KR20170058733A - 이중 센서를 이용한 이동거리 및 속도 측정 장치 및 그 방법 - Google Patents

이중 센서를 이용한 이동거리 및 속도 측정 장치 및 그 방법 Download PDF

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KR20170058733A KR1020150162718A KR20150162718A KR20170058733A KR 20170058733 A KR20170058733 A KR 20170058733A KR 1020150162718 A KR1020150162718 A KR 1020150162718A KR 20150162718 A KR20150162718 A KR 20150162718A KR 20170058733 A KR20170058733 A KR 20170058733A
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Abstract

본 발명은 이중 센서를 이용한 이동거리 및 속도 측정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가속도 센서와 다수개의 초음파 센서를 이동하는 물체에 장착하고 센서에서 수신되는 신호를 분석하여 이동하는 물체의 이동거리 및 속도를 측정할 수 있는 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 상기 측정 장치는, 복수개의 초음파 센서와 가속도의 방향 및 크기를 측정하는 가속도 센서를 포함하는 센서부와, 상기 센서부에 의해 측정된 값을 사용하여 이동거리 및 속도 등의 연산을 수행하는 연산부 및 상기 연산부에서 산출된 결과들을 표시하는 디스플레이부를 포함하되, 상기 복수개의 초음파 센서는 이동물체의 이동방향으로 일렬로 배치된 것을 특징으로 하는 이중 센서를 이용한 이동거리 및 속도 측정 장치 및 그 방법을 제공한다.

Description

이중 센서를 이용한 이동거리 및 속도 측정 장치 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MESURING SPEED AND DISTANCE USING TWO SENSOR}
본 발명은 이중 센서를 이용한 이동거리 및 속도 측정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가속도 센서와 다수개의 초음파 센서를 이동하는 물체에 장착하고 센서에서 수신되는 신호를 분석하여 이동하는 물체의 이동거리 및 속도를 측정할 수 있는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 이동하는 물체의 이동거리를 측정하기 위한 장치 및 방법은 다양한 분야에서 사용되어 왔다. 그 중에서도 자동차 분야의 경우에는 자동차의 총 주행거리를 표시하기 위하여 누적계를 차량에 장착하고 그 정보를 분석함으로써 차량의 현재상태를 판단할 수 있는 일련의 근거를 제시해준다.
일반적으로 차량의 이동거리를 측정하는 방법은 차륜의 회전 횟수를 통해 산출하여 왔는데, 이는 실제 이동거리를 직접 측정하는 방법이 아니라 차륜의 회전 횟수를 통한 간접적으로 이동거리를 측정하는 것으로 필연적으로 오차가 발생하게 된다.
이를 보정하기 위해서 최근에는 GPS 센서 등을 이용한 이동 거리 측정 방법도 사용되는데, 이는 이동물체에 GPS 수신기를 부착하고 이동된 GPS 수신기의 위치값에 따라 거리 계산을 수행하는 방식으로 이동거리를 산출하는 방식이다. 하지만 이러한 방식의 GPS 거리 측정은 단순 이동 거리를 측정할 때에는 크게 문제가 없으나 이동 물체의 다양한 이동 양상에는 대응하지 못하는 문제점이 있다.
즉, 일례로서 차량이 경사로를 운행할 때에는 실제 이동거리가 경사로 상의 경로가 되는데, GPS는 위치값만을 분석하여 높낮이가 없는 두 지점 사이의 직선간 거리를 산출하기 때문에 차량이 실제 이동한 거리와 오차가 발생한다거나, 터널이나 지하로 움직일 때는 GPS 위성으로부터 위치 데이터를 수신할 수 없기 때문에 GPS 위성이 수신되지 않은 구간에서의 이동 경로와 상관없이 간접적으로 이동거리를 추정하여 산출할 수밖에 없다는 문제점이 있다.
관련 선행기술로는 한국공개특허 10-2014-0052430호(공개일: 2014. 05. 07)가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 이동하는 물체에 가속도 센서와 초음파 센서를 장착하여 두 센서의 측정치를 서로 비교하여 이동 물체의 정확한 이동거리 및 속도를 산출할 수 있는 이중 센서를 이용한 이동거리 및 속도 측정 장치 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 이중 센서를 이용한 이동거리 및 속도 측정 장치에 있어서, 상기 측정 장치는, 복수개의 초음파 센서와 가속도의 방향 및 크기를 측정하는 가속도 센서를 포함하는 센서부와, 상기 센서부에 의해 측정된 값을 사용하여 이동거리 및 속도 등의 연산을 수행하는 연산부 및 상기 연산부에서 산출된 결과들을 표시하는 디스플레이부를 포함하되, 상기 복수개의 초음파 센서는 이동물체의 이동방향으로 일렬로 배치된 것을 특징으로 하는 이중 센서를 이용한 이동거리 및 속도 측정 장치를 제공한다.
구체적으로, 상기 연산부는, 아래의 수학식을 사용하여 이동물체가 Δt 시간 움직인 이동거리 Δd를 구하는 것을 특징으로 할 수 있다.
Figure pat00001
이 때,
h : 지표면으로부터 초음파 센서(111)까지의 높이
h′ : 이동물체가 움직일 때의 반사된 초음파의 길이
h″ : 이동물체가 상하로 움직였을 때의 상하 길이
Δt : 한 클럭의 초음파 신호가 발신되어 수신될 때까지의 시간
구체적으로, 상기 연산부는,
t 시간동안의 상기 Δd 값들을 합산하여 이동물체의 이동거리 d를 구하는 것을 특징으로 할 수 있다.
구체적으로, 상기 연산부는, 아래의 수학식을 사용하여 이동물체가 움직일 때의 반사된 초음파의 길이인 h′ 를 구하는 것을 특징으로 할 수 있다.
Figure pat00002
이때,
Figure pat00003
: 음속의 속도
구체적으로, 상기 연산부는, 아래의 수학식을 이용하여 이동물체가 상하로 움직였을 때의 상하 길이 h″를 구하는 것을 특징으로 할 수 있다.
Figure pat00004
이때,
Figure pat00005
: 가속도 센서에서 산출해낸 상하 방향에 대한 속도
구체적으로, 상기 연산부는, 아래의 수학식을 이용하여 가속도 센서에서 산출해낸 상하 방향에 대한 속도
Figure pat00006
를 구하는 것을 특징으로 할 수 있다.
Figure pat00007
이때,
Figure pat00008
: 가속도 센서에 검출된 수직방향의 가속도 성분
구체적으로, 상기 센서부는, 적외선 센서 및 가속도 센서로 구현되는 것을 특징으로 할 수 있다.
구체적으로, 상기 측정 장치는, 상기 연산부에서 출력되는 임시 연산값 또는 결과값을 저장하는 저장 수단을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
구체적으로, 상기 측정 장치는, 상기 연산부에서 출력되는 임시 연산값 또는 결과값을 외부 컴퓨터 또는 휴대용 기기 등으로 전송할 수 있는 통신 수단을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 이중 센서를 이용한 이동거리 및 속도 측정 방법에 있어서, 상기 이동거리 및 속도 측정 방법은, 초음파 센서로부터 신호를 송수신하여 수직거리 h′를 연산하는 단계와, 가속도 센서로부터 신호를 수신하여 수직방향 속도
Figure pat00009
를 연산하는 단계와,
Figure pat00010
값과
Figure pat00011
값을 비교하는 단계와, 거리 d를 연산하는 단계와, 속도 V를 연산하는 단계 및 거리 d와 속도 V를 표시하는 단계를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 초음파 센서로부터 신호를 송수신하여 수직거리 h′를 연산하는 단계는, 복수개의 초음파 센서가 신호를 송수신하는 단계와, 가장 큰 신호를 수신한 초음파 센서를 파악하는 단계 및 수직 거리 h′를 연산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
구체적으로, 상기 가속도 센서로부터 신호를 수신하여 수직방향 속도
Figure pat00012
를 연산하는 단계는, 가속도 센서로부터 신호를 수신하는 단계와, 수직방향의 가속도 성분
Figure pat00013
를 검출하는 단계 및 수직방향의 속도
Figure pat00014
를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
구체적으로, 상기
Figure pat00015
값과
Figure pat00016
값을 비교하는 단계는, 상기 두 값을 비교하여 그 값이 동일하면 처음의 단계로 되돌아가 다시 과정을 수행하고, 동일하지 않으면 다음 단계를 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
구체적으로, 상기 거리 d를 연산하는 단계는, 아래의 수학식을 사용하여 이동물체가 Δt 시간 움직인 이동거리 Δd를 구하고, t 시간동안의 Δd 값들을 합산하여 이동물체의 이동거리 d를 구하는 것을 특징으로 할 수 있다.
Figure pat00017
이때,
Δt : 한 클럭의 초음파 신호가 발신되어 수신될 때까지의 시간
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 다수의 초음파 센서 및 가속도 센서를 이동하는 물체에 이중으로 장착하여 두 센서에서 수신되는 신호를 분석한 후 서로 보완하며 물체의 이동거리 및 속도를 산출하기 때문에, 물체가 실제 이동하는 거리 및 속도를 정확하고 정밀하게 측정할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 물체의 이동거리 및 속도 측정 시 기존의 장치와 같이 GPS 등을 이용하지 않고 다수의 초음파 센서 및 가속도 센서를 이용하기 때문에, GPS 신호 등이 닿지 않는 지하철이나 지하 보수 공사 등과 같은 분야에서 장소에 구애받지 않고 활용될 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 매우 정확하고도 정밀한 이동거리 및 속도를 산출할 수 있기 때문에, 차량 테스트와 같은 정밀한 데이터가 필요한 작업에 유용하게 사용될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이중 센서를 이용한 이동거리 및 속도 측정 장치를 나타낸 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 측정 장치가 이동 할 때의 상황을 나타낸 개념도이다.
도 3은 도 1에 도시된 측정 장치에서 초음파 신호가 복수개의 센서에 송수신 되는 것을 나타낸 개념도이다.
도 4는 도 3에 도시된 복수개의 초음파 센서에 수신되는 신호의 크기를 나타낸 그래프이다.
도 5는 도 1에 도시된 측정 장치가 이동 할 때 수신되는 초음파 신호의 변화를 도시한 그래프이다.
도 6은 도 1에 도시된 측정 장치에서 이동 거리(d)를 산출하기 위해 변수들을 도식화한 것을 나타낸 것이다.
도 7은 도 1에 도시된 측정 장치에서 높이가 변할 할 때 이동 거리(d)를 산출하기 위해 변수들을 도식화한 것을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 이중 센서를 이용한 이동거리 및 속도 측정 방법을 나타낸 순서도이다.
도 9는 도 8에 도시된 S210 단계를 상세히 나타낸 순서도이다.
도 10은 도 8에 도시된 S220 단계를 상세히 나타낸 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이중 센서를 이용한 이동거리 및 속도 측정 장치를 나타낸 블록도로서, 이중 센서를 이용한 이동거리 및 속도 측정 장치(이하 '측정 장치'라고 지칭함)는, 복수개가 일렬로 배열된 초음파 센서(111)와 가속도의 방향 및 크기를 측정하는 3축 가속도 센서(113)를 포함하는 센서부(110)와, 센서부(110)에 의해 측정된 값을 사용하여 이동거리 및 속도 등의 연산을 수행하는 연산부(120) 및 연산부(120)에서 산출된 결과들을 표시하는 디스플레이부(130)를 포함한다.
초음파 센서(111)는, 이동물체의 이동 방향에 맞추어 다수개가 일렬로 장착되되, 다수개의 초음파 센서(111) 중 중앙에 위치한 초음파 센서(111)는 송신부와 수신부를 동시에 구비하여 초음파의 송신 및 수신을 동시에 하며 나머지 초음파 센서(111)는 중앙에 위치한 초음파 센서(111)로부터 송신된 초음파를 수신하는 역할만을 하도록 구성된다.
일반적으로 초음파 센서(111)는 1개 또는 2개의 압전소자로 이루어져 수신된 초음파가 압전소자에 부딪히게 되면 전압이 발생되고 역으로 압전소자에 전압을 인가하연 초음파가 발생하는 구조로서, 초음파를 지표면을 향해 발신하고 지표면에서 반사되는 초음파를 수신하여 이를 사용하여 거리를 산출하게 된다.
본 발명에서는 일렬로 장착된 초음파 센서(111) 중 중앙에 위치한 초음파 센서(111)에서 송신된 초음파를 다수개의 초음파 센서(111)가 수신하여 그 크기와 해당 초음파 센서(111)와의 배열 위치를 분석하여 측정하고자 하는 이동물체(M)의 이동거리 및 속도를 산출한다.
3축 가속도 센서(113)는, 이동물체(M)에 장착되어 3축 방향으로 물체의 가속도를 감지할 수 있는 센서이다 여기서 3축이라 함은, 각각 X축 방향은 이동물체(M)의 이동방향, 즉 수평 방향을 지칭하고, Y축 방향은 이동물체(M)의 상하, 즉 수직 방향을 지칭하며, Z축 방향은 이동물체(M)의 좌우 측면 방향을 지칭한다.
본 발명에서는 3축 가속도 센서(113)의 수신 신호 중에서 이동물체(M)의 Y축 방향에 대한 가속도 신호를 이용하여 초음파 센서(111)에서 산출되는 이동물체(M)의 이동거리 및 속도에 대한 오차를 조정할 수 있다.
또한, 센서부(110)는 초음파 센서(111) 대신에 적외선 센서로 대체하여 가속도 센서(113)와 함께 구현 될 수도 있다.
연산부(120)는, 초음파 센서(111)에서 수신되는 신호를 이용하여 그 거리 및 속도에 대한 계산과, 3축 가속도 센서(113)에서 수신된 신호를 사용하여 초음파 센서(111)에서 계산된 값을 보정하는 데 필요한 연산을 수행하여 그 결과값을 디스플레이부(130)로 전송한다.
또한, 측정 장치(100)는 이러한 연산부(120)에서 계산되는 중간값들이나 결과값들을 수시로 저장하고 출력하기 위한 저장 수단을 더 포함할 수도 있다. 이러한 저장 수단에는 각종 반도체 메모리나 하드 디스크 등이 가능하다.
여기서 각각의 연산에 대한 자세한 계산 과정은 이하에서 상세히 설명하기로 한다.
디스플레이부(130)는, 연산부(120)에서 계산된 결과값을 사용자가 용이하게 인식할 수 있도록 모니터나 휴대용 기기 등과 같은 각종 매체를 이용해 외부로 표시하는 역할을 한다.
여기서 측정 장치(100)는 외부에 위치한 외부 컴퓨터 또는 휴대용 기기로 결과값들을 전송하기 위한 유무선 통신 수단을 더 포함할 수도 있다.
이하에서 본 발명의 일실시예에 따른 이중 센서를 이용한 이동거리 및 속도 측정 원리를 보다 상세히 설명한다.
먼저, 도 2는 도 1에 도시된 측정 장치(100)가 이동 할 때의 상황을 나타낸 개념도로서, 초음파 센서(111) 5개가 일렬로 배열된 것을 예로 들었다. 각각의 초음파 센서는 도면의 좌측으로부터 각각 -2, -1, 0, 1, 2 로 표시하였다.
측정 장치(100) 내부에 이동하는 길이방향으로 배열된 초음파 센서(111) 중 중앙에 위치한 '0' 초음파 센서(111)가 그 아래에 표시된 지표면을 향하여 초음파를 발신하면 지향성을 갖는 초음파는 방사형으로 퍼지면서 지표면에 부딪히게 되고 부딪힌 초음파는 반사되어 다시 일렬로 배열된 5개의 초음파에 모두 수신된다.
즉, 상술한 바와 같이 5개의 초음파 센서(111) 중 중앙에 위치한 초음파 센만이 송수신을 하고 나머지 센서는 단지 수신을 하게 된다.
이 때, 측정 장치(100)의 지표면과의 거리를 'h'로 표시하였고, 송신파와 반사파의 방향을 화살표로 표시하였다.
도 3은 이와 같이 구성된 측정 장치(100)에서 초음파 신호가 복수개의 센서에 송수신 되는 것을 화살표로서 나타낸 도면으로서, 초음파 센서(111) 7개가 일렬로 배열된 것을 예로 하였고, 각각의 초음파 센서는 도면의 좌측으로부터 각각 -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3으로 표시하였으며, 도 4에서는 이와 같이 복수개의 초음파 센서 각각에 수신되는 신호의 크기를 나타낸 그래프로 나타낸 것으로서, 세로축은 크기(S)를 나타내며 가로축은 복수개의 초음파 센서(111)의 위치(P)를 나타낸다.
도 4의 그래프를 참고하면, 중앙에 위치한 '0' 초음파 센서(111)에서 수신되는 신호의 크기가 가장 크게 나타난 것을 알 수 있으며, 중앙에서 멀어질수록 수신되는 신호의 크기가 점점 작아지는 것을 확인할 수 있다.
이때, 이동물체(M)가 움직이기 시작하면 각 초음파 센서(111)에서 수신되는 신호의 크기를 나타내는 그래프는 전체적으로 좌우로 이동하는 것과 같은 모습을 보이게 된다.
도 5는 이와 같이 이동물체(M)가 움직임에 따라 초음파 센서(111)에서 수신되는 신호의 크기를 나타내는 그래프가 좌우로 이동하는 것을 예시한 그래프이다.
즉, 도 5의 상단에 도시된 그래프는 t1 시점에서 측정 장치(100)에 장착된 다수개의 초음파 센서(111)에 수신되는 신호의 크기를 나타낸 것으로서, 복수개의 초음파 센서(111)가 장착된 위치는 가로축에 각각 P-2, P-1, P0, P+1, P+2로 나타내었으며 신호의 크기는 세로축에 S로 표시하였다.
이 때, 각각의 포물선을 살펴보면 P0 초음파 센서(111)에 수신된 신호 크기가 가장 큰 것을 알 수 있는데, 그 포물선의 꼭짓점에 A라고 표시하여 기준으로 하였다.
다시, 도 5의 하단에 도시된 그래프는 Δt(Δt = t2 - t1) 만큼 경과된 t2 시점에서 측정 장치(100)에 장착된 다수개의 초음파 센서(111)에 수신되는 신호의 크기를 나타낸 그래프로서, 가로축에는 각각의 초음파 센서가 장착된 위치를 P-2, P-1, P0, P+1, P+2로 나타내었으며 신호의 크기는 세로축에 S로 표시하였다.
이 때, 측정 장치(100)가 장착된 이동물체(M)의 이동방향은 오른쪽 방향으로서 그래프의 아래에 화살표로 표시하였다.
여기서, 이동물체(M)가 Δt 만큼 경과된 t2 시점에서 이동한 거리(d)는 전체 그래프가 이동한 크기와 일치함을 알 수 있는데, 여기서 그래프가 이동한 크기는 복수개의 센서가 배치된 간격과 일치한다.
즉, 상단에 도시된 그래프에서 P0의 포물선에 표시된 A점은 하단에 도시된 그래프에서 P-1의 포물선의 꼭짓점이 되었음을 알 수 있는데, 이때 이동 방향은 물체(M)의 이동방향과는 반대 방향인 좌측이고, 그 크기는 P0 와 P-1 사이의 간격만큼인 것을 알 수 있다.
다시, P0와 P-1 사이의 간격은, 그 위치에 배치된 초음파 센서(111)의 실제 간격임과 동시에 이동물체(M)이 이동한 거리인 Δd가 된다.
그리고, 이동물체(M)의 속도 V는 산출된 이동 거리 Δd를 이동 시간 Δt으로 미분하면 산출된다. 즉, 아래의 수학식 1과 같다.
Figure pat00018
결과적으로, 이동물체(M)가 Δt 시간 동안 이동한 거리 Δd는 가장 큰 신호를 수신하는 최초의 초음파 센서(111)와 가장 큰 신호를 수신하는 초음파 센서(111)와의 간격을 계산함으로써 산출해 낼 수 있다.
만약, 이동물체(M)가 이동하는 거리가 복수개의 초음파 센서(111)가 배치된 간격보다 작게 되면 상술한 바와 같은 방식으로는 이동 거리 및 속도를 계산할 수 없게 되는데, 이는 아래에서 상술하기로 한다.
도 6은 상술한 바와 같이 이동물체(M)가 이동하는 거리가 복수개의 초음파 센서(111)가 배치된 간격보다 작을 때 이동 거리(d)를 산출하기 위하여 각종 변수들을 도식화한 그래프로서, 점선으로 표시된 이동물체(M)가 좌측으로부터 우측으로 Δt 시간 동안 Δd 만큼 이동한 것을 직선으로 나타내고, 다시 t1 시점에서의 이동물체(M)의 위치에서 지표면으로 직선을 그어 이동물체(M)의 지표면과의 높이인 h를 나타내며, 여기서 다시 t2 시점에서의 이동물체(M)까지 직선을 그어 변화된 높이인 h'를 나타내어 전체적으로 보아 삼각형의 도식을 표현하였으며, 우측 삼각형 상단 모서리의 내각은 θ로 표시하였다.
여기서, 초음파 센서(111)로부터 발신된 초음파의 반사된 거리는 h 대신 h'가 되는데, 이를 수식으로 표현하면 아래 수학식 2와 같다.
Figure pat00019
h′는 이동물체(M)의 지표면과의 높이, 즉, 지표면에서 초음파 센서(111)가 장착된 높이를 나타내고,
Figure pat00020
는 소리의 속도를 나타내며, Δt는 가장 큰 초음파 신호가 중앙의 초음파 센서(111)로부터 발신되어 지표면에 반사된 후 초음파 센서(111)에 도달한 시간을 나타낸다. 음속
Figure pat00021
= 331.5 + 0.60714T (T: 외기의 섭씨온도 ℃) 가 된다.
이와 같이 h′ 를 계산하여 이미 알고 있는 h와 비교하여 h′ 가 더 크게 나오면 이동물체(M)가 움직였다는 사실을 알 수 있게 된다.
최종적으로, 도 6을 참조하여 이동물체(M)가 Δt 시간 동안 이동한 거리인 Δd를 구하는 원리를 살펴보면, h를 알고 h′를 얻게 되었으므로 이를 변수로 하여 삼각함수에 적용하면 이동한 거리인 Δd를 산출할 수 있는데, 이를 수식으로 표현하면 아래 수학식 3과 같다.
Figure pat00022
그러면 여기서 만약 이동물체(M)이 이동 중에 이동 방향으로의 움직임뿐만 아니라, 상하로 움직일 경우를 고려하여 상술한 초음파 센서(111)를 이용하여 거리를 구하는 과정에 어떠한 오류가 발생하는 지를 살펴본다.
즉, 이동물체(M)가 이동 중에 상하로 움직인다면, 이동을 시작하는 t1 시점에서의 상하 값에 해당하는 h 값에는 변화가 없지만 이동 중에 상하에 변동이 발생하면 t2 시점에서 h′ 값은 변화하게 되고 상술한 도 6의 도식과는 달라질 것이다.
결과적으로, 이동물체(M)의 상하 움직임을 고려하지 않으면 달라진 h′ 값을 상술한 식에 대입한 결과 실제 이동물체(M)의 이동거리 Δd의 연산은 오류가 발생하게 된다.
도 7은 이와 같이 이동물체(M)이 이동 중에 높이가 변할 할 때를 고려하여 이동 거리(d)를 산출하기 위해서 변수들을 도식화한 것으로서, 도 6에서의 직각 삼각형보다 높이가 높은 직각 삼각형이 됨을 알 수 있다. 즉, 상하에 움직이 발생하여 달라진 h값과 h′ 값을 반영하여 도식화 하였다.
이를 바탕으로 높낮이의 변화를 반영한 이동물체(M)가 Δt 시간 동안 이동한 거리인 Δd를 구하는 최종적인 원리를 살펴보기로 한다.
먼저, 이동물체(M)이 높낮이가 변할 때의 상황을 두 가지로 나누어 생각하여 볼 수 있다.
첫째, 이동물체(M)가 수평 방향으로 움직이지 않고 상하로만 움직이는 경우와, 둘째, 이동물체(M)가 수평 방향으로도 움직임과 동시에 상하로도 움직이는 경우이다.
첫째의 경우에는 본 발명에서 구하고자 하는 이동물체(M)의 이동거리(d) 및 속도(V)를 구하는 경우에 해당하지 않으므로 이 경우에서는 처음으로 되돌아가 측정 과정을 처음부터 다시 하고, 둘째의 경우에는 상하로 움직이는 변화까지도 포괄할 수 있는 일반적인 이동물체(M)의 이동거리(d) 및 속도(V)를 구하는 원리를 살펴보기로 한다.
이 과정에서 필요한 것이 3축 가속도 센서(113)의 측정값인데, 3축 가속도 센서(113)는 상술한 바와 같이 측정 장치(100) 내부에 초음파 센서(111)와 같이 장착되어 3축 방향에 대한 가속도를 검출한다.
즉, 3축 가속도 센서(113)는 각각 이동물체(M)의 이동방향, 즉 수평 방향의 X축 방향, 이동물체(M)의 상하, 즉 수직 방향의 Y축 방향 및 이동물체(M)의 좌우 측면 방향인 Z축 방향에 대한 이동물체(M)의 가속도를 감지하여 전기적 신호로 출력한다.
본 발명에서는 X-Y 방향의 2축을 계측하게 되는데, 그에 관한 벡터식은 아래의 수학식 4와 같다.
Figure pat00023
여기서 초음파 센서(111)를 이용하여 이동물체(M)의 이동거리(d)와 속도(V)를 구할 수 있을 뿐만 아니라 3축 가속도 센서(113)를 이용하여도 이동물체(M)의 이동거리(d)와 속도(V)를 구할 수 있다.
즉, 이동물체(M)의 이동 방향에 대한 가속도 성분인
Figure pat00024
를 측정하여 이동 시간인 t에 대하여 가속도
Figure pat00025
값을 적분하면 속도(V)를 얻을 수 있고, 다시 이동 시간인 t에 대하여 속도(V)를 적분하면 이동거리(d)를 구할 수 있게 된다.
그런데, 여기서도 상술한 바와 같이 이동물체(M)의 수평방향에 대한 가속도
Figure pat00026
또한 상하 방향에 대한 가속도
Figure pat00027
값이 연동되어 있는 것을 알 수 있다.
즉, 3축 가속도 센서(113)를 이용하여 속도(V)와 이동거리(d)를 계산하더라도 앞의 경우에서처럼 오류가 발생하게 된다.
그러므로, 처음과 같이 초음파 센서(111)를 이용하되 이동물체(M)의 상하 이동을 반영하여 이동거리(d)를 구하는 원리를 살펴 보기로 한다.
우선, 3축 가속도 센서(113)의 측정값 중에서 상하 방향에 대한 속도
Figure pat00028
를 구한다. 여기서, 측면에 대한 가속도인
Figure pat00029
성분 값은 최소화된 것으로 가정한다. 즉,
Figure pat00030
값은 거의 '0' 값이 되도록 유지하면서
Figure pat00031
값을 측정한 후, 그 값을 적분하여 상하 방향에 대한 속도
Figure pat00032
를 산출해 내며, 그에 대한 계산식은 아래의 수학식 5와 같다.
Figure pat00033
그리고 초음파 센서(113)에서 h 값과 h′ 값을 이용하여 상하 방향에 대한 속도 V sonic 값도 산출해 내며, 그에 대한 계산식은 아래의 수학식 6과 같다.
Figure pat00034
이어서, 가속도 센서(113)에서 산출해낸 상하 방향에 대한 속도
Figure pat00035
와 비교한다. 초음파 센서(111)에 의해 산출해낸 상하 방향에 대한 속도 V sonic 값의 절대값이 최대가 될 때는 이동물체(M)가 수평방향으로는 움직이지 않고 상하 방향으로만 움직였다는 것을 의미하며, 이때의 절대값에 대한 최대값은 가속도 센서(113)에서 산출해낸 상하 방향에 대한 속도
Figure pat00036
와 동일할 것이다.
즉, V sonic 값과
Figure pat00037
이 동일하다면 이동물체(M)는 상하 방향으로만 진동하고 있다는 의미가 되며, 동일하지 않다면 조금이라도 수평방향으로 움직였다는 것을 뜻하게 된다.
그러므로 V sonic 값과
Figure pat00038
이 동일하면 다시 처음으로 돌아가 다시 연산을 수행하며, 동일하지 않다면
Figure pat00039
값을 이용하여 보완된 이동거리(d)를 산출한다.
도 7를 참고하여 보완된 이동거리(d)를 구하는 과정은 다음과 같다.
먼저, 변화된 수직방향에 대한 값은 원래의 h 값에 증가된 h″ 값을 더하여 산출한다. 여기서 h″ 값은
Figure pat00040
에 이동물체(M)의 이동시간 △t를 곱하여 산출하며, 계산식은 아래의 수학식 7과 같다.
Figure pat00041
그러면 상단 모서리에 내각 θ를 기준으로 아래의 수학식 8과 같은 삼각함수가 도출된다.
Figure pat00042
여기서 Δd 는 이동물체(M)이 수평방향으로 움직인 거리를 의미하며 도 7의 하단에 표시되어 있다.
마지막으로, 높낮이의 변화를 반영한 이동물체(M)가 Δt 시간 동안 이동한 거리인 Δd는 아래의 수학식 9와 같다.
Figure pat00043
여기서, h는 초음파 센서(111)의 지표면에 대한 높이로서 이미 알고 있는 값이며, h′ 는 초음파가 지표면과 반사되는 거리로서 초음파 센서(111)의 측정 신호에 의해 구해지며, h″ 는 이동물체(M)의 상하 변동 값으로서 가속도 센서(113)에 의해 구해지며, 각각의 산출 방법은 상술하였으므로 생략하기로 한다.
최종적으로, Δd는 초음파 센서(111)에서 초음파가 지표면에 반사하여 수신된 Δt 시간 동안의 이동물체(M)의 이동거리가 되므로 원하는 이동물체(M)의 이동거리 d는 특정 시간에서의 이들 값들을 합산하여 구하면 된다.
또한, Δd를 Δt에 대하여 미분하면 그 시점에서 속도 V를 산출할 수 있다.
이러한 결과를 통해 초음파 센서(111)와 3축 가속도 센서(113)의 이중 센서를 이용하면 이동물체(M)의 상하 움직임을 반영한 수평 방향의 실제 이동거리(d) 및 그 시점에서의 속도 V에 대한 매우 정확한 값을 구할 수 있게 된다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 이중 센서를 이용한 이동거리 및 속도 측정 방법을 나타낸 순서도로서, 이중 센서를 이용한 이동거리 및 속도 측정 방법은, 초음파 센서로부터 신호를 송수신하여 수직거리 h′를 연산하는 단계(S210), 가속도 센서로부터 신호를 수신하여 수직방향 속도
Figure pat00044
를 연산하는 단계(S220),
Figure pat00045
값과
Figure pat00046
값을 비교하는 단계(230), 거리 d를 연산하는 단계(S240), 속도 ??를 연산하는 단계(S250) 및 거리 d와 속도 ??를 표시하는 단계(S260)를 포함한다.
도 9를 참조하면, 초음파 센서로부터 신호를 송수신하여 수직거리 h′를 연산하는 단계(S210)는, 복수개의 초음파 센서가 신호를 송수신하는 단계(S211), 가장 큰 신호를 수신한 초음파 센서를 파악하는 단계(S213) 및 수직 거리 h′를 연산하는 단계(S215)를 포함한다.
복수개의 초음파 센서가 신호를 송수신하는 단계(S211)는, 측정 장치(100)에 장착된 복수개의 초음파 센서(111) 중에서 중앙에 위치한 초음파 센서(111)가 초음파를 이동물체(M)의 하부에서 지표면으로 송신하면 모든 초음파 센서(111)는 지표면으로부터 반사된 신호를 수신하는 단계이다.
중앙에 위치한 초음파 센서(111)는 송수신을 동시에 하게 되고, 나머지 초음파 센서(111)는 수신만을 담당하는 방식이다.
가장 큰 신호를 수신한 초음파 센서를 파악하는 단계(S213)는, S211 단계에서 각 초음파 센서(111)들이 수신한 초음파의 크기를 분석하여 가장 큰 신호를 수신한 초음파 센서(111)를 검출하여 그 배열 위치를 파악하는 단계이다.
즉, 이동물체(M)가 제자리에서 정지해 있다면, 복수개의 초음파 센서(111) 각각이 수신하는 신호 크기는 중앙에 위치한 초음파 센서(111)에서 가장 크게 되겠지만, 이동물체(M)가 이동을 시작하게 되면 가장 큰 크기의 신호를 수신하는 초음파 센서(111)는 중앙에서 벗어난 초음파 센서(111) 중의 하나가 될 것이다.
수직 거리 h′를 연산하는 단계(S215)는, S213 단계에서 가장 큰 신호를 수신한 초음파 센서(111)의 배열 위치 및 그 도달 시간 Δt을 파악하여 소리의 속도를 곱하여 반으로 나누면 이동물체(M)가 이동함에 따른 변화된 h′를 계산할 수 있게 된다. 구체적인 계산식은 상술한 수학식 2와 같다.
또한, 상술한 것처럼 이미 알고 있는 초음파 센서(111)의 배열 간격에 가장 큰 신호를 수신한 초음파 센서(111)의 배열 위치를 곱하면 이동물체(M)의 이동거리(d)가 되는데, 구체적인 계산식은 상술한 수학식 1과 같다.
이는 이동물체(M)의 이동거리(△d)가 초음파 센서(111)의 배열 간격과 정확하게 맞게 될 경우에 쉽게 이동거리(d)를 연산하는 방법이며, 이동물체(M)의 이동거리(△d)가 초음파 센서(111)의 배열 간격보다 작게 되면 이후의 거리 계산 방법으로 연산하여야 한다.
도 10을 참조하면, 가속도 센서로부터 신호를 수신하여 수직방향 속도
Figure pat00047
를 연산하는 단계(S220)는, 가속도 센서로부터 신호를 수신하는 단계(S221)와, 수직방향의 가속도 성분
Figure pat00048
를 검출하는 단계(S223) 및 수직방향의 속도
Figure pat00049
를 산출하는 단계(S225)를 포함한다.
가속도 센서로부터 신호를 수신하는 단계(S221)는, 측정 장치(100)에 장착된 3축 가속도 센서(113)가 측정한 가속도 신호를 수신하는 단계로서, 상술한 것처럼 이동물체(M)의 이동방향, 즉 수평 방향의 X축 방향, 이동물체(M)의 상하, 즉 수직 방향의 Y축 방향 및 이동물체(M)의 좌우 측면 방향인 Z축 방향에 대한 이동물체(M)의 가속도를 감지하여 전기적 신호로 출력한다.
수직방향의 가속도 성분
Figure pat00050
를 검출하는 단계(S223)는, 3축 가속도 센서(113)가 측정한 가속도 성분은 3축에 대한 벡터 성분들 중에서 수직 방향의 가속도 성분인
Figure pat00051
를 검출하는 단계이다.
수직방향의 속도
Figure pat00052
를 산출하는 단계(S215)는, S223단계에서 검출한 수직 방향의 가속도 성분인
Figure pat00053
를 이용하여 수직방향의 속도
Figure pat00054
를 연산하여 출력하는 단계이다.
이때, 구체적인 계산 과정은 상술한 수학식 5와 같다.
그런데, 위의 수행 단계들은 S210 단계가 S220 단계 보다 먼저 수행하는 것으로 표현되었지만 S220 단계를 S210 단계보다 먼저 수행하여도 무관함을 알 수 있을 것이다.
Figure pat00055
값과
Figure pat00056
값을 비교하는 단계(230)는,
Figure pat00057
값은 가속도 센서(113)의 측정값에 의해 S220 단계에서 산출해낸 이동물체(M)의 수직방향의 속도이며,
Figure pat00058
는 V sonic 으로서 초음파 센서(111)의 측정값에 의해 S210 단계에서 구한 이동물체(M)의 수직방향의 속도를 지칭하는 것으로서, 상술한 바와 같이 두값을 비교하여 그 값이 동일하면 이동물체(M)는 제자리에서만 움직였다고 판단하여 처음의 단계로 되돌아가 다시 과정을 수행하고, 동일하지 않으면 이동물체(M)는 제자리에서 상하로 움직였을 뿐만 아니라 수평 방향으로도 움직였다고 판단하여 실제 이동거리(d)를 구하게 된다.
거리 d를 연산하는 단계(S240)는, 최종적으로 이동물체(M)의 상하 움직임에 대한 오차를 보완하여 최종적인 이동거리(d)를 구하는 단계이다. 구체적인 과정은 상술한 바와 같으며 최종 계산식은 상술한 수학식 9와 같으며, 이동물체(M)의 이동거리 d는 특정 시간에서의 수학식 9에서 계산한 Δd의 값들을 합산하여 구한다.
속도 ??를 연산하는 단계(S250)는, 상술한 수학식 9에서 계산한 Δd를 Δt에 대하여 미분하여 그 시점에서 속도 V를 구하는 단계이다.
거리 d와 속도 V를 표시하는 단계(S260)는, 이상의 연산과정을 연산부(130)가 처리하여 거리 d와 속도 V를 구하면 그 값들을 디스플레이부(130)로 표시하는 단계이다.
이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은 초음파 센서(111)와 3축 가속도 센서(113)의 이중 센서를 이용하여 이동물체(M)에서의 상하 움직임을 반영한 수평 방향의 실제 이동거리(d) 및 그 시점에서의 속도 V에 대한 매우 정확한 값을 구할 수 있는 효과가 있다.
상기와 같은 이중 센서를 이용한 이동거리 및 속도 측정 장치 및 그 방법은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.
100: 측정 장치 110: 센서부
111: 초음파 센서 113: 가속도 센서
120: 연산부 130: 디스플레이부

Claims (14)

  1. 이중 센서를 이용한 이동거리 및 속도 측정 장치에 있어서,
    상기 측정 장치는,
    복수개의 초음파 센서와 가속도의 방향 및 크기를 측정하는 가속도 센서를 포함하는 센서부;
    상기 센서부에 의해 측정된 값을 사용하여 이동거리 및 속도 등의 연산을 수행하는 연산부; 및
    상기 연산부에서 산출된 결과들을 표시하는 디스플레이부;를 포함하되,
    상기 복수개의 초음파 센서는 이동물체의 이동방향으로 일렬로 배치된 것을 특징으로 하는 이중 센서를 이용한 이동거리 및 속도 측정 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연산부는,
    아래의 수학식을 사용하여 이동물체가 Δt 시간 움직인 이동거리 Δd를 구하는 것을 특징으로 하는 이중 센서를 이용한 이동거리 및 속도 측정 장치.
    Figure pat00059

    이때,
    h : 지표면으로부터 초음파 센서(111)까지의 높이
    h′ : 이동물체가 움직일 때의 반사된 초음파의 길이
    h″ : 이동물체가 상하로 움직였을 때의 상하 길이
    Δt : 한 클럭의 초음파 신호가 발신되어 수신될 때까지의 시간
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 연산부는,
    이동물체의 이동시간인 t 시간 동안에 산출된 상기 Δd 값들을 합산하여 이동물체의 이동거리 d를 구하는 것을 특징으로 하는 이중 센서를 이용한 이동거리 및 속도 측정 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 연산부는,
    아래의 수학식을 사용하여 이동물체가 움직일 때의 반사된 초음파의 길이인 h′ 를 구하는 것을 특징으로 하는 이중 센서를 이용한 이동거리 및 속도 측정 장치.
    Figure pat00060

    이때,
    Figure pat00061
    : 음속의 속도
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 연산부는,
    아래의 수학식을 이용하여 이동물체가 상하로 움직였을 때의 상하 길이 h″를 구하는 것을 특징으로 하는 이중 센서를 이용한 이동거리 및 속도 측정 장치.
    Figure pat00062

    이때,
    Figure pat00063
    : 가속도 센서에서 산출해낸 상하 방향에 대한 속도
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 연산부는,
    아래의 수학식을 이용하여 가속도 센서에서 산출해낸 상하 방향에 대한 속도
    Figure pat00064
    를 구하는 것을 특징으로 하는 이중 센서를 이용한 이동거리 및 속도 측정 장치.
    Figure pat00065

    이때,
    Figure pat00066
    : 가속도 센서에서 검출된 수직방향의 가속도 성분
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 센서부는,
    적외선 센서 및 가속도 센서로 구현되는 것을 특징으로 하는 이중 센서를 이용한 이동거리 및 속도 측정 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 측정 장치는,
    상기 연산부에서 출력되는 임시 연산값 또는 결과값을 저장하는 저장 수단을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이중 센서를 이용한 이동거리 및 속도 측정 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 측정 장치는,
    상기 연산부에서 출력되는 임시 연산값 또는 결과값을 외부 컴퓨터 또는 휴대용 기기 등으로 전송할 수 있는 통신 수단을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이중 센서를 이용한 이동거리 및 속도 측정 장치.
  10. 이중 센서를 이용한 이동거리 및 속도 측정 방법에 있어서,
    상기 측정 방법은,
    초음파 센서로부터 신호를 송수신하여 수직거리 h′를 연산하는 단계;
    가속도 센서로부터 신호를 수신하여 수직방향 속도
    Figure pat00067
    를 연산하는 단계;
    Figure pat00068
    값과
    Figure pat00069
    값을 비교하는 단계;
    거리 d를 연산하는 단계;
    속도 V를 연산하는 단계; 및
    거리 d와 속도 V를 표시하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 센서를 이용한 이동거리 및 속도 측정 방법.

    이때,
    h: 지표면으로부터 초음파 센서까지의 높이
    h′: 이동물체가 움직일 때의 반사된 초음파의 길이
    Figure pat00070
    : 가속도 센서에서 산출해낸 상하 방향에 대한 속도
    Figure pat00071
    : 초음파 센서의 측정값에 의해 산출된 이동물체의 수직방향의 속도
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 초음파 센서로부터 신호를 송수신하여 수직거리 h′를 연산하는 단계는,
    복수개의 초음파 센서가 신호를 송수신하는 단계;
    가장 큰 신호를 수신한 초음파 센서를 파악하는 단계; 및
    수직 거리 h′를 연산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 센서를 이용한 이동거리 및 속도 측정 방법.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 가속도 센서로부터 신호를 수신하여 수직방향 속도
    Figure pat00072
    를 연산하는 단계는,
    가속도 센서로부터 신호를 수신하는 단계;
    수직방향의 가속도 성분
    Figure pat00073
    를 검출하는 단계; 및
    수직방향의 속도
    Figure pat00074
    를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 센서를 이용한 이동거리 및 속도 측정 방법.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기
    Figure pat00075
    값과
    Figure pat00076
    값을 비교하는 단계는,
    상기 두 값을 비교하여 그 값이 동일하면 처음의 단계로 되돌아가 다시 과정을 수행하고, 동일하지 않으면 다음 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 이중 센서를 이용한 이동거리 및 속도 측정 방법.
  14. 청구항 10에 있어서,
    상기 거리 d를 연산하는 단계는,
    아래의 수학식을 사용하여 이동물체가 Δt 시간 움직인 이동거리 Δd를 구하고, 이동물체가 이동한 t 시간동안에 산출된 Δd 값들을 합산하여 이동물체의 이동거리 d를 구하는 것을 특징으로 하는 이중 센서를 이용한 이동거리 및 속도 측정 방법.
    Figure pat00077

    이때,
    Δt : 한 클럭의 초음파 신호가 발신되어 수신될 때까지의 시간
    h″ : 이동물체가 상하로 움직였을 때의 상하 길이
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KR20190037890A (ko) * 2017-09-29 2019-04-08 센서텍(주) 거리 측정의 정밀도를 향상시키기 위한 초음파 센서 모듈

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