(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シーンを検知するための方法であって、
Ｋ個のトランスデューサーのアレイによってパルスをシーン内に送信するステップであって、各トランスデューサーは、広帯域超音波パルスｐｋ（ｔ）（ｋ＝１，．．．，Ｋ）をそれぞれ生成し、各該パルスは各前記トランスデューサーによって同時に送信され、各該パルスの広帯域超音波周波数のパターンは、他の各前記パルスの前記パターンに対して一意である、送信するステップと、
前記パルスが前記シーン及び該シーン内の物体によって反射されるときに、該パルスを受信パルスとしてＬ個のトランスデューサーのアレイによって受信するステップと、
各前記受信パルスをフーリエ変換を用いてサンプリング及び分解して、各前記受信パルスの周波数係数を生成するステップと、
各前記受信パルスの前記周波数係数を１つのベクトル内にスタックするとともに、前記シーンを３次元ボリュームのボクセルに分解することによって、前記シーン及び前記物体の反射率をモデリングする線形システムを生成するステップであって、各前記ボクセルは線形にインデックス付けされ、前記線形システムはｒ＝Ａｘとして表され、ここで、ｒは各前記受信パルスの前記周波数係数をスタックした前記１つのベクトルを表し、Ａは透過演算子であり、ｘは前記ボクセルの前記反射率のベクトルを表す、線形システムを生成するステップと、
前記線形システムに復元方法を適用することによって、前記シーン及び前記物体の前記反射率として、前記ボクセルの前記反射率のベクトルを復元するステップと、
を含む、方法。
【請求項２】
前記アレイは規則的である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記アレイは不規則である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
各前記トランスデューサーによって送信される前記パルスは、ナイキストレートにおける離散時間サンプルによって表される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
非ゼロの反射率を有する各前記ボクセルまでの距離を求めること
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記復元方法は、
【数１】
0005815318.tif 000013
となるように
【数２】
0005815318.tif 000014
を最適化し、ここで「∧（ハット）」は推定値を示す、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記復元方法は、
【数３】
0005815318.tif 000015
を最適化し、ここで「∧（ハット）」は推定値を示し、λは正則化パラメーターである、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記復元方法は貪欲スパース復元アルゴリズムである、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記パルスを送受信している間に前記トランスデューサーのアレイを動かすことをさらに含み、該トランスデューサーのアレイの各位置ｑについて、前記線形システムはｒｑ＝Ａｑｘである、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記トランスデューサーのアレイは車両に搭載される、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記トランスデューサーのアレイはロボットに搭載される、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記シーンは前記トランスデューサーのアレイによる監視下にある、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記トランスデューサーのアレイは前記シーンの占有者をモニタリングする、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
シーンを検知するためのシステムであって、
複数のトランスデューサーから構成されるアレイであって、前記アレイのトランスデューサーのうち、Ｋ個の各トランスデューサーは、広帯域超音波パルスｐｋ（ｔ）（ｋ＝１，．．．，Ｋ）をそれぞれ生成して、各該パルスは各前記トランスデューサーによって同時に送信され、各該パルスの前記広帯域超音波周波数のパターンは、他の前記パルスの前記パターンに対して一意であり、前記アレイのトランスデューサーのうち、Ｌ個の各前記トランスデューサーは、前記パルスが前記シーン及び前記シーン内の物体によって反射されるときに、全ての前記パルスを受信するように構成される、複数のトランスデューサーから構成されるアレイと、
前記Ｌ個のトランスデューサーで受信された各前記受信パルスをフーリエ変換を用いてサンプリング及び分解して、各前記受信パルスの周波数係数を生成する手段と、
各前記受信パルスの前記周波数係数を１つのベクトル内にスタックするとともに、前記シーンを３次元ボリュームのボクセルに分解することによって、前記シーン及び前記物体の反射率をモデリングする線形システムを生成し、該線形システムはｒ＝Ａｘであり、ここで、ｒは各前記受信パルスの前記周波数係数をスタックした前記１つのベクトルを表し、Ａは透過演算子を表し、ｘは前記シーンを分解することによって形成される前記ボクセルの反射率のベクトルを表す、手段と、
前記線形システムに復元方法を適用することによって、前記シーン及び前記物体の前記反射率として、前記ボクセルの前記反射率のベクトルを復元する手段と、
を備える、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的にはシーン内の物体を検知することに関し、より詳細には、超音波パルスを用いて物体を検出することに関する。
【背景技術】
【０００２】
狭帯域超音波検知
従来技術による超音波検知システムは通常、単一周波数（狭帯域）トランスデューサー及び時間遅延推定を用いて、シーン内の物体までの距離を求める。通常、狭帯域パルスは、約４０ｋＨｚの中心周波数及び１ｋＨｚ〜２ｋＨｚの帯域幅を有し、すなわち、パルスは４０ｋＨｚ±１ｋＨｚの範囲で動作する。
【０００３】
特に、このシステムは超音波パルスの送信と、最初の反射パルスの受信との間の時間遅延を測定する。時間遅延は超音波パルスの速度と乗算され、狭帯域超音波パルスが進行する距離の推定値となる。後の反射パルスは、物体に関するさらなる情報を提供することができる。しかしながら、その情報は判別するのが困難であり、現在の技術はそれを試みていない。
【０００４】
さらなる情報は、トランスデューサーのアレイによって推論することができる。トランスデューサーのアレイは、送信全体が本質的に特定の位置に向かって方向付けられるように、異なるトランスデューサーからのパルス間に適切な時間遅延が伴って各トランスデューサーから同じ周波数パルスを送信する。これはビームステアリングと呼ばれることもある。
【０００５】
様々な方向を走査することによって、受信機は特定の方向の最も近い物体の距離を推定することができる。その手法は、医用超音波において用いられる方法に類似している。この手法は、有効なアレイを作製するために多数のトランスデューサーが必要とされるという欠点を有する。さらに、走査手法は複数のパルスを必要とし、それによって、シーン、すなわち検知される物体を十分に再構成することができるまでの時間が増大する。最後に、ビームステアリングのために全てのアレイ素子を同時に用いる必要があるので、アレイ素子を動かすことによって仮想アレイを形成することは不可能である。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の実施の形態は、超音波送信機及び超音波受信機を用いてシーン内の物体を検知し、ボクセルの３Ｄアレイにおいてシーンの３次元表現を再構成するための方法及びシステムを提供する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の実施の形態は、広帯域超音波パルスを送受信する少数のトランスデューサーを用いる。各トランスデューサーは、異なる幅の周波数成分を有する或る周波数で一意のパルスを放出する。各パルスは一意であるので、受信機において容易に識別することができ、これによってシステムが対応する送信機からのシーン内の様々な物体の距離を推定することが可能になる。パルスの広帯域幅は２つの目的を果たす。各送信機からのパルスは他の送信機に対し一意である。より多くの周波数を用いることによりダイバーシティがもたらされるので、用いるトランスデューサーの数を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態によるシーン内の物体を検知するための広帯域超音波トランスデューサーのアレイの概略図である。
【図２】本発明の実施形態による、広帯域超音波パルスの一意の周波数パターン例の概略図である。
【図３】本発明の実施形態による、トランスデューサーのアレイ及び一意の広帯域超音波パルスを用いてシーン内の物体を検知するためのシステム及び方法のブロック図である。
【図４】本発明の実施形態による、シーン内の物体を検知するための広帯域超音波トランスデューサーの移動式アレイの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の実施形態は、トランスデューサーのアレイ及び広帯域超音波パルスを用いてシーン内の物体を検知するためのシステム及び方法を提供する。本方法は、図３に示すようにメモリ及び入力／出力インターフェースに接続されたプロセッサ３００において実行することができる。
【００１０】
本明細書において、以下の変数が定義される。
シーン点の反射率：ｘｎ
周波数領域において送信機ｋによって送信されるパルス：Ｐｋ（ω）
周波数領域において受信機ｌによって受信されるパルス：Ｒｌ（ω）
シーン点ｍまでの送信機ｋの距離：ｄｋ，ｍ
シーン点ｍまでの受信機ｌの距離：ｄｍ，ｌ
超音波パルスの速度：ｃ
距離ｄの場合の時間遅延：ｄ／ｃ
送信機ｋからシーン点ｍを通って受信機ｌまでの距離：ｄｋ，ｌ，ｍ＝ｄｋ，ｍ＋ｄｍ，ｌ
送信機ｋからシーン点ｍを通って受信機ｌまでの時間遅延：τｋ，ｌ，ｍ＝ｄｋ，ｌ，ｍ／ｃ
【００１１】
図１に示すように、Ｋ個の超音波送信機（三角形）１０１のアレイ及びＬ個の受信機（円）１０２、通常トランスデューサーが、物体１１０から或る距離でシーン１００内に配置される。送信機及び受信機は、超音波パルスの送信機又は受信機のいずれかとして動作する離散した（別個の）物理デバイス又は超音波トランスデューサーとすることができる。後者の場合、トランスデューサーはそれぞれ同時にパルスを放出し、その後受信モードに切り換わって反射パルスを検知する。アレイは規則的とすることもでき、不規則とすることもできる。
【００１２】
図１に示す配置の座標系は、範囲［０，１］において正規化される。各送信機１０１は、広帯域超音波パルスｌ２ｌ、ｐｋ（ｔ）（ここでｋ＝１，．．．，Ｋ）を放出し、それらは物体１１０によって反射され、受信機１０２によって受信パルス１２２として検出される。
【００１３】
図２の（２Ａ）〜（２Ｄ）に示すように、各広帯域パルスの周波数は通常４０ｋＨｚ〜６０ｋＨｚの範囲にある。換言すれば、広帯域パルスの周波数スパンは、従来技術の狭帯域パルスの周波数スパンより約１桁大きい。
【００１４】
４０ｋＨｚ〜６０ｋＨｚの範囲は或る特定の用途に適しているが、本発明の実施形態は任意の周波数範囲で動作することができる。しかしながら、いくつかのトレードオフが存在する。より高い周波数パルスは無線送信においてより散逸するので、より大きい距離にある物体を検知するのに適していない。一方で、より高い周波数は、システムがより精緻な解像度を有し、物体のより精緻な特徴を識別することを可能にする。同様に、より小さい帯域幅を有するトランスデューサーは、製造が大幅に容易であり、はるかにコストがかからない。一方で、より高い帯域幅を有するトランスデューサーは、より良好な解像度、及び検知されたシーンの再構成に対するロバスト性を提供することができる。
【００１５】
さらに、図２の（２Ａ）〜（２Ｄ）に見て取ることができるように、本発明の実施形態によれば、周波数の関数としての振幅分布は、トランスデューサー毎に一意である。パルス毎のこの分布は、広帯域パルスが互いに対し非コヒーレントであるようになっている。このため、多くの送信トランスデューサーが同時に広帯域パルスを放出する場合、受信トランスデューサーにおける対応する受信パルスを一意に識別し、パルスを放出した特定のトランスデューサーに関連付けることができる。このため、適切に時間遅延された全ての送信機から同じパルスを送信する従来技術のビームステアリングトランスデューサーアレイにおいて用いられる明示的時間遅延推定（explicit time delay estimation）が回避される。
【００１６】
図３に示すように、各トランスデューサー１０１によって放出されるパルス１２１は、ナイキストレート（Nyquist rate）、すなわちパルスの帯域幅の２倍における、対応するサンプリング期間（Ｔ）での離散時間サンプルによって表すことができる。これは、パルスのデジタル生成３０５及び処理３１０にも有用である。また、パルス発生器３０５は、受信機１０２による受信パルス１２２の処理に有用なパルス情報３０６も提供する。
【００１７】
このため、送信機ｋによって放出される離散時間パルスｐｋ［ｎ］＝ｐｋ（ｎＴ）を、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）を用いて離散周波数の和として分解することができる。
【００１８】
【数１】
0005815318.tif 000002
【００１９】
ここで、Ｐｋ，ｆはパルスｐｋ，ｆのＤＦＴ係数であり、
【００２０】
【数２】
0005815318.tif 000003
【００２１】
であり、ωｆはｆ番目の周波数に対応する角周波数であり、すなわちωｆ＝２πｆである。
【００２２】
受信機ｌにおける受信パルスｒｌ（ｔ）１２２は、フーリエ変換を用いてサンプリングし、分解することができる（３１０）。
【００２３】
【数３】
0005815318.tif 000004
【００２４】
ここで、Ｒｌ，ｆは反射パルスｒｌのＤＦＴ係数である。
【００２５】
検知及び解析されるシーン１００は、１組の（１つ又は複数の）物体１１０を含む３次元（３Ｄ）ボリュームである。解析の目的で、３ＤボリュームはＭ＝Ｍｘ×Ｍｙ×Ｍｚ個のボクセル１２１に分割することができる（１２０）（図１を参照されたい）。ボクセルはｍ＝１，．．．，Ｍに従って線形にインデックス付けされる。超音波パルスに対する各ボクセル又はシーン点の反射率は、ｘｍである。線形インデックス付けはラスター走査順に類似しており、ボクセルは行毎に左から右に（ｘ）、次に上から下に（ｙ）、最後に前から後に（ｚ）処理される。
【００２６】
ボクセルの反射率は、ボクセルが空であるか、又はボクセルが遮蔽されている場合ゼロである。そうではなく、ボクセルが空でもなく別の空でないボクセルによって遮蔽されてもいない場合、反射率は複素数である。このため、トランスデューサーに面した物体の表面のみが検知される。部分的な遮蔽、すなわち、トランスデューサーの一部においてのみ遮蔽されているボクセルの効果は無視される。なぜなら、その効果は超音波検知システムの全体精度と比較して小さいためである。
【００２７】
上記で規定されるように、シーン内の全てのボクセルは、ボクセルの反射率ｘｍに応じて各送信機によって受信される広帯域超音波パルスを反射する。送信機ｋからボクセルｍまでの距離はｄｋ，ｍである。ボクセルｍから受信機ｌまでの距離はｄｍ，ｌである。超音波パルスがボクセルｍを通って横切る距離はｄｋ，ｌ，ｍ＝ｄｋ，ｍ＋ｄｍ，ｌである。このため、パルスの送信から受信までの総遅延はｄｋ，ｌ，ｍ／ｃであり、ここでｃは空気中の超音波パルスの速度である。
【００２８】
各受信機は、全ての送信機によって送信された全てのパルスが、物体に対応する非ゼロのボクセルによって反射された場合にそれらのパルスを受信する。周波数領域において、受信機ｌは周波数ωｆを
【００２９】
【数４】
0005815318.tif 000005
【００３０】
として受信する。ここでＴは受信機のサンプリング周期であり、パルスのナイキストレートより低くなるべきである。
【００３１】
受信機による全ての受信パルスからの周波数係数は、１つのベクトルにスタックすると（３１０）、以下によって表すことができる。
【００３２】
【数５】
0005815318.tif 000006
【００３３】
ベクトル方程式は、行列方程式３１１、すなわち以下の形式の線形システムと等価である。
【００３４】
【数６】
0005815318.tif 000007
【００３５】
ここで、ｒは受信パルスに応じた反射率の係数のベクトルを表し、Ａは透過演算子（transmission operator）であり、ｘ３２１はシーン内の反射率を表す。
【００３６】
復元方法の目標は、ｘに対するＡの作用を取り消すことであり、このため周波数係数の測定値ｒからｘを復元する。ここで、ｘは復元されたシーンである。
【００３７】
測定プロセス及びシーン復元
実際の用途では、シーンのほとんどは空であるか又は遮蔽されており、したがって、反射係数ｘｍ（ここで、ｍ＝１，．．．，Ｍ）のほとんどがゼロである。したがって、ベクトルｘはスパースである。特に、ベクトルｘは多くともＭｘ×Ｍｚ個の非ゼロ要素を有し、係数のうちの多くともｌ／Ｍｙ個が非ゼロである。
【００３８】
測定された係数ｒからのスパースベクトルの復元は、任意の数の復元方法３２０、たとえば最適値
【００３９】
【数７】
0005815318.tif 000008
【００４０】
となるような
【００４１】
【数８】
0005815318.tif 000009
【００４２】
又は
【００４３】
【数９】
0005815318.tif 000010
【００４４】
を求める線形最適化による定式化を適用することによって可能である。ここで、λは望ましくない解の抑制を制御する正則化パラメーターであり、「∧（ハット）」は推定値を示す。
【００４５】
別の復元方法は貪欲アルゴリズムを用いる。貪欲アルゴリズムは、貪欲スパース復元アルゴリズム（greedy sparse recovery algorithm）、マッチング追跡（ＭＰ）、直交マッチング追跡（ＯＭＰ）、及び圧縮サンプリングマッチング追跡（ＣｏＳａＭＰ）等であるがそれらに限定されない。シーンのモデルが知られている場合、モデルベースの圧縮検知再構成方法を用いることができる。
【００４６】
仮想アレイモデリング
図４に示すように、本発明の別の実施形態は、移動可能なトランスデューサーのアレイ２０１を用いる。該アレイは、測定値を取得しながら、経時的に再配置することができる。その後結合された受信データを用いてシーンを再構成する。トランスデューサーは経時的にＱ個の異なる位置からシーンのスナップショットを検知し取得する。各アレイ位置について、式（５）に類似の検知方程式は
【００４７】
【数１０】
0005815318.tif 000011
【００４８】
であり、ここで、ｒｑはｑ番目の位置における受信パルスを表し、Ａｑはｑ番目の位置においてセンサー及びシーンのジオメトリによって導出された検知行列である。全ての位置からの検知方程式を組み合わせた結果、検知方程式
【００４９】
【数１１】
0005815318.tif 000012
【００５０】
となる。
【００５１】
このとき、１つの位置及び式（８）のみを用いて復元が可能でない場合であっても、上述した方法を用いてｘを復元することができる。
【００５２】
用途
車両検知
本発明の実施形態は、車両検知用途における運転者支援に効果的に用いることができる。最新技術の車両超音波検知は、車両の各バンパー上に置かれた４つのトランスデューサーを用いる。トランスデューサーは独立して動作し、センサーの視野内の最も近い障害物についてのみオペレーターに測距情報を提供する。
【００５３】
本発明を用いて、オペレーターに提示される情報が大幅に向上される。車両のバンパー上のセンサーは超音波アレイとして動作することができる。さらに、車両が動くにつれ、センサーはロケーションを変え、仮想アレイを形成する。この仮想アレイは運転者にさらなる情報を提供することができる。本発明を用いて、車両を取り囲む環境の３次元モデルを生成し、中でも、駐車支援、車線変更支援、及び障害物検出のための重大な情報をオペレーターに与えることができる。
【００５４】
環境検知
システムは、環境検知が必要な他の用途、たとえばロボット用途においても用いることができる。本発明は、単純な個々の超音波センサーと比較して、ロボットが環境のより正確なモデルを得ることを可能にする。これによって、より良好な動き計画及び衝突回避戦略が可能になる。
【００５５】
別の用途は、本発明の実施形態を監視及びセキュリティ用途に用い、たとえば、プライバシーを侵害する高価なセキュリティカメラを必要とすることなく侵入及び侵害を検出する。同様に、本発明を、エレベーターロビーにおいて、エレベーター扉の前の人込みを検出するため、したがってエレベータースケジュールのために用いることができる。
【００５６】
本発明は、空調された（Ａ／Ｃ）部屋をモニタリングして占有者を検出し、それに応じてＡ／Ｃ電力及び空気流方向を調整するのに用いることもできる。
【００５７】
発明の効果
本発明の実施の形態は、広帯域超音波パルスを送受信する少数のトランスデューサーを用いる。各トランスデューサーは、異なる幅の周波数成分を有する或る周波数で一意のパルスを放出する。各パルスは一意であるので、受信機において容易に識別することができ、これによってシステムが対応する送信機からのシーン内の様々な物体の距離を推定することが可能になる。パルスの広帯域幅は２つの目的を果たす。各送信機からのパルスは他の送信機に対し一意である。より多くの周波数を用いることによりダイバーシティがもたらされるので、用いるトランスデューサーの数を少なくすることができる。
【００５８】
本発明を好ましい実施形態の例として説明してきたが、本発明の趣旨及び範囲内で様々な他の適応及び変更を行うことができることは理解されたい。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の趣旨及び範囲内に入るすべての変形及び変更を包含することである。
【図１】
0005815318.tif 000016
【図２】
0005815318.tif 000017
【図３】
0005815318.tif 000018
【図４】
0005815318.tif 000019