JP4267161B2

JP4267161B2 - 超音波ソナー

Info

Publication number: JP4267161B2
Application number: JP2000028194A
Authority: JP
Inventors: 伸幸岩崎; 史生浅倉; 威夫都築; 胤倫千葉
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2000-02-04
Filing date: 2000-02-04
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2020-02-04
Also published as: JP2001221849A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、超音波を送信して障害物からの反射波を受信することで障害物の存在検知と障害物までの距離の算出を行う超音波ソナーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超音波ソナーが車両においてバックソナーやコーナーソナーとして用いられている。この車両用ソナーは、図１４，１５に示すように、車両のバンパに取り付けられた送受波器（超音波振動子）から超音波をパルス送信して対象物からの反射波を受信し、その時間Ｔを測定することにより対象物までの距離を算出する。より詳しくは、反射波を包絡線検波し、それがある閾値を超えたときに障害物が有ると判定し、送信してから閾値を超えた時間より障害物までの距離を算出する。この距離の算出結果に基づいて運転者に警告する。つまり、駐車や車両旋回の際に、障害物に接触する可能性があることを検出して警告することにより障害物との衝突を防止することができる。
【０００３】
このように超音波ソナーは１個の超音波振動子で送受信を兼用しパルスレーダ方式で障害物検出を行っており、超音波振動子は送信駆動を停止しても振動子の機械的な慣性振動（これを残響という）が継続する。これを利用して、超音波送信停止後の残響時間で、超音波振動子が正常に作動しているか判定している。
【０００４】
ところが、従来では氷結と断線とを区別することはできなかった。詳しくは、バンパに設置した送受波器（超音波センサ）と車室内に設置した機器とがワイヤーにより結線されており、ワイヤーが切れたりコネクタ部での接触不良が発生すると、車室内に設置した機器側において超音波送信停止後の残響時間が短くなる。また、送受波器（超音波センサ）が氷結しても、車室内に設置した機器側において超音波送信停止後の残響時間が短くなる。よって、断線でも氷結でも残響時間が短くなり、両者を区別することができなかった。
【０００５】
そして、氷結であれば氷が溶けることにより通常通り使用することができるようになるが、断線であれば修理が必要であり、氷結と断線とでは運転者の対処が違ってくる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、この発明の目的は、より緻密な異常判定を行うことができる超音波ソナーを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、１個の超音波振動子で送受信を兼用するパルスレーダ方式で障害物検出を行うに際し、送信駆動停止後の振動子の機械的な慣性振動による残響周波数とは異なる周波数である送信周波数で前記振動子を振動させて超音波を送信し、この送信した超音波の障害物による反射波を前記振動子にて受信して障害物検出を行うとともに、前記超音波送信後の前記振動子の残響時間および同残響時間内での周波数成分の解析に基づいて異常の有無、並びに異常内容を検出する超音波ソナーであって、前記振動子の前記残響時間に対する判定領域として、同残響時間が短いほうから順に、前記振動子を含む送受信器の断線の有無を判定する断線判定ゾーン、および前記振動子の氷結の有無を判定する氷結判定ゾーン、および当該超音波ソナーが正常であることを判定する正常判定ゾーンを設け、（ａ）前記残響時間が前記氷結判定ゾーン内にあるとき、前記振動子が氷結していると判定する、（ｂ）前記残響時間が断線判定ゾーン内にあって、該残響時間内の検出波中に前記送信周波数と前記残響周波数とが含まれるときには前記振動子が氷結していると判定し、前記送信周波数と前記残響周波数とが含まれないときには前記送受信器が断線していると判定する、（ｃ）前記残響時間が正常判定ゾーン内にあって、該残響時間内の検出波中に前記送信周波数と前記残響周波数とが含まれるときには当該超音波ソナーが正常であると判定し、前記送信周波数と前記残響周波数とが含まれないときには前記振動子が氷結していると判定する、といった態様で前記異常の有無、並びに異常内容を検出するようにしている。よって、従来においては超音波振動子が正常に作動しているかを超音波送信停止後の残響時間のみで判定していたために、振動子が氷結して残響時間が短くなった時と断線している場合とが区別できなかったが、本発明では、残響時間に加え、周波数成分の解析結果に基づいて異常判定するようにしたことにより、氷結と断線を区別することが可能となり、緻密な異常判定を行うことができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体化した実施の形態を図面に従って説明する。
図１には、本実施の形態における超音波ソナーの構成図を示す。この超音波ソナーは自動車に装着されるものであって、バックソナーやコーナーソナーとして使用される。また、本ソナーは、１個の超音波振動子が送受信を兼用し、パルスレーダ方式で障害物の検出を行うようになっている。
【００１０】
図１において、ソナーは、送受波器（超音波センサ）１と送受信切替回路２と送信系３と受信系４とマイクロコンピュータ（以下、マイコンという）５と表示器６とブザー７を備えている。送受波器１は超音波振動子を具備しており、車両のバンパに埋め込まれる。他の部材２〜７は車室内に配置される。ここで、送信系３は発振回路８を有し、発振回路８から３９ｋＨｚの送信信号が出力される。また、受信系４はローパスフィルタ（ＬＰＦ）９と増幅回路１０と包絡線検波回路１１とコンパレータ１２を有している。さらに、マイコン５はＡＤ変換器１３を有している。
【００１１】
送信系３の発振回路８は送受信切替回路２のスイッチＳＷ１を介して送受波器１と接続されている。送受波器１は送受信切替回路２のスイッチＳＷ２を介して受信系４のローパスフィルタ９と接続されている。そして、送受波器（超音波振動子）１は発振回路８からの信号により超音波を車両の周囲に向かって送信するとともに、障害物に反射した超音波を受信してローパスフィルタ９に送るようになっている。送受信切替回路２のスイッチＳＷ１，ＳＷ２の切替えはマイコン５によって制御される。つまり、マイコン５は、超音波の発信の際には送受信切替回路２のスイッチＳＷ１を閉路するとともに反射波の受信の際にはスイッチＳＷ２を閉路する。
【００１２】
受信系４において、送受波器１からの信号はローパスフィルタ９にて超音波信号にのる電気ノイズが除去された後、増幅回路１０にて増幅される。つまり、超音波受信信号がＡＤ変換可能なレベルまで増幅される。さらに、増幅後の信号が包絡線検波回路１１に送られる。そして、包絡線検波回路１１にて包絡線が検波されるとともに、コンパレータ１２にて所定値と比較される。その比較結果がマイコン５に送られる。また、増幅回路１０によって増幅された信号がマイコン５のＡＤ変換器１３に送られ、ＡＤ変換器１３にてデジタル信号に変換される。つまり、ＡＤ変換器１３は増幅回路１０の信号出力（アナログ信号）をデジタル信号に変換する。
【００１３】
マイコン５は、コンパレータ１２からの信号および送受波器１の出力信号のデジタル値に基づいて各種の演算を実行し、障害物の有無を判定するとともに車両の近傍に障害物があると判定した場合には表示器６およびブザー７を用いて運転者に警報する。より具体的には、障害物までの距離を測定し、その距離測定結果をパルス音の時間間隔や画面表示にて知らせる。
【００１４】
送受波器（超音波センサ）１の回路構成を、図２に示す。送受波器１は、超音波振動子２０を中心に構成され、駆動回路２１やトランス２２やコンデンサ２３等の外部回路を有している。トランス２２やコンデンサ２３等の外部回路で残響時間が最も短くなるようにしている。
【００１５】
その等価回路を、図３に示す。図３に示すように、抵抗３０，３１，３２，３３、コンデンサ３４、インダクタンス３５，３６，３７にて構成されている。そして、送受信切替回路２のスイッチＳＷ１が閉路されると、送信信号（３９ｋＨｚ）の供給を受けて超音波振動子２０が作動する。
【００１６】
次に、このように構成した超音波ソナーの作用について説明する。
作用説明に先立ち、残響周波数と送信周波数について説明しておく。
図３の超音波振動子２０にかかる電圧Ｖo における減衰周波数（すなわち、残響周波数）は、次式に示すように、回路全体の固有周波数（回路全体のインピーダンスによって決まる回路全体の共振周波数）に等しくなる。
【００１７】
減衰周波数（残響）＝回路全体の固有周波数・・・（１）
ここで、残響周波数は信号源の周波数とは無関係で、次式に示すように、送信周波数と一致しない。
【００１８】
残響周波数≠送信周波数・・・（２）
そのため、送信周波数によらず残響周波数は一定になる。
【００１９】
つまり、残響周波数は、超音波振動子２０とそれに付随する回路定数（図２の送受波器１の回路全体が持つインピーダンス）によって決まるものであり、送信周波数には依存しないので、残響周波数とは異なる周波数で超音波送信し、残響中に埋もれた反射波の周波数成分をデジタル信号処理によって抽出するようにしている。ここで、反射波の周波数は送信周波数と等しい。
【００２０】
図４は、マイコン５が実行する処理を示すフローチャートである。また、図５，６には各種の波形を示す。
図５（ａ）に示すように、マイコン５により所定時間だけ送信モードが設定され、送信モードでは送受信切替回路２のスイッチＳＷ１が閉路される。すると、発振回路８からの送信信号（３９ｋＨｚ）が送受波器１に送られ、超音波を車両の周囲に向かって送信する。その後、マイコン５により受信モードが設定され、受信モードでは送受信切替回路２のスイッチＳＷ２が閉路される。これにより、送受波器１にて障害物からの反射波を受信して電気信号に変換して受信系４のローパスフィルタ９に送る。
【００２１】
ここで、送受波器（超音波センサ）１は、その特性として受信に切り替えた後も残響があるため、送受波器１の端子電圧は図５（ｂ）のようになる。例えば、図５（ｂ）において送信波の送出期間は２５０μｓ程度であり、残響が発生する期間は９００〜１０００μｓ程度である。
【００２２】
図５（ｂ）は障害物が無い場合を示すが、障害物が有ると（障害物からの反射波があると）、図５（ｃ）に示すような波形となる。
送受波器１からの信号は、ローパスフィルタ９と増幅回路１０を通過すると、図５（ｄ）のようになる。この状態では、反射波は残響に埋もれてしまう。つまり、図７に拡大して示すように、障害物が近距離にある場合には残響と受信波とが重畳した信号波となり、増幅後の信号の包絡線検波をする方法では反射波を検出できない。
【００２３】
そこで、本実施形態では、図４の処理を実行することにより図５（ｅ）に示すように残響から反射波を抽出して障害物の検知を行っている。
マイコン５は図４のステップ１００で、送信開始から５ｍｓ分の振幅値ｇ（ｔ）を記憶する。５ｍｓ分の波形を図６（ｂ）に示す。そして、マイコン５はステップ１０１で、記憶された５ｍｓ分の振幅値ｇ（ｔ）を、窓関数処理する。窓関数処理後の波形を図６（ｃ）に示す。
【００２４】
さらに、マイコン５はステップ１０２で、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）によって周波数スペクトルＧ’（ｆ）に変換する。高速フーリエ変換後の波形を図６（ｄ）に示す。
【００２５】
ここで、残響周波数は送受波器１の共振周波数である４３ｋＨｚであり、送信波の周波数、つまり受信波の周波数は３９ｋＨｚである。よって、障害物による反射波があるときは、３９ｋＨｚの成分も表れる。
【００２６】
マイコン５はステップ１０３で、周波数スペクトルＧ’（ｆ）から送信周波数成分である３９ｋＨｚ付近の成分を抽出する。抽出のための係数を関数Ｈ（ｆ）で表しており、本例ではＨ（ｆ）としてコサインカーブを用いている（図６（ｄ）で破線で示す）。この抽出後の波形を図６（ｅ）に示す。
【００２７】
マイコン５はステップ１０４で、逆高速フーリエ変換を行う。これにより、図６（ｆ）のように、反射波が時間領域の波形に表れ、障害物の検出が可能な状態となる。
【００２８】
マイコン５はステップ１０５で、送信開始から閾値を超えた時間Δｔを測定して次式を計算することによって障害物までの距離Ｌを算出する（ただし、Ｖは音速）。そして、マイコン５は距離Ｌに応じた警報を行う。
【００２９】
Ｌ＝０．５・Δｔ・Ｖ・・・（３）
このようにして、ＡＤ変換器１３によってデジタルに変換された信号をデジタル信号処理にて、図４に示すような処理を行えば、その出力は図６（ｆ）のようになり、近距離障害物の検出が可能となる（Ｌ＝１０〜２５ｃｍ程度）。
【００３０】
さらに、マイコン５は図８に示す異常検出を行っている。
図９には、包絡波と閾値との比較による超音波送信停止後の残響時間ｔｚを示す。つまり、残響時間ｔｚは、図１のコンパレータ１２において包絡波と閾値レベルとを比較した時のコンパレータ出力のＨレベルの時間であり、マイコン５はこの残響時間ｔｚをモニターしている。この図９において、Ｚ１にて断線判定ゾーンが、Ｚ２にて氷結判定ゾーンが、Ｚ３にて正常判定ゾーンが設定されている。
【００３１】
ここで、送受波器（超音波振動子）１の状態により残響時間が変化する。氷結後に溶けてきた場合は残響時間が短くなったり長くなったりする。残響時間が極端に短くなった場合は断線していると判断しセンサを交換することになってしまう。また、残響時間が正常なゾーン（Ｚ３）に入ってしまい、検出できないのにいかにも検出したように誤った判定をすることになる場合もある。図１において断線箇所をβにて示す。
【００３２】
図８において、マイコン５はステップ２００で、残響時間ｔｚがＺ１，Ｚ２，Ｚ３のいずれかのゾーンに入っているか判定する。そして、残響時間ｔｚがＺ１，Ｚ２，Ｚ３のいずれかのゾーンに入っていると、マイコン５はステップ２０１，２０２で、残響時間ｔｚがＺ１，Ｚ２，Ｚ３のどのゾーンに入っているか判定する。残響時間ｔｚが正常判定ゾーンＺ３に入っていると、マイコン５はステップ２０３で、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行い、ステップ２０４で残響周波数と送信周波数があるか判定する。その結果、残響周波数と送信周波数が有れば、正常と判定する。そして、正常と判定した場合には図４の処理が実行され、距離Ｌの演算および距離Ｌに応じた警報動作が行われる。また、ステップ２０４において残響周波数と送信周波数が無ければ、マイコン５は氷結であると判定してステップ２０５で表示器６やブザー７等により運転者に氷結であることを知らせる。
【００３３】
一方、ステップ２０１，２０２において残響時間ｔｚが断線判定ゾーンＺ１に入っていると、マイコン５はステップ２０６で高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行い、ステップ２０７で残響周波数と送信周波数があるか判定する。その結果、残響周波数と送信周波数が無ければ、マイコン５は断線であると判定してステップ２０８で表示器６やブザー７等により運転者に断線であることを知らせる。また、ステップ２０７において残響周波数と送信周波数が有れば、マイコン５は氷結であると判定してステップ２０５で表示器６やブザー７等により運転者に氷結であることを知らせる。
【００３４】
また、ステップ２０１において残響時間ｔｚが氷結判定ゾーンＺ２に入っていると、マイコン５は氷結であると判定してステップ２０５で表示器６やブザー７等により運転者に氷結であることを知らせる。
【００３５】
図１０には、障害物が無い時での、正常な場合の波形と周波数解析結果を示す。図１１には、氷結後に氷が溶け出した場合（氷と水が超音波振動子に付着した場合）の波形と周波数解析結果を示す。この氷結の発生は従来の残響時間のみによる判定では検出できなかった。周波数解析をすると正常な場合は送信周波数成分と残響周波数成分が表れる。氷結後に徐々に溶け出すと残響周波数成分が無くなり送信周波数成分だけになり氷結状態であることが判断できる。
【００３６】
具体的には、図１０の正常時には、図８のステップ２００→２０１→２０２→２０３→２０４のＹＥＳの処理が実行される。また、図１１の氷結時には、図８のステップ２００→２０１→２０２→２０３→２０４→２０５の処理が実行される。
【００３７】
以上のように、マイコン５は、残響周波数とは異なる周波数の超音波を超音波振動子から送信させた時において、残響時間ｔｚが正常判定ゾーンＺ３に入っていても、周波数解析の結果、残響周波数と送信周波数が表れないときには氷結であると判定するとともに、残響時間ｔｚが断線判定ゾーンＺ１に入っていても、周波数解析の結果、残響周波数と送信周波数が表れるときには氷結であると判定する。
【００３８】
このように、超音波送信停止後の残響時間ｔｚと周波数解析の結果に基づいて異常を検出するようにしたので、従来においては超音波振動子が正常に作動しているかを超音波送信停止後の残響時間のみで判定しており、振動子が氷結して残響時間が短くなった時と断線している場合とが区別できなかったが、これに対し、本実施形態では、残響時間に加え、周波数解析の結果にて異常判定することにより、氷結と断線を区別することが可能となり、緻密な異常判定を行うことができる。
【００３９】
なお、本実施形態では、ＦＦＴとＩＦＦＴ（ＩｎｖｅｒｓｅＦＦＴ）を用いて説明したが、時間毎の周波数が分かるウェーブレット処理やデジタルフィルタ、急峻なアナログフィルタで構成してもよい。
【００４０】
ウェーブレット処理した場合についても説明すると、ウェーブレット処理すると時間毎の周波数が分かる。
図７には、送信波を除いたマイコン５の入力波形（残響と受信波の合成波）を示すが、この入力波形に対しウェーブレット処理を施すと、図１２のようになる。図１２の左側には、横軸時間で縦軸周波数の２次元分布を示し、振幅が等しい箇所を線で結んでいる。これから、送信（受信）周波数と残響周波数の分布に分かれることが読み取れる。また、図１２の右側には、図７の波形をＦＦＴした場合を示す。
【００４１】
送信周波数のみを計算することによって図１３に示すような波形が得られる。この図１３において、送信開始から閾値を超えるまでの時間Δｔを測定し、前述の（３）式にて障害物までの距離Ｌを算出する。このようにして、ウェーブレット処理を用いて障害物までの距離Ｌを求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態における超音波ソナーの構成図。
【図２】送受波器の回路構成図。
【図３】超音波振動子およびその周辺部材の等価回路図。
【図４】作用を説明するためのフローチャート。
【図５】作用を説明するためのタイムチャート。
【図６】作用を説明するための波形図。
【図７】作用を説明するための波形図。
【図８】作用を説明するためのフローチャート。
【図９】作用を説明するためのタイムチャート。
【図１０】作用を説明するための波形図。
【図１１】作用を説明するための波形図。
【図１２】ウェーブレット変換を説明するための波形図。
【図１３】ウェーブレット変換を説明するための図。
【図１４】超音波ソナーを説明するための図。
【図１５】超音波ソナーを説明するためのタイムチャート。
【符号の説明】
１…送受波器（超音波センサ）、２…送受信切替回路、３…送信系、４…受信系、５…マイコン、６…表示器、７…ブザー、８…発振回路、９…ローパスフィルタ、１０…増幅回路、１１…包絡線検波回路、１２…コンパレータ、１３…ＡＤ変換器。

Claims

１個の超音波振動子で送受信を兼用するパルスレーダ方式で障害物検出を行うに際し、送信駆動停止後の振動子の機械的な慣性振動による残響周波数とは異なる周波数である送信周波数で前記振動子を振動させて超音波を送信し、この送信した超音波の障害物による反射波を前記振動子にて受信して障害物検出を行うとともに、前記超音波送信後の前記振動子の残響時間および同残響時間内での周波数成分の解析に基づいて異常の有無、並びに異常内容を検出する超音波ソナーであって、
前記振動子の前記残響時間に対する判定領域として、同残響時間が短いほうから順に、前記振動子を含む送受信器の断線の有無を判定する断線判定ゾーン、および前記振動子の氷結の有無を判定する氷結判定ゾーン、および当該超音波ソナーが正常であることを判定する正常判定ゾーンを設け、
（ａ）前記残響時間が前記氷結判定ゾーン内にあるとき、前記振動子が氷結していると判定する、
（ｂ）前記残響時間が断線判定ゾーン内にあって、該残響時間内の検出波中に前記送信周波数と前記残響周波数とが含まれるときには前記振動子が氷結していると判定し、前記送信周波数と前記残響周波数とが含まれないときには前記送受信器が断線していると判定する、
（ｃ）前記残響時間が正常判定ゾーン内にあって、該残響時間内の検出波中に前記送信周波数と前記残響周波数とが含まれるときには当該超音波ソナーが正常であると判定し、前記送信周波数と前記残響周波数とが含まれないときには前記振動子が氷結していると判定する、
といった態様で前記異常の有無、並びに異常内容を検出することを特徴とする超音波ソナー。