JP2012093143A

JP2012093143A - 障害物検知装置

Info

Publication number: JP2012093143A
Application number: JP2010239105A
Authority: JP
Inventors: Naoto Terada; 直人寺田
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-10-25
Filing date: 2010-10-25
Publication date: 2012-05-17

Abstract

【課題】光、電波、超音波等の信号波を用いる障害物検知装置において、低コストな構成により、障害物までの距離を精度良く測定可能とする。
【解決手段】本装置１は、正弦波状の信号波を生成する信号生成部２と、信号波を送信する送信部３と、信号波の対象物からの反射波を受信する受信部４と、サンプリング部５と、演算部６とを備える。サンプリング部５は、受信部４で受信された反射波の信号強度を標本化して標本列を取得する。演算部６は、標本列に振幅と位相差をパラメータとする正弦波をフィッティングさせることにより信号波と反射波の位相差θを求める。標本列のフィッティングという統計的な処理に基づくので、ノイズなどの測定上の影響の少ない位相差を求めることができる。また、位相差に基づいて距離を求めるので、高価な高速回路によらずに障害物までの距離を精度良く求めることができ、低コストの障害物検知装置を実現できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、反射波を用いて障害物を検知する障害物検知装置に関する。

従来から、マイクロ波などの空間を伝播する信号波を用いて障害物を検知することが行われている。例えば、送信回路からの高周波信号をＯｎ／Ｏｆｆしてパルス化するとともに装置外部に向けて送波し、その送波の障害物からの反射波を受信し、送信回路からの高周波信号と受信波とをミキシングするとともにＡＭ検波する。得られた検波波形を微分回路で微分し、正の微分出力から反射波の立上りを検出して受波開始時刻を取得し、送信開始時刻との時間差に基づいて物体までの距離を算出して障害物を検知する障害物検知装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この装置において、時間差の取得のために、のこぎり刃状の波形の電圧−時間変換処理を用いたり、サンプリングパルスのパルス数をカウントしたりする処理が行われている。

ここで、図８、図９を参照して、パルスカウンタを用いて時間差を取得し、障害物までの距離を求める従来技術の一般的な例を説明する。時間差取得に関連する回路部分は、図８に示すように、送信部９１、受信部９２、クロック発生部９３、およびカウンタ９４を備えたものとなる。受波開始時刻は、例えば、上述のように微分出力などによって検出されているものとする。カウンタ９４は、送信部９１からの送波開始時刻の情報と受信部９２からの受波開始時刻の情報とに基づいて、これらの時刻の間にクロック発生部９３が発生したクロックパルス数（ｎとする）をカウントする。求める時間差δＴは、図９（ａ）（ｂ）に示すように、送信信号と受信信号の立上りの時刻の時間差であり、クロックパルスは、図９（ｃ）に示すように、時間差δＴよりも十分短い周期Ｔｃの高周波（周波数ｆｃ＝１／Ｔｃ）のパルス列である。図９（ｄ）に示すように、カウンタ９４によって時間差δＴの測定値として、時間ｔ１＝ｎ／ｆｃ＝ｎ×Ｔｃが得られる。時間ｔ１は信号波の障害物までの往復時間であり、信号波（電波、光、超音波など）の伝播速度ｃを用いて、障害物までの距離Ｌは、Ｌ＝ｃ×ｔ１／２によって求められる。

特開２００２−３６５３６２号公報

しかしながら、距離Ｌを求めるために、上述した特許文献１や図１２、図１３に示されるような時間差δＴの測定値である時間ｔ１を用いる障害物検知装置においては、距離精度をより向上するためにクロックパルスの周波数ｆｃをより高周波化する必要がある。上述の距離Ｌ＝ｃ×ｔ１／２における信号波の伝播速度ｃは、信号波が電波や光の場合、ｃ≒３×１０^８ｍである。また、距離の誤差ΔＬはΔＬ＝ｃ／ｆｃ／２となる。従って、例えばｆｃ＝１５０ＭＨｚの場合、ΔＬ＝１ｍとなる。そして、距離の誤差ΔＬを５ｃｍまで向上するには、クロックパルスの周波数をｆｃ＝３ＧＨｚとする必要がある。電気回路は、一般に周波数が高いほど高価であり、実際の回路構成を高速化すると高価な回路構成となり、経済的ではないという問題がある。

本発明は、上記課題を解消するものであって、光、電波、超音波等の信号波とその反射波とを用いて障害物までの距離を精度良く求めることができる低コストの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、本発明の障害物検知装置は、反射波を含む２波の位相差を求めることにより対象物までの距離を求める障害物検知装置において、正弦波状の信号波を生成する信号生成部と、信号生成部により生成された信号波を対象物に向けて送信する送信部と、送信部から送信された信号波の対象物からの反射波を受信する受信部と、受信部により受信された反射波の信号強度を標本化して標本列を取得するサンプリング部と、サンプリング部により取得された標本列に振幅と位相差をパラメータとする正弦波をフィッティングさせることにより信号波と反射波の位相差を求める演算部と、を備えることを特徴とする。

この障害物検知装置において、信号生成部により生成された信号波の周波数を逓倍してなる逓倍波を生成する逓倍部を備え、サンプリング部は、逓倍波の周期毎に反射波の信号強度を標本化して標本列を取得することが好ましい。

また、本発明の障害物検知装置は、反射波を含む２波の位相差を求めることにより対象物までの距離を求める障害物検知装置において、正弦波状の信号波を生成する信号生成部と、信号生成部により生成された信号波の周波数を分周してなる分周波を生成する分周部と、分周部により生成された分周波を対象物に向けて送信する送信部と、送信部から送信された分周波の対象物からの反射波を受信する受信部と、信号波の周期毎に反射波の信号強度を標本化して標本列を取得するサンプリング部と、サンプリング部により取得された標本列に振幅と位相差をパラメータとする正弦波をフィッティングさせることにより分周波と反射波の位相差を求める演算部と、を備えることを特徴とする。

これらの障害物検知装置において、サンプリング部は、標本化に用いるＡＤコンバータを備えていることが好ましい。

これらの障害物検知装置において、信号生成部は、生成する信号波の周波数を２種類以上の周波数間で切り替え自在であることが好ましい。

本発明の障害物検知装置によれば、標本列のフィッティングという統計的な処理に基づくので精度良く信号波と反射波の位相差、および対象物までの距離を求めることができ、精度向上のための回路の高速化が不要であり、低コストの障害物検知装置を実現できる。

本発明の一実施形態に係る障害物検知装置のブロック構成図。（ａ）（ｂ）は同装置の動作を説明するためのタイミングチャート。他の実施形態に係る障害物検知装置のブロック構成図。（ａ）（ｂ）（ｃ）は同装置の動作を説明するためのタイミングチャート。さらに他の実施形態に係る障害物検知装置のブロック構成図。さらに他の実施形態に係る障害物検知装置のブロック構成図。さらに他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における一般的な時間差検出部のブロック構成図。（ａ）〜（ｄ）は同装置の動作を説明するためのタイミングチャート。

（第１の実施形態）
以下、本発明の実施形態に係る障害物検知装置について、図面を参照して説明する。図１、図２は第１の実施形態を示す。図１に示すように、本実施形態の障害物検知装置１は、正弦波状の信号波を生成する信号生成部２と、信号波を対象物に向けて送信する送信部３と、信号波の対象物からの反射波を受信する受信部４と、サンプリング部５と、演算部６と、を備える。サンプリング部５は、受信部４で受信された反射波の信号強度を標本化して標本列を取得する。演算部６は、標本列に振幅と位相差をパラメータとする正弦波をフィッティングさせることにより信号波と反射波の位相差（θとする）を求める。障害物検知装置１は、反射波を含む２波、すなわち、送信波と反射波（受信波）の位相差を測定し、その位相差と信号波の既知の伝搬速度とから反射体である障害物までの距離を求めること、すなわち障害物を検知することができる。

図２（ａ）（ｂ）に示すように、送信信号（送信波）は適宜波数分の連続正弦波であり、受信信号（反射波）は送信部３から反射体を経由して受信部４に至る経路長に相当する時間差δＴだけ遅延した信号である。送信波の周期を周期Ｔとすると、時間差δＴを用いて、位相差θ＝２π×δＴ／Ｔ（ラジアン）となり、逆に時間差δＴ＝Ｔ×θ／（２π）となる。図２には白丸で測定点が示されている。サンプリング部５が取得する標本列は、一般的に、任意のタイミングにおける受信信号の測定値（受信信号強度値）の集合であればよく、各測定値は測定時刻によって識別される。

次に、標本列から位相差θを求め、障害物までの距離Ｌを求める方法を説明する。信号波の角周波数をω、初期位相をα、時間変数をｔとし、位相差θを用いて、信号波Ｓ＝Ａ×ｓｉｎ（ω×ｔ＋α）、反射波Ｒ＝Ｂ×ｓｉｎ（ω×ｔ＋α＋θ）とする。また、標本列のＮ個の測定値をＶ（ｎ），ｎ＝１，２，・・Ｎ、各測定値の測定時刻をｔ（ｎ），ｎ＝１，２，・・Ｎとする。すると、Ｖ（ｎ）は、次式のように表される。
Ｖ（ｎ）＝Ｂ×ｓｉｎ（ω×ｔ（ｎ）＋α＋θ），ｎ＝１，２，・・Ｎ。
ここで、角周波数ωは既知であり、振幅Ｂと位相差θは未知である。初期位相αはサンプリング開始のタイミングに依存する量であり、一般的に既知とすることができる。そこで、位相差θは、各標本点Ｖ（ｎ）に対し、振幅Ｂと位相差θをパラメータとする正弦波を、例えば最小二乗近似法などによってフィッティングさせることにより求めることができる。すなわち、図２（ａ）における白点の測定点から、実線の反射波（正弦波）を再現することにより、位相差θが求められる。信号波と反射波とは同一周波数の正弦波であり、フィッティングが確実かつ容易である。演算部６は、このようにして位相差θ、従って時間差δＴを算出し、信号波の伝播速度ｃを用いて距離Ｌ、Ｌ＝ｃ×δＴ／２＝ｃ×Ｔ×θ／（４π）を算出する。

本実施形態によると、標本列のフィッティングという統計的な処理を用いて位相差を求めるので、ノイズなどの測定上の影響の少ない位相差の検出を行うことができる。また、位相差に基づいて距離を求めるので、高価な高速回路によらずに障害物までの距離を精度良く求めることができ、低コストの障害物検知装置を実現できる。なお、信号波の媒体として電波、光、超音波などを用いることができ、送信部３や受信部４などの障害物検知装置１の各部は、各媒体に応じた構成とされる。例えば、光を媒体とする場合、光強度を正弦波で振幅変調すればよい。送信波の波数、すなわち信号波の長さは、標本点の適切な平均処理に必要な測定点数が得られる長さであればよい。信号波が長すぎると、繰り返し距離測定の繰り返し時間間隔を短縮できなくなるので、測定条件に合わせて信号波の長さを設定する。

次に、図３、図４により他の実施形態を説明する。図３に示す障害物検知装置１は、上述の図１に示した障害物検知装置１において、信号波の周波数を逓倍してなる逓倍波を生成する逓倍部７をさらに備えるものである。サンプリング部５は、図４（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、逓倍部７によって生成された逓倍波の周期毎に反射波の信号強度を標本化して標本列を取得する。本図の例では、４倍逓倍波による標本化が示されている。そのサンプリングのタイミングは、信号波の位相と同相またはπ／２の倍数だけずれた位相のタイミングとなっており、任意時間間隔の標本列の場合よりも処理が簡単になる。演算部６の処理を含む他の構成等は、上述同様である。

次に、図５により、さらに他の実施形態を説明する。この障害物検知装置１は、上述の図１に示した障害物検知装置１において、信号生成部２によって生成された信号波の周波数を分周してなる分周波を生成する分周部８をさらに備えるものである。本実施形態では、送信部３は、分周部８によって生成された分周波を対象物に向けて送信し、サンプリング部５は、信号波の周期毎に反射波を標本化して標本列を取得する。演算部６の処理を含む他の構成等は、上述の各実施形態と同様である。

次に、図６により、さらに他の実施形態を説明する。この障害物検知装置１は、上述の図１に示した障害物検知装置１において、サンプリング部５が、標本化に用いるＡＤコンバータ５０を備えているものである。このようなＡＤコンバータ５０を備えることにより、標本列をデジタル値として取得することができ、その後の演算部６においてデジタル処理が行えるので、演算部の処理の負荷が少なく、処理が簡便な装置が得られる。

次に、図７により、さらに他の実施形態を説明する。この障害物検知装置１は、上述の図１に示した障害物検知装置１において、信号生成部２が生成する信号波の周波数をシフトする周波数シフト部２１をさらに備えるものである。信号生成部２と周波数シフト部２１とは、全体で新たな信号生成部を構成したものと見做すことができる。このような構成により、信号波の周波数が２種類以上の周波数間で切り替え自在である周波数可変の障害物検知装置１が得られる。一般に、送信波と反射波の位相差に基づいて障害物までの距離を求める装置においては、一意的に求めることができる最遠距離が信号波の波長によって制限される。つまり、位相が、１周期内で定義されることに起因して、波長より遠距離では、波長の整数倍の不確定さが伴うことになる。また、長い波長の信号波を用いると、複数周期にわたって十分な標本点数の標本列を得る必要性から、近距離における測定に時間がかかるなどの不具合が発生する。言い換えると、周波数を高くすればする程、距離分解能が高くなり、より正確な測距が可能となる。また、周波数を低くすればする程、１周期の時間が長くなり、より遠距離の対象物の検知が可能となる。本実施形態によれば、周波数シフト部２１を備えて信号波の周波数を切り替えることにより、対象物が遠距離または未検知の場合は周波数を低くしておき、対象物が検出され、近距離でより高い精度が必要な場合、周波数を高くするといった使用方法が可能となる。

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り、上述した各実施形態の構成を互いに組み合わせた構成とすることができる。例えば、周波数シフト部２１を備える構成や、ＡＤコンバータ５０を備える構成は、それぞれ他の実施形態においても適用することができる。また、上記では、信号生成部２が正弦波状の信号波を生成する旨説明したが、信号波は、正弦波状の信号波に限らず、フィッティングによって時間差δＴを求めることができる任意波形の信号波を用いることができる。例えば、三角波、のこぎり波その他の周期波や、ガウス関数型の単発波などの形状が既知の信号波を用いることができる。

１障害物検知装置
２信号生成部
３送信部
４受信部
５サンプリング部
５０ＡＤコンバータ
６演算部
７逓倍部
８分周部
Ｔ周期
θ 位相差

Claims

反射波を含む２波の位相差を求めることにより対象物までの距離を求める障害物検知装置において、
正弦波状の信号波を生成する信号生成部と、
前記信号生成部により生成された信号波を対象物に向けて送信する送信部と、
前記送信部から送信された信号波の対象物からの反射波を受信する受信部と、
前記受信部により受信された反射波の信号強度を標本化して標本列を取得するサンプリング部と、
前記サンプリング部により取得された標本列に振幅と位相差をパラメータとする正弦波をフィッティングさせることにより前記信号波と前記反射波の位相差を求める演算部と、を備えることを特徴とする障害物検知装置。
前記信号生成部により生成された信号波の周波数を逓倍してなる逓倍波を生成する逓倍部を備え、
前記サンプリング部は、前記逓倍波の周期毎に前記反射波の信号強度を標本化して標本列を取得することを特徴とする請求項１に記載の障害物検知装置。
反射波を含む２波の位相差を求めることにより対象物までの距離を求める障害物検知装置において、
正弦波状の信号波を生成する信号生成部と、
前記信号生成部により生成された信号波の周波数を分周してなる分周波を生成する分周部と、
前記分周部により生成された分周波を対象物に向けて送信する送信部と、
前記送信部から送信された分周波の対象物からの反射波を受信する受信部と、
前記信号波の周期毎に前記反射波の信号強度を標本化して標本列を取得するサンプリング部と、
前記サンプリング部により取得された標本列に振幅と位相差をパラメータとする正弦波をフィッティングさせることにより前記分周波と前記反射波の位相差を求める演算部と、を備えることを特徴とする障害物検知装置。
前記サンプリング部は、前記標本化に用いるＡＤコンバータを備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の障害物検知装置。
前記信号生成部は、生成する信号波の周波数を２種類以上の周波数間で切り替え自在であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の障害物検知装置。