JPWO2010010832A1

JPWO2010010832A1 - 位置検出システム、送信装置、受信装置、位置検出方法、位置検出プログラム

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Publication number: JPWO2010010832A1
Application number: JP2010521680A
Authority: JP
Inventors: 潤一宮本; 梶谷　浩司; 浩司梶谷
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2008-07-25
Filing date: 2009-07-15
Publication date: 2012-01-05
Anticipated expiration: 2029-07-15
Also published as: JP5454475B2; WO2010010832A1

Abstract

反射波の影響を受けることなく超音波発信源から最も先に到達する直接波の伝搬時間を正確に算出することを可能にする。互いに異なる複数のＭ系列に基づき生成された複数の超音波信号を送信側から受信側に伝達し、受信側は複数のＭ系列の各モデル波形と各超音波信号の波形との間で相関処理を実行し、両波形が部分的に一致したときに現れる相関値の副次ピークを検出し、全相関処理で検出された副次ピークの小さいほうから対応する複数のＭ系列を決定する。送信側は、決定された複数のＭ系列の中から送信周期毎に異なるＭ系列を選択し、選択されたＭ系列により変調した超音波信号と電磁波信号とを受信側に送出する。受信側は、この超音波信号とモデル波形との間で相関値を算出し、算出された相関値の最初の主ピークを検出し、電磁波信号を受信した時点と主ピークの検出時点とから超音波伝搬時間を算出する。

Description

本発明は、超音波信号を用いて移動体の位置を決定する位置決定システムに関し、特に、超音波を用いて移動体の位置を正確かつ安定的に決定することを可能にする位置検出システム、送信装置、受信装置、位置検出方法、位置検出プログラムに関する。

超音波の伝搬時間により距離計測を行う装置の関連技術の一例として、超音波物体計測装置が特許文献１に記載されている。この特許文献１に記載の超音波物体計測装置は、トーンバースト波発生器から発生するトーンバースト波に、周波数拡散変調器で疑似雑音信号発生器からの疑似雑音信号によって周波数拡散変調を施して送信する。

反射波を受信して周波数拡散信号復調器で復調した信号と、周波数拡散を行う場合に用いた疑似雑音信号との相互相関を相互相関器で得る。さらに相関度合検出器９で得られる相関度合から、物体での反射信号の受信の有無を判定し、さらに距離を計測する。

また、複数の疑似雑音信号を順次切り替えて区別した周波数拡散変調信号を用いて送信トーンバースト波を送出し、複数のトーンバースト波を区別判別する。

特開平７−１０４０６３号公報

柏木濶著「Ｍ系列とその応用」（１９９６年３月２５日，昭晃堂）

超音波発信源から送信される超音波信号は、人に聞こえない可聴帯域以上の周波数が用いられるため、少なくとも２０ｋＨｚ以上であることが必要である。この周波数帯域の信号を十分な音圧で発生させる手段としては、小型高剛性の振動板を電磁的に振動駆動する、いわゆるスピーカーが知られている。しかしながら、小型化が困難なこと、電流駆動であるため消費電力が大きいことなどから小型の移動体に実装することは困難である。そのため、超音波発信源として電圧駆動である圧電素子が広く用いられている。

この圧電素子は、電圧駆動型であるため一般的に消費電力が小さいが、十分な音圧を確保するためには音響インピーダンスの低い共振体と組み合わせて用いられることが多い。しかしながら、共振現象を利用した場合、一定の位相・周波数・ゲインで超音波を発信できるが、それ以外の周波数での送信ゲインはかなり低く、周波数拡散変調といった広帯域の周波数特性を有する変調方式を利用することが困難である。

また、単独の圧電素子においても機械的なＱが高く残留振動が長引くため、変調方式の如何を問わず変調波に正確に追従した超音波を発信することが困難である。

このような超音波の送信機に残留振動が多い送信源を用いた場合、もしくは周波数拡散変調された超音波の送受信に必要な周波数帯域に比べ送信源の帯域が不足する場合に、理想的な変調波を送信することが難しいため、非疑似雑音のため生じる副次的な相関ピークを抑制することが難しいという問題点がある。

（発明の目的）
本発明の目的は、送信機から送出される超音波を、受信機で受信しその超音波の伝搬時間を測定し、送受信機間の距離もしくは送信機の位置を検出するシステムにおいて、各測定周期で、それ以前に周期に送信された超音波の反射波の影響を低減し、最も先に到達する直接波の伝搬時間を正確に測定することができる位置検出システム、送信装置、受信装置、位置検出方法、位置検出プログラムを提供することにある。

本発明による位置検出システムは、自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づき変調された超音波信号を送出する送信部を含む移動体と、超音波信号を受信し、擬似ランダム信号と同じ擬似ランダム信号により変調された超音波のモデル波形を生成し、受信した超音波信号との間で相関値を求め、該超音波信号が該擬似ランダム信号モデル波形と部分的に一致したときに現れる相関値の副次ピークが小さいほうから対応する擬似ランダム信号を複数選択する受信部とを含み、送信部は、電磁波信号と、選択された擬似ランダム信号に基づき変調された超音波信号とを同時に送出する手段を含み、受信部は、該超音波信号と擬似ランダム信号により変調された超音波モデル波形との間で相関処理を実行することにより超音波信号の到達時間を特定し、電磁波信号の到着時点と特定された到達時間とから超音波の伝搬時間を算出する手段と、算出した超音波伝播時間と超音波受信手段相互の間隔長に基づいて、移動体の位置を算出する手段とを含み、送信部は、送信周期毎に異なる擬似ランダム信号を使用する。

本発明による送信装置は、送信装置から送信される超音波信号を受信装置で受信して送信装置の位置を検出する位置検出システムの送信装置であって、自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づき変調された第１の超音波信号を送出する手段と、送信タイミングを表す電磁波信号と、受信装置で選択された擬似ランダム信号に基づき変調された第２の超音波信号とを同時に送出する手段を含み、送信周期毎に異なる擬似ランダム信号を使用する。

本発明による受信装置は、送信装置から送信される超音波信号を受信装置で受信し送信装置の位置を検出する位置検出システムの受信装置であって、送信装置から送信される自己相関性の高い擬似ランダム系列のデータにより変調された第１の超音波信号を受信し、擬似ランダム信号と同じ擬似ランダム信号により変調された超音波のモデル波形を生成し、受信した超音波信号との間で相関値を求め、該超音波信号が該擬似ランダム信号モデル波形と部分的に一致したときに現れる相関値の副次ピークが小さいほうから対応する擬似ランダム信号を複数選択する手段と、送信装置から同時に送出される電磁波信号と、受信装置で選択した擬似ランダム信号に基づき変調された第２の超音波信号を受信し、該第２の超音波信号と擬似ランダム信号により変調された超音波モデル波形との間で相関処理を実行することにより超音波信号の到達時間を特定し、電磁波信号の到着時点と特定された到達時間とから超音波の伝搬時間を算出する手段と、算出した超音波伝播時間と超音波受信手段相互の間隔長に基づいて、移動体の位置を算出する手段とを含む。

本発明による位置検出方法は、ａ）自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づき変調された超音波信号を移動体の送信部から送出するステップと、ｂ）受信部で超音波信号を受信し、擬似ランダム信号により変調された超音波のモデル波形を生成し、該モデル波形と受信した超音波信号との間で相関処理を実行し相関波形を検出するステップと、ｃ）異なる擬似ランダム信号について、相関波形を複数検出し、モデル波形と受信超音波信号とが部分的に一致した際に各相関波形に現れる副次ピークが小さいほうから対応する擬似ランダム信号を複数選択するステップと、ｄ）ステップ（ｃ）で選択された擬似ランダム信号に基づき変調された超音波信号と、送信タイミングを表すトリガ信号と該擬似ランダム信号を規定するデータを含む電磁波信号とを一定送信周期毎に同時に移動体から送出するステップと、ｅ）該電磁波信号を受信し該電磁波信号が含む擬似ランダム信号を規定するデータから擬似ランダム信号により変調された超音波モデル波形を生成するステップと、ｆ）超音波信号を受信し、受信した超音波信号とステップ（ｅ）で生成された超音波モデル波形との間で相関値を算出するステップと、ｇ）算出した超音波伝播時間と超音波受信手段相互の間隔長に基づいて、移動体の位置を算出するステップとを含み、ステップ（ｄ）は送信周期毎に異なる擬似ランダム信号を使用する。

本発明による位置検出プログラムは、移動体に備えられた送信装置を構成するコンピュータに、自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づき変調された超音波信号を移動体の送信部から送出する処理を実行させ、受信装置を構成をするコンピュータに、超音波信号を受信し、擬似ランダム信号により変調された超音波のモデル波形を生成し、該モデル波形と受信した超音波信号との間で相関処理を実行し相関波形を検出する処理と、異なる擬似ランダム信号について、相関波形を複数検出し、モデル波形と受信超音波信号とが部分的に一致した際に各相関波形に現れる副次ピークが小さいほうから対応する擬似ランダム信号を複数選択する処理とを実行させ、送信装置を構成するコンピュータに、選択された擬似ランダム信号に基づき変調された超音波信号と、送信タイミングを表すトリガ信号と該擬似ランダム信号を規定するデータを含む電磁波信号とを一定送信周期毎に同時に移動体から送出する処理を実行させ、受信装置を構成をするコンピュータに、該電磁波信号を受信し該電磁波信号が含む擬似ランダム信号を規定するデータから擬似ランダム信号により変調された超音波モデル波形を生成する処理と、超音波信号を受信し、受信した超音波信号と生成された超音波モデル波形との間で相関値を算出する処理と、算出した超音波伝播時間と超音波受信手段相互の間隔長に基づいて、移動体の位置を算出する処理を実行させ、送信装置からの超音波信号の送出において、送信周期毎に異なる擬似ランダム信号を使用する。

本発明によれば、超音波信号の反射波の影響を受けることなく、超音波発信源から最も先に到達する直接波の伝搬時間を正確に算出することが可能となる。

本発明の第１の実施の形態による位置検出システムの送信部と受信部の構成を示すブロック図である。１ビット当たり１周期を割り当てた位相変調により変調された超音波Ｍ系列データの例を示す図である。本発明の第１の実施の形態による位置検出システムの受信部のメモリに格納される受信超音波波形の例を示す図である。本発明の第１の実施の形態による位置検出システムにおけるＭ系列選択モードの送信部の動作を示すフローチャートである。超音波伝搬測定モードの送信部の動作を示すフローチャートである。本発明の第１の実施の形態による位置検出システムにおける受信部の動作を示すフローチャートである。Ｍ系列選択モードにおいてＭ系列が「１０００１００１１０１０１１１」の場合の相関値波形を示す図である。Ｍ系列選択モードにおいてＭ系列が「０００１００１１０１０１１１１」の場合の相関値波形を示す図である。Ｍ系列選択モードにおいてＭ系列が「１００１１０１０１１１１０００」の場合の相関値波形を示す図である。本発明の第１の実施の形態による位置検出システムにおける電子ペンの位置算出方法を２次元で説明する図である。本発明の第１の実施の形態による位置検出システムにおける超音波伝搬時間測定モードにおける受信部２００の動作を示す図である。本発明の第１の実施の形態による位置検出システムにおける送信部と受信部のハードウェア構成例を示す図である。

次に、本発明による第１の実施の形態について図１乃至図１１を参照して詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態による位置検出システムの構成を示すブロック図である。以下の実施の形態においては、本発明による位置検出システムを、電子ペンシステムに適用した場合を説明する。

図１において、本発明の第１の実施の形態による超音波伝搬時間測定を用いる位置検出システムは、送信部１００を装着する可動物体としての電子ペン１０と、電子ペン１０から離れた所定の位置に設置された受信部２００を備える受信装置２０を備えている。本位置検出システムでは、超音波伝搬時間の測定に先立ち使用するＭ系列の選択（以下、Ｍ系列選択モード）を行う。

電子ペン１０の送信部１００は、制御回路１０１、Ｍ系列生成回路１０２、超音波駆動回路１０３、超音波送信機１０４、受信トリガ駆動回路１０５、受信トリガ送信機１０６とを備えている。

Ｍ系列生成回路１０２が生成するＭ系列は特性多項式により生成される系列であり、特性多項式と初期条件を規定することにより得られる。なお、Ｍ系列の詳細は、例えば、非特許文献１（柏木濶著「Ｍ系列とその応用」（１９９６年３月２５日，昭晃堂））に記述されている。例えば、４次の特性多項式f(x) = x⁴ + x + 1により生成される系列長が１５ビットであるデータ列を用いる。初期条件を変更することにより、データの並びが巡回的にシフトした１５通りの異なるデータ列が得られる。

Ｍ系列選択モードにおいて、制御回路１０１は、予め各送信周期で決められた特性多項式に基づきＭ系列の初期条件を決定し、この初期条件を一定の送信周期でＭ系列生成回路１０２と受信トリガ駆動回路１０５に伝達する。

Ｍ系列生成手段１０２は、制御回路１０１から送られた初期条件に従って送信周期毎に異なるＭ系列のコード化されたビット列を生成する。

超音波駆動回路１０３は、Ｍ系列生成手段１０２で生成したこのＭ系列データを超音波変調用の駆動信号として超音波送信機１０４に供給する。

超音波送信機１０４は、超音波駆動回路１０３からの駆動信号を変調信号として超音波を変調しＭ系列変調された超音波信号を空間に送出する。好ましい実施例としては、超音波の変調に位相変調方式が使用される。

一方、制御回路１０１は、トリガパルスの生成を受信トリガ駆動回路１０５に指示し、続いて上述のＭ系列の初期条件をコード化した初期条件データを受信トリガ駆動回路１０５に供給する。

超音波送信機１０４の送信タイミングに同期して、受信トリガ送信機１０６は、この受信トリガ駆動回路１０５の出力により駆動され、受信トリガ信号を電子ペン１０から空間に送出する。この受信トリガ信号は、例えば電磁波信号である赤外線信号として送出する。

後述の如くＭ系列選択モードにおいてはＭ系列が選択される。続く超音波伝搬時間測定モードにおいて、制御回路１０１は、Ｍ系列の特性多項式に基づきＭ系列選択モードにより決定された複数の初期条件の中から、送信周期毎に順番にＭ系列の初期条件を決定し、この初期条件をＭ系列生成回路１０２と受信トリガ駆動回路１０５に伝達する。

Ｍ系列生成手段１０２は、この初期条件に従いＭ系列データを生成する。超音波駆動回路１０３は、このＭ系列データを超音波変調用の駆動信号として超音波送信機１０４に供給する。超音波送信機１０４は、この駆動信号を変調信号として超音波を変調しＭ系列変調された超音波信号を空間に送出する。

図２に、Ｍ系列によりコード化した一例として、Ｍ系列により位相変調された変調波の波形の例を示す。ここでは、一定の周波数の超音波を１５ビットのＭ系列「１０００１００１１０１０１１１」で位相変調された超音波信号の波形を示している。図２に示す波形は、１ビット当たり基本波（例えば４０ｋＨｚ）の１周期を対応させて、「０」の場合は反転位相で、「１」の場合は同相で位相変調したものであり、変調波は基本波１５周期分の長さとなっている。

一方、制御回路１０１は、受信トリガ信号の生成を受信トリガ駆動回路１０５に指示し、続いて選択したＭ系列の初期条件データを受信トリガ駆動回路１０５に供給する。

超音波送信機１０４の送信タイミングに同期して、受信トリガ送信機１０６は、この受信トリガ駆動回路１０５の出力により駆動され受信トリガ信号を電子ペン１０から空間に送出する。

受信装置２０の受信部２００は、１つないし複数の超音波受信機２０１と、超音波受信機２０１と対応する１つないし複数のサンプリング回路２０２と、受信トリガ受信機２０３と、検出回路２０４と、メモリ２０５及びデータ処理回路２０６とを備えている。

受信トリガ受信機２０３は、電子ペン１０からの受信トリガ信号を受信し、この受信トリガ信号を電気信号に変換する。

検出回路２０４は、受信トリガ受信機２０３の出力から受信トリガ信号を検出すると、受信トリガ信号の到来時刻をメモリ２０５に格納し、次にＭ系列の初期条件データを検出しこれをメモリ２０５に格納する。

超音波受信機２０１は、電子ペン１０から送信された超音波信号を受信し、この超音波信号をＭ系列コードの電気信号に変換する。

サンプリング回路２０２は、超音波受信機２０１の出力を一定のサンプリング間隔（ΔＴ）でサンプル化し、サンプル化された超音波の波形データを順次メモリ２０５に格納する。また、サンプリング回路２０２では、必要に応じて、ノイズ除去を目的にフィルタ処理を行う。

図３は、１５ビットＭ系列のデータ列「１０００１００１１０１０１１１」により位相変調された超音波を受信した波形の例を示している。ここでは、サンプリング間隔（ΔＴ）を超音波の基本波周期の１／１６としてメモリ２０５に格納された超音波の受信波形を示している。横軸は、受信トリガ信号を受信した時点を「０」とした時刻を示している。基本波の周波数が２０ｋＨｚの超音波を使用した場合、超音波の基本周期は５０μｓｅｃとなり、サンプリング間隔は３．１２５μｓｅｃとなる。メモリ２０５に格納された超音波の受信波形（図３）は、送信された超音波の直接波や反射波、さらにノイズが混合した合成波となる。

データ処理回路２０６は、メモリ２０５に受信トリガ信号の到来時刻を示すデータが格納されると、Ｍ系列の初期条件データを読み出し、この初期条件（必要に応じて更に特性多項式）に基づきＭ系列モデル波形を生成し、メモリ２０５に格納されている超音波受信波形との間で相関処理を行う。

Ｍ系列選択モードの時、受信トリガ信号と超音波信号が繰り返し電子ペン１０から送出される。その際、送信毎に異なるＭ系列が使用される。データ処理回路２０６は、受信毎に超音波のＭ系列モデル波形との相関度を両者の形状が部分的に一致したとき生ずる複数の副次ピークに基づいて使用したＭ系列の最適度をチェックする。最大副次ピークの値が小さいＭ系列ほどの最適度が高く評価される。全Ｍ系列のうち最大副次ピークの値が小さい順に対応するＭ系列を選択する。

超音波伝搬測定モードの時、選択されたＭ系列に基づき生成された受信トリガ信号と超音波信号が送出され相関処理が行われる。データ処理回路２０６は、相関値の最初のピークを検出すると受信トリガ信号の到来時刻からこのピークを検出した時点までの経過時間、即ち電子ペン１０からの受信部２００に至る超音波信号の伝搬時間を算出する。

（実施の形態の動作）
次に、本発明の第１実施の形態における送信部１００の制御回路１０１の動作を図４および図５のフローチャートを参照して説明する。また、受信部２００のデータ処理回路２０６の動作を図６のフローチャートを参照して説明する。

まず、Ｍ系列選択モードの場合について説明する。図４において、制御回路１０１は、互いに異なる複数のＭ系列から任意のＭ系列を選び、選んだＭ系列の初期条件を決定する（ステップ３０１）。

制御回路１０１は、決定した初期条件をＭ系列生成回路１０２へ供給する（ステップ３０２）。

また、制御回路１０１は、Ｍ系列の初期条件を決定すると、受信トリガ駆動回路１０５に対してトリガパルスの生成を受信トリガ駆動回路１０５に指示し、初期条件をコード化した初期条件データを供給する（ステップ３０３）。

Ｍ系列生成回路１０２は、制御回路１０１が設定した初期条件に基づきＭ系列データを生成し（ステップ３０４）、超音波駆動回路１０３に供給する。

超音波駆動回路１０３は、Ｍ系列生成回路１０２から供給されたＭ系列データから超音波を変調するための駆動信号（変調信号）を生成する（ステップ３０５）。

受信トリガ駆動回路１０５は、制御回路１０１からのトリガパルスの生成指示により受信トリガ駆動信号を生成する（ステップ３０６）。

ステップ３０３と３０４で両駆動信号が生成されると、受信トリガ送信機１０６と超音波送信機１０４は、受信トリガ駆動回路１０５と超音波駆動回路１０３の出力によりそれぞれ同時に駆動され、受信トリガ信号とＭ系列により変調された超音波信号を電子ペン１０から空間に送出する（ステップ３０７）。

ステップ３０７が実行されると、制御回路１０１は判定ステップ３０８で全てのＭ系列初期条件をチェックしたか否かを判定する。全Ｍ系列の送信が終了していなければ、制御回路１０１は、ステップ３０１に戻り次のＭ系列の初期条件を設定する。

従って、全Ｍ系列の送信が終了するまで、ステップ３０１から３０７が順次実行され、異なるＭ系列により変調された複数の超音波信号が順次送出される。

そして、各超音波信号の送出と同時に、これらのＭ系列の初期条件をコード化した初期条件データとトリガパルスにより変調された複数の受信トリガ信号が順次送出される。図２に示す１５ビットＭ系列で位相変調された超音波信号の場合、ステップ３０１から３０７の処理が１５回繰り返され１５種類のＭ系列データがチェックされる。

全Ｍ系列の送信が終了すると（ステップ３０８）、全Ｍ系列のうち使用するＭ系列を選択する（ステップ３０９）。

次に、超音波伝搬時間測定モードの場合について説明する。図５において、まず、制御回路１０１は、電子ペン１０が動作を開始すると（ステップ３１１）、Ｍ系列選択モードで選択されたＭ系列に対応するＭ系列の初期条件の中から送信周期毎に順次１つを決定し（ステップ３１２）、決定した初期条件をＭ系列生成回路１０２へ供給する（ステップ３１３）。

また、制御回路１０１は、Ｍ系列初期条件を決定すると、トリガパルスとＭ系列初期条件データを受信トリガ駆動回路１０５に供給し、受信トリガ信号の生成を指示する（ステップ３１４）。

Ｍ系列生成回路１０２は、供給された初期条件に基づきＭ系列データを生成し（ステップ３１５）、超音波駆動回路１０３に供給する。

超音波駆動回路１０３は、Ｍ系列生成回路１０２から供給されたＭ系列データから超音波を変調するための駆動信号（変調信号）を生成する（ステップ３１６）。

また、受信トリガ駆動回路１０５は、受信トリガ駆動信号を生成する（ステップ３１７）。

ステップ３１６と３１７で両駆動信号が生成されると、受信トリガ送信機１０６と超音波送信機１０４は受信トリガ駆動回路１０５と超音波駆動回路１０３の出力によりそれぞれ同時に駆動され、受信トリガ信号とＭ系列により変調された超音波信号を電子ペン１０から空間に送出する（ステップ３１８）。

ステップ３１８が実行されると、制御回路１０１は送信周期を決定するタイマーを駆動する（ステップ３１９）。制御回路１０１は次の送信時点を検出すると（ステップ３２０）、電子ペン１０の動作が終了したか否かを判定し（ステップ３２１）、動作中であれば、制御回路１０１はステップ３１２に戻り、次の送信周期の開始時点で再びＭ系列の初期条件を決定し、上述の動作を繰り返す。

電子ペン１０の動作が終了した場合、制御回路１０１はステップ３２１からステップ３１１に戻る。

受信部２００において、データ処理回路２０６が図６のフローチャートによる処理を実行する前に、サンプリング回路２０２は、超音波受信機２０１が受信した超音波信号を一定のサンプリング間隔でサンプル化し、サンプル化した超音波波形データをメモリ２０５に格納する。一方、検出回路２０４は、受信トリガ受信機２０３が受信した受信トリガ信号からトリガ検出信号とＭ系列初期条件データを検出し、メモリ２０５に格納する。

データ処理回路２０６は、トリガ検出信号をメモリ２０５から読出すと、サンプリングカウンタの値「ｔ」（サンプリング時刻）を「０」に設定する（ステップ４０１）。

Ｍ系列初期条件をメモリに格納されている初期条件に設定し（ステップ４０２）、この初期条件に基づき図２にあるような位相変調によるＭ系列モデル波形を生成する（ステップ４０３）。データ処理回路２０６は、Ｍ系列選択中であれば（ステップ４０４）、相関開始時点（t_s）を設定し（ステップ４０５）、相関値算出ステップ４０６に進む。

ステップ４０６において、まずＮ個の受信超音波波形データがメモリ２０５から読み出され、ステップ４０３で生成されたモデル波形との間で相関計算が実行され、下記の式（１）に基づき相関値Ｃ（ｔ）が算出されメモリに格納される。

式１において、ｉは整数値でサンプリング時刻を変数であり、Ｎはモデル波形のサンプリング数、ｒ（ｉ）はサンプリング時刻ｉのモデル波形の値、ｆ（ｉ＋ｔ）はサンプリング時刻（ｉ＋ｔ）の受信波形の値である。

相関処理開始から所定時間が経過したか否かが判定され（ステップ４０７）、経過していなければステップ４０８でサンプリング時刻ｔを単位量１だけ進ませステップ４０６に戻る。この相関計算は、所定時間が経過するまで実行されメモリ２０５に複数の相関値が格納される。

相関開始から所定時間が経過すると、Ｍ系列選択中であるか否かが判定され（ステップ４０９）、Ｍ系列選択中であれば、メモリ２０５に格納されている相関値から最大の相関値（一次ピーク）を検出しその発生時点を超音波到達時点 (t_e)として設定する（ステップ４１０）。

ステップ４１１において、データ処理回路２０６は、下記の式（２）に基づき相関開始時点から超音波到達時点の直前に至る期間、即ち、

における最大の相関値を検出する。

ここで、P(n)はあるＭ系列の初期条件nの超音波到達時点以前の期間(

)の相関値C(t)の最大値を表す。例えば、この期間は到来した超音波の形状がモデル波形と部分的に一致する期間であり、この結果現れる相関値を副次ピークと称する。t_sおよびt_eは限定するものではなく、任意に定めてもよい。検出された最大副次ピークはメモリ２０５に格納される。

次に、メモリ２０５に格納された超音波データと全相関値はステップ４１２で消去され、次回到来する超音波データ、トリガ検出信号、Ｍ系列初期条件データを格納するための準備をする。

データ処理回路２０６は、全Ｍ系列の選択を終了したか否かを判定し（ステップ４１３）、終了していなければステップ４０１に戻り、次の受信トリガ信号と超音波信号の到来を検出するためメモリ２０５を監視し、トリガ検出信号を読出す。

全Ｍ系列の選択が終了していれば、データ処理回路２０６はステップ４１４に進み、メモリ２０５に格納されている全副次ピークのなかから副次ピークの小さい順に、それに対応するＭ系列を使用するＭ系列として選択し、Ｍ系列選択モードを終了しステップ４０１に戻る。

本発明の他の実施の形態として、送信側の制御回路１０１でＭ系列初期条件を決定すると予め設定されている特性多項式により自動的にＭ系列のビット列が決定されるが、Ｍ系列のビット配列を変更せずに１ビットシフトした配列になるようにしてもよい。

図７は、上記の超音波受信波形と図２の１５ビットＭ系列モデル波形との相関値を示し、ステップ４１０において最大副次ピークが矢印の点で検出されたことを示す。

図８は、図２の１５ビットＭ系列において１ビット分シフトした１５ビットＭ系列のデータ列、即ち「０００１００１１０１０１１１１」により位相変調した超音波を用いた場合の相関値を示し最大副次ピークが矢印の点で検出されたことを示す。

図９は、１５ビットＭ系列のデータ列「１００１１０１０１１１１０００」により位相変調した超音波を用いた場合の相関値を示し最大副次ピークが矢印の点で検出されたことを示す。

図７から図９において、いずれもトリガパルスを受信した時点を「０」とし、サンプリング間隔は３．１２５μｓｅｃである。送信部１００と受信部２００が一定距離に保たれている限り超音波到達時点における相関値ピーク（主ピーク）は同一の時刻に現れる。

超音波信号は伝搬距離により減衰するため、受信部２００で何周期前までの超音波信号を受信する可能性があるかを考慮して必要なＭ系列の個数を設定する必要がある。

例えば、３周期前までの超音波信号を受信する可能性がある場合、最低でも４通りの異なるＭ系列が得られるようにしなければならないし、１周期前までの超音波信号を受信する可能性がある場合は、最低でも２通りの異なるＭ系列が得られるようにしなければならない。２通りの異なるＭ系列を選択する場合、図７から図９では最大副次ピークが小さいＭ系列「０００１００１１０１０１１１１」および「１００１１０１０１１１１０００」が使用するＭ系列として選択される。

更に、本発明のさらに他の実施の形態として、異なる複数のＭ系列に対応して複数の異なる符号（またはインデックス）を割り当て、これらの符号とそれぞれを対応するＭ系列の初期条件と特性多項式に関連付けしたマッピングテーブルを受信部２００に備えることも可能である。

Ｍ系列選択モードの時、送信部１００は１つのＭ系列を送信する際このＭ系列に割り当てられた符号（インデックス）を受信トリガ信号により送信し、受信部２００は前記マッピングテーブルを参照し受信した符号に関連付けされたＭ系列初期条件と特性多項式を読み出す。

この方法により、少ない情報量でＭ系列初期条件と特性多項式を受信側に伝達することができる。マッピングテーブルに対応して、異なるＭ系列のビット列を割り当てても構わない。

上述のように決定されたＭ系列の初期条件は、送信部１００の制御回路１０１に設定され、超音波伝搬時間測定モードで使用される。従って、送信部１００は設定された複数のＭ系列を送信周期毎に巡回的に変更し、そのＭ系列に基づき受信トリガ信号と超音波信号を生成し受信部２００に送出する。

超音波伝搬時間測定モードにおいて、選択されたＭ系列の基づき生成された受信トリガ信号と超音波信号が送信部１００から送出されると、データ処理回路２０６は、ステップ４０１でトリガ検出信号をメモリ２０５から読出し、ステップ４０２でＭ系列初期条件をメモリに格納されている初期条件に設定し、Ｍ系列モデル波形を生成する（ステップ４０３）。

Ｍ系列選択モードでないため、データ処理回路２０６は、ステップ４０５を飛び越しステップ４０６に進み、前述のように１サンプル分のＭ系列超音波データをメモリ２０５から読出し、ステップ４０３で生成されたＭ系列モデル波形との間で相関計算を実行し、式（１）に基づき相関値C(t)を算出しメモリ２０５に格納する。

データ処理回路２０６は、所定時間が経過するまでステップ４０６を実行し、ステップ４０７からステップ４０９に進む。ステップ４０９では、既にＭ系列選択モードを終了しているので、ステップ４１５からの処理が実行される。

ステップ４１５において、データ処理回路２０６は、所定時間内に算出された全相関値から副次ピークの値より大きな所定値以上の相関値を選択し、この中から先頭ピークを検出する。

先頭ピークを検出した時点のサンプリング時刻(t_f)を先頭ピーク検出時点として設定し（ステップ４１６）、超音波伝搬時間(t_f
× ΔT)算出する（ステップ４１７）。次に、ステップ４１８で全てのデータをメモリ２０５から消去する。

以下、上述ように測定された超音波伝播時間から移動体である電子ペン１０の位置を検出するデータ処理回路２０６による処理の例について説明する。

図１０は、電子ペン１０と超音波受信機２０１−１、２０１−２との位置算出方法を２次元で示す図である。図１０において、Ｐは電子ペン１０の描画可能範囲上のｘ−ｙ座標における位置座標値（ｘ，ｙ）、Ｓ１、Ｓ２はそれぞれ超音波受信部２０１−１、２０１−２の位置を示している。

また、ｄ１は電子ペン１０から超音波受信機２０１−１までの距離、ｄ２は電子ペン１０から超音波受信機２０１−２までの距離である。Ｄは超音波受信機２０１−１、２０１−２の中央をｘ−ｙ座標の原点とした場合の原点からの距離である。また、αは電子ペン１０と超音波受信機２０１−１とを結ぶ直線がｘ軸となす角度を示している。

ここで、超音波受信機２０１−１と２０１−２で受信した超音波信号に基づいて算出した超音波伝搬時間をそれぞれｔ１、ｔ２とし、また、音速をＡとする。

距離ｄ１、ｄ２は、ｄ１＝Ａ×ｔ１、ｄ２＝Ａ×ｔ２として算出することができる。超音波受信機２０１−１と２０１−２間の間隔長（２Ｄ）と距離ｄ１、ｄ２の間には、図１０に示す関係が成立していることから、電子ペン１０の位置（ｘ、ｙ）を計算により求めることができる。

また、超音波受信機を３個以上にすることで、３次元上の位置を特定することも可能である。

図１１は、超音波伝搬時間測定モードにおける受信部２００の動作を説明する図である。各測定周期で直接波の他に前の周期の反射波も受信しているが、副次ピークが小さいＭ系列超音波を使用することで、前の周期の反射波と今回の周期のＭ系列モデル波形との相互相関値のピークと副次ピークが重なっても直接波のピークを検知することが可能になる。

一方、Ｍ系列選択モードにおいて、受信装置２０において、受信トリガ信号と超音波信号を受信する毎に、超音波信号に使用する全てのＭ系列モデル波形との相関値をそれぞれ求め、異なるＭ系列間の相互相関値をチェックする。その際、相互相関値のピークの値が小さいＭ系列データほど高く評価し、全Ｍ系列の相互相関値のピークが小さいほうから、その相互相関値に対するＭ系列の組み合わせを形成するＭ系列（初期条件）を、使用するＭ系列として割り当ててもよい。

さらに、副次ピークの小さいＭ系列のうち、相互相関値が低い組み合わせを選択し、使用するＭ系列として割り当ててもよい。

（第１の実施の形態の効果）
上述した第１の実施の形態によれば、副次ピークが小さいＭ系列超音波を使用することで、前の周期の反射波と今回の周期のＭ系列モデル波形との相互相関値のピークと副次ピークが重なっても直接波のピークを検知することが可能になるので、超音波信号の反射波の影響を受けることなく、超音波発信源から最も先に到達する直接波の伝搬時間を正確に算出することが可能となる。

ここで、電子ペン１０の送信部１００及び受信装置２０の受信部２００のハードウェア構成例について、図１２を参照して説明する。

図１２を参照すると、送信部１００及び受信部２００は、一般的なコンピュータ装置と同様のハードウェア構成によって実現することができ、ＣＰＵ（Central Processing Unit）４０１、ＲＡＭ（Random Access Memory）等のメインメモリであり、データの作業領域やデータの一時退避領域に用いられる主記憶部４０２、電磁波信号と超音波信号の送信機と受信機として機能する通信部４０３、入力装置４０５、出力装置４０６及び記憶装置４０７と接続してデータの送受信を行う入出力インタフェース部４０４、上記各構成要素を相互に接続するシステムバス４０８を備えている。記憶装置４０７は、例えば、ＲＯＭ（Read
Only Memory）、磁気ディスク、半導体メモリ等の不揮発性メモリから構成されるハードディスク装置等で実現される。

本実施の形態による位置検出システムは、コンピュータに、図１に示す各手段の機能を実現する位置検出プログラムを組み込んだ、ＬＳＩ（Large Scale Integration）等のハードウェア部品である回路部品を実装することにより、その動作をハードウェア的に実現することは勿論として、位置検出プログラムを、記憶装置４０７に格納し、そのプログラムを主記憶部４０２にロードしてＣＰＵ４０１で実行することにより、ソフトウェア的に実現することも可能である。

以上、好ましい実施の形態と実施例をあげて本発明を説明したが、本発明は必ずしも、上記実施の形態及び実施例に限定されるものでなく、その技術的思想の範囲内において様々に変形して実施することができる。

上記各実施の形態では、本発明を電子ペンシステムに適用した場合について説明したが、ロボットシステムへ適用することが可能である。送信装置をロボットへ設置し、受信装置をある空間の天井や壁に設置することでロボットの空間内の位置を検出することができる。空間内のロボットの位置を把握することでロボットを制御し衝突回避といった用途に使用可能である。

一方、送信装置を人間等に装着し、受信装置をある空間の天井や壁に設置することで、空間内での動線検出や位置追跡といった用途にも適用することができる。

これまでは、Ｍ系列による変調について述べたが、例えばＧｏｌｄ系列のように、自己相関性が高く、他の系列との相互相関が低い擬似ランダム信号であれば、Ｍ系列に限定するものではない。

この出願は、２００８年７月２５日に出願された日本出願特願２００８−１９１８８０を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims

自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づき変調された超音波信号を送出する送信部を含む移動体と、
前記超音波信号を受信し、前記擬似ランダム信号と同じ擬似ランダム信号により変調された超音波のモデル波形を生成し、受信した超音波信号との間で相関値を求め、該超音波信号が該擬似ランダム信号モデル波形と部分的に一致したときに現れる相関値の副次ピークが小さいほうから対応する前記擬似ランダム信号を複数選択する受信部とを具備し、
前記送信部は、
電磁波信号と、前記選択された擬似ランダム信号に基づき変調された超音波信号とを同時に送出する手段を備え、
前記受信部は、
該超音波信号と前記擬似ランダム信号により変調された超音波モデル波形との間で相関処理を実行することにより前記超音波信号の到達時間を特定し、前記電磁波信号の到着時点と特定された到達時間とから超音波の伝搬時間を算出する手段と、
算出した前記超音波伝播時間と超音波受信手段相互の間隔長に基づいて、前記移動体の位置を算出する手段とを備え、
前記送信部は、送信周期毎に異なる擬似ランダム信号を使用することを特徴とする位置検出システム。
前記擬似ランダム信号が、Ｍ系列であることを特徴とする請求項１に記載の位置検出システム。
前記送信部が、
互いに異なる複数のＭ系列から選択した任意のＭ系列を規定するデータに基づき生成されたＭ系列データによって変調された超音波信号と、前記Ｍ系列を規定するデータを含む電磁波信号を送出することを特徴とする請求項２に記載の位置検出システム。
前記送信部が、
送信タイミングとＭ系列を規定するデータを送信周期毎に決定し、該送信タイミングを表すトリガ信号と該Ｍ系列を規定するデータを含む電磁波信号を空間に送出する電磁波送信手段と、
前記送信周期毎に決定されるＭ系列を規定するデータに基づきＭ系列波形を生成し、Ｍ系列波形の超音波信号を前記電磁波信号と同時に空間に送出する超音波送信手段を備え、
前記受信部が、
送出された前記超音波信号を受信し、Ｍ系列波形を出力する超音波受信手段と、
受信した前記電磁波信号から前記トリガ信号と前記Ｍ系列を規定するデータを検出する検出手段と、
前記検出手段により検出した前記Ｍ系列を規定するデータと前記超音波受信手段が出力したＭ系列波形を格納する記憶回路と、
前記記憶回路からＭ系列を規定するデータを読み出し、Ｍ系列モデル波形を生成し、格納されたＭ系列データを順次読み出し該Ｍ系列モデル波形との間で相関値を算出し、算出された相関値の最初の相関ピーク値を検出し、前記トリガ信号を受信した時点と該相関ピーク値の検出時点とから超音波伝搬時間を決定すると共に、前記超音波伝播時間と超音波受信手段相互の間隔長に基づいて、前記移動体の位置を算出するデータ処理回路を備えることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の位置検出システム。
前記電磁波信号が含むＭ系列を規定するデータが、Ｍ系列初期条件データであることを特徴とする請求項２から請求項４の何れかに記載の位置検出システム。
前記電磁波信号が含むＭ系列を規定するデータが、Ｍ系列の特性多項式と初期条件データとあることを特徴とする請求項２から請求項４の何れかに記載の位置検出システム。
前記超音波信号をＭ系列データにより位相変調することを特徴とする請求項２から請求項６の何れかに記載の位置検出システム。
前記電磁波信号として赤外線を送信することを特徴とする請求項１から請求項７の何れかに記載の位置検出システム。
前記移動体が電子ペンであることを特徴とする請求項１から請求項８の何れかに記載の位置検出システム。
前記移動体がロボットであることを特徴とする請求項１から請求項８の何れかに記載の位置検出システム。
送信装置から送信される超音波信号を受信装置で受信して前記送信装置の位置を検出する位置検出システムの前記送信装置であって、
自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づき変調された第１の超音波信号を送出する手段と、
送信タイミングを表す電磁波信号と、前記受信装置で選択された擬似ランダム信号に基づき変調された第２の超音波信号とを同時に送出する手段を備え、
送信周期毎に異なる擬似ランダム信号を使用することを特徴とする送信装置。
前記擬似ランダム信号が、Ｍ系列であることを特徴とする請求項１１に記載の送信装置。
互いに異なる複数のＭ系列から選択した任意のＭ系列を規定するデータに基づき生成されたＭ系列データによって変調された超音波信号と、前記Ｍ系列を規定するデータを含む電磁波信号を送出することを特徴とする請求項１２に記載の送信装置。
前記電磁波信号が含むＭ系列を規定するデータが、Ｍ系列初期条件データであることを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載の送信装置。
前記電磁波信号が含むＭ系列を規定するデータが、Ｍ系列の特性多項式と初期条件データとあることを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載の送信装置。
前記超音波信号をＭ系列データにより位相変調することを特徴とする請求項１２から請求項１５の何れかに記載の送信装置。
前記電磁波信号として赤外線を送信することを特徴とする請求項１１から請求項１６の何れかに記載の送信装置。
送信装置から送信される超音波信号を受信装置で受信し前記送信装置の位置を検出する位置検出システムの前記受信装置であって、
前記送信装置から送信される自己相関性の高い擬似ランダム系列のデータにより変調された第１の超音波信号を受信し、前記擬似ランダム信号と同じ擬似ランダム信号により変調された超音波のモデル波形を生成し、受信した超音波信号との間で相関値を求め、該超音波信号が該擬似ランダム信号モデル波形と部分的に一致したときに現れる相関値の副次ピークが小さいほうから対応する前記擬似ランダム信号を複数選択する手段と、
前記送信装置から同時に送出される電磁波信号と、前記受信装置で選択した擬似ランダム信号に基づき変調された第２の超音波信号を受信し、該第２の超音波信号と前記擬似ランダム信号により変調された超音波モデル波形との間で相関処理を実行することにより前記超音波信号の到達時間を特定し、前記電磁波信号の到着時点と特定された到達時間とから超音波の伝搬時間を算出する手段と、
算出した前記超音波伝播時間と前記超音波受信手段相互の間隔長に基づいて、前記移動体の位置を算出する手段と
を備えることを特徴とする受信装置。
前記擬似ランダム信号が、Ｍ系列であることを特徴とする請求項１８に記載の受信装置。
前記送信装置から、互いに異なる複数のＭ系列から選択した任意のＭ系列を規定するデータに基づき生成されたＭ系列データによって変調された超音波信号と、前記Ｍ系列を規定するデータを含む電磁波信号を受信することを特徴とする請求項１９に記載の受信装置。
前記電磁波信号が含むＭ系列を規定するデータが、Ｍ系列初期条件データであることを特徴とする請求項１９又は請求項２０に記載の受信装置。
前記電磁波信号が含むＭ系列を規定するデータが、Ｍ系列の特性多項式と初期条件データとあることを特徴とする請求項１９又は請求項２０に記載の受信装置。
前記超音波信号をＭ系列データにより位相変調することを特徴とする請求項１９から請求項２２の何れかに記載の受信装置。
前記電磁波信号として赤外線を送信することを特徴とする請求項１８から請求項２３の何れかに記載の受信装置。
ａ）自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づき変調された超音波信号を移動体の送信部から送出するステップと、
ｂ）受信部で前記超音波信号を受信し、前記擬似ランダム信号により変調された超音波のモデル波形を生成し、該モデル波形と受信した超音波信号との間で相関処理を実行し相関波形を検出するステップと、
ｃ）異なる擬似ランダム信号について、前記相関波形を複数検出し、前記モデル波形と受信超音波信号とが部分的に一致した際に各相関波形に現れる副次ピークが小さいほうから対応する前記擬似ランダム信号を複数選択するステップと、
ｄ）前記ステップ（ｃ）で選択された擬似ランダム信号に基づき変調された超音波信号と、送信タイミングを表すトリガ信号と該擬似ランダム信号を規定するデータを含む電磁波信号とを一定送信周期毎に同時に前記移動体から送出するステップと、
ｅ）該電磁波信号を受信し該電磁波信号が含む擬似ランダム信号を規定するデータから前記擬似ランダム信号により変調された超音波モデル波形を生成するステップと、
ｆ）前記超音波信号を受信し、受信した超音波信号とステップ（ｅ）で生成された前記超音波モデル波形との間で相関値を算出するステップと、
ｇ）算出した前記超音波伝播時間と前記超音波受信手段相互の間隔長に基づいて、前記移動体の位置を算出するステップとを含み、
ステップ（ｄ）は送信周期毎に異なる擬似ランダム信号を使用することを特徴とする位置検出方法。
前記擬似ランダム信号がＭ系列であることを特徴とする請求項２５に記載の位置検出方法。
前記送信部が、
互いに異なる複数のＭ系列から選択した任意のＭ系列を規定するデータに基づき生成されたＭ系列データによって変調された超音波信号と、前記Ｍ系列を規定するデータを含む電磁波信号を送出することを特徴とする請求項２６に記載の位置検出方法。
前記電磁波信号が含むＭ系列を規定するデータが、Ｍ系列初期条件データであることを特徴とする請求項２６又は請求項２７に記載の位置検出方法。
前記電磁波信号が含むＭ系列を規定するデータが、Ｍ系列の特性多項式と初期条件データとあることを特徴とする請求項２６又は請求項２７に記載の位置検出方法。
前記超音波信号をＭ系列データにより位相変調することを特徴とする請求項２６から請求項２９の何れかに記載の位置検出方法。
前記電磁波信号として赤外線を送信することを特徴とする請求項２５から請求項３０の何れかに記載の位置検出方法。
前記移動体が電子ペンであることを特徴とする請求項２５から請求項３１の何れかに記載の位置検出方法。
前記移動体がロボットであることを特徴とする請求項２５から請求項３１の何れかに記載の位置検出方法。
移動体に備えられた送信装置を構成するコンピュータに、
自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づき変調された超音波信号を移動体の送信部から送出する処理を実行させ、
受信装置を構成をするコンピュータに、
前記超音波信号を受信し、前記擬似ランダム信号により変調された超音波のモデル波形を生成し、該モデル波形と受信した超音波信号との間で相関処理を実行し相関波形を検出する処理と、
異なる擬似ランダム信号について、前記相関波形を複数検出し、前記モデル波形と受信超音波信号とが部分的に一致した際に各相関波形に現れる副次ピークが小さいほうから対応する前記擬似ランダム信号を複数選択する処理とを実行させ、
前記送信装置を構成するコンピュータに、
選択された擬似ランダム信号に基づき変調された超音波信号と、送信タイミングを表すトリガ信号と該擬似ランダム信号を規定するデータを含む電磁波信号とを一定送信周期毎に同時に前記移動体から送出する処理を実行させ、
前記受信装置を構成をするコンピュータに、
該電磁波信号を受信し該電磁波信号が含む擬似ランダム信号を規定するデータから前記擬似ランダム信号により変調された超音波モデル波形を生成する処理と、
前記超音波信号を受信し、受信した超音波信号と生成された前記超音波モデル波形との間で相関値を算出する処理と、
算出した前記超音波伝播時間と前記超音波受信手段相互の間隔長に基づいて、前記移動体の位置を算出する処理を実行させ、
前記送信装置からの前記超音波信号の送出において、送信周期毎に異なる擬似ランダム信号を使用することを特徴とする位置検出プログラム。
前記擬似ランダム信号がＭ系列であることを特徴とする請求項３４に記載の位置検出プログラム。
前記送信装置を構成するコンピュータが、
互いに異なる複数のＭ系列から選択した任意のＭ系列を規定するデータに基づき生成されたＭ系列データによって変調された超音波信号と、前記Ｍ系列を規定するデータを含む電磁波信号を送出することを特徴とする請求項３５に記載の位置検出プログラム。
前記電磁波信号が含むＭ系列を規定するデータが、Ｍ系列初期条件データであることを特徴とする請求項３５又は請求項３６に記載の位置検出プログラム。
前記電磁波信号が含むＭ系列を規定するデータが、Ｍ系列の特性多項式と初期条件データとあることを特徴とする請求項３５又は請求項３６に記載の位置検出プログラム。
前記超音波信号をＭ系列データにより位相変調することを特徴とする請求項３５から請求項３８の何れかに記載の位置検出方法。
前記電磁波信号として赤外線を送信することを特徴とする請求項３４から請求項３９の何れかに記載の位置検出プログラム。
前記移動体が電子ペンであることを特徴とする請求項３４から請求項４０の何れかに記載の位置検出プログラム。
前記移動体がロボットであることを特徴とする請求項３４から請求項４０の何れかに記載の位置検出プログラム。