KR101697542B1 - 모션 감지용 펄스 도플러 레이더 장치 및 모션감지 방법 - Google Patents

모션 감지용 펄스 도플러 레이더 장치 및 모션감지 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 감지대상이 아닌 움직이는 물체에 의한 오동작을 방지하고 전력소모를 줄일 수 있는 모션 감지용 펄스 도플러 레이더 장치에 관한 것으로서, 표적 대상물의 모션과 관련된 기준값을 저장하는 저장부; 설정된 펄스 주기와 듀티비로 펄스 신호를 발생하고, 상기 펄스 신호를 증폭하여 출력된 송신 신호를 탐지영역으로 방사하는 송신부; 상기 송신 신호에 대응하여 탐지영역에서 감지 대상으로부터 반사되는 반사 신호의 도플러 편이를 추출하는 수신부; 상기 도플러 편이를 이용하여 대상물의 속도 또는 거리를 연산하는 연산부 및 속도 측정값과 상기 저장부의 기준 속도값을 비교하여 감지 대상이 표적 대상물인지 판별하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

모션 감지용 펄스 도플러 레이더 장치 및 모션감지 방법{PULSE DOPPLER RADAR APPARATUS FOR MOTION DETECTION USING THE SAME}
본 발명은 모션 감지용 펄스 도플러 레이더 장치 및 이를 이용한 모션감지 법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 오동작 방지하는 동시에 전력 소비를 줄일 수 있는 모션 감지용 펄스 도플러 레이더 장치 및 모션감지 방법에 관한 것이다.
모션 센서는 사람, 동물 및 물건 등 대상물의 움직임을 감지하는 센서로, 절전을 위한 조명기기, 침입 감시 등의 보안 및 자동 출입을 위한 출입 제어 분야에 이용되고 있고, 최근에는 차량의 블랙박스나 산업 현장 등에도 적용되고 있다.
모션 센서는 PIR(Passive Infrared) 센서, 초음파(Ultrasonic) 센서 및 레이더 센서가 있고, 이중에서 가장 널리 이용되는 센서는 PIR 센서이다.
PIR 센서는 온도변화에 따라 분극현상이 나타나는 초전성 물질을 이용하여 동물을 감지하는 센서로, 주변 온도 및 기후 등 외부 조건의 영향을 받아 실외에서는 움직임을 감지하기 어려운 문제점이 있다.
PIR 센서는 동작회로에 비교기나 판독 회로를 더 포함하는 구조로 단가가 높은 문제점이 있으며, 열을 매개로 동작하기 때문에 최대 동작 거리가 제한되는 문제점이 있다.
PIR 센서는 이러한 문제점에도 불구하고 물질의 자연적인 특성을 이용하고, 전력 소모량이 매우 낮기 때문에 근거리용 실내 모션 센서 시장에서 널리 사용되고 있다.
레이더 센서는 전자기파를 이용하기 때문에 PIR 방식과 달리 온도와 같은 외부 조건에 영향을 덜 받는다. 종래의 레이더 센서는 소비 전력과 단가가 높은 문제점이 있으나, 최근의 레이더 센서는 CMOS 공정이 발전함에 따라 소비 전력과 단가가 낮아지고 있는 추세이다.
본 발명은 최대 동작 거리와 외부 조건에 관계가 없이 동작할 수 있고, 단가를 낮출 수 있으며, 기존의 PIR 센서를 대체할 수 있는 레이더 센서를 제공한다.
레이더는 사용하는 전파에 따라 연속파 레이더와 펄스파 레이더로 구분되고, 도플러 편이(Doppler shift)를 이용하여 대상물의 이동 속도를 측정할 수 있고, 대상물 간의 거리도 측정할 수 있다.
연속파 레이더는 거리를 측정하기 위해 별도의 주파수 변조 기능이 필요하고, 연속적으로 수신되는 수신 신호를 처리해야 하므로, 시스템 사이즈가 크고, 구조적으로 복잡해지는 문제점이 있다.
펄스파 레이더 또는 펄스 도플러 레이더는 일순간 펄스를 방사하기 때문에 쉽게 거리를 측정할 수 있고, 소비전력의 소모가 적고 모듈의 크기가 작으며, 구조도 간결해진다.
펄스 도플러 레이더는 탐지영역에서 대상물의 모션을 감지하고, 주로 대상물 중에서 사람을 대상으로 하여 모션을 감지하나, 탐지영역의 주변에 존재할 수 있는 다양한 동물 또는 조류 등 그 밖의 감지대상이 아닌 움직이는 물체에 의해 모션 감지의 오동작이 발생하는 문제점이 있다.
특허문헌 1은 펄스파 레이더 장치에 관한 것으로, 펄스를 주기적으로 발생하여 송신 신호를 방사하고, 송신 타이밍에 대응하여 대상물에 반사된 반사 신호를 수신하는 펄스파 레이더 장치를 개시하고 있다.
그러나, 특허문헌 1은 표적 대상물의 존재 유무에 상관이 없이 전파를 송수신하여 전력 소모가 증가하는 문제점이 있다.
1. 한국등록특허 제10-0796548호(2008.01.15.)
상기의 본 발명은 감지대상이 아닌 움직이는 물체에 의한 오동작을 방지하기 위하여 감지 대상인 사람의 기준 속도값 또는 생체신호 기준값을 통하여 모션 감지의 오동작을 구별하는 모션 감지용 펄스 도플러 레이더 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 사람과 같은 표적 대상물로 판별되면 펄스 주기(pulse period) 또는 듀티비(duty ratio)를 조정하여 펄스 신호를 발생하는 모션 감지용 펄스 도플러 레이더 장치와 그 방법을 제공한다.
상기의 해결하고자 하는 과제를 위한 모션 감지용 펄스 도플러 레이더 장치는, 표적 대상물의 모션과 관련된 기준값을 저장하는 저장부; 설정된 펄스 주기와 듀티비로 펄스 신호를 발생하고, 상기 펄스 신호를 증폭하여 출력된 송신 신호를 탐지영역으로 방사하는 송신부; 상기 송신 신호에 대응하여 탐지영역에서 감지 대상으로부터 반사되는 반사 신호의 도플러 편이를 추출하는 수신부; 상기 도플러 편이를 이용하여 대상물의 속도 또는 거리를 연산하는 연산부 및 속도 측정값과 상기 저장부의 기준 속도값을 비교하여 감지 대상이 표적 대상물인지 판별하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 펄스의 주기와 듀티비를 가변하여 전력 소모를 줄이는 것을 특징으로 한다.
상기 저장부는 표적 대상물의 기준 속도 또는 심폐 동작과 관련된 생체신호 기준값을 저장하고, 상기 연산부는 도플러 편이를 이용하여 이동속도 또는 생체신호 측정값을 연산하며, 상기 제어부는 이동속도 측정값 또는 생체신호 측정값을 기준값과 비교하여 표적 대상물인지를 판별하는 것을 특징으로 한다.
표적 대상물의 판별은 이동속도 측정값이 기준 속도값의 범위 내인지 판별한 후, 생체신호 측정값과 기준 생체신호값을 비교하여 표적 대상물인지를 확인하여 오동작을 방지하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 펄스 신호의 펄스폭과 탐지영역과의 탐지 거리를 고려한 레인지 게이트 슬립 구간을 설정하고, 레인지 게이트 슬립 구간 이후에 반사 신호를 감지하는 레인지 게이트 샘플링 구간을 설정하여 수신부의 동작 타이밍을 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 표적 대상물의 판별 결과에 기반하여 유무선 통신부를 통하여 전기기기에 동작 제어 명령을 제공하는 것을 특징으로 한다.
상기 전기기기는 자동 출입문, 조명기기, 자동차용 블랙박스 또는 화장실의 수세 밸브인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예로서, 펄스의 주기와 듀티비를 가변하는 모션 감지용 펄스 도플러 레이더 장치를 이용한 모션 감지 방법은, 수신부에서 탐지영역으로부터 움직임이 감지되는 경우, 송신부의 펄스 주기를 짧게 하여 표적 대상인지를 추적 확인하고, 수신부에서 움직임이 감지되지 않은 경우, 송신부의 펄스 주기를 길게 하여 전력 소모를 줄이는 것을 특징으로 한다.
수신부에서 움직임이 감지되지 않은 경우, 송신부 펄스의 듀티비를 줄여 전력 소모를 줄이는 것을 특징으로 한다.
수신부의 듀티비는 반사되어 수신되는 시간을 고려하여 송신부보다 크게 하는 것을 특징으로 한다.
수신부의 펄스폭 내에서 오프셋 성분을 제거하기 위한 오프셋 제거 모드와 신호를 감지하기 위한 신호 감지 모드로 동작되는 것을 특징으로 한다.
오프셋 제거기간에는 오프셋 전압만 처리할 수 있도록 오프셋 제거 모드로 동작하고, 오프셋이 제거되면 신호감지 모드로 동작되는 것을 특징으로 한다.
상기 오프셋 제거 모드는 소정의 주기에 한 번씩 동작되어 전력 소모를 줄이는 것을 특징으로 한다.
수신부의 레인지 게이팅 주기는 송신부의 주기와 같거나 긴 것을 특징으로 한다.
표적 대상물이 소정 거리 이내로 접근하면 송신부의 펄스 주기를 변경하는 것을 특징으로 한다.
감지대상의 심폐적 모션 측정값을 기준값과 비교하여 표적 대상물로 확인하는 것을 특징으로 한다.
상기 펄스 도플러 레이더 장치를 가로등에 적용하는 경우, 소정의 높이 이하의 감지대상만을 표적 대상으로 인식하는 것을 특징으로 한다.
상기 펄스 도플러 레이더 장치를 자동차 블랙박스에 적용하는 경우, 비운행시에만 동작하고 운행시에는 동작하지 않는 것을 특징으로 한다.
상기 송신부 종단 증폭기의 동작 주기는 발진기의 동작 주기보다 짧아 전력 소모를 줄이는 것을 특징으로 한다.
상기 송신부 종단 증폭기의 듀티비는 발진기의 듀티비보다 작아 전력 소모를 줄이는 것을 특징으로 한다.
상기 송신부 종단 증폭기의 동작 주기는 수신부의 동작 주기보다 짧아 전력 소모를 줄이는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 모션 감지용 펄스 도플러 레이더 장치는 오동작 방지와 저전력 소비 및 저가화의 장점으로, 자동 출입문, 화장실 수세 밸브, 실내조명, 가로등 및 보안등과 같은 실외조명, 자동차용 블랙박스 및 보안 카메라, 자동화 공정라인, 드론, 경보기, 장난감 등 전 산업분야에 적용할 수 있다.
본 발명은 여러 가지 상황에 따라 전력 소모를 줄일 수 있도록 펄스 주기 또는 듀티비를 조정하는 알고리즘을 채용한 신호처리기를 단일 칩으로 제작하여 저가로 생산하여 공급할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 모션 감지용 펄스 도플러 레이더 장치를 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 송수신부의 동작 타이밍을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 송수신부의 동작 타이밍을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 송수신부의 동작 타이밍을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 송수신부의 동작 타이밍을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 제5 실시예에 따른 송수신부의 동작 타이밍을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 레이더 장치의 오프셋 제거 동작 타이밍을 도시한 것이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 모션 감지용 펄스 도플러 레이더 장치를 도시한 블록도로서, 모션 감지용 펄스 도플러 레이더 장치(10)는 송수신 빔 방향 설정이 용이하고, 송수신 신호의 오류 정정이 용이하다.
펄스 도플러 레이더 장치는(10)는 송신부(100), 수신부(200) 및 제어부(400)를 포함한다.
송신부(100)는 기 설정된 펄스 주기의 듀티비로 펄스 신호를 발생하고, 펄스 신호를 증폭하여 출력된 송신 신호를 탐지영역(25)으로 방사한다.
송신부(100)는 발진기(110), 분배기(120), 전력 증폭기(130) 및 송신 안테나(140)를 포함한다.
발진기(110)는 특정 주파수 신호를 발생시키며, 설정된 펄스 주기 또는 듀티비로 펄스 신호를 발생시킬 수 있다.
본 발명에서의 발진기는 송수신에서 방사 및 감지를 위한 수 GHz ~ 수십 GHz 대역은 전압제어 발진기(VCO)를 사용하고, 변조나 오차를 줄이기 위하여 위상 제어 회(PLL) 등의 보상회로를 사용할 수 있다.
동작 타이밍을 결정하는 펄스의 생성 및 디지털적인 연산, 저장 등을 위한 수 MHz ~ 수백 MHz 대역의 발진기는 간단한 링 발진기나 좀 더 정확한 회로 형태의 발진기로 구성할 수 있다.
본 발명은 VCO를 포함한 모든 부품들을 하나의 칩으로 집적화한다.
VCO의 안정화 시간(settling time)은 수 ns 정도이나 증폭기나 다른 전자부품들은 1 ns 이하이기 때문에 수 ns ~ 수십 ns의 펄스 방사 시점마다 VCO를 on/off하는 것보다 전력 소모량이 많은 송신부의 증폭기를 on/off하는 것이 효율적이다. 본 발명에서는 발진기의 경우는 증폭기보다 긴 시간 동안 턴온 상태를 유지하고 그 기간 동안 증폭기를 턴온 및 오프를 반복하여 선택된 튜티비에 의하여 펄스 형태의 전파를 방사하고, 발진기 및 증폭기를 off하는 휴지기를 갖는 형태를 반복한다.
각 회로 구성 요소들 on/off를 제어는 각 회로 구성요소의 특성에 따라 안정화 시간이 크지 않은 경우 전원 자체를 on/off 하거나, 커패시터의 충전 시간 등의 이유로 안정화 시간이 큰 경우는 DC 전원은 유지하고 AC 성분 등을 차단하여 전력 소모를 최소화하는 형태로 제어할 수 있다.
분배기(120)는 펄스 신호를 전력 증폭기(130)와 수신부(200)로 분배한다. 분배기는 결합기나 스위치로 구성할 수 있다.
전력 증폭기(130)는 분배된 펄스 신호를 증폭하여 송신 신호로 출력하고, 송신 안테나(140) 송신 신호를 탐지영역(20)으로 방사한다.
탐지영역(20)은 대상물에 따라 다양한 영역일 수 있다. 예를 들어, 화장실에서 사람의 모션을 감지하는 펄스 도플러 레이더 장치(10)이면 화장실의 변기, 도어 또는 조명 주변이 탐지영역(20)이 될 수 있고, 차량의 블랙박스에 구비되어 다른 차량, 사람 또는 일반적인 대상물의 모션을 감지하는 펄스 도플러 레이더 장치(10)이면 차량 주변이 탐지영역(20)이 될 수 있으며, 펄스 도플러 레이더 장치(10)가 사용되는 산업 분야에 따라 다양한 탐지영역(20)이 될 수 있고, 이에 한정하지 않는다.
수신부(200)는 송신 신호에 대응하여 탐지영역(20)으로부터 대상물에 반사되는 반사 신호의 도플러 편이를 추출하여 감지신호를 분석한다.
수신부(200)는 수신 안테나(240), 저잡음 증폭기(230), 혼합기(220) 및 필터(210)를 포함한다.
수신 안테나(240)는 송신 신호에 대응하여 탐지영역으로부터 대상물에 반사되는 반사 신호를 수신하고, 저잡음 증폭기(230)는 미약한 신호인 반사 신호의 잡음을 줄이면서 증폭한다.
혼합기(220)는 분배기(120)로부터 분배된 발진기의 펄스 신호와 감지 영역에서 반사된 신호를 혼합하여 중간 주파수 신호로 변환한다. 중간 주파수 신호는 방사된 신호와 반사된 신호의 주파수 차이로 도플러 편이가 되며 이것을 분석하면 상대속도에 의한 움직임과 거리를 계산할 수 있다.
필터(210)는 중간 주파수의 신호의 오프셋 성분을 제거하여 SNR 특성을 개선시킬 수 있고, 아날로그 파형을 일그러짐이 없이 재생하기 위해 중간 주파수 신호의 불요 잡음을 제거할 수 있다.
필터(210)는 중간 주파수 신호의 오프셋 성분을 제거하기 위한 오프셋 제거 장치를 포함할 수 있고, 중간 주파수 신호의 불요 잡음을 제거하기 위한 고역 통과 필터(HPF)나 적분기를 사용한 저역 통과 필터(LPF)일 수 있다.
본 발명에서는 수신부에서 중간주파수 증폭기와 적분기를 이용한 오프셋 제거 장치에 의하여 DC 오프셋 등을 제거하여 SNR을 향상 시킬 수 있다. 이 때 도 7과 같이 수신부의 펄스폭 내에서 오프셋 성분을 제거하기 위한 오프셋 제거 모드와 신호를 감지하기 위한 신호 감지 모드로 동작될 수 있다. 또한, 오프셋 제거기간에는 오프셋 전압만 처리할 수 있도록 오프셋 제거 모드로 동작하고, 오프셋이 제거되면 신호감지 모드로 동작 될 수 있다. 또한, 오프셋 제거 모드는 소정의 주기에 한 번씩 동작되어 전력 소모를 줄 일 수 있다.
제어부(400)는 마이크로프로세서로 신호처리와 송신부(100)와 수신부(200)의 동작 타이밍을 제어한다. 제어부(400)는 송신부와 수신부의 동작 주기와 펄스 듀티비를 제어하여 전력소모를 줄일 수 있다.
본 발명에서는 발진기의 안정화 시간을 고려하여 전력 소모량이 많은 송신부의 증폭기를 on/off하는 것이 효율적이다. 발진기의 경우는 증폭기보다 긴 시간 동안 턴온 상태를 유지하고 그 기간 동안 증폭기를 수 ns ~ 수십 ns로 턴온 및 오프를 반복하여 선택된 튜티비에 의하여 펄스 형태의 전파를 방사하고, 발진기 및 증폭기를 off하는 휴지기를 갖는 형태를 반복한다.
각 회로 구성 요소들 on/off를 제어는 각 회로 구성요소의 특성에 따라 안정화 시간이 크지 않은 경우 전원 자체를 on/off 하거나, 커패시터의 충전 시간 등의 이유로 안정화 시간이 큰 경우는 DC 전원은 유지하고 AC 성분 등을 차단하여 전력 소모를 최소화 하는 형태로 제어할 수 있다.
제어부는 오동작 방지하는 동시에 전력 소비를 줄이기 위해 저장부(310) 및 연산부(320)를 더 포함한다.
저장부(310)는 표적 대상물의 모션과 관련된 감지 대상의 속도 기준값을 저장한다.
속도 기준값은 표적 대상물의 보행, 기는 속도, 달리는 속도, 비행 속도 등을 대표한 값이다. 예를 들어, 표적 대상물은 사람일 경우 기준 속도값은 성별 또는 연령별 보행 속도를 누적한 평균값일 수 될 수 있고, 기어 다니는 동물일 경우 기는 속도 또는 달리는 속도의 평균값이 될 수 있으며, 조류일 경우는 비행 속도의 평균값이 될 수 있다. 사람의 보행속도는 3~5km/h이고, 뛰는 속도는 20-30km/h이다. 조류의 비행속도는 제비가 100km/h이고 가장 빠른 새는 칼새로 200km/h이다.
연산부(320)는 도플러 편이를 이용하여 감지 대상의 속도와 거리 등을 연산한다.
제어부(400)는 측정 속도값과 기준 속도값을 비교하여 대상물이 표적 대상물인지 판별한다. 예를 들어, 속도 측정값이 사람의 보행 기준 속도값에 만족하면 표적 대상물로 결정한다.
본 발명은 심폐 동작과 관련된 생체신호 기준값을 통하여 모션 감지의 오동작을 줄일 수 있다.
저장부(310)는 표적 대상물의 심폐 동작과 관련된 생체신호 기준값을 저장한다.
생체신호 기준값은 사람의 호흡 또는 맥박 등의 심폐적 생체신호를 평균값 또는 정상 범위이다. 예를 들어, 정상적인 성인의 호흡수는 분당 12~24회이고 맥박수는 분당 70~120회이다. 개는 인간과 비슷하고, 고양이의 호흡수는 16~40회이고 맥박은 120~140회로 인간보다 많다.
연산부(320)는 도플러 편이를 이용하여 생체신호 측정값을 연산한다. 예를 들어, 연산부(320)는 도플러 편이를 디지털 신호로 변환하고, 디지털 신호를 호흡 신호와 심박 신호로 분리하여 생체신호 측정값을 연산할 수 있다.
제어부(400)는 생체신호 측정값과 생체신호 기준값을 비교하여 모션 감지의 오동작을 판별한다. 예를 들어, 제어부(400)는 속도 측정값이 기준 속도값에 만족하는 대상물에 한하여 생체신호 측정값과 생체신호 기준값을 비교하여 모션 감지의 오동작을 판별할 수 있다.
본 발명의 모션 감지용 펄스 도플러 레이더 장치(10)는 1차적으로 보행 속도를 통하여 표적 대상물인지 판별하고, 2차적으로 생체신호를 통하여 표적 대상물인지 재확인 할 수 있으므로, 모션 감지의 오동작을 줄일 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 모션 감지용 펄스 도플러 레이더 장치(10)는 속도 측정값의 오차율을 줄여 판별 정확도를 높이기 위해 진동 감지부(330)를 더 포함한다.
진동 감지부(330)는 송신부(200) 주변에 배치되어 진동을 감지하고, 진동이 감지되면 진동이 크기를 측정한다.
제어부(400)는 진동이 감지되면 진동의 크기에 따라 속도 측정값을 보정하고, 기준 속도값과 보정된 속도 측정값을 비교하여 대상물이 표적 대상물인지 판별한다.
본 발명의 모션 감지용 펄스 도플러 레이더 장치(10)는 주변 센서와의 통신 및 원활한 전원 공급을 위해 통신부(340) 및 전원부(350)를 더 포함한다.
전원부(350)는 구동 전원을 송신부(100)와 수신부(200)에 공급한다.
제어부(400)는 표적 대상물의 판별 결과에 기반하여 탐지영역(20)에 배치되는 주변 센서에게 제어 명령을 제공한다.
통신부(340)는 주변 센서에게 제어 명령이 제공되도록 통신 링크를 설정할 수 있다. 예를 들어, 화장실의 조명 센서와 상호적으로 동작하는 모션 감지용 펄스 도플러 레이더 장치(10)에 있어서, 제어부(400)는 사람인 표적 대상물로 판별되면 턴온을 지시하는 제어 명령을 통신부(340)를 통하여 조명 센서에게 제공하고, 조명 센서는 제어 명령에 따라 조명을 턴온한다.
제어부(400)는 표적 대상물로 판별된 상태 또는 표적 대상물이 존재하는 상태에서 존재하지 않는 상태로 상태 천이가 일어나면 턴오프를 지시하는 제어 명령을 통신부(340)를 통하여 조명 센서에게 제공하고, 조명 센서는 제어 명령에 따라 조명을 턴오프한다.
제어부(400)는 송신부(100)와 수신부(200)의 동작 타이밍을 제어하여 전력 소모를 줄인다.
제어부(400)는 표적 대상물의 존재 유무에 상관이 없이 전파를 송수신하면 전력 소모가 증가할 수 있으므로, 기 설정된 펄스 주기의 듀티비(duty ratio)로 펄스 신호가 발생하도록 송신부(100)를 제어하여 전력 소모를 줄인다.
제어부(400)는 표적 대상물로 판별되면 조정된 펄스 주기 또는 듀티비로 펄스 신호가 발생하도록 송신부(100)를 제어하여 표적 대상물을 추적한다.
또한, 제어부(400)는 기 설정된 펄스 주기와 듀티비에 대응하여 반사 신호를 감지하는 레인지 게이트(range gate) 주기가 설정되도록 수신부(200)를 제어한다.
이하, 도 2 내지 도 6의 다양한 실시예를 참조하여 송신부(100)와 수신부(200)의 동작 타이밍을 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 송수신부의 동작 타이밍을 도시한 것으로서, 펄스 도플러 레이더 장치(10)는 탐지영역(20)으로부터 근접하게 배치된다. 예를 들어, 펄스 도플러 레이더 장치(10)는 화장실 내부에 배치되고, 탐지영역(20)은 화장실 내부에서 변기, 도어 또는 조명 주변이 되며, 펄스 도플러 레이더 장치(10)와 탐지영역(20)과의 탐지 거리는 매우 짧을 수 있다.
펄스 도플러 레이더 장치(10)는 탐지영역(20)과의 도달거리가 매우 짧으므로, 제어부(400)는 160ns의 펄스 주기에 20ns의 펄스폭으로 펄스 신호를 발생하도록 송신부(100)의 동작 타이밍을 제어한다. 160ns의 펄스 주기에 20ns의 펄스폭의 듀티비는 12.5%이다.
제어부(400)는 펄스 신호를 발생하는 시작 구간에서 레인지 게이트 샘플링의 시작 구간을 설정하고, 대상물에 반사되는 시간을 고려한 레인지 게이트 샘플링의 종료 구간을 설정하여 수신부(200)의 동작 타이밍을 제어한다. 예를 들어, 수신부(200)는 펄스 주기와 동일한 160ns의 레인지 게이트 주기에 40ns의 레인지 게이트 샘플링 구간에서 탐지영역(20)으로부터 대상물에 반사되는 반사 신호를 감지한다.
도 3은 제2 실시예에 따른 송수신부의 동작 타이밍을 도시한 것으로서, 펄스 도플러 레이더 장치(10)는 탐지영역(20)으로부터 원거리 또는 일정한 거리를 두고 배치된다. 예를 들어, 펄스 도플러 레이더 장치(10)는 실외 조명에 배치되고, 탐지영역(20)은 실외 조명이 비추고 있는 주변이 되며, 펄스 도플러 레이더 장치(10)와 탐지영역(20)과의 탐지 거리는 매우 길 수 있다.
최근의 실외 조명은 LED를 광원으로 사용하여 원거리로 빛을 비출 수 있으므로, 펄스 도플러 레이더 장치(10)는 원거리인 탐지 거리를 고려하여 동작 타이밍을 제어해야 한다.
제어부(400)는 펄스 신호의 펄스폭과 탐지영역과의 탐지 거리를 고려한 레인지 게이트 슬립(sleep) 구간을 설정하고, 레인지 게이트 슬립 구간 이후에 반사 신호를 감지하는 레인지 게이트 샘플링 구간을 설정하여 수신부(200)의 동작 타이밍을 제어한다.
본 발명은 레인지 게이트 슬립 구간을 형성하여 효율적으로 전력 소모를 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 4는 제3 실시예에 따른 송수신부의 동작 타이밍을 도시한 것으로서, 펄스 도플러 레이더 장치(10)는 근접 또는 일정한 거리를 두고 배치된다. 예를 들어, 펄스 도플러 레이더 장치(10)는 전술한 화장실 내부 또는 실외 조명에 배치될 수 있고, 차량의 블랙박스에 배치될 수 있다.
펄스 도플러 레이더 장치(10)는 차량의 블랙박스에 배치되면 탐지영역(20)은 차량 외부의 주변이 된다.
제어부(400)는 기 설정된 펄스 주기의 듀티비로 펄스 신호가 발생하도록 송신부(100)를 제어하여 전력 소모를 줄이는 것을 특징으로 하되, 표적 대상물로 판별되면 조정된 펄스 주기 또는 듀티비로 펄스 신호가 발생하도록 송신부(100)를 제어하여 표적 대상물을 추적한다.
제어부(400)는 160ns의 펄스 주기에 10ns의 펄스폭으로 펄스 신호를 발생하도록 송신부(100)의 동작 타이밍을 제어한다. 160ns의 펄스 주기에 10ns의 펄스폭의 듀티비는 6.25%이다.
제어부(400)는 160ns의 레인지 게이트 주기에 20ns의 레인지 게이트 샘플링 구간에서 탐지영역(20)으로부터 대상물에 반사되는 반사 신호를 감지하도록 수신부(200)의 동작 타이밍을 제어한다.
제어부(400)는 표적 대상물로 판별되면 조정된 펄스 주기 또는 듀티비로 펄스 신호가 발생하도록 송신부(100)의 동작 타이밍을 제어한다. 예를 들어 제어부(400)는 도 4에 도시된 바와 같이 검출된 반사 신호가 표적 대상물로 판별되면 160ns에서 120ns로 펄스 주기를 조정하여 송신부(100)의 동작 타이밍을 제어한다. 120ns의 펄스 주기에 20ns의 펄스폭의 듀티비는 약 16.6%이다.
도 5는 제4 실시예에 따른 송수신부의 동작 타이밍을 도시한 것으로서, 제어부(400)는 검출된 반사 신호가 표적 대상물로 판별되면 10ns에서 20ns로 펄스폭을 조정하여 송신부(100)의 동작 타이밍을 제어한다. 160ns의 펄스 주기에 20ns의 펄스폭의 듀티비는 약 12.5%이다.
본 발명은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 펄스 주기 또는 펄스폭을 조정하여 송신부(100)의 동작 타이밍을 제어할 수 있고, 펄스 주기와 펄스폭을 각각 또는 동시에 조정하여 다양한 듀티비로 송신부(100)의 동작 타이밍을 제어할 수 있다.
도 6은 제5 실시예에 따른 송수신부의 동작 타이밍을 도시한 것으로서, 제어부(400)는 표적 대상물의 반사 신호가 감지되지 않은 상태에서 감지된 상태로 상태 천이되거나, 표적 대상물의 반사 신호가 감지된 상태에서 감지되지 않은 상태로 상태 천이되면 송신부(100)의 듀티비를 조정한다. 제어부(400)는 송신부의 조정된 듀티비에 대응하여 수신부(200)의 동작 타이밍을 제어한다.
본 발명은 상태 천이에 따라 송신부(100)와 수신부(200)의 동작 타이밍을 제어할 수 있고, 효율적으로 전력을 사용할 수 있다.
본 발명은 전술한 송수신부의 동작 타이밍으로 제어할 수 있다. 전술한 실시예들에서 사용된 타이밍값은 본 발명을 쉽게 설명하기 위한 예시적인 값이고, 펄스 도플러 레이더(10)가 사용되는 분야에 따라 변경될 수 있다.
상기 제어부는 표적 대상물의 판별 결과에 기반하여 유무선 통신부를 통하여 전기기기에 동작 제어 명령을 제공할 수 있다.
상기 전기기기는 자동 출입문, 화장실 수세 밸브, 실내조명, 가로등 및 보안등과 같은 실외조명, 자동차용 블랙박스 및 보안 카메라, 자동화 공정라인, 드론, 경보기, 장난감 등이 될 수 있으며, 인터넷으로 연결되는 IoT(internet of things) 디바이스가 될 일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예로서, 펄스의 주기와 듀티비를 가변하는 모션 감지용 펄스 도플러 레이더 장치를 이용한 모션 감지 방법은, 수신부에서 탐지영역으로부터 움직임이 감지되는 경우, 송신부의 펄스 주기를 짧게 하여 표적 대상인지를 추적 확인하고, 수신부에서 움직임이 감지되지 않은 경우, 송신부의 펄스 주기를 길게 하여 전력 소모를 줄일 수 있다.
수신부에서 움직임이 감지되지 않은 경우, 송신부 펄스의 듀티비를 줄여 전력 소모를 줄일 수 있다.
수신부의 듀티비는 반사되어 수신되는 시간을 고려하여 송신부보다 크게 할 수 있다.
수신부의 펄스폭 내에서 오프셋 성분을 제거하기 위한 오프셋 제거 모드와 신호를 감지하기 위한 신호 감지 모드로 동작될 수 있다.
오프셋 제거기간에는 오프셋 전압만 처리할 수 있도록 오프셋 제거 모드로 동작하고, 오프셋이 제거되면 신호감지 모드로 동작 될 수 있다.
상기 오프셋 제거 모드는 소정의 주기에 한 번씩 동작되어 전력 소모를 줄 일 수 있다.
수신부의 레인지 게이팅 주기는 송신부의 주기와 같거나 길 수 있다.
표적 대상물이 소정 거리 이내로 접근하면 송신부의 펄스 주기를 변경할 수 있다.
상기 송신부 종단 증폭기의 동작 주기는 발진기의 동작 주기보다 짧아 전력 소모를 줄일 수 있다.
상기 송신부 종단 증폭기의 듀티비는 발진기의 듀티비보다 작아 전력 소모를 줄 일 수 있다.
상기 송신부 종단 증폭기의 동작 주기는 수신부의 동작 주기보다 짧아 전력 소모를 줄 일 수 있다.
감지대상의 심폐적 모션 측정값을 기준값과 비교하여 표적 대상물로 확인할 수 있다.
상기 펄스 도플러 레이더 장치를 가로등에 적용하는 경우, 소정의 높이 이하의 감지대상만을 표적 대상으로 인식 할 수 있다.
상기 펄스 도플러 레이더 장치를 자동차 블랙박스에 적용하는 경우, 비운행시에만 동작하고 운행시에는 동작하지 않을 수 있다.
본 발명은 표적 대상물의 효율적을 판별하여 오동작 방지하는 동시에 표적 대상물의 판별 여부에 따라 동작 타이밍을 제어하여 효율적으로 전력을 사용한다.
본 발명의 저전력 오동작 방지 기능을 가진 모션센서는 RF, 아날로그 및 디지털 회로를 CMOS 공정에 의하여 하나의 칩(one chip)으로 초소형으로 구현할 수 있고, 대량 생산으로 생산 단가를 낮출 수 있어 저가로 공급할 수 있다.
종래의 자동 출입문은 진동이나 사람이 아닌 동물들의 움직임에 의하여 오동작이 빈번하여 현재는 사람이 직접 스위치를 누르게 하여 불편하게 되어 있으나, 본 발명의 모션 센서를 적용하면 오동작을 획기적으로 줄일 수 있다.
화장실 수세 밸브나 실내 조명 등도 사람이 아닌 물체의 움직임에 빈번하게 작동되는 문제점이 있으나 본 발명의 모션 센서를 적용하면 오동작을 줄이고 저가화로 종래의 센서들을 대체할 수 있다.
자동차용 블랙박스는 배터리를 전원으로 사용하기 때문에 불필요한 움직임의 감지로 방전이 되는 문제점과 메모리 부족의 문제점을 해결할 수 있고, 감시 및 모니터링 보안 카메라는 움직임이 감지될 때만 작동하므로 전력과 메모리 용량을 줄일 수 있다.
가로등 및 보안등에 적용할 경우 사람이 아닌 움직이는 물체에 의한 오작동을 줄일 수 있어 전력을 절약하고 오동작에 의한 불편함을 방지할 수 있다.
본 발명은 소형화와 저전력 소비의 장점을 가져 배터리로 동작하는 드론과 장난감 등에 충돌방지 및 경보용으로 적용할 수 있고, 경보기 또는 자동화 공정라인에 적용할 수 있다.
10: 펄스 도플러 레이더 장치 100: 송신부
110: 발진기 120: 분배기
130: 전력 증폭기 140: 송신 안테나
200: 수신부 210: 필터
220: 혼합기 230: 저잡음 증폭기
240: 수신 안테나 310: 저장부
320: 연산부 330: 진동 감지부
340: 통신부 350: 전원부

Claims (29)

  1. 모션 감지용 펄스 도플러 레이더 장치에 있어서,
    표적 대상물의 모션과 관련된 기준값을 저장하는 저장부;
    설정된 펄스 주기와 듀티비로 펄스 신호를 발생하고, 상기 펄스 신호를 증폭하여 출력된 송신 신호를 탐지영역으로 방사하는 송신부;
    상기 송신 신호에 대응하여 탐지영역에서 감지 대상으로부터 반사되는 반사 신호의 도플러 편이를 추출하는 수신부;
    상기 도플러 편이를 이용하여 감지 대상의 속도 또는 거리를 연산하는 연산부 및
    속도 측정값과 상기 저장부의 기준 속도값을 비교하여 감지 대상이 표적 대상물인지 판별하는 제어부를 포함하되,
    상기 제어부는 움직임 감지 여부와 표적 대상물 판별 여부에 따라 송신부의 펄스 주기와 듀티비가 가변되도록 송신부의 동작 타이밍을 제어하며,
    상기 제어부는 송신부의 동작 타이밍과 탐지영역과의 탐지 거리를 고려한 레인지 게이트 슬립 구간을 설정하고, 레인지 게이트 슬립 구간 이후에 반사 신호를 감지하는 레인지 게이트 샘플링 구간을 설정하여 수신부의 동작 타이밍을 제어하며,
    상기 제어부는 수신부의 펄스폭 내에서 오프셋 성분을 제거하기 위한 오프셋 제거 모드와 신호를 감지하기 위한 신호 감지 모드로 동작되도록 수신부를 제어하고, 오프셋 제거 모드가 소정의 주기에 한 번씩 동작되도록 제어하여,
    송수신부의 동작 타이밍을 조정하여 전력 소모를 줄이는 것을 특징으로 하는 모션 감지용 펄스 도플러 레이더 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 저장부는 표적 대상물의 기준 속도 또는 심폐 동작과 관련된 생체신호 기준값을 저장하고,
    상기 연산부는 도플러 편이를 이용하여 이동속도 또는 생체신호 측정값을 연산하며,
    상기 제어부는 이동속도 측정값 또는 생체신호 측정값을 기준값과 비교하여 표적 대상물인지를 판별하는 것을 특징으로 하는 모션 감지용 펄스 도플러 레이더 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    표적 대상물의 판별은 이동속도 측정값이 기준 속도값의 범위 내인지 판별한 후, 생체신호 측정값과 기준 생체신호값을 비교하여 표적 대상물인지를 확인하여 오동작을 방지하는 것을 특징으로 하는 모션 감지용 펄스 도플러 레이더 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 표적 대상물의 판별 결과에 기반하여 유무선 통신부를 통하여 전기기기에 동작 제어 명령을 제공하는 것을 특징으로 하는 모션 감지용 펄스 도플러 레이더 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전기기기는 자동 출입문인 것을 특징으로 하는 모션 감지용 펄스 도플러 레이더 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 전기기기는 조명기기인 것을 특징으로 하는 모션 감지용 펄스 도플러 레이더 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 전기기기는 자동차용 블랙박스인 것을 특징으로 하는 모션 감지용 펄스 도플러 레이더 장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 전기기기는 화장실의 수세 밸브인 것을 특징으로 하는 모션 감지용 펄스 도플러 레이더 장치.
  11. 펄스의 주기와 듀티비를 가변하는 모션 감지용 펄스 도플러 레이더 장치를 이용한 모션 감지 방법에 있어서,
    수신부에서 탐지영역으로부터 움직임이 감지되면 표적 대상물인지를 추적 확인하기 위해 펄스 주기를 짧게 하거나 펄스의 듀티비를 증가시키고, 수신부에서 움직임이 감지되지 않으면 전력 소모를 줄이기 위해 펄스 주기를 길게 하거나 펄스의 듀티비를 감소시켜 송신부의 동작 타이밍을 조정하는 단계 및
    상기 송신부의 동작 타이밍과 탐지영역과의 탐지 거리를 고려한 레인지 게이트 슬립 구간을 설정하고, 레인지 게이트 슬립 구간 이후에 반사 신호를 감지하는 레인지 게이트 샘플링 구간을 설정하여 수신부의 동작 타이밍을 조정하는 단계를 포함하되,
    상기 수신부의 동작 타이밍을 조정하는 단계는, 수신부의 펄스폭 내에서 오프셋 성분을 제거하기 위한 오프셋 제거 모드와 신호를 감지하기 위한 신호 감지 모드로 동작하고, 오프셋 제거 모드가 소정의 주기에 한 번씩 동작하여,
    송수신부의 동작 타이밍을 조정하여 전력 소모를 줄이는 것을 특징으로 하는 모션 감지 방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제11항에 있어서,
    오프셋 제거기간에는 오프셋 전압만 처리할 수 있도록 오프셋 제거 모드로 동작하고, 오프셋이 제거되면 신호감지 모드로 동작되는 것을 특징으로 하는 모션 감지 방법.
  16. 삭제
  17. 제11항에 있어서,
    수신부의 레인지 게이팅 주기는 송신부의 주기와 같거나 긴 것을 특징으로 하는 모션 감지 방법.
  18. 제11항에 있어서,
    표적 대상물이 소정 거리 이내로 접근하면 송신부의 펄스 주기를 변경하는 것을 특징으로 하는 모션 감지 방법.
  19. 제11항에 있어서,
    감지대상의 심폐적 모션 측정값을 기준값과 비교하여 표적 대상물로 확인하는 것을 특징으로 하는 모션 감지 방법.
  20. 제11항에 있어서,
    송신부 종단 증폭기의 동작 주기는 발진기의 동작 주기보다 짧아 전력 소모를 줄이는 것을 특징으로 하는 모션 감지 방법.
  21. 제11항에 있어서,
    송신부 종단 증폭기의 듀티비는 발진기의 듀티비보다 작아 전력 소모를 줄이는 것을 특징으로 하는 모션 감지 방법.
  22. 제11항에 있어서,
    송신부 종단 증폭기의 동작 주기는 수신부의 동작 주기보다 짧아 전력 소모를 줄이는 것을 특징으로 하는 모션 감지 방법.
  23. 제11항에 있어서,
    상기 펄스 도플러 레이더 장치를 가로등에 적용하는 경우,
    소정의 높이 이하의 감지대상만을 표적 대상으로 인식하는 모션 감지 방법.
  24. 제11항에 있어서,
    상기 펄스 도플러 레이더 장치를 자동차 블랙박스에 적용하는 경우,
    비운행시에만 동작하고 운행시에는 동작하지 않는 것을 특징으로 하는 모션 감지 방법.
  25. 제11항의 모션 감지 방법을 사용한 배터리 구동 드론용 펄스 도플러 레이더 장치.
  26. 제11항의 모션 감지 방법을 사용한 자동화 공정라인용 펄스 도플러 레이더 장치.
  27. 제11항의 모션 감지 방법을 사용한 보안등 또는 보안카메라용 펄스 도플러 레이더 장치.
  28. 제11항의 모션 감지 방법을 사용한 경보기용 펄스 도플러 레이더 장치.
  29. 제11항의 모션 감지 방법을 사용한 배터리 구동 장난감용 펄스 도플러 레이더 장치.
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