JP2017173150A - Obstacle detection unit, method, and program - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To correctly specify a position of an obstacle even when sweep is performed such that the obstacle is searched using a high directivity ultrasonic generator having a large side lobe regarding a technique for detecting the obstacle using an ultrasonic generator/detector.SOLUTION: A microcomputer 101 determines change in an echo image by an ultrasonic detection signal S2 detected via an ultrasonic microphone 104 and a receiving amplifier 105 while an amplification degree of the receiving amplifier 105 is gradually changed from a low state to a high state by an amplification degree control signal S5. The microcomputer 101 determines whether a virtual image corresponding to the detected echo image is detected or not after the echo image is firstly detected to detect an obstacle based on the echo image just before determination when the virtual image is determined to be detected.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、超音波発生器/検出器を用いて障害物を検知する障害物検知装置、方法、およびプログラムに関する。   The present invention relates to an obstacle detection apparatus, method, and program for detecting an obstacle using an ultrasonic generator / detector.

家庭用ロボットは掃除用ロボットや人の生活を支援するパートナーロボットとしてその普及が始まっている。これらの家庭用ロボットは室内を動き回るために障害物を検出する必要があり、様々なセンサを備えている。なかでも超音波距離センサは低いコストで正確な距離を検出できることからよく用いられている。しかしながら、従来の超音波距離センサは超音波ビームの指向性が低く、大雑把に前後左右4方向に壁があるか否かであるとか、壁との距離を測定する程度であり、離れた場所の障害物の位置を特定することはできなかった。   Household robots have begun to spread as cleaning robots and partner robots that support people's lives. These home robots need to detect obstacles in order to move around the room, and are equipped with various sensors. Among them, an ultrasonic distance sensor is often used because it can detect an accurate distance at a low cost. However, the conventional ultrasonic distance sensor has low directivity of the ultrasonic beam, and roughly measures whether or not there is a wall in the four directions of front and rear, left and right, and measures the distance from the wall. The location of the obstacle could not be determined.

超音波距離センサを障害物の位置特定に用いることができるようにするためには超音波ビームの指向性が高ければよいと考えられ、従来、指向性の高い超音波ビームを発生する技術が実用化されている。代表的な従来技術として、小さな超音波発生器を平面上に多数並べてスピーカアレイとし、空間的なパラメトリック効果を得て超音波の直進性を高くする技術がパラメトリック超音波スピーカとして一般に広く知られている(例えば特許文献1に記載の技術)。   In order to be able to use the ultrasonic distance sensor to locate obstacles, it is considered that the directivity of the ultrasonic beam should be high. Conventionally, a technology for generating an ultrasonic beam with high directivity has been practically used. It has become. As a typical conventional technique, a technique for increasing the straightness of ultrasonic waves by obtaining a spatial parametric effect by arranging a large number of small ultrasonic generators on a plane is generally widely known as a parametric ultrasonic speaker. (For example, the technique described in Patent Document 1).

第2の従来技術として、ピストン状の超音波発生器を用いる技術、および2つの周波数の音波を発音してその差にあたる2次音波を発生させることで指向性を強くする技術が提案されている(例えば特許文献2に記載の技術)。   As a second conventional technique, a technique using a piston-shaped ultrasonic generator and a technique for generating directivity by generating sound waves of two frequencies and generating a difference between them are proposed. (For example, the technique described in Patent Document 2).

特開2005−049303号公報JP 2005-049303 A 特開2005−351897号公報JP 2005-351897 A

特許文献1、2に例示したような技術では、高指向性超音波発生器を用いて多方向に超音波ビームを発射し、そのエコーを検出すれば障害物の位置特定ができると考えられる。しかしながら実際には、安価で作りやすいパラメトリックスピーカではサイドローブが発生しやすいという欠点があり、そのほかの高指向性の超音波発生器でもサイドローブをまったくなくすことはできず、近い距離に障害物があればサイドローブの超音波が反射してエコーとして検出され、障害物の位置特定ができなくなってしまうという課題があった。   In the techniques as exemplified in Patent Documents 1 and 2, it is considered that the position of an obstacle can be specified by emitting an ultrasonic beam in multiple directions using a highly directional ultrasonic generator and detecting the echo. In practice, however, the low-cost and easy-to-make parametric speaker has the disadvantage that side lobes are likely to occur, and other high-directivity ultrasonic generators cannot eliminate side lobes at all. If there is, there is a problem that the ultrasonic waves of the side lobes are reflected and detected as echoes, and the position of the obstacle cannot be specified.

そこで、本発明は、サイドローブの大きな高指向性超音波発生器を使って障害物を探索するスイープを行ったときでも正確に障害物の位置を特定できるようにすることを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to enable the position of an obstacle to be accurately identified even when a sweep for searching for an obstacle is performed using a highly directional ultrasonic generator having a large side lobe.

態様の一例では、指向性を有する超音波発生器と超音波検出器と制御部とを備え障害物を検知する障害物検知装置であって、制御部は、超音波発生器の送信強度又は超音波検出器の受信感度を制御し、送信強度又は受信感度の制御を行いながら超音波検出器を介して検出されるエコー像の変化を判定することにより、障害物を検知する。   In an example of the embodiment, the obstacle detection apparatus includes an ultrasonic generator having a directivity, an ultrasonic detector, and a control unit, and detects an obstacle, and the control unit is configured to transmit the ultrasonic signal with a transmission intensity or an ultrasonic wave. An obstacle is detected by controlling the reception sensitivity of the sound wave detector and determining the change in the echo image detected through the ultrasonic wave detector while controlling the transmission intensity or the reception sensitivity.

本発明によれば、サイドローブの大きな高指向性超音波発生器を使って障害物を探索するときでも正確に障害物の位置を特定することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to accurately identify the position of an obstacle even when searching for an obstacle using a highly directional ultrasonic generator having a large side lobe.

障害物検知装置の実施形態の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of embodiment of an obstruction detection apparatus. 超音波スピーカアレイ103の構成例を示す平面図である。3 is a plan view showing a configuration example of an ultrasonic speaker array 103. FIG. 開放型超音波トランスデューサの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of an open type ultrasonic transducer. 開放型超音波トランスデューサと超音波スピーカアレイの指向性チャートの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the directivity chart of an open type ultrasonic transducer and an ultrasonic speaker array. 障害物検知装置の制御信号の波形例を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the example of a waveform of a control signal of an obstacle detection device. 受信アンプの増幅度制御を行わない場合のエコー像の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the echo image when not performing amplification degree control of a receiving amplifier. マイクロコンピュータのハードウェア構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the hardware structural example of a microcomputer. 障害物検知処理の例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the example of an obstruction detection process. 本実施形態によるエコー像の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the echo image by this embodiment. 本実施形態による障害物検知装置を搭載したロボットの構成例および配置例を示す図である。It is a figure which shows the structural example and arrangement example of the robot carrying the obstacle detection apparatus by this embodiment.

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図1は、障害物検知装置の実施形態の構成例を示すブロック図である。マイクロコンピュータ101は、パルスバースト信号S1を生成する。駆動アンプ102は、マイクロコンピュータ101が出力するパルスバースト信号S1を増幅して、超音波スピーカアレイ103に駆動電圧信号を供給する。超音波スピーカアレイ103は、マイクロコンピュータ101から制御されるスイープ駆動部108によってスイープ駆動される。超音波スピーカアレイ103で発生した超音波は、空間を伝わって特には図示しない障害物に反射し、超音波マイク104に戻ってくる。受信アンプ105は、超音波マイク104の出力を増幅し超音波検出信号S2を出力する。包絡線生成器106は、超音波検出信号S2の包絡線を生成し、包絡線信号S3を出力する。コンパレータ107は、包絡線信号S3に対して閾値判定を行うことにより、矩形波信号S4を出力し、その矩形波信号S4をマイクロコンピュータ101に入力させる。マイクロコンピュータ101は、増幅度制御信号S5を出力し受信アンプ105に入力させる。受信アンプ105の増幅度は、この増幅度制御信号S5によって制御される。受信アンプ105の増幅度は、例えばオペアンプの抵抗定数をアナログスイッチで切り替えるなどして容易に実現できるが、他のどのような方法を用いて実現してもよい。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of an embodiment of an obstacle detection device. The microcomputer 101 generates a pulse burst signal S1. The drive amplifier 102 amplifies the pulse burst signal S 1 output from the microcomputer 101 and supplies a drive voltage signal to the ultrasonic speaker array 103. The ultrasonic speaker array 103 is swept by a sweep drive unit 108 controlled by the microcomputer 101. The ultrasonic waves generated by the ultrasonic speaker array 103 are transmitted through the space, reflected particularly by an obstacle (not shown), and returned to the ultrasonic microphone 104. The reception amplifier 105 amplifies the output of the ultrasonic microphone 104 and outputs an ultrasonic detection signal S2. The envelope generator 106 generates an envelope of the ultrasonic detection signal S2 and outputs an envelope signal S3. The comparator 107 performs a threshold determination on the envelope signal S3, thereby outputting a rectangular wave signal S4 and causing the microcomputer 101 to input the rectangular wave signal S4. The microcomputer 101 outputs the amplification degree control signal S5 and inputs it to the reception amplifier 105. The amplification degree of the reception amplifier 105 is controlled by this amplification degree control signal S5. The amplification degree of the reception amplifier 105 can be easily realized by switching the resistance constant of the operational amplifier with an analog switch, for example, but may be realized by any other method.

図2は図1の超音波スピーカアレイ103の構成例を示す平面図である。超音波スピーカアレイ103は、開放型超音波トランスデューサ201が、プリント配線基板202上に、例えば3行×4列に12個並べて配置された構成を有する。プリント配線基板202の下部には、1個の開放型超音波トランスデューサ201によって構成される超音波マイク104が配置される。プリント配線基板202に接続されるコネクタ203は、超音波スピーカアレイ103を構成する各開放型超音波トランスデューサ201を図1の駆動アンプ102に接続し、超音波マイク104を構成する開放型超音波トランスデューサ201を図1の受信アンプ105に接続する。   FIG. 2 is a plan view showing a configuration example of the ultrasonic speaker array 103 of FIG. The ultrasonic speaker array 103 has a configuration in which twelve open ultrasonic transducers 201 are arranged on a printed wiring board 202, for example, in 3 rows × 4 columns. An ultrasonic microphone 104 constituted by one open ultrasonic transducer 201 is disposed under the printed wiring board 202. A connector 203 connected to the printed wiring board 202 connects each open type ultrasonic transducer 201 constituting the ultrasonic speaker array 103 to the drive amplifier 102 of FIG. 201 is connected to the receiving amplifier 105 of FIG.

図3は、図2の開放型超音波トランスデューサ201の1個の構成例を示す図であり、図2(a)は側面透視図、図2(b)はトランスデューサ本体の斜視図、図2(c)はケース308およびスクリーン309の部分の斜視図である。支点(ベース)306の上部には、下部から順に正方形のバイモルフ振動子303、振動板である金属板302、およびコーン形共振子301が積層されたトランスデューサ本体が、接着剤307により接着される。バイモルフ振動子303には、リード線305を介して電極端子304が接続される。トランスデューサ本体部分は上部がスクリーン309になっているケース308によって保護される。2本の電極端子304は、図2のコネクタ203を介して、図1の駆動アンプ102に接続される。   3A and 3B are diagrams showing one configuration example of the open-type ultrasonic transducer 201 in FIG. 2, FIG. 2A is a side perspective view, FIG. 2B is a perspective view of the transducer body, and FIG. c) is a perspective view of the case 308 and the screen 309. A transducer body in which a square bimorph vibrator 303, a metal plate 302 as a vibration plate, and a cone-shaped resonator 301 are stacked in order from the bottom is bonded to an upper portion of a fulcrum (base) 306 with an adhesive 307. An electrode terminal 304 is connected to the bimorph vibrator 303 via a lead wire 305. The transducer body portion is protected by a case 308 having a screen 309 at the top. The two electrode terminals 304 are connected to the drive amplifier 102 of FIG. 1 via the connector 203 of FIG.

図4(a)は、開放型超音波トランスデューサ201の1個の指向性チャートの例、図4(b)は、超音波スピーカアレイ103の指向性チャートの例を、それぞれ示す図である。開放型超音波トランスデューサ201が1個だけの指向性チャート401は、図4(a)に示されるように指向性を有するものの、鋭い指向性ではない。従って、トランスデューサ1個だけでは、障害物を的確に検出するには向かない。一方、複数の開放型超音波トランスデューサ201によって構成される超音波スピーカアレイ103の指向性チャート402は、図4(b)に示されるように鋭いメインローブを有するが、大きなサイドローブが発生していることがわかる。   4A shows an example of one directivity chart of the open-type ultrasonic transducer 201, and FIG. 4B shows an example of the directivity chart of the ultrasonic speaker array 103. FIG. The directivity chart 401 having only one open ultrasonic transducer 201 has directivity as shown in FIG. 4A, but is not sharp directivity. Therefore, only one transducer is not suitable for accurately detecting an obstacle. On the other hand, the directivity chart 402 of the ultrasonic speaker array 103 composed of a plurality of open-type ultrasonic transducers 201 has a sharp main lobe as shown in FIG. I understand that.

図5は、図1の障害物検知装置100のS1、S2、S3、およびS4の各制御信号の波形例を示すタイミングチャートである。図1のマイクロコンピュータ101は、自ら生成した図5(d)に例示されるパルスバースト信号S1の開始時刻から、図5(a)に例示される矩形波信号S4が戻ってくるまでの時間を計測し、その時間に音速を乗算することで超音波が伝搬した距離を計算することができる。障害物までの距離はその半分の長さである。   FIG. 5 is a timing chart showing examples of waveforms of control signals S1, S2, S3, and S4 of the obstacle detection apparatus 100 of FIG. The microcomputer 101 in FIG. 1 determines the time until the rectangular wave signal S4 illustrated in FIG. 5A returns from the start time of the pulse burst signal S1 illustrated in FIG. The distance traveled by the ultrasonic wave can be calculated by measuring and multiplying the time by the speed of sound. The distance to the obstacle is half that length.

図6は、図1においてマイクロコンピュータ101が受信アンプ105の増幅度制御を行わない場合のエコー像の例を示す図である。図1において、超音波スピーカアレイ103の全体をスイープ駆動部108によりスイープさせながら繰り返し超音波エコーを計測すると、障害物の位置を図6に示されるような極座標上にプロットすることができる。図6(a)は、図1の障害物検知装置100から約1mの距離に直径6cmほどの金属円筒を置いてスキャンを行った結果の図である。図6(a)の扇形図形の中心に超音波スピーカアレイ103が配置され、内側の扇形が1mの距離、その外側の扇形が2mの距離を表している。黒いドットが計測結果をプロットしたもので、最も外側の扇形図形の外側に並んでいるドットはエコーが帰って来なかったときに計算上の最大値にプロットされた結果である。図6(a)では、約1mの距離の中央に円筒に反射した超音波のエコー像が表れている。図6(b)は、円筒を約0.5mの距離に置いてスキャンした時のプロット図である。円筒で反射した像が正しい位置にプロットされているが、その左右にも似たような像が表れ、あたかも複数の円筒が並んでいるように見える。これは図4(b)に例示される指向性チャート402の特性を有する超音波スピーカアレイ103から発せられた超音波のサイドローブが反射したために現れた、エコー像に対する虚像である。しかし、観測者は、この像だけからは、虚像が見えているのかそれとも実際にこの像のように障害物によるエコー像が見えているのかを知ることはできない。直径6cmの金属円筒の場合はたまたま1mの距離で虚像のないエコー像がプロットされ、0.5mの距離では虚像が表れたが、超音波の反射強度は障害物の形状や材質によって大きく変わるので、どの距離で虚像が表れるかもあらかじめ知ることはできない。   FIG. 6 is a diagram illustrating an example of an echo image when the microcomputer 101 does not perform the amplification degree control of the reception amplifier 105 in FIG. In FIG. 1, when ultrasonic echoes are repeatedly measured while sweeping the entire ultrasonic speaker array 103 by the sweep drive unit 108, the position of the obstacle can be plotted on the polar coordinates as shown in FIG. FIG. 6A is a diagram showing a result of scanning with a metal cylinder having a diameter of about 6 cm placed at a distance of about 1 m from the obstacle detection apparatus 100 of FIG. The ultrasonic speaker array 103 is arranged at the center of the sector shape in FIG. 6A, and the inner sector shape represents a distance of 1 m, and the outer sector shape represents a distance of 2 m. A black dot is a plot of the measurement result, and a dot arranged outside the outermost fan-shaped figure is a result plotted at the maximum calculated value when the echo does not come back. In FIG. 6A, an echo image of the ultrasonic wave reflected on the cylinder appears at the center at a distance of about 1 m. FIG. 6B is a plot when the cylinder is scanned at a distance of about 0.5 m. The image reflected by the cylinder is plotted at the correct position, but similar images appear on the left and right of the image, and it looks as if multiple cylinders are lined up. This is a virtual image with respect to the echo image that appears because the ultrasonic side lobe emitted from the ultrasonic speaker array 103 having the characteristics of the directivity chart 402 illustrated in FIG. 4B is reflected. However, the observer cannot know from this image alone whether a virtual image is visible or whether an echo image due to an obstacle is actually visible like this image. In the case of a metal cylinder with a diameter of 6 cm, an echo image without a virtual image is plotted at a distance of 1 m, and a virtual image appears at a distance of 0.5 m, but the ultrasonic reflection intensity varies greatly depending on the shape and material of the obstacle. It is impossible to know in advance which distance the virtual image will appear.

特に、コストダウンのために安価な開放型超音波トランスデューサ201を用いた場合、図4(b)に例示される指向性チャート402上のサイドローブは大きなものとなる。従って、図1において、受信アンプ105の増幅度および駆動アンプ102の駆動電圧等を一定とした場合には、超音波マイク104で検出され受信アンプ105で増幅された図5(c)に例示される超音波検出信号S2の波形がエコー像の虚像によって大きく乱れる場合が生ずる。この場合、図5(b)に示される包絡線信号S3も障害物の距離に応じた正しい波形でなくなり、図5(a)に示される矩形波信号S4の変化タイミングもずれてしまうため、マイクロコンピュータ101は、障害物の方向や距離を正しく検出することができなくなってしまう。   In particular, when an inexpensive open-type ultrasonic transducer 201 is used for cost reduction, the side lobe on the directivity chart 402 illustrated in FIG. 4B is large. Accordingly, in FIG. 1, when the amplification factor of the reception amplifier 105 and the drive voltage of the drive amplifier 102 are constant, the detection is performed by the ultrasonic microphone 104 and is amplified by the reception amplifier 105. In some cases, the waveform of the ultrasonic detection signal S2 is greatly disturbed by the virtual image of the echo image. In this case, the envelope signal S3 shown in FIG. 5B also does not have a correct waveform corresponding to the distance of the obstacle, and the change timing of the rectangular wave signal S4 shown in FIG. The computer 101 cannot correctly detect the direction and distance of the obstacle.

そこで、本実施形態では、図1において、マイクロコンピュータ101が、増幅度制御信号S5によって、受信アンプ105の増幅度を低い状態から高い状態に漸次変化させることにより、受信感度を低い状態から高い状態に漸次変化させながら、超音波検出信号S2によるエコー像の変化を判定することにより、障害物を正しく検知することを可能にする。   Therefore, in this embodiment, in FIG. 1, the microcomputer 101 gradually changes the amplification degree of the reception amplifier 105 from the low state to the high state by the amplification degree control signal S5, so that the reception sensitivity is changed from the low state to the high state. It is possible to correctly detect an obstacle by determining a change in the echo image due to the ultrasonic detection signal S2 while gradually changing to.

図7は、この制御動作をソフトウェア処理として実現できる図1のマイクロコンピュータ101のハードウェア構成の一例を示す図である。図7に示される構成を有するマイクロコンピュータ101は、CPU701、メモリ702、入力装置703、出力装置704、外部記憶装置705、可搬記録媒体709が挿入される可搬記録媒体駆動装置706、及び通信インタフェース707を有し、これらがバス708によって相互に接続された構成を有する。同図に示される構成はマイクロコンピュータ101を実現できるハードウェア構成の一例であり、マイクロコンピュータ101はこのハードウェア構成に限定されるものではない。   FIG. 7 is a diagram showing an example of a hardware configuration of the microcomputer 101 in FIG. 1 that can realize this control operation as software processing. The microcomputer 101 having the configuration shown in FIG. 7 includes a CPU 701, a memory 702, an input device 703, an output device 704, an external storage device 705, a portable recording medium driving device 706 into which a portable recording medium 709 is inserted, and communication. An interface 707 is included, and these are connected to each other by a bus 708. The configuration shown in the figure is an example of a hardware configuration capable of realizing the microcomputer 101, and the microcomputer 101 is not limited to this hardware configuration.

CPU701は、当該コンピュータ全体の制御を行う。メモリ702は、後述する図8のフローチャートで例示される障害物検知処理プログラムの実行、データ更新等の際に、外部記憶装置705(或いは可搬記録媒体709)に記憶されているプログラム又はデータを一時的に格納するRAM等のメモリである。CUP701は、プログラムをメモリ702に読み出して実行することにより、全体の制御を行う。   The CPU 701 controls the entire computer. The memory 702 stores programs or data stored in the external storage device 705 (or portable recording medium 709) when executing an obstacle detection processing program exemplified in the flowchart of FIG. It is a memory such as a RAM for temporarily storing. The CUP 701 performs overall control by reading the program into the memory 702 and executing it.

入力装置703は、ユーザによるキーボードやマウス等による入力操作を検出し、その検出結果をCPU701に通知する。出力装置704は、CPU701の制御によって送られてくるデータを表示装置や印刷装置に出力する。   The input device 703 detects an input operation by a user using a keyboard, a mouse, or the like, and notifies the CPU 701 of the detection result. The output device 704 outputs data sent under the control of the CPU 701 to a display device or a printing device.

外部記憶装置705は、例えばハードディスク記憶装置である。主に各種データやプログラムの保存に用いられる。   The external storage device 705 is, for example, a hard disk storage device. Mainly used for storing various data and programs.

可搬記録媒体駆動装置706は、SDRAM、コンパクトフラッシュ等の可搬記録媒体709を収容するもので、外部記憶装置705の補助の役割を有する。   The portable recording medium driving device 706 accommodates a portable recording medium 709 such as an SDRAM or a compact flash, and has an auxiliary role for the external storage device 705.

通信インタフェース707は、例えばLAN(ローカルエリアネットワーク)又はWAN(ワイドエリアネットワーク)の通信回線を接続するための装置である。   The communication interface 707 is a device for connecting, for example, a LAN (local area network) or WAN (wide area network) communication line.

図8は、障害物検知処理の例を示すフローチャートである。この処理は、図7のCPU701がメモリ702に記憶された障害物検知処理プログラムを実行することにより実現される。そのプログラムは、例えば外部記憶装置705や可搬記録媒体709に記録して配布してもよく、或いは通信インタフェース707によりネットワークから取得できるようにしてもよい。   FIG. 8 is a flowchart illustrating an example of the obstacle detection process. This processing is realized by the CPU 701 in FIG. 7 executing the obstacle detection processing program stored in the memory 702. The program may be distributed by being recorded in, for example, the external storage device 705 or the portable recording medium 709, or may be acquired from the network by the communication interface 707.

図8において、CPU701はまず、図1の受信アンプ105に供給する増幅度制御信号S5において、増幅度を最小レベルに設定する(ステップS801)。   In FIG. 8, the CPU 701 first sets the amplification level to the minimum level in the amplification degree control signal S5 supplied to the reception amplifier 105 in FIG. 1 (step S801).

次に、CPU701は、図1のスイープ駆動部108を駆動させてスイープ動作を行わせながら、図1のパルスバースト信号S1を生成し、駆動アンプ102に供給する(ステップS802)。   Next, the CPU 701 generates the pulse burst signal S1 of FIG. 1 while driving the sweep drive unit 108 of FIG. 1 to perform the sweep operation, and supplies it to the drive amplifier 102 (step S802).

続いて、CPU701は、図1のコンパレータ107から、エコー像が得られたか否かを判定する(ステップS803)。   Subsequently, the CPU 701 determines whether an echo image is obtained from the comparator 107 in FIG. 1 (step S803).

ステップS803の判定がNOならば、CPU701は、図1の受信アンプ105に供給する増幅度制御信号S5において、増幅度を増加させる(ステップS804)。   If the determination in step S803 is NO, the CPU 701 increases the amplification in the amplification control signal S5 supplied to the reception amplifier 105 in FIG. 1 (step S804).

このとき、CPU701は、ステップS804で増加させた増幅度が受信アンプ105の最大ゲインを超えたか否かを判定する(ステップS805)。   At this time, the CPU 701 determines whether or not the amplification degree increased in step S804 exceeds the maximum gain of the reception amplifier 105 (step S805).

ステップS805の判定がNOならば、CPU701は、ステップS802の処理に戻り、受信アンプ105での新たな増幅度のもとで再びエコー像の検出判定を試みる。   If the determination in step S805 is NO, the CPU 701 returns to the process in step S802, and tries to detect and detect the echo image again under the new amplification level in the reception amplifier 105.

ステップS802からS805の繰返し処理の結果、エコー像が検出されることによりステップS803の判定がYESになると、CPU701は、存在する場合には、前回までに検出され例えば図7のメモリ702に保持されているエコー像と、今回検出されたエコー像とを比較する(ステップS806)。   As a result of the iterative processing from step S802 to S805, if an echo image is detected and the determination in step S803 is YES, the CPU 701, if present, is detected up to the previous time and is stored in, for example, the memory 702 in FIG. The echo image being detected is compared with the echo image detected this time (step S806).

ステップS806での比較の結果、CPU701は、前回のエコー像に対して、その周囲に虚像が検出されたか否かを判定する(ステップS807)。   As a result of the comparison in step S806, the CPU 701 determines whether or not a virtual image has been detected around the previous echo image (step S807).

ステップS807の判定がNOならば、CPU701は、ステップS804の処理に移行し、受信アンプ105に対する増幅度を更に増加させる。   If the determination in step S807 is NO, the CPU 701 proceeds to the process in step S804 and further increases the amplification factor for the reception amplifier 105.

虚像が検出されることによりステップS807の判定がYESになると、CPU701は、メモリ702に保存されている前回のエコー像を正しいエコー像として採用して既存の障害物の方向および距離等の検知処理を実行する(ステップS808)。その後、CPU701は、図8のフローチャートで示される障害物検知処理を終了する。   If the determination in step S807 is YES due to the detection of the virtual image, the CPU 701 adopts the previous echo image stored in the memory 702 as a correct echo image and detects the direction and distance of the existing obstacle. Is executed (step S808). Thereafter, the CPU 701 ends the obstacle detection process shown in the flowchart of FIG.

図9は、図8のフローチャートで例示される障害物検知処理により検知されるエコー像の例を示す図である。図9(a)は受信アンプ105の増幅度が小さいために障害物が見えていないときのプロット図である。受信アンプ105の増幅度を段階的に増加させてゆくと図9(b)に示されるように最も近い障害物からの反射エコーが検出される。図9(c)は、受信アンプ105の増幅度をさらに増加させた結果虚像が表れたときのプロット図である。図7のCPU701は、メモリ702に保持されている前回のエコー像と今回のエコー像とを比較して、前回のエコー像の周辺の同じ距離にエコー像が表れればこれが虚像であると判定できる。そこで、CPU701は、虚像が現れたら、その前回のエコー像を用いて最も近い距離の障害物の位置を特定することができる。   FIG. 9 is a diagram illustrating an example of an echo image detected by the obstacle detection process illustrated in the flowchart of FIG. FIG. 9A is a plot when the obstacle is not visible because the amplification degree of the reception amplifier 105 is small. When the amplification degree of the receiving amplifier 105 is increased stepwise, the reflected echo from the nearest obstacle is detected as shown in FIG. 9B. FIG. 9C is a plot diagram when a virtual image appears as a result of further increasing the amplification factor of the reception amplifier 105. The CPU 701 in FIG. 7 compares the previous echo image held in the memory 702 with the current echo image, and determines that this is a virtual image if an echo image appears at the same distance around the previous echo image. it can. Therefore, when a virtual image appears, the CPU 701 can specify the position of the obstacle at the closest distance using the previous echo image.

以上説明した実施例では、図8のフローチャートで例示されるアルゴリズムが図1のマイクロコンピュータ101を構成する図7のCPU701で処理されるとして説明したが、マイクロコンピュータ101からエコー像を受け取る上位の情報処理装置が図8のフローチャートで例示されるアルゴリズムを処理する構成であってもよい。   In the embodiment described above, the algorithm illustrated in the flowchart of FIG. 8 has been described as being processed by the CPU 701 of FIG. 7 constituting the microcomputer 101 of FIG. The processing device may be configured to process the algorithm exemplified in the flowchart of FIG.

本実施形態では、マイクロコンピュータ101が受信アンプ105の増幅度を制御する構成であるが、超音波発生器である超音波スピーカアレイ103の送信強度又は超音波検出器である超音波マイク104の受信感度を制御し、その送信強度又は受信感度の制御を行いながら超音波マイク104を介して検出されるエコー像の変化を判定して障害物を検知するような構成であれば、どのような構成であってもよい。例えば、図1において、マイクロコンピュータ101は、受信アンプ105の増幅度ではなく、駆動アンプ102の駆動電圧を低い状態から高い状態に漸次変化させるような構成であってもよい。或いは、マイクロコンピュータ101は、パルスバースト信号S1におけるバーストパルス数を少ない状態から多い状態に漸次変化させることにより、超音波スピーカアレイ103における送信強度を低い状態から高い状態に漸次変化させるような構成であってもよい。   In the present embodiment, the microcomputer 101 is configured to control the amplification degree of the reception amplifier 105, but the transmission intensity of the ultrasonic speaker array 103 that is an ultrasonic generator or the reception of the ultrasonic microphone 104 that is an ultrasonic detector. What is the configuration as long as the configuration detects the obstacle by determining the change in the echo image detected through the ultrasonic microphone 104 while controlling the sensitivity and controlling the transmission intensity or the reception sensitivity? It may be. For example, in FIG. 1, the microcomputer 101 may be configured to gradually change the drive voltage of the drive amplifier 102 from a low state to a high state, not the amplification degree of the reception amplifier 105. Alternatively, the microcomputer 101 is configured to gradually change the transmission intensity in the ultrasonic speaker array 103 from a low state to a high state by gradually changing the number of burst pulses in the pulse burst signal S1 from a small state to a large state. There may be.

図10(a)は、本実施形態による障害物検知装置を搭載したロボット1001の構成例を示す図である。ロボット1001の筐体1002の前部の開口部1003には、図1の超音波スピーカアレイ103と超音波マイク104と配設された図2のプリント配線基板202が、図1のスイープ駆動部108によってスイープ可能な状態に設置される。コントロールボックス1004は、図1のマイクロコンピュータ101、駆動アンプ102、受信アンプ105、包絡線生成器106、およびコネクタ203を内蔵している。コントロールボックス1004内の駆動アンプ102は、図2のコネクタ203を介して、プリント配線基板202に接続される。コントロールボックス1004内のマイクロコンピュータ101は、スイープ駆動部108に接続される。   FIG. 10A is a diagram illustrating a configuration example of a robot 1001 equipped with the obstacle detection device according to the present embodiment. In the opening 1003 in the front part of the housing 1002 of the robot 1001, the printed wiring board 202 in FIG. 2 provided with the ultrasonic speaker array 103 and the ultrasonic microphone 104 in FIG. Is installed in a state where it can be swept. The control box 1004 incorporates the microcomputer 101, the drive amplifier 102, the reception amplifier 105, the envelope generator 106, and the connector 203 shown in FIG. The drive amplifier 102 in the control box 1004 is connected to the printed wiring board 202 via the connector 203 in FIG. The microcomputer 101 in the control box 1004 is connected to the sweep drive unit 108.

図10(a)の構成例を有するロボット1001が、例えば図10(b)に示されるように、部屋1005の中を移動する場合、図10(a)のスイープ駆動部108によって超音波スピーカアレイ103および超音波マイク104が配設されたプリント配線基板202がスイープ駆動されることにより、ロボット1001は、部屋1005内の障害物1006aや1006bを検知しながら移動する。   When the robot 1001 having the configuration example of FIG. 10A moves in a room 1005 as shown in FIG. 10B, for example, the ultrasonic speaker array is used by the sweep drive unit 108 of FIG. The robot 1001 moves while detecting obstacles 1006a and 1006b in the room 1005 by sweep driving the printed wiring board 202 on which the 103 and the ultrasonic microphone 104 are arranged.

以上の実施形態に関して、更に以下の付記を開示する。
(付記1)
指向性を有する超音波発生器と超音波検出器と制御部とを備え障害物を検知する障害物検知装置であって、前記制御部は、
前記超音波発生器の送信強度又は前記超音波検出器の受信感度を制御し、
前記送信強度又は前記受信感度を変化させる制御を行いながら前記超音波検出器を介して検出されるエコー像の変化を判定することにより、前記障害物を検知する、障害物検知装置。
(付記2)
前記制御部は、前記送信強度又は前記受信感度を低い状態から高い状態に漸次変化させながら、前記エコー像が最初に検知された後に、当該検知されたエコー像に対応する虚像が検知されたか否かを判定し、前記虚像が検知されたと判定したときに、当該判定の直前における前記エコー像に基づいて前記障害物を検知する、付記1に記載の障害物検知装置。
(付記3)
前記超音波検出器は、超音波検出信号の出力を増幅する増幅度可変の受信アンプを含み、
前記制御部は、前記受信アンプの増幅度を低い状態から高い状態に漸次変化させることにより、前記受信感度を低い状態から高い状態に漸次変化させる、付記2に記載の障害物検知装置。
(付記4)
前記超音波発生器は、超音波を発生させるための駆動アンプを含み、
前記制御部は、前記駆動アンプの駆動電圧を低い状態から高い状態に漸次変化させることにより、前記送信強度を低い状態から高い状態に漸次変化させる、付記2に記載の障害物検知装置。
(付記5)
前記超音波発生器は、超音波をバースト状に発生させるためのバースト発生回路を含み、
前記制御部は、前記バースト発生回路におけるバーストパルス数を少ない状態から多い状態に漸次変化させることにより、前記送信強度を低い状態から高い状態に漸次変化させる、付記2に記載の障害物検知装置。
(付記6)
前記超音波発生器は開放型超音波トランスデューサをアレイ状に配置して構成される超音波スピーカアレイを含み、前記超音波検出器は前記開放型超音波トランスデューサによる超音波マイクを含む、付記1ないし5のいずれかに記載の障害物検知装置。
(付記7)
前記超音波発生器をスイープさせるスイープ駆動部を更に備える、付記1ないし6のいずれかに記載の障害物検知装置。
(付記8)
指向性を有する超音波発生器と超音波検出器と制御部とを制御することにより障害物を検知する障害物検知方法であって、
前記超音波発生器の送信強度または前記超音波検出器の受信感度を制御し、
前記送信強度又は前記受信感度を変化させる制御を行いながら前記超音波検出器を介して検出されるエコー像の変化を判定することにより、前記障害物を検知する、障害物検知方法。
(付記9)
指向性を有する超音波発生器と超音波検出器と制御部とを制御することにより障害物を検知するコンピュータに、
前記超音波発生器の送信強度または前記超音波検出器の受信感度を制御するステップと、
前記送信強度又は前記受信感度を変化させる制御を行いながら前記超音波検出器を介して検出されるエコー像の変化を判定することにより、前記障害物を検知するステップと、
を実行させるためのプログラム。
Regarding the above embodiment, the following additional notes are disclosed.
(Appendix 1)
An obstacle detection device that detects an obstacle with a directivity ultrasonic generator, an ultrasonic detector, and a control unit, the control unit,
Control the transmission intensity of the ultrasonic generator or the reception sensitivity of the ultrasonic detector,
An obstacle detection device that detects the obstacle by determining a change in an echo image detected through the ultrasonic detector while performing control to change the transmission intensity or the reception sensitivity.
(Appendix 2)
Whether the virtual image corresponding to the detected echo image has been detected after the echo image is first detected while the control unit gradually changes the transmission intensity or the reception sensitivity from a low state to a high state. The obstacle detection device according to appendix 1, wherein when the virtual image is detected, the obstacle is detected based on the echo image immediately before the determination.
(Appendix 3)
The ultrasonic detector includes a variable amplification receiving amplifier that amplifies the output of the ultrasonic detection signal,
The obstacle detection device according to attachment 2, wherein the control unit gradually changes the reception sensitivity from a low state to a high state by gradually changing the amplification degree of the reception amplifier from a low state to a high state.
(Appendix 4)
The ultrasonic generator includes a drive amplifier for generating ultrasonic waves,
The obstacle detection device according to appendix 2, wherein the control unit gradually changes the transmission intensity from a low state to a high state by gradually changing the drive voltage of the drive amplifier from a low state to a high state.
(Appendix 5)
The ultrasonic generator includes a burst generation circuit for generating ultrasonic waves in bursts,
The obstacle detection device according to appendix 2, wherein the control unit gradually changes the transmission intensity from a low state to a high state by gradually changing the number of burst pulses in the burst generation circuit from a small state to a large state.
(Appendix 6)
The ultrasonic generator includes an ultrasonic speaker array configured by arranging open-type ultrasonic transducers in an array, and the ultrasonic detector includes an ultrasonic microphone based on the open-type ultrasonic transducer. 5. The obstacle detection device according to any one of 5.
(Appendix 7)
The obstacle detection device according to any one of appendices 1 to 6, further comprising a sweep drive unit that sweeps the ultrasonic generator.
(Appendix 8)
An obstacle detection method for detecting an obstacle by controlling a directivity ultrasonic generator, an ultrasonic detector, and a control unit,
Control the transmission intensity of the ultrasonic generator or the reception sensitivity of the ultrasonic detector;
An obstacle detection method for detecting the obstacle by determining a change in an echo image detected through the ultrasonic detector while performing control to change the transmission intensity or the reception sensitivity.
(Appendix 9)
To a computer that detects obstacles by controlling a directivity ultrasonic generator, ultrasonic detector, and control unit,
Controlling the transmission intensity of the ultrasonic generator or the reception sensitivity of the ultrasonic detector;
Detecting the obstacle by determining a change in an echo image detected through the ultrasonic detector while performing control to change the transmission intensity or the reception sensitivity; and
A program for running

100 障害物検知装置
101 マイクロコンピュータ
102 駆動アンプ
103 超音波スピーカアレイ
104 超音波マイク
105 受信アンプ
106 包絡線生成器
107 コンパレータ
108 スイープ駆動部
201 開放型超音波トランスデューサ
202 プリント配線基板
203 コネクタ
301 コーン形共振子
302 金属板(振動板)
303 バイモルフ振動子
304 電極端子
305 リード線
306 支点(ベース)
307 接着剤
308 ケース
309 スクリーン
1001 ロボット
1002 筐体
1003 開口部
1004 コントロールボックス
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Obstacle detection apparatus 101 Microcomputer 102 Drive amplifier 103 Ultrasonic speaker array 104 Ultrasonic microphone 105 Reception amplifier 106 Envelope generator 107 Comparator 108 Sweep drive part 201 Open type ultrasonic transducer 202 Printed wiring board 203 Connector 301 Cone-shaped resonance Child 302 Metal plate (diaphragm)
303 Bimorph vibrator 304 Electrode terminal 305 Lead wire 306 Support point (base)
307 Adhesive 308 Case 309 Screen 1001 Robot 1002 Housing 1003 Opening 1004 Control box

Claims (9)

指向性を有する超音波発生器と超音波検出器と制御部とを備え障害物を検知する障害物検知装置であって、前記制御部は、
前記超音波発生器の送信強度又は前記超音波検出器の受信感度を制御し、
前記送信強度又は前記受信感度を変化させる制御を行いながら前記超音波検出器を介して検出されるエコー像の変化を判定することにより、前記障害物を検知する、障害物検知装置。
An obstacle detection device that detects an obstacle with a directivity ultrasonic generator, an ultrasonic detector, and a control unit, the control unit,
Control the transmission intensity of the ultrasonic generator or the reception sensitivity of the ultrasonic detector,
An obstacle detection device that detects the obstacle by determining a change in an echo image detected through the ultrasonic detector while performing control to change the transmission intensity or the reception sensitivity.
前記制御部は、前記送信強度又は前記受信感度を低い状態から高い状態に漸次変化させながら、前記エコー像が最初に検知された後に、当該検知されたエコー像に対応する虚像が検知されたか否かを判定し、前記虚像が検知されたと判定したときに、当該判定の直前における前記エコー像に基づいて前記障害物を検知する、請求項1に記載の障害物検知装置。   Whether the virtual image corresponding to the detected echo image has been detected after the echo image is first detected while the control unit gradually changes the transmission intensity or the reception sensitivity from a low state to a high state. The obstacle detection device according to claim 1, wherein when the virtual image is detected and the virtual image is detected, the obstacle is detected based on the echo image immediately before the determination. 前記超音波検出器は、超音波検出信号の出力を増幅する増幅度可変の受信アンプを含み、
前記制御部は、前記受信アンプの増幅度を低い状態から高い状態に漸次変化させることにより、前記受信感度を低い状態から高い状態に漸次変化させる、請求項2に記載の障害物検知装置。
The ultrasonic detector includes a variable amplification receiving amplifier that amplifies the output of the ultrasonic detection signal,
The obstacle detection device according to claim 2, wherein the control unit gradually changes the reception sensitivity from a low state to a high state by gradually changing the amplification degree of the reception amplifier from a low state to a high state.
前記超音波発生器は、超音波を発生させるための駆動アンプを含み、
前記制御部は、前記駆動アンプの駆動電圧を低い状態から高い状態に漸次変化させることにより、前記送信強度を低い状態から高い状態に漸次変化させる、請求項2に記載の障害物検知装置。
The ultrasonic generator includes a drive amplifier for generating ultrasonic waves,
The obstacle detection device according to claim 2, wherein the control unit gradually changes the transmission intensity from a low state to a high state by gradually changing the drive voltage of the drive amplifier from a low state to a high state.
前記超音波発生器は、超音波をバースト状に発生させるためのバースト発生回路を含み、
前記制御部は、前記バースト発生回路におけるバーストパルス数を少ない状態から多い状態に漸次変化させることにより、前記送信強度を低い状態から高い状態に漸次変化させる、請求項2に記載の障害物検知装置。
The ultrasonic generator includes a burst generation circuit for generating ultrasonic waves in bursts,
The obstacle detection device according to claim 2, wherein the control unit gradually changes the transmission intensity from a low state to a high state by gradually changing the number of burst pulses in the burst generation circuit from a low state to a high state. .
前記超音波発生器は開放型超音波トランスデューサをアレイ状に配置して構成される超音波スピーカアレイを含み、前記超音波検出器は前記開放型超音波トランスデューサによる超音波マイクを含む、請求項1ないし5のいずれかに記載の障害物検知装置。   The ultrasonic generator includes an ultrasonic speaker array configured by arranging open ultrasonic transducers in an array, and the ultrasonic detector includes an ultrasonic microphone based on the open ultrasonic transducer. The obstacle detection device according to any one of 5 to 5. 前記超音波発生器をスイープさせるスイープ駆動部を更に備える、請求項1ないし6のいずれかに記載の障害物検知装置。   The obstacle detection device according to claim 1, further comprising a sweep drive unit that sweeps the ultrasonic generator. 指向性を有する超音波発生器と超音波検出器と制御部とを制御することにより障害物を検知する障害物検知方法であって、
前記超音波発生器の送信強度または前記超音波検出器の受信感度を制御し、
前記送信強度又は前記受信感度を変化させる制御を行いながら前記超音波検出器を介して検出されるエコー像の変化を判定することにより、前記障害物を検知する、障害物検知方法。
An obstacle detection method for detecting an obstacle by controlling a directivity ultrasonic generator, an ultrasonic detector, and a control unit,
Control the transmission intensity of the ultrasonic generator or the reception sensitivity of the ultrasonic detector;
An obstacle detection method for detecting the obstacle by determining a change in an echo image detected through the ultrasonic detector while performing control to change the transmission intensity or the reception sensitivity.
指向性を有する超音波発生器と超音波検出器と制御部とを制御することにより障害物を検知するコンピュータに、
前記超音波発生器の送信強度または前記超音波検出器の受信感度を制御するステップと、
前記送信強度又は前記受信感度を変化させる制御を行いながら前記超音波検出器を介して検出されるエコー像の変化を判定することにより、前記障害物を検知するステップと、
を実行させるためのプログラム。
To a computer that detects obstacles by controlling a directivity ultrasonic generator, ultrasonic detector, and control unit,
Controlling the transmission intensity of the ultrasonic generator or the reception sensitivity of the ultrasonic detector;
Detecting the obstacle by determining a change in an echo image detected through the ultrasonic detector while performing control to change the transmission intensity or the reception sensitivity; and
A program for running
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