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수신 신호 모델을 이용한 초음파 거리 측정 방법
Ultrasonic Distance Measurement Method Based on Received Signal Model 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.12 no.1, 2017년, pp.53 - 60  

최진희 (광운대학교 제어계측공학과) ,  조황 (광운대학교 로봇학부) ,  최익 (광운대학교 로봇학부)

초록
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현재 대부분의 초음파를 이용한 거리 측정 기술은 송신부로부터 수신기까지 초음파가 진행하는 시간 즉, TOF(: Time of Flight)를 측정하여 그 동안 음파가 진행한 거리를 산출하는 방법을 활용한다. 이 경우 거리 측정 정확도를 높이기 위해서는 정확한 TOF의 측정이 필요하다. 본 논문은 정확한 TOF를 산출하기 위해 초음파 송수신기의 수학적 모델을 이용하여 수신된 파형의 수학적 모델을 얻어내고 이를 바탕으로 TOF를 산출하는 방식을 제안한다. 이 방식은 트리거링 후부터 수신된 파형를 이미 얻어진 수학적 모델과 최소자승법을 이용하여 비교하여 초음파 신호가 수신기에 도달한 시점을 역으로 추정하는 방식이다. 제안된 방법을 사용할 경우 트리거링 시점의 변동에 의한 영향을 줄일 수 있음을 실험을 통하여 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Most of present ultrasonic distance measurement technologies are based on the measurement of the TOF (: Time of Flight), the elapsed time during which the ultrasonic wave travels from its transmitter to receiver, to evaluate the distance the wave travels during that time. In this case, high distance...

주제어

#전파 시간   #압전 소자 모델   #초음파 변환기   #포락선 검출   #최소 자승법  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 초음파 거리측정시스템의 정확도를 높이기 위해 새로운 방식의 역추정 방식을 제안하였다. 이 방식은 초음파 송ㆍ수신기의 수학적 모델을 바탕으로 얻어진 수신신호 모델을 구하고 이에 포함된 포락선 함수를 수신된 신호 데이터와 비선형 최소자승법으로 비교하여 최종적으로 TOF를 얻어내는 방식이다.

가설 설정

  • 여기서 a, σ, τ는 각각 진폭, 시상수의 역수, 시간 지연을 나타내는 파라메터들이며, 이들 중 특히 τ는 트리거링 시점보다 얼마 이전에 신호가 실제로도달했느냐를 나타내는 상수이기 때문에 이를 이용하여 트리거링 시점으로부터 실제 TOF를 산출할 수 있다. 한편, 식(28)에 주어진 포락선 모델은 Bartholomew-Biggs[14]가 사용한 포락선 모델과 동일하며, [14]에서는 논리적인 유도 없이 실험파형을 토대로 가정되었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
초음파 기술의 장점은? 초음파 거리측정 기술은 장애물 탐지나 위치 추적시스템 등에 많이 사용되고 있다[1-8]. 이러한 용도에 있어서 초음파 기술은 영상이나 적외선 센서 기술들에 비하여 저렴하고 경량화가 가능하며 조명이나 연기 같은 장애물에 영향을 받지 않는다는 장점을 가지고 있다. 그러나 현재 사용되고 있는 대부분의 초음파거리측정 기술을 보다 정교한 위치측정 수단으로 활용도를 높이기 위해서는 정밀도 측면에서 개선의 여지를 가지고 있다.
초음파 거리측정 기술은 어디에 사용되고 있는가? 초음파 거리측정 기술은 장애물 탐지나 위치 추적시스템 등에 많이 사용되고 있다[1-8]. 이러한 용도에 있어서 초음파 기술은 영상이나 적외선 센서 기술들에 비하여 저렴하고 경량화가 가능하며 조명이나 연기 같은 장애물에 영향을 받지 않는다는 장점을 가지고 있다.
문턱값(threshold)을 이용하여 음파의 도착 시점을 검출하는 방법은 어떤 문제가 있는가? 가장 보편적으로 사용되는 방법은 문턱값(threshold)을 이용하여 음파의 도착 시점을 검출하는 방법이다. 이 방법은 구현이 간단한 기술이지만 신호의 세기의 변동에 따라 검출 되는 시점이 사용되는 신호의 주기의 배수로 변동할 수 있다는 문제점을 가지고 있다. 흔히 사용되는 40Khz 초음파의 경우 25us의 배수로 트리거링 시점이 변동할 수 있기 때문에 한 주기 변동 시 거리 측정값에는 약 8.
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참고문헌 (15)

  1. K. Soon, "Improved Localization Algorithm for Ultrasonic Satellite System," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 6, no. 5, 2011, pp. 775-781. 

  2. J. Choe, I. Choy, and C. Whang, "Ultrasonic Sensor, Position Tracking System, Nonlinear Least Square Algorithm, Weighted Nonlinear Least Square Algorithm," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 8, no. 5, 2013, pp. 725-731. 

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  3. D. Seo, S. Noh, and N. Ko, "Moving Object Following Control for Differential Drive Robot Based on Two Distance Sensors," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 6, no. 5, 2011, pp. 765-773. 

  4. R. Kuc and M. Wiegen, "Physically based simulation model for acoustic sensor robot navigation," IEEE Trans. Pattern Analysis and Machine Intelligence, vol. 9, no. 6, 1987, pp. 766-778. 

  5. H. Peremans, K. Audenaert, and J. Campenhout, "A high resolution sensor based on tri-aural perception," IEEE Trans. Robotics and Automation, vol. 9, no. 1, 1993, pp. 36-48. 

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  6. J. Llata, E. Sarabia, and J. Pria, "Three dimensional robot vision using ultrasonic sensors," J. Intelligent Robot System, vol. 33, no. 3, 2002, pp. 267-284. 

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  7. M. Martinez and G. Benet, "Wall corner classification using sonar: A new approach based on geometric features," Sensors, vol. 10, no. 12, 2010, pp. 10683-10700. 

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  8. J. Jackson, R. Summan, G. Dobie, S. Whiteley, G. Pierce, and G. Hayward, "Time-of-flight measurement techniques for airborne ultrasonic ranging," IEEE trans. Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol. 60, no. 2, 2013, pp. 343-355. 

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  9. R. Queiros, P. Sira, and A. Serra, "A new method for High resolution ultrasonic ranging in air," IEEE Trans. Instru. and Meas., vol. 59, no. 12, 2010, pp. 3227-3236. 

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  10. R. Queiros, P. Gira, and A. Serra, "Cross-corellation and sine-fitting techniques for high resolution ultrasonic ranging," IEEE Trans. Instru. and Meas., vol. 59, no. 12, 2010, pp. 3227-3236. 

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  11. J. Villadangos, J. Urena, J. Carcia, M. Mazo, A. Hernandez, A. Jimenez, D. Ruiz, and C. Marziani, "Measuring time of flight in an ultrasonic LPS system using generalized corss-correlation," Sensors, vol. 11, no. 11, 2011, pp. 10326-10342. 

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  12. W. McMullan, B. Delaughe, and J. Bird, "A simple rising edge detector for time of arrival estimation," IEEE Trans. Instru. and Meas., vol. 45, no. 4, 1996, pp. 823-827. 

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  13. B. Barshan, "Fast processing techniques for accurate ultrasonic range measurements," Meas. Sci. Technol, vol. 11, no. 1, 2000, pp. 45-50. 

    상세보기 crossref

  14. E. Sarabia, J. Llata, S. Robla, C. Ferrero, and J. Oria, "Accurate estimation of airborne ultrasonic time-of-flight for overlapping echoes," Sensors, vol. 13, no. 11, 2013, pp. 15465-15488. 

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  15. M. Biggs, Nonlinear optimization with engineering applications. : Springer Verlag, 2008. 

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