KR20200070148A

KR20200070148A - 음파 통신을 이용하는 차량 개폐 시스템 및 그의 제어방법

Info

Publication number: KR20200070148A
Application number: KR1020190163197A
Authority: KR
Inventors: 조원기; 류제인; 김동환
Original assignee: 주식회사 원키
Priority date: 2018-12-07
Filing date: 2019-12-09
Publication date: 2020-06-17
Also published as: KR20210072680A; KR102146893B1

Abstract

음파 통신을 이용하여 차량 개폐 시스템에서 음파 도달 시간을 계산하는 방법 및 시스템이 개시된다.

Description

음파 통신을 이용하는 차량 개폐 시스템 및 그의 제어방법{VEHICLE OPENING AND CLOSING SYSTEM USING SOUND WAVE COMMUNICATION AND CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은 자동차의 차량 개폐 시스템, 즉, 스마트 키 시스템에 관한 것이다. 보다 자세하게는 자동차에서 발생시킨 음파를 자동차의 스마트 키로 동작하는 스마트폰에 도달하는 시간을 계산하는 방법 및 이를 이용하여 보안을 강화한 스마트 키 시스템에 관한 것이다.

현재 일반적으로 적용되고 있는 전파 통신을 사용한 자동차 개폐 시스템은 릴레이 스테이션 어택과 같은 전파 해킹에 취약하다는 약점을 가지고 있다. 또한, 스마트폰 만으로는 자동차 문을 여닫는 것이 어렵고 키폽을 별도로 가지고 다녀야 하는 불편함이 있다.

이러한 전파 통신 시스템의 한계를 극복하기 위해 암호화된 음파와 스마트폰을 활용하는 방법이 개발중이다. 이때 활용되는 알고리즘으로 블루투스 통신과 음파 통신의 시간차를 통한 차량과 스마트폰 간의 거리를 측위하는 방법이 있다.

차량에 부착되어 있는 피에조 센서(혹은 스피커)에서 발생되는 음파들의 도달 시간 차이를 바탕으로 차량과 사용자간의 거리를 측위할 때 음파들이 도달한 상대적인 시간을 수 ms 단위로 정확하게 측정할 필요가 있다. 그 이유는 음파의 속도가 340m/s 가량 되기 때문에 3ms당 1m 수준의 오차가 발생할 수 있기 때문이다. 스마트폰으로 녹음을 할 경우에 최대 44100Hz의 sample rate를 가질 수 있는데, 해당 시스템에서 사용되는 비가청 영역 음파의 주파수가 20kHz 수준이기 때문에 파형 하나에 2~3개의 data 밖에 수집하지 못하게 된다. 따라서 이 경우 음파 도달 시간을 구하기 위해 단순히 correlation 과정만 수행할 경우 정확한 peak 지점을 판별하기 어렵기 때문에 음파 도달 시간 판단에 정확성이 떨어진다는 단점이 존재한다. 또한 특정 주파수의 파형의 도달 시간을 확인하기 위한 correlation 과정을 전체 녹음 data영역에서 모두 계산할 경우 계산시간이 커진다는 단점 역시 존재한다.

따라서 correlation 계산시간을 단축하고 correlation 시 정확한 peak 지점을 판별해내는 방법이 필요하다.

한국공개특허공보 10-2018-0115783 (2018년 10월 23일 공개)

본 발명의 기술적 과제는 음파의 도달 시간과 삼각 측위를 이용하여 차량과 스마트폰 사이의 거리 또는 각 좌표를 계산하는 방법 및 시스템을 제공함에 있다.

본 발명의 일 양태에 따르면, correlation 계산 영역을 특정 구역으로 한정하여 판별함으로써 계산시간 단축을 꾀하고 회귀 계수를 활용하여 peak 지점을 판별의 오차를 최소화 할 수 있다

본 발명에 따르면 음파의 도달 시간과 삼각 측위를 이용하여 차량과 스마트폰 사이의 거리 또는 각 좌표를 보다 정교하게 계산할 수 있다.

도 1은 본 발명에서 음파를 송출하는 차량의 예시를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 차량 개폐 시스템에 적용되는 음파 도달 시간 검출 방법을 나타낸다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되지 않는다. 또한 도면에서 본 발명을 명확하게 개시하기 위해서 본 발명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 도면에서 동일하거나 유사한 부호들은 동일하나 유사한 구성요소들을 나타낸다.

본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다

본 발명의 목적, 특징 및 장점은 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 음파 도달 시간 계산 방법은 다음과 같다.

이때, 스마트폰과 차량 MCU간의 블루투스 통신을 통해 스마트폰에서 차량으로 각 채널 별 음파 정보를 전달하고 MCU에서 이를 받아 각 채널 별 피에조 센서(혹은 스피커)를 통해 다양한 주파수의 음파를 발생한다.

발생한 음파를 스마트폰 마이크를 통해 채집하며 각 주파수들의 음파를 아래 알고리즘으로 분석하여 음파 도달 시간 및 출력(dB)을 계산 및 측정한다.

Step 1: 약속된 주파수의 FIR 필터를 음파 data(PCM)에 적용하여 1차 필터링

Step 2: 이 data에서 일정 threshold 이상의 출력(dB)를 가지는 data 집단들의 도달 시간을 수집

Step 3: 필터를 적용하지 않은 전체 data를 일정한 간격 기준으로 나누고 그 값들을 모두 더하여 전체 data 집단을 압축 (ex. 총 data가 1000개면 10개 단위로 data를 나누어 총 100개의 집단으로 만들고 각 집단은 10개 data 값의 총합으로 대표값을 구함)

Step 4: 정리된 압축된 data에서 출력 값의 흐름이 peak 모양인 영역들의 시간을 수집

Step 5 : step 1, 2 과정을 거쳐 수집된 시간들과 step 3, 4 과정을 거쳐 수집된 시간들의 교집합을 correlation 계산 영역으로 선정하고 correlation 계산 수행

Step 6 : E에서 수행된 correlation 값들을 토대로 peak 기준 회귀계수 계산

Step 7 : F에서 계산된 회귀계수와 실제 최저점 대비 peak 상승폭을 비교하여 두 값 사이의 오차율을 계산하고 해당 오차율이 일정 threshold 값 이하면 해당 peak 지점의 시간을 음파 도달 지점으로 선정

Step 8 : 반사파에 의해 Step 7에서 선정된 도달 지점이 복수일 경우가 존재하므로 해당 지점들 중에 가장 단시간에 들어온 도달을 선정하고 이때의 PCM data의 출력을 해당 음파의 출력 대표값으로 선정

Step 1 내지 Step 8을 통해 각 채널별 음파들의 도달 시간을 계산하고 각 음파들끼리의 도달 시간 차이를 구하여 이를 삼각측위 등을 통해 차량과 사용자간의 상대적인 거리 및 위치를 계산한다.

위와 같은 음파 도달 시간 검출 방법은, 음파를 발생시키는 차량과, 차량으로부터 발생되는 음파를 수신하는 모바일 장치를 포함하는 차량 개폐 시스템에서 적용된다.

예를 들어, 상기 모바일 장치는, 데이터를 송수신하는 통신부, 음파 신호를입력받는 입력부, 그래픽 객체 또는 음향 정보를 출력하는 출력부, 데이터를 저장하는 저장부와, 이러한 구성요소의 동작을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다. 이러한 모바일 장치는 공지의 기술이므로, 본 발명에서는 모바일 장치의 세부 구성에 대해서는 자세한 설명을 생략한다.

일 실시예에서, 본 발명에서 제안하는 알고리즘은 모바일 장치의 제어부에 의해 수행될 수 있다. 또한, 모바일 장치는 수신한 음파 신호를 외부 서버로 전달하고, 이에 대응하여 외부 서버에 의해 수행되는 상기 알고리즘의 결과를 수신할 수도 있다.

도 1은 본 발명에 따라서 차량에서 송신하는 블루투스 신호의 세기 값(RSS, Received Signal Strength)과 차량에 장착된 스피커에서 송신하는 음파(2~24,000Hz 주파수)의 TDoA(Time Difference of Arrival)값을 이용하여 운전자의 3차원 위치(또는 운전자의 모바일 장치의 3차원 위치)를 파악하는 시스템의 구성을 나타낸다.

이하에서 블루투스 신호로 설명하지만 와이파이(WiFi) 신호와 같은 스마트 폰이 사용가능한 전파 신호에도 적용될 수 있음을 미리 밝힌다. 또한, 이하에서 차량이라고 표현함은 스마트 키 시스템이 구성된 차량을 말하며, 이 스마트 키 시스템은 적어도 3개의 스피커 및 적어도 하나의 블루투스 또는 와이파이 모듈 그리고 스피커 및 블루투스/와이파이 신호를 제어하고, 차량의 도어 또는 트렁크에 관한 신호 및 차량의 시동을 제어하는 제어부를 포함하는 시스템이며, 모바일 장치를 활용하여 RSA를 방어하는 차량의 스마트 제어 장치이다.

본 발명에 따르면, 운전자의 모바일 장치(예, 스마트 폰)의 위치와 차량 간의 거리를 음파를 이용하여 측정하고 이를 검증하여 차량을 개폐한다. 음파를 사용하면 운전자의 모바일 장치의 위치를 블루투스나 와이파이 신호보다 훨씬 더 정확하게 측정할 수 있다. 왜냐하면, 블루투스 또는 와이파이는 수 GHz의 높은 주파수를 이용하는 반면, 음파는 그 1/1,000,000 정도인 수 kHz의 주파수를 이용하므로, 거리를 훨씬 더 정확하게 측정할 수 있다.

본 발명에 따르면 복수의 스피커에서 발생한 음파 신호가 모바일 장치에 도달하는 시간의 차이(Time of Arrival)을 이용하여 운전자의 모바일 장치의 위치와 차량 간의 거리를 측정한다.

스피커는 차량의 내부 또는 외부에 위치하여 운전자의 모바일 장치를 향하여 음파 신호를 송출한다.

또한, 블루투스 신호는 보안 정보 및 명령을 전달하기 위해 사용될 뿐만 아니라 절대 시간 값을 차량과 운전자 모바일 장치가 공유하도록 사용할 수도 있다.

일 예로, 블루투스 신호는 자동차 식별번호, 현재시각, 랜덤하게 생성된 음파 신호의 식별번호를 포함할 수도 있다. 음파 신호는 거리 측정을 위해 전송되는 것으로 식별번호가 인코딩되어 포함될 수 있으며, 사람이 듣기 어려운 대역의 주파수로 송출될 수도 있다.

도 2에서는 본 발명에 따른 음파 도달 시간 검출 방법의 일 실시예가 도시된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 모바일 장치의 입력부는 복수의 음파 데이터를 입력받을 수 있다(S201). 이때 복수의 음파 데이터는 임의의 채널로부터 발생된 것으로 정의한다.

또한, 모바일 장치의 제어부는 미리 설정된 기준 출력 값에 근거하여, 상기 복수의 음파 데이터 중 적어도 하나의 도달 시간과 관련된 정보로 구성된 제1 시간 정보 그룹을 결정할 수 있다(S202).

구체적으로, 상기 제1 시간 정보 그룹을 결정하는 단계(S202)는, 복수의 음파 데이터에 대해 필터링을 수행하는 과정과, 필터링된 복수의 음파 데이터 중, 상기 기준 출력 값 이상의 출력을 갖는 적어도 일부의 음파 데이터와 각각 대응되는 도달 시간 정보를 검출하는 과정과, 검출된 도달 시간 정보를 이용하여 상기 제1 시간 정보 그룹을 생성하는 과정을 포함할 수 있다.

즉, 제1 시간 정보 그룹은, 모바일 장치에 입력된 음파 데이터 중, 그 출력 값이 소정의 기준 출력 값인 데이터의 도달 시간을 포함할 수 있다.

일 예에서, 음파 데이터에 대해 수행되는 필터링은 FIR 필터링일 수 있다.

또한, 모바일 장치의 제어부는 복수의 음파 데이터 중 피크치와 관련된 적어도 하나의 음파 데이터를 검출하고, 검출된 음파 데이터의 도달 시간과 관련된 정보로 구성된 제2 시간 정보 그룹을 결정할 수 있다(S203).

상기 제2 시간 정보 그룹을 결정하는 단계(S203)는, 미리 설정된 단위 간격을 기준으로, 상기 복수의 음파 데이터를 압축시키는 과정과, 압축된 데이터의 출력 값 중, 피크치에 해당하는 적어도 하나의 도달 시간 정보를 검출하는 과정과, 검출된 도달 시간 정보를 이용하여 상기 제2 시간 정보 그룹을 생성하는 과정을 포함할 수 있다.

즉, 제2 시간 정보 그룹은, 음파 데이터의 출력 추이 중 피크치가 형성되는 부분에 대응되는 음파 데이터의 도달 시간 정보를 포함할 수 있다.

일 예에서, 상기 압축된 데이터는 일 단위 간격에 포함되는 음파 데이터의 출력이 합산된 것일 수 있다.

또한, 모바일 장치의 제어부는 제1 시간 정보 그룹과 상기 제2 시간 정보 그룹을 비교하여, 상관관계계수(correlation)를 산출할 수 있다(S204).

이때, 상관관계계수의 계산 영역은, 상기 제1 시간 정보 그룹과 상기 제2 시간 정보 그룹의 교집합일 수 있다.

또한, 모바일 장치의 제어부는 산출된 상관관계계수에 근거하여, 상기 복수의 음파 데이터로 구성되는 음파 신호에 대응되는 적어도 하나의 대표 도달 시간을 결정할 수 있다(S205).

구체적으로, 상기 대표 도달 시간을 결정하는 단계는, 상기 상관관계계수를 이용하여 피크치 회귀계수를 산출하는 과정과, 산출된 회귀계수와 상기 음파 데이터의 피크치 사이의 오차율을 산출하는 과정과, 산출된 오차율이 미리 설정된 기준 오차 이하이면, 해당 피크치를 대표 피크치로 결정하는 과정과, 상기 대표 피크치에 대응되는 도달 시간을 대표 도달 시간으로 결정하는 과정을 포함할 수 있다.

한편, 상기 대표 도달 시간을 결정하는 단계는, 복수의 대표 피크치가 결정되는 경우, 결정된 대표 피크치 중 도달 시간이 가장 빠른 어느 하나의 대표 피크치를 선택하는 과정을 더 포함할 수도 있다. 즉, 회귀계수의 오차율이 기준 오차 이하인 피크치가 복수 개 존재하는 경우, 도달 시간이 가장 빠른 음파 데이터를 대표 피크치로 결정할 수 있다.

또한, 모바일 장치의 제어부는 선택된 적어도 하나의 대표 도달 시간을 이용하여, 상기 복수의 음파 데이터에 대응되는 대표 값을 결정할 수 있다(S206).

본 발명에 따른 차량 개폐 시스템의 모바일 장치는, 임의의 채널로부터 발생되는 복수의 음파 데이터에 대해, 상술한 알고리즘을 사용하여, 대표 도달 시간을 산출할 수 있다.

본 발명에 따르면 스마트폰과 차량 MCU 이외에 특별한 모듈이나 장비 없이 차량과 사용자간의 거리를 측위하고 이를 토대로 차량의 개폐 여부를 결정하는 시스템이다. 그러나 위에 언급한 바와 같이 음파의 속도가 차량과 사용자간의 거리에 비해 매우 빠르기 때문에 음파 도달 시점을 최대한 정확히 판별해야 할 필요성이 있다. 그러나 현재 시판되는 스마트폰 시스템의 한계로 인해 sample rate가 사용 주파수에 비해 그리 크지 않다는 단점 및 CPU 계산 능력의 한계로 인해 일반적으로 알려져 있는 correlation 과정만으로는 음파 도달 시간을 정확히 판별하기 어려운 측면이 있다. 하지만 본 발명을 통해 이러한 계산 및 판별과정에서의 단점을 최대한 억제하고 실제 측위와 계산상의 측위의 오차를 최대한 줄일 수 있음과 동시에 계산 시간 역시 단축시킬 수 있을 것이라 판단된다.

상기한 본 발명의 바람직한 실시 예는 예시의 목적으로 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 상기의 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서, 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로, 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

상술한 예시적인 시스템에서, 방법들은 일련의 단계 또는 블록으로써 순서도를 기초로 설명되고 있지만, 본 발명은 단계들의 순서에 한정되는 것은 아니며, 어떤 단계는 상술한 바와 다른 단계와 다른 순서로 또는 동시에 발생할 수 있다. 또한, 당업자라면 순서도에 나타낸 단계들이 배타적이지 않고, 다른 단계가 포함되거나 순서도의 하나 또는 그 이상의 단계가 본 발명의 범위에 영향을 미치지 않고 삭제될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

복수의 음파 데이터를 입력받는 단계;
미리 설정된 기준 출력 값에 근거하여, 상기 복수의 음파 데이터 중 적어도 하나의 도달 시간과 관련된 정보로 구성된 제1 시간 정보 그룹을 결정하는 단계;
상기 복수의 음파 데이터 중 피크치와 관련된 적어도 하나의 음파 데이터를 검출하고, 검출된 음파 데이터의 도달 시간과 관련된 정보로 구성된 제2 시간 정보 그룹을 결정하는 단계;
상기 제1 시간 정보 그룹과 상기 제2 시간 정보 그룹을 비교하여, 상관관계계수(correlation)를 산출하는 단계;
산출된 상관관계계수에 근거하여, 상기 복수의 음파 데이터로 구성되는 음파 신호에 대응되는 적어도 하나의 대표 도달 시간을 결정하는 단계; 및
선택된 적어도 하나의 대표 도달 시간을 이용하여, 상기 복수의 음파 데이터에 대응되는 대표 값을 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 음파 도달 시간 검출 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 시간 정보 그룹을 결정하는 단계는,
상기 복수의 음파 데이터에 대해 필터링을 수행하는 과정과,
필터링된 복수의 음파 데이터 중, 상기 기준 출력 값 이상의 출력을 갖는 적어도 일부의 음파 데이터와 각각 대응되는 도달 시간 정보를 검출하는 과정과,
검출된 도달 시간 정보를 이용하여 상기 제1 시간 정보 그룹을 생성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 음파 도달 시간 검출 방법.
제1항에 있어서,
상기 제2 시간 정보 그룹을 결정하는 단계는,
미리 설정된 단위 간격을 기준으로, 상기 복수의 음파 데이터를 압축시키는 과정과,
압축된 데이터의 출력 값 중, 피크치에 해당하는 적어도 하나의 도달 시간 정보를 검출하는 과정과,
검출된 도달 시간 정보를 이용하여 상기 제2 시간 정보 그룹을 생성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 음파 도달 시간 검출 방법.
제3항에 있어서,
상기 압축된 데이터는 일 단위 간격에 포함되는 음파 데이터의 출력이 합산된 것을 특징으로 하는 음파 도달 시간 검출 방법.
제1항에 있어서,
상기 상관관계계수의 계산 영역은, 상기 제1 시간 정보 그룹과 상기 제2 시간 정보 그룹의 교집합인 것을 특징으로 하는 음파 도달 시간 검출 방법.
제1항에 있어서,
상기 대표 도달 시간을 결정하는 단계는,
상기 상관관계계수를 이용하여 피크치 회귀계수를 산출하는 과정과,
산출된 회귀계수와 상기 음파 데이터의 피크치 사이의 오차율을 산출하는 과정과,
산출된 오차율이 미리 설정된 기준 오차 이하이면, 해당 피크치를 대표 피크치로 결정하는 과정과,
상기 대표 피크치에 대응되는 도달 시간을 대표 도달 시간으로 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 음파 도달 시간 검출 방법.
제6항에 있어서,
상기 대표 도달 시간을 결정하는 단계는,
복수의 대표 피크치가 결정되는 경우, 결정된 대표 피크치 중 도달 시간이 가장 빠른 어느 하나의 대표 피크치를 선택하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음파 도달 시간 검출 방법.