マネージャー向けRTLSの基礎：屋内ではGPSが使えない | Marvelmind

0:01 皆さん、こんにちは。今日は、産業用途向け屋内測位システムの基礎についてお話しします。博物館、スポーツ、ショッピングモール、空港については扱いません。それらも重要な分野ですが、今回のテーマではありません。お話しするのは産業分野、たとえば倉庫、工場、鉱山、建設現場、石油・ガスの精製所、鉄道、地下鉄、地下施設などです。この技術のメリットと基礎、主な機能、システムが何のために設計されているのか、そしてそもそもなぜ屋内測位システムが必要なのかを説明します。主な理由は3つあります。安全性、生産性、自動化です。まず何よりも安全性です。

0:59 人員の安全、事故の防止、事故の事後分析、設備や車両の破損防止などです。次に生産性ですが、これは見失った資産や機器の問題です。カートがこの建物のどこかにあることはわかっていても、どこにあるかはわからない。パレットがどこかにあることはわかっていても、どこにあるかはわからず、探すのに時間を取られます。資産を十分に活用できていません。フォークリフトは走っていますが、効率よく走っているでしょうか。フォークリフトが走っている時間と、止まって待っている時間を比べるとどうでしょうか。つまり、資産の稼働率はどのくらいか、ということです。そしてもちろん自動化です。あらゆる種類の自動化――ロボット、ドローン、

1:56 AGVを走らせることです。走行するためには、何らかの方法で自分の位置を知る必要があります。ほかのシステムが使われる場合もありますが、いずれにせよ、自律型ドローン、自律型ロボット、無人搬送車（AGV）には屋内測位システムが必要です。では、屋内測位においてGPSの何が問題なのでしょうか。主な問題は、GPSがないことです。屋内では、GPS衛星からの電波が壁や天井を通り抜けられないため、GPSが使えません。屋内にGPSはないのです。仮に屋内でGPSが使えたとしても、GPSの精度は屋内測位システムには不十分です。

2:55 一般的なGPSの精度は数メートルだからです。産業用途や一般的な屋内用途では、通常、メートル級ではなくセンチメートル級の精度が必要です。しかもGPSの場合は、むしろ1メートル級ではなく10メートル級の精度です。ほかの選択肢として、たとえばカメラを設置する方法もありますが、コストが高く、通常はうまく機能しません。たとえば、この人は誰でしょうか。全員が制服を着ていて照明も暗いと、ある人と別の人を見分けるのは非常に難しくなります。人なのか、同じ色の機械なのかを見分けることさえ難しい場合があります。そのため、実際に導入するのは非常に困難です。だからこそ、屋内

3:53 測位システムとトラッキングが使われているのです。後ほど、人員に取り付けるモバイルビーコンや、機械、フォークリフト、クレーンに取り付けるモバイルビーコンについて、もう少し詳しく説明します。これらがモバイルビーコンです。もう一度、はっきり理解しておいていただきたいのですが、私たちは人員そのものを追跡するのではありません。人員に取り付けたモバイルビーコンを追跡します。フォークリフトやAGV、クレーンそのものを追跡するのではなく、AGVやクレーン、その他あらゆる資産に取り付けたモバイルビーコンを追跡します。だからこそ、より複雑でもあり、同時に非常にシンプルでもあります。モバイルビーコンを取り付けられさえすれば、事実上どんなものでも追跡できるからです。そのため、さまざまな種類のモバイルビーコンを用意しています。小型、大型、内蔵バッテリー付き、外部

4:51 バッテリー式、防水・防塵仕様、非防水仕様、追加の全指向性マイク付き、なし、アンテナ付き、アンテナ内蔵など、さまざまなバリエーションがあります。しかし、要点は、モバイルビーコン（タグと呼ばれることもあります）を移動する資産や人員に取り付け、そのモバイルビーコンを追跡する、ということです。そして、そのモバイルビーコンが何に割り当てられているかがわかれば、誰を、あるいは何を追跡しているのか、そしてその位置もわかります。では次の大きな疑問は、何を基準に追跡するのか、です。これは位置推定、つまり座標の問題です。GPSでは、数千キロメートル離れた遠くを飛んでいるGPS衛星を基準に追跡します。そして屋内測位

5:50 システムでも、何かを基準に追跡します。その何かとは何でしょうか。固定ビーコン、あるいはアンカーと呼ばれるものです。建物の中にアンカーを設置します。重要な要件は1つだけです。後でもう一度説明しますが、これははっきり理解しておいてください。モバイルビーコンを追跡するには、2Dトラッキングなら30 m以内にある2台以上の固定ビーコン、3Dトラッキングなら30 m以内にある3台以上の固定ビーコンとの間に、直接の見通し（超音波が直接届く経路）が必要です。それだけです。あとは、カバーしたい広さに応じて、必要な数だけ固定ビーコンを設置するだけです。そのため、カバーしたいエリアの

6:49 広さについては、事実上、制限はありません。20,000平方メートルや100,000平方メートルの巨大な倉庫をカバーする必要があれば、単にビーコンを増やせばよいのです。固定ビーコンは一種の衛星のようなものですが、GPS衛星の代わりに、壁や天井に設置された固定の「衛星」です。なぜ壁や天井なのか。固定ビーコンとモバイルビーコンの間を遮るものが少なくなる、設置に適した場所だからです。ですから、壁の高い位置や天井に設置します。そうすれば、同じエリアをカバーするのに必要な固定ビーコンの数も少なくて済みます。通常、固定ビーコンは固定の電源から給電します。その場合、バッテリーの心配はまったくありません。しかし、電源の確保が非常に

7:48 難しい場合もあります。そもそも電源がないからです。その場合は、ビーコンの隣に大容量バッテリーを設置して給電します。1年、あるいはそれ以上給電できます。ただし1年たったら、バッテリーを外して、たとえば24時間ほど充電し、また取り付ける必要があります。その間、ビーコンは内蔵バッテリーで動作しますが、内蔵バッテリーが持つのは数週間や数か月ではなく、数日程度です。そして当然、大きな疑問は、どうやってデータを取得するのか、です。システムを設置すれば測位はできますが、その測位結果をどうやって手に入れるのか。データとは何なのか。データの取得元は2つあります。1つはモバイル

8:46 ビーコンで、もう1つはモデム。モデムは、ルーターやコントローラーと呼ばれることもあり、基本的にはシステムを制御する中央のコントローラー、つまり装置です。モバイルビーコンの位置データを取り出すことができます。コントローラー、つまりモデムは、免許不要の周波数帯の無線で、各固定ビーコンおよびモバイルビーコンと通信します。そして位置データを、USB（基本的にはスマートフォンで使っているのと同じUSBです）またはこれらのピンから出力します。USBで接続するほうが簡単な場合もあれば、ピンで接続するほうが簡単な場合もあるからです。ビーコンについてもまったく同じです。モバイルビーコンが便利なのは、たとえば人員やフォークリフトを追跡するのではなく、

9:45 自律型ロボットやドローンを使う場合です。その場合、ロボットは機上で、いま自分がどこにいるのかを正確に知る必要があります。もちろんモデムで位置を取得し、何らかの方法でデータを送り返すこともできますが、やや遠回りです。モバイルビーコンからなら、ロボットに応じてUSBかピンを使って、データを直接取得できます。ドローンも同じです。ですから、データの取得は非常に簡単です。データはオープンなプロトコル、オープンなフォーマットなので、簡単に取得して倉庫管理システム（WMS）や独自のGUIと組み合わせたり、どこへでも送ったりできます。たとえば、モデムにもさまざまな形態があります。先ほど述べたように、ビーコンにもさまざまな形がありますが、モデムにも別のタイプがあります。たとえば

10:45 Super-Modemです。WiFiも内蔵しているので、データを取得してWiFi経由で送り、さらにインターネット経由で世界中どこへでも送れます。たとえば倉庫がインドにあって、上司がドイツなどにいる場合でも、データを上司のIPアドレスに直接送り、資産がどこにあるか、どれだけ移動があったか、フォークリフトが何をしたかなど、倉庫で何が起きているかをわかりやすく表示できます。このような場合に非常に便利です。技術の基礎についてです。高精度な屋内測位システムはすべて飛行時間（time-of-flight）を利用していますが、その種類は異なります。当社の場合は超音波の飛行時間を利用しています。だからこそ当社は、

11:46 世界の市販システムの中でも、非常に高い精度を実現しています。超広帯域（UWB）も優れた技術です。ただしUWBが使っているのは、超広帯域の電磁パルスの飛行時間です。これはラジオやWiFi、さらには光と同じ電磁パルスで、周波数が違うだけです。つまりUWBも飛行時間の技術を使っています。光、たとえばLiDARやGPSも、やはり飛行時間を使っています。飛行時間を正確に測定し、伝搬速度、つまり当社の場合は超音波の伝搬速度、UWBやGPSの場合は電磁波の伝搬速度を正確に把握していれば、

12:43 距離を計算できます。距離が計算できれば、固定ビーコンの位置はわかっているので、モバイルビーコンの位置を計算できます。それだけです。基本的には、ある固定ビーコンと別の固定ビーコンがあり、それぞれのビーコンからの超音波の飛行時間を計算します。その交点が、モバイルビーコンの位置になります。それだけのことです。もちろん、その背後にはフィルタリングなどの複雑な技術があります。ですが、このプレゼンテーションは基本と使い方についてのものです。つまり、根幹にある技術は飛行時間です。同期について：当社は時計（クロック）で同期しているわけではありません。雷のときと同じような仕組みを使っています。電波のパルスで固定ビーコン、モバイルビーコン、モデムを同期させるので、

13:43 そのすべてが時刻を非常に正確に把握しています。そして時刻が同期されると、超音波の飛行時間の計算を始めます。簡単に言えば、そういうことです。飛行時間ではなく、RSSI（受信信号強度インジケーター、つまり電波の信号強度）を使う別方式のシステムもあります。たとえばBluetooth（BLE）、WiFi、LoRaです。これらは電波の信号強度を利用します。しかし屋内では、信号強度が大きく変動します。屋内で変動を抑えるのは非常に難しいため、これらのシステムは本質的に精度が低いのです。屋内には反射が多く、たとえ何も

14:40 起きていなくても、信号強度は劇的に変化します。そのため、これらのシステムの精度は数メートル程度にとどまります。一方、飛行時間を使えば、UWBでは10〜30センチメートルの精度が得られます。そして超音波と電波を組み合わせた当社の技術では、センチメートルレベル、つまり±2センチメートルで、UWBのおよそ10倍の精度です。次に、マネージャーであり最終ユーザーでもある皆さんに覚えておいていただきたい最も重要な要件は、見通し（超音波が直接届く経路）です。ビーコンを設置して、曲がり角の向こうやパレットの陰をトラッキングしようとしても、うまくいきません。とにかく機能しません。ですから、ノウハウのすべて、そして少しの科学と多くの技術が注がれているのは、ビーコン、つまり固定ビーコンを、最小限の

15:39 台数で、できるだけ広いエリアをカバーできるように配置することにあります。覚えておいてください。要件はたった一つです。少し触れましたが、2Dトラッキングを行うには、人が身につけたモバイルビーコンから、30メートル以内にある2台以上の固定ビーコンが見えている必要があります。見えていなければ、固定ビーコンをもう1台設置する必要があります。そうすれば見えるようになり、その人の位置が決まります。たとえばフォークリフトがあって、この固定ビーコンではトラッキングできない場合は、ビーコンをさらに1台、もう1台と設置する必要があります。この2台のビーコンが、たとえばここにいるフォークリフトを捉えます。そうすればフォークリフトの位置が決まります。こうしてシステムは、人とフォークリフトの位置を把握します。そして人には「曲がり角の向こうにフォークリフトがいます」と警告が出ます。フォークリフトの運転者には「人がいます。

16:39 気をつけてください」と警告が出ます。これが基本中の基本、見通しです。見通しは必須です。見通しがなくても使える方法なども、理論上は可能なケースがあります。しかし皆さんは基本を覚えておいてください。見通しは必須です。絶対に必要です。高精度な屋内位置が必要なら、とにかく必須です。見通しを念頭に置いてシステムを設計してください。続いて、機能に関する基本を、こちらも手短に説明します。まず精度です。精度はおそらく、屋内測位システム、特に屋内での最も重要な特性です。当社のシステムは±2センチメートルの精度を実現しています。優れた技術であるUWBは、その約10倍、つまり10〜30センチメートルです。BLEは、もともと測位用に設計されたものではありませんが、測位によく使われています。

17:38 それでも、産業用途にはおすすめしません。精度は当社システムのおよそ100分の1、つまり2〜5メートル程度で、部屋単位のレベルです。1Dのトラッキングは可能か？はい、可能です。たとえば長いトンネルや廊下、あるいはエレベーター内の距離などです。はい、可能です。2Dは？非常に一般的です。人員、フォークリフト、あらゆる種類の資産を2D（XY）でトラッキングします。3Dは？もちろん可能です。ただしこの場合、モバイルビーコンから、30メートル以内にある3台以上の固定ビーコンが同時に見えている必要があります。たとえばドローンや、倉庫に置かれたパレット、その他多くの3D用途です。では、

18:37 車両をトラッキングできるでしょうか？もちろんできます。カート、フォークリフト、自動車などの車両にモバイルビーコンを取り付ければ、その位置をトラッキングできます。人員のトラッキングは？もちろん可能です。取り付け方もいろいろあります。ジャケットやベストの例はすでにお見せしました。用途に応じて、ヘルメット、バッジ、腕時計、さらにはベルトにすることもできます。クレーンのトラッキングは？もちろん可能です。繰り返しますが、私たちがトラッキングしているのはクレーンのフックそのものではありません。クレーンのフックに取り付けたモバイルビーコンをトラッキングしているのです。フックのXYZ位置だけでなく、揺れも測定できるか？もちろんです。加速度計やジャイロスコープのデータは提供しているか？もちろんです。では、

19:36 位置だけでなく、ヘディング、つまり向きも計算できるでしょうか？はい、できます。通常は、車両やクレーン、場合によっては人にも、モバイルビーコンを2台取り付けて行います。自律型ロボットに使えるか？はい、主要な用途の一つです。自律型ドローンには？はい、ドローンとロボットは事実上同じものです。ただ、ロボットは通常2D、ドローンは3Dです。ボートにも使えるか？何が違うでしょうか。大きな違いはありません。ボートの場合は通常、水やほこりに対するIP保護を備えているというだけです。最大カバーエリアはどのくらいか？事実上、上限はありません。携帯電話の基地局網と同じで、固定ビーコンを追加設置していけば、好きなだけ広いエリアをカバーできます。ですから、2万平方メートル、10万平方メートルといった規模も問題ありません。

20:33 これは棚の多い倉庫の場合で、何もない開けたエリアなら、さらに広くできます。トラッキングできる資産の数は、現時点で標準構成のまま150台です。人員でも、ロボットでも、フォークリフトでもかまいませんし、ロボット、人員、フォークリフト、ドローンを同時に混在させることもできます。拡張はできるか？はい、数千台まで拡張できます。これも先ほどと同じ話です。この場合は、ビーコンを追加するだけでなく、大容量化のためにモデムも追加する必要があります。ビーコン間の最大距離は？一般的な用途では、30メートルまでをおすすめします。これは要するに、固定ビーコンのネットワークの密度です。ただし特殊なケース、たとえば1Dのトンネルで、超音波のゲインを高めるホーンを使う場合などは、最大150

21:32 メートルまで可能で、長いトンネルで役立ちます。本システムは屋内でも屋外でも使えます。屋内と屋外の違いはなく、先ほどお話ししたとおり、屋外用のビーコンは通常、水やほこりに対してより高いIP保護等級を備えている、という点だけです。そしておまけとして、基本はもう押さえましたし、エンジニアはいろいろな専門用語で皆さんを煙に巻こうとしますから、基本用語の早見表をお見せします。GPSは全地球測位システム（Global Positioning System）です。基本的には、携帯電話や自動車の位置を知りたいときに使う測位システムです。GPSは屋内では使えません。そして、これがあらゆる屋内測位システムの出発点です。いわゆるGNSS（全球測位衛星システム）というものがあります。GPSはGNSSの一つですが、

22:29 唯一のものではありません。ロシアのGLONASS、EUのGalileoがあり、日本版や中国版もあります。これらはすべてGNSSの一種で、その中で最もよく知られているのが米国のGPSです。リアルタイム位置情報システム（RTLS）、屋内測位システム、屋内ナビゲーションシステム、屋内GPSは、事実上同じものです。実質的に同じものを、別の言葉で呼んでいるだけです。たとえば「リアルタイム位置情報システム」という言葉自体は屋内か屋外かを示していませんが、一般には屋内測位システムの意味で使われます。ロボット向けなどでは、測位だけでなくナビゲーションまで含む場合もあります。いずれにしても、RTLS、IPS、INS、屋内GPSは事実上同じものだと覚えておいてください。モバイルビーコンとタグも同じもので、どちらの呼び方をするかは、使っている

23:27 技術によります。当社はモバイルビーコン、固定ビーコンという用語を使いますが、UWBでは一般にタグ、アンカーと呼びます。モデム、ルーター、コントローラーも同じものです。システムを制御し、システムから位置データを取り出せるようにする中央装置のようなものです。ultrasound、ultrasonic（いずれも超音波）も同じ意味で、どちらの言い方でもかまいません。高精度な屋内システム、あるいはあらゆる屋内システムにとって重要なパラメータが、位置更新レートです。要するに、モバイル資産や人の位置データをどのくらいの頻度で取得できるかです。もちろんリアルタイムですが、そもそもリアルタイムとは何でしょうか。たとえば人員のトラッキングなどでは、通常は1ヘルツ、つまり1秒間に1回の更新です。1〜4ヘルツ、つまり1秒間に最大4回の更新で、これは

24:26 人員のトラッキングには十分です。車両の場合も通常はほぼ同じで、1〜8ヘルツ、つまり1秒間に1〜8回の更新です。これは、たとえばGPSの更新レートとよく似ています。しかしドローンや、場合によってはバーチャルリアリティ（VR）などの用途では、これでは足りません。20、30、100ヘルツ、つまり1秒間に100回といった、はるかに高い更新レートが必要になります。一方、ほとんど動かない資産や静止した資産なら、1分に1回、5分に1回でもかまいません。なぜこれが重要なのでしょうか。多くのパラメータ、とりわけバッテリー寿命に影響するからです。モバイルビーコンが電源につながっておらず、バッテリーで動作している場合、バッテリー寿命は重要です。1秒あたりの更新回数が少ないほど、バッテリーは長持ちします。飛行時間（ToF）については、

25:23 すでに説明しました。TOF（飛行時間）は、超音波の飛行時間でも、電波の飛行時間でも、光の飛行時間でも、技術としては同じで、物理が少し違うだけです。根底にある物理として、三辺測量（トリラテレーション）は、飛行時間で測定した距離から位置を計算する方法です。距離が3つあれば三辺測量となり、XYZを計算できます。距離が2つだけなら二辺測量（バイラテレーション）となり、2D、つまりXYを計算できます。一般的には、これらを総称してマルチラテレーションと呼びます。UWB（超広帯域）は優れた測位技術で、電波と電波パルスの飛行時間を使っています。短い

26:22 電波パルスです。だからこそUWBは優れた技術なのです。BLEはBluetooth Low Energyのことです。通信プロトコルの一つで、場合によっては測位にも使えます。しかし先ほどお話ししたように、飛行時間ではなく電波の信号強度を使って距離を推定しており、その推定は非常に不正確です。そのため位置の精度は、UWBで10〜30センチメートル、超音波で約2センチメートル、BLEでは2〜5メートルになります。RFIDについて：RFIDを屋内測位システムと考える人もいますが、実際にはかなり初歩的な屋内測位システムで、そう呼べるかどうかも微妙です。RFIDは無線周波数識別（Radio Frequency Identification）だからです。要するに、

27:20 ゲート型のシステムだということです。ゲートの扉やリーダーのゲートのすぐそばにいない限り、位置はわかりません。その場合は確かに、その人がある時刻にこの地点を通過したことはわかります。しかし、その前にどこにいたのか、この後どこへ行くのかは誰にもわかりません。RFIDがリアルタイム位置情報システムではないのは、現在位置がわからないからです。わかるのは、RFIDタグを持った人がRFIDリーダーを通過した、ある時点の位置だけです。LoRaはLong Range（長距離）の略です。これもBLEと同じく、通常はデータ伝送に使われる通信プロトコルの一つですが、測位に使っている人もいます。BLEと同じで、使えることは使えますが、精度はかなり低く、

28:19 産業用途の屋内測位にはおすすめできません。LiDAR（Light Detection and Ranging）も飛行時間を使いますが、この場合はレーザーの飛行時間です。障害物の検知に非常に優れています。また、特にロボットやAGVでは、測位にも使えます。皆さん、ご清聴ありがとうございました。ご質問があれば、ぜひ当社のウェブサイトをご覧いただき、info@marvelmind.comまでメッセージをお送りください。ありがとうございました。