KR102109695B1 - 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법 - Google Patents

초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법에 관한 것으로,
(A) 생성 모듈은 초광대역(UWB, Ultra-wide band) 임펄스 레이더를 포함하는 감지 신호를 생성하고 송출하는 단계;
(B) 인식 모듈은 상기 감지 신호가 동승자에 의해 반사된 전자파 신호의 파형 및 위상변화를 검출하여 차량 내에 남은 동승자 존재 여부를 인식하는 단계;
(C) 제어 모듈은 인식 모듈에서의 동승자 존재 여부 판단 결과에 근거하여 동승자가 존재하면 차량에 제어 신호를 보내 차량의 창문을 개방하는 단계; 및
(D) 통신 모듈은 책임자가 응답할 때까지 책임자에게 문자메시지와 전화통화를 반복하는 단계;를 포함한다.

Description

초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법{Alarm Method that use the UWB impulse radar to detect the presence of a passenger in a vehicle}
본 발명은 일반 차량 또는 자율주행 자동차 내에 책임자 없이 남겨진 잔류 동승자를 감지하고 책임자에게 알리도록 하는 알림 방법에 관한 것이다.
차량은 운전자가 직업 운전할 수 있고, 자율주행 자동차는 목적지까지 자율적으로 제어되어 이동할 수 있다.
운전자 또는 책임자가 아이들, 영아, 유아, 환자, 취객 등의 동승자와 함께 차량을 이용한 후에 동승자가 잠들거나, 의식이 없거나 알 수 없는 이유로 하차하지 않고 운전자가 동승자의 하차 여부를 확인하지 않은 상태에서 차량을 떠날 수 있다. 또한, 자율주행 자동차는 목적지에 도착한 직후에 책임자가 무심하게 인원 점검할 수 있으며 이러하면 차량에 잔류 동승자가 있을 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이 일반 차량 또는 자율주행 자동차에 잔류 동승자가 남아 있을 때, 잔류 동승자는 차량 내에서 열사 또는 질식사로 사망하거나 적절한 도움을 받지 못하여 피해가 커지는 문제가 있을 수 있다.
위와 같은 문제를 해소하기 위하여 종래에 알려진 기술로서, 차량 내에 사람의 움직임을 감지하거나, 차량 내에 산소량을 감지하여 산소가 부족한 상태가 되면 경고 메시지가 송출되도록 하는 기술이 알려져 있다.
그러나 산소가 부족한 상황이 발생한 후에 알려지면 이미 위험한 상황에 발생한 것일 수 있고, 이러한 위험한 상황이 너무 늦게 외부로 알려져 적절한 대응이 너무 늦을 수 있는 문제점이 있다.
KR 20-0142065 Y1 KR 10-1851563 B1 KR 10-1625907 B1
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 운전자 또는 책임자가 일반 차량 또는 자율주행 자동차를 떠난 직후에 최대한 짧은 시간에 차량 내에 사람이 있다는 사실을 운전자 또는 책임자 또는 차량 주변 사람에게 전달할 수 있도록 하여 위험한 상황이 발생하기 전에 안전한 조처를 할 수 있도록 하는 데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은, UWB 레이더 신호를 생성하여 차량 내 뒷좌석에 송출하고, 반사된 신호를 분석하여 동승자 존재 여부를 파악하고, 반사된 전파신호를 전처리 및 보정하여 심장, 폐 등과 같은 내부 장기의 움직임, 반응속도 등을 파악하며, 이를 통해 뒷좌석에 동승자 존재 여부를 정확하게 감지할 수 있도록 하는 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 해당 감지 시스템이 잔류 동승자 존재 여부를 파악하면 차량의 창문을 우선 개방하여 안전사고를 예방할 수 있도록 하고, 운전자 또는 책임자에게 경고 메시지를 송출하며, 경고 방식은 전화 통신을 포함한 적극적인 방법을 포함함으로써 운전자 또는 책임자의 경고 수신 확률을 높이도록 하는 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법은,
(A) 생성 모듈은 초광대역(UWB, Ultra-wide band) 임펄스 레이더를 포함하는 감지 신호를 생성하고 송출하는 단계;
(B) 인식 모듈은 상기 감지 신호가 동승자에 의해 반사된 전자파 신호의 파형 및 위상변화를 검출하여 차량 내에 남은 동승자 존재 여부를 인식하는 단계;
(C) 제어 모듈은 인식 모듈에서의 동승자 존재 여부 판단 결과에 근거하여 동승자가 존재하면 차량에 제어 신호를 보내 차량의 창문을 개방하고 도난 경보에 사용되는 가청음을 발생하게 하는 단계; 및
(D) 통신 모듈은 책임자가 응답할 때까지 책임자에게 문자메시지와 전화통화를 반복하는 단계;를 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법은,
상기 (B) 인식 모듈이 뒷좌석 동승자에 의해 반사된 전자파 신호의 파형 및 위상변화를 검출하는 단계;가
(B-1) 상기 (A)생성 모듈에서 초광대역(UWB) 주파수 신호, 초광대역(UWB) 임펄스 레이더를 포함하는 감지 신호를 뒷좌석에 SAR(Synthetic Aperture Radar) 스캐닝으로 송출하면, 상기 동승자로부터 반사된 전자파 신호를 수집하는 단계;
(B-2) 상기 반사된 전자파 신호를 시간 영역에서 오버샘플링 하는 단계;
(B-3) 샘플링된 전자파 신호(Bs(X, k))로 제로 시간을 추정하는 단계;
(B-4) 제로 시간 추정 이후, 크로스토크(crosstalk)를 제거하는 단계; 및
(B-5) 크로스토크가 제거된 수신 신호(Bsτc(X, k))를 디컨벌루션 하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법은,
상기 (A) 생성 모듈이 상기 감지 신호를 송출하고, (B) 동승 모듈이 동승자로부터 반사된 전자파 신호의 파형 및 위상변화를 검출하는 단계;가
상기 동승자에 의해 반사된 전자파 신호의 파형 및 위상변화를 미리 저장된 기준 신호의 파형 및 위상변화와 비교하여, 반사 신호와 기준 신호의 오차율을 파악하는 것을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법은,
상기 (A) 생성 모듈이 상기 감지 신호를 송출하고, (B) 인식 모듈이 동승자로부터 반사된 전자파 신호의 파형 및 위상변화를 검출하는 단계;가
반사된 신호의 최대 피크 값, 주기, 일정 시간 간격에 대한 출력 값을 포함하는 동승 여부 판단 정보를 설정하고, 상기 동승 여부 판단 정보에 대한 반사 신호와 기준 신호의 차이 값을 산출하는 것을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법은,
상기 (A) 생성 모듈이 상기 감지 신호를 송출하고, (B) 인식 모듈이 동승자로부터 반사된 전자파 신호의 파형 및 위상변화를 검출하는 단계;가
상기 반사된 전자파 신호를 통해 동승자의 심장 박동수와 호흡수를 파악하는 것을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법은,
상기 (D) 통신 모듈이 차량으로부터 운전자가 떠난 뒤에 차량 내에 잔류 동승자가 남겨진 것으로 판단되면 책임자에게 문자메시지와 전화통화를 통해 위험을 경고하는 단계;가
문자를 통한 경고 메시지가 보내진 이후, 설정된 시간 동안 응답이 없으면 전화통화를 통하여 위험 상황을 알리고, 응답이 있을 때까지 경고를 반복하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법은,
상기 (B-2) 상기 반사된 전자파 신호를 시간 영역에서 오버샘플링 하는 단계;가
3차 스플라인 보간법(Cubic Spline Interpolation)을 사용하여 수학식 1을 통해, 동승자로부터 반사된 전자파 신호를 시간 영역에서 오버샘플링 하는 것을 포함할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112018129080373-pat00001
Bs: 샘플링된 수신 신호, Spline: 3차 스플라인 함수, k: 오버 샘플링된 이산시간
또한, 본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법은,
상기 (B-3) 샘플링된 전자파 신호(Bs(X, k))로 제로 시간을 추정하는 단계; 가
전자파 신호 중 크로스토크 신호가 시작되는 시간인 제로 시간(τ(k))을 추출하고, 수학식 2를 통해 제로 시간을 추정하는 것을 포함할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112018129080373-pat00002
Bsτ: 샘플링된 수신 신호를 제로 시간만큼 이동시킨 신호
τ(k): 시간 상수
또한, 본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법은,
상기 (B-4) 제로 시간 추정 이후, 크로스토크(crosstalk)를 제거하는 단계;가
제로 시간만큼 이동한 전자파 신호에서 크로스토크 신호(CA(k))를 제거하는 수학식 4 를 통해 크로스토크를 제거하는 것을 포함할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112018129080373-pat00003
(Bsτc(X, k): 샘플링된 수신 신호를 제로 시간 추정 및 크로스토크를 제거한 후의 수신 신호)
또한, 본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법은,
상기 (B-5) 크로스토크가 제거된 수신 신호(Bsτc(X, k))를 디컨벌루션 하는 단계;는 수학식 5를 이용하는 것을 포함할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112018129080373-pat00004
hs(k): 동승자 생체신호감지시스템의 이동함수(transfer function)
또한, 본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법은,
상기 (B-5) 크로스토크가 제거된 수신 신호(Bsτc(X, k))를 디컨벌루션 하는 단계;가
최적화 알고리즘, 최소 자승 필터링(Least Squares Filtering) 알고리즘, 위어 필터링 알고리즘(Wiewer Filtering), 매치드 필터링 알고리즘(Matched filtering), 최소 매치드 필터링 알고리즘(min-matched filtering), 다중에코 및 하울링 감소(Multiple Echoes & Howling Reducing)알고리즘 및 다중 신호 분류 알고리즘(Multiple Signal Classification)을 포함하는 디컨벌루션 알고리즘 중 어느 하나를 통해 상기 크로스토크가 제거된 수신 신호(Bsτc(X, k))를 역 필터링하는 것을 포함할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
위와 같이 이루어진 본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법은, 운전자 또는 책임자가 차량을 떠난 직후에 차량 내에 잔류 동승자가 남아 있을 때, 최대한 신속하게 잔류 동승자를 인지할 수 있고, 창문을 우선 개방함으로써 잔류 동승자가 열사 또는 질식사를 예방할 수 있으며, 운전자 또는 책임자 또는 차량 주변인에게 경고 메시지를 좀 더 적극적으로 전달하여 안전한 조처를 할 수 있게 할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자 감지 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법에서, 뒷좌석에 함께 탄 잔류 동승자를 감지하기 위하여 뒷좌석에 송출한 감지 신호와 반사된 전자파 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법에서, 인식 신호로 이용되는 UWB 대역의 임펄스 레이더를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법에서, 뒷좌석에 함께 탄 잔류 동승자를 감지하기 위한 구체 구성을 나타낸 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법에서, 뒷좌석에 함께 탄 잔류 동승자의 감지 신호와 반사 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법에서, 송출된 감지 신호 및 반사된 전자파 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법에서, 뒷좌석에 함께 탄 잔류 동승자를 감지하는 작동 절차를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법에서, 뒷좌석에 함께 탄 잔류 동승자로부터 반사된 전자파 분석 과정에 포함된 반사된 전자파 신호를 전처리 및 보정하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법에서, 자유공간 또는 무반사실에서 측정한 실험데이터를 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명한다. 이하에서 설명되는 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 다만, 본 발명을 설명하면서 관련된 공지 기능 혹은 구성요소에 대한 자세한 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명 및 구체적인 도시를 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 발명의 이해를 돕기 위하여 실제 축척대로 도시한 것이 아니라 일부 구성요소의 크기가 과장되게 도시할 수 있다.
한편으로, 후술되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어로서 이는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자 감지 장치를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법은, 생성 모듈(130), 인식 모듈(150), 제어 모듈(170) 및 통신 모듈(190)을 포함하여 구성될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 '모듈'이라는 용어는 용어가 사용된 문맥에 따라서, 소프트웨어, 하드웨어 또는 그 조합을 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 예를 들어, 소프트웨어는 기계어, 펌웨어(firmware), 임베디드코드(embedded code) 및 애플리케이션 소프트웨어일 수 있다. 또 다른 예로, 하드웨어는 회로, 프로세서, 컴퓨터, 집적 회로, 집적 회로 코어, 센서, 멤스(MEMS; Micro-Electro-Mechanical System), 수동 디바이스, 또는 그 조합일 수 있다.
상기 생성 모듈(130)은 도 1에 나타낸 바와 같이, 차량 내부의 천장 또는 앞 좌석의 뒷면에 설치될 수 있다. 뒷좌석이 여러 개이면 생성 모듈(130)은 맨 뒷좌석을 제외한 모든 좌석의 뒷면에 설치될 수 있다.
생성 모듈(130)은 뒷좌석 잔류 동승자 감지 신호를 생성하고 이를 송출하는 송신기로서 작동할 수 있다. 실시 예에서 감지 신호는 UWB 대역의 임펄스 레이더를 포함할 수 있다.
도 3에 나타낸 바와 같이, UWB(ultra-wide band)는 기존의 주파수 대역보다 매우 넓은 대역에 걸쳐 낮은 전력으로 대용량의 정보를 전송하는 무선통신 기술이다. 500MHz 이상의 점유 대역폭을 차지하는 무선 전송기술로서, 30Mbps~50Mbps급인 무선 랜에 비교해 최소 100Mbps~1Gbps급 속도를 보장할 수 있다. UWB는 무선 랜보다 100Mbps급 데이터를 안정적으로 변동 없이 전송할 수 있고, 전력 소모도 무선 랜의 10분의 1 수준이다.
상기 인식 모듈(150)은 도 1에 나타낸 바와 같이, 차량 내부의 천장 또는 앞 좌석의 뒷면에 설치될 수 있다. 뒷좌석이 여러 개이면 인식 모듈(150)은 맨 뒷좌석을 제외한 모든 좌석의 뒷면에 설치될 수 있다. 또한, 상기 인식 모듈(150)은 상기 생성 모듈(130)과 함께 설치될 수 있다.
상기 인식 모듈(150)은 뒷좌석에 함께 탄 잔류 동승자로부터 반사된 전자파 신호의 파형 및 위상변화를 검출한다. 상기 잔류 동승자는 어린이, 영아, 유아, 환자, 취객 등 타인의 도움이 필요한 사람일 수 있고, 일반인 중에서 단순하게 잠든 사람이거나 일시적으로 의식이 없는 사람일 수 있다.
인식 모듈(150)은 상기 생성 모듈(130)이 초광대역(UWB) 주파수 신호, 초광대역(UWB) 임펄스 레이더를 포함하는 감지 신호를 뒷좌석에 SAR(Synthetic Aperture Radar) 스캐닝으로 송출하면, 뒷좌석에 함께 탄 동승자로부터 반사된 전자파 신호를 수집하는 수집 및 분석하는 장치이다.
이후, 인식 모듈(150)은 반사된 전자파 신호의 전처리 및 보정을 위해 반사파 신호를 시간 영역에서 오버샘플링하고, 샘플링된 전자파 신호(Bs(X, k))로 제로 시간을 추정한다. 이후, 크로스토크(crosstalk)를 제거하고, 크로스토크가 제거된 수신 신호(Bsτc(X, k))를 디컨벌루션 하는 전처리 과정 후 동승자로부터 반사된 전자파 신호를 분석하여 동승 여부를 판단할 수 있다.
실시 예에서는 반사된 전자파 신호를 통해 동승자의 폐, 심장 등 주요 장기 기관의 움직임, 운동량, 반응속도 등을 파악하여 심장박동과 호흡 주기를 파악할 수 있고. 심장박동주기와 호흡 주기를 포함하는 운전자 생체 신호를 데이터베이스에 미리 저장된 생체 정보와 비교하여 동승자의 존재 여부를 파악할 수 있다.
상기 제어 모듈(170)은 상기 인식 모듈(150)이 운전자가 차량에서 떠난 후에, 차량 내에 잔류 동승자의 존재를 인식하면 차량에 제어 신호를 전송하여 차량의 창문을 강제로 개방할 수 있다. 이로써 차량 내에 산소가 결핍되는 상황이 발생하지 않을 수 있고, 나아가 동승자가 질식사로 사망하는 문제를 해소할 수 있다.
운전자가 차량에서 떠난 것은, 엔진이 꺼지고, 운전석이 공석이며, 운전석 문짝이 열렸다 닫혔으면 알 수 있다. 또는 차량의 알림 메시지 장치가 작동을 시작하거나, 차량 문짝 잠금장치가 작동되었을 때에 운전자가 차량을 떠날 것으로 추정할 수 있다.
또한, 운전석이 공석인 상태에서 운전석 문짝이 닫힌 순간부터 시간을 잴 수 있고, 설정된 시간 동안 운전석 문짝이 열리지 않으면 운전자가 차량에서 떠난 것으로 판단할 수 있다.
상기 통신 모듈(190)은 운전자가 차량으로부터 떠난 뒤에 차량에 잔류 동승자가 존재한다는 것을 인식하면, 문자메시지와 전화통화를 포함한 적극적인 방법으로 사전에 등록된 책임자에게 해당 사실을 알릴 수 있다. 이 알림은 책임자가 콜 백 번호로 전화 응답을 통해 피드백하기 전까지 반복적으로 통지될 수 있다.
한편으로, 상기 책임자는 사전에 정해질 수 있고, 예를 들면, 유치원 차량이라면 유치원 원장, 담임교사, 운전기사 등일 수 있다. 마찬가지로 학원, 학교, 고속버스 등 다수가 이용하는 차량이라면 해당 차량의 관리자가 지정될 수 있다. 상기 차량이 자가용이라면 책임자는 차량 소유주, 차량 운전자 등이 지정될 수 있다. 또한, 책임자는 여러 명이 지정될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법에서, 뒷좌석에 탑승한 잔류 동승자를 감지하기 위하여 뒷좌석에 송출한 감지 신호와 반사된 전자파 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 실시 예에 따른 UWB 레이더(200)는 초광대역 무선 탐지 장치로써(UWB Radio Detecting And Ranging, UWB RADAR), 마이크로파(극초단파, 10cm~100cm 파장) 정도의 전자기파를 탐지 객체(300)에 쏘아 그 객체에서 반사되는 전자기파를 수신하여 물체와의 거리, 방향, 고도 및 물체의 공간구조 등을 알아내는 무선감시장치일 수 있다. 여기서 객체는 차량 내에 존재하는 동승자일 수 있다.
초광대역 무선 탐지 장치는 짧은 펄스(short pulse)를 생성하고 이를 전송 안테나(송출부, Tx)를 통하여 탐지 객체(300)인 뒷좌석 동승자에게 전송한다. 전송된 펄스 신호가 동승자에 도달하면 전자기 에너지 일부는 해당 탐지 객체(30)로부터 반사되어 수신 안테나(수신부)(RX)로 수신된다. 실시 예에서는 반사된 반사파를 수집하여 폐, 심장 등의 장기 공간구조와 움직임, 운동량을 파악하고, 이를 통해 뒷좌석 동승자의 호흡수 및 심장 박동수 등 생체 정보를 감지하여 잔류 동승자 존재 여부를 판단할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법에서, 인식 신호로 이용되는 UWB 대역의 임펄스 레이더를 설명하기 위한 도면이다.
UWB 시스템의 경우, 기존 협대역 시스템이나 광대역 CDMA 시스템과 비교하면 매우 넓은 주파수 대역에 걸쳐 상대적으로 낮은 스펙트럼 전력밀도를 바탕으로 구성되어 있다. 다른 협대역 신호(GPS, Bluetooth, WLAN, ZigBee 등)에 간섭하지 않고 주파수에 별 상관없이 통신할 수 있고, 특히 기존의 WLAN이나 Bluetooth 등에 비교해 높은 전송 속도와 낮은 전력 소모 등에서 월등히 앞서기 때문에 고성능 휴대용 기기 간의 접속 기술 방식으로 주목받을 수 있다.
특히, UWB 측위 기술은 멀티패스에 강하고 뛰어난 투과성으로 실내 측위에 유리하여 인식 대상 거리가 10m 이내로 짧은 차량 실내에서의 동승자 인식 처리에 매우 적합할 수 있다.
또한, UWB 신호는 송수신기의 소비전력이 적고, 디지털회로로 구현 가능하여 도 3에 나타낸 바와 같이, 차량 실내 측정 가능(적색 점선) 범위 내에서 적용 거리와 정밀도 모두 UWB 방식이 최상위에 있는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법에서, UWB 무선 주파수 전파를 송신 및 수신하여 뒷좌석에 함께 탄 탑승자의 미세 생체 신호(심장 박동수 및 호흡수)를 수집하고 그 데이터를 분석하는 임무를 수행하여, 트랜스폰더와 UWB 안테나 하드웨어 기구 설계를 위한 기반 기술로 사용할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법에서, 뒷좌석에 탑승한 잔류 동승자를 감지하기 위한 구체 구성을 나타낸 설명하기 위한 도면이다.
상기 생성 모듈(130)은 감지 신호 생성부(131)로 구성될 수 있다. 인식 모듈(150)은 반사 신호분석부(151)와 생체신호측정부(153)을 포함하여 구성할 수 있다. 제어 모듈(170)은 차량제어부(171)를 포함하여 구성할 수 있다. 통신 모듈(190)은 알림 메시지 송출부(191)를 포함하여 구성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법에 적용되는 데이터베이스(110)는 기준 생체 신호 패턴 정보, 보호자 연락처 등을 포함할 수 있고, 동승자를 특정하는 데에 필요한 데이터들을 저장할 수 있다.
이로써 뒷좌석에 함께 탄 탑승자가 움직이지 않거나 잠들었더라도 동승자가 누구인지 특정할 수 있다. 또한, 탐지된 동승자가 여러 명이더라도 누가 함께 탔는지 좀 더 정확하게 특정할 수 있다.
생성 모듈(130)의 감지 신호 생성부(131)는 UWB 임펄스 형태의 감지 신호를 생성할 수 있다. 또한, 감지 신호 생성부(131)는 이렇게 생성한 감지 신호를 뒷좌석에 SAR(Synthetic Aperture Radar) 스캐닝으로 송출할 수 있다.
인식 모듈(150)의 반사 신호 분석부(151)는 뒷좌석에 함께 탄 동승자에 의해 반사된 전자파 신호의 파형 및 위상변화를 미리 저장된 기준 신호의 파형 및 위상변화와 비교하여, 반사 신호와 기준 신호의 오차율을 파악할 수 있다.
예컨대, 반사 신호 분석부(151)는 반사된 신호의 최대 피크 값, 주기, 일정 시간 간격에 대한 출력 값을 포함하는 동승 여부의 판단 정보를 설정할 수 있다. 또한, 반사 신호 분석부(151)는 반사된 전자파 신호를 통해 동승자의 생체 신호(심장 박동수 및 호흡수)를 측정할 수 있다.
반사 신호 분석부(151)는 반사 신호의 정확한 분석을 위해 수집된 반사 신호의 전처리 및 보정 과정을 거치는데, 전처리, 보정 과정은 이하에서 자세히 설명한다.
반사 신호 분석부(151)는 반사된 전자파 신호를 시간 영역에서 오버 샘플링 할 수 있다. 예컨대, 반사 신호 분석부(151)는 3차 스플라인 보간법(Cubic Spline Interpolation)인 수학식 1을 통하여, 동승자인 탐지 객체(300)에 의해 반사된 전자파 신호를 시간 영역에서 오버 샘플링 할 수 있다.
Figure 112018129080373-pat00005
Bs: 샘플링된 수신 신호
Spline: 3차 스플라인 함수
k: 오버 샘플링된 이산시간
이후, 샘플링된 전자파 신호(Bs(X, k))로 제로 시간을 추정한다.
반사 신호 분석부(151)는 전자파 신호 중에 크로스토크 신호가 시작되는 시간인 제로 시간(τ(k))을 수학식 2로 추출할 수 있다.
Figure 112018129080373-pat00006
Bsτ: 샘플링된 수신 신호를 제로 시간만큼 이동시킨 신호
τ(k): 시간 상수
이후, 반사 신호 분석부(151)는 제로 시간 추정 이후에, 크로스토크(crosstalk)를 제거한다.
예컨대, 반사 신호 분석부(151)는 제로 시간만큼 이동된 전자파 신호에서 수학식 4를 통하여 크로스토크 신호(CA(k))의 크로스토크를 제거할 수 있다.
Figure 112018129080373-pat00007
Bsτc(X, k): 샘플링된 수신 신호를 제로 시간 추정 및 크로스토크를 제거한 후의 수신 신호
이후 반사 신호 분석부(151)는, 크로스토크가 제거된 수신 신호(Bsτc(X, k))를 디컨벌루션 한다. 디컨벌루션은 수학식 5를 이용할 수 있다.
Figure 112018129080373-pat00008
hs(k)는 생체 신호 감지 시스템의 이동함수(transfer function)
이후, 반사 신호분석부(151)는 크로스토크가 제거된 수신 신호(Bsτc(X, k))를 디컨벌루션 한다. 이때, 반사 신호분석부(151)는 최적화 알고리즘, 최소 자승 필터링(Least Squares Filtering) 알고리즘, 위어 필터링 알고리즘(Wiewer Filtering), 매치드 필터링 알고리즘(Matched filtering), 최소 매치드 필터링 알고리즘(min-matched filtering), 다중에코 및 하울링 감소(Multiple Echoes & Howling Reducing)알고리즘 및 다중 신호 분류 알고리즘(Multiple Signal Classification)을 포함하는 디컨벌루션 알고리즘 중 어느 하나를 통해 상기 크로스토크가 제거된 반사파 신호(Bsτc(X, k))를 역 필터링 할 수 있다.
제어 모듈(170)의 창문 제어부(171)는 CAN 통신을 이용해 차량의 창문 개방 요청을 수행할 수 있다.
한편으로, 제어 모듈(170)의 제어에 따라 창문이 개방될 때 차량의 도난 경보장치가 연동될 수 있고, 도난 경보장치가 작동함으로써 차량 주변에 있는 사람의 시선을 끌 수 있고, 차량 내에 잠든 사람을 깨울 수 있다.
통신 모듈(190)의 알림 메시지 송출부(191)는 뒷좌석에 동승자가 남아 있는 것으로 감지되면 이를 운전자 또는 책임자에게 문자와 전화로 경고하는 기능을 수행할 수 있다. 이 경고는 책임자가 문자메시지에 포함된 콜 백 번호로 전화를 하거나 통신 모듈(190)이 시도한 전화통화 호출에 책임자 응답이 이뤄질 때까지 지속적이고 반복적으로 이루어질 수 있다. 이러한 방법은 조치의 시급성을 필요로 하는 상황에서 최대한 적극적이고 능동적인 방법으로 책임자를 부르기 위해 적용할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법에서, 뒷좌석에 탑승한 잔류 동승자의 감지 신호와 반사 신호를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법에서는, UWB 대역의 임펄스 레이더가 감지 신호로 생성되어 뒷좌석에 송출되고, 뒷좌석의 동승자에 의해 반사된 반사 신호를 수집하여 보정하고, 반사 신호의 펄스 주기, 피크 값, 펄스 생성 빈도 등 반사 신호의 세부정보를 분석할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법은, 반사 신호 세부 정보분석 결과에 따라 심장과 폐의 반응속도, 움직임 등을 파악하여 동승자의 호흡 속도, 심장 박동수 등 다양한 생체 정보를 산출할 수 있고, 이를 이용해 뒷좌석 내 동승 여부를 판단할 수 있으며, 생체 정보 수집 및 측정 기능을 통해 잠들어 움직임이 거의 없는 동승자까지도 검출할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법에서, 송출된 감지 신호 및 반사된 전자파 신호를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법에서, 동승자로부터 반사된 반사파 신호는 UWB 신호의 송신측(Tx)과 수신측(Rx) 사이에서 발생하는 노이즈의 한 종류인 크로스톡(cross talk)과 운전자로부터 반사되는 제1 수신 신호(a) 및 동승자의 내부 장기 기관으로부터 반사되는 제2 수신 신호(b)를 포함하여 발생할 수 있다. 실시 예에서는 제2 수신 신호를 통해 동승자의 폐, 심장 등의 주요장기 기관의 움직임과 운동량, 위치 등을 파악할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법에서는 제2 수신 신호가 인식 모듈에서 측정된 시점 및 제2 수신 신호를 분석하여 파악한 폐와 심장의 운동량과 호흡수 등 동승자의 생체 정보를 이미 설정된 생체 신호 패턴 정보와 비교하여 동승자의 존재 여부를 파악할 수 있다.
구체적으로 제2 수신 신호를 통해 움직임이 거의 없거나 미소한 영유아의 호흡량, 호흡 주기, 심장 박동수가 기준 데이터와 일정수준 매칭되면 동승자 존재 여부를 결정할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법에서, 뒷좌석에 동승자의 존재 여부 감지 방법에 대해서 차례로 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법에 따른 생체 신호 감지 방법의 작용(기능)은 동승자 감지 장치 및 시스템상의 기능과 본질에서 같은 것이므로 도 1 내지 도 6과 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 인원 감지 장치 및 알림 방법에서, 뒷좌석에 탑승한 잔류 인원을 감지하는 작동 절차를 나타낸 도면이다.
S510 단계에서 생성 모듈은 UWB 대역의 임펄스 레이더를 포함하는 감지 신호를 생성해 송출한다.
S520 단계에서 인식 모듈은 뒷좌석의 동승자에 의해 반사된 전자파 신호의 파형 및 위상변화를 검출한다. 뒷좌석의 동승자에 의해 반사된 전자파 신호의 파형 및 위상변화를 미리 저장된 기준 신호의 파형 및 위상변화와 비교하여, 반사 신호와 기준 신호의 오차율을 파악할 수 있다.
생체 신호의 최대 피크 값, 주기, 일정 시간 간격에 대한 출력 값을 포함하는 기준 생체 신호 패턴 정보를 데이터베이스에 미리 설정해 둠으로써, 기준 신호와 반사 신호 간의 오차율을 기준으로 동승자의 존재 여부를 파악할 수 있다.
S520 단계에서 인식 모듈은 뒷좌석 동승자의 생체 신호를 보다 정확하게 분석하기 위해 반사파의 보정 및 전처리 과정을 수행할 수 있다. 이 과정의 결과로써 책임자가 없는 동승자의 존재 여부를 판단할 수 있다. 판단 결과 동승자가 존재하면 S540 단계로 진입하고, 그렇지 않으면 종료한다.
인식 모듈은 수신된 반사 신호와 기준 신호의 차이 값이 일정 수준에서 유지되고, 동승자의 심장 박동수 및 호흡수가 일정 패턴에 도달한 경우 존재 여부를 판단할 수 있다.
S540 단계에서 제어 모듈은 차량에서 사용되는 CAN 통신 프로토콜을 통해 차량의 창문을 개방하는 요청을 수행한다. 또한, 차량에 탑재된 차량 도난 경보장치와 연동될 수 있고 차량의 창문이 개방될 때 차량 도난 경보장치가 작동하여 주변의 시선을 끌 수 있다.
S550 단계에서 알림 메시지 모듈은 사전에 등록된 책임자의 전화번호로 문자메시지와 전화통화를 시도하여 위험을 경고하고 운전자 또는 책임자가 적절한 조처를 할 수 있도록 한다.
콜 백 번호가 포함된 문자메시지에 책임자가 응답하지 않으면 책임자에게 전화를 걸 수 있고, 전화 응답이 있을 때까지 S550 단계를 반복하여 수행할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 인원 감지 장치 및 알림 방법에서, 뒷좌석에 탑승한 잔류 인원으로부터 반사된 전자파 분석 과정에 포함된 반사된 전자파 신호를 전처리 및 보정하는 과정을 나타낸 도면이다.
S100 단계에서는 수신된 전자파 신호는 크로스토크(cross talk) 신호, 운전자로부터 반사된 제1 수신 신호(a) 및 동승자의 내부 장기 구성요소로부터 반사된 제2 수신 신호(b)를 포함할 수 있다.
반사파 분석부(151)는 SAR 스캔 방법에 따라 측정된 수신 신호를 시간 영역에서 오버 샘플링(sampling)할 수 있다. 이때, 샘플링된 값들을 매끄럽게 연결하는 알고리즘인 3차원 스플라인 보간법(cubic spline interpolation)을 이용할 수 있다. 보간법은 해석학에서 샘플링된 두 값 사이의 평균을 추정하는 방법으로 선형보간법, 이중선형 보간법, 포물선 보간법, 다항식 보간법, 스플라인 보간법 등이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법은 3차원 스플라인 보간법을 이용하여 시간 영역에서 오버샘플링 할 수 있다.
도 8의 그래프(a)에 나타낸 바와 같이, 측정된 제1 수신 신호(a)는 S100 단계에서 3차원 큐빅 스플라인에 의해 오버 샘플링될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법은 이산시간 영역에서 오버 샘플링 인자 KO로 보간법을 수행하므로 상기 수학식 1에 의해 보간된(샘플링된) Bs (X; k)를 추출할 수 있다.
S100에서 수행되는 보간법을 이용한 오버 샘플링과정은 데이터 신뢰도 상승에 영향을 미치지는 않지만, 샘플링과정 이후 후가공을 통해 데이터 신뢰도를 상승시킬 수 있다.
샘플링 이후, 제로 시간 추정부(253)는 S200 단계에서 수신 신호 중 크로스토크 신호의 시작 시각을 이용하여 제로 시간을 추정할 수 있다. 상기 수학식 2는 샘플링된 수신 신호에서 제로 시간만큼 샘플링된 값들을 이동(shift)시키는 수식이다.
샘플링된 수신 신호인 Bs(X; k)는 도 6 그래프에 나타낸 바와 같이, 수신 신호 데이터 세트의 시작 지점인 τ(k)만큼 이동되어야 한다.
본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법에서, τ(k)를 찾을 수 있는 몇 가지 방법이 있다.
τ(k)를 산출하는 방법에는 주로 크로스토크 신호인 CA(K)가 사용될 수 있다. 일반적으로 송수신부 및 송수신 안테나의 제품규격이 알려져 있고, 크로스토크 신호가 전달되는 매질이 공기이기 때문에, 송출부인 생성 모듈(Tx)에서 송출된 신호를 수신부인 인식 모듈(Rx)에서 수신하는데 필요한 시간은 수학식 3에 의해 추정될 수 있다.
Figure 112018129080373-pat00009
여기서 dTxRx는 송수신 안테나 또는 송신부와 수신부 사이의 거리일 수 있다.
도 8의 (c) 그래프에 나타낸 바와 같이 크로스토크 신호는 음의 피크와 양의 피크를 갖는다. 크로스토크 응답에서 위치 추정을 위해 가장 신뢰할 수 있는 부분은 첫 번째 피크이다. 원칙적으로 τ(k)는 크로스토크 대신 측정된 객체를 이용하여 결정할 수 있고, 이때, 객체의 알려진 공간 위치에 해당하는 데이터 위치를 찾아야 한다.
제로 시간 추정 이후 반사파 분석부(151)는 S300 단계에서 크로스토크 등 수신 신호의 노이즈를 제거한다. 크로스토크 신호 CA(k)가 제로 시간 결정에 사용되고 나면, 수신 신호 데이터에서 제거되어야 한다.
크로스토크는 송신안테나와 수신안테나 사이를 직접 이동하는 신호 일부일 수 있다. 크로스토크 신호는 송출된 탐지 신호로부터 첫 번째로 수신하는 신호이고 종종 가장 큰 피크를 나타내기 때문에, 이를 제거하는 것이 매우 중요하다. 크로스토크는 자유 공간에서 레이더로 측정하거나 주변의 흡수제로 측정할 수 있고, 측정된 크로스토크 레퍼런스를 상기 수학식 4를 이용하여 수신 신호 데이터에서 뺀다.
실질적으로 크로스토크 측정을 정확히 수행하기는 어렵지만, 도 9에 나타낸 바와 같이, 자유공간 또는 무반사실에서 측정한 실험데이터를 이용할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법에서는 크로스토크를 측정하여 수신 신호 데이터에서 규칙적으로 크로스토크를 제거할 수 있다.
크로스토크 등 수신 신호에서 노이즈가 제거되면 디컨벌루션부에서 디컨벌루션(역 필터링)을 수행한다. 수신 신호 데이터에서 안테나 및 전체 시스템 임펄스 영향을 제거하기 위한 디컨벌루션 과정은 가장 복잡하고 정교한 보정 과정이다.
안테나의 긴 임펄스 응답은 전파 에너지에 반응하고 수신 안테나에 의해 수신되는 모든 탐지객체가 긴 영역에서도 데이터로 표시되도록 한다. 전체 감지 시스템 및 안테나가 수신 신호에 미치는 영향은 시스템 임펄스 응답 hs(k)에 대한 전체 데이터를 S400 단계에서 디컨벌루션 하여 감소시킬 수 있다.
상기 수학식 5는 샘플링 및 제로 시간 추정 후 크로스토크가 제거된 수신 신호(Bsrc(X,k))의 디컨벌루션 수식을 나타낸다.
디컨벌루션(역 필터링) 과정은 시간이 많이 필요한 과정으로 대부분 주파수 영역에서 이루어지며 수동으로 수행할 경우 많은 매개 변수를 조정해야 한다. 따라서 실시 예에서는 중심주파수, 밴드 폭 등의 매개 변수를 수동으로 조정해야 하는 필요성을 줄이고 디컨벌루션 과정의 품질을 향상하는 자동 최적화 프로세스를 수행할 수 있다.
도 8의 그래프 (e)에는 S400 단계에서 디컨벌루션 과정을 수행한 이후의 데이터가 도시 된다. S400에서 디컨벌루션 과정을 수행하면 그래프에 나타낸 바와 같이, 동승자로부터 반사된 제1 수신 신호(a)와 동승자 내부 장기에서 반사된 제2 수신 신호(b)가 각각, 하나의 피크에 집중된 형태로 나타나도록 하고, 이러한 데이터 전처리는 이후 인식 모듈에서 데이터 처리 효율을 향상할 수 있도록 한다.
본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법은, 반사된 전자파 신호를 디컨벌루션 방법으로써 최적화 알고리즘, 최소 자승 필터링 (Least Squares Filtering) 알고리즘, 위어 필터링 (Wiewer Filtering) 알고리즘, 매치드 필터링 (Matched filtering) 알고리즘, 최소 매치드 필터링 (min-matched filtering) 알고리즘, 다중에코 및 하울링 감소(Multiple Echoes & Howling Reducing)알고리즘 및 다중신호분류(Multiple Signal Classification) 알고리즘을 이용하는 방법이 있다.
수신 신호의 특성에 따라 기재된 알고리즘 중 적절한 필터를 선택하여 디컨벌루션을 수행하게 된다. 특히, 수신 신호의 샘플 데이터 세트가 신호, 잡음 및 클러터 등으로 구성되어 있으므로 필터의 안정성 문제를 고려해야 한다. 상기한 알고리즘들은 디컨벌루션 과정의 솔루션을 제안하는 수학적 최적화 방법들로 이하, 실시 예의 디컨벌루션 과정에서 이용하는 알고리즘을 설명한다.
최적화 알고리즘
신호 및 잡음의 통계적 성질을 이용하여 잡음에 파묻힌 신호를 되도록 정확하게 추출하기 위한 알고리즘이다.
최소 자승 필터링(Least Squares Filtering) 알고리즘
어떤 계의 해방정식을 근사적으로 구하는 방법으로, 수학식 6을 통해 근사적으로 구하려는 해와 실제 해의 오차의 제곱 합이 최소가 되는 해를 산출한다.
Figure 112018129080373-pat00010
최소 자승 필터링 알고리즘은 임의의 점들 분포를 직선이나 곡선으로 근사하고, 임의의 데이터 모델의 파라미터를 구하는 하나의 방법으로서, 데이터와의 잔여(residual) 제곱의 합을 최소화하도록 모델의 파라미터를 산출한다.
잔여 값은 어떤 데이터가 추정된 모델에게서 얼마나 떨어진 값인가를 나타낸다.
최소자승법의 계산 방법으로는 A. 대수적 방법, B. 분석적 방법 C. 비선형 최소자승법 (non-linear least square) 등이 있다. 최소자승법은 A. 포물선 근사, B. 영상 보정, C. 원(circle) 및 타원(ellipse) 근사에 이용할 수 있지만, 정상적인 데이터 분포에서 동떨어진 데이터(Outlier)가 하나라도 존재하는 경우, 최소자승법을 적용하기 어렵다.
위어 필터링 알고리즘 (Wiewer Filtering Algorithm)
위어 필터(Wiewer Filter)는 비용함수(Cost Function)의 결과가 최소가 되도록 필터 계수 w의 값을 정의한다. 비용함수는 오류의 평균 제곱 값(MSE: Mean Squared Error)이다.
Figure 112018129080373-pat00011
매치드 필터링 알고리즘 (Matched Filtering Algorithm)
신호 대 잡음 비(signal-to-noise ratio)를 최대로 하는 매치드 필터를 사용하여 잡음에 묻힌 형상을 이미 알고 있는 신호로 검출하는 알고리즘이다.
Figure 112018129080373-pat00012
무한 임펄스 응답 필터 (infinite impulse response filter) 통과시켜 고주파를 제거하고, 처리기 내에서 필터 길이, 중심주파수, 밴드 폭 등의 파라미터를 변경하여 수치상으로 필터링을 수행할 수 있다. 매치드 필터에서는 무한 임펄스 신호를 50GHz로 샘플링 하여 여기서 샘플링된 시계열 자료에 필터링 알고리즘을 적용하고, i 및 q의 비디오 시계열 자료를 산출한다. 이후 필터링 된 무한 임펄스 응답 신호를 쿼드 디텍터(Quad Detector)를 통과시켜 i 및 q의 비디오를 획득할 수 있다.
다중에코 및 하울링 감소(Multiple Echoes & Howling Reducing)알고리즘
Figure 112018129080373-pat00013
송출 신호가 물체에 반사 및 투과하는 과정에서 잔상이 생기는데, 대부분의 반사 계수는 반사될 때 생기는 감쇠로 인하여 1보다 작다. 따라서, 평균 필터링(Means Filtering), 복수 신호의 특성 알고리즘(Music Algorithm), 고신뢰도 스펙트럼 추정, 수신 신호의 공분산 추정, 스펙트럼 분해과정을 통해 잔상을 제거한다.
다중 신호 분류 알고리즘(Multiple Signal Classification)
무한 임펄스 응답 필터 (infinite impulse response filter)를 통과시켜 고주파를 제거하고, 신호의 입사 방향 즉, DoA(Direction of Arrival)를 추정하는 대표적인 알고리즘이다. 신호의 서브 공간(subspace)과 잡음의 서브 공간(noise subspace)이 서로 직교한다는 성질을 이용 공간스펙트럼 추출한다. 이때 공간스펙트럼에서의 피크 값을 신호의 입사 방향으로 추정하고, 2개의 서브 공간은 공분산 행렬(covariance matrix)의 고유분해(Eigen decomposition)를 통해서 얻을 수 있다. 신호의 잡음 서브 공간을 통해서 신호의 방향을 추정하고, 공분산 행렬의 고유분해를 통해서 신호의 잡음 부공간을 산출한다.
이상에서와 같은 본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법은, UWB 측위 및 임펄스 레이더 기술을 통해 동승 여부를 좀 더 정확하게 파악할 수 있도록 하고, 운전자 또는 책임자가 없는 동승자로 판단되면 차량의 창문을 열고 사전 정의한 운전자 또는 책임자의 전화번호로 문자메시지와 전화통화를 통해 호출을 할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법은, 호출에 대하여 해당 책임자로부터 응답이 없으면 반복적으로 전화통화 기능을 수행해 안전사고 발생을 최대한 방지할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 해당 업계 종사자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명의 실시예에 따른 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 일반 차량 또는 자율주행 자동차 내에 잔류 동승자를 감지하고 알리는 알림 방법은, 운전자 또는 책임자가 차량을 떠난 상태에서 일반 차량 또는 자율주행 자동차 내에 잔류 동승자가 있을 때 잔류 동승자가 열사, 질식사 등을 방지하거나 그 밖의 도움이 필요로 하는 사람의 안전을 도모하는 데에 이용할 수 있다.
110: 데이터베이스
130: 생성 모듈
150: 인식 모듈
170: 제어 모듈
190: 통신 모듈

Claims (11)

  1. (A) 생성 모듈은 초광대역(UWB, Ultra-wide band) 임펄스 레이더를 포함하는 감지 신호를 생성하고 송출하는 단계;
    (B) 인식 모듈은 상기 감지 신호가 동승자에 의해 반사된 전자파 신호의 파형 및 위상변화를 검출하여 차량 내에 남은 동승자 존재 여부를 인식하는 단계;
    (C) 제어 모듈은 인식 모듈에서의 동승자 존재 여부 판단 결과에 근거하여 동승자가 존재하면 차량에 제어 신호를 보내 차량의 창문을 개방하고 도난 경보에 사용되는 가청음을 발생하게 하는 단계; 및
    (D) 통신 모듈은 책임자가 응답할 때까지 책임자에게 문자메시지와 전화통화를 반복하는 단계;를 포함하고,

    상기 (B) 인식 모듈이 뒷좌석 동승자에 의해 반사된 전자파 신호의 파형 및 위상변화를 검출하는 단계;가
    (B-1) 상기 (A) 생성 모듈에서 초광대역(UWB) 주파수 신호, 초광대역(UWB) 임펄스 레이더를 포함하는 감지 신호를 뒷좌석에 SAR(Synthetic Aperture Radar) 스캐닝으로 송출하면, 상기 동승자로부터 반사된 전자파 신호를 수집하는 단계;
    (B-2) 상기 반사된 전자파 신호를 시간 영역에서 오버샘플링 하는 단계;
    (B-3) 샘플링된 전자파 신호(Bs(X, k))로 제로 시간을 추정하는 단계;
    (B-4) 제로 시간 추정 이후, 크로스토크(crosstalk)를 제거하는 단계; 및
    (B-5) 크로스토크가 제거된 수신 신호(Bsτc(X, k))를 디컨벌루션 하는 단계;
    를 포함하는 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자 알림 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (A) 생성 모듈이 상기 감지 신호를 송출한 후, 상기 (B) 인식 모듈이 동승자로부터 반사된 전자파 신호의 파형 및 위상변화를 검출하는 단계;가
    상기 동승자에 의해 반사된 전자파 신호의 파형 및 위상변화를 미리 저장된 기준 신호의 파형 및 위상변화와 비교하여, 반사 신호와 기준 신호의 오차율을 파악하는 것;
    를 포함하는 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자 알림 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 (A) 생성 모듈이 상기 감지 신호를 송출한 후, 상기 (B) 인식 모듈이 동승자로부터 반사된 전자파 신호의 파형 및 위상변화를 검출하는 단계;가
    반사된 신호의 최대 피크 값, 주기, 일정 시간 간격에 대한 출력 값을 포함하는 동승 여부 판단 정보를 설정하고, 상기 동승 여부 판단 정보에 대한 반사 신호와 기준 신호의 차이 값을 산출하는 것;
    를 포함하는 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자 알림 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (A) 생성 모듈이 상기 감지 신호를 송출한 후, 상기 (B) 인식 모듈이 동승자로부터 반사된 전자파 신호의 파형 및 위상변화를 검출하는 단계;가
    상기 반사된 전자파 신호를 통해 동승자의 심장 박동수와 호흡수를 파악하는 것;
    을 포함하는 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자 알림 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (D) 통신 모듈이 차량으로부터 운전자가 떠난 뒤에 차량 내에 잔류 동승자가 남겨진 것으로 판단되면 책임자에게 문자메시지와 전화통화를 통해 위험을 경고하는 단계;가
    문자를 통한 경고 메시지가 보내진 이후, 설정된 시간 동안 응답이 없으면 전화통화를 통하여 위험 상황을 알리고, 응답이 있을 때까지 경고를 반복하는 것
    을 포함하는 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자 알림 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 (B-2) 상기 반사된 전자파 신호를 시간 영역에서 오버샘플링 하는 단계;가
    3차 스플라인 보간법(Cubic Spline Interpolation)을 사용하여 수학식 1을 통해, 동승자로부터 반사된 전자파 신호를 시간 영역에서 오버샘플링 하는 것;
    을 포함하는 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자 알림 방법.
    [수학식 1]
    Figure 112020028007395-pat00014

    Bs: 샘플링된 수신 신호, Spline: 3차 스플라인 함수, k: 오버 샘플링된 이산시간
  8. 제1항에 있어서,
    상기 (B-3) 샘플링된 전자파 신호(Bs(X, k))로 제로 시간을 추정하는 단계; 가
    전자파 신호 중 크로스토크 신호가 시작되는 시간인 제로 시간(τ(k))을 추출하고, 수학식 2를 통해 제로 시간을 추정하는 것;
    을 포함하는 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자 알림 방법.
    [수학식 2]
    Figure 112020028007395-pat00015

    Bsτ: 샘플링된 수신 신호를 제로 시간만큼 이동시킨 신호
    τ(k): 시간 상수
  9. 제1항에 있어서,
    상기 (B-4) 제로 시간 추정 이후, 크로스토크(crosstalk)를 제거하는 단계;가
    제로 시간만큼 이동한 전자파 신호에서 크로스토크 신호(CA(k))를 제거하는 수학식 4 를 통해 크로스토크를 제거하는 것;
    을 포함하는 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자 알림 방법.
    [수학식 4]
    Figure 112020028007395-pat00016

    (Bsτc(X, k): 샘플링된 수신 신호를 제로 시간 추정 및 크로스토크를 제거한 후의 수신 신호)
  10. 제1항에 있어서,
    상기 (B-5) 크로스토크가 제거된 수신 신호(Bsτc(X, k))를 디컨벌루션 하는 단계;가 수학식 5를 이용하는 것;
    을 포함하는 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자 알림 방법.
    [수학식 5]
    Figure 112020028007395-pat00017

    hs(k): 동승자 생체신호감지시스템의 이동함수(transfer function)
  11. 제1항에 있어서,
    상기 (B-5) 크로스토크가 제거된 수신 신호(Bsτc(X, k))를 디컨벌루션 하는 단계;가
    최적화 알고리즘, 최소 자승 필터링(Least Squares Filtering) 알고리즘, 위어 필터링 알고리즘(Wiewer Filtering), 매치드 필터링 알고리즘(Matched filtering), 최소 매치드 필터링 알고리즘(min-matched filtering), 다중에코 및 하울링 감소(Multiple Echoes & Howling Reducing)알고리즘 및 다중 신호 분류 알고리즘(Multiple Signal Classification)을 포함하는 디컨벌루션 알고리즘 중 어느 하나를 통해 상기 크로스토크가 제거된 수신 신호(Bsτc(X, k))를 역 필터링하는 것
    을 포함하는 초광대역 임펄스 레이더를 이용하여 차량 내 잔류 동승자 알림 방법.
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