JP2007127503A - 物体位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】物体の位置検出のために、物体で反射された反射波をアレイ素子で受信し、その反射波のアレイ素子間における位相差に基づいて物体の方位を算出する物体位置検出装置において、アレイ素子の各素子の間隔が送信波の波長λの半分より大きい場合についても適用できるようにすること。
【解決手段】各素子が反射波を受信したときの時間差Δｔが、送信波の周期Ｔの半分以下か否かを判定する。そして、時間差ΔｔがＴ／２以下の場合のみ、反射波のアレイ素子間における位相差Δφを算出して、物体の方位を算出する。これによって、方位絶対値がθ_ｔｈ＝ｓｉｎ^−１｛λ／（２×ｄ）｝以下の正面方向の範囲にある物体の位置を検出することができる。また、物体の方位を検出するために算出する時間差Δｔの検出精度として、Ｔ／２以下か否かが判定できる程度の精度でよい。
【選択図】図６

Description

本発明は、例えば車両周辺の障害物を検出するために用いられる物体位置検出装置に関する。

従来、物体の位置を検出するために、物体の方位を検出する方法に関して、特許文献１に記載されているような三角測量を用いた方法がある。この三角測量を用いた方法は、例えば物体の２次元位置を検出したい場合、先ず外部に電波や超音波などの信号（送信波）を送信する。そして、その送信波が物体によって反射された信号（反射波）を、図１２（ａ）に示すように所定間隔ｄで配置された２つの素子１Ａ、１Ｂで受信する。この各素子１Ａ、１Ｂで受信する反射波は、図１２（ｂ）に示すように、その反射波の到来方向θ（物体の方位）によって時間差Δｔが生じる。したがって、物体の方位θは、送信波（反射波）の伝播速度をＣとすると、ｓｉｎ^−１（Δｔ×Ｃ／ｄ）と算出することができる。なお、物体までの距離は、送信波を送信した時間と反射波を受信した時間との差から算出することができる。

このように、三角測量を用いて物体の位置を検出するためには、各素子で受信する反射波の時間差Δｔを正確に検出する必要がある。この時間差Δｔは、同じ方向から反射波が到来したとしても、素子間隔ｄによって異なってくる。具体的には、素子間隔ｄが狭くなるにつれて、物体と各素子１Ａ、１Ｂとの経路差（ｄ×ｓｉｎθ）が小さくなっていくので、時間差Δｔも小さくなっていき正確な検出が困難となる。また、送信波として電波を用いた場合、伝播速度Ｃが大きいために時間差Δｔが小さくなってしまい、特に正確な検出が困難となってしまう。さらに、送信波として超音波を用いた場合、超音波は伝播する媒質の影響を受けやすく、このため各素子で受信する反射波の時間差Δｔに誤差が生じやすくなる。

一方、物体の位置を検出する方法として、図１２（ｃ）に示すように、上記反射波の到来方向θ（物体の方位）を各素子１Ａ、１Ｂ間の位相差Δφに基づいて算出する方法がある。具体的には、送信波（反射波）の波長をλとすると、物体の方位θは、ｓｉｎ^−１｛Δφ×λ／（２π×ｄ）｝と算出することができる。なお、物体の距離は、上記三角測量を用いた方法と同様に、送信波を送信した時間と反射波を受信した時間との差から算出する。このように、各素子で受信した反射波の位相差を用いれば、上記時間差Δｔに係る種々の問題点を考慮することなく、物体の位置を検出することができる。
特開２００１−１１８１９８号公報

しかしながら、上述の各素子で受信した反射波の位相差Δφに基づいて物体の位置（方位）を検出するには、素子間隔ｄを送信波の波長λの半分以下にしなければ、位相差Δφに対応する反射波の到来方向θが一意に決まらない場合がある。図１３（ａ）は、素子間隔ｄが０．７５λ（＞０．５λ）の場合における位相差Δφと反射波の到来方向θとの関係を示した図である。なお、同図は、各素子間の中心軸方向を到来方向θ＝０としている。同図に示すように、位相差Δφの絶対値が９０°〜１８０°の範囲では、反射波の到来方向θの候補が２つある。このように、到来方向θの候補が複数になる場合があるのは、受信側ではある位相差Ｘと位相差Ｘ＋２ｎπ（ｎは整数）とを区別することができないためである。したがって、このような範囲では、反射波の到来方向θが一意に決まらない。つまり、物体の位置を決定することができない。

一方、同図（ｂ）は、素子間隔ｄが０．５λの場合における位相差Δφと反射波の到来方向θとの関係を示した図であるが、同図に示すようにどの位相差Δφに対しても反射波の到来方向θを一意に決定することができる。したがって、位相差Δφのみの情報から反射波の到来方向θを算出するためには、素子間隔ｄを０．５λ以下にする必要がある。

しかしながら、素子間隔ｄを０．５λ以下にするにも以下の理由によって限度がある。図１４（ａ）は、送信波として超音波パルスを用いる場合に、その超音波パルスを発生させる素子（マイク２）の断面を示した図である。同図に示すように、マイク２は圧電素子２ａと振動板２ｂから構成されており、図示しないパルス信号生成部からのパルス信号を受けて、これら圧電素子２ａと振動板２ｂが共振し、この共振により超音波パルスが発生する。

そして、このようなマイク２を素子間隔ｄ≦０．５λを満たすようにアレイ状に配置することを考える。素子を配置するために必要な素子間隔をとるには、超音波パルスの波長λを大きくする、つまり超音波パルスの周波数を小さくすることが考えられる。しかし、図１４（ｂ）に示すように、超音波パルスの周波数を小さくしていく（すなわちマイクの共振周波数を小さくしていく）と、それに伴いマイク２の直径が大きくなってしまう。また、同図（ｃ）は、マイク２の直径と共振周波数の関係について、種々の振動板２ｂの板厚について示した図であるが、同図に示すように、振動板２ｂの板厚を薄くすれば、マイク２の直径を抑えつつ、超音波パルスの周波数を小さくすることができる。つまり、素子間隔ｄを０．５λ以下にする余地もある。しかし、振動板２ｂの板厚を薄くすると、それだけ振動板２ｂの強度が低下することになるので、例えばこのマイク２を車両のバンパ部などに取り付けた場合には、路面からの飛び石などによって振動板２ｂが破損する場合も想定される。結局素子間隔ｄを０．５λ以下にするのにも弊害が伴うことになる。

本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたものであり、物体の位置検出のために、物体で反射された反射波をアレイ素子で受信し、その反射波のアレイ素子間における位相差に基づいて物体の方位を算出する物体位置検出装置において、アレイ素子の各素子の間隔が送信波の波長λの半分より大きい場合についても適用できるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１の物体位置検出装置は、外部に向けて送信波を送信する送信手段と、前記送信波の波長の半分より大きい間隔で配置され、前記送信手段が送信した送信波に対する反射波を受信する複数の検出素子からなる検出素子アレイと、前記検出素子が受信した反射波から前記検出素子間における受信時間差が前記送信波の周期の半分以下か否かを判定する判定手段と、前記検出素子アレイが反射波を受信した時間と前記送信手段が送信波を送信した時間との差に基づいて物体までの距離を算出する距離算出手段と、前記判定手段が前記反射波の前記検出素子間における受信時間差が前記送信波の周期の半分以下と判定したときのみ、前記検出素子が受信した反射波の各検出素子間の位相差を算出し、当該位相差に基づいて前記物体の方位を算出する方位算出手段とを備えることを特徴とする物体位置検出装置。 例えば、図１に示すようにアレイ素子３Ａ、３Ｂが素子間隔ｄ（＞０．５λ）で配置されている場合に、方向θから物体で反射された反射波が到来したとする。この場合、各素子３Ａ、３Ｂで受信する反射波の位相差Δφは次式で表される。なお、次式においてλは送信波の波長を表している。

（数１）
Δφ＝（２π×ｄ／λ）×ｓｉｎθ
ここで、位相差Δφ＜πより、数１の式は、次式のように変形することができる。

（数２）
ｄ×ｓｉｎθ＜λ／２
次に、素子３Ａ、３Ｂが反射波を受信したときの、物体から各素子３Ａ、３Ｂまでの経路差（ｄ×ｓｉｎθ）による遅延時間Δｔは、次式で表される。なお、次式においてＣは反射波の伝播速度を表している。

（数３）
Δｔ＝ｄ×ｓｉｎθ／Ｃ
ここで、数２の式を用いると、数３の式は次式のように変形することができる。

（数４）
Δｔ＜λ／（２×Ｃ）
ここで、送信波（反射波）の周期をＴとすると、１／Ｔ＝Ｃ／λより、数４の式は次式のように変形することができる。

（数５）
Δｔ＜Ｔ／２
この数５式は、素子３Ａ、３Ｂが反射波を受信したときの時間差Δｔが送信波の周期Ｔの半分より小さければ、反射波の到来方向θを一意に算出することができることを意味している。さらに詳細に説明すると、時間差Δｔが送信波の周期Ｔの半分より小さければ、図２に示すように、反射波は素子の間隔から定まる所定の閾値方位θ_ｔｈより正面方向側の方位（以下、この方位をメインローブという）から到来してきたことを意味する。反対に、時間差Δｔが送信波の周期Ｔの半分以上のときは、反射波はメインローブ以外の方位（以下、この方位をグレーティングローブという）から到来してきたことになる。この場合、位相差Δφのみから反射波の到来方向θを一意に算出することができない場合もあるので（位相差Δφに対応する到来方向θが、メインローブとグレーティングローブに複数ある場合がある）、物体の方位の算出、つまり物体の位置検出を行わない。なお、同図の到来方向θは、素子３Ａ、３Ｂ間の中心軸方向を０とし、素子３Ａよりの方向を正、素子３Ｂよりの方向を負としている。また、同図には素子間隔ｄを種々変えたときのメインローブ、グレーティングローブ（閾値方位θ_ｔｈ）も示している。

なお、メインローブとグレーティングローブとを分ける閾値方位θ_ｔｈは、上記数２式を変形して、次式で算出される。

（数６）
θ_ｔｈ＝ｓｉｎ^−１｛λ／（２×ｄ）｝
以上より、請求項１の物体位置検出装置は、アレイ素子の素子間隔が送信波の波長λの半分以上の場合であっても、反射波の各素子間における受信時間差を用いることにより（数５式）、メインローブ内の物体に限定して検出できるようにしたものである。また、上述した三角測量の方法のように、正確な時間差Δｔを検出する必要がないので（Ｔ／２に対して大きいか小さいかを判定できればよい）、上述の時間差Δｔに係る問題も考慮する必要なく物体を検出することができる。

なお、アレイ素子の素子間隔が送信波の波長λの半分以下の場合は、図２に示すように（ｄ＝０．５λ）、すべての到来方向θに対して、グレーティングローブは生じない。

請求項２の物体位置検出装置は、前記方位算出手段は、前記各検出素子の受信信号の振幅を閾値判定し、当該各受信信号の振幅がともに閾値を超えたときに各受信信号から対応する反射波の位相を求め、さらにそれらの位相から前記反射波の前記検出素子間の位相差を算出することを特徴とする。 このように、受信信号の振幅を閾値判定するのは、その受信信号が物体で反射された反射波か否かを判定するためである。例えば、一方の素子の受信信号の振幅が閾値を超えていたとしても、反射波が未だ他方の素子に到来していないために、他方の素子の受信信号の振幅が閾値を超えていない場合もあり得る。このような場合に位相差を算出したとしても意味がない。請求項２はこのようなことを鑑みてなされたものである。これにより、正確に反射波の各素子間における位相差を算出することができる。

請求項３の物体位置検出装置は、前記距離算出手段は、前記各検出素子の受信信号の振幅を閾値判定し、当該各受信信号の振幅が閾値を超えた瞬間における各時間を平均した時間を、前記検出素子アレイが反射波を受信した時間とすることを特徴とする。

反射波の到来方向によっては、各素子で受信する反射波の受信時間に差が生じる。そこで、それら時間を平均した時間を用いて物体までの距離を算出することにより、各素子間の中点から物体までの距離を算出することができる。特に素子間隔が大きい場合に効果的である。

請求項４の物体位置検出装置は、前記検出素子アレイは、地表面に対して水平方向に配置された２つの検出素子であることを特徴とする。これにより、地表面に対して水平平面上における物体の位置を検出することができる。

請求項５の物体位置検出装置は、前記検出素子アレイは、地表面に対して垂直方向に配置された２つの検出素子であることを特徴とする。これにより、地表面に対して垂直平面上における物体の位置を検出することができる。

請求項６の物体位置検出装置は、前記検出素子アレイは、一辺が地表面に対して水平若しくは垂直である正三角形状に配置された３つの検出素子であり、前記方位算出手段は、地表面に対して水平若しくは垂直に配置されている２つの検出素子を用いて物体の水平方位若しくは垂直方位を算出し、かつ前記正三角形の一辺が水平に配置されている場合は、地表面に対して水平に配置されていない２つの検出素子からなる２つの組で算出した方位を合成して物体の垂直方位を算出し、又は前記正三角形の一辺が垂直に配置されている場合は、地表面に対して垂直に配置されていない２つの検出素子からなる２つの組で算出した方位を合成して物体の水平方位を算出することを特徴とする。これにより、物体の３次元の位置を検出することができる。また、３素子を正三角形状に配置することにより、アレイ素子を小型化することができる。

請求項７の物体位置検出装置は、前記検出素子アレイは、一辺が地表面に対して水平及び他の一辺が垂直である垂直二等辺三角形状に配置された３つの検出素子であり、前記方位算出手段は、地表面に対して水平に配置されている２つの検出素子を用いて物体の水平方位を算出し、地表面に対して垂直に配置されている２つの検出素子を用いて物体の垂直方位を算出することを特徴とする。これにより、物体の３次元の位置を検出することができる。

請求項８の物体位置検出装置は、前記検出素子アレイは、一辺が地表面に対して水平である正方形状に配置された４つの素子であり、前記方位算出手段は、地表面に対して水平に配置された２つの検出素子からなる２組から物体の水平方位を算出し、地表面に対して垂直に配置された２つの検出素子からなる２組から物体の垂直方位を算出することを特徴とする。このように、４素子を、一辺が地表面に対して水平となるように正方形状に配置することにより、地表面に対して水平平面上の２つの位置情報と、地表面に対して垂直平面上の２つの位置情報とから、物体の３次元位置を検出することができる。これにより、より正確に物体の位置を検出することができる。また、正方形状に配置することにより、物体の水平平面上の位置と、垂直平面上の位置とを同じ精度で検出することができる。

請求項９の物体位置検出装置は、前記送信波は、超音波パルスであることを特徴とする。例えば送信波として電波を用いた場合、伝播速度が速いために、各素子で反射波を受信したときの時間の差が小さくなる。つまり、この時間差を精密に検出する必要がある。これに対し、送信波として超音波パルスを用いた場合、電波に比べて伝播速度が遅いために、上記時間差を大きく検出することができる。よって、上記数５の式の判定がし易くなるため、正確にメインローブ内の物体を検出することができる。

請求項１０の物体位置検出装置は、前記送信手段は、前記検出素子アレイを用いて前記送信波を送信することを特徴とする。このように送信と受信とでアレイ素子を共用することにより、コスト低減、素子を配置するスペースの低減、意匠性の向上を図ることができる。

以下、本発明に係る物体位置検出装置の実施形態について説明する。図３は、本実施形態の物体位置検出装置１００の全体構成を示すブロック図である。同図に示すように、物体位置検出装置１００は、送信制御部２０、受信制御部３０、素子４０Ａ、４０Ｂ、及びＥＣＵ１０から構成される。

ＥＣＵ１０は、通常のコンピュータであり、図示しないＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ、Ｉ／Ｏ、及びこれらを接続するバスによって構成される。物体を検出する際には、このＥＣＵ１０は、送信制御部２０に対して、所定のタイミングで外部に送信波を送信するように指示する。また、ＥＣＵ１０は、受信制御部３０に対して、物体の位置情報を自身に送信するように指示する。そして、ＥＣＵ１０は、その物体の位置情報に基づいて、用途に応じた処理を行う。例えば、この物体位置検出装置１００を車両周辺の障害物検知用に用いる場合には、ＥＣＵ１０は、ドライバーに周辺に障害物がある旨の報知などの処理を行う。

送信制御部２０は、ＥＣＵ１０の送信指示に基づいて、所定の送信信号を生成して、各素子（４０Ａ、４０Ｂ）に出力する部分である。具体的には、図４に示すように、送信位相決定部２１、送信波形生成部２２Ａ、２２Ｂから構成される。

送信位相決定部２１は、素子４０Ａ、４０Ｂのそれぞれに入力する送信信号の位相をＥＣＵからの指示に基づき決定し、送信波形生成部２２Ａ、２２Ｂに指示する。本実施形態では、素子４０Ａ、４０Ｂのそれぞれに入力する送信信号が同相となるように各位相を決定している。

送信波形生成部２２Ａ、２２Ｂは、送信位相決定部２１からの指示に基づいて、所定位相、所定周波数の正弦波を生成し、それをパルス変調した信号を送信信号として、各素子（４０Ａ、４０Ｂ）に入力する。

素子４０Ａ、４０Ｂは、送信波の波長λに対して、半波長λ／２より大きい間隔で、アレイ状に配置されており、送信波形生成部２２Ａ、２２Ｂから送信された送信信号に応じた送信波を外部に送信する。また、素子４０Ａ、４０Ｂは、外部から到来する信号（反射波）を受信し、この受信信号を受信制御部３０に送信する。素子４０Ａ、４０Ｂとして、具体的には、例えば図１４（ａ）に示す構造の超音波を発生する超音波マイクを用いる。これは、後述するように各素子（４０Ａ、４０Ｂ）で受信した反射波の各素子間の時間差を大きく検出するためである。なお、素子４０Ａ、４０Ｂとして、超音波マイクの他に電波を送受信するアンテナを用いてもよい。

このように、素子４０Ａ、４０Ｂはアレイ素子であるために、素子４０Ａ、４０Ｂから送信される合成送信波は指向性を有することになる。具体的には、その合成送信波の指向性Ｅ（θ、φ）は次式のように表される。なお、次式中、θ、φは、図５のように空間に原点と基準軸を設けたときの、任意の点における、その任意の点と原点とを結んだ直線と基準軸との角度を表しており、また、Ｅ_０（θ、φ）は各素子単体の指向性、ｄは素子間隔（＞λ／２）を表している。また、次式は、角度φ＝０としたとき、つまり角度φ＝０の２次元平面における指向性を示している。また、次式は素子間に位相差を設定しない場合の指向性を示している。

（数７）
Ｅ（θ、φ）＝Ｅ_０（θ、φ）×[１＋ｅｘｐ｛ｊ（（２π／λ）×ｄ×ｓｉｎθ）｝]
この数７式を用いて、指向性Ｅ（θ、φ）を角度θをパラメータとして求めると、素子４０Ａ、４０Ｂ間の中心軸方向に最も強くなる指向性となる。なお、素子間隔ｄがλ／２より大きいことから、グレーティングローブも生じる。

受信制御部３０は、素子４０Ａ、４０Ｂで受信した反射波を受け取り、その反射波に基づいて物体の位置を算出する部分である。具体的には、図６に示すように、直交復調部３１Ａ、３１Ｂ、時間差判定部３２、位相差算出部３３、方位算出部３４、距離算出部３５、位置変換部３６から構成される。

直交復調部３１Ａ、３１Ｂは、素子４０Ａ、４０Ｂから送られてきた信号を直交復調する部分である。具体的には、素子４０Ａ、４０Ｂから送られてきた信号に、所定の各周波数の正弦波ならびに余弦波を掛け合わせ、ローパスフィルタにより高周波成分を除去し、同相成分（Ｉ）と直交成分（Ｑ）を抽出する。この操作はＡＤ変換後に行ってもよいし、直交復調後にＡＤ変換し、ディジタル値に変換してもよい。これにより、受信した反射波を、振幅成分と位相成分とに分けることができる。この直交復調後の信号は、時間差判定部３２、位相差算出部３３、距離算出部３５に送られる。

時間差判定部３２は、素子４０Ａ、４０Ｂで受信した反射波の受信時間に対して、素子４０Ａと素子４０Ｂとの差の送信波の周期Ｔの半分との大小を判定する部分である。具体的には、先ず直交復調部３１Ａ、３１Ｂから送られてきた信号に対して、それぞれの信号の振幅成分が所定の閾値を越えているか否かを判定する。これは、素子４０Ａ、４０Ｂで受信した信号が物体から反射された反射波であるか否かを判定するためである。つまり、振幅成分が閾値を超えていなければ周囲に物体が存在しないことになり、反対に閾値を超えていれば周囲に物体が存在することになる。そして、各信号の振幅成分が閾値を超えている場合には、各信号それぞれが最初に閾値を超えたときの時間の差を算出し、その時間差のＴ／２（＝１／２ｆ、ｆは送信波の周波数）との大小を判定する。図７はこのときの様子を示した図であり、同図（ａ）は各信号の時間差がＴ／２より小さいときの各信号と時間との推移を示した図、同図（ｂ）は各信号の時間差がＴ／２以上のときの各信号と時間との推移を示した図である。この判定結果は、位相差算出部３３に送られる。

位相差算出部３３は、各素子４０Ａ、４０Ｂで受信した反射波の各素子間における位相差Δφを算出する部分である。ただし、時間差判定部３２から各信号の時間差がＴ／２以上である旨の判定結果を受信したときは、この位相差Δφの算出は行わない。この場合、上述したように、反射波がグレーティングローブの方向から到来していると考えられ、その到来方向を一意に求めることができない場合があるからである。つまり、メインローブの方向から到来する反射波に対して、位相差Δφを算出する。以上のことは、図８（ａ）に示す位相差Δφと到来方向θとの対応関係を示す図において、同図（ｂ）に示すように、グレーティングローブの範囲にある曲線を抹消することを意味している。なお、図８は、素子間隔ｄが０．７５λの場合の図である。また、メインローブとグレーティングローブは、上記数６式によって求められる方向θ_ｔｈによって分けられる。

また、位相差算出部３３は、位相差Δφを算出するときには、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、各反射波の振幅成分が共に所定の閾値を超えたときのタイミングで位相差Δφを算出する。これは、例えば一方の素子の反射波の振幅が閾値を超えていたとしても、反射波が未だ他方の素子に到来していないために、他方の素子の反射波の振幅が閾値を超えていない場合もあり得る。よって、このようなときに位相差Δφを算出するのを防ぐためである。ここで算出された位相差Δφは、方位算出部３４に送られる。なお、各反射波の振幅成分が共に閾値を超えていれば、どのタイミングで位相差Δφを算出してもよい。また、位相差を平均化してもよい。

方位算出部３４は、位相差算出部３３から送られてきた反射波の各素子間における位相差Δφから、反射波の到来方向θ、つまり物体の方位を算出する部分である。具体的には、次式に位相差Δφを代入して、反射波の到来方向θを算出する。

（数８）
θ＝ｓｉｎ^−１（Δφ×λ／（２π×ｄ））
距離算出部３５は、物体までの距離を算出する部分である。具体的には、図１０に示すように、各素子４０Ａ、４０Ｂで受信した反射波の振幅が共に所定の閾値を超えた場合に、各素子４０Ａ、４０Ｂが最初にその閾値を超えた各時間の中間の時間と、送信波を外部に送信した時間との差に基づいて算出する。このように、各素子４０Ａ、４０Ｂが最初にその閾値を超えた各時間の中間の時間を用いているのは、素子４０Ａ、４０Ｂ間の中点から物体までの距離を算出するためである。なお、素子間隔ｄがλ／２以上であるために、各素子４０Ａ、４０Ｂが反射波を受信する時間に差が生じやすくなっている。

位置変換部３６は、距離算出部３５で算出した物体の距離情報及び、方位算出部３４で算出した物体の方位情報とから、物体の位置を示す座標情報に変換する部分である。本実施形態では、２つの素子４０Ａ、４０Ｂを用いているので、各素子が属している平面上の２次元座標に変換する。そして、位置変換部３６は、ＥＣＵ１０からの位置情報要求指示に基づいて、物体の位置情報をＥＣＵ１０に送信する。なお、時間差判定部３２によって、各素子４０Ａ、４０Ｂが反射波を受信した時間の差がＴ／２以上であると判定した場合には、物体の方位は算出されないことから、位置変換部３６は、これら処理を行わないことになる。

以上、本実施形態の物体位置検出装置１００は、各素子４０Ａ、４０Ｂが反射波の受信した時間の差が、Ｔ／２より小さいの場合のみ、物体の位置を算出する。これによって、素子間隔がλ／２より大きいの場合においても、メインローブに対応する方向の物体を検出することができる。また、そのために各素子４０Ａ、４０Ｂが反射波の受信した時間の差を検出する必要があるが、その時間差はＴ／２との大小を判定できる程度の精度であればよい。

なお、本発明は本実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々なる形態で実施することができる。例えば、上記実施形態では、送信波を外部に送信する素子と、反射波を受信する素子とを共用としていたが別にしてもよい。

また、上記実施形態では、各素子４０Ａ、４０Ｂから送信する送信波の位相を同相としていたが、どのような位相でそれぞれの素子から送信波を送信してもよい。さらに、どちらか一方の素子から送信波を送信してもよい。つまり、送信波用の素子としてアレイ素子を用いなくてもよい。

また、上記実施形態のように、２つの素子をアレイ状に配置することにより、物体の位置を、その２素子が属している平面上の２次元位置として算出することができる。ところで、通常物体は地表面に対して水平及び垂直に位置しているので、図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、各素子を地表面に対して水平又は垂直に配置するのが望ましい。これによって、地表面に対して水平方向又は垂直方向の物体の位置を検出することができる。

また、図１１（ｃ）、（ｄ）に示すように、一辺が地表面に対して水平又は垂直となる三角形状に３素子を配置すれば、物体の３次元位置を検出することができる。なお、同図（ｃ）のように各素子を配置した場合、地表面に対して水平に配置された素子（Ａ、Ｂ）を用いて物体の水平方位を算出し、素子（Ａ、Ｃ）から算出される方位と素子（Ｂ、Ｃ）から算出される方位を合成して、物体の垂直方位を算出することになる。同様にして、同図（ｄ）のように配置した場合についても、物体の水平方位と垂直方位を算出することになる。

さらに、同図（ｃ）、（ｄ）のように、３素子で構成される三角形が正三角形となるようにその３素子を配置することにより、３つの素子で囲まれる領域をコンパクトにすることができ、アレイ素子を小型化できる。

なお、図１１（ｅ）に示すように、一辺が地表面に対して水平かつ他の一辺が地表面に対して垂直である垂直２等辺三角形状に３素子を配置しても、物体の水平方位と垂直方位、つまり物体の３次元位置を算出することができる。

また、図１１（ｆ）に示すように、４素子を一辺が地表面に対して水平となるように正方形状に配置すれば、水平方向について、素子（Ａ、Ｂ）及び素子（Ｃ、Ｄ）の２組、垂直方向について、素子（Ａ、Ｃ）及び素子（Ｂ、Ｄ）のそれぞれで方位を算出しその結果を合成することで、位置検出精度を向上することもできる。また、正方形状に配置することにより、物体の水平方向の位置と、垂直方向の位置とを同じ精度で検出することができる。

また、上記実施形態では、物体の距離を算出する際に、各素子で受信した反射波の振幅がともに閾値を越えたタイミングの中間の時間を用いていた（図１０参照）。しかし、例えば、どちらか一方の素子が受信した反射波の振幅が超えたときの時間を用いて、物体の距離を算出してもよい。なお、この場合、その一方の素子を基準とした物体までの距離が算出されることになる。

間隔ｄ（＞λ／２）で配置された２素子に、θ方向から反射波が到来したことを示す図である。 種々の素子間隔ｄに対して各アレイ素子の指向性を合成した指向性を示した図である。 本実施形態の物体位置検出装置１００の全体構成を示す図である。 送信制御部２０の構成を示すブロック図である。 送信波の合成指向性を説明するために、基準軸と空間の任意の位置との関係を示した図である。 受信制御部３０の構成を示すブロック図である。 受信制御部３０の時間差判定部３２が行う判定方法を説明するための図である。 反射波の各素子間の位相差Δφと、それに対応する反射波の到来方向を示した図であり（ａ）、その図からグレーティングローブに属する曲線を抹消した図である（ｂ）。 受信制御部３０の位相差算出部３３が行う反射波の各素子間の位相差Δφの算出方法を説明するための図である。 受信制御部３０の距離算出部３５が行う物体までの距離の算出方法を説明するための図である。 アレイ素子の配置例を示す図である。 反射波の到来方向の算出方法として、三角測量を用いた方法と、素子間の位相差を用いた方法とを説明するための図である。 反射波の各素子間の位相差Δφと、それに対応する反射波の到来方向θを示した図である。 送信波として超音波パルスを発生するマイクの構成を示した図（ａ）、超音波パルスの周波数とマイクの直径との関係を示した図（ｂ）、及び超音波パルスの周波数とマイクの直径との関係を振動板２ｂの板厚を種々変えたときの関係を示した図（ｃ）である。

符号の説明

１００ 物体位置検出装置
１０ ＥＣＵ
２０ 送信制御部
３０ 受信制御部
４０Ａ、４０Ｂ 素子

Claims (10)

1. 外部に向けて送信波を送信する送信手段と、
   前記送信波の波長の半分より大きい間隔で配置され、前記送信手段が送信した送信波に対する反射波を受信する複数の検出素子からなる検出素子アレイと、
   前記検出素子が受信した反射波から前記検出素子間における受信時間差が前記送信波の周期の半分以下か否かを判定する判定手段と、
   前記検出素子アレイが反射波を受信した時間と前記送信手段が送信波を送信した時間との差に基づいて物体までの距離を算出する距離算出手段と、
   前記判定手段が前記反射波の前記検出素子間における受信時間差が前記送信波の周期の半分以下と判定したときのみ、前記検出素子が受信した反射波の各検出素子間の位相差を算出し、当該位相差に基づいて前記物体の方位を算出する方位算出手段とを備えることを特徴とする物体位置検出装置。
2. 前記方位算出手段は、前記各検出素子の受信信号の振幅を閾値判定し、当該各受信信号の振幅がともに閾値を超えたときに各受信信号から対応する反射波の位相を求め、さらにそれらの位相から前記反射波の前記検出素子間の位相差を算出することを特徴とする請求項１に記載の物体位置検出装置。
3. 前記距離算出手段は、前記各検出素子の受信信号の振幅を閾値判定し、当該各受信信号の振幅が閾値を超えた瞬間における各時間を平均した時間を、前記検出素子アレイが反射波を受信した時間とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の物体位置検出装置。
4. 前記検出素子アレイは、地表面に対して水平方向に配置された２つの検出素子であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の物体位置検出装置。
5. 前記検出素子アレイは、地表面に対して垂直方向に配置された２つの検出素子であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の物体位置検出装置。
6. 前記検出素子アレイは、一辺が地表面に対して水平若しくは垂直である正三角形状に配置された３つの検出素子であり、
   前記方位算出手段は、地表面に対して水平若しくは垂直に配置されている２つの検出素子を用いて物体の水平方位若しくは垂直方位を算出し、かつ前記正三角形の一辺が水平に配置されている場合は、地表面に対して水平に配置されていない２つの検出素子からなる２つの組で算出した方位を合成して物体の垂直方位を算出し、又は前記正三角形の一辺が垂直に配置されている場合は、地表面に対して垂直に配置されていない２つの検出素子からなる２つの組で算出した方位を合成して物体の水平方位を算出することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の物体位置検出装置。
7. 前記検出素子アレイは、一辺が地表面に対して水平及び他の一辺が垂直である垂直二等辺三角形状に配置された３つの検出素子であり、
   前記方位算出手段は、地表面に対して水平に配置されている２つの検出素子を用いて物体の水平方位を算出し、地表面に対して垂直に配置されている２つの検出素子を用いて物体の垂直方位を算出することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の物体位置検出装置。
8. 前記検出素子アレイは、一辺が地表面に対して水平である正方形状に配置された４つの素子であり、
   前記方位算出手段は、地表面に対して水平に配置された２つの検出素子からなる２組から物体の水平方位を算出し、地表面に対して垂直に配置された２つの検出素子からなる２組から物体の垂直方位を算出することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の物体位置検出装置。
9. 前記送信波は、超音波パルスであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の物体位置検出装置。
10. 前記送信手段は、前記検出素子アレイを用いて前記送信波を送信することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の物体位置検出装置。

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