JP5939837B2 - Distance measuring method and distance measuring system - Google Patents
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Description
本発明は、距離測定方法及び距離測定システムに関し、より詳しくは相互相関値の計算に基づいて距離を測定する距離測定方法及び距離測定システムに関する。 The present invention relates to a distance measuring method and a distance measuring system, and more particularly to a distance measuring method and a distance measuring system for measuring a distance based on calculation of a cross-correlation value.
従来より、超音波を用いた距離測定方法が知られている。この方法では、既知の超音波の伝播速度と、距離を測定するために送受信した超音波の受信器における到達時刻とに基づいて、送信器と受信器との間の距離を測定する。すなわち、送受信器との間の超音波の伝搬時間により距離を測定するため、この方法において距離の測定精度を高めるには、受信器における超音波の到達時刻を高精度で特定することが必要となる。 Conventionally, a distance measurement method using ultrasonic waves is known. In this method, the distance between the transmitter and the receiver is measured based on the propagation speed of the known ultrasonic wave and the arrival time of the ultrasonic wave transmitted and received to measure the distance at the receiver. That is, since the distance is measured by the propagation time of the ultrasonic wave between the transmitter and the receiver, in order to increase the distance measurement accuracy in this method, it is necessary to specify the arrival time of the ultrasonic wave at the receiver with high accuracy. Become.
超音波の到達時刻を精度良く特定するための方法の１つとして、相互相関値の計算に基づく方法が知られている。この方法では、測定のために送受信した測定波の形状と、予め測定しておいた参照波の形状とを比較し、これら測定波と参照波の位相が一致する時刻から、測定波の到達時刻を特定する。ここで、２つの波の位相が一致する時刻は、測定波の波形形状と参照波の波形形状との相関値の最大値を検索することにより特定される（特許文献１参照）。この方法によれば、波形形状のみにより到達時刻を特定できるため、送信器や受信器などの特性による位相遅延の影響が小さい、という利点がある。 A method based on the calculation of a cross-correlation value is known as one of methods for accurately identifying the arrival time of ultrasonic waves. In this method, the shape of the measurement wave transmitted and received for measurement is compared with the shape of the reference wave measured in advance, and the arrival time of the measurement wave is calculated from the time when the phase of the measurement wave and the reference wave match. Is identified. Here, the time at which the phases of the two waves coincide is specified by searching for the maximum correlation value between the waveform shape of the measurement wave and the waveform shape of the reference wave (see Patent Document 1). According to this method, since the arrival time can be specified only by the waveform shape, there is an advantage that the influence of the phase delay due to the characteristics of the transmitter and the receiver is small.
しかしながら、ノイズ等の影響によって波形形状に乱れが生じた場合に、測定波の波形形状の振幅の大小が少ないと、測定波の波形形状と参照波の波形形状との相関値の最大値を検索することが困難になるため、測定波の波形形状と参照波の波形形状との相関値の最大値に誤差が生じ易くなる。具体的には、例えば、図２の（ａ）に示すような測定波の波形形状の場合、ノイズが発生すると振幅が最大となる時間的位置が明確ではなく、振幅が最大となる時間的位置の相関を正しく算出することは容易でない。
そのため、誤差が生じた相関値の最大値に基づいて距離を測定するため、正確な距離を測定することが困難であった。
However, when the waveform shape is disturbed due to noise or other factors, if the amplitude of the waveform shape of the measurement wave is small, the maximum correlation value between the waveform shape of the measurement wave and the waveform shape of the reference wave is searched. Therefore, an error is likely to occur in the maximum correlation value between the waveform shape of the measurement wave and the waveform shape of the reference wave. Specifically, for example, in the case of the waveform shape of the measurement wave as shown in FIG. 2A, the temporal position where the amplitude becomes maximum when noise occurs is not clear, and the temporal position where the amplitude becomes maximum. It is not easy to calculate the correlation correctly.
Therefore, since the distance is measured based on the maximum correlation value in which an error has occurred, it has been difficult to measure an accurate distance.
そこで、本発明は、相互相関値の計算に基づいて距離を測定する距離測定方法及び距離測定システムであって、送信する超音波の波形形状を相互相関時の相関値に相違点が表れやすい波形とし、距離測定の精度を高める距離測定方法及び距離測定システムを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention is a distance measuring method and distance measuring system for measuring a distance based on the calculation of a cross-correlation value, and a waveform in which a difference easily appears in the correlation value at the time of cross-correlation between the waveform shapes of ultrasonic waves to be transmitted. An object of the present invention is to provide a distance measurement method and a distance measurement system that improve the accuracy of distance measurement.
（１）超音波を送信する送信器（例えば、後述の送信器２）と、当該送信器から送信された超音波を受信する受信器（例えば、後述の受信機３）と、前記送信器から超音波を前記受信器に向けて送信するために、所定の波形形状の波形データを変調信号としてキャリア波データを振幅変調した送信波形データを生成する距離測定装置（例えば、後述の距離測定装置５）と、を備えた距離測定システムにおいて、相互相関値の計算に基づいて距離を測定する距離測定方法であって、
前記送信器及び前記受信器により超音波である参照波を送受信し、前記受信器で受信した参照波について標本データ（例えば、後述の標本データＦ［ｉ］）を作成する準備工程（例えば、後述の工程Ｓ１）と、
前記送信器及び前記受信器により超音波である測定波を送受信し、前記受信器で受信した測定波について測定データ（例えば、後述の測定データｇ［ｍ］）を作成する測定工程（例えば、後述の工程Ｓ２）と、
前記測定データと前記標本データの相対位置をずらしながら、これらのデータの相互相関値のピークを検索し、当該相互相関値が最大となる前記標本データの相対位置を特定するピーク検索工程（例えば、後述の工程Ｓ３２）と、
前記ピーク検索工程で特定された相対位置に基づいて算出される時間に基づいて距離を算出する距離算出工程（例えば、後述の工程Ｓ３３）と、を含み、
前記準備工程及び前記測定工程は、いずれも前記送信器に対して、
最初に前記送信波形データを正位相で送信し、続けて前記送信波形データを逆位相で送信し、更に続けて前記送信波形データを正位相で送信する超音波生成工程（例えば、後述の工程Ｓ１１１、１１２、１１３、１１４、１１５）を含み、
３つのピークを有する波形データのうち、２つ目の波形を、１つ目の波形のピークと２つ目の波形のピークとの間のくびれの部分から２つ目の波形のピークと３つ目の波形のピークとの間のくびれの部分までをウィンドウとしてデータを切り出すことを特徴とする距離測定方法。
(1) A transmitter that transmits ultrasonic waves (for example, a
A preparation step (for example, described later) that transmits and receives a reference wave that is an ultrasonic wave by the transmitter and the receiver and generates sample data (for example, sample data F [i] to be described later) for the reference wave received by the receiver. Step S1) of
A measurement step (for example, described later) that transmits / receives measurement waves that are ultrasonic waves by the transmitter and the receiver and creates measurement data (for example, measurement data g [m] described later) for the measurement waves received by the receiver. Step S2) of
While shifting the relative positions of the measurement data and the sample data, search for the peak of the cross-correlation value of these data, and specify the relative position of the sample data where the cross-correlation value is the maximum (for example, Step S32) described later,
A distance calculation step (for example, step S33 described later) for calculating a distance based on the time calculated based on the relative position specified in the peak search step,
The preparation step and the measurement step are both for the transmitter.
First, the transmission waveform data is transmitted in the normal phase, the transmission waveform data is transmitted in the opposite phase, and then the transmission waveform data is transmitted in the positive phase (for example, step S111 described later). , only including the 112, 113, 114, and 115),
Of the waveform data having three peaks, the second waveform is divided into the second waveform peak and the third waveform peak from the constriction between the first waveform peak and the second waveform peak. A distance measuring method characterized in that data is cut out as a window up to a constriction between a peak of an eye waveform .
（１）の距離測定システムによれば、先ず準備工程では、所定の波形形状の波形データを変調信号としてキャリア波データを振幅変調した送信波形データに基づき送信器により超音波である参照波を送信し、受信器で受信した参照波について標本データを作成し、次に測定工程では、同じく所定の波形形状の波形データを変調信号としてキャリア波データを振幅変調した送信波形データに基づき送信器により超音波である測定波を送信し、受信器で受信した測定波について測定データを作成する。
次にピーク検索工程では、測定データと標本データの相対位置をずらしながら、これらのデータの相互相関値のピークを検索し、相互相関値が最大となる標本データの相対位置を特定し、次の距離算出工程では、ピーク検索工程で特定された相対位置に基づいて算出される時間に基づいて距離を算出する。
According to the distance measurement system of (1), first, in the preparation step, a reference wave that is an ultrasonic wave is transmitted by a transmitter based on transmission waveform data obtained by amplitude-modulating carrier wave data using waveform data having a predetermined waveform shape as a modulation signal. Then, sample data is created for the reference wave received by the receiver, and in the next measurement step, the transmitter waveform is supermodulated by the transmitter based on the transmission waveform data obtained by amplitude-modulating the carrier wave data using the waveform data of the predetermined waveform shape as a modulation signal. A measurement wave, which is a sound wave, is transmitted, and measurement data is created for the measurement wave received by the receiver.
Next, in the peak search process, while shifting the relative position of the measurement data and sample data, the peak of the cross-correlation value of these data is searched, the relative position of the sample data where the cross-correlation value is maximum is specified, and the next In the distance calculation step, the distance is calculated based on the time calculated based on the relative position specified in the peak search step.
ここで、本発明では、準備工程において参照波、及び測定工程において測定波として、それぞれ送信器によって発信される超音波は、いずれも送信器に対して、最初に送信波形データを正位相で送信し、続けて送信波形データを逆位相で送信し、更に続けて送信波形データを正位相で送信する超音波生成工程によって形成されている。
送信器に対して１つ目の正位相の送信波形データを送信し、続けて２つ目の逆位相の送信波形データを送信するため、送信器の超音波素子に残留している振動は逆向きの振動によって急激に抑制される。これにより、１つ目の超音波の波形はピーク後急激に振幅を小さくし、１つ目の超音波波形と２つ目の超音波波形との間にくびれを形成する。その後、更に正位相の（２つ目の逆位相の信号に対しては逆位相に相当する）３つ目の送信波形データを送信するため、送信器の超音波素子に残留している２つ目の波形の振動は、逆向きの振動によって急激に抑制される。これにより、同様に、２つ目の波形はピーク後急激に振幅を小さくし、２つ目の超音波波形と３つ目の超音波波形との間にくびれを形成する。
このように２つ目の波形は、ピークの前後にくびれを有し、波形の振幅の大小がはっきりと表れている。これによって、受信する超音波の波形に大小が強く出るため、相互相関時の相関値に差が出やすくなり、ノイズの影響を受け難くなり、距離測定の精度を高めることができる。
Here, in the present invention, each of the ultrasonic waves transmitted by the transmitter as a reference wave in the preparation process and as a measurement wave in the measurement process, first transmits transmission waveform data to the transmitter in a positive phase. Then, it is formed by an ultrasonic wave generation process in which transmission waveform data is continuously transmitted in the opposite phase and further transmitted waveform data is transmitted in the normal phase.
Since the transmission waveform data of the first normal phase is transmitted to the transmitter and the transmission waveform data of the second reverse phase is subsequently transmitted, the vibration remaining in the ultrasonic element of the transmitter is reversed. It is rapidly suppressed by the vibration of the direction. As a result, the amplitude of the first ultrasonic waveform rapidly decreases after the peak, and a constriction is formed between the first ultrasonic waveform and the second ultrasonic waveform. Thereafter, in order to transmit the third transmission waveform data having a further positive phase (corresponding to the opposite phase for the second opposite phase signal), the two remaining in the ultrasonic element of the transmitter The vibration of the eye waveform is rapidly suppressed by the reverse vibration. Thereby, similarly, the amplitude of the second waveform rapidly decreases after the peak, and a constriction is formed between the second ultrasonic waveform and the third ultrasonic waveform.
Thus, the second waveform has a constriction before and after the peak, and the amplitude of the waveform clearly appears. As a result, the magnitude of the waveform of the received ultrasonic wave appears strongly, so that a difference is easily generated in the correlation value at the time of cross-correlation, and it is difficult to be influenced by noise, and the accuracy of distance measurement can be improved.
（２）前記超音波生成工程において送信される１つ目の正位相の送信波形データと、２つ目の逆位相の送信波形データと、３つ目の正位相の送信波形データは、いずれも略正弦波形状の波形データであることを特徴とする請求項１に記載の距離測定方法。 (2) The first positive phase transmission waveform data, the second reverse phase transmission waveform data, and the third positive phase transmission waveform data transmitted in the ultrasonic wave generation step are all The distance measuring method according to claim 1, wherein the data is waveform data having a substantially sinusoidal shape.
（２）の距離測定方法によれば、送受信する超音波を生成する「基礎波形」として安定性が高いので送信器から送信される超音波波形の形状が安定し、距離測定の精度を高めることができる。 According to the distance measurement method of (2), since the stability is high as a “basic waveform” for generating ultrasonic waves to be transmitted and received, the shape of the ultrasonic waveform transmitted from the transmitter is stabilized, and the accuracy of distance measurement is increased. Can do.
（３）前記超音波生成工程において、前記１つ目の正位相の送信波形データを振幅最大部まで送信した時点で前記２つ目の逆位相の送信波形データの送信を開始し、前記２つ目の逆位相の送信波形データを振幅最大部まで送信した時点で前記３つ目の正位相の送信波形データの送信を開始することを特長とする請求項２に記載の距離測定方法。
(3) In the ultrasonic wave generation step, transmission of the second opposite-phase transmission waveform data is started when the first positive-phase transmission waveform data is transmitted to the maximum amplitude portion, and the two 3. The distance measuring method according to
（３）の距離測定方法によれば、超音波生成工程において、超音波の振幅が最大となった時点からそのときの超音波の振動と逆位相の送信波形データにより送信器の超音波素子の振動が強制的に抑制されるため、振幅が急激に小さくなり、くびれを有する超音波波形を効果的に形成することができる。これによって、距離測定の精度を更に高めることができる。 According to the distance measurement method of (3), in the ultrasonic wave generation process, from the time when the amplitude of the ultrasonic wave becomes maximum, the ultrasonic wave of the ultrasonic element of the transmitter is transmitted based on the transmission waveform data having the opposite phase to the vibration of the ultrasonic wave at that time. Since the vibration is forcibly suppressed, the amplitude is rapidly reduced, and an ultrasonic waveform having a constriction can be effectively formed. Thereby, the accuracy of distance measurement can be further increased.
（４）超音波を送信する送信器（例えば、後述の送信器２）と、当該送信器から送信された超音波を受信する受信器（例えば、後述の受信機３）と、前記送信器から超音波を前記受信器に向けて送信するために、所定の波形形状の波形データを変調信号としてキャリア波データを振幅変調した送信波形データを生成すると共に、相互相関値の計算に基づいて距離を測定する距離測定装置（例えば、後述の距離測定装置５）とを、備えた距離測定システム（例えば、後述の距離測定システム１）において、
前記距離測定システムは、更に、前記送信器及び前記受信器により超音波である参照波を送受信し、前記受信器で受信した参照波について標本データ（例えば、後述の標本データＦ［ｉ］）を作成すると共に、前記送信器及び前記受信器により超音波である測定波を送受信し、前記受信器で受信した測定波について測定データ（例えば、後述の測定データｇ［ｍ］）を作成する信号処理装置（例えば、後述の信号処理装置４）を備え、
前記距離測定装置は、前記測定データと前記標本データの相対位置をずらしながら、これらのデータの相互相関値のピークを検索し、当該相互相関値が最大となる前記標本データの相対位置を特定し、特定された相対位置に基づいて算出される時間に基づいて距離を算出するものであり、
前記距離測定装置は、更に、前記参照波及び前記測定波を生成するために、前記送信器に対して、最初に前記送信波形データを正位相で送信し、続けて前記送信波形データを逆位相で送信し、更に続けて前記送信波形データを正位相で送信し、
３つのピークを有する波形データのうち、２つ目の波形を、１つ目の波形のピークと２つ目の波形のピークとの間のくびれの部分から２つ目の波形のピークと３つ目の波形のピークとの間のくびれの部分までをウィンドウとしてデータを切り出すことを特徴とする距離測定システム。
(4) From a transmitter that transmits ultrasonic waves (for example, a
The distance measurement system further transmits / receives a reference wave, which is an ultrasonic wave, using the transmitter and the receiver, and obtains sample data (for example, sample data F [i] described later) for the reference wave received by the receiver. Signal processing for generating measurement data (for example, measurement data g [m] described later) for the measurement wave received by the receiver by transmitting and receiving measurement waves that are ultrasonic waves by the transmitter and the receiver A device (for example, a signal processing device 4 described later),
The distance measuring device searches for the peak of the cross-correlation value of these data while shifting the relative position of the measurement data and the sample data, and specifies the relative position of the sample data that maximizes the cross-correlation value. The distance is calculated based on the time calculated based on the specified relative position,
The distance measuring apparatus further transmits the transmission waveform data to the transmitter first in a normal phase and subsequently transmits the transmission waveform data in an opposite phase to generate the reference wave and the measurement wave. And then transmit the transmission waveform data in the positive phase .
Of the waveform data having three peaks, the second waveform is divided into the second waveform peak and the third waveform peak from the constriction between the first waveform peak and the second waveform peak. A distance measuring system that cuts out data as a window up to the constriction between the peak of the eye waveform .
（４）の距離測定システムによれば、（１）と同様の効果を得ることができる。 According to the distance measurement system of (4), the same effect as (1) can be obtained.
本発明によれば、相互相関値の計算に基づいて距離を測定する距離測定方法及び距離測定システムであって、送信する超音波の波形形状を相互相関時の相関値に相違点が表れやすい波形とし、距離測定の精度を高める距離測定方法及び距離測定システムを提供することができる。 According to the present invention, a distance measuring method and a distance measuring system for measuring a distance based on the calculation of a cross-correlation value, wherein the waveform shape of an ultrasonic wave to be transmitted is easily different from the correlation value at the time of cross-correlation. Thus, it is possible to provide a distance measurement method and a distance measurement system that improve the accuracy of distance measurement.
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る距離測定方法が適用された距離測定システム１の構成を示す模式図である。距離測定システム１は、超音波を送信する送信器２と、送信器２から送信された超音波を受信する受信器３と、波形データと電気信号の変換を行う信号処理装置４と、送信された波形データに基づいて各種演算を行う距離測定装置５と、を含んで構成される。この距離測定システム１は、送信器２から所定のタイミングで送信された超音波を受信器３で受信すると共に、距離測定装置５により受信器３における超音波の到達時刻を相互相関値の計算に基づいて特定し、この到達時刻と既知の超音波の伝播速度から送信器２と受信器３との間の距離を測定する。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a distance measuring system 1 to which the distance measuring method according to the present embodiment is applied. The distance measurement system 1 is transmitted with a
距離測定装置５は、所定のタイミングで所定の波形形状の波形データを記憶部から取り出し、その波形データを変調信号としてキャリア波データを振幅変調し送信波形データを生成し、生成された送信波形データを信号処理装置４に入力する。信号処理装置４は、入力を受け付けた波形形状信号を電気信号に変換して、電気信号を送信器２に入力する。
送信器２は、超音波素子を含み、信号処理装置４からの電気信号（送信波形データ信号）の入力を受け付けたことに応じて、電気信号を超音波に変換して、超音波を受信器３へ向けて送信する。
The
The
受信器３は、超音波センサであってよく、送信器２から送信された超音波を受信し、電気信号に変換し、電気信号を信号処理装置４に入力する。信号処理装置４は、入力を受け付けた電気信号を所定のサンプリング周波数でサンプリングすることによって当該電気信号に基づいて数値化した波形データを生成し、距離測定装置５に入力する。
距離測定装置５は、信号処理装置４から入力を受け付けた波形データに基づいて、後述の各種演算処理を行うことにより距離を算出する。
The
The
図２は、受信器で受信した超音波波形を示す図であり、図２（ａ）は従来の超音波波形であり、図２（ｂ）は本実施形態の超音波波形を示す。これらは、それぞれ、受信機３で受信した超音波から生成した波形データ（後述）をプロットしたものである。
図２（ａ）に示す従来の波形は、振幅が最大になる点を中心とした所定の幅の区間にわたってデータを切り出したウィンドウ内において、振幅の大小がはっきりしないため、ノイズの影響を受けやすい波形形状である。
これに対して、図２（ｂ）に示す本実施形態の超音波波形は、連続した３つのピークを有しており、それぞれのピークの間には、はっきりとした「くびれ」が形成されている。特に、中央のピークにおいて、波形形状の振幅の大小がはっきりと表れている。
後述の通り、中央のピーク、すなわち振幅が最大になる点を中心とした所定の幅の区間にわたってデータを切り出したウィンドウ内のデータを、準備工程に用いる参照波において標本データＦ［ｉ］として、測定工程に用いる測定波において測定データｇ［ｍ］として、それぞれ用いる。
図２（ｂ）に示す本実施形態の波形は、仮にノイズが混入した場合であっても、波形形状の振幅の大小がはっきりと表れているため、ノイズの影響を受け難く、相関関係を判断しやすい。
FIG. 2 is a diagram illustrating an ultrasonic waveform received by the receiver, FIG. 2A is a conventional ultrasonic waveform, and FIG. 2B is an ultrasonic waveform of the present embodiment. These are plots of waveform data (described later) generated from ultrasonic waves received by the
The conventional waveform shown in FIG. 2A is easily affected by noise because the amplitude is not clear in a window in which data is cut out over a section having a predetermined width centered on the point where the amplitude is maximum. Waveform shape.
On the other hand, the ultrasonic waveform of this embodiment shown in FIG. 2B has three continuous peaks, and a clear “neck” is formed between each peak. Yes. In particular, the amplitude of the waveform shape clearly appears at the central peak.
As will be described later, data in a window in which data is cut out over a section having a predetermined width centered on a central peak, that is, a point where the amplitude is maximum, is used as sample data F [i] in a reference wave used in the preparation process, Used as measurement data g [m] in the measurement wave used in the measurement process.
In the waveform of the present embodiment shown in FIG. 2B, even if noise is mixed, since the amplitude of the waveform shape clearly appears, it is difficult to be affected by noise, and the correlation is determined. It's easy to do.
図３は、本実施形態に係る送信超音波波形の生成原理を説明する図である。
前述の通り、距離測定装置５は、先ず所定の波形形状の波形データを変調信号として所定の周波数のキャリア波データを振幅変調して送信波形データを生成して、生成した送信波形データを信号処理装置４に入力する。信号処理装置４は、入力を受け付けた波形形状信号を電気信号に変換し、電気信号を送信器２に入力する。従って、送信器２に入力される波形データは、所定の波形形状の波形データに等しい。送信器２は、その電気信号（送信波形データに基づく）に従って超音波素子を振動させて超音波を送信する。
FIG. 3 is a diagram for explaining a generation principle of a transmission ultrasonic waveform according to the present embodiment.
As described above, the
所定の波形形状の波形データは、送受信する超音波を生成するための「基礎波形」に相当する。この所定の波形形状の波形データとしては、図３（ｂ）に示すような略正弦波形状の波形データであることが好ましい。
一方、キャリア波データの周波数は、受信機３の超音波センサの特性に合わせて設定してよく、本実施形態では４０ｋＨｚとしている。
The waveform data having a predetermined waveform shape corresponds to a “basic waveform” for generating ultrasonic waves to be transmitted and received. The waveform data having the predetermined waveform shape is preferably waveform data having a substantially sine wave shape as shown in FIG.
On the other hand, the frequency of the carrier wave data may be set according to the characteristics of the ultrasonic sensor of the
図３（ａ）に示す波形は、送信器２に図３（ｂ）に示す略正弦波形状の波形を１つ送信した場合に受信器３が受信する超音波の波形データを示す。前述の通り、送信器２に入力される波形データは、所定の波形形状の波形データ、すなわち、図３（ｂ）に示す略正弦波形状の波形データであるが、図３（ａ）に示す受信器３が受信する超音波の波形データは、図３（ｂ）に示す送信器２に入力された波形データと異なる波形になっている。すなわち、図３（ａ）の超音波の波形データの中央部において振幅の差が顕著に表れておらず、また、ピーク後の波形において振幅が残っている。
これは、送信器２の超音波素子の慣性の影響により振動が入力された波形データの急な変化に追従できないことが原因と考えられる。
The waveform shown in FIG. 3A shows ultrasonic waveform data received by the
This is considered due to the fact that it cannot follow a sudden change in waveform data to which vibration is input due to the influence of the inertia of the ultrasonic element of the
一方、図３（ｃ）に示す波形は、送信器２に図３（ｂ）に示す略正弦波形状の波形の送信波形データを２つ連続して送信したとき受信器３が受信する超音波の波形データを示す。１つ目の超音波が最大の振幅を示す時点で新たに同じ位相の送信波形データを送信器２に送信している。そのため、超音波素子の振動が増幅され２つ目の波形はさらに大きな振幅を示している。
On the other hand, the waveform shown in FIG. 3C is an ultrasonic wave received by the
図３（ｄ）に示す波形は、送信器２に図３（ｂ）に示す略正弦波形状の波形の送信波形データを最初に正位相、次に逆位相と位相を変えて２つ連続して送信したとき受信器３が受信する超音波の波形データを示す。１つ目の正位相の送信波形データによって超音波が最大の振幅を示す時点で新たに逆位相の送信波形データを送信器２に送信している。
２つ目の超音波は、１つ目の超音波とは逆位相であるため、送信器２の超音波素子に逆の振動が与えられて１つ目の超音波の振動は急激に抑制される。これにより、１つ目の波形はピーク後急激に振幅を小さくし、くびれを形成する。２つ目の波形は、ピーク後の波形において、図３（ａ）の波形と同様に、振幅が残っている。
The waveform shown in FIG. 3 (d) is continuously transmitted to the
Since the second ultrasonic wave has an opposite phase to the first ultrasonic wave, a reverse vibration is given to the ultrasonic element of the
図３（ｅ）に示す波形は、送信器２に図３（ｂ）に示す略正弦波形状の波形の送信波形データを、最初に正位相、次に逆位相、更に次に正位相と位相を変えて３つ連続して送信したとき受信器３が受信する超音波の波形データを示す。１つ目の正位相の送信波形データによって超音波が最大の振幅を示す時点ｈ２で新たに逆位相の２つ目の送信波形データを送信器２に送信する。２つ目の逆位相の送信波形データによって超音波が最大の振幅を示す時点ｈ４で新たに正位相（２つ目の送信波形データとは逆の位相）の３つ目の送信波形データを送信器２に送信する。
２つ目の超音波は、１つ目の超音波とは逆位相であるため、送信器２の超音波素子は逆の振動が与えられて１つ目の超音波の振動（ｈ１、ｈ２、ｈ３）は急激に抑制される。これにより、１つ目の波形はピーク（ｈ２）後急激に振幅を小さくし、くびれ（ｈ３）を形成する。その後、２つ目の波形は、速やかに波形の振幅を増大し、ピーク（ｈ４）に達する。ここで、３つ目の超音波は、２つ目の超音波とは逆位相であるため、送信器２の超音波素子に逆の振動が与えられて２つ目の超音波の振動は急激に抑制される。従って、同様に、２つ目の超音波（ｈ３、ｈ４、ｈ５）は、ピーク（ｈ４）後急激に振幅を小さくし、くびれ（ｈ５）を形成する。このように２つ目の波形は、ピーク（ｈ４）の前後にくびれ（ｈ３、ｈ５）を有し、波形の振幅の大小がはっきりと表れている。
The waveform shown in FIG. 3 (e) is transmitted from the
Since the second ultrasonic wave has an opposite phase to the first ultrasonic wave, the ultrasonic element of the
図４は、本実施形態に係る距離測定方法の手順を示すフローチャートの図である。
先ずＳ１では、Ｓ２及びＳ３に示す測定工程に先立つ準備工程として、相関用データを生成する。より具体的には、送信器２及び受信器３により超音波である参照波を送受信し、受信器３で受信した参照波に基づいて相関用データを生成する。ここで参照波を生成するために送信器２に送信する送信波形データとしては、図２（ｂ）に示すものを用いる。なお、相関用データ生成の詳細な手順については、図５及び図６を参照して後述する。
FIG. 4 is a flowchart showing the procedure of the distance measuring method according to this embodiment.
First, in S1, correlation data is generated as a preparation step prior to the measurement steps shown in S2 and S3. More specifically, the
Ｓ２では、送信器２及び受信器３により超音波である測定波を送受信し、受信器３で受信した測定波に基づいて測定データを生成する。ここで測定波を生成するために送信器２に送信する送信波形データとしては、Ｓ１において送受信される参照波を生成するために送信器２に送信する送信波形データと同じく、図２（ｂ）に示すものを用いる。なお、測定データ生成の詳細な手順については、図７を参照して後述する。
In S <b> 2, measurement waves that are ultrasonic waves are transmitted and received by the
Ｓ３では、Ｓ１で生成した相関用データ及びＳ２で生成した測定データに基づいて、送受信器間の距離を算出する。なお、送受信器間の距離算出の詳細な手順については、図８を参照して後述する。 In S3, the distance between the transceivers is calculated based on the correlation data generated in S1 and the measurement data generated in S2. The detailed procedure for calculating the distance between the transceivers will be described later with reference to FIG.
図５は、本実施形態に係る相関用データ生成の手順を示すフローチャートの図である。
Ｓ１１では、相関用データの元となる参照波を送信し、Ｓ１２に移る。このＳ１１では、具体的には、前述の通り、図３（ｂ）に示す略正弦波形状の波形の正位相の送信波形データ、逆位相の送信波形データ及び正位相の送信波形データを連続して信号処理装置４に入力し、信号処理装置４によって電気信号に変換して送信器２に入力する。送信器２は、入力された電気信号に基づき、参照波である超音波を送信する。
送信器２が送信する超音波の周波数は、用いられるキャリア波データの周波数に等しく、前述の通り、本実施形態においては４０ｋＨｚである。
以下、この処理（超音波生成工程）の手順について具体的に説明する。
FIG. 5 is a flowchart showing a procedure for generating correlation data according to the present embodiment.
In S11, a reference wave that is the source of the correlation data is transmitted, and the process proceeds to S12. Specifically, in S11, as described above, the normal phase transmission waveform data, the reverse phase transmission waveform data, and the positive phase transmission waveform data of the substantially sinusoidal waveform shown in FIG. Are input to the signal processing device 4, converted into an electrical signal by the signal processing device 4, and input to the
The frequency of the ultrasonic wave transmitted by the
Hereinafter, the procedure of this process (ultrasonic wave generation process) will be specifically described.
図６は、本実施形態に係る送信超音波波形を生成させる手順を示すフローチャートの図である。
Ｓ１１１では、距離測定装置５は、記憶部から送信しようとする所定の波形形状の波形データを読み出し、読み出された所定の波形形状の波形データを変調信号として所定の周波数のキャリア波データを振幅変調して送信波形データを作成する。作成された送信波形データは、図３(ｂ)に示すように中央にピークを有する形状になっている。
ここで、記憶部から送信しようとする所定の波形形状の波形データを読み出し、その波形データを変調信号としてキャリア波データを振幅変調して送信波形データを作成する代わりに、予め送信しようとする所定の波形形状の波形データを変調信号としてキャリア波データを振幅変調して送信波形データを作成して記憶部に保存しておき、Ｓ１１１で記憶部から読み出すように構成してもよい。
以下、Ｓ１１１で作成した、または読み出した送信波形データを正位相送信波形データという。
FIG. 6 is a flowchart illustrating a procedure for generating a transmission ultrasonic waveform according to the present embodiment.
In S111, the
Here, instead of reading out waveform data of a predetermined waveform shape to be transmitted from the storage unit and amplitude-modulating the carrier wave data using the waveform data as a modulation signal to create transmission waveform data, the predetermined waveform to be transmitted in advance. The carrier wave data may be amplitude-modulated using the waveform data of the waveform shape as a modulation signal to generate transmission waveform data, stored in the storage unit, and read from the storage unit in S111.
Hereinafter, the transmission waveform data created or read in S111 is referred to as positive phase transmission waveform data.
次に、Ｓ１１２では、距離測定装置５は、正位相送信波形データの逆位相である送信波形データを生成する。以下、生成した送信波形データを逆位相送信波形データという。
Next, in S112, the
次に、Ｓ１１３では、距離測定装置５は、正位相送信波形データを信号処理装置４に入力する。信号処理装置４は、入力を受け付けた正位相送信波形データを電気信号に変換して、送信器２に入力する。送信器２は、入力を受け付けた電気信号に基づいて、超音波を送信する。
Next, in S113, the
次に、Ｓ１１４では、距離測定装置５は、逆位相送信波形データを信号処理装置４に入力する。信号処理装置４は、入力を受け付けた逆位相送信波形データを電気信号に変換して、送信器２に入力する。送信器２は、入力を受け付けた電気信号に基づいて、超音波を送信する。この際、逆位相送信波形データに対応する超音波は、Ｓ１１３で送信した正位相送信波形データに対応する超音波の振幅が最大となるタイミングで送信するように設定されている。
Next, in S <b> 114, the
次に、Ｓ１１５では、距離測定装置５は、正位相送信波形データを信号処理装置４に入力する。信号処理装置４は、入力を受け付けた正位相送信波形データを電気信号に変換して、送信器２に入力する。送信器２は、受信した電気信号に基づいて、超音波を送信する。この際、正位相送信波形データに対応する超音波は、Ｓ１１４で送信した逆位相送信波形データに対応する超音波の振幅がピークに達するタイミングで送信するように設定されている。
Next, in S115, the
図５に戻って、Ｓ１２では、受信器３が、Ｓ１１で送信した参照波を受信する。受信器３は受信した参照波を電気信号に変換して信号処理装置４に送信する。信号処理装置４は、受信した電気信号を波形データに変換して、距離測定装置５に送信する。
Returning to FIG. 5, in S12, the
Ｓ１３では、Ｓ１２で受信した３つのピークを有する波形データのうち、２つ目の波形データを切り出すことにより標本データを生成し、Ｓ１３に移る。より具体的には、図２（ｂ）に示すように、Ｓ１２で受信した波形データに対し、３つのピークを有する波形データのうち、最も波形形状の大小が出ている２つ目の波形を、１つ目の波形のピークと２つ目の波形のピークとの間のくびれの部分から２つ目の波形のピークと３つ目の波形のピークとの間のくびれの部分までをウィンドウとしてデータを切り出し、これを標本データにする。なお、標本データは、標本データＦ［ｉ］とし、“ｉ”は、所定のサンプリング周波数下で離散化した時間におけるサンプリング時刻を示し、所定のサンプリング時刻における振幅値を格納する。
本実施形態では、Ｓ１１で生成した波形データから５００点のデータを切り出すことにより、標本データＦ［ｉ］（ｉ＝０〜４９９）を生成する。
In S13, sample data is generated by cutting out the second waveform data from the waveform data having the three peaks received in S12, and the process proceeds to S13. More specifically, as shown in FIG. 2B, the second waveform having the largest waveform shape out of the waveform data having three peaks with respect to the waveform data received in S12. Window from the constriction between the peak of the first waveform and the peak of the second waveform to the constriction between the peak of the second waveform and the peak of the third waveform Data is cut out and used as sample data. The sample data is sample data F [i], and “i” indicates a sampling time at a time discretized under a predetermined sampling frequency, and stores an amplitude value at the predetermined sampling time.
In the present embodiment, sample data F [i] (i = 0 to 499) is generated by cutting out 500 points of data from the waveform data generated in S11.
Ｓ１４では、Ｓ１３で生成した標本データＦ［ｉ］に含まれるノイズを除去した後、Ｓ１５に移る。 In S14, after removing the noise included in the sample data F [i] generated in S13, the process proceeds to S15.
Ｓ１５では、標本データＦ［ｉ］から相関用データを生成した後、図４のＳ２に移る。 In S15, after the correlation data is generated from the sample data F [i], the process proceeds to S2 in FIG.
図７は、本実施形態に係る測定データ生成の手順を示すフローチャートの図である。
Ｓ２１では、信号処理装置４から電気信号を送信器２に送信し、送信器２から測定波を送信させ、Ｓ２２に移る。
ここにおいても、Ｓ１１と同様に、図３（ｂ）に示す略正弦波形状の波形データの正位相の送信波形データ、逆位相の送信波形データ及び正位相の送信波形データを連続して信号処理装置４に入力し、信号処理装置４によって電気信号に変換して送信器２に入力する。送信器２は、入力された電気信号に基づき、測定波である超音波を送信する。送信器２が送信する超音波の周波数は、同様に４０ｋＨｚである。
FIG. 7 is a flowchart illustrating a procedure for generating measurement data according to the present embodiment.
In S21, an electric signal is transmitted from the signal processing device 4 to the
In this case as well, similarly to S11, the positive phase transmission waveform data, the reverse phase transmission waveform data, and the positive phase transmission waveform data of the substantially sinusoidal waveform data shown in FIG. The signal is input to the device 4, converted into an electric signal by the signal processing device 4, and input to the
Ｓ２２では、受信器３により測定波を受信し、受信した測定波について、前述の相関用データのサンプリング周波数と同じ周波数のサンプリング周波数でサンプリングし、測定データｇ［ｍ］を生成し、図４のＳ３に移る。ここで“ｍ”は、所定のサンプリング周波数の下で離散化した時間におけるサンプリング時刻を示す。本実施形態では、測定波の振幅最大となる中心を含むように、５００点にわたって測定データｇ［ｍ］（ｍ＝０〜４９９）を生成する。
In S22, a measurement wave is received by the
図８は、本実施形態に係る送受信器間距離算出の手順を示すフローチャートの図である。
Ｓ３１では、測定データｇ［ｍ］のうち振幅最大となる時刻位置を抽出する。測定データｇ［ｍ］の振幅最大となる時刻位置を予め抽出しておくことにより、振幅が最大となる中心付近においてのみ測定データと相関用データとの相互相関値の計算を行うことができるのでピークの検索にかかる計算回数を減らすことができる。
FIG. 8 is a flowchart showing a procedure for calculating the distance between the transmitter and the receiver according to the present embodiment.
In S31, the time position with the maximum amplitude is extracted from the measurement data g [m]. Since the time position at which the amplitude of the measurement data g [m] is maximum is extracted in advance, the cross-correlation value between the measurement data and the correlation data can be calculated only near the center where the amplitude is maximum. The number of calculations for peak search can be reduced.
Ｓ３２では、これら測定データｇ［ｍ］及び相関用データＦ［ｉ］の相互相関値のピークを検索する。具体的には、測定データと相関用データとの相対位置をずらしながら、これら相関用データと測定データとの相互相関値を計算し、その相互相関値が最大となるピークを検索する。この場合に、測定データの時刻位置は、振幅最大となる時刻位置から所定の範囲遡った時刻位置を基準値とすることが望ましい。 In S32, the peak of the cross-correlation value of the measurement data g [m] and the correlation data F [i] is searched. Specifically, the cross-correlation value between the correlation data and the measurement data is calculated while shifting the relative position between the measurement data and the correlation data, and the peak having the maximum cross-correlation value is searched. In this case, it is desirable that the time position of the measurement data be a reference value that is a time position that is a predetermined range backward from the time position having the maximum amplitude.
次に、Ｓ３３では、測定データの測定を開始してから相互相関値のピークを示すまでの時間と測定波の伝播速度とを積算することにより、送信器２と受信器３との間の距離を算出する。
Next, in S33, the distance between the
図９は、本実施形態に係る相互相関値を示す図である。
図中Ｐ２は、図２（ａ）に示す超音波波形を参照波及び測定波に用いたときの相互相関値の波形を示す。図から明らかなように、相互相関値が最大となるピークはなだらかであり、ノイズによって相互相関値が最大となる伝播時刻位置に誤差が含まれ易い。
これに対して、Ｐ１は、図２（ａ）に示す本実施形態に係る超音波波形を参照波及び測定波に用いたときの相互相関値の波形を示す。相互相関値が最大となるピークは峻険であり、ノイズによっても互相関値が最大となる伝播時刻位置に誤差が含まれ難い。従って、本実施形態に係る超音波波形を参照波及び測定波に用いることにより距離測定の精度を高めることができる。
FIG. 9 is a diagram showing cross-correlation values according to the present embodiment.
P2 in the figure indicates the waveform of the cross-correlation value when the ultrasonic waveform shown in FIG. 2A is used for the reference wave and the measurement wave. As is clear from the figure, the peak where the cross-correlation value becomes maximum is gentle, and an error is likely to be included in the propagation time position where the cross-correlation value becomes maximum due to noise.
On the other hand, P1 shows the waveform of the cross-correlation value when the ultrasonic waveform according to this embodiment shown in FIG. 2A is used for the reference wave and the measurement wave. The peak at which the cross-correlation value is maximum is steep, and an error is unlikely to be included in the propagation time position at which the cross-correlation value is maximum even due to noise. Therefore, the accuracy of distance measurement can be improved by using the ultrasonic waveform according to the present embodiment for the reference wave and the measurement wave.
なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態で挙げたキャリア波データの周波数やサンプリングデータ数などの具体的な値は一例であり、本発明はこれに限るものではない。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made.
For example, the specific values such as the frequency of carrier wave data and the number of sampling data mentioned in the above embodiment are examples, and the present invention is not limited to this.
１・・・距離測定システム
２・・・送信器
３・・・受信器
４・・・信号処理装置
５・・・距離測定装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Distance measuring
Claims (4)
前記送信器及び前記受信器により超音波である参照波を送受信し、前記受信器で受信した参照波について標本データを作成する準備工程と、
前記送信器及び前記受信器により超音波である測定波を送受信し、前記受信器で受信した測定波について測定データを作成する測定工程と、
前記測定データと前記標本データの相対位置をずらしながら、これらのデータの相互相関値のピークを検索し、当該相互相関値が最大となる前記標本データの相対位置を特定するピーク検索工程と、
前記ピーク検索工程で特定された相対位置に基づいて算出される時間に基づいて距離を算出する距離算出工程と、を含み、
前記準備工程及び前記測定工程は、いずれも前記送信器に対して、
最初に前記送信波形データを正位相で送信し、続けて前記送信波形データを逆位相で送信し、更に続けて前記送信波形データを正位相で送信する超音波生成工程を含み、
３つのピークを有する波形データのうち、２つ目の波形を、１つ目の波形のピークと２つ目の波形のピークとの間のくびれの部分から２つ目の波形のピークと３つ目の波形のピークとの間のくびれの部分までをウィンドウとしてデータを切り出すことを特徴とする距離測定方法。 Transmitter for transmitting ultrasonic waves, receiver for receiving ultrasonic waves transmitted from the transmitter, and waveform data having a predetermined waveform shape for transmitting ultrasonic waves from the transmitter toward the receiver. A distance measuring device that generates transmission waveform data obtained by amplitude-modulating carrier wave data using a modulated signal as a modulation signal, and a distance measuring method for measuring a distance based on the calculation of a cross-correlation value,
A preparatory step of transmitting and receiving a reference wave that is an ultrasonic wave by the transmitter and the receiver, and creating sample data for the reference wave received by the receiver;
A measurement step of transmitting and receiving measurement waves that are ultrasonic waves by the transmitter and the receiver, and creating measurement data for the measurement waves received by the receiver; and
While shifting the relative position of the measurement data and the sample data, search for the peak of the cross-correlation value of these data, and a peak search step of specifying the relative position of the sample data where the cross-correlation value is maximum,
A distance calculation step of calculating a distance based on a time calculated based on the relative position specified in the peak search step,
The preparation step and the measurement step are both for the transmitter.
Initially transmitting the transmission waveform data in the positive phase, the transmitting transmits the waveform data in phase opposition, it saw including an ultrasonic generation step of transmitting further the transmission waveform data successively with the positive phase continues,
Of the waveform data having three peaks, the second waveform is divided into the second waveform peak and the third waveform peak from the constriction between the first waveform peak and the second waveform peak. A distance measuring method characterized in that data is cut out as a window up to a constriction between a peak of an eye waveform .
前記距離測定システムは、更に、前記送信器及び前記受信器により超音波である参照波を送受信し、前記受信器で受信した参照波について標本データを作成すると共に、前記送信器及び前記受信器により超音波である測定波を送受信し、前記受信器で受信した測定波について測定データを作成する信号処理装置を備え、
前記距離測定装置は、前記測定データと前記標本データの相対位置をずらしながら、これらのデータの相互相関値のピークを検索し、当該相互相関値が最大となる前記標本データの相対位置を特定し、特定された相対位置に基づいて算出される時間に基づいて距離を算出するものであり、
前記距離測定装置は、更に、前記参照波及び前記測定波を生成するために、前記送信器に対して、最初に前記送信波形データを正位相で送信し、続けて前記送信波形データを逆位相で送信し、更に続けて前記送信波形データを正位相で送信し、
３つのピークを有する波形データのうち、２つ目の波形を、１つ目の波形のピークと２つ目の波形のピークとの間のくびれの部分から２つ目の波形のピークと３つ目の波形のピークとの間のくびれの部分までをウィンドウとしてデータを切り出すことを特徴とする距離測定システム。 Transmitter for transmitting ultrasonic waves, receiver for receiving ultrasonic waves transmitted from the transmitter, and waveform data having a predetermined waveform shape for transmitting ultrasonic waves from the transmitter toward the receiver. In a distance measurement system comprising: a transmission waveform data in which carrier wave data is amplitude-modulated with a modulation signal as a modulation signal;
The distance measurement system further transmits / receives a reference wave which is an ultrasonic wave by the transmitter and the receiver, creates sample data for the reference wave received by the receiver, and uses the transmitter and the receiver. Comprising a signal processing device that transmits and receives measurement waves that are ultrasonic waves and creates measurement data for the measurement waves received by the receiver;
The distance measuring device searches for the peak of the cross-correlation value of these data while shifting the relative position of the measurement data and the sample data, and specifies the relative position of the sample data that maximizes the cross-correlation value. The distance is calculated based on the time calculated based on the specified relative position,
The distance measuring apparatus further transmits the transmission waveform data to the transmitter first in a normal phase and subsequently transmits the transmission waveform data in an opposite phase to generate the reference wave and the measurement wave. And then transmit the transmission waveform data in the positive phase .
Of the waveform data having three peaks, the second waveform is divided into the second waveform peak and the third waveform peak from the constriction between the first waveform peak and the second waveform peak. A distance measuring system that cuts out data as a window up to the constriction between the peak of the eye waveform .
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