計測自動制御学会東北支部弼162回研究集会（19g6．7．1g）
資料番号162−6

ゲイン調整により測定レンジを拡大した超音波センサ■ Enhancingtherangeorsonarbygalnadjustment○石山敏規，高橋隆行，中野栄二
OToshinoriIshiyama，TakayukiTakahashi，EijiNakan0
東北大学

TohokuUniversity
キーワード：超音波センサ（Sonar），相互相関（CroヨSCOrrelation），変調借号（Modulatedsignal），ゲイン調整（Gainadju＄tmeIlt），測定レンジの拡大（Ra・ngeenhaJICement）

連絡先：〒98ト77 仙台市青葉区荒巻字青葉東北大学大学院情報科学研究科中野研究室（青葉山キャンパス機械系）石山敏規，Tel∴〔022）217−7025，Fax・‥（022）217−7023，払mail＝i軸iyam己むobotic已・is．tohoku・a亡．jp

2．測定原理1）2）

1． はじめに

2．1

超音波センサは、屋内移動ロボットの環境認識やナビゲーションに用いた場合、簡単な装置で比通常の超音波センサは短いパルスを送信し、こ較的精度良い距離測定が可能である。そのため、れが対象物に反射して戻って来るまでの時間を計多くの移動ロボットに搭載されている。しかし、測し距離を算出している。しかし、超音波センサ近接Lた複数の超音波センサを同時に動作させたが複数個存在する場合は、それぞれが発信したパ場合や、起音波センサを搭載した他の移動ロボッルスの区別ができず、干渉を起こすことがある。

トが近づいた場合、センサ同士が互いに干渉を起

そこで各超音波センサは、40kHzの搬送波を固こし正確な計測をすることができない。そこで、有の個体識別信号で変調して送信する。そして、丹沢らは1）2）送信波をあるパターン信号で変調

受信信号と送信した個体識別信号との聞での相互L、対象物に反射して受信された信号との間で相相関を計算することで雑音を除去L、必要とする互相関を計算することにより、他のセンサからの僧号を抽出して距離を算出する。

信号や雑音などの外乱に影響されずに肘象物までFig．1のように送信信号の1周期分をⅣ等分の距離を測定できる超音波センサシステムの開発

L、各区間に0または1を与える。この0または1のを行った。

組合せを各センサで変えることにより個体識別信

本報告はこの相互相関を用いた超音波センサ号とした。これを信号列システムを製作し、屋内移動ロボットに搭載するr（可（j＝0，1，2，3，…，Ⅳ劇1）ことを想定した実験を行う。また、より外乱の影
響を受けにくくするための手法を提案する。とする。このとき、送信信号と安倍信号との間の
山1一

T叫団

0．25ms

中一1

上空L

口

Time

Fig．1個体識別倍号

時間遅れを一意に、かつ、できるだけ確実に検出Lなければならない。．そこで、送信借号と安倍信200号の相関を計算する際、2つの信号が一致した時のみ大きな相関値をとり、他の時にはできるだけ40

占O rmsl

Fig．2 個体識別信号の様子小さな値をとるようにする。そのため、以下のよ

2．2 距離の計算

うにT（盲）を決定する。

受信した信号は増帽され、適当な開催により0
Ⅳ一1Ⅳ−1∑乍冊・印再）∑瑚）（j＝0）（1）1＝1i＝1または1の2備に変換される。これを受信偏号月（五）とする。月（慮）の中から各超音波センサの個体識別〃一1∑T（小町十J〕≦

1（0＜j＜叫（2）信号丁（盲）を検出するために、r（打と月〔宜）の聞でt＝ご1相互相関の値叫可を計算する。

さらに、近接した複数の超音波センサが同時に動Ⅳ一1〟（た）＝∑TM・j坤＋可作した場合にも互いに干渉を起こさないように、

（4）

i＝0

それぞれの超音波センサの個体識別膚号間の相互T（宜）と月（査）はあるたで一致し、このとき〟錘〕は相関の値は小さいものでなければならない。よっ最大値をとる。このたにサンプリング周期をかけて、各超音波センサの個体識別信号は式（3）も帝たものを超音波の飛行時間として対象物との距離たきねばならない。

を算出する。

Ⅳ一1稟際には式（4）の計算量はかなり大きくなるた∑旦（軒℃（盲＋j）≦1（0≦J＜叫（3）め、個々の個体識別信号でr（戎）＝1の部分のみ

圭＝1

ここで、n，罷は異なる超音波センサの個体識別計算を行う。

信号で、それぞれ式（1），（2）を満たLている。超音〃p山亡叫鳥）＝∑属悔血（可＋た）波センサが近接して3つ以上存在する場合には、n＝0全ての組合せで上武を満たす必要がある。

ただし叫血eはr（盲）＝1となる個数、ち血e（m）

実際に使用した個体識別僧骨をFig．2に示す。

は陀番目のパルスの時間五である。

3．システム構成
今回製作Lた超音波センサは、16kHzの68000ワンボードマイコンを中心に構成されている。その構成をFig．3に示す。
−2−（5）

合、角柱面の角度による影響が大きいので、測走可能な角柱面の角度牒と距離の関係を測定した。
この結果をFig．5に示す。この囲において、斜線で示されている部分が測定可能な領域である。この結果、距離が50cm以上の場合、βによる影響が大きく超音波センサで机の足を検知するのは困難な場合が多いことがわかった。Lかし、距離がReceiYer AMP Comt）aratOr

50cm以下の場合は、βに関係なく腰離測定が可能である。

Fig．3 超音波センサの構成

また、実際の机の足などには角に丸みを持た4．センサの性能せており、これを想定して角に丸み（R5）を持っている角柱で同様の実験を行った。この場合は測定逸書渡センサでは、発信素子から受信素子へ可能範囲が広がり、100cm以下であれば距離測定の直接波が問題となる。今回製作した超音波センが可能であることが分かる。よって、衝突回避を

サでは発信素子と受信素子にホーンを取り付け、するための情報としての利用は可能であると思わ直接渡を遮断している。しかし、わずかに直接波れる。

は存在し、これを読み込まない程度まで受信信号を増幅することができる。よって、測定範臥二は限界があり、対象物が平面の場合、距敵測定はおよそ400cmまで可能であった。

センサの性能を調べるため、外乱の無い状況で以下の実験を行った。

ユ（氾（cm）

まず、超音波センサの測定範囲を調べるため、

Fig，5 角柱面の角度と測定距離の関係

直径3．5cm、1Dcm、21．5cmの丸棒を立て、センサの反応を調べた。Fig．4に距離が測定できた範5．タ帽Lによる影響囲を示す。この図から、センサの指向性はおよそ5．1 雑音による影響300 であることが分かる。

雑音による影響を調べるため、Fig．6のように、センサに向かい合わせて、パルス状の雑音を発信する超音波発信素子を置き、距離測定を行った。センサと壁との距離は150cmである。この時、雑音源の位置を変化させたが、距離測定には影響が無かった。

Fig．4 超音波センサの測定範囲

次に、机の足を想定して、山辺3cmの角柱をセンサの正面に立て、測定を行った。声桂の場−3−国中A，、A、B，はセンサA、Bの個体弛削

信号を右にシフトしたものである。受信波のパルスのうち、1、4はセンサBで発信Lたもの、5〜8はセンサAで発信したものと思われる。AとBの個体識別信号は、相関値が小さくなるように設定されている。しかし、前記のように、Bからの受信信号1〜4は幅が広くなっているため、AIと大きな相関値を示してしまう。その結果、距離測

超音波センサ定に影響が生じる。

Fig．6 雑音による影響
受借過

5．2 センサ同士の影響

ち●Fig．7のように、距離を測定している超音波セA

ンサAに、別の個体識別倍号を発膚している起音A‖

波センサBを近づけ、Aでの距離測定に影響があ100 150 2000るかを実験した。

300

rcml

Fig，8 パルス間隔が短い場合

そこで、個体識別信号のパルス間隔を広げ、同様の実験を行った。受信彼の様子をFig．9に示す。
貴借彼のパルスのうち、1，2，6はセンサBで発僧したもの、3，5，7はセンサAで発信Lたもの、4はセンサAとBからのパルスが重なったものと思われる。AとBの個体識別信号の遠いが大きいた
Fig．7 センサ同士による影響

め、Bからの受信信号1，2，4，6とA，の聞の相関値は小さく、センサBはAの距離測定に影響を与えAで発膚した信号は一旦壁に反射してAの安ない。

倍素子で安倍されるので、その撞幅は減衰Lている。それに対して、Bで発信した借号は直接Aの安倍素子に到達しているため、振幅の減衰は少ない。よって、二つの倍号を同じ開催でコンパレートすると、Bの信号の時間軸方向の帽はAのものに比べて大きくな卑。
この実験での受信彼の様子をFig．8に示す。一棟」 ］」．」．．． L］⊥二「＿．＿．，‖、．．＿．．．1＿＿＿．＿．．＿＿＿ ＿．
0

100 150 200

軸は遮音彼の飛行時間を距離に換算したものとする。

Fig・9 パルス間隔が長い場合
一4］

300

rc山

6．ゲイン調整

一般に、屋内移動ロボットが必要とする距離情報は数cmから数mと考えられる。超音波セン竃蟄詣毒

サで数mの距離を測定する際、対象物からの反射

捕一叶⁚叶淑乱舎利塙

6．1 ゲイン調整の意味

液＿＿＿．＿＿．＿．．＿」＿＿＿＿． 1【＿＿＿．‖．1

波はかなり減衰していると考えられ、安倍倍号を0100

200

3仰 rcml

大幅に増帽させる必要がある。よって、ゲインがFig．11ゲインが大きい場合固定されている超音波センサでは、かなり大きめのゲインを設定Lておく必要がある。

これを5．2のように、個体識別信号のパノkス

Fig・6

間晴を広げることで解決しようとすると、かなり程度の磨い距離の測定を行った。ゲインが適切な大きな間隔をとる必要があり、個体識別信号全体場合の受信波はFig．1Dのようになり、相関をとるが非常に長くなる。その結果、相関の計算量が増ことで正Lい距離測定が可能である。

え、1回の測定に時間がかかってしまうため、パ「」■■￣￣￣■￣￣■■■■ ￣■￣￣■ ￣ルス間隔を広げる方法では限界があると考えられる。したがって、ゲインを調整することが望まL

送信油

いq

外乱がない場合の受信治

6．2 ゲイン調整の方法
外乱がある
場合の受惜波ゲインの調整は、あらかじめ4段階のゲインをL．＿．．．■＿T■1 仙＿′＿．1＿′＿＿Ⅳ＿．＿ ． r」⊥
Ol00

200300 rcml

決め、測定毎に低い方からゲインをスイープし、最初に適切な測定結果が得られるゲインを選択す

Fig．10 ゲインが適切な場合ることとした。ここで、適切な測定が宥われたかどうかの判断は、相関の値がある聞値を越えた場

一方、大きいゲインで短い距牡を測定する場

合を適切な測定とL、越えない場合はゲインを1合の受信渡はFig．11のようになり、外乱がある場段階上昇させることとした。

合には受信信号の大部分で1（higb）の状態になっ1つのパルスを発僧する通常の超音波センサでてLまうことがある。よって、正しい距離よりもは、信号と外乱の区別ができないため、受信彼の短い距離で大きな相関値が存在し誤動作する可能強さに応じたゲイン調整はできない。そこで、超性がある。

音波の飛行時間によりゲインを調整することが考えられる。大野らが）受信波検出の際の開催を時間とともに下げることで、弱い反射波も検出できるようにした。Lかし、センサに対して斜め45度を向いている平面などは、たとえ近距離であっても反射波は弱く、この方法では制定できない。
これに対L、本報告の方法では、信号と外乱の区別を行っているため、信号の強さ応じたゲイ一5一

8．結首ン調整が可能となる。

相互相関を利用した起音波センサについて、個￠．3 実験

体識別信号のパターンを工夫することでより外乱実際に外乱のある環境で、ゲインが大きい場合に強くなった。また、ゲイン調整を行うことで、とゲイン調整をLた場合とで、距離測定を行い、近距離についても外乱の影響を貴けず、距離測定誤動作する確率を調べた。実験はFig．6のようなが可能となった。よって、外乱の影響を貴けずに位置関係で行い、パルス状の外乱をランダムに発距離測定が可能な範囲が広がった。この結果、製信させている。実験は、各測定を10000回ずつ行作した超音波センサは、障害物回避やドアの通過い、測定誤差が士1cm以下であれば正確に測定でなど、広い測定レンジを必要とする屋内環境を移きたとしている。実験結果はTablelのようにな動するロボットに搭載する上で、非常に有効と考り、ゲイン調整をすることで誤動作が無くなった

えられる。

ことが分かる。

しかし，このゲイン調整方法の場合、測定毎に1段謄ずつゲインを上昇させるため、対象物までTablelゲインの大きさによる正動作の確率の距離が遠く、大きなゲインが必要な場合には測定に時間がかかるという欠点がある。よって、他のゲイン調整方法の検討や、センサを搭載Lていゲインが大きい場合 97．9％ 96．1％ 98．0％

る移動ロボットの環境やタスクにより、ゲイン調ゲイン調整をLた場合 100％ 100％ 100％

整の設定を変化させるアルゴリズムの検討が必要と思われる。

丁．考察

参考文献5．1の実験から、パルス状の雑音が存在する状

1）TsutomuTanzawa，NoriakiIくiyohiro，Shinj

況下であっても測定可能であることが分かった。

frideoMori TheUltrasonicRangeFinderfor

よって、他の超音波センサを搭載した移動ロボッ

O11tdoorMobileRobots叩，IEEE／RSJInterna一七ionalConferenceonIntelligen七RobotsandSys−

トが近付いても、影響を受けずに距離測定が可能

temB，Vol．3，p368〜p373，1995

であることが分・かった。

2）丹沢私情弘智昭 相互相関を用いた起音波セン

5．2の実験から、個体識別信号を変えること

サ ，帯7回知能移動ロボットシンポジウム，p乃〜p指，1993

で、近攫Lて複数個の超音波センサを同時に動作

3）大野孝幸，大矢晃之，油田信一 送受信回路の改させても、互いに干渉を起こさず、距離測定が可良による超音波センサの湖距性能の向上，，，幕12回

ロボット学会学術講傾金子稿集，plO93〜plO94，1994

能であることが分かった。
6．3の実験から、ゲインが大きい場合、や5．2で示したように正確な測定ができるとは害えないことが分かった。しかし、ゲインが適切であれば外乱の影響を受けないので、ゲイン調整を行うことで外乱がある環境でも確実な距離測定が可能となり、測定レンジが広がったと考えられる。

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