(57)【要約】【課題】システムを大型化・複雑化することなく、多数のシステムによる同時距離測定に対応できる超音波を用いた距離測定方法および距離測定装置を提供すること。【解決手段】空気中に放射する超音波パルスは、２進符号コードを２進周波数シフトキーイング方式により変調して生成された超音波パルスであり、前記２進符号コードは相互相関関数のピーク値、自己相関のサイドローブの最大値が小さい２進符号コードの集合から割り当てられたものを使用する。また、超音波パルスの放射は共振型送波器により行われ、相関の計算は極性相関法により行われる。【選択図】　図１
2004108826.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気中に超音波パルスを放射して、物体にて反射された反射超音波パルスを受信し、放射から反射超音波パルスの受信までの時間を測定することにより物体までの距離を計算する超音波を用いた距離測定方法において、空気中に放射する超音波パルスは、有限の長さを有し２進符号で構成される相異なる複数の２進符号コードから構成される２進符号コードの集合を多数生成し、多数生成された２進符号コードの集合のうち、２進符号コードの集合を構成する各２進符号コードの間の相互相関関数のピーク値、および自己相関のサイドローブの最大値が最小である２進符号コードの集合を選択し、選択された２進符号コードの集合を構成する２進符号コードのうちの１つを２進周波数シフトキーイング方式により変調して生成された超音波パルスであることを特徴とする超音波を用いた距離測定方法。
【請求項２】
前記物体までの距離の計算は、放射した超音波パルスと受信した反射パルスの相関を計算する段階を有し、前記放射した超音波パルスと受信した反射パルスの相関は極性相関法により計算されることを特徴する請求項１に記載の超音波を用いた距離測定装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の超音波を用いた距離測定方法が適用される超音波距離測定装置であって、有限の長さを有し２進符号で構成される２進符号コードを２進周波数シフトキーイング方式により変調してＢＦＳＫ（２進周波数シフトキーイング）信号を生成する手段と、該ＢＦＳＫ（２進周波数シフトキーイング）信号を空気中に超音波パルスとして放射する放射手段と、反射超音波パルスを受信する受信手段と、受信した反射超音波パルスとＢＦＳＫ（２進周波数シフトキーイング）信号との相関を計算する手段と、相関のピーク値を検出して遅延時間から距離を計算する手段とを備え、前記放射手段は共振型送波器であり、前記相関を計算する手段は極性相関器（ポラリティコレレータ）であることを特徴とする超音波を用いた距離測定装置。
【請求項４】
前記有限の長さを有し２進符号で構成される２進符号コードを２進周波数シフトキーイング方式により変調してＢＦＳＫ（２進周波数シフトキーイング）信号を生成する手段と、受信した反射超音波パルスと生成したＢＦＳＫ（２進周波数シフトキーイング）信号との相関を計算する手段と、相関のピーク値を検出して遅延時間から距離を計算する手段は、１のプログラマブル・ロジック・デバイス上に構成されることを特徴とする請求項３に記載の超音波距離測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波を用いた距離測定方法および距離測定装置に関し、更に詳しくは、パルス圧縮技術を用い、狭い周波数帯域を使用する場合であっても多数のシステムが同時に距離を測定することができる超音波を用いた距離測定方法と、該超音波を用いた距離測定方法を適用し、小型かつ簡単な構造を有する超音波を用いた距離測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超音波は、電波や光などに比較して反射しやすく、伝播速度も約３４０ｍ／ｓと遅いため、数１０ｍの距離の測定のための信号として広く用いられている。超音波を用いた距離測定方法は、信号処理が比較的簡単であることから、簡単な電気・電子回路により小型かつ安価に装置化できることから、ロボット技術の分野においても自律移動ロボットの障害物センサなどに広く用いられている。
【０００３】
従来の一般的な超音波を用いた距離測定方法および距離測定装置においては、周波数が一定の超音波を信号として使用していたため、他に同様の距離測定装置が存在すると誤作動しやすく、また複数の反射が存在すると測定精度が悪くなるといった問題点を有していたが、超音波を用いた距離測定方法および距離測定装置にパルス圧縮技術を応用することにより、前記誤作動や測定精度の悪化の防止が図られている。
【０００４】
パルス圧縮技術は、レーダ工学の分野において、遠距離の目標を高い距離分解能で観測することを目的として発展してきた技術である。レーダにより遠距離の目標を高い距離分解能で観測するには、大きな送信尖頭電力を持った幅の狭いパルスを送信しなければならない。しかしハードウェアの制約によりこのような信号パルスが得られない場合には、送信尖頭電力を低く保ったままパルス幅の長い送信パルスを変調して送信した後、目標からの反射波を受信する際に信号処理を行うことにより、大きな送信尖頭電力を有する幅の狭いパルスを送信した場合と同じ効果を得ることができる技術である。
【０００５】
パルス圧縮技術は、現在では線形周波数変調パルスから発展して、不要な反射を除去し、適切な目標からの応答を受信するためのフィルターを改良することを目的として、様々な関連する種類の信号について検証が行われている。この成果を応用し、超音波距離測定システムにおいても、クロストークや他の超音波源の存在により引き起こされる読み違えをなくすために応用されている。
【０００６】
パルス圧縮技術をロボット技術の分野に応用するに際しては、信号処理が複雑となるため、小型かつ低価格で装置化できるという超音波を用いた距離測定方法および距離測定装置の利点を損なうことになるという問題点を有していた。すなわち、パルス圧縮技術を超音波を用いた距離測定方法および距離測定装置に適用する場合には、それぞれに生成されたＢＦＳＫ信号と受信した反射超音波パルスの相関を計算する手段を備えさせなければならない。相関の計算は多くの積和演算が必要であり、積の演算は和の演算に比較して計算量を要することから、装置化する場合、リアルタイムでの相関の計算は汎用マイクロプロセッサでは困難であり、ＤＳＰ（ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）を用いて実現する場合においては非常にたくさんの電子部品を要する（例えば非特許文献１参照）。
【０００７】
またパルス圧縮技術においては、信号として一般的にチャープ波が用いられているが、チャープ波を用いる場合には連続的に周波数変調を行う必要がある。このため広帯域の超音波を放射する手段として、例えば超音波送波器に広帯域であるコンデンサ型送波器を用いる方法が提案されている（例えば、非特許文献２参照）。しかしながら、ロボット技術の分野においてはシステムを小型にすることができることから一般に狭帯域の共振型送波器が適用されているものであり、広帯域のコンデンサ型送波器を適用すると、大振幅の電圧を印加する必要があるため装置が大型化し、例えばロボットのセンサアレイなどに適用することが困難となる。
【０００８】
このため本発明者らは、パルス圧縮技術を用いた超音波距離測定システムにおける信号処理のために、リアルタイムで極性相関法により相関を計算することができる極性相関器（ポラリティコレレータ）を開発し、帯域幅の狭い周波数変調として狭帯域の共振型送波器を用いることを提案した（例えば、非特許文献３参照）。極性相関法によれば、積の演算が不要となるため計算に要する時間を大幅に減少させることができ、リアルタイムでの相関の計算が可能となる。また、極性相関器を１のＰＬＤ上に実現できるため、小型に装置化できるという超音波を用いた距離測定方法の利点を損なうことなくパルス圧縮技術を適用することが可能となった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら共振型送波器は狭帯域であるため、同時に使用できるチャープ波の波形の数は限られている。仮に共振型送波器を用いて広帯域の超音波を発生させようとすると、周波数帯域の不整合により効率が低下する。このため、同時に距離測定を行うことができる超音波を用いた距離測定装置の数が制限され、多数の装置が同時に距離測定を行っても相互の干渉を受けることなく距離を測定することができる距離測定装置を構築することが困難である。
【００１０】
上記実情に鑑み、本発明の解決しようとする課題は、共振型送波器を適用することにより超音波を用いた距離測定方法および距離測定装置の有する、小型かつ安価で実現できるという利点を損なうことなく、多数の装置による同時距離測定に対応することができる超音波を用いた距離測定方法および距離測定装置を提供することである。
【００１１】
【非特許文献１】
ケー．ダブリュ．ジョルグ（Ｋ．Ｗ．Ｊｏｒｇ），エム．ベルグ（Ｍ．Ｂｅｒｇ），「ソフィスティケイテッド　モービル　ロボット　ソナー　センシング　ウィズ　シュウド−ランダム　コーズ（Ｓｏｐｈｉｓｔｉｃａｔｅｄ　ｍｏｂｉｌｅ　ｒｏｂｏｔ　ｓｏｎａｒ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｐｓｅｕｄｏ−ｒａｎｄｏｍ　ｃｏｄｅｓ）」，ロボティクス　アンド　オータナマス　システムズ（Ｒｏｂｏｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ　Ｓｙｓｔｅｍｓ），アメリカ合衆国，１９９８年，２５巻，ｐ．２４１−２５１
【非特許文献２】
ティー．エイチ．ガン（Ｔ．Ｈ．Ｇａｎ），ディー．エー．ハッチンス（Ｄ．Ａ．Ｈｕｔｃｈｉｎｓ），ディー．アール．ビルソン（Ｄ．Ｒ．Ｂｉｌｌｓｏｎ），ディー．ダブリュ．シィンデル（Ｄ．Ｗ．Ｓｃｈｉｎｄｅｌ），「ザ　ユーズ　オブ　ブロードバンド　アコースティックトランスデューサーズ　アンド　パルス−コンプレッション　テクニックス　フォー　エア−カップルド　ウルトラソニック　イメージング（Ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｂｒｏａｄｂａｎｄ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ　ａｎｄ　ｐｕｌｓｅ−ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｆｏｅ　ａｉｒ−ｃｏｕｐｌｅｄ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｉｍａｇｉｎｇ）」，ウルトラソニックス（Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ），アメリカ合衆国，２００１年，３９巻，ｐ．１８１−１９４
【非特許文献３】
中平，児玉，森田，小熊，「ディスタンス　メジャーメント　バイ　アン　ウルトラソニック　システム　ベースド　オン　ア　ディジタル　ポラリティ　コレレータ（Ｄｉｓｔａｎｃｅ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｂｙ　ａｎ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｐｏｌａｒｉｔｙ　Ｃｏｒｒｅｌａｔｏｒ）」，ＩＥＥＥトランザクション　オン　インストルメント　アンド　メジャーメント（ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ），アメリカ合衆国，２００１年１２月，５０巻，ｐ．１７８４−１７５２
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、空気中に超音波パルスを放射して、物体にて反射された反射超音波パルスを受信し、放射から反射超音波パルスの受信までの時間を測定することにより物体までの距離を計算する超音波を用いた距離測定方法において、空気中に放射する超音波パルスは、有限の長さを有し２進符号で構成される相異なる複数の２進符号コードから構成される２進符号コードの集合を多数生成し、多数生成された２進符号コードの集合のうち、２進符号コードの集合を構成する各２進符号コードの間の相互相関関数のピーク値、および自己相関のサイドローブの最大値が最小である２進符号コードの集合を選択し、選択された２進符号コードの集合を構成する２進符号コードのうちの１つを２進周波数シフトキーイング方式により変調して生成された超音波パルスであることを要旨とするものである。
【００１３】
かかる構成によれば、複数のシステムが同時に放射する超音波パルスは、自己相関のサイドローブが低いものであるから、他のシステムに対して影響を与えたり、反対に他のシステムから干渉を受けることを防止することができる。また、相互相関係数が低いため、自己の使用する超音波パルスと他のシステムが使用する超音波パルスを混同することが防止される。このため、各システムが使用する超音波パルスにより干渉や混同が引き起こされることなく、複数のシステムが同時に距離測定を行うことができる。また、使用する超音波パルスは２進周波数シフトキーイング方式により変調された信号であるから、放射する超音波パルスの周波数帯域を広げることなく信号の種類を増加させることが容易であるため、同時測定のシステムの数を増加させることができる。
【００１４】
更に２進周波数シフトキーイング方式によれば、２種類のみの周波数から構成される超音波パルスを放射できればよいため、超音波パルスの放射手段として狭帯域の共振型送波器を用いることができる。この場合において、エネルギー効率の高い公称周波数近傍で２種類の伝送周波数を設定することにより、高効率で空気中に超音波パルスを放射することが可能となるから、システムを大型化、複雑化することなく、超音波を用いた距離測定にパルス圧縮技術適用することができる。
【００１５】
この場合において請求項２に記載のように、前記物体までの距離の計算は、放射した超音波パルスと受信した反射パルスの相関を計算する段階を有し、前記放射した超音波パルスと受信した反射パルスの相関は極性相関法により計算されることが望ましい。
【００１６】
かかる構成によれば、サンプリング時間間隔と同じかそれ以下の時間で相関の計算における積分演算が可能となるため、リアルタイムで相関を計算することができ、移動する物体であっても追随して距離を測定することが可能となる。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の超音波を用いた距離測定方法が適用される超音波距離測定装置であって、有限の長さを有し２進符号で構成される２進符号コードを２進周波数シフトキーイング方式により変調してＢＦＳＫ（２進周波数シフトキーイング）信号を生成する手段と、該ＢＦＳＫ（２進周波数シフトキーイング）信号を空気中に超音波パルスとして放射する放射手段と、反射超音波パルスを受信する受信手段と、受信した反射超音波パルスとＢＦＳＫ（２進周波数シフトキーイング）信号との相関を計算する手段と、相関のピーク値を検出して遅延時間から距離を計算する手段とを備え、前記放射手段は共振型送波器であり、前記相関を計算する手段は極性相関器（ポラリティコレレータ）であることを要旨とするものである。
【００１８】
この場合において請求項４に記載のように、前記有限の長さを有し２進符号で構成される２進符号コードを２進周波数シフトキーイング方式により変調してＢＦＳＫ（２進周波数シフトキーイング）信号を生成する手段と、受信した反射超音波パルスと生成したＢＦＳＫ（２進周波数シフトキーイング）信号との相関を計算する手段と、相関のピーク値を検出して遅延時間から距離を計算する手段は、１のプログラマブル・ロジック・デバイス上に構成されることが望ましい。
【００１９】
かかる構成によれば、共振型送波器を用いるため、装置を小型かつ安価に構成できるという従来の超音波を用いた距離測定装置の有する利点を損なうことなく、複数ユーザの同時距離測定に対応できる超音波距離測定装置を構成することができる。また、パルスの生成、相関の計算、ピーク値の検出による距離の測定などの信号処理に関する部分が１のＰＬＤにより実現することができるため、装置の構造化極めて簡単になり、小型かつ安価に構成できる。そしてこれらの結果、装置全体を小型かつ安価に構成することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本明細書においては、２進符号で構成される符号コードの列を２進符号コードと、該２進符号コードを２進周波数シフトキーイング（ＢＦＳＫ）方式により変調された信号をＢＦＳＫ信号と記す。また、信号の形式および変調方式の種類を問わず、本発明を含む超音波を用いた距離測定方法および距離測定装置で、放射手段により空気中に放射される超音波を伝送波とする信号を超音波パルスと記す。
【００２１】
以下、本発明の好適な一実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００２２】
図１は、本発明の一実施の形態に係る超音波を用いた距離測定方法の処理の流れを示したフローチャートである。まず、本発明の一実施の形態に係る超音波を用いた距離測定方法について、図１に示すフローチャートに従って説明する。
【００２３】
１．２進符号コードの決定
同一または同種の超音波を用いる距離測定方法により距離を測定する手段（本明細書においては、システムと記す）が複数存在して同時に距離を測定する場合には、それぞれのシステムは、自己のシステムが放射した超音波パルスと他のシステムが放射した超音波パルスとを識別する必要がある。自己のシステムが放射した超音波パルスと他のシステムが放射した超音波パルスとを区別するためには、各システムが使用する超音波パルスの相互相関が低いことが望ましい。また、各システム相互の干渉を防止するためは各システムが使用する放射する超音波パルスのサイドローブレベルが低いことが望ましい。
【００２４】
従って本実施の形態においては、次に示す手順により各システムが使用する２進符号コードが決定される。（１）２進符号コードの集合の生成：少なくとも同時に距離測定を行うシステムの数だけの相異なる２進符号コードから構成される２進符号コードの集合をランダムに多数生成する。（２）２進符号コードの集合の選択：生成された多数の２進符号コードの集合のうち、各集合を構成する各２進符号コードの相互相関関数のピーク値が最も低く、かつ自己相関法によるサイドローブレベルの最大値が最も低い集合を選択する。（３）２進符号コードの割り当て：選択された集合を構成する各２進符号コードを、各システムに距離測定に用いる信号として割り当てる。
【００２５】
前記相互相関関数のピーク値が最小である集合を選択する方法としては、例えば、ケー．アール．グリープ（Ｋ．Ｒ．Ｇｒｉｅｐ），ジェー．エー．リトシイ（Ｊ．Ａ．Ｒｉｔｃｅｙ），ジェー．ジェー．バーリンゲーム（Ｊ．Ｊ．Ｂｕｒｌｉｎｇａｍｅ）著，「ポリ−フェーズ　コーズ　アンド　オプティマル　フィルターズ　フォー　マルチプリックユーザー　レンジング（Ｐｏｌｙ−ｐｈａｓｅ　ｃｏｄｅｓ　ａｎｄ　ｏｐｔｉｍａｌ　ｆｉｌｔｅｒｓ　ｆｏｒ　ｍｕｌｔｉｐｌｃ　ｕｓｅｒ　ｒａｎｇｉｎｇ）」（ＩＥＥＥトランザクション　オン　エアロスペース　アンド　エレクトロニック　システム（ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ，Ａｅｒｏｓｐａｃｅ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｓｙｓｔ．），アメリカ合衆国、１９９５年，３１巻，ｐ７５２−７６７）に記載される、シミュレーテッド・アニーリング法とヒルクライミング法を組み合わせた方法を好適に用いることができる。
【００２６】
２．ＢＦＳＫ信号の生成
ＢＦＳＫ（２進周波数シフトキーイング）方式は、２進符号コードを伝送するに際して、２進符号「０」、「１」にそれぞれ異なる周波数ｆ０、ｆ１を割り当てた伝送波を用いることにより２進符号コードを伝送するディジタル変復調方式である。
【００２７】
各装置は割り当てられた２進符号コードからＢＦＳＫ信号を生成して超音波パルスとして放射する。生成されたＢＦＳＫ信号は、以下のように表記される。
【００２８】
【数１】
2004108826.tif 000003
【００２９】
数式１において、Ａは伝送される信号の振幅、ｂｊは２進符号コードのｊ番目の要素である。すなわち２種類の周波数ｆ０、ｆ１を用いて伝播するものであるから、ｂｊ＝０であればｆｂ＝ｆ０であり、ｂｊ＝１であればｆｂ＝１である。数式１の中の関数Πｊ（ｔｉ）は以下の数式２のように表される。
【００３０】
【数２】
2004108826.tif 000004
【００３１】
ここで、ｄｊは以下の数式３で表される。また、ｄ０＝０である。
【００３２】
【数３】
2004108826.tif 000005
【００３３】
このように２進周波数シフトキーイング方式によれば、超音波パルスの放射において必要とされる周波数は２種類のみであるため、放射手段は広帯域の超音波を放射できる必要はなく、放射手段として適用する送波器の周波数特性に応じて伝送波周波数ｆ０、ｆ１を適切に選択すれば、具体的には、例えば送波器の公称周波数近傍の２種類の周波数を選択すれば、狭帯域の送波器においてもエネルギー効率の高い公称周波数近傍で超音波を空気中に放射することができ、効率を上げることができる。
【００３４】
この場合において、超音波パルスの継続時間はｄＭであり、長さがＭの２進符号コードにある「０」と「１」の数により定められる。また、圧電性送波器の周波数帯域の両端にある各の周波数は、それぞれ、ｆ０とｆ１の２つの周波数が使用される。
【００３５】
２つの周波数の差を決定するためには、サンプリング時間間隔Ｔは、次式で表される。ここで、ｆ０＜ｆ１である。
【００３６】
【数４】
2004108826.tif 000006
【００３７】
数式４より明らかなとおり、周波数ｆ０とｆ１の帯域幅が狭いと、帯域幅の中心のナイキスト周波数より速いサンプリング時間間隔であることを要するため、信号処理において扱うデータ量が増加する。反対に帯域幅を大きく取ると周波数ｆ０およびｆ１の少なくともいずれか一方が送波器の公称周波数から離れることになり、送波器の効率が低下する。従って、両者のバランスを考慮して周波数ｆ０およびｆ１を設定する。
【００３８】
３．距離の測定
距離の測定は次に示す手順で行われる。（１）超音波パルスの放射：生成されたＢＦＳＫ信号を放射手段により超音波パルスとして空気中に放射する。（２）反射超音波パルスの受信：超音波パルスの放射とあわせて受信手段が周りから放射あるいは反射した超音波パルスを受信する。（３）相関の計算：受信された超音波パルスと生成されたＢＦＳＫ信号との相関を、相関計算手段によりリアルタイムで計算する。（３）閾値レベルの検査：計算された相関が設定された閾値以上であるかどうかを判断し、設定された閾値以下である場合には、ノイズであると判断する。（４）距離の計算：計算された相関が設定された閾値以上のレベルを有している場合には、相関のピーク値を検出する。（５）ピーク値が現れた時間遅延を計算し、計算された時間遅延から超音波パルスを反射した物体までの距離を計算する。
【００３９】
リアルタイムでの相関の計算には、例えば前記非特許文献３に示される極性相関器（ポラリティコレレータ）を好適に適用することができる。極性相関法により相関を計算する場合には、積の演算が不要であるため計算時間が短く、サンプリング時間間隔と同じかそれ以下の時間で相関の計算における積分演算が可能であるため、リアルタイムに相関を計算することが可能である。
【００４０】
なお、移動する物体に追随して距離を測定するため、一定時間間隔ごとに距離測定を行うものであることが望ましく、これにより移動する物体であってもリアルタイムに位置を測定することが可能となる。
【００４１】
次いで、上記超音波を用いた距離測定方法を適用した超音波距離測定装置について説明する。
【００４２】
図２は、本発明の一実施の形態に係る超音波を用いた距離測定装置の構成を示したブロック図である。図２により構成の概略を説明すると、本発明の一実施の形態に係る超音波を用いた距離測定装置１は、設定された（複数システムの場合は選択され割り当てられた）２進符号コードを２進周波数シフトキーイング方式により変調してＢＦＳＫ信号電圧を生成する手段であるパルス発生器３と、生成されたＢＦＳＫ信号に基づいて超音波パルスを空気中に放射する手段である送波器６と、何らかの物体に反射した反射超音波パルスを受信する手段である受波器７と、生成されたＢＦＳＫ信号と受信した反射超音波パルスの相関を計算する手段である相関器（コレレータ）４と、計算された相関のピーク値を検出し、ピーク値が現れた遅延時間から超音波パルスを反射した物体までの距離を計算するピーク検出器５とから構成される。
【００４３】
前記パルス発生器３、相関器（コレレータ）４、およびピーク検出器５は１のＰＬＤ（プログラマブル・ロジック・デバイス）２上に実現されるものであることが望ましく、例えばＰＬＤとして三菱マイコン機器ソフト株式会社製のＭＵ２００を好適に適用することができる。１のＰＬＤ上に信号処理に必要な回路構成を実現することにより、距離測定装置の小型化を図ることができる。また、使用する２進符号コードや回路構成の変更にも簡単に対応できる。
【００４４】
また、送波器６は狭帯域の共振型送波器が適用可能であり、例えば、村田工業株式会社製のＭＡ４０Ｓ３Ｒ／Ｓなどを好適に適用することができる。
【００４５】
本実施の形態に係る超音波を用いた距離測定装置による距離測定方法は、前記のとおりである。なお、２進符号コードはあらかじめ生成・選択されたものをパルス発生器３上に記憶させておき使用する。また、相関器（コレレータ）は、極性相関器（ポラリティコレレータ）の機能がＰＬＤ上に実現されるものである。
【００４６】
【実施例１】
実施例１は、本発明に係る超音波を用いた距離測定方法および距離測定装置において、ＢＦＳＫ信号を用いることの妥当性および複数の同時距離測定の有効性について検証した検証実験について記す。
【００４７】
表１は、前記手段により決定された２進符号コードである。これら２進符号コードの長さは８０ビットである。なお、表１においては１６進数で表記しており、左側下から信号の送信が開始される。
【００４８】
【表１】
2004108826.tif 000007
【００４９】
送波器には村田工業株式会社製のＭＡ４０Ｓ３Ｒ／Ｓを適用しており、半径は５ｍｍ、共振周波数は４０ｋＨｚで、周波数帯域は約２．５ｋＨｚに制限される。このため符号「１」に対応する周波数ｆ１を４１．６６６ｋＨｚに、符号「０」に対応する周波数ｆ０を３８．４６１ｋＨｚに設定している。
【００５０】
なお、２進符号コードの長さ（ビット数）は長い方が識別が容易となるが、長くすると各波形が重なる確率が高くなること、また、超音波パルスの放射時間の間隔を長くせざるを得ず、高速で移動する物体の位置をリアルタイムで測定することが困難となることから、両者のバランスを考慮して８０ビットとする。
【００５１】
図３は自己相関法によるピークレスポンスの測定結果であり、（ａ）は、表１に示される２進符号コードを用いた超音波パルスの測定結果、（ｂ）は、約２ｍｓの時間で３８．４６１ｋＨｚから４１．６６６ｋＨｚに周波数がスイープするチャープ信号の測定結果である。ＢＦＳＫ信号の極性相関法による相関は、シャープさが少なく信号とノイズの比率も悪い。しかしながら、はっきりしたピークを識別することができ、識別信号として用いることが可能である。また、表１に示されるように、自己相関法によるピークレスポンスの最小値は相互相関関数の最大値より大きいことから、この間に閾値を設定することにより、他の装置が放射する超音波パルスと混同することなく自己が放射した超音波パルスを識別して距離の測定を行うことが可能となる。
【００５２】
図４は、複数の装置により同時に距離測定を行った場合における、自己相関法によるピークレスポンスの最小値と相互相関関数の最大値を示した図であり、（ａ）はＢＦＳＫ信号を、（ｂ）（ｃ）は中心周波数が４０ｋＨｚで、それぞれ４ｋＨｚと８ｋＨｚの帯域のチャープ波を用いた場合の結果を示している。ＢＦＳＫ信号を用いた場合には、いずれの装置数においてもピークレスポンスの最小値は相互相関係数の最大値より大きくなることから、閾値をこの間で適切に選択することにより誤認識することなく距離測定が可能であることを示している。
【００５３】
これに対して、図４（ｂ）（ｃ）に示されるように、チャープ波を用いた場合には、装置数の増加に伴い相互相関関数の最大値が大きく上昇し、装置数が４において相互相関係数の最大値がピークレスポンスの最小値より大きくなる。このため、４ｋＨｚおよび８ｋＨｚのいずれにおいても、装置数が４の場合に自己の反射信号と他のシステムの放射する信号との区別がつかなくなり、同時に距離測定を行うことができなくなる。
【００５４】
このように、本発明に係るＢＦＳＫ信号を用いる方法は、従来のチャープ波を用いる方法に比較して、複数ユーザの同時距離測定に対して有効であることが示されたものである。
【００５５】
【実施例２】
以上説明した本発明に係る超音波を用いた距離測定方法および該距離測定方法を適用した距離測定装置について、複数のシステムが同時に距離測定を行い他のシステムが放射する超音波パルスが存在する場合における距離測定能力について検証している。
【００５６】
図５は、検証実験のための装置およびその構成である。本検証実験に用いる装置１０１は、第１送波器１０６と、受波器１０７と、１のＰＬＤ１０２と、パーソナルコンピュータであるＰＣホスト１１０と、を備える。本検証実験においてはＰＬＤとして三菱電機マイコン機器ソフトウェア株式会社製のＭＵ２００を適用している。なお、ＰＬＤ１０２上に、パルス発生器１０３および相関器（コレレータ）１０４が実現されている。なお、第１送波器１０６、受波器１０７、ＰＬＤ１０２、パルス発生器１０３、および相関器（コレレータ）１０４は前記実施の形態で説明したものと同一の機能を有するものであり、基本的な構成および動作は図２に示す超音波を用いた距離測定装置１と同様である。
【００５７】
ただし本検証実験においては、使用するＢＦＳＫ信号の変更や、ＰＬＤ１０２上に構成されるパルス発生器１０３や相関器（コレレータ）１０４の回路の構成を変更することができるよう、パーソナルコンピュータであるホスト（ＰＣホスト１１０）が接続されている。すなわち、ＰＣホスト１１０で作成された回路構成がＰＬＤにロードされて、１つのＰＬＤ上にパルス発生手段と、極性相関器（ポラリティコレレータ）が構成される。また、図２に示すピーク検出器５の機能をも有する。更にＰＣホスト１１０は、相関計算の結果が伝送され、ＰＣホスト１１０に内蔵される図示しない記録手段に記録され、データとして利用できるように構成される。
【００５８】
前記ＰＬＤ１０２上に構成される相関器（コレレータ）１０４は極性相関器であり、１ＭＨｚのサンプリング周波数を有し、約２０００のストレージシフトレジスタを有する。これにより、２ｍｓの超音波パルスを保存し処理することができる。なお、前記ＰＬＤ１０２には４０万個のティピカルゲートを有するアルテラ社製のＥＰ２０Ｋ４００Ｅデバイスが組み込まれており、実際にはＰＬＤの有するティピカルゲートのわずか約５％のみを使用することになる。
【００５９】
検証実験は、距離の測定対象物１２１として直径９０ｍｍ、高さ１ｍの円柱を用い、第１送波器１０６から０．６〜１．２ｍの距離に設置して距離を測定するものである。また、ノイズの発生源として、第１送波器１０６および受信器１０７から２ｍの距離の位置に別個の第２送波器１２０が設置され、第１送波器１０６とは別個独立してＢＦＳＫ信号に基づく超音波パルスをノイズとして放射し得るように構成される。ノイズは、表１に示すコードナンバー８の２進符号コードを２進周波数シフトキーイング方式により変調した超音波パルスであり、５０Ｈｚの周期で放射される。構成より明らかなとおり、距離測定装置１０１は自己が放射する超音波パルスは反射超音波パルスを受信するのに対し、ノイズ源である第２送波器１２０が放射する超音波パルスは直接受信することになるため、信号に比較してノイズの方が大きい環境下での検証となる。
【００６０】
表２は表１に示すコード１のＢＦＳＫ信号により観察された実験データを示す。なお、相関の計算における閾値レベルは０．６３に設定されている。
【００６１】
【表２】
2004108826.tif 000008
【００６２】
表２に示されるように、ノイズ源がある場合においても、良好な結果が得られている。なお、１．０ｍを超える距離を測定するときに、オーバーラップロスに僅かの増加があった。これは、実験が音吸収フォームのない屋内で行われ、他の物体からの反射波もオーバーラップしたためであると考えられる。
【００６３】
以上の結果、他の装置が同時に距離測定を行っているような、ノイズが存在する環境においても正確に距離を測定できることが実証され、多数の装置による同時距離測定に対応できることが示されたものであり、送波器として狭帯域送波器を用い、超音波パルスとして２進周波数シフトキーイング方式により変調された信号を用いることにより、同時多数の距離測定を行う装置を構成することが可能となった。
【００６４】
以上本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施できることは勿論である。例えば前記各実施例においては、８システムの同時距離測定を想定しているが、実際には８システムまたはそれ以下に限定されることはなく、８システム以上においても適用可能である。この場合においては、より長いビット数を有する２進符号コードを用いることにより、システムの数を増加させることが可能である。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したとおり、請求項１に記載の発明によれば、複数のシステムが同時に放射する超音波パルスは自己相関のサイドローブが低いものであるから、他のシステムに対して影響を与えたり、反対に他のシステムから干渉を受けることを防止することができる。また、相互相関関数の最大値が低いため、自己の使用する超音波パルスと他のシステムが使用する超音波パルスを混同することが防止される。このため各システムにおいて干渉や混同が生じることなく、複数のシステムが同時に距離測定を行うことができる。
【００６６】
また、２進周波数シフトキーイング方式によれば、２種類のみの周波数から構成される超音波パルスを放射できればよいため、超音波パルスの放射手段として狭帯域の共振型送波器を用いることができる。この場合において、エネルギー効率の高い公称周波数近傍で２種類の伝送周波数を設定することにより、高効率で空気中に超音波パルスを放射することが可能となるから、システムを大型化、複雑化することなく、超音波を用いた距離測定にパルス圧縮技術を適用することができる。
【００６７】
そして、使用する超音波パルスの周波数帯域を広げることなく、２進符号コードの種類を増やすのみで同時に距離測定を行うことができるシステムの数を増加させることができる。この場合、２進符号コードのビット数を増加させることにより２進符号コードの種類を増加させることができる。
【００６８】
請求項２に記載の発明によれば、サンプリング時間間隔と同じかそれ以下の時間で相関の計算における積分演算が可能となるため、リアルタイムで相関を計算することができ、移動する物体であっても追随して距離を測定することが可能となる。
【００６９】
請求項３に記載の発明によれば、共振型送波器を用いるため、装置を小型かつ安価に構成できるという従来の超音波を用いた距離測定装置の有する利点を損なうことなく、複数ユーザの同時距離測定に対応できる超音波距離測定装置を構成することができる。
【００７０】
請求項４に記載の発明によれば、パルスの生成、相関の計算、ピーク値の検出による距離の測定などの信号処理に関する部分が１のＰＬＤにより実現することができるため、装置の構造が極めて簡単になり、小型かつ安価に構成できる。そしてこれらの結果、装置全体を小型かつ安価に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る超音波を用いた距離測定方法のフローチャートである。
【図２】本発明の一実施の形態に係る超音波を用いた距離測定装置の構成を示したブロック線図である。
【図３】（ａ）はＢＦＳＫ信号、（ｂ）はチャープ信号のピークレスポンスの測定結果である。
【図４】（ａ）はＢＦＳＫ信号を（ｂ）（ｃ）はチャープ波を用いた場合のピークレスポンスの最小値と相互相関関数の最大値を示した図である。
【図５】本発明の第２の実施例における超音波を用いた距離測定装置の構成を示したブロック線図である。
【符号の説明】
１　超音波を用いた距離測定装置
２　ＰＬＤ（プログラマブル・ロジック・デバイス）
３　パルス発生器
４　相関器（コレレータ）
５　ピーク検出器
６　送波器
７　受波器
１０１　超音波を用いた距離測定装置（実験のための構成）
１０２　ＰＬＤ（プログラマブル・ロジック・デバイス）
１０３　パルス発生器
１０４　相関器
１０６　第１送波器
１０７　受波器
１２０　第２送波器
１２１　測定対象物
【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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