JP3968429B2 - 位置情報処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被計測対象（携帯電話やＰＤＡなどの小型デバイス、人体など）の絶対位置を、被計測対象に装着可能な小型・軽量かつ安価なセンサ群によって取得するための位置情報処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、位置情報取得装置としては、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）が用いられている。これは、ＧＰＳ衛星からの信号を受信し、現在の絶対位置を取得する技術であり、その他にも、位置情報取得装置に関係する技術として、環境中に設置された赤外線ビーコンや電波ビーコンから発信される信号を受信し、現在の絶対位置を取得する技術、カメラ等から得られる画像と事前に登録されている画像群データベースの各画像と照合することによって現在の絶対位置を取得する技術が知られている。
【０００３】
また、基準位置からの相対的な移動ベクトルを、車輪の速度・向きに基づいて取得する技術、慣性センサ（加速度センサ・角速度センサ・傾斜センサ）を組み合わせてこれらの計測結果を積算することによって位置情報を取得する技術、歩行者動作を検出することによって移動量を計測し、磁気コンパスなどによって移動方位を計測することによって位置情報を取得する技術などが知られている。
【特許文献１】
米国特許第５５８３７７９号明細書
【特許文献２】
特開平１１−２１１４７９号公報
【特許文献３】
特許第３０３８４５２号公報
【特許文献４】
特開平８−１７８６８１号公報
【非特許文献１】
「超音波３次元タグを用いた人の日常活動の頑強な計測〜冗長なセンサ情報に基づくロバスト位置推定〜」（第20回日本ロボット学会創立20周年記念学術講演会予稿集、3C18(1)-(4), 2002）
【非特許文献２】
「赤外線ビーコンと歩数計測を用いたウェアラブル型注釈提示システム」
（信学技報, PRMU2002-68, pp. 71-76, 2002）
【非特許文献３】
「ウェアラブル拡張現実システムのための利用者のビューベースト位置・方位取得手法」（日本バーチャルリアリティ学会論文誌, vol. 7, no. 2, pp. 139-150, 2002）
【非特許文献４】
“Constellation: A Wide-range wireless motion-tracking system for augmented reality and virtual set applications,” (SIGGRAPH 1998, pp. 371-378, 1998)
【非特許文献５】
「新版応用カルマンフィルタ」（朝倉書店, 1999）
【非特許文献６】
“Introduction to Random Signals and Applied Kalman Filtering (Third Edition)”, (John Wiley & Sons.)
【非特許文献７】
“Incremental Motion-Based Location Recognition,” (Proceedings of International Symposium on Wearable Computers (ISWC2001), pp. 123-130, 2001)
【０００４】
【解決しようとする課題】
従来における技術は、絶対位置を計測する装置と相対位置を計測する装置を組み合わせて、効率的に計測対象の絶対位置を取得する観点からの配慮が欠けているという問題がある。これは、外部状態を観測するセンシング装置に基づいて推定される絶対位置は常時取得可能であるとは限らないが、このための配慮に欠けているという問題である。
【０００５】
例えば、ＧＰＳを利用する場合、衛星からの信号が遮断される環境下では、絶対位置を取得することはできない。また、画像群をデータベースに用いた位置・方位取得手法（非特許文献３を参照）では、現在位置で撮影された画像がデータベースに登録されていないとき、絶対位置を取得することはできない。絶対位置を取得するためには、多くの場合、このような問題が伴う。
【０００６】
内部状態を観測するセンシング装置に基づいて推定される相対位置移動は、常時取得可能であることが多い。例えば、慣性センサ群から構成される慣性航法装置（ＩＭＵ）においては、外部環境からのいかなる入力も必要とせず、基準位置からの相対位置移動ベクトルを算出することができる。
【０００７】
本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明は、間欠的に利用可能である絶対位置取得装置と常時利用可能である相対位置取得装置を効率的に組み合わせて、高い精度で位置情報を得ることできる位置情報処理装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の位置情報処理装置は、次のような基本的な原理を用いて位置情報の処理を行う。すなわち、一般に、センシング装置などの観測結果に基づいて算出される絶対位置には、一定の不確からしさが伴っており、その性質は用いるセンシング装置および算出方法によって異なる。なお、ここでは、離散的に観測結果が観測されるセンシング装置を対象としている。
【０００９】
このため、本発明においては、センシング装置によって観測される観測結果の確からしさの分布を考慮に入れ、観測結果に基づいて算出される絶対位置の推定結果に対して確からしさの分布を付与し、その確からしさの分布に基づいて、次の離散時刻において実行される絶対位置の推定過程を変化させる。
【００１０】
本発明の位置情報処理装置においては、計測対象が移動しうる範囲内の外部環境に関する事前の知識となる情報データベース装置が具備されている。この情報データベース装置は、絶対位置を情報検索のためのキーとして用いることができるものであり、位置情報処理では、現在の絶対位置の推定結果とその確からしさの分布に基づいて、現在の絶対位置の候補範囲を定めることにより、現在の状態に対応する情報を検索し、参照して、効率的に絶対位置の推定処理過程を遂行することができるようにする。
【００１１】
具体的には、本発明の位置情報処理装置は、第１の態様として、計測対象の外部状態を観測する外部状態センシング装置と、前記計測対象の内部状態を観測する内部状態センシング装置と、前記計測対象の現在の絶対位置の推定結果を記憶する位置記憶装置と、前記計測対象の現在の絶対位置の推定結果の確からしさの分布を記憶する分布記憶装置と、前記計測対象が移動しうる範囲の外部環境に関する情報を記憶し、絶対位置の候補範囲を検索キーとして用いて記憶されている情報を検索し、該当する情報を取り出す機構を備えた情報データベース装置と、外部状態センシング装置により外部状態の観測結果が得られた場合、前記位置記憶装置から読み出される現在の絶対位置の推定結果および前記分布記憶装置から読み出される現在の絶対位置の推定結果の確からしさの分布によって決定される現在の絶対位置の候補範囲を検索キーとして、前記情報データベース装置から取り出された前記検索キーに該当する情報と、前記外部状態センシング装置が取得した観測結果とを照合し、前記計測対象の最新の絶対位置の推定結果および前記推定結果の確からしさの分布を取得する絶対位置分布取得装置と、前記内部状態センシング装置の観測結果と、前記観測結果の確からしさの分布に基づいて、前記計測対象の相対的な位置移動ベクトルによる相対位置の推定結果および前記推定結果の確からしさの分布を常時取得する相対位置分布取得装置と、前記絶対位置分布取得装置により取得された絶対位置の推定結果と前記相対位置分布取得装置により取得された相対位置の推定結果を併合して、現在の絶対位置の推定結果を更新・取得する位置推定結果併合更新装置と、前記絶対位置分布取得装置により取得された絶対位置の推定結果の確からしさの分布と前記相対位置分布取得装置により取得された相対位置の推定結果の確からしさの分布をカルマンフィルタの枠組みにより併合して、現在の絶対位置の推定結果の確からしさの分布を更新する分布併合更新装置と、前記位置推定結果併合更新装置によって取得された最新の絶対位置の推定結果を前記位置記憶装置に格納し、前記分布併合更新装置によって取得された最新の前記推定結果の確からしさの分布を前記分布記憶装置に格納する格納処理装置と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明の位置情報処理装置は、第２の態様として、前記絶対位置分布取得装置は、前記位置記憶装置から読み出される絶対位置の推定結果と、前記分布記憶装置から読み出される絶対位置の推定結果の確からしさの分布によって決定される絶対位置の候補範囲を検索キーとして前記情報データベース装置から取り出される情報と、前記外部状態センシング装置から得られる観測結果とを照合することで、絶対位置の推定結果と前記推定結果の確からしさの分布を取得する照合処理装置を含む構成とされることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の位置情報処理装置は、第３の態様として、前記計測対象の前記外部状態センシング装置は、画像撮影装置を含み、前記情報データベース装置は、撮影位置が既知である画像群を、外部環境に関する情報として記憶し、前記現在の絶対位置の推定結果と前記推定結果の分布に基づいて決定される検索キーにより現在の絶対位置の候補範囲内に撮影位置が含まれる画像群を検索し、該当する画像群を取り出す機構を備えた画像群データベース装置を含んでおり、前記絶対位置分布取得装置は、前記位置記憶装置から読み出される現在の絶対位置の推定結果と、前記分布記憶装置から読み出される現在の絶対位置の推定結果の確からしさの分布に基づいて決定される現在の絶対位置の候補範囲を検索キーとして前記情報データベース装置を検索し、検索結果に該当する画像群が存在するとき、前記画像群の各画像もしくは前記画像群の各画像の特徴量と、前記画像撮影装置から取得される画像もしくは前記画像撮影装置から取得される画像の特徴量を照合する画像照合装置を含む構成とされることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明の位置情報処理装置は、第４の態様として、前記計測対象として歩行する人間を対象とし、歩行者の移動手段である歩行動作による相対位置移動を計測するための内部状態センシング装置として、慣性センサ群および磁気センサを用い、前記相対位置分布取得装置には、慣性センサ群と磁気センサのセンサ出力と前記慣性センサ群と磁気センサによる観測結果の確からしさの分布に基づいて、歩行者の歩行動作検出と歩幅推定、移動方向を検出し相対位置ベクトルを算出し、前記相対位置ベクトルの確からしさの分布を算出する演算装置を備えることを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明の位置情報処理装置は、第５の態様として、前記外部状態センシング装置として、外部環境側に設置されている絶対位置に対応して固有の信号を送出している信号発生装置からの信号を受信する信号受信装置を備え、前記情報データベース装置は、固有の信号と絶対位置の対応関係をデータとして記憶しているデータベース装置であり、前記絶対位置分布取得装置は、前記信号受信装置によって信号が受信されているとき、前記受信信号に対応する絶対位置を前記データベース装置から取り出して現在の絶対位置の推定結果を取得し、前記受信信号の強度などの性質に基づいて前記推定結果の確からしさの分布を取得することを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施例を示すブロック図である。第１の実施例において、計測対象は、例えば、人や自転車、自動車、航空機などである。また、計測対象の外部状態の測定データの例としては、ＣＣＤカメラ等によって取得される画像、もしくは画像列、外部環境側に設置された赤外線ビーコンまたは電波ビーコンから発信される信号を受信する装置によって取得される信号、マイク等によって取得される音声データ、温度センサによって取得される温度、磁気センサによって取得される磁気ベクトル、光量センサによって取得される光量、もしくはこれらの組み合わせなどである。
【００１７】
外部状態センシング装置１０２は、上述したような計測対象の外部状態を取得する装置であり、具体的には、ＣＣＤカメラなどの画像撮影装置、マイクなどの音声取得装置、外部環境に設置された赤外線ビーコンまたは電波ビーコンから発信される信号の受信機（非特許文献２を参照）、外部環境に設置された信号トランスポンダ（定型信号を受信すると、自身の固有番号を表す信号を送り返す装置）群とそれらに対する信号送受信機（非特許文献４を参照）、外部環境付近の基地局情報を受信する携帯電話またはＰＨＳ、超音波信号を発信する装置および無線信号を受信する装置であって外部環境側に受信機群を備えてこれらの受信機群による３次元位置計測結果を無線信号によって送出する装置（非特許文献１を参照）、光量センサなどが用いられる。
【００１８】
情報データベース装置１０３は、計測対象が移動しうる外部環境に関する情報を記憶したデータベース装置であり、絶対位置の範囲を検索キーとして、記憶された情報から該当する情報を取り出す機構を備えている装置である。これは、磁気記憶装置（ハードディスクなど）または光記憶装置（ＣＤなど）、光磁気記憶装置に、必要な情報を記憶しておき、それらの情報を読み出すデータ処理装置により構成される。マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）および汎用計算機のプログラムの組み合わせ手段により構成される。ここに記憶される情報としては、例えば、環境中の各地点において事前に撮影された画像と前記画像が撮影された絶対位置の対応テーブル、外部環境に配置された赤外線ビーコンまたは電波ビーコンが発信する信号データとその信号が受信されうる絶対位置の対応テーブル、携帯電話またはＰＨＳによって受信される基地局情報と絶対位置の対応テーブル、などを基本単位として、絶対位置もしくはその範囲をキーとして対応する情報を取り出し可能な形式で保存されたデータである。
【００１９】
現在の絶対位置記憶装置１０５は、現在の絶対位置の推定結果を記憶している装置であり、絶対位置の確からしさ分布記憶装置１０６は、その推定結果の確からしさの分布を記憶している装置である。ここでの推定結果の確からしさの分布の例としては、単一の正規分布を仮定した場合には、絶対位置ベクトルと分散・共分散行列がある。または、絶対位置を離散化した２次元あるいは３次元テーブルにおいて、各要素に確からしさをあらわす非負数を格納する表現方法などがある。そのようなデータを利用する。
【００２０】
絶対位置の推定結果および推定結果の確からしさの分布取得装置（絶対位置分布取得装置）１０１は、外部状態センシング装置によって取得される観測結果から、記憶装置１０５から読み出される現在の絶対位置の推定結果および記憶装置１０６から読み出される前記推定結果の確からしさの分布に基づいて、最新の絶対位置の推定結果（出力１）および前記推定結果の確からしさの分布（出力２）を算出し、取得して出力する装置である。その算出過程において、情報データベース装置１０３に記憶されている情報が、以下のような過程を介して参照される。
【００２１】
記憶装置１０５から読み出される現在の絶対位置の推定結果と、記憶装置１０６から読み出される前記推定結果の確からしさの分布に基づいて、絶対位置の候補範囲を決定することができる。前記候補範囲を検索キーとして用いて、情報データベース装置１０３から、前記検索キーに該当するデータを検索し、存在する場合、該当データ群を取り出す。これらの該当データ群は現在の絶対位置の候補範囲に対応するデータであり、最新の絶対位置の推定結果と前記推定結果の算出過程に前記該当データ群を勘案することによって、より適切かつ正確な推定結果およびその分布を取得できる。該当するデータが存在しない場合、分布取得装置１０１は、有効な出力が得られないことをあらわすデータ出力を、出力１と出力２に出力する。
【００２２】
現在の絶対位置の推定結果の分布を、最新の絶対位置の推定結果および前記推定結果の分布に反映させる手段として、確からしさの分布を正規分布とみなすカルマンフィルタの枠組み（非特許文献５または非特許文献６を参照）を用いる。
【００２３】
ここでの外部状態センシング装置１０２を複数個備える場合は、後述するように、分布取得装置１０１と外部状態センシング装置１０２と情報データベース装置１０３の関係は、図１２に示すような構成として、複数個の分布取得装置（絶対位置分布取得装置）１０１（図１２の場合、Ｎ個）の出力結果を併合し、最終的な出力である絶対位置の推定結果（出力１）と前記推定結果の確からしさの分布（出力２）を生成して、出力する絶対位置の推定結果と推定結果の確からしさの併合・更新処理装置１１１を備える。
【００２４】
また、内部状態センシング装置１０９は、計測対象の内部状態を観測する装置である。ここでの内部状態の例としては、計測対象の速度ベクトルや加速度ベクトル、角速度ベクトル、角加速度ベクトル、重力加速度ベクトル（傾斜角）、磁気ベクトルなどである。計測対象が人間である場合は、人間がとる動作の有無とその大きさ（例えば、歩行動作と歩幅）などが挙げられ、内部状態センシング装置１０９は、これらのいずれかもしくはこれらの組み合わせを観測するセンサ群であり、観測結果に対して確からしさの分布を同時に取得可能なものである。相対位置の推定結果および推定結果の確からしさの分布取得装置（相対位置分布取得装置）１０４は、内部状態センシング装置１０９によって取得された観測結果と観測結果の確からしさの分布に基づいて、計測対象の相対的な移動ベクトルを算出し、相対位置の推定結果（出力１）として出力し、同時に、推定結果の確からしさの分布（出力２）を算出し、出力する装置である。
【００２５】
相対的な移動ベクトルを算出する方法として、各離散時刻における加速度ベクトルを二重積分して積算する方法、速度ベクトルを積分して積算する方法、計測対象が人間である場合は、歩行動作が人間の移動手段であるため、歩行動作の検出処理と歩幅の推定処理、移動方向の推定処理によって、人間の歩行による相対移動ベクトルを算出できる（特許文献１を参照）。人間の移動方向の推定には、磁気センサを用いて地磁気ベクトルを取得する方法、基準姿勢角からの相対的な姿勢角変化を計測する方法（特許文献２または特許文献３を参照）を用いて、移動方向の推定を行う。
【００２６】
ここでの内部状態センシング装置を複数個備える場合は、後述するように、内部状態センシング装置１０９と、相対位置の推定結果および推定結果の確からしさの分布取得装置１０４との関係は、図１３に示すような構成として、絶対位置の推定結果および相対位置の推定結果を併合して最新の現在位置を取得する装置１０７は、分布取得装置１０１からの出力１（最新の絶対位置の推定結果）と、分布取得装置１０４からの出力１（相対位置の推定結果）を併合して、最新の絶対位置の推定結果を更新して出力する。
【００２７】
絶対位置の推定結果の確からしさの分布および相対位置の推定結果の確からしさの分布を併合して最新の絶対位置の推定結果の確からしさを取得する装置１０８は、分布取得装置１０１からの出力２（最新の絶対位置の推定結果の確からしさの分布）と分布取得装置１０４からの出力２（相対位置の推定結果の確からしさの分布）を併合し、最新の絶対位置の推定結果の確からしさの分布を算出し、出力する。格納処理装置１１０は、装置１０７の出力と装置１０８の出力を、それぞれ記憶装置１０５と記憶装置１０６に格納する処理を行う装置である。
【００２８】
上記の実施例における各装置による信号処理は、汎用計算機（ＣＰＵ）のプログラム処理によっても実現される。次に、このようなプログラム処理による処理の流れについて説明する。
【００２９】
図２に示すフローチャートは、第１の実施例に対応する処理の流れを示すフローチャートである。ここで処理では、ステップＳ１０１において外部状態センシング装置１０２から観測結果を取得し、ステップＳ１０２において現在の絶対位置記憶装置１０５から現在の絶対位置の推定結果を取得し、ステップＳ１０３において絶対位置の確からしさ分布記憶装置１０６から前記推定結果の確からしさの分布を取得する。そして、ステップＳ１０４においては、ステップＳ１０２で取得された絶対位置の推定結果と、ステップＳ１０３で取得された前記推定結果の確からしさの分布に基づいて、現在の絶対位置の候補範囲を決定する。
【００３０】
ステップＳ１０５においては、ステップＳ１０４で決定された絶対位置の候補範囲をキーとして、情報データベース装置１０３から対応する情報を取り出す。次のステップＳ１０６において、ステップＳ１０１で得られた観測結果と、ステップＳ１０２で得られた現在位置の推定結果と、ステップＳ１０３で得られた前記推定結果の確からしさの分布と、ステップＳ１０５で取り出された情報に基づいて、最新の絶対位置の推定結果と、その推定結果の確からしさの分布を算出する。
【００３１】
次に、ステップＳ１０７において、内部状態センシング装置１０９から観測結果と前記観測結果の確からしさの分布を取得して、次のステップＳ１０８において、前のステップＳ１０７で得られた観測結果と確からしさの分布に基づいて、相対位置（すなわち計測対象の移動ベクトル）の推定結果とその確からしさの分布を算出する。次に、ステップＳ１０９において、ステップＳ１０６で得られた最新の絶対位置の推定結果と、ステップＳ１０８で得られた相対位置の推定結果を併合し、最新の絶対位置の推定結果を更新する。そして、ステップＳ１１０において、ステップＳ１０６で得られた最新の絶対位置の推定結果の確からしさの分布と、ステップＳ１０８で得られた相対位置の推定結果の確からしさを併合して、最新の絶対位置の推定結果の確からしさの分布を更新する。ステップＳ１１１においては、ステップＳ１０９で更新された最新の現在位置の推定結果を格納処理装置１１０を用いて記憶装置１０５へ格納し、ステップＳ１１０で更新された最新の絶対位置の推定結果の確からしさの分布を格納処理装置１１０を用いて記憶装置１０６へ格納する。次のステップＳ１１２において、ステップＳ１０９で更新された最新の絶対位置の推定結果を本装置の出力１として出力する。ステップＳ１１３においては、ステップＳ１１０で更新された最新の絶対位置の推定結果の確からしさの分布を本装置の出力２として出力する。
【００３２】
図３は、本発明の第２の実施例を示すブロック図である。第２の実施例は、第１の実施例（図１）の構成において、絶対位置取得ための装置（絶対位置の推定結果および推定結果の確からしさの分布取得装置１０１）に代えて、照合処理装置２０１を備えるものとなっている。照合処理装置２０１が行う処理である照合処理の例としては、外部状態センシング装置１０２が観測する離散時刻における単独データと、事前に取得されていたモデルパターンデータとの照合処理、外部状態センシング装置１０２が観測する離散時刻における時系列データと、事前に登録されていたモデル時系列パターンデータとの照合処理（例えば動的計画法に基づくマッチング処理）などである。
【００３３】
上記の実施例における各装置による信号処理は、汎用計算機（ＣＰＵ）のプログラム処理によっても実現される。次に、このようなプログラム処理による処理の流れについて説明する。
【００３４】
図４に示すフローチャートは、第２の実施例に対応する処理の流れを示すフローチャートである。ここで処理では、ステップＳ２０１において、外部状態センシング装置１０２から観測結果を取得し、ステップＳ２０２において、現在の絶対位置記憶装置１０５から現在の絶対位置を取得し、ステップＳ２０３において絶対位置の確からしさ分布記憶装置１０６から絶対位置の確からしさの分布を取得する。次に、ステップＳ２０４において、ステップＳ２０２で取得された絶対位置の推定結果と、ステップＳ２０３で取得された前記絶対位置の確からしさの分布に基づいて、現在の絶対位置の候補範囲を決定する。ステップＳ２０５において、ステップＳ２０４で決定された現在の絶対位置の候補範囲を検索キーとしてデータベース装置１０３から該当するデータ群を検索して取り出す。ステップＳ２０６において、ステップＳ２０１で得られた観測結果と、ステップＳ２０５で得られた該当するデータ群を照合し、その照合結果とステップＳ２０２で取得された現在位置の推定結果と、ステップＳ２０３で取得された現在位置の推定結果の確からしさの分布に基づいて、最新の絶対位置の推定結果と前記推定結果の確からしさの分布を装置２０１を用いて算出する。ステップＳ２０７において１０９から観測結果とその確からしさの分布を取得し、ステップＳ２０８において、ステップＳ２０７で取得された観測結果とその確からしさの分布に基づいて相対位置の推定結果および前記推定結果の確からしさの分布を装置１０４を用いて算出する。ステップＳ２０９において、ステップＳ２０６で算出された最新の絶対位置の推定結果と、ステップＳ２０８で算出された相対位置の推定結果を併合し、最新の絶対位置の推定結果を装置１０７を用いて算出して更新する。ステップＳ２１０において、ステップＳ２０６で算出された最新の絶対位置の推定結果の確からしさの分布と、ステップＳ２０８で算出された相対位置の推定結果の確からしさの分布を併合し、最新の絶対位置の推定結果の確からしさの分布を装置１０８を用いて算出する。ステップＳ２１１において、ステップＳ２０９で算出された最新の絶対位置の推定結果を格納処理装置１１０を用いて記憶装置１０５へ格納し、ステップＳ２１０で算出された最新の絶対位置の推定結果の分布を格納処理装置１１０を用いて記憶装置１０６へ格納する。
【００３５】
ステップＳ２１２において、ステップＳ２０９で算出された最新の絶対位置の推定結果を、出力１として出力し、ステップＳ２１３において、ステップＳ２１０で算出された最新の絶対位置の推定結果の分布を、出力２として出力する。
【００３６】
図５は、本発明の第３の実施例を示すブロック図である。第３の実施例は、第１の実施例（図１）の構成の外部状態センシング装置１０２に代えて、画像撮影装置３０１を備え、絶対位置取得ための装置（絶対位置の推定結果および推定結果の確からしさの分布取得装置１０１）に代えて、画像照合装置３０２を備える構成となっている。そのため、第１の実施例（図１）の構成の情報データベース装置１０３に変えて、画像群データベース装置３０３を備えている。
【００３７】
画像撮影装置３０１としては、例えば、ＣＣＤカメラもしくはＣＭＯＳカメラなどを用いる。画像照合装置３０２は、画像間の位置合わせ処理に基づいて画像間の幾何変換パラメータを算出し、前記変換パラメータを用いて画像間の輝度差分等が一定の閾値以下になったとき二つの画像が照合されたとみなす手法（非特許文献３を参照）を用いて画像を照合する。マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）とその手法の処理プログラムにより実装される。各画像には対応する絶対位置が対応づけられており、この画像照合により、絶対位置を求める。そのため、ここでの画像群データベース装置３０３は、画像群の各画像をその各画像が撮影された絶対位置と結びつけて記憶している記憶装置（もしくは記憶媒体）となっている。絶対位置およびその範囲が検索のキーとして与えられたとき、撮影位置が該当する画像群を検索し、取り出す機構を備えたデータベース装置である。記憶する画像群のデータベースの内容を記憶した記憶媒体（磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスクなど）とその内容を検索し、情報を取り出す汎用計算機のプログラム等によって構成される。
【００３８】
図６は、本発明の第４の実施例を示すブロック図である。この実施例の構成においては、相対位置ベクトルの推定過程において、人間の歩行動作に基づくｄｅａｄ−ｒｅｃｋｏｎｉｎｇに対する対応を行っている。このため、第１の実施例（図１）の構成の内部状態センシング装置１０９に代えて、慣性センサ群および磁気センサ４０１を備え、また、相対位置の推定結果および推定結果の確からしさの分布取得装置１０４に代えて、歩行動作検出に基づく相対位置の推定結果および確からしさの分布を取得する装置４０２を備えている。
【００３９】
人間の歩行動作を検出するセンサとしては、鉛直方向の加速度成分と進行方向への加速度成分に検出し、その時系列パターンの照合により、人間の歩行動作を精度良く検出する。このため、人間の歩行移動の方向を検出する手段として、地磁気ベクトルを検出する磁気センサを用いる。
【００４０】
この実施例では、内部状態センシング装置１０９として、すなわち、内部状態センシング装置１０９に代えて、慣性センサ群（例えば加速度センサ（３軸）とジャイロセンサ（３軸））と地磁気ベクトルを計測する磁気センサ（３軸）を用いる。これらのセンサはいずれも誤差分布の特性が既知（概ね正規分布を用いて近似可能）であり、したがって、観測結果の確からしさの分布を得ることができる。また、前述したように、相対位置の推定結果および推定結果の確からしさの分布取得装置１０４に代えて、慣性センサ群と磁気センサによる観測結果とその確からしさの分布に基づいて、歩行動作の検出と歩幅の推定、移動方向の検出を処理する装置４０２を備える。慣性センサ群と磁気センサによる観測結果とその確からしさの分布に基づいて、歩行動作の検出と歩幅の推定、移動方向の検出を実現する方法は、公知であり、この発明とは直接関係しないので、詳細な説明は省略する（特許文献１、非特許文献７を参照）
【００４１】
図７は、本発明の第５の実施例を示すブロック図であり、また、図８は、第５の実施例に対応する処理の流れを示すフローチャートである。図７に示す第５の実施例は、図５に示す第３の実施例の要素と、図６に示す第４の実施例の要素を組み合わせたものとなっている。
【００４２】
上記の実施例における各装置による信号処理については、図８に示すフローチャートのように、汎用計算機（ＣＰＵ）によるプログラム処理によっても実現される。
【００４３】
図９は、本発明の第６の実施例を示すブロック図である。この実施例においては、外部環境側に設置されたビーコン信号（設置された絶対位置に固有の信号）を送出するビーコン信号発生装置５０３を利用するための構成となっている。そのため、外部状態センシング装置１０２に代えて、ビーコン信号を受信するビーコン信号受信装置５０２を備え、絶対位置の推定結果および推定結果の確からしさの分布取得装置１０１に代えて、ビーコン信号照合装置およびビーコン信号強度処理装置５０１を備えた構成としている。また、情報データベース装置１０３に代えて、ビーコン信号情報データベース装置５０４を備える構成としている。ビーコン信号情報データベース装置５０４は、ビーコン信号とその信号が対応する絶対位置の対応関係を記憶し、ビーコン信号を検索のキーとして該当する絶対位置を検索し、取り出す機構を備えているものである。
【００４４】
ビーコン信号照合処理およびビーコン信号強度処理装置５０２は、ビーコン信号発生装置５０３から発信され、ビーコン信号受信装置５０２において受信されたビーコン信号を検索のキーとして、ビーコン信号情報データベース装置５０４に対して検索し、該当する絶対位置を取り出すことによって、現在の絶対位置の推定結果を取得し、受信されたビーコン信号の強度や方向などから推定結果の確からしさの分布を算出する。
【００４５】
上記の実施例における各装置による信号処理は、汎用計算機（ＣＰＵ）のプログラム処理によっても実現される。次に、このようなプログラム処理による処理の流れについて説明する。
【００４６】
図１０に示すフローチャートは、第６の実施例に対応する処理の流れを示すフローチャートである。この処理においては、まず、ステップＳ５０１において、ビーコン信号受信装置５０２からビーコン信号を取得する（存在する場合に限られる）。次に、ステップＳ５０２においては、受信したビーコン信号を検索キーとして、ビーコン信号情報データベース装置５０４を検索し、ビーコン信号に対応する絶対位置を取り出すことで、絶対位置の推定結果を取得する。
【００４７】
そして、ステップＳ５０３において、ステップＳ５０１で受信したビーコン信号の強度や方向などの性質に基づいて、ステップＳ５０２で取得された絶対位置の推定結果の確からしさの分布を算出する。次に、ステップＳ５０４において内部状態センシング装置から観測結果とその確からしさの分布を取得する。ステップＳ５０５においては、ステップＳ５０４で取得された観測結果と前記観測結果の確からしさの分布に基づいて相対位置の推定結果および前記推定結果の確からしさの分布を算出する。ステップＳ５０６においては、ステップＳ５０２で得られた絶対位置の推定結果と、ステップＳ５０５で得られた相対位置の推定結果を併合して、最新の絶対位置の推定結果を算出する。
【００４８】
次のステップＳ５０７においては、ステップＳ５０３で得られた絶対位置の推定結果の確からしさの分布と、ステップＳ５０５で得られた相対位置の推定結果の確からしさの分布を併合して、最新の絶対位置の推定結果の確からしさの分布を算出する。ステップＳ５０８においては、ステップＳ５０６で算出された絶対位置の推定結果を格納処理装置１１０を用いて記憶装置１０５へ格納し、ステップＳ５０７で取得された絶対位置の推定結果の確からしさの分布を、格納処理装置１１０を用いて記憶装置１０６へ格納する。
【００４９】
ステップＳ５０９において、ステップＳ５０６で算出された絶対位置の推定結果を本装置の出力１として出力し、ステップＳ５１０において、ステップＳ５０７で算出された絶対位置の推定結果の確からしさの分布を本装置の出力２として出力する。
【００５０】
図１１は、本発明の第７の実施例を示すブロック図である。図１１に示す第７の実施例は、図６に示す第４の実施例の要素と、図９に示す第６の実施例の要素を組み合わせたものとなっている。
【００５１】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明による位置情報処理装置の各実施例の構成を用いることで、一般的に高い計算コストを要し、必ずしも常時実行可能であることが保証されない絶対位置取得過程を効率よく実行することができる。具体的に説明すると、絶対位置の推定結果とその確からしさの分布から決定される絶対位置の候補範囲を検索キーとして情報データベース装置から該当データを検索し、該当データが存在しない場合には、絶対位置取得過程を実行せず、該当データが存在する場合について、外部状態センシング装置が取得した観測結果と該当データを照合することにより、該当データのみに基づいた絶対位置取得を実行すれば良いため、必要な計算コストは低く抑えることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施例を示すブロック図である。
【図２】 第１の実施例に対応する処理の流れを示すフローチャートである。
【図３】 本発明の第２の実施例を示すブロック図である。
【図４】 第２の実施例に対応する処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】 本発明の第３の実施例を示すブロック図である。
【図６】 本発明の第４の実施例を示すブロック図である。
【図７】 本発明の第５の実施例を示すブロック図である。
【図８】 第５の実施例に対応する処理の流れを示すフローチャートである。
【図９】 本発明の第６の実施例を示すブロック図である。
【図１０】 第６の実施例に対応する処理の流れを示すフローチャートである。
【図１１】 本発明の第７の実施例を示すブロック図である。
【図１２】 外部状態センシング装置を複数備える場合の変形例の構成を示す図である。
【図１３】 内部状態センシング装置を複数備える場合の変形例の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０１…分布取得装置、
１０２…外部状態センシング装置、
１０３…情報データベース装置、
１０４…分布取得装置、
１０５…現在の絶対位置記憶装置、
１０６…絶対位置の確からしさ分布記憶装置、
１０７…併合装置、
１０８…確からしさ取得装置、
１０９…内部状態センシング装置、
１１０…格納処理装置、
【発明の属する技術分野】
本発明は、被計測対象（携帯電話やＰＤＡなどの小型デバイス、人体など）の絶対位置を、被計測対象に装着可能な小型・軽量かつ安価なセンサ群によって取得するための位置情報処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、位置情報取得装置としては、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）が用いられている。これは、ＧＰＳ衛星からの信号を受信し、現在の絶対位置を取得する技術であり、その他にも、位置情報取得装置に関係する技術として、環境中に設置された赤外線ビーコンや電波ビーコンから発信される信号を受信し、現在の絶対位置を取得する技術、カメラ等から得られる画像と事前に登録されている画像群データベースの各画像と照合することによって現在の絶対位置を取得する技術が知られている。
【０００３】
また、基準位置からの相対的な移動ベクトルを、車輪の速度・向きに基づいて取得する技術、慣性センサ（加速度センサ・角速度センサ・傾斜センサ）を組み合わせてこれらの計測結果を積算することによって位置情報を取得する技術、歩行者動作を検出することによって移動量を計測し、磁気コンパスなどによって移動方位を計測することによって位置情報を取得する技術などが知られている。
【特許文献１】
米国特許第５５８３７７９号明細書
【特許文献２】
特開平１１−２１１４７９号公報
【特許文献３】
特許第３０３８４５２号公報
【特許文献４】
特開平８−１７８６８１号公報
【非特許文献１】
「超音波３次元タグを用いた人の日常活動の頑強な計測〜冗長なセンサ情報に基づくロバスト位置推定〜」（第20回日本ロボット学会創立20周年記念学術講演会予稿集、3C18(1)-(4), 2002）
【非特許文献２】
「赤外線ビーコンと歩数計測を用いたウェアラブル型注釈提示システム」
（信学技報, PRMU2002-68, pp. 71-76, 2002）
【非特許文献３】
「ウェアラブル拡張現実システムのための利用者のビューベースト位置・方位取得手法」（日本バーチャルリアリティ学会論文誌, vol. 7, no. 2, pp. 139-150, 2002）
【非特許文献４】
“Constellation: A Wide-range wireless motion-tracking system for augmented reality and virtual set applications,” (SIGGRAPH 1998, pp. 371-378, 1998)
【非特許文献５】
「新版応用カルマンフィルタ」（朝倉書店, 1999）
【非特許文献６】
“Introduction to Random Signals and Applied Kalman Filtering (Third Edition)”, (John Wiley & Sons.)
【非特許文献７】
“Incremental Motion-Based Location Recognition,” (Proceedings of International Symposium on Wearable Computers (ISWC2001), pp. 123-130, 2001)
【０００４】
【解決しようとする課題】
従来における技術は、絶対位置を計測する装置と相対位置を計測する装置を組み合わせて、効率的に計測対象の絶対位置を取得する観点からの配慮が欠けているという問題がある。これは、外部状態を観測するセンシング装置に基づいて推定される絶対位置は常時取得可能であるとは限らないが、このための配慮に欠けているという問題である。
【０００５】
例えば、ＧＰＳを利用する場合、衛星からの信号が遮断される環境下では、絶対位置を取得することはできない。また、画像群をデータベースに用いた位置・方位取得手法（非特許文献３を参照）では、現在位置で撮影された画像がデータベースに登録されていないとき、絶対位置を取得することはできない。絶対位置を取得するためには、多くの場合、このような問題が伴う。
【０００６】
内部状態を観測するセンシング装置に基づいて推定される相対位置移動は、常時取得可能であることが多い。例えば、慣性センサ群から構成される慣性航法装置（ＩＭＵ）においては、外部環境からのいかなる入力も必要とせず、基準位置からの相対位置移動ベクトルを算出することができる。
【０００７】
本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明は、間欠的に利用可能である絶対位置取得装置と常時利用可能である相対位置取得装置を効率的に組み合わせて、高い精度で位置情報を得ることできる位置情報処理装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の位置情報処理装置は、次のような基本的な原理を用いて位置情報の処理を行う。すなわち、一般に、センシング装置などの観測結果に基づいて算出される絶対位置には、一定の不確からしさが伴っており、その性質は用いるセンシング装置および算出方法によって異なる。なお、ここでは、離散的に観測結果が観測されるセンシング装置を対象としている。
【０００９】
このため、本発明においては、センシング装置によって観測される観測結果の確からしさの分布を考慮に入れ、観測結果に基づいて算出される絶対位置の推定結果に対して確からしさの分布を付与し、その確からしさの分布に基づいて、次の離散時刻において実行される絶対位置の推定過程を変化させる。
【００１０】
本発明の位置情報処理装置においては、計測対象が移動しうる範囲内の外部環境に関する事前の知識となる情報データベース装置が具備されている。この情報データベース装置は、絶対位置を情報検索のためのキーとして用いることができるものであり、位置情報処理では、現在の絶対位置の推定結果とその確からしさの分布に基づいて、現在の絶対位置の候補範囲を定めることにより、現在の状態に対応する情報を検索し、参照して、効率的に絶対位置の推定処理過程を遂行することができるようにする。
【００１１】
具体的には、本発明の位置情報処理装置は、第１の態様として、計測対象の外部状態を観測する外部状態センシング装置と、前記計測対象の内部状態を観測する内部状態センシング装置と、前記計測対象の現在の絶対位置の推定結果を記憶する位置記憶装置と、前記計測対象の現在の絶対位置の推定結果の確からしさの分布を記憶する分布記憶装置と、前記計測対象が移動しうる範囲の外部環境に関する情報を記憶し、絶対位置の候補範囲を検索キーとして用いて記憶されている情報を検索し、該当する情報を取り出す機構を備えた情報データベース装置と、外部状態センシング装置により外部状態の観測結果が得られた場合、前記位置記憶装置から読み出される現在の絶対位置の推定結果および前記分布記憶装置から読み出される現在の絶対位置の推定結果の確からしさの分布によって決定される現在の絶対位置の候補範囲を検索キーとして、前記情報データベース装置から取り出された前記検索キーに該当する情報と、前記外部状態センシング装置が取得した観測結果とを照合し、前記計測対象の最新の絶対位置の推定結果および前記推定結果の確からしさの分布を取得する絶対位置分布取得装置と、前記内部状態センシング装置の観測結果と、前記観測結果の確からしさの分布に基づいて、前記計測対象の相対的な位置移動ベクトルによる相対位置の推定結果および前記推定結果の確からしさの分布を常時取得する相対位置分布取得装置と、前記絶対位置分布取得装置により取得された絶対位置の推定結果と前記相対位置分布取得装置により取得された相対位置の推定結果を併合して、現在の絶対位置の推定結果を更新・取得する位置推定結果併合更新装置と、前記絶対位置分布取得装置により取得された絶対位置の推定結果の確からしさの分布と前記相対位置分布取得装置により取得された相対位置の推定結果の確からしさの分布をカルマンフィルタの枠組みにより併合して、現在の絶対位置の推定結果の確からしさの分布を更新する分布併合更新装置と、前記位置推定結果併合更新装置によって取得された最新の絶対位置の推定結果を前記位置記憶装置に格納し、前記分布併合更新装置によって取得された最新の前記推定結果の確からしさの分布を前記分布記憶装置に格納する格納処理装置と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明の位置情報処理装置は、第２の態様として、前記絶対位置分布取得装置は、前記位置記憶装置から読み出される絶対位置の推定結果と、前記分布記憶装置から読み出される絶対位置の推定結果の確からしさの分布によって決定される絶対位置の候補範囲を検索キーとして前記情報データベース装置から取り出される情報と、前記外部状態センシング装置から得られる観測結果とを照合することで、絶対位置の推定結果と前記推定結果の確からしさの分布を取得する照合処理装置を含む構成とされることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の位置情報処理装置は、第３の態様として、前記計測対象の前記外部状態センシング装置は、画像撮影装置を含み、前記情報データベース装置は、撮影位置が既知である画像群を、外部環境に関する情報として記憶し、前記現在の絶対位置の推定結果と前記推定結果の分布に基づいて決定される検索キーにより現在の絶対位置の候補範囲内に撮影位置が含まれる画像群を検索し、該当する画像群を取り出す機構を備えた画像群データベース装置を含んでおり、前記絶対位置分布取得装置は、前記位置記憶装置から読み出される現在の絶対位置の推定結果と、前記分布記憶装置から読み出される現在の絶対位置の推定結果の確からしさの分布に基づいて決定される現在の絶対位置の候補範囲を検索キーとして前記情報データベース装置を検索し、検索結果に該当する画像群が存在するとき、前記画像群の各画像もしくは前記画像群の各画像の特徴量と、前記画像撮影装置から取得される画像もしくは前記画像撮影装置から取得される画像の特徴量を照合する画像照合装置を含む構成とされることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明の位置情報処理装置は、第４の態様として、前記計測対象として歩行する人間を対象とし、歩行者の移動手段である歩行動作による相対位置移動を計測するための内部状態センシング装置として、慣性センサ群および磁気センサを用い、前記相対位置分布取得装置には、慣性センサ群と磁気センサのセンサ出力と前記慣性センサ群と磁気センサによる観測結果の確からしさの分布に基づいて、歩行者の歩行動作検出と歩幅推定、移動方向を検出し相対位置ベクトルを算出し、前記相対位置ベクトルの確からしさの分布を算出する演算装置を備えることを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明の位置情報処理装置は、第５の態様として、前記外部状態センシング装置として、外部環境側に設置されている絶対位置に対応して固有の信号を送出している信号発生装置からの信号を受信する信号受信装置を備え、前記情報データベース装置は、固有の信号と絶対位置の対応関係をデータとして記憶しているデータベース装置であり、前記絶対位置分布取得装置は、前記信号受信装置によって信号が受信されているとき、前記受信信号に対応する絶対位置を前記データベース装置から取り出して現在の絶対位置の推定結果を取得し、前記受信信号の強度などの性質に基づいて前記推定結果の確からしさの分布を取得することを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施例を示すブロック図である。第１の実施例において、計測対象は、例えば、人や自転車、自動車、航空機などである。また、計測対象の外部状態の測定データの例としては、ＣＣＤカメラ等によって取得される画像、もしくは画像列、外部環境側に設置された赤外線ビーコンまたは電波ビーコンから発信される信号を受信する装置によって取得される信号、マイク等によって取得される音声データ、温度センサによって取得される温度、磁気センサによって取得される磁気ベクトル、光量センサによって取得される光量、もしくはこれらの組み合わせなどである。
【００１７】
外部状態センシング装置１０２は、上述したような計測対象の外部状態を取得する装置であり、具体的には、ＣＣＤカメラなどの画像撮影装置、マイクなどの音声取得装置、外部環境に設置された赤外線ビーコンまたは電波ビーコンから発信される信号の受信機（非特許文献２を参照）、外部環境に設置された信号トランスポンダ（定型信号を受信すると、自身の固有番号を表す信号を送り返す装置）群とそれらに対する信号送受信機（非特許文献４を参照）、外部環境付近の基地局情報を受信する携帯電話またはＰＨＳ、超音波信号を発信する装置および無線信号を受信する装置であって外部環境側に受信機群を備えてこれらの受信機群による３次元位置計測結果を無線信号によって送出する装置（非特許文献１を参照）、光量センサなどが用いられる。
【００１８】
情報データベース装置１０３は、計測対象が移動しうる外部環境に関する情報を記憶したデータベース装置であり、絶対位置の範囲を検索キーとして、記憶された情報から該当する情報を取り出す機構を備えている装置である。これは、磁気記憶装置（ハードディスクなど）または光記憶装置（ＣＤなど）、光磁気記憶装置に、必要な情報を記憶しておき、それらの情報を読み出すデータ処理装置により構成される。マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）および汎用計算機のプログラムの組み合わせ手段により構成される。ここに記憶される情報としては、例えば、環境中の各地点において事前に撮影された画像と前記画像が撮影された絶対位置の対応テーブル、外部環境に配置された赤外線ビーコンまたは電波ビーコンが発信する信号データとその信号が受信されうる絶対位置の対応テーブル、携帯電話またはＰＨＳによって受信される基地局情報と絶対位置の対応テーブル、などを基本単位として、絶対位置もしくはその範囲をキーとして対応する情報を取り出し可能な形式で保存されたデータである。
【００１９】
現在の絶対位置記憶装置１０５は、現在の絶対位置の推定結果を記憶している装置であり、絶対位置の確からしさ分布記憶装置１０６は、その推定結果の確からしさの分布を記憶している装置である。ここでの推定結果の確からしさの分布の例としては、単一の正規分布を仮定した場合には、絶対位置ベクトルと分散・共分散行列がある。または、絶対位置を離散化した２次元あるいは３次元テーブルにおいて、各要素に確からしさをあらわす非負数を格納する表現方法などがある。そのようなデータを利用する。
【００２０】
絶対位置の推定結果および推定結果の確からしさの分布取得装置（絶対位置分布取得装置）１０１は、外部状態センシング装置によって取得される観測結果から、記憶装置１０５から読み出される現在の絶対位置の推定結果および記憶装置１０６から読み出される前記推定結果の確からしさの分布に基づいて、最新の絶対位置の推定結果（出力１）および前記推定結果の確からしさの分布（出力２）を算出し、取得して出力する装置である。その算出過程において、情報データベース装置１０３に記憶されている情報が、以下のような過程を介して参照される。
【００２１】
記憶装置１０５から読み出される現在の絶対位置の推定結果と、記憶装置１０６から読み出される前記推定結果の確からしさの分布に基づいて、絶対位置の候補範囲を決定することができる。前記候補範囲を検索キーとして用いて、情報データベース装置１０３から、前記検索キーに該当するデータを検索し、存在する場合、該当データ群を取り出す。これらの該当データ群は現在の絶対位置の候補範囲に対応するデータであり、最新の絶対位置の推定結果と前記推定結果の算出過程に前記該当データ群を勘案することによって、より適切かつ正確な推定結果およびその分布を取得できる。該当するデータが存在しない場合、分布取得装置１０１は、有効な出力が得られないことをあらわすデータ出力を、出力１と出力２に出力する。
【００２２】
現在の絶対位置の推定結果の分布を、最新の絶対位置の推定結果および前記推定結果の分布に反映させる手段として、確からしさの分布を正規分布とみなすカルマンフィルタの枠組み（非特許文献５または非特許文献６を参照）を用いる。
【００２３】
ここでの外部状態センシング装置１０２を複数個備える場合は、後述するように、分布取得装置１０１と外部状態センシング装置１０２と情報データベース装置１０３の関係は、図１２に示すような構成として、複数個の分布取得装置（絶対位置分布取得装置）１０１（図１２の場合、Ｎ個）の出力結果を併合し、最終的な出力である絶対位置の推定結果（出力１）と前記推定結果の確からしさの分布（出力２）を生成して、出力する絶対位置の推定結果と推定結果の確からしさの併合・更新処理装置１１１を備える。
【００２４】
また、内部状態センシング装置１０９は、計測対象の内部状態を観測する装置である。ここでの内部状態の例としては、計測対象の速度ベクトルや加速度ベクトル、角速度ベクトル、角加速度ベクトル、重力加速度ベクトル（傾斜角）、磁気ベクトルなどである。計測対象が人間である場合は、人間がとる動作の有無とその大きさ（例えば、歩行動作と歩幅）などが挙げられ、内部状態センシング装置１０９は、これらのいずれかもしくはこれらの組み合わせを観測するセンサ群であり、観測結果に対して確からしさの分布を同時に取得可能なものである。相対位置の推定結果および推定結果の確からしさの分布取得装置（相対位置分布取得装置）１０４は、内部状態センシング装置１０９によって取得された観測結果と観測結果の確からしさの分布に基づいて、計測対象の相対的な移動ベクトルを算出し、相対位置の推定結果（出力１）として出力し、同時に、推定結果の確からしさの分布（出力２）を算出し、出力する装置である。
【００２５】
相対的な移動ベクトルを算出する方法として、各離散時刻における加速度ベクトルを二重積分して積算する方法、速度ベクトルを積分して積算する方法、計測対象が人間である場合は、歩行動作が人間の移動手段であるため、歩行動作の検出処理と歩幅の推定処理、移動方向の推定処理によって、人間の歩行による相対移動ベクトルを算出できる（特許文献１を参照）。人間の移動方向の推定には、磁気センサを用いて地磁気ベクトルを取得する方法、基準姿勢角からの相対的な姿勢角変化を計測する方法（特許文献２または特許文献３を参照）を用いて、移動方向の推定を行う。
【００２６】
ここでの内部状態センシング装置を複数個備える場合は、後述するように、内部状態センシング装置１０９と、相対位置の推定結果および推定結果の確からしさの分布取得装置１０４との関係は、図１３に示すような構成として、絶対位置の推定結果および相対位置の推定結果を併合して最新の現在位置を取得する装置１０７は、分布取得装置１０１からの出力１（最新の絶対位置の推定結果）と、分布取得装置１０４からの出力１（相対位置の推定結果）を併合して、最新の絶対位置の推定結果を更新して出力する。
【００２７】
絶対位置の推定結果の確からしさの分布および相対位置の推定結果の確からしさの分布を併合して最新の絶対位置の推定結果の確からしさを取得する装置１０８は、分布取得装置１０１からの出力２（最新の絶対位置の推定結果の確からしさの分布）と分布取得装置１０４からの出力２（相対位置の推定結果の確からしさの分布）を併合し、最新の絶対位置の推定結果の確からしさの分布を算出し、出力する。格納処理装置１１０は、装置１０７の出力と装置１０８の出力を、それぞれ記憶装置１０５と記憶装置１０６に格納する処理を行う装置である。
【００２８】
上記の実施例における各装置による信号処理は、汎用計算機（ＣＰＵ）のプログラム処理によっても実現される。次に、このようなプログラム処理による処理の流れについて説明する。
【００２９】
図２に示すフローチャートは、第１の実施例に対応する処理の流れを示すフローチャートである。ここで処理では、ステップＳ１０１において外部状態センシング装置１０２から観測結果を取得し、ステップＳ１０２において現在の絶対位置記憶装置１０５から現在の絶対位置の推定結果を取得し、ステップＳ１０３において絶対位置の確からしさ分布記憶装置１０６から前記推定結果の確からしさの分布を取得する。そして、ステップＳ１０４においては、ステップＳ１０２で取得された絶対位置の推定結果と、ステップＳ１０３で取得された前記推定結果の確からしさの分布に基づいて、現在の絶対位置の候補範囲を決定する。
【００３０】
ステップＳ１０５においては、ステップＳ１０４で決定された絶対位置の候補範囲をキーとして、情報データベース装置１０３から対応する情報を取り出す。次のステップＳ１０６において、ステップＳ１０１で得られた観測結果と、ステップＳ１０２で得られた現在位置の推定結果と、ステップＳ１０３で得られた前記推定結果の確からしさの分布と、ステップＳ１０５で取り出された情報に基づいて、最新の絶対位置の推定結果と、その推定結果の確からしさの分布を算出する。
【００３１】
次に、ステップＳ１０７において、内部状態センシング装置１０９から観測結果と前記観測結果の確からしさの分布を取得して、次のステップＳ１０８において、前のステップＳ１０７で得られた観測結果と確からしさの分布に基づいて、相対位置（すなわち計測対象の移動ベクトル）の推定結果とその確からしさの分布を算出する。次に、ステップＳ１０９において、ステップＳ１０６で得られた最新の絶対位置の推定結果と、ステップＳ１０８で得られた相対位置の推定結果を併合し、最新の絶対位置の推定結果を更新する。そして、ステップＳ１１０において、ステップＳ１０６で得られた最新の絶対位置の推定結果の確からしさの分布と、ステップＳ１０８で得られた相対位置の推定結果の確からしさを併合して、最新の絶対位置の推定結果の確からしさの分布を更新する。ステップＳ１１１においては、ステップＳ１０９で更新された最新の現在位置の推定結果を格納処理装置１１０を用いて記憶装置１０５へ格納し、ステップＳ１１０で更新された最新の絶対位置の推定結果の確からしさの分布を格納処理装置１１０を用いて記憶装置１０６へ格納する。次のステップＳ１１２において、ステップＳ１０９で更新された最新の絶対位置の推定結果を本装置の出力１として出力する。ステップＳ１１３においては、ステップＳ１１０で更新された最新の絶対位置の推定結果の確からしさの分布を本装置の出力２として出力する。
【００３２】
図３は、本発明の第２の実施例を示すブロック図である。第２の実施例は、第１の実施例（図１）の構成において、絶対位置取得ための装置（絶対位置の推定結果および推定結果の確からしさの分布取得装置１０１）に代えて、照合処理装置２０１を備えるものとなっている。照合処理装置２０１が行う処理である照合処理の例としては、外部状態センシング装置１０２が観測する離散時刻における単独データと、事前に取得されていたモデルパターンデータとの照合処理、外部状態センシング装置１０２が観測する離散時刻における時系列データと、事前に登録されていたモデル時系列パターンデータとの照合処理（例えば動的計画法に基づくマッチング処理）などである。
【００３３】
上記の実施例における各装置による信号処理は、汎用計算機（ＣＰＵ）のプログラム処理によっても実現される。次に、このようなプログラム処理による処理の流れについて説明する。
【００３４】
図４に示すフローチャートは、第２の実施例に対応する処理の流れを示すフローチャートである。ここで処理では、ステップＳ２０１において、外部状態センシング装置１０２から観測結果を取得し、ステップＳ２０２において、現在の絶対位置記憶装置１０５から現在の絶対位置を取得し、ステップＳ２０３において絶対位置の確からしさ分布記憶装置１０６から絶対位置の確からしさの分布を取得する。次に、ステップＳ２０４において、ステップＳ２０２で取得された絶対位置の推定結果と、ステップＳ２０３で取得された前記絶対位置の確からしさの分布に基づいて、現在の絶対位置の候補範囲を決定する。ステップＳ２０５において、ステップＳ２０４で決定された現在の絶対位置の候補範囲を検索キーとしてデータベース装置１０３から該当するデータ群を検索して取り出す。ステップＳ２０６において、ステップＳ２０１で得られた観測結果と、ステップＳ２０５で得られた該当するデータ群を照合し、その照合結果とステップＳ２０２で取得された現在位置の推定結果と、ステップＳ２０３で取得された現在位置の推定結果の確からしさの分布に基づいて、最新の絶対位置の推定結果と前記推定結果の確からしさの分布を装置２０１を用いて算出する。ステップＳ２０７において１０９から観測結果とその確からしさの分布を取得し、ステップＳ２０８において、ステップＳ２０７で取得された観測結果とその確からしさの分布に基づいて相対位置の推定結果および前記推定結果の確からしさの分布を装置１０４を用いて算出する。ステップＳ２０９において、ステップＳ２０６で算出された最新の絶対位置の推定結果と、ステップＳ２０８で算出された相対位置の推定結果を併合し、最新の絶対位置の推定結果を装置１０７を用いて算出して更新する。ステップＳ２１０において、ステップＳ２０６で算出された最新の絶対位置の推定結果の確からしさの分布と、ステップＳ２０８で算出された相対位置の推定結果の確からしさの分布を併合し、最新の絶対位置の推定結果の確からしさの分布を装置１０８を用いて算出する。ステップＳ２１１において、ステップＳ２０９で算出された最新の絶対位置の推定結果を格納処理装置１１０を用いて記憶装置１０５へ格納し、ステップＳ２１０で算出された最新の絶対位置の推定結果の分布を格納処理装置１１０を用いて記憶装置１０６へ格納する。
【００３５】
ステップＳ２１２において、ステップＳ２０９で算出された最新の絶対位置の推定結果を、出力１として出力し、ステップＳ２１３において、ステップＳ２１０で算出された最新の絶対位置の推定結果の分布を、出力２として出力する。
【００３６】
図５は、本発明の第３の実施例を示すブロック図である。第３の実施例は、第１の実施例（図１）の構成の外部状態センシング装置１０２に代えて、画像撮影装置３０１を備え、絶対位置取得ための装置（絶対位置の推定結果および推定結果の確からしさの分布取得装置１０１）に代えて、画像照合装置３０２を備える構成となっている。そのため、第１の実施例（図１）の構成の情報データベース装置１０３に変えて、画像群データベース装置３０３を備えている。
【００３７】
画像撮影装置３０１としては、例えば、ＣＣＤカメラもしくはＣＭＯＳカメラなどを用いる。画像照合装置３０２は、画像間の位置合わせ処理に基づいて画像間の幾何変換パラメータを算出し、前記変換パラメータを用いて画像間の輝度差分等が一定の閾値以下になったとき二つの画像が照合されたとみなす手法（非特許文献３を参照）を用いて画像を照合する。マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）とその手法の処理プログラムにより実装される。各画像には対応する絶対位置が対応づけられており、この画像照合により、絶対位置を求める。そのため、ここでの画像群データベース装置３０３は、画像群の各画像をその各画像が撮影された絶対位置と結びつけて記憶している記憶装置（もしくは記憶媒体）となっている。絶対位置およびその範囲が検索のキーとして与えられたとき、撮影位置が該当する画像群を検索し、取り出す機構を備えたデータベース装置である。記憶する画像群のデータベースの内容を記憶した記憶媒体（磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスクなど）とその内容を検索し、情報を取り出す汎用計算機のプログラム等によって構成される。
【００３８】
図６は、本発明の第４の実施例を示すブロック図である。この実施例の構成においては、相対位置ベクトルの推定過程において、人間の歩行動作に基づくｄｅａｄ−ｒｅｃｋｏｎｉｎｇに対する対応を行っている。このため、第１の実施例（図１）の構成の内部状態センシング装置１０９に代えて、慣性センサ群および磁気センサ４０１を備え、また、相対位置の推定結果および推定結果の確からしさの分布取得装置１０４に代えて、歩行動作検出に基づく相対位置の推定結果および確からしさの分布を取得する装置４０２を備えている。
【００３９】
人間の歩行動作を検出するセンサとしては、鉛直方向の加速度成分と進行方向への加速度成分に検出し、その時系列パターンの照合により、人間の歩行動作を精度良く検出する。このため、人間の歩行移動の方向を検出する手段として、地磁気ベクトルを検出する磁気センサを用いる。
【００４０】
この実施例では、内部状態センシング装置１０９として、すなわち、内部状態センシング装置１０９に代えて、慣性センサ群（例えば加速度センサ（３軸）とジャイロセンサ（３軸））と地磁気ベクトルを計測する磁気センサ（３軸）を用いる。これらのセンサはいずれも誤差分布の特性が既知（概ね正規分布を用いて近似可能）であり、したがって、観測結果の確からしさの分布を得ることができる。また、前述したように、相対位置の推定結果および推定結果の確からしさの分布取得装置１０４に代えて、慣性センサ群と磁気センサによる観測結果とその確からしさの分布に基づいて、歩行動作の検出と歩幅の推定、移動方向の検出を処理する装置４０２を備える。慣性センサ群と磁気センサによる観測結果とその確からしさの分布に基づいて、歩行動作の検出と歩幅の推定、移動方向の検出を実現する方法は、公知であり、この発明とは直接関係しないので、詳細な説明は省略する（特許文献１、非特許文献７を参照）
【００４１】
図７は、本発明の第５の実施例を示すブロック図であり、また、図８は、第５の実施例に対応する処理の流れを示すフローチャートである。図７に示す第５の実施例は、図５に示す第３の実施例の要素と、図６に示す第４の実施例の要素を組み合わせたものとなっている。
【００４２】
上記の実施例における各装置による信号処理については、図８に示すフローチャートのように、汎用計算機（ＣＰＵ）によるプログラム処理によっても実現される。
【００４３】
図９は、本発明の第６の実施例を示すブロック図である。この実施例においては、外部環境側に設置されたビーコン信号（設置された絶対位置に固有の信号）を送出するビーコン信号発生装置５０３を利用するための構成となっている。そのため、外部状態センシング装置１０２に代えて、ビーコン信号を受信するビーコン信号受信装置５０２を備え、絶対位置の推定結果および推定結果の確からしさの分布取得装置１０１に代えて、ビーコン信号照合装置およびビーコン信号強度処理装置５０１を備えた構成としている。また、情報データベース装置１０３に代えて、ビーコン信号情報データベース装置５０４を備える構成としている。ビーコン信号情報データベース装置５０４は、ビーコン信号とその信号が対応する絶対位置の対応関係を記憶し、ビーコン信号を検索のキーとして該当する絶対位置を検索し、取り出す機構を備えているものである。
【００４４】
ビーコン信号照合処理およびビーコン信号強度処理装置５０２は、ビーコン信号発生装置５０３から発信され、ビーコン信号受信装置５０２において受信されたビーコン信号を検索のキーとして、ビーコン信号情報データベース装置５０４に対して検索し、該当する絶対位置を取り出すことによって、現在の絶対位置の推定結果を取得し、受信されたビーコン信号の強度や方向などから推定結果の確からしさの分布を算出する。
【００４５】
上記の実施例における各装置による信号処理は、汎用計算機（ＣＰＵ）のプログラム処理によっても実現される。次に、このようなプログラム処理による処理の流れについて説明する。
【００４６】
図１０に示すフローチャートは、第６の実施例に対応する処理の流れを示すフローチャートである。この処理においては、まず、ステップＳ５０１において、ビーコン信号受信装置５０２からビーコン信号を取得する（存在する場合に限られる）。次に、ステップＳ５０２においては、受信したビーコン信号を検索キーとして、ビーコン信号情報データベース装置５０４を検索し、ビーコン信号に対応する絶対位置を取り出すことで、絶対位置の推定結果を取得する。
【００４７】
そして、ステップＳ５０３において、ステップＳ５０１で受信したビーコン信号の強度や方向などの性質に基づいて、ステップＳ５０２で取得された絶対位置の推定結果の確からしさの分布を算出する。次に、ステップＳ５０４において内部状態センシング装置から観測結果とその確からしさの分布を取得する。ステップＳ５０５においては、ステップＳ５０４で取得された観測結果と前記観測結果の確からしさの分布に基づいて相対位置の推定結果および前記推定結果の確からしさの分布を算出する。ステップＳ５０６においては、ステップＳ５０２で得られた絶対位置の推定結果と、ステップＳ５０５で得られた相対位置の推定結果を併合して、最新の絶対位置の推定結果を算出する。
【００４８】
次のステップＳ５０７においては、ステップＳ５０３で得られた絶対位置の推定結果の確からしさの分布と、ステップＳ５０５で得られた相対位置の推定結果の確からしさの分布を併合して、最新の絶対位置の推定結果の確からしさの分布を算出する。ステップＳ５０８においては、ステップＳ５０６で算出された絶対位置の推定結果を格納処理装置１１０を用いて記憶装置１０５へ格納し、ステップＳ５０７で取得された絶対位置の推定結果の確からしさの分布を、格納処理装置１１０を用いて記憶装置１０６へ格納する。
【００４９】
ステップＳ５０９において、ステップＳ５０６で算出された絶対位置の推定結果を本装置の出力１として出力し、ステップＳ５１０において、ステップＳ５０７で算出された絶対位置の推定結果の確からしさの分布を本装置の出力２として出力する。
【００５０】
図１１は、本発明の第７の実施例を示すブロック図である。図１１に示す第７の実施例は、図６に示す第４の実施例の要素と、図９に示す第６の実施例の要素を組み合わせたものとなっている。
【００５１】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明による位置情報処理装置の各実施例の構成を用いることで、一般的に高い計算コストを要し、必ずしも常時実行可能であることが保証されない絶対位置取得過程を効率よく実行することができる。具体的に説明すると、絶対位置の推定結果とその確からしさの分布から決定される絶対位置の候補範囲を検索キーとして情報データベース装置から該当データを検索し、該当データが存在しない場合には、絶対位置取得過程を実行せず、該当データが存在する場合について、外部状態センシング装置が取得した観測結果と該当データを照合することにより、該当データのみに基づいた絶対位置取得を実行すれば良いため、必要な計算コストは低く抑えることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施例を示すブロック図である。
【図２】 第１の実施例に対応する処理の流れを示すフローチャートである。
【図３】 本発明の第２の実施例を示すブロック図である。
【図４】 第２の実施例に対応する処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】 本発明の第３の実施例を示すブロック図である。
【図６】 本発明の第４の実施例を示すブロック図である。
【図７】 本発明の第５の実施例を示すブロック図である。
【図８】 第５の実施例に対応する処理の流れを示すフローチャートである。
【図９】 本発明の第６の実施例を示すブロック図である。
【図１０】 第６の実施例に対応する処理の流れを示すフローチャートである。
【図１１】 本発明の第７の実施例を示すブロック図である。
【図１２】 外部状態センシング装置を複数備える場合の変形例の構成を示す図である。
【図１３】 内部状態センシング装置を複数備える場合の変形例の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０１…分布取得装置、
１０２…外部状態センシング装置、
１０３…情報データベース装置、
１０４…分布取得装置、
１０５…現在の絶対位置記憶装置、
１０６…絶対位置の確からしさ分布記憶装置、
１０７…併合装置、
１０８…確からしさ取得装置、
１０９…内部状態センシング装置、
１１０…格納処理装置、
Claims (5)
- 計測対象の外部状態を観測する外部状態センシング装置と、
前記計測対象の内部状態を観測する内部状態センシング装置と、
前記計測対象の現在の絶対位置の推定結果を記憶する位置記憶装置と、
前記計測対象の現在の絶対位置の推定結果の確からしさの分布を記憶する分布記憶装置と、
前記計測対象が移動しうる範囲の外部環境に関する情報を記憶し、絶対位置の候補範囲を検索キーとして用いて記憶されている情報を検索し、該当する情報を取り出す機構を備えた情報データベース装置と、
外部状態センシング装置により外部状態の観測結果が得られた場合、前記位置記憶装置から読み出される現在の絶対位置の推定結果および前記分布記憶装置から読み出される現在の絶対位置の推定結果の確からしさの分布によって決定される現在の絶対位置の候補範囲を検索キーとして、前記情報データベース装置から取り出された前記検索キーに該当する情報と、前記外部状態センシング装置が取得した観測結果とを照合し、前記計測対象の最新の絶対位置の推定結果および前記推定結果の確からしさの分布を取得する絶対位置分布取得装置と、
前記内部状態センシング装置の観測結果と、前記観測結果の確からしさの分布に基づいて、前記計測対象の相対的な位置移動ベクトルによる相対位置の推定結果および前記推定結果の確からしさの分布を常時取得する相対位置分布取得装置と、
前記絶対位置分布取得装置により取得された絶対位置の推定結果と前記相対位置分布取得装置により取得された相対位置の推定結果を併合して、現在の絶対位置の推定結果を更新・取得する位置推定結果併合更新装置と、
前記絶対位置分布取得装置により取得された絶対位置の推定結果の確からしさの分布と前記相対位置分布取得装置により取得された相対位置の推定結果の確からしさの分布をカルマンフィルタの枠組みにより併合して、現在の絶対位置の推定結果の確からしさの分布を更新する分布併合更新装置と、
前記位置推定結果併合更新装置によって取得された最新の絶対位置の推定結果を前記位置記憶装置に格納し、前記分布併合更新装置によって取得された最新の前記推定結果の確からしさの分布を前記分布記憶装置に格納する格納処理装置と、
を備えることを特徴とする位置情報処理装置。 - 請求項１記載の位置情報処理装置において、
前記絶対位置分布取得装置は、前記位置記憶装置から読み出される絶対位置の推定結果と、前記分布記憶装置から読み出される絶対位置の推定結果の確からしさの分布によって決定される絶対位置の候補範囲を検索キーとして前記情報データベース装置から取り出される情報と、前記外部状態センシング装置から得られる観測結果とを照合することで、絶対位置の推定結果と前記推定結果の確からしさの分布を取得する照合処理装置を含む構成とされる
ことを特徴とする位置情報処理装置。 - 請求項１記載の位置情報処理装置において、
前記計測対象の前記外部状態センシング装置は、画像撮影装置を含み、
前記情報データベース装置は、撮影位置が既知である画像群を、外部環境に関する情報として記憶し、前記現在の絶対位置の推定結果と前記推定結果の分布に基づいて決定される検索キーにより現在の絶対位置の候補範囲内に撮影位置が含まれる画像群を検索し、該当する画像群を取り出す機構を備えた画像群データベース装置を含んでおり、
前記絶対位置分布取得装置は、前記位置記憶装置から読み出される現在の絶対位置の推定結果と、前記分布記憶装置から読み出される現在の絶対位置の推定結果の確からしさの分布に基づいて決定される現在の絶対位置の候補範囲を検索キーとして前記情報データベース装置を検索し、検索結果に該当する画像群が存在するとき、前記画像群の各画像もしくは前記画像群の各画像の特徴量と、前記画像撮影装置から取得される画像もしくは前記画像撮影装置から取得される画像の特徴量を照合する画像照合装置を含む構成とされる
ことを特徴とする位置情報処理装置。 - 請求項１記載の位置情報処理装置において、
前記計測対象として歩行する人間を対象とし、歩行者の移動手段である歩行動作による相対位置移動を計測するための内部状態センシング装置として、慣性センサ群および磁気センサを用い、
前記相対位置分布取得装置には、慣性センサ群と磁気センサのセンサ出力と前記慣性センサ群と磁気センサによる観測結果の確からしさの分布に基づいて、歩行者の歩行動作検出と歩幅推定、移動方向を検出し相対位置ベクトルを算出し、前記相対位置ベクトルの確からしさの分布を算出する演算装置を備える
ことを特徴とする位置情報処理装置。 - 請求項１記載の位置情報処理装置において、さらに、
前記外部状態センシング装置として、外部環境側に設置されている絶対位置に対応して固有の信号を送出している信号発生装置からの信号を受信する信号受信装置を備え、
前記情報データベース装置は、固有の信号と絶対位置の対応関係をデータとして記憶しているデータベース装置であり、
前記絶対位置分布取得装置は、前記信号受信装置によって信号が受信されているとき、前記受信信号に対応する絶対位置を前記データベース装置から取り出して現在の絶対位置の推定結果を取得し、前記受信信号の強度などの性質に基づいて前記推定結果の確からしさの分布を取得する
ことを特徴とする位置情報処理装置。
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