計測自動制御学会東北支部帯165回研究集会（19弧12．13）
資料番号165−1与超音波トランスミッタのPWM駆動法に関する研究

PWMDrivingMethod鮎rUltrasonicTransmitters○桧山 昌之，江村超，熊谷正朗

OMaBayukiHiyama，Taka占11iEmuraandMasaakiKumagai
東北大学工学部
FacultyofEngineerlng，¶）holmUniv．
キーワード：超音波トランスミッ■タ（tIltrasonieTransmitter），指向性（Directivity），パルス帽変調（PWM），デューティ比rD11tyR乱tio）

連絡先：〒980−77 東北大学工学部機械電子工学科メカトロニクス設計学
桧山昌之，恥1∴（022）217−鍋69，F弧・：（022）217−7027，
E−mail：hlya皿a鮎mura・・meCll．tOhok11．aC．］p

1． は じ め にてきた方法では，より高出力のOPアンプを複数個使用する必要が生じコストがかかって超音波センサは，ロボットの距離センサとしまう．

して幅広く利用されている．現在では障害物

そこで今軌正弦波ではなく矩形波を用いまでの距離計測ばかりでなく，反射物体の方向てトランスミッタを駆動することとした．こ

検出1）や，様々な方法による指向性制御2）など

れまでと同様に，異なる駆動電圧を加えて指も行われている．筆者らはこれまでに，より遠向性を向上することも可能であるが，複数の距離の障害物検出を目指し，2次元平面における指向性の向上を実現してきた3ヰこの時，電源が必要となってしまう．それ故，駆動電圧

超音波トランスミッタは汎用のOPアンプをの大きさではなくパルスの幅を変化させることにより，超音波の指向性を制御することを介して，約26Vp−p，40kHEの正弦波の電圧で試みた．本報告ではパルス幅と超音波出力の駆動されていた．

関係，複数のトランスミッタの駆動法，ならびしかLながら，遠距離に存在する物体の検に測定結果について述べる．

出には，超音波出力のさらなる増大が必要となる．すなわち，駆動電圧の増九あるいは個2．PWM 駆 動数の増加が不可欠となる．ここで，個数増加は2．1Dutyratioの定義

センサのコンパクト性や調整の容易さなどから制限が存在するため，駆動電圧の増大が妥当

今回用いた超音波センサはユニモルフ塑

な方法となる．しかし，著者らがこれまで行っであり，正弦波ではなく矩形波を用いるので，ー1−∬Fig．3 DesignoftranSmittersarrayU几ハリ0hむ臣Od叫∈叩と叫島虞≡−つnU
1︵U︻u曾−︼︺旬亡償む声扇ト⊥■膚HnU
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Fig・4 Improvlngbym111七ipletranSmitters

100山一time【叫SeC】

Fig・2 E鮎ctollOutPutPOWerbyDutyratio
た．ここで，Fig．2はDutyratioの平方根の形で近似される．これは，n皿が長くなるにつトランスミッタの駆動は片振りとする．次に，れて共振現象が生じてくるためと考えられる．

Fig．1に示される矩形波を用いて，本論文で用この傾向は駆動電圧を変化させた場合にも生いるDutyratio上）月を定義する・じているが，駆動電圧と超音波出力の関係はほぼ比例関係にあることがわかる．

カ月 ＝ ㌔rl／（r／2）xlOO【％】（1）

ここで，rは周軌n川はパルス幅である・つ

3．トランスミッタアレイの駆動法

まり，β属ほ通常用いられるデューティー比の基本的には，正弦波の場合と同様，指向性2惜の値を有する．40kHzの公称周波数のト係数と各トランスミッタの配置ならびに超音ランスミッタを用いる場合，パルス幅nm＝波出力比との関係3）を利用する．Fig．3に設計12．5l上占eCが恥＝100％に相当する・の一例を示す．トランスミッタは1波長入の2．2 Dutyratioと超音波出力等間隔に配置され，超音波出力の比は二等辺三角形状である．この例では，中央の比が7でFig．2にD11tyratioと超音波出力との関係を示す．これは，トランスミッタとレシーバそこから1波長につき1ずつ小さな値をとり，を2mの距離だけ隔てて対面させ，受信電圧両端で1となる．この設計手法を用いた場合を御宝した結果である．なお，できるだけ反射の個数と超音波出力ならびに指向性との関係などの影響を抑えるために，測定は屋外で行っをFig．4に示す．

＿ 2 −Fig．T Outlincofmeasurementalsystcm
Fig．占 Rect鮎1glewave

ただし，†沌はI柁＝0，土1，土2丁土3，…であり，rm＝mr，㍍▼1＝（†乃−1）T，孔＝T／2である．周波数をJとして，式（2）をフーリエ級数展開すると，
r（t）＝

00 争＋∑〈孟血（仰争））co82叫七■（3）陀＝1Fig．6 PllaSeShiftofrectanglewaves

故に，周波数スペクトルは，＄山間数で表現される．これより，Dutyratioの異なる矩形波

3．1Dutyratioの与え方

はFig．6に示すように，位相をシフトし㌔几時間の中央を一致させる．

各トランスミッタのD−ユtyratioはFig・2のDutyratioと超音波受信電圧の関係から決定される．具体的にトランスミッタを3個用い4．トランスミッタアレイの指向性る場合を考える．この時，超音波出力は1：2：1

4．1 実 験 装 置の比とすればよい．ここで中央のトランスミッ

Fig．丁に実験装置の概略図を示す・トランタを駆動電圧43V，オン時間11J⊥郎亡すなわちスミッタアレイと1個のレシーバとを対面さ88％のDutyra七ioで駆動させると，Fig・2よせ，送信側をパルスモータで回転させながら受り受信電圧は約26mVとなる．故に，受信電信電圧を測定し，これを指向性特性とみなす．

圧がこの半分である13mVとなるオン時間

ここで，Dutyratioならびに位相シフトの調整を同国より求めると，約3〃β叫つまり，24％は，人力パルス幅の影響を受けないワンショッのDutyratioとなる．

トマルチバイブレータを2段用いて行っている．また，駆動は片振幅であるので，駆動は単3．2 位相差の与え方なるプッシュ・プル回路で行われる．

椚g．5で示される矩形波は次式で表される・

4．2 測 定 結 果
トランスミッタを3個用いた場合につい（TTl−n）＜鳶く（了㌦＋孔）て，超音波出力の此を1：1＝1，1：2＝1と設定した（2）（㌔−＿1＋孔）＜七く（孔l一孔）

ー 3 一︻旨E︼ 乱 官 − ○ ト 冒 丘 む 岩 出−50050一500505比eri爪g8ngk【血gl翫恍ring且ngle【deg】

Fig．8 MeasurenlentreSult（1）Fig．9 MeaBurementre畠ult（2）時の測定結果をそれぞれ耶g．8，9に示す．こミッタの個体差が大きく生じてしまい，各トラ

こで，Dutyratioはそれぞれ，3個すべて朗乳ンスミッタに加えるDutyratioの調整がやゃ

中央が紬％両端が24％である．また，これ困難となってしまった．さらに，Fig．2より明らの図に破線で示されているシミュレーショ

らかなように，比較的小さなDutyratioでのン結果は，駆動電圧が正弦波とした場合のも駆動は超音波出力に対する感度が高くなるたのである．これらの結果より，指向角はほぼ測め，この付近でのDutyratioの調整が微妙と定結果と一致しているが，サイドロープの生なってしまった．

じる角度付近で少々一散していない箇所が存

今後は，Fig．2の理論的な解析を行うこと，在する．これは，各トランスミッタの個体差や電据を1種類ではなく何種類か用意し電圧のDutyl・atioの設定誤差の影響と考えられる．

此とDlltyratioの両方を利用すること，自動的にキャリブレーションが可能なシステムを与． お わ り に考慮すること，レシーバ側も複数利用し指向性を制御することを行う予定である．

より遠距離に存在する物体検出を実硯する

ため，超音波出力の増大を行う一手法を提案し参考文献

た．トランスミッタを正弦波ではなく矩形波

1）夫軋油田：複数の送受渡器を同時に用いて反射物体の方向を得る移動ロボット用ソナーリ
ング，第14回巨1本ロボット学会学術講演会予
満集，515／5柑（拍叫で駆動L，コストを抑えることを試みた．さらに，異なる電圧の矩形波を加えるのではなく，

2）荏田，中野，本多：スチッナアレイ型空中超音波センサ，第14回日本ロボット学会学術講演
会予稿集，駈5／656（1996）

それぞれに加えるD山yratioと位相差を変化させて超音波出力を制御した．
トランスミッタを3個使用Lた場合につい3）桧山，江村，三軌複数の超音波トランスミッタを利用した指向性の向上計測自動制御学会
東北支部第162回研究集会，資料番号162−8て実測を行い，測定結果がほぼシミュレーショ

ン結果と一致することを示し，この手法の有4）桧山，江村，三神＝超音波トランスミッタアレイを用いた距維センサの性能向上，第14回日本
ロボット学会学術講演会予稿集，1087／10舶

効性を示した．

しかしながら，今回の手法では正弦波のよ（1996）

うに滑らかな駆動をしないためか，トランスー 4 一