KR20000057568A - 초음파 거리 측정 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

초음파 거리 측정을 위한 방법 및 장치가 개시되어 있다. 종래의 장치에서와 같이, 디바이스(70)에 의해 초음파 펄스가 타겟을 향하여 전파되고, 그 타겟으로부터 반사되어 돌아오는 에코 펄스가 수신된다. 상기 에코 펄스의 진폭 엔벨로프(54)의 최고점(52)의 타이밍을 포착하여 이들 펄스의 반사 시간의 척도로서 사용한다. 이 최대 엔벨로프의 시간은 상기 디바이스와 상기 타겟 사이에서의 소리 속도와는 상대적으로 무관하다. 양호하게는, 에코 펄스의 시간 기간이 수신 회로의 응답 시간 보다 작아서 진폭 엔벨로프의 최고점을 정확하게 포착할 수 있게 한다.

Description

초음파 거리 측정 방법 및 장치{Method and device for ultrasonic ranging}

거리 측정을 위한 초음파 사용은 종래에 공지되어 있다. 최초 시간(T0)에서 초음파 펄스가 타겟으로 향하여 전파된다. 최종 시간(T1)에서는 타겟으로부터 반사되어 오는 에코 펄스가 검출된다. 왕복 주행 시간(T1-T0)을 상기 펄스가 전파되는 매질에서의 소리 속도로 곱하면 타겟까지의 거리의 2배가 된다.

이러한 거리 측정 방법은, 도 1에 도시된 바와같이, 불확실한 몇 가지 원인에 의해 곤란하게 된다.

도 1은, 에코가 발신된 지점으로 복귀하는 시간(T1)을 구함에 있어서 2개의 오류 원인을 도시하고 있다. 에코 파형(10)은, 참조 번호(12)로 표시된 RMS 진폭 레벨을 갖는 환경(ambient) 잡음의 배경에서 검출되고 있다. 실제 착신되는 초음파 에너지가 잡음이 아닌 에코 펄스인지를 확실하게 하기 위해서, 수신 신호를 그 진폭이 환경 잡음보다 현저하게 높게 되어 있는 임계값(14)을 초과할 때까지 무시한다. 잡음 진폭 레벨(12)을 초과하는 제 1 검출 진폭에 후속하는 제로 크로싱(16)의 시간(T2)이 T1의 측정값으로서 사용되고 있다. 도 1에서 알 수 있듯이, T2는 2개의 에러 소스를 포함하고 있다. 즉, 진폭이 임계값(14) 보다 작아 무시되는 파형(10)(이 예에서는, 2 주기의 파형(10))의 초기 부분과, 임계값(14) 이상이나 신호의 온셋(onset) 보다도 지연되는 시간(T2)에서의 제로 크로싱이다. 이들 에러 소스는 짧은 범위에서는 매우 중요한 것이다.

또다른 에러 소스는 전파 매질을 통한 소리 속도가 예측할 수 없게 변화할 수 있다는 사실과 관련되어 있다. 예컨대, 전파 매질이 공기인 경우, 소리의 속도는, 소리 전파 경로에서의 기압과, 온도, 및 습도에 의존한다. 소리의 전파 경로에서의 대기가 균등하다면, 그 때의 측정 디바이스는 압력, 온도, 및 습도의 변화의 보상을 위해서 사용되는 압력, 온도, 및 습도의 검출(reading)을 제공하기 위해 압력, 온도, 및 습도 센서를 구비할 수 있다. 그러나, 전파 매질의 균등하다는 것을 보장할 수는 없다.

따라서, 대기 잡음과 기존에 주지된 방법 보다 소리 속도의 변화에 영향을 받지 않는 거리 측정 방법에 대한 필요가 널리 인식되고 있으며, 그러한 방법을 구현한다면 매우 유리할 것이다.

본 발명은 초음파 펄스의 주행 시간으로, 타겟까지의 거리를 추정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 에코 펄스의 피크 에너지의 도착 시간을 토대로, 타겟까지의 거리를 측정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

도 1은 (종래) 에코 펄스의 제 1 제로 크로싱의 포착 상태(picking)를 도시하는 도면.

도 2는 동일한 타겟에 대하여 상이한 전파 속도의 매질(대기)을 통해 전파된 후 본 발명의 수신 회로에 의해 수신된 3개의 에코 펄스를 도시하는 도면.

도 3은 에코 펄스의 최대 진폭 엔벨로프를 포착하기 위한 2개의 알고리즘을 도시하는 도면.

도 4는 본 발명에 의한 기본 거리 측정기의 블록도.

도 5는 수신 회로의 응답 시간을 조정하기 위한 비선형 소자를 포함하는 본 발명에 의한 거리 측정기의 블록도.

도 6은 타겟에 대한 추정 거리에 따라서 수신기 회로의 증폭기를 조정하기 위한 피드백 기구를 포함하는 본 발명에 의한 거리 측정기의 블록도.

도 7은 수신된 진폭에 따라서 수신기 회로의 증폭기를 조정하기 위한 피드백 기구를 포함하는 본 발명에 의한 거리 측정기의 블록도.

도 8은 전파 송수신기와 수신 센서가 동일한 본 발명에 의한 거리 측정기의 블록도.

본 발명에 의하면, 타겟까지의 거리를 측정하기 위한 방법에 있어서, (a) 초음파 펄스를 타겟으로 향해 송출하는 단계, (b) 진폭 엔벨로프를 갖는 에코 펄스를 상기 타겟으로부터 수신하는 단계, (c) 최대 진폭 엔벨로프의 도착 시간을 포착하는 단계를 포함하는 거리 측정 방법이 제공된다.

본 발명에 의하면, 초음파 거리 측정기에 있어서, (a) 초음파 펄스 송출기, (b) 상기 펄스의 에코에 응답하는 센서, (c) 상기 센서로부터 신호를 수신하는 증폭기, (d) 상기 증폭기로부터 신호를 수신하는 최대 진폭 검출기, 및 (e) 상기 송출기 및 수신기에 동작가능하게 접속되어 있는 타이머를 구비하며, 상기 초음파중 한 초음파의 송출과 상기 최대 진폭 검출기의 응답 간의 시간 지연을 측정하는 초음파 거리 측정기가 제공된다.

본 발명이 근본으로 하는 원리는 도 2에 도시되어 있다. 압전식인지 또는 주자성 인지에 무관하게, 초음파 에코를 검출하기 위해 사용되는 센서 전체는 초음파 에너지의 온셋(onset)에 비선형적으로 응답한다. 이들 센서는 응답시간이 저 에너지 신호의 경우보다 고 에너지 신호의 경우에 보다 짧게 되어 있는 것을 특징으로 하고 있다. 또한, 공기를 통해 전파되는 에코 펄스의 에너지 레벨은 전파 속도와 상반되게 가변하는 경향이 있다. 즉, 소정의 전파 에너지 레벨에 대해서, "슬로우(slow)" 공기를 통해 반사되어 돌아오는 에코 펄스가 "패스트(fast)" 공기를 통해 반사되어 돌아오는 에코 펄스보다 높은 에너지를 갖는 경향이 있다. 도 2는 수신 회로에 의해 수신된 바와같은, 3개의 상이한 전파 속도를 갖는 공기를 통해 타겟으로 향하는 3개의 에코 펄스를 도시하고 있다. 에코 펄스(20)는 "패스트" 공기를 통해 반사되어 오는 것이다. 에코 펄스(30)는 "평균" 공기를 통해서 반사되어 오는 것이다. 에코 펄스(40)는 "슬로우" 공기를 통해 반사되어 오는 것이다. 이에 따라서, 펄스(20,30,40)의 최초 도착 시간은, 도시된 바와같이, 상이하다. 그러나, 펄스(40)는 펄스(30) 보다 높은 에너지를 가지고 있고, 펄스(30)는 펄스(20) 보다 높은 에너지를 가지고 있으며, 수신 센서는 펄스(30)에 대해서 보다는 펄스(40)에 대해 빠르게 응답하고, 펄스(20)에 비해서 펄스(30)에 대해 보다 빠르게 응답한다. 이에 따라, 펄스의 진폭 엔벨로프, 즉 펄스(20)의 엔벨로프(22), 펄스(30)의 엔벨로프(32), 펄스(40)의 엔벨로프(42)는 개략 동일한 시간에서 최대의 값을 갖는다. 그 때문에, 수신된 에코 펄스의 진폭 엔벨로프의 최대값의 포착을 토대로 하는 거리 측정이 소리의 속도에서의 변화에 비교적 영향을 적게 받게 된다. 또한, 일반적으로 최대 진폭이 대기 잡음 레벨을 훨씬 초과하게 되므로, 본 발명에 의한 방법에서는, 에코 펄스의 최초의 제로 크로싱의 포착과 관련된 시스템 에러를 회피할 수 있다.

진폭 엔벨로프의 최대값이 신뢰성있게 포착되도록 하기 위해, 에코 펄스는 수신 센서의 응답 시간 보다 짧은 것이 좋다. 펄스가 길면, 진폭 엔벨로프가 최대가 되는 위치가 불분명해지는 경향이 있다. 수신 센서가 에코 펄스의 길이 보다도 짧은 응답 시간을 갖는 다면, 밴드패스 필터 등 적합한 비선형 소자를 수신 회로내 포함시키는 것에 의해, 펄스 길이 보다도 긴 유효한 응답 시간을 준비할 수 있다.

본 발명이 근본으로 하는 센서의 응답은 센서의 타입에 따라 변하기 때문에, 본 발명의 원리에 의해 제조된 거리 측정 장치는, 주지의 거리의 교정 타겟을 향하여 초음파 펄스를 전파하고 수신된 에코 펄스의 최대 진폭의 시간을 측정하는 것에 의해 교정될 필요가 있다. 이러한 교정은, 각 교정 거리에서, 수신 회로의 새추레이션(saturation) 레벨에 약간 미치지 못하는 수신 회로에서의 증폭 레벨의 측정을 포함하고 있으며, 이에 의해 거리에 대한 최적의 증폭 레벨의 테이블이 제공된다. 실제 사용에 있어서, 본 발명의 거리 측정기는 적어도 2개의 전파 펄스를 사용하여 타겟에 대한 거리를 측정하고 있다. 제 1 펄스는 타겟에 대한 거리의 개략적인 추정(rough estimate)을 얻기 위해 사용되고 있다. 이 추정값에 일치하도록 증폭 레벨이 조정되므로, 수신 회로의 새추레이션이 없이 최대 에코 엔벨로프를 구하기 위해서, 가능한 큰 진폭이 사용될 수 있다. 다음에, 실제 거리 측정을 위해서, 제 2 펄스가 송출된다.

대안적으로는, 수신된 에코 펄스 신호가 수신 회로를 새추레이션 상태로 하는 경우에 수신기의 증폭도를 저감하기 위해, 진폭 측정 및 피드백 기구가 제공될 수 있다.

본 발명은 초음파 거리 측정 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 비교적 높은 환경 잡음이 존재하고, 상기 장치와 타겟의 사이에서 소리 속도가 변하더라도 타겟에 대한 거리를 정확하게 측정하기 위해 사용될 수 있다.

본 발명에 의한 초음파 거리 측정기의 원리 및 동작은 첨부된 도면과 이하의 설명을 참조하면 잘 이해될 수 있을 것이다.

도면을 참조하면, 도 3은 펄스(50)의 각 반 주기가 최대 절대 진폭(52)으로 특징되고 있음을 보여주는, 수신된 에코 펄스(50)를 도시하고 있다. 이 펄스(50)의 최대 진폭 엔벨로프(54)의 시간을 포착하기 위한 가장 간단한 방법은 가장 큰 최대 절대 진폭(56)의 시간을 포착하는 것이다. 이 방법으로 측정된 거리에서는, 초음파 파장의 1/4 분 정도가 불확실하게 된다. 보다 정확한 거리 측정은, 도시된 바와같이, 완만한 곡선(58)을 최대 절대 진폭에 알맞게 설정하고(fit) 그 곡선(58)의 최고점(60)을 구하는 것에 의해 얻어질 수 있다.

도 4는 본 발명에 의한 기존 거리 측정기의 블록도이다. 송신기(70)는 신호 발생기(72)와 초음파 트랜스듀서(74)를 포함하고 있다. 신호 발생기(72)는 트랜스듀서(74)에 의한 초음파 펄스로서 송출되는 파형을 발생한다. 타겟에서 반사되어 오는 에코 펄스는 수신기 회로(80)에서 수신되고, 이 수신기 회로(80)는 센서, 증폭기(84), 진폭 검출기(86), 피크 진폭 검출기(88), 및 타이머(90)를 포함하고 있다. 신호 흐름의 방향을 화살표로 도시하고 있다. 센서(82)는 초음파 에너지를 수신하여 전자 신호로 변환하며, 이 신호는 증폭기(84)에 의해 증폭되고 진폭 검출기(86)로 전달되고 있다. 피크 진폭 검출기(88)는, 진폭 검출기(86)로부터, 도 1의 임계값(14) 등 임계값을 초과하는 신호의 최대값(52)에 응답하며, 신호 타이머(90)는 관련된 진폭 만큼의 최대값(56)이 수신된 때 증분되고 있다. 피크 진폭 검출기(88)로부터의 최종 타이밍 신호는 최대 절대 진폭(56)과 관련된 것이다. 타이머(90)는 또한 발신된 초음파 펄스의 전파 동안에 신호 발생기(72)로부터 타이밍 신호를 수신한다. 양호하게는, 이 신호는 신호 발생기(72)가 송출 파형을 발생하기 시작하는 때 신호 발생기(72)로부터 타이머(90)로 전달된다. 그러나, 제 1 피크 또는 제 1 제로 크로싱 등 송출 파형의 다른 기준 포인트도 송출 시작을 표시하는 것에 사용될 수 있다. 타이머(90)는 신호 발생기(72)로부터의 타이밍 신호와 피크 진폭 검출기(88)로부터의 최종 타이밍 신호 간의 시간차를 기초로, 타겟에 대한 거리를 추정하기 위한 회로를 포함하고 있다. 이 차를 나타내는 신호는 표시 소자 등 다른 장치(도시하지 않음)에 전달되고 있다.

도 5는 도 4의 거리 측정기와 유사한, 본 발명의 거리 측정기의 블록도이며, 여기서 밴드패스 필터 등 비선형 소자(92)가 증폭기(84)와 진폭 검출기(86) 간에 설치되어 있다. 상술한 바와같이, 비선형 소자(92)의 목적은, 센서(82)의 자체 응답 시간이 그들 신호 보다 짧은 경우에도, 수신기 회로(80)의 응답 시간을 신호 송출기(70)에서의 시간 기간(duration) 보다 크게 하기 위한 것이다.

도 6은 도 4의 거리 측정기와 유사한, 본 발명의 거리 측정기의 블록도이며, 여기서는, 상술한 바와같이, 최대 진폭(56)이 수신기 회로(80)의 새추레이션 레벨 이하가 되도록, 증폭기(84)의 증폭 레벨을 제어하기 위한 피드백 기구(94)가 설치되어 있다. 도 7은 본 발명의 거리 측정기의 블록도이며, 진폭 검출기(86)에 의해 실제로 측정된 진폭을 토대로 증폭기(84)의 증폭 레벨을 조정하기 위해 피드백 기구(96)가 설치되어 있는 것을 제외하고는, 도 6의 거리 측정기와 유사하다. 마지막으로, 도 8은, 도 4의 거리 측정기와 유사한, 본 발명의 거리 측정기의 블록도이며, 여기서는 송출기(70)의 트랜스듀서와 수신기 회로(80)의 센서로서 동일한 물리 디바이스(100)(예컨대, 동일한 압전 결정(piezoelectric crystal))이 사용되고 있다. 송출기(70)의 트랜스듀서와 수신기 회로(80)의 센서로서 동일한 물리 디바이스를 사용하면, 별개의 트랜스듀서(74)와 센서(82)를 구비한 거리 측정기 보다 매우 콤팩트하고 생산 비용이 저렴하다는 이점이 있다.

본 발명을 몇 개의 실시예에 관하여 설명하였지만, 당업자라면 본 발명을 변형 혹은 수정하거나 달리 적용할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

Claims (17)

1. 타겟에 대한 거리를 측정하기 방법에 있어서,

   (a) 초음파 펄스를 상기 타겟을 향하여 송출하는 단계;

   (b) 상기 타겟으로부터, 진폭 엔벨로프를 갖는 에코 펄스를 수신하는 단계; 및

   (c) 상기 진폭 엔벨로프의 최대값의 도착 시간을 구하는 단계를 포함하는 거리 측정 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 에코 펄스는 복수의 반-주기로 이루어져 있으며, 상기 반-주기의 각각에는 최대의 절대 진폭이 존재하고, 상기 진폭 엔벨로프의 측정값은, 상기 최대의 절대 진폭중 가장 큰 것인 거리 측정 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 에코 펄스는 복수의 반-주기로 이루어져 있으며, 상기 반-주기의 각각에는 최대의 절대 진폭이 존재하고, 상기 진폭 엔벨로프의 최대값은, 시간 함수로서, 완만한 곡선을 상기 최대의 절대 진폭에 피팅(fitting)함으로써 구해지는 거리 측정 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상시 수신 단계는 새추레이션 레벨과 증폭 레벨을 갖는 수신기 회로를 사용하여 행해지고,

   (d) 상기 진폭 엔벨로프의 최대값이 상기 새추레이션 레벨을 초과하는 경우, 상기 진폭 레벨을 감소시키는 단계를 더 포함하는 거리 측정 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 수신 단계는, 센서 응답 시간을 갖는 센서를 사용하여 행해지고, 여기서 상기 에코 펄스는 상기 센서 응답 시간보다 짧은 펄스 시간 기간(duration)을 가지고 있는 거리 측정 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 에코 펄스는 조정가능한 회로 응답 시간을 갖는 수신기 회로를 사용하여 행해지고,

   (e) 상기 수신기 회로의 응답 시간을 상기 펄스 시간 기간 보다 길도록 조정하는 단계를 더 포함하는 거리 측정 방법.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 수신기 회로의 응답 시간의 조정은, 상기 수신기 회로의 비선형 소자를 사용하여 행해지는 거리 측정 방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 비선형 소자는 밴드패스 필터인 거리 측정 방법.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 거리 측정 방법을,

   (d) 주지의 교정 거리의 교정 타겟을 향하여 상기 초음파 펄스를 발신하는 단계;

   (e) 상기 교정 타겟으로부터, 진폭 엔벨로프를 갖는 교정 에코 펄스를 수신하는 단계;

   (f) 상기 교정 에코 펄스의 상기 진폭 엔벨로프중 최대 값의 도착 시간을 포착하는 단계에 의해 교정하는 교정 단계를 더 포함하는 거리 측정 방법.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 수신 단계는, 새추레이션 레벨과 증폭 레벨을 갖는 수신기 회로를 사용하여 행해지고, 상기 초음파를 주지의 거리의 교정 타겟을 향하여 송출하는 것은 상기 주지의 거리의 복수개에서 행해지고,

    (g) 상기 주지의 거리의 각각에 대해, 최적의 진폭 레벨을 구하여, 상기 교정 에코 펄스의 상기 진폭 엔벨로프의 최대값을 상기 새추레이션 레벨 이하로 하고, 교정 거리의 함수로서, 상기 최적의 증폭 레벨의 테이블을 생성하는 단계; 및

    (h) 상기 에코 펄스를 수신하고 상기 진폭 엔벨로프의 최대값의 도착 시간을 확인한 후, 교정 거리의 함수로서의 상기 최적의 증폭 레벨의 테이블과 상기 진폭 엔벨로프의 상기 최대값의 도착 시간으로부터 추정된 측정 거리에 따라서, 상기 증폭 레벨을 조정하는 단계를 더 포함하는 거리 측정 방법.
11. 거리 측정 장치에 있어서,

    (a) 초음파 펄스 송출기;

    (b) 상기 펄스의 에코에 응답하는 센서;

    (c) 상기 센서로부터 신호를 수신하는 증폭기;

    (d) 상기 증폭기로부터 신호를 수신하는 최대 진폭 검출기; 및

    (e) 상기 발신기 및 상기 수신기에 동작가능하게 접속되어 있어, 상기 초음파 펄스중 한 펄스의 송출과 상기 최대 진폭 검출기의 응답 사이의 시간 지연을 측정하는 거리 측정 장치.
12. 제 11 항에 있어서, (f) 상기 최대 진폭 검출기와 상기 증폭기 사이에 동작가능하게 설치되어 있는 비선형 소자를 더 구비하는 거리 측정 장치.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 비선형 소자는 밴드패스 필터인 거리 측정 장치.
14. 제 11 항에 있어서, (f) 상기 시간 지연을 토대로 상기 증폭기를 조정하기 위한 피드백 기구를 더 구비하는 거리 측정 장치.
15. 제 11 항에 있어서, (f) 상기 증폭기와 상기 최대 진폭 검출기 사이에 동작가능하게 설치되어 있어 상기 증폭기로부터의 상기 신호의 진폭을 측정하는 진폭 검출기; 및

    (g) 상기 측정된 진폭을 토대로 상기 증폭기를 조정하는 피드백 기구를 더 구비하는 거리 측정 장치.
16. 제 11 항에 있어서, 상기 송출기는 상기 초음파 펄스를 발생하기 위한 트랜스듀서를 포함하는 거리 측정 장치.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 트랜스듀서와 상기 센서는 동일한 것인 거리 측정 장치.