KR101858153B1 - 초음파분석기 - Google Patents

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KR101858153B1
KR101858153B1 KR1020160157986A KR20160157986A KR101858153B1 KR 101858153 B1 KR101858153 B1 KR 101858153B1 KR 1020160157986 A KR1020160157986 A KR 1020160157986A KR 20160157986 A KR20160157986 A KR 20160157986A KR 101858153 B1 KR101858153 B1 KR 101858153B1
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ultrasonic sensor
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최정완
서정철
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최정완
원광대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 3차원 초음파분석기에 관한 것이다. 본 발명의 3차원 초음파분석기는 중심점을 기준으로 기설정 간격 이격된 위치점에 의해 형성되는 원주상에서 서로 이격되어 곡률배치되는 다수의 초음파 센서부 및 상기 다수의 초음파 센서부의 위치정보 및 초음파 송수신신호를 이용하여 상기 중심점에서 물체까지의 거리를 산출함으로써 물체의 위치 및 형상을 분석하는 분석부를 포함한다.

Description

초음파분석기{A ultrasonic-wave analyzer}
본 발명은 물체의 위치 및 형상을 분석하는 초음파분석기에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 중심점을 기준으로 기설정 간격 이격된 위치점에 의해 형성되는 원주상에서 서로 이격되어 곡률배치되는 다수의 초음파 센서부 및 상기 다수의 초음파 센서부의 위치정보 및 초음파 송수신신호를 이용하여 상기 중심점에서 물체까지의 거리를 산출함으로써 물체의 위치 및 형상을 분석하는 분석부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 초음파분석기에 관한 것이다.
일반적으로, 물체존재 여부, 물체 위치 등을 판단하기 위해, 초음파 신호를 이용할 수 있다. 구체적으로, 초음파 신호를 발생하여 전방에 보내고, 음파가 물체에 반사되어 돌아오기까지의 시간을 측정하여 물체까지의 거리를 알 수 있다.
이때, 물체가 원거리에 있으면 초음파 발생신호의 크기가 커지게 된다. 이를 해결하지 위해, 다수의 초음파 발생기로 분산하여 초음파 신호를 발생시키는 방법을 적용하고 있다.
이 경우, 각각의 초음파 발생신호가 물체까지 도달하는 시간이 달라지면 수신신호가 매우 복잡해져 분석 수식이 복잡해진다. 또한, 어떤 초음파 발생기에서 발생된 초음파 발생신호가 반사되어 수신되는지 알 수 없어 분석이 불가능 해진다.
이에 따라, 다수의 초음파 센서를 이용하여 원거리에 위치하는 물체의 위치 및 형상을 용이하게 분석할 수 있는 초음파 분석기가 요구된다.
1. 한국공개특허 제2015-0124103호(2015.11.05.공개)
본 발명의 목적은, 다수의 초음파 센서부를 중심점을 기준으로 기설정거리 이격된 위치의 원주상에 곡률 배치하여 물체의 위치를 분석할 수 있는 3차원 초음파 분석기를 제공하는데 있다.
또한, 각 초음파 센서부의 위치 및 중심점을 이용한 타원을 형성하여 중첩점을 산출함으로써, 물체의 위치를 분석하고 물체를 3차원적으로 형상화할 수 있는 3차원 초음파 분석기를 제공하는데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 3차원 초음파분석기는 중심점을 기준으로 기설정 간격 이격된 위치점에 의해 형성되는 원주상에서 서로 이격되어 곡률배치되는 다수의 초음파 센서부 및 상기 다수의 초음파 센서부의 위치정보 및 초음파 송수신신호를 이용하여 상기 중심점에서 물체까지의 거리를 산출함으로써 물체의 위치 및 형상을 분석하는 분석부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 분석부는, 상기 중심점의 위치를 초음파 신호 송신위치로 설정하고, 상기 초음파 센서부의 위치를 반사신호 수신위치로 설정하여 상기 중심점에서 물체까지의 거리를 산출하는 것을 특징으로 하는 물체의 위치 및 형상을 분석할 수 있다.
또한, 상기 분석부는, 중심점(0.0.0) 및 초음파 센서의 위치(r0,θ0,φ0)를 이용한 타원을 생성하고,
Figure 112016115470425-pat00001
,
Figure 112016115470425-pat00002
(여기서, r은 구 중심점에서 물체까지의 거리, r0는 구 중심점에서 초음파 센서까지의 거리, l은 구 중심점에서 물체까지의 거리(r)와 초음파 센서에서 물체까지의 거리 합이 되고, 물체 위치를 (r,θ,φ)로 설정하면,
Figure 112016115470425-pat00003
,
α는 구 중심점을 기준으로 초음파센서와 물체 방향 사이의 각, t는 초음파센서에서 송신된 초음파신호가 물체에 반사되어 수신되기까지의 시간, vs는 초음파 속력)를 이용하여 각 초음파센서부의 송수신신호에 의한 r값들을 산출하며,
상기 생성된 타원들의 중첩점을 추출하여 물체의 위치를 분석할 수 있다.
또한, 상기 분석부는, 상기 중첩점의 개수가 기설정 개수보다 크면, 물체의 위치로 판단할 수 있다.
또한, 상기 분석부는, 상기 중첩점의 중첩횟수에 따라 밝기를 조절하여 물체를 형상화할 수 있다.
또한, 상기 곡률 배치되는 다수의 초음파 센서부는, 상기 중심점을 기준으로 이웃하는 초음파 센서부와 0.06도 간격으로 n*n 배열되고, 각 초음파 센서부는 (0.06도*n)도 범위에서 물체를 측정할 수 있으며, 2차원 곡률 배치 또는 3차원 구형태로 배치될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 본 발명의 3차원 초음파 분석기는 호이겐스 원리를 역이용함으로써, 다수의 초음파 센서부를 중심점을 기준으로 기설정거리 이격된 위치의 원주상에 곡률 배치하여 물체의 위치를 분석할 수 있다.
또한, 크기가 작은 신호를 발생하는 다수의 초음파 센서부를 이용하여 큰 신호를 발생시키는 효과를 얻을 수 있다. 이에, 원거리에 위치하는 물체의 위치를 정확하게 감지할 수 있다.
또한, 각 초음파 센서부의 위치 및 중심점을 이용한 타원을 형성하여 중첩점을 산출함으로써, 물체의 위치를 분석하고 물체를 3차원적으로 형상화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3차원 초음파분석기를 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 다수의 초음파센서 배열을 설명하기 위한 도면이다.
도 4은 본 발명의 초음파센서, 중심점, 물체 사이의 벡터관계 설명을 위한 도면이다.
도 5는 타원형성을 설명하기 위한 도면이다.
도 6는 본 발명의 일 실시 예에 따른 3차원 초음파분석기의 물체위치 분석을 설명하기 위한 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 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 일실시예에 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.
이하, 도면을 참조하여 설명하기에 앞서, 본 발명의 요지를 드러내기 위해서 필요하지 않은 사항 즉 통상의 지식을 가진 당업자가 자명하게 부가할 수 있는 공지 구성에 대해서는 도시하지 않거나, 구체적으로 기술하지 않았음을 밝혀둔다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3차원 초음파분석기를 설명하기 위한 도면이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 3차원 초음파분석기는 원거리에 위치하는 물체의 위치를 파악하고, 물체를 3차원적으로 형상화할 수 있는 초음파분석기로, 군용 잠수함, 어군 탐지기 등과 같이 원거리 물체를 탐지하기 위해 이용되는 초음파 카메라에 적용될 수 있다.
한편, 원거리에 위치하는 물체를 탐지하기 위해서는 초음파 센서에서 발생되는 송신신호의 크기가 커야한다. 이를 위해, 본 발명의 3차원 초음파분석기는 송신호가 작은 다수의 초음파 센서를 이용하여, 신호가 큰 단일 초음파 센서와 같은 효과를 얻을 수 있다.
도 1를 참고하면, 본 발명의 3차원 초음파분석기는 중심점(C)을 기준으로 기설정 간격 이격된 원주(30)상에서 서로 이격되어 곡선배치되는 다수의 초음파 센서부(100) 및 중심점(C)을 기준으로 다수의 초음파 센서부(100)의 위치정보 및 초음파 송수신신호를 이용하여 물체의 위치 및 형상을 분석하는 분석부(200)를 포함할 수 있다.
도 2 및 도 3은 도 1의 다수의 초음파센서 배열을 설명하기 위한 도면이다. 도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 3차원 초음파분석기는 물체의 3차원 형상화를 위해, 호이겐스원리를 이용하여 다수의 초음파센서(100)를 구 형태로 배열할 수 있다. 또한, 도 3과 같이 2차원 곡률 배치될 수도 있다.
여기서, 호이겐스 원리는 파동이 전파될 때 파면 위의 모든 점에서 각각의 점을 새로운 파원으로 하는 이차적인 구면파가 나타나면, 이와 같이 생긴 수많은 구면파에 공통으로 접하는 면이 다음순간의 새로운 파면을 이룬다는 원리이다.
도 1을 참고하면, 중심점(C)에 초음파 센서가 위치하는 것으로 가정할 때, 중심점을 기준으로 제1파형(10)이 생성될 수 있다. 본 발명의 3차원 초음파분석기는 원주(30)상에 배열된 각 초음파 센서부(100)에 의해 생성되는 제2파형(20)들의 접하는 부분에 의해 파형이 생성됨으로써, 단일 초음파 센서가 중심점(C)에 위치하여 제1파형(10)을 생성하는 것과 같은 효과를 얻을 수 있다.
즉, 본 발명의 3차원 초음파분석기는 작은 크기의 신호를 발생하는 다수의 초음파 센서부(100)를 곡률 반경에 맞춰 배치함으로써, 중심점(C)에 위치하는 큰 신호를 발생하는 단일 초음파 센서와 같은 효과를 가질 수 있다.
여기서, 구 중심점(0.0.0)을 기준으로 3축(x,y,z)을 형성하고, 구 중심점(C)으로부터 기설정거리(r0:구 반지름) 이격된 위치점들에 의해 형성되는 원주상(30)에 초음파 센서(P:초음파 센서가 배치되는 위치)를 배치할 수 있다.
이때, 초음파 센서부(100)는 도 2의 구면 좌표계에서 특정점(P)을 기준으로 θ 및 φ를 0.06도 간격으로 n*n 배열되고, 각 초음파 센서부(100)는 (0.06도*n)도 범위에서 물체를 측정할 수 있다. 일 예로, n이 500개이면, 2.5*105개의 초음파 센서부(100)가 구 배열될 수 있고, 각 초음파 센서부는 30도(0.06도*500)의 범위에서 물체를 측정할 수 있다.
도 4은 본 발명의 초음파센서, 중심점, 물체 사이의 벡터관계 설명을 위한 도면이다. 도 4과 같이, 3차원 구좌표계에서 구 중심점(C)의 위치(0.0.0), 특정위치(r0,θ0,φ0)에 위치하는 제1초음파센서부(100a) 및 물체(40)의 위치(r,θ,φ)의 위치관계는 벡터를 이용하여 표시할 수 있다.
중심점(C)에서 제1초음파 센서부(100a) 까지의 위치벡터는
Figure 112016115470425-pat00004
, 중심점(C)에서 물체(40)까지의 위치벡터는
Figure 112016115470425-pat00005
가 될 수 있다. 이에, 제1초음파 센서부(100a)에서 물체(40)까지의 위치벡터는
Figure 112016115470425-pat00006
가 될 수 있다. 또한, α는 구 중심점을 기준으로 초음파센서와 물체 방향 사이의 각이 될 수 있다.
한편, 본 발명의 초음파 센서부(100)는 초음파 송신신호를 발생시키는 송신부 및 송신된 초음파 송신신호가 물체(40)에 반사되어 되돌아 오는 반사신호를 수신하는 수신부로 구성될 수 있다. 이때, 송신부와 기설정간격 이격된 위치에 수신부가 배치될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 다수의 초음파 센서부(100)는 동 시간대에 동일한 크기의 신호를 송신할 수 있다.
이때, 본 발명의 3차원 초음파 분석기는 초음파 송신신호가 물체에 도달하는 거리와 반사신호가 초음파센서부(100)에 도달하는 거리가 동일하다는 점을 이용하여 타원원리를 적용할 수 있다.
본 발명의 3차원 초음파 분석기는 호이겐스 원리 역이용에 따라 중심점(C)을 기준으로 초음파 신호를 송수신하는 것과 동일하므로, 도 5와 같이 초음파 센서부(100)의 위치점(P) 및 중심점(C)을 두 고정점으로 하는 타원(50)을 형성할 수 있고, 타원의 외주에 물체(40)의 위치점(O)이 존재할 수 있다.
즉, 호이겐스 원리 역이용에 따라 중심점(C)의 위치를 초음파 신호 송신위치로 보고, 초음파 센서부(100)의 위치를 반사신호 수신위치로 설정 한 것이다. 이에, 중심점(C)에 대한 위치보정이 필요하다.
한편, 타원의 원리에 따라 구 중심점(C)에서 물체(40)까지의 거리와 초음파 센서부(P)에서 물체(40)까지의 거리 합은 항상 일정한 값을 가지게 되며, 다음의 수학식1에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112016115470425-pat00007
여기서, Vs는 초음파 속력, t는 초음파 도달시간(초음파 송신 후 반사되어 돌아오기까지의 시간), ro는 구 중심점(C)에서 초음파센서부(100)까지의 거리가 될 수 있다. 또한, Vs는 온도에 따라 달라지며 수학식 2에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112016115470425-pat00008
여기서, Vo는 섭씨 0도에서의 속력이고, To는 절대온도가 될 수 있다.
분석부(200)는 구 중심점(C)에서 물체(0:40)까지의 거리와 초음파 센서부(100:P)에서 물체(O:40)까지의 거리 합(l)을 산출하고, 산출된 l값을 이용하여 각 초음파 센서부(100)를 이용한 중심점(C)에서 물체(40)까지의 거리(r)를 산출할 수 있다. 이때, 다수의 초음파 센서부(100) 각각에 대한 거리(r)을 산출함으로써, 초음파센서부(100)의 개수만큼의 거리(r)가 산출될 수 있다.
여기서, 분석부(200)는 수학식3을 이용하여 거리(r)를 산출할 수 있다.
Figure 112016115470425-pat00009
여기서,
Figure 112016115470425-pat00010
가 될 수 있다.
도 6는 본 발명의 일 실시 예에 따른 3차원 초음파분석기의 물체위치 분석을 설명하기 위한 도면이다. 도 6를 참고하면, 분석부(200)는 수학식 1 내지 3을 이용하여 각 초음파 센서부(100)의 초음파 송신신호 및 반사신호에 의한 거리(r)을 산출할 수 있다.
도 6를 살펴보면, 분석부(200)는 제1 초음파 센서부(100a)의 배치위치 및 중심점(C)을 고정점으로 하는 제1타원(50a)을 형성하게 되고, 수학식1에 의해 구 중심점(C)에서 물체(40)까지의 거리(r)와 초음파 센서부(100a)에서 물체(40)까지의 거리 합(l) 및 거리(r)을 산출할 수 있게 된다. 이때, 거리(r)를 r1이라 할 수 있다.
또한, 분석부(200)는 제2 초음파 센서부(100b)의 배치위치 및 중심점(C)을 고정점으로 하는 제2타원(50b)을 형성하게 되고, 수학식1에 의해 구 중심점(C)에서 물체(40)까지의 거리(r)와 초음파 센서부(100a)에서 물체(40)까지의 거리 합(l) 및 거리(r)을 산출할 수 있게 된다. 이때, 거리(r)를 r2라 할 수 있다.
도 6에서, 제1타원(50a) 및 제2타원(50b)은 거리 r의 위치에서 중첩될 수 있다. 즉, r1 및 r2는 동일값을 가진다. 분석부(200)는 타원(50a,50b)의 중첩위치를 물체의 위치로 판단할 수 있다.
구체적으로, 분석부(200)는 특정 초음파 센서부를 기준으로 0.06도 간격의 초음파 센서부에 대해 중심점(C)에서 물체(40)까지의 거리(r)와 초음파 센서부(100a)에서 물체(40)까지의 거리 합(l) 및 거리(r)을 각각 산출할 수 있다. 이때, 각 거리(r)은 각 초음파 센서부에 의해 생성되는 타원들의 중첩점이 될 수 있고, 중첩점은 물체(40)의 위치가 될 수 있다.
이때, 분석부(200)는 중첩점의 개수가 기설정된 개수보다 크면, 물체의 위치로 판단할 수도 있다. 예를 들어, 초음파 센서부(100)의 개수가 10개 일 때, 기설정된 개수가 3이면, 3개 이상의 초음파 센서부(100)에 의해 생성된 타원의 중첩점이 3개 이상될 때 해당 중첩점의 위치를 물체의 위치로 판단할 수 있다. 이때, 중첩점은 최대 초음파 센서부(100)의 개수가 될 수 있다.
또한, 분석부(200)는 중첩점을 이용하여 물체를 형상화할 수 있다. 이때, 분석부(200)는 중첩점의 중첩개수에 따라 중첩점의 밝기를 조절하여 물체를 형상화함으로써 3차원적 이미지를 생성할 수 있다.
한편, 상기에서 도 1 내지 5를 이용하여 서술한 것은, 본 발명의 주요 사항만을 서술한 것으로, 그 기술적 범위 내에서 다양한 설계가 가능한 만큼, 본 발명이 도 1 내지 5의 구성에 한정되는 것이 아님은 자명하다.
100, 100a, 100b : 초음파 센서 10 : 제1파형
20 : 제2파형 30 : 원주
40 : 물체 50,50a,50b : 타원
C : 중심점

Claims (6)

  1. 중심점을 기준으로 기설정 간격 이격된 위치점에 의해 형성되는 원주상에서 서로 이격되어 곡률 배치되되, 초음파 송신신호를 발생시키는 송신부 및 물체에 의해 반사된 반사신호를 수신하는 수신부를 각각 포함하는 다수의 초음파 센서부; 및
    상기 다수의 초음파 센서부의 위치정보, 동시점에 출력된 상기 초음파 송신신호 및 반사신호로부터, 상기 중심점에서 물체까지의 거리를 산출함으로써 상기 물체의 위치 및 형상을 분석하는 분석부를 포함하고,
    상기 분석부는,
    중심점(0.0.0) 및 각 초음파 센서부의 위치(r0,θ0,φ0)를 이용한 타원을 생성하고,
    Figure 112018004308154-pat00020
    ,
    Figure 112018004308154-pat00021

    (여기서, r은 구 중심점에서 물체까지의 거리, r0는 구 중심점에서 해당 초음파 센서부까지의 거리, l은 구 중심점에서 물체까지의 거리(r)와 초음파 센서부에서 물체까지의 거리 합이 되고, 물체 위치를 (r,θ,φ)로 설정하면,
    Figure 112018004308154-pat00022
    ,
    α는 구 중심점을 기준으로 초음파센서부와 물체 방향 사이의 각, t는 초음파센서부에서 송신된 초음파신호가 물체에 반사되어 수신되기까지의 시간, vs는 초음파 속력)를 이용하여 각 초음파센서부의 송신신호 및 반사신호에 의한 r값들을 산출하며,
    상기 생성된 타원들의 중첩점이 기설정 개수 이상이면 물체의 위치로 판단하고, 상기 물체의 위치로 판단된 중첩점의 중첩횟수에 따라 밝기를 조절하여 물체를 3차원 형상화하는 것을 특징으로 하는 3차원 초음파분석기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 곡률 배치되는 다수의 초음파 센서부는,
    이웃하는 초음파 센서부와 0.06도 간격으로 n*n 배열되고, 각 초음파 센서부는 (0.06도*n)도 범위에서 물체를 측정하며,
    상기 다수의 초음파 센서부는, 2차원 곡률 배치 또는 3차원 구형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 3차원 초음파분석기.
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JP2002028159A (ja) * 2000-07-12 2002-01-29 Hitachi Ltd 平面及び曲面形状のアレイ状素子の実装構造及びその製造方法

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