103m超の超音波距離測定 | Marvelmind

0:01 これが100 mでの典型的な性能です。今日はHornについて、もう少し詳しくご紹介します。皆さん、こんにちは。今日はHornの詳細をご紹介できることをうれしく思います。Hornは、実質的には Super-Beacon または Industrial-RX または Industrial Super-Beacon、さらには Mini-RXの拡張機能です。外部マイク付きの屋外用Hornを使うと、1D測定の到達距離を延ばせます。通常はビーコン～ビーコン間で最大50 mですが、RX側のHorn 1つで最大100 m、受信側と送信側の両方にHornを付ければ最大150 mまで延ばせます。

1:00 このソリューションは、実質的に、レーザーが使えない場合のレーザー距離計の代替手段です。例えば霧、粉塵、木の葉などは光の直接の見通しを遮りますが、超音波は直接届きます。あるいは、地下や橋の下にいる場合や、何らかの理由でGPSが現実的な解決策にならない場合の、RTK GPSの代替手段にもなります。このソリューションのもう1つの利点は、複数のビーコンまでの距離を同時にトラッキング・測定できることです。つまり、ビーム幅が20度、30度、さらには40度にもなるHorn付きの受信機を1台用意し、送信ビーコンを複数設置できます。送信ビーコンは、

1:59 ただ取り付けるだけです。ターゲットに取り付ければよいのです。レーザー距離計のスポットを正確に合わせる必要はありません。これは非常に手間がかかる作業です。また、高価なRTK GPSを使う必要もありません。Horn付きのビーコンを三脚などに設置し、ノートPCに接続するか、Bluetoothでタブレットに接続して、ターゲットにビーコンを取り付ければ、数秒ですぐに距離を測定できます。更新レートは距離に応じて3～16 Hzです。前述のとおり、複数のモバイルビーコンまでの距離を同時に測定でき、データはさまざまなインターフェースで取得できます。UART、USB経由の仮想UART、RS485、Bluetoothなど、多くの選択肢があります。つまり、いつもと同じ Super-Beacon を、通常どおり屋外構成で使います。屋外構成では、

2:59 受信側がHorn付きのビーコン、送信ビーコンが通常の屋外用Super-Beaconになるからです。これが100 mでの典型的な性能です。ご覧のとおり、これがオシロスコープに映っているもので、これがシステムの出力です。これが実際に測定された距離で、これがフィルターです。飛びなどがあればモニタリングできます。フィルター、つまりシステムがこうした情報を除外します。これが距離です。そしてこれがセットアップで、標準的な Super-Beacon に外部マイクとHornを付けています。送信ビーコンは103 m先のあちらにあります。こうしたTXビーコンを複数用意し、すべてを同時に測定できます。そして大きな利点は、

3:58 位置を探したり、例えばレーザー距離計のスポットを合わせたりすることに、わざわざ時間をかける必要がないことです。移動する物体に取り付けても、その距離を非常に高精度に測定できます。最大100 mの距離には、Super-Beacon と受信側のHornだけで対応できます。送信側にもHornを付ければ、最大150 mまで可能です。今日はHornについて、もう少し詳しくご紹介します。Hornは、基本的にさまざまな種類のビーコン向けのオプション、つまり拡張品です。まず、Super-Beacon向けに設計されています。Super-Beaconなら非常に簡単に接続できるからです。ご存じのとおり、Super-Beaconには外部に4x4の追加ピンがあります。詳しくは操作マニュアルをご確認ください。ただ、

4:56 このピンは、ほかの接続に加えて、外部マイク用のコネクタにもなっています。この構成では接続しているマイクは1つだけですが、理論上は内蔵マイクに加えて、さらに3つのマイクを接続できます。では、使って確かめてみましょう。Hornは、基本的にはプラスチック製のホーンで、音波を集めることで到達距離を延ばします。この構成でのSuper-Beaconの標準的な性能は30 mで、これが当社の保証値です。実際には、ノイズのない、あるいはノイズの少ない条件であれば、到達距離は最大50 mになります。私たちは常に50 mで測定し、開発を行っています。特に適している周波数は19 kHzと25 kHzです。超音波の減衰は、

5:56 低い周波数のほうが高い周波数よりも小さいからです。そこで今日は、25 kHzのSuper-Beacon、または19 kHzの Super-Beaconについてお話しします。これらは絶対距離と到達距離の点で、さらに優れているからです。そのため、受信側にはどのSuper-Beaconでも使えます。フィルターをデジタルで選択でき、19 kHz、25 kHz、31 kHzとお好みで選べるからです。ただし送信側には、周波数の低いSuper-Beaconをおすすめします。前述のとおり、19 kHzか25 kHzです。では、どのように動作するのでしょうか。まず通常どおり測定することもできますが、このような接続での実際の最大距離は50 mまでです。また、ご存じのとおり、マイクに対する角度が浅いと、約30 mに制限されます。

6:54 ですから、ここでは理想的な正対した状態に話を戻しましょう。しかし、一般的な30 m、40 m、50 mを超える距離をトラッキング・測定したい場合には、Hornが非常に有効な解決策です。どうするかというと、基本的にはこのように接続します。ケーブルだけの状態で供給される場合もあり、その場合は基板にはんだ付けできます。基板に直接はんだ付けして接続できる専用のピンがあります。例えば、IP67版、つまり屋外向けの保護仕様のSuper-Beaconを供給する場合は、この方法を使っています。ちなみに、同じ方法で、Super-Beaconだけでなく、産業用ビーコンや Mini-RX にも対応できます。このように、はんだ付けも可能ですが、Super-Beaconなら4x4の

7:51 外部ピンにつなぐだけなので簡単です。その後は？これを三脚に設置し、別の三脚に設置したSuper-Beaconまで最大100 mの距離で使います。受信側と送信側の両方にHornを付けた構成もあります。これは受信側ですが、送信側もほぼ同じです。その場合、距離は最大150 mになります。何に使うのでしょうか。まず、1Dで測定したいのに、何らかの理由でレーザー距離計を使えない場合です。例えば木の葉の向こう側です。超音波は葉を通り抜けますが、レーザーは当然通りません。あるいは、高い建物がある場所、橋の下、地下、またはMarvelmind

8:50 システムの大半が設置されている建物の内部など、RTK GPSが使えない場合です。Hornは非常に優れた、とても堅実なソリューションです。撮影したライブ映像で、どれほどうまく動作するかをご覧いただけます。もちろん、これは音響ベースのシステムなので、実際の絶対距離は空気の性質に左右されることを忘れないでください。まず温度ですが、それだけではありません。気圧や湿度も影響します。つまり、キャリブレーションをまったくしなくても、ビーコンを設置すれば、距離の変化はすぐに測定し始められます。キャリブレーションなしの場合、絶対誤差は最大1～3%になることがあります。しかし、この誤差もキャリブレーションで簡単に打ち消せます。キャリブレーションはとても簡単です。まず、

9:48 ビーコンを特定の距離、例えば10 mや20 mに設置します。その距離を正確に測ります。どこから測るのでしょうか。この場合は受信点であるこの点からで、こちらではありません。こちらの送信点は、送信ビーコンの内側約1 cmのところになります。こうして測定し、例えば10 mのはずが、システムでは10 m 10 cmと表示されたとします。それで構いません。次に設定、つまりモデムの設定を開いて、温度を変更します。Dashboardには外気温の設定があるので、デフォルトの23 ℃から例えば22 ℃に変えると、表示される距離が下がります。こうして10 mと表示されるまで合わせます。これでキャリブレーションは完了です。

10:47 キャリブレーションが済めば、絶対距離を高精度で測定できます。もちろん、その状態が保たれるのは条件が変わらない間、つまり温度や気圧が変化しない間です。ただし、これらの変化はかなりゆっくりなので、実際にはある程度の時間的な余裕があります。もう1つ覚えておくべき要素は、音響ノイズです。超音波の帯域にまで及ぶ大きな音響ノイズがあると、当然ながら測定値の変動が大きくなります。ただし平均化の機能があり、平均化を強めると測定のレイテンシは大きくなります。それでも、1Dで動かない対象を測定する場合は通常問題にならず、同時に精度が上がり、外部ノイズへの耐性も高まります。あるいは、基本的には

11:46 ノイズが収まるのを待って測定することもできます。システムでは、例えば内蔵オシロスコープを使って、測定値とノイズを非常にはっきり確認できるからです。まとめると、Hornは複数のビーコン向けのオプションの外付け部品です：Industrial Super-Beacon、Industrial-RX、そしてもちろんSuper-Beaconです。Super-Beaconをおすすめするのは、はんだ付けなしで接続でき、RX側のHornだけで最大100 m、RXとTXの両方にHornを付ければ最大150 mまで到達距離を延ばせるからです。ありがとうございました。