KR20210038398A - 음파 통신을 활용한 차량 개폐 시스템에서 Chirp 신호를 이용해 음파 도달 시간을 보다 정확히 측정하고 거리를 측위하는 방법 - Google Patents

Abstract

음파의 도달 시간을 정확하게 측정하고 거리를 측위하는 방법이 개시된다. 채널별로 상관관계 값의 계산을 통해 도달 시간을 측정하되 반사파의 영향을 제거하고 이를 검증함으로써 신뢰성이 향상될 수 있다.

Description

음파 통신을 활용한 차량 개폐 시스템에서 Chirp 신호를 이용해 음파 도달 시간을 보다 정확히 측정하고 거리를 측위하는 방법{OMITTED}

본 발명은 음파 통신을 활용한 차량 개폐 시스템에 관한 것이다. 보다 자세하게는 CHIRP 신호를 이용하여 음파의 도달 시간을 보다 정확히 측정하고 TDoA(Time Difference Of Arrival)를 이용하여 거리를 계산함에 관한 것이다.

전파 통신을 사용한 자동차의 개폐 시스템의 경우 전파 해킹에 취약하다는 단점을 극복하기 위해 암호화된 음파와 스마트폰을 활용한 자동차 개폐 시스템을 개발하였다. 차량에 부착되어 있는 피에조 센서(혹은 스피커)에서 발생되는 음파들의 도달 시간 차이 혹은 상관관계(correlation)의 크기를 바탕으로 차량과 사용자간의 거리를 측정한다. 따라서 차량에는 다수의 피에조 센서들이 부착되며 각 피에조 센서에서 발생시키는 음파를 서로 구분할 수 있어야 한다. 이때 피에조 센서에서 발생되는 음파를 구분하는 방법에는 서로 다른 주파수의 음파를 발생시키고 상관관계를 계산하여 구분하는 방법이 있다.

TDoA(Time Difference Of Arrival)를 활용하여 측위를 수행하려면 음파 도달 시간을 수 ms 단위로 맞춰야 오차를 줄이고 우리가 원하는 정확도를 얻을 수 있으나, 그러나 반사파의 영향으로 보강 간섭이 발생하면 수십 ms까지의 오차가 발생하고, 이 경우 시간적인 오차 뿐만이 아닌 상관관계 값(correlation level)의 오차도 크게 발생한다. 이러한 반사파로 인해 발생하는 신호 특성 오차를 줄이기 위한 방법이 요구된다.

미국등록특허 9369196(2016.06.14.)

본 발명의 기술적 과제는 음파와 스마트폰을 활용한 측위, 더 나아가 반사파의 영향을 최소화하여 음파를 송수신하고 이를 기초로 거리를 계산함에 있다.

복수 채널의 송신부에서 서로 소정의 시간 간격을 가지고 순차적으로 발생되며 소정의 주기를 가지고 반복되는 음파 신호가 수신부에 각각 도달하는 시간을 분석하기 위한 방법으로서,

수신 데이터 중 상기 주기보다 소정의 시간 길이만큼 확장된 측정 대상 구역에 대하여, 각 채널의 음파 신호와의 상관관계 값을 계산하고 상기 상관관계 값이 최대로 나타나는 시점을 최대 시점으로 결정하는 제1단계(S100);

상기 측정 대상 구역을 단위 구간으로 분할하고 각 단위 구간별 최대 상관관계 값을 비교하여, 최대값보다 먼저 나타나고 최대값에 비해 소정의 비율 이상인 값이 있을 경우, 그 시점을 최대 시점으로 결정하는 제2단계(S200);

각 송신부의 음파 신호에 대한 각 상기 최대 시점 중, 가장 큰 값을 나타내는 음파 신호를 최대 채널로 결정하는 제3단계(S300);

음파의 속도를 고려하여 상기 최대 채널을 기준으로 나머지 채널의 최대 시점이 도달 가능한 시간 범위 밖일 경우, 나머지 채널에 대하여 상기 측정 대상 구역을 소정의 시간 범위로 축소하여 각 상기 최대 시점을 재측정하는 제4단계(S400);

상기 최대 시점의 이전 및 이후로 소정의 시간 폭 범위 내에서 수신 데이터를 소정의 배수로 오버샘플링(over-sampling)하여 최대 시점을 재산출하는 제5단계(S500); 및

각 상기 최대 시점의 이전에 각 상기 최대 시점에서의 상관관계 값에 대해 소정의 비율인 값을 나타내는 시점을 각 채널의 도달 시간으로 결정하는 제6단계(S600);를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.

본 발명에 따르면 음파 송수신에서 반사파의 영향으로 인해 보강 간섭이 발생하는 경우 수신 신호의 정확한 도달시점 및 correlation level과 같은 신호 특성을 파악하도록 반사파로 인한 신호 특성 왜곡 효과를 감소시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 송신부 및 수신부 간 음파 통신을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 음파 신호가 수신부에 도달하는 시간을 분석하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명에 따라 수신부에서 수신한 데이터를 시간을 가로축으로 하여 나타낸 것이다.
도 4는 실제 신호에 비하여 반사파의 영향이 적은 경우를 나타내는 그래프이다.
도 5는 실제 신호에 비하여 반사파의 영향이 크게 나타난 경우를 나타내는 그래프이다.
도 6은 전체 상관관계 값 계산 결과를 단위 구간으로 분할한 것을 나타낸 그래프이다.
도 7은 단위 구간마다 최대 상관관계 값을 선정한 것을 나타낸 그래프이다.
도 8은 단위 구간별 최대 시점의 상관관계 값 중, 가장 큰 값의 시점보다 이전에 나타나고, 상기 가장 큰 값에 비해 소정의 비율 이상인 값을 찾는 것을 나타낸 그래프이다.

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 동일하거나 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.

먼저, 도 1을 참조하여 본 발명에 대한 설명에 필요한 용어를 아래와 같이 정의한다.

본 발명에 따른 송신부(31, 32, 33)는 복수 채널로 구비되며, 서로 소정의 시간 간격을 가지고 서로 다른 주파수 특성을 가진 음파 신호를 순차적으로 발생시킨다. 각 송신부가 독립적으로 작동하는 대신, 제어부(40)가 송신부를(31, 32, 33) 제어함으로써 동작을 통일시킬 수 있다.

'음파 신호'란 음파로 전달되는 신호를 의미한다(31, 32, 33). 즉, 공기의 진동인 소리의 형태로 전달되고, 인식될 수 있는 소정의 패턴을 가지는 신호이다.

'송신부'란 음파 신호를 발생시켜 수신부로 하여금 수신할 수 있도록 하는 장치이다(11, 12, 13). 즉, 송신부는 전기 신호를 음파 신호로 변환시켜 소정의 출력 크기로 발생시키는 장치이다. 일 예로, 송신부는 스피커일 수 있다. 또한, 차량에 미리 장착되어 있는 주차 보조 센서(PAS, Parking Assistant Sensor) 또는 스마트 주차 보조 시스템(SPAS, Smart Parking Assistant System)에 포함된 피에조 센서(piezoelectric sensor)는 초음파를 발생시켜 주위 사물을 인식하는 장치이기 때문에, 피에조 센서 또한 음파를 발생시키기 위한 송신부로서 사용될 수 있다.

'채널'이란 상기 각 송신부 및 각 송신부에서 발생되는 음파 신호를 구분하는 단위이다. 서로 다른 채널의 송신부(11, 12, 13)에서는 서로 다른 주파수 특성을 가진 음파 신호(31, 32, 33)가 발생된다.

'수신부'란 상기 송신부에서 발생된 음파 신호를 수신하는 장치이다(20). 일 예로, 수신부는 마이크일 수 있다. 바람직하게, 수신부는 수신한 음파 신호를 분석하기 위한 제어부와 전기적으로 연결될 수 있다. 즉, 제어부가 수신부를 통해 수신한 음파 신호를 분석하여 사용함으로써 송신부 및 수신부가 직접 연결되어 있지 않더라도 음파를 통해 통신이 가능하다.

'수신 데이터'란 상기 수신부를 통해 수신된 데이터를 의미한다. 즉, 수신 데이터는 상기 음파 신호가 포함되어 수신되었을 것으로 기대되는 데이터로서 분석을 통해 음파 신호의 도달 시간을 측정하기 위한 대상이 되는 데이터이다.

'상관관계'란 두개의 신호 간 유사한 정도를 의미한다. 즉, 두개의 신호가 동일한 신호인 경우 상관관계 값이 높게 나타나고, 다른 신호인 경우 상관관계 값이 낮게 나타난다.

도 2는 본 발명에 따른 음파 신호가 수신부에 도달하는 시간을 분석하는 방법을 나타낸 순서도이다.

수신 데이터 중 상기 주기보다 소정의 시간 길이만큼 확장된 측정 대상 구역에 대하여, 각 채널의 음파 신호와의 상관관계 값을 계산하고 상기 상관관계 값이 최대로 나타나는 시점을 최대 시점으로 결정하는 제1단계(S100); 상기 측정 대상 구역을 단위 구간으로 분할하고 각 단위 구간별 최대 상관관계 값을 비교하여, 최대값보다 먼저 나타나고 최대값에 비해 소정의 비율 이상인 값이 있을 경우, 그 시점을 최대 시점으로 결정하는 제2단계(S200); 각 송신부의 음파 신호에 대한 각 상기 최대 시점 중, 가장 큰 값을 나타내는 음파 신호를 최대 채널로 결정하는 제3단계(S300); 음파의 속도를 고려하여 상기 최대 채널을 기준으로 나머지 채널의 최대 시점이 도달 가능한 시간 범위 밖일 경우, 나머지 채널에 대하여 상기 측정 대상 구역을 소정의 시간 범위로 축소하여 각 상기 최대 시점을 재측정하는 제4단계(S400); 상기 최대 시점의 이전 및 이후로 소정의 시간 폭 범위 내에서 수신 데이터를 소정의 배수로 오버샘플링(over-sampling)하여 최대 시점을 재산출하는 제5단계(S500); 및 각 상기 최대 시점의 이전에 각 상기 최대 시점에서의 상관관계 값에 대해 소정의 비율인 값을 나타내는 시점을 각 채널의 도달 시간으로 결정하는 제6단계(S600);를 포함한다.

수신 데이터 중 상기 주기보다 소정의 시간 길이만큼 확장된 측정 대상 구역에 대하여, 각 채널의 음파 신호와의 상관관계 값을 계산하고 상기 상관관계 값이 최대로 나타나는 시점을 최대 시점으로 결정하는 제1단계(S100)는, 제어부로 하여금 수신된 신호 전체 내에서 각 송신부의 음파 신호를 인지할 수 있도록, 수신된 신호와 송신된 음파 신호간의 상관관계를 계산하는 단계이다.

또한, 수신된 신호의 전체 시간 길이 중 어느 시점에 위치하는지 파악할 수 있도록, 각 시점별로 상관관계 값을 계산함으로써 상관관계 값의 최대 시점을 찾는 단계이다.

여기에서 각 시점이란, 연속된 시간을 미리 설정된 시간 단위로 나누었을 때의 각 시점을 의미한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 음파 신호는 수신부에서 소정의 샘플레이트(sample-rate)에 따라 수신된 디지털 데이터로 기록되기 때문에, 각 상기 디지털 데이터의 시점을 상기 각 시점으로 적용할 수 있다.

상기 수신된 신호를 단위 구간으로 분할하고 반사파 영향을 제거하는 제2단계(S200)는 송신부로부터 공기중을 통해 수신부까지 직선 경로를 통해 수신된 음파 신호가 아닌 주변 사물에 반사된 경로를 통해 수신된 음파 신호의 영향을 제거하는 단계이다. 이하, '반사파'란 상기 반사된 경로를 통해 수신된 음파 신호를 의미한다. 일반적으로 수신된 신호에 나타나는 반사파의 경우 직선 경로를 통한 음파 신호보다 상관관계 값이 높지 않지만, 노이즈와의 간섭 등으로 인하여 반사파가 도달한 시점에서의 상관관계 값이 더 높게 나타날 경우도 존재한다. 또한 반사파가 도달한 시점은 직선 경로를 통해 실제 음파 신호가 도달한 시점과 다르게 나타나기 때문에 정확한 도달 시간 측정에 오류가 발생할 수 있다. 반사파의 영향을 제거하는 방법은 도 4 내지 도 8을 참조하여 후술하도록 한다.

각 송신부의 음파 신호에 대한 각 상기 최대 시점 중, 가장 큰 값을 나타내는 음파 신호를 최대 채널로 결정하는 제3단계(S300)는 각 상기 음파 신호 간의 도달 시간의 차이를 확인하기 위해 기준이 되는 채널을 선정하는 단계이다. 각 송신부의 음파 신호에 대한 최대 시점에서의 상관관계 값이 가장 큰 값을 나타내는 채널에 대한 측정이 정확할 확률이 가장 높기 때문에, 상관관계 값이 가장 큰 값을 나타내는 채널을 기준이 되는 채널로 결정한다. 이하, 상기 기준이 되는 채널을 '최대 채널'이라고 한다.

음파의 속도를 고려하여 상기 최대 채널을 기준으로 나머지 채널의 최대 시점이 도달 가능한 시간 범위 밖일 경우, 나머지 채널에 대하여 상기 측정 대상 구역을 소정의 시간 범위로 축소하여 각 상기 최대 시점을 재측정하는 제4단계(S400)는 상기 최대 채널을 기준으로 나머지 채널에 대한 측정 결과를 검증하는 단계이다. 상세하게, 상기 제2단계에서 반사파의 영향이 제거되어 결정된 각 채널의 최대 시점이 이론적으로 예측 가능한 범위내에 위치하는지 검증하고, 검증 결과 이론적으로 불가능한 결과로 판정되면 최대 시점을 재측정한다.

각 송신부 간의 거리가 고정되어 있으면 음파의 속도를 고려하여 각 음파 신호의 도달 시점 간의 차이의 범위를 확정할 수 있다. 각 송신부로부터 수신부까지의 직선 거리 간의 차이는 각 송신부 간의 거리 이상으로 나타날 수 없다. 따라서, 각 음파 신호의 도달 시점 간의 차이는 각 송신부 간의 거리를 음파의 속도로 나눈 값을 초과할 수 없다.

상기 최대 시점의 이전 및 이후로 소정의 시간 폭 범위 내에서 수신 데이터를 소정의 배수로 오버샘플링(over-sampling)하여 최대 시점을 재산출하는 제5단계(S500)는 수신된 음파 신호의 샘플레이트를 소정의 배수로 올리고 최대 시점을 재계산함으로써 최대 시점의 정확도를 높이기 위한 단계이다. 상세하게, 상기 최대 시점을 기준으로 앞뒤로 소정의 시간 길이 만큼을 소정의 배수(예, 10배)로 오버샘플링 한다. 예를 들어, [17, 30, -20, 90]를 [17, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 30, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, -20, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 90,??]으로 오버샘플링 한다.

이와 같이, [Di, 0, 0, ?. 0, Di+1, 0, 0, ?. 0, ?] 방식으로 실제 데이터와 다음 데이터 사이에 0을 채워서 오버샘플링된 버퍼를 확보하고, 각 송신부로부터 발신된 음파 신호의 샘플레이트를 동일 배수로 확장하여 상관관계를 계산한 결과 값들 중 최대인 시점 및 상관관계 값으로 최대 시점을 갱신한다. 이에 따라 최대 시점의 시점 및 상관관계 값이 최적화된다. 예를 들어 상관관계 값이 120에서 119.97로 최적화된다.

각 상기 최대 시점의 이전에 각 상기 최대 시점에서의 상관관계 값에 대해 소정의 비율인 값을 나타내는 시점을 각 채널의 도달 시간으로 결정하는 제6단계(S600)는 단거리 반사효과를 제거하기 위한 단계이다. 상세하게, 실제 도달 시간에서의 값과 단거리 반사에 의한 값이 보강간섭에 의해 미세하게 오차가 발생할 수 있다. 따라서 피크 직전의 시점을 도달 시간으로 정함으로써 이에 의한 오차를 감소시킨다.

이하에서 각 단계를 보다 상세히 설명한다.

제1단계(S100)에서, 측정 대상 구역에 대해서 시점별 상관관계 값을 계산하여 채널별로 최대 시점 및 최대 상관관계 값을 측정한다.

그러나, 측정 대상 구역은 연속적인 데이터 중 일부를 잘라낸 것이므로, 앞부분에 최대 시점이 측정된 경우, 유효한 시점인지 확인이 필요하다.

따라서 제1단계는, 수신 데이터 중 임의의 시점으로부터, 1회의 상기 주기만큼의 범위를 측정 대상 구역으로 결정하는 단계(S110); 상기 측정 대상 구역 및 상기 측정 대상 구역의 시작 시점 이전의 소정의 확장 시간만큼의 범위를 확장 대상 구역으로 결정하는 단계(S120); 상기 확장 대상 구역에 대하여, 각 채널의 음파 신호와의 상관관계 값을 계산하는 단계(S130); 상기 상관관계 값이 최대가 되는 시점을 제 1 시점으로 결정하는 단계(S140); 상기 제 1 시점이 상기 확장 시간 내이면, 상기 측정 대상 구역 내에서 상관관계 값이 최대가 되는 시점을 제 2 시점으로 결정하는 단계(S150); 상기 제 2 시점을 최대 시점으로 결정하는 단계(S160); 및 상기 제 2 시점이 상기 측정 대상 구역의 시작 시점 또는 종료 시점으로부터 단일 채널 음파 신호의 재생시간 내이면 상기 제 1 시점을 최대 시점으로 결정하는 단계(S170);를 포함할 수 있다.

수신 데이터 중 임의의 시점으로부터, 1회의 상기 주기만큼의 범위를 측정 대상 구역으로 결정하는 단계(S110) 및 상기 측정 대상 구역 및 상기 측정 대상 구역의 시작 시점 이전의 소정의 확장 시간만큼의 범위를 확장 대상 구역으로 결정하는 단계(S120)는 수신 데이터의 연속성을 확보하기 위해서 실제 주기보다 확장된 범위를 정하는 단계이다.

도 3은 본 발명에 따라 수신부에서 수신한 데이터를 시간을 가로축으로 하여 나타낸 것이다. 전체 채널에서 발생되는 음파 신호는 소정의 주기(totalTime)를 가지고 반복된다. audioBuffer란 상기 주기에 해당되는 만큼의 처리 대상이 되는 오디오 패킷을 의미한다. 일 실시예에 따라, 주기는 250ms 일 수 있다.

playtime 이란 각 채널에서 실제 음파 신호의 시간 길이이다. 일 실시예에 따라, playtime은 8ms일 수 있다.

확장된 측정 대상 구역(overlapBuffer)은, 직전의 오디오 패킷의 후반의 소정의 시간 길이(overlapTime) 만큼 부분을 현재의 오디오 패킷과 합친 만큼의 구역을 의미한다.

상기 확장 대상 구역에 대하여, 각 채널의 음파 신호와의 상관관계 값을 계산하는 단계(S130) 및 상기 상관관계 값이 최대가 되는 시점을 제 1 시점으로 결정하는 단계(S140); 는, 우선 상관관계 값이 최대로 나타난 시점이 도달 시간으로 기대되는 최대 시점으로 설정하는 단계이다.

여기서 계산된 최대 시점이 확장 시간(overlapTime)에 존재할 경우 이 데이터는 이전 audiobuffer에서 피크(peak)로 측정된 값이므로 현재 audiobuffer에서 고려할 필요가 없다.

따라서, 상기 제 1 시점이 상기 확장 시간 내이면, 상기 측정 대상 구역 내에서 상관관계 값이 최대가 되는 시점을 제 2 시점으로 결정하는 단계(S150)에서 최대 시점을 overlapTime 이후 구간에서 다시 찾고, 상기 제 2 시점을 최대 시점으로 결정한다(S160).

상기 제 2 시점이 상기 측정 대상 구역의 시작 시점 또는 종료 시점으로부터 단일 채널 음파 신호의 재생시간 내이면 상기 제 1 시점을 최대 시점으로 결정한다(S170).

이는, playtime이 확장 시간과 측정 대상 구역의 경계에 걸쳐있는 경우에 해당하며, 이 겹쳐져 있는 구간의 maximum 값은 실제 송신한 신호 자체이기 보다는 반사파에 의한 영향일 가능성이 높다. 따라서, 이 경우 다시 상기 제 1 시점을 최대 시점으로 한다.

이와 같이 최대 시점을 결정하는 이유는 확장 시간(overlapTime) 구간에 최대 값이 존재할 경우 이는 이전 오디오 패킷에 들어온 음파의 반사파일 가능성 혹은 수신된 음파의 초기값, 즉 피크로 도달하고 있는 값일 가능성이 있어 오류가 있는 값을 가능성이 높기 때문이다.

이하, 도 4 내지 도 8을 참조하여 상기 수신된 신호를 단위 구간으로 분할하고 반사파 영향을 제거하는 제2단계(S200)를 상세히 설명한다.

본 발명에서 음파를 수신하는 스마트폰을 파지하는 손 주변에서 음파가 반사되는 경우가 매우 잦고 그 거리는 10cm 내외 이므로, 음파가 10cm 이동하는 시간(즉, 1/3400초)내의 반사파를 보정한다. 즉, 실제 측정된 최대 시점은 반사파에 의한 영향일 가능성이 높아 그 직전 피크 값을 최대 시점으로 판단한다.

도 4는 실제 신호(direct path)에 비하여, 반사파의 영향(reflected)이 적은 경우를 나타내는 도이다. 반면, 도 5는 반사파의 영향(reflected)이 크게 나타난 경우를 나타내는 도이다.

도 5를 참조하면, 신호가 송신부(예, 차량의 피에조 센서)에서 발신되고 수신부(예, 스마트폰 마이크)에서 수신될 때 반사파의 영향을 받아 보강 간섭이 생기는 경우가 있다. 이때 실제 신호는 최단거리로 전파되기 때문에 반사파로 인한 영향은 실제 신호보다 시간적으로 뒤에 나타난다. 반사파의 영향이 감쇄 효과의 경우 문제가 없지만 우측 도면과 같이 보강 간섭이 발생하여 원래의 신호(direct path)보다 크게 왜곡될 경우 실제 신호가 들어온 시점보다 후로 계산될 수 있다. 본 발명에서는 신호가 들어온 시점을 수 밀리초(ms) 단위로 구분하고 상관관계 값의 크기 또한 위치 추적에 중요한 요소이기 때문에 이를 정확히 판단해야 할 필요가 있다.

이에 따라, 상기 제2단계(S200)는, 상기 측정 대상 구역을 소정의 단위 구간으로 분할하는 단계(S210); 분할된 각 상기 단위 구간 내에서 최대 상관관계 값을 나타낸 시점을 각 구간별 최대 시점으로 결정하고, 상기 구간별 최대 시점의 시간 값 및 상관관계 값을 제1배열로 저장하는 단계(S220); 각 상기 단위 구간과 직전 또는 직후 단위 구간의 상기 구간별 최대 시점의 시간 차이가 소정의 시간 간격보다 작은 경우, 더 작은 상관관계 값을 나타낸 구간을 상기 제1배열로부터 제거하는 단계(S230); 및 상기 구간별 최대 시점의 상관관계 값 중, 가장 큰 값의 시점보다 이전에 나타나고, 상기 가장 큰 값에 비해 소정의 비율 이상인 값이 있을 경우, 그 시점을 최대 시점으로 결정하는 단계(S240);를 포함할 수 있다.

먼저, 전체 상관관계 값 계산 결과를 단위 구간(windowSize)을 선정하여 분할한다(S210) (도 6 참조). 단위 구간(windowSize)은 오차범위에 따라 변경 될 수 있으며, 단위 구간(windowSize)에 따라 전체 구간의 수인 windowCount가 결정되고, 이때, windowCount는 "(totalTime + overlapTime) / windowSize"이다.

이 후, 분할된 각각의 단위 구간마다 최대 상관관계 값을 구하여 배열화한다(도 7에 각 점으로 도시됨). 상세하게, windowCount 만큼 숫자의 구간별 최대 시점의 시간 값 및 상관관계 값이 배열로 제1배열로 저장된다(S220).

이어서, 각 상기 단위 구간과 직전 또는 직후 단위 구간의 상기 구간별 최대 시점의 시간 차이가 소정의 시간 간격보다 작은 경우, 더 작은 상관관계 값을 나타낸 구간을 상기 제1배열로부터 제거한다(S230). 즉, 3개의 연속된 단위 구간을 분석하여 연속된 값이 있을 경우 더 작은 값을 무시한다. 예를 들어, 3개의 연속된 단위 구간의 최대 상관관계 값이 100, 99, 30일 경우 99을 무시한다. 그 결과, 최대 상관관계 값이 없는 구간이 생긴다. 이는 동일 피크에서 연속적인 값일 가능성이 높기 때문이다 (도 7의 data 10 및 data 11).

이어서, 상기 구간별 최대 시점의 상관관계 값 중, 가장 큰 값의 시점보다 이전에 나타나고, 상기 가장 큰 값에 비해 소정의 비율 이상인 값이 있을 경우, 그 시점을 최대 시점으로 결정한다(S240). 예를 들어, 최대 값의 80% 이상의 값이 첫번째로 나오는 구간을 선정하여 최대 시점으로 업데이트한다. 이를 통해, 실제로 음파가 들어온 것보다 소정의 범위 뒤에서 발생하는 반사파의 영향을 제거할 수 있다. 도 8을 참조하면, data 12의 경우 반사파에 의한 최대 값이지만, 상술한 방법을 통해 실제 도달 시점인 data 11을 도달 시점으로 판단할 수 있다.

이와 같이 제2단계(S200)을 통해 반사파의 영향을 제거한 최대 시점 및 최대 상관관계 값으로 수신한 음파 신호의 도달 시점 데이터가 확정된다. 이를 기초로 이하에서 측위를 실행한다.

상기 과정에서 계산된 각 송신부의 음파 신호에 대한 각 상기 최대 시점 중, 가장 큰 값을 나타내는 음파 신호를 최대 채널(maxCh)로 결정한다(S300). 이 maxCh이 기준이 되는 채널이며, 높은 확률로 maxCh을 기초로 한 측위가 정확하다.

음파의 속도를 고려하여 상기 최대 채널을 기준으로 나머지 채널의 최대 시점이 도달 가능한 시간 범위 밖일 경우, 나머지 채널에 대하여 상기 측정 대상 구역을 소정의 시간 범위로 축소하여 각 상기 최대 시점을 재측정한다(S400).

송신부는 채널별로 서로 다른 delayTime을 기초로 음파 신호를 송신하며, 이 delayTime 값은 수신부(예, 스마트폰)에도 미리 공유되어 있다. 이때, maxCh의 최대 시점을 기준으로 delayTime의 차이를 계산하여 다른 채널의 최대 시점을 예상할 수 있다. 만약 다른 채널의 최대 시점이 maxCh 대비 "delaytime + playtime" 또는 "delaytime - playtime" 만큼의 차이가 나지 않는 경우, 해당 채널에서 계산된 최대 시점은 다른 채널에서 발생한 음파를 기초로한 max 값일 가능성이 매우 높으므로 이를 보정한다.

상세하게, 두 채널에서 송신된 신호가 전파되는 거리의 차이의 절대값은 두 채널 사이의 거리보다 길 수 없다. 따라서 해당 채널은 "maxCh의 도달 시점 + delayTime ± (두 채널 사이의 거리 / 음파의 속도 + 버퍼)" 범위 내에 들어온다. 여기서, 버퍼는 오차로 인해 실제 범위 안에 들어오지 않을 경우를 대비한 소정의 여유 값을 말하며, 각 스피커와 스마트폰 사이의 거리가 일정하지 않으므로, 이 값을 보정하도록 구간의 길이를 넓게 잡는다.

이 범위 내에 들어오지 않은 경우, 소정의 시간 범위로 축소하여 각 상기 최대 시점을 재측정한다. 일 실시예에 따라, 각 채널의 playtime의 시작 시점 내지 종료 시점 내에서 수행한다. 이 과정을 통해서 채널별로 최대 시점 및 최대 상관관계 값이 다시 보정될 수 있다.

이후 각 상기 최대 시점의 이전에 각 상기 최대 시점에서의 상관관계 값에 대해 소정의 비율인 값을 나타내는 시점을 각 채널의 도달 시간으로 결정하는 제6단계(S600)를 통해, (약 10cm 이내) 짧은 거리차이를 가지는 반사파로 인한 "미세 보강간섭"을 보정한다. 이러한 미세 보강간섭으로 인한 피크의 크기는 실제 신호로 인한 피크의 크기와 큰 차이를 보이지는 않으나 시간적으로는 유의미한 오차를 나타낼 수 있다(예, 0.01ms).

따라서 미세 보강간섭으로 인한 피크에 대해 소정의 비율(예, 70%) 값을 가질 것으로 예측되는 순간의 시간을 취한다. 이는, 실제 신호로 인한 피크의 시점과 보강간섭에 의한 피크의 시점 간 차이에 비해, 각각에 대해 소정의 비율(예, 70%)에 해당되는 값을 가지는 시점 간의 차이는 작게 나타나므로, 보강간섭에 의한 오차를 줄일 수 있다.

상술한 바와 같이 음파 신호의 도달 시간을 정확히 측정하고, 이 값을 기초로 TDoA에 의한 정확한 측위가 가능해진다.

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 (3)

1. 복수 채널의 송신부에서 서로 소정의 시간 간격을 가지고 순차적으로 발생되며 소정의 주기를 가지고 반복되는 음파 신호가 수신부에 각각 도달하는 시간을 분석하기 위한 방법으로서,
   수신 데이터 중 상기 주기보다 소정의 시간 길이만큼 확장된 측정 대상 구역에 대하여, 각 채널의 음파 신호와의 상관관계 값을 계산하고 상기 상관관계 값이 최대로 나타나는 시점을 최대 시점으로 결정하는 제1단계(S100);
   상기 측정 대상 구역을 단위 구간으로 분할하고 각 단위 구간별 최대 상관관계 값을 비교하여, 최대값보다 먼저 나타나고 최대값에 비해 소정의 비율 이상인 값이 있을 경우, 그 시점을 최대 시점으로 결정하는 제2단계(S200);
   각 송신부의 음파 신호에 대한 각 상기 최대 시점 중, 가장 큰 값을 나타내는 음파 신호를 최대 채널로 결정하는 제3단계(S300);
   음파의 속도를 고려하여 상기 최대 채널을 기준으로 나머지 채널의 최대 시점이 도달 가능한 시간 범위 밖일 경우, 나머지 채널에 대하여 상기 측정 대상 구역을 소정의 시간 범위로 축소하여 각 상기 최대 시점을 재측정하는 제4단계(S400);
   상기 최대 시점의 이전 및 이후로 소정의 시간 폭 범위 내에서 수신 데이터를 소정의 배수로 오버샘플링(over-sampling)하여 최대 시점을 재산출하는 제5단계(S500); 및
   각 상기 최대 시점의 이전에 각 상기 최대 시점에서의 상관관계 값에 대해 소정의 비율인 값을 나타내는 시점을 각 채널의 도달 시간으로 결정하는 제6단계(S600);를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1단계는,
   수신 데이터 중 임의의 시점으로부터, 1회의 상기 주기만큼의 범위를 측정 대상 구역으로 결정하는 단계(S110);
   상기 측정 대상 구역 및 상기 측정 대상 구역의 시작 시점 이전의 소정의 확장 시간만큼의 범위를 확장 대상 구역으로 결정하는 단계(S120);
   상기 확장 대상 구역에 대하여, 각 채널의 음파 신호와의 상관관계 값을 계산하는 단계(S130);
   상기 상관관계 값이 최대가 되는 시점을 제 1 시점으로 결정하는 단계(S140);
   상기 제 1 시점이 상기 확장 시간 내이면, 상기 측정 대상 구역 내에서 상관관계 값이 최대가 되는 시점을 제 2 시점으로 결정하는 단계(S150);
   상기 제 2 시점을 최대 시점으로 결정하는 단계(S160); 및
   상기 제 2 시점이 상기 측정 대상 구역의 시작 시점 또는 종료 시점으로부터 단일 채널 음파 신호의 재생시간 내이면 상기 제 1 시점을 최대 시점으로 결정하는 단계(S170);를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제2단계는,
   상기 측정 대상 구역을 소정의 단위 구간으로 분할하는 단계(S210);
   분할된 각 상기 단위 구간 내에서 최대 상관관계 값을 나타낸 시점을 각 구간별 최대 시점으로 결정하고, 상기 구간별 최대 시점의 시간 값 및 상관관계 값을 제1배열로 저장하는 단계(S220);
   각 상기 단위 구간과 직전 또는 직후 단위 구간의 상기 구간별 최대 시점의 시간 차이가 소정의 시간 간격보다 작은 경우, 더 작은 상관관계 값을 나타낸 구간을 상기 제1배열로부터 제거하는 단계(S230); 및
   상기 구간별 최대 시점의 상관관계 값 중, 가장 큰 값의 시점보다 이전에 나타나고, 상기 가장 큰 값에 비해 소정의 비율 이상인 값이 있을 경우, 그 시점을 최대 시점으로 결정하는 단계(S240);를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.

Images