JP4960838B2 - 距離測定装置、距離測定方法、距離測定プログラム、および記録媒体 - Google Patents
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Description
小田英了, 小林和則, 穂刈治英, 島田正治, "超音波を用いた位置推定", 日本工業出版, 計測技術, 1998年12月, pp.50-54.
本発明の距離測定装置の目的は、一般的なスピーカとマイクを用いた場合や雑音環境下でも高精度な距離推定を実現することである。
[第1実施形態]
図3に第1実施形態の距離測定装置の機能構成例を、図4にこの距離測定装置の処理フローを示す。図5は距離測定装置100の各構成部での信号の様子を示す図である。距離測定装置100は、信号発生部110、生成信号可聴音除去フィルタ部120、マイク信号可聴音除去フィルタ部130、インパルス応答計算部140、ピーク検出部150を備え、スピーカ10とマイク20を用いて距離を測定する。
さらに、信号発生部110、生成信号可聴音除去フィルタ部120、スピーカ10、インパルス応答計算部140、ピーク検出部150を複数個備え、複数のスピーカから相関のない信号を放出すれば、1つのマイクで同時に複数の距離を測定できる。そして、1つのマイクと複数のスピーカとの距離が分かるので、スピーカの位置が既知の場合(スピーカが固定されている場合など)にはマイクの位置が検出できる。
図6の共役手段143は、生成信号周波数領域変換手段141の出力Aの共役を求めたが、共役手段143の代わりに共役手段143’を備えてもよい。この場合はマイク信号周波数領域変換手段142の出力Bの共役を求めることになるため、乗算手段144の出力はB*Aである。つまり、H*A*Aである。この場合も、逆周波数領域変換手段145からの出力信号のピークの位置はインパルス応答のピークの位置と同じである。したがって、第1実施形態と同じ効果が得られる。
図7に第2実施形態の距離測定装置の機能構成例を、図8にこの距離測定装置の処理フローを示す。距離測定装置200は、可聴音混合部160と可聴音通過フィルタ部170も備えられている点が距離測定装置100と異なる。可聴音混合部160は、生成信号可聴音除去フィルタ部120からの出力に、入力された可聴音(人の音声など)の信号を付加し、スピーカ10に供給する信号を出力する(S160)。また、可聴音通過フィルタ部170は、マイクからの信号から可聴音成分(音声信号など)のみを取り出す(S170)。
本実施形態では、オーバーサンプリングを行う場合の構成例を示す。オーバーサンプリングを行うためには、距離測定装置100(図3)または距離測定装置200(図7)のインパルス応答計算部140を、図9に示すインパルス応答計算部140’に置き換えればよい。インパルス応答計算部140’は、オーバーサンプリング手段146を乗算手段144と逆周波数領域変換手段145との間に備える点が、インパルス応答計算部140(図6)と異なる。それ以外の構成部は距離測定装置100や距離測定装置200と同じである。オーバーサンプリング手段146は、乗算手段144から出力された信号にオーバーサンプリングしたい周波数分だけ0を追加する。例えば、N倍のオーバーサンプリングを行うのであれば、乗算手段144から出力された信号のサンプリング周波数の半分の周波数をFとすると、Fより大きくNF以下の周波数領域を追加し、その値を全て0にして出力する。逆周波数領域変換手段145がこの信号を時間領域に変換すると、サンプリング周波数が上がったインパルス応答が得られる。このような処理によって距離分解能が高くなり、より高精度な距離測定が可能となる。
本実施形態では、ダウンサンプリングを行う場合の構成例を示す。図10に、本実施形態の距離測定装置の機能構成例を示す。距離測定装置300は、生成信号可聴音除去フィルタ部120とインパルス応答計算部140との間に生成信号ダウンサンプリング部180を備えることと、マイク信号可聴音除去フィルタ部130とインパルス応答計算部140との間にマイク信号ダウンサンプリング部190を備えることが、距離測定装置100(図3)または距離測定装置200(図7)と異なる。生成信号ダウンサンプリング部180は、生成信号可聴音除去フィルタ部120の出力信号からMサンプルおきに1サンプルを抽出して出力する。マイク信号ダウンサンプリング部190は、マイク信号可聴音除去フィルタ部130の出力信号からMサンプルおきに1サンプルを抽出して出力する。周期Mは、全帯域幅と超音波領域の帯域幅の比で求めることができる。例えば、(サンプリング周波数)/(超音波領域の帯域幅×2)で計算できる。このようにダウンサンプリングすることで信号のサンプル数が減るので、インパルス応答計算部の演算量を削減できる。
図11と図12は、距離測定装置100(図3)を用いた実験の結果を示している。スピーカには直径約5cm、奥行き(スピーカの外周部と中心部の差)約1cmの一般的なスピーカを使用している。図11(A)は、マイクをスピーカから約20cmの位置に置いたときのインパルス応答計算部140からの出力信号を、横軸を距離に換算して示した図である。図11(B)は、マイクをスピーカから約5mの位置に置いたときのインパルス応答計算部140からの出力信号を、横軸を距離に換算して示した図である。これらの図から、スピーカとマイクとの距離が測定できていることが分かる。
100 距離測定装置 110 信号発生部
120 生成信号可聴音除去フィルタ部 130 マイク信号可聴音除去フィルタ部
140 インパルス応答計算部 141 生成信号周波数領域変換手段
142 マイク信号周波数領域変換手段 143 共役手段
144 乗算手段 145 逆周波数領域変換手段
146 オーバーサンプリング手段 150 ピーク検出部
160 可聴音混合部 170 可聴音通過フィルタ部
180 生成信号ダウンサンプリング部 190 マイク信号ダウンサンプリング部
200 距離測定装置 300 距離測定装置
Claims (9)
- 可聴音と超音波を出力することができるスピーカと可聴音と超音波を収音することができるマイクを用いて前記スピーカと前記マイクとの間の距離を測定する距離測定装置であって、
可聴音と超音波を含む信号を生成する信号発生部と、
前記信号発生部が生成した信号から可聴音成分を除去した信号を出力する生成信号可聴音除去フィルタ部と、
前記生成信号可聴音除去フィルタ部と前記スピーカとの間に配置され、前記生成信号可聴音除去フィルタ部からの出力信号に、入力された可聴音の信号を付加し、前記スピーカに供給する信号を出力する可聴音混合部と、
前記マイクからの信号から可聴音成分を除去するマイク信号可聴音除去フィルタ部と、
前記生成信号可聴音除去フィルタ部の出力信号と前記マイク信号可聴音除去フィルタ部の出力信号からインパルス応答を求めるインパルス応答計算部と、
前記インパルス応答計算部の出力からピークを検出し、前記生成信号可聴音除去フィルタ部から信号が出力されてから前記ピークまでの時間を求め、距離情報を求めるピーク検出部
を備える距離測定装置。 - 請求項1記載の距離測定装置であって、
前記マイクからの信号から可聴音成分のみを取り出す可聴音通過フィルタ部も備える
ことを特徴とする距離測定装置。 - 請求項1または2記載の距離測定装置であって、
前記インパルス応答計算部は、
前記生成信号可聴音除去フィルタ部の出力信号を周波数領域に変換する生成信号周波数領域変換手段と、
前記マイク信号可聴音除去フィルタ部の出力信号を周波数領域に変換するマイク信号周波数領域変換手段と、
前記生成信号周波数領域変換手段の出力または前記マイク信号周波数領域変換手段の出力のいずれかの共役を求める共役手段と、
前記生成信号周波数領域変換手段の出力と前記マイク信号周波数領域変換手段の出力の共役の積、または前記生成信号周波数領域変換手段の出力の共役と前記マイク信号周波数領域変換手段の出力の積を求める乗算手段と、
前記乗算手段の出力を時間領域に変換する逆周波数領域変換手段と
を有することを特徴とする距離測定装置。 - 請求項3記載の距離測定装置であって、
前記インパルス応答計算部は、
前記乗算手段と前記逆周波数領域変換手段との間に配置され、前記乗算手段からの出力に0を付加しオーバーサンプリングするオーバーサンプリング手段も有し、
前記逆周波数領域変換手段は、前記オーバーサンプリング手段の出力を時間領域に変換する
ことを特徴とする距離測定装置。 - 請求項1〜3のいずれかに記載の距離測定装置であって、
前記生成信号可聴音除去フィルタ部と前記インパルス応答計算部との間に配置され、前記生成信号可聴音除去フィルタ部の出力信号からMサンプルおきに1サンプルを抽出して出力する生成信号ダウンサンプリング部と、
前記マイク信号可聴音除去フィルタ部と前記インパルス応答計算部との間に配置され、前記マイク信号可聴音除去フィルタ部の出力信号からMサンプルおきに1サンプルを抽出して出力するマイク信号ダウンサンプリング部
も備え、
前記インパルス応答計算部は、前記生成信号ダウンサンプリング部の出力信号とマイク信号ダウンサンプリング部の出力信号からインパルス応答を求める
ことを特徴とする距離測定装置。 - 可聴音と超音波を出力することができるスピーカと可聴音と超音波を収音することができるマイクを用いて前記スピーカーと前記マイクとの間の距離を測定する距離測定方法であって、
可聴音と超音波を含む信号を生成する信号発生ステップと、
前記信号生成ステップで生成した信号から可聴音成分を除去した信号を出力する生成信号可聴音除去フィルタステップと、
前記生成信号可聴音除去フィルタステップからの出力信号に、入力された可聴音の信号を付加し、前記スピーカに供給する信号を出力する可聴音混合ステップと、
前記マイクからの信号から可聴音成分を除去するマイク信号可聴音除去フィルタステップと、
前記生成信号可聴音除去フィルタステップの出力信号と前記マイク信号可聴音除去フィルタステップの出力信号からインパルス応答を求めるインパルス応答計算ステップと、
前記インパルス応答計算ステップの出力からピークを検出し、前記生成信号可聴音除去フィルタステップの信号が出力されてから前記ピークまでの時間を求め、距離情報を求めるピーク検出ステップ
を有する距離測定方法。 - 請求項6記載の距離測定方法であって、
前記マイクからの信号から可聴音成分のみを取り出す可聴音通過フィルタステップも 有することを特徴とする距離測定方法。 - 請求項1〜5のいずれかに記載の距離測定装置としてコンピュータを動作させる距離測定プログラム。
- 請求項8記載の距離測定プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
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