WO2013088951A1 - 位置測定装置 - Google Patents

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WO2013088951A1
WO2013088951A1 PCT/JP2012/080678 JP2012080678W WO2013088951A1 WO 2013088951 A1 WO2013088951 A1 WO 2013088951A1 JP 2012080678 W JP2012080678 W JP 2012080678W WO 2013088951 A1 WO2013088951 A1 WO 2013088951A1
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WO
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arrival time
candidates
specified
coordinate
wave
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PCT/JP2012/080678
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将之 本田
Original Assignee
株式会社村田製作所
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Publication date
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Priority to JP2013549195A priority patent/JP6032211B2/ja
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO 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
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/02—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
    • G01S15/06—Systems determining the position data of a target
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO 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
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/18—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using ultrasonic, sonic, or infrasonic waves
    • G01S5/30—Determining absolute distances from a plurality of spaced points of known location
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01S15/02—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
    • G01S15/06—Systems determining the position data of a target
    • G01S15/42—Simultaneous measurement of distance and other co-ordinates

Definitions

  • the present invention relates to a position measuring device that measures the position of an object using ultrasonic waves.
  • Non-Patent Document 1 described below describes a position measurement device that measures a distance from an object using ultrasonic waves and calculates a three-dimensional coordinate of the object based on the measured distance.
  • the position measurement apparatus described in Non-Patent Document 1 below transmits ultrasonic waves upward from the ground, and receives reflected waves reflected by the model airplane in flight upward by three receivers.
  • this position measuring device specifies the timing at which the reflected wave is received by each receiver based on the received wave of each receiver. Subsequently, based on the specified timing, the propagation distance until the transmitted ultrasonic wave is reflected by the model airplane and received by each receiver is calculated. And this position measuring device calculates the three-dimensional coordinate of a model airplane based on three propagation distances obtained by each receiver.
  • the received wave contains various noises.
  • ultrasonic waves reflected from objects other than the measurement target object may be included in the received wave as noise.
  • the timing at which the reflected wave is received may be erroneously specified. Therefore, an error occurs when the arrival time from when the ultrasonic wave is transmitted to when it is reflected by the object and reaches the receiver is determined, and the propagation distance calculated using the arrival time includes the error. Further, since the three-dimensional coordinates are calculated using the propagation distances for each of the three receivers, errors of the three propagation distances are superimposed on the calculation result. Therefore, the accuracy of the three-dimensional coordinates obtained as a calculation result is lowered.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and in a position measurement device that measures the three-dimensional coordinates of an object using ultrasonic waves, it is possible to reduce the influence of noise and increase measurement accuracy.
  • An object is to provide a possible position measuring device.
  • a position measuring apparatus is a position measuring apparatus that measures the position of an object using ultrasonic waves, a transmitter that transmits ultrasonic waves, at least three receivers that receive ultrasonic waves, and a receiver.
  • a time specifying unit that specifies, for each receiver, arrival time candidates from when an ultrasonic wave is transmitted to when it is reflected by an object and reaches a receiver based on the received wave received by at least one reception
  • a plurality of three-dimensional data indicating a position of an object based on a time specifying unit that specifies a plurality of arrival time candidates for a device, a arrival time candidate specified by the time specifying unit, and a relative position of a transmitter and a receiver
  • a coordinate calculation unit that calculates a coordinate candidate, and a coordinate specification unit that specifies a three-dimensional coordinate of the object based on a plurality of three-dimensional coordinate candidates calculated by the coordinate calculation unit.
  • a plurality of arrival time candidates from when an ultrasonic wave is transmitted to when it is reflected by an object and reaches the receiver are specified based on the received wave.
  • noise is included in the received wave, so if one arrival time is specified from the received wave, there is a high possibility that an incorrect arrival time is specified due to the influence of noise. That is, there is a high possibility that the arrival time with high accuracy cannot be specified.
  • this invention since several arrival time candidates are specified, possibility that an arrival time with high precision will be specified can be raised.
  • the probability of obtaining a highly accurate three-dimensional coordinate candidate increases. Further, since the three-dimensional coordinates of the object are specified based on the plurality of three-dimensional coordinate candidates, it is possible to improve the possibility of obtaining highly accurate three-dimensional coordinates. Therefore, in the position measurement device that measures the three-dimensional coordinates of an object using ultrasonic waves, it is possible to reduce the influence of noise and increase the measurement accuracy.
  • a storage unit that stores in advance a direct wave that is transmitted from the transmitter, directly reaches the receiver without being reflected by an object and is received by the receiver, and received by the receiver.
  • the time specifying unit specifies the arrival time candidate based on the timing when the peak in the envelope of the reflected wave acquired by the reflected wave acquiring unit occurs.
  • the time specifying unit is based on the timing of a predetermined number of reflected wave peaks generated immediately before and / or immediately after the peak in the reflected wave envelope among the reflected wave peaks. It is preferable to specify arrival time candidates.
  • arrival time candidates are specified for a predetermined number of reflected wave peaks generated immediately before and / or immediately after the envelope peak.
  • the surrounding peak where the envelope peak occurs among the reflected wave peaks may actually indicate the timing when the ultrasonic wave reaches the receiver. ing. Therefore, by specifying arrival time candidates for a predetermined number of reflected wave peaks that occurred immediately before and / or immediately after the peak of the envelope, the influence of noise is reduced, and more accurate arrival time candidates are specified. can do. As a result, the measurement accuracy can be further increased.
  • the transmitter transmits the modulated ultrasonic wave
  • the time specifying unit is configured to obtain a mutual relationship between the reflected wave acquired by the reflected wave acquiring unit and the direct wave stored in the storage unit. It is preferable to calculate a correlation function and identify arrival time candidates based on the cross-correlation function.
  • the time resolution can be improved in specifying the arrival time candidate in the above case. Moreover, the influence of noise can be reduced. Accordingly, it is possible to specify arrival time candidates with higher accuracy and further increase measurement accuracy.
  • the transmitter transmits an ultrasonic wave according to the modulated drive signal
  • the time specifying unit is a cross-correlation function between the reflected wave acquired by the reflected wave acquisition unit and the drive signal. It is preferable to determine arrival time candidates based on the cross-correlation function.
  • the time resolution can be improved in specifying the arrival time candidate in the above case. Moreover, the influence of noise can be reduced. Accordingly, it is possible to specify arrival time candidates with higher accuracy and further increase measurement accuracy.
  • the time specifying unit is used for calculating the propagation distance calculated for each of the specified plurality of arrival time candidates and the three-dimensional coordinates specified by the coordinate specifying unit during the previous processing. It is preferable to determine whether to exclude each of the plurality of arrival time candidates based on the propagation distance.
  • each arrival time candidate is selected based on the propagation distance obtained during the previous processing. For example, if the difference between the propagation distance obtained during the previous processing and the propagation distance of each arrival time candidate specified this time is equal to or greater than a threshold value, the arrival time candidate is excluded. As a result, a propagation distance far from the previous propagation distance can be excluded. Therefore, the measurement accuracy can be further increased.
  • the coordinate calculation unit is configured to use three-dimensional coordinates for all combinations of arrival time candidates selected one by one for each receiver from the plurality of arrival time candidates specified by the time specifying unit. It is preferable to calculate candidates.
  • the coordinate specifying unit selects the coordinate having the closest distance from the three-dimensional coordinate specified at the previous processing among the plurality of three-dimensional coordinate candidates calculated by the coordinate calculating unit. It is preferable to specify it as a dimensional coordinate.
  • the coordinate having the closest distance among the plurality of three-dimensional coordinate candidates is specified as the three-dimensional coordinate of the object.
  • the coordinates closer to the coordinates than the previous three-dimensional coordinates are more likely to be closer to the actual coordinates. Therefore, the most probable coordinates can be specified based on the three-dimensional coordinates obtained at the previous processing. That is, the measurement accuracy can be further increased.
  • the coordinate specifying unit determines the three-dimensional coordinates specified by the current process based on the distance between the three-dimensional coordinates specified by the previous process and the three-dimensional coordinates specified by the current process. It is preferable to determine whether or not to allow.
  • the position measurement device includes a determination unit that determines whether or not the measurement target object exists within the measurement range, and the storage unit determines that the measurement target object does not exist within the measurement range.
  • the received wave received by the receiver when determined is stored as a direct wave.
  • the direct wave can be automatically acquired and stored. Since the sound speed changes depending on the external environment such as the air temperature and the flow velocity of the medium, the timing at which the direct wave reaches the receiver varies depending on the external environment.
  • the direct wave obtained in the environment where a position is actually measured can be memorize
  • the transmitter and the three receivers are arranged on the same plane and are arranged at the positions of the respective vertices of the rectangle.
  • the three-dimensional coordinates can be specified if arrival time candidates in the three receivers are obtained. That is, three or more receivers are not required, and three-dimensional coordinates can be specified by three receivers.
  • the transmitter and the three receivers are respectively arranged at the positions of the respective vertices of the rectangle, the three-dimensional coordinates of the object located in the area including the front and the periphery of the area surrounded by the rectangle are specified. Can do.
  • the position measuring device of the present invention is mounted on a device in which a display is arranged in a region surrounded by a rectangle, the three-dimensional coordinates of the finger moved by the user according to the display on the display can be measured without contact.
  • the position measuring device of the present invention can function as an input device.
  • the present invention in a position measurement device that measures the three-dimensional coordinates of an object using ultrasonic waves, it is possible to reduce the influence of noise and increase measurement accuracy.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of the position measuring apparatus 1.
  • the position measuring device 1 is a device that measures the three-dimensional coordinates of an object using ultrasonic waves. More specifically, the position measurement apparatus 1 includes a transmitter 10 that transmits ultrasonic waves and three receivers 11 to 13 that receive ultrasonic waves. The arrival time until reaching the receivers 11 to 13 is obtained.
  • the position measurement device 1 obtains a plurality of arrival time candidates in consideration of the influence of noise of the received wave.
  • the position measuring apparatus 1 calculates a plurality of three-dimensional coordinate candidates of the object based on a plurality of arrival time candidates of the three receivers 11 to 13, and specifies one coordinate as the three-dimensional coordinate of the object.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a usage pattern of the position measurement apparatus 1.
  • the position measurement device 1 measures the three-dimensional coordinates of the fingertip in a non-contact manner.
  • the position measuring device 1 can measure the finger movement by continuously measuring the three-dimensional coordinates of the fingertip.
  • the transmitter 10 and the three receivers 11 to 13 are arranged on the same plane, and the area including the front of the plane is the measurement range. In the example of FIG. 2, the transmitter 10 and the three receivers 11 to 13 are respectively arranged at the positions of the vertices of the square.
  • the transmitter 10 and the three receivers 11 to 13 are arranged at the positions of the vertices of a square having a side length of about 6 cm, the distance from the plane is within about 10 cm and the side is about 12 cm.
  • the area is the measurement range.
  • the position measuring device 1 can be mounted on a device 100 having a rectangular display 101 so that the position measuring device 1 functions as an input device.
  • a smartphone is shown as an example of the device 100.
  • the smartphone is a portable phone having a display that displays not only characters but also various information such as images.
  • the transmitter 10 and the three receivers 11 to 13 are arranged outside the four corners of the rectangular display 101, respectively.
  • the position measurement apparatus 1 can continuously measure the three-dimensional coordinates of the fingertip of the index finger located within the measurement range in front of the display 101 without contact.
  • the position measuring device 1 functions as a non-contact input device.
  • the signal processing unit 20 includes a transmission signal generation unit 21 and a drive circuit 22 in order to drive the transmitter 10.
  • the transmission signal generation unit 21 generates a drive signal having an ultrasonic frequency and outputs the drive signal to the drive circuit 22.
  • the drive circuit 22 amplifies the input drive signal and supplies it to the transmitter 10.
  • the transmitter 10 includes, for example, a resonator configured using piezoelectric ceramics, and the resonator resonates due to an input drive signal. Thereby, an ultrasonic wave is transmitted.
  • the transmission signal generator 21 outputs a drive signal in a burst manner, and the ultrasonic waves are transmitted in a burst manner by the transmitter 10.
  • the burst cycle is about 10 ms, and after the ultrasonic waves are transmitted for about 0.3 ms, the ultrasonic waves reflected back to the object and received by the receivers 11 to 13 are received until the next cycle.
  • the In FIG. 2, the transmission wave S transmitted from the transmitter 10 is schematically drawn, but the waveform of the transmission wave S actually transmitted from the transmitter 10 has a small amplitude at the start portion and the end portion. . This is because the vibration of the resonator is small immediately after the driving of the transmitter 10 is started. The end portion is due to the reverberation of the resonator remaining after the output of the drive signal is completed.
  • the signal processing unit 20 includes amplifiers / filters 31 to 33 and A / D converters 34 to 36 that function as input interfaces for received signals (received waves) received by the receivers 11 to 13, respectively.
  • Value acquisition units 37 to 39 are provided.
  • the amplifier / filters 31 to 33 are configured by an amplifier circuit, a filter circuit, and the like.
  • the amplifiers / filters 31 to 33 amplify the reception signals received by the receivers 11 to 13, remove signals other than the desired frequency, and output the signals to the A / D converters 34 to 36.
  • a / D converters 34 to 36 convert input analog signals into digital data.
  • the A / D value acquisition units 37 to 39 control the operations of the A / D converters 34 to 36, respectively, and acquire the reception signals converted into digital data by the A / D converters 34 to 36. That is, reception signals indicating reception waves received by the receivers 11 to 13 are acquired by the A / D value acquisition units 37 to 39.
  • the signal processing unit 20 includes an arithmetic processing unit 40 that processes the obtained received wave (reception signal) and calculates the three-dimensional coordinates of the object.
  • the arithmetic processing unit 40, the transmission signal generation unit 21, and the A / D value acquisition units 37 to 39 described above are configured by a CPU, a ROM, a RAM, and the like.
  • the program stored in the ROM is executed by the CPU, the functions of the arithmetic processing unit 40, the transmission signal generation unit 21, and the A / D value acquisition units 37 to 39 are realized.
  • an ASIC, FPGA, DSP, or the like may be used.
  • the arithmetic processing unit 40 functionally includes a storage unit 41, a reflected wave acquisition unit 42, a time specifying unit 43, a coordinate calculating unit 44, and a coordinate specifying unit 45.
  • the storage unit 41 stores a waveform of a direct wave.
  • the direct wave is not reflected by the object but directly reaches the receivers 11 to 13 from the transmitter 10 and is received by the receivers 11 to 13.
  • the storage unit 41 stores direct waves in association with the respective receivers 11 to 13. These three direct waves are stored in the storage unit 41 in advance prior to actual three-dimensional measurement.
  • the reflected wave acquisition unit 42 inputs the reception signals (reception waves) acquired by the A / D value acquisition units 37 to 39. A direct wave and a reflected wave are superimposed on this received wave.
  • the reflected wave is an ultrasonic wave that is transmitted by the transmitter 10, reflected by an object, reaches the receivers 11 to 13, and is received.
  • the reflected wave acquisition unit 42 subtracts the waveform of the direct wave stored in the storage unit 41 from the waveform of each received wave in order to acquire the reflected wave.
  • FIG. 4 is a diagram showing waveforms of a direct wave, a received wave, and a reflected wave obtained in the position measuring apparatus 1.
  • the waveform (a) indicates a direct wave, which is a waveform received by the receiver 11 when there is no reflecting object in the measurement range.
  • the waveform of (b) is a waveform received by the receiver 11 when there is a reflective object to be measured within the measurement range.
  • the waveform of (c) shows the reflected wave of the receiver 11, and is a waveform obtained by subtracting the waveform of (a) from the waveform of (b).
  • the reflected waves from the receivers 12 and 13 are acquired in the same manner.
  • the reflected wave is obtained by subtracting the direct wave from the received wave, the propagation time of the ultrasonic wave reaching the receivers 11 to 13 without being reflected by the object is prevented from being erroneously specified as the arrival time candidate. it can.
  • the time specifying unit 43 specifies arrival time candidates for each of the receivers 11 to 13 based on each reflected wave obtained by the reflected wave acquiring unit 42.
  • the arrival time candidate is a propagation time candidate from when the ultrasonic wave is transmitted by the transmitter 10 until it reaches the receivers 11 to 13 after being reflected by the object.
  • the time specifying unit 43 specifies a plurality of arrival time candidates for each of the three receivers 11 to 13.
  • the arrival time candidates include a candidate identified based on the timing at which the peak of the reflected wave envelope occurs, and a predetermined number of reflected wave peaks generated immediately before and immediately after the envelope peak of the reflected wave peaks. And candidates identified based on the timing of.
  • the specifying method by the time specifying unit 43 will be described.
  • 5A to 5C show reflected waves obtained by the three receivers 11 to 13, respectively.
  • a method for specifying arrival time candidates for the receiver 11 will be specifically described with reference to the waveform of (a).
  • the time specifying unit 43 specifies i peaks (peak1 [i]) that are equal to or higher than a predetermined threshold among the peaks of the envelope of the reflected wave in order from the top.
  • the parameter i 2. That is, peak1 [0] and peak1 [1] are specified. In this way, the peak of the envelope of the reflected wave is specified, and processing is not performed for every peak of the reflected wave, so that the processing load can be reduced.
  • the time specifying unit 43 includes the j reflected wave peaks (peak1m [i] [j]) generated immediately before the envelope peak (peak1 [i]) and the envelope peak (peak1 [i] ]) J peaks of reflected waves (peak1p [i] [j]) generated immediately after.
  • the parameter j 1. That is, peak1m [0] [0], peak1p [0] [0], peak1m [1] [0], and peak1p [1] [0] are specified. This is because the peak around the envelope peak among the reflected wave peaks may actually indicate the timing at which the ultrasonic waves reach the receivers 11-13.
  • the time specifying unit 43 calculates the time from when the ultrasonic wave is transmitted to when the specified peak occurs. This time is the arrival time candidate t 1 for the receiver 11.
  • the arrival time candidate t 1 for the receiver 11.
  • six arrival time candidate t 1 is identified.
  • six arrival time candidates t 2 and t 3 are specified based on the reflected waves in FIGS. 5B and 5C, respectively.
  • Parameters i and j can be set arbitrarily.
  • the arrival time candidates t 1 to t 3 specified by the above processing include those due to the influence of noise. Therefore, the time specifying unit 43 performs a plurality of arrival times for each of the receivers 11 to 13 on the basis of the propagation distance used for the calculation of the three-dimensional coordinates specified at the time of processing before one burst, that is, the previous processing. It is determined whether to exclude each candidate.
  • the receiver 11 will be described in detail.
  • the time specifying unit 43 determines the propagation speed of the receiver 11 used for the calculation of the three-dimensional coordinates specified during the previous process and the sound speeds for the six arrival time candidates t 1. The difference from the propagation distance v ⁇ t 1 obtained by multiplying v is obtained. Then, the time specifying unit 43 excludes the arrival time candidate t 1 the difference is equal to or larger than the threshold d from the candidates.
  • the threshold value d is set depending on the maximum moving speed of the object allowed in the position measuring device 1.
  • the allowable maximum moving speed is set to about 1 m / s and the threshold value d is set to about 10 mm.
  • the time specifying unit 43 determines whether to exclude the six arrival time candidates t 2 and t 3 of the receivers 12 and 13, respectively.
  • the candidates can be narrowed down only to a relatively high arrival time.
  • arrival time candidates are selected at this stage, the amount of subsequent coordinate calculation can be reduced.
  • the coordinate calculation unit 44 uses the arrival time candidates t 1 to t 3 whose difference from the propagation distance at the previous processing is less than the threshold d, that is, based on the selected arrival time candidates t 1 to t 3 .
  • a plurality of three-dimensional coordinate candidates indicating positions are calculated.
  • the three-dimensional coordinates of the transmitter 10 are (0, 0, 0)
  • the receiver 11 is (x 1 , y 1 , 0)
  • the receiver 12 is (x 2 , y 2 , 0)
  • the receiver 13 Is (x 3 , y 3 , 0)
  • the speed of sound is v, the following simultaneous equations (1) hold.
  • the coordinate calculation unit 44 solves the simultaneous equations (1) for all combinations of arrival time candidates selected for each of the receivers 11 to 13 from the plurality of arrival time candidates t 1 to t 3. 3D coordinate candidates are calculated. Thereby, a plurality of three-dimensional coordinate candidates are calculated. The number of all combinations, that is, the number of calculated three-dimensional coordinate candidates is the maximum number when none of the above-described selection processing is excluded. In this case, ((2j + 1) i) three three-dimensional coordinate candidates are calculated.
  • the coordinate specification unit 45 specifies the three-dimensional coordinates of the object based on the plurality of three-dimensional coordinate candidates calculated by the coordinate calculation unit 44.
  • the coordinate specifying unit 45 specifies, as a three-dimensional coordinate of the object, a coordinate having the closest distance to the three-dimensional coordinate specified during the previous processing (one burst before) among a plurality of three-dimensional coordinate candidates. .
  • the plurality of three-dimensional coordinate candidates it is considered that a coordinate closer to the actual coordinate is closer to a coordinate closer to the previous three-dimensional coordinate. Therefore, highly accurate three-dimensional coordinates can be obtained by adopting the above-mentioned standard when continuously measuring the three-dimensional coordinates of an object.
  • the coordinate specifying unit 45 determines whether or not to allow the 3D coordinates specified by the current process based on the distance between the 3D coordinates specified during the previous process and the 3D coordinates specified by the current process. judge. Specifically, the coordinate specifying unit 45 does not allow the measurement result when the distance between the three-dimensional coordinate specified in the previous process and the three-dimensional coordinate specified by the current process is equal to or greater than the threshold value D. , Do not output.
  • the threshold value D the same value as the threshold value d described above can be used. Thereby, when the three-dimensional coordinate which shows the position far from the position of the three-dimensional coordinate obtained at the time of the last process is specified, it can exclude. Therefore, errors in measurement results can be prevented.
  • FIG. 6 is a flowchart showing a processing procedure of arrival time candidate specifying processing. The process of FIG. 6 is repeatedly executed for each burst cycle in which ultrasonic waves are transmitted.
  • the drive signal is output to the drive circuit 22 by the transmission signal generator 21, and the ultrasonic wave is transmitted by the transmitter 10.
  • the transmitted ultrasonic waves are received by the receivers 11 to 13, respectively.
  • the reflected wave is acquired by the reflected wave acquisition unit 42 by subtracting the direct wave stored in the storage unit 41 from the received wave.
  • step S102 for each of the receivers 11 to 13, i peaks of the envelope of the reflected wave are specified, and arrival time candidates are specified based on the peaks.
  • step S103 the peaks before and after the envelope of the reflected wave are also specified, and the arrival time specified based on the peak is added to the candidate.
  • the propagation distance is calculated by multiplying each arrival time candidate by the speed of sound.
  • step S105 it is determined whether or not the propagation distance used for the calculation of the three-dimensional coordinates finally specified in the process before one burst is held.
  • step S106 the propagation distances calculated in step S104 that have a difference from the propagation distance of one burst before the threshold d are excluded.
  • step S106 the arrival time candidates obtained in steps S102 and S103 are selected. In this case, the next three-dimensional coordinate specifying process is performed using the selected arrival time candidates. When all the arrival time candidates are excluded from at least one of the three receivers 11 to 13, a signal indicating that no object is present in the measurement range is output.
  • the arrival time candidate specifying process ends. In this case, the next three-dimensional coordinate specifying process is performed using all arrival time candidates obtained in steps S102 and S103.
  • FIG. 7 is a flowchart showing a processing procedure for specifying the three-dimensional coordinates.
  • the process of FIG. 7 is repeatedly executed by the coordinate calculation unit 44 and the coordinate specification unit 45 for each burst cycle in which arrival time candidates are specified.
  • step S111 three-dimensional coordinate candidates for all combinations of arrival time candidates t 1 to t 3 selected one by one for each of the receivers 11 to 13 from the plurality of arrival time candidates t 1 to t 3. Is calculated.
  • step S112 it is determined whether or not the three-dimensional coordinates finally specified in the process before one burst are held. If not, the process proceeds to step S113.
  • step S113 it is determined whether or not the plurality of three-dimensional coordinate candidates calculated in step S111 have coordinates within the measurement range.
  • step S114 the three-dimensional coordinate data calculated in step S111 is discarded. In this case, a signal indicating that the object does not exist within the measurement range is output.
  • step S115 the 3D coordinate candidate within the measurement range is specified as the 3D coordinate of the object.
  • one coordinate is specified as the three-dimensional coordinate of the object based on a predetermined reference. For example, the coordinate closest to the center coordinate of the measurement range is specified as the three-dimensional coordinate of the object.
  • step S112 when the three-dimensional coordinates finally specified in the process before one burst are held, the process proceeds to step S116.
  • step S116 the coordinate closest to the one-burst previous coordinate among the plurality of three-dimensional coordinate candidates calculated in step S111 is specified as the three-dimensional coordinate of the object.
  • step S117 it is determined whether or not the distance between the coordinates one burst before and the coordinates specified in S116 is equal to or less than a threshold value d. If the distance is greater than the threshold value d, the process proceeds to step S114.
  • step S114 the three-dimensional coordinate data calculated in step S111 is discarded, and a signal indicating that the object does not exist within the measurement range is output.
  • step S117 when the distance between the coordinates one burst before and the coordinates specified in S116 is equal to or less than the threshold value d, the process proceeds to step S118.
  • step S118 the coordinates specified in S116 are finally specified and output as the three-dimensional coordinates of the object.
  • a plurality of arrival time candidates are specified, so that the possibility that the arrival time with high accuracy is included in the candidates can be increased. Since a plurality of three-dimensional coordinate candidates are calculated based on the plurality of specified arrival time candidates, the probability of obtaining a highly accurate three-dimensional coordinate candidate increases. Since the three-dimensional coordinates of the object are specified based on the plurality of three-dimensional coordinate candidates, the possibility of obtaining highly accurate three-dimensional coordinates can be improved. Therefore, in the position measurement device that measures the three-dimensional coordinates of an object using ultrasonic waves, it is possible to reduce the influence of noise and increase the measurement accuracy.
  • arrival time candidates are also specified for a predetermined number of reflected wave peaks generated immediately before and immediately after the envelope peak among the reflected wave peaks. Therefore, the influence of noise can be reduced and a more accurate arrival time candidate can be specified. As a result, the measurement accuracy can be further increased.
  • the arrival time candidate when the difference between the propagation distance obtained during the previous processing and the propagation distance of each arrival time candidate specified this time is equal to or greater than the threshold, the arrival time candidate is excluded.
  • each arrival time candidate is selected based on the propagation distance obtained during the previous process. Therefore, arrival time candidates with a high probability of being erroneous can be excluded. Therefore, the measurement accuracy can be further increased.
  • three-dimensional coordinate candidates are calculated for all combinations of arrival time candidates selected one by one for each of the receivers 11 to 13 from the plurality of arrival time candidates t 1 to t 3. .
  • three-dimensional coordinate candidates are calculated for the number of combinations.
  • the three-dimensional coordinates of the object are specified based on the calculated three-dimensional coordinate candidates. As described above, since the coordinates of the object are specified after listing the three-dimensional coordinate candidates obtained by all combinations of arrival time candidates, it is possible to further improve the measurement accuracy.
  • the coordinate closest to the 3D coordinate specified during the previous process is specified as the 3D coordinate of the object.
  • the coordinate closer to the previous three-dimensional coordinate than the coordinate far from the previous three-dimensional coordinate is considered high. Therefore, the most probable coordinate can be specified from a plurality of three-dimensional coordinate candidates, and the measurement accuracy can be further improved.
  • whether or not the three-dimensional coordinate specified by the current process is acceptable based on the distance between the three-dimensional coordinate specified by the previous process and the three-dimensional coordinate specified by the current process is determined. Determined. Thereby, when the three-dimensional coordinate which shows the position far from the position of the three-dimensional coordinate obtained at the time of the last process is specified, it can exclude. Since the validity of the coordinates obtained in this way is determined, errors in measurement results can be prevented.
  • the fingertip of the index finger is taken as an example of the measurement target.
  • the object other than the measurement target there is a possibility that the ultrasonic wave reflected from the light is included in the received wave (reflected wave) as noise.
  • the propagation distance of the reflected wave with respect to the distance between the transmitter 10 and the receivers 11 to 13 is relatively short, so that the direct wave and the reflected wave are included in the received wave. overlapping.
  • FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of the position measuring device 2.
  • the position measurement apparatus 1 according to the first embodiment described above identifies a plurality of arrival time candidates from the peak of the reflected wave.
  • the position measuring device 2 according to the second embodiment transmits an ultrasonic wave modulated by modulating the drive signal, and a plurality of arrival times based on the cross-correlation function between the reflected wave and the drive signal. Identify candidates.
  • the description of the position measuring device 2 that is the same as the position measuring device 1 described above will be omitted, and different points will be mainly described.
  • the position measuring device 2 includes a frequency modulation unit 51 that modulates the drive signal.
  • the frequency modulation unit 51 modulates so that the drive signal included in one burst gradually becomes a high frequency.
  • the transmission signal generation unit 21 outputs the modulated drive signal to the drive circuit 22.
  • the transmitter 10 transmits an ultrasonic wave in which the frequency of the ultrasonic wave included in one burst is modulated according to the drive signal.
  • the arithmetic processing unit 40 included in the position measuring device 2 replaces the time specifying unit 43 included in the position measuring device 1 of the first embodiment described above with a time specifying unit 52 that specifies arrival time candidates based on the cross-correlation function.
  • the time specifying unit 52 calculates a cross-correlation function between the reflected wave and the drive signal, and specifies a plurality of arrival time candidates based on the cross-correlation function.
  • the cross-correlation function R xy ( ⁇ ) is described by the following equation (2).
  • the function x (t) indicates the waveform of the drive signal
  • the function y (t) indicates the waveform of the reflected wave of each of the receivers 11 to 13.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining a method for specifying the arrival time candidate, and the waveform indicates the cross-correlation function Rxy ( ⁇ ) between the reflected wave of the receiver 11 and the drive signal, that is, the correlation result.
  • the time specifying unit 52 specifies i peaks (peak1 [i]) that are equal to or higher than a predetermined threshold among the peaks of the envelope of the cross-correlation function Rxy ( ⁇ ) in order from the top.
  • the parameter i 1. That is, peak1 [0] is specified.
  • the time specifying unit 52 determines the peak (peak1m [i] [j]) of the j cross-correlation functions Rxy ( ⁇ ) generated immediately before the peak of the envelope (peak1 [i]) and the envelope A peak (peak1p [i] [j]) of j cross-correlation functions Rxy ( ⁇ ) generated immediately after the peak (peak1 [i]) is specified.
  • the parameter j 1. That is, peak1m [0] [0] and peak1p [0] [0] are specified.
  • the time specifying unit 52 specifies the arrival time candidate t 1 based on the peak of the specified cross correlation function Rxy ( ⁇ ).
  • the time specifying unit 52 specifies the arrival time candidate t 1 based on the peak of the specified cross correlation function Rxy ( ⁇ ).
  • the cross correlation function Rxy ( ⁇ ) since three peaks of the cross-correlation function Rxy ( ⁇ ) are specified, three arrival time candidates t 1 are specified for the receiver 11. Similarly, three arrival time candidates t 2 and t 3 are specified for the receivers 12 and 13, respectively.
  • FIG. 10 is a flowchart illustrating a processing procedure of arrival time candidate specifying processing. The process of FIG. 10 is repeatedly executed for each burst cycle in which ultrasonic waves are transmitted.
  • step S201 After the reflected wave is acquired in step S201, the cross-correlation function R xy ( ⁇ ) between the reflected wave and the drive signal is calculated for each of the receivers 11 to 13 in step S202.
  • step S203 for each of the receivers 11 to 13, i peaks in the envelope of the cross-correlation function R xy ( ⁇ ) are specified, and arrival time candidates are specified based on the peaks.
  • step S204 among the peaks of the cross-correlation function Rxy ( ⁇ ), the peaks before and after the envelope peak are also specified, and the arrival times specified based on the peaks are added to the candidates. With the above processing, in the example of FIG. 9 described above, three arrival time candidates are obtained for each of the receivers 11 to 13.
  • steps S205 to S207 processing similar to that in steps S104 to S106 in FIG. 6 of the first embodiment is performed on the arrival time candidates t 1 , t 2 , and t 3 specified in steps S203 and S204.
  • the arrival time candidates are selected.
  • a plurality of arrival time candidates are specified.
  • a plurality of three-dimensional coordinate candidates are calculated using a plurality of arrival time candidates t 1 , t 2 , t 3 specified for each of the receivers 11 to 13, and one coordinate is obtained. It is specified as the three-dimensional coordinates of the object.
  • the waveform indicated by the cross-correlation function between the reflected wave and the drive signal has a steeper peak than the reflected wave. Therefore, in specifying the arrival time candidate, the time resolution Can be improved. Moreover, the influence of noise can be reduced. Accordingly, it is possible to specify arrival time candidates with higher accuracy and further increase measurement accuracy.
  • the cross-correlation function between the reflected wave and the drive signal is used.
  • a direct wave may be used instead of the drive signal. That is, the time specifying unit 52 calculates the cross-correlation function R xy ( ⁇ ) between the reflected wave and the direct wave stored in the storage unit 41, and based on the cross-correlation function R xy ( ⁇ ), the arrival time Candidates may be specified.
  • the function x (t) is a function indicating the waveform of the direct wave. In this way, since the waveform of the direct wave actually received by the receivers 11 to 13 is used, a waveform having a steeper peak (cross-correlation function) can be obtained, and the time resolution can be further improved. . In addition, the influence of noise can be further reduced. Therefore, it is possible to specify the arrival time candidate with higher accuracy and further increase the measurement accuracy.
  • FIG. 11 is a block diagram showing a configuration of the position measuring device 3.
  • the arithmetic processing unit 40 included in the position measurement device 3 includes a determination unit 61 in addition to the components included in the position measurement device 1 described above.
  • description of the position measuring device 3 that is the same as that of the position measuring device 1 described above will be omitted, and different points will be mainly described.
  • the reflected wave is obtained by subtracting the direct wave from the received wave.
  • the timing at which the direct wave reaches the receiver varies depending on the external environment due to the fact that the sound speed varies depending on the external environment such as the air temperature and the flow velocity of the medium. Therefore, in order to obtain a direct wave in the measurement environment, the position measuring device 3 stores a received wave received as a direct wave in a state where the object to be measured does not exist within the measurement range.
  • the determination unit 61 first determines whether or not an object to be measured exists within the measurement range.
  • the determination unit 61 causes the transmitter 10 to transmit ultrasonic waves in a burst manner a plurality of times.
  • the received wave changes, so that it can be determined that the object to be measured exists within the measurement range.
  • the received wave does not change, it can be seen that there is no moving object within the measurement range.
  • the measurement target is a finger that operates the device, it is unlikely that the user stops the finger with respect to the position measurement device 3. Therefore, when the moving object does not exist within the measurement range, it can be determined that the object to be measured does not exist within the measurement range.
  • the determination unit 61 analyzes the reception waves for a plurality of times acquired by the A / D value acquisition units 37 to 39, and if the waveform of the reception wave has not changed more than a predetermined value, the object to be measured is within the measurement range. Is determined not to exist.
  • the same drive signal as that at the time of measurement is used so that the waveform of the transmitted ultrasonic wave has the same waveform as the transmission wave used at the time of position measurement.
  • the determination unit 61 determines that the measurement target object does not exist within the measurement range, the received wave used for the determination does not include the reflected wave reflected by the measurement target object. Therefore, the received wave used for the determination can be used as a direct wave. Therefore, the storage unit 41 of the present embodiment stores the received waves received by the receivers 11 to 13 as direct waves when the determination unit 61 determines that the object to be measured does not exist within the measurement range. Note that, when it is determined that the object to be measured exists within the measurement range, the storage unit 41 does not newly store the direct wave but holds the already-stored direct wave.
  • the determination unit 61 determines whether or not an object to be measured exists at the timing when the power of the display 101 is turned on. And when it determines with not existing, a direct wave is memorize
  • a process for measuring the position of the object is started.
  • the received waves acquired by the A / D value acquisition units 37 to 39 are input to the reflected wave acquisition unit 42 as in the above-described processing. Then, the reflected wave is specified by subtracting the direct wave stored in the storage unit 41 from the received wave.
  • the position measuring device 3 of the present embodiment described above it is possible to automatically acquire and store a direct wave. Therefore, it is not necessary to manually perform processing (calibration) for storing the direct wave. Further, although the waveform of the direct wave varies depending on the external environment, the direct wave obtained in the environment where the position is actually measured can be stored. Therefore, a reflected wave can be obtained from a direct wave that reflects the actual measurement environment, so that the influence of the external environment can be reduced and the measurement accuracy can be further improved.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made.
  • the peak immediately before and immediately after the envelope peak among the peaks of the reflected wave or the cross-correlation function is specified when the peak is specified, but the present invention is not limited to this. It may be just before the peak of the envelope or just after it. Further, it is also possible to specify only a plurality of envelope peaks without specifying the peaks immediately before and immediately after the envelope peaks.
  • the ultrasonic frequency is modulated, but the modulation method is not limited to this. The amplitude may be modulated or digital modulation may be performed.
  • a plurality of arrival time candidates are specified for all the three receivers 11 to 13, but a plurality of arrival time candidates may be specified for one or two receivers. If a plurality of arrival time candidates are specified for at least one receiver, a plurality of three-dimensional coordinate candidates can be obtained, and the measurement accuracy can be improved.
  • the arrival time candidate when the arrival time candidate is specified based on the received wave, the arrival time candidate is specified based on the reflected wave after obtaining the reflected wave from the received wave.
  • the arrival time candidate may be specified from the received wave without performing processing such as subtracting the direct wave from the received wave.
  • the reflected wave and the direct wave overlap it is possible to provide a configuration for preventing the ultrasonic wave transmitted from the transmitter 10 from directly reaching the receivers 11 to 13 without being reflected by the object.
  • a member that blocks the transmitter 10 side may be provided in each of the receivers 11 to 13 so that the receivers 11 to 13 do not receive ultrasonic waves from the transmitter 10 side.
  • the transmitter 10 and the receivers 11 to 13 are arranged at the vertices of the rectangle.
  • the present invention is not limited to this.
  • the receivers 11 to 13 may be arranged at the vertices of the equilateral triangle, and the transmitter 10 may be arranged at the center of gravity of the equilateral triangle. In this case, since the distances between the receivers 11 to 13 and the transmitter 10 are equal, the accuracy can be further improved.
  • the propagation speed calculated by multiplying the arrival time candidate by the speed of sound if the speed of sound changes depending on the external environment such as the temperature and the flow velocity of the medium, is an error if the speed of sound changes if a constant value is used as the speed of sound. Occurs.
  • the first peak appearing in the received wave represents the timing at which the direct wave arrives, and the propagation distance of this direct wave is constant. Therefore, it is also preferable to correct the sound speed value based on the timing at which the first peak appearing in the received wave occurs.
  • the three-dimensional coordinate candidate closest to the previously specified three-dimensional coordinate is set as the three-dimensional coordinate of the object.
  • One three-dimensional coordinate may be selected from a plurality of three-dimensional coordinate candidates based on an arbitrary criterion according to the object to be measured. Moreover, you may correct
  • the object to be measured is the fingertip, but any object that reflects ultrasonic waves can be the object to be measured.
  • the position measuring devices 1 to 3 according to the present invention are used as the input device of the smartphone 100.
  • the present invention is not limited to this.
  • the position measuring devices 1 to 3 can be used as non-contact input devices such as home appliances such as televisions, personal computers, game machines, and vending machines such as tickets.

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Abstract

　超音波を利用して物体の３次元座標を測定する位置測定装置において、ノイズの影響を低減して測定精度を高めることが可能な位置測定装置を提供する。　位置測定装置（１）は、超音波を送信する送信器（１０）と、超音波を受信する３つの受信器（１１～１３）と、受信波に基づいて、超音波が送信されてから物体に反射して受信器（１１～１３）に到達するまでの到達時間候補を受信器（１１～１３）毎に特定する時間特定部（４３）であって、少なくとも１つの受信器について到達時間候補を複数特定する時間特定部（４３）と、時間特定部（４３）によって特定された到達時間候補、及び、送信器（１０）並びに受信器（１１～１３）の相対的な位置に基づいて、物体の位置を示す複数の３次元座標候補を算出する座標算出部（４４）と、複数の３次元座標候補に基づいて物体の３次元座標を特定する座標特定部（４５）とを備える。

Description

位置測定装置
　本発明は、超音波を利用して物体の位置を測定する位置測定装置に関する。
　従来から、超音波を利用して物体の位置を測定する位置測定装置が知られている。下記非特許文献１には、超音波によって物体との距離を測定し、測定した距離に基づいて物体の３次元座標を計算する位置測定装置が記載されている。下記非特許文献１に記載された位置測定装置は、地上から上方に向けて超音波を送信し、上方を飛行中の模型飛行機に反射された反射波を３台の受信器で受信する。次に、この位置測定装置は、各受信器の受信波に基づいて、各受信器において反射波が受信されたタイミングを特定する。続いて、特定したタイミングに基づいて、送信された超音波が模型飛行機に反射して各受信器に受信されるまでの伝搬距離を算出する。そして、この位置測定装置は、各受信器によって得られた３つの伝搬距離に基づいて、模型飛行機の３次元座標を計算する。
今井、他４名、「超音波センサを用いた高速移動体の３次元位置測定装置の構築」、研究報告、関東学院大学工学会、２００７年３月、第５０巻、第２号、ｐ．６７－７３
　ところで、受信波には、様々なノイズが含まれている。また、測定対象の物体以外に反射した超音波もノイズとして受信波に含まれる場合もある。このため、受信波のレベルが閾値を超えたときに反射波が受信されたと特定すると、反射波が受信されたタイミングを誤って特定する可能性がある。よって、超音波が送信されてから物体に反射して受信器に到達するまでの到達時間を特定する際に誤差が生じ、到達時間を用いて算出される伝搬距離に誤差が含まれる。更に、３つの受信器それぞれについての伝搬距離を用いて３次元座標を算出するので、算出結果には３つの伝搬距離の誤差が重畳される。従って、算出結果として得られる３次元座標の精度が低くなる。
　本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、超音波を利用して物体の３次元座標を測定する位置測定装置において、ノイズの影響を低減して測定精度を高めることが可能な位置測定装置を提供することを目的とする。
　本発明に係る位置測定装置は、超音波を利用して物体の位置を測定する位置測定装置において、超音波を送信する送信器と、超音波を受信する少なくとも３つの受信器と、受信器それぞれによって受信された受信波に基づいて、超音波が送信されてから物体に反射して受信器に到達するまでの到達時間候補を受信器毎に特定する時間特定部であって、少なくとも１つの受信器について到達時間候補を複数特定する時間特定部と、時間特定部によって特定された到達時間候補、及び、送信器並びに受信器の相対的な位置に基づいて、物体の位置を示す複数の３次元座標候補を算出する座標算出部と、座標算出部によって算出された複数の３次元座標候補に基づいて、物体の３次元座標を特定する座標特定部とを備えることを特徴とする。
　本発明に係る位置測定装置によれば、超音波が送信されてから物体に反射して受信器に到達するまでの到達時間候補が、受信波に基づいて複数特定される。一般的には受信波にノイズが含まれているので、受信波から１つの到達時間を特定しようとすると、ノイズの影響により誤った到達時間を特定してしまう可能性が高い。すなわち、精度の高い到達時間を特定できない可能性が高い。これに対して、本発明では、複数の到達時間候補を特定するので、精度の高い到達時間が特定される可能性を高めることができる。そして、本発明では、特定した複数の到達時間候補に基づいて、複数の３次元座標候補が算出されるので、精度の高い３次元座標候補を得る確率が高まる。また、この複数の３次元座標候補に基づいて、物体の３次元座標が特定されるので、高い精度の３次元座標が得られる可能性を向上させることができる。従って、超音波を利用して物体の３次元座標を測定する位置測定装置において、ノイズの影響を低減して測定精度を高めることが可能となる。
　本発明に係る位置測定装置では、送信器から送信され、物体に反射せず受信器に直接到達して該受信器によって受信された直達波を予め記憶する記憶部と、受信器によって受信された受信波から記憶部に記憶された直達波を減算することにより、物体に反射して受信器に到達した反射波を取得する反射波取得部とを備え、時間特定部は、反射波取得部によって取得された反射波に基づいて、複数の到達時間候補を特定することが好ましい。
　この場合、受信波から直達波が除かれるので、物体に反射して戻ってきた反射波を得ることができる。よって、物体に反射せずに受信器に到達した超音波の伝搬時間を到達時間候補として誤って特定することを防止できる。従って、測定結果の誤りを防止することが可能となる。
　本発明に係る位置測定装置では、時間特定部が、反射波取得部によって取得された反射波の包絡線におけるピークが発生したタイミングに基づいて、到達時間候補を特定することが好ましい。
　この場合、反射波の包絡線のピークを特定するので、反射波の全てのピークについて逐一処理することなく、到達時間候補を特定することができる。従って、処理負荷を低減することが可能となる。
　本発明に係る位置測定装置では、時間特定部が、反射波のピークのうち、反射波の包絡線におけるピークの直前及び／又は直後に発生した所定数の反射波のピークのタイミングに基づいて、到達時間候補を特定することが好ましい。
　この場合、反射波のピークのうち、包絡線のピークの直前及び／又は直後に発生した所定数の反射波のピークについて到達時間候補が特定される。発明者の研究によれば、反射波のピークのうち包絡線のピークが発生した周辺のピークが、実際に超音波が受信器に到達したタイミングを示している場合があるという実験結果が得られている。従って、包絡線のピークの直前及び／又は直後に発生した所定数の反射波のピークについて到達時間候補が特定されることにより、ノイズの影響を低減して、より精度の高い到達時間候補を特定することができる。これにより、測定精度をより高めることが可能となる。
　本発明に係る位置測定装置では、送信器が、変調された超音波を送信し、時間特定部は、反射波取得部によって取得された反射波と記憶部によって記憶されている直達波との相互相関関数を計算し、該相互相関関数に基づいて到達時間候補を特定することが好ましい。
　反射波と直達波との相互相関関数によって示される波形は反射波より急峻なピークを有するので、上記の場合、到達時間候補を特定するに当たり、時間分解能を向上させることができる。また、ノイズの影響を低減することができる。従って、より精度の高い到達時間候補を特定し、測定精度をより高めることが可能となる。
　本発明に係る位置測定装置では、送信器が、変調された駆動信号に応じて超音波を送信し、時間特定部は、反射波取得部によって取得された反射波と駆動信号との相互相関関数を計算し、該相互相関関数に基づいて到達時間候補を特定することが好ましい。
　反射波と駆動信号との相互相関関数によって示される波形は反射波より急峻なピークを有するので、上記の場合、到達時間候補を特定するに当たり、時間分解能を向上させることができる。また、ノイズの影響を低減することができる。従って、より精度の高い到達時間候補を特定し、測定精度をより高めることが可能となる。
　本発明に係る位置測定装置では、時間特定部が、特定した複数の到達時間候補についてそれぞれ算出された伝搬距離、及び、前回の処理時に座標特定部によって特定された３次元座標の計算に用いられた伝搬距離に基づいて、複数の到達時間候補についてそれぞれ除外するか否かを判定することが好ましい。
　この場合、複数の到達時間候補を挙げた上で、前回の処理時に得られた伝搬距離に基づいて、各到達時間候補の選別が行われる。例えば、前回の処理時に得られた伝搬距離と今回特定した各到達時間候補の伝搬距離との差が閾値以上である場合、該到達時間候補が除外される。これにより、前回の伝搬距離とはかけ離れた伝搬距離については、除外することができる。従って、測定精度を更に高めることが可能となる。
　本発明に係る位置測定装置では、座標算出部は、時間特定部によって特定された複数の到達時間候補の中から受信器毎に１つずつ選択される到達時間候補の全ての組み合わせについて３次元座標候補を算出することが好ましい。
　この場合、複数の到達時間候補の中から受信器毎に到達時間候補を１つずつ選択して３次元座標候補を算出するに当たり、受信器毎に１つずつ選択される到達時間候補の全ての組み合わせについて３次元座標候補が算出される。その結果、組み合わせの数だけ３次元座標候補が算出される。そして、算出された３次元座標候補に基づいて、物体の３次元座標が特定される。このように、到達時間候補の全ての組み合わせにより得られる３次元座標候補を挙げた上で物体の座標が特定されるので、測定精度をより高めることが可能となる。
　本発明に係る位置測定装置では、座標特定部が、座標算出部によって算出された複数の３次元座標候補のうち、前回の処理時に特定した３次元座標との距離が最も近い座標を物体の３次元座標として特定することが好ましい。
　この場合、複数の３次元座標候補のうち上記距離が最も近い座標が物体の３次元座標として特定される。ここで、複数の３次元座標候補のうち、前回の３次元座標と距離が離れている座標より距離が近い座標の方が、実際の座標に近い確率が高いと考えられる。従って、前回の処理時に得られた３次元座標に基づいて、最も確からしい座標を特定することが可能となる。すなわち、測定精度をより高めることが可能となる。
　本発明に係る位置測定装置では、座標特定部が、前回の処理時に特定した３次元座標と今回の処理によって特定した３次元座標との距離に基づいて、今回の処理によって特定した３次元座標を許容するか否かを判定することが好ましい。
　この場合、前回の処理時に特定した３次元座標と今回の処理によって特定した３次元座標との距離とに基づいて、今回の処理によって特定した３次元座標を許容できるか否かが判定される。これにより、前回の処理時に得られた３次元座標の位置とはかけ離れた位置を示す３次元座標が特定された場合には、除外することができる。このように得られた座標の妥当性を判定するので、測定結果の誤りを防止することができる。
　本発明に係る位置測定装置では、測定対象の物体が測定範囲内に存在するか否かを判定する判定部を備え、記憶部は、測定対象の物体が測定範囲内に存在しないと判定部によって判定された場合に受信器によって受信された受信波を直達波として記憶することが好ましい。
　この場合、自動的に直達波を取得し、記憶することが可能となる。なお、音速が気温、媒体の流速等の外部環境により変化するので、直達波が受信器に到達するタイミングは外部環境により変化する。ここで、上記の好ましい形態によれば、実際に位置を測定する環境において得られた直達波を記憶することができる。従って、実際の測定環境を反映した直達波から反射波を得ることができるので、外部環境による影響を低減して、測定精度をより向上させることが可能となる。
　本発明に係る位置測定装置では、送信器及び３つの受信器が、同一の平面上に配置され、長方形の各頂点の位置にそれぞれ配置されていることが好ましい。
　この場合、送信器及び３つの受信器が同一の平面上に配置されているので、３つの受信器における到達時間候補が得られれば、３次元座標を特定することができる。すなわち、４つ以上の受信器を必要とせず、３つの受信器により、３次元座標を特定することができる。また、送信器及び３つの受信器が長方形の各頂点の位置にそれぞれ配置されているので、長方形に囲まれた領域の正面及びその周囲を含む領域に位置する物体の３次元座標を特定することができる。例えば、長方形に囲まれた領域にディスプレイが配置された機器に本発明の位置測定装置を搭載すれば、そのディスプレイの表示に従ってユーザが動かした指の３次元座標を非接触で計測できる。この場合、本発明の位置測定装置を入力装置として機能させることができる。
　本発明によれば、超音波を利用して物体の３次元座標を測定する位置測定装置において、ノイズの影響を低減して測定精度を高めることが可能となる。
第１実施形態に係る位置測定装置の構成を示すブロック図である。 第１実施形態に係る位置測定装置の使用形態の一例を示す図である。 第１実施形態に係る位置測定装置を入力装置として他の機器に搭載した場合の一例を示す図である。 第１実施形態に係る位置測定装置において得られる直達波、受信波、及び反射波の波形を示す図である。 第１実施形態に係る位置測定装置による反射波に基づく到達時間候補の特定方法について説明するための図である。 第１実施形態に係る位置測定装置による反射波に基づく到達時間候補の特定処理の処理手順を示すフローチャートである。 第１実施形態に係る位置測定装置による３次元座標の特定処理の処理手順を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る位置測定装置の構成を示すブロック図である。 第２実施形態に係る位置測定装置による到達時間候補の特定方法について説明するための図である。 第２実施形態に係る位置測定装置による相互相関関数に基づく到達時間候補の特定処理の処理手順を示すフローチャートである。 第３実施形態に係る位置測定装置の構成を示すブロック図である。
　以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図において、同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
　［第１実施形態］
　まず、図１を参照して、第１実施形態に係る位置測定装置１の構成について説明する。図１は、位置測定装置１の構成を示すブロック図である。位置測定装置１は、超音波を利用して物体の３次元座標を測定する装置である。より具体的には、位置測定装置１は、超音波を送信する送信器１０と、超音波を受信する３つの受信器１１～１３を備え、超音波を送信してから物体に反射して各受信器１１～１３に到達するまでの到達時間を求める。ここで、位置測定装置１は、受信波のノイズの影響を考慮して、到達時間の候補を複数求める。そして、位置測定装置１は、３つの受信器１１～１３の複数の到達時間候補に基づいて物体の３次元座標候補を複数算出した上で、１つの座標を物体の３次元座標として特定する。
　図２は、位置測定装置１の使用形態の一例を示す図である。図２のように、例えば、位置測定装置１は、指先の３次元座標を非接触で測定する。位置測定装置１が指先の３次元座標を連続的に測定することにより、指の動きを測定することができる。送信器１０及び３つの受信器１１～１３は同一平面上に配置され、その平面の正面を含むエリアが測定範囲となる。図２の例では、送信器１０及び３つの受信器１１～１３が、正方形の各頂点の位置にそれぞれ配置されている。例えば、送信器１０及び３つの受信器１１～１３が、一辺の長さが６ｃｍ程度の正方形の各頂点の位置に配置された場合、平面からの距離１０ｃｍ程度以内、一辺が１２ｃｍ程度の正方形内のエリアが測定範囲となる。
　また、図３に示すように、長方形のディスプレイ１０１を有する機器１００に位置測定装置１を搭載し、位置測定装置１を入力装置として機能させることができる。図３では、機器１００の例としてスマートフォンを示している。ここで、スマートフォンとは、文字だけでなく画像等の各種の情報を表示するディスプレイを有する携帯型の電話機である。送信器１０及び３つの受信器１１～１３は、長方形のディスプレイ１０１の４つの角の外側にそれぞれ配置されている。位置測定装置１は、ディスプレイ１０１正面の測定範囲内に位置する人差し指の指先の３次元座標を連続的に非接触で計測することができる。これにより、ユーザがディスプレイ１０１の表示に従ってディスプレイ１０１正面の空間で指を動かせば、位置測定装置１によって指の動きが検出され、機器１００に情報を入力することができる。すなわち、位置測定装置１が非接触の入力装置として機能する。
　引き続き、図１を参照して、位置測定装置１が備える信号処理部２０について説明する。信号処理部２０は、送信機１０を駆動するために、送信信号生成部２１及び駆動回路２２を備えている。送信信号生成部２１は、超音波周波数の駆動信号を生成し、駆動回路２２へ出力する。駆動回路２２は、入力された駆動信号を増幅して送信器１０へ供給する。送信器１０は、例えば、圧電セラミックスを用いて構成された共振子を有し、入力された駆動信号により共振子が共振する。これにより、超音波が送信される。
　送信信号生成部２１は、バースト的に駆動信号を出力し、超音波は、送信器１０によってバースト的に送信される。例えば、バーストサイクルは１０ｍｓ程度であり、超音波が０．３ｍｓ間程度送信された後、次の周期までの間に、物体に反射して戻って来る超音波が受信器１１～１３によって受信される。図２には、送信器１０から送信された送信波Ｓが模式的に描かれているが、実際に送信器１０から送信される送信波Ｓの波形は、開始部分及び終了部分の振幅が小さい。開始部分については、送信器１０の駆動が開始された直後は、共振子の振動が小さいためである。終了部分については、駆動信号の出力が終了した後に残る共振子の残響によるものである。
　信号処理部２０は、受信器１１～１３によって受信された受信信号（受信波）の入力インターフェースとしてそれぞれ機能するアンプ／フィルタ３１～３３及びＡ／Ｄ変換器３４～３６を備え、更にＡ／Ｄ値取得部３７～３９を備えている。アンプ／フィルタ３１～３３は、増幅回路及びフィルタ回路等によって構成されている。このアンプ／フィルタ３１～３３は、各受信器１１～１３により受信された受信信号を増幅して、所望の周波数以外の信号を除去し、Ａ／Ｄ変換器３４～３６へ出力する。
　Ａ／Ｄ変換器３４～３６は、入力されたアナログ信号をディジタルデータに変換する。Ａ／Ｄ値取得部３７～３９は、Ａ／Ｄ変換器３４～３６の動作をそれぞれ制御し、Ａ／Ｄ変換器３４～３６によりディジタルデータに変換された受信信号を取得する。すなわち、各受信器１１～１３によって受信された受信波を示す受信信号が、各Ａ／Ｄ値取得部３７～３９によって取得される。
　信号処理部２０は、得られた受信波（受信信号）を処理して物体の３次元座標を演算する演算処理部４０を備えている。なお、演算処理部４０、上述した送信信号生成部２１及びＡ／Ｄ値取得部３７～３９は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭ等により構成されている。ＲＯＭに記憶されているプログラムが、ＣＰＵによって実行されることにより、演算処理部４０、送信信号生成部２１及びＡ／Ｄ値取得部３７～３９の各機能が実現される。なお、ＣＰＵに代えて、例えばＡＳＩＣや、ＦＰＧＡ、ＤＳＰなどを用いてもよい。
　演算処理部４０は、機能的には、記憶部４１、反射波取得部４２、時間特定部４３、座標算出部４４、及び座標特定部４５を備えている。記憶部４１には、直達波の波形が記憶されている。直達波は、物体に反射せず、送信器１０から各受信器１１～１３に直接到達して各受信器１１～１３によって受信されたものである。記憶部４１は、直達波をそれぞれの受信器１１～１３と関連付けて記憶している。これらの３つの直達波は、実際の３次元測定に先立って、予め記憶部４１に記憶されている。
　測定が開始され、送信された超音波が受信されると、反射波取得部４２は、各Ａ／Ｄ値取得部３７～３９によって取得された受信信号（受信波）を入力する。この受信波には、直達波と反射波とが重畳されている。反射波は、送信器１０によって送信され、物体に反射して受信器１１～１３に到達して受信された超音波である。反射波取得部４２は、反射波を取得するために、各受信波の波形から記憶部４１に記憶された直達波の波形を減算する。
　図４は、位置測定装置１において得られる直達波、受信波、及び反射波の波形を示す図である。（ａ）の波形は直達波を示しており、測定範囲内に反射物体が無いときに受信器１１によって受信された波形である。（ｂ）の波形は、測定範囲内に測定対象である反射物体が有るときに受信器１１によって受信された波形である。（ｃ）の波形は受信器１１の反射波を示しており、（ｂ）の波形から（ａ）の波形を減算して得られた波形である。受信器１２，１３の反射波も同様にして取得される。このように、受信波から直達波を減算して反射波を得るので、物体に反射せずに受信器１１～１３に到達した超音波の伝搬時間を到達時間候補として誤って特定することを防止できる。
　時間特定部４３は、反射波取得部４２によって得られた各反射波に基づいて、受信器１１～１３毎に到達時間候補を特定する。到達時間候補は、超音波が送信器１０によって送信されてから物体に反射して受信器１１～１３に到達するまでの伝搬時間の候補である。時間特定部４３は、３つの受信器１１～１３についてそれぞれ複数の到達時間候補を特定する。到達時間候補には、反射波の包絡線におけるピークが発生したタイミングに基づいて特定された候補と、反射波のピークのうち包絡線のピークの直前及び直後に発生した所定数の反射波のピークのタイミングに基づいて特定された候補とが含まれる。
　図５を参照して、時間特定部４３による特定方法について説明する。図５の（ａ）～（ｃ）は、３つの受信器１１～１３によってそれぞれ得られた反射波を示している。（ａ）の波形を参照して、受信器１１についての到達時間候補を特定する方法について具体的に説明する。まず、時間特定部４３は、反射波の包絡線のピークのうち、予め定められた閾値以上のピーク（ｐｅａｋ１［ｉ］）を先頭から順にｉ個特定する。図５に示す例では、パラメータｉ＝２である。すなわち、ｐｅａｋ１［０］及びｐｅａｋ１［１］が特定される。このように、反射波の包絡線のピークを特定し、反射波の全てのピークについて逐一処理を行わないので、処理負荷を低減することができる。
　次に、時間特定部４３は、包絡線のピーク（ｐｅａｋ１［ｉ］）の直前に発生したｊ個の反射波のピーク（ｐｅａｋ１ｍ［ｉ］［ｊ］）と、包絡線のピーク（ｐｅａｋ１［ｉ］）の直後に発生したｊ個の反射波のピーク（ｐｅａｋ１ｐ［ｉ］［ｊ］）を特定する。図５（ａ）に示す例では、パラメータｊ＝１である。すなわち、ｐｅａｋ１ｍ［０］［０］、ｐｅａｋ１ｐ［０］［０］、ｐｅａｋ１ｍ［１］［０］、及びｐｅａｋ１ｐ［１］［０］が特定される。これは、反射波のピークのうち包絡線のピーク周囲のピークが、実際に超音波が受信器１１～１３に到達したタイミングを示している場合があるためである。
　次に、時間特定部４３は、超音波が送信されてから、特定した各ピークが発生したタイミングまでの時間を算出する。この時間が受信器１１についての到達時間候補ｔ１である。図５（ａ）に示す例では、受信器１１について合計で６つのピークが特定されているので、６つの到達時間候補ｔ１が特定される。同様にして、受信器１２，１３についても図５の（ｂ）及び（ｃ）の反射波に基づいてそれぞれ６つの到達時間候補ｔ２，ｔ３が特定される。なお、パラメータｉ及びｊは、任意に設定することができる。
　以上の処理により特定された到達時間候補ｔ１～ｔ３には、ノイズの影響によるものが含まれている。そこで、時間特定部４３は、１バースト前の処理時、すなわち、前回の処理時に特定された３次元座標の計算に用いられた伝搬距離に基づいて、受信器１１～１３毎に複数の到達時間候補についてそれぞれ除外するか否かを判定する。受信器１１について具体的に説明すると、時間特定部４３は、前回の処理時に特定された３次元座標の計算に用いられた受信器１１の伝搬距離と、６つの到達時間候補ｔ１にそれぞれ音速ｖを乗算して得られた伝搬距離ｖ・ｔ１との差を求める。そして、時間特定部４３は、その差が閾値ｄ以上である到達時間候補ｔ１を候補から除外する。
　閾値ｄは、位置測定装置１において許容される物体の最大移動速度に依存して設定される。測定対象の物体が、スマートフォンの操作を行う指であり、バーストサイクルが１０ｍｓである場合、例えば、許容される最大移動速度が１ｍ／ｓ程度、閾値ｄが１０ｍｍ程度に設定される。時間特定部４３は、受信器１２，１３のそれぞれ６つの到達時間候補ｔ２、ｔ３についても除外するか否かの判定を行う。このように、前回の処理時に得られた伝搬距離に基づいて各到達時間候補の選別を行うので、比較的精度の高い到達時間のみに候補を絞ることができる。また、この段階で到達時間候補の選別を行うので、後の座標計算量を少なくすることができる。
　座標算出部４４は、前回の処理時の伝搬距離との差が閾値ｄ未満である到達時間候補ｔ１～ｔ３、すなわち、選別された到達時間候補ｔ１～ｔ３に基づいて、物体の位置を示す複数の３次元座標候補を算出する。ここで、送信器１０の３次元座標を（０，０，０）、受信器１１を（ｘ１，ｙ１，０）、受信器１２を（ｘ２，ｙ２，０）、受信器１３を（ｘ３，ｙ３，０）、音速ｖとすると、次の連立方程式（１）が成り立つ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　座標算出部４４は、複数の到達時間候補ｔ１～ｔ３の中から受信器１１～１３毎に１つずつ選択された到達時間候補の全ての組み合わせについて、上記の連立方程式（１）を解いて３次元座標候補を算出する。これにより、複数の３次元座標候補が算出される。全ての組み合わせの数、すなわち、算出される３次元座標候補の数は、上記の選別処理で１つも除外されなかった場合に最大の数となる。この場合、（（２ｊ＋１）ｉ）３個の３次元座標候補が算出される。
　座標特定部４５は、座標算出部４４によって算出された複数の３次元座標候補に基づいて物体の３次元座標を特定する。本実施形態では、座標特定部４５は、複数の３次元座標候補のうち、前回（１バースト前）の処理時に特定した３次元座標との距離が最も近い座標を物体の３次元座標として特定する。複数の３次元座標候補のうち、前回の３次元座標と距離が離れている座標より距離が近い座標の方が、実際の座標に近い確率が高いと考えられる。従って、物体の３次元座標を連続的に測定するに当たって上記の基準を採用することにより、精度の高い３次元座標を得ることができる。
　更に、座標特定部４５は、前回の処理時に特定した３次元座標と今回の処理によって特定した３次元座標との距離に基づいて、今回の処理によって特定した３次元座標を許容するか否かを判定する。具体的には、座標特定部４５は、前回の処理時に特定した３次元座標と今回の処理によって特定した３次元座標との距離が、閾値Ｄ以上である場合には、測定結果として許容せず、出力を行わない。閾値Ｄとしては、上述した閾値ｄと同じ値を用いることができる。これにより、前回の処理時に得られた３次元座標の位置とはかけ離れた位置を示す３次元座標が特定された場合には、除外することができる。従って、測定結果の誤りを防止することができる。
　引き続いて、位置測定装置１の動作について説明する。まず、図６を参照して、到達時間候補の特定を行う動作について説明する。図６は、到達時間候補の特定処理の処理手順を示すフローチャートである。図６の処理は、超音波が送信されるバーストサイクル毎に繰り返し実行される。
　まず、駆動信号が送信信号生成部２１によって駆動回路２２へ出力され、超音波が送信器１０によって送信される。送信された超音波は、受信器１１～１３によってそれぞれ受信される。続いて、ステップＳ１０１では、受信波から記憶部４１に記憶された直達波が減算されることにより、反射波が反射波取得部４２によって取得される。ステップＳ１０２では、各受信器１１～１３について、反射波の包絡線のピークがｉ個ずつ特定され、該ピークに基づいて到達時間候補が特定される。
　そして、ステップＳ１０３では、反射波のピークのうち、包絡線のピーク前後のピークも特定され、該ピークに基づいて特定された到達時間が候補に加えられる。以上の処理により、上述した図５の例では、受信器１１～１３毎に６個の到達時間候補が得られる。続いて、ステップＳ１０４では、各到達時間候補に音速を乗算することにより、伝搬距離が算出される。次に、ステップＳ１０５では、１バースト前の処理で最終的に特定された３次元座標の計算に用いられた伝搬距離を保持しているか否かが判定される。
　１バースト前の伝搬距離を保持している場合は、処理がステップＳ１０６へ移行する。ステップＳ１０６では、ステップＳ１０４で算出した各伝搬距離のうち、１バースト前の伝搬距離との差が閾値ｄ以上のものが、除外される。このステップＳ１０６の処理により、ステップＳ１０２及びステップＳ１０３で得られた到達時間候補の選別が行われる。この場合、次の３次元座標の特定処理は、選別された到達時間候補を用いて行われる。なお、３つの受信器１１～１３のうち少なくとも１つの受信器について到達時間候補が全て除外されてしまった場合、物体が測定範囲内に存在しない旨の信号が出力される。
　一方、ステップＳ１０５において、１バースト前の伝搬距離を保持していない場合は、到達時間候補の特定処理が終了する。この場合、次の３次元座標の特定処理は、ステップＳ１０２及びステップＳ１０３で得られた全ての到達時間候補を用いて行われる。
　次に、図７を参照して、３次元座標の特定を行う動作について説明する。図７は、３次元座標の特定処理の処理手順を示すフローチャートである。図７の処理は、到達時間候補が特定されるバーストサイクル毎に座標算出部４４及び座標特定部４５によって繰り返し実行される。
　まず、ステップＳ１１１において、複数の到達時間候補ｔ１～ｔ３の中から受信器１１～１３毎に１つずつ選択される到達時間候補ｔ１～ｔ３の全ての組み合わせについて、３次元座標候補が算出される。次に、ステップＳ１１２では、１バースト前の処理で最終的に特定された３次元座標が保持されているか否かが判定される。保持されていない場合は、処理がステップＳ１１３へ移行する。ステップＳ１１３では、ステップＳ１１１で算出された複数の３次元座標候補に測定範囲内の座標があるか否かが判定される。
　ステップＳ１１３で測定範囲内の座標がない場合、ステップＳ１１４へ処理が移行する。ステップＳ１１４では、ステップＳ１１１で算出した３次元座標のデータが破棄される。この場合、物体が測定範囲内に存在しない旨の信号が出力される。一方、ステップＳ１１３において、ステップＳ１１１で算出された複数の３次元座標候補に測定範囲内の座標があると判定された場合、処理がステップＳ１１５へ移行する。ステップＳ１１５では、測定範囲内の３次元座標候補を物体の３次元座標として特定する。測定範囲内の３次元座標候補が複数あった場合、予め定められた基準に基づいて、１つの座標が物体の３次元座標として特定される。例えば、測定範囲の中央の座標に最も近い座標が、物体の３次元座標として特定される。
　一方、ステップＳ１１２において、１バースト前の処理で最終的に特定された３次元座標が保持されている場合、処理がステップＳ１１６へ移行する。ステップＳ１１６では、ステップＳ１１１において算出された複数の３次元座標候補のうち、１バースト前の座標と最も近い座標が、物体の３次元座標として特定される。続いて、ステップＳ１１７では、１バースト前の座標とＳ１１６で特定した座標との距離が閾値ｄ以下か否かが判定される。上記の距離が閾値ｄより大きい場合、処理がステップＳ１１４へ移行する。ステップＳ１１４では、ステップＳ１１１で算出した３次元座標のデータが破棄され、物体が測定範囲内に存在しない旨の信号が出力される。
　一方、ステップＳ１１７において、１バースト前の座標とＳ１１６で特定した座標との距離が閾値ｄ以下である場合、処理がステップＳ１１８へ移行する。ステップＳ１１８では、Ｓ１１６で特定した座標が物体の３次元座標として最終的に特定され、出力される。以上の処理をバーストサイクル毎に行うことにより、物体の動きを検出することができる。例えば、１０ｍｓ程度のバーストサイクルで測定することにより、物体の動きをなめらかに測定することができる。
　以上説明した本実施形態の位置測定装置１によれば、複数の到達時間候補を特定するので、精度の高い到達時間が候補に含まれる可能性を高めることができる。そして、特定した複数の到達時間候補に基づいて、複数の３次元座標候補が算出されるので、精度の高い３次元座標候補を得る確率が高まる。この複数の３次元座標候補に基づいて、物体の３次元座標が特定されるので、高い精度の３次元座標が得られる可能性を向上させることができる。従って、超音波を利用して物体の３次元座標を測定する位置測定装置において、ノイズの影響を低減して測定精度を高めることが可能となる。
　また、本実施形態では、反射波のピークのうち、包絡線のピークの直前及び直後に発生した所定数の反射波のピークについても到達時間候補が特定される。従って、ノイズの影響を低減して、より精度の高い到達時間候補を特定することができる。これにより、測定精度をより高めることが可能となる。
　また、本実施形態では、前回の処理時に得られた伝搬距離と今回特定した各到達時間候補の伝搬距離との差が閾値以上である場合、該到達時間候補が除外される。このように、複数の到達時間候補を挙げた上で、前回の処理時に得られた伝搬距離に基づいて、各到達時間候補の選別が行われる。よって、誤っている確率の高い到達時間候補を除外することができる。従って、測定精度を更に高めることが可能となる。
　また、本実施形態では、複数の到達時間候補ｔ１～ｔ３の中から受信器１１～１３毎に１つずつ選択された到達時間候補の全ての組み合わせについて、３次元座標候補が算出される。その結果、組み合わせの数だけ３次元座標候補が算出される。そして、算出された３次元座標候補に基づいて物体の３次元座標が特定される。このように、到達時間候補の全ての組み合わせにより得られる３次元座標候補を挙げた上で物体の座標が特定されるので、測定精度をより高めることが可能となる。
　また、本実施形態では、座標算出部４４によって算出された複数の３次元座標候補のうち、前回の処理時に特定した３次元座標との距離が最も近い座標が、物体の３次元座標として特定される。ここで、指先の位置を連続的に測定して指先の動きを検出する場合、複数の３次元座標候補のうち、前回の３次元座標と距離が離れている座標より距離が近い座標の方が、実際の座標に近い確率が高いと考えられる。よって、複数の３次元座標候補の中から最も確からしい座標を特定することが可能となり、測定精度をより高めることが可能となる。
　また、本実施形態では、前回の処理時に特定した３次元座標と今回の処理によって特定した３次元座標との距離とに基づいて、今回の処理によって特定した３次元座標を許容できるか否かが判定される。これにより、前回の処理時に得られた３次元座標の位置とはかけ離れた位置を示す３次元座標が特定された場合には、除外することができる。このように得られた座標の妥当性を判定するので、測定結果の誤りを防止することができる。
　本実施形態では測定対象として人差し指の指先を例に挙げたが、測定対象の周囲に超音波を反射する他の物体（例えば、親指、手の一部等）が有る場合、測定対象以外の物体から反射した超音波がノイズとして受信波（反射波）に含まれている可能性がある。また、本実施形態をスマートフォンに適用した例では、送信器１０と受信器１１～１３との間の距離に対する反射波の伝搬距離が比較的近いので、受信波には直達波と反射波とが重なっている。このため、受信波から反射波を減算した場合であっても、完全には受信波から直達波を除くことはできないので、反射波には直達波の一部がノイズとして残っている可能性がある。このように、本実施形態の適用例では、ノイズの影響が比較的大きいが、図５に示す反射波を用いてパラメータｉ＝２，ｊ＝１で上記の測定処理を行ったところ、物体の３次元座標（ｘ、ｙ、ｚ）として（０ｃｍ、０．５ｃｍ、３ｃｍ）が得られた。これは、測定誤差が２，３ｍｍ以内であり、良好な測定精度が得られた。
　［第２実施形態］
　図８を参照して、第２実施形態に係る位置測定装置２の構成について説明する。図８は、位置測定装置２の構成を示すブロック図である。上述した第１実施形態に係る位置測定装置１は、反射波のピークから複数の到達時間候補を特定した。これに対して、第２実施形態に係る位置測定装置２は、駆動信号を変調することにより変調された超音波を送信し、反射波と駆動信号との相互相関関数に基づいて複数の到達時間候補を特定する。以下、位置測定装置２について上述した位置測定装置１と同様な点は説明を省略し、異なる点を主に説明する。
　位置測定装置２は、駆動信号を変調する周波数変調部５１を備える。周波数変調部５１は、例えば、１バーストに含まれる駆動信号が徐々に高周波となるように変調する。送信信号生成部２１は、変調された駆動信号を駆動回路２２へ出力する。その結果、送信器１０は、駆動信号に応じて、１バーストに含まれる超音波の周波数が変調された超音波を送信する。
　位置測定装置２が備える演算処理部４０は、上述した第１実施形態の位置測定装置１が備える時間特定部４３に替えて、相互相関関数に基づいて到達時間候補を特定する時間特定部５２を有する。時間特定部５２は、反射波と駆動信号との相互相関関数を計算し、該相互相関関数に基づいて複数の到達時間候補を特定する。相互相関関数Ｒｘｙ（τ）は、次の式（２）によって記述される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 ここで、関数ｘ（ｔ）は駆動信号の波形を示し、関数ｙ（ｔ）は各受信器１１～１３の反射波の波形を示している。
　図９は、到達時間候補の特定方法について説明するための図であり、波形は受信器１１の反射波と駆動信号との相互相関関数Ｒｘｙ（τ）、すなわち相関結果を示している。まず、時間特定部５２は、相互相関関数Ｒｘｙ（τ）の包絡線のピークのうち、予め定められた閾値以上のピーク（ｐｅａｋ１［ｉ］）を先頭から順にｉ個特定する。図９に示す例では、パラメータｉ＝１である。すなわち、ｐｅａｋ１［０］が特定される。
　次に、時間特定部５２は、包絡線のピーク（ｐｅａｋ１［ｉ］）の直前に発生したｊ個の相互相関関数Ｒｘｙ（τ）のピーク（ｐｅａｋ１ｍ［ｉ］［ｊ］）と、包絡線のピーク（ｐｅａｋ１［ｉ］）の直後に発生したｊ個の相互相関関数Ｒｘｙ（τ）のピーク（ｐｅａｋ１ｐ［ｉ］［ｊ］）を特定する。図９に示す例では、パラメータｊ＝１である。すなわち、ｐｅａｋ１ｍ［０］［０］及びｐｅａｋ１ｐ［０］［０］が特定される。
　次に、時間特定部５２は、特定された相互相関関数Ｒｘｙ（τ）のピークに基づいて、到達時間候補ｔ１を特定する。図９に示す例では、相互相関関数Ｒｘｙ（τ）のピークが３つ特定されているので、受信器１１について３つの到達時間候補ｔ１が特定される。同様にして、受信器１２，１３についてもそれぞれ３つの到達時間候補ｔ２，ｔ３が特定される。
　引き続いて、位置測定装置２の動作について説明する。図１０を参照して、到達時間候補の特定を行う動作について説明する。図１０は、到達時間候補の特定処理の処理手順を示すフローチャートである。図１０の処理は、超音波が送信されるバーストサイクル毎に繰り返し実行される。
　ステップＳ２０１で反射波が取得された後、ステップＳ２０２では、各受信器１１～１３について反射波と駆動信号との相互相関関数Ｒｘｙ（τ）が計算される。次に、ステップＳ２０３では、各受信器１１～１３について、相互相関関数Ｒｘｙ（τ）の包絡線のピークがｉ個ずつ特定され、該ピークに基づいて到達時間候補が特定される。そして、ステップＳ２０４では、相互相関関数Ｒｘｙ（τ）のピークのうち、包絡線のピーク前後のピークも特定され、該ピークに基づいて特定された到達時間が候補に加えられる。以上の処理により、上述した図９の例では、受信器１１～１３毎に３個の到達時間候補が得られる。
　ステップＳ２０５～Ｓ２０７では、上記のステップＳ２０３，Ｓ２０４において特定された到達時間候補ｔ１，ｔ２，ｔ３について、第１実施形態の図６のステップＳ１０４～Ｓ１０６と同様な処理が行われることにより、到達時間候補が選別される。以上の処理により、複数の到達時間候補が特定される。その後、第１実施形態と同様に、各受信器１１～１３について特定された複数の到達時間候補ｔ１，ｔ２，ｔ３を用いて複数の３次元座標候補が算出され、１つの座標が物体の３次元座標として特定される。
　以上説明した本実施形態の位置測定装置２によれば、反射波と駆動信号との相互相関関数によって示される波形は反射波より急峻なピークを有するので、到達時間候補を特定するに当たり、時間分解能を向上させることができる。また、ノイズの影響を低減することができる。従って、より精度の高い到達時間候補を特定し、測定精度をより高めることが可能となる。
　なお、上記では、反射波と駆動信号との相互相関関数を用いることとしたが、駆動信号に替えて直達波を採用してもよい。すなわち、時間特定部５２は、反射波と記憶部４１に記憶されている直達波との相互相関関数Ｒｘｙ（τ）を算出し、該相互相関関数Ｒｘｙ（τ）に基づいて、到達時間候補を特定してもよい。この場合、関数ｘ（ｔ）は、直達波の波形を示す関数となる。このように、受信器１１～１３において実際に受信された直達波の波形を用いるので、更に急峻なピークを持つ波形（相互相関関数）を得ることができ、時間分解能をより向上させることができる。また、ノイズの影響をより低減することができる。従って、更に精度の高い到達時間候補を特定し、測定精度を更に高めることが可能となる。
　［第３実施形態］
　図１１を参照して、第３実施形態に係る位置測定装置３の構成について説明する。図１１は、位置測定装置３の構成を示すブロック図である。位置測定装置３が備える演算処理部４０は、上述した位置測定装置１が備える構成要素に加えて判定部６１を有する。以下、位置測定装置３について上述した位置測定装置１と同様な点は説明を省略し、異なる点を主に説明する。
　上述したように反射波は、受信波から直達波を減算することにより得られる。ただし、音速が気温、媒体の流速等の外部環境により変化することに起因して、直達波が受信器に到達するタイミングは外部環境により変化する。そこで、測定する環境において直達波を得るために、位置測定装置３は、測定対象の物体が測定範囲内に存在しない状態で受信された受信波を直達波として記憶する。このために、まず、判定部６１が、測定対象の物体が測定範囲内に存在するか否かを判定する。
　判定部６１は、超音波を送信器１０によって複数回バースト的に送信させる。測定対象の物体が動いた場合、受信波が変化するので、測定範囲内に測定対象の物体が存在すると判定することができる。一方、受信波が変化しない場合は、動く物体が測定範囲内に存在しないことが分かる。測定対象が機器を操作する指である場合、ユーザが位置測定装置３に対して指を静止することは考え難い。よって、動く物体が測定範囲内に存在しない場合、測定対象の物体が測定範囲内に存在しないと判定することができる。従って、判定部６１は、Ａ／Ｄ値取得部３７～３９によって取得された複数回分の受信波を解析し、受信波の波形が所定以上変化していない場合、測定範囲内に測定対象の物体が存在しないと判定する。
　物体の存在の有無を判定する際には、送信される超音波の波形が位置測定時に使用される送信波と同様な波形となるように、測定時と同じ駆動信号が用いられる。そして、測定対象の物体が測定範囲内に存在しないと判定部６１によって判定された場合、判定に用いられた受信波には、測定対象の物体によって反射された反射波が含まれていない。よって、判定に用いられた受信波は、直達波として利用することができる。そこで、本実施形態の記憶部４１は、測定対象の物体が測定範囲内に存在しないと判定部６１によって判定された場合に受信器１１～１３によって受信された受信波を直達波として記憶する。なお、記憶部４１は、測定対象の物体が測定範囲内に存在すると判定された場合、新たに直達波を記憶せず、既に記憶している直達波を保持する。
　例えば、位置測定装置３がスマートフォン１００に搭載されている場合、ディスプレイ１０１の電源がＯＮになったタイミングで、判定部６１が、測定対象の物体が存在するか否かを判定する。そして、存在しないと判定された場合に、直達波が記憶部４１に記憶される。その後、物体の位置を測定する処理が開始される。測定処理については、上述した処理と同様に、Ａ／Ｄ値取得部３７～３９によって取得された受信波が反射波取得部４２に入力される。そして、記憶部４１に記憶されている直達波を受信波から減算して反射波が特定される。
　以上説明した本実施形態の位置測定装置３によれば、自動的に直達波を取得し、記憶することが可能となる。よって、手動で直達波を記憶する処理（キャリブレーション）を行う必要がなくなる。また、直達波の波形は外部環境により変化するが、実際に位置を測定する環境において得られた直達波を記憶することができる。従って、実際の測定環境を反映した直達波から反射波を得ることができるので、外部環境による影響を低減して、測定精度をより向上させることが可能となる。
　以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、ピークを特定する際に反射波又は相互相関関数のピークのうち、包絡線のピークの直前及び直後のピークについても特定したが、これに限られない。包絡線のピークの直前だけであってもよいし、直後だけであってもよい。また、包絡線のピークの直前及び直後のピークは特定せずに、包絡線のピークを複数特定するだけであってもよい。なお、上記第２実施形態では、超音波の周波数を変調したが、変調方法はこれに限られない。振幅を変調してもよいし、デジタル変調をおこなってもよい。
　また、上記実施形態では、３つの受信器１１～１３の全てについて複数の到達時間候補を特定することとしたが、１つ又は２つの受信器について複数の到達時間候補を特定してもよい。少なくとも１つの受信器について複数の到達時間候補を特定すれば、複数の３次元座標候補を得ることができ、測定精度を高めることができる。
　また、上記実施形態では、受信波に基づいて到達時間候補を特定するに当たって、受信波から反射波を取得してから、反射波に基づいて到達時間候補を特定したが、これに限られない。受信波から直達波を減算する等の処理をせずに、受信波から到達時間候補を特定してもよい。ただし、反射波と直達波とが重なる場合は、送信器１０から送信された超音波が、物体に反射せずに直接受信器１１～１３へ到達することを防止するための構成を設けることが好ましい。例えば、各受信器１１～１３が送信器１０側から超音波を受信しないように、各受信器１１～１３に送信器１０側を遮る部材を設けてもよい。
　また、上記実施形態では、受信器を３つとしたが、４つ以上あってもよい。４つ以上ある場合、全ての受信器及び送信器が同一平面上に配置されていなくてもよい。また、受信器が３つの場合であっても、他の情報により物体の３次元座標を特定できる場合には、同一平面上に配置されていなくてもよい。また、上記実施形態では、送信器１０及び受信器１１～１３が、長方形の頂点に配置されていることとしたが、これに限られない。用途によっては、例えば、受信器１１～１３を正三角形の各頂点に配置し、送信器１０を正三角形の重心の位置に配置することとしてもよい。この場合、各受信器１１～１３と送信器１０との間の距離が等しくなるので、より精度を高めることができる。
　なお、音速が気温、媒体の流速等の外部環境により変化するので、到達時間候補に音速を乗じて算出される伝搬距離は、音速として一定値を用いていると、音速が変化した場合に誤差が生じる。一方、受信波に現れる最初のピークは、直達波が到達したタイミングを表しており、この直達波の伝搬距離は一定である。よって、受信波に現れる最初のピークが発生したタイミングに基づいて、音速の値を補正することも好ましい。
　また、上記実施形態では、算出した複数の３次元座標候補に基づいて物体の３次元座標を特定する際に、前回特定された３次元座標と最も近い３次元座標候補を物体の３次元座標としたが、これに限られない。測定対象の物体に応じた任意の基準に基づいて、複数の３次元座標候補の中から１つの３次元座標を選択してもよい。また、選択した１つの３次元座標に対して、更に補正をしてもよい。
　また、上記の例では、測定対象の物体を指先としたが、超音波を反射する任意の物体を測定対象とすることができる。また、上記の例では、スマートフォン１００の入力装置として本発明に係る位置測定装置１～３を用いることとしたが、これに限られない。例えば、テレビ、パーソナルコンピュータ、ゲーム機等の家電製品や、切符等の自動販売機等の非接触入力装置として位置測定装置１～３を用いることができる。
　１，２，３　位置測定装置
　１０　送信器
　１１，１２，１３　受信器
　４１　記憶部
　４２　反射波取得部
　４３，５２　時間特定部
　４４　座標算出部
　４５　座標特定部
　５１　周波数変調部
　６１　判定部

Claims (12)

  1. 　超音波を利用して物体の位置を測定する位置測定装置において、
    　超音波を送信する送信器と、
    　超音波を受信する少なくとも３つの受信器と、
    　前記受信器それぞれによって受信された受信波に基づいて、超音波が送信されてから物体に反射して前記受信器に到達するまでの到達時間候補を前記受信器毎に特定する時間特定部であって、少なくとも１つの前記受信器について到達時間候補を複数特定する時間特定部と、
    　前記時間特定部によって特定された到達時間候補、及び、前記送信器並びに前記受信器の相対的な位置に基づいて、前記物体の位置を示す複数の３次元座標候補を算出する座標算出部と、
    　前記座標算出部によって算出された複数の３次元座標候補に基づいて、物体の３次元座標を特定する座標特定部と、
    　を備えることを特徴とする位置測定装置。
  2. 　前記送信器から送信され、物体に反射せず前記受信器に直接到達して該受信器によって受信された直達波を予め記憶する記憶部と、
    　前記受信器によって受信された受信波から前記記憶部に記憶された直達波を減算することにより、物体に反射して前記受信器に到達した反射波を取得する反射波取得部と、
    　を備え、
    　前記時間特定部は、前記反射波取得部によって取得された反射波に基づいて、複数の前記到達時間候補を特定することを特徴とする請求項１に記載の位置測定装置。
  3. 　前記時間特定部は、前記反射波取得部によって取得された反射波の包絡線におけるピークが発生したタイミングに基づいて、前記到達時間候補を特定することを特徴とする請求項２に記載の位置測定装置。
  4. 　前記時間特定部は、前記反射波のピークのうち、前記反射波の包絡線におけるピークの直前及び／又は直後に発生した所定数の前記反射波のピークのタイミングに基づいて、前記到達時間候補を特定することを特徴とする請求項２又は３に記載の位置測定装置。
  5. 　前記送信器は、変調された超音波を送信し、
    　前記時間特定部は、前記反射波取得部によって取得された反射波と前記記憶部によって記憶されている直達波との相互相関関数を計算し、該相互相関関数に基づいて前記到達時間候補を特定することを特徴とする請求項２に記載の位置測定装置。
  6. 　前記送信器は、変調された駆動信号に応じて超音波を送信し、
    　前記時間特定部は、前記反射波取得部によって取得された反射波と前記駆動信号との相互相関関数を計算し、該相互相関関数に基づいて前記到達時間候補を特定することを特徴とする請求項２に記載の位置測定装置。
  7. 　前記時間特定部は、特定した前記複数の到達時間候補についてそれぞれ算出された伝搬距離、及び、前回の処理時に前記座標特定部によって特定された３次元座標の計算に用いられた伝搬距離に基づいて、前記複数の到達時間候補についてそれぞれ除外するか否かを判定することを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の位置測定装置。
  8. 　前記座標算出部は、前記時間特定部によって特定された複数の到達時間候補の中から前記受信器毎に１つずつ選択される到達時間候補の全ての組み合わせについて前記３次元座標候補を算出することを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載の位置測定装置。
  9. 　前記座標特定部は、前記座標算出部によって算出された複数の３次元座標候補のうち、前回の処理時に特定した３次元座標との距離が最も近い座標を物体の３次元座標として特定することを特徴とする請求項１～８のいずれか１項に記載の位置測定装置。
  10. 　前記座標特定部は、前回の処理時に特定した３次元座標と今回の処理によって特定した３次元座標との前記距離に基づいて、今回の処理によって特定した３次元座標を許容するか否かを判定することを特徴とする請求項１～９のいずれか１項に記載の位置測定装置。
  11. 　測定対象の物体が測定範囲内に存在するか否かを判定する判定部を備え、
    　前記記憶部は、前記測定対象の物体が測定範囲内に存在しないと前記判定部によって判定された場合に前記受信器によって受信された受信波を前記直達波として記憶することを特徴とする請求項２～１０のいずれか１項に記載の位置測定装置。
  12. 　前記送信器及び前記３つの受信器は、同一の平面上に配置され、長方形の各頂点の位置にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項１～１１のいずれか１項に記載の位置測定装置。
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