감지거리를 늘린 초음파센서

로봇을 주행시켜 작업을 수행함에 있어 주변 물체와의 충돌 등을 방지하기 위해 접촉센서, 초음파 센서, 적외선 센서, 레이저 센서, 비전센서, 마이크로웨이브 센서 등의 다양한 방법이 있다. 이동로봇에서는 초음파 센서를 주로 이용해 0.1~10m 정도에서의 물체와의 거리측정 및 충돌회피, 물체인식 등에 사용하고 있다. 초음파센서는 밀리파 레이더나 레이저 레이더에 비해 감지거리가 수 미터로 짧고 눈비의 영향을 받기 쉽지만, 근거리 감지가 쉬워 센서의 가격도 비교적 저렴한 것이 특징이다. 본 내용에서는 Wigner 분포를 이용하여 자동차에 적용한 초음파센서의 감지영역을 확대시키는 방법을 설명하고 있다.

●●초음파센서의 원리

초음파센서를 이용한 거리측정에는 TOF(Time-Of-Flight) 방법이 널리 이용된다.
초음파센서로부터는 수 펄스의 송신파가 송신되며, 초음파는 센서 정면의 물체에서 반사하고 송신파에 비해 감쇄한 반사파가 수신된다. 이 송신파의 송신에서 반사파의 수신까지 지연시간 D를 이용하여 거리 R을 계산할 수 있다. 즉, R=DVs/2이다(Vs는 음속)·음속 Vs은 온도의 영향을 받기 때문에 거리를 정확히 측정하기 위해서는 별도로 기온을 측정할 필요가 있다.
자동경보 시스템에서 응용할 때 중요한 상대속도는 반사파의 Doppler 시프트를 이용하여 계측할 수 있다.
초음파센서로부터 발생하는 초음파는 거리의 2승에 반비례하여 감쇄하기 때문에 거리가 멀면 S/N비는 급락하여 거리가 멀면 반사파는 노이즈에 매몰되어 감지가 어렵다.
일반적으로 자동차용 센서의 최대 감지거리는 2~5m으로 노이즈에 매몰된 반사파를 감지하려면 발진소자의 송신파 출력을 크게 하거나 원추상의 커버를 부착하는 등의 방법을 고려해야 한다.

·압전소자를 이용한 초음파센서
특정한 결정구조를 갖는 물질에서 압전효과(Piezoelectricity)를 볼 수 있다. 이것은 물질의 양단에 교류전압을 인가할 경우 분극효과에 의해 물질의 팽창 축소를 반복하는 현상으로 이것을 이용하여 초음파를 발생할 수 있다. 역으로 압전물질에 초음파를 인가할 경우 교류전압을 얻을 수 있으므로 압전물질을 이용하여 송수신용 초음파 센서를 제작할 수 있다. 종래의 초음파 센서의 응용사례는 주로 레벨계, 유량계 등이 있다. 이러한 압전소자를 이용한 초음파 센서를 제작하는 업체로는 일본의 Murata, Nippion Ceramics, 한국의 하기소닉 등이 있다.

·정전효과를 이용한 초음파센서
Polaroid사의 제품이 대표적으로서 고전압 바이어스를 인가한 상태의 두 금속판 양쪽에 ±200V의 고전압 펄스를 인가할 경우 정전인력에 의해 당기는 힘이 작용하며 이것은 공중에서 음파를 발생한다. 압전소자에 비해 고전압을 요하나 주파수 응답성 및 방향성이 우수한 이점을 갖는다. polaroid사에 의해 설립된 Senscomp에 의해 제공되며 연구용 목적으로 로봇에 널리 사용된다. 그러나 큰 부피, 고가의 단점에 의해 일반용 로봇에는 적용이 곤란하다.

●●Wigner 분포의 적용

관측 데이터에 매몰된 반사파를 검출하고, 시간지연(거리)과 도플러 주파수(속도)를 추정하기 위해 Wigner 분포함수를 적용하였다.
Wigner 분포는 1932년 양자역학 분야에서 E. Wigner가 제안하고, 1958년 I Ville에 의해 신호해석 분야에 도입되었다. 1980년 T. A. C. M. Claasen과 W. F. G. Mecklenbra¨uker가 시간-주파수 해석 방법을 고안한 것으로 비정상적인 신호를 대상으로 한 스펙트럼 해석법이다.
이 방법은 STFT(단시간 Fourier 변환)이나 웨이브릿(Wavelet) 변환에 비해 시간·주파수 양방향 분해능이 높다. 반면에, 크로스 항으로 부르는 가(Fake) 피크의 성질이 나타나는 것으로 알려져 있다. 일반적으로 Wigner 분포를 활용하는 데에는 크로스 항에 의한 가(Fake) 피크의 처리가 과제다.

●●가능성 확인과 과제

승용차 번호판과 같은 크기의 플라스틱판(높이 165mm×폭 330mm)을 대상으로 신호의 모의 Wigner 분포를 작성한 다음, 작은 판, 큰 판, 승용차 등 3종류를 대상으로 각각 센서에 대해 정면을 향하도록 설치하였다. 센서는 승용차의 범퍼 높이를 상정하여 노면에서 470mm 높이로 하고, 목표물의 종류, 거리, 센서종류를 조합하면서 Wigner 분포를 이용한 경우와 종래의 방법을 이용한 경우의 최대 감지거리를 비교했다.
최종확인 결과 감지거리는 최대 2.4배까지 늘릴 수 있고, 또한 센서자체의 S/N비에 따라 이 방법의 효과에 차이가 나타나고 있음을 확인했다.
센서를 차량 위에 탑재하여 일정속도로 목표물체를 향해 주행시험을 했을 때, 상대속도가 있어도 거리와 속도의 양방향을 약 ±1km/h 정도로 추정할 수 있음을 알 수 있다.
실제 주행 상황에서는 장애물이 2개 이상 나타날 수 있다. 신호만을 대상으로 하는 Wigner 분포(Wss)는 거리에 상관없이 계산하기 때문에 멀리 있는 큰 물체에서 오는 작은 반사파보다 가까이 있는 작은 물체로부터 오는 큰 반사파가 큰 영향을 줄 수 있다. 바로 앞의 작은 물체보다 멀리 떨어진 큰 장애물이 더 중요한 상황에서는 더욱 중요한 반사파를 볼 수 없는 문제가 발생할 수 있다.

또한 속도가 빨라지면 추정 오차가 크게 되는 경향이 있었다. 이것은 반사파를 수신할 때 센서소자와 수신회로 필터 등의 주파수 특성에 따라 Wss는 단순히 주파수 방향으로 이동하지 않는 것이 원인이다. 따라서 Wss 산출방법을 재검토할 필요가 있다.
Wigner 분포를 적용한 초음파센서는 단지 진폭으로 검출하는 종래방법과 비교하면 계산량이 많아 ECU의 코스트 상승은 피할 수 없다. 초음파센서의 특징을 살리기 위해서는 계산량 감축이 필요하다.
물론 본문 내용은 Wigner 분포인 시간-주파수해석을 써서 초음파센서의 감지거리를 향상시키는 방법을 설명했다. 이 방법의 실용화에는 해결해야 할 많은 과제가 남아 있으나 신호처리 방법을 이용함으로써 지금까지 노이즈로만 여겼던 데이터로부터도 유익한 신호를 얻을 수 있는 가능성을 확인했다.