KR890002504B1 - 시각장애자용 초음파 탐지기와 탐지기의 신호 처리방법 - Google Patents

시각장애자용 초음파 탐지기와 탐지기의 신호 처리방법 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

시각장애자용 초음파 탐지기와 탐지기의 신호 처리방법
제1도는 종래의 시각장애자용 초음파 탐지기의 개략도.
제2도는는 본 발명의 시각장애자용 초음파 탐지기의 개략도.
제3a도, 제3b도는 제2도에 도시한 시각장애자용 초음파 탐지기의 우채널의 수신부와 신호 처리부의 일 실시예를 나타낸 상세한 회로도.
제4도는 제2도의 시간지연회로의 입출력신호와 파형도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 송신부 20 : 수신부
30 : 신호처리부 40 : 시스템제어부
11 : 구형파발진회로 12 : 게이트회로
13 : 송신 증폭회로 14 : 송신트랜스 듀서
21,21' : 수신트랜스듀서 22 : 시간이득제어회로
23,23' : 수신증폭회로 24,24' : 검파회로
31,31' : 시간지연회 32 : 의사노이즈발생회로
33,33' : 평형변조회로 34,34' : 저주파증폭회로
35,35' : 이어폰
본 발명은 시각장애자가 지팡이나 안내자없이 스스로 보행할 수 있게 도와주는 초음파 탐지기와 탐지기의 신호 처리방법에 관한 것으로서 특히, 대기중에 있는 물체에 초음파를 조사하여 반사되는 반향신호(Echo)를 사람의 귀에서 쉽게 인식되도록 하여서 물체의 위치와 표면상태 및 모양등을 감지할 수 있도록 한 초음파 탐지기와 반향신호를 인식할 수 있도록 하는 탐지기의 신호 처리방법에 관한 것이다. 초음파는 대기중에서 초속 약 340m로 전파되는데, 수 미터 전방에서 발생하는 초음파의 반향신호의 시간지연은 수밀리 세크(ms)정도로 짧기 때문에 사람귀의 인식능력으로는 반향신호를 감지할 수 없다. 이 때문에 반향신호를 사람이 인식할 수 있도록 반향의 시간지연을 처리하는 종래의 회로도는 제1도에 도시되어 있다.
제1도는 종래방식의 시각장애자용 초음파 탐지기의 개략도로서, 도면에서 스윕발진기/타이밍 제어기(Sweep Generator And Timing Networks)(SAT)에서 발생된 신호에 의해 초음파 발진기(USO)는 45-80KHz의 광대역 초음파를 발진하고, 이 초음파 발진기(USO)에서 발진된 신호는 송신증폭기/게이트회로(TAG)를 거쳐서 송신트랜스듀서(Transducer)(TTD)에 의해 대기중으로 조사된다. 이때, 대기중에 조사된 초음파신호는 물체에 도달하게 되고, 물체에서 반사된 반향신호는 좌, 우 트랜스듀서(RTR, RTL)에 입력되어서 전기신호로 변하며, 변환된 전기신호는 좌, 우 채널이 고임피이던스 프리앰프(HIP)의 초음파증폭기/주파수천이(UAF)를 거쳐서 가청증폭필터/게이트회로(AFG)에 입력된다.
상기한 가청증폭필터/게이트회로(AFG)에 입력된 신호는 들을 수 있는 가청주파수로 필터링(Filtering)되어서 이어폰(Earphone)(EAP)을 통해 소리음으로 변하는 데, 이 소리음의 밀도에 따라 물체의 위치를 감지할 수 있다. 상기한 구성을 갖는 종래의 초음파 탐지기는 반사되는 반향신호의 신호처리를 반향신호의 시간지연에 비례하는 가청주파수로 대응시키는 방법을 이용하는데, 예를 들어 상세히 설명하면 1미터 전방에 있는 물체의 초음파를 조사한 다음 반사괴는 반향신호는 약 6×10-3초의 지연시간을 갖기 때문에 사람이 이 짧은 시간에 신호를 들을 수 없어서 이 지연시간을 처리하여 1000Hz의 가정주파수를 갖는 연속신호로 바꾸고, 2미터 전방의 반향신호는 2000Hz의 연속신호를 바꾸어서 물체의 위치를 감지할 수 있는 방법이다. 그러나, 이와같은 감지방법의 종래의 시각장애자용 초음파탐지기는 거리에 비례하는 지연시간을 가지고 수신되는 반향신호를 연속되는 가청주파수로 바꾸기 때문에 물체가 여러곳에 있을 경우에는 여러 주파수의 연속음이 혼합되어 사람귀에 들리므로 각각의 물체 위치를 구분하기 힘들었고, 같은 물체라도 위치에 따라 변환된 연속음의 주파수가 바뀌므로 물체를 인식하기가 어려웠으며, 사람귀의 주파수구분 능력은 두 주파수 차의 절대치보다는 상대치에 의해 구분하므로 먼 곳에서 발생된 반향일 수록 높은 가청주파수로 변환되어 거리분해능이 나쁜 장치였다. 그리고, 초음파를 송수신하는 종래의 트랜스듀서는 초음파발진기에서 발생이되는 40KHz에서 80KHz에 대한 초음파의 광대역특성을 가져야 하기 때문에 성능이 좋고 가격이 저렴한 협대역트랜스듀서를 사용할 수 없는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 수신되는 초음파 반향신호를 입력하여 신호를 순서대로 시간축으로 늘려서 출력하는 즉 시간 지연하는 방법을 이용한 감지장치로서 물체의 위치를 감지하는 초음파 탐지기와 신호처리방법을 제공하는 데 있다. 이 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 시각장애자요 초음파 탐지기를 도면에 도시한 실시예에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.
제2도는 본 발명에 의한 시각장애자용 초음파 탐지기의 구성을 예시한 개략도이다. 도면에서 기기의 구성은 초음파를 전파하는 송신부(10)와, 송신초음파가 반사되는 반향신호를 수신하는 수신부(20)와, 수신부(20)에서 수신된 반향신호를 시간축으로 시간지연하여서 사람이 들을 수 있는 신호로 바뀌는 신호처리부(30)와, 전체시스템을 제어하는 시스템제어부(40)로 구분된다. 상기한 구성에서 송신부(10)는 송신트랜스듀서에서 효율적으로 초음파 버스트(Burst)신호를 방출하기 위해 트랜스듀서의 중심주파수(40KHz)로 발진하는 구형파발진회로(11)와, 시스템제어부(40)에서 공급되는 송신개시신호를 사용하여 송신증폭기(13)의 입력을 제어하는 게이트(Gate)회로(12)와, 이 게이트회로(12)에서 출력되는 신호를 증폭하는 파워 트랜지스터(Power Transistor)와 트랜스(Transformer)로 구성된 송신증폭기(13)와, 증폭된 초음파신호를 송신하는 송신트랜스듀서(14)로 구성된다.
여기서, 초음파 송신 트랜스듀서는 중심주파수가 40KHz이고 대역폭이 6KHz인 협대역 트랜스듀서를 사용한다. 그리고, 수신부(20)는 물체에서 반사된 반향신호를 인가하여 전기신호로 바꾸는 좌,우 트랜스듀서(21, 21')와 먼곳에서 발생한 반향신호일수록 수신음크기가 작아지는 현상을 보상하기 위해서 반향도착시간에 비례하여 자동으로 이득을 제어하는 시간이득제어회로(22)와, 좌, 우 트랜스듀서(21,21')에서 전송되는 각 전기 신호를 증폭하는 좌, 우 채널의 수신증폭기(23,23')에서 충분히 증폭되어 출력되는 반향신호에서 반향신호의 포락선(Envelope)을 얻는 좌, 우 채널의 검파히로(24,24')로 구성하여서 반향신호를 증폭 및 검파한다.
상기한 바와같이 검파된 반향신호를 사람이 들을 수 있도록 하는 신호처리부(30)는 수신부(20)에서 구한 반향의 포락선 신호를 실시간 클럭(Real Time Clock)으로 입력하고 저장된 아날로그신호를 확장시간클럭(Extended Time Clock)으로 시간축으로 늘려 지연시켜 출력시키는 시간지연회로(31,31')와, 사람의 귀를 가장 적게 자극하는 화이트 노이즈(White Noise)를 발생하는 의사 노이즈(Pseude Noise)발생회로(32)와, 상기한 시간지연회로(31,31')에서 출력되는 시간지연된 신호는 가청주파수이하로 낮아지므로 사람귀에서 인식할 수 있도록 의사노이즈로 평형변조시켜 가청주파수 대역으로 바꾸는 좌·우 채널의 평형변조회로(33,33')와 평형변조회로(33,33')에서 출력된 신호를 증폭하는 저주파증폭기(34,34')로 구성하여서 반향신호를 가청주파수대역으로 바꾸어 좌·우 채널의 이어폰(35,35')을 통해 물체의 위치를 감지되도록 신호처리한다.
예를들면, 1 미터 전방에서 발생한 반향신호의 시간지연은 사람이 인식할 수 없을 정도로 빠른 약 6×10-3초인데 이것을 시간축으로 지연 처리한 후에는 약 0.2초로 늘여져서 사람이 쉽게 인식할 수 있다. 그리고, 시스템제어부(40)는 모든 시스템을 제어한다.
이와같이 구성되는 본 발명의 시각장애자용 초음파 탐지기와 탐지기의 신호 처리방법에 있어서, 초음파를 물체에 조사하여 반사되는 반향신호를 사람의 귀로 들을수 있도록 신호 처리하는 회로동작을 제3a도, 제3b도에 도시한 수신부 및 신호처리부의 일 실시예를 나타낸 상세한 회로도와 제4도와 도시한 파형도에 입각하여 설명한다.
구형파 발진회로(11)에서 40KHz의 구형파를 출력할때, 송신게이트회로(12)에서 시스템제어부(40)의 송신개시신호에 의해 송신트랜스듀서(14)에 알맞은 송신시간을 조정하여 40KHz의 구형파성분을 게이팅(Geting)한 다음 송신증폭기(13)의 승압트랜스에 의해서 증폭되어 송신트랜스듀서(14)에 인가된다. 이때, 송신트랜스듀서(14)에서 대기중으로 초음파를 조사하는데, 발신된 초음파는 물체에 도달하면 반사되고, 반사된 초음파 반향신호는 수신트랜스듀서에 인가되어서 전기신호로 변환된다. 이 반향신호가 제3a도에 도시한 우채널수신부의 수신트랜스듀서(21)에 인가되면 전기신호로 변환되어서 입력 임피이던스가 높고, 이득제어가 용이한 듀얼 게이트(Dual Gate)MOS 트랜지스터로 구성된 전치증폭기(Q1)에 의한 입력단에 인가되고, 증폭기(Q1)의 다른 입력단에는 시스템제어부(40)에서 출력되는 송신개시펄스가 적분회로(도면에 도시되지 않았음)에 가해져서 수신시간에 비례하는 크기를 갖는 삼각파로 변환되어 정형된 신호(S1)가 인가되어서 거리에 따른 반향신호의 감쇄를 보상한다.
상기한 전치증폭기(Q1)의 출력신호는 광대역(Wide-Band)증폭기(OP1)와 증폭트랜스(TRS)를 거쳐서 충분히 증폭시킨 다음 연산증폭기(OP2, OP3)와 다이오드(D1, D2) 및 저항(R9)으로 구성된 검파회로를 통해 검파되고, 이 검파된 신호는 연산증폭기(OP4, OP55)와 저항(R11-R15) 및 콘덴서(C7, C8)로 구성된 저역통과 필터를 거쳐서 반향신호의 포락선을 얻는다.
상기한 검파회로(24)의 지역통과 필터를 통과한 반향신호(S2)는 제2b도에 도시한 바와 같이 시간지연회로(31)의 BBD의 입력단에 인가되는데, 시스템 제어부(40)에서 발생되는 실시간 클럭(제4도 BCP의 RTC)이 BBD를 동기시킬때 입력단에 인가된 반향신호(제4도의 A)가 BBD에 순서대로 입력되어 저장된다.
그리고, 실시간 클럭보다 주기가 32배 지연시킨 확장시간 클럭(제4도 BCP의 ETC)으로 BBD를 동기시켜서 저장된 신호를 입력된 순서대로 읽어낸다.
상기와 같은 BBD의 입출력동작은 시스템제어부(40)에서 출력되는 스위칭신호(제4도의 BCS)에 의해 제어된다. 이와같이 시간축으로 늘인 반향신호(제4도의 B)의 포락선 주파수 성분은 입력신호의 1/32로 낮아져서 가청주파수대역이하로 변환되기 때문에 사람의 귀에 들리지 않는다. 따라서, 늘어진 반향신호(제4도의 B)의 포락선을 가청주파수신호로 변조시켜야 하기 때문에, BBD에서 출력된 신호(제4도의 B)는 연산증폭기(OP6, OP)를 거쳐서 평행변조 회로(33)의 아날로그 멀티플렉스(MVX)에 인가된다. 그리고, 시프트레지스터(SH1, SH2)와 익스클투시브 오아게이트(G1)로 구성된 의사노이즈발생회로(32)에서 광대역주파수 성분을 갖는 화이트노이즈를 발생하여 시스템제어부(40)에서 발생되는 신호(SCS)와 함께 낸드게이트(G2, G4)를 거쳐 아날로그 멀티플렉스(MVX)에 인가됨과 동시에 제어신호(SCS)가 반전용 낸드 게이트(G3)를 거쳐 아날로그 멀티플렉서(MVX)에 인가된다.
따라서, 아날로그 멀티플렉서(MVX)에서는 지연처리된 반향 신호성분을 의사노이즈로 변조한 다음, 변조된 신호가 저주파 전력증폭기(OP8)를 거쳐서 이어폰(35)에 전달된다. 또한 사람귀의 특성은 소리의 강도에 따라 소리가 나는 방향을 알수 있으므로 수신부 및 신호 처리부를 스테레오로 만들었기 때문에 음원의 방향까지 인식할 수 있다. 이상과 같이 본 발명에 의하면 시각장애자가 보행중에 물체의 위치 및 방향을 인식하여서 안내자 없이 스스로 보행할 수 있다.

Claims (5)

  1. 초음파의 입력반향신호를 시간축으로 늘려 시간지연된 신호로 출력해서 가청할수 있도록 신호 처리함을 특징으로 하는 시각장애자용 초음파 탐지기의 신호처리방법.
  2. 초음파를 전파하는 송신부(10)와, 물체에서 반사돈 반향신호를 수신하는 수신부(20)와 상기한 수신부(20)에서 수신된 방향신호를 시간축으로 시간지연하여서 가청주파수의 신호로 변환하는 신호 처리부(30)와, 상기한 송신부(10)와, 수신부(20) 및 신호 처리부(30)를 제어하는 시스템 제어부(40)로 이루어진 것을 특징으로 하는 시각장애자용 초음파 탐지기.
  3. 제2항에 있어서, 송신부(10)는 송신트랜스듀서에서 초음파 버스트 신호를 방출하기 위해 40KHz의 중심주파수를 발진하는 구형파 발진회로(11)와, 시스템제어부(40)에서 공급되는 송신개시신호를 사용하여 출력신호를 제어하는 게이트회로(12)와, 이 게이트회로(12)에서 출력되는 신호를 증폭하는 송신증폭기(13)와, 증폭된 초음파신호를 송신하는 중심주파수가 40KHz이고 대역폭이 6KHz인 협대역의 송신 트랜스듀서(14)로 구성된 것을 특징으로 하는 시각장애자용 초음파 탐지기.
  4. 제2항에 있어서, 수신부(20)는 물체에서 반사된 반향신호를 인가하여 전기신호로 바꾸는 좌, 우 트랜스듀서(21,21')와, 먼곳에서 발생한 반향신호 일수록 수신음의 크기가 작아지는 현상을 보상하기 위해서 반향 도착시간에 비례하여 자동으로 이득을 제어하는 시간이득제어회로(22)와, 상기한 좌,우 트랜스듀서(21,21')에서 전송되는 각 전기신호를 증폭하는 수신증폭기(23,23')와, 수신증폭기(23,23')에서 출력되는 반향신호에서 각 반향신호의 포락선을 얻는 검파회로(24,24')로 구성되는 것을 특징으로 하는 시각장애자용 초음파 탐지기.
  5. 제2항에 있어서, 신호처리부(30)는 수신부(20)에서 출력되는 반향의 포락선 신호를 실시간 클럭(RTC)에 의해 동기되어 입력되어 확장시간클럭(ETC)으로 스위칭되어 저장된 신호를 시간축으로 늘려서 읽어내는 시간지연호로(31,31')와, 사람의 귀를 적게 자극하는 화이트 노이즈를 발생하는 의사노이즈 발생회로(32)와, 상기한 시간지연회로(31,31')에서 출력되는 각 시간지연된 신호를 의사노이즈 발생회로(3)의 의사노이즈 신호로 평형변조하여 가청주파수대역으로 바꾸는평형변조회로(33,33')와 이 평형변조회로(33,33')에서 출력된 각 신호를 증폭하는 저주파 증폭기(34,34')로 이루어진 것을 특징으로 하는 시각장애자용 초음파 탐지기.
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