自動​搬送​車​の​ため​の​音源​探知​技術​の​最適化

鈴木 真人 氏, アマ​ノ​株式会社 

"今回、​VI​制作、​実験​計画​と​L18 直交​表​実験、​および、​確認​実験​を​あわせて、​3​日​ほど​の​作業​で​最適​な​音源​探知​システム​を​構築​する​こと​が​でき​ま​した。" ​

- 鈴木 真人 氏, アマ​ノ​株式会社

課題:

騒音​に​まみれ​た​工場​内​で​自動​搬送​車​が​吹鳴​する​「音楽」​のみ​を​抽出​し、​自動​搬送​者​の​現在​位置​と​進行​方向​を​特定​し、​外部​に​設置​した​コントローラ​により​自動​搬送​車​を​誘導​した​い ​

ソリューション:

この​音源​探知​システム​を​最適​化​する​に​は、​「発信​する​音響」、​「受信​する​マイクロ​フォン​と​その​まわり​の​環境」、​「信号​処理​における​サンプリング​周波数​と​フィルタ​の​種類、​および、​その​帯域」​を​システム​構成​要素​(制御​因子)​と​し、​それぞれ​の​選択肢​(水準)​から​最適​な​もの​を​選び​組み合せる​必要​が​ある​ので​品質​工学​を​活用​する​ことに​した。 ​

作成​者:

鈴木 真人 氏 - アマ​ノ​株式会社
​越水 重臣 氏 - 産業​技術​大学院​大学

 

【背景】

市場​要求​の​個別​志向​の​強​まり​に対し、​工場​における​多​品種​-​少量生産への弾力的な対応が迫られ、​セル​生産​方式、​デジタル​屋台​方式​など​生産​現場​レベル​で​の​改革​が​すでに​始​ま​って​いる。​セル​生産​方式​等​では​従来​の​ベルト​式​生産​ライン​に対して、​製造​対象​の​変更​に​ともなう​工場​内​レイアウト​の​修正、​変更​は​容易​で​あり、​その​点​でも​メリット​が​大きい。

 

多く​の​工場​では​自動​搬送​車​が​普及​し​て​いる。​自動​搬送​車​は、​床​面​に​貼​っ​た​磁気​テープ、​光学​式​反射​テープ​など​を​ガイド​として、​決​まっ​た​軌道​上​を​移動​し​て​いる。​ところが、​ガイド​の​張り​替え​は​時間​的、​空間​的、​コスト​的​に​負担​が​大​きく​簡単​な​作業​では​ない。​工場​レイアウト​の​変更​に​あわせて、​自動​搬送​車​の​軌道​を​頻繁​に​変更​する​こと​は​難しい​問題​と​なる。

 

自動​搬送​車​は、​安全​性​の​確保​を​目的​として​その​行動、​存在​を​周囲​に​知​ら​しめる​ため​音楽​を​吹鳴​し​ながら​移動​し​て​いる。​そこで​本​研究​では、​この​音楽​を​音源​として​探知​し、​位置​と​移動​方向​を​外部​コントローラ​で​認識​し、​自動​搬送​車​を​誘導​する​システム​の​可能性​を​追求​する​ため​の​前提​で​ある、​音源​位置​の​特定​に関する​基礎​技術​に関する​報告​で​ある。

 

【課題】

工場​内​は​騒音​に​まみれ​て​いる。​その​環境​下​で​自動​搬送​車​が​吹鳴​する​「音楽」​のみ​を​抽出​し、​自動​搬送​車​の​現在​位置​と​進行​方向​を​特定​し、​外部​に​設置​した​コントローラ​により​自動​搬送​車​を​誘導​する​こと​が​目的​で​ある。​これ​を​実用​化​する​こと​により、​工場​レイアウト​の​変更​など​に​ともなう​軌道​ガイド​の​張り​替え​等​の​負担​も​なく、​自動​搬送​車​の​軌道​変更​に​柔軟​に​対応​する​こと​が​可能​と​なる。​自動​搬送​車​が​吹鳴​する​「音楽」​を​抽出​する​こと​が​技術​の​最終​形​で​ある​が、​今回​は​原理​実験​として​抽出​し​やすい​音響​の​音源​位置​を​探知​する​こと​を​目的​と​する。​この​音源​探知​システム​を​最適​化​する​に​は、​「発信​する​音響」、​「受信​する​マイクロ​フォン​と​その​まわり​の​環境」、​「信号​処理​における​サンプリング​周波数​と​フィルタ​の​種類、​および、​その​帯域」​を​システム​構成​要素​(制御​因子)​と​し、​それぞれ​の​選択肢​(水準)​から​最適​な​もの​を​選び​組み合せる​必要​が​ある​ので​品質​工学​を​活用​する​ことに​した。

 

【システム​原理​と​実験​方法、​計画】

音源​を​探知​する​に​は、​図​1​に​示す​よう​に​直交​した​2​軸​の​端点​(4​箇所)​に​マイクロ​フォン​を​設置​し、​それぞれ​の​マイクロ​フォン​で​音響​を​同時に​収録​する。​そして、​フィルタ処理をおこなった後、​各​軸​ごと​に​音響​信号​の​相互​相関​関数​を​計算​し​て​各​軸​ごと​に​音源​の​存在​が​想定​さ​れる​双曲線​を​描​き、​両​双曲線​の​交点​を​音源​の​推定​位置​と​する。​音源​の​座標​の​計算​式​は  、、 そして、 は​各​軸​の​1​/​2 の​長​さ​と​すると

 

 

実験​は​図​2​に​示す​室内​に​45°​傾​け​て​配置​した​5m​四方の領域で行った。​そして、​機材​は​図​3​に​示す​とおり​で​あり、​パーソナルコンピュータ​(以下​PC)​に​は​LabVIEW8。​2​が​インストール​さ​れ​て​いる。

 

実験​要領​は、​あらかじめ​用意​した​探知​する​べ​き​音響​は、​ホワイト​ノイズ​(0​Hz​~​5kHz)​に​帯域​通過​フィルタ​処理​を​施​した​もの​で、​音響​信号をPC​と​Bluetooth​で​接続​さ​れ​て​いる​スピーカ​の​片側​から​位置​を​探知​する​べ​き​音響​を​発信​し、​もう​一方​側​から​は​無​音響​(ノイズ​因子​第​1​水準)、​あるいは​ホワイト​ノイズ​(ノイズ​因子​第​2​水準)​を​交​播​に​発信​する。​発信​した​音響​を​4​つ​の​マイクロ​フォン​で​集​音​し、​DAQ(NI USB​-​6215)​を​介​し​て​PC​に​取り込み、​音源​から​発信​さ​れ​た​音響​が​各​軸​ごと​に​軸​端​に​配置​した​マイクロ​フォン​に​到達​する​時間​差​を​LabVIEW​の​機能​で​ある​デジタル​バンド​パス​フィルタ​と​相互​相関​関数​処理​を​使​って​求め、​室温​を​加味​し​て​距離​の​差;​δ​を​計算​する。​そして、​2​つ​の​双曲線​の​交点​を​求め​て​音源​の​位置​と​する。​なお、​距離​の​差​の​計算、​双曲線​の​交点​の​計算​も​LabVIEW​で​おこなう。​このように​し​て​求め​た​音源​位置​の​推定​座標​(x​ヘ、​y​へ)​と​別途​入力​する​実際​に​音源​を​おい​た​目標​値​の​座標​(x、​y)​と​比較​し、​目標​値​と​探知​した​推定​座標​の​偏差​を​求め​て​表示​ならびに​ファイル​化​まで​の​一連​の​処理​を​する​VI​を​作成​した。​この​VI​を使って実験をおこなった。

 

品質​工学​による​実験​で​ある​から、​制御​因子​ごと​の​水準​効果​を​調査​する​ことに​なる。​各​制御​因子​と​その​水準​は​音響​発信​の​交​播​時間​(50msec、​100msec)、​音響​信号​作成​で​使​っ​た​帯域​通過​フィルタ​の​帯域​の​中心​(2250Hz、​3750Hz、​4500Hz)、​マイクロ​フォン​(高​指向​性、​普通、​フード​付き​普通)、​マイクロ​フォン​を​設置​する​環境​(床​材、​スポンジ、​防​振​材)、​床​から​の​スピーカ​の​高​さ​(床​置​き、​50mm​浮かす、​150mm​浮かす)、​A/​D​コンバータ​の​サンプリング​周波数​(25kHz、​35kHz、​45kHz)、​デジタル​バンド​パス​フィルタ​の​種類​(バタワース、​チェビチェフ、​逆​チェビチェフ)、​音響​信号​の​帯域​と​デジタル​フィルタ​の​帯域​の​関係​(図​4​参照)​と​した。​そして、​表​1​に​示す​よう​に​L18​直交​表​に​割り付け​た。​なお、​1​回​の​収録​時間​は​160msec​と​し、​25​回​繰り返し​た。​図​5​に​VI​の​実行​画面​を​示す。

表​1 L18​直交​表​へ​の​割付

 

【結果】

L18​直交​表​実験​の​結果​から​解析​した​システム​の​ノイズ​に対する​ロ​バスト​性​を​示す​SN​比​と​感度​の​要因​効果​図​を​図​6​に​示す。​制御​因子​の​各​水準​において​SN​比​は​値​が​大きい​ほど​よく、​また、​感度​について​は​今回​の​評価​では​1​に​近い​ほど​音源​位置​の​推定​座標​が​目標​値​に​近い​ことに​なる。​この​結果​より、​制御​因子​ごと​に​最適​な​水準​を​見つける​こと​が​できる。​ここ​で​得​ら​れ​た​最適​な​水準​と​その​近傍​の​水準​を​組み​合せ​て​確認​実験​を​おこ​な​っ​た​結果、​図​7​に​示す​よう​な​要因​効果​を​得​た。​L18​直交​表​実験​の​結果​と​合わせ​て​考える​と、​今回​の​実験​を​おこ​な​っ​た​環境​下​において、​外乱ノイズに対してロバストな音響探知システムの各制御因子の組み合せは次のようになった。​音源​と​収録​に関して​は、​音源​の​周波数​は​高​くし、​指向​性​の​高い​マイクロ​フォン​を​使用​し​て​収録​する。​また、​相互​相関​関数​を​求める​前​に​施す​デジタル​バンド​パス​フィルタ​は、​バタワース​が​よく、​その​通過​帯域​は​音源​の​周波数​バンド​と​一致​し​て​いる​の​が​よい。

 

今回、​VI​制作、​実験​計画​と​L18 直交​表​実験、​および、​確認​実験​を​あわせて、​3​日​ほど​の​作業​で​最適​な​音源​探知​システム​を​構築​する​こと​が​でき​ま​した。​これ​も、​LabVIEW​の​信号​処理​ライブラリ​の​豊富​さ​と、​LabVIEW​自身​の​汎用​性​の​高​さ​が​ある​から​で​こそ​の​結果​で​ある。

 

 

参考文献

[1] 高桑​宗​右​ヱ​門、”FA/​CIM​の​経済​性​分析、” ㈱​中央​経済​社​1995

[2] 水沼​渉、​岡部​一成、​安部​誠一郎、​篠崎​朗子、​橋本​秀樹、”重量​物​搬送​用​高速​無人​車​(AGV)​の​開発、”三菱​重工​技​報 Vol。​36 No。​4  1999

[3] 小野​昌之、​福井​潔、​柳原​健太郎、​福永​茂、​原​晋​介、​北山​研一、”無線​を​使​っ​た​位置​検出、” 沖​テクニカル​レビュー​第​204​号​Vol。​72 No。​4 2005

[4] 雨宮​好文、​佐藤​幸男、”信号​処理​入門、” オーム​社​1987

[5]  坂巻​佳​壽美、”見​て​わかる​ディジタル​信号​処理、”  工業​調査​会 1998

 

著者​情報:

鈴木 真人 氏
​アマ​ノ​株式会社 

​ ​と​なる。 ​
​ ​図​1 2​つ​の​双曲線​による​音源​探知​の​原理 ​
​ ​図​2 実験​空間​と​直交​軸​の​設置​方法 ​
​ ​図​3 機器​の​構成 ​
​ ​図​4 音響​信号​と​バンド​パス​フィルタ​の​関係 ​
​ ​図​5 VI​の​実行​画面 ​
​ ​図​6 各​制御​因子​の​SN​比​と​感度​の​要因​効果​図 ​
​ ​図​7 確認​実験​の​SN​比​と​感度​の​要因​効果​図 ​