JP2010185706A

JP2010185706A - 超音波センサシステム

Info

Publication number: JP2010185706A
Application number: JP2009028673A
Authority: JP
Inventors: Ikuo Iizuka; 育生飯塚; Shigeru Ouchi; 茂大内
Original assignee: COSMO BRAIN KK; Institute of National Colleges of Technologies Japan
Current assignee: COSMO BRAIN KK; Institute of National Colleges of Technologies Japan
Priority date: 2009-02-10
Filing date: 2009-02-10
Publication date: 2010-08-26

Abstract

【課題】物体の有無を検出する超音波レーダーは従来包絡線検波が使われ、伝搬距離が２０ｍも離れると音響ノイズに信号が埋もれて検出できなかったが、伝搬距離が延び超音波信号と音響ノイズが同等となっても，超音波信号を検出する。
【解決手段】超音波発振子はその共振周波数で最も効率よく振動し，受信素子も同じ周波数で感度が最高になる。その共振周波数近傍のパルスで発振素子を駆動し，受信素子の出力をバンドパス増幅器に通した後，しきい値処理をして単極性パルスに変換する。そして個々のパルス間隔を調べ、送信パルスと同じであれば暫定的に信号有りと判定する。逐次受信したパルス間隔が連続してＭ回信号有りと暫定的に判定されたとき、最終的に信号有りと判定する。さらに，最終的に信号有りと判定した後，パルス周期が送信パルス周期と異なる事象がＮ回連続発生したとき信号無しと判定するようにして，音響ノイズからの分離を図った。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波を送波し、検出対象からの反射波を受信して、その検出対象の存在を検知する超音波センサシステムである。

従来より測距対象との距離を計測する超音波距離センサが実用化され、さらに教材としても普及している。しかし、距離センサとしての有効範囲は数ｍ程度が限度であり、１０ｍ以上の距離を計測し、騒音環境下で信頼性のある超音波距離センサは実現されていない。

超音波を送波し、検出対象からの反射波を受信して前記検出対象の存在を検知する超音波センサシステムにおいて、検出対象からの反射波を受ける受信素子の信号には音響ノイズが含まれており、単に包絡線検波したのでは反射波と雑音の区別ができなかった。これは、検出対象が１０ｍも離れると超音波の反射信号が著しく減衰し、風の音や物がこすれる音などの背景ノイズと同等になり、いくら増幅しても反射波だけを取り出すことができないことによる。

また、検出対象が車輌などのように送信素子と受信素子の前を通過する場合、複数個の超音波バーストを連続して照射し、その反射波を受けると、１個か２個の超音波バーストに対して反射波と判定しない場合があり、１台の車輌を２台以上の車輌と誤検出する場合があった。

本発明は、超音波を送波し、検出対象からの反射波を受信して、その検出対象の存在を検知する超音波センサシステムにおいて、検知範囲を１０ｍ以上とするための検波方式を提供することを目的とする。

上記従来の問題点を解決するために本発明の超音波センサシステムでは、超音波を送波し、検出対象からの反射波を受信して、その検出対象の存在を検知する超音波センサシステムであって、前記検出対象に超音波を送信する送信素子と、前記送信素子に駆動信号を出力する駆動回路と、前記検出対象からの反射波を受信する受信素子と、前記受信素子からの信号を増幅する増幅回路と、前記増幅回路からの信号のうち、前記送信素子が発する超音波の周波数帯域のみを増幅するＢＰＦと、前記ＢＰＦからの信号が正のとき論理１、負のとき論理０を出力するコンパレータと、前記駆動回路へ論理信号を出力し、同時に前記コンパレータからの論理信号を入力する信号処理回路を備え、前記コンパレータからの入力信号のパルス列の周期を観測し、前記駆動回路に出力した論理信号のパルス周期と比較して、周期誤差が±ｎ単位時間以内という事象がＭ回連続して発生したとき、反射波と判定するようにした。さらに、パルス列を反射波と一旦判定した後は周期誤差が±ｎ単位時間を超える事象がＮ回まで続かない場合は直ちに反射波ではないと判定しないで、やはり反射波と見なし、Ｎ回を越えると直ちに反射波ではないと判定する前記信号処理回路を設けた。

さらに、反射波と判定した超音波バーストが継続して受信されているが、１個か２個分の時間だけ超音波バーストで連続が受信されない場合も、それらを連続するバースト列と見なせるように補間する機能を前記信号処理回路に設けた。

前記送信素子と受信素子は圧電体で構成されているので、その固有周波数のパルスを加えたとき最も高い振幅の超音波を発生させ、かつ受信感度も高い。そこで前記固有周波数のパルスを２Ｍ個以上続けてバースト状に送信素子に加えると、超音波が送出され、反射波を受ける前記受信素子の出力も同じ周波数の振動波形が現れる。ただ、検出対象が動くとドップラー効果により周期変動が生じる。この周期変動より大きいｎクロック時間を受信パルス列周期の許容幅にしているので、反射波として検出でき、雑音のようなそれ以外の周期信号とかランダムな信号は除去できる。たまたま反射波と同じ周期の雑音が数回続いても、Ｍ回連続する確率は低い。また、反射波と判定している最中に雑音が混入して周期が乱れても、Ｎ回以下ならば反応しない。

検出対象が走行中の車輌で、車輌の形状により超音波の反射方向が瞬間的にずれて、超音波バーストの反射波が欠落し、連続する反射波が２つに分割して判定されてしまうことを回避する。

請求項１に記載の発明によれば、反射波の検出に振幅情報を用いていないので、増幅回路の増幅率を飽和領域まで上げることができ、その結果、検出範囲を拡大することができる。

請求項２に記載の発明によれば、１台の車輌であっても、その形状で反射波が途切れて２台の車輌と誤判定することを防ぐ。

本発明の請求項１、２に係わる実施例の構成図超音波による検出法を説明する時間波形の例信号処理回路の中の周期検出回路の実施例の構成図信号処理回路の中の保護回路の実施例の構成図信号処理回路の中の補間回路の実施例の構成図信号処理回路の中の周期検出回路の実施例の動作を説明する波形の例信号処理回路の中の保護回路の動作を表す状態遷移図信号処理回路の中の補間回路の動作を説明する波形の例

以下、本発明の詳細について実施例とともに説明する。図１は本発明の超音波センサシステムの実施例の構成図である。図１において検出対象１に対して、送信素子２から中心周波数ｆｃの超音波１５を発する。前記検出対象１で反射した超音波１６は受信素子４で電気信号の受信信号１２に変換され、増幅回路５で増幅され、帯域通過フィルタであるＢＰＦ６で中心周波数ｆｃ近傍の周波数成分だけが増幅され、帯域外雑音を除去した受信信号１３に変換され、最後にコンパレータ７で正のときは論理１、負のときは論理０とする論理信号１４に変換された後、信号処理回路８に加えられる。前記信号処理回路８は駆動論理信号１１を駆動回路３に加え、前記駆動回路３で駆動信号１０に変換した後、前記送信素子２に加えられる。前記信号処理回路８は前記周波数ｆｃの整数倍の周波数のクロック９０を生成する発振器８０を持ち、分周カウンタ８１で周波数ｆｃの論理値をとる周期信号９１を生成する。同時に前記周期信号９１を更に分周してバースト周期信号９５を出力する。バースト生成回路８２は前記周期信号９１と前記バースト周期信号９５を入力して前記駆動論理信号１１を出力する。周期検出回路８３は前記クロック９０と前記論理信号１４を入力して、前記周波数ｆｃに対する前記論理信号１４の周期誤差信号９２を出力する。判定回路８４は前記周期誤差信号９２の絶対値から定数ｎを減算し、結果が負のときは論理１、正のときは論理０とする判定信号９３を保護回路８５に出力し、前記保護回路８５は確定出力９４を補間回路８６に出力する。前記補間回路８６は確定出力９４を前記バースト周期信号９５のタイミングで取り込み、最終出力９６を出力する。

前記周期検出回路８３の構成例を図３に示す。カウンタ８３１の状態出力をラッチ８３２に入力し、前記ラッチ８３２の出力を減算器８３３の正入力に加える。一方、超音波の周期に相当する定数Ｔを前記減算器の負入力に加え、演算結果を前記周期誤差信号９２として出力する。なお、前記カウンタ８３１と前記ラッチ８３２には前記クロック９０がクロック信号として加えられ、前記論理信号１４が前記カウンタ８３１にはリセット信号として、また前記ラッチ８３２にはラッチイネーブル信号として加えられている。

前記保護回路８５の構成例を図４に示す。Ｍ進カウンタ８５１とＮ進カウンタ８５２とＳＲフリップフロップ８５３で構成され、前記論理信号１４の立ち上がり時に前記判定信号９３が論理１であれば、前記Ｍ進カウンタ８５１を１だけ増加し、前記論理信号１４の立ち上がり時に前記判定信号９３が論理０であれば、前記Ｎ進カウンタ８５２を１だけ増加する。前記Ｍ進カウンタのキャリー出力は前記ＳＲフリップフロップのセット入力と前記Ｎ進カウンタ８５２のリセット入力に接続されている。前記Ｎ進カウンタのキャリー出力は前記ＳＲフリップフロップのリセット入力と前記Ｍ進カウンタ８５１のリセット入力に接続されている。前記ＳＲフリップフロップ８５３の出力が前記保護回路８５の前記確定出力９４となっている。

前記補間回路８６の構成例を図５に示す。前記確定出力９４を３段のシフトレジスタの初段８６１に入力し、前記バースト周期信号９５の立ち上がりをシフトクロックとして入力する。前記シフトレジスタの初段８６１の出力と前記シフトレジスタの３段目８６３の出力の論理積８６４をとった後、前記シフトレジスタの２段目８６２の出力と論理和８６５をとり、前記論理和８６５の出力を前記シフトレジスタの３段目８６３に入力する。

以下、このように構成された本実施例の動作について説明する。前記駆動回路３から前記コンパレータ７までのアナログ部分の動作は図２に示すように、前記送信素子２と前記受信素子４の固有周波数ｆｃの矩形波をバースト周期で間欠的にした前記駆動論理信号１１を前記信号処理回路８で生成して、前記駆動回路３に出力し、前記駆動回路３は平衡信号である前記駆動信号１０に変換して前記送信素子２に加える。前記送信素子２で発生した前記超音波１５は前記検出対象１で反射して、前記受信素子４で電気信号の前記受信信号１２に変換され、前記増幅器５と前記ＢＰＦ６で増幅される。前記ＢＰＦ６で周波数ｆｃ以外の周波数成分を抑圧するので前記送信素子２で発生した超音波のみが通過する。このため、前記受信信号１３は正弦波状の波形となる。前記信号処理回路８では位相情報だけを使うので、前記増幅器５は増幅率を上げて非線形となっても構わない。さて、前記受信信号１３はコンパレータ７で振幅が正のとき論理１、負のとき論理０に変換されて、前記信号処理回路８に出力される。

検波動作はディジタル回路の前記信号処理回路８で行う。ｆｃ＝４０ｋＨｚ、前記発振器８０のクロック周波数を１ＭＨｚとする。前記周期検出回路８３はカウンタ８３１とラッチ８３２、減算器８３３で構成し、前記クロック９０が前記カウンタ８３１とラッチ８３２のクロック入力に接続され、前記論理信号１４が前記カウンタ８３１にはリセット信号として、また前記ラッチ８３２にはトリガとして入力されている。前記減算器８３３には前記ラッチ８３２の値を定数Ｔ＝２４で引き算するように信号が入力され、その結果が前記周期誤差信号９２として出力される。なお、前記カウンタ８３１は前記クロック９０の立ち上がりで０から３１まで増加し、その後は変化しないカウンタである。今、図６に示すような正常な反射波が入力され、その周期が２５μ秒であった場合、前記カウンタ８３１が２４という状態の時に前記論理信号１４が論理０から論理１に変化するので前記カウンタ８３１は状態０にリセットされると共に、ラッチ８３２は２４という値を保持する。その結果、前記周期誤差信号９２は０という値を出力する。次に、異常な信号である周期が２８μ秒の前記論理信号１４が入力された場合、前記カウンタ８３１の状態は２７となり、前記周期誤差信号９２は３という値を出力する。このようにして、正常な反射波が入力されると前記周期検出回路８３が出力する前記周期誤差信号９２は高々−１から＋１の値を出力する。実際にはドップラー効果も考慮して−ｎから＋ｎまでは正しい反射波であると判定するために、前記判定回路８４で前記周期誤差信号９２の絶対値から定数ｎを減算し、その結果が負であれば、その１周期は正常な反射波であると判定して論理１の前記判定信号９３を出力する。

１周期だけを観測して正常な反射波であると判定する事は信頼性が低いので、前記保護回路８５で判定の信頼性を上げる。その動作を図７の状態遷移図を用いて説明する。状態は２つあって、１つは前記検出対象１が存在しないと判断している状態８５００であり、論理０を出力する。他の１つは前記検出対象１が存在していると判断している状態８５０１で、論理１を出力する。電源投入時の初期状態は状態８５００とする。連続するＭ個の周期すべてについて前記判定信号９３が論理１であるとき、状態８５０１に移る。そうでないときは状態８５００に留まる。状態８５０１にあって、連続するＮ個の周期すべてについて前記判定信号９３が論理０であるとき、状態８５００に移る。また状態８５０１にあって、高々（Ｎ−１）個の連続する周期について前記判定信号９３が論理０であるときは前記状態８５０１に留まる。なお、図４の実施例では競合カウンタ形式の回路であるので、前記判定信号９３の論理１が先にＭ個発生したときに状態８５０１に移る。状態８５０１のときは反射波があると判断していることを示す。

請求項２に係わる本発明の実施例について説明する。車輌の通過台数を調べる場合、図２に示すような超音波バーストを生成し、送信休止区間に反射波が観測されたら、車輌が存在していると判断する。そして幾つかの超音波バーストについて連続して反射波が観測された場合は１台の車輌と見なす。その後、幾つかの超音波バーストについて連続して反射波が観測されず、再度幾つかの超音波バーストについて連続して反射波が観測される場合、次の車輌が通過したと見なす。以上のようにして車輌の通過台数を計測する場合、図８に示すように超音波バーストの反射波が１つでも欠落すると、本来１台の車輌が２台に計数されてしまう。そこで、前記補間回路８６にて欠落が１バースト分に限られるとき、その欠落を補間する。その動作を図５に示す回路で説明する。前記バースト周期信号９５の立ち上がりをシフトクロックとし、前記確定出力９４をデータとして取りこむのでバースト区間毎に反射波の有無がシフトレジスタに格納される。１バーストの欠落の場合、フリップフロップ８６２の前後のフリップフロップ８６１と８６３が論理１となるので、このときフリップフロップ８６２の出力は強制的に論理１になる。なお、欠落を２バーストまで許容する場合は前記補間回路８６のシフトレジスタを４段に設定すればよい。

以上の発明によれば、検出対象が１０ｍ程度まで離れて、かつ騒音があっても、その反射を検出できるので交通量計測装置のセンサに組み込み、路側帯、あるいは歩道にセンサをおいて車輌の通行量を計測できる。

１検出対象
２超音波の送信素子
３駆動回路
４超音波の受信素子
５増幅器
６ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）
７コンパレータ
８信号処理回路
１０駆動波形
１１駆動論理信号
１２受信信号
１３帯域外雑音を除去した受信信号
１４論理信号
１５送信超音波
１６反射超音波
８０発振器
８１分周カウンタ
８２バースト生成回路
８３周期検出回路
８４判定回路
８５保護回路
８６補間回路
９０クロック
９１周期信号
９２周期誤差信号
９３判定信号
９４確定出力
９５バースト周期信号
９６最終出力

Claims

超音波を送波し検出対象からの反射波を受信して、前記検出対象の存在を検知する超音波センサシステムであって、前記検出対象に超音波を送信する送信素子と、前記送信素子に駆動信号を出力する駆動回路と、前記検出対象からの反射波を受信する受信素子と、前記受信素子からの信号を増幅する増幅回路と、前記増幅回路からの信号のうち、前記送信素子が発する超音波の周波数帯域のみを増幅するＢＰＦと、前記ＢＰＦからの信号が正の半サイクルのとき論理１、負の半サイクルのとき論理０を出力するコンパレータと、前記駆動回路へ論理信号を出力し、同時に前記ＢＰＦからの論理信号を入力する信号処理回路を備え、前記信号処理回路において前記コンパレータからの入力信号の周期が前記駆動回路への出力信号の周期に比べ誤差が±ｎクロック時間以内という事象がＭ回連続したとき反射波であると判定し、さらに一旦反射波であると判定した後は、周期誤差が±ｎクロック時間を超える事象がＮ回連続して初めて反射波でないと判定するようにしたことを特徴とする超音波センサシステム。ただし、数値ｎ、ＭおよびＮは適切に定める自然数である。
検出対象が移動体であって、送信素子と受信素子の前を通過する間に複数の超音波バーストを反射する場合、反射波の判定が１または２バースト分欠落していても、前後の判定結果から反射波の判定が連続するように補間して、前記移動体は一体であると見なすようにしたことを特徴とする請求項１記載の超音波センサシステム。