WO2014061667A1 - 無線による座標測定装置 - Google Patents

Abstract

　任意の点を原点とする空間座標系において、対象点の空間座標を簡便な装置構成と方法で測定する。　対象点に無線波の送信部を設け、既知の座標に配置され且つ前記送信部が送信した無線波を受信する複数の受信部を設け、複数の受信部のうちの任意の二つの受信部により構成される受信部対で送信部より送信される無線波を受信し、一つの受信部対について送信部～第一の受信部の距離と送信部～第二の受信部の距離の差である伝播行路距離差を算出し、伝播行路距離差を複数の受信部対についてそれぞれ同様に算出し、複数の受信部の既知の座標と複数の受信部対それぞれの伝播行路距離差より送信部の座標を算出することで対象点の座標を測定する。

Description

無線による座標測定装置

　本発明は、任意の箇所を原点とする座標系において無線によって対象点の座標を測定する装置に関するものである。

　近年、モーションセンシングが注目を浴び始めており、様々な方法と用途が摸索されている。
　モーションセンシングとは「動作する物体の挙動を数値化すること」であり、人間で例えれば、手足などの空間的な挙動を数値データとして時系列に連続して取得するものである。
　より具体的には、挙動を観測したい点である対象点を選定し、その対象点と観測の基準となる点との相対的な位置関係を測定することである。言い替えれば、任意の点を原点とする空間座標系における座標データを時系列に取得することである。

　高精度な座標データが精細な時間分解能でリアルタイムに取得可能であれば様々な分野において応用が可能であると考えられる。
例えば、スポーツ、ヘルス、メディカル、ホビー、エンターテインメント、ゲーム、ファクトリーオートメーション、計測、などが想定される。

　モーションセンシングを実現する為には、必要十分な分解能を以って複数の点の座標データを時系列に連続して取得可能であることが要求される。
従来には、光学式、機械式、磁気式、などの方式が存在している。
　光学式は、対象点に特定形状あるいは特定色のマークを付け、複数ディジタルビデオカメラで複数のアングルより撮影を行い、これをコンピューターなどで画像認識処理をして座標データを算出する方式である。システムによっては対象点にマークを必要としないものもある。
　機械式は、対象点に角速度センサーや加速度センサーを装着し、対象点の変位を積算して座標データを算出する方式である。
　磁気式は、対象点を予め設定した磁界内に配置し、対象点に装着した磁気センサーで磁界の変化を検出して座標データを算出する方式である。

　上記の各方式には精度や分解能や実用上の制約など多々の問題があり、条件を限定して特定用途を目的として運用する形で実用化の途に就いた状態である。汎用的なモーションセンシングとして利用するのは困難であると言える。

　そこで発明者は上記の各方式以外の方式について検討を重ねたところ、無線波を用いた方式に着目した。
　例えばレーダーのような距離と方位を測定する手段を以って空間座標データを算出できるかを考察した。
　所謂レーダーは電磁波が送信源から対象物まで到達し反射してそれを捉えることで時間遅延から電磁波の行路長を求めるというものである。モーションセンシングを実現する上で想定される空間の大きさと比較すると光速は速すぎる為に反射電磁波の時間遅延も微小となり、電磁波の行路長を求める処理において高速なＣＰＵや専用ハードウェアを必要とされることが見込まれた。
　また、原理的に現在の技術では距離分解能が１ｍ程度でありモーションセンシングには適用不可能であると見られた。

　しかしながら、発明者は更なる探求を行い、車載用途のレーダー向けに比較的高い分解能を有する技術が開発されていることが判った。

特開２００２－３５７６５６号公報

　上記先行技術文献のレーダーや通常のレーダーをモーションセンシングで利用しようとする場合、測定対象となる複数の対象点でレーダーから送信される電磁波を確実に反射してレーダー受信部へ電磁波を戻さねばならないが、レーダーの受信側に向かって効率良く反射を行える電磁波反射部材を設置することは困難である。何故なら、対象点は動作することが前提であり、その動作に応じて電磁波の反射方向を制御するのは高度な技術と複雑な制御が必要となるからである。
　また、モーションセンシングで使用する電磁波反射部材は小型なものが要求されるが、小型であれば反射断面積が小さいことを意味し、レーダーの送信した電磁波の反射波も必然として小さくなり、測定精度へ大きな影響が出ることが懸念されるという二律背反をはらんでいる。
　更に、レーダーというものは通常は直線距離を測定する為のものであり単体では空間座標を測定することができない。空間座標を測定する為には送信部や受信部を複数設けたり送受信部を回転などの動作をさせたりするなどの大掛かりな仕掛けが必要となってしまい、実用上の制約となってしまうため看過できない。

　そこで上述の諸問題を解決すべく本発明が成された。
　本発明による座標測定装置は、
「無線波を送信する送信部と、
任意の空間座標系において既知の座標に配置され且つ前記送信部が送信した無線波を受信する複数の受信部と、
　前記複数の受信部のうちの任意の二つの受信部からなる受信部対を複数有し、該受信部対に含まれる受信部で受信した無線波に基づいて、前記送信部から該受信部対の第一の受信部までの距離と前記送信部から該受信部対の第二の受信部までの距離との差である伝播行路距離差を算出する伝播行路距離差算出部と、
　前記複数の受信部の既知の座標と、前記複数の受信部対についてそれぞれ算出された前記伝播行路距離差と、に基づいて前記送信部の座標を算出する送信部座標算出部と、
を具備する」
ことを特徴としている。

　また、本発明の座標測定装置の送信部は、
「前記送信部は前記複数の受信部とは別体に設けられている」
ことを特徴としている。

　更に、本発明の座標測定装置の無線波は、
「掃引を施された正弦波である」
ことを特徴としている。

　本発明により、レーダー方式のように対象点において無線波を反射する必要が無くなり、受信部は送信部からの無線波を直接受信することになる。この為、受信部は高感度である必要が無くなり低コスト化や小型化が可能となる。
　また、送信部に必要な出力も大きい必要が無くなる為、送信部のアンテナを小型化することが可能であり、送信回路なども低コスト化が可能となる。
　加えて、複数の送信部を無線波の周波数帯や時間軸上で区別することが可能であり、複数の対象点にそれぞれ別の送信部を装着することで同時に多数の対象点の座標測定が可能となる。
　更にレーダー方式のような無線波の送信を行う時間帯と受信を行う時間帯とを時間軸上で別に設ける必要が無いので、時間軸上での測定密度を高めることも可能となる。

　上記の送信部が送信する無線波が日本国電波法で定義するところの電波であり、且つこの電波が正弦波であり、この正弦波が特定周波数を中心として掃引が施されているもの（以降、掃引が施された正弦波を「掃引正弦波」と表記する）として、以下本発明について図面を参照しながら説明する。
　なお、本発明において座標とは特に断りの無い限り立体（三次元）空間の直交座標系の座標を意味するものとする。

本発明の概念を示す図である。 送信部から送信される無線波の掃引の例を示す図である。 受信部対で受信した無線波の合成を示す図である。 複数の受信部で送信部の位置特定を示す図である。 １つの受信部対において伝播行路距離差が一定値となる曲面を示す図である。

　図１は本発明の基本的な概念を示している。
　本発明をモーションセンシングに適用するという目的を前提としている。送信部（これを制御する回路や電源などは図中に明示していない）を挙動を測定したい点である対象点に装着し、この送信部より送信される電波を、受信部対および伝播行路距離差算出部などより構成される装置（図１では「モーションタグディテクタ」と記載のある部分）で受信している状況を図１では示している。
　図中の「アンテナ」は受信部の一部に該当するものである。
　本実施例では送信部より正弦波の電波が送信されている場合について説明する。この正弦波は掃引（スイープ）が施されており、時刻の変化に伴い正弦波の周波数が変化するものである。

　図２では送信部から送信される正弦波の電波の掃引、即ち周波数の変化の一例を示している。
　この図は掃引周期時間中において単位時間あたり一定の周波数で直線的に正弦波の周波数を変化させていることを示している。

　図１で示す通り、送信部から送信された電波は受信部１（図１にてアンテナ１）と受信部２（図１にてアンテナ２）にて受信される。この時、「送信部から受信部１への距離」と「送信部から受信部２への距離」に差があると、この距離差を光速で除算して得られる時間分だけ電波の到達に時間差を生じることになる。

　上述したとおり、送信部から送信される電波は掃引正弦波である。従って、受信部１と受信部２で受信した電波を合成すると、受信部１と受信部２へ電波が到達した時間の差に相当する分だけ掃引が行われており、その分の周波数がずれた掃引正弦波の合成となる。
　合成の結果、合成前の２波の周波数の差を周期として振幅が変動するビートが観測される。
　この時、合成波の包落線をビート信号、その周波数をビート周波数と呼ぶ（図３）。

　上記式により、「送信部～受信部１の距離」と「送信部～受信部２の距離」との差である距離差ｄは合成波のビート周波数が判れば決定できる。このｄのことを伝播行路距離差とする。
　また、受信部１と受信部２の座標が既知であれば、この座標に基づいて距離差ｄである曲面が決定でき、送信部はこの曲面上のどこかに位置していることとなる。

　掃引正弦波を送信する送信部の空間座標を測定する為には、更に複数の受信部対を用いて距離差を算出して複数の曲面を決定し、それら全ての曲面が交わる点が送信部の存在する座標であることになる。

　以下に４つの受信部による送信部の座標測定方法の詳細を記す。
三次元座標系の原点を任意の点に設定し、送信部をＴ、４つの受信部をそれぞれＰ、Ｑ、Ｒ、Ｓとし、未知の座標に存在している送信部Ｔの座標を（ｘ，ｙ，ｚ）とし、また既知である各受信部の三次元座標をそれぞれ（□.ｘ，□.ｙ，□.ｚ）（□にはＰ、Ｑ、Ｒ、Ｓが入る）とした時、送信部Ｔと各受信部との距離を表す式は次の通りとなる。

　また、数式２より、送信部と各受信部との距離の差を次のように定義する。

　４つの受信部には６つの受信部対の組合せが存在する。
　以上から６つの受信部対と送信部との間に次の６つの関係式を導くことが出来る。

　参考までに、数式４におけるＴＱＰ．ｄについての式（一番上の式）を満たすｘｙｚを三次元座標上にプロットしたものが図５のメッシュで表現されている曲面部である。このように送信部と２つの受信部（この場合はＰとＱ）について伝播行路距離差（ＴＱＰ．ｄ：ＴＰ間とＴＱ間の距離差）が一定の値になる座標は、三次元座標系上では図５のメッシュによって表現されるような曲面となり、この曲面は送信部の座標の解の候補群である。前述の通り、送信部Ｔはこのメッシュの曲面のどこかに位置していることになる。

　上記のような曲面が複数交わる点を求めるということは、送信部Ｔの座標であるｘｙｚそれぞれについての式を数式２～４に基づいて求めることである。得られた式に「４つの受信部ＰＱＲＳの座標」と「６つの受信部対それぞれについての伝播行路距離差」を代入することによってｘｙｚが決定する。
　なお、式を表記する便宜の為に、Ａ１～Ａ３、Ｂ１～Ｂ３、Ｃ１～Ｃ３、Ｄ１～Ｄ３というものを数式５～数式７のように定義し、これを用いて送信部Ｔの座標ｘｙｚを表したものが数式８～数式１０である。

　このようにして、４つの受信部の既知の座標と、６つの受信部対それぞれにおいて測定された伝播行路距離差と、を数式５～数式１０に代入することで送信部Ｔの座標が求まる。

　なお、送信部から送信される正弦波を掃引させる理由について、ここに述べる。
　送信部より送信された電波が受信部対それぞれの受信部に時間差をもって到達する。単純に考えるとこの時間差を計測すれば計測された時間に光速を乗じることで伝播行路距離差を求めることが理論上は可能である。
　しかしながら、同一の送信部より送信された電波を受信部対で受信する場合、伝播行路距離差は受信部対のそれぞれの受信部の直線距離以上にはならない。しかしながら光速は１ｍを約３．３ｎｓｅｃで進む。受信部対のそれぞれの受信部で受信した電波の到達時間差を計測するためにはｎｓｅｃオーダーのレンジで時間差を計測する必要が生じる。この計測を実現するためには高価な部品が必要となり経済性に反する上、高精度な計測を行うことは現実的に難易度が高い。

　それに対し、送信部より送信される電波を掃引正弦波とすることで、伝播行路距離差の測定を「難易度の高い微小時間測定」から「難易度の低い比較的低い周波数のビート信号の周波数測定」に置換えることができる。結果として本発明のような簡便な装置構成と技術で伝播行路距離差の測定を実現できるようにしている。
　加えて、掃引正弦波の掃引時間と掃引周波数幅の設定を変更することによって、「受信部対の直線距離」や「送信部から受信部までの想定される距離のレンジ」や「測定精度」などの条件に適合させて送信部の座標測定を行うことが可能となる。

　ここまでは理論面を中心に本発明を説明してきたが、改めて実際の動作に基づいて本発明を説明する。
　図１は前述の通り本発明の基本的な構成を示している。
　送信部は無線波である電波を送信する。その為、送信部は図示していないアンテナ・発振回路・制御回路・電力供給部などから構成される。これらのものが一体となり送信部として機能する。本発明をモーションセンシングに適用する場合にはこの送信部は挙動を観測したい点である対象点に装着することとなる。このため送信部は小型である必要があり、送信部にはモーションタグという名称を与えている。この用途で用いる場合には送信部の電力供給源としてはバッテリーが好適であるが、エネルギーハーベスト（圧電方式や電磁方式のもの）を採用するとモーションの発生に伴って発電が行われるのでより好適である場合も考えられる。
　本実施例では送信部が送信する無線波は電波であり、更に掃引が施された正弦波である。その理由は前述の通りであるが、目的は伝播行路距離差を簡便に測定することである。従って伝播行路距離差を必要な精度で測定できるのであれば掃引が施された正弦波に限定されない。

　送信部は図２に示すようなパターンで正弦波に掃引を施しながら電波として送信する。本実施例において掃引とは、正弦波を時間の経過と共に一定のパターンに基づいて周波数を変化させることである。本実施例では基本周波数を中心にして予め定められた周波数幅の範囲内で時間の経過に伴って送信する電波の周波数を変化させる。
　図２では時間－周波数の変化は鋸形状であり、直線的変化を連続して繰り返すことを表している。
　掃引のパターンは送信部の内部に設けられている掃引パターン記憶手段（図示せず）に記憶しておき、送信部が掃引正弦波を送信する際に参照する。掃引パターン記憶手段には複数の掃引のパターンを記憶しておいて適宜切替えて参照できるようにしても良い。
　また、掃引パターン切替手段（図示せず）を設けて外部からの指示で掃引パターンの切替えが可能としても良い。外部からの指示としては、有線ではＲＳ－２３２ＣやＩ２ＣやＵＳＢなどが、無線ではＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）やＺｉｇＢｅｅなどが好適である。
　更には、掃引パターンそのものを変更するために掃引パターン変更手段（図示せず）を設けて外部からの指示で掃引パターンの変更が可能としても良い。外部からの指示としては掃引パターン切替手段と同様に、有線ではＲＳ－２３２ＣやＩ２ＣやＵＳＢなどが、無線ではＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）やＺｉｇＢｅｅなどが好適である。

　送信部より送信された掃引正弦波は受信部に到達する。受信部は図２のアンテナや図示していない濾波回路・局部発振回路などから構成される。これらのものが一体となり受信部として機能する。
　受信部は、異なる周波数帯域を使用する複数の送信部より送信された電波を弁別して扱うことができるよう、送信部より送信された掃引正弦波を周波数帯域別に選択して受信が可能である。

　図１のアンテナ１とアンテナ２はそれぞれ受信部１と受信部２の一部であり、図１には明示していないが受信部対のアンテナを構成している。図１の「モーションタグディテクタ」の「波形の合成点」の位置より右側の部分が受信部対に該当する。

　図３では、受信部対の一部であるアンテナ１とアンテナ２が受信した受信信号の波形、更にそれらを合成して生成されるビート信号の波形について示している。
　送信部より送信される電波は掃引正弦波であるため、その電波をアンテナ１とアンテナ２とで受信するとその受信信号も掃引正弦波となる。
　送信部より送信される電波である正弦波に図２で示す通りの掃引を施すとその正弦波は時間の経過と共に周波数が高くなり、掃引正弦波の周期が時間と共に狭くなる。このような掃引正弦波をアンテナ１とアンテナ２が受信して図３のような波形となる。
　アンテナ１とアンテナ２の受信信号の波形は振幅の違いはあるが相似の波形である。この２つの波形は時間軸方向に少しズレた形、即ち時間差をもって受信されていることを示している。この時間差が、伝播行路距離差を光速で進むのに必要な時間に相当する。

　これらの受信信号を、図１の「モーションタグディテクタ」の「波形の合成点」の位置より左側の部分で合成を行う。合成の結果、図３の合成波が得られる。
　この合成波は振幅が一定周期で変動する。この合成波を濾波回路通過やディジタル信号処理などで処理して合成派の包絡線波形を得ることができる。この包絡線波形がビート信号となる。さらにこのビート信号をＦＦＴなどで処理することによりビート信号の周波数が得られる。

　このビート信号周波数を数式１に代入することで伝播行路距離差が得られる。なお、掃引正弦波の掃引時間と掃引周波数幅は既知である。
図１の「モーションタグディテクタ」の「波形の合成点」の位置より左側の部分が伝播行路距離差算出部に該当する。

　このようにして１つの受信部対についての伝播行路距離差が得られる。これを複数の受信部対について同様にそれぞれ伝播行路距離差を求める。
　受信部の座標は、例えば図５にあるような三角錐形状であると三次元座標系の座標を求める上で好適であるが、これに限定されない。
　送信部座標算出部（図示していない）は例えば図５のような４つの受信部ＰＱＲＳについて６つの組合せの受信部対を設定する。これは送信部座標算出部が１つの伝播行路距離差算出部に対して６つの受信部対を適宜切替えて接続できるような構成であっても良いし、６つの受信部対それぞれに専用の伝播行路距離差算出部を設けておいてその算出結果を全て同時に送信部座標算出部に接続しておいても良い。

　送信部座標算出部は６つの受信部対についての伝播行路距離差を入力され、既知である４つの受信部の座標と６つの受信部対についての伝播行路距離差値を元に数式５～数式１０を用いて送信部の座標を算出することができる。

　図１では受信部対と伝播行路距離差算出部とが一体であることを示しているが、これに限定されない。また図に明示していないが送信部座標算出部は受信部対や伝播行路距離差算出部とは互いに一体であっても別体であっても構わない。更には、送信部と受信部とは互いに一体であっても別体であっても構わない。
　例えば、ある特定の場所で人間が踊る動作を対象としてモーションセンシングを行おうとする場合には、送信部を踊る人間の手足に装着し、受信部は踊る人間のヘソ附近に装着することが想定される。これは踊る人間の地面に対する相対的な位置関係があまり問題にならないからである。
　別の例として、人間が歩いて移動する動作を対象としてモーションセンシングを行おうとする場合には、送信部を歩く人間の手足に装着し、受信部は歩く人間から少し離れた場所に設置することが想定される。これは歩く人間の動作が地面との相対的な位置関係に影響されるからである。
　更に異なる例としては、送信部の座標測定の精度を高めるために受信部対の直線距離を大きく設定する時には、受信部対のサイズが大きくなるので送信部や送信部座標算出部とは別体にせざるを得ない場合もある。

　送信部が送信する掃引正弦波の基本周波数と掃引時間と掃引周波数幅は既知であることが前提だが、複数の種類の掃引正弦波に対応できるよう掃引正弦波情報を複数保持しておく掃引正弦波情報記憶手段を送信部座標算出部に設けるとより好適である。
　加えて、掃引正弦波情報記憶手段に記憶してある正弦波情報を選択して参照する為に掃引正弦波情報選択手段も設けると更に好適である。

　また、複数の受信部のそれぞれの座標についても既知であることが前提だが、複数の受信部の座標について複数種類に対応できるよう複数の受信部の座標を複数記憶しておく受信部座標記憶手段を送信部座標算出部に設けると好適である。
　加えて、受信部座標記憶手段に記憶してある受信部座標を選択して参照する為に受信部座標選択手段も設けると更に好適である。

　以上、本発明について好適な実施例を挙げて説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない限り多くの改変を施すことが可能であるのは勿論である。

　量産可能な送信部および受信部を用いて特定箇所の座標測定を簡便に行うことができ、測定した座標データを解析することにより様々な挙動観測が可能となるため、人間の健康の増進やスポーツの上達や労働作業の省力化などに貢献できるなどの効果を有している。

Claims (3)

1. 　無線波を送信する送信部と、
   　任意の空間座標系において既知の座標に配置され且つ前記送信部が送信した無線波を受信する複数の受信部と、
   　前記複数の受信部のうちの任意の二つの受信部からなる受信部対を複数有し、該受信部対に含まれる受信部で受信した無線波に基づいて、前記送信部から該受信部対の第一の受信部までの距離と前記送信部から該受信部対の第二の受信部までの距離との差である伝播行路距離差を算出する伝播行路距離差算出部と、
   　前記複数の受信部の既知の座標と、前記複数の受信部対についてそれぞれ算出された前記伝播行路距離差と、に基づいて前記送信部の座標を算出する送信部座標算出部と、
   を具備することを特徴とする座標測定装置。
2. 　前記送信部は前記複数の受信部とは別体に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の座標測定装置。
3. 　前記無線波は掃引を施された正弦波であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の座標測定装置。

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