JPH07122668B2 - 超音波測距装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、目標物までの距離を測定する超音波測距装置
に関する。

従来技術 従来、超音波信号を目標物に向けて送信させ、その目標
物によって反射された超音波信号が受信されるまでの時
間を計測することによって目標物までの距離を測定する
ようにしているが、超音波信号の往復に時間を要して測
定時間が長くなり、また測定側に超音波送信器と超音波
受信器とを並設しているために、測定精度が低下してし
まっている。

また、目標物に超音波送信器を取り付けて、測定側の超
音波受信器に向けて超音波信号を送信するようにすれ
ば、測定時間を短くすることができるとともに、送信器
から送信される超音波信号が直接受信器側へリークする
ようなことがなくなるが、その場合には、受信側で送信
側から発せられる超音波信号が送信されるまでの時間を
計測することができるようにするため、受信側において
送信側から超音波信号が発せられたことを検知するため
の何らかの手段を講ずる必要があるものとなる。

目的 本発明は以上の点を考慮してなされたもので、目標物に
超音波送信器を設置し、その超音波送信器から送信され
る超音波信号を測定側の超音波受信器で受信して、超音
波信号の伝達時間から目標物までの距離を測定する際、
簡単な手段により、測定側において超音波信号の伝達時
間を容易に求めることができるようにした超音波測距装
置を提供するものである。

また本発明による超音波測距装置では、測定側におい
て、目標物までの距離のみならず、その目標物の位置，
方向をも求めることができるようにしている。

構成 本発明はその目的達成のため、電波と超音波とにおける
伝播速度の違いに着目し、送信側からトリガ用の電波と
超音波信号とをそれぞれ送信し、受信側において送信側
から送られてきたトリガ電波および超音波信号をそれぞ
れ受信して、伝播速度の違いから生ずるトリガ電波と超
音波信号との各受信のずれ時間を計測して、その計測さ
れた時間から送信側と受信側との間の距離を所定の演算
によって求めるようにしている。

その際、特に本発明では、受信側に、上下，左右方向に
少なくとも３つの超音波受信器を、互いの間隔が既知と
なるように設けて送信側における超音波信号源との間の
距離をそれぞれ求めて、三角測量法を用いて、受信側に
おいて超音波信号源の三次元空間上の位置をわり出すよ
うにしている。

以下、添付図面を参照して本発明の一実施例について詳
述する。

本発明による超音波測距装置にあっては、第１図に示す
ように、目標物側に設けられた送信部Ｔと、その目標物
の測定側に設けられた受信部Ｒとからなっている。

送信部Ｔは、バースト波による超音波信号を超音波振動
子１から送信する超音波送信器２と、微弱電波によるパ
ルス状のトリガ電波をアンテナ３から送信するトリガ電
波送信器４と、超音波信号の送信とトリガ電波の送信と
の同期をとるべく各送信器2,4の送信制御を行なわせる
制御回路５とによって構成されている。

受信部Ｒは、超音波信号を超音波振動子６を介して受信
する超音波受信器７と、トリガ電波をアンテナ８を介し
て受信するトリガ電波受信器９と、それら各受信器7,9
によってそれぞれ受信されるトリガ電波と超音波信号と
の各受信のずれ時間を計測して目標物までの距離を所定
の演算によって求める演算回路10とによって構成されて
いる。

このように構成されたものにあって、第２図に示すよう
に、t0の時点で送信部Ｔからトリガ電波と超音波信号と
を同時に送信させると、受信部Ｒにおいてt1の時点でト
リガ電波が受信され、続いてt2の時点で超音波信号が受
信される。

このトリガ電波が受信されてから超音波信号が受信され
るまでの所要時間Txは、電波と超音波との伝播速度の違
いから生ずるもので、送信部Ｔと受信部Ｒとの間の距離
に比例して変化することになる。

しかして、受信部Ｒの演算回路10において、トリガ電波
が受信されてから超音波信号が受信されるまでの時間Tx
を計測し、その計測された時間Txにしたがって次式の演
算処理を行なわせることにより、目標物までの距離Lxを
算出する。

Lx＝Vs×Tx （１） ここで、Vsは超音波の空中伝播速度である。

なお、超音波信号の送，受信を行なわせる際に、超音波
送信器２からスペクトラム拡散（Ｍ系列離散）によるラ
ンダム波による超音波信号を送信させ、超音波受信器７
において受信した超音波信号と受信器側に予め記憶され
ている前記ランダム波との相関のピークを求め、その求
められたピークをもって超音波信号の受信とするように
すれば、ノイズの影響を受けることなくその超音波信号
の送，受信を高精度に行なわせることができる。

第３図に、スペクトラム拡散によるランダム波を用いた
超音波信号の送，受信を行なわせる場合における超音波
送信器２および超音波受信器７の具体的な構成例を示し
ている。

同図の構成にあって、超音波送信器２では、搬送波発振
器21からの搬送波とランダム波発生器22からのスペクト
ラム拡散によるランダム波とがバランスミキサ23におい
てミキシングされ、そのミキシング信号が超音波送信器
本体24から超音波振動子１を介して超音波信号として送
信されるようになっている。

また、超音波受信器７では、超音波振動子６を介して超
音波受信器本体71において受信された超音波信号がバラ
ンスミキサ72に与えられて、そこでランダム波発生器73
からのスペクトラム拡散によるランダム波とのミキシン
グがなされたうえで、同期検出器74において受信した超
音波信号とランダム波発生器73からのランダム波との相
関のピークを求め、距離計数器75においてランダム波発
生器73からのランダム波を読み込んで、同期検出器74に
おいて求められたピークが生ずるまでの時間を計数する
ことによって距離をわり出すようにしている。

このスペクトラム拡散によるランダム波を用いた超音波
信号の送，受信を行なわせるものにあっては、同一の拡
散符号を発生するランダム波発生器22,73における各基
本クロックが距離分解能を決定している。

このように本発明によれば、目標物に超音波送信器を設
置し、その超音波送信器から送信される超音波信号を測
定側の超音波受信器で受信して、超音波信号の伝達時間
から目標物までの距離を測定するに際して、特に時間計
測のトリガとなる微弱電波を用いて、測定側において、
送信側から超音波信号と同時に送信されてくるトリガ電
波が受信されてから超音波信号が受信されるまでの時間
を計測することにより、目標物までの距離を正確に測定
することができるようになる。

また、第４図に示すように、測定側に超音波受信器７を
２台設けて、その各超音波振動子6A,6Bを水平方向に配
設して（設置間隔Ｗは既知となる）、超音波送信器２が
設けられた目標物Ｏとの間の距離Lax,Lbxをそれぞれ測
定するようにすれば、三角測量の原理にしたがって目標
物Ｏまでの距離を正確に求めるとともに、角度α，βか
ら目標物Ｏの二次元的な位置をもわり出すことができる
ようにしている。

特に本発明では、第５図に示すように、測定側に超音波
受信器７を４台設けて、２つの超音波振動子6A,6Bを水
平方向に設置するとともに（設置間隔W1は既知とな
る）、それと直交するように２つの超音波振動子6C,6D
を垂直方向に設置して（設置間隔W2は既知となる）、三
次元による三角測量の原理によって目標物Ｏまでの距離
およびその三次元的な位置，方向をわり出すことができ
るようにしている。なおこの場合、測定側に超音波受信
器７を４台設けなくとも３台で目標物Ｏの三次元的なわ
り出し行なわせることができ、残りの１台を補正用とす
るようにしてもよい。

第６図は測定側におけるトリガ電波と超音波信号との受
信部を平面構造としたもので、ここでは超音波受信器７
を４台設けたときの各超音波振動子6A,6B,6C,6Dを水平
および垂直方向に配設するとともに、トリガ電波受信用
の平面アンテナ8A,8B,8C,8Dをそれぞれ設けるようにし
ている。

なお、受信側に超音波受信器７を複数台設ける場合、各
超音波受信器７ごとにトリガ電波受信器９をそれぞれ設
置することなく、１台のトリガ電波受信器９を共通に設
置すればよい。

本発明による超音波測距装置を利用すれば、例えば第７
図に示すように、自走ロボット11に超音波受信器７およ
びトリガ電波受信器９が組み込まれた受信装置12を搭載
して、前述のように平面構造としたトリガ電波と超音波
信号との受信部13を自走ロボット11の前面に取り付け
て、人間14が超音波送信器２およびトリガ電波送信器４
とが組み込まれた送信装置15をもって移動したとき、自
走ロボット11がその受信装置12によって送信装置15に対
する距離，方向を検出しながら、一定の距離を保って人
間14の移動に追尾させるようにすることが可能となる。

その際、特に第５図の構成を用いて、目標物Ｏの位置が
垂直方向に連続的に変化することをみるようにすれば、
人間14が傾斜面を登っていること（または傾斜面を下っ
ていること）が認識できるようになる。

効果 以上、本発明は、送信部からトリガ電波と超音波信号と
を送信し、受信部においてそのトリガ電波と超音波信号
とをそれぞれ受信して、各受信信号のずれ時間を計測し
て、その計測された時間から送信部と受信部との間の距
離を所定の演算によって求めるようにした超音波測距装
置にあって、受信部に、上下，左右方向に少なくとも３
つの超音波受信器の各超音波振動子を、互いの間隔が既
知となるように設けるとともに、各超音波受信器の超音
波振動子にそれぞれ隣接してトリガ電波受信用の平面ア
ンテナを各超音波振動子とともに同一平面板上に配設し
て、１台のトリガ電波受信器を各平面アンテナに共通に
設け、送信部と受信部との間の距離をそれぞれ求めて、
三角測量法により送信部の三次元空間上の位置を求める
ようにしたもので、受信部を平面構造のものとしてコン
パクトに収納して、ユニット化することができ、携行お
よび他装置への取付けが便利となり、自走ロボットに受
信部を搭載して三次元空間を移動する送信部を追尾させ
るに最適なものになるという優れた利点を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による超音波測距装置の一実施例を示す
ブロック構成図、第２図は同実施例におけるトリガ電波
および超音波信号の送，受信のタイミングを示すタイム
チャート、第３図は超音波送信器および超音波受信器の
具体的な構成例を示すブロック図、第４図は二次元的な
三角測量法による目標物に対する距離および方向の測定
方法を示す図、第５図は三次元的な三角測量法による目
標物に対する距離および方向の測定方法を示す図、第６
図は平面構造としたトリガ電波と超音波信号との受信部
の一例を示す斜視図、第７図は本発明を利用して自走ロ
ボットを人間の移動に追尾させるようにしたときの追尾
状態を示す図である。 1,6……超音波振動子、２……超音波送信器、3,8……ア
ンテナ、４……トリガ電波送信器、５……制御回路、７
……超音波受信器、９……トリガ電波受信器、10……演
算回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】送信部からトリガ電波と超音波信号とを送
   信し、受信部においてそのトリガ電波と超音波信号とを
   それぞれ受信して、各受信信号のずれ時間を計測して、
   その計測された時間から送信部と受信部との間の距離を
   所定の演算によって求めるようにした超音波測距装置に
   おいて、受信部に、上下，左右方向に少なくとも３つの
   超音波受信器の各超音波振動子を、互いの間隔が既知と
   なるように設けるとともに、各超音波受信器の超音波振
   動子にそれぞれ隣接してトリガ電波受信用の平面アンテ
   ナを各超音波振動子とともに同一平面板上に配設して、
   １台のトリガ電波受信器を各平面アンテナに共通に設
   け、送信部と受信部との間の距離をそれぞれ求めて、三
   角測量法により送信部の三次元空間上の位置を求めるよ
   うにしたことを特徴とする超音波測距装置。