高周波可聴音をスマートフォンで受信する方式による屋内測位のための検討 Study of the Indoor Positioning Method that a Smartphone Receive High-Frequency Audible Sound 岩崎改田中博五百蔵重典 Kai Iwasaki Hiroshi Tanaka Shigenori Ioroi 神奈川工科大学情報工学科 Information and Computer Sciences, Kanagawa Institute of Technology １．はじめに音波を用いる測位方法は，音波の伝搬速度の遅さから，電波を使った測位方式に比べて高精度で測位できる利点がある．筆者らは(超)音波を発信する機構をクライアントに持たせ，天井に設置したマイクでその音を受信し，その受信時刻の差から位置を検出する屋内測位システムを開発している[1]．この方法は，機構が簡単であるが，複数測位したい場合は，更なる工夫が必要となる．そこで，我々は，天井にスピーカを設置し，そのスピーカから異なる音を発音し，クライアント側に備えられたマイクで音を受信する方法で，測位する方法を提案し，実現可能性について議論する．２．基本原理 2.1 音波を使った屋内測位音波を使った測位の基本原理は，GPS と同じであり，音波の到達時間の差を用いる．クライアントが音を発信するか，受信するかで，システムの特徴が異なる．表１：音波を使った屋内測位システムの特徴クライアントが音を発信受信発信する音同じ異なる複数クライアントの区別難しい容易広域化容易難しいそれぞれ，長所短所があるが，本論文ではクライアントが音を受信する方式での屋内測位の可能性を探る． 2.2 クライアントが音を受信する測位方法本測位方法では，複数のスピーカから同時刻に正確に発音する機構が必要である．そのため，発音機を組み込みシステムで作成する．作成した機器は，発音開始時間と発音終了時間を同期信号で同期しており，発音時間の誤差は 5us 以内で，この誤差は距離にすると 1.71mm である．また，発音周波数の指定ができる．スマートフォンで録音したデータは，4 音が重なり合った状態であるため，この音を分けるために FFT を行う．しかし，マイコンや音波が環境変化の影響を受けるため，受信する音の周波数には誤差がある．そのため，固定の指定周波数成分を解析するのではなく，スペクトルから頂点を抽出し，指定周波数に最も近い頂点の周波数帯の成分を，指定周波数の値として利用する．また，測位するためには，各周波数の受音時刻を知る必要がある．FFT を連続的に適用することにより，特定の周波数の発音開始時刻を調べる．このとき，受信音量に差があるため，固定閾値を使えない．そこで，バースト波を FFT 解析した結果が台形に近い形になる特徴を利用する．しかし，この台形のエッジは，形が崩れている．そこで，固定長の区間で閾値以上の傾きがある点を抽出し，抽出した点集合から直線で近似推定し，X 軸との交点を立ち上がりの開始時刻とする．また，立ち下がりも同様に受音時刻の推測に用いる．そして，1 回の録音で複数のエッジが得られるため，複数の開始時刻を推測し，その平均値を求めることで精度を高めている．３．測距実験 3.1 ２音の到達時間差による距離の推定異なる周波数の音を出力する 2 個のスピーカを向い合せに設置し，これらを結ぶ直線上にスマートフォンを設置する．音の到達時間の差で，スマートフォンと各スピーカとの距離の差を求める．スピーカとの距離の差を 200mm から 1000m まで，200mm 間隔で測距実験をした結果，平均誤差 48mm 標準偏差 44.9mm で測距できることを確認した． 3.2 5 音による到達時間差の確認異なる周波数の音を出力する 5 個のスピーカを 1000mm ×2000mm の範囲内に配置し，スマートフォンをそのほぼ中心に，1720mm の高さに取り付けて実験を行う．音量が小さいと受信音の立ち上がりが鈍くなり，本来の開始時刻より到達が遅い判定になる．そのため，現状では受信音量を揃えて実験している． 5 個のスピーカからの距離を求める実験では，平均誤差 45.5mm 標準偏差 54.9mm となった，４．まとめ 2 音を使った場合での距離推定は，平均誤差 48mm で測距できることを確認した．5 音の場合，正確に測距するにはいくつかの制約条件が必要である．これらの条件下では、誤差 500mm 程度の精度で測位可能であると類推している．今後は，音量と波形の関係，発音特性および受音特性を調査する必要があると思われる．また，マイクおよびスピーカの指向性の改善が必要であると思われる．また，異常値が含まれる問題があるため，過去の測距履歴から，異常値を検出して排除したり，平均を求めて測位精度を高めたりするなどの工夫が必要だと考えている．謝辞本研究は文部科学省科学技術研究費基盤(C)課題番号 24500219 の補助を得て行った．参考文献 [1] 秋山他，"超音波センサを用いた広域屋内測位システムの構成と検証実験"，測位航法学会論文誌, Vol.3, No.1, pp.1-8(2012).