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JP4287315B2 - Position detection device using ultrasonic waves - Google Patents
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JP4287315B2 - Position detection device using ultrasonic waves - Google Patents

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Description

本発明は、バーチャルリアリティー、訓練システム等に使用され、限られた空間内において人間の位置を検出するのに適した超音波を用いた位置検出装置に関する。本発明に係る位置検出装置は、高精度・高機能・高価格なシステムではなく、安価でコンパクトなシステムを構築するのに適している。   The present invention relates to a position detection apparatus using an ultrasonic wave that is used in a virtual reality, a training system, and the like and is suitable for detecting a human position in a limited space. The position detection apparatus according to the present invention is suitable for constructing an inexpensive and compact system, not a high-precision, high-function, and high-cost system.

超音波素子を用いて2次元平面内の位置を検出する方法として、3点式位置検出方法がよく用いられる。   A three-point position detection method is often used as a method for detecting a position in a two-dimensional plane using an ultrasonic element.

以下、図2を参照して、3点式位置検出方法の原理について説明する。   Hereinafter, the principle of the three-point position detection method will be described with reference to FIG.

図2に示されるように、原点を通って互いに直交するX軸座標とY軸座標を考える。この場合、原点が基準位置となる。この原点から離れた位置に検出対象物(図示せず)があって、この検出対象物に送信用超音波素子21が取り付けられているとする。図2に示す例では、送信用超音波素子21は、X−Y座標で(X1,Y1)の位置にある。3点式位置検出方法では、この送信用超音波素子21のX−Y座標位置(X1,Y1)を次のようにして求める。   As shown in FIG. 2, consider X-axis coordinates and Y-axis coordinates that are orthogonal to each other through the origin. In this case, the origin is the reference position. It is assumed that there is a detection target (not shown) at a position away from the origin, and the transmitting ultrasonic element 21 is attached to this detection target. In the example shown in FIG. 2, the transmitting ultrasonic element 21 is at the position (X1, Y1) in the XY coordinates. In the three-point position detection method, the XY coordinate position (X1, Y1) of the transmitting ultrasonic element 21 is obtained as follows.

すなわち、送信用超音波素子21に対向して第1の受信用超音波素子22と第2の受信用超音波素子23を配置する。この第1の受信用超音波素子22と第2の受信用超音波素子23は、原点を中心として互いにY軸方向に沿って距離2Dだけ離して配置してある。すなわち、第1の受信用超音波素子22はY軸の正方向にDの距離だけ離れたX-Y座標位置(0,D)に配置され、第2の受信用超音波素子23はY軸の負方向にDの距離だけ離れたX-Y座標位置(0、−D)に配置されている。   That is, the first receiving ultrasonic element 22 and the second receiving ultrasonic element 23 are arranged facing the transmitting ultrasonic element 21. The first receiving ultrasonic element 22 and the second receiving ultrasonic element 23 are arranged apart from each other by a distance 2D along the Y-axis direction with the origin as the center. That is, the first receiving ultrasonic element 22 is arranged at the XY coordinate position (0, D) separated by a distance D in the positive direction of the Y axis, and the second receiving ultrasonic element 23 is negative in the Y axis. It is arranged at the XY coordinate position (0, -D) that is separated by a distance D in the direction.

図2に示されるように、第1の受信用超音波素子22は送信用超音波素子21から第1の距離R1だけ離れており、第2の受信用超音波素子23は送信用超音波素子21から第2の距離R2だけ離れている。   As shown in FIG. 2, the first reception ultrasonic element 22 is separated from the transmission ultrasonic element 21 by a first distance R1, and the second reception ultrasonic element 23 is a transmission ultrasonic element. 21 is a second distance R2.

このような状況において、送信用超音波素子21から第0の時刻t0に超音波が送信されたとする。この場合、第1の受信用超音波素子22は、第0の時刻t0から第1の距離R1に比例した第1の時間T1だけ経過した第1の時刻t1に超音波を受信する。同様に、第2の受信用超音波素子23は、第0の時刻t0から第2の距離R2に比例した第2の時間T2だけ経過した第2の時刻t2に超音波を受信する。従って、送信用超音波素子21から超音波が送信された第0の時刻t0から第1の受信用超音波素子22が超音波を受信した第1の時刻t1までの間の第1の時間(時間差)T1を計測することによって、第1の距離R1がわかる。同様に、送信用超音波素子21から超音波が送信された第0の時刻t0から第2の受信用超音波素子23が超音波を受信した第2の時刻t2までの間の第2の時間(時間差)T2を計測することによって、第2の距離R2がわかる。一方、ピタゴラスの定理より、下記数1式および数2式が成り立つ。

Figure 0004287315
Figure 0004287315
In such a situation, it is assumed that an ultrasonic wave is transmitted from the transmitting ultrasonic element 21 at the 0th time t0. In this case, the first receiving ultrasonic element 22 receives the ultrasonic wave at the first time t1 when a first time T1 proportional to the first distance R1 has elapsed from the zero time t0. Similarly, the second receiving ultrasonic element 23 receives an ultrasonic wave at a second time t2 after a second time T2 that is proportional to the second distance R2 from the zero time t0. Accordingly, the first time (from the 0th time t0 when the ultrasonic wave is transmitted from the transmitting ultrasonic element 21 to the first time t1 when the first receiving ultrasonic element 22 receives the ultrasonic wave ( By measuring (time difference) T1, the first distance R1 can be determined. Similarly, the second time from the 0th time t0 when the ultrasonic wave is transmitted from the transmitting ultrasonic element 21 to the second time t2 when the second receiving ultrasonic element 23 receives the ultrasonic wave. By measuring (time difference) T2, the second distance R2 can be determined. On the other hand, from the Pythagorean theorem, the following equations 1 and 2 are established.
Figure 0004287315
Figure 0004287315

数1式から数2式を減算し(数1式−数2式)、下記数3式および数4式のように、送信用超音波素子21のY軸座標位置Y1が求められる。

Figure 0004287315
Figure 0004287315
Equation 2 is subtracted from Equation 1 (Equation 1 -Equation 2), and the Y-axis coordinate position Y1 of the transmitting ultrasonic element 21 is obtained as shown in Equation 3 and Equation 4 below.
Figure 0004287315
Figure 0004287315

この送信用超音波素子21のY軸座標位置Y1を上記数1式に代入することによって、送信用超音波素子21のX軸座標位置X1も求められる。   By substituting the Y-axis coordinate position Y1 of the transmitting ultrasonic element 21 into the above equation 1, the X-axis coordinate position X1 of the transmitting ultrasonic element 21 is also obtained.

上記では、超音波素子を用いて2次元平面内の位置を検出する方法について述べたが、さらに3次元に拡張するためには、受信用超音波素子を上下方向(Z軸方向)にもう一つ追加して、上下方向の時間(時間差)を検出すればよい。   In the above, the method for detecting the position in the two-dimensional plane using the ultrasonic element has been described. However, in order to further expand in three dimensions, the receiving ultrasonic element is moved in the vertical direction (Z-axis direction). And the time in the vertical direction (time difference) may be detected.

しかしながら、上記の方法を用いる場合、距離の2乗の項があるために検出誤差も2乗となってしまう。その結果、距離検出精度に対して位置検出精度が悪くなるという問題がある。また、受信用超音波素子22、23が原点(基準位置)から離れた位置に配置されているために、全ての受信用超音波素子が超音波を受信できる範囲は、個々の受信用超音波素子の検出範囲よりも狭くなるという問題もある。さらに、受信用超音波素子22,23をある程度離して配置しなくてはいけないので、装置が大がかりになるという問題がある。   However, when the above method is used, since there is a squared distance term, the detection error is also squared. As a result, there is a problem that the position detection accuracy deteriorates with respect to the distance detection accuracy. In addition, since the receiving ultrasonic elements 22 and 23 are arranged at positions away from the origin (reference position), the range in which all the receiving ultrasonic elements can receive ultrasonic waves is within the range of individual receiving ultrasonic waves. There is also a problem that it becomes narrower than the detection range of the element. Furthermore, since the receiving ultrasonic elements 22 and 23 must be arranged apart to some extent, there is a problem that the apparatus becomes large.

本発明は前記の超音波を用いた位置検出装置の問題点の解消を図るもので、距離検出精度と同等の位置検出精度を持ち、位置検出範囲が狭くなることなく、さらにコンパクトなシステムとして理想的な超音波を用いた位置検出装置を提供するものである。   The present invention is intended to solve the problems of the position detection apparatus using the ultrasonic wave, and has a position detection accuracy equivalent to the distance detection accuracy and is ideal as a more compact system without narrowing the position detection range. A position detection apparatus using a typical ultrasonic wave is provided.

即ち、本発明による位置検出装置は、2次元または3次元の空間内での基準位置を基準とした検出対象物の位置を検出する超音波を用いた位置検出装置であった、検出対象物に取り付けられ、超音波信号を送信する送信用超音波素子と、検出対象物から離れた基準位置で互いに近接して配置され、送信用超音波素子から送信された超音波を受信する少なくとも2個または3個の受信用超音波素子と、送信用超音波素子を駆動する送信駆動装置と、少なくとも2個または3個の受信用超音波素子のいずれかが超音波を受信したことを検出する受信検出装置と、超音波が送信されてから受信されるまでの時間差を検出する時間差検出手段と、時間差検出手段で検出された時間差から送信用超音波素子と受信用超音波素子との距離を演算する距離演算手段と、少なくとも2個または3個の受信用超音波素子で受信した超音波間の位相差を検出する位相差検出装置と、距離演算手段で検出された距離と位相差検出装置から検出された位相差とから基準位置を基準とした送信用超音波素子の位置を演算する位置演算手段と、を有する超音波を用いた位置検出装置であって、上記位相差検出装置は、少なくとも2個または3個の受信用超音波素子で受信した超音波の1つの位相を遅らせる位相遅延装置と、少なくとも2個または3個の受信用超音波素子で受信した超音波の間で加算を行う加算装置と、少なくとも2個または3個の受信用超音波素子で受信した超音波の間の減算、及び、位相遅延装置で位相を遅らせていない方の受信用超音波素子で受信した超音波と位相遅延装置の出力との間の減算を行う減算装置と、加算装置および減算装置の出力波形の振幅を検出する振幅検出装置と、振幅検出装置の出力から位相差を演算する位相差演算手段とを有することを特徴とする位置検出装置であるThat is, the position detection device according to the present invention is a position detection device using an ultrasonic wave that detects the position of a detection target based on a reference position in a two-dimensional or three-dimensional space. At least two transmitting ultrasonic elements that are attached and transmit ultrasonic signals and at least two that are arranged close to each other at a reference position away from the detection target and receive ultrasonic waves transmitted from the transmitting ultrasonic elements, or and three receiving ultrasonic transducer, a transmission drive apparatus for driving the transmitting ultrasonic transducer, receiving detects that any one of at least two or three of the receiving ultrasonic transducer receives the ultrasonic detection The apparatus, a time difference detecting means for detecting a time difference from when the ultrasonic wave is transmitted until it is received, and a distance between the transmitting ultrasonic element and the receiving ultrasonic element are calculated from the time difference detected by the time difference detecting means. Distance performance And means, which is detected from the phase difference detecting device and the distance calculating means at the detected distance and the phase difference detector for detecting a phase difference between the ultrasonic wave received by at least two or three of the receiving ultrasonic transducer a position detecting apparatus using ultrasonic waves that Yusuke and position calculating means for calculating a position of the transmission credit ultrasonic element relative to the phase difference Toka RaHajime reference position, and the phase difference detection device is at least Addition is performed between a phase delay device that delays one phase of ultrasonic waves received by two or three receiving ultrasonic elements and ultrasonic waves received by at least two or three receiving ultrasonic elements. Subtraction between the adder and the ultrasonic waves received by at least two or three receiving ultrasonic elements, and the ultrasonic wave received by the receiving ultrasonic element whose phase is not delayed by the phase delay apparatus Reduction between output of phase delay device A position detecting device comprising: a subtracting device that performs a subtracting operation; an amplitude detecting device that detects an amplitude of an output waveform of the adding device and the subtracting device; and a phase difference calculating means that calculates a phase difference from the output of the amplitude detecting device. It is .

上記送信用超音波素子は、水平方向に対して無指向性の超音波を送信することができる円筒型の超音波素子であることが好ましい。   The transmitting ultrasonic element is preferably a cylindrical ultrasonic element capable of transmitting non-directional ultrasonic waves in the horizontal direction.

また上記位置検出装置は、検出対象物に取り付けられた姿勢角度検出装置および加速度検出装置と、姿勢角度検出装置および加速度検出装置の出力から微小時間に移動した位置を演算する微小位置演算手段と、位置演算手段と微小位置演算手段の出力を組み合わせて位置を演算する位置補正演算手段とさらに備えることが好ましい。   Further, the position detection device includes a posture angle detection device and an acceleration detection device attached to the detection target, a minute position calculation means for calculating a position moved in a minute time from the output of the posture angle detection device and the acceleration detection device, It is preferable to further include position correction calculation means for calculating a position by combining the outputs of the position calculation means and the minute position calculation means.

本発明では、基準位置に互いに近接して2個以上の受信用超音波素子を配置し、受信用超音波素子と送信用超音波素子との間の距離と位相差とから送信用超音波素子の位置を算出する、位相差式位置検出方法を用いるので、従来用いられていた3点式位置検出方法の問題点を解消し、高精度で、かつ安価でコンパクトな位置検出装置を得ることができる。さらに姿勢角度検出装置および加速度検出装置を組み合わせることによって、データ更新速度を向上することができる。このシステムによって理想的な超音波を用いた位置検出装置が実現できる。   In the present invention, two or more receiving ultrasonic elements are arranged close to each other at the reference position, and the transmitting ultrasonic element is calculated from the distance and phase difference between the receiving ultrasonic element and the transmitting ultrasonic element. Since the phase difference type position detection method for calculating the position of the position is used, the problems of the conventional three-point position detection method can be solved, and a highly accurate, inexpensive and compact position detection apparatus can be obtained. it can. Furthermore, the data update speed can be improved by combining the attitude angle detection device and the acceleration detection device. With this system, an ideal position detection device using ultrasonic waves can be realized.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図3に、バーチャルリアリティーでの本発明の超音波を用いた位置検出装置の使用例を示す。使用者31は頭部にHMD(ヘッドマウンテッドディスプレイ)32を装着している。その結果、使用者31はHMD32に映し出された映像を見ることができる。   FIG. 3 shows an example of use of the position detection apparatus using the ultrasonic wave of the present invention in virtual reality. A user 31 wears an HMD (head mounted display) 32 on the head. As a result, the user 31 can see the video displayed on the HMD 32.

HMD32には送信用超音波素子33、姿勢角度検出装置(ヘッドトラッカー)(図示せず)、加速度検出装置(図示せず)が頭頂部にまとめて取り付けられている。したがって、使用者31の頭部が検出対象物である。   The transmitting ultrasonic element 33, a posture angle detection device (head tracker) (not shown), and an acceleration detection device (not shown) are attached to the top of the HMD 32 together. Therefore, the head of the user 31 is the detection target.

姿勢角度検出装置(図示せず)は、頭の傾きや方向を検出し、その検出結果をパソコン34に送信する。それによって、HMD32には、その角度に合わせた映像が表示されるようになっている。   The posture angle detection device (not shown) detects the tilt and direction of the head and transmits the detection result to the personal computer 34. As a result, the HMD 32 displays an image that matches the angle.

一方、受信用超音波ユニット35がディスプレイ36の上に配置され、超音波信号を受信して、使用者31の頭部(検出対象物)の位置を検出できるようになっている。受信用超音波ユニット35が配置されている位置が、基準位置(原点)である。送信用超音波素子33は円筒型の振動子で、水平方向の指向性は無く、360度均等な超音波信号が送信される。これは使用者31が様々な方向を向いても受信用超音波ユニット35が超音波を受信できるように配慮したものである。   On the other hand, the receiving ultrasonic unit 35 is disposed on the display 36 so as to receive an ultrasonic signal and detect the position of the head (detection target) of the user 31. The position where the receiving ultrasonic unit 35 is disposed is the reference position (origin). The transmitting ultrasonic element 33 is a cylindrical vibrator and has no directivity in the horizontal direction, and transmits an ultrasonic signal that is uniform by 360 degrees. This is so that the reception ultrasonic unit 35 can receive ultrasonic waves even when the user 31 faces in various directions.

図1は、本発明の超音波を用いた位置検出装置の位相差式位置検出方法の原理を説明する図である。始めに2次元の場合について説明する。   FIG. 1 is a diagram for explaining the principle of a phase difference type position detection method of a position detection apparatus using ultrasonic waves according to the present invention. First, the two-dimensional case will be described.

原点を通って互いに直交するX軸座標とY軸座標を考える。この場合、原点が基準位置となる。この原点から離れた位置に検出対象物(すなわち、図3の例では、使用者31の頭部)がある。この検出対象物に送信用超音波素子11が取り付けられている。この送信用超音波素子11は図3の送信用超音波素子33に対応する。   Consider X and Y axis coordinates that are orthogonal to each other through the origin. In this case, the origin is the reference position. There is a detection object (that is, the head of the user 31 in the example of FIG. 3) at a position away from the origin. The transmitting ultrasonic element 11 is attached to this detection object. The transmission ultrasonic element 11 corresponds to the transmission ultrasonic element 33 of FIG.

図1に示す例では、送信用超音波素子11は、X−Y座標で(X1,Y1)の位置にある。   In the example shown in FIG. 1, the transmitting ultrasonic element 11 is at the position (X1, Y1) in the XY coordinates.

送信用超音波素子11に対向して第1の受信用超音波素子12および第2の受信用超音波素子13が2つ並んで近接して配置してある。この第1の受信用超音波素子12と第2の受信用超音波素子13は、原点を中心として互いにY軸方向に沿って距離Lだけ離れて配置してある。すなわち、第1の受信用超音波素子12はY軸の正方向にL/2の距離だけ離れたX-Y座標位置(0,L/2)に配置され、第2の受信用超音波素子13はY軸の負方向にL/2の距離だけ離れたX-Y座標位置(0,−L/2)に配置されている。   Two first receiving ultrasonic elements 12 and two second receiving ultrasonic elements 13 are arranged adjacent to each other so as to face the transmitting ultrasonic element 11. The first receiving ultrasonic element 12 and the second receiving ultrasonic element 13 are arranged apart from each other by a distance L around the origin along the Y-axis direction. That is, the first receiving ultrasonic element 12 is arranged at the XY coordinate position (0, L / 2) separated by a distance of L / 2 in the positive direction of the Y axis, and the second receiving ultrasonic element 13 is It is arranged at the XY coordinate position (0, -L / 2) separated by a distance of L / 2 in the negative direction of the Y axis.

図1に示されるように、第1の受信用超音波素子12は送信用超音波素子11から第1の距離R1だけ離れており、第2の受信用超音波素子13は送信用超音波素子11から第2の距離R2だけ離れている。   As shown in FIG. 1, the first receiving ultrasonic element 12 is separated from the transmitting ultrasonic element 11 by a first distance R1, and the second receiving ultrasonic element 13 is a transmitting ultrasonic element. 11 is a second distance R2.

このような状況において、送信用超音波素子11から第0の時刻t0に超音波が送信されたとする。この場合、第1の受信用超音波素子12は、第0の時刻t0から第1の距離R1に比例した第1の時間T1だけ経過した第1の時刻t1に超音波を受信する。同様に、第2の受信用超音波素子13は、第0の時刻t0から第2の距離R2に比例した第2の時間T2だけ経過した第2の時刻t2に超音波を受信する。従って、送信用超音波素子11から超音波が送信された第0の時刻t0から第1の受信用超音波素子12が超音波を受信した第1の時刻t1までの間の第1の時間(時間差)T1を計測することによって、第1の距離R1がわかる。同様に、送信用超音波素子11から超音波が送信された第0の時刻t0から第2の受信用超音波素子13が超音波を受信した第2の時刻t2までの間の第2の時間(時間差)T2を計測することによって、第2の距離R2がわかる。但し、上述したように、第1の受信用超音波素子12と第2の受信用超音波素子13とは互いに近接して配置されているので、第1の距離R1と第2の距離R2とはほぼ同じであり、距離Rと近似できる。   In such a situation, it is assumed that an ultrasonic wave is transmitted from the transmitting ultrasonic element 11 at the 0th time t0. In this case, the first receiving ultrasonic element 12 receives the ultrasonic wave at the first time t1 when a first time T1 proportional to the first distance R1 has elapsed from the zero time t0. Similarly, the second receiving ultrasonic element 13 receives an ultrasonic wave at a second time t2 after a second time T2 that is proportional to the second distance R2 from the zero time t0. Accordingly, the first time (from the 0th time t0 when the ultrasonic wave is transmitted from the transmitting ultrasonic element 11 to the first time t1 when the first receiving ultrasonic element 12 receives the ultrasonic wave ( By measuring (time difference) T1, the first distance R1 can be determined. Similarly, the second time from the 0th time t0 when the ultrasonic wave is transmitted from the transmitting ultrasonic element 11 to the second time t2 when the second receiving ultrasonic element 13 receives the ultrasonic wave. By measuring (time difference) T2, the second distance R2 can be determined. However, as described above, since the first receiving ultrasonic element 12 and the second receiving ultrasonic element 13 are arranged close to each other, the first distance R1 and the second distance R2 Are almost the same and can be approximated to the distance R.

前述した3点式位置検出方法と同様に、ピタゴラスの定理より、下記数5式および数6式が成り立つ。

Figure 0004287315
Figure 0004287315
Similar to the above-described three-point position detection method, the following formulas 5 and 6 are established from the Pythagorean theorem.
Figure 0004287315
Figure 0004287315

数5式から数6式を減算し(数5式−数6式)、第1の距離R1と第2の距離R2とをR1=R2=Rと近似すると、下記数7式、数8式、数9式のように、送信用超音波素子11のY軸座標位置Y1が求められる。

Figure 0004287315
Figure 0004287315
Figure 0004287315
By subtracting Equation 6 from Equation 5 (Equation 5-Equation 6) and approximating the first distance R1 and the second distance R2 to R1 = R2 = R, the following Equation 7 and Equation 8 As shown in Equation 9, the Y-axis coordinate position Y1 of the transmitting ultrasonic element 11 is obtained.
Figure 0004287315
Figure 0004287315
Figure 0004287315

一方、第1の距離R1と第2の距離R2との間の微小差Dは、波長λと位相差θで表され、さらに波長λは音速cと周波数fで表すことができる。すなわち、送信用超音波素子11のY軸座標位置Y1は下記数10式で表される。

Figure 0004287315
On the other hand, the minute difference D between the first distance R1 and the second distance R2 is expressed by the wavelength λ and the phase difference θ, and the wavelength λ can be expressed by the sound speed c and the frequency f. That is, the Y-axis coordinate position Y1 of the transmitting ultrasonic element 11 is expressed by the following equation (10).
Figure 0004287315

この送信用超音波素子11のY軸座標位置Y1を、上記数5式に代入すれば、送信用超音波素子11のX軸座標位置X1が求まる。   By substituting the Y-axis coordinate position Y1 of the transmitting ultrasonic element 11 into the above equation 5, the X-axis coordinate position X1 of the transmitting ultrasonic element 11 is obtained.

このようにして距離Rと位相差θを測定することによって、送信用超音波素子11のX−Y座標位置(X1、Y1)を検出することができる。   Thus, by measuring the distance R and the phase difference θ, the XY coordinate position (X1, Y1) of the transmitting ultrasonic element 11 can be detected.

3次元に拡張するためには受信超音波素子を上下方向(Z軸方向)にもう一つ追加し、上下方向の位相差を検出すればよい。   In order to expand in three dimensions, another receiving ultrasonic element may be added in the vertical direction (Z-axis direction) to detect the phase difference in the vertical direction.

上記数10式には2乗の項がないので、位置検出誤差は距離検出誤差より大幅に悪くなることはない。また位相差θが±π/2の間で変動することを考えると、c/fLの値が大きいほどY軸方向の検出範囲が広くなることがわかる。実際には受信用超音波素子の特性上の制限によってc/fLはあまり大きくできない。本例では、f=25kHz、L=14mmとしたので、c/fLは0.97であり、検出範囲は±55度である。   Since there is no square term in the equation (10), the position detection error is not significantly worse than the distance detection error. Further, considering that the phase difference θ varies between ± π / 2, it can be seen that the detection range in the Y-axis direction becomes wider as the value of c / fL is larger. In practice, c / fL cannot be increased so much due to the limitations on the characteristics of the receiving ultrasonic element. In this example, since f = 25 kHz and L = 14 mm, c / fL is 0.97, and the detection range is ± 55 degrees.

図4に本発明の超音波を用いた位置検出装置のブロック図を示す。以下、図4を参照して、それぞれの信号または出力の流れ、位置検出の手順について説明する。   FIG. 4 shows a block diagram of a position detection apparatus using ultrasonic waves according to the present invention. Hereinafter, with reference to FIG. 4, the flow of each signal or output and the procedure of position detection will be described.

図示の位置検出装置は、送信用超音波素子401と、送信駆動装置402と、時間差検出手段403と、距離演算手段404と、第1乃至第3の受信用超音波素子405、406、407と、受信検出装置408と、位相差検出装置409と、位置演算手段415と、位置補正演算手段416と、姿勢角度検出装置417と、加速度検出装置418と、微小位置演算手段419とを有する。送信用超音波素子401は、前述したように、検出対象物に取り付けられている。第1乃至第3の受信用超音波素子405〜407は、前述したように、基準位置(原点)の周りに互いに近接して配置されている。   The illustrated position detection apparatus includes a transmission ultrasonic element 401, a transmission drive unit 402, a time difference detection unit 403, a distance calculation unit 404, first to third reception ultrasonic elements 405, 406, and 407. A reception detection device 408, a phase difference detection device 409, a position calculation means 415, a position correction calculation means 416, an attitude angle detection device 417, an acceleration detection device 418, and a minute position calculation means 419. The transmitting ultrasonic element 401 is attached to the detection target as described above. As described above, the first to third receiving ultrasonic elements 405 to 407 are arranged close to each other around the reference position (origin).

位相差検出装置409は、位相遅延装置410と、加算装置411と、減算装置412と、位相差演算手段413と、振幅検出装置414とを有する。   The phase difference detection device 409 includes a phase delay device 410, an addition device 411, a subtraction device 412, a phase difference calculation unit 413, and an amplitude detection device 414.

送信駆動装置402は送信用超音波素子401に第0の時刻t0に駆動信号を送る。この駆動信号に応答して、送信用超音波素子401は超音波を第0の時刻t0に送信する。それと同時に、送信駆動装置402は、時間差検出手段403に「超音波を送信した旨」を通知する。   The transmission drive device 402 sends a drive signal to the transmission ultrasonic element 401 at the 0th time t0. In response to this drive signal, the transmitting ultrasonic element 401 transmits an ultrasonic wave at the 0th time t0. At the same time, the transmission drive device 402 notifies the time difference detection means 403 that “ultrasonic wave has been transmitted”.

時間差検出手段403はタイマー(図示せず)を有する。第0の時刻t0に上記「超音波を送信した旨」を受け取ると、時間差検出手段403は、タイマーのカウントを開始する。   The time difference detection means 403 has a timer (not shown). Upon reception of the “transmission of ultrasonic waves” at the 0th time t0, the time difference detection means 403 starts counting the timer.

一方、第0の時刻t0に送信用超音波素子401から送信された超音波は空気中を伝搬し、まもなく第1の受信用超音波素子405、第2の受信用超音波素子406および第3の受信用超音波素子407によってほぼ同時に受信される。詳述すると、第1の受信用超音波素子405は、第0の時刻t0から第1の時間T1だけ経過した第1の時刻t1に超音波を受信する。第2の受信用超音波素子406は、第0の時刻t0から第2の時間T2だけ経過した第2の時刻t2に超音波を受信する。第3の受信用超音波素子407は、第0の時刻t0から第3の時間T3だけ経過した第3の時刻t3に超音波を受信する。前述したように、第1乃至第3の受信用超音波素子405〜407は、基準位置の周りに互いに近接して配置されているので、第1乃至第3の時刻t1〜t3はほぼ同時刻である。   On the other hand, the ultrasonic wave transmitted from the transmitting ultrasonic element 401 at the 0th time t0 propagates in the air, and soon the first receiving ultrasonic element 405, the second receiving ultrasonic element 406, and the third Are received almost simultaneously by the receiving ultrasonic element 407. More specifically, the first receiving ultrasonic element 405 receives an ultrasonic wave at a first time t1 that has passed a first time T1 from the zero time t0. The second receiving ultrasonic element 406 receives the ultrasonic wave at the second time t2 after the second time T2 has elapsed from the zero time t0. The third receiving ultrasonic element 407 receives the ultrasonic wave at the third time t3 after the third time T3 has elapsed from the zero time t0. As described above, the first to third reception ultrasonic elements 405 to 407 are arranged close to each other around the reference position, so that the first to third times t1 to t3 are substantially the same time. It is.

受信検出装置408は、第1の受信用超音波素子405が第1の時刻t1に超音波を受信したことを検出し、「超音波を受信した旨」を時間差検出手段403に通知する。「超音波を受信した旨」を受け取ると、時間差検出手段403は、第1の時刻t1にタイマーのカウントを停止する。そして、時間差検出手段403は、そのカウント値すなわち送受信間の時間差Δtを距離演算手段404に出力する。この時間差Δtは第1の時間T1に等しい。   The reception detection device 408 detects that the first reception ultrasonic element 405 has received the ultrasonic wave at the first time t1, and notifies the time difference detection means 403 that “the ultrasonic wave has been received”. Upon receiving “the fact that an ultrasonic wave has been received”, the time difference detection means 403 stops counting the timer at the first time t1. Then, the time difference detection unit 403 outputs the count value, that is, the time difference Δt between transmission and reception, to the distance calculation unit 404. This time difference Δt is equal to the first time T1.

距離演算手段404は、時間差Δtに音速cを乗算して、送信用超音波素子401と第1の受信用超音波素子405との間の距離Rを求める。距離演算手段404は、位置演算手段415にこの求めた距離Rを出力する。   The distance calculation unit 404 multiplies the time difference Δt by the speed of sound c to obtain the distance R between the transmitting ultrasonic element 401 and the first receiving ultrasonic element 405. The distance calculation means 404 outputs the obtained distance R to the position calculation means 415.

一方、第1の受信用超音波素子405、第2の受信用超音波素子406および第3の受信用超音波素子407によって受信された超音波は、第1の受信信号Out1、第2の受信信号Out2、および第3の受信信号Out3という電気信号に変換され、位相差検出装置409に出力される。第1の受信信号Out1は位相遅延装置410によって位相を遅らされ、遅延信号Out1’となる。   On the other hand, the ultrasonic waves received by the first reception ultrasonic element 405, the second reception ultrasonic element 406, and the third reception ultrasonic element 407 are the first reception signal Out1 and the second reception. The signals are converted into electrical signals of the signal Out2 and the third reception signal Out3 and output to the phase difference detection device 409. The phase of the first received signal Out1 is delayed by the phase delay device 410 to become a delayed signal Out1 '.

加算装置411は、第1の受信信号Out1と第2の受信信号Out2とを加算して、第1の加算結果信号1+2を出力する。また、加算装置411は、第1の受信信号Out1と第3の受信信号Out3とを加算して、第2の加算結果信号1+3を出力する。   The adder 411 adds the first reception signal Out1 and the second reception signal Out2, and outputs a first addition result signal 1 + 2. Further, the adding device 411 adds the first reception signal Out1 and the third reception signal Out3, and outputs a second addition result signal 1 + 3.

減算装置412は、第1の受信信号Out1、第2の受信信号Out2、第3の受信信号Out3、および遅延信号Out1’から第1の減算結果信号1-2、第2の減算結果信号1-3、第3の減算結果信号1’-2、および第4の減算結果信号1’-3を出力する。詳述すると、減算装置412は、第1の受信信号Out1から第2の受信信号Out2を減算して、第1の減算結果信号1-2を出力する。減算装置412は、第1の受信信号Out1から第3の受信信号Out3を減算して、第2の減算結果信号1-3を出力する。減算装置412は、遅延信号Out1’から第2の受信信号Out2を減算して、第3の減算結果信号1’-2を出力する。減算装置412は、遅延信号Out1’から第3の受信信号Out3を減算して、第4の減算結果信号1’-3を出力する。   The subtracting device 412 includes a first subtraction result signal 1-2, a second subtraction result signal 1− from the first reception signal Out1, the second reception signal Out2, the third reception signal Out3, and the delayed signal Out1 ′. 3. The third subtraction result signal 1′-2 and the fourth subtraction result signal 1′-3 are output. Specifically, the subtracting device 412 subtracts the second received signal Out2 from the first received signal Out1, and outputs a first subtraction result signal 1-2. The subtracting device 412 subtracts the third reception signal Out3 from the first reception signal Out1, and outputs a second subtraction result signal 1-3. The subtracting device 412 subtracts the second received signal Out2 from the delayed signal Out1 'and outputs a third subtraction result signal 1'-2. The subtracting device 412 subtracts the third reception signal Out3 from the delay signal Out1 'and outputs a fourth subtraction result signal 1'-3.

加算装置411および減算装置412から出力された6つの電気信号1+2、1+3、1-2、1-3、1’-2、1’-3は、振幅検出装置414によってそれぞれの振幅に比例した電圧値に変換され、6つの変換電圧値は位相差演算手段413に出力される。これら6つの変換電圧値に基づいて、位相差演算手段413は、第1の受信信号Out1と第2の受信信号Out2との間の第1の位相差θ1と、第1の受信信号Out1と第3の受信信号Out3との間の第2の位相差θ2とを演算し、第1および第2の位相差θ1及びθ2を位置演算手段415に出力する。   The six electric signals 1 + 2, 1 + 3, 1-2, 1-3, 1′-2, and 1′-3 output from the adder 411 and the subtractor 412 are respectively amplified by the amplitude detector 414. The six converted voltage values are output to the phase difference calculation means 413. Based on these six converted voltage values, the phase difference calculation means 413 calculates the first phase difference θ1 between the first received signal Out1 and the second received signal Out2, the first received signal Out1, and the first received signal Out1. 3 is calculated, and the first and second phase differences θ 1 and θ 2 are output to the position calculating means 415.

位置演算手段415は、第1および第2の位相差θ1およびθ2に基づいて、基準位置を基準とした送信用超音波素子410のX-Y-Z座標上の仮の位置(X1,Y1,Z1)を演算し、その仮の位置(X1,Y1,Z1)を位置補正演算手段416に出力する。   The position calculation means 415 calculates a temporary position (X1, Y1, Z1) on the XYZ coordinates of the transmitting ultrasonic element 410 with reference to the reference position, based on the first and second phase differences θ1 and θ2. Then, the temporary position (X1, Y1, Z1) is output to the position correction calculation means 416.

姿勢角度検出装置417は姿勢角度(α,β,γ)を検出して、その検した姿勢角度(α,β,γ)を微小位置演算手段419に出力する。加速度検出装置418は加速度(Ax,Ay,Az)を検出して、その検出した加速度(Ax,Ay,Az)を微小位置演算手段419に出力する。姿勢角度検出装置417と加速度検出装置418とは、姿勢角度と加速度を検出するのに、超音波のように空中を伝搬する時間ロスがないのでより、高速にサンプリングされ更新されている。微小位置演算手段419は、姿勢角度(α,β,γ)と加速度(Ax,Ay,Az)とに基づいて微小位置(ΔX,ΔY,ΔZ)を演算し、その求めた微小位置(ΔX,ΔY,ΔZ)を位置補正演算手段416に出力する。最後に、位置補正演算手段416は、上記仮の位置(X1,Y1,Z1)と微小位置(ΔX,ΔY,ΔZ)とから補正した位置出力(X,Y,Z)を演算し、その求めた補正した位置出力(X,Y,Z)を出力する。   The posture angle detection device 417 detects the posture angle (α, β, γ) and outputs the detected posture angle (α, β, γ) to the minute position calculation means 419. The acceleration detection device 418 detects the acceleration (Ax, Ay, Az) and outputs the detected acceleration (Ax, Ay, Az) to the minute position calculation means 419. The posture angle detection device 417 and the acceleration detection device 418 are sampled and updated at a higher speed because there is no time loss for propagating in the air like ultrasonic waves in detecting the posture angle and acceleration. The minute position calculating means 419 calculates the minute position (ΔX, ΔY, ΔZ) based on the posture angle (α, β, γ) and the acceleration (Ax, Ay, Az), and obtains the obtained minute position (ΔX, ΔY, ΔZ) is output to the position correction calculation means 416. Finally, the position correction calculation means 416 calculates the position output (X, Y, Z) corrected from the temporary position (X1, Y1, Z1) and the minute position (ΔX, ΔY, ΔZ), and obtains it. The corrected position output (X, Y, Z) is output.

次に、送信駆動装置402および受信検出装置408について説明する。図5に超音波送信波形52と超音波受信波形51を示す。送信駆動装置402から電圧±12V、周波数25kHzの矩形波を出力すると、送信用超音波素子301はこの信号に共振し、25kHzの超音波を送信する。この超音波送信後まもなく、受信用超音波素子は超音波を受信し、25kHzの受信信号が検出される。受信検出装置408は一定以上の出力を検出する仕組みになっている。   Next, the transmission drive device 402 and the reception detection device 408 will be described. FIG. 5 shows an ultrasonic transmission waveform 52 and an ultrasonic reception waveform 51. When a rectangular wave having a voltage of ± 12 V and a frequency of 25 kHz is output from the transmission driving device 402, the transmission ultrasonic element 301 resonates with this signal and transmits a 25 kHz ultrasonic wave. Shortly after this ultrasonic transmission, the receiving ultrasonic element receives the ultrasonic wave and a 25 kHz reception signal is detected. The reception detection device 408 is configured to detect an output exceeding a certain level.

次に、位相差検出装置409について説明する。本来は、位相差検出装置409は、第1乃至第3の受信用超音波素子405〜407によって受信された第1の受信信号Out1、第2の受信信号Out2、第3の受信信号Out3の電気信号を全て読み取り、その位相差を調べることができれば良い。しかしながら、周波数25kHzの電気信号3つを位相が分かるデータとして読み込むためには、少なくとも数μsのサンプリング周期でA/D変換を行わなければならない。精度を求めるのであれば、1μsよりもさらに短いサンプリング周期でA/D変換をしなければならない。これはハイスペックなマイクロコンピュータを用いたとしても容易なことではない。そこで、本実施例では、位相差を別の出力に変換することによって精度良く位相差を検出するようにしている。以下にその詳細を説明する。   Next, the phase difference detection device 409 will be described. Originally, the phase difference detection device 409 is configured to output the first received signal Out1, the second received signal Out2, and the third received signal Out3 received by the first to third receiving ultrasonic elements 405 to 407. It suffices if all the signals can be read and the phase difference can be examined. However, in order to read three electrical signals with a frequency of 25 kHz as data whose phase is known, A / D conversion must be performed with a sampling period of at least several μs. If accuracy is required, A / D conversion must be performed with a sampling period shorter than 1 μs. This is not easy even if a high-spec microcomputer is used. Therefore, in this embodiment, the phase difference is accurately detected by converting the phase difference into another output. Details will be described below.

位相遅延装置410は、周波数25kHzの信号に対して振幅を変えずに位相だけを変化させる回路である。本実施例では、位相遅延装置410を、図6に示すアクティブバンドパスフィルタで構成した。図示のアクティブバンドパスフィルタは、設計値138度の位相遅れであったが、実際には130度位相が遅れた。   The phase delay device 410 is a circuit that changes only the phase without changing the amplitude of a signal having a frequency of 25 kHz. In this embodiment, the phase delay device 410 is composed of an active bandpass filter shown in FIG. The active bandpass filter shown in the figure has a phase delay of a design value of 138 degrees, but actually the phase is delayed by 130 degrees.

図示の位相遅延装置410は、第1の受信信号Out1を入力する信号入力端子410aと、遅延信号Out1’を出力する信号出力端子410bと、2Vの基準電圧が供給される基準入力端子410cとを持つ。位相遅延装置410は、反転入力端子と非反転入力端子と出力端子とを持つ演算増幅器601と、第1及び第2のコンデンサ606、607と、第1及び第2の抵抗器611、612とを有する。第1のコンデンサ606と第1の抵抗器611とは、位相遅延装置410の信号入力端子410aと演算増幅器601の反転入力端子との間に直列に接続されている。第2のコンデンサ607と第2の抵抗器612とは、演算増幅器601の反転入力端子と出力端子との間に並列に接続されている。演算増幅器601の非反転入力端子は基準入力端子410cに接続され、演算増幅器601には4Vの電源電圧が供給されている。演算増幅器601の出力端子は位相遅延装置410の信号出力端子410bに接続されている。   The illustrated phase delay device 410 includes a signal input terminal 410a that inputs a first received signal Out1, a signal output terminal 410b that outputs a delayed signal Out1 ′, and a reference input terminal 410c that is supplied with a 2V reference voltage. Have. The phase delay device 410 includes an operational amplifier 601 having an inverting input terminal, a non-inverting input terminal, and an output terminal, first and second capacitors 606 and 607, and first and second resistors 611 and 612. Have. The first capacitor 606 and the first resistor 611 are connected in series between the signal input terminal 410 a of the phase delay device 410 and the inverting input terminal of the operational amplifier 601. The second capacitor 607 and the second resistor 612 are connected in parallel between the inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier 601. The non-inverting input terminal of the operational amplifier 601 is connected to the reference input terminal 410c, and the operational amplifier 601 is supplied with a power supply voltage of 4V. The output terminal of the operational amplifier 601 is connected to the signal output terminal 410 b of the phase delay device 410.

本実施例では、第1のコンデンサ606の容量値は5100pFであり、第1の抵抗器611の抵抗値は1.3kΩであり、第2のコンデンサ607の容量値は100pFであり、第2の抵抗器612の抵抗値は1.8kΩである。   In this embodiment, the capacitance value of the first capacitor 606 is 5100 pF, the resistance value of the first resistor 611 is 1.3 kΩ, the capacitance value of the second capacitor 607 is 100 pF, The resistance value of the resistor 612 is 1.8 kΩ.

加算装置411は図7に示す加算回路から構成されている。詳述すると、加算装置411は、第1の受信信号Out1と第2の受信信号Out2とを加算して第1の加算結果信号1+2を出力する第1の加算回路と、第2の受信信号Out1と第3の受信信号Out3とを加算して第2の加算結果信号1+3を出力する第2の加算回路との2つの加算回路で構成されている。   The adder 411 includes the adder circuit shown in FIG. More specifically, the adder 411 adds a first reception signal Out1 and a second reception signal Out2, and outputs a first addition result signal 1 + 2, and a second reception. It consists of two addition circuits, a second addition circuit that adds the signal Out1 and the third reception signal Out3 and outputs the second addition result signal 1 + 3.

ここでは、第1の加算回路について説明するが、第2の加算回路も同様の構成である。   Here, the first adder circuit will be described, but the second adder circuit has the same configuration.

第1の加算回路は、第1の受信信号Out1を入力する第1の信号入力端子411aと、第2の受信信号Out2を入力する第2の信号入力端子411bと、第1の加算結果信号1+2を出力する信号出力端子411cと、2Vの基準電圧が供給される基準入力端子411dとを持つ。第1の加算回路は、反転入力端子と非反転入力端子と出力端子とを持つ演算増幅器701と、第1乃至第3の抵抗器706、707、708と、コンデンサ711とを有する。第1の抵抗器706は、第1の加算回路の第1の信号入力端子411aと演算増幅器701の反転入力端子との間に接続されている。第2の抵抗器707は、第1の加算回路の第2の信号入力端子411bと演算増幅器701の反転入力端子との間に接続されている。第3の抵抗器708とコンデンサ708とは、演算増幅器701の反転入力端子と出力端子との間に並列に接続されている。演算増幅器701の非反転入力端子は基準入力端子411dに接続され、演算増幅器701には4Vの電源電圧が供給されている。演算増幅器701の出力端子は第1の加算回路の信号出力端子411cに接続されている。   The first adder circuit includes a first signal input terminal 411a for inputting the first reception signal Out1, a second signal input terminal 411b for inputting the second reception signal Out2, and a first addition result signal 1 It has a signal output terminal 411c for outputting +2 and a reference input terminal 411d to which a 2V reference voltage is supplied. The first adder circuit includes an operational amplifier 701 having an inverting input terminal, a non-inverting input terminal, and an output terminal, first to third resistors 706, 707, and 708, and a capacitor 711. The first resistor 706 is connected between the first signal input terminal 411 a of the first adder circuit and the inverting input terminal of the operational amplifier 701. The second resistor 707 is connected between the second signal input terminal 411 b of the first adder circuit and the inverting input terminal of the operational amplifier 701. The third resistor 708 and the capacitor 708 are connected in parallel between the inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier 701. The non-inverting input terminal of the operational amplifier 701 is connected to the reference input terminal 411d, and the operational amplifier 701 is supplied with a power supply voltage of 4V. The output terminal of the operational amplifier 701 is connected to the signal output terminal 411c of the first adder circuit.

本実施例では、第1乃至第3の抵抗器706〜708の抵抗値の各々は2kΩであり、コンデンサ711の容量値は100pFである。   In this embodiment, each of the resistance values of the first to third resistors 706 to 708 is 2 kΩ, and the capacitance value of the capacitor 711 is 100 pF.

減算装置412は図8に示す減算回路から構成されている。詳述すると、減算装置412は、第1の受信信号Out1から第2の受信信号Out2を減算して第1の減算結果信号1-2を出力する第1の減算回路と、第1の受信信号Out1から第3の受信信号Out3を減算して第2の減算結果信号1-3を出力する第2の減算回路と、遅延信号Out1’から第2の受信信号Out2を減算して第3の減算結果信号1’-2を出力する第3の減算回路と、遅延信号Out1’から第3の受信信号Out3を減算して第4の減算結果信号1’-3を出力する第4の減算回路との4つの減算回路から構成されている。   The subtracting device 412 includes a subtracting circuit shown in FIG. More specifically, the subtracting device 412 subtracts the second received signal Out2 from the first received signal Out1 and outputs a first subtraction result signal 1-2, and a first received signal. A second subtraction circuit that subtracts the third reception signal Out3 from Out1 and outputs a second subtraction result signal 1-3, and a third subtraction by subtracting the second reception signal Out2 from the delayed signal Out1 ′ A third subtracting circuit for outputting the result signal 1′-2, and a fourth subtracting circuit for subtracting the third reception signal Out3 from the delayed signal Out1 ′ to output a fourth subtraction result signal 1′-3. It consists of four subtracting circuits.

ここでは、第1の減算回路につて説明するが、第2乃至第4の減算回路も同様の構成をしている。   Here, the first subtraction circuit will be described, but the second to fourth subtraction circuits have the same configuration.

第1の減算回路は、第1の受信信号Out1を入力する第1の信号入力端子412aと、第2の受信信号Out2を入力する第2の信号入力端子412bと、第1の減算結果信号1-2を出力する信号出力端子412cと、2Vの基準電圧が供給される基準入力端子412dとを持つ。第1の減算回路は、反転入力端子と非反転入力端子と出力端子とを持つ演算増幅器801と、第1乃至第4の抵抗器806、807、808、809と、第1及び第2のコンデンサ811、812とを有する。   The first subtraction circuit includes a first signal input terminal 412a for inputting the first reception signal Out1, a second signal input terminal 412b for inputting the second reception signal Out2, and a first subtraction result signal 1 A signal output terminal 412c that outputs -2 and a reference input terminal 412d to which a 2V reference voltage is supplied. The first subtracting circuit includes an operational amplifier 801 having an inverting input terminal, a non-inverting input terminal, and an output terminal, first to fourth resistors 806, 807, 808, and 809, and first and second capacitors. 811 and 812.

第1の抵抗器806は、第1の減算回路の第1の信号入力端子412aと演算増幅器801の反転入力端子との間に接続されている。第2の抵抗器807は、第1の減算回路の第2の信号入力端子412bと演算増幅器801の非反転入力端子との間に接続されている。第3の抵抗器808と第1のコンデンサ811とは、演算増幅器801の反転入力端子と出力端子との間に並列に接続されている。第4の抵抗器809と第2のコンデンサ812とは、基準入力端子412aと演算増幅器801の非反転入力端子との間に並列に接続されている。演算増幅器801には4Vの電源電圧が供給されている。   The first resistor 806 is connected between the first signal input terminal 412a of the first subtraction circuit and the inverting input terminal of the operational amplifier 801. The second resistor 807 is connected between the second signal input terminal 412b of the first subtraction circuit and the non-inverting input terminal of the operational amplifier 801. The third resistor 808 and the first capacitor 811 are connected in parallel between the inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier 801. The fourth resistor 809 and the second capacitor 812 are connected in parallel between the reference input terminal 412a and the non-inverting input terminal of the operational amplifier 801. A power supply voltage of 4V is supplied to the operational amplifier 801.

本実施例では、第1乃至第4の抵抗器806〜809の抵抗値の各々は2kΩであり、第1及び第2のコンデンサ811及び812の容量値の各々は100pFである。   In the present embodiment, each of the first to fourth resistors 806 to 809 has a resistance value of 2 kΩ, and each of the first and second capacitors 811 and 812 has a capacitance value of 100 pF.

振幅検出装置414は図9に示すピークホールド回路および出力電圧を読み込むA/Dコンバータで構成される。ピークホールド回路は、第1及び第2の加算回路および第1乃至第4の減算回路の出力それぞれに対応した第1乃至第6のピークホールド回路から構成されており、それぞれの振幅に比例した電圧に変換している。ピークホールド回路のリセットスイッチはA/D変換が終了してから次の超音波が送信されるまでオンになり、ホールドされた電圧がリセットされる。   The amplitude detector 414 includes a peak hold circuit shown in FIG. 9 and an A / D converter that reads an output voltage. The peak hold circuit is composed of first to sixth peak hold circuits corresponding to the outputs of the first and second adder circuits and the first to fourth subtractor circuits, and is proportional to the amplitude of each. Has been converted. The reset switch of the peak hold circuit is turned on after the A / D conversion is completed until the next ultrasonic wave is transmitted, and the held voltage is reset.

以下では第1のピークホールド回路について説明するが、第2乃至第6のピークホールド回路も同様な構成をしている。   Hereinafter, the first peak hold circuit will be described, but the second to sixth peak hold circuits have the same configuration.

第1のピークホールド回路は、加算装置411の第1の加算回路からの第1の加算結果信号1+2を入力する信号入力端子414aと、第1のピークホールド電圧を出力する電圧出力端子414bとを持つ。第1のピークホールド回路は、反転入力端子と非反転入力端子と出力端子とを持つ第1の演算増幅器901と、反転入力端子と非反転入力端子と出力端子とを持つ第2の演算増幅器902と、ダイオード906と、コンデンサ907と、リセットスイッチ909とを有する。   The first peak hold circuit includes a signal input terminal 414a that inputs the first addition result signal 1 + 2 from the first addition circuit of the adder 411, and a voltage output terminal 414b that outputs the first peak hold voltage. And have. The first peak hold circuit includes a first operational amplifier 901 having an inverting input terminal, a non-inverting input terminal, and an output terminal, and a second operational amplifier 902 having an inverting input terminal, a non-inverting input terminal, and an output terminal. A diode 906, a capacitor 907, and a reset switch 909.

第1のピークホールド回路の信号入力端子414aは第1の演算増幅器901の非反転入力端子に接続されている。第1の演算増幅器901の出力端子はダイオード906のアノードに接続さている。ダイオード906のカソードは、第1の演算増幅器901の反転入力端子に接続される共に、コンデンサ907を介して接地されている。また、ダイオード906のカソードは第2の演算増幅器902の非反転入力端子に接続されている。第2の演算増幅器902の非反転入力端子は、リセットスイッチ909を介して接地されている。第2の演算増幅器902の反転入力端子と出力端子とは互いに直接接続されている。第1の演算増幅器901及び第2の演算増幅器902には4Vの電源電圧が供給されている。第2の演算増幅器902の出力端子は第1のピークホールド回路の電圧出力端子414bに接続されている。尚、第1のピークホールド回路の電圧出力端子414bは、図示しないA/Dコンバータの入力端子に接続されている。   The signal input terminal 414a of the first peak hold circuit is connected to the non-inverting input terminal of the first operational amplifier 901. The output terminal of the first operational amplifier 901 is connected to the anode of the diode 906. The cathode of the diode 906 is connected to the inverting input terminal of the first operational amplifier 901 and grounded via the capacitor 907. The cathode of the diode 906 is connected to the non-inverting input terminal of the second operational amplifier 902. A non-inverting input terminal of the second operational amplifier 902 is grounded via a reset switch 909. The inverting input terminal and the output terminal of the second operational amplifier 902 are directly connected to each other. A power supply voltage of 4 V is supplied to the first operational amplifier 901 and the second operational amplifier 902. The output terminal of the second operational amplifier 902 is connected to the voltage output terminal 414b of the first peak hold circuit. The voltage output terminal 414b of the first peak hold circuit is connected to the input terminal of an A / D converter (not shown).

位相差演算手段413は振幅検出装置414がA/D変換によって読み込んだ値から位相差を演算する回路である。   The phase difference calculation means 413 is a circuit that calculates the phase difference from the value read by the amplitude detection device 414 by A / D conversion.

第1の受信信号Out1、第2の受信信号Out2の波形を仮にAsinωt、Asin(ωt+θ1)とする。この場合、第1の受信信号Out1と第2の受信信号Out2との間の第1の位相差θ1が0の時に、第1の加算結果信号1+2の振幅が2Aで最大となり、第1の減算結果信号1-2の振幅が最小で0になる。また逆に第1の位相差θ1が±π[rad]の時に、第1の加算結果信号1+2の振幅が0で最小となり、第1の減算結果信号1-2の振幅が最大で2Aとなる。第1の加算結果信号1+2、第1の減算結果信号1-2、および第3の減算結果信号1’-2の振幅を第1の位相差θ1の式で表すと、それぞれ、下記数11式、数12式、および数13式で表される。

Figure 0004287315
Figure 0004287315
Figure 0004287315
The waveforms of the first reception signal Out1 and the second reception signal Out2 are assumed to be Asin ωt and Asin (ωt + θ 1 ). In this case, when the first phase difference theta 1 between a first received signal Out1 and the second reception signal Out2 is 0, the amplitude of the first addition result signal 1 + 2 is maximized at 2A, the The amplitude of the 1 subtraction result signal 1-2 is 0 at the minimum. Conversely, when the first phase difference θ 1 is ± π [rad], the amplitude of the first addition result signal 1 + 2 is 0 and the minimum, and the amplitude of the first subtraction result signal 1-2 is the maximum. 2A. When the amplitudes of the first addition result signal 1 + 2, the first subtraction result signal 1-2, and the third subtraction result signal 1′-2 are expressed by the expression of the first phase difference θ 1 , respectively, It is expressed by Equation 11, Equation 12, and Equation 13.
Figure 0004287315
Figure 0004287315
Figure 0004287315

同様に、第1の受信信号Out1と第3の受信信号Out3との間の第2の位相差をθ2とすると、第2の加算結果信号1+3、第2の減算結果信号1-3、および第4の減算結果信号1’-3は、それぞれ、下記数14式、数15式、および数16式で表される。

Figure 0004287315
Figure 0004287315
Figure 0004287315
Similarly, when the second phase difference between the first received signal Out1 and third received signals Out3 and theta 2, the second addition result signals 1 + 3, the second subtraction result signal 1-3 , And the fourth subtraction result signal 1′-3 are expressed by the following formula 14, formula 15, and formula 16, respectively.
Figure 0004287315
Figure 0004287315
Figure 0004287315

上記数11式、数12式より、波形の振幅Aの2倍の絶対値|2A|および第1の位相差θの絶対値|θ1|は、それぞれ、下記数17式および数18式で表される。

Figure 0004287315
Figure 0004287315
From the above formulas 11 and 12, the absolute value | 2A | that is twice the amplitude A of the waveform and the absolute value | θ 1 | of the first phase difference θ 1 are expressed by the following formulas 17 and 18, respectively. It is represented by
Figure 0004287315
Figure 0004287315

したがって、第1の位相差θ1は、下記数19式で求められるが、符号はわからない。

Figure 0004287315
Therefore, the first phase difference θ1 is obtained by the following equation (19), but the sign is unknown.
Figure 0004287315

一方、上記数13式、数17)式より、|θ1-130π/180|は下記の数20式で表される。

Figure 0004287315
On the other hand, | θ 1 −130π / 180 | is expressed by the following equation (20) from the above equations (13) and (17).
Figure 0004287315

したがって、第1の位相差θは、下記数21式で求められる。

Figure 0004287315
Therefore, the first phase difference θ 1 is obtained by the following equation (21).
Figure 0004287315

上記数21式の2つの解と上記数19式の2つの解を照らし合わせ、一致するものが正しい解となる。実際には誤差を含み一致はしないので、最も近い組み合わせが正しい解である。   The two solutions of the equation (21) are compared with the two solutions of the equation (19). In fact, it contains errors and does not match, so the closest combination is the correct solution.

第2の位相差θ2についても、上記数14式〜数16式から同様に求められる。 The second phase difference θ 2 is also obtained in the same manner from the above formulas 14 to 16.

次に、位置演算手段415について説明する。上記数10式を元に、送信用超音波素子401のY座標上の仮の位置Y1およびZ座標上の仮の位置Z1は、それぞれ、下記数22式および数23式で求められる。

Figure 0004287315
Figure 0004287315
Next, the position calculation means 415 will be described. Based on the above formula 10, the temporary position Y1 on the Y coordinate and the temporary position Z1 on the Z coordinate of the transmitting ultrasonic element 401 are obtained by the following formula 22 and formula 23, respectively.
Figure 0004287315
Figure 0004287315

また、送信用超音波素子401のX座標上の仮の位置X1は、下記数24式で求められる。

Figure 0004287315
Further, the temporary position X1 on the X coordinate of the transmitting ultrasonic element 401 is obtained by the following equation (24).
Figure 0004287315

次に、姿勢角度検出装置417、加速度検出装置418および微小位置演算手段419について説明する。   Next, the attitude angle detection device 417, the acceleration detection device 418, and the minute position calculation means 419 will be described.

超音波による位置検出は超音波が伝搬する時間が必要であり、数mの検出範囲では10ms程度時間がかかる。その他信号処理、演算処理、平均化処理などを含めると数十〜数百msの時間が必要である。   Position detection by ultrasonic waves requires time for ultrasonic waves to propagate, and it takes about 10 ms for a detection range of several meters. Including other signal processing, arithmetic processing, averaging processing, etc., a time of several tens to several hundreds of ms is required.

一方、バーチャルリアリティなどで利用者が時間遅れを感じることなく快適に利用するためには、100Hz以上のデータ更新が必要である。従って、超音波による位置検出の時間遅れを補うために、本実施例では、姿勢角度検出装置417、加速度検出装置418および微小位置演算手段419を用いている。   On the other hand, in order to use the user comfortably without feeling a time delay due to virtual reality or the like, it is necessary to update data of 100 Hz or more. Therefore, in this embodiment, the posture angle detection device 417, the acceleration detection device 418, and the minute position calculation means 419 are used to compensate for the time delay of position detection by ultrasonic waves.

姿勢角度検出装置417は周囲に付加的な装置が必要でない、ジャイロなどの慣性センサを用いた自律式姿勢角度検出装置が望ましい。本実施例では、姿勢角度検出装置417として、自律式姿勢角度検出装置であり、姿勢角度と加速度を出力することができるNECトーキン製3DモーションセンサMDP-A3U9を用いた。   The posture angle detection device 417 is preferably an autonomous posture angle detection device using an inertial sensor such as a gyro, which does not require an additional device around it. In this embodiment, as the posture angle detection device 417, an NEC TOKIN 3D motion sensor MDP-A3U9 that is an autonomous posture angle detection device and can output a posture angle and acceleration is used.

まず、微小位置演算手段419は、姿勢角度(α,β,γ)と加速度(Ax,Ay,Az)の出力から位置検出装置と座標軸を合わせた下記数25式で表わされる加速度出力(Ax’,Ay’,Az’)に座標変換する。

Figure 0004287315
First, the minute position calculation means 419 calculates an acceleration output (Ax ′) expressed by the following equation (25) that combines the position detection device and the coordinate axis from the output of the posture angle (α, β, γ) and acceleration (Ax, Ay, Az). , Ay ', Az').
Figure 0004287315

次に、微小位置演算手段419は、加速度出力(Ax’,Ay’,Az’)を時間で2回積分し、微小時間で移動した位置(ΔX,ΔY,ΔZ)を演算する。通常、積分の演算は誤差が累積し、2回積分となるとかなり高い精度が求められるが、本例では微小時間の積分のため誤差が累積することはない。   Next, the minute position calculation means 419 integrates the acceleration output (Ax ′, Ay ′, Az ′) twice in time, and calculates the position (ΔX, ΔY, ΔZ) moved in the minute time. Normally, the integration calculation accumulates errors, and if the integration is performed twice, a considerably high accuracy is required. However, in this example, the errors are not accumulated due to the integration of a minute time.

最後に位置補正演算手段416について説明する。超音波の処理が完了していなく、位置演算手段415の出力がないときには、位置補正演算手段416は、前回算出したX-Y-Z座標位置(X(n-1),Y(n-1),Z(n-1))に、微小位置演算手段419の出力(ΔX,ΔY,ΔZ)を加える。位置演算手段415の出力(X1,Y1,Z1)があるときには、位置補正演算手段416は、1以下の定数kを用いて、下記数26式により、今回のX-Y-Z座標位置(X(n),Y(n),Z(n))を演算する。

Figure 0004287315
Finally, the position correction calculation means 416 will be described. When the ultrasonic processing is not completed and there is no output from the position calculation means 415, the position correction calculation means 416 calculates the previously calculated XYZ coordinate positions (X (n-1), Y (n-1), Z ( The output (ΔX, ΔY, ΔZ) of the minute position calculating means 419 is added to n-1)). When there is an output (X1, Y1, Z1) of the position calculation means 415, the position correction calculation means 416 uses the constant k equal to or less than 1 and the current XYZ coordinate position (X (n), Y (n), Z (n)) is calculated.
Figure 0004287315

本発明における位相差位置検出方法の原理を説明する図である。It is a figure explaining the principle of the phase difference position detection method in this invention. 3点式位置検出方法の原理を説明する図である。It is a figure explaining the principle of a three-point type position detection method. 本発明における超音波を用いた位置検出装置の使用一例を説明する図である。It is a figure explaining an example of use of a position detection device using an ultrasonic wave in the present invention. 本発明における超音波を用いた位置検出装置のブロック図である。It is a block diagram of the position detection apparatus using the ultrasonic wave in this invention. 本発明における超音波送信波形および超音波受信波形の図である。It is a figure of the ultrasonic wave transmission waveform and ultrasonic wave reception waveform in this invention. 図4に図示した位相遅延装置の構成例を示す回路図である。FIG. 5 is a circuit diagram illustrating a configuration example of the phase delay device illustrated in FIG. 4. 図4に図示した加算装置を構成する加算回路の構成例を示す回路図である。FIG. 5 is a circuit diagram illustrating a configuration example of an adder circuit configuring the adder illustrated in FIG. 4. 図4に図示した減算装置を構成する減算回路の構成例を示す回路図である。FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration example of a subtracting circuit constituting the subtracting device shown in FIG. 4. 図4に図示した振幅検出装置を構成するピークホールド回路の構成例を示す回路図である。FIG. 5 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a peak hold circuit that configures the amplitude detection device illustrated in FIG. 4.

符号の説明Explanation of symbols

11 送信用超音波素子
12 第1の受信用超音波素子
13 第2の受信用超音波素子
31 使用者
32 HMD(ヘッドマウンテッドディスプレイ)
33 送信用超音波素子
34 パーソナルコンピュータ
35 受信用超音波ユニット
36 ディスプレイ
401 送信用超音波素子
402 送信駆動装置
403 時間差検出手段
404 距離演算手段
405 第1の受信用超音波素子
406 第2の受信用超音波素子
407 第3の受信用超音波素子
408 受信検出装置
409 位相差検出装置
410 位相遅延装置
411 加算装置
412 減算装置
413 位相差演算手段
414 振幅検出装置
415 位置演算手段
416 位置補正演算手段
417 姿勢角度検出装置
418 加速度検出装置
419 微小位置演算手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Transmission ultrasonic element 12 1st reception ultrasonic element 13 2nd reception ultrasonic element 31 User 32 HMD (head mounted display)
33 Transmission ultrasonic element 34 Personal computer 35 Reception ultrasonic unit 36 Display 401 Transmission ultrasonic element 402 Transmission drive unit 403 Time difference detection means 404 Distance calculation means 405 First reception ultrasonic element 406 Second reception use Ultrasonic element 407 Third receiving ultrasonic element 408 Reception detection device 409 Phase difference detection device 410 Phase delay device 411 Addition device 412 Subtraction device 413 Phase difference calculation means 414 Amplitude detection device 415 Position calculation means 416 Position correction calculation means 417 Attitude angle detection device 418 Acceleration detection device 419 Fine position calculation means

Claims (3)

2次元または3次元の空間内での基準位置を基準とした検出対象物の位置を検出する超音波を用いた位置検出装置であって、
前記検出対象物に取り付けられ、超音波信号を送信する送信用超音波素子と、
前記検出対象物から離れた前記基準位置で互いに近接して配置され、前記送信用超音波素子から送信された超音波を受信する少なくとも2個または3個の受信用超音波素子と、
前記送信用超音波素子を駆動する送信駆動装置と、
前記少なくとも2個または3個の受信用超音波素子のいずれかが超音波を受信したことを検出する受信検出装置と、
超音波が送信されてから受信されるまでの時間差を検出する時間差検出手段と、
前記時間差検出手段で検出された時間差から前記送信用超音波素子と前記受信用超音波素子との間の距離を演算する距離演算手段と、
前記少なくとも2個または3個の受信用超音波素子で受信した超音波間の位相差を検出する位相差検出装置と、
前記距離演算手段で検出された距離と前記位相差検出装置から検出された位相差とから前記基準位置を基準とした前記送信用超音波素子の位置を演算する位置演算手段と
有し、
前記位相差検出装置は、前記少なくとも2個または3個の受信用超音波素子で受信した超音波の1つの位相を遅らせる位相遅延装置と、前記少なくとも2個または3個の受信用超音波素子で受信した超音波の間で加算を行う加算装置と、前記少なくとも2個または3個の受信用超音波素子で受信した超音波の間の減算、及び、前記位相遅延装置で位相を遅らせていない方の受信用超音波素子で受信した超音波と前記位相遅延装置の出力との間の減算を行う減算装置と、前記加算装置および前記減算装置の出力波形の振幅を検出する振幅検出装置と、前記振幅検出装置の出力から位相差を演算する位相差演算手段と、を備えることを特徴とする位置検出装置。
A position detection apparatus using ultrasonic waves for detecting a position of a detection target with reference to a reference position in a two-dimensional or three-dimensional space,
An ultrasonic element for transmission that is attached to the detection object and transmits an ultrasonic signal;
At least two or three receiving ultrasonic elements that are arranged close to each other at the reference position away from the detection object and receive ultrasonic waves transmitted from the transmitting ultrasonic elements;
A transmission drive device for driving the transmission ultrasonic element;
A reception detection device for detecting that any of the at least two or three reception ultrasonic elements has received an ultrasonic wave;
A time difference detecting means for detecting a time difference from when an ultrasonic wave is transmitted until it is received;
Distance calculating means for calculating the distance between the transmitting ultrasonic element and the receiving ultrasonic element from the time difference detected by the time difference detecting means;
A phase difference detecting device for detecting a phase difference between ultrasonic waves received by the at least two or three receiving ultrasonic elements;
Position calculating means for calculating the position of the ultrasonic element for transmission based on the reference position from the distance detected by the distance calculating means and the phase difference detected from the phase difference detecting device ;
The phase difference detection device includes a phase delay device that delays one phase of ultrasonic waves received by the at least two or three reception ultrasonic elements, and the at least two or three reception ultrasonic elements. One that does not delay the phase by the addition device that adds between the received ultrasonic waves, the subtraction between the ultrasonic waves received by the at least two or three receiving ultrasonic elements, and the phase delay device A subtractor for subtracting between the ultrasonic wave received by the receiving ultrasonic element and the output of the phase delay device, the adder and an amplitude detector for detecting the amplitude of the output waveform of the subtractor, and And a phase difference calculating means for calculating a phase difference from an output of the amplitude detecting device.
前記送信用超音波素子は、水平方向に対して無指向性の超音波を送信することができる円筒型の超音波素子であることを特徴とする請求項1に記載の位置検出装置。 The position detecting device according to claim 1 , wherein the transmitting ultrasonic element is a cylindrical ultrasonic element capable of transmitting non-directional ultrasonic waves in a horizontal direction. 前記検出対象物に取り付けられた姿勢角度検出装置および加速度検出装置と、前記姿勢角度検出装置および前記加速度検出装置の出力から微小時間に移動した位置を演算する微小位置演算手段と、前記位置演算手段と前記微小位置演算手段の出力を組み合わせて位置を演算する位置補正演算手段と、をさらに備えることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の位置検出装置。 A posture angle detection device and an acceleration detection device attached to the detection object, a minute position calculation means for calculating a position moved in a minute time from outputs of the posture angle detection device and the acceleration detection device, and the position calculation means The position detection apparatus according to claim 1 , further comprising position correction calculation means for calculating a position by combining the output of the minute position calculation means.
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