GPSの届かない屋内空間において、音波を用いた高精度な位置特定技術は、高度なナビゲーションやスマートシティを実現する基盤として期待されている。音波は電波よりも測距分解能に優れるが、壁面等からの反射（マルチパス）による測位誤差や、汎用デバイス間での厳密な時刻同期の難しさが実用化を阻む大きな障壁であった。
本研究は、従来ノイズとされていた反射波を環境情報として積極的に活用することで、専用機器を要しない汎用デバイスのみでの高精度な屋内測位の実現を目的とする。
この課題に対し、空間の幾何構造に基づく鏡像音源モデルを導入し、多重反射パターンの解析を通じて、時刻同期のズレに対しても頑健な音響指紋の生成や位置制約手法を構築した。実験の結果、市販スマートフォンを用いた測位において複雑な生活空間での高精度化を実証したほか、単一の非同期スピーカという極めて簡素な構成下でのロボット自律移動に成功した。
本成果は、環境そのものをセンサの一部として捉える「音による空間解釈」という新たな枠組みを提示するものであり、既存の音響インフラを活用したユビキタスな位置情報サービスの展開を可能にする。
High-precision indoor positioning using acoustic waves is a foundational technology for advanced navigation and smart cities in GPS-denied environments. While sound waves offer superior ranging resolution compared to radio waves, practical implementation has been hindered by errors caused by multipath reflections and the difficulty of achieving strict time synchronization between commodity devices. This study aims to achieve high-precision indoor positioning on generic devices by actively utilizing reflected waves—conventionally treated as noise—as valuable environmental information. To address this, we introduced a mirror image source model based on spatial geometry and developed a method to generate acoustic fingerprints and position constraints that are robust to synchronization offsets by analyzing multipath patterns. Experimental results demonstrated high-precision positioning on commercial smartphones in complex environments and achieved autonomous robot navigation using only a single, asynchronous speaker. These findings present a novel framework of “spatial interpretation via sound” that treats the environment itself as a part of the sensing system, enabling the ubiquitous deployment of location-based services using existing acoustic infrastructure.
Yukiya Mita, Hiroaki Murakami, Changyo Han, Yoshihiro Kawahara
関連論文/Related Publications
H. Murakami, T. Sasatani, M. Sugimoto, I. Sukeda, Y. Mita, and Y. Kawahara, “SyncEcho: Echo-Based Single Speaker Time Offset Estimation for Time-of-Flight Localization,” Proc. of ACM SenSys 2024, pp.718-729, Hangzhou, China, Nov. 2024.
Y. Mita, H. Murakami, T. Sasatani, and Y. Kawahara, “Geometric Sound Profile: Multipath-Time-of-Flight Fingerprint for High-Accuracy Acoustic Localization,” Proc. of IEEE IPIN 2024, Page(s):1 – 6, Hong Kong, Oct. 2024 (Best Paper Award – 1st Place).
三田 有輝也, 村上 弘晃, 笹谷 拓也, 川原 圭博, “単一スピーカからの多重反射波のTime-of-Flight情報を用いた位置指紋に基づく屋内測位,” マルチメディア,分散,協調とモバイル シンポジウム(DICOMO2024), 8B-2 pp.1538-1544, June 2024.
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