JP2005121509A - 超音波測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両や自律・移動型のロボット等の移動体に搭載される超音波測定装置であって、移動体の周囲の障害物等の物体と移動体との距離（相対距離）及び前記物体の移動体に対する相対速度を、送受信波の信号処理のみを行って１回の送受信で同時に測定し得るようにし、小規模で安価な構成により迅速に測定する。
【解決手段】送信部部３から移動体の外方に超音波を出射し、その反射波を受信部４によって受信し、フーリエ変換部５のフーリエ解析処理により、少なくとも受信部の受信信号の高調波成分を検出し、演算部６により、送信波の信号と受信信号との第ｐ高調波の振幅比から前記の相対距離を算出し、同時に、送信波の信号と受信信号との第ｑ高調波の周波数差から前記の相対速度を算出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、種々の車両や自律・移動型ロボットのような移動体に搭載され、移動体と、その周囲の物体との距離（相対距離）、及び、その物体の移動体に対する速度（相対速度）を測定する超音波測定装置に関するものである。

従来、自動車に代表される車両や自律・移動型のロボット等の移動体の分野においては、衝突回避等を行うため、超音波センサを用いた超音波測定装置を移動体に搭載し、移動体と、その前方等の周囲の車両や人等の動体又は壁やガードレール、電柱等の静止体の障害物となる物体との相対距離や、前記物体の移動体に対する相対速度を測定することが種々行われている。

そして、例えば車両の場合、自車に搭載した超音波測定装置により、つぎの（１）〜（３）のようにして、前記の相対距離や相対速度を測定することが提案されている。

（１）超音波のいわゆるドップラー効果を利用し、複数の圧電素子を配列した超音波送受波器の一部の素子から超音波を出力し、自車前方の対象物体での反射波を、前記超音波送受波器の全ての素子により複数回受信し、その時系列的な受信信号のフーリエ変換結果の時間変化から、自車前方の対象物体の相対速度（ベクトル的運動速度）を測定する（例えば、特許文献１参照。）。

（２）自車側後部のいわゆる死角にある物体を超音波センサの超音波の送受信で検知し、その送受信の時間差から自車と前記物体との距離を検出して測定し、送受信波の周波数分析に基づき、送信波の周波数と受信波の周波数との周波数差から、前記物体の相対速度を検出して測定する（例えば、特許文献２参照。）。

（３）超音波測定装置により、いわゆるバックソナー、コーナーソナーを形成し、その送受波器（超音波振動子）から自車外方に超音波を出力し、自車の周囲の障害物等の反射波を前記送受波器により受信して高速フーリエ変換し、送信開始後、反射波の送信波周波数成分が閾値を越えるまでの時間から、自車と障害物の距離を算出して測定する（例えば、特許文献３参照。）。

また、車両の衝突回避の分野においては、ＧＨｚ帯のミリ波が、電磁波であって、光速で遠くまで検知でき、天候等の外乱の影響を受けない特質を有すること等を考慮し、ミリ波センサを用いたプリクラッシュセンサにより、自車前方の物体の相対距離や相対速度を測定し、衝突回避の制御を行うことも行われている。
特開平８−２９２２５４号公報（段落番号[００１７]−[００２１]、図７） 特開平８−３２４３６６号公報（段落番号[０００６]、[００１４]、[００１５]、図４） 特開２００１−２２１８４８号公報（段落番号[００３６]、[００５７]、図１、図４）

一般に、超音波センサは、ミリ波センサ等の電波に比して音波であることから、検知速度が遅く、測定可能な範囲（距離）が数メートル以下のいわゆる近距離範囲に限られ、しかも、いわゆる残響や環境の種々のノイズの影響を受け易いという特質がある。

そして、この超音波センサを用いた前記（１）の従来装置の場合、反射波を複数回受信しなければ相対速度の測定が行えないため、前記の特質を考慮すると、測定結果が得られるまでに時間を要し、しかも、反射波の複数回受信をくり返し、それによって得られた測定結果の変化傾向から衝突回避制御等を行う状態になったことを検出するため、信号処理が極めて複雑になる問題がある。

そのため、極めて高速に処理を行わなければ、測定結果に基づいて衝突回避制御等を実行するための時間余裕が極めて短くなり、実用的でなく、さらに、距離（相対距離）については、別途測定する必要がある問題もある。

また、前記（２）の従来装置の場合、相対距離及び相対速度の両方の測定は行えるが、相対距離については、超音波の送信からその反射波の受信までに要する時間を計時して測定しなければならず、送信波や受信した反射波の信号処理だけでなく計時処理も必要になり、回路部の処理負担が大きく、小規模で安価な構成により相対距離及び相対速度の両方を迅速に測定できない問題がある。

さらに、前記（３）の従来装置の場合、送信開始から反射波の送信波周波数成分が閾値を越えるまでに要する時間を計時して相対距離を測定しなければならず、送信波や受信した反射波の信号処理だけでなく計時処理も必要になり、前記（２）の装置と同様の問題があり、しかも、相対速度については、例えば前記（１）の装置によって別途測定する必要がある問題もある。

つぎに、前記従来のミリ波センサを用いて形成されるプリクラシュセンサは、ミリ波センサが、電磁波の特殊なセンサであり、極めて高価であり、しかも、ミリ波の人体や他の機器に与える影響が十分には解明されていないことから、価格及び安全性の双方が重視される車両のプリクラッシュセンサとしては、最適な構成とはいえない。

そして、超音波センサは前記のバックソナーやコーナーソナーにも用いられ、量産されている汎用のセンサであることから、安価であり、しかも、超音波が人体に全く影響しないことから、前記の価格及び安全性の双方が重視される車両のプリクラッシュセンサに用いることが考えられるが、この場合、相対距離及び相対速度の両方を、どのようにして、小規模で安価な構成により極力迅速に測定するかが、重要な課題となる。

本発明は、車両や自律・移動型のロボット等の移動体に搭載される超音波測定装置であって、移動体の周囲の障害物等の物体と移動体との距離（相対距離）及び前記物体の移動体に対する速度（相対速度）を、超音波の１回の送受信の信号処理で同時に測定し得るようにし、小規模で安価な構成により迅速に測定することを目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明の超音波測定装置は、移動体に搭載された超音波測定装置であって、超音波の送信波を前記移動体の外方に出力する送信部と、前記移動体外の物体で反射した前記送信波の反射波を受信する受信部と、少なくとも前記受信部の受信信号フーリエ解析処理するフーリエ変換部と、基本周波数波を第１高調波として、前記送信波の信号と前記受信信号との第ｐ高調波（ｐは１を含む整数）の振幅比から前記移動体と前記物体との距離を算出し、前記送信波の信号と前記受信信号との第ｑ高調波（ｑはｐと同一又は異なる整数）の周波数差から前記物体の相対速度を算出する演算部とを備えたことを特徴とする（請求項１）。

また、本発明の超音波測定装置は、送信部が送信波をくり返し出力し、受信部が反射波を受信する毎に、演算部が送信波の信号と受信信号との第ｐ高調波の振幅比、第ｑ高調波の周波数差から、移動体と物体との距離、前記物体の相対速度を算出することを特徴とする（請求項２）。

つぎに、本発明の超音波測定装置は、送信波が方形波のパルス波であって、少なくとも第ｐ高調波が奇数次（ｐが奇数）の高調波であることを特徴とし（請求項３）、さらには、第ｑ高調波が偶数次（ｐが奇数）の高調波であることも特徴とする（請求項４）。

つぎに、本発明の超音波測定装置は、フーリエ変換部のフーリエ解析処理が、高速フーリエ変換の処理であることも特徴とし（請求項５）、受信部の受信信号の不要ノイズを除去するノイズフイルタを備えたこと、及び、演算部により算出された距離及び相対速度を表示する表示部を備えたことも特徴とする（請求項６、７）。

また、本発明の超音波測定装置は、送信部の超音波出力び受信部の超音波受信を、送受信共用の１個の超音波送受信器により行うようにしてもよく（請求項８）、別体の超音波送信器及び超音波受信器によりそれぞれ行うようにしてもよい（請求項９）。

そして、本発明の超音波測定装置は、移動体が車両であって、送信部が車両前方に送信波を出力し、プリクラッシュセンサを形成することを特徴とし（請求項１０）、移動体が自律・移動型のロボットであることも特徴とする（請求項１１）。

つぎに、本発明の超音波測定装置は、送信部及び受信部を、測定範囲を拡大するように、移動体に複数配設するとともに、フーリエ変換部、演算部を、前記送信部及び受信部の組毎に備え、各組の前記送信部の送信波を、同一又は異なる周波数の超音波にしたことを特徴とする（請求項１２）。

まず、請求項１の発明によれば、移動体の送信部部から移動体の前方等の外方に出力される送信波が移動体外の障害物等の物体によって反射し、この反射によって波形歪等の非線形変化が生じた超音波が反射波として移動体の受信部に受信される。

そして、フーリエ変換部のフーリエ解析処理により、少なくとも受信部の受信信号の高調波成分が検出され、このとき、既知の又は前記のフーリエ解析処理で検出された元の送信波の信号と受信信号との高調波の振幅比が、移動体と前記物体との距離（相対距離）に比例して変化し、送信波の信号と受信信号の高調波の周波数差が前記物体の相対速度に比例して変化することから、演算部により、送信波の信号と受信信号との第ｐ高調波の振幅比から前記の相対距離を算出し、同時に、送信波の信号と受信信号との第ｑ高調波の周波数差から前記の相対速度を算出することができる。

したがって、移動体の前方等の周囲の物体の相対距離、相対速度を、送受信をくり返すことなく、超音波の一回の送受信で、短時間に、同時に測定することができ、その際、送信波及びその反射波の信号処理のみを行えばよく、送信波の出射から反射波を受信するまでの計時処理等を行う必要がなく、小規模な構成で処理が簡単かつ迅速に測定が終了する。

そのため、安価で安全な超音波を送、受信し、信号処理のみを行う小規模な構成で、迅速に、移動体の周囲の障害物等の物体の相対距離、相対速度の両方を同時測定することができる。

つぎに、請求項２の発明によれば、例えば移動体の移動中に送信部が送信波をくり返し出力し、受信部が反射波を受信する毎に、演算部が最新の送信波の信号と受信信号との第ｐ高調波の振幅比、第ｑ高調波の周波数差から、移動体と物体との時々刻々変化する前記の相対距離、相対速度を、遅れなく算出して同時測定することができる。

さらに、請求項３の発明によれば、送信波が方形波のパルス波であって、偶数次の高調波成分を含まないため、フーリエ解析処理により、奇数次の第ｐ高調波から、一層容易に前記の相対距離を算出して測定することができる。

さらに、請求項４の発明によれば、第ｑ高調波を偶数次の高調波にするため、とくに、第ｐ高調波を奇数次の高調波、第ｑ高調波を偶数次の高調波とすることにより、奇数次の高調波の振幅比から相対距離を算出して偶数次の高調波の周波数差から相対速度を算出することができ、前記物体の相対距離と相対速度とを異なる次数の高調波から迅速に同時測定することができる。

つぎに、請求項５の発明によれば、フーリエ変換部のフーリエ解析処理を、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）の処理によって実現することができ、極めて実用的である。

さらに、請求項６の発明によれば、ノイズフイルタにより、環境ノイズや装置内で発生したノイズ等を、受信部の受信信号から低減して除去することができ、ノイズに強い構成で前記物体の相対距離と相対速度を測定することができる利点がある。

また、請求項７の発明によれば、表示部に測定結果の前記の相対距離と相対速度を表示して報知等することができ、実用的である。

つぎに、請求項８の発明によれば、送信部の超音波出力び受信部の超音波受信に１個の超音波送受信器が共用され、部品点数が少なくなって装置の小型化等が図られる利点がある。

また、請求項９の発明によれば、送信部の超音波出力及び受信部の超音波受信が、別体の超音波送信器及び超音波受信器それぞれにより別個に行われるため、超音波の送、受方向の設定、調整等が、送、受信の別に自在に行える等の利点がある。

そして、請求項１０の発明によれば、移動体が車両の場合に、送信部が車両前方に送信波を出力してプリクラッシュセンサを形成することができ、請求項１１の発明によれば、移動体が自律・移動型のロボットである場合の前記の相対距離、相対速度の測定に適用することができる。

さらに、請求項１２の発明によれば、移動体に複数組の送信部及び受信部を配設し、各組の送信部から同一又は異なる周波数の超音波を出力し、各組の受信部の受信信号を、それぞれの組のフーリエ変換部、演算部により処理し、各組毎に相対距離及び相対速度を測定することができ、移動体の周囲の一部又は全部の広い範囲について、迅速に、前記の相対距離及び相対速度の同時測定が行える。

つぎに、本発明をより詳細に説明するため、その実施形態について、図１〜図１７にしたがって詳述する。

＜＜一実施形態＞＞
まず、移動体としての車両に送、受信部を一組設けてプリクラッシュセンサを形成する一実施形態について、図１〜図１６にしたがって詳述する。

図１は移動体としての車両１の平面図、図２は車両１に搭載された超音波測定装置のブロック図、図３はその送信波の説明図、図４は送信波が方形波の周波数変調パルス波の場合に、その中に含まれる高調波例の説明図、図５は送信波が方形波の周波数変調パルス波の場合の信号のＦＦＴスペクトラム例である。

また、図６は図１の受信信号の波形図、図７、図８はそのフーリエ余弦係数項、フーリエ正弦係数項の波形図であり、図９、図１０は受信信号の各高調波の振幅特性図、角速度特性図である。

さらに、図１１は送信波の信号及び受信信号のＦＦＴスペクトラム、図１２、図１３、図１４は、図１１の相対距離２４ｃｍ、５０ｃｍ、１００ｃｍそれぞれでの奇数次受信高調波のスペクトラム、図１５は、受信信号の第１、第３高調波の距離と振幅との関係図である。但し、当然これらは送信波が方形波の周波数変調パルス波の場合であり、奇数の高調波成分では振幅、偶数の高調波成分では周波数のみに着目して計算した例である。また、図１６は図２の動作説明用のフローチャートである。

そして、移動体としての図１の車両１は、フロントバンパー、ボンネット等の前部中央に、超音波の送受信ユニット２が、前方に超音波の送信波を出力してその反射波を受信するように設けられ、このユニット２は、例えばバックソナーやコーナーソナーにも用いられる汎用の超音波センサが形成する送受信共用の１個の超音波送受信器、又は、別体の超音波送信器及び超音波受信器により形成される。

そして、送受信ユニット２が１個の超音波送受信器により形成される場合は、この送受信器が超音波出力と超音波受信とに共用されるため、部品点数が少なくなって装置が安価、小型になる利点がある。

また、送受信ユニット２が別体の超音波送信器及び超音波受信器により形成される場合は、超音波送信器と超音波受信器の設置の位置や角度等を個別に設定、調整し、超音波の送、受方向の設定、調整等を、送、受信の別に自在に行うことができる等の利点がある。

なお、送受信ユニット２の超音波送受信器や超音波送信器、超音波受信器は、周知の超音波センサと同様、超音波振動子及び共振用のホーン等を用いて形成される。

つぎに、送受信ユニット２を含む車両１の超音波測定装置は、図２に示すように構成され、その送信部３は、送受信ユニット３が形成する送波出力部３０及び発振回路３１からなる。

そして、発振回路３１は、ハードウエア又はソフトウエアのデジタル発振回路であり、超音波の信号を発生する。

この超音波の信号は、方形波、正弦波、鋸波、バースト波等の種々のパルス波形の信号であってよいが、後述のフーリエ解析処理の簡素化等を考慮して、奇数次の高調波のみを含む方形波の信号であることが好ましく、さらに、この実施形態にあっては、環境ノイズ等の影響（外乱の影響）を極力受けないようにして受波感度を向上するため、方形波の周波数変調されたパルス波の信号、すなわち、周波数変調パルス波の信号とする。

そして、この方形波の周波数変調パルス波の信号を設定されたパルス区間毎に発生して測定をくり返すため、発振回路３１が、例えば、パルス周波数変調方式（ＰＦＭ方式）の周知のデジタル制御により、設定された波形データの読み出し、パルスコードの組み合わせ処理等に基づき、各パルス区間に、例えば、中心周波数が４０ＫＨｚで、発生パルス数で分割された周波数成分を有する方形波形の周波数変調パルス波の信号を発生する。

また、送信出力部３０は、前記の周波数変調パルス波の信号に基づく超音波振動子の振動により、その周波数変調パルス波の超音波の送信波を発生して前方に出射する。

つぎに、図２の受信部４は、受信波入力部４０、第１増幅回路４１、ノイズフイルタ４２及び第２増幅回路４３からなる。

そして、受信波入力部４０は、前記の送信波が車両１の前方の先行車等の物体で反射して生じた反射波を受信し、その電気信号の受信信号を第１増幅回路４１に出力し、第１増幅回路４１は、受信波入力部４０の受信信号を前置増幅する。

さらに、ノイズフイルタ４２は、例えば、論理集積回路（ロジックＩＣ）素子のシュミットトリガ回路、アンド（ＡＮＤ）回路、オア（ＯＲ）回路、ナンド（ＮＡＮＤ）回路等によって形成されたデジタルフイルタであり、前記の残響や環境ノイズ等の外乱のノイズ、この測定装置内で発生する内部ノイズ等の受信信号に含まれた不要ノイズを除去する。

具体的には、ノイズフイルタ４２が、例えば送信波を参照する相関演算等により、この種の周波数変調パルス波の周知のノイズ低減処理と同様にして、受信信号から、反射波の高調波成分以外の不要周波数成分を低減し、前記の不要ノイズを除去する。

この場合、ロジックＩＣ素子を用いたデジタルフイルタは、各ロジック回路のオン／オフのスイッチングにより、きめ細かなノイズ除去が行える利点がある。

なお、ノイズフイルタ４２は、前記の不要ノイズを除去する種々のアナログフイルタ又はデジタルフイルタであってよいのは勿論である。

そして、第２増幅回路４３は、ノイズフイルタ４２によって不要ノイズが除去された受信信号を出力増幅する。

つぎに、図２のフーリエ変換部５、演算部６は、マイクロコンピュータのソフトウエア処理によって形成される。

そして、超音波の非線形応答を検出するため、フーリエ変換部５は、受信部４の第２受信回路４３から時々刻々の各パルス区間の受信信号が入力される毎に、例えば、送信部３の発振回路３１から入力されたその区間の送信波の信号及び受信信号それぞれに高速フーリエ変換（ＦＦＴ）の処理を施し、送信波の信号、その反射波の受信信号をフーリエ解析処理し、両信号それぞれにつき、基本周波数波を第１高調波として、各高調波を検出する。

なお、送信波の信号については、その高調波成分が既知であることから、前記のフーリエ解析処理を行わず、その既知の高調波成分を検出成分としてもよく、この場合は、フーリエ変換部５の処理が簡素化する。

ところで、時間ｔに関するフーリエ級数式ｈ（ｔ）は、一般に、つぎの数１の式＜１＞で示される。なお、式中のａ_０、ａ_ｎ、ｂ_ｎは定数、ωはω＝２π／Ｔ（Ｔは周期）の角速度である。

また、前記式＜１＞を、つぎの数２の式＜２＞でフーリエ変換すると、ｔが消去されて周波数の関数になる。

そして、フーリエ変換部５は、ＦＦＴ処理により、時間領域の送信波及び反射波それぞれを周波数領域の波形に分解して解析し、各高調波を検出する。

このとき、フーリエ変換部５に入力される送信波の信号は、例えば図３に示す波形歪のない方形波の信号であり、この信号のフーリエ級数式ｈ（ｔ）は、つぎの数３の式＜３＞で表される。

この式＜３＞は、方形波の送信波が、図４に示すように、１、３、５、…の奇数次の高調波の合成波形からなることを示す。

そして、送信波が４０ｋＨｚの場合、この送信波の信号の規格化されたフーリエスペクトルは、例えば図５の実測例に示すようになり、奇数次の高調波のみになる。

一方、フーリエ変換部５に入力される例えば図６の受信信号は、反射波が方形波から非線形に歪んだ波形になる。なお、図６の間欠的なＫ（ｔ１）、Ｋ（ｔ２）、…が各パルス区間であり、各パルス区間の間が演算期間である。

そのため、各パルス区間の受信信号は、１、３、５、…の奇数次の高調波及び２、４、６、…の偶数次の高調波を含み、フーリエ展開すると、前記式＜１＞の三角級数のフーリエ余弦係数項、フーリエ正弦係数項が、例えば図７、図８のそれぞれの３次までの波形図に示すように、いずれも１、３次（奇数次）及び２次（偶数次）の成分を含み、各高調波の振幅Ｃｎ（＝√（ａｎ^２＋ｂｎ^２））、角速度（ｎω）は、例えば、図９、図１０に示すようになる。

そして、車両１と前方の物体との距離を２４ｃｍ、５０ｃｍ、１００ｃｍ（１ｍ）に変えて前記受信信号をフーリエ変換部５で高速フーリエ変換し、この変換で検出された各高調波を演算部６で規格化し、規格化したフーリエスペクトルを求めたところ、図１１の実測結果を得た。

なお、図１１において、×印は相対距離２４ｃｍ、●印は相対距離５０ｃｍ、○印は相対距離１００ｃｍそれぞれの受信信号のスペクトル（受信スペクトル）であり、■印は送信波のスペクトルである。

ところで、この実施形態においては、後述するように、送信波の信号と受信信号との奇数次の高調波の振幅比から前記の距離を算出して求め、両信号の偶数次の高調波の周波数差から前記の相対速度をそれぞれを算出して求めるため、フーリエ変換部５、演算部６の処理により、奇数次の高調波については距離による振幅変化（ＦＦＴ結果の垂直変化）のみを観測し、偶数次の高調波については周波数変移（ＦＦＴ結果の水平変化）のみを観測する。

そのため、図１１において、奇数次の第１、第３、第５高調波には、偶数次の第２、第４高調波のような周波数のずれが現われておらず、偶数次の第２、第４高調波には、奇数次の第１、第３、第５高調波のような振幅の差が現われていないが、実際は、全ての次数の高調波に、振幅の差及び周波数のずれが出現し、その傾向は図１１と同様である。

そして、図１１の奇数次の高調波（第１、第３、第５高調波）の相対距離別の受信スペクトルは、図１２、図１３、図１４に示すようになり、また、例えば、第１高調波と第３高調波との相対距離距離に対する振幅特性は、図１５の実線ａ、ｂそれぞれに示すようになる。

これらの結果から、移動体である車両１と、その前方の先行車等の物体との距離（相対距離）が長くなる程、受信信号の各高調波の振幅が小さくなり、同様の傾向を示す送信波の信号と受信信号との同じ次数（周波数）の高調波の振幅比から、前記の距離を測定できることが判明した。

また、車両１に対して、前方の前記物体が相対的に速い程相対距離が長くなり、遅い程相対距離が短くなる、いわゆる非線形領域でのドップラー効果に基づき、車両１に対する前記物体の相対速度の高、低に応じて、送信波の信号と受信信号との各高調波の周波数差が大、小に変化し、この周波数差から前記の相対速度を測定できることも判明した。

そして、音速をｃ、変調周波数をΔｆ、その中心周波数をｆ０、パルス周波数をｆｍとし、前記振幅比をｒＶ、前記周波数差をδｆ、前記の距離（相対距離）をＲ、相対速度をνとすると、相対距離Ｒ、相対速度νは、つぎの式＜４＞、式＜５＞それぞれから求まる。

Ｒ＝（ｃ／（４×Δｆ×ｆｍ））×ｒＶ 式＜４＞
ν＝（ｃ／（２×ｆ０））×δｆ 式＜５＞

したがって、基本的には、振幅比ｒＶ、周波数差δｆを同一又は異なる適当な高調波から求めて式＜４＞、式＜５＞の演算をすれば、２次元パラメータである相対距離Ｒ、相対速度νの同時測定が行える。

その際、コンピュータの処理負担を極力少なくし、両式の演算等を高速に行って相対距離Ｒ、相対速度νを同時測定するため、振幅比ｒＶ、周波数差δｆの一方を奇数次の高調波から求め、他方を偶数次の高調波から求めることが好ましい。

ところで、送信波が方形波の場合、送信波に奇数次の高調波のみが存在するため、振幅比ｒＶを奇数次の高調波から求め、周波数差δｆを偶数次の高調波から求める必要があり、その際、図１１等からも明らかなように、次数の低い高調波程、振幅が大きく、振幅比ｒＶが明確になることから、振幅比ｒＶは第１高調波から求めることが望ましい。

すなわち、前記の振幅比を求める高調波を第ｐ高調波（ｐは１を含む整数）、前記の周波数差を求めるの高調波を第ｑ高調波とすると、基本的には、ｑはｐと同一又は異なる整数であってよく、換言すれば、第ｐ高調波と第ｑ高調波とは同一又は異なるいずれかの高調波であってよいが、演算処理等を迅速に行うためには、両高調波は異なる次数の高調波であることが好ましい。

そして、送信波が方形波等の奇数次の高調波のみで構成される波形の場合、少なくとも第ｐ高調波は奇数次の高調波に限られ、このとき、前記したように、第ｐ高調波が奇数次の高調波（望ましくは第１高調波）、第ｑ高調波が偶数次の高調波であることが好ましい。

そこで、送信波が方形波の周波数変調パルス波からなるこの実施形態の場合、各パルス期間の送信波に基づく反射波の受信信号がフーリエ変換部５に入力される毎に、そのＦＦＴのフーリエ解析処理により、送信波の信号及び反射波の受信信号につき、Ｎ個の時間シフトデータ（時間とともに周波数が変化するデータ）ｙ（１）、ｙ（２）、…、ｙ（Ｎ）をフーリエ変換して第１高調波から順のＸ個の高調波の周波数データｆ（１）、ｆ（２）、…、ｆ（Ｘ）を求めてフーリエスペクトルを得る。

このとき、方形波である送信波の信号については、奇数次の高調波の周波数データｆ（１）、ｆ（３）、…のみが得られ、非線形の歪み情報を含む反射波の受信信号については、奇数次及び偶数次の高調波の周波数データｆ（１）、ｆ（２）、…、ｆ（Ｘ）が得られる。

つぎに、演算部６により、送信波の信号及び受信信号のフーリエスペクトルの各高調波を同じ基準で規格化し、両信号の規格化した奇数次の高調波の周波数データである、例えばデータｆ（１）の振幅比較により、第ｐ高調波である第１高調波の振幅比ｒＶを求め、前記式＜４＞の演算から相対距離Ｒを求めて測定し、同時に、両信号の規格化した偶数次の高調波の周波数データである、例えばデータｆ（２）の周波数差の算出により、第ｑ高調波である第２高調波の周波数差δｆを求め、前記式＜５＞の演算から相対速度νを求めて測定する。

したがって、受信信号が得られる毎に、そのときの送信波の信号と、受信信号とに基づく式＜４＞、式＜５＞の１回の信号処理の演算により、相対距離Ｒと相対速度νが同時測定され、このとき、受信信号の周波数が左にシフトして周波数差δｆが小さくなれば、自車１から遠ざかる前方の物体の相対距離Ｒ及び相対速度νが測定され、受信信号の周波数が右にシフトして周波数差δｆが大きくなれば、自車１に接近する前方の物体の相対距離Ｒ及び相対速度νが測定される。

そして、測定された相対距離Ｒ及び相対速度νのデータが、プリクラッシュセンサの出力として、例えば、図外の衝突回避制御のＥＣＵに供給され、このＥＣＵによって衝突回避の必要な制御が行われる。

また、測定された時々刻々の相対距離Ｒ、相対速度νは、車内の表示部７に数値の文字や図形等で警報表示等される。

なお、上述の一連の処理は、例えば図１６のステップＳ１〜Ｓ７のフローチャートの動作手順にしたがって行われ、送信波の出射（ステップＳ１）により、設定された微小な規定時間内に受信信号が得られると（ステップＳ２）、送信波の信号、受信信号のフーリエ解析処理を行って（ステップＳ３）、振幅比ｒＶ、周波数差δｆを検出し（ステップＳ４）、その結果を表示する（ステップＳ５）、一方、前記の規定時間内に受信信号が得られないときは、前方に先行車等の物体がなく、反射波が得られない状態であるため、ステップＳ２からステップＳ６を介してステップＳ７に移行し、表示部７の表示を無測定を示す初期状態にリセットする。

以上のように、この実施形態の場合、車両１の前方の先行車、壁等の物体の相対距離Ｒ、相対速度νを、送受信をくり返すことなく、超音波の一回の送受信で、短時間に、同時に測定することができ、その際、送信波及びその反射波の信号処理のみを行えばよく、送信波の出射から反射波を受信するまでの計時処理等を行う必要がなく、小規模で安価な構成により、各パルス区間の測定を迅速に終了することができ、この測定をくり返し、測定結果に基づいて衝突回避制御等が必要になったときには、十分な時間余裕を確保することができる。

そして、送信波を方形波の周波数変調パルス波としたたため、外乱のノイズ等に極めて強く、ノイズフイルタ４２を備えたため、一層ノイズに強く、測定精度及び測定の安定性が極めて向上する。

しかも、奇数次の高調波から振幅比ｒＶを求め、偶数次の高調波から周波数差δｆを求め、振幅比ｒＶを求める高調波と、周波数差δｆを求める高調波とを異ならせたため、処理負担を少なくして迅速に相対距離Ｒと相対速度νとを同時測定することができる。

そのため、超音波を測定する安価で安全性の高い構成により、車両１のプリクラッシュセンサを実現することができる。

＜＜他の実施形態＞＞
つぎに他の実施形態について、図１７の車両１の平面図を参照して説明する。

この実施形態の場合、図１７に示すように、測定範囲を拡大するように、送、受信部３、４を形成する複数個の送受信ユニット２を、車両１の前端部の複数箇所に配設する。

そのため、横から飛び出す物体等も測定対象の前方の物体としていずれかの送受信ユニット２によって捕捉することができる。

なお、この場合、少なくとも図２のフーリエ変換部５、演算部６を送、受信部３、４の組毎に設け、各組の振幅比ｒＶ、周波数差δｆの演算、検出を同時に行うことが好ましい。

本発明は、上記した両実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。

例えば、前記したように送信波は、方形波の周波数変調パルス波に限られるものでなく、種々の波形のパルス波であってよく、第ｐ高調波、第ｑ高調波は、同一又は異なる周波数であってよく、フーリエ解析処理を実施形態のＦＦＴと異なる手法で行ってもよい。

また、送、受信部３、４は、別個の超音波送信器、超音波受信器により別々に形成してもよく、この場合は、送信部３と受信部４の設置位置、設置角度の調整を個別に行える等の利点がある。

さらに、送、受信部３、４の個数や設ける位置はどのようであってもよく、測定結果の用途等に応じて適当に設定すればよく、例えば、送、受信部３，４の組を、移動体の周部全体（全周）、又は一部に適当な間隔で配設し、全方位の相対距離Ｒ、相対速度νの測定を行うようにしてもよい。

そして、移動体としての車両は、いわゆる自動車に限られるものでなく、例えばゴルフ場の無人搬送車等の種々の車両であってよく、さらに、移動体が車両以外の自律・移動型のロボット等の種々の産業用、民生用の機器であってもよいのは勿論である。

ところで、移動体の装備部品数を少なくするため、例えば図１の車両１において、送受信ユニット２を追従走行制御、ブレーキ制御等の他の制御のセンサ等に兼用する場合にも適用することができる。

一実施形態の車両の平面図である。 図１の車両に搭載された超音波測定装置のブロック図である。 図２の送信波の説明図である。 図３の送信波に含まれる高調波の説明図である。 図１の送信波の信号のＦＦＴスペクトラム例である。 図１の受信信号の波形図である。 図６の受信信号のフーリエ余弦係数項の波形図である。 図６の受信信号のフーリエ正弦係数項の波形図である。 図６の受信信号の各高調波の振幅特性図である。 図６の受信信号の各高調波の角速度特性図である。 図１の送信波の信号及び受信信号のＦＦＴスペクトラムである。 図１１の相対距離２４ｃｍでの奇数次受信高調波のスペクトラムである。 図１１の相対距離５０ｃｍでの奇数次受信高調波のスペクトラムである。 図１１の相対距離１００ｃｍでの奇数次受信高調波のスペクトラムである。 図１の受信信号の第１、第３高調波の距離と振幅との関係図である。 図２の動作説明用のフローチャートである。 他の実施形態の車両の平面図である。

符号の説明

１ 車両
３ 送信部
４ 受信部
５ フーリエ変換部
６ 演算部
７ 表示部

Claims (12)

1. 移動体に搭載された超音波測定装置であって、
   超音波の送信波を前記移動体の外方に出力する送信部と、
   前記移動体外の物体で反射した前記送信波の反射波を受信する受信部と、
   少なくとも前記受信部の受信信号をフーリエ解析処理するフーリエ変換部と、
   基本周波数波を第１高調波として、前記送信波の信号と前記受信信号との第ｐ高調波（ｐは１を含む整数）の振幅比から前記移動体と前記物体との距離を算出し、前記送信波の信号と前記受信信号との第ｑ高調波（ｑはｐと同一又は異なる整数）の周波数差から前記物体の相対速度を算出する演算部とを備えたことを特徴とする超音波測定装置。
2. 送信部が送信波をくり返し出力し、受信部が反射波を受信する毎に、演算部が送信波の信号と受信信号との第ｐ高調波の振幅比、第ｑ高調波の周波数差から、移動体と物体との距離、前記物体の相対速度それぞれを算出することを特徴とする請求項１に記載の超音波測定装置。
3. 送信波が方形波のパルス波であって、少なくとも第ｐ高調波が奇数次（ｐが奇数）の高調波であることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波測定装置。
4. 第ｑ高調波が偶数次（ｑが偶数）の高調波であることを特徴とする請求項３に記載の超音波測定装置。
5. フーリエ変換部のフーリエ解析処理が、高速フーリエ変換の処理であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超音波測定装置。
6. 受信部の受信信号の不要ノイズを除去するノイズフイルタを備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の超音波測定装置。
7. 演算部により算出された距離及び相対速度を表示する表示部を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の超音波測定装置。
8. 送信部の超音波出力び受信部の超音波受信を、送受信共用の１個の超音波送受信器により行うようにしたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の超音波測定装置。
9. 送信部の超音波出力及び受信部の超音波受信を、別体の超音波送信器及び超音波受信器によりそれぞれ行うようにしたことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の超音波測定装置。
10. 移動体が車両であって、送信部が車両前方に送信波を出力し、プリクラッシュセンサを形成することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の超音波測定装置。
11. 移動体が自律・移動型のロボットであることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の超音波測定装置。
12. 請求項１〜１１のいずれかに記載の超音波測定装置において、
    送信部及び受信部を、測定範囲を拡大するように、移動体に複数組配設するとともに、フーリエ変換部、演算部を、前記送信部及び受信部の組毎に備え、
    前記各組の前記送信部の送信波を、同一又は異なる周波数の超音波にしたことを特徴とする超音波測定装置。

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