JP2009109257A

JP2009109257A - 検知システムおよび検知方法

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Publication number: JP2009109257A
Application number: JP2007279910A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kamata; 浩史鎌田; Hiroyuki Yamada; 浩之山田
Original assignee: WIRELESS DESIGN KK
Current assignee: WIRELESS DESIGN KK
Priority date: 2007-10-29
Filing date: 2007-10-29
Publication date: 2009-05-21

Abstract

【課題】遮蔽物の有無に影響されず安定した動作と狭い範囲に限定した検知を可能とした検知システムおよび検知方法を提供する。
【解決手段】送信部１は、ＣＰＵ３と、ＲＦ処理部４と、高周波スイッチ５と、アンテナＡ６と、アンテナＢ７と、から構成される。受信部２はＣＰＵ８と、ＲＦ処理部９と、アンテナＣ１０と、から構成される。送信部１から所定の時間長さで交互に切替えて送信された送信波Ａ１２と送信波Ｂ１１を受信部２により受信し、送信波Ａ１２と送信波Ｂ１１の両者の受信強度の差分に基づいて受信部２が所定の範囲内に位置しているか否かを判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、送信機から送信した送信波をもちいて対象物が検知範囲内であるか否かを検知する検知システムおよび検知方法に関する。

従来において、たとえば超音波センサと焦電型赤外線センサを組み合わせて人検知センサとする技術が知られている。超音波センサによる反射波の検出に加え、焦電型赤外線センサの検出結果を合わせて人検出を行っている（特許文献１参照）。
特開平０８−２１８３１０号公報

ところが、従来の技術においては、単に赤外線や超音波を照射して、その反射波を受信するのみであるので、検知対象物が検知可能範囲内に在ることはわかるものの、検知可能範囲を自在に設定することはできなかった。

本発明の目的は、上記に鑑みてなされたものであり、安定した動作と任意の範囲に限定した検知が可能な検知システムおよび検知方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の本発明は、所定の範囲内に存在する受信機を検知するための送信機と前記受信機を組み合わせた検知システムにおいて、前記送信機は、複数種類の送信信号を送信するための複数の送信手段を互いに距離をもって備え、前記受信機は、複数の前記送信信号を受信するための受信手段と、前記受信した複数の前記送信信号をそれぞれ識別して相互の受信強度についての差分を演算により算出するための演算部と、前記算出された差分に基づいて前記受信機が前記所定の範囲内に存在するか否かを判定して結果を表示するための結果判定部と、を備える。

また、請求項２に記載の本発明は、所定の範囲内に存在する受信機を検知するための送信機と前記受信機を組み合わせた検知システムにおいて、前記送信機は、第１の送信波を送信するための第１の送信電界特性を有する第１の送信アンテナと、第２の送信波を送信するための第２の送信電界特性を有する第２の送信アンテナと、を備え、前記受信機は、前記第１の送信波と前記第２の送信波を受信するための受信アンテナと、前記受信した前記第１の送信波と前記第２の送信波とを識別して両者の受信強度についての差分を演算により算出するための演算部と、前記算出された差分が正の値である場合において前記受信機が前記所定の範囲内に存在すると判定して結果を表示するための結果判定部と、を備える。

また、請求項３に記載の本発明は、請求項２において、前記第１の送信波と前記第２の送信波は同一周波数であって両者を前記識別するための識別情報が含まれる。

また、請求項４に記載の本発明は、請求項２において、前記第１の送信波と前記第２の送信波は互いに異なる周波数である。

また、請求項５に記載の本発明は、請求項２〜４のいずれかにおいて、前記送信機は、前記第１の送信波と前記第２の送信波を同時もしくは交互に切替えて送信する。

また、請求項６に記載の本発明は、請求項２〜５のいずれかにおいて、前記第１の送信アンテナと前記第２の送信アンテナは互いに近接して配置され、前記第１の送信波と前記第２の送信波がそれぞれ形成する電界強度分布が相互に部分的に重なり、かつ、前記第２の送信波の電界強度分布が前記第１の送信波の電界強度分布に比して狭指向性を有する。

また、請求項７に記載の本発明は、請求項２〜６のいずれかにおいて、前記第１の送信アンテナと前記第２の送信アンテナは、共にヘリカルアンテナであって前記第１の送信波と前記第２の送信波は共に円偏波である。

また、請求項８に記載の本発明は、請求項２〜６のいずれかにおいて、前記第１の送信アンテナは、モノポールアンテナであって前記第１の送信波は無指向性である。

また、請求項９に記載の本発明は、請求項２〜８のいずれかにおいて、前記結果判定部が前記判定する前記差分にあらかじめ補正値を与えて前記判定の範囲を補正する。

また、請求項１０に記載の本発明は、請求項２〜９のいずれかにおいて、前記結果判定部は、ブザーによる鳴動、発光手段の点灯と点滅、振動、のうちのすくなくともいずれかの手段により前記表示を行う。

また、請求項１１に記載の本発明は、送信機と受信機を組み合わせて所定の範囲内に存在する前記受信機を検知するための検知方法において、前記送信機において、第１の送信アンテナにおいて第１の送信波を送信するステップと、第２の送信アンテナにおいて第２の送信波を送信するステップと、を実行し、前記受信機において、アンテナにおいて前記第１の送信波と前記第２の送信波を受信するステップと、演算部において前記受信した前記第１の送信波と前記第２の送信波とを識別して両者の受信強度についての差分を演算により算出するステップと、結果判定部において前記算出された差分が正の値でかつ所定値以上である場合において前記受信機が前記所定の範囲内に存在すると判定して結果を表示するステップと、を実行して前記受信機を検知することを特徴とする検知方法。

本発明によれば、安定した動作と任意の範囲に限定した検知が可能な検知システムおよび検知方法を提供することができる。

電波を安定して通信し、検知精度を高める目的のために、円偏波の電波を利用し、反射や散乱による偏波面の不安定さを改善し、実現した。

図１には、本発明の検知システムの構成図を示している。

この図１には、検知システムを構成する送信部１と、送信部１から送信された送信波（電波）を受信するための受信部２と、が示されており、この送信部１と受信部２の組み合わせにより検知システムの実施の形態が構成されている。

図１に示す送信部１は、ＣＰＵ３と、ＲＦ処理部４と、高周波スイッチ５と、アンテナＡ６と、アンテナＢ７と、から構成されている。また受信部２はＣＰＵ８と、ＲＦ処理部９と、アンテナＣ１０と、から構成されている。

この図１の構成において、本発明の検知システムの実施の形態による基本的な動作は、送信部１から所定の時間長さで交互に切替えて送信された送信波Ａ１２と送信波Ｂ１１を受信部２により受信し、送信波Ａ１２と送信波Ｂ１１の両者の受信強度の差分に基づいて受信部２が所定の範囲内に位置しているか否かを判定するものである。

送信部１は、ＲＦ処理部４にて送信波Ａ１２および送信波Ｂ１１とするための所定の周波数の送信波を生成し出力している。出力される送信波はパケット通信波であり、送信波Ａ１２と送信波Ｂ１１をそれぞれ区別するための識別符号が含まれている。

このＲＦ処理部４の動作を制御するのはＣＰＵ３であり、ＣＰＵ３にてあらかじめ設定された周波数の送信波の生成と動作／停止の命令がＲＦ処理部４に対して発せられる。ＲＦ処理部４にて生成される送信波の周波数は実施の形態では１種類としたが、必要に応じてさらに多くの種類の周波数による送信波を生成してもよく、その送信波の波形も必要に応じて種々設定することができる。なお、本実施の形態においては２．４ＧＨｚの周波数を用いているが、必要に応じてたとえば４００ＭＨｚや８００ＭＨｚといった周波数でもよい。

ＣＰＵ３はＲＦ処理部４の動作を制御するのと同時に、高周波スイッチ５の動作制御も行っている。高周波スイッチ５はＲＦ処理部４から出力された送信波をＣＰＵ３からの命令に従って所定の周期で切替えてアンテナＡ６とアンテナＢ７へ出力している、この切替動作によりアンテナＡ６かアンテナＢ７のいずれか一方からのみ送信波が送信される。

また、アンテナＡ６とアンテナＢ７は互いに異なる形状を備え、その形状の違いによりそれぞれの送信特性も異なっている。本実施の形態においてはアンテナＡ６とアンテナＢ７を共にヘリカルアンテナとしており、それぞれに独自の指向性と送信特性を持たせるために巻き線数を違えて構成している。また受信部２が備えるアンテナＣ１０もヘリカルアンテナとしている。これらのヘリカルアンテナの構成は、たとえば図４に示す構成が好ましい。なお、ヘリカルアンテナ以外のアンテナ形式としては、たとえばターンスタイルアンテナやクロス八木アンテナおよびパッチアンテナなどを用いてもよい。

この図４に示すヘリカルアンテナは、アンテナＡ６とアンテナＢ７の両者に適用されている。このヘリカルアンテナは、送信波Ａ１２を送信するために高周波スイッチ５に接続された放射器２０と、放射器２０の後方へ放射された送信波Ａ１２を反射するための反射器２１と、から構成されている。

放射器２０はらせん形状に巻かれて形成され、図４中の矢印１２の方向へ送信波Ａ１２を指向性を持たせて送信する。送信される送信波Ａ１２は強度の指向性を有する以外に、送信波形の位相がらせん形状に合わせてねじれて円偏波となる。この円偏波により受信側での水平偏波と垂直偏波の不一致により発生するフェージングなどの影響を少なくすることができる。

また、円偏波の特徴として移動体が任意の方向を向いた場合でも受信可能になる特性があり、水平偏波アンテナや垂直偏波アンテナでは、通信経路において、反射の影響等で電波の偏波面がずれると感度が悪くなってしまう。そこで、円偏波アンテナと水平偏波アンテナや垂直偏波アンテナを組み合わせると、円偏波アンテナでは偏波面が回転しているため、偏波面を送信・受信アンテナで合わせる必要がなくなる。なお本実施の形態では、アンテナＡ６とアンテナＢ７の放射器２０の回旋方向と受信部２のアンテナＣ１０の回旋方向とを同じ方向に形成し、その方向は右回旋もしくは左回旋のいずれかで統一している。

このヘリカルアンテナの指向特性を設定するためには、らせん形状の放射器２０の巻き線数を変えることにより可能である。すなわち、巻き線数を多くして放射器２０の導体の長さが長くなるほどアンテナ利得は大きくなり、指向性を絞ることができる。例えばアンテナＡ６の放射器の巻き線数を多くして指向性を絞り込み、一方、アンテナＢ７の巻き線数をアンテナＡ６の巻き線数よりも少なくすることで、比較的に広い指向特性をもたせることができる。

また、このように円偏波を用いることにより、送信波の指向性の精度を上げることもできる。指向性の精度を上げるには送信波の反射を抑制する必要があり、円偏波を利用することで反射波の影響を減らし、直接波を受信することにより、受信側での受信電力値の精度が向上し、指向性の精度も上がる。これは、送信波が反射する際に偏波面が逆転するため、受信側では反射波の受信がしにくくなるためである。

なお、アンテナＢ７の変形例としては、その送信特性に指向性を持たせない構成でもよい。指向特性を持たせないためには、その一例としてモノポールアンテナを用いることができる。モノポールアンテナとすることで、そこから送信される送信波の電界強度分布はアンテナＢ７を中心とした円球形状となって分布する。さらに、モノポールアンテナを用いずに円偏波を発生するパッチアンテナを用いてもよい。パッチアンテナを用いることで指向性を強めることなく円偏波を発生させることもできる。

ここで、送信部１が送信する送信波Ａ１２と送信波Ｂ１１の電界強度分布に注目して、互いの位置関係について模式的に図２に示す。この図２には送信部１が備えるアンテナＡ６とアンテナＢ７が模式的に示されており、それぞれの送信波は無視しうる程度の距離にまで近接された位置から送信されているものとする。なお、アンテナＡ６とアンテナＢ７との実装上の設置位置も互いに可能な限り近接している。

この図２において、アンテナＡ６は電界強度分布１６に示すようにアンテナＡ６を構成するヘリカルアンテナが生成した指向性を持つ。また、アンテナＢ７は破線で示した電界強度分布１５に示すようにアンテナＢ７を構成するヘリカルアンテナが生成した無指向性のパターンを持つ。

図１に示した受信部２はアンテナＣ１０によって送信波Ａ１２が示す電界強度分布１６と、送信波Ｂ１１が示す電界強度分布１５と、を受信しＲＦ処理部９により処理されて電力値を得る。なお、このときに受信した電力値のばらつきを低減させるために移動平均をとってもよい。そして、電界強度分布１６と電界強度分布１５の両者の電界強度の差分となる電力値の差をＣＰＵ８における演算で求める。ここで、送信波Ａ１２と送信波Ｂ１１は互いが同時に送信されず、受信部２では受信した送信波Ａ１２と送信波Ｂ１１のそれぞれを別々のタイミングで受信し、これらに含まれる識別符号に基づいて、それぞれを別々にＣＰＵ８の内部に記憶している。この記憶はＣＰＵ８内のキャッシュメモリや、図示しない外付けの記憶手段を適用してもよい。

このＣＰＵ８で演算されるのは送信波Ａ１２が形成する電界強度分布１６と送信波Ｂ１１が形成する電界強度分布１５との差分であり、送信波Ａ１２の受信強度から送信波Ｂ１１の受信強度を減算して求めている。この演算式としては、たとえば以下の数式１と数式２を適用している。

［数式１］…アンテナＡの電力値−アンテナＢの電力値＞０

［数式２］…アンテナＡの電力値−アンテナＢの電力値≦０

この数式１が成立する場合は受信部２（あるいはアンテナＣ１０）が電界強度分布１６内に位置していると判断する。また、数式２が成立する場合は受信部２（あるいはアンテナＣ１０）が電界強度分布１６から外れていると判断する。なお、この演算を行う際の演算式に任意の補正値を入れて演算してもよい。この補正値を入れることにより、たとえば図３に示すように電界強度分布１５を拡大することもできる。この補正値を入れた数式を以下に示す。

［数式３］…アンテナＡの電力値−アンテナＢの電力値−補正値＞０

［数式４］…アンテナＡの電力値−アンテナＢの電力値−補正値≦０

この数式３が成立する場合は受信部２（あるいはアンテナＣ１０）が電界強度分布１６内に位置していると判断する。また、数式４が成立する場合は受信部２（あるいはアンテナＣ１０）が電界強度分布１６から外れていると判断する。

このようにして送信部１により形成された電界強度分布１６に受信部２が入ったか否か、あるいは存在するか否かを検知することができる。なお、検知した後は、その検知結果を外部へ知らせるためにブザーの鳴動や振動、および発光手段（ＬＥＤ、電球など）の点灯や明滅などの方法が実行される。

受信部２が備えるアンテナＣ１０の受信特性は無指向性のものを選択してもよいが、このアンテナＣ１０の受信感度に指向性を持たせてもよい。アンテナＣ１０が指向性を備えることにより、送信部１のアンテナＡ６に受信部２のアンテナＣ１０が正対した状態で精度よく検知することができる。

また、送信部１から送信される指向性をもった送信波は送信波Ａ１２の一本のみであるが、この送信波を複数本にしてもよい。この場合は送信部１側の指向性をもつ送信アンテナは同一地点に設置されず、任意の距離で離れてそれぞれが設置されている。一つの指向性送信アンテナから出る送信波の電界強度分布は、立体的には空間内に広がる略楕円立体の立体形状となるが、この立体形状の電界強度分布が複数の位置から重なるように送信される。たとえば、送信アンテナがアンテナＡ６以外に、アンテナＤ、アンテナＥといったように複数本あれば、無指向性の送信波１１と、これら複数のアンテナＡ、Ｄ、Ｅの３つの差分から受信部２を検知することができる。これにより受信部２を立体空間内の所定位置にて精度よく検知することが可能になる。

図５〜図７には、本発明の検知システムの第３の実施の形態を説明するため図を示している。図５は、送信機３０に備わる赤外線放射素子Ａ３１、赤外線放射素子Ｂ３２が形成する送信信号の到達範囲Ａ３４、到達範囲Ｂ３５を示している。また到達範囲Ａ３４、到達範囲Ｂ３５と受信端末３３との関係も示している。送信機３０には２種類の発光特性を備えた赤外線放射素子Ａ３１、赤外線放射素子Ｂ３２が備わり、赤外線放射素子Ａ３１は到達範囲Ａ３４の指向特性をもって光信号を送信している。また、赤外線放射素子Ｂ３２は破線で示した到達範囲Ｂ３５の指向特性をもって光信号を送信している。赤外線放射素子Ａ３１、赤外線放射素子Ｂ３２に所定の指向特性を持たせる方法としては、既存の光学レンズやプリズム、光反射手段、光収束手段、光拡散手段を組み合わせることにより実現できる。

受信端末３３が到達範囲Ａ３４に入ると、受信端末３３に備わる赤外線受光素子３６により赤外線を受光して、第１の実施の形態に示した数式１および数式２にならって到達範囲Ａ３４と到達範囲Ｂ３５との光強度の差分を演算により求め、受信端末３３が到達範囲Ａ３４の範囲内に位置するか否かが判断される。

図６には、送信機３０が赤外線による送信信号を送信するための概略構成図を示している。この構成において、ＣＰＵ４０が発光ダイオード駆動回路４１、４２をそれぞれ制御する。この制御により発光ダイオード駆動回路４１、４２は同時に動作することなく、それぞれが交互に動作と停止を繰り返している。発光ダイオード駆動回路４１は赤外線放射素子Ａ３１を駆動し、発光ダイオード駆動回路４２は赤外線放射素子Ｂ３２を駆動する。そして、赤外線放射素子Ａ３１と赤外線放射素子Ｂ３２のそれぞれが放射する送信信号は、それぞれを受信端末３３が識別するための識別符号が付与されている。これらの識別符号はＣＰＵ４０による送信データ生成の過程で織り込まれる。

図７には、受信端末３３の概略構成図を示している。赤外線受光素子３６が赤外線を受光すると、その受光により赤外線受光素子３６から出力された信号は増幅回路５０により増幅される。ここで行われる信号処理はＩ−Ｖ変換である。増幅回路５０により増幅された受信信号はＣＰＵ５１に入力され、ここで、Ａ／Ｄ変換された後にデータ復調される。データ復調された信号は第１の実施の形態に示した数式１と数式２にならって演算が実行され、受信端末３３が到達範囲Ａ３４の範囲内に位置するか否かが判断される。

以上説明した本発明の実施の形態によれば、遮蔽物の有無に影響されず安定した動作と狭い範囲に限定した検知を可能とした検知システムおよび検知方法を提供することができる。

第１の実施の形態に係る、検知システムの構成図を示す。アンテナＡとアンテナＢによる電界強度分布の例を示す。アンテナＡとアンテナＢによる電界強度分布の例を示す。第１の実施の形態に係る、ヘリカルアンテナの構成例を示す。第３の実施の形態に係る、検知システムの構成図を示す。第３の実施の形態に係る、送信部の概略構成を示す。第３の実施の形態に係る、受信部の概略構成を示す。

符号の説明

１…送信部
２…受信部
３、８…ＣＰＵ
４、９…ＲＦ処理部
５…高周波スイッチ
６…アンテナＡ
７…アンテナＢ
１０…アンテナＣ
１１…送信波Ｂ
１２…送信波Ａ
１５、１６…電界強度分布
２０…放射器
２１…反射器

Claims

所定の範囲内に存在する受信機を検知するための送信機と前記受信機を組み合わせた検知システムにおいて、
前記送信機は、複数種類の送信信号を送信するための複数の送信手段を互いに距離をもって備え、
前記受信機は、
複数の前記送信信号を受信するための受信手段と、
前記受信した複数の前記送信信号をそれぞれ識別して相互の受信強度についての差分を演算により算出するための演算部と、
前記算出された差分に基づいて前記受信機が前記所定の範囲内に存在するか否かを判定して結果を表示するための結果判定部と、
を備えることを特徴とする検知システム。
所定の範囲内に存在する受信機を検知するための送信機と前記受信機を組み合わせた検知システムにおいて、
前記送信機は、
第１の送信波を送信するための第１の送信電界特性を有する第１の送信アンテナと、
第２の送信波を送信するための第２の送信電界特性を有する第２の送信アンテナと、
を備え、
前記受信機は、
前記第１の送信波と前記第２の送信波を受信するための受信アンテナと、
前記受信した前記第１の送信波と前記第２の送信波とを識別して両者の受信強度についての差分を演算により算出するための演算部と、
前記算出された差分が正の値である場合において前記受信機が前記所定の範囲内に存在すると判定して結果を表示するための結果判定部と、
を備えることを特徴とする検知システム。
前記第１の送信波と前記第２の送信波は同一周波数であって両者を前記識別するための識別情報が含まれることを特徴とする請求項２に記載の検知システム。
前記第１の送信波と前記第２の送信波は互いに異なる周波数であることを特徴とする請求項２に記載の検知システム。
前記送信機は、前記第１の送信波と前記第２の送信波を同時もしくは交互に切替えて送信することを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の検知システム。
前記第１の送信アンテナと前記第２の送信アンテナは互いに近接して配置され、前記第１の送信波と前記第２の送信波がそれぞれ形成する電界強度分布が相互に部分的に重なり、かつ、前記第２の送信波の電界強度分布が前記第１の送信波の電界強度分布に比して狭指向性を有すること
を特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の検知システム。
前記第１の送信アンテナと前記第２の送信アンテナは、共にヘリカルアンテナであって前記第１の送信波と前記第２の送信波は共に円偏波であることを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載の検知システム。
前記第１の送信アンテナは、モノポールアンテナであって前記第１の送信波は無指向性であることを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載の検知システム。
前記結果判定部が前記判定する前記差分にあらかじめ補正値を与えて前記判定の範囲を補正することを特徴とする請求項２〜８のいずれかに記載の検知システム。
前記結果判定部は、ブザーによる鳴動、発光手段の点灯と点滅、振動、のうちのすくなくともいずれかの手段により前記表示を行うこと
を特徴とする請求項２〜９のいずれかに記載の検知システム。
送信機と受信機を組み合わせて所定の範囲内に存在する前記受信機を検知するための検知方法において、
前記送信機において、
第１の送信アンテナにおいて第１の送信波を送信するステップと、
第２の送信アンテナにおいて第２の送信波を送信するステップと、
を実行し、
前記受信機において、
受信アンテナにおいて前記第１の送信波と前記第２の送信波を受信するステップと、
演算部において前記受信した前記第１の送信波と前記第２の送信波とを識別して両者の受信強度についての差分を演算により算出するステップと、
結果判定部において前記算出された差分が正の値でかつ所定値以上である場合において前記受信機が前記所定の範囲内に存在すると判定して結果を表示するステップと、
を実行して前記受信機を検知することを特徴とする検知方法。