WO2022045006A1 - 物体検知装置 - Google Patents

Abstract

物体検知装置は、超音波を送受信する送受信器（２１）と、送受信器（２１）を駆動するための駆動信号を生成する駆動信号生成部（２４）と、送受信器（２１）の受信信号から一部の信号を抽出して出力するフィルタ（２５）と、フィルタ（２５）の出力信号に基づいて物体検知判定を行う検知判定部（３）と、を備える物体検知装置であって、駆動信号生成部（２４）は、送受信器（２１）の共振周波数とは異なる周波数に対応する駆動信号を生成し、フィルタ（２５）は、受信信号のうち該周波数から共振周波数へシフトした信号に対する出力信号が、受信信号に含まれる他の信号に対する出力信号よりも大きくなる特性を有している。

Description

物体検知装置 関連出願への相互参照

　本出願は、２０２０年８月２５日に出願された日本特許出願番号２０２０－１４１８５７号に基づくもので、ここにその記載内容が参照により組み入れられる。

　本開示は、物体検知装置に関するものである。

　自動車等の車両において、超音波センサによって障害物を検知し、検知結果を用いて自動駐車等を行う技術が提案されている。車載用の超音波センサでは、超音波を送受信するトランスデューサとしてマイクロフォンが用いられるが、マイクロフォンでは探査波の送信後に残響が発生する。そして、車両から近距離にある物体で探査波が反射すると、この残響に反射波が埋もれる。そのため、近距離にある物体は、遠距離にある物体に比べて検知が困難である。
　これについて、特許文献１では、共振周波数とは異なる周波数でトランスデューサを駆動し、反射波と残響のうなり成分を検出することで、近距離にある物体を検知している。

特開平１０－２６８０３５号公報

　しかしながら、反射波に比べて残響の強度は非常に大きいため、残響内の信号をうなりで検出することはＳ／Ｎの観点で困難である。また、車載センサで用いられるマイクロフォンは狭帯域であるため、うなりを検出し、近距離にある物体を検知することがさらに困難になる。

　本開示は、物体検知装置において近距離にある物体の検知を容易にすることを目的とする。

　本開示の１つの観点によれば、物体検知装置は、超音波を送受信する送受信器と、送受信器を駆動するための駆動信号を生成する駆動信号生成部と、送受信器の受信信号から一部の信号を抽出して出力するフィルタと、フィルタの出力信号に基づいて物体検知判定を行う検知判定部と、を備える物体検知装置であって、駆動信号生成部は、送受信器の共振周波数とは異なる周波数に対応する駆動信号を生成し、フィルタは、受信信号のうち該周波数から共振周波数へシフトした信号に対する出力信号が、受信信号に含まれる他の信号に対する出力信号よりも大きくなる特性を有している。

　マイクロフォンを共振周波数とは異なる周波数で駆動すると、マイクロフォンの構造によって、残響が共振周波数にシフトする。このような駆動特性を利用し、該周波数から共振周波数にシフトした信号を受信信号から抽出することで、残響に埋もれた近距離対象からの反射波を高いＳ／Ｎで検出することができる。これにより、近距離にある物体を検知することが容易になる。

　なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態にかかる物体検知装置の構成を示すブロック図である。 送信波の周波数成分を示す図である。 送信波の周波数成分を示す図である。 送信波の周波数成分を示す図である。 物体検知処理のフローチャートである。 受信信号の周波数と振幅を示す図である。 フィルタ出力と受信信号の振幅を示す図である。

　以下、本開示の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

　（第１実施形態）
　第１実施形態について説明する。図１に示す本実施形態の物体検知装置１は、不図示の車両に搭載されていて、当該車両の周囲の物体Ｂを検知するように構成されている。物体検知装置１を搭載する車両を、以下「自車両」と称する。不図示の車両は、例えば、自動車である。

　物体検知装置１は、超音波センサ２と、超音波センサ２の動作を制御する制御部３とを備えている。超音波センサ２は、超音波である探査波を送信するとともに探査波の物体Ｂによる反射波を受信することで、物体Ｂを検知するように構成されている。

　超音波センサ２は、送受信器としてのトランスデューサ２１と、送信回路２２と、受信回路２３と、駆動信号生成部２４と、フィルタ２５と、参照信号記憶部２６と、受信信号処理部２７と、振幅生成部２８とを備えている。

　トランスデューサ２１は、探査波を外部に向けて送信する送信器としての機能と、反射波を受信する受信器としての機能とを有していて、送信回路２２および受信回路２３と電気接続されている。すなわち、超音波センサ２は、いわゆる送受信一体型の構成を有している。

　具体的には、トランスデューサ２１は、圧電素子等の電気－機械エネルギー変換素子を内蔵した、超音波マイクロフォンとして構成されている。トランスデューサ２１は、探査波を自車両の外部に送信可能および反射波を自車両の外部から受信可能なように、自車両の外表面に面する位置に配置されている。

　送信回路２２は、入力された駆動信号に基づいてトランスデューサ２１を駆動することで、トランスデューサ２１にて探査波を発信させるように設けられている。具体的には、送信回路２２は、デジタル／アナログ変換回路等を有している。すなわち、送信回路２２は、駆動信号生成部２４から出力された駆動信号に対してデジタル／アナログ変換等の信号処理を施すことで、素子入力信号を生成するように構成されている。素子入力信号は、トランスデューサ２１を駆動するための交流電圧信号である。そして、送信回路２２は、生成した素子入力信号をトランスデューサ２１に印加してトランスデューサ２１における電気－機械エネルギー変換素子を励振することで、探査波を発生させるように構成されている。

　受信回路２３は、トランスデューサ２１による超音波の受信結果に対応する受信信号を生成してフィルタ２５等に出力するように設けられている。具体的には、受信回路２３は、増幅回路およびアナログ／デジタル変換回路等を有している。すなわち、受信回路２３は、トランスデューサ２１が出力した素子出力信号に対して、増幅およびアナログ／デジタル変換等の信号処理を施すことで、受信波の振幅および周波数に関する情報を含む受信信号を生成するように構成されている。素子出力信号は、超音波の受信により、トランスデューサ２１に設けられた電気－機械エネルギー変換素子が発生する交流電圧信号である。

　駆動信号生成部２４は、駆動信号を生成して送信回路２２に出力するように設けられている。駆動信号は、トランスデューサ２１を駆動してトランスデューサ２１から探査波を発信させるための信号である。

　トランスデューサ２１の共振周波数をｆ０として、駆動信号生成部２４は、共振周波数ｆ０とは異なる周波数に対応する駆動信号を例えば数周期分生成するようになっている。駆動信号生成部２４は、トランスデューサ２１の帯域内の周波数であって、共振周波数ｆ０よりも高い周波数に対応する駆動信号を生成する。あるいは、駆動信号生成部２４は、トランスデューサ２１の帯域内の周波数であって、共振周波数ｆ０よりも低い周波数に対応する駆動信号を生成する。

　車載センサに用いられるマイクロフォンは、一般的に共振周波数ｆ０±２．５％を帯域とする狭帯域の周波数特性を有している。このようなマイクロフォンを用いる場合には、駆動信号生成部２４は、共振周波数ｆ０±２．５％の範囲に含まれ、かつ、トランスデューサ２１の帯域の中心周波数とは異なる周波数に対応する駆動信号を生成する。トランスデューサ２１の駆動周波数をｆｄとして、駆動周波数ｆｄがトランスデューサ２１の帯域に含まれるように駆動信号を生成することで、探査波の音圧レベルを確保することができる。

　共振周波数ｆ０よりも高い周波数に対応する駆動信号が生成されると、探査波の周波数は、図２～図４に示すように変化する。すなわち、駆動信号による駆動中には、図２に示すように、駆動信号に対応する駆動周波数ｆｄで探査波が送信される。そして、駆動信号による駆動が終了すると、図３に示すように、駆動信号に対応する周波数成分が小さくなり、残響による共振周波数ｆ０の成分が大きくなって、全体として元の駆動周波数ｆｄよりも低い周波数で探査波が送信される。なお、図３において、実線は探査波全体の周波数成分を示し、一点鎖線は駆動信号による周波数成分を示し、二点鎖線は残響の周波数成分を示す。その後、残響成分がさらに大きくなって、図４に示すように共振周波数ｆ０で探査波が送信されるようになる。このように、探査波の周波数は、共振周波数ｆ０よりも高い周波数から共振周波数ｆ０にシフトする。

　同様に、トランスデューサ２１の共振周波数ｆ０よりも低い周波数に対応する駆動信号が生成された場合には、探査波の周波数は、共振周波数ｆ０よりも低い周波数から共振周波数ｆ０にシフトする。

　フィルタ２５は、受信信号から一部の必要な信号を抽出して出力するように構成されている。前述したように、駆動信号生成部２４は、トランスデューサ２１の共振周波数ｆ０とは異なる周波数に対応する駆動信号を生成する。そして、フィルタ２５は、受信信号のうち該周波数から共振周波数ｆ０へシフトした信号に対する出力信号が、受信信号に含まれる他の信号に対する出力信号よりも大きくなる特性を有している。

　例えば、図１に示すように、超音波センサ２は、受信信号と比較するための参照信号を記憶する参照信号記憶部２６を備えており、フィルタ２５は、参照信号記憶部２６に記憶された参照信号と受信信号の相関度を出力する。このように、フィルタ２５を、参照信号を利用した自己相関フィルタとすることで、パルス圧縮によりＳ／Ｎを向上させることができる。参照信号は、例えば駆動周波数ｆｄと共振周波数ｆ０から設計される。また、トランスデューサ２１の個体特性差を考慮して性能を最大化するために、個体ごとの特性を計測して記憶しておき、それを参照信号として用いてもよい。

　受信信号処理部２７は、フィルタ２５の出力信号に対してＦＦＴ等の処理を施すことで、受信波の振幅に対応する振幅信号と、受信波の周波数に対応する受信周波数信号とを生成するように構成されている。ＦＦＴはFast Fourier Transformの略である。また、受信信号処理部２７は、生成した振幅信号および受信周波数信号を、制御部３に出力するように設けられている。

　振幅生成部２８は、受信回路２３が生成した受信信号から振幅信号を生成し、制御部３に出力するように設けられている。

　制御部３は、車載通信回線を介して超音波センサ２と情報通信可能に接続されており、超音波センサ２の送受信動作を制御するように構成されている。

　制御部３は、いわゆるソナーＥＣＵとして設けられていて、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性リライタブルメモリ、等を有する車載マイクロコンピュータを備えている。ＥＣＵはElectronic Control Unitの略である。不揮発性リライタブルメモリは、例えば、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュＲＯＭ、等である。ＥＥＰＲＯＭはElectronically Erasable and Programmable Read Only Memoryの略である。ＲＯＭ、ＲＡＭ等は、非遷移的実体的記憶媒体である。

　制御部３は、受信信号処理部２７によって処理されたフィルタ２５の出力信号に基づいて物体検知判定を行うように構成されており、検知判定部に相当する。なお、本実施形態では、制御部３は、フィルタ２５の出力信号から受信信号処理部２７が生成した振幅信号と、受信回路２３の出力信号から振幅生成部２８が生成した振幅信号の両方が所定の閾値よりも大きい場合に、物体検知判定を行う。受信波には、検知したい対象からの反射波以外に、ノイズや路面からの反射波等が含まれる。これに対して、フィルタ２５の出力に加えて受信信号自体の振幅が大きいことを条件に物体検知することで、ノイズ等による誤判定を抑制することが可能となる。

　物体検知装置１の動作について説明する。物体検知装置１は、自車両のイグニッションがオンされると、図５に示す物体検知処理を繰り返し実行する。

　なお、駆動周波数ｆｄをトランスデューサ２１の共振周波数ｆ０からずらしたり、残響時間短縮のために駆動信号のパルス長を短くしたりすると、トランスデューサ２１の出力が低下する。そこで本実施形態では、物体検知装置１は、自車両から所定距離内の物体を検知するための近距離検知状態と、所定距離よりも離れた物体を検知するための通常検知状態とを遷移する。

　具体的には、物体検知装置１は、通常時は通常検知状態にあってトランスデューサ２１を共振周波数ｆ０で駆動する。そして、物体検知装置１は、通常検知状態で検知された物体との距離が所定の閾値以内となった場合には、近距離検知状態に遷移して、トランスデューサ２１を共振周波数ｆ０とは異なる周波数で駆動する。また、物体検知装置１は、近距離検知状態で検知された物体との距離が所定の閾値よりも大きくなった場合には、通常検知状態に遷移する。

　まず、ステップＳ１にて、物体検知装置１は、通常検知状態であるか否かを判定する。物体検知装置１は、通常検知状態であると判定すると、ステップＳ２にて、トランスデューサ２１を共振周波数ｆ０で駆動する通常検知を行う。一方、物体検知装置１は、通常検知状態ではなく近距離検知状態であると判定すると、ステップＳ３にて、トランスデューサ２１を共振周波数ｆ０とは異なる周波数で駆動する近距離検知を行う。

　処理は、ステップＳ２、ステップＳ３からステップＳ４に移行する。ステップＳ４にて、物体検知装置１は、物体が検知された場合に、探査波を送信してから反射波を受信するまでの時間等に基づいて物体との距離を算出し、物体との距離が所定の閾値よりも大きいか否かを判定する。物体検知装置１は、物体との距離が閾値よりも大きいと判定すると、ステップＳ５にて通常検知状態に遷移し、処理を終了する。一方、物体検知装置１は、物体との距離が閾値以内であると判定すると、ステップＳ６にて近距離検知状態に遷移し、処理を終了する。

　このように、近距離検知状態で検知距離が閾値より大きくなった場合に物体検知装置１が通常検知状態に遷移し、トランスデューサ２１が共振周波数ｆ０で駆動される。したがって、遠方から近傍までの広い距離範囲で対象を検知することができる。

　なお、車両の走行中には、障害物は基本的には遠距離から自車両に近づいてくるため、主に通常検知状態で対応することができる。一方、物体検知装置１の起動直後、すなわち、車両のイグニッションがオンされた直後では、障害物がすでに自車両の近傍に位置している場合がある。例えば、自車両の駐車中に自車両の隣に他の車両が駐車し、その状態で自車両のイグニッションがオンされた場合等である。

　起動直後に障害物が近傍にある場合と遠方にある場合の両方に対応するため、物体検知装置１は、起動してから所定時間が経過するまでの間は通常検知状態と近距離検知状態とを交互に遷移する。そして、物体検知装置１は、この間に物体が検知された場合には、検知距離に応じて通常検知状態または近距離検知状態に遷移する。起動直後と、起動から所定時間が経過した後とで、通常検知状態と近距離検知状態への遷移方法を変更することで、検知効率を向上させることができる。

　図６、図７は、本発明者らが行った実験の結果を示す図である。実験では、トランスデューサ２１から１５ｃｍの距離に直径６０ｍｍのポールをターゲットとして設置し、共振周波数ｆ０よりも高い周波数でトランスデューサ２１を駆動して、探査波の送受信を行った。なお、図６において、実線は受信信号の周波数を示し、一点鎖線は受信信号の振幅を示す。また、図７において、実線はフィルタ２５の出力値を示し、一点鎖線は受信信号の振幅を示し、二点鎖線は反射信号の検出に用いられる閾値を示す。

　図６では、受信信号に残響が見られる中で、周波数がチャープしている箇所が確認できる。これは、駆動信号による駆動終了後に、トランスデューサ２１の残響が駆動周波数ｆｄから共振周波数ｆ０へシフトし、このときの送信波がターゲットで反射してトランスデューサ２１によって受信されたためである。この受信信号をフィルタ２５によって処理すると、図７に示すように、残響に埋もれた反射信号が検出された。

　以上説明したように、本実施形態では、共振周波数ｆ０とは異なる駆動周波数ｆｄでトランスデューサ２１を駆動し、駆動後の残響を駆動周波数ｆｄから共振周波数ｆ０にシフトさせることで、周波数のチャープが生成される。そして、このように周波数がシフトした信号をフィルタ２５で抽出することで、残響に埋もれた近距離対象からの反射波を高いＳ／Ｎで検出することができる。これにより、近距離にある物体を検知することが容易になる。

　また、特許文献１に記載の方法において、うなり成分を正確に検出するためには、残響周波数とは大きく異なる周波数で、信号が数波分ずれる時間、送受信器を駆動し続ける必要があり、狭帯域のマイクロフォンを用いる車載センサでは実現が困難である。

　これに対して、本実施形態では、駆動周波数ｆｄと共振周波数ｆ０が大きく異なっている必要がなく、トランスデューサ２１の帯域内で駆動すればよいので、狭帯域のマイクロフォンを用いる車載センサにおいても有効である。

　（他の実施形態）
　なお、本開示は上記した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更が可能である。また、上記実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

　例えば、物体検知装置１が参照信号記憶部２６を備えず、他の方法によってフィルタ２５の特性が上記のように設定されていてもよい。また、物体検知装置１が振幅生成部２８を備えず、制御部３が受信信号処理部２７の出力のみに基づいて物体検知判定を行ってもよい。

　上記の各機能構成および方法は、コンピュータプログラムにより具体化された一つあるいは複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサおよびメモリを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。あるいは、上記の各機能構成および方法は、一つ以上の専用ハードウエア論理回路によってプロセッサを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。あるいは、上記の各機能構成および方法は、一つあるいは複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサおよびメモリと一つ以上のハードウエア論理回路によって構成されたプロセッサとの組み合わせにより構成された一つ以上の専用コンピュータにより、実現されてもよい。また、コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されるインストラクションとして、コンピュータ読み取り可能な非遷移有形記録媒体に記憶されていてもよい。

Claims (8)

1. 　超音波を送受信する送受信器（２１）と、
   　前記送受信器を駆動するための駆動信号を生成する駆動信号生成部（２４）と、
   　前記送受信器の受信信号から一部の信号を抽出して出力するフィルタ（２５）と、
   　前記フィルタの出力信号に基づいて物体検知判定を行う検知判定部（３）と、を備える物体検知装置であって、
   　前記駆動信号生成部は、前記送受信器の共振周波数とは異なる周波数に対応する前記駆動信号を生成し、
   　前記フィルタは、前記受信信号のうち該周波数から前記共振周波数へシフトした信号に対する出力信号が、前記受信信号に含まれる他の信号に対する出力信号よりも大きくなる特性を有している物体検知装置。
2. 　参照信号を記憶する記憶部（２６）を備え、
   　前記フィルタは、前記記憶部に記憶された前記参照信号と前記受信信号の相関度を出力する請求項１に記載の物体検知装置。
3. 　前記検知判定部は、前記フィルタの出力と前記受信信号の振幅の両方が所定値よりも大きい場合に物体検知判定を行う請求項１または２に記載の物体検知装置。
4. 　前記送受信器は、狭帯域の周波数特性を有する請求項１ないし３のいずれか１つに記載の物体検知装置。
5. 　前記駆動信号生成部は、前記送受信器の帯域に含まれ、かつ、前記送受信器の帯域の中心周波数とは異なる周波数に対応する前記駆動信号を生成する請求項１ないし４のいずれか１つに記載の物体検知装置。
6. 　所定距離内の物体を検知するための近距離検知状態と、所定距離よりも離れた物体を検知するための通常検知状態とを遷移し、
   　前記近距離検知状態では、前記駆動信号生成部が前記共振周波数とは異なる周波数に対応する前記駆動信号を生成し、
   　前記通常検知状態では、前記駆動信号生成部が前記共振周波数に対応する前記駆動信号を生成する請求項１ないし５のいずれか１つに記載の物体検知装置。
7. 　前記通常検知状態のとき、検知された物体との距離が閾値以内となった場合に前記近距離検知状態に遷移し、
   　前記近距離検知状態のとき、検知された物体との距離が閾値よりも大きくなった場合に前記通常検知状態に遷移する請求項６に記載の物体検知装置。
8. 　起動してから所定時間が経過するまでの間、前記通常検知状態と前記近距離検知状態とを交互に遷移し、
   　物体が検知された場合に、検知された物体との距離に応じて前記通常検知状態または前記近距離検知状態に遷移する請求項６または７に記載の物体検知装置。

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