KR102132603B1 - 거리 측정 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 거리를 측정하는 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 음파 측정을 이용하는 거리 측정 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 투명 벽 등의 적외선 센서로 감지 할 수 없는 물체에 대한 거리를 측정할 수 있고, 스마트폰 등의 일반적인 스피커나 마이크 모듈을 이용하여 물체에 대한 거리를 측정할 수 있다.

Description

거리 측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING DISTANCE}

본 발명은 거리를 측정하는 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 음파 측정을 이용하는 거리 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.

거리 측정 기술로서 주로 사용되는 기술은 적외선 센서나 초음파 센서를 이용하는 기술이다. 적외선 센서를 이용한 거리 측정 기술은 빛을 이용하여 빛이 반사된 시간을 거리로 환산하여 거리를 측정하는 기술이다. 하지만, 적외선을 측정하여 거리를 산출하는 거리 측정 기술은 투명한 벽을 인식하지 못하는 점이 있다.

또한, 초음파 센서를 이용하는 거리 측정 기술은 초음파의 반사된 시간을 거리로 환산하는 기술이나, 초음파를 송신하고 수신할 때까지 시간지연이 생기고 초음파 발신 및 수신을 위해 추가적인 모듈이 요구되는 점이 있다.

본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허 제 2011-0066712호에 개시되어 있다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제는 일반 스피커와 마이크를 이용한 거리 측정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 거리 측정 장치가 제공된다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 거리 측정 장치는 음향을 감지하여 음향 신호를 생성하는 마이크, 음향 신호에 대해 호모모픽 디컨볼루션(Homomorphic Deconvolution) 연산을 통해 직접 수신 음향과 반사 수신 음향이 감지된 시간의 차이인 지연 시간을 산출하는 지연 시간 산출부 및 지연 시간에 따른 측정 거리를 산출하는 거리 산출부를 포함할 수 있다.

거리 산출부는, 지연 시간에 음파 속도를 곱하여 이동 거리를 산출하고, 이동 거리의 반으로 나누어 측정 거리를 산출할 수 있다.

마이크는 사용자의 음성이 직접 수신된 직접 수신 음향 및 음성이 물체에 반사되어 수신된 반사 수신 음향을 감지하여 음향 신호를 생성할 수 있다.

거리 측정 장치는 음향을 출력하는 스피커를 더 포함하되, 마이크는 스피커의 음향이 직접 수신된 직접 수신 음향 및 음향이 물체에 반사되어 수신된 반사 수신 음향을 감지하여 음향 신호를 생성할 수 있다.

거리 측정 장치는 측정 거리가 미리 지정된 수치 이내일 경우, 알림을 출력하는 알림부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 포함하는 거리 측정 방법이 제공된다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 거리 측정 방법은 거리 측정 장치가 음향을 감지하여 음향 신호를 생성하는 단계, 음향 신호에 대해 호모모픽 디컨볼루션(Homomorphic Deconvolution) 연산을 통해 직접 수신 음향과 반사 수신 음향이 감지된 시간의 차이인 지연 시간을 산출하는 단계 및 지연 시간에 따른 측정 거리를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.

지연 시간에 따른 측정 거리를 산출하는 단계는 지연 시간에 음파 속도를 곱하여 이동 거리를 산출하고, 이동 거리의 반으로 나누어 측정 거리를 산출하는 단계일 수 있다.

음향을 감지하여 음향 신호를 생성하는 단계는, 사용자의 음성이 직접 수신된 직접 수신 음향 및 음성이 물체에 반사되어 수신된 반사 수신 음향을 감지하여 음향 신호를 생성하는 단계일 수 있다.

거리 측정 방법은 스피커를 통해 음향을 출력하는 단계를 더 포함하되, 음향을 감지하여 음향 신호를 생성하는 단계는, 스피커의 음향이 직접 수신된 직접 수신 음향 및 스피커의 음향이 물체에 반사되어 수신된 반사 수신 음향을 감지하여 음향 신호를 생성하는 단계일 수 있다.

거리 측정 방법은 측정 거리가 미리 지정된 수치 이내일 경우, 알림을 출력하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 투명 벽 등의 적외선 센서로 감지 할 수 없는 물체에 대한 거리를 측정할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 스마트폰 등의 일반적인 스피커나 마이크 모듈을 이용하여 물체에 대한 거리를 측정할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 시각 장애인이 용이하게 전방에 위치한 장애물에 의한 충돌 위험을 감지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 거리 측정 장치를 예시한 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 거리 측정 장치의 거리 측정 수행 과정을 개념적으로 예시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 거리 측정 장치의 구현 형태를 예시한 개념도.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 거리 측정 장치가 거리를 측정하는 방법을 예시한 순서도.
도 5는 실시 예 들에서 사용되기에 적합한 컴퓨팅 장치를 포함하는 컴퓨팅 환경을 예시하여 설명하기 위한 블록도.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 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 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서 및 청구항에서 사용되는 단수 표현은, 달리 언급하지 않는 한 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 거리 측정 장치를 예시한 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 거리 측정 장치의 거리 측정 수행 과정을 개념적으로 예시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 거리 측정 장치의 구현 형태를 예시한 개념도이다.

도 1을 참조하면, 거리 측정 장치는 마이크(110), 지연 시간 산출부(120), 거리 산출부(130), 스피커(140) 및 알림부(150)를 포함한다.

마이크(110)는 직접 수신 음향 및 반사 수신 음향을 감지하여 음향 신호를 생성한다. 이 때, 직접 수신 음향은 스피커(140)가 출력한 음향이나 사용자의 음성이 마이크(110)로 직접 전달되는 음향을 의미하고, 반사 수신 음향은 스피커(140)가 출력한 음향이나 사용자의 음성이 거리를 측정하고자 하는 물체에 반사되어 마이크(110)로 전달되는 음향(이하, 반사 수신 음향이라 지칭)이 될 수 있다. 마이크(110)는 음향 신호를 지연 시간 산출부(120)로 전송한다.

지연 시간 산출부(120)는 음향 신호에 대해 호모모픽 디컨볼루션(Homomorphic Deconvolution) 연산을 통해 직접 수신 음향과 반사 수신 음향이 감지된 시간의 차이인 지연 시간을 산출한다.

예를 들어, 지연 시간 산출부(120)는 하기의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있는 음향 신호를 분석하여 지연 시간을 산출할 수 있다.

[수학식 1]

이 때, x[n]는 사용자나 스피커(140) 등의 음원에서 발생되는 원신호이고, h[n]는 음원, 마이크(110) 및 물체가 위치하는 공간의 전달 함수이다.

지연 시간 산출부(120)는 다음의 수학식 2를 통해 마이크(102)가 수신한 음향 신호(y[n])의 리얼 켑스트럼(Real Cepstrum)(c_y[n])을 산출할 수 있다.

[수학식 2]

이 때, DFT는 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform)을 의미하고, IDFT는 역 이산 푸리에 변환(Inverse Discrete Fourier Transform)을 의미한다.

지연 시간 산출부(120)은 마이크(110)가 수신한 음향 신호에서 리얼 켑스트럼(c_y[n])을 필터링하여 음향 신호에서 직접 수신 음향 신호를 제거한다. 예를 들어, 지연 시간 산출부(120)는 아래의 수학식 3과 같이 리얼 켑스트럼(c_y[n])에 윈도우(Window)를 적용하여 직접 수신 음향 신호를 음향 신호에서 제거하여 반사 수신 음향 신호를 산출할 수 있다.

[수학식 3]

c_u[n]는 직접 수신 음향 신호가 제거된 리얼 켑스트럼이고, w[n]는 리얼 켑스트럼에서 직접 수신 음향 신호를 제거하기 위한 윈도우 필터이다.

이 때, 윈도우 필터는 리얼 켑스트럼에서 직접 수신 음향 신호를 제거할 수 있는 다양한 형태의 필터가 사용될 수 있다.

지연 시간 산출부(120)는 직접 수신 음향 신호가 제거된 리얼 켑스트럼(c_u[n])의 역 켑스트럼(Inverse Cepstrum)을 취하여 구조 관련 임펄스 응답(Structure Related Impulse Response)을 산출한다. 지연 시간 산출부(120)는 하기의 수학식 4를 통해 구조 관련 임펄스 응답(s[n])을 산출할 수 있다.

[수학식 4]

구조 관련 임펄스 응답(s[n])은 전달 함수(h[n])의 자기 상관 특성에 기인하는 직접 수신 음향 신호 및 반사 수신 음향 신호간의 시간 차이와 연관될 수 있다.

지연 시간 산출부(120)는 구조 관련 임펄스 응답이 최소가 되는 위치를 추출하고, 구조 관련 임펄스 응답이 최소가 되는 위치를 기반으로 지연 시간(즉, 직접 수신 음향 신호 대비 반사 수신 음향 신호의 지연된 시간)을 산출한다. 지연 시간 산출부(120)는 하기의 수학식 5를 통해 지연 시간(t_d)을 산출할 수 있다.

[수학식 5]

r은 구조 관련 임펄스 응답이 최소가 되는 위치이고, f_s는 샘플링 주파수이다.

지연 시간 산출부(120)는 지연 시간을 거리 산출부(130)로 전송한다.

거리 산출부(130)는 지연 시간에 미리 지정된 상수(음파 속도)를 곱하여 거리 측정 장치로부터 물체에 도달하여 다시 반사되어 거리 측정 장치까지 음파가 이동한 거리(이하, 이동 거리라 지칭)를 산출한다. 거리 산출부(130)는 이동 거리의 절반을 거리 측정 장치와 물체 간의 거리인 측정 거리로 산출한다. 거리 산출부(130)는 측정 거리를 알림부(150)로 전송한다.

스피커(140)는 지정된 음향을 출력한다. 예를 들어, 스피커(140)는 지정된 백색 소음을 출력할 수 있다. 이 때, 구현 방식에 따라 스피커(140)는 음향을 출력하지 않고, 사용자의 음성을 통해 마이크(110)가 음파 신호를 생성하거나, 스피커(140)를 통해 출력된 음향을 통해 마이크(110)가 음파 신호를 생성할 수 있다.

알림부(150)는 측정 거리에 따라 알림 신호를 출력한다. 예를 들어, 알림부(150)는 스피커(140)를 통해 측정 거리를 나타내는 소리로 나타내는 알림 신호를 출력할 수 있다. 또는 알림부(150)는 진동 모터를 포함하고, 진동 모터를 진동시켜 알림 신호를 출력할 수 있다. 또한, 알림부(150)는 측정 거리가 미리 지정된 거리 이내일 경우, 충돌 주의를 알리는 알림 신호를 출력할 수 있다. 따라서, 시각 장애인은 본 발명의 일 실시 예에 따른 거리 측정 장치를 이용함으로써 전방의 물체에 따른 충돌 위험을 알림 신호를 통해 감지할 수 있다.

즉, 도 2와 같이, 거리 측정 장치는 사용자의 음성에 따른 직접 수신 음향 및 반사 수신 음향을 감지하여 음향 신호를 생성하고, 음향 신호를 분석하여 직접 수신 음향과 반사 수신 음향 간의 지연 시간에 따라 거리 측정 장치와 물체 간의 거리를 산출한다. 따라서, 거리 측정 장치는 마이크를 일반적으로 포함하는 스마트폰을 이용하여 구현될 수 있다.

또한, 도 3과 같이, 거리 측정 장치는 범용 디바이스인 스마트폰이 아닌 전용 디바이스의 형태로 구현될 수 있다. 즉, 거리 측정 장치는 마이크(110) 및 진동 모터(320)를 내장하고, 전원 버튼(310)은 구비하여 사용자가 전원 버튼(310)을 누르는 경우, 음향을 감지하여 거리를 측정하고, 측정된 거리에 따라 진동 모터(320)를 동작할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 거리 측정 장치가 거리를 측정하는 방법을 예시한 순서도이다. 이하 설명하는 각 단계는 도 1을 참조하여 상술한 거리 측정 장치를 구성하는 각 기능부를 통해 수행되는 과정이나, 발명의 명확하고 간결한 설명을 위해 각 단계의 주체를 거리 측정 장치로 통칭하도록 한다.

도 4를 참조하면, 단계 410에서 거리 측정 장치는 음향을 마이크(110)를 통해 감지하여 음향 신호를 생성한다. 이 때, 거리 측정 장치는 구현 방법에 따라 스피커(140)를 통해 지정된 음향을 출력하는 과정을 먼저 수행할 수 있다.

단계 420에서 거리 측정 장치는 음향 신호에 대해 호모모픽 디컨볼루션(Homomorphic Deconvolution) 연산을 통해 직접 수신 음향과 반사 수신 음향이 감지된 시간의 차이인 지연 시간을 산출한다. 호모모픽 디컨볼루션 연산 과정은 수학식 1 내지 수학식 5를 참조하여 상술하였다.

단계 430에서 거리 측정 장치는 지연 시간에 음파 속도를 곱하여 이동 거리를 산출하고, 이동 거리를 절반으로 나누어 측정 거리를 산출한다.

단계 440에서 거리 측정 장치는 측정 거리에 따라 알림 신호를 출력한다. 예를 들어, 거리 측정 장치는 측정 거리가 미리 지정된 거리 이내일 경우, 충돌 위험을 알리는 소리 또는 진동을 출력할 수 있다.

도 5는 예시적인 실시예들에서 사용되기에 적합한 컴퓨팅 장치를 포함하는 컴퓨팅 환경을 예시하여 설명하기 위한 블록도이다. 도시된 실시예에서, 각 컴포넌트들은 이하에 기술된 것 이외에 상이한 기능 및 능력을 가 질 수 있고, 이하에 기술된 것 이외에도 추가적인 컴포넌트를 포함할 수 있다.

도시된 컴퓨팅 환경(10)은 컴퓨팅 장치(12)를 포함한다. 일 실시예에서, 컴퓨팅 장치(12)는 거리 측정 장치일 수 있다.

컴퓨팅 장치(12)는 적어도 하나의 프로세서(14), 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(16) 및 통신 버스(18)를 포함한다. 프로세서(14)는 컴퓨팅 장치(12)로 하여금 앞서 언급된 실시 예에 따라 동작하도록 할 수 있다. 예컨대, 프로 세서(14)는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(16)에 저장된 하나 이상의 프로그램들을 실행할 수 있다. 하나 이상의 프로그램들은 하나 이상의 컴퓨터 실행 가능 명령어를 포함할 수 있으며, 컴퓨터 실행 가능 명령어는 프로세서(14)에 의해 실행되는 경우 컴퓨팅 장치(12)로 하여금 실시 예에 따른 동작들을 수행하 도록 구성될 수 있다.

컴퓨터 판독 가능 저장 매체(16)는 컴퓨터 실행 가능 명령어 내지 프로그램 코드, 프로그램 데이터 및/또는 다른 적합한 형태의 정보를 저장하도록 구성된다. 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(16)에 저장된 프로그램(20)은 프로세서(1 4)에 의해 실행 가능한 명령어의 집합을 포함한다. 일 실시예에서, 컴퓨터 판독 가 능 저장 매체(16)는 메모리(랜덤 액세스 메모리와 같은 휘발성 메모리, 비휘발성 메모리, 또는 이들의 적절한 조합), 하나 이상의 자기 디스크 저장 디바이스들, 광 학 디스크 저장 디바이스들, 플래시 메모리 디바이스들, 그 밖에 컴퓨팅 장치(12) 에 의해 액세스되고 원하는 정보를 저장할 수 있는 다른 형태의 저장 매체, 또는 이들의 적합한 조합일 수 있다.

통신 버스(18)는 프로세서(14), 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(16)를 포함하여 컴퓨팅 장치(12)의 다른 다양한 컴포넌트들을 상호 연결한다.

컴퓨팅 장치(12)는 또한 하나 이상의 입출력 장치(24)를 위한 인터페이스를 제공하는 하나 이상의 입출력 인터페이스(22) 및 하나 이상의 네트워크 통신 인터페이스(26)를 포함할 수 있다. 입출력 인터페이스(22) 및 네트워크 통신 인터페이스(26)는 통신 버스(18)에 연결된다. 입출력 장치(24)는 입출력 인터페이스(22)를 통해 컴퓨팅 장치(12)의 다른 컴포넌트들에 연결될 수 있다. 입 출력 장치(24)는 포인팅 장치(마우스 또는 트랙패드 등), 키보드, 터치 입력 장치 (터치패드 또는 터치스크린 등), 음성 또는 소리 입력 장치, 다양한 종류의 센서 장치 및/또는 촬영 장치와 같은 입력 장치, 및/또는 디스플레이 장치, 프린터, 스피커 및/또는 네트워크 카드와 같은 출력 장치를 포함할 수 있다. 입출력 장치(24)는 컴퓨팅 장치(12)를 구성하는 일 컴포넌트로서 컴퓨팅 장치(12)의 내부 에 포함될 수도 있고, 컴퓨팅 장치(12)와는 구별되는 별개의 장치로 컴퓨팅 장치 (12)와 연결될 수도 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (11)

1. 거리 측정 장치에 있어서,
   지정된 음향을 출력하는 스피커;
   상기 스피커의 음향이나 사용자의 음성을 직접 수신하여 직접 수신 음향 신호를 생성하고, 상기 스피커의 음향이나 사용자의 음성이 물체에 반사되어 수신된 반사 수신 음향 신호를 생성하는 마이크;
   상기 직접 수신 음향 신호 및 상기 반사 수신 음향 신호에 대해 호모모픽 디컨볼루션(Homomorphic Deconvolution) 연산을 통해 지연 시간을 산출하는 지연 시간 산출부;
   상기 지연 시간에 음파 속도를 곱하여 이동 거리를 산출하고, 상기 이동 거리의 반으로 나누어 측정 거리를 산출하는 거리 산출부; 및
   상기 스피커를 통해 상기 측정 거리를 알리는 알림 신호를 출력하고, 상기 측정 거리가 미리 지정된 거리 이내일 경우, 충돌 주의를 알리는 진동 알림 신호를 출력하는 알림부를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 거리 측정 장치에서 거리를 측정하는 방법에 있어서,
   스피커를 통해 음향을 출력하는 단계;
   상기 스피커의 음향이나 사용자의 음성을 직접 수신하여 직접 수신 음향 신호를 생성하고, 상기 스피커의 음향이나 사용자의 음성이 물체에 반사되어 수신된 반사 수신 음향 신호를 생성하는 단계;
   상기 직접 수신 음향 신호 및 상기 반사 수신 음향 신호에 대해 호모모픽 디컨볼루션(Homomorphic Deconvolution) 연산을 통해 지연 시간을 산출하는 하는 단계;
   상기 지연 시간에 음파 속도를 곱하여 이동 거리를 산출하고, 상기 이동 거리의 반으로 나누어 측정 거리를 산출하는 단계; 및
   상기 스피커를 통해 상기 측정 거리를 알리는 알림 신호를 출력하고, 상기 측정 거리가 미리 지정된 거리 이내일 경우, 충돌 주의를 알리는 진동 알림 신호를 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 방법.
   
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 제6항의 거리 측정 방법을 실행하고 컴퓨터가 판독 가능한 기록매체에 기록된 컴퓨터 프로그램.
    
    

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