KR0120489Y1 - 초음파를 이용한 거리 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 고안의 초음파를 이용한 거리 측정장치는 초음파를 발사하고, 반사되는 초음파를 검출하여 거리를 측정하는 것이다.

본 고안은 단거리 및 장거리로 구분하여 단거리의 측정시 구동시간을 짧게 구동 펄스신호를 발생하고, 장거리의 측정시 구동시간을 길게 구동 펄스신호를 발생하여 초음파 송신센서(4)를 구동시키고, 단거리의 측정시 초음파 송신센서(4)에 구동 펄스신호를 인가한 후 여진 발생시간에 여진 펄스의 반대 위상을 가지는 여진 제거펄스를 인가하여 여진을 감소시키며, 잔향음의 존재시간동안 초음파 수신센서(5)의 수신신호 증폭이득 및 가변이득 대역통과필터(8)의 통과이득을 단계적으로 증가시키고, 잔향음의 존재시간이 아닐 경우에 초음파 수신센서(5)의 수신신호의 증폭이득 및 가변이득 대역통과필터(8)의 통과이득을 최대로하여 거리를 측정하며, 장거리의 측정시에는 잔향음의 존재시간동안 거리를 측정하지 않고, 잔향음의 존재시간이 경과될 경우에 초음파 수신센서(5)의 수신신호 증폭이득 및 가변이득 대역통과필터(8)의 통과이득을 단계적으로 증가시키면서 거리를 측정한다.

Description

초음파를 이용한 거리 측정장치

제1도의 (a)∼(c)는 종래의 거리 측정장치의 동작을 설명하기 위한 파형도.

제2도는 본 고안의 거리 측정장치의 일실시예를 보인 회로도.

제3도의 (a)(b)는 본 고안에서 단거리 및 장거리를 측정할 경우에 초음파 송신센서의 구동 펄스신호를 보인 파형도.

제4도 내지 제6도는 본 고안의 거리 측정장치에 의한 중앙처리장치의 동작을 보인 신호 흐름도로서,

제4도는 메인 루틴을 보인 신호 흐름도.

제5도는 단거리 측정루틴을 보인 신호 흐름도.

제6도는 장거리 측정루틴을 보인 신호 흐름도.

제7도는 본 고안의 거리 측정장치의 다른 실시예를 보인 회로도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1:중앙처리장치 2:여진 제거펄스 시간조절부

3:초음파 구동부 4:초음파 송신센서

5:초음파 수신센서 6:제1 대역 통과필터

7:제1 가변증폭부 8:가변이득 대역 통과필터

9:제2 가변증폭부 10:검파부

11:비교기 12:거리 표시부

13:기준전압 공급부 CS₁∼CS₃:제어신호

본 고안은 초음파를 발사하고, 반사되는 초음파를 검출하여 거리를 측정하는 초음파를 이용한 거리 측정장치에 관한 것이다.

일반적으로 물체를 감시하거나, 자동차의 충돌방지 등을 위하여 거리를 측정할 경우에는 초음파를 이용하고 있다.

초음파를 이용하여 거리를 측정할 경우에 초음파 송신센서가 구동되면서 초음파를 송신하고, 초음파 수신센서에는 초음파 송신센서에서 송신된 초음파가 직접 수신됨은 물론 초음파 송신센서의 구동이 종료된 후 일정 시간동안 계속 여진하면서 발생되는 잔향 초음파가 초음파 수신센서에 직접 수신되며, 또한 거리 측정할 물체에서 반사되는 초음파가 수신된다.

그러므로 초음파를 이용하여 거리를 측정할 경우에 최소 측정거리가 제한되었다.

즉, 초음파를 이용하여 거리를 측정할 경우에 초음파 송신센서에 인가되는 구동 펄스신호는 제1도의 (a)에 도시된 바와 같다. 여기서, 구동시간은 통상적으로 초음파 송신센서의 최대 효율이 얻어지는 시점까지로 설정되고, 정지시간은 측정할 거리에 따라 결정된다.

이 구동 펄스신호가 초음파 송신센서에 인가될 경우에 인가된 구동 펄스신호는 초음파 송신센서의 동작 특성상 제1도의 (b)에 도시된 바와 같이 진폭이 지수적으로 감소하는 여진(勵振)을 하게 된다.

이와 같이 초음파 송신센서에 인가되는 구동시간 동안의 구동 펄스신호와, 여진에 의해 초음파 송신센서가 초음파를 송신하는 것으로 이를 수신하는 초음파 수신센서의 수신신호를 증폭하면, 제1도의 (c)에 도시된 바와 같다.

여기서, 구동 펄스신호의 구동시간과 초음파 송신센서의 여진에 의한 잔향음이 포함되어 있는 시간이 거리의 최소 측정시간이고, 이를 거리로 환산하는 것이 최소 측정거리로 된다.

그리고 초음파 수신센서가 검출한 수신신호의 증폭률을 높이게 될 경우에는 최대 측정거리가 증가되나, 잔향음이 더욱 커지게 되어 최소 측정거리가 길어지게 된다.

그러므로 종래의 기술에 의하면, 최소 측정거리 및 최대 측정거리가 비례하게 되고, 또한 측정할 수 있는 최소 측정거리가 제한되었다.

그러므로 본 고안의 목적은 초음파를 이용한 최소 측정거리를 줄임은 물론 최대 측정거리를 늘릴 수 있도록 하는 초음파를 이용한 거리 측정장치를 제공하는데 있다.

이러한 목적을 가지는 본 고안은 측정할 거리에 따라 구동 펄스신호의 구동시간 및 초음파 수신센서의 수신신호 이득을 가변시키는 것으로서 단거리 및 장거리로 구분하여 단거리의 측정시 구동시간을 짧게 구동 펄스신호를 발생하고, 장거리의 측정시 구동시간을 길게 구동 펄스신호를 발생하여 초음파 송신센서를 구동시킨다.

단거리의 측정시 초음파 송신센서에 구동 펄스신호를 인가한 후 여진 발생시간에 여진 펄스의 반대 위상을 가지는 여진 제거펄스를 인가하여 여진을 감소시킨다.

그리고 잔향음의 존재시간동안 초음파 수신센서의 수신신호 증폭이득 및 가변이득 대역 통과필터의 통과이득을 단계적으로 증가시키고, 잔향음의 존재시간이 아닐 경우에 초음파 수신센서의 수신신호의 증폭이득 및 가변이득 대역 통과필터의 통과이득을 최대로하여 거리를 측정한다.

장거리의 측정시에는 잔향음의 존재시간동안 거리를 측정하지 않고, 잔향음의 존재시간이 경과될 경우에 초음파 수신센서의 수신신호 증폭이득 및 가변이득 대역 통과필터의 통과이득을 단계적으로 증가시키면서 거리를 측정한다.

이하, 첨부된 제2도 내지 제7도의 도면을 참조하여 본 고안의 초음파를 이용한 거리 측정장치를 상세히 설명한다.

제2도는 본 고안의 거리 측정장치를 보인 회로도로서 이에 도시된 바와 같이, 초음파 거리측정의 전체 동작을 제어하는 중앙처리장치(1)와, 초음파의 송신시 여진 제거펄스의 발생을 조절하는 여진 제거펄스 시간조절부(2)와, 상기 중앙처리장치(1)의 제어에 따라 초음파 송신센서(4)를 구동시켜 초음파를 송신하게 하는 초음파 구동부(3)와, 상기 초음파 송신센서(4)가 송신하는 초음파 및 반사되는 초음파를 수신하는 초음파 수신센서(5)와, 상기 초음파 수신센서(5)의 수신신호에 잡음을 제거하는 대역통과필터(6)와, 상기 대역 통과필터(6)의 출력신호를 상기 중앙처리장치(1)의 제어에 따라 가변증폭하는 제1 가변증폭부(7)와, 상기 제1 가변증폭부(7)의 출력신호의 잡음을 제거하면서 상기 중앙처리장치(1)의 제어에 따라 통과이득을 가변시키는 가변이득 대역 통과필터(8)와, 상기 가변이득 대역 통과필터(8)의 출력신호를 상기 중앙처리장치(1)의 제어에 따라 가변증폭하는 제2 가변증폭부(9)와, 상기 제2 가변증폭부(9)의 출력신호에서 초음파를 검출하는 검파부(10)와, 상기 검파부(10)의 출력신호를 미리 설정된 기준전압과 비교하여 상기 중앙처리장치(1)에 입력시키는 비교기(11)와, 상기 중앙처리장치(1)의 제어에 따라 측정한 거리를 표시하는 거리 표시부(12)로 구성하였다.

이와 같이 구성된 본 고안은 거리의 측정시 중앙처리장치(1)는 제어신호를 출력하고, 출력한 제어신호에 따라 초음파 구동부(3)가 초음파 송신센서(4)로 구동 펄스신호를 인가하여 구동 및 초음파를 송신하게 한다.

여기서, 본 고안은 측정할 거리에 따라 초음파 송신센서(4)에 인가되는 구동 펄스신호의 구동시간을 가변시키는 것으로서 예를 들면, 단거리를 측정할 경우에는 제3도의 (a)에 도시된 바와 같이 구동시간을 짧게 하고, 장거리를 측정할 경우에는 제3도의 (b)에 도시된 바와 같이 구동시간을 길게하여 초음파 송신센서(4)를 구동시킨다.

그리고 여진 제거펄스 시간조절부(2)는 시간조절 펄스를 발생하는 것으로서 단거리의 측정시 중앙처리장치(1)는 구동 펄스신호를 출력한 후 제3도의 (a)에 도시된 바와 같이 여진펄스 제거시간동안 여진 제거펄스 시간조절부(2)의 출력신호에 따라 여진펄스의 반대 위상을 가지는 여진 제거펄스를 출력하고, 이 여진 제거펄스에 따라 초음파 구동부(3)가 초음파 송신센서(4)를 구동시켜 여진의 발생을 감소시키게 된다.

이와 같이 초음파 송신센서(4)가 구동되면서 송신하는 초음파와, 거리 측정할 물체로부터 반사되는 초음파를 초음파 수신센서(5)가 수신하고, 대역통과필터(6)를 통해, 초음파 송신센서(4)를 구동시킨 구동 펄스신호의 주파수 이외의 잡음이 제거 즉, 초음파 송신센서(4)가 송신한 초음파만이 대역통과필터(6)를 통과하여 출력된다.

대역 통과필터(6)에서 출력된 수신신호는 제1 가변증폭부(7)에 입력되어 중앙처리장치(1)가 출력하는 제어신호(CS₁)에 따라 증폭이득이 조절되고, 가변이득 대역 통과필터(8)를 통해 중앙처리장치(1)가 출력하는 제어신호(CS₂)에 따라 통과이득이 조절되면서 다시 잡음이 제거된 후 제2 가변증폭부(8)에서 중앙처리장치(1)가 출력하는 제어신호(CS₃)에 따라 증폭이득이 조절되어 출력된다.

즉, 본 고안은 측정할 거리에 따라 제1 및 제2 가변증폭부(7)(9)의 증폭 이득과 가변이득 대역 통과필터(8)의 통과이득을 가변시키는 것으로서 단거리의 측정시 구동 펄스신호의 구동시간이 경과되고, 여진 제거펄스를 발생한 후 중앙처리장치(1)의 제어로 제1 및 제2 가변증폭부(7)(9)의 증폭이득과, 가변이득 대역 통과필터(8)의 통과이득의 최저단계로 조절하고, 잔향음이 발생되는 시간동안은 증폭이득 및 통과이득을 단계적으로 증가 예를 들면 8단계로 증가시키며, 잔향음 존재시간이 경과될 경우에는 증폭이득 및 통과이득을 최대로 증가시킨다.

그리고 장거리를 측정할 경우에 잔향음의 존재시간동안은 거리의 측정을 정지하고, 잔향음 존재시간이 경과될 경우에 제1 및 제2 가변증폭부(7)(9)의 증폭이득을 단계적으로 증가 예를 들면, 4단계를 증가시키면서 거리를 측정한다.

이와 같이 제1 및 제2 가변증폭부(7)(9)에서 증폭이득이 조절되고, 가변이득 대역 통과필터(8)에서 통과이득이 조절되어 출력되는 수신신호는 검파부(20)에 입력되어 초음파가 검파되고, 검파된 초음파는 비교기(11)에서 미리 설정된 기준전압과 레벨이 비교되며, 비교 결과신호는 중앙처리장치(1)에 초음파 검출신호로 입력된다.

그러면 중앙처리장치(1)는 초음파 송신센서(4)가 초음파를 송신한 시간부터 시간을 카운트하면서 비교기(11)의 출력신호를 판별하고, 검파부(10)의 출력신호 레벨이 기준전압보다 높아 비교기(10)가 고전위를 출력할 경우에 현재까지 카운트한 시간을 측정거리로 환산한 후 거리 표시부(12)에 표시한다.

제4도는 본 고안의 거리 측정장치에 의한 중앙처리장치(1)의 동작을 보인 신호 흐름도에서 메인 루틴을 보인 신호 흐름도로서 이에 도시된 바와 같이, 거리 측정에 필요한 각종 변수를 초기화시키고, 단거리 측정루틴을 수행하여 단거리에 있는 소정 물체의 거리를 측정하며, 장거리 측정루틴을 수행하여 단거리에 있는 소정 물체의 거리를 측정한 후 단거리 및 장거리 측정루틴에서 측정한 시간을 거리로 환산하여 이를 거리 표시부(12)에 표시한다.

단거리 측정루틴에서는 제5도에 도시된 바와 같이, 단거리 측정용 구동펄스신호에 따라 초음파 송신센서(4)를 구동시켜 초음파를 발사하고, 제1 및 제2 가변증폭부(7)(9)의 증폭이득과, 가변이득 대역 통과필터(8)의 통과이득을 최저로 조절한 후 현재 잔향음의 존재시간인지를 판단한다.

잔향음의 존재시간을 경우에 일정한 시간간격으로 제어신호(CS₁∼CS₃)를 출력하여 제1 및 제2 가변증폭부(7)(9)의 증폭이득과, 가변이득 대역 통과필터(8)의 통과이득을 8단계로 증가시키면서 측정시간이 초과되는 지를 판단하고, 잔향음의 존재시간이 아닐 경우에는 바로 측정시간이 경과되는 지를 판단한다.

측정시간이 경과되지 않았을 경우에 비교기(11)의 출력신호가 고전위인지를 판단하여 고전위가 아닐 경우에 잔향음의 존재시간인지를 판단하는 동작부터 반복 수행하고, 비교기(11)의 출력신호가 고전위일 경우에 측정루프시간을 조정한 후 메인 루틴으로 복귀하여 현재까지의 경과시간을 거리로 환산하여 거리 표시부(12)에 표시한다.

장거리 측정루틴에서는 제6도에 도시된 바와 같이, 장거리 측정용 구동펄스신호에 따라 초음파 송신센서(4)를 구동시켜 초음파를 발사하고, 제1 및 제2 가변증폭부(7)(9)의 증폭이득고, 가변이득 대역 통과필터(8)의 통과이득을 최저로 조절한 후 현재 잔향음의 존재시간인지를 판단하여 잔향음의 존재 시간일 경우에 잔향음의 존재시간이 경과될 때까지 대기한다.

잔향음의 존재시간이 경과되면, 일정한 시간간격으로 제1 및 제2 가변증폭부(7)(9) 및 가변이득 대역 통과필터(8)를 제어하여 증폭이득 및 통과이득을 4단계로 단계적 증가시키면서 측정시간이 초과되는 지를 판단하고, 측정 시간이 경과되지 않았을 경우에 비교기(11)의 출력신호가 고전위인지를 판단하여 고전위가 아닐 경우에 제1 및 제2 가변증폭부(7)(9)의 증폭이득 및 가변이득 대역 통과필터(8)의 통과이득을 단계적으로 증가시키는 동작부터 반복 수행하며, 비교기(11)의 출력신호가 고전위일 경우에 측정루프 시간을 조정한 후 메인 루틴으로 복귀하여 현재까지의 경과시간을 거리로 환산하여 거리 표시부(12)에 표시한다.

한편, 제7도는 본 고안의 거리 측정장치의 다른 실시예를 보인 회로도로서 이에 도시된 바와 같이, 본 고안은 비교기(11)로 기준전압을 출력하는 기준전압 공급부(13)를 구비하고, 중앙처리장치(1)의 제어에 따라 기준전압을 가변 출력하게 하였다.

이와 같이 구성된 본 고안의 다른 실시예는 비교기(11)에 일정한 기준전압에 의해 감도가 저하되는 영역에서 발생되는 문제점을 해결할 수 있다.

즉, 제1 및 제2 가변증폭부(7)(9) 및 가변이득 대역 통과필터(8)에 의해 비포화된 잔향음 신호의 전압 레벨이 일정하지 않은 것으로 잔향음의 전압레벨이 낮은 부분에서는 기준전압을 낮게 조절하고, 잔향음의 전압 레벨이 높은 부분에서는 기준전압을 높게 조절하여 거리에 따른 일정한 감도를 얻을 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 고안은 단거리의 측정시 여진 펄스의 반대위상을 가지는 여진 제거펄스를 발생하여 여진펄스를 제거하고, 수신되는 초음파의 잔향음을 감소시킴으로써 잔향음이 발생되는 시간에도 거리를 측정할 수 있어 최소 측정거리가 단축되고, 최대 탐지거리까지의 물체의 검출 안정성을 향상시킴으로써 최대 측정거리를 증가시켜 측정할 수 있음은 물론 거리측정의 신회성 및 감도를 향상시킬 수 있다.

Claims (6)

1. 초음파 거리측정의 전체 동작을 제어하는 중앙처리장치(1)와, 초음파의 송신시 여진 제거펄스의 발생을 조절하는 여진 제거펄스 시간조절부(2)와, 상기 중앙처리장치(1)의 제어에 따라 초음파 송신센서(4)를 구동시켜 초음파를 송신하게 하는 초음파 구동부(3)와, 상기 초음파 송신센서(4)가 송신하는 초음파 및 반사되는 초음파를 수신하는 초음파 수신센서(5)와, 상기 초음파 수신센서(5)의 수신신호에 잡음을 제거하는 대역통과필터(6)와, 상기 대역 통과필터(6)의 출력신호를 상기 중앙처리장치(1)의 제어에 따라 가변증폭하는 제1 가변증폭부(7)와, 상기 제1 가변증폭부(7)의 출력신호의 잡음을 제거하면서 상기 중앙처리장치(1)의 제어에 따라 통과이득을 가변시키는 가변이득 대역 통과필터(8)와, 상기 가변이득 대역 통과필터(8)의 출력신호를 상기 중앙처리장치(1)의 제어에 따라 가변증폭하는 제2 가변증폭부(9)와, 상기 제2 가변증폭부(9)의 출력신호에서 초음파를 검출하는 검파부(10)와, 상기 검파부(10)의 출력신호를 미리 설정된 기준전압과 비교하여 상기 중앙처리장치(1)에 입력시키는 비교기(11)와, 상기 중앙처리장치(1)의 제어에 따라 측정한 거리를 표시하는 거리 표시부(12)로 구성함을 특징으로 하는 초음파를 이용한 거리 측정장치.
2. 제1항에 있어서, 초음파 송신센서(4)에 인가되는 구동 펄스신호는 단거리의 측정시 구동시간이 짧고, 장거리의 측정시 구동시간을 길게 설정하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 거리 측정장치.
3. 제1항에 있어서, 중앙처리장치(1)는 단거리의 측정시 구동 펄스신호를 출력하는 구동시간이 경과된 후 여진 제거펄스 시간조절부(2)의 출력신호에 따라 여진 펄스의 반대 위상을 가지는 여진 제거펄스를 발생하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 거리 측정장치.
4. 제1항에 있어서, 단거리의 측정시 제1 및 제2 가변증폭부(7)(9)의 증폭이득 및 가변이득 대역 통과필터(8)의 통과이득은, 구동 펄스신호를 발생한 후 최저로 조절하여 거리를 측정하고, 잔향음 존재시간일 경우에 미리 설정된 단계로 최대까지 증가시키면서 거리를 측정하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 거리 측정장치.
5. 제1항에 있어서, 장거리를 측정시 제1 및 제2 가변증폭부(7)(9)의 증폭이득 및 가변이득 대역 통과필터(8)의 통과이득은, 구동 펄스신호를 발생한 후 최저로 조절하여 두고, 잔향음의 존재시간이 경과될 경우에 미리 설정된 단계로 최대까지 증가시키면서 거리를 측정하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 거리 측정장치.
6. 제1항에 있어서, 비교기(11)에 기준전압을 인가하는 기준전압 공급부(13)를 구비하고, 중앙처리장치(1)의 제어에 따라 잔향음의 전압 레벨이 낮은 부분에서는 기준전압을 낮게 조절하고, 잔향음의 전압 레벨이 높은 부분에서는 기준전압을 높게 조절하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 거리 측정장치.