JP5453053B2

JP5453053B2 - センサシステム

Info

Publication number: JP5453053B2
Application number: JP2009247066A
Authority: JP
Inventors: たまみ側垣; 忠村上; 成夫五島
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2009-10-27
Filing date: 2009-10-27
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2029-10-27
Also published as: JP2011095011A

Description

本発明は、電波式のアクティブセンサを用いたセンサシステムに関するものである。

従来より、人や障害物などの検知対象物を検知するセンサとして、ドップラー効果を利用した電波式のアクティブセンサがある（例えば、特許文献１）。特許文献１に記載の障害物検知センサは、センサに内蔵されたアンテナから発する電磁波の移動体による反射波をアンテナを介して取得し、検知回路が反射波による信号に基づいて移動体の有無を判断する。ここで、アンテナを介して取得される反射波には、周囲の環境に起因する定常ノイズが含まれているので、検知回路では所定の閾値を超える電位差（ピーク値）の信号が入力された場合に検知対象物を検知したと判断するように設定されている。

ここで上述の閾値は、通常、定常ノイズの電位差よりもやや大きい電位差に閾値を設定され、閾値と定常ノイズとの電位差が大きいと検知感度が低くなり、電位差が小さいほど検知感度が高まる。

ところで、この種のアクティブセンサにおいては、通常、検知対象物が遠くなり、表面積が小さくなるほど反射波の電位は小さくなる。また、アンテナの近傍に金属などがある場合には定常ノイズの電位は大きくなる。そのため、測定する環境や検知対象物によっては、定常ノイズとピーク値の電位差が非常に小さくなり、的確に検知対象物を検知できなくなることがあった。そこで、アンテナを介して取得した反射波をアンプなどによって増幅し、定常ノイズとピーク値との電位差を大きくすることで、定常ノイズが大きく検知対象物との距離が遠い場合であっても、検知対象物の検知を行うことができるようにしている。

また、この種のアクティブセンサはドップラー効果を利用しているため、検知対象物の移動速度に応じてアンテナを介して取得する反射波のうち、ピーク値が出現する周波数が変化する。検知対象物の移動速度が予め分かっている場合には、検知対象物の想定速度に基づいて検知を行う周波数帯域を限定し、例えば遅い検知対象物であれば高周波数帯域をカットして低周波数帯域のみを用いることで、高周波数帯域に存在する高電位の定常ノイズを無視することができ、検知感度を向上させることができる。

一方で、検知対象物の移動速度が定まらない場合には、特定の周波数帯域をカットすることは出来ないが、周波数特性の異なる複数のアンプを並列に接続し、例えば何らかの方法で決定した何れか一つのアンプの出力に基づいて検知・非検知を判定するか、もしくは、複数のアンプのそれぞれの出力に基づいて検知・非検知を判定した結果を組み合わせるなどして、検知性能を向上させることが出来る。他にも、周波数特性をスイッチなどの設定手段を用いて変化させることが可能なアンプを利用し、環境や検知対象物の速度に応じて、使用者が適宜スイッチなどを操作することで、特定の周波数帯域をカットして検知性能を向上させることも考えられる。

特開２００６−２７５８８５号公報

ところで、上述のようなアクティブセンサの検知性能を向上させるためには、アンテナを設置する設置場所の環境や検知対象物の大きさ、距離などの諸条件に基づいて、検知・非検知の基準となる閾値、アンプによる反射波の増幅率、及び、アンプの周波数特性を適切に設定する必要がある。

また、アンテナを介して取得した反射波は、検知対象物の移動速度のうちアンテナと検知対象物とを結ぶ直線方向の成分に依存して周波数が変化し、直線方向の成分が大きいほど高周波数となる。そのため、検知対象物の移動速度が予め決まっているような場合であっても、検知対象物との位置関係によって反射波の周波数特性が異なるため、検知性能を向上させるためには、アンテナと検知対象物の位置関係が変わるごとに周波数特性を適切に設定する必要がある。

しかしながら、従来のアクティブセンサにおいては、上述の諸条件に基づいて使用者が閾値、アンプの増幅率及び周波数特性を最適に設定するのは困難であり、非常に手間がかかり、使用者が適宜操作することで特定の周波数帯域をカットする方法においても、検知対象物の移動速度のみならず、移動方向、検知を行う環境の変化に基づいて最適な周波数特性を算出することは非常に困難であり、また手間がかかるという問題がある。

また、複数のアンプを用いて検知性能を向上させる場合においては、アンプを複数接続することによって導入コストが高くなるといった問題があった。

本発明は、上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、検知対象物の移動速度及び移動方向、さらには環境の変化によらず、検知性能の高いセンサシステムを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明では、所定の周波数の電磁波を送出し、検知対象物により反射された前記電磁波の反射波に基づいてセンサ信号を出力するアクティブセンサと、前記センサ信号が入力され、前記センサ信号を増幅して出力するアンプと、前記アンプの出力信号が入力され、前記出力信号の電位と所定の閾値とを比較して検知対象物の検知・非検知を判定する判定手段と、前記アンプの前記出力信号における定常ノイズの電位及びピーク時の電位を所定の時間間隔で測定する測定手段と、前記アンプの増幅率を制御する増幅率制御手段と、前記アンプの周波数特性を制御する周波数特性制御手段とを備え、所定の期間における前記測定手段による測定結果に基づいて定常ノイズの電位差を求め、前記定常ノイズの電位差に応じた第１〜第３の基準値と、前記閾値とを算出し、前記測定手段による測定結果における定常ノイズの電位が前記第１の基準値よりも小さく、ピーク時の電位が前記第３の基準値よりも小さい場合には前記増幅率制御手段を前記アンプの増幅率を上げるよう制御し、前記測定手段による測定結果における定常ノイズの電位が前記第１の基準値よりも小さく、ピーク時の電位が前記第３の基準値よりも小さい場合には前記周波数特性制御手段を前記アンプの周波数特性を広げるよう制御し、前記測定手段による測定結果における定常ノイズの電位が、前記第１の基準値より大きい前記第２の基準値以上であるか、定常ノイズの電位が前記第１の基準値以上であり、ピーク時の電位が前記第３の基準値よりも小さい場合には前記周波数特性制御手段により前記アンプの周波数特性を狭くするよう制御する制御手段を有することを特徴とする。

請求項２の発明では、請求項１記載の発明において、前記増幅率制御手段は、前記アンプに接続され合成抵抗により当該アンプの増幅率を決定する複数の抵抗素子を備えるとともに、前記測定結果に基づいて前記抵抗素子を選択的に切り替えて合成抵抗を制御することを特徴とする。

請求項３の発明では、請求項１又は２の何れか一項に記載の発明において、前記周波数特性制御手段は、前記アンプに接続され合成抵抗及び合成電気容量により当該アンプの周波数特性を決定する複数の抵抗素子及び複数のコンデンサを具備し、前記測定結果に基づいて前記抵抗素子及びコンデンサを選択的に切り替えて合成抵抗及び合成電気容量を制御することを特徴とする。

請求項１〜３の発明によれば、所定の時間間隔で測定した定常ノイズ及びピーク時の電位に基づいて、検知・非検知を判定するための閾値を変化させることで、環境の違いや変化に応じて最適な閾値を設定することができ、検知対象物により反射した検知用の電磁波を的確に検知することができる。また、測定結果に基づいてアンプの増幅率を変化させることで、検知対象物との距離が長く、また、定常ノイズが大きいような場合であっても、的確に反射波を検知することが出来る。さらに、測定結果に基づいて周波数特性を変化することで、環境の変化や違い、検知対象物の想定速度、及び、検知対象物の移動方向に応じて周波数特性を最適に設定することが出来る。このようにして、環境や検知対象物によらず、検知感度を向上させることができる。

本実施の形態にかかるセンサシステムを示す概略ブロック図である。同センサシステムにおけるアンプを示す電気回路図である。同センサシステムにおける検知信号の出力を示す概略図である。同センサシステムにおける制御部の動作を示す表である。同センサシステムにおける制御部の動作を示す概略図である。同センサシステムにおけるアンプの一例を示す電気回路図である。

以下に本発明の実施の形態を図１〜６に基づいて説明する。

本実施の形態にかかるセンサシステムは、図１に示すように、電波式のアクティブセンサからなるセンサ１と、センサ１から入力されるセンサ信号を増幅させて出力するアンプ２と、アンプ２により増幅されたセンサ信号に基づいて検知対象物の検知・非検知を判定して検知信号を出力する制御部３とを備える。

センサ１は、所定周波数の電磁波である放射波を所定方向に放射し、検知対象物などの障害物により反射された電磁波である反射波を検出する。センサ１は、検出した反射波と放射した放射波の周波数の差分に相当する周波数のアナログ信号をセンサ信号としてアンプ２に出力する。通常、このセンサ信号は、センサ１が放射した電磁波の放射方向に対する障害物の移動速度と、センサ１及び障害物の距離によって変化し、障害物の移動速度が速いほど高周波となり、障害物の移動速度が遅くなるほど低周波となる。また、センサ１と障害物との距離が短いほどセンサ信号の信号強度が強くなり、距離が長いほどセンサ信号の信号強度は弱くなる。

アンプ２は、例えば図２に示すように、オペアンプＯＡ、コンデンサＣａ、Ｃｂ、抵抗Ｒａ、Ｒｂからなる電子回路により構成されており、コンデンサＣａ、Ｃｂの静電容量及び抵抗Ｒａ、Ｒｂの抵抗値に基づいて、入力されるセンサ信号における所定の周波数帯域を所定の増幅率だけ増幅させて出力する。ここで、コンデンサＣａ、Ｃｂの静電容量をＣＡ、ＣＢとし、抵抗Ｒａ、Ｒｂの抵抗値をＲＡ、ＲＢとすると、増幅される周波数帯域は２πＣＡＲＢ〜２πＣＡＲＢの範囲の周波数帯域のみであり、増幅率は（１＋ＲＡ／ＲＢ）ある。

またアンプ２は、図１に示すようにゲイン切替部２１及び周波数切替部２２を有し、それぞれ制御部３からの制御信号に基づいてコンデンサＣａ、Ｃｂ、及び、抵抗Ｒａ、Ｒｂの抵抗値を変化させることで、センサ信号の増幅率及び増幅する周波数帯域を変化させる。

制御部３は、例えばフラッシュメモリなどからなる記憶部（図示せず）を有し、アンプ２により増幅されたセンサ信号を所定の時間間隔で測定し、センサ信号の最大値、最小値などを記憶している。また制御部３は、記憶した最大値、最小値などの情報に基づいて、センサ信号における定常ノイズ幅を求め、定常ノイズ幅よりも若干大きい閾値幅を設定するとともに、定常ノイズ幅及び閾値幅を基準とする第１基準値、第２基準値、及び、第３基準値を設定する。ここで第１基準値は、定常ノイズ幅に対する基準値であり、現在の定常ノイズ幅よりもやや小さい値に設定されている。第２基準値は、定常ノイズ幅に対する基準値であり、現在の定常ノイズ幅よりもやや大きい値に設定される。第３基準値は、ピーク値に対する基準値であり、閾値幅よりも大きい値に設定される。

また制御部３は、閾値幅が設定された後、アンプ２から入力されたセンサ信号に基づいて、センサ信号の電位の差が設定した閾値幅よりも大きければＨレベル、センサ信号が閾値幅以下であればＬレベルとなる検知信号を出力する。
ここで、制御部３が定常ノイズ幅を求める方法について説明を行う。制御部３は、センサ信号における電位の最大値、最小値を例えば２秒間隔で求め、制御部３の記憶部に記憶させる。これを例えば６０秒繰り返し行い（３０回）、その間に記憶した最大値・最小値の差が所定の変動幅に収まっていれば、６０秒間に計測した電位の最大値・最小値を定常ノイズ幅として記憶部に記憶する。また最大値・最小値の差異が所定の変動幅に収まっていない場合には、記憶部に記憶させた最大値・最小値を消去した後、再度２秒間隔で最大値・最小値を求めて記憶し、定常ノイズ幅が求まるまでこれを繰り返し行う。

定常ノイズ幅が求まると制御部３は、閾値幅及び第１〜第３基準値をそれぞれ算出して記憶部に記憶する。例えば、閾値幅は定常ノイズ幅の１．３倍、第１基準値は定常ノイズ幅の０．８倍、第２基準値は定常ノイズ幅の１．２倍、第３基準値は閾値幅の１．２倍に設定されている。なお、これらの数値は、閾値幅及び第１〜第３基準値の値を限定するものではなく、センサの設置環境や目的に応じて、適宜設定すればよく、第２基準値が第１基準値よりも大きければよい。

制御部３は、上述のように閾値幅及び第１〜第３基準値を算出して記憶した後、アンプ２からのセンサ信号の入力に応じて、検知信号を出力する。具体的には、制御部３はセンサ信号の電位が閾値幅に収まっていればＬレベル、センサ信号が閾値幅に収まっていなければＨレベルとなるパルス信号の検知信号を出力する（図３を参照）。

また制御部３は、センサ信号における電位の最大値、最小値を例えば２秒間隔で求め、制御部３の記憶部に記憶させる。これを例えば１２０秒間繰り返し行い（６０回）、制御部３はその間の定常ノイズ幅とピーク幅とを求める。ここで定常ノイズ幅は、上述の手順と同様にして求められ、制御部３は、記憶部に記憶した最大値・最小値が所定の変動幅に収まっている部分を定常ノイズであると判断して、その電位差を新たな定常ノイズ幅とする。また記憶部に記憶された最大値・最小値が所定の変動幅に収まっていない箇所の最大値・最小値の差を、新たにピーク幅とする。

その後制御部３は、新たに算出した定常ノイズ幅及びピーク幅と、設定されている第１〜第３基準値の値に基づいて、制御信号をアンプ２に出力する。図４に示す表は、新たに算出した定常ノイズ幅及びピーク幅と、設定されている第１〜第３基準値の値に基づく制御部３の動作を示している。ここで「検知しない」とあるのは、制御部３におけるセンサ信号の検知性能の下限よりも低い信号強度のセンサ信号が入力されている場合であり、「振り切れる」とあるのは、制御部３におけるセンサ信号の検知性能の上限よりも強い信号強度のセンサ信号が入力されている場合である。

制御部３は、定常ノイズ幅が第１基準値よりも小さく、ピーク幅が第３基準値よりも小さい場合には、アンプ２の増幅率が高くなるよう制御信号をゲイン切替部２１に出力し、、ピーク幅が振り切れる場合には、アンプ２の増幅率が低くなるよう制御信号をゲイン切替部２１に出力する。また制御部３は、定常ノイズ幅を検知しないか、定常ノイズ幅が第１基準値よりも小さく且つピーク幅が第３基準値よりも小さい場合には、周波数帯域を広げるよう制御信号を周波数切替部２２に出力し、定常ノイズ幅が第２基準値よりも大きいか、定常ノイズ幅が第１基準値よりも大きく且つピーク幅が第３基準値よりも小さい場合には、周波数帯域を狭めるよう制御信号を周波数切替部２２に出力する。

制御部３がゲイン切替部２１に制御信号を出力すると、ゲイン切替部２１が制御信号に基づいて抵抗Ｒａ、Ｒｂの抵抗値を変化させ、アンプ２の増幅率を変化させる。これにより、アンプ２から出力される定常ノイズ幅が変化することとなるので、制御部３は上述した定常ノイズ幅の設定を再度行う。なお、増幅率を変化させた後、定常ノイズ幅の設定が完了するまでの間は、閾値幅などの各種値は意味を成さなくなるので、誤作動を防止するために検知信号の出力を停止する（図５を参照）。

次に、アンプ２の増幅率及び周波数特性を変化させるための具体例について説明を行う。アンプ２は、例えば図４に示すような回路構成からなり、オペアンプＯＡと、スイッチング素子Ｑｒ１〜Ｑｒ４とそれぞれ直列に接続された抵抗Ｒ１〜Ｒ４及び抵抗Ｒ５が並列接続された抵抗Ｒａと、スイッチング素子Ｑｃ１〜Ｑｃ４とそれぞれ直列に接続されたコンデンサＣ１〜Ｃ４及びコンデンサＣ５が並列接続されたコンデンサＣａと、スイッチング素子Ｑｒ６〜Ｑｒ９とそれぞれ直列に接続された抵抗Ｒ６〜Ｒ９及び抵抗Ｒ１０が並列接続された抵抗Ｒｂと、スイッチング素子Ｑｃ６〜Ｑｃ９とそれぞれ直列に接続されたコンデンサＣ６〜Ｃ９及びコンデンサＣ１０が並列接続されたコンデンサＣｂとを備えている。

各スイッチング素子Ｑ（Ｑｒ１〜Ｑｒ４、Ｑｒ６〜Ｑｒ９、Ｑｃ１〜Ｑｃ４、Ｑｒ６〜Ｑｒ９）は、それぞれ制御部３と信号線を介して接続されており、制御部３からの制御信号に基づいてオン・オフ制御される。これにより、抵抗Ｒａ、Ｒｂの抵抗値ＲＡ、ＲＢは、オン制御されたスイッチング素子Ｑと直列に接続された抵抗の抵抗値と、抵抗Ｒ５、Ｒ１０との合成抵抗となる。同様に、コンデンサＣａ、Ｃｂの静電容量ＣＡ、ＣＢは、オン制御されたスイッチング素子Ｑと直列に接続されたコンデンサの静電容量と、コンデンサＣ５、Ｃ１０との合成静電容量となる。例えば、例えば、Ｑｒ１〜Ｑｒ４が全てオフの場合の抵抗Ｒａの抵抗値ＲＡは抵抗Ｒ５の抵抗値となり、Ｑｒ１〜Ｑｒ３がオフ、Ｑｒ４がオンの場合には、抵抗Ｒａの抵抗値ＲＡは抵抗Ｒ５、Ｒ４の合成抵抗となる。

ここで、抵抗Ｒ１〜Ｒ５として異なる抵抗値の抵抗をそれぞれ選択して接続し、適宜Ｑ１〜Ｑ４をオン・オフさせることで、抵抗Ｒａの抵抗値ＲＡは１６通りの抵抗値を択一的に選択することが出来る。なお、抵抗Ｒｂ及びコンデンサＣａ、Ｃｂについても同様に、１６通りの抵抗値及び静電容量を択一的に選択することが可能であり、細やかな設定が可能となる。

ここで、アンプ２の増幅率を上げるためには、抵抗値ＲＡを大きくし、抵抗値ＲＢ小さくすれば良く、アンプ２の増幅率を下げるためには、抵抗値ＲＡを小さくし、抵抗値ＲＢ大きくすれば良く、制御部３が現在の各スイッチング素子Ｑｒ１〜Ｑｒ４、Ｑｒ６〜Ｑｒ９の状況に応じて、オンオフを切り替える信号を出力する。

このようにして、制御部３がアンプ２からの出力信号を所定の期間測定して記憶した最大値・最小値に基づいて、ゲイン切替部２１及び周波数切替部２２を介してアンプ２の増幅率及び周波数特性を変化させることが出来る。これにより、例えば検知対象物とセンサシステムとの位置関係が変化して電磁波の放射方向における検知対象物の移動速度などが変化した場合であっても、アンプ２の増幅率及び周波数特性が最適に設定されるので、環境の変化によらず、検知性能の高いセンサシステムを提供することができる。

なお、制御部３は最大値・最小値を記憶する際に、その最大値・最小値が出現した周波数を記憶するようにしてもよく、周波数帯域を狭くするように周波数切替部２２を制御する際に、その周波数を中心とした周波数帯域となるように制御信号を出力するようにしても良い。

１アクティブセンサ
２アンプ
３制御部
２１ゲイン切替部
２２周波数切替部

Claims

所定の周波数の電磁波を送出し、検知対象物により反射された前記電磁波の反射波に基づいてセンサ信号を出力するアクティブセンサと、
前記センサ信号が入力され、前記センサ信号を増幅して出力するアンプと、
前記アンプの出力信号が入力され、前記出力信号の電位と所定の閾値とを比較して検知対象物の検知・非検知を判定する判定手段と、
前記アンプの前記出力信号における定常ノイズの電位及びピーク時の電位を所定の時間間隔で測定する測定手段と、
前記アンプの増幅率を制御する増幅率制御手段と、
前記アンプの周波数特性を制御する周波数特性制御手段とを備え、
所定の期間における前記測定手段による測定結果に基づいて定常ノイズの電位差を求め、前記定常ノイズの電位差に応じた第１〜第３の基準値と、前記閾値とを算出し、
前記測定手段による測定結果における定常ノイズの電位が前記第１の基準値よりも小さく、ピーク時の電位が前記第３の基準値よりも小さい場合には前記増幅率制御手段を前記アンプの増幅率を上げるよう制御し、
前記測定手段による測定結果における定常ノイズの電位が前記第１の基準値よりも小さく、ピーク時の電位が前記第３の基準値よりも小さい場合には前記周波数特性制御手段を前記アンプの周波数特性を広げるよう制御し、
前記測定手段による測定結果における定常ノイズの電位が、前記第１の基準値より大きい前記第２の基準値以上であるか、定常ノイズの電位が前記第１の基準値以上であり、ピーク時の電位が前記第３の基準値よりも小さい場合には前記周波数特性制御手段により前記アンプの周波数特性を狭くするよう制御する制御手段を有することを特徴とするセンサシステム。
前記増幅率制御手段は、前記アンプに接続され合成抵抗により当該アンプの増幅率を決定する複数の抵抗素子を備えるとともに、前記測定結果に基づいて前記抵抗素子を選択的に切り替えて合成抵抗を制御することを特徴とする請求項１に記載のセンサシステム。
前記周波数特性制御手段は、前記アンプに接続され合成抵抗及び合成電気容量により当該アンプの周波数特性を決定する複数の抵抗素子及び複数のコンデンサを具備し、前記測定結果に基づいて前記抵抗素子及びコンデンサを選択的に切り替えて合成抵抗及び合成電気容量を制御することを特徴とする請求項１又は２の何れか一項に記載のセンサシステム。