KR0129845B1 - 초음파를 이용한 거리측정 장치 및 방법 - Google Patents

초음파를 이용한 거리측정 장치 및 방법

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Abstract

본 발명은 초음파를 이용한 거리측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 중앙처리 장치를 사용하여 발신 신호의 펄스폭을 작게 변조한 후 초음파를 발/수신하고 비포화 증폭회로를 동작하여 잔향음을 비포화시켜 측정하는 단거리 측정 모드와, 발신 신호의 펄스폭을 크게 변조한 후 초음파를 발/수신하고 비포화 증폭회로를 동작하여 잔향음은 비포화시켜 측정하는 장거리 측정 모드를 이원화 한 것을 특징으로 하여, 단거리 측정 모드에 의해 최소 측정 거리 한계를 제거하도록 하였으며, 또한 장거리 측정 모드에 의해 최대 측정 거리를 증가시킬수 있도록 한 것으로 이와 같은 본 발명은 거리 측정 분야, 물체 감시 분야 및 자동차 충돌 방지 분야에 적용할 수 있다.

Description

초음파를 이용한 거리측정 장치 및 방법
제 1 (a) 내지(c)도는 일반적인 초음파를 이용한 거리측정장치의 신호도,
제 3 (a) 내지(c)도는 본 발명의 처리 순서도,
제 4 (a) 및 (c)도는 본 발명 초음파 발신 신호의 타이밍도,
제 5 도는 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 전체 구성도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 중앙처리장치 2 : 초음파 구동 회로도
3 : 초음파 발신 센서부 4 : 초음파 수신 센서부
5 : 1단 증폭 회로도 6 : 대역 통과 필터부
7,7' : 비포화 증폭 회로부 8 : 2 단 증폭 회로부
9 : 검파회로부 10 : 비교기
11 : 거리 표시부
본 발명은 초음파를 이용한 거리측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 초음파 센서의 특징인 잔향음에 의하여 최소 측정범위가 정해지는데 이러한 잔향음을 발신 신호 펄스폭 변조 및 비포화 증폭 회로에 의해 제거하므로써 최소 측정 범위를 감소 시키고 또한 최대 탐지 거리를 증가시킬 수 있도록 하며, 본 발명은 거리 측정 분야, 물체 감시 분야 및 자동차 충돌 방지 분야에 적용할 수 있다.
일반적으로, 종래의 초음파를 이용한 거리 측정 장치에서는 초음파가 구동되어 발신되는 중에 공기나 다른 매질을 통하여 수신 센서로 직접 전파되는 신호 및 구동이 종료된 이후에 일정시간 동안 여진을 계속하면서 발생되는 잔향음을 수신 센서가 검출하여 일정 거리 이하는 측정하지 못하였다.
제1 (a)도 내지 (c)도는 초음파를 이용한 거리 측정 장치의 신호도를 도시한 것으로, 초음파 구동 신호는 제 1 (a)도에 도시한 바와 같은데 여기에서 초음파 구동 신호의 온 타임(on time)은 발신 센서의 최대 효율이 얻어지는 시점까지로 하며 오프타임(off time)은 측정 거리에 따라 결정된다.
상기 제 1(a)와 같은 초음파 구동 신호가 초음파 발신 센서에 인가되어 오프되면 초음파 센서의 발신 신호는 제 1 (b)도에 도시한 바와 같이 진폭이 지수적으로 감소하며 여진하는 특성이 있으며, 이 발신 센서의 발신 온 타임 여진으로 인하여 수신 센서에서 검출된 신호의 증폭 결과는 제 1 (c)도와 같이 나타난다. 즉, 발신 온 타임과 여진에 의한 잔향음이 포화되어 있는 시간이 물체를 검출할 수 없는 최소 탐지 시간이 되며 이를 거리로 환산한 것이 최소 탐지 거리가 되는데, 여기에서 최대 탐지 거리를 크게하기 위하여 수신 신호의 증폭율을 높이면 잔향음이 더욱 커지기 때문에 최소 탐지 거리가 커지게 되는 결과가 발생한다. 따라서, 초음파 센서를 사용하는 시스템에서는 최소 탐지 거리와 최대 탐지 거리는 비례한다고 할 수 있다.
본 발명 초음파를 이용한 거리 측정 장치는 중앙처리장치를 사용하여 발신신호의 펄스폭을 작게 변조한 후 초음파를 발/수신하고 비포화 증폭회로를 동작하여 잔향음을 비포화시켜 측정하는 단거리 측정 모드와, 발신 신호의 펄스폭을 크게 변조한 후 초음파를 발/수신하고 비포화 증폭회로를 작하여 잔향음을 비포화시켜 측정하는 장거리 측정모드로 이원화한 것을 특징으로 하여, 단거리 측정 모드에 의해 최소 측정 거리 한계를 제거하도록 하였으며, 또한 장거리 측정 모드에 의해 최대 측정 거리를 증가시킬 수 있도록 하였다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
제2도는 본 발명의 전체 구성도로, 송신 초음파 펄스 발생 및 수신 신호의 증폭율을 제어하는 중앙처리장치(1)와, 상기 중앙처리장치(1)의 출력단에 접속되어 중앙처리장치(1)에서 출력되는 송신 초음파 펄스 신호에 의해 구동하는 초음파 구동회로부(2)와, 상기 초음파 구동 회로부(2)의 출력단에 접속되어 초음파 구동 회로부(2)의 구동에 의해 초음파를 발신하는 초음파 발신 센서부(3)와, 물체에 맞고 반사된 초음파를 수신하는 초음파 수신 센서부(4)와, 상기 초음파 수신 센서부(4)의 출력단에 접속되어 초음파 수신 센서부 (4)에 의해 수신된 초음파 신호를 증폭하여 출력하는 1단 증폭회로부(5)와, 상기 1단 증폭회로부(5)의 출력단에 접속되어 1단 증폭회로부(5)에서 증폭되어 출력되는 신호를 입력 받아 구동 펄스 주파수 성분만 통과시키는 대역 통과 필터부(6)와, 상기 중앙 처리장치(1)와 대역 통과 필터부(6)의 출력단에 접속되어 중앙처리장치(1)의 제어에 의하여 수신 신호에 잔향음이 존재하는 시간 동안만 대역 통과 필터부(6)의 출력 신호를 입력받아 잔향음 신호가 비포화 되도록 하여 출력하는 잔향음 비포화 증폭 회로부(7)와, 상기 대역 통과 필터부(6)의 출력단에 접속되어 수신 신호에 잔향음이 존재하지 않는 시간 동안 대역 통과 필터부(6)에서 출력된 신호를 입력받아 다시 중폭하는 2단 증폭회로부(8)와, 상기 비포화 증폭 회로부(7) 또는 2단 증폭회로부(8)의 출력단에 접속되어 비포화 증폭 회로부(7) 또는 2단 증폭회로부(8)에서 출력되는 신호를 입력받아 검파하여 출력하는 검파회로부(9)와, 상기 검파회로부(9)의 출력단에 접속되어 검파회로부(9)에서 검파되어 출력되는 신호를 입력 받아 디지탈 값으로 변환하여 중앙처리장치(1)로 출력하는 비교기(10)와, 상기 중앙처리장치(1)의 출력단에 접속되어 중앙처리장치(1)에 의해 계산된 거리 및 경보를 표시해 주는 표시부(11)를 포함하여 구성한다.
이와 같이 구성한 발명의 동작을 제 3도 및 제 4 도를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
제 3(a)도는 본 발명의 전체 처리 순서도로, 처음 시작하여 변수를 초기화 하는 제 1단계(S1)와; 상기 제 1단계(S1)수행후, 단거리 측정 모드로 전환하여 단거리용 초음파를 발신하고 수신하는 제 2 단계(S2)와; 제 2 단계(S2)수행후. 장거리 측정 모드로 전환하여 장거리용 초음파를 발신하고 수신하는 제 3단계(S3)와;제 3단계(S3)수행후, 거리 계산 모드로 전환하여 시간 데이타를 거리 데이타로 변환하여 제 4 단계(S4)와; 그리고 제 4단계(S4)수행후, 거리 표시 모드로 전환하여 거리 데이타 및 경보 조건을 표시부로 전송한 다음 다시 초기 단계로 전환하는 제 5단계(S5)를 구비하여 순차 동작한다.
즉, 본 발명은 크게 단거리 측정 모드, 장거리 측정 모드, 거리 계산 모드 및, 거리 표시 모드로 나눌수 있다.
상기 제 2 단계(S2)의 단거리 측정 모드의 상세한 처리순서 제 3(b)도에 도시하였는 바, 구체적으로 설명하면 초음파 발신 센서의 구동을 위해 제 4(a)도와 같은 단거리 발신 펄스를 발생시켜서 초음파 구동 회로에 의해 초음파 발신 센서를 구동하는 제 2-1단계(S2-1)와; 제 2-1 단계(S2-1)수행후, 비포화 증폭 회로를 동작 시키는 제 2-2단계(S2-2)와; 제 2-2단계(S2-2)수행후, 잔향음의 존재 시간 유/무를 판단하는 제 2-3(S2-3)와; 제 2-3 단계(S2-3)수행후, 만일 잔향음이 존재하지 않는 시간이라고 판단되면 2단 증폭회로를 동작시키고, 단거리 측정 시간 동안의 수신 신호를 검출하는 제2-4 단계(S2-4)와; 상기 제 2-3 단계(S2-3)수행후 만일 잔향음이 존재하는 시간이라고 판단되거나 또는 제 2-4단계(S2-4)수행후에, 단거리 측정 시간이 초과 되었는지의 가/부를 판단하고, 만일 초과되었다고 판단되면 단거리 측정모드를 종료하는 제 2-5 단계(S2-5)와; 그리고 제 2-5 단계(S2-5)수행후, 만일 단거리 측정 시간을 초과하지 않았다면 비교기의 비교 출력 신호가 하이(high)인가의 가/부를 판단하고, 만일 아니라고 판단되면 다기 상기 제 2-3단계(S2-3)로 들어가고, 하이라고 판단되면 단거리 측정 모드를 종료하는 제 2-6단계(S2-6)를 구비하여 순차 동작한다.
또한, 상기 제 3단계(S3)의 상세한 장거리 측정 모드는 제 3(c)도에 도시한 바와 같이, 초음파 발신 센서의 구동을 위해 제 4(b)도와 같은 장거리용 발신 펄스를 발생시켜서 초음파 구동 회로에 초음파 발신 센서를 구동하는 제 3-1 단계(S3-1)와; 제 3-1 단계(S3-1)수행후, 비포화 증폭 회로를 동작시키는 제 3-2 단계(S3-2)와; 제 3-2 단계(S3-2)수행후, 잔향음의 존재 시간 유/무를 판단하는 제 3-3단계(S3-3)와; 제 3-3단계(S3-3)수행후, 만일 잔향음이 존재하지 않는 시간이라고 판단되면 2단 증폭회로를 동작시키고, 단거리 측정 시간동안의 수신 신호를 검출하는 제 3-4 단계(S3-4)와; 상기 제 3-3단계(S3-3)수행 후 만일 전향음이 존재하는 시간이라고 판단되거나 또는 제 3-4 단계(S3-4) 수행 후에, 장거리 측정 시간이 초과 되었는지를 가/부를 판단하고, 만일 초과되었다고 판단되면 장거리 측정 모드를 종료하는 제 3-5단계(S3-5)와; 그리고 제 3-5단계(S3-5)수행후, 만일 단거리 측정 시간을 초과하지 않았다면 비교기의 비교 출력 신호가 하이(high)인가의 가/부를 판단하고, 만일 아니라고 판단되면 다시 상기 제 3-3 단계(S3-3)로 들어가고, 하이라고 판단되면 장거리 측정 모드를 종료하는 제 3-6단계(S3-6)를 구비하여 순차 동작한다.
상기 제 4단계(S4) 의 거리 계산모드는 상기 제 2 단계(S2) 및 제 3단계(S3) 에서 검출된 시간 데이타 중에서 최소의 시간 데이타를 검색하고 이것을 거리 데이타로 변환한다. 그리고 거리에 따른 경보 조건을 처리하여 제 5단계(S5)인 거리 표시 모드를 수행한다.
상기와 같은 초음파를 이용한 거리 측정 장치의 동작은 중앙 처리 장치(1)에서 먼저 단거리 측정용의 초음파 펄스를 발생시키면, 중앙 처리 장치(1)에서 발생된 초음파 펄스는 초음파 구동 회로부(2)를 통해 증폭되어 초음파 발신 센서부(3)를 통해 송신된다.
초음파 발신 센서부(3)를 통해 송신된 신호가 물체에 부딪혀 반사되어 초음파 수신 센서(4)를 통해 수신되고, 수신된 반사파 신호는 1단 증폭 회로부(5)를 통과하면서 1차적으로 증폭되어, 대역 통과 필터(6)를 통과하면서 노이즈가 제거된다.
상기에서 노이즈가 제거된 신호는 여진이 존재하는 동안에는 비포화 증폭 회로부(7)를 통과 하면서 증폭되고, 여진이 존재하지 않는 동안에는 2단 증폭 회로부(8)를 통과하면서 증폭되어, 여진이 존재할 때는 상대적으로 낮은 증폭율을 가지게 된다. 상기와 같은 동작은 중앙 처리 장치(1)의 제어에 의해 이루어진다.
상기에서 증폭된 신호는 검파 회로부(9)를 통과하면서 캐리어 주파수 성분이 제거되어 비교기(10)로 입력되고, 비교기(10)에서는 검파 회로부(9)에서 입력된 신호를 디지털화 하여 중앙 처리 장치(1)로 전송하고, 중앙 처리 장치(1)에서는 비교 결과 신호에 의해 물체의 검출 여부를 확인하여, 물체가 검출이 되었을 경우 검출시간 값을 거리 값으로 변환시켜 거리 표시부(11)에 표시함으로써 물체와의 거리를 알려준다.
상기 과정에서 물체의 검출이 있을 경우는 거리 표시 후 장거리 초음파를 발생하여 상기와 같은 과정을 반복 수행하고, 물체의 검출이 없을 경우는 일정 시간 동안 상기 반복한 후, 장거리 초음파를 발생하여 상기와 같은 과정을 반복 수행한다.
상기와 같은 과정을 반복하면서 단거리와 장거리에 대한 물체 검출을 수행하게 된다.
제 5 도는 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 전체 구성도로, 제 2 도에 도시한 본 발명의 전체 구성도와 비교하여 보면 제 5 도의 본 발명 일시예에서는 잔향음 비포화 증폭회로부(7')를 대역 통과 필터부(6)의 입출력단에 추가로 연결 구성하여, 다단계로 잔향음에 대해 처리할 수 있도록 하였다.
즉, 대역 통과 필터부(6)의 증폭율을 추가 구성된 비포화 증폭회로부(7')에 의해 2 단계로 조정할 수 있으며, 2단 증폭회로부(8)의 증폭율도 비포화 증폭 회로부(7)에 의해 2단계로 조정할 수 있다. 따라서 전체회로의 증폭율을 4단계로 조정하고, 잔향음 존재 시간동안 수신신호를 다단계 증폭율로 처리할 수 있으므로 최소 거리에서의 물체 검출 감도를 높일 수 있는 장점이 있다.
단거리 측정 모드와 장거리 측정 모드에서의 2단의 비포화 증폭 회로부를 모두 온(ON)하는 시점은 잔향음이 가장 크게 나타나는 초음파 발신 발생 시점으로 한다. 그리고 각각의 오프(OFF) 시점은 물체 검출 감도가 최적인 상태로 조정한다.
이상과 같이 본 발명은 초음파 발신 펄스를 단거리용과 장거리용으로 이원화하여 발생시키며, 비포화 증폭 회로부를 이용하여 수신 신호에 잔향음이 포화되지 않도록 증폭율을 다단계로 처리하여, 최소탐지 거리를 줄이고 최대 탐지 거리를 높이므로 초음파 거리 측정장치의 감도가 향상되는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 송신 초음파 펄스 발생 및 수신 신호의 증폭율을 제어하는 중앙처리장치(1)와, 상기 중앙처리장치(1)의 출력단에 접속되어 중앙처리장치(1)에서 출력되는 송신 초음파 펄스 신호에 의해 구동하는 초음파 구동회로부(2)와, 상기 초음파 구동 회로부(2)의 출력단에 접속되어 초음파 구동 회로부(2)의 구동에 의해 초음파를 발신하는 초음파 발신 센서부(3)와, 물체에 맞고 반사된 초음파를 수신하는 초음파 수신 센서부(4)와, 상기 초음파 수신 센서부(4)의 출력단에 접속되어 초음파 수신 센서부(4)에 의해 수신된 초음파 신호를 증폭하여 출력하는 1단 증폭회로부(5)와, 상기 1단 증폭회로부(5)의 출력단에 접속되어 1단 증폭회로부(5)에서 증폭되어 출력되는 신호를 입력받아 구동 펄스 주파수 성분만 통과시키는 대역 통과 필터부(6)와, 상기 중앙 처리 장치(1)와 대역 통과 필터부(6)의 출력단에 접속되어 중앙처리장치(1)의 제어에 의하여 수신 신호에 잔향음이 존재하는 시간 동안만 대역 통과 필터부(6)의 출력 신호를 입력받아 잔향음 신호가 비포화 되도록 하여 출력하는 잔향음 비포화 증폭 회로부(7)와, 상기 대역 통과 필터부(6)의 출력단에 접속되어 수신 신호에 잔향음이 존재하지 않는 시간 동안 대역 통과 필터부(6)에서 출력된 신호를 입력받아 다시 증폭하는 2단 증폭 회로부(8)와, 상기 비포화 증폭 회로부(7) 또는 2단 증폭 회로부(8)의 출력단에 접속되어 비포화 증폭 회로부(7) 또는 2단 증폭 회로부(8)에서 출력되는 신호를 입력받아 검파하여 출력하는 검파회로부(9)와, 상기 검파회로부(9)의 출력단에 접속되어 검파회로부(9)에서 검파되어 출력되는 신호를 입력받아 디지털 값으로 변환하여 중앙 처리 장치(1)로 출력하는 비교기(10)와, 상기 중앙처리장치(1)의 출력단에 접속되어 중앙처리장치(1)에 의해 계산된 거리 및 경보를 표시해 주는 표시부(11)를 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 거리측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 대역 통과 필터부(6)의 입출력단에 잔향음 비포화 증폭회로부(7')를 추가로 연결 구성한 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 거리측정 장치.
  3. 처음 시작하여 변수를 초기화 하는 제 1단계(S1)와; 상기 제 1 단계(S1) 수행 후, 단거리 측정 모드로 전환하여 단거리용 초음파를 수신하는 제 2 단계(S2)와; 제 2 단계(S2) 수행 후, 장거리 측정 모드로 전환하여 장거리용 초음파를 발신하고 수신하는 제 3 단계(S3)와; 제 3 단계(S3) 수행 후, 거리계산 모드로 전환하여 시간 데이터를 거리 데이터로 변환하는 제 4 단계(S4)와; 그리고 제 4 단계(S4) 수행 후, 거리 표시 모드로 전환하여 거리 데이터 및 경보 조건을 표시부로 전송한 다음 다시 초기 단계로 전환하는 제 5 단계(S5)를 구비하여 순차 동작 함을 특징으로 하는 초음파를 이용한 거리측정 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 2 단계(S2)의 단거리 측정 모드에서는 초음파 발신 센서의 구동을 위해 제 4(a)도와 같은 단거리용 발신 펄스를 발생시켜서 초음파 구동 회로에 의해 초음파 발신 센서를 구동하는 제 2-1 단계(S2-1)와; 제 2-1 단계(S2-1)수행 후, 비포화 증폭 회로를 동작시키는 제 2-2 단계(S2-2)와; 제 2-2 단계(S2-2)수행 후, 잔향음의 존재 시간 유/무를 판단하는 제 2-3 단계(S2-3)와 제 2-3 단계(S2-3) 수행 후, 만일 잔향음이 존재하지 않는 시간이라고 판단되면 2단 증폭회로를 동작시키고, 단거리 측정 시간 동안의 수신 신호를 검출하는 제 2-4 단계(S2-4)와; 상기 제 2-3 단계(S2-3) 수행 후 만일 잔향음이 존재하는 시간이라고 판단되거나 또는 제 2-4 단계(S2-4) 수행 후에, 단거리 측정 시간이 초과 되었는지의 가/부를 판단하고, 만일 초과되었다고 판단되면 단거리 측정 모드를 종료하는 제 2-5 단계(S2-5)와; 그리고 제 2-5 단계(S2-5) 수행후, 만일 단거리 측정 시간을 초과하지 않았다면 비교기의 비교출력 신호가 하이(high)인가의 가부를 판단하고,만일 아니라고 판단되면 다시 상기 제 2-3 단계(S2-3)로 들어가고,하이라고 판단되면 단거리 측정 모드를 종료하는 제 2-6 단계(S2-6)를 구비하여 순차 동작 함을 특징으로 하는 초음파를 이용한 거리측정 방법.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 제 3 단계(S3)의 장거리 측정 모드는 초음파 발신 센서의 구동을 위해 제 4 (b)도와 같은 장거리용 발신 펄스를 발생시켜서 초음파 구동 회로에 의해 초음파 발신 센서를 구동하는 제 3-1 단계(S3-1)와; 제 3-1 단계(S3-1) 수행 후, 비포화 증폭 회로를 동작시키는 제 3-2 단계(S3-2)와; 제 3-2단계(S3-2)수행 후, 잔향음의 존재 시간 유/무를 판단하는 제 3-3 단계(S3-3)와;제 3-3 단계(S3-3)수행 후,만일 잔향음이 존재하지 않는 시간이라고 판단되면 2단 증폭회로를 동작시키고, 단거리 측정 시간 동안의 수신 신호를 검출하는 제 3-4 단계(S3-4)와; 상기 제 3-3 단계(S3-3)수행 후 만일 잔향음이 존재하는 시간이라고 판단되거나 또는 제 3-4 단계(S3-4)수행 후에, 장거리 측정 시간이 초과 되었는지의 가/부를 판단하고, 만일 초과되었다고 판단되면 장거리 측정 모드를 종료하는 제 3-5 단계(S3-5)와; 그리고 제 3-5 단계(S3-5) 수행 후, 만일 단거리 측정 시간을 초과하지 않았다면 비교기의 비교 신호가 하이(high)인가의 가/부를 판단하고, 만일 아니라고 판단되면 다시 상기 제 3-3단계(S3-3)로 들어가고, 하이라고 판단되면 장거리 측정모드를 종료하는 제 3-6 단계(S3-6)를 구비하여 순차 동작함을 특징으로 하는 초음파를 이용한 거리측정 방법.
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KR100800548B1 (ko) * 2006-09-20 2008-02-04 재단법인 포항산업과학연구원 네트워크 기반 초음파 센서

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