JPS5910513B2 - 超音波利用の障害物検出方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超音波を利用して障害物を検出する方法に関す
る。

例えば自動車等を走行させる際、殊に後進の際には進行
方向にある障害物を適確に確認するために運転者が直接
乃至バックミラー等を利用して目視確認する必要がある
が、車体構造上死角となる範囲にある障害物を確認する
ことは極めて困難である。

このため特殊構造のミラーや高周波電波或いは赤外線利
用の確認方法も提供されているが、特殊配列乃至特殊構
造に係るミラーは車輌の構造によっては利用が困難であ
り、夜間走行の場合で暗い所にある障害物の確認が難し
く且つ降雪や降雨の際も確認し難いと言う問題がある。

又、電波乃至赤外線利用の装置であって、一組の送受信
器から成り障害物からの反射時間を検知して障害物の有
無を確認するようにした構成に係る検出方法は、障害物
と車輌迄の距離を検出することが出来るだけで方角迄検
知することが困難であり、又、送受信器を一定速度回転
させる掃引方式を利用したものでも複数回の測定が必要
であり且つ虚信号除去が極めて重要であると共に送受信
器を機械的に作動させる必要がある点複雑な構成にせざ
るを得ないと言う問題があった。

本発明は斜上の問題点に鑑み成されたものであり、超音
波送受波器及び受波器を任意の間隔で配設し、超音波送
受波器から発信された超音波信号が障害物に反射して来
る反射波のうち送受波密造の反射波円軌跡と、受波密造
の反射波楕円軌跡と、の交点より障害物乞の距離と方角
とを確認出来るようにして、例えば自動車等の運転者の
死角となる範囲に人や建造物その地走行上支障がある物
体がある場合、運転者に対して障害物の距離と方向を知
らしめるようにした超音波利用の障害物検出方法の提供
を主目的とするものである。

又、本発明の他の目的とする処は、超音波の送受波に際
し機械的に動作させず而かも１回の測定でもって正確に
障害物の位置を検出させることが可能な超音波利用の車
輌用障害物検出方法の提供にある。

更に本発明の他の目的とする処は被設置車輌の種類に何
等制約を受けず而かも車輌等の運転者に対しても全く負
担をかけず、且つ簡素化した構成でもって障害物の位置
を正確に表示し得るようにし、至便性と低廉性を兼備せ
しめた超音波利用の障害物検出方法を提供するにある。

以下に本発明の詳細な説明するが、それに先立ち、超音
波の反射波による距離及び方角測定原理を第１図を参照
し乍ら詳述する。

今任意の物体ＡがＸ≧００範囲に存在する時、０点（座
標原点）に超音波発信源を設置し、Ｘ軸上の定点（ａ、
０）に受波器Ｒを配設する。

尚０点に設置した超音波発信源は、一定時間超音波を発
信後、受波器としての機能を有するようにした超音波送
受波器である。

而して、点音源から発信された超音波の波面は、球面波
として伝搬され物体Ａの表面と、０点との最短距離Ｐ点
に到達し、再び０点に反射される。

一方（ａ、０）点に存在する受波器Ｒが受信する超音波
反射波のうち、０点から発信された音波が物体Ａの表面
に到達した後受波器Ｒに反射される音波のうち最短距離
を通るものだけを考察すると、今、点Ｐ′で反射された
音波が最初受波器Ｒで受信されるとすれば線分ｏｐ’＋
ｐｈを一定とする点Ｐ’（７）軌跡は楕円となる。

即ちこの楕円と物体Ａの表面と接した点がＰ′となる。

次に、楕円と接線との関係を考えてみると、接線に垂直
な線分とＸ軸との交点なＱとすれば、ｚＯＰ’Ｑ＝ Ｚ
ＲＰ’Ｑ 故に、超音波の反射の性質から、ＯＰ’Ｒ
の経路が最短になる。

次に、音速をＣｍ／ｓｅｅとし、０点での受信までの時
間をｔ。

、Ｒでのそれをｔｌとすると、となる。

今、０Ｐ＝ｒ ・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・■ＯＰ’＋
Ｐ’Ｒ＝１ ・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・■とすれば点Ｐの軌跡は円となり
、 Ｘ２＋ｙ２＝ｒ２ ・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・■で表わされる。

又、点ｙの軌跡は楕円となり、 から で表わされる。

拠って、■、０式から交点Ｓの座標は、 となる。

従って、この８点から物体ＡとＸ軸との最短圧・離し紘
の近似点を求めると、 である。

又、方角について検討すると、 で表わされる。

Ｃｔ。

他方前記０式をＯＰ ＝ ｒ −ｍ＝Ｎ。

で表わし、又、前記０式をＯＰ’＋Ｐ’Ｒ＝ １ ＝Ｃ
ｔ１＝Ｎ１で表わすと共にＮ。

、Ｎ１を単位長のパルス計数値とすれば、０式及び０式
は、 として、物体ＡまでのＸ軸からの最短距離と方角が求ま
る。

斜上の説明はＸ≧００範囲の場合であるが、（−ａ、０
）点に受波器Ｒを配置し、Ｘ≦０間の測定を行ない、第
２象限の部分での最短距離及び方角測定を行ない、第１
象限の値と比較することにより、綜合的に物体の最短距
離（Ｘ軸との）と方向を近似的に求めることができる。

勿論上記の如（して得られた距離と方角は近似的な解で
あるため測定精度をより向上させるためには誤差の修正
をすることが必要となる。

この方法は計算で行なわず、表示計の０点調整で行なう
ことも出来、この方がより簡便である。

更に、この送受波器の個数と配置について以下に説明す
る。

前述の如く距離と方向の両方を計測する為には、受波信
号を異った２ケ所以上の位置で得る必要がある。

これは送波器１個で受波器２個の場合であるが、この逆
に送波器２個で受波器１個でも計測原理的には同じであ
る。

但し実用化の場合後者は、どちらの送波器から発射され
た信号かを区分けする為の何らかの措置が必要であるが
、前者の条件の方が実用化しやすい。

而して、第２図の場合は物体Ａ迄の距離と方向は２つの
楕円の交点として求められるが送波器を受波器と兼用に
すれば第３図に図示の如く受波器を１個省略可能であっ
て、物体Ａ迄の距離と方向は１つの円と１つの楕円の交
点として求められる。

然し乍ら物体Ａは通常点として存在するのではな（壁の
様な連続物体と、電柱や人の様な棒状の物体との組合せ
配置が一般的である。

この場合物体Ａから反射され受波器で捕捉される信号の
軌跡のなす平面と、送受波器で捕捉される信号の軌跡の
なす平面は必ずしも同一平面とは限らず、前記■、０式
の解はどちらかの平面に他方の平面を写像して得られ、
この両平面がなす角度が誤差の大小を決定する。

然るに物体Ａが前記両平面を貫通する点は略等しいもの
と着像せるから両平面がなす角度はさほど大きいもので
は無く、誤差も実用上支障無い範囲である。

尤も極めて特殊な場合として、物体Ａが車輌の車高に比
し極端に低い場合、或いは車輌が接している地面に対し
極端に傾斜している時は、前記０式で求めた最短距離と
前記両平面の貫通点との間に誤差が生じ計測で得られた
最短距離の方が真値より犬となるものの、表示計の零点
調整や測定基準ラインの高さを設定する等の処置でこの
誤差を減少せしめることが可能である。

又、方向についても車体後方の左右どちらかを出来るだ
け精度高く分離できることが望ましい。

更にシステムとしての信頼度の向上を考慮すれば第４図
に図示の如（送受波器の反対側に１個の受波器を付加す
ることによって極めて有効となり而かもこれは情報が１
つ増したということから処理部の設計にも利点がある。

次に実施例を第５図以下に基づき説明する。

図中１は超音波送受波部で、超音波周波数に相当する電
気信号（２０ＫＨｚ 〜１００ ＫＨｚ ）を空気の疎
密波に変換する一種のスピーカであって、圧電効果を利
用して送波受波の切換え自在であり、その構成要素とし
て電歪素子を利用したり可動線輪型のものとしたりして
も良いが、本実施例にあつては使用周波数、変換効率、
指向性、電力容量、機械的強度、耐環境性、物理的寸法
等を考慮してセラミック系の圧電振動子を利用しである
。

又、符号２は受波器で一種のマイクロフォンで、空気中
を伝播する超音波を電気信号に変換するものであり、該
受波器２の出力を受信制御回路３に入力させ、更に該受
信制御回路３の出力を、増巾回路４を介して距離検出部
５と、方角検出部６及びゲインコントロール回路７の夫
々に入力させである。

而して上記ゲインコントロール回路Ｔの出力を送受制御
信号発信回路８に入力させ、該送受制御信号発信回路８
の出力を出力信号発生部９に入力させると共に前記各受
信制御回路３にも入力させてあり、又、出力信号発生部
９の出力を出力増巾回路１０を介して超音波送信制御回
路１１に入力せしめ、更に該超音波送信制御回路１１の
出力を前記超音波送受波部１に入力させである。

他方方角検出部６の出力と、距離検出部５の両入力を表
示用出力回路１２に入力させ、該表示用出力回路１２の
出力でもって後述の表示装置１３を作動させるようにし
である。

尚、符号１４はタイミングパルス発生回路で、前記送受
制御信号回路８及び方角検出部６と距離検出部５の夫々
にタイミングパルスを入力させるようにしである。

而して、前記送波器から発射される超音波信号は、本実
施例に於ては０．１〜１７７１ＢｅＣ間発射するもので
あり、且つ受波信号は前記超音波がある物体（障害物）
に反射して帰って来たものを受波器で捕捉して電気信号
に変換されたものである。

この信号は送波器から物体迄の距離及び物体から受波器
に至る迄の距離の和が最も短いものから順に受波器に入
射し−て来るが、これらの信号は条件に依り第６図に図
示の如（変化する。

即ち、送受波信号はカラーテレビの色同期信号であるバ
ースト信号に類似したパルス的な信号である。

又、受波信号は反射経路、反射条件（反射角度、反射率
等）、空気中の温湿度、風速、反射物体の配置等で変動
するが、本実施例では送波後最初に帰って来た反射波即
ち最短の反射経路を通って来た信号のみを必要とするの
で２番目以降の反射波（受波信号−２） Ｉｔ’！、無
視する。

又、超音波の送波信号の制御に関して説明すると、送波
信号のパルス幅、つまり持続時間は次の様な制限を受け
、送波信号の持続時間の長さに依り測定可能な最短距離
が決定されるものである。

尚、超音波信号な送波器から発射している間は受波機能
は停止しているのでその間に帰って来り反射波は無視す
る。

公知のとおり気温１５℃の時に於ける音波の伝播速度は
３４０ｍ／ｓｅｃであるから、今、送波信号の持続時間
を１ ｍ ｓｅｃとすればこの間に音波は３４０ Ｘ
−＝ ０．３４ ｍつまり３４ｃＩｒＬ伝播す０００ るが、反射して帰って来るので物体迄の距離がこの半分
即ち１７ｃｒＩＬ以下の時、この物体の存在は無視され
る。

従って測定可能な最短距離を更に縮めようとするならば
、方法としては原則的に、送波信号の持続時間を更に短
かくすることである。

仮に送波信号の持続時間を０．１ ｍ ｓｅｃに縮めれ
ば測定可能な最短距離は約１．７ｃｒＩＬに短縮される
ので実用上この持続時間は０．１〜１ ｍ ｓｅｃの間
の適当な時間値に決定すべきであろう。

一方、持続時間そのものは超音波の送波信号の周波数に
より制限を受ける。

即ち、今、超音波の周波数を２０ ＫＨｚ とすれば
０．１ ｍ ｓｅｃには２０、□。

・ｘに一。、−イ、ヤっ。超音ッ信っ。０４ しては２サイクル分しか発射されないことになり、信号
処理上技術的困難を伴う。

勿論超音波の周波数が高くなれば、持続時間の下限を広
げることは可能である。

斜上の如く超音波の周波数、送波信号の持続時間、測定
可能な最短距離は互いに相関性を有する。

又、超音波の周波数は、指向性、直進性、安定性、変換
素子の特性と入手のしやすさ、反射条件等全く別の条件
によって選択の範囲が限定される。

更に、超音波信号の送受制御に関して説明すると、前述
した通り送波信号は０．１〜１ｍ５ｅｃの持続時間で適
当な間隔をおいて発射されるが、この間隔は障害物の存
在をどの程度遠方の物迄計測するかで決定されるもので
あり、第１図のタイムチャートに基づきこれを説明する
。

送波信号が発射されている時間帯なｔ。

−ｔｌとすれば、次の信号が発信される迄の時間ｔ１〜
ｔ２の間は最初の信号発射が停止し、更に反射して帰っ
て来る信号な受信する時間であり、このｔ１〜ｔ２の時
間は次の様に決定される。

今、送受波器から当該障害物迄の距離を１とすれば超音
波信号を発射してから反射し受信される迄の時間Ｔは次
の様に表わされる。

この式から計測するべき距離１と受信時間Ｔは：。

比較関係にあり、且つｔ。

〜ｔ２に相当することは□明らかである。

実際の一例として 温度１５℃、１−＝５（７ｉとすれ
ば０ Ｔ−□キ０．０２９ Ｃ秒〕となる。

４０ １＝１０（ｄのときは ０．０５９Ｃ秒〕となる。

このことから計測可能な最長距離はｔ。

〜ｔ２の時間で決定されることが判る。

更に又、ゴースト信号の対策について説明すると、先ず
ｔ。

−ｔｌの間発射された超音波信号はｔ１〜ｔ２の間に受
波器に依り受信される。

次のｔ２〜ｔ３の間の信号はｔ３〜ｔ４に受信されるが
１ｏ−１１の信号がより長い反射経路を経由してｔ３〜
ｔ４に受信されたりｔ、以降に受信され、各各の受信時
間（１１〜ｔ２、ｔ３〜ｔ４等）に対しあたかも直前の
発射時間に発射された信号の反射信号の如（処理される
慣れが有る。

この様な正規の時間関係以外の信号、長い反射距離を経
由してきた受波信号はそれだけ長い時間かかり、且つ信
号の強度は距離の２乗に反比例して減衰するので次の除
去対策をとれば良い。

（１）計測のくり返し時間を実用上問題ない範囲で長く
する。

（２）超音波の周波数を２〜３種類使って交互に発射す
る。

（３）受信信号をパターン認識的な処理を行いゴースト
を見つける。

（４）増幅系に自動利得制御回路（ＡＧＣ回路）を設け
てレベルの低い信号を除去する。

（５）時間的に増幅器の利得を制御することによりゴー
スト信号を除去する。

然るに（１）の方法は原価的には最も安価な方法と考え
られるが、１秒当りの計測回数Ｎとの兼ね合いを検討す
る必要がある。

又、（２）、 （３）は装置が複雑になり原価も高くな
るが計測回数に対する問題はない。

勿論この問題の解決策は（１）、（２）、（３）、 （
４）、（５）のうち単独又は複数の組合せで可能である
。

尚、表示装置１３は運転者に対し障害物の存在並びにそ
の位置を適確に表示するためのものであって、第８図に
基づき説明する。

第８図中１５は方向指示針で、１６は該方向指示針１５
の上面を移動自在な距離指示針であり、方向指示針１５
は第１パルスモータ−１７により、又、距離指示針１６
は第１パルスモータ−１７と直交状態に配設された第２
パルスモータ−１８により夫々回動されるものであって
、両パルスモータ−１７，１８は前記距離検出器５と、
方角検出部６の出力により作動する駆動回路１９，２０
の出力でもって駆動させるようにしである。

尚２１はインジケーターである。

斜上の装置を自動車等に実装する場合、送受波器１及び
複数の受波器２，２を自動車（図示せず）の後端に一列
に配設し、更にインジケーター２１を運転者が見易い処
に装備すると共に他の部分は自動車内の所望箇所に装備
し、又、電源は自動車に搭載しているバッテリー（図示
せず）を利用する。

なお、最初の反射波だ折抜き出すためには前記ゴースト
信号の対策（４）、（５）で述べたと同様の方法を用い
ればよぐ特に述べるまでもないが、たとえば距離検出部
５および方角検出部６をマイクロコンピュータ等で構成
し、最初の反射波が到達したことを検出した時点で各々
の増幅系の利得を特定の時間だけ低下させるようにした
り、或いはその間の９反射波を無視するような判断をさ
せればよい。

以下に作用を説明する。

先ず装置に所定の電圧を印加しタイミング信号発生部１
４より、クロックパルス信号を発信せしめることにより
送受制御信号発信回路８及び方角検出部６と距離検出部
５の夫々を同期駆動させる。

送受制御信号発信回路８からの出力は出力増巾回路１０
にて充分増巾された後送信制御回路１１に入力し、該送
信制御回路１１でもって所定の送波時間のみ送受波部１
から超音波が発射されるように制御すると共に、該送受
波部１を受波用に切換える。

上述の如（して発射された超音波が障害物Ａに反射して
再び受波器２に到達する際、最初の反射波のうち送受波
部１が受波した信号と受波器２が受波した信号の夫々を
、増巾回路４にて増巾し更に検波〜整形〜ノイズ除去し
た後、方角検出部６及び距離検出部５とゲインコントロ
ール回路７に入力せしめ、方向の検出と距離の検出及び
表示用信号変換を行なわしめるのである。

即ち、左右の受波器２，２のどちらに反射波が先に入射
して来たかを判別することによりこの段階でもって車体
後方左右のいづれに障害物Ａが存在するかが判定される
。

又、距離検出は複数の、受波器２，２と送受波部１の信
号到達時間差を、クロックパルスを利用してデジタル的
に求め演算処理するものであり、同時に車体の中央から
障害物Ａを結ぶ直線が成す角度を求めこれを方向とし、
前述の楕円及び円方和式から正確な演算処理をさせるか
、或いは時間差の組合せ条件により簡略化した演算処理
をするものである。

斜上の如くして方角検出部６及び距離検出部５で得られ
た検出信号をアナログ信号又はデジタル信号に変換した
後駆動回路１９ 、２０を介し第１、第２両パルスモー
タ−１γ、１８に印加させ、方向指示針１５を信号量に
比例した角度回動せしめ、更に距離指示針１６を信号量
に比例した距離だけスライドさせることにより極座標的
に障害物Ａの位置をインジケーター２１上に表示する。

拠って運転者は何等特別な操作をすることなく自動車２
２の後方にある障害物Ａを適確に確認し得る。

尚、受信信号は風やノイズ等の影響を受は高次に亘る高
調渡分を含んだ歪波形となるが、波形整形は公知のフィ
ルターを用いることにより所定の矩形波形にし得る。

勿論本発明は本実施例に特定されるものでは無く、その
技術的範囲内では如何様にも変更し得るものである。

斜上の如く本発明に拠れば、送受波部から発射された超
音波が障害物等に反射して（る最初の反射波のうち、送
受波部が、受信する第一一反射波の円軌跡と他の受波器
が受信する第二反射波の楕円軌跡との交点を求めること
により障害物の位置を極座標的に検出し、それをインジ
ケーター上に表示したり、必要に応じて距離を可聴音の
強弱で判別出来るようにして運転者等が何等特別な操作
をせずに、死角範囲にある障害物の方角及び距離を極め
て明確に判別し得ると共に、機械的な可動部分を無くし
而かも１回の測定でもって障害物の正確なる位置を検出
し、更には自動車に限らず他の動力車や物流産業分野に
利用される機器等にも利用し得ると言う広範な用途を有
し且つ低廉に供し得ると言う幾多の優れた特徴を有する
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は円軌跡と楕円軌跡から物体の方角と距離を求め
るための説明図で、第２図乃至第４図は超音波の送受波
部及び受波器の配置と発射：反射波の関係を示す説明図
、第５図は実施例に於ける検出装置のブロック図であり
、第６図及び第７図は送受波のタイムチャート図で、第
８図は表示部の構成を示す説明図である。 １・・・・・・送受波器、２・・・・・・受波器、計・
・・・・受信制御回路、４・・・・・・増巾回路、５・
・・・・・距離検出部、６・・・・・・方角検出部、７
・・・・・・ゲインコントロール回路、８・・・・・・
送受制御信号発信回路、９・・・・・・出力信号発生部
、１０・・・・・・出力増巾回路、１１・・・・・・超
音波送信制御回路、１２・・・・・・表示用出力回路、
１３・・・・・・表示装置、１４・・・・・・タイミン
グパルス発生回路、１５・・・・・・方向指示針、１６
・・・・・・距離指示針、１７・・・・・・第１パルス
モータ−１１８・・・・・・第２パルスモータ−１１９
，２０・・・・・・駆動回路、２１・・・・・・インジ
ケータ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 超音波送受波器から任意の等距離に少なくとも２つ
   の受波器を配置し、送受波器から発射された超音波が障
   害物に反射して来る最初の反射波のうち、送受波器が受
   波する超音波の伝播距離と各受波器が受波する超音波の
   伝播距離とを計測して、前者の計測結果から得られる円
   軌跡と後者の計測結果から得られる楕円軌跡との交点を
   求め、障害物乞の距離と方向を検出するようにした超音
   波利用の障害物検出方法。