JPS60218086A - 距離測定装置 - Google Patents

距離測定装置

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JPS60218086A
JPS60218086A JP7418584A JP7418584A JPS60218086A JP S60218086 A JPS60218086 A JP S60218086A JP 7418584 A JP7418584 A JP 7418584A JP 7418584 A JP7418584 A JP 7418584A JP S60218086 A JPS60218086 A JP S60218086A
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JP
Japan
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distance
wave
waves
oscillator
difference
Prior art date
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JP7418584A
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English (en)
Inventor
Nobuaki Takanashi
伸彰 高梨
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
Nippon Electric Co Ltd
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Filing date
Publication date
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Publication of JPS60218086A publication Critical patent/JPS60218086A/ja
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/02Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
    • G01S15/06Systems determining the position data of a target
    • G01S15/08Systems for measuring distance only
    • G01S15/32Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
    • G01S15/36Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated with phase comparison between the received signal and the contemporaneously transmitted signal

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は超音波を用いた距離測定装置に関するものであ
る。
(従来技術) 従来、超音波を用いた距離測定装置において第1として
超音波パルスを送波し、目的物体からの反射波を受波し
た時刻と送波した時刻との間の時間差を測定することに
よシ、送受波器と、目的物体との距St求めるものがあ
る0たとえばセンサ技術第2巻第1号(1982年1月
号)37ページから41ページK「自立ロボット「山彦
3.1号」とその超音波センナ」と題して述べられてい
る0第2として社連続超音波を送波すると共に目的物体
からの反射波管受波し、受波した波の送波した波に対す
る位相差を用いて送受波器と目的物体との距離をめるも
のがある0たとえば中礁によシ第26回自動制御連合講
演会予稿集261ページから262ページに「ロボット
の径路ならい制御のための超音波近傍センサ」と題して
述べられている。
(従来技術の問題) しかしながら前記第1の装置では超音波パルスを検出す
るため、反射面の状態によシ安定な検出が困難であるo
tfc送波器送波器王立シ特性によって測定誤差が生じ
る0また、前記立ち上が9特性によって送波パルス長を
一定以下に短くするととができない◎このため、送波を
行ってから受波するまでの時間が送波パルス長よシ短く
なるような送受波、器近傍における物体の検出は行えな
いという問題がある。
また、第2の装置では連続波の送信と受信を行うため安
定した検出が可能であるが、送波に用いる波の波長以上
の距離は検出できない0検出する位相差社2πを周期と
する周期関数であり、2”の位相差に対応する距離が前
記波長であるためである〇 (発明の目的) 本発明の目的は前記従来の欠点を除去せしめた距離測定
装置を提供することにある。
(発明の構成) 本発明によれば、近接する周波数を持つ2種の波を交互
に送波するための発振器及び送波器と、目的物体からの
反射波の位相を検出するための受波器及び前記発振器と
前記受波器に接続された位相検出器を装備するとともに
、前記2種の波に対する前記2種の検出位相の差をめる
ための前記位相検出器に接続された演算装置を具備する
ことtp徴とする距離測定装置が得られる◇C栴成の詳
細な説明) 以下に本発明に従う距離測定装置の構成の詳細を説明す
る。
本装置は第1図の構成によシ送受波器と目的物体との距
離dを測定する。測定は以下の手順によりて行われる。
まず、第1に発振器10゛を周波数f1で発振させ、送
波器20よシ周波数への超音波W、を送波する。目的物
体1で反射された波は受波器30によってWl#とじて
検出され、W、とWI′の位相差を位相検出器40によ
如求めてψ1とする。第2に、発振器10における発振
周波数tf!とじて第1のものと同様の処理を行い1位
相差ψ、をめる。次に演算装置150によって91とψ
、の差を用いて距離df:次式によってめる。
ただしψ1は。
であシ、Cは音速h /11/!は発振周波数、ψ1.
ψ!。
ψ、は測定゛した位相差である。
送波される知音波W、とW!及び、検出される位相差ψ
、、ψ2.ψ、の関係を第2図を用いて説明する。
第2図は、送受波器と目的物体間の距離dの2倍を伝搬
距離lとして横軸にとったものであり、たて軸は、ψ、
、ψ3.ψ、については位相差管示し、W8゜W、につ
いては送波された超音波の振幅を示したものであるo 
% ’e %の波長をそれぞれλ1.λ、としたとき、
送波点Oと受波点2間の伝搬距離lを大きくするに従っ
て、受波点Pにおける検出位相差ψ1tたはψ、はλl
またはλ、の周期で0から2πまで変化する0ところが
ψ、はflとf2の差の周波数をもつ波の波長λ、の周
期でOから2πまで変化する。従って91のみ測定して
いた前記の従来第2の装置では2重の範囲における距離
のみ測定可能であったが、本発明による装置で紘λ、の
範囲において距離を測定することが可能である口重装置
の測定原理を次に述べる0前記2種の送波信号をそれぞ
れ Wl =sin(2r/、 t ) Wl、=sin(2’/1 t ) ただし/、 、 /、は周波数、竜は時間を表わすとお
くと、送波器からlの距離にある点Pにおける受波信号
はぞれぞれ W;=sln(2πf−+ψ1) Vd’l =a i n (2π/R1+ψ2)ただし
ψ8.?lは送波信号と受波信号との位相差と表わすこ
とができる。W1’ 、 W、’の平均ヲW2とすると
W2は次式によって表わされる。
Wシ=−2(W; + WS ) l =−(sin(2π/、1+ψ+)+1in(2π/!
t+v2))=cos(g(/、−/、)t−4−!−
!−!!−) −sin(g(/1+/l)t+”’→ ここでW′の低周波成分のみ堆り出してWiとお〈と。
W =cos(2π/i t+ψン) ただし、、/1−zx 、ψ2=― と表すことができる口車前記2種の波の和の包絡線であ
シ、f)及びψ2はそれぞれ包結線の周波数及び位相で
ある。本装置においてf、とf、の差をとることは前記
包絡線の位相をめるととに相幽する。
次に、「の波長をλ)とおくと、送波位置0と受波位置
P間の距#lはψkを用いて次式によってまる。
、=2・、ヱこ ′!2に ここで、λ)はtQ及び音速Cとの間になる関係があシ
、また、 である。
以上からzt″/le/!*ψ1.ψ!、Cを用いて以
下のようにめる仁とができるO !=λ;・1 2π Cψ) ただし、送受波器と目的物体との距離dは波の伝搬距離
lの1/2であル、またψ1及びψ、の検出れ0から2
πの間で行われるため両者の差ψzt−によりてめるこ
と管考えると請求める距@dはd=− によって得られる。
(実施例) 以下本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明
する〇 第3図は本発明の第1の実施例を示すブロック図でら)
、flの発振周波数を持つ発振器Allと、への発振周
波数管持つ発振器B12が切換スイッチ15に接続され
る。制御回路61の信号によシ前記21iの発振器の出
力が切換スイッチ15f:通して選択され、駆動回路1
8により送波器20から超音波が目的物体へ送波される
0目的物体からの反射波は受波器30によって検出され
、増幅回路35によって一定振幅に増幅された後、送波
信号との位相差が位相検出器40によって検出される・
検出された位相差は、送波信号の周波数がflであった
場合サンプルホールド回路A62へ91として保持され
S ftであり九場合にはサンプルホールド回路863
へψ、として保持される。距1IIdは演算増幅回路5
5によシψ、とψ、の差からめられる◎第3図の実施例
はアナログ回路により構成されておシ、構成が容易であ
る。
第4図は本発明の第2の実施例を示すブロック図であシ
、発振器lOで方形波を発振するコ演算制御装置50に
よって設定された分周比によシ発振器10の出力は分局
器13において分周され、駆動回路1Bを経て送波器2
0よシ超音波が目的物体へ送波される。反射波の位相は
第1の実施例と同様に検出され、ψ、またはψ2として
演算制御装置50に入力される0分周器13の分周比を
変えて得た前記2種の位相差ψ1及びψ!を用いて距離
dをめる0第」図の実施例ではデジタル処理によってす
べての操作會行っている。
第5図は本発明の第3の実施例を示すブロック図であル
、第4図の実施例における発振器10と分局器13の組
み合わせをPLL(7エーズロツクトループ(Phas
e Locked Loop ) )制御による発振器
10によって置き換えたものであり、制御はデジタル処
理によって行い、信号はアナログ処理によって扱われる
(発明の効果) 40 kHz付近の周波数を持つ超音波を用いた場合に
ついて、前記の従来第1.第2の装置と本発明による距
離測定装置と比較する◎従来の装置では40.0 kH
zの超音波を用い、本発明による装置では/1 =40
.0 kHz * /l =39.9 kHzとする0
音速は340 n1//sであシ、40 kHり超音波
の波長は約1cmである0従って従来第1の装置におい
て、送波器の立ち上がシ特性を考慮してパルス長を1m
sとすると、343以内の距離は測定することができな
い口また、従来第2の装置においては約1副の範囲にお
いてのみ測定可能である◎本発明による装置では八−/
、 = 1001(zであシ、151以内の距離から3
.4mの距#まで測定可能である◎ また1本発明によ
る装置において位相差ψ3.ψ、の測定に誤差が生じる
場合には、本装置によって粗く距Sを測定し、さらに前
記2gの位相差ψ重、ψ叩の一方を用いて前記従半第2
の装置による測定を行うことによシ、さらに精密な距離
を広い範囲で得ることができる。実施例2及び実施例3
は本発明による測定法と前記従来第2の測定法の両者を
併用する距離測定、装置として用いることも容易であシ
、1チツプマイクロブpセツサを用いて安価・小型に構
成することが可能である。実施例1はアナログ回路のみ
で構成されておシ、構成が容易である。
以上詳細に述べた通シ、本発明によれば前記従来の欠点
を除去せしめ、広範囲を精度良く測定する距離測定装置
を安価かつ小型に構成することが可能である◎ 1ft%測定に用いる波動として超音波を用いて説明し
九が、光、電波等積々の波動を用いる変形が考えられ、
これらの変形は本発明の趣旨管逸脱しない範囲で行って
もよいことは明らかであル、以上の記述が本発明の範囲
を限定するものではないO
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に従う距離測定装置の構成を示すブロッ
ク図、第2図は本装置の測定原理を示す波形図、第3図
は本発明の第1の実施例を示すブロック図、第4図は本
発明の第2の実施例を示すブロック図、第5図は本発明
の第3の実施例を示すブロック図である。 図において1は目的物体、lo及び11及び12は発振
器、13は分周器、15は切換えスイッチ、18は駆動
回路、20は送波器、30は受波器、35は増幅回路、
40は位相検出器、50は演算制御袋−155け演算増
幅回路、61は制御回路、62及び63はサンプルホー
ルド回路である。 またWlは周波数f!にょる送波波形1w2は周波数f
、による送波波形、W:はW、の目的物体による反射波
、ψ1はW、を伝搬距離lの点で受波した信号の送波信
号との位相差の変化、ψ、は同様にW、に対する位相差
の変化、ψlはψ*−’P*の変化、0は送波点、Pは
受波点、λ、はW、の波長、λ、はW、の波長、λψ1
はW、の節からPtでの距離、λψ、はW、の節からP
までの距離、λ、はfl−への周波数管持つ波の波長を
示す◎ ’?;−72図 /−h Q メー\ \−ノ /−一\ ・ど1 v

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 超音波を用いて送受波器と目的物体との間の距離を測定
    する装置において、近接する周波数を持つ2種の波を交
    互に送波するための発振器及び送波器と、目的物体から
    の反射波の位相を検出するための受渡器及び前記発振器
    と前記受波器に接続された位相検出器を装備するととも
    に、前記2種の波に対する前記2種の検出位相の差をめ
    るための前記位相検出器に接続された演算装置を具備す
    ることt−特徴とする距離測定装置。
JP7418584A 1984-04-13 1984-04-13 距離測定装置 Pending JPS60218086A (ja)

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