JP4628135B2

JP4628135B2 - 超音波識別装置、およびこの超音波識別装置を用いた制御装置

Info

Publication number: JP4628135B2
Application number: JP2005047269A
Authority: JP
Inventors: ラフィックルイスラムモハッメド; 修之今井; 義文田岡
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd; U Tec Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd; U Tec Co Ltd
Priority date: 2005-02-23
Filing date: 2005-02-23
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2025-02-23
Also published as: JP2006232019A

Description

本発明は、対象物から反射されてきた超音波受信波の波形を評価することによって前記対象物を識別する超音波識別装置およびそのような超音波識別装置を用いた制御装置に関する。

従来から、対象物から反射されてきた超音波受信波の波形を評価することによって前記対象物を識別する、超音波識別技術の１つとして、自動車、二輪車並びにヒト等を対象物とする装置が知られている〔特許文献１、参照〕。この既知の装置によれば、検出装置から対象物までの距離並びにその変化や、反射強度がそれぞれ異なるため、その相違する情報を適宜利用することによって、対象物の識別を行っている。しかしながら、この技術では、移動する対象物に対して一定時間間隔で発射される超音波の受信波がそれぞれ異なる反射強度（振幅）や反射して戻ってくるまでの時間（超音波路程）を評価基準としているため、対象物の移動速度を考慮するならば瞬時に識別結果を得ることが困難であるという問題がある。

また、ニューラルネットワークを利用した超音波式対象物判別方法も知られている〔特許文献２、参照〕。この従来法によれば、超音波を対象物に当て、その対象物からの反射超音波を受信する超音波センサと、この超音波センサの出力を前記超音波センサから前記対象物までの距離情報および前記反射超音波の強度を表す感度情報に変換する変換手段と、ニューラルネットワークとを備え、前記変換手段によって得られる距離情報および感度情報を前記ニューラルネットワークの入力層に与え、このニューラルネットワークの出力層の各ユニットを、判別すべき各対象物を代表するユニットとし、このユニットからの出力に基づいて対象物の種類を判別している。しかしながら、この従来法も、ニューラルネットワークの場合ある程度信頼できる判別結果を得るには中間層の数を多くする必要があり、その結果、一般的な演算ユニットを用いてのニューラルネットワークの処理時間は長くなるという問題がある。

特許３２８９０６８号公報（特に、段落番号０００７−００１０、図２）特許２９７２９３９号公報（特に、２頁、第１図）

本発明の課題は、対象物を識別するため、対象物から反射されてきた超音波受信波の波形を短時間で評価しうるような、超音波識別装置を提供することである。

本発明は、前記課題を達成すべく鋭意検討した結果、受信波の包絡線特性がヒトと物とを短時間で識別する評価基準として有効であることを見出し、この知見に基づき本発明が完成するに至ったのである。
すなわち、本発明は、対象物を識別する超音波識別装置であって、対象物に対して超音波を発信する発信ユニットと、前記対象物からの反射波を受信波として受信する受信ユニットと、受信した前記受信波の包絡線特性に基づいて予め設定された閾値条件で前記対象物がヒトであるかまたは物であるかを判別する受信波評価手段とを備え、前記受信波評価手段は、前記受信波の振幅変動時間と前記受信波の最大振幅との比率を前記包絡線特性として求めるように構成されており、前記振幅変動時間は、少なくとも前記受信波の振幅減衰時間または前記受信波の振幅増大時間のいずれか一方であり、少なくとも前記振幅変動時間の振幅変動終了の時刻または前記振幅変動時間の振幅変動開始の時刻のいずれか一方は、前記受信波の最大振幅から所定のノイズ除去割合だけ小さい寸法の振幅に相当する時刻であることを特徴とする超音波識別装置を提供する。
なお、一般に包絡線とは、曲線f'が与えられた曲線群の全ての曲線と接するとき、曲線f'をこの曲線群の包絡線といい、本発明における包絡線とは、受信した各受信波・波形の各頂点（各受信波・波形の各最大振幅）と接する曲線をいう〔添付の図１の曲線f、参照〕。

好適には、本発明の受信波評価手段は、前記振幅変動時間が、前記受信波の最大振幅からの振幅減衰時間であり、前記振幅減衰時間の振幅減衰終了の時刻が、前記受信波の最大振幅から所定のノイズ除去割合だけ小さい寸法の振幅に相当する時刻である。

さらに本発明は、別の態様として、本発明の超音波識別装置と、ポップアップフード機構の動作制御を行う衝突衝撃制御装置とを備え、前記ポップアップフード機構は、車両のポップアップ可能なフードを持ち上げることで車両前部の剛性を弱めることができ、かつ、前記フードをそのままにして車両前部の剛性を維持できるように構成され、前記超音波識別装置が衝突可能領域にヒトを識別検知した場合には、前記衝突衝撃制御装置が、前記フードを持ち上げるように前記ポップアップフード機構の動作制御を行うよう構成されていることを特徴とする制御装置を提供する。

本発明の第１の態様である超音波識別装置は、受信された超音波受信波の包絡線特性に基づいて対象物の識別を行うことを構成要件としているため、極めて高速な識別処理が可能となり、ニューラルネットワーク等を利用する従来技術よりも、短時間でヒトと物とを識別できるという技術的効果を奏することができる。
なお、付加的な効果として、包絡線特性として前記受信波の振幅変動時間と前記受信波の最大振幅との比率を採用した場合、この比率が簡単な演算処理によって得られることから、この超音波識別装置の構成を簡素化することができる。
さらに、本発明の第２の態様によれば、制御装置は、短時間で識別可能な本発明の超音波識別装置を組み込んでいるため、前記第１の態様と同じ技術的効果を奏することができる。

本発明の第１の態様によれば、対象物を識別する超音波識別装置は、対象物に対して超音波を発信する発信ユニットと、前記対象物からの反射波を受信波として受信する受信ユニットと、受信した前記受信波の包絡線特性に基づいて予め設定された閾値条件で前記対象物がヒトであるかまたは物であるかを判別する受信波評価手段とを備え、前記受信波評価手段は、前記受信波の振幅変動時間と前記受信波の最大振幅との比率を前記包絡線特性として求めるように構成されており、前記振幅変動時間は、少なくとも前記受信波の振幅減衰時間または前記受信波の振幅増大時間のいずれか一方であり、少なくとも前記振幅変動時間の振幅変動終了の時刻または前記振幅変動時間の振幅変動開始の時刻のいずれか一方は、前記受信波の最大振幅から所定のノイズ除去割合だけ小さい寸法の振幅に相当する時刻であることを特徴とする。

〔発信ユニット／送信ユニット〕
発信ユニットは、通常、送信トリガー信号に基いて超音波、特にパルス状の超音波を送信するユニットである。好適には、発信ユニットは、電気エネルギを振動エネルギに変換してパルス状の超音波を発信するための電気要素と機械要素とから構成される。また好適には、受信ユニットはパルス状の超音波受信波を受信して振動エネルギを電気エネルギに変換して超音波振動を表す電気信号を作り出すための電気要素と機械要素とから構成されている。
なお、低コスト化等の観点から、超音波の発信ユニットと受信ユニットを簡単化するためには、送信および受信を共通の超音波プローブ（単数または複数）で行うことが好ましい。他方、識別対象物の登場位置がある程度の範囲でばらつく場合には、識別対象物の同時スキャニングのために、前記発信ユニットは１つの超音波発信プローブを備え、前記受信ユニットは複数の超音波受信プローブからなる受信プローブアレイ（リニアアレイ構成）を備えることが好ましい。後者の構成では、超音波配置された受信プローブアレイのいずれかの領域で受信される可能性が高まり（受信エリアの拡大）、その結果、受信性能の向上から高い対象物識別を期待することができる。

〔受信波評価手段〕
受信波評価手段は、好適には、受信波波形の包絡線を検出する包絡線検出部と、検出した包絡線特性を評価する包絡線評価部と、評価した包絡線特性から対象物の種別を決定する対象物種別決定部とを備えている。受信波を表す電気波形信号の包絡線は、一般には包絡線検波技術によって検出できるが、この包絡線形状の検出の方法は本発明では限定していない。受信波評価手段は、取得された包絡線形状を幾何学的分析、統計学的分析、画像処理学的分析のいずれかの方法またはそれらの組み合わせた方法を通じて特有の包絡線特性を評価することができる。
〔受信波の振幅変動時間（Ｔ）と受信波の最大振幅（Ａ）との比率〕
特に好適には、本発明の受信波評価手段は、包絡線特性として、受信波の振幅変動時間（Ｔ）と受信波の最大振幅（Ａ）との比率を採用することができる。
これら振幅変動時間（Ｔ）と、最大振幅（Ａ）との関係を図１に示す。図１からわかるように、最大振幅（Ａ）は半波にされた受信波の最大振幅値である。また、本発明における受信波の振幅変動時間（Ｔ）は、振幅減衰時間（Ｔ₁）および／または振幅増大時間（Ｔ₂）であってよく、前者（Ｔ₁）は、最大振幅からの立ち下がりの時間に相当し、後者（Ｔ₂）は、最大振幅までの立ち上がりの時間に相当する。したがって、本発明によれば、両者は、以下の各式によって算出することができる。
振幅減衰時間（Ｔ₁）＝│振幅減衰開始の時刻（最大振幅の時刻）−振幅減衰終了の時刻│
振幅増大時間（Ｔ₂）＝│振幅増大開始の時刻−振幅増大終了の時刻（最大振幅の時刻）│
好適には、ノイズ除去のため、振幅減衰終了の時刻または振幅増大開始の時刻として、ノイズ除去処理した時刻、すなわち、最大振幅から所定の割合（以下、「ノイズ除去割合」という。）だけ小さい寸法の振幅に相当する時刻（以下、「ノイズ除去処理時刻」という。）を用いることができる。ノイズ除去割合は、例えば、５〜９５％、２５〜８０％、４０〜６０％、有利には、５〜３０％、２５〜５０％、４５〜７０％、６５〜９０％、８５〜９５％である。したがって好適には、前記比率は、以下の式のいずれかによって算出することができる。
比率＝Ｔ₁/A＝│振幅減衰開始の時刻（最大振幅の時刻）−ノイズ除去処理時刻│／（最大振幅）
比率＝Ｔ₂/A＝│ノイズ除去処理時刻−振幅増大終了の時刻（最大振幅の時刻）│／（最大振幅）
なお、ノイズ除去処理は、上記振幅減衰終了の時刻または振幅増大開始の時刻に代えて、またはこれに加えて、振幅減衰開始の時刻または振幅増大終了の時刻として、ノイズ除去処理時刻、すなわち最大振幅からノイズ除去割合だけ小さい寸法の振幅に相当する時刻を用いることができる。したがって、本発明によれば、振幅減衰開始／終了の時刻および振幅増大開始／終了の時刻からなる群から選ばれる１または２以上の時刻として、ノイズ除去処理時刻を用いることができる。なおまた、ノイズ除去処理は、最大振幅に施すこともできる。

本発明の第２の態様によれば、制御装置は、本発明の超音波識別装置と、ポップアップフード機構の動作制御を行う衝突衝撃制御装置とを備え、前記ポップアップフード機構は、車両のポップアップ可能なフードを持ち上げることで車両前部の剛性を弱めることができ、かつ、前記フードをそのままにして車両前部の剛性を維持できるように構成され、前記超音波識別装置が衝突可能領域にヒトを識別検知した場合には、前記衝突衝撃制御装置が、前記フードを持ち上げるように前記ポップアップフード機構の動作制御を行うよう構成されていることを特徴とする。
好適には、衝突衝撃制御装置は、ポップアップフード機構と、このポップアップフード機構を制御するポップアップフード制御部と、このポップアップフード制御部を管理するサブコントローラとを備えることができる。
前記ポップアップフード機構は、ヒトとの衝突時に自動車のポップアップ可能なフード（ポップアップフード）を持ち上げることで車両前部の剛性を弱めてヒト、特にヒト頭部に与える被害を抑制する一方、物との衝突時には自動車のポップアップフードをそのままにして車両前部の剛性を維持することで乗員の被害を抑制するように構成されている。
なお、衝突衝撃制御装置は、本発明の超音波識別装置から衝突可能領域にヒトを識別検知したという信号が入力されると、ポップアップフードを押し上げるように制御命令を出すことができる。

次に、本発明の好適な実施形態を説明するが、本発明は、これら実施形態に制限されるものではない。
図２は、本発明による超音波識別装置並びにこの超音波識別装置を組み込んだ制御装置の一実施形態を示すブロック図である。

超音波識別装置５は、発信ユニット１０と、受信ユニット２０と、受信波評価手段４０とを備え、さらに、サブコントローラ５０を備えている。発信ユニット１０は、発信制御部３０からの発信トリガー信号に基づいて超音波を発信させることができる。また、サブコントローラ５０は、前記発信制御部３０および前記受信波評価手段４０を管理する機能を有する。

超音波プローブ１は、超音波の送受信に用いられ、発信ユニット１０および受信ユニット２０の共通の構成要素となっている。すなわち、発信ユニット１０を構成する発信部１１は発信制御部３０からの発信トリガー信号に基づいて駆動パルス電圧を生成して、超音波プローブ１に送る。超音波プローブ１は振動子の励起によって駆動パルス電圧をパルス状の超音波に変換して発信する。対象物で反射して戻ってきた超音波受信波は超音波プローブ１によって電気信号に変換され、受信波として受信ユニット２０を構成する受信部２１に送られる。

この実施形態では超音波プローブ１の周波数として４０ｋＨｚを用いたが、本発明はこの周波数に限定されるわけではない。
前記のごとく、送受信タイプの超音波プローブ１を１つまたは複数取り付けてもよいし、これに代えて、１つの送信用超音波プローブ１ａと複数の並列された受信用超音波プローブ（リニアアレイ構成）１ｂを用いてもよい。後者の場合、受信部２１は、各受信用超音波プローブ１ｂで電気信号に変換された受信波のうち最大振幅をもつ受信波を受信波評価手段４０に送るように構成してもよいし、これに代えて、各受信用超音波プローブ１ｂで電気信号に変換された受信波を加算して受信波評価手段４０に送るようにしてもよい。また、受信部２１は電気信号に変換された受信波を必要に応じて増幅して受信波評価手段４０に送る機能を有する。

受信波評価手段４０は、フィルタ４１と、包絡線検出部４２と、包絡線評価部４３と、対象物種別決定部４４とから構成されている。この実施形態では、包絡線評価部４３は、受信波の振幅変動時間と前記受信波の最大振幅との比率を算定し、また、対象物種別決定部４４は、包絡線評価部４３で算定された比率から対象物がヒトであるかまたは物であるかを判定基準を用いて決定することができる。なお、包絡線評価部４３では、受信波の振幅変動時間は、前記のごとく、好適にはノイズレベル等を考慮して、算定することができる。

衝突衝撃制御装置の主な構成要素は、ポップアップフード機構６０、ポップアップフード制御部７０、およびサブコントローラ８０であり、この実施形態では、車両に搭載されている。超音波識別装置５のサブコントローラ５０および衝突衝撃制御装置のサブコントローラ８０は、車両の各種機能の制御を管理しているホストコントローラ９０に接続されており、サブコントローラ５０とサブコントローラ８０との間において高速で信頼度の高いデータ伝送を保証している。もちろん、要すれば、超音波識別装置５のサブコントローラ５０と衝突衝撃制御装置のサブコントローラ８０とを直接連結させてもよい。

次に、本発明の超音波識別装置５の作用を実験データを参照しながら説明する。
まず、サブコントローラ５０による指令によって発信制御部３０が発信トリガー信号を発信部１１に与えると、発信部１１は、超音波励起用パルス電圧を生成し、超音波プローブ１を励起する。超音波プローブ１から発射された超音波パルスは対象物に当たると反射して受信波として超音波プローブ１に受信される。超音波プローブ１で受信された受信波は電気信号に変換されて、受信部２１で増幅され受信波評価手段４０に送り込まれる。

受信波評価手段４０において、受信波は、フィルタ４１によってノイズをカットされた後、包絡線検出部４２で包絡線検波を受ける。

包絡線検波を受けた受信波は、包絡線評価部４３において、包絡線特性を次のようにして評価することができる。この実施形態では、対象物として、ポリエステル１００％の服を着せたＡＢＳ製のマネキンおよびポリエステル１００％の服を着たヒトを選択し、前記方法に従い得られた受信波の波形図を、各々、図３（イ）および図３（ロ）として示す。また、前記振幅変動時間（Ｔ）として振幅減衰時間（Ｔ₁）を用い、前記振幅減衰終了の時刻としてノイズ除去処理時刻を用い、前記ノイズ除去割合として４０％を用いた。
図３（イ）の包絡線から、最大振幅（Ａ）および振幅減衰時間（Ｔ₁）を読み取ると、各々、Ａ＝３.７（Ｖ）およびＴ₁＝８２０（μｓ）となるので、包絡線特性（Ｔ₁／Ａ）は２２２であると算出される。同様に、図３（ロ）の包絡線から読み取ると、最大振幅（Ａ）および振幅減衰時間（Ｔ₁）は、各々、Ａ＝２.７（Ｖ）およびＴ₁＝８７０（μｓ）であり、包絡線特性（Ｔ₁／Ａ）は、３２２となる。
以上の結果から明らかなように、ヒトの包絡線特性と、物の包絡線特性とは、たとえ服を装着させた場合でも、明確な相違が存在する。したがって、対象物種別決定部４４において、予め統計的な手法によって求められた閾値条件を設定しておくことで、包絡線評価部４３で算出された包絡線特性から対象物をヒトであるか物であるかのいずれかに識別判定することができる。

包絡線評価部４３は、対象物をヒトであると判定すると、ヒト・判定信号を超音波識別装置５・サブコントローラ５０に送る。超音波識別装置・サブコントローラ５０は、ヒト・判定信号を、ホストコントローラ９０を介するかまたは介さずに直接、衝突衝撃制御装置・サブコントローラ８０に送る。なお、対象物と自動車先端部との距離を求める対象物距離測定ユニット（図示せず）からの距離信号も、同様に、ホストコントローラ９０を介するかまたは介さずに直接、衝突衝撃制御装置・サブコントローラ８０に送信し、ヒト対象物が衝突可能領域に入ったことを判定する。衝突衝撃制御装置・サブコントローラ８０が、対象物との衝突直前または衝突直後にポップアップフード制御部７０にトリガー信号を与えると、ポップアップフード制御部７０はポップアップフード機構６０を制御して、ポップアップフードを持ち上げ、衝突時のポップアップフードによるヒトへの衝撃を弱めることができる。

本発明の超音波識別装置は、例えば、セキュリティシステムに採用でき、このようなシステムにおいてヒトと物とを区別できれば、厳格な管理システムとなる。また、本発明の制御装置は、自動車等の車両、特に乗用車の用途に採用することができる。

超音波受信波の包絡線における振幅変動時間（Ｔ）および最大振幅（Ａ）を示す模式図本発明による超音波識別装置並びにこの超音波識別装置を組み込んだ制御装置の一実施形態を示すブロック図包絡線検波を受けた後の超音波受信波の波形図であり、図３の（イ）は服を着せたＡＢＳ樹脂製のマネキンに対する受信波の波形図、図３の（ロ）は服を着たヒトに対する受信波の波形図

５：超音波識別装置
１０：発信ユニット
２０：受信ユニット
４０：受信波評価手段
Ａ：最大振幅
Ｔ：振幅変動時間
Ｔ１：振幅減衰時間
Ｔ２：振幅増大時間

Claims

対象物を識別する超音波識別装置であって、
対象物に対して超音波を発信する発信ユニットと、前記対象物からの反射波を受信波として受信する受信ユニットと、受信した前記受信波の包絡線特性に基づいて予め設定された閾値条件で前記対象物がヒトであるかまたは物であるかを判別する受信波評価手段とを備え、
前記受信波評価手段は、前記受信波の振幅変動時間と前記受信波の最大振幅との比率を前記包絡線特性として求めるように構成されており、前記振幅変動時間は、少なくとも前記受信波の振幅減衰時間または前記受信波の振幅増大時間のいずれか一方であり、少なくとも前記振幅変動時間の振幅変動終了の時刻または前記振幅変動時間の振幅変動開始の時刻のいずれか一方は、前記受信波の最大振幅から所定のノイズ除去割合だけ小さい寸法の振幅に相当する時刻であることを特徴とする超音波識別装置。
前記振幅変動時間が、前記受信波の最大振幅からの振幅減衰時間であり、前記振幅減衰時間の振幅減衰終了の時刻が、前記受信波の最大振幅から所定のノイズ除去割合だけ小さい寸法の振幅に相当する時刻であることを特徴とする請求項１に記載の超音波識別装置。
請求項１又は２に記載の超音波識別装置と、ポップアップフード機構の動作制御を行う衝突衝撃制御装置とを備え、
前記ポップアップフード機構は、車両のポップアップ可能なフードを持ち上げることで車両前部の剛性を弱めることができ、かつ、前記フードをそのままにして車両前部の剛性を維持できるように構成され、
前記超音波識別装置が衝突可能領域にヒトを識別検知した場合には、前記衝突衝撃制御装置が、前記フードを持ち上げるように前記ポップアップフード機構の動作制御を行うよう構成されていることを特徴とする制御装置。