KR101665786B1 - 초음파를 이용한 거리 측정 방법 및 장치 - Google Patents

초음파를 이용한 거리 측정 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초음파를 이용한 거리 측정 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 초음파 신호를 송출하는 초음파 송출부, 송출된 초음파 신호가 대상체에서 반사되어 오는 반사파 신호를 수신하는 초음파 수신부, 미리 정해진 임계값에 따라, 상기 반사파 신호에서 잡음을 제거하여, 유효 신호를 검출하는 검출부, 및 초음파 신호를 송출한 제1 시점 및 유효 신호가 검출된 제2 시점 사이의 시간 간격에 따라 대상체와의 거리를 연산하는 연산부를 포함하는 장치를 제공한다. 본 발명에 의하면, 초음파 신호가 대상체에서 반사되어 오는 반사파 신호를 미리 정해진 임계값과 비교하여 잡음이 제거된 유효 신호를 검출하고, 검출된 유효 신호를 기준으로 대상체와의 거리를 연산함으로써, 반사파 신호에 포함된 잡음이 대상체로 오인식되는 것을 방지하고 대상체와의 거리 측정의 정확도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

Description

초음파를 이용한 거리 측정 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING A DISTANCE USING ULTRASONIC WAVES}
본 발명은 초음파를 이용한 거리 측정 방법 및 장치에 관한 것이다.
차량과 대상체와의 거리를 측정하기 위하여 초음파 센서가 이용된다. 일반적으로, 초음파 센서는 초음파 신호를 송출하여 초음파 신호가 대상체에서 반사되어 오는 반사파 신호를 수신하여 대상체와의 거리를 측정한다.
한편, 반사파 신호에는 전파 경로에 따른 손실이 발생하며, 외부 환경에 따른 잡음이 포함될 수 있다. 이 경우, 잡음으로 인하여 대상체와의 거리가 잘못 측정될 수 있다. 그로 인하여, 스마트 주차 보조 시스템이나 자동 주행 시스템에서는 주차시 불필요한 경보를 발생시키거나 잡음으로 인한 오동작이 발생할 수 있다.
본 발명은 초음파 신호가 대상체에서 반사되어 오는 반사파 신호를 미리 정해진 임계값과 비교하여 잡음이 제거된 유효 신호를 검출하고, 유효 신호를 기준으로 대상체와의 거리를 연산함으로써, 반사파 신호에 포함된 잡음이 대상체로 오인식되는 것을 방지하고 대상체와의 거리 측정의 정확도를 향상시킬 수 있는 거리 측정 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 초음파 신호를 송출하는 초음파 송출부, 상기 송출된 초음파 신호가 대상체에서 반사되어 오는 반사파 신호를 수신하는 초음파 수신부, 미리 정해진 임계값에 따라, 상기 반사파 신호에서 잡음을 제거하여, 유효 신호를 검출하는 검출부 및 상기 초음파 신호를 송출한 제1 시점 및 상기 유효 신호가 검출된 제2 시점 사이의 시간 간격에 따라 상기 대상체와의 거리를 연산하는 연산부를 포함하는 장치를 제공한다.
전술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 초음파 신호가 대상체에서 반사되어 오는 반사파 신호를 미리 정해진 임계값과 비교하여 잡음이 제거된 유효 신호를 검출하고, 유효 신호를 기준으로 대상체와의 거리를 연산함으로써, 반사파 신호에 포함된 잡음이 대상체로 오인식되는 것을 방지하고 대상체와의 거리 측정의 정확도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파를 이용한 거리 측정 장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 신호 송출 과정을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반사파 신호 수신 과정을 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 유효 신호의 검출 과정을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 거리 연산 과정을 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 초음파를 이용한 거리 측정 방법의 순서도.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파를 이용한 거리 측정 장치의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 초음파를 이용한 거리 측정 장치는 초음파 신호를 송출하는 초음파 송출부(102), 반사파 신호를 수신하는 초음파 수신부(104), 반사파 신호 중 유효 신호를 검출하는 검출부(106) 및 대상체와의 거리를 연산하는 연산부(108)를 포함한다.
초음파 송출부(102)는 초음파 신호를 송출하는 기능을 수행한다. 초음파 송출부(102)는 전압이 인가됨에 따라 펄스 신호를 생성하는 반도체 셀과 반도체 셀에 인가되는 전압을 조절하기 위한 회로를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 초음파 송출부는 일정 크기의 레벨과 일정 폭을 갖는 펄스 신호의 형태로 초음파 신호를 송출할 수 있다.
초음파 수신부(104)는 반사파 신호를 수신하는 기능을 수행한다. 초음파 송출부(102)를 통해 송출된 초음파 신호는 대상체에서 반사되며, 반사파 신호는 초음파 수신부(104)를 통해 수신될 수 있다. 초음파 신호는 대상체에서 반사되어 오는 과정에서 전파 경로 손실(PROPAGATION PATH LOSS)을 갖게 되며, 전파 경로 손실에는 3차원 공간 상으로 확산되기 때문에 발생하는 자유공간 경로 손실, 전파의 경로에 존재하는 빗방울 등의 산란에 따른 강우 감쇄 손실, 회절에 따른 회절 손실 등이 있다.
초음파 신호는 전술한 바와 같은 전파 경로 손실에 따라 공기 중에서 감쇄하는 특성을 갖는다. 초음파 수신부(104)를 통해 수신되는 반사파 신호는 대상체와의 거리에 따라 감쇄되며, 반사파 신호의 크기는 수 마이크로 볼트(μV) 에서 수 밀리 볼트(mV)에 이르는 작은 값을 가질 수 있다. 한편, 반사파 신호에는 전자 회로의 열 운동으로 인한 내부 잡음인 열 잡음(WHITE NOISE), 충격성 잡음(IMPULSE NOISE) 등과 같은 잡음이 포함될 수 있다. 여기서, 잡음은 불규칙적으로 짧은시간 동안 발생하는 특성을 갖기 때문에, 반사파 신호에 포함된 잡음으로 인하여 잡음이 대상체로 오인식될 수 있다.
검출부(106)는 반사파 신호에서 잡음이 제거된 유효 신호를 검출하는 기능을 수행한다. 즉, 검출부(106)는 반사파 신호를 미리 정해진 임계값과 비교하여 반사파 신호에서 잡음이 제거된 유효 신호를 검출할 수 있다. 전술한 바와 같이, 반사파 신호는 전파 경로 손실에 따라 매우 작은 값을 갖기 때문에, 검출부(106)는 반사파 신호의 크기를 증폭하고, 증폭된 신호를 임계값과 비교하여 유효 신호를 검출할 수 있다. 여기서, 임계값은 초음파 송출부(102)가 초음파 신호를 송출한 시점으로부터 시간이 경과할 수록 작게 설정될 수 있다. 예를 들어, 임계값은 초음파 신호를 송출한 시점으로부터의 지연 시간에 따라 지연 시간에 반비례하도록 설정될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 검출부(106)는 반사파 신호의 크기 및 폭을 고려하여 유효 신호를 검출할 수 있다. 검출부(106)는 반사파 신호의 크기를 임계값과 비교하여 반사파 신호 중 임계값보다 큰 크기를 갖는 반사파 신호를 유효 신호로 검출할 수 있다. 한편, 전술한 바와 같이 반사파 신호에는 잡음이 포함될 수 있으며, 잡음이 임계값보다 큰 크기를 갖는 경우에는 유효 신호로 인식될 수 있다.
본 발명의 검출부(106)는 임계값보다 큰 크기를 갖는 반사파 신호 중 초음파 신호의 폭 이상의 폭을 갖는 반사파 신호를 유효 신호로 검출할 수 있다. 전술한 바와 같이, 초음파 송출부(102)는 일정 크기 및 일정 폭을 갖는 펄스 신호를 초음파 신호로 송출할 수 있다. 검출부(106)는 초음파 송출부(102)가 생성한 펄스 신호가 갖는 일정 크기 및 일정 폭을 고려하여 반사파 신호 중 유효 신호를 검출할 수 있다. 즉, 반사파 신호에 포함된 잡음은 짧은시간 동안 불규칙적으로 발생하는 특성을 갖기 때문에, 일정 폭을 갖는 초음파 신호와 구별될 수 있다. 이와 같이, 검출부(106)는 임계값보다 큰 크기를 갖고, 초음파 신호의 폭 이상의 폭을 갖는 반사파 신호를 유효 신호로 검출하여 반사파 신호에 포함된 잡음을 제거할 수 있다.
연산부(108)는 유효 신호에 기초하여 대상체와의 거리를 연산하는 기능을 수행한다. 연산부(108)는 초음파 신호를 송출한 제1 시점 및 유효 신호가 검출된 제2 시점 사이의 시간 간격에 따라 대상체와의 거리를 연산할 수 있다. 예를 들어, 초음파 신호를 송출한 시점을 제1 시점(T1), 유효 신호가 검출된 시점을 제2 시점(R1)이라 할 때, 제1 시점(T1)과 제2 시점(R1) 사이의 시간 간격(D)은 R1-T1이다. 따라서, 시간 간격(D)에 초음파 신호의 속도를 곱하면 초음파 신호가 전파한 거리를 알 수 있고, 여기서 초음파 신호가 전파한 전체 거리에 1/2을 취하면 대상체와의 거리를 구할 수 있다.
이하에서는 도 2 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 초음파를 이용한 거리 측정 과정을 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 신호 송출 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 2를 참조하면, 초음파 송출부(102)는 도 2에 도시된 바와 같이 펄스 형태의 초음파 신호(202)를 송출할 수 있다. 도 2를 참조하면, 초음파 신호(202)는 일정 크기(L)와 일정 폭(W)을 가진 펄스 형태의 신호일 수 있다.
초음파 송출부(102)가 도 2에 도시된 바와 같은 초음파 신호(202)를 송출하면, 초음파 신호(202)는 대상체에서 반사되어 오며, 초음파 수신부(104)를 통해 수신된다. 여기서, 송출된 초음파 신호가 대상체에서 반사되어 오는 신호를 반사파 신호라 한다. 전술한 바와 같이, 반사파 신호는 전파 경로 손실에 따라 공기 중에서 감쇄되며, 열잡음 등으로 인한 잡음을 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반사파 신호 수신 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 3을 참조하면, 초음파 수신부(104)는 도 2의 초음파 신호(202)가 대상체에서 반사되어 오는 반사파 신호(204)를 수신하며, 반사파 신호(204)는 공기 중에서 감쇄되어 수 마이크로 볼트(μV) 에서 수 밀리 볼트(mV)에 이르는 작은 값을 갖고, 열잡음 등으로 인한 잡음을 포함한다. 전술한 바와 같이, 잡음은 불규칙적으로 짧은시간 동안 발생하는 특성을 갖기 때문에 유효 신호 판단의 기준이 되는 임계값 이상의 크기를 가질 수 있고, 그에 따라 잡음이 대상체로 오인식되어 스마트 주차 보조 시스템이나 자동 주행 시스템의 불필요한 경보 또는 오동작을 발생시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 유효 신호의 검출 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 4를 참조하면, 검출부(106)는 반사파 신호의 크기를 미리 정해진 임계값(206)과 비교하여 반사파 신호(204) 중 임계값(206)보다 큰 크기를 갖는 반사파 신호를 유효 신호로 검출할 수 있다. 도 4를 참조하면, 반사파 신호(204) 중 임계값(206)보다 큰 크기를 갖는 신호가 검출된다.
그러나, 전술한 바와 같이 반사파 신호에는 잡음이 포함될 수 있으며, 잡음이 임계값보다 큰 크기를 갖는 경우에는 도 4와 같이 잡음이 유효 신호로서 인식될 수 있다. 즉, 반사파 신호(204) 중 임계값(206)보다 큰 크기를 갖는 신호를 기준으로 하여 대상체와의 거리를 측정하기 위한 유효 신호가 검출된 시점을 결정할 수 있는데, 도 4에 의하면 (R1, R2, R3, R4, R5)의 시점이 결정될 수 있다. 한편, 연산부(108)는 초음파 신호가 송출된 시점과 유효 신호가 검출된 시점 사이의 시간 간격에 따라 대상체와의 거리를 연산하므로, 임계값의 크기를 고려하여 검출된 시점들(R1, R2, R3, R4, R5) 중 어느 시점을 선택하는지에 따라 대상체와의 거리가 다르게 산출될 수 있다.
본 발명의 검출부(106)는 임계값보다 큰 크기를 갖는 반사파 신호 중 초음파 신호의 폭 이상의 폭을 갖는 반사파 신호를 유효 신호로 검출할 수 있다. 전술한 바와 같이, 반사파 신호에 포함된 잡음은 짧은시간 동안 불규칙적으로 발생하는 특성을 갖기 때문에, 일정 폭을 갖는 초음파 신호와 구별될 수 있다. 검출부(106)는 초음파 송출부(102)가 생성한 펄스 신호가 갖는 일정 크기 및 일정 폭을 고려하여 반사파 신호 중 유효 신호를 검출할 수 있다. 즉, 임계값의 크기를 고려하여 검출된 시점들(R1, R2, R3, R4, R5) 중 초음파 신호가 갖는 일정 폭 이상의 폭을 갖는 신호가 유효 신호(210)로서 검출될 수 있다. 또한, 유효 신호(210)가 검출됨에 따라 대상체와의 거리를 연산하기 위한 시점(R4)이 결정될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 거리 연산 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 5를 참조하면, 연산부(108)는 유효 신호(210)에 기초하여 대상체와의 거리를 연산하는 기능을 수행한다. 연산부(108)는 초음파 신호를 송출한 제1 시점(T1) 및 유효 신호가 검출된 제2 시점(R4) 사이의 시간 간격에 따라 대상체와의 거리를 연산할 수 있다. 도 4를 참조하면, 제1 시점(T1)과 제2 시점(R4) 사이의 시간 간격(D)은 R4-T1이다. 따라서, 시간 간격(D)에 초음파 신호의 속도를 곱하면 초음파 신호가 전파한 거리를 알 수 있고, 여기서 초음파 신호가 전파한 전체 거리에 1/2을 취하면 측정 기준인 거리 측정 장치와 측정 대상인 대상체 사이의 거리를 구할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 초음파를 이용한 거리 측정 방법의 순서도이다. 도 6을 참조하면, 먼저 초음파 송출부가 초음파 신호를 송출한다(S602). 여기서, 초음파 신호는 일정 크기 및 일정 폭을 갖는 펄스 신호 형태일 수 있다.
그다음, 초음파 수신부가 대상체에서 반사되어 오는 반사파 신호를 수신한다(S604). 전술한 바와 같이, 초음파 신호는 초음파 송출부를 통해 송출되어 대상체에서 반사되어 오는 과정에서 3차원 공간 상으로 확산되기 때문에 발생하는 자유공간 경로 손실, 전파의 경로에 존재하는 빗방울 등의 산란에 따른 강우 감쇄 손실, 회절에 따른 회절 손실 등의 전파 경로 손실(PROPAGATION PATH LOSS)을 가질 수 있다. 또한, 반사파 신호는 전파 경로 손실에 의하여 공기 중에서 감쇄하는 특성을 가지며, 반사파 신호의 크기는 수 마이크로 볼트(μV) 에서 수 밀리 볼트(mV)에 이르는 작은 값을 가질 수 있다. 한편, 반사파 신호에는 전자 회로의 열 운동으로 인한 내부 잡음인 열 잡음(WHITE NOISE), 충격성 잡음(IMPULSE NOISE) 등과 같은 잡음이 포함될 수 있다.
그다음, 검출부가 반사파 신호를 임계값과 비교하여 반사파 신호에서 잡음이 제거된 유효 신호를 검출한다. 구체적으로, 반사파 신호의 크기가 임계값 이상인지를 판단한다(S606). 여기서, 임계값은 초음파 신호를 송출한 시점으로부터의 시간에 반비례하여 작게 설정되는 것이 바람직하다. 한편, 반사파 신호에는 잡음이 포함될 수 있으며, 잡음의 크기가 임계값보다 큰 경우 잡음이 유효 신호로서 검출될 수 있다.
그다음, 반사파 신호의 크기가 임계값 이상인 구간이 일정 시간 이상 유지되는지를 판단한다(S608). 즉, 단계(S608)를 통해 임계값보다 큰 크기를 갖는 반사파 신호 중 초음파 신호의 폭 이상의 폭을 갖는 반사파 신호를 유효 신호로 검출할 수 있다.
이와 같이, 단계(S606) 및 단계(S608)를 통해 반사파 신호의 크기 또는 폭을 임계값과 비교함으로써, 유효 신호를 검출할 수 있다(S610).
마지막으로, 초음파를 송출한 제1 시점과 유효 신호가 검출된 제2 시점 사이의 시간 간격에 따라 대상체와의 거리를 연산한다(S612). 예를 들어, 초음파 신호를 송출한 시점을 제1 시점(T1), 유효 신호가 검출된 시점을 제2 시점(R1)이라 할 때, 제1 시점(T1)과 제2 시점(R1) 사이의 시간 간격(D)은 R1-T1이다. 따라서, 시간 간격(D)에 초음파 신호의 속도를 곱하면 초음파 신호가 전파한 거리를 알 수 있고, 여기서 초음파 신호가 전파한 전체 거리에 1/2을 취하면 대상체와의 거리를 구할 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 초음파 신호가 대상체에서 반사되어 오는 반사파 신호를 미리 정해진 임계값과 비교하여 잡음이 제거된 유효 신호를 검출하고, 유효 신호를 기준으로 대상체와의 거리를 연산함으로써, 반사파 신호에 포함된 잡음이 대상체로 오인식되는 것을 방지하고 대상체와의 거리 측정의 정확도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

Claims (12)

  1. 초음파 신호를 송출하는 초음파 송출부;
    상기 송출된 초음파 신호가 대상체에서 반사되어 오는 반사파 신호를 수신하는 초음파 수신부;
    미리 정해진 임계값에 따라, 상기 반사파 신호에서 잡음을 제거하여, 유효 신호를 검출하는 검출부; 및
    상기 초음파 신호를 송출한 제1 시점 및 상기 유효 신호가 검출된 제2 시점 사이의 시간 간격에 따라 상기 대상체와의 거리를 연산하는 연산부를 포함하고,
    상기 검출부는
    상기 반사파 신호의 크기를 상기 임계값과 비교하여 상기 반사파 신호 중 상기 임계값보다 큰 크기를 갖는 반사파 신호를 검출하고,
    상기 임계값보다 큰 크기를 갖는 반사파 신호 중 상기 초음파 신호의 폭 이상의 폭을 갖는 반사파 신호를 상기 유효 신호로 검출하며,
    상기 임계값은, 상기 초음파 신호를 송출한 제1 시점으로부터의 시간에 반비례하여 작게 설정되는
    초음파를 이용한 거리 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 송출부는 일정 크기 및 일정 폭을 갖는 펄스 신호를 초음파 신호로 송출하는
    초음파를 이용한 거리 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 검출부는 상기 반사파 신호의 크기를 증폭하고, 상기 증폭된 신호를 임계값과 비교하여 유효 신호를 검출하는
    초음파를 이용한 거리 측정 장치.
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  7. 초음파 송출부가 초음파 신호를 송출하는 단계;
    초음파 수신부가 상기 송출된 초음파 신호가 대상체에서 반사되어 오는 반사파 신호를 수신하는 단계;
    검출부가, 미리 정해진 임계값에 따라, 상기 반사파 신호에서 잡음을 제거하여, 유효 신호를 검출하는 단계; 및
    연산부가 상기 초음파 신호를 송출한 제1 시점 및 상기 유효 신호가 검출된 제2 시점 사이의 시간 간격에 따라 상기 대상체와의 거리를 연산하는 단계를 포함하고,
    상기 검출부가 상기 유효 신호를 검출하는 단계는,
    상기 반사파 신호의 크기를 상기 임계값과 비교하여 상기 반사파 신호 중 상기 임계값보다 큰 크기를 갖는 반사파 신호를 검출하는 단계; 및
    상기 임계값보다 큰 크기를 갖는 반사파 신호 중 상기 초음파 신호의 폭 이상의 폭을 갖는 반사파 신호를 상기 유효 신호로 검출하는 단계를 포함하며,
    상기 임계값은, 상기 초음파 신호를 송출한 제1 시점으로부터의 시간에 반비례하여 작게 설정되는
    초음파를 이용한 거리 측정 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 초음파 송출부가 상기 초음파 신호를 송출하는 단계는, 일정 크기 및 일정 폭을 갖는 펄스 신호를 초음파 신호로 송출하는 단계를 포함하는
    초음파를 이용한 거리 측정 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 검출부가 상기 유효 신호를 검출하는 단계는, 상기 반사파 신호의 크기를 증폭하고, 상기 증폭된 신호를 임계값과 비교하여 유효 신호를 검출하는 단계를 더 포함하는
    초음파를 이용한 거리 측정 방법.
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