JP5879108B2

JP5879108B2 - 動体検知装置

Info

Publication number: JP5879108B2
Application number: JP2011263137A
Authority: JP
Inventors: 和夫及川
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2016-03-08
Anticipated expiration: 2031-11-30
Also published as: JP2013113819A

Description

本発明は動体検知装置、特に電波や超音波等を送信信号として空間に放出し、動体によって反射された信号のドップラー周波数変化を利用して、動体の存在、位置等の検知を行う装置に関する。

従来、電波や超音波を用いて物体（静止体、動体）を検出する主な方式として、下記の技術がある。
１）パルス方式：これは、測定（或いは検知）装置から一定間隔で短い時間電波を送信し、対象物によって反射された反射波が同一の装置で受信されるまでの時間遅れを計測し、対象物までの距離を測定する方式である。このパルス方式は、静止体、動体共に測定可能で、送信信号が電波の場合は速度が光速と等しいため遠距離測定に適しているが、数ｍといった近距離の測定は難しい。
２）ＦＭＣＷ方式：これは、送信信号の周波数を連続的かつ直線的に変化させ、対象物によって反射された反射波を装置内の送信信号とミキシングすることで得られる低周波のビート周波数が対象物までの距離に比例することを利用して、対象物までの距離を測定する方式である。このＦＭＣＷ方式でも、静止体、動体共に測定可能である。
３）ドップラー方式：これは、送信信号と移動する対象物によるドップラー効果により送信信号周波数が変化した反射波をミキシングすることで得られるドップラー周波数を検知し、動体の有無や速度を検出する方式である（例えば、下記特許文献２）。このドップラー方式は、静止体を検知できず、位置も検知できない。

４）位相識別ドップラー方式：これは、上記ドップラー方式において受信ミキサとして直交検波ミキサを用い、９０度位相の異なる２つのドップラー信号を出力し、この２つのドップラー信号の相対位相が、対象物の移動方向によって進み、遅れが逆転することから、この位相差を観測することで、対象物の近接・離反を判別する方式である（例えば、下記特許文献１）。この位相識別ドップラー方式は、静止体を検知できず、位置も検知できない。
５）２周波ドップラー方式：これは、周波数の異なる２つの送信信号を用い、２つの送信信号の周波数差と２つのドップラー信号の位相差から測定（或いは検知）装置から動体までの距離を測定する方法である（例えば、下記特許文献３）。この２周波ドップラー方式は、静止体を測定できない。

特開昭６２−２８４６３３号公報特開平０９−８０１５０号公報特開２００５−９１０２６号公報

上述のように、距離或いは位置が計測できる方式として、１）のパルス方式、２）のＦＭＣＷ方式、５）の２周波ドップラー方式の３つがあるが、上記パルス方式とＦＭＣＷ方式は、システムが複雑になるため、小型の装置で、近距離を測定する目的とするには不適切である。

また、上記２周波ドップラー方式は、送信回路、受信回路が２系統必要となり、異なる２つの周波数の送信信号を用い、その周波数差と測定可能な位相差の精度が測定可能距離と測定分解能を決定するため、回路の精度が重要となる。しかも、送信周波数が異なる２つの周波数信号を用いるため、占有帯域幅が広くなるという欠点がある。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単で小型な構成となり、また回路の精度も重要でなく、占有帯域幅も広くなることなく、動体の移動距離、位置等を安定して計測できる動体検知装置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に係る動体検知装置は、９０度位相の異なる送信信号を局部発振信号として入力し、対象物からの受信信号とのミキシングにより９０度位相の異なるドップラー周波数信号を出力する直交ドップラーミキサと、この直交ドップラーミキサから出力された２つのドップラー周波数信号につき、一定時間毎に区切りながら連続して周波数分析を行い、一定時間内のパワースペクトル（振幅）が最大となる周波数を求め、上記パワースペクトル最大の周波数に基づいて計算された速度から一定時間の対象物の移動距離を求めると共に、上記パワースペクトル最大の周波数の２つの直交ドップラー周波数信号の位相差から対象物の移動方向を求め、この移動方向により上記一定時間内の移動距離に移動方向に対応した正負符号を与え、この正負の移動距離を積算することにより対象物の移動に伴う相対位置変化を計測する計測回路と、を設け、上記計測回路は、相対位置計測のための積算の開始を、予め設定した第２判定期間（積算開始判定期間）以上連続して上記パワースペクトル最大値が所定の閾値を超え、かつ上記第２判定期間の移動方向が同じ方向であること判定したときに実行すると共に、第１の判定条件として、上記計測の積算開始の閾値が第１閾値とされ、かつ近づいてくる方向が所定の期間連続する場合を設定し、第２の判定条件として、上記計測の積算開始の閾値が第１の閾値よりも大きい第２閾値とされ、かつ移動方向が所定の期間連続した方向とならない場合を設定し、これら第１及び第２の条件を満たすとき、対象物が接近を経て検知装置の前に到達した状態であることを検知し、第３の判定条件として、上記計測の積算開始の閾値が上記第２閾値とされ、かつ遠ざかる方向が所定の期間連続して検出される場合を設定し、この第３の条件を満たすとき、検知装置の前から離反する状態であることを検知することを特徴とする。上記直交ドップラーミキサは、２つのミキサに同相の局部発振信号を入力し、受信信号に９０度位相差を持たせて入力したものでもよい。
請求項２の発明の計測回路は、相対位置計測のための積算開始後、予め設定した第１判定期間（クリア判定期間）より短い時間では、上記パワースペクトル最大値が閾値未満となる場合でも移動距離を０として積算を継続し、上記第１判定期間以上の長い時間連続して上記パワースペクトル最大値が閾値未満となった場合に、それまでの積算結果をクリアし０にリセットすることを特徴とする。

上記請求項１の構成によれば、位相識別ドップラー方式を利用することにより、直交ドップラーミキサで得られた２つの（９０度位相差のある）ドップラー周波数信号について一定時間毎に周波数分析が行われ、この一定時間内のパワースペクトル（パワースペクトラム）のパワー（振幅）が最大となる周波数が求められる。そして、このパワースペクトル最大の周波数から計算された速度を観測した一定時間（測定間隔時間）内の平均速度とし、測定間隔時間×速度の式から、対象物（動体）の移動距離が求められると共に、２つのドップラー周波数信号の位相差から対象物の移動方向が得られるので、この移動方向に対応した＋又は−の符号を与えた移動距離を積算することにより、動体の相対位置変化が計測される。

また、予め設定した第２判定期間以上連続してパワースペクトル最大値が閾値を超え、かつこの第２期間の移動方向が同じ方向である場合に、積算（検知された動体の移動距離の計測）を開始するので、風や振動等で生じた揺らぎを区別しながら動体が正しく検知される。
更に、積算の開始又は積算のクリアの判定を対象物が近づいてくる場合と遠ざかる場合とで異なる判定条件（閾値、移動方向、判定期間等）で実行することで、動体検知の種類、状況によっては、動体の近づく状態と遠ざかる状態とそれら状態での位置が正確に把握できるようになる。

上記請求項２の構成によれば、人や動物等の動体に適した閾値を設定することで、動体を良好に把握しながら測定が行われ、予め設定した第１判定期間よりも短い時間においてパワースペクトル最大値が閾値を下回った場合は動体が移動していないもの（０移動）として積算が継続され、第１判定期間以上の長い時間連続してパワースペクトル最大値が閾値を下回った場合に、動体が存在しなくなったものとして、積算結果がクリア（０）される。このような測定によって、動体の移動位置が正しく検知される。

本発明の動体検知装置によれば、位相識別ドップラー方式を用いるので、パルス方式、ＦＭＣＷ方式、２周波ドップラー方式等と比較すると、構成が簡単で小型となり、回路の精度も重要でなく、送信信号の占有帯域幅も狭くなり、動体の移動距離、相対位置等の安定した計測が可能で、近距離から数十ｍ程度の距離の測定ができるという効果がある。また、一定時間毎の速度及び移動方向と共に、計測開始からの相対位置変化が同時に計測できるため、これらを組み合わせることで、対象物の挙動をより正確に把握し、所望の動作を行っている動体だけを観測することが可能となる。更に、計測開始の判定条件にパワースペクトルの振幅値を用いているが、その後の位置変化の計測は周波数分析によって得られた周波数情報と位相情報（移動方向）と観測間隔時間のみを用いているため、電波を用いたドップラー方式で問題になる多重反射等による振幅の低下等の影響を受け難いという利点がある。

また、風や振動等で生じた揺らぎを動体として検知することもなく、動体検知が正確になり、更に、複数の判定条件を使い分けることで、動体の近づく状態と遠ざかる状態及び位置の検知が正確になり、上記請求項２の発明によっても、動体の移動位置の検知が正確になるという利点がある。

本発明の実施例に係る動体検知装置の回路・構成を示すブロック図である。実施例の動体検知装置の検出波形及び測定時間を示す説明図である。実施例で得られたドップラー周波数信号を周波数分析した後のパワースペクトルを示す図（横軸：周波数、縦軸：パワースペクトル）である。実施例の計測で求められる移動距離及び相対位置を示す説明図である。実施例の動作手順を示すフローチャート図である。実施例で複数の判定条件を使用する場合の動作手順を示すフローチャート図である。

図１には、本発明の実施例に係る動体検知装置の構成が示されており、この動体検知装置１０は、位相識別ドップラー方式を用いたものである。図１に示されるように、検知装置１０には、対象物９に対し送信信号（マイクロ波或いはミリ波等の電波）を送信する送信アンテナ１１、対象物９からの反射波（ドップラー周波数を有する信号）を受信する受信アンテナ１２、上記送信アンテナ１１に対し所定周波数の送信信号を供給する発振器１４、この発振器１４からの発振信号を入力し９０度位相の異なる信号を出力する９０度移相器１５、上記受信アンテナ１２で受信された信号を入力すると共に、上記発振器１４から出力された発振信号を局部発振信号として一方のミキサに入力し、かつ９０度移相器１５から出力された９０度位相差のある信号を局部発振信号として他方のミキサに入力する直交ドップラーミキサ１６、低周波アンプ１８ａ，１８ｂ、Ａ／Ｄ変換器１９ａ，１９ｂが設けられる。上記９０度移相器１５は、ハイブリッド回路、４分の１波長線路、カップラ等９０度位相差を発生させる他の回路を用いることができる。

即ち、上記直交ドップラーミキサ１６では、受信信号に対し、送信信号と同一周波数の局部発振信号をミキシングしたドップラー周波数信号と、受信信号に対し、送信信号と同一の周波数で９０度位相の異なる局部発振信号をミキシングしたドップラー周波数信号が得られ、この２つのドップラー周波数信号のそれぞれは、低周波アンプ１８ａ，１８ｂで増幅され、Ａ／Ｄ変換器１９ａ，１９ｂにてＡ／Ｄ変換される。

また、上記Ａ／Ｄ変換器１９ａ，１９ｂの出力を用いて、周波数分析（ＦＦＴ：高速フーリエ変換，ＤＦＴ：離散フーリエ変換）等の演算を実行するためにマイコン等からなる演算回路２０、この演算回路２０で動作させる計測用ソフトウェア２１、上記演算回路２０の演算結果を出力する出力回路２２が設けられ、上記演算回路２０とソフトウェア２１等で計測回路が構成される。

図２には、実施例での検出波形及び測定時間が示されており、上記演算回路２０では、Ａ／Ｄ変換器１９ａ，１９ｂから入力された検出波形（ドップラー周波数信号の波形データ）につき、一定の測定時間毎、即ちａ１，ａ２，ａ３…［図４（Ａ）にも示される］に区切りながら連続して周波数分析を行い［検出波形の周波数成分とそのパワースペクトル（振幅）の分析］、その後に、ａ１，ａ２，ａ３…のそれぞれにつき、パワースペクトル最大の周波数から移動距離及び移動方向の演算を行うことになり、一定の測定間隔ｔ１毎に所定の演算結果が出力される。例えば、人の移動を判定する場合は、一定の測定間隔ｔ１は、１００μｓｅｃ〜数ｍｓｅｃ程度となる。

図３には、上記演算回路２０で周波数分析した後の一定測定時間内のパワースペクトルが示されており、図示のパワースペクトル（振幅）最大の周波数から一定測定時間内の移動距離が求められる（実際には、パワースペクトル最大値が設定の閾値ｈ１を超えたときに演算を行う）。

即ち、ｖ：対象物の速度、ｆ_０：送信信号の周波数、ｆ_ｄ：ドップラー周波数、ｃ_０：光速とすると、次式にて対象物の速度ｖが求められる。

そして、この速度ｖを一定の測定間隔（時間）ｔ１の平均速度とみなし、この測定間隔ｔ１との積（ｖ×ｔ１）を演算することにより対象物の移動距離が得られる。

一方、直交ドップラーミキサ１６では、９０度位相差のある２つのドップラー周波数信号が得られており、パワースペクトル最大の周波数における２つのドップラー周波数信号の位相差の符号から対象物９の移動方向［近接（近づく方向）又は離反（遠ざかる方向）］が求められ、この近づく方向と遠ざかる方向を識別する符号、即ち＋（プラス）又は−（マイナス）が上記移動距離に付加され、このデータが例えば相対位置データを保管するメモリに保存される。即ち、一定測定時間（ａ１，ａ２，ａ３…）毎に方向識別符号が付された移動データが順次得られ、この移動データが積算開始（動体の存在を特定した時点）から順次加算・積算され、この積算データが新たな相対位置データとして保存される。

図４は、実施例の計測を説明する図であり、この図４（Ａ）に示されるように、ａ１，ａ２，ａ３…で示す一定時間毎に、検出波形抽出及び周波数分析が行われ、上述のように、パワースペクトル最大の周波数から移動距離及び移動方向を求めることにより、図４（Ｂ）に示されるように、ａ１，ａ２，ａ３…のそれぞれの方向符号付加の移動データが得られる。そして、図４（Ｃ）のように、上記移動データは、先に得られた移動データに順に加算されることになり、この積算データが対象物９の現在の相対位置（積算開始点からの位置）として検知される。

図５には、実施例の計測アルゴリズムの一例が示されており、ステップ（以下ＳＴとする）１０２で一定時間の波形をＡ／Ｄ変換し、ＳＴ１０３で周波数分析した後、ＳＴ１０４にて、パワースペクトル最大値が閾値ｈ１以上であるか否かの判定が行われ、YESの場合は、ＳＴ１０５にて検知カウンタの値を１増加し、非検知カウンタの値をリセットした後、ＳＴ１０６にて移動方向が近接（近づく方向）か離反（遠ざかる方向）のいずれであるかの判定が行われる。そして、近接のときはＳＴ１０７にて検知カウンタの値が設定値（回数）以上であるか否かが判定され、否（NO）の場合はＳＴ１０２以下のステップを継続して行う。検知カウンタの値が設定値以上（YES）の場合は、ＳＴ１０８にて移動距離および移動方向の演算が行われる。

例えば、図４（Ａ）のａ０，ａ１、ａ２において、パワースペクトル最大値が閾値ｈ１を超え、かつ移動方向が同一となる測定が３回以上連続して近接方向となった場合に、移動距離演算が開始され、ａ３から移動距離及び移動方向が演算され、移動距離に近接の符号（例えば＋）が付けられた移動距離データが得られる。即ち、実施例では、予め設定した第２判定期間（例えば３回）以上連続してパワースペクトル最大値が閾値ｈ１以上となり、かつ第２判定期間の間移動方向が連続して近接の場合に、計測のための演算を開始する。これにより、風や振動等で生じた揺らぎを検知することがなくなり、特定の方向に向かう動体の検知を正確に行うことができる。

そして、次のＳＴ１０９ではａ３で得られた符号付き移動距離データに、ａ４、ａ５・・・で演算された符号付きの移動距離データが順に加算されることで、ａ２の時点からの相対位置変化が得られる。ＳＴ１１０では、この位置データを用いて出力や表示、或いはその値に応じて別途設定した動作、例えばトイレ等では蓋の開閉、お風呂の場合にはお湯温度の表示等を行なわせることができる。

上記ＳＴ１０４でパワースペクトル最大値が閾値ｈ１未満（NO）のときは、ＳＴ１１２にて検知カウンタが設定値（回数）以上であるか否かの判定が行われ、検知カウンタが設定値未満（NO）のときはＳＴ１０２以下のステップを継続して行い、設定値以上（YES）のときは、ＳＴ１１３にて非検知カウンタの値を１増加し、次のＳＴ１１４で非検知カウンタの値が予め設定した第２判定期間以上であるか否かの判定が行われる。ここで、否（NO）の場合はＳＴ１１５でそれまで加算されている相対位置データに０を加算し、ＳＴ１１０以下のステップを行う。上記ＳＴ１１４で、非検知カウンタの値が第１判定期間以上であった場合（YES）、ＳＴ１１６で検知／非検知カウンタをリセットし、相対位置データをクリアする。即ち、第１判定期間を４回とした場合は、図４（Ａ）に示されるように、例えばａ１２〜ａ１４の３回連続してパワースペクトルの最大値が閾値以下であった場合は相対位置データに０を加算して相対位置の積算（計測）を続けるが、ａ１２〜ａ１５まで４回連続して閾値以下であった場合、相対位置データをクリアし、次に積算開始条件を満たすまで、相対位置は０となる。一方、図４（Ｄ）に示されるように、例えば、ａ８、ａ９の２回においてパワースペクトル最大値が閾値ｈ１未満のときはａ７時点の相対位置データに対し０が２回加算され、その後に次のａ１０の移動データが加算される。このようにすれば、対象物９の相対移動位置を正確に特定できることになる。

上記ＳＴ１０６にて離反のときで、ＳＴ１１１にて検知カウンタが設定値（回数）未満のときは、ＳＴ１１６で検知／非検知カウンタをリセットし、相対位置データをクリアして１０２以下のステップを行う。上記ＳＴ１１１で検知カウンタが設定値（回数）以上の場合はＳＴ１０８にて移動距離の演算を行い、離反に相当する符号（例えば−）を付けてＳＴ１０９で相対位置データに加算する。これによって、図４（Ｃ）に示されるように、積算（計測）を開始したａ３から積算を終了したａ１５までの間の対象物９の動きは近接・離反を繰り返した場合でも継続して正確に求めることができ、対象物９の相対位置を得ることができる。

図６には、複数の判定条件を使用する場合のアルゴリズムの一例が示されており、図６のように、一定時間の波形をＡ／Ｄ変換し（ＳＴ２０１）、周波数分析した（ＳＴ２０２）後、ＳＴ２０３では、第１の判定条件（閾値等判定条件）に適合しているか否かの判定が行われ、YESのとき、第１の処理（ＳＴ２０４）が実行され、NOのときは、次のＳＴ２０５にて第２の判定条件に適合しているか否かの判定が行われ、ここでYESのとき、第２の処理（ＳＴ２０６）が実行される。上記ＳＴ２０５でNOのとき（第２の判定条件に適合していないとき）は、次のＳＴ２０７にて第３の判定条件に適合しているか否かの判定が行われ、ここでYESのとき、第３の処理（ＳＴ２０８）が実行される。なお、上記判定条件は、閾値、移動方向、判定期間（時間）等を変えて設定される。

即ち、上記第１の判定条件として、例えばパワースペクトル最大値による積算開始（検知された動体の計測開始）の閾値を低い第１閾値とし、かつ近づいてくる方向が所定の期間連続して検出される条件を設定し、上記第２の判定条件として、パワースペクトル最大値による積算開始の閾値を第１の閾値よりも大きい第２閾値とし、かつ移動方向が所定の期間連続した方向とならず、移動距離が検出されない条件を設定することで、対象物９が近接する状態を経て検知装置の前に到達した状態が検知される。なお、このとき、計測は停止され、位置データがクリアされる。

また、上記第３の判定条件として、パワースペクトル最大値による積算開始の閾値を上記の大きい第２閾値とし、かつ遠ざかる方向が所定の期間連続して検出される条件を設定することで、対象物９が検知装置の前から離反する状態を正確に検知することができる。

実施例では、トイレや風呂等のように構造が限定され、入り口に扉があるような環境においては、扉を開ける動作に伴う計測開始（又は積算開始）の判定条件を設けることによって、扉の位置を相対位置変化計測開始（積算開始）の基準点とすることで、検知装置までの絶対距離を近似的に測定することもできる。例えば、扉を開けて装置に向かってくる人が扉からある距離近づいた点でふたを開けたり、お湯の温度を音声で知らせたりする等の特定の動作を行わせることが可能となる。更に、上述のように、複数の判定条件を持たせることで、扉から入ってきた場合と検知装置から離れる場合等、所定の動作毎に異なった位置で異なった動作を行わせることも可能となる。

実施例では、マイクロ波或いはミリ波帯の電波を送受信する場合を説明したが、超音波振動子を含む超音波送信器及び受信器を用い、超音波を送受信するようにしてもよく、いずれの場合も、一定の周波数が発振でき、送受信波の指向性を例えば前面のみに設定できるものであればよい。

侵入警戒装置等のセキュリティー装置、トイレや浴室等の人体検知、自動ドア、自動照明制御、自動広告、掲示板、安全のための注意掲示板の検知、人体、ペット等の挙動モニタ、ホビー等に適用できる。

１０…動体検知装置、
１１…送信アンテナ、１２…受信アンテナ、
１４…発振器、
１５…９０度（９０°）移相器、
１８ａ，１８ｂ…低周波アンプ、
１９ａ，１９ｂ…Ａ／Ｄ変換器、
２０…演算回路、２１…計測用ソフトウェア。

Claims

９０度位相の異なる送信信号を局部発振信号として入力し、対象物からの受信信号とのミキシングにより９０度位相の異なるドップラー周波数信号を出力する直交ドップラーミキサと、
この直交ドップラーミキサから出力された２つのドップラー周波数信号につき、一定時間毎に区切りながら連続して周波数分析を行い、一定時間内のパワースペクトルが最大となる周波数を求め、上記パワースペクトル最大の周波数に基づいて計算された速度から一定時間の対象物の移動距離を求めると共に、上記パワースペクトル最大の周波数の２つの直交ドップラー周波数信号の位相差から対象物の移動方向を求め、この移動方向により上記一定時間内の移動距離に移動方向に対応した正負符号を与え、この正負の移動距離を積算することにより対象物の移動に伴う相対位置変化を計測する計測回路と、を設け、
上記計測回路は、相対位置計測のための積算の開始を、予め設定した第２判定期間以上連続してパワースペクトル最大値が所定の閾値を超え、かつ上記第２判定期間の移動方向が同じ方向であること判定したときに実行すると共に、
第１の判定条件として、上記計測の積算開始の閾値が第１閾値とされ、かつ近づいてくる方向が所定の期間連続する場合を設定し、第２の判定条件として、上記計測の積算開始の閾値が第１の閾値よりも大きい第２閾値とされ、かつ移動方向が所定の期間連続した方向とならない場合を設定し、これら第１及び第２の条件を満たすとき、対象物が接近を経て検知装置の前に到達した状態であることを検知し、
第３の判定条件として、上記計測の積算開始の閾値が上記第２閾値とされ、かつ遠ざかる方向が所定の期間連続して検出される場合を設定し、この第３の条件を満たすとき、検知装置の前から離反する状態であることを検知することを特徴とする動体検知装置。
上記計測回路は、相対位置計測のための積算開始後、予め設定した第１判定期間より短い時間では、上記パワースペクトル最大値が閾値未満となる場合でも移動距離を０として積算を継続し、上記第１判定期間以上の長い時間連続して上記パワースペクトル最大値が閾値未満となった場合に、それまでの積算結果をクリアし０にリセットすることを特徴とする請求項１記載の動体検知装置。