(57)【要約】  本発明は超音波を用いて距離測定方法と装置を提供する。本発明は、十分に受信超音波信号を増幅し、第1パルスの到来信号を抽出するため不要信号と混合される超音波信号から特定周波数を分離する。対象物の距離を安全な計算がこうして可能である。
2007500348.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定周波数を有する超音波パルスを各対象物に送信、対象物から反射または直接送信される超音波パルスを受信、そして第1パルスの到来時刻を見つけるため受信超音波パルスの特定周波数を抽出し、時間を距離に変換、のステップからなる超音波を用いる距離測定方法。
【請求項２】
到来時刻を見つけ、距離に時間を変換するステップは、波形が送信された超音波の特定周波数からの異なった周波数特性を有する雑音と混合される状態で、更に超音波の特定周波数を分離し、分割された超音波の中ではじめて受信される超音波の到来時刻を距離に変換するステップからなる請求範項1記載の距離測定方法。
【請求項３】
時間を距離に変換するステップにおいて、特定周波数を受信超音波からの抽出は、更に増幅された信号を発生させるために受信超音波の増幅、フィルタを通った信号を発生させるためアナログフィルタ回路を経て増幅された信号の中の不要な周波数の信号の弱小、フィルタを通った信号を増幅し再増幅した信号を発生、再増幅の信号をデジタル信号に変換、そしてデジタル信号処理により変換したデジタル信号から特定周波数の抽出からなる請求項1又は2記載の距離測定方法。
【請求項４】
指定距離の範囲を超える距離を測定するように、対象物の距離を測定するとき除かれる距離の範囲を指定するステップを更に含むことからなる請求項３記載の距離測定方法。
【請求項５】
対象物が動いている間、対象物から反射される超音波を受信するステップが、送信された超音波の周波数の変動に応じて受信周波数を変化させることからなる請求項１記載の距離測定方法。
【請求項６】
既知の位置に超音波を受信する第1受信器の取付け、測定する対象物に超音波を受信する第2受信器の取付け、対象物からの距離が測定される位置からの特定周波数を有する超音波の第1及び第2受信器への送信、第1信号到来時間を見つけるため第1及び第2受信器から受信した超音波の特定周波数の抽出と時間の距離への変換、第1受信器による受信距離と第2受信器への既知の距離間の違いに関したエラー情報の送信、そしてエラー情報を用いて音の速度の第2受信器による修正のステップからなる超音波を用いる距離測定方法。
【請求項７】
特定周波数を有する超音波を発生する送信器、対象物から反射される超音波を検出するセンサー、センサーにより検出される超音波を増幅する増幅器、増幅器により増幅される超音波からの特定周波数を除く他の周波数を選択式に減少するアナログフィルタ、アナログフィルタを通して選択されたアナログ信号を増幅する二次増幅器、増幅されたアナログ信号をデジタルデータに変換するA/Dのコンバーター、デジタルデータを保存するメモリ、メモリに保存されたデジタルデータを処理するデジタル信号プロセッサ、デジタル信号プロセッサで処理される結果を表示する出力装置、処理条件のディジタル信号プロセッサに通知する数値入力装置、そして受信超音波とデジタル信号プロセッサで計算される第1信号の到来時刻の遅延時間の中の第1信号の伝送時間が測定され、デジタル信号プロセッサと外部装置が情報を交換できるようにデジタル信号プロセッサと外部装置を互いに接続するための通信装置から成る超音波を用いる距離測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は超音波を用いて距離を測定する方法と装置に関する。特に、この発明は超音波を用いて、様々な距離の測定システム、ローカリゼーションシステム、工場自動化(FA)、移動ロボット、スードライト等に適用し、超音波信号を送信し、検出することによって距離を測定する方法と装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
距離の測定方法は接触タイプまたは無接触タイプ、距離の範囲、使用等によって分類できる。また、距離の測定方法は範囲によって長距離、短距離の測定方法および精密な距離の測定方法に分類される。長距離の測定方法にはレーザー法が、RF法、IR法、超音波法、CCD法、スケール法などがある。短距離の測定方法には磁束貫通法、光センサーおよびレーザーセンサーがある。精密な距離の測定方法には渦流センサー、磁気センサー、LVDTセンサーおよび線形スケール等がある。その間、高性能局在化を、多ボディ移動ロボットのような広域で行われなければならない分野の距離の測定は、非接触方法で実行されなければならない。多ボディはそれぞれ同時に確認されなければ、メートルの範囲の少なくとも複数の10の間隔の検出は可能にならなければならない。なお、間隔の測定が安く実行され、よい検出、安定性の、実時間および屋内測定のような条件を満たすことが、要求される。
【０００３】
局在化の領域で従来提案された距離の測定方法は上記の条件を満たしていない。すなわち、上記の条件を満たすためには、局在化の領域の距離の測定方法はより遠い距離を測定必要がある。性能の視点では、レーザーは好適な方法であるが、費用および安全の面で問題がある。RFを用いるスードライトはハイテクおよび高額の費用を要する点に問題がある。費用の点では、超音波またはIR方法がよいが、その性能はレーザーとRF方法より劣っている点に問題がある。一方、空気超音波センサーは性能の限界にもかかわらず多数の研究および産業に広く適用された。この空気超音波方法は、移動ロボットの衝突回避またはターゲットの検出のためのセンサー、車の後部にターゲットを検出する検出器、トラフィック探知器、速度計、構造物のテレメーター、動物や人などの侵入を検出する保護センサーに広く適用された。超音波を利用する距離の測定方法は、ターゲットに向けて送信される場合の超音波信号の到着時刻(T1)と発信時刻(T0)間の時間を測定する。このばあい、到着時刻は送信機から送信した超音波信号を受信機が受信するのにかかった時間である。T1からT0の送信時間を計り、音速を掛けるとターゲットへの距離になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
現在、超音波を用いて距離の測定の最も典型的な方法は、図１に示すように、しきい値法である。
【０００５】
図１は第1零交叉が受信信号で検出される状態を示すグラフである。この方法はしきい値レベル以上の超音波信号の検出により距離を測定する。しかしそのような超音波を用いるこの典型的な距離測定方法は幾つかの不確実性による困難がある。
【０００６】
図１では、超音波がターゲットから反射され、信号がしきい値法で送信され、元のポイントに戻るときの時刻T1を見つけることに2つの間違いの原因を示している(すなわち、T2は2つの間違い源を含んでいる)。上記において受信波形10は振幅レベル12を持つ雑音(RMS)の背景から検出される。このしきい値法では、受信信号は、実際に受信される超音波がエコーパルスかどうかを保証するため、受信信号の振幅が周辺雑音よりかなり高いしきい値14を超過するまで拒絶される。従って、しきい値を用いる従来の方法は、雑音の振幅レベル12を超過し、T1の測定値として第1検出振幅に続く零交叉16の時刻T2を用いる。時刻T2は受信信号の中の時刻T1までに見つけられるスタート時刻である。そのようなしきい値法では、しきい値上以上の信号だけが認識されるため、T2が得られる。故に、T2-T1の大きさのエラーが距離の測定に起こる。これらのエラーは雑音が受信信号と混合されるとき更に目立つ。
【０００７】
もう一つのエラーソースは、伝搬媒体を通る音速が予測不可能に変化しうるという事実です。例えば、伝搬媒体が空気である場合、音速は伝搬経路の大気圧、温度と湿気に左右される。大気が音の伝搬経路で均一なら、測定装置は圧力、温度と湿気センサーを用いて圧力、温度と湿気の変化を補うことができる。しかし伝搬媒体の均一分布を保証することは困難である。
【０００８】
従って、このしきい値法では、空気中の送信された信号強度は超音波特性に従って著しく弱まる。従って、その減少は距離が遠くなるほど大きくなり、信号の量は距離に応じて小さくなる。故に、信号自体の検出が不可能である。その結果、検出の距離に限定が多くある。
【０００９】
図2は米国特許第5,793,704号でDavid Freger（Ashkelon Islael）により「超音波測距の方法と機器」（Method and Device for Ultrasonic Ranging）と題して提案された技術を示す。これは前述のしきい値を検出し、問題を改善するために最大の振幅超音波信号の抽出により距離を測定するエンベロプ検出方法を開示している。特に、図2は同じターゲットに異なった伝搬速度の媒体(大気)を通って伝搬し、受信回路により受信される3種類の受信波形を示す。これは従来の技術の基本原理を示す。
【００１０】
図2を参照して、受信超音波信号には信号の強さにもかかわらず一定したエンベロプがある。そのような従来のエンベロプ検出方法はエンベロプの特性を得る。この方法では、受信信号は、距離が近いけど、飽和しないため、エンベロプが常に得られる。受信波形の開始ポイントは後戻りにより得られるエンベロプの最高振幅ポイントを用いて検出される。この方法はしきい値モードと比較してより正確な開始ポイントT2の見出しが可能になる。
【００１１】
しかし信号が飽和すれば、この方法はエンベロプが得られないことに問題がある。従って可変的な構造として送信増幅器と受信増幅器の利得を制御する手段の追加が要求される。
【００１２】
図2に戻って参照して、上の受信波形20は「速い」空気を通って反射し、中間の受信波形30は「平均」空気を通って反射し、下の受信波形40は「遅い」空気を通って反射する。
【００１３】
一般に、超音波センサーは、圧電気タイプか磁気タイプにかかわらず、超音波信号の反射を検出するために、超音波エネルギーの到来に非線形に応答する。
【００１４】
このセンサーは応答時間が低エネルギー信号より高エネルギー信号で短いことに特徴がある。さらに、空気を通り伝搬する受信波形のエネルギーレベルは伝搬速度と反対に変わりやすい。すなわち、前もって決定した伝搬エネルギーレベルに関して、「遅い」空気を通り反射する受信波形は、「速い」空気を通って反射する受信波形より高エネルギーを持ちやすい。
【００１５】
従って、それぞれの波形(パルス; 20、30と40)の最初到来時間は、図2に示すように、かなり異なっている。この場合、低い受信波形40は中間の受信波形30より高エネルギーを持ち、中間の受信波形30は上の受信波形20より高エネルギーを持つ。故に、受信器センサーは低い受信波形40に中間の受信波形30より急速に応答し、中間の受信波形30に上の受信波形20より急速に応答する。この時点で、それぞれの受信波形の振幅のエンベロプ(上の受信波形20)のエンベロプ22、中間の受信波形30のエンベロプ32と下の受信波形40のエンベロプ42は、それぞれほとんど同時に最大値を持つ。従って、受信波形の振幅のエンベロプの最大値のピッキングに基づく距離の測定は、音速の変化による影響が比較的少ない。この従来の方法によると、最大振幅が待機雑音レベルをはるかに超過するので、受信波形の第1零交叉のピッキングに関連するエラーを避けることが可能である。
【００１６】
超音波の最大振幅信号の抽出による距離測定の方法と装置では、センサーの受信信号は増幅されると雑音が信号と混合される。従って、検出信号が3〜10mの範囲の場合に弱くなるので距離測定が不可能であることが問題である。すなわち、この従来の方法ではセンサーの応答はセンサーの種類により変わる。従って、既知の距離の修正ターゲットの方に超音波パルスを伝搬し、受信波形の最大振幅の時刻を測定してこの方法を修正する必要がある。この修正は各修正距離の飽和レベルに少し達しない受信器回路での振幅レベルの測定を含む。この距離の最適振幅レベルの表がこうして提供される。交互に受信した受信波形信号が飽和すると、受信器の増幅度を減らすため、振幅を測定しフィードバックする手段が提供される。更に、実用面で、距離測定装置は2つ以上の伝搬パルスを用いてターゲットまでの距離を測定する。この場合、第1パルスはターゲットまでの距離の概略値を得るのに使用され、第2のパルスは実際の距離を測定するために送信される。
【００１７】
従って、上記の従来のエンベロプ方法には用いる際に複雑な装置構成と多くの制限があることに問題がある。また、このモードは測定する距離が短く、正確さが低いため、広い地域の正確な位置認識に適用に困難がある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
それ故、本発明は上記の問題から鑑みてなされ、本発明の目的は超音波信号を用いて距離測定で大気と騒音などの周囲の環境に応じて制限状態により影響されずに距離を効果的に測定する、超音波を用いる距離測定方法と装置を提供することにある。
【発明の効果】
【００１９】
上で記した本発明により、雑音と超音波の周波数特性が異なる事実を用る。従ってそれが雑音の量に影響されないため、信号の増幅に制限がない。こうして雑音を含んでいる信号の増幅は十分に可能である。
【００２０】
なお、雑音と弱い超音波信号は一緒に増幅され、超音波信号の特定周波数は十分に強い信号から分離され、特定周波数の中の第1信号は回復される。従って、長距離の測定により弱い信号であっても、雑音にかかわらず超音波信号を測定することが可能である。
【００２１】
さらに、受信信号の量にかかわらず最大の差動利得を維持することが可能である。これにより装置が簡単になる。従って弱い信号を十分に増幅でき、失われた第1信号が回復できるので正確さを増大できるので長距離の測定が可能であることに、本発明の利点がある。
【００２２】
本発明の更に他の目的と利点は添付の図面と関連して述べる次の詳細な説明から十分に理解できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の好ましい実施例を図4から8を参照して詳しく述べる。なお、本発明の好ましい実施例による記述において、超音波を用いる距離の測定の基本原理の記述とこの技術に巧みである人に既知であるその構成と動作の効果は省略する。
【００２４】
図4と図5は本発明により超音波を用いて距離測定方法を説明するグラフである。上記について図4は21.6mで受信される受信波形(v(k))を示すグラフであり、図5は図4の受信波形を重畳処理の結果である波形(w(k))を示すグラフである。
【００２５】
図4と図5を参照して、図4に示す波形は特定時刻の前または後に測定すべき距離情報を含んでいる受信信号である。この受信信号の量は最大振幅検出のような従来の方法により識別できない雑音に似た弱い信号である。従って雑音内に信号をある感覚で推定することは可能であるが、どのポイントが定義されるかはまったくにあい昧である。その結果、受信波形は、その信号レベルが雑音の振幅より小さいため、既存の方法により処理できない。この信号は送信器と受信器間の距離がかなり離れているとき受信される。
【００２６】
この信号が本発明により処理されると、図5に示すように、周波数の期間の識別が可能になる。図5に示している波形は図4aで示す受信波形がデジタル化された結果である。波形には期間がサンプリングシーケンスの中心点5000番目のまわりで異なっている2種類の波形がある。すなわち、中心点の後に、ある特定の期間を有する波形は継続し、一方中心点の前に、波形は不規則に変化する。本発明では、第1信号はこの方法により抽出される超音波信号から推定され、はじめて送信される信号の時刻から遅れ時間が測定され、距離に変換される。
【００２７】
この実施例では、超音波は送信と受信を分離した直接波を用いる。一般に、超音波は送信器と受信器を統合したタイプのトランスデューサを用いる対象物から反射波モードを用いる。この統合タイプは簡単な構造を有し、容易に処理することができるのが利点である。この統合タイプでは、ビーム幅が、オリエンテーションの問題のため、広くなるので正確な主体ポイントの指摘が困難である。対象物の干渉のため反射波からの測定エラーを避けることもまた困難である。さらに、反射タイプは多ボディ移動ロボットのような位置を独立に確認することが無用である。従って、この実施例では、送信器と受信器は分離している。この分離タイプは上記した複数の問題を解決できるかもしれない。しかしこの実施例ではセンサーを分離できるため同期はワイヤーを通してなされる。これはIRとRFモードに容易に取り替えられるかもしれない。
【００２８】
この実施例では、超音波の送信で、特定周波数の信号は送信器の設計と互換性があるように増幅される。この実施例では、8期間のパルスは増幅され、送信器に入力される。当然、出力波は実際に8期間でなくともいい。波が8期間より短ければ、雑音からの分離に不利である。波が8期間より長ければ、距離の測定の応答時間がその分長くなる問題がある。
【００２９】
この実施例では、検出すべき特定周波数成分を見つけるのに使用される方法は、見つけるべき期間の正弦波の基準と次の重畳動作による受信波形の検出を含む。
【数１】
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【数２】
2007500348.tif 000004
【数３】
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【００３０】
本発明では、そのような重畳動作を経て回路から導入されるスイッチング電源からの雑音を含む他の原因の雑音から、波形の分離は可能である。
【００３１】
本発明による超音波を用いる距離測定方法は、受信信号のデジタル信号処理と、周波数成分を一貫して維持する傾向の分析を含む。そうすることにより、同一周波数が検出されるが、類似信号の雑音への応答は周波数が一貫しているかどうかの決定に基づいてはなされない。すなわち、超音波信号を一定を保つが、雑音は周波数の変化で不規則であり、周波数がほとんど一貫せずに保つ、と言える。従って、受信信号は十分に増幅され、雑音も増幅されるが、雑音に応答しない特定の期間の望ましい信号を抽出できる。
【００３２】
こうして送信される超音波信号の特定の期間を有する波形が抽出された後、各零交が見つけられ、1期間値に変換される。
【００３３】
そして、検出されるべき信号レベルを有して8期間続く信号は、周期値からリアルタイムで検索される。検索が完了すると、8期間の開始ポイントはT2として決定され、期間（飛行時間）TOF＝T2-T1が見つけられる。時刻が温度補正を経て距離に変換されれば、最終測定値が得られる。温度補正は以下の動作により行われる。
【数４】
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【数５】
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【数６】
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【００３４】
その間、本発明で、信号は弱い信号に応答するので、直接波は第1到来信号により測定される信号である。その場合、反射波が用いられ、測定すべき対象物のまわりに散乱する対象物からの信号は検知される。従って確認可能な範囲内の信号が無視されることが必要である。この目的を達成するために、前述の実施例により、測定から除かれる距離範囲は指定され、指定範囲を超過する距離が測定される。
【００３５】
更に、本発明により、信号が周波数を用いて抽出されるので、移動対象物を測定する場合に変更周波数が受信される。従ってこの変更を採用する必要がある。故に、本発明は、移動対象物が測定の対象物なら受信した超音波パルスの周波数が変わることを考慮して可変的に分離する周波数を適用できる。
【００３６】
さらに、測定するべき距離は通常媒体内に超音波が伝搬する速度に依存している。この時点で、媒体は温度などの種々の要因により変えられる。従って、本発明では、超音波が伝播する媒体の音の速度を測定するため、超音波受信器が既知の位置に取付けられ、同時に送られる超音波用に受信信号の到来時刻を測定する。次に超音波が測定値を見つける必要の位置で受信され、距離を測定する。これにより、より安定した結果を得ることができる。一般に、音波は媒体により影響を受ける。超音波を用いる距離の測定が単純に適用する場合、この事実は考察の対象物自体として考慮されない。本発明におけるように、その程度と到来距離を改善すれば、音波は比例して影響を受ける。
【００３７】
従って、本発明において、類似の媒体が通る経路が測定対象物に測定し、その結果が反射される。このために、受信機が既知の距離に据えられ、到来時間を測定すれば、音の速度は測定する対象物間の大気環境に応じてあらかじめ知ることができる。すなわち、音の速度は時間で割った到来距離を参照する。従って、到来距離と時刻が既知であれば、測定する経路上の媒体の状態を知ることができる。
【００３８】
図6は本発明の好ましい実施例による超音波を用いる距離測定装置の構成を説明するブロックダイヤグラムである。
【００３９】
図6を参照して、本発明の好ましい実施例による超音波を用いる距離測定装置は40KHz超音波センサーを含む。受信波形は5MHzにサンプリングされ、表示される。図6において、超音波を用いる距離測定装置の概念を図式的に示している。
【００４０】
コンクリート内に、この実施例による装置には、超音波送信器、センサー、増幅器、アナログフィルタ、二次増幅器、A/Dのコンバータ、メモリ、デジタル信号プロセッサ、表示装置、数値入力装置と通信装置がある。
【００４１】
この装置では、超音波の送信には特定の期間の8つのパルスの送信を含み、受信超音波信号は増幅器で二度増幅される。
【００４２】
差動利得は発信を伴うので制限がある。従って、増幅された信号は、その信号の特定周波数を最大値に保持するため他の周波数を減衰させるフィルタを通り、再び十分に増幅される。再度増幅される信号は、メモリ、デジタル信号プロセッサ、表示装置、数値的入力単位と通信装置を有するデジタル計算機で処理できるよう、A/Dコンバーターを通りデジタル信号に変換される。さらに、超音波信号から特定周波数を抽出したデジタル信号プロセッサは、FFTのような移動平均、重畳と数値解析で使用できる。
【００４３】
図7は本発明の好ましい実施例による超音波を用いて距離測定方法と装置により、異なる距離で受信超音波波形がデジタル信号処理により処理される前の受信超音波波形を示すグラフである。図8は本発明の好ましい実施例により超音波を用いて距離測定方法と装置により20m以上の同じポイントで信号が繰り返し測定され、処理される結果に示すグラフ。
【００４４】
本発明の好ましい実施例による方法と装置での性能実験は、分離して配置した送信と受信用のセンサーによってなされ、また屋内通路の環境で行われた。更に、その実験は考慮されるべき外部音波の干渉に影響を与え得る車の運転などの特別な雑音の無い条件の下で行われた。
【００４５】
そのような実験は、超音波が送信され、受信器がその信号をデジタル式に受信しサンプリングを行い、特定期間の正弦波、重畳と零交叉ポイントが計算され、交差ポイント時刻が周期的な値として連続して保存され、特定期間が8期間続くかどうかが決められ、特定期間が8期間続くと決められたら、検索を終わり、TOFが計算され、温度が補償され、距離に変換され、方法で行われる。
【００４６】
図7は、距離がlm、5m、10m、15mと20mに対しデジタル信号処理により処理される前の受信超音波波形の結果を示す。図7に示すように、増幅器の利得は、1に近い場合、受信信号が飽和するレベルとほとんど同じである。この時、本発明による方法はレベルを使う方法ではない。従って、通常の測定が飽和の場合でも可能である利点がある。言い換えると、レベルを比較する方法により、1つのスケールで10mまで雑音信号により動作しないレベルを識別することが可能である(図7の1/2の範囲内)。しかし、15mと20mでのレベルの識別は可能でない。一方、基準になるレベルの量が低く設定される場合、レベルは雑音信号に応答する。認めるレベルの量は安定動作のために決定される。
【００４７】
図8は、信号を、距離が20mで本発明により処理された同じポイントで3回繰り返して測定した結果に示す。
【００４８】
図8で示すように、グラフの縦の軸線はサンプリング周期が1である単位の時間次元を示す。これは各波形の期間を示す。
【００４９】
従って、125スケールの高さは40KHz期間を示す。従って、本発明により、検出される信号が一般に雑音中で強いことを示している。周波数の点から見ると、同じ周波数成分をあちこちに示している。周波数を保つ信号成分は雑音と比較してはっきり区別されるレベルで表される。さらに、信号の開始ポイントは傾向を表す。信号の開始ポイントは正確さに対応する。グラフのaとbの場合には、信号の到来は屈曲したポイントで認識できる。同じ位置でcの場合には、信号と雑音の境界ポイントを推定し得る徴候があるポイントの確認は可能である。さらに、3回繰り返した測定値は21.634m、21.633m、21.632mであり、反復性は1mmである。これは、本発明による超音波を用いる距離測定方法と装置において、20m以上の距離の反復性は2mm/20m、すなわち、1/10,000の解像度であることを示す。
【００５０】
本発明を確認するため、20mの範囲の実験室で実験を行った。センサーの選択で、周波数が40KHzから20KHzに変更し、信号の出力レベルを増大すれば、100mに近い範囲の距離測定が可能である。
【００５１】
このようにして、本発明の超音波を用いる距離測定方法と装置により、従来の方法と装置では測定できない距離の範囲を安定して測定が可能であり、距離範囲を拡大できる。
【００５２】
（発明のモード）
前記の目的を達成するため、本発明により、以下のステップから成る、超音波を用いる距離測定方法を提供する。対象物に特定周波数を有する超音波パルスの送信と、対象物から反射または直接送信される超音波のパルスの受信と、そして第1パルスの到来時間を見つける受信信号の特定周波数の抽出と、時間の距離への変換。
【００５３】
超音波を用いる距離測定方法では、到来時間を見つけ時間を距離に変換するステップは、更に超音波パルスの特定周波数に分割し、送信された超音波の特定周波数からの異なった周波数特性を有する雑音と混合される状態で、分離した超音波パルス間ではじめて受信した波形が超音波パルスの到来時刻を、距離に変換するステップからなる。
【００５４】
超音波を用いる距離測定方法では、時間を距離に変換するステップで 受信超音波から特定周波数の抽出は、さらに以下のステップからなる。受信超音波パルスを増幅し、その増幅信号を発生。アナログフィルタ回路を経て増幅された信号の中の不要な周波数の信号を減衰。フィルタを通った信号を再び増幅。再増幅した信号をデジタル信号に変換。そして特定周波数をデジタル信号処理を経て変換したデジタル信号から抽出。
【００５５】
超音波を用いる距離測定方法は、更に指定距離の範囲を超える距離を測定するように対象物の距離を測定するとき除かれる距離の範囲を指定するステップからなる。
【００５６】
超音波を用いる距離測定方法において、対象物が動いている間に対象物から反射された超音波パルスを受信するステップは、送信された超音波パルスの周波数の変化に応じて受信周波数を変化させる動作からなる。
【００５７】
前記の目的を達成するため、本発明により、超音波を用いて距離測定方法も提供する。この方法は以下のステップから成る。既知の位置で超音波パルスを受信する第一の受信器の取付け。測定する対象物で超音波パルスを受信する第2受信器の取付け。測定する対象物からの距離にある位置から特定周波数を有する超音波パルスを第1及び第2受信器に送信。第1パルスの到来時刻を見つけるため第1及び第2受信器から受信した超音波パルスの特定の周波数の抽出と、時間の距離への変換。第1受信器が受信した距離と第2受信器への既知の距離間に関するエラー情報の送信。そしてエラー情報を用いて音の速度を第2受信器により修正。
【００５８】
前記の目的を達成するため、本発明により、下記を含む超音波を用いる距離測定装置を提供する。特定周波数を有する超音波パルスを発生する送信器。対象物から反射した超音波パルスを検出するセンサー。センサーにより検出した超音波パルスを増幅する増幅器。増幅器により増幅した超音波パルスからの特定周波数を除く他の周波数を選択して減衰するアナログフィルタ。アナログフィルタを通して選ばれるアナログ信号を増幅する第2増幅器。デジタルデータに増幅されたアナログ信号を変換するA/Dコンバーター。デジタルデータを保存するメモリ。メモリに保存されたデジタルデータを処理するデジタル信号プロセッサ。デジタル信号プロセッサで処理された結果を表示する出力装置。処理状態をデジタル信号プロセッサに通知する数値的入力装置。そして、受信超音波パルスの中の第1パルスの伝送時間とデジタル信号プロセッサで計算した第1パルスの到来時刻の遅れ時間が測定され、デジタル信号プロセッサと外部装置が情報交換できるように、デジタル信号プロセッサと外部装置互いに接続する通信装置。
【００５９】
本発明により、第1パルスの到来信号を抽出するため、受信超音波信号は十分に増幅され、特定周波数は不要な信号と混合された超音波信号から分離される。距離の計算はこうして可能である。
【００６０】
本発明の発明者は超音波パルスは特定周波数を有することを認識し、本発明を提案した。すなわち、超音波を用いる従来の距離測定方法は、単に受信信号(パルス)を増幅し、信号を距離に変換する。この方法は距離を雑音と大気状態により正確な測定できないことに問題がある。言い換えると、あらかじめ決定した量の信号を用いる従来のしきい値検出方法は、信号の振幅が雑音を超えるレベルで強いとき信号を測定できるため雑音による信号の増幅に限界がある。さらに、雑音レベルの信号は測定されない。従って、最初に弱い信号は、雑音のため検出できず、それ故雑音から区別できない。その結果、測定エラーは失った第1信号の数ほどに増加する。さらに、最大振幅を用いる従来のエンベロプ検出方法は、差動利得は受信信号の振幅は一定に保つため受信信号の量に応じて異ならなければならない複雑な処理を要する。この方法では、雑音レベル以上に信号の増幅は不可能である。
【００６１】
反対に、波形が送信される超音波パルスの特定周波数と異なる周波数を持つ雑音と混合される状態で、超音波パルスの特定周波数は分離され、分離した超音波パルス間に初めて受信された超音波パルスの到来時刻は距離に変換される。従って、本発明による超音波を用いる距離測定方法において、雑音と超音波信号の周波数特性が異なる事実を採用している。それで、雑音の量と信号の増幅に制限なしで、雑音と共に信号を十分に増幅ことが可能である。
【００６２】
更に、雑音と弱い超音波信号は同時に増幅される。
【００６３】
超音波信号の特定周波数は十分に強い信号から分離され、第1パルスは特定周波数から元に復元される。
【００６４】
従って、雑音にかかわらず、長距離の測定に応じて弱い信号から超音波信号を検出して対象物からの距離を測定することが可能である。さらに、最大の差動利得は、受信信号の量にかかわらず、保持できるため装置が簡単である
本発明は、添付図面を参照して、好ましい実施例に関して以下に詳しく説明する。
【００６５】
図3に、本発明による超音波信号の期間を用いて距離測定方法により、受信超音波の結果、重畳処理した結果、および上から受信信号のための信号の期間を分析した結果を順に示す。
【００６６】
本発明で図3を参照して、周波数は帯域フィルタと移動平均などの複数の方法で分離し得る。超音波は、送信信号は特定周波数を有しているので、受信波形にも同じ期間、すなわち、周波数成分を含んでいる。受信信号から期間を検出すれば、振幅のレベルにかかわらず期間をより厳密に検出することが可能である。センサーにより実際に受信される信号は複数の周波数帯域の雑音信号を含んでいる。
【００６７】
この状態では、特定の周波数だけ検出する方法は帯域幅が非常に狭い帯域フィルタの使用により雑音成分を効果的に除去できる。その実施において、アナログフィルタとデジタルモードが使用されるモードがある。狭い帯域幅を有するアナログフィルタは製造と調節の困難を伴う。従って、本発明の好ましい実施例で、これらの問題は特定周波数の正弦波とデジタル信号処理モードによる受信波形間の相関関係の使用により克服された。これにより、重畳を用いる帯域フィルタと類似の結果を得ることが可能である。また、特定周波数を容易に決定することも可能である。そうすることによる、特定周波数の信号が容易に検出でき、他の周波数の信号が比較的減るように特定周波数成分だけを増幅する効果がある。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
上記述した本発明により、雑音と超音波の周波数特性が異なる事実を利用している。それで、雑音の量により影響されないので、信号の増幅に制限がない。こうして雑音を含んでいる信号を十分に増幅することが可能である。
【００６９】
さらに、雑音と弱い超音波信号は一緒に増幅され、超音波信号の特定周波数は十分に強い信号から分離して、特定周波数の中の第1信号は回復される。従って、長距離の測定に応じて弱い信号でも、雑音にかかわらず、超音波信号の測定が可能である。
【００７０】
さらに、受信信号の量にかかわらず最大の差動利得を維持することが可能である。これにより装置を簡単になる。
【００７１】
従って、本発明は 弱い信号が十分に増幅することができるため長距離の測定が可能であり、第1失われた信号を回復できるため正確さを高めることができる点で利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】あらかじめ決定したサイズ以上の信号を抽出する超音波を用いて従来の距離測定方法を説明するグラフ。
【図２】超音波を用いて最大振幅の信号を抽出する従来の距離測定方法を説明するグラフ。
【図３】本発明による超音波を用いる距離測定方法によりステップバイステップで処理される超音波信号を順次に示す。
【図４】本発明による超音波を用いて距離測定方法を説明するグラフ。
【図５】本発明による超音波を用いて距離測定方法を説明するグラフ。
【図６】本発明の好ましい実施例による超音波を用いて距離測定装置の構成を説明するブロックダイヤグラム。
【図７】本発明の好ましい実施例による超音波を用いて距離測定方法と装置により異なる距離のデジタル信号処理により受信超音波波形が経験する前の受信超音波波形。
【図８】本発明の好ましい実施例による超音波を用いて距離測定方法と装置により20m以上の同じポイントで信号が繰り返し測定され、処理される結果を示す。
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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