KR20160145086A - 초음파 센서의 근거리 음장 내에 있는 물체를 검출하기 위한 방법 - Google Patents

초음파 센서의 근거리 음장 내에 있는 물체를 검출하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 초음파 센서의 근거리 음장 내에 있는 물체를 검출하기 위한 방법에 관한 것이다. 이 방법은, 송신 신호에 의해 초음파 센서의 음향 변환기를 여기하는 단계, 음향 변환기의 여기 이후 음향 변환기의 감쇠 거동을 기술하는 감쇠 신호(1)를 획득하는 단계, 감쇠 신호(1)와 기준 감쇠 신호(2) 간의 편차를 결정하는 단계, 및 결정된 편차를 토대로 초음파 센서의 근거리 음장 내에 있는 물체의 존재를 검출하는 단계를 포함한다. 이로써, 초음파 센서의 근거리 음장 및 측정 범위 내에 있는 물체가 신뢰성 있게 검출될 수 있다. 근거리 음장은, 송신 신호의 에코에 감쇠 신호가 중첩됨으로 인해 펄스 에코법에 의해서는 정확한 측정이 불가능한, 초음파 센서의 음향 변환기 전방의 영역이다.

Description

초음파 센서의 근거리 음장 내에 있는 물체를 검출하기 위한 방법{METHOD FOR DETECTING AN OBJECT IN A NEAR FIELD OF AN ULTRASONIC SENSOR}
본 발명은, 초음파 센서의 근거리 음장 내에 있는 물체를 검출하기 위한 방법에 관한 것이다.
초음파 센서 전방에 있는 물체까지의 거리를 측정하기 위해 초음파를 기반으로 하는 측정 시스템이 사용된다. 사용되는 초음파 센서는 펄스 에코법을 토대로 한다. 이 방법에서는, 초음파 센서가 초음파 펄스를 발송하고, 물체에 의해 야기되는 초음파 펄스의 반사(에코)를 측정한다. 초음파 센서와 물체 간 간격은 측정된 에코 전파 시간 및 음향 속도를 통해 산출된다. 이때, 초음파 센서는 송신기 및 수신기로서 기능한다.
자동차 분야에서 초음파 센서로서는, 송신 신호에 의한 여기 후에 사후 펄스 진동(post-pulse oscillation)을 갖는 이른바 공진 변환기가 이용된다. 센서 요소의 사후 펄스 진동이 특정 레벨에 미달하고, 에코 신호가 사후 펄스 진동과 크기가 비슷하거나 사후 펄스 진동보다 크기가 클 때 비로소 에코 검출이 수행될 수 있다. 사후 펄스 진동의 시작 시 수신 신호는 100V 이하의 레벨을 갖고, 이로써 검출될 수신 신호(대략 1mV)보다 확연히 더 크기 때문에, 증폭기의 수신 체인 및 만일 존재한다면 A/D 컨버터가 높은 레벨의 감쇠에 의해 과도하게 제어된다. 그 결과, 상기 시간 범위 내에서는 에코가 국소화될 수 없다. 이는 소위 부동 시간이라 일컬어진다. 이는, 부동 시간을 줄일 수는 있으나 제거할 수는 없는 더 고가의 필터 알고리즘에도 적용된다. 이때, 부동 시간은 대략 10 내지 15cm의 최소 간격을 야기하며, 이 최소 간격 이하에서는 측정이 이루어질 수 없다. 따라서, 상기 최소 간격 이하에 있는 물체는 발견되지 않는다.
초음파 변환기 전방에 있는 물체는, 초음파 변환기의 센서 멤브레인에 작용하는 에코를 발생시킨다. 측정 모드에서 에코로서의 검출 및 식별은, 수신 신호 내에서 적용 고유의 특정 임계값을 상회하는 신호 피크가 검출되는 것을 특징으로 한다. 이를 위해, 수신 신호는 상응하는 필터 구조물, 예컨대 아날로그 대역 통과 필터에 의해 필터링된다. 이제 근거리 음장 내에서는 다음과 같은 상태들이 나타날 수 있다:
a) 에코가 완전히 감쇠된 후 이 에코가 센서 멤브레인에 부딪치면, 에코와 감쇠가 잘 분리될 수 있고, 에코가 원활하게 검출될 수 있다. 이는 필터링과 무관하게 적용된다.
b) 에코가 거의 완전히 감쇠된 후에 이 에코가 센서 멤브레인에 부딪치고, 에코의 일부(즉, 후방 플랭크)가 감쇠 파형에 대해 여전히 더 연장된 사후 펄스 진동으로서 검출될 수 있다면, 에코가 곧바로 검출될 수 있다. 에코의 검출이 즉각 성공하게 되는 유효 범위가 최소 측정 유효 범위로서 규정된다. 최소 측정 유효 범위는 온도, 부품 및 객체에 따라 좌우되며, 일반적으로 10 내지 15㎝이다. 이와 같은 유형의 신호 분석을 위한 전제 조건은, 수신 신호의 약한 필터링 및 그에 후속하는 수신 신호의 포락 곡선에 기반한 검출이다.
포락 곡선의 평가의 대안으로, 수신 신호에 적용된 신호 적응 필터의 필터 출력도 검출을 위해 사용될 수 있다. 이때, 필터 출력은, 송신 신호와 수신 신호의 일치도가 높을 때 신호 피크가 나타나는 것을 특징으로 한다. 이 경우, 절대 피크값을 통해 에코의 신호 피크(에코 피크)가 사후 펄스 진동의 신호 피크(사후 펄스 진동 피크)와 구별될 수 있을 때 유효 에코 신호가 존재한다. 실제로는, 근거리 음장 내에 있는 물체에 대한 사후 펄스 진동 피크와 에코 피크가 융합된다. 그와 동시에 에코 피크의 진폭이 감소함으로써, 에코 피크가 소멸된다. 그 이유는, 수신 신호에서의 감쇠 진폭이 에코의 감쇠 진폭보다 확연히 더 크고, 신호 적응된 필터에 의한 미분이 더는 불가능하기 때문이다. 이와 같은 유형의 신호 분석을 위한 최소 유효 범위도 마찬가지로 대략 10 내지 15㎝이다.
c) 에코가 계속 사후 펄스 진동하는 동안, 상기 에코가 센서 멤브레인에 부딪치고, 이로써 감쇠가 에코의 레벨보다 확연히 더 큰 레벨을 가지며, 또한 수신 신호가 증폭기 체인에 의해 포화되면, 에코는 검출될 수 없다. 이 에코는 소위 사후 펄스 진동에서 소멸된다.
이에 따라, 종래의 초음파 센서에서는 물체가 부동 시간 구역 내에 진입하면, 에코가 물체에 근접하면서 소멸된다. 또 다른 한 임계적인 경우는, 좁게 주차된 상황에서 차량 출발 시 존재한다.
종래의 초음파 시스템은 DE 10103936 A1호에 기술되어 있다. 이 문헌에서는, 장애물을 검출하기 위해, 장애물에 의해 반사된 초음파가 초음파 진동기에 의해 수신된다. 이때, 초음파의 송신 주파수는, 이 송신 주파수가 감쇠 진동 또는 사후 펄스 진동의 주파수와 상이하도록 설정된다.
그렇기 때문에, 초음파 센서의 최소 측정 유효 범위 이하의 근거리 음장 내에 있는 물체의 존재를 검출하기 위한 방법이 바람직하다.
초음파 센서의 근거리 음장 내에 있는 물체를 검출하기 위한 본 발명에 따른 방법은, 송신 신호에 의해 초음파 센서의 음향 변환기를 여기하는 단계, 음향 변환기의 여기 이후 음향 변환기의 감쇠 거동을 기술하는 감쇠 신호를 획득하는 단계, 감쇠 신호와 기준 감쇠 신호 간의 편차를 결정하는 단계, 및 결정된 편차를 토대로 초음파 센서의 근거리 음장 내에 있는 물체의 존재를 검출하는 단계를 포함한다.
이로써, 초음파 센서의 근거리 음장 내에, 그리고 초음파 센서의 측정 범위 이하에 있는 물체가 신뢰성 있게 검출될 수 있다. 여기서 근거리 음장은, 감쇠 신호가 송신 신호의 에코에 중첩됨으로 인해 펄스 에코법에 의해서는 정확한 측정이 불가능한, 초음파 센서의 음향 변환기 전방 영역을 말한다.
종속 청구항들은 본 발명의 바람직한 개선예들이다.
상기 방법은 여러 번 수행되며, 특히 초음파 센서가 현재 동작하고 있는 경우, 기준 감쇠 신호는 상기 방법의 선행 사이클에서 획득된 선행 감쇠 신호에 상응하는 것이 바람직하다. 이로써, 온도 변동의 영향이 최소화되는데, 그 이유는 기준 감쇠 신호가 음향 변환기의 현재 온도에 자동으로 적응되기 때문이다. 따라서, 물체의 매우 신뢰할만한 검출이 가능해진다.
또한, 초음파 센서의 근거리 음장 내에 물체가 없는 경우에는, 기준 감쇠 신호가 감쇠 신호에 상응하는 경우도 바람직하다. 따라서, 초음파 센서의 근거리 음장 내에 물체가 는 상태가 명확하게 규정되고, 이 상태와의 편차가 매우 정확하게 검출될 수 있다.
특히, 음향 변환기의 여기 동안에 그리고/또는 감쇠 신호의 획득 동안에 초음파 센서의 동작이 수행된다. 이와 같은 동작에 의해, 초음파 센서의 근거리 음장 내에 물체가 있는 경우에 편차가 증폭됨으로써, 편차를 결정할 때 감도가 증가한다.
더 나아가서는, 감쇠 신호는 신호 적응된 필터에 의해 필터링된 신호인 것이 바람직하며, 이 경우 필터는 송신 신호에 적응된다. 이와 같은 상황이 바람직한 이유는, 그와 같은 신호가 복수의 초음파 센서 내에 이미 존재하고, 매우 간단하고도 정확한 편차의 결정을 가능하게 하기 때문이다.
또한, 감쇠 신호를 통해 또는 감쇠 신호와 기준 감쇠 신호 간의 차를 통해 적분을 구함으로써, 편차를 결정하는 것도 바람직하다. 이로써, 편차가 시간 범위에 걸쳐 결정되고, 그로 인해 감쇠 신호의 획득 시 부정확성이 보상되며, 그에 따라 편차의 결정 시 정확성이 개선된다.
더 나아가서는, 음향 변환기가 여기된 후 완전히 감쇠하기 전까지의 시간 범위 동안에 편차를 결정하는 것이 바람직하다. 이로써, 방법을 수행하기 위한 시간 비용이 최소화된다. 음향 변환기의 여기에 의한 간섭은 배제된다.
특히, 편차가 사전에 규정된 값을 상회하는 경우, 초음파 센서의 근거리 음장 내에 물체가 존재하는 것으로서 검출된다. 이와 같은 방식으로, 물체의 존재 여부에 대한 검출이 매우 적은 비용으로 해결될 수 있다. 또한, 이로써 물체의 존재를 검출할 때 감도의 간단한 적응이 가능해짐으로써, 재차 오류 검출이 회피된다.
또한, 상기 방법은 여러 번 수행되며, 편차가 선행하는 한 시점에 결정된 편차에 상응하지 않는 경우에는 초음파 센서의 근거리 음장 내에 물체가 존재하는 것으로서 검출되는 것이 바람직하다. 이와 같은 방식으로, 예컨대 감쇠 주파수를 결정하는 음향 변환기의 온도 변동과 같은 주변 인자에 의한 원치 않는 영향들이 보상된다.
그와 마찬가지로, 결정된 편차의 시간에 따른 거동이 일정하지 않은 경우, 초음파 센서의 근거리 음장 내에 물체가 존재하는 것으로서 검출되는 것이 유리하다. 이와 같은 사실이 의미하는 바는, 편차의 요동(fluctuation)이 존재하는 경우에는, 초음파 센서의 근거리 음장 내에 물체가 존재하는 것으로서 검출된다는 것이다. 그럼으로써, 편차가 주변 인자에 의해 야기되었는지 아니면 초음파 센서의 근거리 음장 내에 있는 물체에 의해 야기되었는지를 식별할 수 있게 된다.
특히, 음향 변환기를 여기하는 단계, 감쇠 신호를 획득하는 단계, 및 감쇠 신호와 기준 감쇠 신호 간의 편차를 결정하는 단계가 여러 번 실시되며, 이 경우 송신 신호의 주파수는 상기 방법 단계들이 2회 실시되는 사이에 변동하고, 상기 결정된 편차들이 공통적으로 기준 감쇠 신호와 감쇠 신호 간의 양의 편차 또는 음의 편차를 지시하는 경우, 초음파 센서의 근거리 음장 내에 물체가 존재하는 것으로서 검출된다. 공통된 양의 편차는, 감쇠 신호가 주파수 변동 이전과 이후 모두에서 기준 감쇠 신호보다 클 때 존재한다. 공통된 음의 편차는, 감쇠 신호가 주파수 변동 이전과 이후 모두에서 기준 감쇠 신호보다 작을 때 존재한다. 그럼으로써, 편차가 주변 인자에 의해 야기되었는지 아니면 초음파 센서의 근거리 음장 내 물체에 의해 야기되었는지를 검출할 수 있게 된다.
더 나아가서는, 음향 변환기를 여기하는 단계, 감쇠 신호를 획득하는 단계, 및 감쇠 신호와 기준 감쇠 신호 간의 편차를 결정하는 단계가 여러 번 실시되는 것이 유리하며, 이 경우 송신 신호의 변조는 상기 방법 단계들이 2회 실시되는 사이에 변동하고, 상기 결정된 편차들이 상이한 정도로 기준 감쇠 신호와 차이가 나는 경우에는, 초음파 센서의 근거리 음장 내에 물체가 존재하는 것으로서 검출된다. 그럼으로써, 편차가 주변 인자에 의해 야기되었는지 아니면 초음파 센서의 근거리 음장 내에 있는 물체에 의해 야기되었는지를 검출할 수 있게 된다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 기술한다.
도 1은 제1 실시예에서의 본 발명에 따른 방법의 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 감쇠 신호의 예 및 기준 감쇠 신호의 예를 보여주는 다이어그램이다.
도 3은 시간적으로 상호 연관되어 세팅된 본 발명의 상이한 실시예들에 대한 몇몇 신호 거동의 예에 대한 개요도이다.
본 발명에 따라, 초음파 센서의 근거리 음장 내에 물체가 없는 상태에서 에코 및 감쇠 신호(1)의 간섭에 의해 야기되는 감쇠의 위상차가 검출된다. 이러한 차는 신호 적응된 필터의 필터 출력에 의해 매우 명백하게 획득된다.
도 1은, 제1 실시예에서 초음파 센서의 근거리 음장 내에 있는 물체를 검출하기 위한 본 발명에 따른 방법의 흐름도를 보여준다. 이 방법은, 제1 방법 단계(S1), 제2 방법 단계(S2), 제3 방법 단계(S3) 및 제4 방법 단계(S4)를 포함한다. 초음파 센서에 의한 간격 측정이 요구되는 경우, 상기 방법은 제1 방법 단계(S1)에서 시작하여 실시된다. 초음파 센서의 근거리 음장 내에 있을 수 있는 물체에 대한 최신 정보를 지속적으로 얻기 위해, 상기 방법은 하나의 반복 루프 내에서 실시된다.
제1 방법 단계(S1)에서는, 송신 신호에 의해 초음파 센서의 음향 변환기의 여기가 실시된다. 본 제1 실시예에서, 송신 신호는 일정한 주파수 및 일정한 최대 진폭 진동(amplitude swing)을 갖는 고주파 교류 전압 신호이다. 송신 신호는 제1 시간 간격(t1) 동안 초음파 센서(1)의 음향 변환기에 인가되고, 이로써 음향 변환기를 진동 여기하며, 이로 인해 음향 신호가 음향 변환기로부터 송출된다. 제1 시간 간격(t1)의 경과 후에는 송신 신호가 종료되거나, 송신 신호가 더 이상 음향 변환기에 인가되지 않는다. 본 발명의 대안적인 실시예들에서는, 송신 신호가 교류 주파수 및 진폭을 갖는다. 따라서, 송신 신호는 예를 들어 진폭 변조된 스윕 사인(sweep sine) 신호일 수 있다.
제1 방법 단계(S1)에 이어서 제2 방법 단계(S2)가 실시된다. 이 단계에서는, 음향 변환기의 여기 이후 음향 변환기의 감쇠 거동을 기술하는 감쇠 신호(1)가 획득된다. 음향 변환기가 제1 방법 단계(S1)에서 수행된 여기에 의해 진동 상태에 있기 때문에, 이 진동 상태로부터 그 진동에 의해 유발된 출력 신호가 송출된다. 상기 출력 신호의 진동은 실질적으로 변환기의 고유 주파수에 의해 결정된다. 출력 신호도 마찬가지로, 초음파 센서 전방에 있는 물체에서 음향 신호의 반사에 의해 야기됨으로써 송신 신호에만 의존하지 않는 음향 에코 신호의 영향을 받는다. 출력 신호는 신호 적응된 필터의 입력에 인가되고, 이 필터에 의해 필터링된다. 이때, 신호 적응된 필터는 송신 신호에 적응된다. 신호 적응된 필터의 출력에서는 감쇠 신호(1)가 획득된다. 따라서 감쇠 신호(1)는, 신호 적응된 필터에 의해 필터링된, 그리고 음향 변환기의 여기 이후의 음향 변환기의 감쇠 거동을 기술하는 신호이다. 신호 적응된 필터의 감쇠 신호(1)는 순수한 필터 출력(xcorr), 다시 말해 필터 계수들을 갖는 필터의 입력 신호의 컨볼루션 적분(convolution integral)(교차 상관 함수)일 수 있다. 그 대안으로, 상관 계수
Figure pct00001
)도 사용될 수 있으며, 이 경우
Figure pct00002
는 필터 계수의 표준이고,
Figure pct00003
는 입력 신호의 표준이다. 그 대안으로, 전술된 옵션들의 수학적 조합도 사용될 수 있다. 상기 방법의 후행 사이클에서 선행 감쇠 신호로서 이용되도록 하기 위해, 감쇠 신호(1)가 저장된다.
제2 방법 단계(S2)에 이어서, 제3 방법 단계(S3)가 실시된다. 이 단계에서는 감쇠 신호와 기준 감쇠 신호(2) 간의 편차의 결정이 수행된다. 이 경우, 기준 감쇠 신호(2)는, 이 방법의 선행 사이클에서 획득된 선행 감쇠 신호에 상응한다. 본 발명에 따라, 다른 바람직한 신호들도 기준 감쇠 신호(2)로서 이용될 수 있다. 이 경우, 이 방법의 선행 사이클에서 획득된 선행 감쇠 신호를 사용하는 것은 특히 초음파 센서의 동작이 이루어지는 경우에 바람직하다. 따라서, 대안적 실시예들에서는, 초음파 센서가 배치되어 있는 차량의 운동이 검출될 수 있고, 이를 통해 초음파 센서의 동작이 추론될 수 있다. 초음파 센서의 동작이 이루어지는 경우에는 항상 선행 감쇠 신호가 기준 감쇠 신호(2)로서 이용된다.
제1 실시예에서는 감쇠 신호(1)와 기준 감쇠 신호(2) 간에 차를 구해서 편차를 결정한다. 이를 위해, 감쇠 신호(1)와 선행 감쇠 신호가 동시에 감산기의 입력에 인가된다. 이때, 감산기의 출력 전압은 감쇠 신호(1)와 기준 감쇠 신호(2) 간의 차동 전압의 시간별 거동을 재현한다. 따라서, 차동 전압의 시간별 거동은 감쇠 신호(1)와 기준 감쇠 신호(2) 간의 편차이다.
제3 방법 단계(S3)에 이어서, 제4 방법 단계(S4)가 실시된다. 이 단계에서는 결정된 편차를 토대로 그리고 이와 함께 상기 제1 실시예에서 차동 전압의 시간별 거동을 토대로, 초음파 센서의 근거리 음장 내 물체의 존재에 대한 검출이 수행된다. 제1 실시예에서는, 편차 및 이로써 차동 전압의 시간별 거동이 일정하지 않은 경우, 다시 말해 요동하는 경우, 초음파 센서의 근거리 음장 내에 물체가 존재하는 것으로서 검출된다. 이를 위해, 상한값 및 하한값이 규정되며, 이 경우 차동 전압은, 초음파 센서의 근거리 음장 내에 물체가 존재하지 않는 경우에는, 자신의 전체 시간별 거동에 걸쳐 상한값과 하한값 사이에서 진행한다. 초음파 센서의 근거리 음장 내에 물체가 존재하면, 차동 전압의 시간별 거동에서 상승 또는 강하가 발생하며, 이는 특히 변경된 에코 전파 시간에 의해 야기되고, 그로 인해 에코의 다른 신호 섹션들이 감쇠 신호를 방해한다. 차동 전압이 상한값을 초과하거나 차동 전압이 하한값에 미달하면, 차동 전압은 일정하지 않게 되고, 초음파 센서의 근거리 음장 내에 물체가 존재하는 것으로서 검출된다. 차량이 이동하였고, 편차가 사이클들 사이에 심하게 요동했다면, 물체의 존재가 인지된다. 그에 비해, 온도에서 기인하는 편차 변동은 오히려 완만하고, 따라서 덜 심하다.
제4 방법 단계(S4)에 이어서, 방법이 역으로 제1 방법 단계(S1)로 분기되어 다시 수행된다.
본 발명에 따른 방법의 제2 실시예는 실질적으로 제1 실시예에 상응한다. 하지만, 초음파 센서의 근거리 음장 내에 물체가 존재하지 않는 경우에는 감쇠 신호(1)에 상응하는 기준 감쇠 신호(2)와 감쇠 신호 간의 편차의 결정이 제3 방법 단계(S3)에서 실시된다. 이와 같은 기준 감쇠 신호(2)는, 예를 들어 초음파 센서의 근거리 음장 내에 물체가 없다는 사실에 대한 수동 확인이 이루어진 후에, 초음파 센서의 감쇠 신호(1)가 기록됨으로써 규정될 수 있다.
편차는 제2 실시예에서, 감쇠 신호(1)와 기준 감쇠 신호(2) 간 차를 구함으로써 결정된다. 이를 위해, 감쇠 신호(1)와 기준 감쇠 신호(2)가 동시에 감산기의 입력에 인가된다. 이때, 감산기의 출력 전압은 감쇠 신호(1)와 기준 감쇠 신호(2) 간의 차동 전압의 시간별 거동을 재현한다. 따라서, 차동 전압의 시간별 거동은 감쇠 신호(1)와 기준 감쇠 신호(2) 간의 편차가 된다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 감쇠 신호(1)의 예 및 기준 감쇠 신호(2)의 예를 보여준다. 실선은 기준 감쇠 신호(2)를 보여준다. 점선은, 물체가 초음파 센서의 4㎝ 전방에 있을 때의 감쇠 신호(1)를 보여준다. 여기에는 시간별 거동에 걸쳐 감쇠 신호(1) 및 기준 감쇠 신호(2)의 세기가 도시되어 있다. 이때, 시간별 거동은 0ms에서 송신 신호와 동시에 시작한다. 대략 1.7ms에서의 신호 피크는, 음향 변환기의 여기 동안에 마찬가지로 신호 적응된 필터에 인가되는 송신 신호에 의해 야기된다. 대략 2.3ms 내지 2.5ms에서의 신호 피크는 음향 변환기의 사후 펄스 진동(사후 펄스 진동 피크)에 상응한다. 본 도면을 통해 알 수 있는 사실은, 대략 2.3ms의 시점까지는 감쇠 신호(1)와 기준 감쇠 신호(2) 간에 합동되는 파형이 존재한다는 것이다. 그 이후에는, 사후 펄스 진동에서 더 큰 차이가 나타난다. 사후 펄스 진동 피크는 에코를 표시하지 않는다. 에코가 검출될 수 있으려면, 에코 피크가 송신 신호에 의해 야기되는 신호 피크의 대략 0.24ms 뒤에, 즉, 도시된 다이어그램에서 대략 2.0ms에 놓여야 한다.
제3 방법 단계(S3)에 이어서 제4 방법 단계(S4)가 실시된다. 이 단계에서는, 결정된 편차를 토대로 그리고 이와 함께 제1 실시예에서는 차동 전압의 시간별 거동을 토대로, 초음파 센서의 근거리 음장 내 물체의 존재에 대한 검출이 이루어진다. 본 제1 실시예에서는, 편차 및 이로써 차동 전압의 시간별 거동이 사전에 규정된 값을 상회하는 경우에, 초음파 센서의 근거리 음장 내에 물체가 존재하는 것으로서 검출된다. 이를 위해, 먼저 차동 전압의 시간별 거동으로부터 차동 전압의 최대값이 산출된다. 이 차동 전압의 최대값이 사전에 규정된 값과 비교된다. 이 경우, 사전에 규정된 값은, 바람직하게 차동 전압의 최대값이 주변 인자에 기인하는 차동 전압의 요동에 의해서도 도달되는 값을 상회하는 경우에 비로소 물체가 존재하는 것으로 검출되도록 선택된 전압값이다. 따라서, 초음파 센서의 근거리 음장 내 물체의 존재는, 편차의 절대값이 사전에 규정된 임계값을 상회하는 경우에 검출된다.
제2 실시예에서 기준 감쇠 신호(2)는 사전에 규정된 전압 파형이므로, 이 경우에도 도 2로부터 알 수 있듯이, 감쇠 신호(1) 자체가 사전에 규정된 시간 범위(tS) 내에서 사전에 규정된 신호 임계값(S)을 상회하는 경우에는 항상 편차가 있는 것으로 가정할 수 있고, 감쇠 신호(1)가 신호 임계값(S)을 얼마나 상회하느냐에 따라 편차의 크기를 결정할 수 있다. 따라서, 감쇠 신호(1)의 절대값이 사전에 규정된 시간 간격(tS) 내에서 사전에 규정된 신호 임계값(S)를 상회하는 경우, 즉, 온도 변동에 의해서는 발생할 수 없을 정도로 필터링 결과가 높은 경우, 초음파 센서의 근거리 음장 내 물체의 존재가 검출된다.
본 발명의 또 다른 실시예들에서는 다른 기준들이 선택되고, 이들 기준을 참조해서 초음파 센서의 근거리 음장 내 물체의 존재가 검출된다. 또 다른 한 기준은, 어느 선행 시점에, 예를 들어 방법의 선행 사이클에서 결정된 편차와 실제 편차를 비교하는 것이다. 이때, 현재 결정된 편차가 선행 시점에 결정된 편차에 상응하지 않는 경우, 즉, 사전에 설정된 값만큼 선행 시점에 결정된 편차와 차이가 있는 경우, 초음파 센서의 근거리 음장 내 물체가 존재하는 것으로서 검출된다. 여러 기준들의 조합을 통해, 안정적인 신호가 나타나지 못하게 하는 주변 조건들(예컨대 공기 움직임, 온도 변동)의 영향이 최소화된다.
제1 또는 제2 실시예에 실질적으로 상응하는 본 발명의 제3 실시예에서는, 제3 방법 단계(S3)에서 감쇠 신호(1)와 기준 감쇠 신호(2) 간의 차를 통한 적분을 구함으로써 편차가 결정된다. 이를 위해, 먼저 감쇠 신호(1)가 적분된다. 이 적분 과정은, 감쇠 신호(1)가 제1 커패시터의 충전을 위해 이용됨으로써 이루어진다. 제1 커패시터의 충전 상태 및 이와 더불어 제1 커패시터의 극들 사이의 커패시터 전압이 감쇠 신호(1)에 대한 적분에 상응한다. 또한, 기준 감쇠 신호(2)도 적분된다. 이 적분 과정은, 기준 감쇠 신호(2)에 의한 제2 커패시터의 충전에 의해 이루어질 수 있다. 하지만, 이 과정은 필수적이지는 않은데, 그 이유는 제2 커패시터가 기준 감쇠 신호(2)에 의해 충전된 경우에는, 그러한 제2 커패시터의 극들 사이의 전압에 상응하는 기준 전압을 제공하는 것으로 충분하기 때문이다. 대안적인 실시예들에서는, 여기에 기술된 아날로그 신호 처리, 특히 감쇠 신호(1)의 적분이 디지털 신호 처리에 의해서도 이루어질 수 있다.
제1 커패시터의 극들 사이의 커패시터 전압이 감쇠 신호(1)를 통한 적분에 상응하고, 기준 전압이 기준 감쇠 신호(2)를 통한 적분에 상응하기 때문에, 커패시터 전압과 기준 전압 간의 전압차는 감쇠 신호(1)와 기준 감쇠 신호(2) 간의 차를 통한 적분에 상응한다. 이와 같은 차동 전압은 예를 들어 감산기에 의해 획득될 수 있다. 상기 제2 실시예에서, 감산기의 출력 전압은 감쇠 신호(1)와 기준 감쇠 신호(2) 간의 편차에 상응한다. 도 2의 다이어그램에서는, 여기에 기술된 감쇠 신호(1)를 통한 적분과 기준 감쇠 신호(2)를 통한 적분 간의 차가 감쇠 신호(1)와 기준 감쇠 신호(2) 사이의 면적(3)으로서 도시될 수 있다.
본 제3 실시예에서, 편차는 음향 변환기의 여기 이후 및 음향 변환기의 완전 감쇠 이전의 시간 범위에 대해서만 결정된다. 이는, 송신 신호가 더 이상 음향 변환기에 인가되지 않게 되는 제2 시간 간격(t2) 이후에 비로소 감쇠 신호가 제1 커패시터에 인가되고, 제3 시간 간격(t3) 이후에 감쇠 신호(1)가 제1 커패시터로부터 분리됨으로써 달성된다. 특히, 제2 시간 간격(t2) 및 제3 시간 간격(t3)은, 사후 펄스 진동 피크 근방의 시간 범위에 대해 적분이 구해지도록 선택된다. 그럼으로써 감쇠 신호(1)의 일부만이 적분되기 때문에, 기준 전압이 상응하게 적응되고, 이제 바람직한 측정 간격(t4) 안에서 기준 감쇠 신호(2)를 통한 적분을 기술한다. 따라서, 상기 제2 실시예에서는, 신호 적응된 필터의 출력에서 하나의 신호의 적분이 사후 펄스 진동 피크 근방의 시간 범위 내에서 획득되고 추적된다.
주지할 점은, 음향 변환기의 감쇠 거동이 온도에 걸쳐서 마찬가지로 변동될 수 있다는 것이다. 그 이유는, 음향 변환기의 고유 공진이 온도에 걸쳐 이동되고, 이로써 감쇠 신호(1)와 기준 감쇠 신호(2) 간의 편차가 더 커질 수 있기 때문이며, 이와 같은 상황은 더 큰 편차를 야기할 수 있다. 이하의 실시예들은 온도 변동에 대해 특히 저항 능력이 있는 것으로 증명된다.
본 발명의 제4 실시예는 실질적으로 제1, 제2 또는 제3 실시예에 상응한다. 초음파 센서가 자신의 주변에 대해 동작할 때, 초음파 센서의 근거리 음장 내에 물체가 있는 경우에는 편차의 강한 요동을 고려해야 한다. 이와 같은 상황은, 주변에 대한 초음파 센서의 운동이 단지 수 밀리미터에 불과한 때에도 이미 대략 7mm에 해당하는 초음파 센서의 전형적인 파장들로 인해 나타난다. 그러므로, 제3 실시예에서 초음파 센서는 음향 변환기의 여기 동안에 그리고/또는 감쇠 신호의 획득 동안에 운동한다. 초음파 센서의 운동은, 예를 들어 초음파 센서가 설치되어 있는 차량이 운동함으로써 이루어질 수 있으며, 이는 (예컨대 자동 입차/출차와 같은) 자동 종방향 안내 기능을 갖춘 차량에서 예를 들어 차량 제어부에 인가되는 제어 신호에 의해 유발될 수 있다. 이는 특히 차량이 정지 상태에 있는 경우, 예컨대 차량 출발 이후 또는 주차 상태에서 이루어진다. 따라서 차량은, 편차의 요동을 발생시키기 위해, 의도적으로 극미하게(infinitesimal) 움직인다.
본 발명의 제5 실시예는 실질적으로 제1 내지 제4 실시예에 상응한다. 하지만, 제1 방법 단계(S1), 제2 방법 단계(S2) 및 제3 방법 단계가 여러 번 실시된다. 이를 위해, 방법은 제3 방법 단계(S3)의 첫 번째 실행 이후 역으로 제1 방법 단계(S1)로 건너뛴다. 그 다음에 이어서 제2 내지 제4 방법 단계(S2 내지 S4)가 실행된다. 즉, 제1 내지 제3 방법 단계(S1 내지 S3)의 제1 사이클 이후에 제1 내지 제3 방법 단계(S1 내지 S3)의 제2 사이클 및 제4 방법 단계(S4)가 이어진다. 이 경우, 송신 신호의 주파수는 이들 방법 단계의 2회 실행 사이에, 다시 말해 제1 내지 제3 방법 단계(S1 내지 S3)의 제1 사이클 이후 및 제2 사이클 이전에 변동한다. 신호 적응된 필터는 변경된 주파수를 갖는 송신 신호에 적응된다.
제4 방법 단계(S4)에서는, 제1 사이클에서 결정된 편차와 제2 사이클에서 결정된 편차가 공통적으로 기준 감쇠 신호에 대한 감쇠 신호의 양의 편차 또는 음의 편차를 지시하는 경우, 초음파 센서의 근거리 음장 내에 물체가 존재하는 것으로서 검출된다.
본 발명에 따른 방법은 상기와 같이 실시되며, 이 경우 가급적 복수의 다양한 송신 신호의 감쇠 신호가 평가된다. 이때, 특히 바람직하게는 송신 신호들의 최종 주파수들이 확연하게 구별되는데, 그 이유는 온도에 기인하는 음향 변환기의 고유 공진의 이동이 하나의 주파수 방향으로만 두드러지기 때문이다. 예를 들어 음향 변환기의 고유 공진이 48kHz에서 50kHz로 이동하면, 52kHz에서는 신호 적응된 필터가 편차의 증가를 보이고, 42kHz에서는 신호 적응된 필터가 편차의 감소를 보인다. 2개의 신호 적응된 필터에서 증가가 검출되면, 이로부터 초음파 센서의 근거리 음장 내에 있는 물체를 높은 신뢰도로 추론할 수 있다.
본 발명의 제6 실시예는 실질적으로 제5 실시예에 상응한다. 하지만, 송신 신호의 변조는 제1 사이클과 제2 사이클 사이에서 변한다. 이때, 제4 방법 단계(S4)에서는, 제1 사이클에서 결정된 편차 및 제2 사이클에서 결정된 편차가 상이한 정도로 기준 감쇠 신호로부터 벗어나는 경우에, 초음파 센서의 근거리 음장 내에 있는 물체의 존재가 검출된다.
이로써, 동일한 감쇠 시그너처(signature)를 갖지만 상이한 변조(위상 또는 진폭)를 보이는 2개의 송신 신호가 선택된다. 초음파 센서의 근거리 음장 내에 물체가 없으면, 동일한 편차들이 계산될 것이다. 초음파 센서의 근거리 음장 내에 물체가 있으면, 에코 시그너처가 선택된 송신 형태로 변경됨으로써, 에코 신호 및 출력 신호의 간섭에 의해 상이한 편차가 결정된다.
본 발명의 대안적 실시예들에서는, 신호 적응된 필터에 의해 발생하는 감쇠 신호 대신 출력 신호의 순간 주파수가 사용된다. 이 순간 주파수는, 예컨대 영점 통과 측정을 이용한 방법 또는 순간 위상을 계산하는 방법과 같은 상이한 방법에 의해 산출될 수 있다.
도 3은 시간적 기준에서 서로에 대해 설정된 본 발명의 상이한 실시예들에 대한 몇몇 신호 파형의 예시들을 보여준다. 여기서, 제1 다이어그램(11)은 초음파 센서의 근거리 음장 내에 물체가 없는 경우의 출력 신호의 시간별 거동을 보여주고, 제2 다이어그램(12)은 초음파 센서의 30mm 전방에 그리고 이로써 초음파 센서의 근거리 음장 내에 물체가 있는 경우에 출력 신호의 시간별 거동을 보여준다. 음향 변환기에 인가되는 출력 신호는 제1 시간 간격(t1) 내에서 송신 신호에 상응한다. 제2 시간 간격(t2) 및 바람직한 측정 간격(t4)을 포함하는 제3 시간 간격(t3) 내에서 음향 변환기의 감쇠가 실시된다. 즉, 음향 변환기의 여기는 전혀 수행되지 않는다. 출력 신호는 제2 시간 간격 내에서 음향 변환기의 감쇠에 의해 주도된다. 바람직한 측정 간격(t4) 내에서는 감쇠 비율이 전혀 없거나 약간만 있는 상태에서 에코 수신이 수행된다. 제3 다이어그램(13)은, 초음파 센서의 근거리 음장 내에 물체가 없을 때의 출력 신호의 주파수 파형(4), 및 초음파 센서의 30mm 전방에 물체가 있을 때의 출력 신호의 주파수 파형(5)을 보여준다. 상기 두 주파수 파형(4, 5)은 제1 시간 간격(t1) 내에서 겹쳐진다. 특히 바람직한 측정 간격(t4) 내에서는 상기 두 주파수 파형이 서로 편차를 보인다. 제4 다이어그램(14)은, 초음파 센서의 근거리 음장 내에 물체가 없는 상태에서 신호 적응된 필터의 출력에서의 신호, 및 이와 더불어 본 발명의 제1 실시예의 기준 감쇠 신호(2)를 보여준다. 또한, 제4 다이어그램(14)은, 초음파 센서의 30mm 전방에 물체가 있을 때의 신호 적응된 필터의 출력에서의 신호, 및 이와 더불어 본 발명의 제1 실시예의 감쇠 신호(1)를 보여준다.
전술된 개시 내용 이외에 도 1 내지 도 3의 개시 내용이 명시적으로 참조된다.

Claims (12)

  1. 초음파 센서의 근거리 음장 내에 있는 물체를 검출하기 위한 방법으로서,
    - 송신 신호에 의해 초음파 센서의 음향 변환기를 여기하는 단계,
    - 상기 음향 변환기의 여기 이후 음향 변환기의 감쇠 거동을 기술하는 감쇠 신호(1)를 획득하는 단계,
    - 상기 감쇠 신호(1)와 기준 감쇠 신호(2) 간의 편차를 결정하는 단계, 및
    - 상기 결정된 편차를 토대로 초음파 센서의 근거리 음장 내에 있는 물체의 존재를 검출하는 단계를 포함하는, 초음파 센서의 근거리 음장 내 물체의 검출 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 방법은 여러 번 수행되며, 특히 초음파 센서가 현재 동작 중인 경우, 기준 감쇠 신호(2)는 상기 방법의 선행 사이클에서 획득된 선행 감쇠 신호에 상응하는 것을 특징으로 하는, 초음파 센서의 근거리 음장 내 물체의 검출 방법.
  3. 제1항에 있어서, 초음파 센서의 근거리 음장 내에 물체가 없는 경우, 기준 감쇠 신호(2)는 감쇠 신호(1)에 상응하는 것을 특징으로 하는, 초음파 센서의 근거리 음장 내 물체의 검출 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 음향 변환기의 여기 동안에 그리고/또는 감쇠 신호(1)의 획득 동안에 초음파 센서의 동작이 수행되는 것을 특징으로 하는, 초음파 센서의 근거리 음장 내 물체의 검출 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 감쇠 신호(1)는 신호 적응된 필터에 의해 필터링된 신호이며, 이 경우 필터가 송신 신호에 적응되는 것을 특징으로 하는, 초음파 센서의 근거리 음장 내 물체의 검출 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 편차는, 감쇠 신호(1)를 통해 또는 감쇠 신호(1)와 기준 감쇠 신호(2) 간의 차를 통해 적분을 구함으로써 결정되는 것을 특징으로 하는, 초음파 센서의 근거리 음장 내 물체의 검출 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 편차는, 음향 변환기가 여기된 후 완전히 감쇠하기 전까지의 시간 범위 동안에 결정되는 것을 특징으로 하는, 초음파 센서의 근거리 음장 내 물체의 검출 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 편차가 사전에 규정된 값을 상회하는 경우, 초음파 센서의 근거리 음장 내에 물체가 존재하는 것으로서 검출되는 것을 특징으로 하는, 초음파 센서의 근거리 음장 내 물체의 검출 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 여러 번 수행되며, 상기 편차가 선행하는 한 시점에 결정된 편차에 상응하지 않는 경우에는 초음파 센서의 근거리 음장 내에 물체가 존재하는 것으로서 검출되는 것을 특징으로 하는, 초음파 센서의 근거리 음장 내 물체의 검출 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결정된 편차의 시간에 따른 거동이 일정하지 않다면, 초음파 센서의 근거리 음장 내에 물체가 존재하는 것으로서 검출되는 것을 특징으로 하는, 초음파 센서의 근거리 음장 내 물체의 검출 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 음향 변환기를 여기하는 단계, 감쇠 신호(1)를 획득하는 단계, 및 감쇠 신호(1)와 기준 감쇠 신호(2) 간의 편차를 결정하는 단계가 여러 번 실시되며, 이 경우 송신 신호의 주파수는 상기 방법 단계들이 2회 실시되는 사이에 변동하고,
    - 상기 결정된 편차들이 공통적으로 기준 감쇠 신호(2)와 감쇠 신호(1) 간의 양의 편차 또는 음의 편차를 지시하는 경우, 초음파 센서의 근거리 음장 내에 물체가 존재하는 것으로서 검출되는 것을 특징으로 하는, 초음파 센서의 근거리 음장 내 물체의 검출 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 음향 변환기를 여기하는 단계, 감쇠 신호(1)를 획득하는 단계, 및 감쇠 신호(1)와 기준 감쇠 신호(2) 간의 편차를 결정하는 단계가 여러 번 실시되며, 이 경우 송신 신호의 변조는 상기 방법 단계들이 2회 실시되는 사이에 변동하고,
    - 상기 결정된 편차들이 상이한 경우에는, 초음파 센서의 근거리 음장 내에 물체가 존재하는 것으로서 검출되는 것을 특징으로 하는, 초음파 센서의 근거리 음장 내 물체의 검출 방법.
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