KR101742648B1 - 초음파 센서를 이용한 거리 탐색 장치 및 방법 - Google Patents

초음파 센서를 이용한 거리 탐색 장치 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101742648B1
KR101742648B1 KR1020160048033A KR20160048033A KR101742648B1 KR 101742648 B1 KR101742648 B1 KR 101742648B1 KR 1020160048033 A KR1020160048033 A KR 1020160048033A KR 20160048033 A KR20160048033 A KR 20160048033A KR 101742648 B1 KR101742648 B1 KR 101742648B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
ultrasonic
signal
time interval
distance
sound wave
Prior art date
Application number
KR1020160048033A
Other languages
English (en)
Inventor
최세범
김민현
신승인
Original Assignee
한국과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020160048033A priority Critical patent/KR101742648B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101742648B1 publication Critical patent/KR101742648B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/02—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
    • G01S15/06—Systems determining the position data of a target
    • G01S15/08—Systems for measuring distance only
    • G01S15/10—Systems for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse-modulated waves
    • G01S15/102—Systems for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse-modulated waves using transmission of pulses having some particular characteristics
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/006—Theoretical aspects
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/523—Details of pulse systems
    • G01S7/526—Receivers
    • G01S7/527—Extracting wanted echo signals

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

본 발명은 초음파 센서를 이용한 거리 탐색에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 초음파의 송출 간격을 특성화하여 샘플링 레이트를 높이므로 탐색 가능 거리를 증대시키는 초음파 센서를 이용한 거리 탐색 장치 및 방법에 관한 것이다,
이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 초음파 송수신기를 이용한 거리 탐색 장치로서, 에코의 수신과 무관하게 초음파 송출기에서 음파가 복수번 송출되도록 펄스 집합 신호(이하 "서로 다른 임의의 송출시간 간격을 가지는 복수개의 펄스 신호"이라고 함)를 반복적으로 거리에 따라 다양하게 제공하는 송신부; 상기 송신부가 제공하는 상기 펄스 집합 신호에 대응하여 상기 초음파 송출기에서 송출된 음파 신호가 물체에 부딪혀 반사되면 이 반사된 음파 신호를 분석하는 수신부; 상기 수신부에서 분석한 음파 신호의 수신시간 간격과 상기 송출시간 간격을 비교하여 같은 간격의 수신시간 간격과 송출시간 간격을 가지는 음파의 체공시간과 공기에서의 속도를 이용하여 물체와의 거리를 계산하는 계산부; 및 상기 거리에 따라 다양하게 상기 펄스 집합 신호가 반복적으로 상기 초음파 송출기에 제공되도록 상기 송신부를 제어하고, 상기 계산부에 상기 수신부에서 분석된 음파 신호가 전달되도록 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

초음파 센서를 이용한 거리 탐색 장치 및 방법{Apparatus and method for distance search using ultrasonic sensor}
본 발명은 초음파 센서를 이용한 거리 탐색에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 초음파의 송출 간격을 특성화함으로써 샘플링 레이트를 높이고 이를 통해 탐색 가능 거리를 증대시키는 초음파 센서를 이용한 거리 탐색 장치 및 방법에 관한 것이다.
초음파 센서는 초음파를 일정 시간 동안 발생시킨 뒤에, 물체에 부딪혀 반사되어 돌아오는 반사 신호를 수신한다. 이때 초음파를 발생시킨 시간부터 수신된 시간까지의 시간차를 이용하여 물체와의 거리를 계산한다.
이와 같이 초음파 센서를 이용한 거리 측정은 초음파 송출 후 수신까지 기다려야 하는 시간이 불가피하게 발생하며, 측정하고자 하는 거리가 멀어질수록 샘플링 레이트가 낮아지는 문제가 있다.
KR 10-2012-0110712 A
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 에코를 기다리는 시간에 구애 받지 않고 초음파를 송출하여 물체와의 거리가 멀어져도 샘플링 레이트가 낮아지지 않게 하는 초음파를 이용한 거리 탐색 장치 및 방법을 제공하는데 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 초음파 송수신기를 이용한 거리 탐색 장치로서, 에코의 수신과 무관하게 초음파 송출기에서 음파가 복수번 송출되도록 펄스 집합 신호(이하 "서로 다른 임의의 송출시간 간격을 가지는 복수개의 펄스 신호"이라고 함)를 반복적으로 거리에 따라 다양하게 제공하는 송신부; 상기 송신부가 제공하는 상기 펄스 집합 신호에 대응하여 상기 초음파 송출기에서 송출된 음파 신호가 물체에 부딪혀 반사되면 이 반사된 음파 신호를 분석하는 수신부; 상기 수신부에서 분석한 음파 신호의 수신시간 간격과 상기 송출시간 간격을 비교하여 같은 간격의 수신시간 간격과 송출시간 간격을 가지는 음파의 체공시간과 공기에서의 속도를 이용하여 물체와의 거리를 계산하는 계산부; 및 상기 거리에 따라 다양하게 상기 펄스 집합 신호가 반복적으로 상기 초음파 송출기에 제공되도록 상기 송신부를 제어하고, 상기 계산부에 상기 수신부에서 분석된 음파 신호가 전달되도록 제어하는 제어를 포함한다.
바람직하게는 상기 수신부는 상기 수신된 음파 신호를 분석하기 위한 신호 컨디셔너를 포함하는 것이다.
바람직하게는 상기 서로 다른 임의의 송출시간 간격을 가지는 복수개의 펄스 신호는 임의의 값만큼 점점 증가하거나 임의의 값만큼 점점 감소하는 시간간격이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다른 측면은 청구항 1 내지 3 중의 어느 한 항에 기재된 초음파 센서를 이용한 거리 탐색 장치에서의 거리 탐색 방법으로서, (a) 에코의 수신과 무관하고 거리에 따라 다양하게 초음파 송출기가 송신부로부터 펄스 집합 신호(이하, 서로 다른 임의의 송출시간 간격을 가지는 복수개의 펄스 신호"이라고 함)를 반복적으로 수신받으며, 이 반복적으로 수신받은 펄스 집합 신호에 대응되는 음파를 복수번 송출하는 단계; (b) 상기 단계(a)에서 송출된 음파가 물체에 부딪혀 반사되면, 이 음파를 초음파 수신기가 수신하는 단계; (c) 상기 단계(b)에서 수신된 음파의 시간 간격을 최근에 수신된 음파와의 시간 간격과 계산하여, 이 계산된 수신시간 간격과 상기 단계(a)에서의 펄스 집합신호의 시간간격과 비교하여 같은 간격의 음파 신호를 구별하는 단계; 및, (d) 상기 단계(c)에서 구별된 같은 간격의 송출시간 간격과 수신시간 간격에 대응되는 음파 신호의 체공 시간을 산출하고, 이 산출된 체공 시간과 음파의 공기에서의 속도를 이용해 상기 물체와의 거리를 계산하는 단계를 포함한다.
바람직하게는 상기 단계(a)의 반복적으로 수신된 펄스 집합 신호는 3밀리초(ms)에서 11밀리초(ms)까지 1밀리초(ms)씩 증가시킨 신호이다.
본 발명에 의하면, 최대 샘플링 레이트가 143Hz라는 결과를 도출해냈으며, 이는 현재 사용되는 초음파 센서의 샘플링 레이트보다 2m 에서는 1.7배, 4m에서는 2.7배, 6m에서는 2.5배 높은 수치가 출력되는 효과가 있다.
이와 같이 높은 샘플링 레이트와 먼 거리를 측정할 수 있는 초음파 거리 센서 모듈은 다양한 응용이 가능한데, 로봇의 사방에 설치하여 기존보다 주변 환경 잡음에 더 강인한 임무를 부여할 수 있고, 차량에 설치하여 측후방 감지시스템, 에어백 전개 보조 센서, 스마트 후방 감지기, 트래픽 잼 어시스트(Traffic Jam Assist) 등에 적용할 수 있다. 또한 차량의 속도를 저속으로 한정하면 골목길이나 주차장에서의 자율주행을 위한 주요 센서 모듈로 사용할 수 있다. 또한 해양에서는 해저를 좀 더 빠른 속도로 매핑 할 수 있고, 어군 탐지기에서의 알고리즘으로 사용하여 타겟에 대한 샘플링 레이트를 높이므로 신호대 잡음비(Signal-to-Noise Ratio)가 높아지게 된다. 또한 신호대 잡음비가 높아지므로 부차적으로 최대 측정 가능 거리가 늘어나게 되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 초음파 센서를 이용한 거리 탐색 장치를 나타낸 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 초음파 센서를 이용한 거리 탐색 장치의 송출 펄스 신호에 따른 송수신된 초음파 신호를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 초음파 센서를 이용한 거리 탐색 방법을 나타낸 송수신 알고리즘의 동작을 나타낸 순서도.
도 4는 본 발명에 따른 초음파 센서를 이용한 거리 탐색 장치 및 탐색 방법을 적용한 실험 데이터 결과를 나타낸 그래프.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 초음파 센서를 이용한 거리 탐색 장치를 나타낸 블록 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 초음파 센서를 이용한 거리 탐색 장치의 송출 펄스 신호에 따른 송수신된 초음파 신호를 나타낸 도면으로 도 1 내지 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명은 지면 위를 이동하거나 해저 매핑 시 다양한 물체와의 거리를 탐색하기 위한 센서(100)와, 이 센서(100)의 동작을 제어하는 센서 제어 유닛(200)과, 센서(100)에 입력되는 신호 데이터와 출력 데이터를 이용하여 물체와의 거리를 계산하고 표시하는 출력 유닛(300)로 구성된다.
센서(100)는 초음파 센서로 초음파를 송출하는 초음파 송출기(110)와, 이 초음파 송출기(110)에서 송출된 초음파를 수신하는 초음파 수신기(120)를 포함한다.
일반적으로 초음파 센서는 가까운 거리에 있는 물체 혹은 사람의 유, 무, 거리측정, 속도측정 등에 사용되며 초음파 소자는 고유 진동에 상당하는 교류 전압을 가하면 압전 효과에 의해서 효율이 좋게 진동해서 초음파를 발생시키게 된다.
초음파는 사람의 귀로 들을 수 없는 20khz대 이상의 음을 말하며, 초음파의 파장은 전파 속도를 주파수로 할당한 값으로 전자파의 속도는 3*10^8 m/s 이다. 또한 물체의 유, 무를 감지하기 위해서는 초음파가 물체에 닿으면 반사하여야 한다. 금속이나 목재, 콘크리트나 종이, 유리등은 초음파가 거의 100% 반사하지만 옷감등과 같은 것은 인조로 만들어져 공기가 포함되어 있다. 이와 같이 공기가 포함되어 있는 물체는 초음파를 거의 흡수하기 때문에 센서 회로의 앰프 이득을 높여야 할 필요가 있다. 초음파는 온도에 영향을 받으며, 공기 중의 음파의 전송 속도 c=331.3+0.606θ[m/s](θ:주위 온도)로 표시되며, 주위 온도에 따라서 음속이 변하기 때문에 물체까지의 거리를 정밀하게 측정하기 위해서는 온도에 따른 보정이 필요하기도 하다.
그리고 초음파 센서는 2개의 압전소자(또는 1개의 압전소자와 금속판)로 되어 있으며 2개의 압전소자로 되어 있는 것을 바이몰(bimole), 1개의 압전소자로 되어 있는 것을 유니몰(unimole)이라 한다. 이것에 초음파가 입사되면 압전소자는 진동해서 발생되고 역으로 압전 소자에 전압을 인가하면 초음파가 발생하게 된다. 초음파 센서는 센서 자신이 가지고 있는 고유 진동 주파수와 똑같은 주파수의 교류 전압을 가하면 좀 더 효율이 좋은 음파를 발생할 수 있다. 물체에서 반사된 음파를 그대로 센서로 입력(진동)시켜서 발생된 정압을 회로에서 처리하므로 측정거리를 계산할 수 있는 것이다.
센서(100)에 포함되는 초음파 송출기(110) 및 초음파 수신기(120)는 지상 이동체에 포함되는 차량이나 로봇 등의 전측후방에 설치될 수 있으며, 선박의 음파 탐지기 내지는 해양 해저를 매핑하기 위한 잠수함 등에도 같은 방향으로 향하게 하여 설치하며 초음파 송출기(110)는 음파를 발생시키며, 초음파 수신기(120)는 초음파 송출기(110)에서 송출된 음파를 수신한다.
센서 제어 유닛(200)은 상기 초음파 송출기(110) 및 초음파 수신기(120)의 동작을 제어 및 분석하기 위한 구성으로, 상기 초음파 송출기(110)에서 초음파가 송출되도록 하기 위한 반복적인 펄스 집합 신호(이하 "서로 다른 임의의 송출시간 간격을 가지는 복수개의 펄스 신호"이라고 함)를 제공하는 송신부(210)와, 이 송신부(210)로부터 송신된 서로 다른 임의의 송출시간 간격을 가지는 복수개의 펄스 신호에 따라 상기 초음파 송출기(110)에서 초음파가 송출되면, 이 송출된 초음파가 물체에 부딪히게 되고, 이 물체에 부딪힌 초음파가 물체로부터 반사되어 되돌아오게 된다. 이때 이 되돌아온 초음파를 상기 초음파 수신기(120)가 수신하고 이 수신된 초음파를 분석하는 수신부(220)와, 상기 송신부(210)와 수신부(220)의 작동을 제어하는 제어부(230)를 포함한다.
송신부(210)는 초음파 송출기(110)를 통하여 초음파를 송출하기 위한 구성으로 송출 소자에 공진 주파수와 동시에 주파수의 발진 전력을 공급한다. 공급하는 신호는 구형파 펄스이고 전압 진폭은 1~20V 정도이며, 단 직류 성분이 없어야 하므로 콘덴서를 사용하여 직류성분을 제거하여 공급한다. 전압이 높으면 음압이 높게 되므로 멀리까지 보낼 수 있지만 약 10V에서 포화되어 10V이상 전압을 높여도 큰 효과는 없다. 이와 같이 송출부(210)는 상기 초음파 송출기(110)가 초음파를 송출하도록 펄스 신호를 제공하는데 이때 제공되는 펄스 신호는 서로 다른 임의적인 송출시간 간격을 가지는 복수개의 펄스 신호이며, 이 서로 다른 임의적인 송출시간 간격을 가지는 복수개의 펄스 신호가 반복적으로 설정된 집합 신호이다. 예를 들어, 본 발명에서는 펄스 집합 신호의 송출시간 간격을 3밀리초(ms)부터 11밀리초(ms)까지 1밀리초(ms)씩 증가시킨 펄스 신호가 제공되도록 한다. 이때 마지막 간격인 11ms까지 초음파 송출시간 간격으로 송출이 완료되면 처음 간격 3ms부터 다시 시작되어 마지막 간격인 11ms까지 초음파가 송출되도록 하고 이를 반복적으로 이루어지도록 송신부(210)를 통해 구형파 펄스 신호가 상기 초음파 송출기(110)로 제공되도록 한다. 이때 송출시간 간격은 초음파 송수신기(110, 120)의 능력에 따라 변화 가능하며, 상기 반복적으로 제공되는 서로 다른 임의의 송출시간 간격을 가지는 복수개의 펄스 신호는 임의의 값만큼 점점 증가하거나 임의의 값만큼 점점 감소하는 시간간격일 수 있다.
한편 펄스 신호의 송출시간 간격 집합을 3ms부터 11ms까지 1ms씩 증가시킨 이유는 3~11ms의 합인 63ms의 경우 약 11m을 초음파가 왕복하므로 3ms부터 11ms까지 1ms씩 증가시킨 집합으로 설정하였다. 즉 더 멀리 측정 가능한 경우 11ms보다 늘려야 하고, 멀리 측정이 불가능한 경우 11ms보다 줄여야 한다.
수신부(220)는 상기 초음파 수신기(120)가 초음파를 수신하면 그 출력 단자에 전압을 출력한다. 수신 감도는 센서의 공진 주파수 근처가 초음파 송출기(110)와 마찬가지로 40khz가 가장 좋으며 출력에 부하 저항을 연결하면 그 양단에 초음파의 강약에 따라서 40khz의 정현파가 나타나게 된다. 출력 전압은 거리에 따라서 몇mV~수백mV 정도가 되기 때문에 이것을 증폭해서 비교기 등에서 고감도로 검출해서 디지털 신호로 변환하여 다음에서 설명할 출력 유닛(300)으로 전송한다. 즉 수신부(220)는 물체에 부딪혀 반사된 음파를 상기 초음파 수신기(120)가 수신하여 아날로그 신호를 시그널 컨디셔너(도시되지 않음)를 통하여 신호 분석에 용이하도록 DC 신호 블로킹과, 레벨 시프트, 이득 제어를 수행하고 출력 유닛(300)으로 전송하는 것이다. 여기서 수신부(220)는 송신부(210)가 제공하는 서로 다른 임의의 송출시간 간격을 가지는 반복적인 펄스 신호 집합에 대응하여 송출된 음파 신호가 물체에 부딪혀 반사되면 이 반사된 음파 신호를 수신하여 분석하는 것이다.
제어부(230)는 상기 송신부(210)와 연결된 초음파 송출기(110)로 반복적으로 서로 다른 임의의 송출간격을 가지는 복수개의 펄스 신호가 제공되어 초음파가 송출되도록 송신부(210)를 제어하고 초음파 수신기(120)로 수신된 음파 신호를 수신부(220)을 통하여 분석할 수 있도록 제어한다. 그리고 제어부(210)는 다음에서 설명할 출력 유닛(300)과 연결되어 수신부(220)에서 분석된 음파 신호의 디지털 출력 신호를 출력 유닛(300)에 전송한다.
출력 유닛(300)은 상기 센서 제어 유닛(200)의 제어에 의하여 센서(100)에 입력되는 신호 데이터와 출력 데이터를 이용하여 물체와의 거리를 계산하고 표시하는데 물체와의 거리를 계산하는 계산부(310)와, 이 계산부(310)에서 계산된 물체와의 거리를 표시하는 표시부(320)로 구성된다.
계산부(310)는 수신부(220)에서 수신한 음파 신호의 수신시간 간격을 상기 송출시간 간격과 비교하여 이 음파 신호의 시간간격의 특성을 파악하고 이 파악된 시간간격의 특성에 따른 음파 신호의 체공시간과 음파의 공기에서의 속도를 이용하여 물체와의 거리(D)를 계산한다. 여기서 물체와의 거리(D)는 [수식 1]과 같다.
[수식 1]
D = Vair ㆍtTOF
여기서, 음속( Vair)은 주변 공기의 온도, 밀도, 습도, 기압 등에 따라 달라지지만 온도에 의한 영향이 가장 크다. 따라서 아래의 [수식 2]를 통하여 음속을 나타낼 수 있다.
[수식 2]
Vair = (331.3 + 0.606θ)[m/s]
θ : 온도[℃]
예를 들어 온도(θ)를 14℃라고 가정하면 음속은 340m/s로 사용할 수 있는 것이다.
표시부(320)는 계산부에서 계산된 물체와의 거리를 표시하며, 이를 사용자가 육안으로 확인할 수 있도록 한다.
도 3은 도 1의 본 발명에 따른 초음파 센서를 이용한 거리 탐색 장치를 이용한 작동 로직을 나타낸 순서도로 이 작동 로직의 순서도는 송신 알고리즘과 수신 알고리즘이 병렬로 구성되어 구동되며, 송신 알고리즘에서는 먼저 초음파 송출기(110)에서 첫 음파를 송출하도록 한다(S110).
이후 상기 초음파 송출기(110)에서 첫 음파 송출(S110) 후, 첫 송출시간 간격을 3밀리초(ms)로 설정하고(S120), 이 설정(S120)된 시간 간격을 저장한다(S130).
여기서 첫 송출시간 간격을 3ms로 설정한 이유는 초음파 송출기(110)의 송출에 필요한 시간이 2ms 이기 때문이다. 즉 한 번의 송출을 시작하기부터 끝내기까지 2ms가 걸리기에 첫 시간 간격을 3ms로 설정하였다.
그리고 단계 (S110)에서 첫 음파 송출 후, 상기 저장된(S130) 송출시간 간격 3ms 동안 기다린 후 다음 음파를 송출한다(S140).
상기 음파를 송출(S140)한 다음 시간 간격이 11ms 보다 크거나 같은지를 판단한다(S150).
상기 판단 결과(S150), 시간 간격이 11ms 보다 크거나 같지 않으면 시간간격에 1ms를 더하고(S160), 이 1ms 더한 시간 간격을 저장(S130)한 다음, 단계 (140)과 단계 (150), 단계 (160)을 반복한다.
한편 상기 단계 (S150)의 판단 결과, 시간 간격이 11ms 보다 크거나 같으면, 시간 간격을 3ms로 초기화(S120)하여 다음 단계 (S130)에서부터 (S160)을 반복 진행한다.
그리고 송신 알고리즘과 병렬로 구동되는 수신 알고리즘은 초음파 수신기(120)로 수신되는 음파를 실시간으로 분석한다(S210).
이때 초음파 수신기(120)에 수신된 음파 중 초음파 송출기(110)로부터 송출된 음파가 수신되었는지를 판단한다(S220).
상기 판단(S220) 결과, 초음파 송출기(110)에서 송출한 음파일 경우 최근(마지막)에 수신한 음파와의 시간간격을 계산한다(S230).
이어서, 상기 최근에 수신한 음파와의 시간간격을 계산한 후(S230), 이 수신된 음파의 시간간격을 송신 알고리즘에 저장된(S130) 송출시간 간격으로 송출된 음파들 간의 시간간격과 비교해 같은 간격의 시간 간격을 찾아 구별한다(S240).
상기 송출된 음파의 시간 간격과 같은 간격의 수신된 음파의 시간간격을 찾으면, 이 송출 음파의 송출시간 간격과 수신 음파의 수신시간 간격에 대응하는 음파 신호의 체공시간을 계산한다(S250).
그리고 상기 계산된 체공시간과 음파의 공기속에서의 속도인 음속과의 관계를 통하여 물체와의 거리를 계산(S260)하고, 이 계산된 거리를 출력한다(S270).
도 4는 본 발명의 초음파 센서를 이용한 거리 탐색 장치 및 방법을 적용한 실험데이터 결과를 나타낸 그래프로, 본 발명에서 사용한 조건들을 사용하면 이론적인 최대 샘플링 레이트는 약 143Hz이다. 실험적으로 측정된 샘플링 레이트의 평균값을 비교해보면 기존의 작동방식보다 2m에서는 1.7배, 4m에서는 2.7배, 6m에서는 2.5배가량 높은 샘플링 레이트를 보여주고 있으며, 이 결과는 하드웨어의 변화 없이 소프트웨어만 개선시켜 샘플링 레이트가 증가한 것으로, 비용을 들이지 않고 초음파 센서의 성능을 크게 발전시킬 수 있음을 보여주고 있다.
샘플링 레이트가 높아짐으로 인해 부가적으로 측정 가능 거리가 늘어나는 효과를 볼 수 있다. 샘플링 레이트가 높아짐은 신호대 잡음비의 증가를 의미하고, 이는 거리가 멀어져 신호의 세기가 약해지더라도 어느 정도 안정적인 신호 수집이 가능함을 의미한다고 할 수 있다. 본 발명을 통해서 최대 4.5m까지 사용 가능한 초음파 센서를 이용하여 7.9m까지 측정 가능함을 확인할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100: 센서
110: 초음파 송출기
120: 초음파 수신기
200: 센서 제어 유닛
210: 송신부
220; 수신부
230: 제어부
300: 출력 유닛
310: 계산부
320: 표시부

Claims (5)

  1. 초음파 송수신기를 이용한 거리 탐색 장치로서,
    에코의 수신과 무관하게 초음파 송출기에서 음파가 복수번 송출되도록 펄스 집합 신호(이하 "서로 다른 임의의 송출시간 간격을 가지는 복수개의 펄스 신호"이라고 함)를 반복적으로 거리에 따라 다양하게 제공하는 송신부;
    상기 송신부가 제공하는 상기 펄스 집합 신호에 대응하여 상기 초음파 송출기에서 송출된 음파 신호가 물체에 부딪혀 반사되면 이 반사된 음파 신호를 분석하는 수신부;
    상기 수신부에서 분석한 음파 신호의 수신시간 간격과 상기 송출시간 간격을 비교하여 같은 간격의 수신시간 간격과 송출시간 간격을 가지는 음파의 체공시간과 공기에서의 속도를 이용하여 물체와의 거리를 계산하는 계산부; 및
    상기 거리에 따라 다양하게 상기 펄스 집합 신호가 반복적으로 상기 초음파 송출기에 제공되도록 상기 송신부를 제어하고, 상기 계산부에 상기 수신부에서 분석된 음파 신호가 전달되도록 제어하는 제어부
    을 포함하는 초음파 센서를 이용한 거리 탐색 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 수신부는 상기 수신된 음파 신호를 분석하기 위한 신호 컨디셔너를 포함하는 것
    을 특징으로 하는 초음파 센서를 이용한 거리 탐색 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 서로 다른 임의의 송출시간 간격을 가지는 복수개의 펄스 신호는 임의의 값만큼 점점 증가하거나 임의의 값만큼 점점 감소하는 시간간격인 것
    을 특징으로 하는 초음파 센서를 이용한 거리 탐색 장치.
  4. 청구항 1 내지 3 중의 어느 한 항에 기재된 초음파 센서를 이용한 거리 탐색 장치에서의 거리 탐색 방법으로서,
    (a) 에코의 수신과 무관하고 거리에 따라 다양하게 초음파 송출기가 송신부로부터 펄스 집합 신호(이하, 서로 다른 임의의 송출시간 간격을 가지는 복수개의 펄스 신호"이라고 함)를 반복적으로 수신받으며, 이 반복적으로 수신받은 펄스 집합 신호에 대응되는 음파를 복수번 송출하는 단계;
    (b) 상기 단계(a)에서 송출된 음파가 물체에 부딪혀 반사되면, 이 음파를 초음파 수신기가 수신하는 단계;
    (c) 상기 단계(b)에서 수신된 음파의 시간 간격을 최근에 수신된 음파와의 시간 간격과 계산하여, 이 계산된 수신시간 간격과 상기 단계(a)에서의 펄스 집합신호의 시간간격과 비교하여 같은 간격의 음파 신호를 구별하는 단계; 및,
    (d) 상기 단계(c)에서 구별된 같은 간격의 송출시간 간격과 수신시간 간격에 대응되는 음파 신호의 체공 시간을 산출하고, 이 산출된 체공 시간과 음파의 공기에서의 속도를 이용해 상기 물체와의 거리를 계산하는 단계
    을 포함하는 초음파를 이용한 거리 탐색 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 단계(a)의 반복적으로 수신된 펄스 집합 신호는 3밀리초(ms)에서 11밀리초(ms)까지 1밀리초(ms)씩 증가시킨 신호인 것
    을 특징으로 하는 초음파 센서를 이용한 거리 탐색 방법.











KR1020160048033A 2016-04-20 2016-04-20 초음파 센서를 이용한 거리 탐색 장치 및 방법 KR101742648B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160048033A KR101742648B1 (ko) 2016-04-20 2016-04-20 초음파 센서를 이용한 거리 탐색 장치 및 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160048033A KR101742648B1 (ko) 2016-04-20 2016-04-20 초음파 센서를 이용한 거리 탐색 장치 및 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101742648B1 true KR101742648B1 (ko) 2017-06-05

Family

ID=59222923

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160048033A KR101742648B1 (ko) 2016-04-20 2016-04-20 초음파 센서를 이용한 거리 탐색 장치 및 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101742648B1 (ko)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007139638A (ja) * 2005-11-21 2007-06-07 Nec Viewtechnology Ltd 距離測定システムおよび距離測定方法
KR101393644B1 (ko) * 2012-10-05 2014-05-13 현대오트론 주식회사 다이나믹 초음파 센서 및 센싱 방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007139638A (ja) * 2005-11-21 2007-06-07 Nec Viewtechnology Ltd 距離測定システムおよび距離測定方法
KR101393644B1 (ko) * 2012-10-05 2014-05-13 현대오트론 주식회사 다이나믹 초음파 센서 및 센싱 방법

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3130938B1 (en) Object detection device and object detection method
US10527723B2 (en) Apparatus and a method for driving an ultrasonic sensor
US20200413188A1 (en) Reducing or eliminating transducer reverberation
US11885874B2 (en) Acoustic distance measuring circuit and method for low frequency modulated (LFM) chirp signals
US20140331772A1 (en) Ultrasonic measuring system having a reduced minimum range and method for detecting an obstacle
CN107167808A (zh) 用于声学距离飞行时间补偿的电路
JP2007500348A (ja) 超音波を用いる距離の測定方法と装置
US11353568B2 (en) Ultrasonic object detection device
KR101716270B1 (ko) 전방 지면 상태 추정 장치 및 방법
KR20130096702A (ko) 차량의 주변 환경 모니터링 방법 및 장치
CN103995483B (zh) 一种超声波换能器的控制方法、装置以及系统
US6804168B2 (en) Method for measuring distance
CN101187706A (zh) 距离测量方法和距离测量装置
US20160356883A1 (en) Object detection apparatus
EP2799905B1 (en) High sensitive apparatus for car parking ultrasonic sensors and method thereof
KR101742648B1 (ko) 초음파 센서를 이용한 거리 탐색 장치 및 방법
CN105467395B (zh) 一种超远距离超声波测量仪
JP3296804B2 (ja) 障害物判定方法
KR20160069076A (ko) 초음파를 이용한 거리 측정 방법 및 장치
Wobschall et al. An ultrasonic/optical pulse sensor for precise distance measurements
CN112805589A (zh) 物体检测装置
CN205507074U (zh) 一种超远距离超声波测量仪
KR102513649B1 (ko) 초음파 ＴｏＦ 주기 최적화를 통한 초음파 측정 시스템 및 방법
RU2598319C2 (ru) Многоканальное сейсмическое устройство обнаружения и классификации нарушителей
KR101503125B1 (ko) 차량용 초음파 물체 감지시 오경보 방지 방법 및 오경보 방지를 위한 차량용 초음파 물체 감지 장치

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant