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효과적인 빔 폭 중첩을 이용한 고성능 장애물 탐지용 중첩 초음파 센서 링의 최적 설계
Optimal Design of Overlapped Ultrasonic Sensor Ring for High Performance Obstacle Detection Using Effective Beam Overlap 원문보기

信號處理·시스템學會 論文誌 = Journal of the institute of signal processing and systems, v.12 no.1, 2011년, pp.67 - 75  

김성복 (한국외국어대학교) ,  김현빈 (한국외국어대학교)

초록
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본 논문에서는 인접 초음파 센서간 효과적인 빔 폭 중첩을 이용하여 고성능 장애물 탐지를 위한 중첩 초음파 센서 링을 최적 설계하는 방법에 대해 체계적으로 기술하도록 한다. 기본적으로 일군의 동종 저지향성 초음파 센서들이 일정 간격으로 상호 빔 폭이 중첩되도록 원형 배치된다고 가정한다. 첫째 초음파 센서의 실제와 단순화된 빔 패턴 그리고 빔 폭 내의 장애물 위치 추정을 위한 여러 센서 모델에 대해 소개한다. 둘째, 중첩 초음파 센서 링의 장애물 탐지 범위와 장애물 위치 추정을 위한 간단한 센서 모델에 대해 기술한다. 셋째, 타원과 비타원 형태의 빔 패턴에 대해 각각, 장애물 탐지 시 위치 불확실성이 최소화되도록 중첩 초음파 센서 링을 설계하기 위한 지수를 정의한다. 넷째, 최소한의 빔 폭 중첩 보장과 과도한 빔 폭 중첩 회피를 위해 요구되는 중첩 초음파 센서 링의 구조적 사양에 대한 제한 조건을 유도한다. 다섯째, 주어진 중첩 초음파 센서 링의 반경에 대한 초음파 센서의 최적 사용 개수와 주어진 초음파 센서의 사용 개수에 대한 중첩 초음파 센서 링의 최적 반경을 결정한다. 본 논문 전반에 걸쳐, 대표적인 상용 저지향성 초음파 센서로서 Murata사의 MA40B8이 채택되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper presents the systematic optimal design of an overlapped ultrasonic sensor ring for high performance obstacle detection using effective beam overlap. Basically, a set of low directivity ultrasonic sensors of the same type are arranged in a circle at regular intervals with their beams overl...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 동종의 초음파 센서들을 영이 아닌 반경의 원주 상에 일정 간격으로 최적 배치하기 위한 기준으로 중첩 초음파 센서 링의 위치 불확실성을 고려하기로 한다. 그림 5에서 보듯이 중첩 초음파센서 링의 장애물 탐지 위치 불확실성은 장애물이 속한 감지 소 영역 내에 속하는 반경이 장애물 거리 °。인 원호의 길이로 나타낼 수 있다.
  • 많은 개수의 고지향성 센서 대신 적은 개수의 저지향성 센서를 상호 빔 폭이 중첩 되도록 배치함으로써, 센서 장치 비용 및 데이터 처리 비용을 절감하면서도 장애물 탐지 성능을 그대로 유지하는데 그 목적이 있다. 본 논문의 구체적 기여 내용으로는 1) 탐지 장애물 위치 추정을 위한 간단한 센서 모델 제시, 2) 장애물 탐지 위치 불확실성을 고려한 설계 지수 정의, 3) 효과적인 빔 폭 중첩을 위한 기하학적 제약 조건 유도, 4) 중첩 초음파 센서 링의 최적 설계 사양 결정 등을 들 수 있다.
  • 본 논문에서는 인접 초음파 센서간 빔 폭 중첩 상태의 최적화를 통해 장애물 탐지 시 위치 불확실성을 최소화되도록 하는 중첩 초음파 센서 링의 체계적 설계 기법에 대해 논의하였다. 많은 개수의 고지향성 센서 대신 적은 개수의 저지향성 센서를 상호 빔 폭이 중첩 되도록 배치함으로써, 센서 장치 비용 및 데이터 처리 비용을 절감하면서도 장애물 탐지 성능을 그대로 유지하는데 그 목적이 있다.
  • 본 논문에서는 저지향성 초음파 센서간 효과적인 빔 폭 중첩을 통해 장애물 탐지 시 위치 불확실성이 최소화되도록 중첩 초음파센서 링을 최적 설계하는 방안에 대해 논하기로 한다. n 장에서는 초음파 센서의 실제와 단순화된빔 패턴 그리고 탐지 장애물의 위치 추정을 위한 여러 센서 모델에 대해 소개한다.
  • 중첩 초음파 센서 링에 대한 센서 모델은 앞에서 기술한 단일 초음파 센서의 센서 모델을 확장하는 방식으로 수립될 수 있으며, 하지만 여기서는 임펄스 모델을 기반으로 센서 모델링에 대해서만 살펴보기로 한다. 장애물 P가 중앙 감지 소영역에 속하는 경우, 장애물의 추정 위치 Fe 그림 4a)에 보인 것과 같이 중앙 초음파 센서의 중앙선 상에 장애물 거리 Po 만큼 떨어진 지점이라고 가정한다.
  • 표 1의 사양을 이용하여, 효과적인 빔 폭 중첩을 위한 중첩 초음파 센서 링의 구조적 제한 조건을 얻어 보도록 하자. 먼저, 중첩 초음파 센서 링의 반경을 r = 0cm로부터 r= 150 cm까지 증가시키면서 효과적인 빔 폭 중첩을 위한 초음파 센서의 사용 개수에 대한 제한 조건을 반복적으로 산출하였다.

가설 설정

  • 2. The beam pattern of an ultrasonic sensor: a) non-conic shape and b) conic shape.
  • b) 반경이 영이 아닌 원주.
  • 중첩 초음파 센서 링에 대한 센서 모델은 앞에서 기술한 단일 초음파 센서의 센서 모델을 확장하는 방식으로 수립될 수 있으며, 하지만 여기서는 임펄스 모델을 기반으로 센서 모델링에 대해서만 살펴보기로 한다. 장애물 P가 중앙 감지 소영역에 속하는 경우, 장애물의 추정 위치 Fe 그림 4a)에 보인 것과 같이 중앙 초음파 센서의 중앙선 상에 장애물 거리 Po 만큼 떨어진 지점이라고 가정한다. 한편, 장애물 P가 측면 감지 소영역에 속하는 경우, 장애물의 추정 위치 Fe 그림 4b)에 보인 것과 같이 해당 김♦지소 영역의 중앙선 상에 장애물 거리 Po 만큼 떨어진 지점이라고 가정한다.
  • 장애물 P가 중앙 감지 소영역에 속하는 경우, 장애물의 추정 위치 Fe 그림 4a)에 보인 것과 같이 중앙 초음파 센서의 중앙선 상에 장애물 거리 Po 만큼 떨어진 지점이라고 가정한다. 한편, 장애물 P가 측면 감지 소영역에 속하는 경우, 장애물의 추정 위치 Fe 그림 4b)에 보인 것과 같이 해당 김♦지소 영역의 중앙선 상에 장애물 거리 Po 만큼 떨어진 지점이라고 가정한다. 빔 폭 중첩 결과 장애물 탐지 시 위치 불확실성이 그림 4a)의 경우 ZLQR]로부터 ZRaOLjS.
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참고문헌 (14)

  1. J. Borenstein, H. R. Everett, and L. Feng, "Where Am I?": Sensors and Methods for Mobile Robot Positioning, The University of Michigan, 1996. 

  2. S. Thrun, W. Burgard, and D. Fox, Probabilistic Robotics, The MIT Press, 2005. 

  3. R. R. Murphy, Introduction to AI Robotics, The MIT Press, 2000, 

  4. H. Moravec and A. Elfes, "High Resolution Maps for Wide Angles Sonar," Proc. IEEE Int Conf. Robotics and Automation, pp. 116-121, 1985. 

  5. J. L. Crowley, "World Modeling and Position Estimation for a Mobile Robot Using Ultrasonic Ranging," Proc. IEEE Int. Conf. Robotics and Automation, pp. 674-680, 1989. 

  6. P. J. McKerrow, "Echolocation-from Range to Outline Segments," Robotics and Autonomous Systems, vol. 11, no. 4, pp. 205-211 , 1993. 

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  9. J. Borenstein and J. Koren, "Real-Time Obstacle Avoidance for Fast Mobile Robots," IEEE Trans. Systems, Man, and Cybernetics, vol. 19, no. 5, pp. 1179-1187, 1989. 

  10. www.senscomp.com. 

  11. 김성복, 이상협, "효율적인 이동로봇의 장애물 탐비를 위한 중첩 초음파 센서 링의 위치 불확실성 감소," 신호처리 시스템 학회 논문지, 제10권, 제3호, pp. 198-206, 2009. 

  12. 김성복, 이상협, "중첩 초음파 센서 링의 설계 및 장애물 탐지에의 응용." 신호처리 시스템 학회 논문지, 제11권, 제1호, pp. 63-73, 2010. 

  13. www.murata.com. 

  14. L. Kleeman and R. Kuc, "Sonar Sensing," pp. 491-519, Handbook of Robotics, Springer, 2008. 

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