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 Overlap원문보기
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.
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.
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...
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 overlapped. First, both real and simplified beam patterns of an ultrasonic sensor and several sensor models for obstacle position estimation within its beam pattern are introduced. Second, the obstacle detection range of an overlapped ultrasonic sensor ring and its simple sensor model for obstacle position estimation are described. Third, for both conic and non-conic shaped beam pattern, the design indices of an overlapped ultrasonic sensor ring for minimal positional uncertainty in obstacle detection are defined. Fourth, the constraints imposed on the structural parameters of an overlapped ultrasonic sensor ring to guarantee non empty beam overlap and to avoid excessive beam overlap are derived. Fifth, the optimal number of ultrasonic sensors for a given radius of an overlapped ultrasonic sensor ring and the optimal radius of an overlapped ultrasonic sensor ring are determined. Throughout this paper, the MA40B8 from Murata Inc. is taken as a representative commercial low directivity ultrasonic sensor.
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 overlapped. First, both real and simplified beam patterns of an ultrasonic sensor and several sensor models for obstacle position estimation within its beam pattern are introduced. Second, the obstacle detection range of an overlapped ultrasonic sensor ring and its simple sensor model for obstacle position estimation are described. Third, for both conic and non-conic shaped beam pattern, the design indices of an overlapped ultrasonic sensor ring for minimal positional uncertainty in obstacle detection are defined. Fourth, the constraints imposed on the structural parameters of an overlapped ultrasonic sensor ring to guarantee non empty beam overlap and to avoid excessive beam overlap are derived. Fifth, the optimal number of ultrasonic sensors for a given radius of an overlapped ultrasonic sensor ring and the optimal radius of an overlapped ultrasonic sensor ring are determined. Throughout this paper, the MA40B8 from Murata Inc. is taken as a representative commercial low directivity ultrasonic sensor.
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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.
제안 방법
다음, 초음파 센서의 사용 개수 腌 변화시키면서 중첩 초음파 센서 링의 위치 불확실성 최소화를 위한 중첩 초음파 센서 링의 최적 반경 r*를 반복적으로 구해 보았다. 그림 13은 초음파 센서의 사용 개수를 N=5로부터 7V=2O까지 증가시킬 때, 최적 반경 r*의 변화를 보인다.
이 증가됨에 따라 최소값 M而과 최대값 %林 모두 증가하는 추세임을 알 수 있다. 다음, 초음파 센서의 사용 개수를 N=5로부터 N=20까지 증가시키면서 효과적인 빔 폭 중첩을 위한 중첩 초음파 센서 링의 반경에 대한 제한 조건을 반복적으로 산출하였다. 그림 10은 식 (21)에서의 음이 아닌 실수인 최대 반경「皿의 변화, 그리고 식 (24)에서의 음이 아닌 실수인 최소 반경「mm의 변화를 보인다.
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. 그림 9는 식 (15) 에서의 정수인 최소 개수 &站의 변화, 그리고 식(18)에서의 정수인 최대 개수 %必의 변화를 보인다.
위에서 산출된 구조적 제한 조건을 토대로 중첩 초음파 센서 링의 최적 설계 사양을 도출하여 보도록 한다. 식 (6)-(11) 에서알 수 있듯이, 설계 지수 k는 초음파 센서의 빔 폭 «, 사용 개수 N인접 초음파 센서간 사이각 0), 그리고 최소 및 최대 장애물 거리, 과 爲, max, 등의 함수이다 먼저, 중첩 초음파 센서 링의 반경 r을 변화시키면서 중첩 초음파 센서 링의 위치 불확실성 최소화를 위한 초음파 센서의 최적 사용 개수」V* 를 반복적으로 구해 보았다.
대상 데이터
본 논문에서는 대표적인 상용 저지향성 초음파 센서로서 Murata사의 MA40B8을 [13] 선택하였다. 표 1은 MA40B8의 주요 파라미터인 초음파 센서의 빔 폭 a와 최대 감지 거리 4皿林의사양을 보이고 있다.
성능/효과
반면, 장애물의 위치가 그림 lb)과 같이 우측 감지 소영역에 위치하는 경우, 중앙 및 우측 초음파 센서만이 장애물을 감지하게 된다. 즉, 중앙 초음파 센서 빔 폭 내 장애물의 상대적 위치에 따라 장애물 감지하는 초음파 센서 조합이 달라지며, 역으로 장애물 감지 초음파 센서 조합으로부터 장애물이 속하는 영역을 세분화할 수 있음을 의미하며 결과적으로 초음파 센서 고유의 위치 불확실성이 감소되게 된다. [10-12], 그림 1 에서 알 수 있듯이 인접 초음파 센서간 빔 폭 중첩을 통해 이론적으로는 장애물 탐지 분해능을 최대 3배까지 향상시킬 수 있다.
후속연구
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. 상대적으로 적은 개수의 저 지향성 초음파 센서로 구성된 중첩 초음파 센서 링을 사용하면, 장애물 탐지 성능 저하 없이 센서 장치 및 처리 비용을 절감시킬 수있으므로 특히 중저가의 개인용 이동로봇 개발에 유용할 것으로 기대된다.
참고문헌 (14)
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