[논문]초음파 이용 거리측정을 위한 센서 개발에 관한 연구

박근철; 이승희; 박창수; 김동원; 김원택; 전계록

doi:10.5369/jsst.2014.23.1.46

초음파 이용 거리측정을 위한 센서 개발에 관한 연구
Study on the Development of Sensors for Distance Measure Using Ultrasonic 원문보기

Journal of sensor science and technology = 센서학회지, v.23 no.1, 2014년, pp.46 - 50

박근철 (부산대학교 의학전문대학원 의공학협동과정) , 이승희 (부산대학교 병원 방사선종양학과) , 박창수 (부경대학교 IT 융합응용공학과) , 김동원 (부산대학교 병원 방사선종양학과) , 김원택 (부산대학교 병원 방사선종양학과) , 전계록 (부산대학교 의학전문대학원 의공학협동과정)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we report a novel algorithm based on phase displacement, which supplements conventional TOF methods for distance measurement using an ultrasonic wave. The proposed algorithm roughly measures the distance between the transmission part and the receiving part by using the initial TOF. Thereafter, the precise distance is determined by measuring the phase displacement value between the synchronizing transmission signal and the signal obtained at the receiving end. A distance measurement experiment using a micrometer was performed to verify the accuracy of the ultrasonic wave sensor system. We found that the mean errors from the one adopting the distance measurement algorithm based on phase displacement varied from a minimum of 0.03 mm to a maximum of 0.09 mm. In addition, the standard deviation varied from a minimum of 0.04 mm to a maximum of 0.07 mm, thus giving a precision of ${\pm}0.1$ mm.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 TOF 방법의 단점을 배제시킬 수 있고 간단하게 구성할 수 있는 위상 변위 기반 거리 측정 알고리즘을 제안한다. 제안하는 위상 변위 기반 거리 측정 알고리즘은 초기 TOF를 사용하여 송신부와 수신부의 거리를 개략적으로 측정한 후, 송신 동기 신호와 초음파 센서의 수신부에서 얻은 신호 사이의 위상 변위 값을 측정하여 정밀하게 거리를 측정한다.
본 논문은 초음파를 이용한 거리 측정을 위해 기존 방식인 TOF 방식을 보완한 위상 변위를 기반으로 한 새로운 알고리즘을 제안한다. 본 논문에서 제안하는 알고리즘은 초기 TOF를 사용하여 송신부와 수신부 사이의 거리를 개략적으로 측정한다.

가설 설정

전기, 적외선, 그리고 전파는 빛의 속도에 가까운 10⁸m/s의 매우 빠른 값을 가지고 송신 초음파 신호는 10²m/s의 속도로 전달된다. 따라서 송신 동기 신호가 송신 초음파 신호보다 10⁶배 빠르므로 송신부에서 동기 신호 발생과 동시에 수신부에 도달한다고 가정하였다.

제안 방법

ATmega128의 PWM 기능을 사용하여 40 kHz의 주파수를 생성하기 위해 ATmega128의 카운터 레지스터를 연속적으로 증가시키고, 설정 레지스터 값과 같아지면 출력 핀을 반전시키는 타이머가 작동되도록 프로그램 하였다. ATmega128의 동작 주파수 16 MHz를 사용하여 40 kHz 주파수 생성을 위해 식 (8)을 적용한 결과를 설정 레지스터에 저장한다.
또한, 제안한 알고리즘을 기반으로 거리를 정밀하게 측정할 수 있는 초음파 센서 시스템을 구현하였다. 구현된 초음파 센서 시스템은 ATmega128마이크로컨트롤러를 사용하여 하드웨어를 구현하고, 제안 알고리즘을 수행할 소프트웨어를 구현하였다.
본 논문에서 제안하는 알고리즘은 초기 TOF를 사용하여 송신부와 수신부 사이의 거리를 개략적으로 측정한다. 그 후 송신 동기 신호와 수신부에서 얻은 신호 사이의 위상 변위 값을 측정하여 거리를 정밀하게 구한다. 또한, 제안한 알고리즘을 기반으로 거리를 정밀하게 측정할 수 있는 초음파 센서 시스템을 구현하였다.
제안하는 위상 변위 기반 거리 측정 알고리즘은 초기 TOF를 사용하여 송신부와 수신부의 거리를 개략적으로 측정한 후, 송신 동기 신호와 초음파 센서의 수신부에서 얻은 신호 사이의 위상 변위 값을 측정하여 정밀하게 거리를 측정한다. 그리고 본 논문에서 제안하는 알고리즘을 기반으로 거리를 측정할 수 있는 초음파 센서 시스템의 하드웨어와 소프트웨어를 구현하였다.
초음파 센서의 송신부에서 발생시키는 초음파 신호의 각 주기별 시작 지점마다 송신 동기 신호를 변조시켜 전송한다. 그후 수신부에서 얻은 초음파 신호의 위상 변위 값을 산출하여 거리를 측정한다. 본 논문에서 제안하는 방법을 도식화하여 Fig.
그 후 송신 동기 신호와 수신부에서 얻은 신호 사이의 위상 변위 값을 측정하여 거리를 정밀하게 구한다. 또한, 제안한 알고리즘을 기반으로 거리를 정밀하게 측정할 수 있는 초음파 센서 시스템을 구현하였다. 구현된 초음파 센서 시스템은 ATmega128마이크로컨트롤러를 사용하여 하드웨어를 구현하고, 제안 알고리즘을 수행할 소프트웨어를 구현하였다.
실험은 각 거리별로 10회씩 측정하여 평균값을 계산하였다. 마이크로미터를 회전시켜 송신 동기 신호와 수신 초음파 신호의 차이를 표시하는 FND의 값을 0에서 600까지 변화 시켰다. 이 때 FND의 값이 50의 배수를 나타내면 마이크로미터의 회전을 멈추고 마이크로미터의 거리를 기록하였다.
발생시킨 초음파 신호는 트랜지스터를 거쳐 5V의 전압레벨에서 9V의 전압레벨로 변환하였다. 변환된 초음파 신호는 2단계의 반전 집적 회로(inverted integrated circuit)를 사용하여 초음파 신호의 위상은 동일하면서 신호는 안정적으로 발생되도록 하였다.
따라서 거리 측정의 정밀도는 이 시간을 어느 정도의 분해능으로 구분하는가에 따라 정해진다. 본 논문에서 송신 동기 신호와 수신된 초음파 신호의 위상 변위 값은 마이크로컨트롤러에 내장되어 있는 카운터를 자동으로 증가시키고, 외부의 입력 값이 변화하는 순간의 카운터 값을 메모리에 저장하는 캡쳐 기능을 사용하여 구하였다. 이를 위해 ATmega128 마이크로컨트롤러를 16 MHz로 동작 시켜 사용하였다.
본 논문에서 제안하는 알고리즘은 송신 동기 신호와 초음파 센서의 수신부에서 얻은 신호 사이의 위상 변위 값을 시작지점의 시간으로 나타낼 수 있다. 초음파 신호의 한 파장의 시간은 식 (5)로 구할 수 있다.
본 논문은 초음파를 이용한 거리 측정을 위해 기존 방식인 TOF 방식을 보완한 위상 변위를 기반으로 한 새로운 알고리즘을 제안한다. 본 논문에서 제안하는 알고리즘은 초기 TOF를 사용하여 송신부와 수신부 사이의 거리를 개략적으로 측정한다. 그 후 송신 동기 신호와 수신부에서 얻은 신호 사이의 위상 변위 값을 측정하여 거리를 정밀하게 구한다.
본 논문에서 제안한 위상 변위 기반 알고리즘을 적용한 초음파 센서 시스템은 0.1 mm 내외의 정밀도를 나타내었다. 일반 사용제품이 1 mm 이상의 정밀도를 나타내는데 비해 제안하는 시스템의 정밀도가 훨씬 뛰어나다.
실험은 초음파 센서 송수신부 사이의 거리를 100, 200, 300, 400 mm로 설정하고 거리에 따른 초음파 센서 송수신 신호 사이의 위상천이 값을 측정하였다. 실험은 각 거리별로 10회씩 측정하여 평균값을 계산하였다.
그리고 음압도 동작 주파수 근처에서 117 dB로 가장 높게 나타난다. 이 센서는 특정 주파수 대역만 통과 시키는 대역통과 필터의 기능을 수행한다고 볼 수 있으므로 본 논문에서는 별도의 대역 통과 필터를 사용하지 않았다. 수신부는 수신된 초음파 신호를 전기적인 신호로 변환하여 제공하지만 신호의 세기가 몇 mV로 미약하므로 캡쳐 신호로 제공하기 위해서 증폭 시켜야 한다.
본 논문에서는 TOF 방법의 단점을 배제시킬 수 있고 간단하게 구성할 수 있는 위상 변위 기반 거리 측정 알고리즘을 제안한다. 제안하는 위상 변위 기반 거리 측정 알고리즘은 초기 TOF를 사용하여 송신부와 수신부의 거리를 개략적으로 측정한 후, 송신 동기 신호와 초음파 센서의 수신부에서 얻은 신호 사이의 위상 변위 값을 측정하여 정밀하게 거리를 측정한다. 그리고 본 논문에서 제안하는 알고리즘을 기반으로 거리를 측정할 수 있는 초음파 센서 시스템의 하드웨어와 소프트웨어를 구현하였다.
초음파 센서 시스템 검증을 위하여 마이크로미터를 사용한 거리측정 실험을 수행하였다. 기존 TOF 방식을 사용한 거리 측정 결과와 위상 변위 기반 알고리즘을 사용한 거리 측정 결과를 비교했을 때 위상 변위 기반 거리측정 알고리즘을 적용한 것의 오차평균이 최대 0.
ATmega128 보드에는 송신 동기 신호와 수신 초음파 신호의 카운터 값 차이를 표시하기 위해 FND를 장착하였다. 초음파 송신부는 거치대에 고정 시키고 수신부는 정밀한 거리 조정을 위해 마이크로미터에 장착하여 송수신부 사이의 거리를 측정하였다. 실험에사용한마이크로미터는 0.

대상 데이터

수신부는초음파센서 400STR100(Pro-Wave Electronic Co., Taiwan)을 사용하였다. 이 센서는 고유 동작 주파수가 40 kHz이며 민감도가 이 주파수에서 65 dB로 가장 높다.

데이터처리

실험은 초음파 센서 송수신부 사이의 거리를 100, 200, 300, 400 mm로 설정하고 거리에 따른 초음파 센서 송수신 신호 사이의 위상천이 값을 측정하였다. 실험은 각 거리별로 10회씩 측정하여 평균값을 계산하였다. 마이크로미터를 회전시켜 송신 동기 신호와 수신 초음파 신호의 차이를 표시하는 FND의 값을 0에서 600까지 변화 시켰다.

이론/모형

위상 변위 기반 거리 측정 알고리즘을 이용한 초음파 센서 시스템의 제어를 위해 ATmega128 마이크로컨트롤러를 사용하였다. TOF와 위상 변위 값은 ATmega128의 외부인터페이스용 타이머를 이용하는 캡쳐 기능을 사용하였다.

성능/효과

따라서 1 mm 내외의 정밀도를 나타내는 일반 상용화 제품들에 비해 위상 변위 기반 거리측정 알고리즘을 적용한 시스템의 정밀도가 훨씬 뛰어남을 알 수 있다. 그리고 초음파가 주위 환경에 민감한 반응을 하는 점을 고려할 때 본 논문에서 제안한 알고리즘을 적용한 시스템이 정확성과 신뢰도를 높일 수 있어 더욱 효과적이라 판단된다.
초음파 센서 시스템 검증을 위하여 마이크로미터를 사용한 거리측정 실험을 수행하였다. 기존 TOF 방식을 사용한 거리 측정 결과와 위상 변위 기반 알고리즘을 사용한 거리 측정 결과를 비교했을 때 위상 변위 기반 거리측정 알고리즘을 적용한 것의 오차평균이 최대 0.09 mm, 최소 0.03 mm를 나타내었다. 그리고 표준편차는최대 0.
1 mm 내외의 정밀도를 가지는 것을 알 수 있다. 따라서 1 mm 내외의 정밀도를 나타내는 일반 상용화 제품들에 비해 위상 변위 기반 거리측정 알고리즘을 적용한 시스템의 정밀도가 훨씬 뛰어남을 알 수 있다. 그리고 초음파가 주위 환경에 민감한 반응을 하는 점을 고려할 때 본 논문에서 제안한 알고리즘을 적용한 시스템이 정확성과 신뢰도를 높일 수 있어 더욱 효과적이라 판단된다.
수신부는 수신된 초음파 신호를 전기적인 신호로 변환하여 제공하지만 신호의 세기가 몇 mV로 미약하므로 캡쳐 신호로 제공하기 위해서 증폭 시켜야 한다. 본 논문에서는 최소 261배에서 최대 1327배까지 증폭시켰다.
실험 결과 오차는 100 mm에서 최대 0.15 mm, 200 mm에서 최대 0.11 mm, 300 mm에서 최대 0.17 mm, 400 mm에서 최대 0.15 mm 발생 하였다. 각 거리에서 오차평균은 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무엇을 사용하여 송신 동기 신호를 전송하는가?	송신 동기 신호는 유선방식, 적외선 또는 무선 주파수를 사용하여 전송한다. 유선방식은 전기의 속도, 적외선은 빛의 속도, 무선 주파수는 전파의 속도로 전달된다.
	본 연구에서 제안하는 초음파를 이용한 거리 측정 알고리즘은 무엇인가?	본 논문은 초음파를 이용한 거리 측정을 위해 기존 방식인 TOF 방식을 보완한 위상 변위를 기반으로 한 새로운 알고리즘을 제안한다. 본 논문에서 제안하는 알고리즘은 초기 TOF를 사용하여 송신부와 수신부 사이의 거리를 개략적으로 측정한다. 그 후 송신 동기 신호와 수신부에서 얻은 신호 사이의 위상 변위 값을 측정하여 거리를 정밀하게 구한다. 또한, 제안한 알고리즘을 기반으로 거리를 정밀하게 측정할 수 있는 초음파 센서 시스템을 구현하였다.
	TOF(Time-of-Flight)법은 무엇인가?	초음파를 이용해서 거리 정보를 알아내기 위해서는 초음파를 발생 시켜 송신하는 부분과 송신된 초음파를 수신하는 부분으로 구성하고 펄스파 또는 연속파를 사용한다. 연속파를 사용한 거리 측정은 송신부에서 초음파를 전송한 순간부터 수신부에 그 파가 도착한 순간의 시간 경과를 계산하여 수행한다[6-8]. 이 거리 측정 방법을 일반적으로 TOF(Time-of-Flight)법이라고 한다. TOF를 측정하는 방법은 임계값 검출 기법[9], 포락선 추정 기법[10], 주파수 인식 기법[11] 등이 적용되고 있다.

참고문헌 (12)

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상세보기
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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