JP5137139B2 - 測定方法および測定プログラム - Google Patents

Description

本願発明は、物体の速度や物体までの距離等を測定するための測定方法および測定プログラムに係り、特に対象物体が斜めに向いた場合にも適用できる。単一の周波数または別個に送信される２種類の異なる周波数を有する超音波に係る対象物体からの反射波の周波数スペクトルを算出することで対象物体までの距離等を測定する測定方法、及び測定プログラム、ならびに測定装置に関するものである。また、本測定方法等は、自動車の駐車支援に用いることができる。

超音波を利用して、物体との距離を測定する方法については、超音波の放射から反射波取得までの時間を測定して、それに音速を乗ずることによって距離を計測するという方法が従来一般的であった。 これに対して、距離のみでなく、物体の移動速度を測定する方法、また測定精度が高い方法が提案されてきた。例えば、特許文献１に記載されるように、超音波を利用して、玩具および娯楽器具等の対象物体の速度を測定する速度測定装置が開発されている。この速度測定装置では、４０ｋＨｚの超音波周波数の電気信号を送信機の圧電素子を用いて変換することで、対象物体へ向けて超音波を送信する。対象物体から反射された超音波は、受信機の圧電素子により電気信号に変換される。送信機側で生成される４０ｋＨｚの超音波周波数の電気信号と、受信機側で変換された電気信号とを混合器に入力すると、２つの信号の周波数の差分の周波数（うなり周波数）を有する電気信号を得ることができる。この周波数の差分値は、対象物体の相対速度に一意に対応する。したがって、エッジ検出器やタイミング回路等を用いて、うなり周波数の電気信号の周波数を特定することで、対象物体の速度を算出することが可能となる。

また、特許文献２には、電磁波を利用して、自動車等の対象物体の速度および対象物体までの距離を測定する測定方法について開示されている。この方法では、アンテナから放射される電磁波の周波数を一定の割合で上昇および下降させる。対象物体に反射されてアンテナに受信された電磁波に係る受信信号と、送信された電磁波に係る送信信号とを混合することで、中間周波信号を生成する。放射される電磁波の周波数の上昇時における中間周波信号の周波数と、放射される電磁波の周波数の下降時における中間周波信号の周波数とを特定して、これらを係数とした連立一次方程式を解法することにより、対象物体の速度及び対象物体までの距離を算出することが可能となる。

特許文献３には、高精度な距離計測を目的として、ノイズから第１反射パルスを抽出し、距離を算出するとともに、既知の距離にあるセンサまでの到来時間より音速を算出する方法が開示されている。この方法では、特定周波数の超音波を８パルス放射し、受信波をノイズごとに大幅に増幅、フィルタを通したあと、放射超音波と同等のサイン波との相関をとり、抽出波形のゼロ交叉点の期間を算出し、特定期間が８パルス分部続いた個所を反射波の到達した時点と見なしている。

特表２００５−５２４０６３号公報 特許第３４５７７２２号公報 国際公開ＷＯ２００５／０１０５５２パンフレット 特開２００７−９８９６７号公報 特開２００５−２０１６３７号公報 特開平８−３２４３６６号公報

特許文献１に記載された発明では、超音波を利用して、対象物体の速度を測定できるのみであるという課題があった。特許文献３に記載された発明では、精度良く測定できるが、測定対象が物体との距離だけであるという課題があった。
また、従来の測定方法では、図１（ａ）のように測定装置２１中の超音波送信部２２からの放射方向に対して垂直に対象物体２４が位置している場合には、超音波送信部２２と隣接した位置にある超音波受信部２３で反射波を受信することによって対象物体までの距離や対象物体の速度を測ることができる。しかし、（ｂ）のように斜めに対象物体が位置している場合には、超音波受信部２３の受ける反射波の強度が弱く、距離計測を行うことができないという問題があった。

斜めに位置した物体に対して測定が困難であることを説明する。図２に示すように、送信部２２と受信部２３を備えた測定装置２１の斜めに位置した対象物体２４の測定においては、実際の送信部２２から放射した超音波の物体による反射波は、鏡像の送信部３２から放射された超音波と見なせる。
鏡像の送信部３２から放射された超音波が、実像の受信部２３まで到達した際の音圧、すなわち反射波の受信音圧Ｐは、数式１で与えられる。

ただし、Ｒ_（θ）は指向性関数であり、数式２で与えられる。

ここで、Ｐ_０は放射音圧、Ｚは測定装置−物体間距離、θは測定装置と物体とのなす角度、ａは発振器の開口半径、ｋは放射する超音波の波数である。

数式１において、波長λ＝０．８５ｃｍ（周波数４０ｋＨｚの超音波に対する空気中の波長）、ａ＝１ｃｍとして、指向性関数Ｒ_（θ）が０°≦θ≦９０°の範囲で０となる角度を計算すると θ＝３２°となる。すなわち、周波数４０ｋＨｚの超音波を放射する際、物体との角度が３２°以下であれば、理論的には反射波がセンサに到達する。しかし、実際には、指向性の中心からのずれ、到来距離などにより、減衰が大きいので、測定が困難である。

本願発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、比較的簡略な技術的構成を用いて、対象物体までの距離を測定することを可能とする測定方法、測定プログラム及び測定装置を提供することを目的とする。また、本願発明は、対象物体までの距離と対象物体の速度を測定することを可能とする測定方法、プログラム及び装置を提供することを目的とする。また、本願発明は、対象物体の表面形状を検出することを可能とする測定方法、測定プログラム及び測定装置を提供することを目的とする。さらに本願発明は、対象物体が斜めに位置している場合でも、対象物体の距離を検出する測定方法、プログラム及び測定装置を提供することを目的とする。さらに本願発明は、対象物体が斜めに位置している場合でも、対象物体の距離と表面形状とを検出する測定方法、プログラム及び測定装置を提供することを目的とする。また、該測定方法、プログラムを利用した自動車の車庫入れ方法を提供することを目的とする。さらに、該測定装置を自動車に取り付けて自動車の車庫入れ支援に利用可能とすることを目的とする。

上記の技術的課題を解決するために、本願発明に係る測定方法または測定プログラムは、第１の周波数の超音波を所定の期間にわたって連続的に出力する工程（ステップ）と、第１の周波数の超音波に係る対象物体からの反射波をサンプリングする工程（ステップ）と、サンプリングされた第１のサンプリングデータ列に基づいて対象物体の相対速度を算出する工程（ステップ）と、所定の期間にわたって第１の周波数の超音波を連続的に出力した後に、第２の周波数の超音波をパルス状に出力する工程（ステップ）と、第１の周波数の超音波および第２の周波数の超音波に係る対象物体からの反射波をサンプリングする工程（ステップ）と、サンプリングされた第２のサンプリングデータ列に基づいて第２の周波数の超音波が送信されてから対象物体に反射して受信されるまでの１または複数の反射時間を検出する工程（ステップ）と、検出された１または複数の反射時間に基づいて、対象物体までの距離、あるいは対象物体の表面上の段差の個数および深さを算出する工程（ステップ）とを有するようにしたものである。
これにより、比較的簡略な技術的構成を用いて、対象物体の相対速度および対象物体までの距離、さらには対象物体の表面形状までも測定することが可能となる。とくに、測定装置に対して斜めに位置する対象物体までの距離を精度良く測定することができる。
なお、上記のそれぞれの工程（ステップ）は、必ずしも記載された順序で実行される必要はない。前に記載された工程（ステップ）を後に記載された工程（ステップ）よりも後で実行するようにしてもよく、前に記載された工程（ステップ）と後に記載された工程（ステップ）とを並列的に実行するようにしてもよい。例えば、第１のサンプリングデータ列に基づいて対象物体の相対速度を算出する工程は、第２の周波数の超音波をパルス状に出力する工程の後に実行してもよく、またこれらの工程を並列的に実行するようにしてもよい。

また、本願発明に係る測定方法または測定プログラムは、第１の周波数の超音波を所定の期間にわたって連続的に出力する工程（ステップ）と、所定の期間にわたって第１の周波数の超音波を連続的に出力した後に、第２の周波数の超音波をパルス状に出力する工程（ステップ）と、第１の周波数の超音波および第２の周波数の超音波に係る対象物体からの反射波をサンプリングする工程（ステップ）と、サンプリングされたサンプリングデータ列に基づいて対象物体の相対速度を算出する工程（ステップ）と、サンプリングされたサンプリングデータ列に基づいて第２の周波数の超音波が送信されてから対象物体に反射して受信されるまでの１または複数の反射時間を検出する工程（ステップ）と、検出された１または複数の反射時間に基づいて、対象物体までの距離、あるいは対象物体の表面上の段差の個数および深さを算出する工程（ステップ）とを有するようにしたものである。
これにより、比較的簡略な技術的構成を用いて、対象物体の相対速度および対象物体までの距離、さらには対象物体の表面形状までも測定することが可能となる。とくに、測定装置に対して斜めに位置する対象物体までの距離を精度良く測定することができる。また、対象物体の相対速度とともに対象物体までの距離並びに対象物体の表面上の段差の個数および深さを算出するのに１回のサンプリングを実施すれば足るように構成したので、サンプリングデータを記憶する記憶手段におけるサンプリングデータの記憶処理、転送処理等を単純化することが可能となり、測定装置のシステム構成を簡略化することができる。
なお、上記のそれぞれの工程（ステップ）は、必ずしも記載された順序で実行される必要はない。前に記載された工程（ステップ）を後に記載された工程（ステップ）よりも後で実行するようにしてもよく、前に記載された工程（ステップ）と後に記載された工程（ステップ）とを並列的に実行するようにしてもよい。例えば、サンプリングデータ列に基づいて対象物体の相対速度を算出する工程は、サンプリングデータ列に基づいて１または複数の反射時間を検出する工程の後に実行してもよく、またこれらの工程を並列的に実行するようにしてもよい。

また、本願発明に係る測定方法は、第２の周波数の超音波を概ね１波長分出力するようにしたものである。
これにより、対象物体の表面上において異なる高さを有する表面部から反射された複数の反射波の反射時間が超音波の概ね１波長分に相当する時間だけずれていれば、超音波受信部において複数の反射波を重畳させることなく分離して受信することが可能となり、異なる表面部間の高さの差（段差の深さ）の算出に係る分解能を向上することができる。

また、本願発明に係る測定方法は、第２の周波数の超音波が送信されてから対象物体に反射して受信されるまでの１または複数の反射時間を検出するためにサンプリングされたサンプリングデータ列に含まれるサンプリングデータ全体から成る区間を微小区間に分割して、各微小区間の長さを第２の周波数の超音波の概ね１波長分に等しくするようにしたものである。
これにより、第２の周波数の超音波に係る周波数スペクトルを検出することができる最小の時間幅を微小区間として設定したので、対象物体の表面上において異なる高さを有する表面部から反射された複数の反射波を異なる微小区間で受信することを可能とする段差の深さの下限値を小さくすることが可能となり、段差の深さの算出に係る分解能を向上することができる。

また、本願発明に係る測定方法は、対象物体の相対速度を用いて、対象物体までの距離あるいは対象物体の表面上の段差の深さを補正するようにしたものである。
これにより、対象物体までの距離あるいは対象物体の表面上の段差の深さをより精度よく算出することができる。

また、本願発明に係る測定方法は、対象物体の相対速度を算出するためにサンプリングされたサンプリングデータ列の後ろに複数のゼロを並べて得られるサンプリングデータ列に対して、高速フーリエ変換を適用することで、第１の周波数の超音波に係る対象物体からの反射波の周波数スペクトルを算出するようにしたものである。
これにより、第１の周波数の超音波に係る反射波について算出される周波数スペクトルの周波数分解能が高められ、当該反射波に係るピーク周波数をより精度よく検出することが可能となるから、対象物体の相対速度の算出に係る速度分解能を向上することができる。

また、本願発明に係る測定方法は、対象物体の相対速度を算出するためにサンプリングされたサンプリングデータ列の後ろに複数のゼロを並べて得られるサンプリングデータ列に対して、窓関数をかけた後に、高速フーリエ変換を適用するようにしたものである。
これにより、第１の周波数の超音波に係る反射波について算出される周波数スペクトルの誤差を低減して、当該反射波に係るピーク周波数をさらに精度よく検出することが可能となるから、対象物体の相対速度の算出に係る誤差を低減することができる。

また、本願発明に係る測定方法は、第２の周波数の超音波が送信されてから対象物体に反射して受信されるまでの１または複数の反射時間を検出するためにサンプリングされたサンプリングデータ列に含まれるサンプリングデータ全体から成る区間を微小区間に分割して、それぞれの微小区間毎に、当該微小区間に存在するサンプリングデータから成るサンプリングデータ列を繰り返し並べて得られるサンプリングデータ列に対して、高速フーリエ変換を適用することで、当該微小区間において受信された反射波の周波数スペクトルを算出するようにしたものである。
これにより、対象物体からの反射波について算出される周波数スペクトルの周波数分解能が高められ、第２の周波数の超音波に係る反射波が受信される微小区間をより精度よく検出することが可能となるから、対象物体までの距離等の算出に係る誤差を低減することができる。

また、本願発明に係る測定方法は、微小区間に存在するサンプリングデータから成るサンプリングデータ列を繰り返し並べて得られるサンプリングデータ列に対して、窓関数をかけた後に、高速フーリエ変換を適用するようにしたものである。
これにより、対象物体からの反射波について算出される周波数スペクトルの誤差を低減して、第２の周波数の超音波に係る反射波が受信される微小区間をさらに精度よく検出することが可能となるから、対象物体までの距離等の算出に係る誤差をさらに減少することができる。

また、本願発明に係る測定方法は、第１の周波数の電磁波を所定の期間にわたって連続的に出力する工程と、第１の周波数の電磁波に係る対象物体からの反射波をサンプリングする工程と、サンプリングされた第１のサンプリングデータ列に基づいて対象物体の相対速度を算出する工程と、所定の期間にわたって第１の周波数の電磁波を連続的に出力した後に、第２の周波数の電磁波をパルス状に出力する工程と、第１の周波数の電磁波および第２の周波数の電磁波に係る対象物体からの反射波をサンプリングする工程と、サンプリングされた第２のサンプリングデータ列に基づいて第２の周波数の電磁波が送信されてから対象物体に反射して受信されるまでの１または複数の反射時間を検出する工程と、検出された１または複数の反射時間に基づいて、対象物体までの距離、あるいは対象物体の表面上の段差の個数および深さを算出する工程とを有するようにしたものである。
これにより、比較的簡略な技術的構成を用いて、対象物体の相対速度および対象物体までの距離、さらには対象物体の表面形状までも測定することが可能となる。
なお、上記のそれぞれの工程は、必ずしも記載された順序で実行される必要はない。前に記載された工程を後に記載された工程よりも後で実行するようにしてもよく、前に記載された工程と後に記載された工程とを並列的に実行するようにしてもよい。

また、本願発明に係る測定方法は、第１の周波数の電磁波を所定の期間にわたって連続的に出力する工程と、所定の期間にわたって第１の周波数の電磁波を連続的に出力した後に、第２の周波数の電磁波をパルス状に出力する工程と、第１の周波数の電磁波および第２の周波数の電磁波に係る対象物体からの反射波をサンプリングする工程と、サンプリングされたサンプリングデータ列に基づいて対象物体の相対速度を算出する工程と、サンプリングされたサンプリングデータ列に基づいて第２の周波数の電磁波が送信されてから対象物体に反射して受信されるまでの１または複数の反射時間を検出する工程と、検出された１または複数の反射時間に基づいて、対象物体までの距離、あるいは対象物体の表面上の段差の個数および深さを算出する工程とを有するようにしたものである。
これにより、比較的簡略な技術的構成を用いて、対象物体の相対速度および対象物体までの距離、さらには対象物体の表面形状までも測定することが可能となる。また、対象物体の相対速度とともに対象物体までの距離並びに対象物体の表面上の段差の個数および深さを算出するのに１回のサンプリングを実施すれば足るように構成したので、サンプリングデータを記憶する記憶手段におけるサンプリングデータの記憶処理、転送処理等を単純化することが可能となり、測定装置のシステム構成を簡略化することができる。
なお、上記のそれぞれの工程は、必ずしも記載された順序で実行される必要はない。前に記載された工程を後に記載された工程よりも後で実行するようにしてもよく、前に記載された工程と後に記載された工程とを並列的に実行するようにしてもよい。

また、本願発明に係る測定方法または測定プログラムは、所定の周波数の超音波をパルス状に出力する工程と、該所定の周波数の超音波に係る対象物体からの反射波をサンプリングする工程と、サンプリングされたサンプリングデータ列に基づいて該所定の周波数の超音波が送信されてから対象物体に反射して受信されるまでの反射時間を検出し、検出された反射時間に基づいて、対象物体までの距離を算出する工程とを有するようにしたものである。
これにより、比較的簡略な技術的構成を用いて、対象物体の対象物体までの距離を測定することが可能となる。とくに、測定装置に対して斜めに位置する対象物体までの距離を精度良く測定することができる。

また、本願発明に係る測定方法は、前記所定の周波数の超音波を概ね１波長分出力するものである。
これにより、対象物体の表面上で反射された反射波の反射時間が超音波の概ね１波長分に相当する時間だけずれていれば、超音波受信部において放射超音波の周波数帯のスペクトル強度を検索する場合の時間分解能を向上することができるので、対象物体の距離算出の際分解能を向上することができる。

また、本願発明に係る測定方法は、前記所定の周波数の超音波が送信されてから対象物体に反射して受信されるまでの反射時間を検出するためにサンプリングされたサンプリングデータ列に含まれるサンプリングデータ全体から成る区間を微小区間に分割して、それぞれの微小区間毎に、当該微小区間に存在するサンプリングデータから成るサンプリングデータ列を繰り返し並べて得られるサンプリングデータ列に対して、高速フーリエ変換を適用することで、当該微小区間において受信された反射波の前記所定の周波数が属する周波数帯のスペクトル強度を算出するものである。
これにより、反射波について算出される所定の周波数の属する周波数帯の強度を精度よく検出することが可能となり、ピーク位置を精度良く求めることができるから、対象物体への距離を精度良く測定することができる。さらに、ホワイトノイズの混入に対しても耐性を有する測定方法を提供する。

一方、本願発明に係る測定装置は、第１の周波数の超音波を所定の期間にわたって連続的に出力する第１の超音波発信部と、第２の周波数の超音波をパルス状に出力する第２の超音波発信部と、第１及び第２の超音波発信部から発信される超音波の受信部と、受信した第１及び第２の周波数の超音波に係る対象物体からの反射波をサンプリングするサンプリング部と、サンプリングされた第１周波数の超音波に係わるサンプリングデータ列に基づいて対象物体の相対速度を算出する相対速度算出部と、サンプリングされた第２周波数の超音波に係わるサンプリングデータ列に基づいて第２の周波数の超音波が送信されてから対象物体に反射して受信されるまでの１または複数の反射時間を検出する反射時間算出部と、検出された１または複数の反射時間に基づいて、対象物体までの距離、あるいは対象物体の表面上の段差の個数および深さを算出する、距離及び段差算出部とを有するようにしたものである。
これにより、比較的簡略な技術的構成を用いて、対象物体の相対速度および対象物体までの距離、さらには対象物体の表面形状までも測定することが可能となる。とくに、測定装置に対して斜めに位置する対象物体までの距離を精度良く測定することができる。

また、本願発明に係る測定装置は、第２の超音波発信部が第２の周波数の超音波を概ね１波長分出力することとしたものである。
これにより、対象物体の表面上において異なる高さを有する表面部から反射された複数の反射波の反射時間が超音波の概ね１波長分に相当する時間だけずれていれば、超音波受信部において複数の反射波を重畳させることなく分離して受信することが可能となり、異なる表面部間の高さの差（段差の深さ）の算出に係る分解能を向上することができる。

また、本願発明に係る測定装置は、前記距離及び段差算出部が、前記相対速度算出部で算出された相対速度を用いて対象物体までの距離あるいは対象物体の表面上の段差の深さを補正するものである。
これにより、対象物体までの距離あるいは対象物体の表面上の段差の深さをより精度よく算出することができる。

また、本願発明に係る測定装置は、第１または第２の周波数の超音波に係る対象物体からのサンプリングデータ列を高速フーリエ変換処理する高速フーリエ変換処理部をさらに有し、前記高速フーリエ変換処理部の結果を前記相対速度算出部または前記距離及び段差算出部での処理にそれぞれ利用するものである。
これにより、第１の周波数の超音波に係る反射波について算出される周波数スペクトルの周波数分解能が高められ、当該反射波に係るピーク周波数をより精度よく検出することが可能となるから、対象物体の相対速度の算出に係る速度分解能を向上することができる。また、対象物体からの反射波について算出される周波数スペクトルの周波数分解能が高められ、第２の周波数の超音波に係る反射波が受信される微小区間をより精度よく検出することが可能となるから、対象物体までの距離等の算出に係る誤差を低減することができる。

また、本願発明に係る測定装置は、第１または第２の周波数の超音波に係る対象物体からのサンプリングデータ列に窓関数をかけるための窓関数処理部をさらに有し、前記窓関数処理部の出力結果を、前記高速フーリエ変換処理部入力するものである。
これにより、第１の周波数の超音波に係る反射波について算出される周波数スペクトルの誤差を低減して、当該反射波に係るピーク周波数をさらに精度よく検出することが可能となるから、対象物体の相対速度の算出に係る誤差を低減することができる。また、対象物体からの反射波について算出される周波数スペクトルの誤差を低減して、第２の周波数の超音波に係る反射波が受信される微小区間をさらに精度よく検出することが可能となるから、対象物体までの距離等の算出に係る誤差をさらに減少することができる。

また、本願発明に係る測定装置は、特定周波数の超音波をパルス状に出力する超音波発信部と、前記超音波発信部から発信される超音波の受信部と、受信した前記特定周波数の超音波に係る対象物体からの反射波をサンプリングするサンプリング部と、サンプリングされた前記特定周波数の超音波に係わるサンプリングデータ列に基づいて前記周波数の超音波が送信されてから対象物体に反射して受信されるまでの反射時間を検出し、検出された反射時間に基づいて、対象物体までの距離を算出する距離算出部とを有するものである。
これにより、比較的簡略な技術的構成を用いて、対象物体までの距離を測定することが可能となる。とくに、測定装置に対して斜めに位置する対象物体までの距離を精度良く測定することができる。

また、本願発明に係る測定装置は、前記超音波発信部が前記特定周波数の超音波を概ね１波長分出力するものである。これにより、対象物体の表面上で反射された反射波の反射時間が超音波の概ね１波長分に相当する時間だけずれていれば、超音波受信部において放射超音波の周波数帯のスペクトル強度を検索する場合の時間分解能を向上することができるので、対象物体の距離算出の際分解能を向上することができる。

また、本願発明に係る測定装置は、前記特定周波数の超音波に係る対象物体からのサンプリングデータ列を高速フーリエ変換処理する高速フーリエ変換処理部をさらに有し、前記高速フーリエ変換処理部の結果を前記距離算出部での処理に利用するものである。これにより、反射波について算出される所定の周波数の属する周波数帯の強度を精度よく検出することが可能となり、ピーク位置を精度良く求めることができるから、対象物体への距離を精度良く測定することができる。さらに、ホワイトノイズの混入に対しても耐性を有する測定装置を提供する。

また、本願発明に係る自動車は、車体、及び前記測定装置を有し、前記車体の左側面及び／又は右側面の前端及び後端に前記測定装置が取り付けられたものである。
これにより、前記測定装置を有しているので壁面までの距離等を測定でき、特に測定装置と壁面とが斜めになった場合でも精度良く測定できるので、該自動車の車庫入れを容易にかつ安全に行うことができる。

また、本願発明に係る自動車は、前記測定装置の超音波放射方向が前記左側面または右側面に対して垂直方向であるように前記測定装置が取り付けられたものである。これにより、壁面との距離を精度良く測定でき、該自動車の車庫入れを容易にかつ安全に行うことができる。

また、本願発明に係る自動車の車庫入れ方法は、前記自動車を、入り口付近に段差を持つ壁面を有する車庫入れ方法であって、前記自動車が有する前記測定装置にて前記壁面までの距離及び段差を継続的に測定しておき、段差を検知しない状態から段差を検知する状態に変化した場合にハンドルを操作するものである。
これにより、壁面までの距離及び段差を継続的に測定しておき、段差を検知しない状態から段差を検知する状態に変化した場合にハンドルを操作することから、該自動車の車庫入れを容易にかつ安全に行うことができる。

本願発明によれば、比較的簡略な技術的構成を用いて、精度良く対象物体までの距離を測定することができるという効果を奏する。また、特に測定装置に対して斜めに位置する対象物体までの距離を精度良く測定することができるという効果を奏する。

斜めに位置した物体に対する距離測定を示す図である。 斜めに位置した物体に対する距離測定を説明する図である。 実施の形態１ないし３による測定方法を実現する測定装置の構成を示すブロック図である。 ＰＷＭ信号発生器により超音波周波数の電気信号を生成する方法を示すタイミングチャートである。 スピーカから出力される超音波の周波数の時間経過を示す図である。 実施の形態１による測定方法を示すフローチャートである。 対象物体の相対速度の算出方法を示すフローチャートである。 サンプリングデータ列におけるサンプリングデータの増加処理を示す図である。 反射波の周波数スペクトルを示す図である。 対象物体までの距離並びに対象物体の表面上の段差の個数および深さの算出方法を示すフローチャートである。 サンプリングデータ列におけるサンプリングデータの増加処理を示す図である。 対象物体の表面上の段差の測定の態様を示す図である。 受信される反射波に係る２０ｋＨｚ帯のスペクトル強度の時間経過を示す図である。 実施の形態２による測定方法を示すフローチャートである。 実施の形態３による測定方法を実現する測定装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態３による測定方法を示すフローチャートである。 実施の形態３による対象物体までの距離の算出方法を示すフローチャートである。 実施の形態３による距離算出方法を示す図である。 傾斜した対象物体に対して本願発明による測定を実施した例を示す図である。 第１及び第２の実施形態によるθ１、θ２の測定値を示す図である。 θ２測定値の３つの方法による比較を示す図である。 本願発明の方法による自動車の車庫入れを示す図である。 自動車の車庫入れの際の反射波の検知状況を示す図である。 車庫入れの手順を示すフローチャートである。

符号の説明

２１：測定装置
２２：超音波送信部
２３：超音波受信部
２４：対象物体
２５：第１の表面部
２６：第２の表面部
２９：平板
３２：鏡像の超音波送信部
１００、１５０：測定装置
１０１：マイクロコンピュータ
１０２：パーソナルコンピュータ
１０３：Ｄ／Ａ変換器
１０４：ＰＷＭ信号発生器
１０５：乗算器
１０６，１０９：増幅器
１０７：スピーカ
１０８：マイクロホン
１１０、１６０：サンプリング部
１１１、１６１：メモリ
１３０：相対速度算出部
１３５：反射時間算出部
１４０：距離及び段差算出部
１４５：距離算出部
１５４：窓関数処理部
１５５：ＦＦＴ処理部
１５７：超音波発信器
１５８：超音波受信器
１７０：制御部
２０４：車体
２０５：道路
２１０：測定装置を取り付けた自動車
２２０：車庫
２２５：壁
２３０：段差
２４１：車体前端に取り付けられた装置
２４２：車体後端に取り付けられた装置
２４９：超音波放射方向

以下、図面を参照して本願発明に係る実施の形態を説明する。
実施の形態１．
図３（ａ）は、この実施形態による測定方法を実現する測定装置１００の構成を示すブロック図である。
マイクロコンピュータ１０１は超音波周波数の電気信号の生成処理や対象物体からの反射波を圧電変換して得られる電気信号のサンプリング処理等を実施する。マイクロコンピュータ１０１にはマイクロホン１０８で受信した信号をＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換し、サンプリング処理を実施するためのサンプリング部１１０、サンプリングしたデータを蓄積するメモリ１１１、Ｄ／Ａ（デジタル／アナログ）変換器１０３，ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号発生器１０４を有している。

マイクロコンピュータ１０１のＤ／Ａ変換器１０３は、例えば８ビットのデジタル信号をアナログ信号に変換する。乗算器１０５は、Ｄ／Ａ変換器１０３から出力される電気信号とＰＷＭ信号発生器１０４から出力される電気信号とを乗算して得られる電気信号を出力する。増幅器１０６は、乗算器１０５から出力される電気信号を増幅する。スピーカ１０７は、増幅器１０６から出力される電気信号を圧電変換して超音波を出力する。

また、電気信号を出力するマイクロホン１０８は、測定対象となる物体から反射された超音波（反射波）を受信するとともに圧電変換し、増幅器１０９は、マイクロホン１０８から出力される電気信号を増幅する。サンプリング部１１０は、増幅器１０９から出力されるアナログ信号を所定のサンプリング間隔で例えば１０ビットのデジタル信号値に変換する。メモリ１１１は、サンプリング部１０でサンプリングされたデジタル信号値を逐次的に記憶する機能を有し、例えば２ｋバイトの容量を備えたＲＡＭである。
パーソナルコンピュータ１０２はマイクロコンピュータ１０１からサンプリングデータ列を入力してＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理等を適用することにより対象物体の速度や対象物体までの距離等を算出する。パーソナルコンピュータ１０２には、図３（ｂ）に示すように、相対速度算出部１３０、反射時間算出部１３５、距離及び段差算出部１４０を有している。また、パーソナルコンピュータ１０２には相対速度算出部１３０及び／または反射時間算出部１３５での処理の際、ＦＦＴ処理を適用するためのＦＦＴ処理部１５５を有している。サンプリングデータ列に窓関数をかけてからＦＦＴ処理を適用するため、窓関数処理部１５４を必要に応じて有する。マイクロコンピュータ１０１のメモリ１１１に蓄積されたサンプリングデータ列が、パーソナルコンピュータ１０２の相対速度算出部１３０、反射時間算出部１３５に送られ、ＦＦＴ処理部１５５においてＦＦＴ処理を適用して対象物体との相対速度や反射時間を算出する。また、必要な場合、窓関数処理部１５４にて窓関数処理を行う。また、反射時間算出部１３５で算出された結果からは、場合によっては、相対速度算出部１３０の算出された結果も利用して、距離及び段差算出部１４０にて対象物体までの距離並びに対象物体の表面上の段差の個数及び深さを算出する。

図４は、ＰＷＭ信号発生器１０４により超音波周波数の電気信号を生成する方法を示すタイミングチャートである。マイクロコンピュータ１０１には、図示されない、タイマカウンタ、クロック信号発生器、及びレジスタＡ，Ｂを備えている。タイマカウンタの計数値は、クロック信号発生器から発生されるクロック信号の立上りエッジまたは立下りエッジを検出する毎に１ずつ増分される。ＰＷＭ信号発生器４は、タイマカウンタの計数値がレジスタＢに格納された数値に一致すると出力電圧値を０Ｖに変更し、タイマカウンタの計数値がレジスタＡに格納された数値に一致すると出力電圧値を例えば５Ｖである所定の電圧値に変更する。

タイマカウンタは、その計数値がレジスタＡに格納された数値に一致すると、計数処理をリセットするために計数値をゼロに戻すように構成されている。このような装置構成において、レジスタＡに格納される数値をレジスタＢに格納される数値の２倍とすることで、ＰＷＭ信号発生器１０４からデューティ比が５０パーセントである矩形波の電気信号を出力することができる。さらに、クロック信号発生器から発生されるクロック信号の周波数に応じて、レジスタＡおよびレジスタＢに格納される数値を適宜選定することで、所望の周波数を有する矩形波の電気信号を得ることができる。図４に示されるように、レジスタＡおよびレジスタＢに適切な数値を格納することで、周期が２５μ秒で周波数が４０ｋＨｚの超音波周波数の電気信号を生成することが可能である。また、レジスタＡおよびレジスタＢに格納される数値を、４０ｋＨｚの超音波周波数の電気信号を生成する際に格納された数値の２倍とすることで、周期が５０μ秒で周波数が２０ｋＨｚの超音波周波数の電気信号を生成することが可能である。

但し、スピーカ１０７から矩形波の超音波を急激に出力すると、可聴域の音波が混在することになる。このような不具合を解消するために、ＰＷＭ信号発生器１０４から超音波周波数の電気信号の出力を開始する際には、当該電気信号に同期するようにして、Ｄ／Ａ変換器１０３からハーフサイン波を出力する。乗算器１０５において、ＰＷＭ信号発生器１０４から出力される矩形波の電気信号と、Ｄ／Ａ変換器１０３から出力されるハーフサイン波状の電気信号とが掛け合わされることで、超音波周波数の矩形波の電気信号がハーフサイン波によりＡＭ変調される。これにより、超音波周波数の矩形波の電気信号の最初の部分が鈍らせられ、可聴域の音波出力を軽減することが可能となる。

次に、本システムによる測定方法について説明する。図５は、スピーカ１０７から出力される超音波の周波数の時間経過を示す図でもある。図５に示されるように、スピーカ１０７は、２ｍ秒の期間にわたって４０ｋＨｚの超音波を連続的に出力した後に、２０ｋＨｚの超音波をパルス状に５０μ秒の期間にわたって出力する。５０μ秒は、２０ｋＨｚの超音波の１波長分に相当する。本願発明では、連続的に出力される４０ｋＨｚの超音波に係る対象物体からの反射波の周波数スペクトルを求めることで、対象物体の相対速度を算出する。また、２０ｋＨｚの超音波が送信されてから対象物体に反射して受信されるまでの時間として定義される反射時間を、対象物体の表面上の高さの異なる表面部毎に検出することで、対象物体までの距離並びに対象物体の表面上の段差の個数および深さを算出する。

図６は、この発明の実施の形態１による測定方法を示すフローチャートである。上述したように、４０ｋＨｚの超音波を約２ｍ秒の期間にわたって連続的に出力する（ステップＳ１）。次に、送信された４０ｋＨｚの超音波に係る対象物体からの反射波を約１０ｍ秒の期間にわたってサンプリングする（ステップＳ２）。超音波受信機１０８は、受信した超音波を電気信号に変換する。サンプリング部１１０は、増幅器９で増幅された電気信号を、１０μ秒のサンプリング間隔でサンプリングして、１０２４個のデジタル信号値に変換して出力する。１０μ秒のサンプリング間隔で１０２４個のサンプリングデータを得るために、このサンプリング処理には約１０ｍ秒の時間を要する。

メモリ１１１は、１０２４個のサンプリングデータを逐次的に記憶する。メモリ１１１に１回目のサンプリング処理に係るすべてのサンプリングデータが記憶された後に、メモリ１１１に記憶されたすべてのサンプリングデータから成るサンプリングデータ列はパーソナルコンピュータ１０２の相対速度算出部１３０に転送される。相対速度算出部１３０は、転送されたサンプリングデータ列を基にして、対象物体の相対速度を算出する（ステップＳ３）。

ここで、相対速度算出部１３０により実施される対象物体の相対速度の算出について詳細に説明する。図７は、対象物体の相対速度の算出方法を示すフローチャートである。この実施の形態１では、反射波のピーク周波数を検出するために算出される周波数スペクトルの周波数分解能を上げるために、サンプリングデータ列に含まれるサンプリングデータの数を増加する（ステップＳ１１）。図８は、サンプリングデータ列におけるサンプリングデータの増加処理を示す図である。図８に示されるように、１０２４個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列の後ろに６４５１２個の「０」を並べることで、６５５３６個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列を生成する。６５５３６個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列が得られれば、当該サンプリングデータ列に対して、ハニング窓関数をかける（ステップＳ１２）。次に、ハニング窓関数がかけられたサンプリングデータ列に対してＦＦＴ（高速フーリエ変換）を適用して、反射波に係る周波数スペクトルを算出する（ステップＳ１３）。ピーク周波数が検出されれば、ピーク周波数に基づいて対象物体の相対速度を算出する（ステップＳ１４）。

サンプリングデータ列に含まれるサンプリングデータの個数を１０２４個から６５５３６個に増加することで、周波数分解能は１００Ｈｚから１．５Ｈｚに向上する。また、周波数分解能が上がることで、これに応じて対象物体の相対速度に係る速度分解能も、８７ｃｍ／秒から１．３ｃｍ／秒に向上する。図９は、反射波の周波数スペクトルを示す図である。図９に示されるように、対象物体の運動に起因するドップラー効果により、反射波のピーク周波数は、４０ｋＨｚからずれることになる。ここで、Ｖｓを対象物体の相対速度、ｃを音速、ｆ_０をスピーカ１０７から送信される超音波の周波数、ｆ_１をマイクロホン１０８に受信された反射波のピーク周波数とすると、対象物体の相対速度Ｖｓは、以下の式（１）から与えられる。
Ｖｓ＝ｃ・（ｆ_１−ｆ_０）／（ｆ_１＋ｆ_０） （１）

図５に示されるように、約２ｍ秒の期間にわたって４０ｋＨｚの超音波を連続的に出力した後には、２０ｋＨｚのパルス状の超音波を５０μ秒の期間にわたって出力する（ステップＳ４）。２０ｋＨｚのパルス状の超音波が出力されれば、その直後から対象物体からの反射波を１０ｍ秒の期間にわたってサンプリングする（ステップＳ５）。この際にも、反射波の周波数スペクトルを算出するために、１回目のサンプリング処理と同様に、サンプリング部１１０は、増幅器１０９で増幅された電気信号を、１０μ秒のサンプリング間隔でサンプリングして、１０２４個のデジタル信号値に変換して出力する。すなわち、２０ｋＨｚの超音波を出力してから、約１０ｍ秒の期間にわたって反射波のサンプリングを継続する。

メモリ１１１は、２回目のサンプリング処理に係る１０２４個のサンプリングデータを逐次的に蓄積する。なお、対象物体の相対速度を算出するために１回目のサンプリング処理によりメモリ１１１に蓄積された１０２４個のサンプリングデータは既にパーソナルコンピュータ２の相対速度算出部１３０に転送されているので、今回のサンプリングデータの蓄積は前回のサンプリングデータを蓄積したメモリ素子に上書きするような態様で実施してもよい。メモリ１１１に２回目のサンプリング処理に係るすべてのサンプリングデータが蓄積された後に、メモリ１１１に蓄積されたサンプリングデータから成るサンプリングデータ列をパーソナルコンピュータ１０２の反射時間算出部１３５へ転送する。反射時間算出部１３５は転送されたサンプリングデータ列を基にして反射時間を算出し、さらに距離及び段差算出部１４０にて対象物体までの距離並びに対象物体の表面上の段差の個数および深さを算出する（ステップＳ６）。

ここで、反射時間算出部１３５及び距離及び段差算出部１４０により実施される対象物体までの距離並びに対象物体の表面上の段差の個数および深さの算出について説明する。図１０は、対象物体までの距離並びに対象物体の表面上の段差の個数および深さの算出方法を示すフローチャートである。１０２４個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列が得られれば、当該サンプリングデータ列から構成される観測区間を５個のサンプリングデータから構成される微小区間に分割する（ステップＳ２１）。上述したように、サンプリング間隔は１０μ秒であるので、微小区間の長さは５０μ秒となる。これは、２０ｋＨｚの超音波周波数の信号の１波長分に相当する。すなわち、微小区間は、ＦＦＴにより２０ｋＨｚの周波数スペクトルを検出することが可能な最小の時間幅を有する区間として設定されている。

微小区間への分割が完了すれば、微小区間毎に順番に２０ｋＨｚの超音波に係る反射波が受信されたか否かを検出する。ここでも、それぞれの微小区間毎に、当該微小区間で受信された反射波について算出される周波数スペクトルの周波数分解能を上げるために、サンプリングデータ列に含まれるサンプリングデータの数を増加する（ステップＳ２２）。図１１は、サンプリングデータ列におけるサンプリングデータの増加処理を示す図である。図１１に示されるように、それぞれの微小区間毎に、５個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列を繰り返し並べることで、２０４８個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列を生成する。２０４８個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列が得られれば、当該サンプリングデータ列に対して、ハニング窓関数をかける（ステップＳ２３）。ハニング窓関数がかけられたサンプリングデータ列に対してＦＦＴを適用して、反射波に係る周波数スペクトルを算出する（ステップＳ２４）。

周波数スペクトルが算出されれば、当該微小区間におけるピーク周波数が約２０ｋＨｚであるか否かを判定する（ステップＳ２５）。ピーク周波数が約２０ｋＨｚであれば、パルス状に出力された２０ｋＨｚの超音波に係る反射波が当該微小区間において受信されたものと認められるから、当該微小区間の時間軸上の位置を特定して、２０ｋＨｚの超音波に係る反射時間を求める（ステップＳ２６）。これにより、２０ｋＨｚのパルス状の超音波が出力されてから対象物体に反射して受信されるまでに経過した時間（反射時間）を検出する。

図１２は、対象物体の表面上の段差の測定の態様を示す図である。測定装置２１において、超音波送信部２２は例えばスピーカ１０７として与えられ、超音波受信部２３は例えばマイクロホン１０８として与えられる。また、測定対象となる対象物体２４は第１の表面部２５及び第１の表面部２５から段差をおいて位置する対象物体２４の第２の表面部２６を有するものとする。。測定装置２１から第１の表面部２５までの距離と第２の表面部２６までの距離とは異なるために、超音波送信部２２から送信される超音波が第１の表面部２５により反射されて超音波受信部２３に受信されるまでの反射時間Ｔ_１と、超音波送信部２２から送信される超音波が第２の表面部２６により反射されて超音波受信部２３に受信されるまでの反射時間Ｔ_２とには、時間的ずれが生じる。

図１３は、受信される反射波に係る２０ｋＨｚ帯のスペクトル強度の時間経過を示す図である。図１３では、それぞれの微小区間毎に、２０ｋＨｚ帯のスペクトル強度が示されている。この実施の形態では、微小区間を２０ｋＨｚのピーク周波数を検出することができる最小の区間幅（５０μ秒）を有するように構成したので、対象物体２４の異なる表面部２５，２６から反射された超音波を異なる微小区間において受信することを可能にするために必要となる段差の深さの下限値を小さくすることができて、段差の深さの分解能を大幅に向上することが可能となる。

ステップＳ２５において、ピーク周波数が約２０ｋＨｚであると判定されなかった場合、並びにステップＳ２６の処理が完了した後は、２０ｋＨｚの超音波に係る反射波の検出を実施すべき微小区間が残存しているか否かを判定する（ステップＳ２７）。微小区間が残存していると判定された場合には、次の微小区間について２０ｋＨｚの超音波に係る反射波の検出を実施するために、処理をステップＳ２２へ移行する。すべての微小区間について、２０ｋＨｚの超音波に係る反射波の検出が完了したと判定されれば、１または複数の反射時間（Ｔ_１，Ｔ_２，・・・）を基にして、対象物体までの距離並びに対象物体の表面上の段差の個数および深さを算出する（ステップＳ２８）。

図１３に示されるように、反射時間算出部１３５によって、２つの微小区間においてピーク周波数が約２０ｋＨｚの反射波が検出された場合を例にとって、距離及び段差算出部１４０による対象物体までの距離並びに対象物体の表面上の段差の個数および深さを算出する方法について説明する。ここで、Ｔ_１を２０ｋＨｚの超音波が送信されてから第１の表面部２５に反射して受信されるまでの反射時間、Ｔ_２を２０ｋＨｚの超音波が送信されてから第２の表面部２６に反射して受信されるまでの反射時間、Ｒを対象物体までの距離とする。対象物体までの距離Ｒは、相対速度算出部１３０で算出される対象物体の相対速度Ｖｓの影響を補償して、以下の式（２）から与えられる。
Ｒ＝（Ｔ_１／２）（ｃ−Ｖｓ） （２）
式（２）に式（１）を代入することで、対象物体までの距離Ｒは、以下の式（３）からも与えられる。
Ｒ＝Ｔ_１・ｃ・ｆ_０／（ｆ_１＋ｆ_０） （３）

また、段差の深さＨは、以下の式（４）から与えられる。
Ｈ＝（Ｔ_２−Ｔ_１）・ｃ・ｆ_０／（ｆ_１＋ｆ_０） （４）
なお、上記の例では、２０ｋＨｚの超音波に係る反射波が検出される微小区間が２つであるので、段差は１個となる。本願発明により検出される段差の個数は１個に限定されるものではなく、例えば反射波が検出される微小区間が３つであれば段差の個数は２個となり、反射波が検出される微小区間が４つであれば段差の個数は３個となる。各段差の深さは、それぞれ上式（４）を用いて同様に算出される。

上記のような測定方法を用いることで、対象物体の相対速度については、３．０ｃｍ／秒を下限値として、約１．５ｃｍ／秒の速度分解能で測定することが可能となる。計測誤差は、約１５パーセントであった。また、段差の深さの測定については、約２ｃｍの計測精度を得ることができた。

以上のように、この実施の形態１による測定方法は、４０ｋＨｚの超音波を約２ｍ秒の期間にわたって連続的に出力する工程と、４０ｋＨｚの超音波に係る対象物体からの反射波を約１０ｍ秒の期間にわたってサンプリングする工程と、１回目にサンプリングされた１０２４個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列に基づいて対象物体の相対速度を算出する工程と、４０ｋＨｚの周波数の超音波を連続的に出力した後に２０ｋＨｚの超音波をパルス状に出力する工程と、１回目のサンプリング処理に係るサンプリングデータ列をパーソナルコンピュータ２に転送した後において２０ｋＨｚの超音波をパルス状に出力した直後から４０ｋＨｚの超音波および２０ｋＨｚの超音波に係る対象物体からの反射波を約１０ｍ秒の期間にわたってサンプリングする工程と、２回目にサンプリングされた１０２４個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列に基づいて２０ｋＨｚの超音波が送信されてから対象物体に反射して受信されるまでの１または複数の反射時間を検出する工程と、検出された１または複数の反射時間に基づいて対象物体までの距離並びに対象物体の表面上の段差の個数および深さを算出する工程とを有するように構成したので、比較的簡略な技術的構成を用いて、対象物体の相対速度および対象物体までの距離、さらには対象物体の表面形状までも測定することが可能となる。
また、特に測定装置に対して斜めに位置する対象物体までの距離を精度良く測定することができる。

また、２０ｋＨｚの超音波を１波長分のみ出力するように構成したので、対象物体の表面上において異なる高さを有する表面部２５，２６から反射された複数の反射波に係る反射時間Ｔ_１，Ｔ_２が２０ｋＨｚの超音波の概ね１波長分に相当する時間だけずれていれば、超音波受信部２３においてこれらの複数の反射波を重畳させることなく分離して受信することが可能となり、異なる表面部２５，２６間の高さの差（段差の深さＨ）の算出に係る分解能を向上することができる。

また、２回目にサンプリングされた１０２４個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列として与えられる観測区間を反射波の検出単位として与えられる微小区間に分割して、各微小区間の長さを２０ｋＨｚの超音波の概ね１波長分（５０μ秒）に等しくするように構成したので、２０ｋＨｚの超音波に係る周波数スペクトルを検出することができる最小の時間幅を有する区間が微小区間として設定されるから、対象物体の表面上において異なる高さを有する表面部２５，２６から反射された複数の反射波を異なる微小区間で受信することを可能とする段差の深さＨの下限値を小さくすることが可能となり、段差の深さＨの算出に係る分解能を向上することができる。

また、１回目にサンプリングされた１０２４個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列に基づいて算出された対象物体の相対速度を用いて、２回目にサンプリングされた１０２４個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列に基づいて算出された対象物体までの距離および対象物体の表面上の段差の深さを補正するように構成したので、対象物体までの距離および対象物体の表面上の段差の深さをより精度よく算出することができる。

また、１回目にサンプリングされた１０２４個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列の後ろに６４５１２個のゼロを並べて得られる６５５３６個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列に対して、高速フーリエ変換を適用することで、４０ｋＨｚの超音波に係る対象物体からの反射波の周波数スペクトルを算出するように構成したので、当該反射波について算出される周波数スペクトルの周波数分解能が高められ、当該反射波に係るピーク周波数をより精度よく検出することが可能となるから、対象物体の相対速度の算出に係る速度分解能を向上することができる。

また、１回目にサンプリングされた１０２４個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列の後ろに６４５１２個のゼロを並べて得られる６５５３６個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列に対して、ハニング窓関数をかけた後に、高速フーリエ変換を適用するように構成したので、４０ｋＨｚの超音波に係る反射波について算出される周波数スペクトルの誤差を低減して、当該反射波に係るピーク周波数をさらに精度よく検出することが可能となるから、対象物体の相対速度の算出に係る誤差を低減することができる。

また、２回目にサンプリングされた１０２４個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列として与えられる観測区間を５個のサンプリングデータ毎の微小区間に分割して、それぞれの微小区間毎に、当該微小区間に存在する５個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列を繰り返し並べて得られる２０４８個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列に対して、高速フーリエ変換を適用することで、当該微小区間において受信された反射波の周波数スペクトルを算出するように構成したので、４０ｋＨｚの超音波および２０ｋＨｚの超音波に係る反射波について算出される周波数スペクトルの周波数分解能が高められ、２０ｋＨｚの超音波に係る反射波が受信される微小区間をより精度よく検出することが可能となるから、対象物体までの距離等の算出に係る誤差を低減することができる。

また、微小区間に存在する５個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列を繰り返し並べて得られる２０４８個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列に対して、ハニング窓関数をかけた後に、高速フーリエ変換を適用するように構成したので、４０ｋＨｚの超音波および２０ｋＨｚの超音波に係る反射波について算出される周波数スペクトルの誤差を低減して、２０ｋＨｚの超音波に係る反射波が受信される微小区間をさらに精度よく検出することが可能となるから、対象物体までの距離等の算出に係る誤差をさらに低減することができる。

なお、上記の実施の形態１では、対象物体の相対速度を算出してから、２０ｋＨｚのパルス状の超音波を出力する構成としているが、それぞれの工程を実行する順序は、図６に示されるフローチャートに示される態様に限定されるものではない。例えばパーソナルコンピュータ１０２内の記憶手段に転送されてきたサンプリングデータを格納しておくことで、すべてのサンプリング処理が完了してから対象物体の相対速度、対象物体までの距離並びに対象物体の表面上の段差の個数および深さを一括して算出するように構成してもよい。また、２０ｋＨｚのパルス状の超音波を出力する工程と、対象物体の相対速度を算出する工程とを、並列的に実行するように構成してもよい。

また、対象物体の相対速度を算出するために連続的に出力される超音波の周波数として４０ｋＨｚが使用され、対象物体までの距離並びに対象物体の表面上の段差の個数および深さを算出するためにパルス状に出力される超音波の周波数として２０ｋＨｚが使用されているが、使用される超音波の周波数はこれらの周波数に限定されるものではなく、種々の周波数の超音波を使用可能であることは言うまでも無い。４０ｋＨｚの超音波を連続的に出力する期間も２ｍ秒に限定されるものではなく、１回目および２回目のサンプリング処理に要する期間もそれぞれ１０ｍ秒に限定されるものではない。また、１回目および２回目のサンプリング処理において、サンプリングされるデータ数はそれぞれ１０２４個に限定されるものではない。さらに、周波数分解能を向上させるために、１回目のサンプリング処理に係るサンプリングデータ列に含まれるサンプリングデータの個数を増加して得られるサンプリングデータ列のデータの個数は６５５３６個に限定されるものではなく、微小区間に存在する５個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列に含まれるサンプリングデータの個数を増加して得られるサンプリングデータ列のデータの個数は２０４８個に限定されるものではない。使用される超音波の周波数、サンプリング間隔、サンプリング期間、サンプリングデータの個数、サンプリングデータの増加数等については、使用される測定装置に内蔵されるＣＰＵ、メモリ、サンプリング部、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器、発振器等のデバイスの性能に応じて、適宜変更可能であることが理解されよう。

また、上記の実施の形態１では、連続的に出力する超音波の周波数（４０ｋＨｚ）よりもパルス状に出力する超音波の周波数（２０ｋＨｚ）を低くする構成としているが、パルス状に出力する超音波の周波数を連続的に出力する超音波の周波数よりも高くする構成としてもよい。超音波の周波数が高くなるほど、周期は短くなるから、当該周波数の超音波を検出するための微小区間の時間幅を短くすることが可能となる。微小区間が短くなるほど、段差の深さＨを算出する分解能は高くなるから、パルス状に出力する超音波の周波数を高く設定するのが好適である。

さらに、上記の実施の形態１では、図３に示される測定装置を構成する形態としたが、測定装置はこのような装置形態に限定されるものではなく、種々の形態により実現することが可能である。例えば、図６に示されるフローチャートに記載されるそれぞれの工程を実現する手段を一体化して専用の測定装置を構成することも勿論可能である。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２による測定方法について説明する。この実施の形態２による測定方法は、実施の形態１による測定方法と比較して、約１０ｍ秒の期間にわたってサンプリングされた単一のサンプリングデータ列に基づいて、対象物体の相対速度とともに対象物体までの距離並びに対象物体の表面上の段差の個数および深さを算出する点で差異を有する。なお、実施の形態２による測定方法を実現する測定装置の構成等については、実施の形態１と同様であるので、その説明を省略する。

図１４は、この発明の実施の形態２による測定方法を示すフローチャートである。まず、超音波発信器１０７から４０ｋＨｚの超音波を２ｍ秒の期間にわたって連続的に出力する（ステップＳ３１）。超音波の出力に係る時間経過については、実施の形態１と同様に、図５に示される態様を採るものとする。４０ｋＨｚの超音波を連続的に出力した後には、超音波発信器１０７から２０ｋＨｚのパルス状の超音波を５０μ秒の期間にわたって出力する（ステップＳ３２）。上述したように、５０μ秒の出力時間は、２０ｋＨｚの超音波の１波長分に相当する。

図５に示されるような出力態様に基づいて、連続性を有する４０ｋＨｚの超音波およびパルス状の２０ｋＨｚの超音波が出力されるのに応じて、超音波受信器１０８で受信した４０ｋＨｚの超音波および２０ｋＨｚの超音波に係る対象物体からの反射波を１０ｍ秒の期間にわたってサンプリング部１１０にてサンプリングする（ステップＳ３３）。この１０ｍ秒にわたるサンプリング期間については、連続的に出力される４０ｋＨｚの超音波の反射波に係る周波数スペクトルおよびパルス状に出力される２０ｋＨｚの超音波の反射波に係る周波数スペクトルを所定の精度以上の精度で検出できるように、サンプリングの始期（または終期）を適切に設定する必要がある。

例えば、超音波の反射時間が２ｍ秒以上であるような場合には、実施の形態１と同様に、２０ｋＨｚのパルス状の超音波が出力された直後から対象物体からの反射波のサンプリングを開始するように構成してもよい。また、超音波の反射時間が２ｍ秒未満である場合には、２０ｋＨｚのパルス状の超音波を出力する前からサンプリングを開始しないと、連続的に出力される４０ｋＨｚの超音波の多くの部分がサンプリングの開始以前に超音波受信部に到達して、周波数スペクトルの算出を十分な精度をもって実行できなくなる場合が生じ得る。但し、サンプリングの始期を２０ｋＨｚのパルス状の超音波を出力する前の任意の時刻に設定する場合には、サンプリングを開始してから２０ｋＨｚのパルス状の超音波が出力されるまでの時間を明確に特定できるように、装置を構成する必要がある。このような装置構成は、２０ｋＨｚのパルス状の超音波の反射時間を特定するために必要であり、例えば、マイクロコンピュータ１内のタイマカウンタ等を利用することで実現できる。

サンプリング期間にわたっては、マイクロホン１０８は、対象物体から反射された超音波を受信して、受信した超音波を電気信号に変換する。サンプリング部１１０は、増幅器１０９で増幅された電気信号を、Ａ／Ｄ変換したのち、１０μ秒のサンプリング間隔でサンプリングして、１０２４個のデジタル信号値に変換して出力する。１０μ秒の間隔でサンプリングデータを得るために、このサンプリング処理には約１０ｍ秒の時間を要する。メモリ１１１は、１０２４個のサンプリングデータを逐次的に記憶する。マイクロコンピュータ１のメモリ１１１にサンプリング処理に係るすべてのサンプリングデータが蓄積された後に、メモリ１１１に蓄積されたすべてのサンプリングデータから成るサンプリングデータ列はパーソナルコンピュータ１０２の相対速度算出部１３０及び反射時間算出部１３５に転送される。

相対速度算出部１３０は、転送されたサンプリングデータ列を基にして、対象物体の相対速度を算出する（ステップＳ３４）。上述したように、このサンプリングデータ列に基づいて、対象物体の相対速度とともに対象物体までの距離並びに対象物体の表面上の段差の個数および深さを算出するので、転送されたサンプリングデータ列については、パーソナルコンピュータ１０２に別途設けられたメモリ（図示せず）内の所定の記憶領域に格納して、相対速度算出部１３０および反射時間算出部１３５で算出される際にサンプリングデータ列に係るデータを適宜読み出すように構成するのが好適である。

相対速度検出部１３０により実施される対象物体の相対速度の算出方法については、図７に示される実施の形態１による相対速度の算出方法と同様のアルゴリズムを用いて実施される。ここでも、反射波のピーク周波数を検出するために算出される周波数スペクトルの周波数分解能を上げるために、図８に示されるように、１０２４個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列の後ろに６４５１２個の「０」を並べることで、６５５３６個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列を生成する。６５５３６個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列が得られれば、当該サンプリングデータ列に対して、ハニング窓関数をかける。次に、ハニング窓関数がかけられたサンプリングデータ列に対してＦＦＴを適用して、反射波に係る周波数スペクトルを算出する。ピーク周波数が検出されれば、ピーク周波数に基づいて対象物体の相対速度を算出する。

対象物体の相対速度を算出した後に、反射時間算出部１３５が転送されたサンプリングデータ列を基にして、反射時間を算出し、距離及び段差算出部１４０が対象物体までの距離並びに対象物体の表面上の段差の個数および深さを算出する（ステップＳ３５）。距離及び段差算出部１４０で実施される対象物体までの距離並びに対象物体の表面上の段差の個数および深さの算出方法については、図１０に示される実施の形態１によるこれら数値の算出方法と同様のアルゴリズムを用いて実施される。ここでも、１０２４個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列から構成される観測区間を５個のサンプリングデータから構成される微小区間に分割する。上述したように、サンプリング間隔は１０μ秒であるから、微小区間の長さは２０ｋＨｚの超音波の概ね１波長分（５０μ秒）に等しくなるように設定される。

また、それぞれの微小区間毎に、当該微小区間で受信された反射波について算出される周波数スペクトルの周波数分解能を上げるために、図１１に示されるように、サンプリングデータ列に含まれるサンプリングデータの数を増加する。すなわち、それぞれの微小区間毎に、５個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列を繰り返し並べることで、２０４８個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列を生成する。２０４８個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列が得られれば、当該サンプリングデータ列に対して、ハニング窓関数をかける。ハニング窓関数がかけられたサンプリングデータ列に対してＦＦＴを適用して、反射波に係る周波数スペクトルを算出する。

それぞれの微小区間における周波数スペクトルが算出されれば、ピーク周波数が約２０ｋＨｚである微小区間の時間軸上の位置を特定して、２０ｋＨｚの超音波に係る反射時間を求める。上述したように、実施の形態２による測定方法におけるサンプリングは２０ｋＨｚの超音波が送信された直後に開始されるものではない。その為に、２０ｋＨｚの超音波が送信された時間軸上の位置と、約２０ｋＨｚのピーク周波数を有する１または複数の微小区間の時間軸上の位置とを特定して、１または複数の反射時間を算出する。なお、１または複数の反射時間を基にして、対象物体までの距離並びに対象物体の表面上の段差の個数および深さを算出する方法については、実施の形態１と同様であるので、その説明を省略する。

以上のように、この実施の形態２による測定方法によれば、４０ｋＨｚの超音波を約２ｍ秒の期間にわたって連続的に出力する工程と、４０ｋＨｚの周波数の超音波を連続的に出力した後に２０ｋＨｚの超音波をパルス状に出力する工程と、４０ｋＨｚの周波数の超音波および２０ｋＨｚの周波数の超音波を出力するのに応じて、４０ｋＨｚの周波数の超音波および２０ｋＨｚの周波数の超音波に係る対象物体からの反射波を１０ｍ秒の期間にわたってサンプリングする工程と、サンプリングされた１０２４個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列に基づいて対象物体の相対速度を算出する工程と、サンプリングされた１０２４個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列に基づいて２０ｋＨｚの超音波が送信されてから対象物体に反射して受信されるまでの１または複数の反射時間を検出する工程と、検出された１または複数の反射時間に基づいて対象物体の距離並びに対象物体の表面上の段差の個数および深さを算出する工程とを有するように構成したので、比較的簡略な技術的構成を用いて、対象物体の速度および対象物体までの距離、さらには対象物体の表面形状までも測定することが可能となる。また、対象物体の相対速度とともに対象物体までの距離並びに対象物体の表面上の段差の個数および深さを算出するのに１回のサンプリングを実施すれば足るように構成したので、マイクロコンピュータ１０１内のＲＡＭ１１１におけるサンプリングデータの記憶処理、転送処理等を単純化することが可能となり、測定装置のシステム構成を簡略化することができる。また、特に測定装置に対して斜めに位置する対象物体までの距離を精度良く測定することができる。

なお、２０ｋＨｚの超音波を１波長分のみ出力するようにしたこと、全体のサンプリングデータ列から成る観測区間を分割して得られる微小区間の長さを２０ｋＨｚの超音波の概ね１波長分に等しくなるように設定すること、算出された対象物体の相対速度を用いて対象物体までの距離および対象物体の表面上の段差の深さを補正すること、全体のサンプリングデータ列から成る観測区間について周波数スペクトルを算出する際に１０２４個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列の後ろに６４５１２個のゼロを並べて得られる６５５３６個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列に対して高速フーリエ変換を適用すること、上記の６５５３６個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列に対して窓関数をかけた後に高速フーリエ変換を適用すること、５個のサンプリングデータ列から成る微小区間について周波数スペクトルを算出する際に５個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列を繰り返し並べて得られる２０４８個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列に対して高速フーリエ変換を適用すること、並びに上記の２０４８個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列に対して窓関数をかけた後に高速フーリエ変換を適用することに基づくそれぞれの作用効果については、実施の形態１と同様であるので、その説明を省略する。

また、上記の実施の形態２による測定方法を実現するために当該測定方法を構成するそれぞれの工程を実行する順序は、図１４に示されるフローチャートに示される態様に限定されるものではない。例えば、サンプリングデータ列に基づいて対象物体の相対速度を算出する工程をサンプリングデータ列に基づいて１または複数の反射時間を検出する工程の後に実行する構成としてもよく、またこれらの工程を並列的に実行する構成としてもよい。また、実施の形態２による測定方法において使用される超音波の周波数、サンプリング間隔、サンプリング期間、サンプリングデータの個数、サンプリングデータの増加数等については、実施の形態１と同様に、使用される測定装置に内蔵されるＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器、発振器等のデバイスの性能に応じて、適宜変更可能であることが理解されよう。さらに、測定装置についても、図１４に示されるフローチャートに記載されるそれぞれの工程を実現する手段をすべて具備していれば、種々の装置形態を採ることが可能である。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３による測定方法について説明する。この実施の形態３による測定方法は、実施の形態１及び２による測定方法と比較して、単一周波数の超音波をパルス状に発信し、約１０ｍ秒の期間にわたってサンプリングされたサンプリングデータ列に基づいて、対象物体までの距離のみを算出する。実施の形態３による測定方法を実現する測定装置の構成等については図３に示した第１の実施形態及び第２の実施形態に用いる装置を利用できる。ただし、本実施形態では、超音波の周波数が一つであり、かつ相対速度の算出や、対象物体の表面上の段差の個数及び深さの算出を行わないので、必要な機能のみを使用する。

また、本実施形態を実施する装置は、図１５のような構成をとることも可能である。この方が、構成が図３の構成より簡単となる。本実施形態に用いられる装置１５０は、対象物体に向けて所定の単一周波数で発射する超音波の発信源である超音波発信器１５７、対象物体で反射した超音波を受信する超音波受信器１５８、超音波受信器１５８で受信した信号をＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換しサンプリング処理を実施するためのサンプリング部１６０、サンプリングしたデータを蓄積するメモリ１６１、前記周波数の超音波が送信されてから対象物体に反射して受信されるまでの反射時間を検出し、検出された反射時間に基づいて、対象物体までの距離を算出する、距離算出部１４５、距離算出部１４５における処理の際サンプリングデータ列を入力してＦＦＴ処理等を適用するＦＦＴ処理部１５５及び超音波発信器１５７の発振を制御し、また装置全体を制御するための制御部１７０とを有する。サンプリング部１６０、メモリ１６１，距離算出部１４５、ＦＦＴ処理部１５５、及び制御部１７０は、コンピュータに一括して搭載し、ハードウェアまたはソフトウェアで構成することが可能である。

超音波受信器１５８は、測定対象となる物体から反射された超音波（反射波）を受信するとともに圧電変換し電気信号を出力する。必要に応じて電気信号の増幅器が装備されている。サンプリング部１６０は、超音波受信器１５８から出力されるアナログ電気信号を所定のサンプリング間隔で例えば１０ビットのデジタル信号値に変換する。メモリ１６１は、サンプリング部１６０でサンプリングされたデジタル信号値を逐次的に記憶する機能を有し、例えば２ｋバイトの容量を備えたＲＡＭである。

図１６は、この発明の実施の形態３による測定方法を示すフローチャートである。超音波発信器１５７から２０ｋＨｚのパルス状となる発射超音波が５０μ秒の期間にわたって出力する（ステップＳ５１）。５０μ秒の出力時間は、２０ｋＨｚの超音波の１波長分に相当する。これは、制御部１７０から超音波発信器１５７に対して該期間の間発信命令を送付することで実現可能である。出力時間は、１波長分とするほか、例えば４波長分とすることも可能である。出力期間を長くしたほうが、受信する超音波のエネルギーが強くなるため、より良好な結果が得られる。一方、出力期間を短く１波長とすれば、測定分解能が向上する。

サンプリング部１６０において放射超音波（２０ｋＨｚ）に係る対象物体からの反射波を１０ｍ秒の期間にわたってサンプリングする（ステップＳ５２）。

サンプリング期間にわたっては、超音波受信器１５８は、対象物体から反射された超音波を受信して、受信した超音波を電気信号に変換する。サンプリング部１６０は、受信した電気信号を、１０μ秒のサンプリング間隔でサンプリングして、１０２４個のデジタル信号値に変換して出力する。１０μ秒の間隔でサンプリングデータを得るために、このサンプリング処理には約１０ｍ秒の時間を要する。メモリ１６１は、１０２４個のサンプリングデータを逐次的に記憶する。メモリ１６１にサンプリング処理に係るすべてのサンプリングデータが蓄積された後に、メモリ１６１に蓄積されたすべてのサンプリングデータから成るサンプリングデータ列は距離算出部１４５に転送される。

距離算出部１４５に転送されたサンプリングデータ列を基にして、反射時間を算出し、この結果から対象物体までの距離を算出する（ステップＳ５３）。

ここで、距離算出部１５５により実施される対象物体までの距離の算出について説明する。図１７は、対象物体までの距離の算出方法を示すフローチャートである。また図１８は、この実施形態の距離算出方法を示す図である。 図１８（ａ）は、横軸に時間を縦軸に受信した超音波強度を示す。この状態では受信した反射波信号がノイズに埋もれているため、ＦＦＴ処理により反射波信号を抽出する。受信した超音波強度の値をサンプリング部１６０にて１０２４個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列を得る。さらに、当該サンプリングデータ列から構成される観測区間を１０個のサンプリングデータから構成される微小区間に分割する（ステップＳ６１）。上述したように、サンプリング間隔は１０μ秒であるので、微小区間の長さは１００μ秒となる。

微小区間への分割が完了すれば、微小区間毎に受信した超音波について発射超音波の周波数が属する周波数帯のスペクトル強度を求める。それぞれの微小区間毎に、当該微小区間で受信された反射波について算出される周波数スペクトルの周波数分解能を上げるために、サンプリングデータ列に含まれるサンプリングデータの数を増加する（ステップＳ６２）。図１８（ｂ）は、サンプリングデータ列におけるサンプリングデータの増加処理を示す図である。この図に示されるように、それぞれの微小区間毎に、１０個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列Ｄ_０〜Ｄ_９を繰り返し並べることで、２０４８個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列を生成する。２０４８個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列が得られれば、当該サンプリングデータ列に対して、ＦＦＴを適用して、放射超音波の周波数が属する周波数帯のスペクトル強度を求める（ステップＳ６３）。さらに、すべての微少区間について該スペクトル強度を算出する（ステップＳ６４）。

すべての微少区間について放射超音波の周波数が属する周波数帯のスペクトル強度を求め終われば、図１８（ｃ）に示すように、該周波数帯のスペクトル強度の時間依存性が求まる。図１８（ｃ）では、それぞれの微小区間毎に、放射超音波の周波数が属する周波数帯のスペクトル強度が示されている。すなわち、横軸は時間を、縦軸には放射超音波の周波数が属する２０ｋＨｚ帯のスペクトル強度を示す。次に、スペクトル強度が最大となる位置、すなわちピーク位置を求める（ステップＳ６５）。ピーク位置に対応する時間が反射超音波の受信時間となるので、超音波が出力されてから対象物体に反射して受信されるまでに経過した時間Ｔ（反射時間）を算出し、さらに対象物体までの距離を算出する（ステップＳ６６）。対象物体までの距離Ｒは前述のＴ及び音速をｃとして、以下の式（５）から与えられる。
Ｒ＝（Ｔ／２）・ｃ （５）

以上のように、この実施の形態３による測定方法は、２０ｋＨｚの超音波をパルス状に出力する工程と、２０ｋＨｚの超音波に係る対象物体からの反射波を約１０ｍ秒の期間にわたってサンプリングする工程と、サンプリングされた１０２４個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列に基づいて２０ｋＨｚの超音波が送信されてから対象物体に反射して受信されるまでの反射時間を検出し、検出された反射時間に基づいて対象物体までの距離を算出する工程とを有するように構成したので、比較的簡略な技術的構成を用いて、対象物体までの距離を測定することが可能となる。また、特に測定装置に対して斜めに位置する対象物体までの距離を精度良く測定することができる。とくに、測定装置に対して斜めに位置する対象物体までの距離を精度良く測定することができる。

また、サンプリングされた１０２４個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列として与えられる観測区間を１０個のサンプリングデータ毎の微小区間に分割して、それぞれの微小区間毎に、当該微小区間に存在する１０個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列を繰り返し並べて得られる２０４８個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列に対して、高速フーリエ変換を適用することで、当該微小区間において受信された反射波の周波数スペクトルを算出するように構成したので、２０ｋＨｚの超音波に係る反射波について算出される周波数スペクトルの周波数分解能が高められ、２０ｋＨｚの超音波に係る反射波が受信される微小区間をより精度よく検出することが可能となるから、対象物体までの距離の算出に係る誤差を低減することができる。さらに、ホワイトノイズの混入に対しても耐性を有する測定方法及び装置を提供する。

また、本実施形態を実施する装置においては、超音波周波数は一つしか用いず、対象物体の位置のみを測定する。したがって、所定の単一周波数の発信が可能な超音波発信素子を用いることができるので、第１、第２の実施形態よりも簡単な装置構成を採用することができ、また、計測速度も高速となる。さらに、本実施形態による方法は、ほとんどの超音波センサシステムに使用可能である。

超音波の周波数として２０ｋＨｚが使用されているが、使用される超音波の周波数はこれに限定されるものではなく、種々の周波数の超音波を使用可能であることは言うまでも無い。また、超音波を出力する期間についても、１波長分とは限らず例えば４波長分としてもよい。サンプリング処理に要する期間もそれぞれ１０ｍ秒に限定されるものではない。サンプリング処理において、サンプリングされるデータ数はそれぞれ１０２４個に限定されるものではない。また、微少区間に存在するサンプリングデータの数は１０個に限定されるものでない。微小区間に存在する１０個のサンプリングデータから成るサンプリングデータ列に含まれるサンプリングデータの個数を増加して得られるサンプリングデータ列のデータの個数は２０４８個に限定されるものではない。使用される超音波の周波数、サンプリング間隔、サンプリング期間、サンプリングデータの個数、微少区間に存在するサンプリングデータの数、サンプリングデータの増加数等については、使用される測定装置に使用される、メモリ、サンプリング部、超音波発信器、及び超音波受信器等のデバイスの性能に応じて、適宜変更可能であることが理解されよう。

図６、図７、図１０、図１４、図１６及び図１７に示されるフローチャートに記載された各工程を実行するプログラムコードから成る測定プログラムは、当該測定プログラムが記憶されたＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤ−ＲＯＭ等の記憶媒体を入手することで、あるいは当該測定プログラムが格納された外部のサーバからダウンロードすることで利用することが可能である。情報記憶媒体から読み出されるか、あるいは外部のサーバからダウンロードされた測定プログラムは、例えばマイクロコンピュータやパーソナルコンピュータ、あるいは測定用に一体化された専用端末の記憶手段にインストールされる。記憶手段にインストールされた測定プログラムを、例えば専用端末内のＣＰＵにより実行することで、実施の形態１ないし３において説明した測定方法を実現することができる。

なお、上記の実施の形態１ないし３により説明される測定方法は、本願発明を限定するものではなく、例示することを意図して開示されているものである。本願発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載により定められるものであり、特許請求の範囲に記載された発明の技術的範囲内において種々の設計的変更が可能である。例えば、上記の実施の形態１または２では、単一周波数または周波数の異なる２種類の超音波を用いて対象物体の速度や対象物体までの距離等を測定する構成としているが、単一周波数または周波数の異なる２種類の電磁波を用いて測定することも可能である。例えば、特定周波数のレーザ光線を発生する１個のレーザ光線発生器または周波数の異なるレーザ光線をそれぞれ発生する２個のレーザ光線発生器を設けて、電子スイッチ等を用いて出力されるレーザ光線を適宜変更するように構成すればよい。この場合でも、対象物体の速度や対象物体までの距離等については、式（１）から式（５）を用いて、超音波を使用した場合と同様に算出することが可能である。

また、上記の実施の形態１または２による説明される測定方法では、検出された１または複数の反射時間に基づいて対象物体までの距離並びに対象物体の表面上の段差の個数および深さを算出する構成としているが、検出された１または複数の反射時間に基づいて対象物体までの距離のみを算出する構成、あるいは検出された１または複数の反射時間に基づいて対象物体の表面上の段差の個数および深さのみを算出する構成を採ることも可能である。これらのすべての発明の態様が、本願発明に係る技術的範囲に含まれるものであることが理解されよう。
実験例．

本願測定方法により、傾斜配置物体の距離及び段差の測定実験を行った。測定装置２１と対象物体２４との配置を図１９に示す。対象物体２４は２ｃｍの段差を持つように配置された２個の幅１５ｃｍ、高さ６０ｃｍの平板２９からなる。対象物体２４と測定装置２１とのなす角度θを増加させて測定を行った。放射超音波の周波数は２０ｋＨｚとした。測定装置２１と対象物体２４との距離Ｚは５０ｃｍ〜１５０ｃｍの範囲内で５段階に変えた。
測定装置は図３に示す構成のものである。超音波送信部に相当するスピーカ１０７は音響用のスピーカＦＯＳＴＥＸ ＦＴ１７Ｈ、超音波受信部に相当するマイクロホン１０８は音響用のマイクＡＶ ＬＥＡＤＥＲ ＰＨＭ９０３を用いた。

本願発明の実施形態１または２（２周波数型）の方法によって、各距離Ｚに対する、「物体表面段差を正確に測定可能である最大の物体傾き角θ１」及び「物体表面段差の測定はできないが、物体の存在距離を正確に測定可能である最大の物体傾き角θ２」を測定した。θ１の測定においては、各測定装置−対象物体間距離において物体の傾き角を１°単位で増加し、各傾き角において１０回測定を行い，１０回全ての結果から物体表面段差が読み取れると判断した最大の物体傾き角とした。「物体表面段差が読み取れる」ことの判断基準は、放射超音波の周波数２０ＫＨｚスペクトル強度に段差からの２つのピークが明確に見られ，各ピーク間の距離が実際の段差の奥行きと一致していることとした。また、「物体表面段差を読み取れない」とは、一つのピークのみが明確に検出されるが他のピークは明確でない、またはピークが一つしか検出できない場合である。この場合はθ２の測定対象となり、「物体の存在距離を正確に測定可能」を、発信器の周波数と同じ周波数スペクトル強度のピークのＳ／Ｎ比が２以上であり，ピークの距離値が実際の測定物体の距離値と一致していることとした。距離Ｚに対するθ１及びθ２を図２０（ａ）（ｂ）にそれぞれに示す。図２０及び後に出てくる図２１において横軸には、距離Ｚをｃｍで、縦軸にはθ１またはθ２を度数で表す。

また、本願発明の実施形態３（１周波数型）の方法及び従来型の測定方法においては、段差の測定はできないが、対象物体までの距離が測れるので、これらの方法によって物体の存在距離を正確に測定可能である最大の物体傾き角をθ２として測定した。この場合も、Ｓ／Ｎ比が２以上の場合を「距離測定可能」とした。２周波数型、１周波数型及び従来型の測定よるθ２の比較を図２１に示す。なお、従来型とは、発信器から放射された超音波パルスを受信器で受信して反射波の強度を測定し、反射波強度のピーク位置から反射時間を求める距離測定方法である。従来型による測定においては、装置構成を図３と同じ構成とし、本願発明実施形態１の処理フローの一部を用いた。図２１においては、Ｂが２周波数型による測定、Ａが１周波数型による測定であり、Ｃが従来型による測定値である。図２１により、２周波数型も１周波数型も従来型に対して大きな傾き角に対しても距離の測定が可能であることが示される。したがって、本願発明方法は、斜めに位置した物体の距離測定方法として有効である。また、特に２周波数型は、対象物体が傾いていても段差の読み取りが可能である。

自動車の駐車支援への応用．
本願発明による測定方法は、壁までの距離、ならびに場合によっては、相対速度及び段差を検出でき、とくに測定装置に対して壁が斜めに位置したときも精度良く測定できるから、自動車の車庫入れに用いることができる。また、本願発明による測定装置を自動車の車体に取り付けることにより、該自動車の車庫入れを容易にすることができる。取り付け位置は、左右一端または両端の前端及び後端に取り付ける。すなわち、（１）左前端及び左後端、（２）右前端及び右後端、（３）左前端、左後端、右前端及び右後端のいずれかであればよい。また、スピーカ１９７，超音波発信器１５７等である、超音波送信部２２から発射される超音波が車体左右側面に対し垂直に放射されるように測定装置２１を車体に取り付けることが好ましい。車体長手方向と平行に配置された壁面との距離を精度良く測定できるからである。

本願発明による測定方法による車庫入れ、また本願発明による測定装置を車体に取り付けた自動車の車庫入れはつぎの手順となる。図２２は、図３に示した測定装置１００を取り付けた自動車２１０がバックしながら車庫２２０にはいる状況を示したものであり、道路２０５に沿って壁２２５があるので該測定装置を利用して壁の位置等を検知することによって車庫入れを行うことが可能なものとする。壁２２５には車庫２２０の入り口に、直角にへこんだ窪みからなる段差２３０がある。この実施例では、バックしながら左折して車庫へ入れるため、車体の左側に取り付けた装置を示し、車体２０４の前端部に取り付けられた装置２４１及び後端部に取り付けられた装置２４２を有するものとする。さらに、この例では、実質的には後端部に取り付けられた装置２４２のみが車庫入れに使用されるので、前端部に取り付けられた装置２４１はなくてもよい。また、装置２４１及び２４２は、その超音波送信部から発射される超音波放射方向２４９が車体左右側面に対し垂直に放射されるように車体に取り付けられていることが好ましい。

自動車２１０は、図２２における（１）→（２）→（３）→（４）の順で移動する。図２３は装置による検知結果を示し、（ａ）が装置２４１、（ｂ）が装置２４２に対応する。また（１）〜（４）は図２２の自動車の位置（１）〜（４）にそれぞれ対応する。なお、図２３に示したそれぞれのグラフで横軸が時間を、縦軸が発射超音波の周波数が属する周波数帯のスペクトル強度を示す。図２４は、車庫入れの手順を示すフローチャートである。車庫入れ開始で、自動車はバックしながら直進開始し、（ステップＳ８１）、壁までの距離測定を開始する（ステップＳ８２）。測定は駐車終了まで継続して行う。（１）の位置においては、２つの装置２４１，２４２とも平坦な壁２３０を検知するので表面を１個のみ検知する。これが図２３の（１）（ｂ）である。自動車がバックして、（２）の位置に来ると後方の測定装置２４２は、段差２３０を検知する（ステップＳ８３）。すなわち、段差２３０の存在により、表面を２個所検知する。これが図２３の（２）（ｂ）である。この時点でハンドルを切り（ステップＳ８４）、自動車は曲がりながらバックする。その過程で斜めの状態（３）になる。このとき、段差２３０と後方の測定層値２４２との角度の関係で、段差を検知しなくなる状態が発生する。これが図２３の（３）（ｂ）に示した１表面のみを検出する状態に対応する。さらに自動車は曲がりながらバックする。その後、自動車は初期状態から９０°向きを変え、車体後方が車庫に入りはじめる（４）の状態になるが、このとき再度、装置２４２が段差２３０により２表面を検出することになる（ステップＳ８５）。これは図２３の（４）（ｂ）に対応する。このときハンドルを戻し（ステップＳ８６）、その後、直進でバックを進め、所定位置で停止し、装置による測定を終了して（ステップＳ８７）最終的に車庫入れを完了する。このように、車体端部に取り付けられた装置２４１及び２４２にて２表面の検出→１表面の検出→２表面の検出をとらえてハンドルの操作に対応させることにより、自動車の車庫入れを容易しかも安全に進めることが可能となる。

本願発明は、周囲環境内で移動する物体に関する速度情報、距離情報、表面形状情報等の情報を取得するためのセンサ、例えば自律移動型ロボット用の外界センサ、自動車の車間情報センサ、自動車の自動駐車システム等におけるソナーシステム、生産ライン上のセンサ、防犯センサ等に広く適用できるものである。

Claims (21)

1. 自動車の車体の左側面及び／又は右側面の前端及び後端に取り付けるための測定装置を用いる測定方法であって、
   第１の周波数の超音波を所定の期間にわたって連続的に出力する工程と、
   第１の周波数の超音波に係る対象物体からの反射波をサンプリングする工程と、
   サンプリングされた第１のサンプリングデータ列に基づいて対象物体の相対速度を算出する工程と、
   所定の期間にわたって第１の周波数の超音波を連続的に出力した後に、第２の周波数の超音波をパルス状に出力する工程と、
   第１の周波数の超音波および第２の周波数の超音波に係る対象物体からの反射波をサンプリングする工程と、
   サンプリングされた第２のサンプリングデータ列に基づいて第２の周波数の超音波が送信されてから対象物体に反射して受信されるまでの１または複数の反射時間を検出する工程と、
   検出された１または複数の反射時間に基づいて、対象物体までの距離、あるいは対象物体の表面上の段差の個数および深さを算出する工程とを有し、
   前記自動車を、入り口付近に段差を持つ壁面を有する車庫へ車庫入れする際に、前記自動車が有する前記測定装置にて前記壁面までの距離及び段差を継続的に測定しておき、段差を検知しない状態から段差を検知する状態に変化した場合にハンドルを操作するために用いられる、
   ことを特徴とする測定方法。
2. 自動車の車体の左側面及び／又は右側面の前端及び後端に取り付けるための測定装置を用いる測定方法であって、
   第１の周波数の超音波を所定の期間にわたって連続的に出力する工程と、
   所定の期間にわたって第１の周波数の超音波を連続的に出力した後に、第２の周波数の超音波をパルス状に出力する工程と、
   第１の周波数の超音波および第２の周波数の超音波に係る対象物体からの反射波をサンプリングする工程と、
   サンプリングされたサンプリングデータ列に基づいて対象物体の相対速度を算出する工程と、
   サンプリングされたサンプリングデータ列に基づいて第２の周波数の超音波が送信されてから対象物体に反射して受信されるまでの１または複数の反射時間を検出する工程と、
   検出された１または複数の反射時間に基づいて、対象物体までの距離、あるいは対象物体の表面上の段差の個数および深さを算出する工程とを有し、
   前記自動車を、入り口付近に段差を持つ壁面を有する車庫へ車庫入れする際に、前記自動車が有する前記測定装置にて前記壁面までの距離及び段差を継続的に測定しておき、段差を検知しない状態から段差を検知する状態に変化した場合にハンドルを操作するために用いられる、
   ことを特徴とする測定方法。
3. 第２の周波数の超音波を概ね１波長分出力することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の測定方法。
4. 第２の周波数の超音波が送信されてから対象物体に反射して受信されるまでの１または複数の反射時間を検出するためにサンプリングされたサンプリングデータ列に含まれるサンプリングデータ全体から成る区間を微小区間に分割して、各微小区間の長さを第２の周波数の超音波の概ね１波長分に等しくすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の測定方法。
5. 対象物体の相対速度を用いて、対象物体までの距離あるいは対象物体の表面上の段差の深さを補正することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の測定方法。
6. 対象物体の相対速度を算出するためにサンプリングされたサンプリングデータ列の後ろに複数のゼロを並べて得られるサンプリングデータ列に対して、高速フーリエ変換を適用することで、第１の周波数の超音波に係る対象物体からの反射波の周波数スペクトルを算出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の測定方法。
7. 対象物体の相対速度を算出するためにサンプリングされたサンプリングデータ列の後ろに複数のゼロを並べて得られるサンプリングデータ列に対して、窓関数をかけた後に、高速フーリエ変換を適用することを特徴とする請求項６に記載の測定方法。
8. 第２の周波数の超音波が送信されてから対象物体に反射して受信されるまでの１または複数の反射時間を検出するためにサンプリングされたサンプリングデータ列に含まれるサンプリングデータ全体から成る区間を微小区間に分割して、それぞれの微小区間毎に、当該微小区間に存在するサンプリングデータから成るサンプリングデータ列を繰り返し並べて得られるサンプリングデータ列に対して、高速フーリエ変換を適用することで、当該微小区間において受信された反射波の周波数スペクトルを算出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の測定方法。
9. 微小区間に存在するサンプリングデータから成るサンプリングデータ列を繰り返し並べて得られるサンプリングデータ列に対して、窓関数をかけた後に、高速フーリエ変換を適用することを特徴とする請求項８に記載の測定方法。
10. 自動車の車体の左側面及び／又は右側面の前端及び後端に取り付けるための測定装置に組み込まれるプログラムであって、
    第１の周波数の超音波を所定の期間にわたって連続的に出力するステップと、
    第１の周波数の超音波に係る対象物体からの反射波をサンプリングするステップと、
    サンプリングされた第１のサンプリングデータ列に基づいて対象物体の相対速度を算出するステップと、
    所定の期間にわたって第１の周波数の超音波を連続的に出力した後に、第２の周波数の超音波をパルス状に出力するステップと、
    第１の周波数の超音波および第２の周波数の超音波に係る対象物体からの反射波をサンプリングするステップと、
    サンプリングされた第２のサンプリングデータ列に基づいて第２の周波数の超音波が送信されてから対象物体に反射して受信されるまでの１または複数の反射時間を検出するステップと、
    検出された１または複数の反射時間に基づいて、対象物体までの距離、あるいは対象物体の表面上の段差の個数および深さを算出するステップとを有し、
    前記自動車を、入り口付近に段差を持つ壁面を有する車庫へ車庫入れする際に、前記自動車が有する前記測定装置にて前記壁面までの距離及び段差を継続的に測定しておき、段差を検知しない状態から段差を検知する状態に変化した場合にハンドルを操作するために用いられる、
    ことを特徴とする測定プログラム。
11. 自動車の車体の左側面及び／又は右側面の前端及び後端に取り付けるための測定装置に組み込まれるプログラムであって、
    第１の周波数の超音波を所定の期間にわたって連続的に出力するステップと、
    所定の期間にわたって第１の周波数の超音波を連続的に出力した後に、第２の周波数の超音波をパルス状に出力するステップと、
    第１の周波数の超音波および第２の周波数の超音波に係る対象物体からの反射波をサンプリングするステップと、
    サンプリングされたサンプリングデータ列に基づいて対象物体の相対速度を算出するステップと、
    サンプリングされたサンプリングデータ列に基づいて第２の周波数の超音波が送信されてから対象物体に反射して受信されるまでの１または複数の反射時間を検出するステップと、
    検出された１または複数の反射時間に基づいて、対象物体までの距離、あるいは対象物体の表面上の段差の個数および深さを算出するステップとを有し、
    前記自動車を、入り口付近に段差を持つ壁面を有する車庫へ車庫入れする際に、前記自動車が有する前記測定装置にて前記壁面までの距離及び段差を継続的に測定しておき、段差を検知しない状態から段差を検知する状態に変化した場合にハンドルを操作するために用いられる、
    ことを特徴とする測定プログラム。
12. 自動車の車体の左側面及び／又は右側面の前端及び後端に取り付けるための測定装置を用いる測定方法であって、
    第１の周波数の電磁波を所定の期間にわたって連続的に出力する工程と、
    第１の周波数の電磁波に係る対象物体からの反射波をサンプリングする工程と、
    サンプリングされた第１のサンプリングデータ列に基づいて対象物体の相対速度を算出する工程と、
    所定の期間にわたって第１の周波数の電磁波を連続的に出力した後に、第２の周波数の電磁波をパルス状に出力する工程と、
    第１の周波数の電磁波および第２の周波数の電磁波に係る対象物体からの反射波をサンプリングする工程と、
    サンプリングされた第２のサンプリングデータ列に基づいて第２の周波数の電磁波が送信されてから対象物体に反射して受信されるまでの１または複数の反射時間を検出する工程と、
    検出された１または複数の反射時間に基づいて、対象物体までの距離、あるいは対象物体の表面上の段差の個数および深さを算出する工程とを有し、
    前記自動車を、入り口付近に段差を持つ壁面を有する車庫へ車庫入れする際に、前記自動車が有する前記測定装置にて前記壁面までの距離及び段差を継続的に測定しておき、段差を検知しない状態から段差を検知する状態に変化した場合にハンドルを操作するために用いられる、
    ことを特徴とする測定方法。
13. 自動車の車体の左側面及び／又は右側面の前端及び後端に取り付けるための測定装置を用いる測定方法であって、
    第１の周波数の電磁波を所定の期間にわたって連続的に出力する工程と、
    所定の期間にわたって第１の周波数の電磁波を連続的に出力した後に、第２の周波数の電磁波をパルス状に出力する工程と、
    第１の周波数の電磁波および第２の周波数の電磁波に係る対象物体からの反射波をサンプリングする工程と、
    サンプリングされたサンプリングデータ列に基づいて対象物体の相対速度を算出する工程と、
    サンプリングされたサンプリングデータ列に基づいて第２の周波数の電磁波が送信されてから対象物体に反射して受信されるまでの１または複数の反射時間を検出する工程と、
    検出された１または複数の反射時間に基づいて、対象物体までの距離、あるいは対象物体の表面上の段差の個数および深さを算出する工程とを有し、
    前記自動車を、入り口付近に段差を持つ壁面を有する車庫へ車庫入れする際に、前記自動車が有する前記測定装置にて前記壁面までの距離及び段差を継続的に測定しておき、段差を検知しない状態から段差を検知する状態に変化した場合にハンドルを操作するために用いられる、
    ことを特徴とする測定方法。
14. 自動車の車体の左側面及び／又は右側面の前端及び後端に取り付けるための測定装置であって、
    第１の周波数の超音波を所定の期間にわたって連続的に出力する第１の超音波発信部と、
    第２の周波数の超音波をパルス状に出力する第２の超音波発信部と、
    第１及び第２の超音波発信部から発信される超音波の受信部と、
    受信した第１及び第２の周波数の超音波に係る対象物体からの反射波をサンプリングするサンプリング部と、
    サンプリングされた第１周波数の超音波に係わるサンプリングデータ列に基づいて対象物体の相対速度を算出する相対速度算出部と、
    サンプリングされた第２周波数の超音波に係わるサンプリングデータ列に基づいて第２の周波数の超音波が送信されてから対象物体に反射して受信されるまでの１または複数の反射時間を検出する反射時間算出部と、
    検出された１または複数の反射時間に基づいて、対象物体までの距離、あるいは対象物体の表面上の段差の個数および深さを算出する、距離及び段差算出部とを有し、
    前記自動車を、入り口付近に段差を持つ壁面を有する車庫へ車庫入れする際に、前記自動車が有する前記測定装置にて前記壁面までの距離及び段差を継続的に測定しておき、段差を検知しない状態から段差を検知する状態に変化した場合にハンドルを操作するために用いられる、
    ことを特徴とする測定装置。
15. 第２の超音波発信部が第２の周波数の超音波を概ね１波長分出力することを特徴とする請求項１４に記載の測定装置。
16. 前記距離及び段差算出部が、前記相対速度算出部で算出された相対速度を用いて対象物体までの距離あるいは対象物体の表面上の段差の深さを補正することを特徴とする請求項１４に記載の測定装置。
17. 第１または第２の周波数の超音波に係る対象物体からのサンプリングデータ列を高速フーリエ変換処理する高速フーリエ変換処理部をさらに有し、前記高速フーリエ変換処理部の結果を前記相対速度算出部または前記距離及び段差算出部での処理での処理にそれぞれ利用することを特徴とする請求項１４に記載の測定装置。
18. 第１または第２の周波数の超音波に係る対象物体からのサンプリングデータ列に窓関数をかけるための窓関数処理部をさらに有し、前記窓関数処理部の出力結果を、前記高速フーリエ変換処理部に入力することを特徴とする請求項１７に記載の測定装置。
19. 車体、及び請求項１４に記載された測定装置を有し、前記車体の左側面及び／又は右側面の前端及び後端に前記測定装置が取り付けられた自動車。
20. 前記測定装置の超音波放射方向が前記左側面または右側面に対して垂直方向であるように前記測定装置が取り付けられたことを特徴とする、請求項１９に記載された自動車。
21. 請求項１９に記載された自動車を、入り口付近に段差を持つ壁面を有する車庫へ車庫入れする車庫入れ方法であって、
    前記自動車が有する前記測定装置にて前記壁面までの距離及び段差を継続的に測定しておき、段差を検知しない状態から段差を検知する状態に変化した場合にハンドルを操作することを特徴とする車庫入れ方法。

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