位置測量裝置制造方法
【專利摘要】提供一種在利用超聲波測量物體的3維坐標(biāo)的位置測量裝置中能夠降低噪聲的影響來提高測量精度的位置測量裝置。位置測量裝置(1)具備：發(fā)送超聲波的發(fā)送器(10)；接收超聲波的3個(gè)接收器(11～13)；時(shí)間確定部(43)，基于接收波，按每個(gè)接收器(11～13)確定發(fā)送超聲波之后被物體而到達(dá)接收器(11～13)為止的到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)，該時(shí)間確定部(43)至少針對1個(gè)接收器確定多個(gè)到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)；坐標(biāo)計(jì)算部(44)，基于由時(shí)間確定部(43)確定的到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)及發(fā)送器(10)與接收器(11～13)的相對位置，計(jì)算出表示物體位置的多個(gè)3維坐標(biāo)候補(bǔ)；和坐標(biāo)確定部(45)，基于多個(gè)3維坐標(biāo)候補(bǔ)，確定物體的3維坐標(biāo)。
【專利說明】位置測量裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及測量物體的位置的位置測量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]以往公知利用超聲波來測量物體的位置的位置測量裝置。下述非專利文獻(xiàn)I記載了通過超聲波測量與物體之間的距離并基于測量到的距離計(jì)算物體的3維坐標(biāo)的位置測量裝置。下述非專利文獻(xiàn)I記載的位置測量裝置從地面朝向上方發(fā)送超聲波，通過3臺接收器接收被正在上方飛行的模型飛機(jī)反射的反射波。接著，該位置測量裝置基于各接收器的接收波，確定在各接收器中接收了反射波的時(shí)刻。接著，基于所確定的時(shí)刻，計(jì)算出發(fā)送的超聲波被模型飛機(jī)反射后被各接收器接收為止的傳送距離。然后，該位置測量裝置基于通過各接收器得到的3個(gè)傳送距離，計(jì)算模型飛機(jī)的3維坐標(biāo)。
[0003]在先技術(shù)文獻(xiàn)
[0004]非專利文獻(xiàn)
[0005]非專利文獻(xiàn)1:今井及其他4名、「使用了超聲波傳感器的高速移動體的3維位置測量裝置的構(gòu)筑」、研究報(bào)告、關(guān)東學(xué)院大學(xué)工學(xué)會、2007年3月、第50卷、第2號、p.67-73

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明要解決的問題
[0007]但是，接收波包括各種噪聲。此外，有時(shí)被作為測量對象的物體以外的物體反射的超聲波也會作為噪聲而包含在接收波中。因此，若在接收波的電平超過了閾值時(shí)確定為接收了反射波，則有可能會錯(cuò)誤地確定接收了反射波的時(shí)刻。因此，在確定發(fā)送超聲波之后被物體反射而到達(dá)接收器為止的到達(dá)時(shí)間時(shí)會產(chǎn)生誤差，使用到達(dá)時(shí)間計(jì)算出的傳送距離也會包含誤差。另外，由于分別使用關(guān)于3個(gè)接收器的傳送距離來計(jì)算出3維坐標(biāo)，因此計(jì)算結(jié)果中，3個(gè)傳送距離的誤差會被重疊。因此，作為計(jì)算結(jié)果而得到的3維坐標(biāo)的精度會下降。
[0008]本發(fā)明正是鑒于上述問題而完成的，目的在于提供一種在利用超聲波測量物體的3維坐標(biāo)的位置測量裝置中能夠降低噪聲的影響來提高測量精度的位置測量裝置。
[0009]用于解決問題的手段
[0010]本發(fā)明的位置測量裝置是利用超聲波來測量物體的位置的位置測量裝置，特征在于，具備:發(fā)送超聲波的發(fā)送器；接收超聲波的至少3個(gè)接收器；時(shí)間確定部，基于分別由接收器接收到的接收波，按每個(gè)接收器確定發(fā)送超聲波之后被物體反射而到達(dá)接收器為止的到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)，且該時(shí)間確定部至少針對I個(gè)接收器確定多個(gè)到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)；坐標(biāo)計(jì)算部，基于由時(shí)間確定部確定的到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)以及發(fā)送器與接收器的相對位置，計(jì)算出表示物體的位置的多個(gè)3維坐標(biāo)候補(bǔ)；和坐標(biāo)確定部，基于由坐標(biāo)計(jì)算部計(jì)算出的多個(gè)3維坐標(biāo)候補(bǔ)，確定物體的3維坐標(biāo)。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的位置測量裝置，基于接收波確定多個(gè)發(fā)送超聲波之后被物體反射而到達(dá)接收器為止的到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)。一般，接收波包含噪聲，因此若根據(jù)接收波確定I個(gè)到達(dá)時(shí)間，則確定因噪聲的影響而出錯(cuò)的到達(dá)時(shí)間的可能性很高。即，無法確定精度高的到達(dá)時(shí)間的可能性很高。相對于此，在本發(fā)明中，確定多個(gè)到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)，因此能夠提高確定精度高的到達(dá)時(shí)間的可能性。并且，在本發(fā)明中，基于確定出的多個(gè)到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)來計(jì)算出多個(gè)3維坐標(biāo)候補(bǔ)，因此獲得精度高的3維坐標(biāo)候補(bǔ)的概率變高。此外，基于多個(gè)3維坐標(biāo)候補(bǔ)來確定物體的3維坐標(biāo)，因此能夠提高獲得高精度的3維坐標(biāo)的可能性。因此，在利用超聲波來測量物體的3維坐標(biāo)的位置測量裝置中，能夠降低噪聲的影響來提高測量精度。
[0012]在本發(fā)明的位置測量裝置中，優(yōu)選還具備:存儲部，預(yù)先存儲從發(fā)送器發(fā)送后未被物體反射而是直接到達(dá)接收器后被該接收器接收的直達(dá)波；和反射波獲取部，從由接收器接收到的接收波中減去存儲在存儲部中的直達(dá)波，從而獲得被物體反射后被到達(dá)接收器的反射波，時(shí)間確定部基于由反射波獲取部獲得的反射波，確定多個(gè)到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)。
[0013]此時(shí)，從接收波中排除直達(dá)波，因此能夠獲得被物體反射后返回的反射波。因此，能夠防止錯(cuò)將未被物體反射而到達(dá)接收器的超聲波的傳送時(shí)間確定為到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)的情況。因此，能夠防止測量結(jié)果的錯(cuò)誤。
[0014]在本發(fā)明的位置測量裝置中，優(yōu)選時(shí)間確定部基于由反射波獲取部獲得的反射波的包絡(luò)線中的產(chǎn)生了峰值的時(shí)刻，確定到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)。
[0015]此時(shí)，確定反射波的包絡(luò)線的峰值，因此無需對反射波的全部峰值逐一進(jìn)行處理也能夠確定到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)。因此，能夠降低處理負(fù)荷。
[0016]在本發(fā)明的位置測量裝置中，優(yōu)選時(shí)間確定部基于反射波的峰值中在反射波的包絡(luò)線中的峰值的緊跟前和/或緊之后產(chǎn)生的規(guī)定數(shù)量的反射波的峰值的時(shí)刻，確定到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)。
[0017]此時(shí)，在反射波的峰值之中，針對在包絡(luò)線的峰值的緊跟前和/或緊之后產(chǎn)生的規(guī)定數(shù)量的反射波的峰值確定到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)。通過發(fā)明人的研究，得到了有時(shí)反射波的峰值中產(chǎn)生了包絡(luò)線的峰值的周邊峰值會表示超聲波實(shí)際到達(dá)接收器的時(shí)刻的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此，通過針對在包絡(luò)線的峰值的緊跟前和/或緊之后產(chǎn)生的規(guī)定數(shù)量的反射波的峰值確定到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)，從而能夠降低噪聲的影響，確定更高精度的到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)。由此，能夠進(jìn)一步提高測量精度。
[0018]在本發(fā)明的位置測量裝置中，優(yōu)選發(fā)送器發(fā)送被調(diào)制過的超聲波，時(shí)間確定部計(jì)算由反射波獲取部獲得的反射波與由存儲部存儲的直達(dá)波之間的互相關(guān)函數(shù)，基于該互相關(guān)函數(shù)來確定到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)。
[0019]由于根據(jù)反射波與直達(dá)波之間的互相關(guān)函數(shù)表示的波形具有比反射波更陡峭的峰值，因此在上述情況下，在每次確定到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)時(shí)，都能夠提高時(shí)間分辨率。此外，能夠降低噪聲的影響。因此，能夠確定更高精度的到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)，進(jìn)一步提高測量精度。
[0020]在本發(fā)明的位置測量裝置中，優(yōu)選發(fā)送器根據(jù)被調(diào)制過的驅(qū)動信號來發(fā)送超聲波，時(shí)間確定部計(jì)算由反射波獲取部獲得的反射波與驅(qū)動信號之間的互相關(guān)函數(shù)，基于該互相關(guān)函數(shù)來確定到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)。
[0021]由于根據(jù)反射波與驅(qū)動信號之間的互相關(guān)函數(shù)表示的波形具有比反射波更陡峭的峰值，因此在上述情況下，在每次確定到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)時(shí)，能夠提高時(shí)間分辨率。此外，能夠降低噪聲的影響。因此，能夠確定更高精度的到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)，進(jìn)一步提高測量精度。[0022]在本發(fā)明的位置測量裝置中，優(yōu)選時(shí)間確定部基于針對所確定的多個(gè)到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)分別計(jì)算出的傳送距離及在前次處理時(shí)由坐標(biāo)確定部確定的3維坐標(biāo)的計(jì)算中所使用的傳送距離，針對多個(gè)到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)分別判定是否需要排除。
[0023]此時(shí)，在取多個(gè)到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)的基礎(chǔ)上，基于在前次處理時(shí)得到的傳送距離，進(jìn)行各到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)的選擇。例如，在前次處理時(shí)得到的傳送距離與本次確定的各到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)的傳送距離之差為閾值以上的情況下，排除該到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)。由此，能夠排除與前次的傳送距離相距頗遠(yuǎn)的傳送距離。因此，能夠進(jìn)一步提高測量精度。
[0024]在本發(fā)明的位置測量裝置中，優(yōu)選坐標(biāo)計(jì)算部針對從由時(shí)間確定部確定的多個(gè)到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)之中按每一個(gè)接收器一個(gè)個(gè)選出的到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)的所有組合計(jì)算出3維坐標(biāo)候補(bǔ)。
[0025]此時(shí)，當(dāng)從多個(gè)到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)之中按每一個(gè)接收器一個(gè)個(gè)選擇到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)來計(jì)算出3維坐標(biāo)候補(bǔ)時(shí)，針對按每一個(gè)接收器一個(gè)個(gè)選擇的到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)的所有組合計(jì)算出3維坐標(biāo)候補(bǔ)。其結(jié)果，計(jì)算出與組合相應(yīng)的數(shù)量的3維坐標(biāo)候補(bǔ)。并且，基于計(jì)算出的3維坐標(biāo)候補(bǔ)來確定物體的3維坐標(biāo)。由此，在取根據(jù)到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)的所有組合得到的3維坐標(biāo)候補(bǔ)的基礎(chǔ)上確定物體坐標(biāo)，因此能夠進(jìn)一步提聞測量精度。
[0026]在本發(fā)明的位置測量裝置中，優(yōu)選坐標(biāo)確定部在由坐標(biāo)計(jì)算部計(jì)算出的多個(gè)3維坐標(biāo)候補(bǔ)之中，將與前次處理時(shí)確定的3維坐標(biāo)之間的距離最近的坐標(biāo)確定為物體的3維坐標(biāo)。
[0027]此時(shí)，將多個(gè)3維坐標(biāo)候補(bǔ)之中上述距離最近的坐標(biāo)確定為物體的3維坐標(biāo)。在此，在多個(gè)3維坐標(biāo)候補(bǔ)之中，認(rèn)為與前次的3維坐標(biāo)距離較近的坐標(biāo)接近實(shí)際坐標(biāo)的概率高于與前次的3維坐標(biāo)距離較遠(yuǎn)的坐標(biāo)。因此，基于前次處理時(shí)得到的3維坐標(biāo)，能夠確定最可靠的坐標(biāo)。即，能夠進(jìn)一步提高測量精度。
[0028]在本發(fā)明的位置測量裝置中，優(yōu)選坐標(biāo)確定部基于在前次處理時(shí)確定的3維坐標(biāo)與通過本次處理確定的3維坐標(biāo)之間的距離，判定是否允許通過本次處理確定的3維坐標(biāo)。
[0029]此時(shí)，基于在前次處理時(shí)確定的3維坐標(biāo)與通過本次處理確定的3維坐標(biāo)之間的距離，判定是否能夠允許通過本次處理確定的3維坐標(biāo)。由此，在確定了表示離前次處理時(shí)得到的3維坐標(biāo)的位置相距頗遠(yuǎn)的位置的3維坐標(biāo)的情況下，能夠?qū)⑵渑懦?。由于判定這樣得到的坐標(biāo)的合理性，因此能夠防止測量結(jié)果的錯(cuò)誤。
[0030]在本發(fā)明的位置測量裝置中，優(yōu)選還具備:判定部，判定在測量范圍內(nèi)是否存在作為測量對象的物體，在由判定部判定為作為測量對象的物體不存在于測量范圍內(nèi)的情況下，存儲部將由接收器接收到的接收波作為直達(dá)波來存儲。
[0031]此時(shí)，自動獲得并存儲直達(dá)波。另外，由于聲速隨著氣溫、介質(zhì)的流速等外部環(huán)境而發(fā)生變化，因此直達(dá)波到達(dá)接收器的時(shí)刻隨著外部環(huán)境發(fā)生變化。在此，根據(jù)上述的優(yōu)選方式，能夠存儲在實(shí)際測量位置的環(huán)境下得到的直達(dá)波。因此，能夠根據(jù)反映了實(shí)際測量環(huán)境的直達(dá)波獲得反射波，因此能夠減少外部環(huán)境的影響，能夠進(jìn)一步提高測量精度。
[0032]在本發(fā)明的位置測量裝置中，優(yōu)選發(fā)送器及3個(gè)接收器被配置在同一平面上，且分別被配置在長方形的各頂點(diǎn)的位置上。
[0033]此時(shí)，由于在同一平面上配置發(fā)送器及3個(gè)接收器，因此若得到了 3個(gè)接收器中的到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)，則能夠確定3維坐標(biāo)。S卩，不需要4個(gè)以上的接收器，僅通過3個(gè)接收器就能夠確定3維坐標(biāo)。此外，由于分別在長方形的各頂點(diǎn)的位置上配置發(fā)送器及3個(gè)接收器，因此能夠確定為于被長方形包圍的區(qū)域的正面及包括其周圍在內(nèi)的區(qū)域的物體的3維坐標(biāo)。例如，若在被長方形包圍的區(qū)域配置了顯示器的設(shè)備中搭載本發(fā)明的位置測量裝置，則能夠按照該顯示器的顯示以非接觸方式計(jì)量用戶所移動的手指的3維坐標(biāo)。此時(shí)，本發(fā)明的位置測量裝置能夠起到輸入裝置的作用。
[0034]發(fā)明效果
[0035]根據(jù)本發(fā)明，在利用超聲波測量物體的3維坐標(biāo)的位置測量裝置中，能夠降低噪聲的影響來提高測量精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]圖1是表示第I實(shí)施方式的位置測量裝置的結(jié)構(gòu)的框圖。
[0037]圖2是表示第I實(shí)施方式的位置測量裝置的使用方式的一例的圖。
[0038]圖3是將第I實(shí)施方式的位置測量裝置作為輸入裝置而搭載于其他設(shè)備時(shí)的一例的圖。
[0039]圖4是表示在第I實(shí)施方式的位置測量裝置中得到的直達(dá)波、接收波及反射波的波形的圖。
[0040]圖5是用于說明基于第I實(shí)施方式的位置測量裝置的反射波的到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)的確定方法的圖。
[0041]圖6是表示基于第I實(shí)施方式的位置測量裝置的反射波的到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)的確定處理的處理順序的流程圖。
[0042]圖7是表示第I實(shí)施方式的位置測量裝置的3維坐標(biāo)的確定處理的處理順序的流程圖。
[0043]圖8是表示第2實(shí)施方式的位置測量裝置的結(jié)構(gòu)的框圖。
[0044]圖9是用于說明第2實(shí)施方式的位置測量裝置的到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)的確定方法的圖。
[0045]圖10足表示基于第2實(shí)施方式的位置測量裝置的互相關(guān)函數(shù)的到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)的確定處理的處理順序的流程圖。
[0046]圖11是表示第3實(shí)施方式的位置測量裝置的結(jié)構(gòu)的框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0047]以下，參照附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。另外，在各圖中，對同一要素附加同一符號并省略重復(fù)的說明。
[0048][第I實(shí)施方式]
[0049]首先，參照圖1，說明第I實(shí)施方式的位置測量裝置I的結(jié)構(gòu)。圖1是表示位置測量裝置I的結(jié)構(gòu)的框圖。位置測量裝置I是利用超聲波來測量物體的3維坐標(biāo)的裝置。更具體而言，位置測量裝置I具備發(fā)送超聲波的發(fā)送器10、和接收超聲波的3個(gè)接收器11?13，求出發(fā)送超聲波后被物體反射而到達(dá)各接收器11?13為止的到達(dá)時(shí)間。在此，位置測量裝置I考慮接收波的噪聲的影響，求出多個(gè)到達(dá)時(shí)間的候補(bǔ)。并且，位置測量裝置I在基于3個(gè)接收器11?13的多個(gè)到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)來計(jì)算出物體的3維坐標(biāo)候補(bǔ)的基礎(chǔ)上，作為物體的3維坐標(biāo)而確定I個(gè)坐標(biāo)。[0050]圖2是表示位置測量裝置I的使用方式的一例的圖。如圖2所示，例如，位置測量裝置I以非接觸方式測量指尖的3維坐標(biāo)。位置測量裝置I連續(xù)地測量指尖的3維坐標(biāo)，從而能夠測量手指的運(yùn)動。發(fā)送器10及3個(gè)接收器11?13被配置在同一平面上，包括該平面的正面的區(qū)域成為測量范圍。在圖2的例中，發(fā)送器10及3個(gè)接收器11?13分別被配置在正方形的各頂點(diǎn)的位置上。例如，在發(fā)送器10及3個(gè)接收器11?13被配置在一邊的長度為6cm左右的正方形的各頂點(diǎn)的位置上的情況下，距平面的距離為IOcm左右以內(nèi)的一邊為12cm左右的正方形內(nèi)的區(qū)域?yàn)闇y量范圍。
[0051]此外，如圖3所示，在具有長方形顯示器101的設(shè)備100上搭載位置測量裝置1，能夠使位置測量裝置I起到輸入裝置的作用。在圖3中，作為設(shè)備100的例子而示出智能手機(jī)。在此，所謂智能手機(jī)是具有除了文字外還能夠顯示圖像等各種信息的顯示器的移動電話。發(fā)送器10及3個(gè)接收器11?13分別被配置在長方形的顯示器101的4個(gè)角的外側(cè)。位置測量裝置I能夠連續(xù)地以非接觸方式計(jì)量位于顯示器101正面的測量范圍內(nèi)的食指指尖的3維坐標(biāo)。由此，若用戶按照顯示器101的顯示而在顯示器101正面的空間移動手指，通過位置測量裝置I檢測手指的移動，能夠向設(shè)備100輸入信息。S卩，位置測量裝置I起到非接觸式輸入裝置的作用。
[0052]接著，參照圖1，說明位置測量裝置I所具備的信號處理部20。信號處理部20為了驅(qū)動發(fā)送器10而具備發(fā)送信號生成部21及驅(qū)動電路22。發(fā)送信號生成部21生成超聲波頻率的驅(qū)動信號，并輸出到驅(qū)動電路22。驅(qū)動電路22放大所輸入的驅(qū)動信號并提供給發(fā)送器10。發(fā)送器10例如具有利用壓電陶瓷構(gòu)成的諧振器，諧振器因所輸入的驅(qū)動信號而產(chǎn)生諧振。由此，發(fā)送超聲波。
[0053]發(fā)送信號生成部21以脈組(burst)方式輸出驅(qū)動信號，發(fā)送器10以脈組方式發(fā)送超聲波。例如，脈組周期是IOms左右,發(fā)送超聲波0.3ms左右后,直到下一個(gè)周期為止的期間內(nèi)通過接收器11?13接收被物體反射而返回來的超聲波。圖2示意性描繪了從發(fā)送器10發(fā)送的發(fā)送波S，但是實(shí)際上從發(fā)送器10發(fā)送的發(fā)送波S的波形的開始部分及結(jié)束部分的振幅較小。開始部分的振幅小是因?yàn)殚_始發(fā)送器10的驅(qū)動之后諧振器的振動立刻變小。結(jié)束部分的振幅小是驅(qū)動信號的輸出結(jié)束之后剩余的諧振器的影響引起的。
[0054]信號處理部20具備分別作為由接收器11?13接收到的接收信號(接收波)的輸入接口而起作用的放大器/濾波器31?33及A/D變換器34?36，還具備A/D值獲取部37?39。放大器/濾波器31?33由放大電路及濾波器電路等構(gòu)成。該放大器/濾波器31?33對由各接收器11?13接收的接收信號進(jìn)行放大，除去期望的頻率以外的信號，并輸出給A/D變換器34?36。
[0055]A/D變換器34?36將所輸入的模擬信號變換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。A/D值獲取部37?39分別控制A/D變換器34?36的動作，獲取由A/D變換器34?36變換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的接收信號。即，通過各A/D值獲取部37?39獲取由各接收器11?13接收的表示接收波的接收信號。
[0056]信號處理部20具備處理所得到的接收波(接收信號)來運(yùn)算出物體的3維坐標(biāo)的運(yùn)算處理部40。另外，運(yùn)算處理部40、上述的發(fā)送信號生成部21及A/D值獲取部37?39由CPU、ROM及RAM等構(gòu)成。由CPU執(zhí)行存儲在ROM中的程序，從而執(zhí)行運(yùn)算處理部40、發(fā)送信號生成部21及A/D值獲取部37?39的各功能。另外，也可以代替CPU而使用例如ASIC、FPGA、DSP 等。
[0057]運(yùn)算處理部40在其功能上具備存儲部41、反射波獲取部42、時(shí)間確定部43、坐標(biāo)計(jì)算部44及坐標(biāo)確定部45。在存儲部41中存儲直達(dá)波的波形。直達(dá)波是未被物體反射，直接從發(fā)送器10到達(dá)各接收器11?13并被各接收器11?13接收的波。存儲部41與各個(gè)接收器11?13相關(guān)聯(lián)地存儲直達(dá)波。在實(shí)際的3維測量之前預(yù)先在存儲部41中存儲這3個(gè)直達(dá)波。
[0058]若開始測量而接收所發(fā)送的超聲波，則反射波獲取部42輸入通過各A/D值獲取部37?39獲取到的接收信號(接收波)。該接收波中重疊有直達(dá)波和反射波。反射波是由發(fā)送器10發(fā)送并被物體反射后到達(dá)接收器11?13而被接收的超聲波。反射波獲取部42為了獲取反射波，從各接收波的波形減去存儲在存儲部41中的直達(dá)波的波形。
[0059]圖4是表示在位置測量裝置I中得到的直達(dá)波、接收波及反射波的波形的圖。(a)的波形表示直達(dá)波，是在測量范圍內(nèi)沒有反射物體時(shí)被接收器11接收的波形。(b)的波形是在測量范圍內(nèi)存在作為測量對象的反射物體時(shí)被接收器11接收的波形。(C)的波形表示接收器11的反射波，是從(b)的波形減去(a)的波形而得到的波形。接收器12、13的反射波也是同樣得到的。由此，從接收波減去直達(dá)波來獲得反射波，因此能夠防止誤將未被物體反射而到達(dá)接收器11?13的超聲波的傳送時(shí)間確定為到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)。
[0060]時(shí)間確定部43基于由反射波獲取部42獲得的各反射波，按每個(gè)接收器11?13而確定到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)。到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)是超聲波被發(fā)送器10發(fā)送之后被物體反射而到達(dá)接收器11?13為止的傳送時(shí)間的候補(bǔ)。時(shí)間確定部43針對3個(gè)接收器11?13分別確定多個(gè)到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)。到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)包括基于產(chǎn)生了反射波的包絡(luò)線中的峰值的時(shí)刻而確定的候補(bǔ)、和基于反射波的峰值中在包絡(luò)線的峰值緊跟前及緊之后產(chǎn)生的規(guī)定數(shù)量的反射波的峰值的時(shí)刻而確定的候補(bǔ)。
[0061]參照圖5，說明時(shí)間確定部43的確定方法。圖5的(a)?(C)表示通過3個(gè)接收器11?13分別獲得的反射波。參照(a)的波形，具體說明確定關(guān)于接收器11的到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)的方法。首先，時(shí)間確定部43在反射波的包絡(luò)線的峰值中從前端開始依次確定i個(gè)預(yù)先設(shè)定的閾值以上的峰值(peakl [i])。在圖5所示的例中，參數(shù)i = 2。S卩，確定peakl [O]及peakl[l]。由此，確定反射波的包絡(luò)線的峰值，無須對反射波的所有峰值逐一進(jìn)行處理，因此能夠降低處理負(fù)荷。
[0062]接著，時(shí)間確定部43確定在包絡(luò)線的峰值(peakl [i])的緊跟前產(chǎn)生的j個(gè)反射波的峰值(peaklm[i][j])、和在包絡(luò)線的峰值(peakl[i])的緊之后產(chǎn)生的j個(gè)反射波的峰值(peaklp[i] [j])。在圖5(a)所示的例子中，參數(shù)j = I。即，確定peaklm[0] [O]、peaklp[0] [O]、peaklm[l] [O]及peaklp[l] [O]。這是因?yàn)?有時(shí)反射波的峰值中包絡(luò)線的峰值周圍的峰值表示超聲波實(shí)際到達(dá)接收器11?13的時(shí)刻。
[0063]接著，時(shí)間確定部43計(jì)算出發(fā)送超聲波之后產(chǎn)生確定的各峰值的時(shí)刻為止的時(shí)間。該時(shí)間是接收器11的到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)tl。在圖5(a)所示的例子中，接收器11中共計(jì)確定了 6個(gè)峰值，因此確定6個(gè)到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)tl。同樣，針對接收器12、13也基于圖5的(b)及(c)的反射波而分別確定6個(gè)到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)t2、t3。另外，參數(shù)i及j可任意設(shè)定。
[0064]通過以上處理而確定的到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)tl?t3包括噪聲的影響引起的時(shí)間候補(bǔ)。因此，時(shí)間確定部43基于I脈組前的處理時(shí)即前次處理時(shí)確定的3維坐標(biāo)的計(jì)算中所使用的傳送距離，判定接收器11~13每一個(gè)中是否關(guān)于多個(gè)到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)都去除了噪聲的影響引起的時(shí)間候補(bǔ)。針對接收器11進(jìn)行具體說明的話，時(shí)間確定部43求出在前次處理時(shí)確定的3維坐標(biāo)的計(jì)算中所使用的接收器11的傳送距離、與在6個(gè)到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)tl上分別相乘聲速V而得到的傳送距離V-tl之差。并且，時(shí)間確定部43從候補(bǔ)中去除該差為閾值d以上的到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)tl。
[0065]基于在位置測量裝置I中所允許的物體的最大移動速度而設(shè)定閾值d。在測量對象的物體是進(jìn)行智能手機(jī)的操作的手指且脈組周期為IOms的情況下，例如，所允許的最大移動速度為lm/s左右，閾值d為IOmm左右。時(shí)間確定部43對接收器12、13各自的6個(gè)到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)t2、t3也進(jìn)行是否去除了噪聲的影響引起的時(shí)間候補(bǔ)的判定。由此，基于在前次處理時(shí)得到的傳送距離而選擇各到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)，因此僅對精度比較高的到達(dá)時(shí)間組成候補(bǔ)。此外，在該階段進(jìn)行到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)的選擇，能夠減少之后的坐標(biāo)計(jì)算量。
[0066]坐標(biāo)計(jì)算部44基于與前次處理時(shí)的傳送距離之差小于閾值d的到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)tl~t3、即選擇出的到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)tl~t3,計(jì)算出表示物體的位置的多個(gè)3維坐標(biāo)候補(bǔ)。在此，若設(shè)發(fā)送器10的3維坐標(biāo)為(0，0，O)、接收器11的3維坐標(biāo)為(xl，yl，0)、接收器12的3維坐標(biāo)為(x2，y2，0)、接收器13的3維坐標(biāo)為(x3，y3，0)、聲速為V，則下述的聯(lián)立方程式⑴成立。
[0067][數(shù)學(xué)式11
【權(quán)利要求】
1.一種位置測量裝置，其利用超聲波來測量物體的位置，該位置測量裝置的特征在于，具備: 發(fā)送超聲波的發(fā)送器； 接收超聲波的至少3個(gè)接收器； 時(shí)間確定部，其基于分別由所述接收器接收到的接收波，按每個(gè)所述接收器確定發(fā)送超聲波之后被物體反射而到達(dá)所述接收器為止的到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)，且該時(shí)間確定部至少針對I個(gè)所述接收器確定多個(gè)到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)； 坐標(biāo)計(jì)算部，其基于由所述時(shí)間確定部確定的到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)以及所述發(fā)送器與所述接收器的相對位置，計(jì)算出表示所述物體的位置的多個(gè)3維坐標(biāo)候補(bǔ)；和 坐標(biāo)確定部，其基于由所述坐標(biāo)計(jì)算部計(jì)算出的多個(gè)3維坐標(biāo)候補(bǔ)，確定物體的3維坐標(biāo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的位置測量裝置，其特征在于， 所述位置測量裝置還具備: 存儲部，其預(yù)先存儲從所述發(fā)送器發(fā)送未被物體反射而是直接到達(dá)所述接收器后被該接收器接收的直達(dá)波；和 反射波獲取部，其從由所述接收器接收到的接收波中減去存儲在所述存儲部中的直達(dá)波，從而獲得被物體反射后被到達(dá)所述接收器的反射波， 所述時(shí)間確定部基于由所述反射波獲取部獲得的反射波，確定多個(gè)所述到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的位置測量裝置，其特征在于， 所述時(shí)間確定部基于由所述反射波獲取部獲得的反射波的包絡(luò)線中的產(chǎn)生了峰值的時(shí)刻，確定所述到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的位置測量裝置，其特征在于， 所述時(shí)間確定部基于所述反射波的峰值中在所述反射波的包絡(luò)線中的峰值的緊跟前和/或緊之后產(chǎn)生的規(guī)定數(shù)量的所述反射波的峰值的時(shí)刻，確定所述到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的位置測量裝置，其特征在于， 所述發(fā)送器發(fā)送被調(diào)制過的超聲波， 所述時(shí)間確定部計(jì)算由所述反射波獲取部獲得的反射波與由所述存儲部存儲的直達(dá)波之間的互相關(guān)函數(shù)，基于該互相關(guān)函數(shù)來確定所述到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的位置測量裝置，其特征在于， 所述發(fā)送器根據(jù)被調(diào)制過的驅(qū)動信號來發(fā)送超聲波， 所述時(shí)間確定部計(jì)算由所述反射波獲取部獲得的反射波與所述驅(qū)動信號之間的互相關(guān)函數(shù)，基于該互相關(guān)函數(shù)來確定所述到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1~6中任一項(xiàng)所述的位置測量裝置，其特征在于， 所述時(shí)間確定部基于針對所確定的所述多個(gè)到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)分別計(jì)算出的傳送距離及在前次處理時(shí)由所述坐標(biāo)確定部確定的3維坐標(biāo)的計(jì)算中所使用的傳送距離，針對所述多個(gè)到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)分別判定是否需要排除。
8.根據(jù)權(quán)利要求1~7中任一項(xiàng)所述的位置測量裝置，其特征在于， 所述坐標(biāo)計(jì)算部針對從由所述時(shí)間確定部確定的多個(gè)到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)之中按每一個(gè)所述接收器一個(gè)個(gè)地選出的到達(dá)時(shí)間候補(bǔ)的所有組合計(jì)算出所述3維坐標(biāo)候補(bǔ)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1~8中任一項(xiàng)所述的位置測量裝置，其特征在于， 所述坐標(biāo)確定部在由所述坐標(biāo)計(jì)算部計(jì)算出的多個(gè)3維坐標(biāo)候補(bǔ)之中，將與前次處理時(shí)確定的3維坐標(biāo)之間的距離最近的坐標(biāo)確定為物體的3維坐標(biāo)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1~9中任一項(xiàng)所述的位置測量裝置，其特征在于， 所述坐標(biāo)確定部基于在前次處理時(shí)確定的3維坐標(biāo)與通過本次處理確定的3維坐標(biāo)之間的所述距離，判定是否允許通過本次處理確定的3維坐標(biāo)。
11.根據(jù)權(quán)利要求2~10中任一項(xiàng)所述的位置測量裝置，其特征在于， 所述位置測量裝置還具備:判定部，判定在測量范圍內(nèi)是否存在作為測量對象的物體，在由所述判定部判定為作為所述測量對象的物體不存在于測量范圍內(nèi)的情況下，所述存儲部將由所述接收器接收到的接收波作為所述直達(dá)波來存儲。
12.根據(jù)權(quán)利要求1~11中任一項(xiàng)所述的位置測量裝置，其特征在于， 所述發(fā)送器及3個(gè)所述接收器被配置在同一平面上，且分別被配置在長方形的各頂點(diǎn)的位置上。
【文檔編號】G01S5/30GK103988092SQ201280061059
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2012年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月12日
【發(fā)明者】本田將之 申請人:株式會社村田制作所