[논문]두 기능을 갖는 차량검지 레이다

김인석; 김기남

문제 정의

이러한 문제점을 해결하기 위해 개발된 도로상공에 설치하는 영상감지기를 비롯한 다양한 차량검지기는 기존의 루프감지기 시스템의 통신 알고리즘을 따르지 않았기 때문에 검지기에서 획득된 정보를 교통정보관리센터로 전송하고자 할 경우에는 루프식의 통신 시스템과는 별도의 비용으로 정보 송·수신용 네트워크 시스템을 새로이 구성해야 하는 커다란 단점이 생기게 된다. 그래서 본 논문에서는 루프검지기와 호환성이 있는 레이더 비매설형 차량감지기[4]를 개발하였다.
본 연구에서 개발한 고도계는 그림 1에서 보듯이 송신 신호와 반사된 신호 사이의 주파수 차로 거리를 측정하는 시스템이다. 송신주파수는 선형적으로 증가하게 되고, 반사되어 되돌아온 신호의 주파수를 측정하여 거리차의 정보를 획득하게 된다[5][6][7].
그러나 CW 레이다 기술로는 거리를 측정할 수 없어 FMCW레이다 기술이 이용되고 있다[2]. 본 연구에서는 도로상공에서 FMCW 레이다 기술을 이용하여 레이다와 도로면간의 거리를 감지하면서 차량이 지나가면 레이다와 도로면 간의 거리의 차이를 측정하여 차량의 길이를 파악하는 차량감지기를 개발하였다.

제안 방법

FMCW 고도계 기술과 도플러 레이더 기술을 이용하여 ITS 기반을 이루는 차량감지기를 개발하였다. 기존 루프감지기를 실험장에 설치하여 측정한 결과에 비하여 약 10% 이상 정확한 차량 정보를 알아 낼 수 있었다.
FMCW 고도계에서는 한 지점에서의 차량점유 시간을 측정하고 도플러 레이더에서는 차량의 속도를 측정하여 통과차량의 속도와 길이를 파악하였고, 영상감지기와는 다르게 밤낮, 그리고, 안개와 연기 등에 영향을 받지 않는 다는 점이 본 차량감지기의 특징이다[11]. FMCW 고도계에서 비선형 특성을 줄이고자 아날로그 스위치를 사용하여 VCO에 입력된 삼각파의 전압이 비교기를 이용하여 3～5 V 사이에서만 IF신호가 출력되도록 하여 비선형성을 줄임으로서 차량의 점유, 비점유를 정확히 감지하도록 하였다. 향후 트랜시버내의 VCO의 비선형성을 줄이고 신호처리에 PC대신에 MCU(Micro Controller Unit)를 이용하여 저가격, 고성능, 경량의 고도계를 개발할 계획이고, 트랜시버를 한 개만 사용하여 속도와 차량길이를 알아낼 수 있는 차량감지기를 개발할 예정이다.
FMCW 고도계의 출력 파형과 도플러 레이더로 출력되는 파형은 데이터 수집 시스템(DAQ : Data Acquisition System (National Instrument Lab PC+))으로 신호처리를 하였다. 데이터 수집 시스템이란 아날로그 신호를 컴퓨터로 입력받아 디지털신호로 변환하고, 이 변환된 데이터를 사용자의 요구에 맞게 분석하는 시스템을 말한다.
기존의 교통정보 네트웍과 본 차량감지기 시스템과의 호환을 위하여 VDS의 콘솔단자와 컴퓨터에서 제공하는 RS-232C 표준 인터페이스를 이용하여 차량의 속도 및 길이 데이터를 한 대의 차량을 측정할 때마다 VDS로 전송하였다.
본 논문에서 개발한 차량감지 시스템은 24 GHz를 이용하여 그림 1과 같이 도로상공 4.5 m 정도에 위치시켜, 도로까지의 높이를 측정하여 차종(차량길이)을 감지하는 FMCW 고도계 레이더 시스템과 속도를 감지하는 도플러 레이더 시스템으로 구성된다. 그림 2에서는 시스템 전체의 구성을 블록다이아그램으로 나타내었다.
본 논문에서는 4.5 m 높이에서 설치된 도플러 레이더가 도로면과 이루는 각도 θ를 60도로 하여 차량이 줄지어 오더라도 각각의 차량이 정확히 구분되어 속도가 측정될 수 있도록 하였다.
그림 2에서는 시스템 전체의 구성을 블록다이아그램으로 나타내었다. 본 장에서는 고도계와 속도계, 그리고 신호처리 회로의 세 부분으로 나누어 그 회로 내용을 차례로 소개한다.
본 장에서는 차량감지기 내부회로들의 성능측정과 시스템이 이루어진 후의 실지 도로상에서의 실측 방법과 데이터를 소개한다.
제 Ⅱ장에서는 기존의 루프감지기의 차량정보를 획득하는 알고리즘과 루프감지기에 연결된 교통정보네트웍과 호환이 되는 본 논문에서 개발한 레이더 기술의 차량감지기 시스템을 소개한다. 제 Ⅲ장에서는 차량감지기를 이루는 다양한 회로의 성능을 측정한 결과를 먼저 포함시키고, 이후에 기존의 루프감지기와 본 차량감지기의 차량정보 획득의 정확성을 비교 측정하였다. 그리고 마지막으로 제 Ⅳ장에서는 결론과 향후 연구방향을 제시하였고, 부록에서 기존의 루프감지기의 차량교통정보획득 알고리즘을 설명한다.
그림 9과 같이 구성된 도플러 레이더의 전체적인 회로구성은 FMCW 고도계에서 삼각파 발생기와 필터 부분을 제외하고 비슷하다. 차 주파수를 46 dB 증폭 후 관심 대역인 10 kHz 미만의 주파수만을 필터링 한 후에 거리에 따라 일정한 이득을 얻기 위하여 AGC를 삽입하였고, 이를 다시 40 dB 증폭 후 DAQ보드로 입력 시켰다.
트랜시버 VCO의 비선형 특성에 의한 측정 오차를 줄이기 위하여 비교기에서 VCO에 입력되는 삼각파의 신호가 3～5 V 사이에서만 차 신호가 출력되도록 아날로그 스위치를 컨트롤하였다. 차량이 없어 도로면을 감지하고 있을 경우 One shot multivibrator의 트리거 신호를 제공하게 되어 출력에서 +5 V를 출력하고 이를 NOT회로에 넣어 차량이 없을 경우 0 V, 차량이 있을 경우 +5 V를 출력하도록 하였다. 출력 인터페이스에서는 DAQ보드에 5 V 이상이 걸리지 않도록 전압분배회로를 넣어 3 V로 조정하였다.
5 kHz만 통과시켜 도로면으로 정의하고 이외의 주파수는 차량이 있는 것으로 정의하였다. 트랜시버 VCO의 비선형 특성에 의한 측정 오차를 줄이기 위하여 비교기에서 VCO에 입력되는 삼각파의 신호가 3～5 V 사이에서만 차 신호가 출력되도록 아날로그 스위치를 컨트롤하였다. 차량이 없어 도로면을 감지하고 있을 경우 One shot multivibrator의 트리거 신호를 제공하게 되어 출력에서 +5 V를 출력하고 이를 NOT회로에 넣어 차량이 없을 경우 0 V, 차량이 있을 경우 +5 V를 출력하도록 하였다.
FMCW 고도계의 좀 더 자세하게 묘사된 기능 블록도는 그림 6와 같다. 트랜시버의 IF출력을 66 dB 증폭한 후 관심대역인 40 kHz까지 필터링하였다. AGC에서는 1.
트랜시버의 제원상 0.5 V ～ 20 V까지의 VCO입력이 가능하나 12 V 이상에서는 선형성이 비교적 좋지를 않아 삼각파를 최대 12 V로 제한을 하여 23.70 ～ 24.24 GHz 범위 내에서만 작동하도록 하였다.

성능/효과

FMCW 고도계 기술과 도플러 레이더 기술을 이용하여 ITS 기반을 이루는 차량감지기를 개발하였다. 기존 루프감지기를 실험장에 설치하여 측정한 결과에 비하여 약 10% 이상 정확한 차량 정보를 알아 낼 수 있었다. FMCW 고도계에서는 한 지점에서의 차량점유 시간을 측정하고 도플러 레이더에서는 차량의 속도를 측정하여 통과차량의 속도와 길이를 파악하였고, 영상감지기와는 다르게 밤낮, 그리고, 안개와 연기 등에 영향을 받지 않는 다는 점이 본 차량감지기의 특징이다[11].
본 시스템으로 교내도로에서 총 90대의 차량을 측정한 결과로 속도측정은 스피드건과 거의 비슷한 98%의 정확도가 나왔고, 차량길이는 차량 제작사에서 제공한 차량길이 자료를 기준으로 약 90%의 정확도를 보였다. 기존의 ILD 보다 10% 정도 정확도가 개선된 데이터이다. 표 1은 총 90대의 측정차량 중에 무작위로 추출한 9대 차량의 데이터이다.
본 시스템으로 교내도로에서 총 90대의 차량을 측정한 결과로 속도측정은 스피드건과 거의 비슷한 98%의 정확도가 나왔고, 차량길이는 차량 제작사에서 제공한 차량길이 자료를 기준으로 약 90%의 정확도를 보였다. 기존의 ILD 보다 10% 정도 정확도가 개선된 데이터이다.

후속연구

FMCW 고도계에서 비선형 특성을 줄이고자 아날로그 스위치를 사용하여 VCO에 입력된 삼각파의 전압이 비교기를 이용하여 3～5 V 사이에서만 IF신호가 출력되도록 하여 비선형성을 줄임으로서 차량의 점유, 비점유를 정확히 감지하도록 하였다. 향후 트랜시버내의 VCO의 비선형성을 줄이고 신호처리에 PC대신에 MCU(Micro Controller Unit)를 이용하여 저가격, 고성능, 경량의 고도계를 개발할 계획이고, 트랜시버를 한 개만 사용하여 속도와 차량길이를 알아낼 수 있는 차량감지기를 개발할 예정이다.

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