(57)【要約】      （修正有）【課題】より広い範囲で対象物を検知することができる物体検出装置及び物体検出方法を提供する。【解決手段】電磁場を発生させるアンテナ３において測定された反射係数を複素平面上の座標で表現する座標化部と、座標化部により生成された座標に応じて検知対象物４を検出する検出部を含む物体検出部１４を備えた物体検出装置１。また、検知対象物がない状態において、電磁場を発生するアンテナ３における反射係数を予め測定し、測定された反射係数を複素平面上の座標で表現する第一のステップと、検知対象物４がある状態において、上記アンテナ３と検知対象物４との距離を変えながら上記反射係数を測定し、測定された上記反射係数の上記複素平面上における上記座標と、第一のステップで得られた上記座標とを比較することにより、検知対象物４を検出する第二のステップとを含む物体検出方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁場を発生させるアンテナにおいて測定された反射係数を複素平面上の座標で表現する座標化手段と、
前記座標化手段により生成された前記座標に応じて検知対象物を検出する検出手段を備えた物体検出装置。
【請求項２】
前記座標化手段は、前記座標を前記複素平面上にマッピングする、請求項１に記載の物体検出装置。
【請求項３】
前記座標化手段は、前記検知対象物がない状態において得られる前記複素平面上の停留点をマッピングし、
前記検出手段は、さらに、前記検知対象物における前記アンテナまでの距離と、前記マッピングにより描画された点の前記停留点からの距離との対応関係に応じて、前記検知対象物における前記アンテナまでの距離を推定する、請求項２に記載の物体検出装置。
【請求項４】
前記検出手段は、前記座標化手段によりマッピングされた前記停留点を前記複素平面の原点に遷移させた上で、前記距離を推定する、請求項３に記載の物体検出装置。
【請求項５】
前記検出手段は、さらに、前記アンテナと前記検知対象物間の距離の増減と、前記マッピングによる軌跡の回転方向との対応関係に応じて、前記距離の増減を推定する、請求項２に記載の物体検出装置。
【請求項６】
検知対象物がない状態において、電磁場を発生させるアンテナにおける反射係数を予め測定し、測定された前記反射係数を複素平面上の座標で表現する第一のステップと、
検知対象物がある状態において、前記アンテナと前記検知対象物との距離を変えながら前記反射係数を測定し、測定された前記反射係数の前記複素平面上における前記座標と、前記第一のステップで得られた前記座標とを比較することにより、検知対象物を検出する第二のステップとを含む物体検出方法。
【請求項７】
検知対象物がある状態において、前記アンテナと前記検知対象物との距離を変えながら前記反射係数を予め測定し、測定された前記反射係数を前記距離の関数として前記複素平面上の座標で表現する第三のステップをさらに含み、
前記第二のステップでは、測定された前記反射係数の前記複素平面上における前記座標と、前記第三のステップで得られた前記座標とを比較することにより、検知対象物を検出する請求項６に記載の物体検出方法。
【請求項８】
前記第一及び前記第三のステップでは、前記座標を前記複素平面上にマッピングし、
前記第二のステップでは、前記第一及び前記第三のステップで得られたマップを比較することにより前記対象物を検出する、請求項７に記載の物体検出方法。
【請求項９】
前記第一のステップでは、前記複素平面上の停留点を記憶し、
前記第三のステップでは、前記検知対象物における前記アンテナまでの距離と、前記マッピングにより描画された点の前記停留点からの距離との対応関係を記憶し、
前記第二のステップでは、さらに、前記対応関係に照らして、前記検知対象物における前記アンテナまでの距離を推定する、請求項８に記載の物体検出方法。
【請求項１０】
前記第二のステップでは、前記停留点を前記複素平面の原点に遷移させた上で、前記距離を推定する、請求項９に記載の物体検出方法。
【請求項１１】
前記第二のステップでは、前記電磁場の発生範囲を変化させて前記反射係数の測定を行う、請求項６に記載の物体検出方法。
【請求項１２】
前記第三のステップでは、前記距離の増減と前記マッピングによる軌跡の回転方向との対応関係を記憶すると共に、
前記第二のステップでは、さらに、前記第三のステップで記憶された前記対応関係に応じて、前記検知対象物における前記距離の増減を推定する、請求項８に記載の物体検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体を検出する装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、特に防犯セキュリティやロボット等の分野においてセンサの需要が高まっており、例えば特許文献１に示されるように、種々のセンサが考案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−７６２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に開示された近接センサにおいては、検知可能な物体までの距離が高々約１０〜３０ｃｍ程度に過ぎないという問題がある。
【０００５】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、より広い範囲で対象物を検知することができる物体検出装置及び物体検出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明は、電磁場を発生させるアンテナにおいて測定された反射係数を複素平面上の座標で表現する座標化手段と、座標化手段により生成された座標に応じて検知対象物を検出する検出手段を備えた物体検出装置を提供する。
【０００７】
また、上記課題を解決するため、本発明は、検知対象物がない状態において、電磁場を発生させるアンテナにおける反射係数を予め測定し、測定された反射係数を複素平面上の座標で表現する第一のステップと、検知対象物がある状態において、上記アンテナと検知対象物との距離を変えながら上記反射係数を測定し、測定された上記反射係数の上記複素平面上における上記座標と、第一のステップで得られた上記座標とを比較することにより、検知対象物を検出する第二のステップとを含む物体検出方法を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、より広い範囲で対象物を検知することができる物体検出装置及び物体検出方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態に係る物体検出装置１の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示された物体検出部１４の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る物体検出方法を示すフローチャートである。
【図４】図３に示されたステップＳ１における座標化を説明するための図である。
【図５】図３に示されたステップＳ２における座標化を説明するための第一の図である。
【図６】図３に示されたステップＳ２における座標化を説明するための第二の図である。
【図７】図３に示されたステップＳ３における検知対象物の検出方法を説明するための図である。
【図８】図３に示された物体検出方法の具体例を説明するための第一の図である。
【図９】図３に示された物体検出方法の具体例を説明するための第二の図である。
【図１０】図３に示された物体検出方法の具体例を説明するための第三の図である。
【図１１】アンテナから発生された電磁場と検知対象物の関係を示す模式図であり、それぞれ、図１１(ａ)は波源から球面波の電磁場が発生される場合、図１１(ｂ)は波源から実際の電磁場が発生される場合を示す。
【図１２】図１１に示された関係を表した伝送線路モデルを示す図である。
【図１３】表１から得られる反射係数Ｓ(Ｌ)を示すグラフである。
【図１４】アンテナから発生される電磁場の照射範囲と検知対象物の位置との関係に応じて検知対象物を検出する方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下において、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００１１】
図１は、本発明の実施の形態に係る物体検出装置１の構成を示すブロック図である。図１に示されるように、物体検出装置１は電磁場５を発生するアンテナ３と入出力端子２において接続され、正弦波発生器１１、整合回路１２、反射係数測定部１３、及び物体検出部１４を備える。
【００１２】
ここで、正弦波発生器１１は、正弦波信号を発生する。また、整合回路１２は正弦波発生器１１と入出力端子２との間に接続され、入出力端子２に外部接続されるアンテナ３と正弦波発生器１１との間でインピーダンスのマッチングを図る。また、反射係数測定部１３は、整合回路１２に接続されアンテナ３における反射係数を測定する。また、物体検出部１４は、反射係数測定部１３に接続され検知対象物４を検出するが、以下において詳しく説明する。
【００１３】
なお、整合回路１２は市場へ出荷する前の環境で整合をとる回路であるため、物体検出装置１は現実の使用環境では完全整合からずれた状態で動作する。また、アンテナ３から電磁場５を実波動として発生させずに上記反射係数を測定する場合には、整合回路１２の替わりに、正弦波発生器１１への電力の逆流を防ぎ、かつ、反射係数の複素平面上の位置を調整する機能を有する調整回路が用いられる。
【００１４】
図２は、図１に示された物体検出部１４の構成を示すブロック図である。図２に示されるように、物体検出部１４は入出力端子２１と、入出力端子２１に接続されたバス２２と、それぞれバス２２に接続された座標化部２３、検出部２４、記憶部２５、表示部２６、及び操作部２７を備える。なお、物体検出部１４は入出力端子２１において反射係数測定部１３と接続される。
【００１５】
図３は、本発明の実施の形態に係る物体検出方法を示すフローチャートである。以下において、図３を参照しつつ、本発明の実施の形態に係る物体検出方法を詳しく説明する。
【００１６】
なお、以下では一例として、図１及び図２に示された物体検出装置１の動作により上記物体検出方法を実現する場合につき説明するが、本方法は物体検出装置１に限られず広く適用できることはいうまでもない。
【００１７】
ステップＳ１では、反射係数測定部１３が、検知対象物４がない状態において、電磁場５を発生するアンテナ３における反射係数を予め測定し、座標化部２３が通常時学習モード下で、反射係数測定部１３により測定された反射係数を複素平面上の座標で表現し、当該複素平面上にマッピングする。
【００１８】
ここで、上記複素平面は、図４に示されるように第一及び第二の座標軸が実軸及び虚軸とされるが、上記のように、アンテナ３から発生される電磁場５による感知エリアに検知対象物４がない状態では、上記反射係数は上記複素平面において停留点Ｃ０にマッピングされることになる。
【００１９】
次に、ステップＳ２では、反射係数測定部１３が、検知対象物４がある状態において、アンテナ３と検知対象物４との距離を変えながら反射係数を予め測定し、座標化部２３が物体接近時学習モード下で、反射係数測定部１３により測定された反射係数を当該複素平面上の座標で表現し、上記距離の関数として当該複素平面上にマッピングする。
【００２０】
ここで、上記物体接近時学習モード下では、図５に示されるように、上記反射係数は上記複素平面に直交する第三の座標軸を対物距離とした三次元空間において、中心軸ＣＡの周りに形成される裾野の広がった螺旋状にマッピングされる。なお、図５に示された螺旋状のマップを上記複素平面上に射影すると、図６に示されるような渦巻状のマップが得られることになる。
【００２１】
このとき例えば、検知対象物４が遠くからアンテナ３の近くに移動する、すなわち検知対象物４からアンテナ３までの距離Ｌが小さくなるにつれて、図５及び図６に示されるように、上記複素平面におけるマッピングによる反射係数の軌跡の回転半径は大きくなる。
【００２２】
従って、上記距離Ｌが順に距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３と長くなるとき、マッピングされる上記複素平面上の点をそれぞれ点Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３とすると、各点Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３と停留点Ｃ０との上記複素平面上の距離、すなわち上記回転半径は、図６に示されるように順に半径Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３と短くなる。
【００２３】
このことから、座標化部２３は、横軸が上記対物距離、縦軸が上記における複素平面上の回転半径であるグラフ上に、上記各点Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３に対応する対物距離と回転半径をそれぞれプロットすることにより、図７のような関数Ｆを生成する。
【００２４】
他方で、検知対象物４がアンテナ３に近づく場合、すなわち上記の距離Ｌが減少する場合と、その逆に検知対象物４がアンテナ３から遠ざかる場合、すなわち上記の距離Ｌが増加する場合とでは、上記三次元空間におけるマッピングによる螺旋状の軌跡、及び本軌跡の上記複素平面への射影による渦巻状の軌跡の双方における回転方向が逆になる。
【００２５】
なお、上記のように座標化部２３により生成された上記マップやグラフ、回転方向に関するデータは、ユーザによる操作部２７の操作に応じて記憶部２５に記憶され、表示部２６に表示される。
【００２６】
次に、ステップＳ３では、反射係数測定部１３により測定された反射係数の複素平面上における座標と、ステップＳ２で得られた座標とを比較することにより、検知対象物を検出する。
【００２７】
より具体的には、例えば、物体検出モード下において、反射係数測定部１３により測定された反射係数が座標化部２３により上記複素平面上における座標で表現された上で当該複素平面にマッピングされ、検出部２４がステップＳ２で得られた複素平面上のマップと比較することにより、検知対象物４を検出する。なお、検出部２４は、同モード下において座標化部２３により上記複素平面上に描かれたマップが、図４に示されるように停留点Ｃ０だけである場合には、検知対象物４がないものと推定する。
【００２８】
ここで、検出部２４は、上記物体検出モードにおいて得られた上記複素平面上の回転半径Ｒを上記関数Ｆの引数とすることにより対物距離Ｌを推定し、回転半径Ｒが予め定めたしきい値より大きな値となるときに検知対象物４の接近を検出する。また、検出部２４は、同モードにおいて図５に示された三次元空間にマッピングされた軌跡、若しくは図６に示された複素平面上の軌跡の上記回転方向を、ステップＳ２で記憶された回転方向に関するデータと比較することにより、当該対物距離の増減をも推定する。
【００２９】
なお、上記のように検出部２４により推定された上記対物距離や接近の有無についてのデータ、当該対物距離の増減を示すデータは、ユーザによる操作部２７の操作に応じて表示部２６に表示され、記憶部２５に記憶される。
【００３０】
以下において、上記物体検出方法の具体例について詳しく説明する。
【００３１】
図６に示されたグラフは、検知対象物４がアンテナ３に近づく場合は反時計周りの渦巻状になる一方、検知対象物４がアンテナ３から遠ざかる場合は時計回りの渦巻状となる。そして、これらの渦巻状の軌跡は、アンテナ３から検知対象物４までの距離(対物距離)が、電磁場５の半波長毎に当該複素平面を一回転する。
【００３２】
すなわち、電磁場５の波長をλとすると、当該複素平面の停留点を原点とした場合、一回転(２π)の変化は、検知対象物４によるλ／２の空間移動に相当する。
【００３３】
例えば、上記波長λが１００センチメートル(ｃｍ)の場合に、検知対象物４が対物距離０ｃｍから５０ｃｍまで移動した場合に得られる当該複素平面上の反射係数の軌跡は、図８のようになる。なお、本軌跡は、対物距離が０ｃｍから５ｃｍ変化する毎に測定された反射係数を示す測定点(図中のドットで示される)１１個を順に結んだものであり、上記のように時計回りの渦巻状となる。
【００３４】
ここで、図８に示されるように、移動途中の複素座標を座標(r2,i2)とし、停留点を座標(r1,i1)とすると、対物距離１０ｃｍのときにおける位相θは以下の式(１)により算出できる。
【００３５】
【数１】
2019052968.tif 000003
【００３６】
また同様に、次の移動途中の複素座標を図９に示された座標(r3,i3)とすると、対物距離１５ｃｍのときにおける位相Φは以下の式(２)により算出できる。
【００３７】
【数２】
2019052968.tif 000004
【００３８】
従って、上記位相θと位相Φの差からなる各点間の位相差Δθが得られるため、検知対象物４の移動距離ΔＬは、以下の式(３)により算出される。
【００３９】
【数３】
2019052968.tif 000005
【００４０】
なお、上記の位相差Δθの正負により、検知対象物４がアンテナ３に対して近づくか遠ざかるかの区別ができることになる。
【００４１】
ところで、上記の例では、当該複素平面の原点と停留点が近い場合であるため、原点を中心として計算した位相と、停留点を中心とした位相の差が目立っていない。しかし、アンテナ３の地上からの高さによって、当該複素平面の原点と停留点との位置関係が大きく変わってしまう。
【００４２】
そのため、当該複素平面の原点と停留点が離れた場合、検知対象物４が電磁場５の半波長の長さだけ移動したときにおける位相角の変化は、図１０に示されるように狭くなる。すなわち、図１０に示されるように、停留点から見た位相θは上記のような半波長の移動により２π変化するが、原点からみた位相θ´はπ／２も変化しない。
【００４３】
このことから、停留点を基準とした位相θを用いることにより、式(３)が有効利用できることになる。
【００４４】
よって、上記のように、アンテナ３の地上からの高さによって、当該複素平面の原点と停留点との位置関係が大きく変わってしまうことから、アンテナ３を設置した後に、得られたグラフを自動的に較正して停留点を原点に遷移させれば、上記位相θを利用して式(３)により移動距離ΔＬを得ることができる。
【００４５】
なお、上記において、図２に示された座標化部２３は、測定された反射係数を当該複素平面上の座標に表現した上で同平面上にマッピングするが、必ずしも当該マッピングによる描画は行わなくとも良い。すなわち、座標化部２３は表現された停留点の座標を学習して記憶部２５に記憶することにより、物体の検出が可能となる。具体的には、記憶された当該停留点の座標と観測された反射係数に対応する当該座標とを用いて、上記の回転半径に相当する当該複素平面上の複素距離を算出でき、かつ、当該停留点を中心とした上記位相θも式(１)により算出することができる。
【００４６】
以下において、本発明の他の実施の形態に係る物体検出方法として、図３に示されたステップＳ２における物体接近時学習を行うことなく物体を検出する方法、すなわち図３に示されたステップＳ１で停留点を把握するだけで対物距離や検知対象物の進行方向を検出する方法について説明する。
【００４７】
まず、アンテナから発生した電磁場の中に検知対象物が一つ含まれている場合を考える。この場合、最も単純な例として、図１１(ａ)に示される波源からの球面波を考える。ただし、実際には図１１(ｂ)に示されるように、波源から発生した電磁場は空間的に局在している。なお、図中Ｌは、波源と対象物の距離を示す。
【００４８】
ここで、図１１(ａ)及び図１１(ｂ)に示されるように、波源から検知対象物までは一様な空間が広がっているので、図１２に示されるように、均一な伝送線路３１の末端に負荷３０が接続されたモデルが考えられる。
【００４９】
図１２において、ＳOは負荷端での反射係数、Ｌは負荷３０までの距離、Ｓ(Ｌ)は負荷端から距離Ｌ離れた地点での反射係数を示す。このとき、反射係数Ｓ(Ｌ)と反射係数ＳOとの間には、次式(４)が成立することが知られている。
【００５０】
【数４】
2019052968.tif 000006
【００５１】
なお、式(４)において、それぞれｋは波数、λは波長、ｊは虚数単位を示す。
【００５２】
図１１(ａ)に示された球面波は、波源から離れるに連れて波が広がって行くことを考慮すると、波源の近くに対象物がある場合は波の反射量が大きく、波源から物体が離れるに連れて反射量は小さくなる。
【００５３】
従って、負荷端での反射係数ＳOは対物距離Ｌに対して単調減少する関数と仮定でき、次式が成立する。
【００５４】
【数５】
2019052968.tif 000007
【００５５】
波源から距離Ｌにある物体による波の反射は、波の進行方向に垂直な面での対象物の面積Ａと、距離Ｌにおける等位相面の面積４πＬ2との対比に関係する。距離Ｌが十分に大きな時、次式が成り立つ。
【００５６】
【数６】
2019052968.tif 000008
【００５７】
ここで、距離Ｌが０に近づくと波源の放射面の半分を覆うことになるので、反射係数ＳOについては次式で示される関係が成立するものとする。
【００５８】
【数７】
2019052968.tif 000009
【００５９】
そして、上記の式(６)及び式(７)を考慮して、次式を負荷端での反射係数と定義する。
【００６０】
【数８】
2019052968.tif 000010
【００６１】
ここで、対象物の大きさが波長程度とすると、面積Ａをλ2として、負荷端での反射係数ＳOは次式で表すことができる。
【００６２】
【数９】
2019052968.tif 000011
【００６３】
一方、負荷端から距離Ｌだけ離れた地点での反射係数Ｓ(Ｌ)は、次式で示される。
【００６４】
【数１０】
2019052968.tif 000012
【００６５】
この式(１０)は、電磁場と検知対象物の相互作用の度合いを振幅ＳO(Ｌ)とし、一様空間部による位相推移を複素単位円としたものである。
【００６６】
以下では、負荷端までの距離(対物距離)Ｌが０から半波長(λ／２)までλ／１２ずつ変化したときの反射係数Ｓ(Ｌ)の挙動を考察する。次数ｎが０から６まで１ずつ変化した時、反射係数Ｓ(Ｌ)の計算に必要な各項は以下の表１で示される。
【００６７】
【表１】
2019052968.tif 000013
【００６８】
そして、表１の各項から計算された反射係数Ｓ(Ｌ)は、図１３のようにグラフ化される。図１３に示されるように、次数ｎが増加するにつれて複素平面上を時計回りに移動し、回転半径も小さくなっている。このとき、位相項２ｋＬは０から２π変化して一回転しており、距離Ｌは半波長(λ／２)増加している。
【００６９】
このことから、距離Ｌの増加は位相項の増加分から求まり、当該グラフが時計回りに描かれる場合は距離Ｌが増加し、反時計回りに描かれる場合は距離Ｌが減少することを意味することになる。
【００７０】
ところで、検知対象物４がアンテナ３の正面で行き来する場合には、図１２に示されたモデルによる上記説明をあてはめることができる。アンテナ３で発生される電磁場５と検知対象物４の相互作用の度合いを示す負荷端の振幅ＳO(Ｌ)の性質が点波源と同様の性質を持つためである。ただし、等位相面のエネルギー分布は、図１１(ｂ)に示されるように球面波と異なり一様ではなく空間的に偏って分布しているので、上式(６)は、面積比の要素に加えて、エネルギー分布関数と対象物の占める面積との重なり積分に関する要素を考える必要がある。このエネルギー分布の偏りと対象物の位置に応じた重なり具合を相互作用と呼ぶ。
【００７１】
しかし、図１４に示されるように、検知対象物４１が電磁場５の局在する領域Ａ２から外れた領域Ａ１に存在すると、上記相互作用の大きさが小さくなるために、振幅ＳO(Ｌ)は単純に距離Ｌに対して単調減少するという性質を持たなくなる。
【００７２】
そこで、アンテナ３の高さを変化させ、あるいは図１４に示されるように、アンテナ３を水平面から角度αだけ下方に傾けるなど角度を変化させて電磁場５の発生範囲(局在状態)を制御して、上記のような物体検出を行うことにより、上記振幅ＳO(Ｌ)、すなわち上記の停留点からの複素半径の大きさの変化に応じて物体の有無を検出することができる。
【００７３】
以上より、本発明の実施の形態に係る物体検出装置及び物体検出方法によれば、より広い範囲で検知対象物を検知することができ、さらに、稲などの疎な物質で覆われた見通しの悪い環境下であっても検知することができる。
【符号の説明】
【００７４】
１  物体検出装置
１４  物体検出部
２３  座標化部
２４  検出部
２５  記憶部
【図１】
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【図２】
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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】
2019052968.tif 000021
【図９】
2019052968.tif 000022
【図１０】
2019052968.tif 000023
【図１１】
2019052968.tif 000024
【図１２】
2019052968.tif 000025
【図１３】
2019052968.tif 000026
【図１４】
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