移動機器連携 ロケーショントラッキング方式 の提案 静岡大学 静岡大学 情報学部 情報学部 峰野博史 峰野博史 mineno@mizulab.net mineno@mizulab.net 1 位置情報に対する要求 ユビキタスコンピューティング 遍在する情報機器，センサを意識せずその恩恵を享受 空間的・地理的制約，通信対象・能力制約からの解放 「情報」が水・電気・交通と同様な当たり前の生活要素に 遍在 連携 融合 状況に依存した高度な情報サービス 2 位置情報取得装置の分類 利用技術 GPS 携帯電話 カメラ 無線LAN 屋内 屋外 超音波 ｱｸﾃｨﾌﾞ無線ＩＣﾀｸﾞ ﾊﾟｯｼﾌﾞ無線ＩＣﾀｸﾞ mm cm m km 精度 3 屋内向け位置情報システムの例 超音波（Active Bats） 基準点として超音波受信機を設置 超音波送信機の位置検出 無線LAN（日立AirLocation） 基準点として無線LAN基地局を設置 無線LANカードの位置検出 無線ICタグ 無線ICタグを固定（NaviGeta） • 基準点として無線ICタグを設置 • タグリーダの位置検出 タグリーダを固定（六本木ヒルズ） リーダ • 基準点としてタグリーダを設置 モノ ありとあらゆる を対象としたシステムはない !! タグ • 無線ICタグの位置検出 4 その理由 ① トラッキング対象物の制約 リッチな専用デバイスが必要（無線LAN，ｱｸﾃｨﾌﾞ無線ICﾀｸﾞ） 専用デバイスの装着可否（情報機器，大きなモノ） ② 位置検出環境構築の労力とコスト 検知装置の数と設置場所（各装置の検知範囲に依存） • 無線LANは遠くまで電波が届くが，RFIDは近くのみ • 障害物の影響をなるべく受けない設置場所が望ましい（天井など） 設定に必要な労力（位置推定方式に依存） • • • 基準点へ位置情報の設定（基準点の数に依存） 電界強度マップが必要（RSS） 正確な時刻同期と時間測定が必要（TOA，TDOA） 新たな検知情報収集インフラの構築 • 検知装置と管理サーバ間の物理的な通信経路が必要 5 その解決策 ① トラッキング対象物の制約 リッチな専用デバイスが必要（無線LAN，ｱｸﾃｨﾌﾞ無線ICﾀｸﾞ） パッシブ無線ICタグの利用 専用デバイスの装着可否（情報機器，大きなモノ） ② 位置検出環境構築の労力とコスト 検知装置の数と設置場所（各装置の検知範囲に依存） • 無線LANは遠くまで電波が届くが，RFIDは近くのみ • 障害物の影響をなるべく受けない設置場所が望ましい（天井など） 長距離無線と短距離無線の複合利用 設定に必要な労力（位置推定方式に依存） • • • 基準点へ位置情報の設定（基準点の数に依存） 自動設定と簡単なユーザ補正 電界強度マップが必要（RSS） 正確な時刻同期と時間測定が必要（TOA，TDOA） 新たな検知情報収集インフラの構築 • 検知装置と管理サーバ間の物理的な通信経路が必要 既存の電力線ネットワークの利用（PLC） 6 移動機器連携ﾛｰｹｰｼｮﾝﾄﾗｯｷﾝｸﾞ方式 ロケーション管理 サーバ Internet 利用者 位置検出環境 電灯線通信による 既存インフラ利用 基準点の自動設 定とユーザ補正 モバイル検知器 対象物 中・短距離無線 複合利用による 検知器数の削減 パッシブ無線ICタグに 7 よる対象物制約の緩和 提案方式の特徴と課題 パッシブ無線ICタグによる対象物制約の緩和 検知器移動と複数検知器利用による検知率の向上 A) 検知器や対象物の交信距離や指向性の影響 A)検知器や対象物の交信距離や指向性の影響 中・短距離無線複合利用による検知器数の削減 B) 間接検知による推定位置の曖昧性 リッチなモバイル検知器の位置が分かればよい C) どのような位置推定方法を利用すべきか？ 基準点の自動設定とユーザ補正 D) 低コストで簡単な位置検出環境の構築方法 電灯線通信による既存インフラ利用 SCPとUPnPによるPLCとTCP/IPとの親和性 8 A)無線ICタグとの交信距離と指向性１ 電池の有無による分類 メリット デメリット アクティブ方式 パッシブ方式 交信距離が長い 電池不要，小型化容易 要電池交換や充電，高価 交信距離が短い 交信周波数による分類 交信周波数 通信方式 最大交信距離 指向性 耐水性 耐金属 ノイズ量 ~135kHz 13.56MHz 860∼930MHz 2.45GHz （ﾏｲｸﾛ波） （短波） （UHF） （長波） 電磁誘導 電磁波伝搬 ∼10cm ∼30cm ∼3m ∼1.5m 中 ◎ ◎ 小 中 ○ ○ 中 大 △ △ 中 大 × × 大 9 A)無線ICタグとの交信距離と指向性２ アンテナ交信範囲と指向性 距離 距離 交信可能時間 幅 指向性アンテナ （低周波） 無指向性アンテナ 幅 指向性アンテナ （高周波） 読取り可能なタグ方向（電磁誘導方式） ○ ○ ○ × 標準的なゲートアンテナ ○ ○ ○ ○ ２つのゲートアンテナ 10 A)無線ICタグとの交信距離と指向性３ ある程度の検知率を得るためには，指向性が弱く， 交信距離が１ｍ程度の検知器が望ましい？ RF Code社 Spider Reader IIIAタグリーダ & タグ アクティブタグ（約20g），303.825MHz帯電波（UHF） 2本のヘリカルアンテナを用いて指向性の調整可能 10cm∼10mで8段階に交信距離を調整可能 複数同時読み取り（最大1,000個） バッテリ内臓（約4時間），約450g タグ内のコイン型電池交換可能 タグID送信間隔7秒（△） 11 提案方式の特徴と課題 パッシブ無線ICタグによる対象物制約の緩和 検知器移動と複数検知器利用による検知率の向上 A) 検知器や対象物の交信距離や指向性の影響 中・短距離無線複合利用による検知器数の削減 B) 間接検知による推定位置の曖昧性 間接検知による推定位置の曖昧性 B) リッチなモバイル検知器の位置が分かればよい C) どのような位置推定方法を利用すべきか？ 基準点の自動設定とユーザ補正 D) 低コストで簡単な位置検出環境の構築方法 電灯線通信による既存インフラ利用 SCPとUPnPによるPLCとTCP/IPとの親和性 12 B)検知履歴による対象物の位置推定 タグA タグA タグB （a）最大交信距離を半径とした 円内に存在 （b）複数検知履歴に同じ対象物がある 場合，重なった範囲内に存在 タグA タグB （c）同時刻の異なる検知履歴であ るタグは片方の履歴にあるがもう 片方の履歴にない場合 タグA タグB （d）最大交信距離を制御可能な場 合，弱くしていき検知されなくなった らドーナツ型の範囲内に存在 13 位置推定方式（a）（b）の適用例 推定範囲 ① 検知履歴 検知 時刻 検知物 推定 位置X 推定 位置Y 交信 可能距離 10:18 本Ａ 10 10 20 10:17 本Ａ 25 15 20 10:16 ＰＤＡ 40 40 20 10:15 ＰＣ 50 50 20 10:15 ＰＣ 50 50 20 10:13 本Ａ 12 25 20 10:10 本Ａ 30 30 20 10:09 ＰＤＡ 33 34 20 10:07 ＰＣ 38 47 20 ・・・ ・・・ ・・・ ・・・ ・・・ ② ③ ④ 14 提案方式の特徴と課題 パッシブ無線ICタグによる対象物制約の緩和 検知器移動と複数検知器利用による検知率の向上 A) 検知器や対象物の交信距離や指向性の影響 中・短距離無線複合利用による検知器数の削減 B) 間接検知による推定位置の曖昧性 リッチなモバイル検知器の位置が分かればよい C) どのような位置推定方法を利用すべきか？ C)どのような位置推定方法を利用すべきか？ 基準点の自動設定とユーザ補正 D) 低コストで簡単な位置検出環境の構築方法 電灯線通信による既存インフラ利用 SCPとUPnPによるPLCとTCP/IPとの親和性 15 C)モバイル検知器の位置推定方式１ 短距離 位置検知 装置 位置検出 環境 中距離 位置検知 装置 検知 情報 ・・・ 無線 信号 ・・・ ﾓﾊﾞｲﾙ 対象物 検知器 短距離 位置検知 装置 ﾛｹｰｼｮﾝ管理 ｻｰﾊﾞ 位置 （電界強度， 滞空時間， 推定 角度など） 方式 利用者 測定情報 中距離 位置検知 装置 表示 システム 位置座標 （ｘ，ｙ，ｚ） Proximity Proximity - Cell-ID方式 d1 d3 Triangulation d2 Triangulation Lateration - RSS，TOA，TDOA方式 Angulation - AOA方式 16 C)モバイル検知器の位置推定方式２ Cell-ID方式 （Proximity） 物理的接触，受信信号強度の最も強い検知装置に近似 精度は検知装置の交信距離に依存 RSS方式 （Lateration） 受信信号強度分布から距離算出 事前のキャリブレーションが非常に重要 TOA方式 （Lateration） 信号の滞空時間から距離算出 発信・受信側の正確な時刻同期と正確な時間測定が必要 TDOA方式 （Lateration） 複数検知装置間での信号受信時間差を利用 複数検知装置間の時刻同期と正確な時間測定が必要 AOA方式 （Angulation） ２位置検知装置間の距離と各信号到来方位を利用 アンテナのハードウェア的要因による影響大 17 C)モバイル検知器の位置推定方式３ TOAやTDOAのような時間差方式は，比較的長距離測定には 電波，短距離測定には超音波が適する 物理現象 伝搬速度（空気） 伝搬媒体の影響 障害物の影響 音 343m/sec 光 30万km/sec 電波 30万km/sec 大 中 小 大 小 小 電波と超音波を併用したTDOA方式 電波と超音波を同時発信し電波を受信してから超音波を受信 するまでの時間差から距離算出して三辺測量 天井からの中距離電波を利用したRSS方式 検知情報を受信した複数受信局が，受信信号強度も一緒に位置管 理サーバへ送信し，受信信号強度分布から距離算出して三辺測量 既知のランドマークで近似する方式 同時検知された既知のランドマーク周辺にあると近似 18 提案方式の特徴と課題 パッシブ無線ICタグによる対象物制約の緩和 検知器移動と複数検知器利用による検知率の向上 A) 検知器や対象物の交信距離や指向性の影響 中・短距離無線複合利用による検知器数の削減 B) 間接検知による推定位置の曖昧性 リッチなモバイル検知器の位置が分かればよい C) どのような位置推定方法を利用すべきか？ 基準点の自動設定とユーザ補正 D) 低コストで簡単な位置検出環境の構築方法 D)低コストで簡単な位置検出環境の構築方法 電灯線通信による既存インフラ利用 SCPとUPnPによるPLCとTCP/IPとの親和性 19 D)簡単な位置検出環境の構築方法 a) 電波と超音波併用した受信時刻差（ＴＤＯＡ）で距離自動算出 Ａは周期的に電波と超音波を同時発信 Ｂは受信時刻差からＡとの距離（ＡＢ）を算出し位置管理サーバへ登録 Ｃも受信時刻差からＡとの距離（ＣＡ）を算出し位置管理サーバへ登録 位置管理サーバからのトリガにより，Ｂが同様に距離（ＢＣ，ＡＢ）を算出 Ｃも同様にして，Ａ，Ｂ，Ｃ間の距離を算出 b) ユーザが部屋サイズとグリッドを設定 c) 移動性の低そうなランドマークを手動登録して精度向上 A B C （a）自動距離算出 （b）部屋ｻｲｽﾞとｸﾞﾘｯﾄﾞ設定 （c）ﾗﾝﾄﾞﾏｰｸの登録 20 解析モデルによる探索履歴数の分析 検知可能範囲内に 対象物がない確立 P = 1 − (1 − P≥ πr 2 S ) n 70, 80, 90, 100% 交信距離を半径 r=1.0m の円に近似 最低限必要な履歴数n（個） サービス範囲と範囲内を一様分布で検知可能なモバイ ル検知器の検知履歴において目的対象物発見に必要 な探索履歴数 検知率100%以上 検知率90%以上 検知率80%以上 検知率70%以上 150 125 100 75 50 40 25 0 0 5 10 15 20 25 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 トラッキング範囲（㎡） 21 探索履歴数と位置推定面積の簡易評価 検知器１台，移動速度1m/s，検知間隔2秒，タグ10個 5m (a) (b) 交信距離 r=1.0mの円の 外接正方形に近似 2m 1m 5m 1m 2m 1 100 22 ﾓﾊﾞｲﾙ検知器数と検知間隔の簡易評価 交信距離1m，移動速度1m/s，タグ10個 検知間隔７秒 検知間隔５秒 検知間隔３秒 検知間隔１秒 全タグ（10個）検知終了時間（分） 4.5 4 3.5 モバイル 検知器１台 3 2.5 2 モバイル 検知器４台 1.5 1 0.5 0 10 15 20 25 サービス範囲（m2 ） 30 35 23 まとめと今後の課題 既存位置情報システムの問題点を分析 移動機器連携ロケーショントラッキング方式を提案 提案方式実現のための課題分析と簡易評価 今後の課題 実験環境の構築と本方式実現性の評価 交信可能距離や指向性の影響 検知情報への方向情報の必要性 間接検知と検知履歴を利用した推定位置の精度 ユーザインタフェースや通信プロトコル（Webサービス，SNMP） 位置検出環境の構築方法と位置推定方法の検討 位置推定方法（電波と超音波，RSS方式，ランドマークなど） 電灯線通信と中距離無線を利用した各方式の評価 基準点の自動設定とユーザ補正の有効性評価 24
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