JPH04357486A - 超音波ドップラ方式対地速度計 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ドップラ効果を用いて
速度を計測する超音波ドップラ方式対地速度計に関し、
特に、検出車速の全領域にわたって精度良く車速を測定
することができるように改良したものである。

【０００２】

【従来の技術】図１７は、従来の超音波ドップラ方式対
地速度計を示すブロック図である（特願平１−１０７３
２０号参照）。図において、１は発振器、２は発振器１
からの出力を増幅するドライブ回路、３はドライブ回路
２によって駆動される超音波送信器であり、この送信器
３は、車両の前方に向かって、かつ、路面５に対して斜
めに超音波４を送出する。６は路面５で乱反射されて車
両方向に帰還した超音波を受信する受信器であり、この
例では、送信器３および受信器６は同一平面上に配置さ
れている。７は受信器６からの出力を増幅するプリアン
プ、８は発振器１の周波数と受信信号の周波数とを乗算
して両者の差分を求めるアナログ乗算器、９は不要なノ
イズを除去するローパスフィルタ、１０はドップラ信号
成分を波形整形するゼロクロスコンパレ−タ、１１はド
ップラシフト周波数算出手段として機能するパルスカウ
ンタ、１２はパルスカウンタ１１からの出力に基づいて
車速を算出する車速演算回路である。１３は、車速演算
回路１２からの出力に基づいて受信器６により受信され
る超音波の周波数が常に一定になるように発振器１の出
力周波数を制御する周波数制御手段である。

【０００３】次に、図１８を参照して、図１７に示した
速度計による車速測定方法の原理について説明する。図
において、ｆ０は送信器３から送出される送信超音波の
周波数、ｆｄはドップラシフト周波数、Ｆは受信器６に
より受信される受信超音波の周波数であり、Ｆ＝ｆ０＋
ｆｄである。また、前述のように送信器３と受信器６は
同一平面上に配置されており、送信超音波が路面に入射
する角度と路面で反射されて受信周波数として戻る角度
とは等しくθであると仮定する。

【０００４】図１８の構成において、音速をｃとすれば
、車速ｖは次式で表される。

【数１】 従って、受信超音波の周波数Ｆおよびドップラシフト周
波数ｆｄを求めれば、θは予め定められているので、（
１）式に基づいて車速ｖを求めることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
超音波ドップラ方式対地速度計では、高速域において実
際の速度に対する演算速度値の直線性が悪化する、とい
う問題があった。これは、前述の如く、送信超音波が路
面に入射する角度と路面で反射されて受信周波数として
戻る角度とは等しいとの仮定の下に速度演算がされてい
たが、車速が音速に近くなる高速域ではこの仮定が成立
しないために起こる現象である。

【０００６】一例として、空間フィルタ方式の速度計が
計測した車速を基準速度として、その速度を基準とした
場合の従来の超音波ドップラ方式対地速度計の性能を調
べた結果を図１９に示す。なお、θ＝４５°とした。図
１９からも理解できるように、基準速度が約９０ｋｍ／
ｈ以上の高速域以上では基準速度に対する演算速度の直
線性が悪化し、基準速度が１８０ｋｍ／ｈの際に演算速
度は１６０ｋｍ／ｈという値しか示さなくなる。

【０００７】本発明の目的は、高速域でも実際の速度に
対する演算速度値の直線性が良好で、検出車速の全領域
にわたって精度良く車速の測定を行うことのできる超音
波ドップラ方式対地速度計を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め、本発明においては、車両の前方に向かって、かつ路
面に対して斜めに超音波を送出する送信手段と、路面で
反射された超音波を受信する受信手段と、送出された超
音波と受信した超音波とからドップラシフト周波数を算
出するドップラシフト算出手段と、このドップラシフト
周波数から送受信超音波が路面となす角度を算出する角
度算出手段と、これらドップラシフト周波数および角度
から車速を算出する車速算出手段とにより構成した。

【０００９】

【作用】以上のように構成したことにより、送受信時点
の車両の移動により生じる誤差が、角度算出手段からの
角度により補正され、車速の測定が行われる。

【００１０】

【実施例】

−第１実施例− まず始めに第１実施例の前提となる原理について説明す
る。図５において、ｖは車速、ｆ０は送信周波数、Ｆは
受信周波数であり、ドップラシフト周波数をｆｄとすれ
ば、Ｆ＝ｆ０＋ｆｄである。また、超音波送信時には送
信器および受信器は距離ｄだけ離れたＰ、Ｑの位置にあ
り、超音波受信時には送信器および受信器はそれより前
方のＰ′、Ｑ′の位置にそれぞれある。ｈは路面からの
送信器、受信器の高さである。超音波はビーム状に進行
するものと仮定して、Ｏは路面上での超音波の反射位置
であり、θは路面と線分ＯＰとのなす角、すなわち送出
された送信超音波が路面となす角、αは線分ＯＰと線分
ＯＱ′とのなす角、すなわち送信超音波が路面となす角
度と受信超音波が路面となす角度との差である。θ′は
線分ＯＰと線分ＯＱとのなす角であり、ｖ＝０における
αの値に相当する。ｔ１は超音波が点Ｐから点Ｏまで伝
播するまでの時間、ｔ２は超音波が点Ｏから点Ｑ´まで
伝播するまでの時間である。

【００１１】図５に示す例の場合、ドップラシフト周波
数ｆｄは次式で与えられる。

【数２】 （２）式からも理解できるように、ドップラシフト周波
数ｆｄは車速ｖの関数であると共に、角度差αの関数で
もある。さらに、図５からも理解できるように、角度差
αは車速ｖに依存して変化する値である。しかし、本車
速計において直接得られる情報はドップラシフト周波数
ｆｄであるので角度差αとドップラシフト周波数ｆｄと
の関係をあらかじめ求めておく必要がある。

【００１２】図５に示す構成において、送受信の間にお
ける超音波の水平方向のずれは

【数３】 で示される。ここで、図５の幾何学的関係より、時間ｔ
１およびｔ２はそれぞれ次式で与えられる。

【数４】 従って、これら（４）、（５）式を（３）式に代入すれ
ば、以下の（６）式が得られる。

【数５】 同様に、図５の幾何学的関係より、送信器および受信器
の間の間隔ｄについて次式が成立する。

【数６】 （７）式を（６）式の右辺に代入して、

【数７】

【００１３】（８）式の第２項および第３項はともに車
速ｖを含まない項であり、従って、この（８）式に基づ
いて車速ｖまたは角度差αの一方が求められれば他方を
求めることができる。

【００１４】しかしながら、（２）、（８）式には、気
温の関数である音速ｃが含まれているため、各（２）、
（８）式の関係は気温に依存する。一例として、気温−
２５℃、０℃、２５℃、５０℃における車速ｖ、角度差
α、ドップラシフト周波数ｆｄの関係を図６〜図９に示
す。この際、θ＝４５°であり、また前述の特願平１−
１０７３２０号にならってＦ＝１３０ｋＨｚとした。車
速ｖと角度差αとの関係は音速ｃの変化に伴い変動して
いるが、角度差αとドップラシフト周波数ｆｄとの関係
は音速によらず一定であり、図１０のような１本の曲線
で示される関係を有している。従って、測定されたドッ
プラシフト周波数ｆｄから図１０の関係より角度差αを
求め、（２）式から導出される車速演算式

【数８】 により車速ｖを求めることができる。

【００１５】以下、図面を参照して、上記原理に基づく
実施例について説明する。図１は、本発明が適用される
超音波ドップラ方式対地速度計の第１実施例を示すブロ
ック図である。なお、以下の説明において、前述した従
来例と同様の構成要素については同一の符号を付して、
その説明を簡略化する。

【００１６】本実施例の超音波ドップラ方式対地速度計
は、従来例の速度計と同様に、発振器１、ドライブ回路
２、送信器３、受信器６、プリアンプ７、アナログ乗算
器８、ローパスフィルタ９、ゼロクロスコンパレ−タ１
０、パルスカウンタ１１、周波数制御手段１３を備えて
いる。本実施例と従来例との相違点は、送信器３および
受信器６の配置、そして車速演算部分である。

【００１７】すなわち、図２に示すように、本実施例で
は送信器３が車両の進行方向に向かって前方に配置され
、受信器６は送信器３の後方に配置されている。送信器
３の超音波の送出方向および受信器６の超音波の受信方
向は、共に車両の進行方向に向かって前方に、かつ、路
面５に対して斜めの方向にされている。

【００１８】このように、送信器３と受信器６を別体に
設け、かつ、受信器６を送信器３のの後方に配置したの
は次のような理由による。

【００１９】通常の超音波ドップラ方式対地速度計で用
いられる超音波の周波数帯（１００〜１３０ｋＨｚ程度
）用の受信器は、一例として図３に示すように比較的狭
い指向性を有している。超音波送受信器の特性は、周波
数、送受信器の径または形状によってほぼ一意的に決定
されるものであるが、図３に示す例の場合、中心軸から
１０°傾いた方向における超音波の受信感度は、中心軸
上における受信感度よりも約２０ｄＢ程度下がっている
。従って、ドップラ信号のＳ／Ｎ比を高め、計測された
ドップラシフト周波数の精度を高めるためには、受信超
音波信号を可能な限り受信器の中心軸に近い方向から受
信する必要がある。

【００２０】しかし、図１８に示すような従来の送受信
器の配置方法では、θ＝４５°において車速が０ｋｍ／
ｈ〜２５０ｋｍ／ｈまで変化すると、送受信間における
角度差α（図５参照）は０°〜２０°の範囲で変化し、
受信超音波信号が受信器の中心軸から離れた方向から受
信されるために、高速域での直線性の悪化という現象を
招く。

【００２１】そこで、本実施例では、受信器６を送信器
３の後方に配置し、受信時における受信器６の位置を従
来例に比較して幾分後方に移動させることで角度差αの
変動範囲を狭め、精度良い超音波の受信を可能にしてい
る。特に、本実施例では、車速の計測範囲を０ｋｍ／ｈ
〜２５０ｋｍ／ｈとし、１２５ｋｍ／ｈにおけるαの値
が０°となるように送受信器間の間隔ｄおよび路面５に
対する送受信器の高さｈを定めているので、αの変動範
囲が−７°〜８°となり、より中心軸に近い方向で超音
波を受信できて精度良い計測が可能になる。

【００２２】一方、本実施例における車速演算部分は、
ｃｏｓ（θ＋α）メモリ部１４と車速演算回路１５とか
ら構成されている。

【００２３】ｃｏｓ（θ＋α）メモリ部１４は、パルス
カウンタ１１により測定されたドップラシフト周波数ｆ
ｄに基づき、このドップラシフト周波数ｆｄに対応する
ｃｏｓ（θ＋α）の値を車速演算回路１５に送出する。 より具体的には、ｃｏｓ（θ＋α）メモリ部１４には、
図１０のα−ｆｄ曲線を用いてドップラシフト周波数ｆ
ｄに対する角度差αの値を０．１ｋＨｚ間隔で予め算出
し、これをテ−ブル化したものが記憶されている。

【００２４】車速演算回路１５は、パルスカウンタ１１
からの出力であるドップラシフト周波数ｆｄおよびｃｏ
ｓ（θ＋α）メモリ部１４の出力であるｃｏｓ（θ＋α
）に基づき、（９）式により車速ｖを算出する。

【００２５】図４は、本実施例の超音波ドップラ方式対
地速度計の測定結果である演算速度値と、空間フィルタ
方式の対地速度計による基準速度との関係を示す図であ
る。高速域においても基準速度に対する演算速度値の直
線性が良好であり、精度良い測定が実現されていること
が理解できる。

【００２６】以上のように、本実施例では、受信器６を
送信器３の後方に配置して超音波を可能な限り中心軸の
近傍で受信するとともに、送信超音波がなす角度と受信
超音波がなす角度との差を考慮した式により車速の演算
を行っているので、高速域においても基準速度に対する
演算速度値の直線性が良好であり、精度良い測定が可能
な超音波ドップラ方式対地速度計を実現することができ
る。

【００２７】なお、本実施例と特許請求の範囲との対応
において、送信器３は送信手段に、受信器６は受信手段
に、パルスカウンタ１１はドップラシフト算出手段に、
ｃｏｓ（θ＋α）メモリ部１４は角度差算出手段に、車
速算出回路１５は車速算出手段にそれぞれ対応している
。

【００２８】なお、実施例では測定したドップラシフト
周波数ｆｄの値に基づき、随時ｃｏｓ（θ＋α）の値を
読み出していたが、図１０に示すα−ｆｄ曲線を関数と
して求め、直接αの値を求めてからｃｏｓ（θ＋α）の
値を算出するようにしてもよい。図１０の関係式を、ｆ
ｄについての２次の級数式で表したものを次式に示す。

【数９】

【００２９】また、従来例および実施例では受信周波数
を一定にするように制御していたが、逆に送信周波数を
一定にするように制御しても良い。この際のドップラシ
フト周波数ｆｄおよび車速ｖについての関係式は次式の
ようになる。

【数１０】

【００３０】−第２実施例− 第１実施例と同様に、初めに第２実施例の前提となる原
理について説明する。図１３において、点Ｐ、Ｑおよび
点Ｐ´、Ｑ´は図５におけると同様、超音波送信時およ
び受信時における送信器・受信器の位置を示すが、θは
車両静止時の超音波照射角、ｈは送信器の中心部の路面
からの高さを示すものとする。また矢印Ａは車両静止時
の音速ベクトル、矢印Ｂは車速ベクトルを示し、点Ｏは
実際の音波反射点を示している。つまり、車両が静止し
ているものとすれば、点Ｐにおいて送信器から発せられ
た超音波は同図中破線で示すように進行してθの角度で
路面に照射されるが、車両がある車速ｖで走行している
場合にはベクトルＡとベクトルＢとの和で決まる方向に
進行し、点Ｏにおいて路面に達する。

【００３１】本実施例の特徴は、このような車両走行時
における実際の超音波の進行方向と路面とがなす角（車
両走行時における実際の照射角）と、車両静止時の照射
角θとの角度差β、そして車両走行時における実際の照
射角（θ−β）と超音波受信角との角度差αを車速演算
式の中に組み入れて車速演算を行うことにある。

【００３２】本実施例において、ドップラシフト周波数
ｆｄと車速ｖとの関係は次式で与えられる。なお同式に
おいてｃは前述したと同様に音速を示す。

【数１１】 この（１３）式から車速ｖを求めるには、角α、βの値
を知る必要があるが、これらの値は車速ｖの値によって
変わる。この場合、角α、βと車速ｖとの関係は図１３
よりそれぞれ次の（１４）および（１５）式で表される
。

【数１２】

【００３３】（１５）式から分かるように、角αの値は
送信器の高さｈと、送信器・受信器の中心間距離ｄとに
より変わる。また上述したように角αの値は車速ｖの値
によって変わるわけであるが、本実施例で受信信号から
得られる情報はドップラシフト周波数ｆｄである。そこ
で本実施例では、次にのべるようにドップラシフト周波
数ｆｄの値から角α、βの値を求め、それを用いて車速
ｖを演算する。

【００３４】いま、車両静止時の音波照射角θを４５°
、送信器の高さｈを２００ｍｍ、送受信器間距離ｄを３
５ｍｍとし、受信周波数を前述の特願平１−１０７３２
０号にならってＦ＝１３０ｋＨｚに固定した場合、角β
および角αとドップラシフト周波数ｆｄとの関係は、そ
れぞれ図１４および図１５に示したようになる。したが
って、検出されたドップラシフト周波数ｆｄの値から図
１４および図１５を関係を用いて角α、βの値を求め、
（１３）式から導出される次の車速演算式により車速ｖ
を求めることができる。

【数１３】

【００３５】以下、図面を参照して、上記原理に基づく
実施例について説明する。図１１は本実施例の超音波ド
ップラ方式対地速度計の全体構成を示すブロック図、図
１２はその送信器、受信器部分を取り出して示した側面
図である。両図を図１および図２と対比すれば明らかな
ように、第１実施例のｃｏｓ（θ＋α）メモリ部１４の
代わりにｃｏｓ（θ−β）メモリ部１４ａおよびｃｏｓ
（θ−β＋α）メモリ部１４ｂを備えるとともに、送信
器３および受信器６を同一の傾斜面内に配置している。

【００３６】上述したように、本実施例において送信器
３および受信器６は同一面内に並べて配置されるが、全
体が車両の進行方向に対して斜めに配置されるため、進
行方向に対しては送信器３が前側、受信器６が後側に位
置することになる。このような配置にしたのは、第１実
施例の場合と同様に、図３に示したような比較的狭い指
向性を有する受信器６により、超音波を可能な限り当該
受信器の中心軸に近い方向から受信できるようにするこ
とでドップラ信号のＳ／Ｎ比を高め、計測されるドップ
ラシフト周波数の精度を高めるためである。

【００３７】一方、本実施例の特徴であるｃｏｓ（θ−
β）メモリ部１４ａおよびｃｏｓ（θ−β＋α）メモリ
部１４ｂには、図１４および図１５に示したようなβ−
ｆｄ曲線およびα−ｆｄ曲線を用いて例えば０．１ｋＨ
ｚ間隔で求められたドップラシフト周波数ｆｄに対する
βおよびαの値に基づき、例えば照射角θ＝４５°の場
合のｃｏｓ（θ−β）およびｃｏｓ（θ−β＋α）の値
がテーブル化されて記憶されている。そして、ｃｏｓ（
θ−β）メモリ部１４ａおよびｃｏｓ（θ−β＋α）メ
モリ部１４ｂは、パルスカウンタ１１より得られたドッ
プラシフト周波数ｆｄに対応したｃｏｓ（θ−β）およ
びｃｏｓ（θ−β＋α）の値を出力する。

【００３８】本実施例では、ドップラシフト周波数ｆｄ
（単位ｋＨｚ）を小数第二位で四捨五入した値に対応す
るｃｏｓ（θ−β）およびｃｏｓ（θ−β＋α）値がそ
れぞれｃｏｓ（θ−β）メモリ部１４ａおよびｃｏｓ（
θ−β＋α）メモリ部１４ｂから読み出され、車速演算
回路１５は、これらの値とパルスカウンタ１１より得ら
れるｆｄ値とから（１６）式により車速を演算する。周
波数制御手段１３は、車速演算回路１５から出力される
車速値に基づいて、受信されるドップラ信号の周波数が
常に一定となるように発振器１の発振周波数を制御する
。

【００３９】図１６は、本実施例について行った路上走
行実験の結果を、基準となる空間フィルタ方式対地速度
計による速度計測値と対比して示したもので、極めて良
好な直線性が得られている。

【００４０】以上のように、本実施例では、車両静止時
の照射角θと車両走行時における実際の照射角との差β
および車両走行時における実際の照射角と受信角との角
度差αを考慮に入れて車速演算を行うことにより、検出
車両速度の全領域に渡って基準速度に対する直線性が良
く、第１実施例よりもさらに精度の高い対地速度計測を
行うことができる。

【００４１】ここで、本実施例と特許請求の範囲との対
応において、ｃｏｓ（θ−β）メモリ部１４ａ、ｃｏｓ
（θ−β＋α）メモリ部１４ｂは角度差算出手段に対応
している。

【００４２】なお、本実施例で受信周波数を固定する代
わりに送信周波数を固定する場合には、受信周波数Ｆの
代わりに送信周波数ｆ０を用い、（１６）式の代わりに
次の（１７）式によって車速を算出できる。

【数１４】

【００４３】なお、本発明の超音波ドップラ方式対地速
度計は、その細部が前述した一実施例に限定されず、種
々の変形例が可能である。一例として、上述の実施例で
は受信器６を送信器３の後方に配置していたが、従来例
のようにこれらを同一位置に配置することも可能である
。

【００４４】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の超
音波ドップラ方式対地速度計によれば、角度算出手段に
より送受信超音波が路面となす角度をドップラシフト周
波数から算出し、車速算出手段によりこれらドップラシ
フト周波数および角度から車速を算出しているので、高
速域においても基準速度に対する演算速度値の直線性が
良好であり、精度良い測定が可能な超音波ドップラ方式
対地速度計を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用される超音波ドップラ方式対地速
度計の第１実施例を示すブロック図である。

【図２】第１実施例の超音波ドップラ方式対地速度計の
送信器、受信器部分を取り出して示した側面図である。

【図３】超音波受信器の指向特性の一例を示す図である
。

【図４】第１実施例の超音波ドップラ方式対地速度計の
演算速度値と基準速度との関係を示す図である。

【図５】第１実施例の超音波ドップラ方式対地速度計の
測定原理を説明するための図である。

【図６】気温−２５℃における車速、角度差およびドッ
プラシフト周波数の関係を示す図である。

【図７】気温０℃における車速、角度差およびドップラ
シフト周波数の関係を示す図である。

【図８】気温２５℃における車速、角度差およびドップ
ラシフト周波数の関係を示す図である。

【図９】気温５０℃における車速、角度差およびドップ
ラシフト周波数の関係を示す図である。

【図１０】角度差とドップラシフト周波数との関係を示
す図である。

【図１１】本発明の第２実施例である超音波ドップラ方
式対地速度計のブロック図である。

【図１２】第２実施例の超音波ドップラ方式対地速度計
の送信器、受信器部分を取り出して示した側面図である
。

【図１３】第２実施例の超音波ドップラ方式対地速度計
の測定原理を説明するための図である。

【図１４】角度差βとドップラシフト周波数との関係を
示す図である。

【図１５】角度差αとドップラシフト周波数との関係を
示す図である。

【図１６】第２実施例の超音波ドップラ方式対地速度計
の演算速度値と基準速度との関係を示す図である。

【図１７】従来の超音波ドップラ方式対地速度計の一例
を示すブロック図である。

【図１８】従来の超音波ドップラ方式対地速度計の測定
原理を説明するための図である。

【図１９】従来の超音波ドップラ方式対地速度計の演算
速度値と基準速度との関係の一例を示す図である。

【符号の説明】

３　　送信器 ４　　超音波 ５　　路面 ６　　受信器 １１　　パルスカウンタ １４　　ｃｏｓ（θ＋α）メモリ部 １４ａ　　ｃｏｓ（θ−β）メモリ部 １４ｂ　　ｃｏｓ（θ−β＋α）メモリ部１５　　車速
算出回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　車両の前方に向かって、かつ路面に対
   して斜めに超音波を送出する送信手段と、路面で反射さ
   れた超音波を受信する受信手段と、送出された超音波と
   受信した超音波とからドップラシフト周波数を算出する
   ドップラシフト算出手段と、このドップラシフト周波数
   から送受信超音波が路面となす角度を算出する角度算出
   手段と、これらドップラシフト周波数および角度から車
   速を算出する車速算出手段とを備えた超音波ドップラ方
   式対地速度計。