ビーコンの超音波周波数の選び方
簡単なヒント：周波数は同じにする？異なるものにする？
95%のケースに当てはまる簡潔な答え：Super-BeaconまたはIndustrial Super-Beaconをご購入の場合は、入手可能な範囲でできるだけ多くの異なる周波数を選んでください。システムの柔軟性と自由度が最大限に高まります：
- IAで動作
- MF NIAで動作
- NIAで動作
はじめに
Marvelmind高精度屋内測位システムは、2つの主要技術に基づいています：
この記事では主に1つ目のテーマである三辺測量を取り上げ、Marvelmindビーコンのさまざまな超音波周波数からどれを選ぶべきか、そしてその理由についての疑問にお答えします。
ここでは無線接続について詳しくは説明しません。ただし、ビーコンとモデムは同じ無線帯域（たとえば868/915MHz帯）に対応している必要があることを忘れないでください。433MHz帯のBeacons HW v4.9と、915MHz帯のBeacons HW v4.9や915MHz帯のSuper-Beaconを組み合わせることはできません。
詳細：無線接続。
製鉄所での実際の超音波信号の例
以下のオシログラムは、製鉄所で得られた実際の例です：
- Industrial-RXビーコンに取り付けたHornからの信号（左）
- 産業用ビーコンのメインマイクのみ（右）
注目すべき点：
- 低い周波数（19kHz〜22kHz）では外部ノイズが大きい
- Hornありのビーコンの信号は、Hornなしよりも大幅に強い
- Hornありのビーコンは遮蔽効果によりノイズが大幅に低い。外部の音響ノイズは床から来ていたのに対し、Hornは天井付近に設置されるか水平方向に向けられていた（天井クレーンの測位に使用していたため）
- 高い周波数（34kHzと37kHz）では超音波信号の強度が大きく低下する。45kHzの信号はさらに弱かった（図には示していない）。
- 高い周波数（34kHz〜45kHz）では外部ノイズが大幅に低い
ヘルプ：内蔵オシロスコープの使い方
オシロスコープは、システムをより深くデバッグするための優れたツールです。システムが何を聞いているかを確認でき、次のものを特定できます：
- ノイズ
- S/N比（信号対雑音比）
- 誤った距離測定を引き起こす偽信号
なぜ異なる超音波周波数が必要なのか？
当然ながら、導入を検討している方からは次のような疑問が寄せられます：
- ビーコンは同じ周波数にすべきか、異なる周波数にすべきか？
- ビーコンに最適な周波数をどう選べばよいか、またその理由は？
- 超音波周波数による実際の違いは何か？
選択を簡単にするため、ロボット用、ドローン用、フォークリフト用、人員用など、用途別のセットをご用意しています。ご購入いただくセットは、すでに適切な周波数のビーコンを組み合わせた推奨構成になっています。
では、なぜそうなるのでしょうか？そうした推奨やビーコン選定の背後にある原理は何でしょうか？詳しく見ていきましょう。
質問：すべてのビーコンを1つの周波数にしたほうが、簡単で良いのではありませんか？
回答：はい、実際に実現できるならそのとおりです。しかし、それを妨げる要因がいくつかあります。そのため、実際には複数の周波数のほうが優れています：
質問：わかりました。でも、そもそもなぜ共振型トランスデューサーを選ぶのですか？広帯域の「超音波スピーカー」などを使えばよいのでは？
回答：はい、広帯域の超音波スピーカーで超音波を送信することは可能で、システムも簡単になります。しかし、そうしたスピーカーが出す超音波信号は一般に大幅に弱く、システムの動作範囲が制限されます。たとえば、Marvelmind屋内測位システムは最大30メートル離れたビーコンとも余裕をもって動作します。Marvelmind Hornを使えば最大120mです。
効率が低い。つまり、共振型トランスデューサーと同じレベルの超音波信号を出すのに、大幅に多くのエネルギーが必要になります。
質問：では、超音波スピーカーに大きな電力を与えて、強い超音波信号を出せばよいのでは？
回答：それも可能です。しかし、非共振型の広帯域超音波スピーカーは一般に効率が低いため、共振型トランスデューサーと同じ信号レベルを出すには大幅に多くのエネルギーが必要です。つまり、広帯域スピーカーを使うビーコンは常に外部電源から給電する必要があり、それがこうしたビーコンの制約になることが少なくありません。
それでも、低効率の広帯域超音波スピーカーでシステムを構築することは可能です。多くの場合、それは非常に良い選択肢となり、高精度屋内測位システムの構築に新たな柔軟性をもたらす代替手段になり得ます。
質問：では、ビーコンの周波数が異なると、何が役立つのですか？
回答：変調を使えないなら、異なる超音波信号を時間または周波数で分離できます。
時分割多元接続（TDMA）のほうがシンプルで、これがNIAの基礎です。開けた空間で約50m以内では、超音波信号が同時に送信されることはありません。システムは簡単で堅牢ですが、超音波を発信するモバイルビーコンが増えるにつれて、モバイルビーコン1台あたりの更新は比例して遅くなります。つまり、システム全体の更新レートが16Hzなら、モバイルビーコン1台の場合は16Hz、2台なら16Hz/2=8Hz、10台なら1.6Hzといった具合です。多くの用途では、これでは遅すぎます。
また、たとえば人員に超音波を発信するモバイルビーコンを付けるのは、単純に不便な場合があります。ビーコンは、小さいながらも聞き取れる「カチッ」という音を出すからです。これは非常に短い超音波パルスで、人には「カチッ」と聞こえます。人は超音波を聞くことはできませんが、超音波パルスには可聴周波数の成分がわずかに含まれており、特に静かな場所では気に障ることがあります。「カチカチ鳴る」ビーコン、つまり超音波を送信するビーコンは5〜30m離れた場所に置くほうがはるかに良く、そうすれば実際にはカチカチ音にまず気づきません。
しかし、同時に送信される超音波信号を区別するには、それぞれが異なる周波数である必要があります。
周波数の近い超音波信号をフィルタリングするのは容易ではなく、短いパルスは送信スペクトルがかなり広くなります。そのため、システムで使える超音波周波数の数には実用上の限界があります。ただし一般的には、周波数が多いほど、数十のサブマップからなる大規模なマップを構築したり、ドローン群の性能を高めたりしやすくなります。
Marvelmind屋内測位システムは、8つの超音波周波数に対応しています：
- 19kHz
- 22kHz
- 25kHz
- 28kHz
- 31kHz
- 34kHz
- 37kHz
- 45kHz
以下では、超音波周波数ごとの実際の違いを説明し、ご注文時にビーコンの周波数をどう選べばよいかをご提案します。
その他の簡単なヒント
- 最長の到達距離（1DでHorn使用時に最大120m）が必要な場合は？→ 19kHz〜25kHzを選択
- 外部の音響ノイズが大きく、距離が30メートル未満の場合は？→ 31kHz〜45kHzを選択
- 柔軟性を最大限に高めるには、できるだけ多くの周波数のビーコンをそろえる
超音波の送信周波数はソフトウェアで変更できない
覚えておいてください。送信用の超音波周波数を任意に設定することはできません。ビーコンの超音波周波数は、ビーコンの超音波トランスデューサーによって決まります。Marvelmind Roboticsは、ビーコンで使用する超音波周波数ごとに、専用にカスタマイズした超音波トランスデューサーを製造しています。
一方、Super-Beacon、Industrial Super-Beacon、Mini-RX、およびそれらを使ったIA対応製品（ヘルメット、ジャケット、バッジ、キャップなど）は、1つの超音波周波数、複数の周波数、またはすべての周波数を同時に受信できます。受信用マイクが広帯域で、ビーコンのデジタルフィルターによって異なる超音波周波数を区別できるからです。
まとめると：
- 超音波の送信周波数はハードウェアで決まり、ソフトウェアでは変更できません
- 超音波の受信周波数はソフトウェアで決まり、簡単に変更できます（Super-Beaconなど、デジタルフィルターを備えたデバイスの場合）。正しい周波数はシステムが自動的に選択するため、ユーザーは何もする必要がありません
- 旧世代のBeacons HW v4.9はアナログフィルターを備えており、同時に対応できる受信・送信周波数は1つだけです。Beacons HW v4.9は5種類の周波数（19kHz、25kHz、31kHz、37kHz、45kHz）で製造されていました
超音波周波数は同じにするか、異なるものにするか？
回答：
実際の使用例の95%では、ご注文時にビーコンの超音波周波数を異なるものにすることをお勧めします。屋内測位システムの自由度が高まるからです。
ビーコンの超音波周波数がすべて同じ場合、使用できるのは NIAのみです。周波数の異なるビーコンなら、NIA、IA と MF NIAを使用できます。詳しくはこちら：
- アーキテクチャ比較：NIAアーキテクチャ（Non-Inverse）、IAアーキテクチャ（Inverse）、MF NIAアーキテクチャ（Multi-Frequency Non-Inverse）の基本的な説明、それぞれのユースケースと違い
- 動画：NIA vs. IA vs. MF NIA：どれを選ぶべきか？
ビーコンの超音波周波数を同じにすべきなのはどんなときか？
超音波周波数を同じにしなければならない場合や、同じにすることが望ましい・推奨される場合がいくつかあります。また、どの周波数を選んでも実質的に変わらず、入手性や価格など他の要素で最終的に決まる場合もあります：
1) たとえば、Beacons HW v4.9（31kHz）をすでにお持ちで、NIA を運用しながらシステムを拡張したい場合は、同じ周波数を選ぶ：
- より広いエリアのカバー、サブマップの追加、より多くの移動体のトラッキングのために、既存のシステムにBeacons HW v4.9を買い足すとします。その場合は、必ず同じ超音波周波数を使用する必要があります。Beacons HW v4.9は異なる超音波周波数を同時に受信できないからです。そのアナログフィルターは、Super-Beaconのデジタルフィルターほど急峻ではありません。そのため、すでに31kHzのビーコンをお持ちなら、追加するBeacons HW v4.9も31kHzでなければなりません。ただしBeacons HW v4.9は販売終了となり、Super-Beaconに完全に置き換えられているため、下記2)のとおりSuper-Beaconでシステムを拡張してください
- なお、Beacons HW v4.9は販売終了となりSuper-Beaconに完全に置き換えられていますが、ソフトウェアの保守対象です。新しいソフトウェアリリースでも引き続きサポートしますが、新機能の開発は行いません。Beacons HW v4.9 は Super-Beaconに置き換えられました。Super-Beaconはほぼすべての面でより高性能で、Marvelmind屋内「GPS」の「主力」製品です
2) 固定ビーコンとして Super-Beacon（周波数は任意）をNIAで追加し、Beacons HW v4.9（31kHz）を基盤とするシステムを拡張できる：
- 31kHzのBeacons HW 4.9で構築したシステムを拡張したい場合は、任意の超音波周波数のSuper-Beaconを固定ビーコン用に簡単に購入できます。Super-Beaconはどの超音波周波数でも、すべての周波数を同時にでも受信できます。そのため、Beacons HW v4.9-31と任意の周波数のSuper-Beaconを混在させて固定ビーコンとして問題なく使用できます。ただし、このシステムのモバイルビーコンには、引き続きSuper-Beacon-31kHzのみを使用する必要があります。Super-Beaconでも、超音波を発信できるのは搭載トランスデューサー固有の周波数だけだからです。つまり、すでに31kHzのBeacons HW v4.9をお持ちなら、新しいモバイル Super-Beaconは31kHzでなければなりませんが、固定 Super-Beaconは任意の周波数でかまいません。次のアーキテクチャでは、固定ビーコンは超音波を受信するだけで発信しないからです：NIA
- なお、Beacons HW v4.9は販売終了となりSuper-Beaconに完全に置き換えられていますが、ソフトウェアの保守対象です。新しいリリースでも引き続きサポートしますが、新機能の開発は行わず、新たな生産も行っていません。Beacons HW v4.9はSuper-Beaconに置き換えられました。Super-Beaconはほぼすべての面でより高性能で、Marvelmind屋内「GPS」の「主力」製品です
超音波周波数の選択に影響する要因は？
ビーコンの超音波周波数を最適に選ぶうえで影響する要因はいくつかあります：
- 必要な到達距離またはサブマップのサイズ、つまり確実に測定できる最大距離
- 一般的な広帯域音響ノイズのレベル
- 測位システムの精度
- 他の発生源からの干渉や音響ノイズの可能性（たとえば、狭帯域・広帯域のスイッチング電源や蛍光灯）
送信強度
- 25kHz
- 19kHz、22kHz、28kHz
- 31kHz、34kHz
- 37kHz
- 45kHz
- 外部の音響ノイズが大きい場合：45kHzではノイズが最も小さくなります
- 45kHzは超音波の波長が最も短いため、理論上最も高い精度が得られます
受信感度
- 25kHz
- 19kHz、22kHz、28kHz
- 31kHz、34kHz
- 37kHz
- 45kHz
- 25kHz付近にピークがあり、マイクはこの周波数付近で特に感度が高くなります。同様に、25kHzのトランスデューサーは全体として単純に最も強力なようです
- 19kHz：ピークのすぐ下の周波数
- 22kHzと28kHz：ピークの付近とその上
- 31kHz：すでに弱くなり始めるが、おおむね平坦
- 34kHz、37kHz、45kHz：比較的平坦なまま、感度がわずかに低い
吸収による空気中での距離減衰
これは単純です。周波数が低いほど減衰は小さくなります。一般に、最大の到達距離が必要なら低い周波数をお勧めします。ただし、他の要因、特に外部の音響ノイズが、最終的なS/N比に大きく影響する場合があることを忘れないでください。
そのため、一般的には工場の現場で実地テストを行うことを強くお勧めします。たとえば：
- 直接の見通し（超音波が直接届く経路）を確保して、ビーコンを30〜50mの距離で向かい合わせに設置します
- 内蔵オシロスコープを使い、異なる超音波周波数で信号を測定します。つまり、超音波周波数の異なる複数のビーコンを使ってS/N比を比較します。詳しくは以下の例をご覧ください
詳しくは以下をご覧ください：
たとえば、計算式によると減衰は19kHzで約0.5dB/m、45kHzで約1.5dB/mとなり、30mでは2つの周波数の間に約30dBの差が生じます。これは大きな差です！振幅では30倍以上、電力では1000倍です。
意外なことに、実際にも周波数による大きな差は見られますが、そこまで大きくはありません。ただし、前述のとおり、影響する要因は数多くあります（感度、送信効率、指向性など）
周波数ごとの実際の違いは？
19kHz
- 当社の周波数の中で、空気中での減衰が最も小さい周波数です。そのため、非常に長いサブマップに推奨されます。最大120mの距離に対応するには、次の製品を使用します：Horn
- 非標準の周波数：外部からの干渉を受ける可能性が低い
- 当社の周波数の中で唯一、厳密に言えば超音波ではない周波数です。19kHzは、まだ人間の可聴範囲（20〜20,000Hz）に含まれます。そのため、ビーコンから2〜3メートル以内に近づくと、パルスが聞こえるだけでなく音そのものも聞こえ、可聴域ぎりぎりの非常に高い音であるため、かなり耳障りに感じることがあります
- 博物館など静かな場所には推奨しません
- 人の近くでの使用は推奨しません
- 工場現場の一般的な音響ノイズに最も近い周波数です。そのため、実際のS/N比を必ず測定してください。空気中での減衰が小さいため、遠距離でも信号は強いかもしれませんが、外部ノイズも強い可能性があります。したがって、S/N比が最も高いとは限りません
22kHz
- 空気中での吸収が小さく、長距離や最長クラスのサブマップに適する
- もう人には聞こえない
- 送信が強い
- 外部ノイズは22kHzよりやや低いと予想される
- 非標準の周波数：外部からの干渉を受ける可能性が低い
25kHz
- 全体として送信信号が最も強い
- 空気中での減衰が小さく、最大規模のサブマップに推奨
- マイクの感度が非常に高い（この周波数の外部ノイズに対しても同様に敏感）
- 25kHzは汎用的な周波数で、この周波数を使う超音波機器は市場に他にもあります。そのため、たとえばロボットの障害物検知センサーのような一般的な機器が存在し、外部からの狭帯域干渉を受ける可能性があります
28kHz
- 送信信号はまだ強い
- 空気中での減衰は妥当な範囲
- 非標準の周波数：外部からの干渉を受ける可能性が低い
31kHz
- あらゆる面で中間に位置するため、当社の標準的な「デフォルト」周波数です：送信はまだ強く、外部ノイズはすでに弱く、空気中での減衰はまだ小さい、など。
- 送信信号はまだ強い
- 空気中での減衰は妥当な範囲
- 非標準の周波数：外部からの干渉を受ける可能性が低い
34kHz
- 全体としては31kHzと似ていますが、空気中での減衰がやや大きく、外部ノイズはわずかに低くなります。そのため、全体的なS/N比はほぼ同じです（ノイズの色やサブマップ内の距離によって異なります）
- 非標準の周波数：外部からの干渉を受ける可能性が低い
37kHz
- 信号が目に見えて弱い（特に遠距離で）
- 外部ノイズが低い。つまり、信号強度ではなく外部ノイズが制約となるシステムに最適
- 波長が短く、より高い精度が得られる可能性がある
45kHz
- 外部ノイズのレベルが最も低く、騒音の多い用途に非常に適する
- 超音波信号の波長が最も短いため、最も高い精度が得られる可能性がある
- 空気中での減衰が最も大きく、大きなサブマップには推奨しない
- 42kHzや44kHzで動作する他の外部システムから干渉を受ける可能性がある
超音波は人や動物に影響しますか？
経験上、静かな部屋では超音波を送信するビーコンの小さなカチカチ音が人に聞こえることはありますが、動物は、超音波を聞き取れる可能性のある動物であっても、まったく気にしません。少なくとも、行動にはまったく変化が見られません。
超音波を送信するビーコンから約8Hzの周期で出る短い（0.5〜1.5ms）超音波パルスは、動物には単に大きなカチカチ音として聞こえているだけで、それ以上のものではないと当社は考えています。人に聞こえるものと似ていますが、より大きく聞こえるのでしょう。いずれにしても、動物は近くにビーコンがあるかどうかに無関心なままです。
ビーコンは人には聞こえない超音波で動作し、非常に短いパルスを発信します。そのため、平均の送信信号、つまり超音波ノイズのレベルはピークレベルの約1/1000です。それでも、長期間超音波にさらされることによる影響の可能性をわずかでも最小限に抑えるため、超音波を送信するビーコンは人から少なくとも2〜3メートル離すことをお勧めします。
超音波信号は簡単に遮られるため、壁やドア、さらには紙1枚の向こうにあるビーコンからの超音波信号は、ほぼ完全に遮断されます。当社が高精度なトラッキングのために直接の見通し（超音波が直接届く経路）の重要性をこれほど強調するのはこのためです。2〜3mという推奨は、人の耳まで直接の見通しがある、超音波を送信するビーコンにのみ当てはまります。