KR20070066136A - 초음파를 이용한 거리 측정 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 송신/수신 일체형 단일 초음파 센서를 이용하는 최단 거리 측정 장치에 있어서 구동 신호가 끊어진 후에 잔류하는 센서 내부 진동자의 물리적 진동에너지를 제거하여 여진 신호를 빨리 소거시킴으로써 단거리 거리 측정 성능을 향상시키는 초음파를 이용한 거리 측정 방법 및 장치에 관한 것으로서, 소정 주파수의 초음파를 피측정체에 발신한 후, 피측정체에 부딛쳐 되돌아와 수신되기까지 걸리는 시간 간격을 측정하여 거리를 측정하는 초음파 센서를 이용하는 거리 측정 방법에 있어서, 초음파 센서에 거리 측정용 초음파 발신을 위한 펄스 형태의 구동신호를 인가한 후, 상기 구동신호와 대비하여 180도의 위상차를 갖는 역위상의 여진 제거 신호를 연속하여 인가하여, 여진을 제거하는 것을 기술적 요지로 한다.

초음파 센서, 거리 측정, 여진, 역위상, 진동 에너지

Description

초음파를 이용한 거리 측정 방법 및 장치{Method and apparatus for measuring of minimum distance using a ultrasonic}

도 1의 (a)는 종래 초음파를 이용한 거리 측정 장치의 구성도이고, (b)는 그 동작 상태를 나타낸 신호 파형도이다.

도 2의 (a)는 종래 초음파를 이용한 거리 측정 장치의 구성도이고, (b)는 그 동작 상태를 나타낸 신호 파형도이다.

도 3의 (a)는 종래의 초음파 센서의 구동 신호의 파형도이고, (b)는 상기 (a)의 구동 신호를 인가한 경우에 나타나는 초음파 발신신호를 나타낸 파형도이다.

도 4의 (a)는 본 발명에 따라서 초음파 센서에 인가되는 구동 신호를 나타낸 파형도이고, (b)는 상기 (a)와 같은 구동신호를 인가한 초음파의 발신신호를 나타낸 파형도이다.

도 5의 (a)는 본 발명에 의한 초음파를 이용한 최단 거리 측정 장치의 블럭 구성도이고, (b)는 그 동작 파형도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

21: 초음파 센서부

22: 펄스폭 가변 펄스 발생부

23: 수신 신호 처리부

24: 제어부

본 발명은 송신/수신 일체형 단일 초음파 센서를 이용하는 거리 측정 장치에 있어서 최단 거리 측정 성능을 향상시킨 초음파를 이용한 거리 측정 방법 및 장치에 관한 것이다.

초음파는 음파 중에서 20Hz~20kHz 범위의 사람의 귀로 들을 수 있는 가청음보다 높으며, 사람의 귀로 직접 들을 수 없는 주파수의 음파를 말하는 것으로서, 빛보다는 굴절률이 크기 때문에 전방에 작은 장애물이 있어도 소리라는 특성상 전파가 가능하며, 빛의 반사에 대한 영향이 적어 처리가 간편하며, 복잡한 필터를 설계하지 않아도 된다는 이점이 있어, 흔히 거리 측정이나 전방의 물체 유무 감지에 많이 이용되고 있다.

특히 초음파를 이용한 거리 측정은 초음파를 발신한 후, 피 측정체를 맞고 되돌아오는 신호를 수신하여, 초음파 발신 시각과, 초음파 수신 시각 간의 시간 간격으로부터 음파 전달 속도를 감안한 연산을 통해 거리를 측정하는 것이다.

도 1의 (a)와 도 2의 (a)는, 송신과 수신이 동시에 가능한 초음파 센서를 이용하여 거리를 측정하는 장치를 나타낸 것으로서, 센서 구동부(11)를 통하여 초음파 센서(12)에 소정의 구동 펄스를 인가하여 소정 주파수의 초음파를 발신한 후, 상기 발신된 초음파 신호가 피측정체에 반사되어 되돌아오는 신호가 상기 초음파 센서(121)에서 수신되면, 상기 센서 구동부(11)에서 발신 시각과 수신 시각간의 시간 간격의 소정의 신호(예를 들어, 펄스 신호등)로 출력한다. 이때, 상기 초음파 센서(12)에서 발생되는 초음파는 특정 주파수로 고정되어 있으며, 초음파 센서의 특성상 상기 센서 구동부(11)에서 인가되는 구동 신호가 중단되더라도, 물리적인 진동이 센서 자체에 남아 있어 초음파 발생이 곧바로 멈추지 않는다.

이러한 거리 측정 장치는 원거리에 위치한 피 측정체까지의 거리를 측정하는 경우, 초음파 발신신호와 수신 신호 간에 어느 정도의 시차가 발생하여 초음파 발신신호의 여진이 어느 정도 사라진 후에 수신신호가 감지되기 때문에, 도 1의 (b)에 나타난 바와 같이 발신시점에서 수신시점까지를 나타내는 초음파의 감지 시간 간격(T1)을 정확하게 감지할 수 있다.

그러나, 가까운 거리에 위치한 피 측정체까지의 거리를 측정하는 경우, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 발신 신호의 여진이 사라지기 전에 피측정체에서 되돌아오는 수신 신호가 초음파 센서(12)에 수신되어, 발신신호와 수신신호가 겹쳐질 수 있다. 이 경우, 실제로 초음파를 이용한 거리 측정 장치에서 발신 신호의 크기는 매우 큰데 반해, 수신 신호는 매우 미약하기 때문에, 수신신호가 발진 신호의 여진 신호에 묻혀 구분이 되지 못하며, 따라서 초음파 감지 시간 간격(T2)를 계산 하기가 불가능하다.

이러한 초음파 발신신호의 여진 문제를 해결하기 위하여, 여러 가지 방법이 제안되고 있다. 첫 번째로, 발신 센서와 수신 센서를 분리 장착하는 방법이 있는데, 이는 수신신호와 발신 신호와 분리되어 상술한 여진 문제를 완전히 해소할 수 있으나, 송신 센서와 수신 센서가 구분되어야 하기 때문에 센서가 추가에 의해 비용이 증가한다는 문제가 있고, 두 번째로, 초음파 센서에 여진이 작게 발생하도록 진동 감쇄 재료를 부착시키는 방법이 있는데, 이는 부착 사용 재료에 따라 여진 감쇄 시간이 단축되지만, 여진 감쇄 시간이 단축될수록 발신 초음파의 세기가 약해지고 수신 초음파에 대한 감도가 낮아지는 문제점이 있으며, 세 번째로, 센서 구동부에서 구동 신호를 초음파 센서에 인가한 후 스위치를 이용한 단자 단락을 통해 초음파 센서의 진동에너지를 소모시키는 방법이 있는데, 이 또한 부가적인 회로가 추가되고, 여진이 빨리 제거되지 못한다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 그 목적은 송신/수신 일체형 단일 초음파 센서를 이용하는 최단 거리 측정 장치에 있어서 구동 신호가 끊어진 후에 잔류하는 센서 내부 진동자의 물리적 진동에너지를 제거하여 여진 신호를 빨리 소거시킴으로써 단거리 거리 측정 성능을 향상시키는 초음파를 이용한 거리 측정 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 상술한 목적을 이루기 위한 수단으로서, 소정 주파수의 초음파를 피측정체에 발신한 후, 피측정체에 부딛쳐 되돌아와 수신되기까지 걸리는 시간 간격을 측정하여 거리를 측정하는 초음파 센서를 이용하는 거리 측정 방법에 있어서, 초음파 센서에 거리 측정용 초음파 발신을 위한 펄스 형태의 구동신호를 인가한 후, 상기 구동신호와 대비하여 180도의 위상차를 갖는 역위상의 여진 제거 신호를 연속하여 인가하여, 여진을 제거하는 것을 특징으로 한다.

더하여, 본 발명은 상술한 목적을 이루기 위한 다른 수단으로서, 펄스 형태의 펄스 신호를 입력받아 소정 주기의 초음파를 발사하고, 상기 초음파 발사후 해당 목표물에 맞고 돌아오는 음파를 수신하는 초음파 센서부; 상기 초음파 센서부에 음파가 발생하도록 하기의 제어부의 제어에 따른 펄스폭을 갖는 펄스 신호를 발생시켜 상기 초음파 센서부로 인가하는 펄스폭 가변 펄스발생부; 상기 초음파 센서부가 수신한 소정 음파의 신호를 증폭, 비교, 디지탈 변환하는 수신신호 처리부; 및 거리 측정 요구시 소정 주기 및 진폭의 구동 신호가 발생한 후, 연속하여 상기 구동 신호에 대하여 역위상의 여진 제거 신호가 발생하도록 상기 펄스폭 가변 펄스 발생부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 거리 측정 장치를 제공한다.

더하여, 상기 본 발명에 의한 초음파를 이용한 거리 측정 방법 및 장치에 있어서, 상 여진을 제거하기 위한 여진 제거 신호는 상기 구동 신호의 펄스 폭에 대하여 10~50%의 펄스 폭을 갖으며, 상기 구동신호보다 작은 진폭을 갖는 것을 특징 으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 초음파를 이용한 거리 측정 방법 및 장치에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 참조한 도면들 중 참조번호 및 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호들 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

도 3의 (a)와 (b)는 거리 측정을 위한 초음파를 발신하기 위한 구동 신호와, 상기 구동신호에 의해 동작한 초음파 발신신호를 나타낸 신호 파형도이다.

도 3의 (a)에 나타난 바와 같이, 거리 측정을 위한 초음파 발신용 구동신호는 일정한 펄스폭 a를 갖으며 진폭이 2A인 펄스를 소정의 짧은 주기(예를 들어, 2 주기)동안 발생시킨 것이다.

이러한 구동신호를 초음파 센서에 인가할 경우, 초음파 센서가 물리적으로 진동하여, 상기 구동 신호와 거의 동일한 주기 및 진폭을 갖는 사인파 형태의 초음파를 발생시킨다. 이때, 상기 초음파 센서의 구조적인 특징에 의하여, 상기 구동 신호가 종료되는 시점t1에서 바로 초음파 신호가 종료되는 것이 아니라 진폭이 점차로 작아지는 여진 신호가 존재한다.

본 발명에서는 이렇게 구동신호의 종료시점 이후에 나타나는 여진 신호를 신 속하게 제거하기 위한 방법으로서, 구동신호를 인가한 후에, 상기 구동신호와 대비하여 180도의 위상차를 갖고, 10~50%의 펄스 폭을 갖으며, 상기 구동신호의 진폭보다 작은 진폭을 갖는 여진 제거 신호를 초음파 센서에 인가한다.

도 4의 (a) 및 (b)는 본 발명에 따라서, 초음파를 이용한 거리 측정 장치의 초음파 센서에 인가되는 구동 신호와 이에 의하여 초음파 센서에서 발생되는 초음파 신호를 나타낸 신호 파형도이다.

도 4의 (a)를 참조하면, 소정 주기에 펄스폭 a를 갖는 구동신호를 인가한 후, 상기 구동신호가 끝나는 시점에서, 상기 인가된 구동신호에 대하여 180도의 위상차를 갖으며 b와 c의 펄스폭을 갖는 여진 제거 신호를 상기 구동신호보다 짧은 주기로 인가한다. 여기서, 상기 여진 제거 신호의 펄스폭 b,c는 구동신호의 펄스폭 a에 대하여 0~50% 의 값을 갖으며, 여진 제거 신호는 1 주기만 인가된다.

이와 같이 인가하면, 도 4의 (b)에 나타난 바와 같이, 구동 신호가 인가되는 동안에는 상기 구동신호와 동일한 주기 및 동일한 진폭을 갖는 초음파 발신신호가 발생되면, 구동신호가 종료된 시점이후 초음파 센서에 잔류하는 진동 에너지가 상기 역위상의 여진 제거 신호에 의한 진동 에너지와 상쇄되어, 초음파 여진신호가 신속하게 제거된다.

도 5의 (a)는 상술한 방법이 적용된 본 발명에 의한 초음파를 이용한 거리 측정 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 기능 블럭도이고, (b)는 그 동작을 나타낸 신호 파형도이다.

도 5의 (a)를 참조하면, 본 발명에 의한 초음파를 이용한 거리 측정 장치는, 펄스 형태의 전기 신호를 입력받아 소정 주기의 초음파를 발사하고, 상기 초음파 발사후 해당 목표물에 맞고 돌아오는 음파를 수신하는 초음파 센서부(21)와, 상기 초음파 센서부(21)에 음파가 발생하도록 하기의 제어부(24)의 제어에 따른 펄스폭을 갖는 펄스 신호를 발생시켜 상기 초음파 센서부(21)로 인가하는 펄스폭 가변 펄스발생부(22)와, 상기 초음파 센서부(21)가 수신한 소정 음파의 신호를 증폭, 비교, 디지탈 변환하는 수신신호 처리부(23)와, 거리 측정 요구시 소정 주기 및 진폭의 구동 펄스가 발생한 후, 연속하여 상기 구동 펄스에 대하여 역위상의 여진 제거용 펄스가 발생하도록 상기 펄스폭 가변 펄스 발생부(22)를 제어하는 제어부(24)를 포함한다.

더 구체적으로 상기 제어부(24)는 상기 도 4의 (a)에 나타난 바와 같이, 구동신호와 여진 제거 신호가 연속적으로 발생하도록 상기 펄스폭 가변 펄스 발생부(22)를 제어한다. 즉, 구동신호의 인가시간 동안은 상기 펄스폭 가변 펄스 발생부(22)가 펄스폭 a의 펄스 신호를 발생시키고, 이후 여진 제거 신호를 인가하는 시간 동안 b와 c의 펄스폭을 갖는 펄스신호가 발생하도록 펄스폭 가변 펄스 발생부(22)를 제어한다.

상술한 거리 측정 장치를 통해 거리를 측정하면, 펄스폭 가변 발생부(22)에서 도 4의 (a)와 같은 구동신호를 초음파 센서부(21)로 인가하고, 연속하여 도 4의 (a)에 나타난 여진 제거 신호를 초음파 센서부(21)로 인가한다. 따라서, 상기 초음파 센서부(21)에는 구동신호가 인가되는 동안 설정된 주파수의 초음파 발신 신호가 생성되고, 이어 구동신호가 중단된 이후에 상기 여진 제거 신호에 의해, 상기 초음파 센서부(21)에 남아있는 진동 에너지와 반대값을 갖는 진동 에너지가 발생되어, 상기 여진 신호를 감소시킨다.

이후 피측정체에서 부딪혀 되돌아온 초음파신호를 상기 초음파 센서부(21)가 수신하게 되는데, 이때 초음파 발신 신호에 의한 여진 신호는 완전히 제거되어, 상기 초음파 발신신호와 수신 신호를 명확하게 구분할 수 있게 되며, 그 결과 거리 산출의 기반이 되는 초음파 감지 시간 간격이 정확하게 감지된다.

한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능하다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바에 의하면, 본 발명은 초음파 센서에서 거리 측정을 위해 초음파 신호의 발신후에도 원하지 않게 발생되는 여진 신호를 효과적으로 신속하게 제거함으로써, 근거리 측정 시 발신 후 짧은 시간 내에 되돌아오는 초음파 수신 신호를 원활하게 감지할 수 있으며, 그 결과 근거리 측정 성능을 향상시킬 수 있다.

Claims (4)

1. 소정 주파수의 초음파를 피측정체에 발신한 후, 피측정체에 부딛쳐 되돌아와 수신되기까지 걸리는 시간 간격을 측정하여 거리를 측정하는 초음파 센서를 이용하는 거리 측정 방법에 있어서,

   초음파 센서에 거리 측정용 초음파 발신을 위한 펄스 형태의 구동신호를 인가한 후, 상기 구동신호와 대비하여 180도의 위상차를 갖는 역위상의 여진 제거 신호를 연속하여 인가하여, 여진을 제거하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서를 이용한 거리 측정 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 여진 제거 신호는 구동 신호의 펄스 폭에 대하여 10~50%의 펄스 폭을 갖으며, 상기 구동신호보다 작은 진폭을 갖는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 거리 측정 방법.
3. 펄스 형태의 전기 신호를 입력받아 소정 주기의 초음파를 발사하고, 상기 초음파 발사후 해당 목표물에 맞고 돌아오는 음파를 수신하는 초음파 센서부;

   상기 초음파 센서부에 음파가 발생하도록 하기의 제어부의 제어에 따른 펄스 폭을 갖는 펄스 신호를 발생시켜 상기 초음파 센서부로 인가하는 펄스폭 가변 펄스발생부;

   상기 초음파 센서부가 수신한 소정 음파의 신호를 증폭, 비교, 디지탈 변환하는 수신신호 처리부; 및

   거리 측정 요구시 소정 주기 및 진폭의 구동 펄스가 발생한 후, 연속하여 상기 구동 신호에 대하여 역위상의 여진 제거 신호가 발생하도록 상기 펄스폭 가변 펄스 발생부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 거리 측정 장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 여진 제거 신호는 상기 구동 신호의 펄스 폭에 대하여 10~50%의 펄스 폭을 갖으며, 상기 구동신호보다 작은 진폭을 갖는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 거리 측정 장치.

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