JP5036773B2 - 超音波距離測定装置 - Google Patents

Description

本発明は超音波距離測定装置に関し、特に送信機と受信機間の超音波所用到達時間に基づいて送信機と受信機間の距離を算出する距離測定装置に関する。

従来、反射波を用いて距離測定装置と対象物との間の距離を計測する超音波を用いた距離測定装置は、例えば車両の車間距離測定などに既に実用化されている。また最近、その間の距離を測定したい両端にそれぞれ超音波発信機と超音波受信機を設け、同期をとることによって超音波の所要到達時間から距離を測定する方法が検討されている。特許文献１には、プレゼンテーションシステムにおいてスクリーンの指し棒に超音波発信部を設け、スクリーンの少なくとも３箇所の位置基準部に設けられた超音波受信部との間の受信信号の時間差に基づいてスクリーン上の指し棒のポインティング位置を検出する、同期を取る必要のないポインティング位置検出装置が開示されている。

特開２００１−１２５７４１号公報

車両の車間距離測定などの場合はそれ程高い精度は要求されないが、特許文献１などに見られるような、プロジェクタを用いたプレゼンテーションに用いられて画面にポインタを表示する場合などには高い精度が要求され、プロジェクタと投射面の距離を測定するような場合であっても相当の高い精度が求められる。

従来の両端に発信部と受信部を設けた超音波距離測定装置では、基本的に超音波発信部は赤外線発信部と組になっていることが多く、それに伴って超音波受信部は赤外線受信部と組になっていることが多い。超音波と赤外線が発信部から同時に出力され、受信部で超音波と赤外線の到達時間の差を見ることで発信部、受信部間の距離を求める方法が基本的な原理となっている。

従来の超音波距離測定装置の超音波受信部における超音波の受信を確認する方法としては、受信信号を全波整流回路によってコンデンサに蓄積し、コンデンサの電圧としきい値電圧とを比較し、コンデンサの電圧がしきい値電圧を超えたときに超音波を受信したとすることが一般的であり、受信した時刻と発信した時刻とがほぼ等しい赤外線の到達時刻との差から到達所要時間を求め、音速に基づいて距離を算定することが行われている。

図４は従来の超音波距離測定装置における受信信号の処理プロセスを説明するための模式的グラフであり、（ａ）は超音波受信部における超音波受信波形であり、（ｂ）は検波によって全波整流した波形であり、（ｃ）は全波整流してコンデンサに蓄積した場合の電圧を示す波形である。図５は図４（ｃ）の全波整流してコンデンサに蓄積した場合の電圧としきい値とを比較した模式的グラフであり、（ａ）はしきい値がコンデンサ電圧曲線と交差している状態を示し、（ｂ）はしきい値がコンデンサ電圧曲線とほぼ一致している状態を示す。

図５（ａ）に示されるようにしきい値Ｔがコンデンサ電圧曲線と交差している場合は高い精度で交差時刻を確認できるが、この方法では全波整流によってコンデンサの電圧が時間が経過するにつれて階段状に変化するために、図５（ｂ）に示されるように、しきい値Ｔがコンデンサ電圧曲線の階段状の平らな部分と一致した場合には検出位置が暴れて高精度の時刻検出ができないという問題点がある。例えば４０ｋＨｚの超音波を使用したのなら４ｍｍ（＝３４０［ｍ］÷４０［ｋＨｚ］÷２）の暴れが発生する。

また、他の方法としてしきい値を低くして超音波受信部における超音波受信波形から信号の第１振幅を直接取得する方法が考えられている。図６は従来の超音波距離測定装置における他の受信信号の処理プロセスにおける超音波受信波形としきい値との関係を説明するための模式的グラフであり、（ａ）は標準の状態、（ｂ）は振幅が２倍になった状態、（ｃ）は振幅が１／２になった状態を示す。図６（ａ）のように標準の状態では、信号の第１波形がしきい値Ｔと交差して第１波形が取得できるが、振幅が２倍になった状態では、例えば図６（ｂ）のようにノイズＮが大きくなってしきい値Ｔと交差し超音波の受信を確認できぬ場合があり、超音波伝播中の減衰により振幅が１／２になった状態では、例えば図６（ｃ）のように第１波形がしきい値Ｔより低くなって交差せず第１波形の受信を確認できない場合があるいう問題点がある。

本発明の目的は、振幅の増減があっても確実に超音波の受信確認が可能な、送信部と受信部間の距離を算出する超音波距離測定装置を提供することにある。

本発明の超音波距離測定装置は、超音波発信部の発信時刻信号を光速で超音波受信部に伝達する信号伝達手段と組み合わせて、超音波発信部から超音波受信部までの超音波到達所要時間に基づいて両部間の距離を測定する超音波距離測定装置であって、超音波発信部と信号伝達手段の発信部とからなる発信部グループと、超音波受信部と信号伝達手段の受信部とからなる受信部グループとを有し、発信部グループの超音波発信部は、発信時刻になるとともに正負および負正のいずれかの所定の順で超音波の発信を開始すると同時に信号伝達手段の発信部を経由して受信部グループの信号伝達手段の受信部に発信開始を通知し、受信部グループの超音波受信部は、受信した超音波の半位相の波形に、超音波の半位相分の波形を半位相遅延させて符号反転した波形を加算し、加算された２発目の波形の波高を、前記超音波発信部が正負の順で超音波の発信を開始した場合には、負の領域にあらかじめ設定され、負正の順で超音波の発信を開始した場合には、正の領域に予め設定されているしきい値と比較し、加算された２発目の波形の波高がしきい値を超えた場合は、超音波の受信が確認されたとしてその時刻と、信号伝達手段の受信部によって伝達された超音波発信時刻との差を到達所要時間とし、音速に基づいて超音波発信部と超音波受信部との距離を算出する処理手段を有する。

超音波発信部の発信時刻信号を光速で超音波受信部に伝達する信号伝達手段が、光線を用いた信号伝達手段であってもよく、赤外線を用いた信号伝達手段であってもよく、電波を用いた信号伝達手段であってもよい。

本発明は、振幅の増減があっても確実に超音波の受信確認ができるという効果がある。これは超音波発信部から常に正負または負正の順で発信される超音波を超音波受信部で受信して、受信した超音波の半位相の波形に、直前に受信した超音波の半位相分の波形を半位相遅延させて符号反転した波形を加算し、加算された波形の波高を予め設定されているしきい値と比較し、加算された波形の波高がしきい値を超えた場合は超音波の受信が確認されたとしているので、ノイズの影響を受けないレベルにしきい値を設定しても、比較する波形の波高は直前の半位相の波形が加算された状態となっているので、受信した超音波自体の波高が低い場合でも超音波の最初の波形の受信が確認できるからである。

本発明の実施の形態の超音波距離測定装置の模式的構成図である。 超音波受信部における受信超音波処理を説明する模式的グラフである。（ａ）は、受信した超音波の波形である。（ｂ）は、処理後の波形である。 従来例の図６と対比して超音波距離測定装置における処理された超音波受信波形としきい値との関係を説明するための模式的グラフである。（ａ）は、図２（ｂ）の波形を標準の状態とした標準の状態である。（ｂ）は、振幅が２倍になりノイズを検出する状態である。（ｃ）は、（ｂ）のしきい値で波形の検出が可能な低い振幅になった状態である。 従来の超音波距離測定装置における受信信号の処理プロセスを説明するための模式的グラフである。（ａ）は、超音波受信部における超音波受信波形である。（ｂ）は、検波によって全波整流した波形である。（ｃ）は、全波整流してコンデンサに蓄積した場合の電圧を示す波形である。 図４（ｃ）の全波整流してコンデンサに蓄積した場合の電圧としきい値とを比較した模式的グラフである。（ａ）は、しきい値がコンデンサ電圧曲線と交差している状態を示す。（ｂ）は、しきい値がコンデンサ電圧曲線とほぼ一致している状態を示す。 従来の超音波距離測定装置における他の受信信号の処理プロセスにおける超音波受信波形としきい値との関係を説明するための模式的グラフである。（ａ）は、標準の状態を示す。（ｂ）は、振幅が２倍になった状態を示す。（ｃ）は、振幅が１／２になった状態を示す。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態の超音波距離測定装置の模式的構成図である。超音波距離測定装置１は発信部グループ１０と受信部グループ２０とから構成される。発信部グループ１０は超音波発信部１１と赤外線発信部１２とを有し、超音波発信部１１は発信時刻になるとともに正負あるいは負正のいずれか所定の順で超音波の発信を開始すると同時に赤外線発信部１２を経由して受信部グループ２０の赤外線受信部５１に発信開始を通知する。正負あるいは負正のいずれか所定の順で超音波の発信を開始するのは、しきい値を正の領域に設けるか負の領域に設けるかを決めるためであり、正負の順で発信した場合には、しきい値を負の領域に設けることにより最初の加算された波形と比較することができる。

受信部グループ２０は、超音波受信部３０と、発信部グループ１０の赤外線発信部１２から発信された赤外線を受信して超音波発信時刻を確定するする赤外線受信部５１と、算定された超音波発信部１１と超音波受信部３０との距離を出力する出力部５２とを備えている。

超音波受信部３０は、超音波入力部３１、半位相区画部３２、前区画記憶部３３、反転部３４、加算部３５、比較部３６、受信確認部３７、時刻差算出部３８、距離算出部３９、および、しきい値記憶部４１を有する。

超音波入力部３１は、発信部グループ１０の発信する超音波を受信し、半位相区画部３２は、受信した超音波の波形を半位相ごとに区画して前区画記憶部３３と加算部３５に出力し、前区画記憶部３３は、現在受信して半位相区画部３２で区画されている半位相波形の直前に区画された半位相波形を記憶して反転部３４に出力し、反転部３４は、前区画記憶部３３から入力した直前に区画された半位相波形を符号反転して加算部３５に出力し、加算部３５は、半位相区画部３２から入力した半位相の波形に、反転部３４から入力した直前に区画されて符号反転された半位相の波形を加算して比較部３６に出力する。しきい値記憶部４１には、予め設定された波高のしきい値が記憶されていて比較部３６に出力される。比較部３６では、加算部３５から入力した加算された半位相の波形としきい値記憶部４１から入力したしきい値とを比較し、半位相の波形がしきい値を超えたときには受信確認部３７にその半位相の波形がしきい値と交差した受信時刻とともに通知し、受信確認部３７は、比較部３６からの通知によって超音波の受信を確認し受信時刻を時刻差算出部３８に出力する。時刻差算出部３８では、受信確認部３７から入力した受信時刻と赤外線受信部５１から入力した超音波の発信時刻との時刻差により所要到達時間を算出して距離算出部３９に出力し、距離算出部３９では、所要到達時間から音速に基づいて超音波発信部１１と超音波受信部３０との距離を算出し、出力部５２を経由して外部に出力する。

図２は超音波受信部における受信超音波処理を説明する模式的グラフであり、（ａ）は受信した超音波の波形、（ｂ）は処理後の波形である。超音波受信部３０で受信された図２（ａ）に示す超音波の波形は、半位相区画部３２、前区画記憶部３３、反転部３４、加算部３５における上述の処理によって図２（ｂ）に示す波形となる。

図３は、従来例の図６と対比して超音波距離測定装置における処理された超音波受信波形としきい値との関係を説明するための模式的グラフであり、（ａ）は図２（ｂ）の波形を標準の状態とした標準の状態、（ｂ）は振幅が２倍になりノイズを検出する状態、（ｃ）は（ｂ）のしきい値で波形の検出が可能な低い振幅になった状態を示す。発明が解決しようとする課題において図６を参照して他の方法として説明した、入力した超音波の波形を低いしきい値と比較する方法との違いを示すために（ａ）は標準の状態、（ｂ）は振幅が２倍になった状態をしきい値とした場合、（ｃ）は（ｂ）のしきい値で波形が確認できる状態としている。

比較部３６では、加算部３５から入力した加算された半位相の波形としきい値記憶部４１から入力したしきい値とを比較するので、しきい値Ｔは第２番目の半周期と比較するために、第２番目の半周期の加算された波形と比較できるように、図３に示すように正側でスタートした波形の中心線の下側の負側に設けられている。

図６（ｂ）と同様に振幅が２倍になりノイズＮを検出するようになる波高の位置にしきい値Ｔを設定すると、第２番目の半周期が検出できる振幅の限界は図３（ｃ）に示されるようになり、実際の入力した波形はしきい値Ｔと接しているハッチングした波形の内側の白で示されている波形であり、図６（ｃ）と比較して振幅が小さくなっても第２番目の半周期が検出できることが判る。

上述の波形の処理により、ノイズ成分はおよそ１．５倍（通常ランダムノイズの重畳では√２倍となる）になっている。したがって図６（ｂ）と条件を揃えるために図３（ｂ）の振幅が２倍になったときにノイズ成分で正常な検出ができなくなるようにしきい値Ｔを設定すると、図３（ｃ）に示すように受信信号の振幅が図３（ａ）の１／３未満になっても正常な検出ができ、図６の方法と比較して安定して検出できるようになっていることがわかる。

１ 超音波距離測定装置
１０ 発信部グループ
１１ 超音波発信部
１２ 赤外線発信部
２０ 受信部グループ
３０ 超音波受信部
３１ 超音波入力部
３２ 半位相区画部
３３ 前区画記憶部
３４ 反転部
３５ 加算部
３６ 比較部
３７ 受信確認部
３８ 時刻差算出部
３９ 距離算出部
４１ しきい値記憶部
５１ 赤外線受信部
５２ 出力部
Ｎ ノイズ
Ｔ しきい値

Claims (4)

1. 超音波発信部の発信時刻を示す信号を光速で超音波受信部に伝達する信号伝達手段と組み合わせて、超音波発信部から超音波受信部までの超音波到達所要時間に基づいて両部間の距離を測定する超音波距離測定装置であって、
   前記超音波発信部と前記信号伝達手段の発信部とからなる発信部グループと、前記超音波受信部と前記信号伝達手段の受信部とからなる受信部グループとを有し、
   前記発信部グループの前記超音波発信部は、発信時刻になると、正負および負正のいずれかの所定の順で超音波の発信を開始すると同時に前記信号伝達手段の前記発信部を経由して前記受信部グループの前記信号伝達手段の前記受信部に発信開始を通知し、
   前記受信部グループの前記超音波受信部は、受信した超音波の半位相の波形に、超音波の半位相分の波形を半位相遅延させて符号反転した波形を加算し、加算された２発目の波形の波高を、前記超音波発信部が正負の順で超音波の発信を開始した場合には、負の領域にあらかじめ設定され、負正の順で超音波の発信を開始した場合には、正の領域に予め設定されているしきい値と比較し、加算された２発目の波形の波高がしきい値を超えた場合は超音波の受信が確認されたとして、その時刻と前記信号伝達手段の前記受信部によって伝達された超音波発信時刻との差を到達所要時間とし、音速に基づいて前記超音波発信部と前記超音波受信部との距離を算出する処理手段を有する、超音波距離測定装置。
2. 超音波発信部の発信時刻信号を光速で超音波受信部に伝達する信号伝達手段が光線を用いた信号伝達手段である、請求項１に記載の超音波距離測定装置。
3. 超音波発信部の発信時刻信号を光速で超音波受信部に伝達する信号伝達手段が赤外線を用いた信号伝達手段である、請求項２に記載の超音波距離測定装置。
4. 超音波発信部の発信時刻信号を光速で超音波受信部に伝達する信号伝達手段が電波を用いた信号伝達手段である、請求項１に記載の超音波距離測定装置。

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