JP2006242619A - 超音波センサ信号処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】 ブラインドタイムを設ける必要がなく、反射波の波形が重なり合う場合や、パルス発生器から対象物までの距離が遠い場合、近距離であっても反射率の小さい対象物の場合でも、正確に反射波を検出できる超音波センサ信号処理システムを提供する。
【解決手段】 設定された閾値を越える入力信号を反射波として認識し、反射波信号演算部４に該反射波信号を送る反射波認識部２と、反射波認識部２が反射波と認識した時点の入力信号の最大振幅値を検出する最大振幅値検出部３と、閾値演算設定部５とを備えた超音波センサ信号処理システム１である。閾値演算設定部５は、最大振幅値検出部３により検出された最大振幅値に基づいて設定した閾値を、所定の時間毎に超音波センサ信号の減衰曲線に近似させた低い値に変更するための演算を行うとともに、該演算により得られた閾値を反射認識部２に設定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波センサからの信号を解析して、対象物までの距離や方向を測定する超音波センサ信号処理システムに関する。

パルス発生器から超音波を発信し、対象物からの反射波を超音波センサで受信して、その信号を解析することにより、対象物までの距離や方向を測定することが一般に行われている。従来、このような超音波センサ信号を解析するシステムでは、例えば、図４のブロック図に示すような、増幅器と、閾値設定部１０１と、反射波認識部１０２と、反射波信号演算部１０３を備えた超音波センサ信号処理システム１００が利用されている。

閾値設定部１０１は、反射波認識部１０２に対して一定のレベルの閾値を設定する。反射波認識部１０２は、増幅器を介して入力された超音波センサ信号Ｓ１０の内、閾値設定部１０１により設定された閾値を超える信号のみを反射波として認識し、これを反射信号演算部１０３に出力する。反射波信号演算部１０３は、反射波として入力された信号に対して所定の演算を行い、外部に信号処理結果信号Ｓ１１を出力する。

図５は、図４の従来の超音波センサ信号処理システム１００が受信した反射波Ｆ１０，Ｆ２０，Ｆ３０の波形と、閾値設定部１０１により設定される閾値ラインＧ１０の関係を説明する図である。いま、図５では、パルス発生器から送信された送信パルスに対して、パルス発生器からの距離が異なる３つの対象物から反射波Ｆ１０，Ｆ２０，Ｆ３０を受信している。パルス発生器から対象物までの距離は、Ｆ１０，Ｆ２０，Ｆ３０の順に長くなっている。

超音波は、伝搬中に減衰し、その減衰の度合いは伝搬距離が長いほど大きくるので、受信した反射波のレベルは、図５に示すように、パルス発生器からの距離が長いＦ３０に向かうほど小さいものとなっている。また、対象物が異なると反射率も異なるので、反射率が小さいものでは反射波は小さくなる。

図５に示すような一定の閾値ラインＧ１０を利用した従来の超音波センサ信号処理システム１００は、例えば下記特許文献において公知となっている。
特開平５−１０００２３号公報

従来の超音波センサ信号処理システム１００は、閾値を常に一定のレベルに設定するものであったため、その設定が高すぎると、図５に示すように、遠距離にある対象物からの反射波Ｆ３０のレベルが閾値よりも小さくなり、この反射波Ｆ３０を検出できなくなるという問題があった。また、近距離であっても、反射率の小さい対象物だと、反射波が小さいため、閾値よりも小さくなり、検出できない。そのため、閾値ラインＧ１０は、小さな反射波を認識させるため、低いレベルに設定する必要がある。

ところが、閾値ライン１０をかなり低いレベルに設定すると、近距離の対象物からの反射波Ｆ１０では、図５に示すように、閾値ラインＧ１０を一旦超えた後も、Ｔ１０で示す区間は、反射波Ｇ１０の信号が閾値よりも大きくなる状態が続いてしまう。そのため、従来の超音波センサ信号処理システム１００では、例えば、このＴ１０で示す時間は、ブラインドタイムとして、反射波として認識しないように構成していた。

しかしながら、上記のようなブラインドタイムを設けると、図５において、例えば反射波Ｆ２０の波形が、Ｔ１０で示す区間の反射波Ｆ１０の波形と重なるような位置に検出される場合などは、異なる２つの対象物からの信号が入射しているにもかかわらず、これを検出できないという問題が生じてしまう。

さらに、従来の超音波センサ信号処理システム１００は、複数の対象物からの反射波同士や、反射波と直接波が重なってしまうと、両者を分離して取り出して解析するのは困難という問題もあった。

特に、反射波を受信する超音波センサ素子を数個並べた超音波センサと、各超音波センサ素子からの入力信号を一定の時間ずつ遅延させて出力する遅延処理部と、この遅延処理部からの出力信号を加算処理する加算処理部を備えた超音波センサ信号処理システムなどにおいては、複数の重なった反射波を分離したり、直接波と反射波を分離したりする処理を行うことが不可欠となる。

本発明は、このような従来のシステムの問題点に鑑みてなされたものであり、ブラインドタイムを設ける必要がなく、反射波の波形が重なり合う場合や、パルス発生器と対象物の距離が遠い場合、さらに、近距離であっても反射率の小さい対象物の場合でも、正確に反射波を検出することができる超音波センサ信号処理システムを提供することを目的としている。

上記の問題点を解決するため、本発明の超音波センサ信号処理システムは、
設定された閾値を越える入力信号を反射波として認識し、反射波信号演算部に該反射波信号を送る反射波認識部と、
前記反射波認識部が反射波と認識した時点の入力信号の最大振幅値を検出する最大振幅値検出部と、
前記最大振幅値検出部により検出された最大振幅値に基づいて設定した閾値を、所定の時間毎に超音波センサ信号の減衰曲線に近似させた低い値に変更するための演算を行うとともに、該演算により得られた閾値を前記反射認識部に設定する閾値演算設定部と、
を備えた点を最も主要な特徴としている。

本発明によれば、最大振幅値検出部が、反射波と認識した時点の入力信号の最大振幅値を検出し、閾値演算設定部が、前記最大振幅値検出部により検出された最大振幅値に基づいて設定した閾値を、所定の時間毎に超音波センサ信号の減衰曲線に近似させた低い値に変更するための演算を行い、該演算により得られた閾値を反射認識部に設定するので、反射波の波形が重なり合う場合や、パルス発生器から対象物までの距離が長い場合、さらに、近距離であっても反射率の小さい対象物の場合でも、正確に反射波を検出することができる。従って、重なり合う反射波同士や、反射波と直接波を分離して取り出すことも可能となる。

以下、本発明の実施形態の一例について、図１〜図３を用いて説明する。図１は、本実施例の超音波センサ信号処理システムの構成を説明するブロック図である。

１は、設定された閾値を超える入力信号を反射波として認識し、反射波信号演算部４に該反射波信号を送る反射波認識部２と、この反射波認識部２が反射波と認識した時点の入力信号の最大振幅値を検出する最大振幅値検出部３と、この最大振幅値検出部３により検出された最大振幅値に基づいて設定した閾値を、所定の時間毎に超音波センサ信号の減衰曲線に近似させた低い値に変更するための演算を行うとともに、該演算により得られた閾値を反射波認識部２に設定する閾値演算設定部５とを備えた本実施例の超音波センサ信号処理システムを示している。なお、６は、入力信号Ｓ１を増幅する増幅器を、Ｓ２は、反射波信号演算部４から出力される信号処理結果信号を示している。

入力信号Ｓ１は、本実施例では、複数の超音波センサ素子からの信号を遅延加算処理した後の信号が使用されている。遅延加算演算を利用した超音波センサ信号処理システムでは、各波形のピーク値を正確に検出する必要があるところ、本実施例の超音波センサ信号処理システムを用いれば、反射波が重なり合う場合や、対象物が遠距離にある場合でも、正確に各波形のピーク値を検出することができるからである。

反射波認識部２は、入力信号Ｓ１の内、閾値演算設定部５によって設定されたその時点の閾値を超える信号のみを反射波として認識する。本実施例の超音波センサ信号処理システム１では、後述するように、超音波センサ信号の減衰曲線に近似させて、閾値のレベルの設定が動的に変更される。反射波信号演算部４は、反射波として入力された信号に対して所定の演算を行い、外部に信号処理結果信号Ｓ２を出力する。

図２は、図１の本実施例の超音波センサ信号処理システム１が入力した反射波Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３の波形と、閾値演算設定部５により設定される閾値ラインＧの関係を説明する図である。いま、図２では、パルス発生器からの送信波に対して、パルス発生器からの距離が異なる３つの対象物から反射波Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３が入射している。

パルス発生器と対象物の間の距離は、Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３の順に長くなっており、かつ、Ｆ１，Ｆ２間の距離が近いため、図２に示すように、反射波Ｆ１とＦ２は重なりあったものとなっている。また、超音波の減衰の度合いは、伝搬距離が長いほど大きくなるので、各反射波のレベルは、図２に示すように、パルス発生器からの距離が長いＦ３に向かうほど小さいものとなっている。

閾値演算設定部５は、初期値としては低いレベルの閾値を反射波認識部２に設定しているため、最初の反射波Ｆ１は、反射波認識部２よって反射波として認識され、これを入力した反射波信号演算部４は所定の演算処理を行う。

反射波認識部２が反射波として認識した時点の反射波Ｆ１の入力信号は、最大振幅値検出部３によって反射波Ｆ１の最大振幅値Ｆ１ａとして検出され、その値は、閾値演算設定部５を介して、反射波認識部２において閾値として設定される。すなわち、この時点で、反射波認識部２において設定されていた閾値の初期値は、図２のＦ１ａに示す値に変更される。

Ｔ１で示す区間において、閾値演算設定部５は、最大振幅値Ｆ１ａに基づいて、後述する演算手段を実行し、反射波Ｆ１の超音波センサ信号の減衰曲線に近似させるように閾値を決定し、反射波認識部２に設定されている閾値を段階的に低いレベルに変更する。

次に、反射波Ｆ１と重なり合うように、反射波Ｆ２が検出されたとき、図２に示すように、反射波Ｆ２の波形は、その時点の閾値ラインＧを越えるので、反射波認識部２は、これを反射波として認識する。そして、最大振幅値検出部３は、波形Ｆ２の最大振幅値Ｆ２ａを検出し、これを新たな閾値として反射波認識部２に設定する。

Ｔ２で示す区間において、閾値演算設定部５は、最大振幅値Ｆ２ａに基づいて、演算手段を実行し、段階的に閾値の値を小さくする。このようにしたので、本実施例の超音波センサ信号処理システム１では、各波形の最大振幅値を出発点として段階的に小さくなる閾値ラインＧが得られ、図２に示すように、反射波Ｆ１とＦ２が重なり合う場合でも、両者を区別して認識することができるのである。

また、パルス発生器から遠い位置にある対象物から反射波Ｆ３ａが入射した場合でも、その時点では、閾値ラインＧは十分低い値に変更されているから、図２に示すように、反射波Ｆ３の最大振幅値Ｆ３ａを検出することができる。

図３は、本実施例の超音波センサ信号処理システム１の閾値演算設定部５において用いる演算手段の一例の詳細を説明する図である。本実施例の演算手段では、例えば図２の反射波Ｆ１とほぼ同様の波形を基準の波形として定める。基準波形Ｆ１の上下に振幅する最高値と最小値の軌跡は、図３に示すように、時間と共に減衰する曲線となっている。

図３では、基準波形Ｆ１の２倍のサイズの曲線Ｇ１、３倍のサイズの曲線Ｇ２、４倍のサイズの曲線Ｇ４が想像線で描かれている。本実施例の演算手段は、このような、基準波形Ｆ１と相似形の波形を利用して、閾値ラインＧのレベルを変更するものである。

いま、例えば、図３に示すように、反射波と認識された時点の最大振幅値Ｇ（ｘ，ｙ）が、基準波形Ｆ１の４倍の振幅値を有するものであった場合、演算手段は、想像線Ｇ３を選択し、その曲線に基づいて閾値の変更を行う。なお、ｘは時間を、ｙは設定する閾値を示している。

Ｇ１〜Ｇ３のような超音波センサ信号の減衰曲線に近似させて、図２のように、閾値を徐々に低く設定する方法は、種々の方法が考えられる。例えば、一定の単位時間毎にその時間ｘにおける閾値ｙの値を曲線Ｇ３から求めるようにしても良い。また、例えば、図３に示すように、閾値の変更を行う時間ｘの間隔を徐々に長くして、閾値ｙの変更幅の方がほぼ一定になるように構成しても良い。

以上説明したように、本発明の超音波センサ信号処理システム１は、反射波認識部２が反射波と認識した時点の入力信号の最大振幅値を検出する最大振幅値検出部３と、最大振幅値検出部３により検出された最大振幅値に基づいて設定した閾値を、所定の時間毎に超音波センサ信号の減衰曲線に近似させた低い値に変更するための演算を行うとともに、該演算により得られた閾値を反射認識部２に設定する閾値演算設定部５を設けたので、反射波Ｆ１，Ｆ２のように波形が重なり合う場合や、パルス発生器と対象物の距離が遠い反射波Ｆ３のような場合、さらに、近距離であっても反射率の小さい対象物の場合でも、正確に反射波を検出することができる。そのため、重なり合う反射波や、反射波と直接波を分離して取り出すことも可能となる。

本発明は上記の例に限らず、各請求項に記載された技術的思想の範囲内で、適宜実施の形態を変更しても良いことはいうまでもない。例えば、入力信号は、複数の超音波センサ素子からの信号を遅延加算処理した後の信号に限らず、必要に応じて、超音波センサ素子からの生信号とすることも可能である。

本発明の超音波センサ信号処理システムは、入力信号の種類を問わず、種々の超音波センサに適用可能なものである。

本発明の超音波センサ信号処理システムの構成を説明するブロック図である。 図１の本発明の超音波センサ信号処理システムにおける反射波の波形と、閾値演算設定部により設定される閾値ラインの関係を説明する図である。 本発明の超音波センサ信号処理システムの閾値演算設定部における演算手段の一例を説明する図である。 従来の超音波センサ信号処理システムの構成を説明するブロック図である。 図４の従来の超音波センサ信号処理システムにおける反射波の波形と、閾値設定部により設定される閾値ラインの関係を説明する図である。

符号の説明

１ 超音波センサ信号処理システム
２ 反射波認識部
３ 最大振幅値検出部
４ 反射波信号演算部
５ 閾値演算設定部

Claims (2)

1. 設定された閾値を越える入力信号を反射波として認識し、反射波信号演算部に該反射波信号を送る反射波認識部と、
   前記反射波認識部が反射波と認識した時点の入力信号の最大振幅値を検出する最大振幅値検出部と、
   前記最大振幅値検出部により検出された最大振幅値に基づいて設定した閾値を、所定の時間毎に超音波センサ信号の減衰曲線に近似させた低い値に変更するための演算を行うとともに、該演算により得られた閾値を前記反射認識部に設定する閾値演算設定部と、
   を備えたことを特徴とする超音波センサ信号処理システム。
2. 前記入力信号が、複数の超音波センサ素子からの信号を遅延加算処理した後の信号であることを特徴とする請求項１記載の超音波センサ信号処理システム。
   

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