JP6191508B2

JP6191508B2 - 位置測定システム

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Publication number: JP6191508B2
Application number: JP2014040724A
Authority: JP
Inventors: 田口　信幸; 信幸田口
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-03-03
Filing date: 2014-03-03
Publication date: 2017-09-06
Anticipated expiration: 2034-03-03
Also published as: JP2015166685A

Description

本発明は、音波を用いて位置を測定する技術に関する。

従来、車両の位置を測定する技術としては、ＧＰＳ（Global Positioning System）等の人工衛星からの測位信号に基づいて位置を測定する技術が用いられることが一般的である。

ところで、位置を測定する技術としては、音波を用いた技術も知られている。特許文献１には、時刻同期がとれている複数の水中固定局から音波信号を発し、これを水中航走体に搭載された受信装置で受信し、音波信号が水中固定局から送信されてから受信装置で受信されるまでの送受信時間から算出される各水中固定局と受信装置との各距離に基づいて、受信装置（水中航走体）の位置を特定する技術（装置）が開示されている。つまり、特許文献１に記載の技術では、各水中固定局を中心とし、算出された距離を半径とした複数の仮想上の球面の交点が、受信装置（水中航走体）の位置として特定される。

特開平５−９３７７３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、音波信号を送信する送信装置を複数備える必要があるため、構成が複雑になるという問題があった。なお、特許文献１に記載の構成では、位置を測定される被測定系（水中航走体）が受信装置を備え、位置を測定する測定系（水中固定局）が送信装置を備えているが、これとは逆に、被測定系が送信装置を備え、測定系が受信装置を備える構成で、被測定系の位置を特定することも可能である。このようにすれば、音波信号を送信する送信装置については一つにすることができるものの、音波信号を受信する受信装置を複数備える必要があるため、やはり構成が複雑になってしまう。

発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、音波を用いた位置測定を簡単な構成で行うための技術を提供することを目的としている。

本発明の一側面は、移動体の走行路に設置され所定の位置測定用音波を送信する送信装置と、移動体に搭載され位置測定用音波を受信する受信装置と、を備える位置測定システムであって、受信装置が走行位置検出手段を備える。走行位置検出手段は、位置測定用音波の受信周波数が、移動体の走行に伴うドップラ効果により変化して所定の位置検出用周波数に等しくなったことを、走行路に沿った方向における所定の位置に当該受信装置が位置することとして検出する。

このような構成によれば、走行路に沿った方向における移動体の位置を受信周波数に基づいて特定することが可能となる。すなわち、走行路に沿った方向における移動体の位置の変化に伴い、送信装置と移動体との距離が変化すると、位置測定用音波の受信周波数がドップラ効果により変化するため、走行路に沿った方向における移動体の位置を受信周波数から特定することが可能となる。走行路の絶対位置は固定であるため、走行路に沿った方向における移動体の位置から、移動体の絶対位置を推定することができる。したがって、本発明では、送信装置及び受信装置を一つずつ用いた簡易な構成で、音波を用いて移動体の位置測定を行うことができる。

また、本発明の別の側面は、移動体に搭載され、移動体の走行路に設置される送信装置から送信される所定の位置測定用音波を受信する受信装置であって、走行位置検出手段を備える。走行位置検出手段は、位置測定用音波の受信周波数が、移動体の走行に伴うドップラ効果により変化して所定の位置検出用周波数に等しくなったことを、走行路に沿った方向における所定の位置に当該受信装置が位置することとして検出する。このような受信装置によれば、前述した位置測定システムを構築することができ、その結果、前述した効果を得ることができる。

なお、特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

位置測定システムの構成を示すブロック図である。音源装置の設置位置とスピーカの指向性を説明するための図である。（ａ）はスピーカに車両が近づくときのスピーカと車両との位置関係を示す図であり、（ｂ）はスピーカに対する車両の位置に応じて車両にて受信する位置測定用音波の周波数がドップラ効果により変化する様子を示す図である。位置推定処理のフローチャートである。距離算出処理のフローチャートである。距離算出を説明するための図であり、（ａ）は位置測定用音波の送信波形を示す図であり、（ｂ）は位置測定用音波の受信波形を示す図である。

以下、本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．構成］
図１に示す位置測定システム１は、走行路（本実施形態では道路）を走行している車両（本実施形態では自動車）の位置を音波を用いて測定するシステムであり、スピーカ２３から位置測定用音波を送信する音源装置２と、自車両３に搭載され、マイク１２で位置測定用音波を受信して自車両３の位置を測定する受信装置１０と、を備える。

音源装置２は、図２に示すように、自車両３が走行する走行路上に設置される。本実施形態では一例として、音源装置２は、トンネルを出た直後の走行路上に設置されている。図１に戻り、音源装置２は、ＧＰＳ受信機２１、音源制御部２２、及びスピーカ２３を備える。

ＧＰＳ受信機２１は、ＧＰＳ用の人工衛星からの送信信号を受信して高精度の時刻情報（絶対時刻）を取得し、この時刻情報を音源制御部２２へ出力する。
音源制御部２２は、周知のマイクロコンピュータを中心に構成されており、プログラムに従って、ＧＰＳ受信機２１で取得した時刻信号に基づき、あらかじめ決められた切り替えパターンに従って音波を生成する処理を実行する。本実施形態では一例として、所定の切り替え期間（０．０２ｓｅｃ）毎に異なる周波数（１０ｋＨｚ及び１２ｋＨｚ）の音波を交互に切り替えるように設定された切り替えパターンに従って音波が生成される（図６（ａ）参照）。生成された音波は、位置測定用音波としてスピーカ２３へ出力される。

スピーカ２３は、音源制御部２２から出力された位置測定用音波を増幅して音源装置２の外部へ送信する。本実施形態では一例として、音源装置２は、スピーカ２３のスピーカ面が走行路と平行となるように設置されており、スピーカ２３の指向性は、走行路に沿った方向に対して垂直な直線であって音源装置２のスピーカ２３を通る直線（測定直線という）Ｌを中心とした所定角度範囲内（±３５度）に定められている（図２参照）。

スピーカ２３の指向性、及び位置測定用音波の切り替え期間は、次に示すようにして設定される。
（１）スピーカ２３の指向性
走行車線（複数車線がある場合、スピーカ２３に最も近い車線）を走行中の自車両３（車幅２ｍと仮定）の左側面に、位置測定用音波を受信するマイク１２があると仮定し、マイク１２は走行路端から０．７５ｍの位置にあると仮定する（走行路幅を３．５ｍ、自車両３の幅を２ｍと仮定し、自車両３が走行路中央を走行すると仮定している）。スピーカ２３は、路側帯を挟んで走行路端から１ｍの位置にあると仮定する。すなわち、自車両３に搭載されたマイク１２が測定直線Ｌ上に位置するときのスピーカ２３とマイク１２との距離ａは、１．７５ｍであると仮定する。

次に、自車両３の走行速度を、計算上、車両の設計上の最高速度より高い時速２００ｋｍと仮定する。本実施形態では、自車両３（マイク１２）が、可聴領域すなわちスピーカ２３の指向範囲に入ってから、測定直線Ｌ上に位置するまでの時間に、少なくとも１回の周波数切替タイミング（位置測定用音波の周波数が切り替わるタイミング）が含まれるように、スピーカ２３の指向性が設定される。時速２００ｋｍで走行する自車両３は０．０２ｓｅｃで１．１２ｍ進むため、図２における距離ｂを、１．１２ｍとする。

そして、図２における指向角度δの算出値に基づいて、スピーカ２３の指向性を、測定直線Ｌを中心とした±３５度の範囲に設定する。これにより、時速２００ｋｍ以下で走行路を走行した場合、測定直線Ｌに到達するまでに、位置測定用音波の切り替えタイミングを少なくとも１回は含んだ位置測定用音波が自車両３（マイク１２）にて受信される。なお、本実施形態で設定したスピーカ２３の指向性は、あくまで一例であり、所定の各種条件に応じて任意に設定されてよい。

（２）位置測定用音波の切り替え期間
位置測定用音波の切り替え期間は、本実施形態では一例として、切り替え期間に音波が進む距離が、走行車線（複数車線がある場合、スピーカ２３に最も遠い車線）を走行する自車両３のマイク１２の位置が測定直線Ｌ上に位置したときのスピーカ２３からマイク１２までの距離以上となるように設定されている。すなわち、例えば図２に示すような走行路においては、切り替え期間に音波が進む距離（音速を秒速３４０ｍとしたときに、０．０２ｓｅｃで６．８ｍとする）が、走行路端からスピーカ２３までの距離（１ｍ）、左側車線の車線幅（３．５ｍ）、及び、車線の区画線と右側車線を走行する自車両３のマイク１２との距離（（１）と同様に０．７５ｍと仮定する）の合計値以上となるように、切り替え期間が設定されている。なお、本実施形態で設定した切り替え期間は、あくまで一例であり、所定の各種条件に応じて任意に設定されてよい。

ところで、音源装置２（スピーカ２３）から送信される位置測定用音波の周波数は、ドップラ効果によって、音源装置２（スピーカ２３）から送信される位置測定用音波の周波数とは異なる周波数で、自車両３にて受信されうる。

図３（ａ）に示すように、走行路に沿った方向に対して垂直な直線であって音源（スピーカ２３）を通る測定直線Ｌに向かって車速ｕで自車両３が走行している場合、自車両３にて受信される位置測定用音波の周波数ｆは、周知のように（１）式によって表される。

ｆ₀はスピーカ２３から送信される位置測定用音波の周波数であり、Ｖは音速である。なお、音速Ｖ（ｍ／ｓｅｃ）は、気温ｔ（℃）に従って（２）式により表されるものとする。

つまり、自車両３にて受信される音波の周波数ｆは、図３（ｂ）に示すように、角度θ、すなわち、そのときの走行路上の自車両３の位置に応じて変化する。ここで、角度θがπ／２ｒａｄのとき、すなわち、測定直線Ｌ上に自車両３（マイク１２）が位置するときは、スピーカ２３から送信された位置測定用音波ｆ₀と同一の周波数の音波が自車両３（マイク１２）にて受信される。一方、角度θが０からπ／２ｒａｄへ変化しているとき、すなわち自車両３が測定直線Ｌへ近づいて行く場合は、そのときの走行路上の自車両３の位置に応じて、自車両３にて受信される位置測定用音波の周波数ｆは、ｆ₀（Ｖ＋ｕｃｏｓθ）／Ｖを最大値としてｆ₀まで次第に低くなるように変化する。

本実施形態では、位置測定用音波の周波数は１０ｋＨｚと１２ｋＨｚとに設定されており、自車両３が測定直線Ｌへ近づいて行く場合に、それぞれの周波数がドップラ効果によりとりうる周波数範囲は（１）式により把握される。例えば、自車両３が測定直線Ｌへ近づいて行く場合に、周波数が１０ｋＨｚの位置測定用音波がドップラ効果によりとりうる範囲は約１１．６ｋＨｚ〜１０ｋＨｚであり、周波数が１２ｋＨｚの位置測定用音波がドップラ効果によりとりうる範囲は約１３．９ｋＨｚ〜１２ｋＨｚであり、ともに、自車両３が測定直線Ｌへ近づくにつれて次第に低くなるように変換する。つまり、ドップラ効果によりとりうる周波数（ドップラ周波数というものとする）は変化するが、１２ｋＨｚの位置測定用音波が、１０ｋＨｚの位置測定用音波と比べて、常に高いドップラ周波数で推移する傾向に変わりは無い。

また例えば、自車両３が測定直線Ｌから遠ざかる場合は、ドップラ周波数は自車両３が測定直線Ｌから遠ざかるにつれて次第に低くなるように変化する。この場合、周波数が１０ｋＨｚの位置測定用音波がドップラ効果によりとりうる範囲は約１０ｋＨｚ〜８．４ｋＨｚであり、周波数が１２ｋＨｚの位置測定用音波がドップラ効果によりとりうる範囲は約１２ｋＨｚ〜１０．１ｋＨｚである。１２ｋＨｚの位置測定用音波が、１０ｋＨｚの位置測定用音波と比べて、常に高いドップラ周波数で推移する傾向は、同様である。

ここで、複数種類の送信周波数（ここでは、１０ｋＨｚ及び１２ｋＨｚ）のうちいずれかに切り替えられる位置測定用音波を用いた場合、測定直線Ｌ上において受信周波数がドップラ効果によって一方の送信周波数（例えば１０ｋＨｚ）に等しくなったとする。このような場合、この測定直線Ｌ上において他方の送信周波数（１２ｋＨｚ）がドップラ効果によって一方の送信周波数（１０ｋＨｚ）に変化するわけでは無い。

すなわち、自車両３が測定直線Ｌ上に位置するときに一方の送信周波数（１０ｋＨｚ）に等しい音波を受信した場合は、音源装置２から一方の送信周波数（１０ｋＨｚ）の位置測定用音波が送信されているときであるといえる。同様に、自車両３が測定直線Ｌ上に位置するときに他方の送信周波数（１２ｋＨｚ）に等しい音波を受信した場合は、音源装置２から他方の周波数（１２ｋＨｚ）の位置測定用音波が送信されているときであるといえる。なお、本実施形態で設定した位置測定用音波の周波数（１０ｋＨｚ、１２ｋＨｚ）は、あくまで一例であり、所定の各種条件に応じて任意に設定されてよい。

図１に戻り、受信装置１０は、ＧＰＳ受信機１１、マイク１２、地図データベース（地図ＤＢ）１３、スピーカ位置データベース（スピーカ位置ＤＢ）１４、音波測定データベース１５（測定用音波ＤＢ）１５、温度センサ１６、位置検出部１７、表示部１８、及び測定制御部１９を備える。

ＧＰＳ受信機１１は、音源装置２のＧＰＳ受信機２１と同様に、ＧＰＳ用の人工衛星からの送信信号を受信し、高精度の時刻情報を取得するとともに、自車両（当該受信装置１０が搭載された車両）３の絶対位置（緯度、経度及び高度）を測定する。時刻情報及び自車両３の絶対位置は測定制御部１９へ出力される。本実施形態では一例として、ＧＰＳ受信機１１は自車両３のフロントガラス内面（ルーフ側）に設置されており、このＧＰＳ受信機１１の絶対位置（より正確には、ＧＰＳ受信機１１のＧＰＳ受信アンテナの絶対位置）が自車両３の絶対位置として検出される。

マイク１２は、本実施形態では一例として、自車両３のボンネットの前方中央付近に設置されており、受信した音波を測定制御部１９へ出力する。
地図データベース（地図ＤＢ）１３、スピーカ位置データベース（スピーカ位置ＤＢ）１４、及び音波測定データベース（音波測定ＤＢ）１５は、フラッシュＲＯＭ等の書き換え可能な記憶装置である。

地図データベース１３は、自車両の走行可能な道路（走行路）が示された地図を表す地図データを記憶している。
スピーカ位置データベース１４は、音源装置２（スピーカ２３）の絶対位置と、その音源装置２（スピーカ２３）に対して走行路が位置する絶対方位とを記憶している。ここでいう絶対方位は、例えば東西に延びる走行路上に音源装置２（スピーカ２３）が設置されている場合であれば、音源装置２（スピーカ２３）に対して走行路の位置する方位が南または北のいずれであるのかを示す情報である。

音波測定データベース１５は、音源装置２（スピーカ２３）から送信される位置測定用音波の送信周波数と、切り替えパターンと、切り替えタイミングの絶対時刻とが把握できるようなデータを記憶している。例えば、このデータは、音源装置２（スピーカ２３）から、ある基準時刻を基点に、どのようなパターンで、位置測定用音波が送信されるか、を示すデータであればよい。これにより、このデータを用いて、音源装置２（スピーカ２３）から送信された位置測定用音波において、切り替えタイミングの絶対時刻を把握することができる。なお、音波測定データベース１５は、これらの他に、後述するように、送信遅延時間、受信遅延時間、及び自車両３におけるマイク１２の位置に対してＧＰＳ受信機１１の位置がどちら側にどの程度ずれているのかを示す情報を記憶している。

温度センサ１６は、外気温を検出し、検出結果を測定制御部１９へ出力する。
位置検出部１７は、ジャイロスコープ７１、車速センサ７２、及びＧセンサ７３を備える。

ジャイロスコープ７１は、自車両３に加えられる回転運動の大きさを検出し、検出結果を測定制御部１９へ出力する。
車速センサ７２は、自車両３の車軸に取り付けられたパルス発生器から出力される単位時間当たりのパルス数に基づいて当該車軸の回転速度を検出し、検出した回転速度に基づいて自車両３の速度を算出し、算出結果を測定制御部１９へ出力する。

Ｇセンサ７３は、自車両３の前後方向の加速度を検出し、検出結果を測定制御部１９へ出力する。
表示部１８は、表示画面に、例えば、地図データベース１３から入力された地図データに基づく地図画像と、当該地図画像上に重畳して表示される自車位置を示すマークと、を表示する。

測定制御部１９は、ＣＰＵ９１、ＲＯＭ９２、ＲＡＭ９３を中心とする周知のマイクロコンピュータを中心に構成されている。測定制御部１９（具体的にはＣＰＵ９１）は、ＲＯＭ９２に記憶されたプログラムに基づいて各種処理を実行する。

測定制御部１９は、例えば、自車位置付近の地図を表す地図データを地図データベース１３から読み込んで表示部１８に表示する処理や、当該地図に自車位置を示すマークを表示する処理等を実行する。また、測定制御部１９は、位置検出部１７からの各検出信号に基づいて、周知の自律航法によって自車位置を算出する処理を実行する。

位置検出部１７が備える各自律センサ（ジャイロスコープ７１、車速センサ７２、及びＧセンサ７３）の検出信号（出力値）には誤差が含まれるため、自律航法では、走行距離の増加に伴ってこれらの誤差が積算される。この結果、周知のように、自律航法に基づく算出自車位置と、実際の（真の）自車位置とのずれ（検出誤差）が大きくなる。

そこで、測定制御部１９は、所定の周期で、ＧＰＳ用の人工衛星からの測位信号に基づいて算出自車位置を補正する処理を実行している。また、自車両３が音源装置２を通過する際には、次に説明する位置推定処理を実行し、算出自車位置の補正を行っている。

［２．処理］
次に、測定制御部１９が実行する位置推定処理について、図４のフローチャートを用いて説明する。なお、図４に示す処理は、ＡＣＣスイッチがオンされている間、繰り返し実行される。

はじめに、Ｓ（ステップ）１００では、ＧＰＳ受信機１１から時刻情報を取得する。本実施形態では、音源装置２もＧＰＳ受信機２１を用いて時刻情報を取得しており、本ステップにてＧＰＳ受信機１１を用いて時刻情報を取得することにより、音源装置２と受信装置１０との時刻同期（誤差が１０^-6ｓｅｃ以下）が行われる。

続くＳ１０５では、地図データベース１３及びスピーカ位置データベース１４を用いて、自車両３が自車位置（自律航法に基づく算出自車位置）から道なりに進むと仮定した場合の走行予定経路上であって、算出自車位置から最も近くに位置するスピーカ２３を特定し、このスピーカ２３までの距離が所定距離未満であるか否かを判定する。ここで所定距離以上であると判定された場合はＳ１００へ移行し、所定距離未満であると判定された場合はＳ１１０へ移行する。

Ｓ１１０では、音源装置２（スピーカ２３）からの位置測定用音波をマイク１２で受信したか否かを判定する。ここで、位置測定用音波を受信していなければＳ１００へ移行し、位置測定用音波を受信していたらＳ１１５へ移行する。

Ｓ１１５では、マイク１２で受信した位置測定用音波の受信周波数が、所定の位置検出用周波数に一致したか否かを判断する。ここで所定の位置検出周波数に一致した場合にＳ１２５へ移行し、一致しなかった場合にＳ１２０へ移行する。

Ｓ１２０では、音源装置２（スピーカ２３）を通り過ぎたか否かを判断する。本実施形態では一例として、受信周波数が所定の位置検出周波数より低い場合に、音源装置２（スピーカ２３）を通り過ぎたと判断する。なお、音源装置２（スピーカ２３）を通り過ぎたか否かは、音源装置２（スピーカ２３）までの距離に基づいて判断する等、種々の方法により判断されてよい。

ここで音源装置２（スピーカ２３）を通り過ぎたと判断された場合はＳ１００へ移行し、通り過ぎていないと判断された場合はＳ１１５へ移行する。すなわち、音源装置２（スピーカ２３）までの距離が所定距離未満（Ｓ１０５；ＹＥＳ）となり、且つ、音源装置２（スピーカ２３）より位置検出用音波を受信（Ｓ１１０；ＹＥＳ）してからは、音源装置２（スピーカ２３）を通り過ぎていないと判断（Ｓ１２０；ＮＯ）されている間、受信周波数が所定の位置検出用周波数に一致したか否かの判断（Ｓ１１５）を繰り返し実行する。

前述のＳ１１５で受信周波数が所定の位置検出周波数に一致した場合に移行するＳ１２５では、受信周波数が位置検出用周波数に一致したときの絶対時刻（測定用受信時刻）ｔ_Rf0を取得し、Ｓ１３０へ移行する。位置検出用周波数は、本実施形態では一例として、音源装置２（スピーカ２３）から送信される位置測定用音波の送信周波数、すなわち、音波測定データベース１５に記憶されている位置測定用音波の送信周波数（１０ｋＨｚと１２ｋＨｚ）に設定されている。

Ｓ１３０では温度センサ１６の検出結果を取得する。
続くＳ１３５では、Ｓ１３０で取得した温度センサ１６の検出結果から外気温を推定し、前述の（２）式に従って、推定された外気温における音速を算出する。

次にＳ１４０では、音源装置２において、位置測定用音波が音源制御部２２にて生成されてからスピーカ２３より外部に送信されるまでの時間（送信遅延時間という）と、位置測定用音波がマイク１２にて受信されてから測定制御部１９に入力されるまでの時間（受信遅延時間という）とを、音波測定データベース１５から取得する。

続くＳ１４５では、Ｓ１２５で取得した測定用受信時刻ｔ_Rf0と、Ｓ１３５で算出した音速と、Ｓ１４０で取得した送信遅延時間及び受信遅延時間とを用いて、後述する距離算出処理を実行する。距離算出処理では、位置測定用音波の受信周波数が、自車両３の走行に伴うドップラ効果により変化して位置検出用周波数に等しくなったことを、走行路に沿った方向における所定の位置に自車両３（マイク１２）が位置することとして検出する。本実施形態では一例として、位置測定用音波の受信周波数が位置測定用音波の送信周波数（１０ｋＨｚ、又は１２ｋＨｚ）に等しくなったことを、測定直線Ｌ上に自車両３（マイク１２）が位置することとして検出する。また、距離算出処理では、音源装置２（スピーカ２３）から自車両３（マイク１２）までの距離を算出し、音源装置２（スピーカ２３）に対する自車両３（マイク１２）の相対位置を特定する。

次にＳ１５０では、音源装置２（スピーカ２３）の絶対位置と、Ｓ１４５の算出結果とを用いて、マイク１２の絶対位置を算出する。
続くＳ１５５では、Ｓ１５０で算出されたマイク１２の絶対位置を用いて、自車両３の位置を算出する。すなわち、ＧＰＳ衛星等の測位衛星からの測位信号に基づいて自車両３の位置が測定される場合の自車両３の位置はＧＰＳ受信機１１の絶対位置に等しく、前述のようにＧＰＳ受信機１１とマイク１２とは離れた位置に設けられているため、本ステップでは、Ｓ１５０で算出されたマイク１２の絶対位置をＧＰＳ受信機１１の絶対位置に変換する補正を行う。本実施形態では一例として、自車両３におけるマイク１２の位置に対してＧＰＳ受信機１１の位置がどちら側にどの程度ずれているのかを示す情報が音波測定データベース１５に記憶されており、この情報を用いてマイク１２の絶対位置をＧＰＳ受信機１１の絶対位置に変換する補正を行う。そして、このＧＰＳ受信機１１の絶対位置を自車両３の絶対位置として記憶装置（例えばＲＡＭ９３）に記憶し、本ステップの処理を終了して、Ｓ１００へ移行する。以後、同様の処理を繰り返す。

次に、位置推定処理のＳ１４５で実行する距離算出処理について、図５に示すフローチャートを用いて説明する。
Ｓ２０５では、図６（ｂ）に示すように、位置測定用音波の受信周波数が位置検出用周波数（ここでは、一例として１０ｋＨｚとする）に等しくなったときに受信装置１０が受信した位置測定用音波の切り替えパターンにおいて、測定用受信時刻ｔ_Rf0の直前の切り替えタイミング時刻ｔ_R0に相当する点（受信切り替え点）Ａから、測定用受信時刻ｔ_Rf0に相当する点（受信タイミング点）Ｒまでの、波の数Ｐを検出する。位置検出用周波数が１０ｋＨｚのときは切り替え期間である０．０２ｓｅｃ間の波の数は２００波であり、位置検出用周波数が１２ｋＨｚのときは２４０波である。

なお、図６（ｂ）に示すように、前述のドップラ効果により、位置測定用音波の受信周波数が測定用受信時刻ｔ_Rf0に一致する前は、位置測定用音波の受信周波数ｆは位置検出用周波数（１０ｋＨｚ）より高い周波数（ｆ＞１０ｋＨｚ）となる。また、位置測定用音波の受信周波数が測定用受信時刻ｔ_Rf0に一致した後は、位置測定用音波の受信周波数ｆは位置検出用周波数（１０ｋＨｚ）より低い周波数（ｆ＜１０ｋＨｚ）となる。

次にＳ２１０では、位置測定用音波の切り替えパターンにおける測定用受信時刻ｔ_Rf0に相当する受信タイミング点Ｒが音源装置２で送信された時刻ｔ_Tf0（測定用送信時刻）を算出する。すなわち、図６（ａ）に示すように、音源装置２（スピーカ２３）で送信された位置測定用音波の切り替えパターンにおいて、測定用受信時刻ｔ_Rf0の直前の切り替えタイミング時刻ｔ_R0に相当する送信側の切り替えタイミング時刻ｔ_T0は、音波測定データベース１５に記憶されているデータに基づいて特定することができる。ここで、一例として、前述のように受信周波数ｆが位置検出用周波数（１０ｋＨｚ）に等しくなったときに、Ｓ２０５で検出された波の数Ｐが６０＋１／４波であったとすると、測定用送信時刻ｔ_Tf0は、（３）式により算出される。

Ｓ２１５では、測定用送信時刻ｔ_Tf0と測定用受信時刻ｔ_Rf0との差分を遅延時間ＳＤとして算出する。
続くＳ２２０では、位置推定処理のＳ１４０で取得した送信遅延時間及び受信遅延時間をＳ２１５で算出した遅延時間ＳＤから減算して、遅延時間ＳＤを送受信時間差ＨＤに補正する。つまり、Ｓ２１５で算出した遅延時間ＳＤは、厳密にいうと、音源装置２の音源制御部２２にて検出された測定用送信時刻ｔ_Tf0と受信装置１０の測定制御部１９にて測定用受信時刻ｔ_Rf0との差分であるため、音波がスピーカ２３からマイク１２まで到達する時間に、音波が音源制御部２２からスピーカ２３まで到達する時間（送信遅延時間）と、音波がマイク１２から測定制御部１９に到達する時間（受信遅延時間）とを含んだ値となっている。そこで、本ステップでは、前述のように、送信遅延時間及び受信遅延時間を減算することによって、遅延時間ＳＤを、音波がスピーカ２３からマイク１２まで到達する時間（送受信時間差ＨＤ）に補正する。

次にＳ２２５では、ステップＳ２２０で補正された送受信時間差ＨＤと、位置推定処理のＳ１３５で算出した音速とを乗算して、スピーカ２３とマイク１２との距離ｄを算出する。

続くＳ２３０では、走行路に沿った方向におけるマイク１２の位置と、Ｓ２２５により算出されたスピーカ２３とマイク１２との距離ｄと、に基づいて、スピーカ２３に対するマイク１２の相対位置を特定する。つまり、本実施形態では、マイク１２の位置が走行路に沿った方向に対して垂直な直線であってスピーカ２３を通る測定直線Ｌ上であることと、スピーカ２３からこのマイク１２までの距離ｄとに基づいて、スピーカ２３に対するマイク１２の相対位置が特定される。

［３．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
［３Ａ］測定制御部１９は、位置測定用音波の受信周波数が、自車両３の走行に伴うドップラ効果により変化して所定の位置検出用周波数に等しくなったことを、走行路に沿った方向における所定の位置に受信装置１０が位置することとして検出する（Ｓ１４５）。

このような構成では、走行路に沿った方向における自車両３の位置を受信周波数に基づいて特定することが可能となる。すなわち、自車両３が走行路に沿って走行している状態において、走行路に沿った方向における自車両３の位置の変化に伴い、音源装置２（スピーカ２３）と受信装置１０（マイク１２）との距離が変化すると、位置測定用音波の受信周波数がドップラ効果により変化する。このため、走行路に沿った方向における自車両３の位置を受信周波数から特定することができる。したがって、音源装置２及び受信装置１０を一つずつ用いた簡易な構成で、音波を用いて自車両３の位置測定を行うことができる。

［３Ｂ］位置検出用周波数は、位置測定用音波の送信周波数（本実施形態では、一例として、１０ｋＨｚ、及び１２ｋＨｚ）である。また、測定制御部１９は、受信周波数が位置測定用音波の送信周波数に等しくなったことを、走行路に沿った方向に対して垂直な直線であって、音源装置２のスピーカ２３を通る測定直線Ｌ上に、受信装置１０（マイク１２）が位置することとして検出する（Ｓ１４５）。

前述のように、位置測定用音波の受信周波数は、走行路に沿った方向における受信装置１０の位置に応じて変化し得る。例えば、受信装置１０が音源装置２に近づいた後に遠ざかる過程において、受信周波数は、ドップラ効果により変化し、受信装置１０と音源装置２との距離が最短となる時点で、すなわち受信装置１０が測定直線Ｌ上に位置する時点（受信装置１０が音源装置２の真正面に位置する時点）で、送信周波数（位置測定用音波の本来の周波数）に等しくなる。つまり、このときの受信周波数は、自車両３の速度に関係無く算出される（（１）式参照）。

したがって、受信周波数が位置測定用音波の送信周波数に等しくなったことを測定直線Ｌ上に受信装置１０（マイク１２）が位置することとして検出する本実施形態では、自車両３の速度を検出すること無しに、自車両３の絶対位置を推定することができる。この結果、位置測定システム１における受信装置１０の構成を簡易なものとすることができる。

［３Ｃ］位置測定用音波は、時刻情報に基づく所定のパターンで変化するように、音源装置２から送信される。受信装置１０は、音源装置２が用いる時刻情報と同じ時刻情報を用いて、位置測定用音波のパターンに基づいて測定用受信時刻を検出し、検出した測定用受信時刻から測定用送信時刻を推定し、これらの差分を用いて音源装置２との距離を算出する（Ｓ２２５）。そして、受信装置１０が測定直線Ｌ上に位置することと、算出した距離とに基づいて、音源装置２に対する受信装置１０の相対位置が特定される（Ｓ２３０）。このような構成では、音源装置２（スピーカ２３）の絶対位置をあらかじめ把握しておくことで、特定された相対位置に基づいて、受信装置１０（マイク１２）の絶対位置、ひいては自車両３の絶対位置を精度良く推定することができる。

なお、本実施形態では、音源装置２が「送信装置」としての一例に相当し、ＧＰＳ受信機２１が「取得手段」としての一例に相当し、スピーカ２３が「送信手段」としての一例に相当し、自車両３が「移動体」としての一例に相当する。また、Ｓ１４５が「走行位置検出手段」としての処理の一例に相当し、Ｓ１００が「取得処理手段」としての処理の一例に相当し、Ｓ２２５が「距離算出手段」としての処理の一例に相当し、Ｓ２３０が「相対位置特定手段」としての処理の一例に相当する。また、時刻情報が「時刻信号」としての一例に相当する。

［４．他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態をとり得ることは言うまでもない。

［４Ａ］上記実施形態では、複数種類の位置測定用音波の送信周波数（１０ｋＨｚ、１２ｋＨｚ）は、ドップラ効果によって一方の送信周波数（１０ｋＨｚ）のとり得る周波数範囲と、他方の送信周波数（１２ｋＨｚ）のとり得る範囲とが一部重なっていたが、これに限るものではない。例えば、複数種類の位置測定用音波の送信周波数は、一方の位置測定用音波がドップラ効果によりとり得る周波数範囲と、他方の位置測定用音波がドップラ効果によりとり得る周波数範囲とが、互い重ならないように設定されていてもよい。

［４Ｂ］上記実施形態では、位置測定用音波は、時刻情報に基づく所定のタイミングで２種類の周波数の音波を交互に切り替えるように設定されていたが、これに限らず、３種類以上の周波数の音波を交互に切り替えるように設定されていてもよい。また、位置測定用音波は、時刻情報に基づく所定のタイミングで、複数種類の強度のうちのいずれかに切り替えられるような音波であってもよい。

［４Ｃ］上記実施形態では、音源装置２は、トンネルを出た直後の走行路上に設置されていたが、これに限らず、例えば高架下などに設置されていてもよい。また、音源装置２は、位置測定用音波を常時送信するように構成されていたが、これに限らない。例えば、音源装置２は、音源装置２から所定距離以内に車両が近づいたことをきっかけとして、位置測定用音波を送信するものであってもよい。

［４Ｄ］上記実施形態では、受信周波数が所定の位置検出用周波数、すなわち位置測定用音波の送信周波数に等しくなったことを、測定直線Ｌ上に受信装置１０（マイク１２）が位置することとして検出したが、これに限らず、位置検出用周波数は、位置測定用音波の送信周波数がドップラ効果によってとり得る範囲の任意の値に設定してよい。ただし、（１）式及び図（ｂ）より明らかであるように、前後の周波数と区別するために、位置検出用周波数は、ドップラ効果による周波数変化の割合が大きい、角度θがπ／２ｒａｄ付近の値となるような周波数であることがより望ましい。

［４Ｅ］上記実施形態では、測定直線Ｌ上に自車両３（受信装置１０のマイク１２）が位置することが検出された場合に、このときの位置測定用音波の遅延時間ＳＤに基づいてスピーカ２３とマイク１２との距離ｄを算出して受信装置１０（マイク１２）の音源装置２（スピーカ２３）に対する相対位置を推定していたが、これに限らず、スピーカ２３とマイク１２との距離ｄを所定の固定値に設定してもよい。例えば、図２に示すような走行路を自車両３が走行している場合、自車両３が走行している走行路の中央に受信装置１０（マイク１２）が位置していると仮定して、スピーカ２３とマイク１２との距離ｄを４．５ｍに設定してもよい。または、自車両３が走行している道路の中央に自車両３が位置していると仮定して、スピーカ２３と自車両３との距離を所定の固定値に設定してもよい（すなわち、例えば図２に示すような走行路を走行している場合であれば、スピーカ２３と自車両３との距離を４．５ｍに設定してもよい）。これにより、位置測定用音波の遅延時間ＳＤに基づいて算出する場合と比べると精度は落ちるが、ＧＰＳ等の人工衛星からの測位信号に基づいて位置を測定する場合と比べると同等かそれ以上の精度で、自車両３の絶対位置を推定することができる。

［４Ｆ］上記実施形態では、位置測定システム１は、道路上を走行する自動車の位置を測定するものであったが、これに限らず、例えば、線路上を走行する電車の位置を測定するものであってもよい。

［４Ｇ］上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を、課題を解決できる限りにおいて省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。

［４Ｈ］本発明は、前述した位置測定システム１及び受信装置１０の他、当該装置１０としてコンピュータを機能させるためのプログラム、このプログラムを記録した媒体、位置測定方法など、種々の形態で実現することができる。

１…位置測定システム２…音源装置３…自車両１０…受信装置１１…ＧＰＳ受信機１９…測定制御部２１…ＧＰＳ受信機２３…スピーカ９１…ＣＰＵ９２…ＲＯＭ９３…ＲＡＭ。

Claims

移動体の走行路に設置され所定の位置測定用音波を送信する送信装置（２）と、前記移動体に搭載され前記位置測定用音波を受信する受信装置（１０）と、を備える位置測定システム（１）であって、
前記送信装置は、
時刻同期を行うための時刻信号を取得する取得手段（２１）と、
前記時刻信号に基づく所定のパターンで周波数が変化する音波であって、前記周波数が複数の異なる周波数のうちのいずれかに変化する音波を、前記位置測定用音波として送信する送信手段（２３）と、
を備え、
前記受信装置は、
前記時刻信号を取得する処理を行う取得処理手段（Ｓ１００）と、
前記位置測定用音波の受信周波数が、前記移動体の走行に伴うドップラ効果により変化して所定の位置検出用周波数に等しくなったことを、前記走行路に沿った方向における所定の位置に当該受信装置が位置することとして検出する走行位置検出手段（Ｓ１４５）と、
前記位置測定用音波の受信周波数が前記位置検出用周波数に等しくなった時刻である測定用受信時刻と、前記位置測定用音波の前記パターンにおける前記測定用受信時刻に相当する点が前記送信装置で送信された時刻である測定用送信時刻との差分を、前記送信装置との距離として算出する距離算出手段（Ｓ２２５）と、
前記走行位置検出手段により検出された前記走行路に沿った方向における前記受信装置の位置と、前記距離算出手段により算出された前記送信装置と前記受信装置との距離と、に基づいて前記送信装置に対する前記受信装置の相対位置を特定する相対位置特定手段（Ｓ２３０）と、を備える
ことを特徴とする位置測定システム。
請求項１に記載の位置測定システムであって、
前記位置検出用周波数は、前記位置測定用音波の送信周波数であり、
前記走行位置検出手段は、前記受信周波数が前記位置測定用音波の送信周波数に等しくなったことを、前記走行路に沿った方向に対して垂直な直線であって前記送信装置の音源を通る直線上に前記受信装置が位置することとして検出する
ことを特徴とする位置測定システム。
請求項２に記載の位置測定システムであって、
前記送信手段は、前記時刻信号に基づく所定のタイミングで複数種類の周波数のうちのいずれかに切り替えられる音波を、前記位置測定用音波として送信する
ことを特徴とする位置測定システム。
移動体に搭載され、前記移動体の走行路に設置される送信装置（２０）から送信される所定の位置測定用音波を受信する受信装置（１０）であって、
前記送信装置は、
時刻同期を行うための時刻信号を取得する取得手段（２１）と、
前記時刻信号に基づく所定のパターンで周波数が変化する音波であって、前記周波数が複数の異なる周波数のうちのいずれかに変化する音波を、前記位置測定用音波として送信する送信手段（２３）と、
を備え、
当該受信装置は、
前記時刻信号を取得する処理を行う取得処理手段（Ｓ１００）と、
前記位置測定用音波の受信周波数が、前記移動体の走行に伴うドップラ効果により変化して所定の位置検出用周波数に等しくなったことを、前記走行路に沿った方向における所定の位置に当該受信装置が位置することとして検出する走行位置検出手段（Ｓ１４５）と、
前記位置測定用音波の受信周波数が前記位置検出用周波数に等しくなった時刻である測定用受信時刻と、前記位置測定用音波の前記パターンにおける前記測定用受信時刻に相当する点が前記送信装置で送信された時刻である測定用送信時刻との差分を、前記送信装置との距離として算出する距離算出手段（Ｓ２２５）と、
前記走行位置検出手段により検出された前記走行路に沿った方向における前記受信装置の位置と、前記距離算出手段により算出された前記送信装置と前記受信装置との距離と、に基づいて前記送信装置に対する前記受信装置の相対位置を特定する相対位置特定手段（Ｓ２３０）と、を備える
ことを特徴とする受信装置。