研究分野:センサネットワーク

ユーザ状態推定のためのアンビエントセンシングシステム

  • 研究者: 吉水 健悟
  • 論文種別・提出年: 修士論文,大阪大学大学院基礎工学研究科,Mar.2015.

マルチセンサベースアンビエントセンシングシステム   近年,コンピュータの小型化やセンサ技術の発達に伴い,腕時計型センサや衣服等に装着する小型センサなどのウェアラブルセンサが普及し,人間が機械を利用するたけでなく,機械が能動的にユーザ状態を推定しサポートを行うシステムが実現されつつある.しかし,ウェアラブルセンサは装着の煩わしさがあるため,環境中に埋め込んだセンサを用いた,ユーザに身体的負荷を与えないセンシング技術であるアンビエントセンシングが実システムでの使用上望ましい.
  アンビエントセンシングによるユーザ状態推定に関する課題として,センサの電力源に関する課題と,単一センサシステムに関する課題が存在する.電力源に関して,近年バッテリが多く用いられている.バッテリ駆動の場合,バッテリの交換や充電が必要であり,多数のセンサが生活空間に介在させるような環境においては,それら多数のセンサを管理する負担は無視できない.一方,単一センサシステムに関して,センサが内蔵されたペンのようなモノ埋込型センサの場合,常にそのセンサを使用しているとは限らないため単一センサのみでは限界がある.また,ユーザの状態は個人差やその時の状況によってさまざまであるため,多岐にわたるユーザ状態を安定して推定するためには複数のセンサを用いるマルチセンサシステムが有効であると考えられる.
  本研究では,これら2 つの課題を解決するため,エナジーハーベスト技術による環境発電で生成された電力のみで駆動し,ユーザの行動推定が可能なエナジーハーベスト型アンビエントセンシングシステムおよび,複数のアンビエントセンサからユーザの快不快状態を推定するマルチセンサベースアンビエントセンシングシステムを提案する.   

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着座搖動の無拘束計測による心理状態推定とコミュニティ検出を用いた多人数会話解析

  • 研究者: 綿谷 亮
  • 論文種別・提出年: 修士論文,大阪大学大学院基礎工学研究科,Mar.2014.

着座搖動の無拘束計測による心理状態推定とコミュニティ検出を用いた多人数会話解析   コミュニケーションを改善することで,日常生活や業務をより円滑にしようとする取り組みがますます強まっている.改善に向けた現状把握を目的に,コミュニケーションを自動で定量解析する試みが近年行われてきた.しかし,そのほとんどが人間の身体や意識を拘束する手法を用いており,コミュニケーションを阻害する可能性があることから,自然な振る舞いを適切に解析しているとは言い難い.そこで,本研究では,ユーザを拘束しない手法において,コミュニケーションを自動で定量化する椅子システム (アンビエントセンシングチェア) の開発を行う.特に,集団の同調傾向を用いた個人の心理状態の推定と,位置関係の情報を用いない会話コミュニティの検出に関して取り上げ,実環境におけるアンビエントセンシングチェアの有効性を検証する.   

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自立型センサによるモノを用いた日常行動の簡易計測システム

  • 研究者: 吉水 健悟
  • 論文種別・提出年: 卒業論文, 大阪大学基礎工学部, Mar. 2013.

自立型センサによるモノを用いた日常行動の簡易計測システム   多数のセンサと情報機器を日常品(モノ)に埋め込みユーザの日常行動を認識する技術は,ライフログの提示や日常生活における健康管理など生活の質を向上させる支援への応用が期待される.しかし日常生活における画像や音声による行動認識はユーザプライバシを侵害する問題がある.そのためユーザプライバシを侵害しないセンシング手法を用いたユーザ行動認識が求められる.また,様々な場所に偏在するモノからユーザの支援に必要な情報を収集する場合,それらはユーザによるメンテナンスが不要な自立型センサであることが望ましい.しかし,自立型センサは有線で電力供給すると設置場所が限定されるという問題からエネルギー供給には困難を伴う.そこで,バッテリーレス,メンテナンスフリーなエネギーハーベスト技術に着目する.著者は,自立型センサにエネルギーハーベストによる微弱なエネルギーでも動作可能な低消費電力化を行い,ユーザ行動を常時計測するセンサシステムの構築を目指す.
  本論文では,日常生活におけるユーザの行動を常時計測する日常品(モノ)の一部としてコップに着目し,加速度センサと情報機器を埋め込んだ知的なコップ「インテリジェントコップ」を提案する.情報機器として Micro Control Unit(MCU)と無線通信モジュールを用い,MCU の起動時間の制御,データ送信周期の制御,加速度センサのデータサンプリングレートを下げる方法によってセンサシステムの低消費電力化を試みた.さらに,ユーザの生活空間における照明光等から発電する太陽電池と飲み物の温度を利用した温度差発電によるエネルギーハーベストを利用することで電力供給を行った.インテリジェントコップのバッテリー寿命およびユーザ行動認識精度の評価実験から,エネルギーハーベストによる電力供給のみでユーザ行動を常時計測可能なセンサシステムから平均認識精度 93.5% で「飲み物を飲む」,「コップを持って歩く」行動を認識できることを示した.また,ユーザ行動認識に関する考察を行ったところ,「飲み物が入っている状態でコップを持って歩く」行動と「飲み物が入っていない状態でコップを持って歩く」行動といったより詳細な行動の認識も可能であることが確認された.さらにバッテリー寿命に関する実験から,低消費電力化にはMCU 起動時間の制御とデータ送信周期の制御が有効であることが示唆され,また太陽電池において安定した電力供給が可能であることが確認された.本提案システムはコップに代表される平均使用間隔の大きいモノに対して適用可能であり,今後様々なモノからユーザ行動を常時計測可能であることが示唆された.   

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A study on Indoor Positioning System Using ID Moduled LED Tube Lights

  • 研究者: CHANG LI
  • 論文種別・提出年: 博士論文,大阪大学大学院基礎工学研究科,Sep.2012.

A study on Indoor Positioning System Using ID Moduled LED Tube Lights   In recent years, stepping with the popularization of smart phone and the development of mobile communication infrastructure, the conditions for ubiquitous computing society become more and more complete. In the vision of ubiquitous computing society, LBS (Location Based Service) that provides an added value to an unprecedented user experience has been paid a great deal of attention by mobile operators all over the world. As the core technology for LBS, various positioning systems have been studied extensively. For the outdoor environment GPS is mature and common. However, the performance of GPS in indoor environment is bad. Moreover, currently there is no technique whose accuracy and cost are appropriate for deployment in huge areas.
  This thesis presents a novel camera-based information transmission system for indoor positioning and navigation. This system, which avoids the use of any expensive equipment, is of particular benefit for infrastructure consumption and is completely portable using a hand-held terminal like smart phone. The high-intensity LED tube light, which is becoming the main illumination device due to its lower power cost and longer lifetime, is employed as optical beacon in this system. LED tubes are modulated to transmit ID information, which can be received by the camera equipped on smart phone. With the captured images of LED tubes which include the ID information, the smart phone can query a database to obtain the current position and orientation via mobile communication. The ID information embedded in LED tube lights has no harm at the illumination function o. The proposed system, which is with fairly low cost and high accuracy both about orientation and position, can be expected to be feasible for deployment in large indoor environment.   

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着座中の体位揺動センシングシステム

  • 研究者: 松本 翔平
  • 論文種別・提出年: 修士論文,大阪大学大学院基礎工学研究科,Mar.2012.

着座中の体位揺動センシングシステム   近年,アンビエントインテリジェンスの実現を目指す研究が盛んである.アンビエントインテリジェンスとは,生活空間や公共空間において,環境中に設置された多数のセンサと情報機器がユーザの状態を見守り,さりげなく支援を提供する環境である.このような環境では,ユーザプライバシーを侵害せず,かつセンサ装着による身体的負荷などもないセンシング手法を用いたユーザ状態の推定が求められる.そこで著者は,センサを内蔵した椅子(以下,センサ内蔵椅子)を用いたユーザ状態推定手法に着目し,4点支持式歪みゲージロードセルによる着座中の体位揺動センシングシステムを提案した.センサ内蔵椅子の先行研究では,圧力分布センサを用いて姿勢推定を行う基礎研究や,着座揺動の変化から着座ユーザのストレスを推定する心理推定などが提案されてきた.しかし姿勢識別が有効に利用されたアプリケーション例は少なく,また心理推定においても重心変動の周波数スペクトルのみを観測するなど,着座揺動をモデル化して扱った例は見られない.そこで本研究では,ユーザの着座揺動を静止状態,姿勢変化動作,周期性動作,非周期性動作の4状態が不定期に遷移していくモデルとして捉え,任意の観測区間における各状態の表出回数や表出間隔を揺動要素パラメータとして定量化することで,姿勢やタスクの種類に関係なく,多様なシーンにおいて着座揺動を定量化できるプラットフォームの提供を目指す.   

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2 Dimensional Infrared Robotic Mapping System

  • 研究者: Bradley Nobuo Watanabe
  • 論文種別・提出年: テクニカルレポート, July 2010. [pdf]

2 Dimensional Infrared Robotic Mapping System
  This project intents to take the initial steps towards increasing the mobility and effectiveness of robotic movements. It does this by creating a 2 dimensional map of the given environment. This gives the robot the ability to avoid obstacles more efficiently and take a more direct route to its destination. In this prototype, the system will only create a map of a small well defined area. This concept will later be expanded to a larger, more rugged environment
  

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指数輝度変調に基づく光源方向推定を用いた位置推定

  • 研究者: 清水 知也
  • 論文種別・提出年: 修士論文, 大阪大学大学院基礎工学研究科, Mar. 2010.

指数輝度変調に基づく光源方向推定を用いた位置推定
  センサネットワークとは,環境中のさまざまな場所にセンサノードを散在させ,センサ情報を収集し,人間にとって役立つサービスを提供するものである.このようなセンサネットワークにおいて,センサノードの位置情報は重要である.本研究では屋内でのセンサノードの位置推定手法を提案する.提案手法は方向推定に基づいて位置推定をする.方向推定では,指数関数型輝度変調をするLED の方向を簡易なデバイス(赤外線受光センサ)を用いて推定する.位置推定計算は,PnP(Perspective n-point) 法を用いる.この提案手法に基づいて方向推定と位置計算をするセンサノードを赤外線受光センサとマイコンを用いて実装し,位置推定実験をして,位置推定精度と消費時間の考察をした.
  

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二次元光センサを搭載した光通信型センサネットワーク

  • 研究者: 石川 恵子
  • 論文種別・提出年: 卒業論文, 大阪大学基礎工学部, Mar. 2010.

二次元光センサを搭載した光通信型センサネットワーク
  センサネットワークでは,ネットワークで繋がれた多数のセンサが周囲の状況や環境を自動で認識し,協調動作しながら機能することでその場に適したサービスを提供する.このセンサネットワークの実現には収集したセンサ情報とともにセンサ間の通信方式とセンサノードの位置同定が重要となる.本研究ではそれぞれを光通信と二次元光センサで行うセンサネットワークを提案する.搭載する二次元光センサは赤外線を受光すると画像中の輝点座標を読み出すことができる.提案するシステムでは,三次元位置が既知なノードのLEDが発する赤外線を位置が不明なセンサノードの二次元光センサが受光し,得られるLED輝点座標と発光したLEDの世界座標から三次元位置を推定する.三次元位置推定計算は各ノードでは行わず,サーバで行う.本論文ではシステムを実際に構築し,提案システムによる位置推定の誤差の評価を行った.実験の結果からノードの三次元位置が推定されることが示された.
  

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LEDをオフセット配置したカメラ付きセンサネットワークの位置姿勢推定

  • 研究者: 中室 英之
  • 論文種別・提出年: 修士論文, 大阪大学大学院基礎工学研究科, Mar. 2008.

LEDをオフセット配置したカメラ付きセンサネットワークの位置姿勢推定
  センサネットワークにおいてはセンサ情報だけでなく,センサノードの位置が非常に重要な情報となることが多い.しかしながら,センサノードの位置情報を取得することは非常に困難とされている.センサノードの位置情報取得のための一手法として,カメラ付きセンサノードを用いる手法が提案されている.しかし,これまでのカメラ付きセンサノードを用いた三次元位置同定手法では,カメラとLEDを同一の場所には配置できないことが問題となっていた.本研究では,LEDをオフセット配置したカメラ付きセンサノードを試作し,これまで問題であったカメラ,LED間のオフセットを利用した実スケールでの三次元位置同定手法を提案する.
  

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カメラと光源を搭載した集中画像処理型センサネットワークの構築

  • 研究者: 中田 周作
  • 論文種別・提出年: 修士論文, 大阪大学大学院基礎工学研究科, Mar. 2008.

カメラと光源を搭載した集中画像処理型センサネットワークの構築
  これまでのセンサは主に工場の機械に組み込まれ,制御や品質管理を行うため,あるいは機器や製品に組み込まれて自動化や安全性を向上させるためのセンサであった.しかし,これからのセンサは人が持ち歩いたり身に付けたり,様々な所に数多く分散配置されたり,必要に応じて自分で動き回るようなセンサになると考えられている.そこで,センサと通信機能を持つ小型コンピュータを組み合わせてネットワークを構築するという考えが生まれ,センサネットワークの発端となった.センサネットワークとは,超小型無線通信装置が個々のセンサに内蔵され,センサ同士が自律的に情報の流通を行い,収集したデータからその場に適したサービスを提供するというシステムである.センサネットワークにおいては,各ノードのセンサ情報だけではなくセンシングの位置情報が重要となってくる.そこで,本研究ではカメラと発光源を搭載した集中画像処理型センサネットワークにおける画像計測的アプローチによる位置計測手法を提案する.提案する方式は位置が不明なセンサノードのカメラにより4個以上の位置が既知なセンサノー
  ドの発光源を撮影し,画像上の輝点座標とその世界座標の関係から三次元位置および姿勢を推定する.また,複数の位置未知ノードの計測データを複合的に処理する誤差分散化手法を提案し,誤差伝播による誤差拡大を防ぐことにより推定精度の向上を試みる.これらの手法をシミュレーションや試作したセンサノードを用いて実験を行うことにより,精度評価や提案手法の有効性を確かめた.
  

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指数関数型輝度変調に基づく光源方向推定手法

  • 研究者: 清水 知也
  • 論文種別・提出年: 卒業論文, 大阪大学基礎工学部, Mar. 2008.

指数関数型輝度変調に基づく光源方向推定手法
  到来しつつあるユビキタスネットワーク社会に向けて,センサネットワーク技術が注目されている.センサネットワークとは,センサノードを様々な場所に設置し,搭載したセンサから情報を収集し,人間にとって有用なサービスを提供するものである.センサネットワークでは,センサ情報だけでなく,それぞれのセンサノードの位置を知ることが重要となる.そこで,本研究では,位置推定の基礎となる方向推定の手法として,LEDの輝度の指数関数型変調に基づく光源方向計測手法を提案する.提案手法は,LEDの輝度を指数関数的に変化させることにより,受光部とLEDの距離によらず輝点方向を推定することができるというものである.この提案手法に基づいて方向推定するシステムを実装し,実験を行い,本手法の有効性を示した.以下に本論文の構成を示す.
  

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光通信型アドホックセンサネットワークにおける位置検出手法

  • 研究者: 廣川 新
  • 論文種別・提出年: 修士論文, 大阪大学大学院基礎工学研究科, Mar. 2006.

光通信型アドホックセンサネットワークにおける位置検出手法
  無線通信技術や高集積化技術,低消費電力化技術などの発達により,センサの新しい可能性としてセンサネットワークが注目されている.実世界とデジタル情報の融合であるユビキタスの社会の実現においてセンサネットワークは非常に重要な要素となる.センサネットワークとは多数のセンサがネットワークを構築し,協調動作してさまざまなアプリケーションを提供するシステムである.センサネットワークにおいてセンサノードの位置情報は非常に重要な要素である.本研究ではカメラと LED による光通信を用いたセンサネットワークにおける位置計測手法を提案する.
  

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画像処理ホストを有するカメラ・光源付センサネットワーク

  • 研究者: 中田 周作
  • 論文種別・提出年: 卒業論文, 大阪大学基礎工学部, Mar. 2006.

画像処理ホストを有するカメラ・光源付センサネットワーク
  センサネットワークとは,超小型通信装置が個々のセンサに内蔵され,センサ同士が自律的に情報の流通を行い,収集したデータからその場に適したサービスを提供するというシステムである.センサネットワークにおいては各ノードのセンサ情報だけではなく,センサノードの位置情報は非常に重要な要素である.本研究では,センサに小型カメラおよび 4 個の光源を取り付けたノードを用いた画像計測的アプローチによる位置計測手法を提案する.提案する方式は位置が不明なセンサノードのカメラが位置が既知のセンサノードの 4 つの光源を撮影し,画像に写り込んだ輝点座標より 3 次元位置および姿勢を推定するというものである.また,各ノード毎に画像処理を行うのではなく,画像処理を実行するホストを設け,ノード上の小型カメラの電源を制御することで画像データをホストに配信し処理させる,画像処理ホスト型センサネットワークにおいて位置計測を行う.ここでカメラの内部パラメータが必要なため,内部パラメータのキャリブレーションは Zhang の提案する手法を用いた.また,ピンホールカメラモデルを用いているが,実験に使用するカメラはレンズを用いているために取得する画像にレンズ歪が生じる.そこで,位置計算に誤差を発生させる要因となるレンズ歪の補正を行った.シミュレーション実験により,本研究で用いた位置計算手法はノード間距離が大きくなるほど誤差が大きくなることが分かった.また,ノードの姿勢によって誤差の発生の分布が異なることが分かった.次に,試作システムを構築し実験を行った結果,6 回の距離計測において最大 11.8%の誤差が発生した.ノード間ベクトルと位置計測により求まったベクトルの大きさを比較した場合,誤差は最大 0.87%と小さいので,ベクトルの方向が誤差に大きく影響を与えることが分かった.また,ベクトルの方向の誤差が発生することにより,ノード間距離が大きくなるほど誤差が大きくなることが分かった.これらの結果により,ノード間距離が短ければ精度の高い位置計測が行え,距離が遠ければ精度は低くなるものの位置計測が行える事が示された.また,位置計測の誤差を小さくするためにはベクトルの方向をより精確に推定しなければならないことが分かった.
  

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カメラ付アドホックセンサネットワークにおける3D 位置計測

  • 研究者: 廣川 新
  • 論文種別・提出年: 卒業論文, 大阪大学基礎工学部, Mar. 2004.

カメラ付アドホックセンサネットワークにおける3D 位置計測
  近年,ハードウェアの技術の発達により微小なコンピュータが実現可能となりアドホックセンサネットワークという新しい情報環境が提案されている.アドホックセンサネットワークとは,無線通信機能とセンサを持った超小型端末が,自動的に構成を更新しながら自律的にネットワークを構築し,センサ情報を基地局あるいは相互に送信して様々なサービスを提供するというシステムである.センサネットワークにおいて,各ノードが収集した情報を利用する場合,情報を取得した位置は非常に重要な情報である.野外での大規模なセンサネットワークでは,GPS が利用できる他,ごましおモデルに基づきノード間のホップ数で大まかな位置を推定する方法がある.屋内では無線と超音波の伝送時間の差を利用したものがあるが,光学的な位置計測に適切な方法論はない.そこで本論文では,センサノードに小型 CMOS カメラと LED を装着し,発光制御からネットワークの各ノードの 3 次元位置を画像計測的アプローチから取得する方式を提案する.提案する方式は位置が不明なセンサノードのカメラが撮影した画像内に写っている 3 次元位置が既知なノードの座標から 3 次元位置を算出するというものである.シミュレーション実験と試作システムの構築から提案方式による誤差の評価を行った.これにより,基準位置ノードや位置が既知のノードとの距離が短ければ精度の高い位置検出ができ,距離が遠ければ精度が落ちながらも,3 次元位置の同定が可能であるということが示された.
  

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