屋内測位システムの仕組み

次があります:さまざまな種類の屋内測位システム(IPS)。屋内ナビゲーションシステム(INS)と呼ばれることもあります。また、リアルタイム位置測位システム(RTLS)とも呼ばれます。RTLSは屋外も含むため屋内システムより広い用語ですが、通常はIPSやINSを指します。

人はなぜ屋内測位システムを必要とするのでしょうか? GPSは屋内では機能しません。意図的に弱く設計されたGPSの電波は、金属、コンクリート、レンガでできた建物を透過できず、また一般的なGPSの精度(5~10メートル)は屋内の用途には不十分だからです。そのため、屋内測位システムが必要になります。屋内測位システムは屋内で機能し、通常はGPSより高精度です。

効果的に機能する屋内測位システムの大多数は、GPSの衛星の役割を果たす固定ビーコン(アンカー)と、それらの固定ビーコンを基準に自らの位置を測定するモバイルビーコン(タグ)に依存しています。モバイルビーコンが自らの位置を求める場合も、IPSがモバイルビーコンの位置を求める場合も、基準となるのは建物内に配置された固定ビーコンであり、建物そのものではないことを理解しておく必要があります。

たとえば地磁気を利用したシステムもあります。このようなシステムにはビーコンが不要です。しかし、実用的な産業用途に十分なロバスト性と精度は実証されていません。そのため、現在実際に機能している屋内測位・ナビゲーションシステムのほとんどは、固定ビーコンを使用しています。基盤となる技術やアーキテクチャは大きく異なる場合がありますが(たとえば飛行時間方式とRSSI(無線信号強度)方式)、そうしたシステムの大半はビーコンベースです。

GPS(Global Positioning System:全地球測位システム)は、米国のシステムです。ロシアのGLONASS、EUのGalileo、中国のBeiDou、さらに日本やインドの比較的知られていないシステムと同様に、衛星を利用する全球測位衛星システム(GNSS)の一つです。衛星は地上局からのデータに基づいて自らの正確な位置を把握しており、原子時計を搭載しています。衛星から送られてくる衛星の位置と正確な時刻情報をもとに、モバイルビーコン(受信側)は三辺測量によって自らの位置を計算できます。ただし、このシステムの技術の要は衛星を直接見通せることであり、屋内では通常それが成り立ちません。

簡単に各技術について説明します。現在特に普及しているのは、次のような技術です:

  • UWB
  • BLE
  • WiFi
  • 超音波
  • など

当社は産業用途を中心に取り組んでおり(ロボット、ドローン、フォークリフト、車両、人員、クレーン、その他の機械など、精度が重要となる分野)、精度がはるかに低いソリューション(BLEやWiFiなど)については簡単に触れるにとどめます。これらは、特定のゲートや部屋にたどり着ければ十分で、それ以上は求められない小売店、空港、博物館などの用途に向いています。

用語

  • AoA – 到来角(Angle of Arrival、BLE)
  • AoD – 放射角(Angle of Departure、BLE)
  • AR – 拡張現実(Augmented Reality)
  • BLE – Bluetooth Low Energy
  • GNSS – 全球測位衛星システム(Global Navigation Satellite System)
  • GPS – 全地球測位システム(Global Positioning System)
  • IA – IAアーキテクチャ(Inverse Architecture、Marvelmind)
  • IP67 – 防塵・防水保護等級(Ingress Protection)
  • IPS – 屋内測位システム(Indoor Positioning System)
  • IMU – 慣性計測装置(Inertial Measurement Unit)
  • LIDAR – 光による検出と測距(Light Detection and Ranging)
  • LoRa – 独自の無線変調方式
  • LoS – 見通し(Line-of-sight)
  • MEMS – 微小電気機械システム(Micro-Electro-Mechanical Systems)
  • NIA – NIAアーキテクチャ(Non-Inverse Architecture、Marvelmind)
  • Non-LoS – 見通し外(Non-line-of-sight)
  • RSSI – 受信信号強度インジケーター(Received Signal Strength Indicator)
  • RTLS – リアルタイム位置測位システム(Real-time Locating Systems)
  • TDoA – 到達時間差(Time Difference of Arrival)
  • TDMA – 時分割多元接続(Time Division Multiple Access)
  • ToA – 到達時間(Time of Arrival)
  • UWB – 超広帯域無線(Ultra Wideband)
  • VR – 仮想現実(Virtual Reality)
  • ZigBee – 無線メッシュネットワークの規格

屋内測位方式の種類

三辺測量 – 飛行時間(Time of Flight)

  • GPS(電波)
  • UWB(広帯域無線)
  • Marvelmind Roboticsの屋内「GPS」(超音波)

RSSIベース

  • BLE(Bluetooth Low Energy)
  • WiFi
  • ZigBee
  • LoRa

三角測量

  • LIDAR

複合方式

  • BLE + 到来角(AoA)
  • BLE + 放射角(AoD)

オドメトリ

慣性方式

  • 安価なMEMS IMUとレーザー式IMUの比較

光学式

  • QRコード
  • スターゲイザー(天井マーカー方式)
  • オプティカルフロー
  • モーションキャプチャー

センサーフュージョン

  • IMU+超音波
  • ドリフトと飛び
  • 位置更新レート

その他・特殊な方式

  • Li-Fi
  • RFID
  • 磁気

あらゆる用途に適した方式や屋内測位システムはありません

多くの要件は互いに相反するため、ユーザーは次の項目のうち何を優先するかを選ぶ必要があります:

  • 精度
  • 要求時のみの更新か、VR/AR向けの100〜400Hzか
  • IP67および防爆(Ex)の要件
  • 価格と総保有コスト
  • 固定ビーコンの消費電力とバッテリー寿命
  • モバイルビーコンの消費電力とバッテリー寿命
  • 重量
  • サイズ
  • 特定の種類の干渉(電波、光、音)への耐性
  • 位置のみか、位置+方向か
  • 内蔵IMU
  • モバイルビーコンとの双方向データ通信
  • キャパシティ
  • 柔軟性

産業用途を中心とした、屋内測位システム・技術・方式の詳細なレビューと比較

トップへ戻る