JP2009265009A - Ultrasonic measuring device - Google Patents

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Itaru Ueda
至 上田
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Murata Mfg Co Ltd
株式会社村田製作所
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enable distance measurement to a further distant object while enhancing the reliability of distance measurement by avoiding an effect by noise outside and inside a distance measuring environment and an effect of the other object that is an obstacle. <P>SOLUTION: A transmission signal that is, for example, an ultrasonic signal obtained by performing frequency-shift modulation with two frequencies is transmitted from an ultrasonic transmitter, a receiving signal including a reflection signal from an object is received by an ultrasonic receiver, the frequency shift of the receiving signal is detected, and the distance to the object is detected based on a time difference ΔT between timing t1 thereof and transmitting timing t0. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

この発明は、物体に対して超音波信号の送受信を行い、送受信の時間差に基づいて物体までの距離等を計測する超音波計測装置に関するものである。   The present invention relates to an ultrasonic measurement apparatus that transmits / receives an ultrasonic signal to / from an object and measures a distance to the object based on a transmission / reception time difference.
超音波距離計測装置は、一般に、受信した反射信号の強度が所定の検出レベルに達した時、反射波を検知したものと判断し、そのタイミングと送信信号の送信タイミングとの時間差に基づいて距離を計測するように構成されている。   In general, an ultrasonic distance measuring device determines that a reflected wave has been detected when the intensity of a received reflected signal reaches a predetermined detection level, and determines the distance based on the time difference between the timing and the transmission timing of the transmission signal. Is configured to measure.
また、単に受信信号強度が所定のしきい値を超えるタイミングを検出するだけでは騒音(音響的ノイズ)や外部からの不要輻射や信号ラインに重畳される雑音(電気的ノイズ)の影響を受けて信頼性の高い距離計測ができない。この問題を解消するものとして特許文献1〜3が開示されている。   In addition, simply detecting the timing when the received signal intensity exceeds a predetermined threshold is affected by noise (acoustic noise), unwanted radiation from outside, and noise superimposed on the signal line (electrical noise). Cannot measure distance with high reliability. Patent Documents 1 to 3 are disclosed as means for solving this problem.
特許文献1の装置は、送信信号を周波数拡散変調することによって雑音の影響を排除し得る広い周波数帯域を用いる。また、そのために共振周波数や共鳴周波数を変化させることのできる超音波振動子を用いる。   The apparatus of Patent Document 1 uses a wide frequency band that can eliminate the influence of noise by performing spread spectrum modulation on a transmission signal. For this purpose, an ultrasonic transducer capable of changing the resonance frequency and the resonance frequency is used.
特許文献2の装置は、誤検出を避けるために、FM変調を行ったり、ID番号を重畳させたり、バースト波を複数にすること等によって送信信号を特徴付けるものである。   In order to avoid erroneous detection, the apparatus of Patent Document 2 characterizes a transmission signal by performing FM modulation, superimposing ID numbers, or using a plurality of burst waves.
特許文献3の装置は、受信信号を、その信号レベルに係わらず大きな利得で雑音とともに増幅し、増幅後の信号から、送信信号の周波数成分のみを抽出すことによって受信信号を再生するものである。
特許第3810430号公報 特開平9−21869号公報 特表2007−500348号公報
The apparatus of Patent Document 3 reproduces a received signal by amplifying the received signal with noise with a large gain regardless of the signal level, and extracting only the frequency component of the transmitted signal from the amplified signal. .
Japanese Patent No. 3810430 Japanese Patent Laid-Open No. 9-21869 Special table 2007-500348 gazette
ところが上記いずれの超音波距離計測装置においても次に述べるような問題があった。   However, any of the above ultrasonic distance measuring devices has the following problems.
特許文献1の装置では、共振周波数や共鳴周波数を変化させるための特殊な超音波振動子が必要となる。また共振周波数や共鳴周波数を変化させるための制御回路が必要であり、装置が全体に複雑化する。   The apparatus of Patent Document 1 requires a special ultrasonic transducer for changing the resonance frequency and the resonance frequency. Further, a resonance frequency and a control circuit for changing the resonance frequency are necessary, and the apparatus becomes complicated as a whole.
特許文献2の装置では、送信信号に重畳された識別符号等を少なくとも1ワード全て受信できなければ測距ができない。そのため短時間での測距が困難であり、また連続して安定な信号を送受信できなければ距離計測ができない。また、受信回路に相互相関演算等を処理するための複雑な回路またはCPUによる複雑な処理が必要となり、全体に低コストに構成することができない。   The apparatus of Patent Document 2 cannot perform distance measurement unless it can receive at least one word of the identification code superimposed on the transmission signal. Therefore, distance measurement in a short time is difficult, and distance measurement cannot be performed unless a stable signal can be transmitted and received continuously. In addition, a complicated circuit for processing a cross-correlation calculation or the like in the receiving circuit or a complicated process by the CPU is required, and the whole cannot be configured at low cost.
特許文献3の装置では、増幅器が発生する雑音は一般的に広い周波数帯域を持つ白色雑音であり、雑音の中に送信信号の周波数成分を含む可能性が高いため誤検出するおそれがある。   In the device of Patent Document 3, the noise generated by the amplifier is generally white noise having a wide frequency band, and there is a possibility that the noise includes a frequency component of the transmission signal, and there is a possibility of erroneous detection.
また、前述のノイズによる影響が単に信頼性を低下させるだけでなく、測距可能距離を短縮化してしまうという側面を持っている。しかし、特許文献1〜3のいずれも長距離計測を目的としていない。すなわち、ノイズに起因して信頼性の低下および測距可能距離の短縮化が生じるが、特許文献1〜3の信頼性(精度)を高める手法が測距距離を延ばすことに繋がらない。   In addition, the influence of the above-described noise not only lowers the reliability, but also shortens the distance measurement possible distance. However, none of Patent Documents 1 to 3 is intended for long distance measurement. That is, although reliability is reduced and distance measurement possible distances are reduced due to noise, the methods for improving the reliability (accuracy) of Patent Documents 1 to 3 do not lead to extending the distance measurement distance.
また、ある障害物に隣接して物体が存在する場合、受信信号強度の包絡線の立ち上がりで反射信号のタイミングを検出する従来の方法によれば、障害物からの反射信号の影響を受けて、物体からの反射波の包絡線の立ち上がりが消失することも生じる。そのため、距離が近接する他の大きな物体の影響を受けやすい、という問題もあった。   In addition, when there is an object adjacent to an obstacle, according to the conventional method of detecting the timing of the reflected signal at the rise of the envelope of the received signal intensity, the influence of the reflected signal from the obstacle, The rising of the envelope of the reflected wave from the object may also disappear. Therefore, there is also a problem that it is easily affected by other large objects that are close in distance.
そこで、この発明の目的は、距離計測環境内外のノイズによる影響や、障害物となる他の物体の影響や、障害物となる他の物体の影響を回避して測距の信頼性を高めるとともに測距可能距離を延ばした超音波計測装置を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to improve the reliability of distance measurement by avoiding the influence of noise inside and outside the distance measurement environment, the influence of other objects that become obstacles, and the influence of other objects that become obstacles. An object of the present invention is to provide an ultrasonic measurement device that extends the distance that can be measured.
この発明の超音波計測装置は次のように構成する。
(1)周波数偏移変調(FSK)した超音波信号である送信信号を超音波送波器で送信する手段と、前記送信信号の物体からの反射信号を含む受信信号を超音波受波器で受信するとともに当該受信信号の周波数偏移を検出する周波数偏移検出手段と、前記送信信号の周波数偏移のタイミングと前記受信信号の周波数偏移のタイミングとの差に基づいて物体までの距離を検知する距離検知手段と、を備えたことを特徴としている。ここで、超音波送波器と超音波受波器は単一の超音波送受波器で兼ねてもよい。
The ultrasonic measurement apparatus of the present invention is configured as follows.
(1) Means for transmitting a transmission signal, which is an ultrasonic signal subjected to frequency shift keying (FSK), with an ultrasonic transmitter, and receiving a signal including a reflection signal from an object of the transmission signal with an ultrasonic receiver. A frequency shift detecting means for receiving and detecting a frequency shift of the received signal; and a distance to the object based on a difference between the frequency shift timing of the transmission signal and the frequency shift timing of the received signal. And a distance detecting means for detecting. Here, the ultrasonic transmitter and the ultrasonic receiver may serve as a single ultrasonic transmitter / receiver.
この構成により、送信信号が周波数偏移変調(FSK)した超音波信号であるので、例えば単純に2つの周波数に偏移させるだけでよく、広帯域に亘って共振する超音波送波器を用いる必要がない。周波数偏移検出手段は、受信信号の周波数偏移のタイミングを検出するだけであるので、簡単な回路構成で済む。したがって全体に簡単な構成であるにもかかわらず長距離測定が可能となる。   With this configuration, the transmission signal is an ultrasonic signal subjected to frequency shift keying (FSK). For example, it is only necessary to shift to two frequencies, and it is necessary to use an ultrasonic transmitter that resonates over a wide band. There is no. Since the frequency shift detecting means only detects the timing of the frequency shift of the received signal, a simple circuit configuration is sufficient. Accordingly, long distance measurement is possible despite the simple structure as a whole.
受信信号の強度が所定の検出レベルに達するか否かだけを検出するのではなく、周波数偏移のタイミングを検出するので、周波数軸上でのランダム性の高いノイズの影響を強く受けることがない。また特定の周波数成分を備えたノイズがあってもその影響を受け難くい。そのため、受信信号レベルが低下する長距離の物体からの反射信号についても周波数偏移のタイミングが検出できるので結果的に長距離計測が可能となる。   Rather than only detecting whether the intensity of the received signal reaches a predetermined detection level, the timing of the frequency shift is detected, so that it is not strongly influenced by highly random noise on the frequency axis. . Moreover, even if there is noise having a specific frequency component, it is difficult to be affected. For this reason, the timing of frequency shift can be detected even for a reflected signal from a long-distance object whose received signal level decreases, and as a result, long-distance measurement is possible.
すなわち、反射信号の包絡線の立ち上がりが検出できなくても、また送信信号に重畳されている情報の全てが受信できなくても測距が可能であるので、このことが長距離計測に寄与する。   That is, even if the rising of the envelope of the reflected signal cannot be detected, and even if all of the information superimposed on the transmission signal cannot be received, distance measurement is possible, which contributes to long distance measurement. .
(2)前記周波数偏移検出手段は、例えば前記周波数偏移変調で採り得る複数の周波数信号と前記受信信号との相関値を求めるとともに、当該相関値の変化するタイミングを前記周波数偏移のタイミングとして検出する。   (2) The frequency shift detection means obtains a correlation value between a plurality of frequency signals that can be taken by, for example, the frequency shift modulation and the received signal, and sets the timing at which the correlation value changes to the frequency shift timing. Detect as.
このように送信信号に含まれる周波数成分は既知であるので、その周波数信号と受信信号との相関値を求めることによって、例えばFFT等に比べて簡単な回路構成または簡単な演算処理によって周波数偏移を検出することができる。   As described above, since the frequency component included in the transmission signal is known, by calculating the correlation value between the frequency signal and the reception signal, the frequency shift can be achieved by, for example, a simple circuit configuration or simple arithmetic processing compared to FFT or the like. Can be detected.
(3)前記超音波送波器と前記超音波受波器とは個別に備えて、送信信号が周波数偏移を繰り返す連続信号であってもよい。
このような構成とすることにより、超音波送波器の残響による悪影響を排除することができる。
(3) The ultrasonic transmitter and the ultrasonic receiver may be provided separately, and the transmission signal may be a continuous signal that repeats frequency shift.
By setting it as such a structure, the bad influence by the reverberation of an ultrasonic transmitter can be excluded.
(4)前記周波数偏移変調で採り得る周波数は3つ以上であってもよい。
このことにより、周波数偏移のパターンが偶然一致するようなノイズが発生する確率がさらに低くなり、誤検知が低減できる。
(4) Three or more frequencies may be adopted in the frequency shift keying.
As a result, the probability of occurrence of noise that coincides with the frequency shift pattern is further reduced, and false detection can be reduced.
(5)前記超音波受波器は平面上の互いに異なった位置に複数備え、前記周波数偏移検出手段は前記複数の超音波受波器で受信した受信信号についてそれぞれ周波数偏移を検出し、前記距離検知手段は、前記送信信号の周波数偏移のタイミングと前記複数の超音波受波器で受信した受信信号の周波数偏移のタイミングとの差に基づいて、前記超音波送波器と前記各超音波受波器とを焦点とする複数の楕円の交点を物体の平面上の位置として検知するように構成してもよい。   (5) A plurality of the ultrasonic receivers are provided at different positions on a plane, and the frequency shift detecting means detects a frequency shift for each received signal received by the plurality of ultrasonic receivers, The distance detection means is configured to determine the difference between the frequency shift timing of the transmission signal and the frequency shift timings of the reception signals received by the plurality of ultrasonic receivers. You may comprise so that the intersection of the some ellipse which makes each ultrasonic wave receiver a focus may be detected as a position on the plane of an object.
この構成により、単なる一次元の距離だけでなく、計測装置に対する物体の相対的な位置を計測することができる。   With this configuration, not only a one-dimensional distance but also a relative position of the object with respect to the measuring device can be measured.
なお、超音波送波器と受波器を兼用している場合のように、同じ位置で送受波を行う場合には二つの焦点が重なるので、上記「楕円」は「円」となる。   Note that, when transmitting and receiving waves at the same position as in the case where both the ultrasonic transmitter and the receiver are used, the two focal points overlap, so the “ellipse” becomes a “circle”.
(6)前記超音波受波器は三次元空間上の互いに異なった位置に複数備え、前記周波数偏移検出手段は前記複数の超音波受波器で受信した受信信号についてそれぞれ周波数偏移を検出し、前記距離検知手段は、前記送信信号の周波数偏移のタイミングと前記複数の超音波受波器で受信した受信信号の周波数偏移のタイミングとの差に基づいて、前記超音波送波器と前記各超音波受波器とを焦点とする複数の回転楕円体の交点を三次元空間上の物体の位置として検知するように構成してもよい。   (6) A plurality of the ultrasonic receivers are provided at different positions in a three-dimensional space, and the frequency shift detector detects a frequency shift of each received signal received by the plurality of ultrasonic receivers. The distance detecting means is configured to detect the ultrasonic wave transmitter based on a difference between the frequency shift timing of the transmission signal and the frequency shift timings of the reception signals received by the plurality of ultrasonic wave receivers. And the intersection of a plurality of spheroids focusing on the ultrasonic receivers may be detected as the position of the object in the three-dimensional space.
この構成により、計測装置に対する物体の三次元空間上の相対的な位置を計測することができる。   With this configuration, the relative position of the object in the three-dimensional space with respect to the measurement device can be measured.
なお、超音波送波器と受波器を兼用している場合のように、同じ位置で送受波を行う場合には二つの焦点が重なるので、上記「回転楕円体」は「球」となる。   In addition, when two waves are transmitted and received at the same position as in the case where the ultrasonic wave transmitter and the wave receiver are used together, the two spheroids overlap each other, so that the “spheroid” is a “sphere”. .
この発明によれば、広帯域に亘って共振する超音波送波器を用いる必要がなく、また簡単な回路構成で受信タイミングを検出できる。また、周波数軸上でのランダム性の高いノイズの影響を強く受けることがなく、特定の周波数成分を備えたノイズがあってもその影響を受け難い。さらに、反射信号の包絡線の立ち上がりが検出できなくても、また送信信号に重畳されている情報の全てが受信できなくても測距が可能である。これらによって全体に簡単な構成であるにもかかわらず長距離測定が可能となる。   According to the present invention, it is not necessary to use an ultrasonic transmitter that resonates over a wide band, and the reception timing can be detected with a simple circuit configuration. In addition, it is not strongly affected by noise with high randomness on the frequency axis, and even if there is noise having a specific frequency component, it is difficult to be affected. Further, distance measurement is possible even if the rising edge of the envelope of the reflected signal cannot be detected, or even if all of the information superimposed on the transmission signal cannot be received. These enable long distance measurement despite the simple structure as a whole.
《第1の実施形態》
図1は第1の実施形態に係る超音波計測装置101のブロック図である。図1において、送信信号生成部11は、後に示す2つの周波数で周波数偏移変調(FSK)したバースト波信号を発生する。送信アンプ12は送信信号生成部11が生成した上記バースト信号を増幅して超音波送受波器18を駆動する。これにより超音波信号が送信され、物体で反射した反射信号を受けることになる。受信アンプ15は超音波送受波器18が受信した受信信号を増幅する。A/Dコンバータ16は、受信アンプ15で増幅された信号をディジタルデータ列に変換する。信号処理部17は、送信信号生成部11が発生した送信タイミング信号とA/Dコンバータ16から出力されるディジタルデータ列とに基づいて周波数偏移のタイミングと上記送信タイミングとの時間差に基づいて超音波送受波器18から物体までの距離を求める。
<< First Embodiment >>
FIG. 1 is a block diagram of an ultrasonic measurement apparatus 101 according to the first embodiment. In FIG. 1, a transmission signal generation unit 11 generates a burst wave signal that has been frequency shift keyed (FSK) at two frequencies shown later. The transmission amplifier 12 amplifies the burst signal generated by the transmission signal generator 11 and drives the ultrasonic transducer 18. As a result, an ultrasonic signal is transmitted and a reflected signal reflected by the object is received. The reception amplifier 15 amplifies the reception signal received by the ultrasonic transducer 18. The A / D converter 16 converts the signal amplified by the reception amplifier 15 into a digital data string. Based on the transmission timing signal generated by the transmission signal generation unit 11 and the digital data string output from the A / D converter 16, the signal processing unit 17 is super-based on the time difference between the frequency shift timing and the transmission timing. The distance from the sonic transducer 18 to the object is obtained.
上記超音波送受波器18には中心周波数が例えば40kHzの送受信兼用超音波センサ(株式会社村田製作所製 MA40MC10−Bなど)を用いる。送信信号生成部11および信号処理部17はFPGA,ASIC等のロジックにより構成しても、CPU等のソフトウェアにより構成してもよい。   For the ultrasonic transducer 18, a transmission / reception ultrasonic sensor having a center frequency of 40 kHz (for example, MA40MC10-B manufactured by Murata Manufacturing Co., Ltd.) is used. The transmission signal generation unit 11 and the signal processing unit 17 may be configured by logic such as FPGA or ASIC, or may be configured by software such as CPU.
図2は前記送信信号と変調信号との関係を示す波形図である。図1に示した送信信号生成部11は図2に示すように、45kHzの矩形波10波長と35kHzの10波長とで1つのバースト信号にしたものを送信信号として生成する。   FIG. 2 is a waveform diagram showing the relationship between the transmission signal and the modulation signal. As shown in FIG. 2, the transmission signal generation unit 11 shown in FIG. 1 generates a transmission signal that is a burst signal with 10 wavelengths of 45 kHz rectangular waves and 10 wavelengths of 35 kHz.
このような矩形波信号は、制御電圧によって発振周波数が変化する電圧制御発振器を用いて生成する。図2に示す変調信号は上記制御電圧の信号である。   Such a rectangular wave signal is generated by using a voltage controlled oscillator whose oscillation frequency changes according to the control voltage. The modulation signal shown in FIG. 2 is a signal of the control voltage.
なお、前記送受信兼用超音波センサの性能から、測距可能距離が高々20mであったとすると、反射波が到達する時間は120ms未満である。そのため、バースト信号を120ms間隔をおいて送出することにより、反射波を受信できなかった場合に、次の反射波を受信しても、伝搬時間が120ms以上と検出されたときには、「検出できなかった」と判定することにより、伝搬時間の誤検出を防ぐことができる。   From the performance of the transmission / reception ultrasonic sensor, if the distance measurement possible distance is at most 20 m, the time for the reflected wave to reach is less than 120 ms. For this reason, if a reflected wave cannot be received by sending burst signals at intervals of 120 ms, even if the next reflected wave is received, if the propagation time is detected to be 120 ms or more, “cannot be detected. By determining “”, it is possible to prevent erroneous detection of the propagation time.
図3は信号処理部17の構成を示すブロック図である。図3において、ローパスフィルタ21は、図1に示したA/Dコンバータ16から出力されるデータ列(A/D変換値)をディジタル信号処理によってローパスフィルタリングを行う。このローパスフィルタの遮断周波数は45kHzより高く設定している。45kHz相関器22aは、ローパスフィルタ21でフィルタリングされた信号(データ列)と45kHz信号との相関値を求める。35kHz相関器22bは、ローパスフィルタ21でフィルタリングされた信号(データ列)と35kHz信号との相関値を求める。   FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the signal processing unit 17. In FIG. 3, a low-pass filter 21 performs low-pass filtering on the data string (A / D conversion value) output from the A / D converter 16 shown in FIG. 1 by digital signal processing. The cutoff frequency of this low-pass filter is set higher than 45 kHz. The 45 kHz correlator 22a obtains a correlation value between the signal (data string) filtered by the low-pass filter 21 and the 45 kHz signal. The 35 kHz correlator 22b obtains a correlation value between the signal (data string) filtered by the low-pass filter 21 and the 35 kHz signal.
なお、上記ローパスフィルタ21の代わりに、35kHz,45kHzを含む周波数帯域を通過させるバンドパスフィルタを設けてもよい。   Instead of the low-pass filter 21, a band-pass filter that passes a frequency band including 35 kHz and 45 kHz may be provided.
比較器23は上記45kHz相関器22aにより求められた相関値(以下45kHz相関値という。)と35kHz相関器22bにより求められた相関値(以下35kHz相関値という。)との差分を求める。   The comparator 23 obtains a difference between the correlation value obtained by the 45 kHz correlator 22a (hereinafter referred to as 45 kHz correlation value) and the correlation value obtained by the 35 kHz correlator 22b (hereinafter referred to as 35 kHz correlation value).
しきい値処理部24は、比較器23が求めた差分値が予め定めたしきい値を超えるか否かを判定し、その結果を伝搬時間・距離計算処理部25へ与える。   The threshold processing unit 24 determines whether or not the difference value obtained by the comparator 23 exceeds a predetermined threshold value, and gives the result to the propagation time / distance calculation processing unit 25.
上記45kHz相関器22a、35kHz相関器22b、比較器23、およびしきい値処理部24が、この発明に係る「周波数偏移検出手段」に相当する。   The 45 kHz correlator 22a, 35kHz correlator 22b, comparator 23, and threshold value processing unit 24 correspond to the “frequency shift detecting means” according to the present invention.
伝搬時間・距離計算処理部25は、しきい値処理部24から信号が出力されたタイミングと送信タイミングとの時間差に基づいて物体までの距離を求め、これを距離情報としてホスト装置へ出力する。または時間差情報のまま出力する。この伝搬時間・距離計算処理部25がこの発明に係る「距離検知手段」に相当する。   The propagation time / distance calculation processing unit 25 obtains the distance to the object based on the time difference between the timing at which the signal is output from the threshold processing unit 24 and the transmission timing, and outputs this to the host device as distance information. Or, output as time difference information. The propagation time / distance calculation processing unit 25 corresponds to the “distance detection means” according to the present invention.
上記相関値の大小関係の入れ替わりは、定常的に存在する白色雑音により常に発生するが、上記しきい値処理により、2つの相関値の変化が小さいときは、それが無視されるので、白色雑音などによる誤検知を軽減できる。   The change in the magnitude relationship between the correlation values always occurs due to white noise that exists constantly. However, when the change in the two correlation values is small due to the threshold value processing, it is ignored. It can reduce false detection due to
図4は図3に示した2つの相関器22a,22bの構成を示すブロック図である。この例では、A/D変換値に対して、検出しようとする周波数と同じ周波数のsin波とcos波の信号とを乗算し、それの加算値を相関値とする。上記sin波およびcos波は、予め1波長分の値をテーブルとして備えて、カウンタの値によって、各位相での値を読み出すことによって発生する。   FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the two correlators 22a and 22b shown in FIG. In this example, the A / D conversion value is multiplied by a sin wave signal and a cos wave signal having the same frequency as the frequency to be detected, and the added value is used as a correlation value. The sine wave and the cosine wave are generated by reading a value at each phase according to a counter value, which is provided with values for one wavelength as a table in advance.
このように相関器によって処理を行うことで、FFT等と比較して演算量の少ない方法で変化点を検出することが可能である。   By performing processing using the correlator in this way, it is possible to detect a change point by a method with a smaller amount of calculation compared to FFT or the like.
図5は図1に示した超音波送受波器18が受信する受信信号(A/D変換値)と前記2つの相関器による相関値をそれぞれ波形として表したものである。
この2つの相関値のうち実線は45kHz相関値、破線は35kHz相関値である。ここでfは40kHz、Δfは5kHzである。
FIG. 5 shows received signals (A / D conversion values) received by the ultrasonic transducer 18 shown in FIG. 1 and correlation values obtained by the two correlators as waveforms.
Of these two correlation values, the solid line is the 45 kHz correlation value, and the broken line is the 35 kHz correlation value. Here, f is 40 kHz, and Δf is 5 kHz.
この図5に示すように、受信信号が45kHz(f+Δf)である時、45kHz相関値が35kHz相関値より大きくなる。逆に、受信信号が35kHzである時、35kHz相関値が45kHz相関値より大きくなる。   As shown in FIG. 5, when the received signal is 45 kHz (f + Δf), the 45 kHz correlation value is larger than the 35 kHz correlation value. Conversely, when the received signal is 35 kHz, the 35 kHz correlation value is greater than the 45 kHz correlation value.
したがって受信信号の周波数偏移変調により、周波数が偏移する点(またはその近傍)で2つの相関値の大小関係が反転することになる。この周波数偏移のタイミングと送信信号の周波数偏移のタイミングとの時間差が超音波送受波器から物体までの距離に起因して生じる時間差である。   Therefore, the magnitude relationship between the two correlation values is inverted at the point where the frequency shifts (or in the vicinity thereof) due to the frequency shift modulation of the received signal. The time difference between this frequency shift timing and the frequency shift timing of the transmission signal is a time difference caused by the distance from the ultrasonic transducer to the object.
図6は、その送信信号と2つの相関値の表れ方との関係を示している。送信信号の周波数偏移変調による周波数偏移のタイミングをt0、受信信号の周波数偏移のタイミングをt1とした時、その時間差ΔTを信号処理部17が求める。この時間差ΔTは超音波送受波器から物体までの距離の比例値であるので、これを計測結果としてホスト装置へ出力するか、または予め定めた係数を乗じてホスト装置へ出力する。   FIG. 6 shows the relationship between the transmission signal and how two correlation values appear. When the timing of frequency shift by frequency shift modulation of the transmission signal is t0 and the timing of frequency shift of the received signal is t1, the signal processing unit 17 obtains the time difference ΔT. Since this time difference ΔT is a proportional value of the distance from the ultrasonic transducer to the object, it is output as a measurement result to the host device or is multiplied by a predetermined coefficient and output to the host device.
図1に示した送信信号生成部11および信号処理部17をFPGAで構成して効果を検証したところ、測距可能距離は、従来方式である包絡線の検出による測距よりも約16%延びた。   The transmission signal generation unit 11 and the signal processing unit 17 shown in FIG. 1 are configured with FPGAs, and the effect was verified. It was.
また、目的の物体が障害物に隣接していても、従来の包絡線の立ち上がりを受信タイミングとして検出する方法にくらべて、両者の分離が容易であるため、目的の物体をより的確に検知できるようになった。   In addition, even if the target object is adjacent to the obstacle, the target object can be detected more accurately because it is easier to separate the two from the conventional method of detecting the rising edge of the envelope as the reception timing. It became so.
《第2の実施形態》
図7は第2の実施形態に係る超音波計測装置102のブロック図である。第1の実施形態で図1に示したものと異なるのは、超音波送波器13と超音波受波器14を別個に設けている点である。第1の実施形態で示したように、送信信号がバースト波である場合には送受共用の超音波送受波器18を用いることができたが、第2の実施形態では、送信信号はバースト波ではなく連続波としている。
<< Second Embodiment >>
FIG. 7 is a block diagram of the ultrasonic measurement apparatus 102 according to the second embodiment. The first embodiment is different from that shown in FIG. 1 in that an ultrasonic transmitter 13 and an ultrasonic receiver 14 are provided separately. As shown in the first embodiment, the transmission / reception ultrasonic transducer 18 can be used when the transmission signal is a burst wave, but in the second embodiment, the transmission signal is a burst wave. Rather than a continuous wave.
図8は、図7に示した信号処理部17での処理で求めた相関値と受信信号との関係等を波形で表したものである。また相関値のうち実線は(f+Δf)相関値、破線は(f−Δf)相関値である。(f+Δf)相関値が(f−Δf)相関値より大きい状態から反転するタイミングtaを受信信号の周波数偏移のタイミング(受信タイミング)として検出する。   FIG. 8 shows the relationship between the correlation value obtained by the processing in the signal processing unit 17 shown in FIG. Of the correlation values, the solid line is the (f + Δf) correlation value, and the broken line is the (f−Δf) correlation value. The timing ta at which the (f + Δf) correlation value is inverted from the state larger than the (f−Δf) correlation value is detected as the frequency shift timing (reception timing) of the received signal.
この例では、(f−Δf)相関値が(f+Δf)相関値より大きい状態から反転するタイミングtbは距離計測のためには用いない。   In this example, the timing tb at which the (f−Δf) correlation value reverses from a state larger than the (f + Δf) correlation value is not used for distance measurement.
《第3の実施形態》
図9は第3の実施形態に係る超音波計測装置103の信号処理部の構成を示すブロック図である。超音波計測装置全体の構成は、第1の実施形態で図1に示したものと同様である。
<< Third Embodiment >>
FIG. 9 is a block diagram illustrating a configuration of a signal processing unit of the ultrasonic measurement apparatus 103 according to the third embodiment. The overall configuration of the ultrasonic measurement apparatus is the same as that shown in FIG. 1 in the first embodiment.
図9においてバンドパスフィルタ26は、受信信号のA/DコンバータによるA/D変換値に対して、送信信号周波数が含まれる周波数帯域を通過させ、その他の不要な周波数成分を除去するフィルタである。   In FIG. 9, a band pass filter 26 is a filter that passes the frequency band including the transmission signal frequency and removes other unnecessary frequency components with respect to the A / D conversion value of the received signal by the A / D converter. .
この第3の実施形態では3つの周波数に周波数偏移変調を行うので、その3つの周波数に対応した44kHz相関器22a、40kHz相関器22c、および36kHz相関器22bを備えている。   In the third embodiment, since frequency shift keying is performed on three frequencies, a 44 kHz correlator 22a, a 40 kHz correlator 22c, and a 36 kHz correlator 22b corresponding to the three frequencies are provided.
比較器23aは40kHz相関値と44kHz相関値との差分を求める。しきい値処理部24aは上記差分が予め定めたしきい値を超えるか否かの判定を行う。同様に比較器23bは40kHz相関値と36kHz相関値との差分を求める。しきい値処理部24bは上記差分が予め定めたしきい値を超えるか否かの判定を行う。   The comparator 23a obtains the difference between the 40 kHz correlation value and the 44 kHz correlation value. The threshold processing unit 24a determines whether or not the difference exceeds a predetermined threshold. Similarly, the comparator 23b obtains the difference between the 40 kHz correlation value and the 36 kHz correlation value. The threshold processing unit 24b determines whether or not the difference exceeds a predetermined threshold.
ANDゲート27は上記2つのしきい値処理部24a,24bの判定結果が共にハイレベル、すなわち44kHzから40kHzへの周波数遷移があり、且つ40kHzから36kHzへの周波数偏移があった時、そのタイミング(受信タイミング)の信号を伝搬時間・距離計算処理部25へ出力する。伝搬時間距離計算処理部25はこの受信タイミングと送信タイミングとの時間差に基づいて超音波送受波器から物体までの距離を求める。   The AND gate 27 has a timing when the determination results of the two threshold processing units 24a and 24b are both at a high level, that is, when there is a frequency transition from 44 kHz to 40 kHz and there is a frequency shift from 40 kHz to 36 kHz. The (reception timing) signal is output to the propagation time / distance calculation processing unit 25. The propagation time distance calculation processing unit 25 obtains the distance from the ultrasonic transducer to the object based on the time difference between the reception timing and the transmission timing.
図10は送信信号の1つのバースト波と受信信号の相関値の変化の例を示すものである。この例では44kHzを10波長、40kHzを10波長、36kHzを10波長とするバースト波を一定間隔で送信する。そのため、受信信号に対して図9に示した3つの相関器で求めた相関値は図10(B)に示すように変化する。この3つの相関値の比較によって、44kHz相関値と40kHzの相関値の大小関係が反転するタイミングt11と、40kHz相関値は36kHz相関値との大小関係が反転するタイミングt12とをそれぞれ検出する。図9に示したしきい値処理部24aの出力はt11で立ち上がり、しきい値処理部24bの出力はt12で立ち上がる。したがってANDゲート27の出力はt12でハイレベルとなって、図9に示した伝搬時間・距離計算処理部25はこのタイミングt12と送信タイミングとの時間差を求める。   FIG. 10 shows an example of a change in the correlation value between one burst wave of the transmission signal and the reception signal. In this example, burst waves having 10 wavelengths of 44 kHz, 10 wavelengths of 40 kHz, and 10 wavelengths of 36 kHz are transmitted at regular intervals. For this reason, the correlation values obtained by the three correlators shown in FIG. 9 with respect to the received signal change as shown in FIG. By comparing these three correlation values, a timing t11 at which the magnitude relationship between the 44 kHz correlation value and the 40 kHz correlation value is inverted, and a timing t12 at which the magnitude relationship between the 40 kHz correlation value and the 36 kHz correlation value are inverted are detected. The output of the threshold processing unit 24a shown in FIG. 9 rises at t11, and the output of the threshold processing unit 24b rises at t12. Accordingly, the output of the AND gate 27 becomes high level at t12, and the propagation time / distance calculation processing unit 25 shown in FIG. 9 obtains the time difference between the timing t12 and the transmission timing.
なお、第3の実施形態では3つの周波数で周波数偏移する送信信号を用いたが、2つの周波数で周波数偏移させ、且つ周波数偏移のタイミングを1つのバースト波内で2回現れるようにしてもよい。例えば(f−Δf)→(f+Δf)→(f−Δf)の順に偏移させ、その2回目の周波数偏移のタイミングを受信タイミングとして扱うようにしてもよい。   In the third embodiment, a transmission signal whose frequency shifts at three frequencies is used. However, frequency shift is performed at two frequencies, and the timing of the frequency shift appears twice in one burst wave. May be. For example, the shift may be made in the order of (f−Δf) → (f + Δf) → (f−Δf), and the timing of the second frequency shift may be handled as the reception timing.
《第4の実施形態》
図11は第4の実施形態に係る超音波計測装置104のブロック図である。この超音波計測装置104は超音波送受波器18を用いて超音波信号の送受信を行うだけでなく、超音波受波器14a,14bを用いて物体からの反射信号を受信する。すなわち、この超音波計測装置104は、1つの超音波信号が物体で反射することによる反射信号を3つの位置で受信するようにしたものである。送信信号生成部11、送信アンプ12、超音波送受波器18、受信アンプ15c、A/Dコンバータ16cの構成は第1の実施形態で図1に示したものと同様である。
<< Fourth Embodiment >>
FIG. 11 is a block diagram of an ultrasonic measurement apparatus 104 according to the fourth embodiment. The ultrasonic measuring apparatus 104 not only transmits and receives ultrasonic signals using the ultrasonic transducer 18 but also receives reflected signals from the object using the ultrasonic receivers 14a and 14b. In other words, the ultrasonic measurement apparatus 104 is configured to receive reflected signals at three positions by reflecting one ultrasonic signal from an object. The configurations of the transmission signal generator 11, the transmission amplifier 12, the ultrasonic transducer 18, the reception amplifier 15c, and the A / D converter 16c are the same as those shown in FIG. 1 in the first embodiment.
受信アンプ15a,15bは超音波受波器14a,14bで物体からの反射信号を受けることによって生じる受信信号を増幅し、A/Dコンバータ16a,16bは増幅された受信信号をディジタルデータ列に変換して信号処理部17へ出力する。   The reception amplifiers 15a and 15b amplify the reception signals generated by receiving the reflected signals from the objects by the ultrasonic receivers 14a and 14b, and the A / D converters 16a and 16b convert the amplified reception signals into digital data strings. And output to the signal processing unit 17.
信号処理部17は、A/Dコンバータ16a,16b,16cからのデータ列と送信信号生成部11から与えられる送信タイミングの信号とに基づいて物体の三次元空間上の位置を検知する。   The signal processing unit 17 detects the position of the object in the three-dimensional space based on the data string from the A / D converters 16 a, 16 b, and 16 c and the transmission timing signal provided from the transmission signal generation unit 11.
図12はその説明図である。超音波送受波器18の位置Poから送信された超音波信号が物体で反射し、超音波受波器14aの位置Paで受けるまでの経路長(Lc+La)は、図11に示したA/Dコンバータ16aにより変換されたデータ列から受信タイミングを検出し、送信タイミングとの時間差によって求めることができる。したがって超音波送受波器18と超音波受波器14aとをそれぞれ焦点とする回転楕円体Oaのどこかの点に物体があるものと見なせる。   FIG. 12 is an explanatory diagram thereof. The path length (Lc + La) until the ultrasonic wave signal transmitted from the position Po of the ultrasonic transducer 18 is reflected by the object and received at the position Pa of the ultrasonic wave receiver 14a is A / D shown in FIG. The reception timing can be detected from the data string converted by the converter 16a and can be obtained by the time difference from the transmission timing. Therefore, it can be considered that an object is located at some point of the spheroid Oa having the ultrasonic transducer 18 and the ultrasonic receiver 14a as focal points.
同様に、超音波受波器14bの位置Pbで受けるまでの経路長(Lc+Lb)は、図11に示したA/Dコンバータ16bにより変換されたデータ列から受信タイミングを検出し、送信タイミングとの時間差によって求めることができる。したがって超音波送受波器18と超音波受波器14bとをそれぞれ焦点とする回転楕円体Obのどこかの点に物体があるものと見なせる。   Similarly, the path length (Lc + Lb) until it is received at the position Pb of the ultrasonic receiver 14b is detected from the data sequence converted by the A / D converter 16b shown in FIG. It can be determined by the time difference. Therefore, it can be considered that an object is located at some point of the spheroid Ob having the ultrasonic transducer 18 and the ultrasonic receiver 14b as focal points.
さらに、超音波送受波器18の位置Poと物体までの往復経路長(Lc+Lc)は、図11に示したA/Dコンバータ16cにより変換されたデータ列から受信タイミングを検出し、送信タイミングとの時間差によって求めることができる。したがって超音波送受波器18と超音波受波器18とをそれぞれ焦点とする回転楕円体、すなわち超音波送受波器18を中心とする球Bのどこかの点に物体があるものと見なせる。   Further, the position Po of the ultrasonic transducer 18 and the reciprocal path length (Lc + Lc) to the object are detected from the data sequence converted by the A / D converter 16c shown in FIG. It can be determined by the time difference. Therefore, it can be considered that there is an object at some point of the spheroid having the ultrasonic transducer 18 and the ultrasonic receiver 18 as focal points, that is, the sphere B centering on the ultrasonic transducer 18.
これにより、上記2つの回転楕円体Oa,Obおよび球Bの交わる位置に物体が存在するものとして、その位置を検知することができる。   As a result, it is possible to detect the position of the object at the position where the two spheroids Oa and Ob and the sphere B intersect.
なお、図12において、直線Po−Paと直線Po−Pbとは同一直線上にはなく、例えば直交している。そのためPo,Paを焦点とする回転楕円体と、Po,Pbを焦点とする回転楕円体Opとが交わる曲線が生じる。これにさらにPoを中心とする球Bとが交わって1点が求まる。   In FIG. 12, the straight line Po-Pa and the straight line Po-Pb are not on the same straight line, but are orthogonal to each other, for example. Therefore, a curve is formed in which a spheroid having a focus on Po and Pa and a spheroid Op having a focus on Po and Pb intersect. Furthermore, a sphere B centering on Po intersects to obtain one point.
図11に示した信号処理部17は物体の上記三次元空間上の位置を求めてホスト装置へ出力してもよいし、単に3つの時間差情報のみをホスト装置へ渡し、ホスト装置側で物体の位置を検知するようにしてもよい。   The signal processing unit 17 shown in FIG. 11 may obtain the position of the object in the three-dimensional space and output it to the host device, or simply pass only three pieces of time difference information to the host device, and the host device side The position may be detected.
《第5の実施形態》
図13は第5の実施形態に係る超音波計測装置のブロック図である。この超音波計測装置105は、図11に示した超音波計測装置に対してさらに超音波受波器14c、受信アンプ15c、およびA/Dコンバータ16cを設けたものである。そして、図11に示した超音波計測装置では超音波送受波器18を用いているので、送信信号はバースト波にする必要があるが、図13に示す例では、送信専用の超音波送波器13を用いているので、第2の実施形態の場合と同様に連続波の送信信号とすることができる。
<< Fifth Embodiment >>
FIG. 13 is a block diagram of an ultrasonic measurement apparatus according to the fifth embodiment. The ultrasonic measurement apparatus 105 is provided with an ultrasonic receiver 14c, a reception amplifier 15c, and an A / D converter 16c in addition to the ultrasonic measurement apparatus shown in FIG. In the ultrasonic measuring apparatus shown in FIG. 11, since the ultrasonic transducer 18 is used, the transmission signal needs to be a burst wave. However, in the example shown in FIG. Since the device 13 is used, a continuous wave transmission signal can be obtained as in the case of the second embodiment.
なお、二次元平面上の物体の位置を求めるだけであるなら、同一平面上に超音波送受波器と1つの超音波受波器のみを用いて、その2つの位置を焦点とする楕円と超音波送受波器の位置を中心とする円との交点を物体の位置として求めることができる。   Note that if only the position of an object on a two-dimensional plane is to be obtained, only an ultrasonic transducer and one ultrasonic receiver are used on the same plane, and an ellipse and a supercenter that focus on the two positions are used. The point of intersection with a circle centered on the position of the acoustic transducer can be determined as the position of the object.
また、送信専用の超音波送波器と2つの超音波受波器を同一平面上に配置した場合には、その超音波送波器と2つの超音波受波器の位置とをそれぞれ焦点とする2つの楕円の交点を二次元平面上の物体の位置として求めることができる。   In addition, when the ultrasonic transmitter dedicated to transmission and the two ultrasonic receivers are arranged on the same plane, the positions of the ultrasonic transmitter and the two ultrasonic receivers are set as the focal points, respectively. The intersection of the two ellipses can be obtained as the position of the object on the two-dimensional plane.
第1の実施形態に係る超音波計測装置のブロック図である。It is a block diagram of the ultrasonic measuring device concerning a 1st embodiment. 同超音波計測装置における送信信号と変調信号との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the transmission signal and modulation signal in the ultrasonic measuring device. 同超音波計測装置の信号処理部の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the signal processing part of the ultrasonic measuring device. 信号処理部内の相関器の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the correlator in a signal processing part. 同超音波計測装置における受信信号と相関値との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the received signal and correlation value in the ultrasonic measuring device. 同超音波計測装置における送信信号と受信信号の相関値との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the correlation value of the transmission signal and reception signal in the ultrasonic measuring device. 第2の実施形態に係る超音波計測装置のブロック図である。It is a block diagram of the ultrasonic measuring device concerning a 2nd embodiment. 同超音波計測装置における受信信号と相関値などとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the received signal in the same ultrasonic measurement apparatus, a correlation value, etc. 第3の実施形態に係る超音波計測装置のブロック図である。It is a block diagram of the ultrasonic measuring device concerning a 3rd embodiment. 同超音波計測装置における送信信号と変調信号との関係、および受信信号と相関値との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the transmission signal and modulation signal in the same ultrasonic measurement apparatus, and the relationship between a received signal and a correlation value. 第4の実施形態に係る超音波計測装置のブロック図である。It is a block diagram of the ultrasonic measuring device concerning a 4th embodiment. 同超音波計測装置での物体の三次元空間上の位置を検知する方法を示す図である。It is a figure which shows the method of detecting the position on the three-dimensional space of the object in the ultrasonic measuring device. 第5の実施形態に係る超音波計測装置のブロック図である。It is a block diagram of the ultrasonic measuring device which concerns on 5th Embodiment.
符号の説明Explanation of symbols
13…超音波送波器
14…超音波受波器
18…超音波送受波器
101〜105…超音波計測装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 13 ... Ultrasonic transmitter 14 ... Ultrasonic receiver 18 ... Ultrasonic transmitter / receiver 101-105 ... Ultrasonic measuring device

Claims (6)

  1. 周波数偏移変調した超音波信号である送信信号を超音波送波器で送信する手段と、
    前記送信信号の物体からの反射信号を含む受信信号を超音波受波器で受信するとともに当該受信信号の周波数偏移を検出する周波数偏移検出手段と、
    前記送信信号の周波数偏移のタイミングと前記受信信号の周波数偏移のタイミングとの差に基づいて物体までの距離を検知する距離検知手段と、
    を備えたことを特徴とする超音波計測装置。
    Means for transmitting a transmission signal, which is an ultrasonic signal subjected to frequency shift modulation, with an ultrasonic transmitter;
    A frequency shift detecting means for receiving a reception signal including a reflection signal from an object of the transmission signal with an ultrasonic wave receiver and detecting a frequency shift of the reception signal;
    Distance detecting means for detecting the distance to the object based on the difference between the frequency shift timing of the transmission signal and the frequency shift timing of the reception signal;
    An ultrasonic measurement apparatus comprising:
  2. 前記周波数偏移検出手段は、前記周波数偏移変調で採り得る複数の周波数信号と前記受信信号との相関値を求めるとともに、当該相関値の変化するタイミングを前記周波数偏移のタイミングとして検出する、請求項1に記載の超音波計測装置。   The frequency shift detection means obtains a correlation value between a plurality of frequency signals that can be taken by the frequency shift modulation and the received signal, and detects a timing at which the correlation value changes as the timing of the frequency shift. The ultrasonic measurement apparatus according to claim 1.
  3. 前記超音波送波器と前記超音波受波器とは個別に備え、
    前記送信信号は前記周波数偏移を繰り返す連続信号である、請求項1または2に記載の、超音波計測装置。
    The ultrasonic transmitter and the ultrasonic receiver are provided separately,
    The ultrasonic measurement apparatus according to claim 1, wherein the transmission signal is a continuous signal that repeats the frequency shift.
  4. 前記周波数偏移変調で採り得る周波数は3つ以上である、請求項1〜3のいずれかに記載の超音波計測装置。   The ultrasonic measurement apparatus according to claim 1, wherein there are three or more frequencies that can be taken by the frequency shift keying.
  5. 前記超音波受波器は平面上の互いに異なった位置に複数備え、前記周波数偏移検出手段は前記複数の超音波受波器で受信した受信信号についてそれぞれ周波数偏移を検出し、前記距離検知手段は、前記送信信号の周波数偏移のタイミングと前記複数の超音波受波器で受信した受信信号の周波数偏移のタイミングとの差に基づいて、前記超音波送波器と前記各超音波受波器とを焦点とする複数の楕円の交点を物体の平面上の位置として検知する、請求項1〜4のいずれかに記載の超音波計測装置。   A plurality of the ultrasonic receivers are provided at different positions on a plane, and the frequency shift detecting means detects the frequency shifts of the received signals received by the plurality of ultrasonic receivers, and detects the distance. The means is based on the difference between the timing of the frequency shift of the transmission signal and the timing of the frequency shift of the reception signal received by the plurality of ultrasonic receivers, and the ultrasonic transmitter and each ultrasonic wave The ultrasonic measurement apparatus according to claim 1, wherein an intersection of a plurality of ellipses having a focus on the receiver is detected as a position on the plane of the object.
  6. 前記超音波受波器は三次元空間上の互いに異なった位置に複数備え、前記周波数偏移検出手段は前記複数の超音波受波器で受信した受信信号についてそれぞれ周波数偏移を検出し、前記距離検知手段は、前記送信信号の周波数偏移のタイミングと前記複数の超音波受波器で受信した受信信号の周波数偏移のタイミングとの差に基づいて、前記超音波送波器と前記各超音波受波器とを焦点とする複数の回転楕円体の交点を三次元空間上の物体の位置として検知する、請求項1〜4のいずれかに記載の超音波計測装置。   A plurality of the ultrasonic receivers are provided at different positions in a three-dimensional space, and the frequency shift detection means detects a frequency shift for each of the received signals received by the plurality of ultrasonic receivers, The distance detection means is configured to detect the ultrasonic wave transmitter and each of the ultrasonic wave transmitters based on the difference between the frequency shift timing of the transmission signal and the frequency shift timings of the reception signals received by the plurality of ultrasonic wave receivers. The ultrasonic measurement apparatus according to claim 1, wherein an intersection of a plurality of spheroids having a focus on the ultrasonic receiver is detected as an object position in a three-dimensional space.
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