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문제 정의
- 이러한 관점에서 초음파 센서를 효율적으로 활용하기 위한 기존의 연구들이 있어 왔다[1-3]. 본 논문에서 우리 역시 주어진 초음파 센서를 효과적으로 사용할 수 있는 방법에 대하여 연구하였다.
- 본 논문에서 우리는 박쥐와 같은 두 단계의 주파수 분포를 갖는 하모닉 신호를 사용하는 대신 하나의 FM 신호를 사용하여 반사되어 돌아온 신호의 낮은 주파수대의 에너지와 높은 주파수대의 에너지의 비율을 구하여 보았다. 표 2에서 확인할 수 있듯이 α값이 작은 값을 가질 경우 높은 확률로 물체가 정면에 있는 것으로 판단할 수 있으며 α값이 큰 값을 가질 경우 높은 확률로 측면에 물체가 위치할 것으로 판단할 수 있다.
- 본 논문에서 우리는 박쥐의 먹이 탐지 전략을 모방하여 초음파 탐지 기술에 적용시켜 보았다. 광대역 FM 초음파를 발신한 후 물체에 반사되어 돌아오는 신호의 고주파수 성분과 저주파수 성분의 비율의 측정을 통해 물체가 초음파 발신부로부터 정면에 있는지 측면에 있는지를 판단할 수 있음을 확인하였다.
- 우리는 물체가 위치한 각도와 주파수에 따라 반사되는 초음파신호의 주파수 특성이 어떻게 변화되는지 알아보기 위하여 10 kHz 단위로 주파수를 나누어 각각의 주파수에 포함된 에너지 값의 비율이 어떻게 달라지는지 확인해 보았다.
- 우리는 이러한 연구 결과들을 초음파 센서를 기술에 응용하는 연구를 진행하였다. 이 논문에서는 큰갈색박쥐(Big brown bat, Eptesicus fuscus) 가 물체를 탐지하는 방법에 대하여 연구된 최근의 논문을 바탕으로 박쥐의 물체 탐지 방법을 응용하고자 한다.
제안 방법
- 본 논문에서는 FM 초음파 신호를 SensComp사의 정전형 방식의 초음파 센서를 사용하여 초음파 발신회로를 구성하였다. ATmega128의 PWM발생 기능을 이용하여 신호의 주파수가 90 kHz~40 kHz로 선형적으로 감소하는 약 3 ms 길이의 FM 신호를 발생시켰으며, 정전형 방식의 초음파 센서의 경우 초음파를 발신하기 위하여 높은 구동 전압을 요구하므로 승압회로를 이용하여 FM 신호를 증폭하였다. 물체에 반사된 초음파를 감지하기 위하여 광대역 초음파 센서를 사용하였고 Data aquisition board를 이용하여 신호를 컴퓨터로 수신하여 Matlab 소프트웨어를 통하여 신호를 처리할 수 있도록 하였다.
- 하지만 주파수에 따라서 에너지가 감소되는 비율이 다른 것을 확인할 수 있다. 각각의 주파수 범위에서 물체가 위치한 각도가 증가함에 따라 감소되는 에너지 비율을 확인하기 위하여 우리는 각각의 주파수 대역별로 에너지 값을 정규화 한 후 그 결과를 비교하여 보았다.
- 또한 기존의 물체보다 작은 크기의 물체(30 mm × 55 mm × 75 mm 크기의 직육면체)에 대해서도 α값을 구하여 보았다.
- 물체의 위치가 정면에서 벗어날수록 초음파 신호의 높은 주파수성분의 세기가 낮은 주파수성분의 세기보다 높은 비율로 감소되었으며 이러한 비율을 미리 알고 있을 경우 반사되어 돌아온 신호가 대략적으로 어떤 각도에서 반사되어 돌아온 신호인지 판단할 수 있음을 확인하였다. 또한 상호상관(cross-correlation)을 이용하여 여러 물체가 존재하는 조건에서 각각의 물체에 반사된 신호의 고주파수 성분과 저주파수 성분의 비율을 판단하는 방법을 제안하였다.
- ATmega128의 PWM발생 기능을 이용하여 신호의 주파수가 90 kHz~40 kHz로 선형적으로 감소하는 약 3 ms 길이의 FM 신호를 발생시켰으며, 정전형 방식의 초음파 센서의 경우 초음파를 발신하기 위하여 높은 구동 전압을 요구하므로 승압회로를 이용하여 FM 신호를 증폭하였다. 물체에 반사된 초음파를 감지하기 위하여 광대역 초음파 센서를 사용하였고 Data aquisition board를 이용하여 신호를 컴퓨터로 수신하여 Matlab 소프트웨어를 통하여 신호를 처리할 수 있도록 하였다. 구성한 발신부와 수신부는 그림 1과 같다.
- 반사된 신호의 주파수 특성을 확인하기 위하여 우리는 각각의 거리와 각도에 물체를 놓고 초음파를 발신하고 수신한 신호 중 물체에 반사되어 돌아온 신호를 시간적으로 분리하고 그 신호에 푸리에 변환을 하였다. 그림 4는 물체가 초음파 센서로부터 90 cm거리에 정면에 위치하여 있을 때 물체로부터 반사된 신호의 파워 스펙트럼 밀도(power spectral density) 이다.
- 일반적으로 사용되는 피에조 초음파 센서는 특정한 주파수에 맞추어져 있어 CF 초음파 신호를 발신하기에는 적합하나 FM 초음파 신호를 발신할 수 없다는 단점이 있다. 본 논문에서는 FM 초음파 신호를 SensComp사의 정전형 방식의 초음파 센서를 사용하여 초음파 발신회로를 구성하였다. ATmega128의 PWM발생 기능을 이용하여 신호의 주파수가 90 kHz~40 kHz로 선형적으로 감소하는 약 3 ms 길이의 FM 신호를 발생시켰으며, 정전형 방식의 초음파 센서의 경우 초음파를 발신하기 위하여 높은 구동 전압을 요구하므로 승압회로를 이용하여 FM 신호를 증폭하였다.
- 세 개의 반사체에서 반사된 신호(센서로부터 각각 90, 70, 50 cm 거리와 0°, 20°, 40° 각도에위치).
- 실험 환경(센서로부터 각각 90, 70, 50 cm 거리와 0°, 20°, 40° 각도에 위치, 40° 각도에 가장 큰 물체를 두었고 0°에 가장 작은 물체를 두었다).
- 우리는 먼저 물체가 위치한 각도에 따라 물체에 반사된 초음파 신호의 주파수 분포가 어떻게 변하는지 알아보는 첫 번째 실험을 진행하였고 그 후에 이 실험에서 확인한 결과를 이용하여 물체가 정면에 있는지 측면에 있는지를 판단하는 두 번째 실험을 진행하였다.
- 이러한 이유로 박쥐의 초음파 시스템에 대한 연구는 어떤 종의 박쥐를 연구하였는지에 따라 다르며, 박쥐가 사용하는 다양한 물체 탐지 전략들에 대한 연구들이 있다[5-7]. 우리는 이러한 연구 결과들을 초음파 센서를 기술에 응용하는 연구를 진행하였다. 이 논문에서는 큰갈색박쥐(Big brown bat, Eptesicus fuscus) 가 물체를 탐지하는 방법에 대하여 연구된 최근의 논문을 바탕으로 박쥐의 물체 탐지 방법을 응용하고자 한다.
- 그림 3의 스펙트로그램에서 확인할 수 있듯이 각각의 신호의 주파수는 90 kHz에서 시작하여 40 kHz로 선형적으로 감소하는 신호임을 알 수 있다. 우리는 첫 번째 실험을 위하여 하나의 반사체가 위치한 거리와 각도를 바꾸어 가면서 반사체의 매 위치에서 반사되어 돌아오는 신호를 측정하였으며 두 번째 실험을 위하여 초음파 발신부 주변에 여러 개의 물체를 두고 초음파 신호를 수집하였다.
- 우리는 초음파 센서로부터 70 cm의 거리와 0° , 20° 각도에 대해서 앞에서 사용한 것과 같은 크기의 물체를 이용하여 물체의 방향을 바꾸어 가면서 초음파를 발신 수신하여 앞에서와 같은 방법으로 α값을 구하였다.
- 일반적으로 반사체의 거리가 큰 차이가 없을 때에는 물체가 정면에 있을수록 반사되어 돌아오는 초음파 신호의 진폭이 크지만 이번 실험에는 크기가 각각 다른 세 개의 반사체를 사용하였기 때문에 진폭에 큰 차이가 없었다(40°에 가장 큰 물체를 두었고 0°에 가장 작은 물체를 두었다).
- 첫 번째 실험에서는 물체가 위치한 각도에 따라 물체에 반사된 FM 초음파 신호의 주파수 분포가 어떻게 바뀌는지 알아보기 위하여 물체와 초음파 센서와의 거리를 50 cm부터 100 cm까지 10 cm 간격으로 변화시키고 물체가 위치한 각도 또한 정면에서 40°까지 10° 간격으로 물체의 위치를 바꾸어 가며 각각에 위치에 물체가 있을 때 반사되어 돌아오는 초음파 신호를 측정하였다.
- 이 결과로부터 3개의 물체에서 반사된 신호가 수신된 시간은 확인할 수 있으나 어떤 물체가 초음파 센서의 정면에 있고 어떤 물체가 측면에 잇는지는 판단하는 것은 불가능할 것이다. 하지만 첫 번째 실험에서 확인하였듯이 정면에 위치한 물체에서 반사된 초음파 신호가 측면에 위치한 물체에서 반사된 신호보다 고주파수 성분이 많기 때문에 이 성질을 이용하기 위하여 이번에는 발신된 초음파의 신호 중 고주파수 성분인 65 kHz ~ 90 kHz 의 주파수를 갖는 신호의 일부와 그림 6의 그래프에서 4ms 이후 신호에 해당하는 신호를 상호상관 하였다.
대상 데이터
- 우리는 FM 초음파를 발신하는 하드웨어를 구성하여 실험을 진행하였다. 실험을 통하여 물체가 위치한 각도에 따라서 물체에 반사되는 FM 신호의 주파수 특성이 변하는 것을 확인하였다.
이론/모형
- 반사체의 특성 외에 α의 변화에 영향을 줄 수 있는 요인으로 노이즈를 생각해 볼 수 있다. 앞의 실험에서는 반사되어 돌아온 신호에서 각각의 주파수 대역에 포함된 에너지를 구하기 위하여 푸리에 변환을 사용하였다. 하지만 물체가 비스듬히 놓여 있거나 물체의 크기가 작은 경우 그림 6에서처럼 수신되는 초음파 신호의 세기가 약하기 때문에 푸리에 변환을 이용할 경우 노이즈에 영향을 크게 받을 수 있을 것이다.
성능/효과
- 약 1200여 종의 다양한 박쥐 종이 있는 것으로 알려져 있으며 이는 포유류 전체 종의 약 20%를 차지한다[4]. 각각의 박쥐 종은 그들이 서식하는 환경 조건에 맞추어 진화하였으며 박쥐가 초음파를 이용하여 장애물 회피, 먹이 탐색 및 사냥, 네비게이션 등의 고차원적인 행동을 수행하는 것을 보았을 때 박쥐의 초음파 시스템은 현재 공기 중에서 사용되는 초음파 시스템보다 기술적인 면에서 뛰어난 시스템이라고 생각할 수 있다.
- 본 논문에서 우리는 박쥐의 먹이 탐지 전략을 모방하여 초음파 탐지 기술에 적용시켜 보았다. 광대역 FM 초음파를 발신한 후 물체에 반사되어 돌아오는 신호의 고주파수 성분과 저주파수 성분의 비율의 측정을 통해 물체가 초음파 발신부로부터 정면에 있는지 측면에 있는지를 판단할 수 있음을 확인하였다. 고주파수 성분과 저주파수 성분의 비율을 알고 있다면 하나의 초음파 센서로도 물체가 위치한 각을 대략적으로 추정할 수 있다.
- 즉 그림 9(a)는 발신한 신호와 수신한 신호를 상호상관한 결과이므로 세 개의 물체에 반사되어 돌아온 신호의 전체 에너지에 상대적인 양을 보여주는 것이고 그림 9(b)는 발신한 신호의 65 kHz ~ 90 kHz에 해당하는 신호와 전체 스펙트럼에 걸쳐 수신한 신호를 상호상관한 결과이므로 반사되어 돌아온 신호의 65 kHz ~ 90 kHz에 해당하는 에너지에 상대적인 양을 보여주는 결과이다. 따라서 두 결과를 비교할 경우 어떠한 신호가 상대적으로 65 kHz ~ 90 kHz에 해당하는 에너지가 많이 감소하였는지 감소하지 않았는지를 확인할 수 있으며 이를 이용하여 어떤 물체가 더 정면과 가까운 각도에 있는지 아니면 측면에 있는지를 확인할 수 있다.
- 고주파수 성분과 저주파수 성분의 비율을 알고 있다면 하나의 초음파 센서로도 물체가 위치한 각을 대략적으로 추정할 수 있다. 또한 우리는 각각의 물체에서 발사되어 돌아온 신호가 겹치는 상황에서도 반사되어 돌아온 신호의 주파수 성분 비율을 사용하여 물체의 위치를 추정하는 것이 가능함을 보였다.
- 물체가 위치한 각도 외에 α에 영향을 주는 다른 요인이 있으나 실험을 통하여 물체의 크기나 물체의 방향과 같은 요인이 α값에 미치는 영향보다는 물체의 각도가 α값에 미치는 영향이 큰 것으로 판단하였다.
- 그림 5는 물체와의 거리가 50 cm일 때, 70 cm 일 때, 90cm일 때의 세 가지 경우에 대해서 정면을 기준으로 물체가 위치한 각도가 커짐에 따라 에너지가 감소하는 비율을 살펴본 결과이다. 물체의 거리에 따라 약간의 차이는 있으나 물체에 반사되어 돌아온 신호의 40 kHz ~ 60 kHz의 주파수에 해당하는 에너지는 60 kHz 이상의 주파수에 해당하는 에너지보다 더 빠르게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 즉 반사되어 돌아온 신호의 40 kHz ~ 60 kHz의 주파수에 해당하는 에너지와 60 kHz 이상의 주파수에 해당하는 에너지의 비율을 식 (1)과 같이 α로 정의하면 α값은 물체가 위치한 각도에 따라 변하게 될 것이다.
- 실험을 통하여 물체가 위치한 각도에 따라서 물체에 반사되는 FM 신호의 주파수 특성이 변하는 것을 확인하였다. 물체의 위치가 정면에서 벗어날수록 초음파 신호의 높은 주파수성분의 세기가 낮은 주파수성분의 세기보다 높은 비율로 감소되었으며 이러한 비율을 미리 알고 있을 경우 반사되어 돌아온 신호가 대략적으로 어떤 각도에서 반사되어 돌아온 신호인지 판단할 수 있음을 확인하였다. 또한 상호상관(cross-correlation)을 이용하여 여러 물체가 존재하는 조건에서 각각의 물체에 반사된 신호의 고주파수 성분과 저주파수 성분의 비율을 판단하는 방법을 제안하였다.
- 그림 10(a)는 큰 갈색 박쥐가 발신하는 초음파 신호를 보여주는데 큰 갈색 박쥐는 FM1과 FM2로 이루어진 하모닉 초음파 신호를 발신한다. 실험 결과에서 확인하였듯이 반사체의 위치가 초음파 발신부의 정면에서 벗어날수록 반사체에 반사 되어 돌아온 초음파 신호의 고주파수 성분이 크게 감쇠되는 것을 확인할 수 있었다. 그림 10(b)에서처럼 박쥐의 정면에 먹이가 있고 측면에 복잡한 반사체가 있을 경우 정면에서 반사되어 돌아온 신호와 측면에서 반사된 신호가 겹치게 되어 어떤 신호가 먹이에서 반사되어 돌아온 신호인지 알 수 없게 된다.
- 우리는 FM 초음파를 발신하는 하드웨어를 구성하여 실험을 진행하였다. 실험을 통하여 물체가 위치한 각도에 따라서 물체에 반사되는 FM 신호의 주파수 특성이 변하는 것을 확인하였다. 물체의 위치가 정면에서 벗어날수록 초음파 신호의 높은 주파수성분의 세기가 낮은 주파수성분의 세기보다 높은 비율로 감소되었으며 이러한 비율을 미리 알고 있을 경우 반사되어 돌아온 신호가 대략적으로 어떤 각도에서 반사되어 돌아온 신호인지 판단할 수 있음을 확인하였다.
- 여러 가지 방법으로 α값을 계산해 본 결과 실험에 사용한 40 kHz ~90 kHz의 FM 신호의 중간 대역인 60 kHz ~70 kHz의주파수 성분을 사용하지 않았을 때 각도에 따른 α값의 변화가 더 명확해짐을 확인하였다.
- 이 실험으로부터 물체의 각도 외에 물체의 크기나 방향과 같은 반사체의 특성 또한 수신된 신호의 α값에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다.
- 표 2에서 물체가 70 cm 0°의 각도에 있을 때 α값은 42였으나 물체의 각도를 바꿀 경우 최대 133까지 값이 증가하였으며, 70 cm 20°에 있을 때 α값은 1059였으나 물체의 각도를 바꿀 경우 457~3600 사이에서 값이 변하였다.
- 표에서 확인할 수 있듯이 50 cm ~100 cm의 모든 경우에 대해서 정면을 기준으로 물체가 위치한 각이 커질수록 모든 주파수대의 신호의 에너지가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 하지만 주파수에 따라서 에너지가 감소되는 비율이 다른 것을 확인할 수 있다.
후속연구
- 마지막으로 박쥐의 경우 초음파를 수신하는 귀나 초음파가 발신되는 코의 모양이 특이한 형태를 가지고 있으며 이러한 귀나 코의 형태는 수신한 초음파 신호의 주파수 비율에 영향을 줄 수 있는 것으로 알려져 있다. 따라서 반사된 신호의 주파수에 따른 비율을 통하여 물체의 위치를 추정하는 데에 있어서 박쥐의 귀, 코의 모양이 미치는 영향에 대해서도 연구할 필요가 있을 것이다.
- 본 논문에서는 50 cm ~100 cm의 비교적 짧은 범위 내에서 대해서 실험을 진행하였기 때문에 주파수에 따른 초음파의 감쇠율을 생각 하지 않았으나 1 m 이상의 넓은 범위에 대해서 응용하기 위해서는 주파수에 따른 감쇠율이 α값에 미치는 영향에 대한 실험을 통해 감쇠율 역시 고려해야 할 것이다. 또한 상호상관을 통한 수신된 신호의 비율 측정 방법을 이용하여 먼 거리의 물체를 측정할 때에 나타나는 초음파 신호의 세기 감소에 따른 노이즈 문제를 해결할 수 있을 것이다.
- 본 논문에서는 50 cm ~100 cm의 비교적 짧은 범위 내에서 대해서 실험을 진행하였기 때문에 주파수에 따른 초음파의 감쇠율을 생각 하지 않았으나 1 m 이상의 넓은 범위에 대해서 응용하기 위해서는 주파수에 따른 감쇠율이 α값에 미치는 영향에 대한 실험을 통해 감쇠율 역시 고려해야 할 것이다.
- 일반적으로 초음파 센서는 단순한 처리 과정을 거쳐 장애물이 있는지 없는지 여부를 판단하거나 물체의 대략적인 거리를 측정하는 용도로 간단하게 사용된다. 하지만 로봇에 사용할 수 있는 자원에 제한이 있다는 것을 생각한다면 로봇에 사용되는 센서들을 가능한 한 최대로 이용하는 것이 바람직할 것이다. 이러한 관점에서 초음파 센서를 효율적으로 활용하기 위한 기존의 연구들이 있어 왔다[1-3].
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