KR102143538B1 - Method for correcting measuring distance of ultrasonic sensor - Google Patents

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KR102143538B1
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김대영
신남호
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주식회사 웰텍
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Abstract

The present invention relates to a method of correcting a measurement distance of an ultrasonic sensor, and more specifically, to a method of correcting an error in a measurement distance of an ultrasonic sensor due to an external environment or an internal environment. To this end, according to the present invention, the method of correcting the measurement distance of the ultrasonic sensor comprises: a step of distancing the ultrasonic sensor from an object to be measured to have a first distance; a step of oscillating a trigger signal having a preset number of times from the ultrasonic sensor; a step of calculating the measurement distance from the object to be measured for each trigger signal oscillated; a step of calculating an average distance of the rest measurement distance which is obtained by excluding longer measurement distances and shorter measurement distances of the preset number from the calculated measurement distance; a step of calculating a correction distance for the calculated average distance by using a correction algorithm; and a step of calculating a length of the object to be measured in a first direction by subtracting the correction distance calculated by the correction algorithm from a first length which is a preset length from a first point to a first ultrasonic sensor, calculating a length of the object to be measured in a second direction by subtracting the correction distance calculated by using the correction algorithm from a second length which is a preset length from a second point to a second ultrasonic sensor, and calculating a length of the object to be measured in a third direction by subtracting the correction distance calculated by the correction algorithm from a third length which is a preset length from a third point to a third ultrasonic sensor.

Description

초음파 센서의 측정 거리 보정 방법{Method for correcting measuring distance of ultrasonic sensor}Method for correcting measuring distance of ultrasonic sensor}

본 발명은 초음파 센서의 측정 거리 보정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게 외부 환경 또는 내부 환경에 의해 초음파 센서의 측정 거리에 대한 오차를 보정하는 방안에 관한 것이다.The present invention relates to a method of calibrating a measurement distance of an ultrasonic sensor, and more particularly, to a method of correcting an error of a measurement distance of an ultrasonic sensor due to an external environment or an internal environment.

산업체의 각종 부품의 생산 시 또는 우체국에서 처리하는 우편 배송물이나 각종 수화물 등의 접수 처리 시, 정확한 중량이나 부피 측정은 필수적으로 요구된다.Accurate weight or volume measurement is indispensable when producing various parts of an industry or receiving postal shipments or various luggage handled by a post office.

예를 들어, 산업체에서는 기구나 장치 부품의 중량 측정이 다양하게 요구되고, 우체국과 택배회사 등에서 처리하는 우편 배송물이나 각종 수하물은 중량이나 부피에 따라 비용(요금)이 결정될 수 있기 때문에 정확한 중량 및 부피 측정은 반드시 필요하다.For example, industrial companies require various weight measurement of equipment and device parts, and the cost (fee) can be determined according to the weight or volume of postal shipments or various baggage handled by post offices and couriers. Volume measurement is essential.

그런데, 통상 산업체나 우체국 등에서는 지금까지 알려진 저울을 구매하며, 구매한 저울 위에 무게를 측정하기 위한 피측정물 즉, 우편 배송물 또는 수하물 등을 단순하게 올려놓고, 중량을 측정하거나, 부피 측정 장치를 이용하여 우편 배송물이나 수화물의 부피를 측정하였다.However, in general, industries or post offices purchase scales known so far, and simply place an object to be measured, that is, a postal shipment or baggage, etc., on the purchased scale, and measure the weight or measure the volume. The volume of the postal shipment or luggage was measured using.

도 1은 종래 피측정물의 중량 및 부피를 측정하는 장치를 도시하고 있다.1 shows a conventional apparatus for measuring the weight and volume of an object to be measured.

도 1에 도시되어 있는 바와 같이 피측정물의 부피는 3개의 센서를 이용하여 피측정물의 가로 길이, 세로 길이 및 높이를 측정하고, 측정한 가로 길이, 세로 길이 및 높이를 이용하여 피측정물의 부피를 산출한다.As shown in FIG. 1, the volume of the object to be measured is measured by using three sensors to measure the horizontal length, vertical length and height of the object to be measured, and the volume of the object to be measured using the measured horizontal length, vertical length and height. Calculate.

이와 현재 피측정물의 중량이나 부피를 측정하는 장치는 다양하게 제안되고 있으며, 특히 피측정물의 부피를 측정하는 방안으로 다양한 센서가 활용되고 있으며, 일반적으로 초음파 센서를 이용하여 피측정물의 부피를 측정한다.At present, various devices for measuring the weight or volume of an object to be measured have been proposed. In particular, various sensors are used as a method of measuring the volume of the object to be measured, and in general, an ultrasonic sensor is used to measure the volume of the object to be measured. .

하지만, 초음파 센서의 경우 내부 환경 또는 외부 환경에 의해 측정 오차가 발생하게 되며, 이는 피측정물의 부피의 오차로 이어지게 된다. 또한, 피측정물의 부피의 오차는 과금(배송비)의 오차로 연결된다. 따라서 내부 환경이나 외부 환경에 의해 발생된 측정 거리에 대한 측정 오차를 보정하여 피측정물과의 거리를 정확하게 산출할 수 있는 방안이 요구된다.However, in the case of the ultrasonic sensor, a measurement error occurs due to an internal environment or an external environment, which leads to an error in the volume of the object to be measured. In addition, an error in the volume of the object to be measured leads to an error in billing (delivery cost). Therefore, there is a need for a method that can accurately calculate the distance to the object to be measured by correcting the measurement error for the measurement distance generated by the internal or external environment.

한국공개특허 제2019-0037890호(발명의 명칭: 거리 측정의 정밀도를 향상시키기 위한 초음파 센서 모듈)Korean Patent Publication No. 2019-0037890 (Name of invention: Ultrasonic sensor module to improve the precision of distance measurement) 한국공개특허 제2018-0037892호(발명의 명칭: 초음파 센서의 정밀도 향상 장치 및 방법)Korean Patent Laid-Open Patent No. 2018-0037892 (Title of invention: Precision improvement device and method of ultrasonic sensor)

본 발명이 해결하려는 과제는 초음파 센서를 이용하여 측정된 거리에 대한 측정 오차를 줄이는 방안을 제안함에 있다.The problem to be solved by the present invention is to propose a method of reducing a measurement error for a distance measured using an ultrasonic sensor.

본 발명이 해결하려는 다른 과제는 내부 환경이나 외부 환경에 대한 영향을 최소화하여 측정된 거리에 대한 측정 오차를 줄이는 방안을 제안함에 있다.Another problem to be solved by the present invention is to propose a method of reducing a measurement error for a measured distance by minimizing the influence on the internal or external environment.

본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 측정 오차를 최소화하여 피측정물의 부피를 정확하게 산출하는 방안을 제안함에 있다.Another problem to be solved by the present invention is to propose a method of accurately calculating the volume of an object to be measured by minimizing measurement errors.

본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 피측정물의 부피에 따른 과금을 정확하게 산출하는 방안을 제안함에 있다.Another problem to be solved by the present invention is to propose a method of accurately calculating billing according to the volume of an object to be measured.

이를 위해 본 발명의 초음파 센서의 측정 거리 보정 방법은 초음파 센서를 피측정물과 제1 이격 거리를 갖도록 이격시키는 단계; 상기 초음파 센서에서 설정된 횟수를 갖는 트리거 신호를 발진시키는 단계; 발진된 각 트리거 신호별로 피측정물과의 측정 거리를 산출하는 단계; 산출된 측정 거리에서 설정된 개수의 상위 측정 거리와 하위 측정 거리를 제외한 나머지 측정 거리의 평균 거리를 산출하는 단계; 산출된 평균 거리를 보정 알고리즘을 이용하여 보정 거리를 산출하는 단계; 기 설정된 길이인 제1 지점에서 제1 초음파 센서까지의 길이인 제1 길이에서 상기 보정 알고리즘을 이용하여 산출된 보정 거리를 감산하여 피측정물의 제1 방향으로의 길이, 기 설정된 길이인 제2 지점에서 제2 초음파 센서까지의 길이인 제2 길이에서 상기 보정 알고리즘을 이용하여 산출된 보정 거리를 감산하여 피측정물의 제2 방향으로의 길이 및 기 설정된 길이인 제3 지점에서 제3 초음파 센서까지의 길이인 제3 길이에서 상기 보정 알고리즘을 이용하여 산출된 보정 거리를 감산하여 피측정물의 제3 방향으로의 길이를 산출하는 단계를 포함한다.To this end, the method for calibrating the measurement distance of the ultrasonic sensor of the present invention comprises the steps of: separating the ultrasonic sensor to have a first distance from the object to be measured; Oscillating a trigger signal having a set number of times by the ultrasonic sensor; Calculating a measurement distance from the object to be measured for each of the oscillated trigger signals; Calculating an average distance of the remaining measurement distances excluding the set number of upper and lower measurement distances from the calculated measurement distances; Calculating a correction distance from the calculated average distance using a correction algorithm; The length in the first direction of the object to be measured by subtracting the correction distance calculated using the correction algorithm from the first length, which is the length from the first point that is the preset length to the first ultrasonic sensor, and the second point that is the preset length. The length in the second direction of the object to be measured and the preset length from the third point to the third ultrasonic sensor by subtracting the correction distance calculated using the correction algorithm from the second length from to the second ultrasonic sensor. And calculating a length in a third direction of the object to be measured by subtracting the correction distance calculated using the correction algorithm from the third length, which is the length.

본 발명에 따른 초음파 센서의 측정 거리 보정 방법은 초음파 센서를 이용하여 측정한 거리에 대한 측정 오차를 보정하는 방안을 제안하며, 제안된 보정 알고리즘을 적용하여 피측정물의 크기를 측정한다. 특히, 본 발명은 보정 알고리즘을 이용하여 피측정물의 크기를 정확하게 측정함으로, 피측정물의 부피 및 부피에 따른 과금을 정확하게 책정할 수 있는 장점이 있다.The method for calibrating a measurement distance of an ultrasonic sensor according to the present invention proposes a method of correcting a measurement error for a distance measured using an ultrasonic sensor, and measures the size of an object to be measured by applying the proposed correction algorithm. In particular, the present invention accurately measures the size of an object to be measured using a correction algorithm, so that the volume of the object to be measured and billing according to the volume can be accurately set.

도 1은 종래 피측정물의 중량 및 부피를 측정하는 장치를 도시하고 있다.
도 2는 초음파 센서를 이용하여 거리를 산출하는 예를 도시한 도면이다.
도 3은 트리거 횟수별 측정된 측정 거리이다.
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 제1 초음파 센서를 이용하여 피측정물과의 이격 거리를 측정한 예를 도시하고 있다.
도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 제5 초음파 센서를 이용하여 피측정물과의 이격 거리를 측정한 예를 도시하고 있다.
도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 제5 초음파 센서를 이용하여 측정한 측정 거리와 실제 거리를 그래프로 도시하고 있다.
도 7은 본 발명의 일실시 예에 따른 실제 거리와 측정 거리 사이의 측정 오차의 분포를 나타낸 분포도이다.
도 8은 제1 초음파 센서 내지 제8 초음파 센서를 이용하여 피측정물까지의 거리와 실제 거리를 나타낸 그래프이다.
도 9는 제1 초음파 센서 내지 제8 초음파 센서를 이용하여 측정한 피측정물까지의 측정 거리에 대한 오차를 나타낸 측정 편차 분포도이다.
도 10은 제5 초음파 센서가 측정한 측정 거리를 본 발명에서 제안한 보정 알고리즘에 의해 보정한 예를 나타내고 있다.
도 11은 제1 초음파 센서 내지 제4 초음파 센서를 이용하여 측정한 측정 거리와 실제 거리를 나타낸 그래프이다.
도 12는 제1 초음파 센서 내지 제8 초음파 센서를 이용하여 측정한 측정 거리를 보정한 보정 거리에 대한 오차 분포도를 도시하고 있다.
도 13은 본 발명의 일실시 예에 따른 피측정물의 부피를 측정하는 예를 설명하고 있다.
도 14는 본 발명의 일실시 예에 따른 온도별 초음파 속도의 변수를 결정하는 방안을 도시하고 있다. 1 shows a conventional apparatus for measuring the weight and volume of an object to be measured.
2 is a diagram illustrating an example of calculating a distance using an ultrasonic sensor.
3 is a measured distance measured by the number of triggers.
4 illustrates an example of measuring a separation distance from an object to be measured using a first ultrasonic sensor according to an embodiment of the present invention.
5 illustrates an example of measuring a separation distance from an object to be measured using a fifth ultrasonic sensor according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph showing a measured distance and an actual distance measured using a fifth ultrasonic sensor according to an embodiment of the present invention.
7 is a distribution diagram showing a distribution of a measurement error between an actual distance and a measurement distance according to an embodiment of the present invention.
8 is a graph showing a distance to an object to be measured and an actual distance using the first to eighth ultrasonic sensors.
9 is a measurement deviation distribution diagram showing an error with respect to a measurement distance to an object measured by using the first to eighth ultrasonic sensors.
10 shows an example in which the measurement distance measured by the fifth ultrasonic sensor is corrected by the correction algorithm proposed in the present invention.
11 is a graph showing a measured distance and an actual distance measured by using the first to fourth ultrasonic sensors.
12 shows an error distribution diagram for a correction distance obtained by correcting a measurement distance measured by using the first to eighth ultrasonic sensors.
13 illustrates an example of measuring the volume of an object to be measured according to an embodiment of the present invention.
14 illustrates a method of determining a variable of an ultrasonic velocity for each temperature according to an embodiment of the present invention.

전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시 예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명의 이러한 실시 예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.The foregoing and additional aspects of the present invention will become more apparent through preferred embodiments described with reference to the accompanying drawings. Hereinafter, it will be described in detail so that those skilled in the art can easily understand and reproduce through these embodiments of the present invention.

도 2는 초음파 센서를 이용하여 거리를 산출하는 예를 도시한 도면이다. 초음파 센서는 일정 거리 이격된 피측정물에 초음파를 발진시키며, 초음파가 피측정물에 반사되어 되돌아 올 때까지의 시간을 측정함으로써 피측정물까지의 거리를 산출한다. 일반적으로 초음파의 속도는 20℃에서 344㎧이며, 거리를 산출하는 수식은 하기 수학식 1과 같다.2 is a diagram illustrating an example of calculating a distance using an ultrasonic sensor. The ultrasonic sensor oscillates ultrasonic waves on an object to be measured separated by a predetermined distance, and calculates the distance to the object to be measured by measuring the time until the ultrasonic waves are reflected and returned to the object to be measured. In general, the speed of ultrasonic waves is 344 ㎧ at 20° C., and the formula for calculating the distance is shown in Equation 1 below.

Figure 112019055968940-pat00001
Figure 112019055968940-pat00001

L: 초음파 센서에서 피측정물까지의 거리L: Distance from the ultrasonic sensor to the object to be measured

△t: 초음파 센서에서 발진된 음파가 반사되어 수신될 때까지 소요된 시간△t: The time taken until the sound wave oscillated by the ultrasonic sensor is reflected and received

V: 초음파의 속도V: speed of ultrasound

본 발명은 피측정체를 초음파 센서로부터 각 100㎜, 200㎜ 및 300㎜ 이격시킨 후 이격 거리별 트리거 신호를 1회에서 32회까지 발진하였으며, 발진 간격은 15㎳이며, 또한 동일 이격 거리에서 트리거 횟수별로 측정 거리를 계산하였다.In the present invention, the object to be measured was separated from the ultrasonic sensor by 100 mm, 200 mm, and 300 mm, and then trigger signals for each separation distance were oscillated from 1 to 32 times, and the oscillation interval was 15 ms, and triggered at the same distance. The measurement distance was calculated for each number of times.

도 3은 트리거 횟수별 측정된 측정 거리이다. 도 3에 의하면 레드 영역은 기준거리 대비 10㎜가 초과되는 편차가 발생하여 적용이 불가능하며, 블루 영역은 기준거리 대비 10㎜ 이내의 편차가 발생하여 적용이 가능하다.3 is a measured distance measured by the number of triggers. According to FIG. 3, the red region is not applicable because a deviation exceeding 10 mm from the reference distance occurs, and the blue region is applicable because a deviation within 10 mm from the reference distance occurs.

평균1은 블루 영역의 평균이며, 기준거리 대비 7 내지 8㎜의 편차가 발생하며, 평균2는 전체 측정값에서 상, 하위 값을 제외한 후 기준거리에 수렴하는 4개의 값에 대한 평균이며, 기준거리 대비 6.5 내지 7㎜의 편차가 발생한다.Average 1 is the average of the blue area, and there is a deviation of 7 to 8 mm from the reference distance, and average 2 is the average of 4 values that converge to the reference distance after excluding the upper and lower values from the total measured value. A deviation of 6.5 to 7 mm compared to the distance occurs.

또한, 평균3은 16회까지의 측정값에서 상, 하위 값을 제외한 후 기준거리에 수렴하는 4개의 값에 대한 평균이며, 기준거리 대비하여 6.5 내지 7㎜의 편차가 발생한다.In addition, average 3 is an average of four values that converge to the reference distance after excluding the upper and lower values from the measured values up to 16 times, and a deviation of 6.5 to 7 mm is generated compared to the reference distance.

상술한 평균1 내지 평균3 중 평균2와 평균3은 평균값의 차이가 없으며, 또한 측정시간은 평균3이 평균2에 비해 상대적으로 짧다. 따라서, 측정시간의 최소화를 위해 평균2보다는 평균3을 적용하는 것이 바람직하다. 즉, 트리거 신호를 32회 발진하는 평균2 대신 트리거 신호를 16회 발진하고, 발진된 트리거 신호에 대한 거리를 측정하는 평균3을 적용하는 것이 바람직하다. 따라서 본 발명은 1초 이내에 트리거 신호를 16회 발진하는 방안을 제안하며, 발진된 트리거 신호를 이용하여 피측정물과의 거리를 산출하는 방안을 제안한다. 또한, 평균3에서 제안한 바와 같이 기준거리(실제 거리)에 수렴하는 4개의 값에 대한 평균값을 이용한다. 부연하여 설명하면, 16개의 거리 측정값 중에서 상위 6개의 값과 하위 6개의 값을 제외한 나머지 4개의 값에 대한 평균값을 초음파 센서에서 피측정물까지의 평균거리라고 가정한다.Of the above averages 1 to 3, average 2 and average 3 have no difference in average value, and the measurement time is relatively shorter for average 3 than average 2. Therefore, it is preferable to apply average 3 rather than average 2 to minimize the measurement time. That is, it is preferable to apply the average 3, which oscillates the trigger signal 16 times, and measures the distance to the oscillated trigger signal, instead of the average 2 oscillating the trigger signal 32 times. Accordingly, the present invention proposes a method of oscillating a trigger signal 16 times within 1 second, and a method of calculating a distance to an object to be measured using the oscillated trigger signal. Also, as suggested in Average 3, the average value of four values that converge to the reference distance (actual distance) is used. To further explain, it is assumed that the average value of the remaining 4 values excluding the upper 6 values and the lower 6 values among the 16 distance measurement values is the average distance from the ultrasonic sensor to the object to be measured.

이하에서 산출한 초음파 센서에서 피측정물까지의 평균거리에 대한 보정 알고리즘에 대해 알아보기로 한다.Hereinafter, a correction algorithm for the average distance from the ultrasonic sensor to the object to be measured will be described.

상술한 바와 같이 초음파 센서 중 일부 측정오차를 초과하는 센서에 대해서는 측정 오차 범위 내의 정확도를 보증하는 보정 알고리즘이 필요하다. 또한, 정확도의 변별력을 높이기 위해 8개의 초음파 센서에 대해 각 4회씩 로우 데이터(low data)를 수집한다. 제1 초음파 센서 내지 제4 초음파 센서는 피측정물과의 이격 거리를 40㎜ 내지 250㎜까지로 하며, 제5 초음파 센서 내지 제8 초음파 센서는 피측정물과의 이격 거리를 40㎜ 내지 550㎜까지로 한다. 또한, 초음파 센서는 피측정물과의 이격 거리는 1㎜ 단위로 조절하는 것이 바람직하다. 부연하여 설명하면, 도면은 효율적인 실험을 위해 이격 거리를 5㎜ 단위로 조절하는 것으로 도시되어 있으나, 상술한 바와 같이 1㎜ 단위로 조절하는 것이 바람직하다.As described above, for a sensor that exceeds some measurement errors among the ultrasonic sensors, a correction algorithm is required to ensure accuracy within a measurement error range. In addition, in order to increase the discrimination power of accuracy, low data is collected for each of the eight ultrasonic sensors four times. The first to fourth ultrasonic sensors have a separation distance from the object to be measured from 40 mm to 250 mm, and the fifth to eighth ultrasonic sensors have a separation distance from the object to be measured from 40 mm to 550 mm. To. In addition, it is preferable that the ultrasonic sensor adjusts the separation distance from the object to be measured in units of 1 mm. To further explain, the drawing shows that the separation distance is adjusted in units of 5 mm for an efficient experiment, but it is preferable to adjust in units of 1 mm as described above.

이후 각 로우 데이터에 대한 측정 기울기 그래프와 편차 분포도를 작성하여 시각화하며, 각 편차를 분석하여 이에 대한 보정 방안을 도출한다. 마지막으로 수집된 측정 데이터를 보정 알고리즘을 통해 보정한 후 시뮬레이션하여 오차 범위를 확인한다. 이하에서는 먼저 로우 데이터를 수집하는 과정에 대해 알아보기로 한다.After that, a measurement slope graph and a deviation distribution map for each raw data are created and visualized, and each deviation is analyzed to derive a correction method. Finally, the collected measurement data is corrected through a correction algorithm and then simulated to check the error range. In the following, first, a process of collecting raw data will be described.

도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 제1 초음파 센서를 이용하여 피측정물과의 이격 거리를 측정한 예를 도시하고 있다. 도 4에서 도시하고 있는 바와 같이 초음파 센서를 이용하여 피측정물과의 이격 거리를 측정할 경우, 실제 거리와 측정 거리 사이에는 오차가 발생한다. 도 4는 제1 초음파 센서를 이용하여 피측정물과의 이격 거리를 측정한 예를 도시하고 있으나, 제2 초음파 센서 내지 제8 초음파 센서 역시 동일하게 적용할 수 있으며, 이 경우 제2 초음파 센서 내지 제8 초음파 센서 역시 실제 거리와 측정 거리 사이에 오차가 발생한다. 4 illustrates an example of measuring a separation distance from an object to be measured using a first ultrasonic sensor according to an embodiment of the present invention. As illustrated in FIG. 4, when measuring the separation distance from the object to be measured using an ultrasonic sensor, an error occurs between the actual distance and the measured distance. 4 shows an example in which the distance from the object to be measured is measured by using the first ultrasonic sensor, but the second ultrasonic sensor to the eighth ultrasonic sensor can also be applied in the same way. In this case, the second ultrasonic sensor to The eighth ultrasonic sensor also has an error between the actual distance and the measured distance.

도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 제5 초음파 센서를 이용하여 피측정물과의 이격 거리를 측정한 예를 도시하고 있다. 도 5에서 제안하는 제5 초음파 센서 역시 제1 초음파 센서와 동일하게 피측정물과의 실제 거리와 측정 거리 사이에 오차가 발생함을 알 수 있다.5 illustrates an example of measuring a separation distance from an object to be measured using a fifth ultrasonic sensor according to an embodiment of the present invention. It can be seen that the fifth ultrasonic sensor proposed in FIG. 5 also has an error between the actual distance to the measurement object and the measurement distance, similarly to the first ultrasonic sensor.

도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 제5 초음파 센서를 이용하여 측정한 측정 거리와 실제 거리를 그래프로 도시하고 있다. 그래프에서 가로축은 제5 초음파 센서와 피측정물까지의 실제 거리이며, 세로축은 제5 초음파 센서가 측정한 피측정물까지의 측정 거리이다. 6 is a graph showing a measured distance and an actual distance measured using a fifth ultrasonic sensor according to an embodiment of the present invention. In the graph, the horizontal axis represents the actual distance between the fifth ultrasonic sensor and the object to be measured, and the vertical axis represents the measurement distance to the object measured by the fifth ultrasonic sensor.

도 6에 의하면, 상술한 바와 같이 총 4회에 걸쳐 로우 데이터를 수집하였으며, 수집된 로우 데이터(측정 거리)와 실제 거리를 그래프로 표현하였다. 또한, 도 6에 도시되어 있는 바와 같이 실제 거리와 측정 거리는 오차가 있음을 알 수 있다.Referring to FIG. 6, as described above, raw data were collected four times, and the collected raw data (measured distance) and the actual distance were expressed in a graph. In addition, as illustrated in FIG. 6, it can be seen that there is an error between the actual distance and the measured distance.

도 7은 본 발명의 일실시 예에 따른 실제 거리와 측정 거리 사이의 측정 오차의 분포를 나타낸 분포도이다. 특히 도 7은 제5 초음파 센서를 이용하여 측정한 측정 거리에 대한 오차 분포를 나타낸 분포도이다. 그래프에서 가로축은 제5 초음파 센서와 피측정물까지의 실제 거리이며, 세로축은 측정 오차를 나타내고 있다. 7 is a distribution diagram showing a distribution of a measurement error between an actual distance and a measurement distance according to an embodiment of the present invention. In particular, FIG. 7 is a distribution diagram showing an error distribution with respect to a measurement distance measured using a fifth ultrasonic sensor. In the graph, the horizontal axis represents the actual distance between the fifth ultrasonic sensor and the object to be measured, and the vertical axis represents the measurement error.

분포도에 의하면, 측정 거리를 5㎜ 단위로 절삭하는 경우, 제5 초음파 센서가 측정한 측정 거리는 실제 거리를 기준으로 5㎜ 이내의 오차를 가지게 됨을 알 수 있다.According to the distribution diagram, it can be seen that when the measurement distance is cut in units of 5 mm, the measurement distance measured by the fifth ultrasonic sensor has an error within 5 mm based on the actual distance.

도 8은 제1 초음파 센서 내지 제8 초음파 센서를 이용하여 피측정물까지의 거리와 실제 거리를 나타낸 그래프이다. 특히 도 8은 편의상 피측정물까지의 거리가 250㎜까지만 나타내고 있다. 그래프에서 가로축은 제1 초음파 센서 내지 제8 초음파 센서와 피측정물까지의 실제 거리이며, 세로축은 제1 초음파 센서 내지 제8 초음파 센서가 측정한 피측정물까지의 측정 거리이다. 8 is a graph showing a distance to an object to be measured and an actual distance using the first to eighth ultrasonic sensors. In particular, FIG. 8 shows the distance to the object to be measured only up to 250 mm for convenience. In the graph, the horizontal axis represents the actual distance between the first to eighth ultrasonic sensors and the object to be measured, and the vertical axis represents the measurement distance to the object measured by the first to eighth ultrasonic sensors.

도 8에 의하면, 제1 초음파 센서 내지 제8 초음파 센서가 피측정물까지 측정한 거리와 실제 거리를 나타낸 그래프는 거의 유사한 기울기를 가짐을 알 수 있으며, 따라서 동일한 보정 방식을 이용하여 초음파 센서가 측정한 거리를 보정하는 것이 가능하다.According to FIG. 8, it can be seen that the graphs showing the distance measured by the first to eighth ultrasonic sensors to the object to be measured and the actual distance have almost similar slopes, and therefore, the ultrasonic sensor is measured using the same correction method. It is possible to correct one distance.

도 9는 제1 초음파 센서 내지 제8 초음파 센서를 이용하여 측정한 피측정물까지의 측정 거리에 대한 오차를 나타낸 측정 편차 분포도이다. 그래프에서 가로축은 제1 초음파 센서 내지 제8 초음파 센서와 피측정물까지의 실제 거리이며, 세로축은 제1 초음파 센서 내지 제8 초음파 센서가 측정한 피측정물까지의 측정 거리에 대한 오차이다. 9 is a measurement deviation distribution diagram showing an error with respect to a measurement distance to an object measured using a first ultrasonic sensor to an eighth ultrasonic sensor. In the graph, the horizontal axis represents an actual distance between the first to eighth ultrasonic sensors and the object to be measured, and the vertical axis represents an error with respect to the measurement distance to the object measured by the first to eighth ultrasonic sensors.

도 9에 의하면, 제1 초음파 센서 내지 제8 초음파 센서가 피측정물까지 측정한 거리와 실제 거리와의 차이를 나타낸 오차 분포는 0 내지 10㎜ 사이에 존재하므로 5㎜ 절삭 보정 방식을 적용할 경우, 각 초음파 센서는 5㎜ 이내의 공차를 갖게 됨을 알 수 있다. 따라서 본 발명은 하기 수학식 2와 같이 초음파 센서가 측정한 측정 오차를 보정하는 알고리즘을 제안한다.According to FIG. 9, since the error distribution indicating the difference between the distance measured by the first to eighth ultrasonic sensors to the object to be measured and the actual distance exists between 0 to 10 mm, the 5 mm cutting correction method is applied. , It can be seen that each ultrasonic sensor has a tolerance within 5mm. Accordingly, the present invention proposes an algorithm for correcting the measurement error measured by the ultrasonic sensor as shown in Equation 2 below.

Figure 112019055968940-pat00002
Figure 112019055968940-pat00002

L': 보정 거리 INT: 소수점 이하를 제외한 정수L': Correction distance INT: Integer excluding decimal point

도 10은 제5 초음파 센서가 측정한 측정 거리를 본 발명에서 제안한 보정 알고리즘에 의해 보정한 예를 나타내고 있다. 상술한 바와 같이 본 발명에서 제안하는 보정 알고리즘을 수학식 2와 동일하다.10 shows an example in which the measurement distance measured by the fifth ultrasonic sensor is corrected by the correction algorithm proposed in the present invention. As described above, the correction algorithm proposed in the present invention is the same as in Equation 2.

도 11은 제1 초음파 센서 내지 제4 초음파 센서를 이용하여 측정한 측정 거리와 실제 거리를 나타낸 그래프이다. 그래프에서 가로축은 초음파 센서와 피측정물까지의 실제 거리이며, 세로축은 초음파 센서가 측정한 측정 거리를 수학식 2에 의해 보정한 보정 거리이다.11 is a graph showing a measured distance and an actual distance measured by using the first to fourth ultrasonic sensors. In the graph, the horizontal axis represents the actual distance between the ultrasonic sensor and the object to be measured, and the vertical axis represents the correction distance obtained by correcting the measurement distance measured by the ultrasonic sensor according to Equation 2.

도 11에 도시되어 있는 바와 같이 보정 거리는 실제 거리를 기준으로 5㎜ 이내로 보정됨을 알 수 있다.As shown in FIG. 11, it can be seen that the correction distance is corrected within 5 mm based on the actual distance.

도 12는 제1 초음파 센서 내지 제8 초음파 센서를 이용하여 측정한 측정 거리를 보정한 보정 거리에 대한 오차 분포도를 도시하고 있다. 오차 분포도에서 가로축은 초음파 센서와 피측정물과의 실제 거리를 의미하며, 세로축은 보정 거리와 실제 거리의 오차를 나타내고 있다. 도 12에 의하면, 수학식 2에 의해 보정된 보정 거리는 실제 거리와 5㎜ 이내의 오차를 가짐을 알 수 있다.12 shows an error distribution diagram for a correction distance obtained by correcting a measurement distance measured by using the first to eighth ultrasonic sensors. In the error distribution diagram, the horizontal axis represents the actual distance between the ultrasonic sensor and the object to be measured, and the vertical axis represents the error between the corrected distance and the actual distance. Referring to FIG. 12, it can be seen that the corrected distance corrected by Equation 2 has an error within 5 mm of the actual distance.

이와 같이 본 발명은 수학식 2에서 제안하는 보정 알고리즘을 이용하여 초음파 센서에서 측정한 측정 거리를 보정하는 방안을 제안하며, 본 발명에서 제안하는 보정 알고리즘에 의하면 초음파 센서가 측정한 측정 거리는 실제 거리를 기준으로 5㎜ 이내로 보정됨을 알 수 있다.As described above, the present invention proposes a method of correcting the measurement distance measured by the ultrasonic sensor using the correction algorithm proposed in Equation 2, and according to the correction algorithm proposed in the present invention, the measurement distance measured by the ultrasonic sensor is the actual distance. It can be seen that it is calibrated within 5mm as a standard.

본 발명은 보정 알고리즘을 이용하여 산출된 보정 거리를 기 지정된 길이(가로 디폴트 값, 세로 디폴트 값, 높이 디폴트 값)에서 감산하여 피측정물의 크기를 산출한다.The present invention calculates the size of an object to be measured by subtracting a correction distance calculated using a correction algorithm from a predetermined length (a horizontal default value, a vertical default value, and a height default value).

이에 대해 도면 제 13도를 이용하여 설명하면 다음과 같다. 본 발명은 피측정물이 안착되는 지점부터 상단에 위치한 높이를 측정하는 초음파 센서까지의 길이(높이 디폴트 값), 양측면에 위치한 초음파 센서의 길이(가로 디폴트 값) 및 전면에서 후방향에서 위치한 초음파 센서까지의 길이(세로 디폴트 값)을 저장한다. 이후 초음파 센서를 이용하여 피측정물까지의 거리를 측정하며, 측정된 측정 거리를 보정 알고리즘을 이용하여 보정한 보정 거리를 산출한다. 마지막으로 각 디폴트 값에서 산출한 보정 거리를 감산하여 피측정물의 가로 방향, 세로 방향 및 높이 방향의 길이를 산출하며, 산출된 각 방향의 길이를 이용하여 피측정물의 부피를 산출한다.This will be described with reference to FIG. 13 as follows. The present invention relates to the length from the point where the object to be measured is placed to the ultrasonic sensor that measures the height located at the top (height default value), the length of the ultrasonic sensor located on both sides (horizontal default value), and the ultrasonic sensor located from the front to the rear. It stores the length to (vertical default value). Thereafter, the distance to the object to be measured is measured using an ultrasonic sensor, and the corrected distance is calculated using a correction algorithm for the measured distance. Finally, the length of the measurement object in the horizontal direction, the vertical direction, and the height direction is calculated by subtracting the correction distance calculated from each default value, and the volume of the measurement object is calculated using the calculated length in each direction.

이외에도 초음파 센서는 주변 온도에 따른 영향을 가지고 있다. 따라서 이하에서는 온도에 따른 초음파 센서의 측정 거리를 보정하는 방안에 대해 알아보기로 한다.In addition, the ultrasonic sensor has an influence on the ambient temperature. Therefore, hereinafter, a method of correcting the measurement distance of the ultrasonic sensor according to temperature will be described.

초음파 센서는 주변 온도가 높은 경우에는 초음파 속도의 높아지며, 주변 온도가 낮은 경우에는 초음파 속도가 낮아진다. 하기 수학식 3은 주변 온도에 따른 초음파의 속도를 나타내고 있다.The ultrasonic sensor increases the ultrasonic speed when the ambient temperature is high, and decreases the ultrasonic speed when the ambient temperature is low. Equation 3 below shows the speed of ultrasonic waves according to the ambient temperature.

Figure 112019055968940-pat00003
Figure 112019055968940-pat00003

본 발명은 주변 온도 -10℃ 내지 45℃를 기준으로 평가를 실시하였으며, 20℃를 제외한 45℃, -10℃ 그리고 5℃ 구간에서 측정 허용 오차를 초과하는 경우가 발생하였다. 부연하여 설명하면, 초음파의 속도를 온도와 상관없이 동일하게 적용할 경우, 일부 온도 구간에서 측정 허용 오차를 초과하는 경우가 발생함을 알 수 있다.The present invention was evaluated based on the ambient temperature of -10 ℃ to 45 ℃, except for 20 ℃ 45 ℃, -10 ℃, and the case of exceeding the measurement tolerance in the 5 ℃ section occurred. To further explain, it can be seen that when the speed of the ultrasonic waves is applied equally regardless of temperature, the measurement tolerance may be exceeded in some temperature ranges.

따라서 본 발명은 주변 온도를 측정하고, 측정한 주변 온도에 따라 수학식 3을 적용하여 초음파 속도를 달리 적용하는 방안을 제안한다. 수학식 3에서와 같이 주변 온도에 따라 초음파 속도를 달리 적용하는 경우 모든 주변 온도 구간에서 측정 허용 오차를 초과하지 않음을 알 수 있다.Accordingly, the present invention proposes a method of measuring the ambient temperature and applying Equation 3 according to the measured ambient temperature to vary the ultrasonic speed. As in Equation 3, it can be seen that when the ultrasonic speed is applied differently according to the ambient temperature, the measurement tolerance is not exceeded in all ambient temperature sections.

또한, 본 발명은 단순히 수학식 3을 적용하여 초음파의 속도를 달리 적용하는 것이 아니라 온도에 따른 초음파의 속도를 측정하고 이를 기반으로 실제 적용할 초음파의 속도를 결정한다.In addition, the present invention does not simply apply Equation 3 to differently apply the speed of ultrasonic waves, but measures the speed of ultrasonic waves according to temperature, and determines the speed of ultrasonic waves to be actually applied based on this.

도 14는 본 발명의 일실시 예에 따른 온도별 초음파 속도의 변수를 결정하는 방안을 도시하고 있다. 이하 도 14를 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 온도별 초음파 속도의 변수를 결정하는 방안에 대해 상세하게 알아보기로 한다.14 illustrates a method of determining a variable of an ultrasonic velocity for each temperature according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, a method of determining a variable of an ultrasonic velocity for each temperature according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 14.

도 14에 의하면, 온도, 이론 속도, 적용 속도, 평균 속도, 최저 속도 및 최고 속도를 나타내고 있다. 이론 속도는 수학식 3에 의해 각 온도별 초음파의 속도를 의미하며, 최저 속도는 각 온도에서 실제 측정한 초음파의 속도 중 최저 속도를 의미한다. 또한, 최고 속도는 각 온도에서 실제 측정한 초음파의 속도 중 최고 속도를 의미하며, 평균 속도는 각 온도에서 실제 측정한 초음파 속도의 평균 속도를 의미한다. 최저 속도와 최고 속도는 측정된 모든 초음파의 속도를 고려하는 것이 아니라 오차 범위 이내의 속도를 갖는 초음파 속도만을 고려한다. 오차 범위는 각 제조사에서 결정하며, 일반적으로 5㎜를 채택한다.14 shows temperature, theoretical speed, application speed, average speed, minimum speed, and maximum speed. The theoretical speed refers to the speed of ultrasonic waves for each temperature by Equation 3, and the minimum speed refers to the lowest speed among the speeds of ultrasonic waves actually measured at each temperature. In addition, the maximum speed means the highest speed among the speeds of ultrasonic waves actually measured at each temperature, and the average speed means the average speed of the ultrasonic speeds actually measured at each temperature. The minimum and maximum speeds do not take into account the speeds of all measured ultrasonic waves, but only consider the speeds of ultrasonic waves within the error range. The error range is determined by each manufacturer, and generally 5mm is adopted.

적용 속도는 각 온도에서 실제 적용할 초음파의 속도를 의미한다. 적용 속도는 상술한 평균 속도를 이용하며, 평균 속도와 동일한 값을 사용하거나 평균 속도에 근접한 값을 사용한다. The application speed refers to the speed of ultrasonic waves to be actually applied at each temperature. The applied speed is the average speed described above, and a value equal to or close to the average speed is used.

이와 같이 본 발명은 각 온도에 따른 초음파의 속도를 달리 적용하며, 달리 적용된 초음파의 속도를 이용하여 피측정물과의 거리를 측정한다.As described above, the present invention applies different speeds of ultrasonic waves according to each temperature, and measures the distance to the object to be measured by using the speeds of differently applied ultrasonic waves.

본 발명은 도면에 도시된 일실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.Although the present invention has been described with reference to an embodiment shown in the drawings, this is only exemplary, and those of ordinary skill in the art will understand that various modifications and other equivalent embodiments are possible therefrom. .

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Claims (6)

초음파 센서를 피측정물과 제1 이격 거리를 갖도록 이격시키는 단계;
상기 초음파 센서에서 설정된 횟수를 갖는 트리거 신호를 발진시키는 단계;
발진된 각 트리거 신호별로 피측정물과의 측정 거리를 산출하는 단계;
산출된 측정 거리에서 설정된 개수의 상위 측정 거리와 하위 측정 거리를 제외한 나머지 측정 거리의 평균 거리를 산출하는 단계;
산출된 평균 거리를 하기 수학식 4의 보정 알고리즘을 이용하여 보정 거리를 산출하는 단계;
기 설정된 길이인 제1 지점에서 제1 초음파 센서까지의 길이인 제1 길이에서 상기 보정 알고리즘을 이용하여 산출된 보정 거리를 감산하여 피측정물의 제1 방향으로의 길이, 기 설정된 길이인 제2 지점에서 제2 초음파 센서까지의 길이인 제2 길이에서 상기 보정 알고리즘을 이용하여 산출된 보정 거리를 감산하여 피측정물의 제2 방향으로의 길이 및 기 설정된 길이인 제3 지점에서 제3 초음파 센서까지의 길이인 제3 길이에서 상기 보정 알고리즘을 이용하여 산출된 보정 거리를 감산하여 피측정물의 제3 방향으로의 길이를 산출하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 초음파 센서의 측정 거리 보정 방법.
[수학식 4]
Figure 112020044737113-pat00004

L': 보정 거리 INT: 소수점 이하를 제외한 정수Separating the ultrasonic sensor to have a first separation distance from the object to be measured;
Oscillating a trigger signal having a set number of times by the ultrasonic sensor;
Calculating a measurement distance from the object to be measured for each of the oscillated trigger signals;
Calculating an average distance of the remaining measurement distances excluding the set number of upper and lower measurement distances from the calculated measurement distances;
Calculating a correction distance from the calculated average distance using a correction algorithm of Equation 4 below;
The length in the first direction of the object to be measured by subtracting the correction distance calculated using the correction algorithm from the first length, which is the length from the first point that is the preset length to the first ultrasonic sensor, and the second point that is the preset length. The length in the second direction of the object to be measured and the preset length from the third point to the third ultrasonic sensor by subtracting the correction distance calculated using the correction algorithm from the second length from to the second ultrasonic sensor And calculating a length in a third direction of the object to be measured by subtracting the correction distance calculated using the correction algorithm from the third length, which is a length.
[Equation 4]
Figure 112020044737113-pat00004

L': Correction distance INT: Integer excluding decimal point 제 1항에 있어서, 상기 트리거 신호의 15㎳이내에서 16회 발진하여 피측정물과의 16개의 측정 거리를 산출하며,
산출된 16개의 측정 거리 중 상위 측정 거리 6개와 하위 측정 거리 6개를 제외한 나머지 4개의 측정 거리에 대한 평균 거리를 산출함을 특징으로 하는 초음파 센서의 측정 거리 보정 방법.
The method of claim 1, wherein the trigger signal is oscillated 16 times within 15 ms of the trigger signal to calculate 16 measurement distances to the object to be measured,
A method of calibrating a measurement distance of an ultrasonic sensor, comprising calculating an average distance for the remaining 4 measurement distances excluding 6 upper measurement distances and 6 lower measurement distances among the calculated 16 measurement distances.
제 1항에 있어서, 상기 제1 이격 거리는 40㎜ 내지 550㎜ 중 적어도 어느 하나의 이격 거리이며, 이격 거리는 1*n(n은 자연수)임을 특징으로 하는 초음파 센서의 측정 거리 보정 방법.
The method of claim 1, wherein the first separation distance is at least one of 40 mm to 550 mm, and the separation distance is 1*n (n is a natural number).
제1 항에 있어서,
온도 센서에 의해 측정된 온도 정보를 이용하여 상기 초음파 센서에서 발진되는 트리거 신호의 속도를 산출하고, 산출된 트리거 신호의 속도를 이용하여 피측정물과의 거리를 산출함을 특징으로 하는 초음파 센서의 측정 거리 보정 방법.
According to claim 1,
Using the temperature information measured by the temperature sensor, the speed of the trigger signal oscillated from the ultrasonic sensor is calculated, and the distance to the object to be measured is calculated using the calculated speed of the trigger signal. How to calibrate the measurement distance.
제 4항에 있어서, 각 온도별로 측정된 트리거 신호의 평균 속도를 이용하여 상기 피측정물과의 거리를 산출함을 특징으로 하는 초음파 센서의 측정 거리 보정 방법.
The method of claim 4, wherein the distance to the object to be measured is calculated using an average speed of the trigger signal measured for each temperature.
제 5항에 있어서, 상기 트리거 신호의 평균 속도는,
오차 범위 이내의 트리거 신호들의 평균 속도임을 특징으로 하는 초음파 센서의 측정 거리 보정 방법.The method of claim 5, wherein the average speed of the trigger signal is
A method of calibrating a measurement distance of an ultrasonic sensor, characterized in that it is an average speed of trigger signals within an error range.
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