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JP6272154B2 - Sound wave reception time calculation device, method and program, and distance estimation system provided with the device - Google Patents
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Sound wave reception time calculation device, method and program, and distance estimation system provided with the device Download PDF

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  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Description

本発明は、直接波よりも反射波が大きくなるような状況であっても反射波の影響を除外して正確に直接波の受信時刻を算出することのできる音波受信時刻算出装置、方法及びプログラム並びに当該装置を備える距離推定システムに関する。   The present invention relates to a sound wave reception time calculation device, method, and program capable of accurately calculating the reception time of a direct wave by excluding the influence of the reflected wave even in a situation where the reflected wave is larger than the direct wave The present invention also relates to a distance estimation system including the device.

主に自動車を中心にスマートエントリシステムが普及し始めている。スマートエントリシステムを利用すると、ユーザは鍵を自動車のドアに差し込まなくても、ドアに近づいたりドアノブに触ったりするだけでドアを開錠できる。他にも家のドアやマンションの共用玄関のドアの開錠等への適用が期待されている。   Smart entry systems are beginning to spread mainly in automobiles. By using the smart entry system, the user can unlock the door only by approaching the door or touching the door knob without inserting the key into the door of the automobile. In addition, it is expected to be applied to unlocking doors at homes and common entrances in condominiums.

自動車における一般的なスマートエントリシステムは、ユーザが携帯する専用キーと、自動車に取り付けられた送受信機で構成される。非特許文献1では、送受信機の送信信号を専用キーが受信した際、応答信号を送信する。送受信機が応答信号を受信した際にドアロックの解除を行う。送受信機の無線信号の通信範囲は1m程度の短距離に制限されている。これにより、自動車から離れているユーザが誤ってドアロックを解除し、第三者が自動車内に侵入できてしまうなどのセキュリティ問題を解決している。無線信号の周波数帯は自動車メーカによって異なるが、125kHzや300MHzなどが使用される。   A general smart entry system in an automobile includes a dedicated key carried by a user and a transceiver attached to the automobile. In Non-Patent Document 1, a response signal is transmitted when a dedicated key receives a transmission signal from a transceiver. When the transceiver receives the response signal, the door lock is released. The radio signal communication range of the transceiver is limited to a short distance of about 1 m. This solves a security problem such that a user away from the vehicle accidentally releases the door lock and a third party can enter the vehicle. The frequency band of the radio signal varies depending on the automobile manufacturer, but 125 kHz or 300 MHz is used.

専用キーの代わりに、携帯電話やスマートフォン等の携帯端末を利用できれば、ユーザの利便性が向上できる。携帯端末の普及により、多くの人々が携帯端末を普段身に着けているため、専用キーを携帯する必要がなくなる。携帯端末にはBluetooth(登録商標)やWi-Fi(登録商標)などの様々な無線通信デバイスが具備されている。しかしながら、これらを使った無線信号の通信範囲は5m〜100m程度と広範囲であること、スマートフォンや携帯電話の機種によって通信範囲が異なる場合があることから、セキュリティ問題が浮上する。   If a mobile terminal such as a mobile phone or a smartphone can be used instead of the dedicated key, the convenience of the user can be improved. Due to the widespread use of mobile terminals, many people usually wear mobile terminals, so there is no need to carry a dedicated key. A mobile terminal includes various wireless communication devices such as Bluetooth (registered trademark) and Wi-Fi (registered trademark). However, the communication range of the radio signal using these is as wide as about 5 m to 100 m, and the communication range may vary depending on the type of smartphone or mobile phone.

このような問題に対して、非特許文献1では、携帯電話に専用ハードウェアを搭載している。自動車と携帯電話間の通信には125kHzと300MHz帯の電波を使用しており、電波の通信範囲は1m程度に制限されている。   To deal with such problems, Non-Patent Document 1 has dedicated hardware mounted on a mobile phone. Communication between automobiles and mobile phones uses radio waves of 125kHz and 300MHz, and the communication range of radio waves is limited to about 1m.

一方、上記のように携帯電話に追加で専用ハードウェアを搭載することによるコスト増加を避ける観点から、広範囲な通信範囲を有する通常の無線通信デバイス(電波や音波)を用いて距離推定を行い、セキュリティ等も考慮できるようにするというアプローチが存在する。この場合、距離推定には高精度が要求される。   On the other hand, from the viewpoint of avoiding the cost increase due to the addition of dedicated hardware to the mobile phone as described above, distance estimation is performed using a normal wireless communication device (radio wave and sound wave) having a wide communication range, There is an approach that allows security to be considered. In this case, high accuracy is required for distance estimation.

従来、距離推定の代表的な方法として、端末間で電波や音波などの無線を交換する際の受信信号強度に基づいて距離を推定する方法がある。しかしながら、無線デバイスの感度や周辺雑音、遮蔽物によって受信信号強度は変化するため、推定精度は十分ではなかった。   Conventionally, as a typical method of distance estimation, there is a method of estimating a distance based on received signal strength when radio waves such as radio waves and sound waves are exchanged between terminals. However, since the received signal intensity varies depending on the sensitivity of the wireless device, ambient noise, and shielding, the estimation accuracy is not sufficient.

また、距離推定の代表的な手法として、伝搬時間を利用する方法では、無線デバイスの感度や雑音による影響は少なく、伝搬時間を高精度に推定できるのであれば、距離推定も高精度に実現可能である。   As a typical method for distance estimation, the method using propagation time is less affected by the sensitivity and noise of the wireless device, and if the propagation time can be estimated with high accuracy, distance estimation can also be achieved with high accuracy. It is.

特に、電磁波と比較して伝搬時間が遅い音波(超音波)を利用した非特許文献2では、誤差数10cmの精度を実現している。具体的には、親端末と子端末間で音波を送受信し、子端末が親端末に音波の送受信時刻の情報を通知することで、距離を推定する。受信時刻の算出には、相互相関関数を利用している。送信音波の波形を事前に両端末間で共有し、リファレンス信号を生成する。受信した音とリファレンス信号の相互相関関数を計算し、ピークとなる点を音波の受信時刻と決定する。   In particular, Non-Patent Document 2 using a sound wave (ultrasonic wave) having a propagation time slower than that of an electromagnetic wave achieves an accuracy of an error number of 10 cm. Specifically, the distance is estimated by transmitting and receiving sound waves between the parent terminal and the child terminal, and the child terminal notifying the parent terminal of information on the transmission and reception times of the sound waves. A cross-correlation function is used to calculate the reception time. The waveform of the transmitted sound wave is shared between both terminals in advance and a reference signal is generated. The cross-correlation function between the received sound and the reference signal is calculated, and the peak point is determined as the sound wave reception time.

特開2006-337279号公報(直接波反射波判定方法)JP 2006-337279 A (Direct wave reflected wave determination method)

日産・ドコモ・シャープによる「インテリジェントキー搭載ケータイ」http://www.itmedia.co.jp/mobile/articles/0810/02/news094.html"Mobile phone with intelligent key" by Nissan, DOCOMO, Sharp http://www.itmedia.co.jp/mobile/articles/0810/02/news094.html Beepbeep: a high accuracy acoustic ranging system using cots mobile devices(国際会議Sensys 2007)Beepbeep: a high accuracy acoustic ranging system using cots mobile devices (international conference Sensys 2007)

しかしながら、反射波や人体遮蔽の影響により、直接波より反射波の相互相関関数の値が大きい場合、音波の受信時刻を誤り、距離推定結果が実際より大きくなってしまう課題があった。特に、直接波と反射波が時間的に重なって受信される場合、音波の受信時刻を誤ることが多い。   However, when the value of the cross-correlation function of the reflected wave is larger than that of the direct wave due to the influence of the reflected wave or human body shielding, there is a problem that the reception time of the sound wave is incorrect and the distance estimation result becomes larger than the actual result. In particular, when the direct wave and the reflected wave are received with time overlap, the reception time of the sound wave is often wrong.

図1に、当該課題となる状況を模式的に示す。図1では、音波を発生する音源S100と、当該音波を受信する受信機R100とが存在し、これらを結ぶ直線上(すなわち、音源S100から受信機R100への最短経路上)に遮蔽物O100が存在し、その傍らに壁W100が存在している。   FIG. 1 schematically shows the situation that is the subject. In FIG. 1, there is a sound source S100 that generates a sound wave and a receiver R100 that receives the sound wave, and the shield O100 is on a straight line connecting them (that is, on the shortest path from the sound source S100 to the receiver R100). There is a wall W100 beside it.

当該状況においては、[1]に示す音源S100から受信機R100へと真っすぐに向かう音波(直接波)は、遮蔽物O100によって減衰し、[2]に示すように弱い直接波となって受信機R100に到達してしまう。一方、[3]に示す遮蔽物O100で減衰されない別方向への直接波は、反射面としての壁W100で反射され、[4]に示すように強いまま反射波となって、受信機R100に到達してしまう。この結果、受信機R100においては[2]の弱い直接波ではなく、[4]の強い反射波の方を、音源S100から真っすぐに到達してきた直接波であるとして誤って検出してしまう。そして、当該誤って検出された受信時刻に基づいて音源S100と受信機R100との間の距離を算出すると、本来の直接波による最短経路ではなく反射波の経路の距離を算出することになり、本来の距離よりも大きな値となってしまう。   In this situation, the sound wave (direct wave) that goes straight from the sound source S100 shown in [1] to the receiver R100 is attenuated by the shield O100 and becomes a weak direct wave as shown in [2]. R100 will be reached. On the other hand, the direct wave in the other direction that is not attenuated by the shield O100 shown in [3] is reflected by the wall W100 as the reflection surface, and becomes a reflected wave that remains strong as shown in [4], and is reflected in the receiver R100. Will reach. As a result, the receiver R100 erroneously detects the strong reflected wave of [4] instead of the weak direct wave of [2] as a direct wave that has reached straight from the sound source S100. Then, when calculating the distance between the sound source S100 and the receiver R100 based on the erroneously detected reception time, the distance of the reflected wave path is calculated instead of the shortest path by the original direct wave, It becomes a value larger than the original distance.

図1のような状況が発生してしまう具体的な例を図2に示す。図2では、音源S100はユーザの携帯端末に備わり、受信機R100はユーザのクルマに備わることで、音波受信時刻を利用して携帯端末を有するユーザとクルマとの間の距離を算出するスマートエントリシステムの例である。このような状況において、ユーザは携帯端末を自分の背側にあるポケットに入れ、ユーザ自身は真っすぐにクルマの方向を向いているとすると、ポケット内から発せられた直接波に対してユーザ自身が遮蔽物となり、図1のような状況が生まれてしまう。あるいは、ユーザは携帯端末をポケットには入れておらず、手に持っているが、クルマとは反対を向いている場合も、ユーザ自身が遮蔽物となり、図1のような状況が生まれてしまう。   A specific example in which the situation shown in FIG. 1 occurs is shown in FIG. In FIG. 2, the sound source S100 is provided in the user's mobile terminal, and the receiver R100 is provided in the user's car, so that the smart entry that calculates the distance between the user having the mobile terminal and the car using the sound wave reception time. It is an example of a system. In such a situation, if the user puts the mobile terminal in the pocket on the back side of the user, and the user himself / herself faces straight toward the car, the user himself / herself against the direct wave emitted from the pocket. It becomes a shield, and the situation as shown in FIG. 1 is born. Alternatively, the user does not have the mobile terminal in his pocket and holds it in his hand, but when the user is facing away from the car, the user himself becomes a shield and the situation shown in FIG. 1 is born. .

なお、直接波と反射波とを分離する従来技術として、特許文献1では、アレーアンテナを活用し、受信波の到来角度を推定することで、直接波と反射波を分離する手法が提案されている。しかしながら、当該手法では、アレーアンテナの利用が前提であり、携帯電話やスマートフォン等の汎用的な携帯端末では利用できないという課題があった。   As a conventional technique for separating a direct wave and a reflected wave, Patent Document 1 proposes a technique for separating a direct wave and a reflected wave by using an array antenna and estimating an arrival angle of a received wave. Yes. However, this method is premised on the use of an array antenna, and there is a problem that it cannot be used with a general-purpose portable terminal such as a mobile phone or a smartphone.

本発明は、以上のような従来技術の課題に鑑み、アレーアンテナ等の特殊デバイスを必要とせずに、人体遮蔽等の影響を受けて減衰する直接波に対して減衰しない反射波が存在する等の状況によって直接波よりも反射波が大きくなってしまう場合であっても、直接波の受信時刻を正確に算出することのできる音波受信時刻算出装置、方法及びプログラムを提供することを目的とする。また、当該装置を備える距離推定システムを提供することを目的とする。   In view of the above-described problems of the prior art, the present invention does not require a special device such as an array antenna, and there is a reflected wave that is not attenuated with respect to a direct wave that is attenuated due to the influence of human body shielding or the like. An object of the present invention is to provide a sound wave reception time calculation device, method, and program capable of accurately calculating the reception time of a direct wave even when the reflected wave becomes larger than the direct wave depending on the situation of . Moreover, it aims at providing a distance estimation system provided with the said apparatus.

上記目的を達成するため、本発明は、音波受信時刻算出装置であって、音波を受信して音波受信データを得る音波受信部と、前記音波受信データと所定のリファレンス信号との第一相互相関関数を、第一ウィンドウサイズを用いて算出し、当該第一相互相関関数の値が第一閾値を超えてピークとなる最初の時刻を第一受信時刻として算出する第一算出部と、前記音波受信データにおける前記第一受信時刻以前の所定範囲にあるデータと前記所定のリファレンス信号との第二相互相関関数を、前記第一ウィンドウサイズよりも小さい第二ウィンドウサイズを用いて算出し、当該第二相互相関関数の値が第二閾値を超えてピークとなる時刻が存在する場合に、当該ピークとなる最初の時刻を第二受信時刻として算出する第二算出部と、前記音波受信データ内における前記所定のリファレンス信号の直接波の到達時刻が、前記第二受信時刻が算出された場合には当該第二受信時刻であるとして、当該算出されなかった場合には前記第一受信時刻であるとして、判定する判定部と、を備えることを第一の特徴とする。   In order to achieve the above object, the present invention provides a sound wave reception time calculation device, a sound wave receiving unit that receives sound waves and obtains sound wave reception data, and a first cross-correlation between the sound wave reception data and a predetermined reference signal A first calculation unit that calculates a function using a first window size, and calculates the first time when the value of the first cross-correlation function exceeds the first threshold and peaks as the first reception time; A second cross-correlation function between data in the predetermined range before the first reception time in the received data and the predetermined reference signal is calculated using a second window size smaller than the first window size, A second calculation unit that calculates a first reception time as a second reception time when there is a time at which the value of the two cross-correlation function exceeds the second threshold and reaches a peak; If the arrival time of the direct wave of the predetermined reference signal in the data is the second reception time when the second reception time is calculated, the first reception time when the second reception time is not calculated It is a first feature that the determination unit includes a determination unit.

また、本発明は、音波受信時刻算出方法であって、音波を受信して音波受信データを得る音波受信段階と、前記音波受信データと所定のリファレンス信号との第一相互相関関数を、第一ウィンドウサイズを用いて算出し、当該第一相互相関関数の値が第一閾値を超えてピークとなる最初の時刻を第一受信時刻として算出する第一算出段階と、前記音波受信データにおける前記第一受信時刻以前の所定範囲にあるデータと前記所定のリファレンス信号との第二相互相関関数を、前記第一ウィンドウサイズよりも小さい第二ウィンドウサイズを用いて算出し、当該第二相互相関関数の値が第二閾値を超えてピークとなる時刻が存在する場合に、当該ピークとなる最初の時刻を第二受信時刻として算出する第二算出段階と、前記音波受信データ内における前記所定のリファレンス信号の直接波の到達時刻が、前記第二受信時刻が算出された場合には当該第二受信時刻であるとして、当該算出されなかった場合には前記第一受信時刻であるとして、判定する判定段階と、を備えることを第二の特徴とする。   The present invention is also a method for calculating a sound wave reception time, wherein a sound wave reception step of receiving sound waves to obtain sound wave reception data, and a first cross-correlation function between the sound wave reception data and a predetermined reference signal Calculating using a window size, and calculating a first time when the first cross-correlation function value exceeds the first threshold and peaks as a first reception time; and A second cross-correlation function between data within a predetermined range before one reception time and the predetermined reference signal is calculated using a second window size smaller than the first window size, and the second cross-correlation function A second calculation step of calculating the first reception time as the second reception time when there is a time when the value exceeds the second threshold value and the peak, and in the sound wave reception data, The arrival time of the direct wave of the predetermined reference signal is the second reception time when the second reception time is calculated, and the first reception time when the second reception time is not calculated. As a second feature, a determination step for determining is provided.

また、本発明は、プログラムであって、コンピュータを前記音波受信時刻算出装置として機能させることを第三の特徴とする。   In addition, the present invention is a program that has a third feature of causing a computer to function as the sound wave reception time calculation device.

また、本発明は、親機及び子機を備え、当該親機及び子機の間の距離を推定する距離推定システムであって、前記親機及び子機の間で双方向又は単方向に所定のリファレンス信号としての音波を送信し、前記親機及び子機のうち、前記双方向又は単方向に送信された音波を受信する両者又は一方が、上記音波受信時刻算出装置を備えることにより、当該受信した時刻を算出し、当該算出された受信時刻に基づいて、前記親機及び子機の間の距離を推定することを第四の特徴とする。   In addition, the present invention is a distance estimation system that includes a parent device and a child device, and estimates a distance between the parent device and the child device, and is bidirectionally or unidirectionally specified between the parent device and the child device. By transmitting a sound wave as a reference signal of the above and receiving either or both of the sound wave transmitted in the bidirectional or unidirectional among the parent device and the child device, the sound wave reception time calculating device A fourth feature is that a reception time is calculated, and a distance between the parent device and the child device is estimated based on the calculated reception time.

さらに、本発明は、前記音波受信時刻算出装置において前記判定部がさらに、前記第二受信時刻が算出された場合には、前記音波受信データ内における前記所定のリファレンス信号の直接波の到達時刻として、前記第二受信時刻に代えて、前記第一相互相関関数の値が当該第二受信時刻の周辺の所定範囲において前記第一閾値よりも小さい第三閾値を超えて最初にピークとなる第三受信時刻を採用することを第五の特徴とする。   Furthermore, in the sound wave reception time calculation device, the determination unit may further determine the arrival time of the direct wave of the predetermined reference signal in the sound wave reception data when the second reception time is calculated. Instead of the second reception time, the value of the first cross-correlation function exceeds the third threshold value that is smaller than the first threshold value in a predetermined range around the second reception time, and the third peak is reached first. The fifth feature is to adopt the reception time.

前記第一ないし第四の特徴によれば、反射波の影響がない場合には第一相互相関関数のピーク時刻としての第一受信時刻を直接波の受信時刻として判定し、反射波の影響があり直接波と重複している場合には、第一受信時刻以前の所定範囲において第一相互相関関数よりもウィンドウサイズを小さくした第二相互相関関数を算出し、そのピーク時刻としての第二受信時刻を直接波の受信時刻として判定する。ここで、第二受信時刻は、ウィンドウサイズを小さくすることで反射波の重複部分の影響を減らして算出されるので、適切に直接波の受信時刻を算出することができる。   According to the first to fourth features, when there is no influence of the reflected wave, the first reception time as the peak time of the first cross-correlation function is determined as the direct wave reception time, and the influence of the reflected wave is If there is an overlap with the direct wave, calculate the second cross-correlation function with a window size smaller than the first cross-correlation function in a predetermined range before the first reception time, and the second reception as the peak time The time is determined as the reception time of the direct wave. Here, since the second reception time is calculated by reducing the influence of the overlapping portion of the reflected waves by reducing the window size, the direct wave reception time can be appropriately calculated.

前記第五の特徴によれば、第二受信時刻の周辺で再度、閾値を小さい値としたうえで第一相互相関関数のピークを探索することにより、精度をさらに高めた第三受信時刻として、反射波の影響を除外した受信時刻を算出することができる。   According to the fifth feature, by searching for the peak of the first cross-correlation function after setting the threshold value to a small value again around the second reception time, as a third reception time with further improved accuracy, The reception time excluding the influence of the reflected wave can be calculated.

課題となる状況を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the condition used as a subject. 図1のような状況が発生してしまう具体的な例を示す図である。It is a figure which shows the specific example which the condition like FIG. 1 will generate | occur | produce. 一実施形態に係る音波受信時刻算出装置を含む音波受信時刻算出システムの機能ブロック図である。It is a functional block diagram of a sound wave reception time calculation system including a sound wave reception time calculation device according to an embodiment. 第一類型として、直接波のみが到達する場合を示す図である。It is a figure which shows the case where only a direct wave reaches | attains as a 1st type. 第二類型として、減衰した直接波の後に強い反射波が到達する場合を示す図である。It is a figure which shows the case where a strong reflected wave arrives after the attenuated direct wave as a 2nd type. 第三類型として、減衰した直接波に重複して強い反射波が到達する場合を示す図である。It is a figure which shows the case where a strong reflected wave reaches | attains as a 3rd type and overlaps with the attenuated direct wave. 第一〜第三類型におけるそれぞれの相互相関関数と判定される本来の直接波の受信時刻とをまとめて模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the reception time of the original direct wave determined with each cross-correlation function in 1st-3rd type | molds collectively. 一実施形態に係る距離推定システムの機能ブロック図である。It is a functional block diagram of the distance estimation system concerning one embodiment. 図8の距離推定システムによる距離推定のフローチャートである。It is a flowchart of the distance estimation by the distance estimation system of FIG. 4種類の送受時刻を説明するための図である。It is a figure for demonstrating four types of transmission / reception time. 別の一実施形態に係る距離推定システムの機能ブロック図である。It is a functional block diagram of the distance estimation system which concerns on another one Embodiment. 図11の距離推定システムによる距離推定のフローチャートである。It is a flowchart of distance estimation by the distance estimation system of FIG.

図3は、一実施形態に係る音波受信時刻算出装置を含む音波受信時刻算出システムの機能ブロック図である。音波受信時刻算出システム100は、音波受信時刻算出装置10及び音波送信端末20を備える。音波受信時刻算出装置10は、音波受信部11、第一算出部12、第二算出部13及び判定部14を備える。音波送信端末20は、音波送信部21を備える。各部11〜14,21の処理内容は以下の通りである。なお、以下では処理内容そのものをまず形式的に説明した後に、その実質的な技術的意義ないし意味合いの説明を行うこととする。   FIG. 3 is a functional block diagram of a sound wave reception time calculation system including a sound wave reception time calculation device according to an embodiment. The sound wave reception time calculation system 100 includes a sound wave reception time calculation device 10 and a sound wave transmission terminal 20. The sound wave reception time calculation device 10 includes a sound wave reception unit 11, a first calculation unit 12, a second calculation unit 13, and a determination unit 14. The sound wave transmission terminal 20 includes a sound wave transmission unit 21. The processing content of each part 11-14, 21 is as follows. In the following description, the processing contents themselves are first described formally, and then the substantial technical significance or meaning thereof is described.

音波受信部11は、マイク等の音波を受信する機能を有するデバイスを含んで構成され、当該受信した音波を録音してそのデータを記録し、当該記録された音波受信データrec(i)(iは1≦i≦rec_lengthの整数、rec_lengthは音波受信データの長さ)を第一算出部12及び第二算出部13に提供する。なお、以下本発明の説明においては音波受信データ等の言及に際して、このように整数iによって時間軸上のサンプル番号を表すものとする。(整数iに所定のサンプリング間隔を乗じたものが実時間の値となるが、説明が煩雑となるため、整数iにより言及する。iではなくj,k等の別の文字を用いる場合も同様である。)   The sound wave reception unit 11 includes a device having a function of receiving sound waves such as a microphone, records the received sound waves, records the data, and records the sound wave reception data rec (i) (i Is an integer of 1 ≦ i ≦ rec_length, and rec_length is the length of the sound wave reception data) to the first calculation unit 12 and the second calculation unit 13. In the following description of the present invention, when referring to the sound wave reception data, the sample number on the time axis is represented by the integer i as described above. (A value obtained by multiplying an integer i by a predetermined sampling interval is a real-time value, but the explanation is complicated, so it is referred to by an integer i. The same applies when using another letter such as j or k instead of i. .)

ここで、当該音波受信データrec(i)内より、音波送信端末20における音波送信部21の送信した音波の受信時刻を検出することとなるが、当該検出対象の音波についてはその送信波形がリファレンス信号ref(i)(iは1≦i≦ref_lengthの整数、ref_lengthはリファレンス信号の長さ)として、音波受信時刻算出装置10側において既知であるものとする。   Here, the reception time of the sound wave transmitted from the sound wave transmission unit 21 in the sound wave transmission terminal 20 is detected from within the sound wave reception data rec (i), but the transmission waveform of the sound wave to be detected is a reference. It is assumed that the signal ref (i) (i is an integer of 1 ≦ i ≦ ref_length and ref_length is the length of the reference signal) is known on the sound wave reception time calculation device 10 side.

音波送信部21は、スピーカ等の音波(超音波を含む)を送信する機能を有するデバイスを含んで構成され、当該リファレンス信号ref(i)を送信する。   The sound wave transmitting unit 21 includes a device having a function of transmitting sound waves (including ultrasonic waves) such as a speaker, and transmits the reference signal ref (i).

第一算出部12は、音波受信データrec(i)とリファレンス信号ref(i)との第一相互相関関数cor1(j)を、以下の式(1)のように第一ウィンドウサイズWS1を用いて計算し、当該第一相互相関関数cor1(j)の値が第一閾値TH1を通過する最初のピークとなる時刻j(ピーク位置の時刻jであって且つ、当該ピーク位置jにおける値cor1(j)が初めて第一閾値TH1を超えている時刻j)を、第一受信時刻j=Tmax1として算出する。   The first calculation unit 12 uses the first cross-correlation function cor1 (j) between the sound wave reception data rec (i) and the reference signal ref (i), using the first window size WS1 as in the following equation (1). The time j when the value of the first cross-correlation function cor1 (j) is the first peak passing the first threshold value TH1 (the time j of the peak position and the value cor1 ( The time j) when j) first exceeds the first threshold TH1 is calculated as the first reception time j = Tmax1.

ここで、WS1=ref_lengthとすればよい。すなわち、第一ウィンドウサイズWS1は、リファレンス信号の長さref_lengthと等しい値とすればよい。この場合、リファレンス信号ref(k)の全て(1≦k≦ref_length)を相互相関関数の計算に使うことになる。一般的に、ウィンドウサイズを大きくすると、雑音との相互相関値が減少し、検出対象としての音波との相互相関値が増大し、雑音に対する音波検出のロバスト性が向上する。式(1)にて分母の項で除算することで、相互相関関数の絶対値は1以下に正規化される。   Here, WS1 = ref_length may be set. That is, the first window size WS1 may be a value equal to the reference signal length ref_length. In this case, all (1 ≦ k ≦ ref_length) of the reference signal ref (k) is used for the calculation of the cross correlation function. In general, when the window size is increased, the cross-correlation value with noise is decreased, the cross-correlation value with a sound wave as a detection target is increased, and robustness of sound wave detection with respect to noise is improved. By dividing by the denominator term in Equation (1), the absolute value of the cross-correlation function is normalized to 1 or less.

第二算出部13は、上記算出された第一受信時刻Tmax1が、本来の直接波の受信時刻であるか、あるいは、反射波の影響を受けた誤った受信時刻となっているかを検証すべく、音波受信データとリファレンス信号との第二相互相関関数を、第一受信時刻Tmax1以前の所定時間範囲内において再計算し、算出可能な場合は第二受信時刻Tmax2を算出する。なお、検証処理そのものは、第二算出部13の結果を受けて後述する判定部14が行う。   The second calculation unit 13 should verify whether the calculated first reception time Tmax1 is an original direct wave reception time or an erroneous reception time affected by the reflected wave. The second cross-correlation function between the sound wave reception data and the reference signal is recalculated within a predetermined time range before the first reception time Tmax1, and the second reception time Tmax2 is calculated if it can be calculated. Note that the verification process itself is performed by the determination unit 14 described later in response to the result of the second calculation unit 13.

ここで、第一受信時刻Tmax1が反射波の影響を受けて誤ったものであった場合、本来の直接波の受信時刻はTmax1よりも前(すなわち過去)であるので、第一受信時刻Tmax1以前の所定時間範囲{j|Tmax1-Range1≦j≦Tmax1}内が第二の相互相関関数を再計算する対象となる。   Here, if the first reception time Tmax1 is incorrect due to the influence of the reflected wave, the original direct wave reception time is earlier than Tmax1 (that is, the past). The predetermined time range {j | Tmax1-Range1 ≦ j ≦ Tmax1} is a target for recalculating the second cross-correlation function.

ここで、Range1は反射波のピークより手前に直接波のピークが含まれている範囲を指定するパラメタである。そのため、リファレンス信号長と同程度とすればよい。例えば、Range1=ref_lengthのように等しい値とすればよい。なお、当該反射波と直接波とのピークの関係については、図6を参照して後述する。   Here, Range1 is a parameter for designating a range in which the peak of the direct wave is included before the peak of the reflected wave. For this reason, the length may be approximately the same as the reference signal length. For example, an equal value such as Range1 = ref_length may be set. The peak relationship between the reflected wave and the direct wave will be described later with reference to FIG.

さらに、第二算出部13が当該範囲において第二相互相関関数cor2(j)を再計算するに際しては、第一算出部12での第一相互相関関数cor1(j)の計算とは条件を変えて計算を行う。   Further, when the second calculation unit 13 recalculates the second cross-correlation function cor2 (j) in the range, the condition is different from the calculation of the first cross-correlation function cor1 (j) in the first calculation unit 12. To calculate.

具体的には、第二算出部13では第二ウィンドウサイズWS2を用いて第二相互相関関数cor2(j)を計算し、第二相互相関関数cor2(j)の値が第二閾値TH2を通過する最初のピークとなるような時刻jを第二受信時刻j=Tmax2として算出する。ここで、以下の式(2),(3)に示すように、第二ウィンドウサイズWS2には第一ウィンドウサイズWS1よりも小さい所定値を用い、また、第二閾値TH2には第一閾値TH1以下の所定値を用いる。(なお、当該所定値を用いることの意味については図6を参照して後述する。)
WS2<WS1 …(2)
TH2≦TH1 …(3)
Specifically, the second calculation unit 13 calculates the second cross-correlation function cor2 (j) using the second window size WS2, and the value of the second cross-correlation function cor2 (j) passes the second threshold value TH2. The time j that becomes the first peak is calculated as the second reception time j = Tmax2. Here, as shown in the following formulas (2) and (3), a predetermined value smaller than the first window size WS1 is used for the second window size WS2, and the first threshold TH1 is used for the second threshold TH2. The following predetermined values are used. (The meaning of using the predetermined value will be described later with reference to FIG. 6.)
WS2 <WS1 (2)
TH2 ≦ TH1… (3)

従って、第二算出部13の算出する第二相互相関関数cor2(j)は以下の式(4)となる。すなわち、リファレンス信号ref(k)は、その全体(1≦k≦ref_length)ではなく、最初の一部分のみ(1≦k≦WS2<WS1=ref_length)が用いられることとなる。   Accordingly, the second cross-correlation function cor2 (j) calculated by the second calculation unit 13 is expressed by the following equation (4). That is, the reference signal ref (k) is not the whole (1 ≦ k ≦ ref_length) but only the first part (1 ≦ k ≦ WS2 <WS1 = ref_length).

第二算出部13では、上記算出した第二相互相関関数cor2(j)より第二受信時刻Tmax2の算出を試みるが、計算範囲(Tmax1-Range1≦j≦Tmax1)内において第二相互相関関数cor2(j)の値が第二閾値TH2を超えることがなければ、第二受信時刻Tmax2の満たすべき条件に該当するものが存在しないので、第二受信時刻Tmax2は算出不可能であるという結果を得る。   The second calculation unit 13 tries to calculate the second reception time Tmax2 from the calculated second cross-correlation function cor2 (j), but within the calculation range (Tmax1-Range1 ≦ j ≦ Tmax1), the second cross-correlation function cor2 If the value of (j) does not exceed the second threshold TH2, there is no one that satisfies the condition to be satisfied by the second reception time Tmax2, so that the second reception time Tmax2 cannot be calculated. .

判定部14は、上記第二受信時刻Tmax2が算出された場合には、第一受信時刻Tmax1は反射波の受信時刻の影響を受けて誤って算出したものであり、第二受信時刻Tmax2が本来の直接波の受信時刻であるものとして判定し、一方、上記第二受信時刻Tmax2が算出不可能であった場合は、第一受信時刻Tmax1が、誤りなく本来の直接波の受信時刻であったものとして判定する。   When the second reception time Tmax2 is calculated, the determination unit 14 erroneously calculates the first reception time Tmax1 due to the influence of the reception time of the reflected wave, and the second reception time Tmax2 is originally If the second reception time Tmax2 cannot be calculated, the first reception time Tmax1 was the original direct wave reception time without error. Judge as something.

以上、各部11〜14の処理内容を形式的な観点から説明した。以下ではその意味合いについて説明する。すなわち、本来の直接波の受信時刻が第一受信時刻Tmax1として算出される場合、あるいは第二受信時刻Tmax2として算出される場合の類型を、図4〜6のシミュレーション波形を参照してそれぞれ説明する。なお、図4〜6の例は互いに対応しており、送信波形(リファレンス信号ref(i))は共通である。また、それぞれ欄C51〜C53で示す送受信信号の関係の説明においては、図1と共通の符号(音源S100や受信機R100など)を用いる。   In the above, the processing content of each part 11-14 was demonstrated from the formal viewpoint. The meaning will be described below. That is, the types when the original reception time of the direct wave is calculated as the first reception time Tmax1 or the second reception time Tmax2 are described with reference to the simulation waveforms of FIGS. . 4 to 6 correspond to each other, and the transmission waveform (reference signal ref (i)) is common. Further, in the description of the relationship between the transmitted and received signals shown in the columns C51 to C53, the same symbols (sound source S100, receiver R100, etc.) as those in FIG. 1 are used.

図4は、第一類型として、欄C51に送受信信号の関係を示すように、音源S100(すなわち、音波送信部21)から受信機R100(すなわち、音波受信時刻算出装置10)へ直接波のみが到達し、反射波が存在しない場合を示す図である。   FIG. 4 shows only a direct wave from the sound source S100 (that is, the sound wave transmitting unit 21) to the receiver R100 (that is, the sound wave reception time calculating device 10) as the first type, as shown in the column C51. It is a figure which shows the case where it arrives and a reflected wave does not exist.

当該第一類型の場合、第一算出部12が第一受信時刻Tmax1を算出し、第二算出部13は第二受信時刻Tmax2を算出することはできず、判定部14は第一受信時刻Tmax1を直接波の受信時刻として判定する。   In the case of the first type, the first calculation unit 12 calculates the first reception time Tmax1, the second calculation unit 13 cannot calculate the second reception time Tmax2, and the determination unit 14 determines the first reception time Tmax1. Is determined as the reception time of the direct wave.

当該第一類型の場合の送信波形(すなわち、リファレンス信号ref(i))の例が欄C100に、受信信号(すなわち、音波受信データrec(i))及び第一相互相関関数cor1(j)の例が欄C101に示されている。欄C100に示すように送信波形ref(i)は、その所定の長さが0.01秒(10ミリ秒)の所定波形である。なお、設定されるサンプリング周波数を44.1kHzとすると、当該10ミリ秒のリファレンス信号ref(i)におけるサンプル数ref_length=441となる。以下、サンプル数に言及する際は、サンプリング周波数は当該設定であるものとする。   An example of the transmission waveform in the case of the first type (that is, the reference signal ref (i)) is shown in the column C100, the received signal (that is, the sound wave reception data rec (i)) and the first cross-correlation function cor1 (j). An example is shown in column C101. As shown in the column C100, the transmission waveform ref (i) is a predetermined waveform having a predetermined length of 0.01 seconds (10 milliseconds). If the sampling frequency to be set is 44.1 kHz, the number of samples ref_length = 441 in the reference signal ref (i) for 10 milliseconds is obtained. Hereinafter, when referring to the number of samples, the sampling frequency is assumed to be the setting.

これに対して、0.02秒の範囲(サンプル数rec_length=882)での受信信号rec(i)及び第一相互相関関数cor1(j)が欄C101に示されている。なお、欄C102上段側における受信信号には、現実環境を模すために、受信する直接波と同音圧の雑音(ホワイトノイズ)が加えられている。当該受信信号と送信信号とから欄C101下段側の第一相互相関関数を算出し、横線L101に示すように第一閾値TH1(ここではTH1=0.3)を用いて当該閾値を超える最初のピークが縦線T101で示すように得られ、当該時刻が第一受信時刻Tmax1となる。上段側の波形と比較して明らかなように、適切に直接波の時刻が第一受信時刻として算出されている。   On the other hand, the received signal rec (i) and the first cross-correlation function cor1 (j) in the range of 0.02 seconds (sample number rec_length = 882) are shown in the column C101. Note that noise (white noise) having the same sound pressure as the received direct wave is added to the received signal on the upper side of the column C102 in order to simulate a real environment. The first cross-correlation function on the lower side of the column C101 is calculated from the received signal and the transmitted signal, and the first peak exceeding the threshold is calculated using the first threshold TH1 (here TH1 = 0.3) as indicated by the horizontal line L101. The time is obtained as indicated by the vertical line T101, and the time is the first reception time Tmax1. As is clear from comparison with the upper waveform, the time of the direct wave is appropriately calculated as the first reception time.

図5は、第二類型として、欄C52に送受信信号の関係を示すように、音源S100から受信機R100へ直接波が到達するものの遮蔽物O100によって減衰され、一方、壁W100によって当該減衰した直接波よりも強い反射波もまた、受信機R100に到達する状況において、到達時間の関係として、減衰した直接波の方が強い反射波よりも先に受信機R100に到達し、直接波と反射波の重複は存在しない関係にある場合を示す図である。   FIG. 5 shows, as a second type, a direct wave that reaches the receiver R100 from the sound source S100 but is attenuated by the shield O100, while being directly attenuated by the wall W100. The reflected wave that is stronger than the wave also reaches the receiver R100 in a situation where it reaches the receiver R100. It is a figure which shows the case where it exists in the relationship which does not exist.

当該第二類型の場合も、第一算出部12が第一受信時刻Tmax1を算出し、第二算出部13は第二受信時刻Tmax2を算出することはできず、判定部14は第一受信時刻Tmax1を直接波の受信時刻として判定する。   Also in the case of the second type, the first calculation unit 12 calculates the first reception time Tmax1, the second calculation unit 13 cannot calculate the second reception time Tmax2, and the determination unit 14 Tmax1 is determined as the reception time of the direct wave.

当該第二類型の場合に、送信波形を図4の欄C100に示す例と同一として、欄C201に0.03秒の範囲(サンプル数rec_length=1323)における受信信号rec(i)及び第一相互相関関数cor1(j)の例が示されている。欄C201上段側に示すように、受信信号rec(i)においては、現実環境を模すため、受信する減衰した直接波と同音圧の雑音(ホワイトノイズ)が加えられ、当該減衰した直接波の3倍の音圧の反射波が、伝播経路帳の差が3.5m程度(すなわち、受信時刻差が10ミリ秒程度)を持って到達している。当該10ミリ秒は送信波形の長さであるので、受信信号rec(i)において直接波と反射波とは重複していない。   In the case of the second type, the transmission waveform is the same as the example shown in the column C100 of FIG. 4, and the received signal rec (i) and the first cross-correlation function in the column C201 in the range of 0.03 seconds (sample number rec_length = 1323) An example of cor1 (j) is shown. As shown in the upper part of column C201, in the received signal rec (i), in order to imitate the real environment, received attenuated direct wave and noise of the same sound pressure (white noise) are added, and the attenuated direct wave A reflected wave with 3 times the sound pressure reaches the propagation path book with a difference of about 3.5 m (that is, a reception time difference of about 10 milliseconds). Since the 10 milliseconds is the length of the transmission waveform, the direct wave and the reflected wave do not overlap in the reception signal rec (i).

欄C201下段側に示すように、算出される第一相互相関関数cor1(j)において、横線L201に示すように第一閾値TH1(図4と同様にTH1=0.3)を用いて、当該閾値を超える最初のピークが縦線T201で示すように得られ、当該時刻が第一受信時刻Tmax1となる。なお、第一閾値TH1(=0.3)を超える2回目のピークも縦線T202で示すように存在するが、これは反射波の受信時刻に対応するものである。こうして、上段側の波形と比較して明らかなように、第一閾値TH1(=0.3)によって、反射波と間違えることなく適切に直接波の受信時刻が第一受信時刻として算出されている。   As shown on the lower side of the column C201, in the calculated first cross-correlation function cor1 (j), the first threshold TH1 (TH1 = 0.3 as in FIG. 4) is used as shown by the horizontal line L201. The exceeding first peak is obtained as indicated by the vertical line T201, and this time becomes the first reception time Tmax1. Note that the second peak exceeding the first threshold TH1 (= 0.3) also exists as indicated by the vertical line T202, which corresponds to the reception time of the reflected wave. Thus, as is apparent from the comparison with the waveform on the upper stage, the reception time of the direct wave is appropriately calculated as the first reception time by the first threshold TH1 (= 0.3) without making a mistake with the reflected wave.

図6は、第三類型として、欄C53に送受信信号の関係を示すように、第二類型の場合と同様に音源S100から受信機R100へと遮蔽物O100によって減衰された直接波が到達し、これより強い反射波もまた到達する状況において、第二類型の場合とは異なり、到達時間の関係として、減衰した直接波と強い反射波との両者が重複部分を有して受信機R100に到達してしまう関係にある場合を示す図である。   As shown in FIG. 6, as the third type, the direct wave attenuated by the shield O100 arrives from the sound source S100 to the receiver R100, as in the case of the second type, as shown in the column C53 in the relationship between transmission and reception signals. In a situation where a reflected wave that is stronger than this also arrives, unlike the case of the second type, the arrival time relationship is such that both the attenuated direct wave and the strong reflected wave overlap with each other and reach the receiver R100. It is a figure which shows the case where it exists in the relationship which carries out.

当該第三類型の場合、第一算出部12が第一受信時刻Tmax1を算出するが、当該時刻は反射波の影響を受けて本来の直接波の到達時刻ではないものとなってしまっている。そして、これを修正するものとして、第二算出部13が第二受信時刻Tmax2の算出に成功し、判定部14は第二受信時刻Tmax2を直接波の受信時刻として判定する。   In the case of the third type, the first calculation unit 12 calculates the first reception time Tmax1, but the time is affected by the reflected wave and is not the arrival time of the original direct wave. In order to correct this, the second calculation unit 13 succeeds in calculating the second reception time Tmax2, and the determination unit 14 determines the second reception time Tmax2 as the reception time of the direct wave.

当該第三類型の場合に、送信波形を図4の欄C100に示す例(長さ10ミリ秒)と同一として、欄C301に0.02秒の範囲(サンプル数rec_length=882)における受信信号rec(i)並びに第一相互相関関数cor1(j)及び第二相互相関関数cor2(j)の例が示されている。なお、第二相互相関関数cor2(j)は、その算出手法を式(4)で説明したように実際には当該0.02秒の全範囲で算出する必要はないが、欄C301下段側に示す例においては、上段及び中段との対比による理解促進の観点から、全範囲で算出したものが示されている。   In the case of the third type, the transmission waveform is the same as the example (length 10 milliseconds) shown in the column C100 in FIG. 4, and the received signal rec (i in the range 0.02 seconds (number of samples rec_length = 882) is stored in the column C301. ) And a first cross-correlation function cor1 (j) and a second cross-correlation function cor2 (j) are shown. Note that the second cross-correlation function cor2 (j) actually does not have to be calculated over the entire range of 0.02 seconds as described in Equation (4), but the example shown on the lower side of column C301 The figure shows the values calculated over the entire range from the viewpoint of promoting understanding through comparison with the upper and middle stages.

欄C301上段側に示すように、受信信号rec(i)においては、現実環境を模すため、受信する減衰した直接波と同音圧の雑音が加えられ、当該減衰した直接波の3倍の音圧の反射波が、伝播経路長の差として1m程度(すなわち、受信時刻差が3ミリ秒程度)を持って到達している。すなわち、図6の例では直接波、反射波、雑音の音圧関係は図5の例と共通であり、到達時間の関係が図5の例よりも縮まっており、図5の例では存在しなかった直接波及び反射波の重複が存在している。こうして、受信信号rec(i)においては、長さ10ミリ秒の減衰した直接波のうち、後ろ側の7ミリ秒程度の部分が、強い反射波と重なってしまうこととなる。   As shown in the upper part of column C301, in the received signal rec (i), noise of the same sound pressure as that of the attenuated direct wave to be received is added to imitate the real environment, and the sound is three times the attenuated direct wave. The reflected wave of pressure arrives with a propagation path length difference of about 1 m (that is, a reception time difference of about 3 milliseconds). That is, in the example of FIG. 6, the sound pressure relationship between the direct wave, the reflected wave, and the noise is the same as that of the example of FIG. 5, and the relationship of the arrival time is narrower than that of the example of FIG. There was an overlap of direct and reflected waves that did not exist. Thus, in the received signal rec (i), the portion of the rear side of about 7 milliseconds out of the attenuated direct wave having a length of 10 milliseconds overlaps with the strong reflected wave.

このように、弱い直接波が強い反射波と重なってしまっているため、第一相互相関関数における直接波の部分は、反射波の部分による影響を大きく受けて、そのピーク値が本来の値より小さくなってしまう。すなわち、欄C301中段部に示す第一相互相関関数cor1(j)において、横線L301に示すように第一閾値TH1(=0.3)を用いて、当該閾値を超える最初のピークを縦線T302で示すように得て、当該時刻を第一受信時刻Tmax1として算出しても、当該第一受信時刻Tmax1は上段側の受信信号の波形と比較して明らかなように、本来の直接波の到達時刻ではなく、反射波の到達時刻の影響を受けたものとなっている。本来の直接波の到達時刻は縦線T301で示すピーク位置の時刻(あるいは当該時刻の付近)であるが、反射波が重なることの影響でそのピーク値が小さくなってしまっており、当該ピーク時刻は横線L301に示す第一閾値TH1(=0.3)では検出されない。   In this way, since the weak direct wave overlaps the strong reflected wave, the direct wave part in the first cross-correlation function is greatly affected by the reflected wave part, and its peak value is higher than the original value. It gets smaller. That is, in the first cross-correlation function cor1 (j) shown in the middle part of the column C301, the first peak exceeding the threshold is indicated by the vertical line T302 using the first threshold TH1 (= 0.3) as shown by the horizontal line L301. Thus, even if the time is calculated as the first reception time Tmax1, the first reception time Tmax1 is clearly compared with the waveform of the reception signal on the upper stage, so that the original direct wave arrival time is However, it is influenced by the arrival time of the reflected wave. The original arrival time of the direct wave is the time of the peak position indicated by the vertical line T301 (or in the vicinity of the time), but the peak value has decreased due to the overlapping of the reflected waves, and the peak time Is not detected at the first threshold TH1 (= 0.3) indicated by the horizontal line L301.

そこで、欄C301下段側に示すように第二相互相関関数cor2(j)を算出し、横線L401で示すように、第一相互相関関数の第一閾値TH1(=0.3)以下の第二閾値TH2(=0.25)を用いて、第一受信時刻Tmax1(=縦線T302の位置=縦線T402の位置)よりも前方の所定範囲(=式(4)のRange1の長さの範囲)を解析することで、当該範囲内において最初に第二閾値TH2(=0.25)を超えるピーク位置として、縦線T401に示すように第二受信時刻Tmax2が算出される。上段側の受信信号の波形と比較して明らかなように、以上のような第二相互相関関数cor2(j)の解析により、第一相互相関関数cor1(j)では反射波に埋もれてしまっていた直接波の到達時刻を、適切に第二受信時刻として算出することができる。   Therefore, the second cross-correlation function cor2 (j) is calculated as shown on the lower side of the column C301, and the second threshold TH2 equal to or lower than the first threshold TH1 (= 0.3) of the first cross-correlation function as shown by the horizontal line L401. (= 0.25) is used to analyze a predetermined range ahead of the first reception time Tmax1 (= position of the vertical line T302 = position of the vertical line T402) (= the range of the length of Range1 in Expression (4)) Thus, the second reception time Tmax2 is calculated as indicated by the vertical line T401 as the peak position that first exceeds the second threshold TH2 (= 0.25) within the range. As is clear from the waveform of the received signal on the upper side, the first cross-correlation function cor1 (j) is buried in the reflected wave by the analysis of the second cross-correlation function cor2 (j) as described above. The arrival time of the direct wave can be appropriately calculated as the second reception time.

図6の例より明らかなように、第一相互相関関数の解析に用いた第一ウィンドウサイズWS1よりも小さい第二ウィンドウサイズWS2を第二相互相関関数の解析において用いるのは、直接波の後半側の相当部分が反射波と重なり、埋もれてしまう状況において、直接波の当該重なりが存在せず埋もれていない最初の側の部分のみを検出に利用するためである。また、第二閾値TH2を第一閾値TH1以下として設定するのは、一般にウィンドウサイズを小さくするとロバスト性が下がるという関係があるので、より確実な検出を達成するためである。「以下」であるので、TH2=TH1と設定してもよい。   As apparent from the example of FIG. 6, the second window size WS2 smaller than the first window size WS1 used for the analysis of the first cross-correlation function is used in the analysis of the second cross-correlation function. This is because, in a situation where the corresponding portion on the side overlaps with the reflected wave and is buried, only the first portion that is not buried because there is no direct wave overlap is used for detection. The reason why the second threshold value TH2 is set to be equal to or less than the first threshold value TH1 is to achieve more reliable detection because there is a relationship that the robustness generally decreases when the window size is reduced. Since it is “below”, TH2 = TH1 may be set.

なお、具体的な数値例として、図6の欄C301の例では、第一ウィンドウサイズWS1=ref_size=441サンプル(=10ミリ秒)であり、第二ウィンドウサイズWS2=100サンプル(≒2.3ミリ秒)である。当該第二ウィンドウサイズWS2は、直接波が反射波に埋もれていない部分の長さである3ミリ秒よりも短いため、当該埋もれていない部分の直接波を適切に検出することが可能となる。   As a specific numerical example, in the example of the column C301 in FIG. 6, the first window size WS1 = ref_size = 441 samples (= 10 milliseconds) and the second window size WS2 = 100 samples (≈2.3 milliseconds). ). Since the second window size WS2 is shorter than 3 milliseconds which is the length of the portion where the direct wave is not buried in the reflected wave, it is possible to appropriately detect the direct wave of the portion not buried.

なおまた、図4,5の第一、第二類型の場合においては、第一受信時刻Tmax1が既に直接波の本来の受信時刻であり、(偶然、類似の音源が他にも存在していたというような例外的事態が発生していない限り、)これより前の所定部分(Range1の長さの部分)には意味ある信号は存在しないので、第二相互相関関数cor2(j)を算出しても第二閾値TH2を超えるようなピーク位置としての第二受信時刻Tmax2が算出されることはない。従って、第一受信時刻Tmax1が直接波の受信時刻であると判定される。   4 and 5, the first reception time Tmax1 is already the original reception time of the direct wave, and (accidentally, other similar sound sources existed. Unless there is an exceptional situation like this), there is no meaningful signal in the predetermined part (the length of Range1) before this, so calculate the second cross-correlation function cor2 (j) However, the second reception time Tmax2 as the peak position exceeding the second threshold TH2 is not calculated. Therefore, it is determined that the first reception time Tmax1 is a direct wave reception time.

図7は、以上図4〜6で説明した第一〜第三類型におけるそれぞれの相互相関関数と判定される本来の直接波の受信時刻とをまとめて模式的に示す図である。[1]に示す第一類型では、減衰したあるいは減衰していない直接波のみが到達し、第一相互相関関数が第一閾値TH1を初めて超える位置として第一受信時刻Tmax1が算出され、これがそのまま直接波の受信時刻と判定される。[2]に示す第二類型では、減衰した直接波の到達後に強い直接波が到達するが、時間軸上の重複はないため、やはり同じく第一受信時刻Tmax1が直接波の受信時刻と判定される。[3]に示す第三類型では、減衰した直接波の後半側が強い反射波に埋もれる形で音波受信が行われ、第一受信時刻Tmax1ではなく、第二相互相関関数に対する第二閾値TH2(及び第二ウィンドウサイズWS2)による第二受信時刻Tmax2が、直接波の受信時刻と判定される。   FIG. 7 is a diagram schematically showing the cross-correlation functions in the first to third types described above with reference to FIGS. 4 to 6 and the reception time of the original direct wave determined. In the first type shown in [1], only the attenuated or non-attenuated direct wave arrives, and the first reception time Tmax1 is calculated as the position where the first cross-correlation function exceeds the first threshold TH1 for the first time, and this is used as it is. The reception time of the direct wave is determined. In the second type shown in [2], a strong direct wave arrives after the arrival of the attenuated direct wave, but since there is no overlap on the time axis, the first reception time Tmax1 is also determined as the direct wave reception time. The In the third type shown in [3], sound wave reception is performed in such a way that the second half side of the attenuated direct wave is buried in a strong reflected wave, and not the first reception time Tmax1, but the second threshold TH2 (and the second cross-correlation function). The second reception time Tmax2 based on the second window size WS2) is determined as the direct wave reception time.

以上のように、本発明によれば、第一及び第二相互相関関数の双方を解析することにより、第一、第二類型のように、第一受信時刻Tmax1において正常に直接波の受信時刻が算出されている場合には当該結果をそのまま採用し、第三類型のように反射波の影響で誤った受信時刻が算出されている場合には、当該結果を第二受信時刻Tmax2へと修正することで、本来の直接波の受信時刻へと修正することが可能となる。   As described above, according to the present invention, by analyzing both the first and second cross-correlation functions, the direct wave reception time can be normally obtained at the first reception time Tmax1 as in the first and second types. If the value is calculated, the result is used as it is. If an incorrect reception time is calculated due to the influence of the reflected wave as in the third type, the result is corrected to the second reception time Tmax2. By doing so, it is possible to correct the reception time of the original direct wave.

すなわち、本発明によれば、測距等の用途において特に精度が要求される音波受信時刻の算出において、人体遮蔽や反射の影響により直接波が自身より受信音圧の強い反射波に埋もれてしまった場合でも、相互相関関数のウィンドウサイズを調整することで直接波の受信時刻の算出を図り、音波受信時刻の誤差増大を低減することができる。   In other words, according to the present invention, in calculation of the sound wave reception time that requires particularly high accuracy in applications such as distance measurement, the direct wave is buried in the reflected wave having a higher received sound pressure than itself due to the influence of human body shielding and reflection. Even in this case, it is possible to calculate the reception time of the direct wave by adjusting the window size of the cross-correlation function, and to reduce an increase in the error of the sound wave reception time.

なお、当該修正され求まった第二受信時刻Tmax2の精度をさらに高めるために、判定部14において次の追加処理により求められる第三受信時刻Tmax3を、第二受信時刻Tmax2に代わる最終的な直接波の受信時刻とするようにしてもよい。   In order to further improve the accuracy of the corrected second reception time Tmax2, the third reception time Tmax3 obtained by the following additional processing in the determination unit 14 is changed to the final direct wave instead of the second reception time Tmax2. You may make it be the reception time of.

すなわち、Tmax2-Range2からTmax2+Range2の範囲において、第一ウィンドウサイズWS1を用いた場合の相互相関関数(すなわち、第一算出部12にて既に算出されている第一相互相関関数cor1(j))が第三閾値TH3を最初に超過するピークの位置を、直接波の第三受信時刻Tmax3として算出し、第二受信時刻Tmax2に代わる最終的な結果とする。   That is, the cross-correlation function when the first window size WS1 is used in the range from Tmax2-Range2 to Tmax2 + Range2 (that is, the first cross-correlation function cor1 (j) already calculated by the first calculation unit 12) ) Is first calculated as the third reception time Tmax3 of the direct wave, and the final result is substituted for the second reception time Tmax2.

第三閾値TH3はTH3<TH1として設定しておく。第三閾値TH3を第一閾値TH1より小さく設定することで、反射波の影響で埋もれている直接波のピークを検出する。探索範囲を定めるRange2の値については、例えばRange2=ref_length/2(すなわち2*Range2=ref_length)として、第二相互相関関数cor2(j)の確認範囲であるRange1の場合と同様に、リファレンス信号の長さと同程度の範囲を設定すればよい。   The third threshold TH3 is set as TH3 <TH1. By setting the third threshold TH3 to be smaller than the first threshold TH1, the peak of the direct wave buried by the influence of the reflected wave is detected. For the value of Range2 that defines the search range, for example, as Range2 = ref_length / 2 (ie, 2 * Range2 = ref_length), as in the case of Range1 that is the confirmation range of the second cross-correlation function cor2 (j), A range similar to the length may be set.

なお、以上の第三受信時刻Tmax3を第二受信時刻Tmax2の代わりの結果として用いる実施形態は、図6の例であれば、欄C301に示す第二相互相関関数のピーク位置としてT401を見つけた後に、当該位置の周辺を第一相互相関関数において第三閾値TH3を用いて確認することで、第一閾値TH1を用いた当初においては発見できなかったピーク位置T301を最終的な結果として採用することに相当する。   In the embodiment using the above third reception time Tmax3 as a result instead of the second reception time Tmax2, in the example of FIG. 6, T401 was found as the peak position of the second cross-correlation function shown in the column C301. Later, by confirming the periphery of the position using the third threshold TH3 in the first cross-correlation function, the peak position T301 that could not be found at the beginning using the first threshold TH1 is adopted as the final result. It corresponds to that.

なおまた、判定部14において以上の追加処理により第三受信時刻Tmax3の算出を試みたが、条件に該当するものが見つからなかった場合には、第二受信時刻Tmax2を最終結果としての直接波の受信時刻として採用すればよい。   In addition, the determination unit 14 tried to calculate the third reception time Tmax3 by the additional processing described above, but if the corresponding condition was not found, the second reception time Tmax2 was determined as the final result of the direct wave. What is necessary is just to employ | adopt as reception time.

以上、図3の音波受信時刻算出装置10は、その用途上において波形が既知の音波の直接波の受信時刻を正確に算出する必要があるような任意のシステムに適用可能であり、第三類型における反射波の影響を除外することにより、直接波の正確な受信時刻の算出に寄与することができる。以下、音波受信時刻算出装置10の適用が好適なシステムの例として、距離推定システムを紹介する。   As described above, the sound wave reception time calculation device 10 of FIG. 3 can be applied to any system in which it is necessary to accurately calculate the reception time of a direct wave of a sound wave whose waveform is known in its application. By excluding the influence of the reflected wave at, it is possible to contribute to the calculation of the accurate reception time of the direct wave. Hereinafter, a distance estimation system will be introduced as an example of a system to which the sound wave reception time calculation device 10 is preferably applied.

図8は、一実施形態に係る距離推定システム200の機能ブロック図である。距離推定システム200は、親機P10及び子機C10を備え、前述の非特許文献2(Beepbeep)の手法を用いて距離推定部15Pが当該親機P10、子機C10間の距離を推定する。親機P10は、制御信号送受部5P、音波受信時刻算出装置10P、音波送信部21P及び距離推定部15Pを備える。子機C10は、制御信号送受部5C、音波受信時刻算出装置10C及び音波送信部21Cを備える。   FIG. 8 is a functional block diagram of the distance estimation system 200 according to an embodiment. The distance estimation system 200 includes a parent device P10 and a child device C10, and the distance estimation unit 15P estimates the distance between the parent device P10 and the child device C10 using the method of Non-Patent Document 2 (Beepbeep) described above. Base unit P10 includes a control signal transmission / reception unit 5P, a sound wave reception time calculation device 10P, a sound wave transmission unit 21P, and a distance estimation unit 15P. The subunit C10 includes a control signal transmission / reception unit 5C, a sound wave reception time calculation device 10C, and a sound wave transmission unit 21C.

制御信号送受部5P,5C間では、互いに無線信号を送受することにより、親機P10、子機C10間でBeepbeep手法において必要となる制御信号(音波送受タイミング設定のための時刻同期など)や、距離算出に必要な情報(送受する音波信号データの情報や双方における音波の送受時刻)の送受が行われる。当該無線信号にはWi-FiやBluetooth等の電波、あるいは3GやLTE等の基地局経由の通信が利用できる。また、情報送受が可能な所定規格の音波/超音波を当該無線信号に利用してもよい。   Between the control signal transmission / reception units 5P and 5C, by transmitting and receiving radio signals to and from each other, a control signal required in the Beepbeep method between the parent device P10 and the child device C10 (such as time synchronization for sound wave transmission / reception timing setting), Information necessary for distance calculation (information of sound wave signal data to be transmitted / received and sound wave transmission / reception times at both sides) is transmitted / received. The wireless signal can be a radio wave such as Wi-Fi or Bluetooth, or communication via a base station such as 3G or LTE. Further, a predetermined standard sound wave / ultrasonic wave capable of transmitting and receiving information may be used for the radio signal.

音波受信時刻算出装置10P,10Cと、音波送信部21P,21Cとはそれぞれ、図3で説明した音波受信時刻算出装置10及び音波送信部21と共通であり、Beepbeepの手法の枠組みの中で反射波の影響を除外した受信時刻が算出される。すなわち、子機C10から親機P10側へ送信される音波に関して、音波送信部21Cが送信した音波を音波受信時刻算出装置10Pが受信し、反射波の影響を除外してその受信時刻を算出する。同様に、親機P10から子機C10側へ送信される音波に関して、音波送信部21Pが送信した音波を音波受信時刻算出装置10Cが受信し、反射波の影響を除外してその受信時刻を算出する。   The sound wave reception time calculation devices 10P and 10C and the sound wave transmission units 21P and 21C are respectively common to the sound wave reception time calculation device 10 and the sound wave transmission unit 21 described in FIG. 3, and are reflected within the framework of the Beepbeep technique. The reception time excluding the influence of the wave is calculated. That is, regarding the sound wave transmitted from the child device C10 to the parent device P10 side, the sound wave reception time calculating device 10P receives the sound wave transmitted by the sound wave transmitting unit 21C, and calculates the reception time by excluding the influence of the reflected wave. . Similarly, regarding the sound wave transmitted from the parent device P10 to the child device C10 side, the sound wave reception time calculation device 10C receives the sound wave transmitted by the sound wave transmission unit 21P, and calculates the reception time by excluding the influence of the reflected wave. To do.

図9は、距離推定システム200による距離推定のフローチャートである。ステップS1では、制御信号送受部5P,5C間において通信チャネルを確立し、後述のステップS3で互いに送受する音波の情報(リファレンス信号ref(i)の情報)を親機P10及び子機C10間で互いに共有し、また互いに所定精度で時計合わせを行ってから、ステップS2へ進む。当該ステップS1では、距離推定システム200の用途に応じて、認証等を実施してもよい。なお、親機P10が送信する音波を音波P、子機C10が送信する音波を音波Cとする。   FIG. 9 is a flowchart of distance estimation by the distance estimation system 200. In step S1, a communication channel is established between the control signal transmission / reception units 5P and 5C, and information on sound waves (information on the reference signal ref (i)) transmitted and received between each other in step S3 described later is transmitted between the parent device P10 and the child device C10. The clocks are shared with each other and the clocks are set with a predetermined accuracy, and then the process proceeds to step S2. In step S1, authentication or the like may be performed according to the use of the distance estimation system 200. Note that a sound wave transmitted from the parent device P10 is a sound wave P, and a sound wave transmitted from the child device C10 is a sound wave C.

ステップS2では、次のステップS3におけるBeepbeep方式での音波送受を開始する旨の合図を、親機P10の制御信号送受部5Pより子機C10の制御信号送受部5Cへと通知してから、ステップS3へ進む。なお、当該合図に従って親機P10及び子機C10では録音を開始することで、前述の受信信号rec(i)を所定長rec_lengthを有するものとして、双方において用意することが可能となる。   In step S2, after notifying the control signal transmission / reception unit 5C of the slave unit C10 from the control signal transmission / reception unit 5P of the parent device P10, a signal to start sound transmission / reception in the next step S3 in the Beepbeep method, Proceed to S3. Note that, by starting recording in base unit P10 and handset C10 in accordance with the signal, it is possible to prepare the above-described received signal rec (i) as having a predetermined length rec_length on both sides.

ステップS3では、親機P10及び子機C10の間でBeepbeep方式による音波の送受信を行い、互いにその送受時刻を求めてから、ステップS4へと進む。ここで図示しているように、親機P10においては、自身による音波Pの送信時刻TP_Sと、子機C10側から送信された音波Cの受信時刻TP_Rと、を求める。子機C10においても同様に、自身による音波Cの送信時刻TC_Sと、親機P10側から送信された音波Pの受信時刻TC_Rと、を求める。 In step S3, sound waves are transmitted / received between the parent device P10 and the child device C10 by the Beepbeep method, and the transmission / reception times thereof are obtained from each other. As here shown, in the base unit P10, it obtains a transmission time T P_S of waves P by itself, and the reception time T P_r of waves C that are transmitted from the child device C10 side. Similarly, the slave device C10 obtains the transmission time T C_S of the sound wave C by itself and the reception time T C_R of the sound wave P transmitted from the parent device P10 side.

図10は、当該4種類の送受時刻を説明するための図である。親機P10は、音波Pを送信するスピーカPSと、音波P,Cを録音するマイクPMとを備え、子機C10は、音波Cを送信するスピーカCSと、音波P,Cを録音するマイクCMとを備えている。図示するように、親機P10において、自身による音波Pの送信時刻TP_Sとは、自身のスピーカPSの送信した音波Pを自身のマイクPMが受信した時刻であり、子機C10側から送信された音波Cの受信時刻TP_Rとは、相手側のスピーカCSの送信した音波Cを自身のマイクPMが受信した時刻である。同様に、子機C10において、自身による音波Cの送信時刻TC_Sとは、自身のスピーカCSの送信した音波Cを自身のマイクCMが受信した時刻であり、親機P10側から送信された音波Pの受信時刻TC_Rとは、相手側のスピーカPSの送信した音波Pを自身のマイクCMが受信した時刻である。 FIG. 10 is a diagram for explaining the four types of transmission / reception times. The base unit P10 includes a speaker PS that transmits sound waves P and a microphone PM that records sound waves P and C. The handset C10 includes a speaker CS that transmits sound waves C and a microphone CM that records sound waves P and C. And. As shown in the figure, in the parent device P10, the transmission time T P_S of the sound wave P by itself is the time when the microphone PM received the sound wave P transmitted by its own speaker PS and is transmitted from the child device C10 side. The reception time TP_R of the sound wave C is the time at which the microphone PM of the sound wave C transmitted from the speaker CS of the other party is received. Similarly, in the child device C10, the transmission time T C_S of the sound wave C by itself is the time when the microphone CM receives the sound wave C transmitted by the speaker CS, and the sound wave transmitted from the parent device P10 side. The reception time T C_R of P is the time when the microphone CM of itself receives the sound wave P transmitted from the speaker PS on the other side.

従って、送信時刻TP_S及び受信時刻TP_Rは親機P10の録音において管理されている時計に基づく時刻であり、送信時刻TC_S及び受信時刻TC_Rは子機C10の録音において管理されている時計に基づく時刻である。Beepbeep方式によれば、当該双方の時計に所定のズレがあっても、当該ズレを吸収して高精度に距離を推定することが可能である。 Therefore, the transmission time T P_S and the reception time T P_R are times based on the clock managed in the recording of the parent device P10, and the transmission time T C_S and the reception time T C_R are clocks managed in the recording of the child device C10. It is time based on. According to the Beepbeep method, even if there is a predetermined shift between both the watches, it is possible to estimate the distance with high accuracy by absorbing the shift.

ここで特に、受信時刻TP_R及びTC_Rを算出する際に、音波受信時刻算出装置10P及び10Cによって、反射波の影響を除外した形での直接波の受信時刻として算出することが可能となる。一般に親機P10及び子機C10の双方においてマイク及びスピーカは筐体内で十分に近接していると考えられるので、送信時刻TP_S及びTC_Sの算出の際には反射波の影響があることは想定され難いが、当該送信時刻を求める際にも音波受信時刻算出装置10P及び10Cによって、反射波の影響を除外するようにしてよい。 Here, in particular, when calculating the reception times T P_R and T C_R , it is possible to calculate the reception time of the direct wave in a form excluding the influence of the reflected wave by the sound wave reception time calculation devices 10P and 10C. . In general, the microphone and speaker are considered to be sufficiently close together in the case in both the base unit P10 and the base unit C10, so there is an influence of reflected waves when calculating the transmission times TP_S and TC_S. Although it is difficult to imagine, the influence of the reflected wave may be excluded by the sound wave reception time calculation devices 10P and 10C when obtaining the transmission time.

なお、明らかなように、図10で説明したスピーカとは、図8では音波送信部21P,21Cに相当する。また、図10で説明したマイクとは、図8では音波受信時刻算出装置10P,10C内の機能ブロックとしての、図3における音波受信部11に相当する。   As is clear, the speaker described in FIG. 10 corresponds to the sound wave transmitting units 21P and 21C in FIG. Further, the microphone described in FIG. 10 corresponds to the sound wave receiving unit 11 in FIG. 3 as a functional block in the sound wave reception time calculation devices 10P and 10C in FIG.

図9の説明に戻り、ステップS4では、子機C10の制御信号送受部5Cより親機P10の制御信号送受部5Pへと、子機C10におけるステップS3での送受時刻(送信時刻TC_S及び受信時刻TC_R)を通知してから、ステップS5へ進む。 Returning to the description of FIG. 9, in step S4, the control signal transmission / reception unit 5C of the slave unit C10 transfers the control signal transmission / reception unit 5P of the master unit P10 to the transmission / reception time (transmission time TC_S and reception) in step S3. After notifying the time T C_R ), the process proceeds to step S5.

ステップS5では、距離推定部15Pが親機P10及び子機C10間の距離を推定する。当該推定は、以下の式(5)〜(8)のように、親機P10側の送受間隔TPと子機C10側での送受間隔TCとを算出したうえで、当該両間隔の差の平均として音波の伝搬時間ToFを算出し、音速cを乗ずることで、距離Dが推定される。 In step S5, the distance estimation unit 15P estimates the distance between the parent device P10 and the child device C10. The estimation is as shown in the following expression (5) to (8), after calculating the transmission and reception interval T C in transmission and reception intervals in the base unit P10 side T P and the slave unit C10 side, the difference of the two intervals The distance D is estimated by calculating the sound wave propagation time ToF and multiplying by the sound velocity c.

TP=TP_R-TP_S …(5)
TC=TC_S-TC_R …(6)
ToF=(TP -TC)/2 …(7)
D=ToF*c …(8)
T P = T P_R -T P_S (5)
T C = T C_S -T C_R (6)
ToF = (T P -T C ) / 2 (7)
D = ToF * c… (8)

なお、上記により親機P10と子機C10との間の距離Dが算出される原理については、前述の非特許文献2(Beepbeep)その他において開示され周知であるので、その説明は省略する。なお、当該原理は周知のNTP(ネットワークタイムプロトコル)における時計合わせの原理とも共通である。   Note that the principle of calculating the distance D between the parent device P10 and the child device C10 as described above is disclosed and well known in the above-mentioned Non-Patent Document 2 (Beepbeep) and others, and the description thereof will be omitted. This principle is also common to the clock adjustment principle in the well-known NTP (Network Time Protocol).

以上、図8,9の実施形態による距離推定システム200によれば、Beepbeepの手法により、親機P10及び子機C10の間で高精度に時計が合っていなくとも、当該両者の間の距離Dを推定することができる。この際、音波受信時刻算出装置10P,10Cにより、反射波の影響を除外して正確に直接波の受信時刻を算出することで、送受時刻に基づいて算出される距離Dも正確に推定することが可能となる。   As described above, according to the distance estimation system 200 according to the embodiment of FIGS. 8 and 9, the distance D between the master unit P10 and the slave unit C10 is not accurately set by the Beepbeep method even if the clock is not accurately set. Can be estimated. At this time, the sound wave reception time calculation devices 10P and 10C can accurately estimate the distance D calculated based on the transmission / reception time by accurately calculating the reception time of the direct wave without the influence of the reflected wave. Is possible.

次に、親機P10及び子機C10の間で高精度な時計合わせを行う前提で、当該両者の間の距離Dを推定する、別の一実施形態に係る距離推定システム300を説明する。図8は、当該別の一実施形態に係る距離推定システム300の機能ブロック図である。距離推定システム300は親機P10及び子機C10を備える。親機P10は、制御信号送受部5P、音波送信部21P及び距離推定部15Pを備える。子機C10は、制御信号送受部5C及び音波受信時刻算出装置10Cを備える。   Next, a distance estimation system 300 according to another embodiment that estimates the distance D between the master device P10 and the slave device C10 on the premise of performing highly accurate time adjustment will be described. FIG. 8 is a functional block diagram of a distance estimation system 300 according to another embodiment. The distance estimation system 300 includes a parent device P10 and a child device C10. Base unit P10 includes control signal transmission / reception unit 5P, sound wave transmission unit 21P, and distance estimation unit 15P. The subunit | mobile_unit C10 is provided with the control signal transmission / reception part 5C and the sound wave reception time calculation apparatus 10C.

図11に示す距離推定システム300においては、図8の距離推定システム200と異なり、高精度な時計合わせを前提とするので、音波は双方向ではなく単方向のみに送受すればよい。当該単方向の送受を担うのが音波送信部21P及び音波受信時刻算出装置10Cであり、その機能は図3に示した音波送信部21及び音波受信時刻算出装置10と共通である。図11に示す制御信号送受部5P,5Cは図8に示したのと共通の無線信号を送受するが、当該実施形態に応じた情報が送受される。図11に示す距離推定部15Pは、当該実施形態に応じた手法で距離Dを推定する。   In the distance estimation system 300 shown in FIG. 11, unlike the distance estimation system 200 in FIG. 8, it is premised on highly accurate time adjustment, so that sound waves need to be transmitted and received only in one direction, not in both directions. The sound wave transmission unit 21P and the sound wave reception time calculation device 10C are responsible for the unidirectional transmission and reception, and the functions are the same as those of the sound wave transmission unit 21 and the sound wave reception time calculation device 10 shown in FIG. The control signal transmission / reception units 5P and 5C shown in FIG. 11 transmit and receive the same wireless signal as shown in FIG. 8, but information according to the embodiment is transmitted and received. The distance estimation unit 15P illustrated in FIG. 11 estimates the distance D by a method according to the embodiment.

図12は、距離推定システム300による距離推定のフローチャートである。ステップS11では、制御信号送受部5P,5C間において通信チャネルを確立し、後述のステップS13で親機P10から子機C10へと単方向に送信する音波の情報(リファレンス信号ref(i)の情報)を送信側の子機C10に通知し、また互いに高精度の時計合わせを行ってから、ステップS12へ進む。当該ステップS11では、距離推定システム300の用途に応じて、認証等を実施してもよい。   FIG. 12 is a flowchart of distance estimation by the distance estimation system 300. In step S11, a communication channel is established between the control signal transmission / reception units 5P and 5C, and in step S13, which will be described later, information on sound waves transmitted in a single direction from the parent device P10 to the child device C10 (information on the reference signal ref (i)) ) To the transmitting-side slave unit C10, and after performing high-precision clock alignment with each other, the process proceeds to step S12. In step S11, authentication or the like may be performed according to the use of the distance estimation system 300.

ステップS12では、単方向の音波の送信を開始する旨の合図を、親機P10の制御信号送受部5Pより子機C10の制御信号送受部5Cへと通知してから、ステップS13へ進む。当該合図を受けて子機C10では録音を開始し、前述の受信信号rec(i)を所定長rec_lengthを有するものとして用意することができる。   In step S12, the control signal transmitting / receiving unit 5P of the parent device P10 notifies the control signal transmitting / receiving unit 5C of the child device C10 of a signal to start transmission of the unidirectional sound wave, and then proceeds to step S13. In response to the signal, the slave unit C10 starts recording, and the received signal rec (i) described above can be prepared as having a predetermined length rec_length.

ステップS13では、親機P10において音波送信部21Pが音波を送信すると共にその送信時刻TSを求め、子機C10において音波受信時刻算出装置10Cが当該音波を受信してその受信時刻TRを求めてから、ステップS14へ進む。ステップS14では、子機C10の制御信号送受部5Cより親機P10の制御信号送受部5Pへと、ステップS3での受信時刻TRを通知してから、ステップS15へ進む。 In step S13, obtains the transmission time T S along with wave transmitting unit 21P in the master unit P10 sends the sound waves, the receiving time T R determined wave reception time calculation apparatus 10C in the slave unit C10 has received the wave Then, go to step S14. In step S14, to the control signal transmission and reception unit 5P of the master unit P10 from the control signal transmitting and receiving section 5C of the slave unit C10, from the notification reception time T R at step S3, the process proceeds to step S15.

ステップS15では、距離推定部15Pが、以下の式(9)により親機P10及び子機C10の間の距離Dを推定する。前述のステップS11において高精度に時計合わせが行われる前提であるので、親機P10側の時計における送信時刻TRと子機C10側の時計における受信時刻TCとの差をそのまま音波の伝搬時間として用い、音速cを乗じたのが式(9)である。
D=(TR-TS)*c …(9)
In step S15, the distance estimation unit 15P estimates the distance D between the parent device P10 and the child device C10 by the following equation (9). Since assuming the time adjustment is performed in step S11 described above with high precision, it is sound propagation time of the difference between the receiving time T C in the clock of the transmission time T R and the slave unit C10 side in clock of the master unit P10 side Equation (9) is obtained by multiplying by the sound velocity c.
D = (T R -T S ) * c (9)

以下、本発明における補足的事項を説明する。   Hereinafter, supplementary matters in the present invention will be described.

(1)図8,11で説明した距離推定システム200,300においては、距離推定部15Pを親機P10の側に設けるものとして説明したが、子機C10側に距離推定部15Cとして設けるようにしてもよいし、親機P10及び子機C10の両者に設けるようにしてもよい。   (1) In the distance estimation systems 200 and 300 described with reference to FIGS. 8 and 11, the distance estimation unit 15P is described as being provided on the parent device P10 side, but may be provided as the distance estimation unit 15C on the child device C10 side. Alternatively, it may be provided in both the parent device P10 and the child device C10.

(2)図8,11で説明した距離推定システム200,300においては、距離推定部15Pが推定した距離Dに基づいて、親機P10及び/又は子機C10が所定機能を実行するようにしてもよい。例えば、親機P10がユーザのクルマに設置され、子機C10がユーザの携帯端末として実現されている場合、距離Dが閾値以下である場合に、クルマのドア等を開錠し、閾値より大きい場合は施錠するようにして、スマートエントリシステムとして機能させてもよい。この場合、距離Dは所定間隔で定期的に推定することが好ましい。   (2) In the distance estimation systems 200 and 300 described with reference to FIGS. 8 and 11, the parent device P10 and / or the child device C10 may execute a predetermined function based on the distance D estimated by the distance estimation unit 15P. . For example, when the parent device P10 is installed in the user's car and the child device C10 is realized as the user's mobile terminal, when the distance D is equal to or less than the threshold value, the vehicle door is unlocked and is larger than the threshold value. In some cases, it may be locked to function as a smart entry system. In this case, it is preferable to estimate the distance D periodically at a predetermined interval.

(3)本発明における音波受信時刻算出装置10、音波送信端末20、親機P10及び子機C10等はそれぞれ、CPU(中央演算装置)、メモリ及び各種の入出力インタフェースといった周知のハードウェア構成によるコンピュータで実現可能である。この場合、当該コンピュータが当該各装置等として機能する。また、当該各装置等としてコンピュータを機能させるプログラムとしても、本発明は提供することができる。この場合、当該プログラムを読み込んでコンピュータが図3、図8及び図11の各機能部に対応する命令を実行することとなる。   (3) The sound wave reception time calculation device 10, the sound wave transmission terminal 20, the parent device P10, the child device C10, and the like in the present invention each have a known hardware configuration such as a CPU (Central Processing Unit), a memory, and various input / output interfaces. It can be realized with a computer. In this case, the computer functions as each device. The present invention can also be provided as a program that causes a computer to function as each of the devices. In this case, the program is read and the computer executes instructions corresponding to the functional units shown in FIGS.

10…音波受信時刻算出装置、11…音波受信部、12…第一算出部、13…第二算出部、14…判定部、21…音波送信部、200,300…距離推定システム、P10…親機、C10…子機   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Sound wave reception time calculation apparatus, 11 ... Sound wave reception part, 12 ... First calculation part, 13 ... Second calculation part, 14 ... Determination part, 21 ... Sound wave transmission part, 200,300 ... Distance estimation system, P10 ... Master machine, C10 ... cordless handset

Claims (8)

音波を受信して音波受信データを得る音波受信部と、
前記音波受信データと所定のリファレンス信号との第一相互相関関数を、第一ウィンドウサイズを用いて算出し、当該第一相互相関関数の値が第一閾値を超えてピークとなる最初の時刻を第一受信時刻として算出する第一算出部と、
前記音波受信データにおける前記第一受信時刻以前の所定範囲にあるデータと前記所定のリファレンス信号との第二相互相関関数を、前記第一ウィンドウサイズよりも小さい第二ウィンドウサイズを用いて算出し、当該第二相互相関関数の値が第二閾値を超えてピークとなる時刻が存在する場合に、当該ピークとなる最初の時刻を第二受信時刻として算出する第二算出部と、
前記音波受信データ内における前記所定のリファレンス信号の直接波の到達時刻が、前記第二受信時刻が算出された場合には当該第二受信時刻であるとして、当該算出されなかった場合には前記第一受信時刻であるとして、判定する判定部と、を備えることを特徴とする音波受信時刻算出装置。
A sound wave receiving unit for receiving sound waves and obtaining sound wave reception data;
A first cross-correlation function between the sound wave reception data and a predetermined reference signal is calculated using a first window size, and the first time when the value of the first cross-correlation function exceeds the first threshold and peaks A first calculation unit that calculates the first reception time;
A second cross-correlation function between the predetermined reference signal and the data in the predetermined range before the first reception time in the sound wave reception data is calculated using a second window size smaller than the first window size, A second calculation unit that calculates the first reception time as the second reception time when there is a time at which the value of the second cross-correlation function exceeds the second threshold and peaks;
If the arrival time of the direct wave of the predetermined reference signal in the sound wave reception data is the second reception time when the second reception time is calculated, the arrival time of the direct wave of the predetermined reference signal is the second reception time when the second reception time is calculated. A sound wave reception time calculation apparatus comprising: a determination unit that determines that the reception time is one reception time.
前記判定部はさらに、前記第二受信時刻が算出された場合には、前記音波受信データ内における前記所定のリファレンス信号の直接波の到達時刻として、前記第二受信時刻に代えて、前記第一相互相関関数の値が当該第二受信時刻の周辺の所定範囲において前記第一閾値よりも小さい第三閾値を超えて最初にピークとなる第三受信時刻を採用することを特徴とする請求項1に記載の音波受信時刻算出装置。   In the case where the second reception time is calculated, the determination unit further replaces the first reception time with the first reception time as the arrival time of the direct wave of the predetermined reference signal in the sound wave reception data. The third reception time at which the cross correlation function value first peaks in a predetermined range around the second reception time exceeding a third threshold value smaller than the first threshold value is employed. The sound wave reception time calculation device described in 1. 前記第一ウィンドウサイズが、前記所定のリファレンス信号の長さと一致して設定されていることを特徴とする請求項1または2に記載の音波受信時刻算出装置。   The sound wave reception time calculating device according to claim 1 or 2, wherein the first window size is set to coincide with a length of the predetermined reference signal. 前記第二算出部は、前記第二相互相関関数を、前記所定のリファレンス信号のうち最初の側で前記第二ウィンドウサイズの長さを有する部分を用いて算出することを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の音波受信時刻算出装置。   The second calculation unit calculates the second cross-correlation function using a portion of the predetermined reference signal having a length of the second window size on the first side. 4. A sound wave reception time calculation device according to any one of claims 1 to 3. 親機及び子機を備え、当該親機及び子機の間の距離を推定する距離推定システムであって、
前記親機及び子機の間で双方向又は単方向に所定のリファレンス信号としての音波を送信し、
前記親機及び子機のうち、前記双方向又は単方向に送信された音波を受信する両者又は一方が、請求項1ないし4のいずれかに記載の音波受信時刻算出装置を備えることにより、当該受信した時刻を算出し、
当該算出された受信時刻に基づいて、前記親機及び子機の間の距離を推定することを特徴とする距離推定システム。
A distance estimation system that includes a parent device and a child device and estimates a distance between the parent device and the child device,
Transmitting sound waves as predetermined reference signals in both directions or unidirectional between the parent device and the child device,
Among the master unit and the slave unit, both or one of receiving the sound waves transmitted in the bidirectional or unidirectional manner includes the sound wave reception time calculating device according to any one of claims 1 to 4, Calculate the received time,
A distance estimation system that estimates a distance between the parent device and the child device based on the calculated reception time.
音波を受信して音波受信データを得る音波受信段階と、
前記音波受信データと所定のリファレンス信号との第一相互相関関数を、第一ウィンドウサイズを用いて算出し、当該第一相互相関関数の値が第一閾値を超えて最初にピークとなる時刻を第一受信時刻として算出する第一算出段階と、
前記音波受信データにおける前記第一受信時刻以前の所定範囲にあるデータと前記所定のリファレンス信号との第二相互相関関数を、前記第一ウィンドウサイズよりも小さい第二ウィンドウサイズを用いて算出し、当該第二相互相関関数の値が第二閾値を超えてピークとなる時刻が存在する場合に、当該ピークとなる最初の時刻を第二受信時刻として算出する第二算出段階と、
前記音波受信データ内における前記所定のリファレンス信号の直接波の到達時刻が、前記第二受信時刻が算出された場合には当該第二受信時刻であるとして、当該算出されなかった場合には前記第一受信時刻であるとして、判定する判定段階と、を備えることを特徴とする音波受信時刻算出方法。
A sound wave receiving stage for receiving sound waves and obtaining sound wave reception data;
A first cross-correlation function between the sound wave reception data and a predetermined reference signal is calculated using a first window size, and a time at which the value of the first cross-correlation function exceeds a first threshold and first peaks is calculated. A first calculation stage for calculating the first reception time;
A second cross-correlation function between the predetermined reference signal and the data in the predetermined range before the first reception time in the sound wave reception data is calculated using a second window size smaller than the first window size, A second calculation step of calculating the first time to be the peak as the second reception time when there is a time at which the value of the second cross-correlation function exceeds the second threshold and becomes a peak;
If the arrival time of the direct wave of the predetermined reference signal in the sound wave reception data is the second reception time when the second reception time is calculated, the arrival time of the direct wave of the predetermined reference signal is the second reception time when the second reception time is calculated. And a determination step of determining that the reception time is one reception time.
前記判定段階はさらに、前記第二受信時刻が算出された場合には、前記音波受信データ内における前記所定のリファレンス信号の直接波の到達時刻として、前記第二受信時刻に代えて、前記第一相互相関関数の値が当該第二受信時刻の周辺の所定範囲において前記第一閾値よりも小さい第三閾値を超えて最初にピークとなる第三受信時刻を採用することを特徴とする請求項6に記載の音波受信時刻算出方法。   In the determination step, when the second reception time is calculated, the arrival time of the direct wave of the predetermined reference signal in the sound wave reception data is replaced with the first reception time instead of the second reception time. 7. The third reception time at which the value of the cross-correlation function first peaks after exceeding a third threshold value smaller than the first threshold value in a predetermined range around the second reception time is adopted. The sound wave reception time calculation method according to 1. コンピュータを請求項1ないし4のいずれかに記載の音波受信時刻算出装置として機能させることを特徴とするプログラム。   A program for causing a computer to function as the sound wave reception time calculating device according to any one of claims 1 to 4.
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