2013 Fiscal Year Research-status Report
センサネットワークに高精度超音波計測を導入した介護環境等での動き検知システム
Project/Area Number |
25420340
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Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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Research Institution | Kogakuin University |
Principal Investigator |
疋田 光孝 工学院大学, 公私立大学の部局等, 教授 (00407157)
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Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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Keywords | 超音波 / 超音波センサー / 動き検知 / 超音波モニター / 超音波距離計測 / 介護環境 / 介護環境モニター |
Research Abstract |
我々は、センサネットワークをベースに病院や要介護者住宅のモニターを超音波を用いて行う研究を進めている。病室における患者のモニターや独居老人の住状況のモニター等は今後益々重要になる。現在は主に、①起床時前後での家電器具の電源のON/OFFをモニターするなど極めて間接的な検知方法、②CCDカメラ等により病人や住人の動きを監視する極めて直接的な手法が採用されている。前者は精度的な面で課題が多く、後者はプライバシーの面で用途は限定される。本研究は、これ等の課題に解決を与える。ON/OFFモニターに比べ精度は極めて高く、CCDカメラに比べるとヒト等の動きは検知するが人物像は示さない。手段は新しい高精度な超音波距離計測法を応用するものである。センサノードの一部として超音波送受信機能を搭載し、一対のノード間でIFFT(Inverse Fast Fourier Transform)周波数に対応したCW超音波を送受信する。送信に対する受信超音波の相対振幅/相対位相を求めZigBee等でセンターノード(別電源で動作)へ送る。そこで一括IFFT処理を行うことにより、反射物体を介した送受信トランスデューサ(ノード)間のインルス応答を導出する。時間が若干異なる上記の2つのインパルス応答間の差を求めることで静止物体の影響を消去し、ヒト等の動きのみを抽出し、フォローする。シミュレーションと基礎実験により実現の可能性を示した。今後介護環境等を想定した実験系を構築し、更に具体的な評価を行う予定である。 従来のパルスエコー法による超音波距離計測の高精度化には、符合拡散方式、チャープ信号方式がある。しかし、どちらも送受信側で重い信号処理が必要で、電池1ケで数年の動作が要求されるセンサノードには採用出来ない。また、ヒト等の動きの検知には適用出来ない。従って、本研究はこれらの点からも非常に期待されるものである。
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Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
一対のノード間でIFFT周波数に対応したCW超音波を送受信し、送信に対する受信超音波の相対振幅/相対位相を求め、ZigBee等でセンターノード(別電源で動作)へ送る。そこで一括IFFT処理し、反射物体を介した送受信ノード間のインルス応答を導出する。2つのインパルス応答間の差から静止物体の影響を消去し、ヒト等の動きをモニターする。 20kHz以上の音波は可聴域の外にあり超音波と言われるが、その波長は17mm以下である。良く用いられる40kHzでは、波長は8.5mmと電波ではミリ波の領域に対応する。超音波の反射、散乱、回折等およびそれらによる減衰に関しては、電波と同様種々の検討が必要である。しかし、過去の研究例も含めて詳細は報告されていない。初年度は、ミリ波の車載レーダーの受信電力の概念を適用し、我々の提案の実現可能性をシミュレーションした。具体的には、部屋を想定し3~8mの間を歩くヒトを仮定した。部屋にはランダムな反射係数を有する50ケの反射物体を仮定し、天井に設置したセンサノード(1)から40kHzを中心周波数とするIFFTの周波数に対応する超音波を送信する。同様に天井に設置した別のセンサノード(2)で反射超音波を受信し、送受信間の振幅差と位相差を抽出するものである。これらのデータにIFFT処理を施しインパルス応答を求める。更に時間が異なるすなわちヒトが移動した状態で、上記の過程を繰り返し同様にインパルス応答を求める。これらのインパルス応答の差より、動きのない物体からのインパルス応答は互いに打消し合うことを利用し動きのあるヒトの情報のみ取り出した。シミュレーション結果は本提案をほぼ裏付ける結果を示し、実現性が十分あることを確認した。また、基礎的なレベルの実験ではあるが、提案の基本部分の実験も行いフィージビリティチェックした。
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Strategy for Future Research Activity |
複数の反射物体に対する若干時間の異なる距離計測結果の差より静止物体の影響を消去し、動く物体のみの検知を可能にする。各センサノードでは、送信波に対する受信波の相対振幅と位相をZigBeeでセンターノードへ送る。センターノードでは一括IFFT処理し、更に時間を追ってインパルス応答の差を蓄積する。これ等の差の変化からヒトなどの連続的な動きを特定する。40kHzを用いた簡易モデルによる原理裏付け実験もおこなった。移動可能な直径7cm長さ30cmの円柱を送受信トランスデューサ間距離が2~3mとなるように移動した結果、各インパルス応答の差から動きが検知出来ることが分かった。 IFFT処理は、専用アルゴリズムをマイクロプロセッサで演算する必要があり、電力も消費する。本研究では、極端な低消費電力化が要求されるセンサノードでは、ノード内のTCXO信号の分周で超音波の送信信号を生成する。受信信号の送信信号に対する相対振幅と位相の抽出は送信信号と受信信号の混合から得る。センサノードでは、信号生成、超音波の送受信、受信信号の相対振幅/位相の決定を行なうのみであり、極めて低消費電力化が可能である。IFFT処理、インパルス応答の差の導出およびデータの蓄積等は別電源で動作するセンターノードで行う。更にこれ等のセンターノードに集約されるデータの変化から要介護者等の動きをモニターし、最終的には動きのディスプレー表示も可能である。 前年度の基礎実験の結果測定精度、周囲雑音の問題が浮上して来ている。とくに周囲にある蛍光灯のインバータに起因する雑音の影響が大きいことも分かった。測定精度の向上にはロッキングアンプの導入、蛍光灯雑音の遮蔽には特に受信低雑音増幅器回りのシールドの向上で対処する予定である。平成26年度は、動き検知に主体を置き実際に複数の反射物体からの動きのみを抽出し、主に動き検知の原理を実証する。
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Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
平成26年3月に、海外(オーストラリアで開催)の学会で発表したため、旅費の見積もりが正確には出来ず、若干の残額が生じた。 次年度の消耗品購入の一部に組み入れる予定。
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Research Products
(8 results)