(57)【要約】【課題】移動体などの３次元位置を測定したり、移動体などを特定の位置に誘導したりすることができる３次元位置確定システムと、このような３次元位置確定システムで用いられる３次元位置確定方法を得る。【解決手段】３次元位置確定システム１０は、天井などに取り付けられた４つの音波発信器１２，１４，１６，１８を含む。音波発信器１２〜１８から発信された超音波を音波センサ２０で検出する。音波発信器１２〜１８から、一定の時間間隔で超音波を発信し、音波センサ２０で超音波を検出したときの検出間隔から、音波センサ２０の３次元位置を算出する。逆に、音波センサ２０への超音波の到達時間を逆計算して、音波発信器１２〜１８における超音波の発信タイミングを制御することにより、音波センサ２０を特定の位置に誘導することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに間隔を隔てて配置され、順次音波を発信する４つの音波発信器、
前記４つの音波発信器から発信された音波を検出するための音波センサ、および
前記音波センサで検出した音波の時間間隔から算出することにより前記音波センサの３次元位置を確定するための位置確定手段を含む、３次元位置確定システム。
【請求項２】
さらに、前記音波センサで検出した音波に対応する信号をデジタル信号に変換するためのアナログ／デジタルコンバータを含み、
前記アナログ／デジタルコンバータの出力信号のピーク値の時間間隔を検出することにより、前記音波センサで検出した音波の時間間隔が検出される、請求項１に記載の３次元位置確定システム。
【請求項３】
さらに、前記音波センサの出力信号から前記音波発信器によって発信された音波に対応する周波数の信号を取り出して前記アナログ／デジタルコンバータに送るためのフィルタを含む、請求項２に記載の３次元位置確定システム。
【請求項４】
前記４つの音波発信器間の音波の発信間隔が可変である、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の３次元位置確定システム。
【請求項５】
互いに間隔を隔てて配置された４つの音波発信器から順次音波を発信するステップ、
前記４つの音波発信器から発信された音波を音波センサで検出するステップ、
前記４つの音波発信器から発信されて前記音波センサで検出された音波の時間間隔を検出するステップ、および
前記音波の時間間隔から前記音波センサの３次元位置を算出するステップを含む、３次元位置確定方法。
【請求項６】
前記４つの音波発信器から、同じ時間間隔で順次音波が発信される、請求項５に記載の３次元位置確定方法。
【請求項７】
前記４つの音波発信器から、異なる時間間隔で順次音波が発信される、請求項５に記載の３次元位置確定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、３次元位置確定システムおよび３次元位置確定方法に関し、特にたとえば、音波発信器から発信される音波を検出して位置の検出を行ったり、特定の位置に誘導したりすることができる、３次元位置確定システムおよび３次元位置確定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１３は、超音波源１から送波された超音波を４つの受波装置２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄで受波することにより、超音波源１の３次元位置を求めることができる３次元位置測定装置である。４つの受波装置２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄは、互いに間隔を隔てて配置される。超音波源１から送波された超音波は、４つの受波装置２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄで受波され、受波信号に対して超音波信号処理手段３で雑音除去、増幅、波形成形などの処理が施される。ここで、超音波源１と各受波装置２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄとの間の距離は異なるため、各受波装置２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄで受波する時刻は異なる。そこで、路程差算出手段４において、各受波装置２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの受波時刻の差から、超音波源１と各受波装置２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄとの間の距離について、路程差が求められる。このようにして求められた路程差から、位置演算手段５によって、超音波源１の３次元位置の座標が算出される。
【０００３】
この３次元位置測定装置では、超音波源１から送波される超音波を４つの受波装置２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄで受波することにより、超音波源１から送波する送波タイミングを得る必要がなく、受波信号から得られる路程差のみで超音波源１の３次元位置を知ることができる。したがって、このような３次元位置測定装置を用いれば、超音波源１から受信側に送波タイミングを伝送する必要がなく、そのためのワイヤレス送信部などを超音波源１に搭載する必要がなくなる（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平６−２２２１３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような３次元位置測定装置では、超音波源の位置を見出すことはできるが、超音波源を特定の位置に誘導したりすることはできない。
【０００６】
それゆえに、この発明の主たる目的は、移動体などの３次元位置を測定したり、移動体などを特定の位置に誘導したりすることができる３次元位置確定システムと、このような３次元位置確定システムで用いられる３次元位置確定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明は、互いに間隔を隔てて配置され、順次音波を発信する４つの音波発信器と、４つの音波発信器から発信された音波を検出するための音波センサと、音波センサで検出した音波の時間間隔から算出することにより音波センサの３次元位置を確定するための位置確定手段を含む、３次元位置確定システムである。
このような３次元位置確定システムにおいて、さらに、音波センサで検出した音波に対応する信号をデジタル信号に変換するためのアナログ／デジタルコンバータを含み、アナログ／デジタルコンバータの出力信号のピーク値の時間間隔を検出することにより、音波センサで検出した音波の時間間隔を検出するようにしてもよい。
また、さらに、音波センサの出力信号から音波発信器によって発信された音波に対応する周波数の信号を取り出してアナログ／デジタルコンバータに送るためのフィルタを含んでいてもよい。
さらに、４つの音波発信器間の音波の発信間隔が可変であることが好ましい。
順次発信器から発信される音波が、音波センサで検出される。音波は４つの発信器から順次発信されるため、音波は時間間隔をもって検出される。検出される音波の時間間隔は、各音波発信器から音波センサまでの距離によって影響を受けるため、検出された音波の時間間隔から音波センサの３次元位置を算出することができる。
ここで、音波センサで検出した音波の時間間隔を正確に検出するために、音波センサで検出した音波に対応する信号がデジタル信号に変換される。そして、得られたデジタル信号のピーク値の時間間隔を検出することにより、正確な音波の時間間隔を得ることができる。
また、フィルタを用いて、音波センサの出力信号から音波発信器によって発信された音波に対応する信号のみを取り出すことにより、雑音を除去することができ、正確に音波の時間間隔を検出することができる。
さらに，４つの音波発信器間の発信間隔を可変とすることにより、３次元位置確定システムの用途に合わせて、一定間隔で音波を発信したり、異なる時間間隔で音波を発信したりすることができる。
【０００８】
また、この発明は、互いに間隔を隔てて配置された４つの音波発信器から順次音波を発信するステップと、４つの音波発信器から発信された音波を音波センサで検出するステップと、４つの音波発信器から発信されて音波センサで検出された音波の時間間隔を検出するステップと、音波の時間間隔から音波センサの３次元位置を算出するステップとを含む、３次元位置確定方法である。
このような３次元位置確定方法において、４つの音波発信器から、同じ時間間隔で順次音波を発信させることができる。
また、４つの音波発信器から、異なる時間間隔で順次音波を発信させてもよい。
上述のような３次元位置確定システムを用いて、上述の各ステップを含む方法により、移動体などの３次元位置を確定することができる。
ここで、４つの音波発信器から、同じ時間間隔で順次音波を発信させることにより、音波センサで検出した音波の時間間隔を各発信器から音波センサまでの距離の関係に対応させることができる。したがって、音波センサで検出した音波の時間間隔から、音波センサを搭載した移動体などの３次元位置を算出することができる。
また、４つの音波発信器から、異なる時間間隔で順次音波を発信させることにより、所定の時間間隔で音波が受信される３次元位置を特定することができる。したがって、音波発信器から発信される音波の時間間隔を制御することにより、所定の時間間隔で音波が受信される位置に移動するように設定された移動体などを誘導することができる。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、４つの音波発信器から順次音波を発信し、それを音波センサで検出することにより、検出された音波の時間間隔から音波センサの３次元位置を確定することができる。それにより、音波センサの３次元位置を検出することもできるし、音波センサを特定の位置に誘導することもできる。
【００１０】
この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明を実施するための最良の形態の説明から一層明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、この発明の３次元位置確定システムの一例を示す図解図である。３次元位置確定システム１０は、４つの音波発信器１２，１４，１６，１８を含む。音波発信器１２，１４，１６，１８から発信される音波としては、たとえば超音波が用いられる。音波発信器１２，１４，１６，１８は、たとえば部屋の天井などに取り付けられる。
【００１２】
また、３次元位置確定システム１０は、音波発信器１２，１４，１６，１８の発信する音波を受信するための音波センサ２０を含む。ここでは、音波発信器１２，１４，１６，１８として、超音波発信器が用いられているため、音波センサ２０として超音波センサが用いられる。音波センサ２０は、図２に示すように、特定の周波数を取り出すためのバンドパスフィルタ２２に接続される。バンドパスフィルタ２２の出力は増幅回路２４に接続され、増幅回路２４の出力はアナログ／デジタルコンバータ（Ａ／Ｄコンバータ）２６に接続される。Ａ／Ｄコンバータ２６では、増幅回路２４から出力されたアナログ信号がデジタル信号に変換され、得られたデジタル信号が位置確定手段としての演算装置２８に入力される。
【００１３】
この３次元位置確定システム１０を用いて、音波センサ２０の３次元位置を検出する場合について説明する。ここでは、わかりやすくするため、図３に示すように、音波発信器１４を直交座標の原点とし、音波発信器１６がｘ軸上の座標（ａ，０，０）にあり、音波発信器１２がｙ軸上の座標（０，ａ，０）にあり、音波発信器１８が座標（ａ，ｆ，０）にある場合について説明する。また、このような座標系において、音波センサ２０の座標は、（ｘ，ｙ，ｚ）とする。
【００１４】
このような場合において、図４に示すように、音波発信器１２，１４，１６，１８の順に、各音波発信器１２〜１８から順次一定のピークをもつ超音波が発信される。超音波が発信される時間間隔は、各音波発信器１２，１４，１６，１８の間で一定間隔ｔ0となるように設定される。音波発信器１２，１４，１６，１８から発信された超音波は、音波センサ２０で検出され、音波センサ２０の出力信号がバンドパスフィルタ２２に入力される。バンドパスフィルタ２２では、音波センサ２０の出力信号の中で、音波発信器１２〜１８から出力された超音波に対応する信号の周波数のみが取り出される。そして、バンドパスフィルタ２２の出力信号は増幅回路２４で増幅され、Ａ／Ｄコンバータ２６でデジタル信号に変換される。このＡ／Ｄコンバータ２６の出力信号が、演算装置２８に入力される。
【００１５】
ここで、図５に示すように、音波センサ２０から各音波発信器１２，１４，１６，１８までの距離は異なるため、各音波発信器１２〜１８から超音波が発信されてから音波センサ２０に到達するまでの時間が異なる。そのため、音波センサ２０での超音波の検出間隔は、一定間隔ｔ0とはならず、図６に示すように、それぞれ異なる時間間隔ｔ1，ｔ2，ｔ3でピーク値を有する信号が得られる。このような信号がＡ／Ｄコンバータ２６でデジタル変換され、演算装置２８に入力されることによって、時間間隔ｔ1，ｔ2，ｔ3で信号のピーク値が検出される。
【００１６】
なお、音波を使用した場合、気圧や温度などの条件にもよるが、進行速度は約３４０ｍ／ｓｅｃである。したがって、時間分解能が１μｓの場合、位置検出精度は０．３４ｍｍとなる。また、室内においては、図７に示すように、音波発信器１２〜１８から発信された超音波が壁などで反射し、その反射波も音波センサ２０で検出される。しかしながら、反射波のピーク値は直接波のピーク値より小さくなるため、図８に示すように、一定時間内のＡ／Ｄコンバータ２６の出力信号の最大値の４点をとれば、時間間隔ｔ1，ｔ2，ｔ3を検出することができる。このように、この３次元位置確定システム１０では、バンドパスフィルタ２２で不要な周波数の信号が除去され、音波発信器１２〜１８から発信された音波に対応する周波数の信号のピーク値を検出することにより、反射波の影響も除去することができる。したがって、雑音の影響を受けることなく、必要とする時間間隔ｔ1，ｔ2，ｔ3を得ることができる。
【００１７】
たとえば、音波センサ２０が音波発信器１４よりも音波発信器１２に近いところにある場合、音波発信器１２から音波センサ２０に超音波が到達する時間よりも、音波発信器１４から音波センサ２０に超音波が到達する時間のほうが長くなる。そのため、ｔ0＜ｔ1となり、図９に示すように、音波発信器１４から音波センサ２０までの距離は、音波発信器１２から音波センサ２０までの距離Ｅより、時間差による長さｂだけ長くなる。ここで、各音波発信器１２，１４から音波センサ２０に超音波が到達する時間差は、検出された時間間隔ｔ1から発信間隔ｔ0を差し引いた時間であり、この時間差に音波の速度を乗じることにより、長さｂを求めることができる。
【００１８】
また、音波センサ２０から音波発信器１４に向かって長さＥの点と音波発信器１２とを結ぶ線の長さをＣとし、その線とｙ軸との間の角度をα、音波センサ２０と音波発信器１２とを結ぶ線との間の角度をβとする。さらに、音波センサ２０からｙ軸に向かっておろした垂線の長さをＸとしたとき、この垂線とｙ軸との交点の座標は（０，ｙ，０）となる。また、音波センサ２０と音波発信器１４とを結ぶ線とｙ軸との間の角度をθとし、音波発信器１４から音波センサ２０に向かって長さｂの点からｙ軸におろした垂線の長さをＤとする。
【００１９】
このような場合、音波センサ２０のｙ軸における座標ｙと、音波センサ２０からｙ軸におろした垂線の長さＸとは、（長さＸ，座標ｙ）＝関数（時間差による長さ，角度）で表される。つまり、（Ｘ，ｙ）＝ｆ1（ｂ，θ）で表される。ここで、関数ｆ1（ｂ，θ）は、次のような数式で表される。
【００２０】
【数１】
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【００２１】
また、音波センサ２０が音波発信器１２より音波発信器１４に近い場合、音波発信器１２から音波センサ２０に超音波が到達する時間より、音波発信器１４から音波センサ２０に超音波が到達する時間のほうが短くなり、ｔ0＞ｔ1となる。この場合、図１０に示すように、音波センサ２０と音波発信器１２，１４とを結ぶ線上において、音波センサ２０と音波発信器１２との間の長さＥをとると、音波センサ２０から音波発信器１４を通りこした位置に長さＥの点が存在する。この点と音波発信器１４との間の長さＢは、図９における長さｂと逆向きであるため、Ｂ＝−１・ｂの関係となる。したがって、図１０において、音波センサ２０のｙ軸における座標ｙと、音波センサ２０からｙ軸におろした垂線の長さＸとは、（長さＸ，座標ｙ）＝関数（時間差による長さ，角度）、つまり、（Ｘ，ｙ）＝ｆ2（ｂ，θ）で表される。ここで、関数ｆ2（ｂ，θ）は、次のような数式で表される。
【００２２】
【数２】
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【００２３】
さらに、音波センサ２０と音波発信器１６，１８との関係について、図９や図１０と同様に考えると、音波センサ２０が音波発信器１６より音波発信器１８に近いとき、ｔ0＞ｔ3となり、図１１に示すような関係となる。ここで、時間差による長さｂは、検出された時間間隔ｔ3から発信間隔ｔ0を差し引いた時間に音波の速度を乗じた値である。また、音波発信器１６の座標は（ａ，０，０）であり、音波発信器１８の座標は（ａ，ｆ，０）であるため、音波発信器１６，１８間の長さはｆである。さらに、音波センサ２０から音波発信器１６，１８を結ぶ線におろした垂線の長さをＺとする。
【００２４】
このとき、音波センサ２０のｙ軸における座標ｙと、音波センサ２０から音波発信器１６，１８を結ぶ線におろした垂線の長さＺとは、（長さＺ，座標ｙ）＝関数（時間差による長さ，角度）、つまり、（Ｚ，ｙ）＝ｆ3（ｂ，θ）で表される。ここで、関数ｆ3（ｂ，θ）は、次のような数式で表される。
【００２５】
【数３】
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【００２６】
また、音波センサ２０が音波発信器１８より音波発信器１６に近いとき、ｔ0＜ｔ3となり、図１２に示すような関係となる。このとき、音波センサ２０のｙ軸における座標ｙと、音波センサ２０から音波発信器１６，１８を結ぶ線におろした垂線の長さＺとは、（長さＺ，座標ｙ）＝関数（時間差による長さ，角度）、つまり、（Ｚ，ｙ）＝ｆ4（ｂ，θ）で表される。ここで、関数ｆ4（ｂ，θ）は、次のような数式で表される。
【００２７】
【数４】
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【００２８】
このような関係において、関数ｆ1（ｂ，θ）、ｆ2（ｂ，θ）における座標ｙと、関数ｆ3（ｂ，θ）、ｆ4（ｂ，θ）における座標ｙとは、同じ数値であるため、演算装置２８において、各関数のθに、音波センサ２０が存在している可能性のある範囲、たとえばπ／４〜０〜−π／４の範囲の数値が代入される。これらの関数において、数値ａ，ｆは予めわかっており、数値ｂは音波センサ２０で検出される超音波の時間差と発信間隔ｔ0によってわかっているため、θに数値を代入することにより、Ｘ，ｙ，Ｚを算出することができる。そして、関数ｆ1（ｂ，θ）、ｆ2（ｂ，θ）における超音波の時間差による長さｂがｂ1であり、関数ｆ3（ｂ，θ）、ｆ4（ｂ，θ）における超音波の時間差による長さｂがｂ3であるとき、これらの関数におけるｙの値が等しくなるθの値、すなわち、ｙ＝ｆ1（ｂ1，θ1）、ｆ2（ｂ1，θ1）＝ｆ3（ｂ3，θ3）、ｆ4（ｂ3，θ3）となるθ1およびθ3を見つけることができる。このようなθ1およびθ3を見つけることにより、ＸおよびＺも算出することができる。
【００２９】
なお、音波発信器１８の座標が（ａ，ｆ，０）になっているが、上述のように、θに数値を代入してｙの値を求める際に、音波発信器１８のｙ座標の値がａであると、各関数の関係によりｙを求めることができないため、音波発信器１８のｙ座標の値は、ａとは異なるｆに設定されている。
【００３０】
このように、関数ｆ1（ｂ1，θ1）、ｆ2（ｂ1，θ1）からＸ，ｙの値を求めることができ、関数ｆ3（ｂ3，θ3）、ｆ4（ｂ3，θ3）からＺ，ｙの値を求めることができる。Ｘ，Ｚは、図３に示すように、それぞれ音波センサ２０からｙ軸および音波発信器１６，１８を結ぶ線におろした垂線の長さであり、これらの垂線の端部を結ぶ線の長さはａである。したがって、長さＸの線と長さａの線との間の角度をγとしたとき、Ｚ2＝ａ2＋Ｘ2−２・ａ・Ｘ・ｃｏｓγという式が成り立つ。この式を変形すると、γ＝ｃｏｓ-1（Ｚ2／（ａ2＋Ｘ2−２・ａ・Ｘ））という式を得ることができる。この式において、ａ，Ｘ，Ｚの値は、すでに求められているため、角度γも算出することができる。
【００３１】
また、図３からわかるように、音波センサ２０のｘ座標の値およびｚ座標の値は、ｘ＝Ｘ・ｃｏｓγ、ｚ＝Ｘ・ｓｉｎγで求めることができる。このように、演算装置２８では、音波センサ２０で検出した超音波の時間差から、音波センサ２０の３次元位置の座標（ｘ，ｙ，ｚ）を算出することができる。なお、上述の計算例は一例であり、他の計算方法によって音波センサ２０の３次元位置の座標を計算してもよい。
【００３２】
また、上述の例では、音波発信器１２，１４，１６，１８を同一平面である天井に取り付け、音波発信器１４を原点として音波発信器１２，１６をｘ軸上およびｙ軸上に配置したが、４つの音波発信器１２，１４，１６，１８の座標がわかっていれば、音波センサ２０で検出する超音波の時間間隔により、音波センサ２０の３次元位置の座標を計算することができる。したがって、音波発信器１２，１４，１６，１８の配置は、任意に変更可能である。
【００３３】
このように、この発明の３次元位置確定システム１０を用いることにより、音波センサ２０やこれを搭載した機器の３次元位置を検出することができる。音波センサ２０を搭載した機器としては、たとえば、コンピュータに情報を入力するための３次元マウスなどを挙げることができる。この場合、たとえば、コンピュータのディスプレイの４隅に音波発信器１２，１４，１６，１８を取り付け、空間でマウスを動かすことにより、３次元位置における情報入力を行うことができる。このようなマウスの場合、たとえば、音波センサ２０で検出した超音波の検出間隔をコンピュータに送り、コンピュータで位置計算を行って、グラフ化することができる。そのため、たとえば、ディスプレイ上に３次元グラフを表示し、マウスを操作することにより、３次元グラフ上に表示されたアイコンなどを指定することができる。また、このようなコンピュータの応用例として、たとえば、物体の複数の端部位置においてマウスをクリックすることにより、その物体の端部の３次元位置を検出することができるため、その物体の寸法を算出することができる。
【００３４】
さらに、上述の例では、音波発信器１２，１４，１６，１８から一定の時間間隔ｔ0で超音波が発信されたが、超音波の発信間隔は可変とすることができる。この場合、各音波発信器１２，１４，１６，１８から発信される超音波の時間間隔を変化させることができる。音波発信器１２，１４，１６，１８の発信タイミングを制御することにより、音波センサ２０を搭載した機器の３次元位置を誘導することができる。たとえば、音波センサ２０を搭載した自走機を作製し、各音波発信器１２，１４，１６，１８から発信される超音波の受信間隔が一定となる位置を保持するように設定しておけば、音波センサ２０への超音波の到達時間のずれを逆計算し、それぞれの音波発信器１２，１４，１６，１８の発信タイミングを制御することにより、自在に自走機を誘導することができる。
【００３５】
このように、この３次元位置確定システム１０を使用し、音波発信器１２，１４，１６，１８の発信タイミングを調整することにより、音波センサ２０の３次元位置を検出することができ、音波センサ２０を特定の位置に誘導することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】この発明の３次元位置確定装置の一例を示す図解図である。
【図２】図１に示す３次元位置確定装置の音波センサの出力信号を処理する回路を示すブロック図である。
【図３】図１に示す３次元位置確定装置の音波発信器と音波センサの位置関係を示す図解図である。
【図４】４つの音波発信器から発信される超音波の発信タイミングを示す波形図である。
【図５】４つの音波発信器と音波センサとの間の距離の関係を示す図解図である。
【図６】音波センサで検出される超音波の時間差を示す波形図である。
【図７】音波発信器から音波センサに到達する超音波について、直接波と反射波とを示す図解図である。
【図８】図７に示す直接波と反射波とが音波センサで検出されたときの波形図である。
【図９】ｔ0＜ｔ1のときの２つの音波発信器と音波センサとの位置関係を示す関係図である。
【図１０】ｔ0＞ｔ1のときの２つの音波発信器と音波センサとの位置関係を示す関係図である。
【図１１】ｔ0＞ｔ3のときの２つの音波発信器と音波センサとの位置関係を示す関係図である。
【図１２】ｔ0＜ｔ3のときの２つの音波発信器と音波センサとの位置関係を示す関係図である。
【図１３】従来の３次元位置測定装置の一例を示す図解図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０  ３次元位置確定システム
１２，１４，１６，１８  音波発信器
２０  音波センサ
２２  バンドパスフィルタ
２４  増幅回路
２６  アナログ／デジタルコンバータ
２８  演算装置
【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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【図１２】
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【図１３】
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