JP2005274363A - 無線位置検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】無線位置検出システムにおいて、無線位置検出手段の反射波や電波環境変化の影響を抑え、高精度に位置検出を行なうシステムを提供する。
【解決手段】線機能を有する移動体の位置を無線基地局により検出する無線位置検出手段において、予め所定の位置に対する無線位置検出手段の偏位を測定しておき、この偏位情報を用いて無線検出位置を補正することにより移動体の最尤位置を導出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、移動体の位置を高精度に検出するシステムに関する。

物流、倉庫、工場、プラント、輸送、流通、オフィス、公共施設、娯楽施設、防災、警備など多様な分野において、移動体（物品、人、車など）の位置に基づく情報管理やブロードバンド情報配信サービスの需要が高まっており、近年急速に普及した無線LANを利用した位置検出システムが実用化されている。

無線LAN位置検出システムは複数の無線LAN基地局から構成されている。無線LAN端末から複数の基地局に達する無線信号の到達時間または到達時間差を用いて三辺測量を行なうことにより端末の位置を検出する技術が知られている（非特許文献１）。この検出原理に基づき、端末から基地局への見通しが良く無線信号の直接波が達する場合には、実用上十分な位置精度を得ている。
他の無線LAN位置検出手段としては、測定時に端末が受けた受信信号強度を用いて求められる位置と無線信号の到達時間差等を用いて求められる位置とを用いて最終的な位置計測結果を求める方法が知られている（特許文献１）。

荻野他、「マルチメディア、分散、協調とモバイル」、DICOMO2003シンポジウム論文集、569頁−572頁、平成１５年６月４日

特開2000-244968号公報

三辺測量による無線LAN位置検出システムでは、反射体や障害物が多く直接波に多重反射波が重畳する場合や、端末から基地局への見通しが取れない（反射波しか届かない）場合には、反射波に基づいて三辺測量を行なうことになるため位置精度が劣化する問題があった。
受信信号強度による無線LAN位置検出手段では、対象エリアの電波環境が変化する場合、例えばレイアウトが変化する場合や移動体の増減が激しい場合には事前に学習した状況に対して直接波や反射波の状況が変動するため、位置精度が劣化する問題があった。
本発明の課題は、無線測量における反射波や見通し外の影響、信号強度分布における環境変化の影響による位置精度の劣化を抑制し、移動体の最尤位置を求めることにある。

本発明は、無線機能を有する移動体の位置を無線基地局により検出する無線位置検出手段において、予め所定の位置に対する無線位置検出手段の偏位を測定しておき、この測定偏位情報を補間して一般の位置に対する偏位を推定し、実際に測定を行なう際に無線検出位置を補正することにより移動体の最尤位置を導出する。

また、無線測量と信号強度分布など異なる無線位置検出手段を併用することにより、両者の無線検出位置またはそれらの補正位置に基づいて移動体の最尤位置を計算する。計算の一手法としては、両者の検出誤差分散を係数として両者の位置の重み付け平均を行なう。さらに、この併用手段の最尤位置を最確値として測定偏位や信号強度分布などの参照情報を修正し、以後の移動体の最尤位置の導出に使用する。

本発明によれば、無線測量による無線位置検出手段において多重反射波が有る場合や見通しが取れない場合、信号強度分布による無線位置検出手段において十分な位置密度で事前学習を行なえない場合でも、既知の測定偏位情報を用いて無線検出位置を補正することにより移動体の最尤位置を導出できるので、位置精度が向上する効果がある。

また、無線測量と信号強度分布など異なる無線位置検出手段を併用することにより、両者の無線検出位置と補正位置から更に精度良く移動体の最尤位置を導出することができる。無線測量は反射波に弱いが電波環境変化には追従できる長所があり、信号強度分布は反射波を含めた分布でありその影響は少ないが電波環境の変化に弱い短所があるが、両者の併用により互いに補完し合うことができる。
さらに、併用手段により求めた最尤位置に基づいて測定偏位情報や信号強度分布を修正することにより、これらの初期情報を補って確度を上げると共に、環境の時間的変化に追従することができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図1は、本発明の無線位置検出システムの構成図である。図1において無線位置検出システムは複数の無線LAN基地局50_i（i=1,2,…,n）から構成されている。無線LAN基地局50_iはネットワーク60によりサーバ70に接続されている。図１では無線位置検出システムが対象とする移動体の例として、台車10、作業者22が動かすフォークリフト20、人32が扱うカート30、歩行者40を挙げており、それぞれ無線機能である無線LAN端末11、21、31、41を有している。

図１０に、本発明で用いられる無線LAN基地局50とサーバ70の構成図を示す。無線LAN基地局は、無線LAN端末からの無線信号を受信する受信部と、その受信結果をネットワーク60を介してサーバ70へ送信するための通信インターフェースを備える。サーバ70は、受信結果を無線LAN基地局から受信するための通信インタフェースと、本発明の実施例1−4で説明する各種のマップの少なくともいずれかを格納するメモリと、メモリを参照して位置計算を行う演算部とを備える。無線信号の到達時間または到達時間差を用いて位置計算を行うためには受信タイミングを検出する受信タイミング検出部が必要となるが、これは無線LAN基地局50とサーバ70のいずれか一方に備えればよい。無線LAN基地局に受信タイミング検出部を備える場合は、無線LAN基地局からサーバへ送信される受信結果は、ここで求められる受信タイミングとなる。一方、サーバ側に受信タイミング検出部を備える場合は、無線LAN基地局で受信された信号の波形データを上述の受信結果として無線LAN基地局からサーバへ送信するとよい。

実施例1では第1の無線位置検出手段として、無線LAN端末11、21、31、41から各基地局50_iに達する無線信号の到達時間差に基づいて、サーバ40において三辺測量計算を行なうことにより無線LAN端末11、21、31、41の位置を求めている。基地局の位置ベクトルp_APiと到達時間差(t_i-t₀)、光速cから数式１に示す連立方程式を立てて、移動体の位置ベクトルp_Tの解を求めている。解は例えば、数式2に示す各連立方程式の誤差δ_Tiにより、数式3に示すようにk_Tiを係数とする誤差分散δ_Ti ²の総和を最小にするp_Tを求める最小二乗法により計算することができるが、他の簡便な計算方法を用いても良い。係数k_Tiは各基地局50_iが捕捉した無線信号の信号強度、移動体の位置p_Tと基地局50_i間の距離、反射波の有無による信号波形の良否などを考慮する重み付け係数であるが、簡単のためには定数としても良い。

図2は、実施例1の第1の無線位置検出手段の測定結果の説明図である。図2において、点100は移動体の真の位置、P_trueは原点Oからの真の位置ベクトルを示している。点101は第1の無線位置検出手段による複数回の移動体の測定点、点100'は測定結果の平均値、σ_Tは測定結果の標準偏差、p_Tは原点Oからの平均位置ベクトル、d_Tは真の位置ベクトルP_trueに対する平均位置ベクトルp_Tの偏位ベクトルを示している。σ_Tは上記の連立方程式の解の誤差δ_Ti、環境変化や無線位置検出手段の安定度などに依存する。第1の無線位置検出手段において反射波の影響が有る場合には、この影響下で三辺測量計算を行なうので測定結果分布の中心が真の位置から外れ、測定偏位d_Tが生じて位置精度の劣化要因と成り得る。しかし、位置が既知である地点において予め本発明で用いる無線信号による位置測定を行なうことにより、既知の実際の位置と測定結果の位置との差分である測定偏位d_Tの分布を実際の測定前に把握しておくことができる。

図3は、実施例1の第1の無線位置検出手段の測定偏位マップの説明図である。移動体の位置検出対象エリア110に複数の無線LAN基地局111〜116を配置し、真の位置座標120に対する偏位d_Tの分布を測定し、測定偏位マップ130を得ている。測定偏位d_Tのマップ130は数式4に示すように真の位置ベクトルP_trueに対する分布fで表わすことができ、同様にして数式5に示すように測定誤差（標準偏差）σ_Tを分布gで表わすことができる。実際の測定時に測量計算結果としてp_Tが得られれば、測定偏位マップ130により偏位d_Tと誤差σ_Tを知ることができる。なお、図3では図面の簡単のためにマップを単純化して描いているが、実際の環境において反射物や障害物が有る場合にはその周囲の測定点を増やし、逆に見通しが良く反射波が少ない場合には測定点を減らし、測定偏位マップの粗密を調整するとよい。なお、測定偏位マップ130はサーバ40に格納されたデータベースであり、真の位置座標120と、その座標に対する測定結果または偏位と、誤差とが対応付けて記載されている。

図4は、実施例1の第1の無線位置検出手段における移動体の最尤位置の導出方法の説明図である。図3で説明したように、図4において真の位置座標系120の所定の位置に対する測定偏位マップ130は予め既知である。点200は無線信号を用いた実際の測定で得られた無線検出位置、p_Tは原点Oからの検出位置のベクトルを示している。検出位置ベクトルp_Tを測定偏位マップ130と照合して補間することにより、測定偏位マップ130上にp_Tの座標131を位置付けることができ、この座標131から測定偏位d_Tを求めて(p_T-d_T)を計算することにより、真の位置座標系120における座標121すなわち最尤位置200'を導出することができる。

なお、測定偏位マップには、測定結果として求められる可能性のある位置の全てに対応する測定偏位をくまなく記載しておく必要はない。測定結果として求められた位置に対応する測定偏位の値が測定偏位マップにない場合は、測定偏位マップに格納されている位置のうち測定位置に近い物を選び、その測定偏位を用いるようにするとよい。その際、最も近い1点を測定偏位マップから選んでその測定偏位をそのまま用いても、複数の位置を選んでその測定偏位を重み付け平均する、複数の位置から直線乃至近似曲線により補間するなどして用いてもよい。

したがって、実施例1によれば、所定の位置に対する測定偏位マップ130を予め測定しておき、このマップ130を補間して検出位置ベクトルp_Tに対する測定偏位d_Tを推定し、これによりp_Tを補正して最尤位置(p_T-d_T)を求めることにより、精度良く移動体の位置を計算することができる。位置精度は測定偏位マップ130を詳細化することによりさらに改善することができるが、これは無線位置検出システムの用途、環境、要求精度、マップ作成コストなどを考慮して行なえば良い。

本発明の実施例2では、実施例1の図1と同様の無線位置検出システムにおいて、 第2の無線位置検出手段として、複数の基地局50_i（i=1,2,…,n）の信号強度マップを予め作成しておき、測定時に無線LAN端末11、21、31、41が受信した基地局信号強度をマップと照合することにより位置を求めている。位置計算は無線LAN端末11、21、31、41において行なえるが、計算負荷が重い場合には信号強度情報をネットワーク60を介してサーバ70に送り、サーバ70において位置計算を行なっても良い。

図5は、実施例2の第2の無線位置検出手段の信号強度マップの説明図である。位置検出対象エリア110に複数の無線LAN基地局111〜116を配置し、真の位置座標120に対する各基地局からの信号強度の分布を測定し、信号強度マップ140を得ている。信号強度マップ140は数式5に示すように各基地局50_iごとに信号強度S_iに対する等高線h_iで表わすことができる。図5には一例として基地局111に対するマップだけを示しており、図面の簡単のためにマップを単純化して描いているが、実際の環境において反射物や障害物が有る場合には信号強度の変動が大きいため、その周囲の測定点を増やしている。なお、信号強度マップ140には、真の位置座標と、その座標において測定した信号強度とを記載しておき、等高線はその信号強度から直線または近似曲線により補間して求めるか、または予め求めた等高線を信号強度マップとして用いても良い。

図6は、実施例2の第2の無線位置検出手段による位置検出方法の説明図である。実際の測定時に各基地局50_iに対する信号強度S_iが得られれば、これを既知の信号強度マップと照合して補間することにより信号強度S_iに対する等高線140を求め、移動体の位置210を計算している。例えば一方法として、複数の等高線140に対する位置210からの距離に基づいて最小二乗法により計算することができる。すなわち、数式7に示すように位置210を示す位置ベクトルp_Sと位置210から等高線140に降ろした垂線の位置ベクトルh_⊥iとの誤差をδ_Siとして、数式8に示すようにk_Siを係数とする誤差分散δ_Si ²の総和を最小にするp_Sを求める。係数k_Siは無線信号の信号強度、移動体の位置p_Sと基地局50_i間の距離などによる重み付け係数であるが、簡単には定数として良い。なお、最小二乗法以外の簡易計算方法を用いても良い。

実施例2において、既知の信号強度マップ140を用いて所定の位置で予め位置検出を行なうことにより、実施例1と同様に真の位置座標に対する測定偏位と測定誤差を記したデータベース、すなわち測定偏位マップを得ることができる。数式9に示すように、測定偏位d_Sのマップを真の位置ベクトルP_trueに対する分布uで表わすことができ、数式10に示すように測定誤差（標準偏差）σ_Ｓを分布vで表わすことができる。測定偏位d_Sや測定誤差σ_Ｓは、信号強度マップ140の密度や補間誤差、数式7の解の誤差δ_Si、環境変化などに依存するが、必要に応じて反射物や障害物の周囲のマップ密度を変えて良い。

実施例2によれば、第2の無線位置検出手段においても、実際の測定時に信号強度マップ140により位置ベクトルp_Sを計算し、これを数式9に示す測定偏位マップと照合して補間することにより測定偏位d_Sを求め、移動体の最尤位置を導出することができる。なお、第2の無線位置検出手段では、数式9に示す測定偏位マップに基づいて数式6に示す信号強度の等高線h_iを修正し、予め測定偏位マップを信号強度マップに反映させて繰り入れることができる。これにより、測定後の最尤位置の導出計算を省略することもできる。

本発明の実施例3では、実施例1の図1と同様の無線位置検出システムにおいて、第1の無線位置検出手段（無線測量）と第2の無線位置検出手段（信号強度）を併用している。第1の無線位置検出手段において予め所定の位置で測定した測定偏位マップを用いて移動体の位置を補正し、第2の無線位置検出手段において予め測定した信号強度マップまたは測定偏位マップを繰り込んだ信号強度マップを用いて移動体の位置を求め、第1の無線位置検出手段により求めた位置と第2の無線位置検出手段により求めた位置の双方から移動体の最尤位置を導出している。

図7は、第1及び第2の無線位置検出手段による移動体の最尤位置の導出方法の説明図である。図7において、点200は第1の無線位置検出手段による移動体の測量位置、p_Tは原点Oからの測量位置のベクトル、点200'は測定偏位d_Tによる補正位置を示している。点210は第2の無線位置検出手段による移動体の検出位置、p_Sは原点Oからの検出位置のベクトルを示している。点220は、数式11に示すように(p_T-d_T)とp_Sを係数w_T、w_Sを用いて重み付け平均を行なうことにより導出した移動体の最尤位置であり、Pは原点Oに対する最尤位置のベクトルを示している。w_T=w_S=1の場合は単純平均である。数式12に示すように、係数w_T、w_Sとして数式5に説明した測定誤差σ_Tと数式10に説明した測定誤差σ_Sの分散の逆数を採って、重み付け平均を行なうことができる。これにより、第1と第2の無線位置検出手段のうち測定誤差が小さい方の検出位置に重みを付け、さらに確度の高い最尤位置Pを求めることができる。

実施例3によれば、性質の異なる第1の無線位置検出手段と第2の無線位置検出手段を互いに補完的に併用することにより位置精度を向上させることができる。無線測量による第1の無線位置検出手段では、直接波に反射波が重畳する場合や見通しが取れない場合に測量精度が劣化するが、反射物や障害物のレイアウトが或る程度変更しても精度は比較的安定に保たれる。一方、信号強度による第2の無線位置検出手段では、レイアウトが変更されると信号強度マップが現状と合わなくなり精度が劣化するが、反射波の影響は予め信号強度マップに反映されている。したがって、両者は互いに一長一短があるが、併用することにより互いの長所を引き出し短所を補って、反射波とレイアウト変更の双方の影響を押さえて精度良く移動体の位置を導出することができる。

実施例4では、実施例3において第1及び第2の無線位置検出手段を併用して求めた移動体の最尤位置に基づいて、測定偏位マップと信号強度マップを修正している。図8は第1の無線位置検出手段における測定偏位マップの修正方法の説明図、図9は第2の無線位置検出手段における信号強度マップの修正方法の説明図である。

図8において、点200（p_T）は実施例1と同様に第1の無線位置検出手段の検出位置、点200'は測定偏位d_Tによる補正位置である。点220（P）は実施例3で第1及び第2の無線位置検出手段から求めた最尤位置、121'は真の位置座標系120における最尤位置の座標である。実施例4では、最尤位置Pを最確値として測定偏位d_Tをd_T'=p_T-Pに補正し、p_T（座標131'）に対して測定偏位d_T'が得られるように、数式3に示した元の測定偏位マップ130を新しい測定偏位マップ130'に修正している。例えば、真の座標系120上での座標121'の相対位置関係と、測定偏位マップ130'上での座標131'の相対位置関係とが整合するように、p_Tの周囲の測定偏位マップ130を変形させている。

図9において、点210（p_S）は実施例2と同様に第2の無線位置検出手段の検出位置、点220（P）は実施例3の最尤位置である。実施例4では、信号強度マップに基づく検出位置がp_Sでなく最尤位置Pになるように、数式6に示した元の信号強度マップ140を新しい信号強度マップ140'に修正している。例えば、数式7に示した誤差δ_Siがp_Sの代わりにPに対して保存されるように、Pの周囲の等高線h_iを変形させている。

実施例4によれば、第1の無線位置検出手段の測定偏位マップと第2の無線位置検出手段の信号強度マップの確度を向上することができ、測定環境が変化しても双方のマップが更新されていくので、高い位置精度を維持することができる。
以上、実施例1、2、3、4により本発明の実施形態について説明したように、予め所定の位置に対して移動体の位置を無線位置検出手段により測定した際の偏位を求めておき、その測定偏位情報から一般の位置に対する偏位を推定して無線検出位置を補正することにより、移動体の位置を高精度に検出することができる。また、複数の異なる無線位置検出手段を補完的に組み合わせることによりさらに位置精度を向上することができる上、こうして求めた移動体の最尤位置に基づいて初期の測定偏位情報を更新することにより環境変化に対しても位置精度を保つことができる。

本発明のこのような効果は、無線位置検出手段の測定偏位を補正することにより生まれるものであり、特定の移動体、無線通信機能、無線位置検出手段の構成に依拠するものではない。
移動体としては、実施例1に示した四輪車、フォークリフト、カート、歩行者の他、二輪車、三輪車、キャタピラ車、自動車、電動車、手押し車、自転車、車椅子、カート、ロボット、無線操縦機、動物など、多岐に亘る。

無線機能として、実施例1、2、3、4では無線LANをベースに説明してきたが、移動体通信、超広帯域無線（UWB）、小電力無線、微弱無線、準ミリ波、ミリ波、光LANなども位置検出用途に応じて本発明の対象と成り得る。また、無線位置検出手段として三辺測量と信号強度マップによる方法を採っていたが、無線信号の到来角度による三角測量、無線信号間の干渉を利用する手段も採り得る。また、位置検出を行なう空間は、実施例に示した二次元平面だけでなく、一次元の直線または曲線、曲面、三次元空間、これらの組合せが対象になる場合がある。

本発明による移動***置検出システムは、物流、倉庫、工場、輸送などの分野においてフォークリフト、搬送車、輸送機の位置検出に適用することができ、パレット、コンテナ、物品の管理システムを構築することができる。

また、流通、オフィス、公共施設、娯楽施設、防災、警備などの分野におけるスタッフ、作業員、機器などの管理システム、来客者の動線解析や位置情報サービスに適用することができる。

本発明の実施形態の無線位置検出システムの構成図である。 本発明の実施形態の第1の無線位置検出手段における測定結果の説明図である。 本発明の実施形態の第1の無線位置検出手段における測定偏位マップの説明図である。 本発明の実施形態の第1の無線位置検出手段における移動体の最尤位置の導出方法の説明図である。 本発明の実施形態の第2の無線位置検出手段における信号強度マップの説明図である。 本発明の実施形態の第2の無線位置検出手段における移動体の位置検出方法の説明図である。 本発明の実施形態の第1及び第2の無線位置検出手段による移動体の最尤位置の導出方法の説明図である。 本発明の実施形態の第1の無線位置検出手段における測定偏位マップの修正方法の説明図である。 本発明の実施形態の第2の無線位置検出手段における信号強度マップの修正方法の説明図である。 本発明の実施形態の基地局及びサーバ装置の構成図である。

符号の説明

10、20、30、40：移動体、 11、21、31、41：無線端末、 50、51、52：無線基地局、 60：ネットワーク、 70：サーバ、
120：真の位置座標、 130：第1の無線検出手段の測定偏位マップ、 140：第2の無線検出手段の信号強度マップ、 200：第1の無線検出手段の検出位置、 200'：第1の無線検出手段の最尤位置、 210：第2の無線検出手段の最尤位置、 220：第1及び第2の無線検出手段の最尤位置、 130'： 第1の無線検出手段の修正測定偏位マップ、 140'： 第2の無線検出手段の修正信号強度マップ。

Claims (5)

1. 無線機能を有する移動体の位置を無線基地局との間で送受信される無線信号を用いて検出する無線位置検出手段を有し、
   予め測定されて格納されている、既知の位置に対する無線位置検出手段の偏位を用い、
   該測定偏位を補間して上記無線信号を用いて検出された位置に対する偏位を推定し、
   該推定偏位から無線検出位置を補正することにより移動体の最尤位置を導出することを特徴とする無線位置検出システム。
2. 請求項1記載の無線位置検出システムであって、上記無線位置検出手段において、
   無線機能を有する移動体から複数の無線基地局に達する無線信号の到達時間または到達時間差に基づいて三辺測量を行なうこと、
   または無線信号の到来角度に基づいて三角測量を行なうこと、
   または無線信号の受信信号強度を既知の信号強度分布と照合することを特徴とする無線位置検出システム。
3. 無線機能を有する移動体から複数の無線基地局に達する無線信号に基づいて測量する第1の無線位置検出手段と、無線信号の受信信号強度を既知の信号強度分布と照合する第2の無線位置検出手段を有し、
   予め所定の位置に対する第1または第2の無線位置検出手段の偏位を測定しておき、該測定偏位を補間して一般の位置に対する偏位を推定し、該推定偏位から第1または第2の無線検出位置を補正し、
   第1の無線検出位置または補正位置と第2の無線検出位置または補正位置とから移動体の最尤位置を導出することを特徴とする無線位置検出システム。
4. 請求項3記載の無線位置検出システムであって、
   第1の無線位置検出手段の検出誤差と第2の無線位置検出手段の検出誤差を係数として、第1の補正位置と第2の無線検出位置の重み付け平均を行なうことにより移動体の最尤位置を導出することを特徴とする無線位置検出システム。
5. 請求項3記載の無線位置検出システムであって、
   移動体の最尤位置に基づいて、最尤位置近傍の位置範囲における第1の無線位置検出手段の測定偏位と第2の無線位置検出手段の信号強度分布とを修正することを特徴とする無線位置検出システム。

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