KR102415195B1 - Apparatus for estimating of road surface type using atmospheric attenuation corrected sound wave and method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 음파 신호를 송신하여 반사된 신호를 수신하고, 수신한 신호에 대한 대기중 음파의 감쇄량을 보정한 후, 감쇄량이 보정된 신호에 대하여 인공신경망을 이용하여 학습시켜 해당 노면의 종류를 추정하도록 하는 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 장치 및 그 방법을 제공한다.The present invention relates to an apparatus and method for estimating the type of road surface using sound waves in which the amount of atmospheric attenuation is corrected, and more particularly, to transmit a sound wave signal to receive a reflected signal, and to correct the attenuation amount of the sound wave in the air with respect to the received signal Then, there is provided an apparatus and method for estimating the type of road using sound waves with the amount of atmospheric attenuation corrected for estimating the type of the corresponding road surface by learning the attenuation amount-corrected signal using an artificial neural network.

Description

대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR ESTIMATING OF ROAD SURFACE TYPE USING ATMOSPHERIC ATTENUATION CORRECTED SOUND WAVE AND METHOD THEREOF}Apparatus and method for estimating road surface type using sound waves corrected for atmospheric attenuation

본 발명은 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 음파 신호를 송신하여 반사된 신호를 수신하고, 수신한 신호에 대한 대기중 음파의 감쇄량을 보정한 후, 감쇄량이 보정된 신호에 대하여 인공신경망을 이용하여 학습시켜 해당 노면의 종류를 추정하도록 하는 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for estimating the type of road surface using sound waves in which the amount of atmospheric attenuation is corrected, and more particularly, to transmit a sound wave signal to receive a reflected signal, and to correct the attenuation amount of the sound wave in the air with respect to the received signal Then, the present invention relates to an apparatus and method for estimating a road surface type using a sound wave having an atmospheric attenuation corrected amount, for estimating the type of the corresponding road surface by learning the attenuation amount corrected signal using an artificial neural network.

미국에서는 매년 600 만건 내외의 교통사고가 발생한다. 특히, 노면의 미끄러움만으로 미국에서만 한해 평균 120 만건 이상의 사고가 발생하고, 이러한 사고로 매년 5000명 이상이 사망하고 있다. 이에, 노면의 미끄러움은 국가와 보험사에 큰 부담으로 작용하는 하나의 사회적 문제로 대두되고 있다.In the United States, approximately 6 million car accidents occur each year. In particular, an average of more than 1.2 million accidents occur annually in the United States alone, and more than 5,000 people die every year from these accidents. Accordingly, the slippery road surface is emerging as a social problem that places a great burden on the state and insurance companies.

한국도 예외는 아니다. 매년 겨울철마다 블랙아이스 사고가 발생하며, 최근 5년간 6,500 건이 발생했으며, 사망자수는 200 여명에 달한다.Korea is no exception. Black ice accidents occur every winter, 6,500 cases have occurred in the last 5 years, and the death toll is about 200.

우리나라에서 융설 과정은 4단계로 이뤄지고 있는데, 이 모든 과정의 전달이 사람에 의해 수동적으로 전달되고 있으며, 최종 단계까지 전달될 때까지 수 시간이 소요된다. 지난번 상주영천고속도로의 블랙아이스 사고의 경우도, 담당공무원이 예보를 확인했지만 사전 융설을 요청하지 않아 발생한 인재였다.In Korea, the snow melting process consists of four stages, and the transmission of all these processes is passively transmitted by humans, and it takes several hours to reach the final stage. In the case of the last black ice accident on the Sangju-Yeongcheon Expressway, the official in charge checked the forecast but did not request snowmelting in advance.

이러한 사고는 노면의 상태를 실시간으로 감지할 수 있는 센서 및 이를 이용한 알림 시스템의 부재로 인한 것이다.This accident is due to the absence of a sensor capable of detecting the state of the road surface in real time and a notification system using the same.

한편, 지금까지 노면의 종류나 노면의 마찰계수를 추정하는 방법으로 제안 된 방법으로는 크게 두 가지가 있다.On the other hand, there are two major methods that have been proposed so far as a method for estimating the type of road surface or the friction coefficient of the road surface.

하나는 직접적 방법으로 물리적인 마찰을 일으켜서 알아내는 방법이고, 다른 하나는 간접적 방법으로 전파나 음파를 이용하는 방법이다.One is a method to find out by causing physical friction in a direct method, and the other is a method using radio waves or sound waves in an indirect method.

먼저, 직접적 방법에는 휠기반의 방법과 차량 동역학 기반의 방법이 있다.First, the direct method includes a wheel-based method and a vehicle dynamics-based method.

이 두 방법의 공통점은 운전자의 의도와 무관하게 브레이크를 작동시켜서 차량의 감속 정도로 노면의 마찰계수를 추정하는 것이다.What these two methods have in common is to apply the brake regardless of the driver's intention to estimate the friction coefficient of the road to the degree of deceleration of the vehicle.

이 방법은 마찰계수를 알고 싶은 해당 노면을 밟아야지만 알 수 있고 차량 동역학 모델이 필수적으로 필요하다. 또한 브레이크를 동작시켜야 하므로 승차감이나 연비에 영향을 주는 한계가 있다.In this method, the friction coefficient can be known only by stepping on the relevant road surface, and a vehicle dynamics model is essential. In addition, there is a limit that affects the riding comfort and fuel economy because the brake must be operated.

한편, 간접적 방법에는 전자기파와 음파를 이용한 방식이 있는데, 이 두 방식 모두 물리적인 마찰이 필요하지 않으므로, 차량 동역학 모델에 대해 독립적으로 사용할 수 있으며 해당 노면의 접촉 없이 미리 노면의 상태를 알 수 있는 장점이 있다.On the other hand, indirect methods include methods using electromagnetic waves and sound waves. Both methods do not require physical friction, so they can be used independently for the vehicle dynamics model, and the advantage of knowing the road surface condition in advance without contact with the corresponding road surface There is this.

상기 전자기파 기반의 방식은 카메라, 라이다, 레이더 등을 사용하는데, 상당히 멀리 볼 수 있지만, 정확도가 상대적으로 떨어지며, 시스템의 가격이 수백에서 수천 달러에 형성되어 매우 고가에 속한다. 또한, 데이터의 양이 많아서 데이터 셋(Data Set)을 만드는데 어려움도 있다.The electromagnetic wave-based method uses a camera, lidar, radar, etc., and although it can see quite far, the accuracy is relatively low, and the price of the system is formed in hundreds to thousands of dollars, so it is very expensive. In addition, there is a difficulty in creating a data set because the amount of data is large.

또한 전자기파 방식 중 하나인 이미지 센서를 사용한 방식이 있으며, 영상 센서인 카메라를 이용해서 노면의 종류를 구분한다. 하지만 이미지 센서의 경우 조도에 영향을 크게 받으며, 블랙아이스는 사람에 눈에 잘 보이지 안 듯, 비전 센서는 이를 감지하지 못한다. 이러한 한계로 이미지 센서를 사용 방법의 평균 성능은 70% 미만이다, 또한, 이미지 센서뿐 아니라 고성능의 영상 처리장치가 필요하여 그 비용이 상대적으로 크다.Also, there is a method using an image sensor, which is one of the electromagnetic wave methods, and the type of road surface is classified using a camera, which is an image sensor. However, in the case of an image sensor, it is greatly affected by the illuminance, and as black ice is invisible to the human eye, the vision sensor cannot detect it. Due to this limitation, the average performance of the method using the image sensor is less than 70%, and the cost is relatively high because not only the image sensor but also a high-performance image processing device is required.

블랙아이스의 경우 사람의 눈에 보이지 않듯이 이미지 센서로도 감지가 불가능하다. 즉, 이미지 센서 방식으로는 다양한 종류의 노면을 구분할 수 없는 한계가 있다.Black ice is invisible to the human eye and cannot be detected by an image sensor. That is, the image sensor method has a limitation in not being able to distinguish various types of road surfaces.

한편, 상기 음파를 이용한 방식으로는, 패시브(Passive) 센싱 방식과 액티브(Active) 센싱 방식이 있는데, 패시브 센싱 방식으로 일정 시간동안 타이어에서 나는 소음을 마이크로 녹음한 후 인공신경망을 이용하여 분류하는 방식이 있다. 이러한 방식에서 타이어가 지나간 노면에 대해서만 노면의 종류를 알 수가 있고 분류에 긴 시간이 소요되는 한계가 있다. 한편, 액티브 센싱 방식 중에는, 거리와 반사 세기 정보만 이용하여 반사된 노면을 구분하는 연구가 있는데, 이는 주변 외란에 약하다는 단점이 있다.On the other hand, as a method using the sound wave, there are a passive sensing method and an active sensing method. In the passive sensing method, noise generated from a tire for a certain period of time is recorded with a microphone and then classified using an artificial neural network. There is this. In this way, the type of road can be known only for the road on which the tire has passed, and there is a limitation that the classification takes a long time. On the other hand, among active sensing methods, there is a study for classifying a reflected road surface using only distance and reflection intensity information, which has a disadvantage in that it is weak against ambient disturbance.

한편, 요즘 도로에 번호판이 하늘색인 전기차와 수소차가 많이 보이고 있다. 블룸버그에 의하면 2040년에는 판매되는 차량의 반 이상이 전기차가 될 것이라고 예측하고 있으며, 도로에 다니는 차량의 3분의 1이 전기차가 될것이라고 예상하고 있다.Meanwhile, on the road these days, there are a lot of electric cars and hydrogen cars with sky-blue license plates. According to Bloomberg, more than half of vehicles sold by 2040 will be electric, and a third of vehicles on the road will be electric.

전기차의 주행가능 거리인 마일리지를 늘리기 위해 차량 제조사들은 회생 제동을 적극적으로 활용하고 있다. 그런데 회생제동으로 인해 차가 미끄러져서 사고가 났다는 소식을 어렵지 않게 들을 수 있다. 회생 제동으로 뒷바퀴에 견인력을 잃었다던지 바퀴가 잠기는 증상이 발생한다 To increase the mileage, which is the driving range of electric vehicles, vehicle manufacturers are actively using regenerative braking. However, it is not difficult to hear the news that the car slipped due to regenerative braking and caused an accident. The regenerative braking causes the rear wheel to lose traction or the wheel locks.

현재 테슬라의 회생제동 설정을 보면 표준과 낮음으로 변경시킬 수는 있지만 끄는 옵션은 없다. 이러한 사고가 나는 이유는 회생제동 모듈의 제어주기가 100ms로 다른 시스템보다 긴 편이며 제조사가 회생제동 기능을 끌 수 있게 만들지 않는 이유는 차량의 이동가능 거리가 급격히 하락하기 때문이다.If you look at Tesla's current regenerative braking settings, you can change it to standard and low, but there is no option to turn it off. The reason for such an accident is that the control period of the regenerative braking module is 100ms longer than other systems, and the reason the manufacturer does not allow the regenerative braking function to be turned off is that the vehicle's moving distance is rapidly decreasing.

주행하는 노면의 상태에 따라 회생제동을 하면 가장 좋을 것 같지만 노면의 종류를 차량이 지나가기 전에 미리 알 수 없어 이러한 문제가 생긴다고 할 수 있다.It would be best to apply regenerative braking depending on the condition of the driving road surface, but it can be said that this problem occurs because the type of road surface cannot be known in advance before the vehicle passes.

한편, 음파를 송신하고 수신하기까지의 거리(간격)가 먼 경우, 그 사이에 송신 음파 신호 및 수신 음파 신호는 대기(공기)를 통해 전해지며 자연스럽게 감쇄가 일어난다. 따라서, 감쇄된 수신 음파 신호를 이용할 경우 노면 상태를 결정하는 시스템의 정확도가 떨어지게 되는 문제점이 있다.On the other hand, when the distance (interval) between transmitting and receiving sound waves is long, the transmitted sound wave signal and the received sound wave signal are transmitted through the atmosphere (air) and attenuation occurs naturally. Accordingly, there is a problem in that the accuracy of the system for determining the road surface condition is deteriorated when the attenuated received sound wave signal is used.

한국등록특허 [10-1716270]에서는 전방 지면 상태 추정 장치 및 방법이 개시되어 있다.Korean Patent Registration [10-1716270] discloses an apparatus and method for estimating a front ground state.

한국등록특허 [10-2136576]에서는 노면 상태 측정 장치 및 노면 상태 진단 시스템가 개시되어 있다.Korean Patent Registration [10-2136576] discloses a road surface condition measurement device and a road surface condition diagnosis system.

한국등록특허 [10-2156295]에서는 초음파 신호를 이용한 노면 종류 추정 방법 및 장치가 개시되어 있다.Korean Patent Registration [10-2156295] discloses a method and apparatus for estimating a road surface type using an ultrasonic signal.

한국등록특허 [10-2207816]에서는 센서 데이터를 이용한 노면 상태 측정 방법 및 그 장치가 개시되어 있다.Korean Patent Registration [10-2207816] discloses a method and apparatus for measuring a road surface condition using sensor data.

한국등록특허 [10-1716270](등록일자: 2017. 03. 08)Korean Patent Registration [10-1716270] (Registration Date: 2017.03.08) 한국등록특허 [10-2136576](등록일자: 2020. 07. 16)Korean Patent [10-2136576] (Registration Date: 2020. 07. 16) 한국등록특허 [10-2156295](등록일자: 2020. 09. 09)Korean Patent [10-2156295] (Registration Date: 2020. 09. 09) 한국등록특허 [10-2207816](등록일자: 2021. 01. 20)Korean Patent [10-2207816] (Registration Date: 2021. 01. 20)

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 음파 신호를 송신하여 반사된 신호를 수신하고, 수신한 신호에 대한 대기중 음파의 감쇄량을 보정한 후, 감쇄량이 보정된 신호에 대하여 인공신경망을 이용하여 학습시켜 해당 노면의 종류를 추정하도록 하는 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.Accordingly, the present invention has been devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to transmit a sound wave signal, receive a reflected signal, and correct the attenuation amount of the sound wave in the air for the received signal, To provide an apparatus and method for estimating a road surface type using sound waves with a corrected amount of atmospheric attenuation for estimating the type of the corresponding road surface by learning the attenuation amount-corrected signal using an artificial neural network.

본 발명의 실 시예들의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The purpose of the embodiments of the present invention is not limited to the above-mentioned purpose, and other objects not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the following description. .

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 장치는, 종류를 알고자하는 해당 노면으로 음파 신호를 송신한 후, 반사된 신호를 수신하기 위한 음파 송수신부(100); 상기 수신한 신호의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 아날로그디지털변환기(200); 상기 디지털 신호의 대기중 감쇄량을 계산하여 보정하기 위한 대기감쇄량보정부(300); 상기 보정된 디지털 신호를 입력 신호로 하고, 학습된 노면분류모델에 기반하여 상기 입력 신호를 분류하여 상기 노면의 종류를 추정하는 인공신경망(400); 및 상기 음파 송수신부, 상기 아날로그디지털변환기, 상기 대기감쇄량보정부 및 상기 인공신경망의 동작을 제어하는 제어부(MCU)(500)를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, an apparatus for estimating a road surface type using a sound wave having an atmospheric attenuation amount corrected according to an embodiment of the present invention transmits a sound wave signal to a corresponding road surface for which the type is to be known, and then collects the reflected signal. Sound wave transceiver 100 for receiving; an analog-to-digital converter 200 for converting an analog signal of the received signal into a digital signal; an atmospheric attenuation correction unit 300 for calculating and correcting the atmospheric attenuation amount of the digital signal; an artificial neural network 400 that uses the corrected digital signal as an input signal and classifies the input signal based on the learned road surface classification model to estimate the type of road surface; and a control unit (MCU) 500 for controlling the operation of the sound wave transceiver, the analog-to-digital converter, the atmospheric attenuation correction unit, and the artificial neural network.

또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 방법은, 제어부의 제어에 따라, 종류를 알고자하는 해당 노면으로 음파 신호를 송신한 후, 반사된 신호를 수신하는 반사신호수신단계(S20); 상기 제어부의 제어에 따라, 상기 수신한 신호의 기설정 영역에 대하여 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 신호변환단계(S30); 상기 제어부의 제어에 따라, 상기 디지털 신호의 대기중 감쇄량을 계산하여 보정하는 대기감쇄량보정단계(S40); 상기 제어부의 제어에 따라, 상기 보정된 디지털 신호의 기설정 영역에 대하여 주파수 변환을 수행하여 주파수 도메인 신호를 획득하는 주파수도메인신호획득단계(S50); 및 상기 제어부의 제어에 따라, 상기 주파수 도메인 신호를 신경망의 입력 신호로 하고, 학습된 노면분류모델에 기반하여, 상기 입력 신호의 특성을 추출하고, 분류하여 상기 노면의 종류를 결정하는 제1노면종류결정단계(S60)를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, in the method for estimating the type of road using sound waves in which atmospheric attenuation is corrected according to an embodiment of the present invention for achieving the above object, the sound wave signal is transmitted to the corresponding road surface for which the type is to be known under the control of the controller. After transmitting, a reflected signal receiving step of receiving the reflected signal (S20); a signal conversion step (S30) of converting an analog signal into a digital signal for a preset region of the received signal under the control of the controller; an atmospheric attenuation correction step (S40) of calculating and correcting the atmospheric attenuation amount of the digital signal under the control of the control unit; a frequency domain signal obtaining step of obtaining a frequency domain signal by performing frequency conversion on a preset region of the corrected digital signal under the control of the controller (S50); and a first road surface that uses the frequency domain signal as an input signal of a neural network under the control of the controller, extracts and classifies characteristics of the input signal based on a learned road surface classification model, and determines the type of the road surface It is characterized in that it includes a type determination step (S60).

또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 방법은, 제어부의 제어에 따라, 종류를 알고자하는 해당 노면으로 음파 신호를 송신한 후, 반사된 신호를 수신하는 반사신호수신단계(S20); 상기 제어부의 제어에 따라, 상기 수신한 신호의 기설정 영역에 대하여 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 신호변환단계(S30); 상기 디지털 신호의 대기중 감쇄량을 계산하여 보정하는 대기감쇄량보정단계(S40); 상기 제어부의 제어에 따라, 인공신경망에서 대기중 감쇄량이 보정된 디지털 신호를 전달받아 다회의 컨벌루션 연산을 수행하는 컨벌루션연산단계(S70); 및 상기 제어부의 제어에 따라, 상기 인공신경망에서 학습된 노면분류모델에 기반하여, 상기 컨번루션 연산된 신호의 특성을 추출하고, 분류하여 상기 노면의 종류를 결정하는 제2노면종류결정단계(S80)를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, in the method for estimating the type of road using sound waves in which atmospheric attenuation is corrected according to another embodiment of the present invention for achieving the above object, the sound wave signal is transmitted to the corresponding road surface for which the type is to be known under the control of the controller. After transmitting, a reflected signal receiving step of receiving the reflected signal (S20); a signal conversion step (S30) of converting an analog signal into a digital signal for a preset region of the received signal under the control of the controller; an atmospheric attenuation correction step of calculating and correcting the atmospheric attenuation amount of the digital signal (S40); a convolution operation step (S70) of receiving a digital signal with a corrected amount of attenuation in the air from the artificial neural network under the control of the control unit and performing a convolution operation multiple times; and a second road surface type determination step of extracting and classifying characteristics of the convolutional signal based on the road surface classification model learned from the artificial neural network under the control of the controller and determining the type of the road surface (S80) ) is characterized in that it contains.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 방법을 구현하기 위한 프로그램이 저장된 컴퓨터 판독 가능한 기록매체가 제공되는 것을 특징으로 한다.In addition, according to an embodiment of the present invention, there is provided a computer-readable recording medium storing a program for implementing the method for estimating the type of road using the sound wave in which the atmospheric attenuation amount is corrected.

아울러, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 방법을 구현하기 위해, 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장된 프로그램이 제공되는 것을 특징으로 한다.In addition, according to an embodiment of the present invention, a program stored in a computer-readable recording medium is provided to implement the method for estimating the type of road using the sound wave in which the atmospheric attenuation amount is corrected.

본 발명의 일 실시예에 따른 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 장치 및 그 방법에 의하면, 음파 신호를 송신하여 반사된 신호를 수신하고, 수신한 신호에 대한 대기중 음파의 감쇄량을 보정한 후, 감쇄량이 보정된 신호에 대하여 인공신경망을 이용하여 학습시켜 해당 노면의 종류를 추정하는 것이 가능하므로, 복잡하지 않은 구성을 통해 높은 정확도로 노면의 종류를 결정할 수 있는 효과가 있다.According to the apparatus and method for estimating the type of road surface using sound waves in which the atmospheric attenuation amount is corrected according to an embodiment of the present invention, a sound wave signal is transmitted and a reflected signal is received, and the attenuation amount of the atmospheric sound wave is corrected for the received signal. Then, it is possible to estimate the type of the road surface by learning the attenuation amount-corrected signal using an artificial neural network, so that the type of road surface can be determined with high accuracy through an uncomplicated configuration.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 장치 및 그 방법에 의하면, 실시간으로 대기 정보(온도, 습도, 기압 등)를 수집하여 수신한 신호에 대한 대기중 음파의 감쇄량을 바로 보정해 줄 수 있으므로, 실제 신호에 맞게 노면 종류에 따른 반사 신호를 정확하게 분석할 수 있는 효과가 있다.In addition, according to the apparatus and method for estimating the type of road using sound waves in which the atmospheric attenuation amount is corrected according to an embodiment of the present invention, atmospheric information (temperature, humidity, atmospheric pressure, etc.) is collected in real time and the received signal is in standby mode. Since the attenuation amount of the sound wave can be corrected immediately, there is an effect of accurately analyzing the reflected signal according to the type of road surface according to the actual signal.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 장치 및 그 방법에 의하면, 높은 정확도로 노면 종류 또는 노면의 상태를 결정할 수 있으므로, 얇은 얼음이 형성되는 블랙아이스의 생성 여부를 빠르게 확인할 수 있어, 해당 구간을 운행하는 운전자에게 미리 예보가 가능한 효과가 있다.In addition, according to the apparatus and method for estimating the type of road using sound waves in which atmospheric attenuation is corrected according to an embodiment of the present invention, the type or condition of the road surface can be determined with high accuracy, so that the black ice on which thin ice is formed Since it is possible to quickly check whether or not it is generated, there is an effect of being able to make a prediction in advance for the driver who operates the relevant section.

또, 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 장치 및 그 방법에 의하면, 가격이 저렴한 40kHz의 초음파 센서와 가벼운 알고리즘을 사용하여 노면 종류 추정 장치를 구현할 수 있으므로, 처리속도가 빠르고 경제적인 효과가 있다.In addition, according to the apparatus and method for estimating the type of road using sound waves with the amount of atmospheric attenuation corrected according to an embodiment of the present invention, the apparatus for estimating the type of road surface can be implemented using an inexpensive 40 kHz ultrasonic sensor and a light algorithm, The processing speed is fast and it has an economical effect.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 장치에서 송신 신호 및 수신 신호를 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 장치에서의 인공신경망의 일실시예 구성도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 음파를 이용한 노면 종류 추정 장치에서 신호 변환기를 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 장치에서 인공신경망의 다른 실시예 구성도.
도 6은 도 5의 컨벌루션 수행부의 동작을 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명에 따른 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 장치에서의 컨벌루션 수행부의 코드를 설명하기 위한 도면.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 장치에서 대기 감쇄량을 보정하지 않은 경우의 테스트 결과를 나타내는 표.
도 8b 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 장치에서 대기 감쇄량을 보정한 경우의 테스트 결과를 나타내는 표.
도 9는 본 발명에 따른 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 방법의 일실시예 흐름도.
도 10은 본 발명에 따른 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 방법의 다른 실시예 흐름도.
1 is a block diagram of an apparatus for estimating a road surface type using sound waves in which an atmospheric attenuation amount is corrected according to an embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a view for explaining a transmission signal and a reception signal in an apparatus for estimating a road surface type using a sound wave in which an atmospheric attenuation amount is corrected according to an embodiment of the present invention; FIG.
3 is a configuration diagram of an artificial neural network in an apparatus for estimating a road surface type using sound waves with a corrected atmospheric attenuation amount according to an embodiment of the present invention;
4 is a view for explaining a signal converter in the apparatus for estimating the type of road surface using sound waves according to an embodiment of the present invention;
5 is a block diagram of another embodiment of an artificial neural network in the apparatus for estimating the type of road using sound waves with the amount of atmospheric attenuation corrected according to the present invention;
FIG. 6 is a view for explaining an operation of the convolution performing unit of FIG. 5;
7 is a view for explaining a code of a convolution performing unit in the apparatus for estimating the type of road using sound waves in which atmospheric attenuation is corrected according to the present invention;
8A is a table showing a test result in the case where the atmospheric attenuation amount is not corrected in the apparatus for estimating the type of road using sound waves in which the atmospheric attenuation amount is corrected according to an embodiment of the present invention;
FIG. 8B is a table showing test results when the atmospheric attenuation amount is corrected in the apparatus for estimating the type of road using sound waves with the atmospheric attenuation amount corrected according to an embodiment of the present invention; FIG.
9 is a flowchart illustrating a method for estimating the type of road surface using sound waves in which atmospheric attenuation is corrected according to an embodiment of the present invention;
10 is a flowchart of another embodiment of a method for estimating a road surface type using a sound wave in which an atmospheric attenuation amount is corrected according to the present invention;

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 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 이해되어야한다.Since the present invention can have various changes and can have various embodiments, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.When a component is referred to as being “connected” or “connected” to another component, it may be directly connected or connected to the other component, but it is understood that other components may exist in between. it should be

반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.On the other hand, when it is said that a certain element is "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that the other element does not exist in the middle.

본 명세서에서 사용되는 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 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used herein are used only to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that a feature, number, process, operation, component, part, or a combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It is to be understood that this does not preclude the existence or addition of numbers, processes, operations, components, parts, or combinations thereof.

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 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having meanings consistent with the meanings in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. does not

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 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. 또한, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, the terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to conventional or dictionary meanings, and the inventor should properly understand the concept of the term in order to best describe his invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention. In addition, if there is no other definition in the technical terms and scientific terms used, it has the meaning commonly understood by those of ordinary skill in the art to which this invention belongs, and the summary of the present invention in the following description and accompanying drawings Descriptions of known functions and configurations that may be unnecessarily obscure will be omitted. The drawings introduced below are provided as examples so that the spirit of the present invention can be sufficiently conveyed to those skilled in the art. Accordingly, the present invention is not limited to the drawings presented below and may be embodied in other forms. Also, like reference numerals refer to like elements throughout. It should be noted that the same components in the drawings are denoted by the same reference numerals wherever possible.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 장치의 구성도이다.1 is a block diagram of an apparatus for estimating a road surface type using sound waves in which an atmospheric attenuation amount is corrected according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 장치는, 음파 송수신부(100), 아날로그디지털변환기(ADC: analog-digital converter), 대기감쇄량보정부(300), 인공신경망(400), 및 제어부(MCU)(500)를 포함한다.As shown in FIG. 1 , the apparatus for estimating the type of road using sound waves in which the atmospheric attenuation amount is corrected according to an embodiment of the present invention includes a sound wave transceiver 100 , an analog-digital converter (ADC), and air. It includes an attenuation correction unit 300 , an artificial neural network 400 , and a control unit (MCU) 500 .

상기 음파 송수신부(100)는 종류를 알고자하는 해당 노면으로 음파 신호를 송신한 후, 반사된 신호를 수신한다.The sound wave transceiver 100 transmits a sound wave signal to the corresponding road surface for which the type is to be known, and then receives the reflected signal.

상기 음파 송수신부(100)는 상기 제어부(500)의 제어에 따라 송신 신호를 출력하는 음파 송신기(101), 및 상기 송신 신호가 임의의 면에 반사되어 되돌아오는 반사 신호를 수신하는 음파 수신기(102)를 포함한다.The sound wave transceiver 100 includes a sound wave transmitter 101 that outputs a transmission signal under the control of the control unit 500, and a sound wave receiver 102 that receives a reflected signal from which the transmitted signal is reflected back on an arbitrary surface. ) is included.

상기 아날로그디지털변환기(200)는 상기 수신한 신호의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다.The analog-to-digital converter 200 converts the analog signal of the received signal into a digital signal.

상기 대기감쇄량보정부(300)는 상기 디지털 신호의 대기중 감쇄량을 계산하여 보정한다.The atmospheric attenuation correction unit 300 calculates and corrects the atmospheric attenuation amount of the digital signal.

상기 인공신경망(400)은 상기 보정된 디지털 신호를 입력 신호로 하고, 학습된 노면분류모델에 기반하여 상기 입력 신호를 분류하여 상기 노면의 종류를 추정한다.The artificial neural network 400 uses the corrected digital signal as an input signal, classifies the input signal based on the learned road surface classification model, and estimates the type of the road surface.

한편, 상기 인공신경망(400)에서는 의사결정트리(decision trees), 선형판별분석(discriminant analysis), 로지스틱 회귀 분류기(logistic regression classifiers), 나이브 베이즈 분류기(Naive Bayes classifier), 서포트 벡터 머신(support vector machine), 최근접 이웃 분류기(nearest neighbor classifiers), 앙상블 분류기(ensemble classifiers)중 적어도 하나 이상을 이용하여 분류 및 학습한다.On the other hand, in the artificial neural network 400, decision trees, linear discriminant analysis, logistic regression classifiers, naive Bayes classifier, support vector machine (support vector) machine), nearest neighbor classifiers, and ensemble classifiers are used to classify and learn.

의사결정트리(decision trees)는 Fine tree, Medium tree, Coarse tree, All tree, Optimizable tree를 포함하고, 선형판별분석(discriminant analysis)은 Linear discriminant, Quadratic discriminant, All discriminants, Optimizable discriminant를 포함하고, 나이브 베이즈 분류기(Naive Bayes classifier)는 Gaussian Naive Bayes, Kernel Naive Bayes, All Naive Bayes, Optimizable Naive Bayes를 포함하고, 서포트 벡터 머신(support vector machine, SVM)은 Linear SVM, Quadratic SVM, Cubic SVM, Fine Gaussian SVM, Medium Gaussian SVM, Coarse Gaussian SVM, All SVM, Optimizable SVM을 포함하고, 최근접 이웃 분류기(nearest neighbor classifiers)는 Fine KNN, Medium KNN, Coarse KNN, Cosine KNN, Cubic KNN, Weighted KNN, All KNN, Optimizable KNN을 포함하고, 앙상블 분류기(ensemble classifiers)는 Boosted trees, Bagged trees, Subspace Discriminant, Subspace KNN, RUSBoosted trees, All Ensembles, Optimizable Ensemble을 포함한다.Decision trees include Fine tree, Medium tree, Coarse tree, All tree, and Optimizable tree, and linear discriminant analysis includes Linear discriminant, Quadratic discriminant, All discriminants, Optimizable discriminant, and naive The Naive Bayes classifier includes Gaussian Naive Bayes, Kernel Naive Bayes, All Naive Bayes, and Optimizable Naive Bayes, and the support vector machine (SVM) includes Linear SVM, Quadratic SVM, Cubic SVM, and Fine Gaussian. It includes SVM, Medium Gaussian SVM, Coarse Gaussian SVM, All SVM, and Optimizable SVM, and the nearest neighbor classifiers are Fine KNN, Medium KNN, Coarse KNN, Cosine KNN, Cubic KNN, Weighted KNN, All KNN, Includes Optimizable KNN, and ensemble classifiers include Boosted trees, Bagged trees, Subspace Discriminant, Subspace KNN, RUSBoosted trees, All Ensembles, and Optimizable Ensemble.

상기 제어부(MCU)(500)는 상기 음파 송수신부(100), 상기 아날로그디지털변환기(200), 대기감쇄량보정부(300) 및 상기 인공신경망(400)의 동작을 제어한다.The control unit (MCU) 500 controls the operation of the sound wave transceiver 100 , the analog-to-digital converter 200 , the atmospheric attenuation correction unit 300 , and the artificial neural network 400 .

상기 아날로그디지털변환기(200), 대기감쇄량보정부(300) 및 상기 인공신경망(400)은 프로그램으로 구현된 소프트웨어를 구성요소로서 표현한 것이다.The analog-to-digital converter 200, the atmospheric attenuation correction unit 300, and the artificial neural network 400 express software implemented as a program as a component.

한편, 도면에 도시되지는 않았지만, 본 발명에 따른 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 장치는 상기 학습된 노면분류모델 및 상기 프로그램으로 구현된 소프트웨어가 저장되는 저장소(메모리)를 포함한다. 상기 저장소(메모리)는 상기 제어부(MCU)(500)에 포함되어 구성될 수도 있다.Meanwhile, although not shown in the drawings, the apparatus for estimating the type of road using sound waves in which atmospheric attenuation is corrected according to the present invention includes a storage (memory) in which the learned road surface classification model and software implemented with the program are stored. The storage (memory) may be configured to be included in the control unit (MCU) 500 .

한편, 본 발명에 따른 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 장치는 대기중의 온도, 습도 및 기압을 측정할 수 있는 대기정보측정부(600)를 더 포함한다.On the other hand, the apparatus for estimating the type of road using the sound wave in which the atmospheric attenuation amount is corrected according to the present invention further includes an atmospheric information measuring unit 600 capable of measuring the temperature, humidity, and atmospheric pressure in the atmosphere.

상기 제어부(500)의 제어에 따라, 상기 대기정보측정부(600)에서 측정한 상기 온도, 습도 및 기압을 포함하는 대기 정보가 상기 대기감쇄량보정부(300)에서 사용될 수 있으며, 상기 인공신경망(400)의 입력으로 전달될 수도 있다.Under the control of the control unit 500, the atmospheric information including the temperature, humidity, and atmospheric pressure measured by the atmospheric information measurement unit 600 may be used in the atmospheric attenuation correction unit 300, and the artificial neural network ( 400) as an input.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 장치에서 송신 신호 및 수신 신호를 설명하기 위한 도면이다.FIG. 2 is a view for explaining a transmission signal and a reception signal in the apparatus for estimating the type of road surface using sound waves in which the atmospheric attenuation amount is corrected according to an embodiment of the present invention.

도 2에 도시된 바와 같이, 제어부(MCU)(500)에서 기설정 크기(v : trigger voltage)를 가지고 기설정된 전송 주기(p: transmission period)를 가지는 트리거 신호를 음파 송수신부(100)로 전달한다.As shown in FIG. 2 , the control unit (MCU) 500 transmits a trigger signal having a preset size (v: trigger voltage) and a preset transmission period (p: transmission period) to the sound wave transceiver 100 . do.

그러면, 상기 음파 송수신부(100)의 음파 송신기(101)는 40 kH를 가지는 음파 신호(201)를 종류를 알고자 하는 해당 노면으로 출력한다.Then, the sound wave transmitter 101 of the sound wave transceiver 100 outputs the sound wave signal 201 having 40 kHz to the corresponding road surface for which the type is to be known.

이후, 상기 음파 송수신부(100)의 음파 수신기(102)는 상기 노면에 반사되어 돌아오는 반사 신호를 수신한다.Thereafter, the sound wave receiver 102 of the sound wave transceiver 100 receives the reflected signal reflected from the road surface.

여기서, 상기 음파 신호(201)와 같은 타임 라인에 수신되는 신호(202)는 상기 음파 송수신부(100)가 송신한 음파 신호의 크로스톡 신호이다. 또한, 상기 제어부(500)은 전송지연 이후에 수신한 신호의 진폭(amplitude)이 가장 큰 지점을 기준으로 기설정 시간 동안의 신호(203)를 수신 신호로 결정한다.Here, the signal 202 received on the same time line as the sound wave signal 201 is a crosstalk signal of the sound wave signal transmitted by the sound wave transceiver 100 . In addition, the controller 500 determines the signal 203 for a preset time based on the point at which the amplitude of the received signal is the largest after the transmission delay as the received signal.

예를 들어, 크로스톡 신호 이후에 수신한 신호의 진폭이 가장 큰 시점을 t_0라 할 때, t_0 - a [ms] 부터 t_0 + b [ms] 까지 총 (a+b) ms를 관찰 할 수 있으며, 도 2의 수신신호(203)은 a 가 0.2 이고, b가 5 이다. 물론 환경이나 조건에 따라 a 와 b는 조절이 가능하다.For example, assuming that t_0 is the point at which the amplitude of the signal received after the crosstalk signal is greatest, a total of (a+b) ms can be observed from t_0 - a [ms] to t_0 + b [ms]. , in the received signal 203 of FIG. 2, a is 0.2 and b is 5. Of course, depending on the environment or conditions, a and b can be adjusted.

여기서는, 송신된 음파 신호가 충분히 사라질 때까지의 시간인 10ms를 1 전송 주기로 하였고, 음파 송수신부(100)의 샘플링 주파수는 40kHz 음파 주파수의 25배로 샘플링하는 1M Hz 로 하였다.Here, 10 ms, which is the time until the transmitted sound wave signal sufficiently disappears, was set as one transmission period, and the sampling frequency of the sound wave transceiver 100 was set to 1M Hz for sampling 25 times the 40 kHz sound wave frequency.

이하, 하기 [수학식 1] 내지 [수학식 8]을 참조하여, 상기 대기감쇄량보정부(300)에서 음파 신호의 감쇄량을 계산하는 과정을 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to [Equation 1] to [Equation 8], the process of calculating the amount of attenuation of the sound wave signal in the atmospheric attenuation correction unit 300 will be described.

먼저, 포화 압력(Psat)은 하기 <수학식 1>을 이용하여 계산된다.First, the saturation pressure Psat is calculated using the following <Equation 1>.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112021132624768-pat00001
Figure 112021132624768-pat00001

여기서, To1은 대기의 삼중점[K]이고, T는 현재 온도[K]이다. Here, To1 is the triple point of the atmosphere [K], and T is the current temperature [K].

절대습도(h)는 하기 <수학식 2>를 이용하여 계산된다.Absolute humidity (h) is calculated using the following <Equation 2>.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112021132624768-pat00002
Figure 112021132624768-pat00002

여기서, hrin은 상대 습도[%]이고, Psat 은 포화 압력[단위]이고, Ps는 정압[atm]이다.where hrin is relative humidity [%], Psat is saturation pressure [ unit ], and Ps is static pressure [atm].

한편, 대기의 78%를 차지하는 질소의 확장된 이완 주파수(FrN : scaled relaxation frequency for Nitrogen)는 하기 <수학식 3>를 이용하여 계산된다.Meanwhile, the scaled relaxation frequency for nitrogen (FrN) of nitrogen occupying 78% of the atmosphere is calculated using the following <Equation 3>.

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112021132624768-pat00003
Figure 112021132624768-pat00003

여기서, To는 레퍼런스 온도[K]이고, T는 현재 온도[K]이다. Here, To is the reference temperature [K], and T is the current temperature [K].

한편, 대기의 21%를 차지하는 산소의 확장된 이완 주파수(FrO : scaled relaxation frequency for Oxygen)는 하기 <수학식 4>를 이용하여 계산된다.Meanwhile, the scaled relaxation frequency for oxygen (FrO) of oxygen occupying 21% of the atmosphere is calculated using the following <Equation 4>.

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112021132624768-pat00004
Figure 112021132624768-pat00004

여기서, h는 절대 습도이다.where h is the absolute humidity.

한편, 감쇄 계수(α: attenuation coefficient [nepers/m]])는 하기 <수학식 5>를 이용하여 계산된다.Meanwhile, the attenuation coefficient (α: attenuation coefficient [nepers/m]] is calculated using the following <Equation 5>.

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112021132624768-pat00005
Figure 112021132624768-pat00005

여기서, Ps는 정압이고, F는 음파 신호(송신음파신호)의 주파수이고, T는 현재 온도[K]이고, To는 레퍼런스 온도[K]이고, FrO는 산소의 확장된 이완 주파수이고, FrN은 질소의 확장된 이완 주파수이다. where Ps is the static pressure, F is the frequency of the sound wave signal (transmitted sound wave signal) , T is the current temperature [K], To is the reference temperature [K], FrO is the extended relaxation frequency of oxygen, and FrN is It is the extended relaxation frequency of nitrogen.

한편, 음파신호의 감쇄비(A, 단위: dB)는 하기 <수학식 6>를 이용하여 계산된다.On the other hand, the attenuation ratio (A, unit: dB) of the sound wave signal is calculated using the following <Equation 6>.

[수학식 6][Equation 6]

Figure 112021132624768-pat00006
Figure 112021132624768-pat00006

여기서, α는 감쇄 계수이고, d는 음파송수신기(100)와 종류를 알고자하는 해당 노면 사이의 거리이다.Here, α is an attenuation coefficient, and d is a distance between the sound wave transmitter 100 and the corresponding road surface for which the type is to be known.

상기 d는, 송신기에서 송신되었다가 노면에 반사되어 수신기에서 감지될 때까지의 소요시간 t(time of flight)와 대기중 음속(Vair)을 이용하여 하기 <수학식 7>을 이용하여 계산된다.The d is calculated using the following <Equation 7> using the required time t (time of flight) from being transmitted from the transmitter until it is reflected by the road surface and sensed by the receiver and the speed of sound (Vair) in the air.

[수학식 7][Equation 7]

Figure 112021132624768-pat00007
Figure 112021132624768-pat00007

여기서, t는 소요시간이고, Vair는 대기중 음속[m/s]이다.Here, t is the required time, and Vair is the speed of sound in the air [m/s].

한편, 대기중 음속은 하기 <수학식 8>를 이용하여 계산된다.On the other hand, the speed of sound in the air is calculated using the following <Equation 8>.

[수학식 8][Equation 8]

Figure 112021132624768-pat00008
Figure 112021132624768-pat00008

여기서, Ks는 물체의 등엔트로피적 체적팽창률(coefficient of stiffness)이고, ρ는 물체(대기)의 밀도이다.Here, Ks is the isentropic coefficient of stiffness of the object, and ρ is the density of the object (atmosphere).

이때, 공기(대기)를 이상기체로 가정하면, Ks= γP이고, γ는 열용량비(공기의 경우 1.4)이고, P는 압력이고, R은 이상기체 상수이고, T는 절대 온도[K]이다. 온도를 제외하면 상수이기 때문에, 근사적으로 표현할 수도 있다.At this time, assuming air (atmosphere) as an ideal gas, Ks = γP, γ is the heat capacity ratio (1.4 in the case of air), P is the pressure, R is the ideal gas constant, and T is the absolute temperature [K]. . Since it is a constant except for temperature, it can also be expressed approximately.

상기 대기중 음속은 대기의 온도, 기압 및 습도에 따라 보정하여 감쇄 보상에 이용할 수도 있다.The speed of sound in the atmosphere may be compensated for attenuation by correcting it according to the temperature, atmospheric pressure, and humidity of the atmosphere.

도 3은 본 발명에 따른 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 장치에서의 인공신경망의 일실시예 구성도이다.3 is a configuration diagram of an artificial neural network in an apparatus for estimating a type of road using sound waves with a corrected atmospheric attenuation amount according to an embodiment of the present invention.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 장치에서의 인공신경망(400)은 신호 변환기(410) 및 신경망(420)을 포함한다.As shown in FIG. 3 , the artificial neural network 400 in the apparatus for estimating the type of road using sound waves in which the atmospheric attenuation amount is corrected according to the present invention includes a signal converter 410 and a neural network 420 .

상기 신호 변환기(410)는 상기 수신한 신호의 시간 도메인 상의 기설정 영역에 대하여 주파수 변환을 수행하여 주파수 도메인 신호를 획득한다.The signal converter 410 obtains a frequency domain signal by performing frequency conversion on a preset region on the time domain of the received signal.

상기 신호 변환기(410)는 STFT(Short-Time Fourier Transform) 변환기, FFT(Fast Fourier Transform), 캡스트럼(cepstruam), 또는 웨이브렛 변환기(wavelet transform)가 될 수도 있다. 상기 주파수 도메인 신호는 2D 또는 3D 일 수 있다.The signal converter 410 may be a Short-Time Fourier Transform (STFT) converter, a Fast Fourier Transform (FFT), a cepstruam, or a wavelet transform. The frequency domain signal may be 2D or 3D.

상기 신경망(420)은 상기 주파수 도메인 신호를 입력 신호로 하고, 학습된 노면분류모델에 기반하여 상기 입력 신호의 특성을 추출하고, 분류하여 상기 노면의 종류를 추정한다.The neural network 420 uses the frequency domain signal as an input signal, extracts and classifies characteristics of the input signal based on the learned road surface classification model, and estimates the type of the road surface.

상기 신경망(420)은, 입력 레이어(401), 다수의 은닉 레이어(402) 및 출력 레이어(403)를 포함하는 다층 퍼셉트론(Multi-Layer Perceptron) 알고리즘의 심층 신경망(DNN : Deep Neural Network)이다.The neural network 420 is a deep neural network (DNN) of a multi-layer perceptron algorithm including an input layer 401 , a plurality of hidden layers 402 and an output layer 403 .

한편, 상기 신경망(420)의 구조는 상기 언급한 DNN에 한정되지 않는다.Meanwhile, the structure of the neural network 420 is not limited to the aforementioned DNN.

상기 입력 레이어(401)는 상기 주파수 도메인 신호의 데이터를 플랫튼시켜 1D로 입력받는다.The input layer 401 flattens data of the frequency domain signal to receive 1D input.

상기 입력 레이어(401)로 입력되는 데이터는 다수의 은닉 레이어(402)를 통해 특성 추출 및 분류된다.Data input to the input layer 401 is feature extracted and classified through a plurality of hidden layers 402 .

상기 출력 레이어(403)는 학습한 노면의 각 종류 대한 확률값을 출력한다.The output layer 403 outputs a probability value for each type of the learned road surface.

상기 신경망(420)은 소프트맥스(404)를 이용하여, 상기 출력 레이어(403)로부터 출력되는 확률값들 중에서 가장 높은 확률을 가지는 노면의 종류를 결정하여 출력한다.The neural network 420 determines and outputs the type of road surface having the highest probability among the probability values output from the output layer 403 using the softmax 404 .

한편, 상기 신경망(420)은, 대기 정보(온도, 습도, 기압 정보)를 전달받아 상기 입력 레이어(401)의 입력으로도 사용할 수 있다.Meanwhile, the neural network 420 may receive atmospheric information (temperature, humidity, and atmospheric pressure information) and use it as an input of the input layer 401 .

또한, 상기 신경망(420)은, 상기 노면으로 송신한 음파 신호(201)를 주파수 변환하여 상기 입력 레이어(401)의 입력으로도 사용할 수 있다.Also, the neural network 420 may frequency-convert the sound wave signal 201 transmitted to the road surface and use it as an input of the input layer 401 .

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 음파를 이용한 노면 종류 추정 장치에서 신호 변환기를 설명하기 위한 도면이다.4 is a view for explaining a signal converter in the apparatus for estimating the type of road using sound waves according to an embodiment of the present invention.

도 4에서는 신호 변환기(410)로 STFT 변환기를 사용한 것을 예로 들어 설명하기로 한다.In FIG. 4 , the STFT converter is used as the signal converter 410 as an example.

도 4에 도시된 바와 같이, STFT 변환기는 도 2에서 수신한 반사 신호 중 상기 음파 송수신부(100)가 송신한 음파 신호의 크로스톡 신호(202)는 제외하고, 전송지연 이후에 수신한 기설정 시간 동안의 신호(203, 411)에 대하여 쇼트타임푸리에변환(Short-Time Fourier Transform)하여 스펙트로그램(412)을 획득한다.As shown in FIG. 4, the STFT converter excludes the crosstalk signal 202 of the sound wave signal transmitted by the sound wave transceiver 100 among the reflected signals received in FIG. 2, and receives the preset received after the transmission delay. Short-Time Fourier Transform is performed on the signals 203 and 411 for time to obtain a spectrogram 412 .

1주기 동안의 신호(203)에 대하여 푸리에 변환을 수행할 수도 있고, 다주기 동안의 수신 신호에 대하여 푸리에 변환을 수행할 수도 있다.Fourier transform may be performed on the signal 203 for one period, or Fourier transform may be performed on the received signal for multiple periods.

본 발명에서는 음향 임피던스와 표면 거칠기 정보 등을 이용하여 재질을 구분한다. 그런데, 음향 임피던스는 상수가 아니라 음파가 진동하는 주파수마다 그 값이 달라진다. 따라서 주파수 도메인에서의 분석이 필요하다. 타임 도메인의 수신 신호를 주파수 도메인 신호로 변환하기 위한 여러 가지 방법 중 한 가지 방법인 푸리에변환(Time Fourier Transform)을 사용할 수 있는데, 매 시간(샘플링 시간)마다의 FFT를 확인하기 위해 쇼트타임푸리에변환(Short-Time Fourier Transform)를 사용한다.In the present invention, materials are classified using acoustic impedance and surface roughness information. However, the acoustic impedance is not a constant, but varies according to the frequency at which the sound wave vibrates. Therefore, analysis in the frequency domain is necessary. Time Fourier Transform, which is one of several methods for transforming a received signal in the time domain into a frequency domain signal, can be used. In order to check the FFT for every time (sampling time), the Short Time Fourier Transform (Short-Time Fourier Transform) is used.

또한, 쇼트타임푸리에변환(Short-Time Fourier Transform) 뿐만 아니라 웨이브렛(Wavelet) 등을 사용하여 주파수 분석이 가능하며, 본 발명에서는 계산량을 줄이는 동시에 충분한 데이터를 확보하기 위해 STFT를 이용하는 것으로 설명하였다.In addition, frequency analysis is possible using not only the Short-Time Fourier Transform but also a wavelet, and the present invention has been described as using the STFT to reduce the amount of computation and secure sufficient data.

쇼트타임푸리에변환(STFT)은 기존 푸리에 변환에서 해결하지 못했던 시간에 대한 변화를 고려하기 위해 고안된 방법이다. STFT는 시간에 따라 변화하는 긴 신호를 짧은 시간 단위로 분할한 다음에 푸리에 변환을 적용하는 것이다.The Short-Time Fourier Transform (STFT) is a method devised to consider changes with respect to time, which cannot be solved by the existing Fourier transform. STFT is to apply a Fourier transform after dividing a long signal that changes with time into short time units.

그러나 STFT도 단점은 존재한다. 신호를 윈도우 길이(Window length)에 따라서 분리시키기 때문에 푸리에 변환에 사용되는 신호의 길이를 감소시키고 이에 따라 주파수의 해상도(Resolution)가 악화된다. 그렇다고 윈도우 길이(Window length)를 증가시켜 주파수의 해상도를 향상시켜도 시간 해상도(Resolution)는 반대로 악화된다. 이러한 주파수와 시간의 트레이드 오프(Trade off) 관계로 인한 해상도의 한계를 극복하기 위해 웨이브렛 변환(Wavelet Transform)이 등장했다.However, STFT also has disadvantages. Since the signal is separated according to the window length, the length of the signal used for the Fourier transform is reduced, and thus the resolution of the frequency is deteriorated. However, even if the frequency resolution is improved by increasing the window length, the temporal resolution is adversely deteriorated. In order to overcome the limitation of resolution due to the trade-off relationship between frequency and time, a wavelet transform has emerged.

STFT에서 Window length가 정해져 있었다면, WT은 Window length를 바꿔가면서 여러번 STFT를 하는 것이다. 또한, STFT에서 기본함수로서 시간적으로 무한대로 확장되는 사인곡선을 사용한다면, 웨이브렛은 유한기간동안 존재하는 여러 종류의 함수가 있다. 웨이블릿 함수로는 Morlet, Daubechies, Coiflets, Biorthogonal, Mexican Hat, 및 Symlets 등이 있다.If the window length is fixed in STFT, the WT performs STFT several times while changing the window length. Also, if a sinusoid that extends to infinity in time is used as a basic function in STFT, wavelet has several types of functions that exist for a finite period. Wavelet functions include Morlet, Daubechies, Coiflets, Biorthogonal, Mexican Hat, and Symlets.

도 5는 본 발명에 따른 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 장치에서 인공신경망의 다른 실시예 구성도이다.5 is a block diagram of another embodiment of an artificial neural network in the apparatus for estimating the type of road using sound waves with the amount of atmospheric attenuation corrected according to the present invention.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 장치에서 인공신경망을 설명하기 위한 도면이다.5 is a diagram for explaining an artificial neural network in an apparatus for estimating a type of road using sound waves in which atmospheric attenuation is corrected according to an embodiment of the present invention.

도 5에 도시된 바와 같이, 인공신경망(400)은, 컨벌루션 수행부(501), 전달 레이어(502), 다수의 은닉 레이어(503) 및 출력 레이어(504)를 포함하는 다층 퍼셉트론(Multi-Layer Perceptron) 알고리즘의 심층 컨벌루션 신경망(DCNN : Deep Convolution Neural Network)이다.As shown in FIG. 5 , the artificial neural network 400 is a multi-layer perceptron including a convolution performing unit 501 , a transmission layer 502 , a plurality of hidden layers 503 and an output layer 504 . Perceptron) is a deep convolutional neural network (DCNN) algorithm.

상기 컨벌루션 수행부(501)는 전달받은 디지털 입력 신호에 대해 1D 컨벌루션 연산을 다회 진행하며, 각 컨벌루션 연산마다 배치정규화(Batch Normalization), 렐루(Relu) 함수, 및 맥스풀링(MaxpPooling)함수를 수행하고, 마지막 컨벌루션 연산의 출력은 플랫튼된 데이터를 상기 전달 레이어(502)로 출력한다.The convolution performing unit 501 performs 1D convolution operation multiple times on the received digital input signal, and performs batch normalization, Relu function, and MaxpPooling function for each convolution operation. , the output of the last convolution operation outputs the flattened data to the transfer layer 502 .

상기 전달 레이어(502)는 상기 컨벌루션 수행부(501)의 플랫튼된 출력 데이터를 1D로 입력받는다.The transfer layer 502 receives the flattened output data of the convolution performing unit 501 as 1D input.

상기 전달 레이어(502)로 입력되는 데이터는 다수의 은닉 레이어(503)를 통해 특성 추출 및 분류된다.Data input to the transfer layer 502 is feature extracted and classified through a plurality of hidden layers 503 .

상기 출력 레이어(504)는 학습한 노면의 각 종류 대한 확률값을 출력한다.The output layer 504 outputs a probability value for each type of the learned road surface.

상기 인공신경망(400)은 소프트맥스(505)를 이용하여, 상기 출력 레이어(504)로부터 출력되는 확률값들 중에서 가장 높은 확률을 가지는 노면의 종류를 결정하여 출력한다.The artificial neural network 400 determines and outputs the type of road surface having the highest probability among the probability values output from the output layer 504 using the softmax 505 .

한편, 상기 인공신경망(400)은, 대기 정보(온도, 습도, 기압 정보)를 전달받아 상기 컨벌루션 수행부(501)의 입력으로도 사용할 수 있다.Meanwhile, the artificial neural network 400 may receive atmospheric information (temperature, humidity, and atmospheric pressure information) and use it as an input of the convolution performing unit 501 .

또한, 상기 인공신경망(400)은, 상기 노면으로 송신한 음파 신호(201)를 상기 컨벌루션 수행부(501)의 입력으로도 사용할 수도 있다.Also, the artificial neural network 400 may use the sound wave signal 201 transmitted to the road surface as an input of the convolution performing unit 501 .

도 6은 도 5의 컨벌루션 수행부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 6 is a diagram for explaining an operation of the convolution performing unit of FIG. 5 .

도 6에 도시된 바와 같이, 도 5의 컨벌루션 수행부(501)는, 입력 신호에 대해 1D 컨벌루션 연산을 5회 진행하며, 각 컨벌루션 연산마다 배치정규화(Batch Normalization), 렐루(Relu) 함수, 및 맥스풀링(MaxpPooling)함수를 수행하고, 마지막 컨벌루션 연산의 출력은 플랫튼된 데이터이다.As shown in FIG. 6 , the convolution performing unit 501 of FIG. 5 performs a 1D convolution operation on the input signal 5 times, and for each convolution operation, a batch normalization (Batch Normalization), a Relu function, and Executes the MaxpPooling function, and the output of the last convolution operation is flattened data.

입력 신호(601)는 7ms 동안의 수신신호 약 7000 개가 되며, 제1컨벌루션 수행 결과(602)는 상기 입력 신호(601)에 1D conv (64,16), BN, ReLU, 및 MP(8) 을 수행한 결과이고, 제2컨벌루션 수행 결과(603)는 상기 제1컨벌루션 수행 결과(602)에 1D conv (32,32), BN, ReLU, 및 MP(8) 을 수행한 결과이고, 제3컨벌루션 수행 결과(604)는 상기 제2컨벌루션 수행 결과(603)에 1D conv (16,64), BN, ReLU, 및 MP(8) 을 수행한 결과이고, 제4컨벌루션 수행 결과(605)는 상기 제3컨벌루션 수행 결과(604)에 1D conv (8,128), BN, 및 ReLU 를 수행한 결과이고, 제5컨벌루션 수행 결과(606)는 상기 제4컨벌루션 수행 결과(605)에 1D conv (4,2568), BN, 및 ReLU 를 수행한 결과이다.The input signal 601 becomes about 7000 received signals for 7 ms, and the result of the first convolution 602 is 1D conv (64,16), BN, ReLU, and MP(8) to the input signal 601. The result of performing the second convolution 603 is the result of performing 1D conv (32,32), BN, ReLU, and MP(8) on the result of the first convolution 602, and the third convolution The execution result 604 is the result of performing 1D conv (16,64), BN, ReLU, and MP(8) on the second convolution result 603, and the fourth convolution result 605 is the first 1D conv (8,128), BN, and ReLU are performed on the 3 convolution result 604, and the 5th convolution result 606 is 1D conv (4,2568) on the 4 convolution result 605. , BN, and ReLU are the results.

도 7은 본 발명에 따른 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 장치에서의 컨벌루션 수행부의 코드를 설명하기 위한 도면이다.7 is a view for explaining a code of a convolution performing unit in the apparatus for estimating the type of road using sound waves in which atmospheric attenuation is corrected according to the present invention.

도 7은 도 6에 도시된 컨벌루션 수행부의 일부를 소프트웨어로 구현한 코드이다.FIG. 7 is a code in which a part of the convolution performing unit shown in FIG. 6 is implemented in software.

다수의 배치정규화(BatchNorm)함수, 및 맥스풀링함수(MaxPool)를 포함한다.It includes a number of batch normalization (BatchNorm) functions, and a max pooling function (MaxPool).

본 발명의 일 실시예에 따른 사용가능한 한 예로 1차원(1D) 컨볼루션 후 1차원 배치 정규화를 진행한 후 맥스풀링을 진행하는 것을 한 세트로하여 4세트만큼 반복하고 마지막은 fully connected layer를 통해 분류하려는 노면의 수만큼의 값들을 출력하여 노면별로 확률을 출력시킨다.As one usable example according to an embodiment of the present invention, one-dimensional (1D) convolution followed by one-dimensional batch normalization followed by maxpooling is repeated as one set for 4 sets, and finally through a fully connected layer By outputting as many values as the number of road surfaces to be classified, the probability is output for each road surface.

한편, 본 발명에서는 1차원(1D) 컨볼루션 연산을 수행하는 방법을 일예로 들어 설명하였으나, 컨벌루션 연산은 1D 뿐만 아니라, 2D 및 3D도 가능하다.Meanwhile, in the present invention, a method of performing a one-dimensional (1D) convolution operation has been described as an example, but the convolution operation can be performed not only in 1D, but also in 2D and 3D.

도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 장치에서 대기 감쇄량을 보정하지 않은 경우의 테스트 결과를 나타내는 표이고, 도 8b 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 장치에서 대기 감쇄량을 보정한 경우의 테스트 결과를 나타내는 표이다.8A is a table showing test results when the atmospheric attenuation amount is not corrected in the apparatus for estimating the type of road using sound waves in which the atmospheric attenuation amount is corrected according to an embodiment of the present invention, and FIG. This table shows the test results when the atmospheric attenuation amount is corrected in the road surface type estimation device using the sound wave with the attenuation amount corrected.

도 8a 및 8b에서 구분한 클래스는, 아스팔트(asphalt)(1), 시멘트(cement)(2), 흙(dirt)(3), 얼음(ice)(4), 대리석(marble)(5), 페인트(paint)(6), 슬러시(slush)(7), 눈(snow)(8), 및 물(water)(9)을 포함한다.The classes classified in FIGS. 8a and 8b are asphalt (1), cement (2), dirt (3), ice (4), marble (5), paint (6), slush (7), snow (8), and water (9).

실제 실험 테스트 데이터는 아스팔트(1)(348개), 시멘트(2)(166개), 얼음(4)(85개), 페인트(6)(390개), 및 눈(8)(255개)만 포함하는 총 1244개의 데이터셋을 이용하였다.Actual laboratory test data include asphalt (1) (348 pcs), cement (2) (166 pcs), ice (4) (85 pcs.), paint (6) (390 pcs.), and snow (8) (255 pcs.) A total of 1244 datasets including

도 8a에 도시된 바와 같이, 대기 감쇄량을 보정하지 않은 경우, 분류 성능이 0.6%로 분류가 전혀 되지 않았다.As shown in FIG. 8A , when the atmospheric attenuation amount was not corrected, the classification performance was 0.6%, so there was no classification at all.

도 8b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 대기 감쇄량을 보정한 경우에는, 아스팔트(asphalt)는 99.7% 정확도, 시멘트(cement)는 91.6% 정확도, 얼음(ice)은 95.3% 정확도, 페인트(paint)는 99.0% 정확도, 눈(snow)은 97.3% 정확도로 추정되었고, 전체적으로 97.6%의 분류 성능을 얻었다.As shown in FIG. 8B, when the atmospheric attenuation amount is corrected according to the present invention, asphalt is 99.7% accurate, cement is 91.6% accurate, ice is 95.3% accurate, and paint ) was estimated with 99.0% accuracy and snow with 97.3% accuracy, and overall classification performance of 97.6% was obtained.

도 9는 본 발명에 따른 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 방법의 일실시예 흐름도이다.9 is a flowchart illustrating a method for estimating the type of road surface using sound waves in which atmospheric attenuation is corrected according to an embodiment of the present invention.

먼저, 본 발명에 따른 음파를 이용한 노면 종류 추정 방법을 수행하기 위해서는 먼저 학습단계(S10)가 선행되어 노면분류모델이 생성되어 있어야 한다.First, in order to perform the method for estimating a road surface type using sound waves according to the present invention, the learning step S10 must be preceded and a road surface classification model must be generated.

상기 학습단계(S10)에서는, 다수 종류의 노면에 대하여, 음파 신호를 송신한 후, 반사된 신호를 수신하고 해당 신호를 디지털 신호로 변환하고, 상기 변환된 디지털 신호에 대하여 대기중 감쇄량을 보정한 후, 주파수 도메인 신호로 변환하고, 상기 주파수 도메인 신호를 신경망(420)에 입력하여 노면분류모델을 학습시킨다.In the learning step (S10), after transmitting a sound wave signal to a plurality of types of road surfaces, receiving a reflected signal, converting the signal into a digital signal, and correcting the amount of attenuation in the air for the converted digital signal Thereafter, it is converted into a frequency domain signal, and the frequency domain signal is input to the neural network 420 to learn the road surface classification model.

여기서, 상기 학습단계(S10)에서, 상기 주파수 도메인 신호로 변환하기 위하여 STFT(Short-Time Fourier Transform) 변환기, FFT(Fast Fourier Transform), 캡스트럼(cepstruam), 또는 웨이브렛 변환기(wavelet transform)를 사용할 수 있다. 상기주파수 도메인 신호는 2D 또는 3D 일 수 있다.Here, in the learning step (S10), a Short-Time Fourier Transform (STFT) transformer, a Fast Fourier Transform (FFT), a cepstruam, or a wavelet transform in order to convert the frequency domain signal. can be used The frequency domain signal may be 2D or 3D.

이후, 제어부(500)의 제어에 따라, 종류를 알고자하는 해당 노면으로 음파 신호를 송신한 후, 반사된 신호를 수신한다(S20).Thereafter, under the control of the controller 500 , the sound wave signal is transmitted to the corresponding road surface for which the type is to be determined, and then the reflected signal is received ( S20 ).

이후, 상기 제어부(500)의 제어에 따라, 상기 수신한 신호의 기설정 영역에 대하여 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다(S30).Thereafter, the analog signal is converted into a digital signal with respect to a preset region of the received signal under the control of the controller 500 (S30).

상기 신호변환단계(S30)에서는, 상기 수신한 신호에서, 상기 송신한 음파 신호의 크로스톡 신호는 제외하고, 상기 음파 신호의 주기마다, 전송지연 이후에 수신한 신호의 진폭이 가장 큰 지점을 기준으로 기설정 시간 동안의 신호에 대하여 디지털 신호로 변환한다.In the signal conversion step (S30), in the received signal, excluding the crosstalk signal of the transmitted sound wave signal, the point at which the amplitude of the received signal after the transmission delay is the largest in each period of the sound wave signal to convert the signal for a preset time into a digital signal.

예를 들어, 크로스톡 신호 이후에 수신한 신호의 진폭이 가장 큰 시점을 t_0라 할 때, t_0 - a [ms] 부터 t_0 + b [ms] 까지 총 (a+b) ms를 관찰 할 수 있으며, 도 2의 수신신호(203)은 a 가 0.2이고, b가 5 이다. 물론 환경이나 조건에 따라 a 와 b는 조절이 가능하다.For example, assuming that t_0 is the point at which the amplitude of the signal received after the crosstalk signal is greatest, a total of (a+b) ms can be observed from t_0 - a [ms] to t_0 + b [ms]. , in the received signal 203 of FIG. 2, a is 0.2 and b is 5. Of course, depending on the environment or conditions, a and b can be adjusted.

이후, 상기 제어부의 제어에 따라, 상기 디지털 신호의 대기중 감쇄량을 계산하여 보정한다(S40).Thereafter, under the control of the controller, the amount of attenuation in the air of the digital signal is calculated and corrected (S40).

상기 대기감쇄량보정단계(S40)에서는, 하기 <수학식 1> 내지 <수학식 8>를 이용하여 대기중 감쇄량을 계산하여 이를 보정해준다.In the atmospheric attenuation correction step (S40), the atmospheric attenuation amount is calculated and corrected using the following <Equation 1> to <Equation 8>.

먼저, 포화 압력(Psat)은 하기 <수학식 1>을 이용하여 계산된다.First, the saturation pressure Psat is calculated using the following <Equation 1>.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112021132624768-pat00009
Figure 112021132624768-pat00009

여기서, To1은 대기의 삼중점[K]이고, T는 현재 온도[K]이다. Here, To1 is the triple point of the atmosphere [K], and T is the current temperature [K].

절대습도(h)는 하기 <수학식 2>를 이용하여 계산된다.Absolute humidity (h) is calculated using the following <Equation 2>.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112021132624768-pat00010
Figure 112021132624768-pat00010

여기서, hrin은 상대 습도[%]이고, Psat 은 포화 압력[단위]이고, Ps는 정압[atm]이다.Here, hrin is relative humidity [%], Psat is saturation pressure [unit], and Ps is static pressure [atm].

한편, 대기의 78%를 차지하는 질소의 확장된 이완 주파수(FrN : scaled relaxation frequency for Nitrogen)는 하기 <수학식 3>를 이용하여 계산된다.Meanwhile, the scaled relaxation frequency for nitrogen (FrN) of nitrogen occupying 78% of the atmosphere is calculated using the following <Equation 3>.

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112021132624768-pat00011
Figure 112021132624768-pat00011

여기서, To는 레퍼런스 온도[K]이고, T는 현재 온도[K]이다. Here, To is the reference temperature [K], and T is the current temperature [K].

한편, 대기의 21%를 차지하는 산소의 확장된 이완 주파수(FrO : scaled relaxation frequency for Oxygen)는 하기 <수학식 4>를 이용하여 계산된다.Meanwhile, the scaled relaxation frequency for oxygen (FrO) of oxygen occupying 21% of the atmosphere is calculated using the following <Equation 4>.

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112021132624768-pat00012
Figure 112021132624768-pat00012

여기서, h는 절대 습도이다.where h is the absolute humidity.

한편, 감쇄 계수(α: attenuation coefficient [nepers/m]])는 하기 <수학식 5>를 이용하여 계산된다.Meanwhile, the attenuation coefficient (α: attenuation coefficient [nepers/m]] is calculated using the following <Equation 5>.

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112021132624768-pat00013
Figure 112021132624768-pat00013

여기서, Ps는 정압이고, F는 음파 신호(송신음파신호)의 주파수이고, T는 현재 온도[K]이고, To는 레퍼런스 온도[K]이고, FrO는 산소의 확장된 이완 주파수이고, FrN은 질소의 확장된 이완 주파수이다. where Ps is the static pressure, F is the frequency of the sound wave signal (transmitted sound wave signal), T is the current temperature [K], To is the reference temperature [K], FrO is the extended relaxation frequency of oxygen, and FrN is It is the extended relaxation frequency of nitrogen.

한편, 음파신호의 감쇄비(A, 단위: dB)는 하기 <수학식 6>를 이용하여 계산된다.On the other hand, the attenuation ratio (A, unit: dB) of the sound wave signal is calculated using the following <Equation 6>.

[수학식 6][Equation 6]

Figure 112021132624768-pat00014
Figure 112021132624768-pat00014

여기서, α는 감쇄 계수이고, d는 음파송수신기(100)와 종류를 알고자하는 해당 노면 사이의 거리이다.Here, α is an attenuation coefficient, and d is a distance between the sound wave transmitter 100 and the corresponding road surface for which the type is to be known.

상기 d는, 송신기에서 송신되었다가 노면에 반사되어 수신기에서 감지될 때까지의 소요시간 t(time of flight)와 대기중 음속(Vair)을 이용하여 하기 <수학식 7>을 이용하여 계산된다.The d is calculated using the following <Equation 7> using the time t (time of flight) from being transmitted from the transmitter until it is reflected by the road surface and sensed by the receiver and the speed of sound in the air (Vair).

[수학식 7][Equation 7]

Figure 112021132624768-pat00015
Figure 112021132624768-pat00015

여기서, t는 소요시간이고, Vair는 대기중 음속[m/s]이다.Here, t is the required time, and Vair is the speed of sound in the air [m/s].

한편, 대기중 음속은 하기 <수학식 8>를 이용하여 계산된다.On the other hand, the speed of sound in the air is calculated using the following <Equation 8>.

[수학식 8][Equation 8]

Figure 112021132624768-pat00016
Figure 112021132624768-pat00016

여기서, Ks는 물체의 등엔트로피적 체적팽창률(coefficient of stiffness)이고, ρ는 물체(대기)의 밀도이다.Here, Ks is the isentropic coefficient of stiffness of the object, and ρ is the density of the object (atmosphere).

이때, 공기(대기)를 이상기체로 가정하면, Ks= γP이고, γ는 열용량비(공기의 경우 1.4)이고, P는 압력이고, R은 이상기체 상수이고, T는 절대 온도[K]이다. 온도를 제외하면 상수이기 때문에, 근사적으로 표현할 수도 있다.At this time, assuming air (atmosphere) as an ideal gas, Ks = γP, γ is the heat capacity ratio (1.4 in the case of air), P is the pressure, R is the ideal gas constant, and T is the absolute temperature [K]. . Since it is a constant except for temperature, it can also be expressed approximately.

상기 대기중 음속은 대기의 온도, 기압 및 습도에 따라 보정하여 감쇄 보상에 이용할 수도 있다.The speed of sound in the atmosphere may be compensated for attenuation by correcting it according to the temperature, atmospheric pressure, and humidity of the atmosphere.

이후, 상기 제어부(500)의 제어에 따라, 상기 보정된 디지털 신호의 기설정 영역에 대하여 신호 변환을 수행하여 주파수 도메인 신호를 획득한다(S50).Thereafter, under the control of the controller 500, a frequency domain signal is obtained by performing signal conversion on a preset region of the corrected digital signal (S50).

상기 주파수도메인신호획득단계(S50)에서는, 상기 보정된 디지털 신호에서 상기 송신한 음파 신호의 크로스톡 신호는 제외하고, 상기 음파 신호의 주기마다, 전송지연 이후에 수신한 기설정 시간 동안의 신호에 대하여 신호 변환기(410)에서 주파수 변환하여 상기 주파수 도메인 신호를 획득한다.In the frequency domain signal acquisition step (S50), the crosstalk signal of the transmitted sound wave signal is excluded from the corrected digital signal, and for each period of the sound wave signal, the signal for a preset time received after the transmission delay is applied. The frequency domain signal is obtained by performing frequency conversion in the signal converter 410 .

이후, 상기 제어부(500)의 제어에 따라, 상기 주파수 도메인 신호를 신경망(420)의 입력 신호로 하고, 학습된 노면분류모델에 기반하여, 상기 입력 신호의 특성을 추출하고, 분류하여 상기 노면의 종류를 결정한다(S60).Thereafter, under the control of the control unit 500, the frequency domain signal is used as an input signal of the neural network 420, and based on the learned road surface classification model, characteristics of the input signal are extracted and classified, A type is determined (S60).

상기 신경망(420)은, 입력 레이어(401), 다수의 히든 레이어(402) 및 출력 레이어(403)를 포함하는 다층 퍼셉트론(Multi-Layer Perceptron) 알고리즘의 심층 신경망(DNN : Deep Neural Network)이며, 상기 출력 레이어(403)는, 학습한 노면의 각 종류에 대한 확률값을 출력하고, 상기 신경망은, 소프트맥스(softmax)(404)를 이용하여, 가장 높은 확률을 가지는 노면의 종류를 결정하여 출력한다.The neural network 420 is a deep neural network (DNN) of a multi-layer perceptron algorithm including an input layer 401, a plurality of hidden layers 402 and an output layer 403, The output layer 403 outputs a probability value for each type of the learned road surface, and the neural network determines and outputs the type of road surface having the highest probability using a softmax 404 . .

한편, 상기 신경망(420)의 구조는 상기 언급한 DNN에 한정되지 않는다.Meanwhile, the structure of the neural network 420 is not limited to the aforementioned DNN.

상기 신경망(420)은, 대기 정보(온도, 습도, 기압 정보)를 전달받아 상기 입력 레이어(401)의 입력으로도 사용할 수 있다.The neural network 420 may receive atmospheric information (temperature, humidity, and atmospheric pressure information) and use it as an input of the input layer 401 .

또한, 상기 신경망(420)은, 상기 노면으로 송신한 음파 신호를 주파수 변환하여 상기 입력 레이어(401)의 입력으로도 사용할 수 있다.Also, the neural network 420 may frequency-convert the sound wave signal transmitted to the road surface and use it as an input of the input layer 401 .

도 10은 본 발명에 따른 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 방법의 다른 실시예 흐름도이다.10 is a flowchart of another embodiment of a method for estimating a road surface type using a sound wave having an atmospheric attenuation amount corrected according to the present invention.

먼저, 본 발명에 따른 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 방법을 수행하기 위해서는 먼저 제2학습단계(S90)가 선행되어 노면분류모델이 생성되어 있어야 한다.First, in order to perform the method for estimating the road surface type using the sound wave in which the atmospheric attenuation amount has been corrected according to the present invention, the second learning step S90 must be preceded and a road surface classification model must be generated.

상기 제2학습단계(S90)에서는, 다수 종류의 노면에 대하여, 음파 신호를 송신한 후, 반사된 신호를 수신하고 해당 신호를 디지털 신호로 변환하고, 상기 변환된 디지털 신호에 대하여 대기중 감쇄량을 보정한 후, 인공신경망(400)에 입력시켜 다회의 컨벌루션 연산을 수행하여 상기 노면분류모델을 학습시킨다.In the second learning step (S90), after transmitting a sound wave signal to a plurality of types of road surfaces, receiving a reflected signal, converting the signal into a digital signal, and determining the amount of attenuation in the air for the converted digital signal After correction, it is input to the artificial neural network 400 to perform convolutional calculations multiple times to learn the road surface classification model.

이후, 제어부(500)의 제어에 따라, 종류를 알고자하는 해당 노면으로 음파 신호를 송신한 후, 반사된 신호를 수신한다(S20).Thereafter, under the control of the controller 500 , the sound wave signal is transmitted to the corresponding road surface for which the type is to be determined, and then the reflected signal is received ( S20 ).

이후, 상기 제어부(500)의 제어에 따라, 상기 수신한 신호의 기설정 영역에 대하여 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다(S30).Thereafter, the analog signal is converted into a digital signal with respect to a preset region of the received signal under the control of the controller 500 (S30).

상기 신호변환단계(S30)에서는, 상기 수신한 신호에서, 상기 송신한 음파 신호의 크로스톡 신호는 제외하고, 상기 음파 신호의 주기마다, 전송지연 이후에 수신한 신호의 진폭이 가장 큰 지점을 기준으로 기설정 시간 동안의 신호에 대하여 디지털 신호로 변환한다.In the signal conversion step (S30), in the received signal, excluding the crosstalk signal of the transmitted sound wave signal, the point at which the amplitude of the received signal after the transmission delay is the largest in each period of the sound wave signal to convert the signal for a preset time into a digital signal.

이후, 상기 제어부(500)의 제어에 따라, 상기 디지털 신호의 대기중 감쇄량을 계산하여 보정한다(S40).Thereafter, under the control of the controller 500, the amount of attenuation in the air of the digital signal is calculated and corrected (S40).

상기 대기감쇄량보정단계(S40)에서는, 도 9에서 설명한 바와 동일하게 <수학식 1> 내지 <수학식 8>를 이용하여 대기중 감쇄량을 계산하여 이를 보정해준다.In the atmospheric attenuation correction step (S40), the atmospheric attenuation amount is calculated and corrected using <Equation 1> to <Equation 8> as described in FIG. 9 .

이후, 상기 제어부(500)의 제어에 따라, 상기 인공신경망(400)에서 대기중 감쇄량이 보정된 디지털 신호를 전달받아 다회의 컨벌루션 연산을 수행한다(S70).Thereafter, under the control of the controller 500 , the artificial neural network 400 receives the digital signal in which the amount of attenuation in the air is corrected, and performs a convolution operation multiple times ( S70 ).

상기 컨벌루션연산단계(S70)에서는, 상기 대기중 감쇄량이 보정된 디지털 신호에 대해 1D 컨벌루션 연산을 다회 진행하며, 각 컨벌루션 연산마다 배치정규화(Batch Normalization), 렐루(Relu) 함수, 및 맥스풀링(MaxpPooling)함수를 수행하고, 마지막 컨벌루션 연산의 출력은 플랫튼된 데이터이다.In the convolution operation step (S70), 1D convolution operation is performed multiple times on the digital signal in which the amount of attenuation in the air is corrected, and for each convolution operation, batch normalization (Batch Normalization), Relu function, and MaxpPooling (MaxpPooling) ) function, and the output of the last convolution operation is flattened data.

이후, 상기 제어부(500)의 제어에 따라, 상기 인공신경망(400)에서 학습된 노면분류모델에 기반하여, 상기 컨번루션 연산된 신호(플랫튼된 데이터)의 특성을 추출하고, 분류하여 상기 노면의 종류를 결정한다(S80).Thereafter, according to the control of the controller 500 , based on the road surface classification model learned in the artificial neural network 400 , the characteristics of the convolutionally calculated signal (flattened data) are extracted and classified, and the road surface determines the type of (S80).

상기 인공신경망(400)은, 상기 디지털 신호를 입력받아 다회의 컨벌루션 연산을 수행하는 컨벌루션 수행부(501), 전달 레이어(502), 다수의 은닉 레이어(503) 및 출력 레이어(504)를 포함하는 다층 퍼셉트론(Multi-Layer Perceptron) 알고리즘의 심층 컨벌루션 신경망(DCNN : Deep Convolution Neural Network)이며, 상기 출력 레이어(504)는, 학습한 노면의 각 종류에 대한 확률값을 출력하고, 상기 인공신경망(400)은, 소프트맥스(softmax)(505)를 이용하여, 가장 높은 확률을 가지는 노면의 종류를 결정하여 출력한다.The artificial neural network 400 includes a convolution performing unit 501 that receives the digital signal and performs multiple convolution operations, a transmission layer 502, a plurality of hidden layers 503 and an output layer 504. It is a deep convolutional neural network (DCNN) of a multi-layer perceptron algorithm, and the output layer 504 outputs a probability value for each type of the learned road surface, and the artificial neural network 400 , determines and outputs the type of road surface having the highest probability using a softmax 505 .

한편, 상기 인공신경망(400)의 구조는 상기 언급한 DCNN에 한정되지 않는다.Meanwhile, the structure of the artificial neural network 400 is not limited to the aforementioned DCNN.

상기 인공신경망(400)은, 대기 정보(온도, 습도, 기압 정보)를 전달받아 상기 컨벌루션 수행부(501)의 입력으로도 사용할 수 있다.The artificial neural network 400 may receive atmospheric information (temperature, humidity, and atmospheric pressure information) and use it as an input of the convolution performing unit 501 .

또한, 상기 인공신경망(400)은, 상기 노면으로 송신한 음파 신호를 상기 컨벌루션 수행부(501)의 입력으로도 사용할 수 있다.Also, the artificial neural network 400 may use the sound wave signal transmitted to the road surface as an input of the convolution performing unit 501 .

이상에서 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 방법에 대하여 설명하였지만, 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 방법을 구현하기 위한 프로그램이 저장된 컴퓨터 판독 가능한 기록매체 및 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 방법을 구현하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장된 프로그램 역시 구현 가능함은 물론이다.In the above, the method for estimating the type of road using the sound wave with the amount of atmospheric attenuation corrected according to an embodiment of the present invention has been described. It goes without saying that a program stored in a computer-readable recording medium for implementing a method for estimating a road surface using a sound wave in which an amount of medium and atmospheric attenuation has been corrected can also be implemented.

즉, 상술한 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 방법은 이를 구현하기 위한 명령어들의 프로그램이 유형적으로 구현됨으로써, 컴퓨터를 통해 판독될 수 있는 기록매체에 포함되어 제공될 수도 있음을 당업자들이 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 다시 말해, 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어, 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리, USB 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.That is, those skilled in the art can easily understand that the above-described method for estimating the type of road using sound waves with the amount of atmospheric attenuation corrected may be provided by being included in a computer-readable recording medium by tangibly implementing a program of instructions for implementing the method. you will understand In other words, it may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded on a computer-readable recording medium. The computer-readable recording medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination. The program instructions recorded on the computer-readable recording medium may be specially designed and configured for the present invention, or may be known and used by those skilled in the art of computer software. Examples of the computer-readable recording medium include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and floppy disks. magneto-optical media, and hardware devices specially configured to store and carry out program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, USB memory, and the like. Examples of program instructions include not only machine language codes such as those generated by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware device may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the present invention, and vice versa.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims.

100: 음파 송수신부
101: 음파 송신기 102: 음파 수신기
200: 아날로그디지털변환기 300: 대기감쇄량보정부
400: 인공신경망
410: 신호 변환기 420: 신경망
501: 컨벌루션 수행부 502: 전달 레이어
503: 은닉 레이어 504: 출력 레이어
500: 제어부(MCU) 600: 대기정보측정부
S10: 제1학습단계
S20: 반사파수신단계
S30: 신호변환단계
S40: 대기감쇄량보정단계
S50: 주파수도메인신호획득단계
S60: 제1노면종류결정단계
S70: 컨벌루션연산단계
S80: 제2노면종류결정단계
S90: 제2학습단계
100: sound wave transceiver
101: sound wave transmitter 102: sound wave receiver
200: analog-to-digital converter 300: atmospheric attenuation correction unit
400: artificial neural network
410: signal converter 420: neural network
501: convolution performer 502: transfer layer
503: hidden layer 504: output layer
500: control unit (MCU) 600: atmospheric information measurement unit
S10: first learning stage
S20: reflected wave receiving step
S30: signal conversion step
S40: Atmospheric attenuation compensation step
S50: Frequency domain signal acquisition step
S60: first road surface type determination step
S70: Convolution operation step
S80: Second road surface type determination step
S90: second learning stage

Claims (11)

대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 장치에 있어서,
종류를 알고자하는 해당 노면으로 음파 신호를 송신한 후, 반사된 신호를 수신하기 위한 음파 송수신부(100);
상기 수신한 신호의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 아날로그디지털변환기(200);
상기 디지털 신호의 대기중 감쇄량을 계산하여 보정하기 위한 대기감쇄량보정부(300);
상기 보정된 디지털 신호를 입력 신호로 하고, 학습된 노면분류모델에 기반하여 상기 입력 신호를 분류하여 상기 노면의 종류를 추정하는 인공신경망(400); 및
상기 음파 송수신부, 상기 아날로그디지털변환기, 상기 대기감쇄량보정부 및 상기 인공신경망의 동작을 제어하는 제어부(MCU)(500)
를 포함하고,
상기 제어부(500)는,
상기 수신한 신호에서, 상기 송신한 음파 신호의 크로스톡 신호는 제외하고, 상기 음파 신호의 주기마다, 전송지연 이후에 수신한 신호의 진폭이 가장 큰 지점을 기준으로 기설정 시간 동안의 신호를 수신 신호로 결정하는 것을 특징으로 하되,
상기 크로스톡 신호 이후에 수신한 신호의 진폭이 가장 큰 시점을 t_0라 할 때, t_0 - a [ms] 부터 t_0 + b [ms] 까지 총 (a+b) ms를 수신 신호로 결정하는 것을 특징으로 하며,
상기 “t_0 - a” 의 시점이 상기 크로스톡 신호의 종료 시점 이후인 것을 특징으로 하는 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 장치.
In an apparatus for estimating a road surface type using sound waves in which atmospheric attenuation is corrected,
a sound wave transceiver 100 for transmitting a sound wave signal to a corresponding road surface for which a type is to be known, and then receiving a reflected signal;
an analog-to-digital converter 200 for converting an analog signal of the received signal into a digital signal;
an atmospheric attenuation correction unit 300 for calculating and correcting the atmospheric attenuation amount of the digital signal;
an artificial neural network 400 that uses the corrected digital signal as an input signal and classifies the input signal based on the learned road surface classification model to estimate the type of road surface; and
A control unit (MCU) 500 for controlling the operation of the sound wave transceiver, the analog-to-digital converter, the atmospheric attenuation correction unit, and the artificial neural network
including,
The control unit 500,
In the received signal, except for the crosstalk signal of the transmitted sound wave signal, each period of the sound wave signal receives a signal for a preset time based on the point at which the amplitude of the signal received after the transmission delay is greatest It is characterized in that it is determined by a signal,
It is characterized in that a total of (a+b) ms from t_0 - a [ms] to t_0 + b [ms] is determined as the received signal when the time point at which the amplitude of the received signal is greatest after the crosstalk signal is t_0 with
The apparatus for estimating the type of road using sound waves in which atmospheric attenuation is corrected, characterized in that the time point of “t_0 - a” is after the end time of the crosstalk signal.
제1항에 있어서,
대기 정보(온도, 습도, 기압 정보)를 측정하기 위한 대기정보측정부(600)
를 더 포함하고,
상기 대기감쇄량보정부(300)는 상기 대기 정보를 전달받아 상기 디지털 신호의 대기중 감쇄량을 계산하는 것을 특징으로 하고,
상기 제어부는 상기 대기정보측정부의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 장치.
According to claim 1,
Air information measurement unit 600 for measuring atmospheric information (temperature, humidity, atmospheric pressure information)
further comprising,
The atmospheric attenuation correction unit 300 receives the standby information and calculates the atmospheric attenuation amount of the digital signal,
The control unit controls the operation of the atmospheric information measurement unit, the road surface type estimation apparatus using a sound wave in which the atmospheric attenuation amount is corrected.
제1항에 있어서,
상기 대기감쇄량보정부(300)에서는,
포화 압력(Psat)은 하기 <수학식 1>을 이용하여 계산되고,
[수학식 1]
Figure 112022501362847-pat00017

(여기서, To1은 대기의 삼중점[K]이고, T는 현재 온도[K]이다)

절대습도(h)는 하기 <수학식 2>를 이용하여 계산되고,
[수학식 2]
Figure 112022501362847-pat00018

(여기서, hrin은 상대 습도[%]이고, Psat 은 포화 압력[단위]이고, Ps는 정압[atm]이다.)

대기의 78%를 차지하는 질소의 확장된 이완 주파수(FrN : scaled relaxation frequency for Nitrogen)는 하기 <수학식 3>를 이용하여 계산되고,
[수학식 3]
Figure 112022501362847-pat00019

(여기서, To는 레퍼런스 온도[K]이고, T는 현재 온도[K]이다.)

대기의 21%를 차지하는 산소의 확장된 이완 주파수(FrO : scaled relaxation frequency for Oxygen)는 하기 <수학식 4>를 이용하여 계산되고,
[수학식 4]
Figure 112022501362847-pat00020

(여기서, h는 절대 습도이다.)

감쇄 계수(α: attenuation coefficient [nepers/m]])는 하기 <수학식 5>를 이용하여 계산되고,
[수학식 5]
Figure 112022501362847-pat00021

(여기서, Ps는 정압이고, F는 음파 신호(송신음파신호) 주파수이고, T는 현재 온도[K]이고, To는 레퍼런스 온도[K]이고, FrO는 산소의 확장된 이완 주파수이고, FrN은 질소의 확장된 이완 주파수이다.)

음파신호의 감쇄비(A, 단위: dB)는 하기 <수학식 6>를 이용하여 계산되고,
[수학식 6]
Figure 112022501362847-pat00022

(여기서, α는 감쇄 계수이고, d는 음파송수신기(100)와 종류를 알고자하는 해당 노면 사이의 거리이다.)
상기 d는, 송신기에서 송신되었다가 노면에 반사되어 수신기에서 감지될 때까지의 소요시간 t(time of flight)와 대기중 음속(Vair)을 이용하여 하기 <수학식 7>을 이용하여 계산되고,
[수학식 7]
Figure 112022501362847-pat00023

(여기서, t는 소요시간이고, Vair는 대기중 음속[m/s]이다.)

대기중 음속은 하기 <수학식 8>를 이용하여 계산되고,
[수학식 8]
Figure 112022501362847-pat00024

(여기서, Ks는 물체의 등엔트로피적 체적팽창률(coefficient of stiffness)이고, ρ는 물체(대기)의 밀도이다. 이때, 공기(대기)를 이상기체로 가정하면, Ks= γP이고, γ는 열용량비(공기의 경우 1.4)이고, P는 압력이고, R은 이상기체 상수이고, T는 절대 온도[K]이다.)
상기 [수학식 1] 내지 [수학식 8]을 이용하여 대기중 감쇄량(감쇄비)(A)을 계산하여 상기 수신한 신호를 보정하는 것을 특징으로 하는 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 장치.
According to claim 1,
In the atmospheric attenuation correction unit 300,
The saturation pressure (Psat) is calculated using the following <Equation 1>,
[Equation 1]
Figure 112022501362847-pat00017

(Where To1 is the triple point of the atmosphere [K], and T is the current temperature [K])

Absolute humidity (h) is calculated using the following <Equation 2>,
[Equation 2]
Figure 112022501362847-pat00018

(Where hrin is relative humidity [%], Psat is saturation pressure [ unit ], and Ps is static pressure [atm].)

The extended relaxation frequency (FrN: scaled relaxation frequency for Nitrogen) of nitrogen occupying 78% of the atmosphere is calculated using the following <Equation 3>,
[Equation 3]
Figure 112022501362847-pat00019

(Here, To is the reference temperature [K], and T is the current temperature [K].)

The extended relaxation frequency (FrO: scaled relaxation frequency for Oxygen) of oxygen occupying 21% of the atmosphere is calculated using the following <Equation 4>,
[Equation 4]
Figure 112022501362847-pat00020

(Where h is the absolute humidity.)

Attenuation coefficient (α: attenuation coefficient [nepers / m]] is calculated using the following <Equation 5>,
[Equation 5]
Figure 112022501362847-pat00021

(Where Ps is the static pressure, F is the frequency of the sound wave signal (transmitted sound wave signal), T is the current temperature [K], To is the reference temperature [K], FrO is the extended relaxation frequency of oxygen, FrN is the extended relaxation frequency of nitrogen.)

The attenuation ratio (A, unit: dB) of the sound wave signal is calculated using the following <Equation 6>,
[Equation 6]
Figure 112022501362847-pat00022

(Here, α is the attenuation coefficient, and d is the distance between the sound wave transmitter 100 and the corresponding road surface for which the type is to be known.)
The d is calculated using the following <Equation 7> using the time t (time of flight) and the speed of sound in the air (Vair) from being transmitted from the transmitter to being reflected by the road surface and detected by the receiver,
[Equation 7]
Figure 112022501362847-pat00023

(Where t is the required time, and Vair is the speed of sound in the air [m/s])

The speed of sound in the air is calculated using the following <Equation 8>,
[Equation 8]
Figure 112022501362847-pat00024

(Here, Ks is the isentropic coefficient of stiffness of the object, and ρ is the density of the object (atmosphere). At this time, assuming air (atmosphere) as an ideal gas, Ks = γP, and γ is the heat capacity ratio (1.4 for air), P is the pressure, R is the ideal gas constant, and T is the absolute temperature [K].)
Estimation of road surface type using sound waves with the amount of atmospheric attenuation corrected, characterized in that the received signal is corrected by calculating the amount of attenuation (attenuation ratio) (A) in the air using the [Equation 1] to [Equation 8] Device.
제1항에 있어서,
상기 인공신경망(400)은,
상기 대기감쇄량보정부로부터 전달받은 상기 보정된 디지털 신호의 시간 도메인 상의 기설정 영역에 대하여 주파수 변환을 수행하여 주파수 도메인 신호를 획득하기 위한 신호 변환기(410); 및
상기 주파수 도메인 신호를 입력 신호로 하고, 상기 학습된 노면분류모델에 기반하여 상기 입력 신호의 특성을 추출하고, 분류하여 상기 노면의 종류를 추정하는 신경망(420)을 포함하고,
상기 신경망(420)은,
입력 레이어, 다수의 은닉 레이어 및 출력 레이어를 포함하는 다층 퍼셉트론(Multi-Layer Perceptron) 알고리즘의 심층 신경망인 것을 특징으로 하는 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 장치.
According to claim 1,
The artificial neural network 400 is
a signal converter 410 for obtaining a frequency domain signal by performing frequency conversion on a preset region on the time domain of the corrected digital signal received from the atmospheric attenuation correction unit; and
and a neural network 420 that uses the frequency domain signal as an input signal and extracts and classifies the characteristics of the input signal based on the learned road surface classification model to estimate the type of road surface,
The neural network 420 is
A road surface type estimation apparatus using sound waves with corrected atmospheric attenuation, characterized in that it is a deep neural network of a multi-layer perceptron algorithm including an input layer, a plurality of hidden layers, and an output layer.
제1항에 있어서,
상기 인공신경망(400)은,
상기 보정된 디지털 신호를 입력받아 다회의 컨벌루션 연산을 수행하는 컨벌루션 수행부(501), 전달 레이어(502), 다수의 은닉 레이어(503) 및 출력 레이어(504)를 포함하는 다층 퍼셉트론(Multi-Layer Perceptron) 알고리즘의 심층 컨벌루션 신경망(DCNN : Deep Convolution Neural Network)인 것을 특징으로 하는 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 장치.
According to claim 1,
The artificial neural network 400 is
A multi-layer perceptron including a convolution performing unit 501 , a transfer layer 502 , a plurality of hidden layers 503 , and an output layer 504 that receives the corrected digital signal and performs convolution operation multiple times Perceptron) algorithm's deep convolutional neural network (DCNN).
제5항에 있어서,
상기 컨벌루션 수행부(501)는,
입력 신호에 대해 1D 컨벌루션 연산을 다회 진행하며, 각 컨벌루션 연산마다 배치정규화(Batch Normalization), 렐루(Relu) 함수, 및 맥스풀링(MaxpPooling)함수를 수행하고, 마지막 컨벌루션 연산의 출력은 플랫튼된 데이터인 것을 특징으로 하고,
상기 출력 레이어는,
학습한 노면의 각 종류에 대한 확률값을 출력하는 것을 특징으로 하고,
상기 인공신경망은,
소프트맥스를 이용하여, 가장 높은 확률을 가지는 노면의 종류를 결정하여 출력하는 것을 특징으로 하는 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 장치.
6. The method of claim 5,
The convolution performing unit 501,
1D convolution operation is performed multiple times on the input signal, batch normalization, Relu function, and MaxpPooling function are performed for each convolution operation, and the output of the final convolution operation is flattened data It is characterized in that
The output layer is
Characterized in outputting a probability value for each type of the learned road surface,
The artificial neural network is
An apparatus for estimating a road surface type using a sound wave corrected for atmospheric attenuation, characterized in that it determines and outputs the type of road surface having the highest probability using Softmax.
대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 방법에 있어서,
제어부의 제어에 따라, 종류를 알고자하는 해당 노면으로 음파 신호를 송신 한 후, 반사된 신호를 수신하는 반사신호수신단계(S20);
상기 제어부의 제어에 따라, 상기 수신한 신호의 기설정 영역에 대하여 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 신호변환단계(S30);
상기 제어부의 제어에 따라, 상기 디지털 신호의 대기중 감쇄량을 계산하여보정하는 대기감쇄량보정단계(S40);
상기 제어부의 제어에 따라, 상기 보정된 디지털 신호의 기설정 영역에 대하여 주파수 변환을 수행하여 주파수 도메인 신호를 획득하는 주파수도메인신호획득단계(S50); 및
상기 제어부의 제어에 따라, 상기 주파수 도메인 신호를 신경망의 입력 신호로 하고, 학습된 노면분류모델에 기반하여, 상기 입력 신호의 특성을 추출하고, 분류하여 상기 노면의 종류를 결정하는 제1노면종류결정단계(S60)
를 포함하고,
상기 신호변환단계(S30)는,
상기 수신한 신호에서, 상기 송신한 음파 신호의 크로스톡 신호는 제외하고, 상기 음파 신호의 주기마다, 전송지연 이후에 수신한 신호의 진폭이 가장 큰 지점을 기준으로 기설정 시간 동안의 신호에 대하여 디지털 신호로 변환하는 것을 특징으로 하되,
상기 크로스톡 신호 이후에 수신한 신호의 진폭이 가장 큰 시점을 t_0라 할 때, t_0 - a [ms] 부터 t_0 + b [ms] 까지 총 (a+b) ms를 변환하는 것을 특징으로 하며,
상기 “t_0 - a” 의 시점이 상기 크로스톡 신호의 종료 시점 이후인 것을 특징으로 하는 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 방법.
In the method for estimating the type of road surface using sound waves in which atmospheric attenuation is corrected,
A reflected signal receiving step (S20) of transmitting a sound wave signal to the corresponding road surface for which the type is to be known and then receiving the reflected signal under the control of the controller;
a signal conversion step (S30) of converting an analog signal into a digital signal for a preset region of the received signal under the control of the controller;
an atmospheric attenuation correction step (S40) of calculating and correcting the atmospheric attenuation amount of the digital signal under the control of the control unit;
a frequency domain signal acquisition step of obtaining a frequency domain signal by performing frequency conversion on a preset region of the corrected digital signal under the control of the controller (S50); and
A first road surface type that uses the frequency domain signal as an input signal of a neural network under the control of the controller, extracts and classifies characteristics of the input signal based on a learned road surface classification model, and determines the type of the road surface Decision step (S60)
including,
The signal conversion step (S30),
In the received signal, except for the crosstalk signal of the transmitted sound wave signal, for each period of the sound wave signal, the signal for a preset time based on the point at which the amplitude of the signal received after the transmission delay is greatest It is characterized in that it is converted to a digital signal,
It is characterized in that a total (a+b) ms is converted from t_0 - a [ms] to t_0 + b [ms] when the time point at which the amplitude of the signal received after the crosstalk signal is greatest is t_0,
The method for estimating the type of road using the sound wave in which the atmospheric attenuation amount is corrected, characterized in that the time point of “t_0 - a” is after the end time of the crosstalk signal.
제7항에 있어서,
다수 종류의 노면에 대하여, 음파 신호를 송신한 후, 반사된 신호를 수신하고 해당 신호를 디지털 신호로 변환하고, 상기 변환된 디지털 신호에 대하여 대기중 감쇄량을 보정한 후, 주파수 도메인 신호로 변환하고, 상기 주파수 도메인 신호를 상기 신경망에 입력하여 상기 노면분류모델을 학습시키는 제1학습단계(S10)
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 방법.
8. The method of claim 7,
For a plurality of types of road surfaces, after transmitting a sound wave signal, receiving a reflected signal, converting the signal into a digital signal, correcting the amount of attenuation in the air for the converted digital signal, and converting it into a frequency domain signal, , a first learning step of learning the road surface classification model by inputting the frequency domain signal to the neural network (S10)
A method for estimating the type of road using sound waves in which atmospheric attenuation has been corrected, characterized in that it further comprises.
대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 방법에 있어서,
제어부의 제어에 따라, 종류를 알고자하는 해당 노면으로 음파 신호를 송신한 후, 반사된 신호를 수신하는 반사신호수신단계(S20);
상기 제어부의 제어에 따라, 상기 수신한 신호의 기설정 영역에 대하여 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 신호변환단계(S30);
상기 디지털 신호의 대기중 감쇄량을 계산하여 보정하는 대기감쇄량보정단계(S40);
상기 제어부의 제어에 따라, 인공신경망에서 대기중 감쇄량이 보정된 디지털 신호를 전달받아 다회의 컨벌루션 연산을 수행하는 컨벌루션연산단계(S70); 및
상기 제어부의 제어에 따라, 상기 인공신경망에서 학습된 노면분류모델에 기반하여, 상기 컨벌루션 연산된 신호의 특성을 추출하고, 분류하여 상기 노면의 종류를 결정하는 제2노면종류결정단계(S80)
를 포함하고,
상기 신호변환단계(S30)는,
상기 수신한 신호에서, 상기 송신한 음파 신호의 크로스톡 신호는 제외하고, 상기 음파 신호의 주기마다, 전송지연 이후에 수신한 신호의 진폭이 가장 큰 지점을 기준으로 기설정 시간 동안의 신호에 대하여 디지털 신호로 변환하는 것을 특징으로 하되,
상기 크로스톡 신호 이후에 수신한 신호의 진폭이 가장 큰 시점을 t_0라 할 때, t_0 - a [ms] 부터 t_0 + b [ms] 까지 총 (a+b) ms를 변환하는 것을 특징으로 하며,
상기 “t_0 - a” 의 시점이 상기 크로스톡 신호의 종료 시점 이후인 것을 특징으로 하는 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 방법.
In the method for estimating the type of road surface using sound waves in which atmospheric attenuation is corrected,
a reflected signal receiving step (S20) of transmitting a sound wave signal to a corresponding road surface for which a type is to be known under the control of the controller and receiving the reflected signal;
a signal conversion step (S30) of converting an analog signal into a digital signal for a preset region of the received signal under the control of the controller;
an atmospheric attenuation correction step of calculating and correcting the atmospheric attenuation amount of the digital signal (S40);
a convolution operation step (S70) of receiving a digital signal with a corrected amount of attenuation in the air from the artificial neural network under the control of the control unit and performing a convolution operation multiple times; and
A second road surface type determination step (S80) of extracting and classifying characteristics of the convolutional signal based on the road surface classification model learned from the artificial neural network under the control of the controller and determining the type of the road surface (S80)
including,
The signal conversion step (S30),
In the received signal, except for the crosstalk signal of the transmitted sound wave signal, for each period of the sound wave signal, the signal for a preset time based on the point at which the amplitude of the signal received after the transmission delay is greatest It is characterized in that it is converted to a digital signal,
It is characterized in that a total (a+b) ms is converted from t_0 - a [ms] to t_0 + b [ms] when the time point at which the amplitude of the signal received after the crosstalk signal is greatest is t_0,
The method for estimating the type of road using the sound wave in which the atmospheric attenuation amount is corrected, characterized in that the time point of “t_0 - a” is after the end time of the crosstalk signal.
제9항에 있어서,
다수 종류의 노면에 대하여, 음파 신호를 송신한 후, 반사된 신호를 수신하고 해당 신호를 디지털 신호로 변환하고, 상기 변환된 디지털 신호에 대하여 대기중 감쇄량을 보정한 후, 상기 인공신경망에 입력시켜 다회의 컨벌루션 연산을 수행하여 상기 노면분류모델을 학습시키는 제2학습단계(S90)
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 방법.
10. The method of claim 9,
After transmitting a sound wave signal to multiple types of road surfaces, receiving a reflected signal, converting the signal into a digital signal, correcting the amount of attenuation in the air for the converted digital signal, and inputting it to the artificial neural network A second learning step (S90) of learning the road surface classification model by performing multiple convolutional calculations
A method for estimating the type of road using sound waves in which atmospheric attenuation has been corrected, characterized in that it further comprises.
제7항 또는 제10항에 있어서,
상기 대기감쇄량보정단계(S40)에서는,
포화 압력(Psat)은 하기 <수학식 1>을 이용하여 계산되고,
[수학식 1]
Figure 112022501362847-pat00025

(여기서, To1은 대기의 삼중점[K]이고, T는 현재 온도[K]이다)

절대습도(h)는 하기 <수학식 2>를 이용하여 계산되고,
[수학식 2]
Figure 112022501362847-pat00026

(여기서, hrin은 상대 습도[%]이고, Psat 은 포화 압력[단위]이고, Ps는 정압[atm]이다.)

대기의 78%를 차지하는 질소의 확장된 이완 주파수(FrN : scaled relaxation frequency for Nitrogen)는 하기 <수학식 3>를 이용하여 계산되고,
[수학식 3]
Figure 112022501362847-pat00027

(여기서, To는 레퍼런스 온도[K]이고, T는 현재 온도[K]이다.)

대기의 21%를 차지하는 산소의 확장된 이완 주파수(FrO : scaled relaxation frequency for Oxygen)는 하기 <수학식 4>를 이용하여 계산되고,
[수학식 4]
Figure 112022501362847-pat00028

(여기서, h는 절대 습도이다.)

감쇄 계수(α: attenuation coefficient [nepers/m]])는 하기 <수학식 5>를 이용하여 계산되고,
[수학식 5]
Figure 112022501362847-pat00029

(여기서, Ps는 정압이고, F는 음파 신호(송신음파신호)의 주파수이고, T는 현재 온도[K]이고, To는 레퍼런스 온도[K]이고, FrO는 산소의 확장된 이완 주파수이고, FrN은 질소의 확장된 이완 주파수이다.)

음파신호의 감쇄비(A, 단위: dB)는 하기 <수학식 6>를 이용하여 계산되고,
[수학식 6]
Figure 112022501362847-pat00030

(여기서, α는 감쇄 계수이고, d는 음파송수신기(100)와 종류를 알고자하는 해당 노면 사이의 거리이다.)
상기 d는, 송신기에서 송신되었다가 노면에 반사되어 수신기에서 감지될 때까지의 소요시간 t(time of flight)와 대기중 음속(Vair)을 이용하여 하기 <수학식 7>을 이용하여 계산되고,
[수학식 7]
Figure 112022501362847-pat00031

(여기서, t는 소요시간이고, Vair는 대기중 음속[m/s]이다.)

대기중 음속은 하기 <수학식 8>를 이용하여 계산되고,
[수학식 8]
Figure 112022501362847-pat00032

(여기서, Ks는 물체의 등엔트로피적 체적팽창률(coefficient of stiffness)이고, ρ는 물체(대기)의 밀도이다. 이때, 공기(대기)를 이상기체로 가정하면, Ks= γP이고, γ는 열용량비(공기의 경우 1.4)이고, P는 압력이고, R은 이상기체 상수이고, T는 절대 온도[K]이다.)
상기 [수학식 1] 내지 [수학식 8]을 이용하여 대기중 감쇄량(감쇄비)(A)을 계산하여 상기 수신한 신호를 보정하는 것을 특징으로 하는 대기 감쇄량이 보정된 음파를 이용한 노면 종류 추정 방법.
11. The method of claim 7 or 10,
In the atmospheric attenuation correction step (S40),
The saturation pressure (Psat) is calculated using the following <Equation 1>,
[Equation 1]
Figure 112022501362847-pat00025

(Where To1 is the triple point of the atmosphere [K], and T is the current temperature [K])

Absolute humidity (h) is calculated using the following <Equation 2>,
[Equation 2]
Figure 112022501362847-pat00026

(Where hrin is relative humidity [%], Psat is saturation pressure [ unit ], and Ps is static pressure [atm].)

The extended relaxation frequency (FrN: scaled relaxation frequency for Nitrogen) of nitrogen occupying 78% of the atmosphere is calculated using the following <Equation 3>,
[Equation 3]
Figure 112022501362847-pat00027

(Here, To is the reference temperature [K], and T is the current temperature [K].)

The extended relaxation frequency (FrO: scaled relaxation frequency for Oxygen) of oxygen occupying 21% of the atmosphere is calculated using the following <Equation 4>,
[Equation 4]
Figure 112022501362847-pat00028

(Where h is the absolute humidity.)

Attenuation coefficient (α: attenuation coefficient [nepers / m]] is calculated using the following <Equation 5>,
[Equation 5]
Figure 112022501362847-pat00029

(Where Ps is the static pressure, F is the frequency of the sound wave signal (transmitted sound wave signal) , T is the current temperature [K], To is the reference temperature [K], FrO is the extended relaxation frequency of oxygen, FrN is the extended relaxation frequency of nitrogen.)

The attenuation ratio (A, unit: dB) of the sound wave signal is calculated using the following <Equation 6>,
[Equation 6]
Figure 112022501362847-pat00030

(Here, α is the attenuation coefficient, and d is the distance between the sound wave transmitter 100 and the corresponding road surface for which the type is to be known.)
The d is calculated using the following <Equation 7> using the time t (time of flight) and the speed of sound in the air (Vair) from being transmitted from the transmitter to being reflected by the road surface and detected by the receiver,
[Equation 7]
Figure 112022501362847-pat00031

(Where t is the required time, and Vair is the speed of sound in the air [m/s])

The speed of sound in the air is calculated using the following <Equation 8>,
[Equation 8]
Figure 112022501362847-pat00032

(Here, Ks is the isentropic coefficient of stiffness of the object, and ρ is the density of the object (atmosphere). At this time, assuming air (atmosphere) as an ideal gas, Ks = γP, and γ is the heat capacity ratio (1.4 for air), P is the pressure, R is the ideal gas constant, and T is the absolute temperature [K].)
Estimation of road surface type using sound waves with the amount of atmospheric attenuation corrected, characterized in that the received signal is corrected by calculating the amount of attenuation (attenuation ratio) (A) in the air using the [Equation 1] to [Equation 8] Way.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023090758A1 (en) * 2021-11-17 2023-05-25 주식회사 모바휠 Apparatus for estimating type of and managing road surface using sound wave signal, and method therefor
CN116592711A (en) * 2023-06-09 2023-08-15 广州市声讯电子科技股份有限公司 Dispersing device control system and method based on transmission influence parameters
KR102671468B1 (en) * 2023-09-27 2024-05-31 주식회사 모바휠 Apparatus for estimating of road surface type considering speed and 3-axis acceleration of vehicle and method thereof

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101716270B1 (en) 2015-12-03 2017-03-14 한국과학기술원 The front ground state estimation apparatus and method
KR20170069332A (en) * 2015-12-10 2017-06-21 현대모비스 주식회사 System for correcting the signal of the ultrasonic sensor according to the weather conditions and method thereof
KR20200026146A (en) * 2018-08-29 2020-03-10 한국과학기술원 Method and apparatus for estimation of tire-road type by using ultrasonic signal
KR102136576B1 (en) 2019-01-17 2020-07-22 부산대학교 산학협력단 Road surface condition measuring device and road surface condition diagnosis system
KR102207816B1 (en) 2020-08-11 2021-01-26 주식회사 알고씽 Method and apparatus for measuring road surface condition using sensor data

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101716270B1 (en) 2015-12-03 2017-03-14 한국과학기술원 The front ground state estimation apparatus and method
KR20170069332A (en) * 2015-12-10 2017-06-21 현대모비스 주식회사 System for correcting the signal of the ultrasonic sensor according to the weather conditions and method thereof
KR20200026146A (en) * 2018-08-29 2020-03-10 한국과학기술원 Method and apparatus for estimation of tire-road type by using ultrasonic signal
KR102156295B1 (en) 2018-08-29 2020-09-15 한국과학기술원 Method and apparatus for estimation of tire-road type by using ultrasonic signal
KR102136576B1 (en) 2019-01-17 2020-07-22 부산대학교 산학협력단 Road surface condition measuring device and road surface condition diagnosis system
KR102207816B1 (en) 2020-08-11 2021-01-26 주식회사 알고씽 Method and apparatus for measuring road surface condition using sensor data

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023090758A1 (en) * 2021-11-17 2023-05-25 주식회사 모바휠 Apparatus for estimating type of and managing road surface using sound wave signal, and method therefor
CN116592711A (en) * 2023-06-09 2023-08-15 广州市声讯电子科技股份有限公司 Dispersing device control system and method based on transmission influence parameters
CN116592711B (en) * 2023-06-09 2024-01-30 广州市声讯电子科技股份有限公司 Dispersing device control system and method based on transmission influence parameters
KR102671468B1 (en) * 2023-09-27 2024-05-31 주식회사 모바휠 Apparatus for estimating of road surface type considering speed and 3-axis acceleration of vehicle and method thereof

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