０、３２、３４、３６                要素
４０、４２、４４、４６                足首バンド
４８、５０                            コネクタ
５２                                  無線アンテナ
５３                                  第１の平面
５４                                  アレイ
５５                                  共通の平面
５６                                  プロセッサ
６０                                  測定装置
６４                                  コンピューティング要素
６８                                  発生器
７０                                  コンピューティング要素
７２                                  通信モジュール
７４                                  モデム
７５、９２                            ＵＳＢポート
７６                                  ＳＤＨＣストレージ
７７                                  フラッシュストレージ
７９                                  管理ユニット
８０                                  信号発生器
８２                                  無線送信機
８６                                  アンテナ
８８                                  コンピューティング要素
９０                                  フラッシュストレージ
９４                                  Ｗｉｆｉモジュール
１００                                受信機
１０１                                Ｉ／Ｑ復調器
１０２                                バンドバスフィルタ
１０４                                測定ユニット
１０６                                Ａ／Ｄ変換器
１３０                                Ｉ／Ｑ変調器
１４０                                無線トランシーバ
１４２                                アンテナ
１７０、９６                          ＩＭＵ
２００                                測定値
２０２、２０４                        向き情報
２０８                                回転情報
２１０                                到達情報
２１２                                フィルタ
２３０、２３２、２３４                加速度計測定値
２３６                                情報
２３８、２４４                        フィルタ
２４８                                回転情報
【図１】
2016511400.tif 000019
【図２】
2016511400.tif 000020
【図３】
2016511400.tif 000021
【図４】
2016511400.tif 000022
【図５】
2016511400.tif 000023
【図１３】
2016511400.tif 000024
【図６】
2016511400.tif 000025
【図７】
2016511400.tif 000026
【図８】
2016511400.tif 000027
【図９】
2016511400.tif 000028
【図１０】
2016511400.tif 000029
【図１１】
2016511400.tif 000030
【図１２】
2016511400.tif 000031
【図１４】
2016511400.tif 000032
【図１５】
2016511400.tif 000033
【図１６】
2016511400.tif 000034
【国際調査報告】
2016511400.tif 000035
2016511400.tif 000036
2016511400.tif 000037