JPH03189583A - 超音波障害物センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、自動車等に利用される超音波障害物センサ
に関するものである。

特に、前方の路面状態を事前に感知して車体のショック
を緩和する自動車用サスペンション制御装置の超音波障
害物センサに関するものである。

［従来の技術］ 従来の超音波を使用した障害物センサとしては、例えば
特公平１−３０４３６号公報に示された車両のまわりの
障害物を検知するための装置がある。

また、例えば特開昭６２−１３１８１３号公報に示され
た前方の路面状態を事前に感知して車体のショックを緩
和するためのサスペンション装置がある。

従来、超音波で物体（障害物）を検知しようとする場合
は、超音波によってまわりの物体との距離を算出する方
式が多く、短距離（数ｃｍ）から長距離（数ｍ）までの
物体を正確に測定するための工夫が種々提案されている
。

しかしながら、この方式では、所定の前方の路面からの
反射波も障害物として検知してしまうため、例えばホー
ンの指向性を工夫するなどして、路面からの反射波を検
知しないように工夫しているのが−船釣で、逆に路面の
反射波信号のみを開極的に検出し、その信号の中から路
上の障害物を有効に検出するための信号処理についての
提案は無いのが現状である。

一方、連続波を前方の路上に照射し、連続的に受信波を
観察し、路上の障害物を検知する方法も提案されている
が、連続波では次のような多くの欠点があった。

■　送信子の発熱により、超音波のエネルギーを高くす
ることができない。

■　送受波の干渉、定在波の影響を受ける。

■　所定の前方の路面からの反射波かそれ以外の信号か
の区別がつがない。

■　凹凸以外の反射波の強度変化要因、例えば、風、温
度むらの影響を区別するよりどころがない。

［発明が解決しようとする課題］ 上述したような従来の超音波障害物センサでは、路面か
らの反射波も障害物として検知してしまうため、ポーン
の指向性を工夫しなければならないという問題点があっ
た。

また、連続波を照射する場合には、送信子の発熱により
、超音波のエネルギーを高くすることができない等の問
題点があった。

さらに、障害物からの反射波の状況が、障害物の存在す
る付近の路面の表面状態の変化（コンクリートのような
滑らかな路面か、砂利のような粗い路面か）により変化
してしまうと同時に、バックグランドともいうべき路面
からの反射波の強度も同様に大きく変化してしまうとい
う問題点があった。

この発明は、上述した問題点を解決するためになされた
もので、反射波の受信信号の変化の中がち障害物による
信号の変化のみを有効に区別して判別することができ、
かつバックグランドの路面の状態も検出することができ
る超音波障害物センサを得ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る超音波障害物センサは、以下に述べるよ
うな手段を備えたものである。

（ｉ）１間欠的に超音波を発生させるための及び所定の
時間範囲を示す指令信号を発生するタイミンク指令手段
。

（ｉｉ　＞　、　ｌ記指令信号に基づいて超音波信号を
発生ずる超音波信号発生手段。

（ｉｉｉ　）　、　Ｊ：超超音波信号に応答して上記超
音波を路面へ送信する超音波送信手段。

（ｉｖ＞、Ｊｘ記超超音波反射波を受信し受信信号を発
生ずる超音波受信手段。

（Ｖ）、上記指令信号に基づいて所定の時間範囲の受信
信号を抽出し、そのピーク値を検出するピーク値検出手
段。

（ｖｉ）、上記ピーク値検出手段の出力の時系列豹変１
ヒから斜め前方の所定範囲内の状態を検知する検知手段
。

［作用］ この発明においては、タイミング指令手段によって間欠
的に超音波を発生させるための及び所定の時間範囲を示
す指令信号が発生され、超音波信号発生手段によって上
記指令信号に基づいて超音波信号が発生され、超音波送
信手段によって上記超音波信号に応答して上記超音波が
路面へ送信される。

また、超音波受信手段によって、上記超音波の反射波が
受信され受信信号が発生される。

さらに、ピーク値検出手段によって、上記指令信号に基
づいて所定の時間範囲の受信信号が抽出され、そのピー
ク値が検出される。

そして、検知手段によって、上記ピーク値検出手段の出
力の時系列的変化から斜め前方の所定範囲内の状態が検
知される。

［実施例］ この発明の実施例の構成を第１図、第２図、第３図、第
４図、第５図及び第６図を参照しながら説明する。

第１図は、この発明の一実施例を示すブロック図である
。

第１図において、この発明の一実施例は、タイミング指
令手段く１）と、このタイミング指令手段（１）に接続
された超音波信号発生手段（２）と、この超音波信号発
生手段（２）に接続されかつ車体のバンパ付近に設置さ
れた超音波マイクロホンなどの超音波送信手段（３）と
、同様に車体のパンバイ」近に設置された超音波マイク
ロボンなどの超音波受信手段（４）と、この超音波受信
手段（４）に接続された受信波増幅手段（５）と、タイ
ミング指令手段く１）及び受信波増幅手段（５）に接続
された平均値演算手段（６）と、基準値設定手段（７）
と、入力側が平均値演算手段（６）及び基準値設定手段
（７）に接続されかつ出力側が受信波増幅手段（５）に
接続された増幅率変更手段（８）と、受信波増幅手段（
５）に接続されたピーク値検出手段（９）と、比較レベ
ル設定手段（１００）と、ピーク値検出手段（９）及び
比較レベル設定手段（１００）に接続された比較手段（
１１０）と、ピーク値検出手段（９）に接続された平均
値演算手段（１３０）とから構成されている。

第２図は、この発明の一実施例のタイミング指令手段（
１）を示す回路図である。

第２図において、タイミング指令手段（１）は、例えば
日立製ＨＤ６３ＢＯＩＹのマイクロコンピュータ（１０
）と、このマイクロコンピュータ（１０）に接続された
水晶発振器（１１）と、マイクロコンピュータ（１０）
に接続された起動回路（１２）と、マイクロコンピュー
タ（１０）に接続された単安定マルチパルス発生回路（
１５）と、この単安定マルチパルス発生回路（１５）に
接続された単安定マルチパルス発生回路（１６）と、単
安定マルチパルス発生回路（１５）に接続された単安定
マルチパルス発生回路（１７）とから構成されている。

なお、起動回路（１２）は、自動車の運転席に設置され
た自己復帰式常開型起動スイッチ（１３）と、この起動
スイッチ（１３）に接続された整形回路（１４）とから
構成されている。

第３図は、この発明の一実施例の超音波信号発生手段（
２）を示す回路図である。

第３図において、超音波信号発生手段（２）は、超音波
発振回路（２０）と、この超音波発振回路（２０）及び
タイミング指令手段（１）のマイクロコンピュータ（１
０）に接続されたＮＡＮＤゲート（２１）と、このＮＡ
ＮＤゲート（２１）に接続されたインバータ（２２）と
、このインバータ＜２２）に接続された増幅回路（２３
）と、この増幅回路（２３）に接続された昇圧トランス
（２４）とから構成されている。

第４図は、この発明の一実施例の受信系の詳細を示す回
路図である。

第４図において、受信波増幅手段（５）は、超音波受信
手段（４）に接続された増幅回路（５０）と、この増幅
回路（５０）に接続されたＡＭ検波可変増幅回路（５１
）とから構成されている。

なお、ＡＭ検波可変増幅回路（５１）は、増幅回路（５
０）に接続されたＡＭ検波回路と、増幅率変更手段（８
）に接続されたＦＥＴ（５２）と、ＡＭ検波回路及びＦ
ＥＴ（５２）に接続された可変増幅回路〈５３）とから
構成されている。

平均値演算手段（６）は、アナログスイッヂ（６０）と
、平均回路及び平均値のホールド回路を構成する抵抗（
６１）及びコンデンサ（６２）とから構成されている。

ピーク値検出手段（９）は、ダイオード、コンデンサ及
び抵抗からなるピークホールド回路である。

第５図は、この発明の一実施例の取り付は位置を示す側
面図である。

第５図において、超音波送信手段（３）及び超音波受信
手段（４）は、車体（２００）のバンパ（２０１）の下
に取り付けられ、斜め前方的２０゜（２０°±１０°）
の方向に向けられている。

第６図（ａ）及び（ｂ）は、この発明の一実施例の一部
である超音波送信手段（３）、（４）を示す側面図及び
正面図である。

つぎに、上述した実施例の動作を第７図及び第８図を参
照しながら説明する。

第７図はこの発明の一実施例の信号波形を示すタイミン
グチャート図、第８図はこの発明の一実施例における時
間軸を変更した信号波形を示すタイミングチャート図で
ある。

第７図（ａ）〜（ｍ）において、■０は指令信号、■、
は駆動信号、■２は大きな障害物の無い表面が粗いアス
ファルト面からの反射波である受信（ス号、ｖ２“は障
害物の存在するアスファルト面からの反射波である受信
信号、■、は受信信号■２のＡＭ検波信号、■、は大き
な障害物の無い表面が滑らかなコンクリート面からの反
射波である受信信号、Ｖ４”は障害物の存在するコンク
リート面からの反射波である受信信号、■５は受信信号
Ｖ、庫のＡＭ検波信号、Ｖ６ａ、ｖａｂ及びＶａｃはタ
イミングパルス信号、■７は所定期間が増幅された受信
信号、■８は平均レベル信号である。

第８図（ａ）〜（ｄ）において、■、は時系列信号、■
、。は障害物検知信号、■１１は平均値信号、■１□は
制御電圧信号である。

まず、タイミング指令手段（１）は、所定の間隔毎に、
所定の時間、超音波をパルス発信するための、第７図（
ａ）に示す指令信号■。を超音波信号発生手段（２）に
供給する。

このタイミング指令手段（１）は、マイクロコンピュー
タ（１０）に内蔵されたプログラマブルタイマーにより
構成してもよいし、市販のタイマー用ＩＣを使用しても
容易に実現できる。タイミング指令手段（１）の起動ス
イッチ（１３）は、その−時的な閉成によりローレベル
信号を生じ、また整形回路（１４）はローレベル信号を
反転整形し起動信号として発生する。マイクロコンピュ
ータ（１０）は、直流電源からの給電に応答して定電圧
回路から定電圧を受けて作動状態となるもので、水晶発
振器（１１）の発振作用に基づき一連のクロック信号を
発生し、これら各クロック信号に応答してその内部にあ
らかじめ記憶したコンピュータプログラムを実行し、指
令信号Ｖ。を出力する。

超音波信号発生手段（２）は、指令信号■。に基づいて
、所定の時間、所定の電圧及び周波数である、第７図に
示す駆動信号■１により超音波送信手段（３）を駆動す
る。

この超音波信号発生手段（２）は、超音波発振回路（２
０）から所定の高周波数にて生ずる一連の超音波発振パ
ルスを、マイクロコンピュータ（１０）からの指令信号
■。の発生中においてＮＡＮＤゲート（２１）を通じて
インバータ（２２）に付与すると共に、このインバータ
フ２２）から順次生ずる超音波パルスを増幅回路（２３
）により一連の発振パルスとして増幅され、昇圧トラン
ス（２４）により昇圧されて超音波送信手段（３）に付
与される。

超音波送信手段（３）は、超音波パルスを斜め前方の下
方の路面Ｇに照射し、超音波受信手段（４）は、路面か
らの反射波である受信信号■２、ｖ２　　　Ｖ＜又は■
♂を受信する。

第７図（ｃ）に示した受信信号Ｖ２の時間Ｌ　、の区間
は直接波や回り込みによる不要な反射波の成分であり、
超音波マイクロホンのレイアウト、指向性、保持の工夫
で改善される。時間ｔ５は超音波の送受信手段が隣接し
指向性も路間−の場合には、第１図に示した検出最短経
路ｓｂの往復時間に相当する。同様に、ｔ、は中央の経
路Ｓａ、ｔｅは最遠の経路Ｓｃに相当し、音速をＣとす
ると、ｔ、＝２９ａ／Ｃ５ ｔ、＝２Ｓｂ／Ｃ１ ｔｃ＝２Ｓｃ／Ｃ となる。

また、超音波送信手段（３）及び受信手段（４）の指向
特性より、路面Ｇからの反射波の強度は時間ｔ、に相当
する時点で最大値をとり、時間ｔ５、ｔｃに相当する時
点で消失することになる。その間の強度の変化は、超音
波送信手段（３）及び受信手段（４）の特性と幾何学的
レイアウトにより定められる指向特性と、路面Ｇの表面
状態と表面の超音波の反射の指向特性とにより決定され
るが、時間ｔ、でピークを示す略山形の波形になる。

第７図（ｄ）に示した受信信号ｖ２″は、受信信号ｖ２
の波形に、障害物Ｓによる反射波が重畳したもので、ｔ
２は超音波送信手段（３）及び受信手段（４）と障害物
Ｓとの最短経路の往復時間に相当し、障害物Ｓが路面Ｇ
に静止しており、超音波障害物センナを搭載した車両が
路面Ｇを走行して障害物Ｓに近付き行き過ぎる場合を考
えると、ｔｅの時点で障害物Ｓを補足し、ｔ、を経てｔ
、の時点で補足した後検知不能となって、その後車両は
障害物Ｓを乗り越えて行き過ぎることになり、ｔ２は１
　ｃ−１、→１ｂと変化していゆく。障害物Ｓの反射波
のピークは、各々Ｌ２の時刻に応じた路面Ｇからの反射
強度に所定の倍率を乗じた値にほぼ相当するので、障害
物Ｓのピークをｔ２に応じてなぞってゆくと路面Ｇだけ
の反射波の強度の場合と同様に山形となることが解る。

受信波増幅手段（５）は、受信レベルを処理しやすくす
るために、例えば受信信号■２′を増幅し、ＡＭ検波し
てＡＭ検波信号Ｖ、を出力する。路面Ｇが平坦であれば
、ＡＭ検波信号■３は路面だけの受信波■３い、から成
り、障害物Ｓが路面Ｇにあれば、障害物Ｓに対応した受
信波Ｖ３（ａＩの成分も重畳されてＡＭ検波信号として
、 ■コζ　Ｖ３（＾、十　Ｖ　コ＋ａ＋ が得られる。

この受信波増幅手段（５）は、ＡＭ検波と同時に不要信
号区間ｔ２の信号はマスクしているので、ｔｂ〜ｔ６の
必要な区間のみの信号のみがＡＭ検波されてＡＭ検波信
号■、が得られる。

ところで、第７図（Ｃ）及び（ｄ）に示した受信信号ｖ
２、■２廖は、路面Ｇの表面が粗いアスファルト等の場
合であり、路面Ｇの表面が滑らかなコンクリート等の場
合は、第７図（ｆ）及び（ｇ）に示した受信信号■４、
■♂のようになる。これは、同じアスファルト面で走行
していても受信信号■２、■２東が低速で走行している
場合に、受信信号Ｖ１、Ｖ４”が高速で走行している場
合に相当するのと同じである。

第７図（ｅ）及び（ｈ）に示すＡＭ検波信号■、及びｖ
５をこのままで同一の判定レベルで、例えば■：１ｌＡ
ｌとＶ、。、とを区別して弁別することは困難である。

しかしながら、時間（１，−１，）の受信波のピークを
検出してその時系列的な変化を観測すると、第７図（ｄ
）に点線と一点鎖線とで示すように、路面Ｇの反射波の
ピークは路面Ｇに応じて変化はするものの、その平均値
は路面Ｇの表面状態に対応した所定の値で、障害物Ｓの
ピークは該路面のピークから変化して突出した信号とし
て検出することが可能である。

一方、タイミング指令手段（１）は、指令信号ｖ０をト
リガーとして、次のサイクルまでの間に１、〜ｔｃに相
当する時刻を演算するか、あるいは第７図（ｉ）〜（ｋ
）に示すタイミングパルス信号Ｖ６１１、ＶＧｂ及びＶ
６（を作成して平均値演算手段（６）を作動させる。

このタイミング指令手段（１）は、マイクロコンピュー
タ（１０）のプログラマブルタイマーで指令信号ｖ０と
同等に作成してもよいし、この指令信号Ｖ。によりトリ
ガーされて、所定の時間幅のパルス信号を出力するタイ
マーＩＣにより単安定マルチバイブレータ回路を構成し
てもよい。

このようにして得られたタイミングパルス信号■６１、
ＶＧｂ及びＶ６ｃの時間幅はｔ６、ｔａ−ｔｂ及びｔｃ
−ｔｂに相当する。

受信波増幅手段（５）は、例えば受信信号■。

を増幅し、ＡＭ検波してＡＭ検波信号ｖ５を得た後、Ｆ
ＥＴ（５２）のゲート電圧の制御により増幅度が制御で
きる可変増幅回路（５３）で増幅度を制御された後の受
信信号Ｖ、を得て平均値演算手段（６）へ供給される。

平均値演算手段（６）は、タイミングパルス信号■６゜
により制御されたアナログスイッチ（６０）によって、
所定期間の信号のみをサンプリングし、レベルの平均化
とホールドを行い、平均レベル信号ｖ８を増幅率変更手
段（８）へ供給する。

増幅率変更手段く８）は、平均レベル信号■８と所望の
基準値とを比較し、平均レベル信号が基準値となるよう
にＦＥＴ（５２）のゲート電圧をフィードバック制御す
る。

ピーク値検出手段（９）は、上述した所定期間の信号の
ピーク電圧を所定の時定数でサンプリング保持して、か
つホールドしてアナログ的な時系列信号■、に変換して
比較手段（１１）へ送る。この時系列信号Ｖ、は、第８
図（ａ＞に示すように、所定の速度で、例えばアスファ
ルトを走行中に障害物である路面の突起を通過した時の
波形である。

比較手段（１１）は、時系列信号■、を所定の比較レベ
ルと比較して障害物検知信号■、。を出力する。すなわ
ち、路面に突起があると、時系列信号ｖ、の平均値に対
して所定の比率でレベルが変化するので、比較レベルと
の大小を比較することで第８［２１（ｂ）に示す障害物
検知信号ｖ＋ｏを得ることができる。

本実施例の場合、ピーク値ないしは受信信号の出力の平
均レベルを略一定に制御するための増幅率自動調整回路
（ＡＧＣ）を備えているのて、平均出力である信号Ｖｌ
ｌ及び信号■８は略一定となり、その代わりＡＧＣの制
御電圧である信号■が路面の■さ、凹凸等の表面状態を
表す出力電圧レベルとなるので、路面の表面状態を検出
することができる。

また、ＦＥＴ（５２）を固定抵抗に変更した他の実施例
において、ＡＧＣの機能を停止＜０ＦＦ）した場合、信
号Ｖ、や信号■、の平均値が路面の表面状態に対応した
出力レベルとなるので、同様に路面の表面状態を検出す
ることができる。

なお、同一路面であっても、車速によって」−述したレ
ベルは変化するので、車速信号により路面のμ（路面の
粗さを定量化したｒＰ！擦係数、例えば氷はμｍ０、ア
スファルトはμ＃１）の判定値を変更するようにすれば
、より精度を向」ニすることができることはいうまでも
ない。粗さの絶対値は不要だが、μの急変の信号が必要
な場合は信号■３、Ｖｌｌ及びＶＨ２の変化の信号によ
りその目的が達成されることは言うまでもない。

さら６に、上記実施例ではＡＧＣを用いた場合で説明し
た為に、路面のピーク値のレベルに対する障害物による
変化のレベルは、略一定の比率であっても固定のしきい
値で判定できたが、ＡＧＣのＯＦＦの場合は所定の割合
の変化を検出するようにしきい値を設定して判定するよ
うにすれば同一の効果が得られることは言うまでもない
。また、平均値演算手段、ピーク値検出手段、比較手段
をアナログ回路で構成したが、マイクロコンピュータと
Ａ／Ｄ変換器によりデジタル回路とプログラムにより構
成しても同様の効果が得られることは言うまでもない、
この場合のピーク値の時系列的変化はピーク値を時系列
的にメモリーすることにより容易に実現できる。さらに
、超音波送信手段及び受信手段を独立に設置したがパル
ス方式であるため、マイクロホンを１個で送信、受信用
に兼用しても同様の効果が得られることは言うまでもな
い この発明の一実施例は、北述したように、パルス発振で
あってもその受信波の所定の区間のピーク値をあたかも
連続波であるがごとく時系列的に処理して、そのレベル
の変化の割合から、障害物を検出するという簡単な構成
で連続波が持つ欠点を解消した優れた装置を提供できる
。

また、ＡＧＣを追加することで、比較のレベルを略一定
の簡単な回路構成にできる効果があり、本センサーの適
用範囲を路面の状態や車速の増減にかかわらず安定化し
て広範囲に拡大できる効果がある。

さらに、受信信号のレベルの平均ないしはピーク値の平
均に対応した出力、例えばＡＧＣの出力を路面のオ■さ
の信号として出力することで、単に障害物のセンサーの
みならず、路面のすべり易さの情報や路面状態の変化の
情報を出力することで、サスペンション、ブレーキ、４
ＷＤや４ＷＳの制御に有効なセンサーを提供することが
できる。

なお、取り付は部分及び角度θ（２０°±１０°）は上
述した実施例の効果を最大限に発揮できる最適な条件を
提供している。

［発明の効果コ この発明は、以上説明したとおり、間欠的に超音波を発
生させるための及び所定の時間範囲を示す指令信号を発
生するタイミング指令手段と、上記指令信号に基づいて
超音波信号を発生する超音波信号発生手段と、上記超音
波信号に応答して上記超音波を路面へ送信する超音波送
信手段と、上記超音波の反射波を受信し受信信号を発生
する超音波受信手段と、上記指令信号に基づいて所定の
時間範囲の受信信号を抽出し、そのピーク値を検出する
ピーク値検出手段と、上記ピーク値検出手段の出力の時
系列的変化から斜め前方の所定範囲内の状態を検知する
検知手段とを備えたので、反射波の受信信号の変化の中
から障害物による信号の変化のみを有効に区別して判別
することができ、かつバックグランドの路面の状態も検
出することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示すブロック図、第２図
はこの発明の一実施例のタイミング指令手段を示す回路
図、第３図はこの発明の一実施例の超音波信号発生手段
を示す回路図、第４図はこの発明の一実施例の受信系を
示す回路図、第５図はこの発明の一実施例の一部を示す
側面図、第６図（ａ）及び（ｂ）はこの発明の一実施例
の一部を示す側面図及び正面図、第７図はこの発明の一
実施例の各部の信号波形を示すタイミングチャート図、
第８図はこの発明の一実施例の各部の信号波形を示すタ
イミングチャート図である。 図において、 １　　・・・　タイミング指令手段、 ２　　・・・　超音波信号発生手段、 ３　　・・・　超音波送信手段、 ４　　・・・　超音波受信手段、 ５　　・・・　受信波増幅手段、 ６　　・・・　平均値演算手段、 （７・・・　基準値設定手段、 （８）　・・・　増幅率変更手段、 くっ）　・・・　ピーク値検出手段、 （１００）　　・・・　比較レベル設定手段、（１１０
）　　・・・　比較手段 （１３０）　　・・、・　平均値演算手段である。 なお、各図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 間欠的に超音波を発生させるための及び所定の時間範囲
   を示す指令信号を発生するタイミング指令手段、上記指
   令信号に基づいて超音波信号を発生する超音波信号発生
   手段、上記超音波信号に応答して上記超音波を路面へ送
   信する超音波送信手段、上記超音波の反射波を受信し受
   信信号を発生する超音波受信手段、上記指令信号に基づ
   いて所定の時間範囲の受信信号を抽出し、そのピーク値
   を検出するピーク値検出手段、並びに上記ピーク値検出
   手段の出力の時系列的変化から斜め前方の所定範囲内の
   状態を検知する検知手段を備えたことを特徴とする超音
   波障害物センサ。