JP4297026B2 - Object detection method and object detection apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、対象とする検知領域に粗密波を送波し当該粗密波を用いて検知領域における物体の検知を行う物体検知方法および当該物体検知方法を用いて物体の検知を行う物体検知装置に関するものである。 The present invention relates to an object detection method for detecting an object in a detection region using the coarse / fine wave by transmitting a coarse / fine wave to a target detection region, and an object detection apparatus for detecting an object using the object detection method. Is.
従来から、物体を検知する技術として、対象とする検知領域に粗密波を間欠的に送波する送波器と粗密波を受波する受波器とを互いに隣接して設け、送波器から送波した粗密波が検知領域内に存在する物体で反射されて受波器に戻ってくると、検知領域内に物体が存在すると判断するものが知られている。 Conventionally, as a technique for detecting an object, a transmitter for intermittently transmitting a dense wave and a receiver for receiving a dense wave are provided adjacent to each other in a target detection region. It is known that when a transmitted dense wave is reflected by an object existing in the detection region and returns to the wave receiver, it is determined that the object exists in the detection region.
この技術により物体を検知する物体検知装置には、図22に示すように、それぞれ粗密波を電気信号である受波信号に変換する受波素子9を複数個配列することによって受波器6を構成したものがある。図22に示す物体検知装置では、平面上に配列された複数個の圧電素子のうち、送波用切替回路29で選択された図中破線枠内の圧電素子を送波器4とし、受波用切替回路30で選択された圧電素子をそれぞれ受波素子9としている。送波器4は、送波用切替回路29に接続された駆動回路5により駆動される。各受波素子9のそれぞれの受波信号は、増幅器10において増幅されてからADコンバータ11においてデジタル信号化され、演算器13に入力される(たとえば特許文献1参照)。 As shown in FIG. 22, an object detection apparatus for detecting an object by this technique includes a receiver 6 by arranging a plurality of receiving elements 9 for converting a dense wave into a received signal which is an electric signal. There is something configured. In the object detection apparatus shown in FIG. 22, among the plurality of piezoelectric elements arranged on the plane, the piezoelectric element in the broken frame in the figure selected by the transmission switching circuit 29 is used as the transmitter 4 to receive the wave. The piezoelectric elements selected by the switching circuit 30 are used as the wave receiving elements 9. The transmitter 4 is driven by a drive circuit 5 connected to a transmission switching circuit 29. Each received signal of each receiving element 9 is amplified by the amplifier 10, converted into a digital signal by the AD converter 11, and input to the computing unit 13 (see, for example, Patent Document 1).
ここにおいて、受波信号の強度により物体の有無を判別するために、受波信号の強度に対して一定のしきい値が設定されており、受波信号の強度がしきい値より大きければ物体が存在すると判断され、受波信号の強度がしきい値より小さければ物体が存在しないと判断される。 Here, in order to determine the presence or absence of an object based on the intensity of the received signal, a certain threshold is set for the intensity of the received signal. If the intensity of the received signal is greater than the threshold, the object If the intensity of the received signal is smaller than the threshold value, it is determined that no object exists.
演算器13においては、粗密波が送波されてから受波されるまでに要した時間を物体までの距離に対応させ、かつ各受波素子9におけるそれぞれの受波信号の時間差を物体の方位(つまり受波器6が粗密波を受波した方位)に対応させることによって、検知領域内において物体が占有する領域(つまり、物体の大きさや形状)を識別することが可能である。たとえば、物体が比較的大きい場合には受波信号の強度が検知領域内の比較的広い範囲にわたってしきい値より大きくなり、物体が比較的小さい場合には受波信号の強度が検知領域内の比較的狭い範囲にわたってしきい値より大きくなる。
ところで、受波信号の強度のピーク値は、物体における粗密波の反射係数によって異なり、反射係数が小さい物体ほど小さくなる。一方、上述した物体検知装置では、受波信号の強度に対するしきい値は物体の反射係数に依らず一定に設定されているので、同じ大きさかつ同じ形状の物体であっても、反射係数の違いによって、検知領域内において一定のしきい値に対して受波信号の強度が大きくなる範囲が異なり、異なる大きさの物体として検知されたり異なる形状の物体として検知されたりすることがある。 By the way, the peak value of the intensity of the received signal differs depending on the reflection coefficient of the dense wave in the object, and becomes smaller as the object has a smaller reflection coefficient. On the other hand, in the object detection device described above, the threshold value for the intensity of the received signal is set to be constant regardless of the reflection coefficient of the object. Depending on the difference, the range in which the intensity of the received signal increases with respect to a certain threshold in the detection region is different, and may be detected as an object of a different size or an object of a different shape.
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであって、受波信号の強度により物体の有無を判別するための受波信号の強度に対するしきい値を物体の反射係数に応じて変化させることにより、反射係数の異なる物体であっても、物体の大きさや形状を正確に識別することができる物体検知方法および当該物体検知方法を用いて物体を検知する物体検知装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described reason, and changes a threshold for the intensity of a received signal for determining the presence or absence of an object based on the intensity of the received signal according to the reflection coefficient of the object. An object detection method capable of accurately identifying the size and shape of an object even for objects having different reflection coefficients, and an object detection device for detecting an object using the object detection method. To do.
請求項1の発明では、対象とする検知領域に送波器から粗密波を間欠的に送波するとともに、それぞれ粗密波を電気信号である受波信号に変換する複数個の受波素子を有した受波器により、検知領域内に存在する物体で反射された送波器からの粗密波を受波し、粗密波が送波されてから受波されるまでに要した時間に対応する前記物体までの距離と各受波素子のそれぞれの受波信号の時間差に対応する前記物体の方位とを識別して検知領域内の物体を検知する方法であって、送波器から送波された粗密波の音圧である送波音圧と受波器により受波された粗密波の音圧である受波音圧とを用いて前記物体の反射係数を求め、物体の有無を受波信号の強度により判別するための受波信号の強度に対するしきい値を、前記物体で反射された粗密波に対応する受波信号の強度より小さくするように、前記反射係数が小さい物体ほど小さく設定することを特徴とする。 According to the first aspect of the present invention, there are a plurality of wave receiving elements for intermittently transmitting the coarse / fine wave from the wave transmitter to the target detection region and converting the coarse / fine wave into a received signal which is an electric signal. By the received wave receiver, the rough wave from the wave transmitter reflected by the object existing in the detection region is received, and the time required for receiving the wave after the rough wave is transmitted is received. A method for detecting an object in a detection region by identifying a distance to an object and an orientation of the object corresponding to a time difference between each received signal of each receiving element, and transmitted from a transmitter The reflection coefficient of the object is obtained using the transmitted sound pressure, which is the sound pressure of the dense wave, and the received sound pressure, which is the sound pressure of the dense wave received by the receiver, and the presence or absence of the object is determined as the intensity of the received signal. The threshold for the intensity of the received signal for discrimination by As smaller than the strength of the received signals to respond, and sets smaller object the reflection coefficient is small.
この方法によれば、受波信号の強度に対するしきい値を一定にするでのはなく、反射係数が小さい物体ほどしきい値を小さくするので、同じ大きさかつ同じ形状の物体であれば、反射係数が異なっていても、検知領域内においてしきい値に対して受波信号の強度が大きくなる範囲を反射係数の違いに依らず同程度とすることができ、同じ大きさかつ同じ形状の物体として検知することができる。要するに、反射係数の異なる物体であっても、物体の大きさや形状を正確に識別することができる。 According to this method, the threshold value for the intensity of the received signal is not made constant, but the threshold value is made smaller for an object having a smaller reflection coefficient. Therefore, if the object has the same size and the same shape, Even if the reflection coefficient is different, the range in which the intensity of the received signal is larger than the threshold value in the detection area can be the same regardless of the difference in the reflection coefficient. It can be detected as an object. In short, the size and shape of an object can be accurately identified even for objects having different reflection coefficients.
請求項2の発明では、請求項1の発明において、粗密波が送波されてから受波されるまでの期間において、粗密波が発散したことによる損失である発散損失と、粗密波の音響エネルギが媒質中に吸収されたことによる損失である吸収損失とを用い、前記反射係数は、前記送波音圧と発散損失と吸収損失との積で前記受波音圧を除することにより算出することを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, a divergence loss, which is a loss caused by the divergence of the coarse / fine wave in a period from when the coarse / fine wave is transmitted to the reception, and acoustic energy of the coarse / fine wave And the reflection coefficient is calculated by dividing the received sound pressure by the product of the transmitted sound pressure, the divergence loss, and the absorption loss. Features.
物体までの距離が変わると発散損失および吸収損失によって送波音圧と受波音圧との関係が異なることがあるが、請求項2の方法によれば、発散損失および吸収損失を考慮して物体の反射係数を求めるので、物体までの距離に依らずに反射係数を正確に求めることができる。 When the distance to the object changes, the relationship between the transmitted sound pressure and the received sound pressure may vary depending on the divergence loss and the absorption loss. According to the method of claim 2, the divergence loss and the absorption loss are taken into account. Since the reflection coefficient is obtained, the reflection coefficient can be obtained accurately regardless of the distance to the object.
請求項3の発明では、請求項1または請求項2の発明において、前記受波素子は、複数の方向にそれぞれ複数個ずつ配列されていることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, a plurality of the receiving elements are respectively arranged in a plurality of directions.
この方法によれば、各受波素子のそれぞれの時間差に対応する物体の方位を、複数の方向において識別することができる。 According to this method, the direction of the object corresponding to each time difference of each receiving element can be identified in a plurality of directions.
請求項4の発明は、請求項1ないし請求項3のいずれかの発明において、前記受波器が粗密波を受波する感度が低い方位ほど前記しきい値を小さくすることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects of the present invention, the threshold value is decreased as the direction in which the receiver receives low density waves is lower.
受波器の指向性により方位によって感度が異なることがあるが、請求項4の方法によれば、受波器の指向性を考慮して感度の低い方位ほどしきい値を小さくしているので、物体の方位に依らずに物体の大きさや形状を正確に識別することができる。 Depending on the directivity of the receiver, the sensitivity may differ depending on the direction. However, according to the method of claim 4, the threshold is made smaller in the direction of lower sensitivity in consideration of the directivity of the receiver. The size and shape of the object can be accurately identified regardless of the orientation of the object.
請求項5の発明は、請求項1ないし請求項4のいずれかの発明において、前記送波器から送波される粗密波の強度が小さい方位ほど前記しきい値を小さくすることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in any one of the first to fourth aspects of the invention, the threshold value is reduced in the direction in which the intensity of the coarse wave transmitted from the transmitter is smaller. .
送波器の指向性により方位によって粗密波の強度が異なることがあるが、請求項5の方法によれば、送波器の指向性を考慮して粗密波の強度が小さい方位ほどしきい値を小さくしているので、物体の方位に依らずに物体の大きさや形状を正確に識別することができる。 The intensity of the coarse wave may vary depending on the direction depending on the directivity of the transmitter. According to the method of claim 5, the threshold value becomes smaller in the direction where the intensity of the coarse wave is smaller in consideration of the directivity of the transmitter. Therefore, the size and shape of the object can be accurately identified regardless of the orientation of the object.
請求項6の発明では、請求項1ないし請求項5のいずれかの発明において、粗密波が送波されてから受波されるまでの期間において、粗密波が発散したことによる損失である発散損失と、粗密波の音響エネルギが媒質中に吸収されたことによる損失である吸収損失と、方位に応じた前記送波器から送波される粗密波の強度である送波強度と、方位に応じた前記受波器が粗密波を受波する感度である受波感度とを用い、前記反射係数は、前記送波音圧と発散損失と吸収損失と送波強度と受波感度との積で前記受波音圧を除することにより算出することを特徴とする。 According to the invention of claim 6, in the invention of any one of claims 1 to 5, the divergence loss which is a loss due to the divergence of the dense wave during the period from when the coarse wave is transmitted to when it is received. An absorption loss that is a loss due to the acoustic energy of the dense wave being absorbed in the medium, a transmission intensity that is the intensity of the dense wave transmitted from the transmitter according to the direction, and according to the direction. And the reflection coefficient is the product of the transmission sound pressure, the divergence loss, the absorption loss, the transmission intensity, and the reception sensitivity. The calculation is performed by dividing the received sound pressure.
物体までの距離が変わると発散損失および吸収損失によって送波音圧と受波音圧との関係が異なることがあるが、請求項6の方法によれば、発散損失および吸収損失を考慮して物体の反射係数を求めるので、物体までの距離に依らずに反射係数を正確に求めることができる。また、送波強度および受波感度も考慮しているので、物体の方位に依らずに反射係数を正確に求めることができる。 When the distance to the object changes, the relationship between the transmitted sound pressure and the received sound pressure may differ depending on the divergence loss and the absorption loss. According to the method of claim 6, the divergence loss and the absorption loss are taken into account. Since the reflection coefficient is obtained, the reflection coefficient can be obtained accurately regardless of the distance to the object. In addition, since the transmission intensity and the reception sensitivity are also taken into consideration, the reflection coefficient can be obtained accurately regardless of the orientation of the object.
請求項7の発明は、請求項1ないし請求項6のいずれかの発明において、前記検知領域を所定幅で前記送波器および前記受波器からそれぞれ等距離の複数の区間に分割し、区間毎に前記しきい値を設定することを特徴とする。 The invention of claim 7 is the invention according to any one of claims 1 to 6, wherein the detection area is divided into a plurality of sections of equal distance from the transmitter and the receiver with a predetermined width. The threshold value is set every time.
この方法によれば、区間毎にしきい値を設定しているので、物体までの距離および物体の方位から区間が決定すると、この区間に応じたしきい値を設定することができ、物体の大きさや形状を正確に識別することができる。 According to this method, since a threshold is set for each section, if a section is determined from the distance to the object and the direction of the object, the threshold corresponding to this section can be set. The sheath shape can be accurately identified.
請求項8の発明は、請求項1ないし請求項7のいずれかの発明において、前記検知領域を所定幅で前記送波器および前記受波器からそれぞれ等距離の複数の区間に分割し、区間毎に前記反射係数を求め、各区間において反射率が最大である位置を前記物体の存在位置とし、当該存在位置における受波信号の強度より規定された割合だけ小さくなるように前記しきい値を設定することを特徴とする。 The invention of claim 8 is the invention according to any one of claims 1 to 7, wherein the detection area is divided into a plurality of sections equidistant from the transmitter and the receiver with a predetermined width. The reflection coefficient is obtained every time, and the position where the reflectance is maximum in each section is set as the existence position of the object, and the threshold value is set so as to be smaller by a specified ratio than the intensity of the received signal at the existence position. It is characterized by setting.
この方法によれば、区間毎に反射係数を求めているので、検知領域内に反射係数の異なる複数の物体が存在しても、各物体のそれぞれの反射係数を求めることができる。さらに、各区間において物体で反射された粗密波に対応する受波信号の強度より規定された割合だけ小さいしきい値をそれぞれ設定するので、各物体のそれぞれの大きさや形状を正確に識別することができる。 According to this method, since the reflection coefficient is obtained for each section, even when a plurality of objects having different reflection coefficients exist in the detection region, the reflection coefficient of each object can be obtained. In addition, each threshold is set to a threshold that is smaller by a specified percentage than the intensity of the received signal corresponding to the dense wave reflected by the object in each section, so that the size and shape of each object can be accurately identified. Can do.
請求項9の発明は、請求項1ないし請求項8のいずれかの発明において、前記検知領域内の各方位にそれぞれ対応付けた複数の画素を有し距離を画素値とする画像を画像出力部に出力し、受波信号の強度が前記しきい値を越える領域を画像出力部に時系列に表示することを特徴とする。 The invention according to claim 9 is the image output unit according to any one of claims 1 to 8, wherein an image having a plurality of pixels respectively associated with each direction in the detection area and having a pixel value as a distance is provided. A region in which the intensity of the received signal exceeds the threshold value is displayed in time series on the image output unit.
この方法によれば、検知領域内の物体を時系列に表示するので、物体の移動をみることができる。 According to this method, since the objects in the detection area are displayed in time series, the movement of the objects can be seen.
請求項10の発明は、請求項1ないし請求項9のいずれかの発明において、前記送波器が、送波する粗密波の周波数に共振周波数を持たないことを特徴とする。 A tenth aspect of the invention is characterized in that, in any of the first to ninth aspects of the invention, the transmitter does not have a resonance frequency in the frequency of the coarse / fine wave to be transmitted.
この方法によれば、送波器から送波される粗密波における残響成分が比較的小さく、各受波素子のそれぞれの受波信号が残響成分により時間軸方向に広がることが防止されるので、検知部において物体までの距離および物体の方位を精度良く識別することができる。 According to this method, the reverberation component in the close-packed wave transmitted from the transmitter is relatively small, and each received signal of each receiving element is prevented from spreading in the time axis direction due to the reverberation component. The detection unit can accurately identify the distance to the object and the direction of the object.
請求項11の発明は、請求項1ないし請求項10のいずれかの発明において、前記受波器が、前記送波器から送波された粗密波の周波数に共振周波数を持たないことを特徴とする。 The invention of claim 11 is the invention according to any one of claims 1 to 10, wherein the receiver does not have a resonance frequency in the frequency of the dense wave transmitted from the transmitter. To do.
この方法によれば、受波器から出力される受波信号における残響成分が比較的小さく、各受波素子のそれぞれの受波信号が残響成分により時間軸方向に広がることが防止されるので、検知部において物体までの距離および物2の方位を精度良く識別することができる。 According to this method, the reverberation component in the received signal output from the receiver is relatively small, and each received signal of each receiving element is prevented from spreading in the time axis direction due to the reverberant component. It is possible to accurately identify the distance to the object and the direction of the object 2 in the detection unit.
請求項12の発明では、対象とする検知領域に粗密波を間欠的に送波する送波器と、それぞれ粗密波を電気信号である受波信号に変換する複数個の受波素子を有し、検知領域内に存在する物体で反射された送波器からの粗密波を受波する受波器と、粗密波が送波されてから受波されるまでに要した時間に対応する前記物体までの距離と各受波素子のそれぞれの受波信号の時間差に対応する前記物体の方位とを識別して検知領域内の物体を検知する検知部とを備え、検知部は、送波器から送波された粗密波の音圧である送波音圧と受波器により受波された粗密波の音圧である受波音圧とを用いて前記物体の反射係数を求め、物体の有無を受波信号の強度により判別するための受波信号の強度に対するしきい値を、前記物体で反射された粗密波に対応する受波信号の強度より小さくするように、前記反射係数が小さい物体ほど小さく設定していることを特徴とする。 The invention according to claim 12 includes a transmitter that intermittently transmits a coarse / fine wave to a target detection region, and a plurality of wave receiving elements that respectively convert the coarse / fine wave into a reception signal that is an electric signal. A receiver for receiving the dense wave from the transmitter reflected by the object existing in the detection region, and the object corresponding to the time required from the time when the dense wave is transmitted until the wave is received And a detection unit that detects the object in the detection region by identifying the distance to and the azimuth of the object corresponding to the time difference between the reception signals of each reception element, the detection unit from the transmitter The reflection coefficient of the object is obtained using the transmitted sound pressure, which is the sound pressure of the transmitted dense wave, and the received sound pressure, which is the sound pressure of the dense wave received by the receiver, and the presence or absence of the object is received. The threshold for the intensity of the received signal for discrimination by the intensity of the wave signal is set to the dense wave reflected by the object. As smaller than the strength of the received signals to respond, characterized in that it is set smaller as the object the reflection coefficient is small.
この構成によれば、受波信号の強度に対するしきい値を一定にするでのはなく、反射係数が小さい物体ほどしきい値を小さくするので、同じ大きさかつ同じ形状の物体であれば、反射係数が異なっていても、検知領域内においてしきい値に対して受波信号の強度が大きくなる範囲を反射係数の違いに依らず同程度とすることができ、同じ大きさかつ同じ形状の物体として検知することができる。要するに、反射係数の異なる物体であっても、物体の大きさや形状を正確に識別することができる。 According to this configuration, the threshold with respect to the intensity of the received signal is not made constant, but the threshold is decreased as the reflection coefficient is smaller, so if the object has the same size and the same shape, Even if the reflection coefficient is different, the range in which the intensity of the received signal is larger than the threshold value in the detection area can be the same regardless of the difference in the reflection coefficient. It can be detected as an object. In short, the size and shape of an object can be accurately identified even for objects having different reflection coefficients.
請求項13の発明は、請求項12の発明において、前記検知領域内の各方位にそれぞれ対応付けた複数の画素を有し距離を画素値とする画像を出力する画像出力部を備えることを特徴とする。 A thirteenth aspect of the invention is characterized in that, in the twelfth aspect of the invention, the image output section includes a plurality of pixels respectively associated with the respective directions in the detection region and outputs an image having a distance as a pixel value. And
この構成によれば、検知領域内の物体の大きさや形状を、画像出力部によって外部に視認可能な形で知らせることができる。 According to this configuration, the size and shape of the object in the detection area can be notified to the outside by the image output unit.
本発明は、受波信号の強度に対するしきい値を一定にするでのはなく、反射係数が小さい物体ほどしきい値を小さくするので、同じ大きさかつ同じ形状の物体であれば、反射係数が異なっていても、検知領域内においてしきい値に対して受波信号の強度が大きくなる範囲を反射係数の違いに依らず同程度とすることができ、同じ大きさかつ同じ形状の物体として検知することができる。要するに、反射係数の異なる物体であっても、物体の大きさや形状を正確に識別することができるという利点がある。 In the present invention, the threshold value for the intensity of the received signal is not made constant, but the threshold value is made smaller for an object having a smaller reflection coefficient. Even if they are different, the range in which the intensity of the received signal is greater than the threshold value within the detection area can be made the same regardless of the difference in the reflection coefficient, and as an object of the same size and shape Can be detected. In short, even an object having a different reflection coefficient has an advantage that the size and shape of the object can be accurately identified.
(実施形態1)
本実施形態では、対象とする検知領域内に存在する物体を検知する物体検知装置において、物体までの距離および物体の方位を識別する構成について説明する。
(Embodiment 1)
In the present embodiment, a configuration for identifying a distance to an object and an orientation of the object in an object detection device that detects an object existing in a target detection region will be described.
本実施形態の物体検知装置は、図1に示すように、対象とする検知領域(空気中)に間欠的に粗密波を送波する送波手段1と、検知領域内に存在する物体2で反射された粗密波を受波する受波手段3とを備える。送波手段1は、電気信号である送波信号を粗密波に変換する送波器4と、粗密波が間欠的に送波されるように送波器4を駆動する駆動回路5とを有し、受波手段3は、粗密波を受波するとともに当該粗密波を電気信号である受波信号に変換する受波器6と、受波器6から受波信号を受けて受波信号の強度により物体2の有無を判別する検知部7とを有する。送波器4と受波器6とは、互いに隣接して配置され、センサ部を構成している。 As shown in FIG. 1, the object detection apparatus of the present embodiment includes a wave transmission means 1 that intermittently transmits a dense wave to a target detection area (in the air) and an object 2 that exists in the detection area. Receiving means 3 for receiving the reflected dense wave. The wave transmitting means 1 includes a wave transmitter 4 that converts a wave signal, which is an electrical signal, into a coarse / fine wave, and a drive circuit 5 that drives the wave transmitter 4 so that the coarse / fine wave is intermittently transmitted. The wave receiving means 3 receives the received signal from the receiver 6 that receives the received signal from the receiver 6 and receives the received signal from the receiver 6. And a detection unit 7 that determines the presence or absence of the object 2 based on the intensity. The transmitter 4 and the receiver 6 are disposed adjacent to each other and constitute a sensor unit.
ここで、駆動回路5と検知部7とは接続されており、粗密波が送波されてから受波されるまでに要した時間を検知部7において求めることができる。この粗密波の送受波に要した時間が物体2までの距離に対応する。また、受波器6は、図2に示すように、素子配列用基板8上において縦方向(垂直方向)に5個、横方向(水平方向)に5個それぞれ等間隔に配列された合計10個の受波素子9を有し、それぞれの受波素子9において粗密波を受波信号に変換することにより、検知部7において各受波素子9のそれぞれの受波信号の時間差によって物体2の方位を識別できるようにしてある。たとえば、図3に示すように、受波器6の素子配列用基板8に直交する方向に対して角度θだけ傾いた方位からの粗密波を受ける場合に、隣接する受波素子9(間隔をdとする)のそれぞれの受波信号の時間差Δtは次式のように表される。ここで、音速をcとしている。 Here, the drive circuit 5 and the detection unit 7 are connected to each other, and the detection unit 7 can obtain the time required from when the dense / dense wave is transmitted until it is received. The time required for transmission / reception of the dense wave corresponds to the distance to the object 2. In addition, as shown in FIG. 2, a total of 10 receivers 6 are arranged on the element array substrate 8 at five equal intervals in the vertical direction (vertical direction) and five in the horizontal direction (horizontal direction). Each receiving element 9 converts the coarse / fine wave into a received signal by each receiving element 9, so that the detection unit 7 can detect the object 2 due to the time difference between the received signals of each receiving element 9. The direction can be identified. For example, as shown in FIG. 3, when receiving a close-packed wave from a direction inclined by an angle θ with respect to a direction orthogonal to the element array substrate 8 of the receiver 6, The time difference Δt between the received signals of (d) is expressed by the following equation. Here, the sound speed is c.
Δt=(d・sinθ)/c
検知部7は、図4に示すように、各受波素子5からの受波信号をそれぞれ増幅するアンプ10と、アンプ10で増幅された受波信号をA/D変換するADコンバータ11と、ADコンバータ11でデジタル信号化された受波信号を格納するフレームメモリ12と、フレームメモリ12に格納された受波信号を用いて物体2までの距離および物体2の方位を識別する演算器13とを有する。受波信号を増幅してA/D変換し、フレームメモリ12に格納するという一連の処理は、各受波素子9についてそれぞれ行われるものである。ここでは、アンプ10の増幅率は40dB〜60dBとしており、S/N比は60dB程度である。ADコンバータ11には16bitのものを用いており、サンプリング周波数は1MHzとしてある。フレームメモリ12は、それぞれの受波素子9について、ADコンバータ11のサンプリング周期(ここでは1μs)毎に受波信号の振幅を格納できるように分割された記憶領域を持つ。
Δt = (d · sin θ) / c
As shown in FIG. 4, the detection unit 7 includes an amplifier 10 that amplifies the received signal from each receiving element 5, an AD converter 11 that A / D converts the received signal amplified by the amplifier 10, and A frame memory 12 that stores the received signal converted into a digital signal by the AD converter 11, and a calculator 13 that identifies the distance to the object 2 and the orientation of the object 2 using the received signal stored in the frame memory 12. Have A series of processing of amplifying the received signal, A / D converting it, and storing it in the frame memory 12 is performed for each receiving element 9. Here, the amplification factor of the amplifier 10 is set to 40 dB to 60 dB, and the S / N ratio is about 60 dB. A 16-bit AD converter 11 is used, and the sampling frequency is 1 MHz. The frame memory 12 has a storage area divided for each receiving element 9 so that the amplitude of the received signal can be stored for each sampling period (here, 1 μs) of the AD converter 11.
本実施形態の演算器13は、受波器6が粗密波を受波した方位(つまり物体2の方位)を識別するために、各受波素子9からの受波信号をそれぞれ遅延時間だけ遅延させる遅延手段14(図5参照)と、遅延された受波信号を加算する加算手段15(図5参照)とを有している。ここで、演算器13は、受波信号を遅延させた状態でフレームメモリ12から各受波素子9毎に読み出すことにより、遅延時間の組み合わせに対応する方位から受波した粗密波の受波信号を加算手段15の出力として取り出すことができるようにしている。 The computing unit 13 of this embodiment delays the received signal from each receiving element 9 by a delay time in order to identify the direction (that is, the direction of the object 2) at which the receiver 6 has received the density wave. Delay means 14 (see FIG. 5) to be added, and addition means 15 (see FIG. 5) for adding the delayed received signal. Here, the computing unit 13 reads out each received wave element 9 from the frame memory 12 in a state where the received wave signal is delayed, thereby receiving the received signal of the coarse / fine wave received from the direction corresponding to the combination of the delay times. Can be taken out as an output of the adding means 15.
以下に、物体2までの距離および物体2の方位を識別する処理の概要を、図5に示すように、検知領域内に2つの物体2,2’が存在する場合を想定して説明する。ただし、ここでは、1つの平面上での方位を識別するものとし、当該平面上に受波素子9が5個配列されている場合について説明する。また、図6(b)および図6(d)では長方形の横方向の長さを遅延時間の大きさとして遅延時間の組み合わせを表し、図6(c)および図6(e)においては横軸を時間軸として図6(a)の受波素子9毎の受波信号を表す。図6(f)および図6(g)には横軸を時間軸として加算後の受波信号を示す。 In the following, an outline of processing for identifying the distance to the object 2 and the orientation of the object 2 will be described on the assumption that there are two objects 2 and 2 ′ in the detection area as shown in FIG. 5. However, here, it is assumed that the orientation on one plane is identified, and a case where five receiving elements 9 are arranged on the plane will be described. 6B and 6D show combinations of delay times with the horizontal length of the rectangle as the magnitude of the delay time. In FIGS. 6C and 6E, the horizontal axis Represents a received signal for each of the receiving elements 9 in FIG. FIG. 6 (f) and FIG. 6 (g) show the received signal after addition with the horizontal axis as the time axis.
送波器4から送波された粗密波が各物体2,2’でそれぞれ反射されることにより、各受波素子9は、図6(a)のように各物体2,2’の方位に対応する時間差を持つ粗密波を受波する。各受波素子9からの受波信号を図6(b)に示す組み合わせの遅延時間だけ遅延させることにより、図6(c)に示すように物体2で反射された粗密波に対応するすべての受波信号のタイミングを一致させることができる。一方、各受波素子9からの受波信号を図6(d)に示す組み合わせの遅延時間だけ遅延させることにより、図6(e)に示すように物体2’で反射された粗密波に対応するすべての受波信号のタイミングを一致させることができる。ここで、図6(b)の遅延時間の組み合わせが物体2の方位に対応し、図6(d)の遅延時間の組み合わせが物体2’の方位に対応するのである。 The close-packed waves transmitted from the transmitter 4 are reflected by the objects 2 and 2 ′, so that the receiving elements 9 are oriented in the directions of the objects 2 and 2 ′ as shown in FIG. Receives dense waves with a corresponding time difference. By delaying the received signal from each receiving element 9 by the delay time of the combination shown in FIG. 6B, all the dense waves reflected by the object 2 as shown in FIG. The timings of the received signals can be matched. On the other hand, by delaying the received signal from each receiving element 9 by the delay time of the combination shown in FIG. 6D, it is possible to cope with the dense wave reflected by the object 2 ′ as shown in FIG. 6E. The timings of all received signals can be matched. Here, the combination of delay times in FIG. 6B corresponds to the orientation of the object 2, and the combination of delay times in FIG. 6D corresponds to the orientation of the object 2 ′.
また、図7(a)に示すように、物体2の方位において粗密波の送受波に要した時間t1が物体2までの距離に換算されるとともに、図7(b)に示すように、物体2’の方位において粗密波の送受波に要した時間t2が物体2’までの距離に換算される。このように、物体2までの距離および物体2の方位を識別することによって、検知領域内において物体2が占有する領域(つまり、物体2の大きさや形状)を識別することが可能である。 Further, as shown in FIG. 7A, the time t1 required for transmission / reception of the dense wave in the azimuth of the object 2 is converted into the distance to the object 2, and as shown in FIG. The time t2 required for transmission / reception of the dense wave in the 2 ′ direction is converted into the distance to the object 2 ′. In this way, by identifying the distance to the object 2 and the orientation of the object 2, it is possible to identify the area occupied by the object 2 in the detection area (that is, the size and shape of the object 2).
ところで、演算器13は、加算後の受波信号(図6(f)および図6(g)を参照)の強度によって、遅延時間の組み合わせに対応する方位における物体2の有無を判別する判別手段(図示せず)を有し、判別手段において、加算後の受波信号の強度としきい値とを比較し、受波信号の強度がしきい値より大きいと当該方位に物体2が存在すると判断する。本実施形態では、判別手段において受波信号の強度に対するしきい値が一定の値に設定されるのではなく、物体2における粗密波の反射係数に応じてしきい値を変化させている点に特徴がある。 By the way, the computing unit 13 discriminates the presence / absence of the object 2 in the azimuth corresponding to the combination of the delay times based on the intensity of the received signal after addition (see FIG. 6 (f) and FIG. 6 (g)). (Not shown), the discrimination means compares the intensity of the received signal after addition with a threshold value, and if the received signal intensity is greater than the threshold value, it is determined that the object 2 exists in the direction. To do. In the present embodiment, the threshold value for the intensity of the received signal is not set to a constant value in the discriminating means, but the threshold value is changed according to the reflection coefficient of the dense wave in the object 2. There are features.
具体的に説明すると、反射係数が小さい物体2ほど粗密波は反射され難く受波信号の強度のピーク値が小さくなるので、しきい値は、反射係数の大小に依らずに物体2で反射された粗密波に対応する受波信号の強度より小さくなるように、反射係数が小さい物体2ほど小さく設定される。この構成によれば、同じ大きさかつ同じ形状の物体2であれば、反射係数が異なっていたとしても、当該物体で反射された粗密波に対応する受波信号の強度がしきい値よりも大きくなる範囲(つまり、検知領域内において物体2が占有する領域)を同程度とすることができ、同じ大きさかつ同じ形状の物体2として検知することができる。 More specifically, the object 2 having a smaller reflection coefficient is less likely to receive a dense wave, and the peak value of the intensity of the received signal is smaller. Therefore, the threshold value is reflected by the object 2 regardless of the magnitude of the reflection coefficient. The object 2 having a smaller reflection coefficient is set to be smaller so as to be smaller than the intensity of the received signal corresponding to the rough dense wave. According to this configuration, if the object 2 has the same size and the same shape, even if the reflection coefficients are different, the intensity of the received signal corresponding to the dense wave reflected by the object is lower than the threshold value. The larger range (that is, the region occupied by the object 2 in the detection region) can be made similar, and can be detected as the object 2 having the same size and shape.
たとえば、物体検知装置が1m以内(往復距離では2m以内)に存在する物体2を検知するとすれば、粗密波は空気中で最大1mの距離を往復することになり、この期間に、粗密波の発散による発散損失と、粗密波の音響エネルギが空気中に吸収されることによる吸収損失と、粗密波が物体2で反射される際の反射損失(反射係数に依存する)とによって、粗密波が45dB程度減衰する。つまり、送波器4から送波された粗密波の音圧である送波音圧Vsと受波器6により受波された粗密波の音圧である受波音圧Vrとの関係は、物体2までの往復距離Rに依存する空気中での発散損失{1/(4πR2)}および吸収損失exp(−αR)と、反射係数Krとを用いて次式のように表すことができる。ただし、吸収損失におけるαは吸収係数である。 For example, if the object detection device detects an object 2 existing within 1 m (within a reciprocation distance of 2 m), the rough wave will reciprocate a maximum distance of 1 m in the air. Due to the divergence loss due to divergence, the absorption loss due to the acoustic energy of the dense wave being absorbed in the air, and the reflection loss when the dense wave is reflected by the object 2 (depending on the reflection coefficient), Attenuates about 45 dB. That is, the relationship between the transmitted sound pressure V s that is the sound pressure of the dense wave transmitted from the transmitter 4 and the received sound pressure V r that is the sound pressure of the dense wave received by the receiver 6 is Using the divergence loss {1 / (4πR 2 )} and absorption loss exp (−αR) in the air depending on the round-trip distance R to the object 2 and the reflection coefficient K r , the following expression is used. it can. However, α in the absorption loss is an absorption coefficient.
Vr=Vs・1/(4πR2)・exp(−αR)・Kr
本実施形態では、送波音圧と受波音圧と発散損失と吸収損失とを用いて、上式から物体2の反射係数を求めている。そして、求まった反射係数が小さい物体2ほどしきい値を小さく設定する。
V r = V s · 1 / (4πR 2 ) · exp (−αR) · K r
In this embodiment, the reflection coefficient of the object 2 is obtained from the above equation using the transmitted sound pressure, the received sound pressure, the divergence loss, and the absorption loss. The threshold value is set to be smaller for the object 2 having a smaller reflection coefficient.
また、本実施形態では、送波器4および受波器6に、送受波する粗密波の周波数に共振周波数を持たないものをそれぞれ採用することによって、送波器4から送波される粗密波における残響成分と受波器6から出力される受波信号における残響成分との両方を比較的小さくし、各受波素子9のそれぞれの受波信号が残響成分により時間軸方向に広がることを防止し、検知部7において物体2までの距離および物体2の方位を精度良く識別できるようにしている。 Further, in this embodiment, by adopting the transmitter 4 and the receiver 6 that do not have a resonance frequency in the frequency of the transmitted / received coarse / fine wave, the coarse / fine wave transmitted from the transmitter 4 is used. Both the reverberation component in the signal and the reverberation component in the received signal output from the receiver 6 are made relatively small, and the received signal of each receiving element 9 is prevented from spreading in the time axis direction due to the reverberation component. In addition, the detection unit 7 can accurately identify the distance to the object 2 and the orientation of the object 2.
具体的な構成として、送波器4においては、図8に示すような熱励起方式のものを採用している。この送波器4は、単結晶シリコン(c−Si)等からなる基板16と、基板16上に設けられたナノ結晶シリコン(nc−PS)等からなる熱絶縁層17と、送波器4の音源として熱絶縁層17上に成膜されたタングステン(W)等の金属薄膜18とを備えている。図8において、金属薄膜18の左右両端部には、アルミニウム(Al)等からなる一対の通電電極19が設けられる。通電電極19の左右方向の寸法は5mmにしてある。金属薄膜18はこの通電電極19を通して通電されたときに発熱するものであって、熱絶縁層17は金属薄膜18からの熱が基板16側に逃げることを防止している。 As a specific configuration, the transmitter 4 employs a thermal excitation type as shown in FIG. The wave transmitter 4 includes a substrate 16 made of single crystal silicon (c-Si) or the like, a thermal insulating layer 17 made of nanocrystalline silicon (nc-PS) or the like provided on the substrate 16, and the wave transmitter 4. And a metal thin film 18 such as tungsten (W) formed on the heat insulating layer 17 as a sound source. In FIG. 8, a pair of current-carrying electrodes 19 made of aluminum (Al) or the like are provided on the left and right ends of the metal thin film 18. The horizontal dimension of the conductive electrode 19 is 5 mm. The metal thin film 18 generates heat when energized through the energizing electrode 19, and the heat insulating layer 17 prevents heat from the metal thin film 18 from escaping to the substrate 16 side.
ここにおいて、駆動回路5が通電電極19間に交流電圧を印加して送波信号としての駆動電流を流すと、金属薄膜18が温度変化を繰り返すことにより金属薄膜18に接触する媒質(空気)が膨張収縮して、駆動電流と同じ周波数の粗密波が生じるのである。このように、本実施形態の送波器4は、金属薄膜18の温度変化により粗密波を発生するものであって、自身が機械的に振動するものではなく共振周波数を持たないので、粗密波の発生時に共振による残響成分を発生することはない。また、本実施形態の送波器4は、音源となる部位が平面状であって、当該平面に直交する向きに粗密波を送波する。音源となる部位は、正方形状に形成されている。 Here, when the drive circuit 5 applies an AC voltage between the energizing electrodes 19 to cause a drive current as a transmission signal to flow, the medium (air) that contacts the metal thin film 18 is changed by the temperature change of the metal thin film 18. It expands and contracts to generate a dense wave having the same frequency as the drive current. As described above, the transmitter 4 according to the present embodiment generates a dense wave due to a temperature change of the metal thin film 18, and does not vibrate mechanically and does not have a resonance frequency. When this occurs, no reverberation component due to resonance is generated. Further, in the transmitter 4 of the present embodiment, the portion serving as a sound source is planar, and transmits a dense wave in a direction orthogonal to the plane. The part which becomes the sound source is formed in a square shape.
駆動回路5は、この送波器4の金属薄膜18に図9に示すようなガウス波形状の駆動電流を流すことによって送波器4を駆動する。ガウス波形状の駆動電流の周波数成分はガウス分布であるから、このような駆動電流で送波器4を駆動することによって、特定の周波数帯域を有する粗密波を発生することができる。ここでは、粗密波の周波数帯域が50kHz〜70kHzの超音波領域に設定している。さらに、駆動回路5が出力する駆動電流は単発のパルス電流であって、送波器4から単発の粗密波を送波させており、送波器4が送波する粗密波にサイドローブが発生することを防止している。駆動回路5は、図10に示すように、電源DCに対してスイッチSWを介して接続されたコンデンサC1を備え、コンデンサC1は、スイッチング素子Q1とインダクタL1と抵抗R1との直列回路を介して送波器4に接続された構成を有する。ここにおいて、スイッチSWがオンの期間にコンデンサC1が充電され、スイッチング素子Q1がオンされることにより送波器4に駆動電流が流れる。駆動電流の波形は、インダクタL1および抵抗R1の値によって変化する。駆動回路5における出力端間には、負荷である送波器4の短絡防止のために送波器4と並列に保護抵抗R2が設けられる。 The drive circuit 5 drives the wave transmitter 4 by flowing a Gaussian wave-shaped drive current as shown in FIG. 9 through the metal thin film 18 of the wave transmitter 4. Since the frequency component of the drive current in the form of a Gaussian wave has a Gaussian distribution, it is possible to generate a dense wave having a specific frequency band by driving the transmitter 4 with such a drive current. Here, the frequency band of the coarse / fine wave is set to an ultrasonic region of 50 kHz to 70 kHz. Further, the drive current output from the drive circuit 5 is a single pulse current, and a single coarse / fine wave is transmitted from the transmitter 4, and side lobes are generated in the coarse / fine wave transmitted by the transmitter 4. To prevent it. As shown in FIG. 10, the drive circuit 5 includes a capacitor C1 connected to a power source DC via a switch SW. The capacitor C1 is connected via a series circuit of a switching element Q1, an inductor L1, and a resistor R1. It has a configuration connected to the transmitter 4. Here, when the switch SW is on, the capacitor C1 is charged, and the switching element Q1 is turned on, so that a drive current flows through the transmitter 4. The waveform of the drive current varies depending on the values of the inductor L1 and the resistor R1. A protective resistor R2 is provided between the output terminals of the drive circuit 5 in parallel with the transmitter 4 to prevent a short circuit of the transmitter 4 as a load.
一方、受波器6の各受波素子9においては、共振周波数を持たない静電容量形のマイクロフォンをそれぞれ採用している。この受波素子9は、図11に示すように、単結晶シリコン等からなり一部に受波孔20が形成された基板21と、受波孔20の一方の開口を覆うように基板21に連続一体に形成され可動電極(図示せず)を設けた薄膜の受波体22と、ギャップ23を介して受波体22に対向する固定電極保持部24と、固定電極保持部24に設けられた固定電極25とを備え、基板21と受波体22とでダイアフラム構造を構成している。受波孔20は受波体22側ほど狭くなる形状に形成されている。この構成により、受波体22が粗密波を受けると受波体22が振動し、受波体22と固定電極25との距離が変化する。結果的に、可動電極と固定電極25との間の静電容量が変化する。そして、可動電極と固定電極25との間に電圧が印加されることにより、この静電容量の変化に依存して変化する電圧を受波信号として取り出すことができる。また、受波素子9の構造は、上述したダイアフラム構造に限らず、受波体22を受波孔20の一辺において基板21に連続させたカンチレバー構造としてもよい。 On the other hand, each receiving element 9 of the receiver 6 employs a capacitance type microphone having no resonance frequency. As shown in FIG. 11, the wave receiving element 9 includes a substrate 21 made of single crystal silicon or the like and formed with a wave receiving hole 20 in a part thereof, and a substrate 21 so as to cover one opening of the wave receiving hole 20. A thin-film wave receiving body 22 that is continuously formed integrally and provided with a movable electrode (not shown), a fixed electrode holding portion 24 that faces the wave receiving body 22 through a gap 23, and a fixed electrode holding portion 24. The fixed electrode 25 and the substrate 21 and the wave receiver 22 form a diaphragm structure. The wave receiving hole 20 is formed in a shape that becomes narrower toward the wave receiving body 22 side. With this configuration, when the wave receiving body 22 receives a close-packed wave, the wave receiving body 22 vibrates, and the distance between the wave receiving body 22 and the fixed electrode 25 changes. As a result, the capacitance between the movable electrode and the fixed electrode 25 changes. When a voltage is applied between the movable electrode and the fixed electrode 25, a voltage that changes depending on the change in capacitance can be extracted as a received signal. The structure of the wave receiving element 9 is not limited to the diaphragm structure described above, and may be a cantilever structure in which the wave receiving body 22 is made continuous with the substrate 21 at one side of the wave receiving hole 20.
10個の受波素子9が一平面上に配列された本実施形態の受波手段3においては、受波素子9が配列された平面に直交する方向に対して、傾きが0度のときの強度を0dBとすると、傾きが5度のときに強度が−3dBとなるような、比較的鋭い指向性を有する。また、受波器4が粗密波を受波しても共振しないことにより、受波素子9を粗密波の波長以下の比較的狭い間隔で配置することができるのである。 In the wave receiving means 3 of this embodiment in which ten wave receiving elements 9 are arranged on one plane, the inclination is 0 degree with respect to the direction orthogonal to the plane on which the wave receiving elements 9 are arranged. When the intensity is 0 dB, the directivity is relatively sharp, such that the intensity is -3 dB when the inclination is 5 degrees. In addition, since the receiver 4 does not resonate even when receiving the dense wave, the wave receiving elements 9 can be arranged at relatively narrow intervals equal to or less than the wavelength of the dense wave.
また、本実施形態では、検知部7の演算器13が、送波器4が粗密波を送波するタイミングに合わせて受波信号を有効とする期間(以下では「受波期間」と呼ぶ)を決定するタイミング制御部としての機能を有している。物体検知装置がたとえば1m以内(往復距離では2m以内)に存在する物体を検出するとすれば、粗密波が空気中で1mの距離を往復するのに要する時間は6ms程度であることから、タイミング制御部は送波器4が粗密波を送波した直後から6msの受波期間を設定する。このようにタイミング制御部としての機能を有することにより、送波器4から送波された粗密波を受波器6が受波する期間にのみ受波信号を有効とすることができるので、外来ノイズや多重反射などによる受波信号を受けて検知部6が誤動作することを防止できる。ただし、タイミング制御部としての機能をADコンバータ11に設けてADコンバータ11が受波期間にのみ受波信号をデジタル信号化するようにしてもよく、ここにおいて、上述したように受波期間が6msであって、本実施形態のように受波素子9が10個の場合には、(6ms)×(1MHz)×(16bit)×(10個)=(120kbyte)のフレームメモリ12が必要になる。 In the present embodiment, the computing unit 13 of the detection unit 7 makes the received signal valid in accordance with the timing at which the transmitter 4 transmits the dense wave (hereinafter referred to as “received period”). It has a function as a timing control unit for determining For example, if the object detection device detects an object existing within 1 m (within a reciprocation distance of 2 m), the time required for the dense wave to reciprocate a distance of 1 m in the air is about 6 ms. The unit sets a 6 ms reception period immediately after the transmitter 4 transmits the dense wave. By having the function as the timing control unit in this way, the received signal can be made effective only during the period in which the receiver 6 receives the coarse / fine wave transmitted from the transmitter 4. It is possible to prevent the detection unit 6 from malfunctioning by receiving a received signal due to noise, multiple reflection, or the like. However, the AD converter 11 may be provided with a function as a timing control unit so that the AD converter 11 converts the received signal into a digital signal only during the reception period. Here, the reception period is 6 ms as described above. When the number of receiving elements 9 is 10 as in this embodiment, a frame memory 12 of (6 ms) × (1 MHz) × (16 bits) × (10) = (120 kbytes) is required. .
なお、たとえば物体2までの距離が比較的小さいなどの理由により発散損失および吸収損失を無視できる場合には、反射係数を送波音圧と受波音圧とから求めるようにしてもよい。また、本実施形態のように物体2の検知に粗密波を用いた場合には、所謂無色透明の物体2のように視認されない物体2であっても検知することができるという利点がある。 When the divergence loss and the absorption loss can be ignored for the reason that the distance to the object 2 is relatively small, for example, the reflection coefficient may be obtained from the transmitted sound pressure and the received sound pressure. In addition, when a dense wave is used to detect the object 2 as in this embodiment, there is an advantage that even an object 2 that is not visually recognized, such as a so-called colorless and transparent object 2, can be detected.
(実施形態2)
本実施形態の物体検知装置は、対象とする検知領域内に存在する物体2を3次元画像として表示することができるものである。この物体検知装置は基本構成が実施形態1で説明したものと同様であって、実施形態1で説明したように物体検知装置が物体2までの距離および物体2の方位を識別できることを利用して、検知領域内において物体2が存在する3次元的な位置を識別している。
(Embodiment 2)
The object detection apparatus according to the present embodiment is capable of displaying the object 2 existing in the target detection area as a three-dimensional image. This object detection apparatus has the same basic configuration as that described in the first embodiment, and uses the fact that the object detection apparatus can identify the distance to the object 2 and the orientation of the object 2 as described in the first embodiment. The three-dimensional position where the object 2 exists in the detection area is identified.
本実施形態では、センサ部(送波器4および受波器6)の正面側において、センサ部を頂点として、左方に45度の角度で傾いた平面と、右方に45度の角度で傾いた平面と、上方に45度の角度で傾いた平面と、下方に45度の角度で傾いた平面とで囲まれた領域であって、センサ部から5m以内の範囲を検知領域とする。以下では、センサ部の正面方向に対して左方への傾きを負の角度、右方への傾きを正の角度として左右方向の角度を表し、センサ部の正面方向に対して下方への傾きを負の角度、上方への傾きを正の角度として上下方向の角度を表す。ここで、検知領域を複数の小領域に分割し、各小領域のそれぞれにおいて物体2の有無を検知することにより検知領域内の物体2を画像化する。 In the present embodiment, on the front side of the sensor unit (transmitter 4 and receiver 6), the sensor unit is the apex, the plane is inclined at an angle of 45 degrees to the left, and the angle is 45 degrees to the right. An area surrounded by an inclined plane, a plane inclined upward at an angle of 45 degrees, and a plane inclined downward at an angle of 45 degrees, and a range within 5 m from the sensor unit is defined as a detection area. In the following, the left and right angles are expressed with respect to the front direction of the sensor unit as a negative angle, the right direction as a positive angle, and the right and left direction angles. The angle in the vertical direction is represented by a negative angle and an upward inclination as a positive angle. Here, the detection area is divided into a plurality of small areas, and the presence or absence of the object 2 is detected in each of the small areas, thereby imaging the object 2 in the detection area.
送波器4から送波される粗密波の伝播方向(以下では「奥行方向」と呼ぶ)においては、図12に示すように、検知領域を所定幅aで複数の区間に分割する。ここにおいて、区間同士がセンサ部を中心とした球面によって区切られることにより、各区間はセンサ部からそれぞれ等距離の空間を形成している。すなわち、センサ部から等距離に存在する複数の物体2はすべて同じ区間内に存在することになる。本実施形態ではセンサ部から所定距離だけ離れた位置からの区間を設定している。各区間の幅a(奥行方向の寸法)は粗密波の波長に基づいて決定されるものであって、本実施形態では粗密波の波長の10倍としている。ここでは、粗密波の波長を6.8mmとし、各区間の幅aを68mmとする。 In the propagation direction of the dense wave transmitted from the transmitter 4 (hereinafter referred to as “depth direction”), the detection area is divided into a plurality of sections with a predetermined width a as shown in FIG. Here, the sections are separated by a spherical surface centered on the sensor unit, so that each section forms a space equidistant from the sensor unit. That is, the plurality of objects 2 that are equidistant from the sensor unit are all present in the same section. In this embodiment, a section from a position away from the sensor unit by a predetermined distance is set. The width a (dimension in the depth direction) of each section is determined based on the wavelength of the dense wave, and in the present embodiment, it is 10 times the wavelength of the dense wave. Here, the wavelength of the dense wave is 6.8 mm, and the width a of each section is 68 mm.
また、左右方向における角度分解能を5度に設定し、上下方向における角度分解能も5度に設定する。ここにおいて、角度分解能をそれぞれ5度に設定すること、および受波素子9における受波信号の時間差Δtの分解能に相当するADコンバータ11のサンプリング周期が1μsであることより、上述した式Δt=(d・sinθ)/cに基づいて、受波素子9が、粗密波の波長(つまり6.8mm)よりも小さい3.9mmという間隔で配置される。ここでは音速cは340m/sとしている。これにより、各区間は左右方向に19分割かつ上下方向に19分割される。さらに、図13に示すように左右方向および上下方向のそれぞれに19画素ずつとした361画素の2次元マップを各区間に対応付ける。この2次元マップにおける1画素分を小領域b(図12参照)として、各小領域bのそれぞれにおいて物体2の有無を検知する。 Further, the angular resolution in the left-right direction is set to 5 degrees, and the angular resolution in the vertical direction is also set to 5 degrees. Here, since the angular resolution is set to 5 degrees and the sampling period of the AD converter 11 corresponding to the resolution of the time difference Δt of the received signal in the receiving element 9 is 1 μs, the above-described formula Δt = ( Based on (d · sin θ) / c, the wave receiving elements 9 are arranged at an interval of 3.9 mm, which is smaller than the wavelength of the dense wave (that is, 6.8 mm). Here, the speed of sound c is 340 m / s. Thereby, each section is divided into 19 parts in the left-right direction and 19 parts in the up-down direction. Further, as shown in FIG. 13, a two-dimensional map of 361 pixels, each having 19 pixels in the horizontal direction and the vertical direction, is associated with each section. Assuming that one pixel in this two-dimensional map is a small area b (see FIG. 12), the presence or absence of the object 2 is detected in each small area b.
ところで、送波器4から送波される粗密波の強度(以下では「送波強度」と呼ぶ)は方位によって異なるものであって、粗密波が図14に示すようなパルス正弦波である場合に、粗密波の波長をλ、送波器4の音源となる部位の一辺の長さを2aとすると、送波強度Ds(θ)は、受波器6の素子配列用基板8に直交する方向に対する傾きθに応じて次の2式のいずれかで表される。 By the way, the intensity of the dense wave transmitted from the transmitter 4 (hereinafter referred to as “transmitted intensity”) differs depending on the direction, and the dense wave is a pulse sine wave as shown in FIG. Furthermore, if the wavelength of the dense wave is λ and the length of one side of the portion that becomes the sound source of the transmitter 4 is 2a, the transmission intensity D s (θ) is orthogonal to the element array substrate 8 of the receiver 6. It is expressed by either of the following two formulas depending on the inclination θ with respect to the direction to be performed.
θが0≦θ≦sin−1(λ/4a)のときには、
Ds(θ)={sin(π・2a/λ・sinθ)}/(π・2a/λ・sinθ)
θがsin−1(λ/4a)≦θ≦π/2のときには、
Ds(θ)=1/(π・2a/λ・sinθ)
ここで、検知領域における送波強度の分布は図15に示すように、センサ部の正面方向から離れるほど送波強度が小さくなる。
When θ is 0 ≦ θ ≦ sin −1 (λ / 4a),
D s (θ) = {sin (π · 2a / λ · sin θ)} / (π · 2a / λ · sin θ)
When θ is sin −1 (λ / 4a) ≦ θ ≦ π / 2,
D s (θ) = 1 / (π · 2a / λ · sin θ)
Here, as shown in FIG. 15, in the distribution of the transmission intensity in the detection region, the transmission intensity decreases as the distance from the front direction of the sensor unit increases.
一方、受波器6が粗密波を受波する感度(以下では「受波感度」と呼ぶ)も方位によって異なるものであって、本実施形態のように、上下方向および左右方向にそれぞれ5個ずつの受波素子9が配列された受波器6では、センサ部の正面方向を中心として上下左右に延長された十字状に、受波感度Dr(θ)の高い領域が生じる。検知領域内における受波感度の分布のシミュレーション結果を図16に示す。 On the other hand, the sensitivity at which the receiver 6 receives the dense and dense waves (hereinafter referred to as “received sensitivity”) also differs depending on the orientation. As in the present embodiment, the sensitivity is 5 in each of the vertical and horizontal directions. In the receiver 6 in which each receiving element 9 is arranged, a region having a high received sensitivity D r (θ) is generated in a cross shape extending vertically and horizontally with the front direction of the sensor unit as the center. FIG. 16 shows a simulation result of the distribution of received wave sensitivity in the detection region.
このように、送波強度および受波感度は検知領域内においてそれぞれ一律ではなく、受波器6の素子配列用基板8に直交する方向に対する傾きθによって異なるので、受波器6の素子配列用基板8に直交する方向に対する傾きθを考慮すると、送波音圧Vsと受波音圧Vrとの関係は、発散損失{1/(4πR2)}と、吸収損失exp(−αR)と、送波強度Ds(θ)と、受波感度Dr(θ)と、反射係数Krとを用いて、次式のように表される。 As described above, the transmission intensity and the reception sensitivity are not uniform in the detection region, and are different depending on the inclination θ with respect to the direction orthogonal to the element array substrate 8 of the receiver 6. Considering the inclination θ with respect to the direction orthogonal to the substrate 8, the relationship between the transmitted sound pressure V s and the received sound pressure V r is a divergence loss {1 / (4πR 2 )}, an absorption loss exp (−αR), Using the transmission intensity D s (θ), the received wave sensitivity D r (θ), and the reflection coefficient K r , the following expression is used.
Vr=Vs・1/(4πR2)・exp(−αR)・Ds(θ)・Dr(θ)・Kr
そこで、本実施形態の判別手段では、送波音圧と受波音圧と発散損失と吸収損失と送波強度と受波感度とを用いて、上式から物体2の反射係数を求めるものとする。そして、求まった反射係数が小さい物体2ほどしきい値を小さく設定する。
V r = V s · 1 / (4πR 2 ) · exp (−αR) · D s (θ) · D r (θ) · K r
Therefore, the discriminating means of the present embodiment obtains the reflection coefficient of the object 2 from the above equation using the transmitted sound pressure, received sound pressure, divergence loss, absorption loss, transmitted intensity, and received sensitivity. The threshold value is set to be smaller for the object 2 having a smaller reflection coefficient.
また、反射係数が同じ物体2を検知した場合でも、センサ部から遠い物体2ほど受波信号の強度のピーク値は小さくなるので、本実施形態ではセンサ部から離れた区間ほどしきい値を小さくするように、区間毎にしきい値を設定している。さらに、送波強度が小さい方位に存在する物体2ほど受波信号の強度は小さくなるので、本実施形態では送波強度が小さい方位ほどしきい値を小さくする。加えて、受波感度が低い方位に存在する物体2ほど受波信号の強度は小さくなるので、受波感度が低い方位ほどしきい値を小さくする。 Even when an object 2 having the same reflection coefficient is detected, the peak value of the intensity of the received signal is smaller as the object 2 is farther from the sensor unit. Therefore, in this embodiment, the threshold value is smaller as the interval is farther from the sensor unit. As described above, a threshold is set for each section. Furthermore, since the intensity of the received signal is smaller as the object 2 is present in the azimuth where the transmission intensity is smaller, in this embodiment, the threshold value is smaller as the azimuth is lower. In addition, since the intensity of the received signal is smaller as the object 2 exists in the azimuth having lower reception sensitivity, the threshold value is decreased as the azimuth has lower reception sensitivity.
要するに、本実施形態では、各小領域のそれぞれにおいて物体2の有無を検知する際に、物体2の反射係数だけでなく小領域の3次元的な位置にも基づいてしきい値を設定するものであって、異なる位置に存在する物体2であっても、その大きさや形状を正確に識別することができるのである。 In short, in this embodiment, when detecting the presence or absence of the object 2 in each of the small areas, the threshold value is set based not only on the reflection coefficient of the object 2 but also on the three-dimensional position of the small area. Thus, the size and shape of the object 2 existing at different positions can be accurately identified.
以下では、本実施形態の動作の一例として、物体検知装置が、区間内の全領域において反射率を100%とした場合の受波信号の強度(以下では「基準強度」と呼ぶ)の分布に対応するデータテーブルを区間毎に予め有しており、このデータテーブルを用いてしきい値を設定する場合の動作を示す。各区間における基準強度は、センサ部から各区間までの距離と、各区間における送波強度の分布および受波感度の分布とを考慮したものであって、センサ部の正面方向から離れるほど小さくなる。ここでは、ある区間の左右方向における受波信号の強度分布を示した図17を参照して説明する。図17においては、横軸に左右方向の角度、縦軸に受波信号の強度を示す。 In the following, as an example of the operation of the present embodiment, the object detection device has a distribution of received signal intensity (hereinafter referred to as “reference intensity”) when the reflectance is 100% in all regions in the section. A corresponding data table is provided for each section in advance, and an operation when a threshold value is set using this data table is shown. The reference intensity in each section takes into account the distance from the sensor section to each section, and the distribution of the transmission intensity and the reception sensitivity in each section, and decreases as the distance from the front direction of the sensor section increases. . Here, a description will be given with reference to FIG. 17 showing the intensity distribution of the received signal in the horizontal direction of a certain section. In FIG. 17, the horizontal axis indicates the angle in the left-right direction, and the vertical axis indicates the intensity of the received signal.
まず、検知領域内の物体2で反射された粗密波に対応する受波信号の強度Aから、物体2において反射率が最大である位置(以下では「存在位置」と呼ぶ)を求める。基準強度Cは反射率を100%とした場合の受波信号の強度であるから、受波信号の強度Aと基準強度Cとの差が反射率を反映しており、この差が最小となる位置で反射率が最大となる。したがって、図17では、受波信号の強度Aと基準強度Cとの差Yが最小となる位置が存在位置Xである。 First, a position (hereinafter referred to as “existing position”) where the reflectance of the object 2 is maximum is obtained from the intensity A of the received signal corresponding to the dense wave reflected by the object 2 in the detection region. Since the reference intensity C is the intensity of the received signal when the reflectance is 100%, the difference between the intensity A of the received signal and the reference intensity C reflects the reflectance, and this difference is minimized. The reflectance is maximum at the position. Accordingly, in FIG. 17, the position where the difference Y between the received signal intensity A and the reference intensity C is the minimum is the existence position X.
次に、この存在位置Xにおける物体2の反射係数に基づいて、当該区間におけるしきい値Bを設定する。本実施形態では、存在位置Xにおける反射係数に対応付けられた1以下の正の数を各方位の基準強度Cに乗じることにより各方位のしきい値Bを得るようにしている。これにより、しきい値Bは基準強度Cと同様にセンサ部の正面方向(0度)から離れるほど小さくなる。反射係数に対応付けられた数は、しきい値Bが存在位置Xにおける受波信号の強度Aよりも規定された割合だけ小さくなるように決められるものであって、本実施形態では存在位置Xにおいてしきい値Bが受波信号の強度Aの90%となるように決められている。 Next, based on the reflection coefficient of the object 2 at the existence position X, a threshold value B in the section is set. In the present embodiment, the threshold value B for each direction is obtained by multiplying the reference intensity C for each direction by a positive number of 1 or less associated with the reflection coefficient at the existence position X. As a result, the threshold value B decreases as the distance from the front direction (0 degree) of the sensor portion becomes the same as the reference strength C. The number associated with the reflection coefficient is determined so that the threshold value B is smaller than the intensity A of the received signal at the existing position X by a prescribed ratio. In the present embodiment, the existing position X The threshold value B is determined to be 90% of the intensity A of the received signal.
物体2の有無は、受波信号の強度Aがしきい値Bより大きいか否かによって判別され、図17では、受波信号の強度Aがしきい値Bを越える領域Zにわたって物体2が存在すると判別される。ここで、物体2が占有する領域Zの広さが物体2の大きさに対応しているのである。 The presence or absence of the object 2 is determined by whether or not the received signal intensity A is greater than the threshold value B. In FIG. 17, the object 2 exists over a region Z where the received signal intensity A exceeds the threshold value B. Then it is determined. Here, the size of the area Z occupied by the object 2 corresponds to the size of the object 2.
また、物体2で反射された粗密波以外のノイズを受波器6が受波することにより、存在しない物体2を誤って検知してしまうことがないように、無効とする受波信号の強度を決定する最低しきい値Dが設定される。この最低しきい値Dより強度が小さい受波信号においては無効とするのである。この最低しきい値Dにおいても、しきい値Bと同様にセンサ部の正面方向(0度)から離れるほど小さくなる。 Further, the intensity of the received signal to be invalidated so that the non-existent object 2 is not erroneously detected when the receiver 6 receives noise other than the coarse wave reflected by the object 2. Is set to the minimum threshold value D. This is invalid for a received signal whose intensity is smaller than the minimum threshold value D. As with the threshold value B, the minimum threshold value D decreases as the distance from the front direction (0 degree) of the sensor unit increases.
ここでは、説明のために左右方向においてのみ受波信号の強度分布を示したが、実際には、左右方向および上下方向に広がる2次元マップ上において、物体2で反射された粗密波に対応する受波信号の強度が分布する。2次元マップ上においては、物体2が占有する領域の形状が、センサ部側からみた物体2の形状に対応する。 Here, for the purpose of explanation, the intensity distribution of the received signal is shown only in the left-right direction, but in reality, it corresponds to the dense wave reflected by the object 2 on the two-dimensional map spreading in the left-right direction and the up-down direction. The intensity of the received signal is distributed. On the two-dimensional map, the shape of the region occupied by the object 2 corresponds to the shape of the object 2 viewed from the sensor unit side.
ところで、本実施形態の物体検知装置は、検知領域内の各小領域にそれぞれ対応付けた複数の画素を有する画像を出力する画像出力部(図示せず)を備えている。画像出力部は、受波信号の強度がしきい値を越える小領域のみを表示するものである。センサ部からの距離が1mの区間において、左右方向の角度が0度の位置に立つ人物26と、センサ部からの距離が1.3mの区間において、左右方向の角度が40度、上下方向の角度が−20度の位置に存在するボール27とを検知した場合に生成された画像を図18に示す。図18(a)が検知領域をセンサ部側からみた正面図として画像化したものであって、図18(b)は検知領域を斜めにみた斜視図として画像化したものである。このときの人物26の反射係数は約11%であって、この反射係数に基づいてしきい値が設定された。一方、ボール27の反射係数は約5%であって、人物26とは異なるしきい値が設定された。このように、反射係数が異なる物体であっても大きさや形状が比較的正確に検知できる。 By the way, the object detection device of the present embodiment includes an image output unit (not shown) that outputs an image having a plurality of pixels respectively associated with each small region in the detection region. The image output unit displays only a small area where the intensity of the received signal exceeds the threshold value. In the section where the distance from the sensor unit is 1 m, the person 26 standing at a position where the angle in the left-right direction is 0 degrees, and in the section where the distance from the sensor unit is 1.3 m, the angle in the left-right direction is 40 degrees, FIG. 18 shows an image generated when a ball 27 existing at a position where the angle is −20 degrees is detected. FIG. 18A is a front view of the detection area viewed from the sensor unit side, and FIG. 18B is an image of the detection area as a perspective view obliquely viewed. The reflection coefficient of the person 26 at this time is about 11%, and the threshold value is set based on this reflection coefficient. On the other hand, the reflection coefficient of the ball 27 is about 5%, and a threshold value different from that of the person 26 is set. In this way, the size and shape can be detected relatively accurately even for objects having different reflection coefficients.
また、上述した例では、検知領域を一定の幅(68mm)で複数の区間に分割していたが、検知領域を前記区間に分割した状態での物体2の検知に加えて、検知領域をセンサ部の正面方向において前記区間に対して34mmだけずらして68mm幅で分割した状態でも物体2の検知を行うようにしてもよく、これにより、前者の分割状態において2つの区間に跨って粗密波が反射された場合にも、後者の分割状態において精度よく検知できるという効果を奏する。 In the above-described example, the detection area is divided into a plurality of sections with a constant width (68 mm). However, in addition to the detection of the object 2 in a state where the detection area is divided into the sections, the detection area is detected by the sensor. The object 2 may be detected even in a state where it is shifted by 34 mm with respect to the section in the front direction of the part and divided by a width of 68 mm, so that a dense wave is generated across the two sections in the former divided state. Even when it is reflected, it is possible to accurately detect the latter divided state.
なお、受波器6は素子配置用基板8上における複数の方向にそれぞれ複数個ずつの受波素子9が配列されていればよく、素子配置用基板8上における受波素子9の配置は上述したものに限らない。受波素子9の個数も10個に限定するものではなく、たとえば図19に示すように、素子配置用基板8の中央に配置された1個の受波素子9の周囲を囲む円弧上に等間隔で6個の受波素子9を配列してもよい。図19に示す配列を採用した受波器6を用いた場合には、検知領域内における受波感度の分布のシミュレーション結果である図20に示すように、センサ部の正面方向を中心として円形状に広がった領域の受波感度が高くなる。その他の構成および機能は実施形態1と同様である。 Note that the receiver 6 only needs to have a plurality of receiving elements 9 arranged in a plurality of directions on the element arrangement substrate 8, and the arrangement of the receiving elements 9 on the element arrangement substrate 8 is as described above. It is not limited to what you did. The number of the wave receiving elements 9 is not limited to ten. For example, as shown in FIG. 19, on a circular arc surrounding one wave receiving element 9 arranged at the center of the element arrangement substrate 8 or the like. Six receiving elements 9 may be arranged at intervals. When the receiver 6 adopting the arrangement shown in FIG. 19 is used, as shown in FIG. 20 which is a simulation result of the distribution of received sensitivity in the detection region, a circular shape centered on the front direction of the sensor unit. The receiving sensitivity of the area spread over is increased. Other configurations and functions are the same as those of the first embodiment.
(実施形態3)
本実施形態では、実施形態2の物体検知装置において、送波器4から一定の時間間隔で粗密波を送波し、この時間間隔に合わせて画像出力部に表示される画像を更新するようにした例を示す。ここでは、物体2までの距離を画素値に対応付けて表示する。
(Embodiment 3)
In the present embodiment, in the object detection device of the second embodiment, a dense wave is transmitted from the transmitter 4 at a constant time interval, and an image displayed on the image output unit is updated in accordance with this time interval. An example is shown. Here, the distance to the object 2 is displayed in association with the pixel value.
この構成では、検知領域に存在する物体2を時系列に表示することができる。検知領域を移動する人物28を検知した例を図21に示す。 In this configuration, the object 2 existing in the detection area can be displayed in time series. An example in which a person 28 moving in the detection area is detected is shown in FIG.
初めに表示された図21(a)においてセンサ部の近傍に存在していた人物28は、次に表示された図21(b)では図21(a)の状態よりもセンサ部から離れた位置に存在し、この次に表示された図21(c)ではセンサ部からさらに離れた位置に存在している。すなわち、この人物28がセンサ部から遠ざかるように移動したことがわかる。 The person 28 who was present in the vicinity of the sensor unit in FIG. 21A displayed first is positioned farther from the sensor unit than in the state of FIG. 21A in FIG. 21B displayed next. In FIG. 21 (c) displayed next, it is present at a position further away from the sensor unit. That is, it can be seen that the person 28 has moved away from the sensor unit.
また、画像出力部は、検知領域において受波信号の強度がしきい値を越えた領域のみを表示するので、背景を省略した状態で検知領域内に存在する物体2のみを表示することもできる。物体の表示方法については、周知の画像処理の技術を用いて、物体2の形状を識別可能な形で表示したり、物体2を追跡して表示するようにしてもよい。さらに、同じ反射係数の物体2の位置を時系列的にプロットすることにより、物体2が移動した向きを自動で判別するようにしてもよい。その他の構成および機能は実施形態2と同様である。 In addition, since the image output unit displays only the region where the intensity of the received signal exceeds the threshold value in the detection region, only the object 2 existing in the detection region can be displayed with the background omitted. . As for the display method of the object, the shape of the object 2 may be displayed in an identifiable form by using a well-known image processing technique, or the object 2 may be tracked and displayed. Furthermore, the direction in which the object 2 has moved may be automatically determined by plotting the position of the object 2 having the same reflection coefficient in time series. Other configurations and functions are the same as those of the second embodiment.
なお、上述した各実施形態で示した数値は一例であって、これに限定されるものではない。 In addition, the numerical value shown by each embodiment mentioned above is an example, Comprising: It is not limited to this.
2 物体
4 送波器
6 受波器
7 検知部
9 受波素子
2 Object 4 Transmitter 6 Receiver 7 Detector 9 Receiving element
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