【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波を用いた距離測定方法および距離測定装置に関し、更に詳しくは、パルス圧縮技術を用い、狭い周波数帯域を使用する場合であっても多数のシステムが同時に距離を測定することができる超音波を用いた距離測定方法と、該超音波を用いた距離測定方法を適用し、小型かつ簡単な構造を有する超音波を用いた距離測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超音波は、電波や光などに比較して反射しやすく、伝播速度も約３４０ｍ／ｓと遅いため、数１０ｍの距離の測定のための信号として広く用いられている。超音波を用いた距離測定方法は、信号処理が比較的簡単であることから、簡単な電気・電子回路により小型かつ安価に装置化できることから、ロボット技術の分野においても自律移動ロボットの障害物センサなどに広く用いられている。
【０００３】
従来の一般的な超音波を用いた距離測定方法および距離測定装置においては、周波数が一定の超音波を信号として使用していたため、他に同様の距離測定装置が存在すると誤作動しやすく、また複数の反射が存在すると測定精度が悪くなるといった問題点を有していたが、超音波を用いた距離測定方法および距離測定装置にパルス圧縮技術を応用することにより、前記誤作動や測定精度の悪化の防止が図られている。
【０００４】
パルス圧縮技術は、レーダ工学の分野において、遠距離の目標を高い距離分解能で観測することを目的として発展してきた技術である。レーダにより遠距離の目標を高い距離分解能で観測するには、大きな送信尖頭電力を持った幅の狭いパルスを送信しなければならない。しかしハードウェアの制約によりこのような信号パルスが得られない場合には、送信尖頭電力を低く保ったままパルス幅の長い送信パルスを変調して送信した後、目標からの反射波を受信する際に信号処理を行うことにより、大きな送信尖頭電力を有する幅の狭いパルスを送信した場合と同じ効果を得ることができる技術である。
【０００５】
パルス圧縮技術は、現在では線形周波数変調パルスから発展して、不要な反射を除去し、適切な目標からの応答を受信するためのフィルターを改良することを目的として、様々な関連する種類の信号について検証が行われている。この成果を応用し、超音波距離測定システムにおいても、クロストークや他の超音波源の存在により引き起こされる読み違えをなくすために応用されている。
【０００６】
パルス圧縮技術をロボット技術の分野に応用するに際しては、信号処理が複雑となるため、小型かつ低価格で装置化できるという超音波を用いた距離測定方法および距離測定装置の利点を損なうことになるという問題点を有していた。すなわち、パルス圧縮技術を超音波を用いた距離測定方法および距離測定装置に適用する場合には、それぞれに生成されたＢＦＳＫ信号と受信した反射超音波パルスの相関を計算する手段を備えさせなければならない。相関の計算は多くの積和演算が必要であり、積の演算は和の演算に比較して計算量を要することから、装置化する場合、リアルタイムでの相関の計算は汎用マイクロプロセッサでは困難であり、ＤＳＰ（ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）を用いて実現する場合においては非常にたくさんの電子部品を要する（例えば非特許文献１参照）。
【０００７】
またパルス圧縮技術においては、信号として一般的にチャープ波が用いられているが、チャープ波を用いる場合には連続的に周波数変調を行う必要がある。このため広帯域の超音波を放射する手段として、例えば超音波送波器に広帯域であるコンデンサ型送波器を用いる方法が提案されている（例えば、非特許文献２参照）。しかしながら、ロボット技術の分野においてはシステムを小型にすることができることから一般に狭帯域の共振型送波器が適用されているものであり、広帯域のコンデンサ型送波器を適用すると、大振幅の電圧を印加する必要があるため装置が大型化し、例えばロボットのセンサアレイなどに適用することが困難となる。
【０００８】
このため本発明者らは、パルス圧縮技術を用いた超音波距離測定システムにおける信号処理のために、リアルタイムで極性相関法により相関を計算することができる極性相関器（ポラリティコレレータ）を開発し、帯域幅の狭い周波数変調として狭帯域の共振型送波器を用いることを提案した（例えば、非特許文献３参照）。極性相関法によれば、積の演算が不要となるため計算に要する時間を大幅に減少させることができ、リアルタイムでの相関の計算が可能となる。また、極性相関器を１のＰＬＤ上に実現できるため、小型に装置化できるという超音波を用いた距離測定方法の利点を損なうことなくパルス圧縮技術を適用することが可能となった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら共振型送波器は狭帯域であるため、同時に使用できるチャープ波の波形の数は限られている。仮に共振型送波器を用いて広帯域の超音波を発生させようとすると、周波数帯域の不整合により効率が低下する。このため、同時に距離測定を行うことができる超音波を用いた距離測定装置の数が制限され、多数の装置が同時に距離測定を行っても相互の干渉を受けることなく距離を測定することができる距離測定装置を構築することが困難である。
【００１０】
上記実情に鑑み、本発明の解決しようとする課題は、共振型送波器を適用することにより超音波を用いた距離測定方法および距離測定装置の有する、小型かつ安価で実現できるという利点を損なうことなく、多数の装置による同時距離測定に対応することができる超音波を用いた距離測定方法および距離測定装置を提供することである。
【００１１】
【非特許文献１】
ケー．ダブリュ．ジョルグ（Ｋ．Ｗ．Ｊｏｒｇ），エム．ベルグ（Ｍ．Ｂｅｒｇ），「ソフィスティケイテッド モービル ロボット ソナー センシング ウィズ シュウド−ランダム コーズ（Ｓｏｐｈｉｓｔｉｃａｔｅｄ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｓｏｎａｒ ｓｅｎｓｉｎｇ ｗｉｔｈ ｐｓｅｕｄｏ−ｒａｎｄｏｍ ｃｏｄｅｓ）」，ロボティクス アンド オータナマス システムズ（Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ），アメリカ合衆国，１９９８年，２５巻，ｐ．２４１−２５１
【非特許文献２】
ティー．エイチ．ガン（Ｔ．Ｈ．Ｇａｎ），ディー．エー．ハッチンス（Ｄ．Ａ．Ｈｕｔｃｈｉｎｓ），ディー．アール．ビルソン（Ｄ．Ｒ．Ｂｉｌｌｓｏｎ），ディー．ダブリュ．シィンデル（Ｄ．Ｗ．Ｓｃｈｉｎｄｅｌ），「ザ ユーズ オブ ブロードバンド アコースティックトランスデューサーズ アンド パルス−コンプレッション テクニックス フォー エア−カップルド ウルトラソニック イメージング（Ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ ａｎｄ ｐｕｌｓｅ−ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｅ ａｉｒ−ｃｏｕｐｌｅｄ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｉｍａｇｉｎｇ）」，ウルトラソニックス（Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ），アメリカ合衆国，２００１年，３９巻，ｐ．１８１−１９４
【非特許文献３】
中平，児玉，森田，小熊，「ディスタンス メジャーメント バイ アン ウルトラソニック システム ベースド オン ア ディジタル ポラリティ コレレータ（Ｄｉｓｔａｎｃｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｂｙ ａｎ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｐｏｌａｒｉｔｙ Ｃｏｒｒｅｌａｔｏｒ）」，ＩＥＥＥトランザクション オン インストルメント アンド メジャーメント（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ），アメリカ合衆国，２００１年１２月，５０巻，ｐ．１７８４−１７５２
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、空気中に超音波パルスを放射して、物体にて反射された反射超音波パルスを受信し、放射から反射超音波パルスの受信までの時間を測定することにより物体までの距離を計算する超音波を用いた距離測定方法において、空気中に放射する超音波パルスは、有限の長さを有し２進符号で構成される相異なる複数の２進符号コードから構成される２進符号コードの集合を多数生成し、多数生成された２進符号コードの集合のうち、２進符号コードの集合を構成する各２進符号コードの間の相互相関関数のピーク値、および自己相関のサイドローブの最大値が最小である２進符号コードの集合を選択し、選択された２進符号コードの集合を構成する２進符号コードのうちの１つを２進周波数シフトキーイング方式により変調して生成された超音波パルスであることを要旨とするものである。
【００１３】
かかる構成によれば、複数のシステムが同時に放射する超音波パルスは、自己相関のサイドローブが低いものであるから、他のシステムに対して影響を与えたり、反対に他のシステムから干渉を受けることを防止することができる。また、相互相関係数が低いため、自己の使用する超音波パルスと他のシステムが使用する超音波パルスを混同することが防止される。このため、各システムが使用する超音波パルスにより干渉や混同が引き起こされることなく、複数のシステムが同時に距離測定を行うことができる。また、使用する超音波パルスは２進周波数シフトキーイング方式により変調された信号であるから、放射する超音波パルスの周波数帯域を広げることなく信号の種類を増加させることが容易であるため、同時測定のシステムの数を増加させることができる。
【００１４】
更に２進周波数シフトキーイング方式によれば、２種類のみの周波数から構成される超音波パルスを放射できればよいため、超音波パルスの放射手段として狭帯域の共振型送波器を用いることができる。この場合において、エネルギー効率の高い公称周波数近傍で２種類の伝送周波数を設定することにより、高効率で空気中に超音波パルスを放射することが可能となるから、システムを大型化、複雑化することなく、超音波を用いた距離測定にパルス圧縮技術適用することができる。
【００１５】
この場合において請求項２に記載のように、前記物体までの距離の計算は、放射した超音波パルスと受信した反射パルスの相関を計算する段階を有し、前記放射した超音波パルスと受信した反射パルスの相関は極性相関法により計算されることが望ましい。
【００１６】
かかる構成によれば、サンプリング時間間隔と同じかそれ以下の時間で相関の計算における積分演算が可能となるため、リアルタイムで相関を計算することができ、移動する物体であっても追随して距離を測定することが可能となる。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の超音波を用いた距離測定方法が適用される超音波距離測定装置であって、有限の長さを有し２進符号で構成される２進符号コードを２進周波数シフトキーイング方式により変調してＢＦＳＫ（２進周波数シフトキーイング）信号を生成する手段と、該ＢＦＳＫ（２進周波数シフトキーイング）信号を空気中に超音波パルスとして放射する放射手段と、反射超音波パルスを受信する受信手段と、受信した反射超音波パルスとＢＦＳＫ（２進周波数シフトキーイング）信号との相関を計算する手段と、相関のピーク値を検出して遅延時間から距離を計算する手段とを備え、前記放射手段は共振型送波器であり、前記相関を計算する手段は極性相関器（ポラリティコレレータ）であることを要旨とするものである。
【００１８】
この場合において請求項４に記載のように、前記有限の長さを有し２進符号で構成される２進符号コードを２進周波数シフトキーイング方式により変調してＢＦＳＫ（２進周波数シフトキーイング）信号を生成する手段と、受信した反射超音波パルスと生成したＢＦＳＫ（２進周波数シフトキーイング）信号との相関を計算する手段と、相関のピーク値を検出して遅延時間から距離を計算する手段は、１のプログラマブル・ロジック・デバイス上に構成されることが望ましい。
【００１９】
かかる構成によれば、共振型送波器を用いるため、装置を小型かつ安価に構成できるという従来の超音波を用いた距離測定装置の有する利点を損なうことなく、複数ユーザの同時距離測定に対応できる超音波距離測定装置を構成することができる。また、パルスの生成、相関の計算、ピーク値の検出による距離の測定などの信号処理に関する部分が１のＰＬＤにより実現することができるため、装置の構造化極めて簡単になり、小型かつ安価に構成できる。そしてこれらの結果、装置全体を小型かつ安価に構成することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本明細書においては、２進符号で構成される符号コードの列を２進符号コードと、該２進符号コードを２進周波数シフトキーイング（ＢＦＳＫ）方式により変調された信号をＢＦＳＫ信号と記す。また、信号の形式および変調方式の種類を問わず、本発明を含む超音波を用いた距離測定方法および距離測定装置で、放射手段により空気中に放射される超音波を伝送波とする信号を超音波パルスと記す。
【００２１】
以下、本発明の好適な一実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００２２】
図１は、本発明の一実施の形態に係る超音波を用いた距離測定方法の処理の流れを示したフローチャートである。まず、本発明の一実施の形態に係る超音波を用いた距離測定方法について、図１に示すフローチャートに従って説明する。
【００２３】
１．２進符号コードの決定
同一または同種の超音波を用いる距離測定方法により距離を測定する手段（本明細書においては、システムと記す）が複数存在して同時に距離を測定する場合には、それぞれのシステムは、自己のシステムが放射した超音波パルスと他のシステムが放射した超音波パルスとを識別する必要がある。自己のシステムが放射した超音波パルスと他のシステムが放射した超音波パルスとを区別するためには、各システムが使用する超音波パルスの相互相関が低いことが望ましい。また、各システム相互の干渉を防止するためは各システムが使用する放射する超音波パルスのサイドローブレベルが低いことが望ましい。
【００２４】
従って本実施の形態においては、次に示す手順により各システムが使用する２進符号コードが決定される。（１）２進符号コードの集合の生成：少なくとも同時に距離測定を行うシステムの数だけの相異なる２進符号コードから構成される２進符号コードの集合をランダムに多数生成する。（２）２進符号コードの集合の選択：生成された多数の２進符号コードの集合のうち、各集合を構成する各２進符号コードの相互相関関数のピーク値が最も低く、かつ自己相関法によるサイドローブレベルの最大値が最も低い集合を選択する。（３）２進符号コードの割り当て：選択された集合を構成する各２進符号コードを、各システムに距離測定に用いる信号として割り当てる。
【００２５】
前記相互相関関数のピーク値が最小である集合を選択する方法としては、例えば、ケー．アール．グリープ（Ｋ．Ｒ．Ｇｒｉｅｐ），ジェー．エー．リトシイ（Ｊ．Ａ．Ｒｉｔｃｅｙ），ジェー．ジェー．バーリンゲーム（Ｊ．Ｊ．Ｂｕｒｌｉｎｇａｍｅ）著，「ポリ−フェーズ コーズ アンド オプティマル フィルターズ フォー マルチプリックユーザー レンジング（Ｐｏｌｙ−ｐｈａｓｅ ｃｏｄｅｓ ａｎｄ ｏｐｔｉｍａｌ ｆｉｌｔｅｒｓ ｆｏｒ ｍｕｌｔｉｐｌｃ ｕｓｅｒ ｒａｎｇｉｎｇ）」（ＩＥＥＥトランザクション オン エアロスペース アンド エレクトロニック システム（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ，Ａｅｒｏｓｐａｃｅ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｓｙｓｔ．），アメリカ合衆国、１９９５年，３１巻，ｐ７５２−７６７）に記載される、シミュレーテッド・アニーリング法とヒルクライミング法を組み合わせた方法を好適に用いることができる。
【００２６】
２．ＢＦＳＫ信号の生成
ＢＦＳＫ（２進周波数シフトキーイング）方式は、２進符号コードを伝送するに際して、２進符号「０」、「１」にそれぞれ異なる周波数ｆ０、ｆ１を割り当てた伝送波を用いることにより２進符号コードを伝送するディジタル変復調方式である。
【００２７】
各装置は割り当てられた２進符号コードからＢＦＳＫ信号を生成して超音波パルスとして放射する。生成されたＢＦＳＫ信号は、以下のように表記される。
【００２８】
【数１】
【００２９】
数式１において、Ａは伝送される信号の振幅、ｂｊは２進符号コードのｊ番目の要素である。すなわち２種類の周波数ｆ０、ｆ１を用いて伝播するものであるから、ｂｊ＝０であればｆｂ＝ｆ０であり、ｂｊ＝１であればｆｂ＝１である。数式１の中の関数Πｊ（ｔｉ）は以下の数式２のように表される。
【００３０】
【数２】
【００３１】
ここで、ｄｊは以下の数式３で表される。また、ｄ０＝０である。
【００３２】
【数３】
【００３３】
このように２進周波数シフトキーイング方式によれば、超音波パルスの放射において必要とされる周波数は２種類のみであるため、放射手段は広帯域の超音波を放射できる必要はなく、放射手段として適用する送波器の周波数特性に応じて伝送波周波数ｆ０、ｆ１を適切に選択すれば、具体的には、例えば送波器の公称周波数近傍の２種類の周波数を選択すれば、狭帯域の送波器においてもエネルギー効率の高い公称周波数近傍で超音波を空気中に放射することができ、効率を上げることができる。
【００３４】
この場合において、超音波パルスの継続時間はｄＭであり、長さがＭの２進符号コードにある「０」と「１」の数により定められる。また、圧電性送波器の周波数帯域の両端にある各の周波数は、それぞれ、ｆ０とｆ１の２つの周波数が使用される。
【００３５】
２つの周波数の差を決定するためには、サンプリング時間間隔Ｔは、次式で表される。ここで、ｆ０＜ｆ１である。
【００３６】
【数４】
【００３７】
数式４より明らかなとおり、周波数ｆ０とｆ１の帯域幅が狭いと、帯域幅の中心のナイキスト周波数より速いサンプリング時間間隔であることを要するため、信号処理において扱うデータ量が増加する。反対に帯域幅を大きく取ると周波数ｆ０およびｆ１の少なくともいずれか一方が送波器の公称周波数から離れることになり、送波器の効率が低下する。従って、両者のバランスを考慮して周波数ｆ０およびｆ１を設定する。
【００３８】
３．距離の測定
距離の測定は次に示す手順で行われる。（１）超音波パルスの放射：生成されたＢＦＳＫ信号を放射手段により超音波パルスとして空気中に放射する。（２）反射超音波パルスの受信：超音波パルスの放射とあわせて受信手段が周りから放射あるいは反射した超音波パルスを受信する。（３）相関の計算：受信された超音波パルスと生成されたＢＦＳＫ信号との相関を、相関計算手段によりリアルタイムで計算する。（３）閾値レベルの検査：計算された相関が設定された閾値以上であるかどうかを判断し、設定された閾値以下である場合には、ノイズであると判断する。（４）距離の計算：計算された相関が設定された閾値以上のレベルを有している場合には、相関のピーク値を検出する。（５）ピーク値が現れた時間遅延を計算し、計算された時間遅延から超音波パルスを反射した物体までの距離を計算する。
【００３９】
リアルタイムでの相関の計算には、例えば前記非特許文献３に示される極性相関器（ポラリティコレレータ）を好適に適用することができる。極性相関法により相関を計算する場合には、積の演算が不要であるため計算時間が短く、サンプリング時間間隔と同じかそれ以下の時間で相関の計算における積分演算が可能であるため、リアルタイムに相関を計算することが可能である。
【００４０】
なお、移動する物体に追随して距離を測定するため、一定時間間隔ごとに距離測定を行うものであることが望ましく、これにより移動する物体であってもリアルタイムに位置を測定することが可能となる。
【００４１】
次いで、上記超音波を用いた距離測定方法を適用した超音波距離測定装置について説明する。
【００４２】
図２は、本発明の一実施の形態に係る超音波を用いた距離測定装置の構成を示したブロック図である。図２により構成の概略を説明すると、本発明の一実施の形態に係る超音波を用いた距離測定装置１は、設定された（複数システムの場合は選択され割り当てられた）２進符号コードを２進周波数シフトキーイング方式により変調してＢＦＳＫ信号電圧を生成する手段であるパルス発生器３と、生成されたＢＦＳＫ信号に基づいて超音波パルスを空気中に放射する手段である送波器６と、何らかの物体に反射した反射超音波パルスを受信する手段である受波器７と、生成されたＢＦＳＫ信号と受信した反射超音波パルスの相関を計算する手段である相関器（コレレータ）４と、計算された相関のピーク値を検出し、ピーク値が現れた遅延時間から超音波パルスを反射した物体までの距離を計算するピーク検出器５とから構成される。
【００４３】
前記パルス発生器３、相関器（コレレータ）４、およびピーク検出器５は１のＰＬＤ（プログラマブル・ロジック・デバイス）２上に実現されるものであることが望ましく、例えばＰＬＤとして三菱マイコン機器ソフト株式会社製のＭＵ２００を好適に適用することができる。１のＰＬＤ上に信号処理に必要な回路構成を実現することにより、距離測定装置の小型化を図ることができる。また、使用する２進符号コードや回路構成の変更にも簡単に対応できる。
【００４４】
また、送波器６は狭帯域の共振型送波器が適用可能であり、例えば、村田工業株式会社製のＭＡ４０Ｓ３Ｒ／Ｓなどを好適に適用することができる。
【００４５】
本実施の形態に係る超音波を用いた距離測定装置による距離測定方法は、前記のとおりである。なお、２進符号コードはあらかじめ生成・選択されたものをパルス発生器３上に記憶させておき使用する。また、相関器（コレレータ）は、極性相関器（ポラリティコレレータ）の機能がＰＬＤ上に実現されるものである。
【００４６】
【実施例１】
実施例１は、本発明に係る超音波を用いた距離測定方法および距離測定装置において、ＢＦＳＫ信号を用いることの妥当性および複数の同時距離測定の有効性について検証した検証実験について記す。
【００４７】
表１は、前記手段により決定された２進符号コードである。これら２進符号コードの長さは８０ビットである。なお、表１においては１６進数で表記しており、左側下から信号の送信が開始される。
【００４８】
【表１】
【００４９】
送波器には村田工業株式会社製のＭＡ４０Ｓ３Ｒ／Ｓを適用しており、半径は５ｍｍ、共振周波数は４０ｋＨｚで、周波数帯域は約２．５ｋＨｚに制限される。このため符号「１」に対応する周波数ｆ１を４１．６６６ｋＨｚに、符号「０」に対応する周波数ｆ０を３８．４６１ｋＨｚに設定している。
【００５０】
なお、２進符号コードの長さ（ビット数）は長い方が識別が容易となるが、長くすると各波形が重なる確率が高くなること、また、超音波パルスの放射時間の間隔を長くせざるを得ず、高速で移動する物体の位置をリアルタイムで測定することが困難となることから、両者のバランスを考慮して８０ビットとする。
【００５１】
図３は自己相関法によるピークレスポンスの測定結果であり、（ａ）は、表１に示される２進符号コードを用いた超音波パルスの測定結果、（ｂ）は、約２ｍｓの時間で３８．４６１ｋＨｚから４１．６６６ｋＨｚに周波数がスイープするチャープ信号の測定結果である。ＢＦＳＫ信号の極性相関法による相関は、シャープさが少なく信号とノイズの比率も悪い。しかしながら、はっきりしたピークを識別することができ、識別信号として用いることが可能である。また、表１に示されるように、自己相関法によるピークレスポンスの最小値は相互相関関数の最大値より大きいことから、この間に閾値を設定することにより、他の装置が放射する超音波パルスと混同することなく自己が放射した超音波パルスを識別して距離の測定を行うことが可能となる。
【００５２】
図４は、複数の装置により同時に距離測定を行った場合における、自己相関法によるピークレスポンスの最小値と相互相関関数の最大値を示した図であり、（ａ）はＢＦＳＫ信号を、（ｂ）（ｃ）は中心周波数が４０ｋＨｚで、それぞれ４ｋＨｚと８ｋＨｚの帯域のチャープ波を用いた場合の結果を示している。ＢＦＳＫ信号を用いた場合には、いずれの装置数においてもピークレスポンスの最小値は相互相関係数の最大値より大きくなることから、閾値をこの間で適切に選択することにより誤認識することなく距離測定が可能であることを示している。
【００５３】
これに対して、図４（ｂ）（ｃ）に示されるように、チャープ波を用いた場合には、装置数の増加に伴い相互相関関数の最大値が大きく上昇し、装置数が４において相互相関係数の最大値がピークレスポンスの最小値より大きくなる。このため、４ｋＨｚおよび８ｋＨｚのいずれにおいても、装置数が４の場合に自己の反射信号と他のシステムの放射する信号との区別がつかなくなり、同時に距離測定を行うことができなくなる。
【００５４】
このように、本発明に係るＢＦＳＫ信号を用いる方法は、従来のチャープ波を用いる方法に比較して、複数ユーザの同時距離測定に対して有効であることが示されたものである。
【００５５】
【実施例２】
以上説明した本発明に係る超音波を用いた距離測定方法および該距離測定方法を適用した距離測定装置について、複数のシステムが同時に距離測定を行い他のシステムが放射する超音波パルスが存在する場合における距離測定能力について検証している。
【００５６】
図５は、検証実験のための装置およびその構成である。本検証実験に用いる装置１０１は、第１送波器１０６と、受波器１０７と、１のＰＬＤ１０２と、パーソナルコンピュータであるＰＣホスト１１０と、を備える。本検証実験においてはＰＬＤとして三菱電機マイコン機器ソフトウェア株式会社製のＭＵ２００を適用している。なお、ＰＬＤ１０２上に、パルス発生器１０３および相関器（コレレータ）１０４が実現されている。なお、第１送波器１０６、受波器１０７、ＰＬＤ１０２、パルス発生器１０３、および相関器（コレレータ）１０４は前記実施の形態で説明したものと同一の機能を有するものであり、基本的な構成および動作は図２に示す超音波を用いた距離測定装置１と同様である。
【００５７】
ただし本検証実験においては、使用するＢＦＳＫ信号の変更や、ＰＬＤ１０２上に構成されるパルス発生器１０３や相関器（コレレータ）１０４の回路の構成を変更することができるよう、パーソナルコンピュータであるホスト（ＰＣホスト１１０）が接続されている。すなわち、ＰＣホスト１１０で作成された回路構成がＰＬＤにロードされて、１つのＰＬＤ上にパルス発生手段と、極性相関器（ポラリティコレレータ）が構成される。また、図２に示すピーク検出器５の機能をも有する。更にＰＣホスト１１０は、相関計算の結果が伝送され、ＰＣホスト１１０に内蔵される図示しない記録手段に記録され、データとして利用できるように構成される。
【００５８】
前記ＰＬＤ１０２上に構成される相関器（コレレータ）１０４は極性相関器であり、１ＭＨｚのサンプリング周波数を有し、約２０００のストレージシフトレジスタを有する。これにより、２ｍｓの超音波パルスを保存し処理することができる。なお、前記ＰＬＤ１０２には４０万個のティピカルゲートを有するアルテラ社製のＥＰ２０Ｋ４００Ｅデバイスが組み込まれており、実際にはＰＬＤの有するティピカルゲートのわずか約５％のみを使用することになる。
【００５９】
検証実験は、距離の測定対象物１２１として直径９０ｍｍ、高さ１ｍの円柱を用い、第１送波器１０６から０．６〜１．２ｍの距離に設置して距離を測定するものである。また、ノイズの発生源として、第１送波器１０６および受信器１０７から２ｍの距離の位置に別個の第２送波器１２０が設置され、第１送波器１０６とは別個独立してＢＦＳＫ信号に基づく超音波パルスをノイズとして放射し得るように構成される。ノイズは、表１に示すコードナンバー８の２進符号コードを２進周波数シフトキーイング方式により変調した超音波パルスであり、５０Ｈｚの周期で放射される。構成より明らかなとおり、距離測定装置１０１は自己が放射する超音波パルスは反射超音波パルスを受信するのに対し、ノイズ源である第２送波器１２０が放射する超音波パルスは直接受信することになるため、信号に比較してノイズの方が大きい環境下での検証となる。
【００６０】
表２は表１に示すコード１のＢＦＳＫ信号により観察された実験データを示す。なお、相関の計算における閾値レベルは０．６３に設定されている。
【００６１】
【表２】
【００６２】
表２に示されるように、ノイズ源がある場合においても、良好な結果が得られている。なお、１．０ｍを超える距離を測定するときに、オーバーラップロスに僅かの増加があった。これは、実験が音吸収フォームのない屋内で行われ、他の物体からの反射波もオーバーラップしたためであると考えられる。
【００６３】
以上の結果、他の装置が同時に距離測定を行っているような、ノイズが存在する環境においても正確に距離を測定できることが実証され、多数の装置による同時距離測定に対応できることが示されたものであり、送波器として狭帯域送波器を用い、超音波パルスとして２進周波数シフトキーイング方式により変調された信号を用いることにより、同時多数の距離測定を行う装置を構成することが可能となった。
【００６４】
以上本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施できることは勿論である。例えば前記各実施例においては、８システムの同時距離測定を想定しているが、実際には８システムまたはそれ以下に限定されることはなく、８システム以上においても適用可能である。この場合においては、より長いビット数を有する２進符号コードを用いることにより、システムの数を増加させることが可能である。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したとおり、請求項１に記載の発明によれば、複数のシステムが同時に放射する超音波パルスは自己相関のサイドローブが低いものであるから、他のシステムに対して影響を与えたり、反対に他のシステムから干渉を受けることを防止することができる。また、相互相関関数の最大値が低いため、自己の使用する超音波パルスと他のシステムが使用する超音波パルスを混同することが防止される。このため各システムにおいて干渉や混同が生じることなく、複数のシステムが同時に距離測定を行うことができる。
【００６６】
また、２進周波数シフトキーイング方式によれば、２種類のみの周波数から構成される超音波パルスを放射できればよいため、超音波パルスの放射手段として狭帯域の共振型送波器を用いることができる。この場合において、エネルギー効率の高い公称周波数近傍で２種類の伝送周波数を設定することにより、高効率で空気中に超音波パルスを放射することが可能となるから、システムを大型化、複雑化することなく、超音波を用いた距離測定にパルス圧縮技術を適用することができる。
【００６７】
そして、使用する超音波パルスの周波数帯域を広げることなく、２進符号コードの種類を増やすのみで同時に距離測定を行うことができるシステムの数を増加させることができる。この場合、２進符号コードのビット数を増加させることにより２進符号コードの種類を増加させることができる。
【００６８】
請求項２に記載の発明によれば、サンプリング時間間隔と同じかそれ以下の時間で相関の計算における積分演算が可能となるため、リアルタイムで相関を計算することができ、移動する物体であっても追随して距離を測定することが可能となる。
【００６９】
請求項３に記載の発明によれば、共振型送波器を用いるため、装置を小型かつ安価に構成できるという従来の超音波を用いた距離測定装置の有する利点を損なうことなく、複数ユーザの同時距離測定に対応できる超音波距離測定装置を構成することができる。
【００７０】
請求項４に記載の発明によれば、パルスの生成、相関の計算、ピーク値の検出による距離の測定などの信号処理に関する部分が１のＰＬＤにより実現することができるため、装置の構造が極めて簡単になり、小型かつ安価に構成できる。そしてこれらの結果、装置全体を小型かつ安価に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る超音波を用いた距離測定方法のフローチャートである。
【図２】本発明の一実施の形態に係る超音波を用いた距離測定装置の構成を示したブロック線図である。
【図３】（ａ）はＢＦＳＫ信号、（ｂ）はチャープ信号のピークレスポンスの測定結果である。
【図４】（ａ）はＢＦＳＫ信号を（ｂ）（ｃ）はチャープ波を用いた場合のピークレスポンスの最小値と相互相関関数の最大値を示した図である。
【図５】本発明の第２の実施例における超音波を用いた距離測定装置の構成を示したブロック線図である。
【符号の説明】
１ 超音波を用いた距離測定装置
２ ＰＬＤ（プログラマブル・ロジック・デバイス）
３ パルス発生器
４ 相関器（コレレータ）
５ ピーク検出器
６ 送波器
７ 受波器
１０１ 超音波を用いた距離測定装置（実験のための構成）
１０２ ＰＬＤ（プログラマブル・ロジック・デバイス）
１０３ パルス発生器
１０４ 相関器
１０６ 第１送波器
１０７ 受波器
１２０ 第２送波器
１２１ 測定対象物[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a distance measuring method and a distance measuring device using an ultrasonic wave, and more particularly, to a pulse compression technique, which enables a large number of systems to simultaneously measure distance even when a narrow frequency band is used. The present invention relates to a distance measuring method using an ultrasonic wave and a distance measuring apparatus using an ultrasonic wave having a small and simple structure, to which the distance measuring method using the ultrasonic wave is applied.
[0002]
[Prior art]
Ultrasonic waves are more easily reflected than radio waves and light, and have a slow propagation speed of about 340 m / s. Therefore, they are widely used as signals for measuring distances of several tens of meters. The distance measurement method using ultrasonic waves is relatively simple in signal processing, and can be implemented in a small and inexpensive device using simple electrical and electronic circuits. Widely used in such as.
[0003]
In the conventional distance measuring method and distance measuring device using ultrasonic waves, since the ultrasonic wave having a constant frequency is used as a signal, it is easy to malfunction when other similar distance measuring devices are present, and There was a problem that the measurement accuracy deteriorated when multiple reflections were present, but by applying pulse compression technology to a distance measurement method and a distance measurement device using ultrasonic waves, the malfunction and the measurement accuracy were reduced. The deterioration is prevented.
[0004]
The pulse compression technique has been developed in the field of radar engineering for observing a long-distance target with high distance resolution. In order to observe a distant target with high distance resolution by radar, a narrow pulse having a large transmission peak power must be transmitted. However, when such a signal pulse cannot be obtained due to hardware limitations, a modulated transmission pulse having a long pulse width is transmitted while keeping the transmission peak power low, and then a reflected wave from the target is received. By performing signal processing at this time, it is a technique capable of obtaining the same effect as transmitting a narrow pulse having a large transmission peak power.
[0005]
Pulse compression techniques now evolve from linear frequency modulated pulses to remove unwanted reflections and improve the filter to receive a response from the appropriate target with a variety of related types of signals. Has been verified. Utilizing this result, it has also been applied to ultrasonic distance measurement systems to eliminate misreading caused by crosstalk and the presence of other ultrasonic sources.
[0006]
When pulse compression technology is applied to the field of robot technology, signal processing becomes complicated, which impairs the advantage of a distance measuring method and a distance measuring device using ultrasonic waves, which can be implemented in a small size and at low cost. There was a problem that. That is, when the pulse compression technique is applied to a distance measuring method and a distance measuring apparatus using ultrasonic waves, it is necessary to provide a means for calculating the correlation between the generated BFSK signal and the received reflected ultrasonic pulse. No. The calculation of correlation requires many sum-of-products operations, and the calculation of a product requires a greater amount of calculation than the calculation of the sum, so when realizing a device, the calculation of correlation in real time is difficult with a general-purpose microprocessor. There is a case where a large number of electronic components are required to be realized using a DSP (digital signal processor) (for example, see Non-Patent Document 1).
[0007]
In the pulse compression technique, a chirp wave is generally used as a signal. When a chirp wave is used, it is necessary to continuously perform frequency modulation. For this reason, as a means for radiating broadband ultrasonic waves, for example, a method of using a condenser type transmitter having a wide band for an ultrasonic transmitter has been proposed (for example, see Non-Patent Document 2). However, in the field of robot technology, a narrow-band resonance type transmitter is generally applied because the system can be downsized, and when a wide-band capacitor type transmitter is applied, a large-amplitude voltage is applied. Since it is necessary to apply the voltage, the size of the apparatus increases, and it is difficult to apply the apparatus to, for example, a sensor array of a robot.
[0008]
For this reason, the present inventors have developed a polar correlator (polarity correlator) that can calculate a correlation by a polar correlation method in real time for signal processing in an ultrasonic distance measurement system using a pulse compression technique. Proposed the use of a narrow-band resonance type transmitter for frequency modulation with a narrow bandwidth (for example, see Non-Patent Document 3). According to the polar correlation method, since the calculation of the product is not required, the time required for the calculation can be greatly reduced, and the calculation of the correlation in real time becomes possible. In addition, since the polarity correlator can be realized on one PLD, the pulse compression technique can be applied without impairing the advantage of the distance measuring method using ultrasonic waves, which can be miniaturized.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the resonance type transmitter has a narrow band, the number of chirp waveforms that can be used simultaneously is limited. If an attempt is made to generate a broadband ultrasonic wave using a resonance type transmitter, the efficiency is reduced due to mismatching of frequency bands. For this reason, the number of distance measuring devices using ultrasonic waves that can perform distance measurement at the same time is limited, and even if many devices perform distance measurement at the same time, the distance can be measured without mutual interference. It is difficult to construct a distance measuring device.
[0010]
In view of the above circumstances, the problem to be solved by the present invention impairs the advantage that a distance measuring method and a distance measuring device using ultrasonic waves can be realized in a small size and at low cost by applying a resonance type transmitter. An object of the present invention is to provide a distance measuring method and a distance measuring device using an ultrasonic wave which can cope with a simultaneous distance measurement by a number of devices without using the ultrasonic wave.
[0011]
[Non-patent document 1]
K. W. KW Jorg, M. Berg (M. Berg), "Sophisticated mobile robot sonar sensing with pseudo-random cosmos, United States, USA, and modern systems systems." 25, p. 241-251
[Non-patent document 2]
tea. H. TH Gan, Dee. A. Hutchins, D.A. R. Billson, D.B. W. DW Schindel, "The Use of Broadband Acoustic Transducers and Pulse-Compression Techniques for Air-Coupled Ultrasonic Imaging. ) ", Ultrasonics, USA, 2001, vol. 39, p. 181-194
[Non-Patent Document 3]
Nakahira, Kodama, Morita, Oguma, "Distance Measurement by Ultrasonic System Based on a Digital Polarity Correlator, Electronic Corporation, Electronic Corporation, Electronic Corporation Transactions on instrument and measurement), United States, December 2001, volume 50, p. 1784-1752
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve this problem, the invention according to claim 1 radiates an ultrasonic pulse into the air, receives a reflected ultrasonic pulse reflected by an object, and performs processing from emission to reception of a reflected ultrasonic pulse. In a distance measurement method using ultrasonic waves that calculates the distance to an object by measuring the time of the ultrasonic waves, the ultrasonic pulses radiated into the air have different lengths that have a finite length and are composed of binary codes A plurality of sets of binary code codes composed of a plurality of binary code codes are generated, and among the generated binary code codes, a set of binary code codes constituting a set of binary code codes is generated. A set of binary code codes having the smallest peak value of the cross-correlation function and the maximum value of the side lobe of autocorrelation is selected, and among the binary code codes constituting the selected set of binary code codes, One is a binary frequency shift It is an summarized in that an ultrasonic pulse generated by modulating a keying scheme.
[0013]
According to such a configuration, since the ultrasonic pulse radiated by a plurality of systems at the same time has a low side lobe of the autocorrelation, it affects other systems or conversely receives interference from the other systems. Can be prevented. In addition, since the cross-correlation coefficient is low, it is possible to prevent the ultrasonic pulse used by itself from being confused with the ultrasonic pulse used by another system. For this reason, a plurality of systems can measure the distance at the same time without causing interference or confusion by the ultrasonic pulse used by each system. Also, since the ultrasonic pulse used is a signal modulated by the binary frequency shift keying method, it is easy to increase the types of signals without expanding the frequency band of the ultrasonic pulse to be radiated. The number of systems can be increased.
[0014]
Furthermore, according to the binary frequency shift keying method, it is sufficient that an ultrasonic pulse composed of only two types of frequencies can be emitted, so that a narrow-band resonance type transmitter can be used as a means for emitting an ultrasonic pulse. In this case, by setting two kinds of transmission frequencies near the nominal frequency having high energy efficiency, it becomes possible to radiate the ultrasonic pulse into the air with high efficiency, thereby increasing the size and complexity of the system. Without this, the pulse compression technique can be applied to distance measurement using ultrasonic waves.
[0015]
In this case, the calculation of the distance to the object may include calculating a correlation between the emitted ultrasonic pulse and the received reflected pulse, and the distance between the emitted ultrasonic pulse and the received ultrasonic pulse may be calculated. Preferably, the correlation of the reflected pulses is calculated by a polar correlation method.
[0016]
According to such a configuration, the integration operation in the calculation of the correlation can be performed in a time equal to or less than the sampling time interval, so that the correlation can be calculated in real time. Can be measured.
[0017]
According to a third aspect of the present invention, there is provided an ultrasonic distance measuring apparatus to which the distance measuring method using an ultrasonic wave according to the first or second aspect is applied, wherein the ultrasonic distance measuring apparatus has a finite length and is formed of a binary code. Means for generating a BFSK (binary frequency shift keying) signal by modulating a binary code code to be generated by a binary frequency shift keying method, and converting the BFSK (binary frequency shift keying) signal into an ultrasonic pulse in air. Radiating means for radiating, receiving means for receiving the reflected ultrasonic pulse, means for calculating a correlation between the received reflected ultrasonic pulse and a BFSK (binary frequency shift keying) signal, and detecting a peak value of the correlation Means for calculating a distance from a delay time, wherein the radiating means is a resonance type transmitter and the means for calculating the correlation is a polar correlator (polarity correlator). It is intended to.
[0018]
In this case, BFSK (Binary Frequency Shift Keying) is performed by modulating the binary code having a finite length and comprising a binary code by a binary frequency shift keying method. Means for generating a signal, means for calculating the correlation between the received reflected ultrasonic pulse and the generated BFSK (binary frequency shift keying) signal, means for detecting the peak value of the correlation and calculating the distance from the delay time Is desirably configured on one programmable logic device.
[0019]
According to this configuration, since the resonance type transmitter is used, it is possible to simultaneously measure distances of a plurality of users without deteriorating the advantage of a conventional ultrasonic distance measuring device that can be configured small and inexpensive. An ultrasonic distance measuring device capable of being configured can be configured. In addition, since a portion related to signal processing such as pulse generation, correlation calculation, and distance measurement by peak value detection can be realized by one PLD, the structure of the device is extremely simple, and the device is small and inexpensive. it can. As a result, the entire apparatus can be made small and inexpensive.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In this specification, a sequence of code codes composed of binary codes is referred to as a binary code code, and a signal obtained by modulating the binary code code by a binary frequency shift keying (BFSK) method is referred to as a BFSK signal. In addition, regardless of the type of signal and the type of modulation method, a distance measuring method and a distance measuring device using ultrasonic waves, including the present invention, use an ultrasonic wave radiated into the air by a radiating means as a transmission wave. Described as an ultrasonic pulse.
[0021]
Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0022]
FIG. 1 is a flowchart showing a flow of processing of a distance measuring method using ultrasonic waves according to one embodiment of the present invention. First, a distance measuring method using an ultrasonic wave according to an embodiment of the present invention will be described with reference to a flowchart shown in FIG.
[0023]
1.2 Determination of binary code
When there are a plurality of means for measuring a distance by a distance measuring method using the same or the same type of ultrasonic wave (hereinafter, referred to as a system) and the distance is measured at the same time, each of the systems uses its own system. It is necessary to distinguish between the ultrasonic pulses emitted by the other system and the ultrasonic pulses emitted by other systems. In order to distinguish an ultrasonic pulse emitted by its own system from an ultrasonic pulse emitted by another system, it is desirable that the ultrasonic pulse used by each system has a low cross-correlation. Further, in order to prevent interference between the systems, it is desirable that the side lobe level of the ultrasonic pulse radiated by each system is low.
[0024]
Therefore, in the present embodiment, the binary code used by each system is determined by the following procedure. (1) Generation of a set of binary code: A large number of sets of binary code composed of different binary code at least as many as the number of systems that simultaneously perform distance measurement are generated at random. (2) Selection of a set of binary code codes: of a large number of generated sets of binary code codes, the peak value of the cross-correlation function of each binary code code constituting each set is the lowest, and the autocorrelation The set having the lowest maximum value of the side lobe level according to the method is selected. (3) Assignment of binary code: Each binary code constituting the selected set is assigned to each system as a signal used for distance measurement.
[0025]
As a method of selecting a set having the minimum peak value of the cross-correlation function, for example, R. Griep, J.R. A. Ritsey, JA. J. JJ Burlingame, "Poly-phase Codes and Optimal Filters for Multiplic User Ranging" (IEEE Transaction on Electronic Aerospace). IEEE Trans, Aerospace and Electron. Syst.), U.S.A., 1995, vol. 31, p. 752-767), and a method combining a simulated annealing method and a hill climbing method can be preferably used.
[0026]
2. Generation of BFSK signal
The BFSK (Binary Frequency Shift Keying) system transmits a binary code to transmit different frequencies f to binary codes “0” and “1”. 0 , F 1 This is a digital modulation and demodulation method for transmitting a binary code by using a transmission wave to which is assigned.
[0027]
Each device generates a BFSK signal from the assigned binary code and radiates it as an ultrasonic pulse. The generated BFSK signal is described as follows.
[0028]
(Equation 1)
[0029]
In Equation 1, A is the amplitude of the transmitted signal, b j Is the j-th element of the binary code. That is, two types of frequencies f 0 , F 1 B. j = 0 if f b = F 0 And b j = 1 if f b = 1. Function 数 式 in Equation 1 j (T i ) Is expressed as in the following Expression 2.
[0030]
(Equation 2)
[0031]
Where d j Is represented by the following Equation 3. Also, d 0 = 0.
[0032]
[Equation 3]
[0033]
As described above, according to the binary frequency shift keying method, since only two kinds of frequencies are required for the emission of the ultrasonic pulse, the radiating means does not need to be able to radiate a broadband ultrasonic wave, and is applied as a radiating means. Transmission frequency f according to the frequency characteristics of the transmitter 0 , F 1 If properly selected, specifically, for example, if two kinds of frequencies near the nominal frequency of the transmitter are selected, even in the case of a narrow-band transmitter, ultrasonic waves are air-produced near the nominal frequency with high energy efficiency. It can radiate in and increase efficiency.
[0034]
In this case, the duration of the ultrasonic pulse is dM, and is determined by the number of “0” and “1” in the binary code code of length M. The frequencies at both ends of the frequency band of the piezoelectric transmitter are f 0 And f 1 Are used.
[0035]
To determine the difference between the two frequencies, the sampling time interval T is given by: Where f 0 <F 1 It is.
[0036]
(Equation 4)
[0037]
As is clear from Equation 4, the frequency f 0 And f 1 Is narrower, the sampling time interval must be faster than the Nyquist frequency at the center of the bandwidth, so that the amount of data handled in signal processing increases. On the other hand, if the bandwidth is large, the frequency f 0 And f 1 Will depart from the nominal frequency of the transmitter, reducing the efficiency of the transmitter. Therefore, considering the balance between the two, the frequency f 0 And f 1 Set.
[0038]
3. Measuring distance
The distance is measured according to the following procedure. (1) Ultrasonic pulse emission: The generated BFSK signal is emitted into the air as an ultrasonic pulse by a radiation unit. (2) Receiving the reflected ultrasonic pulse: The receiving means receives the ultrasonic pulse radiated or reflected from the surroundings together with the radiation of the ultrasonic pulse. (3) Calculation of correlation: The correlation between the received ultrasonic pulse and the generated BFSK signal is calculated in real time by the correlation calculating means. (3) Inspection of threshold level: It is determined whether or not the calculated correlation is equal to or greater than a set threshold. If the calculated correlation is equal to or less than the set threshold, it is determined that the noise is noise. (4) Calculation of distance: If the calculated correlation has a level equal to or higher than a set threshold value, a peak value of the correlation is detected. (5) The time delay at which the peak value appears is calculated, and the distance from the calculated time delay to the object reflecting the ultrasonic pulse is calculated.
[0039]
For calculation of the correlation in real time, for example, a polarity correlator (polarity correlator) disclosed in Non-Patent Document 3 can be suitably applied. When calculating the correlation by the polar correlation method, the calculation time is short because the calculation of the product is unnecessary, and the integration calculation in the calculation of the correlation can be performed in a time equal to or less than the sampling time interval. It is possible to calculate the correlation.
[0040]
In addition, in order to measure the distance following a moving object, it is preferable to measure the distance at regular time intervals, so that the position of a moving object can be measured in real time. Become.
[0041]
Next, an ultrasonic distance measuring apparatus to which the distance measuring method using ultrasonic waves is applied will be described.
[0042]
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a distance measuring device using ultrasonic waves according to one embodiment of the present invention. Explaining the outline of the configuration with reference to FIG. 2, the distance measuring apparatus 1 using ultrasonic waves according to one embodiment of the present invention converts a set binary code code (selected and assigned in the case of a plurality of systems). A pulse generator 3 which is a means for generating a BFSK signal voltage by modulating the signal by a binary frequency shift keying method, and a transmitter 6 which is a means for emitting an ultrasonic pulse into the air based on the generated BFSK signal. A receiver 7 as a means for receiving a reflected ultrasonic pulse reflected on some object, a correlator (correlator) 4 as a means for calculating a correlation between the generated BFSK signal and the received reflected ultrasonic pulse, A peak detector for detecting the calculated peak value of the correlation and calculating the distance from the delay time at which the peak value appears to the object reflecting the ultrasonic pulse.
[0043]
The pulse generator 3, correlator (correlator) 4, and peak detector 5 are desirably implemented on one PLD (programmable logic device) 2. For example, a PLD is provided by Mitsubishi Microcomputer Software Co., Ltd. An MU 200 manufactured by a company can be suitably applied. By realizing a circuit configuration necessary for signal processing on one PLD, the size of the distance measuring device can be reduced. Further, it is possible to easily cope with a change in a binary code used or a circuit configuration.
[0044]
Further, as the transmitter 6, a narrow-band resonance type transmitter can be applied. For example, MA40S3R / S manufactured by Murata Industry Co., Ltd. can be suitably applied.
[0045]
The distance measuring method by the distance measuring device using ultrasonic waves according to the present embodiment is as described above. The binary code generated and selected in advance is stored in the pulse generator 3 before use. In the correlator (correlator), the function of a polar correlator (polarity correlator) is realized on the PLD.
[0046]
Embodiment 1
Example 1 describes a verification experiment in which the validity of using the BFSK signal and the effectiveness of a plurality of simultaneous distance measurements in the distance measuring method and the distance measuring device using the ultrasonic wave according to the present invention are described.
[0047]
Table 1 shows the binary code determined by the above means. The length of these binary code is 80 bits. It should be noted that in Table 1, the signals are represented by hexadecimal numbers, and signal transmission is started from the lower left.
[0048]
[Table 1]
[0049]
MA40S3R / S manufactured by Murata Industry Co., Ltd. is applied to the transmitter, the radius is 5 mm, the resonance frequency is 40 kHz, and the frequency band is limited to about 2.5 kHz. Therefore, the frequency f corresponding to the code “1” 1 To 41.666 kHz and the frequency f corresponding to the code “0”. 0 Is set to 38.461 kHz.
[0050]
The longer the length (the number of bits) of the binary code is, the easier it is to identify. However, if the length is longer, the probability that the waveforms overlap will be higher, and the interval between the emission times of the ultrasonic pulses must be longer. Since it is difficult to measure the position of an object moving at high speed in real time, 80 bits are used in consideration of the balance between the two.
[0051]
3A and 3B show the measurement results of the peak response by the autocorrelation method. FIG. 3A shows the measurement results of the ultrasonic pulse using the binary code shown in Table 1, and FIG. It is the measurement result of the chirp signal whose frequency sweeps from .461 kHz to 41.666 kHz. The correlation of the BFSK signal by the polarity correlation method has low sharpness and a low signal-to-noise ratio. However, distinct peaks can be identified and used as identification signals. Also, as shown in Table 1, the minimum value of the peak response by the autocorrelation method is larger than the maximum value of the cross-correlation function. Without being confused, it becomes possible to identify the ultrasonic pulse emitted by itself and measure the distance.
[0052]
FIGS. 4A and 4B are diagrams showing the minimum value of the peak response and the maximum value of the cross-correlation function by the autocorrelation method when distance measurement is performed simultaneously by a plurality of devices. FIG. 4A shows the BFSK signal and FIG. (C) shows the results when the center frequency is 40 kHz and chirp waves in the bands of 4 kHz and 8 kHz are used, respectively. When the BFSK signal is used, the minimum value of the peak response is larger than the maximum value of the cross-correlation coefficient for any number of devices. Indicates that measurement is possible.
[0053]
On the other hand, as shown in FIGS. 4B and 4C, when a chirp wave is used, the maximum value of the cross-correlation function greatly increases with an increase in the number of devices. The maximum value of the cross-correlation coefficient becomes larger than the minimum value of the peak response. For this reason, in any of 4 kHz and 8 kHz, when the number of devices is 4, it becomes impossible to distinguish between the self-reflected signal and the signal radiated by another system, and it is not possible to measure the distance at the same time.
[0054]
Thus, the method using the BFSK signal according to the present invention has been shown to be more effective for simultaneous distance measurement of a plurality of users than the conventional method using a chirp wave.
[0055]
Embodiment 2
As for the distance measuring method using the ultrasonic wave according to the present invention described above and the distance measuring device to which the distance measuring method is applied, when a plurality of systems perform distance measurement at the same time and there is an ultrasonic pulse emitted by another system. It verifies the distance measurement ability in.
[0056]
FIG. 5 shows an apparatus for a verification experiment and its configuration. The device 101 used in the verification experiment includes a first transmitter 106, a receiver 107, one PLD 102, and a PC host 110 which is a personal computer. In this verification experiment, MU200 manufactured by Mitsubishi Electric Microcomputer Software Co., Ltd. is applied as the PLD. Note that a pulse generator 103 and a correlator (correlator) 104 are realized on the PLD 102. The first transmitter 106, the receiver 107, the PLD 102, the pulse generator 103, and the correlator (correlator) 104 have the same functions as those described in the above embodiment, and The configuration and operation are the same as those of the distance measuring device 1 using ultrasonic waves shown in FIG.
[0057]
However, in this verification experiment, a host (a personal computer) was used so that the BFSK signal to be used could be changed and the circuit configuration of the pulse generator 103 and the correlator (correlator) 104 formed on the PLD 102 could be changed. PC host 110) is connected. That is, the circuit configuration created by the PC host 110 is loaded into the PLD, and the pulse generating means and the polarity correlator (polarity correlator) are configured on one PLD. It also has the function of the peak detector 5 shown in FIG. Further, the PC host 110 is configured so that the result of the correlation calculation is transmitted, recorded in recording means (not shown) built in the PC host 110, and can be used as data.
[0058]
A correlator (correlator) 104 formed on the PLD 102 is a polar correlator, has a sampling frequency of 1 MHz, and has about 2,000 storage shift registers. Thereby, the ultrasonic pulse of 2 ms can be stored and processed. The PLD 102 incorporates an EP20K400E device manufactured by Altera having 400,000 gates, and actually uses only about 5% of the typical gates of the PLD.
[0059]
In the verification experiment, a cylinder having a diameter of 90 mm and a height of 1 m is used as the distance measurement target 121, and the distance is measured by installing the first transmitter 106 at a distance of 0.6 to 1.2 m. As a noise source, a second transmitter 120 is provided at a distance of 2 m from the first transmitter 106 and the receiver 107, and the BFSK is provided independently of the first transmitter 106. An ultrasonic pulse based on the signal is configured to be radiated as noise. The noise is an ultrasonic pulse obtained by modulating a binary code having a code number 8 shown in Table 1 by a binary frequency shift keying method, and is radiated at a period of 50 Hz. As is clear from the configuration, the distance measuring apparatus 101 receives the reflected ultrasonic pulse as the ultrasonic pulse emitted from the distance measuring apparatus 101, but directly receives the ultrasonic pulse emitted from the second transmitter 120 which is a noise source. Therefore, the verification is performed in an environment where noise is larger than the signal.
[0060]
Table 2 shows experimental data observed with the BFSK signal of code 1 shown in Table 1. The threshold level in the calculation of the correlation is set to 0.63.
[0061]
[Table 2]
[0062]
As shown in Table 2, good results were obtained even when there was a noise source. When measuring a distance exceeding 1.0 m, there was a slight increase in the overlap loss. This is probably because the experiment was performed indoors without the sound absorbing foam, and the reflected waves from other objects also overlapped.
[0063]
As a result, it was demonstrated that distance could be accurately measured even in an environment where noise was present, such as when other devices were simultaneously measuring the distance, and it was shown that multiple devices could be used for simultaneous distance measurement. By using a narrow-band transmitter as a transmitter and using a signal modulated by a binary frequency shift keying method as an ultrasonic pulse, it is possible to configure an apparatus for performing multiple simultaneous distance measurements. became.
[0064]
The embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to these embodiments at all, and it goes without saying that the present invention can be implemented in various modes without departing from the spirit of the present invention. For example, in each of the above embodiments, simultaneous distance measurement of eight systems is assumed. However, the present invention is not actually limited to eight systems or less, and can be applied to eight or more systems. In this case, it is possible to increase the number of systems by using a binary code having a longer number of bits.
[0065]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, since the ultrasonic pulses radiated simultaneously by a plurality of systems have low side lobes of autocorrelation, they affect other systems, Conversely, interference from other systems can be prevented. In addition, since the maximum value of the cross-correlation function is low, it is possible to prevent the ultrasonic pulse used by itself from being confused with the ultrasonic pulse used by another system. Therefore, a plurality of systems can measure the distance at the same time without causing interference or confusion in each system.
[0066]
Further, according to the binary frequency shift keying method, it is sufficient that an ultrasonic pulse composed of only two kinds of frequencies can be radiated, so that a narrow-band resonance type transmitter can be used as a means for radiating the ultrasonic pulse. . In this case, by setting two kinds of transmission frequencies near the nominal frequency having high energy efficiency, it becomes possible to radiate the ultrasonic pulse into the air with high efficiency, thereby increasing the size and complexity of the system. Without this, the pulse compression technique can be applied to distance measurement using ultrasonic waves.
[0067]
Then, without increasing the frequency band of the ultrasonic pulse to be used, it is possible to increase the number of systems capable of performing distance measurement at the same time only by increasing the types of the binary code. In this case, the type of the binary code can be increased by increasing the number of bits of the binary code.
[0068]
According to the second aspect of the present invention, since the integration operation in the calculation of the correlation can be performed in a time equal to or less than the sampling time interval, the correlation can be calculated in real time, and the moving object It is also possible to measure the distance following.
[0069]
According to the third aspect of the present invention, since the resonance type transmitter is used, a plurality of users can be used without impairing the advantage of the conventional distance measuring device using ultrasonic waves that the device can be made small and inexpensive. An ultrasonic distance measuring device that can support simultaneous distance measurement can be configured.
[0070]
According to the fourth aspect of the present invention, since a portion related to signal processing such as pulse generation, correlation calculation, and distance measurement by peak value detection can be realized by one PLD, the structure of the device is extremely high. It is simple, small, and inexpensive. As a result, the entire apparatus can be made small and inexpensive.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flowchart of a distance measuring method using ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a distance measuring device using ultrasonic waves according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3A shows a measurement result of a peak response of a BFSK signal, and FIG. 3B shows a measurement result of a peak response of a chirp signal.
4A is a diagram showing a BFSK signal, and FIGS. 4B and 4C are diagrams showing a minimum value of a peak response and a maximum value of a cross-correlation function when a chirp wave is used.
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a distance measuring device using ultrasonic waves according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Distance measuring device using ultrasonic waves
2 PLD (Programmable Logic Device)
3 pulse generator
4 Correlator (Correlator)
5 Peak detector
6 Transmitter
7 receiver
101 Distance measuring device using ultrasonic wave (configuration for experiment)
102 PLD (Programmable Logic Device)
103 pulse generator
104 correlator
106 First transmitter
107 receiver
120 Second transmitter
121 Measurement object
