JPH06222130A - ３次元位置測定方法および３次元位置測定装置 - Google Patents
３次元位置測定方法および３次元位置測定装置Info
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- JPH06222130A JPH06222130A JP1065293A JP1065293A JPH06222130A JP H06222130 A JPH06222130 A JP H06222130A JP 1065293 A JP1065293 A JP 1065293A JP 1065293 A JP1065293 A JP 1065293A JP H06222130 A JPH06222130 A JP H06222130A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】超音波源の送波タイミングを知ることなく超音
波源の３次元の座標位置を求める。 【構成】４個の受波装置２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄが１つ
の円周上には位置しないように配置され、各受波装置２
ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄにおいて超音波源１からの超音波
を受波する。路程差算出手段４は、いずれか１つの受波
装置２ａと超音波源１との距離を基準距離としておき、
他の受波装置２ｂ，２ｃ，２ｄと超音波源１との間の距
離と基準距離との路程差を求める。位置演算手段５は、
各受波装置２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄと超音波源１との距
離を、路程差と基準距離との和として扱い、４個の関係
式に基づいて超音波源１の３次元の座標位置と基準距離
とを求める。
波源の３次元の座標位置を求める。 【構成】４個の受波装置２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄが１つ
の円周上には位置しないように配置され、各受波装置２
ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄにおいて超音波源１からの超音波
を受波する。路程差算出手段４は、いずれか１つの受波
装置２ａと超音波源１との距離を基準距離としておき、
他の受波装置２ｂ，２ｃ，２ｄと超音波源１との間の距
離と基準距離との路程差を求める。位置演算手段５は、
各受波装置２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄと超音波源１との距
離を、路程差と基準距離との和として扱い、４個の関係
式に基づいて超音波源１の３次元の座標位置と基準距離
とを求める。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、超音波源から送波され
る方向性を持たない超音波を受信することによって、規
定の座標空間内での超音波源の位置座標を測定する３次
元位置測定方法および３次元位置測定装置に関するもの
である。
る方向性を持たない超音波を受信することによって、規
定の座標空間内での超音波源の位置座標を測定する３次
元位置測定方法および３次元位置測定装置に関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】従来より、図４に示すように、異なる位
置に固定的に配置された３個の受波装置２ａ，２ｂ，２
ｃを用いて、超音波源１から間欠的に送波されるパルス
状の超音波を受波することによって、超音波源１と各受
波装置２ａ，２ｂ，２ｃとの距離を求め、求めた距離に
基づいて超音波源１の座標位置を決定するようにした３
次元位置測定装置が提案されている。超音波源１と各受
波装置２ａ，２ｂ，２ｃとの距離を求める方法として
は、超音波源１から超音波を送波してから各受波装置２
ａ，２ｂ，２ｃでその超音波を受波するまでの時間を求
める方法が一般的である。この方法では、超音波源１で
の超音波の送波タイミングを受信側でも知ることが必要
であるから、超音波信号処理手段３によって超音波源１
の送波タイミングを制御し、受波装置２ａ，２ｂ，２ｃ
で受波した受波信号を送波タイミングを基準にして処理
するようになっている。ここに、超音波信号処理手段３
によって超音波源１の送波タイミングを制御するため
に、図４に示すようにケーブル９を介して直接接続する
ほか、図５に示すようにワイヤレス送信部７とワイヤレ
ス受信部８とを設けることによって、光や電波を媒体と
するワイヤレス信号を介して送波タイミングを伝送する
ことも考えられている。受波装置２ａ，２ｂ，２ｃで受
信され超音波信号処理手段３で増幅、波形整形などの処
理が施された受波信号は、距離算出手段６に入力されて
超音波源１と各受波装置２ａ，２ｂ，２ｃとの距離が求
められる。さらに、この距離に基づいて位置演算手段５
では超音波源１の３次元の座標位置を求めるのである。
距離算出手段６は、音速を考慮することによって超音波
源１から各受波装置２ａ，２ｂ，２ｃに超音波が到達す
るまでの時間を距離に換算する。
置に固定的に配置された３個の受波装置２ａ，２ｂ，２
ｃを用いて、超音波源１から間欠的に送波されるパルス
状の超音波を受波することによって、超音波源１と各受
波装置２ａ，２ｂ，２ｃとの距離を求め、求めた距離に
基づいて超音波源１の座標位置を決定するようにした３
次元位置測定装置が提案されている。超音波源１と各受
波装置２ａ，２ｂ，２ｃとの距離を求める方法として
は、超音波源１から超音波を送波してから各受波装置２
ａ，２ｂ，２ｃでその超音波を受波するまでの時間を求
める方法が一般的である。この方法では、超音波源１で
の超音波の送波タイミングを受信側でも知ることが必要
であるから、超音波信号処理手段３によって超音波源１
の送波タイミングを制御し、受波装置２ａ，２ｂ，２ｃ
で受波した受波信号を送波タイミングを基準にして処理
するようになっている。ここに、超音波信号処理手段３
によって超音波源１の送波タイミングを制御するため
に、図４に示すようにケーブル９を介して直接接続する
ほか、図５に示すようにワイヤレス送信部７とワイヤレ
ス受信部８とを設けることによって、光や電波を媒体と
するワイヤレス信号を介して送波タイミングを伝送する
ことも考えられている。受波装置２ａ，２ｂ，２ｃで受
信され超音波信号処理手段３で増幅、波形整形などの処
理が施された受波信号は、距離算出手段６に入力されて
超音波源１と各受波装置２ａ，２ｂ，２ｃとの距離が求
められる。さらに、この距離に基づいて位置演算手段５
では超音波源１の３次元の座標位置を求めるのである。
距離算出手段６は、音速を考慮することによって超音波
源１から各受波装置２ａ，２ｂ，２ｃに超音波が到達す
るまでの時間を距離に換算する。
【０００３】一方、位置演算手段５は、以下の演算を行
うことによって超音波源１の座標位置を求める。いま、
図６に示すように、受波装置２ａを３次元座標の原点に
配置し、他の受波装置２ｂ，２ｃをそれぞれｙ軸上、ｘ
軸上に配置し、各受波装置２ａ，２ｂ，２ｃの３次元の
座標位置はそれぞれ（０，０，０）、（０，ｂ，０）、
（ｃ，０，０）であって、求めるべき超音波源１の座標
位置は（ｘ0 ，ｙ0 ，ｚ0 ）であるものとする。ここ
で、距離算出手段６により求めた超音波源１と各受波装
置２ａ，２ｂ，２ｃとの距離が、それぞれＬａ，Ｌｂ，
Ｌｃであったとする。
うことによって超音波源１の座標位置を求める。いま、
図６に示すように、受波装置２ａを３次元座標の原点に
配置し、他の受波装置２ｂ，２ｃをそれぞれｙ軸上、ｘ
軸上に配置し、各受波装置２ａ，２ｂ，２ｃの３次元の
座標位置はそれぞれ（０，０，０）、（０，ｂ，０）、
（ｃ，０，０）であって、求めるべき超音波源１の座標
位置は（ｘ0 ，ｙ0 ，ｚ0 ）であるものとする。ここ
で、距離算出手段６により求めた超音波源１と各受波装
置２ａ，２ｂ，２ｃとの距離が、それぞれＬａ，Ｌｂ，
Ｌｃであったとする。
【０００４】上記条件のもとで超音波源１の座標位置
（ｘ0 ，ｙ0 ，ｚ0 ）に関する関係式を、各受波装置２
ａ，２ｂ，２ｃの座標位置（０，０，０）、（０，ｂ，
０）、（ｃ，０，０）と、距離Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃとによ
って表すことを考える。すなわち、ピタゴラスの定理を
適用すれば、次の３個の関係式が得られる。 Ｌａ2 −ｙ0 2 ＝Ｌｂ2 −（ｂ−ｙ0 ）2 Ｌａ2 −ｘ0 2 ＝Ｌｃ2 −（ｃ−ｘ0 ）2 ｘ0 2 ＋ｙ0 2 ＋ｚ0 2 ＝Ｌａ2 ここで、超音波源１が室内のような限定された空間に存
在し、ｚ0 ≧０に規定することができるものとすると
き、超音波源１の座標位置（ｘ0 ，ｙ0 ，ｚ0 ）は、上
式をそれぞれ変形して以下のように求めることができる
のである。 ｘ0 ＝（Ｌａ2 −Ｌｃ2 ＋ｃ2 ）／２ｃ ｙ0 ＝（Ｌａ2 −Ｌｂ2 ＋ｂ2 ）／２ｂ ｚ0 ＝｛Ｌａ2 −（ｘ0 2 ＋ｙ0 2 ）｝1/2 上述した例では、３個の受波装置２ａ，２ｂ，２ｃの１
個を３次元の座標空間の原点、他の２個を座標軸上に配
置しているが、一般には２個によって１つの座標軸が規
定できるときに他の１個は座標軸上に配置できない場合
もある。たとえば、受波装置２ａを原点、受波装置２ｂ
をｙ軸上に規定したときに、受波装置２ｃの座標位置を
一般化した形で表せば（ｃx ，ｃy ，０）となる。ただ
し、ｚ座標が０であるのは、座標変換によって受波装置
２ｃをｘｙ平面上に位置させることができるからであ
る。この場合には以下の３個の関係式が得られる。 Ｌａ2 −ｙ0 2 ＝Ｌｂ2 −（ｂ−ｙ0 ）2 Ｌａ2 −ｘ0 2 ＝Ｌｃ2 −（ｃx −ｘ0 ）2 −ｃy （ｃ
y −２ｙ0 ） ｘ0 2 ＋ｙ0 2 ＋ｚ0 2 ＝Ｌａ2 したがって、一般化した場合であっても３個の受波装置
２ａ，２ｂ，２ｃで得た情報に超音波源１の送波タイミ
ングに関する情報を加えることによって３次元の座標位
置を求めることができる。
（ｘ0 ，ｙ0 ，ｚ0 ）に関する関係式を、各受波装置２
ａ，２ｂ，２ｃの座標位置（０，０，０）、（０，ｂ，
０）、（ｃ，０，０）と、距離Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃとによ
って表すことを考える。すなわち、ピタゴラスの定理を
適用すれば、次の３個の関係式が得られる。 Ｌａ2 −ｙ0 2 ＝Ｌｂ2 −（ｂ−ｙ0 ）2 Ｌａ2 −ｘ0 2 ＝Ｌｃ2 −（ｃ−ｘ0 ）2 ｘ0 2 ＋ｙ0 2 ＋ｚ0 2 ＝Ｌａ2 ここで、超音波源１が室内のような限定された空間に存
在し、ｚ0 ≧０に規定することができるものとすると
き、超音波源１の座標位置（ｘ0 ，ｙ0 ，ｚ0 ）は、上
式をそれぞれ変形して以下のように求めることができる
のである。 ｘ0 ＝（Ｌａ2 −Ｌｃ2 ＋ｃ2 ）／２ｃ ｙ0 ＝（Ｌａ2 −Ｌｂ2 ＋ｂ2 ）／２ｂ ｚ0 ＝｛Ｌａ2 −（ｘ0 2 ＋ｙ0 2 ）｝1/2 上述した例では、３個の受波装置２ａ，２ｂ，２ｃの１
個を３次元の座標空間の原点、他の２個を座標軸上に配
置しているが、一般には２個によって１つの座標軸が規
定できるときに他の１個は座標軸上に配置できない場合
もある。たとえば、受波装置２ａを原点、受波装置２ｂ
をｙ軸上に規定したときに、受波装置２ｃの座標位置を
一般化した形で表せば（ｃx ，ｃy ，０）となる。ただ
し、ｚ座標が０であるのは、座標変換によって受波装置
２ｃをｘｙ平面上に位置させることができるからであ
る。この場合には以下の３個の関係式が得られる。 Ｌａ2 −ｙ0 2 ＝Ｌｂ2 −（ｂ−ｙ0 ）2 Ｌａ2 −ｘ0 2 ＝Ｌｃ2 −（ｃx −ｘ0 ）2 −ｃy （ｃ
y −２ｙ0 ） ｘ0 2 ＋ｙ0 2 ＋ｚ0 2 ＝Ｌａ2 したがって、一般化した場合であっても３個の受波装置
２ａ，２ｂ，２ｃで得た情報に超音波源１の送波タイミ
ングに関する情報を加えることによって３次元の座標位
置を求めることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した構
成では、超音波源１の送波タイミングを受信側で知るた
めに、有線ないし無線によって送波タイミングを超音波
信号処理手段３に入力することが必要であるから、超音
波源１を移動体に搭載して移動体の位置を測定する場合
などには、以下のような問題が生じることになる。
成では、超音波源１の送波タイミングを受信側で知るた
めに、有線ないし無線によって送波タイミングを超音波
信号処理手段３に入力することが必要であるから、超音
波源１を移動体に搭載して移動体の位置を測定する場合
などには、以下のような問題が生じることになる。
【０００６】すなわち、有線であるとすれば、移動体は
ケーブル９を引き回すことになり、ケーブル９の長さや
ケーブル９を引き回す場所によって移動体の移動範囲が
制約を受けるという問題が生じることになる。一方、ワ
イヤレス信号によって送波タイミングを伝送する場合に
は、ケーブル９のような制約は生じないものの、ワイヤ
レス信号の伝送を妨げる障害物が存在していたり、外乱
ノイズが存在していると送波タイミングを正確に伝送で
きないことがあり、この場合に座標位置を正確に算出す
ることができなくなるという問題が生じる。また、ワイ
ヤレス信号を用いる場合には、ワイヤレス信号の授受の
ために構成が複雑化するという問題があり、しかも、移
動体に超音波源１だけではなくワイヤレス送信部７を搭
載することになるから、移動体の小型化・軽量化を妨げ
るという問題もある。
ケーブル９を引き回すことになり、ケーブル９の長さや
ケーブル９を引き回す場所によって移動体の移動範囲が
制約を受けるという問題が生じることになる。一方、ワ
イヤレス信号によって送波タイミングを伝送する場合に
は、ケーブル９のような制約は生じないものの、ワイヤ
レス信号の伝送を妨げる障害物が存在していたり、外乱
ノイズが存在していると送波タイミングを正確に伝送で
きないことがあり、この場合に座標位置を正確に算出す
ることができなくなるという問題が生じる。また、ワイ
ヤレス信号を用いる場合には、ワイヤレス信号の授受の
ために構成が複雑化するという問題があり、しかも、移
動体に超音波源１だけではなくワイヤレス送信部７を搭
載することになるから、移動体の小型化・軽量化を妨げ
るという問題もある。
【０００７】本発明は上記問題点の解決を目的とするも
のであり、超音波源からの超音波の送波タイミングを受
信側に伝送することなく超音波源の座標位置を求めるこ
とができるようにした３次元位置測定方法および３次元
位置測定装置を提供しようとするものである。
のであり、超音波源からの超音波の送波タイミングを受
信側に伝送することなく超音波源の座標位置を求めるこ
とができるようにした３次元位置測定方法および３次元
位置測定装置を提供しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明の３次元
位置測定方法では、上記目的を達成するために、３次元
の座標位置が既知であって１つの円周上には位置しない
少なくとも４個の受波装置で超音波源より送波された方
向性を持たない超音波を受波し、いずれか１つの受波装
置と超音波源との距離を未知の基準距離とおいて他の受
波装置と超音波源との距離と基準距離との路程差を求め
た後、各受波装置の座標位置と路程差とに基づいて超音
波源の３次元の座標位置に関する関係式を基準距離を含
んだ形で４個以上求め、これらの関係式より基準距離お
よび超音波源の３次元の座標位置を求めることを特徴と
する。
位置測定方法では、上記目的を達成するために、３次元
の座標位置が既知であって１つの円周上には位置しない
少なくとも４個の受波装置で超音波源より送波された方
向性を持たない超音波を受波し、いずれか１つの受波装
置と超音波源との距離を未知の基準距離とおいて他の受
波装置と超音波源との距離と基準距離との路程差を求め
た後、各受波装置の座標位置と路程差とに基づいて超音
波源の３次元の座標位置に関する関係式を基準距離を含
んだ形で４個以上求め、これらの関係式より基準距離お
よび超音波源の３次元の座標位置を求めることを特徴と
する。
【０００９】請求項２の発明の３次元位置測定装置で
は、上記目的を達成するために、方向性を持たない超音
波を送波する超音波源と、３次元の座標位置が既知であ
って１つの円周上には位置しないように配置され超音波
源からの超音波を受波する少なくとも４個の受波装置
と、いずれか１つの受波装置と超音波源との距離を未知
の基準距離とおいて他の受波装置と超音波源との距離と
基準距離との路程差を求める路程差算出手段と、各受波
装置の座標位置と路程差とに基づいて基準距離を含んだ
形で求めることができる超音波源の３次元の座標位置に
関する４個以上の関係式によって基準距離および超音波
源の３次元の座標位置を求める位置演算手段とを具備す
ることを特徴とする。
は、上記目的を達成するために、方向性を持たない超音
波を送波する超音波源と、３次元の座標位置が既知であ
って１つの円周上には位置しないように配置され超音波
源からの超音波を受波する少なくとも４個の受波装置
と、いずれか１つの受波装置と超音波源との距離を未知
の基準距離とおいて他の受波装置と超音波源との距離と
基準距離との路程差を求める路程差算出手段と、各受波
装置の座標位置と路程差とに基づいて基準距離を含んだ
形で求めることができる超音波源の３次元の座標位置に
関する４個以上の関係式によって基準距離および超音波
源の３次元の座標位置を求める位置演算手段とを具備す
ることを特徴とする。
【００１０】
【作用】本発明では、１つの円周上ではない少なくとも
４箇所に受波装置を配置して超音波源からの超音波を受
波するのであり、４個の受波装置のうちの１つと超音波
源との距離を未知の基準距離としておき、残りの３個の
受波装置と超音波源との間の距離と基準距離との路程差
を求めることによって、各受波装置と超音波源との距離
を、超音波源からの送波タイミングを用いずに基準距離
と路程差との和という形で表すのである。ここで、受波
装置を４個以上設けていることによって、超音波源の３
次元の座標位置に関して４個以上の関係式を設定するこ
とができるから、座標位置に関する３個の未知数と未知
の基準距離という４個の未知数について４個以上の関係
式から求めることができるのであって、結果的に超音波
源からの送波タイミングを用いることなく、超音波源の
座標位置を求めることができるのである。すなわち、送
波タイミングを知る必要がある従来例に比較すれば、移
動体に超音波源を搭載する際にはケーブルが不要である
ことから移動体の移動範囲の制約が少なくなり、またワ
イヤレス信号を用いる必要がないから障害物や外乱ノイ
ズの影響を受けにくく移動体の移動場所による制約が少
なくなるのである。しかも、ワイヤレス信号を送受する
手段が不要であって簡単な構成で実現できるのである。
４箇所に受波装置を配置して超音波源からの超音波を受
波するのであり、４個の受波装置のうちの１つと超音波
源との距離を未知の基準距離としておき、残りの３個の
受波装置と超音波源との間の距離と基準距離との路程差
を求めることによって、各受波装置と超音波源との距離
を、超音波源からの送波タイミングを用いずに基準距離
と路程差との和という形で表すのである。ここで、受波
装置を４個以上設けていることによって、超音波源の３
次元の座標位置に関して４個以上の関係式を設定するこ
とができるから、座標位置に関する３個の未知数と未知
の基準距離という４個の未知数について４個以上の関係
式から求めることができるのであって、結果的に超音波
源からの送波タイミングを用いることなく、超音波源の
座標位置を求めることができるのである。すなわち、送
波タイミングを知る必要がある従来例に比較すれば、移
動体に超音波源を搭載する際にはケーブルが不要である
ことから移動体の移動範囲の制約が少なくなり、またワ
イヤレス信号を用いる必要がないから障害物や外乱ノイ
ズの影響を受けにくく移動体の移動場所による制約が少
なくなるのである。しかも、ワイヤレス信号を送受する
手段が不要であって簡単な構成で実現できるのである。
【００１１】さらに、装置としては従来構成に比較して
受波装置を追加し、かつ距離算出手段に代えて路程差算
出手段を設け、位置演算手段での処理を変更しているだ
けであるから、全体構成としても従来構成に比較してハ
ードウェアおよびソフトウェアのいずれについても複雑
になることがないのである。
受波装置を追加し、かつ距離算出手段に代えて路程差算
出手段を設け、位置演算手段での処理を変更しているだ
けであるから、全体構成としても従来構成に比較してハ
ードウェアおよびソフトウェアのいずれについても複雑
になることがないのである。
【００１２】
【実施例】本実施例では、図１に示すように、４個の受
波装置２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄを設けている。ただし、
各受波装置２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄは一つの円周上に位
置しないように配置する。超音波信号処理手段３では、
各受波装置２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄで受波した受波信号
に対して雑音除去、増幅、波形整形などの所定の処理を
行う。超音波信号処理手段３により処理された受波信号
は、路程差算出手段４に入力され、超音波を最初に受波
した受波装置（たとえば２ａ）の受波時刻を基準として
他の受波装置（たとえば２ｂ，２ｃ，２ｄ）での超音波
の受波時刻との時間差を求め、この時間差を距離に換算
する。このことは、受波装置２ａと超音波源１との距離
を未知の基準距離としておき、他の各受波装置２ｂ，２
ｃ，２ｄと超音波源１との間の距離と基準距離との路程
差を求めることに相当する。たとえば、図２に示すよう
に、超音波原１から時刻ｔ0 に超音波を送出した後、各
受波装置２ｂ，２ｃ，２ｄでは受波装置２ａでの超音波
の受波時刻ｔ1 に対してそれぞれ時間Ｔｂ，Ｔｃ，Ｔｄ
だけ遅れて超音波を受波したとすれば、これらの時間Ｔ
ｂ，Ｔｃ，Ｔｄを用いて路程差を求めることができるの
である。このようにして、３個の受波装置２ｂ，２ｃ，
２ｄについて路程差を求めることにより、超音波源１の
３次元の座標位置に関して基準距離を含んだ形で４個の
関係式を得ることが可能になる。すなわち、３次元の座
標位置についての３個の未知数と未知の基準距離との合
計４個の未知数に対して４個の関係式が得られるから、
各未知数の値を求めることができるのであって、超音波
源１について３次元の座標位置を決定することができる
のである。このような演算は、位置演算手段５において
なされる。ここにおいて、路程差算出手段４および位置
演算手段５は、マイクロプロセッサと適当なソフトウェ
アとを用いることによって実現される。
波装置２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄを設けている。ただし、
各受波装置２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄは一つの円周上に位
置しないように配置する。超音波信号処理手段３では、
各受波装置２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄで受波した受波信号
に対して雑音除去、増幅、波形整形などの所定の処理を
行う。超音波信号処理手段３により処理された受波信号
は、路程差算出手段４に入力され、超音波を最初に受波
した受波装置（たとえば２ａ）の受波時刻を基準として
他の受波装置（たとえば２ｂ，２ｃ，２ｄ）での超音波
の受波時刻との時間差を求め、この時間差を距離に換算
する。このことは、受波装置２ａと超音波源１との距離
を未知の基準距離としておき、他の各受波装置２ｂ，２
ｃ，２ｄと超音波源１との間の距離と基準距離との路程
差を求めることに相当する。たとえば、図２に示すよう
に、超音波原１から時刻ｔ0 に超音波を送出した後、各
受波装置２ｂ，２ｃ，２ｄでは受波装置２ａでの超音波
の受波時刻ｔ1 に対してそれぞれ時間Ｔｂ，Ｔｃ，Ｔｄ
だけ遅れて超音波を受波したとすれば、これらの時間Ｔ
ｂ，Ｔｃ，Ｔｄを用いて路程差を求めることができるの
である。このようにして、３個の受波装置２ｂ，２ｃ，
２ｄについて路程差を求めることにより、超音波源１の
３次元の座標位置に関して基準距離を含んだ形で４個の
関係式を得ることが可能になる。すなわち、３次元の座
標位置についての３個の未知数と未知の基準距離との合
計４個の未知数に対して４個の関係式が得られるから、
各未知数の値を求めることができるのであって、超音波
源１について３次元の座標位置を決定することができる
のである。このような演算は、位置演算手段５において
なされる。ここにおいて、路程差算出手段４および位置
演算手段５は、マイクロプロセッサと適当なソフトウェ
アとを用いることによって実現される。
【００１３】以下に位置演算手段５における演算の原理
について説明する。ここで、図３に示すように、受波装
置２ａを３次元座標の原点に配置し、受波装置２ｂ，２
ｄをｙ軸上に配置し、受波装置２ｃをｘ軸上に配置する
ものとし、各受波装置２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの３次元
の座標位置はそれぞれ（０，０，０）、（０，ｂ，
０）、（ｃ，０，０）、（０，ｄ，０）であって、求め
るべき超音波源１の座標位置は（ｘ0 ，ｙ0 ，ｚ0 ）で
あるものとする。また、受波装置２ａと超音波源１との
距離は未知であるが基準距離としてＬ0 とおき、路程差
算出手段４により求めた各受波装置２ｂ，２ｃ，２ｄと
超音波源１との間の距離と基準距離Ｌ0 との路程差はそ
れぞれＤｂ，Ｄｃ，Ｄｄであったとする。
について説明する。ここで、図３に示すように、受波装
置２ａを３次元座標の原点に配置し、受波装置２ｂ，２
ｄをｙ軸上に配置し、受波装置２ｃをｘ軸上に配置する
ものとし、各受波装置２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの３次元
の座標位置はそれぞれ（０，０，０）、（０，ｂ，
０）、（ｃ，０，０）、（０，ｄ，０）であって、求め
るべき超音波源１の座標位置は（ｘ0 ，ｙ0 ，ｚ0 ）で
あるものとする。また、受波装置２ａと超音波源１との
距離は未知であるが基準距離としてＬ0 とおき、路程差
算出手段４により求めた各受波装置２ｂ，２ｃ，２ｄと
超音波源１との間の距離と基準距離Ｌ0 との路程差はそ
れぞれＤｂ，Ｄｃ，Ｄｄであったとする。
【００１４】この条件で、超音波源１の座標位置
（ｘ0 ，ｙ0 ，ｚ0 ）に関する関係式を、各受波装置２
ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの座標位置（０，０，０）、
（０，ｂ，０）、（ｃ，０，０）、（０，ｄ，０）と、
路程差Ｄｂ，Ｄｃ，Ｄｄとによって表すことを考える。
この場合、各受波装置２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄと超音波
源１との距離は、それぞれＬ0 、（Ｌ0 ＋Ｄｂ）、（Ｌ
0 ＋Ｄｃ）、（Ｌ0 ＋Ｄｄ）になるから、ピタゴラスの
定理を適用すれば、従来構成と同様にして次の４個の関
係式が得られる。 Ｌ0 2 −ｙ0 2 ＝（Ｌ0 ＋Ｄｂ）2 −（ｂ−ｙ0 ）2 Ｌ0 2 −ｘ0 2 ＝（Ｌ0 ＋Ｄｃ）2 −（ｃ−ｘ0 ）2 ｘ0 2 ＋ｙ0 2 ＋ｚ0 2 ＝Ｌ0 2 Ｌ0 2 −ｙ0 2 ＝（Ｌ0 ＋Ｄｄ）2 −（ｄ−ｙ0 ）2 超音波源１が室内のような限定された空間に存在すれば
ｚ0 ≧０に規定することができるから、超音波源１の座
標位置（ｘ0 ，ｙ0 ，ｚ0 ）は、上式をそれぞれ変形し
て未知数である基準距離Ｌ0 を含んだ形で以下のように
求めることができる。 ｘ0 ＝｛−Ｄｃ（Ｄｃ＋２Ｌ0 ）＋ｃ2 ｝／２ｃ …（１） ｙ0 ＝｛−Ｄｂ（Ｄｂ＋２Ｌ0 ）＋ｂ2 ｝／２ｂ …（２） ｙ0 ＝｛−Ｄｄ（Ｄｄ＋２Ｌ0 ）＋ｄ2 ｝／２ｄ …（３） ｚ0 ＝｛Ｌ0 2 −（ｘ0 2 ＋ｙ0 2 ）｝1/2 …（４） このような形で４個の関係式を求めれば、（２）式と
（３）式とにより基準距離Ｌ0 を求めることができるか
ら、結果的に超音波源１の座標位置（ｘ0 ，ｙ0 ，
ｚ0 ）が決定されるのである。なお、上記説明では計算
を容易に行うことができる位置に受波装置２ａ，２ｂ，
２ｃ，２ｄを配置しているが、任意の位置の受波装置２
ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄに対して適当な座標変換を施すこ
とによって、受波装置２ａを原点、受波装置２ｂをｙ軸
上、受波装置２ｃをｘｙ平面上、受波装置２ｄを任意の
位置とすることができるから、このようなモデルによっ
て一般化が可能である。その場合、受波装置２ｃの座標
位置を（ｃx ，ｃy ，０）、受波装置２ｄの座標位置を
（ｄx ，ｄy ，ｄz ）として、以下の４個の関係式が得
られる。 Ｌ0 2 −ｙ0 2 ＝（Ｌ0 ＋Ｄｂ）2 −（ｂ−ｙ0 ）2 Ｌ0 2 −ｘ0 2 ＝（Ｌ0 ＋Ｄｃ）2 −（ｃx −ｘ0 ）2
−ｃy （ｃy −２ｙ0 ） ｘ0 2 ＋ｙ0 2 ＋ｚ0 2 ＝Ｌ0 2 Ｌ0 2 −ｙ0 2 ＝（Ｌ0 ＋Ｄｄ）2 −（ｄy −ｙ0 ）2
−ｄz （ｄz −２ｚ0 ）−ｄx （ｄx −２ｘ0 ） これらの関係式においても未知数は４個であって、ｚ0
以外の未知数の２次の項は消去されるから、超音波源１
の３次元の座標位置と基準距離とを求めることができる
のである。
（ｘ0 ，ｙ0 ，ｚ0 ）に関する関係式を、各受波装置２
ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの座標位置（０，０，０）、
（０，ｂ，０）、（ｃ，０，０）、（０，ｄ，０）と、
路程差Ｄｂ，Ｄｃ，Ｄｄとによって表すことを考える。
この場合、各受波装置２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄと超音波
源１との距離は、それぞれＬ0 、（Ｌ0 ＋Ｄｂ）、（Ｌ
0 ＋Ｄｃ）、（Ｌ0 ＋Ｄｄ）になるから、ピタゴラスの
定理を適用すれば、従来構成と同様にして次の４個の関
係式が得られる。 Ｌ0 2 −ｙ0 2 ＝（Ｌ0 ＋Ｄｂ）2 −（ｂ−ｙ0 ）2 Ｌ0 2 −ｘ0 2 ＝（Ｌ0 ＋Ｄｃ）2 −（ｃ−ｘ0 ）2 ｘ0 2 ＋ｙ0 2 ＋ｚ0 2 ＝Ｌ0 2 Ｌ0 2 −ｙ0 2 ＝（Ｌ0 ＋Ｄｄ）2 −（ｄ−ｙ0 ）2 超音波源１が室内のような限定された空間に存在すれば
ｚ0 ≧０に規定することができるから、超音波源１の座
標位置（ｘ0 ，ｙ0 ，ｚ0 ）は、上式をそれぞれ変形し
て未知数である基準距離Ｌ0 を含んだ形で以下のように
求めることができる。 ｘ0 ＝｛−Ｄｃ（Ｄｃ＋２Ｌ0 ）＋ｃ2 ｝／２ｃ …（１） ｙ0 ＝｛−Ｄｂ（Ｄｂ＋２Ｌ0 ）＋ｂ2 ｝／２ｂ …（２） ｙ0 ＝｛−Ｄｄ（Ｄｄ＋２Ｌ0 ）＋ｄ2 ｝／２ｄ …（３） ｚ0 ＝｛Ｌ0 2 −（ｘ0 2 ＋ｙ0 2 ）｝1/2 …（４） このような形で４個の関係式を求めれば、（２）式と
（３）式とにより基準距離Ｌ0 を求めることができるか
ら、結果的に超音波源１の座標位置（ｘ0 ，ｙ0 ，
ｚ0 ）が決定されるのである。なお、上記説明では計算
を容易に行うことができる位置に受波装置２ａ，２ｂ，
２ｃ，２ｄを配置しているが、任意の位置の受波装置２
ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄに対して適当な座標変換を施すこ
とによって、受波装置２ａを原点、受波装置２ｂをｙ軸
上、受波装置２ｃをｘｙ平面上、受波装置２ｄを任意の
位置とすることができるから、このようなモデルによっ
て一般化が可能である。その場合、受波装置２ｃの座標
位置を（ｃx ，ｃy ，０）、受波装置２ｄの座標位置を
（ｄx ，ｄy ，ｄz ）として、以下の４個の関係式が得
られる。 Ｌ0 2 −ｙ0 2 ＝（Ｌ0 ＋Ｄｂ）2 −（ｂ−ｙ0 ）2 Ｌ0 2 −ｘ0 2 ＝（Ｌ0 ＋Ｄｃ）2 −（ｃx −ｘ0 ）2
−ｃy （ｃy −２ｙ0 ） ｘ0 2 ＋ｙ0 2 ＋ｚ0 2 ＝Ｌ0 2 Ｌ0 2 −ｙ0 2 ＝（Ｌ0 ＋Ｄｄ）2 −（ｄy −ｙ0 ）2
−ｄz （ｄz −２ｚ0 ）−ｄx （ｄx −２ｘ0 ） これらの関係式においても未知数は４個であって、ｚ0
以外の未知数の２次の項は消去されるから、超音波源１
の３次元の座標位置と基準距離とを求めることができる
のである。
【００１５】なお、路程差を求める方法としては、時間
差以外に超音波源１からの超音波の位相差を利用するこ
とも可能であり、また４個の受波装置２ａ，２ｂ，２
ｃ，２ｄでは死角が形成されるような場合には、５個以
上の受波装置を設けるようにしてもよい。受波装置が５
個以上の場合であっても１つの円周上ではない４箇所に
配置されている４個の受波装置によって得た情報を用い
れば超音波源１の座標位置を決定することができる。
差以外に超音波源１からの超音波の位相差を利用するこ
とも可能であり、また４個の受波装置２ａ，２ｂ，２
ｃ，２ｄでは死角が形成されるような場合には、５個以
上の受波装置を設けるようにしてもよい。受波装置が５
個以上の場合であっても１つの円周上ではない４箇所に
配置されている４個の受波装置によって得た情報を用い
れば超音波源１の座標位置を決定することができる。
【００１６】
【発明の効果】本発明は上述のように、少なくとも４箇
所に受波装置を配置して超音波源からの超音波を受波す
るのであって、４個の受波装置のうちの１つと超音波源
との距離を未知の基準距離としておき、残りの３個の受
波装置と超音波源との間の距離と基準距離との路程差を
求めるので、各受波装置と超音波源との距離を、超音波
源からの送波タイミングを用いずに基準距離と路程差と
の和という形で表すことができる。ここで、受波装置を
４個以上設けていることによって、超音波源の３次元の
座標位置に関して４個以上の関係式を設定することがで
きるから、座標位置に関する３個の未知数と未知の基準
距離という４個の未知数について４個以上の関係式から
求めることができるのであって、結果的に超音波源から
の送波タイミングを用いることなく、超音波源の座標位
置を求めることができるという効果を奏するのである。
すなわち、送波タイミングを知る必要がある従来例に比
較すれば、移動体に超音波源を搭載する際にはケーブル
が不要であることから移動体の移動範囲の制約が少なく
なるという利点があり、またワイヤレス信号を用いる必
要がないから障害物や外乱ノイズの影響を受けにくく移
動体の移動場所による制約が少なくなるという利点があ
る。しかも、ワイヤレス信号を送受する手段が不要であ
るから構成も簡単になるのである。
所に受波装置を配置して超音波源からの超音波を受波す
るのであって、４個の受波装置のうちの１つと超音波源
との距離を未知の基準距離としておき、残りの３個の受
波装置と超音波源との間の距離と基準距離との路程差を
求めるので、各受波装置と超音波源との距離を、超音波
源からの送波タイミングを用いずに基準距離と路程差と
の和という形で表すことができる。ここで、受波装置を
４個以上設けていることによって、超音波源の３次元の
座標位置に関して４個以上の関係式を設定することがで
きるから、座標位置に関する３個の未知数と未知の基準
距離という４個の未知数について４個以上の関係式から
求めることができるのであって、結果的に超音波源から
の送波タイミングを用いることなく、超音波源の座標位
置を求めることができるという効果を奏するのである。
すなわち、送波タイミングを知る必要がある従来例に比
較すれば、移動体に超音波源を搭載する際にはケーブル
が不要であることから移動体の移動範囲の制約が少なく
なるという利点があり、またワイヤレス信号を用いる必
要がないから障害物や外乱ノイズの影響を受けにくく移
動体の移動場所による制約が少なくなるという利点があ
る。しかも、ワイヤレス信号を送受する手段が不要であ
るから構成も簡単になるのである。
【図１】実施例を示すブロック回路図である。
【図２】実施例の動作説明図である。
【図３】実施例の原理説明図である。
【図４】従来例を示すブロック回路図である。
【図５】他の従来例を示すブロック回路図である。
【図６】従来例の原理説明図である。
１ 超音波源 ２ａ 受波装置 ２ｂ 受波装置 ２ｃ 受波装置 ２ｄ 受波装置 ３ 超音波信号処理手段 ４ 路程差算出手段 ５ 位置演算手段
Claims (2)
- 【請求項１】 ３次元の座標位置が既知であって１つの
円周上には位置しない少なくとも４個の受波装置で超音
波源より送波された方向性を持たない超音波を受波し、
いずれか１つの受波装置と超音波源との距離を未知の基
準距離とおいて他の受波装置と超音波源との距離と基準
距離との路程差を求めた後、各受波装置の座標位置と路
程差とに基づいて超音波源の３次元の座標位置に関する
関係式を基準距離を含んだ形で４個以上求め、これらの
関係式より基準距離および超音波源の３次元の座標位置
を求めることを特徴とする３次元位置測定方法。 - 【請求項２】 方向性を持たない超音波を送波する超音
波源と、３次元の座標位置が既知であって１つの円周上
には位置しないように配置され超音波源からの超音波を
受波する少なくとも４個の受波装置と、いずれか１つの
受波装置と超音波源との距離を未知の基準距離とおいて
他の受波装置と超音波源との距離と基準距離との路程差
を求める路程差算出手段と、各受波装置の座標位置と路
程差とに基づいて基準距離を含んだ形で求めることがで
きる超音波源の３次元の座標位置に関する４個以上の関
係式によって基準距離および超音波源の３次元の座標位
置を求める位置演算手段とを具備することを特徴とする
３次元位置測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1065293A JPH06222130A (ja) | 1993-01-26 | 1993-01-26 | ３次元位置測定方法および３次元位置測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1065293A JPH06222130A (ja) | 1993-01-26 | 1993-01-26 | ３次元位置測定方法および３次元位置測定装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06222130A true JPH06222130A (ja) | 1994-08-12 |
Family
ID=11756160
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1065293A Withdrawn JPH06222130A (ja) | 1993-01-26 | 1993-01-26 | ３次元位置測定方法および３次元位置測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06222130A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003043143A (ja) * | 2001-07-31 | 2003-02-13 | Amano Corp | 車両等の検出装置 |
| KR100609244B1 (ko) * | 2004-05-04 | 2006-08-08 | 김칠수 | 파원 위치 측정 장치 및 측정 방법 |
| WO2010038577A1 (ja) * | 2008-09-30 | 2010-04-08 | 三菱重工業株式会社 | 面で囲まれる空間内部で作業を行う位置を特定する方法及び作業結果管理装置 |
| JP2013167559A (ja) * | 2012-02-16 | 2013-08-29 | Mitsuru Sato | 位置確認機構を備えた照明器具及び位置確認システム |
| WO2019216027A1 (ja) * | 2018-05-10 | 2019-11-14 | 三菱重工サーマルシステムズ株式会社 | 位置推定装置、空調システム、位置推定方法及びプログラム |
| CN114305495A (zh) * | 2022-01-07 | 2022-04-12 | 京东方科技集团股份有限公司 | 基于超声换能器的超声成像方法、超声换能器及*** |
-
1993
- 1993-01-26 JP JP1065293A patent/JPH06222130A/ja not_active Withdrawn
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003043143A (ja) * | 2001-07-31 | 2003-02-13 | Amano Corp | 車両等の検出装置 |
| KR100609244B1 (ko) * | 2004-05-04 | 2006-08-08 | 김칠수 | 파원 위치 측정 장치 및 측정 방법 |
| WO2010038577A1 (ja) * | 2008-09-30 | 2010-04-08 | 三菱重工業株式会社 | 面で囲まれる空間内部で作業を行う位置を特定する方法及び作業結果管理装置 |
| JP2010085280A (ja) * | 2008-09-30 | 2010-04-15 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 面で囲まれる空間内部で作業を行う位置を特定する方法及び作業結果管理装置 |
| CN101960325A (zh) * | 2008-09-30 | 2011-01-26 | 三菱重工业株式会社 | 在由面围成的空间内部进行作业的位置的确定方法及作业结果管理装置 |
| US8630147B2 (en) | 2008-09-30 | 2014-01-14 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Method of determining position where work is done in space surrounded by surfaces and work result management device |
| JP2013167559A (ja) * | 2012-02-16 | 2013-08-29 | Mitsuru Sato | 位置確認機構を備えた照明器具及び位置確認システム |
| WO2019216027A1 (ja) * | 2018-05-10 | 2019-11-14 | 三菱重工サーマルシステムズ株式会社 | 位置推定装置、空調システム、位置推定方法及びプログラム |
| JP2019196999A (ja) * | 2018-05-10 | 2019-11-14 | 三菱重工サーマルシステムズ株式会社 | 位置推定装置、空調システム、位置推定方法及びプログラム |
| CN114305495A (zh) * | 2022-01-07 | 2022-04-12 | 京东方科技集团股份有限公司 | 基于超声换能器的超声成像方法、超声换能器及*** |
| CN114305495B (zh) * | 2022-01-07 | 2024-01-12 | 京东方科技集团股份有限公司 | 基于超声换能器的超声成像方法、超声换能器及*** |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20000404 |