KR0114917Y1 - 초음파센서를 이용한 장애물탐지장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 초음파센서를 이용하여 장애물까지의 거리 및 그 성형을 검출하는 장애물탐지장치에 관한 것으로, 펄스신호를 출력하는 송신부와, 상기 송신부의 출력신호를 받아서 초음파에너지로 변환하고 이 초음파에너지를 공간상에 방사할 때 물체에서 반사되는 에코신호를 수신하는 수신부호, 상기 송수신부에서 출력되는 펄스신호의 출력타이밍데이터 및 상기 수신부의 에코신호를 받아 감시구역내에 존재하는 물체까지의 거리 및 그 성향을 판별하는 마이크로컴퓨터와, 상기 마이크로컴퓨터에서 출력되는 상여자구동신호에 따라 초음파센서가 연결된 스텝핑모터를 구동시키는 모터구동부와 상기 마이크로컴퓨터에서 출력되는 구동신호에 따라 탐지한 데이터를 표시하는 표시부와, 상기 각 구성요소에 원을 공급하는 전원부로 구성되어 초음파센서가 상기 스텝핑모터의 구동력으로 스캐닝되도록 함으로써 초음파센서가 지향하는 방향을 정확히 설정할 수 있는 효과가 있다.

Description

초음파센서를 이용한 장애물탐지장치

제1도는 본 고안에 따른 장애물탐지장치의 전체적인 블록도.

제2도는 제1도의 구체적인 회로도.

제3도는 본 고안에 따른 초음파센서의 동작 상태도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 초음파 센서 2 : 마이크로컴퓨터

3 : 송신부 4 : 수신부

5 : 표시부 6 : 스텝핑모터

7 : 모터구동부 8 : 전원부

9 : 펄스구동부 11 : 도선

13 : 저잡음증폭부 15 : 도선

16 : 전류미러회로 18 : D/A 컨버터

19 : 이득조정부

본 고안은 초음파센서를 이용한 장애물 탐지장치에 관한 것으로, 특히 로봇장치, 보안점검용의 이동식플랫폼 또는 유도장치등에 장착되어 원격물체의 탐지 및 우회기능을 수행하는 원격표적 탐지장치에 관한 것이다.

종래에는 다소개의 초음파센서로 원격표적탐지장치를 구성하여 플랫폼 또는 차체에 장착시켜서 사용하였다.

상기 각각의 센서는 전기적인 펄스 신호를 초음파에너지로 바꾸어 탐지구역내에 방사하게되고 물체에 부딪혀 반사되어온 초음파에코신호는, 초음파 센서의 출력단에 각각 접속되어 이들을 선택하는 멀티플렉서를 통해 마이크로 컴퓨터로 입력되면서 이곳에서 프로그램에 따라 기록 및 분석된 뒤 그 물체의 성향을 판별하게 된다.

상기 구조로 된 종래 물체탐지장치에 있어서는 각각의 초음파센서가 어느정도 효과적으로 물체의 탐지기능을 수행한다고 볼수 있으나 다수의 초음파 센서가 사용되는 만큼 가격이 비싸다고하는 결점이 있다. 또한 출력되는 펄스신호와 물체로부터 반사되어오는 에코신호와의 타이밍을 분석하기위해서는 각각의 초음파센서로부터 신호가 들어오는 경로마다 고가의 멀티플렉서를 설치하여야 하고, 특히 이들을 모두 취부하기 위해서는 보다 넓은 공간이 필요하게되므로 소형화설계가 어렵다고 하는 문제점이 있었다.

상기 문제점을 해결하기 위하여 종래에는 하나의 초음파센서 상하측에 복원력을 갖는 한쌍의 나선형 스프링을 설치하고 초음파센서의 후면에는 영구자석과 이 영구자석과 일정거리를 두고 옵셋관계를 갖는 마그네트코일을 각각 설치하여 하나의 초음파센서로 전방 180°회전시키면서 물체를 스캐닝하는 장치를 개발하게된 것이다. 그러나 상기 종래 구조의 회동식 초음파센서 스캐닝장치는 스프링의 자유진동력을 이용하여 초음파센서를 회전시키도록 구성된 것이므로 이를 장착한 로봇이 경사진 곳을 이동하거나 바닥상태가 불균일한 곳을 지나게 될 때 또는 급격한 회전으로 한쪽으로 기우러질때는 스프링자체가 변형되면서 상기 마그네트코일과 영구자석간의 옵셋관계가 불안정하게되므로 상기 스프링이 원상태로 복귀될때까지는 동작 불능 사태가 발생하게되고 특히 외부로부터 충격이 가해지게 될 때에는 상기 스프링의 변형이 발생되므로 주변환경에 따라 회전주기가 변하게 된다고 하는 문제점이 발생하였다.

특히 사용용도에 따라 진동주파수를 조정할 필요가 있게되나 상기 종래 초음파센서물체탐지장치는 일단제작후에는 나선형 스프링의 탄성계수가 정하여지게 되므로 진동주파수의 조정이 어렵다고하는 문제점이 있었다.

이에 본 고안은 상기와같은 종래 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로 본 고안의 목적은 초음파센서가 지향하는 방향을 정확히 설정할 수 있고 또한 상기 초음파센서의 스캐닝주파수를 자유로이 가변시킬수 있도록 된 원격표적탐지장치를 제공하는데 있다.

본 고안의 또다른 목적은 스텝핑모우터의 회전스텝별로 초음파센서의 지향방향을 검출하도록 함으로써 물체까지의 거리 및 그 성향을 정확히 판별할 수 있도록된 원격표적탐지장치를 제공하는데 있다.

본 고안은 또한 마이크로컴퓨터와 수신부사이에 이득조정부를 추가로 접속시켜 수신부에서 출력되는 신호의 이득을 조정할 수 있도록 한다.

다음은 도면을 참조하여 본 고안의 실시예를 상세히 설명한다.

제 1도는 본 고안에 따른 장애물탐지장치의 전체적인 블록도를 도시한 것이고, 제 2도는 상기 제 1도의 구체적인 회로를 도시한 것이며, 제 3도는 본 고안에 따라 초음파센서의 동작상태를 도시한 것이다.

상기 제 1도에서 참조번호 1은 초음파센서를 나타내는 것으로 상기 초음파센서(1)는 마이크로컴퓨터(2)(이하 마이컴이라함)의 제어로 송신부(3)로부터 도선을 통해 공급되는 펄스신호에 의해 구동되어 제 3도에서 포락선으로 나타낸 탐지구역내에 초음파에너지를 방사한다. 본 고안의 일실시예에 따르면 탐지구역 포락선은 약 11,3ms의 호출주기동안 설정된다. 이 주기동안 탐지구역내의 모든 물체나 표적은 초음파에코에너지를 효과적으로 반사시키게되고, 상기 에코에너지는 초음파센서(1)에 의해 수신된 다음 수신부(4)에서 전기적인 신호로 변환되어 마이컴(2)으로 전송된다. 초음파센서(1)에서 수신된 신호는 그 세력이 미약하므로 상기 수신부(4)와 마이컴(2) 사이에 이득조정부(19)를 접속시켜 상기 수신부(4)에서 출력되는 신호의 이득을 조정할 수 있게 괸다.

상기 마이컴(2)은 상기 입력된 신호 데이터를 이용해서 탐지구역내의 표적 물체를 분석하고 미리 프로그램된 내용에 따라, 예를 들면 탐지된 표적물체의 성질 또는 위치등의 정보를 표시부(5)상에 표시하는 등의 기능을 수행하게 된다.

이와같이 마이컴(2)에서 에코신호를 분석하는데 있어서는 스텝핑모터(6)의 스텝주기와 초음파센서(1)의 위치에 대한 시차관계에 의존하게 됨은 물론이다.

즉, 상기 스텝핑모터(6)는 상기 마이컴(2)의 제어에 의해 모터 구동부(7)에서 인가되는 상여자펄스의 튜티비를 가변 시킴으로써 초음파센서(1)의 회전스텝이 가변되고 그 변위속도 또한 상여자펄스의 주파수를 가변함으로써 조정될 수 있는 것이다.

본원 고안의 실시예는 또흔 전원부(8)를 구비하고 있는바, 제 2도에 도시된 바와같이 상기 전원부(8)에 구성된 밧데리(BAT)의 양극단자는 각각 병렬로 접속된 전압안전화콘데서(C5,C6)의 일측단자와 함께 12V용 레귤레이터(100)에 접속된다. 상기 레귤레이터(100)의 출력단에는 5V용량의 또다른 레귤레이터(101)가 접속되어 2가지 출력전압, 즉 모터구동부(7)와 송신부(3)에는 12V전압을, 수신부(4)와 상기 송신부(3)의 또다른 입력단 및 마이컴(2)에는 5V의 전압을 각각 공급한다.

다음은 제 2도를 참조로 초음파센서의 송신부(3) 및 수신부(4)를 설명한다.

상기 송신부(3)에는 펄스구동부(9)가 구성되어 마이컴(2)에서 출력되는 제어신호에 따라 초음파센서(1)에서 초음파에너지로 변환되는 구동펄스를 발생시킨다.

즉, 상기 펄스구동부(9)는 접지단과 전원공급단사이에 직렬 접속된 승압용 트랜스포머(T₁)와 트랜지스터(Q₂)로 구성되고 상기 트랜스포머(T₁)는 2차권선(L₂)으로부터 직류차단용콘덴서(C₁) 및 저항(R7)과 도선(11)을 통해 초음파센서(1)에 구동펄스를 출력한다.

즉, 마이컴(2)의 출력단(O₁)으로부터 주파스 200KHZ의 신호가 저항(R₁)을 통하여 트랜지스터(Q₁)의 베이스에 인가되면 트랜지스터(Q₁)가 턴-온되고, 이 트랜지스터(Q₁)의 턴-온동작으로 저항(R4)을 통하여 트랜지스터(Q₂)의 베이스 컨트롤바이어스가 인가된다.

따라서 상기 저항(R₁)을 통해 주기적으로 출력되는 마이컴(2)의 펄스 신호에 따라 초음파센서(1)로부터 초음파에너지가 출력되게되고 물체로부터 반사되어오는 초음파에코신호는 다시 초음파센서(1)로부터 수신부(4)로 수신되어 마이컴(2)으로 인가된다.

즉, 초음파센서(1)에 의해서 검출된 에코신호를 도선(11)과 트랜스포머(T₁)의 2차권선(L₂) 및 콘덴서(C₂)를 통해 저잡음증폭부(13)를 구성하는 연산증폭기(OP1)의 비반전단(+)에 인가되어 이득이 향상된 후 그 출력단에 접속된 콘덴서(C₃)와 저항(R16)에 의해 잡음이 제거된 상태에서 트랜지스터(Q₃)의 베이스에 인가된다.

한편 상기 트랜지스터(Q₃)의 콜렉터에는 한쌍의 트랜지스터(Q₄,Q₅)가 베이스공통으로 접속된 전류미러회로(16)가 접속되어 에코신호가 안정적으로 출력될 수 있게하고 또한 상기 전류미러회로(16)의 출력단에는 저항(R18)과 콘덴서(C4)로 구성된 저역필터가 접속되어 이곳에서 잡음이 제거된 신호가 마이컴(2)의 입력단(I₁)에 입력되게 되는 것이다.

상기 수신부(4)에는 에코신호의 이득을 조정할 수 있는 이득조정용 D/A 컨버터(18)가 마이컴(2)의 출력단(D₂)과 연산증폭기(OP1)의 비반전단자(+)사이에 접속되는 이득조정부(19)가 연결되어 초음파센서(1)로부터 수신된 에코신호의 이득을 자동조절하게된다.

즉, 마이컴(2)이 현재 입력되는 에코신호의 세력이 크다고 판별할 때에는 상기 D/A컨버터(18)는 부궤환요소로서 다이오드(D6)의 에노드보다 낮은 레벨의 아날로그 신호를 출력하여 상기 디오드(D6)를 도통시킴으로써 에코신호의 세력을 감소시키게되고 수신된 에코신호의 세력이 미약할때는 다이오드(D6)의 오프전압을 출력시켜 에코신호가 감소됨이 없이 연산증폭기(OP1)로 출력될 수 있게 한다.

다음은 마이컴(2)이 초음파센서(1)로부터 입력된 데이터를 이용해서 신호를 반사한 탐지구역내의 표적 물체를 분석한 후 기 작성된 프로그램의 내용에 따라 탐지된 표적물체의 성질 또는 위치등의 정보를 표시하는 표시부(5)에 대하여 설명한다.

본 고안에 따른 표시부(5)는 전극이 행(ROW)과 열(COLUMN)로 다수개 배열된 매트릭스 형상으로 구성하게 되는바, 행을 이루는 전극의 각각은 싱크버퍼(U1, U2 … Um)를 통하여 마이컴(2)의 출력단에 접속되고, 열을 이루는 전극의 각각은 소스버퍼(Um+1, Um+2 … Um+m)를 통하여 마이컴(2)의 출력단에 접속되는 구조를 이루게되고 상기에서 열을 이루는 전극과 각 소스버퍼(Um+m)사이에는 전류를 형성하는 저항(R40, R41, … R_k)이 접속된다. 상기 구조에서 행전극과 인접된 열전극사이에는 하나의 화소를 구성하는 발광다이오드(D13,D14 … D_k)가 접속되는 이들 발광다이오드들이 선택적으로 발광할 수 있도록 한다.

일예로 Um+2번째의 소스버퍼에 신호가 인가되고 동시에 U₁번째의 싱크버퍼에 신호가 인가되게되면 발광다이오드(D14)가 발광하게되고, 상기 소스버퍼 및 싱크버퍼에 인가되는 데이터를 조합하게 됨으로써 장애물감지시 그 물체의 감지 및 위치정보를 표시부(5)상에 표시하게 된다.

다음은, 스텝핑모터(6)의 모터구동부(7)에 대하여 설명한다.

본 고안에 따른 스텝핑모터(6)는 4상구동방식을 채용하게되므로 저항(R20, R21, R22, R23)을 통하여 4상의 구동펄스가 순차적으로 출력하게 되는바, 일예로 저항(R21, R23)은 로우레벨로 유지된 상태에서 상기 저항(R20, R22)을 통하여 하이펄스의 상신호를 출력하게되면 상기 저항(R20)에 베이스가 접속된 트랜지스터(Q6)가 턴-온되고 동시에 이 트린지스터(Q6)의 컬렉터에 베이스가 접속된 트랜지스터(Q7)와 이트랜지스터(Q7)의 컬렉터에 케이트가 접속된 전계효과 트랜지스터(Q9)가 순차적으로 턴-온됨으로써 고정자의 중간탭에 접속된 +12V의 전원선(P)으로 구동전류가 인가되면서 스텝핑모터(8)의 고정자를 이루는 A상코일이 도통되게된다.

또한 저항(R22)을 통하여 출력되는 구동펄스에 의하여 상기 저항(R22)에 베이스가 접속된 트랜지스터(Q12)가 턴-온되고 동시에 이 트랜지스터(Q12)의 컬렉터에 베이스가 접속된 트랜지스터(Q13) 및 상기 트랜지스터(Q13)의 컬렉터에 게이트가 접속된 전계효과 트랜지스터(Q14)가 턴-온됨으로써 스테핑모터(6)의 C상코일이 도통되게 된다.

이와같이 스테핑모터의 A 및 C상 코일이 도통회로를 구성하게 될 때는 시계반대방향으로 회전하게된다. 다음과 같이 저항(R20,R22)은 로우레벨로 유지된상태에서 저항(R21, R23)을 통하여 하이레벨의 구동펄스가 출력될 경우에는 스텝핑모터(6)는 시계방향으로 회전하게 된다.

즉, 상기 저항(R21)을 통하여 하이펄스의 상신호가 출력되면 상기 저항(R21)에 베이스가 접속된 트랜지스터(Q11)가 턴-온되고 동시에 이 트랜지스터(Q11)의 컬렉터에 베이스가 접속된 트랜지스터(Q8)와 이 트랜지스터(Q8)의 컬렉터에 게이트가 접속된 전계효과트랜지스터(Q14)가 순차적으로 턴-온됨으로써 스텝핑모터(6)의 고정자를 이루는 B상코일이 도통되게 된다.

또한 저항(R23)을 통하여 출력되는 구동펄스에 의하여 상기 저항(R23)에 베이스가 접속된 트랜지스터(Q17)가 턴-온되고 동시에 이 트랜지스터(Q16)의 컬렉터에 베이스가 접속된 트랜지스터(Q16) 및 이 트랜지스터(Q16)의 컬렉터에 게이트가 접속된 전계효과 트랜지스터(Q15)가 턴-온됨으로써 스텝핑모터(6)의 D상코일이 도통되게 된다.

이와같이 스텝핑모터(6)의 B상 및 D상코일이 도통될때에는 스텝핑모터(6)는 시계방향으로 회전하게 되고 A상 및 C상의 코일이 도통될때에는 반시계방향으로 회전하게 되므로 본 고안에 따른 스텝핑모터(6)는 상기한 구성에 의하여 스텝핑모터(6)를 정, 역회전시키게 되는 것이다.

다음은 제 3도를 참조하여 스텝핑모터가 정역회전하는 구동력에 의하여 초음파센서가 변위하는 과정을 설명한다. 본 고안에 따른 스텝핑모터(6)는 상기한 바와같이 2상방식으로 구동되므로 1스텝회전하는 회전각은 15°이고 따라서 초음파센서(1)가 변위하는 전체범위는 180°이므로 총 12스텝으로 한쪽 방향으로의 스캐닝 1주기를 완료하게 된다. 그러나 초음파센서(4)로부터 멀리 떨어진 지점, 일예로 도면상에서 빗금으로 표시한 장애물(20)은 초음파 신호가 겹치지 않는 사각지대에 놓이게 되어 탐지가 되지 않으므로 원거리의 물체탐지시에는 정확도가 떨어지게 되는바 본 고안에서는 총 12스텝이 완료된 시점에서 마이크로컴퓨터(2)에 기 프로그램된 내용에 따라 다음의 스캔닝 동작이 일어나는 최초스텝에서 2상방식을 1상-2상방식으로 변환하여 스텝핑모터(6)를 7.5°만큼 보정스텝을 진행 시킨후 1상-2상방식에서 2상방식으로 전환시켜 이후 15°의 스텝동작을 시키게 된다. 따라서 스텝핑모터(6)가 정·역의 1싸이클 동작을 하게될 경우에는 초음파센서(4)를 7.5°씩 변위시키는 효과를 가져오게 됨으로써 사각없이 물체를 탐지할 수 있게 되는 것이다.

상술한 바와같이 본원고안은 스텝핑 모우터의 구동력을 이용하여 초음파센서를 스캐닝하도록 함으로써 초음파센서가 지향하는 방향을 정확히 설정할 수 있고 또한 스텝핑모우터의 회전각을 프로그램에 따라 자유자재로 조정할 수가 있으므로 사각없이 물체를 탐지할 수 있는 효과가 있는 것이다.

특히 마이크로컴퓨터에 설정되는 프로그램이 알고리즘을 운용자가 사용하게 적합한 형태로 작성하게되면 물체의 탐지효과를 증대시킬 수 있다.

즉 가까운 곳에서 먼곳으로 감지구역을 옮겨갈때마다 송신주파수를 높이고, 수신부의 이득 또한 높히며, 송신 펄스의 수를 증가시키도록 알고리즘을 작성함으로써 물체탐지의 효율을 증대시킬수 있는 효과가 있게 된다.

Claims (2)

1. 펄스신호를 출력하는 송신부와, 상기 송신부에서 출력된 펄스신호를 받아서 초음파신호로 변환하여 방사함과 동시에 상기 초음파신호가 물체에 반사된 에코신호를 수신하는 한편, 스텝핑모터에 의해 회전하도록 되어 있는 초음파센서, 상기 초음파센서에서 출력된 에코신호를 증폭 및 필터링하여 출력하는 수신부, 상기 송신부에서 출력되는 펄스신호와 출력타이밍데이터 및 상기 수신부에서 출력된 에코신호를 받아 감시구역내에 존재하는 물체까지의 거리 및 그 성향을 판별하는 마이크로 컴퓨터, 상기 마이크로컴퓨터에서 출력되는 상여자구동신호에 따라 스텝핑모터를 구동시켜 초음파센서를 회전시키는 모터구동부, 상기 마이크로컴퓨터에서 출력되는 구동신호에 따라 탐지한 데이터를 표시하는 표시부 및, 상기 각 구성요소에 전원을 공급하는 전원부로 구성된 것을 특징으로 하는 초음파센서를 이용한 장애물 탐지장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 마이크로컴퓨터와 수신부 사이에 접속되어 상기 수신부에서 출력된 에코신호의 이득을 조정하여 상기 마이크로컴퓨터로 입력하는 이득조정부가 더 구비된 것을 특징으로 하는 초음파센서를 이용한 장애물탐지장치.