JPH08334561A - 超音波ドップラ式対地速度計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 自動車など移動体のＡＢＳ装置、ナビゲーシ
ョンシステムなどに用いる超音波ドップラ式対地速度計
測装置を提供することにある。 【構成】 路面に対して所定の角度で超音波を送信する
送信手段と、路面からの反射波を受信する受信手段と、
受信波からドップラ波の周波数を求めるドップラ周波数
算出手段と、受信波からドップラ波の大きさを求めるド
ップラ波解析手段と、ドップラ波の大きさと周波数から
対地速度を求める対地速度算出手段と、を備え、送信器
の指向性、受信器の指向性および周波数特性を考慮の
上、路面からのドップラ波の大きさが小さいほどドップ
ラ周波数が小さくなることを利用して、ドップラ波の大
きさと周波数から対地速度を高精度に求めることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波によるドップラ
を用いた対地速度計測装置に関するもので、自動車など
移動体のＡＢＳ装置やナビゲーションシステム等に用い
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、超音波ドップラを利用した対地速
度計測方法が提案されている。この方法は、図２に示す
ように、超音波を路面に送信して得られる受信波のドッ
プラ周波数から対地速度を計測するもので、車速をＶ、
音速をｃ、送受信角をθ、送信周波数をｆ₀ とすると、
ドップラ周波数ｆ_d は理論的には次式（１）から求めら
れる。

【０００３】 ｆ_d ＝（２Ｖｃｏｓθ／ｃ＋Ｖ・ｃｏｓθ）ｆ₀ （１）

【０００４】しかしながら、実際には高速時やウェット
路面などで上式よりドップラ周波数が小さくなり、速度
が低く計測されるという問題があった。高速時の誤差要
因は、車速に比べ音速がそれほど高くないために送信か
ら受信までの時間に送受信点がずれてしまうためであ
り、解析や実験により明らかにされている。そこで、こ
の送受信点のズレを幾何学的に求めた補正式を用いて改
良したものがある（特開平4-357486、特開平4-25298
5）。しかしながら、送受信器には指向性があるため、
送信器正面以外にも多くの超音波が送信されている。し
たがって、正面のみに送信された超音波の伝搬経路だけ
で補正するのではなく、正面以外の方向へ送信された超
音波の伝搬経路を含めて補正する必要がある。

【０００５】また、雨水等で濡れたウェット路面では乾
燥したアスファルト路面とは異なり、水により凹凸が無
くなり超音波が正反射して路面からの散乱波が戻りにく
くなって、Ｓ／Ｎが低くドップラ周波数が求めにくくな
る。また、高速時と同様にドップラ周波数が低く計測さ
れること、ばらつきが大きいことが実験的に分かってい
る。このため、従来、周波数のばらつきからウェット状
態を判定し、センサ正面からの散乱波ではない低いドッ
プラ周波数成分を取り除いて車速を求めているものがあ
る（特開平2-176491）。しかしながら、これは、周波数
分布やばらつきを求めるには時間がかかるという実用上
の問題がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ドップラ周波数が式１
より低く計測される要因は、本発明者等の行った超音波
の伝搬解析により、 (1) 対地速度に比べ超音波の伝搬速度がそれほど高くな
いために送信器と受信器の位置がずれる。 (2) 超音波の送信器、受信器とも周波数特性、指向性を
持ち、また、路面の超音波の散乱特性も形状によって反
射特性が異なる。 (3) 乾燥した路面とウェット路面では超音波の反射特性
に違いがある。によることがわかっている。

【０００７】以下、どのような問題があるか、図を用い
て説明する。前記（１）は、図３に示すように、従来か
ら指摘されていて、送信器、受信器の位置ずれによって
送受信角が変化するため、受信波は式１とは異なるドッ
プラ周波数を持つ。しかしながら、実際の超音波送信器
は指向性を持つため、図４に示すように、送信器正面以
外にも超音波が送信される。また、受信器も指向性を持
つため、送信器の出力が高く受信器の感度が高い領域ａ
からの反射波を強く受信することになる。路面からの反
射波の分布を、その強さとドップラ周波数を用いて第５
図に示すと、式（１）のドップラ周波数ｆ_d より低くな
る。対地速度が高くなると、領域ａは狭くなり受信波は
弱くなるとともにドップラ周波数分布も低くなる。

【０００８】また、路面の反射特性は、鏡面のように入
射方向と反対方向に反射する正反射成分と、全方向へ反
射する拡散反射成分がある。本発明者等の行った音響解
析結果によれば、図６に示すように、凹凸のある路面に
超音波が入射した場合、路面から図８に示す形状を持て
ば、路面から図７に示すような反射波が得られる。図中
のλは超音波の波長である。図７、図８では水が入って
凹凸が小さくなった場合もあわせて示してある。この図
より、凹凸の大きな路面では拡散反射が強く、凹凸が小
さい場合や水で濡れた路面では正反射が強い。この傾向
は路面への入射角度が小さいほど顕著である。送信器お
よび受信器は指向性を持つため、凹凸が小さい場合や水
で濡れた路面のような正反射が強い路面では、図９に示
すように、領域ａよりも受信器側に近いｂの領域の反射
波が強くなる。したがって、路面反射と送信器および受
信器の指向性を組み合わせて考えると、ドップラ分布の
幅と大きさは図１０のようになり、反射波の強い凹凸の
大きな路面では式１よりやや低く、路面からの反射波の
弱い凹凸の小さな路面や濡れた路面ではさらに低くな
る。

【０００９】したがって、実際には送信器および受信器
の指向性と路面の反射特性により、高速時や凹凸が小さ
い路面や濡れた路面では反射波が弱くなってドップラ波
の大きさが小さくなるとともに周波数も式（１）より低
くなる。式（１）からのずれを小さくするためには、送
信器と受信器の指向性を狭くして重なり領域ａを小さく
すればよいが、対地速度が高い場合は高出力領域と高感
度領域が重ならなくなり（領域ａが存在しない）受信波
が得られなくなる。そのためには、送信器か受信器の指
向性を狭くすればよいが、受信器の指向性が広いと送信
波だけでなく他の音響雑音を拾いやすいので、受信器の
指向性を狭くする方が望ましい。送信器の指向性は速度
測定領域内で重なり領域ａが生じるような広さにする。
なお、送信器、受信器の取り付け位置、角度が関係する
のはもちろんのことである。

【００１０】実際の送信器、受信器には出力音圧あるい
は受信感度の高いメインローブと呼ばれる領域と正面以
外に出力音圧あるいは感度の高いサイドローブと呼ばれ
る領域がある。送信器にサイドローブがあると、図１１
に示すように、正面方向ａ以外のサイドローブ方向ｂへ
も強い超音波が送信される。したがって、このとき受信
されるドップラ周波数の分布は低い部分が大きくなり、
ドップラの平均周波数を低下させる。このようなサイド
ローブは受信器でも同様の問題を生じさせるため、正面
方向に対し十分に小さくする必要がある。

【００１１】また、上述のように、ドップラ周波数は単
一周波数ではなく分布を持つから、受信器の周波数特性
が平坦でない場合は、図１２（ａ）および（ｂ）に示す
ように受信波に含まれるドップラ分布の振幅が異なって
しまう。したがって、ドップラ周波数が真の値とは違う
ために速度誤差となるので、周波数特性が平坦な受信器
を用いる必要がある。上述のように、超音波ドップラを
用いた対地速度計測装置では、送信器の指向性、受信器
の指向性および周波数特性、路面の反射特性により、受
信波のドップラ周波数の分布および大きさが式（１）よ
り低くなる。

【００１２】本発明の目的は、送信器の指向性、受信器
の指向性および周波数特性を考慮の上、路面からのドッ
プラ波の大きさが小さいほどドップラ周波数が式（１）
より小さくなることを利用して、ドップラ波の大きさと
周波数から対地速度を求める精度の高い超音波ドップラ
式対地速度計測装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】第１発明の超音波ドップ
ラ式対地速度計測装置（請求項１記載の発明）は、図１
に示すように、路面に対して所定の角度で超音波を送信
する超音波送信手段と、路面からの反射波を受信する超
音波受信手段と、受信波からドップラ波の周波数を求め
るドップラ周波数算出手段と、受信波からドップラ波の
大きさを求めるドップラ波解析手段と、ドップラ波の大
きさと周波数から対地速度を求める車速算出手段から構
成される。

【００１４】第２発明の超音波ドップラ式対地速度計測
装置（請求項２記載の発明）は、サイドローブのほとん
ど無い広い指向特性を持つ超音波送信手段と、サイドロ
ーブのほとんど無い狭い指向特性を持つ超音波受信手段
を持つ構成である。

【００１５】

【発明の作用・効果】第１発明のドップラ式対地速度計
測装置は、送信手段より超音波を路面に送信し、路面か
らの反射波を受信手段により受信するもので、路面から
の反射波の強弱とドップラ周波数から対地速度を正確に
求めることができる。ドップラ周波数算出手段は、受信
波からドップラ波の周波数を求め、また、ドップラ波解
析手段は、ドップラ波の大きさを求める。車速算出手段
は、路面からの反射波のドップラ周波数および大きさか
ら対地速度を正確に求めることができる。

【００１６】第２発明の超音波ドップラ式対地速度計測
装置は、超音波送信手段と超音波受信手段の特性により
路面からの反射波のドップラ周波数の誤差が小さく、対
地速度を正確に求めることができる。すなわち、第２発
明の超音波ドップラ式対地速度計測装置は、測定速度領
域内にて送信手段の指向性によって定まる送信領域と受
信手段の指向性によって定まる受信領域が重なるように
取り付けられており、路面での超音波の反射の強弱とド
ップラ周波数から高精度に対地速度を求めることができ
る。

【００１７】

【実施例】以下、図面を参照して、本発明を代表的な実
施例を説明する。

【第１実施例】第１実施例の超音波ドップラ式対地速度
計測装置は、図１３に示すように、発信器１と、発信器
１から出力される連続波を送信する超音波送信器２と、
路面からの反射波を受信する超音波受信器３と、受信波
を増幅するアンプ４と、受信波と送信波を乗算する乗算
器５と、受信波からドップラ波を取り出す低域フィルタ
６と、ドップラ波をデジタル信号に変換するゼロクロス
コンパレータ７と、ドップラ周波数を算出するカウンタ
８と、ドップラ波の振幅を求める電圧計９と、ドップラ
波の振幅値とドップラ周波数から対地速度を求め出力す
る車速算出回路１０から成る。

【００１８】次に、第１実施例の超音波ドップラ式対地
速度計測装置の作用・効果を簡単に説明する。第１実施
例の超音波ドップラ式対地速度計測装置は、発信器１か
ら超音波送信器２に連続波が出力され、超音波送信器２
から路面に超音波が送信される。ドップラ波を含む路面
からの反射波は、超音波受信器３により受信され、この
受信信号がアンプ４により増幅される。受信信号は、発
信器１の出力する連続波と乗算器５で乗算される。さら
に、乗算器５の出力信号を低域フィルタ６に通すことに
よってドップラ信号のみを取り出す。フィルタ６の出力
は、ゼロクロスコンパレータ７によりデジタル変換し、
カウンタ８を用いて周波数を求めることによりドップラ
周波数を求める。

【００１９】また、フィルタ６の出力は、電圧計７を用
いて振幅値を求める。路面の凹凸の大きさや路面の濡れ
具合（濡れて水により路面凹凸がなくなった状態）によ
ってドップラ信号の振幅値が異なり、また、ドップラ周
波数は、式（１）より低下する。車速とドップラ信号の
振幅値および周波数の関係は、送信器の指向性と出力音
圧の周波数特性、受信器の指向性と受信感度周波数特
性、送信器と受信器の取り付け位置および角度、路面反
射特性、空気中の超音波の減衰率をもとにあらかじめ計
算によって求めることができる。たとえば、発明者の音
響解析結果によれば、図１４（ａ）および（ｂ）に示す
ような関係が求められている。この関係を車速算出回路
１０に記憶しておき、車速を算出して出力する。

【００２０】第１実施例の超音波ドップラ式対地速度計
測装置は、これにより、高速時や凹凸の小さな路面や雨
などで濡れた路面など反射波の小さな路面でも、ドップ
ラ波の振幅値と周波数から車速を推定して正確な速度を
算出することができる実用上優れた作用・効果を奏す
る。

【００２１】

【第２実施例】次に、第２実施例の超音波ドップラ式対
地速度計測装置を図１５に基づき説明する。第２実施例
の超音波ドップラ式対地速度計測装置は、前記第１実施
例のとほぼ同様であり、主に相違点を中心に説明する。
超音波送信器２は、図１５に示すようなサイドローブの
ほとんど無い広い指向性を持ち、超音波受信器３は、図
１６に示すようなサイドローブのほとんど無い狭い指向
性を持つ 。ここで、サイドローブのほとんど無いと
は、メインローブに対して３０ｄＢ以上小さいことをい
う。また、図１７（ａ）および（ｂ）に示すように、低
速から測定速度領域内の最高速まで、送信器２の出力の
高い領域と受信器３の受信感度の高い領域が重なるよう
取り付け位置、角度が設定してある。発信器１から車速
算出回路１０までの動作は、第１実施例装置と同様であ
るので、説明を省略する。

【００２２】なお、図１４（ａ）および（ｂ）に示す関
係は送信器の送信出力周波数特性や指向性、受信器の受
信感度や指向性、送信器、受信器の取り付け位置、空気
中の超音波の伝搬減衰によって異なる。図１４では、代
表的な補正曲線が３本記入されているだけであり、前記
第１実施例装置では間を補間して対地速度を算出してい
るが、路面形状を変えて様々な路面反射特性に対し音響
解析を行い、関係式を導出すればドップラ波の大きさと
周波数から対地速度を正確に求めることができる。な
お、図１４（ａ）および（ｂ）に示す関係は、上記実施
例に限らず、この他、音響解析によらず実験により求め
関係式を算出して用いることもできる。また、ドップラ
波の大きさと周波数と対地速度の関係は、ルックアップ
テーブル化し、直接参照して適用実施することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例装置の構成図

【図２】超音波ドップラ式対地速度計の測定原理の説明
図

【図３】送信器および受信器の移動によって生じるドッ
プラ周波数算出式からのずれを示す線図

【図４】送信器および受信器の指向性によって生じるド
ップラ周波数算出式からのずれを示す線図

【図５】路面での超音波の反射特性を示す線図

【図６】路面凹凸による超音波の反射状況を示す線図

【図７】路面形状と水により路面形状が変わる状況を示
す線図

【図８】図７の形状を持つ路面からの反射波の大きさを
示す線図

【図９】凹凸の小さな路面や水等で濡れた路面からのド
ップラ周波数が低くなることを示す線図

【図１０】凹凸の小さな路面や水等で濡れた路面のドッ
プラ周波数分布と大きさを示す線図

【図１１】送信器と受信器のサイドローブにより生じる
ドップラ周波数算出式からのずれを示す線図

【図１２】受信器の受信感度の周波数特性によって生じ
るドップラ周波数分布の変化を説明する線図

【図１３】第１実施例装置の具体的構成図

【図１４】路面からのドップラ波の大きさと周波数と車
速の関係を示す線図

【図１５】第２実施例の超音波送信器の指向性を示す線
図

【図１６】第２実施例の超音波受信器の指向性を示す線
図

【図１７】対地速度が変化したときの第２実施例の送信
器の送信領域と受信器の受信領域の重なり具合を示す線
図

【符号の説明】

１ 発信器 ２ 超音波送信器 ３ 超音波受信器 ４ アンプ ５ 乗算器 ６ 低域フィルタ ７ ゼロクロスコンパレータ ８ カウンタ ９ 電圧計 １０ 車速算出回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 路面に対して所定の角度で超音波を送信
   する超音波送信手段と、 路面からの反射波を受信する超音波受信手段と、 受信波からドップラ波の周波数を求めるドップラ周波数
   算出手段と、 受信波からドップラ波の大きさを求めるドップラ波解析
   手段と、 ドップラ波の大きさと周波数から対地速度を求める対地
   速度算出手段と、を備えたことを特徴とする超音波ドッ
   プラ式対地速度計測装置。
2. 【請求項２】 請求項１において超音波送信手段は、サ
   イドローブのほとんど無い広い指向特性を持ち、超音波
   受信手段はサイドローブのほとんど無い狭い指向特性を
   持ち、かつ、測定速度領域内にて超音波送信手段の指向
   性によって定まる送信領域と超音波受信手段の指向性に
   よって定まる受信領域が重なるように取り付けられたこ
   とを特徴とする超音波ドップラ式対地速度計測装置。