KR102458337B1 - 음파 통신을 활용한 차량 개폐 시스템에서 노이즈 입력을 반영하여 음파 도달 시간을 보다 정확히 측정하고 거리를 측위하는 방법 - Google Patents
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Abstract
음파 통신을 활용한 차량 개폐 시스템에서 노이즈 입력을 반영하여 음파 도달 시간을 보다 정확히 측정하고 거리를 측위하는 방법이 개시된다. 본 발명에 따르면 일반적으로 소음으로 인해 발생할 수 있는 오차를 걸러내는 기준 및 방식을 기초로 음파 통신을 활용한 차량 개폐 시스템에서 노이즈 입력을 반영하여 음파 도달 시간을 보다 정확히 측정하고 거리를 측위할 수 있다.
Description
본 발명은 음파 통신을 활용한 차량 개폐 시스템에 관한 것이다. 보다 자세하게는 CHIRP 신호를 이용하여 음파의 도달 시간을 보다 정확히 측정하고 거리를 계산함에 관한 것이다.
전파 통신을 사용한 자동차의 개폐 시스템의 경우 전파 해킹에 취약하다는 단점을 극복하기 위해 암호화된 음파와 스마트폰을 활용한 자동차 개폐 시스템을 개발하였다. 차량에 부착되어 있는 피에조 센서(혹은 스피커)에서 발생되는 음파들의 도달 시간 차이 혹은 상관관계(correlation)의 크기를 바탕으로 차량과 사용자간의 거리를 측정한다. 따라서 차량에는 다수의 피에조 센서들이 부착되며 각 피에조 센서에서 발생시키는 음파를 서로 구분할 수 있어야 한다. 이때 피에조 센서에서 발생되는 음파를 구분하는 방법에는 서로 다른 주파수의 음파를 발생시키고 상관관계를 계산하여 구분하는 방법이 있다.
그러나 송신부에서 출력되어 대기를 통해 전파되어 마이크로 수신된 음파의 출력보다 큰 소음이 마이크로 수신되면 해당 신호에 음파 신호가 묻혀서 애초에 음파를 찾을 수 조차 없게 되므로 원초적인 해결책이 필요하다.
만약 해당 소음과 음파 신호의 신호에 correlation을 하여 peak를 찾기 위한 알고리즘을 수행하여도 이미 원 신호인 음파에 수행된 correlation 보다 소음에 수행된 correlation level이 더 높거나 유사한 수준이기 때문에 정확한 음파 특성을 파악할 수 없고 파악한다 해도 신뢰성이 떨어진다.
이럴때는 해당 data를 위치 추적하는 데에 사용하지 말고 무시할 필요가 있으며, 이 경우 어떤 data가 소음으로 인해 음파가 묻히고 사용하지 말아야할 data인지 구분해 내는 기준이 필요하다. 즉 어차피 알고리즘 적으로 수정이 불가능할 정도의 소음이 들어왔다면 이를 수정하는 것이 아니라 계산에서 배제해야 하며 본 발명은 배제해야 할 data를 구분하는 방식을 제시함이 요구된다.
본 발명의 기술적 과제는 음파와 스마트폰을 활용한 측위, 더 나아가 반사파의 영향을 최소화하여 음파를 송수신하고 이를 기초로 거리를 계산함에 있다.
상기한 과제를 해결하기 위해 본 발명에 따른 수신부는 계속적으로 상기 음파 신호의 도달 시간을 판단하되, a) 상기 수신부에서 수신된 데이터의 전체 측정값의 평균이 일정 수준보다 높은 경우; b) 상기 전체 측정값의 평균에 비하여 수신된 데이터의 소정의 고역 필터링(highpass filtering) 값의 평균이 일정 수준보다 낮은 경우; 또는 c) 수신된 데이터의 음파 신호와의 시점별 상관관계 값을 소정의 시간 단위로 나누고 각 단위 구간별 최대 피크 중 일정 수준 이상의 최대 피크의 개수가 일정 수 이상인 경우; 상기 음파 신호의 도달 시간의 판단을 보류하고, 이전의 음파 신호의 도달 시간의 판단 결과를 유지한다.
본 발명에 따르면 일반적으로 소음으로 인해 발생할 수 있는 오차를 걸러내는 기준 및 방식을 기초로 음파 통신을 활용한 차량 개폐 시스템에서 노이즈 입력을 반영하여 음파 도달 시간을 보다 정확히 측정하고 거리를 측위할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 음파 통신 시스템을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 수신부의 음파 신호의 도달 시간의 판단 과정을 나타낸 순서도이다.
도 3은 노이즈로 인해 음파 신호의 구분이 불가능한 경우의 수신 데이터 세트를 나타낸 그래프이다.
도 4는 노이즈가 작기 때문에 음파 신호의 구분이 가능한 경우의 수신 데이터 세트를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 수신부의 음파 신호의 도달 시간의 판단 과정을 나타낸 순서도이다.
도 3은 노이즈로 인해 음파 신호의 구분이 불가능한 경우의 수신 데이터 세트를 나타낸 그래프이다.
도 4는 노이즈가 작기 때문에 음파 신호의 구분이 가능한 경우의 수신 데이터 세트를 나타낸 그래프이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명의 일 실시예에 대해 구체적으로 설명하기로 한다. 본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 통해 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명에 대한 설명에 필요한 용어를 아래와 같이 정의한다.
수신된 데이터(audioBuffer) : 현재 시간 기준 처리해야 하는 오디오 패킷
전체 측정값의 평균(pcmAvg) : audioBuffer에 대해 측정된 데이터의 절대값들의 평균
고역 필터링 값의 평균(filterAvg) : audioBuffer를 소정의 Highpass filtering (15.9kHz 미만 제외)을 하고 filteredBuffer에 넣고, 해당 filtered buffer의 절대값들의 평균
도 1은 본 발명에 따른 음파 통신 시스템을 나타낸 것이다.
본 발명에 일 실시예에 따른 음파 통신 시스템은, 복수의 송신부(11, 12, 13) 및 수신부(20)를 포함하며, 송신부는 복수로 구비되어 소정의 딜레이(delay) 간격을 두고 각각 순차적으로 음파 신호(31, 32, 33)를 발생시키고, 수신부(20)는 각 상기 음파 신호를 수신하고 각각의 도달 시간을 판단한다.
각 송신부가 독립적으로 작동하는 대신, 제어부(40)가 송신부를(31, 32, 33) 제어함으로써 동작을 통일시킬 수 있다.
상기 수신부는 상기 소정의 딜레이(delay) 간격과 상기 도달 시간의 간격의 차이를 바탕으로 TDoA(Time Difference of Arrival)을 기초로 한 삼각 측량을 통해 상기 수신부의 상기 송신부에 대한 상대적 위치를 계산할 수 있다.
여기서 수신부(ex. 스마트폰)는, 수신된 데이터의 각 시점으로부터 상기 음파 신호의 길이 동안의 각 측정값과 상기 음파 신호의 각 시점별 수치를 곱한 값을 모두 합한 값을 각 시점별 상관관계 값으로 결정하는 단계; 및 상기 시점별 상관관계 값이 최대로 나타나는 시점을 음파 신호의 도달 시간으로 판단하는 단계;를 포함하는 방법에 따라 음파 신호의 도달 시간을 판단할 수 있다.
이는, 수신된 데이터의 각 시점 중 음파 신호와 상관관계가 가장 높게 나타나는 시점에 음파 신호가 수신된 것으로 판단하는 것을 의미한다.
바람직하게, 음파 신호는 비가청주파수 대역의 주파수(ex. 15.9kHz 이상)를 갖는 음파 신호일 수 있다. 또한, 각 음파 신호는 길이가 각각 8ms인 프리픽스 및 포스트픽스를 포함할 수 있다(CHIRP 신호).
즉, 동시에 13개 채널에서 음파가 출력되는 것이 아니라 일정한 순서에 따라 동시에 2~3개 채널에서 음파가 발생하며, 각 순서 사이에는 소정의 간격(term)을 주고 있다. 따라서 13개 채널이 모두 출력되는 음파 신호 세트(set)의 길이는 250ms 수준이다.
또한, 각 상기 송신부는 일정한 주기로 상기 음파 신호 세트를 반복 발생시키며, 상기 수신부는 계속적으로 상기 음파 신호의 도달 시간을 판단한다.
이하에서, 상기 수신부는 세트(set) 단위로 도달 시간을 판단하는 것을 기준으로 설명한다. 후술할 "이전의 음파 신호의 도달 시간의 판단 결과를 유지"의 의미는 현재 판단중인 세트(set)에 대해서 판단을 보류하고 직전 세트(set)에서의 판단 결과를 유지하는 것을 (직전 set가 판단 보류가 아닌 경우) 의미한다.
표 1은 본 발명에 따른 송신부의 음파 신호의 발생 순서의 일 예를 나타낸다. 채널별 순서나 delayTime의 크기는 바뀔 수 있다.
| Freq_set_num_1 (prefix) | Freq_set_num_2 (postfix) | ||||||
| Freq_start | Freq_end | Duration | Freq_start | Freq_end | Duration | DelayTime | |
| Ch 0 | 16,000 | 18,000 | 8,000 | 17,000 | 17,500 | 8,000 | 1,000 |
| Ch 1 | 20,000 | 18,000 | 8,000 | 17,000 | 17,500 | 8,000 | 127,000 |
| Ch 2 | 16,000 | 18,000 | 8,000 | 19,000 | 19,500 | 8,000 | 85,000 |
| Ch 3 | 20,000 | 18,000 | 8,000 | 19,000 | 19,500 | 8,000 | 211,000 |
| Ch 4 | 16,000 | 18,000 | 8,000 | 18,000 | 17,500 | 8,000 | 43,000 |
| Ch 5 | 20,000 | 18,000 | 8,000 | 18,000 | 17,500 | 8,000 | 169,000 |
| Ch 6 | 16,000 | 18,000 | 8,000 | 20,000 | 19,500 | 8,000 | 127,000 |
| Ch 7 | 20,000 | 18,000 | 8,000 | 20,000 | 19,500 | 8,000 | 1,000 |
| Ch 8 | 16,000 | 18,000 | 8,000 | 18,000 | 18,500 | 8,000 | 211,000 |
| Ch 9 | 20,000 | 18,000 | 8,000 | 18,000 | 18,500 | 8,000 | 85,000 |
| Ch 10 | 20,000 | 18,000 | 8,000 | 19,000 | 18,500 | 8,000 | 43,000 |
| Ch 11 | 16,000 | 18,000 | 8,000 | 19,000 | 18,500 | 8,000 | 169,000 |
| Ch 12 | 20,000 | 18,000 | 8,000 | 20,000 | 20,500 | 8,000 | 1,000 |
이하, 본 발명에 따른 수신부가 노이즈 입력을 반영하여 음파 도달 시간을 보다 정확히 측정하는 방법에 대해 설명한다.
본 발명에 따른 수신부는, 다음의 경우에 대해 음파 신호의 도달 시간의 판단을 보류하고, 이전의 음파 신호의 도달 시간의 판단 결과를 유지하는 것을 특징으로 한다(도 2 참조).
a) 상기 수신부에서 수신된 데이터의 전체 측정값의 평균(pcmAvg)이 일정 수준보다 높은 경우;
b) 상기 전체 측정값의 평균(pcmAvg)에 비하여 수신된 데이터의 소정의 고역 필터링(highpass filtering) 값의 평균(filterAvg)이 일정 수준보다 낮은 경우; 또는
c) 수신된 데이터의 음파 신호와의 시점별 상관관계 값을 소정의 시간 단위로 나누고 각 단위 구간별 최대 피크 중 일정 수준 이상의 최대 피크의 개수가 일정 수 이상인 경우;
이하, 각각의 경우에 대하여 상세히 설명한다.
a) 상기 수신부에서 수신된 데이터의 전체 측정값의 평균이 일정 수준보다 높은 경우에 음파 신호의 도달 시간의 판단을 보류하고, 이전의 음파 신호의 도달 시간의 판단 결과를 유지한다.
도 3은 노이즈로 인해 구분이 불가능한 경우를 나타내며, 도 4는 노이즈가 작기 때문에 구분이 가능한 경우를 나타낸다.
일 예로, 주변 환경의 소음의 크기가 클 경우 송신부에서 출력한 음파가 소음에 묻혀 정확한 판단이 불가능하다(시나리오 1). 이 경우 측위 자체가 불가능하므로 판단을 보류한다.
다른 예로, 스마트폰이 스피커와 매우 가까이에 있을 경우 정확한 판단이 불가능하다(시나리오 2). 기본적으로 송신부에서는 최대한의 크기로 음파를 출력하는데, 스마트폰과 스피커 사이의 거리가 가까운 경우 대기를 통한 손실이 적어서 측정된 PCM (Pulse Code Modulation) data 전체의 평균의 크기 자체가 크게 측정되므로 정확한 측위가 어려운 문제점이 있다. 이 경우, 수신부(ex. 스마트폰)이 갑자기 나타나는 것이 아니라 지속적으로 측위를 하고 있었기 때문에 단거리에 오기 직전까지는 도달 시간 판단을 해왔다고 가정할 수 있으므로 해당 판단을 보류하고 직전 세트(set)의 판단 결과를 유지한다.
b) 상기 전체 측정값의 평균(pcmAvg)에 비하여 수신된 데이터의 소정의 고역 필터링(highpass filtering) 값의 평균(filterAvg)이 일정 수준보다 낮은 경우에 음파 신호의 도달 시간의 판단을 보류하고, 이전의 음파 신호의 도달 시간의 판단 결과를 유지한다.
일 실시예에 따라, 음파 신호는 15.9kHz 이상의 비가청주파수 대역인 주파수를 가지므로, pcmAvg 대비 filterAvg가 높다는 것은 수신된 데이터 중 음파 신호의 비중이 높은 것을 의미하며, 이는 각 음파 신호의 도달 시간 판단이 용이한 것을 의미한다.
반면, pcmAvg 대비 filterAvg가 낮다는 것은 수신된 데이터의 대부분이 소음인 것을 의미하며, 음파 신호의 도달 시간 판단이 용이하지 못할 가능성이 높아 판단을 보류한다.
c) 수신된 데이터의 음파 신호와의 시점별 상관관계 값을 소정의 시간 단위로 나누고 각 단위 구간별 최대 피크 중 일정 수준 이상의 최대 피크의 개수가 일정 수 이상인 경우에 음파 신호의 도달 시간의 판단을 보류하고, 이전의 음파 신호의 도달 시간의 판단 결과를 유지한다.
정상적으로 데이터가 수신되었을 경우에는 피크의 개수는 채널의 개수 이상으로 들어올 수 없다. 따라서, 유의미한 피크의 개수가가 비정상적으로 많다는 것은 넓은 영역대의 주파수를 가지고 있는 소음이 순간적으로 수신된 것을 의미하므로 판단을 보류하는 것이 바람직하다.
보다 상세하게, 상기 c의 경우는 수신된 데이터의 각 시점으로부터 상기 음파 신호의 길이 동안의 각 측정값과 상기 음파 신호의 각 시점별 수치를 곱한 값을 모두 합한 값을 각 시점별 상관관계 값으로 결정하는 단계;
상기 시점별 상관관계 값을 소정의 시간 단위(windowSize)로 나누고 각 단위 구간별 최대값을 배열로 저장하는 단계;
단위 구간별 최대값의 배열 중 최대인 값을 구하고, 배열 중 상기 최대인 값에 대해 소정의 비율(ex. 80%) 이상인 값의 개수를 세는 단계; 및
상기 소정의 비율 이상인 값의 개수가 일정 수 이상인지 여부를 판단하는 단계;를 포함하는 방법에 따라 판단될 수 있다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적으로 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 상기의 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서, 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로, 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
Claims (4)
- 소정의 딜레이(delay) 간격을 두고 각각 순차적으로 음파 신호를 발생시키는 복수의 송신부; 및
각 상기 음파 신호를 수신하고 각각의 도달 시간을 판단하는 수신부;를 포함하는 음파 통신 시스템에 있어서,
각 상기 송신부는 일정한 주기로 상기 음파 신호를 반복 발생시키며,
상기 수신부는 계속적으로 상기 음파 신호의 도달 시간을 판단하되,
상기 수신부는,
a) 상기 수신부에서 수신된 데이터의 전체 측정값의 평균이 일정 수준보다 높은 경우;
b) 상기 전체 측정값의 평균에 비하여 수신된 데이터의 소정의 고역 필터링(highpass filtering) 값의 평균이 일정 수준보다 낮은 경우; 또는
c) 수신된 데이터의 음파 신호와의 시점별 상관관계 값을 소정의 시간 단위로 나누고 각 단위 구간별 최대 피크 중 일정 수준 이상의 최대 피크의 개수가 일정 수 이상인 경우;
상기 음파 신호의 도달 시간의 판단을 보류하고,
이전의 음파 신호의 도달 시간의 판단 결과를 유지하며,
상기 수신부는,
수신된 데이터의 각 시점으로부터 상기 음파 신호의 길이 동안의 각 측정값과 상기 음파 신호의 각 시점별 수치를 곱한 값을 모두 합한 값을 각 시점별 상관관계 값으로 결정하는 단계; 및
상기 시점별 상관관계 값이 최대로 나타나는 시점을 음파 신호의 도달 시간으로 판단하는 단계;를 포함하는 방법에 따라 음파 신호의 도달 시간을 판단하는 것을 특징으로 하는 음파 통신 시스템.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
각 상기 송신부는 적어도 3개가 서로 이격되어 위치되고,
상기 수신부는 상기 소정의 딜레이(delay) 간격과 상기 도달 시간의 간격의 차이를 바탕으로 TDoA(Time Difference of Arrival)을 기초로 한 삼각 측량을 통해 상기 수신부의 상기 송신부에 대한 상대적 위치를 계산하는 것을 특징으로 하는 음파 통신 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 c의 경우는,
수신된 데이터의 각 시점으로부터 상기 음파 신호의 길이 동안의 각 측정값과 상기 음파 신호의 각 시점별 수치를 곱한 값을 모두 합한 값을 각 시점별 상관관계 값으로 결정하는 단계;
상기 시점별 상관관계 값을 소정의 시간 단위로 나누고 각 단위 구간별 최대값을 배열로 저장하는 단계;
단위 구간별 최대값의 배열 중 최대인 값을 구하고, 배열 중 상기 최대인 값에 대해 소정의 비율 이상인 값의 개수를 세는 단계; 및
상기 소정의 비율 이상인 값의 개수가 일정 수 이상인지 여부를 판단하는 단계;를 포함하는 방법에 따라 판단되는 것을 특징으로 하는 음파 통신 시스템.
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| KR1020200127620A KR102458337B1 (ko) | 2019-09-30 | 2020-09-30 | 음파 통신을 활용한 차량 개폐 시스템에서 노이즈 입력을 반영하여 음파 도달 시간을 보다 정확히 측정하고 거리를 측위하는 방법 |
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| KR101461923B1 (ko) * | 2013-12-23 | 2014-11-19 | 현대자동차 주식회사 | 차량 내 침입감지 시스템 및 그 방법 |
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| US8718536B2 (en) | 2011-01-18 | 2014-05-06 | Marwan Hannon | Apparatus, system, and method for detecting the presence and controlling the operation of mobile devices within a vehicle |
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- 2020-09-30 KR KR1020200127620A patent/KR102458337B1/ko active IP Right Grant
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|---|---|---|---|---|
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