KR20180076814A - Ｆｍｃｗ 레이더 기반의 객체 탐지 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 FMCW 레이더 기반의 객체 탐지 시스템 및 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 객체 탐지 시스템은 미리 설정되어 있는 주기로 주파수가 변조되는 송신신호를 미리 설정되어 있는 공간 영역으로 방사하는 신호 출력부, 공간 영역에 위치하는 객체에 의해 생성되며, 송신신호에 대응하는 반사신호를 수신하는 신호 수신부, 수신된 반사신호의 주파수 성분을 분석하는 신호 처리부, 분석 결과에 기초하여 객체의 속도를 추출하는 속도정보 추출부, 분석 결과에 기초하여 신호 수신부와 객체 사이의 거리를 추출하는 거리정보 추출부, 그리고 추출된 신호 수신부와 객체 사이의 거리에 기초하여 공간 영역에 대응하는 배경 프로파일을 생성하는 배경정보 생성부를 포함한다.

Description

ＦＭＣＷ 레이더 기반의 객체 탐지 시스템 및 방법{OBJECT DETECTION SYSTEM AND METHOD BASEDE ON FMCW(FREQUENCY MODULATED CONTINUOUS WAVE) RADAR}

본 발명은 FMCW 레이더 기반의 객체 탐지 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 가전제품에 채택되어 실내 공간에서 FMCW 레이더를 이용하여 움직이는 객체를 탐지하기 위한 배경 프로파일을 생성하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

최근 가전제품에 카메라 또는 레이더를 설치하여 사용자의 움직임을 수집하고 수집된 움직임정보를 분석하여 사용자의 생활 패턴에 따라 가전제품을 자동 제어하는 기술에 대한 관심이 증가하고 있다. 예를 들어, 사용자가 주로 머무르는 공간 및 시간을 분석하여 에어컨의 냉방 영역 및 시간을 자동으로 제어하거나, 사용자의 이용시간 및 횟수를 분석하여 냉장고를 절전모드로 자동 전환하는 기술 등이 있다.

이러한 기술을 구현하기 위해서는 레이더 및 카메라를 통해 수집한 정보에서 배경 노이즈와 사용자의 움직임을 식별하는 과정이 필수적이다. 그러나 레이더를 이용하여 사용자의 움직임을 감지하는 경우 실내에 위치하는 가구 및 가전제품에 의해 많은 노이즈(반사신호)가 발생하여 사용자의 움직임을 정확히 감지하기 어려울 수 있다. 또한, 복수개의 공간으로 분리되는 집은 공간별로 가구 및 가전제품의 위치가 다르기 때문에 공간별로 가구 및 가전제품에 대응하는 배경 노이즈를 미리 설정하여 사람의 움직임을 식별해야 하는 번거로움이 존재하며, 가구 및 가전제품의 위치가 변경되는 경우에는 미리 설정되어 있는 배경 노이즈를 이용하기 어렵다. 따라서, 가구와 가전제품의 위치 변화에 따라 적응적으로 배경 노이즈를 인식하여 사용자의 움직임을 식별하는 기술이 필요하다.

FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave, 주파수 변조 연속파) 레이더는 송신 전파의 주파수를 변조하는 레이더로 실내 공간에 위치하는 객체(사람 또는 사물)의 움직임을 감지하는 탐지 시스템에 사용된다. 구체적으로, 실내 공간에 주파수가 변조된 전파를 연속으로 송신하고 실내 공간에 위치하는 사람 또는 사물로부터 반사되는 반사파를 수신하고 도플러 효과를 이용하여 사람 또는 사물의 존재유무, 이동 방향, 거리 및 속도를 감지한다. 따라서, FMCW 레이더를 이용한 객체 탐지 시스템을 이용하여 실내 공간에서 움직이는 객체를 판별하기 위해서는 실내 공간에서 정지하고 있는 객체에 대응하는 배경 노이즈를 식별하는 과정이 필요하다.

FMCW 레이더를 이용한 객체 탐지 시스템의 배경 노이즈 식별과 관련하여 "A Hybrid FMCW-Interferometry Radar for Indoor Precise Positioning and Versatile Life Activity Monitoring, IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES Vol.62 No.11 2812p~2822p"(이하 "선행기술 1"이라고 함)는 2D 탐지 및 타겟 식별 과정에서 아래의 수학식 1 및 수학식 2와 같이 FFT(Fast Fourier Transform, 고속 푸리에 변환)의 프레임별로 빼주면서 FFT 스펙트럼에서 정지된 물체의 비트 주파수(beat frequency)를 제거하는 배경 노이즈 제거 방법을 개시하고 있다.

또한, 한국공개특허 10-2016-0105178(이하 "선행기술 2"라고 함)는 필터링된 반사파 신호의 첫 번째 인덱스부터 한 주기까지의 기준신호 이후의 각 주기 신호에서 기준신호를 빼서 백그라운드 노이즈를 제거하는 방법을 개시하고 있다.

그러나 선행기술 1에 따르면 프레임별로 빼주면서 배경 노이즈를 제거하는 경우 각 프레임별로 움직이는 물체가 끼치는 영향이 달라져 배경 판단이 어려울 수 있으며, 선행기술 2에 따르면 임의의 한 주기까지의 신호인 기준신호를 저장하여 이용하기 때문에 기준신호와 샘플 동기화가 정확하게 일치하지 않는 경우 백그라운드 노이즈 제거의 정확도가 저하될 수 있다.

본 발명의 일 실시예가 해결하려는 과제는 FMCW 레이더의 도플러 효과를 이용하여 실내 공간에 대응하는 배경 프로파일을 생성하는 객체 탐지 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명의 하나의 실시예는, 미리 설정되어 있는 주기로 주파수가 변조되는 송신신호를 미리 설정되어 있는 공간 영역으로 방사하는 신호 출력부, 공간 영역에 위치하는 객체에 의해 생성되며, 송신신호에 대응하는 반사신호를 수신하는 신호 수신부, 수신된 반사신호의 주파수 성분을 분석하는 신호 처리부, 분석 결과에 기초하여 객체의 속도를 추출하는 속도정보 추출부, 분석 결과에 기초하여 신호 수신부와 객체 사이의 거리를 추출하는 거리정보 추출부, 그리고 추출된 신호 수신부와 객체 사이의 거리에 기초하여 공간 영역에 대응하는 배경 프로파일을 생성하는 배경정보 생성부를 포함하는 FMCW 레이더 기반의 객체 탐지 시스템을 제안한다.

여기서, 신호 처리부는 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)을 수행할 수 있다.

또한, 거리정보 추출부는 추출된 객체의 속도가 0인 경우 신호 수신부와 객체 사이의 거리를 추출할 수 있다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명의 하나의 실시예는, 신호 출력부를 통해 미리 설정되어 있는 공간 영역으로 송신신호를 방사하는 단계, 신호 수신부를 통해 방사된 송신신호에 대응하며 공간 영역에 위치하는 객체로부터 반사되는 반사신호를 수신하는 단계, 신호 처리부를 통해 수신된 반사신호의 고속 푸리에 변환을 수행하는 단계, 속도정보 추출부를 통해 고속 푸리에 변환 결과에 기초하여 객체의 움직임 유무를 판단하는 단계, 거리정보 추출부를 통해 객체의 움직임이 없는 것으로 판단되는 경우 고속 푸리에 변환 결과에 기초하여 신호 수신부와 객체의 거리를 추출하는 단계, 그리고 배경정보 생성부를 통해 추출된 신호 수신부와 객체의 거리를 포함하는 배경 프로파일을 생성하는 단계를 포함하는 FMCW 레이더 기반의 객체 탐지 방법을 제안한다.

여기서, 고속 푸리에 변환을 수행하는 단계는 수신된 반사신호의 개수가 미리 설정되어 있는 고속 푸리에 변환 주기를 만족하는 경우 고속 푸리에 변환을 수행할 수 있다.

또한, 반사신호는 시간 차이가 있는 제1 반사신호 및 제2 반사신호를 포함하며, 고속 푸리에 변환을 수행하는 단계는 제1 반사신호의 제1 고속 푸리에 변환 및 제2 반사신호의 제2 고속 푸리에 변환을 수행하며, 배경 프로파일을 생성하는 단계는 제1 고속 푸리에 변환에 기초하여 제1 배경 프로파일을 생성하고, 제2 고속 푸리에 변환에 기초하여 제1 배경 프로파일을 업데이트하여 제2 배경 프로파일을 생성할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면 실내 공간의 배경 프로파일을 자동으로 생성 및 보정하여 실내 공간에서 정지하고 있는 객체와 움직이는 객체의 식별 정확도를 향상시킬 수 있다. 또한, 객체의 움직임 감지 결과를 이용하여 적응적으로 배경 프로파일을 생성할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 FMCW 레이더 기반 객체 탐지 시스템의 구성이다.
도 2는 도 1을 이용한 배경 프로파일 생성 방법이다.
도 3은 도 2의 S24 단계에서 생성된 배경 프로파일 예시이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며 명세서 전체에서 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한, 널리 알려진 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.

본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, "…부", "…모듈", "…기" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 FMCW 레이더 기반 객체 탐지 시스템의 구성이다.

도 1의 객체 탐지 시스템(100)은 FMCW 레이더를 이용하여 실내 공간에서 정지하고 있는 객체 및 움직이는 객체를 탐지한다. 이때, 실내 공간은 미리 설정되어 있는 공간 영역을 의미한다. 구체적으로, FMCW 레이더를 이용하여 실내 공간에 위치하는 객체에 의해 반사되어 돌아오는 신호를 수집하고 실내 공간에 대응하는 배경 프로파일을 생성한다. 또한, 생성된 배경 프로파일을 이용하여 정지하고 있는 객체 및 움직이는 객체를 식별하여 움직이는 객체를 탐지한다.

도 1의 객체 탐지 시스템(100)은 신호 출력부(110), 신호 수신부(120), 신호 처리부(130), 속도정보 추출부(140), 거리정보 추출부(150), 배경정보 생성부(160), 그리고 객체 탐지부(170)를 포함한다.

신호 출력부(110)는 미리 정해진 주기로 주파수가 변조되는 신호(이하 "송신신호"라고 함)를 생성하고 객체 탐지 시스템(100)을 통해 객체를 탐지하고자 하는 실내 공간으로 송신신호를 방사한다.

신호 수신부(120)는 신호 출력부(110)를 통해 방사된 송신신호가 실내 공간에 위치하는 객체에 의해 반사되어 돌아오는 신호(이하 "반사신호"라고 함)를 수신하여 저장한다. 이때, 반사신호는 신호 출력부(110)를 통해 방사된 송신신호의 주파수와 차이가 있는 도플러 주파수이다.

본 발명의 실시예에서 신호 출력부(110)와 신호 수신부(120)는 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave, 주파수 변조 연속파) 레이더로 구현할 수 있다.

신호 처리부(130)는 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)을 이용하여 신호 수신부(120)를 통해 수신된 반사파의 주파수 성분을 분석한다. 이때, 고속 푸리에 변환은 미리 설정되어 있는 기준값만큼의 반사파를 이용하여 프레임 단위로 수행된다. 예를 들어, 기준값이 3이며 제1 반사파 내지 제6 반사파가 신호 수신부(120)를 통해 순서대로 수신된 경우를 가정하여 설명하며, 제1 반사파, 제2 반사파, 그리고 제3 반사파를 이용하는 고속 푸리에 변환을 제1 프레임이라 하고, 제4 반사파, 제5 반사파, 그리고 제6 반사파를 이용하는 고속 푸리에 변환을 제2 프레임이라 할 수 있다.

속도정보 추출부(140)는 신호 처리부(130)를 통해 주파수 성분을 분석한 결과에 기초하여 반사파에 대응하는 객체의 속도정보를 추출한다. 또한, 속도정보 추출 결과를 이용하여 반사파에 대응하는 객체의 움직임 유무를 판단한다.

거리정보 추출부(150)는 속도정보 추출부(140)를 통해 반사파에 대응하는 객체의 움직임이 없는 것으로 판단되는 경우 객체의 거리정보를 추출한다. 이때, 객체의 거리정보는 객체 탐지 시스템(100)에서 반사파에 대응하는 객체까지의 거리를 포함한다. 여기서, 객체 탐지 시스템(100)의 실내 공간에 위치하며, 객체 탐지 시스템(100)의 각 구성은 거의 동일한 지점에 위치한다. 예를 들어, 거리정보는 신호 수신부(120)에서 객체까지의 거리를 포함한다.

배경정보 생성부(160)는 거리정보 추출부(150)를 통해 추출된 객체의 거리정보와 객체에 대응하는 반사파를 이용하여 배경 프로파일을 생성한다. 또한, 미리 저장되어 있는 배경 프로파일을 보정한다.

객체 탐지부(170)는 배경정보 생성부(160)에서 생성된 배경 프로파일을 이용하여 실내 공간에서 객체의 움직임을 탐지한다.

도 2는 도 1을 이용한 배경 프로파일 생성 방법이다.

도 2에서 i는 프레임 번호이며, i의 초기값은 1이다.

먼저, 신호 출력부(110)를 통해 실내 공간에 송신신호를 방사하고(S10), 신호 수신부(120)를 S10 단계에서 방사된 송신신호에 대응하는 반사신호를 수신한다(S12).

이후, 신호 처리부(130)를 통해 S12 단계에서 수신된 반사신호의 개수를 미리 설정되어 있는 FFT 주기(프레임)와 비교하고(S14), 반사신호의 개수가 미리 설정되어 있는 FFT 주기를 만족하거나 또는 FFT 주기 이상인 경우 수집된 반사신호를 이용하여 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행한다(S16).

이후, 속도정보 추출부(140)를 통해 S16 단계의 고속 푸리에 변환(FFT) 결과로부터 수집된 반사신호에 대응하는 객체의 속도를 추출하고(S18), S18 단계에서 추출된 속도에 기초하여 실내 공간에 위치하는 객체들의 움직임 유무를 판단한다(S20).

만약 S20 단계에서 객체의 움직임이 없는 것으로 판단되는 경우 거리정보 추출부(150)를 통해 S16 단계의 고속 푸리에 변환(FFT) 결과로부터 수집된 반사신호에 대응하는 객체의 거리를 추출한다(S22).

이후, 배경정보 생성부(160)를 통해 S22 단계에서 추출된 거리에 기초하여 미리 저장되어 있는 제1 배경 프로파일을 업데이트하여 제2 배경 프로파일을 생성한다(S24). 이후, 프레임 i를 1만큼 증가시켜 S12 내지 S24 단계를 반복하며, 프레임 i가 미리 설정되어 있는 기준값(N)을 만족할 때까지 S12 내지 S24 단계를 반복한다. 이후, 실내 공간에서 움직이는 객체가 감지되는 경우 S24 단계에서 생성된 제2 배경 프로파일을 이용하여 움직이는 객체를 식별한다.

만약 S20 단계에서 객체의 움직임이 있는 것으로 판단되는 경우 프레임은 1로 초기화되며, S20 단계에서 객체의 움직임이 없는 것으로 판단되는 경우 배경 프로파일을 생성한다.

도 3은 도 2의 S24 단계에서 생성된 배경 프로파일 예시이다.

도 3은 도 2의 S24 단계에서 생성된 배경 프로파일로, X축은 객체까지의 거리를 나타내고 Y축은 객체에 대응하는 반사신호의 크기를 나타낸다.

본 발명의 실시예에 따르면 실내 공간에서 움직이는 객체(타겟)가 감지되는 경우 새로운 배경 프로파일을 생성하여 적응적으로 정지하고 있는 객체(배경 노이즈)를 인식하고 움직이는 객체(타겟)를 식별할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 객체 탐지 시스템을 활용하면 실내 공간에서 사용자의 행동을 바탕으로 가전제품 사용 패턴을 분석하여 가전제품을 자동으로 제어할 수 있어 사용자의 편의성을 향상시키고 가전제품 사용에 대한 안전성을 확보하며 에너지를 절감할 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지로 변형 및 개량한 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.

100 : 객체 탐지 시스템
110 : 신호 출력부
120 : 신호 수신부
130 : 신호 처리부
140 : 속도정보 추출부
150 : 거리정보 추출부
160 : 배경정보 생성부

Claims (6)

1. 미리 설정되어 있는 주기로 주파수가 변조되는 송신신호를 미리 설정되어 있는 공간 영역으로 방사하는 신호 출력부,
   상기 공간 영역에 위치하는 객체에 의해 생성되며, 상기 송신신호에 대응하는 반사신호를 수신하는 신호 수신부,
   수신된 상기 반사신호의 주파수 성분을 분석하는 신호 처리부,
   상기 분석 결과에 기초하여 상기 객체의 속도를 추출하는 속도정보 추출부,
   상기 분석 결과에 기초하여 상기 신호 수신부와 상기 객체 사이의 거리를 추출하는 거리정보 추출부, 그리고
   추출된 상기 신호 수신부와 상기 객체 사이의 거리에 기초하여 상기 공간 영역에 대응하는 배경 프로파일을 생성하는 배경정보 생성부
   를 포함하는 FMCW 레이더 기반의 객체 탐지 시스템.
2. 제1항에서,
   상기 신호 처리부는 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)을 수행하는 FMCW 레이더 기반의 객체 탐지 시스템.
3. 제1항에서,
   상기 거리정보 추출부는 추출된 상기 객체의 속도가 0인 경우 상기 신호 수신부와 상기 객체 사이의 거리를 추출하는 FMCW 레이더 기반의 객체 탐지 시스템.
4. 신호 출력부를 통해 미리 설정되어 있는 공간 영역으로 송신신호를 방사하는 단계,
   신호 수신부를 통해 방사된 상기 송신신호에 대응하며 상기 공간 영역에 위치하는 객체로부터 반사되는 반사신호를 수신하는 단계,
   신호 처리부를 통해 수신된 상기 반사신호의 고속 푸리에 변환을 수행하는 단계,
   속도정보 추출부를 통해 상기 고속 푸리에 변환 결과에 기초하여 상기 객체의 움직임 유무를 판단하는 단계,
   거리정보 추출부를 통해 상기 객체의 움직임이 없는 것으로 판단되는 경우 상기 고속 푸리에 변환 결과에 기초하여 상기 신호 수신부와 상기 객체의 거리를 추출하는 단계, 그리고
   배경정보 생성부를 통해 추출된 상기 신호 수신부와 상기 객체의 거리를 포함하는 배경 프로파일을 생성하는 단계
   를 포함하는 FMCW 레이더 기반의 객체 탐지 방법.
5. 제4항에서,
   상기 고속 푸리에 변환을 수행하는 단계는 수신된 상기 반사신호의 개수가 미리 설정되어 있는 고속 푸리에 변환 주기를 만족하는 경우 고속 푸리에 변환을 수행하는 FMCW 레이더 기반의 객체 탐지 방법.
6. 제4항에서,
   반사신호는 시간 차이가 있는 제1 반사신호와 제2 반사신호를 포함하며,
   상기 고속 푸리에 변환을 수행하는 단계는 상기 제1 반사신호의 제1 고속 푸리에 변환 및 상기 제2 반사신호의 제2 고속 푸리에 변환을 수행하며,
   상기 배경 프로파일을 생성하는 단계는 상기 제1 고속 푸리에 변환에 기초하여 제1 배경 프로파일을 생성하고, 상기 제2 고속 푸리에 변환에 기초하여 상기 제1 배경 프로파일을 업데이트하여 제2 배경 프로파일을 생성하는 FMCW 레이더 기반의 객체 탐지 방법.

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