JP5195759B2 - 物体検知装置 - Google Patents

Description

この発明は、探知波の送受信によって、物体の検知を行う物体検知装置に関し、特に探知波が多重反射するような狭い空間内で人体を含む物体の検知を行う物体検知装置に関するものである。

従来、監視空間に超音波を間欠的に送信すると共に、その反射波を受信し、各送信波の反射波に対応して出力される受信信号波形と、人がいないときの受信信号波形とを比較することによって人の在否検出を行う装置が特許文献１〜３に開示されている。

図１は特許文献１の超音波人体センサの構成を示すブロック図である。図１において、超音波人体センサ１０は、発振手段１と、昇圧回路２と、超音波送受信手段３と、受信・検波回路４と、受信波形変換手段５と、基準波形記憶手段６と、判定手段７とを備えている。

発振手段１は、判定手段７によって制御され、超音波パルス信号を生成するものであり、このように生成された超音波領域パルスは昇圧回路２へ出力される。判定手段７は、所定時間連続する超音波領域パルスを所定間隔で間欠的に出力するように発振手段１を制御する。

発振手段１からの超音波領域パルス出力は昇圧回路２で昇圧され、昇圧された高電圧の超音波領域パルス信号で超音波送受信手段３より、所定時間連続する超音波を間欠的に監視空間に向けて送信される。この間欠的に送信された送信波ごとの反射波に対応して、出力された受信信号は、受信・検波回路４を介して検波され、受信波形変換手段５に取り込まれる。

間欠的に送信するごとにその反射波に対応して出力される受信信号は、受信マスク終了後、所定周期で順次サンプリングされて受信波形変換手段５のＡ／Ｄ変換等の手段を介してＡ／Ｄ変換され、複数のデジタルサンプリング値から構成される受信波形データに変換される。

判定手段７は、受信波形データが基準波形データと比較演算し、監視空間内に人体が存在すると判定すると検知信号を出力する。具体的には、基準波形記憶手段に人がいないときの受信波形と、現在の波形とをＡ／Ｄのサンプリング値ごとに差分をとり合計値を算出する。この合計値が事前に設定した閾値以上なら人体が存在すると判定する。判定する際、受信波形を近距離側領域とこれよりも遠い領域に分けて、それぞれの差分合計を求めることで、より正確な判定を行う。

図２は特許文献２の超音波センサの動作を示す波形図である。この特許文献２の超音波センサは、微小区間内に反射波が存在すれば“1”、なければ“0”で表し、反射波の基準データと受信信号とを微小区間ごとに比較していくものである。

また、特許文献３には、送信子が監視空間に超音波を間欠的に送信し、送信された超音波が何らかの物体に反射して生じた反射波を受信子で受信した後、受信波形を２値化回路にて２値化情報へ変換し、事前に記憶装置に記憶しておいた、監視エリアに人がいない状態の２値化情報と、現在の２値化情報とを比較回路にて比較し、比較した結果に差があれば人がいると判定するものである。
特開２００６−３４３２１８号公報 特開平５−２７０２８号公報 特開昭５６−１６０６７３号公報

ところが、上記特許文献１〜３に開示されているセンサでは、測定時間の全域に相当する反射波形を記憶する容量の記憶装置が必要となる。そのため、監視領域が広くなったり、反射波の存在する時間帯が長い監視領域については大容量のメモリが必要になり、高価で且つ大型化する問題があった。

そこで、この発明の目的は、検知能力を低下させることなく記憶容量を削減して全体の回路規模を削減し、低コスト化・小型化を図った物体検知装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、この発明は次のように構成する。
（１）探知波（超音波）を送信し、何らかの物体（人を含む）による前記探知波の反射波を受信し、前記反射波の受信信号に基づいて物体を検知する物体検知装置において、
送信周期毎に前記探知波の送信および前記反射波の受信を所定周期で繰り返すとともに、異なる送信周期回における所定時間に亘る前記反射波の受信時間のうち同一の比較対象時間帯での前記受信信号同士を比較する受信信号比較手段と、送信周期回を更新する毎に比較対象の時間帯を切り替える比較対象時間帯切替手段と、を備える。

この構成により、反射波の一部の時間帯の波形を過去の同時間帯のものと比較することになり、波形比較時間は反射波が存在する時間帯の一部であるので、これに相当する過去の波形情報を記憶しておく記憶容量は小さくなり、全体回路規模が削減され、低コスト化・小型化が図れる。

（２）前記受信信号比較手段は、所定の（前回）の送信周期回の前記比較対象時間帯での受信信号強度の波形を波形記憶手段に記憶するとともに、当該波形記憶手段に記憶された波形と今回の送信周期回の比較対象時間帯での受信信号強度の波形とを比較するものとする。

この構成により、比較対象時間帯の受信信号強度の波形と基準となる受信信号強度の波形同士を比較することになり、時間軸および強度軸の分解能次第で、検知精度を上げることができる。

この発明によれば、過去の波形情報を記憶しておく記憶容量が小さくて済み、全体の回路規模が削減され、低コスト化・小型化が図れる。

特許文献１に示されている超音波人体センサの構成を示すブロック図である。 特許文献２の超音波センサの動作を示す波形図である。 この発明の実施形態に係る物体検知装置の構成を示すブロック図である。 同物体検知装置の処理および動作の手順を示す図である。 同物体検知装置の他の処理および動作の手順を示す図である。

符号の説明

２３−超音波センサ
４０−ディジタル信号処理回路
１００−物体検知装置

この発明の実施形態に係る物体検知装置について、図３〜図５を参照して説明する。
図３はこの発明の実施形態に係る物体検知装置のブロック図である。この物体検知装置１００は、超音波センサ２３、それを駆動する駆動回路２２、超音波センサ２３の受信信号を増幅する前置回路２４、その出力電圧をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器２５、駆動回路２２に対して送信パルスを出力し、Ａ／Ｄ変換器２５の出力値を入力して、後述する処理を行うディジタル信号処理回路４０、およびディジタル信号処理回路４０の出力信号によって駆動されるブザー４１を備えている。

ディジタル信号処理回路４０の構成は次のとおりである。
タイミング回路２７は送信パルス形成回路２１および送信カウンタ２９に対して送信パルストリガを与える。送信パルス形成回路２１は、この送信パルストリガによって超音波のバースト信号を発生して駆動回路２２へ出力する。

送信カウンタ２９は上記送信パルストリガが入力されてからカウントを開始する。
またタイミング回路２７はＡ／Ｄ値取得回路２６およびＡ／Ｄサンプリングカウンタ２８に対してＡ／Ｄトリガ信号を出力する。Ａ／Ｄ値取得回路２６はＡ／ＤトリガのタイミングでＡ／Ｄ変換器２５の制御を行うとともにそのディジタル値を取得する。

Ａ／Ｄサンプリングカウンタ２８は上記Ａ／Ｄトリガのタイミングでカウントアップする。

カウント値比較／処理回路３０は上記Ａ／Ｄサンプリングカウンタ２８のカウント値の下位の桁を記憶装置（メモリ）３１のアドレス値として取り込む。そして送信カウンタ２９とＡ／Ｄサンプリングカウンタ２８のカウント値とを比較することによって、記憶装置３１へのリードタイミング、ライトタイミングおよび記憶装置３１のアドレスを決定する。

記憶装置３１は比較対象時間帯での受信信号同士を比較する際に過去の波形情報を記憶するためのメモリであり、比較対象時間に応じた（比例した）容量を備える。この記憶装置３１が、本発明に係る「波形記憶手段」に相当する。この記憶装置３１は、上記カウント値比較／処理回路３０から出力されるライトイネーブル信号が有効になったとき、Ａ／Ｄ値取得回路２６が取得した値を、カウント値比較処理回路３０から出力されるアドレス値に応じたアドレスに記録する。また、カウント値比較／処理回路３０から出力されるリードイネーブル信号が有効になったとき、カウント値比較／処理回路３０から出力されるアドレス値で示される値を差分累積回路３２へ出力する。
上記カウント値比較／処理回路３０が、この発明に係る「比較対象時間帯切替手段」に相当する。

差分累積回路３２は記憶装置３１に記憶されている波形とＡ／Ｄ値取得回路２６から出力される波形とを、サンプリング値ごとに、その差分（絶対値）を累積する演算回路である。

判定回路３３は、差分累積回路３２によって演算された演算結果が、事前に設定したしきい値を上回ったときにブザー４１に対して判定結果を出力する。
ブザー４１は判定回路からの結果に応じてブザーを鳴らす。

上記判定回路３３は、カウント値比較／処理回路３０から出力される判定イネーブル信号（比較対象時間帯の終了時点で出力される信号）での差分累積回路３２の出力値を基にして判定する。
上記差分累積回路３２及び判定回路３３が、この発明に係る「受信信号比較手段」に相当する。

図４は図３に示した物体検知装置１００の動作および処理のタイミング関係を示す図である。この例では、図３に示した記憶装置３１のメモリ容量を従来の半分にすることを目的として、反射波測定時間ｔｒ（＝１０ｍｓ）をＡ，Ｂの２つの比較対象時間帯に分割している。ここでブロックＡ，Ｂにそれぞれ付与した添字は送信周期回の番号である。

図４において「送信パルス」は図３に示した送信パルス形成回路２１の出力信号、「受信信号」は図３に示したＡ／Ｄ変換器２５の出力値を波形として表したもの、「差分信号」は図３に示した差分累積回路３２が求める差分値を波形として表したものである。

超音波信号は送信周期Ｔｐ（＝３００ｍｓ）毎に間欠的に監視エリアに向けて送信する。１回目の超音波信号の送信に対する反射波の受信信号（以下、単に「受信信号」という。）のＡ０ブロックの波形を記憶装置３１に書き込む。
これに続くＢ０ブロックでの処理は無い。

続いて２回目の超音波信号の送信を行うとともに、これに対する受信信号のうちＡ１ブロックの受信信号波形と上記記憶装置３１に記憶されているＡ０ブロックの受信信号波形とをサンプリング値毎に差分した後、その絶対値を累積する。すなわち、Σ｜Ａ１ｎ−Ａ０ｎ｜の演算を行う。ここで、ｎはサンプリングデータの序数であり、累積加算Σはｎが初期値からサンプリングデータ数分について演算する。

これに続くＢ１ブロックの受信信号を記憶装置３１に新たに書き込む。すなわち記憶装置３１の内容を更新する。

最後に、３回目の超音波信号の送信を行うとともに、これに対する受信信号のうちＢ２ブロックの受信信号波形と記憶装置に記憶されているＢ１ブロックの受信信号波形とをサンプリング値毎に差分した後、その絶対値を累積する。すなわち、Σ｜Ｂ２ｎ−Ｂ１ｎ｜の演算を行う。なお、Ａ２ブロックの波形処理はない。

その後、Ａブロックの累積結果Σ｜Ａ１ｎ−Ａ０ｎ｜に対して更にＢブロックの累積結果Σ｜Ｂ２ｎ−Ｂ１ｎ｜を累積し、この値を変化量とする。
上記の処理を検知更新周期Ｔｄ（＝９００ｍｓ）毎に繰り返す。

この例では検知結果が更新されるまでに３回の超音波信号の送信を行っているため、受信信号の比較と検知処理に要する累積時間は１０ｍｓ×３＝３０ｍｓとなり、従来構成のものに比べて３倍となる。しかし、検知更新周期Ｔｄは９００ｍｓであるので、まだ８７０ｍｓの時間的余裕がある。すなわち９００ｍｓ−３０ｍｓ＝８７０ｍｓは空き時間であり、定められた検知更新周期内で検知結果を得ることができる。

因みに記憶容量を１／ｍに減少させる場合、受信信号の比較と検知処理に要する時間はｔｒ×（ｍ＋１）となる。したがってｔｒ，Ｔｐ，Ｔｄの各パラメータは次の条件を満たすように設定する。

Ｔｄ＞ｔｒ×（ｍ＋１）
ｔｒ＜＝Ｔｐ
なお、上記実施形態におけるｔｒ，Ｔｐ，Ｔｄの各値は常識的な値であるが、これに限られるものではない。

図５は記憶装置の記憶容量を従来の４分の１にすることを目的として、反射波測定時間ｔｒ（＝１０ｍｓ）をＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４ブロックに分割した例である。

但し、図５では動作内容を「記憶装置へのアクション」および「演算」と簡略化して表しているが、具体的な処理内容は図４に示したものと同様である。

１回目の超音波信号の送信に対する反射波の受信信号のＡ０ブロックの波形を記憶装置３１に書き込む。これに続くＢ０〜Ｄ０ブロックでの処理は無い。

その後、２回目の超音波信号の送信を行うとともに、これに対する受信信号のうちＡ１ブロックの受信信号波形と上記記憶装置３１に記憶されているＡ０ブロックの受信信号波形とをサンプリング値毎に差分した後、その絶対値を累積し、累積値を求める。また、Ｂ１ブロックの受信信号を記憶装置３１に新たに書き込む。これに続くＣ１，Ｄ１ブロックでの処理は無い。

その後、３回目の超音波信号の送信を行うとともに、これに対する受信信号のうちＢ２ブロックの受信信号波形と記憶装置に記憶されているＢ１ブロックの受信信号波形とをサンプリング値毎に差分した後、その絶対値を累積し、累積値を求める（上記累積値に対して更に累積する）。なお、Ａ２，Ｄ２ブロックでの処理は無い。

その後、４回目の超音波信号の送信を行うとともに、これに対する受信信号のうちＣ３ブロックの受信信号波形と記憶装置に記憶されているＣ２ブロックの受信信号波形とをサンプリング値毎に差分した後、その絶対値を累積し、累積値を求める（上記累積値に対して更に累積する）。なお、Ａ３，Ｂ３ブロックでの処理は無い。

その後、５回目の超音波信号の送信を行うとともに、これに対する受信信号のうちＤ４ブロックの受信信号波形と記憶装置に記憶されているＤ３ブロックの受信信号波形とをサンプリング値毎に差分した後、その絶対値を累積し、累積値を求める（上記累積値に対して更に累積する）。なお、Ａ４〜Ｃ４ブロックでの処理は無い。

この時点での累積値を変化量とする。
上記の処理を検知更新周期Ｔｄ（＝９００ｍｓ）毎に繰り返す。

なお、図４・図５に示した例では、時間的に隣接する送信周期回の波形比較時間帯での受信信号同士を比較したが、必ずしも隣接している送信周期回の同一比較対象時間帯での受信信号同士を比較しなくてもよく、離れた送信周期回の同一比較対象時間帯での受信信号同士を比較してもよい。

また、図４・図５に示した例では、１つの送信周期回で記憶装置からの波形データの読出しタイミングと新たな書き込みタイミングとが存在するので、検知結果の更新周期Ｔｄを短縮化できる。但し、必要な検知結果の更新周期が確保できるのであれば、記憶装置に対する波形データの書き込みと読出しを別の送信周期回で行うようにしてもよい。

また、検知結果更新タイミング毎に検知結果を更新するのではなく、変化量が予め定めたしきい値を超えた時点で、物体（人）を検知したことを表す検知結果を直ちに出力する（例えばこれによりブザーを鳴らす）ようにしてもよい。

なお、以上に示した例では超音波信号を送受信するようにしたが、本発明に係る「探知波」としては超音波信号に限らず、音波を含む他の波でもよい。送信周期毎に探知波の送信および反射波の受信を所定周期で繰り返すとともに、異なる送信周期回における所定時間に亘る反射波の受信時間のうち同一の比較対象時間帯での受信信号同士を比較できるものであれば、同様に適用できる。

Claims (2)

1. 探知波を送信し、何らかの物体による前記探知波の反射波を受信し、前記反射波の受信信号に基づいて物体を検知する物体検知装置において、
   送信周期毎に前記探知波の送信および前記反射波の受信を所定周期で繰り返すとともに、異なる送信周期回における所定時間に亘る前記反射波の受信時間のうち同一の比較対象時間帯での前記受信信号同士を比較する受信信号比較手段と、送信周期回を更新する毎に比較対象の時間帯を切り替える比較対象時間帯切替手段と、を備えた物体検知装置。
2. 前記受信信号比較手段は、所定の送信周期回の前記比較対象時間帯での受信信号強度の波形を波形記憶手段に記憶するとともに、当該波形記憶手段に記憶された波形と今回の送信周期回の比較対象時間帯での受信信号強度の波形とを比較するものである請求項１に記載の物体検知装置。

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