JP2012230060A - 超音波距離測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】第１の装置は、第２の装置への超音波の送信より第２の装置からの応答の超音波の受信までの時間の計測値と音速とに基づいて、第１の位置と第２の位置との間の距離を測定するシステムにおいて、第１の装置の送信波の周波数又はパルス数を第２の装置と異なる値に設定することなく、周囲に存在する物体からの反射波に起因する誤測定を防止する。
【解決手段】親機（第１の装置）は、子機（第２の装置）へ超音波１０２を送信し、子機２は、親機からの送信波を受信し（受信波２０２）、一定時間Ｔ２経過してから、応答波２０４を送信する。親機は、超音波１０２の送信後、一定時間Ｔ２経過してから、子機からの応答波を検出する。超音波１０２が周囲の物体で反射し、親機に到達する受信波１０３、１０５を子機からの応答波と誤らない。親機は、時間（Ｔ４−Ｔ２）と音速を基に、子機までの距離を測定する。
【選択図】図４

Description

本発明は、超音波を用いて距離を測定するシステムに関する。

超音波を用いて距離を測定する超音波距離測定装置は、レーザを用いて距離を測定するレーザ距離測定装置に比べてコストが低くかつ取り扱いが容易なため、簡易距離計として広く使用されている。

超音波距離測定装置としては、測定対象であるターゲットに向けて超音波を送信し、反射波が帰ってくるまでの時間を測定し、その時間と音速とから距離を算出する反射型の装置が一般的である。

しかし、反射型の装置には、「ターゲットとして超音波の反射率の高い材質や形状が要求される。」、「ターゲットの周囲に超音波を反射する物体があると、ターゲットからの反射波を特定できない。」等の問題がある。

これらの問題を解決した装置として、特許文献１に記載された超音波距離測定システムがある。このシステムでは、距離を測定すべき第１の位置、第２の位置に、それぞれ第１の装置、第２の装置を設置し、第１の装置は第２の装置に向けて超音波を送信し、第２の装置は第１の装置からの超音波を受信したとき、第１の装置に向けて応答の超音波を送信し、第１の装置は第２の装置に向けて超音波を送信したときから第２の装置からの応答の超音波を受信したときまでの時間と、音速とに基づいて、距離を算出する。

ここで、第１の装置、第２の装置は、自装置が送信する超音波を相手装置が識別できるようにするため、自装置の送信波の周波数又はパルス数を相手装置の送信波の周波数又はパルス数と異なる値に設定し、両装置間に物体が介在する場合などにおける誤測定を防止する。

しかしながら、この超音波距離測定システムでは、それぞれの装置に自装置及び相手装置双方の周波数又はパルス数の信号を処理する機能が必要となるため、装置構成が複雑となり、コストが高くなるという問題がある。

特開平８−２７１６２８号公報

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、その目的は、距離測定対象位置である第１の位置、第２の位置に設置される第１の装置、第２の装置を備え、前記第１の装置は、前記第２の装置への超音波の送信より前記第２の装置からの応答の超音波の受信までの時間の計測値と音速とに基づいて、前記第１の位置と前記第２の位置との間の距離を測定する超音波距離測定システムにおいて、前記第１の装置の送信波の周波数又はパルス数を前記第２の装置の送信波の周波数又はパルス数と異なる値に設定することなく、周囲に存在する物体からの反射波に起因する誤測定を防止できるようにすることである。

本発明の超音波距離測定システムは、距離測定対象位置である第１の位置、第２の位置に設置される第１の装置、第２の装置を有し、前記第１の装置は、前記第２の装置への超音波の送信より前記第２の装置からの応答の超音波の受信までの時間の計測値と音速とに基づいて、前記第１の位置と前記第２の位置との間の距離を測定する超音波距離測定システムであって、前記第１の装置は、前記第２の装置に超音波を送信してから、予め測定しておいた周囲の物体からの反射波が検出されなくなるまでの時間であるガードタイムが経過したとき、前記応答の超音波の受信を開始する応答波受信制御部と、前記時間の計測値から前記ガードタイムを減算した時間を正味の時間計測値とし、当該正味の時間計測値と音速とに基づいて、前記第１の位置と前記第２の位置との間の距離を算出する距離算出部とを有し、前記第２の装置は、前記第１の装置から送信された超音波を受信してから、前記ガードタイム経過したとき、前記応答の超音波を送信する応答波送信制御部を有する超音波距離測定システムである。

本発明によれば、距離測定対象位置である第１の位置、第２の位置に設置される第１の装置、第２の装置を備え、前記第１の装置は、前記第２の装置への超音波の送信より前記第２の装置からの応答の超音波の受信までの時間の計測値と音速とに基づいて、前記第１の位置と前記第２の位置との間の距離を測定する超音波距離測定システムにおいて、前記第１の装置の送信波の周波数又はパルス数を前記第２の装置の送信波の周波数又はパルス数と異なる値に設定することなく、周囲に存在する物体からの反射波に起因する誤測定を防止することができる。

本発明の実施形態の超音波距離測定システムを構成する親機及び子機のブロック図である。 本発明の実施形態の超音波距離測定システムにおける親機の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態の超音波距離測定システムにおける子機の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態の超音波距離測定システムの動作を示すタイミングチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
〈超音波距離測定システムのブロック図〉
図１は、本発明の実施形態の超音波距離測定システムのブロック図である。ここで、図１Ａは親機を示し、図１Ｂは子機を示す。

《親機の構成》
親機１は、制御部１１、バースト波発生部１２、超音波トランスジューサ１３、受信信号増幅部１４、信号レベル比較部１５、温度計測部１６、及び表示部１７を備えている。

制御部１１は、親機１の全体を制御するコントローラであり、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びＲＡＭ（Random Access Memory）を内蔵しており、ＲＯＭに記憶されているプログラムやデータをＣＰＵがＲＡＭをワークエリアとして実行することにより実現される機能として、タイマー１１ａと距離算出部１１ｂを有する。

バースト波発生部１２は、制御部１１からの一定周期の送信タイミング信号に応じて、バースト波を生成し、超音波トランスジューサ１３に送出する。超音波トランスジューサ１３は、バースト波発生部１２から出力されるバースト波に応じて所定周波数（例えば４０ｋＨｚ）のバースト超音波を子機２に送信する。また、超音波トランスジューサ１３は、所定周波数のバースト超音波を受信して受信信号を生成し、受信信号増幅部１４に送出する。受信信号増幅部１４は、超音波トランスジューサ１３で生成された受信信号を増幅し、信号レベル比較部１５に送出する。信号レベル比較部１５は、入力された受信信号のレベル（振幅）を所定の閾値と比較し、閾値を超える信号のみを抽出することでノイズを除去し、制御部１１に送出する。

タイマー１１ａは、制御部１１がバースト波発生部１２に対して送信タイミング信号を送出してから、信号レベル比較部１５が出力信号を制御部１１に送出するまでの時間を計測する。このとき、後述するガードタイムＴ２を測定時間から減算する。

また、タイマー１１ａは、制御部１１がバースト波発生部１２に対して送信タイミング信号を送出してから、受信信号増幅部１４及び信号レベル比較部１５が動作を開始するまでの時間としてのガードタイムＴ２（詳細については後述する）をカウントしたとき、カウントアップ信号を出力する。つまり、タイマー１１ａは、本発明の応答波受信制御部を構成している。

距離算出部１１ｂは、タイマー１１ａの計測値と音速とに基づいて、親機１と子機２との間の距離を算出し、算出値を表示部１７に送出する。表示部１７は、入力された距離の算出値を表示する。

温度計測部１６は、環境温度を計測し、その温度値を制御部１１に送出する。制御部１１は、入力された温度値をＲＡＭに書き込み、記憶する。制御部１１内のＲＯＭには、環境温度と音速との対応関係を示すテーブルが格納されており、距離算出部１１ｂは、距離を算出するときに、温度計測部１６で計測された温度に対応する音速を用いる。

《子機の構成》
子機２は、制御部２１、バースト波発生部２２、超音波トランスジューサ２３、受信信号増幅部２４、及び信号レベル比較部２５を備えている。各部の構成及び機能は親機１における同名のブロックと同様である。また、超音波トランスジューサ２３の送受信周波数は、親機１の超音波トランスジューサ１３の送受信周波数と同じである。

制御部２１は、ＲＯＭに記憶されているプログラムやデータをＣＰＵがＲＡＭをワークエリアとして実行することにより実現される機能として、タイマー２１ａと応答制御部２１ｂを有する。タイマー２１ａと応答制御部２１ｂが本発明の応答波送信制御部に対応する。

タイマー２１ａは、信号レベル比較部２５の出力信号が入力されてから、所定のガードタイムＴ２が経過したときにタイムアップ信号を生成し、応答制御部２１ｂに送出する。応答制御部２１ｂは、タイマー２１ａからタイムアップ信号が入力されたとき、バースト波発生部２２に対し、送信タイミング信号を送出する。

〈超音波距離測定システムの動作〉
以上の構成を備えた超音波距離測定システムの動作について、図２〜図４を用いて説明する。ここで、図２は親機１の動作を示すフローチャート、図３は子機２の動作を示すフローチャート、図４は親機１及び子機２、即ちシステムの動作を示すタイミングチャートである。

ここで、親機１は距離測定の基準位置に設置されており、子機２は基準位置からの距離を測定したい位置（以下、被測定位置）に設置されている。ここで、基準位置と被測定位置との間は見通せるものとする。また、図２及び図３に示す距離測定動作を実行する前にガードタイムＴ２を測定し、親機１及び子機２のそれぞれの制御部内のＲＯＭやＲＡＭに記憶しておく。また、温度計測部１６で環境温度を計測し、その温度値を制御部１１内のＲＡＭに記憶しておく。

図２に示すように、まず親機１は、子機２に向けて超音波を送信するとともに、タイマーをスタートさせる（ステップＳ１）。このとき、制御部１１は、バースト波発生部１２に対して、一定周期の送信タイミング信号を送出し、バースト波発生部１２は、送信タイミング信号に応じて、バースト波を発生し、超音波トランスジューサ１３は、バースト波に応じて、バースト超音波（親機送信波）を子機２に向けて送出する。また、制御部１１はタイマー１１ａのカウントを開始させる。

図３に示すように、子機２は親機１からの送信波の受信を監視する（ステップＳ１１）。このとき、子機２では、親機１から送信された所定周波数のバースト超音波が超音波トランスジューサ２３により電気信号（受信信号）に変換され、受信信号増幅部２４により増幅される。そして、増幅された受信信号のレベルが所定の閾値を超えている場合、信号レベル比較部２５が出力信号を制御部２１に送出する。

制御部２１は、信号レベル比較部２５からの出力信号が入力されることで、親機１からの送信波を受信したと判断すると（ステップＳ１１：Yes）、ガードタイムＴ２待機する（ステップＳ１２）。即ち、タイマー２１ａをスタートさせ、カウントアップを待つ。

そして、ガードタイムＴ２が経過したとき、親機１に向けて応答の超音波（応答波）を送信する（ステップＳ１３）。このとき、応答制御部２１ｂは、バースト波発生部２２に対して、送信タイミング信号を送出し、バースト波発生部２２は、送信タイミング信号に応じて、バースト波を発生し、超音波トランスジューサ２３は、バースト波に応じて、バースト超音波（子機応答波）を親機１に向けて送出する。その後、ガードタイムＴ２待機し（ステップＳ１４）、ガードタイムＴ２が経過したとき、ステップＳ１１に移行して、親機１からの送信波の受信の監視を繰り返す。

図２に示すように、親機１は、超音波の送出及びタイマースタートの後、ガードタイムＴ２待機し（ステップＳ２）、ガードタイムＴ２が経過したとき、子機２からの応答波の受信を監視する（ステップＳ３）。

制御部１１は、信号レベル比較部１５からの出力信号が入力されることで、子機２からの応答波を受信したと判断すると（ステップＳ３：Yes）、タイマー１１ｂをストップさせ、そのタイマー値、ガードタイムＴ２、及び音速に基づいて、親機１と子機２との間の距離を算出する（ステップＳ４）。そして、算出結果を表示部１７に送出して表示させ（ステップＳ５）、ステップＳ１に移行して、超音波の送信及びタイマースタートを繰り返す。

以上の動作について、図４に示すタイミングチャートを用いて説明を補足する。
図２のステップＳ１により、親機送信波１０２が子機２に向けて送信される。親機送信波１０２は、親機１から子機２までの最短距離（直線距離）を超音波が伝播する時間Ｔ１遅れて子機２で受信され（ステップＳ１１：Yes）、子機受信波２０２が受信信号となる。

子機２は、ガードタイムＴ２待機し（ステップＳ１２）、子機応答波２０４を親機１に向けて送信する（ステップＳ１３）。子機応答波２０４は、子機２から親機１までの最短距離（直線距離）を超音波が伝播する時間Ｔ３遅れて親機１で受信され（ステップＳ３：Yes）、親機受信波１０４が受信信号となる。

親機１は、親機送信波１０２を送信した時点から、子機応答波２０４を受信した時点までの時間（遅延時間）である“Ｔ４（＝Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３）”からガードタイム“Ｔ２”を減算した“Ｔ４−Ｔ２”に音速“Ｖｓ”を乗算し、“２”で除算することで、親機１から子機２までの距離を算出する。

即ち、距離をＬとすると、
Ｌ＝（Ｔ４−Ｔ２）×Ｖｓ／２
である。

ここで、ガードタイムＴ２を設けた理由を説明する。親機送信波１０２は、子機２に到達して子機受信波２０２となるものだけでなく、周辺の物体で反射して親機受信波１０３、１０５となるものもある。そこで、これらの自装置の送信波の環境反射波からなる親機受信波１０３、１０５を子機２からの応答波と誤らないようにするため、超音波の送信から環境反射波が受信されなくなるまでの時間Ｔ２を予め測定し、それをガードタイムＴ２とする。

そして、子機２は親機送信波１０２を受信してから、ガードタイムＴ２待機した後に子機応答波を送信するので、親機１で子機２からの応答波を受信する時点が親機送信波１０２の送信時点からガードタイムＴ２経過する以前になることは有り得ない。つまり、図において、“Ｔ２”経過以前に子機２からの応答波が受信されることはない。このため、“Ｔ２”経過以前の受信波を検出しないことで、自装置の送信波の環境反射波からなる親機受信波１０３、１０５を子機２からの応答波と誤ることはなくなる。

また、子機２は、応答波を送信した後、ガードタイムＴ２待機してから、親機送信波を監視する（ステップＳ１４→Ｓ１１）。これにより、子機応答波２０４が周囲の物体に反射して子機２に帰ってくる子機受信波２０５、２０７を、親機送信波１０２の次に送信される親機送信波と誤ることはなくなる。ここでは、子機２において環境反射波が受信されなくなるまでの時間として、親機１において環境反射波が受信されなくなるまでの時間Ｔ２を採用した、つまり、子機２において環境反射波が受信されなくなるまでの時間と親機１において環境反射波が受信されなくなるまでの時間とが同じとしたが、別途、子機２において環境反射波が受信されなくなるまでの時間を計測し、それをガードタイムとしてもよい。

なお、図４において、親機受信波１０４は子機応答波２０４の直接波であり、親機受信波１０７は子機応答波２０４の環境反射波である。また、子機受信波２０３は親機送信波１０２の環境反射波である。

なお、以上の実施形態では、バースト超音波を用いているが、パルス状の超音波を用いることもできる。

１…親機、２…子機、１１ａ，２１ａ…タイマー、１１ｂ…距離算出部、１３，２３…超音波トランスジューサ、２１ｂ…応答制御部。

Claims (2)

1. 距離測定対象位置である第１の位置、第２の位置に設置される第１の装置、第２の装置を有し、前記第１の装置は、前記第２の装置への超音波の送信より前記第２の装置からの応答の超音波の受信までの時間の計測値と音速とに基づいて、前記第１の位置と前記第２の位置との間の距離を測定する超音波距離測定システムであって、
   前記第１の装置は、前記第２の装置に超音波を送信してから、予め測定しておいた周囲の物体からの反射波が検出されなくなるまでの時間であるガードタイムが経過したとき、前記応答の超音波の受信を開始する応答波受信制御部と、前記時間の計測値から前記ガードタイムを減算した時間を正味の時間計測値とし、当該正味の時間計測値と音速とに基づいて、前記第１の位置と前記第２の位置との間の距離を算出する距離算出部とを有し、
   前記第２の装置は、前記第１の装置から送信された超音波を受信してから、前記ガードタイム経過したとき、前記応答の超音波を送信する応答波送信制御部を有する
   超音波距離測定システム。
2. 請求項１に記載された超音波距離測定システムにおいて、
   前記第１の装置は、温度計測部を有し、
   前記距離算出部は、前記温度計測部により計測された温度に対応する音速を用いて距離を算出する
   超音波距離測定システム。
   

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