JP4906591B2 - 位置検知装置 - Google Patents

Description

本発明は、位置検知技術に係り、特に位置を常に高精度に検知することのできる位置検知技術に関する。

位置検知装置として、人工衛星からの電波を利用して位置を検知するＧＰＳ、複数の無線ＬＡＮ基地局あるいは携帯電話基地局からの電波の伝達時間あるいは電界強度を利用した位置検知装置、赤外線を利用した位置検知装置など様々な位置検知装置が開発されている。

ＧＰＳを利用する位置検知装置は、ＧＰＳ衛星からの電波を良好に受信できる場所においては、全世界どこでも誤差十数メートル以下の精度で位置を検知することができる。しかし、大きな建物の近く、建物の中、あるいは地下街などではＧＰＳ衛星の電波が受信できなかったり、マルチパスの影響により位置検知誤差が大きくなったりして、位置検知そのものができなくなることがある。

屋内での位置検知を主目的に開発された無線ＬＡＮの電波を利用した位置検知装置は、３点測量の原理を利用している。このため、３つ以上の無線ＬＡＮ基地局からの電波を受信することができれば数メートル以下の精度で位置を検知することができる。しかしながら、３局以下の基地局からしか電波を受信できないエリア、あるいは無線ＬＡＮのインフラ設備がない領域では精度が低下し、あるいは位置検知そのものが不能に陥いる。

そこで、複数の位置検知装置を利用してシームレスに位置を検知する装置が提案されている。例えば特許文献１には、位置検知装置の一般的な精度をもとに優先順位を決めておき、複数の位置検知装置で位置が検知できた場合には、最も優先順位の高い位置検知装置から出力された値を位置検知結果として出力している。

また、特許文献２には、各位置検知装置が通知している位置検知装置の精度をもとに最も位置検知装置の精度が高いものを選択することが示されている。
特開平１０−２８１８０１公報 特開２００１−２３５５２８公報

前記特許文献１に示される技術では、最も優先順位の高い位置検知装置から出力された値を位置検知結果として出力している。このため、複数の位置検知装置で位置が検知できた場合においても、精度の高い位置を出力できるようになっている。しかし、前記優先順位は、位置検知装置の一般的な精度をもとに決定している。例えばＧＰＳを用いた位置検知装置の一般的な精度は十数メートル程度である。

しかしながら、前記精度は空が開けた場所における値である。前述のように建物の近くなどでは電波の遮蔽あるいはマルチパスの影響により一般的な精度よりもはるかに劣る位置精度でしか検知できない場合が多い。このため、ＧＰＳよりも優先順位が低い位置検知装置で検知した結果の方が精度が高い場合がある。

また、特許文献２に示される技術では、位置検知装置からの精度情報をもとに精度の優劣を判定することができる。しかしながら、前記特許文献１に開示される技術と同様に、位置検知装置が置かれた場所による精度の変化に対しては対応することができない。

本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、複数の絶対位置検知装置の精度を評価して、最も高精度の絶対位置検知装置の検知出力を位置検知結果として出力することのできる位置検知技術を提供するものである。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

それぞれ既知の位置から放射される複数の信号を受信して自己の絶対位置を検知する複数種の絶対位置検知装置と、所定期間内における自己の移動量を自己の相対位置の変化として検知する相対位置検知装置と、前記所定期間内における相対位置の変化の軌跡と前記所定期間内における前記絶対位置検知装置が検知した絶対位置の変化との類似度を、前記各種の絶対位置検知装置毎に計算する類似度算出部と、前記複数種の絶対位置検知装置のうち、最大の類似度を有する絶対位置検知装置の出力を選択して出力する出力切り替え部を備え、前記類似度算出部が計算した類似度が予め設定した閾値以下となったとき、前記類似度が閾値以下となる直前の絶対位置検知装置の検知出力を初期値とした前記相対位置検知装置の出力を位置検知装置の検知出力とするとともに、前記閾値を時間経過とともに低下させる。

本発明は、以上の構成を備えるため、複数の絶対位置検知装置の精度を評価して、最も高精度の絶対位置検知装置の検知出力を位置検知結果として出力することができる。

以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態の位置検知装置１３を説明する図である。図１において、８は絶対位置検知装置である。絶対位置検知装置は、既知の位置から発信される電磁波、光、超音波などの信号を受信し、受信した信号を利用して直接位置を検知する装置である。絶対位置検知装置としては、衛星測位を利用したＧＰＳ受信装置１，無線ＬＡＮ基地局を利用した無線ＬＡＮ位置検知装置２、携帯電話の基地局を利用した携帯電話による位置検知装置３、赤外線発信器を利用した赤外線位置検知装置などを挙げることができる。このほかに、超音波発信器を利用した位置検知装置、ＲＦＩＤなどのように読み込んだＩＤ情報を元に位置を検知する装置を使用することができる。

絶対位置検知装置は、発信器からの信号を直接受信できる場所においては高精度に位置を検知することができる。ところが、遮蔽物による信号の反射、あるいは遮蔽物による信号の減衰がある場所では精度が低下する。すなわち、遮蔽物のない空間では位置精度を推定することができる。しかし遮蔽物のある通常の空間では信号伝播の予測が困難であり位置検知装置単独で位置精度を推定することは困難である。

７は相対位置検知装置である。相対位置検知装置は、例えば慣性航法装置５で構成することができる。相対位置検知装置は、速度および進行方向などを検知し、時間積分により相対位置の変化を検知する装置である。例えば慣性航法装置５では、内蔵された加速度センサあるいはジャイロセンサにより速度および進行方向を検知し、出発点を基準として、積分処理により相対位置を検知することができる。

相対位置検知装置のその他の例としては、（１）カーナビゲーションシステムなどで広く用いられている、移動速度を車速パルスから求めジャイロを用いて方向を検知する手法、
（２）道路のテクスチャをカメラなどで読み込みテクスチャの流れより速度と進行方向を求める方法、（３）レーザレーダで壁や地面の３次元情報を読み込み、検知対象物体の移動伴う壁や道路形状の移動より速度や移動方向を検知する方法などが挙げられる。

相対位置検知装置は短時間であれば出発地点を基準に高精度に相対位置を検知することができる。しかし、時間の経過と共に誤差が蓄積し精度が低下する。

１４は類似度算出部であり、絶対位置検知装置１〜４のそれぞれが求めた移動軌跡と相対位置検知装置７が求めた移動軌跡の類似度を算出する。なお、類似度は、後述するように例えば、算出対象区間における前記絶対位置検知装置が求めた移動軌跡（例えば図３の３５ａ）と相対位置検知装置が求めた移動軌跡（例えば図３の３７ａ）とを、前記対象区間（図３の３５，３７）の始点において前記軌跡の接線ベクトルが一致するように重ね合わせたときに得られる両軌跡間の偏差の累積として計算することができる。

９は切り換え信号生成部であり、前記算出した類似度をもとに、絶対位置検知装置１〜４および相対位置検知装置５のいずれで検知した位置情報を出力とするかを決定する切り替え信号を生成する。１５は切り替え部であり、切り替え信号に基づき絶対位置検知装置１〜４および相対位置検知装置５からの出力の何れかを出力として選択する。

６は表示部であり、出力された位置情報を地図などに重ね合わせて表示する。１１通信装置であり、検知した位置情報を通信回線を用いて外部の装置に伝送する。１０は伝送された信号を受信するための通信装置である。１２は管理端末であり、受信信号をもとに位置検知装置１３を装着した者の位置あるいは移動軌跡を管理する。

図２は、類似度算出部の処理および位置出力切り替え部の処理を説明する図である。処理の開始すると（ステップＳ２０）、各位置検知装置（絶対位置検知装置１〜４および相対位置検知装置５）を用いて位置情報を取得する。なお、位置情報を取得する時刻は、この後に行う位置情報の類似性評価のために同一時刻が望ましいが、前後の取得データをもとに補間処理して同一時刻のデータとしてもよい（ステップＳ２１）。次に、各位置検知装置の履歴データに最新データを追加するとともに最古データを削除する。これにより、位置情報の類似性評価のために使用する一定時間幅をもつ履歴データを取得することができる（ステップＳ２２）。次に、ステップ２２で作成した履歴データを用いて、相対位置検知装置７で検知した位置情報の履歴データと絶対位置検知装置１〜４のそれぞれで検知した履歴データの類似度を算出する（ステップＳ２３）。

ここで、図３は、絶対位置検知装置の代表であるＧＰＳによる位置検知結果と、相対位置検知装置の代表である慣性航法装置による位置検知結果を示す図である。図３において３８は実際に移動した移動経路。３０はＧＰＳを用いて検知した移動軌跡。３１は慣性航法装置を用いて検知した移動軌跡である。なお、慣性航法装置の初期位置は、出発点３２におけるＧＰＳによる位置情報および方位情報を用いて初期化している。

ＧＰＳ１による位置精度が良好な区間は、３３、３４、３５であり、この区間では実際の移動経路３８とほぼ一致した移動軌跡が検知されている。上記以外の区間では、移動軌跡は表示されているがマルチパスなどの影響で位置精度が悪く、実際の移動経路とは異なった移動経路が検知されている。

慣性航法装置５で求めた移動経路３１は、出発点付近では実際の経路とほぼ一致した移動軌跡を示しているが、時間の経過と共に誤差が蓄積して位置精度が低下し、終点付近ではかなりの誤差が生じている。しかし、ＧＰＳによる精度の良い区間３４でＧＰＳにより求めた移動軌跡３４ａと同じ時刻に同じ区間３６で慣性航法装置５により求めた移動軌跡３６ａ、およびＧＰＳによる精度の良い区間３５でＧＰＳにより求めた移動軌跡３５ａと同じ時刻に同じ区間３７で慣性航法装置５により求めた移動軌跡３７ａは、それぞれ移動軌跡の形状が類似していることが判る。

すなわち、相対位置検知装置による位置検知手法を用いる場合、出発位置から積分処理を行うため誤差が蓄積する。このため、現時点での位置情報のみを比較すると誤差は大きい。しかし、短期間における移動軌跡（例えば区間３４と３６）を比較すると、方位誤差に基づく移動軌跡の回転を除くと、移動軌跡の形状は類似している。つまり、短期間においては、絶対位置検知装置で検知した移動軌跡と相対位置検知装置で検知した移動軌跡とを回転を除いて比較することにより、相対位置検知装置の精度を評価することができる。

図４は、このようにして求めた移動軌跡の類似度を説明する図である。図４の例では、ＧＰＳ受信装置が良好に利用できる屋外からＧＰＳ受信装置が利用できない屋内に移動し、最後にＧＰＳ受信装置が良好に利用できる屋外に移動する経路を移動したときの例である。なお、前記屋内では、部分的に無線ＬＡＮによる位置検知装置あるいは赤外線による位置検知装置が利用できる環境を想定している。また、携帯電話の通話可能領域であり、携帯電話の基地局による位置検知も利用できることを想定している。

なお、図４において、横軸は移動時の経過時間を表し、縦軸は前記類似度あるいは位置精度を表している。なお、類似度および位置精度は、値が多くになるに従って類似度および位置精度が高いことを表している。

図４において、線４０はＧＰＳ受信装置１による移動軌跡と相対位置検知装置７による移動軌跡の類似度を示す。同様に、線４１は携帯電話による位置検知装置３による移動軌跡と相対位置検知装置７による移動軌跡の類似度を示す。また、線４２は無線ＬＡＮ位置検知装置２による移動軌跡と相対位置検知装置７による移動軌跡の類似度を示す。また、線４３は赤外線位置検知装置４による移動軌跡と相対位置検知装置７による移動軌跡の類似度を示す。

線４０に示すように、ＧＰＳ受信装置１による移動軌跡と相対位置検知装置７による移動軌跡の類似度は屋外では高いが屋内では低くなっている。また、無線ＬＡＮ位置検知装置２と相対位置検知装置７による移動軌跡の類似度、および赤外線位置検知装置４と相対位置検知装置７による移動軌跡の類似度は、屋内の限られたエリアのみが高くなっていることが分かる。

ここで、図２に戻り、図２のステップＳ２３において算出した各絶対位置検知装置の類似度を比較し、最も高い類似度を示した絶対位置検知装置の位置情報を現在位置での位置情報として選択する（ステップＳ２４）。

図４の線４４は前記選択の結果である。図に示すように、最大の類似度を示している絶対位置検知装置出力がエリア毎に選択されて出力されている。すなわち、複数の絶対位置検知装置の精度を評価して、最も高精度の絶対位置検知装置の検知出力を位置検知結果として出力することができる。なお、以上の説明からも明らかなように前記「類似度」は位置検知装置検知した位置の「位置精度」と同等の意味を持っている。

前述のように線４４は、利用できる絶対位置検知装置の最も精度の高い位置情報を切り替えながら位置を取得した結果である。ところが、領域４５の区間では高い位置精度を提供できる絶対位置検知装置が存在しないため、位置精度は低いままである。そこで、図２のステップＳ２５，Ｓ２６において、この区間を相対位置検知装置の出力を用いて補間することを考える。

先ず、ステップ２４で選択した絶対位置検知装置の類似度が予め設定した閾値を超えているか否かを判定する（ステップＳ２５）。前記閾値は、利用するアプリケーションが要求する精度により異なるが、本実施形態では破線４６のように指定した。閾値よりも類似度が高い場合は、絶対位置検知装置の精度が高いのでステップ２７に進み、ステップＳ２４で選択した位置情報をそのまま出力する（ステップＳ２８）。閾値を超えていなければ精度が低下しているのでステップ２６へ進む。

ステップ２６では、類似度が閾値を超えていた最後の位置を初期値として相対位置検知装置を用いて位置検知の処理を行う。すなわち、図４の閾値を超えていた最後の点４９の位置を初期位置として速度および進行方向の積分処理により位置を求め、求めた位置を位置情報として出力する（ステップＳ２６）。

図４の線４７はステップ２８において出力された位置情報の最終精度である。ここで破線４８の区間が相対位置検知装置を用いて補間された区間である。相対位置検知装置は積分誤差のために時間の経過と共に精度は低下する。しかし領域４５おける精度と比較すると精度が高く保たれていることが分かる。

検知した位置情報は、表示部６に表示した地図上に表示し、あるいは通信装置１１を用いて遠隔の管理端末１２に伝送することができる（ステップＳ２８）。以後ステップ２１からの処理を繰り返し、時々刻々変化する位置情報を高精度に収集することができる。

図６は、絶対位置検知装置と相対位置検知装置とを切り替える際の閾値を可変とした例を説明する図である。

ここまでの例では、絶対位置検知装置と相対位置検知装置とを切り替える際の閾値（切り替え閾値）４６は固定されていた。しかしながら、相対位置検知装置による位置検知出力は時間と共に劣化する。すなわち、図６（ａ）示されるように切り替え閾値５１が固定値の場合、時点５２において絶対位置検知装置の出力から相対位置検知装置へ切り替わり、その後相対位置検知装置の精度は時間と共に劣化する。このため、領域５３においては、絶対位置検知装置の出力の方が相対位置検知装置の精度を上まっているにも関わらず、固定閾値５１よりも低いため相対位置検知装置の出力結果を出力することになる。

そこで、図６（ｂ）に示すように、絶対位置検知装置から相対位置検知装置へ切替えた時点５２以降における閾値を、時間とともに低下する閾値５５とする。なお、この閾値は相対位置検知装置の精度の予測値とする。これにより、相対位置検知装置から絶対位置検知装置へ切り替わる点は時点５４となり、精度が向上する事になる。

図５は、位置検知装置を歩行者に携帯させた場合の例を示す図である。歩行者５０は携帯端末５６および相対位置検知装置５５（例えば慣性航法装置）を所持している。携帯端末５６には、ＧＰＳ用衛星５１からの電波を受信して位置を検知する機能、無線ＬＡＮ５２の電波を利用して位置を検知する機能、携帯電話基地局５３の電波を利用して位置を検知する機能、赤外線発信器５４からの信号を受信して位置を検知する機能などの絶対位置検知装置を内蔵している。携帯端末５６に内蔵された絶対位置検知装置の精度を例えば腰に付けた相対位置検知装置の出力結果をもとに評価し、最も精度の高い位置情報を出力して、携帯端末５６の画面に表示し、ナビゲーション等に利用することができる。

なお、図５は歩行者に携帯させた例であるが、車あるいはロボットの移動検知に際しても適用可能である。車輪で動くロボットの場合、慣性航法装置５５は移動距離を加速度ではなく車輪の回転数などで求める手法も利用できる。

また、衛星測位装置の一例としてＧＰＳを例にあげて説明したが、ＧＰＳ以外にＧＬＯＮＡＳＳやGalileoなどの衛星測位装置を併用する場合にも適用することができる。ＧＬＯＮＡＳＳやGalileoはＧＰＳ衛星とは異なった軌道を移動している。従って、同じ場所でも、時刻によりそれぞれの衛星測位装置の精度が異なっている。マルチパスの少ない環境ではＤＯＰ（Dilution of Precision）などの衛星配置情報を利用して精度の比較ができるが、市街地ではマルチパスが多くなるためにＤＯＰによる精度評価の信頼性が低下してくる。このような場合においても、本発明によれば、各衛星測位装置の精度を評価し最も精度の高い衛星測位システムで検知した位置情報を選択することができる。

また、本実施形態においては、移動軌跡の類似性を精度の評価尺度にした。しかしこの尺度以外にも、時系列に変化する進行方向データの類似性や、移動速度変化の類似性を用いて評価することも可能である。

以上説明したように、本実施形態によれば、従来精度評価を行うことが困難であった絶対位置検知装置間の精度評価を、相対位置検知装置の出力軌跡との相似性を判断基準として行うことができる。このため最も精度の高い絶対位置検知装置により求めた位置検知結果を位置検知出力として出力することができる。また、利用可能な全ての絶対位置検知装置の精度が劣化していると判断された場合には、相似性が低くなる前に検知した場所を初期位置とした相対位置検知装置の検知出力を選択することにより、絶対位置検知装置で位置を検知できなかった区間を補完して高精度に位置を検知することができる。

本実施形態にかかる位置検知装置を説明する図である。 類似度算出部の処理および位置出力切り替え部の処理を説明する図である。 ＧＰＳによる位置検知結果と慣性航法装置による位置検知結果を示す図である。 移動軌跡の類似度を説明する図である。 位置検知装置を歩行者に携帯させた場合の例を示す図である。 絶対位置検知装置と相対位置検知装置とを切り替える際の閾値を可変とした例を説明する図である。

符号の説明

１ ＧＰＳ受信装置
２ 無線ＬＡＮ位置検知装置
３ 携帯電話基地局による位置検知装置
４ 赤外線位置検知装置
５ 慣性航法装置
６ 表示部
７ 相対位置検知装置
８ 絶対位置検知装置
９ 切り替え信号生成部
１４ 類似度算出部
１５ 位置出力切り替え部
１０，１１ 通信装置
１２ パソコン

Claims (2)

1. それぞれ既知の位置から放射される複数の信号を受信して自己の絶対位置を検知する複数種の絶対位置検知装置と、
   所定期間内における自己の移動量を自己の相対位置の変化として検知する相対位置検知装置と、
   前記所定期間内における相対位置の変化の軌跡と前記所定期間内における前記絶対位置検知装置が検知した絶対位置の変化との類似度を、前記各種の絶対位置検知装置毎に計算する類似度算出部と、
   前記複数種の絶対位置検知装置のうち、最大の類似度を有する絶対位置検知装置の出力を選択して出力する出力切り替え部を備え、
   前記類似度算出部が計算した類似度が予め設定した閾値以下となったとき、前記類似度が閾値以下となる直前の絶対位置検知装置の検知出力を初期値とした前記相対位置検知装置の出力を位置検知装置の検知出力とするとともに、前記閾値を時間経過とともに低下させることを特徴とする位置検知装置。
2. それぞれ既知の位置から放射される複数の信号を受信して自己の絶対位置の変化を軌跡として検知する複数種の絶対位置検知装置と、所定期間内における自己の相対位置の変化を軌跡として検知する相対位置検知装置とを備え、
   前記所定期間内における相対位置の変化の軌跡と前記絶対位置検知装置が検知した絶対位置の軌跡との類似度を、絶対位置検知装置の種類毎に計算し、最大の類似度を有する絶対位置検知装置の出力を選択して出力し、
   前記類似度が予め設定した閾値以下となったとき、前記類似度が閾値以下となる直前の絶対位置検知装置の検知出力を初期値とした前記相対位置検知装置の出力を検知出力として出力するとともに、前記閾値を時間経過とともに低下させることを特徴とする位置検知方法。

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