超音波距離測定システムおよび超音波距離測定方法
【課題】簡単な装置構成で距離の測定が行えると共に、特に超音波のみを用いて送信ノードと受信ノードとの距離を短時間に精度よく測定することができる超音波距離測定システムおよび超音波距離測定方法を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明にかかる超音波距離測定システム１００は、通信パケットを生成し、通信パケットを超音波で送信する送信ノード１０２と、通信パケットを受信し、送信ノードとの間の距離を測定する受信ノード１０４とがインターネット通信網１０６を介して無線で通信可能に接続して構成されている。
【解決手段】本発明にかかる超音波距離測定システム１００は、通信パケットを生成し、通信パケットを超音波で送信する送信ノード１０２と、通信パケットを受信し、送信ノードとの間の距離を測定する受信ノード１０４とがインターネット通信網１０６を介して無線で通信可能に接続して構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送信側の情報端末（送信ノード）から通信パケットを超音波で送信し、受信側の情報端末（受信ノード）で当該通信パケットを受信することにより、情報端末（ノード）間の距離を測定する超音波距離測定システムおよび超音波距離測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、小型かつ軽量で通信機能を持った可搬型の情報端末が開発され、多く利用されるようになった。また、インフラストラクチャーとしてのインターネット通信網も整備されてきた。インターネット通信網により距離を克服しつつ情報世界（サイバースペース）にアクセスすることができるので、日常生活で活用されている。
【０００３】
ところで、可搬型の情報端末を対象とした場合、情報端末の用途として、例えば、ある情報端末が特定の場所に移動されたことを他の情報端末が検出すると、他の情報端末はその情報端末に固有のサービスを提供するという用途、また、接近し合っていることを特定の情報端末相互が検知すると、互いの情報端末が特別な動作を開始するという用途が考えられる。具体的には、百貨店に来た客が売場付近に接近したことを売場に設置された情報端末が客の携帯端末を介して検出すると、客の情報端末に当該売場の商品情報を提供したり、雑踏した集会で面会相手が自分からどの方向でどの距離に居るかを互いが所有する情報端末に表示したりすることが考えられる。これらの用途は、遠距離の通信ではなく、情報端末の通信距離が特定の値（数メートル〜数十メートル）になっている場合における用途である。
【０００４】
また、情報端末の通信距離が特定の値（数メートル〜数十メートル）になっている場合、例えば、情報端末にＧＰＳ（全地球測位システム）の受信機能を搭載することで中央サーバにメンバの位置情報を集約したり、情報端末に携帯電話の通信機能を搭載することでゾーン情報から位置を知ったりすることができる。そして、これら技術は実用化されている。
また、超音波を利用して距離や座標位置を測定する技術が存在する。電波や光などの電磁波およびケーブルを伝搬する電気信号は、空気中を伝搬する超音波に比較して百万倍ほど高速に伝搬するので、ほぼ無限大の伝搬速度を持つと見なすことができる。具体的には、まず、送信ノードは、電磁波または電気信号と超音波信号と同時に発生する。つぎに、受信ノードまたは集中ノードは、両信号の到着タイミングに関する信号を集め、超音波の伝搬遅延時間を知る。そして、既知である空気中の音速で当該伝播遅延時間を除すことで、送信ノードと受信ノードとの間隔（距離）を計算する。換言すると、送信ノードは、ビーコンを超音波チャンネルに、また一般情報を含むタイミング信号を電波（赤外線も同様）チャンネルで同時に送信する。受信ノードは、両方の信号を受信し、各信号の到着時刻の差を計算して、ノード間の距離を計算する。なお、特定ノードから見て、座標位置のわかっている３組以上のノードに対して距離測定を行うことで、当該特定ノードの空間座標位置を求めることができる。
また、例えば、個々の内部クロックが同期されていないノード群と中央サーバとがネットワークを介して接続されたシステムでノード間の距離を測定する技術が存在する。具体的には、まず、受信ノードは、送信ノードから超音波で送信された超音波ビーコンを受信する。つぎに、受信ノードは、受信した超音波ビーコンの到着時刻をＬＡＮを介して中央サーバに送信することで、中央サーバに距離計算を依頼する。そして、個々のノードの動作を監視している中央サーバは、送信ノードおよび受信ノードからの信号を比較し、その到着時間差からノード間の距離を計算して、計算した距離を受信ノードに送信する。そして、受信ノードは、送信ノードとの距離を得る。
また、その他の関連する技術として、例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４などが開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３２３３５７号公報
【特許文献２】特開２００４−２８９７１１号公報
【特許文献３】特開平６−８２２４２号公報
【特許文献４】特表２００４−５３０１１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来技術では、中央サーバを備えた構成や、電磁波を発生する装置と超音波を発生する装置の両方を備えた構成であったので、装置構成が複雑になり、またそれらの制御方式も複雑になる、という問題点があった。
一方、超音波のみを用いて距離を測定するという方式には反射型があるのみで、漠然と対象の位置を捉えること以上はできず、また情報処理に必要な一般情報を超音波で伝送することはできない、という問題点があった。
さらに、可搬型端末ではごく短時間に、単発での距離測定を行えることが便利であるが、従来方式ではそのような用途に使用した場合に必ずしも十分な性能が得られない、という問題点もあった。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、簡単な装置構成で距離の測定が行えると共に、超音波のみを用いて送信ノードと受信ノードとの距離を短時間に精度よく測定することができ、特に一般データ通信機能を併せ持つ超音波距離測定システムおよび超音波距離測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明にかかる請求項１に記載の超音波距離測定システムは、所定の時刻同期手法を用いてネットワークを介してその内部クロックを予め同期させた状態の複数の情報端末において、１つの情報端末から通信パケットを送信し、他の情報端末で通信パケットを受信することにより、該当する情報端末間の距離を測定する超音波距離測定システムであって、送信側の情報端末は、内部クロックから取得した時刻に基づいて送信タイムスタンプを生成し、当該送信タイムスタンプを含む通信パケットを生成する通信パケット生成手段と、前記通信パケット生成手段で生成した通信パケットを超音波で送信する通信パケット送信手段と、を備え、受信側の情報端末は、送信側の情報端末から超音波で送信された通信パケットを受信する通信パケット受信手段と、前記通信パケット受信手段で通信パケットを受信した時刻を内部クロックから取得し、当該時刻に基づいて受信タイムスタンプを生成する受信タイムスタンプ生成手段と、前記受信タイムスタンプ生成手段で生成した受信タイムスタンプと前記通信パケット受信手段で受信した通信パケットに含まれる送信タイムスタンプとの差に基づいて送信側の情報端末と当該受信側の情報端末との距離を算出する距離算出手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明にかかる請求項２に記載の超音波距離測定システムは、所定の時刻同期手法を用いてネットワークを介してその内部クロックを予め同期させた状態の複数の情報端末において、１つの情報端末から通信パケットを送信し、他の情報端末で通信パケットを受信することにより、該当する情報端末間の距離を測定する超音波距離測定システムであって、前記通信パケットは、通信パケットを送受信する際の同期の基準となる基準位置および当該基準位置が送信された時刻を表す送信タイムスタンプを含み、送信側の情報端末は、内部クロックから取得した送信時刻および当該送信時刻から実際に通信パケットの基準位置が送信されるまでの時間差である送信補正値に基づいて、送信タイムスタンプを生成し、当該送信タイムスタンプを含む通信パケットを生成する通信パケット生成手段と、前記通信パケット生成手段で生成した通信パケットを超音波で送信する通信パケット送信手段と、を備え、受信側の情報端末は、送信側の情報端末から超音波で送信された通信パケットを受信する通信パケット受信手段と、前記通信パケット受信手段で通信パケットを受信した受信時刻を内部クロックから取得し、取得した受信時刻および当該受信時刻が取得されてから実際に通信パケットの基準位置が受信されるまでの時間差である受信補正値に基づいて、基準位置が受信された時刻を表す受信タイムスタンプを生成する受信タイムスタンプ生成手段と、前記受信タイムスタンプ生成手段で生成した受信タイムスタンプと前記通信パケット受信手段で受信した通信パケットに含まれる送信タイムスタンプとの差に基づいて送信側の情報端末と当該受信側の情報端末との距離を算出する距離算出手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明にかかる請求項３に記載の超音波距離測定システムは、請求項１または２に記載の超音波距離測定システムにおいて、前記通信パケットは、送信側の情報端末を識別する識別ＩＤ、任意の通信データ、チェックサムのうち少なくとも１つをさらに含むこと、を特徴とする。
【００１１】
また、本発明にかかる請求項４に記載の超音波距離測定システムは、請求項１から３のいずれか１つに記載の超音波距離測定システムにおいて、前記通信パケットは、送信側の情報端末の座標位置をさらに含み、前記受信側の情報端末は、異なる複数の送信側の情報端末から連続して通信パケットを受信した場合、前記距離算出手段で算出した各送信側の情報端末と当該受信側の情報端末との距離および各送信側の情報端末の座標位置に基づいて当該受信側の情報端末の位置を推定する位置推定手段、をさらに備えたことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明にかかる請求項５に記載の超音波距離測定システムは、請求項１から４のいずれか１つに記載の超音波距離測定システムにおいて、前記情報端末は、ＰＤＡ、携帯電話、パーソナルコンピュータなどの可搬型の情報端末であること、を特徴とする。
【００１３】
また、本発明にかかる請求項６に記載の超音波距離測定システムは、請求項１から４のいずれか１つに記載の超音波距離測定システムにおいて、前記送信側の情報端末は固定されたものであり、前記受信側の情報端末は移動可能なものであること、を特徴とする。
【００１４】
また、本発明は超音波距離測定方法に関するものであり、本発明にかかる請求項７に記載の超音波距離測定方法は、所定の時刻同期手法を用いてネットワークを介してその内部クロックを予め同期させた状態の複数の情報端末において、１つの情報端末から通信パケットを送信し、他の情報端末で通信パケットを受信することにより、該当する情報端末間の距離を測定する超音波距離測定方法であって、前記通信パケットは、通信パケットを送受信する際の同期の基準となる基準位置および当該基準位置が送信された時刻を表す送信タイムスタンプを含み、送信側の情報端末において、内部クロックから取得した送信時刻および当該送信時刻から実際に通信パケットの基準位置が送信されるまでの時間差である送信補正値に基づいて、送信タイムスタンプを生成し、当該送信タイムスタンプを含む通信パケットを生成し、生成した通信パケットを超音波で送信し、受信側の情報端末において、送信側の情報端末から超音波で送信された通信パケットを受信し、通信パケットを受信した受信時刻を内部クロックから取得し、取得した受信時刻および当該受信時刻が取得されてから実際に通信パケットの基準位置が受信されるまでの時間差である受信補正値に基づいて、基準位置が受信された時刻を表す受信タイムスタンプを生成し、生成した受信タイムスタンプと受信した通信パケットに含まれる送信タイムスタンプとの差に基づいて送信側の情報端末と当該受信側の情報端末との距離を算出すること、を特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明にかかる超音波距離測定システムによれば、所定の時刻同期手法を用いてネットワークを介してその内部クロックを予め同期させた状態の複数の情報端末において、１つの情報端末から通信パケットを送信し、他の情報端末で通信パケットを受信することにより、該当する情報端末間の距離を測定する。特に、送信側の情報端末は、内部クロックから取得した時刻に基づいて送信タイムスタンプを生成し、当該送信タイムスタンプを含む通信パケットを生成し、生成した通信パケットを超音波で送信する。そして、受信側の情報端末は、送信側の情報端末から超音波で送信された通信パケットを受信し、通信パケットを受信した時刻を内部クロックから取得し、当該時刻に基づいて受信タイムスタンプを生成し、生成した受信タイムスタンプと受信した通信パケットに含まれる送信タイムスタンプとの差に基づいて送信側の情報端末と当該送信側の情報端末との距離を算出する。これにより、簡単な装置構成で距離の測定が行えると共に、特に超音波のみを用いて送信ノードと受信ノードとの距離を短時間に精度よく測定することができるという効果を奏する。
【００１６】
また、本発明にかかる超音波距離測定システムおよび超音波距離測定方法によれば、所定の時刻同期手法を用いてネットワークを介してその内部クロックを予め同期させた状態の複数の情報端末において、１つの情報端末から通信パケットを送信し、他の情報端末で通信パケットを受信することにより、該当する情報端末間の距離を測定する。特に、通信パケットは、通信パケットを送受信する際の同期の基準となる基準位置および当該基準位置が送信された時刻を表す送信タイムスタンプを含む。送信側の情報端末は、内部クロックから取得した送信時刻および当該送信時刻から実際に通信パケットの基準位置が送信されるまでの時間差である送信補正値に基づいて、送信タイムスタンプを生成し、当該送信タイムスタンプを含む通信パケットを生成し、生成した通信パケットを超音波で送信する。そして、受信側の情報端末は、送信側の情報端末から超音波で送信された通信パケットを受信し、通信パケットを受信した受信時刻を内部クロックから取得し、取得した受信時刻および当該受信時刻が取得されてから実際に通信パケットの基準位置が受信されるまでの時間差である受信補正値に基づいて、基準位置が受信された時刻を表す受信タイムスタンプを生成し、生成した受信タイムスタンプと受信した通信パケットに含まれる送信タイムスタンプとの差に基づいて送信側の情報端末と当該受信側の情報端末との距離を算出する。これにより、簡単な装置構成で距離の測定が行えると共に、特に超音波のみを用いて送信ノードと受信ノードとの距離を短時間に精度よく測定することができるという効果を奏する。
【００１７】
また、本発明にかかる超音波距離測定システムによれば、通信パケットは、送信側の情報端末を識別する識別ＩＤ、任意の通信データ、チェックサムのうち少なくとも１つをさらに含む。これにより、複数の情報を一度に送受信することができるという効果を奏する。
【００１８】
また、本発明にかかる超音波距離測定システムによれば、通信パケットは、送信側の情報端末の座標位置をさらに含み、受信側の情報端末は、異なる複数の送信側の情報端末から連続して通信パケットを受信した場合、算出した各送信側の情報端末と当該受信側の情報端末との距離および各送信側の情報端末の座標位置に基づいて当該受信側の情報端末の位置を推定する。これにより、受信側の情報端末の座標位置を短時間に精度よく推定することができるという効果を奏する。
【００１９】
また、本発明にかかる超音波距離測定システムによれば、情報端末は、ＰＤＡ、携帯電話、パーソナルコンピュータなどの可搬型の情報端末である。これにより、移動しながら、互いの情報端末間の距離を短時間に精度よく測定することができるという効果を奏する。
【００２０】
また、本発明にかかる超音波距離測定システムによれば、送信側の情報端末は固定されたものであり、受信側の情報端末は移動可能なものである。これにより、例えば屋内に複数の送信側の情報端末を設置しておくことで、受信側の情報端末は当該情報端末の座標位置を計算することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、本発明にかかる超音波距離測定システムおよび超音波距離測定方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００２２】
まず、本発明の超音波距離測定システム１００の構成について、図１を参照して説明する。図１は超音波距離測定システム１００の構成の一例を示す概念図である。
超音波距離測定システム１００は、図１に示すように、通信パケットを生成し、通信パケットを超音波で送信する送信ノード１０２と、通信パケットを受信し、送信ノードとの間の距離を測定する受信ノード１０４とがインターネット通信網１０６を介して無線で通信可能に接続して構成されている。ここで、全ての送信ノード１０２および受信ノード１０４は、ＮＴＰ（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｔｉｍｅ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）を用いてインターネット通信網１０６を介してその内部クロックを予め同期している。なお、図１では、超音波距離測定システム１００が、１つの送信ノード１０２と３つの受信ノード１０４で構成された一例を示しているが、送信ノード１０２および受信ノード１０４の個数はこれに限定されない。また、本実施の形態では、符号１０２のノードを送信ノード、符号１０４のノードを受信ノードとして説明するが、それぞれのノードの構成は同一であってもよく、それぞれが必要に応じて役割を担うことができる。
【００２３】
送信ノード１０２は、内部クロックから取得した時刻に基づいて送信タイムスタンプを生成し、当該送信タイムスタンプを含む通信パケットを生成し、生成した通信パケットを超音波で送信する。ここで、送信ノード１０２の具体的な構成の一例について、図２を参照して説明する。図２は、送信ノード１０２の具体的な構成の一例を示すブロック図である。図２に示すように、送信ノード１０２は、当該送信ノード１０２の全体を統括的に制御するＣＰＵ１０２ａと、当該送信ノード１０２をインターネット通信網１０６に接続する無線ＬＡＮ１０２ｂ（図１における時刻同期通信器Ｎに対応）と、計時する内部クロック１０２ｃと、送信する波形を記憶する複数の波形メモリ１０２ｄ〜１０２ｆと、複数の移相器１０２ｇ〜１０２ｉと、ＤＡ変換器１０２ｊと、超音波送信素子１０２ｋ（図１における超音波送信器Ｓに対応）と、で構成され、これらは任意の通信路を介して接続されている。なお、送信ノード１０２は、超音波受信素子（図１における超音波受信器Ｒに対応）をさらに含んで構成されてもよい。
【００２４】
図２において、ＣＰＵ１０２ａは、通信パケット生成部と通信パケット送信部とを備える。通信パケット生成部は、内部クロック１０２ｃから取得した時刻に基づいて送信タイムスタンプを生成し、当該送信タイムスタンプを含む通信パケットを生成する。具体的には、内部クロック１０２ｃから取得した送信時刻および当該送信時刻から実際に通信パケットの基準位置が送信されるまでの時間差である送信補正値に基づいて、送信タイムスタンプを生成し、当該送信タイムスタンプを含む通信パケットを生成する。通信パケット送信部は、通信パケット生成部で生成した通信パケットを超音波で送信する。なお、通信パケットは、当該通信パケットを送受信する際の同期の基準となる基準位置および当該基準位置が送信された時刻を表す送信タイムスタンプを少なくとも含む。
【００２５】
ここで、通信パケットの具体的な構成の一例について図５を参照して説明する。図５は、通信パケットの具体的な構成の一例を示す図である。図５に示すように、通信パケットは、本発明の特徴部分である基準位置（時刻基準点に対応）を含む同期パターン部と、パケット長（バイト単位）と、送信ノードＩＤと、送信タイムスタンプと、ユーザデータ（任意の通信データ）と、チェックサム（ＣＲＣ１６）と、で構成されている。なお、受信ノード１０４の座標位置を推定する場合には、通信パケットは、送信ノード１０２の座標位置を含む。また、同期パターン部およびチェックサムを除く通信パケットに含まれるデータの順序は任意に変更してもよい。
【００２６】
再び図１に戻り、受信ノード１０４は、送信ノード１０２から超音波で送信された通信パケットを受信し、通信パケットを受信した時刻を内部クロックから取得し、当該時刻に基づいて受信タイムスタンプを生成し、生成した受信タイムスタンプと受信した通信パケットに含まれる送信タイムスタンプとの差に基づいて送信ノード１０２と当該受信ノード１０４との距離を算出する。ここで、受信ノード１０４の具体的な構成の一例について、図３を参照して説明する。図３は、受信ノード１０４の具体的な構成の一例を示すブロック図である。図３に示すように、受信ノード１０４は、当該受信ノード１０４の全体を統括的に制御するＣＰＵ１０４ａと、当該受信ノード１０４をインターネット通信網１０６に接続する無線ＬＡＮ１０４ｂ（図１における時刻同期通信器Ｎに対応）と、計時する内部クロック１０４ｃと、受信した波形を記憶する波形メモリ１０４ｄと、ＡＤ変換器１０４ｅと、超音波受信素子１０４ｆ（図１における超音波受信器Ｒに対応）と、で構成され、これらは任意の通信路を介して接続されている。なお、受信ノード１０４は、超音波送信素子（図１における超音波送信器Ｓに対応）をさらに含んで構成されてもよい。
【００２７】
図３において、ＣＰＵ１０４ａは、通信パケット受信部と受信タイムスタンプ生成部と距離算出部と位置推定部とを備える。通信パケット受信部は、送信ノード１０２から超音波で送信された通信パケットを受信する。受信タイムスタンプ生成部は、通信パケット受信部で通信パケットを受信した時刻を内部クロック１０４ｃから取得し、当該時刻に基づいて受信タイムスタンプを生成する。具体的には、通信パケット受信部で通信パケットを受信した受信時刻を内部クロック１０４ｃから取得し、取得した受信時刻および当該受信時刻が取得されてから実際に通信パケットの基準位置が受信されるまでの時間差である受信補正値に基づいて、基準位置が受信された時刻を表す受信タイムスタンプを生成する。距離算出部は、受信タイムスタンプ生成部で生成した受信タイムスタンプと前記通信パケット受信部で受信した通信パケットに含まれる送信タイムスタンプとの差に基づいて送信ノード１０２と当該受信ノード１０４との距離を算出する。位置推定部は、異なる複数の送信ノード１０２から連続して通信パケットを受信した場合、距離算出部で算出した各送信ノード１０２と当該受信ノード１０４との距離および各送信ノード１０２の座標位置に基づいて当該受信ノード１０４の位置を推定する。
【００２８】
以上の構成において、超音波距離測定システム１００を構成する送信ノード１０２および受信ノード１０４で行われる処理を、図６、図７などを参照して順に説明する。なお、超音波距離測定システム１００を構成する全ての送信ノード１０２および受信ノード１０４は、ＮＴＰを用いてインターネット通信網１０６を介して、内部クロック１０２ｃおよび内部クロック１０４ｃを予め同期しているものとする。ここで、ＮＴＰによる時刻同期について、図４を参照して簡単に説明する。図４は、ＮＴＰによる時刻同期の一例を示す概念図である。図４に示すように、時刻同期する第ｎ＋１層のＮＴＰサーバは、第ｎ層のＮＴＰサーバへ時刻を問い合わせる。そして、第ｎ層のＮＴＰサーバは、第ｎ−１層のＮＴＰサーバへ当該問い合わせを伝達する。以降、隣り合う層のＮＴＰサーバ同士で伝達を繰り返し、最終的に、最上層（第０層）のＮＴＰサーバへ当該問い合わせを伝達する。そして、最上層のＮＴＰサーバは、隣り合う層のＮＴＰサーバへ時刻を返す。以降、隣り合う層のＮＴＰサーバ同士で伝達を繰り返し、最終的に、問い合わせ元の第ｎ＋１層のＮＴＰサーバへ当該時刻を返す。これにより、第ｎ＋１層のＮＴＰサーバは時刻を同期することができる。
【００２９】
初めに、送信ノード１０２で行われる処理を図６などを参照して説明する。図６は、送信ノード１０２で行われる処理の一例を示すフローチャートである。なお、送信ノードは、以下の処理により、通信パケットを適当な頻度で送出する。
【００３０】
まず、波形メモリ１０２ｄに記憶された波形（周波数ｆ1＝３９０００Ｈｚ）の初期位相量ｐ1を移相器１０２ｇで決定し（ステップＳＡ−１）、波形メモリ１０２ｅに記憶された波形（周波数ｆ2＝３９０００Ｈｚ）の初期位相量ｐ2を移相器１０２ｈで決定し（ステップＳＡ−２）、波形メモリ１０２ｆに記憶された波形（周波数ｆ3＝４００００Ｈｚ）の初期位相量ｐ3を移相器１０２ｉで決定する（ステップＳＡ−３）。具体的には、まず、送信回路および超音波送信素子の遅延時間を調べて、周波数ｆ1の波形に対応する遅延時間ｓ1、周波数ｆ2の波形に対応する遅延時間ｓ2、周波数ｆ3の波形に対応する遅延時間ｓ3を計測する。ついで、時刻基準点での素搬送波の位相をゼロに揃えるために、同期パターンの搬送波ごとに初期位相量ｐ1、ｐ2、ｐ3をそれぞれ、下記の数式１、数式２、数式３で算出する。そして、算出した初期位相量ｐ1、ｐ2、ｐ3をそれぞれ、波形メモリ１０２ｄ〜１０２ｆに蓄積する。
ｐ1＝２π×（１−ｆｒａｃ（（０．０００５＋ｓ1）×ｆ1））
・・・（数式１）
ｐ2＝２π×（１−ｆｒａｃ（（０．０００５＋ｓ2）×ｆ2））
・・・（数式２）
ｐ3＝２π×（１−ｆｒａｃ（（０．０００５＋ｓ3）×ｆ3））
・・・（数式３）
ここで、ｆｒａｃ（ｘ）は、ｘの小数部を取り出す演算である。
なお、ステップＳＡ−１〜ＳＡ−３までの処理は一度実行しておけばよい。
【００３１】
ここで、使用する送信回路または送信素子が周波数により波形の位相に変化を与えるような性質（分散特性）を有する場合には、それを補償するように予め素搬送波に補正を加えてもよい。また、送出波形の同期パターンの継続時間は、１／（ｆmax−ｆmin）を超えないように決める（ｆmaxは複数搬送波のうち最高周波数であり、ｆminは最低周波数である。）。
【００３２】
つぎに、内部クロック１０２ｃから送信時刻を取得し、当該送信時刻に送信補正値として予め設定された時間「０．５ｍｓ」を加えた時刻を送信タイムスタンプＴsとして生成する（ステップＳＡ−４）。具体的には、送信動作を開始するにあたり、一つの時刻基準点を決定し、通信パケットの送出タイミングを、その時刻基準点に相対的に算定できるようにし、時刻基準点を時刻同期された内部クロックで表記した値を生成し、送信タイムスタンプＴsとする。ここで、時刻基準点を同期パターンの中央（送信開始から０．５ｍｓ後）にとり、この中央で波形の送信位相をゼロに合わせる。また、具体的には、複数の予め決定された周波数からなる搬送波波形を生成し、その加法合成またはそれらをさらに主搬送波で変調したものを同期パターンとする。なお、同期パターンの複数搬送波を構成する素搬送波の位相は、時刻基準点において予め決定された一定の関係をもつように構成しておく（図９参照）。ここで、本実施の形態では、３つの周波数のゼロ位相が揃う時点を時刻基準点と定義して設定しているが、時刻基準点の所定の条件としては、例えば３つの周波数の最大値または最小値が揃った時点を用いてもよい。また、タイムスタンプは、１μｓで量子化し、４８ビット整数で表記したものとする。これは、約９年間でサイクルする表記法である。
【００３３】
つぎに、ステップＳＡ−４の処理と同時に、超音波搬送波を変調して通信パケットを送信する。具体的には、まず、波形メモリ１０２ｄ〜１０２ｆのそれぞれに蓄積された初期位相量ｐ1〜ｐ3で、同期パターンを送信する（ステップＳＡ−５）。つぎに、パケット長を送信し（ステップＳＡ−６）、送信ノードＩＤを送信し（ステップＳＡ−７）、送信タイムスタンプＴsを送信し（ステップＳＡ−８）、ユーザデータを送信し（ステップＳＡ−９）、ビットパターンからチェックサム（本実施の形態では１６ビットの生成多項式によるＣＲＣ１６）を作成して送信する（ステップＳＡ−１０）。つまり、パケット長、送信ノードＩＤ、送信タイムスタンプ、ＣＲＣ１６を順次、ＰＳＫにて変調して送出する。ここで、通信パケットに含まれるパケット長以下のデータ（図５参照）は、周波数ｆ1〜ｆ3に８値ＰＳＫ変調をかけることで送信するが、その位相基準には同期パターンの素搬送波をあてる。そして、それらをゼロ位相とし、ここからｎ／４πラジアン（ｎは０〜７の整数）移動した相で、０から７までのデジタル値を表現する。なお、搬送波は３種類あるので、１ｍｓのシンボル時間に２４ビット（３×８）または３バイトのデジタル情報を送信することができる。換言すると、各搬送波での送信速度を１シンボル／ｍｓとしているので、２４（＝８×３×（１／０．００１））ｋｂｐｓの総合通信速度を持つ。なお、本実施の形態では、８値ＰＳＫ変調をかけて送信する例を示すが、直接搬送波やその他の変調方式で送信してもよい。
【００３４】
以上、送信ノード１０２で行われる処理の説明を終了する。
【００３５】
つぎに、受信ノード１０４で行われる処理を図７などを参照して説明する。図７は、受信ノード１０４で行われる処理の一例を示すフローチャートである。受信では、ｆ1、ｆ2、ｆ3の周波数から成る正弦波を、基準相のものと−１／２πラジアン移相した信号を用意し、各々、ｃｏｓωｔ、ｓｉｎωｔ相当の信号として受信波形に乗じて直交検波を行う。なお、以下ではデジタル処理の例について説明しているが、アナログ的復調で処理を行ってもよい。
【００３６】
まず、キャリアを検出し、検出できた場合には（ステップＳＢ−１：Ｙｅｓ）、内部クロック１０４ｃから受信を開始した時刻である開始時刻Ｔ0を取得する（ステップＳＢ−２）。
【００３７】
つぎに、受信信号をＡＤ変換器１０４ｅでＡＤ変換し、波形メモリ１０４ｄに蓄積する（ステップＳＢ−３）。
【００３８】
つぎに、通信パケットの冒頭部分（同期パターン）を取り出す（ステップＳＢ−４）。
【００３９】
つぎに、周波数ｆ1の素搬送波の位相情報サイン成分とコサイン成分を、ｃｏｓ（２πｆ1ｔ）とｓｉｎ（２πｆ1ｔ）を乗じることで抽出する（ステップＳＢ−５）。また、周波数ｆ2の素搬送波の位相情報サイン成分とコサイン成分を、ｃｏｓ（２πｆ2ｔ）とｓｉｎ（２πｆ2ｔ）を乗じることで抽出する（ステップＳＢ−６）。さらに、周波数ｆ3の素搬送波の位相情報サイン成分とコサイン成分を、ｃｏｓ（２πｆ3ｔ）とｓｉｎ（２πｆ3ｔ）を乗じることで抽出する（ステップＳＢ−７）。
【００４０】
つぎに、同期パターン部の素搬送波の開始時刻Ｔ0での位相φ1、φ2、φ3を計算する（ステップＳＢ−８）。ステップＳＢ−４〜ＳＢ−７までの処理で通信パケットの冒頭部分から１ｍｓ弱（キャリア検出時間だけ短くなる）分のデータは同期パターン部に属するものとして、それを周波数ｆ1〜ｆ3で直交検波を行うことで、波形メモリ１０４ｄ中の同期パターンの素搬送波についてサイン、コサイン位相情報を抽出している。ステップＳＢ−８では、これを比較することで受信開始時刻Ｔ0での位相φ1、φ2、φ3を得ることができる。ここで、受信素子または受信回路が位相に関する分散特性をもつ場合には、その値を補正する。ステップＳＢ−４〜ＳＢ−８の処理を詳細に説明すれば、図８に示すように、受信波形と周波数ｆ1波形（ｃｏｓ（２πｆ1ｔ））との積および受信波形と周波数ｆ1波形から位相をπ／２だけ移相した波形（ｓｉｎ（２πｆ1ｔ））との積を計算し、それぞれを積分器を通して比較することにより、位相φ1を計算する。また、受信波形と周波数ｆ2波形（ｃｏｓ（２πｆ2ｔ））との積および受信波形と周波数ｆ2波形から位相をπ／２だけ移相した波形（ｓｉｎ（２πｆ2ｔ））との積を計算し、それぞれを積分器を通して比較することにより、位相φ2を計算する。さらに、受信波形と周波数ｆ3波形（ｃｏｓ（２πｆ3ｔ））との積および受信波形と周波数ｆ3波形から位相をπ／２だけ移相した波形（ｓｉｎ（２πｆ3ｔ））との積を計算し、それぞれを積分器を通して比較することにより、位相φ3を計算する。
【００４１】
再び図７に戻り、周波数ｆ1〜ｆ3の受信信号それぞれに対応する予め測定された受信遅延時間ｒ1〜ｒ3に基づいて、時刻基準点Ｔ12、Ｔ23、Ｔ31を決定する（ステップＳＢ−９）。具体的には、周波数ｆ1の素搬送波と周波数ｆ2の素搬送波の受信位相φ1、φ2から、時刻基準点Ｔ12を以下の数式４で算出する。また、周波数ｆ2の素搬送波と周波数ｆ3の素搬送波の受信位相φ2、φ3から、時刻基準点Ｔ23を以下の数式５で算出する。さらに、周波数ｆ3の素搬送波と周波数ｆ1の素搬送波の受信位相φ3、φ1から、時刻基準点Ｔ31を以下の数式６で算出する。
Ｔ12＝Ｔ0＋（（（φ1−φ2）／２π）＋（ｒ1ｆ1−ｒ2ｆ2））／（ｆ1−ｆ2） ・・・（数式４）
Ｔ23＝Ｔ0＋（（（φ2−φ3）／２π）＋（ｒ2ｆ2−ｒ3ｆ3））／（ｆ2−ｆ3） ・・・（数式５）
Ｔ31＝Ｔ0＋（（（φ3−φ1）／２π）＋（ｒ3ｆ3−ｒ1ｆ1））／（ｆ3−ｆ1） ・・・（数式６）
つまり、素搬送波の位相関係が特定の値になる時刻を計算することで時刻基準点を再現する。
【００４２】
つぎに、ステップＳＢ−９で決定した時刻基準点Ｔ12〜Ｔ31および開始時刻Ｔ0に基づいて、受信タイムスタンプＴrを決定する（ステップＳＢ−１０）。具体的には、以下の数式７に示す相加平均を受信タイムスタンプＴrとする。なお、当該受信タイムスタンプに、ばらつきや信頼区間を考慮してもよい。
Ｔr＝Ｔ0＋（Ｔ12＋Ｔ23＋Ｔ31）／３ ・・・（数式７）
【００４３】
つぎに、波形メモリ１０４ｄのデータに直交検波を続けて、位相φ1、φ2、φ3を基準に復調することで、パケット長、送信ノードＩＤ、送信タイムスタンプＴs、ユーザデータ、チェックサム（ＣＲＣ１６）を得る（ステップＳＢ−１１）。
【００４４】
つぎに、チェックサムを検定し、合致する場合（ステップＳＢ−１２：Ｙｅｓ）、通信パケットの全データを正しく受信できたと判断し、ノード間の距離Ｄを以下の数式８で算出する（ステップＳＢ−１３）。
Ｄ＝（Ｔr−Ｔs）／ｃ ・・・（数式８）
ここで、ｃは音速であり、摂氏２０度、１気圧の乾燥した大気中で約３４０ｍ／ｓである。なお、それ以外の環境では、予め補正する。
【００４５】
ここで、送信ノード１０２の座標位置をさらに含む通信パケットを、異なる複数の送信ノードから連続して受信した場合には、ステップＳＢ−１３で算出した各送信ノード１０２と当該受信ノード１０４との距離および各送信ノード１０２の座標位置に基づいて当該受信ノード１０４の位置を推定してもよい。
【００４６】
以上、受信ノード１０４で行われる処理の説明を終了する。
【００４７】
以上、超音波距離測定システム１００の実施の形態について説明した。ここで、本システムが開発されるまでの経緯について説明する。
【００４８】
これまで、超音波で距離を測定する従来技術では、例えば情報を集約する中央サーバを必要としていた。しかし、距離決定に個々のノードから中央サーバへのアクセスが発生し、サーバの負荷となる。さらに、当該負荷は、ノード数の２乗（ノードの関係数）に比例して増加し、ノード台数が増えるとシステムが破綻する可能性がある。また、アクセスおよび応答の通信時間だけ、個々の距離決定に時間を要する。
また、電磁波と超音波で距離を測定する従来技術では、受信ノードは超音波と電磁波の受信を行わなければならない。そのため、例えば、どちらか一方の受信が失敗すると計測を行うことができず、信頼性が悪い。また、小型デジタル機器のプロセッサソフトウェアで受信ルーチンを作る場合、両チャンネルの受信に高速かつ高精度の処理を必要とし、コストが高くなる。また、ノード間での計測処理数が増加した場合、受信割り込み処理の回数は本システムと比べて約２倍を要し、大規模応用に不適である。
また、ＧＰＳなどで距離を測定する従来技術では、一般に数メートル程度の精度しか達成できず、本システムのように数ｃｍの精度の計測は困難である。また、携帯電話やＰＨＳのアンテナゾーンで追跡する方法では、ゾーンのグリッド（一般に数百メートル）以上に細かい距離計測はできない。また、電波や赤外線ビーコンを設置して、受信信号のレベル低下から距離を推定する方法では、電波の遮蔽物があいだにあって信号減衰すると、測定誤差になり、正確な距離計測は困難である。また、これら測定方法では、電波源が屋外にあると、電波の到達しない屋内では利用できない。
【００４９】
ところで、現在、情報端末の多くはインターネットアクセス機能を持っている。そして、広く利用されているＮＴＰなどの時刻同期手法を用いることで、数分に一度のネットワーク通信で、情報端末は常時十分な精度で内部クロックを同期させておくことができる。こうすれば、電気信号と超音波信号でタイミングを同時に発生することなく、単に超音波信号の送受信だけで距離計測や座標位置計測を行うことができる。
【００５０】
しかし、超音波通信だけで距離計測を行う場合、距離計測に必要な情報（例えば送信ノードのＩＤ、送信タイムスタンプ）を伝達する必要がある。従来の超音波計測では、超音波はタイミングを示すバーストのみでよく、タイムスタンプや送信ノードＩＤは電気的通信路で伝送していた。だが、超音波のみを使用した計測では、超音波でタイミングと一般のデジタル情報の双方を伝送できるように設計しなければならない。
【００５１】
ところが、広く用いられている圧電型の超音波の送信素子、受信素子は、通信帯域が狭く、かつ伝送帯域において振幅や位相の伝搬特性が平坦でない、という特徴がある。この特徴により、タイミングの起点を搬送波バーストで伝えようとしても、受信された信号は周波数成分ごとに別の振幅変化や位相変化を受け、分解し、起点が曖昧になってしまう。つまり、遅延時間が曖昧になってしまう。その結果、精度よく距離を測定することが困難となる。そこで、本発明者らは、超音波通信のような狭帯域通信路でもタイミング情報を精度よく伝達できる仕組みを開発した。なお、可搬型の情報端末は、常に移動し、周囲には通信の障害となる人物が絶えず存在する。そのため、情報伝達を含めた一回の距離計測は、短時間で完結させる必要がある。また、通信に誤りがあった場合には、当該誤りを検出し、誤った測定を回避することも考慮する必要がある。
【００５２】
以上の経緯を踏まえて開発された本システムによれば、携帯型あるいは固定の情報端末群が超音波により通信しあうネットワークで、一般の情報通信を行いながら、送信側の情報端末からの距離を測定することができる。これにより、情報端末の位置に基づく情報サービスや相互関係に基づくサービスなどの各種の高度な移動体情報サービスを提供することができる。また、情報端末の接近を知り、数メートル前から案内掲示をすることができる。また、人ごみの中で目指す相手までの距離や方向を知ることができる。また、建物に複数の送信ノードを固定設置しておき、受信ノードが各送信ノードとの距離を知ることで当該受信ノードの座標位置を知ることができる。また、本システムは、携帯端末やＰＤＡなどの可搬型の情報端末の絶対位置や相互位置を利用した各種の情報サービスを設計する場合に利用することができる。なお、全てのノードは基本的には受信状態にあり、ランダムなタイミングで送信状態へ移行する。
【００５３】
具体的には、本システムによれば、情報端末（ノード）群が超音波を使用したパケット方式デジタル通信網で相互に通信し合う。例えば、一つのノード（送信ノード）が送信動作を行い、その他のノード（受信ノード）が受信動作を行う。なお、すべてのノードはＮＴＰなどの時刻同期手法で予め内部クロックの値を一致させている。送信ノードは情報通信パケットに時刻基準点情報とそれを送信した時刻のタイムスタンプ情報とを含めて送信する。受信ノードは、受信したパケットから時刻基準点の位置を決定し、改めて受信タイムスタンプを生成する。また、それと共に、通信情報を解読して得た送信タイムスタンプと比較して、その差を計算することで、パケットの伝播遅延時間を得ることができる。そして、受信ノードは、音速を考慮して遅延時間を換算することで、送信ノードとの距離を算出することができる。換言すると、本システムによれば、各ノードは、高度に調整された内部クロックまたはＮＴＰなどの時刻同期手法で例えば１／１０００秒以内の精度で時刻を同期されている。そして、一台の送信ノードは、ノード識別番号とタイムスタンプで構成されるパケットを超音波チャンネルを使用して送信する。そして、受信ノードはパケットの特定ビット位置の受信時刻（受信タイムスタンプ）を得ることで、送信ノードとの距離を計算することができる。なお、パケットに送信ノードＩＤおよび座標情報をさらに含めておくことで、このパケットを３組以上受信した受信ノードは、当該受信ノードの立体座標位置を決定することができる。
【００５４】
また、本実施の形態の変形例として、例えば、図１０に示すように、送信ノードを室内の適当な位置に配置し、受信ノードを可搬型として、室内における送信ノードからの距離を測定してもよい。
【００５５】
また、本システムによれば、実験を行った結果、数十メートルの距離の見通しのよい室内において、超音波パケットによりノードＩＤや送信タイムスタンプを含む情報のデジタル通信（数〜数１０ｋｂｐｓ）が可能なこと、数ｃｍの誤差で距離の計測をできることが確認できた。
【００５６】
（付記）
周波数により位相、振幅伝搬特性の変化する通信路を利用する通信システムで使用する時刻基準点情報伝送方法であって、
送信ノードにおいて、位相を管理するための複数個の周波数信号を生成する周波数信号生成ステップと、
送信ノードにおいて、前記複数個の周波数信号の各位相が所定の条件の関係になった時点を時刻基準点と定義し、前記周波数信号の関係が前記時刻基準点の所定の条件に合うように前記複数個の周波数信号の位相を揃える位相調整ステップと、
送信ノードにおいて、前記位相を揃えた複数個の周波数信号を直接搬送波の通信信号として送信または他周波数の搬送波で変調した通信信号として送信する送信ステップと、
受信ノードにおいて、前記直接搬送波の通信信号を受信または前記変調された通信信号を受信して復調する受信ステップと、
受信ノードにおいて、前記受信した通信信号の周波数成分を分解して個々の位相情報を抽出する位相情報抽出ステップと、
受信ノードにおいて、抽出した複数の位相情報を比較してそれらが所定の条件の関係になった時点を時刻基準点として決定する時刻基準点決定ステップと、
を含むことを特徴とする時刻基準点情報伝送方法。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
以上のように、本発明にかかる超音波距離測定システムおよび超音波距離測定方法は、超音波のみを用いて送信ノードと受信ノードとの距離を短時間に精度よく測定することができ、特に、屋内や数メートル〜数十メートルの範囲内での距離計測に好適であり、極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】超音波距離測定システム１００の構成の一例を示す概念図である。
【図２】送信ノード１０２の具体的な構成の一例を示すブロック図である。
【図３】受信ノード１０４の具体的な構成の一例を示すブロック図である。
【図４】ＮＴＰによる時刻同期の一例を示す概念図である。
【図５】通信パケットの具体的な構成の一例を示す図である。
【図６】送信ノード１０２で行われる処理の一例を示すフローチャートである。
【図７】受信ノード１０４で行われる処理の一例を示すフローチャートである。
【図８】直接検波による位相の抽出の一例を示す図である。
【図９】同期パターンによる時刻基準点の表現の一例を示す図である。
【図１０】複数の固定型の送信ノード１０２と可搬型の受信ノード１０４で構成された超音波距離測定システム１００の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１００ 超音波距離測定システム
１０２ 送信ノード
１０２ａ ＣＰＵ
１０２ｂ 無線ＬＡＮ
１０２ｃ 内部クロック
１０２ｄ〜１０２ｆ 波形メモリ
１０２ｇ〜１０２ｉ 移相器
１０２ｊ ＤＡ変換器
１０２ｋ 超音波送信素子
１０４ 受信ノード
１０４ａ ＣＰＵ
１０４ｂ 無線ＬＡＮ
１０４ｃ 内部クロック
１０４ｄ 波形メモリ
１０４ｅ ＡＤ変換器
１０４ｆ 超音波送信素子
１０６ インターネット通信網
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送信側の情報端末（送信ノード）から通信パケットを超音波で送信し、受信側の情報端末（受信ノード）で当該通信パケットを受信することにより、情報端末（ノード）間の距離を測定する超音波距離測定システムおよび超音波距離測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、小型かつ軽量で通信機能を持った可搬型の情報端末が開発され、多く利用されるようになった。また、インフラストラクチャーとしてのインターネット通信網も整備されてきた。インターネット通信網により距離を克服しつつ情報世界（サイバースペース）にアクセスすることができるので、日常生活で活用されている。
【０００３】
ところで、可搬型の情報端末を対象とした場合、情報端末の用途として、例えば、ある情報端末が特定の場所に移動されたことを他の情報端末が検出すると、他の情報端末はその情報端末に固有のサービスを提供するという用途、また、接近し合っていることを特定の情報端末相互が検知すると、互いの情報端末が特別な動作を開始するという用途が考えられる。具体的には、百貨店に来た客が売場付近に接近したことを売場に設置された情報端末が客の携帯端末を介して検出すると、客の情報端末に当該売場の商品情報を提供したり、雑踏した集会で面会相手が自分からどの方向でどの距離に居るかを互いが所有する情報端末に表示したりすることが考えられる。これらの用途は、遠距離の通信ではなく、情報端末の通信距離が特定の値（数メートル〜数十メートル）になっている場合における用途である。
【０００４】
また、情報端末の通信距離が特定の値（数メートル〜数十メートル）になっている場合、例えば、情報端末にＧＰＳ（全地球測位システム）の受信機能を搭載することで中央サーバにメンバの位置情報を集約したり、情報端末に携帯電話の通信機能を搭載することでゾーン情報から位置を知ったりすることができる。そして、これら技術は実用化されている。
また、超音波を利用して距離や座標位置を測定する技術が存在する。電波や光などの電磁波およびケーブルを伝搬する電気信号は、空気中を伝搬する超音波に比較して百万倍ほど高速に伝搬するので、ほぼ無限大の伝搬速度を持つと見なすことができる。具体的には、まず、送信ノードは、電磁波または電気信号と超音波信号と同時に発生する。つぎに、受信ノードまたは集中ノードは、両信号の到着タイミングに関する信号を集め、超音波の伝搬遅延時間を知る。そして、既知である空気中の音速で当該伝播遅延時間を除すことで、送信ノードと受信ノードとの間隔（距離）を計算する。換言すると、送信ノードは、ビーコンを超音波チャンネルに、また一般情報を含むタイミング信号を電波（赤外線も同様）チャンネルで同時に送信する。受信ノードは、両方の信号を受信し、各信号の到着時刻の差を計算して、ノード間の距離を計算する。なお、特定ノードから見て、座標位置のわかっている３組以上のノードに対して距離測定を行うことで、当該特定ノードの空間座標位置を求めることができる。
また、例えば、個々の内部クロックが同期されていないノード群と中央サーバとがネットワークを介して接続されたシステムでノード間の距離を測定する技術が存在する。具体的には、まず、受信ノードは、送信ノードから超音波で送信された超音波ビーコンを受信する。つぎに、受信ノードは、受信した超音波ビーコンの到着時刻をＬＡＮを介して中央サーバに送信することで、中央サーバに距離計算を依頼する。そして、個々のノードの動作を監視している中央サーバは、送信ノードおよび受信ノードからの信号を比較し、その到着時間差からノード間の距離を計算して、計算した距離を受信ノードに送信する。そして、受信ノードは、送信ノードとの距離を得る。
また、その他の関連する技術として、例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４などが開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３２３３５７号公報
【特許文献２】特開２００４−２８９７１１号公報
【特許文献３】特開平６−８２２４２号公報
【特許文献４】特表２００４−５３０１１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来技術では、中央サーバを備えた構成や、電磁波を発生する装置と超音波を発生する装置の両方を備えた構成であったので、装置構成が複雑になり、またそれらの制御方式も複雑になる、という問題点があった。
一方、超音波のみを用いて距離を測定するという方式には反射型があるのみで、漠然と対象の位置を捉えること以上はできず、また情報処理に必要な一般情報を超音波で伝送することはできない、という問題点があった。
さらに、可搬型端末ではごく短時間に、単発での距離測定を行えることが便利であるが、従来方式ではそのような用途に使用した場合に必ずしも十分な性能が得られない、という問題点もあった。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、簡単な装置構成で距離の測定が行えると共に、超音波のみを用いて送信ノードと受信ノードとの距離を短時間に精度よく測定することができ、特に一般データ通信機能を併せ持つ超音波距離測定システムおよび超音波距離測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明にかかる請求項１に記載の超音波距離測定システムは、所定の時刻同期手法を用いてネットワークを介してその内部クロックを予め同期させた状態の複数の情報端末において、１つの情報端末から通信パケットを送信し、他の情報端末で通信パケットを受信することにより、該当する情報端末間の距離を測定する超音波距離測定システムであって、送信側の情報端末は、内部クロックから取得した時刻に基づいて送信タイムスタンプを生成し、当該送信タイムスタンプを含む通信パケットを生成する通信パケット生成手段と、前記通信パケット生成手段で生成した通信パケットを超音波で送信する通信パケット送信手段と、を備え、受信側の情報端末は、送信側の情報端末から超音波で送信された通信パケットを受信する通信パケット受信手段と、前記通信パケット受信手段で通信パケットを受信した時刻を内部クロックから取得し、当該時刻に基づいて受信タイムスタンプを生成する受信タイムスタンプ生成手段と、前記受信タイムスタンプ生成手段で生成した受信タイムスタンプと前記通信パケット受信手段で受信した通信パケットに含まれる送信タイムスタンプとの差に基づいて送信側の情報端末と当該受信側の情報端末との距離を算出する距離算出手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明にかかる請求項２に記載の超音波距離測定システムは、所定の時刻同期手法を用いてネットワークを介してその内部クロックを予め同期させた状態の複数の情報端末において、１つの情報端末から通信パケットを送信し、他の情報端末で通信パケットを受信することにより、該当する情報端末間の距離を測定する超音波距離測定システムであって、前記通信パケットは、通信パケットを送受信する際の同期の基準となる基準位置および当該基準位置が送信された時刻を表す送信タイムスタンプを含み、送信側の情報端末は、内部クロックから取得した送信時刻および当該送信時刻から実際に通信パケットの基準位置が送信されるまでの時間差である送信補正値に基づいて、送信タイムスタンプを生成し、当該送信タイムスタンプを含む通信パケットを生成する通信パケット生成手段と、前記通信パケット生成手段で生成した通信パケットを超音波で送信する通信パケット送信手段と、を備え、受信側の情報端末は、送信側の情報端末から超音波で送信された通信パケットを受信する通信パケット受信手段と、前記通信パケット受信手段で通信パケットを受信した受信時刻を内部クロックから取得し、取得した受信時刻および当該受信時刻が取得されてから実際に通信パケットの基準位置が受信されるまでの時間差である受信補正値に基づいて、基準位置が受信された時刻を表す受信タイムスタンプを生成する受信タイムスタンプ生成手段と、前記受信タイムスタンプ生成手段で生成した受信タイムスタンプと前記通信パケット受信手段で受信した通信パケットに含まれる送信タイムスタンプとの差に基づいて送信側の情報端末と当該受信側の情報端末との距離を算出する距離算出手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明にかかる請求項３に記載の超音波距離測定システムは、請求項１または２に記載の超音波距離測定システムにおいて、前記通信パケットは、送信側の情報端末を識別する識別ＩＤ、任意の通信データ、チェックサムのうち少なくとも１つをさらに含むこと、を特徴とする。
【００１１】
また、本発明にかかる請求項４に記載の超音波距離測定システムは、請求項１から３のいずれか１つに記載の超音波距離測定システムにおいて、前記通信パケットは、送信側の情報端末の座標位置をさらに含み、前記受信側の情報端末は、異なる複数の送信側の情報端末から連続して通信パケットを受信した場合、前記距離算出手段で算出した各送信側の情報端末と当該受信側の情報端末との距離および各送信側の情報端末の座標位置に基づいて当該受信側の情報端末の位置を推定する位置推定手段、をさらに備えたことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明にかかる請求項５に記載の超音波距離測定システムは、請求項１から４のいずれか１つに記載の超音波距離測定システムにおいて、前記情報端末は、ＰＤＡ、携帯電話、パーソナルコンピュータなどの可搬型の情報端末であること、を特徴とする。
【００１３】
また、本発明にかかる請求項６に記載の超音波距離測定システムは、請求項１から４のいずれか１つに記載の超音波距離測定システムにおいて、前記送信側の情報端末は固定されたものであり、前記受信側の情報端末は移動可能なものであること、を特徴とする。
【００１４】
また、本発明は超音波距離測定方法に関するものであり、本発明にかかる請求項７に記載の超音波距離測定方法は、所定の時刻同期手法を用いてネットワークを介してその内部クロックを予め同期させた状態の複数の情報端末において、１つの情報端末から通信パケットを送信し、他の情報端末で通信パケットを受信することにより、該当する情報端末間の距離を測定する超音波距離測定方法であって、前記通信パケットは、通信パケットを送受信する際の同期の基準となる基準位置および当該基準位置が送信された時刻を表す送信タイムスタンプを含み、送信側の情報端末において、内部クロックから取得した送信時刻および当該送信時刻から実際に通信パケットの基準位置が送信されるまでの時間差である送信補正値に基づいて、送信タイムスタンプを生成し、当該送信タイムスタンプを含む通信パケットを生成し、生成した通信パケットを超音波で送信し、受信側の情報端末において、送信側の情報端末から超音波で送信された通信パケットを受信し、通信パケットを受信した受信時刻を内部クロックから取得し、取得した受信時刻および当該受信時刻が取得されてから実際に通信パケットの基準位置が受信されるまでの時間差である受信補正値に基づいて、基準位置が受信された時刻を表す受信タイムスタンプを生成し、生成した受信タイムスタンプと受信した通信パケットに含まれる送信タイムスタンプとの差に基づいて送信側の情報端末と当該受信側の情報端末との距離を算出すること、を特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明にかかる超音波距離測定システムによれば、所定の時刻同期手法を用いてネットワークを介してその内部クロックを予め同期させた状態の複数の情報端末において、１つの情報端末から通信パケットを送信し、他の情報端末で通信パケットを受信することにより、該当する情報端末間の距離を測定する。特に、送信側の情報端末は、内部クロックから取得した時刻に基づいて送信タイムスタンプを生成し、当該送信タイムスタンプを含む通信パケットを生成し、生成した通信パケットを超音波で送信する。そして、受信側の情報端末は、送信側の情報端末から超音波で送信された通信パケットを受信し、通信パケットを受信した時刻を内部クロックから取得し、当該時刻に基づいて受信タイムスタンプを生成し、生成した受信タイムスタンプと受信した通信パケットに含まれる送信タイムスタンプとの差に基づいて送信側の情報端末と当該送信側の情報端末との距離を算出する。これにより、簡単な装置構成で距離の測定が行えると共に、特に超音波のみを用いて送信ノードと受信ノードとの距離を短時間に精度よく測定することができるという効果を奏する。
【００１６】
また、本発明にかかる超音波距離測定システムおよび超音波距離測定方法によれば、所定の時刻同期手法を用いてネットワークを介してその内部クロックを予め同期させた状態の複数の情報端末において、１つの情報端末から通信パケットを送信し、他の情報端末で通信パケットを受信することにより、該当する情報端末間の距離を測定する。特に、通信パケットは、通信パケットを送受信する際の同期の基準となる基準位置および当該基準位置が送信された時刻を表す送信タイムスタンプを含む。送信側の情報端末は、内部クロックから取得した送信時刻および当該送信時刻から実際に通信パケットの基準位置が送信されるまでの時間差である送信補正値に基づいて、送信タイムスタンプを生成し、当該送信タイムスタンプを含む通信パケットを生成し、生成した通信パケットを超音波で送信する。そして、受信側の情報端末は、送信側の情報端末から超音波で送信された通信パケットを受信し、通信パケットを受信した受信時刻を内部クロックから取得し、取得した受信時刻および当該受信時刻が取得されてから実際に通信パケットの基準位置が受信されるまでの時間差である受信補正値に基づいて、基準位置が受信された時刻を表す受信タイムスタンプを生成し、生成した受信タイムスタンプと受信した通信パケットに含まれる送信タイムスタンプとの差に基づいて送信側の情報端末と当該受信側の情報端末との距離を算出する。これにより、簡単な装置構成で距離の測定が行えると共に、特に超音波のみを用いて送信ノードと受信ノードとの距離を短時間に精度よく測定することができるという効果を奏する。
【００１７】
また、本発明にかかる超音波距離測定システムによれば、通信パケットは、送信側の情報端末を識別する識別ＩＤ、任意の通信データ、チェックサムのうち少なくとも１つをさらに含む。これにより、複数の情報を一度に送受信することができるという効果を奏する。
【００１８】
また、本発明にかかる超音波距離測定システムによれば、通信パケットは、送信側の情報端末の座標位置をさらに含み、受信側の情報端末は、異なる複数の送信側の情報端末から連続して通信パケットを受信した場合、算出した各送信側の情報端末と当該受信側の情報端末との距離および各送信側の情報端末の座標位置に基づいて当該受信側の情報端末の位置を推定する。これにより、受信側の情報端末の座標位置を短時間に精度よく推定することができるという効果を奏する。
【００１９】
また、本発明にかかる超音波距離測定システムによれば、情報端末は、ＰＤＡ、携帯電話、パーソナルコンピュータなどの可搬型の情報端末である。これにより、移動しながら、互いの情報端末間の距離を短時間に精度よく測定することができるという効果を奏する。
【００２０】
また、本発明にかかる超音波距離測定システムによれば、送信側の情報端末は固定されたものであり、受信側の情報端末は移動可能なものである。これにより、例えば屋内に複数の送信側の情報端末を設置しておくことで、受信側の情報端末は当該情報端末の座標位置を計算することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、本発明にかかる超音波距離測定システムおよび超音波距離測定方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００２２】
まず、本発明の超音波距離測定システム１００の構成について、図１を参照して説明する。図１は超音波距離測定システム１００の構成の一例を示す概念図である。
超音波距離測定システム１００は、図１に示すように、通信パケットを生成し、通信パケットを超音波で送信する送信ノード１０２と、通信パケットを受信し、送信ノードとの間の距離を測定する受信ノード１０４とがインターネット通信網１０６を介して無線で通信可能に接続して構成されている。ここで、全ての送信ノード１０２および受信ノード１０４は、ＮＴＰ（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｔｉｍｅ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）を用いてインターネット通信網１０６を介してその内部クロックを予め同期している。なお、図１では、超音波距離測定システム１００が、１つの送信ノード１０２と３つの受信ノード１０４で構成された一例を示しているが、送信ノード１０２および受信ノード１０４の個数はこれに限定されない。また、本実施の形態では、符号１０２のノードを送信ノード、符号１０４のノードを受信ノードとして説明するが、それぞれのノードの構成は同一であってもよく、それぞれが必要に応じて役割を担うことができる。
【００２３】
送信ノード１０２は、内部クロックから取得した時刻に基づいて送信タイムスタンプを生成し、当該送信タイムスタンプを含む通信パケットを生成し、生成した通信パケットを超音波で送信する。ここで、送信ノード１０２の具体的な構成の一例について、図２を参照して説明する。図２は、送信ノード１０２の具体的な構成の一例を示すブロック図である。図２に示すように、送信ノード１０２は、当該送信ノード１０２の全体を統括的に制御するＣＰＵ１０２ａと、当該送信ノード１０２をインターネット通信網１０６に接続する無線ＬＡＮ１０２ｂ（図１における時刻同期通信器Ｎに対応）と、計時する内部クロック１０２ｃと、送信する波形を記憶する複数の波形メモリ１０２ｄ〜１０２ｆと、複数の移相器１０２ｇ〜１０２ｉと、ＤＡ変換器１０２ｊと、超音波送信素子１０２ｋ（図１における超音波送信器Ｓに対応）と、で構成され、これらは任意の通信路を介して接続されている。なお、送信ノード１０２は、超音波受信素子（図１における超音波受信器Ｒに対応）をさらに含んで構成されてもよい。
【００２４】
図２において、ＣＰＵ１０２ａは、通信パケット生成部と通信パケット送信部とを備える。通信パケット生成部は、内部クロック１０２ｃから取得した時刻に基づいて送信タイムスタンプを生成し、当該送信タイムスタンプを含む通信パケットを生成する。具体的には、内部クロック１０２ｃから取得した送信時刻および当該送信時刻から実際に通信パケットの基準位置が送信されるまでの時間差である送信補正値に基づいて、送信タイムスタンプを生成し、当該送信タイムスタンプを含む通信パケットを生成する。通信パケット送信部は、通信パケット生成部で生成した通信パケットを超音波で送信する。なお、通信パケットは、当該通信パケットを送受信する際の同期の基準となる基準位置および当該基準位置が送信された時刻を表す送信タイムスタンプを少なくとも含む。
【００２５】
ここで、通信パケットの具体的な構成の一例について図５を参照して説明する。図５は、通信パケットの具体的な構成の一例を示す図である。図５に示すように、通信パケットは、本発明の特徴部分である基準位置（時刻基準点に対応）を含む同期パターン部と、パケット長（バイト単位）と、送信ノードＩＤと、送信タイムスタンプと、ユーザデータ（任意の通信データ）と、チェックサム（ＣＲＣ１６）と、で構成されている。なお、受信ノード１０４の座標位置を推定する場合には、通信パケットは、送信ノード１０２の座標位置を含む。また、同期パターン部およびチェックサムを除く通信パケットに含まれるデータの順序は任意に変更してもよい。
【００２６】
再び図１に戻り、受信ノード１０４は、送信ノード１０２から超音波で送信された通信パケットを受信し、通信パケットを受信した時刻を内部クロックから取得し、当該時刻に基づいて受信タイムスタンプを生成し、生成した受信タイムスタンプと受信した通信パケットに含まれる送信タイムスタンプとの差に基づいて送信ノード１０２と当該受信ノード１０４との距離を算出する。ここで、受信ノード１０４の具体的な構成の一例について、図３を参照して説明する。図３は、受信ノード１０４の具体的な構成の一例を示すブロック図である。図３に示すように、受信ノード１０４は、当該受信ノード１０４の全体を統括的に制御するＣＰＵ１０４ａと、当該受信ノード１０４をインターネット通信網１０６に接続する無線ＬＡＮ１０４ｂ（図１における時刻同期通信器Ｎに対応）と、計時する内部クロック１０４ｃと、受信した波形を記憶する波形メモリ１０４ｄと、ＡＤ変換器１０４ｅと、超音波受信素子１０４ｆ（図１における超音波受信器Ｒに対応）と、で構成され、これらは任意の通信路を介して接続されている。なお、受信ノード１０４は、超音波送信素子（図１における超音波送信器Ｓに対応）をさらに含んで構成されてもよい。
【００２７】
図３において、ＣＰＵ１０４ａは、通信パケット受信部と受信タイムスタンプ生成部と距離算出部と位置推定部とを備える。通信パケット受信部は、送信ノード１０２から超音波で送信された通信パケットを受信する。受信タイムスタンプ生成部は、通信パケット受信部で通信パケットを受信した時刻を内部クロック１０４ｃから取得し、当該時刻に基づいて受信タイムスタンプを生成する。具体的には、通信パケット受信部で通信パケットを受信した受信時刻を内部クロック１０４ｃから取得し、取得した受信時刻および当該受信時刻が取得されてから実際に通信パケットの基準位置が受信されるまでの時間差である受信補正値に基づいて、基準位置が受信された時刻を表す受信タイムスタンプを生成する。距離算出部は、受信タイムスタンプ生成部で生成した受信タイムスタンプと前記通信パケット受信部で受信した通信パケットに含まれる送信タイムスタンプとの差に基づいて送信ノード１０２と当該受信ノード１０４との距離を算出する。位置推定部は、異なる複数の送信ノード１０２から連続して通信パケットを受信した場合、距離算出部で算出した各送信ノード１０２と当該受信ノード１０４との距離および各送信ノード１０２の座標位置に基づいて当該受信ノード１０４の位置を推定する。
【００２８】
以上の構成において、超音波距離測定システム１００を構成する送信ノード１０２および受信ノード１０４で行われる処理を、図６、図７などを参照して順に説明する。なお、超音波距離測定システム１００を構成する全ての送信ノード１０２および受信ノード１０４は、ＮＴＰを用いてインターネット通信網１０６を介して、内部クロック１０２ｃおよび内部クロック１０４ｃを予め同期しているものとする。ここで、ＮＴＰによる時刻同期について、図４を参照して簡単に説明する。図４は、ＮＴＰによる時刻同期の一例を示す概念図である。図４に示すように、時刻同期する第ｎ＋１層のＮＴＰサーバは、第ｎ層のＮＴＰサーバへ時刻を問い合わせる。そして、第ｎ層のＮＴＰサーバは、第ｎ−１層のＮＴＰサーバへ当該問い合わせを伝達する。以降、隣り合う層のＮＴＰサーバ同士で伝達を繰り返し、最終的に、最上層（第０層）のＮＴＰサーバへ当該問い合わせを伝達する。そして、最上層のＮＴＰサーバは、隣り合う層のＮＴＰサーバへ時刻を返す。以降、隣り合う層のＮＴＰサーバ同士で伝達を繰り返し、最終的に、問い合わせ元の第ｎ＋１層のＮＴＰサーバへ当該時刻を返す。これにより、第ｎ＋１層のＮＴＰサーバは時刻を同期することができる。
【００２９】
初めに、送信ノード１０２で行われる処理を図６などを参照して説明する。図６は、送信ノード１０２で行われる処理の一例を示すフローチャートである。なお、送信ノードは、以下の処理により、通信パケットを適当な頻度で送出する。
【００３０】
まず、波形メモリ１０２ｄに記憶された波形（周波数ｆ1＝３９０００Ｈｚ）の初期位相量ｐ1を移相器１０２ｇで決定し（ステップＳＡ−１）、波形メモリ１０２ｅに記憶された波形（周波数ｆ2＝３９０００Ｈｚ）の初期位相量ｐ2を移相器１０２ｈで決定し（ステップＳＡ−２）、波形メモリ１０２ｆに記憶された波形（周波数ｆ3＝４００００Ｈｚ）の初期位相量ｐ3を移相器１０２ｉで決定する（ステップＳＡ−３）。具体的には、まず、送信回路および超音波送信素子の遅延時間を調べて、周波数ｆ1の波形に対応する遅延時間ｓ1、周波数ｆ2の波形に対応する遅延時間ｓ2、周波数ｆ3の波形に対応する遅延時間ｓ3を計測する。ついで、時刻基準点での素搬送波の位相をゼロに揃えるために、同期パターンの搬送波ごとに初期位相量ｐ1、ｐ2、ｐ3をそれぞれ、下記の数式１、数式２、数式３で算出する。そして、算出した初期位相量ｐ1、ｐ2、ｐ3をそれぞれ、波形メモリ１０２ｄ〜１０２ｆに蓄積する。
ｐ1＝２π×（１−ｆｒａｃ（（０．０００５＋ｓ1）×ｆ1））
・・・（数式１）
ｐ2＝２π×（１−ｆｒａｃ（（０．０００５＋ｓ2）×ｆ2））
・・・（数式２）
ｐ3＝２π×（１−ｆｒａｃ（（０．０００５＋ｓ3）×ｆ3））
・・・（数式３）
ここで、ｆｒａｃ（ｘ）は、ｘの小数部を取り出す演算である。
なお、ステップＳＡ−１〜ＳＡ−３までの処理は一度実行しておけばよい。
【００３１】
ここで、使用する送信回路または送信素子が周波数により波形の位相に変化を与えるような性質（分散特性）を有する場合には、それを補償するように予め素搬送波に補正を加えてもよい。また、送出波形の同期パターンの継続時間は、１／（ｆmax−ｆmin）を超えないように決める（ｆmaxは複数搬送波のうち最高周波数であり、ｆminは最低周波数である。）。
【００３２】
つぎに、内部クロック１０２ｃから送信時刻を取得し、当該送信時刻に送信補正値として予め設定された時間「０．５ｍｓ」を加えた時刻を送信タイムスタンプＴsとして生成する（ステップＳＡ−４）。具体的には、送信動作を開始するにあたり、一つの時刻基準点を決定し、通信パケットの送出タイミングを、その時刻基準点に相対的に算定できるようにし、時刻基準点を時刻同期された内部クロックで表記した値を生成し、送信タイムスタンプＴsとする。ここで、時刻基準点を同期パターンの中央（送信開始から０．５ｍｓ後）にとり、この中央で波形の送信位相をゼロに合わせる。また、具体的には、複数の予め決定された周波数からなる搬送波波形を生成し、その加法合成またはそれらをさらに主搬送波で変調したものを同期パターンとする。なお、同期パターンの複数搬送波を構成する素搬送波の位相は、時刻基準点において予め決定された一定の関係をもつように構成しておく（図９参照）。ここで、本実施の形態では、３つの周波数のゼロ位相が揃う時点を時刻基準点と定義して設定しているが、時刻基準点の所定の条件としては、例えば３つの周波数の最大値または最小値が揃った時点を用いてもよい。また、タイムスタンプは、１μｓで量子化し、４８ビット整数で表記したものとする。これは、約９年間でサイクルする表記法である。
【００３３】
つぎに、ステップＳＡ−４の処理と同時に、超音波搬送波を変調して通信パケットを送信する。具体的には、まず、波形メモリ１０２ｄ〜１０２ｆのそれぞれに蓄積された初期位相量ｐ1〜ｐ3で、同期パターンを送信する（ステップＳＡ−５）。つぎに、パケット長を送信し（ステップＳＡ−６）、送信ノードＩＤを送信し（ステップＳＡ−７）、送信タイムスタンプＴsを送信し（ステップＳＡ−８）、ユーザデータを送信し（ステップＳＡ−９）、ビットパターンからチェックサム（本実施の形態では１６ビットの生成多項式によるＣＲＣ１６）を作成して送信する（ステップＳＡ−１０）。つまり、パケット長、送信ノードＩＤ、送信タイムスタンプ、ＣＲＣ１６を順次、ＰＳＫにて変調して送出する。ここで、通信パケットに含まれるパケット長以下のデータ（図５参照）は、周波数ｆ1〜ｆ3に８値ＰＳＫ変調をかけることで送信するが、その位相基準には同期パターンの素搬送波をあてる。そして、それらをゼロ位相とし、ここからｎ／４πラジアン（ｎは０〜７の整数）移動した相で、０から７までのデジタル値を表現する。なお、搬送波は３種類あるので、１ｍｓのシンボル時間に２４ビット（３×８）または３バイトのデジタル情報を送信することができる。換言すると、各搬送波での送信速度を１シンボル／ｍｓとしているので、２４（＝８×３×（１／０．００１））ｋｂｐｓの総合通信速度を持つ。なお、本実施の形態では、８値ＰＳＫ変調をかけて送信する例を示すが、直接搬送波やその他の変調方式で送信してもよい。
【００３４】
以上、送信ノード１０２で行われる処理の説明を終了する。
【００３５】
つぎに、受信ノード１０４で行われる処理を図７などを参照して説明する。図７は、受信ノード１０４で行われる処理の一例を示すフローチャートである。受信では、ｆ1、ｆ2、ｆ3の周波数から成る正弦波を、基準相のものと−１／２πラジアン移相した信号を用意し、各々、ｃｏｓωｔ、ｓｉｎωｔ相当の信号として受信波形に乗じて直交検波を行う。なお、以下ではデジタル処理の例について説明しているが、アナログ的復調で処理を行ってもよい。
【００３６】
まず、キャリアを検出し、検出できた場合には（ステップＳＢ−１：Ｙｅｓ）、内部クロック１０４ｃから受信を開始した時刻である開始時刻Ｔ0を取得する（ステップＳＢ−２）。
【００３７】
つぎに、受信信号をＡＤ変換器１０４ｅでＡＤ変換し、波形メモリ１０４ｄに蓄積する（ステップＳＢ−３）。
【００３８】
つぎに、通信パケットの冒頭部分（同期パターン）を取り出す（ステップＳＢ−４）。
【００３９】
つぎに、周波数ｆ1の素搬送波の位相情報サイン成分とコサイン成分を、ｃｏｓ（２πｆ1ｔ）とｓｉｎ（２πｆ1ｔ）を乗じることで抽出する（ステップＳＢ−５）。また、周波数ｆ2の素搬送波の位相情報サイン成分とコサイン成分を、ｃｏｓ（２πｆ2ｔ）とｓｉｎ（２πｆ2ｔ）を乗じることで抽出する（ステップＳＢ−６）。さらに、周波数ｆ3の素搬送波の位相情報サイン成分とコサイン成分を、ｃｏｓ（２πｆ3ｔ）とｓｉｎ（２πｆ3ｔ）を乗じることで抽出する（ステップＳＢ−７）。
【００４０】
つぎに、同期パターン部の素搬送波の開始時刻Ｔ0での位相φ1、φ2、φ3を計算する（ステップＳＢ−８）。ステップＳＢ−４〜ＳＢ−７までの処理で通信パケットの冒頭部分から１ｍｓ弱（キャリア検出時間だけ短くなる）分のデータは同期パターン部に属するものとして、それを周波数ｆ1〜ｆ3で直交検波を行うことで、波形メモリ１０４ｄ中の同期パターンの素搬送波についてサイン、コサイン位相情報を抽出している。ステップＳＢ−８では、これを比較することで受信開始時刻Ｔ0での位相φ1、φ2、φ3を得ることができる。ここで、受信素子または受信回路が位相に関する分散特性をもつ場合には、その値を補正する。ステップＳＢ−４〜ＳＢ−８の処理を詳細に説明すれば、図８に示すように、受信波形と周波数ｆ1波形（ｃｏｓ（２πｆ1ｔ））との積および受信波形と周波数ｆ1波形から位相をπ／２だけ移相した波形（ｓｉｎ（２πｆ1ｔ））との積を計算し、それぞれを積分器を通して比較することにより、位相φ1を計算する。また、受信波形と周波数ｆ2波形（ｃｏｓ（２πｆ2ｔ））との積および受信波形と周波数ｆ2波形から位相をπ／２だけ移相した波形（ｓｉｎ（２πｆ2ｔ））との積を計算し、それぞれを積分器を通して比較することにより、位相φ2を計算する。さらに、受信波形と周波数ｆ3波形（ｃｏｓ（２πｆ3ｔ））との積および受信波形と周波数ｆ3波形から位相をπ／２だけ移相した波形（ｓｉｎ（２πｆ3ｔ））との積を計算し、それぞれを積分器を通して比較することにより、位相φ3を計算する。
【００４１】
再び図７に戻り、周波数ｆ1〜ｆ3の受信信号それぞれに対応する予め測定された受信遅延時間ｒ1〜ｒ3に基づいて、時刻基準点Ｔ12、Ｔ23、Ｔ31を決定する（ステップＳＢ−９）。具体的には、周波数ｆ1の素搬送波と周波数ｆ2の素搬送波の受信位相φ1、φ2から、時刻基準点Ｔ12を以下の数式４で算出する。また、周波数ｆ2の素搬送波と周波数ｆ3の素搬送波の受信位相φ2、φ3から、時刻基準点Ｔ23を以下の数式５で算出する。さらに、周波数ｆ3の素搬送波と周波数ｆ1の素搬送波の受信位相φ3、φ1から、時刻基準点Ｔ31を以下の数式６で算出する。
Ｔ12＝Ｔ0＋（（（φ1−φ2）／２π）＋（ｒ1ｆ1−ｒ2ｆ2））／（ｆ1−ｆ2） ・・・（数式４）
Ｔ23＝Ｔ0＋（（（φ2−φ3）／２π）＋（ｒ2ｆ2−ｒ3ｆ3））／（ｆ2−ｆ3） ・・・（数式５）
Ｔ31＝Ｔ0＋（（（φ3−φ1）／２π）＋（ｒ3ｆ3−ｒ1ｆ1））／（ｆ3−ｆ1） ・・・（数式６）
つまり、素搬送波の位相関係が特定の値になる時刻を計算することで時刻基準点を再現する。
【００４２】
つぎに、ステップＳＢ−９で決定した時刻基準点Ｔ12〜Ｔ31および開始時刻Ｔ0に基づいて、受信タイムスタンプＴrを決定する（ステップＳＢ−１０）。具体的には、以下の数式７に示す相加平均を受信タイムスタンプＴrとする。なお、当該受信タイムスタンプに、ばらつきや信頼区間を考慮してもよい。
Ｔr＝Ｔ0＋（Ｔ12＋Ｔ23＋Ｔ31）／３ ・・・（数式７）
【００４３】
つぎに、波形メモリ１０４ｄのデータに直交検波を続けて、位相φ1、φ2、φ3を基準に復調することで、パケット長、送信ノードＩＤ、送信タイムスタンプＴs、ユーザデータ、チェックサム（ＣＲＣ１６）を得る（ステップＳＢ−１１）。
【００４４】
つぎに、チェックサムを検定し、合致する場合（ステップＳＢ−１２：Ｙｅｓ）、通信パケットの全データを正しく受信できたと判断し、ノード間の距離Ｄを以下の数式８で算出する（ステップＳＢ−１３）。
Ｄ＝（Ｔr−Ｔs）／ｃ ・・・（数式８）
ここで、ｃは音速であり、摂氏２０度、１気圧の乾燥した大気中で約３４０ｍ／ｓである。なお、それ以外の環境では、予め補正する。
【００４５】
ここで、送信ノード１０２の座標位置をさらに含む通信パケットを、異なる複数の送信ノードから連続して受信した場合には、ステップＳＢ−１３で算出した各送信ノード１０２と当該受信ノード１０４との距離および各送信ノード１０２の座標位置に基づいて当該受信ノード１０４の位置を推定してもよい。
【００４６】
以上、受信ノード１０４で行われる処理の説明を終了する。
【００４７】
以上、超音波距離測定システム１００の実施の形態について説明した。ここで、本システムが開発されるまでの経緯について説明する。
【００４８】
これまで、超音波で距離を測定する従来技術では、例えば情報を集約する中央サーバを必要としていた。しかし、距離決定に個々のノードから中央サーバへのアクセスが発生し、サーバの負荷となる。さらに、当該負荷は、ノード数の２乗（ノードの関係数）に比例して増加し、ノード台数が増えるとシステムが破綻する可能性がある。また、アクセスおよび応答の通信時間だけ、個々の距離決定に時間を要する。
また、電磁波と超音波で距離を測定する従来技術では、受信ノードは超音波と電磁波の受信を行わなければならない。そのため、例えば、どちらか一方の受信が失敗すると計測を行うことができず、信頼性が悪い。また、小型デジタル機器のプロセッサソフトウェアで受信ルーチンを作る場合、両チャンネルの受信に高速かつ高精度の処理を必要とし、コストが高くなる。また、ノード間での計測処理数が増加した場合、受信割り込み処理の回数は本システムと比べて約２倍を要し、大規模応用に不適である。
また、ＧＰＳなどで距離を測定する従来技術では、一般に数メートル程度の精度しか達成できず、本システムのように数ｃｍの精度の計測は困難である。また、携帯電話やＰＨＳのアンテナゾーンで追跡する方法では、ゾーンのグリッド（一般に数百メートル）以上に細かい距離計測はできない。また、電波や赤外線ビーコンを設置して、受信信号のレベル低下から距離を推定する方法では、電波の遮蔽物があいだにあって信号減衰すると、測定誤差になり、正確な距離計測は困難である。また、これら測定方法では、電波源が屋外にあると、電波の到達しない屋内では利用できない。
【００４９】
ところで、現在、情報端末の多くはインターネットアクセス機能を持っている。そして、広く利用されているＮＴＰなどの時刻同期手法を用いることで、数分に一度のネットワーク通信で、情報端末は常時十分な精度で内部クロックを同期させておくことができる。こうすれば、電気信号と超音波信号でタイミングを同時に発生することなく、単に超音波信号の送受信だけで距離計測や座標位置計測を行うことができる。
【００５０】
しかし、超音波通信だけで距離計測を行う場合、距離計測に必要な情報（例えば送信ノードのＩＤ、送信タイムスタンプ）を伝達する必要がある。従来の超音波計測では、超音波はタイミングを示すバーストのみでよく、タイムスタンプや送信ノードＩＤは電気的通信路で伝送していた。だが、超音波のみを使用した計測では、超音波でタイミングと一般のデジタル情報の双方を伝送できるように設計しなければならない。
【００５１】
ところが、広く用いられている圧電型の超音波の送信素子、受信素子は、通信帯域が狭く、かつ伝送帯域において振幅や位相の伝搬特性が平坦でない、という特徴がある。この特徴により、タイミングの起点を搬送波バーストで伝えようとしても、受信された信号は周波数成分ごとに別の振幅変化や位相変化を受け、分解し、起点が曖昧になってしまう。つまり、遅延時間が曖昧になってしまう。その結果、精度よく距離を測定することが困難となる。そこで、本発明者らは、超音波通信のような狭帯域通信路でもタイミング情報を精度よく伝達できる仕組みを開発した。なお、可搬型の情報端末は、常に移動し、周囲には通信の障害となる人物が絶えず存在する。そのため、情報伝達を含めた一回の距離計測は、短時間で完結させる必要がある。また、通信に誤りがあった場合には、当該誤りを検出し、誤った測定を回避することも考慮する必要がある。
【００５２】
以上の経緯を踏まえて開発された本システムによれば、携帯型あるいは固定の情報端末群が超音波により通信しあうネットワークで、一般の情報通信を行いながら、送信側の情報端末からの距離を測定することができる。これにより、情報端末の位置に基づく情報サービスや相互関係に基づくサービスなどの各種の高度な移動体情報サービスを提供することができる。また、情報端末の接近を知り、数メートル前から案内掲示をすることができる。また、人ごみの中で目指す相手までの距離や方向を知ることができる。また、建物に複数の送信ノードを固定設置しておき、受信ノードが各送信ノードとの距離を知ることで当該受信ノードの座標位置を知ることができる。また、本システムは、携帯端末やＰＤＡなどの可搬型の情報端末の絶対位置や相互位置を利用した各種の情報サービスを設計する場合に利用することができる。なお、全てのノードは基本的には受信状態にあり、ランダムなタイミングで送信状態へ移行する。
【００５３】
具体的には、本システムによれば、情報端末（ノード）群が超音波を使用したパケット方式デジタル通信網で相互に通信し合う。例えば、一つのノード（送信ノード）が送信動作を行い、その他のノード（受信ノード）が受信動作を行う。なお、すべてのノードはＮＴＰなどの時刻同期手法で予め内部クロックの値を一致させている。送信ノードは情報通信パケットに時刻基準点情報とそれを送信した時刻のタイムスタンプ情報とを含めて送信する。受信ノードは、受信したパケットから時刻基準点の位置を決定し、改めて受信タイムスタンプを生成する。また、それと共に、通信情報を解読して得た送信タイムスタンプと比較して、その差を計算することで、パケットの伝播遅延時間を得ることができる。そして、受信ノードは、音速を考慮して遅延時間を換算することで、送信ノードとの距離を算出することができる。換言すると、本システムによれば、各ノードは、高度に調整された内部クロックまたはＮＴＰなどの時刻同期手法で例えば１／１０００秒以内の精度で時刻を同期されている。そして、一台の送信ノードは、ノード識別番号とタイムスタンプで構成されるパケットを超音波チャンネルを使用して送信する。そして、受信ノードはパケットの特定ビット位置の受信時刻（受信タイムスタンプ）を得ることで、送信ノードとの距離を計算することができる。なお、パケットに送信ノードＩＤおよび座標情報をさらに含めておくことで、このパケットを３組以上受信した受信ノードは、当該受信ノードの立体座標位置を決定することができる。
【００５４】
また、本実施の形態の変形例として、例えば、図１０に示すように、送信ノードを室内の適当な位置に配置し、受信ノードを可搬型として、室内における送信ノードからの距離を測定してもよい。
【００５５】
また、本システムによれば、実験を行った結果、数十メートルの距離の見通しのよい室内において、超音波パケットによりノードＩＤや送信タイムスタンプを含む情報のデジタル通信（数〜数１０ｋｂｐｓ）が可能なこと、数ｃｍの誤差で距離の計測をできることが確認できた。
【００５６】
（付記）
周波数により位相、振幅伝搬特性の変化する通信路を利用する通信システムで使用する時刻基準点情報伝送方法であって、
送信ノードにおいて、位相を管理するための複数個の周波数信号を生成する周波数信号生成ステップと、
送信ノードにおいて、前記複数個の周波数信号の各位相が所定の条件の関係になった時点を時刻基準点と定義し、前記周波数信号の関係が前記時刻基準点の所定の条件に合うように前記複数個の周波数信号の位相を揃える位相調整ステップと、
送信ノードにおいて、前記位相を揃えた複数個の周波数信号を直接搬送波の通信信号として送信または他周波数の搬送波で変調した通信信号として送信する送信ステップと、
受信ノードにおいて、前記直接搬送波の通信信号を受信または前記変調された通信信号を受信して復調する受信ステップと、
受信ノードにおいて、前記受信した通信信号の周波数成分を分解して個々の位相情報を抽出する位相情報抽出ステップと、
受信ノードにおいて、抽出した複数の位相情報を比較してそれらが所定の条件の関係になった時点を時刻基準点として決定する時刻基準点決定ステップと、
を含むことを特徴とする時刻基準点情報伝送方法。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
以上のように、本発明にかかる超音波距離測定システムおよび超音波距離測定方法は、超音波のみを用いて送信ノードと受信ノードとの距離を短時間に精度よく測定することができ、特に、屋内や数メートル〜数十メートルの範囲内での距離計測に好適であり、極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】超音波距離測定システム１００の構成の一例を示す概念図である。
【図２】送信ノード１０２の具体的な構成の一例を示すブロック図である。
【図３】受信ノード１０４の具体的な構成の一例を示すブロック図である。
【図４】ＮＴＰによる時刻同期の一例を示す概念図である。
【図５】通信パケットの具体的な構成の一例を示す図である。
【図６】送信ノード１０２で行われる処理の一例を示すフローチャートである。
【図７】受信ノード１０４で行われる処理の一例を示すフローチャートである。
【図８】直接検波による位相の抽出の一例を示す図である。
【図９】同期パターンによる時刻基準点の表現の一例を示す図である。
【図１０】複数の固定型の送信ノード１０２と可搬型の受信ノード１０４で構成された超音波距離測定システム１００の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１００ 超音波距離測定システム
１０２ 送信ノード
１０２ａ ＣＰＵ
１０２ｂ 無線ＬＡＮ
１０２ｃ 内部クロック
１０２ｄ〜１０２ｆ 波形メモリ
１０２ｇ〜１０２ｉ 移相器
１０２ｊ ＤＡ変換器
１０２ｋ 超音波送信素子
１０４ 受信ノード
１０４ａ ＣＰＵ
１０４ｂ 無線ＬＡＮ
１０４ｃ 内部クロック
１０４ｄ 波形メモリ
１０４ｅ ＡＤ変換器
１０４ｆ 超音波送信素子
１０６ インターネット通信網
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の時刻同期手法を用いてネットワークを介してその内部クロックを予め同期させた状態の複数の情報端末において、１つの情報端末から通信パケットを送信し、他の情報端末で通信パケットを受信することにより、該当する情報端末間の距離を測定する超音波距離測定システムであって、
送信側の情報端末は、
内部クロックから取得した時刻に基づいて送信タイムスタンプを生成し、当該送信タイムスタンプを含む通信パケットを生成する通信パケット生成手段と、
前記通信パケット生成手段で生成した通信パケットを超音波で送信する通信パケット送信手段と、
を備え、
受信側の情報端末は、
送信側の情報端末から超音波で送信された通信パケットを受信する通信パケット受信手段と、
前記通信パケット受信手段で通信パケットを受信した時刻を内部クロックから取得し、当該時刻に基づいて受信タイムスタンプを生成する受信タイムスタンプ生成手段と、
前記受信タイムスタンプ生成手段で生成した受信タイムスタンプと前記通信パケット受信手段で受信した通信パケットに含まれる送信タイムスタンプとの差に基づいて送信側の情報端末と当該受信側の情報端末との距離を算出する距離算出手段と、
を備えたことを特徴とする超音波距離測定システム。
【請求項２】
所定の時刻同期手法を用いてネットワークを介してその内部クロックを予め同期させた状態の複数の情報端末において、１つの情報端末から通信パケットを送信し、他の情報端末で通信パケットを受信することにより、該当する情報端末間の距離を測定する超音波距離測定システムであって、
前記通信パケットは、通信パケットを送受信する際の同期の基準となる基準位置および当該基準位置が送信された時刻を表す送信タイムスタンプを含み、
送信側の情報端末は、
内部クロックから取得した送信時刻および当該送信時刻から実際に通信パケットの基準位置が送信されるまでの時間差である送信補正値に基づいて、送信タイムスタンプを生成し、当該送信タイムスタンプを含む通信パケットを生成する通信パケット生成手段と、
前記通信パケット生成手段で生成した通信パケットを超音波で送信する通信パケット送信手段と、
を備え、
受信側の情報端末は、
送信側の情報端末から超音波で送信された通信パケットを受信する通信パケット受信手段と、
前記通信パケット受信手段で通信パケットを受信した受信時刻を内部クロックから取得し、取得した受信時刻および当該受信時刻が取得されてから実際に通信パケットの基準位置が受信されるまでの時間差である受信補正値に基づいて、基準位置が受信された時刻を表す受信タイムスタンプを生成する受信タイムスタンプ生成手段と、
前記受信タイムスタンプ生成手段で生成した受信タイムスタンプと前記通信パケット受信手段で受信した通信パケットに含まれる送信タイムスタンプとの差に基づいて送信側の情報端末と当該受信側の情報端末との距離を算出する距離算出手段と、
を備えたことを特徴とする超音波距離測定システム。
【請求項３】
前記通信パケットは、送信側の情報端末を識別する識別ＩＤ、任意の通信データ、チェックサムのうち少なくとも１つをさらに含むこと、
を特徴とする請求項１または２に記載の超音波距離測定システム。
【請求項４】
前記通信パケットは、送信側の情報端末の座標位置をさらに含み、
前記受信側の情報端末は、
異なる複数の送信側の情報端末から連続して通信パケットを受信した場合、前記距離算出手段で算出した各送信側の情報端末と当該受信側の情報端末との距離および各送信側の情報端末の座標位置に基づいて当該受信側の情報端末の位置を推定する位置推定手段、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の超音波距離測定システム。
【請求項５】
前記情報端末は、ＰＤＡ、携帯電話、パーソナルコンピュータなどの可搬型の情報端末であること、
を特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の超音波距離測定システム。
【請求項６】
前記送信側の情報端末は固定されたものであり、前記受信側の情報端末は移動可能なものであること、
を特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の超音波距離測定システム。
【請求項７】
所定の時刻同期手法を用いてネットワークを介してその内部クロックを予め同期させた状態の複数の情報端末において、１つの情報端末から通信パケットを送信し、他の情報端末で通信パケットを受信することにより、該当する情報端末間の距離を測定する超音波距離測定方法であって、
前記通信パケットは、通信パケットを送受信する際の同期の基準となる基準位置および当該基準位置が送信された時刻を表す送信タイムスタンプを含み、
送信側の情報端末において、内部クロックから取得した送信時刻および当該送信時刻から実際に通信パケットの基準位置が送信されるまでの時間差である送信補正値に基づいて、送信タイムスタンプを生成し、当該送信タイムスタンプを含む通信パケットを生成し、生成した通信パケットを超音波で送信し、
受信側の情報端末において、送信側の情報端末から超音波で送信された通信パケットを受信し、通信パケットを受信した受信時刻を内部クロックから取得し、取得した受信時刻および当該受信時刻が取得されてから実際に通信パケットの基準位置が受信されるまでの時間差である受信補正値に基づいて、基準位置が受信された時刻を表す受信タイムスタンプを生成し、生成した受信タイムスタンプと受信した通信パケットに含まれる送信タイムスタンプとの差に基づいて送信側の情報端末と当該受信側の情報端末との距離を算出すること、
を特徴とする超音波距離測定方法。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の情報端末において、１つの情報端末から通信パケットを送信し、他の情報端末で通信パケットを受信することにより、該当する情報端末間の距離を測定する超音波距離測定システムであって、
送信側の情報端末および受信側の情報端末は、所定の時刻同期手法を用いて無線ＬＡＮを介してその内部クロックを予め同期しており、
送信側の情報端末は、
内部クロックから取得した時刻に基づいて送信タイムスタンプを生成し、当該送信タイムスタンプを含む通信パケットを生成する通信パケット生成手段と、
前記通信パケット生成手段で生成した通信パケットを超音波で送信する通信パケット送信手段と、
を備え、
受信側の情報端末は、
送信側の情報端末から超音波で送信された通信パケットを受信する通信パケット受信手段と、
前記通信パケット受信手段で通信パケットを受信した時刻を内部クロックから取得し、当該時刻に基づいて受信タイムスタンプを生成する受信タイムスタンプ生成手段と、
前記受信タイムスタンプ生成手段で生成した受信タイムスタンプと前記通信パケット受信手段で受信した通信パケットに含まれる送信タイムスタンプとの差に基づいて送信側の情報端末と当該受信側の情報端末との距離を算出する距離算出手段と、
を備えたことを特徴とする超音波距離測定システム。
【請求項２】
複数の情報端末において、１つの情報端末から通信パケットを送信し、他の情報端末で通信パケットを受信することにより、該当する情報端末間の距離を測定する超音波距離測定システムであって、
前記通信パケットは、通信パケットを送受信する際の同期の基準となる基準位置および当該基準位置が送信された時刻を表す送信タイムスタンプを含み、
送信側の情報端末および受信側の情報端末は、所定の時刻同期手法を用いて無線ＬＡＮを介してその内部クロックを予め同期しており、
送信側の情報端末は、
内部クロックから取得した送信時刻および当該送信時刻から実際に通信パケットの基準位置が送信されるまでの時間差である送信補正値に基づいて、送信タイムスタンプを生成し、当該送信タイムスタンプを含む通信パケットを生成する通信パケット生成手段と、
前記通信パケット生成手段で生成した通信パケットを超音波で送信する通信パケット送信手段と、
を備え、
受信側の情報端末は、
送信側の情報端末から超音波で送信された通信パケットを受信する通信パケット受信手段と、
前記通信パケット受信手段で通信パケットを受信した受信時刻を内部クロックから取得し、取得した受信時刻および当該受信時刻が取得されてから実際に通信パケットの基準位置が受信されるまでの時間差である受信補正値に基づいて、基準位置が受信された時刻を表す受信タイムスタンプを生成する受信タイムスタンプ生成手段と、
前記受信タイムスタンプ生成手段で生成した受信タイムスタンプと前記通信パケット受信手段で受信した通信パケットに含まれる送信タイムスタンプとの差に基づいて送信側の情報端末と当該受信側の情報端末との距離を算出する距離算出手段と、
を備えたことを特徴とする超音波距離測定システム。
【請求項３】
前記通信パケットは、送信側の情報端末を識別する識別ＩＤ、任意の通信データ、チェックサムのうち少なくとも１つをさらに含むこと、
を特徴とする請求項１または２に記載の超音波距離測定システム。
【請求項４】
前記通信パケットは、送信側の情報端末の座標位置をさらに含み、
前記受信側の情報端末は、
異なる複数の送信側の情報端末から連続して通信パケットを受信した場合、前記距離算出手段で算出した各送信側の情報端末と当該受信側の情報端末との距離および各送信側の情報端末の座標位置に基づいて当該受信側の情報端末の位置を推定する位置推定手段、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の超音波距離測定システム。
【請求項５】
前記送信側の情報端末は固定されたものであり、前記受信側の情報端末は移動可能なものであること、
を特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の超音波距離測定システム。
【請求項６】
複数の情報端末において、１つの情報端末から通信パケットを送信し、他の情報端末で通信パケットを受信することにより、該当する情報端末間の距離を測定する超音波距離測定方法であって、
前記通信パケットは、通信パケットを送受信する際の同期の基準となる基準位置および当該基準位置が送信された時刻を表す送信タイムスタンプを含み、
送信側の情報端末および受信側の情報端末は、所定の時刻同期手法を用いて無線ＬＡＮを介してその内部クロックを予め同期しており、
送信側の情報端末において、内部クロックから取得した送信時刻および当該送信時刻から実際に通信パケットの基準位置が送信されるまでの時間差である送信補正値に基づいて、送信タイムスタンプを生成し、当該送信タイムスタンプを含む通信パケットを生成し、生成した通信パケットを超音波で送信し、
受信側の情報端末において、送信側の情報端末から超音波で送信された通信パケットを受信し、通信パケットを受信した受信時刻を内部クロックから取得し、取得した受信時刻および当該受信時刻が取得されてから実際に通信パケットの基準位置が受信されるまでの時間差である受信補正値に基づいて、基準位置が受信された時刻を表す受信タイムスタンプを生成し、生成した受信タイムスタンプと受信した通信パケットに含まれる送信タイムスタンプとの差に基づいて送信側の情報端末と当該受信側の情報端末との距離を算出すること、
を特徴とする超音波距離測定方法。
【請求項１】
所定の時刻同期手法を用いてネットワークを介してその内部クロックを予め同期させた状態の複数の情報端末において、１つの情報端末から通信パケットを送信し、他の情報端末で通信パケットを受信することにより、該当する情報端末間の距離を測定する超音波距離測定システムであって、
送信側の情報端末は、
内部クロックから取得した時刻に基づいて送信タイムスタンプを生成し、当該送信タイムスタンプを含む通信パケットを生成する通信パケット生成手段と、
前記通信パケット生成手段で生成した通信パケットを超音波で送信する通信パケット送信手段と、
を備え、
受信側の情報端末は、
送信側の情報端末から超音波で送信された通信パケットを受信する通信パケット受信手段と、
前記通信パケット受信手段で通信パケットを受信した時刻を内部クロックから取得し、当該時刻に基づいて受信タイムスタンプを生成する受信タイムスタンプ生成手段と、
前記受信タイムスタンプ生成手段で生成した受信タイムスタンプと前記通信パケット受信手段で受信した通信パケットに含まれる送信タイムスタンプとの差に基づいて送信側の情報端末と当該受信側の情報端末との距離を算出する距離算出手段と、
を備えたことを特徴とする超音波距離測定システム。
【請求項２】
所定の時刻同期手法を用いてネットワークを介してその内部クロックを予め同期させた状態の複数の情報端末において、１つの情報端末から通信パケットを送信し、他の情報端末で通信パケットを受信することにより、該当する情報端末間の距離を測定する超音波距離測定システムであって、
前記通信パケットは、通信パケットを送受信する際の同期の基準となる基準位置および当該基準位置が送信された時刻を表す送信タイムスタンプを含み、
送信側の情報端末は、
内部クロックから取得した送信時刻および当該送信時刻から実際に通信パケットの基準位置が送信されるまでの時間差である送信補正値に基づいて、送信タイムスタンプを生成し、当該送信タイムスタンプを含む通信パケットを生成する通信パケット生成手段と、
前記通信パケット生成手段で生成した通信パケットを超音波で送信する通信パケット送信手段と、
を備え、
受信側の情報端末は、
送信側の情報端末から超音波で送信された通信パケットを受信する通信パケット受信手段と、
前記通信パケット受信手段で通信パケットを受信した受信時刻を内部クロックから取得し、取得した受信時刻および当該受信時刻が取得されてから実際に通信パケットの基準位置が受信されるまでの時間差である受信補正値に基づいて、基準位置が受信された時刻を表す受信タイムスタンプを生成する受信タイムスタンプ生成手段と、
前記受信タイムスタンプ生成手段で生成した受信タイムスタンプと前記通信パケット受信手段で受信した通信パケットに含まれる送信タイムスタンプとの差に基づいて送信側の情報端末と当該受信側の情報端末との距離を算出する距離算出手段と、
を備えたことを特徴とする超音波距離測定システム。
【請求項３】
前記通信パケットは、送信側の情報端末を識別する識別ＩＤ、任意の通信データ、チェックサムのうち少なくとも１つをさらに含むこと、
を特徴とする請求項１または２に記載の超音波距離測定システム。
【請求項４】
前記通信パケットは、送信側の情報端末の座標位置をさらに含み、
前記受信側の情報端末は、
異なる複数の送信側の情報端末から連続して通信パケットを受信した場合、前記距離算出手段で算出した各送信側の情報端末と当該受信側の情報端末との距離および各送信側の情報端末の座標位置に基づいて当該受信側の情報端末の位置を推定する位置推定手段、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の超音波距離測定システム。
【請求項５】
前記情報端末は、ＰＤＡ、携帯電話、パーソナルコンピュータなどの可搬型の情報端末であること、
を特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の超音波距離測定システム。
【請求項６】
前記送信側の情報端末は固定されたものであり、前記受信側の情報端末は移動可能なものであること、
を特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の超音波距離測定システム。
【請求項７】
所定の時刻同期手法を用いてネットワークを介してその内部クロックを予め同期させた状態の複数の情報端末において、１つの情報端末から通信パケットを送信し、他の情報端末で通信パケットを受信することにより、該当する情報端末間の距離を測定する超音波距離測定方法であって、
前記通信パケットは、通信パケットを送受信する際の同期の基準となる基準位置および当該基準位置が送信された時刻を表す送信タイムスタンプを含み、
送信側の情報端末において、内部クロックから取得した送信時刻および当該送信時刻から実際に通信パケットの基準位置が送信されるまでの時間差である送信補正値に基づいて、送信タイムスタンプを生成し、当該送信タイムスタンプを含む通信パケットを生成し、生成した通信パケットを超音波で送信し、
受信側の情報端末において、送信側の情報端末から超音波で送信された通信パケットを受信し、通信パケットを受信した受信時刻を内部クロックから取得し、取得した受信時刻および当該受信時刻が取得されてから実際に通信パケットの基準位置が受信されるまでの時間差である受信補正値に基づいて、基準位置が受信された時刻を表す受信タイムスタンプを生成し、生成した受信タイムスタンプと受信した通信パケットに含まれる送信タイムスタンプとの差に基づいて送信側の情報端末と当該受信側の情報端末との距離を算出すること、
を特徴とする超音波距離測定方法。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の情報端末において、１つの情報端末から通信パケットを送信し、他の情報端末で通信パケットを受信することにより、該当する情報端末間の距離を測定する超音波距離測定システムであって、
送信側の情報端末および受信側の情報端末は、所定の時刻同期手法を用いて無線ＬＡＮを介してその内部クロックを予め同期しており、
送信側の情報端末は、
内部クロックから取得した時刻に基づいて送信タイムスタンプを生成し、当該送信タイムスタンプを含む通信パケットを生成する通信パケット生成手段と、
前記通信パケット生成手段で生成した通信パケットを超音波で送信する通信パケット送信手段と、
を備え、
受信側の情報端末は、
送信側の情報端末から超音波で送信された通信パケットを受信する通信パケット受信手段と、
前記通信パケット受信手段で通信パケットを受信した時刻を内部クロックから取得し、当該時刻に基づいて受信タイムスタンプを生成する受信タイムスタンプ生成手段と、
前記受信タイムスタンプ生成手段で生成した受信タイムスタンプと前記通信パケット受信手段で受信した通信パケットに含まれる送信タイムスタンプとの差に基づいて送信側の情報端末と当該受信側の情報端末との距離を算出する距離算出手段と、
を備えたことを特徴とする超音波距離測定システム。
【請求項２】
複数の情報端末において、１つの情報端末から通信パケットを送信し、他の情報端末で通信パケットを受信することにより、該当する情報端末間の距離を測定する超音波距離測定システムであって、
前記通信パケットは、通信パケットを送受信する際の同期の基準となる基準位置および当該基準位置が送信された時刻を表す送信タイムスタンプを含み、
送信側の情報端末および受信側の情報端末は、所定の時刻同期手法を用いて無線ＬＡＮを介してその内部クロックを予め同期しており、
送信側の情報端末は、
内部クロックから取得した送信時刻および当該送信時刻から実際に通信パケットの基準位置が送信されるまでの時間差である送信補正値に基づいて、送信タイムスタンプを生成し、当該送信タイムスタンプを含む通信パケットを生成する通信パケット生成手段と、
前記通信パケット生成手段で生成した通信パケットを超音波で送信する通信パケット送信手段と、
を備え、
受信側の情報端末は、
送信側の情報端末から超音波で送信された通信パケットを受信する通信パケット受信手段と、
前記通信パケット受信手段で通信パケットを受信した受信時刻を内部クロックから取得し、取得した受信時刻および当該受信時刻が取得されてから実際に通信パケットの基準位置が受信されるまでの時間差である受信補正値に基づいて、基準位置が受信された時刻を表す受信タイムスタンプを生成する受信タイムスタンプ生成手段と、
前記受信タイムスタンプ生成手段で生成した受信タイムスタンプと前記通信パケット受信手段で受信した通信パケットに含まれる送信タイムスタンプとの差に基づいて送信側の情報端末と当該受信側の情報端末との距離を算出する距離算出手段と、
を備えたことを特徴とする超音波距離測定システム。
【請求項３】
前記通信パケットは、送信側の情報端末を識別する識別ＩＤ、任意の通信データ、チェックサムのうち少なくとも１つをさらに含むこと、
を特徴とする請求項１または２に記載の超音波距離測定システム。
【請求項４】
前記通信パケットは、送信側の情報端末の座標位置をさらに含み、
前記受信側の情報端末は、
異なる複数の送信側の情報端末から連続して通信パケットを受信した場合、前記距離算出手段で算出した各送信側の情報端末と当該受信側の情報端末との距離および各送信側の情報端末の座標位置に基づいて当該受信側の情報端末の位置を推定する位置推定手段、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の超音波距離測定システム。
【請求項５】
前記送信側の情報端末は固定されたものであり、前記受信側の情報端末は移動可能なものであること、
を特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の超音波距離測定システム。
【請求項６】
複数の情報端末において、１つの情報端末から通信パケットを送信し、他の情報端末で通信パケットを受信することにより、該当する情報端末間の距離を測定する超音波距離測定方法であって、
前記通信パケットは、通信パケットを送受信する際の同期の基準となる基準位置および当該基準位置が送信された時刻を表す送信タイムスタンプを含み、
送信側の情報端末および受信側の情報端末は、所定の時刻同期手法を用いて無線ＬＡＮを介してその内部クロックを予め同期しており、
送信側の情報端末において、内部クロックから取得した送信時刻および当該送信時刻から実際に通信パケットの基準位置が送信されるまでの時間差である送信補正値に基づいて、送信タイムスタンプを生成し、当該送信タイムスタンプを含む通信パケットを生成し、生成した通信パケットを超音波で送信し、
受信側の情報端末において、送信側の情報端末から超音波で送信された通信パケットを受信し、通信パケットを受信した受信時刻を内部クロックから取得し、取得した受信時刻および当該受信時刻が取得されてから実際に通信パケットの基準位置が受信されるまでの時間差である受信補正値に基づいて、基準位置が受信された時刻を表す受信タイムスタンプを生成し、生成した受信タイムスタンプと受信した通信パケットに含まれる送信タイムスタンプとの差に基づいて送信側の情報端末と当該受信側の情報端末との距離を算出すること、
を特徴とする超音波距離測定方法。
【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２００６−２４２６４０（Ｐ２００６−２４２６４０Ａ）
【公開日】平成１８年９月１４日（２００６．９．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−５６４０６（Ｐ２００５−５６４０６）
【出願日】平成１７年３月１日（２００５．３．１）
【出願人】（５０４２０２４７２）大学共同利用機関法人情報・システム研究機構 (119)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年９月１４日（２００６．９．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月１日（２００５．３．１）
【出願人】（５０４２０２４７２）大学共同利用機関法人情報・システム研究機構 (119)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]