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JP2009139264A - Three-dimensional position determination system, and three-dimensional position determination method - Google Patents

Three-dimensional position determination system, and three-dimensional position determination method Download PDF

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JP2009139264A
JP2009139264A JP2007316934A JP2007316934A JP2009139264A JP 2009139264 A JP2009139264 A JP 2009139264A JP 2007316934 A JP2007316934 A JP 2007316934A JP 2007316934 A JP2007316934 A JP 2007316934A JP 2009139264 A JP2009139264 A JP 2009139264A
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JP
Japan
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sound wave
dimensional position
sound
transmitters
wave sensor
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JP2007316934A
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Japanese (ja)
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Atsushi Nishizawa
敦 西澤
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SYNTHESIZE Ltd
Original Assignee
SYNTHESIZE Ltd
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  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a three-dimensional position determination system for measuring a three-dimensional position of a mobile object or the like, and guiding the mobile object or the like to a specific position; and a three-dimensional position determination method used in such a three-dimensional position determination system. <P>SOLUTION: This three-dimensional position determination system 10 includes four sound wave transmitters 12, 14, 16 and 18 attached to a ceiling or the like, Ultrasonic waves transmitted from the sound wave transmitters 12-18 are detected by a sound wave sensor 20. The ultrasonic waves are transmitted from the sound wave transmitters 12-18 at certain time intervals, and the three-dimensional position of the sound wave sensor 20 is calculated from the detection interval when the ultrasonic waves are detected by the sound wave sensor 20. On the contrary, the sound wave sensor 20 is guided to a specific position by controlling transmission timing of the ultrasonic waves in the sound wave transmitters 12-18 by calculating back the arrival time of the ultrasonic waves at the sound wave sensor 20. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

この発明は、３次元位置確定システムおよび３次元位置確定方法に関し、特にたとえば、音波発信器から発信される音波を検出して位置の検出を行ったり、特定の位置に誘導したりすることができる、３次元位置確定システムおよび３次元位置確定方法に関する。   The present invention relates to a three-dimensional position determination system and a three-dimensional position determination method. In particular, for example, a position can be detected by detecting a sound wave transmitted from a sound wave transmitter or guided to a specific position. The present invention relates to a three-dimensional position determination system and a three-dimensional position determination method.

図１３は、超音波源１から送波された超音波を４つの受波装置２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄで受波することにより、超音波源１の３次元位置を求めることができる３次元位置測定装置である。４つの受波装置２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄは、互いに間隔を隔てて配置される。超音波源１から送波された超音波は、４つの受波装置２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄで受波され、受波信号に対して超音波信号処理手段３で雑音除去、増幅、波形成形などの処理が施される。ここで、超音波源１と各受波装置２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄとの間の距離は異なるため、各受波装置２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄで受波する時刻は異なる。そこで、路程差算出手段４において、各受波装置２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの受波時刻の差から、超音波源１と各受波装置２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄとの間の距離について、路程差が求められる。このようにして求められた路程差から、位置演算手段５によって、超音波源１の３次元位置の座標が算出される。   FIG. 13 shows a three-dimensional position in which the three-dimensional position of the ultrasonic source 1 can be obtained by receiving the ultrasonic waves transmitted from the ultrasonic source 1 with the four receiving devices 2a, 2b, 2c, and 2d. It is a position measuring device. The four wave receiving devices 2a, 2b, 2c, and 2d are arranged at intervals from each other. The ultrasonic waves transmitted from the ultrasonic source 1 are received by the four receiving devices 2a, 2b, 2c, and 2d, and the ultrasonic signal processing means 3 removes noise, amplifies, and shapes the received signals. Etc. are applied. Here, since the distance between the ultrasonic source 1 and each of the receiving devices 2a, 2b, 2c, and 2d is different, the time at which each of the receiving devices 2a, 2b, 2c, and 2d receives is different. Therefore, in the path difference calculation means 4, the distance between the ultrasonic source 1 and each of the receiving devices 2a, 2b, 2c, 2d is determined from the difference in the receiving time of each of the receiving devices 2a, 2b, 2c, 2d. A path difference is required. The coordinates of the three-dimensional position of the ultrasonic source 1 are calculated by the position calculation means 5 from the path difference thus obtained.

この３次元位置測定装置では、超音波源１から送波される超音波を４つの受波装置２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄで受波することにより、超音波源１から送波する送波タイミングを得る必要がなく、受波信号から得られる路程差のみで超音波源１の３次元位置を知ることができる。したがって、このような３次元位置測定装置を用いれば、超音波源１から受信側に送波タイミングを伝送する必要がなく、そのためのワイヤレス送信部などを超音波源１に搭載する必要がなくなる（特許文献１参照）。   In this three-dimensional position measuring apparatus, the transmission timing of transmitting from the ultrasonic source 1 by receiving the ultrasonic waves transmitted from the ultrasonic source 1 by the four receiving apparatuses 2a, 2b, 2c, and 2d. The three-dimensional position of the ultrasonic source 1 can be known only by the path length difference obtained from the received signal. Therefore, when such a three-dimensional position measuring apparatus is used, it is not necessary to transmit the transmission timing from the ultrasonic source 1 to the receiving side, and it is not necessary to mount a wireless transmission unit or the like for the transmission source on the ultrasonic source 1 ( Patent Document 1).

特開平６−２２２１３０号公報JP-A-6-222130

しかしながら、このような３次元位置測定装置では、超音波源の位置を見出すことはできるが、超音波源を特定の位置に誘導したりすることはできない。   However, such a three-dimensional position measuring apparatus can find the position of the ultrasonic source, but cannot guide the ultrasonic source to a specific position.

それゆえに、この発明の主たる目的は、移動体などの３次元位置を測定したり、移動体などを特定の位置に誘導したりすることができる３次元位置確定システムと、このような３次元位置確定システムで用いられる３次元位置確定方法を提供することである。   Therefore, a main object of the present invention is to provide a three-dimensional position determination system capable of measuring a three-dimensional position of a moving object or guiding a moving object to a specific position, and such a three-dimensional position. It is to provide a three-dimensional position determination method used in a determination system.

この発明は、互いに間隔を隔てて配置され、順次音波を発信する４つの音波発信器と、４つの音波発信器から発信された音波を検出するための音波センサと、音波センサで検出した音波の時間間隔から算出することにより音波センサの３次元位置を確定するための位置確定手段を含む、３次元位置確定システムである。
このような３次元位置確定システムにおいて、さらに、音波センサで検出した音波に対応する信号をデジタル信号に変換するためのアナログ／デジタルコンバータを含み、アナログ／デジタルコンバータの出力信号のピーク値の時間間隔を検出することにより、音波センサで検出した音波の時間間隔を検出するようにしてもよい。
また、さらに、音波センサの出力信号から音波発信器によって発信された音波に対応する周波数の信号を取り出してアナログ／デジタルコンバータに送るためのフィルタを含んでいてもよい。
さらに、４つの音波発信器間の音波の発信間隔が可変であることが好ましい。
順次発信器から発信される音波が、音波センサで検出される。音波は４つの発信器から順次発信されるため、音波は時間間隔をもって検出される。検出される音波の時間間隔は、各音波発信器から音波センサまでの距離によって影響を受けるため、検出された音波の時間間隔から音波センサの３次元位置を算出することができる。
ここで、音波センサで検出した音波の時間間隔を正確に検出するために、音波センサで検出した音波に対応する信号がデジタル信号に変換される。そして、得られたデジタル信号のピーク値の時間間隔を検出することにより、正確な音波の時間間隔を得ることができる。
また、フィルタを用いて、音波センサの出力信号から音波発信器によって発信された音波に対応する信号のみを取り出すことにより、雑音を除去することができ、正確に音波の時間間隔を検出することができる。
さらに，４つの音波発信器間の発信間隔を可変とすることにより、３次元位置確定システムの用途に合わせて、一定間隔で音波を発信したり、異なる時間間隔で音波を発信したりすることができる。 According to the present invention, four sound wave transmitters that are arranged at intervals from each other and sequentially transmit sound waves, a sound wave sensor for detecting sound waves emitted from the four sound wave transmitters, and a sound wave detected by the sound wave sensor It is a three-dimensional position determination system including position determination means for determining the three-dimensional position of the acoustic wave sensor by calculating from the time interval.
Such a three-dimensional position determination system further includes an analog / digital converter for converting a signal corresponding to the sound wave detected by the sound wave sensor into a digital signal, and the time interval of the peak value of the output signal of the analog / digital converter The time interval of the sound wave detected by the sound wave sensor may be detected by detecting.
Furthermore, a filter for extracting a signal having a frequency corresponding to the sound wave transmitted by the sound wave transmitter from the output signal of the sound wave sensor and sending it to the analog / digital converter may be included.
Furthermore, it is preferable that the sound wave transmission interval between the four sound wave transmitters is variable.
Sonic waves sequentially transmitted from the transmitter are detected by a sonic sensor. Since sound waves are sequentially transmitted from the four transmitters, the sound waves are detected at time intervals. Since the time interval of the detected sound wave is affected by the distance from each sound wave transmitter to the sound wave sensor, the three-dimensional position of the sound wave sensor can be calculated from the time interval of the detected sound wave.
Here, in order to accurately detect the time interval of the sound wave detected by the sound wave sensor, a signal corresponding to the sound wave detected by the sound wave sensor is converted into a digital signal. An accurate sound wave time interval can be obtained by detecting the time interval of the peak value of the obtained digital signal.
Also, by using the filter to extract only the signal corresponding to the sound wave transmitted by the sound wave transmitter from the output signal of the sound wave sensor, noise can be removed and the time interval of the sound wave can be accurately detected. it can.
Furthermore, by changing the transmission interval between the four sound wave transmitters, it is possible to transmit sound waves at regular intervals or to transmit sound waves at different time intervals according to the use of the three-dimensional position determination system. it can.

また、この発明は、互いに間隔を隔てて配置された４つの音波発信器から順次音波を発信するステップと、４つの音波発信器から発信された音波を音波センサで検出するステップと、４つの音波発信器から発信されて音波センサで検出された音波の時間間隔を検出するステップと、音波の時間間隔から音波センサの３次元位置を算出するステップとを含む、３次元位置確定方法である。
このような３次元位置確定方法において、４つの音波発信器から、同じ時間間隔で順次音波を発信させることができる。
また、４つの音波発信器から、異なる時間間隔で順次音波を発信させてもよい。
上述のような３次元位置確定システムを用いて、上述の各ステップを含む方法により、移動体などの３次元位置を確定することができる。
ここで、４つの音波発信器から、同じ時間間隔で順次音波を発信させることにより、音波センサで検出した音波の時間間隔を各発信器から音波センサまでの距離の関係に対応させることができる。したがって、音波センサで検出した音波の時間間隔から、音波センサを搭載した移動体などの３次元位置を算出することができる。
また、４つの音波発信器から、異なる時間間隔で順次音波を発信させることにより、所定の時間間隔で音波が受信される３次元位置を特定することができる。したがって、音波発信器から発信される音波の時間間隔を制御することにより、所定の時間間隔で音波が受信される位置に移動するように設定された移動体などを誘導することができる。 The present invention also includes a step of sequentially transmitting sound waves from four sound wave transmitters arranged at intervals, a step of detecting sound waves transmitted from the four sound wave transmitters by a sound wave sensor, and four sound waves. A method for determining a three-dimensional position, comprising: detecting a time interval between sound waves transmitted from a transmitter and detected by a sound wave sensor; and calculating a three-dimensional position of the sound wave sensor from the time interval between sound waves.
In such a three-dimensional position determination method, sound waves can be sequentially transmitted from the four sound wave transmitters at the same time interval.
Further, sound waves may be sequentially transmitted from the four sound wave transmitters at different time intervals.
A three-dimensional position of a moving body or the like can be determined by a method including the above-described steps using the above-described three-dimensional position determination system.
Here, by sequentially transmitting sound waves from the four sound wave transmitters at the same time intervals, the time intervals of the sound waves detected by the sound wave sensors can be made to correspond to the relationship between the distances from the respective transmitters to the sound wave sensors. Therefore, it is possible to calculate a three-dimensional position of a moving body equipped with the sound wave sensor from the time interval of the sound wave detected by the sound wave sensor.
In addition, by sequentially transmitting sound waves at different time intervals from the four sound wave transmitters, it is possible to specify a three-dimensional position where sound waves are received at predetermined time intervals. Therefore, by controlling the time interval of sound waves transmitted from the sound wave transmitter, it is possible to guide a moving body set to move to a position where sound waves are received at a predetermined time interval.

この発明によれば、４つの音波発信器から順次音波を発信し、それを音波センサで検出することにより、検出された音波の時間間隔から音波センサの３次元位置を確定することができる。それにより、音波センサの３次元位置を検出することもできるし、音波センサを特定の位置に誘導することもできる。   According to the present invention, the three-dimensional position of the sound wave sensor can be determined from the time interval of the detected sound wave by sequentially transmitting the sound wave from the four sound wave transmitters and detecting it with the sound wave sensor. Thereby, the three-dimensional position of the sound wave sensor can be detected, or the sound wave sensor can be guided to a specific position.

この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明を実施するための最良の形態の説明から一層明らかとなろう。   The above object, other objects, features, and advantages of the present invention will become more apparent from the following description of the best mode for carrying out the invention with reference to the drawings.

図１は、この発明の３次元位置確定システムの一例を示す図解図である。３次元位置確定システム１０は、４つの音波発信器１２，１４，１６，１８を含む。音波発信器１２，１４，１６，１８から発信される音波としては、たとえば超音波が用いられる。音波発信器１２，１４，１６，１８は、たとえば部屋の天井などに取り付けられる。   FIG. 1 is an illustrative view showing an example of a three-dimensional position determination system of the present invention. The three-dimensional position determination system 10 includes four sound wave transmitters 12, 14, 16, and 18. For example, ultrasonic waves are used as the sound waves transmitted from the sound wave transmitters 12, 14, 16, and 18. The sound wave transmitters 12, 14, 16, and 18 are attached to the ceiling of a room, for example.

また、３次元位置確定システム１０は、音波発信器１２，１４，１６，１８の発信する音波を受信するための音波センサ２０を含む。ここでは、音波発信器１２，１４，１６，１８として、超音波発信器が用いられているため、音波センサ２０として超音波センサが用いられる。音波センサ２０は、図２に示すように、特定の周波数を取り出すためのバンドパスフィルタ２２に接続される。バンドパスフィルタ２２の出力は増幅回路２４に接続され、増幅回路２４の出力はアナログ／デジタルコンバータ（Ａ／Ｄコンバータ）２６に接続される。Ａ／Ｄコンバータ２６では、増幅回路２４から出力されたアナログ信号がデジタル信号に変換され、得られたデジタル信号が位置確定手段としての演算装置２８に入力される。   The three-dimensional position determination system 10 includes a sound wave sensor 20 for receiving sound waves transmitted from the sound wave transmitters 12, 14, 16, and 18. Here, since an ultrasonic transmitter is used as the sound wave transmitters 12, 14, 16, and 18, an ultrasonic sensor is used as the sound wave sensor 20. As shown in FIG. 2, the sonic sensor 20 is connected to a band-pass filter 22 for extracting a specific frequency. The output of the band pass filter 22 is connected to an amplifier circuit 24, and the output of the amplifier circuit 24 is connected to an analog / digital converter (A / D converter) 26. In the A / D converter 26, the analog signal output from the amplifier circuit 24 is converted into a digital signal, and the obtained digital signal is input to the arithmetic unit 28 serving as a position determining unit.

この３次元位置確定システム１０を用いて、音波センサ２０の３次元位置を検出する場合について説明する。ここでは、わかりやすくするため、図３に示すように、音波発信器１４を直交座標の原点とし、音波発信器１６がｘ軸上の座標（ａ，０，０）にあり、音波発信器１２がｙ軸上の座標（０，ａ，０）にあり、音波発信器１８が座標（ａ，ｆ，０）にある場合について説明する。また、このような座標系において、音波センサ２０の座標は、（ｘ，ｙ，ｚ）とする。   A case where the three-dimensional position of the sound wave sensor 20 is detected using the three-dimensional position determination system 10 will be described. Here, for the sake of simplicity, as shown in FIG. 3, the sound wave transmitter 14 is set to the origin of orthogonal coordinates, the sound wave transmitter 16 is at the coordinates (a, 0, 0) on the x axis, and the sound wave transmitter 12 Is the coordinate (0, a, 0) on the y axis, and the sound wave transmitter 18 is at the coordinate (a, f, 0). In such a coordinate system, the coordinates of the sound wave sensor 20 are (x, y, z).

このような場合において、図４に示すように、音波発信器１２，１４，１６，１８の順に、各音波発信器１２〜１８から順次一定のピークをもつ超音波が発信される。超音波が発信される時間間隔は、各音波発信器１２，１４，１６，１８の間で一定間隔ｔ0となるように設定される。音波発信器１２，１４，１６，１８から発信された超音波は、音波センサ２０で検出され、音波センサ２０の出力信号がバンドパスフィルタ２２に入力される。バンドパスフィルタ２２では、音波センサ２０の出力信号の中で、音波発信器１２〜１８から出力された超音波に対応する信号の周波数のみが取り出される。そして、バンドパスフィルタ２２の出力信号は増幅回路２４で増幅され、Ａ／Ｄコンバータ２６でデジタル信号に変換される。このＡ／Ｄコンバータ２６の出力信号が、演算装置２８に入力される。 In such a case, as shown in FIG. 4, ultrasonic waves having a certain peak are sequentially transmitted from the sound wave transmitters 12 to 18 in the order of the sound wave transmitters 12, 14, 16, and 18. The time interval at which the ultrasonic waves are transmitted is set to be a constant interval t 0 between the sound wave transmitters 12, 14, 16, and 18. The ultrasonic waves transmitted from the sound wave transmitters 12, 14, 16, and 18 are detected by the sound wave sensor 20, and the output signal of the sound wave sensor 20 is input to the band pass filter 22. The band pass filter 22 extracts only the frequency of the signal corresponding to the ultrasonic wave output from the sound wave transmitters 12 to 18 from the output signal of the sound wave sensor 20. The output signal of the band pass filter 22 is amplified by the amplifier circuit 24 and converted to a digital signal by the A / D converter 26. The output signal of the A / D converter 26 is input to the arithmetic unit 28.

ここで、図５に示すように、音波センサ２０から各音波発信器１２，１４，１６，１８までの距離は異なるため、各音波発信器１２〜１８から超音波が発信されてから音波センサ２０に到達するまでの時間が異なる。そのため、音波センサ２０での超音波の検出間隔は、一定間隔ｔ0とはならず、図６に示すように、それぞれ異なる時間間隔ｔ1，ｔ2，ｔ3でピーク値を有する信号が得られる。このような信号がＡ／Ｄコンバータ２６でデジタル変換され、演算装置２８に入力されることによって、時間間隔ｔ1，ｔ2，ｔ3で信号のピーク値が検出される。 Here, as shown in FIG. 5, since the distance from the sound wave sensor 20 to each of the sound wave transmitters 12, 14, 16, 18 is different, the sound wave sensor 20 after the ultrasonic wave is transmitted from each of the sound wave transmitters 12 to 18. The time to reach is different. Therefore, the ultrasonic wave detection interval at the sonic sensor 20 does not become the constant interval t 0, and signals having peak values are obtained at different time intervals t 1 , t 2 , and t 3 as shown in FIG. It is done. Such a signal is digitally converted by the A / D converter 26 and input to the arithmetic unit 28, whereby the peak value of the signal is detected at the time intervals t 1 , t 2 , and t 3 .

なお、音波を使用した場合、気圧や温度などの条件にもよるが、進行速度は約３４０ｍ／ｓｅｃである。したがって、時間分解能が１μｓの場合、位置検出精度は０．３４ｍｍとなる。また、室内においては、図７に示すように、音波発信器１２〜１８から発信された超音波が壁などで反射し、その反射波も音波センサ２０で検出される。しかしながら、反射波のピーク値は直接波のピーク値より小さくなるため、図８に示すように、一定時間内のＡ／Ｄコンバータ２６の出力信号の最大値の４点をとれば、時間間隔ｔ1，ｔ2，ｔ3を検出することができる。このように、この３次元位置確定システム１０では、バンドパスフィルタ２２で不要な周波数の信号が除去され、音波発信器１２〜１８から発信された音波に対応する周波数の信号のピーク値を検出することにより、反射波の影響も除去することができる。したがって、雑音の影響を受けることなく、必要とする時間間隔ｔ1，ｔ2，ｔ3を得ることができる。 In the case where sound waves are used, the traveling speed is about 340 m / sec, although it depends on conditions such as atmospheric pressure and temperature. Therefore, when the time resolution is 1 μs, the position detection accuracy is 0.34 mm. Further, in the room, as shown in FIG. 7, the ultrasonic waves transmitted from the sound wave transmitters 12 to 18 are reflected by a wall or the like, and the reflected waves are also detected by the sound wave sensor 20. However, since the peak value of the reflected wave is smaller than the peak value of the direct wave, as shown in FIG. 8, if four points of the maximum value of the output signal of the A / D converter 26 within a certain time are taken, the time interval t 1 , t 2 , and t 3 can be detected. As described above, in the three-dimensional position determination system 10, an unnecessary frequency signal is removed by the bandpass filter 22, and a peak value of a signal having a frequency corresponding to the sound wave transmitted from the sound wave transmitters 12 to 18 is detected. Thus, the influence of the reflected wave can also be removed. Therefore, the required time intervals t 1 , t 2 , and t 3 can be obtained without being affected by noise.

たとえば、音波センサ２０が音波発信器１４よりも音波発信器１２に近いところにある場合、音波発信器１２から音波センサ２０に超音波が到達する時間よりも、音波発信器１４から音波センサ２０に超音波が到達する時間のほうが長くなる。そのため、ｔ0＜ｔ1となり、図９に示すように、音波発信器１４から音波センサ２０までの距離は、音波発信器１２から音波センサ２０までの距離Ｅより、時間差による長さｂだけ長くなる。ここで、各音波発信器１２，１４から音波センサ２０に超音波が到達する時間差は、検出された時間間隔ｔ1から発信間隔ｔ0を差し引いた時間であり、この時間差に音波の速度を乗じることにより、長さｂを求めることができる。 For example, when the sound wave sensor 20 is closer to the sound wave transmitter 12 than the sound wave transmitter 14, the time from the sound wave transmitter 12 to the sound wave sensor 20 is longer than the time for the ultrasonic wave to reach the sound wave sensor 20 from the sound wave transmitter 12. The time for the ultrasonic wave to reach is longer. Therefore, t 0 <t 1 , and as shown in FIG. 9, the distance from the sound wave transmitter 14 to the sound wave sensor 20 is longer than the distance E from the sound wave transmitter 12 to the sound wave sensor 20 by the length b due to the time difference. Become. Here, the time difference at which the ultrasonic waves reach the sound wave sensor 20 from each of the sound wave transmitters 12 and 14 is the time obtained by subtracting the transmission interval t 0 from the detected time interval t 1 , and the time difference is multiplied by the speed of the sound wave. Thus, the length b can be obtained.

また、音波センサ２０から音波発信器１４に向かって長さＥの点と音波発信器１２とを結ぶ線の長さをＣとし、その線とｙ軸との間の角度をα、音波センサ２０と音波発信器１２とを結ぶ線との間の角度をβとする。さらに、音波センサ２０からｙ軸に向かっておろした垂線の長さをＸとしたとき、この垂線とｙ軸との交点の座標は（０，ｙ，０）となる。また、音波センサ２０と音波発信器１４とを結ぶ線とｙ軸との間の角度をθとし、音波発信器１４から音波センサ２０に向かって長さｂの点からｙ軸におろした垂線の長さをＤとする。   The length of the line connecting the point of the length E from the sound wave sensor 20 toward the sound wave transmitter 14 and the sound wave transmitter 12 is C, the angle between the line and the y-axis is α, and the sound wave sensor 20. And the angle between the line connecting the sound wave transmitter 12 and β. Furthermore, when the length of the perpendicular line extending from the acoustic wave sensor 20 toward the y-axis is X, the coordinates of the intersection of this perpendicular line and the y-axis are (0, y, 0). Further, an angle between a line connecting the sound wave sensor 20 and the sound wave transmitter 14 and the y axis is θ, and a perpendicular line extending from the point of the length b toward the sound wave sensor 20 from the sound wave transmitter 14 to the sound wave sensor 20 on the y axis. Let D be the length.

このような場合、音波センサ２０のｙ軸における座標ｙと、音波センサ２０からｙ軸におろした垂線の長さＸとは、（長さＸ，座標ｙ）＝関数（時間差による長さ，角度）で表される。つまり、（Ｘ，ｙ）＝ｆ1（ｂ，θ）で表される。ここで、関数ｆ1（ｂ，θ）は、次のような数式で表される。 In such a case, the coordinate y on the y-axis of the sonic sensor 20 and the length X of the perpendicular line from the sonic sensor 20 to the y-axis are (length X, coordinate y) = function (length, angle due to time difference) ). That is, (X, y) = f 1 (b, θ). Here, the function f 1 (b, θ) is expressed by the following mathematical formula.

Figure 2009139264
Figure 2009139264

また、音波センサ２０が音波発信器１２より音波発信器１４に近い場合、音波発信器１２から音波センサ２０に超音波が到達する時間より、音波発信器１４から音波センサ２０に超音波が到達する時間のほうが短くなり、ｔ0＞ｔ1となる。この場合、図１０に示すように、音波センサ２０と音波発信器１２，１４とを結ぶ線上において、音波センサ２０と音波発信器１２との間の長さＥをとると、音波センサ２０から音波発信器１４を通りこした位置に長さＥの点が存在する。この点と音波発信器１４との間の長さＢは、図９における長さｂと逆向きであるため、Ｂ＝−１・ｂの関係となる。したがって、図１０において、音波センサ２０のｙ軸における座標ｙと、音波センサ２０からｙ軸におろした垂線の長さＸとは、（長さＸ，座標ｙ）＝関数（時間差による長さ，角度）、つまり、（Ｘ，ｙ）＝ｆ2（ｂ，θ）で表される。ここで、関数ｆ2（ｂ，θ）は、次のような数式で表される。 When the sound wave sensor 20 is closer to the sound wave transmitter 14 than the sound wave transmitter 12, the ultrasonic wave reaches the sound wave sensor 20 from the sound wave transmitter 14 from the time it takes for the ultrasonic wave to reach the sound wave sensor 20 from the sound wave transmitter 12. The time is shorter and t 0 > t 1 . In this case, as shown in FIG. 10, if the length E between the sound wave sensor 20 and the sound wave transmitter 12 is taken on the line connecting the sound wave sensor 20 and the sound wave transmitters 12 and 14, A point of length E exists at a position passing through the transmitter 14. Since the length B between this point and the sound wave transmitter 14 is opposite to the length b in FIG. 9, a relationship of B = −1 · b is established. Therefore, in FIG. 10, the coordinate y on the y-axis of the sonic sensor 20 and the length X of the perpendicular line from the sonic sensor 20 to the y-axis are (length X, coordinate y) = function (length due to time difference, Angle), that is, (X, y) = f 2 (b, θ). Here, the function f 2 (b, θ) is expressed by the following mathematical formula.

Figure 2009139264
Figure 2009139264

さらに、音波センサ２０と音波発信器１６，１８との関係について、図９や図１０と同様に考えると、音波センサ２０が音波発信器１６より音波発信器１８に近いとき、ｔ0＞ｔ3となり、図１１に示すような関係となる。ここで、時間差による長さｂは、検出された時間間隔ｔ3から発信間隔ｔ0を差し引いた時間に音波の速度を乗じた値である。また、音波発信器１６の座標は（ａ，０，０）であり、音波発信器１８の座標は（ａ，ｆ，０）であるため、音波発信器１６，１８間の長さはｆである。さらに、音波センサ２０から音波発信器１６，１８を結ぶ線におろした垂線の長さをＺとする。 Further, considering the relationship between the sound wave sensor 20 and the sound wave transmitters 16 and 18 in the same manner as in FIGS. 9 and 10, when the sound wave sensor 20 is closer to the sound wave transmitter 18 than the sound wave transmitter 16, t 0 > t 3 Thus, the relationship shown in FIG. 11 is obtained. Here, the length b due to the time difference is a value obtained by multiplying the time obtained by subtracting the transmission interval t 0 from the detected time interval t 3 by the speed of the sound wave. Further, since the coordinates of the sound wave transmitter 16 are (a, 0, 0) and the coordinates of the sound wave transmitter 18 are (a, f, 0), the length between the sound wave transmitters 16 and 18 is f. is there. Further, let Z be the length of a perpendicular line drawn from the acoustic wave sensor 20 to the line connecting the acoustic wave transmitters 16 and 18.

このとき、音波センサ２０のｙ軸における座標ｙと、音波センサ２０から音波発信器１６，１８を結ぶ線におろした垂線の長さＺとは、（長さＺ，座標ｙ）＝関数（時間差による長さ，角度）、つまり、（Ｚ，ｙ）＝ｆ3（ｂ，θ）で表される。ここで、関数ｆ3（ｂ，θ）は、次のような数式で表される。 At this time, the coordinate y on the y-axis of the sonic sensor 20 and the length Z of the perpendicular drawn from the line connecting the sonic sensor 20 to the sonic transmitters 16 and 18 are (length Z, coordinate y) = function (time difference (Length, angle), that is, (Z, y) = f 3 (b, θ). Here, the function f 3 (b, θ) is expressed by the following mathematical formula.

Figure 2009139264
Figure 2009139264

また、音波センサ２０が音波発信器１８より音波発信器１６に近いとき、ｔ0＜ｔ3となり、図１２に示すような関係となる。このとき、音波センサ２０のｙ軸における座標ｙと、音波センサ２０から音波発信器１６，１８を結ぶ線におろした垂線の長さＺとは、（長さＺ，座標ｙ）＝関数（時間差による長さ，角度）、つまり、（Ｚ，ｙ）＝ｆ4（ｂ，θ）で表される。ここで、関数ｆ4（ｂ，θ）は、次のような数式で表される。 When the sound wave sensor 20 is closer to the sound wave transmitter 16 than the sound wave transmitter 18, t 0 <t 3 , and the relationship shown in FIG. 12 is obtained. At this time, the coordinate y on the y-axis of the sonic sensor 20 and the length Z of the perpendicular drawn from the line connecting the sonic sensor 20 to the sonic transmitters 16 and 18 are (length Z, coordinate y) = function (time difference (Length, angle), that is, (Z, y) = f 4 (b, θ). Here, the function f 4 (b, θ) is expressed by the following mathematical formula.

Figure 2009139264
Figure 2009139264

このような関係において、関数ｆ1（ｂ，θ）、ｆ2（ｂ，θ）における座標ｙと、関数ｆ3（ｂ，θ）、ｆ4（ｂ，θ）における座標ｙとは、同じ数値であるため、演算装置２８において、各関数のθに、音波センサ２０が存在している可能性のある範囲、たとえばπ／４〜０〜−π／４の範囲の数値が代入される。これらの関数において、数値ａ，ｆは予めわかっており、数値ｂは音波センサ２０で検出される超音波の時間差と発信間隔ｔ0によってわかっているため、θに数値を代入することにより、Ｘ，ｙ，Ｚを算出することができる。そして、関数ｆ1（ｂ，θ）、ｆ2（ｂ，θ）における超音波の時間差による長さｂがｂ1であり、関数ｆ3（ｂ，θ）、ｆ4（ｂ，θ）における超音波の時間差による長さｂがｂ3であるとき、これらの関数におけるｙの値が等しくなるθの値、すなわち、ｙ＝ｆ1（ｂ1，θ1）、ｆ2（ｂ1，θ1）＝ｆ3（ｂ3，θ3）、ｆ4（ｂ3，θ3）となるθ1およびθ3を見つけることができる。このようなθ1およびθ3を見つけることにより、ＸおよびＺも算出することができる。 In this relationship, the coordinate y in the functions f 1 (b, θ) and f 2 (b, θ) is the same as the coordinate y in the functions f 3 (b, θ) and f 4 (b, θ). Since it is a numerical value, in the arithmetic unit 28, a range in which the sound wave sensor 20 may exist, for example, a numerical value in a range from π / 4 to 0 to −π / 4 is substituted for θ of each function. In these functions, the numerical values a and f are known in advance, and the numerical value b is known from the time difference between the ultrasonic waves detected by the acoustic wave sensor 20 and the transmission interval t 0 . , Y, Z can be calculated. The length b due to the time difference of the ultrasonic waves in the functions f 1 (b, θ) and f 2 (b, θ) is b 1 , and the functions f 3 (b, θ) and f 4 (b, θ) When the length b due to the time difference of ultrasonic waves is b 3 , the values of θ at which the y values in these functions are equal, that is, y = f 1 (b 1 , θ 1 ), f 2 (b 1 , θ 1 ) = f 3 (b 3 , θ 3 ), θ 1 and θ 3 can be found to be f 4 (b 3 , θ 3 ). By finding such θ 1 and θ 3 , X and Z can also be calculated.

なお、音波発信器１８の座標が（ａ，ｆ，０）になっているが、上述のように、θに数値を代入してｙの値を求める際に、音波発信器１８のｙ座標の値がａであると、各関数の関係によりｙを求めることができないため、音波発信器１８のｙ座標の値は、ａとは異なるｆに設定されている。   The coordinates of the sound wave transmitter 18 are (a, f, 0). As described above, when the value of y is obtained by substituting a numerical value for θ, the y coordinate of the sound wave transmitter 18 is determined. If the value is a, y cannot be obtained due to the relationship of each function, so the value of the y coordinate of the sound wave transmitter 18 is set to f different from a.

このように、関数ｆ1（ｂ1，θ1）、ｆ2（ｂ1，θ1）からＸ，ｙの値を求めることができ、関数ｆ3（ｂ3，θ3）、ｆ4（ｂ3，θ3）からＺ，ｙの値を求めることができる。Ｘ，Ｚは、図３に示すように、それぞれ音波センサ２０からｙ軸および音波発信器１６，１８を結ぶ線におろした垂線の長さであり、これらの垂線の端部を結ぶ線の長さはａである。したがって、長さＸの線と長さａの線との間の角度をγとしたとき、Ｚ2＝ａ2＋Ｘ2−２・ａ・Ｘ・ｃｏｓγという式が成り立つ。この式を変形すると、γ＝ｃｏｓ-1（Ｚ2／（ａ2＋Ｘ2−２・ａ・Ｘ））という式を得ることができる。この式において、ａ，Ｘ，Ｚの値は、すでに求められているため、角度γも算出することができる。 Thus, the values of X and y can be obtained from the functions f 1 (b 1 , θ 1 ) and f 2 (b 1 , θ 1 ), and the functions f 3 (b 3 , θ 3 ), f 4 ( b 3 , θ 3 ), the values of Z and y can be obtained. As shown in FIG. 3, X and Z are the lengths of the perpendiculars drawn from the acoustic wave sensor 20 to the lines connecting the y-axis and the acoustic wave transmitters 16 and 18, and the lengths of the lines connecting the ends of these perpendiculars. The size is a. Therefore, when the angle between the line of length X and the line of length a is γ, the following equation holds: Z 2 = a 2 + X 2 −2 · a · X · cos γ. By transforming this equation, the equation γ = cos −1 (Z 2 / (a 2 + X 2 −2 · a · X)) can be obtained. In this equation, since the values of a, X, and Z have already been obtained, the angle γ can also be calculated.

また、図３からわかるように、音波センサ２０のｘ座標の値およびｚ座標の値は、ｘ＝Ｘ・ｃｏｓγ、ｚ＝Ｘ・ｓｉｎγで求めることができる。このように、演算装置２８では、音波センサ２０で検出した超音波の時間差から、音波センサ２０の３次元位置の座標（ｘ，ｙ，ｚ）を算出することができる。なお、上述の計算例は一例であり、他の計算方法によって音波センサ２０の３次元位置の座標を計算してもよい。   As can be seen from FIG. 3, the x-coordinate value and the z-coordinate value of the sound wave sensor 20 can be obtained by x = X · cos γ and z = X · sin γ. As described above, the arithmetic unit 28 can calculate the coordinates (x, y, z) of the three-dimensional position of the sound wave sensor 20 from the time difference between the ultrasonic waves detected by the sound wave sensor 20. Note that the above calculation example is an example, and the coordinates of the three-dimensional position of the acoustic wave sensor 20 may be calculated by other calculation methods.

また、上述の例では、音波発信器１２，１４，１６，１８を同一平面である天井に取り付け、音波発信器１４を原点として音波発信器１２，１６をｘ軸上およびｙ軸上に配置したが、４つの音波発信器１２，１４，１６，１８の座標がわかっていれば、音波センサ２０で検出する超音波の時間間隔により、音波センサ２０の３次元位置の座標を計算することができる。したがって、音波発信器１２，１４，１６，１８の配置は、任意に変更可能である。   Moreover, in the above-mentioned example, the sound wave transmitters 12, 14, 16, and 18 are attached to the same plane ceiling, and the sound wave transmitters 12 and 16 are disposed on the x axis and the y axis with the sound wave transmitter 14 as the origin. However, if the coordinates of the four sound wave transmitters 12, 14, 16, 18 are known, the coordinates of the three-dimensional position of the sound wave sensor 20 can be calculated from the time interval of the ultrasonic waves detected by the sound wave sensor 20. . Therefore, the arrangement of the sound wave transmitters 12, 14, 16, 18 can be arbitrarily changed.

このように、この発明の３次元位置確定システム１０を用いることにより、音波センサ２０やこれを搭載した機器の３次元位置を検出することができる。音波センサ２０を搭載した機器としては、たとえば、コンピュータに情報を入力するための３次元マウスなどを挙げることができる。この場合、たとえば、コンピュータのディスプレイの４隅に音波発信器１２，１４，１６，１８を取り付け、空間でマウスを動かすことにより、３次元位置における情報入力を行うことができる。このようなマウスの場合、たとえば、音波センサ２０で検出した超音波の検出間隔をコンピュータに送り、コンピュータで位置計算を行って、グラフ化することができる。そのため、たとえば、ディスプレイ上に３次元グラフを表示し、マウスを操作することにより、３次元グラフ上に表示されたアイコンなどを指定することができる。また、このようなコンピュータの応用例として、たとえば、物体の複数の端部位置においてマウスをクリックすることにより、その物体の端部の３次元位置を検出することができるため、その物体の寸法を算出することができる。   As described above, by using the three-dimensional position determination system 10 of the present invention, it is possible to detect the three-dimensional position of the acoustic wave sensor 20 or a device on which the sound wave sensor 20 is mounted. Examples of the device equipped with the acoustic wave sensor 20 include a three-dimensional mouse for inputting information to a computer. In this case, for example, information input at a three-dimensional position can be performed by attaching sound wave transmitters 12, 14, 16, and 18 to the four corners of the display of the computer and moving the mouse in the space. In the case of such a mouse, for example, the detection interval of the ultrasonic waves detected by the sound wave sensor 20 can be sent to a computer, the position can be calculated by the computer, and graphed. Therefore, for example, by displaying a three-dimensional graph on the display and operating the mouse, an icon displayed on the three-dimensional graph can be designated. In addition, as an application example of such a computer, for example, by clicking a mouse at a plurality of end positions of an object, the three-dimensional position of the end of the object can be detected. Can be calculated.

さらに、上述の例では、音波発信器１２，１４，１６，１８から一定の時間間隔ｔ0で超音波が発信されたが、超音波の発信間隔は可変とすることができる。この場合、各音波発信器１２，１４，１６，１８から発信される超音波の時間間隔を変化させることができる。音波発信器１２，１４，１６，１８の発信タイミングを制御することにより、音波センサ２０を搭載した機器の３次元位置を誘導することができる。たとえば、音波センサ２０を搭載した自走機を作製し、各音波発信器１２，１４，１６，１８から発信される超音波の受信間隔が一定となる位置を保持するように設定しておけば、音波センサ２０への超音波の到達時間のずれを逆計算し、それぞれの音波発信器１２，１４，１６，１８の発信タイミングを制御することにより、自在に自走機を誘導することができる。 Furthermore, in the above example, at regular time intervals t 0 from the sound wave transmitter 12, 14, 16, 18 an ultrasonic originated, calling interval of the ultrasonic wave can be variable. In this case, the time interval of the ultrasonic waves transmitted from the sound wave transmitters 12, 14, 16, 18 can be changed. By controlling the transmission timing of the sound wave transmitters 12, 14, 16, and 18, the three-dimensional position of the device on which the sound wave sensor 20 is mounted can be guided. For example, if a self-propelled aircraft equipped with the sonic sensor 20 is manufactured and set so that the reception intervals of the ultrasonic waves transmitted from the sonic transmitters 12, 14, 16, 18 are kept constant. The self-propelled aircraft can be guided freely by inversely calculating the deviation of the arrival time of the ultrasonic wave to the acoustic wave sensor 20 and controlling the transmission timing of each of the acoustic wave transmitters 12, 14, 16, and 18. .

このように、この３次元位置確定システム１０を使用し、音波発信器１２，１４，１６，１８の発信タイミングを調整することにより、音波センサ２０の３次元位置を検出することができ、音波センサ２０を特定の位置に誘導することもできる。   As described above, the three-dimensional position of the sound wave sensor 20 can be detected by adjusting the transmission timing of the sound wave transmitters 12, 14, 16, and 18 using the three-dimensional position determination system 10. 20 can also be directed to a specific location.

この発明の３次元位置確定装置の一例を示す図解図である。It is an illustration figure which shows an example of the three-dimensional position determination apparatus of this invention. 図１に示す３次元位置確定装置の音波センサの出力信号を処理する回路を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the circuit which processes the output signal of the sound wave sensor of the three-dimensional position determination apparatus shown in FIG. 図１に示す３次元位置確定装置の音波発信器と音波センサの位置関係を示す図解図である。It is an illustration figure which shows the positional relationship of the sound wave transmitter and sound wave sensor of the three-dimensional position determination apparatus shown in FIG. ４つの音波発信器から発信される超音波の発信タイミングを示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the transmission timing of the ultrasonic wave transmitted from four sound wave transmitters. ４つの音波発信器と音波センサとの間の距離の関係を示す図解図である。It is an illustration figure which shows the relationship of the distance between four sound wave transmitters and a sound wave sensor. 音波センサで検出される超音波の時間差を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the time difference of the ultrasonic wave detected by a sound wave sensor. 音波発信器から音波センサに到達する超音波について、直接波と反射波とを示す図解図である。It is an illustration figure which shows a direct wave and a reflected wave about the ultrasonic wave which reaches | attains a sound wave sensor from a sound wave transmitter. 図７に示す直接波と反射波とが音波センサで検出されたときの波形図である。FIG. 8 is a waveform diagram when the direct wave and the reflected wave shown in FIG. 7 are detected by a sound wave sensor. ｔ0＜ｔ1のときの２つの音波発信器と音波センサとの位置関係を示す関係図である。t 0 <a relationship diagram showing the positional relationship between the two wave transmitter and wave sensor when the t 1. ｔ0＞ｔ1のときの２つの音波発信器と音波センサとの位置関係を示す関係図である。It is a relational diagram showing the positional relationship between two sound wave transmitters and sound wave sensors when t 0 > t 1 . ｔ0＞ｔ3のときの２つの音波発信器と音波センサとの位置関係を示す関係図である。t 0> is a relation diagram showing the positional relationship between the two wave transmitter and wave sensor when the t 3. ｔ0＜ｔ3のときの２つの音波発信器と音波センサとの位置関係を示す関係図である。t 0 <a relationship diagram showing the positional relationship between the two wave transmitter and wave sensor when the t 3. 従来の３次元位置測定装置の一例を示す図解図である。It is an illustration figure which shows an example of the conventional three-dimensional position measuring apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

１０ ３次元位置確定システム
１２，１４，１６，１８ 音波発信器
２０ 音波センサ
２２ バンドパスフィルタ
２４ 増幅回路
２６ アナログ／デジタルコンバータ
２８ 演算装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 3D position determination system 12, 14, 16, 18 Sound wave transmitter 20 Sound wave sensor 22 Band pass filter 24 Amplifying circuit 26 Analog / digital converter 28 Arithmetic unit

Claims (7)

互いに間隔を隔てて配置され、順次音波を発信する４つの音波発信器、
前記４つの音波発信器から発信された音波を検出するための音波センサ、および
前記音波センサで検出した音波の時間間隔から算出することにより前記音波センサの３次元位置を確定するための位置確定手段を含む、３次元位置確定システム。 Four sound wave transmitters that are spaced apart from each other and that sequentially emit sound waves,
A sound wave sensor for detecting sound waves transmitted from the four sound wave transmitters, and a position determining means for determining a three-dimensional position of the sound wave sensor by calculating from a time interval of sound waves detected by the sound wave sensor Including a three-dimensional position determination system. さらに、前記音波センサで検出した音波に対応する信号をデジタル信号に変換するためのアナログ／デジタルコンバータを含み、
前記アナログ／デジタルコンバータの出力信号のピーク値の時間間隔を検出することにより、前記音波センサで検出した音波の時間間隔が検出される、請求項１に記載の３次元位置確定システム。 And an analog / digital converter for converting a signal corresponding to the sound wave detected by the sound wave sensor into a digital signal,
The three-dimensional position determination system according to claim 1, wherein the time interval of the sound wave detected by the sound wave sensor is detected by detecting the time interval of the peak value of the output signal of the analog / digital converter. さらに、前記音波センサの出力信号から前記音波発信器によって発信された音波に対応する周波数の信号を取り出して前記アナログ／デジタルコンバータに送るためのフィルタを含む、請求項２に記載の３次元位置確定システム。   The three-dimensional position determination according to claim 2, further comprising a filter for extracting a signal having a frequency corresponding to a sound wave transmitted by the sound wave transmitter from the output signal of the sound wave sensor and sending the signal to the analog / digital converter. system. 前記４つの音波発信器間の音波の発信間隔が可変である、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の３次元位置確定システム。   The three-dimensional position determination system according to any one of claims 1 to 3, wherein a transmission interval of sound waves between the four sound wave transmitters is variable. 互いに間隔を隔てて配置された４つの音波発信器から順次音波を発信するステップ、
前記４つの音波発信器から発信された音波を音波センサで検出するステップ、
前記４つの音波発信器から発信されて前記音波センサで検出された音波の時間間隔を検出するステップ、および
前記音波の時間間隔から前記音波センサの３次元位置を算出するステップを含む、３次元位置確定方法。 Sequentially transmitting sound waves from four sound wave transmitters spaced from each other;
Detecting a sound wave transmitted from the four sound wave transmitters with a sound wave sensor;
A step of detecting a time interval of sound waves transmitted from the four sound wave transmitters and detected by the sound wave sensor; and a step of calculating a three-dimensional position of the sound wave sensor from the time interval of the sound waves. Confirmation method. 前記４つの音波発信器から、同じ時間間隔で順次音波が発信される、請求項５に記載の３次元位置確定方法。   The three-dimensional position determination method according to claim 5, wherein sound waves are sequentially transmitted from the four sound wave transmitters at the same time interval. 前記４つの音波発信器から、異なる時間間隔で順次音波が発信される、請求項５に記載の３次元位置確定方法。   The three-dimensional position determination method according to claim 5, wherein sound waves are sequentially transmitted from the four sound wave transmitters at different time intervals.
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