JP2009174968A - 障害物検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パルス波を用いた障害物検知装置において、簡単な構成により、受信反射波の強度レベル変化に影響されることなく、障害物の距離と方向を精度良く検出可能とする。
【解決手段】障害物検知装置１は、パルス信号を生成するパルス生成部２と、パルス信号に基づいて空間を伝播するパルス波を空間に送信する送信部３と、パルス波の障害物からの反射波を受信して反射波の受信時刻信号を出力する複数の受信時刻検出部４と、パルス生成部２から得られる送信時刻と受信時刻検出部４から得られる受信時刻とに基づいて障害物までの距離を検出する距離検出部５と、複数の受信時刻信号に基づいて障害物の方向を算出する方位角検出部１６と、を備えている。反射波の到達時刻を減衰と遅延によるいわゆる自己参照方式と呼ばれる検出方法により検出して、障害物の距離と方向を精度良く検出できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、パルス波の送信時刻とその反射パルス波の受信時刻から障害物の距離と方向を検出する障害物検知装置に関する。

従来から、パルス波を送受信してパルス波を反射する物体の存在やその距離を検出することが行われている。このような装置は、例えば、図５に示すように、パルス生成部９２と、パルス生成部９２からのパルス信号に基づいて空間を伝播するパルス波を生成して送波する送信部９３と、送信部９３から送波されたパルス波の反射波を受波して電気信号のパルス信号に変換する受信部９４と、パルス生成部９２からのパルス信号と受信部９４から出力されるパルス信号とを比較して、両パルス信号の出力時間差Ｔを求めることにより、距離を検出する距離検出部９５と、を備えて構成される。

上述の時間差Ｔはパルス波の往復時間に相当する。時間差Ｔは、距離検出部９５において、例えば、図６に示すように、パルス生成部９２からのパルス信号９ａと、受信部９４から出力されるパルス信号９ｂの各立上り時刻の差として求められる。反射物体までの距離Ｌは、時間差Ｔとパルス波の伝播速度Ｃを用いて、Ｌ＝Ｃ×Ｔ／２により得られる。

パルス信号の立上り時刻の検出は、例えば、図７に示すように、所定の閾値レベル９とパルス信号９ｃとの交点時刻に立ち上がる信号９ｅを検出することにより行われる。ところが、この検出方法では、例えば、信号のレベルが低いパルス信号９ｄに対する信号９ｆのように、測定対象物の反射率の違いにより受信パルス信号のレベルが変化すると検出時間に誤差Δｔが生じる。これは、信号レベルが異なるパルス信号９ｃ，９ｄに対して閾値レベル９に達するまでの時間が異なることによる。

ところで、パルス状波形を有する信号の到達時刻を決定する方法として、いわゆる自己参照方式と呼ばれる検出方法が知られている。これは、受信信号波形を２系統に分岐し、一方を減衰させ、他方を遅延させてこれらの信号波形の交点を検出して、その交点により信号の到着時刻を定義して決定する方法である。このような方法は、例えば、原子核分光などの分野において、放射線検出器の出力パルス信号情報から放射線の到達時刻を高精度に決定したいというニーズに応えるものとして知られている。この自己参照方式を距離測定装置に用いる例が知られている（例えば、特許文献１参照）。
実開平２−５０８８号公報

しかしながら、上述した特許文献１に示されるような距離測定装置では障害物の方向を検出することができない。

本発明は、上記課題を解消するものであって、簡単な構成により、受信反射波の強度レベル変化に影響されることなく、障害物の距離と方向とを精度良く検出できる、パルス波を用いた障害物検知装置を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために、請求項１の発明は、空間を伝播するパルス波の送信時刻と前記送信されたパルス波の障害物からの反射波の受信時刻とに基づいて障害物の距離と方向とを検出する障害物検知装置であって、パルス信号を生成するパルス生成部と、前記パルス生成部が生成したパルス信号に基づいて空間を伝播するパルス波を空間に送信する送信部と、前記送信部が送信したパルス波の障害物からの反射波を受信して反射波の受信時刻信号を出力する複数の受信時刻検出部と、前記パルス生成部から得られる送信時刻信号と前記受信時刻検出部から得られる受信時刻信号に基づいて障害物までの距離を検出する距離検出部と、前記複数の受信時刻検出部からの各受信時刻信号に基づいて障害物の方向を算出する方位角検出部と、を備え、前記各受信時刻検出部は、前記送信部が送信したパルス波の障害物からの反射波を受信して受信信号を出力する受信部と、前記受信部からの受信信号を２系統に分割して出力する信号分割部と、前記信号分割部からの分割信号の一方を遅延して出力する遅延部と、前記信号分割部からの分割信号の他方を減衰して出力する減衰部と、前記遅延部からの遅延信号と前記減衰部からの減衰信号とを比較して両信号波形の交点に対応する時刻に基づいて反射波の受信時刻信号を出力する比較部と、を備えているものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の障害物検知装置において、前記各受信時刻検出部は、前記受信部からの出力信号の強度が所定の閾値以上の場合に当該信号を有効として前記信号分割部に出力し、閾値以上ではない場合には出力しないようにする閾値判定部をさらに備えるものである。

請求項１の発明によれば、反射波の到達時刻をいわゆる自己参照方式と呼ばれる検出方法により検出する複数の受信時刻検出部からの各受信時刻信号に基づいて障害物の方向を算出するので、受信反射波の強度レベル変化に影響されることなく、障害物の距離と方向とを精度良く検出できる。

請求項２の発明によれば、ノイズ成分と見做される低強度の信号を閾値判定部で排除して誤検知を回避できるので、例えば、本発明を車載用の障害物検知装置に適用した場合に、車両操作者は、誤検知に惑わされることなく車両操作に専念できる。

以下、本発明の実施形態に係るパルス波を用いた障害物検知装置について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態に係る障害物検知装置のブロック構成を示し、図２は同装置における受信時刻検出の原理を示し、図３は同装置における方向検出の原理を示す。

障害物検知装置１は、パルス信号を生成するパルス生成部２と、パルス生成部２が生成したパルス信号に基づいて空間を伝播するパルス波を空間に送信する送信部３と、送信部３が送信したパルス波の障害物からの反射波を受信して反射波の受信時刻信号を出力する複数（本実施例では２つ）の受信時刻検出部４と、パルス生成部２から得られる送信時刻信号と受信時刻検出部４から得られる受信時刻信号とに基づいて障害物までの距離を検出する距離検出部５と、複数の受信時刻検出部４からの各受信時刻信号に基づいて障害物の方向を算出する方位角検出部１６と、を備えている。

各受信時刻検出部４は、送信部３が送信したパルス波の障害物からの反射波を受信して受信信号を出力する受信部１１と、受信部１１からの受信信号を２系統に分割して出力する信号分割部１２と、信号分割部１２からの分割信号の一方を遅延して出力する遅延部１３と、信号分割部１２からの分割信号の他方を減衰して出力する減衰部１４と、遅延部１３からの遅延信号と減衰部１４からの減衰信号とを比較して両信号波形の交点に対応する時刻に基づいて反射波の受信時刻信号を出力する比較部１５と、を備えている。

上述の構成を備えた障害物検知装置１は、空間を伝播するパルス波の送信時刻と前記送信されたパルス波の障害物からの反射波の受信時刻とに基づいて障害物までの距離とその障害物の方向とを検出する。

送信部３が空間に送信するパルス波として、電磁波（電波、光）や音波のパルス波を用いることができる。音波は、電磁波と比べて周波数が低いので、通常、電磁波の場合よりも安価に装置を構成できる。音波の場合、例えば５０ｋＨｚの超音波を好適に用いることができる。以下、このような超音波のパルス波を用いることを想定して説明するが、障害物検知装置１は、これに限定されるものではない。

ここで、図２により、受信時刻検出部４による時刻検出を説明する。図２において、信号波形ａは、受信部１１が反射波を受波して電気信号のパルス波として出力した信号波形であり、信号波形ｂは、信号波形ａが遅延部１３によって遅延された信号波形であり、信号波形ｃは、信号波形ａが減衰部１４によって減衰された信号波形である。

上述の信号波形ａは、受信部１１によって平滑化処理などが行われて包絡線波形とされたものである。パルス信号波形ａは、音波の場合、例えば、パルス長が２００μｓｅｃの波形である。

比較部１５は、信号波形ｂ，ｃを比較し、それらの波形の立上り傾斜部における両信号波形の交点ｑに対応する時刻ｔ２を検出し、検出信号ｄを出力する。受信部１１が反射波を受信した時刻は、図２における信号波形ａの立上り点ｐにおける時刻ｔ１であり、時刻ｔ１は、時刻ｔ２と所定の補正時間τを用いて、ｔ１＝ｔ２−τとして求められる。

上述の時刻ｔ２を検出する方法によると、遅延信号波形ｂと減衰信号波形ｃとは、もともと同一の受信信号波形ａを変形している（つまり自己参照に基づく）ので、受信信号波形が立ち上がり始める点ｐの時刻から、遅延信号波形ｂと減衰信号波形ｃの交点ｑの時刻までの時間は、受信部１１によって受波される反射波のレベル変動（強度変動）に影響されることなく一定となり、時刻ｔ２を精度良く求めることができる。

距離検出部５は、パルス生成部２からの送信時刻信号によって得られる送信時刻（ｔ０とする）と受信時刻検出部４の比較部１５からの、例えば、検出信号ｄによって得られる受信時刻ｔ１と、空間を伝播するパルス波の伝播速度Ｃとに基づいて障害物までの距離Ｌを、Ｌ＝Ｃ×（ｔ１−ｔ０）／２によって算出する。

なお、比較部１５が出力する反射波の受信時刻は、上述の時刻ｔ１，ｔ２のいずれでもよい。つまり、比較部１５が出力する時刻が時刻ｔ２の場合には、距離検出部５において補正時間τを用いて時刻ｔ１を求めるようにすればよい。さらに述べると、最終的にパルス波の往復時間Ｔ＝ｔ１−ｔ０が得られればよいので、時刻ｔ２を補正して（ｔ２−τ）とする代わりに、時刻ｔ０を補正して（ｔ０＋τ）としてもよい。すなわち、Ｔ＝ｔ１−ｔ０＝（ｔ２−τ）−ｔ０＝＝ｔ２−（ｔ０＋τ）である。

次に、障害物の方向検出について説明する。図３において、２つの受信部１１が、パルス波を受信する各受信面を同一平面内に配置して、互いに間隔Ｄをおいて配置されている。両受信部１１を結ぶ直線と角度θを成す右前方に障害物Ｍ、すなわちパルス波反射物体があるものとする。障害物Ｍの表面から、向きが波面の法線方向（つまり波の伝播方向）のベクトルとして定義される波数ベクトルｗ１，ｗ２（伝播ベクトルともいう）に沿って、反射波が受信部１１に入射する。

この場合、波数ベクトルｗ１，ｗ２が平行、つまり反射波は両受信部１１にとって平面波と見做せるものとする。すると、２つの受信部１１に同一波面が到達する時間には、距離ΔＤ＝Ｄ×ｃｏｓθに対応する時間差ΔＴ、すなわち、ΔＴ＝ΔＤ／Ｃ＝Ｄ×ｃｏｓθ／Ｃ（Ｃはパルス波の伝播速度）が発生する。逆に、この時間差ΔＴが求められると、角度θが、θ＝ａｒｃｃｏｓ（Ｃ×ΔＴ／Ｄ）によって求められる。

上述の時間差ΔＴは、それぞれの受信部１１を含む２つの受信時刻検出部４から出力される時刻ｔ１または時刻ｔ２に関する信号により求められる。方位角検出部１６は、２つの受信部１１から出力される時刻ｔ１または時刻ｔ２を用いて時間差ΔＴを求め、この時間差ΔＴと、既知のＣ，Ｄとを用いて上述の角度θを算出する。この角度θにより、障害物Ｍの存在する方向（方位、方位角）を検出して障害物を検知することができる。

なお、間隔Ｄは、通常、パルス波の波長以下とされ、例えば４ｃｍである。超音波をパルス波として用いる場合、障害物検知装置１は、距離が１０ｃｍから２ｍの範囲の障害物について、好適に距離と方向を検出できる。これらの幾何学的構成などは、パルス波の周波数に応じて適宜設定することができる。

本実施形態の障害物検知装置１によれば、反射波の到達時刻をいわゆる自己参照方式と呼ばれる検出方法により検出する複数の受信時刻検出部４からの各受信時刻信号に基づいて障害物の距離および方向（角度θ）を算出するので、受信反射波の強度レベル変化に影響されることなく、障害物の距離と方向とを精度良く検出できる。

（第２の実施形態）
図４は第２の実施形態に係る障害物検知装置のブロック構成を示す。本実施形態の障害物検知装置１は、上述の第１の実施形態の障害物検知装置１における各受信時刻検出部４において、受信部１１からの出力信号が所定の閾値以上の場合にのみ当該信号を有効として信号分割部１２に出力する閾値判定部１０をさらに備えるものである。

通常、受信部１１が受信して出力する信号には、障害物からの直接の反射波に基づくもの以外に、多重反射した反射波などの雑音に起因する信号が重畳している。そのため、障害物がないのに存在するように誤検知することがある。閾値判定部１０は、所定の閾値よりも強度が小さい信号をノイズであると判定し、信号分割部１２にはそのような信号を出力しないので、障害物の誤検知を排除することが可能となる。

本実施形態の障害物検知装置１によれば、ノイズ成分による誤検知を排除できるので、例えば、車載用の障害物検知装置とした場合に、車両操作者は、誤検知に惑わされることなく車両操作に専念できる。

なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、上述した各実施形態の構成を矛盾のない範囲で互いに組み合わせた構成とすることができ、そのような組合せ可能な構成の実施形態は明記されていなくても当然に本発明に含まれる。

また、上記各実施形態において、２つの受信部１１を配置する方向を特に示さなかったが、障害物検知装置１を車両に搭載し、走行中に障害物を検知する場合には、例えば、２つの受信部１１の配置方向が水平になるように車両前面に並べて配置することにより、車両前方の水平面内における障害物の方向を検出することができる。

また、上述の各実施形態において、送信部３は、水平に配置した２つの受信部１１の中間位置や、２つの受信部１１を結ぶ線分の２等分線上に好適に配置することができる。また、送信部３を複数備えることもできる。この場合、複数の送信部３を、例えば、前記２等分線上（鉛直線上）に並べると共に、各送信部３の送波方向を互いに異なる方位方向に向けて配置する。例えば、所望の送波方向指向性を有する５つの送信部３を、正面方向に１つ、正面から左右３０゜方向に２つ、同じく左右６０゜方向に２つ配置する。各送信部３と２つの受信部１１によって、前方水平空間を角度分担した領域毎に、障害物Ｍの距離と方向を検出することができる。この場合、各送信部３を順番に切り替える送信切替部を備え、送信切替部を動作させることにより、少ない回路で安価に精度良く距離と方向が検出できる。なお、送信部３の個数や、受信器１１との相互配置関係は、障害物検知の目的に応じて任意に設定することができる。さらに、受信部１１は左右に配置する他に、上下に配置したり、上下左右に配置したり、目的に応じて任意に配置できる。

上述の図１、図４に示したブロック図における各部は、周知のアナログ回路を用いて構成したり、アナログ回路とデジタル回路とを組み合わせて構成したりすることができる。また、障害物検知装置１は、表示装置や音声出力装置に対して、距離検出部５や方位角検出部１６による検出結果を出力することができる。

本発明の第１の実施形態に係る障害物検知装置のブロック構成図。 同上装置における時刻検出の原理説明図。 同上装置における方向検出の原理説明図。 第２の実施形態に係る障害物検知装置のブロック構成図。 従来の障害物検知装置のブロック構成図。 一般的なパルス信号の出力時間差の説明図。 従来の出力時間差検出の問題点を説明する信号波形図。

符号の説明

１ 障害物検知装置
２ パルス生成部
３ 送信部
４ 受信時刻検出部
５ 距離検出部
１０ 閾値判定部
１１ 受信部
１２ 信号分割部
１３ 遅延部
１４ 減衰部
１５ 比較部
１６ 方位角検出部
Ｍ 障害物

Claims (2)

1. 空間を伝播するパルス波の送信時刻と前記送信されたパルス波の障害物からの反射波の受信時刻とに基づいて障害物の距離と方向とを検出する障害物検知装置であって、
   パルス信号を生成するパルス生成部と、
   前記パルス生成部が生成したパルス信号に基づいて空間を伝播するパルス波を空間に送信する送信部と、
   前記送信部が送信したパルス波の障害物からの反射波を受信して反射波の受信時刻信号を出力する複数の受信時刻検出部と、
   前記パルス生成部から得られる送信時刻信号と前記受信時刻検出部から得られる受信時刻信号に基づいて障害物までの距離を検出する距離検出部と、
   前記複数の受信時刻検出部からの各受信時刻信号に基づいて障害物の方向を算出する方位角検出部と、を備え、
   前記各受信時刻検出部は、
   前記送信部が送信したパルス波の障害物からの反射波を受信して受信信号を出力する受信部と、
   前記受信部からの受信信号を２系統に分割して出力する信号分割部と、
   前記信号分割部からの分割信号の一方を遅延して出力する遅延部と、
   前記信号分割部からの分割信号の他方を減衰して出力する減衰部と、
   前記遅延部からの遅延信号と前記減衰部からの減衰信号とを比較して両信号波形の交点に対応する時刻に基づいて反射波の受信時刻信号を出力する比較部と、を備えていることを特徴とする障害物検知装置。
2. 前記各受信時刻検出部は、前記受信部からの出力信号の強度が所定の閾値以上の場合に当該信号を有効として前記信号分割部に出力し、閾値以上ではない場合には前記信号分割部に出力しないようにする閾値判定部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の障害物検知装置。

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