側位システムおよび無線通信装置
【課題】移動局と基地局および基地局同士の同期システムが不必要であり、設置する基地局数が最低１個あれば移動局の位置を算出することの可能な側位システムを提供する。
【解決手段】１つの基地局２００により側位の対象となる移動局１００は、タイミング信号をトリガにして生成された超広帯域（ＵＷＢ）方式による信号を基準拡散符号（ＰＮ０）で拡散して基準拡散信号とする基準拡散器１０４と、基地局から反射信号を受信する第１、第２の受信部１１０、１１８と、第１の受信部で受信した信号から所定の拡散符号（ＰＮ１）との相関により反射信号を検出する第１の相関器１１４と、第２の受信部で受信した信号から所定の拡散符号（ＰＮ１）との相関により反射信号を検出する第２の相関器１１８と、第１、第２の相関器により検出された反射信号とタイミング信号との時間差を測定する時間差測定部１２６とを備える。
【解決手段】１つの基地局２００により側位の対象となる移動局１００は、タイミング信号をトリガにして生成された超広帯域（ＵＷＢ）方式による信号を基準拡散符号（ＰＮ０）で拡散して基準拡散信号とする基準拡散器１０４と、基地局から反射信号を受信する第１、第２の受信部１１０、１１８と、第１の受信部で受信した信号から所定の拡散符号（ＰＮ１）との相関により反射信号を検出する第１の相関器１１４と、第２の受信部で受信した信号から所定の拡散符号（ＰＮ１）との相関により反射信号を検出する第２の相関器１１８と、第１、第２の相関器により検出された反射信号とタイミング信号との時間差を測定する時間差測定部１２６とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は側位システムおよび無線通信装置にかかり、特に、屋内等のＧＰＳ（Global Positioning System）の利用が困難な場所における位置情報が必要とされるあらゆるシステムに適用可能である。このようなシステムとしては、例えば、掃除、警備、配達などの用途に使われる自走式ロボットがある。本明細書においては、側位の対象となる装置等を「移動局」と称し（ただし一般には、移動体とも称される）、移動局の側位を行うための基準位置となる装置等を「基地局」と称する（ただし一般には、個局あるいは固局とも称される。）。
【背景技術】
【０００２】
従来、無線通信手段を用いて移動局の位置測定を行う場合は、各基地局からの到達時間差を利用した三辺測量法で位置測定を行っていた。無線ＬＡＮや超音波を利用した測位を行った場合、数十ｃｍの測位精度が限界とされている。そこで、精度を向上させるために特開２００５−２７４３６４号公報（特許文献１）では、移動局に走行計を搭載し相互比較することで精度を向上させている。
【０００３】
また、特開２００６−２２０６４２号公報（特許文献２）では、超音波を利用して側位を行っている。この側位システムは、超音波受信装置である超音波アレイセンサの各受波素子で超音波を受波した時間の時間差と各受波素子の配置位置と向き検出手段により検出された移動体の向きとに基づいて、超音波受信装置に対して音源の存在する方位を求めるものである。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２７４３６４号公報
【特許文献２】特開２００６−２２０６４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来の三辺測量による位置検出を行う場合は、図９、図１０に示したように、既位置の基地局が複数局（Ａ、Ｂ、Ｃの３局以上）必要となる。図９に示した側位システムでは、移動局Ｐが発射した電波を、あらかじめ位置の分かっている３つ以上の基地局Ａ、Ｂ、Ｃが受信する。そして、それぞれの基地局Ａ、Ｂ、Ｃが受信した時間差をサーバが計算し、これにより移動局Ｐの位置を特定するものである。また、図１０に示した側位システムでは、基地局Ａ、Ｂ、Ｃ側が電波を発射し、移動局Ｐが電波を受け、移動局Ｐが自身の位置を把握するための計算を行うものである。
【０００６】
このような側位システムを家電（掃除ロボット等）に使用したときに、基地局の設置に対する負荷が大きくなる。これは、移動局Ｐおよび基地局Ａ、Ｂ、Ｃのどちらで位置検出を行う場合でも、複数の基地局は同期を取らなければならないためである。従ってこのような側位システムでは、正確な位置検出を行う場合に技術的に困難となる。また、部屋ごとに基地局を複数局設置し、基地局ごとに電源供給を確保しなければならないため、費用や外観の点においてデメリットとなる。
【０００７】
また、超音波を利用した側位システムは、近距離における精度は高いが、遠距離における精度が非常に劣化する。また、基地局から信号を発信するため、正確な測定を行うためには、移動局と基地局との時間同期が必要となる。
【０００８】
また、家電使用を考えた場合は屋内で利用することが前提と考えられる。そのため、測位方法として最も有効的なＧＰＳ（Global Positioning System）を用いると、逆に誤差を発生させるため実用的でない。
【０００９】
本発明は、従来の側位システムが有する上記問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、移動局と基地局および基地局同士の同期システムが不必要であり、設置する基地局数が最低１個あれば移動局の位置を算出することの可能な、新規かつ改良された側位システムおよび無線通信装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明の第１の観点によれば、側位の対象となる移動局と、前記移動局の側位を行うための基地局とを含む側位システムが提供される。本発明の側位システムは以下の構成を採用する（請求項１）。
【００１１】
前記移動局（１００）は、タイミング信号をトリガにして生成された超広帯域（ＵＷＢ）方式による信号を基準拡散符号（ＰＮ０）で拡散して基準拡散信号とする基準拡散器（１０４）と、前記基準拡散信号を前記基地局に送信する送信部（１０８）と、前記基地局から反射信号を受信する（一定距離離れた）第１、第２の受信部（１１０、１１８）と、前記第１の受信部で受信した信号から所定の拡散符号（ＰＮ１）との相関により前記反射信号を検出する第１の相関器（１１４）と、前記第２の受信部で受信した信号から所定の拡散符号（ＰＮ１）との相関により前記反射信号を検出する第２の相関器（１１８）と、前記第１、第２の相関器により検出された反射信号と前記タイミング信号との時間差を測定する時間差測定部（１２６）と、を備える。
【００１２】
前記基地局（２００）は、前記移動局からの信号を受信する受信部（２０２）と、前記受信部で受信した信号から基準拡散符号（ＰＮ０）との相関により前記基準拡散信号を検出する基準相関器（２０６）と、前記基準拡散信号をトリガにして生成された信号を所定の拡散符号（ＰＮ１）で拡散して反射信号とする拡散器（２１４）と、前記反射信号を前記移動局に送信する送信部（２０２）と、を備える。
【００１３】
かかる側位システムによれば、ＵＷＢを利用した移動局と基地局および基地局同士の同期システムが不必要であり、移動局の位置を正確に算出することが可能である。基地局をレスポンダとして利用することで、移動局の絶対位置を移動局自身で算出することが可能となる。また、設置する基地局数が最低１個あれば移動局の位置を算出することが可能である。そのため、基地局を設置する際の面倒な配線や基地局同士の同期が不要となり、価格の低下や技術的容易さを向上させることが可能となる。また、短パルスを使用して通信を行うＵＷＢ方式では、精度を１〜２ｃｍとすることが可能となる。
【００１４】
なお上記において、構成要素に付随して括弧書きで記した参照符号は、説明の便宜のために、後述の実施形態および図面における対応する構成要素を一例として記したに過ぎず、本発明がこれに限定されるものではない。以下も同様である。
【００１５】
上記本発明の側位システムでは様々な応用が可能であるが、いくつかの応用例を挙げれば以下の通りである。
【００１６】
前記移動局は、さらに、自身の移動方向を認識するための移動方向認識部を備えた構成とすることも可能である（請求項２）。移動局の移動方向を検知することにより、移動局の位置の候補点を限定できる。また、基地局の位置を壁際等とすることによって、移動局の位置が室内であることを前提にさらに移動局の候補点を絞り込むことができ、移動局の位置を一意に決定することができる。
【００１７】
前記移動局は、さらに、各方向の対象物までの距離を測定するための対象物距離測定部（１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ，１３０ｄ）を備えた構成とすることも可能である（請求項３）。移動局の各方向の対象物までの距離を測定することにより、移動局の位置の候補点を限定できる。また、上記の移動方向の検知と組み合わせることにより、移動局の位置を一意に決定することができる。
【００１８】
また、前記基地局（２００）は、前記移動局からの信号を受信する４つの受信部（２０２）と、前記各受信部に対応し、前記各受信部で受信した信号から基準拡散符号（ＰＮ０）との相関により前記基準拡散信号を検出する４つの基準相関器（２０６）と、前記各基準相関器に対応し、前記基準拡散信号をトリガにして生成された信号を所定の拡散符号（ＰＮ１〜ＰＮ４）で拡散して反射信号とする４つの拡散器（２１４）と、前記各拡散器に対応し、前記反射信号を前記移動局に送信する４つの送信部（２０２）と、を備え、前記４つの受信部および前記４つの送信部は、４象限に区切った放射パターンを持ち、前記４つの拡散器は、互いに異なる拡散符号を用いるように構成することも可能である（請求項４）。かかる構成によれば、移動局の移動方向を検知したり、移動局の各方向の対象物までの距離を測定したりすることなく、ＵＷＢだけによる位置測定により、移動局の位置を一意に決定することができる。
【００１９】
上記課題を解決するため、本発明の第２の観点によれば、１つの基地局により側位の対象となる無線通信装置であって、タイミング信号をトリガにして生成された超広帯域（ＵＷＢ）方式による信号を基準拡散符号（ＰＮ０）で拡散して基準拡散信号とする基準拡散器（１０４）と、前記基準拡散信号を前記基地局に送信する送信部（１０８）と、前記基地局から反射信号を受信する（一定距離離れた）第１、第２の受信部（１１０、１１８）と、前記第１の受信部で受信した信号から所定の拡散符号（ＰＮ１）との相関により前記反射信号を検出する第１の相関器（１１４）と、前記第２の受信部で受信した信号から所定の拡散符号（ＰＮ１）との相関により前記反射信号を検出する第２の相関器（１１８）と、前記第１、第２の相関器により検出された反射信号と前記タイミング信号との時間差を測定する時間差測定部（１２６）と、を備えたことを特徴とする、無線通信装置が提供される（請求項５）。
【００２０】
かかる無線通信装置によれば、ＵＷＢを利用した移動局と基地局および基地局同士の同期システムが不必要であり、移動局の位置を正確に算出することが可能である。基地局をレスポンダとして利用することで、移動局の絶対位置を移動局自身で算出することが可能となる。また、設置する基地局数が最低１個あれば移動局の位置を算出することが可能である。そのため、基地局を設置する際の面倒な配線や基地局同士の同期が不要となり、価格の低下や技術的容易さを向上させることが可能となる。
【００２１】
上記本発明の無線通信装置では様々な応用が可能であるが、いくつかの応用例を挙げれば以下の通りである。
【００２２】
さらに、自身の移動方向を認識するための移動方向認識部を備える構成とすることも可能である（請求項６）。移動局の移動方向を検知することにより、移動局の位置の候補点を限定できる。また、基地局の位置を壁際等とすることによって、移動局の位置が室内であることを前提にさらに移動局の候補点を絞り込むことができ、移動局の位置を一意に決定することができる。
【００２３】
さらに、各方向の対象物までの距離を測定するための対象物距離測定部（１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ，１３０ｄ）を備える構成とすることも可能である（請求項７）。移動局の各方向の対象物までの距離を測定することにより、移動局の位置の候補点を限定できる。また、上記の移動方向の検知と組み合わせることにより、移動局の位置を一意に決定することができる。
【発明の効果】
【００２４】
以上のように、本発明によれば、移動局と基地局および基地局同士の同期システムが不必要であり、設置する基地局数が最低１個あれば移動局の位置を算出することが可能である。その他の本発明の優れた効果については、以下の発明を実施するための最良の形態の説明においても説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下に添付図面を参照しながら、本発明にかかる側位システムおよび無線通信装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２６】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について説明する。
【００２７】
まず本実施形態の基本的な概念について説明する。
以下の実施形態では、移動局にＵＷＢ無線送信機１個とＵＷＢ無線受信機２個を一定距離離して搭載する。また、基地局として最低１個の送受信機を用いて、移動局の位置を移動局自身により測定する、レスポンダタイプの位置測定方法である。測定手順は移動局の送信機から送信したパルスを基地局が受信し、拡散符号を変更して基地局が移動局の２個の受信機に対してパルスを返信する。このとき、移動局の２個の受信機は微少な時間差で基地局からの返信パルスを受信する。そしてこの時間差により側位を行う。
【００２８】
同期については、移動局が出した電波を基地局が送り返すレピータ方式により、時計は移動局内で完結するため不要となる。送り返す際の遅延に関しても、ＵＷＢの持つシンプルな構成により補正が簡単になる利点がある。
【００２９】
以下、本実施形態の構成および動作について詳細に説明する。本実施形態の屋内設置例を図１に、移動局および基地局のブロック図を図２に示す。
【００３０】
（１−１）移動局および基地局の屋内設置例（図１）
図１は、移動局１００と１つの基地局２００が屋内に設置された状態を示す説明図である。本実施形態では、移動局に図１のようにＵＷＢ無線送信機１個（参照符号Ｐで表す）とＵＷＢ無線受信機２個（参照符号Ａ、Ｂで表す）を一定距離離して搭載する。また、基地局として最低１個の送受信機を用いて、移動局の位置を移動局自身により測定する。本実施形態は、このようなレスポンダタイプの位置測定方法である。測定手順は移動局の送信機から送信したパルスを基地局が受信し、拡散符号を変更して基地局が移動局の２個の受信機に対してパルスを返信する。このとき、移動局の２個の受信機は微少な時間差で基地局からの返信パルスを受信する。
【００３１】
移動局１００は、本発明の無線通信装置の一例であり、本システムにおける側位の対象となる装置等である。本実施形態の移動局１００は自身の位置を精度良く知っている必要があるものである。このような移動局１００の具体例としては、例えば、掃除、警備、配達などの用途に使われる自走式ロボットである。地上の位置を決定する手段として現在最も一般的な方法であるＧＰＳ（Global
Positioning System）では屋内での高精度の側位が困難であることから、以下に説明する基地局２００を用いて側位を行う。
【００３２】
基地局２００は、移動局１００の側位を行うための装置等である。基地局２００は、図１に示したように、屋内の日常において障害とならない部屋の天井などに設置される。また例えば、基地局２００を照明の近傍に設置することにより、照明と同じ電源から電力の供給を受けることが可能である。
【００３３】
（１−２）移動局および基地局の構成例（図２）
移動局１００および基地局２００の構成例について、図２を参照しながら説明する。
【００３４】
（移動局１００）
移動局１００は、図２に示したように、送信機能（図１の参照符号Ｐに相当）としてのパルスジェネレータ１０２、拡散器（ＰＮ０）１０４、増幅器１０６およびアンテナ１０８と、受信機能（図１の参照符号Ａ、Ｂに相当）としての２つのアンテナ１１０、１１８および２つの増幅器１１２、１２０と、２つの相関器（ＰＮ１）１１４、１２２と、２つのアナログデジタル変換器１１６、１２４と、時間差測定部１２６を備えて構成されている。
【００３５】
パルスジェネレータ１０２は、時間測定部１２６からのタイミングシグナル（Timing Signal）をトリガに、超広帯域（ＵＷＢ）方式によるパルスを発生する。拡散器１０４はこのパルスを符号ＰＮ０に拡散する。この拡散器１０４により拡散された信号は、本実施形態の側位において基準となる信号であるため、以下、基準拡散信号と称する。増幅器１０６は基準拡散信号を増幅する。アンテナ１０８は、増幅後の基準拡散信号を基地局２００に送信する。
【００３６】
一方、受信機能としての２つのアンテナ１１０、１１８は、基地局２００から送り返された信号（反射信号）を受信する。この反射信号は基地局２００で生成される信号であり、その詳細についてはさらに後述する。増幅器１１２、１２０は反射信号を増幅する。相関器１１４、１２２は、受信信号から第１の拡散符号ＰＮ１との相関により、基地局２００から送信される反射信号を検出する。アナログデジタル変換器１１６、１２４は反射信号をデジタル変換する。
【００３７】
時間差測定部１２６は、２つのアンテナ１１０、１１８から受信した反射信号の時間差を測定し、タイミングシグナルを基準とした時間を計測することで、２つのアンテナ１１０、１１８の基地局２００からの距離を測定する。本実施形態では、この測定された距離を用いて、移動局１００の側位を行う。この点については、図３を参照しながらさらに後述する。
【００３８】
（基地局２００）
基地局２００は、図２に示したように、受信機能としてのアンテナ２０２および増幅器２０４と、相関器（ＰＮ０）２０６と、増幅器２０８と、アナログデジタル変換器２１０と、パルスジェネレータ２１２と、拡散符号ＰＮ１に対応する拡散器（ＰＮ１）２１４と、送信機能としての増幅器２１６およびアンテナ２０２と、を備えて構成されている。図２に示した一例では、アンテナ２０２で送信機能および受信機能を兼用しているが、送信用のアンテナと受信用のアンテナを別個に設けてもよい。
【００３９】
アンテナ２０２は、移動局１００から送信された信号を受信する。増幅器２０４は受信信号を増幅する。相関器２０６はこの増幅された受信信号から相関値（ＰＮ０）との相関により、移動局１００から送信された基準拡散信号を検出する。増幅器２０８は基準拡散信号を増幅する。アナログデジタル変換器２１０は、増幅後の基準拡散信号をデジタル信号に変換する。パルスジェネレータ２１２は、このデジタル信号をトリガとしてパルスを発生する。
【００４０】
次段の拡散器２１４は、パルスジェネレータ２１２が生成したパルスを符号ＰＮ１に拡散して拡散信号とする。この拡散器２１４により拡散された信号は、本実施形態の側位において移動局１００に反射されて側位に用いられる信号であるため、本明細書において反射信号と称する。増幅器２１６は、この反射信号を増幅する。アンテナ２１８は、増幅後の電波を移動局１００に送り返す。
【００４１】
本実施形態では、移動局１００と基地局２００との間での同期を必要とせず、また、基地局２００を１つだけ設置することから基地局間での同期という概念は存在しない。このため、本実施形態の基地局２００は、図２に示したような簡易な構成とすることが可能であり、また、設置も容易である。
【００４２】
本実施形態の構成は以上の通りである。次に、本実施形態の動作について説明する。
【００４３】
（１−３）本実施形態の動作
移動局１００において、タイミングシグナルをトリガにパルスジェネレータ１０２からパルスが発生し、次段の拡散器１０４で符号ＰＮ０に拡散され、増幅器１０６で増幅後、アンテナ１０８より発射される。
【００４４】
基地局２００では、アンテナ２０２で信号を受信し増幅器２０４で増幅後、符号ＰＮ０に対応する相関器２０６により、相関値を出力する。この信号がトリガとなり、基地局２００のアンテナ２１８からは、パルスジェネレータ２１２で生成され拡散器２１４で符号ＰＮ１に拡散された電波を移動局１００に送り返す。
【００４５】
移動局１００に送り返された信号は、２つの相関器１１４、１２２で検出される。時間差測定部１２６において、タイミングシグナルからの時間を計測することで、移動局１００と基地局２００との間の距離が測定される。この点について、以下説明する。
【００４６】
（１−４）移動局および基地局における受信信号（図３）
図３は、移動局１００および基地局２００における受信信号を示す説明図である。図３では、説明の便宜上、移動局１００が基準拡散信号を送信してから移動局１００が反射信号を受信するまでの間のみを示している。
【００４７】
図３に示したように、移動局１００が送信するパルス幅をＴｐ、移動局１００の２つの各アンテナと基地局２００との間の空間伝送時間をＴｄ、基地局２００でのレスポンス時間をＴｌとする。時間差測定部１２６により算出される時間差をＴｔとすると、Ｔｔ＝４×Ｔｐ＋２×Ｔｄ＋Ｔｌである。よって、移動局１００の２つの各アンテナと基地局２００との間の距離Ｘは、Ｘ＝ｃ（光速）×Ｔｄ＝ｃ×（Ｔｔ−４×Ｔｐ−Ｔｌ）／２で算出される。
【００４８】
本実施形態では、移動局１００の２つのアンテナが反射信号を受信する時間差を利用して側位を行う。すなわち、移動局１００自身が基準拡散信号を送信し、かつ反射信号を受信することから、移動局１００と基地局２００との間の距離を判断することができる。さらに、移動局１００の２つのアンテナが反射信号を受信する時間差を利用することで、移動局１００の絶対位置の候補点を絞り込む。
【００４９】
上述のような計算では、移動局１００の位置は一意には決まらず、図４に示したように、位置検出範囲を基地局２００を中心とするＸＹ座標で考えた場合、各象限に対称的に算出されて４個の座標に限定される。以下の説明では、図４において紙面右上の象限を第１象限、紙面左上の象限を第２象限、紙面左下の象限を第３象限、紙面右下の象限を第４象限と称する。
【００５０】
図５は、移動局１００が第２象限に存在する場合の、移動局１００の２つのアンテナと基地局２００との位置関係を示す説明図である。以下の説明では、図５に示したように、移動局１００の２つのアンテナＡ、Ｂと基地局２００との間の距離をＸａ、Ｘｂとして区別する。
【００５１】
図４に示したように、移動局１００の位置は一意には決まらず、移動局１００の４つの候補点が与えられる。ただし、移動局１００が室内のみを移動し、室外には存在しないという前提のもとでは、基地局２００を壁際等に設置した場合には、４つのうち２つの候補点は室外となる。また、基地局２００を室内の隅に設置した場合には、４つのうち３つの候補点は室外となる。そこで、移動局１００が室内のみを移動し、室外には存在しないという情報を予め移動局１００に入力することにより、移動局１００の位置を絞り込んだり一意に決定したりすることができる。このようにして、他の候補点の存在が実用上問題となることはない。なお、移動局１００の候補点を絞り込む他の方法については、後述の実施形態でさらに説明する。
【００５２】
また、移動局１００が受信する信号の中には、基地局２００から反射無しで送り返される信号のほか、壁などで反射される反射波も含まれる。しかし、本実施形態ではＵＷＢ（超広帯域）方式を利用していることで、かかる反射波は反射無しで送り返される信号に比べてその信号レベルが小さくなる。すなわち、最初に帰ってくる信号レベルが一番大きく、これが反射無しで送り返される信号であると判別することが可能である。この点も、本実施形態でＵＷＢを利用していることの利点の一つである。
【００５３】
（第１の実施形態の効果）
以上説明したように、本実施形態によれば、ＵＷＢを利用した移動局１００と基地局２００および基地局同士の同期システムが不必要であり、移動局１００の位置を正確に算出することが可能である。基地局２００をレスポンダとして利用することで、移動局１００の絶対位置を移動局１００自身で算出することが可能となる。
【００５４】
また、設置する基地局数が最低１個あれば移動局の位置を算出することが可能である。そのため、基地局を設置する際の面倒な配線や基地局同士の同期が不要となり、価格の低下や技術的容易さを向上させることが可能となる。
【００５５】
（移動局１００の候補点を絞り込む方法）
上記第１の実施形態の方法では、基地局２００から２個のアンテナへの距離Ｘａ、Ｘｂが算出された結果、図４のように位置検出範囲を基地局２００を中心とするＸＹ座標で考えた場合、各象限に対称的に算出されて４個の座標に限定される。そこで、以下の第２、第３の実施形態では、限定された位置からどの象限に位置するかを判別する方法について、いくつかの例を説明する。
【００５６】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態について説明する。
本実施形態では、移動局１００は、移動局１００の移動方向を認識するための移動方向認識部を備えたことを特徴とする。
【００５７】
通常、自立自走型の移動局は移動方向の認識や直進性を維持するために方位認識装置を搭載する必要がある。この装置はジャイロやＧＰＳで容易に実現できる。このような装置を本発明の移動方向認識部として用いることにより移動局の移動方向を移動局自身が認識できる。かかる装置では移動方向だけを認識できれば良いため、拡散符号を変更したり、反射波の影響を考慮したりするなどの仕組みを必要としない。このため、高度な測定装置は必要ではなく、ジャイロ以外にも例えば屋内（地下を除く）でのＧＰＳでも可能となる。
【００５８】
このように、移動局に自身の移動方向を認識するための移動方向認識部を備えたことにより、移動局の進行方向が限定される。図４に示した例では、図中矢印で示したように、移動局１００の進行方向に対して受信部Ａが左側であり受信部Ｂが右側であることを前提とすると、移動局１００が紙面上向き（Ｙ軸の正方向）に進行していれば、移動局１００の位置は第２、第３象限のいずれかであると判定できる。また、移動局１００が紙面下向き（Ｙ軸の負方向）に進行していれば、移動局１００の位置は第１、第４象限のいずれかであると判定できる。このように、移動局１００の進行方向が限定されることにより、第１の実施形態においてＵＷＢ通信で算出された移動局１００の位置を１／２に限定できる。
【００５９】
（第２の実施形態の効果）
以上説明したように、本実施形態によれば、ジャイロ等の簡易な手段により移動局１００の移動方向を検知することにより、第１の実施形態との比較で移動局１００の位置を１／２に限定できる。さらに、基地局２００を、図４のＸ軸を壁際とするような位置に設置することによって、第３、第４象限（または第１、第２象限）の候補点を除外することができ、移動局１００の位置を一意に決定することができる。
【００６０】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態について説明する。
本実施形態では、移動局１００は、図６に示したように、各方向の対象物（壁など）までの距離を測定するための対象物距離測定機能を備えたことを特徴とする。図６に示した一例では、対象物距離測定部として、４つの方向に測定部１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄを備えている。
【００６１】
通常、自立自走型の移動局は移動方向の認識や直進性を維持するために複数のセンサを搭載している。また、屋内における家電移動局は屋内に設置された家具や壁を避けながら移動することが要求されるため、ショックセンサや超音波センサ等を使用して、壁や家具を認識し、回避動作等を行っている。その一つに対壁センサとして、超音波距離測定装置を搭載することがある。この距離測定法は近距離において精度を上げられる利点があるが、ＵＷＢを用いても同様以上の精度を達成することが可能である。
【００６２】
また、基地局２００との通信でＵＷＢを使用しているため、図７に示したように、移動局１００の上部に設置されている送信機の放射パターンを半球状にすることで、壁面からの反射波を移動局１００の側面に搭載した受信機（図７の例では測定部１３０ｂ）で受信して、壁面までの距離を測定することが可能となる。この場合、基地局２００との間の通信とは異なり、拡散符号による判別を行う必要が無く、電力検出による簡単な構成で受信が可能となる。すなわち、対壁に使用する受信機は拡散符号を使用したものではなく、最初に反射してきたパルスを受信すれば良いため、簡単な検波機能を持つ受信機で良い。
【００６３】
このように、移動局１００の壁面までの距離が限定されることにより、第１の実施形態のＵＷＢ通信で算出された位置を１／２に限定できる。すなわち、対象物距離測定部１３０ａ、１３０ｂからの対象物までの距離が、他の対象物距離測定部１３０ｃ、１３０ｄから対象物までの距離よりも大きければ、移動局１００の位置は図４に示した第２、第４象限のいずれかであり、対象物距離測定部１３０ｃ、１３０ｄからの対象物までの距離が、他の対象物距離測定部１３０ａ、１３０ｂから対象物までの距離よりも大きければ、移動局１００の位置は図４に示した第１、第３象限のいずれかであると判定できる。
【００６４】
（第３の実施形態の効果）
以上説明したように、本実施形態によれば、移動局１００の壁際までの距離を検知することにより、第１の実施形態との比較で移動局１００の位置を１／２に限定できる。
【００６５】
さらに、第２の実施形態（移動方向を検知）と組み合わせることにより、移動局１００の位置を一意に決定することができる。すなわち、第２の実施形態では、移動局１００の位置を、第１、第４象限のいずれか、または第２、第３象限のいずれかに候補点を絞り込むことができる。そして、第３の実施形態では、移動局１００の位置を、第２、第４象限のいずれか、または第１、第３象限のいずれかに候補点を絞り込むことができる。このように、無線基地局からの距離、移動局の進行方向、壁からの距離を複合して計算することで、図４のＸＹ座標のどの象限のどの位置に移動局が存在するかを測定することができ、移動局１００の位置を一意に決定することができる。
【００６６】
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態について説明する。
本実施形態では、第２、第３の実施形態と異なり、ＵＷＢによる位置測定だけで移動局１００の位置の候補点を絞り込む方法について説明する。ＵＷＢだけによる位置測定を行う場合には、図８に示したように、基地局２００に４象限に区切った放射パターンを持つ送受信機２００−１、２００−２、２００−３、２００−４を設置して、それぞれの送受信機に異なる拡散符号を持たせることで、移動局のある象限を判別する。そしてその後、移動局に搭載されている２個の受信機で基地局からの返信時間を測定して正確な位置を算出することができる。
【００６７】
各送受信機２００−１、２００−２、２００−３、２００−４の構成は、図１に示したアンテナ２０２、増幅器２０４、相関器（ＰＮ０）２０６、増幅器２０８、アナログデジタル変換器２１０、パルスジェネレータ２１２、拡散器２１４および増幅器２１６の構成と実質的に同様である。ただし、拡散器２１４で用いる拡散符号は、各送受信機２００−１、２００−２、２００−３、２００−４において互いに異なるもの（例えば、拡散符号ＰＮ１、ＰＮ２、ＰＮ３、ＰＮ４）とする。これにより、移動局１００は、送受信機２００−１、２００−２、２００−３、２００−４のいずれからの反射信号であるかを判定することができる。
【００６８】
（第４の実施形態の効果）
以上説明したように、本実施形態によれば、移動局１００が存在する象限を特定することができ、移動局１００の位置を一意に決定することができる。また、本実施形態の構成によれば、基地局２００を任意の位置に設置できるため、例えば、基地局２００を照明の近傍に設置することによって、照明と同じ電源から電力の供給を受けることが可能である。
【００６９】
以上、添付図面を参照しながら本発明にかかる側位システムおよび無線通信装置の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００７０】
例えば、上記実施形態では、移動局１００に２つの受信部Ａ、Ｂを備えた構成について説明したが、本発明はこれに限定されず、３つ以上の受信部を備える構成であってもよい。受信部の数を増やすことにより、側位の精度をさらに向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は側位システムおよび無線通信装置に利用可能であり、特に、屋内等のＧＰＳの利用が困難な場所における位置情報が必要とされるあらゆるシステムに適用可能である。このようなシステムとしては、例えば、掃除、警備、配達などの用途に使われる自走式ロボットがある。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】移動局および基地局の屋内設置例を示す説明図である。
【図２】第１の実施形態にかかる移動局および基地局の構成例を示す説明図である。
【図３】第１の実施形態における移動局の受信信号を示す説明図である。
【図４】第２の実施形態にかかる側位システムを示す説明図である。
【図５】第２の実施形態にかかる側位システムを示す説明図である。
【図６】第３の実施形態にかかる側位システムを示す説明図である。
【図７】第３の実施形態にかかる側位システムを示す説明図である。
【図８】第４の実施形態にかかる側位システムを示す説明図である。
【図９】従来の側位システムの一例を示す説明図である。
【図１０】従来の側位システムの一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００７３】
１００ 移動局
１０２ パルスジェネレータ
１０４ 拡散器（ＰＮ０）
１０６ 増幅器
１０８ アンテナ
１１０ アンテナ
１１２ 増幅器
１１４ 相関器（ＰＮ１）
１１６ アナログデジタル変換器
１１８ アンテナ
１２０ 増幅器
１２２ 相関器（ＰＮ１）
１２４ アナログデジタル変換器
１２６ 時間差測定部
１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ 移動方向認識部
２００ 基地局
２０２ アンテナ
２０４ 増幅器
２０６ 相関器（ＰＮ０）
２０８ 増幅器
２１０ アナログデジタル変換器
２１２ パルスジェネレータ
２１４ 拡散器（ＰＮ１）
２１６ 増幅器
【技術分野】
【０００１】
本発明は側位システムおよび無線通信装置にかかり、特に、屋内等のＧＰＳ（Global Positioning System）の利用が困難な場所における位置情報が必要とされるあらゆるシステムに適用可能である。このようなシステムとしては、例えば、掃除、警備、配達などの用途に使われる自走式ロボットがある。本明細書においては、側位の対象となる装置等を「移動局」と称し（ただし一般には、移動体とも称される）、移動局の側位を行うための基準位置となる装置等を「基地局」と称する（ただし一般には、個局あるいは固局とも称される。）。
【背景技術】
【０００２】
従来、無線通信手段を用いて移動局の位置測定を行う場合は、各基地局からの到達時間差を利用した三辺測量法で位置測定を行っていた。無線ＬＡＮや超音波を利用した測位を行った場合、数十ｃｍの測位精度が限界とされている。そこで、精度を向上させるために特開２００５−２７４３６４号公報（特許文献１）では、移動局に走行計を搭載し相互比較することで精度を向上させている。
【０００３】
また、特開２００６−２２０６４２号公報（特許文献２）では、超音波を利用して側位を行っている。この側位システムは、超音波受信装置である超音波アレイセンサの各受波素子で超音波を受波した時間の時間差と各受波素子の配置位置と向き検出手段により検出された移動体の向きとに基づいて、超音波受信装置に対して音源の存在する方位を求めるものである。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２７４３６４号公報
【特許文献２】特開２００６−２２０６４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来の三辺測量による位置検出を行う場合は、図９、図１０に示したように、既位置の基地局が複数局（Ａ、Ｂ、Ｃの３局以上）必要となる。図９に示した側位システムでは、移動局Ｐが発射した電波を、あらかじめ位置の分かっている３つ以上の基地局Ａ、Ｂ、Ｃが受信する。そして、それぞれの基地局Ａ、Ｂ、Ｃが受信した時間差をサーバが計算し、これにより移動局Ｐの位置を特定するものである。また、図１０に示した側位システムでは、基地局Ａ、Ｂ、Ｃ側が電波を発射し、移動局Ｐが電波を受け、移動局Ｐが自身の位置を把握するための計算を行うものである。
【０００６】
このような側位システムを家電（掃除ロボット等）に使用したときに、基地局の設置に対する負荷が大きくなる。これは、移動局Ｐおよび基地局Ａ、Ｂ、Ｃのどちらで位置検出を行う場合でも、複数の基地局は同期を取らなければならないためである。従ってこのような側位システムでは、正確な位置検出を行う場合に技術的に困難となる。また、部屋ごとに基地局を複数局設置し、基地局ごとに電源供給を確保しなければならないため、費用や外観の点においてデメリットとなる。
【０００７】
また、超音波を利用した側位システムは、近距離における精度は高いが、遠距離における精度が非常に劣化する。また、基地局から信号を発信するため、正確な測定を行うためには、移動局と基地局との時間同期が必要となる。
【０００８】
また、家電使用を考えた場合は屋内で利用することが前提と考えられる。そのため、測位方法として最も有効的なＧＰＳ（Global Positioning System）を用いると、逆に誤差を発生させるため実用的でない。
【０００９】
本発明は、従来の側位システムが有する上記問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、移動局と基地局および基地局同士の同期システムが不必要であり、設置する基地局数が最低１個あれば移動局の位置を算出することの可能な、新規かつ改良された側位システムおよび無線通信装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明の第１の観点によれば、側位の対象となる移動局と、前記移動局の側位を行うための基地局とを含む側位システムが提供される。本発明の側位システムは以下の構成を採用する（請求項１）。
【００１１】
前記移動局（１００）は、タイミング信号をトリガにして生成された超広帯域（ＵＷＢ）方式による信号を基準拡散符号（ＰＮ０）で拡散して基準拡散信号とする基準拡散器（１０４）と、前記基準拡散信号を前記基地局に送信する送信部（１０８）と、前記基地局から反射信号を受信する（一定距離離れた）第１、第２の受信部（１１０、１１８）と、前記第１の受信部で受信した信号から所定の拡散符号（ＰＮ１）との相関により前記反射信号を検出する第１の相関器（１１４）と、前記第２の受信部で受信した信号から所定の拡散符号（ＰＮ１）との相関により前記反射信号を検出する第２の相関器（１１８）と、前記第１、第２の相関器により検出された反射信号と前記タイミング信号との時間差を測定する時間差測定部（１２６）と、を備える。
【００１２】
前記基地局（２００）は、前記移動局からの信号を受信する受信部（２０２）と、前記受信部で受信した信号から基準拡散符号（ＰＮ０）との相関により前記基準拡散信号を検出する基準相関器（２０６）と、前記基準拡散信号をトリガにして生成された信号を所定の拡散符号（ＰＮ１）で拡散して反射信号とする拡散器（２１４）と、前記反射信号を前記移動局に送信する送信部（２０２）と、を備える。
【００１３】
かかる側位システムによれば、ＵＷＢを利用した移動局と基地局および基地局同士の同期システムが不必要であり、移動局の位置を正確に算出することが可能である。基地局をレスポンダとして利用することで、移動局の絶対位置を移動局自身で算出することが可能となる。また、設置する基地局数が最低１個あれば移動局の位置を算出することが可能である。そのため、基地局を設置する際の面倒な配線や基地局同士の同期が不要となり、価格の低下や技術的容易さを向上させることが可能となる。また、短パルスを使用して通信を行うＵＷＢ方式では、精度を１〜２ｃｍとすることが可能となる。
【００１４】
なお上記において、構成要素に付随して括弧書きで記した参照符号は、説明の便宜のために、後述の実施形態および図面における対応する構成要素を一例として記したに過ぎず、本発明がこれに限定されるものではない。以下も同様である。
【００１５】
上記本発明の側位システムでは様々な応用が可能であるが、いくつかの応用例を挙げれば以下の通りである。
【００１６】
前記移動局は、さらに、自身の移動方向を認識するための移動方向認識部を備えた構成とすることも可能である（請求項２）。移動局の移動方向を検知することにより、移動局の位置の候補点を限定できる。また、基地局の位置を壁際等とすることによって、移動局の位置が室内であることを前提にさらに移動局の候補点を絞り込むことができ、移動局の位置を一意に決定することができる。
【００１７】
前記移動局は、さらに、各方向の対象物までの距離を測定するための対象物距離測定部（１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ，１３０ｄ）を備えた構成とすることも可能である（請求項３）。移動局の各方向の対象物までの距離を測定することにより、移動局の位置の候補点を限定できる。また、上記の移動方向の検知と組み合わせることにより、移動局の位置を一意に決定することができる。
【００１８】
また、前記基地局（２００）は、前記移動局からの信号を受信する４つの受信部（２０２）と、前記各受信部に対応し、前記各受信部で受信した信号から基準拡散符号（ＰＮ０）との相関により前記基準拡散信号を検出する４つの基準相関器（２０６）と、前記各基準相関器に対応し、前記基準拡散信号をトリガにして生成された信号を所定の拡散符号（ＰＮ１〜ＰＮ４）で拡散して反射信号とする４つの拡散器（２１４）と、前記各拡散器に対応し、前記反射信号を前記移動局に送信する４つの送信部（２０２）と、を備え、前記４つの受信部および前記４つの送信部は、４象限に区切った放射パターンを持ち、前記４つの拡散器は、互いに異なる拡散符号を用いるように構成することも可能である（請求項４）。かかる構成によれば、移動局の移動方向を検知したり、移動局の各方向の対象物までの距離を測定したりすることなく、ＵＷＢだけによる位置測定により、移動局の位置を一意に決定することができる。
【００１９】
上記課題を解決するため、本発明の第２の観点によれば、１つの基地局により側位の対象となる無線通信装置であって、タイミング信号をトリガにして生成された超広帯域（ＵＷＢ）方式による信号を基準拡散符号（ＰＮ０）で拡散して基準拡散信号とする基準拡散器（１０４）と、前記基準拡散信号を前記基地局に送信する送信部（１０８）と、前記基地局から反射信号を受信する（一定距離離れた）第１、第２の受信部（１１０、１１８）と、前記第１の受信部で受信した信号から所定の拡散符号（ＰＮ１）との相関により前記反射信号を検出する第１の相関器（１１４）と、前記第２の受信部で受信した信号から所定の拡散符号（ＰＮ１）との相関により前記反射信号を検出する第２の相関器（１１８）と、前記第１、第２の相関器により検出された反射信号と前記タイミング信号との時間差を測定する時間差測定部（１２６）と、を備えたことを特徴とする、無線通信装置が提供される（請求項５）。
【００２０】
かかる無線通信装置によれば、ＵＷＢを利用した移動局と基地局および基地局同士の同期システムが不必要であり、移動局の位置を正確に算出することが可能である。基地局をレスポンダとして利用することで、移動局の絶対位置を移動局自身で算出することが可能となる。また、設置する基地局数が最低１個あれば移動局の位置を算出することが可能である。そのため、基地局を設置する際の面倒な配線や基地局同士の同期が不要となり、価格の低下や技術的容易さを向上させることが可能となる。
【００２１】
上記本発明の無線通信装置では様々な応用が可能であるが、いくつかの応用例を挙げれば以下の通りである。
【００２２】
さらに、自身の移動方向を認識するための移動方向認識部を備える構成とすることも可能である（請求項６）。移動局の移動方向を検知することにより、移動局の位置の候補点を限定できる。また、基地局の位置を壁際等とすることによって、移動局の位置が室内であることを前提にさらに移動局の候補点を絞り込むことができ、移動局の位置を一意に決定することができる。
【００２３】
さらに、各方向の対象物までの距離を測定するための対象物距離測定部（１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ，１３０ｄ）を備える構成とすることも可能である（請求項７）。移動局の各方向の対象物までの距離を測定することにより、移動局の位置の候補点を限定できる。また、上記の移動方向の検知と組み合わせることにより、移動局の位置を一意に決定することができる。
【発明の効果】
【００２４】
以上のように、本発明によれば、移動局と基地局および基地局同士の同期システムが不必要であり、設置する基地局数が最低１個あれば移動局の位置を算出することが可能である。その他の本発明の優れた効果については、以下の発明を実施するための最良の形態の説明においても説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下に添付図面を参照しながら、本発明にかかる側位システムおよび無線通信装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２６】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について説明する。
【００２７】
まず本実施形態の基本的な概念について説明する。
以下の実施形態では、移動局にＵＷＢ無線送信機１個とＵＷＢ無線受信機２個を一定距離離して搭載する。また、基地局として最低１個の送受信機を用いて、移動局の位置を移動局自身により測定する、レスポンダタイプの位置測定方法である。測定手順は移動局の送信機から送信したパルスを基地局が受信し、拡散符号を変更して基地局が移動局の２個の受信機に対してパルスを返信する。このとき、移動局の２個の受信機は微少な時間差で基地局からの返信パルスを受信する。そしてこの時間差により側位を行う。
【００２８】
同期については、移動局が出した電波を基地局が送り返すレピータ方式により、時計は移動局内で完結するため不要となる。送り返す際の遅延に関しても、ＵＷＢの持つシンプルな構成により補正が簡単になる利点がある。
【００２９】
以下、本実施形態の構成および動作について詳細に説明する。本実施形態の屋内設置例を図１に、移動局および基地局のブロック図を図２に示す。
【００３０】
（１−１）移動局および基地局の屋内設置例（図１）
図１は、移動局１００と１つの基地局２００が屋内に設置された状態を示す説明図である。本実施形態では、移動局に図１のようにＵＷＢ無線送信機１個（参照符号Ｐで表す）とＵＷＢ無線受信機２個（参照符号Ａ、Ｂで表す）を一定距離離して搭載する。また、基地局として最低１個の送受信機を用いて、移動局の位置を移動局自身により測定する。本実施形態は、このようなレスポンダタイプの位置測定方法である。測定手順は移動局の送信機から送信したパルスを基地局が受信し、拡散符号を変更して基地局が移動局の２個の受信機に対してパルスを返信する。このとき、移動局の２個の受信機は微少な時間差で基地局からの返信パルスを受信する。
【００３１】
移動局１００は、本発明の無線通信装置の一例であり、本システムにおける側位の対象となる装置等である。本実施形態の移動局１００は自身の位置を精度良く知っている必要があるものである。このような移動局１００の具体例としては、例えば、掃除、警備、配達などの用途に使われる自走式ロボットである。地上の位置を決定する手段として現在最も一般的な方法であるＧＰＳ（Global
Positioning System）では屋内での高精度の側位が困難であることから、以下に説明する基地局２００を用いて側位を行う。
【００３２】
基地局２００は、移動局１００の側位を行うための装置等である。基地局２００は、図１に示したように、屋内の日常において障害とならない部屋の天井などに設置される。また例えば、基地局２００を照明の近傍に設置することにより、照明と同じ電源から電力の供給を受けることが可能である。
【００３３】
（１−２）移動局および基地局の構成例（図２）
移動局１００および基地局２００の構成例について、図２を参照しながら説明する。
【００３４】
（移動局１００）
移動局１００は、図２に示したように、送信機能（図１の参照符号Ｐに相当）としてのパルスジェネレータ１０２、拡散器（ＰＮ０）１０４、増幅器１０６およびアンテナ１０８と、受信機能（図１の参照符号Ａ、Ｂに相当）としての２つのアンテナ１１０、１１８および２つの増幅器１１２、１２０と、２つの相関器（ＰＮ１）１１４、１２２と、２つのアナログデジタル変換器１１６、１２４と、時間差測定部１２６を備えて構成されている。
【００３５】
パルスジェネレータ１０２は、時間測定部１２６からのタイミングシグナル（Timing Signal）をトリガに、超広帯域（ＵＷＢ）方式によるパルスを発生する。拡散器１０４はこのパルスを符号ＰＮ０に拡散する。この拡散器１０４により拡散された信号は、本実施形態の側位において基準となる信号であるため、以下、基準拡散信号と称する。増幅器１０６は基準拡散信号を増幅する。アンテナ１０８は、増幅後の基準拡散信号を基地局２００に送信する。
【００３６】
一方、受信機能としての２つのアンテナ１１０、１１８は、基地局２００から送り返された信号（反射信号）を受信する。この反射信号は基地局２００で生成される信号であり、その詳細についてはさらに後述する。増幅器１１２、１２０は反射信号を増幅する。相関器１１４、１２２は、受信信号から第１の拡散符号ＰＮ１との相関により、基地局２００から送信される反射信号を検出する。アナログデジタル変換器１１６、１２４は反射信号をデジタル変換する。
【００３７】
時間差測定部１２６は、２つのアンテナ１１０、１１８から受信した反射信号の時間差を測定し、タイミングシグナルを基準とした時間を計測することで、２つのアンテナ１１０、１１８の基地局２００からの距離を測定する。本実施形態では、この測定された距離を用いて、移動局１００の側位を行う。この点については、図３を参照しながらさらに後述する。
【００３８】
（基地局２００）
基地局２００は、図２に示したように、受信機能としてのアンテナ２０２および増幅器２０４と、相関器（ＰＮ０）２０６と、増幅器２０８と、アナログデジタル変換器２１０と、パルスジェネレータ２１２と、拡散符号ＰＮ１に対応する拡散器（ＰＮ１）２１４と、送信機能としての増幅器２１６およびアンテナ２０２と、を備えて構成されている。図２に示した一例では、アンテナ２０２で送信機能および受信機能を兼用しているが、送信用のアンテナと受信用のアンテナを別個に設けてもよい。
【００３９】
アンテナ２０２は、移動局１００から送信された信号を受信する。増幅器２０４は受信信号を増幅する。相関器２０６はこの増幅された受信信号から相関値（ＰＮ０）との相関により、移動局１００から送信された基準拡散信号を検出する。増幅器２０８は基準拡散信号を増幅する。アナログデジタル変換器２１０は、増幅後の基準拡散信号をデジタル信号に変換する。パルスジェネレータ２１２は、このデジタル信号をトリガとしてパルスを発生する。
【００４０】
次段の拡散器２１４は、パルスジェネレータ２１２が生成したパルスを符号ＰＮ１に拡散して拡散信号とする。この拡散器２１４により拡散された信号は、本実施形態の側位において移動局１００に反射されて側位に用いられる信号であるため、本明細書において反射信号と称する。増幅器２１６は、この反射信号を増幅する。アンテナ２１８は、増幅後の電波を移動局１００に送り返す。
【００４１】
本実施形態では、移動局１００と基地局２００との間での同期を必要とせず、また、基地局２００を１つだけ設置することから基地局間での同期という概念は存在しない。このため、本実施形態の基地局２００は、図２に示したような簡易な構成とすることが可能であり、また、設置も容易である。
【００４２】
本実施形態の構成は以上の通りである。次に、本実施形態の動作について説明する。
【００４３】
（１−３）本実施形態の動作
移動局１００において、タイミングシグナルをトリガにパルスジェネレータ１０２からパルスが発生し、次段の拡散器１０４で符号ＰＮ０に拡散され、増幅器１０６で増幅後、アンテナ１０８より発射される。
【００４４】
基地局２００では、アンテナ２０２で信号を受信し増幅器２０４で増幅後、符号ＰＮ０に対応する相関器２０６により、相関値を出力する。この信号がトリガとなり、基地局２００のアンテナ２１８からは、パルスジェネレータ２１２で生成され拡散器２１４で符号ＰＮ１に拡散された電波を移動局１００に送り返す。
【００４５】
移動局１００に送り返された信号は、２つの相関器１１４、１２２で検出される。時間差測定部１２６において、タイミングシグナルからの時間を計測することで、移動局１００と基地局２００との間の距離が測定される。この点について、以下説明する。
【００４６】
（１−４）移動局および基地局における受信信号（図３）
図３は、移動局１００および基地局２００における受信信号を示す説明図である。図３では、説明の便宜上、移動局１００が基準拡散信号を送信してから移動局１００が反射信号を受信するまでの間のみを示している。
【００４７】
図３に示したように、移動局１００が送信するパルス幅をＴｐ、移動局１００の２つの各アンテナと基地局２００との間の空間伝送時間をＴｄ、基地局２００でのレスポンス時間をＴｌとする。時間差測定部１２６により算出される時間差をＴｔとすると、Ｔｔ＝４×Ｔｐ＋２×Ｔｄ＋Ｔｌである。よって、移動局１００の２つの各アンテナと基地局２００との間の距離Ｘは、Ｘ＝ｃ（光速）×Ｔｄ＝ｃ×（Ｔｔ−４×Ｔｐ−Ｔｌ）／２で算出される。
【００４８】
本実施形態では、移動局１００の２つのアンテナが反射信号を受信する時間差を利用して側位を行う。すなわち、移動局１００自身が基準拡散信号を送信し、かつ反射信号を受信することから、移動局１００と基地局２００との間の距離を判断することができる。さらに、移動局１００の２つのアンテナが反射信号を受信する時間差を利用することで、移動局１００の絶対位置の候補点を絞り込む。
【００４９】
上述のような計算では、移動局１００の位置は一意には決まらず、図４に示したように、位置検出範囲を基地局２００を中心とするＸＹ座標で考えた場合、各象限に対称的に算出されて４個の座標に限定される。以下の説明では、図４において紙面右上の象限を第１象限、紙面左上の象限を第２象限、紙面左下の象限を第３象限、紙面右下の象限を第４象限と称する。
【００５０】
図５は、移動局１００が第２象限に存在する場合の、移動局１００の２つのアンテナと基地局２００との位置関係を示す説明図である。以下の説明では、図５に示したように、移動局１００の２つのアンテナＡ、Ｂと基地局２００との間の距離をＸａ、Ｘｂとして区別する。
【００５１】
図４に示したように、移動局１００の位置は一意には決まらず、移動局１００の４つの候補点が与えられる。ただし、移動局１００が室内のみを移動し、室外には存在しないという前提のもとでは、基地局２００を壁際等に設置した場合には、４つのうち２つの候補点は室外となる。また、基地局２００を室内の隅に設置した場合には、４つのうち３つの候補点は室外となる。そこで、移動局１００が室内のみを移動し、室外には存在しないという情報を予め移動局１００に入力することにより、移動局１００の位置を絞り込んだり一意に決定したりすることができる。このようにして、他の候補点の存在が実用上問題となることはない。なお、移動局１００の候補点を絞り込む他の方法については、後述の実施形態でさらに説明する。
【００５２】
また、移動局１００が受信する信号の中には、基地局２００から反射無しで送り返される信号のほか、壁などで反射される反射波も含まれる。しかし、本実施形態ではＵＷＢ（超広帯域）方式を利用していることで、かかる反射波は反射無しで送り返される信号に比べてその信号レベルが小さくなる。すなわち、最初に帰ってくる信号レベルが一番大きく、これが反射無しで送り返される信号であると判別することが可能である。この点も、本実施形態でＵＷＢを利用していることの利点の一つである。
【００５３】
（第１の実施形態の効果）
以上説明したように、本実施形態によれば、ＵＷＢを利用した移動局１００と基地局２００および基地局同士の同期システムが不必要であり、移動局１００の位置を正確に算出することが可能である。基地局２００をレスポンダとして利用することで、移動局１００の絶対位置を移動局１００自身で算出することが可能となる。
【００５４】
また、設置する基地局数が最低１個あれば移動局の位置を算出することが可能である。そのため、基地局を設置する際の面倒な配線や基地局同士の同期が不要となり、価格の低下や技術的容易さを向上させることが可能となる。
【００５５】
（移動局１００の候補点を絞り込む方法）
上記第１の実施形態の方法では、基地局２００から２個のアンテナへの距離Ｘａ、Ｘｂが算出された結果、図４のように位置検出範囲を基地局２００を中心とするＸＹ座標で考えた場合、各象限に対称的に算出されて４個の座標に限定される。そこで、以下の第２、第３の実施形態では、限定された位置からどの象限に位置するかを判別する方法について、いくつかの例を説明する。
【００５６】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態について説明する。
本実施形態では、移動局１００は、移動局１００の移動方向を認識するための移動方向認識部を備えたことを特徴とする。
【００５７】
通常、自立自走型の移動局は移動方向の認識や直進性を維持するために方位認識装置を搭載する必要がある。この装置はジャイロやＧＰＳで容易に実現できる。このような装置を本発明の移動方向認識部として用いることにより移動局の移動方向を移動局自身が認識できる。かかる装置では移動方向だけを認識できれば良いため、拡散符号を変更したり、反射波の影響を考慮したりするなどの仕組みを必要としない。このため、高度な測定装置は必要ではなく、ジャイロ以外にも例えば屋内（地下を除く）でのＧＰＳでも可能となる。
【００５８】
このように、移動局に自身の移動方向を認識するための移動方向認識部を備えたことにより、移動局の進行方向が限定される。図４に示した例では、図中矢印で示したように、移動局１００の進行方向に対して受信部Ａが左側であり受信部Ｂが右側であることを前提とすると、移動局１００が紙面上向き（Ｙ軸の正方向）に進行していれば、移動局１００の位置は第２、第３象限のいずれかであると判定できる。また、移動局１００が紙面下向き（Ｙ軸の負方向）に進行していれば、移動局１００の位置は第１、第４象限のいずれかであると判定できる。このように、移動局１００の進行方向が限定されることにより、第１の実施形態においてＵＷＢ通信で算出された移動局１００の位置を１／２に限定できる。
【００５９】
（第２の実施形態の効果）
以上説明したように、本実施形態によれば、ジャイロ等の簡易な手段により移動局１００の移動方向を検知することにより、第１の実施形態との比較で移動局１００の位置を１／２に限定できる。さらに、基地局２００を、図４のＸ軸を壁際とするような位置に設置することによって、第３、第４象限（または第１、第２象限）の候補点を除外することができ、移動局１００の位置を一意に決定することができる。
【００６０】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態について説明する。
本実施形態では、移動局１００は、図６に示したように、各方向の対象物（壁など）までの距離を測定するための対象物距離測定機能を備えたことを特徴とする。図６に示した一例では、対象物距離測定部として、４つの方向に測定部１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄを備えている。
【００６１】
通常、自立自走型の移動局は移動方向の認識や直進性を維持するために複数のセンサを搭載している。また、屋内における家電移動局は屋内に設置された家具や壁を避けながら移動することが要求されるため、ショックセンサや超音波センサ等を使用して、壁や家具を認識し、回避動作等を行っている。その一つに対壁センサとして、超音波距離測定装置を搭載することがある。この距離測定法は近距離において精度を上げられる利点があるが、ＵＷＢを用いても同様以上の精度を達成することが可能である。
【００６２】
また、基地局２００との通信でＵＷＢを使用しているため、図７に示したように、移動局１００の上部に設置されている送信機の放射パターンを半球状にすることで、壁面からの反射波を移動局１００の側面に搭載した受信機（図７の例では測定部１３０ｂ）で受信して、壁面までの距離を測定することが可能となる。この場合、基地局２００との間の通信とは異なり、拡散符号による判別を行う必要が無く、電力検出による簡単な構成で受信が可能となる。すなわち、対壁に使用する受信機は拡散符号を使用したものではなく、最初に反射してきたパルスを受信すれば良いため、簡単な検波機能を持つ受信機で良い。
【００６３】
このように、移動局１００の壁面までの距離が限定されることにより、第１の実施形態のＵＷＢ通信で算出された位置を１／２に限定できる。すなわち、対象物距離測定部１３０ａ、１３０ｂからの対象物までの距離が、他の対象物距離測定部１３０ｃ、１３０ｄから対象物までの距離よりも大きければ、移動局１００の位置は図４に示した第２、第４象限のいずれかであり、対象物距離測定部１３０ｃ、１３０ｄからの対象物までの距離が、他の対象物距離測定部１３０ａ、１３０ｂから対象物までの距離よりも大きければ、移動局１００の位置は図４に示した第１、第３象限のいずれかであると判定できる。
【００６４】
（第３の実施形態の効果）
以上説明したように、本実施形態によれば、移動局１００の壁際までの距離を検知することにより、第１の実施形態との比較で移動局１００の位置を１／２に限定できる。
【００６５】
さらに、第２の実施形態（移動方向を検知）と組み合わせることにより、移動局１００の位置を一意に決定することができる。すなわち、第２の実施形態では、移動局１００の位置を、第１、第４象限のいずれか、または第２、第３象限のいずれかに候補点を絞り込むことができる。そして、第３の実施形態では、移動局１００の位置を、第２、第４象限のいずれか、または第１、第３象限のいずれかに候補点を絞り込むことができる。このように、無線基地局からの距離、移動局の進行方向、壁からの距離を複合して計算することで、図４のＸＹ座標のどの象限のどの位置に移動局が存在するかを測定することができ、移動局１００の位置を一意に決定することができる。
【００６６】
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態について説明する。
本実施形態では、第２、第３の実施形態と異なり、ＵＷＢによる位置測定だけで移動局１００の位置の候補点を絞り込む方法について説明する。ＵＷＢだけによる位置測定を行う場合には、図８に示したように、基地局２００に４象限に区切った放射パターンを持つ送受信機２００−１、２００−２、２００−３、２００−４を設置して、それぞれの送受信機に異なる拡散符号を持たせることで、移動局のある象限を判別する。そしてその後、移動局に搭載されている２個の受信機で基地局からの返信時間を測定して正確な位置を算出することができる。
【００６７】
各送受信機２００−１、２００−２、２００−３、２００−４の構成は、図１に示したアンテナ２０２、増幅器２０４、相関器（ＰＮ０）２０６、増幅器２０８、アナログデジタル変換器２１０、パルスジェネレータ２１２、拡散器２１４および増幅器２１６の構成と実質的に同様である。ただし、拡散器２１４で用いる拡散符号は、各送受信機２００−１、２００−２、２００−３、２００−４において互いに異なるもの（例えば、拡散符号ＰＮ１、ＰＮ２、ＰＮ３、ＰＮ４）とする。これにより、移動局１００は、送受信機２００−１、２００−２、２００−３、２００−４のいずれからの反射信号であるかを判定することができる。
【００６８】
（第４の実施形態の効果）
以上説明したように、本実施形態によれば、移動局１００が存在する象限を特定することができ、移動局１００の位置を一意に決定することができる。また、本実施形態の構成によれば、基地局２００を任意の位置に設置できるため、例えば、基地局２００を照明の近傍に設置することによって、照明と同じ電源から電力の供給を受けることが可能である。
【００６９】
以上、添付図面を参照しながら本発明にかかる側位システムおよび無線通信装置の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００７０】
例えば、上記実施形態では、移動局１００に２つの受信部Ａ、Ｂを備えた構成について説明したが、本発明はこれに限定されず、３つ以上の受信部を備える構成であってもよい。受信部の数を増やすことにより、側位の精度をさらに向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は側位システムおよび無線通信装置に利用可能であり、特に、屋内等のＧＰＳの利用が困難な場所における位置情報が必要とされるあらゆるシステムに適用可能である。このようなシステムとしては、例えば、掃除、警備、配達などの用途に使われる自走式ロボットがある。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】移動局および基地局の屋内設置例を示す説明図である。
【図２】第１の実施形態にかかる移動局および基地局の構成例を示す説明図である。
【図３】第１の実施形態における移動局の受信信号を示す説明図である。
【図４】第２の実施形態にかかる側位システムを示す説明図である。
【図５】第２の実施形態にかかる側位システムを示す説明図である。
【図６】第３の実施形態にかかる側位システムを示す説明図である。
【図７】第３の実施形態にかかる側位システムを示す説明図である。
【図８】第４の実施形態にかかる側位システムを示す説明図である。
【図９】従来の側位システムの一例を示す説明図である。
【図１０】従来の側位システムの一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００７３】
１００ 移動局
１０２ パルスジェネレータ
１０４ 拡散器（ＰＮ０）
１０６ 増幅器
１０８ アンテナ
１１０ アンテナ
１１２ 増幅器
１１４ 相関器（ＰＮ１）
１１６ アナログデジタル変換器
１１８ アンテナ
１２０ 増幅器
１２２ 相関器（ＰＮ１）
１２４ アナログデジタル変換器
１２６ 時間差測定部
１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ 移動方向認識部
２００ 基地局
２０２ アンテナ
２０４ 増幅器
２０６ 相関器（ＰＮ０）
２０８ 増幅器
２１０ アナログデジタル変換器
２１２ パルスジェネレータ
２１４ 拡散器（ＰＮ１）
２１６ 増幅器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
側位の対象となる移動局と、前記移動局の側位を行うための基地局とを含む側位システムにおいて、
前記移動局は、
タイミング信号をトリガにして生成された超広帯域方式による信号を基準拡散符号で拡散して基準拡散信号とする基準拡散器と、
前記基準拡散信号を前記基地局に送信する送信部と、
前記基地局から反射信号を受信する第１、第２の受信部と、
前記第１の受信部で受信した信号から所定の拡散符号との相関により前記反射信号を検出する第１の相関器と、
前記第２の受信部で受信した信号から所定の拡散符号との相関により前記反射信号を検出する第２の相関器と、
前記第１、第２の相関器により検出された反射信号と前記タイミング信号との時間差を測定する時間差測定部と、
を備え、
前記基地局は、
前記移動局からの信号を受信する受信部と、
前記受信部で受信した信号から基準拡散符号との相関により前記基準拡散信号を検出する基準相関器と、
前記基準拡散信号をトリガにして生成された信号を所定の拡散符号で拡散して反射信号とする拡散器と、
前記反射信号を前記移動局に送信する送信部と、
を備えたことを特徴とする、側位システム。
【請求項２】
前記移動局は、さらに、自身の移動方向を認識するための移動方向認識部を備えたことを特徴とする、請求項１に記載の側位システム。
【請求項３】
前記移動局は、さらに、各方向の対象物までの距離を測定するための対象物距離測定部を備えたことを特徴とする、請求項１または２に記載の側位システム。
【請求項４】
前記基地局は、
前記移動局からの信号を受信する４つの受信部と、
前記各受信部に対応し、前記各受信部で受信した信号から基準拡散符号との相関により前記基準拡散信号を検出する４つの基準相関器と、
前記各基準相関器に対応し、前記基準拡散信号をトリガにして生成された信号を所定の拡散符号で拡散して反射信号とする４つの拡散器と、
前記各拡散器に対応し、前記反射信号を前記移動局に送信する４つの送信部と、
を備え、
前記４つの受信部および前記４つの送信部は、４象限に区切った放射パターンを持ち、
前記４つの拡散器は、互いに異なる拡散符号を用いることを特徴とする、請求項１に記載の側位システム。
【請求項５】
１つの基地局により側位の対象となる無線通信装置であって、
タイミング信号をトリガにして生成された超広帯域方式による信号を基準拡散符号で拡散して基準拡散信号とする基準拡散器と、
前記基準拡散信号を前記基地局に送信する送信部と、
前記基地局から反射信号を受信する第１、第２の受信部と、
前記第１の受信部で受信した信号から所定の拡散符号との相関により前記反射信号を検出する第１の相関器と、
前記第２の受信部で受信した信号から所定の拡散符号との相関により前記反射信号を検出する第２の相関器と、
前記第１、第２の相関器により検出された反射信号と前記タイミング信号との時間差を測定する時間差測定部と、
を備えたことを特徴とする、無線通信装置。
【請求項６】
さらに、自身の移動方向を認識するための移動方向認識部を備えたことを特徴とする、請求項１に記載の無線通信装置。
【請求項７】
さらに、各方向の対象物までの距離を測定するための対象物距離測定部を備えたことを特徴とする、請求項５または６に記載の無線通信装置。
【請求項１】
側位の対象となる移動局と、前記移動局の側位を行うための基地局とを含む側位システムにおいて、
前記移動局は、
タイミング信号をトリガにして生成された超広帯域方式による信号を基準拡散符号で拡散して基準拡散信号とする基準拡散器と、
前記基準拡散信号を前記基地局に送信する送信部と、
前記基地局から反射信号を受信する第１、第２の受信部と、
前記第１の受信部で受信した信号から所定の拡散符号との相関により前記反射信号を検出する第１の相関器と、
前記第２の受信部で受信した信号から所定の拡散符号との相関により前記反射信号を検出する第２の相関器と、
前記第１、第２の相関器により検出された反射信号と前記タイミング信号との時間差を測定する時間差測定部と、
を備え、
前記基地局は、
前記移動局からの信号を受信する受信部と、
前記受信部で受信した信号から基準拡散符号との相関により前記基準拡散信号を検出する基準相関器と、
前記基準拡散信号をトリガにして生成された信号を所定の拡散符号で拡散して反射信号とする拡散器と、
前記反射信号を前記移動局に送信する送信部と、
を備えたことを特徴とする、側位システム。
【請求項２】
前記移動局は、さらに、自身の移動方向を認識するための移動方向認識部を備えたことを特徴とする、請求項１に記載の側位システム。
【請求項３】
前記移動局は、さらに、各方向の対象物までの距離を測定するための対象物距離測定部を備えたことを特徴とする、請求項１または２に記載の側位システム。
【請求項４】
前記基地局は、
前記移動局からの信号を受信する４つの受信部と、
前記各受信部に対応し、前記各受信部で受信した信号から基準拡散符号との相関により前記基準拡散信号を検出する４つの基準相関器と、
前記各基準相関器に対応し、前記基準拡散信号をトリガにして生成された信号を所定の拡散符号で拡散して反射信号とする４つの拡散器と、
前記各拡散器に対応し、前記反射信号を前記移動局に送信する４つの送信部と、
を備え、
前記４つの受信部および前記４つの送信部は、４象限に区切った放射パターンを持ち、
前記４つの拡散器は、互いに異なる拡散符号を用いることを特徴とする、請求項１に記載の側位システム。
【請求項５】
１つの基地局により側位の対象となる無線通信装置であって、
タイミング信号をトリガにして生成された超広帯域方式による信号を基準拡散符号で拡散して基準拡散信号とする基準拡散器と、
前記基準拡散信号を前記基地局に送信する送信部と、
前記基地局から反射信号を受信する第１、第２の受信部と、
前記第１の受信部で受信した信号から所定の拡散符号との相関により前記反射信号を検出する第１の相関器と、
前記第２の受信部で受信した信号から所定の拡散符号との相関により前記反射信号を検出する第２の相関器と、
前記第１、第２の相関器により検出された反射信号と前記タイミング信号との時間差を測定する時間差測定部と、
を備えたことを特徴とする、無線通信装置。
【請求項６】
さらに、自身の移動方向を認識するための移動方向認識部を備えたことを特徴とする、請求項１に記載の無線通信装置。
【請求項７】
さらに、各方向の対象物までの距離を測定するための対象物距離測定部を備えたことを特徴とする、請求項５または６に記載の無線通信装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００８−１５１５３３（Ｐ２００８−１５１５３３Ａ）
【公開日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３３７１３８（Ｐ２００６−３３７１３８）
【出願日】平成１８年１２月１４日（２００６．１２．１４）
【出願人】（５９８０４５０５８）株式会社サムスン横浜研究所 (294)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月１４日（２００６．１２．１４）
【出願人】（５９８０４５０５８）株式会社サムスン横浜研究所 (294)
【Ｆターム（参考）】
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