KR20070067807A - 비대칭 지향각을 갖는 초음파센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비대칭 지향각을 갖는 초음파센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초음파 센서 하우징의 전면 스크린 형상이 타원형으로 형성되는 초음파센서에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 기존의 방식에서 사용하듯이 혼(Horn)을 설치하여 지향각을 변화시킬 때, 센서 전체의 크기가 커지고 설치 장소의 제약을 받는 문제를 해결하고, 기존의 초음파센서의 크기에서도 비대칭 지향각을 가질 수 있으므로 이동로봇에 장착이 유리한 효과가 있다.

이동로봇, 초음파센서, 바닥반사, 비대칭, 지향성

Description

비대칭 지향각을 갖는 초음파센서{Ultrasonic sensor in order to have skew directivity according to direction of case's surface}

도 1은 이동로봇의 주행 시 초음파 센서에 의해 바닥반사에 의해 바닥반사에 의해 장애물로 인식하는 경우를 나타낸 사시도.

도 2는 일반적인 개방형 혹은 밀폐형 초음파센서의 구조를 나타낸 사시도.

도 3는 본 발명에 따른 이동로봇을 위한 비대칭 지향각 특성을 갖는 초음파센서에 관한 사시도.

도 4는 본 발명에 의한 초음파 센서의 방향에 따른 음장 특성을 나타낸 사시도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1a : 이동로봇 1b : 이동로봇이 주행하는 바닥면

1c : 초음파 거리센서

1d : 초음파 거리센서에 의해 발생된 초음파 신호

1e : 바닥면에 반사된 초음파 신호

1f : 장애물에 의해 반사된 초음파 신호 1g : 장애물

2a : 개방형 초음파 센서 2b : 밀폐형 초음파 센서

3a : 초음파 센서의 3차원 형상 모델링

3b : 초음파 센서에 의해 발생된 음압 분포

3c : 초음파센서의 단면도

3d : 초음파 센서의 부분별 소재

본 발명은 초음파 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 방향에 따라 다른 비대칭 지향성을 가지는 이동로봇을 위한 초음파센서에 관한 것이다.

초음파는 인간의 귀로 들을 수 있는 가청파에 비해 주파수가 높고, 지향성이 강하기 때문에 초음파를 발생시켜 물체에 부딪혔다가 반사해 돌아오는 시간을 측정함으로써, 물체까지의 거리를 측정하거나 사전에 예고해 줄 수 있다. 이러한 원리를 이용하여 이동로봇 주위의 장애물의 유무 및 거리를 검출하는데 사용되고 있다.

종래의 초음파센서는 초음파 펄스를 송신하고, 물체로부터의 반사파를 수신하는 초음파 진동자와 초음파 진동자를 유지하는 지지재와 지지재를 수용한 한쪽이 개구 형상의 호른 혹은 기타 복잡한 형상의 하우징으로 구성되고, 초음파 신호를 처리하는 신호처리 회로기판 등으로 구성되어 있다. 초음파 센서는 도 2에서 볼 수 있듯이, 개방형 초음파센서(2a)와 밀폐형 초음파센서(2b)로 제작되며, 주요 구성요소는 압전세라믹(20)과 금속층(21), 혼(Horn)(22) 등으로 구성되는데, 압전세라믹(20)과 금속층(21)의 크기나 혼(22)의 각도 및 크기에 따라 지향각 패턴이 바뀌게 된다.

도 2a에 보인 개방형 초음파센서(2a)에는 압전세라믹(20)이 베이스(23)의 두 곳에서 지지되어 있다. 이것에 출력리드를 통해서 교류 전압을 주면 좌우 두 곳을 지점으로 하여 진동이 발생한다. 두 곳의 지점은 절점으로 작용하고 진동자의 중심부와 양 끝부분은 서로 역 위상의 관계로 되며, 여기에서 음향진동이 발생한다. 진동자의 중심부에 혼(horn)(22)이 배치되어 있는 경우가 있으며, 이것은 에너지 효율을 높이는 작용을 한다.

일반적으로 이동로봇(1a)에 적용할 때, 초음파센서는 로봇의 형상이나 바닥면에서의 설치 위치 등을 고려하여 적정한 지향각을 갖도록 설계되어야 한다. 즉, 이동로봇(1a)의 이동 평면 내에서는 지향각을 크게 하여 센싱 범위를 증가시킬 필요가 있는 반면, 이동로봇이 주행하는 바닥면에 수직한 평면에서 지향각을 좁게하여 이동로봇이 주행하는 바닥면에서의 반사파로 인한 영향을 최소화하는 것이 필요하다. 그러나 이러한 특수한 환경에 적응할 수 있는 로봇용 초음파센서는 현재 개발되어 있지 않고 차량 후방 감지용 센서([JP]2001-289939, 2000-125378, [US]6,250,162 B1) 중에서 일부 이러한 지향각이 방향에 따라 다른 초음파 센서가 개발되어 차량에 적용되고 있다. 하지만, 종래 기술은 형상이 매우 복잡하고, 제작 공정이 복잡하여 저가로 생산하기 힘든 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 개방형 초음파 센서의 하우징을 비대칭 지향각 특성을 갖도록 설계함으로써, 이동로봇에 적용 시 바닥반사에 의한 장애물 검출을 최소화하면서 수평방향의 지향각을 일정이상 유지시킬 수 있는 비대칭 지향각을 갖는 초음파센서를 제공하는 것을 본 발명의 기술적 과제로 한다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은 실내 공간에서 움직이는 이동로봇을 위한 초음파 거리계에 사용되는 개방형 초음파 센서의 하우징이 비대칭 지향각 특성을 갖도록 타원형으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 대한 실시예를 중심으로 첨부된 도면에 따라서 보다 상세히 설명한다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 이동로봇(1a)의 둘레에 설치된 초음파 센서(1c)를 통해 주행 시 이동로봇(1a)의 자율주행을 위해 필요한 환경정보(장애물의 유무 혹은 장애물과의 거리 정보 등)를 획득할 때 발생하는 오인식 정보(예 : 카페트나 낮은 문턱 등으로 인한 바닥면에 장애물이 있는 것으로 인식하는 문제)를 검출하지 않도록 하기 위하여 수평측 방향으로는 기존의 초음파 센서가 가져야 하는 지향각을 가지며, 수직측으로는 좁은 지향각을 가지는 초음파 센서를 설계하는데 있다.

이러한 비대칭 지향각을 가지는 초음파 센서를 설계하기 위하여 도 3에서 열거한 것과 같이 초음파 센서의 하우징(30) 전면 스크린 형상을 타원형으로 설계함으로서 이러한 문제를 해결한다.

비대칭 지향각을 갖는 원리에 대하여 상술하면 다음과 같다. 먼저, 도2에서 보듯이 초음파 센서(1c)의 압전소자(Piezoelectric meterial)(20)가 진동하여 공진 자(Horn)(22)가 전방으로 움직이면 공진자(22) 앞의 공기가 압축되어 압력이 상승하고, 후방으로 움직이면 콘 앞의 공기는 팽창하여 압력이 떨어진다. 이러한 과정이 연속 반복되면 고압 및 저압의 파동이 음속의 속도로 방사되는데 하우징(30)의 스크린에 도달하며 경계조건이 바뀌어 개방 공간으로 방사되는 초음파장은 상호 간섭하게 되고, 스크린의 면적에 반비례하여 방사되는 초음파의 세기가 달라지게 된다. 방사된 초음파장중에서 수평측으로 전파되는 초음파장은 장애물(1g)에 부딪혀서 장애물에 의해 반사된 초음파 신호(1f)와 같이 반사파가 초음파 센서(1c)에 도달하고 공진(22)자를 진동하고 압전소자(20)를 진동시켜 미세한 전류를 발생시켜서 장애물(1g)을 검출하게 된다. 수직 측으로 전파되는 초음파장은 수평 측으로 전파되는 초음파장에 비해 음압이 낮으므로 바닥면에 반사된 초음파 신호는 동일한 수신부 전자회로에서 동일한 증폭비를 가질 때 장애물(1g)로 검출되지 않는다.

상기와 같은 구성을 갖는 이동로봇(1a)을 위한 비대칭 지향각을 가지는 초음파 센서는 하우징(30)의 상부 스크린의 형상을 비대칭으로 바꿈으로 해서 형상이 단순하여 제작이 용이하며 이동로봇에 손쉽게 장착할 수 있다.

상기와 같은 발명의 이동로봇(1a)에의 구현예는 타원형상 중에서 폭이 긴 방향을 수평 측으로 폭이 짧은 방향을 수직 측으로 설치하는 것으로 별다른 기구 변화없이 바닥반사에 의한 장애물 오인식 문제를 해결할 수 있다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은 기존의 방식에서 사용하듯이 혼(Horn)을 설치하여 지향각을 변화시킬 때, 센서 전체의 크기가 커지고 설치 장소의 제약을 받는 문제를 해결하고 기존의 초음파 센서의 크기에서도 비대칭 지향각을 가질 수 있으므로 이동로봇에 장착이 유리한 효과가 있다.

Claims (2)

1. 실내 공간에서 움직이는 이동로봇에 있어서,

   이동로봇에 장착되고 비대칭 지향각을 가지는 것을 특징으로 하는 초음파센서.
2. 제 1항에 있어서, 상기 초음파 센서는 하우징(30)의 상부에 스크린 형상의 비대칭 타원을 갖는 것을 특징으로 하는 비대칭 지향각을 가지는 초음파 센서.

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