[논문]초음파 센서를 이용한 모션 인식 차량 통합 제어 장치의 제작 및 실험

나영민; 박종규; 이현석; 강태훈

doi:10.5369/jsst.2015.24.3.175

초음파 센서를 이용한 모션 인식 차량 통합 제어 장치의 제작 및 실험
Fabrication and Experiment of Ultrasonic Sensor Integrated Motion Recognition Device for Vehicle Manipulation 원문보기

Journal of sensor science and technology = 센서학회지, v.24 no.3, 2015년, pp.175 - 180

나영민 (창원대학교 기계공학부) , 박종규 (창원대학교 기계공학부) , 이현석 (창원대학교 기계공학부) , 강태훈 (창원대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Worldwide, studies on intelligent vehicles for the convenience of drivers have been actively conducted as the number of cars has increased. However, vehicle convenience enabled by buttons lowers the concentration on driving and hence poses as a huge threat to the safety of the driver. The use of one of the convenient features, impaired driving auxiliary equipment, is limited because of its complex usage, and this device also hinders the front view of the driver. This paper proposes a vehicle-control device for controlling the convenient features as well as changes in speed and direction using gestures and motions of the driver. This device consists of an ultrasonic sensor for recognizing movement, an arduino for accepting signal control functions and servo and DC motors apply to various vehicle parts. Firstly, the vehicle-control device was designed using a 3D CAD program known as Solid-works based on the size of the steering wheel. Then, through simulations, a suitable length for minimizing the absorbent between ultrasonic sensors was confirmed using a program known as COMSOL Multiphysics. Finally, simulation results were verified through experiments, and the optimal size of the device was identified through the number of errors.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

실제 차량의 크기를 기준으로 장치를 설계하고 이를 바탕으로 초음파 센서의 배치를 내측 8 개, 외측 10 개로 설정하였다. 그리고 본 시스템에서 아두이노가 차량 기능을 작동시키기 위한 구동 알고리즘을 고안하였다. 또한 초음파 센서 사이에 존재하는 신호 간섭을 막기 위해 흡음재를 설치하였으며, 다물리 해석을 통해 높이가 40 mm일 때 음파의 세기가 가장 강하다는 것을 확인하였다.
따라서 본 논문에서는 차량 보조 기능 제어, 속도 조절 페달 그리고 조향 장치를 운전자의 동작으로 제어하는 차량 통합 제어 시스템을 제안 하고자 한다. 먼저 차량 스티어링 휠의 크기, 초음파 센서의 특성과 인식범위, 그리고 구동 방식 등을 고려하여 설계하였다.
기존의 운전대를 이용한 자동차의 조향장치는 운전자의 고도의 집중력이 필요하며 장애인과 같이 손이 불편한 운전자에게는 조향에 어려움을 줄 수 있다. 따라서 본 연구에서는 자동차의 다양한 운전 기능을 운전자의 모션을 통해 조작할 수 있는 장치를 고안하였다.
초음파 센서의 인식 범위가 넓을 경우 인접한 센서와의 간섭 현상이 발생할 수 있으며 이는 차량의 오작동으로 이어진다. 따라서 센서의 직진성을 확인하기 위해 초음파 센서가 손을 인식하는 수평거리를 측정하였다. 실험 방법은 Fig.
또한 실제 차량에 적용하기에 앞서 차량 기능 작동여부를 확인하기 위해 모형 자동차를 대상으로 각 센서에 지정된 기능의 작동 여부를 확인하는 실험을 실시하였다.
본 연구에서는 초음파 센서와 아두이노를 사용하여 운전자의 움직임에 따라 기능을 동작하는 차량 통합 제어 시스템을 연구하였다.

제안 방법

먼저 차량 스티어링 휠의 크기, 초음파 센서의 특성과 인식범위, 그리고 구동 방식 등을 고려하여 설계하였다. 그 후 센서의 인식률을 높이기 위해 초음파 센서의 간섭에 대한 시뮬레이션을 실시하며, 이 결과를 바탕으로 제작한 장치의 실험을 통해 성능평가를 수행하였다.
그 후 해석을 검증하기 위해 흡음재의 높이를 달리하여 인식되는 수평거리를 측정하였다. 실험 결과, 40 mm의 흡음재 높이에서 최소의 인식 수평 거리인 0.
본 설계는 중형차 운전대의 크기에 기초하여 지름을 380 mm로 설정하였다. 그리고 깊이를 100 mm, 케이스의 두께 3 mm, 초음파 센서인식 구간을 60 mm로 지정하였다.
해석 조건으로는 초음파의 속도를 상온(20°C)에서의 음파 속도인 343 m/s로 설정했다. 그리고 흡음재의 높이를 센서를 두른원형 알루미늄의 높이인 15 mm부터 43 mm까지 1mm간격으로 늘리면서 Frequency Domain해석을 실시하였다. 또한 해석 모델의 크기를 고려하여 메시를 Free Triangular모델을 사용하였으며 최대 0.
그리고 센서의 감지 정도는 음파의 세기와 연결되어 있으며 이는 음압으로 나타낼 수 있다. 따라서 센서의 읍압을 확인하기 위해 Pressure Acoustics, Frequency Domain과 Solid Mechanics, Electrostatics, Acoustic-Structure Boundary 그리고 Piezoelectric Effect 모듈을 이용하였다. 또한 초음파를 발생시키는 압전 소자의 크기와 알루미늄, 흡음재의 두께 등, 해석에서 설정한 주요 인자의 크기는 Fig.
앞서 흡음재의 설치를 통해 초음파 센서 사이의 간섭을 최소화하였으며 해석을 통해 흡음재의 최적 높이를 도출했다. 따라서 해석 결과를 검증하기 위해 초음파 센서와 운전자의 손 사이의 수평거리 즉, 인식 범위 측정 실험을 실시하였으며 간섭으로 인한 오작동 횟수 또한 확인하였다.
9 와 같이 실제 장치에서 손을 인식하는 평균 높이인 40 mm 에서 실시하였으며, 센서의 오른쪽에서 왼쪽으로 손을 이동 시킬 때 최초로 인식되는 지점과 센서 사이의 수평거리를 확인하였다. 또한 신호 간섭으로 인한 인접 센서의 감지 횟수 를 측정하였다.
그리고 흡음재의 높이를 센서를 두른원형 알루미늄의 높이인 15 mm부터 43 mm까지 1mm간격으로 늘리면서 Frequency Domain해석을 실시하였다. 또한 해석 모델의 크기를 고려하여 메시를 Free Triangular모델을 사용하였으며 최대 0.2 mm, 최소 0.00135 mm의 요소 크기를 지정하였다.
따라서 본 논문에서는 차량 보조 기능 제어, 속도 조절 페달 그리고 조향 장치를 운전자의 동작으로 제어하는 차량 통합 제어 시스템을 제안 하고자 한다. 먼저 차량 스티어링 휠의 크기, 초음파 센서의 특성과 인식범위, 그리고 구동 방식 등을 고려하여 설계하였다. 그 후 센서의 인식률을 높이기 위해 초음파 센서의 간섭에 대한 시뮬레이션을 실시하며, 이 결과를 바탕으로 제작한 장치의 실험을 통해 성능평가를 수행하였다.
본 논문의 차량 제어 장치에 사용된 초음파 센서의 원리는 Fig. 1과 같이 송신부에서 발생된 음파가 물체에 부딪혀 수신부로 돌아오는 시간을 측정하여 식 (1)을 통해 거리(s)를 계산하고 이를 전기신호로 변경하여 제어장치에 전달한다.
본 논문의 차량 통합 제어기는 센서와 제어장치, 그리고 각 기능에 맞게 입력된 구동 알고리즘에 따라 작동하며 이를 Fig. 4에 나타내었다. 먼저 차량의 시동이 켜지는 것으로 시작하여 시스템은 대기 상태가 되며 잠시 후, 초음파 센서의 감지 유무를 식별한다.
따라서 센서의 직진성을 확인하기 위해 초음파 센서가 손을 인식하는 수평거리를 측정하였다. 실험 방법은 Fig. 9 와 같이 실제 장치에서 손을 인식하는 평균 높이인 40 mm 에서 실시하였으며, 센서의 오른쪽에서 왼쪽으로 손을 이동 시킬 때 최초로 인식되는 지점과 센서 사이의 수평거리를 확인하였다. 또한 신호 간섭으로 인한 인접 센서의 감지 횟수 를 측정하였다.
앞서 해석에서 최소값을 도출한 흡음재의 높이 15 mm, 중간값의 23, 42 mm, 그리고 최대값 높이인 40 mm를 기준 으로 각각 50 번의 반복 실험을 하여 인접 센서간의 신호 간섭 정도를측정하였다.
이 장치는 차량을 제어하는 장치이므로 긴급 상황 시 사고를 예방하기 위해서는 센서간의 간섭을 최소화 시켜 운전자의 움직임을 정확하게 인식해야 한다. 앞서 흡음재의 설치를 통해 초음파 센서 사이의 간섭을 최소화하였으며 해석을 통해 흡음재의 최적 높이를 도출했다. 따라서 해석 결과를 검증하기 위해 초음파 센서와 운전자의 손 사이의 수평거리 즉, 인식 범위 측정 실험을 실시하였으며 간섭으로 인한 오작동 횟수 또한 확인하였다.
본 장치에 적용한 초음파 센서의 송신부와 수신부는 원형이다. 이에 따라 3차원에 비해 해석시간을 단축시킬 수 있는 2 차원 축대칭으로 해석 형상을 모델링하였다.
흡음재를 설치하여 인식범위를 좁혀 센서간의 신호간섭을 최소화 시킨 후 운전자의 움직임에 따른 차량 기능 작동 여부 실험을 실시하였다. 먼저 Fig.

대상 데이터

2는 3차원 CAD 프로그램인 Solidworks를 이용하여 본 연구의 차량 통합 제어기를 설계한 형상이다[10,11]. 본 설계는 중형차 운전대의 크기에 기초하여 지름을 380 mm로 설정하였다. 그리고 깊이를 100 mm, 케이스의 두께 3 mm, 초음파 센서인식 구간을 60 mm로 지정하였다.
5초 에 비해 미소하므로 긴급 상황의 경우 빠른 대처가 요구되는 차량에도 사용 가능하다는 것을 알 수 있다. 본 장치에 사용 된 초음파 센서는 중국 Iteadstudio에서 제작한 HC-SR04이고 사양은 Table 2와 같으며 이 센서를 제어하기 위해 임베디드 시스템 중 하나인 아두이노(Arduino)[9]를 이용하였다.
실제 차량의 크기를 기준으로 장치를 설계하고 이를 바탕으로 초음파 센서의 배치를 내측 8 개, 외측 10 개로 설정하였다. 그리고 본 시스템에서 아두이노가 차량 기능을 작동시키기 위한 구동 알고리즘을 고안하였다.

데이터처리

따라서 앞서 언급한 간섭 현상을 해결하기 위해 본 장치에 흡음재를 설치하여 초음파 센서의 직진성을 강화했다. 또한 설치에 앞서 흡음재의 높이를 선정하기 위해 다물리 해석 프로그램인 COMSOL Multiphysics를 사용하여 음압과의 상관관계를 확인하였다[12].

성능/효과

7에 나타내었다. 따라서 본 장치에 가장 적합한 흡음재의 높이는 40 mm인 것을 확인하였다.
7 cm를 가지며 오작동 횟수는 단 한 번도 측정되지 않았다. 따라서 흡음재를 40 mm로 설정하였으며 모형 자동차 실험을 통해 각각의 센서에 지정된 차량 기능이 구동되는 것을 확인하였다.
그리고 본 시스템에서 아두이노가 차량 기능을 작동시키기 위한 구동 알고리즘을 고안하였다. 또한 초음파 센서 사이에 존재하는 신호 간섭을 막기 위해 흡음재를 설치하였으며, 다물리 해석을 통해 높이가 40 mm일 때 음파의 세기가 가장 강하다는 것을 확인하였다.
그 후 해석을 검증하기 위해 흡음재의 높이를 달리하여 인식되는 수평거리를 측정하였다. 실험 결과, 40 mm의 흡음재 높이에서 최소의 인식 수평 거리인 0.7 cm를 가지며 오작동 횟수는 단 한 번도 측정되지 않았다. 따라서 흡음재를 40 mm로 설정하였으며 모형 자동차 실험을 통해 각각의 센서에 지정된 차량 기능이 구동되는 것을 확인하였다.
제안된 시스템은 초음파 센서를 통해 운전자의 움직임으로 차량 기능을 제어하는 방식이며 조작이 간편하여 일반인뿐만 아니라 장애인에게도 편리한 차량 운행의 기회를 줄 수 있다. 그리고 운전자의 시야를 방해하지 않고 전방 주시의 집중도를 강화하여 사고 발생률이 낮아질 것으로 기대된다.

후속연구

제안된 시스템은 초음파 센서를 통해 운전자의 움직임으로 차량 기능을 제어하는 방식이며 조작이 간편하여 일반인뿐만 아니라 장애인에게도 편리한 차량 운행의 기회를 줄 수 있다. 그리고 운전자의 시야를 방해하지 않고 전방 주시의 집중도를 강화하여 사고 발생률이 낮아질 것으로 기대된다. 또한 운전대의 형상에 국한되지 않고 다양한 형태로 제작할 수 있어 차량 종류의 제한되지 않는 광범위한 적용이 가능 하다.
본 연구를 바탕으로 향후에는 제작한 차량 통합 제어 시스템을 차량에 적용하기 위해 센서의 반응 속도 및 인식률을 향상 시키는 방법을 모색하고, 운행 및 기능 작동 실험을 실시할 것 이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	차량 보조 기능인 장애인 전용 운전 보조 장치의 문제점은?	그리고 다른 형태의 차량 보조 기능인 장애인 전용 운전 보조 장치는 복잡한 조작법으로 인해 손 또는 발이 불편한 사람에게 사용이 제한적이다. 또한 운행 시, 기능을 작동하기 위해서는 운전자의 시선이 전방을 주시하지 못하는 단점이 있다.
	기존의 운전대를 이용한 자동차의 조향장치에서 발생하는 문제점은?	기존의 운전대를 이용한 자동차의 조향장치는 운전자의 고도의 집중력이 필요하며 장애인과 같이 손이 불편한 운전자에게는 조향에 어려움을 줄 수 있다. 따라서 본 연구에서는 자동차의 다양한 운전 기능을 운전자의 모션을 통해 조작할 수 있는 장치를 고안하였다.
	자동 주차 또는 운전 보조 시스템과 같은 지능형 자동차에 관한 연구로 자동차에 추가된 기능에는 어떤 것이 있는가?	전 세계적으로 자동차 등록 수는 매년 증가하는 추세이며, 이에 자동 주차 또는 운전 보조 시스템[1,2]과 같은 지능형 자동차에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다[3,4]. 그 결과로 차량 내부에 블루투스 통화, 전자동 운전석 등과 같은 운전자의 편의성을 위한 기능들이 추가되었다.

참고문헌 (12)

T. J. Yeo, "Technology trend in automotive advanced driver assistance system", Auto journal, Vol. 33 No. 6, pp. 36-43, 2011.
S. Y. Kim, "Intelligent driver assistance systems based on all-around sensing", Journal of the Institute of Elec-tronics Engineers of Korea, Vol. 43 No. 9, pp. 49-59, 2006.
K. S. Lee, "Intelligent vehicles : Next generation activ-e safety and advanced driver assistance systems", Au-to journal, Vol. 28 No. 4, pp. 17-21, 2006.
K. S. Yi and J. Y. Lee, "Vehicle dynamics control applications to automobiles : Survey and some new trends", Journal of Institute of Control, Robotics and Systems, Vol. 20, No. 3, pp. 298-312, 2014.

원문보기 상세보기
B. Barshan, "Fast processing techniques for accurate ultrasonic range measurements", Meas. Sci. Technol., vol. 11, pp. 45-50, 2000.

상세보기
R. Queiros, F. C. Alegria, P. S. Girao, and A. C. Serra, "Cross-correlation and sine-fitting techniques for high resolution ultrasonic ranging", IEEE Trans. Instrum. Meas., Vol. 59, No. 12, pp. 3227-3236, 2010.

상세보기
D. T. Blackstock, Fundamentals of Physical Acoustics, Wiley-Interscience, New York, pp. 32-35, 2000.
http://www.micropik.com/PDF/HCSR04.pdf/(retrieved on Mar. 7, 2015).
K. M. Lee and J. I. Kim, "Design and implementation of hybrid VR lock system by arduino control", Journal of the institute of signal processing and systems, Vol. 15, No. 3, pp. 97-103, 2014.
J. S. Jeon, B. K. Oh, Solidworks Simulation 2011, Daeyoungsa, pp. 188-194, 2011.
D. H. Won, 2012 PLAY SOLIDWORKS Basic, Chungdambooks, pp. 161-265, 2012.
Altsoft, COMSOL Multiphysics guide book 1, Altsoft, pp. 29-246, 2014.

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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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