KR20140118242A - 초음파 신호의 위상천이 검출에 의한 정밀 거리측정방법 - Google Patents

초음파 신호의 위상천이 검출에 의한 정밀 거리측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 초음파 신호의 위상천이 검출에 의한 정밀 거리측정방법은 서로 동기화된 초음파 신호와 송신 동기 신호 간 위상천이값을 통해 거리보정값이 산출되면서 정밀한 거리 측정이 이루어질 수 있도록 한다.
본 발명은 초음파 송신기에 의해 초음파 신호가 기준위치에서 측정 대상체로 입사되고, 초음파 신호가 기준위치로부터 측정 대상체에 도달하는데 걸리는 시간인 TOF(time of flight)가 초음파 수신기와 신호분석기에 의해 산출되는 신호측정단계와; 측정 대상체로 입사시킨 초음파 신호의 속도(c)와 상기 신호측정단계에서 측정된 TOF로부터 측정 대상체의 기준위치에 대한 단순산술 거리(d)를 연산하는 거리 연산단계를 포함하여, 기준위치로부터 측정 대상체의 거리를 측정하되, 신호측정단계는 측정 대상체로 입사되는 초음파 신호의 각 주기별 시작 지점마다 펄스 형태의 송신 동기 신호가 생성되도록 하고, 송신 동기 신호가 유무선 통신에 의해 측정 대상체나 기준위치에 위치한 초음파 수신기로 전송되도록 하며, 초음파 수신기에 수신되는 초음파 신호와 송신 동기 신호 간 위상천이가 상기 신호분석기에 의해 검출되도록 하고, 거리 연산단계는 검출된 위상천이로부터 거리보정값(m)가 도출되도록 하고, 측정 대상체의 기준위치에 대한 단순산술 거리(d)에 거리보정값(m)이 더해진 정밀보정 거리(d')가 연산되도록 한다.

Description

초음파 신호의 위상천이 검출에 의한 정밀 거리측정방법{High resolution distance measuring method by phase shifted value of ultrasonic signal}
본 발명은 초음파 신호의 위상천이 검출에 의한 정밀 거리측정방법에 관한 것으로, 좀더 구체적으로는 서로 동기화된 초음파 신호와 송신 동기 신호 간 위상천이로부터 거리보정값이 산출되면서 정밀한 거리 측정이 이루어질 수 있도록 하는 초음파 신호의 위상천이 검출에 의한 정밀 거리측정방법에 관한 것이다.
거리측정을 위한 다양한 장치 및 방법들이 안출되어 사용되고 있다. 초음파 신호를 이용한 거리측정방법도 초음파 거리계, 초음파 진단기, 로봇의 장애물 검출 등의 분야에서 현재 널리 사용되고 있다. 이와 같은 초음파 신호를 이용한 거리측정방법은 초음파 송신기로부터 송신된 초음파 신호가 초음파 수신기에서 수신되면서 초음파 신호의 전파시간이 계측되도록 함으로써 거리를 측정하게 된다. 여기서, 거리는 전파시간에 초음파의 음속을 곱하여 얻어지므로, 초음파 신호의 송신 시점에서부터 초음파 수신기에 초음파 신호가 도착한 시점까지의 도달시간 TOF(time of flight)를 계측하여 거리를 산출하게 된다.
이와 같은 초음파 신호를 이용한 거리측정방법과 관련한 기술로는 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-0893114호 "좌표 입력을 위한 초음파 거리 측정 장치 및 방법", 등록번호 제10-0189300호 "위상 보상 회로를 이용한 초음파 거리 측정 장치 및 방법", 공개특허공보 공개번호 제10-2004-0019195호 "다중 초음파를 이용한 정밀 거리측정 방법" 등이 안출되어 있다.
여기서, 상기 "좌표 입력을 위한 초음파 거리 측정 장치 및 방법"은 정밀한 거리측정이 이루어지도록 하는 기술로서, 초음파를 송신하는 송신 단계, 초음파를 수신하여 전기 신호로 변환하는 수신 단계, 초음파 수신 신호의 파형이 소정의 임계치와 교차하는 횟수를 계측하여, 최초에 교차한 교점에서부터 계수하여 소정 횟수후의 교차 타이밍을 검출하는 타이밍 검출 단계, 초음파의 송신 시작에서부터 상기 교차 타이밍을 검출할 때까지의 시간을 계측하는 시간 계측 단계, 계측된 시간에 기초하여 거리를 산출하는 단계를 통해 거리 계측을 수행하는 구성으로 이루어진다.
그리고, 상기 "위상 보상 회로를 이용한 초음파 거리 측정 장치 및 방법"은 주파수가 다른 2개 이상의 초음파를 발신하고; 초음파 수신측에서 발신된 각각의 초음파 신호에 대해 수신 파형의 위상각을 측정하고, 2개 이상의 위상각이 일치하는 시각을 초음파 도달시각으로 판정하여 초기 신호의 주기가 몇개 사라지더라도 주파수를 달리하는 신호를 조합하여 소실된 초기신호를 추정함으로써 1주기의 판정오차를 줄여 정확한 거리측정이 가능하도록 하는 구성으로 이루어진다.
또한, 상기 "다중 초음파를 이용한 정밀 거리측정 방법"은 위상 보상 회로를 이용하여 초음파 센서에서 감지되는 온도의 변화에 따른 위상을 보상해 줌으로써, 초음파 센서의 온도를 항상 일정하게 유지하고, 이에 따라 송신신호의 위상 왜곡을 방지하여 거리 측정 능력을 향상시킴과 동시에 어떠한 온도 조건에서도 정상 동작을 이루어지도록 하는 구성으로 이루어진다.
그러나, 상기와 같은 종래의 초음파 신호를 이용한 거리측정방법은 거리측정을 위한 프로세스가 복잡하고, 이에 따라 측정 신뢰성이 높지 않은 문제점이 있었으며, 거리측정 정밀도를 향상시키는데에도 한계가 있어 이를 개선하는 새로운 거리측정방법이 제안될 필요가 있었다.
특허문헌 1. 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-0893114호 "좌표 입력을 위한 초음파 거리 측정 장치 및 방법" 특허문헌 2. 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-0189300호 "위상 보상 회로를 이용한 초음파 거리 측정 장치 및 방법" 특허문헌 3. 대한민국 공개특허공보 공개번호 제10-2004-0019195호 "다중 초음파를 이용한 정밀 거리측정 방법"
따라서 본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 개선하여, 거리 측정을 위하여 기준위치로부터 방출되는 초음파 신호의 각 주기별 시작지점에 동기화된 송신 동기신호로부터 초음파 수신기에 수신된 초음파 신호의 위상천이를 검출하고, 검출된 위상천이로부터 거리보정값을 산출하여 초음파신호의 속도와 TOF(time of flight)로부터 단순 산술되는 거리값을 보정함으로써 거리측정 정밀도가 향상될 수 있는 새로운 형태의 초음파 신호의 위상천이 검출에 의한 정밀 거리측정방법를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 본 발명은 초음파 송신기에 의해 초음파 신호가 기준위치에서 측정 대상체로 입사되고, 초음파 신호가 기준위치로부터 측정 대상체에 도달하는데 걸리는 시간인 TOF(time of flight)가 초음파 수신기와 신호분석기에 의해 산출되는 신호측정단계와, 측정 대상체로 입사시킨 초음파 신호의 속도(c)와 상기 신호측정단계에서 측정된 TOF로부터 측정 대상체의 기준위치에 대한 단순산술 거리(d)를 연산하는 거리 연산단계를 포함하여, 기준위치로부터 측정 대상체의 거리를 측정하되, 상기 신호측정단계는 측정 대상체로 입사되는 초음파 신호의 각 주기별 시작 지점마다 펄스 형태의 송신 동기 신호가 생성되도록 하고, 송신 동기 신호가 유무선 통신에 의해 측정 대상체나 기준위치에 위치한 초음파 수신기로 전송되도록 하며, 초음파 수신기에 수신되는 초음파 신호와 송신 동기 신호 간 위상천이가 상기 신호분석기에 의해 검출되도록 하고, 상기 거리 연산단계는 검출된 위상천이로부터 거리보정값(m)가 도출되도록 하고, 측정 대상체의 기준위치에 대한 단순산술 거리(d)에 거리보정값(m)이 더해진 정밀보정 거리(d')가 연산되도록 하는 초음파 신호의 위상천이값 산출에 의한 정밀 거리 측정방법을 제공한다.
이와 같은 본 발명에 따른 초음파 신호의 위상천이 검출에 의한 정밀 거리측정방법에서 상기 신호측정단계는 상기 송신 동기 신호가 신호케이블에 의한 유선 통신, 적외선 통신, 설정된 주파수의 전자기파에 의한 무선 통신 군 중에서 선택된 어느 하나의 통신으로 초음파 수신기에 전송되도록 하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 초음파 신호의 위상천이 검출에 의한 정밀 거리측정방법에서 상기 거리 연산단계는 초음파 송신기를 이루는 진동판과 초음파 수신기를 이루는 진동판의 위치오차로부터 발생되는 거리 오프셋(dO)에 의해 상기 단순산술 거리(d)가 보정되도록 하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 초음파 신호의 위상천이 검출에 의한 정밀 거리측정방법에서 상기 거리 연산단계는 상기 신호분석기를 이루는 마이크로 컨트롤러의 인풋 캡처(input capture) 기능에 의해 위상천이가 검출되도록 하되, 상기 마이크로 컨트롤러는 동작 주파수에 대응하는 분해능을 가지는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 초음파 신호의 위상천이 검출에 의한 정밀 거리측정방법에서 상기 거리 연산단계는 상기 거리보정값(m)이 초음파 신호의 파장(ul), 상기 마이크로 컨트롤러의 동작 주파수(MCUs), 초음파 신호의 주파수(uf), 상기 마이크로 컨트롤러의 인풋 캡처 기능에 의해 위상천이의 크기로서 카운팅된 캡처 카운터 값(n)으로부터 아래의 [수학식]에 의해 산출되도록 한다.
[수학식]
Figure pat00001

본 발명에 의한 초음파 신호의 위상천이 검출에 의한 정밀 거리측정방법에 의하면, 서로 동기화된 초음파 신호와 송신 동기 신호를 수신하는 초음파 수신기로부터 초음파 신호의 위상천이가 검출되고, 검출된 위상천이로부터 거리보정값이 산출되어 초음파신호의 속도와 TOF(time of flight)로부터 단순산출되는 거리값이 보정됨에 따라, 거리측정의 정밀도가 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 신호의 위상천이 검출에 의한 정밀 거리측정방법을 보여주기 위한 블록도
도 2의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 신호의 위상천이 검출에 의한 정밀 거리측정방법을 위한 초음파 송신기, 초음파 수신기, 신호분석기의 설치구성을 보여주기 위한 도면;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 신호의 위상천이 검출에 의한 정밀 거리측정방법에 사용되는 TOF의 개념을 보여주기 위한 도면;
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 신호의 위상천이 검출에 의한 정밀 거리측정방법에 사용되는 송신 동기 신호의 전송상태를 보여주기 위한 도면;
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 신호의 위상천이 검출에 의한 정밀 거리측정방법에 사용되는 초음파 송신기의 회로구성을 보여주기 위한 도면;
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 신호의 위상천이 검출에 의한 정밀 거리측정방법에 사용되는 초음파 수신기의 회로구성을 보여주기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면 도 1 내지 도 6에 의거하여 상세히 설명한다. 한편, 도면과 상세한 설명에서 일반적인 초음파 거리 측정방법이나 초음파 거리 측정장치 등으로부터 이 분야의 종사자들이 용이하게 알 수 있는 구성 및 작용에 대한 도시 및 언급은 간략히 하거나 생략하였다. 특히 도면의 도시 및 상세한 설명에 있어서 본 발명의 기술적 특징과 직접적으로 연관되지 않는 요소의 구체적인 기술적 구성 및 작용에 대한 상세한 설명 및 도시는 생략하고, 본 발명과 관련되는 기술적 구성만을 간략하게 도시하거나 설명하였다.
본 발명의 실시예에 따른 초음파 신호의 위상천이 검출에 의한 정밀 거리측정방법은 도 1에서와 같이 신호측정단계와 거리 연산단계를 포함하여 이루어진다.
여기서 본 발명의 실시예에 따른 초음파 신호의 위상천이 검출에 의한 정밀 거리측정방법은 도 2의 (a) 내지 (c)에서와 같이 초음파 송신기(10), 초음파 수신기(20), 신호분석기(40)를 포함하는 초음파 거리측정장치(100)에 의해 통해 수행된다. 초음파 거리측정장치(100)는 도 2의 (a)에서와 같이 기준위치에 배치되는 초음파 송신기(10)와 측정 대상체(1)에 배치되는 초음파 수신기(20)를 가지거나, 도 의 (b)에서와 같이 기준위치에 서로 이격되어 배치되는 초음파 송신기(10)와 초음파 수신기(20)를 가지거나, 도 2의 (c)에서와 같이 기준위치에 배치되는 일체형 초음파 송수신기(30)를 가질 수 있다. 여기서 도 2의 (b)와 (c)에 도시된 초음파 수신기(20)나 일체형 초음파 송수신기(30)는 측정 대상체(1)로부터 반사되어 회귀하는 초음파 신호를 수신하게 된다.
신호측정단계는 초음파 송신기(10)에 의해 초음파 신호가 기준위치에서 측정 대상체(1)로 입사되고, 도 3에서와 같이 초음파 신호가 기준위치로부터 측정 대상체(1)까지 대기를 통해 전달되어 도달하는데 걸리는 시간인 TOF(time of flight)가 초음파 수신기(20)와 신호분석기(40)에 의해 산출되는 단계이다. 특히 본 발명의 실시예에 따른 신호측정단계는 도 4에서와 같이 측정 대상체(1)로 입사되는 초음파 신호의 각 주기별 시작 지점마다 펄스 형태의 송신 동기 신호가 생성되도록 하고, 송신 동기 신호가 유무선 통신에 의해 측정 대상체(1)나 기준위치에 위치한 초음파 수신기(20)로 전송되도록 한다. 그리고 초음파 수신기(20)에 수신되는 초음파 신호와 송신 동기 신호 간 위상천이가 신호분석기(40)에 의해 검출되도록 한다. 여기서 송신 동기 신호는 신호케이블(50)에 의한 유선 통신, 적외선 통신, 설정된 주파수의 전자기파에 의한 무선 통신 등에 의해 초음파 수신기(20)로 전송된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 신호의 위상천이 검출에 의한 정밀 거리측정방법은 신호분석기(40)를 이루는 마이크로 컨트롤러의 인풋 캡처(input capture) 기능에 의해 위상천이가 검출되도록 한다. 여기서 마이크로 컨트롤러는 동작 주파수에 대응하는 분해능(resolution)을 가지는데, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 컨트롤러로는 동작 주파수 16MHz의 ATmega128이 사용된다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 송신기(10)는 도 5에서와 같이 마이크로 컨트롤러에서 PWM 제어 프로그래밍에 의해 발생되는 40 KHz의 주파수 신호가 트랜지스터를 거쳐 5V의 전압 레벨에서 9V의 전압 레벨로 변환되도록 하고, 변환된 주파수 신호가 다시 2단계의 반전 직접회로(inverted integrated circuit)인 4049에 의해 변환되어 위상은 동일하면서 안정적인 초음파 신호가 발생되도록 한다. 여기서, 반전 직접회로인 4049는 ㅁ15V까지 동작 전압을 인가하는데, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 송신기(10)에서는 9V 배터리에 의해 구동되도록 한다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 송신기(10)는 40 KHz 주파수와 9V 신호 진폭을 갖는 초음파 신호를 발생시켜 측정 대상체(1)에 입사시키게 된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 수신기(20)는 수신되는 초음파 신호의 세기가 mV단위로 미약한 것을 고려하여 도 6에서와 같이 증폭회로를 구비한다. 이를 통해 증폭된 초음파 신호가 신호분석기(40)를 이루는 마이크로 컨트롤러의 인풋 캡처 제어신호로 제공된다.
여기서 도3의 T1시간에 초음파 신호를 송신하면 일정 시간이 경과된 후 T2 시간에 매질에서 반사된 초음파 신호를 수신하게 되는데, 이 때 T1 신호와 T2 신호 사이의 시간 간격인 TOF(time of flight){초음파 신호가 대기를 통해 전달되는 시간}는 다음의 [수학식 1]과 같이 연산된다.
Figure pat00002
초음파 신호의 속도는 주위 환경 및 온도에 영향을 받으므로 온도가 높을수록 전파 속도가 빨라지는 현상이 발생된다. 즉 음속은 1℃ 변화 대비 속도는 약 0.17% 변화하는 특성을 지닌다. 초음파 신호를 이용하여 거리를 측정할 경우에는 온도에 대한 영향을 고려해야 되며, T는 절대온도를 의미한다. 초음파 신호의 속도(c)는 다음의 [수학식 2]과 같이 연산 된다
Figure pat00003
거리 연산단계는 측정 대상체(1)로 입사시킨 초음파 신호의 속도(c)와 신호측정단계에서 측정된 TOF로부터 측정 대상체(1)의 기준위치에 대한 단순산술 거리(d)를 연산하는 단계이다. 여기서, 단순산술 거리(d)는 초음파 송신기(10)를 이루는 진동판과 초음파 수신기(20)를 이루는 진동판의 위치오차로부터 발생되는 거리 오프셋(dO)에 의해 보정되어 다음의 [수학식 3]과 같이 연산된다.
Figure pat00004
거리보정값(m)은 초음파 신호의 파장(ul), 마이크로 컨트롤러의 동작 주파수(MCUs), 초음파 신호의 주파수(uf), 마이크로 컨트롤러의 인풋 캡처 기능에 의해 위상천이의 크기로서 카운팅된 캡처 카운터 값(n)으로부터 [수학식 4]와 같이 연산된다.
Figure pat00005
거리 연산단계는 거리보정 알고리즘을 통해 도출된 거리보정값(m)을 측정 대상체(1)의 기준위치에 대한 단순산술 거리(d)에 더하는 [수학식 5]에 의해 정밀보정 거리(d')를 연산한다.
Figure pat00006
상기와 같이 본 발명의 실시예에 의한 초음파 신호의 위상천이 검출에 의한 정밀 거리측정방법은 서로 동기화된 초음파 신호와 송신 동기 신호를 수신하는 초음파 수신기(20)로부터 초음파 신호의 위상천이가 검출되고, 검출된 위상천이로부터 거리보정값(m)이 산출되어 초음파신호의 속도와 TOF(time of flight)로부터 단순산출되는 거리값이 보정됨에 따라, 거리측정의 정밀도가 향상되게된다.
상술한 바와 같은, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 신호의 위상천이 검출에 의한 정밀 거리측정방법을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
1 : 측정 대상체 10 : 초음파 송신기
20 : 초음파 수신기 30 : 초음파 송수신기
40 : 신호분석기 50 : 신호케이블
100 : 초음파 거리측정장치

Claims (5)

  1. 초음파 송신기에 의해 초음파 신호가 기준위치에서 측정 대상체로 입사되고, 초음파 신호가 기준위치로부터 측정 대상체에 도달하는데 걸리는 시간인 TOF(time of flight)가 초음파 수신기와 신호분석기에 의해 산출되는 신호측정단계와;
    측정 대상체로 입사시킨 초음파 신호의 속도(c)와 상기 신호측정단계에서 측정된 TOF로부터 측정 대상체의 기준위치에 대한 단순산술 거리(d)를 연산하는 거리 연산단계를 포함하여, 기준위치로부터 측정 대상체의 거리를 측정하되,
    상기 신호측정단계는 측정 대상체로 입사되는 초음파 신호의 각 주기별 시작 지점마다 펄스 형태의 송신 동기 신호가 생성되도록 하고, 송신 동기 신호가 유무선 통신에 의해 측정 대상체나 기준위치에 위치한 초음파 수신기로 전송되도록 하며, 초음파 수신기에 수신되는 초음파 신호와 송신 동기 신호 간 위상천이가 상기 신호분석기에 의해 검출되도록 하고,
    상기 거리 연산단계는 검출된 위상천이로부터 거리보정값(m)가 도출되도록 하고, 측정 대상체의 기준위치에 대한 단순산술 거리(d)에 거리보정값(m)이 더해진 정밀보정 거리(d')가 연산되도록 하는 것을 특징으로 하는 초음파 신호의 위상천이값 산출에 의한 정밀 거리 측정방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 신호측정단계는 상기 송신 동기 신호가 신호케이블에 의한 유선 통신, 적외선 통신, 설정된 주파수의 전자기파에 의한 무선 통신 군 중에서 선택된 어느 하나의 통신으로 초음파 수신기에 전송되도록 하는 것을 특징으로 하는 초음파 신호의 위상천이 검출에 의한 정밀 거리측정방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 거리 연산단계는 초음파 송신기를 이루는 진동판과 초음파 수신기를 이루는 진동판의 위치오차로부터 발생되는 거리 오프셋(dO)에 의해 상기 단순산술 거리(d)가 보정되도록 하는 것을 특징으로 하는 초음파 신호의 위상천이 검출에 의한 정밀 거리측정방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 거리 연산단계는 상기 신호분석기를 이루는 마이크로 컨트롤러의 인풋 캡처(input capture) 기능에 의해 위상천이가 검출되도록 하되,
    상기 마이크로 컨트롤러는 동작 주파수에 대응하는 분해능을 가지는 것을 특징으로 하는 초음파 신호의 위상천이 검출에 의한 정밀 거리측정방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 거리 연산단계는 상기 거리보정값(m)이 초음파 신호의 파장(ul), 상기 마이크로 컨트롤러의 동작 주파수(MCUs), 초음파 신호의 주파수(uf), 상기 마이크로 컨트롤러의 인풋 캡처 기능에 의해 위상천이의 크기로서 카운팅된 캡처 카운터 값(n)으로부터 [수학식]에 의해 산출되도록 하는 것을 특징으로 하는 초음파 신호의 위상천이 검출에 의한 정밀 거리측정방법.
    [수학식]
    Figure pat00007
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