JP2005233844A - 超音波式傾斜計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波センサを用い、種々の使用条件の変化に対応して高精度に対象物の傾斜角度を算出することのできる超音波式傾斜計測装置を得る。
【解決手段】信号処理部５は、複数の超音波センサから定期的に発振され測定対象物に反射して受信された超音波に基づいて遅延時間差を時系列データとして算出する。フィルタ定数設定部７は、使用条件の変化に応じたフィルタ定数を抽出する。フィルタ処理部６は、遅延時間差の時系列データに対して、フィルタ情報設定部により抽出されたフィルタ定数に基づいてフィルタリング処理を行う。傾斜角演算部８は、フィルタリング処理された遅延時間差に基づいて傾斜角度を順次算出する。これにより、使用条件の変化に応じて変化する雑音成分の影響を抑えた傾斜角度の算出が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波を用いて対象物の傾斜角度を計測する超音波式傾斜計測装置に関する。

超音波を用いた傾斜計測装置としては、受信タイミングの時間差を利用したものがある（例えば、特許文献１参照）。この超音波式傾斜計測装置は、液体を蓄える容器の底面に直線上に３個の超音波センサが設けられている。そして、中央に位置する送信用超音波センサから液面に向けて超音波が送信され、液面で反射した超音波を送信用超音波センサの両側に設けられた受信用超音波センサが受信し、その受信タイミングの時間差を検出するものである。

液体の液面が傾くと、送信用超音波センサから送信された超音波が片側の受信用超音波センサに到達する経路長と、もう一方の受信用超音波センサに到達する経路長との間に差が生じる。したがって、検出した受信タイミングの時間差から経路長差がわかり、その結果に基づいて液面の傾きを検出できる。

また、超音波を用いた別の傾斜計測装置としては、受信波の位相差を利用したものがある（例えば、特許文献２参照）。特許文献２の落下監視システムは、被監視対象物である岩石に２つの受信用超音波センサが固定設置されている。そして、送信用超音波センサから送信された超音波は、２つの受信用超音波センサにて受信されるような構成となっている。

送信用超音波センサからの送信信号を基準としたときの、それぞれの受信用超音波センサにおける受信信号の位相差は、それぞれの受信用超音波センサから送信用超音波センサまでの距離に依存して変化する。したがって、この変化を計測することで岩石の微小な傾きを検出することができる。

特開平４−１５１５０８号公報（第３頁、図１） 特開平１０−２００１７号公報（第３頁、図１）

しかしながら、従来技術には次のような問題点がある。超音波を利用して測定対象物の傾斜角度を計測する場合には、気温、湿度、気圧、風、降雨、降雪、霧などの環境による使用条件が超音波の伝搬に影響を及ぼす。しかし、特許文献１においてはこれらの使用条件が考慮されておらず、特許文献２においては２つの受信信号の差分を取ることによりこれらの使用条件の影響を抑えようとしているが、それだけでは十分といえず、常時高精度な計測を行うことが困難であった。さらに、測定対象物が移動する場合、あるいは超音波式傾斜計測装置自体が移動する場合には、送信信号、受信信号ともに、不要な成分が重畳され、計測精度が低下する問題がある。

本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、超音波センサを用い、種々の使用条件の変化に対応して高精度に対象物の傾斜角度を算出することのできる超音波式傾斜計測装置を得ることを目的とする。

本発明に係る超音波式傾斜計測装置は、超音波を定期的に送信し、対象物に反射した超音波を受信して電気信号に変換する複数の超音波センサと、複数の超音波センサからの電気信号の遅延時間差あるいは位相差を定期的に算出して時系列データを出力する信号処理部と、遅延時間差あるいは位相差の時系列データに対して、通過帯域幅を用いてフィルタリング処理を施すフィルタ処理部と、複数の超音波センサの使用条件に関するデータと関連づけられた通過帯域幅をあらかじめ蓄積した記憶部を有し、使用条件に関するデータに対応する通過帯域幅を記憶部から抽出してフィルタ処理部に出力するフィルタ定数設定部と、フィルタ処理部によりフィルタリング処理された遅延時間差あるいは位相差を用いて、複数の超音波センサに対する対象物の傾斜角度を算出する傾斜角演算部とを備えたものである。

本発明によれば、受信した複数の超音波の遅延時間差あるいは位相差の時系列データに対して、時々刻々と変化する使用条件に応じて求められた通過帯域幅を用いてフィルタリング処理を施すことにより、高精度に対象物の傾斜角度を算出する超音波式傾斜計測装置を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、超音波は、人間の耳に聞こえない程度に高い周波数の音波や弾性波を示す言葉として一般的には使用されているが、本発明では、周波数は特に規定しないものとする。すなわち、本発明における「超音波」という文言には、人間の耳で聞こえる周波数の上限よりも高い周波数の音波や弾性波に限らず、この上限よりも低い周波数の音波や弾性波も含めた波という意味を含んでおり、人間の耳で聞こえる周波数の下限よりも低い周波数の音波や弾性波という意味も含むものとする。

まず始めに、超音波を用いて対象物の傾斜角度を算出する基本原理について説明する。図１は、超音波を用いた傾斜角度算出原理の説明図である。遅延時間差に基づいて傾斜角度を算出する原理について説明する。ここでは２個の超音波センサ１ａ、１ｂを使用している。２個の超音波センサ１ａ、１ｂは、超音波を送信及び受信することができるセンサである。

超音波センサ１ａからほぼ鉛直方向に送信された超音波は、超音波センサ１ａと超音波センサ１ｂとを結ぶ基準軸に対して角度θで傾斜している測定対象物２で反射され、再び超音波センサ１ａへと到達する。このときの経路長をＬ１とする。同様に、超音波センサ１ｂからほぼ鉛直方向に送信された超音波は測定対象物２で反射され、再び超音波センサ１ｂへと到達する。このときの経路長をＬ２とする。

ここで、超音波の伝搬速度をｖとすると、超音波センサ１ａで送信された超音波が再び超音波センサ１ａで受信されるまでの遅延時間τ１は式（１）で表すことができる。
τ１＝（２×Ｌ１）／ｖ （１）

同様にして、超音波センサ１ｂで送信された超音波が再び超音波センサ１ｂで受信されるまでの遅延時間τ２は式（２）で表すことができる。
τ２＝（２×Ｌ２）／ｖ （２）

超音波センサ１ａ及び超音波センサ１ｂから同時刻に超音波を送信したと仮定すると、両超音波センサ１ａ、１ｂの遅延時間差Δτは式（３）で表すことができる。
Δτ＝τ２−τ１ （３）

超音波センサ１ａと超音波センサ１ｂとの距離をｗとすると、超音波センサ１ａと超音波センサ１ｂとを結んだ基準軸に対する測定対象物２の傾斜角度θは、式（４）で表すことができる。
θ＝ｔａｎ^−１（ｖΔτ／ｗ） （４）

したがって、２個の超音波センサ１ａ、１ｂを用いて遅延時間差Δτを検出することにより、式（４）の関係から測定対象物２の傾斜角度θを求めることができる。

上述の説明においては、超音波センサ１ａ及び超音波センサ１ｂから同時刻に超音波を送信することを仮定したが、これに限定されない。それぞれの超音波センサ１ａ、１ｂが送信した超音波に対応する遅延時間τ１、τ２を測定することにより、遅延時間差Δτを
求めることも可能である。

すなわち、超音波センサ１ａ及び超音波センサ１ｂから同時刻でないタイミングで超音波をそれぞれ送信した場合には、超音波センサ１ａの送受信結果から式（１）の遅延時間τ１を求め、超音波センサ１ｂの送受信結果から式（２）の遅延時間τ２を求める。そしてその結果から式（３）の遅延時間差Δτを求めることとなる。

また、遅延時間差に基づいて傾斜角度を算出する方法とは別に、位相差に基づいて傾斜角度を算出する方法があり、その原理について次に説明する。超音波センサ１ａから送信され、測定対象物２で反射され、再び超音波センサ１ａで受信された超音波である受信信号３ａを基準とし、超音波センサ１ａと同時刻に超音波センサ１ｂから送信され、測定対象物２で反射され、再び超音波センサ１ｂで受信された超音波である受信信号３ｂとの位相差をΔφとする。

図１に示したように、超音波センサ１ａ、１ｂから測定対象物２までの経路長がそれぞれＬ１、Ｌ２であったときに、超音波の伝搬速度をｖ、超音波の周波数をｆとすると、位相差Δφは式（５）で表すことができる。
Δφ＝４πｆ（（Ｌ２−Ｌ１）／ｖ） （５）

さらに、位相差Δφの値から測定対象物２の傾斜角度θは、式（６）で表すことができる。
θ＝ｔａｎ^−１（（ｖΔφ）／（２πｆｗ）） （６）

したがって、２つの超音波センサ１ａ、１ｂの受信信号３ａ、３ｂに基づく位相差Δφを検出することにより、測定対象物２の傾斜角度θを求めることができる。

図２は、位相差Δφに関する説明図である。超音波センサ１ａの受信信号３ａと超音波センサ１ｂの受信信号３ｂとの位相差がΔφとして示されている。式（５）で示したように、超音波センサ１ａと測定対象物２との距離Ｌ１と、超音波センサ１ｂと測定対象物２との距離Ｌ２との差ΔＬによって、上記位相差Δφは変化する。

すなわち、測定対象物２の傾斜角度θが変化するとともに、位相差Δφの値も変化する。例えば、超音波の周波数ｆが２０ｋＨｚとすると、超音波の空気中の伝搬速度ｖは約３４０ｍ／ｓｅｃであるので、波長は約１７ｍｍとなる。超音波センサ１ａと測定対象物２との距離Ｌ１と、超音波センサ１ｂと測定対象物２との距離Ｌ２との差ΔＬが１ｍｍとすると、位相差Δφは式（５）より約０．７４°となる。さらに、求まったΔφを式（６）に代入することにより、傾斜角度θを求めることができる。

なお、上述の説明においては、受信信号３ａを基準として受信信号３ｂとの位相差を求めたが、受信信号３ａ、３ｂとは別の基準信号に基づいて位相差を求めることもできる。図３は、基準信号を用いた位相差の算出に関する説明図である。基準となる信号を任意に作成し、基準信号と受信信号３ａとの位相差Δφａと、基準信号と受信信号３ｂとの位相差Δφｂとを求め、その差分であるΔφａ−Δφｂを求めることで、位相差Δφを求めてもよい。

また、超音波センサ１ａ及び超音波センサ１ｂから同時刻に超音波を送信することを仮定したが、これに限定されない。超音波センサ１ａ及び超音波センサ１ｂが送信したそれぞれの超音波をそれぞれの基準信号とすることも可能である。このようにすれば、それぞれの超音波センサ１ａ、１ｂの送受信信号に基づいて、図３のΔφａ、Δφｂに相当する値を算出でき、それらの差分から位相差Δφを求めることができる。

以上のように、２つの超音波センサの送受信信号から、遅延時間差Δτあるいは位相差Δφを求めることにより、測定対象物２の傾斜角度θを求めることができる。本発明における超音波式傾斜計測装置の特徴は、この原理を応用して傾斜角度θを求める際に、超音波式傾斜計測装置の使用条件に起因する雑音成分の影響を除去し、傾斜角度θを精度よく求める点にある。その詳細を実施の形態１において説明する。

実施の形態１．
図４は、本発明の実施の形態１に係る超音波式傾斜計測装置の構成図である。ここで、実施の形態１における超音波式傾斜計測装置は、移動体に設置される場合を想定しており、移動体が床面を移動したときの床面の傾斜角度θを測定するものである。したがって、ここでは床面が測定対象物に相当する。

図４において、２個の超音波センサ１ａ、１ｂは、超音波センサ１ａと超音波センサ１ｂとを結ぶ直線が移動体の進行方向に対して平行となるような位置関係で設置されている。電源（図示せず）に電気的に接続された超音波センサ１ａ、１ｂは、電気信号が与えられることにより振動して測定対象物２に対して超音波を発生する。床面の上を移動しながら順次測定対象物２の傾斜角度θを求めるために、２個の超音波センサ１ａ、１ｂは、あらかじめ決められた周期で定期的に超音波を発振する。

超音波センサ１ａ、１ｂは、測定対象物２により反射された超音波を受信信号３ａ、３ｂとして受信する。そして、超音波センサ１ａ、１ｂは、受信信号３ａ、３ｂを電気信号４ａ、４ｂへと変換する。変換された電気信号４ａ、４ｂは、信号処理部５に入力される。

信号処理部５は、定期的に発振された超音波の受信信号に対応する電気信号４ａ、４ｂに基づいて遅延時間差Δτを時系列データとして算出する。さらに、フィルタ処理部６は、信号処理部５により算出される遅延時間差Δτの時系列データを受け取り、雑音成分を除去するためのフィルタリング処理を行う。

また、フィルタ定数設定部７は、フィルタ処理部６がフィルタリング処理を行うためのフィルタ定数を設定するものである。さらに、傾斜角演算部８は、フィルタ処理部６でフィルタリング処理された遅延時間差Δτを受け取り、時間に応じて変化する遅延時間差Δτに基づいて傾斜角度θを順次算出するものである。

本願は、フィルタ処理部６及びフィルタ定数設定部７に技術的特徴を有しており、これらの働きにより、傾斜角度θの算出精度を向上させることができる。これらの詳細を説明する前に、傾斜角度θの算出にあたって悪影響を及ぼす雑音成分について、図５、図６を用いて説明する。

図５は、本発明の実施の形態１において雑音成分がない場合の遅延時間差の時系列データを示した図である。一方、図６は、本発明の実施の形態１において雑音成分がある場合の遅延時間差の時系列データを示した図である。信号処理部５で算出される遅延時間差は、離散的な時系列データであるが、図５及び図６においては、データの変化状態を簡略的に表現し、１本の曲線として示している。

超音波式傾斜計測装置が設置されている移動体が床面上をある速度で移動している場合を想定すると、次のような雑音成分の影響が考えられる。移動に関連する使用条件としては、移動にともなう移動体自体の揺れや振動、あるいは床面上に存在する細かな凹凸による移動体の揺れや振動の影響などが考えられる。

また、環境に関連する使用条件としては、装置周辺の温度分布や風、測定系の雑音による影響などが考えられる。超音波センサ１ａ、１ｂから送信された超音波及びその受信信号３ａ、３ｂは、このような使用条件の影響を受けるため、受信信号３ａ、３ｂに基づいて算出される遅延時間差の瞬時値にも誤差となる雑音が重畳されることとなる。

このように雑音が重畳された遅延時間差Δτの時系列データの信号波形は、図６に示すような乱れが生じることとなる。この結果、遅延時間差Δτに基づいて傾斜角演算部８によって求められる傾斜角度θにも誤差が生じ、傾斜角度検出精度を低下させる。通常、この種の雑音成分を除去するためには、ローパスフィルタ等のフィルタを適用することが考えられる。

一般に、フィルタには遮断周波数が設定され、通過帯域が決定されるとともに、遮断周波数はフィルタごとに一定である。しかし、例えば移動体の移動速度あるいは装置が置かれている環境は、時間とともに変化し、使用条件の変化に伴って雑音成分の周波数も変化する。したがって、遮断周波数が一定のフィルタでは、必ずしも誤差となる雑音成分を有効に除去できるとは限らない。

例えば、移動体が低速で移動しており使用条件の変動がほとんどない場合において、信号処理部５で算出された遅延時間差Δτの信号波形が図５であったとする。一方、移動体が移動速度を変えて移動しており使用条件が変動している場合において、信号処理部５で算出された遅延時間差Δτの信号波形が図６であったとする。

図６の信号波形は、算出の元となった受信信号４ａ、４ｂに含まれている雑音成分の影響を受け、遅延時間差Δτの信号にも雑音成分が重畳している。さらに、この雑音成分は、移動速度によって異なる周期のリップルが生じる。図６において、高速で移動している場合の雑音成分は、短周期のリップルが重畳している状態を示している。これに対して中速で移動している場合の雑音成分は、高速で移動している場合と比較して長周期のリップルが重畳している状態を示している。さらに、低速で移動している場合には、ほとんど雑音成分が重畳していない状態を示している。

したがって、測定対象物が同じでも、移動体の速度が異なることで、得られる遅延時間差Δτの波形も異なったものとなる。よって、波形の異なる遅延時間差Δτの信号を一定の遮断周波数によりフィルタリング処理を行っても、誤差となる雑音成分の周波数が異なるため、雑音成分を十分に除去することができない。

すなわち、高速で移動している場合には、雑音成分は短周期のリップルとなり、雑音成分は、比較的高い周波数の遮断周波数に設定されたローパスフィルタを用いて除去することができる。しかし、中速で移動しているときに発生するリップルは長周期であり、必要以上に高い遮断周波数を用いる必要がない。雑音成分の周波数よりも必要以上に高い周波数を遮断周波数として用いると、雑音成分は除去できるが、除去すべきでない本来の信号成分の一部までも除去してしまうおそれがあり、除去したい雑音成分の周波数に適した遮断周波数の選定が必要となる。

一方、中速で移動している場合には、雑音成分は長周期のリップルとなり、雑音成分は、比較的低い周波数の遮断周波数に設定されたローパスフィルタで除去できる。しかし、比較的低い周波数の遮断周波数を設定した場合には、高速で移動しているときに発生する高周波数を有する雑音成分には追従できず、雑音成分の除去が十分に行えない結果となる。

この対策として、本発明の実施の形態１では、遅延時間差Δτに含まれた雑音成分を十分に除去できるように、使用条件の変化に応じて、ローパスフィルタの遮断周波数を適宜変えることを行っている。除去すべき雑音成分の周波数に対応して遮断周波数を変化させてフィルタリング処理を施し、フィルタリング処理後の遅延時間差Δτを用いて傾斜角度θを算出することにより、算出精度の向上を図っている。

そこで、先に構成を説明した図４に基づいて、使用条件の変化に応じてフィルタの遮断周波数を可変とする手段の詳細を説明する。フィルタ定数設定部７は、記憶部（図示せず）を有しており、記憶部には、使用条件の値をパラメータとしてこのパラメータと関連づけられた遮断周波数に関するデータがあらかじめ記憶されている。

フィルタ定数設定部７は、使用条件に関する信号を入力として取り込み、入力に対応する遮断周波数を記憶部から取り出してフィルタ処理部６に出力することとなる。

フィルタ処理部６は、フィルタ定数設定部７が取り出した遮断周波数を用いて、信号処理部５から受け取った遅延時間差Δτの時系列データに対して、雑音成分を除去するためのフィルタリング処理を行う。フィルタリング処理された遅延時間差Δτの時系列データは、傾斜角演算部８に出力される。傾斜角演算部８は、フィルタリング処理された遅延時間差Δτの値に基づいて、超音波センサ１ａ、１ｂを結んだ基準軸に対する測定対象物２の傾斜角度θを算出する。

信号処理部５で算出された雑音成分を含んだ遅延時間差Δτの時系列データは、移動体の速度等の使用条件に合った遮断周波数を用いてフィルタリング処理を行うことにより、雑音成分が除去される。したがって、フィルタ処理部６を通過することにより、遅延時間差Δτの信号成分だけが取り出されることとなる。傾斜角演算部８は、雑音成分が十分に除去されたフィルタリング処理後の遅延時間差Δτの信号を用いて測定対象物２の傾斜角度θを算出する。したがって、傾斜角演算部８で算出される傾斜角度θは、雑音成分の影響が抑えられて算出されたより正確な傾斜角度θとなり、傾斜角度の検出精度が向上することとなる。

実施の形態１によれば、使用条件の変化に応じて異なる遮断周波数によるフィルタリング処理を行うことにより、使用条件の変化に応じて変化する雑音成分の影響を抑えた傾斜角度の算出が可能となる。これにより、例えば、超音波式傾斜計測装置を移動体に搭載して測定対象物の傾斜角度を測定する場合にも、移動体の速度に応じて異なる周波数として発生する雑音成分の影響を抑えた傾斜角度の算出が実現できる。

なお、実施の形態１では、遮断周波数を設定したローパスフィルタによるフィルタリング処理を説明したが、これに限定されない。適用対象によってフィルタリング処理を変えることも可能である。フィルタリング処理は、遮断周波数を用いたローパスフィルタ以外にも、例えば、適用対象によってはハイパスフィルタとし通過帯域幅を使用条件により変化させても同様の効果を得ることができる。また、適用対象によっては、バンドパスフィルタとし、その通過帯域幅を使用条件により変化させても同様の効果を得ることができる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２では、フィルタ定数設定部７が、移動体の移動速度に応じてフィルタ定数を選定する場合を説明する。すなわち、移動体の移動速度を使用条件のパラメータとし、移動速度に応じてフィルタの通過帯域幅を可変とするものである。図７は、本発明の実施の形態２における超音波式傾斜計測装置の構成図である。実施の形態１の構成図である図１と同一の構成要素には、同一の符号が付されており、説明は省略する。

図７において、フィルタ定数設定部７は、速度検出器９から移動体の移動速度を読み込む。フィルタ定数設定部７は、記憶部（図示せず）を有しており、記憶部には、移動体の移動速度をパラメータとしてこのパラメータと関連づけられた通過帯域幅に関するデータがあらかじめ記憶されている。フィルタ定数設定部７は、速度検出器９から読み込んだ移動速度に対応する通過帯域幅を記憶部から取り出して、フィルタ処理部６に出力することとなる。

図８は、本発明の実施の形態２における移動速度ｖとフィルタの通過帯域幅Δｆとの関係を模式的に表した図である。図８では、例えば、移動速度ｖがｖ１≦ｖ＜ｖ２のとき、フィルタの通過帯域幅ΔｆはΔｆ＝ｆ１となることを示している。移動速度が速くなるほど短周期のリップルによる雑音成分が重畳することが予想される。したがって、図８は、移動速度が速いほど通過帯域幅の周波数が高くなる関係を示している。

図８では、移動速度を５つの区間に分割しているが、分割する区間は５つより少なくても、多くてもよい。また、区間に分割することなく、移動速度の変化に応じて、あるあらかじめ決められた関数を用いて通過帯域幅を変化させても構わない。

フィルタ定数設定部７は、図８に示したような移動速度と通過帯域幅との関係を記憶部にあらかじめ蓄えておくことにより、読み込んだ移動速度に対応する通過帯域幅を記憶部から取り出すことができる。

実施の形態２によれば、移動速度の変化に対応して、フィルタの通過帯域幅を変化させることにより、超音波式傾斜計測装置が搭載された移動体の走行条件に適した雑音除去を行うことができる。したがって、フィルタリング処理を施した遅延時間差Δτに基づいて雑音成分の影響を抑えたより誤差の小さい傾斜角度を算出でき、傾斜角度の検出精度を向上させることが可能となる。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３では、フィルタ定数設定部７が、超音波の受信信号の反射強度に応じてフィルタ定数を選定する場合を説明する。すなわち、反射強度を使用条件のパラメータとし、反射強度に応じてフィルタの通過帯域幅を可変とするものである。図９は、本発明の実施の形態３における超音波式傾斜計測装置の構成図である。実施の形態１の構成図である図１と同一の構成要素には、同一の符号が付されており、説明は省略する。

図９において、信号処理部５は、電気信号４ａ、４ｂから遅延時間差Δτを求めるとともに、電気信号４ａ、４ｂの振幅から超音波の受信信号３ａ、３ｂの反射強度ｒをさらに求める。信号処理部５は、求まった反射強度ｒをフィルタ定数設定部７に送信する。反射強度ｒとしては、電気信号４ａから求まったもの、あるいは電気信号４ｂから求まったもののどちらかを用いてもよく、また両者の平均値を用いてもよい。

これに対して、フィルタ定数設定部７は、信号処理部５から反射強度ｒの値を読み込む。フィルタ定数設定部７は、記憶部（図示せず）を有しており、記憶部には、反射強度ｒをパラメータとしてこのパラメータと関連づけられた通過帯域幅に関するデータがあらかじめ記憶されている。フィルタ定数設定部７は、信号処理部５から読み込んだ反射強度ｒに対応する通過帯域幅を記憶部から取り出して、フィルタ処理部６に出力することとなる。

図１０は、本発明の実施の形態３における反射強度ｒとフィルタの通過帯域幅Δｆとの関係を模式的に表した図である。図１０では、例えば、反射強度ｒがｒ１≦ｒ＜ｒ２のとき、フィルタの通過帯域幅ΔｆはΔｆ＝ｆ４となることを示している。測定対象物が平滑な状態では、反射強度が強くなるため、雑音成分は減少し、超音波センサ１ａないし超音波センサ１ｂにおける受信信号３ａ、３ｂは、安定したものとなることが予想される。

一方、アスファルトのような表面に凹凸が多数存在する対象物では、反射強度が弱くなるため、不要な周波数成分が広い周波数範囲にわたって増加し、超音波センサ１ａないし超音波センサ１ｂにおける受信信号３ａ、３ｂは、不安定なものとなることが予想される。したがって、図１０は、反射強度が低いほど通過帯域幅の周波数が高くなる関係を示している。

図１０では、反射強度を５つの区間に分割しているが、分割する区間は５つより少なくても、多くてもよい。また、区間に分割することなく、反射強度の変化に応じて、あるあらかじめ決められた関数を用いて通過帯域幅を変化させても構わない。

フィルタ定数設定部７は、図１０に示したような反射強度と通過帯域幅との関係を記憶部にあらかじめ蓄えておくことにより、読み込んだ反射強度に対応する通過帯域幅を記憶部から取り出すことができる。

実施の形態３によれば、反射強度の変化に対応して、フィルタの通過帯域幅を変化させることにより、超音波センサの受信信号の反射強度に応じた雑音除去を行うことができる。したがって、フィルタリング処理を施した遅延時間差Δτに基づいて雑音成分の影響を抑えたより誤差の小さい傾斜角度を算出でき、傾斜角度の検出精度を向上させることが可能となる。

実施の形態４．
本発明の実施の形態４では、フィルタ定数設定部７が、環境に関する使用条件の１つである風速に応じてフィルタ定数を選定する場合を説明する。すなわち、風速を使用条件のパラメータとし、風速に応じてフィルタの通過帯域幅を可変とするものである。図１１は、本発明の実施の形態４における超音波式傾斜計測装置の構成図である。実施の形態１の構成図である図１と同一の構成要素には、同一の符号が付されており、説明は省略する。

図１１において、フィルタ定数設定部７は、風速検出器１０から超音波式傾斜計測装置の設置環境の風速を読み込む。フィルタ定数設定部７は、記憶部（図示せず）を有しており、記憶部には、風速をパラメータとしてこのパラメータと関連づけられた通過帯域幅に関するデータがあらかじめ記憶されている。フィルタ定数設定部７は、風速検出器１０から読み込んだ風速に対応する通過帯域幅を記憶部から取り出して、フィルタ処理部６に出力することとなる。

図１２は、本発明の実施の形態４における風速ｕとフィルタの通過帯域幅Δｆとの関係を模式的に表した図である。図１２では、例えば、風速ｕがｕ１≦ｕ＜ｕ２のとき、フィルタの通過帯域幅ΔｆはΔｆ＝ｆ１となることを示している。風速が小さい場合には、風の影響をあまり受けないため、遅延時間差Δτは雑音成分が少なくなることが予想される。

一方、風速が大きい場合には、風の影響は大きくなり、遅延時間差Δτは広い周波数範囲にわたって雑音成分が大きくなることが予想される。したがって、図１２は、風速が速いほど通過帯域幅の周波数が高くなる関係を示している。

図１２では、風速を５つの区間に分割しているが、分割する区間は５つより少なくても、多くてもよい。また、区間に分割することなく、風速の変化に応じて、あるあらかじめ決められた関数を用いて通過帯域幅を変化させても構わない。

フィルタ定数設定部７は、図１２に示したような風速と通過帯域幅との関係を記憶部にあらかじめ蓄えておくことにより、読み込んだ風速に対応する通過帯域幅を記憶部から取り出すことができる。

実施の形態４によれば、使用条件の一種である風速の変化に対応して、フィルタの通過帯域幅を変化させることにより、超音波式傾斜計測装置が設置された環境の風速に応じた雑音除去を行うことができる。したがって、フィルタリング処理を施した遅延時間差Δτに基づいて雑音成分の影響を抑えたより誤差の小さい傾斜角度を算出でき、傾斜角度の検出精度を向上させることが可能となる。

実施の形態５．
本発明の実施の形態５では、フィルタ定数設定部７が、遅延時間差Δτのばらつき量に応じてフィルタ定数を選定する場合を説明する。すなわち、ばらつき量を使用条件のパラメータとし、ばらつき量に応じてフィルタの通過帯域幅を可変とするものである。図１３は、本発明の実施の形態５における超音波式傾斜計測装置の構成図である。実施の形態１の構成図である図１と同一の構成要素には、同一の符号が付されており、説明は省略する。

図１３において、ばらつき量検出部１１は、信号処理部５から遅延時間差Δτの時系列データを読み込み、ばらつき量σを算出する。このばらつき量に関しては、後述する。フィルタ定数設定部７は、ばらつき量検出部１１からばらつき量σを読み込む。フィルタ定数設定部７は、記憶部（図示せず）を有しており、記憶部には、ばらつき量σをパラメータとしてこのパラメータと関連づけられた通過帯域幅に関するデータがあらかじめ記憶されている。フィルタ定数設定部７は、ばらつき量検出部１１から読み込んだばらつき量σに対応する通過帯域幅を記憶部から取り出して、フィルタ処理部６に出力することとなる。

図１４は、本発明の実施の形態５におけるばらつき量σとフィルタの通過帯域幅Δｆとの関係を模式的に表した図である。図１４では、例えば、ばらつき量σがσ１≦σ＜σ２のとき、フィルタの通過帯域幅ΔｆはΔｆ＝ｆ１となることを示している。ここでばらつき量σは、遅延時間差Δτの時系列データから、例えば、次のようにして求めることができる。

図１５は、本発明の実施の形態５におけるばらつき量検出部１１に入力される遅延時間差Δτの時系列データを示した図である。図１５（ａ）は、図６と同一のものであり、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）の高速移動部分を拡大したものである。ばらつき量検出部１１は、時系列データの中から、あらかじめ決められた範囲内の周期で変動するデータ列を抽出する。そして、抽出したデータ列から最大値、最小値を取り出してその差分を変動量として抽出する。

図１５（ｂ）は、抽出された変動周期と変動量を示している。ばらつき量検出部１１は、時系列データからリップル成分が重畳して変動している部分を抽出することにより、変動量を求めることができる。変動量の算出にあたっては、複数の結果を平均して求めることも可能である。

このようにして求まった変動量をばらつき量σと定めることができる。ばらつき量σが小さい場合には、遅延時間差Δτに重畳している雑音成分は小さいと考えら、逆にばらつき量σが大きい場合には、遅延時間差Δτに重畳している雑音成分は大きいと考えられる。

したがって、ばらつき量σが小さい場合には、通過帯域幅を狭くしても十分に雑音成分を除去することができると予想される。一方、ばらつき量σが大きい場合には、帯域幅を広くすることで、雑音成分を除去することができると予想される。したがって、図１４は、ばらつき量σが大きいほど通過帯域幅の周波数が高くなる関係を示している。

図１４では、ばらつき量を５つの区間に分割しているが、分割する区間は５つより少なくても、多くてもよい。また、区間に分割することなく、ばらつき量の変化に応じて、あるあらかじめ決められた関数を用いて通過帯域幅を変化させても構わない。

フィルタ定数設定部７は、図１４に示したようなばらつき量と通過帯域幅との関係を記憶部にあらかじめ蓄えておくことにより、読み込んだばらつき量に対応する通過帯域幅を記憶部から取り出すことができる。

実施の形態５によれば、ばらつき量の変化に対応して、フィルタの通過帯域幅を変化させることにより、遅延時間差の時系列データのばらつき量に応じた雑音除去を行うことができる。時系列データの変動周期からばらつき量を求めており、実際に重畳している雑音成分に適したフィルタリング処理が実現できる。したがって、フィルタリング処理を施した遅延時間差Δτに基づいて雑音成分の影響を抑えたより誤差の小さい傾斜角度を算出でき、傾斜角度の検出精度を向上させることが可能となる。

なお、上述の実施の形態１〜５の説明においては遅延時間差の時系列データに対して雑音成分を除去する場合について説明したが、これに限定されない。位相差の時系列データに対しても全く同様にして雑音成分を除去することが可能である。

また、超音波センサ１ａ、１ｂは送信センサと受信センサが一体のものとしているが、これに限定されるものではない。送信センサと受信センサが別体のものを設けてもよい。

また、超音波センサ１ａ、１ｂを搭載した移動体が移動する場合を説明したが、これに限定されない。超音波センサ１ａ、１ｂが移動せずに、測定対象物が移動する場合にも同様に適用可能である。

また、使用条件は、１つに限定されず、複数の使用条件を考慮することも可能である。相互に影響を及ぼす複数の使用条件を加味して、複数の使用条件に関連づけた通過帯域幅のデータをフィルタ定数部の記憶部にあらかじめ蓄えておくことにより、時々刻々と変化する複数の使用条件に適したフィルタ定数の設定が可能となる。

超音波を用いた傾斜角度算出原理の説明図である。 位相差Δφに関する説明図である。 基準信号を用いた位相差の算出に関する説明図である。 本発明の実施の形態１に係る超音波式傾斜計測装置の構成図である。 本発明の実施の形態１において雑音成分がない場合の遅延時間差の時系列データを示した図である。 本発明の実施の形態１において雑音成分がある場合の遅延時間差の時系列データを示した図である。 本発明の実施の形態２における超音波式傾斜計測装置の構成図である。 本発明の実施の形態２における移動速度ｖとフィルタの通過帯域幅Δｆとの関係を模式的に表した図である。 本発明の実施の形態３における超音波式傾斜計測装置の構成図である。 本発明の実施の形態３における反射強度ｒとフィルタの通過帯域幅Δｆとの関係を模式的に表した図である。 本発明の実施の形態４における超音波式傾斜計測装置の構成図である。 本発明の実施の形態４における風速ｕとフィルタの通過帯域幅Δｆとの関係を模式的に表した図である。 本発明の実施の形態５における超音波式傾斜計測装置の構成図である。 本発明の実施の形態５におけるばらつき量σとフィルタの通過帯域幅Δｆとの関係を模式的に表した図である。 本発明の実施の形態５におけるばらつき量検出部に入力される遅延時間差Δτの時系列データを示した図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ 超音波センサ、５ 信号処理部、６ フィルタ処理部、７ フィルタ定数設定部、８ 傾斜角演算部、１１ ばらつき量検出部。

Claims (5)

1. 超音波を定期的に送信し、対象物に反射した超音波を受信して電気信号に変換する複数の超音波センサと、
   前記複数の超音波センサからの電気信号の遅延時間差あるいは位相差を定期的に算出して時系列データを出力する信号処理部と、
   前記遅延時間差あるいは前記位相差の時系列データに対して、通過帯域幅を用いてフィルタリング処理を施すフィルタ処理部と、
   前記複数の超音波センサの使用条件に関するデータと関連づけられた通過帯域幅をあらかじめ蓄積した記憶部を有し、前記使用条件に関するデータに対応する前記通過帯域幅を前記記憶部から抽出して前記フィルタ処理部に出力するフィルタ定数設定部と、
   前記フィルタ処理部によりフィルタリング処理された前記遅延時間差あるいは前記位相差を用いて、前記複数の超音波センサに対する前記対象物の傾斜角度を算出する傾斜角演算部と
   を備えた超音波式傾斜計測装置。
2. 請求項１に記載の超音波式傾斜計測装置において、
   前記記憶部は、前記複数の超音波センサが移動しながら前記対象物の傾斜角度を算出するときは、前記複数の超音波センサの移動速度データを前記使用条件に関するデータとして、前記移動速度データと関連づけられた通過帯域幅をあらかじめ蓄積し、
   前記フィルタ定数設定部は、前記複数の超音波センサの移動速度データを取り込み、前記移動速度データに対応する前記通過帯域幅を前記記憶部から抽出する
   ことを特徴とする超音波式傾斜計測装置。
3. 請求項１に記載の超音波式傾斜計測装置において、
   前記信号処理部は、前記電気信号の振幅から前記複数の超音波センサの受信信号の反射強度データを算出し、
   前記記憶部は、前記複数の超音波センサの受信信号の反射強度データを前記使用条件に関するデータとして、前記反射強度データと関連づけられた通過帯域幅をあらかじめ蓄積し、
   前記フィルタ定数設定部は、前記反射強度データを前記信号処理部から取り込み、前記反射強度データに対応する前記通過帯域幅を前記記憶部から抽出する
   ことを特徴とする超音波式傾斜計測装置。
4. 請求項１に記載の超音波式傾斜計測装置において、
   前記記憶部は、前記複数の超音波センサの設置環境における風速データを前記使用条件に関するデータとして、前記風速データと関連づけられた通過帯域幅をあらかじめ蓄積し、
   前記フィルタ定数設定部は、前記風速データを取り込み、前記風速データに対応する前記通過帯域幅を前記記憶部から抽出する
   ことを特徴とする超音波式傾斜計測装置。
5. 請求項１に記載の超音波式傾斜計測装置において、
   前記信号処理部から前記遅延時間差あるいは前記位相差の時系列データを受け取り、あらかじめ決められた範囲内の周期で変動するデータ列を前記時系列データから抽出して、前記データ列に含まれるデータのばらつき量を算出するばらつき量検出部をさらに有し、
   前記記憶部は、前記ばらつき量を前記使用条件に関するデータとして、前記ばらつき量と関連づけられた通過帯域幅をあらかじめ蓄積し、
   前記フィルタ定数設定部は、前記ばらつき量を前記ばらつき量検出部から取り込み、前記ばらつき量に対応する前記通過帯域幅を前記記憶部から抽出する
   ことを特徴とする超音波式傾斜計測装置。

Images