JPS6217675A

JPS6217675A - 移動位置測定装置

Info

Publication number: JPS6217675A
Application number: JP15663785A
Authority: JP
Inventors: Ikuo Arai; 郁男荒井
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-07-16
Filing date: 1985-07-16
Publication date: 1987-01-26
Anticipated expiration: 2009-10-26
Also published as: JPH0684986B2

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〕本発明は、超音波を利用して人体又は物体等の各部の位
置を３次元的に測定する位置測定装置に関するものであ
る。

〔従来の技術と問題点〕

超音波を利用した位置測定装置は、例えば、人間や動物
の歩行軌跡又は頭、手、足等の各部の動きや位置を測定
する手段として広い応用分野がある。しかも、最近では
より高い精度と高分解能が要求される様になってきた。

しかし、現在使用されている方式は、パルス状の超音波
を用い、距離に対応した送受波器間の伝搬遅延時間の計
測によシ、対象とする位置を算出し決定するものである
。

この為、次の様な不都合点があった。

（イ）　パルス波を用いているので送受波器や増幅器に
広帯域特性のものが必要で、外部雑音が混入し易く、誤
測定の原因となっていた。

（ロ）　・ぐルス波の遅延時間の計測では、受信波形お
よヒ受信レベルの変動の影響が大きいので、測定精度が
低かった。

Ｃウノヤルス波の繰り返し周期内では送波器の動きを検
知できないので、送波器の移動に対する分解能が悪く、
連続的な測定が不可能であった。

したがって、本発明は、送波器からｉｅルス波ではなく
・一定周波数の連続した超音波を送信することにより・
連続した位置の測定を可能にすると共に・高い測定精度
と高分解能を有する超音波位置測定装置を提供しようと
するものである。

〔問題点を解決するだめの手段〕

本発明は、送波器から送信される信号として、一定周波
数の連続した超音波を使用し、これを３個の受波器で受
信し、この各々の受信信号の位相変化から、夫々送受波
器間の相対距離変化量を求め、これらの相対距離変化量
を演算することにより、送波器の３次元位置を決定し、
上述の問題点を解決し目的を達成した。

〔作用〕測定対象となる空間に３次元座標を設定し、この座標上
の任意の位置に送波器の基準点及び３個０′・；：）の
位置を予め決めておきこれらの座標値を記憶しておく。

また、送波器の基準点と各受波器間の距離は計算によっ
て求められるので、これらの各距離も既知のＩとして記
憶しておくものとする。次に送波器から一定周波数の連
続した超音波を送信し、この超音波を３個の受波器で受
信して電気信号に変換する。これら電気信号の位相は送
波器の動きに従って変化するので、この位相変化量を検
出すれは送波器と各受波器間の相対距離変化量が算出で
き、これら各相対距離変化量と、前述の予め記憶された
送波器の基準点の座標及びこの基準点から各受波器迄の
距離とに基づいて送波器の３次元位置が求められる。

〔実施例〕

以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の全体を示す構成図である。（１）は、
例えば周波数４０ｋＨｚの連続波信号を発生する発振器
で、伝送線路（２）を介して３次元の位置Ｚにある送波
器（３）に接続され、前記連続波信号は送波器（３）よ
り超音波として空中に送信される。この超音波は、夫々
予め任意の位置に設定された３つの受波器（４）　、　
（５）　、　（６）で受信され、リード線を介して夫夫
対応する相対距離変化測定回路（７）　、　（ｓ）　、
　（９）に接続されている。ここで、送波器（３）と各
受波器（４）、（５）、（６）の位置及び座標値は図の
様な関係に設定しておくものとする。ｚｏは受波器（３
）の基準点を示すものである。前記３つの相対距離変化
測定回路（７）　、　（８）　、　（９）は、前記発振
器（１）の連続波信号を基準として前記３つの受波器で
受信された音波に対応した各電気信号の位相変化量を検
出することにより、送波器（３）と受波器（４）　、　
（ｓ）　、　（６）との間の相対距離変化量ｒ１＋ｒ２
＋ｒ３を算出するものである。００はリセット回路で、
送波器（３）が予め定めた基準点Ｚ。上に来たとき、相
対距離変化測定回路（７）　、　（８）　、　（９）と
位置演算装置Ｕにリセット信号を加える様になっている
。α■は相対距離変化測定回路（７）　、　（８）　、
　（９）の出力ｒ１＋ｒ２＋ｒ５に基づいて、送波器（
３）の３次元位置を算出する位置演算装置である。

次に第１図の動作について説明する。

（ａ）、測定を行う領域に３次元座標を設定し、受波器
（３）の基準点ｚｏ及び３つの受波器（４）　、　（５
）　、　（６）の予め設定した位置２．．２２，２．の
座標値を位置演算装置Ｑｌ）内の例えばＲＡＭ等のメモ
リー（図示せず）に記憶させておき、またこれらの各座
標値よシ送波器（３）の基準点と各受波器間の距離Ｒ１
・Ｒ２・Ｒ３も演算して既知の量として上記メモリーに
記憶しておくものとする。

（ｂ）０発振器（１）よシ伝送線路（２）を介して送ら
れた一定周波数の連続波信号は、送波器（３）より超音
波として空中に送信され、３つの受波器で受信される。

受信された超音波は電気信号に変換されてリード線を介
し、夫々相対距離変化測定回路（７）　、　（８）　、
　（９）へ送られる。

（Ｃ）、相対距離変化測定回路（７）　、　（ｓ）　、
　（９）では、受波器（４）　、　（５）　、　（６）
からの電気信号の位相が送波器（３）の移動に伴って変
化するので、これを検出して送波器（３）と各受波器間
の相対距離変化量ｒ１．ｒ２＋ｒ３を算出し出力する。

間、これら回路の構成については第２図に示し詳細につ
いては後述する。

（ｄ）、算出された相対距離変化量ｒｉ＋ｒ２＋ｒ５は
位置演算装置（ロ）に送られる。ここでこれら各位と、
前受波器（４）　、　（５）　、　（６）間の距離Ｒ１
、Ｒ２ｒ　Ｊを基にして演算を行い、送波器（３）の任
意の３次元位置２が求められる、次ニ、第２図で前述の相対距離変化測定回路（７）。

（８）　、　（９）について詳細に説明する。尚、各回
路は同一構成のため、（７）のみについて説明する。

ａカは増幅器で、送波器（３）の送信波に応じた受波器
（１１）の出力信号ｅ１を増幅する。α］は一方のＮて
い倍回路で、増幅器（６）の出力信号ｅ′１の周波数を
Ｎ倍に高めるものである。α尋は発振器（１）からの出
力信号ｅｏの周波数をＮ倍する他方のＮてい倍回路であ
る。

αＧは９０°移相回路でＮてい倍回路（１４の出力信号
ｅＮの位相を９０°シフトさせる。（ＩＱ及びα→は掛
算器で、一方の掛算器αＱはＮてい倍回路α１及びα→
の出力信号ｅ′、ＮとｅＮを乗算し、他方の掛算器０樟
はＮてい倍回路０１の出力信号”’ＩＮと９０°移相回
路αυの出力信号ｅ′Ｎを乗算する。αη及び０Ｉはロ
ー・ンスフィルタで掛算器α０とロー・ンスフィルタ０
ηで一方の相関回路（１−測点線内）を構成し、掛算器
０ｅとロー・ぞスフイル′！的で他方の相関回路（下側
点線内）を構成している。翰及び（ハ）は上記２つの相
関回路の出力信号波形を整形する波形整形回路で夫々ア
ップグランカウンタ（イ）に接続されている。このアッ
プダウンカウンタ（２）の出力はＤ／Ａ変換変換器子え
られ、このＤ／Ａ変換変換器子、送波器（３）の動きに
よる相対距離変化量ｒ、が出力される。

第２図の相対距離変化測定回路（７）の動作についてｅ
ｇ＝Ｅ□ｃａｓωｔ（１）で表すことができ、受波器（４）の出力信号ｅ、を入力
して増幅器（６）で増幅された出力信号ｅｌ、は、で表
される。ここでτは音波の伝搬速度、Ｒは送波器（３）
と受波器（４）との距離を示す。（２）式に於いて分解
能を高めるために、Ｎてい倍回路α］で周波数をＮ倍（
Ｎ＝２以上の整数）すれば、ω／ｖ＝２π／λ（λ：超
音波の波長）であるから、その出力信号”ＩＮは・となる。

発振器（１）の連続波信号の出力信号ｅ。の周波数をＮ
てい倍回路ａ４でＮ倍した出力信号ｅＮは、ｅＨ＝　Ｅ
ｏｃａｓ　Ｎωｔ（４）で表され、この出力信号を９０°移相回路αυに加える
と、その出力信号ｅ′Ｎは、ｅ３’ｓ　＝ＥＯｓｆｎ　Ｎωｔ（５）となる。（４）
式及び（５）式で表される出力信号と、（３）式の出力
信号との相関をとって、一方の出力信号をＥｃ、他方の
出力信号をＥ３とすればが得られる。（６）式及び（７
）式の（ｅＮｘ　ｅ’、Ｎ〕と〔ｅ′Ｎｘｅ／、Ｎ〕は
平均を示す。この平均化は２つの相関回路内のロー・ぐ
スフィルタ（１′ｉ）及び（至）で行われる。ここで（
６）式及び（７）式を組み合わせるととなる。これは、送波器（３）と受波器（４）との距離
Ｒλ が艮変化するごとに１回転するベクトルを表しており、
Ｒが増加なら左回り、減少なら右回りの回転ベクトルで
ある。よってこのベクトルの位相変化を検出すれば送受
波器間の相対距離変化量が得られることになる。実際に
は、第２図に示す如く、２つの相関回路の出力信号Ｅｃ
及びＥ３を波形整形回路（ホ）及びぐｐでｉ９ルス化し
てアップダウンカウンタ（２）で計数し、この計数出力
信号をＤ／Ａ変換変換器子ナログ信号に変換されて出力
される。このアナログ信号出力は送波器（３）と受波器
（４）間の距離Ｒつて、送波器（３）をその基準点２゜
上に置いて、アップダウンカウンタ（イ）と第１図の位
置演算装置（１１）をリセット回路α０の出力でリセッ
トさせることによリ、Ｄ／Ａ変換器に）の出力が上記基
準点Ｚ。を始点とした送波器（３）と受波器（４）間の
相対距離変化量ｒ１を表わすことになる。同様にして他
の２つの相対距離変化測定回路（８）　、　（９）から
も、送波器（３）の基準点２゜を始点とした夫々の相対
距離変化量ｒ２及びｒ３が得られる。

前述の如く、各相対距離変化測定回路（７）　、　（８
）　、　（９）ではＮてい倍回路ａ→、α◆を使用する
ことにより各受波器（４）　、　（５）　、　（６）か
らの電気信号の周波数がＮ倍になりその結果、相対距離
変化量の測定分解能もＮ倍に高められる。例えば、発振
器（１）の発振周波数：ｆ＝４０ｋＨｚ、空気の音速；
ｖ＝３４０ｍ／ｓのとき、λ（波長）　＝　８．５　ｍ
／ｍとなるから、Ｎ＝４とすればその分解能はλの１、
すなわち約２ｍ／ｍが得られる。

以上説明した様に、送波器（３）の基準点ｚｏを始点と
する送波器（３）と３つの受波器（４）　、　（５）　
、　（６）との間の相対距離変化量ｒ１．ｒ２．ｒ３が
測定されたので、これらの各位から送波器（３）の３次
元位置２を算出する手［ηを以下に示す。送波器（３）
が基準点ｚｏにあるときは３つの受波器（４）　、　（
５）　、　（６）迄の距離は、既知の量として、Ｒ１＝ｌｚ＋　　ｚｏｌ　　　　　　　　　　　（９）
Ｒ２＝　１ｚ２−Ｚｏｌ　　　　　　　　　　　ＱＯＲ
５＝　１２．−ｚｏｌ　　　　　　　　　　　（１＋）
の様に計算によシ求められる。これらの値は予め位置演
算装置（１１）内のメモリーに記憶しておく。次に送波
器（３）が基準点Ｚｏからある点２へ移動したとき、そ
の後の送波器と夫々の受波器間の相対距離変化量ｒ１．
ｒ２．ｒ３は夫々、ｒ１＝ｌＺ　　ｚｔｌ　　Ｒ１０２ｒ２　＝ｌｚ　　２２１　　Ｒ２α］ｒ３＝ｌＺ　　ｚ、ｌ−Ｒ，Ｑ４で表されるから、上式（２）、α→、（Ｉ４に各々座標
値を代入すれば次式が得られる。

（ｘ−ａ）２＋　ｙ２＋　ｚ２＝　（Ｒ，＋　ｒ、）２
　　　αυ（ｘ＋ａ）２＋ｙ２＋ｚ２＝（Ｒ２＋ｒ２）
２ａＱｘ２＋７２＋（ｚ−ｃ）２＝　（Ｒ５＋ｒｓ）２
　　　α力よって、上式（ト）、　（ＩＱ、　ａ’ｈか
ら送波器（３）の３次元位置２の座標値Ｘ　＋　ｙ＋　
Ｚは次式によシ求められる。

これら式ａ樟、（至）、四に基づき送波器（３）の位置
を算出する装置が第１図の位置演算装置ａυとして示さ
れている。この位置演算装置（ロ）は、例えば、マイク
ロコンピュータ−を用いれば容易に実施可能で、リセッ
ト回路αＯからの信号により、送波器（３）が基準点Ｚ
ｏ上に来たことを知り、相対距離変化測定回路（７）　
、　（８）　、　（９）の出力信号「１．ｒ２．ｒ３と
、予め記憶させておいた送受波器の各座標値及び所要値
とから送波器の３次元位置Ｚを演算する。

尚、上記説明では受波器を３個使用して、送波器（３）
の位置を３次元的に求めたが、受波器を２個にした場合
は２次元位置（平面位置）を、１個の場合は１次元位置
（直線距離）が求められることは勿論である。

また・伝送線路（２）を使用する代わりに、テレメータ
方式で無線によって発振器（１）の連続波信号を送波器
（３）に伝送することもできる。

〔発明の効果〕

以上説明した通シ、本発明によれば次の如き種種の顕著
な効果が得られる。

（イ）送信信号は・ぐルス波でなく、一定周波数の連続
波信号を使用しているので、増幅器は狭帯域のものを使
用でき、外来雑音の影響を受けにくく、高いＳ７へ比が
得られる。

（ロ）一定周波数の連続波信号を使用した位相変化によ
る測定を行っているため、受信レベルの変動の影響は小
さく、高精度の位置測定ができる。

Ｈ送波器の動きに対する情報が連続的に得られ分解能も
高い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好適な実施例の概要を示すブロック図
、第２図は第１図の相対距離変化測定回路の詳細な構成
を示すブロック図である。（３）・・・送波器、（４）〜（６）・・・受波器、（
７）〜（９）・・・相対距離変化測定回路、００）・・
・リセット回路、Ｉｌｌ・・・・位置演算装置、＋１３
１．圓・・・・Ｎてい倍回路、（１９・・・・９０°移
相回路、（２２１・・・・アップダウンカウンタ、２３
）・・・・Ｄ／Ａ変換器。

Claims

【特許請求の範囲】

一定周波数の連続波信号を発生する発振器と、この信号
を超音波として送信する送波器と、この送波器からの超
音波を受信する予め任意の位置に定められた３個の受波
器と、これら３個の受波器で受信された上記超音波に対
応した電気信号の位相変化を前記発振器の連続波信号を
基準として測定することにより、前記送受波器間の相対
距離変化量を演算する相対距離変化測定手段と、これら
の相対距離変化量から、前記送波器の３次元座標位置を
演算する位置演算手段と、前記送波器が予め定めた位置
に来たとき、前記各相対距離変化測定手段をリセットさ
せるリセット手段とから成ることを特徴とする超音波位
置測定装置。