CN113227833A - 物体检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的物体检测装置(1)具备：信号生成部(20)，生成驱动信号；发送部(10)，根据输入的驱动信号发送作为探测波的超声波；接收部(50)，接收超声波并生成接收信号；以及判定部(70)，基于接收信号进行物体的检测判定。驱动信号具有至少两个频率，判定部(70)从接收信号提取与至少两个频率对应的至少两个振幅，并基于该至少两个振幅之间的关系进行判定。

Description

物体检测装置
相关申请的交叉引用
本申请基于在2018年12月18日申请的日本专利申请号2018－236663号，通过参照将其记载内容纳入本申请。
技术领域
本发明涉及一种通过收发超声波来检测物体的物体检测装置。
背景技术
作为这种装置，已知有能够辨别挡块等较低的障碍物与墙壁等较高的障碍物的装置(例如参照专利文献1等)。专利文献1中记载的装置具备收发机、峰值检测部、差量计算部、以及对象物判定部。
收发机朝向外部地配设于车辆的规定高度的位置。收发机具备每隔规定期间反复发送探测波的发送单元、和接收从检测区域方向入射的探测波的来自检测对象物的反射波的接收单元。峰值检测部检测收发机的接收单元接收到的反射波的峰值，并且存储检测到的峰值。差量计算部计算伴随着车辆的向检测对象物接近的移动而通过峰值检测部件检测的峰值的差量。
在通过差量计算部计算的峰值的差量的值为“负”的值的情况下，对象物判定部判定为检测对象物的种类为“路面附近障碍物”。所谓“路面附近障碍物”，是存在于路面附近的障碍物。另外，在上述的差量的值为“正”的值的情况下，对象物判定部判定为检测对象物的种类为“其他的障碍物”。所谓“其他的障碍物”，是存在于与路面附近相比较高的位置的障碍物。
在具有上述的结构的专利文献1中记载的装置中，收发机的发送单元每隔规定期间就发送探测波。接收单元接收从检测区域方向入射的反射波。峰值检测部检测接收单元接收到的反射波的峰值，并将其存储。差量计算部计算伴随车辆接近检测对象物的移动而变化的峰值的差量。而且，在计算出的差的值为“负”的值的情况下，对象物判定部判定为检测对象物的种类为路面附近障碍物。另一方面，在计算出的差的值为“正”的值的情况下，对象物判定部判定为检测对象物的种类为其他的障碍物。
专利文献1：日本特开2010－197351号公报
在这种装置中，谋求进一步提高物体的判定精度。具体而言，例如，假定是车载的物体检测装置的情况。该情况下，从路面起的突出高度相对较大的墙壁等物体有较高的可能与车体接触。因此，上述的物体需要适当地识别为障碍物。与此相对，从路面起的突出高度充分小的挡块等物体有极低的可能与车体接触。因此，实质上不将上述的物体评价为障碍物。从顶棚稍微向下方突出的梁等也相同。因此，在车载的物体检测装置的情况下，谋求精度较好地辨别有较高的可能与车体接触而成为障碍物的物体和其他的物体。
发明内容
本公开是鉴于上述的方面而完成的。即，本公开提供一种能够使物体的判定精度提高的物体检测装置。
物体检测装置具备：信号生成部，生成驱动信号；发送部，根据输入的驱动信号发送作为探测波的超声波；接收部，接收超声波并生成接收信号；以及判定部，基于接收信号进行物体的检测判定。根据本公开的一个观点，驱动信号具有至少两个频率。判定部从收信号提取与至少两个频率对应的至少两个振幅，并基于该至少两个振幅之间的关系进行判定。
超声波根据频率而指向性变化。因此，指向性不同的至少两种超声波各自的来自物体的反射波的接收信号的振幅根据与指向性对应的指向范围与物体的位置关系而变化。具体而言，例如，存在物体存在位于指向性较宽的超声波的指向范围内，但存在于指向性较窄的超声波的指向范围外的情况。该情况下，在指向性较宽的超声波的反射波与指向性较窄的超声波的反射波之间，接收信号中的振幅间产生较大的不同。与此相对，存在物体存在于指向性较宽的超声波的指向范围和指向性较窄的超声波的指向范围重复的区域的情况。该情况下，在指向性较宽的超声波的反射波与指向性较窄的超声波的反射波之间，接收信号中的振幅间不产生较大的不同。
因此，具有上述结构的物体检测装置将具有至少两个频率的超声波作为探测波发送，从接收信号对每个频率提取振幅，基于该至少两个振幅间的关系进行物体的检测判定。具体而言，例如，判定部比较提取出的至少两个振幅。由此，能够精度较好地进行物体的检测判定。具体而言，成为能够以良好的精度进行障碍物的物体和其他的物体的识别。例如，能够辨别有可能与车体接触的物体和其他的物体。另外，通过基于与多个频率对应的接收信号中的振幅来进行物体的检测判定，能够缓和空气波动等导致的振幅水平的变化的影响。因此，根据上述结构，能够使物体的判定精度与以往相比进一步提高。
此外，对各构成要素等标记的带括号的参照附图标记仅表示该构成要素等与后述的实施方式中记载的具体的构成要素等的对应关系的一个例子。因此，本公开不会因上述的参照附图标记的记载而受到任何限定。
附图说明
图1是示出第一实施方式的物体检测装置的结构的图。
图2是示出收发元件的指向性的图。
图3是示出收发元件的指向性的图。
图4是用于对物体的位置与垂直方位的关系进行说明的图。
图5是示出驱动信号的振幅以及频率的图。
图6是示出探测波所到达的范围的图。
图7是示出发送指向性较宽的探测波时的反射波的振幅的图。
图8是示出发送指向性较窄的探测波时的反射波的振幅的图。
图9是示出距收发元件的水平距离与垂直方位的关系的图。
图10是示出距收发元件的水平距离与振幅比的关系的图。
图11是示出判定的基准值与检测范围的图。
图12是接收处理的流程图。
图13是用于对解析范围以及振幅的提取方法进行说明的图。
图14是示出距收发元件的直线距离与振幅水平的衰减量的关系的图。
图15是示出频率差较小时的振幅水平的差的图。
图16是示出频率差较大时的振幅水平的差的图。
图17是示出收发元件的频率特性的图。
图18是示出收发元件的频率特性的图。
图19是示出物体的距收发元件的直线距离与振幅比的关系的图。
图20是示出第二实施方式中的检测范围的图。
图21是示出第三实施方式的物体检测装置的结构的图。
图22是示出收发元件的温度特性的图。
图23是示出温度与振幅比的关系的图。
图24是示出温度引起的距离衰减的变化的图。
图25是示出第四实施方式中的频率分离部与信号判定部的结构的图。
图26是示出第五实施方式的物体检测装置的结构的图。
图27是示出FFT解析的结果的图。
图28是示出存在多普勒频移时的FFT解析的结果的图。
图29是示出第六实施方式的物体检测装置的结构的图。
图30是用于对第六实施方式中的解析范围的设定方法进行说明的图。
图31是示出其他的实施方式的物体检测装置的结构的图。
图32是示出其他的实施方式中的驱动信号的图。
图33是示出其他的实施方式中的驱动信号的图。
图34是示出其他的实施方式中的驱动信号的图。
图35是示出其他的实施方式中的驱动信号的图。
图36是示出使用图35的驱动信号的情况的FFT解析的结果的图。
图37是示出其他的实施方式中的驱动信号的图。
图38是示出其他的实施方式中的驱动信号的图。
图39是示出其他的实施方式中的驱动信号的图。
图40是示出使用图39的驱动信号的情况的FFT解析的结果的图。
图41是示出其他的实施方式中的驱动信号的图。
图42是示出使用图41的驱动信号的情况的FFT解析的结果的图。
图43是示出探测波被墙壁反射的情况的传播路径的图。
图44是示出重叠地接收两个反射波的情况的接收波的振幅的图。
图45是示出隔开间隔地接收两个反射波的情况的接收波的振幅的图。
图46是示出路径导致的传播距离差的图。
具体实施方式
以下，基于图，对本公开的实施方式进行说明。此外，在以下的各实施方式之间，对相互相同或等同的部分标记相同附图标记而进行说明。
(第一实施方式)
对第一实施方式进行说明。如图1所示，本实施方式的物体检测装置1具备发送部10、信号生成部20、收发元件30、控制部40、接收部50、频率分离部60、以及信号判定部70。物体检测装置1是超声波声呐装置，搭载于车辆，检测车辆的外部的物体。
发送部10将超声波作为探测波发送。信号生成部20的输出信号输入至发送部10，发送部10根据从信号生成部20输入的驱动信号发送探测波。驱动信号是用于驱动收发元件30的电信号，具有与探测波的频率对应的频率。
具体而言，信号生成部20生成具有超声波频带的频率的脉冲信号作为驱动信号。如图1所示，发送部10包含收发元件30和发送电路11。信号生成部20所生成的驱动信号被输入至发送电路11。发送电路11对输入的驱动信号实施升压等处理，并输出由此生成的信号。发送电路11的输出信号被输入至收发元件30。然后，收发元件30根据输入的信号，向车辆的外侧发送探测波。收发元件30例如由具备通过被驱动信号驱动而被激发的电气机械转换元件(例如压电元件等)的麦克风构成。
从控制部40向信号生成部20发送发送指示、驱动信号的设定信息等。控制部40、信号判定部70等例如由具备CPU、ROM、RAM、I/O等的公知的微型计算机构成，根据存储于ROM等的程序来执行各种运算等处理。在ROM等中也包含EEPROM等可重写的非易失性存储器。ROM以及RAM是非过渡性实体存储介质。
接收部50接收超声波，根据接收波的声压生成接收信号。接收部50所生成的接收信号在通过频率分离部60处理后被输入至信号判定部70，在信号判定部70中的物体的检测处理中使用。
具体而言，接收部50包含收发元件30和接收电路51。收发元件30输出与接收波的声压相应的电压，接收电路51通过对收发元件30的输出电压实施放大等处理来生成接收信号，并输出该接收信号。接收电路51所生成的接收信号被输入至频率分离部60。频率分离部60对接收信号实施滤波等处理，并输出由此生成的信号。信号判定部70基于接收信号进行物体的检测判定。信号判定部70的判定结果被发送至控制部40。
在这样的结构的物体检测装置1中，例如，如接下来那样进行物体检测处理。即，若从控制部40向信号生成部20发出发送指示，则通过信号生成部20生成驱动信号，发送部10根据驱动信号发送探测波。若探测波被车辆的外部的物体反射，则接收部50接收反射波并生成接收信号。信号判定部70基于接收信号检测物体，基于从发送探测波至接收反射波为止的时间即TOF，来测定与物体的距离，将检测结果等发送至控制部40。TOF是Time ofFlight(飞行时间)的缩写。
在像这样基于TOF检测物体的方法中，由于仅测定反射探测波的物体与车辆的直线距离，因此难以调查物体的准确的位置。例如，难以判定检测到的物体是有可能与车体碰撞的墙壁等障碍物，还是不太可能与车体碰撞的较低的台阶等。对此，本公开的研究者着眼于作为超声波的探测波的频率与指向性的关系，设计了一种能够识别成为障碍物的物体与其他的物体的结构。
首先，对探测波的频率与指向性的关系进行说明。例如，如图2或图3所示，由麦克风等构成的收发元件30具有探测波的振幅水平随着垂直方位以及水平方位变大而变小的指向性特性。此外，在图2以及图3中，以虚线示出方位为0°时的振幅水平。另外，在图4中，“路面台阶”是指挡块等从通道的路面起的突出高度充分小的台阶。另外，“顶棚台阶”是指从通道的顶棚稍微向下方突出的梁等从顶棚起的突出高度充分小的台阶。它们是不太需要作为有可能与车体碰撞的“障碍物”识别或检测的物体。
如图4所示，通过经过收发元件30的水平面与连接收发元件30和物体的直线的角度来确定垂直方位。从收发元件30的正面返回反射波的物体，例如位于收发元件30的正面的墙壁等物体的垂直方位设为0°。对于与收发元件30位于不同的高度的路面的台阶、以及位于通道的顶棚的梁等台阶，它们的垂直方位比0°大。
与从收发元件30沿平行于水平面的方向前进的探测波相比，向与收发元件30不同的高度前进的探测波的振幅水平较小。因此，与来自位于收发元件30的正面的物体的反射波的振幅水平相比，来自与收发元件30位于不同的高度的物体的反射波的振幅水平较小。
已知指向性特性因收发元件30的发送面的大小、发送波的波长、发送面的振动模式等而改变。即，当使发送面的大小恒定时，通过改变发送信号的频率，能够改变指向性。在振动模式相同的情况下，一般而言，频率越高，则指向性越窄。当频率差较小时，振动模式相同的情况较多。与此相对，当频率差较大时，存在振动模式改变的情况。该情况下，存在频率的高低与指向性的宽窄的关系反转的情况。
具体而言，根据收发元件30的结构，例如，如图2所示，与频率fH的指向性相比，与fH相比较低的频率fL的指向性较宽。另外，根据收发元件30的结构，例如，如图3所示，与频率fH的指向性相比，频率fL的指向性较窄。
而且，垂直方位越大，则频率的不同导致的指向性的差越大，垂直方位越小，则频率的不同导致的指向性的差越小。即，物体的垂直方位越大，则频率的不同导致的反射波的振幅水平的差越大，物体的垂直方位越小，则频率的不同导致的反射波的振幅水平的差越小。
在基于安装于车辆的声呐的车载型的物体检测装置1的情况下，设定为垂直侧的指向性较窄而水平侧的指向性较宽。该情况下，如图2以及图3所示，频率的不同导致的指向性的不同表现在垂直方向上，在水平方向上不同较小。
接下来，对能够识别成为障碍物的物体与其他的物体的结构进行说明。本实施方式的信号生成部20生成具有至少两个频率的驱动信号。具体而言，例如，如图5所示，信号生成部20间歇地生成频率fH的信号和频率fL的信号。
另外，如图1所示，本实施方式的频率分离部60具备BPF61a、61b、和振幅生成部62a、62b。BPF是指带通滤波器。BPF61a、61b使规定的频带的信号通过，而截断其他的频带的信号。通过来自控制部40的输入信号设定BPF61a、61b的频带，BPF61a、61b的通过频带的中心频率分别设为fL、fH。接收电路51所生成的接收信号中的通过BPF61a、61b的信号被输入至振幅生成部62a、62b。
振幅生成部62a、62b计算输入的信号的振幅值。振幅值例如可以使用以下列举的值中的任意一个。输入信号的零至峰值的测定值、输入信号的峰值至峰值的测定值、输入信号的有效值、对输入信号进行包络处理后的值、将输入信号转换为平均功率后的值。
这样，从接收信号提取与两个频率fL、fH对应的两个振幅。将与频率fL、fH对应的振幅分别设为AL、AH。
另外，本实施方式的信号判定部70基于频率分离部60提取出的振幅AL与振幅AH之间的关系来进行物体的检测判定。具体而言，例如，信号判定部70基于振幅AL与振幅AH的比较来判定检测到的物体是否位于规定的检测范围内。所谓“规定的检测范围”，是将收发元件30的指向轴作为中心且具有规定的高度以及宽度的区域。“指向轴”是与使距收发元件30的直线距离变化时的探测波强度最高的轨迹大致一致的直线。“指向轴”典型地与收发元件30的中心轴大致一致。另外，“规定的高度以及宽度”可以根据距收发元件30的直线距离而变化。“规定的检测范围”的与指向轴正交的虚拟平面上的剖面形状典型地为圆形。
由上述可知，在本实施方式的结构中，伴随探测波的频率的不同的反射波的接收信号的振幅水平的不同的产生方式根据物体的垂直方位而变化。例如，在收发元件30具有图2所示的特性的情况下，如图6所示，探测波较好地到达的范围根据伴随频率的不同的指向性的不同而变化。此外，在图6中，区域R1示出指向性较宽的低频率fL的探测波较好地到达的范围。另外，区域R2示出指向性较窄的高频率fH的探测波较好地到达的范围。即，指向性较宽的探测波除了较好地到达收发元件30的正面的墙壁等以外，还较好地到达路面以及通道的顶棚。与此相对，指向性较窄的探测波虽然到达收发元件30的正面的墙壁等，但难以到达路面、通道的顶棚。
因此，在发送指向性较宽的探测波的情况下，如图7所示，在来自收发元件30的正面的墙壁的反射波与来自路面的台阶等的反射波之间，振幅上不会产生较大的不同。另一方面，在发送指向性较窄的探测波的情况下，如图8所示，在来自收发元件30的正面的墙壁的反射波与来自路面的台阶等的反射波之间，在振幅上产生较大的不同。具体而言，与来自收发元件30的正面的墙壁的反射波相比，来自路面的台阶等的反射波的振幅显著地小。
本实施方式的信号判定部70利用这点来判定检测到的物体是否位于检测范围内。具体而言，如图1所示，信号判定部70具备振幅比判定部71，信号判定部70基于振幅AL与振幅AH的比来进行判定。
振幅比判定部71例如计算Ar＝AH/AL作为振幅比，并如接下来那样进行判定。即，例如，如图2所示，假定收发元件30具有频率fL下的指向性与频率fH下的指向性相比较宽的特性的情况。在这种情况下，振幅比判定部71在振幅比Ar为规定的基准值以上时，判定为物体位于检测范围内。而且，振幅比判定部71在振幅比Ar与基准值相比较小时，判定为物体位于检测范围外。
另外，如图3所示，假定收发元件30具有频率fL下的指向性与频率fH下的指向性相比较窄的特性的情况。在这种情况下，振幅比判定部71在振幅比Ar为基准值以下时，判定为物体位于检测范围内。而且，振幅比判定部71在振幅比Ar与基准值相比较大时，判定为物体位于检测范围外。
也可以振幅比判定部71计算Ar＝AL/AH作为振幅比，并如接下来那样进行判定。即，在收发元件30具有图2所示的特性的情况下，振幅比判定部71在振幅比Ar为基准值以下时，判定为物体位于检测范围内。另外，振幅比判定部71在振幅比Ar与基准值相比较大时，判定为物体位于检测范围外。另一方面，在收发元件30具有图3所示的特性的情况下，振幅比判定部71在振幅比Ar为基准值以上时，判定为物体位于检测范围内。另外，振幅比判定部71在振幅比Ar与基准值相比较小时，判定为物体位于检测范围外。
此外，也可以使用AR＝K×log(AH/AL)＝K×log(AH)－K×log(AL)作为振幅比。振幅比AR也可以称为对数振幅比AR。常量K典型地为20。在常量K为20的情况下，对数振幅比AR也可以称为分贝差。即，“振幅比”不限定于两个振幅之间的算术除法值，而是也包含分贝差的概念。
图10针对墙壁与路面台阶双方示出距收发元件30的水平距离与振幅比的关系。图中，虚线示出墙壁的情况的理论值即计算值，点划线示出路面台阶的情况的理论值。
如图9所示，距收发元件30的水平距离越短，则路面台阶以及顶棚台阶的垂直方位越大。因此，如图10所示，关于来自收发元件30的正面的墙壁的反射波的振幅比与距收发元件30的水平距离无关地几乎恒定。与此相对，距收发元件30的水平距离越短，则关于来自路面等的反射波的振幅比越小。
考虑到这点，例如，如图11所示，与振幅比Ar比较的基准值设定为距收发元件30的直线距离越短则越小。此外，将音速作为c，通过L＝c×TOF/2求出物体的距收发元件30的直线距离L。而且，在收发元件30具有图2所示的特性的情况下，在振幅比Ar即AH/AL为规定的基准值以上时，判定为物体位于检测范围内。另一方面，在振幅比Ar与基准值相比较小时，判定为物体位于检测范围外。
此外，在图11中，虚线示出AH＝AL时的振幅比。另外，图11所示的回响范围是检测探测波的发送导致的收发元件30的回响的范围。在根据TOF测定出的直线距离与规定值相比较短的情况下，信号判定部70判定为接收信号是回响导致的，而不进行物体的检测判定。
在本实施方式中，通过以这样的结构进行图12所示的接收处理，来识别成为障碍物的物体和其他的物体。由此，能够抑制进行不必要的碰撞避免动作等。
即，当接收部50所生成的接收信号的振幅与规定的振幅阈值相比较大时，在步骤S1中，通过频率分离部60将接收信号分离为与两个频率fL、fH对应的频率成分。另外，提取分离出的与两个频率fL、fH对应的频率成分各自中的振幅AL、AH。
将规定的时间范围作为解析范围，频率分离部60以及信号判定部70从接收信号中的包含于解析范围的部分进行振幅AL、AH的提取以及判定。例如，如图13所示，将接收信号的振幅超过振幅阈值的时刻作为基准来设定解析范围。另外，也可以将接收信号的振幅达到峰值的时刻、或者接收信号的上升开始时刻作为基准来设定解析范围。另外，也可以将解析范围设为从作为基准的时刻起一定时间，也可以设为作为基准时刻的前后的一定时间。通过不是根据接收信号的振幅，而将解析范围的基准时刻设为接收信号的上升开始时刻等规定时刻，判定精度可以进一步提高。
如图13所示，在频率分离部60中，通过振幅生成部62a从通过BPF61a的接收信号的振幅波形中的包含于解析范围的部分提取与频率fL对应的振幅AL。另外，通过振幅生成部62b从通过BPF61b的接收信号的振幅波形中的包含于解析范围的部分提取与频率fH对应的振幅AH。
在步骤S1后，在步骤S2中，通过振幅比判定部71计算振幅比Ar。然后，在步骤S3中，如上述那样进行振幅比Ar与基准值的比较。作为振幅比Ar与基准值的比较的结果，当判定为物体位于检测范围内时，在步骤S4中，信号判定部70比较在步骤S1中提取出的振幅AL、AH与振幅阈值。信号判定部70在判定为振幅AL、AH为振幅阈值以上时，在步骤S5中将反射波信息发送至控制部40，结束接收处理。作为反射波信息，例如，发送反射波中包含的频率的图案(pattern)、TOF、波高等。控制部40根据被发送的反射波信息进行碰撞避免动作等。
在步骤S3中判定为物体位于检测范围外时，或者在步骤S4中判定为振幅AL、AH不足振幅阈值时，不执行步骤S5而结束接收处理。即，在根据振幅比Ar与基准值的比较结果、或者接收信号的振幅与振幅阈值的比较结果，判定为物体位于检测范围外的情况下，不进行碰撞避免动作等而结束接收处理。
如以上说明的那样，本实施方式的物体检测装置1发送具有两个频率的探测波，并从接收信号按每个频率提取振幅，基于提取出的两个振幅间的关系进行物体的检测判定。具体而言，例如，信号判定部70比较提取出的至少两个振幅。由此，能够辨别有可能与车体接触的物体和其他的物体。
超声波在空气中传播时，受到风以及温度不均等导致的空气的波动的影响，因此振幅变动。该振幅的变动量对于沿相同的传播路径在相同的时刻传播的超声波以相同的方式起作用。另一方面，频率相互不同的两个超声波的从发出开始至它们的来自相同的物体的反射波的接收结束为止的时间相对于空气的波动的变化速度而言极短。因此，频率相互不同的两个超声波的发出相对于空气的波动的变化速度而言可以视为在几乎相同的时刻。对于反射波的接收也相同。因此，在几乎相同的时刻发送并从相同的物体反射来的两个频率的超声波中，反射波受到的振幅变动量几乎相同。因此，对于两个频率的反射波，通过取振幅的比，能够消除空气的波动的影响。
对于以上的定性的说明，以下，尝试使用理论式进行验证。距离r[m]下的声压p[Pa]如下述的式(1)所示。下述式(1)中，E0是无衰减的情况的能量密度[J/m3]。C是超声波所传播的介质中的音速[m/s]。ρ是介质的密度[kg/m3]。D(θ)是指向性增益。Θ是方位角。方位角θ是连接物体和收发元件30的虚拟直线与指向轴所成的角。Β是衰减常量。
[式1]
Figure BDA0003119130940000121
E0＝p0 2/(ρc2)，p0是距离r＝0时的声压。衰减常量β根据频率而变化。
以距离r从反射率R的物体反射来的超声波亦即反射波的声压如下述的式(2)所示。作为下述式(2)的前提，为了简化说明，设为发送与接收中指向性增益相同。
[式2]
Figure BDA0003119130940000122
在频率fL的情况下，上述式(2)成为如下述式(3)所示，在频率fH的情况下，上述式(2)成为如下述式(4)所示。
[式3]
Figure BDA0003119130940000123
[式4]
Figure BDA0003119130940000124
在实际的装置使用环境中，由于温度以及空气密度变动，因此ρ以及c的值随着时间经过而变动。然而，如上述的那样，相同的物体检测装置1中的两个频率fL、fH的收发能够评价为在几乎相同的时刻。因此，在上述式(3)与上述式(4)中，能够视为r、ρ、c、以及R相同。
因此，当将上述式(3)的右边除以上述式(4)的右边时，r、ρ、c、以及R消失。即，可以从上述式(3)以及上述式(4)得到下述式(5)。另外，可以从下述式(5)得到下述式(6)。
[式5]
Figure BDA0003119130940000131
[式6]
Figure BDA0003119130940000132
当将麦克风灵敏度即收发元件30的灵敏度设为Mr[V/Pa]时，振幅即接收电压Vr表示为麦克风灵敏度Mr与声压p的积。即，Vr＝Mrp。根据以上内容，可以得到下述式(7)。
[式7]
Figure BDA0003119130940000133
在上述式(7)中，p0L是频率fL的超声波的发送声压，p0H是频率fH的超声波的发送声压。如上所述，在示出接收电压的比的上述式(7)中，保留p0L/p0H、MrL/MrH、DL(θ)/DH(θ)、以及exp{2r(－βL+βH)}。p0L/p0H被称为发送声压比。MrL/MrH被称为麦克风灵敏度比。DL(θ)/DH(θ)被称为指向性增益比。exp{2r(－βL+βH)}被称为频率衰减量比。
若确定物体检测装置1的构造和频率，则发送声压比以及麦克风灵敏度比固定。因此，通过以标准条件下的测定来计算发送声压比以及麦克风灵敏度比，能够消除上述式(7)中的发送声压以及麦克风灵敏度的影响。
频率衰减量比是频率的不同导致的衰减量的不同。若频率差较小则能够忽略频率衰减量比。即，频率衰减量比为1。另一方面，在存在不能够忽略频率衰减量比的程度的频率差的情况下，能够实际测量或是理论上计算修正值。当将上述的修正值设为k时，可以从上述式(7)得到下述式(8)。
[式8]
Figure BDA0003119130940000141
这样，在比较与两个频率对应的两个振幅的方法中，能够缓和空气波动等导致的振幅水平的变化的影响，而使物体的判定精度提高。
图14示出距收发元件30的直线距离与振幅水平的衰减量的关系。图中，“fL”表示频率fL下的振幅即接收电压VrL。另外，“fH”表示频率fH下的振幅即接收电压VrH。如图14所示，对反射波的振幅而言，与物体的距离越大则衰减越大，并且频率越高则衰减量越大。与此相对，在本实施方式这样使用振幅比的方法中，能够减少因距离而产生的衰减量的影响，使物体的判定精度提高。
因频率的不同而产生的根据距离产生的衰减量的差也能够在理论上从频率推导出。在信号判定部70中，通过根据由TOF计算出的与物体的直线距离，以在理论上求出的衰减量差修正在振幅的比较中使用的基准值，即使在频率的差较大而衰减量的差较大时，也能够使判定精度提高。另外，在信号判定部70中，通过在根据该直线距离修正两个振幅后比较两个振幅，也能够相同地使判定精度提高。能够实际测量或者通过理论式求出图14所示那样的距离衰减特性，能够基于该距离衰减特性设定基准值、振幅的修正量。
此外，如图15、图16所示，频率fL与fH的差越大，则指向性的差越大，因此反射波的振幅水平的差越大，物体是否位于检测范围内的判定精度提高。然而，若频率fL、fH偏离收发元件30的谐振频带，则探测波的振幅以及接收灵敏度降低，长距离检测性能降低。因此，为了维持检测性能并且使判定精度提高，优选将这两个频率中的一方设定得与谐振频率相比较高，将另一方设定得与谐振频率相比较低。此外，更优选将收发元件30的谐振频带的上限值和下限值分别选定为fH、fL。
例如，在将收发元件30的谐振频率设为f0，将f0设为中心频率，将中心频率±3％的范围设为谐振频带的情况下，优选将中心频率+3％设为fH，将中心频率－3％设为fL。
另外，在如本实施方式那样间歇地发送频率fH的探测波和频率fL的探测波的情况下，若两个探测波的间隔较长，则在空气波动等导致的振幅AH、AL的变动量间容易产生差。因此，优选缩短两个探测波的间隔。
另外，两个频率的探测波中的振幅较小的一方成为瓶颈而决定长距离检测性能。因此，优选以来自位于收发元件30的正面的物体的反射波的振幅如图17所示的那样在频率fL与fH下相等的方式设定两个频率。
例如，优选以在收发元件30的正面与频率fL、fH对应的探测波的振幅水平相等，或者来自位于收发元件30的正面的物体的反射波的振幅水平相等的方式生成驱动信号。此外，这里的振幅水平相等，不仅包含振幅水平完全相等，还包含振幅水平大致相等。
在来自位于收发元件30的正面的物体的反射波的振幅水平不同的情况下，例如在将振幅比设为AR＝20log(AH/AL)，AR≠0的情况下，基于该振幅比AR修正测量结果的振幅比即可。或者，将在振幅比的判定中使用的基准值偏移振幅比AR的量即可。
另外，较高的频率fH的超声波与较低的频率fL的超声波相比距离衰减较大，因此在长距离检测的情况下，如图18所示，也可以以频率fH的探测波的振幅与频率fL的探测波的振幅相比较大的方式选定频率fL、fH。
另外，在重视判定物体的高度的性能的情况下，优选以指向性的差为最大的方式选定频率fL、fH。但是，由于若频率fL、fH偏离收发元件30的频带则长距离检测性能降低，因此在这种情况下也优选以包含于收发元件30的频带的方式选定频率fL、fH。
这样，本实施方式的物体检测装置1使用具有由于频率相互不同因此指向性相互不同的至少两个频率的驱动信号。而且，上述的物体检测装置1提取与至少两个频率对应的至少两个振幅，基于这些至少两个振幅间的关系来进行物体的检测判定。由此，能够以良好的精度进行成为障碍物的物体和其他的物体的识别。另外，通过基于与多个频率对应的接收信号中的振幅来进行物体的检测判定，能够缓和空气波动等导致的振幅水平的变化的影响。因此，根据上述的结构，与以往相比能够精度较好地进行物体的检测判定。
(第二实施方式)
对第二实施方式进行说明。本实施方式是对第一实施方式变更物体的判定方法的实施方式，其他与第一实施方式相同，因此仅对与第一实施方式不同的部分进行说明。
本实施方式的信号判定部70以收发元件30的搭载高度为基准设定检测范围，如接下来那样进行物体的判定。即，在信号判定部70存储有如图19所示的那样的示出振幅比与物体的距收发元件30的直线距离的关系的映射图。此外，在图19中，示出了收发元件30的搭载高度为0.5m的情况，对于来自高度0.5m的物体的反射波，r＝1，即R＝0。
通过实际测量等调查振幅比与直线距离的关系。而且，信号判定部70基于振幅比判定部71计算出的振幅比、和根据TOF计算出的直线距离L，根据图19所示的映射图求出物体的高度h0。
如图20所示，将收发元件30的搭载高度设为hS，以高度hS为基准设定检测范围。而且，信号判定部70将检测范围的下限的高度设为hd，比较高度h0与高度hd，在h0≥hd时，判定为物体位于检测范围内，在h0＜hd时，判定为物体位于检测范围外。
在这样进行物体的判定的本实施方式中，可以获得与第一实施方式相同的效果。
(第三实施方式)
对第三实施方式进行说明。本实施方式是对第一实施方式追加温度测量部的实施方式，其他与第一实施方式相同，因此仅对与第一实施方式不同的部分进行说明。
如图21所示，本实施方式的物体检测装置1具备温度测量部80。温度测量部80配置为测量环境温度，温度测量部80测量出的环境温度经由控制部40被发送至信号判定部70。而且，信号判定部70根据环境温度修正振幅AL、AH的比较中使用的基准值。或者，信号判定部70在根据环境温度修正振幅AL、AH后进行比较。
收发元件30的谐振频率以及谐振频带根据温度而变化，例如，如图22所示，温度越低则谐振频率越高，温度越高则谐振频率越低。由于这样的特性的变化，振幅比如图23所示的那样变化，因此存在物体的判定精度降低的担忧。
与此相对，通过根据环境温度修正基准值等，能够减少温度变化的影响，而使物体的判定精度提高。
此外，如在第一实施方式中进行了说明的那样反射波的振幅根据距离而衰减，但该距离衰减除了根据探测波的频率而变化以外，如图24所示那样还根据温度而变化。而且，温度变化导致的距离衰减的变动量根据频率而存在差异。在如本实施方式那样具备温度测量部80的结构中，通过基于环境温度修正反射波的距离衰减的频率导致的差异，能够使判定精度提高。
(第四实施方式)
对第四实施方式进行说明。本实施方式是对第一实施方式变更频率分离部60的结构的实施方式，其他与第一实施方式相同，因此仅对与第一实施方式不同的部分进行说明。
如图25所示，本实施方式的频率分离部60除了具备BPF61a、61b以外，还具备四个BPF。将四个BPF分别设为BPF61c、61d、61e、61f。
在本实施方式中，信号判定部70具备多普勒频移检测部72，多普勒频移检测部72基于检测到的物体的位置的历史、接收信号的频率解析结果、车速等，推断反射波相对于探测波的多普勒频移量的范围。而且，考虑推断出的多普勒频移量的范围来设定BPF61c～61f的频带。
具体而言，将多普勒频移量的范围设为±fSHIFT，BPF61c的频带的中心频率与BPF61a相比低fSHIFT，BPF61d的频带的中心频率与BPF61a相比高fSHIFT。另外，BPF61e的频带的中心频率相比于BPF61b低fSHIFT，BPF61f的频带的中心频率相比于BPF61b高fSHIFT。
而且，与振幅生成部62a、62b相同地与BPF61c～61f对应地配置有振幅生成部62c、62d、62e、62f，通过振幅生成部62c～62f从通过BPF61c～61f的接收信号提取振幅。振幅比判定部71基于现在的多普勒频移量的推断值，从振幅生成部62a～62f提取出的振幅选择两个，计算振幅比。
通过这样的结构，能够抑制反射波相对于探测波的多普勒频移的影响导致的判定精度的降低。
此外，在本实施方式中对频率分离部60追加了BPF，但也可以通过其他的方法应对多普勒频移。
例如，也可以将接收信号输入至频率分离部60并且储存于未图示的缓冲器，在从频率分离部60的输出信号检测到多普勒频移的情况下，在使BPF61a、61b的频带的中心频率变化多普勒频移量fSHIFT的量后，在频率分离部60处理缓冲器内的接收信号。
另外，也可以在探测波发送前根据车速等推断多普勒频移量fSHIFT，使BPF61a、61b的频带的中心频率变化推断出的多普勒频移量fSHIFT的量。
(第五实施方式)
对第五实施方式进行说明。本实施方式是对第一实施方式变更频率分离部60的结构的实施方式，其他与第一实施方式相同，因此仅对与第一实施方式不同的部分进行说明。
如图26所示，本实施方式的频率分离部60具备FFT电路63。FFT是高速傅立叶转换的缩写。FFT电路63对接收电路51所生成的接收信号进行FFT解析，从接收信号提取与频率fL、fH对应的成分的振幅AL、AH。作为FFT解析的时间窗，使用与第一实施方式相同地设定的解析范围。FFT电路63将通过FFT解析提取出的振幅AL、AH输出至信号判定部70。
在通过FFT解析提取振幅AL、AH的本实施方式中，可以获得与第一实施方式相同的效果。
此外，在本实施方式中，在不存在多普勒频移的情况下，通过FFT解析如图27所示的那样提取每个频率的振幅。与此相对，例如在车辆接近物体而反射波的频率增加的情况下，如图28所示，与频率fL对应的反射波的频率接近收发元件30的频带的中心，因此振幅增加。另一方面，与频率fH对应的反射波远离收发元件30的频带的中心，因此振幅减少。此外，在图28中，fL’、fH’是对频率fL、fH加上多普勒频移量而成的。
根据这样的振幅的变化和收发元件30的频率特性检测多普勒频移量，基于多普勒频移量修正振幅比或者与振幅比较的基准值，能够抑制多普勒频移的影响导致的判定精度的降低。
另外，存在根据车速、规定次数前起的测量结果的历史中检测到多普勒频移的次数等，在测量开始前预测会产生多普勒频移的情况。在这样的情况下，也可以通过根据多普勒频移量修正驱动信号的频率，来抑制反射波的振幅的衰减。由此，能够抑制判定精度的降低，并且抑制长距离性能的降低。
此外，若将FFT解析的时间窗设为TW，则频率步长fStep为fStep＝1/TW。在与多普勒频移对应地修正频率的情况下，优选fStep相对于修正的频率精度而言充分小的方式设定TW。
(第六实施方式)
对第六实施方式进行说明。本实施方式是对第一实施方式追加用于识别反射波的结构的实施方式，其他与第一实施方式相同，因此仅对与第一实施方式不同的部分进行说明。
如图29所示，本实施方式的物体检测装置1具备BPF90，接收电路51所生成的接收信号被输入至频率分离部60以及BPF90。
信号判定部70除了具备振幅比判定部71以外还具备振幅判定部73、频率判定部74，通过BPF90的接收信号被输入至振幅判定部73、频率判定部74。振幅判定部73、频率判定部74通过驱动信号与接收信号的比较，来识别收发元件30发送出的探测波的反射波和从其他的车辆等发送出的超声波。
振幅判定部73判定接收信号的振幅是否为规定的阈值以上。若通过振幅判定部73判定为接收信号的振幅为阈值以上，则频率判定部74基于接收信号的频率识别接收波。
具体而言，频率判定部74进行驱动信号与接收信号的混合，从接收信号提取相位差信息，基于驱动信号的频率和提取出的相位差信息计算接收波的频率，生成频率波形。而且，频率判定部74计算生成的频率波形与驱动信号的频率波形的残差平方和，在残差平方和不足规定的阈值的情况下，判定为接收波是从收发元件30发送出的探测波的反射波。另一方面，在残差平方和为阈值以上的情况下，频率判定部74判定为接收波不是从收发元件30发送出的探测波的反射波。
在通过频率判定部74判定为接收波是探测波的反射波的情况下，信号判定部70进行物体的检测判定。这样，通过识别接收波而进行检测判定，能够进一步使物体的判定精度提高。
在比较驱动信号与接收信号的频率的情况下，如图30所示，也可以将从接收信号的频率检测到与驱动信号相同的图案的时刻作为基准，设定解析范围。此外，在图30中，在被虚线包围的部分检测到与驱动信号相同的图案，将检测到该图案的时刻的前后的一定时间设为解析范围。通过像这样设定解析范围，物体的判定精度提高。
(其他的实施方式)
此外，本公开并不限定于上述的实施方式，能够进行适当的变更。另外，上述各实施方式彼此并不是没有联系的，除了组合明显不可能的情况以外，能够进行适当的组合。另外，在上述各实施方式在，构成实施方式的要素除了特别明示是必须的情况以及在原理上明显认为是必需的情况等以外，不言而喻地，并不一定是必须的。另外，在上述各实施方式中，在提及实施方式的构成要素的个数、数值、量、范围等数值的情况下，除了特别明示是必须的情况以及在原理上明显限定于特定的数的情况等以外，不限定于该特定的数。另外，在上述各实施方式中，在提及构成要素等的形状、位置关系等时，除了特别明示的情况以及在原理上限定于特定的形状、位置关系等的情况等以外，不限定于该形状、位置关系等。
例如，如图31所示，也可以物体检测装置1具备发送元件31、接收元件32，由发送元件31和发送电路11构成发送部10，由接收元件32和接收电路51构成接收部50。
另外，也可以使用与上述第一实施方式不同的驱动信号。例如，如图34所示，也可以以连续地包含频率fH的信号和频率fL的信号的方式生成驱动信号。在这种情况下，也可以先生成频率fH的驱动信号，也可以先生成频率fL的驱动信号。另外，也可以交替地生成频率fH、fL的驱动信号，也可以将一方的频率的驱动信号连续地生成两次以上。另外，也可以根据频率而信号长度不同。
另外，在如图32那样生成驱动信号的情况下，也可以如图33所示的那样连续地生成具有两个频率的驱动信号，也可以如图34所示的那样间歇地生成。
另外，如图35所示，也可以以包含扫描频率的啁啾信号的方式生成驱动信号。该情况下，FFT解析的结果例如如图36所示。在图35中示出频率随着时间的经过而减少的下行啁啾信号，但也可以使用频率随着时间的经过而增加的上行啁啾信号。在使用啁啾信号的情况下，从收发元件30的频带的上限与下限中的一方至另一方扫描频率，通过将一方的频率与另一方的频率选择为在判定中使用的频率，指向性的差变大，物体的判定精度提高。此外，在能够允许探测波的振幅的降低的情况下，也可以使用收发元件30的频带以外的频率。另外，在图35中频率线形地变化，但也可以是频率非线形地变化。
另外，如图37所示，也可以以上行啁啾信号与下行啁啾信号交替地相连的方式生成驱动信号。另外，如图38所示，也可以在生成一方的啁啾信号后，隔开间隔地生成另一方的啁啾信号。另外，也可以交替地生成上行啁啾信号与下行啁啾信号，也可以仅将它们中的一方连续地生成两次以上。
在收发元件30对输入信号的追踪性较高，并且频带较宽的情况下，作为驱动信号，能够使用在宽带包含频率成分的信号，例如，图39～图44所示那样的白噪声信号、脉冲信号。另外，也可以在图5、图32～图38所示的驱动信号混合白噪声信号、脉冲信号。另外，作为驱动信号，也可以使用将两个频率以相互干扰的方式混合而成的信号。
另外，在上述第一～第七实施方式、以及图32～图34所示的例子中，也可以组合三个以上的频率来生成驱动信号，从接收信号提取与三个以上的频率对应的振幅并比较。在使用三个以上的频率的情况下，也可以连续地生成驱动信号，也可以间歇地生成。另外，在图35～图42所示的例子中，也可以从接收信号提取与三个以上的频率对应的振幅并比较。
此外，为了减少空气波动等环境因素导致的振幅的变动的影响，优选连续地生成驱动信号。另一方面，如图43所示，当向墙壁那样的物体发送探测波时，产生来自收发元件30的正面部分的反射波和来自墙壁的根部部分的反射波，当驱动信号的信号长度较长时，如图44所示，两个反射波重叠，而存在判定精度降低的担忧。与此相对，通过间歇地生成驱动信号，缩短信号长度，从而如图45所示，两个反射波被分别接收，能够抑制反射波的重叠导致的判定精度的降低。此外，如图46所示，距收发元件30的水平距离越近，则两个反射波的传播距离的差越大。而且，收发元件30的搭载高度越高，则该传播距离的差越大，因此通过增高收发元件30的搭载高度，也能够抑制反射波的重叠。
另外，在上述第四、第五实施方式中，基于多普勒频移量，来设定驱动信号的频率、在物体检测的判定中使用的频率成分、在振幅的比较中使用的基准值，但也可以基于发送部10的速度来设定它们。
控制部40不限定于具备CPU、ROM、RAM、I/O等的公知的微型计算机。即，控制部40也可以是构成为能够进行上述那样的动作的数字电路，例如是门阵列等ASIC。ASIC是APPLICATION SPECIFIC INTEGRATED CIRCUIT(专用集成电路)的缩写。对于信号判定部70等也相同。
信号判定部70不限定于判定检测到的物体是否位于规定的检测范围内。即，例如，也可以信号判定部70确定检测到的物体的垂直方位。或者，也可以信号判定部70确定检测到的物体的垂直方位，并且判定该物体是否位于规定的检测范围内。
上述的各功能构成以及方法也可以通过专用计算机实现，构成编程为执行由计算机程序具体化的一个或者多个功能的处理器以及存储器来提供该专用计算机。或者，上述的各功能构成以及方法也可以由通过一个以上的专用硬件逻辑电路构成处理器来提供的专用计算机实现。或者，上述的各功能构成以及方法也可以通过由编程为执行一个或者多个功能的处理器以及存储器与由一个以上的硬件逻辑电路构成的处理器的组合构成的一个以上的专用计算机实现。另外，计算机程序也可以作为由计算机执行的指令存储于计算机能够读取的非过渡有形记录介质。

Claims (13)

1.一种物体检测装置，具备：
信号生成部(20)，生成驱动信号；
发送部(10)，根据输入的所述驱动信号生成超声波作为探测波；
接收部(50)，接收超声波并生成接收信号；以及
判定部(70)，基于所述接收信号进行物体的检测判定，
所述驱动信号具有至少两个频率，
所述判定部从所述接收信号提取与所述至少两个频率对应的至少两个振幅，并基于该至少两个振幅之间的关系进行判定。
2.根据权利要求1所述的物体检测装置，其中，
所述信号生成部间歇地生成所述驱动信号。
3.根据权利要求1或2所述的物体检测装置，其中，
所述信号生成部以连续地包含所述至少两个频率的信号的方式生成所述驱动信号。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的物体检测装置，其中，
所述判定部基于所述至少两个振幅的比进行判定。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的物体检测装置，其中，
所述至少两个振幅之间的关系是基于通过该至少两个振幅求出的振幅比求出的关系。
6.根据权利要求4或5所述的物体检测装置，其中，
将所述两个频率分别设为fL、fH，
将与所述频率fL、fH对应的所述两个振幅分别作为AL、AH，
对于所述判定部而言，
在所述发送部以及所述接收部的所述频率fL下的指向性与所述频率fH下的指向性相比较宽的情况下，在AH/AL与基准值相比较小时或者AL/AH与基准值相比较大时，判定为物体位于规定的检测范围外，
在所述发送部以及所述接收部的所述频率fL下的指向性与所述频率fH下的指向性相比较窄的情况下，在AH/AL与基准值相比较大时或者AL/AH与基准值相比较小时，判定为物体位于所述检测范围外。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的物体检测装置，其中，
所述判定部从所述接收信号中的包含于规定的时间范围的部分提取与所述两个频率对应的成分的振幅，
将从所述接收信号检测到所述驱动信号中包含的图案的时刻作为基准来设定上述时间范围。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的物体检测装置，其中，
所述判定部根据从超声波的传播时间计算出的与物体的距离来修正用于振幅的比较的基准值，或者在根据该距离修正所述两个振幅后比较所述两个振幅。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的物体检测装置，其中，
所述判定部根据环境温度修正用于所述两个振幅的比较的基准值，或者在根据环境温度修正所述两个振幅后比较所述两个振幅。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的物体检测装置，其中，
所述判定部基于所述发送部的速度、或者接收波相对于所述探测波的多普勒频移量，来设定所述驱动信号的频率、或者用于判定的频率成分、或者用于振幅的比较的基准值。
11.根据权利要求1～10中任一项所述的物体检测装置，其中，
将所述发送部以及所述接收部的谐振频率作为f0，
所述两个频率中的一方频率与所述谐振频率f0相比较高，另一方频率与所述谐振频率f0相比较低。
12.根据权利要求1～11中任一项所述的物体检测装置，其中，
所述判定部从所述接收信号中的包含于规定的时间范围的部分提取与所述两个频率对应的成分的振幅，
将所述接收信号的振幅超过规定的振幅阈值的时刻、或者所述接收信号的振幅达到峰值的时刻、或者所述接收信号的上升开始时刻作为基准来设定上述时间范围。
13.根据权利要求1～12中任一项所述的物体检测装置，其中，
所述信号生成部以在所述发送部的正面对应于所述两个频率的所述探测波的振幅水平相等的方式生成所述驱动信号，或者以来自位于所述发送部的正面的物体的反射波的振幅水平相等的方式生成所述驱动信号。
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