JP2018059887A - 空間距離算出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】送信部から受信部に波動パルスが届くまでの伝播時間を計測して空間距離を求める従来技術では、送信と受信を同一の時刻基準で計時しなければならないため、事前に送信部と受信部の双方の内部計時クロックが同期している必要があった。
【解決手段】所定間隔にて送信部から間欠的に送信された波動パルスの間隔と、この波動パルスが受信部で受信された際の間隔との差分から、送信部と受信部の間の距離を求めるものである。これにより送信と受信の時刻基準を合わせることなく、受信部のパルス間隔の観測のみでの空間距離測定が可能となる。
【選択図】図７

Description

本発明は、音波、超音波、電波等の波動を利用した距離算出装置及び方法である。

距離を測定する技術としては、測定したい間隔の一方の端から音波、超音波、電波等の波動を送出し、他方の端にある対象物から反射されて送出箇所に戻るまでの往復時間を計測することでこの間の距離が求められるという原理に基づく、レーダー技術が広く知られている。また別の方法としては、測定したい間隔の片方に波動の送信部を置き、他方にこの波動の受信部を置いて、送信部から送出されたパルスが受信部に届くまでの伝播時間を計測するという特許文献１に開示された類の従来技術がある。

特表２００６−５２１５４０号 公報

前述のレーダー技術では、測定したい対象物以外にも近傍に波動を反射する物体が別に存在する場合、反射波が複数現れるためどれが所望の対象物なのかの判別が困難となる問題が生じる。

一方、特許文献１に示される従来技術では前記問題は生じないものの、パルス送信と同受信の時間差を得るために送信と受信を同一の時刻基準で計時しなければならないため、事前にこれら双方の内部計時クロックが同期している必要があった。

本発明は、上記従来技術の課題を解決しつつ、特定の二点間の距離を算出する、装置および方法を提供することを目的とするものである。

本発明は、送信部と受信部が別個の個体であり、所定間隔にて送信部から間欠的に送信された波動パルスの間隔と、この波動パルスが受信部で受信された際の間隔との差分から、送信部と受信部の二点間の距離を求めるものである。

本発明の実施形態を示すシステム機能ブロック図 送信部１の内部構成 送信部１の動作タイミング 受信部２の内部構成 受信部２の動作タイミング 距離算出部３における算出動作原理（例１） 距離算出部３における算出動作原理（例２） 距離算出部３における算出動作原理（例３） 図７の部分拡大図 図８の部分拡大図 パルス受信が一時中断時の距離算出部３における算出動作原理 校正動作原理 送信間隔データ格納部１３の回路構成例 受信間隔データ格納部２４の回路構成例

本発明による一実施形態のシステム機能ブロック図を図１に示す。

全体のシステムは、所定間隔にて間欠的に波動パルスを送信する送信部１、送信部１から送信された後、空間を伝搬して到達する波動パルスを受信して、この受信したパルスの受信間隔を記録する受信部２、前記所定間隔と前記記録された受信間隔とを比較して送信部１と受信部２の相対距離変化を算出する距離算出部３、から構成されている。

なお、前記所定間隔とは、送信部１から送信されるパルスの間隔を、距離算出部３が距離算出を行うより前に予め知り得ているものであればよく、例えば、常に一定の間隔である等の予め定めた規則に基づいて決定されるものや、あるいは、送信部１内部に保持されている送信パルス間隔を定義した送信間隔データが別途設ける通信手段により距離算出部３に伝えられるもの、でもあってもよい。

送信部１の内部構成を図２に、また送信部１の動作タイミングを図３に示す。

送信部１は、送信計時クロック発生部１１、送信タイマ１２、送信間隔データ格納部１３、ワンショットパルス生成部１４からなる。

送信計時クロック発生部１１は、送信部１内部の時間の基準となる一定周波数の内部計時クロック（以下クロック１と称する）を生成する部分であって、例えば一般にリアルタイムクロックと呼ばれる発振周波数３２．７６８ｋＨｚの水晶発振器等を用いることが出来る。

送信タイマ１２は、送信計時クロック発生部１１からクロック１が入力されるごとにカウント値を減少するが、カウント値がゼロになると送信トリガ信号を出力した後、送信間隔データ格納部１３から送信間隔データを取り込んでカウント値にセットし、この後再びクロック入力毎にカウント値を減少する、という動作を繰り返す。

送信間隔データ格納部１３は、送信タイマ１２からの送信トリガ信号を受ける毎に送信間隔データを次の値に更新し、送信タイマ１２に対して出力する。

なおこの送信間隔データ格納部１３は送信間隔が常に一定でよい場合には、単一のデータを保持するデータレジスタで構成でき、送信間隔が逐一毎回変わる場合には、図１３に示すよう複数のデータが順次読み出されるＦＩＦＯ型のメモリの出力を入力にループバックした回路で構成できる。

ワンショットパルス生成部１４は送信タイマ１２からの送信トリガ信号を受けて送信パルスを生成する部分であり、送信トリガ信号を１回受ける毎に、予め定めた送信パルスを１回出力する。

なおここでの送信パルスには、従来のレーダー技術や通信技術において一般的な方式である、チャープ信号と呼ばれる周波数変調信号や、二値位相変調（ＢＰＳＫ）信号等、振幅・周波数・位相のいずれか一つ、またはこれらのいくつかを組み合わせた変調が施された信号波形であって、受信部２で受信した際に必要な時間精度を伴って復調できる限りにおいて、いずれの方式も用いることが出来る。

受信部２の内部構成を図４に、また受信部２の動作タイミングを図５に示す。

受信部２は、受信計時クロック発生部２１、受信トリガ発生部２２、受信タイマ２３、受信間隔データ格納部２４からなる。

受信計時クロック発生部２１は、受信部２内部の時間の基準となる一定周波数の内部計時クロック（以下クロック２と称する）を生成する部分であり、前述のクロック１と同様、例えば一般的な発振周波数３２．７６８ｋＨｚの水晶発振器を用いることが出来る。

受信トリガ発生部２２は、受信パルスを受信して、送信部１内のワンショットパルス生成部１４での変調方式に対応した復調を行って、受信トリガ信号を出力する。

受信タイマ２３は、受信トリガ信号が出力されていない間は受信計時クロック発生部２１からクロック２が入力されるごとにカウント値を増加していくが、受信トリガ信号が出力されると受信間隔データ格納部２４にその時点のカウント値を出力した後、カウント値をゼロにリセットし、このあと再び次の受信トリガ信号が出力されるまでの間は再びクロック２の入力毎にカウント値を増加する、という動作を繰り返す。

受信間隔データ格納部２４は、受信トリガ発生部２２が受信トリガ信号を出力する都度、その時点での受信タイマ２３のカウント値、すなわち前回の受信トリガ信号から今回の受信トリガ信号までの時間間隔を記録するものであって、図１４に示した一般的なＦＩＦＯ型のメモリで構成出来る。

送信パルス間隔が一定周期である場合の距離算出部３における算出動作原理を、図６、図７、図８に示す。

送信部１に対する受信部２の距離が、変化せず一定である場合が図６、徐々に離れる場合が図７、徐々に近づく場合が図８、である。いずれも横軸が時刻、縦軸が送信部１からの距離を示している。

図中、横軸を端点として一定の傾きで一定の時間間隔Ｔおきに平行に並ぶ複数の実線は、送信パルスの送信部１からの距離を、時刻ｔ_０距離ｒ_０にて時刻０にて発せられた送信パルスの実線と交わり横に伸びる別の実線は受信部２の送信部１からの距離を、それぞれ表したものである。

図中送信パルスを示す複数の実線と、受信部２の距離を示す実線との交点が、それぞれのパルスが受信部２に到達した点、すなわち受信部２がパルスを受信した時刻とその時の送信部１との距離を示す。

図６に示すように受信部２の距離が時間に対して変化せず一定である時は、送信部１から一定周期Ｔで送信された送信パルスは受信部２においても同じ一定周期Ｔの受信パルスとして観測される。

一方図７に示すよう、送信部１と受信部２の距離が徐々に離れる時は、送信部１で時刻０，Ｔ，２Ｔ・・・と一定間隔Ｔで送信されたパルスが、受信部２では時刻ｔ_０，ｔ_０＋（Ｔ＋ΔＴ_ａ），ｔ_０＋２（Ｔ＋ΔＴ_ａ）・・・と、Ｔよりも長いＴ＋ΔＴ_ａ間隔の受信パルスとして観測される。

この現象を図７の部分拡大図である図９を用いて説明する。図中、右肩上がりの２本の平行な実線が送信パルス、この２本の実線と交差する、より緩やかな傾きの実線が受信部２、にそれぞれに相当する。

送信パルスと受信部２それぞれの送信部１に対する相対速度を、ν_ｓ、νとし、またＴ＋ΔＴ_ａの間に受信部２と送信部１が遠ざかった距離をΔｒ_ａとすると、送信パルスは距離Δｒ_ａを進むのにΔＴ_ａ要しているため、

なる数式が成り立つ。

また逆に、図８に示すよう、送信部１と受信部２の距離が徐々に近づく時には、受信部２での受信パルスは、送信部１でのパルス間隔よりも短い周期であるＴ−ΔＴ_ｂ間隔のパルスとして観測される。

この現象を図８の部分拡大図である図１０を用いて説明する。図９と同様、図中の右肩上がりの２本の平行な実線が送信パルス、これと交差する別のもう１本の実線が受信部２、にそれぞれ相当する。

数式１の導出と同様に考えて、受信部２と送信部１が近づいた距離をΔｒ_ｂとすると、

なる数式が成り立つ。

数式１と数式２の違いは受信パルス間隔が送信パルス間隔よりも長くなるか短くなるかであり、いずれの場合も受信部２のある受信パルス間隔で生じる送信部１と受信部２間の距離変動は、受信パルス間隔と送信パルス間隔との差に相当する時間に、送信パルスが送信部１から遠ざかる距離に等しいことを示している。

よって今あらためて送信部１から受信部２が遠ざかる方向を正と定義し、送信部１にて間隔Ｔにて連続送信されたパルスが、受信部２にて時刻ｔ_ｎ−１と時刻ｔ_ｎ＝ｔ_ｎ−１＋（Ｔ＋ΔＴ_ｎ）にて受信された時、受信部２の時刻ｔ_ｎ−１から時刻ｔ_ｎの間における受信部２と送信部１間の距離変化をΔｒ_ｎとすると、数式１に
ΔＴ_ａ＝ΔＴ_ｎ、Δｒ_ａ＝Δｒ_ｎを代入して、

と表せる。

従って、受信部２がある時刻ｔ_０にて送信部１からのパルスを受信した時の、受信部２と送信部１間の距離をｒ_０、その後続けて受信部２が送信部１からｎ番目のパルスを受信した時刻ｔ_ｎにおける受信部２と送信部１の間の距離をｒ_ｎとすると、

なる数式が成り立つ。

数式４はある時刻ｔ_０での送信部１と受信部２間の距離の初期値ｒ_０が与えられれば、その後は送信パルス間隔と受信パルス間隔の差分を逐次積算することにより、任意の時刻ｔ_ｎにおける送信部１と受信部２間の距離ｒ_ｎを算出出来ることを示している。

また仮に初期値ｒ_０が得られない場合であっても、時刻ｔ_０以降の相対距離変化

時刻ｔ_０からの送信部１と受信部２間の距離変位を示しているため、この項の算出のみで事が足りる。

図１１は、図６から図８に示した動作において、送信部１と受信部２の間に障害物が入る等により一時的にパルス受信に失敗した後に再びパルス受信出来る状態に復帰した際の距離算出部３における算出動作を説明したものである。

今、受信部２において、時刻ｔ_０から時刻ｔ_ｎまでは送信部１が発したパルスを全て受信できたが、これに続く時刻ｔ_ｎ＋１から時刻ｔ_{ｎ＋ｍ−１}にて受信するはずだったｍ−１個のパルスが受信できず、時刻ｔ_ｎ＋ｍになって再びパルス受信ができたという場合を想定する。

時刻ｔ_ｎに受信部２で受信されたパルスを送信部１が発した時点から、ｍ・Ｔ経過後に送信部１が発したパルスを受信部２が時刻ｔ_ｎ＋ｍにて受信したことになるので、数式３の導出時と同様に考えて、

としてΔＴ_ｎ＋ｍが求められ、

さらに

として、時刻ｔ_ｎ＋ｍにおける送信部１と受信部２の間の距離が求められる。

数式６は、例え受信部２が送信部１からの全ての送信パルスを受信できない期間があったとしても、受信部２が異なる時刻で受信した任意の２つのパルスに対し、送信部１におけるこれら２つのパルスの送信された間隔が明らかである限り、送信部１と受信部２間の距離が求められる、ということを意味している。

ちなみに、数式１から数式６にて用いたν_ｓは、送信部１に対する送信パルスの相対速度であるため、送信パルスの波動が空間を伝わる速度をν_ｓ０、送信部１の速度をν_ｔとすると、ν_ｔの絶対値がν_ｓ０の絶対値に比べて無視できる程度に十分小さい時は、ν_ｓ＝ν_ｓ０としても支障ない。

ν_ｔの絶対値がν_ｓ０の絶対値に比べて無視できない程度の大きさになりうる時には、例えば、送信部１に備えた別途の速度検知手段から前記距離算出部３に対し都度得られたν_ｔを伝えν_ｓ＝ν_ｓ０−ν_ｔとして数式１から数式６の計算を行う、

あるいは、静止状態にあることを検知できる別途の静止検知手段を送信部１に設け、前記静止検知手段が静止状態にあると検知している時のみ送信パルスを送信し、一定間隔のパルスを連続受信できない場合である前述の数式５、数式６による計算を行う、という手法により、送信部１と受信部２間の距離を正確に求めることが可能である。

更に、送信部１と受信部２の双方が治具に人為的に固定される等により両者間の距離が一定値となる条件が保証される校正期間を設けることで、より精度の高い測定を行うことが可能である。

図１２にこの校正動作原理を示す。

今、校正期間中の送信部１と受信部２間の距離をｒ_ｃとする。校正期間中は送信部１と受信部２間の距離が一定であるため、受信部２での受信パルスＴ_ｒは送信部１での送信パルス間隔Ｔと原理上一致する。このため校正期間中のＴとＴ_ｒ間で観測される差は、クロック１とクロック２との誤差に由来するものである。

例えば今、予め周期Ｔ＝１００ｍｓと定めた装置において、校正期間中に得られた受信部２のＴ_ｒの値が、Ｔ_ｒ＝９９．９９８ｍｓ周期のパルスとして受信されたとすると、送信部１内部の計時基準であるクロック１に対し、受信部２内部の計時基準であるクロック２は、１０万分の２（２０ｐｐｍ）だけ遅くカウントしている、ということがわかる。

また同時に、前述の数式１から数式６におけるＴに代えてＴ_ｒを用いることにより、送信部１と受信部２間の内部クロック誤差の影響を排除して、さらに正確な距離算出が可能となる。

なおこの比較に用いる期間は必ずしも一定パルス送信周期の１周期に限ったものではなく、より長い期間を用いることで、クロック１とクロック２間の補正の精度をより高めることができる。

例えば、前述の例では送信部１に対する受信部２における差が２ｕｓ生じるが、受信部２での検知分解能が１０ｕｓであるためにこの差を検知できない、というような場合は比較期間を送信パルス１周期＝１００ｍｓから同５周期＝５００ｍｓと変更して前述の差を２ｕｓから１０ｕｓに拡大し、受信部２の検知分解能で検知できるようにする、というような設計が可能である。

送信部１と受信部２との間にある相対速度があってこの両者が相対的に離反もしくは接近している場合、受信部２で観測される受信パルスは、送信部１からの送信パルスに対し、ドップラー効果によって周波数が両者間の相対速度の応じた分量だけシフトされた波形として観測される。

このため送信パルスが周波数や位相を変調するものである場合は、受信トリガ発生部２２にて復調する際に、このドップラー効果による周波数シフトによる誤差が問題となりうる。

但しこの場合でもあっても数式３を変形して求められる以下の数式７、

（ただしν_ｎ−１は時刻ｔ_ｎ−１における送信部１と受信部２間の相対速度）
から前回のパルス受信時刻ｔ_ｎ−１における相対速度ν_ｎ−１は既知となるため、例えば今回の相対速度を前回に等しいν_ｎ＝ν_ｎ−１として予測し、これ基づくドップラー効果の周波数シフト分も予め考慮した上で、受信トリガ発生部２２での復調を行うことできる。

例えば送信部１からの送信パルス周波数をｆ_０、受信部２で観測される受信パルス周波数をｆ、今回の送信部１と受信部２が相対速度ν_ｎにてお互いに遠ざかっている時であって、送信部１が受信部２から遠ざかる速度をν_ｔ、受信部２が送信部１から遠ざかる速度をν_ｒ（ただしν_ｎ＝ν_ｔ＋ν_ｒ）とすると、

という数式にて受信部２での受信周波数ｆが求められる。

よって前述の受信トリガ発生部２２における復調で受信信号の周波数を用いる必要がある場合には、ｆ_０に代えて数式８にて得られるｆを用いることでより正確な復調が可能となる。

なお送信部１もしくは受信部２のいずれかが物理的に固定されている、あるいはいずれかに別途の速度検知手段がある等により、ν_ｔとν_ｒの少なくとも一方が既知である場合は、このν_ｔもしくはν_ｒのうち既知である一方の値を、ν_ｎ＝ν_ｔ＋ν_ｒに代入して他方も求め、それぞれ数式８に代入してｆを求めればよい。

またもしν_ｔおよびν_ｒともに未知である場合でも、

の３種類の条件うち最も実際の状況に近い数式用いるか、

もしくはこの状況さえも不明である場合は、数式９ないし数式１１のいずれか一つを固定的に使って求めたｆを用いることで、少なくともｆ_０をそのまま用いるよりはドップラー効果の影響を緩和した上で、受信部２におけるパルス受信が可能である。

１ 送信部、２ 受信部、３ 距離算出部、
１１ 送信計時クロック発生部、１２ 送信タイマ、
１３ 送信間隔データ格納部、１４ ワンショットパルス生成部、
２１ 受信計時クロック発生部、２２ 受信トリガ発生部、
２３ 受信タイマ、２４ 受信間隔データ格納部

Claims (10)

1. 波動パルスを用いて距離を算出する装置であって、所定間隔にて間欠的に波動パルスを送信する送信部、前記送信部から送信された波動パルスを受信して受信間隔を記録する受信部、前記所定間隔と前記記録された受信間隔との差分から前記送信部と前記受信部の距離を算出する距離算出部、を備えることを特徴とする、空間距離算出装置。
2. 前記波動に超音波を用いることを特徴とする、請求項１に記載の空間距離算出装置。
3. 前記所定間隔が一定値であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の空間距離算出装置。
4. 前記パルスに周波数変調信号もしくは位相変調信号のいずれかを用いることを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の空間距離算出装置。
5. 前記受信部において、ドップラー効果により生じる周波数または位相のずれに対する補正を加えた上で、前記パルスを受信して受信間隔を記録することを特徴とする、請求項４に記載の空間距離算出装置。
6. 前記距離算出部において、算出すべき前記送信部と前記受信部の距離に所定の初期値を設定する校正機能を備えることを特徴とする、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の空間距離算出装置。
7. 前記距離算出部において、校正期間中に前記受信部にて記録された受信間隔を前記所定間隔に設定する校正機能を備えることを特徴とする、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の空間距離算出装置。
8. 前記送信部の速度を検知し、前記検知した速度に応じて前記距離算出部における距離算出の際に補正を加える機能を有することを特徴とする、請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の空間距離算出装置。
9. 前記送信部の速度が一定速度以下の静止状態にあるか否か判断し、前記判断より静止状態ではないと判断された時には、前記送信部におけるパルス送信を抑制する機能を有することを特徴とする、請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の空間距離算出装置。
10. 波動パルスを用いて距離を算出する方法であって、送信地点から所定間隔にて間欠的に送信される波動パルスを、送信地点とは異なる受信地点にて受信して受信間隔を記録し、前記所定間隔と前記記録された受信間隔との差分から前記送信地点と前記受信地点の距離を算出することを特徴とする、空間距離算出方法。

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