JP2611822B2

JP2611822B2 - 超音波誘導装置

Info

Publication number: JP2611822B2
Application number: JP63254607A
Authority: JP
Inventors: 覚小松
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1988-10-08
Filing date: 1988-10-08
Publication date: 1997-05-21
Anticipated expiration: 2012-05-21
Also published as: JPH02102481A

Description

【発明の詳細な説明】技術分野本発明は、障害物を避けながら超音波信号源が設けら
れた目標体を追尾する超音波誘導装置に関する。

従来技術一般に、この種の超音波誘導装置を実現するために
は、移動体に前方障害物を検知する視覚機能およびその
検知された障害物を避けるような操舵を行なわせる自動
操舵機能をもたせ、またその移動体に目標体までの距離
および方向を検知しながら前記移動体をその目標体にし
たがって移動させる追尾機能をもたせる必要がある。

しかして従来では、複数のレーダを用いて視覚機能お
よび追尾機能をそれぞれ発揮させるようにしているが、
前方の所定領域をレーダにより走査して高分解能をもっ
て障害物と目標体とをそれぞれ識別しながら検知させる
ようにするには全体の構成が複雑になってしまうととも
に、障害物または目標体の検知に時間を要するものとな
っている。

目的本発明は以上の点を考慮してなされたもので、障害物
および目標体に対する距離，方向を迅速に、かつ高分解
能をもって制度良く検知して、障害物を避けながら超音
波信号源が設けられた目標体を最適に追尾することがで
きるようにした超音波誘導装置を提供するものである。

構成本発明はその目的を達成するため、複数の超音波送信
器における各超音波振動子をアレイ状に配設して得られ
る長方形状のビームパターンによる超音波ビームを送信
走査しながら各超音波振動子をアレイ状に配設した複数
の超音波受信機によって障害物からの反射ビームの受信
走査をなして前方障害物の検知を行なわせる移動体に搭
載された第１の手段と、目標体から送られてくるトリガ
電波をトリガ電波受信機によって受信するとともに、上
下，左右方向に少なくとも３つの超音波受信器を互いの
間隔が既知となるように設けて、目標体から送信される
超音波信号をそれぞれ受信して、トリガ電波が受信され
てから各超音波受信器によって超音波信号が受信される
までの時間を計測することにより、目標体と各超音波受
信器との間の距離をそれぞれ求めて三角測量法により目
標体の三次元空間上の位置をわり出す前記移動体に搭載
された第２の手段と、第１の手段から与えられる障害物
の情報にしたがって、その障害物を避けるように移動体
の操舵を行なうとともに、第２の手段から与えられる前
記目標体の三次元空間上の位置の情報にしたがってその
目標体を追尾するように移動体の操舵を行なわせる第３
の手段とをとるようにしている。

以下、添付図面を参照して本発明の一実施例について
詳述する。

本発明では、障害物の検知を行なわせる第１の手段と
して、以下のような超音波レーダ手段を用いるようにし
ている。

その超音波レーダ手段としては、第１図および第２図
に示すように、ｙ軸上に例えば３つの超音波送信器T1〜
T3を並設するとともに、ｘ軸上に超音波送信器T1〜T3の
列が中央にくるように例えば９つの超音波受信器R1〜R9
を並設し、制御回路CNTの制御下において、各超音波送
信器T1〜T3の送信動作を同時に行なわせるとともに、各
超音波受信器R1〜R9の受信動作を時系列的になして物体
Ｏからの反射ビームの受信走査を行なわせるようにして
いる。

各超音波送信器T1〜T3としては、第３図に示すよう
に、それら各超音波送信器T1〜T3における超音波振動子
b1〜b3が長方形状のビームパターンによる超音波ビーム
が得られるようにアレイ状に配設されており、またそれ
ら各超音波振動子b1〜b3に移相器PS1〜PS3がそれぞれ設
けられて、各移相器PS1〜PS3により送信ビームの位相を
適宜変化させることにより送信ビームの指向生を制御し
て、長方形状の超音波ビームをｘ方向に走査しながら送
信することができるようになっている。

また各超音波受信器R1〜R9としては、超音波受信器T1
〜T3の場合と同様に、それぞれの超音波振動子がアレイ
状に配設されて、それら各超音波振動子に移相器がそれ
ぞれ設けられており、各超音波振動子によるビーム受信
の位相制御をなすことにより超音波ビームの受信走査を
なすことができるようになっている。

第４図に、このように構成された超音波レーダ装置に
おける３つの超音波送信器T1〜T3による送信ビームの走
査領域Ａおよび９つの超音波受信器R1〜R9による受信走
査領域Ｂを示している。なお、図中矢印Stは送信ビーム
の走査方向を、Srは受信走査方向をそれぞれ示してい
る。

送信ビームの走査領域Ａは、ｙ軸方向の長方形状のビ
ームパターンPtをｘ軸方向に走査させた領域からなって
いる。受信走査領域Ｂは、ｘ軸方向の長方形状のビーム
パターンPrをｙ軸方向に走査させた領域からなってい
る。

なおここでは、受信走査されるビームパターンPrによ
って送信ビームの走査領域Ａにおける走査幅が網羅され
るような関係をもって、超音波送信器T1〜T3および超音
波受信器R1〜R9の各設置数が決定されている。

しかしてこのような超音波レーダでは、第５図に示す
ように、レーダ監視面（送信ビーム領域Ａ）をｘ軸方向
に９等分の小エリア〜に分割して、左端の小エリア
から右端の小エリアまで各小エリア内に物体が存在
するか否かの検知を順次行なうことができるようにな
る。

通常、そのレーダ監視面が、ｙ軸方向のひろがり角度
θ１が15゜程度に、ｘ軸方向のひろがり角度θ２が30゜
程度になるように設定される。

したがって、制御回路CNTにおいて、例えば物体から
の反射ビームが超音波受信器R4によって受信されること
によってその物体がレーダ監視面の小エリア内に存在
することがわかるなど、そのレーダ監視面におけるｘ軸
方向の位置関係をもって物体の検知が行なわれる。

また検知される物体との距離は、制御回路CNTにおい
て、各超音波送信器T1〜T3から超音波ビームが送信され
てから、各超音波受信器R1〜R9によって物体からの反射
ビームが受信されるまでの時間をそれぞれ計測すること
によって求められる。

なお、ｙ軸方向が水平になるように超音波送信器T1〜
T3および超音波受信器R1〜R9を設置して、垂直方向に受
信走査を行なわせるようにすれば、レーダ監視面内にお
いて上下の位置関係をもって物体の検知を行なわせるこ
とができるようになる。

その際、特に、第６図に示すように、階段における各
段のエッジ部分でそれぞれ反射ビームが得られ、それに
より階段の検知を行なわせることが可能になる。

また本発明では、目標体に対する距離，方向を求める
手段として、以下のような超音波測距手段を用いるよう
にしている。

その超音波測距手段としては、第７図に示すように、
目標体側に設けられた送信部Ｔと、その目標体の測定側
に設けられた受信部Ｒとからなっている。

送信部Ｔは、バースト波による超音波信号を超音波振
動子１から送信する超音波送信器２と、微弱電波による
パルス状のトリガ電波をアンテナ３から送信するトリガ
電波送信器４と、超音波信号の送信とトリガ電波の送信
との同期をとるべく各送信器2,4の送信制御を行なわる
制御回路５とによって構成されている。

受信部Ｒは、超音波信号を超音波振動子６を介して受
信する超音波受信器７と、トリガ電波をアンテナ８を介
して受信するトリガ電波受信器９と、それら各受信器7,
9によってそれぞれ受信されるトリガ電波と超音波信号
との各受信のずれ時間を計測して目標体までの距離を所
定の演算によって求める演算回路10とによって構成され
ている。

このように構成されたものにあって、第８図に示すよ
うに、t0の時点で送信部Ｔからトリガ電波と超音波信号
とを同時に送信させると、受信部Ｒにおいてt1の時点で
トリガ電波が受信され、続いてt2の時点で超音波信号が
受信される。

このトリガ電波が受信されてから超音波信号が受信さ
れるまでの所要時間Txは、電波と超音波との伝播速度の
違いから生ずるもので、送信部Ｔと受信部Ｒとの間の距
離に比例して変化することになる。

しかして、受信部Ｒの演算回路10において、トリガ電
波が受信されてから超音波信号が受信されるまでの時間
Txを計測し、その計測された時間Txにしたがって次式の
演算処理を行なわせることにより、目標体までの距離Lx
を算出する。

Lx＝Vs×Tx （１）ここで、Vsは超音波の空中伝播速度である。

なお、超音波信号の送，受信を行なわせる際に、超音
波送信器２からスペクトラム拡散（Ｍ系列離散）による
ランダム波による超音波信号を送信させ、超音波受信器
７において受信した超音波信号と受信器側に予め記憶さ
れている前記ランダム波との相関のピークを求め、その
求められたピークをもって超音波信号の受信とするよう
にすれば、ノイズの影響を受けることなくその超音波信
号の送，受信を高精度に行なわせることができる。

第９図に、スペクトラム拡散によるランダム波を用い
た超音波信号の送，受信を行なわせる場合における超音
波送信器２および超音波受信器７の具体的な構成例を示
している。

同図の構成にあって、超音波送信器２では、搬送波発
振器21からの搬送波とランダム波発生器22からのスペク
トラム拡散によるランダム波とがバランスミキサ23にお
いてミキシングされ、そのミキシング信号が超音波送信
器本体24から超音波振動子１を介して超音波信号として
送信されるようになっている。

また、超音波受信器７では、超音波振動子６を介して
超音波受信器本体71において受信された超音波信号がバ
ランスミキサ72に与えられて、そこでランダム波発生器
73からのスペクトラム拡散によるランダム波とのミキシ
ングがなされたうえで、同期検出器74において受信した
超音波信号とランダム波発生器73からのランダム波との
相関のピークを求め、距離計数器75においてランダム波
発生器73からのランダム波を読み込んで、同期検出器74
において求められたピークが生ずるまでの時間を計数す
ることによって距離をわり出すようにしている。

このスペクトラム拡散によるランダム波を用いた超音
波信号の送，受信を行なわせるものにあっては、同一の
拡散符号を発生するランダム波発生器22,73における各
基本クロックが距離分解能を決定している。

このように超音波測距手段によれば、目標体に超音波
送信器を設置し、その超音波送信器から送信される超音
波信号を測定側の超音波受信器で受信して、超音波信号
の伝達時間から目標体までの距離を測定するに際して、
特に時間計測のトリガとなる微弱電波を用いて、測定側
において、送信側から超音波信号と同時に送信されてく
るトリガ電波が受信されてから超音波信号が受信される
までの時間を計測することにより、目標体までの距離を
正確に測定することができるようになる。

その際、第10図に示すように、測定側に超音波受信器
７を２台設けて、その各超音波振動子6A,6Bを水平方向
に配設して（設置関係Ｗは既知となる）、超音波送信器
２が設けられた目標体○との間の距離Lax,Lbxをそれぞ
れ測定するようにして、三角測量の原理にしたがって目
標体○までの距離を正確に求めるとともに、角度α，β
から目標体○の二次元的な位置をもわり出すことができ
る。

特に本発明では、第11図に示すように、測定側に超音
波受信器７を４台設けて、２つの超音波振動子6A,6Bを
水平方向に設置するとともに（設置間隔W1は既知とな
る）、それと直交するように２つの超音波振動子6C,6D
を垂直方向に設置して（設置間隔W2は既知となる）、三
次元による三角測量の原理によって目標体○までの距離
およびその三次元的な位置，方向をわり出すことができ
るようにしている。なおこの場合、測定側に超音波受信
器を４台設けなくとも３台で目標物○の三次元的なわり
出しを行なわせることができ、残りの１台を補正用とす
るようにしてもよい。

第12図に、前述した障害物検知用の超音波レーダ本体
における超音波送，受信器の各超音波振動子アレイT1〜
T3,R1〜R9および超音波測距手段におけるトリガ電波受
信用の平面アンテナ8A〜8Dと水平，垂直方向に設けられ
る各超音波受信器の超音波振動子6A〜6Dが組み込まれた
受信部13の構造を示している。

なお、受信側に超音波受信器７を複数台設ける場合、
各超音波受信器７ごとにトリガ電波受信器９をそれぞれ
設置することなく、１台のトリガ電波受信器９を共通に
設置すればよい。

本発明では、第13図に示すように、自動操舵機能をも
った走行ロボット（移動体）11に、超音波レーダ手段お
よび超音波測距手段における超音波受信器7,トリガ電波
受信器９が組み込まれた超音波誘導装置12を搭載して、
前述の平面構造による受信部13を走行ロボット11の前面
に取り付けて、人間（目標体）14が超音波送信器２およ
びトリガ電波送信器４とが組み込まれた送信装置15をも
って移動したとき、走行ロボット11がその超音波誘導装
置12によって、前方の障害物16を検知し、その検知され
た障害物16を避けながら、送信装置15に対する距離，方
向を求めて、一定の距離を保って人間14の移動に追尾さ
せるようにしている。

具体的には、走行ロボット11にコンピュータ制御によ
る自動操舵手段が設けられており、そのコンピュータの
制御下において、前述の超音波レーダ手段から与えられ
る前方の所定領域内における障害物の検知情報にしたが
って障害物を避けるように走行ロボット11の操舵が行な
われ、また前述の超音波測距手段によって求められた目
標体に対する距離，方向の情報にしたがって目標体を追
尾するように走行ロボット11の操舵が行なわれるように
なっている。

その際、特に第11図の構成による超音波測距手段を用
いて目標体○の位置が垂直方向に連続的に変化すること
をみるようにすれば、第13図に示すように、人間14が傾
斜面を登っていること（または傾斜面を下っているこ
と）が認識できるようになる。

効果以上、本発明による超音波誘導装置にあっては、特殊
な超音波レーダ手段および超音波測距手段を一体的に最
適に組み合せた簡単な構成より、前方障害物の検知およ
び目標体の三次元空間上における位置の検出を迅速に、
かつ高分解能をもって精度良く行うことが可能となり、
その各検出結果にもとづいて、障害物を避けながら超音
波信号源が設けられた目標体を最適に追尾することがで
き、その際、特に目標体の水平方向における移動のみな
らず、その垂直方向におけめ移動にも良く追尾すること
ができるという優れた利点を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る超音波レーダ手段の一構成例を示
すブロック図、第２図はその構成例における超音波送信
器と超音波受信器との設置状態を示す図、第３図は複数
の超音波送信器における各超音波振動子および移相器の
設置状態を示す図、第４図は同構成例による送信ビーム
領域と受信走査領域とを示す図、第５図は同構成例によ
るレーダ監視面の各走査エリアを示す図、第６図は同構
成例による階段の検知状態を示す図、第７図は本発明に
係る超音波測距手段の一構成例を示すブロック図、第８
図は同構成例におけるトリガ電波および超音波信号の
送，受信のタイミングを示すタイムチャート、第９図は
超音波送信器および超音波受信器の具体的な構成例を示
すブロック図、第10図は二次元的な三角測量の原理によ
る目標体に対する距離，方向の測定方法を示す図、第11
図は三次元的な三角測量の原理による目標物に対する距
離および方向の測定方法を示す図、第12図は本発明によ
る超音波誘導装置における受信部の一構成例を示す斜視
図、第13図は本発明による超音波誘導装置による目標体
の追尾状態の一例を示す図である。 T1〜T3……超音波送信器、R1〜R9……超音波受信器、CN
T……制御回路、b1〜b3……超音波振動子、PS1〜PS3…
…移相器、Ａ……送信ビーム走査領域（レーダ監視
面）、Ｂ……受信走査領域、1,6……超音波振動子、２
……超音波送信器、3,8……アンテナ、４……トリガ電
波送信器、５……制御回路、７……超音波受信器、９…
…トリガ電波受信器、10……演算回路

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の超音波送信機における各超音波振動
子をアレイ状に配設して得られる長方形状のビームパタ
ーンによる超音波ビームを送信走査しながら、各超音波
振動子をアレイ状に配設した複数の超音波受信機によっ
て障害物からの反射ビームの受信走査をなして障害物の
検知を行わせる移動体に搭載された第１の手段と、目標
体から送信されるトリガ電波をトリガ電波受信機によっ
て受信するとともに、上下，左右方向に少なくとも３つ
の超音波受信器を互いの間隔が既知となるように設け
て、目標体から送信される超音波信号をそれぞれ受信し
て、トリガ電波が受信されてから各超音波受信器によっ
て超音波信号が受信されるまでの時間を計測することに
より、目標体と各超音波受信器との間の距離をそれぞれ
求めて三角測量法により目標体の三次元空間上の位置を
わり出す前記移動体に搭載された第２の手段と、第１の
手段から与えられる障害物の情報にしたがって、その障
害物を避けるように移動体の操舵を行うとともに、第２
の手段から与えられる目標体の三次元空間上の位置の情
報にしたがってその目標体を追尾するように移動体の操
舵を行う第３の手段とによって構成された超音波誘導装
置。