JP2007085866A - 物体検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】人などの動く物体を静止する物体と区別して検出する。
【解決手段】物体検出装置は、複数の超音波センサ１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄが同一平面上に一列に配列されてなる超音波センサアレイ１と、各超音波センサ１ａ〜１ｄの出力信号（受信信号）を各別に遅延させる複数の遅延部２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄと、遅延部２ａ〜２ｄで遅延された受信信号を加算する加算部３と、加算部３で加算された受信信号のレベル（振幅値）の最大値を求める計測部４と、計測部４の計測結果を時系列で記憶する記憶部５と、記憶部５に記憶された計測結果から物体の存否並びに物体までの距離と方位を判定する判定部６とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波を検出媒体として検出領域における物体の存否、特に動く物体の存否を検出する物体検出装置に関するものである。

従来より、超音波を検出媒体として検出領域における物体の存否を検出する物体検出装置が提供されている。例えば、特許文献１に記載されている従来装置は、複数の超音波センサが一方向に配列された超音波センサアレイを備え、超音波振動子から送信されて物体で反射した超音波（反射波）を個々の超音波センサで受信し、超音波振動子から送信された超音波が物体で反射されて超音波センサに受信されるまでの時間と超音波の進行速度（音速）とに基づいて物体までの距離を計測するとともに、各超音波センサの出力信号を配列順に応じて所定の遅延時間だけ遅延させて加算することで当該物体の方位を計測するものである。なお、上述のように複数の超音波センサの出力信号を遅延させて加算する処理は一般に遅延加算処理と呼ばれる。
特開２００２−１５６４５１号公報

ところで、上記従来装置では検出領域における物体の存否や当該物体までの距離並びに方位若しくは奥行きが検出可能であるが、例えば、家具などの静止物体が存在する部屋を検出領域とする場合に、人などの動く物体を静止物体と区別して検出することが困難であった。

本発明は上記事情に鑑みて為されたものであり、その目的は、人などの動く物体を静止する物体と区別して検出できる物体検出装置を提供することにある。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、検出領域に向けて送信された超音波が検出領域に存在する物体で反射した反射波を受信する受信手段を備え、受信手段で受信した反射波から検出領域における物体の存否並びに当該物体までの距離と方位を検出する物体検出装置であって、受信した超音波の強度に応じた電気信号を出力する複数の超音波センサが少なくとも一方向に配列された超音波センサアレイからなる前記受信手段と、各超音波センサの出力信号を配列順に応じて所定の遅延時間だけ遅延させて加算した加算値を異なる複数の遅延時間毎に求めるとともに各遅延時間毎の加算値の最大値を計測する計測手段と、計測手段で計測した計測結果を各遅延時間に対応した方位毎に時系列で記憶する記憶手段と、記憶手段に記憶した過去の計測結果と計測手段で求めた現在の計測結果の差分を求めるとともに当該差分に基づいて距離又は方位の少なくとも一方が時間的に変化する物体の存否を判定する判定手段とを備えたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、受信手段は、複数の超音波センサが同一平面内に配置された超音波センサアレイからなることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、記憶手段に記憶した過去の計測結果から現在の計測結果を差し引いた差分においては、距離並びに方位が変わらない静止物体の計測結果が消去されて距離並びに方位が変化した物体、すなわち人などの動く物体の計測結果のみが残ることになるから、動く物体を静止する物体と区別して検出できるという効果がある。

請求項２の発明によれば、３次元空間の検出領域で動く物体を検出することができるという効果がある。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

本実施形態の物体検出装置は、図１に示すように複数（図示例では４つ）の超音波センサ１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄが同一平面上に一列に配列されてなる超音波センサアレイ１と、各超音波センサ１ａ〜１ｄの出力信号（受信信号）を各別に遅延させる複数（図示例では４つ）の遅延部２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄと、遅延部２ａ〜２ｄで遅延された受信信号を加算する加算部３と、加算部３で加算された受信信号のレベル（振幅値）の最大値を求める計測部４と、計測部４の計測結果を記憶する記憶部５と、記憶部５に記憶された計測結果から物体の存否並びに物体までの距離と方位を判定する判定部６とを備えている。但し、検出領域に対して超音波を送信する超音波送信器については図示を省略している。

超音波センサアレイ１は、例えば半導体基板に設けられたダイアフラム状の部位に圧電素子を形成してなる複数の超音波センサ１ａ〜１ｄで構成される。各超音波センサ１ａ〜１ｄにおいては、反射波の音圧でダイアフラム状の部位とともに圧電素子が撓むことを利用し、音圧の大きさに応じた電圧信号が圧電素子から取り出される。そして、超音波センサ１ａ〜１ｄから出力されるアナログの出力信号（受信信号）は、図示しないＡ／Ｄ変換器によってディジタル信号に変換されて個別にメモリ（図示せず）に記憶される。なお、このような超音波センサアレイ１は従来周知であるから、詳細な構造の図示並びに説明は省略する。

ここで、本実施形態では物体の方位を求めるに当たって従来周知の遅延加算処理を行っている。図１に示すように超音波センサ１ａ〜１ｄに対する反射波の入射角度θ、つまり、超音波センサ１ａ〜１ｄの受波面の法線方向に対する角度が０°でない場合、反射波の同位相の波面Ｗが各超音波センサ１ａ〜１ｄに到達する時間に差が生じ、その時間差τ［秒］は、超音波センサ１ａ〜１ｄの間隔をｄ［ｍ］、超音波の速度（音速）をｖ［ｍ／秒］としたときにτ＝ｄsinθ／ｖ［秒］と表される。遅延加算処理においては、任意の入射角度に対して上式から求められる時間差０，τ，τ×２，τ×３ずつ、各超音波センサ１ａ〜１ｄの出力信号（受信信号）を遅延させてそれらを加算し、実際の入射角度θに対応した時間差ずつ遅延させた受信信号の加算値のピークが相対的に最も大きくなることを利用して反射波の入射角度θ（物体の方位）を求めるのである（但し、ここでは超音波センサ１ａ〜１ｄが等間隔（間隔＝ｄ）に配列されていると仮定したが、必ずしも等間隔である必要はない。）。

具体的には、検知領域の範囲（例えば、入射角が−４５°〜４５°の範囲）において５°刻みの入射角度θ₁＝−４５°，θ₂＝４０°，…，θ_k＝０°，θ_k+1＝５°，…，θ_N＝４５°に対応する遅延時間τ_k（ｋ＝１，２，…，Ｎ）を上式から求め、例えば遅延部２ａ〜２ｄにおいてメモリから読み出したディジタルの受信信号を各々遅延時間０［秒］，τ_k［秒］，τ_k×２［秒］，τ_k×３［秒］だけ遅延させて出力し、加算部３においてこれら４つの受信信号を加算する。そして、ｋ＝１からｋ＝Ｎの全ての遅延時間τ₁，…，τ_k，…，τ_Ｎについて上述の手順に従って加算部３が受信信号の加算値を求めてメモリに記憶する。計測部４においては、超音波発信後の任意の２つの時刻Ｔ_mとＴ_m+1の間の時間Ｔ（＝Ｔ_m+1−Ｔ_m）において、全ての遅延時間τ_kに対してその時間内における最大値を計測し、当該計測結果（任意の時間Ｔ内での、各遅延時間τ_kにおける加算結果の最大値）を記憶部５に記憶させる。判定部６では、記憶部５に記憶した計測結果に基づき、任意の時間Ｔ内における遅延時間τ_kに対する最大値のうち、最も大きくなるものを求め、その値が所定のしきい値を超えていれば、その遅延時間τ_kに対応する入射角度θ_kの方向に物体が存在すると判断し、また物体で反射した反射波の到達時間が時刻Ｔ_mからＴ_m+1の間に対応することから物体までの距離を求めることができる。なお、物体までの距離及び方位を求める上述の処理は、超音波送信器から超音波が送信される毎に行われ、計測部４で計測した計測結果（遅延時間τ_k（入射角度θ_k）における加算値の最大値）を時系列で記憶部５に記憶させている。

ところで、図２（ａ）に示すように検出領域内に机などの静止した物体Ｘが超音波センサアレイ１の正面から−２５°の方位に存在する場合、図２（ｂ）に示すように加算部３の加算値が物体Ｘの方位に一致する入射角度θ（＝−２５°）にピーク値を有する波形となる。また、図３（ａ）に示すように検出領域内に静止物体Ｘと人などの移動する物体Ｙが超音波センサアレイの正面から各々−２５°と２５°の方位に存在する場合、図３（ｂ）に示すように加算部３の加算値が物体Ｘの方位並びに物体Ｙの方位に一致する入射角度θ（＝−２５°、＝２５°）にそれぞれピーク値を有する波形となる。ここで、検出領域内に存在する静止物体Ｘまでの距離並びに方位が予め判っているとし、静止物体Ｘのみが存在する場合の計測結果（以下、「基準計測結果」と呼ぶ。）を記憶部５に予め記憶しておき、判定部６において計測部４の新たな計測結果と記憶部５に記憶している基準計測結果（入射角度θ＝−２５°の方位と加算値の最大値）との差分を求めれば、図３（ａ）に示したように基準計測結果に含まれる物体Ｘと含まれない物体Ｙとが検出領域内に存在する場合、図４に示すように基準計測結果に含まれない物体Ｙの方位に一致する入射角度θにのみピーク値（加算値の最大値）を有する波形が得られ、その結果、予め所在が判っている物体Ｘ以外の物体Ｙの存否を判定することができる。さらに、基準計測結果との差分から求められる計測結果を記憶部５に記憶しておいて計測部４で求められる計測結果と随時差分をとれば、時間的に距離並びに方位が変わらない静止物体の計測結果が消去されて距離並びに方位が変化した物体、すなわち人などの動く物体の計測結果のみが残ることになるから、予め所在が判っていない物体のうちで動く物体と静止する物体とを区別して検出することができる。ここで、上述のような検出処理並びに遅延加算処理を行うための遅延部２ａ〜２ｄ、加算部３、計測部４並びに判定部６は、例えば、汎用のマイクロコンピュータに専用のプログラムを実行させることで実現できる。

ところで、検出領域内における動く物体の検出装置としては撮像装置で撮像した画像を画像処理し、基準となる画像との差分に基づいて動く物体を検出する装置があるが、かかる画像処理による検出装置では多数の画像を時系列で記憶するために大容量のメモリが必要になる。これに対して本実施形態では、記憶部５に記憶するのは遅延加算処理によって求めた計測結果（遅延時間τ_k（入射角度θ_k）毎の加算値の最大値）であって画像データに比較してデータ容量が大幅に少ないものであるから、画像処理による検出装置に比較して記憶部５に用いるメモリの容量が少なくて済むという利点がある。

なお、本実施形態では複数の超音波センサ１ａ〜１ｄが水平方向に一列に並ぶ超音波センサアレイ１を用いているが、さらに多くの超音波センサが同一平面内に配置された超音波センサアレイ、例えば複数の超音波センサが各々水平方向と鉛直方向にマトリクス状に配置された超音波センサアレイや複数の超音波センサが円状若しくは蜂の巣状に配置された超音波センサアレイを用いれば、鉛直方向を含む３次元空間の検出領域で動く物体を検出することができる。但し、遅延加算処理を３次元空間まで拡張した場合の距離及び方位の計測方法については基本的に上述した２次元空間の場合と共通であるから詳細な説明は省略する。

本発明の実施形態を示すブロック図である。 （ａ）（ｂ）は同上の動作説明図である。 （ａ）（ｂ）は同上の動作説明図である。 同上の動作説明図である。

符号の説明

１ 超音波センサアレイ
１ａ〜１ｄ 超音波センサ
２ａ〜２ｄ 遅延部
３ 加算部
４ 計測部
５ 記憶部
６ 判定部

Claims (2)

1. 検出領域に向けて送信された超音波が検出領域に存在する物体で反射した反射波を受信する受信手段を備え、受信手段で受信した反射波から検出領域における物体の存否並びに当該物体までの距離と方位を検出する物体検出装置であって、
   受信した超音波の強度に応じた電気信号を出力する複数の超音波センサが少なくとも一方向に配列された超音波センサアレイからなる前記受信手段と、各超音波センサの出力信号を配列順に応じて所定の遅延時間だけ遅延させて加算した加算値を異なる複数の遅延時間毎に求めるとともに各遅延時間毎の加算値の最大値を計測する計測手段と、計測手段で計測した計測結果を各遅延時間に対応した方位毎に時系列で記憶する記憶手段と、記憶手段に記憶した過去の計測結果と計測手段で求めた現在の計測結果の差分を求めるとともに当該差分に基づいて距離又は方位の少なくとも一方が時間的に変化する物体の存否を判定する判定手段とを備えたことを特徴とする物体検出装置。
2. 受信手段は、複数の超音波センサが同一平面内に配置された超音波センサアレイからなることを特徴とする請求項１記載の物体検出装置。

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