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문제 정의
- 본 논문에서는 근접거리에 있는 물체의 이동과 정지를 사전에 감지하여 문 열림을 유지시켜 안전한 보행을 유도하기 위해 초음파 센서를 자동문에 적용하여 기존의 감지센서를 보완하기 위한 과정을 서술하였다. 초음파 센서를 통해 자동문에 근접하는 목표물의 거리는 송·수신 신호의 시간차에 의해서 물체 접근속도와 위치를 예측 계산함으로서 지능적인 시스템 운용이 가능해진다.
- 본 논문은 이러한 충돌사고를 예방하는 차원에서 초음파 센서를 적용한 자동문 설계와 현장실험을 통해 안전관리 개선방안을 제안하였다. 기존 물체인식 센서의 정적 감지기능의 단점들을 보완하는 역할로 초음파 센서를 추가로 적용하게 되면 동적상태의 물체에 대하여 감지영역이 확대할 수 있게 된다.
제안 방법
- 이때 신호필터의 증폭회로는 초음파 센서 송신소자와 수신소자를 분리한 구조이며, 송신소자의 신호는 파장대역이 높아야 물체감지의 정확성이 높아지므로 가급적이면 높은 전압으로 구동되어야 한다. MCU에서 연산출력 되는 송신신호는 ST232IC를 통해서 증폭하고 그림 11에서 보여주는 F파형과 같이 40 kHz를 발신하도록 설계한다. 물체인식에 대한 신호처리 방법은 동작 처리 속도기능과 쉬운 코드 구현으로 가장 많이 활용되는 MICOM 프로그램으로 설계한다.
- 초음파 센서는 물체인식 정확도를 높이기 위해 자동문 상단프레임에 노출하여 설치하였으며, MCU 메인보드와 분리하여 커넥터로 연결 할 수 있게 구성하였다. 그리고 MCU메인보드와 연결된 초음파센서는 자동문 출입 시 고정 또는 이동 장애물에 대한물체인식 영역에서 데이터 유효성을 확인하기 위해 LED display를 노출하여 회로를 구성하였다.
- 둘째 모드에서는 사람에 대한 물체 감지영역과 고정 장애물에 대한 감지영역을 구분할 수 있도록 Mask-Map 방식을 적용하여 인식 테이블을 저장한다. 그리고 세 번째 모드에 의해 수신되는 에코 신호는 사람과 고정 장애물의 감지 영역을 비교하여 자동문 개폐동작 출력신호 명령을 전달하고 네 번째 모드에서 명령전달 된 신호에 대하여 Error를 체크하는 기능을 수행한다.
- 이때 수신 장치의 안정적인 동작 구현을 위해서 1% 이내의 RC회로를 적용한 저역필터를 이용하여 노이즈 발생으로 일어나는 부품의 오동작 신호를 줄이는데 집중하였다. 또한 안전관리자의 점검편리성을 위해 초음파 측정거리에 따라서 LED 동작표시를 3가지의 색상으로 구분하여 표시하는 기능을 추가하였다.
- 이때 RELAY는 초음파 센서에서 감지된 신호를 처리하고 입력신호가 High이면 시간지연이 되고 그렇지 않은 Low인 경우, 지연되지 않도록 하는 역할을 한다. 모터 구동부로 전달받는 신호와 초음파 센서의 감지영역을 스캔하여 노이즈 성분을 체크하고 정확한 동작제어를 구현하기 위해서 INPUT 드라이브 구성한다. U-SONIC 드라이브에서 받아들인 물체인식 정보는 신호 발생기(Signal Generator)를 통해 감지범위를 테이블로 나누어 인식하고 모터구동 자동문 제어에 입력신호로 전달하는 역할을 한다.
- 그리고 다음 신호의 값이 다시 Low에서 High로 변하는 상승구간이 나타났을 때 시간을 측정하고 거리를 산출하게 된다. 물체가 위치한 거리를 Envelope에서의 전압 최대치(V pk)를 계산하여 이후에 검출된 물체의 실존여부와 불필요한 신호(Clutter)인지 구분되도록 알고리즘을 구성한다.[4]초음파센서의 수신 장치회로는 그림 12에서 나타내고 있으며, D부분을 통해 입력된 신호는 아주 낮은 주파수의 에코 신호이기 때문에 OP-AMP와 저주파 필터에서 신호증폭과 노이즈를 제거한다.
- 물체인식에 대한 신호처리 방법은 동작 처리 속도기능과 쉬운 코드 구현으로 가장 많이 활용되는 MICOM 프로그램으로 설계한다. 물체와의 거리계산은 MCU 제어신호의 주파수에 따른 전압 변화량에 대하여 엔빌로프(Envelope)를 추출하고 전압레벨이 기준전압(V th ) 이상일 경우 High=1로 이하일 경우에는 Low= 0으로 AD변환을 진행하였다. 그리고 다음 신호의 값이 다시 Low에서 High로 변하는 상승구간이 나타났을 때 시간을 측정하고 거리를 산출하게 된다.
- 물체인식과 비 인식되는 공간상태의 감지영역에서 MCU와 초음파 센서 모듈의 주요 동작은 LED, INPUT, RELAY, U-SONIC 4가지의 Display 드라이버에 의해 이루어지도록 설계된다. 물체인식 유무에 따라서 전달되는 초음파 신호는 모듈의 Blink Control을 이용하여 LED ON/OFF 상태를 제어하고 식별되도록 구성할 수 있다.
- 초음파 신호의 전압변화 입력에는 출력 단에서 게인 저항 값을 이용하여 정귀환을 걸어 히스테리시스를 갖게 하였다. 이때 수신 장치의 안정적인 동작 구현을 위해서 1% 이내의 RC회로를 적용한 저역필터를 이용하여 노이즈 발생으로 일어나는 부품의 오동작 신호를 줄이는데 집중하였다. 또한 안전관리자의 점검편리성을 위해 초음파 측정거리에 따라서 LED 동작표시를 3가지의 색상으로 구분하여 표시하는 기능을 추가하였다.
- 그리고 기존감지 방식인 적외선 수광부와 발광부 센서는 물체 이동구간의 측면 프레임 양쪽으로 높이 600 mm 위치에 12 mm 구멍을 타공하여 설치하였다. 적외선 센서를 설치하는 이유는 초음파 센서가 추가로 적용될 경우, 자동문 사각지대에 위치한 물체인식의 정확도와 안정성을 비교/증명하기 위해 사용하였다.
- 초음파 센서는 도어 상단 프레임 중앙에 위치시켜 감지영역의 정확도를 높이는 구조로 설치하고 동작 상태신호는 오실로스코프를 통해 초음파 입·출력 단에 연결하여 측정하였다.
- 그림 14은 자동문 시스템의 동작특성과 안전성 향상을 위해 초음파 센서를 적용한 물체인식 영역을 확인하는 실험환경이다. 초음파 센서는 물체인식 정확도를 높이기 위해 자동문 상단프레임에 노출하여 설치하였으며, MCU 메인보드와 분리하여 커넥터로 연결 할 수 있게 구성하였다. 그리고 MCU메인보드와 연결된 초음파센서는 자동문 출입 시 고정 또는 이동 장애물에 대한물체인식 영역에서 데이터 유효성을 확인하기 위해 LED display를 노출하여 회로를 구성하였다.
- 초음파 신호의 전압변화 입력에는 출력 단에서 게인 저항 값을 이용하여 정귀환을 걸어 히스테리시스를 갖게 하였다. 이때 수신 장치의 안정적인 동작 구현을 위해서 1% 이내의 RC회로를 적용한 저역필터를 이용하여 노이즈 발생으로 일어나는 부품의 오동작 신호를 줄이는데 집중하였다.
대상 데이터
- 적외선과 초음파 센서를 복합적으로 자동문에 적용하여 물체인식에 대한 동작특성을 실험하는 환경은 그림 15와 같이 폭 2400 mm와 높이 2300 mm의 프레임을 사용하였다. 그리고 자동도어는 넓이 1200 mm, 높이 2100 mm, 유리두께 12 mm, 무게 80 kg의 싱글도어를 사용하였다. 초음파 센서는 도어 상단 프레임 중앙에 위치시켜 감지영역의 정확도를 높이는 구조로 설치하고 동작 상태신호는 오실로스코프를 통해 초음파 입·출력 단에 연결하여 측정하였다.
- 적외선과 초음파 센서를 복합적으로 자동문에 적용하여 물체인식에 대한 동작특성을 실험하는 환경은 그림 15와 같이 폭 2400 mm와 높이 2300 mm의 프레임을 사용하였다. 그리고 자동도어는 넓이 1200 mm, 높이 2100 mm, 유리두께 12 mm, 무게 80 kg의 싱글도어를 사용하였다.
이론/모형
- 그리고 물체인식 주파수에 대하여 샘플링과 양자화 과정을 거친 후에 프로세서 연산을 하고 다음 단계에서 동작명령을 고속으로 처리하도록 소프트웨어가 개선되어야 한다. 둘째 모드에서는 사람에 대한 물체 감지영역과 고정 장애물에 대한 감지영역을 구분할 수 있도록 Mask-Map 방식을 적용하여 인식 테이블을 저장한다. 그리고 세 번째 모드에 의해 수신되는 에코 신호는 사람과 고정 장애물의 감지 영역을 비교하여 자동문 개폐동작 출력신호 명령을 전달하고 네 번째 모드에서 명령전달 된 신호에 대하여 Error를 체크하는 기능을 수행한다.
- MCU에서 연산출력 되는 송신신호는 ST232IC를 통해서 증폭하고 그림 11에서 보여주는 F파형과 같이 40 kHz를 발신하도록 설계한다. 물체인식에 대한 신호처리 방법은 동작 처리 속도기능과 쉬운 코드 구현으로 가장 많이 활용되는 MICOM 프로그램으로 설계한다. 물체와의 거리계산은 MCU 제어신호의 주파수에 따른 전압 변화량에 대하여 엔빌로프(Envelope)를 추출하고 전압레벨이 기준전압(V th ) 이상일 경우 High=1로 이하일 경우에는 Low= 0으로 AD변환을 진행하였다.
성능/효과
- [1, 8] 소비자 보호원의 조사결과 2007년부터 2009년까지 자동문 오동작 및 안전사고로 접수된 통계는 표 1과 같이 매년 20%이상 증가하는 추세를 나타내고 있다.[1] 그리고 업계에 따르면 최근 2011년부터 5년 동안 자동문 고장건수에 대한 부분별 조사 결과는 그림 1에서 행거이탈이 14%, 마이크로파 센서 11% 적외선 센서 10% 순으로 가장 대표적으로 나타내고 있다.
- 초음파 센서를 통해 자동문에 근접하는 목표물의 거리는 송·수신 신호의 시간차에 의해서 물체 접근속도와 위치를 예측 계산함으로서 지능적인 시스템 운용이 가능해진다. 그리고 빈번하게 반복되는 개패동작을 효율적 관리로 전력손실을 방지하고 물체의 상태 동작을 빠르게 적응하여 자동문 제어의 안정성을 높일 수 있다.[2, 5]
- 따라서 기존에 마이크로파와 적외선을 이용하여 물체를 감지하는 자동문 시스템에서 벗어나 초음파 센서를 활용하게 되면 표 3과 같이 검출영역 성능 면에서 개선되는 것을 확인 할 수 있다.
- 그리고 모터 구동제어 역시 닫힘 상태로 빠르게 전환되는 것을 확인할 수 있다. 따라서 사각지대에 진입 후 짧은 시간동안 움직이지 않는 경우, 두 센서 모두 감지하지 못하는 문제점이 있음을 확인하였다. 자동문 시스템 개선에 따른 초음파 센서의 활용은 물체와 자동문의 충돌을 사전에 방지하는 안정성 확보에 핵심적인 기술이 된다.
- 하지만 감지영역에 물체가 위치하게 되더라도 적외선 수광부와 발광부 사이에 적외선 빔이 통과하게 되면, 검출신호에 따라서 물체인식 유무를 판단하지 못하는 경우를 앞의 그림 6에서 확인하였다. 따라서 적외선 센서 단독으로 적용한 자동문 시스템의 경우는 사각지대의 안정성 개선에는 도움이 되지 않는 것을 증명하였다. 이러한 문제점을 보완하기 위해 그림 16과 같이 실험을 하였을 경우, 적외선 감지영역을 벋어나더라도 초음파 센서에 의해서 자동문 계패동작이 유지되는 것을 알 수 있다.
- 기존 물체인식 센서의 정적 감지기능의 단점들을 보완하는 역할로 초음파 센서를 추가로 적용하게 되면 동적상태의 물체에 대하여 감지영역이 확대할 수 있게 된다. 또한 기존 자동문 사각지대에 대한 문제점이 최소화되는 것을 실험을 통해서 증명하였기 때문에 안정성과 신뢰성에서 높은 효율적인 개선 가치로 나타났다. 그러나 현재 물체의 접근 거리와 시간에 따른 크기변화 등을 구분하여 정밀한 인식결과를 나타내는 감지영역 판별기준 데이터가 부족한 사항이다.
- 자동문 사각지대인 500 mm 범위 안에서는 감지영역을 유지하기 때문에 출입 시 사고유발을 일으키는 문제점으로부터 보행자의 이동경로에 대한 안전을 보장되는 것을 알 수 있다. 또한 보행 자세 중에 다리나 머리 등신체 일부가 먼저 진입하더라고 자동문 개폐 동선에서 벗어나거나 적외선 센서의 설치 위치에 따라 감지를 못하는 문제를 해결하는 결과를 보였다.
후속연구
- 다음으로 물체인식에 대하여 정확한 동작을 요구하는 초음파 센서의 내부 구동 프로세서는 그림 9와 같이 4개의 각기 다른 제어명령을 가지는 디바이스로 설계되고 서로 인터페이스 상호연계로 자동문을 제어하게 된다.
- 그러나 자동문의 이상동작이 발생하는 경우 평균 전력 이상으로 전력이 추가 소모된다. 반면 제안된 시스템 경우는 물체인식 판단을 통해 자동문 개폐를 지능적으로 운영함으로서 월 평균 80W 이내에서 전력을 유지되도록 하는 저감 효과도 함께 작용할 것으로 판단된다.
- 그러나 현재 물체의 접근 거리와 시간에 따른 크기변화 등을 구분하여 정밀한 인식결과를 나타내는 감지영역 판별기준 데이터가 부족한 사항이다. 이에 대하여 자동문 안전사고 예방효과를 높이기 위해서는 물체인식 Mask-Map를 만들어 접근하는 대상에 대한 감지영역에 따라 지능적 동작이 가능한 시설로 보완하는 과정이 향후 중요한 연구가 될 것이다.
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