KR102015074B1 - 거리 측정의 정밀도를 향상시키기 위한 초음파 센서 모듈 - Google Patents

거리 측정의 정밀도를 향상시키기 위한 초음파 센서 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명의 차량의 주행 및 주차 시에 주변의 물체를 감지하여 알려주는 초음파 센서 모듈에서, 차량에 장착되어, 초음파 신호를 송신하고, 물체에 반사되어 돌아오는 초음파 신호를 수신하기 위한 둘 이상의 초음파 센서, 상기 초음파 센서를 구동하기 위한 구동부 및 초음파 센서 모듈의 전반적인 동작을 제어하며, 두 개의 초음파 센서에서 수신한 초음파 신호를 이용하여, 삼각 측정법으로 물체와 차량 간의 수직거리를 계산하는 제어부를 포함한다.
본 발명에 의하면, 삼각 측정법을 이용하여 물체와의 거리를 보다 정확하게 계산하여, 거리 측정의 정확도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

거리 측정의 정밀도를 향상시키기 위한 초음파 센서 모듈 {Ultrasonic sensor module for improving distance accuracy}
본 발명은 초음파 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량의 주행 및 주차 시에 차량 주변의 물체를 감지하여 운전자에게 알려주는 초음파 센서 모듈에 관한 것으로, 특히 거리 측정의 정확도를 향상시키는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 초음파 센서는 거리를 센싱하는데 사용되며, 초음파 센서가 센싱한 거리를 사용하는 다양한 시스템들, 일 예로, 주차 안내 시스템이 제안된 바 있다.
초음파 센서를 이용한 주차 안내 시스템은 차량 상단에 구비된 초음파 센서가 발산하여 반사파를 수신하고, 반사파 수신에 따른 지연시간을 측정하여 거리를 환산하며, 환산된 거리 값을 기준으로 초음파 센서 하단에 차량이 존재하는지 여부를 판단하는 방법을 적용하고 있다.
초음파 주차 보조 장치는 차량의 범퍼 부위에 다수의 초음파 센서가 위치하고 있으며, 각 초음파 센서에서 발사된 초음파 신호가 물체를 맞고 반사되어 돌아오는 신호를 이용하여 거리를 측정하게 된다. 하지만, 이러한 경우, 차량과 일정 거리 이내로 근접한 물체의 경우에는 거리 측정의 정확도가 현저하게 떨어지는 문제점이 있다.
또한, 종래 초음파 주차 보조 장치에서 삼각 측정법 등을 이용한 계산을 수행함에 있어서, 제곱근 계산 등 복잡한 수학 연산이 수행되므로, 대용량의 메모리 공간과 고성능의 마이컴이 필요하게 되며, 따라서 현실적으로 마이컴의 연산 능력과 저장공간의 용량의 한계로 인하여, 복잡한 수학 연산을 수행함에 있어서 많은 제약이 따르게 된다.
대한민국 등록특허 10-1692809
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 삼각 측정법을 이용하여 물체와의 거리를 보다 정확하게 계산하여, 거리 측정의 정확도를 향상시킬 수 있는 초음파 센서 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 룩업 테이블 방식을 이용하여 제곱근 계산을 함으로써, 비교적 낮은 성능의 연산 능력을 갖는 마이컴과 저 용량의 저장장치로 복잡한 수학 연산을 수행할 수 있는 초음파 센서 모듈을 제공하는데 그 다른 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 차량의 주행 및 주차 시에 주변의 물체를 감지하여 알려주는 초음파 센서 모듈에서, 차량에 장착되어, 초음파 신호를 송신하고, 물체에 반사되어 돌아오는 초음파 신호를 수신하기 위한 둘 이상의 초음파 센서, 상기 초음파 센서를 구동하기 위한 구동부 및 초음파 센서 모듈의 전반적인 동작을 제어하며, 두 개의 초음파 센서에서 수신한 초음파 신호를 이용하여, 삼각 측정법으로 물체와 차량 간의 수직거리를 계산하는 제어부를 포함한다.
상기 초음파 센서 중에서, 초음파 신호를 송신하고 어느 한 물체에 반사되어 돌아오는 초음파 신호를 수신한 제1 초음파 센서와, 상기 제1 초음파 센서에 인접하여 위치하며 초음파 신호를 송신하지 않고 상기 물체에 반사되어 돌아오는 초음파 신호를 수신한 제2 초음파 센서가 있을 때, 상기 제어부는 상기 제1 초음파 센서에서 수신한 초음파 신호를 이용하여 측정한 직접 거리(Direct distance)와, 상기 제2 초음파 센서에서 수신한 초음파 신호를 이용하여 측정한 간접 거리(Indirect distance)를 이용하여 삼각 측정법으로 상기 물체와 차량 간의 수직거리를 계산할 수 있다.
상기 제어부는 삼각 측정법을 이용하여 수직거리를 계산함에 있어서, 기 설정된 룩업 테이블(Look-up table)을 이용하여 제곱근 계산을 수행할 수 있다.
상기 제어부는 먼저 상기 제1 초음파 센서에서 수신한 초음파 신호를 이용하여 상기 물체와의 직접 거리(Direct distance)를 계산하고, 상기 직접 거리가 기 설정된 기준 거리를 초과하면 상기 직접 거리를 물체와의 거리로 판단하고, 상기 직접 거리가 상기 기준 거리 이내이면, 상기 직접 거리와 상기 간접 거리를 이용하여 삼각 측정법으로 상기 물체와 차량 간의 수직거리를 계산할 수 있다.
본 발명에 의하면, 삼각 측정법을 이용하여 물체와의 거리를 보다 정확하게 계산하여, 거리 측정의 정확도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 룩업 테이블 방식을 이용하여 제곱근 계산을 함으로써, 비교적 낮은 성능의 연산 능력을 갖는 마이컴과 저 용량의 저장장치로 복잡한 수학 연산을 수행할 수 있으므로, 낮은 비용으로 용이하게 주차 보조 장치를 구현할 수 있는 효과가 있다. 이로써, 종래 ECU 등의 외부의 커다란 공간을 차지하는 별도의 장치에 고 성능의 마이컴(Micom)을 사용하여 구현하는 기술을, 본 발명에서 초음파 주차 보조 장치에 직접 사용되는 저 성능의 마이컴(Micom)에 적용하여 구현할 수 있게 되며, 또한 관련 성능이 구현되어 집적 되어 있는 별도의 고가의 특수 IC를 활용하지 않아도 되므로, 원가 절감의 효과도 높다고 볼 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 센서 모듈의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 센서가 범퍼에 구비되어 물체를 감지하는 모습을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 두 초음파 센서 사이에 물체가 위치한 경우를 예시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 두 초음파 센서의 사이드에 물체가 위치한 경우를 예시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제곱근 계산을 위한 인덱스 판별 테이블을 예시한 도표이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제곱근 계산을 위한 제곱 값 판별 테이블을 예시한 도표이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 룩업 테이블을 이용한 제곱근 계산 방법을 도시한 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 갖는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명은 차량의 주행 및 주차 시에 주변의 물체를 감지하여 알려주는 초음파 센서 모듈에 대한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 센서 모듈의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시에에 따른 초음파 센서 모듈은 둘 이상의 초음파 센서(110), 구동부(120), 제어부(130)를 포함한다.
초음파 센서(110)는 차량에 장착되어, 초음파 신호를 송신하고, 물체에 반사되어 돌아오는 초음파 신호를 수신하는 역할을 한다. 본 발명에서 초음파 센서(110)는 둘 이상의 개수가 구비되어 차량의 범퍼(bumper) 등에 장착되며, 차량 주변의 물체를 감지하는 역할을 한다.
구동부(120)는 초음파 센서(110)를 구동하는 역할을 한다.
제어부(130)는 초음파 센서 모듈의 전반적인 동작을 제어하며, 초음파 센서(110)가 구동되도록 구동부(120)를 제어한다.
본 발명에서 제어부(130)는 두 개의 초음파 센서에서 수신한 초음파 신호를 이용하여, 삼각 측정법으로 물체와 차량 간의 수직거리를 계산한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 센서가 범퍼에 구비되어 물체를 감지하는 모습을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 차량의 범퍼에 네 개의 초음파 센서(210, 220, 230, 240)가 구비된 실시예이다.
도 2에서, 제1 초음파 센서(210)는 초음파 신호를 송신하고 어느 한 물체(10)에 반사되어 돌아오는 초음파 신호를 수신하고, 제2 초음파 센서(220)는 제1 초음파 센서(210)에 인접하여 위치하며 초음파 신호를 송신하지 않고 물체(10)에 반사되어 돌아오는 초음파 신호를 수신하는 경우를 예시하고 있다.
이때, 제어부(130)는 제1 초음파 센서(210)에서 수신한 초음파 신호를 이용하여 측정한 직접 거리(Direct distance)(L1)와, 제2 초음파 센서(220)에서 수신한 초음파 신호를 이용하여 측정한 간접 거리(Indirect distance)(L2)를 이용하여 삼각 측정법으로 물체와 차량 간의 수직거리(d)를 계산할 수 있다.
일반적으로 주차 보조 장치에서 거리를 측정하기 위하여 L1과 L2와 같이 센서에서 발사된 초음파 신호가 물체를 맞고 반사되어 센서로 들어오는 신호를 이용하여 거리를 측정하는 직접거리 (Direct distance)를 사용하게 된다.
그러나, 도 2에서와 같이 물체(10)가 차량으로부터 일정 거리 이내로 근접하여 있는 경우, 거리 측정의 정확도가 떨어지게 된다. 실제로 차량에서는 범퍼(Bumper)에서 물체까지의 수직 거리를 필요로 하게 되는데, 물체의 위치가 수직에서 멀어 질수록 거리의 정확도는 낮아지게 된다.
본 발명의 일 실시예에서 제어부(130)는 먼저 제1 초음파 센서(210)에서 수신한 초음파 신호를 이용하여 물체(10)와의 직접 거리(Direct distance)를 계산하고, 직접 거리가 기 설정된 기준 거리를 초과하면 직접 거리를 물체(10)와의 거리로 판단한다.
반면, 직접 거리가 기준 거리 이내이면, 제어부(130)는 직접 거리와 간접 거리를 이용하여 삼각 측정법으로 물체(10)와 차량 간의 수직거리를 계산한다. 예를 들어, 물체가 W2나 W3의 영역에 위치하는 경우, 직접 거리와 간접 거리를 이용한 삼각 측정법으로 물체(10)와 차량 간의 수직거리를 계산하게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 두 초음파 센서 사이에 물체가 위치한 경우를 예시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 제1 초음파 센서(210)와 제2 초음파 센서(220)를 지나는 선분에, 물체(10)에서 수선의 발을 내렸을 때, 수직거리(d)를 계산할 수 있다. 여기서 제1 초음파 센서(210)와 수선의 발 사이의 거리를 X1이라 하고, 제2 초음파 센서(220)와 수선의 발 사이의 거리를 X2라 하면, 제1 초음파 센서(210)와 제2 초음파 센서(220) 간의 거리 X=X1+X2이다. 그리고, 제1 초음파 센서(210)와 물체(10) 간의 거리를 l1으로 표시하고, 제2 초음파 센서(220)와 물체(10) 간의 거리를 l2로 표시할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 두 초음파 센서의 사이드에 물체가 위치한 경우를 예시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 제1 초음파 센서(210)와 제2 초음파 센서(220)를 지나는 직선에, 물체(10)에서 수선의 발을 내렸을 때, 수직거리(d)를 계산할 수 있다. 여기서 제1 초음파 센서(210)와 수선의 발 사이의 거리를 X1이라 하고, 제2 초음파 센서(220)와 수선의 발 사이의 거리를 X2라 하면, 제1 초음파 센서(210)와 제2 초음파 센서(220) 간의 거리 X=X2-X1이다. 그리고, 제1 초음파 센서(210)와 물체(10) 간의 거리를 l1으로 표시하고, 제2 초음파 센서(220)와 물체(10) 간의 거리를 l2로 표시할 수 있다.
도 3에서 보는 바와 같이, 두 초음파 센서 사이에 물체가 위치한 경우, 물체의 수직거리를 계산하는 과정을 수식으로 나타내면 다음과 같다.
Figure 112017096163782-pat00001
이처럼, 본 발명의 삼각 측정법을 통한 거리 계산에는 제곱근 등의 복잡한 계산을 필요로 하게 된다. 예를 들어, 이러한 계산은 8 비트(bit) 마이컴(micom)에서는 연산이 불가능할 정도이며, 이러한 계산을 위해서는 보다 높은 연산능력과 저장공간을 필요로 한다.
이를 위하여, 본 발명에서 제어부(130)는 삼각 측정법을 이용하여 수직거리를 계산함에 있어서, 기 설정된 룩업 테이블(Look-up table)을 이용하여 제곱근 계산을 수행할 수 있다. 이를 통해, 본 발명에서는 많은 메모리 용량과 높은 연산 능력을 필요로 하지 않으며, 계산 시간을 단축하여, 실제 제품에 용이하게 구현할 수 있다.
본 발명에서 기 설정된 룩업 테이블을 이용한 제곱근 계산 방법을 예시하여 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제곱근 계산을 위한 인덱스 판별 테이블을 예시한 도표이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제곱근 계산을 위한 제곱 값 판별 테이블을 예시한 도표이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 룩업 테이블을 이용한 제곱근 계산 방법을 도시한 흐름도이다.
도 5 내지 도 7을 참조하여 제곱근 계산 방법을 예시하면 다음과 같다.
먼저, 제곱근을 구하려는 수를 X라고 하면(S701), 도 5의 인덱스 판별 테이블에서 비교에 사용할 제곱 값을 추출한다(S703).
그리고, 추출한 제곱 값과 X를 비교한다(S705).
비교 결과, 제곱 값이 X보다 크면, 제곱 값 판별 테이블의 시작 인덱스를 확보한다(S707).
그리고, 도 6의 제곱 값 판별 테이블에서 인덱스에 해당하는 제곱 값을 추출한다.
그리고, 추출한 제곱 값과 X를 비교한다(S711).
비교 결과, 제곱 값이 X보다 작으면, 인덱스에 1을 더하여 증가시키고(S713), 제곱 값 판별 테이블에서 해당 인덱스에 해당하는 제곱 값을 추출한다(S709).
S709 내지 S713 과정을 반복하는 중에, 제곱 값이 X보다 크게 되면, 그 때의 인덱스에 1을 뺀 값을 X의 제곱근으로 산출한다(S715).
삭제
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
110 초음파 센서 120 구동부
130 제어부 210 제1 초음파 센서
220 제2 초음파 센서

Claims (4)

  1. 차량의 주행 및 주차 시에 주변의 물체를 감지하여 알려주는 초음파 센서 모듈에서,
    차량에 장착되어, 초음파 신호를 송신하고, 물체에 반사되어 돌아오는 초음파 신호를 수신하기 위한 둘 이상의 초음파 센서;
    상기 초음파 센서를 구동하기 위한 구동부; 및
    초음파 센서 모듈의 전반적인 동작을 제어하며, 두 개의 초음파 센서에서 수신한 초음파 신호를 이용하여, 삼각 측정법으로 물체와 차량 간의 수직거리를 계산하는 제어부를 포함하며,
    상기 초음파 센서 중에서, 초음파 신호를 송신하고 어느 한 물체에 반사되어 돌아오는 초음파 신호를 수신한 제1 초음파 센서와, 상기 제1 초음파 센서에 인접하여 위치하며 초음파 신호를 송신하지 않고 상기 물체에 반사되어 돌아오는 초음파 신호를 수신한 제2 초음파 센서가 있을 때,
    상기 제어부는 상기 제1 초음파 센서에서 수신한 초음파 신호를 이용하여 측정한 직접 거리(Direct distance)와, 상기 제2 초음파 센서에서 수신한 초음파 신호를 이용하여 측정한 간접 거리(Indirect distance)를 이용하여 삼각 측정법으로 상기 물체와 차량 간의 수직거리를 계산하고,
    상기 제어부는 먼저 상기 제1 초음파 센서에서 수신한 초음파 신호를 이용하여 상기 물체와의 직접 거리를 계산하고, 상기 직접 거리가 기 설정된 기준 거리를 초과하면 상기 직접 거리를 물체와의 거리로 판단하고, 상기 직접 거리가 상기 기준 거리 이내이면, 상기 직접 거리와 상기 간접 거리를 이용하여 삼각 측정법으로 상기 물체와 차량 간의 수직거리를 계산하며,
    상기 제1 초음파 센서와 상기 제2 초음파 센서를 지나는 선분에, 상기 물체로부터 수선의 발을 내렸을 때, 이를 상기 물체와 차량 간의 수직거리(d)로 계산할 수 있으며, 여기서, 상기 제1 초음파 센서와 수선의 발 사이의 거리를 X1이라 하고, 상기 제2 초음파 센서와 수선의 발 사이의 거리를 X2라 하고, 상기 제1 초음파 센서와 상기 물체 간의 거리를 l1라 하고, 상기 제2 초음파 센서와 상기 물체 간의 거리를 l2라 하면,
    상기 물체와 차량 간의 수직거리 d를,
    Figure 112019026607689-pat00009

    의 수학식으로 나타낼 수 있고,
    상기 제어부는 삼각 측정법을 이용하여 수직거리를 계산함에 있어서, 기 설정된 룩업 테이블(Look-up table)을 이용하여 제곱근 계산을 수행하되,
    제곱값과 인덱스와의 관계를 매칭한 테이블인 인덱스 판별 테이블과, 인덱스에 따른 제곱값을 매칭한 테이블인 제곱 값 판별 테이블이 미리 설정되어 있고, 제곱근을 구하려는 수를 X라고 하면,
    상기 제어부는 상기 인덱스 판별 테이블에서 비교에 사용할 제곱 값을 추출하고, 추출한 제곱 값과 X를 비교하고, 비교 결과, 제곱 값이 X보다 크면, 상기 제곱 값 판별 테이블에서 인덱스에 해당하는 제곱 값을 추출하고, 추출한 제곱 값과 X를 비교하며, 비교 결과, 제곱 값이 X보다 작으면, 인덱스를 1 증가시키고, 상기 제곱 값 판별 테이블에서 1 증가시킨 인덱스에 해당하는 제곱 값을 추출하고, 추출한 제곱 값이 X보다 크면, 그 때의 인덱스에서 1을 뺀 값을 X의 제곱근으로 산출하는 방식으로 제곱근 계산을 수행하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서 모듈.
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