JP2020502500A - 超音波センサを動作させるための方法 - Google Patents

超音波センサを動作させるための方法 Download PDF

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Abstract

【課題】複数の測定サイクルが互いに連続して実行されることによって、超音波センサを動作させるための方法が提案される。【解決手段】各測定サイクルでは、超音波センサの電気音響的なコンバータが励起パルスによって機械的な振動へ励起され、これにより、測定信号がコンバータによって発出され、−コンバータによってエコー信号が受信され、−該エコー信号に基づき物体情報が検出される。このとき、励起パルスの周波数経過は、本発明により時間的に連続して行われる測定サイクルにおいて区別され、各測定サイクルにおける励起パルスの周波数経過が、あらかじめ設定された周波数経過のグループからランダムに、又はあらかじめ設定された順序で選択される。【選択図】 図1図面訳図2周波数時間図3サイクル/センサ番号

Description

本発明は、超音波センサを動作させるための方法と、本発明の方法により動作される少なくとも1つの超音波センサを有する距離測定装置とに関するものである。
超音波に基づく測定システムは、超音波センサの前方に位置する物体に対する距離を測定するために用いられる。用いられるセンサは、パルス/エコー方法に基づいている。この動作では、超音波センサが超音波パルスを発出し、物体により生じる超音波パルスの反射(エコー)が測定される。超音波センサと物体の間の距離は、測定されたエコー経過時間及び音速により演算される。このとき、超音波センサは、送信機及び受信機として機能する。公知の用途は、例えば、原動機付き車両用の、距離警告システム、駐車スペース検出装置及び駐車アシストである。通常、このような測定システムでは、複数の超音波センサが用いられる。
車両における公知の距離測定装置においては、フロントバンパー及び/又はリヤバンパーに典型的には4〜6個の超音波センサが用いられる。周囲をできる限り迅速に検出するために、バンパーにおける全ての超音波センサが同時に送信し、これにより情報が並行して処理されることができれば有用である。このために、互いに区別される超音波センサのそれぞれに対して、発出のための特別な励起パターン、いわゆるコードを選択することが可能である。
特許文献1には、周囲を検出するための超音波に基づく測定システムが開示されている。ここでは、超音波を用いて距離測定を行うことができるように構成されている。2つの連続するパルスを区別することができるように、これらパルスは、周波数変調される。
特許文献2には、ここでも、超音波を用いて距離を測定するための方法が開示されている。ここでは、個々の超音波信号が識別性のためにコード化されるようになっている。
受信パスにおける信号の処理は、例えば、受信される信号が信号に適合するフィルタ(いわゆる「整合フィルタ」)によってフィルタされることでなされ得る。
通常、励起にはいわゆる「理想のコード」が用いられる。「理想のコード」は、コードが互いに直交していること、すなわち、コードの整合フィルタが外部コードを大部分において抑制するよう作用することを特徴としている。しかしながら、実際には、整合フィルタによる完全な抑制はほとんど不可能である。
距離測定装置の超音波センサに所定のコードが割り当てられると、同一のコード化を用いる外部車両の場合には、関与する超音波センサが対向すると外乱がまさに最大となる。
独国特許出願公開第102007029959号明細書 独国特許出願公開第102013021845号明細書
したがって、本発明の基礎となる課題は、特に他の車両の超音波信号により引き起こされ得る外乱の影響が低減される、超音波センサを作動させるための方法を提供することである。
本発明は、本発明により動作される超音波センサから発出される信号をコード化するという思想に基づくものである。このとき、コード化は、ランダムに選択されたコードを用いて、又はランダムに選択されたコード順序を用いてなされる。加えて、好ましくは、超音波信号の発出時点を確率的にジッタリングすることが可能である。このようにして、特に2つの車両の遭遇時のような場合に、隣り合う超音波システムの外乱の影響が、大幅に回避されることを保証することが可能である。このとき、本発明により、コードの変更は各測定サイクル後に設定されている。同一のセンサの新たな送信動作までの完全な進行が測定サイクルと呼ばれる。
それゆえ、超音波センサを動作させるための方法が提案され、複数の測定サイクルが連続して実行される。各測定サイクルでは、
−超音波センサの電気音響的なコンバータが、励起パルスによって機械的な振動へ励起され、これにより、測定信号がコンバータによって発出され、
−コンバータによってエコー信号が受信され、
−エコー信号に基づき物体情報が検出される。
このとき、励起パルスの周波数経過は、本発明により、時間的に連続して行われる測定サイクルにおいて区別され、各測定サイクルにおける励起パルスの周波数経過は、あらかじめ設定された周波数経過のグループからランダムに、又はあらかじめ設定された順序で選択される。
したがって、換言すれば、本発明により、距離を測定するための超音波センサが特別のコードで動作されるようになっている。各コードは所定の励起パターンに対応しており、各励起後、時間的につづく新たな励起について他の励起パターン、したがって他のコードが用いられるようになっている。このとき、本発明の第1の形態によれば、各測定サイクルにおいて、コードをあらかじめ設定されたコードのグループからランダムに選択することが可能である。第2の形態によれば、コードがコードのあらかじめ設定されたグループから選択される順序があらかじめしっかりと設定されている。
好ましくは、検出された物体情報は、少なくとも2つの測定サイクルに基づき互いに比較され、この比較の結果に依存して外乱が認識される。ここで、外乱とは、特に、例えば他の車両の距離測定システムの一部である外部の超音波センサの超音波信号により引き起こされ得る測定エラーと理解される。
好ましくは、発出時点が各測定サイクル内で確率的にジッタリングされる。これは、各励起パルスがコンバータへ印加される時点が、測定サイクルの開始時点に相対してランダムに選択された継続時間だけずらされていることを意味する。この継続時間は、特に、各測定サイクルの全体継続時間に対して小さいものであり、例えば1〜10msの範囲であることが可能であり、測定サイクルの全体継続時間は、例えば約40msであり得る。この構成は、特に本発明の第2の形態において有利である。なぜなら、第2の形態では、同期化の確率が低減されているものの選択された励起パターン(コード)の決定論的な順序においては依然として外乱へ至り得るためである。この効果は、発出時点の確率的なジッタリングによってさらに最小化されることが可能である。ジッタリングは、第1の形態に対しても有利である。
さらに、励起パターン(コード)がグループから選択され、次のように形成され、すなわち、これら励起パターンが最大限相互に抑制されるように形成されていれば有利である。このことは、例えば、グループのコードが互いに対して直交していることによって達成される。
好ましい実施形態では、第1の測定サイクルの第1の励起パルスの継続時間は、第2の測定サイクルの第2の励起パルスの継続時間とは区別され、第2の測定サイクルは、第1の測定サイクルに時間的につづくものである。このとき、第2の測定サイクルは、第1の測定サイクルに直接つづき得る。すなわち、第1の測定サイクルと第2の測定サイクルの間に別の信号は発出されないが、第1の測定サイクルと第2の測定サイクルの間に、励起がなされない合間が存在することが可能である。これに代えて、第2の測定サイクルが第1の測定サイクルに直接つづかず、第1の測定サイクルと第2の測定サイクルの間に別の励起がなされることが可能である。
これに代えて、又はこれに加えて、第1の測定サイクルの第1の励起パルスの振幅が、第2の測定サイクルの第2の励起パルスの振幅から区別されることが可能である。これにより、発出される各信号の音圧が異なることが生じる。このとき、第2の測定サイクルは、第1の測定サイクルに直接つづき得る。すなわち、第1の測定サイクルと第2の測定サイクルの間に別の信号は発出されないが、第1の測定サイクルと第2の測定サイクルの間に、励起がなされない合間が存在することが可能である。これに代えて、第2の測定サイクルが第1の測定サイクルに直接つづかず、第1の測定サイクルと第2の測定サイクルの間に別の励起がなされることが可能である。
励起パルスは、好ましくは周波数変調されたパルスとして構成されている。本発明の意味合いでは、周波数がパルス継続時間中に変化する各励起パルスが周波数変調された励起パルスとして理解され得る。このとき、周波数の定常的な、及び/又は非定常的な変化を設定することが可能である。これに代えて、又はこれに加えて、継続的に一定の励起周波数を有するパルスも用いることが可能である。
本発明の好ましい一実施形態では、各励起パルスは、特に線形の周波数経過によって、特に40〜60kHzの周波数範囲において変調される。これは、各励起パルスの周波数が、開始周波数から終了周波数に達するまで、恒常的に特に線形に上昇又は低下することを意味している。このような励起は、「チャープ」とも呼ばれる。このとき、開始周波数及び終了周波数は、好ましくは40〜60kHzの周波数範囲から選択される。
本発明の特に好ましい実施形態では、受信されるエコー信号は、整合フィルタ(最適フィルタ又は相関フィルタともいう)を用いてフィルタされる。これにより、有利には、公知のように励起パルスの既知の信号形状がフィルタの選択時に用いられることで信号雑音比が改善される。フィルタ結果に依存して、物体情報がより高い精度で検出される。
本発明の特に好ましい実施形態では、物体情報の比較の結果に依存して、少なくとも2つの測定サイクルに基づき、検出された物体が実際に存在するか、又は測定エラーが存在するかの確率が演算される。これにより、測定エラー(「誤検知」)の意味合いでの他の車両の超音波信号による外乱の抑制を特に効果的に達成することが可能である。
本発明の好ましい一実施形態では、超音波センサの動作時に少なくとも4つの測定サイクルが設定されており、各測定サイクルでは、超音波センサのコンバータが他の励起パターンあるいは周波数経過を有する励起パルスで作動され、このとき、各測定サイクルでは、励起パターンが可能な励起パターンのグループからランダムに選択されるか、あるいは励起パターンがあらかじめ設定された順序でグループから選択される。
本発明の第2の態様によれば、上述の方法の1つにより動作される少なくとも1つの超音波センサを含む、特に原動機付き車両のための距離測定装置が設けられている。
特に、上述のように構成された方法により動作される複数の超音波センサを含む距離測定装置が設けられており、超音波センサは、原動機付き車両の車体部分に直列に配置されている。このとき、互いに隣り合って配置された超音波センサが時間的に重ならない測定サイクルを有するように超音波センサが動作される。
本発明の一形態による複数の超音波センサを有する距離測定装置を概略的に示す図である。 励起パルスについての可能な周波数経過の4つのグラフを示す図である。 本発明の一形態による複数の超音波センサを有する距離測定装置の様々な超音波センサについての測定サイクルの順序を有する表を示す図である。
本発明の実施例の以下の説明では、同一の要素が同一の符号で示されており、場合によっては、これら要素の繰り返しの説明は省略する。各図は、本発明の対象を概略的にのみ図示している。
図1には、超音波センサ1〜6が直列に配置されたフロントバンパー27と、超音波センサ7〜12が直列に配置されたリヤバンパー28とを有する原動機付き車両20が概略的に平面図で示されている。超音波センサ1〜12は、原動機付き車両20の周囲を検出するための距離測定装置の一部である。さらに、超音波センサを用いて検出されるべき物体19が原動機付き車両20の周辺に図示されている。この物体は、例えば、バケット、道路標識又は街灯のような交通障害物及び別の車両であり得る。
各超音波センサ1〜12は電気音響的なコンバータを備えており、このコンバータは、周波数変調された励起パルスによって機械的な振動へ励起され、これにより、測定信号30がコンバータによって発出される。本発明は、超音波センサが原動機付き車両20のリヤ部又はフロント部に配置されていることに限定されていない。これに代えて、又はこれに加えて、別の超音波センサを例えば原動機付き車両20の側部の範囲、特にドアに配置することが可能である。
超音波センサ3に関連して、例えば、発出された測定信号30の発出円すい(発出範囲)と、発出方向を示唆する方向矢印31とが図示されている。発出円すいが物体19へ当たることが見て取れ、その結果、測定信号30は、部分的に物体19から超音波センサ3の方向へ向けて第2の発出円すい(エコー)32において反射される。
超音波センサ3は反射32を感知し、送信パルスの発出と反射の受信の間で経過する時間全体が特定される。既知の信号速度、例えば約343m/sの空気中での音速において、経過した時間に基づき超音波センサ3から物体19の距離を演算することができる。
他の超音波センサについても同様の測定原理が当てはまる。
いまや、超音波センサ3は、物体19により反射される測定信号32のみを受信するわけではなく、他の音波源21、例えば他の車両から出る超音波信号33も受信することがある。これにより、欠陥のある測定結果に至ることがあるか、又は実際には物体が存在しないにもかかわらず距離測定システムによって物体が検知される(「誤検知」)。
この問題に対処するために、超音波センサ3は、連続する複数の測定サイクルが実行されるように動作される。各測定サイクルでは、先行した測定サイクルとは異なる、電気音響的なコンバータを励起するための励起パルスが用いられ、時間的に連続して行われる測定サイクルでは、励起パルスの各周波数経過が区別される。このとき、励起パルスの周波数経過は、各測定サイクルにおいて、あらかじめ設定された周波数経過のグループからランダムに、又はあらかじめ設定された順序で選択される。
特に、周波数変調された励起パルス(コード)は、いわゆる「線形のFMチャープ」として形成された励起パターンとして選択される。これは、励起周波数が励起パルスの間に開始周波数から目標周波数まで線形に変化することを意味している。しかし、本発明は、周波数変調のこのような種類に限定されておらず、例えば励起パルスの間に増大し、再び低下する周波数のような他の励起パターンも考えられる。さらに、例えば、少なくとも部分的に一定の周波数経過も用いることが可能である。これについて、当業者にとって更なる多様な構成可能性が知られている。
本発明の好ましい一実施形態によれば、時間的に連続して行われる測定サイクルにおいて励起パルスの各周波数経過が区別されるように、各超音波センサ1〜12について、発出から発出まで励起パターン(コード)を変更するようになっており、励起パルスの周波数経過は、各測定サイクルにおいて、あらかじめ設定された周波数経過のグループからランダムに、又はあらかじめ設定された順序で選択される。
周波数変調された励起パルスについての例示的な励起パターンは、図においてグラフ41〜44で示されている。ここで、それぞれ、時間に対して周波数が記入されている。当該励起パターンは好ましくはグループを形成しており、このグループから、各測定サイクルにおいて励起パターンが超音波センサ1〜12のコンバータのための励起パルスとして選択される。このとき、選択は、ランダムになされ得るか、又はあらかじめ決定された順序でなされ得る。この例では、周波数fは48kHzであり、パルス継続時間Tは1.6msである。
図2に図示された実施例では、可能な励起パターンのグループが以下の励起パターン(コード)を含むように構成されている:
−f=48.5kHzの開始周波数からf+Δf=53.5kHzの終了周波数への線形のチャープ41が1.6ms(=1600μs)の継続時間で行われる。励起パルスのこの形状は、以下において符号C11で示される。
−f=48kHzの開始周波数からf−Δf=43kHzの終了周波数への線形のチャープ42が1.6ms(=1600μs)の継続時間で行われる。励起パルスのこの形状は、以下において符号C9で示される。
−54kHzの開始周波数から45kHzの終了周波数への線形のチャープ43が1.6ms(=1600μs)の継続時間で行われる。励起パルスのこの形状は、以下において符号C3で示される。
−43.5kHzの開始周波数から52.5kHzの終了周波数への線形のチャープ44が1.6ms(=1600μs)の継続時間で行われる。励起パルスのこの形状は、以下において符号C4で示される。
これら励起パターンは、各超音波センサにおいて所定の、又はランダムな順序で実行されることができ、ある超音波センサでは、それぞれ時間的に連続する測定サイクルが好ましくはその各励起パターンにおいて区別される。
好ましくは、更に励起の開始時点tのジッタリングを励起パルスC9,C11,C3又はC4のうちいずれか1つによって行うことが可能である。
図2による励起パターンの図示は、概略的であるとともに縮尺どおりではないと理解されるべきであることを指摘しておく。
超音波センサ1〜12の作動の時間的な経過についての可能な例が図3に表で図示されている。ここで、表の行は、測定サイクルについて提供される時間インターバルを示している。このような時間インターバルにおいては、電気音響的なコンバータの励起と、また反射した超音波信号の受信及び物体情報の特定が行われる。これら時間インターバルは、それぞれ同一の長さを有することができるが、異なる長さに設定されることも可能である。
表の列は、この例ではそれぞれ同時に同一の励起パターンで作動される、それぞれフロント又はリヤに配置された超音波センサ1及び7、2及び8、3及び9、4及び10、5及び11並びに6及び12の対に関している。
したがって、この例では、超音波センサ1及び超音波センサ7は、距離測定装置の作動の開始時に第1の時間インターバル1aにおいて、その第1の測定サイクルに合わせてC3の形状の励起パルスによって作動され、したがって、超音波センサ1,7の各電気音響的なコンバータは、対応する励起パルスで負荷を受け、それぞれ対応する測定信号を発出する。同時に、超音波センサ3,9はC11の形状の励起パルスによって作動される。同様に、超音波センサ5,11は同時にC9の形状の励起パルスによって作動される。
第1の時間インターバルに時間的につづいて、第2の時間インターバル1bでは、超音波センサペア2/8がC9の形状の励起パルスで作動される。同時に、超音波センサペア4/10はC11の形状の励起パルスによって作動される。同様に、超音波センサペア6/12は同時にC3の形状の励起パルスによって作動される。
時間的につづく第3の時間インターバル2aでは、超音波センサペア1/7がC4の形状の励起パルスによって作動される。同時に、超音波センサペア3/9はC9の形状の励起パルスによって作動される。同様に、超音波センサペア5/11は同時にC11の形状の励起パルスによって作動される。
時間的につづく第4の時間インターバル2bでは、超音波センサペア2/8がC11の形状の励起パルスによって作動される。同時に、超音波センサペア4/10はC9の形状の励起パルスによって作動される。同様に、超音波センサペア6/12は同時にC4の形状の励起パルスによって作動される。
時間的につづく第5の時間インターバル3aでは、超音波センサペア1/7がC3の形状の励起パルスによって作動される。同時に、超音波センサペア3/9はC11の形状の励起パルスによって作動される。同様に、超音波センサペア5/11は同時にC9の形状の励起パルスによって作動される。
時間的につづく第6の時間インターバル3bでは、超音波センサペア2/8がC9の形状の励起パルスによって作動される。同時に、超音波センサペア4/10はC11の形状の励起パルスによって作動される。同様に、超音波センサペア6/12は同時にC3の形状の励起パルスによって作動される。
時間的につづく第7の時間インターバル4aでは、超音波センサペア1/7がC4の形状の励起パルスによって作動される。同時に、超音波センサペア3/9はC9の形状の励起パルスによって作動される。同様に、超音波センサペア5/11は同時にC11の形状の励起パルスによって作動される。
時間的につづく第8の時間インターバル4bでは、超音波センサペア2/8がC11の形状の励起パルスによって作動される。同時に、超音波センサペア4/10はC9の形状の励起パルスによって作動される。同様に、超音波センサペア6/12は同時にC4の形状の励起パルスによって作動される。
個々の超音波センサあるいは超音波センサペアを考察すると、図3による表から、各超音波センサあるいは各超音波センサペアが、発出から発出まで(したがって時間的に連続した各センサあるいはセンサペアの測定サイクルにおいて)別々に見てその励起パターンを変化させることが明らかである。したがって、例えば、第1の時間インターバルにおいて、超音波センサ1によって測定が実行される。したがって、第1の時間インターバルは、超音波センサ1の第1の測定サイクルに相当する。この第1の測定サイクルでは、超音波センサ1の電気音響的なコンバータが、C3の形状を有する周波数変調された励起パルスによって機械的な振動へ励起される。測定サイクルの終了後、超音波センサ1は、第3の時間インターバルにおいて超音波センサ1の第2の測定サイクルが実行されるまでパッシブのままである。この第2の測定サイクルでは、超音波センサ1の電気音響的なコンバータが、C4の形状を有する周波数変調された励起パルスによって機械的な振動へ励起される。超音波センサ1の第3の測定サイクルは、第5の時間インターバルにおいて行われる。超音波センサ1の第4の測定サイクルは、第7の時間インターバルにおいて行われる。これにより、周波数変調された励起パルスの周波数経過は、各測定サイクルにおいて区別される。このことは、他の全ての超音波センサ2〜6についても当てはまる。
同様に、隣り合って配置されたセンサは同時に動作されないことが明らかである。
超音波センサ1〜12のうちいずれか1つによる測定信号30の発出につづいて、各超音波センサ1〜12が反射した超音波信号32を受信することが可能である。特に「整合フィルタ」の形態で励起パルスの周波数経過に適合されている、受信された信号の適当なフィルタリングによって、外部信号をフィルタによって抑制することで、外部信号33の実際のエコー信号を区別することが可能である。時間的に連続して行われる測定サイクルにおいて、励起パルスの各周波数経過が区別され、各測定サイクルにおける励起パルスの周波数経過があらかじめ設定された周波数経過のグループからランダムに、又はあらかじめ設定された順序で選択されるという本発明による構成により、他の車両において同様に形成された距離測定システムにおいても、外部信号33が自身の測定信号30とちょうど同一の周波数経過を有するという可能性が非常にわずかであることが保証されている。
1 超音波センサ
2 超音波センサ
3 超音波センサ
4 超音波センサ
5 超音波センサ
6 超音波センサ
7 超音波センサ
8 超音波センサ
9 超音波センサ
10 超音波センサ
11 超音波センサ
12 超音波センサ
19 物体
20 原動機付き車両
21 他の音波源
27 フロントバンパー
28 リヤバンパー
30 測定信号
31 方向矢印
32 反射
33 外部信号
41 励起パルスの周波数経過
42 励起パルスの周波数経過
43 励起パルスの周波数経過
44 励起パルスの周波数経過

Claims (13)

  1. 超音波センサ(1〜12)を動作させるための方法であって、複数の測定サイクルが連続して実行され、各測定サイクルにおいて、
    −前記超音波センサ(1〜12)の電気音響的なコンバータが、励起パルスによって機械的な振動へ励起され、これにより、測定信号(30)が前記コンバータによって発出され、
    −前記コンバータによってエコー信号が受信され、
    −該エコー信号に基づき物体情報が検出され、
    前記励起パルスの周波数経過(41,42,43,44)が、時間的に連続して行われる2つの測定サイクルにおいて区別される、前記方法において、
    各測定サイクルにおける励起パルスの前記周波数経過(41,42,43,44)が、あらかじめ設定された周波数経過のグループからランダムに、又はあらかじめ設定された順序で選択されることを特徴とする方法。
  2. 少なくとも2つの測定サイクルに基づき物体情報が互いに比較されるとともに、該比較の結果に依存して外乱が認識されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 前記励起パルスが、100〜3000μsの全体継続時間(T)、特に1600μsの全体継続時間(T)を有していることを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
  4. 第1の測定サイクルの第1の励起パルスの継続時間が、第2の測定サイクルの第2の励起パルスの継続時間から区別されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。
  5. 第1の測定サイクルの第1の励起パルスの振幅が、第2の測定サイクルの第2の励起パルスの振幅から区別されることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。
  6. 少なくとも1つの励起パルスが、周波数変調された励起パルスとして構成されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。
  7. 少なくとも1つの励起パルスが、特に、開始周波数と終了周波数の間の線形の周波数経過(41,42,43,44)によって変調され、前記開始周波数及び前記終了周波数が40〜60kHzの周波数範囲から選択されていることを特徴とする請求項6に記載の方法。
  8. 前記エコー信号が整合フィルタを用いてフィルタされるとともに、フィルタ結果に依存して、物体情報が検出されることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法。
  9. 前記物体情報の前記比較の結果に依存して、少なくとも2つの測定サイクルに基づき、検出された物体(19)が実際に存在するか、又は測定エラーが存在するかの確率が演算されることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。
  10. 少なくとも2つの測定サイクルが実行されることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の方法。
  11. 4つ以上の測定サイクルが設定されていることを特徴とする請求項10に記載の方法。
  12. 請求項1〜11のいずれか1項に記載の方法により動作される少なくとも1つの超音波センサ(1〜12)を含む、特に原動機付き車両(20)のための距離測定装置。
  13. 請求項1〜11のいずれか1項に記載の方法により動作される複数の超音波センサ(1〜12)を含む距離測定装置であって、前記超音波センサ(1〜12)が、原動機付き車両(20)の車体部分(27,28)に直列に配置されている、前記距離測定装置において、
    互いに隣り合って配置された超音波センサ(1〜12)が時間的に重ならない測定サイクルを有するように、前記超音波センサ(1〜12)が動作されることを特徴とする距離測定装置。
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