KR0152725B1 - 초음파를 이용한 거리 측정방법 및 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 초음파를 이용한 거리 측정방법 및 측정장치는 초음파를 발사하고, 반사되는 초음파를 검출하여 거리를 측정하는 것이다.

본 발명은 측정할 거리에 따라 구동 펄스신호의 구동시간 및 초음파 수신센서(4)의 수신신호 이득을 가변시키는 것으로서 단거리 및 장거리로 구분하여 측정하고, 단거리의 측정시 구동시간을 짧게 하여 구동 펄스신호를 발생하고, 잔향음의 발생시간동안 초음파 수신센서(4)의 수신신호 이득을 단계적으로 가변시키며, 잔향음의 발생시간이 아닐 경우에 초음파 수신센서(4)의 수신신호를 이득을 최대로 하며 거리를 측정하며, 장거리의 측정시에는 구동시간을 길게 하여 구동 펄스신호를 발생하며, 잔향음의 발생시간동안은 거리를 측정하지 않으며, 잔향음의 발생시간이 아닐 경우에 초음파 수신센서(4)의 수신신호 이득을 최대로 하여 거리를 측정함으로써 최소 측정거리를 줄임은 물론 최대 측정거리를 늘릴 수 있다.

Description

초음파를 이용한 거리 측정방법 및 측정장치

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

제2도는 본 발명의 거리 측정장치를 보인 회로도.

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

제4도 내지 제6도는 거리 측정방법을 보인 신호 흐름도로서,

제4도는 메인 루틴을 보인 신호 흐름도.

제5도는 단거리 측정루틴을 보인 신호 흐름도.

제6도는 장거리 측정루틴을 보인 신호 흐름도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 중앙처리장치 2 : 초음파 구동부

3 : 초음파 송신센서 4 : 초음파 수신센서

5 : 제1 대역 통과필터 6 : 제1 시간이득 조절부

7 : 제2 대역 통과필터 8 : 제2 시간이득 조절부

9 : 검파부 10 : 비교기

11 : 거리 표시부

본 발명은 초음파를 발사하고, 반사되는 초음파를 검출하여 거리를 측정하는 초음파를 이용한 거리 측정방법 및 측정장치에 관한 것이다.

일반적으로 물체의 감시, 자동차의 충돌방지 및 거리의 측정시 초음파를 이용하고 있다.

초음파를 이용한 거리의 측정시 초음파 송신센서가 구동되면서 송신하는 초음파가 초음파 수신센서에 직접 수신되고, 또한 초음파 송신센서의 구동이 종료된 후 일정 시간동안 계속 여진하면서 발생되는 잔향 초음파가 초음파 수신센서에 수신되므로 초음파를 이용하여 거리를 측정할 경우에 최소 측정거리가 제한되었다.

즉, 초음파를 이용한 거리의 측정시 초음파 송신센서에 인가되는 구동 펄스 신호는 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 경우 인가된 구동 펄스신호는 초음파 송신센서의 동작 특성상 제1도의 (b)에 도시된 바와 같이 진폭이 지수적으로 감소하여, 여진하게 된다.

이와 같이 구동시간의 구동 펄스신호와, 여진에 의해 초음파 송신센서가 초음파를 송신하고, 이를 검출하는 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 최소거리가 제한되었다.

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

이러한 목적을 가지는 본 발명은 측정할 거리에 따라 구동 펄스신호의 구동시간 및 초음파 수신센서의 수신신호 이득을 가변시키는 것으로서 단거리 및 장거리로 구분하여 측정하고, 단거리의 측정시 구동시간을 짧게 하여 구동 펄스신호를 발생하고, 잔향음의 발생시간동안 초음파 수신센서의 수신신호 이득을 단계적으로 가변시키며, 잔향음의 발생시간이 아닐 경우에 초음파 수신센서의 수신신호 이득을 최대로 하여 거리를 측정하며, 장거리의 측정시에는 구동신호를 길게 하여 구동 펄스신호를 발생하며, 잔향음의 발생시간동안은 거리를 측정하지 않으며, 잔향음의 발생시간이 아닐 경우에 초음파 수신센서의 수신신호 이득을 최대로 하여 거리를 측정하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 제2도 내지 제6도의 도면을 참조하여 본 발명의 초음파를 이용한 거리 측정방법 및 측정장치를 상세히 설명한다.

제2도는 본 발명의 거리 측정장치를 보인 회로도로서 이에 도시된 바와 같이, 초음파 거리측정의 전체 동작을 제어하는 중앙처리장치(1)와, 상기 중앙처리장치(1)의 제어에 따라 초음파 송신센서(3)를 구동시켜 초음파를 송신하게 하는 초음파 구동부(2)와, 상기 초음파 송신센서(3)가 송신하는 초음파 및 반사되는 초음파를 수신하는 초음파 수신센서(4)와, 상기 초음파 수신센서(4)의 수신신호에서 잡음을 제거하는 제1 대역 통과필터(5)와, 상기 제1 대역 통과필터(5)의 출력신호를 상기 중앙처리장치(1)의 제어에 따라 가변증폭하는 제1 시간이득조절부(6)와, 상기 제1 시간이득 조절부(6)의 출력신호에서 잡음을 제거하는 제2 대역 통과필터(7)와, 상기 제2 대역 통과필터(7)의 출력신호를 상기 중앙처리장치(1)의 제어에 따라 가변증폭하는 제2 시간이득 조절부(8)와, 상기 제2 시간이득 조절부(8)의 출력신호에서 초음파를 검출하는 검파부(9)와, 상기 검파부(9)의 출력신호를 미리 설정된 기준전압과 비교하여 상기 중앙처리장치(10)에 입력시키는 비교기(10)와, 상기 중앙처리장치(1)의 제어에 따라 측정한 거리를 표시하는 거리 표시부(11)로 구성하였다.

이와 같이 구성된 본 발명은 거리의 측정시 중앙처리장치(1)는 제어신호를 출력하고, 출력한 제어신호에 따라 초음파 구동부(2)가 초음파 송신센서(3)로 구동 펄스신호를 인가하여 구동 및 초음파를 송신하게 한다.

여기서, 본 발명은 측정할 거리에 따라 초음파 송신센서(3)에 인가되는 구동 펄스신호의 구동시간을 가변시키는 것으로서 예를 들면, 단거리의 측정시 제3도의 (a)에 도시된 바와 같이 구동시간을 짧게 하고, 장거리의 측정시 제3도의 (b)에 도시된 바와 같이 구동시간을 길게 하여 초음파 송신센서(3)를 구동시킨다.

이와 같이 초음파 송신센서(3)가 구동되면서 송신하는 초음파 및 거리측정할 물체로부터 반사되는 초음파를 초음파 수신센서(4)가 수신하고, 제1 대역 통과필터(5)를 통해, 초음파 송신센서(3)를 구동시킨 구동 펄스신호의 주파수 이외의 잡음이 제거되어 출력된다.

제1 대역 통과필터(5)에서 출력된 수신신호는 제1 시간이득 조절부(6)에 입력되어 중앙처리장치(1)가 출력하는 클럭신호(CK₁) 및 제어신호(CS₁)에 따라 이득이 조절되고, 제2 대역 통과필터(7)를 통해 다시 잡음이 제거된 후 제2 시간 이득 조절부(8)에 입력되어 중앙처리장치(1)가 출력하는 클럭신호(CK₂) 및 제어신호(CS₂)에 따라 이득이 조절된다.

즉, 본 발명은 측정할 거리에 따라 제1 및 제2 시간이득 조절부(6)(8)의 증폭이득을 가변시키는 것으로서 단거리의 측정시 구동 펄스신호의 구동시간이 경과된 후 잔향음이 발생되는 시간동안은 제1 및 제2 시간이득 조절부(6)(8)의 증폭이득을 최저로 하고, 잔향음 발생시간이 경과될 경우에는 제1 및 제2시간이득 조절부(6)(8)의 증폭이득을 최대로 하는 것으로 이때, 바람직하기로는 증폭 이득을 다단계로 구분하여 단계적으로 증가시킨다.

그리고 장거리를 측정할 경우에는 잔향음의 존재시간동안은 측정을 정지하고, 잔향음 발생시간의 경과시 제1 및 제2 시간이득 조절부(6)(8)의 증폭이득을 조절하여 최대 거리까지 측정할 수 있도록 조절한다.

이때, 근접거리에서는 송시하는 초음파의 레벨이 높음에 따라 수직 지향각이 넓어지게 되고, 넓어진 수직 지향각에 의해 원하지 않는 범위에 위치된 물체의 거리를 측정하게 되는 에러가 발생하게 된다.

그러므로 본 발명에서는 장거리의 측정시 제1 및 제2 시간이득 조절부(6)(8)의 증폭이득을 다단계로 점차 증가시키고, 최대 측정거리는 최대 증폭이득으로 조절되게 한다.

여기서, 제1 및 제2 시간이득 조절부(6)(8)는 중앙처리장치(1)에서 출력되는 클럭신호(CK₁)(CK₂)에 따라 궤환용 저항(도면에 도시되지 않았음)의 값이 가변되고, 제어신호(CS₁)(CS₂)에 따라 궤환용 저항의 값이 증가 또는 감소 방향이 설정되는 것으로서 중앙처리장치(1)는 제어신호(CS₁)(CS₂)를 출력하여 궤환용 저항의 값의 증가 또는 감소방향을 설정한 후 클럭신호(CK₁)(CK₂)를 출력하여 증가 및 감소시키면서 증폭이득을 조절한다.

이와 같이 이득이 조절되어 제2 시간이득 조절부(8)에서 출력되는 수신신호는 검파부(9)에 입력되어 초음파가 검출되고, 검출된 초음파는 비교기(10)에서 미리 설정된 기준전압과 레벨이 비교되며, 비교 결과신호는 중앙처리장치(1)에 초음파 검출신호로 입력된다.

그러면 중앙처리장치(1)는 초음파 송신센서(3)가 초음파를 송신한 시간부터 시간을 카운트하면서 비교기(10)의 출력신호를 판별하고, 검파부(9)의 출력신호 레벨이 기준전압보다 높아 비교기(10)가 고전위를 출력할 경우에 현재까지 카운트한 시간을 측정거리로 환산한 후 거리 표시부(11)에 표시한다.

한편, 제4도의 (a)는 본 발명의 거리 측정방법에 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 장거리에 있는 소정 물체의 거리를 측정한 후 단거리 및 장거리 측정루틴에서 측정한 시간을 거리로 환산하여 이를 거리 표시부(11)에 표시한다.

단거리 측정루틴에서는 제5도에 도시된 바와 같이, 단거리 측정용 구동 펄스신호에 따라 초음파 송신센서(3)를 구동시켜 초음파를 발사하고, 제1 및 제2 시간이득 조절부(6)(8)의 증폭이득을 최저로 한 후 현재 잔향음의 존재시간인지를 판단한다.

잔향음의 존재시간일 경우에 일정한 시간간격으로 제1 및 제2 시간이득 조절부(6)(8)를 제어하여 증폭이득을 단계적으로 증가시키면서 측정시간이 초과되는지를 판단하고, 잔향음의 존재시간이 아닐 경우에는 바로 측정시간이 경과되는 지를 판단한다.

측정시간이 경과되지 않았을 경우에 비교기(10)의 출력신호가 고전위인지를 판단하여 고전위가 아닐 경우에 잔향음의 존재시간인지를 판단하는 동작부터 반복 수행하고, 비교기(10)의 출력신호가 고전위일 경우에 측정루프 시간을 조정한 후 메인 루틴으로 복귀하여 현재까지의 경과시간을 거리로 환산하여 거리 표시부(11)에 표시한다.

장거리 측정루틴에서는 제6도에 도시된 바와 같이, 장거리 측정용 구동 펄스신호에 따라 초음파 송신센서(3)를 구동시켜 초음파를 발사하고, 제1 및 제2 시간이득 조절부(6)(8)의 증폭이득을 잔향음의 존재시간 경과시 거리를 측정할 수 있을 정도로 조절한 후 현재 잔향음의 존재시간인지를 판단하여 잔향음의 존재시간일 경우에 잔향음의 존재시간이 경과될 때까지 대기한다.

잔향음의 존재시간이 경과되면, 일정한 시간간격으로 제1 및 제2 시간이득 조절부(6)(8)를 제어하여 증폭이득을 단계적으로 증가시키면서 측정시간이 초과되는 지를 판단하고, 측정시간이 경과되지 않았을 경우에 비교기(10)의 출력신호가 고전위인지를 판단하여 고전위가 아닐 경우에 제1 및 제2 시간이득 조절부(6)(8)의 증폭이득을 단계적으로 증가시키는 동작부터 반복 수행하며, 비교기(10)의 출력신호가 고전위일 경우에 측정푸프 시간을 조정한 후 메인 루틴으로 복귀하여 현재까지의 경과시간을 거리로 환산하여 거리 표시부(11)에 표시한다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 측정거리에 따라 구동 펄스신호의 구동시간을 가변시켜 초음파 송신센서를 구동시키고, 초음파 수신센서의 수신신호의 이득을 시간에 따라 가변시키면서 거리를 측정하는 것으로 최저 측정거리를 줄일 수 있음은 물론 최대 측정거리를 증가시켜 측정할 수 있다.

Claims (9)

1. 초음파 구동부(2)에서 출력되는 단거리 측정용 구동 펄스신호에 따라 초음파 송신센서(3)에서 구동시간이 짧은 초음파를 송신하고, 초음파 수신센서(4)에 의해 수신되는 수신신호의 증폭이득을 제1 및 제2 시간이득 조절부(6), (8)에서 시간에 따라 가변시키면서 단거리를 측정하는 제1과정과, 초음파 구동부(2)에서 출력되는 단거리 측정용 구동 펄스신호보다 긴 장거리 측정용 구동 펄스신호에 따라 초음파 송신센서(3)에서 구동시간이 긴 초음파를 송신하고, 초음파 수신센서(4)에 의해 수신신호의 증폭이득을 제1 및 제2 시간이득 조절부(6)(8)에서 시간에 따라 가변시키면서 장거리를 측정하는 제2과정과, 상기 제1 및 제2과정에서 초음파 송신센서(3)가 초음파를 송신한 시간부터 비교기(10)가 고전위를 출력할 때까지의 카운트한 시간을 측정거리로 환산하여 표시하는 제3과정으로 제어됨을 특징으로 하는 초음파를 이용한 거리 측정방법.
2. 제1항에 있어서, 제1과정은, 단거리 측정용 구동 펄스신호에 따라 초음파를 발사하고, 수신신호의 증폭이득을 최저로 하여 현재 잔향음의 존재시간인지를 판단하는 제1단계와, 상기 제1단계에서 잔향음의 존재시간일 경우에 수신신호의 증폭이득을 증가시키고 측정시간이 초과되는 지를 판단하는 제2단계와, 상기 제1단계에서 잔향음의 존재시간이 아닐 경우에는 바로 측정시간이 경과되는지를 판단하는 제3단계와, 상기 제2 및 제3단계에서 측정시간이 경과되지 않았을 경우에 초음파 검출신호가 발생되는 지를 판단하는 제4단계와, 상기 제4단계에서 초음파 검출신호가 발생되지 않을 경우에 상기 제1단계의 잔향음의 존재시간인지를 판단하는 동작부터 반복 수행하는 제5단계와, 상기 제4단계에서 초음파 검출신호가 발생될 경우에 측정루프 시간을 조정한 후 메인 루틴으로 복귀하는 제6단계로 제어됨을 특징으로 하는 초음파를 이용한 거리 측정방법.
3. 제1항에 있어서, 제2과정은, 장거리 측정용 구동 펄스신호에 따라 초음파를 발사하고 수신신호의 증폭이득을 잔향음의 존재시간 경과시 거리를 측정할 수 있을 정도로 조절한 후 현재 잔향음의 존재시간인지를 판단하는 제1단계와, 상기 제1단계에서 잔향음의 존재시간일 경우에 잔향음 존재시간이 경과될 때까지 대기하는 제2단계와, 상기 제2단계에서 잔향음 존재시간의 경과시 수신신호의 증폭이득을 증가시키고 측정시간이 초과되는 지를 판단하는 제3단계와, 상기 제3단계에서 측정시간이 경과되지 않았을 경우에 초음파 검출신호가 발생되는 지를 판단하는 제4단계와, 상기 제4단계에서 초음파 검출신호가 발생되지 않을 경우에 상기 제2단계의 증폭이득을 증가시키고 측정시간이 초괴되는 지를 판단하는 동작부터 반복 수행하는 제5단계와, 상기 제4단계에서 초음파 검출신호가 발생될 경우에 측정루프 시간을 조정한 후 메인 루틴으로 복귀하는 제6단계와 제어됨을 특징으로 하는 초음파를 이용한 거리 측정방법.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 초음파 수신신호의 증폭이득은 시간의 경과에 따라 단계적으로 증가시키는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 거리 측정방법.
5. 초음파 거리측정의 전체 동작을 제어하는 중앙처리장치(1)와, 상기 중앙처리장치(1)의 제어에 따라 초음파 송신센서(3)를 구동시켜 초음파를 송신하게 하는 초음파 구동부(2)와, 상기 초음파 송신센서(3)가 송신하는 초음파 및 반사되는 초음파를 수신하는 초음파 수신센서(4)와, 상기 초음파 수신센서(4)의 수신신호에서 잡음을 제거하는 제1 대역 통과필터(5)와, 상기 제1 대역통과필터(5)의 출력신호를 상기 중앙처리장치(1)의 제어에 따라 가변증폭하는 제1 시간이득 조절부(6)와, 상기 제1 시간이득 조절부(6)의 출력신호에서 잡음을 제거하는 제2 대역 통과필터(7)와, 상기 제2 대역 통과필터(7)의 출력신호를 상기 중앙처리장치(1)의 제어에 따라 가변증폭하는 제2 시간이득 조절부(8)와, 상기 제2 시간이득 조절부(8)의 출력신호에서 초음파를 검출하는 검파부(9)와, 상기 검파부(9)의 출력신호를 미리 설정된 기준전압과 비교하여 상기 중앙처리장치(10)에 입력시키는 비교기(10)와, 상기 중앙처리장치(1)의 제어에 따라 측정한 거리를 표시하는 거리 표시부(11)로 구성됨을 특징으로 하는 초음파를 이용한 거리 측정장치.
6. 제5항에 있어서, 측정할 거리가 단거리인 경우 상기 초음파 구동부(2)에서 초음파 송신센서(3)로 인가되는 구동 펄스신호의 개수를 적게 하여 초음파 송신센서(3)의 구동시간을 짧게 하도록 설정하고, 측정할 거리가 장거리인 경우 상기 초음파 구동부(2)에서 초음파 송신센서(3)로 인가되는 구동 펄스신호의 개수를 많게 하여 초음파 송신센서(3)의 구동시간을 길게 하도록 설정하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 거리 측정장치.
7. 제5항에 있어서, 제1 및 제2 시간이득 조절부(6)(8)의 증폭이득을, 단거리의 측정시 구동 펄스신호의 구동시간이 경과된 후 잔향음이 발생되는 시간동안은 최저로 하고, 잔향음 발생시간이 경과될 경우에는 증폭이득을 최대로 하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 거리 측정장치.
8. 제5항에 있어서, 제1 및 제2 시간이득 조절부(6)(8)의 증폭이득은, 장거리를 측정시 잔향음의 존재시간동안은 측정을 정지하고, 잔향음 발생시간의 경과시 증폭이득을 증가시켜 최대 거리까지 측정할 수 있도록 조절하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 거리 측정장치.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 잔향음 발생시간이 경과될 경우에 제1 및 제2 시간이득 조절부(6)(8)의 증폭이득을 단계적으로 증가시켜 최대로 설정하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 거리 측정장치.