説明

室内位置検出装置

【課題】GPSを使用することなく、端末装置の位置精度の高い室内位置検出装置を提供する。
【解決手段】周波数の異なる交流磁場を発生する少なくとも3つの磁場発生源2を有し、携帯端末内に配置される交流磁場のみを検出する3軸の高感度磁気センサ3と、姿勢検知用6軸センサ4と、磁気センサ3からの磁気ベクトル情報70から異なる周波数の磁場発生源2の周波数別の磁気ベクトル71を抽出する手段90と、前記磁気ベクトル情報71から最大磁気ベクトル情報72を演算する手段91と、前記最大磁気ベクトル情報72を鉛直座標系に変換演算する座標変換演算手段92と、座標変換後の最大磁気ベクトル情報73から位置ベクトル情報74を演算する手段93と、前記位置ベクトル情報74から距離情報75を演算する手段94と、前記距離情報75と磁場発生源2の位置情報から3角法に基づいて位置情報77を演算する手段95からなる室内位置検出装置1である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、室内の人間等の室内移動体の位置を正確に求めるための室内位置検出装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、屋外での位置を検出するシステムは全地球測位システムGPS(Globale Positioning System)として知られている。
しかしながら、室内においては衛星からの信号が微弱になるため、使用することができない問題があった。
それを解決するためにGPS以外の測位システムとして、特許文献1のごとく携帯電話等の通信システムの基地局の位置を利用して測位を行うものがある。このようなシステムでは、端末装置が複数の基地局から発信される信号を受信できれば、室内においても比較的短時間で測位を行うことができる。しかし、室内等の受信環境の悪い場所での測位にGPSを用いた場合は、特許文献1のような構成としても、受信信号の強度が弱ければ、測位に長時間を要し、電力も大量に消費してしまうという問題があった。また、基地局の位置を利用した測位では、得られる端末装置位置の精度は、良くても数百mのオーダであり、条件が良い場合のGPS測位にはとうてい及ばないという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【特許文献1】特開2004−219076号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
そこで、本発明はGPSを使用することなく、端末装置の位置精度の高い室内位置検出装置を提供する。
【0004】
請求項1に記載の発明は、室内に設置させるお互いに周波数の異なる交流磁場を発生する少なくとも3つの磁場発生源を有し、室内移動体に携帯される携帯端末に載置され、携帯端末における所定の携帯座標系におけるお互いに直交する3軸方向における交流の磁気ベクトル情報のみを検出する高感度磁気センサと、携帯端末に載置され、前記3軸方向における地磁気ベクトル情報を検出する地磁気センサと、前記3軸方向における重力加速度ベクトル情報を検出する加速度センサとからなる6軸センサと、前記高感度磁気センサの前記携帯座標系で検出された磁気ベクトル情報から、前記周波数の異なる磁場発生源のそれぞれ周波数別の磁気ベクトル情報を抽出する周波数別磁気ベクトル情報抽出手段と、前記周波数別磁気ベクトル情報から、周波数別の最大磁気ベクトル情報を演算する最大磁気ベクトル情報演算手段と、前記携帯座標系で検出された各周波数別の最大磁気ベクトル情報を、鉛直方向を1軸に有する座標系(以下、鉛直座標系と記す)に、前記地磁気ベクトル情報と前記重力加速度ベクトル情報を用いて変換演算することにより、鉛直座標系における周波数別の最大磁気ベクトル情報を演算する座標変換演算手段と、前記最大磁気ベクトル情報から、磁場発生源から高感度磁気センサ間の位置ベクトル情報を演算する位置ベクトル情報演算手段と、前記位置ベクトル情報を、水平面上へ正射影することにより、水平面上の磁場発生源と高感度磁気センサ間の距離情報を演算する距離情報演算手段と、前記距離情報から、3角法に基づいて、磁場発生源の位置情報と前記距離情報を用いて高感度磁気センサの室内の水平面上の位置情報を演算する位置演算手段と、からなる室内位置検出装置である。
【0005】
これにより、GPSの信号を必要とせず、高い位置決め精度の室内位置検出装置が得られる。
【0006】
請求項2に記載の発明は、 室内において鉛直方向に所定の同じ高さに設置され、お互いに周波数の異なる交流磁場を発生する少なくとも3つの磁場発生源を有し、室内移動体に携帯される携帯端末における所定の携帯座標系におけるお互いに直交する3軸方向における地磁気ベクトル情報を検出する地磁気センサと、前記3軸方向における重力加速度ベクトル情報を検出する加速度センサとからなる6軸センサと、携帯端末に載置され、使用時に前記磁場発生源とほぼ同じ高さで使用される携帯端末における任意の1軸の測定軸における交流の磁気ベクトル情報のみを検出する高感度磁気センサと、前記高感度磁気センサの任意の1軸の測定軸で検出された交流の磁気ベクトル情報から、前記周波数の異なる磁場発生源のそれぞれ周波数別の磁気ベクトル情報を抽出する周波数別磁気ベクトル情報抽出手段と、前記周波数別磁気ベクトル情報から、周波数別の最大磁気ベクトル情報を演算する最大磁気ベクトル情報演算手段と、高感度磁気センサの前記測定軸と鉛直軸とのなす角を、前記地磁気ベクトル情報と前記重力加速度ベクトル情報を用いて演算し、前記なす角と前記携帯座標系で検出された各周波数別の最大磁気ベクトル情報より、前記所定の高さにおける周波数別の最大磁場強さ情報を演算するの最大磁場強さ情報演算手段と、前記最大磁場強さ情報から、磁場発生源から高感度磁気センサ間の距離情報を演算する距離情報演算手段と、前記距離情報から、3角法に基づいて、3つの磁場発生源の位置情報と前記3つ距離情報を用いて高感度磁気センサの室内の水平面上の位置情報を演算する位置情報演算手段と、からなる室内位置検出装置である。
本発明は、請求項1に記載の発明に比べ、簡潔な構成で、GPSの信号を必要とせず、高い位置決め精度の室内位置検出装置が得られる。
【0007】
請求項3に記載の発明は、請求項1−2における前記磁場発生源2が、モータを用いて希土類焼結磁石を回転させることを特徴とする室内位置検出装置である。
これにより、磁場発生源の設置間隔を広げることができ、より省エネルギー、低コストな装置とすることができる。
【0008】
請求項4に記載の発明は、請求項1−2における高感度磁気センサが、アモルファスワイヤにパルス電流を印加し、前記アモルファスワイヤに捲回した検出コイルに周辺の磁場強さに対応する電圧を発生する磁気インピーダンス素子からなる磁気センサであって、前記磁気インピーダンス素子(以下、適宜、MI素子と記す。)の前記検出コイルが発生する電圧を電子スイッチを介してホールドコンデンサに蓄積するとともに、前記ホールドコンデンサと増幅器とを高周波フィルタで接続することで変動する磁場信号のみを増幅する高感度磁気センサからなることを特徴とする室内位置検出装置である。
このように、交流磁場のみを検出できる位置検出センサを、上記のようにMI素子を使用しつつ、所定の電気回路を構成することで、地磁気等の静的磁場成分を検出することなく、本発明の磁場発生源からの変動する交流磁場信号のみを高感度で抽出することができる。
【0009】
請求項5に記載の発明は、請求項1−2における磁場発生源の発生する交流磁場の周波数が1〜40Hz、若しくは、70〜500Hzからなることを特徴とする室内位置検出装置である。
1〜40Hzの周波数で交流磁場信号を発生させた場合は、室内に通常存在する、交流電源に使用されれる50〜60Hzの周波数を避けているため、所定の周波数の交流信号のみを抽出する周波数別磁気ベクトル情報抽出手段で、そのノイズをカットすることができ、所定の交流の磁気ベクトル情報のみを抽出できる。また、低周波のため、最終的に強い出力を得ることができ、それにより高精度な位置検出をすることができる。
また、70Hz以上の周波数で交流磁場信号を発生させた場合は、1〜40Hzの場合と同様に、交流磁場信号のみを抽出できる。また、周波数は大きくなるほど、出力が低下する。通常のモータの回転数は上限は30000回転程度なので、希土類焼結磁石を通常のモータで回転させる場合の磁界の周波数は500Hzとなるが、この周波数においても室内位置検出装置が働くのに必要な出力が得られたので、交流磁気信号の周波数の上限は500Hzとした。
【0010】
請求項6に記載の発明は、請求項1−2における周波数別磁気ベクトル情報抽出手段が、フーリエ変換手段であることを特徴とする室内位置検出装置である。フーリエ変換手段を用いることにより、少なくとも3つの磁場発生源からのそれぞれの周波数の交流の磁気ベクトル情報が重なり合った磁気ベクトル情報から、各周波数の交流の磁気ベクトル情報を良好に抽出することができる。
【0011】
請求項7に記載の発明は、請求項1−2における周波数別磁気ベクトル抽出手段が、デジタルバンドフィルターであることを特徴とする室内位置検出装置である。デジタルバンドフィルターを用いることにより、少なくとも3つの磁場発生源からのそれぞれの周波数の交流の磁気ベクトル情報が重なり合った磁気ベクトル情報から、各周波数の交流の磁気ベクトル情報を良好に抽出することができる。
【発明の効果】
【0012】
本発明の構成を用いることにより、GPSを使用することなく、端末装置の位置検出精度の高い室内位置検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】 本発明の室内位置検出装置の実施例の概念図である。
【図2】 本発明の磁場発生源の周囲に形成する磁場と高感度磁気センサの磁場の検出の概念図である。
【図3】 本発明の室内位置検出装置に使用する高感度磁気センサの電気回路図である。
【図4】 本発明の実施例1の室内位置検出装置のブロック図である。
【図5】 本発明の実施例2の室内位置検出装置のブロック図である。
【図6】 本発明における磁場発生源から高感度磁気センサへの距離と磁界強度の特性図である。
【発明を実施するための形態】
以下に、本発明の室内位置検出装置の実施の形態を実施例を用いて説明する。なお、本発明は、下記の実施例に限定されるものではない。
【実施例1】
【0014】
図1に示すように室内位置検出装置1は、磁場発生源2と、携帯端末3とからなる。
磁気発生源2は、磁石21とモータ22とからなる。磁石21は細長い棒状の磁石21を用いた。磁石21は中央を境に一方をN極、もう一方はS極に着磁されている。磁石21の長手方向の中央部をモータ軸の端に垂直に取り付ける。ここで磁石21は、(BH)maxが38MGOeであるNd−Fe−B系焼結磁石を用いた。磁石21の寸法は、直径が1cmで長さが6cmのものを使用した。
モータを図1及び図2に示すように壁面の任意の位置に取り付ける。図2は、縦軸が図1における地球座標系e−cにおける鉛直軸Z’であり、横軸が図1における地球座標系e−cにおける北向軸Y’である。モータが所定の回転数で回転すると、図2中の楕円状の線で示されるような磁場が周囲に形成される。なお、楕円状の線は、等磁場強さを示す線である。磁石近傍ほど線が太くなっているのは、磁石近傍ほど磁場強さが強いことを示している。図2において示される高感度磁気センサ4(回路を模式的に表示した)の感磁部を磁場に沿って鉛直軸Z’に沿った方向で、かつ、磁場発生源2の回転中心を含む水平面上で、磁石中心から北向軸に方向の位置に設置した。モータを600rpmで回転させたときの磁場発生源2により形成された磁場を、前記の位置で測定する。その結果、図2中に示すようにZ’軸方向の磁界強さが時間により振動し、10Hzの正弦波が得られる。
【0015】
ここで、発生する交流磁場の周波数は、1〜40Hz、若しくは、70〜500Hzからなることが好ましい。これらの周波数で磁気信号を発生させれば、交流電源に使用されれる50〜60Hzの周波数ノイズを、後に述べる周波数別磁気ベクトル抽出手段等でカットすることができ、所定の交流磁場信号のみを抽出できる。更に、1〜40Hzの場合は、低周波のため最終的に強い出力を得ることができ、それにより高精度な位置検出をすることができる。本実施例では、3つの磁場発生源2の交流磁場の周波数をそれぞれ、8Hz、10Hz、12Hzで行った。
磁場発生源2は図1に示すように、室内の3箇所に設置されている。また、図1の場合は、磁場発生源2を部屋の四隅に配置してもよい。
【0016】
携帯端末3は、室内移動体に携帯されたり、取り付けられるが、通常は、図1に示すように、人間の手にとられて表示画面31に正対して使用される。携帯端末3が携帯されたり、取り付けられるのは、人間に限らず、動物、ロボット等の室内移動体であればよい。携帯端末3は、図1に示すように、内部に、高感度磁気センサ4、6軸センサ5と、マイコン6を有する。
【0017】
実施例1の高感度磁気センサ4は、図1に示すように、携帯端末における所定の磁気を測定する座標系(以下、携帯座標系と記す)3−cのお互いに直交する磁気ベクトルの3軸方向の各成分を検出し、かつ、交流の磁気ベクトル情報70のみを検出できる必要がある。図1では、一例として携帯端末の長手方向をY軸、携帯端末の表示画面の右側方向をX軸、携帯端末に垂直方向をZ軸とした。3軸成分を検出するためには3つの磁気センサが必要である。本発明では、高感度磁気センサ4に使用される磁気インピーダンス素子を用いたセンサを用いた。なお、MI素子とは、アモルファスワイヤにパルス電流を印加し、前記アモルファスワイヤに捲回した検出コイルに周辺の磁場強さに対応する電圧を発生する素子である。それぞれのMI素子の感磁体であるアモルファスワイヤは図1の携帯座標系3−cのX,Y,Z軸に沿って設置されている。
【0018】
実施例1で使用した高感度磁気センサ4は、MI素子の前記検出コイルが発生する電圧を電子スイッチを介してホールドコンデンサに蓄積するとともに、前記ホールドコンデンサと増幅器とを高周波フィルタで接続することで変動する磁場信号のみを増幅するものである。
実施例1の位置検出センサ4は、直流信号でありノイズである地磁気を全く検出せず、磁気発生源2が発生した交流の磁気ベクトルに対してのみ高感度な出力を発生することができる。本実施例1のセンサの電子回路は、特願2006−316273号に詳細に示されているので、電気回路図のみを引用して図3に示す。高感度磁気センサ4は、携帯端末3の筐体内部の基板上に固定される。
本発明において、高感度磁気センサ4は磁場発生源2から携帯端末3の距離を測定するために使用される。
【0019】
本実施例1において6軸センサ5は、携帯座標系3−cで測定した交流の磁気ベクトル情報70を、後に述べる地球座標系e−cに基づいて測定若しくは計算された磁気ベクトル分布データを参照して高感度磁気センサの位置を求めるのに利用される。具体的には、6軸センサ5から測定される3軸方向における地磁気ベクトル情報80a、3軸方向における重加速度ベクトル情報80bは携帯座標系3−cを地球座標系e−cへ変換するための、姿勢行列Eを求めるために使用される。この姿勢検知用6軸センサ5は、公知の6軸センサでよい。6軸センサは、例えば、公開公報特開2007−93448号に記載されている。
【0020】
この公報では加速度センサーはカンチレバー方式であるが、3軸加速度センサは公知の他の加速度センサでよい。ここでは、静電容量型を用いた。3軸加速度センサは、重力加速度を検知するために用いられる。
3軸磁気センサは、本発明ではMI素子を用いたMIセンサを3軸用に3つ用いた。3軸磁気センサは地磁気の3軸成分を検出するために用いられる。MI素子の代わりにホール素子、MR素子、FGセンサを使用してもよい。更に、3軸成分の地磁気が測れるならば、素子数は2つでも良い。
通常、6軸センサ5により、3次元的に方位及び姿勢を検出することができる。ここで姿勢とは、6軸センサ5が固定される携帯端末3のピッチ、ヨー、ロールの絶対角、相対角をいう。本発明において、6軸センサ5は、携帯端末3中の筐体内部の高感度磁気センサ4が固定されている同一基板上に固定される。更に、それぞれの3軸のセンサのX,Y,Z軸の向きをあわせるのが好ましい。このように配置とすると、後に述べる、姿勢行列Eが求めやすい。
【0021】
次に、マイコン6の構造について説明する。図1に示すごとく、携帯端末3にはマイコン6が組み込まれている。このマイコン6は、図4に示すごとく、CPU61と、ROM62と、RAM63と、I/O65と、これらを接続する接続ライン64とを備える。ROM62にはプログラム62pが記憶されており、CPU61がプログラム62pを読み出して実行することにより、本実施例の周波数別磁気ベクトル情報抽出手段90、最大磁気ベクトル情報演算手段91、座標変換演算手段92、位置ベクトル情報演算手段93、距離情報演算手段94、位置演算手段95とデジタルローパスフィルター等が実現される。
また、I/O65には、高感度磁気センサ4と、6軸センサ5と、表示装置8(出力手段)が接続されている。高感度磁気センサ4から、携帯端末3における携帯座標系3−cのお互いに直交するX,Y,Zの3軸方向における交流の磁気ベクトル情報70が入力される。また、6軸センサ5のうち、3軸磁気センサ51からは地磁気ベクトル情報80a、3軸加速度センサ52からは重力加速度ベクトル情報80bが入力される。なお、後に述べる実施例2のブロック図も同様に図4のようにあらわせる。
【0022】
<<周波数別磁気ベクトル情報抽出手段90>>
以下に示すのが、ROM62に記憶されたプログラム26pを用いた本実施例の構成である。
磁場発生源2が形成する交流磁場は、3つの磁場発生源2からの3つの周波数の交流磁場が重なり合った状態で、高感度磁気センサ4によって3軸成分の磁気ベクトル情報70として検出されるので、それぞれの周波数の交流磁場を抽出するための周波数別磁気ベクトル抽出手段90が必要となる。
この周波数別磁気ベクトル抽出手段90には、以下の2種類の方法があり、マイコン6に設けられている。
【0023】
一つ目は、デジタルバンドパスフィルター90aを用いる方法である。これは、入ってくる交流信号のうち所定の周波数成分のみを通過させるものである。
具体的には、はじめにノイズを含む各周波数の交流磁場が重なり合ってできる交流の3軸成分からなる磁気ベクトル情報70を、それぞれ8Hz、10Hz、12Hzの周波数を通過させる3つのデジタルバンドパスフィルター81に通すことで、3つの周波数を持つ3軸成分からなる3つ磁気ベクトル情報71へ分離する。
【0024】
もう一つの手段は、フーリエ変換手段90bを用いる方法である。これを用いることで、上記と同じ効果を得ることができる。
フーリエ変換手段90b(以下、FET90bと記す)の作用を説明する。各周波数の交流磁場が重なり合っている磁気ベクトル情報70は、時間軸と磁場強さで表現される。この時間軸と磁場強さの関係からなる交流信号は、FET82でフーリエ変換すると、周波数と磁場強さ振幅(最大値)の関係からなる信号となる。
本実施例においては、必要な周波数の8、10、12Hzでピークが得られる。また、それ以外の周波数にいても振幅値が出力される。本実施例においては、それ以外の周波数おける振幅値を0とし、その周波数と磁場強度振幅の関係を逆フーリエ変換することで、3つの周波数を持つ3軸成分からなる3つ磁気ベクトル情報71へ分離できる。
この両手段はそれぞれ特徴があり、必要に応じて使い分けられる。
これらの手段により、一組の3つの高感度磁気センサ4で、3つの異なる周波数の3軸成分からなる磁場発生源2からの3つの磁気ベクトル情報71の抽出を可能とする。
【0025】
<<周波数別の最大磁気ベクトル情報演算手段91>>
時間変化する周波数別の3軸成分からなる磁気ベクトル情報71から、周波数別の最大磁気ベクトル情報72を求める必要がある。最大磁気ベクトル情報72は、一義的に特定できるからであり、のちに記載する既知の磁気ベクトル分布に使用されるのも各位置での最大磁気ベクトル情報である。
最大磁気ベクトル情報演算手段91の一例を以下に説明する。まず、携帯座標系3−cで測定され、所定の周波数別磁気ベクトル情報抽出手段90を通過した、所定の時間tでの交流の磁気ベクトル情報71の絶対値を算出する。
そして、例えば、所定の時間Δtの経過ごとに、その時刻の磁気ベクトル信号71の絶対値を演算し、所定の時間内での過去の絶対値と比較し、最大値を求める。最大値となったときの、磁気ベクトル情報72を読み取る。それにより、携帯座標系3−cで検出された所定の周波数別の最大磁気ベクトル情報72を演算することができる。
【0026】
<<最大磁気ベクトル情報72の座標変換演算手段92>>
最大磁気ベクトル情報72の座標変換演算手段92は、前述の周波数別の最大磁気ベクトル情報72の測定座標系を携帯座標系から、鉛直座標系へ座標変換演算することで、鉛直座標系での最大磁気ベクトル情報73を得るものである。
なぜ、そのような座標変換が必要かというと、本実施例の方式の磁場分布は図2に示すような鉛直座標系の鉛直軸Z’を含む断面において、等磁場強度分布線が、磁石に対して同心円状に分布せず、最大磁気ベクトルの大きさが分かっただけでは、磁場発生源2から高感度磁気センサ間の位置も特定できず、両者間の位置ベクトル(距離)も特定できないという事情があるためである。
そして、それらを特定するためには、以下のステップが必要となる。まず、予め、室内における、それぞれの周波数の磁場発生源2が形成する三次元の最大磁気ベクトル分布を所定の測定座標系を固定して、計算もしくは測定して求め、ROM62に格納しておく。
そして、携帯端末3内の3軸成分を求める高感度磁気センサ4で測定された交流の磁気ベクトル情報70と一致する磁気ベクトルの位置を、既に測定された三次元最大磁気ベクトル分布データをROM62から呼び出し比較参照することにより、携帯端末3の位置情報を決定する。そして、その位置から予め位置情報のある磁場発生源2との間の位置ベクトル(距離)が求まることとなる。
【0027】
ここで問題となるのは、予め計算・測定されている参照のため磁場発生源2からの三次元の最大磁気ベクトル分布データの測定座標系は一義的に固定されているのに対し、携帯端末3の測定座標系である携帯座標系は、基本的に先の測定座標系とは異なるため、携帯座標系3−cで測定された最大磁気ベクトルを用いても、正確な位置が求まらないことである。
そこで、本実施例では、前述の周波数別の最大磁気ベクトル情報72の測定座標系である携帯座標系3−cを、予め最大磁気ベクトル分布データを測定した測定座標系へ回転により座標変換演算する(以下、座標変換演算手段92と記す)。これにより、座標変換されたことにより測定座標系が一致するため最大磁気ベクトル73と一致する予め測定された最大磁気ベクトルデータを参照することが可能となり、携帯端末3(高感度磁気センサ4)の位置が特定することができる。
【0028】
ここで通常、室内は水平面で形成されるため、測定座標系は少なくとも鉛直軸を1軸に有するのが自然である。(以下、この座標系を鉛直座標系と記す)。
その場合、他の2軸は、水平面上に任意に取ることができる。鉛直座標系は、好ましくは、図1の地球座標系e−cのように、水平面上の1軸を北向軸とすることが好ましい。座標変換演算手段92による座標変換が簡単に行えるからである。
また、鉛直座標系は図1の室内座標系r−cのように、水平面上の1軸を部屋の壁に沿った軸とするとよい。この場合は、人間が表示画面により位置を認識しやすい。
本実施例1においては、図1に示す、地球座標系e−cで、予め、周波数別の磁場発生源2による三次元最大磁気ベクトル分布データを計算若しくは測定して求めている。また、6軸センサを電子コンパスとして使用し、いわゆるヘディングアップ機能をもたせることも可能である。
【0029】
ここで、座標変換演算手段92の一例を述べる。6軸センサ5のうち、3軸磁気センサ51からは地磁気ベクトル情報80a、3軸加速度センサ52からは重力加速度ベクトル情報80bが入力される。
ここで理想的な状態の場合は、このままでよいが、地磁気ベクトル情報80aには、各磁場発生源2からの磁気信号がノイズとして載るので、使用する最小周波数より小さい周波数のみを通過させる、デジタルローパスフィルタ920を通過させると良い。
また、更に、室内のその他の磁場発生源に接近することによるノイズについても、所定の周波数のみをデジタルローパスフィルタ920で通過させることにより対応できる。
また、重力加速度ベクトル情報80bには、人間等の各種の動きによる運動加速度がノイズとして載るので、このノイズについて、所定の周波数以下の周波数をデジタルローパスフィルタ920で通過させることにより対応することができる。
このような、各種ノイズを取り除いた地磁気ベクトル情報は地磁気ベクトル情報81a、各種ノイズを取り除いた重力加速度ベクトル情報は重力加速度ベクトル情報81bとする。
【0030】
<地磁気ベクトル情報81a、重力加速度ベクトル情報81bからの姿勢行列演算手段>
地磁気ベクトル情報81aと重力加速度ベクトル情報81bから、公知の関係式より、地球座標系を構成する地理上の東方向を向く単位ベクトルと、北方向を向く単位ベクトル、鉛直方向上を向く単位ベクトルがもとまる。それらの単位ベクトルを使って、姿勢行列Eが求まる。これらの演算は公知の手段である。
【0031】
<姿勢行列Eによる最大磁気ベクトル情報72の座標変換演算手段92>
先に求めた、携帯座標系3−cで測定され、所定の周波数別磁気ベクトル抽出手段を通過した、最大磁気ベクトル情報72を、姿勢行列Eを用いて座標変換演算することにより、地球座標系e−cでの最大磁気ベクトル情報73を得ることができる。
【0030】
<<座標変換後の最大磁気ベクトル情報73からの位置ベクトル情報演算手段93>>
その後、ROM62に格納されている、予め分かっている磁場発生源2により室内に形成される交流の磁場において測定座標系として選択した地球座標系e−cでの磁気ベクトル分布データ中に、先ほど求めた測定座標系を地球座標系に変換後の最大磁気ベクトル情報73と同一の磁気ベクトルを持つ3次元座標を参照する。これにより、三次元座標が求まる。この三次元座標は、既知の磁気ベクトル分布と測定時の実際の磁気ベクトル分布との差による誤差を含む等のため、その誤差を低減するため、以下の手段を用いる。
それぞれの磁場発生源2から携帯端末3(高感度磁気センサ4)の三次元座標への位置ベクトル情報74をそれぞれ求める(以下、位置ベクトル情報演算手段93と記す)。
【0032】
<<距離情報演算手段94>>
更に、3つの位置ベクトル情報74の水平面への正射影ベクトルを求める。それぞれの磁場発生源2からの携帯端末への距離情報75は、それぞれの正射影ベクトルの長さから演算する(以下、距離情報演算手段94と記す)。
【0033】
<<三角法に基づく位置演算手段95>>
3つの磁場発生源2の位置情報76と、3つの磁場発生源2からの携帯端末3への3つの距離情報75より、三角法に基づいて、室内における水平面上の携帯端末3(高感度磁気センサ4)の位置情報77が2次元的に演算され(以下、位置演算手段95と記す)特定される。
【0034】
また、図3に示すごとく、マイコン6には表示装置10が接続されており、携帯端末3の室内の水平面上の位置情報を、表示装置10を用いて、図1の携帯端末3の表示画面31に表示する。ここに示した、各手段は、一例であり、これに限られるものではない。
【実施例2】
【0035】
実施例2は、磁場発生源2よりの交流の磁場ベクトルの測定の仕方を、実施例1が高感度磁気センサ4で3軸成分を測定するのに対し、鉛直軸の磁気ベクトルのみとなる特定水平面上で磁気ベクトルを1軸の高感度磁気センサ4で測定することで、携帯端末3の室内の位置を検出しようとするものである。この装置は、所定の高さでの実施例1と同じ磁場発生源2を用いた。磁石体21から発生する交流磁場は、同じ所定の高さでの水平面上においては、磁場ベクトルは図1のZ’軸である鉛直方向成分Hz’のみとなる。本実施例は、その水平面上において、最大磁気ベクトルの絶対値からなる等磁界強さの分布は磁石から同心円上に形成されるという磁場分布の性質を活用した技術である。実施例2の特徴は、携帯端末3を磁場発生源2の設置位置と同じ高さの水平面上で使用し、水平面における鉛直方向のみからなる交流の磁場ベクトルを正確に測定できれば、磁場強さと距離の関数から磁場発生源2と携帯端末の水平面上の距離情報を簡便に求めるれる点にある。ここでは、実施例1からの変更部のみ記載し、重複する部分は省略する。
【0036】
まず、実施例1からのハードウェアの変更点について述べる。
本実施例においては、磁場発生源2は床から高さ1mの高さの壁面に取り付けられる。取付位置を床から1m程度としたのは、人間が携帯端末が使用する場合、携帯端末の位置が床から1m程度のためである。
本実施例の高感度磁気センサ4は、携帯端末3が、高さ1m近傍の領域で使用されるため、測定対象磁場ベクトルは、鉛直軸Z’方向のみとする。そのため高感度磁気センサ4は、任意の1軸方向を測定できればよいため、1つでよい。
【0037】
次に、実施例1からのソフトフェアの変更点について述べる。実施例1のソフトウェア手段は、周波数別磁気ベクトル情報抽出手段90、最大磁気ベクトル情報演算手段91、座標変換演算手段92、位置ベクトル情報演算手段93、距離情報演算手段94、位置情報演算手段95のうち、最大磁気ベクトル情報算出手段91、座標変換演算手段93、距離算出手段94が異なるのでそれを中心に、具体的手段の1例を示す。
【0038】
周波数別磁気ベクトル成分情報抽出手段900は、実施例1と同様に、高感度磁気センサ4から携帯座標系3−cの任意の1つの測定軸で検出された任意の1軸成分の磁気ベクトル情報700から、前記周波数の異なる磁場発生源2のそれぞれ周波数別の1軸成分の磁気ベクトル情報701を抽出する。センサの測定軸は任意の方向でよいが、後の演算を簡便にするため、ここでは、携帯座標系3−cのY軸(図1の携帯端末3の長手方向)で測定した。
【0039】
<<最大磁気ベクトル情報算出手段901>>
ここで、前記周波数別磁気ベクトル情報701から、周波数別の最大磁気ベクトル情報702を演算する最大磁気ベクトル情報演算手段901について説明する。携帯座標系3−cのY軸成分からなる磁気ベクトル情報701は各周波数で時間変化するため、実施例1と同様に、最大磁気ベクトル情報702を求める必要がある。
最大磁気ベクトル情報演算手段901の一例を以下に説明する。まず、携帯座標系3−cのY軸で測定され、周波数別の所定の時間tでの交流の1軸成分の磁気ベクトル情報701の絶対値を算出する。
そして、所定の時間Δtの経過ごとに、その時刻の磁気ベクトル情報701の絶対値を算出し、一定時間内でのその絶対値の最大値を求める。最大値となった時刻での磁気ベクトル情報702を読み取る。それにより、Y軸で測定され、所定の周波数別の1軸成分の最大磁気ベクトル情報702を算出することができる。
【0040】
<<最大磁場強さ情報演算手段902>>
最大磁場強さ情報演算手段902は、高感度磁気センサ4の測定軸と鉛直軸とのなす角を演算し、前記なす角と各周波数別の最大磁気ベクトル情報702より、所定の高さにおける周波数別の最大磁場強さ情報703を演算するものである。
実施例2においては、交流磁場について3軸で測定していないため、実施例1のような姿勢行列Eによる座標変換は実施しにくい。そこで、6軸センサ5からの地磁気ベクトル情報80a、重力加速度ベクトル情報80bから、各種ノイズを取り除いた地磁気ベクトル情報81a、重力加速度ベクトル情報81bを用いて、高感度磁気センサ4の1軸の測定軸であるY軸と、高さ1mでの携帯端末3の位置での所定の周波数の磁場発生源2が形成する鉛直下向きである磁気ベクトルとのなす角を、公知の関係式により演算する。
携帯座標系での1軸の最大磁気ベクトル情報702と、先に求めたなす角を用いて、公知の関係式から最大磁気ベクトル情報73を演算する(以下、最大磁場強さ情報演算手段702)。
【0041】
<<距離情報演算手段903>>
距離情報演算手段903は、前記最大磁場強さ情報703を用い、磁場発生源2から高感度磁気センサ4間の距離情報704を演算するものである。
前述のように、1m高さの磁場発生源2が形成する交流磁場により、同じ高さの水平面上での鉛直方向を向く磁場ベクトルの絶対値は磁石中心からの距離rの関数で表される。
よって、上記の関数に、先に求めた最大磁気ベクトル73の絶対値を代入することにより、それぞれの磁場発生源2からの高感度磁気センサ4(携帯端末3)への水平面上の二次元の距離情報704が求まる。そのため、本実施例の装置は、高感度磁気センサ4を2つ省略した上に、実施例1の位置ベクトル情報演算手段93に相当するものは不要となる。
【0042】
<位置演情報演算手段904>
位置情報演算手段904は、実施例1と同様に、3角法に基づいて、3つの磁場発生源の位置情報705と前記3つ距離情報704を用いて高感度磁気センサ4の室内の水平面上の位置情報706を演算するものである。床から1m位置での水平面上の3つの磁場発生源2からの携帯端末3への3つの距離より、三角法により、前記水平面上の携帯端末の位置が2次元的に特定される。
【0043】
また、図3に示すごとく、マイコン6には表示装置8が接続されており、携帯端末3の室内の水平面上の位置情報を、表示装置8を使用して図1の携帯端末3の表示画面に表示する。
【0044】
本実施例2の場合、磁場発生源2を、床から高さ1mの高さの壁面に取り付けている。床から高さ1mの水平面上に磁石中心を設定し、磁石中心から磁石の回転面に垂直な直線を想定する。その直線上の磁石中心からの任意の距離と、その直線上での任意の距離での鉛直方向に設置した高感度磁気センサ4によって測定されたもともと鉛直方向のみである交流の磁気ベクトルの磁場強さの関係を図5に示す。なお、磁場発生源2は実施例1と同じものであり、細長い棒状の磁石を壁面に沿って回転させている。
実施例1と同じ高感度磁気センサ4によって、磁気発生源2から6mの地点で10nT磁場強さが検出された。磁気発生源2から5mの付近では、距離1mの変化に対し10nTの磁場強度の差を与えることがわかる。高感度磁気センサ4が少なくとも0.5nTの磁気分解能を持つので、位置検出センサの位置分解能は50mmという高い性能を持つ。本緒元の高感度磁気センサを使用する場合は、室内のノイズ磁場が3から4nTなので、磁場発生源2同士の設置間隔は5m程度が望ましい。これらの設置間隔は、センサ感度の上昇等で10m、それ以上に広げることができる。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
室内に設置させるお互いに周波数の異なる交流磁場を発生する少なくとも3つの磁場発生源を有し、
室内移動体に携帯される携帯端末に載置され、携帯端末における所定の携帯座標系におけるお互いに直交する3軸方向における交流の磁気ベクトル情報のみを検出する高感度磁気センサと、
携帯端末に載置され、前記3軸方向における地磁気ベクトル情報を検出する地磁気センサと、前記3軸方向における重力加速度ベクトル情報を検出する加速度センサとからなる6軸センサと、
前記高感度磁気センサの前記携帯座標系で検出された磁気ベクトル情報から、前記周波数の異なる磁場発生源のそれぞれ周波数別の磁気ベクトル情報を抽出する周波数別磁気ベクトル情報抽出手段と、
前記周波数別磁気ベクトル情報から、周波数別の最大磁気ベクトル情報を演算する最大磁気ベクトル情報演算手段と、
前記携帯座標系で検出された各周波数別の最大磁気ベクトル情報を、鉛直方向を1軸に有する座標系(以下、鉛直座標系と記す)に、前記地磁気ベクトル情報と前記重力加速度ベクトル情報を用いて変換演算することにより、鉛直座標系における周波数別の最大磁気ベクトル情報を演算する座標変換演算手段と、
前記最大磁気ベクトル情報から、磁場発生源から高感度磁気センサ間の位置ベクトル情報を演算する位置ベクトル情報演算手段と、
前記位置ベクトル情報を、水平面上へ正射影することにより、水平面上の磁場発生源と高感度磁気センサ間の距離情報を演算する距離情報演算手段と、
前記距離情報から、3角法に基づいて、磁場発生源の位置情報と前記距離情報を用いて高感度磁気センサの室内の水平面上の位置情報を演算する位置演算手段と、からなる室内位置検出装置
【請求項2】
室内において鉛直方向に所定の同じ高さに設置され、お互いに周波数の異なる交流磁場を発生する少なくとも3つの磁場発生源を有し、
室内移動体に携帯される携帯端末における所定の携帯座標系におけるお互いに直交する3軸方向における地磁気ベクトル情報を検出する地磁気センサと、前記3軸方向における重力加速度ベクトル情報を検出する加速度センサとからなる6軸センサと、
携帯端末に載置され、使用時に前記磁場発生源とほぼ同じ高さで使用される携帯端末における任意の1軸の測定軸における交流の磁気ベクトル情報のみを検出する高感度磁気センサと、
前記高感度磁気センサの任意の1軸の測定軸で検出された交流の磁気ベクトル情報から、前記周波数の異なる磁場発生源のそれぞれ周波数別の磁気ベクトル情報を抽出する周波数別磁気ベクトル情報抽出手段と、
前記周波数別磁気ベクトル情報から、周波数別の最大磁気ベクトル情報を演算する最大磁気ベクトル情報演算手段と、
高感度磁気センサの前記測定軸と鉛直軸とのなす角を、前記地磁気ベクトル情報と前記重力加速度ベクトル情報を用いて演算し、前記なす角と前記携帯座標系で検出された各周波数別の最大磁気ベクトル情報より、前記所定の高さにおける周波数別の最大磁場強さ情報を演算するの最大磁場強さ情報演算手段と、
前記最大磁場強さ情報から、磁場発生源から高感度磁気センサ間の距離情報を演算する距離情報演算手段と、
前記距離情報から、3角法に基づいて、3つの磁場発生源の位置情報と前記3つ距離情報を用いて高感度磁気センサの室内の水平面上の位置情報を演算する位置情報演算手段と、からなる室内位置検出装置
【請求項3】
前記磁場発生源が、モータを用いて希土類焼結磁石を回転させることを特徴とする請求項1−2に記載の室内位置検出装置
【請求項4】
高感度磁気センサは、アモルファスワイヤにパルス電流を印加し、前記アモルファスワイヤに捲回した検出コイルに周辺の磁場強さに対応する電圧を発生する磁気インピーダンス素子からなると伴に、前記磁気インピーダンス素子の前記検出コイルが発生する電圧を電子スイッチを介してホールドコンデンサに蓄積するとともに、前記ホールドコンデンサと増幅器とを高周波フィルタで接続することで変動する磁場信号のみを増幅する高感度磁気センサからなることを特徴とする請求項1−2に記載の室内位置検出装置
【請求項5】
磁場発生源の発生する交流磁場の周波数が1〜40Hz、若しくは、70〜500Hzからなることを特徴とする請求項1−2に記載の室内位置検出装置
【請求項6】
周波数別磁気ベクトル情報抽出手段が、フーリエ変換手段であることを特徴とする請求項1−2に記載の室内位置検出装置
【請求項7】
周波数別磁気ベクトル抽出手段が、デジタルバンドフィルターであることを特徴とする請求項1−2に記載の室内位置検出装置

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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