JP2005291810A

JP2005291810A - 物体検知装置

Info

Publication number: JP2005291810A
Application number: JP2004104577A
Authority: JP
Inventors: Toshio Oguro; 利雄小黒; Hiroyuki Tsuboi; 宏之坪井; Yoichi Murase; 陽一村瀬; Kengo Iwata; 賢吾岩田
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】
高周波センサの電波ビームを走査し、壁越しの人体検知を確実に行なう。
【解決手段】
高周波センサと、高周波センサの電波ビームを走査する手段と、高周波センサの出力を増幅する直流増幅器と、直流増幅器の出力をデジタル信号に変換するＡＤコンバータと、増幅器の入力にオフセット信号を与えるＤＡコンバータと、これらを制御するマイクロコンピュータと、データを記憶する記憶装置を備えた物体検知装置であって、物体検知動作の前に予め電波ビーム走査する初期動作を行ない、電波ビームステップ毎にセンサ出力値が理想値になるように直流増幅器の入力にオフセット電圧を与えると同時にその時のオフセットデータと直流増幅器の出力値を記憶し、物体検知動作時には、初期動作時に記憶されたオフセットデータを直流増幅器の入力に与えて、直流増幅器の出力を計測し、初期動作時に記憶した直流増幅器の出力値との差分から物体検知を行う。
【選択図】図４

Description

本発明は、電波ビームを走査して、物体から反射された高周波センサの出力パターンの変化から物体を検知するセンサに関し、特に壁越しに物体や人体を検知可能な装置に関する。

電波を利用した物体の映像化装置としては、ＦＭ−ＣＷレーダーや反射電波の大きさなどから物体を検知し、映像化する装置が提案されている。
ミリ波帯の電波を利用したＦＭ−ＣＷレーダーでは、検知対象物が放射、或いは反射されるミリ波を使った画像形成装置（例えば、特許文献１参照。）や、反射電波の強度を利用したものでは、電波ビームを検知対象物に対して送出し、検知対象物からの反射波から画像信号を得る装置の提案（例えば、特許文献４参照。）や、ミリ波の反射波の強度とＣＣＤカメラを用いて隠蔽された物体の検出装置の提案がある。（例えば、特許文献２参照。）

また、生体からの反射強度が予め設定した値より小さくなるように制御された電波ビームを生体に照射して生体が所持する異物を映像化して表示する装置が提案されている。（例えば、特許文献３参照。）
特開平１１−１３３１４１号公報特開平１１−８３９９６号公報特開昭６３−２５５６８３号公報特開昭５８−４５５８１号公報

高周波ドップラーセンサは、検知対象物に電波を送出し、検知対象物からのドップラーシフトを受けて周波数が変化した反射電波と送出した電波をミキシングし、その周波数の差を出力信号としており、センサから送出される電波ビームを走査することで静止物体検知も可能である。

しかし、電波ビームを走査する方法で壁越しの物体検知を行なう場合、壁を通過して物体から反射してくる電波は壁表面で反射される電波に比較して僅かなため、壁越し物体による信号が小さく、検知は困難である。また、小さな信号を大きくするために増幅率の高いアンプを使えば良いように思えるが、増幅率の高いアンプを使えば信号全体が増幅されるので、アンプの出力が飽和してしまい、壁越し物体検出ができないという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、本発明の課題は、壁越しの遮蔽物を介して人体等の物体を検知できる高周波センサを提供することにある。

上記課題を解決するために本発明によれば、物体に向けて電波を送信し、前記物体からの反射波と送信波をミキシングし、その差分を出力として取り出す高周波センサと、前記高周波センサの電波ビームを走査する手段と、前記高周波センサの出力を増幅する直流増幅器と、前記直流増幅器の出力をデジタル信号に変換するＡＤコンバータと、前記増幅器の入力にオフセット信号を与えるためのＤＡコンバータと、これらを制御するためのマイクロコンピュータと、前記マイクロコンピュータで処理されたデータを記憶するための記憶装置を具備し、物体検知動作の前に予め電波ビーム走査する初期動作を行ない、前記マイクロコンピュータは、電波ビームステップ毎にセンサ出力が理想値になるように直流増幅器の入力に与えるオフセット電圧を調節し、その時のオフセットデータを電波ビームステップ毎に記憶させ、物体検知動作時には、電波ビームステップ毎に、初期動作時に記憶されたオフセットデータに応じたオフセット電圧を直流増幅器の入力に与えることを特徴としている。

上記の構成により高周波センサの出力を増幅する直流増幅器の増幅率を大きくして電波ビーム走査をしても増幅器の出力が飽和する危険が少ないため高周波センサの微少な出力変化が検出可能となる。

また、物体検知の判定は、初期動作時にセンサ出力が理想値になるように直流増幅器の入力に与えたオフセット電圧と、物体検知時にセンサ出力が理想値になるように直流増幅器の入力に与えたオフセット電圧との差から検出可能であり、初期動作のアルゴリズムと物体検知動作のアルゴリズムと同様のアルゴリズムで行なえるのでマイクロコンピュータ処理を簡素化できる利点がある。

また、本発明の第二の態様は、物体に向けて電波を送信し、前記物体からの反射波と送信波をミキシングし、その差分を出力として取り出す高周波センサと、前記高周波センサの電波ビームを走査する手段と、前記高周波センサの出力を増幅する直流増幅器と、前記直流増幅器の出力をデジタル信号に変換するＡＤコンバータと、前記増幅器の入力にオフセット信号を与えるためのＤＡコンバータと、これらを制御するためのマイクロコンピュータと、前記マイクロコンピュータで処理されたデータを記憶するための記憶装置を具備し、物体検知動作の前に予め電波ビーム走査する初期動作を行ない、前記マイクロコンピュータは、電波ビームステップ毎にセンサ出力が理想値になるように直流増幅器の入力に与えるオフセット電圧を調節し、その時のオフセットデータと直流増幅器の出力データを電波ビームステップ毎に記憶させ、物体検知動作時には、電波ビームステップ毎に、初期動作時に記憶されたオフセットデータに応じたオフセット電圧を直流増幅器の入力に与えた状態で高周波センサ出力データを測定し、初期動作時に記憶した直流増幅器の出力データとの差分から物体検知を行うことを特徴としている。

上記の構成により、初期動作にて高周波センサ近傍にある壁などの影響を取り除くことができるので、高周波センサの出力を増幅する直流増幅器の増幅率を大きくして電波ビーム走査をしても増幅器の出力が飽和することなく壁越しからの物体による僅かなセンサ出力の変化を検出することができるようになる。

また、本発明の第三の態様は、物体に向けて電波を送信し、前記物体からの反射波と送信波をミキシングし、その差分を出力として取り出す高周波センサと、前記高周波センサの電波ビームを走査する手段と、前記高周波センサの出力を増幅する直流増幅器と、前記直流増幅器の出力をデジタル信号に変換するＡＤコンバータと、前記増幅器の入力にオフセット信号を与えるためのＤＡコンバータと、これらを制御するためのマイクロコンピュータと、前記マイクロコンピュータで処理されたデータを記憶するための記憶装置を具備し、物体検知動作の前に予め電波ビーム走査する初期動作を行ない、前記マイクロコンピュータは、電波ビームステップ毎にセンサ出力が理想値になるように直流増幅器の入力に与えるオフセット電圧を調節し、その時のオフセットデータを電波ビームステップ毎に記憶させ、物体検知動作時には、電波ビームステップ毎に、センサ出力が理想値になるように直流増幅器の入力に与えるオフセット電圧を調節し、その時のオフセットデータと、初期動作時に記憶したオフセットデータとの差分から物体検知を行なうことを特徴としている。

物体検知の判定は、初期動作時にセンサ出力が理想値になるように直流増幅器の入力に与えたオフセット電圧と物体検知時にセンサ出力が理想値になるように直流増幅器の入力に与えたオフセット電圧との差から検出可能であり、初期動作のアルゴリズムと物体検知動作のアルゴリズムと同様のアルゴリズムで行なえるのでマイクロコンピュータ処理を簡素化できる利点がある。

また、本発明は、マイクロコンピュータの制御により前記直流増幅器の増幅率を切り替える手段を有し、予め電波ビーム走査する初期動作時より物体検知動作の方が増幅率を高くすることを特徴としている。

このように直流増幅器の増幅率を切り替えて、初期動作時において増幅率を低く設定することで、電波センサ出力に多少の変動があっても直流増幅器の増幅率が低いため、増幅器は飽和することが無い。物体検知動作時には、増幅率を高く設定して高感度の物体検知が可能となる。

また、本発明は、高周波センサが送信する電波ビームの走査方向が、水平及び垂直方向であることを特徴としている。

このように電波ビームを水平、垂直に走査して高周波センサの出力パターンを２次元配置すると物体の有無のみならず物体の大きさ、形状まである程度判別することができる。

さらに本発明は、前記高周波センサが、高周波を透過する物質で隠蔽されていることを特徴としている。

高周波センサを木、陶器、樹脂など高周波を透過する物質でケーシングすることでセンサそのものが外部から見えなくなり、センサの存在を意識させなくてすむため、例えば高周波センサを陶器製の置物などの中にいれると侵入者検知センサなどに好適なものとなる。

本発明によれば、比較的に構造が簡単で安価な高周波センサを使い、検知対象物からの微少な信号出力変化を検出できるため、従来不可能だった高周波センサによる壁越し等の物体検知を容易に行える効果がある。

本発明の実施例を図面をもとに以下に説明する。

図１は、高周波センサ１が、壁に対して走査角θ１からθｎまでビーム走査をしている様子を示している。図２は、その時の高周波センサ出力を示している。
通常、高周波センサは、センサ周囲の反射物の影響により、ある一定の直流電圧を出力しているが、検知対象物に対して電波ビームを走査すると検知対象物が静止していても電波の反射量が変化するために、ビーム角度に応じたセンサ出力を得ることが出来る。

図３は、高周波センサの電波ビームを走査する方法の一例を示す。
マイクロコンピュータ６で制御可能なステッピングモータ５の回転軸上に高周波センサが装着され、ステッピングモータの回転軸を回転させることで、電波ビームの走査が可能となる。ここでは、高周波センサ全体を回転させているが、センサ本体とアンテナを切り離し、センサ本体とアンテナをケーブル等で接続した構造とし、アンテナ部のみをステッピングモータ５の回転軸上に装着しアンテナ部のみを回転させても同様の走査が行なえる。

また、電波ビームを走査する手法として、アンテナを複数配置して、それぞれのアンテナへの給電ラインの位相を変化させ、電波ビームの走査を行なう、フェーズドアレーアンテナなどでも同様の電波ビーム走査が可能である。

図４に制御回路のブロック図を示す。図において、高周波センサ１から出力される電圧をＶｉ、直流増幅器であるオペアンプ２の入力抵抗をＲｓ、オペアンプ２の負帰還抵抗をＲｆ、オペアンプ２の出力電圧をＶｏ、オペアンプ２のプラス入力電圧すなわちオフセット電圧をＶｏｆｆとすると、Ｖｏは、
式１：Ｖｏ＝Ｖｏｆｆ−（Ｒｆ／Ｒｓ）（Ｖｏｆｆ−Ｖｉ）
で表される。

通常、電波ビーム走査開始時には、オペアンプの出力電圧をＡＤコンバータの入力電圧範囲のちょうど中央付近にしておくのが望ましい。なぜなら、電波ビーム走査中に出力が変動しても、ＡＤコンバータのダイナミックレンジをはずれる危険がもっとも低いからである。

ＡＤコンバータの入力電圧範囲のちょうど中央付近にする方法は、式１から解かるように、オペアンプの出力電圧ＶｏはＶｏｆｆによって変えられるので、マイクロコンピュータは、ＡＤコンバータの出力データを読み込み、そこで得られた値からＤＡコンバータを制御して、適切なＶｏｆｆを与えれば良い。

オペアンプの出力電圧Ｖｏの理想的な値は、ＡＤコンバータの入力範囲の中央値であり、具体的には、ＡＤコンバータの入力範囲が０Ｖから５Ｖの場合は、Ｖｏの理想値は２．５Ｖである。

マイクロコンピュータの動作は、初期動作と通常動作に分けられる。
図５にマイクロコンピュータの初期動作フローを示す。

初期動作では、ＡＤコンバータ３からオペアンプ出力Ｖｏを読み取り、ＶｏがＡＤコンバータの入力範囲に入っているかを判断する。（ｓ１１）
ＶｏがＡＤコンバータの入力範囲に入っていない場合には、ＤＡコンバータ４を介して、オペアンプ２にオフセット電圧Ｖｏｆｆを与えるという動作をＶｏがＡＤコンバータの入力範囲に入るまで繰り返す。（ｓ１２）
ＶｏがＡＤコンバータの入力範囲に入ったところで、ＡＤコンバータ３の出力データとＤＡコンバータ４に書き込んだ値、すなわちオフセットデータを記憶する。（ｓ１３）
次にステッピングモータ５を１ステップ回転させて、電波ビームの角度を変更する。（ｓ１４）
上記の動作をｎ回繰り返す。（ｓ１５）

図６にマイクロコンピュータの通常動作フローを示す。
通常動作では、初期動作で記憶されたＤＡコンバータ４のデータを出力して、オペアンプ２にオフセット電圧Ｖｏｆｆを与える。（ｓ２１）
この状態において、ＡＤコンバータ３を介してＶｏの値を読み、初期動作で記憶した高周波センサ出力データとの差を計算する。（ｓ２２）
次にステッピングモータ５を１ステップ回転させて、電波ビームの角度を変更する。（ｓ２３）上記の動作をｎ回繰り返す。（ｓ２４）

また、上記説明した方法とは別に初期動作で記憶した高周波センサ出力Ｖｏと通常動作における高周波センサ出力Ｖｏとの差を計算するのではなく、オペアンプ２の出力を初期動作時と同じ出力電圧Ｖｏにならしめるのに要したオフセット電圧の値（オフセットデータ）と初期動作時に記憶したオフセットデータとの差を計算しても同様の効果が得られる。

図７にその場合におけるマイクロコンピュータの通常動作フローを示す。
ＡＤコンバータ３からオペアンプ出力Ｖｏを読み取り、Ｖｏが目標範囲に入っているかを判断する。（ｓ３１）
ＶｏがＡＤコンバータの入力範囲に入っていない場合には、ＤＡコンバータ４を介して、オペアンプ２にオフセット電圧Ｖｏｆｆを与えるという動作をＶｏがＡ／Ｄコンバータの入力範囲に入るまで繰り返す。（ｓ３２）
ＶｏがＡＤコンバータの入力範囲に入ったところで、ＤＡコンバータに出力したオフセットデータと初期動作時にＤＡコンバータに出力したオフセットデータとを比較する。（ｓ３３）
次にステッピングモータ５を１ステップ回転させて、電波ビームの角度を変更する。（ｓ３４）
上記の動作をｎ回繰り返す。（ｓ３５）
初期動作については、図５で示したフローと同様である。

本発明において、図８に示すようにオペアンプのフィードバック抵抗Ｒｆを切り替えることで、より高感度の物体検知が可能となる。

図８でＲｆ１＜Ｒｆ２とすると、初期動作時には、スイッチをＲｆ１に切り替えてオペアンプの増幅率を低く設定し、通常動作時にはスイッチをＲｆ２に切り替えてオペアンプの増幅率を高くすることが出来るため、より高感度の物体検知が可能となる。

図９は、防犯センサとして陶器製の置物の中に高周波センサを組み込んだ一例である。
本発明によれば、高周波センサが高周波を透過する物質で隠蔽されていても物体検知できため高周波センサ本体を陶器、木材、樹脂などのケースの中に収めることができる。このことは見た目に良いだけでなく高周波センサの存在を意識させず防犯用センサとしても適している。

図１０に電波ビーム走査を水平、垂直の２次元ビーム走査の実施例である。
水平回転軸を持つステッピングモータの軸に垂直回転軸を持つステッピングモータを取りつけた構造になっており、マイクロコンピュータがそれぞれのモータを制御し電波ビームを２次元的に走査を行なう。この構造により高周波センサの出力を二次元画像化できるものである。無論、
ステッピングモータを使用せずにアンテナを複数配置し、それぞれのアンテナへの給電部の位相を変化させて電波ビーム走査を行なうフェーズドアレイアンテナを用いても同様の効果がある。

このように二次元画像化することにより物体の有無のみならず物体の大きさや物体の形状まで判別可能になり、このことを利用して例えば、外部からの室内への侵入者（人体）とペット（犬、猫等）とを判別して侵入者を検出した時だけ警報を発する装置などといったセキュリティー分野への応用も考えられる。

本発明における電波ビーム走査を示した図である。本発明における壁に対して電波ビームを走査した際のセンサ出力を表した図である。本発明における電波ビーム走査装置の一例を示した図である。本発明における制御回路ブロック図である。本発明におけるマイクロコンピュータの制御フローを示したフローチャートである。本発明におけるマイクロコンピュータの制御フローを示したフローチャートである。本発明におけるマイクロコンピュータの制御フローを示したフローチャートである。本発明における制御回路ブロック図である。本発明における高周波センサを陶器製ケースに収納した一例を示した模式図である。本発明における水平、垂直電波ビーム走査の一例を示した模式図である。

符号の説明

１…高周波センサ、
２…直流増幅器（オペアンプ）、
３…ＡＤコンバータ、
４…ＤＡコンバータ、
５…ステッピングモータ、
６…マイクロコンピュータ、
７…壁、
８…人体、
９…電波ビーム、
10…陶器製ケース

Claims

物体に向けて電波を送信し、前記物体からの反射波と送信波をミキシングし、その差分を出力として取り出す高周波センサと、前記高周波センサの電波ビームを走査する手段と、前記高周波センサの出力を増幅する直流増幅器と、前記直流増幅器の出力をデジタル信号に変換するＡＤコンバータと、前記増幅器の入力にオフセット信号を与えるためのＤＡコンバータと、これらを制御するためのマイクロコンピュータと、前記マイクロコンピュータで処理されたデータを記憶するための記憶装置を具備した物体検知装置であって、物体検知動作の前に予め電波ビーム走査する初期動作を行ない、前記マイクロコンピュータは、電波ビームステップ毎にセンサ出力が理想値になるように直流増幅器の入力に与えるオフセット電圧を調節し、その時のオフセットデータを電波ビームステップ毎に記憶させ、物体検知動作時には、電波ビームステップ毎に、初期動作時に記憶されたオフセットデータに応じたオフセット電圧を直流増幅器の入力に与えることを特徴とする物体検知装置。
物体に向けて電波を送信し、前記物体からの反射波と送信波をミキシングし、その差分を出力として取り出す高周波センサと、前記高周波センサの電波ビームを走査する手段と、前記高周波センサの出力を増幅する直流増幅器と、前記直流増幅器の出力をデジタル信号に変換するＡＤコンバータと、前記増幅器の入力にオフセット信号を与えるためのＤＡコンバータと、これらを制御するためのマイクロコンピュータと、前記マイクロコンピュータで処理されたデータを記憶するための記憶装置を具備した物体検知装置であって、物体検知動作の前に予め電波ビーム走査する初期動作を行ない、前記マイクロコンピュータは、電波ビームステップ毎にセンサ出力が理想値になるように直流増幅器の入力に与えるオフセット電圧を調節し、その時のオフセットデータと直流増幅器の出力データを電波ビームステップ毎に記憶させ、物体検知動作時には、電波ビームステップ毎に、初期動作時に記憶されたオフセットデータに応じたオフセット電圧を直流増幅器の入力に与えた状態で高周波センサ出力データを測定し、初期動作時に記憶した直流増幅器の出力データとの差分から物体検知を行うことを特徴とする物体検知装置。
物体に向けて電波を送信し、前記物体からの反射波と送信波をミキシングし、その差分を出力として取り出す高周波センサと、前記高周波センサの電波ビームを走査する手段と、前記高周波センサの出力を増幅する直流増幅器と、前記直流増幅器の出力をデジタル信号に変換するＡＤコンバータと、前記増幅器の入力にオフセット信号を与えるためのＤＡコンバータと、これらを制御するためのマイクロコンピュータと、前記マイクロコンピュータで処理されたデータを記憶するための記憶装置を具備した物体検知装置であって、物体検知動作の前に予め電波ビーム走査する初期動作を行ない、前記マイクロコンピュータは、電波ビームステップ毎にセンサ出力が理想値になるように直流増幅器の入力に与えるオフセット電圧を調節し、その時のオフセットデータを電波ビームステップ毎に記憶させ、物体検知動作時には、電波ビームステップ毎に、センサ出力が理想値になるように直流増幅器の入力に与えるオフセット電圧を調節し、その時のオフセットデータと、初期動作時に記憶したオフセットデータとの差分から物体検知を行なうことを特徴とする物体検知装置。
マイクロコンピュータの制御により前記直流増幅器の増幅率を切り替える手段を有し、予め電波ビーム走査する初期動作時より物体検知動作の方が増幅率を高くすることを特徴とする請求項1〜３いずれかに記載の物体検知装置。
高周波センサが送信する電波ビームの走査方向が、水平及び垂直方向であることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の物体検知装置。
前記高周波センサが、高周波を透過する物質で隠蔽されていることを特徴とする請求項１〜５いずれかに記載の物体検知装置。
物体に向けて電波を送信し、前記物体からの反射波と送信波をミキシングし、その差分を出力として取り出す高周波センサと、前記高周波センサの電波ビームを走査する手段と、前記高周波センサの出力を増幅する直流増幅器と、前記直流増幅器の出力をデジタル信号に変換するＡＤコンバータと、前記増幅器の入力にオフセット信号を与えるためのＤＡコンバータと、これらを制御するためのマイクロコンピュータと、前記マイクロコンピュータで処理されたデータを記憶するための記憶装置を具備し、物体検知動作の前に予め電波ビーム走査する初期動作を行ない、前記マイクロコンピュータは、電波ビームステップ毎にセンサ出力が理想値になるように直流増幅器の入力に与えるオフセット電圧を調節し、その時のオフセットデータを電波ビームステップ毎に記憶させ、物体検知動作時には、電波ビームステップ毎に、初期動作時に記憶されたオフセットデータに応じたオフセット電圧を直流増幅器の入力に与えることを特徴とする物体検知方法。
物体に向けて電波を送信し、前記物体からの反射波と送信波をミキシングし、その差分を出力として取り出す高周波センサと、前記高周波センサの電波ビームを走査する手段と、前記高周波センサの出力を増幅する直流増幅器と、前記直流増幅器の出力をデジタル信号に変換するＡＤコンバータと、前記増幅器の入力にオフセット信号を与えるためのＤＡコンバータと、これらを制御するためのマイクロコンピュータと、前記マイクロコンピュータで処理されたデータを記憶するための記憶装置を具備し、物体検知動作の前に予め電波ビーム走査する初期動作を行ない、前記マイクロコンピュータは、電波ビームステップ毎にセンサ出力が理想値になるように直流増幅器の入力に与えるオフセット電圧を調節し、その時のオフセットデータと直流増幅器の出力データを電波ビームステップ毎に記憶させ、物体検知動作時には、電波ビームステップ毎に、初期動作時に記憶されたオフセットデータに応じたオフセット電圧を直流増幅器の入力に与えた状態で高周波センサ出力データを測定し、初期動作時に記憶した直流増幅器の出力データとの差分から物体検知を行うことを特徴とする物体検知方法。
物体に向けて電波を送信し、前記物体からの反射波と送信波をミキシングし、その差分を出力として取り出す高周波センサと、前記高周波センサの電波ビームを走査する手段と、前記高周波センサの出力を増幅する直流増幅器と、前記直流増幅器の出力をデジタル信号に変換するＡＤコンバータと、前記増幅器の入力にオフセット信号を与えるためのＤＡコンバータと、これらを制御するためのマイクロコンピュータと、前記マイクロコンピュータで処理されたデータを記憶するための記憶装置を具備し、物体検知動作の前に予め電波ビーム走査する初期動作を行ない、前記マイクロコンピュータは、電波ビームステップ毎にセンサ出力が理想値になるように直流増幅器の入力に与えるオフセット電圧を調節し、その時のオフセットデータを電波ビームステップ毎に記憶させ、物体検知動作時には、電波ビームステップ毎に、センサ出力が理想値になるように直流増幅器の入力に与えるオフセット電圧を調節し、その時のオフセットデータと、初期動作時に記憶したオフセットデータとの差分から物体検知を行なうことを特徴とする物体検知方法。
マイクロコンピュータの制御により前記直流増幅器の増幅率を切り替える手段を有し、予め電波ビーム走査する初期動作時より物体検知動作の方が増幅率を高くすることを特徴とする請求項７〜９いずれかに記載物体検知方法。