JP2006275885A - 障害物検知センサ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、状況に応じて、適切に感度を調節することが可能な障害物センサを提供することを目的とする。
【解決手段】 所定の周波数の電磁波を送出し、障害物により反射された前記電磁波の反射波を検出して、前記障害物の速度に応じた周波数の信号を出力するドップラーセンサ２と、前記ドップラーセンサ２の出力信号を受け取り、当該出力信号を周波数帯域毎に異なる増幅率で伝達する信号処理部（３乃至５）と、前記信号処理部（３乃至５）の出力信号を受け取り、当該出力信号の信号強度に基づいて前記障害物の有無を検知する検知部（６、７）と、から構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ドップラー効果を利用した障害物検知センサにおける、検出感度を適正化するための技術に関する。

ドップラー効果を利用した障害物検出装置は、ドップラーセンサに内蔵されたアンテナから発する電磁波の障害物による反射波を、アンテナを介して取得し、当該反射波に応じた信号に基づき、検出回路によって障害物の有無を判断する。

通常、ドップラーセンサから障害物までの距離が遠いほど、障害物による反射波の強度は弱くなる。このため、多くの場合、検出回路に必要十分な振幅の信号を供給するため、増幅回路等により所定の振幅となるように信号を増幅し、検出回路に供給するように構成されている（例えば、特許文献１を参照）。
特開２００４−１５７１０２号公報

しかしながら、上述のような構成では、同じ速度で移動する物体を検出する場合に、ドップラーセンサに対し横方向に移動する場合と前後方向に移動する場合とで検出感度が異なる。

具体的には、一般に、ドップラーセンサによって検出される反射波は、障害物の移動速度のうちドップラーセンサと障害物とを結ぶ直線の方向の成分が大きいほど、高周波の信号として出力される。そして、多くの場合、低周波の信号の検出感度が低い傾向がある。このため、同じ速度で移動する物体であっても、横方向に移動する物体に対する感度は低く、前後方向に移動する物体に対する感度は高い。従って、同じ速度で移動する物体であっても、移動方向に依存して検出できない場合がある。

また、上述のような構成では、設置場所の環境や、天候条件（例えば雨天、霧の有無等）等の外乱によって、ドップラーセンサが誤検出をすることがある。このため、適切に感度を調節可能な障害物検出装置が望まれている。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたもので、状況に応じて、感度の調節が可能な障害物センサを提供することを目的とする。

本発明に係る障害物検知センサは、所定の周波数の電磁波を送出し、障害物により反射された前記電磁波の反射波を検出して、前記障害物の速度に応じた周波数の信号を出力するドップラーセンサと、前記ドップラーセンサの出力信号を受け取り、当該出力信号を周波数帯域毎に異なる増幅率で伝達する信号処理部と、前記信号処理部の出力信号を受け取り、この出力信号の信号強度に基づいて前記障害物の有無を検知する検知部と、から構成される、ことを特徴とする。

なお、本発明において、増幅率は、１倍よりも大きい場合に限られず、１倍以下であってもよい。

前記信号処理部は、前記ドップラーセンサの出力信号を受け取り、当該出力信号を、第１の周波数以下の周波数帯域と前記第１の周波数よりも高い第２周波数以上の周波数帯域とで異なる増幅率で伝達するバランス回路を含んでもよい。

前記バランス回路は、前記第１の周波数及び前記第２の周波数を変更する手段を備えてもよい。

前記バランス回路は、入力端と出力端との間を接続する第１の抵抗と、出力端と接地電位との間を直列接続する第２の抵抗と第１の容量と、から構成され、前記第１の容量の容量値を変化させることにより、前記第１の周波数及び前記第２の周波数を変化させてもよい。

前記信号処理部は、前記バランス回路の出力信号を受け取り、第３の周波数以下の周波数の信号を一定の増幅率で伝達し、前記第３の周波数をカットオフ周波数とするローパスフィルタを含んでもよい。

前記バランス回路を通さずに、前記ドップラーセンサの出力信号を前記ローパスフィルタに伝達可能な第１の迂回経路と、前記ドップラーセンサの出力信号を、前記バランス回路又は前記第１の迂回経路のいずれを通して前記ローパスフィルタに伝達させるかを選択するための第１の選択手段と、を更に有してもよい。

前記ローパスフィルタは、前記第３の周波数を変更する手段を有してもよい。

前記ローパスフィルタは、入力端と出力端との間を接続する第３の抵抗と、出力端と接地電位との間を接続する第２の容量と、から構成され、前記第２の容量の容量値を変化させることにより、前記第３の周波数を変化させてもよい。

前記ローパスフィルタを通さずに、前記バランス回路又は前記第１の迂回経路の出力信号を前記検知部に伝達可能な第２の迂回経路と、前記バランス回路又は前記第１の迂回経路の出力信号を、前記ローパスフィルタ又は前記第２の迂回経路のいずれを通して前記検知部に伝達させるかを選択するための第２の選択手段と、を更に有してもよい。

本発明に係る障害物検知センサは、バランス回路及びローパスフィルタの増幅率−周波数特性状況を変化させることが可能である。このため、状況に応じて、感度の調節ができる。特に、本発明に係る障害物検知センサは、反射波の進行方向の速度成分の小さな障害物に対する検知感度を上げるように感度調整ができ、障害物を検知する検知領域の奥行きを抑えつつ、検知領域の視野角を広げることが可能となる。

本発明の実施の形態における障害物検知センサを、図面を参照して説明する。

図１に示すように、本実施の形態における障害物検知センサ１は、ドップラーセンサ２と、増幅回路３と、バランス回路４と、フィルタ５と、検出回路６と、制御回路７と、から構成される。

ドップラーセンサ２は、図２に示すように、所定の周波数の信号を出力する発振器２１、発振器２１の出力信号を増幅してアンテナに供給する増幅器２２、所定の方向に電磁波を発信して電磁波の反射波を受信するためのアンテナ２３、反射波の信号をダウンコンバートするためのミキサ２４等から構成される。
ドップラーセンサ２は、制御回路７からの命令に応答して、電磁波を送信し、物質により反射された電磁波の反射波を検出し、検出した信号をミキサ２４によりダウンコンバートして増幅回路３に供給する。

発振器２１の出力信号は、例えば、マイクロ波であってもよい。以下では、発振器が出力する信号の周波数をｆとして説明をする。

発振器２１は、制御回路７からの電磁波送信命令に応答して、出力信号を増幅器２２に供給する。

増幅器２２は、発振器２１から供給される信号を所定の増幅率で増幅し、アンテナ２３と、ミキサ２４とに供給する。

アンテナ２３は、増幅器２２から供給される信号（周波数ｆ）を図示しないサーキュレータを介して送信する。アンテナ２３から送信された電磁波（送信波）は、図２に示すように、障害物により反射され、アンテナ２３に受信される。図３に示すように、光の速度をＣ、障害物の移動速度をＶｍ、障害物とアンテナ２３を結ぶ直線（反射波の進行方向）と障害物の移動方向とのなす角をθとした場合、反射波の周波数ｆ’は、ｆ’＝ｆ＊（Ｃ−２＊Ｖｍ＊ｃｏｓθ）／Ｃとなる。

ミキサ２４は、アンテナ２３により供給される反射波の信号（周波数ｆ’）を図示しないサーキュレータを介して受けて、この信号と、増幅器２２から供給される信号（周波数ｆ）とを乗算し、周波数ｆより低周波の成分を出力する。詳細には、両信号を乗算して得られる２つの周波数成分ｆ’＋ｆとｆ’−ｆのうち、低周波の信号であるｆ’−ｆ＝ｆ＊２＊Ｖｍ＊ｃｏｓθ／Ｃを出力（ダウンコンバート）する。ミキサ２４の出力信号は、ドップラーセンサ２の出力信号となり、増幅回路３に供給される。

なお、上述のように、ドップラーセンサ２の出力信号は、障害物の移動速度が等しい場合でも、移動方向に依存して異なる周波数の信号になる。より詳細には、障害物とアンテナ２３を結ぶ直線（反射波の進行方向）と障害物の移動方向とのなす角θが小さいほど、高周波の信号として出力され、角θが大きいほど低周波の信号として出力される。角θは０からπ／２とする。

増幅回路３は、例えば、オペアンプ、抵抗等から構成される。増幅回路３は、ドップラーセンサ２の有するアンテナ２３により受信された信号を所定の増幅率で増幅し、バランス回路４に供給する。

バランス回路４は、図４に示すように、抵抗Ｒ１及びＲ２と、容量値を調整可能なコンデンサＣ１と、から構成される。より詳細には、抵抗Ｒ１は、バランス回路４の入力端と出力端とを接続する。また、抵抗Ｒ２と、コンデンサＣ１とは、互いに直列に接続され、図４に示すように、バランス回路４の出力端と接地電位との間を接続する。

バランス回路４は、以下で述べるような周波数特性を有し、当該周波数特性により、増幅回路３から供給される信号を処理してフィルタ５に供給する。

このような構成のバランス回路４は、図５に示すように、周波数ｆ１（＝１／（２π＊（Ｒ１＋Ｒ２）＊Ｃ１））及び周波数ｆ２（＝１／（２π＊Ｒ２＊Ｃ１））を中心として増幅率が変化する。図５に示すように、周波数ｆ１以下では、増幅率は１に近似できる。また、周波数ｆ２以上では、増幅率はＲ２／（Ｒ１＋Ｒ２）に近似できる。

バランス回路４は、図５に示すような周波数特性を有するが、コンデンサＣ１の容量値を調整可能であるため、周波数ｆ１及びｆ２を変化させることが可能である。すなわち、バランス回路４は、コンデンサＣ１の容量値を変化させることにより、障害物の移動方向に依存した感度差を打ち消すように、又は、設置された場所の環境、天候等による誤検出を防ぐように、調整することができる。

なお、コンデンサＣ１は、例えば、つまみの回転角度に応じて容量値を変化させる可変容量コンデンサによって構成されてもよいし、逆方向電圧に依存するダイオードの空乏層容量を利用した可変容量ダイオードによって構成されてもよい。

また、コンデンサＣ１の容量値は、利用者により手動で調整されてもよいし、制御回路７による制御に従って調整されるようにしてもよい。

フィルタ５は、図６に示すように、抵抗Ｒ３と、容量値を調整可能なコンデンサＣ２と、から構成されるローパスフィルタである。
フィルタ５は、以下で述べるような周波数特性を有し、当該周波数特性により、バランス回路４から供給される信号を処理して検出回路６に供給する。

フィルタ５は、図７に示すように、カットオフ周波数ｆ３（＝１／（２π＊Ｒ３＊Ｃ２））を中心として増幅率が変化する、１次のローパスフィルタの周波数特性を有する。すなわち、図７に示すように、周波数ｆ３以下では、増幅率は１に近似できる。また、周波数ｆ３よりも高周波では、増幅率は周波数とともに減少する。

フィルタ５は、図７に示すような周波数特性を有するが、コンデンサＣ２の容量値を調整可能であるため、周波数ｆ３を変化させることが可能である。すなわち、フィルタ５は、コンデンサＣ２の容量値を変化させることにより、障害物の移動方向に依存した感度差を打ち消すように、又は、設置された場所の環境、天候等による誤検出を防ぐように、調整することができる。

なお、コンデンサＣ２は、コンデンサＣ１と同様に、例えば、つまみの回転角度に応じて容量値を変化させる可変容量コンデンサによって構成されてもよいし、逆方向電圧に依存するダイオードの空乏層容量を利用した可変容量ダイオードによって構成されてもよい。

また、コンデンサＣ２の容量値は、利用者により手動で調整されてもよいし、制御回路７による制御に従って調整されるようにしてもよい。

検出回路６は、フィルタ５から供給される信号から、障害物の有無を検出する。検出回路６は、例えば、フィルタ５から供給される信号を整流して直流信号に変換する検波回路により構成される。

上述のような構成により、検出回路６は、反射波の強度に応じた直流電圧を制御回路７に供給する。

また、検出回路６は、検波回路によって整流された直流信号を、選択可能な増幅率で増幅する可変ゲイン増幅器を備えてもよい。可変ゲイン増幅器の増幅率を高く設定するほど、検出感度が高くなる。

この場合、可変ゲイン増幅器の増幅率は、利用者によって設定されてもよいし、制御回路７による制御に従って設定されてもよい。

制御回路７は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ等の記憶素子、ＡＤ（Analog to Digital）変換器等から構成される。

制御回路７は、検出回路６から供給される直流信号の電圧値を、ＡＤ変換器によりディジタル信号に変換してＣＰＵに取り込み、当該電圧値が記憶素子に予め格納された閾値以上であるか否かに応じて、障害物の有無を判定する。具体的には、ＣＰＵは、ＡＤ変換器を介して取り込まれた電圧値が記憶素子に格納された所定の閾値以上である場合に、障害物が有ると判定する。

制御回路７は、障害物が有ると判定した場合には、図示せぬ出力装置（例えば、警報装置）を、障害物が有ることを示すように制御する（例えば、警報装置を鳴動させる）。

このように構成される障害物検知センサ１において、感度を調整する手法を、例を挙げて説明する。

例えば、障害物が横方向に移動する場合よりも前後方向に移動する場合の方が、検出感度が高くなってしまっている状況下において、両者のバランスを調整しようとする場合、以下のようにして検出感度を調整する。

上記の状況の下では、低周波数帯域の検出感度を相対的に高める必要がある。このため、バランス回路４のコンデンサＣ１の容量値を、大きくなるように調整する。

これにより、図５に示した周波数特性において、増幅率の変化する周波数ｆ１およびｆ２が低周波側に移動し、検出回路６には、調整前と比較して低い周波数ｆ１以下の周波数帯域が強調された信号が入力される。また、検出回路６は、調整前と比較して低い周波数ｆ２以上の周波数帯域の信号入力に対して、低い直流電圧を出力する。すなわち、相対的に低周波数帯域に対する感度を高くすることができる。これにより、反射波の進行方向の速度成分の小さな障害物、例えば、アンテナ２３に対して横方向に移動する障害物に対する検知感度を上げ、反射波の進行方向の速度成分の大きな障害物、例えば、アンテナ２３に対して奥行き方向に移動する障害物に対する検知感度を下げている。その結果、障害物を検知する検知領域の奥行きを抑えつつ、検知領域の視野角を広げることができる。

上記のような手法により、障害物が横方向に移動する場合と前後方向に移動する場合とで、検出感度を適宜比較しながら、感度差が許容値以内になるようにコンデンサＣ１を調整すればよい。

また、例えば、屋外で障害物検知センサを用いる際、雨滴や雪による反射波によって、実際には障害物が無い場合にも高周波数帯域に信号が検出されてしまうような場合には、以下のようにして検出感度を調整する。

上記の状況下では、高周波数帯域に検出される信号が、真に障害物による反射波に起因するものであるか、雨滴による反射波に起因するもの（すなわち誤検出）であるかを区別することは困難である。従って、雨滴による反射波として検出され得る周波数の信号が検出されないようにする必要がある。

この場合、フィルタ５のコンデンサＣ２の容量値を、大きくなるように調整することで、図７に示した周波数特性において、増幅率の変化する周波数ｆ３が低周波側に移動する。その結果、高周波数帯域の信号を大きく減衰させることができる。

上記のような手法により、雨滴による誤検出の有無を適宜判断しながら、誤検出の頻度が許容値以内になるようにコンデンサＣ３を調整すればよい。

以上で説明したように、本発明の障害物検知センサは、バランス回路４及びフィルタ５の増幅率−周波数特性を調整可能にすることにより、状況に応じて、検出感度を調整可能である。

上記の実施の形態では、バランス回路４において、コンデンサＣ１の容量値を可変とする場合を例に説明したが、抵抗Ｒ１及びＲ２のいずれか一方又は両方を調整可能にしてもよい。
この場合、周波数ｆ１及びｆ２だけでなく、高周波数帯域の増幅率（Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２））をも変化させることが可能であるため、より細かい調整をすることが可能となる。

また、上記の実施の形態では、増幅回路３の出力信号がバランス回路４を必ず通過する場合を例に説明した。しかし、本発明に係る障害物検知センサは、増幅回路３の出力信号を、バランス回路４を通さずに、フィルタ５に入力させるための迂回経路と、選択スイッチとを設け、いずれの経路を通してフィルタ５に信号を伝達させるかを選択可能にしてもよい。
例えば、検出感度をできる限り高くしたい場合には、ロスなく信号を伝達可能な迂回経路を選択するようにすればよい。

また、上記の実施の形態では、フィルタ５の増幅率−周波数特性が調整可能である場合を例に説明したが、フィルタ５の増幅率−周波数特性は所定の値に固定されてもよい。
この場合、増幅率−周波数特性は、例えば、雨滴による反射に起因した誤検出を防ぐことができる特性にすればよい。

また、上記の実施の形態では、バランス回路４の出力信号がフィルタ５を必ず通過する場合を例に説明した。しかし、バランス回路４の出力信号を、フィルタ５を通さずに、検出回路６に入力させるための迂回経路と、選択スイッチとを設け、いずれの経路を通して検出回路６に信号を伝達させるかを選択可能にしてもよい。
例えば、雨が降っている場合には、フィルタ５を通し、雨が降っていない場合にはフィルタ５を迂回させるようにすればよい。

障害物検知センサの構成を示すブロック図である。 ドップラーセンサの構成を示すブロック図である。 障害物の移動方向の定義を説明するための模式図である。 バランス回路の構成を示す回路図である。 バランス回路の増幅率−周波数特性を示す図である。 フィルタの回路構成を示す回路図である。 フィルタの増幅率−周波数特性を示す図である。

符号の説明

１ 障害物検知センサ
２ ドップラーセンサ
３ 増幅回路
４ バランス回路
５ フィルタ
６ 検出回路
７ 制御回路

Claims (9)

1. 所定の周波数の電磁波を送出し、障害物により反射された前記電磁波の反射波を検出して、前記障害物の速度に応じた周波数の信号を出力するドップラーセンサと、
   前記ドップラーセンサの出力信号を受け取り、当該出力信号を周波数帯域毎に異なる増幅率で伝達する信号処理部と、
   前記信号処理部の出力信号を受け取り、当該出力信号の信号強度に基づいて前記障害物の有無を検知する検知部と、から構成される、
   ことを特徴とする障害物検知センサ。
2. 前記信号処理部は、前記ドップラーセンサの出力信号を受け取り、当該出力信号を、第１の周波数以下の周波数帯域と前記第１の周波数よりも高い第２周波数以上の周波数帯域とで異なる増幅率で伝達するバランス回路、
   を含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の障害物検知センサ。
3. 前記バランス回路は、前記第１の周波数及び前記第２の周波数を変更する手段を備える、
   ことを特徴とする請求項２に記載の障害物検知センサ。
4. 前記バランス回路は、入力端と出力端との間を接続する第１の抵抗と、出力端と接地電位との間を直列接続する第２の抵抗と第１の容量と、から構成され、前記第１の容量の容量値を変化させることにより、前記第１の周波数及び前記第２の周波数を変化させる、
   ことを特徴とする請求項３に記載の障害物検知センサ。
5. 前記信号処理部は、前記バランス回路の出力信号を受け取り、第３の周波数以下の周波数の信号を一定の増幅率で伝達し、前記第３の周波数をカットオフ周波数とするローパスフィルタを含む、
   ことを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の障害物検知センサ。
6. 前記バランス回路を通さずに、前記ドップラーセンサの出力信号を前記ローパスフィルタに伝達可能な第１の迂回経路と、
   前記ドップラーセンサの出力信号を、前記バランス回路又は前記第１の迂回経路のいずれを通して前記ローパスフィルタに伝達させるかを選択するための第１の選択手段と、を更に有する、
   ことを特徴とする請求項５項に記載の障害物検知センサ。
7. 前記ローパスフィルタは、前記第３の周波数を変更する手段を有する、
   ことを特徴とする請求項５項または６項に記載の障害物検知センサ。
8. 前記ローパスフィルタは、入力端と出力端との間を接続する第３の抵抗と、出力端と接地電位との間を接続する第２の容量と、から構成され、前記第２の容量の容量値を変化させることにより、前記第３の周波数を変化させる、
   ことを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載の障害物検知センサ。
9. 前記ローパスフィルタを通さずに、前記バランス回路又は前記第１の迂回経路の出力信号を前記検知部に伝達可能な第２の迂回経路と、
   前記バランス回路又は前記第１の迂回経路の出力信号を、前記ローパスフィルタ又は前記第２の迂回経路のいずれを通して前記検知部に伝達させるかを選択するための第２の選択手段と、を更に有する、
   ことを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載の障害物検知センサ。
   

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