屋内測位・ナビゲーションの技術動向

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かおりしまむね
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1 屋内測位ナビゲーション技術 GPS 電波の来ない建物内でも道案内屋外から屋内へシームレスナビ屋内ナビはなぜ難しいか屋内測位固有の技術紹介国立情報学研究所市民講座 ( 第 1 回 ) 2018 年 7 月 10 日国立情報学研究所教授橋爪宏達 has@nii.ac.jp 1

2 ドローン ( 自律飛行 ) 自動運転車ナビゲーション技術は必須自身の位置をどう知るか GPS (Global Positioning System) 全地球測位システム ( GNSS へ発展 ) 2

3 GPS の原理 T GPS 衛星は空飛ぶ時計 ( 原子時計 ) 各時刻の衛星軌道位置は既知 ( アルマナック ) 4 つの時刻から正しい時刻緯度経度高度を 4 未知数とした方程式を解く測位には最低 4 衛星必要精度の維持には 10 衛星近く利用できるとよい ( 数メートル ) の誤差 3

4 人工衛星による測位システム 1970 年代から計画開始 ( 米国軍事 ) 1993 年に 24 衛星を展開 2000 年に民間開放 ( 人工的な誤差廃止 ) 米国 (GPS) 32 機ロシア (GLONASS) 24 機 EU(Galileo) 12 機 2017 年 12 月中国 ( 北斗 BEIDOU) 23 機 GNSS (Global Navigation Satellite System) と総称右は 7 月 7 日の GNSS 受信例上空 ( 地平線上 ) にある 35 機中 26 機を使用して測位 ( 米国 11 ロシア 8 EU 6 日本 1) 4

5 ビルの谷間高層ビルの近辺では GPS の精度は急激に悪化し正しい位置を表示できないオクルージョン衛星電波がビルに遮られ利用できる衛星数が減少するマルチパス衛星からの直接電波とビル反射波が混じりあい衛星の見かけ位置が変化する 5

6 準天頂衛星システム (QZSS) 準天頂衛星初号機みちびき JAXA 2010 年に打ち上げ 2017 年に 3 機打ち上げ (4 機体制 ) 2020 に初号機の代替衛星を打ち上げ 2023 年に 3 機追加 (7 機体制 ) インドも 2016 年に準天頂衛星を打ち上げ (IRNSS) 長時間天頂付近にとどまるため GPS を補完して測位精度を改善できる引用内閣府みちびき技術資料 6

7 疑似衛星 (pseudolite) Pseudolite の屋内利用実験の例 ( ソウル大学 ) 屋内でも GPS を使えるとよいのだが Source: GNSS LABORATORY SEOUL NATIONAL UNIVERSITY 7

8 屋内での電波測位にはひどいマルチパスがつきまとう映画燃えよドラゴン (1973) にあった鏡の部屋の決闘のようなものどこに信号源があるかわからない 8

9 屋内測位 ( ナビゲーション ) の困難 GPS 電波は屋内には入らず別の信号を必要とする壁や調度品は電波などの信号の反射体でありマルチパスにより鏡の部屋にいるような混乱を生じる屋外より一般に複雑である家具調度の移動により形状は変動しやすい複数階層からなる 3 次元構造があるしかし屋外より高い計測ナビゲーション精度を要求される 9

10 多点測量 (multilateration) 電波 ( 毎秒 30 万キロ ) ないし音波 ( 毎秒 340 メートル ) の伝搬遅延計測 (TOF) による位置のわかった信号源 ( ビーコンマーカーないしアンカー ) を複数個使う絶対距離のわかる場合 ( 右 : TOA) と距離差だけわかる場合 ( 左 : TDOA) の 2 つの計測原理がある屋内で数センチメートルの測位精度を達成できる場合がある円双曲線 TOF: Time of Flight TOA: Time of Arrival TDOA: Time Difference of Arrival 10

11 受信信号強度法 (RSSI) Reciver Signal Strength Indicator 実験した部屋 (4 つのアンカー送信機を配置 ) と各アンカーの信号強度信号源から離れると強度は弱くなるという素朴な原理による電波や音波を使用できる特に無線 LAN のアクセスポイントと使うとオフィスでは手軽に利用可能オフィス家具などで変動するため事前に強度を測定して地図をつくる ( フィンガープリンティング ) 人が歩くだけで変わる一般に数メートルの精度 ( どの部屋にいるかわかるというくらい ) 11

12 建物の帯磁パターンによる D. Vandermeulen 他 Indoor localization Using a Magnetic Flux Dencity Map of a Building AMBIENT2013 より建物内部は地磁気のほか鉄骨や什器による特有の地場パターン ( 方向と強度 ) をもつパターンをフィンガープリントしておき計測と照合する歩いた経路現在位置などわかる ( 人工知能技術との組み合わせ ) スマホに地磁気センサーが内蔵されてにわかに注目地場パターンの安定性は未知数 12

13 スマホの力学センサーによる自律航法名古屋大学河口先生の資料より (UbiComp 学会の PDR チャレンジ ) 期待される精度は 200 メートル歩いて数メートル程度ときどき位置のわかっているマーカーと照合して校正する (ground truth) 13

14 ドコモ地図ナビ 2015 年 ~ docomo スマホ向け地図アプリだが屋内ナビのサービスあり ( 有料 / 月額 300 円 ) 全国 590 か所 ( 主要駅空港ショッピングセンターや地下街 ) で利用可能 ( 地図保有 ) 地上から歩きだし屋内は自律航法でガイド 14

15 SLAM ( 地図の自動生成 ) Simultaneous Localization And Mapping 多数の歩行者測位結果を集計して ( ロボットを能動的に動きまわらせることもある ) 環境地図を自動的に作る研究このほかレーザー光線を使う建物内部図生成や建物設計図からナビゲーション地図を合成する研究などもある地図はナビゲーション応用の基本 15

ibeacon Apple が 2013 年に商品化低電力 Bluetooth によるビーコン (RSSI) iphone で使えるほか仕様公開で誰でも作れる / 応用開発できる一台あたり 1,000 円 ~2,000 円数メートル以内への近接を感知ビーコン側でも顧客情報を収集可能

16 ibeacon Apple が 2013 年に商品化低電力 Bluetooth によるビーコン (RSSI) iphone で使えるほか仕様公開で誰でも作れる / 応用開発できる一台あたり 1,000 円 ~2,000 円数メートル以内への近接を感知ビーコン側でも顧客情報を収集可能 ( 双方向通信 ) A Mackey 他 Performance Evaluation of Beacons for Indoor Localization in Smart Buildings 2017 GlobalSIP より鳴り物入りで登場の割に普及はいまひとつか今後に期待 16

17 突撃取材! 屋内ナビゲーションは本当に使えるか???? 17

18 メトロ表参道駅で実験 (2017 年 2 月 ~3 月 ) 目標までの経路表示? NTT グループの画像認識 corevo 技術を利用 Itmedia 2017/02/01 articles/1702/01/news148.html 18

19 やっとみつけたポスター案内所の人もだれも知らない 19

20 1目的地を選んで2案内板を撮影3歩きだし経路を表示(間違いだった!)4よく見れば案内板位置が不明(選択あり)5配置図とよく見比べて選択(配置図の位置わかるなら苦労ないのでは?)6正しい(と思われる)歩きだし方向を表示20

21 道案内してくれない! けっきょく通常の表示をたよりに目的出口へ 21

22 外に出れば通常の GPS ナビに接続してくれますでも電池消耗は激しかった 22

23 Fast and Accurate Positioning Technique Using Ultrasonic Phase Accordance Method ( 超 ) 音波による伝搬遅延 (TOF) 計測距離 = - ( 送信時刻受信時刻 ) / 音速受信波形のゆがみは不可避で発生正確な距離測定を困難に accuracy ~ 10 cm. (f = 40kHz, λ = 8.5mm) 送信受信 Hiromichi HASHIZUME, NII

24 Hiromichi HASHIZUME, NII Fast and Accurate Positioning Technique Using Ultrasonic Phase Accordance Method 位相一致法 = われわれの発明した音響計測法 2ms Sync pattern = f1 + f2 (39.75kHz+40.25kHz) はじめからゆがんだ波形をつかって波形の腹 = いちばん振幅の大きい場所を計測

25 Fast and Accurate Positioning Technique Using Ultrasonic Phase Accordance Method 位相一致法 (2) T Signal detection s(t) = a1 sinω1t + a2 sinω2t Hiromichi HASHIZUME, NII

26 TENCON2005 Fast and Accurate Positioning Technique Using Ultrasonic Phase Accordance Method 位相一致法 (3) Hiromichi HASHIZUME, NII

27 Fast and Accurate Positioning Technique Using Ultrasonic Phase Accordance Method 実験 (2005 ころ ) Hiromichi HASHIZUME, NII

28 測定精度 3m + 20dig offset from center 最初の計測 3mで ± 0.2mm その後実験室で ±0.035mm 屋内音響計測での精度世界記録 28

29 超音波位相一致法によるガイド位相一致法の高い精度 (1mm 以内 ) を利用した三次元位置計測ユニットの開発設置時の測量を省略ユニットを壁や天井に置くだけセンサネットワーク技術によるロボットの誘導実験

30 ロボット誘導の実験結果台場未来館のデモ 2008 年 7 月 3m の距離において静的精度 ±3mm 動的精度 40~150mm ドップラー補正の必要性

31 スマホでの TDoA 測位 (2 次元 ) t 1 t 2 TDoA: time difference of arrival 31

32 2D TDoA localization results 32

33 TDoA vs ToA 33

34 ToA 測位への移行送信側との時刻同期が必要音と同時に光を発生させるそれをスマホカメラで撮影 ( 音動画 = 光 ) t 1 t 2 t 1 t 2 TDoA ToA 光は瞬時に音は遅れて到着時間差を動画カメラで検出必要な時間差検出精度 1/100,000 秒カメラの 1 コマは 1/60 秒どうする? 34

35 可視光通信技術 ( 例 ) カシオ picapicamera 点光源使用パナソニック Visible light ID 面光源使用 ( 全画面で撮影 ) ローリングシャッター効果の高速通信 IEEE ( 近距離無線通信 ) で規格化の試み速度向上がカギ 35

新しい可視光通信技術の発明 s0( 直流 ) sm/2( ナイキスト周波数 : mが偶数の場合のみ存在 ) にも振幅情報を乗せる m / 2 1 1 2 1 c( t) = s0 + sk cos(2π kt / Tq + sk ) + sm / 2 cos( πmt / Tq ) m m m k = 1

36 新しい可視光通信技術の発明 s0( 直流 ) sm/2( ナイキスト周波数 : mが偶数の場合のみ存在 ) にも振幅情報を乗せる m / c( t) = s0 + sk cos(2π kt / Tq + sk ) + sm / 2 cos( πmt / Tq ) m m m k = 1 光通信固有の技法新しい応用 m=3 で直流に 8 値 3 ビットを乗せたもの m と同じ 3 次元のコンステレーション図シンボルあたり 11 ビット伝送でき伝送速度は 220bps に増加従来の 10 倍以上の通信速度これを使って 1/ 秒単位の送受信機間時刻同期が可能 ToA 計測を実施 36

37 距離計測実験 ( 可視光通信を併用 ) iphone 7 Plus 照準 ( 光検出 ) スピーカまでの距離スピーカ (2 個 ) 測位結果実験協力秋山尚之国立情報学研究所橋爪研究室総合研究大学院大学 ( 総研大 ) 39

38 屋内測位国際学会 IPIN 2017 年 9 月北大開催世界から371 名参加 40

測量士補重要事項はじめに GNSS測量の基礎

測量士補重要事項はじめに GNSS測量の基礎 GNSS 測量の基礎 (1)GNSS とは GNSS(Global Navigation Satellite Systems: 全地球衛星航法 ( または測位 ) システム ) 測量とはいわゆるカーナビを想像すればよいつまり上空の衛星から発射される電波を受信する事により地上の位置を求める測量である衛星として代表的なものはアメリカの GPS 衛星であるがその他にも次のようなものがあるアメリカの