JP2014115203A - 距離計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度に距離を測定できる距離計測装置において、回路構成を単純にすることを目的とする。
【解決手段】上記目的を達成するため本発明は、送波信号Ｓ１を生成する送波信号生成部１と送波信号Ｓ１に基づきエネルギー波を送波する送波部２と、エネルギー波の反射波を受波し、受波信号Ｙ_nを出力する受波部３と、受波信号を基準信号Ｓ２とミキシングして検波信号ｘ_nを出力する検波部４と、検波信号ｘ_nを用いて、エネルギー波が送波部２から送波された後受波部３で受波されるまでの時間を計測し、距離を算出する距離計測部５と、検波信号ｘ_nの位相を計測し、位相を用いて距離計測部５で算出した距離を補正する距離補正部６と、を備え、基準信号Ｓ２は、送波信号Ｓ１と異なる周波数であるものとした。これにより本発明は、高精度に距離を測定できる距離計測装置において、回路構成を単純にすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、対象物との距離を計測する距離計測装置に関する。

距離計測装置は、空間内に配置された対象物と距離計測装置との間の距離を測定できる。

距離計測装置は、送波信号を生成する送波信号生成部と、送波信号に基づき空間内に超音波を送波する送波部と、超音波の反射波を受波し、受波信号を出力する受波部と、超音波が送波部から送波されて受波部で受波されるまでの時間を計測し、この時間に基づいて距離を計測する距離計測部と、を備えている。

距離計測部では、次の（式１）を用いて距離を計測する。下記（式１）において、距離計測装置から対象物までの距離をＬとし、送波から受波までの時間をΔｔとし、音速をＶとする。

下記特許文献１は、上記従来技術に近似する例を挙げる。

特開平６−８３５２８号公報

上記従来技術で計測した距離は、精度が低いという課題がある。

すなわち、従来技術では、受波信号が所定の閾値を超えた時刻から受波時刻を推定するため、受波信号の波形によって受波時刻が変動する。したがって、計測した距離に誤差が生じることがある。

誤差を補正する方法としては、受波信号を送波信号と同じ周波数で位相が９０°異なる基準信号とミキシングして位相を計測し、この位相に基づいて計測した距離を補正する方法が考えられる。

この方法によれば、送波信号の半周期よりも短い単位で距離を補正できるが、一方で回路構成が複雑になるという課題が生じる。

すなわち位相の測定にいわゆる直交検波方式を用いる場合、少なくとも受波信号を二系統に分けてそれぞれ検波する回路が必要である。そしてその結果、回路構成が複雑になるのである。

そこで本発明は、高精度に距離を測定できる距離計測装置において、回路構成を単純にすることを目的とする。

この目的を達成するため本発明は、送波信号を生成する送波信号生成部と、送波信号に基づきエネルギー波を送波する送波部と、エネルギー波の反射波を受波し、受波信号を出力する受波部と、受波信号を基準信号とミキシングして検波信号を出力する検波部と、検波信号を用いて、エネルギー波が送波部から送波された後、受波部で受波されるまでの時間を計測し、この時間に基づいて距離を算出する距離計測部と、検波信号の位相を計測し、位相を用いて距離計測部で算出した距離を補正する距離補正部と、を備え、基準信号は、送波信号と異なる周波数であるものとした。

これにより本発明は、高精度な距離計測装置の回路構成を単純にできる。

その理由は、検波部で送波信号と異なる周波数の基準信号をミキシングするからである。これにより本発明は、検波信号を正弦波で表すことができ、一系統の回路構成で検波信号の位相を特定できる。したがって、この位相に基づき距離を補正でき、結果として高精度に距離を測定できる距離計測装置において、回路構成を単純にできる。

本発明の実施の形態１における距離計測装置の回路ブロック図 本発明の実施の形態１における検波信号の波形を模式的に示す図 本発明の実施の形態２における距離計測装置の回路ブロック図 本発明の実施の形態３における距離計測装置の回路ブロック図 （Ａ）本発明の実施の形態３における対象物の移動速度と検波信号の波形を模式的に示す図、（Ｂ）本発明の実施の形態３における対象物の移動速度と検波信号の波形を模式的に示す図

（実施の形態１）
本実施の形態の距離計測装置は、例えば車両に搭載され、車両と障害物との距離を測定したり、あるいはテレビやパーソナルコンピュータ、照明器具等の電化製品に搭載され、電化製品と人間との距離を測定したりすることができる。

図１は、本実施の形態の距離測定装置の回路ブロック図である。本実施の形態の距離測定装置は、空間内の対象物と距離測定装置との間の距離Ｌを測定する。

初めに、本実施の形態の距離測定装置の構成について説明する。

距離測定装置は、送波信号Ｓ１を生成する送波信号生成部１と、送波信号Ｓ１に基づき空間内にエネルギー波を送波する送波部２と、エネルギー波の反射波を受波し、受波信号Ｙ_nを出力する受波部３と、受波信号Ｙ_nを基準信号Ｓ２とミキシングして検波信号ｘ_nを出力する検波部４と、検波信号ｘ_nを用いて、エネルギー波が送波部２から送波された後、受波部３で受波されるまでの時間を計測し、この時間に基づき距離を算出する距離計測部５と、検波信号ｘ_nの位相を計測し、位相を用いて距離計測部５で算出した距離を補正する距離補正部６と、を備えている。基準信号Ｓ２は、送波信号Ｓ１と異なる周波数である。距離測定装置は、メモリ部７を備えていても良い。メモリ部７では検波信号ｘ_nや検波信号ｘ_nに対応する信号が記憶される。

エネルギー波は、例えば超音波やその他の周波数帯域の電波である。送波部２は、例えば超音波マイクや電波アンテナ等である。受波部３も、例えば超音波マイクや電波アンテナ等である。受波部３は、受波した反射波を電気信号に変換し、受波信号Ｙ_nとして出力するものとした。本実施の形態では、送波部２と受波部３とを別部材としたが、いわゆる共用器であってもよい。

また本実施の形態では、図１の回路ブロック図に示すように、送波信号Ｓ１は増幅回路８で増幅されて送波部２に入力される。また受波信号Ｙ_nは増幅回路９を介して受波部３から出力される。受波信号Ｙ_nは増幅回路９で増幅されて検波部４に入力される。さらに検波部４では、ミキシングされた合成信号Ｘ_nがローパスフィルタ１０に入力されて高周波成分が除去される。

本実施の形態では、距離計測部５および距離補正部６は、演算装置１１に組み込まれる。本実施の形態の演算装置１１は、マイクロコンピュータ１３に搭載される。

なお、基準信号Ｓ２は基準信号生成部１２で生成される。基準信号生成部１２は距離計測装置の内部に組み込まれていてもよく、外付けであってもよい。基準信号Ｓ２の周波数を状況に応じて変える場合は、距離計測装置の内部に基準信号生成部１２を備える方が、制御が容易である。

また基準信号生成部１２および送波信号生成部１の少なくとも何れか一方は、マイクロコンピュータ１３に搭載してもよい。マイクロコンピュータ１３に一体化すれば、部品点数の低減や配線長の短縮等に寄与し、回路をより単純化できる。またマイクロコンピュータ１３で送波信号Ｓ１、基準信号Ｓ２を生成することで、送波信号Ｓ１と基準信号Ｓ２の同期を容易に取る事ができ、送波信号Ｓ１と異なる周波数の基準信号Ｓ２を、より高精度に生成できる。また基準信号Ｓ２の周波数を状況に応じて変える場合は、基準信号生成部１２をマイクロコンピュータ１３に搭載することで、容易に周波数の変更ができる。

次に、本実施の形態の距離計測装置の動作について図１、図２を用いて説明する。図２は、本実施の形態の検波信号ｘ_nの波形を模式的に示したものである。

図１に示すように、距離計測装置は、送波信号生成部１で生成された送波信号Ｓ１を受けて、送波部２から空間内にｓｉｎωｔで表されるエネルギー波が送波される。エネルギー波は空間内の対象物に照射され、反射して受波部３でエネルギー波が受波される。

受波部３では、反射したエネルギー波を受け、電気信号に変換される。この電気信号は増幅回路９で増幅され、受波信号Ｙ_nが出力される。受波信号Ｙ_nは、Ａ_aを振幅、ωを角速度、ｔを時刻、φ_aを初期位相とすると、Ｙ_n＝Ａ_aｓｉｎ（ωｔ−φ_a）で表される。

検波部４では、受波信号Ｙ_nに基準信号Ｓ２が乗算される。基準信号Ｓ２は、送波信号Ｓ１と異なる周波数であるため、ω’を角速度、ｔを時刻とすると、ｓｉｎω'ｔと表すことができる。基準信号Ｓ２の角速度ω’は、送波したエネルギー波の角速度ωと異なる角速度とした。検波部４で乗算された合成信号Ｘ_nは、下記の（式２）で表される。Δωは、送波したエネルギー波の角速度ωと基準信号Ｓ２の角速度ω’の差である。

上記（式２）から高周波成分をローパスフィルタ１０で除去すると、下記（式３）で示すような検波信号ｘ_nが出力される。

以上のように、送波信号Ｓ１と異なる周波数の基準信号Ｓ２をミキシングすることで、図２に示すように、検波信号ｘ_nは正弦波で表すことができる。すなわち受波部３がエネルギー波を受波すると、検波信号ｘ_nはベース電圧Ｖ₀から立ち上がり、波形で表される信号となる。

距離計測部５では、検波信号ｘ_nが入力されると、検波信号ｘ_nが所定の閾値Ｖ_thを超えた時刻Ｔ₀を用いて、受波部３におけるエネルギー波の受波時刻を推定する。受波時刻は、時刻Ｔ₀としてもよく、検波信号ｘ_nの波形を元に受波時刻を補正した時刻であってもよい。

そして送波から受波までの時間をΔｔとし、上記の（式１）を用いて、距離Ｌを計測する。

ここで本実施の形態では、基準信号Ｓ２を送波信号Ｓ１と異なる周波数とした為、検波信号ｘ_nが正弦波で表され、位相φ_aが特定できる。なお送波信号Ｓ１と同じ周波数でミキシングすると、検波信号ｘ_nは定数Ａ_a・ｃｏｓφ_a／２となり、位相変化を計測することはできない。

そして距離補正部６では、前述の（式１）で計測した距離Ｌが補正される。

距離補正部６は、検波信号ｘ_nが所定の閾値Ｖ_thを超えると、位相φ_aの計測を開始する。

本実施の形態では、検波信号ｘ_nが、ベース電圧Ｖ₀を通過する前であり、ベース電圧Ｖ₀より低い電圧となる時刻Ｔ₁を計測する。メモリ部７では、時刻Ｔ₁において、検波信号ｘ_nがベース電圧Ｖ₀より低い電圧であることを記憶する。その後、検波信号ｘ_nがベース電圧Ｖ₀と同じ電圧となった時刻Ｔ₂を計測する。これにより位相０度の時刻Ｔ₂が測定でき、検波信号ｘ_nの位相φ_aが特定できる。

なお、検波信号ｘ_nの位相φ_aは上記方法だけでなく、種々の方法で特定できる。

例えば検波信号ｘ_nがベース電圧Ｖ₀より高い電圧であることを計測し、その後検波信号ｘ_nがベース電圧Ｖ₀と同じ値となる時刻を計測することで、位相１８０度の時刻Ｔ₄を測定できる。そして位相１８０度の時刻Ｔ₄から位相φ_aを特定してもよい。

あるいは、ベース電圧Ｖ₀を基準に、ベース電圧Ｖ₀を通過する前の、ベース電圧Ｖ₀より低い電圧となった時刻Ｔ₁と、ベース電圧Ｖ₀を通過した後の、ベース電圧Ｖ₀より高い電圧となった時刻Ｔ₃を計測し、Ｔ₁とＴ₃の二点を結ぶ直線とベース電圧Ｖ₀の交点を求める。これにより位相０度の時刻Ｔ₂が推定でき、検波信号ｘ_nの位相φ_aを推定できる。この場合は、時刻Ｔ₁とＴ₃と、夫々の時刻Ｔ₁、Ｔ₃における電圧値をメモリ部７で記憶する。データ取得時刻Ｔ₁とＴ₃での電圧値を用いることで、サンプリングの間隔よりも細かい単位で位相０度の時刻Ｔ₂を推定できる。

さらに検波信号ｘ_nの周期は既知の一定値となるため、位相０度と１８０度の間隔の平均値を用い、位相φ_aを推定してもよい。平均値を用いる事でノイズの影響を減らし、更に精度を上げることができる。或いは位相φ_aを特定する区間ｄ₁を決定し、区間ｄ₁内で特定した位相φ_aの平均値を用いてもよい。この場合は、メモリ部７で区間ｄ₁の検波信号ｘ_nを記憶し、複数点で位相φ_aを求めればよい。２点だけでなく複数点で位相φ_aを算出することで計測誤差に対してロバストになる。

以上のような方法で位相φ_aが特定できれば、位相φ_aの計測を終了する。

そして距離計測部５で（式１）を用いて距離Ｌを計測した時の検波信号ｘ_nの位相と、距離補正部６で計測した検波信号ｘ_nの位相φ_aとの位相差を求める。そしてこの位相差に基づく距離差ΔＬを計測する。この距離差ΔＬを、距離計測部５で算出した距離Ｌから差し引き、距離Ｌを補正する。

距離補正部６で補正した距離は、演算装置１１から出力される。

以下、本実施の形態の効果を説明する。

本実施の形態では、対象物との距離を検波信号ｘ_nの半周期に相当する距離で補正できる。すなわち対象物との距離を送波信号Ｓ１の半波長より短い距離で補正することができ、高精度な距離計測装置を実現できる。また本実施の形態では、基準信号Ｓ２は一つでよいため、一系統で距離の計測と補正とを実現でき、距離計測装置の回路構成を単純にできる。

（実施の形態２）
本実施の形態と実施の形態１との主な違いは、図３に示すように、距離補正部６が周期計測部１４を備える点である。周期計測部１４は、受波信号Ｙ_nを検波した検波信号ｘ_nの周期を計測する。

図２に示すように、検波信号ｘ_nの位相０度となる時刻Ｔ₁と位相１８０度となる時刻Ｔ₂との差が検波信号ｘ_nの半周期に相当し、これにより周期を計測できる。

ここで対象物が移動する場合は、ドップラー効果により検波信号ｘ_nの周期が変わる。したがって本実施の形態では、検波信号ｘ_nの周期も計測する。この周期は（式３）のΔωに相当するため、周期を特定すれば位相φ_aを求めることができる。そして距離計測部５で（式１）を用いて距離Ｌを計測した時の検波信号ｘ_nの位相と、距離補正部６で計測した位相φ_aとの位相差を求め、位相差に基づき距離Ｌを補正する。

これにより本実施の形態では、対象物が移動する場合も高精度に距離を測定できる。なお本実施の形態では、特に対象物が等速運動もしくは等速運動と近似できる運動をする場合に特に高精度に測定ができる。

その他実施の形態１と同様の構成および効果については説明を省略する。

（実施の形態３）
本実施の形態と実施の形態１との主な違いは、図４に示すように、距離計測装置が選択部１５を備えている点である。ユーザは基準信号Ｓ２の周波数を、選択部１５によって予め設定された複数種類の周波数の信号のうちいずれか一つから選択でき、基準信号Ｓ２は選択部１５で選択された周波数に設定される。

図５（Ａ）は対象物が比較的速く移動する場合、図５（Ｂ）は対象物が比較的ゆっくりと移動する場合の検波信号ｘ_nの波形を模式的に示した図である。

図５（Ａ）に示すように、対象物が速い速度で移動している場合、図５（Ｂ）に示すようにゆっくりと移動する場合と比べて位相の計測に必要な区間は短い。これに対し、基準信号Ｓ２が低周波であると、検波部４でミキシングしてもサンプリングの間隔が検波信号ｘ_nの周期の半周期以上となり、位相を正しく計測することが出来ない場合がある。

これに対し本実施の形態では、予めユーザが基準信号Ｓ２の周波数を選択部１５で選択できるようにしている。すなわち例えば速い速度で異動する対象物との距離を測定する場合は、ユーザは基準信号Ｓ２を高周波に設定できる。これにより本実施の形態では、種々の対象物に対応した距離計測装置を実現できる。

なお、選択部１５を用いて、基準信号Ｓ２を予め設定した複数種類の周波数から選択して設定してもよいが、距離補正部６に基準信号決定部１６を設け、過去に計測した検波信号ｘ_nの周波数を元に、送波信号Ｓ１の周波数と所定の差となる基準信号Ｓ２の周波数を決定してもよい。この場合は、基準信号Ｓ２の周波数を予め設定していなくても、検波信号ｘ_nを複数点でサンプリングした後、検波信号ｘ_nの位相計測に必要な区間をおおよそ予測し、基準信号Ｓ２の周波数を設定することができる。この場合も種々の対象物により対応した距離計測装置を実現できる。

本発明は、高精度かつ回路構成の容易な距離算出装置に有用である。

１ 送波信号生成部
２ 送波部
３ 受波部
４ 検波部
５ 距離計測部
６ 距離補正部
７ メモリ部
８ 増幅回路
９ 増幅回路
１０ ローパスフィルタ
１１ 演算装置
１２ 基準信号生成部
１３ マイクロコンピュータ
１４ 周期計測部
１５ 選択部
１６ 基準信号決定部

Claims (6)

1. 送波信号を生成する送波信号生成部と、
   前記送波信号に基づきエネルギー波を送波する送波部と、
   前記エネルギー波の反射波を受波し、受波信号を出力する受波部と、
   前記受波信号を基準信号とミキシングして検波信号を出力する検波部と、
   前記検波信号を用いて、前記エネルギー波が前記送波部から送波された後前記受波部で受波されるまでの時間を計測し、前記時間に基づいて距離を算出する距離計測部と、
   前記検波信号の位相を計測し、前記位相を用いて前記距離計測部で算出した前記距離を補正する距離補正部と、を備え、
   前記基準信号は、前記送波信号と異なる周波数である、距離計測装置。
2. 前記距離計測装置は、
   前記基準信号を生成する基準信号生成部を備える、請求項１に記載の距離計測装置。
3. 前記距離計測装置は、マイクロコンピュータを備え、
   前記マイクロコンピュータは、前記基準信号および前記送波信号の少なくとも一方を生成する、請求項１に記載の距離計測装置。
4. 前記距離補正部は、前記受波信号の周期を計測する周期計測部を備える、請求項１に記載の距離計測装置。
5. 前記距離計測装置は、選択部を備え、
   前記基準信号は、あらかじめ設定された複数種類の周波数の信号のうち前記選択部で選択される一つである、請求項１に記載の距離計測装置。
6. 前記距離補正部は、
   過去に計測した前記検波信号の周波数を元に前記送波信号の周波数と所定の差となる前記基準信号の周波数を決定する基準信号決定部を備えた請求項１に記載の距離計測装置。

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