JP2009109381A - 超音波測位装置および超音波受信器 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波受信器の配置数を低減してその設備コストや設置工事コストを下げ、故障の発生が少ない超音波測位装置を提供する。
【解決手段】送信元信号Ｓを超音波として発信する超音波発信器２０と、所定の距離間隔を隔てて配置された複数の超音波受信器３０と、超音波受信器３０で受信された送信元信号Ｓから超音波発信器２０の位置を演算する演算装置と、を備えた超音波測位装置１０において、超音波受信器３０が、送信元信号Ｓを受信する超音波センサ３４と、超音波センサ３４に対向して配設され、超音波発信器２０より発信された送信元信号Ｓを反射して、超音波センサ３４へと導く反射部材３６とを含み、反射部材３６は、超音波センサ３４の検出軸Ｌに沿った断面において、超音波センサ３４側を頂点とし、Ｖ字型に配置される一対の傾斜面部３６１を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波信号を発信する超音波発信器を測位対象とする超音波測位装置およびこの超音波測位装置に使用される超音波受信器に関する。

近年、カーナビゲーションシステムに代表されるＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）を利用した移動体の位置測定が広く行われている。しかし、ＧＰＳ衛星を発信器側とし、移動体を受信器側とするＧＰＳでは、ＧＰＳ衛星からの電波信号が届かない室内、地下、またはトンネル内などの空間では機能しないという問題がある。
かかる問題に対し、下記特許文献１には、送信元情報を含む超音波信号を送信する送信手段と、室内などにおける３箇所以上の既知点に固定的に設置されて前記送信手段から送信された超音波信号を各々受信する受信手段と、少なくとも３箇所の受信手段で受信された各超音波信号から送信手段の位置を決定する測位手段とを有する局地測位システム（ＬＰＳ：Ｌｏｃａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）が開示されている。

特開２００１−３３７１５７号公報

ＬＰＳにおいて、移動体に搭載された発信器からの超音波信号をとぎれることなく、複数の受信手段で受信するためには、隣接して固定された受信手段の受信範囲が重複するように配置する必要がある。これに対し超音波は一般的に指向性が強く、個々の受信手段の受信範囲は広いものではないため、測位対象である発信器の移動範囲が広範な場合は多数の受信手段を密集して配する必要がある。そのため、機器の設備コストや設置工事コストが膨大になるばかりでなく、断線などの障害発生リスクも増える。さらには、演算処理の対象となる信号も多くなることからノイズ対策を含めたシステム全体の演算処理負荷も増大するといった問題があった。

本発明は超音波測位装置における上記問題を解決するものであって、超音波受信器の配置数を低減してその設備コストや設置工事コストを下げ、故障の発生が少なく、演算処理の負荷が低い超音波測位装置、超音波受信器を提供するものである。

本発明によれば、送信元信号を超音波として発信するとともに、所定の方向に移動可能な超音波発信器と、所定の距離間隔を隔てて配置された複数の超音波受信器と、前記超音波受信器で受信された送信元信号から前記超音波発信器の位置を演算する演算装置と、を備えた超音波測位装置において、前記超音波受信器が、前記送信元信号を受信する超音波センサと、前記超音波センサに対向して配設され、前記超音波発信器より発信された前記送信元信号を反射して、前記超音波センサへと導く反射部材とを含み、前記反射部材は、前記超音波センサの検出軸に沿った断面において、前記超音波センサ側を頂点とし、Ｖ字型に配置される一対の傾斜面部を有する超音波測位装置が提供される。

このような構成によれば、超音波測位装置は、超音波センサの検出軸に沿った断面において、超音波センサ側を頂点としたＶ字型に配置される一対の傾斜面部を有している。
超音波センサ単体での検出領域外において超音波発信器から送信元信号が発信された場合には、反射部材の傾斜面部の外面にて反射され、超音波センサに導かれることとなる。超音波受信器は、天井等に取り付けられることがあるが、反射部材の傾斜面部で反射された送信元信号は天井等と、反射部材の傾斜面部との間で反射を繰り返し、超音波センサに導かれることとなる。また、送信元信号の入射角によっては、反射部材にて反射された後、直接超音波センサに達することもある。これにより、超音波発信器の受信範囲が広範となる。
そのため、超音波受信器の配置数を低減してその設備コストおよび故障の発生頻度を低減し、演算装置による演算処理の負荷を低くすることが可能となる。
ここで、超音波センサは、超音波を受信する受信面の中心を通り、受信面に垂直な軸を中心として、円錐状の受信範囲を有する。この円錐の中心軸が、本発明における超音波センサの検出軸である。
また、本発明において、Ｖ字型とは、検出軸に沿った断面において一対の傾斜面部の端部同士が接触して、Ｖの頂点を形成している場合に限らず、たとえば、一対の傾斜面部の端部間に隙間が形成され、ハの字型になっている場合も含む。

ここで、前記反射部材は、前記断面において、前記一対の傾斜面部の頂点側の端部間に隙間が形成されていることが好ましい。
これにより、反射部材の直下付近に超音波発信器が位置した場合でも、前記隙間を通じて発信元信号が超音波センサに到達することができる。そのため、超音波の音圧レベルの低下を抑え、高い感度にて発信器の測位が可能となる。

さらに、前記反射部材は、円錐面状をなし、前記反射部材の頂点が前記超音波センサに対向するように配置されていることが好ましい。
反射部材を円錐面状とすることで、移動体に搭載された超音波発信器が任意の方向に移動した場合も、これに対応して超音波受信器の受信範囲を広範とすることができる。
なお本発明において円錐面とは、その母線が直線である場合のほか、上記反射部材の作用が得られる限りにおいて、母線が上に凸または下に凸の曲線である場合を含む。また円錐面とは、円錐の頂点を含む側面を意味するほか、頂角部を切り落とした円錐台の側面を意味する場合がある。

また本発明によれば、所定方向に移動する超音波発信器より超音波として発信される送信元信号を受信する超音波センサと、前記超音波発信器より発信される前記送信元信号を反射して前記超音波センサへと導く反射部材とを有し、前記反射部材は、前記超音波センサの検出軸に沿った断面において、前記超音波センサ側を頂点とし、Ｖ字型に配置される一対の傾斜面部を有する超音波受信器も提供することができる。
かかる超音波受信器を上記超音波発信器および演算装置と組み合わせることにより、上記本発明の超音波測位装置を構成することができる。

本発明によれば、超音波受信器の配置数を低減してその設備コストおよび故障の発生頻度を低減し、演算装置による演算処理の負荷を低くすることが可能となる。

以下、本発明の超音波測位装置およびこれに用いる超音波受信器について、図面を用いて具体的に説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（第一実施形態）
図１は本発明の第一実施形態にかかる超音波測位装置１０の構成を示す模式図である。本発明の超音波測位装置１０は、移動体Ｍ（図２を参照）に搭載された超音波発信器２０と、超音波発信器２０より超音波として発信された送信元信号Ｓを受信するとともに所定の間隔で配置された複数の超音波受信器３０と、超音波受信器３０で受信された送信元信号Ｓから超音波発信器２０の位置を演算する演算装置（図示せず）とを備えている。

超音波受信器３０は、送信元信号Ｓを受信する超音波センサ３４と、これに対向して配設されて超音波発信器２０より発信された送信元信号Ｓを超音波センサ３４に導く反射部材３６とを組み合わせてなる。
そして超音波受信器３０は、超音波センサ３４が、超音波発信器２０から発信された送信元信号Ｓと、反射部材３６にて反射された送信元信号Ｓをともに受信可能であり、反射部材３６は、超音波センサ３４の検出軸Ｌに沿った断面において、超音波センサ３４側を頂点とし、Ｖ字型に配置される一対の傾斜面部３６１を有する。
すなわち超音波アンテナとしては、発信器より発信された超音波（直接波）を導波管やレンズによってセンサまで導いてこれを受信するホーンアンテナやレンズアンテナ、または、リフレクタで反射させた超音波（反射波）をセンサに集光してこれを受信するリフレクタアンテナが考えられる。これに対し、超音波受信器３０は、超音波センサ３４が直接波と反射波をともに受信可能であり、反射部材３６の傾斜面部３６１の外面にて信号を反射させ、超音波センサ３４の検出角度を向上して超音波受信器３０の受信範囲Ａを拡大している。

検出軸Ｌに沿った断面がＶ字型の反射部材３６は、断面Ｖ字を構成する一対の傾斜面部３６１が超音波発信器２０の移動方向に沿って配置される。具体的には、本実施形態では、反射部材３６は円錐面状をなしている。そして、反射部材３６のその頂点（図中上方）が超音波センサ３４に対向し、底面（図中下方）が超音波発信器２０に向けた状態でブラケット３８にて超音波受信器本体３５に固定されている。
超音波受信器本体３５は、超音波センサ３４が取り付けられる取り付け部３５１を有しており、取り付け部３５１にブラケット３８が固定されている。
また、本実施形態の反射部材３６は、超音波センサの検出軸Ｌに沿った断面において、一対の傾斜面部３６１の頂点側の端部間に隙間が形成されている。
すなわち、反射部材３６の円錐面の頂点近傍、すなわち頂角部に貫通孔３７が形成されている。
これにより超音波発信器２０が反射部材３６の直下付近に位置した場合（超音波発信器２０ｂ）には、超音波発信器２０より発信された送信元信号Ｓは、直接波として貫通孔３７を通じて超音波センサ３４に至るか、または反射部材３６の内面を反射した反射波として貫通孔３７を通じて超音波センサ３４に到達することができる。
一方、超音波発信器２０が反射部材３６の円錐面の頂角範囲Ｂの外に位置した場合（超音波発信器２０ａ,２０ｃ）には、超音波発信器２０より発信された送信元信号Ｓは反射部材３６の外面を反射して、反射波として超音波センサ３４に至ることとなる。
ここで、反射部材３６の外面により反射された送信元信号Ｓは、直接超音波センサ３４に至ってもよく、また、反射部材３６と、超音波受信器本体３５の超音波センサ３４が取り付けられた取り付け部３５１表面との間で複数回反射しながら、超音波センサ３４に至ってもよい。

本実施形態の円錐面状の反射部材３６の頂角は、超音波センサ３４単体での検出角度、すなわち反射部材３６を装着しない場合に送信元信号Ｓが受信される最大角度（頂角）、と等しいかまたはそれ以下としている。これにより、反射部材３６の頂角範囲内に超音波発信器２０が位置した場合（超音波発信器２０ｂ）は、超音波発信器２０より発信された送信元信号Ｓが直接波として超音波センサ３４にて受信される。また反射部材３６の頂角範囲外に超音波発信器２０が位置した場合（超音波発信器２０ａ,２０ｃ）には、超音波発信器２０より発信された送信元信号Ｓが直接波として、または反射部材３６の外面で反射した反射波として、超音波センサ３４にて受信される。

したがって超音波発信器２０が反射部材３６の頂角範囲内から頂角範囲外に、または逆に頂角範囲外から頂角範囲内に移動した場合、超音波センサ３４による送信元信号Ｓの音圧が低下することなく、移動体Ｍの測位が連続的に行われる。
換言すると、円錐面状の反射部材３６の頂角を超音波センサ３４単体での検出角度よりも小さなものとしても、その頂点近傍に貫通孔３７を設けるとともに、頂点側を超音波センサ３４の受信部に、そして底面側を超音波発信器２０の発信部にそれぞれ向けることで、超音波センサ３４の検出角度を向上することができる。
そして反射部材３６の頂角を極力小さくすることにより、反射部材３６の平面視寸法を小さくすることができるため、省スペース化やハンドリング性が向上するとともに、天井Ｒ（図２参照）に一般に設置される照明機器の照明光を遮る虞が低減される。

なお本実施形態の場合、超音波センサ３４は超音波受信器本体３５の内部に設けられ、受信部を超音波発信器２０に対向させている。このように超音波センサ３４を超音波受信器本体３５に埋設することで超音波センサ３４は機械的に保護されている。

図２は本実施形態の超音波測位装置１０の配置図であり、本実施形態の超音波受信器３０が所定の距離間隔を隔てて天井Ｒに複数個配置されて、床Ｆの上を移動する移動体Ｍに対して超音波センサ３４を対向させている状態を示している。
移動体Ｍとしては車輌が例示されているが、歩行者のほか、列車、自転車、動物等いずれでもよい。

送信元信号Ｓには、超音波発信器２０を識別するための送信元情報と、超音波発信器２０より発信された時刻を示す送信時刻情報とが含まれている。
また超音波発信器２０には図示しない演算装置が個別に接続されており、送信元信号Ｓが超音波センサ３４に到達した時刻と送信時刻情報とが対比されることで送信元信号Ｓの伝搬時間が算出され、当該超音波受信器３０と超音波発信器２０との距離が計算される。
また超音波受信器３０はそれぞれ既知点に設置されており、超音波発信器２０の移動方向に沿って配置されている。複数の超音波受信器３０にて送信元信号Ｓが受信可能となるよう、隣接する超音波受信器３０の受信範囲Ａは互いに重複している。これにより、超音波発信器２０の平面的または空間的な位置が超音波受信器３０により検出される。

また超音波発信器２０と超音波センサ３４との間で厳密な同期制御を不要とするため、超音波発信器２０から超音波センサ３４に至るまでの時間は適度に長くすることが好ましい。したがって送信元信号Ｓの伝搬速度が電波に比して十分に遅くなるよう、数百メートル／秒程度の伝搬速度となる超音波を用いることが好ましい。なお、本発明の超音波測位装置を室内やトンネル内など、ＧＰＳ衛星からの電波が届かない遮蔽空間で使用する場合、超音波発信器２０と超音波受信器３０との距離は高々数十メートル程度であるため、上記伝搬速度の送信元信号Ｓを用いれば、超音波発信器２０の測位位置と実在位置との乖離を実用上問題のない程度とすることができる。

そして本実施形態によれば、超音波センサ３４に対して上記反射部材３６を組み合わせたことにより超音波受信器３０の受信範囲Ａが拡大されるため、従来のＬＰＳに比べ、超音波受信器３０の配置間隔を広げて超音波受信器３０の配置個数を低減し、設備コストや故障の発生リスクを抑え、さらに演算装置による演算処理の負荷を軽減することができる。

（第二実施形態）
図３は本発明の第二実施形態にかかる超音波受信器３０の模式図である。同図（ａ）は移動体Ｍの移動方向に対する側面視形状、同図（ｂ）は移動方向から見た正面視形状である。
本実施形態の超音波受信器３０は、トンネル内など、移動体Ｍの移動方向がほぼ一方向である空間で用いられるＬＰＳを構成するものである。

本実施形態の超音波受信器３０が備える反射部材３６'は、等脚正台形型の反射板３６ａ,３６ｂを側面視がハの字状となるよう末広がりに対向させ、上記移動方向に並べて配置したものである。
反射部材３６'は、超音波センサ３４の検出軸Ｌおよび超音波発信器２０の移動方向に沿った断面において、超音波センサ３４側を頂点とし、Ｖ字型に配置される一対の傾斜面部（反射板）３６ａ,３６ｂを有している。
より詳細に説明すると、反射板３６ａ,３６ｂは、それぞれブラケット３８にて超音波受信器本体３５（図示せず）に固定されている。ハの字状の反射板３６ａ,３６ｂの上端の隙間３９からは超音波センサ３４の受信部が床Ｆ（図２を参照）に向けて露出しており、超音波センサ３４の直下近傍に移動体Ｍが位置する場合は、反射板３６ａ,３６ｂの間および隙間３９を通じて送信元信号Ｓが超音波発信器２０から超音波センサ３４に到達する。
また移動体Ｍが超音波センサ３４の直下近傍を離れた場合、超音波発信器２０から発信された送信元信号Ｓは、反射板３６ａまたは反射板３６ｂの外面にて反射し、反射波となって超音波センサ３４に到達する。
このような本実施形態では、第一実施形態と同様の効果を奏することができる。
また、反射板３６ａ,３６ｂを移動体Ｍの移動方向に沿ってのみ配置することで、反射部材３６'で反射され、超音波センサ３４に導入される送信元信号を少なくすることができ、ノイズを低減させることも可能となる。

なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
第一実施形態では、反射部材は、円錐面状であるとしたが、これに限らず、四角錘面状であってもよい。反射部材は、錘体であることが好ましい。
なお、反射部材は、少なくとも超音波センサの検出軸に沿った断面において、超音波センサ側を頂点とし、Ｖ字型に配置される一対の傾斜面部を有してればよい。

さらに、前記第一実施形態では、反射部材３６に貫通孔３７が形成されていたが、これに限らず、貫通孔３７はなくてもよい。この場合、反射部材の直下付近に超音波発信器２０が位置した際に、反射部材３６の内側に入射した超音波の音圧は弱くなるものの、送信元信号は、超音波センサ３４にて検出可能である。

本発明の第一実施形態にかかる超音波測位装置１０の構成を示す模式図である。 第一実施形態の超音波測位装置１０の配置図である。 （ａ）,（ｂ）は本発明の第二実施形態にかかる超音波受信器３０の模式図である。

符号の説明

１０ 超音波測位装置
２０ 超音波発信器
３０ 超音波受信器
３４ 超音波センサ
３５ 超音波受信器本体
３６ 反射部材
３６'反射部材
３６ａ反射板
３６ｂ反射板
３７ 貫通孔
３８ ブラケット
３９ 隙間
３５１取り付け部
３６１傾斜面部
Ａ 受信範囲
Ｂ 頂角範囲
Ｆ 床
Ｌ 検出軸
Ｍ 移動体
Ｒ 天井
Ｓ 送信元信号

Claims (4)

1. 送信元信号を超音波として発信するとともに、所定の方向に移動可能な超音波発信器と、所定の距離間隔を隔てて配置された複数の超音波受信器と、前記超音波受信器で受信された送信元信号から前記超音波発信器の位置を演算する演算装置と、を備えた超音波測位装置において、
   前記超音波受信器が、前記送信元信号を受信する超音波センサと、
   前記超音波センサに対向して配設され、前記超音波発信器より発信された前記送信元信号を反射して、前記超音波センサへと導く反射部材とを含み、
   前記反射部材は、前記超音波センサの検出軸に沿った断面において、前記超音波センサ側を頂点とし、Ｖ字型に配置される一対の傾斜面部を有する超音波測位装置。
2. 前記反射部材は、前記断面において、前記一対の傾斜面部の頂点側の端部間に隙間が形成されている請求項１に記載の超音波測位装置。
3. 前記反射部材は、円錐面状をなし、
   前記反射部材の頂点が前記超音波センサに対向するように配置されている請求項１または２に記載の超音波測位装置。
4. 所定方向に移動する超音波発信器より超音波として発信される送信元信号を受信する超音波センサと、
   前記超音波発信器より発信される前記送信元信号を反射して前記超音波センサへと導く反射部材とを有し、
   前記反射部材は、前記超音波センサの検出軸に沿った断面において、前記超音波センサ側を頂点とし、Ｖ字型に配置される一対の傾斜面部を有する超音波受信器。

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