JP7583527B2 - Material Identification Device - Google Patents
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Description
特許法第30条第2項適用 (1)2019年2月19日に、日本音響学会 2019年春季研究発表会 講演論文集(講演要旨・講演論文CD-ROM)、第1419-1420頁、発表番号2-2-5、にて発表 (2)2019年2月19日に、日本音響学会 2019年春季研究発表会 講演論文集(講演要旨・講演論文CD-ROM)、第715-716頁、発表番号2-3-6、にて発表 (3)2019年6月18日に、ウェブサイトのアドレス https://blog.bitis.co.jp/column-blog2-0、にて発表 (4)2019年10月1日に、日本工業出版発行の超音波テクノ,2019年,9・10月号、第9~14頁、にて発表Application of
本発明は、対象物を構成する物質に関する情報を取得することができる物質識別装置に関し、特に対象の硬さの程度を特定する物質識別装置に関する。 The present invention relates to a material identification device that can obtain information about the material that constitutes an object, and in particular to a material identification device that can identify the degree of hardness of an object.
超音波送信器から定位超音波パルスを発射し、障害物からの反射を2チャンネルの超音波受信器で受ける頭部装着型の装置であって、定位超音波パルスとして降下FM超音波等を用いるとともに、反射音を時間的に50倍に引き延ばして可聴音として聞き取れるようにした装置を用い、コウモリに模してヒトの反響定位に関する認識特性を調べる研究がなされている(非特許文献1)。 A head-mounted device emits a localization ultrasonic pulse from an ultrasonic transmitter and receives the reflection from an obstacle with a two-channel ultrasonic receiver. The device uses descending FM ultrasonic waves as the localization ultrasonic pulse and extends the reflected sound by 50 times in time so that it can be heard as an audible sound. Research is being conducted to investigate the recognition characteristics of human echolocation in imitation of bats (Non-Patent Document 1).
指向性のある超音波送受信器を用いて、物体からの反射音から反射係数の周波数特性を求め、このような特性が合板や石膏ボード壁とで変わることを示した研究もある(非特許文献2)。しかしながら、物体によって反射音の反射係数が変わるとしても、反射音から対象の材質を判定する手法についてまでは記載がない。また、超音波の指向性を前提としていることから、指向性のない超音波送信器を用いた測定を含めた反射音の反射係数の特性や傾向については何ら開示されていない。 There is also research that uses a directional ultrasonic transmitter/receiver to determine the frequency characteristics of the reflection coefficient from the sound reflected from an object, and shows that such characteristics change for plywood and plasterboard walls (Non-Patent Document 2). However, even if the reflection coefficient of the reflected sound changes depending on the object, there is no description of a method for determining the material of the target from the reflected sound. In addition, since the directionality of ultrasonic waves is assumed, nothing is disclosed about the characteristics or trends of the reflection coefficient of reflected sound, including measurements using a non-directional ultrasonic transmitter.
最近では、カメラやレーザレーダを使って物体認識を行い、前方の物体の距離や位置を検知する技術も多数存在する(例えば特許文献1)。しかしながら、カメラやレーザレーダのように可視光等を用いる物体識別装置では、物体の材質を識別することができず、識別した物体の実体や材質を把握することが容易でない場合が生じ得る。また、可視光等を用いる物体認識装置については、個人情報の漏洩に配慮する用途では、画像の取り扱いに注意を要し、使用が望ましくない場合も生じ得る。 Recently, there have been many technologies that use cameras and laser radar to recognize objects and detect the distance and position of objects ahead (for example, Patent Document 1). However, object recognition devices that use visible light, such as cameras and laser radar, cannot identify the material of an object, and there may be cases where it is not easy to grasp the substance and material of an identified object. Furthermore, for applications where it is important to be mindful of the leakage of personal information, it may be necessary to handle images with care, and there may be cases where using object recognition devices that use visible light is undesirable.
本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、超音波を用いて対象物を構成する物質に関する情報を取得できる物質識別装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above-mentioned background art, and aims to provide a material identification device that can obtain information about the material that constitutes an object using ultrasound.
上記目的を達成するため、本発明に係る物質識別装置は、超音波の送信波を発生する超音波発信器と、超音波発信器からの超音波に対する反射波を検出する超音波受信器と、反射波の波形を分析し処理する処理装置とを備え、超音波発信器は、周波数が所定の規則で変化する送信波を発生し、処理装置は、反射波の波形に基づいて対象の硬さの程度を反映した物質識別指標を決定する。 To achieve the above object, the material identification device of the present invention comprises an ultrasonic transmitter that generates an ultrasonic transmission wave, an ultrasonic receiver that detects a reflected wave of the ultrasonic wave from the ultrasonic transmitter, and a processing device that analyzes and processes the waveform of the reflected wave, the ultrasonic transmitter generates a transmission wave whose frequency changes according to a predetermined rule, and the processing device determines a material identification index that reflects the degree of hardness of the object based on the waveform of the reflected wave.
上記物質識別装置では、超音波発信器が周波数が所定の規則で変化する送信波を発生するので、超音波受信器によって検出される反射波は、反射波を形成した対象を構成する物質に関する情報(例えば対象の硬さに関する情報)を多様な周波数に対する応答として含むものとなっている。処理装置は、反射波の波形に基づいて対象の硬さの程度を反映した物質識別指標を決定するが、このような物質識別指標は、対象を構成する物質の硬さ等に関する情報であり、対象の物質を特定する参考となる。 In the above-mentioned material identification device, the ultrasonic transmitter generates a transmission wave whose frequency changes according to a predetermined rule, so that the reflected wave detected by the ultrasonic receiver contains information about the material that constitutes the object that formed the reflected wave (e.g., information about the hardness of the object) as a response to various frequencies. The processing device determines a material identification index that reflects the degree of hardness of the object based on the waveform of the reflected wave, and such a material identification index is information about the hardness, etc., of the material that constitutes the object, and serves as a reference for identifying the material of the object.
本発明の具体的な側面によれば、上記物質識別装置において、物質識別指標は、対象の硬さ、緻密さ、及び厚みの少なくとも1つ以上を反映した情報である。この場合、物質識別指標は、対象の硬度のような硬さだけでなく、緻密さや厚みに関する情報を含んだものとなり、物質識別指標を利用した対象の状態特定が正確なものとなる。 According to a specific aspect of the present invention, in the above-mentioned material identification device, the material identification index is information reflecting at least one of the hardness, density, and thickness of the object. In this case, the material identification index includes information on not only the hardness of the object, but also the density and thickness, and the state of the object can be accurately identified using the material identification index.
本発明のさらに別の側面によれば、処理装置は、反射波の波形パターンに関して、対象に対して得た対象波形パターンを既知の複数種の物質に対して得た複数の基準波形パターンと比較し、近似性の高さから、対象の物質識別指標として物質種を特定する。この場合、反射波を形成した対象が既知の複数種の物質のいずれであるかの判定が可能になる。 According to yet another aspect of the present invention, the processing device compares the target waveform pattern obtained for the target with multiple reference waveform patterns obtained for multiple known types of substances, and identifies the substance type as a material identification index for the target based on the degree of similarity, with respect to the waveform pattern of the reflected wave. In this case, it becomes possible to determine which of multiple known types of substances the target that formed the reflected wave is.
本発明のさらに別の側面によれば、処理装置は、反射波の波形パターンとして反射波の周波数スペクトルを比較する。この場合、多様な周波数に対する応答としての反射波を周波数分布パターンの観点で分類することができ、物質識別指標の信頼性を物質を特定する観点で高めることができる。 According to yet another aspect of the present invention, the processing device compares the frequency spectrum of the reflected waves as the waveform patterns of the reflected waves. In this case, the reflected waves as responses to various frequencies can be classified in terms of frequency distribution patterns, and the reliability of the material identification index can be increased in terms of identifying the material.
本発明のさらに別の側面によれば、処理装置は、送信波の時間幅の2倍以下の時間幅の1つの短時間スペクトルを取得し、あるいは、送信波の時間幅よりも狭い時間幅の短時間スペクトルを所定の時間差で複数収集し、複数の短時間スペクトルに共通する特徴を抽出する。この場合、短時間スペクトルに着目することで特徴抽出や分類が容易になり、判定処理の簡便化を図ることができる。 According to yet another aspect of the present invention, the processing device acquires one short-time spectrum with a time width less than twice the time width of the transmitted wave, or collects multiple short-time spectra with a time width narrower than the time width of the transmitted wave at a predetermined time difference, and extracts features common to the multiple short-time spectra. In this case, focusing on the short-time spectrum makes it easier to extract and classify features, and simplifies the judgment process.
本発明のさらに別の側面によれば、処理装置は、物質識別指標に対応する対象までの距離と方位とを検出する。この場合、反射波の方位を特定する何らかの手法を用いることが前提となっている。物質識別指標を決定した対象について距離と方位とを確認することで、硬さ等に関する情報を付帯させた物体の配置に関する情報が得られる。 According to yet another aspect of the present invention, the processing device detects the distance and direction to an object corresponding to the material identification indicator. In this case, it is assumed that some method for identifying the direction of the reflected wave is used. By checking the distance and direction to an object for which a material identification indicator has been determined, information regarding the placement of the object, including information regarding hardness, etc., can be obtained.
本発明のさらに別の側面によれば、処理装置は、方位が重なりつつも距離が異なる複数の対象の少なくとも1つについて物質識別指標を検出する。例えば背後の物体を覆う対象について、その硬さの程度に関する情報が得られ、あるいは、前方の物体によって覆われた対象について、その硬さの程度に関する情報が得られる。 According to yet another aspect of the invention, the processing device detects a material identification indicator for at least one of a plurality of objects that are in overlapping orientations but at different distances. For example, information regarding the degree of hardness of an object that covers a rear object can be obtained, or information regarding the degree of hardness of an object that is covered by a front object can be obtained.
本発明のさらに別の側面によれば、処理装置は、超音波を透過する対象とその背後の対象とについて、物質識別指標をそれぞれ検出する。 According to yet another aspect of the invention, the processing device detects material identification indicators for an object that transmits ultrasound and an object behind it.
本発明のさらに別の側面によれば、超音波受信器は、超音波発信器から離間して複数配置され、処理装置は、複数の超音波受信器によって検出した複数の反射波について送信波との相関性の高いものを抽出する。この場合、反射波からノイズを低減することができ、物質識別指標の決定に関する信頼性を高めることができる。 According to yet another aspect of the present invention, multiple ultrasonic receivers are arranged at a distance from the ultrasonic transmitter, and the processing device extracts reflected waves detected by the multiple ultrasonic receivers that have a high correlation with the transmitted waves. In this case, noise can be reduced from the reflected waves, and the reliability of the determination of the material identification index can be increased.
本発明のさらに別の側面によれば、処理装置は、物質識別指標に対応する対象のマッピングによって空間配置パターンを決定する。この場合、着目する空間内における物質の配置状態を空間配置パターンとして把握することができる。 According to yet another aspect of the present invention, the processing device determines the spatial arrangement pattern by mapping objects corresponding to the material identification index. In this case, the arrangement state of the materials in the space of interest can be understood as the spatial arrangement pattern.
本発明のさらに別の側面によれば、処理装置は、空間配置パターンの経時的変化を追跡する。この場合、着目する対象の移動や静止といった状態変化や動的現象を把握することができ、事故、要支援状況、犯罪発生といった各種特殊事象の監視に応用することができる。 According to yet another aspect of the present invention, the processing device tracks changes in the spatial arrangement pattern over time. In this case, it is possible to grasp state changes and dynamic phenomena such as the movement or stationary state of the target object, and this can be applied to the monitoring of various special events such as accidents, situations requiring assistance, and crime occurrences.
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である物質識別装置について説明する。 The following describes one embodiment of the material identification device with reference to the drawings.
図1は、実施形態の物質識別装置を示すブロック図である。物質識別装置100は、超音波の送信及び受信を行う検超音波送受信装置20と、検超音波送受信装置20を動作させ送信波SWに対する応答である反射波RWの波形を分析し処理する処理装置80とを備える。
Figure 1 is a block diagram showing an embodiment of a material identification device. The
検超音波送受信装置20は、超音波発信器31と、第1、第2、第3、及び第4超音波受信器41,42,43,44と、アンプ装置50と、マイコン60とを有する。超音波受信器41~44は、詳細は後述するが、超音波発信器31から所定方向に離間して配置されている。超音波発信器31と超音波受信器41~44とは、支持体27に一体的に固定されており、超音波送受信ユニット28を構成している。
The ultrasonic wave detection transmitting/receiving
図2に示すように、検超音波送受信装置20は、超音波送受信ユニット28が露出するようにケース20aに収められ、マウント装置その他の固定具20bを介して監視対象に向けて設置される。図示の場合、検超音波送受信装置20は、室内IDの天井側に固定され、室内IDに存在するヒトOB1、家具その他の非生物的な物体OB2等を超音波によって解析しつつ観察できるように配置される。図示の場合、室内IDに単一の検超音波送受信装置20が設置されているが、例えば動作タイミングや超音波特性が異なる複数の検超音波送受信装置20を設置することもできる。また、固定具20bによって検超音波送受信装置20の向きや配置を変化させることもできる。検超音波送受信装置20は、図示のような室内IDに限らず、屋外に設置できることはいうまでもない。
2, the ultrasonic wave detection transmitting/receiving
図1に戻って、超音波発信器31は、指向性の広い超音波スピーカである。超音波発信器31は、ボイスコイルとピエゾ素子とを組み合わせたものであり、電気信号から超音波への変換を行う。超音波発信器31は、例えば20Hz~100kHzの音波を発生することができるが、本実施形態では25kHz~100kHz程度の範囲を使用して超音発信を行う。
Returning to FIG. 1, the
第1超音波受信器41は、指向性の広い超音波マイクである。第1超音波受信器41は、MEMS技術を用いたマイクロフォンであり、超音波から電気信号への変換を行う。第1超音波受信器41は、旧来のコンデンサ型のマイクであってもよく、ピエゾ素子を用いたものであってもよい。第2~4超音波受信器42~44は、第1超音波受信器41と同様の構造を有する。第1~第4超音波受信器41~44は、例えば20Hz~100kHzの音波を検出することができるが、本実施形態では25kHz~70kHz程度の範囲を使用して超音波検出を行う。
The first
図3を参照して、超音波発信器31と第1~第4超音波受信器41~44との配置関係について説明する。超音波発信器31の前面の中央は、便宜上XYZ座標の原点Oにあるものとする。第1及び第2超音波受信器41,42は、超音波発信器31に対してX方向に所定距離だけ離間して配置され、第3及び第4超音波受信器43,44は、超音波発信器31に対してY方向に所定距離だけ離間して配置されている。X方向は、紙面上で横方向に対応するが、検超音波送受信装置20が傾斜して設置される場合、水平方向に対応するものではない。X方向は、紙面上で縦方向に対応するが、検超音波送受信装置20が傾斜して設置される場合、鉛直方向に対応するものではない。XY面上で考えた場合、超音波発信器31からの送信波SWの発信時刻T0を基準として第1及び第2超音波受信器41,42で受けた同一対象からの反射波RW1,RW2の受信時刻ΔT1,ΔT2の平均値から音速を考慮して対象OBまでの距離が分かり、受信時刻ΔT1,ΔT2の差や第1及び第2超音波受信器41,42の間隔といった情報から音速を考慮して対象OBの方位が分かる。YZ面上で考えた場合、超音波発信器31からの送信波SWの発信時刻T0を基準として第3及び第4超音波受信器43,44で受けた同一対象からの反射波RW3,RW4の受信時刻ΔT3,ΔT4の平均値から音速を考慮して対象OBまでの距離が分かり、受信時刻ΔT3,ΔT4の差や第3及び第4超音波受信器43,44の間隔といった情報から音速を考慮して対象OBの方位が分かる。現実の3次元的な空間の場合、超音波発信器31と第1超音波受信器41とを2焦点として、これら2焦点からの距離の和が受信時刻ΔT1に対応する距離に相当する第1楕円面と、超音波発信器31と第2超音波受信器42とを2焦点として、これら2焦点からの距離の和が受信時刻ΔT2に対応する距離に相当する第2楕円面とを考えて、これらの楕円面の交線又は円周上又はその近傍に対象OBが存在することになる。同様に、超音波発信器31と第3超音波受信器43とを2焦点として、これら2焦点からの距離の和が受信時刻ΔT3に対応する距離に相当する第3楕円面と、超音波発信器31と第4超音波受信器44とを2焦点として、これら2焦点からの距離の和が受信時刻ΔT4に対応する距離に相当する第4楕円面とを考えて、これらの楕円面の交線又は円周上又はその近傍に対象OBが存在することになる。結果的に、以上のような第1~第4楕円面の交点上又はその近傍に対象OBが存在することになる。なお、対象OBが空間的広がりを有する場合、元の送信波SWの時間幅よりも反射波RW1~RW4の時間幅が広くなり、受信時刻ΔT1~ΔT4が一定の幅を有することになり、その幅が対象OBのサイズ又は大きさに関する情報を与えていることにもなる。以下では、説明を簡単にするため、超音波発信器31と第1及び第2超音波受信器41,42とに着目してXY面内での配置検出等について説明することもある。
With reference to FIG. 3, the positional relationship between the
図1に示すアンプ装置50は、超音波発信器31に入力される電気信号を増幅して所期の強度とする送信アンプ55と、第1~4超音波受信器41~44から出力される電気信号を増幅する受信アンプ51~54とを有する。なお、送信アンプ55は、高パワーで高速のアンプであり、受信アンプ51~54は、高速のアンプである。
The
マイコン60は、DAコンバータ65と、第1~4ADコンバータ61~64と、マイクロプロセッサ68と、メモリ69とを備える。DAコンバータ65は、マイクロプロセッサ68から指令を受けて、送信波SWに対応する所定フォーマットの一連のデジタル信号を対応するタイミングでアナログ信号に順次変換する。第1~第4ADコンバータ61~64は、第1~4超音波受信器41~44から受信アンプ51~54を経て受けた反射波RWに相当する一連のアナログ信号を所定フォーマットのデジタル信号に順次変換する。この際、マイクロプロセッサ68は、第1~第4ADコンバータ61~64の出力を時刻に関する情報を付して一時的にメモリ69に振り分けて保管し、適宜のタイミングで処理装置80に出力する。
The
検超音波送受信装置20において、超音波発信器31と送信アンプ55とDAコンバータ65とを組み合わせたものを超音波送信装置25と呼ぶ。また、第1超音波受信器41と受信アンプ51と第1ADコンバータ61とを組み合わせたものを第1超音波受信装置21と呼び、第2超音波受信器42と受信アンプ52と第2ADコンバータ62とを組み合わせたものを第2超音波受信装置22と呼び、第3超音波受信器43と受信アンプ53と第3ADコンバータ63とを組み合わせたものを第3超音波受信装置23と呼び、第4超音波受信器44と受信アンプ54と第4ADコンバータ64とを組み合わせたものを第4超音波受信装置24と呼ぶ。
In the ultrasonic detection transmitting/receiving
処理装置80は、例えばパーソナルコンピュータであり、演算装置81と、記憶装置82と、入出力装置83と、通信装置84と、ディスプレイ86とを備える。処理装置80は、通信ケーブル91を介して検超音波送受信装置20との間でデジタル通信可能に接続されている。処理装置80は、図2に示す室内IDから離れた位置に設置される。つまり、処理装置80は、検超音波送受信装置20を遠隔的に管理している。
The
演算装置81は、処理装置80の動作を統括する部分であり、検超音波送受信装置20の動作を制御し、超音波を用いて監視対象に対する情報を得る。記憶装置82は、処理装置80自体や検超音波送受信装置20を動作させるプログラムを保管する部分であり、監視対象について得た情報を保管することもできる。入出力装置83は、処理装置80のオペレータが操作する部分であり、演算装置81による処理結果に関連する情報を出力することもできる。通信装置84は、インターネットのような公衆通信ネットワークや独自に構築した専用通信ネットワークを通じて、外部の管理サーバとの間で監視情報、管理情報、指令情報等を送受信する。ディスプレイ86は、演算装置81の制御下で動作し、監視対象に対して得た後述する材質的空間配置情報等を表示する部分となっている。
The
演算装置81は、マイコン60を介して検超音波送受信装置20を動作させ、周波数が所定の規則で変化する送信波(以下、FM型の超音波とも呼ぶ)SWを超音波発信器31から周囲に発生させる。送信波SWの波形は、例えば時間とともに周波数が線形的に増加するものとするが、これに限らず、周波数が線形的に減少するもの、周波数が非線形的に変化するもの等を用いることができる。送信波SWのパターンは、超音波送信データUS0として記憶装置82のデータ領域82aに保管されている。超音波送信データUS0は、単一の波形に対応するものに限らず、複数の波形を予め準備しその中から用途や状況に応じた波形データを選択することができる。演算装置81は、マイコン60を介して検超音波送受信装置20を動作させ、送信波SWに対する応答としての反射波RWを第1~4超音波受信器41~44ごとの超音波反射データUS1~US4として取り込んで記憶装置82のデータ領域82bに保管する。演算装置81は、超音波反射データUS1~US4から送信波SWと相関性が高い波形データを抽出し、対象までの距離及び方位(つまり空間配置)を決定して記憶装置82のデータ領域82cにラベリングした物体として保管するとともに、その波形データの周波数分布について解析を行って、対象の硬さの程度を反映した物質識別指標を決定し、この物質識別指標をラベリングした物体に付随する情報としてデータ領域82cに保管する。データ領域82cに保管された情報は、反射波RWを形成する複数のラベリングされた物体について空間的配置と物質識別指標とを組み合わせた材質的空間配置情報となっている。つまり、演算装置81は、物質識別指標に対応する対象のマッピングによって空間配置パターンを決定する。この場合、着目する空間内における物質の配置状態(実際には硬さの程度を反映した物質識別指標の配置状態)を空間配置パターンとして把握することができる。この際、複数のラベリングされた物体についての空間的配置は、空間的なサイズを含むものとなる場合もある。演算装置81は、検超音波送受信装置20に対して所定のタイミングで周期的に送信波SWを射出する動作を行わせており、材質的空間配置情報は、経時的な監視情報としてデータ領域82cに順次保管されていく。経時的な監視情報は、動画と同様に連続したフレームデータの集合体である。演算装置81は、経時的な監視情報のフレームデータ間において、ラベリングされた物体の同一性を判断することができ、材質やサイズが近い物体が変位する量が所定以下であれば、その物体を同一物体としてラベリングし、そのラベリングされた物体の移動をフレームデータの変遷に従ってトラッキング又はトレースすることができ、そのようなトラッキングデータを物体移動情報としてデータ領域82dに保管する。この際、演算装置81は、トラッキングする物体の重要性をその物質識別指標やサイズによって区分し、監視対象から外すことができる。以上において、演算装置81は、データ領域82cに保管された物質識別指標によって特徴づけられた物体の空間配置パターンの経時的変化を追跡することになる。この場合、着目する対象の移動や静止といった状態変化や動的現象を把握することができる。演算装置81は、監視対象のトラッキングする物体の移動が異常な挙動を示す場合や、許容されない場所に移動するものである場合、これをディスプレイ86に表示し、必要と判断した場合、通信装置84を介して外部の管理サーバに報告することがきる。物質識別装置100は、公共施設の管理者不在エリアやプライベート空間に設置された場合において、事故、要支援状況、犯罪発生といった各種特殊事象の監視に応用することができる。
The
以上の説明では、マイコン60とは別に処理装置80を設けて超音波反射データUS1~US4の処理を行わせ、材質的空間配置情報を得たり、ラベリングされた対象のトラキングを行たりしているが、処理装置80におけるこれらの機能の全部又は一部をマイコン60に組み込むことができ、例えばマイコン60のみで動作を完結することもできる。
In the above explanation, a
図4(A)は、送信波SWの発生例を説明する図であり、横軸は時間を示し、縦軸は周波数を示す。図示の例では、単一の送信波SWが1ms程度の幅を有し、このような送信波SWが100ms周期で繰り返されている。一発の送信波SWは、周波数が低下するようなFM型の超音波であり、図示の例では、80kHzから25kHzまで周波数が急激であるが連続的に下降している。図4(B)は、単一の送信波SWの波形を示しており、時間の経過に伴って周波数が低下していることが分かる。なお、送信波SWは、図4(A)等に示すような周波数が漸次下降するような超音波に限らず、周波数が漸次上昇するような超音波であってもよく、最初の時間帯や中間の時間帯で周波数が一定に保たれるような領域があってもよい。また、図4(A)では、送信波SWが100ms周期で繰り返されているが、送信波SWの繰返し周期は、図2に示すような監視対象やその空間のサイズに応じてエコーを取得するまでの時間に応じて適宜設定することができる。 Figure 4 (A) is a diagram explaining an example of the generation of a transmission wave SW, where the horizontal axis indicates time and the vertical axis indicates frequency. In the illustrated example, a single transmission wave SW has a width of about 1 ms, and such a transmission wave SW is repeated in a 100 ms cycle. A single transmission wave SW is an FM type ultrasonic wave whose frequency decreases, and in the illustrated example, the frequency decreases abruptly but continuously from 80 kHz to 25 kHz. Figure 4 (B) shows the waveform of a single transmission wave SW, and it can be seen that the frequency decreases over time. Note that the transmission wave SW is not limited to an ultrasonic wave whose frequency gradually decreases as shown in Figure 4 (A) and the like, but may be an ultrasonic wave whose frequency gradually increases, and there may be a region in which the frequency is kept constant in the initial time zone or the intermediate time zone. Also, in FIG. 4(A), the transmission wave SW is repeated at a cycle of 100 ms, but the repetition cycle of the transmission wave SW can be set appropriately according to the time it takes to obtain an echo depending on the size of the monitored object and its space as shown in FIG. 2.
図5(A)は、第1及び第2超音波受信器41,42で受ける反射波RW1,RW2又はこれから得た超音波反射データUS1,US2を例示し、図5(B)は、反射波RW1,RW2又はこれから得た超音波反射データUS1,US2に対して送信波SWの送信データとの相互相関をとった波形を示す。図5(C)は、図5(A)等に示す反射波RW1,RW2を得た際の対象の配置、すなわち図3に示す超音波送受信ユニット28の前方に配置される物体の例を示している。この場合、(0,0.75)の位置に配置された第1の物体PO1は、Z方向に延びる直径5mmの円柱状で、(-0.5,1)の位置に配置された第2の物体PO2は、Z方向に延びる直径30mmの円柱状で、(0.4,1.2)の位置に配置された第3の物体PO3は、Z方向に延びる直径30mmの円柱状で、(0,1.6)の位置に配置された第4の物体PO4は、Z方向に延びる直径50mmの円柱状である。図5(B)に示す相互相関をとった波形には、第1~第4の物体PO1~PO4に対応するピークRP11~RP4が表れている。つまり、ピークRP11~RP4を利用することで、第1~第4の物体PO1~PO4までの距離や方向が分かる。
Figure 5 (A) illustrates the reflected waves RW1, RW2 received by the first and second
図5(B)に示すように、反射波RW1又は反射波RW2に対して送信波SWとの相互相関をとることにより、反射波RW1,RW2から送信波SWと同じような波形を持つものが強調され、送信波SWとは異なる波形は小さくなるという効果が得られる。つまり、反射波RW1,RW2におけるノイズは、送信波SWと異なるので相関関数で求めた図5(A)に示す波形から減少し、物体PO1~PO4等の物体からの反射波RW1,RW2は、送信波SWが似ているので増強される。 As shown in Figure 5 (B), by taking the cross-correlation between the reflected wave RW1 or reflected wave RW2 and the transmitted wave SW, the reflected waves RW1 and RW2 that have a waveform similar to the transmitted wave SW are emphasized, and waveforms that differ from the transmitted wave SW are reduced. In other words, the noise in the reflected waves RW1 and RW2 is reduced from the waveform shown in Figure 5 (A) obtained by the correlation function because it is different from the transmitted wave SW, and the reflected waves RW1 and RW2 from objects such as objects PO1 to PO4 are enhanced because the transmitted wave SW is similar.
図6(A)は、反射波RW又はこれから得た超音波反射データを説明する概念図であり、図6(B)は、送信波SW又はこれに対応する超音波送信データを説明する概念図である。反射波RWは、点線で示すように、一定期間ごとにサンプリングが行われてデジタルデータ化されている(具体的には超音波反射データUS1~US4のいずれか)。サンプリング周期は、例えば1μsとされるが、これに限るものではない。送信波SWは、アナログ化される前のデジタルデータ(具体的には超音波送信データUS0)の段階で、サンプリング周期は、反射波RWと一致している。反射波RWについて送信波SWとの相互相関をとる際には、反射波RWのうち対象となる最初の区間ID0(送信波SWの時間幅IS0に相当)で、区間ID0中の各時点の反射波RWのサンプル値と、送信波SWの各時点のサンプル値とについてN個の掛け算をして、そのN個の掛け算値を全て加算したものを各波形の二乗和平方根で正規化したものをt0時点での相関関数値とする。次に、図6(C)に示すように、送信波SWを一点ずらして、区間ID1中の各時点の反射波RWのサンプル値と、送信波SWの各時点のサンプル値とについてN個の掛け算をして、そのN個の掛け算値を全て加算したものを各波形の二乗和平方根で正規化したものをt1時点での相関関数値とする。これを繰り返して次々に相関関数値を求めていって、その値を時間軸上にプロットすると相関関数の波形になる。以上は、反射波RWについて送信波SWとの相互相関をとる計算の一例であり、他の様々な演算方法で相関を求めることができる。 6(A) is a conceptual diagram explaining the reflected wave RW or ultrasonic reflection data obtained from it, and FIG. 6(B) is a conceptual diagram explaining the transmitted wave SW or the corresponding ultrasonic transmission data. As shown by the dotted line, the reflected wave RW is sampled at regular intervals and converted into digital data (specifically, any of the ultrasonic reflection data US1 to US4). The sampling period is, for example, 1 μs, but is not limited to this. The sampling period of the transmitted wave SW is the same as that of the reflected wave RW at the stage of digital data (specifically, ultrasonic transmission data US0) before being converted into analog. When taking the cross-correlation between the reflected wave RW and the transmitted wave SW, in the first target section ID0 of the reflected wave RW (corresponding to the time width IS0 of the transmitted wave SW), N multiplications are performed on the sample value of the reflected wave RW at each time point in section ID0 and the sample value of the transmitted wave SW at each time point, and the sum of all N multiplication values is normalized by the square root of the sum of squares of each waveform to be used as the correlation function value at time t0. Next, as shown in Figure 6 (C), the transmitted wave SW is shifted by one point, and the sample values of the reflected wave RW at each time point in section ID1 are multiplied N times by the sample values of the transmitted wave SW at each time point, and all of these N multiplication values are added together and normalized by the square root of the sum of the squares of each waveform to obtain the correlation function value at time t1. This process is repeated to obtain correlation function values one after another, and when these values are plotted on the time axis, a correlation function waveform is obtained. The above is an example of a calculation to obtain the cross-correlation between the reflected wave RW and the transmitted wave SW, and the correlation can be obtained by various other calculation methods.
以上では、図5(B)に示すように、物体PO1~PO4が多くない場合や物体PO1~PO4が比較的離れている場合について、第1~第4の物体PO1~PO4までの距離や方向が分かるとしたが、観測対象の複数の物体が近い場合や多い場合は、混信が生じる可能性がある。そのため、距離や方向の算出では相関波形を用いている。例えば、受信器が左右にある場合、物体である円柱について発信波SWと右受信波(RW1Rとする)の相関波形(RP1Rとする)、及び、発信波SWと左受信波(RW1Lとする)の相関波形(RP1Lとする)から、円柱までの距離と方向を算出している。具体的には、物体からの距離については発信波SWから右の相関波形RP1Rまでの時間差(TR)と発信波SWから左の相関波形RP1Lまでの時間差(TL)の平均値((TR+TL)/2)から算出し、方向については右の時間差(TR)と左の時間差(TL)の差(ΔTとする)から算出した。すなわち、TRとTLが大きければ発信器から円柱までの距離は遠くなり、TRとTLの差ΔTが同じであれば円柱は正面方向にあり、差ΔTが大きいほど正面方向から外れることになる。 As described above, when there are not many objects PO1-PO4 or when the objects PO1-PO4 are relatively far apart, as shown in Figure 5 (B), the distance and direction to the first to fourth objects PO1-PO4 can be determined. However, when the multiple objects being observed are close to each other or there are many of them, there is a possibility of interference. For this reason, correlation waveforms are used to calculate the distance and direction. For example, when the receivers are on the left and right, the distance and direction to the cylinder, which is an object, are calculated from the correlation waveform (RP1R) between the transmitted wave SW and the right received wave (RW1R), and the correlation waveform (RP1L) between the transmitted wave SW and the left received wave (RW1L). Specifically, the distance from the object was calculated from the average ((TR+TL)/2) of the time difference (TR) from the transmitted wave SW to the right correlation waveform RP1R and the time difference (TL) from the transmitted wave SW to the left correlation waveform RP1L, while the direction was calculated from the difference (ΔT) between the time difference to the right (TR) and the time difference to the left (TL). In other words, if TR and TL are large, the distance from the transmitter to the cylinder is farther, and if the difference ΔT between TR and TL is the same, the cylinder is in the front direction, and the larger the difference ΔT, the further away it is from the front direction.
以下、反射波RWの波形データの周波数分布について解析する手法について説明する。反射波RW1が送信波SWに対して相関性を有するとして抽出されたデータ領域については、このデータ領域における着目波形データに対してFFT(高速フーリエ変換)を行って、フーリエ変換スペクトルすなわち周波数分布について解析を行う。なお、受信波である反射波RWのデータの全領域に対してFFTを行うこともできる。周波数分布の解析については、FFTに限らず、ウェーブレット変換等の様々な手法を用いることができる。 Below, a method for analyzing the frequency distribution of the waveform data of the reflected wave RW will be described. For data regions extracted in which the reflected wave RW1 has a correlation with the transmitted wave SW, an FFT (Fast Fourier Transform) is performed on the waveform data of interest in this data region to analyze the Fourier transform spectrum, i.e., frequency distribution. Note that an FFT can also be performed on the entire region of the data of the reflected wave RW, which is the received wave. The analysis of frequency distribution is not limited to FFT, and various methods such as wavelet transform can be used.
図7(A)に示すような波形を仮に反射波RWとする。例えば、送信波SWを発射してから直ぐに1μs周期で100msの期間に亘って反射波RWをサンプリングすると、100×1000点つまり10万点のサンプル値が得られる。このサンプル値の中から、例えば最初から100個(図中でフレーム長と表示)までのサンプル値に対してFFTによりスペクトルSP1を求め(図7(B)の最も左側)、次にフレーム長より短時間に相当する50点(図中でフレーム周期と表示)ずらして、そこから100個までのサンプル値に対してFFTによりスペクトルSP1を求め(図7(B)の次に左側)、次にさらに50点ずらして、そこから100個までのサンプル値に対してFFTによりスペクトルを求め、・・・ということを繰り返す。ここで、具体的なフレーム周期は、例えば50μsであり、具体的なフレーム長は、例えば100μs=0.1msである。以上の手法によって、スペクトルを求めた場合、100000個のサンプル値を50点ずつずらしてはスペクトルをとるので、2000個の短時間のスペクトルが得られる。このような短時間のスペクトルを以下では短時間スペクトルと呼ぶ。短時間スペクトルを集めたものは、時間軸を横軸、周波数を手前から奥行軸、パワー(強度)を縦軸として、3次元図として表すこともできるが、パワー(強度)を「濃度」で表現することで、丁度「声紋」のように、2次元的なパターンとして表示できるようにし、このような可視的濃度付きのパターンを濃度型時間スペクトルパターンと呼ぶものとする。このような時間スペクトルパターンは、濃度の濃い所が物体からの反射音であろうと予測され、予測した1ms程度以上の長さを有する反射波RWには、0.1ms間で50μs毎に求めた、合計20個以上の短時間スペクトルがある。この中から濃度の濃い部分を反射波RWとみなして、そこの短時間スペクトルパターンをパターンマッチングのデータとする。このような短時間スペクトル又はこれらを平均化したものを局所的な時間スペクトルパターン又は単にスペクトルパターンとも呼ぶ。受信波の時間スペクトルの全てを計算すると計算量が多くなるので、ここでは簡略化のために相関性の高い所の波形(着目波形)を反射波RWとみなし、その時間スペクトルだけをパターンマッチングのデータとしている。短時間スペクトルに着目することで特徴抽出や分類が容易になり、判定処理の簡便化を図ることができる。 Let us assume that the reflected wave RW has a waveform as shown in FIG. 7(A). For example, if the reflected wave RW is sampled over a period of 100 ms at a period of 1 μs immediately after the transmission wave SW is emitted, 100×1000 points, i.e., 100,000 sample values, are obtained. From these sample values, for example, the first 100 sample values (shown as frame length in the figure) are subjected to FFT to obtain a spectrum SP1 (the leftmost side of FIG. 7(B)), then shifted by 50 points (shown as frame period in the figure) corresponding to a time shorter than the frame length, and the spectrum SP1 is obtained from the next 100 sample values by FFT (the next left side of FIG. 7(B)), then shifted by another 50 points, and the spectrum is obtained from the next 100 sample values by FFT, and so on. Here, the specific frame period is, for example, 50 μs, and the specific frame length is, for example, 100 μs=0.1 ms. When a spectrum is obtained by the above method, 100,000 sample values are shifted by 50 points each to obtain a spectrum, so 2,000 short-time spectra are obtained. Such short-time spectra are hereinafter referred to as short-time spectra. A collection of short-time spectra can be expressed as a three-dimensional diagram with the time axis as the horizontal axis, frequency as the front to back axis as the depth axis, and power (intensity) as the vertical axis. However, by expressing power (intensity) as "density", it can be displayed as a two-dimensional pattern just like a "voiceprint", and such a pattern with visible density is called a density-type time spectrum pattern. In such a time spectrum pattern, it is predicted that the areas with high density are reflected sounds from objects, and a predicted reflected wave RW having a length of about 1 ms or more has a total of 20 or more short-time spectra obtained every 50 μs over a period of 0.1 ms. Among these, the areas with high density are regarded as the reflected wave RW, and the short-time spectrum pattern there is used as the data for pattern matching. Such short-time spectra or an average of them is also called a local time spectrum pattern or simply a spectrum pattern. Calculating the entire time spectrum of the received wave would require a large amount of calculation, so for simplicity's sake, the waveform with high correlation (waveform of interest) is considered to be the reflected wave RW, and only its time spectrum is used as the pattern matching data. Focusing on the short-time spectrum makes it easier to extract features and classify them, simplifying the judgment process.
時間スペクトルパターンとしては、1つの短時間スペクトルを用いることもできる。例えば、相関関数が極大となる点を算出しその点を起点とする送信波SWの長さ分の波形を着目波形とする。その着目波形を中心とした、送信波SWの1~2倍の長さの範囲において、周波数スペクトルを解析又は算出し、このような周波数スペクトルを1つの短時間スペクトルとして用いることもできる。
A single short-time spectrum can also be used as the time spectrum pattern. For example, the point at which the correlation function is maximized is calculated, and the waveform with the length of the transmission wave SW starting from that point is used as the waveform of interest. A frequency spectrum can be analyzed or calculated in a
短時間スペクトルは、送信波SWの時間幅よりも狭い時間幅を有するものとなっている。短時間スペクトルについては、フレーム長(サンプル幅)が短いとスペクトルの精度(正確には周波数分解能)が落ちてしまい材質特定がしづらくなる傾向が生じる。逆に、フレーム長(サンプル幅)が長いと時間分解能は落ちるが、周波数分解能が高くなる。実際には、反射波RWも1ms位であり、それよりもサンプル幅を広くしすぎると反射波以外の信号も拾ってしまうという事情もあり、フレーム長(サンプル幅)を2ms以下に設定している。 The short-time spectrum has a time width narrower than that of the transmitted wave SW. For short-time spectra, if the frame length (sample width) is short, the precision of the spectrum (more precisely, the frequency resolution) decreases, making it difficult to identify the material. Conversely, if the frame length (sample width) is long, the time resolution decreases, but the frequency resolution increases. In reality, the reflected wave RW is also about 1 ms, and if the sample width is made wider than that, signals other than the reflected wave will also be picked up, so the frame length (sample width) is set to 2 ms or less.
図8(A)~8(D)は、様々なサンプルに対して送信波SWを当て反射波RWを検出する実験を行って得た反射波RWの周波数スペクトルつまり時間スペクトルパターンを示す。図8(A)~8(D)に示す時間スペクトルパターンを得るため、図3に示す超音波送受信ユニット28(第3及び第4超音波受信器43,44を省略したもの)を水平方向に向け正面の前方60cmの位置に、25cm×30cmサイズの様々な材質の板を配置した。図8(A)は、厚さ1mmの鉄板の場合を示し、図8(B)は、厚さ2.3mmのスチレン板の場合を示し、図8(C)は、厚さ5mmのラワン合板の場合を示し、図8(D)は、厚さ5mmのウレタンスポンジの場合を示す。なお、図8(A)~8(D)は硬い物質から柔らかい物質の順になっている。図8(A)~8(D)から明らかなように、50kHzの周辺に形成される周波数のピークパターンが材質ごとに異なることが分かる。図8(A)の鉄板では、周波数50kHzに最大のピークがあり、その前後の周波数30kHzや70kHzの辺りに比較的大きなピークがある。図8(B)のスチレン板では、周波数50kHz辺りの大きなピークに加えて、周波数70kHz辺りに最大のピークがあり、その下側の周波数30kHzの辺りに比較的大きなピークがある。図8(C)のラワン合板では、周波数50kHz辺りのピークは無くなり、周波数30kHz~70kHzが平坦なピークとなっている。図8(D)のウレタンスポンジでは、周波数50kHz辺りは減弱し、周波数30kHz~70kHzにおいて全体として目立ったピークがないが、振幅の大きな変動がみられる。
Figures 8(A) to 8(D) show the frequency spectrum, or time spectrum pattern, of the reflected wave RW obtained by performing an experiment in which the transmitted wave SW was applied to various samples and the reflected wave RW was detected. In order to obtain the time spectrum patterns shown in Figures 8(A) to 8(D), the ultrasonic transmission/reception unit 28 (without the third and fourth
図9(A)は、様々なサンプルに対し別の実験を行って得た時間スペクトルパターンを示す。また、図10は、図9(A)に示す実験における超音波送受信ユニットやサンプルの配置状態を説明する図である。波送受信ユニット28から出力する送信波SWは、図4(A)に示すようなパターンで、周波数を80kHz~20kHzに下降させた。波送受信ユニット28は、床面FL上に設置した円筒状の支持体SM上にサンプルSAをセットし、その上方に超音波送受信ユニット28(第3及び第4超音波受信器43,44を省略したもの)を配置した。超音波送受信ユニット28からサンプルSAまでの距離を1mとし、サンプルSAのサイズは20cm×30cmとした。サンプルSAの厚みは、1~3mmとした。サンプルSAは、具体的には、鉄板、合板、ビニル、エラストマ、スチレンボード、及びプレーンゴムであり、硬さの値は、それぞれ100、96.85、85、72、及び25であった。図9(A)において、変化1~6として示した周波数領域において硬さの差を示すピーク波形が得られていることが分かる。例えば、25~30kHzでは、スチレンボードやプレーンゴムなどの軟材料ほどレベルが減少しており(変化1)、35kHz以上ではビニールなどの軟材料のレベルが増加している(変化2から6)。合板など硬い材料では40~50kHzの範囲でレベルが減少している(変化3と4の間)が、鉄板ではそのような減少はみられない。なお、エラストマは図の中では埋没して見づらいが、硬軟の中間に位置するレベルである。図9(B) は、鉄板のスペクトルとの差を示すスペクトルパターンであり、軟材と硬材とで周波数に依存してレベルが増減しているのが読み取れる。ただし、材質は特定の周波数領域におけるレベルの局所的な増減だけで判定されるのではなく、その増減のパターン(周波数特性)全体の違いで判定されるべきである。
Figure 9 (A) shows the time spectrum patterns obtained by performing another experiment on various samples. Also, Figure 10 is a diagram explaining the arrangement of the ultrasonic transmission/reception unit and the samples in the experiment shown in Figure 9 (A). The transmission wave SW output from the wave transmission/
以上 の説明は単なる例示であり、上記材料以外であって各種硬さを有し、様々なサイズを有するサンプルSAに送信波SWを当て反射波RWを検出する実験を行って得た反射波RWの時間スペクトルパターンを蓄積し、予め解析し学習することで、処理装置80により、様々な対象OBについて硬さやサイズ等の各種情報を判定することができる。
The above explanation is merely an example. Experiments are conducted in which a transmission wave SW is applied to samples SA of various sizes and hardnesses other than those mentioned above, and the reflected wave RW is detected. The time spectrum patterns of the reflected wave RW obtained are stored, and the
図11(A)~11(C)は、超音波発信器31の1m前方に置いた厚さ2cm~10cmのウレタンフォーム(50cm×50cm)からの反射音スペクトルを示している。図11(A)は、厚さ2cmのウレタンフォームの時間スペクトルパターンを示し、図11(B)は、厚さ5cmのウレタンフォームの時間スペクトルパターンを示し、図11(C)は、厚さ10mのウレタンフォームの時間スペクトルパターンを示す。全般的に超音波がタンフォームを透過してしまい反射音は僅かであったが、その中でも46~47kHzの成分は厚さが大きくなるにつれて減弱していった。このことから、本実験で使用したウレタンフォームでは緻密性が少ないことから発射音は全般的に透過するものの、46-47kHz付近では吸収が起きていることが推察される。このように注目点は材料によって異なることが推測され、逆に、その注目点の変化から材質の違いが予測される。
Figures 11(A) to 11(C) show the reflected sound spectrum from a 2 cm to 10 cm thick urethane foam (50 cm x 50 cm) placed 1 m in front of the
以上から明らかなように、多数の予測される材質について、反射波RWの時間スペクトルパターンを予め測定し記憶装置82にテンプレートとして登録しておけば、反射波RWの時間スペクトルパターンの登録された多数のテンプレートに対する類似性から、超音波送受信ユニット28の前方に存在する対象物又は対象OBの材質又は材料を推定することができる。このようにして決定した材質又は材料は、対象OBの硬さの程度を反映した物質識別指標である。言い換えるならば、反射波RWの波形パターンにおいて、対象物又は対象OBに対して得た局所的な時間スペクトルパターン(対象波形パターン)を既知の複数種の物質に対して得た複数のテンプレート(基準波形パターン)と比較し、近似性の高さから、対象物又は対象OBの物質識別指標として物質種を特定することになる。上記のような局所的な時間スペクトルパターンの近似性又は類似性は、相関その他の各種統計的な手法によって判定が可能である。さらに、多層化したニューラルネットワークを構築するディープラーニングのような各種機械学習の手法を利用して上記のような局所的な時間スペクトルパターンの類似性を判断することもでき、AIを用いたパターン識別も可能である。
As is clear from the above, if the time spectrum patterns of the reflected wave RW are measured in advance for a large number of predicted materials and registered as templates in the
物質識別指標は、対象OBの材質又は材料を特定するものには限らない。物質識別指標は、硬さの程度を示す硬度のようなものであってもよい。物質識別指標は、硬さを複数段階に区分した硬さ分類であってもよい。例えば(1)鉄板や合板のように硬い板状体、(2)透明ビニール板や透明ビニール板のように中間程度の板状体、(3)スチレンボードやゴムのように柔らかい板状体について区分が可能である。これらの区分(1)~(3)は、時間スペクトルパターン全体の傾斜(周波数の低い所(30kHz辺り)の強度と周波数の高い所(50~60kHz)の強度の比)が明らかに違うことを実験的に確認している。物質識別指標は、物質のカテゴリーを区別するようなものであってもよい。例えば、金属固体、セラミックス固体、有機物固体等を区別することができる可能性もある。有機物固体は、肉のような生体的物質も含むという観点で、生体とそれよりも硬い物を区別することもできると考えられる。物質識別指標は、多孔質や繊維といった緻密度に関する情報を含むものとすることができる。スポンジ、繊維といった緻密度が低いものには明らかに透過成分が大きくなり、緻密度の高いゴム板などとは時間スペクトルパターンが大きく相違するものとなる。 The material identification index is not limited to identifying the material or material of the target OB. The material identification index may be something like hardness indicating the degree of hardness. The material identification index may be a hardness classification in which hardness is divided into multiple stages. For example, it is possible to classify hard plate-like objects such as (1) iron plates and plywood, (2) transparent vinyl boards and transparent vinyl boards, and (3) soft plate-like objects such as styrene boards and rubber. It has been experimentally confirmed that these classifications (1) to (3) have clearly different slopes of the entire time spectrum pattern (the ratio of the intensity of the low frequency (around 30 kHz) to the intensity of the high frequency (50 to 60 kHz)). The material identification index may be something that distinguishes between categories of materials. For example, it may be possible to distinguish between metal solids, ceramic solids, organic solids, etc. From the viewpoint that organic solids also include biological materials such as meat, it is thought that it is also possible to distinguish between living organisms and objects harder than them. The material identification index may include information on density such as porosity and fiber. Materials with low density, such as sponges and fibers, will clearly have a larger transmitted component, and the time spectrum pattern will be significantly different from that of materials with high density, such as rubber sheets.
詳細な説明を省略するが、対象物又は対象OBの厚みが増加するほど反射波RWの時間スペクトルパターンのパワーが全体的に低下する下方シフトが生じると考えられ、対象OBまでの距離によってパワー値に対して校正を行えば、対象OBの厚みを推定することも可能になる。 Although a detailed explanation is omitted, it is believed that as the thickness of the target object or target OB increases, a downward shift occurs in which the power of the time spectrum pattern of the reflected wave RW decreases overall, and if the power value is calibrated according to the distance to the target OB, it becomes possible to estimate the thickness of the target OB.
図12(A)及び12(B)は、検超音波送受信装置20の透視性について行った実験を説明する図である。図12(A)は、超音波送受信ユニット28の前方100cmの位置ガラス板を配置した場合の濃度型時間スペクトルパターンを示し、図12(B)は、超音波送受信ユニット28の前方100cmの位置にガラス板を配置し、かつ、ガラス板を覆うように超音波送受信ユニット28の前方70cmの位置に薄い風呂敷布を配置した場合の濃度型時間スペクトルパターンを示している。図12(B)から明らかなように、風呂敷布の存在とガラス板の存在とを同時に検出できていることが分かる。以上のことから、実施形態の物質識別装置100により、薄いカーテンのような仕切り又は幕で隠れて視覚的には見えない物やヒトであってもその検出が可能であるといえる。また、実施形態の物質識別装置100により、視覚的には透明で見えにくいガラス、鏡等の材質も検出可能である。
12(A) and 12(B) are diagrams for explaining an experiment conducted on the transparency of the ultrasonic wave detection transmitting/receiving
以上の現象を利用すれば、処理装置80により、方位が重なりつつも距離が異なる複数の対象の少なくとも1つについて物質識別指標を検出することができ、超音波を透過する対象とその背後の対象とについて、送信波SW及び反射波RWの対比から、物質識別指標をそれぞれ検出することができる。具体的には、上記した風呂敷の後ろのガラス面の存在の検出に限らず、ウレタン材フォームの後ろの硬いものの存在の検出、ウレタンフォームの背後の硬いモノからの反射波によるウレタンフォームの厚さの違いの検出などが可能である。
By utilizing the above phenomenon, the
詳細な説明は省略するが、霧、煙などといった微粒子は超音波を基本的に遮らないので、実施形態の物質識別装置100により、霧、煙などで見えにくい場所にある物やヒトの検出が可能であるといえる。
Although a detailed explanation is omitted, since fine particles such as fog and smoke do not generally block ultrasonic waves, the
以上のように、実施形態の物質識別装置100は、物質の可視的外観を利用した物体検出を行うものではないので、同じ柄で材質が違う物体についても別物として識別可能である。つまり、実施形態の物質識別装置100を例えば移動体上に搭載した場合、移動体が前方物体に向かう場合において、前方物体に対する衝突の衝撃を事前に簡易に予測することができる。
As described above, the
実施形態の物質識別装置100は、超音波を用いた計測を行うので、個室、医療設備といったプライベート空間におけるヒトの動きを観察する観点で、個人情報等の漏洩に関する信頼性が高いといえる。
The
以下、図13を参照して物質識別装置100の動作について説明する。処理装置80は、検超音波送受信装置20を用いて得たデータから、超音波送受信ユニット28の前方に配置された1以上の対象OBについて配置や材質に関する情報を得る(ステップS1)。つまり、処理装置80は、材質的空間配置情報を得る。
The operation of the
次に、処理装置80は、記憶装置82を参照して、材質的空間配置情報によって特定される対象OBについて過去のデータと比較しつつ同一性を判断し、同一物体と判断したものについてはラベリングし、ラベリングされた物体又は対象OBの移動をトラッキング又はトレースする(ステップS2)。
Next, the
処理装置80は、例えばラベリングされた物体又は対象OBの移動や停止が異常な挙動であるか否か、ラベリングされた物体又は対象OBが許容されない場所に移動しつつあるか否かといった、警報その他の通報を要するような通報事態の発生の有無を判断する(ステップS3)。異常な挙動とは、例えば病院や介護施設であれば、病人や被介護者の転倒等を意味し、許容されない場所に移動するとは、例えば他のセキュリティチェック機構をすり抜けた外部からの侵入者の動作がこれに該当する。
The
処理装置80は、ラベリングされた物体又は対象OBの移動が異常な挙動と判断した場合、あるいは、ラベリングされた物体又は対象OBが許容されない場所に移動すると判断した場合、ディスプレイ86等に警報を表示し、通信装置84を介して外部の管理サーバに対して異常事態を報告する(ステップS4)。
If the
以下、図14を参照して、図13のステップS1の動作について詳細に説明する。処理装置80は、検超音波送受信装置20を動作させ、FM型の超音波である送信波SWを超音波発信器31から周囲に発生させ、送信波SWに対する応答としての反射波RWを第1~4超音波受信器41~44ごとの超音波反射データとして取り込む(ステップS11)。その後、処理装置80は、超音波反射データから送信波SWと相関性がある波形データを抽出するための相関処理を行う(ステップS12)。次に、処理装置80は、ステップS12で相関性があるとした波形データから、対象までの距離及び方位(つまり空間配置)を決定し、記憶装置82に保管する(ステップS13)。一方処理装置80は、ステップS12で相関性があるとした波形データからFFT等の手法を用いて周波数分布について解析を行って、スペクトルパターンを得る(ステップS14)。次に、処理装置80は、ステップS14でスペクトルパターンを得た対象について、記憶装置82に保管されている登録されたテンプレートと比較するパターンの照合を行い(ステップS15)、対象OBの材質の推定、対象OBの硬さレベルの推定といった、対象の硬さの程度を反映した物質識別指標を決定する(ステップS16)。最後に、処理装置80は、反射波RWに対応する1つ以上の対象OBについてラベリングしつつ空間的配置と物質識別指標とを組み合わせる統合を行って、材質的空間配置情報を構成する(ステップS17)。
The operation of step S1 in FIG. 13 will be described in detail below with reference to FIG. 14. The
以上の説明から明らかなように、上記実施形態の物質識別装置100では、超音波発信器31が周波数が所定の規則で変化する送信波SWを発生するので、超音波受信器41~44によって検出される反射波RWは、反射波RWを形成した対象OBを構成する物質に関する情報(例えば対象OBの硬さに関する情報)を多様な周波数に対する応答として含むものとなっている。処理装置80は、反射波RWの波形に基づいて対象OBの硬さの程度を反映した物質識別指標を決定するが、このような物質識別指標は、対象OBを構成する物質の硬さ等に関する情報であり、対象OBの物質を特定する参考となる。
As is clear from the above description, in the
この発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。例えば、図3に示す4つの超音波受信器41~44の配置は単なる例示であり、超音波発信器31からの距離や方向は適宜変更することができる。また、4つの超音波受信器41~44を設けないで3つの超音波受信器によって、対象OBの空間的な配置を決定することができる。
This invention is not limited to the above embodiment, and can be implemented in various forms without departing from the spirit of the invention. For example, the arrangement of the four ultrasonic receivers 41-44 shown in FIG. 3 is merely an example, and the distance and direction from the
超音波発信器31は、指向性を持たせたものとすることができ、超音波受信器41~44も、単独として指向性を持たせたものとすることができる。この場合、超音波発信器31や超音波受信器41を走査するように移動させて対象OBの方向を決定することができる。
The
OB…対象、 OB1…ヒト、 OB2…物体、 PO1-PO4…物体、 RW…反射波、 RW1-RW4…反射波、 SW…送信波、 1-4AD…第、 41-44…超音波受信器、 51-54…受信アンプ、 61-64…ADコンバータ、 20…検超音波送受信装置、 21~24…超音波受信装置、 25…超音波送信装置、 27…支持体、 28…超音波送受信ユニット、 31…超音波発信器、 41~44…超音波受信器、 50…アンプ装置、 60…マイコン、 68…マイクロプロセッサ、 69…メモリ、 80…処理装置、 81…演算装置、 82…記憶装置、 83…入出力装置、 84…通信装置、 86…ディスプレイ、 91…通信ケーブル、 100…物質識別装 OB... object, OB1... human, OB2... object, PO1-PO4... object, RW... reflected wave, RW1-RW4... reflected wave, SW... transmitted wave, 1-4AD... number, 41-44... ultrasonic receiver, 51-54... receiving amplifier, 61-64... AD converter, 20... ultrasonic detection transmitting/receiving device, 21-24... ultrasonic receiving device, 25... ultrasonic transmitting device, 27... support, 28... ultrasonic transmitting/receiving unit, 31... ultrasonic transmitter, 41-44... ultrasonic receiver, 50... amplifier device, 60... microcomputer, 68... microprocessor, 69... memory, 80... processing device, 81... arithmetic device, 82... storage device, 83... input/output device, 84... communication device, 86... display, 91... communication cable, 100... material identification device
Claims (11)
前記超音波発信器からの超音波に対する反射波を検出する超音波受信器と、
前記反射波の波形を分析し処理する処理装置とを備え、
前記超音波発信器は、周波数が所定の規則で変化する前記送信波を周期的に発生し、
前記処理装置は、前記反射波の波形に基づいて対象の硬さの程度を反映した物質識別指標を決定し、
前記処理装置は、前記送信波の時間幅の2倍以下の時間幅の1つの短時間スペクトルを取得し、あるいは、前記送信波の時間幅よりも狭い時間幅の短時間スペクトルを所定の時間差で複数収集し、複数の前記短時間スペクトルに共通する特徴を抽出する、
物質識別装置。 an ultrasonic transmitter that generates an ultrasonic transmission wave;
an ultrasonic receiver that detects a reflected wave of the ultrasonic wave from the ultrasonic transmitter;
a processor that analyzes and processes the waveform of the reflected wave;
The ultrasonic transmitter periodically generates the transmission wave whose frequency changes according to a predetermined rule,
The processing device determines a material identification index reflecting a degree of hardness of the object based on a waveform of the reflected wave;
The processing device acquires one short-time spectrum having a time width equal to or less than twice the time width of the transmission wave, or acquires a plurality of short-time spectra having a time width narrower than the time width of the transmission wave at a predetermined time difference, and extracts a feature common to the plurality of short-time spectra.
Material Identification Device.
前記処理装置は、複数の前記超音波受信器によって検出した複数の前記反射波について前記送信波との相関性の高いものを抽出する、請求項6~8のいずれか一項に記載の物質識別装置。 The ultrasonic receiver is disposed at a distance from the ultrasonic transmitter.
9. The material identifying device according to claim 6, wherein the processing device extracts reflected waves having a high correlation with the transmitted wave from the plurality of reflected waves detected by the plurality of ultrasonic receivers.
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