(57)【要約】【課題】超音波測距装置が複数存在する環境においても、最適な干渉除去を行うことにより、精度の高い位置推定をする。【解決手段】異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波を複数の受波器で受信し、それぞれの受信信号を生成し、受信信号から複数の閾値を用いて各閾値以上の振幅を有する信号を抽出して、閾値ごとに異なる干渉信号を生成し、干渉信号を所望以外の超音波の符号で拡散処理した後、受信信号から除去して、閾値ごとに干渉信号が除去された受信信号を生成し、干渉信号が除去された受信信号を所望の超音波の符号で逆拡散し、閾値ごとに、逆拡散された受信信号間の最大相関値を求め、閾値ごとに求めた最大相関値が得られた閾値を決定し、決定した閾値に対応する受信信号の受波器への到達時間から、所望の超音波の伝播距離を算出する超音波測定方法。【選択図】  図１
2009156666.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波から、所望の超音波の伝播距離および伝播方位のうち、少なくとも一方を計測する超音波測定方法であって、
前記互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波を第１および第２の受波器で受信し、それぞれ第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ａ１）と、
前記第１および第２の受信信号を、所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で逆拡散処理することにより、少なくとも１つの逆拡散信号を生成するステップ（Ｂ１）と、
前記逆拡散信号から複数の閾値を用いて各閾値以上の振幅を有する信号をそれぞれ抽出することにより、前記閾値ごとに異なる干渉信号を生成するステップ（Ｃ１）と、
前記干渉信号を所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で拡散処理した後、第１および第２の受信信号から除去することにより、前記閾値ごとに干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ｄ１）と、
前記干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を所望の超音波の符号で逆拡散し、前記閾値ごとに干渉信号が除去され、逆拡散された第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ｅ１）と、
前記閾値ごとに、前記逆拡散された第１および第２の受信信号間の最大相関値を求めるステップ（Ｆ１）と、
前記閾値ごとに求めた最大相関値の最大値が得られた閾値を決定するステップ（Ｇ１）と、
前記決定した閾値に対応する前記逆拡散された第１および第２の受信信号の前記第１および第２の受波器への到達時間から、前記所望の超音波の伝播距離および伝播方位のうちの少なくとも一方を算出するステップ（Ｈ１）と、
を包含する超音波測定方法。
【請求項２】
前記ステップ（Ｃ１）から（Ｆ１）は、あらかじめ設定された複数の閾値を用い、複数の閾値に対する各ステップの処理を並列に行う請求項１に記載の超音波測定方法。
【請求項３】
互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波から、所望の超音波の伝播距離および伝播方位のうち、少なくとも一方を計測する超音波測定方法であって、
前記互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波を第１および第２の受波器で受信し、それぞれ第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ａ２）と、
前記第１および第２の受信信号を、所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で逆拡散処理することにより、少なくとも１つの逆拡散信号を生成するステップ（Ｂ２）と、
前記逆拡散信号から閾値を用いて前記閾値以上の振幅を有する信号を抽出することにより、干渉信号を生成するステップ（Ｃ２）と、
前記干渉信号を所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で拡散処理した後、第１および第２の受信信号から除去することにより、干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ｄ２）と、
前記干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を所望の超音波の符号で逆拡散し、前記干渉信号が除去され、逆拡散された第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ｅ２）と、
前記逆拡散された第１および第２の受信信号間の最大相関値を求めるステップ（Ｆ２）と、
前記閾値の値を変化させてステップ（Ｂ２）から（Ｆ２）を実行するステップ（Ｇ２）と、
前記最大相関値と直前の最大相関値との差が所定の値以下になるまで、前記ステップ（Ｇ２）を繰り返すステップ（Ｈ２）と、
前記最大相関値と直前の最大相関値との差が所定の値以下になった際の閾値に対応する前記逆拡散された第１および第２の受信信号の前記第１および第２の受波器への到達時間から、前記所望の超音波の伝播距離および伝播方位のうちの少なくとも一方を算出するステップ（Ｉ２）と、
を包含する超音波測定方法。
【請求項４】
前記ステップ（Ｈ２）において、前記最大相関値と直前の最大相関値との差に基づいて、前記閾値の値を決定する請求項３に記載の超音波測定方法。
【請求項５】
前記符号はＭ系列の擬似拡散符号である請求項１から４のいずれかに記載の超音波測定方法。
【請求項６】
前記符号に、前記超音波の位相の０度および１８０度の状態を割り当てる請求項１から５のいずれかに記載の超音波測定方法。
【請求項７】
前記逆拡散された第１および第２の受信信号間の最大相関値は、複素数の相関を求めることにより算出する請求項１から６のいずれかに記載の超音波測定方法。
【請求項８】
互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波から、所望の超音波の伝播距離および伝播方位のうち、少なくとも一方を計測する超音波測定装置であって、
前記互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波を受信し、それぞれ受信信号を生成する第１および第２の受波器と、
前記第１および第２の受波器に接続された第１および第２の干渉除去部であって、前記受信信号を、所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で逆拡散処理することにより、少なくとも１つの逆拡散信号を生成し、前記拡散信号から複数の閾値を用いて各閾値以上の振幅を有する信号をそれぞれ抽出することにより、前記閾値ごとに異なる干渉信号を生成し、前記干渉信号を所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で拡散処理した後、受信信号から除去することにより、前記閾値ごとに干渉信号が除去された受信信号を生成し、前記干渉信号が除去された受信信号を所望の超音波の符号で逆拡散することにより前記閾値ごとに干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号を生成する第１および第２の干渉除去部と、
前記第１および第２の干渉除去部で生成した干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号の最大相関値を前記閾値ごとに求める相関部と、
前記閾値ごとに求めた最大相関値の最大値が得られた閾値を選択する選択部と、
前記選択した閾値に対応する干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号の前記第１および第２の受波器への到達時間から、前記所望の超音波の伝播距離および伝播方位のうちの少なくとも一方を決定する距離方位算出部と、
を備える超音波測定装置。
【請求項９】
前記第１および第２の干渉除去部は、あらかじめ設定された複数の閾値を用い、前記閾値ごとに干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号を並列して生成する請求項８に記載の超音波測定装置。
【請求項１０】
互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波から、所望の超音波の伝播距離および伝播方位のうち、少なくとも一方を計測する超音波測定装置であって、
前記互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波を受信し、それぞれ受信信号を生成する第１および第２の受波器と、
指令に基づき閾値を更新して逐次生成する閾値変更部と、
前記第１および第２の受波器に接続された第１および第２の干渉除去部であって、前記閾値が更新されるたびに、前記受信信号を、所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で逆拡散処理することにより、少なくとも１つの逆拡散信号を生成し、前記拡散信号から前記閾値を用いて前記閾値以上の振幅を有する信号を抽出することにより、干渉信号を生成し、前記干渉信号を所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で拡散処理した後、受信信号から除去することにより、前記干渉信号が除去された受信信号を生成し、前記干渉信号が除去された受信信号を所望の超音波の符号で逆拡散することにより前記干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号を生成する第１および第２の干渉除去部と、
前記第１および第２の干渉除去部で生成した干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号の最大相関値を前記閾値ごとに求める相関部と、
前記最大相関値と直前に求めた最大相関値との差を求め、前記差が所定の値以下である場合には、そのとき閾値を選択し、前記差が所定の値より大きい場合には、前記閾値変更部へ前記閾値を更新するように指令を出力する相関ピーク値判定部と、
前記選択した閾値に対応する干渉信号が除去され、逆拡散された受信信号の前記第１および第２の受波器への到達時間から、前記所望の超音波の伝播距離および伝播方位のうちの少なくとも一方を決定する距離方位算出部と、
を備える超音波測定装置。
【請求項１１】
前記相関ピーク値判定部は、前記最大相関値と直前の最大相関値との差に基づいて前記閾値の値を変更するよう前記閾値変更部に指令を出力する請求項１０に記載の超音波測定装置。
【請求項１２】
前記符号はＭ系列の擬似拡散符号である請求項８から１１のいずれかに記載の超音波測定装置。
【請求項１３】
前記符号に、前記超音波の位相の０度および１８０度の状態を割り当てる請求項８から１２のいずれかに記載の超音波測定装置。
【請求項１４】
前記相関部は、複素数の相関を求めることにより、前記逆拡散された第１および第２の受信信号間の最大相関値を算出する請求項８から１３のいずれかに記載の超音波測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を利用した測定方法及びその装置に関するものである。特に複数超音波信号が混信する環境において位置推定に利用できる。
【背景技術】
【０００２】
超音波測距装置は、超音波を送信する超音波送波器と、超音波を受信する超音波受波器を用いて、超音波を送信後、受信するまでにかかった時間から、超音波送波器と超音波受波器の間の距離を推定する。あるいは、超音波送波器から送信された超音波がある対象物で反射して超音波受波器に戻ってくるまでにかかった時間から、ある対象物までの距離を推定することに利用される。
【０００３】
超音波測距装置が複数存在する環境においては、各超音波測距装置が送信する超音波信号が混信するため、そのままでは誤計測を避けられない。そこで、各超音波測距装置の送信するタイミングを相互にずらして混信を防ぐ方法や、各超音波測距装置の超音波信号を異なる符号で符号化することで、区別する方法が用いられている。
【０００４】
前者の送信するタイミングをずらして混信を防ぐ方法は、時分割送信と呼ばれており、簡易な方法として用いられている。しかし、各超音波測距装置が独立している（他の超音波測距装置の送信するタイミングを知らない）場合には適用できない。
【０００５】
後者の方法を適用した従来の超音波測距装置としては、特開２００４−１０８８２６（特許文献１）において開示された装置が知られている。図２４は、特許文献１に記載された従来の超音波測距装置のブロック図を示している。
【０００６】
図２４を用いて従来の超音波測距装置１０２の基本的な動作を説明する。図２４において、１３は超音波送波器、１４は超音波受波器、１０３は相関器、１０４はピーク検出器、１０５はパルス発生器、２は空間に存在する物体、４は超音波送波器１３と超音波受波器１４との間での超音波の伝搬経路を示している。
【０００７】
最初に、パルス発生器１０５において超音波送波器１３の駆動信号が生成され、超音波送波器１３より超音波を空間に送信する。送信された超音波は物体２において反射し、超音波伝搬経路４をとおって超音波受波器１４に到達する。前記駆動信号は、各超音波測距装置の超音波信号が混信しても区別できるように、それぞれの超音波信号が異なる符号で符号化されている。混信した信号から所望の信号の符号を解読して取り出すことを考えると、他の信号はまったく似ていない信号であることが望ましい。
【０００８】
人為的に前記の特性を持つように、ある規則に基づいて作られた不規則信号のことを擬似不規則信号という。取り扱いの簡単さから２値信号（「１」と「０」）が利用されることが多い。擬似不規則信号には、Ｍ系列、Ｂａｒｋｅｒ系列、Ｇｏｌａｙ系列が知られている。その中でもＭ系列はスペクトラム拡散技術を用いた通信システムで用いられる符号、すなわち伝送される情報に対して、雑音状の（ただし識別可能な）搬送波として作用する符号である。符号は「１」と「０」の２値である。
【０００９】
異なるＭ系列間では、相手が雑音にしかみえないため、所定の受信信号を取り出すには非常に有効である。また、所定の受信信号が複数ある場合は、時間が少しでもずれれば、雑音のようにしかみえないため、混信した受信信号の時系列の中から、どの時刻に存在しているのかがわかる。特許文献１において、前記駆動信号は、スペクトラム拡散によるランダム波（Ｍ系列信号）であり、特に符号「１」に対応する周波数と、符号「０」に対応する周波数を異ならせた２進周波数シフトキーイング方式でＭ系列信号を実現している。
【００１０】
超音波伝搬経路４により超音波受波器１４に到達した超音波は、超音波受波器１４により電気信号（受信信号）に変換され、相関器１０３により前記Ｍ系列信号との相関値が計算される。次にピーク検出器１０４において、相関値のピークが求められる。相関値のピーク時刻が、前記Ｍ系列信号が超音波伝搬経路４により超音波受波器１４に到達した時刻を示している。このピーク時刻から物体２までの距離を求める。
【００１１】
前記Ｍ系信号は各超音波測距装置固有の信号であり、他の超音波測距装置から送信された超音波が超音波受波器２に到達しても、相関器１０３における相関計算においてピークが検出されないため、他の超音波測距装置との混信を防ぐことができる。
【００１２】
一方、携帯電話の分野では、複数の信号が混信する環境においても良好な通信を行うため、送信する符号を冗長にしてエラー訂正に用いる方式や、他の機器の信号を受信信号からあらかじめ減算して干渉を除去する方式があり、後者の方式としては干渉キャンセラ装置が知られている。これは、ユーザごとに異なる符号で符号化された信号間の干渉を基地局で除去するものであり、例えば特許文献２において開示された干渉キャンセラ装置がある。
【００１３】
図２５は特許文献２の干渉キャンセラ装置のブロック図である。図２５において１０６は干渉キャンセラブロック、１０７は復調処理部であり、干渉キャンセラブロック１０６は、受信信号に遅延を加える遅延処理部１０８、受信信号から所望の信号以外を抽出する干渉除去部１０９より構成されている。１１０は受信信号である。
【００１４】
以下、図２５を参照して、干渉キャンセラブロック１０６の動作を説明する。干渉キャンセラブロック１０６に入力された入力信号１１０は、予め知られている所望符号以外の符号（基地局で使用される他の符号）の数に分割され、それぞれ干渉除去部１０９（Ｎ個）に入力される。干渉除去部１０９では、それぞれに割り当てられた符号を使って、入力信号１１０に対して逆拡散処理、信号判定、拡散処理を行い所望信号以外の信号成分の一部を複製する。これらの複製された信号は、受信信号１１０から順次減算され、雑音成分である所望符号以外の信号成分が抑制される。遅延処理部１０８は干渉除去部１０９の出力と前記の減算処理を同期させて、各干渉除去部からの複製信号が受信信号１１０から正しく除去されるための機能を果している。
【００１５】
復調処理部１０７では、干渉キャンセラブロック１０６の出力信号を用いて所望符号に対する逆拡散処理および伝送情報（例えば音声）の抽出が行われる。干渉キャンセラブロック１０６によって所望以外の信号成分は抑制されており、復調処理部１０７の出力信号の信号品質は大きく向上する。この干渉キャンセラブロック１０６を多段構成にして一連の処理を複数回繰り返すことによって、さらに干渉除去特性が改善される。
【００１６】
ここで、復調とは携帯電話から送られてきた情報を取り出すことである。携帯電話から送られる情報は、Ｍ系列符号のような擬似不規則信号をかけあわせることで、符号化されている。この処理を拡散処理と呼ぶ。
【００１７】
符号化された情報はキャリア（搬送波）と呼ばれる正弦波にのせて発信する。その場合は正弦波の位相（例えば０度と１８０度）が、符号化された情報の「１」と「０」に相当している。
【００１８】
基地局では、携帯電話からの信号から情報を取り出すために、拡散処理の逆である逆拡散処理を行う。逆拡散処理された信号の位相情報から、「１」に相当するのか「０」に相当するのかを決定する。
【００１９】
図２６は干渉除去部１０９の動作の説明図である。図２６において、１１１は逆拡散ブロックであり、逆拡散手段１１２、複素共役手段１１３、伝搬路推定手段１１４、乗算器１１５より構成されている。１１６は判定器、１１７は拡散ブロックであり、拡散手段１１８、乗算器１１９より構成されている。干渉除去部１０９は、Ｋ個（Ｋ≧１の整数）のマルチパス伝搬路それぞれに対応して、それぞれＫ個の逆拡散ブロック１１１および拡散ブロック１１７を備えている。マルチパス伝搬路の情報は、あらかじめどんなマルチパスがあるのか予測して用意しておく。
【００２０】
逆拡散手段１１２は、マルチパス伝搬路の第ｋパス（１≦ｋ≦Ｋの整数）に同期したタイミングで第ｎユーザ（１≦ｎ≦Ｎの整数）の拡散符号を用いて受信信号の出力を逆拡散する。逆拡散手段１１２の出力に対し伝搬路推定手段１１４で推定した伝送路特性を複素共役手段１１３を介して乗算器１１５へ送り、キャリア位相同期を行なう。
【００２１】
伝送路推定手段１１４では、情報を発信する前にパイロット信号とよばれる、既知の情報（例えば１０１０１０の繰り返し）を発信する。よって、逆拡散後伝搬路によってどれだけ、信号の大きさが変化したか、また信号がどれだけ遅延したかを推定することができる。推定値は複素数である。この値を使って、マルチパス伝搬路すべての時間ずれを調整する。
【００２２】
乗算器１１５は、同時にこの複素共役手段１１３の出力により逆拡散手段１１２の出力に対してレイク合成（最大比合成）のための振幅重み付けを行なう。レイク合成とは、各パスを伝搬してきた電波は、各パス長の違いによって、時間的にずれて到達する。これを、時間的ずれをなくして加算することにより、感度を向上させることができるものである。
【００２３】
その後、Ｋ個のパスそれぞれの乗算器１１５の出力である重み付けされた検波出力をレイク合成し、判定器１１６へ出力する。判定器１１６は、最も確からしい送信シンボル（「１」なのか「０」なのか）を判定する。
【００２４】
また、拡散ブロック１１７は、Ｋ個のパスそれぞれに対して直列に接続される。判定器１１６の出力に対して、伝搬路推定手段１１４の出力である伝搬路特性をパス単位に乗算器１１９にて乗算する。拡散手段１１８は、乗算器の各パス（第ｋパス）に同期したタイミングで第ｎユーザの拡散符号を用いて拡散する。次に拡散手段１１８のＫ個の出力である各パスの複製信号を合成し、第ｎユーザの複製信号を得る。
【００２５】
干渉キャンセラ装置では、予め全ユーザの受信レベルランキングを作成し、各段ではレベルの大きな順に復調及び干渉除去処理を行なう。受信レベルランキングは、受信信号を用いて一度だけ行なう場合と各段で干渉除去信号から逐次行なう場合とがある。
【特許文献１】特開２００４−１０８８２６号公報
【特許文献２】特開平１０−５１３５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
しかしながら、前記特許文献１に記載された符号を用いた従来の構成では、同じ環境に存在する超音波測距装置の台数が増加すると、各符号間の相互相関値が増大することでお互いの超音波信号の干渉が増大して距離の計測精度が低下し、最悪計測ができないという課題を有している。
また、超音波測距装置はさまざまな環境に設置して使用することを前提としているので、エリアが固定である携帯電話の基地局のように、伝搬路のプロファイルをあらかじめ用意しておくことができないため、前記特許文献２に記載された従来の構成を、超音波へそのまま適応させることができないという課題を有している。
【００２７】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、超音波測距装置が複数存在する環境において、他の超音波測距装置による干渉を他の超音波測距装置による干渉が発生した場合のみ最適に除去することにより、計測精度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
本発明の超音波測定方法は、互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波から、所望の超音波の伝播距離および伝播方位のうち、少なくとも一方を計測する超音波測定方法であって、
前記互いに異なる符号でスペクトラム拡散された複数の超音波を第１および第２の受波器で受信し、それぞれ第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ａ１）と、
前記第１および第２の受信信号を、所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で逆拡散処理することにより、少なくとも１つの逆拡散信号を生成するステップ（Ｂ１）と、
前記逆拡散信号から複数の閾値を用いて各閾値以上の振幅を有する信号をそれぞれ抽出することにより、前記閾値ごとに異なる干渉信号を生成するステップ（Ｃ１）と、
前記干渉信号を所望の超音波以外の超音波の拡散に用いられた符号で拡散処理した後、第１および第２の受信信号から除去することにより、前記閾値ごとに干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ｄ１）と、
前記干渉信号が除去された第１および第２の受信信号を所望の超音波の符号で逆拡散し、前記閾値ごとに干渉信号が除去され、逆拡散された第１および第２の受信信号を生成するステップ（Ｅ１）と、
前記閾値ごとに、前記逆拡散された第１および第２の受信信号間の最大相関値を求めるステップ（Ｆ１）と、
前記閾値ごとに求めた最大相関値の最大値が得られた閾値を決定するステップ（Ｇ１）と、
前記決定した閾値に対応する前記逆拡散された第１および第２の受信信号の前記第１および第２の受波器への到達時間から、前記所望の超音波の伝播距離および伝播方位のうちの少なくとも一方を算出するステップ（Ｈ１）と、
を包含することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の超音波測距装置によれば、超音波測距装置が複数存在する環境において、受信した超音波信号に含まれる自身が送信した超音波信号が、他の超音波測距装置から送信された超音波信号と干渉しているのかどうかを判断し、干渉があった場合のみお互いの干渉を最適に除去することにより、精度の高い距離計測をすることができる。
【００３０】
また、所望符号以外の符号で逆拡散した波形から、複数の超音波受波器の受信信号間の相関値を評価関数として決定した閾値を用いて抽出した部分に関して拡散処理を行い受信信号から減算することにより、所望符号以外の符号にかかわる受信信号を抑制し、伝搬路のプロファイルを必要としない干渉除去処理が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１における超音波測距装置が複数存在する環境を示す模式図である。図１において、４台の超音波測距装置Ｓ１からＳ４が配置されている。超音波測距装置Ｓ１からＳ４は、それぞれ独立に運用されており、お互いに情報の送受は行わない。２は超音波測距装置Ｓ１の前方に存在する測距の対象となる物体である。また、本環境では壁３も存在している。
【００３２】
以下、超音波測距装置Ｓ１の動作を中心に本発明の実施の形態１を詳しく説明する。
【００３３】
超音波測距装置Ｓ１は、超音波を物体２にむけて送信し、物体２で反射した超音波を受信することにより、距離計測を行っている。４は直接伝搬経路を示している。
【００３４】
図１に示された環境の場合、超音波測距装置Ｓ１には、直接伝搬経路４以外に超音波測距装置Ｓ２からの直接伝搬経路５や壁３による反射伝搬経路６、また超音波測距装置Ｓ３からの直接伝搬経路７が存在し、各経路を伝搬した超音波が超音波測距装置Ｓ１に到達する。超音波測距装置Ｓ４からの超音波は、相対距離が遠いため超音波測距装置Ｓ１には到達しない。
【００３５】
最初に、超音波測距装置Ｓ１からＳ４の基本的な送受信方式について説明する。各超音波測距装置が送信する超音波はＭ系列符号によって符号化されている。超音波測距装置Ｓ１、超音波測距装置Ｓ２、超音波測距装置Ｓ３、および超音波測距装置Ｓ４はそれぞれ異なるＭ系列符号で符号化されている。
【００３６】
符号化に用いる変調方式としては、拡散符号の「１」は所定周波数の正弦波に対応させ、拡散符号の「０」は前記正弦波に対して１８０度位相が反転した同じ周波数の正弦波に対応させる２相位相シフト変調方式を用いる。なおこの所定周波数の正弦波のことを搬送波と呼ぶ。搬送波の周波数は、測定距離や距離分解能に依存して決定される。
【００３７】
また、前記拡散符号の単一の符号内に存在する正弦波の波数は、用いる超音波送波器および超音波受波器の帯域に応じて変更する。帯域が狭い場合には波数を多くし、逆の場合には少なくする。波数は短いほうが、スペクトラム拡散の拡散率が高くなるので、耐雑音性は向上する。
【００３８】
前記Ｍ系列符号の次数（Ｍ系列符号の長さ）が大きいほど、他のＭ系列符号との相関が低くなる。よって前記Ｍ系列符号の次数は、大きいほど干渉雑音が少ないため好ましい。しかし次数が大きくなるとそれだけ送信する超音波の長さが長くなるため、環境の変化の影響をうけやすくなる。そこで、たとえば最大４台存在する環境においては、７次のＭ系列を使用し、最大１０台存在する環境で用いる場合には９次のＭ系列を使用するなど、同じ環境に存在する超音波測距装置の台数によってＭ系列の長さを変更する。例えば、搬送波周波数が４０ｋＨｚで単一の符号内に存在する正弦波の波数を１とした時、７次のＭ系列を用いると約３ｍｓ程度の長さになる。
【００３９】
図２（ａ）は、２相位相シフト変調方式（拡散処理）について説明した図である。８は拡散符号（Ｍ系列符号）、９は拡散符号８によって拡散されたランダム波（Ｍ系列信号）である。横軸の４目盛りを一波長単位として便宜的に正弦波を三角波で表現してある。正弦波１波が符号「１」に相当し、１８０度反転した正弦波が「０」に相当する。したがってここでは１波長が変調の単位長さとなる。符号「０」は位相を反転させていることから物理的な意味としては「−１」の振幅を示している。しがたって拡散符号は“１１−１”として計算上取り扱われる。
【００４０】
図２（ｂ）は、逆拡散処理について説明した図である。図２（ｂ）において波形１０は、図２（ａ）におけるランダム波９を逆拡散処理した結果を示しており、２０１、２０２はランダム波９から逆拡散波形１０を生成するための演算子を示している。演算子２０１、２０２への入力は、図２（ａ）におけるランダム波９（ここでは受信波と想定）を変調の単位長さである１波長毎の時間系列で取り出したデータ系列（３データ）であり、拡散符号“１１−１”をそれぞれのデータの重みとして乗算した後に加算したものである。逆拡散波形１０の最高値３を示す部分は演算子２０１により生成され、最低値―３を示す部分は演算子２０２により生成される。ここでは演算子２０１および２０２を特に説明したが、この演算は演算子をデータ系列上で移動させることにより設定した時間範囲で行われる。
【００４１】
以上のように逆拡散処理とは、変調の単位長さ毎にとりだしたデータ系列に拡散符号列を乗算して和をとることに相当する。このとき理想的な状態では、データ系列と拡散符号列の個々の積は全て同じ値になり、加算後の最高値は拡散系列長に一致する。拡散符号と時間的に一致した時点で、図２（ｂ）のように符号「１」に相当する波形（ここでは三角波）があらわれる。その時の振幅はコードの長さに比例する。また、波形１０の最初の部分１１は打ち切り誤差と呼ばれる。これは拡散符号を有限の長さで用いたために、データ系列の端部で加算に必要なデータ不足し本来なら０になるべきものが有限値になってしまうために発生するものである。
【００４２】
図１の超音波測距装置Ｓ１、超音波測距装置Ｓ２、超音波測距装置Ｓ３、および超音波測距装置Ｓ４はそれぞれお互いの相関が少ない異なる拡散符号で送信超音波を拡散し、受信時に自分の拡散符号で逆拡散することで、自分が送信した波形のみを抽出することができる。しかし、相関が少ない拡散符号であっても、超音波自体が波動としての干渉現象を避けることはできないため、多くの符号が同時に重なる状況においては、拡散波形が本来の波形とは異なるものになってしまい逆拡散処理に大きな影響があらわれる。そのような状況化における処理に関しては後に詳しく説明する。
【００４３】
図３は、図１の超音波測距装置Ｓ１からＳ４の送信間隔の一例を示している。図３中の１２は物体２によって反射して超音波測距装置Ｓ１に戻ってきた受信波を示す。超音波測距装置Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３およびＳ４は、それぞれの超音波測距装置が送信するタイミングはランダムに設定している。送信するタイミングを一定に設定すると、干渉がおきた場合に、超音波測距装置Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３およびＳ４の位置関係が変わらない限り、干渉状態が常に続いてしまう。このように送信間隔を各超音波測距装置間で別々に、あるいは送波間隔自体をランダムにすることである程度、各送信波の干渉状態を抑制することができる。
【００４４】
次に、図１の超音波測距装置Ｓ１からＳ４の基本構成および動作を説明する。図４は超音波測距装置Ｓ１からＳ４のブロック図４を示している。図４において１３は超音波送波器、１４は超音波受波器であり、超音波受波器１４は、２つの超音波受波器１４（１）、１４（２）を備えている。１５は演算部、１６は超音波送信回路、２０は超音波受信回路、２１は最適干渉除去処理器、２２は前処理器、２３は距離方位算出器、２４は切替器をそれぞれ示している。
【００４５】
図４の基本構成における超音波測距装置Ｓ１からＳ４の動作を説明する。演算部１５で作成された駆動信号を超音波送信回路１６によって増幅して、超音波送波器１３に印加することにより超音波送波器１３から物体２に向けて超音波が送信される。超音波受波器１４は、２つの超音波受波器１４（１）、１４（２）を備えており、それぞれの超音波受波器に到達した超音波は電気信号に変換され、超音波受信回路２０（１）、２０（２）により増幅およびＡ−Ｄ変換され、最適干渉除去処理器２１および前処理器２２に入力される。前処理器２２は、２つの受信信号に対して逆拡散処理を行い、干渉除去が必要であるかを判定する。前処理器２２については後で詳しく説明する。
【００４６】
前処理器２２において干渉除去が不要と判定された場合、距離方位算出器２３で２つの逆拡散処理信号を用いて超音波受波器１４（１）、１４（２）に対する超音波の到着時刻が求められ、２信号の到着時刻の差および送信開始からの経過時間より物体２との距離と方位が算出される。
【００４７】
前処理器２２において干渉除去が必要と判定された場合、最適干渉除去処理器２１は２つの受信信号から他の超音波測距装置からの到来超音波の影響を抑制する干渉除去を行う。図１の状況下では、超音波測距装置Ｓ１は超音波測距装置Ｓ２と超音波測距装置Ｓ３から到来する超音波を最適に取り除く処理を行う。最適干渉除去処理については後で詳しく説明する。
【００４８】
最適干渉除去処理が施された２つの逆拡散信号を用いて、距離方位算出器２３において超音波受波器１４（１）、１４（２）に対する超音波の到着時刻が求められ、２信号の到着時刻の差および送信開始からの経過時間より物体２との距離と方位が算出される。
これらの処理の切替は、前処理器２２の判定結果により切替器２４を切替えることで行われれる。
【００４９】
図４の超音波測距装置Ｓ１に使われる超音波の周波数（搬送波周波数）は、最大測定距離（測定限界）と大気中における超音波の減衰特性を考慮して決定する。超音波の周波数が高ければ、波長が短くなるので、伝搬時間測定における時間分解能が向上する。しかし、周波数が高いと、それだけ空中での減衰も大きくなる。例えば５ｍを測定限界とすれば、物体からの反射波を利用する場合伝搬距離は１０ｍであり、１００ｋＨｚ以下の超音波が適している。本実施の形態では４０ｋＨｚの超音波を用いる。超音波送波器および超音波受波器としては、圧電セラミックのたわみ振動子を用いた超音波送波器および超音波受波器、あるいはＰＶＤＦ圧電高分子膜を振動子とした超音波送波器および受波器などが利用できる。
【００５０】
また、超音波送波器１４および超音波受波器２０の周波数帯域特性が一般的に狭いことを考慮して拡散処理時の変調の単位長さを２波長とした。図５に拡散符号１７と対応する超音波送波器１４の駆動信号１８の一部分を示す。駆動信号１８は、拡散符号１７の１および０が反転する部分で波形が反転し、位相が１８０度変化している。拡散符号としては、すでに述べたようにＭ系列符号を用い、Ｍ系列の次数は図１の環境にある超音波測距装置が４台であることを考慮して７次（１２７符号）を選択した。
【００５１】
次に図６から図１５を用いて、前処理器２２の動作にについて詳しく説明する。図６は、前処理器２２の基本ブロック構成を示している。図６において、２５は逆拡散手段、２６は復調手段、２７はピーク検出用閾値作成手段、２８は切替判定手段を示している。前処理器２２の入力は２系統であるが、ここでは１系統のみを示す。
【００５２】
超音波受波器１４（１）、１４（２）の受信信号は受信回路２０（１）、２０（２）で処理され逆拡散手段２５に入力される。図７に逆拡散手段２５に入力される受信信号の一例を示す。図７の受信信号２９は超音波測距装置Ｓ１から送信され、伝搬経路４を経由した受信信号で、かつ超音波測距装置Ｓ２、Ｓ３およびＳ４からの超音波は混信していない状態の受信信号である。
【００５３】
図８は、図７における受信信号２９を逆拡散手段２５で逆拡散処理した逆拡散信号３０であり、図９は、図８における逆拡散信号３０を復調手段２６により復調した復調信号３１を示す。ここで復調信号３１は、逆拡散信号３０の振幅の大きさを示している。復調信号３１は、他の超音波測距装置からの到来超音波による干渉がないためピークが明確である。
【００５４】
次に、他の超音波測距装置からの到来超音波が重なった場合に復調結果がどうなるのかを検討した。図１０は超音波測距装置Ｓ２からの到来超音波が重なって受信された場合の復調信号３２を示す。復調信号３２は、図９の復調信号３１と比較すると、ピーク位置の両側の信号が大きくなって、Ｓ／Ｎが低下している。これは超音波測距装置Ｓ２からの発信信号が本来必要としている超音波測距装置Ｓ１の発信信号と干渉したことで雑音が増加したためである。
【００５５】
図１１は、超音波測距装置Ｓ１の発信信号と超音波測距装置Ｓ２、Ｓ３およびＳ４の発信信号が時間的に同時に受信された場合における復調手段２６にて復調信号３３を示す。復調信号３３は、復調結果３１および復調結果３２と比較すると、ピーク位置を明確に特定することができない。多数の超音波測距装置からの発信信号が干渉したことで雑音がさらに増加したためである。
【００５６】
図９から図１１の結果から、復調信号３１のようにピーク位置が明確な場合、干渉除去をする必要がない。しかし、復調信号３３のようにピーク位置が特定できない場合には干渉除去が必要である。
【００５７】
図６におけるピーク検出用閾値作成手段２７は、この判定を行うための閾値を作成する。閾値の決定方法は逆拡散処理過程における信号のばらつきを利用する。図２を用いてすでに説明したように、逆拡散処理は変調の単位長さ毎にとりだしたデータ系列に拡散符号列を乗算して和をとることに相当する。拡散符号列はＭ系列符号であり、１および−１のランダム系列である。このとき実際のデータ系列と対応するＭ系列符号の積は、データ系列に雑音が無い場合には、すべて同じ値になる。したがって、データ系列と対応する拡散符号列の積のバラツキを加算前に評価すれば、干渉の度合いを評価する指標となる。バラツキが大きい場合は閾値を高くし、バラツキが小さい場合には閾値を低く設定する。バラツキの評価には、例えば標準偏差を用いる。標準偏差の値から閾値に換算するための換算式は、あらかじめ実験により求めておく。
【００５８】
図１２は、超音波測距装置Ｓ１の発信信号と超音波測距装置Ｓ２の発信信号が時間的にほぼ一致した状態で受信された復調信号３２（図１０）と、ピーク検出用閾値作成手段２７によって作成した閾値３４を示す。閾値以上の値をピークとして検出することができる。
【００５９】
図１３は、超音波測距装置Ｓ１の発信信号と超音波測距装置Ｓ２、Ｓ３およびＳ４の発信信号が時間的にほぼ一致した状態で受信された復調信号３３（図１１）と、ピーク検出用閾値作成手段２７によって作成した閾値３５を示す。閾値以上の値が存在しないので、ピークの検出ができないことを示す。このように、ピーク検出用閾値作成手段２７の作成した閾値によって、受信信号の逆拡散後の振幅情報を評価することで、干渉除去が必要かどうかを判断できる。
【００６０】
図１４は、超音波測距装置Ｓ１の発信信号と超音波測距装置Ｓ２の発信信号が干渉し、その後１０倍程度の別の超音波測距装置からの超音波が到達した場合の受信信号３６を示す。図１５は、図１４の受信信号３６の逆拡散後の復調信号３７と、ピーク検出用閾値作成手段２７によって作成した閾値３８を示す。このように所望の信号よりも大きな信号が混入した場合でも、干渉していなければ間違えることなく、ピークを検出することができる。このようにピークが検出できたかどうかを図６の切替判定手段２８で判定する。実際には前処理器２２の２系統の入力のうち１つでもピークが検出できなかった場合には干渉除去処理を行う。
【００６１】
つづいて、図１６から図２３を用いて、他の超音波測距装置からの受信信号を除去する最適干渉除去手段について説明する。図１６は、図４における最適干渉除去処理器２１の基本ブロック図である。図１６において、３９は記憶手段、４０は窓設定手段、４１は干渉除去手段、４２は相関手段、４３は相関ピーク値比較手段、４４は選択手段を示す。
【００６２】
図１６において、２つの超音波受波器１４（１）、１４（２）で受信され受信回路２０（１）、２０（２）で処理された受信信号は、送信時刻からの経過時刻Ｔ１とＴ２（Ｔ１＜Ｔ２）を設定し、Ｔ１からＴ２までを切り出し記憶手段３９において記憶する。
【００６３】
設定時刻Ｔ１およびＴ２は、窓設定手段４０において設定する。例えば測定範囲を０．５ｍ〜３ｍと設定した場合には往復の距離は１ｍ〜６ｍになる。超音波の空気中での音速約３４０ｍ／ｓｅｃより、伝搬時間に換算すると約３ｍｓ〜約１８ｍｓになる。さらに７次のＭ系列は１２７符号であり搬送波を４０ｋＨｚ、変調の単位長さを２波長とすると、約６ｍｓとなり、したがってＴ１は３ｍｓ、Ｔ２は２４．５ｍｓ（１８ｍｓ＋６ｍｓ＋余裕）と設定される。
【００６４】
図１７は図１に示した状況下における超音波測距装置Ｓ１の受信信号４５の一例を示している。図中のＴ１からＴ２までの区間が記憶手段３９に記憶される。受信信号４５は、２つの超音波受波器１４（１）、１４（２）ごとにそれぞれ存在する。記憶された受信信号は、図１６の左右それぞれ４つの干渉除去手段４１に送られる。
【００６５】
次に、干渉除去手段４１について詳しく説明する。図１８は、干渉除去手段４１のひとつのブロック図を示している。図１８において、４６は逆拡散手段、４７は復調手段、４８は抽出手段、４９は拡散手段、５０は遅延手段、５１は加算器、５２は逆拡散手段、５３は記憶手段を示し、逆拡散手段４６、復調手段４７、抽出手段４８、拡散手段４９はそれぞれ３系統に分かれている。処理系統の数は動作環境において超音波の干渉が想定される他の超音波測距装置の台数と一致している。図１に示した環境では、４台の超音波測距装置が動作しているため、処理系統の数は３系統になっている。ここでは超音波測距装置Ｓ１の動作を説明している。したがって、逆拡散手段４６（１）〜（３）では、それぞれ超音波測距装置Ｓ２、超音波測距装置Ｓ３、および超音波測距装置Ｓ４において割り当てられた拡散符号を用いて逆拡散処理が行われる。
【００６６】
図１９は、受信信号４５が逆拡散手段４６に入力された場合の逆拡散信号を示している。図１９の上から順に、超音波測距装置Ｓ２に割り振られた拡散符号で逆拡散された逆拡散信号５４、超音波測距装置Ｓ３に割り振られた拡散符号で逆拡散された逆拡散信号５５、および超音波測距装置Ｓ４に割り振られた拡散符号で逆拡散され逆拡散信号５６を示す。逆拡散信号５４および逆拡散信号５５には固有のピーク５７、５８および５９の存在が認められるが、波形５６にはその存在が認められない。これは超音波測距装置Ｓ１がこの時刻において超音波測距装置Ｓ４から送信された超音波を受信していないことを示している。逆拡散信号５４中のピーク５７は図１中の超音波伝搬経路５によって、またピーク５８は、図１中の壁３の反射による超音波伝搬経路６によって到達した超音波を示している。また、拡散信号５５中のピーク５９は図１中の超音波伝搬経路７によって到来した超音波を示している。
【００６７】
逆拡散信号５４中のピーク５７よりも、逆拡散信号５５に存在する正弦波５９の方が、振幅が小さい。これは図１に示した超音波伝搬経路５よりも超音波伝搬経路７の方が距離が長いためである。また、逆拡散信号５４中のピーク５７と５８ではピーク５８のほうが振幅が大きい。これは、超音波測距装置Ｓ１と超音波測距装置Ｓ２がともに壁３方向に向いていることが原因である。すなわち超音波測距装置Ｓ２から超音波測距装置Ｓ１にいたる直接超音波伝搬経路は双方の超音波測距装置の送受波器指向性関係で相対感度が低く、壁３を反射する超音波伝搬経路６の場合は各送受信器の感度が高い正面方向に近いため、距離が遠いにも関わらず大きな受信信号となっている。さらに、ピーク５７、５８および５９付近の波形は、それぞれ超音波伝搬経路５、６および７の影響を受けて個別に変化しており、各伝搬経路の特性を反映している。
【００６８】
逆拡散手段４６で逆拡散された逆拡散信号を復調手段４７において振幅信号に変換する。この時振幅信号は正規化する。次に抽出手段４８において、振幅信号に対して閾値を設定し、閾値以上の振幅信号に対応する逆拡散信号を抽出する。４系統の干渉除去手段４１Ａ〜Ｄは、それぞれ抽出手段４８の振幅信号に対する設定閾値が異なっている。
【００６９】
図２０は、図１９に示した逆拡散信号５４、５５および５６の振幅波形であり、それぞれの最大値で正規化した振幅波形を示している。振幅波形６０は逆拡散波形５４の振幅信号であり、超音波測距装置Ｓ２に割り振られた拡散符号に対応する。振幅波形６１は逆拡散波形５５の振幅信号であり、超音波測距装置Ｓ３に割り振られた拡散符号に対応する。振幅波形６２は逆拡散波形５６の振幅信号であり、超音波測距装置Ｓ４に割り振られた拡散符号に対応する。また、６３Ａ、６３Ｂ、６３Ｃ、６３Ｄは、図１６の４系統の干渉除去手段４１Ａ〜Ｄの各抽出手段４８に設定される振幅信号に対する閾値を示している。
【００７０】
超音波は空気中で比較的早く減衰するために、音源との距離によってレベル差が大きい。したがって干渉している信号のエネルギーは、それぞれの伝搬経路によって大きく異なる。また、減衰率は周波数によって異なり、周波数が高いほど、減衰率は大きい。よって、伝搬路が長いほど、高い周波数成分が先に減少していくことになる。本発明のようなスペクトル拡散方式は本質的に広い周波数帯域に信号エネルギーを分散させるので伝搬距離の違いによる波形の変化が発生する。さらに、超音波送受波器の指向性によるレベル変化や空気のゆらぎになどの環境変化に対しても影響をうける。
【００７１】
これらの影響をすべて考慮して抽出手段４８における閾値を一意に決定することは困難である。そこで、本実施例では、閾値を複数用意し、処理を並行して行う。どの閾値で処理した結果が最良かは選択手段４４において決定する。
【００７２】
図２１は、図２０の振幅信号に対して閾値６３Ｃを用いて抽出された逆拡散信号を示す。６４は逆拡散信号５４から、６５は逆拡散信号５５から、６６は逆拡散信号５６から抽出された逆拡散信号の一部であり、それぞれの超音波測距装置Ｓ２，Ｓ３、Ｓ４に対応している。
【００７３】
超音波測距装置Ｓ４に対応する逆拡散信号６６は、本来超音波測距装置Ｓ１において超音波測距装置Ｓ４から送信された超音波が受信されていないので、適切な閾値が設定されたことにより抽出されていない。また超音波測距装置Ｓ２に対応する逆拡散信号６４では明確に２つのピークが抽出されている。抽出手段４８において適切に抽出された逆拡散信号を用いて、図１８の拡散手段４９において、各々の超音波測距装置に割り当てられた拡散符号によって拡散信号を作成する。
【００７４】
本発明では、背景技術で述べた、電波で用いられている干渉除去方式のように、符号が「１」か「０」かを判定してから、伝搬路の特性を反映させ、その後拡散するのではなく、逆拡散で得られた伝搬路の特性が反映された波形の一部をそのまま使って拡散することで、同様の効果が得られ、なおかつ、伝搬路推定手段を不要にしていることが特徴である。
【００７５】
電波では、周波数が超音波と比較して非常に高いため、逆拡散後の波形を用いることは非常に難しい。それは使用する周波数の４倍以上のＡ−Ｄ変換器が必要であることと、Ｍ系列の次数が大きいため、結果として膨大な情報量となるためである。この膨大な情報量を処理するために高速なＤＳＰを複数用意する必要がある。そのため、逆拡散後の受信波をそのまま拡散に用いることはしない。このように、受信波を拡散することは本発明の特徴となる部分であり、周波数が低い超音波の特性を利用したものである。
【００７６】
次に図１８に示す拡散手段４９によって作成された拡散信号を、元の受信信号から加算器５１にて減算処理する。本来の受信信号は加算器５１での減算処理と同期させるために図１８の遅延手段５０を介して加算器５１に入力される。加算器５１において他の超音波測距装置からの干渉成分が減算された受信信号を逆拡散手段５２において超音波測距装置Ｓ１において割り当てられた拡散符号により逆拡散処理する。逆拡散された信号は、記憶手段５３に記憶する。以上で干渉除去手段４１の処理が完了する。
【００７７】
干渉除去手段４１は図１６に示すように２つの超音波受信器ごとに設けられており、またそれぞれＡ〜Ｄ４系統の処理を有する。干渉除去手段４１における干渉除去処理はこれらの８系統の処理系統において同時に実行され、２つの超音波受信器それぞれについて、４つの干渉除去処理された信号が生成される。これらの処理データは相関手段４２において、各抽出手段で設定された閾値ごとに各超音波受波器間の相関が取られの最大値が求められる。ここでは図１６にあるように相関手段４２を４系統もうけ、超音波受信器１４の（１）および（２）に対応した除去手段４１（１）Ａと（２）Ａ、（１）Ｂと（２）Ｂ、（１）Ｃと（２）Ｃ、および（１）Ｄと（２）Ｄのそれぞれの出力が同じ相関手段に入力されて相関処理される。
【００７８】
図２２は、図１６の相関手段４２における相関処理を説明した図である。６７は干渉除去手段Ａで処理されたデータを正規化したデータを示す。６８は別の超音波受波器における干渉除去手段Ａで処理されたデータを示す。この２つのデータは式（１）および式（２）を用いて処理される。６７をａ１、６８をａ２とおく。Ｔは図１６の記憶手段３９の時間幅（Ｔ２―Ｔ１）に相当する。ｔは時間を示す。ａ＊は、ａの複素共役を意味する。
【００７９】
【数１】
2009156666.tif 000003
【００８０】
【数２】
2009156666.tif 000004
図２２の６９は式２の相関値Ｒを示す。また、７０は相関値６９の最大値を示す。
【００８１】
干渉除去手段Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの結果どうしの相関値の最大値７０を、図１６の相関ピーク値比較手段４３にて比較し、最も相関値が高い干渉除去手段Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを判定する。
【００８２】
図１６の選択手段４４において、最大相関値７０の高かった干渉除去手段４１の記憶手段５３（図１８）に記憶されたデータを使って図１６の距離方位算出器２３にて、距離および方位を算出する。
【００８３】
相関値が高い閾値を選択する理由について詳細に説明する。もともと超音波測距装置Ｓ１の超音波受波器１４に、自分自身の送信した超音波のみ受信する場合は、超音波受波器１４（１）と１４（２）の受信信号の相関は非常に高い。これが他の超音波測距装置からの送信された超音波が混信することによって干渉雑音が増加し、相関値が低下する。したがって、相関値が大きくなるほど単独信号に近い、品質の高い信号になるといえる。
【００８４】
距離は、超音波の伝搬時間より求める。図１６の選択手段４４によって選択された図１８の記憶手段５３のデータから直接波形の時間的位置を求めてもよいし、選択手段４４によって選択された記憶手段５３のデータを振幅情報に変換して、そのピーク値の時間的位置を求めてもよい。また、方位は、２つの超音波受波器１４（１）、１４（２）間の超音波の到達時間の差より求める。
【００８５】
これは十分遠い音源からの超音波を二つの超音波受波器で検出した時間差をΔＴ、超音波の音速をｖとすると、二つの超音波受波器間の距離ａを用いて、物体２の方向を示す角度θは、次式より求められることが知られている。
【００８６】
【数３】
2009156666.tif 000005
また、超音波受波器間の干渉除去処理後の受信データの位相差より方位を求めてもよい。仮に送信する超音波の搬送波の周波数が４０ｋＨｚであると、１波長が２５μｓ（＝１／４０ｋＨｚ）となる。この１波長分の位相２πが２５μｓに相当することから、位相差を時間差に換算することができる。
【００８７】
図２３は、閾値６３（図２０参照）によって図１８の記憶手段５３に記憶された干渉除去処理後のデータの違いを示している。７１は干渉除去処理をおこなわなかった場合の振幅情報を正規化したもの、７２は図２０における閾値６３を０．８に設定した場合の干渉除去処理後のデータの振幅情報を正規化したもの、７３は図２０における閾値６３を０．４に設定した場合の干渉除去処理後のデータの振幅情報を正規化したものを示す。このように閾値６３（図２０参照）によって、干渉除去処理後のデータは異なることがわかる。
【００８８】
これは本発明の特徴となる部分であり、この干渉除去後のデータを２つの超音波受波器間で比較して、最適な干渉除去処理を実現するものである。
【００８９】
以上の処理により、符号の異なる超音波が多数干渉した場合でも、２つの超音波受波器どうしの干渉除去処理後のデータの相関値を評価することで、最適な干渉除去を行うことができ、対象物の位置が正確に推定できる。
【００９０】
なお、本実施例では、超音波送波器と超音波受波器が固定され、超音波の反射によって距離を測定した事例を述べたが、超音波送波器と超音波受波器を別の場所に設置し、超音波送波器と超音波受波器の間の距離を測定するような場合にも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明にかかる超音波測距装置および超音波測距方法は、超音波測距装置が複数存在する環境においても、最適な干渉除去を行うことで、高精度に距離測定することができる。周囲環境の変化に対して柔軟に対応できることから鉄道駅や空港など室内環境における搬送用ロボット等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の実施の形態１における超音波測距装置が複数存在する環境を示す図
【図２】本発明の実施の形態１における２相位相シフト変調について説明した図
【図３】本発明の実施の形態１における超音波測距装置の送信周期について説明する図
【図４】本発明の実施の形態１における超音波測距装置の基本構成ブロック図
【図５】本発明の実施の形態１における超音波測距装置の演算部１５で作成された駆動信号を示す図
【図６】本発明の実施の形態１における、図４における前処理器２２の基本ブロック構成図
【図７】本発明の実施の形態１における、図４の超音波受波器１４（１）で受信され、受信回路１４（１）により増幅されＡ−Ｄ変換された信号を説明する図
【図８】本発明の実施の形態１における受信信号２９を図６の逆拡散手段２５で逆拡散処理した結果を説明する図
【図９】本発明の実施の形態１における、逆拡散処理した結果３０を図６の復調手段２６にて復調した結果を説明する図
【図１０】本発明の実施の形態１における、超音波測距装置Ｓ１の信号と超音波測距装置Ｓ２の信号が時間的にほぼ一致した場合の復調手段２６にて復調した結果を説明する図
【図１１】本発明の実施の形態１における、超音波測距装置Ｓ１の信号と超音波測距装置Ｓ２、Ｓ３およびＳ４の信号が時間的にほぼ一致した場合の復調手段２６にて復調した結果を説明する図
【図１２】本発明の実施の形態１における、超音波測距装置Ｓ１の信号と超音波測距装置Ｓ２の信号が時間的にほぼ一致した場合の復調結果３２（図１０）と、図６のピーク検出用閾値作成手段２７によって作成した閾値３４を説明する図
【図１３】本発明の実施の形態１における、超音波測距装置Ｓ１の信号と超音波測距装置Ｓ２、Ｓ３およびＳ４の信号が時間的にほぼ一致した場合の復調結果３３（図１１）と、図６のピーク検出用閾値作成手段２７によって作成した閾値３５を説明する図
【図１４】本発明の実施の形態１における、超音波測距装置Ｓ１の信号と超音波測距装置Ｓ２の信号が干渉し、その後１０倍程度の別の超音波測距装置からの超音波が到達した場合の受信信号３６を説明する図
【図１５】本発明の実施の形態１における、図１４の受信信号３６の逆拡散後の復調結果３７と、図６のピーク検出用閾値作成手段２７によって作成した閾値３８を説明する図。
【図１６】本発明の実施の形態１における、図４における最適干渉除去処理器２１の基本ブロック構成図
【図１７】本発明の実施の形態１における、図１６における記憶手段３９に記憶された受信データ４５を説明する図
【図１８】本発明の実施の形態１における、図１６の干渉除去手段４１のひとつの基本ブロック構成図
【図１９】本発明の実施の形態１における、図１８の逆拡散手段４６において超音波測距装置Ｓ２、超音波測距装置Ｓ３、および超音波測距装置Ｓ４において割り当てられた拡散符号で逆拡散された信号の一例を示す図
【図２０】本発明の実施の形態１における、図１９に示した逆拡散された波形５４、５５および５６の振幅情報を、３つの振幅情報の最大値で正規化された振幅情報を示す図
【図２１】本発明の実施の形態１における、図１８の抽出手段４８にて図２０の結果を閾値６３Ｃを使って抽出された波形を示す図
【図２２】本発明の実施の形態１における、図１６の相関手段４２における相関処理を説明する図
【図２３】本発明の実施の形態１における、閾値６３（図２０参照）によって図１８の記憶手段５３に記憶された干渉除去処理後のデータの違いを説明する図
【図２４】従来の超音波測距装置の基本構成ブロック図
【図２５】従来の電波分野における干渉除去装置の基本構成ブロック図
【図２６】従来の電波分野における干渉除去部の基本構成ブロック図
【符号の説明】
【００９３】
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４  超音波測距装置
２  測距対象である物体
３  壁
４、５、６、７  超音波伝搬経路
８  拡散符号
９  拡散符号８によって拡散されたランダム波
１０、１１  ランダム波９を逆拡散処理した波形
１２  物体２によって反射して超音波測距装置Ｓ１に戻ってきた受信波
１３  超音波送波器
１４  超音波受波器
１５  演算部
１６  超音波送信回路
１７  拡散符号
１８  拡散符号１８によって拡散されたランダム波
２０  受信回路
２１  最適干渉除去処理器
２２  前処理器
２３  距離方位算出器
２４  切替器
２５  逆拡散手段
２６  復調手段
２７  ピーク検出用閾値作成手段
２８  切替判定手段
２９、３６  受信信号
３０  受信信号２９を図６の逆拡散手段２５で逆拡散処理した結果
３１、３２、３３、３７  復調結果
３４、３５、３８  閾値
３９  記憶手段
４０  窓設定手段
４１  干渉除去手段
４２  相関手段
４３  相関ピーク値比較手段
４４  選択手段
４５  記憶手段３９に記憶された受信データ
４６  逆拡散手段
４７  復調手段
４８  抽出手段
４９  拡散手段
５０  遅延手段
５１  加算器
５２  逆拡散手段
５３  記憶手段
５４、５５、５６、５７，５８、５９  各超音波測距装置に割り振られた拡散符号で逆拡散された波形
６０、６１、６２、各超音波測距装置に割り振られた拡散符号で逆拡散された波形の振幅情報
６３  閾値
６４、６５、６６  各超音波測距装置に割り振られた拡散符号で逆拡散された波形から抽出された波形
６７、６８  干渉除去手段Ａで処理されたデータを正規化したデータ
６９  式２の相関値Ｒ
７０  相関値６９の最大値
７１、７２、７３  図１８の記憶手段５３に記憶された干渉除去処理後のデータの振幅情報を正規化したもの
１０２  従来の超音波測距装置
１０３  相関器
１０４  ピーク検出器
１０５  パルス発生器
１０６  干渉キャンセラブロック
１０７  復調処理部
１０８  遅延処理部
１０９  干渉除去部
１１０  受信された入力信号
１１１  逆拡散ブロック
１１２  逆拡散手段
１１３  複素共役手段
１１４  伝搬路推定手段
１１５  乗算器
１１６  判定器
１１７  拡散ブロック
１１８  拡散手段
１１９  乗算器
２０１、２０２  ランダム波９から逆拡散波形１０を生成するための演算子
【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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