高機能超音波センサシステムによる 高信頼駐車支援技術 米子工業高等専門学校 電気情報工学科 奥雲正樹 研究背景 従来の超音波センサシステム • 距離計測のみ • 超音波の入射角に対し垂直でない 対象物体の測定が困難 より高機能な超音波センサシステム 提案する超音波センサシステム • 1度の超音波送受信で距離、移動 速度、表面凹凸の測定が可能 • 超音波の入射角に対し垂直でない 対象物体の測定が可能 従来型の問題点 TOFによる距離計測 傾いている物体の計測 26×30cm 放射パルス 10 0c m 超音波センサ システム 30° 5 振幅（V) 電圧(V) 反射時間 物体からの 反射波 0 1 5 閾値電圧 時間 （msec) S/N比の小さい反射波は測定困難 時間(msec) 反射時間による距離測定のみ 提案するセンサシステム 周波数[kHz] 対象物体の移動速度を計測 サンプリング周波数100kHz サンプリング数1024(約10msec) 40 反射波サンプリング 20 対象物体の距離、表面形 状を計測 50μsec 500 550 高機能超音波センサシステムの放射超音波 時間[μsec] 凸からの反射波 測定物体 表面凹凸計測手法 凹からの反射波 周波数(kHz) 形 波 射 反 40 微小段差 反射時間:t2 反射時間:t1 20 t1 時間(ｍｓｅｃ) t2 5サンプルごとの微小区間に分割 0 1 2 3 4 データの伸張 5個 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 ・・・・ 2 2048個 FFTにより周波数スペクトル算出→ 20kHz帯のスペクトル強度のみを抽出 20kHz帯のスペクトル強度（V) 凸からの反射波 閾値 凹からの反射波 微小な表面段差の測 定が可能 時間(ｍｓｅｃ) 傾いた物体の計測 26×20cm 周波数20kHzの超音波 を1波長放射 10 0c m 30° 振幅（V) 5 物体から の反射波 0 1 20kHzスペクトル強度 5 傾いている物体からの反射波形 3 6 提案手法による処理後の反射波形 時間（msec) 時間(msec) 移動速度計測手法 受信波形のデータ数 0 1 2 3 ・・・・・ 1022 1023 1024個 0 1 2 3 ・・・・・ FFTによる 周波数解析 周波数分解能:100Hz 速度分解能:87cm/s 0Vで埋める 1022 1023 1024 ・・・・ 65534 65535 65536個 FFTにより周波スペクトル算出 周波数分解能:1.5Hz 速度分解能:0.65cm/s 最大パワーの周波数を受信波の周波数とし、 ドップラー効果より速度を算出 移動速度計測実験 移動物体（30×30cm) 移動速度：3.0～ 51.1cm/s センサ システム 各移動速度につき10回測定 実験概要 実験結果(接近方向） 移動している対象物体の表面段差計測実験 7.0 26.0 80.0 1.5 3.5 81.5 センサシステム 78.0 移動速度：10.0cm/s 8.0 単位: cm 高さ20cm 実験概要 実験結果 傾いている物体の検出実験 計測可能最大角 を15～25°改善 θ センサシ ステム 50～150cm 6段階 26×30cm 実験概要 各測定距離において、物体角θを0° から1度単位で増加させながら計測 実験結果 提案センサと従来センサにおいて、 各測定距離で測定可能である最大 の傾き角を比較 傾いている物体の検出実験(ノイズ有り） θ ノイズ発生器 50～150cm センサ システ ム 計測可能最大角を9～15°改善 6段階 26×30cm 10 実験概要 50 Frequency (kHz) 混入ホワイトノイズ（周波数スペクトル） 実験結果 応用実験 (微小物体の判別） 実験概要 実験結果 応用実験 (物体角付近の距離測定） 物体の角付近での測定が可能かを検証する 40 最小物体間距 離27cm 38 36 34 40cm 32 Proposed Sensor セ 40cm 測定開始⇒ 動 ンサ 30 距離 移 cm 30 28 Conventional Sensor 26 Shape of Object 24 22 20 1 5 9 13 17 21 実験結果 25 応用実験 (駐車時における距離計測） 110cm 160cm 従来型のセンサ では測定不可能 40cm 80cm 30cm 回転半径5.4m 想定される用途 • 自動車の駐車支援システム • 自律移動ロボットのセンサシステム 想定される業界 • 自動車業界 • 産業用、家庭用ロボット業界 実用化に向けた課題 • 現在、対象物体の距離、移動速度、表面凹 凸の個数と各奥行きを同時に測定可能。しか し、凹凸の位置関係、形状認識が未解決で ある。 • 傾いた物体の距離測定に関しては、研究室 レベルでは従来のシステムと比較し改善され ている。しかし、提案技術と駐車支援システ ムとの融合を考える必要がある。 企業への期待 • 超音波センシング技術、トランスディ ユーサの開発技術を持つ企業との 共同研究を希望。 • 自動駐車システム、駐車支援システ ムの開発を行っている企業には、本 技術の導入が有効と考えられる。 本技術に関する知的財産権 • 発明の名称：測定方法および測定プログラム • 出願番号 ：ＰＣＴ／ＪＰ２００７／０６６２１６ • 出願人 ：国立大学法人鳥取大学 • 発明者 ：大北正昭、奥雲正樹 お問い合わせ先 鳥取大学 産学・地域連携推進機構 知的財産管理運用部門長 佐々木 茂雄 ＴＥＬ ０８５７－３１－６０００ e-mail [email protected]
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