JP2012198066A - 位置検出装置、ウェアラブルセンサシステム及びプログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】3個の受信機までの3つの距離をベクトルとしたデータベースが予め登録された記憶部と、各受信機が出力する送信機と各受信機との間の距離に依存する距離情報に基づいてデータベースを探索して初期位置を用いて連立非線形方程式を解いて移動部分の位置を検出する検知処理部は、距離情報をフィルタリングしてデータベースの探索用距離情報を取得する第1のカルマンフィルタと、動的に調整されて移動部分の位置状態を推定する位置状態推定用の第2のカルマンフィルタを含むように構成する。
【選択図】図1
Description
図1は、本発明の第1実施例における位置検出装置の一例を示すブロック図である。本実施例では、位置検出装置はウェアラブルセンサシステムの一部を形成する。図1に示すウェアラブルセンサシステムは、ウェアラブルシステム1、通信部2、及び制御装置3を有する。
上記の全てのグリッドで作成した探索用特徴ベクトルViをKD-treeへ登録し、KD-tree DBを作成する。KD-tree自体、及び、KD-treeによる最短隣探索自体は周知であり、その詳細な説明は省略する。
このような距離D1の定義で、多くのKD-treeのリソースをそのまま利用できると言うメリットがある。ただし、上記の位置推定処理において、後述するオンライン処理での計測情報は3つの距離情報(ri1, ri2, ri3)しかないため、直接KD-treeに登録した探索用特徴ベクトルViとの距離の計算はできない。そこで、直接KD-treeに登録した探索用特徴ベクトルViとの距離の計算ができるように、オンライン処理で3つの距離情報(ri1, ri2, ri3)に基づいて次のようなベクトルwdを作成する。
このベクトルwdでKD-tree DBから最短隣グリッドを探索する際、KD-tree DBの作成時のベクトルのパラメータKを小さい常数(例えば、1×10−6)とする。つまり、最短隣探索のときの実際の距離riが探索の要素となるように、グリッドの中心位置に小さいパラメータKを乗算し、距離情報に比べて非常に小さくする。この結果、本来であれば直接探索できないグリッドの中心座標を3つの距離情報(ri1, ri2, ri3)の探索を経由することにより間接的に取得することができる。
又、オンライン処理での距離の計測結果に基づいて次のように探索用特徴ベクトルViを定義する。
そして、最短隣探索時の距離D1を次のように定義する。
このような距離の定義で、取得しようとしているグリッドの中心位置をKD-tree DBに登録するが、最短隣探索に影響しないようにベクトルの距離計算を修正することにより、上記第1の方法と同様にソルバの初期探索始点を設定することができる。
上記多グリッド近似解Sをそのまま使用することも可能であるが、位置検出精度を向上させるために、次のように、手先位置の位置状態推定用の適応カルマンフィルタKF2の予測位置Zpと統合するようにしても良い。
P = (1−w)*S+w*Zp
ここで、Sは多グリッド近似解、Zpは位置状態推定用の適応カルマンフィルタFK2の予測位置、Pは最後の解が得られた探索位置での位置出力である。重み係数wの範囲は例えば[0, 1]であり、位置状態推定用の適応カルマンフィルタFK2は距離観測用のカルマンフィルタKF1の観測予測の共分散と残差による計算を行う。
図9は、本発明の第2実施例における位置検出装置の一例を示すブロック図である。図9中、図1と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
(付記1)
位置検出対象の移動部分に装着された送信機から発信された信号を前記位置検出対象の参照部分に装着された3個の受信機で受信して前記移動部分の位置を検出する位置検出装置であって、
前記移動部分の3次元空間の移動範囲を固定サイズのグリッドで分割し、グリッド中心の3次元座標とグリッド中心から前記3個の受信機までの3つの距離をベクトルとしたKD木のデータベースが予め登録された記憶部と、
前記3個の受信機が出力する、前記送信機と各受信機との間の距離に依存する距離情報に基づいて前記記憶部内の前記データベースを探索して反復法ソルバの初期位置を決定し、前記初期位置を用いて連立非線形方程式を解いて前記移動部分の位置を検出するプロセッサを備え、
前記プロセッサは、
前記距離情報をフィルタリングして前記データベースの探索用距離情報を取得する第1のカルマンフィルタと、
前記探索用距離情報を用いて前記データベースから最短隣グリッドを最短隣検索アルゴリズムに基づいて特定し、最短隣グリッドの中心位置を前記反復法ソルバの初期位置として代入して前記連立非線形方程式を解き、前記反復法ソルバが収束するか否かを判定する判定手段と、
前記反復法ソルバが収束する場合は、前記第1のカルマンフィルタの推定状態のモデルのノイズレベルに応じて動的に調整されて前記移動部分の位置状態を推定する位置状態推定用の第2のカルマンフィルタ
を有することを特徴とする、位置検出装置。
(付記2)
前記プロセッサは、前記反復法ソルバが収束しない場合は、前記最短隣グリッドに隣接する隣接グリッドを特定して各隣接グリッドの中心位置を前記反復法ソルバの初期位置として代入して前記連立非線形方程式を解いて再度解を探す探索手段を更に有することを特徴とする、付記1記載の位置検出装置。
(付記3)
前記プロセッサは、前記探索手段が解を探すことができないと、解が得られた位置の平均から近似解を求めて前記第2のカルマンフィルタに出力する手段を更に有することを特徴とする、付記2記載の位置検出装置。
(付記4)
全てのグリッドで解が得られない場合は、前記第2のカルマンフィルタの予測値とグリッド探索の全ての最終点の平均を計算し、前記第1及び第2のカルマンフィルタの観測及び予測の共分散情報に基づいて前記第1及び第2のカルマンフィルタによる2つの位置推定を再度重み付けで平均化することを特徴とする、付記1乃至3のいずれか1項記載の位置検出装置。
(付記5)
前記送信機及び前記3個の受信機は、前記位置検出対象に装着されるウェアラブルシステムを形成し、
前記位置検出装置は、前記ウェアラブルシステムとは別体であることを特徴とする、付記1乃至4のいずれか1項記載の位置検出装置。
(付記6)
前記送信機、前記3個の受信機、及び前記位置検出装置は、前記位置検出対象に装着されるウェアラブルシステムを形成することを特徴とする、付記1乃至4のいずれか1項記載の位置検出装置。
(付記7)
位置検出対象の移動部分に装着される送信機と、
前記位置検出対象の参照部分に装着され、前記送信機から発信された信号を受信する3個の受信機と、
前記移動部分の3次元空間の移動範囲を固定サイズのグリッドで分割し、グリッド中心の3次元座標とグリッド中心から前記3個の受信機までの3つの距離をベクトルとしたKD木のデータベースが予め登録された記憶部と、
前記3個の受信機が出力する、前記送信機と各受信機との間の距離に依存する距離情報に基づいて前記記憶部内の前記データベースを探索して反復法ソルバの初期位置を決定し、前記初期位置を用いて連立非線形方程式を解いて前記移動部分の位置を検出する検知処理部を備え、
前記検知処理部は、
前記距離情報をフィルタリングして前記データベースの探索用距離情報を取得する第1のカルマンフィルタと、
前記探索用距離情報を用いて前記データベースから最短隣グリッドを最短隣検索アルゴリズムに基づいて特定し、最短隣グリッドの中心位置を前記反復法ソルバの初期位置として代入して前記連立非線形方程式を解き、前記反復法ソルバが収束するか否かを判定する判定手段と、
前記反復法ソルバが収束する場合は、前記第1のカルマンフィルタの推定状態のモデルのノイズレベルに応じて動的に調整されて前記移動部分の位置状態を推定する位置状態推定用の第2のカルマンフィルタ
を有することを特徴とする、ウェアラブルセンサシステム。
(付記8)
前記検知処理部は、前記反復法ソルバが収束しない場合は、前記最短隣グリッドに隣接する隣接グリッドを特定して各隣接グリッドの中心位置を前記反復法ソルバの初期位置として代入して前記連立非線形方程式を解いて再度解を探す探索手段を更に有することを特徴とする、付記7記載のウェアラブルセンサシステム。
(付記9)
前記検知処理部は、前記探索手段が解を探すことができないと、解が得られた位置の平均から近似解を求めて前記第2のカルマンフィルタに出力する手段を更に有することを特徴とする、付記8記載のウェアラブルセンサシステム。
(付記10)
全てのグリッドで解が得られない場合は、前記第2のカルマンフィルタの予測値とグリッド探索の全ての最終点の平均を計算し、前記第1及び第2のカルマンフィルタの観測及び予測の共分散情報に基づいて前記第1及び第2のカルマンフィルタによる2つの位置推定を再度重み付けで平均化することを特徴とする、付記7乃至9のいずれか1項記載のウェアラブルセンサシステム。
(付記11)
前記送信機は、前記位置検出対象の手首に装着される第1の装着部に設けられており、
前記3個の受信機は、前記位置検出対象の胴体に装着される第2の装着部に設けられていることを特徴とする、付記7乃至10のいずれか1項記載のウェアラブルセンサシステム。
(付記12)
コンピュータに、位置検出対象の移動部分の位置を検出する位置検出処理を実行させるプログラムであって、
前記移動部分の3次元空間の移動範囲を固定サイズのグリッドで分割し、グリッド中心の3次元座標とグリッド中心から、前記位置検出対象の参照部分に装着された3個の受信機までの3つの距離をベクトルとしたKD木のデータベースが予め登録された記憶部を用い、
前記移動部分に装着された送信機から発信された信号を受信する前記3個の受信機が出力する、前記送信機と各受信機との間の距離に依存する距離情報に基づいて前記記憶部内の前記データベースを探索して反復法ソルバの初期位置を決定し、前記初期位置を用いて連立非線形方程式を解いて前記移動部分の位置を検出する検出手順
を前記コンピュータに実行させ、
前記検出手順は、
前記距離情報を第1のカルマンフィルタによりフィルタリングして前記データベースの探索用距離情報を取得する第1のフィルタリング手順と、
前記探索用距離情報を用いて前記データベースから最短隣グリッドを最短隣検索アルゴリズムに基づいて特定し、最短隣グリッドの中心位置を前記反復法ソルバの初期位置として代入して前記連立非線形方程式を解き、前記反復法ソルバが収束するか否かを判定する判定手順と、
前記反復法ソルバが収束する場合は、前記第1のカルマンフィルタの推定状態のモデルのノイズレベルに応じて動的に調整されて前記移動部分の位置状態を推定する位置状態推定用の第2のカルマンフィルタによるフィルタリングを行う第2のフィルタリング手順
を含むことを特徴とする、プログラム。
(付記13)
前記検出手順は、前記反復法ソルバが収束しない場合は、前記最短隣グリッドに隣接する隣接グリッドを特定して各隣接グリッドの中心位置を前記反復法ソルバの初期位置として代入して前記連立非線形方程式を解いて再度解を探す探索手順を更に含むことを特徴とする、付記12記載のプログラム。
(付記14)
前記検出手順は、前記探索手段が解を探すことができないと、解が得られた位置の平均から近似解を求めて前記第2のカルマンフィルタに出力する手順を更に含むことを特徴とする、付記13記載のプログラム。
(付記15)
全てのグリッドで解が得られない場合は、前記第2のカルマンフィルタの予測値とグリッド探索の全ての最終点の平均を計算し、前記第1及び第2のカルマンフィルタの観測及び予測の共分散情報に基づいて前記第1及び第2のカルマンフィルタによる2つの位置推定を再度重み付けで平均化することを特徴とする、付記12乃至14のいずれか1項記載のプログラム。
2,333 通信部
3 制御装置
11 超音波発信部
13 超音波受信部
33,53 検知処理部
51 ウェアラブルシステム
52,332 メモリ
111 超音波発信機
131〜133 超音波センサ
331 CPU
Claims (5)
- 位置検出対象の移動部分に装着された送信機から発信された信号を前記位置検出対象の参照部分に装着された3個の受信機で受信して前記移動部分の位置を検出する位置検出装置であって、
前記移動部分の3次元空間の移動範囲を固定サイズのグリッドで分割し、グリッド中心の3次元座標とグリッド中心から前記3個の受信機までの3つの距離をベクトルとしたKD木のデータベースが予め登録された記憶部と、
前記3個の受信機が出力する、前記送信機と各受信機との間の距離に依存する距離情報に基づいて前記記憶部内の前記データベースを探索して反復法ソルバの初期位置を決定し、前記初期位置を用いて連立非線形方程式を解いて前記移動部分の位置を検出するプロセッサを備え、
前記プロセッサは、
前記距離情報をフィルタリングして前記データベースの探索用距離情報を取得する第1のカルマンフィルタと、
前記探索用距離情報を用いて前記データベースから最短隣グリッドを最短隣検索アルゴリズムに基づいて特定し、最短隣グリッドの中心位置を前記反復法ソルバの初期位置として代入して前記連立非線形方程式を解き、前記反復法ソルバが収束するか否かを判定する判定手段と、
前記反復法ソルバが収束する場合は、前記第1のカルマンフィルタの推定状態のモデルのノイズレベルに応じて動的に調整されて前記移動部分の位置状態を推定する位置状態推定用の第2のカルマンフィルタ
を有することを特徴とする、位置検出装置。 - 前記プロセッサは、前記反復法ソルバが収束しない場合は、前記最短隣グリッドに隣接する隣接グリッドを特定して各隣接グリッドの中心位置を前記反復法ソルバの初期位置として代入して前記連立非線形方程式を解いて再度解を探す探索手段を更に有することを特徴とする、請求項1記載の位置検出装置。
- 前記プロセッサは、前記探索手段が解を探すことができないと、解が得られた位置の平均から近似解を求めて前記第2のカルマンフィルタに出力する手段を更に有することを特徴とする、請求項2記載の位置検出装置。
- 位置検出対象の移動部分に装着される送信機と、
前記位置検出対象の参照部分に装着され、前記送信機から発信された信号を受信する3個の受信機と、
前記移動部分の3次元空間の移動範囲を固定サイズのグリッドで分割し、グリッド中心の3次元座標とグリッド中心から前記3個の受信機までの3つの距離をベクトルとしたKD木のデータベースが予め登録された記憶部と、
前記3個の受信機が出力する、前記送信機と各受信機との間の距離に依存する距離情報に基づいて前記記憶部内の前記データベースを探索して反復法ソルバの初期位置を決定し、前記初期位置を用いて連立非線形方程式を解いて前記移動部分の位置を検出する検知処理部を備え、
前記検知処理部は、
前記距離情報をフィルタリングして前記データベースの探索用距離情報を取得する第1のカルマンフィルタと、
前記探索用距離情報を用いて前記データベースから最短隣グリッドを最短隣検索アルゴリズムに基づいて特定し、最短隣グリッドの中心位置を前記反復法ソルバの初期位置として代入して前記連立非線形方程式を解き、前記反復法ソルバが収束するか否かを判定する判定手段と、
前記反復法ソルバが収束する場合は、前記第1のカルマンフィルタの推定状態のモデルのノイズレベルに応じて動的に調整されて前記移動部分の位置状態を推定する位置状態推定用の第2のカルマンフィルタ
を有することを特徴とする、ウェアラブルセンサシステム。 - コンピュータに、位置検出対象の移動部分の位置を検出する位置検出処理を実行させるプログラムであって、
前記移動部分の3次元空間の移動範囲を固定サイズのグリッドで分割し、グリッド中心の3次元座標とグリッド中心から、前記位置検出対象の参照部分に装着された3個の受信機までの3つの距離をベクトルとしたKD木のデータベースが予め登録された記憶部を用い、
前記移動部分に装着された送信機から発信された信号を受信する前記3個の受信機が出力する、前記送信機と各受信機との間の距離に依存する距離情報に基づいて前記記憶部内の前記データベースを探索して反復法ソルバの初期位置を決定し、前記初期位置を用いて連立非線形方程式を解いて前記移動部分の位置を検出する検出手順
を前記コンピュータに実行させ、
前記検出手順は、
前記距離情報を第1のカルマンフィルタによりフィルタリングして前記データベースの探索用距離情報を取得する第1のフィルタリング手順と、
前記探索用距離情報を用いて前記データベースから最短隣グリッドを最短隣検索アルゴリズムに基づいて特定し、最短隣グリッドの中心位置を前記反復法ソルバの初期位置として代入して前記連立非線形方程式を解き、前記反復法ソルバが収束するか否かを判定する判定手順と、
前記反復法ソルバが収束する場合は、前記第1のカルマンフィルタの推定状態のモデルのノイズレベルに応じて動的に調整されて前記移動部分の位置状態を推定する位置状態推定用の第2のカルマンフィルタによるフィルタリングを行う第2のフィルタリング手順
を含むことを特徴とする、プログラム。
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