本発明は、超音波式物体検出装置及び超音波式物体検出方法に関し、具体的には、物体からの超音波反射波に基づいて物体を検出したり物体までの距離を測定したりする技術に関する。The present invention relates to an ultrasonic object detection device and an ultrasonic object detection method, and more specifically, to a technology for detecting an object and measuring the distance to the object based on ultrasonic waves reflected from the object.
従来、超音波を送信し、その反射波を受信して反射物体までの距離を測定する超音波式物体検出装置が知られている。例えば、超音波式物体検出装置は、超音波を送受信するセンサと測距回路とを備え、センサは、数十ｋＨｚの周波数の超音波を送信波Ｔｘとして数波から数十波程度の長さでバースト状に送信し、物体からの反射波Ｒｘを受信する。測距回路は、反射波Ｒｘに同期式直交検波などを行って、送信波Ｔｘと反射波Ｒｘとの相対的な遅延量を検出し、この遅延量と音速とから物体までの距離を算出する（この距離計測手法をＴＯＦ（Time Of Flight）という）。Conventionally, ultrasonic object detection devices are known that transmit ultrasonic waves, receive the reflected waves, and measure the distance to a reflecting object. For example, an ultrasonic object detection device includes a sensor that transmits and receives ultrasonic waves, and a distance measurement circuit. The sensor transmits ultrasonic waves at a frequency of several tens of kHz in bursts of several to several tens of waves in length as transmitted waves Tx, and receives reflected waves Rx from an object. The distance measurement circuit performs synchronous quadrature detection or the like on the reflected waves Rx to detect the relative delay between the transmitted waves Tx and the reflected waves Rx, and calculates the distance to the object from this delay and the speed of sound (this distance measurement method is called TOF (Time Of Flight)).
このような超音波式物体装置は超音波Ｔｘを送信する際に、波数にもよるが、センサから１０ｃｍから３０ｃｍ程度の近距離範囲内に送信波の残響波が発生する。この残響波がセンサにより受信されて受信回路のアンプにより増幅されると飽和状態となる。このため、残響波が継続する時間である残響時間領域において物体を検出することは一般的に困難である。When such an ultrasonic object detection device transmits ultrasonic waves Tx, reverberation waves of the transmitted waves are generated within a short distance range of about 10 cm to 30 cm from the sensor, depending on the wave number. When these reverberation waves are received by the sensor and amplified by the amplifier in the receiving circuit, they reach a saturated state. For this reason, it is generally difficult to detect an object in the reverberation time domain, which is the time during which the reverberation waves continue.
特許文献１には、残響時間領域内に障害物が存在する場合は、その反射波の波形（以下、エコー波形ともいう）が残響波の波形（以下、残響波形ともいう）に加算され、残響時間が長くなることが開示されている。また、特許文献１では、基準残響時間をメモリに保存して、新しく測定された残響時間と比較することで、小さな残響時間の変化を検出できるようにしている。これによれば、近距離範囲内の物体検出感度が上がり、小さな障害物も検出できる。Patent Document 1 discloses that if an obstacle is present within the reverberation time range, the waveform of the reflected wave (hereinafter also referred to as the echo waveform) is added to the waveform of the reverberation wave (hereinafter also referred to as the reverberation waveform), lengthening the reverberation time. Patent Document 1 also discloses that the reference reverberation time is stored in memory and compared with a newly measured reverberation time, making it possible to detect small changes in reverberation time. This increases the sensitivity of object detection within the close range, making it possible to detect even small obstacles.
また、残響波形とエコー波形とが重なった波形にノッチが発生することがあり、このノッチの位置によっては近距離範囲内に物体が存在するにも関わらず、残響時間が長くならないことがある。特許文献２には、このような場合でも、近距離範囲内の物体を検出できるようにするために、残響時間に、残響波が終了してから最初の反射波である第１エコーが終了するまでの時間を加算した加算残響時間を求め、この加算残響時間を基準残響時間と比較し、加算残響時間が基準残響時間より延びていて、かつ、第１エコーの振幅が飽和していた場合は、近距離に物体が存在すると判定する技術が開示されている。In addition, notches may occur in the waveform where the reverberation waveform and the echo waveform overlap, and depending on the position of this notch, the reverberation time may not be long even if an object is present within the close range. Patent Document 2 discloses a technology that, in order to be able to detect objects within the close range even in such cases, calculates an added reverberation time by adding the time from the end of the reverberation wave to the end of the first echo, which is the first reflected wave, to the reverberation time, compares this added reverberation time with a reference reverberation time, and determines that an object is present in the close range if the added reverberation time is longer than the reference reverberation time and the amplitude of the first echo is saturated.
特許文献１に記載の技術では、送信波形及び受信波形の受信レベルが設定値（測定基準電圧）以下になったら、それまでの継続時間を測定して、この測定時間と予めメモリされた設定時間とを比較して、何れか一方を基準残響時間としている。しかしながら、特許文献１に記載の技術では、センサに発生する受信ノイズの影響が考慮されていない。そのため、受信ノイズのノイズレベルが外来的なノイズにより変動して設定値を跨いでしまうと
、精度良く残響時間を測定することはできなくなる。 In the technology described in Patent Document 1, when the reception levels of the transmission waveform and the reception waveform fall below a set value (measurement reference voltage), the duration up to that point is measured, and this measured time is compared with a pre-stored set time, and one of them is set as the reference reverberation time. However, the technology described in Patent Document 1 does not take into account the influence of reception noise generated in the sensor. Therefore, if the noise level of the reception noise fluctuates due to external noise and crosses the set value, it becomes impossible to measure the reverberation time with high accuracy.
また、特許文献２に記載の技術では、エコーの振幅を飽和させてしまうため、ＴＯＦによって正しい距離を推定することは困難である。なお、超音波センサ向けＩＣには、ＳＴＣ（Sensitive Time Control）機能が実装されていることが多い。この機能は、時変ゲインにより近距離はゲインを低く、長距離はゲインを高くして超音波の距離減衰を補正することである。従って、ＳＴＣ機能の有効時は、近距離のゲインは低いため、エコーの振幅を飽和させること自体が困難である。In addition, the technology described in Patent Document 2 saturates the echo amplitude, making it difficult to estimate the correct distance using TOF. Note that ICs for ultrasonic sensors often have an STC (Sensitive Time Control) function implemented. This function uses a time-varying gain to lower the gain at close ranges and increase the gain at long ranges to correct the distance attenuation of ultrasonic waves. Therefore, when the STC function is enabled, the gain at close ranges is low, making it difficult to saturate the echo amplitude.
ところで、障害物が残響時間領域内に存在する場合にセンサと障害物との間で超音波が多重反射をし、その多重反射波形が残響波形に加算される場合がある。図３は、残響波形のエンベロープを示すグラフであり、図中破線で示す「近距離に物体がある場合の残響波形及びエコー多重反射波形エンベロープ２１」に示す通り、多重反射波形部分の振幅は大きくなる。そのため、この多重反射波形を精度良く検出することにより、近距離範囲内に存在する物体を検出することができる。しかしながら、この多重反射波形部分の振幅は、反射回数によって減衰することが一般的であり、図３に示す通り、ノイズレベルまで小さな値となる。従って、物体の多重反射波形を精度良く検出するには、多重反射波形部分の振幅レベルとノイズレベルを切り分ける必要がある。However, when an obstacle is present within the reverberation time domain, ultrasonic waves may undergo multiple reflections between the sensor and the obstacle, and the multiple reflection waveforms may be added to the reverberation waveform. FIG. 3 is a graph showing the envelope of the reverberation waveform, and as shown by the dashed line in the figure, "reverberation waveform and echo multiple reflection waveform envelope 21 when an object is present in the close range," the amplitude of the multiple reflection waveform portion becomes large. Therefore, by accurately detecting this multiple reflection waveform, it is possible to detect an object that exists within the close range. However, the amplitude of this multiple reflection waveform portion generally attenuates depending on the number of reflections, and as shown in FIG. 3, it becomes a small value up to the noise level. Therefore, in order to accurately detect the multiple reflection waveform of an object, it is necessary to separate the amplitude level of the multiple reflection waveform portion from the noise level.
そこで本発明は、センサの受信ノイズの影響を受けることなく残響時間を測定し、高い精度で近距離にある物体を検出可能な超音波式物体検出装置及び超音波式物体検出方法を提供することを目的とする。The present invention aims to provide an ultrasonic object detection device and an ultrasonic object detection method that can measure reverberation time without being affected by sensor reception noise and detect objects at close range with high accuracy.
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、超音波センサから送信波を送信し、前記送信波が物体により反射された反射波を前記超音波センサにより受信し、前記反射波の受信信号に基づいて前記物体を検出する超音波式物体検出装置であって、前記反射波の受信信号を増幅するアンプのゲインを制御するゲイン制御手段と、前記ゲイン制御手段によるゲインの増減に合わせて、前記反射波に含まれる前記送信波の残響波を検出するための残響時間測定閾値を増減する残響時間測定閾値決定手段と、前記反射波の受信信号と前記残響時間測定閾値とを比較して、前記反射波に含まれる残響波の継続時間である残響時間を測定する残響時間測定手段と、前記残響時間測定手段にて測定された前記残響時間の値を所定の個数だけバッファに蓄え、前記バッファに蓄えられている前記残響時間の値を用いて基準残響時間を決定する基準残響時間決定手段と、前記残響時間測定手段にて新たに測定された前記残響時間が前記基準残響時間よりも長い場合に、所定の近距離範囲内に物体が存在すると判定する近距離物体検出手段と、を備えることを特徴とする。In order to solve the above problem, the invention described in claim 1 is an ultrasonic object detection device that transmits a transmission wave from an ultrasonic sensor, receives a reflected wave of the transmission wave reflected by an object by the ultrasonic sensor, and detects the object based on a reception signal of the reflected wave, and is characterized by comprising: a gain control means for controlling the gain of an amplifier that amplifies the reception signal of the reflected wave; a reverberation time measurement threshold determination means for increasing or decreasing a reverberation time measurement threshold for detecting a reverberation wave of the transmission wave contained in the reflected wave in accordance with an increase or decrease in gain by the gain control means; a reverberation time measurement means for measuring a reverberation time, which is the duration of the reverberation wave contained in the reflected wave, by comparing the reception signal of the reflected wave with the reverberation time measurement threshold; a reference reverberation time determination means for storing a predetermined number of reverberation time values measured by the reverberation time measurement means in a buffer and determining a reference reverberation time using the reverberation time values stored in the buffer; and a short-distance object detection means for determining that an object exists within a predetermined short-distance range when the reverberation time newly measured by the reverberation time measurement means is longer than the reference reverberation time.
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の超音波式物体検出装置であって、前記送信波を送信しない状態で前記超音波センサにより受信した受信ノイズのノイズ量を計測するノイズ量計測手段を備え、前記残響時間測定閾値決定手段は、前記ノイズ量に基づいて、前記残響時間測定閾値を決定する、ことを特徴とする。The invention described in claim 2 is the ultrasonic object detection device described in claim 1, further comprising a noise amount measuring means for measuring the amount of noise received by the ultrasonic sensor when the transmission wave is not being transmitted, and the reverberation time measurement threshold determining means determines the reverberation time measurement threshold based on the amount of noise.
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の超音波式物体検出装置であって、前記ノイズ量計測手段において、前記受信ノイズが一時的なノイズの上昇を検出する閾値を超えた場合に、前記残響時間測定手段と前記近距離物体検出手段の動作を無効にする、ことを特徴とする。The invention described in claim 3 is the ultrasonic object detection device described in claim 2, characterized in that the noise amount measuring means disables the operation of the reverberation time measuring means and the short-distance object detecting means when the received noise exceeds a threshold for detecting a temporary increase in noise.
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の超音波式物体検出装置であって、前記残響時間測定手段は、前記残響時間の終了後、前記残響時間の測定を所定時間継続する、ことを特徴とする。The invention described in claim 4 is the ultrasonic object detection device described in claim 1, characterized in that the reverberation time measurement means continues measuring the reverberation time for a predetermined time after the reverberation time ends.
請求項５に記載の発明は、超音波センサから送信波を送信し、前記送信波が物体により反射された反射波を前記超音波センサにより受信し、前記反射波の受信信号に基づいて前記物体を検出する超音波式物体検出方法であって、前記反射波の受信信号を増幅するアンプのゲインを制御し、前記ゲインの増減に合わせて、前記反射波に含まれる前記送信波の残響波を検出するための残響時間測定閾値を増減し、前記反射波の受信信号と前記残響時間測定閾値とを比較して、前記反射波に含まれる残響波の継続時間である残響時間を測定し、前記残響時間測定手段にて測定された前記残響時間の値を所定の個数だけバッファに蓄え、前記バッファに蓄えられている前記残響時間の値を用いて基準残響時間を決定し、前記残響時間測定手段にて新たに測定された前記残響時間が前記基準残響時間よりも長い場合に、所定の近距離範囲内に物体が存在すると判定する、ことを特徴とする。The invention described in claim 5 is an ultrasonic object detection method that transmits a transmission wave from an ultrasonic sensor, receives a reflected wave of the transmission wave reflected by an object by the ultrasonic sensor, and detects the object based on a received signal of the reflected wave, and is characterized in that the method controls the gain of an amplifier that amplifies the received signal of the reflected wave, increases or decreases a reverberation time measurement threshold for detecting a reverberation wave of the transmission wave contained in the reflected wave according to an increase or decrease in the gain, compares the received signal of the reflected wave with the reverberation time measurement threshold to measure a reverberation time, which is the duration of the reverberation wave contained in the reflected wave, stores a predetermined number of the reverberation time values measured by the reverberation time measurement means in a buffer, determines a reference reverberation time using the reverberation time values stored in the buffer, and determines that an object exists within a predetermined short distance range if the reverberation time newly measured by the reverberation time measurement means is longer than the reference reverberation time.
請求項１、５に記載の発明によれば、ゲイン制御手段によるゲインの増減に合わせて残響時間測定閾値を増減すると、自センサのノイズに影響されることなく残響時間を測定できる。また、ＰＧＡ制御部７のＳＴＣ機能によるゲインの増減に合わせて残響時間測定閾値を増減すると、近距離に存在する小さなエコー波形が飽和せず、高い精度でのＴＯＦ測定が可能となる。さらに、例えば、超音波式物体検出装置が自動車に搭載されている場合、自動車のＥＣＵ（Electronic Control Unit）のような上位制御機器を使わずに、ノイズ量の計算、残響時間測定閾値の増減、残響時間の測定、基準残響時間の決定、及び、近距離物体の検出等が可能なため、ノイズ量の計算の為に大量のエンベロープデータをＥＣＵに送信するための時間が不要となり、ＥＣＵの処理量を削減し、測定インターバル時間を短縮することが可能となる。According to the invention described in claims 1 and 5, by increasing or decreasing the reverberation time measurement threshold in accordance with the increase or decrease in gain by the gain control means, the reverberation time can be measured without being affected by the noise of the sensor itself. In addition, by increasing or decreasing the reverberation time measurement threshold in accordance with the increase or decrease in gain by the STC function of the PGA control unit 7, small echo waveforms present in close range are not saturated, and TOF measurement with high accuracy is possible. Furthermore, for example, when an ultrasonic object detection device is mounted on an automobile, it is possible to calculate the amount of noise, increase or decrease the reverberation time measurement threshold, measure the reverberation time, determine the reference reverberation time, and detect objects in close range without using a higher-level control device such as the automobile's ECU (Electronic Control Unit). Therefore, it is not necessary to send a large amount of envelope data to the ECU for calculating the amount of noise, and it is possible to reduce the amount of processing by the ECU and shorten the measurement interval time.
請求項２に記載の発明によれば、ノイズ量計測手段によって計測されるノイズ量に基づいて残響時間測定閾値を決定し、この残響時間測定閾値を用いてノイズ領域とエコー検出領域を区別できるため、受信ノイズを残響波形であると認識してしまう誤検出を低減させることができ、高い精度での近距離範囲内に存在する物体を検出することが可能となる。According to the invention described in claim 2, the reverberation time measurement threshold is determined based on the amount of noise measured by the noise amount measuring means, and this reverberation time measurement threshold can be used to distinguish between the noise area and the echo detection area, so that it is possible to reduce erroneous detections in which received noise is recognized as a reverberation waveform, and it is possible to detect objects present within a close range with high accuracy.
請求項３に記載の発明によれば、ノイズ量計測手段において、例えば他センサからの送信波などの非常に大きな振幅を持つ、外来の受信ノイズが、一時的な受信ノイズの上昇を検出する閾値を超えた場合に、残響時間測定手段と近距離物体検出手段の動作が無効になるため、誤検出を低減させることができ、高い精度での残響時間の測定と近距離物体検出が可能となる。According to the invention described in claim 3, when the noise amount measuring means detects an external received noise having a very large amplitude, such as a transmission wave from another sensor, exceeding a threshold for detecting a temporary increase in the received noise, the operation of the reverberation time measuring means and the close-range object detecting means is disabled, thereby reducing false detections and enabling highly accurate measurement of reverberation time and detection of close-range objects.
請求項４に記載の発明によれば、残響時間が終了したと判断しても、残響時間の測定を所定時間継続するため、残響時間の測定中に残響波と反射波の定在波により一時的にノッチ波形が発生し、残響時間が終了したと判断された場合でも高い精度でノッチ波形以降の残響時間を測定し、近距離範囲内の物体を検出することが可能となる。According to the invention described in claim 4, even if it is determined that the reverberation time has ended, the measurement of the reverberation time is continued for a predetermined time, so that a notch waveform is temporarily generated by the standing wave of the reverberation wave and the reflected wave during the measurement of the reverberation time, and even if it is determined that the reverberation time has ended, the reverberation time after the notch waveform is measured with high accuracy, making it possible to detect objects within a close range.
以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。The present invention will be described below based on the illustrated embodiment.
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１に関わる超音波式物体検出装置１の概略構成を示す機能ブロック図である。この超音波式物体検出装置１は、超音波送受信制御部２と、送信回路４と、超音波センサ５と、受信回路６と、ＰＧＡ（Programmable Gain Amplifier）制御部（ゲイン制御手段）７と、ＡＤ変換回路８と、を有する。 (Embodiment 1)
1 is a functional block diagram showing a schematic configuration of an ultrasonic object detection device 1 according to a first embodiment of the present invention. The ultrasonic object detection device 1 has an ultrasonic transmission/reception control section 2, a transmission circuit 4, an ultrasonic sensor 5, a reception circuit 6, a PGA (Programmable Gain Amplifier) control section (gain control means) 7, and an AD conversion circuit 8.
送信回路４は、送信信号制御部３から出力されるパルス信号の入力を受け、前記パルス信号を、超音波センサ５から物体検出のための超音波が送信されるように、適切な電圧と周波数帯域を有したアナログ信号（送信信号）に変換する。The transmission circuit 4 receives the pulse signal output from the transmission signal control unit 3 and converts the pulse signal into an analog signal (transmission signal) with an appropriate voltage and frequency band so that ultrasonic waves for object detection are transmitted from the ultrasonic sensor 5.
超音波センサ５は、送信回路４から出力される送信信号の入力を受け、前記送信信号に基づいて物体検出のための超音波（以下、送信波ともいう）を送信するとともに、物体によって反射した超音波（以下、反射波ともいう）を受信して電気信号に変換する。The ultrasonic sensor 5 receives the transmission signal output from the transmission circuit 4, transmits ultrasonic waves (hereinafter also referred to as transmission waves) for object detection based on the transmission signal, and receives ultrasonic waves (hereinafter also referred to as reflected waves) reflected by an object and converts them into an electrical signal.
受信回路６は、超音波センサ５から出力される電気信号の入力を受け、前記電気信号をＡＤ変換回路８でデジタル信号に変換するのに適した信号レベルに増幅する。受信回路６は、その際に、信号のＳＮ比（Signal to Noise ratio）を改善するため、フィルタなどで不要波やノイズを抑圧する。The receiving circuit 6 receives the electrical signal output from the ultrasonic sensor 5 and amplifies the electrical signal to a signal level suitable for conversion to a digital signal by the AD conversion circuit 8. At that time, the receiving circuit 6 suppresses unnecessary waves and noise using filters, etc., to improve the signal-to-noise ratio (SNR) of the signal.
ＰＧＡ制御部７は、ＳＴＣ機能を備え、超音波式物体検出装置１においてＳＴＣ機能を有効にした場合に、受信回路６のゲインを増減する。ＳＴＣ機能は、ＰＧＡ制御部７が測定開始からタイマーを動作して、時間に応じて受信回路６の反射波の受信信号を増幅するアンプのゲインを制御する機能である。また、ＰＧＡ制御部７により受信回路６のアンプのゲインが制御されると、そのゲイン増減に合わせて残響時間測定閾値決定部１２が残響時間測定閾値４１を増減する。The PGA control unit 7 has an STC function, and when the STC function is enabled in the ultrasonic object detection device 1, it increases or decreases the gain of the receiving circuit 6. The STC function is a function in which the PGA control unit 7 operates a timer from the start of measurement, and controls the gain of the amplifier that amplifies the received signal of the reflected wave of the receiving circuit 6 according to the time. In addition, when the PGA control unit 7 controls the gain of the amplifier of the receiving circuit 6, the reverberation time measurement threshold determination unit 12 increases or decreases the reverberation time measurement threshold 41 in accordance with the increase or decrease in the gain.
ＡＤ変換（Analog to Digital converter）回路８は、受信回路６から出力される電気信号の入力を受け、アナログ信号である前記電気信号をデジタル信号に変換する。The AD conversion (Analog to Digital converter) circuit 8 receives the electrical signal output from the receiving circuit 6 and converts the analog electrical signal into a digital signal.
超音波送受信制御部２は、ＡＤ変換回路８から出力されるデジタル信号の入力を受け、デジタル信号に変換された残響波形やエコー波形をエンベロープ化して、超音波センサ５の残響時間や、ノイズ量などの情報を取り出すための仕組みである。超音波送受信制御部２は、送信信号制御部３、超音波エンベロープ波形生成部９及び物体検出部１０を有する。The ultrasonic transmission/reception control unit 2 is a mechanism for receiving the digital signal output from the AD conversion circuit 8, and envelopes the reverberation waveform and echo waveform converted into a digital signal, to extract information such as the reverberation time and noise level of the ultrasonic sensor 5. The ultrasonic transmission/reception control unit 2 has a transmission signal control unit 3, an ultrasonic envelope waveform generation unit 9, and an object detection unit 10.
送信信号制御部３は、物体を検出するためのパルス信号を送信回路４へと出力する。パルス信号は矩形波によるバースト信号であり、送信時間の長さは、測距したい距離に応じて適切に設定される。その際の設定値は、工場出荷時に定数として持っていてもよく、或いは、超音波式物体検出装置１が自動車などに搭載されている場合には、ＥＣＵなどの上位制御機器によって適宜設定されてもよい。パルス信号は、例えば、周波数が４０ｋＨｚから８０ｋＨｚ程度の電気信号、具体的には、パルス信号である。The transmission signal control unit 3 outputs a pulse signal for detecting an object to the transmission circuit 4. The pulse signal is a burst signal using a rectangular wave, and the length of the transmission time is set appropriately according to the distance to be measured. The set value may be a constant value at the time of shipment from the factory, or may be set appropriately by a higher-level control device such as an ECU when the ultrasonic object detection device 1 is mounted on an automobile or the like. The pulse signal is, for example, an electrical signal with a frequency of about 40 kHz to 80 kHz, specifically a pulse signal.
超音波エンベロープ波形生成部９は、包絡線検波回路または直交検波回路で構成され、ＡＤ変換回路８から出力されるデジタル信号の入力を受け、エンベロープ波形に変換する
。 The ultrasonic envelope waveform generating unit 9 is composed of an envelope detection circuit or a quadrature detection circuit, receives the digital signal output from the AD conversion circuit 8, and converts it into an envelope waveform.
物体検出部１０は、超音波エンベロープ波形生成部９から出力されたエンベロープ波形に基づいて物体を検出する処理部である。物体検出部１０は、ノイズ量計測部（ノイズ量計測手段）１１、残響時間測定閾値決定部（残響時間測定閾値決定手段）１２、残響時間測定部（残響時間測定手段）１３、基準残響時間決定部（基準残響時間決定手段）１４、及び、近距離物体検出部（近距離物体検出手段）１５を有する。物体検出部１０は、超音波エンベロープ波形生成部９から出力されるエンベロープ波形を受けることで、これら各部１１～１５として機能する。これら各部１１～１５の処理を、図２～６を用いて以下に説明する。The object detection unit 10 is a processing unit that detects objects based on the envelope waveform output from the ultrasonic envelope waveform generation unit 9. The object detection unit 10 has a noise amount measurement unit (noise amount measurement means) 11, a reverberation time measurement threshold determination unit (reverberation time measurement threshold determination means) 12, a reverberation time measurement unit (reverberation time measurement means) 13, a reference reverberation time determination unit (reference reverberation time determination means) 14, and a close-distance object detection unit (close-distance object detection means) 15. The object detection unit 10 functions as each of these units 11 to 15 by receiving the envelope waveform output from the ultrasonic envelope waveform generation unit 9. The processing of each of these units 11 to 15 will be explained below using Figures 2 to 6.
図２は、この発明の実施の形態に係る超音波式物体検出装置１の物体検出部１０により実行される処理の手順を示すフローチャートである。この物体検出部１０は、超音波センサ５を使って物体を検出するための処理として、ステップＳ１～ステップＳ６の処理を実行する。ステップＳ１の「基準残響時間計算処理」は基準残響時間決定部１４により実行され、ステップＳ２の「ノイズ量計測処理」はノイズ量計測部１１により実行され、ステップＳ３の「残響時間測定閾値計算処理」は残響時間測定閾値決定部１２により実行され、ステップＳ４の「超音波信号を送信」は送信信号制御部３と送信回路４と超音波センサ５により実行され、ステップＳ５の「残響時間の測定」は受信回路６とＡＤ変換回路８と超音波エンベロープ波形生成部９と残響時間測定部１３とにより実行され、ステップＳ６の「近距離に存在する障害物の判定」は近距離物体検出部１５により実行される。Figure 2 is a flow chart showing the procedure of the process executed by the object detection unit 10 of the ultrasonic object detection device 1 according to the embodiment of the present invention. The object detection unit 10 executes the process of steps S1 to S6 as a process for detecting an object using the ultrasonic sensor 5. The "reference reverberation time calculation process" in step S1 is executed by the reference reverberation time determination unit 14, the "noise amount measurement process" in step S2 is executed by the noise amount measurement unit 11, the "reverberation time measurement threshold calculation process" in step S3 is executed by the reverberation time measurement threshold determination unit 12, the "transmission of ultrasonic signals" in step S4 is executed by the transmission signal control unit 3, the transmission circuit 4, and the ultrasonic sensor 5, the "measurement of reverberation time" in step S5 is executed by the reception circuit 6, the AD conversion circuit 8, the ultrasonic envelope waveform generation unit 9, and the reverberation time measurement unit 13, and the "determination of obstacles present in the vicinity" in step S6 is executed by the close-range object detection unit 15.
ステップＳ１では、後述するステップＳ６でバッファメモリ（図示せず）に蓄えられている所定個数の残響時間の値を用いて、基準残響時間決定部１４が基準残響時間を決定する。基準残響時間とは、超音波センサ５から所定の近距離範囲内に物体が存在するか否かを判定するための基準となる残響時間である。この場合、バッファメモリに蓄えられている所定個数の残響時間のなかから最も長い残響時間の値を基準残響時間とするのが好ましい。また、基準残響時間を決定する際には、バッファメモリが所定個数の残響時間のデータで満たされていることが望ましい。In step S1, the reference reverberation time determination unit 14 determines a reference reverberation time using a predetermined number of reverberation time values stored in a buffer memory (not shown) in step S6 described below. The reference reverberation time is a reverberation time that serves as a reference for determining whether or not an object is present within a predetermined short distance range from the ultrasonic sensor 5. In this case, it is preferable to set the longest reverberation time value among the predetermined number of reverberation times stored in the buffer memory as the reference reverberation time. Furthermore, when determining the reference reverberation time, it is preferable that the buffer memory is filled with data for a predetermined number of reverberation times.
バッファメモリのサイズ、すなわち基準残響時間を決定するために必要な残響時間の個数は、例えば、超音波式物体検出装置１の用途と、バッファメモリに１つの残響時間を格納するのに要する時間と、超音波式物体検出装置１に求められる近距離物体の検出精度とに応じて適宜設定される。近距離物体の検出精度は、バッファメモリのサイズが大きいほど基準残響時間を決定するためのサンプル数が多くなるため高くなる。例えば、超音波式物体検出装置１が自動車に搭載される場合、バッファメモリのサイズは、自動車のイグニションがオンされてから走行が開始されるまでの時間内に残響時間のデータで満たすことができ、かつ、所定の近距離物体の検出精度が得られるサイズであることが好ましい。具体的なバッファメモリのサイズとしては、例えば、２から１６である。The size of the buffer memory, i.e., the number of reverberation times required to determine the reference reverberation time, is set appropriately depending on, for example, the use of the ultrasonic object detection device 1, the time required to store one reverberation time in the buffer memory, and the detection accuracy of close-range objects required for the ultrasonic object detection device 1. The detection accuracy of close-range objects increases as the buffer memory size increases because the number of samples required to determine the reference reverberation time increases. For example, when the ultrasonic object detection device 1 is mounted on an automobile, it is preferable that the size of the buffer memory is such that it can be filled with reverberation time data within the time from when the ignition of the automobile is turned on to when the automobile starts moving, and that a predetermined detection accuracy of close-range objects can be obtained. Specific buffer memory sizes are, for example, 2 to 16.
ステップＳ２では、ノイズ量計測部１１が、間接波受信モード（送信波を送信せず、受信のみ行う）で超音波センサ５により受信した受信ノイズのノイズ量を計測する。具体的には、図４に示す例のように、「間接波受信モードによるノイズ波形のエンベロープ４０」からノイズ量の平均値を計測する。In step S2, the noise amount measurement unit 11 measures the amount of noise of the received noise received by the ultrasonic sensor 5 in the indirect wave reception mode (wherein the transmission wave is not transmitted but only received). Specifically, as in the example shown in FIG. 4, the average value of the noise amount is measured from the "envelope 40 of the noise waveform in the indirect wave reception mode."
ステップＳ３では、ステップ２で得たノイズ量（平均値）に基づいて、残響時間測定閾値決定部１２が残響時間測定閾値を決定する。残響時間測定閾値とは、反射波に含まれる送信波の残響波を検出するための閾値である。残響時間測定閾値決定部１２は、ステップ２で得たノイズ量の平均値を乗算設定値で乗算した値を残響時間測定閾値４１とする（図４参照）。これにより、残響時間測定閾値４１は自動で計算することができる。残響時間
測定閾値４１は超音波送受信制御部２がリセットされたときに決定される。再度、残響時間測定閾値４１を決定する場合は、超音波送受信制御部２をリセットするか、又は、残響時間測定閾値４１と後述するステップＳ６のバッファメモリのデータを初期化する。乗算設定値は、工場出荷時に定数として持っていてもよく、或いは、自動車などに搭載されている場合にはＥＣＵなどの上位制御機器によって適宜設定されてもよい。乗算設定値は、超音波式物体検出装置１の用途と、求められる近距離物体の検出精度とに応じて適宜設定され、例えば、２～３２である。 In step S3, the reverberation time measurement threshold determination unit 12 determines the reverberation time measurement threshold based on the noise amount (average value) obtained in step 2. The reverberation time measurement threshold is a threshold for detecting the reverberation wave of the transmission wave contained in the reflected wave. The reverberation time measurement threshold determination unit 12 multiplies the average noise amount obtained in step 2 by the multiplication setting value to obtain the reverberation time measurement threshold 41 (see FIG. 4). In this way, the reverberation time measurement threshold 41 can be calculated automatically. The reverberation time measurement threshold 41 is determined when the ultrasonic transmission/reception control unit 2 is reset. When the reverberation time measurement threshold 41 is to be determined again, the ultrasonic transmission/reception control unit 2 is reset, or the reverberation time measurement threshold 41 and the data in the buffer memory in step S6 described later are initialized. The multiplication setting value may be a constant value at the time of shipment from the factory, or may be appropriately set by a higher-level control device such as an ECU when the ultrasonic object detection device 1 is installed in an automobile or the like. The multiplication setting value is appropriately set according to the application of the ultrasonic object detection device 1 and the required detection accuracy of a close-range object, and is, for example, 2 to 32.
ステップＳ４およびステップＳ５では、残響時間測定部１３は、超音波センサ５により受信した反射波の受信信号と残響時間測定閾値４１とを比較して、反射波に含まれる残響波の継続時間である残響時間を測定する。具体的には、超音波センサ５を直接波受信モード（送信波を送信して、反射波の受信を行う）にして得た「近距離に物体がない場合の残響波形のエンベロープ２０」または「近距離に物体がある場合の残響波形及びエコー多重反射波形エンベロープ２１」（図３参照）の振幅波高値が、残響時間測定閾値４１以下になった時間を残響時間とする。In steps S4 and S5, the reverberation time measurement unit 13 compares the reception signal of the reflected wave received by the ultrasonic sensor 5 with the reverberation time measurement threshold 41 to measure the reverberation time, which is the duration of the reverberation wave contained in the reflected wave. Specifically, the reverberation time is determined as the time when the amplitude peak value of the "envelope 20 of the reverberation waveform when there is no object in the vicinity" or the "envelope 21 of the reverberation waveform and echo multiple reflection waveform when there is an object in the vicinity" (see Figure 3), obtained by setting the ultrasonic sensor 5 in direct wave reception mode (transmitting a transmission wave and receiving a reflected wave), becomes equal to or less than the reverberation time measurement threshold 41.
ステップＳ６では、バッファメモリが残響時間で満たされている場合であって、残響時間測定部１３にて新たに測定された残響時間が基準残響時間よりも長い場合に、所定の近距離範囲内に物体が存在すると、近距離物体検出部１５が判定する。所定の近距離範囲内とは、例えば、物体と超音波センサ５との距離が約１０ｃｍ未満の場合である。一方、残響時間が基準残響時間以下である場合は、ステップＳ６では、残響時間をバッファメモリに蓄える。また、バッファメモリが残響時間で満たされていない場合は、残響時間をバッファに蓄える。In step S6, if the buffer memory is filled with reverberation time and if the reverberation time newly measured by the reverberation time measurement unit 13 is longer than the reference reverberation time, the near-distance object detection unit 15 determines that an object is present within a predetermined near-distance range. Within the predetermined near-distance range means, for example, that the distance between the object and the ultrasonic sensor 5 is less than about 10 cm. On the other hand, if the reverberation time is equal to or shorter than the reference reverberation time, the reverberation time is stored in the buffer memory in step S6. Also, if the buffer memory is not filled with reverberation time, the reverberation time is stored in the buffer.
本実施の形態１では、ＰＧＡ制御部７がＳＴＣ機能を備え、ＳＴＣ機能を有効にした場合に、ＳＴＣ機能によるゲインの増減に合わせて残響時間測定閾値決定部１２が残響時間測定閾値４１を増減する。ＳＴＣ機能は、ＰＧＡ制御部７が測定開始からタイマーを動作して、時間に応じて受信回路６の反射波の受信信号を増幅するアンプのゲインを制御する機能である。図５に示す通り、ＳＴＣ機能のゲイン増減に合わせて残響時間測定閾値４１を増減すると、ＳＴＣ機能適用後の残響時間測定閾値５１となる。In this embodiment 1, the PGA control unit 7 has an STC function, and when the STC function is enabled, the reverberation time measurement threshold determination unit 12 increases or decreases the reverberation time measurement threshold 41 in accordance with the increase or decrease in gain due to the STC function. The STC function is a function in which the PGA control unit 7 operates a timer from the start of measurement, and controls the gain of the amplifier that amplifies the reception signal of the reflected wave of the reception circuit 6 according to time. As shown in Figure 5, when the reverberation time measurement threshold 41 is increased or decreased in accordance with the increase or decrease in gain of the STC function, it becomes the reverberation time measurement threshold 51 after the STC function is applied.
従って、本実施の形態１によれば、ＰＧＡ制御部７のＳＴＣ機能によるゲインの増減に合わせて残響時間測定閾値を増減すると、自センサのノイズに影響されることなく残響時間を測定できる。また、ＰＧＡ制御部７のＳＴＣ機能によるゲインの増減に合わせて残響時間測定閾値を増減すると、近距離に存在する小さなエコー波形が飽和せず、高い精度でのＴＯＦ測定が可能となる。Therefore, according to the first embodiment, if the reverberation time measurement threshold is increased or decreased in accordance with the increase or decrease in gain by the STC function of the PGA control unit 7, the reverberation time can be measured without being affected by the noise of the sensor itself. Also, if the reverberation time measurement threshold is increased or decreased in accordance with the increase or decrease in gain by the STC function of the PGA control unit 7, small echo waveforms that exist in close range are not saturated, and TOF measurement can be performed with high accuracy.
また、ノイズ量計測手段によって計測されるノイズ量に基づいて残響時間測定閾値を決定し、この残響時間測定閾値を用いてノイズ領域とエコー検出領域を区別できるため、受信ノイズを残響波形であると認識してしまう誤検出を低減させることができ、高い精度での近距離範囲内に存在する物体を検出することが可能となる。In addition, a reverberation time measurement threshold is determined based on the amount of noise measured by the noise amount measurement means, and this reverberation time measurement threshold can be used to distinguish between noise areas and echo detection areas, reducing false positives in which received noise is mistaken for a reverberation waveform, making it possible to detect objects within a close range with high accuracy.
さらに、例えば、超音波式物体検出装置１が自動車に搭載されている場合、自動車のＥＣＵのような上位制御機器を使わずに、ノイズ量の計算、残響時間測定閾値の決定や増減、残響時間の測定、基準残響時間の決定、及び、近距離物体の検出等が可能なため、ノイズ量の計算の為に大量のエンベロープデータをＥＣＵに送信するための時間が不要となり、ＥＣＵの処理量を削減し、測定インターバル時間を短縮することが可能となる。Furthermore, for example, when the ultrasonic object detection device 1 is installed in an automobile, it is possible to calculate the amount of noise, determine or increase or decrease the reverberation time measurement threshold, measure the reverberation time, determine the reference reverberation time, and detect close-range objects without using a higher-level control device such as the automobile's ECU. This eliminates the need for time to send large amounts of envelope data to the ECU to calculate the amount of noise, reduces the amount of processing by the ECU, and makes it possible to shorten the measurement interval time.
（実施の形態２）
次に、本発明に係る実施の形態２について説明する。なお、本実施の形態２において、
実施の形態１と同様の構成については、実施の形態１と同じ符号を用いて詳しい説明を省略する。この実施の形態２では、ノイズ量計測部１１が、外来的なノイズにより「一時的なノイズの上昇を検出する閾値」を超えた場合に、ノイズ量の平均値の計測を中止して、その測定におけるステップＳ５の「残響時間の測定」及びステップＳ６の「近距離に存在する障害物の判定」を中断する。一時的なノイズの上昇を検出する方法は、例えば、「一時的なノイズの上昇を検出する閾値」を設定して、「ノイズ量の平均値＜一時的なノイズの上昇を検出する閾値≦残響時間測定閾値」の条件において、ノイズの振幅波高値が「一時的なノイズの上昇を検出する閾値」を超えたサンプルをカウントして、一定の数を超えた場合に、一時的なノイズの上昇を検出した、と判定してもよい。なお、ノイズ量の平均値が計測されるまで、「一時的なノイズの上昇を検出する閾値」は、工場出荷時に定数としてもよく、或いは、自動車などに搭載されている場合にはＥＣＵなどの上位制御機器によって適宜設定されてもよい。 (Embodiment 2)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the second embodiment,
The same components as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals as those in the first embodiment, and detailed description thereof will be omitted. In the second embodiment, when the noise amount measuring unit 11 exceeds the "threshold for detecting a temporary increase in noise" due to external noise, the noise amount measuring unit 11 stops measuring the average noise amount, and suspends the "measurement of reverberation time" in step S5 and the "determination of obstacles present in the vicinity" in step S6 in the measurement. The method of detecting a temporary increase in noise may, for example, be to set a "threshold for detecting a temporary increase in noise", and count samples in which the amplitude peak value of the noise exceeds the "threshold for detecting a temporary increase in noise" under the condition of "average noise amount<threshold for detecting a temporary increase in noise≦reverberation time measurement threshold", and when the number of samples exceeds a certain number, it is determined that a temporary increase in noise has been detected. Note that the "threshold for detecting a temporary increase in noise" may be a constant at the time of shipment from the factory until the average noise amount is measured, or may be appropriately set by a higher-level control device such as an ECU when the device is mounted on a vehicle or the like.
本実施の形態２によれば、ノイズ量計測手段において、例えば他センサからの送信波などの非常に大きな振幅を持つ、外来の受信ノイズが、一時的な受信ノイズの上昇を検出する閾値を超えた場合に、残響時間測定手段と近距離物体検出手段の動作が無効になるため、誤検出を低減させることができ、高い精度での残響時間の測定と近距離物体検出が可能となる。According to the second embodiment, when the noise amount measuring means detects an external received noise having a very large amplitude, such as a transmission wave from another sensor, exceeding a threshold for detecting a temporary increase in the received noise, the operation of the reverberation time measuring means and the close-range object detecting means is disabled, thereby reducing false detections and enabling highly accurate measurement of reverberation time and detection of close-range objects.
（実施の形態３）
次に、本発明に係る実施の形態３について説明する。なお、本実施の形態３において、実施の形態１と同様の構成については、実施の形態１と同じ符号を用いて詳しい説明を省略する。この実施の形態３では、残響時間測定部１３は、残響時間の終了後、残響時間の測定を所定時間継続する。これにより、例えば、図６に示すように、残響波形エンベロープとエコーの多重反射波形エンベロープとが重なり、定在波の関係によりノッチ波形Ｎが発生して、振幅波高値が残響時間測定閾値４１以下となり、残響時間が終了したと判断したとしても、前記残響時間の測定を所定時間継続する。その後、所定時間内に振幅波高値が残響時間測定閾値４１を超えた場合は、残響時間測定が継続中と判断し、振幅波高値が残響時間測定閾値４１を超えることなく所定時間が経過した場合は、残響時間から所定時間を差し引いて、残響時間とする。所定時間は、例えば５００ｕｓｅｃ以下である。 (Embodiment 3)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the third embodiment, the same components as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals as those in the first embodiment, and detailed description thereof will be omitted. In the third embodiment, the reverberation time measuring unit 13 continues measuring the reverberation time for a predetermined time after the reverberation time ends. As a result, even if the reverberation waveform envelope and the multiple reflection waveform envelope of the echo overlap and a notch waveform N is generated due to the standing wave relationship, and the amplitude peak value becomes equal to or less than the reverberation time measurement threshold value 41, as shown in FIG. 6, and it is determined that the reverberation time ends, the measurement of the reverberation time is continued for the predetermined time. If the amplitude peak value exceeds the reverberation time measurement threshold value 41 within the predetermined time, it is determined that the reverberation time measurement is continuing, and if the predetermined time has passed without the amplitude peak value exceeding the reverberation time measurement threshold value 41, the predetermined time is subtracted from the reverberation time to obtain the reverberation time. The predetermined time is, for example, 500 usec or less.
本実施の形態３によれば、残響時間が終了したと判断しても、残響時間の測定を所定時間継続するため、残響時間の測定中に残響波と反射波の定在波により一時的にノッチ波形が発生し、残響時間が終了したと判断された場合でも高い精度でノッチ波形以降の残響時間を測定し、近距離範囲内の物体を検出することが可能となる。なお、残響エンベロープに対して、フィルタを使用してノッチ波形対策としてもよい。これにより、位相ずれを気にすることなく、高い精度での近距離物体検出が可能となる。According to the third embodiment, even if it is determined that the reverberation time has ended, the measurement of the reverberation time continues for a predetermined time. Therefore, a notch waveform is temporarily generated by the standing wave of the reverberation wave and the reflected wave during the measurement of the reverberation time, and even if it is determined that the reverberation time has ended, it is possible to measure the reverberation time after the notch waveform with high accuracy and detect objects within the close range. Note that a filter may be used to deal with the notch waveform against the reverberation envelope. This makes it possible to detect close-range objects with high accuracy without worrying about phase shifts.
（実施の形態４）
本発明に係る実施の形態４では、前記基準残響時間は、オフセット値を加算して、感度調整を行ってもよい。 (Embodiment 4)
In a fourth embodiment of the present invention, the reference reverberation time may be adjusted in sensitivity by adding an offset value.
（実施の形態５）
上述した本実施の形態１～４によれば、高い精度での近距離物体検出が可能となる。さらに、ノイズ量計測手段によって計測されるノイズ量に基づいて、物体検出閾値を決定してもよい。そして物体検出部（図示せず）において、超音波センサ５により受信した反射波の受信信号と物体検出閾値とを比較し、所定の距離範囲内に物体が存在すると物体検出部が判定するように構成してもよい。また、ＳＴＣ機能によるゲインの増減に合わせて物体検出閾値を増減させてもよい。このように構成することで、近距離だけでなく遠距離に存在する物体も高い精度で検出することが可能となる。 (Embodiment 5)
According to the above-mentioned first to fourth embodiments, it is possible to detect a close-range object with high accuracy. Furthermore, the object detection threshold may be determined based on the amount of noise measured by the noise amount measuring means. Then, in the object detection unit (not shown), the reception signal of the reflected wave received by the ultrasonic sensor 5 may be compared with the object detection threshold, and the object detection unit may be configured to determine that an object exists within a predetermined distance range. Furthermore, the object detection threshold may be increased or decreased in accordance with the increase or decrease in gain by the STC function. By configuring in this way, it is possible to detect objects that exist not only in close range but also in long range with high accuracy.
１：超音波式物体検出装置
２：超音波送受信制御部
３：送信信号制御部
４：送信回路
５：超音波センサ
６：受信回路
７：ＰＧＡ制御部（ゲイン制御手段）
８：ＡＤ変換回路
９：超音波エンベロープ波形生成部
１０：物体検出部
１１：ノイズ量計測部（ノイズ量計測手段）
１２：残響時間測定閾値決定部（残響時間測定閾値決定手段）
１３：残響時間測定部（残響時間測定手段）
１４：基準残響時間決定部（基準残響時間決定手段）
１５：近距離物体検出部（近距離物体検出手段）
２０：近距離に物体がない場合の残響波形エンベロープ
２１：近距離に物体がある場合の残響波形及びエコー多重反射波形エンベロープ
４０：間接波受信モードによるノイズ波形のエンベロープ
４１：残響時間測定閾値
５０：ＳＴＣ適用後の直接波受信モードによる残響波形のエンベロープ
５１：ＳＴＣ適用後の残響時間測定閾値 1: Ultrasonic object detection device 2: Ultrasonic transmission/reception control unit 3: Transmission signal control unit 4: Transmission circuit 5: Ultrasonic sensor 6: Reception circuit 7: PGA control unit (gain control means)
8: AD conversion circuit 9: Ultrasonic envelope waveform generating unit 10: Object detection unit 11: Noise amount measuring unit (noise amount measuring means)
12: Reverberation time measurement threshold value determination unit (reverberation time measurement threshold value determination means)
13: Reverberation time measurement unit (reverberation time measurement means)
14: Reference reverberation time determination unit (reference reverberation time determination means)
15: Near-distance object detection unit (near-distance object detection means)
20: Reverberation waveform envelope when there is no object in the vicinity 21: Reverberation waveform and echo multiple reflection waveform envelope when there is an object in the vicinity 40: Envelope of noise waveform in indirect wave reception mode 41: Reverberation time measurement threshold 50: Envelope of reverberation waveform in direct wave reception mode after application of STC 51: Reverberation time measurement threshold after application of STC
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