KR980010455A - 위상 보상 회로를 이용한 초음파 거리 측정 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파 센서를 이용한 거리 측정에 있어서, 위상 보상 회로를 이용하여 초음파 센서에서 감지되는 온도의 변화에 따른 위상을 보상해 줌으로써, 초음파 센서의 온도를 항상 일정하게 유지하고, 이에 따라 송신신호의 위상 왜곡을 방지하여 거리 측정 능력을 향상시킴과 동시에 어떠한 온도 조건에서도 정상 동작을 이루어지도록 하여 초음파 거리 측정 장치의 신뢰도 및 측정 감도를 향상시킬 수 있도록 한 위상 보상 회로를 이용한 초음파 거리 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명은 초음파 센서의 온도를 감지하는 온도 감지부와 위상을 보상해주는 위상 보상부를 구비하여, 이 구비된 온도 감지부를 통해 초음파 센서의 온도를 항상 감지하고, 초음파 센서의 송신신호와 구동신호의 위상을 비교하여 위상이 동일하지 않을 경우 상기 위상 보상부를 통해 왜곡된 위상을 보상하여줌으로써 상기 초음파 센서의 온도를 항상 일정한 온도로 유지시켜 주도록 한다.

Description

위상 보상 회로를 이용한 초음파 거리 측정 장치 및 방법

제1도(a) ∼ (c)는 종래의 초음파 센서를 이용한 거리 측정 장치의 송신센서 구동신호와 송신신호 및 수신센서의 수신신호의 파형도.

제2도는 본 발명의 위상 보상 회로를 이용한 초음파 거리 측정 장치의 블록 구성도.

제3도(a) ∼ (b)는 본 발명의 초음파 거리측정 장치에 의한 단거리 및 장거리 측정시 송신센서 구동센호의 파형도.

제4도는 본 발명의 위한 보상 회로를 이용한 초음파 거리 측정 장치의 측정 과정을 나타낸 흐름도.

제5도는 본 발명에 의한 단거리 측정모드의 제어흐름도.

제6도는 본 발명에 의한 장거리 측정모드의 제어흐름도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 중앙처리장치 2 : 초음파 구동부

3 : 초음파 송신센서 4 : 온도 감지부

5 : 위상 보상부 6 : 초음파 수신센서

7 : 대역 통과 필터 8 : 다중 증폭부

9 : 검파부 10 : 비교기

11 : 거리표시 및 경보장치

본 발명은 초음파 센서를 이용한 거리 측정에 있어서, 위상 보상 회로를 이용하여 초음파 센서에서 감지되는 온도의 변화에 따른 위상을 보상해 줌으로써, 초음파 센서의 온도를 항상 일정하게 유지하고, 이에 따라 송신신호의 위상 왜곡을 방지하여 거리 측정 능력을 향상 시킴과 동시에 어떠한 온도 조건에서도 정상 동작을 이루어지도록 하여 초음파 거리 측정 장치의 신뢰도 및 측정 감도를 향상시킬 수 있도록 한 위상 보상 회로를 이용한 초음파 거리 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 종래의 초음파 센서를 이용한 거리 측정 장치의 송신센서 구동신호는 제1a도에서 도시된바와 같으며, 이러한 송신센서 구동신호의 온 타임(on time)은 송신센서로부터 송신 효율이 최대로 얻어지는 시점까지이며, 오프 타임(off time)은 측정 거리에 따라 결정된다.

상기 제1a도의 초음파 송신센서 구동신호가 송신센서에 인가되고 오프(off)될 경우, 제1b도와 같이 송신센서에 인가된 구동신호의 진폭이 지수적으로 감소하여 여진하게 되는 특성이 있다.

상기와 같은 송신센서 구동신호의 여진 특성에 따라 수신센서에는 온 타임동안의 구동신호와 잔향음에 의한 신호를 검출하게 되고, 이 검출된 신호를 증폭한 결과는 제1c도와 같다.

이때, 상기 온타임동안의 구동신호와 여진에 의한 잔향음이 포화되어 있는 시간은 물체를 검출할 수 없는 최소 측정 시간으로서 이 최소 측정 시간을 거리로 환산하면 최소 측정 거리가 된다.

한편, 수신신호의 증폭율을 높여 최대 측정 거리를 크게 하는 경우 여진에 의한 상기 잔향음은 더욱 커져 최소 측정 거리가 커지게 되고, 이에 따라 초음파 센서를 사용하는 시스템에서는 상기 최소 측정 거리와 최대 측정 거리가 각각 비례하게 된다.

그러나, 상기와 같은 종래의 초음파 센서를 이용한 거리 측정에 있어서, 초음파 센서는 온도의 변화에 따라 그 주파수 특성이 심하게 변하여 온도가 낮거나 너무 높을 경우에는 사용할 수 없다. 또한 초음파센서의 송신신호의 위상이 온도에 따라 변하는데 반하여 대역통과 필터의 중심 통과 주파수는 고정되어 있으므로 특정한 온도영역에서는 초음파 거리 측정 장치의 성능이 저하되고, 상기 초음파 센서의 송신신호의 위상이 변함에 따라 초음파 거리 측정 장치가 오동작을 발생하게 되는 등, 이로 인하여 초음파 센서를 이용한 거리 측정에 대한 신뢰도가 매우 떨어지게 되는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 그 목적은 초음파 센서의 송신신호의 위상을 보상하여 초음파 센서의 온도를 항상 일정하게 유지시켜 줌으로써 온도에 다른 초음파 센서의 오동작을 방지하는 동시에 초음파 거리 측정 장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 한 위상 보상회로를 이용한 초음파 거리 측정 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 위상 보상 회로를 이용한 초음파 거리 측정 장치 및 방법은, 초음파 센서의 온도를 감지하는 온도 감지부와 위상을 보상해 주는 위상 보상부를 구비하여, 이 구비된 온도 감지부를 통해 초음파 센서의 온도를 항상 감지하고, 초음파 센서의 송신신호와 구동신호의 위상을 비교하여 위상이 동일하지 않을 경우 상기 위상 보상부를 통해 왜곡된 위상을 보상하여 줌으로써 상기 초음파 센서의 온도를 항상 일정한 온도로 유지시켜 주도록 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 위상 보상 회로를 이용한 초음파 거리 측정 장치의 구성 및 동작을 상세히 설명한다.

제2도는 본 발명에 의한 위상 보상 회로를 이용한 초음파 거리 측정 장치의 블록 구성도로서, 이에 도시된 바와 같이, 전체 거리 측정 시스템을 총괄 제어하는 중앙처리장치(1)와, 상기 중앙처리장치(1)로부터 출력되는 제어신호에 따라 초음파 센서를 구동하는 초음파 구동부(2)와, 상기 초음파 구동부(2)에 의해 초음파 센서가 구동되어 초음파를 송신하는 초음파 송신센서(3)와, 상기 초음파 송신센서(3)의 온도를 감지하는 온도 감지부(4)와, 상기 온도 감지부(4)에서 감지되는 온도의 변화에 따라 위상을 보상해주는 위상보상부(5)와, 상기 초음파 송신센서(3)로부터 출력되는 초음파 중 대상 물체에 맞고 반사된 초음파를 수신하는 초음파 수신센서(6)와, 상기 초음파 수신센서(6)를 통해 수신된 초음파 신호 중 구동 펄스 주파수만 통과시키는 대역 통과 필터(7)와, 상기 중앙처리장치(1)의 제어신호에 의해 상기 대역 통과 펠터(7)를 거쳐 통과된 초음파 신호를 잔향음의 크기에 따라 증폭율을 조정하여 증폭하는 다중 증폭부(8)와, 상기 다중 증폭부(8)에서 증폭된 초음파 신호를 검파하는 검파부(9)와, 상기 검파부(9)에서 검파된 초음파 신호를 선형 기준신호와 비교하여 그 출력값을 디지털 값으로 변환하는 비교기(10)와, 상기 비교기(10)의 출력신호에 따른 상기 중앙처리장치(1)의 제어신호에 의해 계산된 거리 및 경보장치(11)로 구성된다.

제3도는 (a)∼(b)는 본 발명의 위상 보상 회로를 이용하여 단거리 및 장거리 측정시 상기 중앙처리장치(1)로부터 출력되는 단거리용 송신센서 구동신호와 장거리용 송신센서 구동신호이다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 위상 보상 회로를 이용한 초음파 거리 측정 장치의 측정 방법을 제4도, 제5도 및 제6도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

제4도는 본 발명의 위상 보상 회로를 이용한 초음파 거리 측정 장치의 측정 과정을 나타낸 흐름도로서, 초기 상태로 변수를 초기화하는 제1단계(S₁)와, 상기 제1단계(S₁) 수행후, 온도에 따른 송신신호의 위상을 보상해주는 제2단계단(S₂)와, 상기 제2단계(S₂) 수행후, 거리 측정모드로 전환하여 단거리용 초음파를 송·수신하는 제3단계(S₃) 수행후, 장거리 측정모드로 전환하여 장거리용 초음파를 송·수신하는 제4단계((S₄)와, 상기 제4단계((S₄) 수행 후, 거리 계산모드로 전환하여 시간 데이터를 거리 데이터로 변환하는 제5단계(S₅)와, 상기 제5단계(S₅) 수행후, 거리 표시 및 경보 모드로 전환하여 거리 데이터 및 경보 조건을 거리 표시부로 전송하는 제6단계(S₆)로 수행되며, 상기 제6단계(S₆)수행후, 다시 초기 단계(S₁)로 전환하여 순차 동작한다.

제5도는 상기 제3단계(S₃)의 단거리 측정모드의 제어흐름도로서, 중앙처리장치(1)의 구동 제어신호에 의해 초음파 구동부(2)가 초음파 송신센서(3)를 구동시키면, 상기 초음파 송신센서(3)는 제3도(가)와 같은 단거리용 송신펄스를 출력하게 된다.

상기 단거리용 송신펄스의 출력이 끝나면, 온도 감지부(4)에 의해 초음파 송신센서(3)의 온도를 감지하고, 이 감지된 온도의 변화에 따라 왜곡되어진 위상은 위상 보상부(5)를 통해 보상하도록 한다.

이어서, 다중 증폭부(8)의 증폭율을 거장 낮은 1단계로 조정하고, 잔향음의 존재 유무를 판단하여 잔향음이 존재하면 중앙처리장치(1)에 의한 다단 조정으로 다중 증폭부(8)의 증폭율을 조정하고, 잔향음이 존재하지 않은 시간에는 최대의 증폭율을 얻을 수 있도록 다중 증폭부(8)의 저항을 최대로하여 단거리 측정시간 동안의 수신 신호를 검출한다.

이때, 물체 검출 시간은 초음파 송신펄스의 송신 시점에서 비교기(10)의 출력이 하이(High)신호가 될때까지의 시간이다.

그리고, 상기 다중 증폭부(8)에서의 증폭율 가변은 중앙처리장치(1)의 클럭에 의해 피드백 저항을 0에서 100㏀ 단위로 가변하여 얻게 되며, 저항의 증가와 감소 방향은 제어신호에 의해 조정된다.

이에 따라, 일정 시간동안 클럭을 발생시켜 제1단계로 증폭율의 가변이 이루어지게 하고 잔향음이 끝나는 시점까지 각 단계로 증폭율을 증가시키게 된다.

이어서, 상기 단거리 측정 시간 동안 검파부(9)를 통과한 초음파 수신신호와 선형 기준신호를 비교하는 비교기(10)의 출력신호가 하이인지를 판단하여 상기 비교기(10)의 출력신호가 하이신호이면 측정 루프 시간을 조정한다.

상기 측정 루프 사간 조정은 일정한 시간으로 순차 동작시키기 위한 시간 지연 역할을 한다.

상기와 같이, 단거리 측정모드에서는 온도의 변화에 따라 초음파 센서의 송신신호의 위상을 보상하여 츨력함으로써, 잔향음이 존재하는 경우 수신된 초음파 신호의 증폭율을 최저로 하고, 잔향음이 존재하지 않는 시간에는 수신된 초음파 신호의 증폭율을 최대로 하여 측정 시간내에 수신신호를 검출하여 최소 거리를 측정하도록 한다.

한편, 제5단계의 장거리 측정모드는 제6도와 같이 수행되며, 제5단계의 장거리 측정모드에서는 중앙처리장치(1)의 구동 제어신호에 의해 초음파 구동부(2)가 초음파 송신센서(3)를 구동시키면, 상기 초음파 송신센서(3)는 제3도(나)와 같은 장거리용 송신펄스를 출력하게 된다.

상기 장거리용 송신펄스의 출력이 끝나면, 온도 감지부(4)에 의해 초음파 송신센서(3)의 온도를 감지하고, 이 감지된 온도의 변화에 따라 왜곡되어진 위상은 위상 보상부(5)를 통해 보상하도록 한다.

그리고 나서, 다중 증폭부(8)의 증폭율을 1단계로 조정하고, 잔향음의 존재유무를 판단하여 잔향음이 존재하는 경우에는 다중 증폭부(8)의 증폭율을 다단계로 조정하고 잔향음 존재 시간동안 거리 측정을 중지하였다가 잔향음이 끝나는 시점부터 측정으로 시작하여 최대거리까지 한다.

이때의 다중 증폭부(8)의 동작은 근접 거리에서 송신 출력이 커짐으로 인해 수직 지향각이 넓어진다. 따라서, 대신 수직 지향각에 의해 원하지 않는 범위를 검출하게 되는데, 이를 줄이기 위해 거리 별로 증폭율을 다단계로 조정하여, 최대 거리에서는 최대 증폭율로 조정되도록 한다.

이어서, 상기 장거리 측정 시간 동안 검파부(9)를 통과한 초음파 수신신호와 선형 기준신호를 비교하는 비교기(10)의 출력신호가 하이인지를 판단하여 상기 비교기(10)의 출력신호가 하이신호이면 측정 루프 시간을 조정한다.

상기와 같이, 장거리 측정모드에서도 온도의 변화에 따라 초음파 센서의 송신신호의 위상을 보상하여 출력함으로써, 잔향음이 끝나는 시점에서부터 측정을 시작하여 최대 거리까지 측정하게 된다.

상기 단거리 측정모드와 장거리 측정모드에서는 온도에 따른 초음파 센서의 송신신호의 위상을 보상해 줌으로써 잔향음 및 초음파 수신신호가 수신되는 시간을 정확하게 측정할 수 있으며, 이에 따라 제5단계의 거리 계산 모드에 의해 상기 시간 데이터를 거리 데이터로 환산하게 된다.

이어, 제6단계인 거리 표시 및 경보 모드를 통해 측정된 거리를 표시하거나 이에 따른 경보상태를 출력하게 된다.

이상, 상기 상세한 설명에서와 같이 본 발명은 위상 보상 회로를 사용하여 초음파 센서의 온도 변화에 따른 송신신호의 위상 왜곡을 방지함으로써 거리 측정 능력을 향상시킬 수 있으며, 어떠한 온도 조건에서도 정상 동작을 보장함에 따라 초음파 거리 측정 장치의 신뢰도 및 측정 감도를 향상 시킬 수 있다.

Claims (4)

1. 전체 거리측정 시스템을 총괄 제어하는 중앙처리장치(1)와, 상기 중앙처리장치(1)로부터 출력되는 제어신호에 따라 초음파 센서를 구동하는 초음파 구동부(2)와, 상기 초음파 구동부(2)에 의해 초음파 센서가 구동되어 초음파를 송신하는 초음파 송신센서(3)와, 상기 초음파 송신센서(3)의 온도를 감지하는 온도 감지부(4)와, 상기 온도 감지부(4)에서 감지되는 온도의 변화에 따라 위상을 보상해주는 위상 보상부(5)와, 상기 초음파 송신센서(3)로부터 출력되는 초음파 중 대상 물체에 맞고 반사된 초음파를 수신하는 초음파 수신센서(6)에, 상기 초음파 수신센서(6)를 통해 수신된 초음파 신호 중 구동 펄스 주파수만 통과시키는 대역 통과 필터(7)와, 상기 중앙처리장치(1)의 제어신호에 의해 상기 대역 통과 필터(7)를 거쳐 통과된 초음파 신호를 잔향음의 크기에 따라 증폭율을 조정하여 증폭하는 다중 증폭부(8)와, 상기 다중 증폭부(8)에서 증폭된 초음파 신호를 검파하는 검파부(9)와, 상기 검파부(9)에서 검파된 초음파 신호를 선형 기준신호와 비교하여 그 출력값을 디지털 값으로 변환하는 비교기(10)와, 상기 비교기(10)의 출력신호에 따른 상기 중앙처리장치(1)의 제어신호에 의해 계산된 거리 및 경보를 표시해 주는 거리 표시 및 경보장치(11)로 구성됨을 특징으로 하는 위상 보상 회로를 이용한 초음파 거리 측정 장치.
2. 변수를 초기화하는 제1단계(S₁)와, 상기 제1단계(S₁) 수행후, 온도에 따른 송신신호의 위상을 보상해 주는 제2단계(S₂)와, 상기 제2단계(S₂) 수행후, 단거리 측정모드로 전환하여 단거리용 초음파를 송·수신하는 제3단계(S₃)와, 상기 제3단계(S₃) 수행후, 장거리 측정모드로 전환하여 장거리용 초음파를 송·수신하는 제4단계(S₄)와, 상기 제4단계(S₄) 수행후, 거리 계산 모드로 전환하여 시간 데이터를 거리 데이터로 변환하는 제5단계(S₅)와 상기 제5단계(S₅) 수행후, 거리표시 및 경보모드로 전환하여 거리 데이터 및 경보 조건을 거리 표시부로 전송하는 제6단계(S₆)로 수행됨을 특징으로하는 위상 보상 회로를 이용한 초음파 거리 측정 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 단거리 측정모드인 제3단계(S₃)는, 온도 변화에 따라 초음파 센서의송신신호의 위상을 보상한 초음파 송신센서로부터 단거리용 송신 펄스가 출력되어 잔향음이 존재하는 시간에는 수신되는 초음파 신호의 증폭율을 최저로 하고 잔향음이 존재하지 않은 시간에는 수신되는 초음파 신호의 증폭율을 최대로 하여 측정 시간내에 초음파 수신신호를 검출함으로써 최소 거리를 측정함을 특징으로 하는 위상 보상 회로를 이용한 초음파 거리 측정 방법.
4. 제2항에 있어서, 상기 장거리 측정모드인 제4단계(S₄)는, 온도 변화에 따라 초음파 센서의 송신신호의 위상을 보상한 초음파 송신센서로부터 장거리용 송신 펄스가 출력되어 잔향음이 존재하는 시간동안 거리의 측정을 중지하고 잔향음이 끝나는 시점부터 초음파 수신신호를 검출함으로써 최대 거리를 측정함을 특징으로 하는 위상 보상회로를 이용한 초음파 거리 측정 방법.

   ※ 참고사항 : 최초출원 내용에 의하여 공개하는 것임.