KR20180068600A

KR20180068600A - 모션센서 기반의 이동체 감지 및 속도측정시스템

Info

Publication number: KR20180068600A
Application number: KR1020160170459A
Authority: KR
Inventors: 황규성; 김태민
Original assignee: 김태민
Priority date: 2016-12-14
Filing date: 2016-12-14
Publication date: 2018-06-22

Abstract

본 발명은 레이더 센서(RADAR SENSOR)나 라이다 센서(LIDAR SENSOR)와 같은 모션 센서(MOTION SENSOR)를 이용하여 실내는 물론 외부 환경 간섭이 존재하는 실외에서도 이동체의 속도측정을 정확하게 수행할 수 있는 모션센서 기반의 이동체 감지 및 속도측정시스템에 관한 것으로서, 실내 또는 실외에서 이동체의 움직임 신호를 측정하는 모션 센서, 상기 모션 센서에서 획득한 움직임 신호의 이득을 자동으로 조절하고, 상기 이득 제어된 움직임 신호에서 유효레벨을 검출하고, 검출한 유효레벨을 디지털 신호로 변환하고, 주파수 변환을 하여 잡음을 제거하고, 속도연산을 하여 이동체의 속도를 산출하는 속도산출수단을 포함하여, 모션센서 기반의 이동체 감지 및 속도측정시스템을 구현한다.

Description

모션센서 기반의 이동체 감지 및 속도측정시스템{Moving object detection and velocity measurement system based on motion sensor}

본 발명은 모션센서 기반의 이동체 감지 및 속도측정시스템에 관한 것으로, 특히 레이더 센서(RADAR SENSOR)나 라이다 센서(LIDAR SENSOR)와 같은 모션 센서(MOTION SENSOR)를 이용하여 실내는 물론 외부 환경 간섭이 존재하는 실외에서도 이동체의 속도측정을 정확하게 수행할 수 있는 모션센서 기반의 이동체 감지 및 속도측정시스템에 관한 것이다.

움직이는 물체에 송신신호를 전송하고, 반사되는 반사신호를 분석하여 이동속도를 측정하기 위해, 레이더 시스템이 이용되고 있다.

전투기, 자주포 등 화력 관제 시스템 등 방위산업 분야를 비롯하여 고속도로 속도감지기, 기상관측용 등 많은 분야에서 이동체의 속도 측정이 요구된다.

이동체의 속도측정은 송신신호를 목표물에 정확하게 조준할 수 있는가가 정확도를 높이기 위한 유용한 요소이며, 더불어 반사신호의 정확한 측정과 획득된 속도 데이터의 정확한 분석이 필요하다. 따라서 이동체에서 반사된 신호를 검출하는 신호처리 알고리즘과 획득된 데이터를 분석할 수 있는 분석 알고리즘이 요구된다.

한편, 레이더 센서는 마이크로파(microwave)를 이용하여 전파를 송신하고 표적에 반사된 일부 반사(Reflection) 신호를 수신하여 거리, 속도, 각도 정보를 측정하는 감지수단이다.

이러한 레이더 센서는 펄스 도플러 레이더(Pulsed Doppler Radar), 주파수 변조 연속파(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW), 계단형 주파수 연속파(Stepped-Frequency Continuous Wave, SFCW), 주파수 편이 방식(Frequency Shift Keying, FSK) 레이더 등의 다양한 레이더 파형(Radar Waveform)을 사용하여 표적정보를 측정한다.

일반적으로, 펄스 도플러 레이더는 장거리 탐지용 레이더로 사용되고, FMCW/SFCW/FSK Radar는 근거리 탐지용으로 사용된다.

예를 들어, 하기의 <특허문헌 1> 및 <특허문헌 2> 에는 차량에 적용되는 레이더 센서 구성이 개시되어 있다.

<특허문헌 1> 에 개시된 종래기술에는 디지털 코드를 이용하여 디지털 변조된 송신신호를 송신하고, 송신된 송신신호가 목표물에 의해 반사되어 돌아오는 에코신호를 수신 및 복조함으로써, 목표물까지의 거리 및 목표물의 속도를 측정하는 레이더 장치의 구성이 기재되어 있다.

또한, <특허문헌 2> 에 개시된 종래기술에는 송신 펄스를 변조한 송신 펄스 파를 주기적으로 송출하고 송신 펄스의 송출 타이밍에 맞춘 출력 신호를 출력하는 송신회로, 송신 회로로부터의 송신 펄스 파를 방사하는 송신 안테나, 대상물로부터 반사된 수신 펄스 파를 수신하는 수신 안테나, 수신 안테나로부터의 수신 펄스 파를 이득 가변증폭 및 검파하는 수신회로, 송신 펄스의 송출 타이밍에 맞춰 송신 회로로부터 출력되는 출력 신호에 기초하여 수신회로의 증폭도를 제어하는 이득제어회로를 구비하여 송신회로의 송신 펄스 파를 송출하는 주기에 맞춰 수신회로의 증폭도를 주기적으로 제어하고, 송신회로가 송신 펄스 파를 송출한 후 출력 신호의 타이밍에 맞춰 수신회로의 증폭도가 증가하도록 제어함으로써, 거리 분해능을 높이고, 수신 레벨 차가 큰 수신 펄스 파를 고정밀도로 수신하여 거리를 측정하는 펄스 파 레이더 장치의 구성이 개시되어 있다.

대한민국 특허 공개번호 제10-2012-0116335호(2012년 10월 22일 공개) 대한민국 특허 등록번호 제10-0796548호(2008년 1월 21일 공고)

그러나 상기와 같은 종래기술은 이동 표적만을 구별하기 위해 MTI(Moving Target Indicator) 필터를 적용하며 수신되는 모든 데이터에 대해 필터링을 수행하기 때문에 신호처리 부하가 크게 발생하며, 많은 양의 데이터 메모리가 필요하기 때문에 하드웨어 부담이 커지는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 일반적인 레이더 시스템에서 신호처리 알고리즘과 분석 알고리즘의 요구와 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 레이더 센서(RADAR SENSOR)나 라이다 센서(LIDAR SENSOR)와 같은 모션 센서(MOTION SENSOR)를 이용하여 실내는 물론 외부 환경 간섭이 존재하는 실외에서도 이동체의 속도측정을 정확하게 수행할 수 있는 모션센서 기반의 이동체 감지 및 속도측정시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 모션센서 기반의 이동체 감지 및 속도측정시스템은 실내 또는 실외에서 이동체의 움직임 신호를 측정하는 모션 센서; 상기 모션 센서에서 획득한 움직임 신호의 이득을 자동으로 조절하고, 상기 이득 제어된 움직임 신호에서 유효레벨을 검출하고, 검출한 유효레벨을 디지털 신호로 변환하고, 주파수 변환을 하여 잡음을 제거하고, 속도연산을 하여 이동체의 속도를 산출하는 속도산출수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서 따른 모션센서 기반의 이동체 감지 및 속도측정시스템은 상기 속도산출수단과 연동하여 산출한 속도를 표시해주는 표시수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 모션 센서는 마이크로파(microwave)를 송신하고 표적에서 반사된 반사 신호를 수신하는 레이더 센서(LADAR SENSOR), 레이저 광선을 송신하고 표적에서 반사된 반사 신호를 수신하는 라이다 센서(LIDAR SENSOR) 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 속도산출수단은 상기 수신한 움직임 신호의 이득을 자동으로 조절하는 자동 이득 제어부; 상기 자동 이득 제어부에서 이득 제어된 움직임 신호에서 유효레벨을 검출하는 유효레벨 검출수단; 상기 유효레벨 검출수단에서 검출한 아날로그 검출 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환기; 상기 아날로그/디지털 변환기의 출력 신호를 고속 푸리에 변환(FFT)하여 잡음을 제거하는 잡음제거기; 상기 잡음이 제거된 측정 신호로부터 하기와 같은 수식을 이용하여 속도연산을 하여 이동체의 속도를 산출하는 속도 산출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

<수식>

여기서, c는 빛의 속도, fd = 21KHz, f₀는 10.5GHz, f_d =

(v_i = 3.00m/s)이다.

본 발명에 따르면 모션 센서로 레이더 센서 및 라이다 센서를 이용하고, 외부 환경에 따른 간섭(잡음)을 제거함으로써, 실내는 물론 실외에서도 정확하게 이동체의 속도를 측정할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 모션센서 기반의 이동체 감지 및 속도측정시스템의 블록 구성도,
도 2는 도 1의 속도산출수단에서 속도 산출 과정도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 모션센서 기반의 이동체 감지 및 속도측정시스템을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 모션센서 기반의 이동체 감지 및 속도측정시스템의 블록 구성도로서, 모션 센서(10), 속도산출수단(20) 및 표시수단(30)을 포함한다.

상기 모션 센서(10)는 실내 또는 실외에서 이동체의 움직임 신호를 측정하는 역할을 한다. 실내에서 이동체를 측정할 경우에는 주변 전파 간섭 등의 영향이 최소화되어 정확하게 이동체를 측정하는 것이 가능하나, 주변 전파 환경에 영향이 큰 실외에서 이동체를 측정할 경우에는 주변 잡음을 제거해야 한다.

상기 모션 센서(10)는 마이크로파(microwave)를 송신하고 표적에서 반사된 반사 신호를 수신하는 레이더 센서(LADAR SENSOR), 레이저 광선을 송신하고 표적에서 반사된 반사 신호를 수신하는 라이다 센서(LIDAR SENSOR) 중 적어도 어느 하나 이상을 이용하는 것이 바람직하다.

상기 모션 센서(10)는 레이더 센서를 사용할 경우, 발진을 통해 펄스를 생성하는 발진기(11), 상기 발진기(11)에서 생성한 펄스를 변조한 송신 펄스 파를 방사하는 송신부(12), 목표 대상물로부터 반사된 수신 펄스 파를 수신하는 수신부(13), 상기 수신부(13)에서 수신한 수신 펄스 파와 상기 발진기(11)에서 생성한 펄스를 혼합하여 중간주파를 검출하는 믹서(14), 상기 믹서(14)에서 출력되는 수신 신호를 다단으로 증폭하는 제1 및 제2 증폭기(15)(16), 상기 제2증폭기(16)에서 출력되는 수신 신호를 상기 속도산출수단(20)에 전달하는 신호 출력부(17)를 포함한다.

상기 속도산출수단(20)은 상기 모션 센서(10)에서 획득한 움직임 신호의 이득을 자동으로 조절하고, 이득 제어된 움직임 신호에서 유효레벨을 검출하고, 검출한 유효레벨을 디지털 신호로 변환하고, 주파수 변환을 하여 잡음을 제거하고, 속도연산을 하여 이동체의 속도를 산출하는 역할을 한다.

이러한 속도산출수단(20)은 상기 모션 센서(10)에서 획득한 움직임 신호의 이득을 자동으로 조절하는 자동 이득 제어부(AGC)(21), 상기 자동 이득 제어부(21)에서 이득 제어된 움직임 신호에서 유효레벨을 검출하는 유효레벨 검출수단(22), 상기 유효레벨 검출수단(22)에서 검출한 아날로그 검출신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환기(ADC)(23), 상기 아날로그/디지털 변환기(23)의 출력 신호를 고속 푸리에 변환(FFT)하여 잡음을 제거하는 잡음제거기(24), 상기 잡음이 제거된 측정 신호로부터 속도연산을 하여 이동체의 속도를 산출하는 속도 산출부(25)를 포함한다.

상기 표시수단(30)은 상기 속도산출수단(20)과 연동하여 산출한 속도를 표시해주는 역할을 한다. 이러한 표시수단(30)은 액정표시장치나 LED 장치를 이용하여 속도를 표시해주는 것이 바람직하다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 모션센서 기반의 이동체 감지 및 속도측정시스템의 동작을 첨부한 도면 도 2를 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 모션 센서(10)는 실내 또는 실외에서 마이크로파(microwave)를 송신하고 표적에서 반사된 반사 신호를 수신하는 레이더 센서(LADAR SENSOR), 레이저 광선을 송신하고 표적에서 반사된 반사 신호를 수신하는 라이다 센서(LIDAR SENSOR) 중 적어도 어느 하나를 이용하여, 이동체의 움직임을 감지한다.

예컨대, 모션 센서(10)는 레이다 센서를 사용할 경우, 발진기(11)에서 발진을 통해 펄스를 생성하고, 송신부(12)는 상기 발진기(11)에서 생성한 펄스를 변조한 목표 대상물에 송신 펄스 파를 방사한다. 라이다 센서를 이용할 경우, 송신 펄스 파 대신에 레이저 빔을 송출한다. 송신 펄스 파나 레이저 빔은 송신하는 신호의 형태와 수신하는 신호만의 차이가 있으며, 그 이하 수신 신호를 처리하는 것부터는 모두 동일하게 처리하므로, 이하 설명의 편의를 위해, 레이다 센서를 이용하는 것으로 가정하고 설명하기로 한다.

이어, 상기 목표 대상물로부터 반사된 수신 펄스 파를 수신부(13)에서 수신하게 되고, 믹서(14)는 상기 수신부(13)에서 수신한 수신 펄스 파와 상기 발진기(11)에서 생성한 펄스를 혼합하여 중간주파를 이동체 감지 신호로 검출한다.

상기 검출한 감지신호는 미약한 신호이므로, 제1 및 제2 증폭기(15)(16)를 통해 설정된 증폭레벨로 증폭을 하게 되고, 이렇게 증폭된 이동체 감지 신호는 신호 출력부(17)를 통해 속도산출수단(20)에 전달된다.

상기 속도산출수단(20)의 자동 이득 제어부(21)는 상기 모션 센서(10)에서 획득한 움직임 신호(이동체 감지신호)의 이득을 설정 제어 레벨에 따라 자동으로 조절하고, 이렇게 이득 제어된 움직임 신호는 후단의 유효레벨 검출수단(22)에 전달된다.

상기 유효레벨 검출수단(22)은 수신된 이동체 감지신호로부터 포락선 검파 기법 등을 이용하여 유효레벨을 검출하여 아날로그/디지털 변환기(23)에 전달한다.

상기 아날로그/디지털 변환기(23)는 상기 유효레벨 검출수단(22)에서 검출한 유효레벨에 대응하는 아날로그 검출신호를 샘플링 등을 통해 그에 대응하는 디지털 신호로 변환하여, 잡음제거기(24)에 전달한다.

상기 잡음제거기(24)는 상기 아날로그/디지털 변환기(23)의 출력 신호를 고속 푸리에 변환(FFT)하여 잡음을 제거하는 잡음제거하고, 잡음이 제거된 신호를 최종 이동체 감지신호로 속도 산출부(25)에 전달한다.

예컨대, FFT 프로시저 샘플에 대해서 최종 검출 임계치를 기준으로 상기 최종 검출 임계치 이하가 되는 샘플만을 최종 이동체 감지신호(예를 들어, f_1m, f_2m)를 속도 산출부(25)에 전달한다.

다음으로, 상기 속도 산출부(25)는 상기 잡음이 제거된 최종 이동체 감지신호를 기초로 하기와 같은 수식을 포함하는 속도 분석 알고리즘을 이용하여 속도연산을 수행하여, 이동체의 속도를 산출하게 된다.

예컨대, 도플러 주파수 f_d는 하기의 [수학식 1]과 같다.

여기서 v_i는 이동체의 속도로서 3.00m/s라고 하고, f_d는 21KHz이며, c는 빛의 속도, f₀는 송신 주파수로서 10.5GHz라고 한다.

이동체에서 반사되어 수신된 신호로부터 도플러 주파수(f_d)는 하기의 [수학식 2] 로 산출한다.

여기서 cosθ는 오프셋 각(offset angle)으로서, 표적과 레이더 안테나 방향과의 기울기이다.

상기와 같은 [수학식 2] 로부터 이동체 속도인 v_i는 하기의 [수학식 3] 으로 계산된다.

<수식>

여기서, c는 빛의 속도, fd = 21KHz, f₀는 10.5GHz, f_d =

(v_i = 3.00m/s)이다.

이렇게 계산된 속도는 연동하는 표시수단(30)을 이용하여 디스플레이하게 된다.

이와 같이 본 발명은 주변 환경의 간섭이 적은 실내는 물론 주변 전파 간섭이 많은 실외 환경에서도, 수신한 신호의 잡음을 제거하여 정확하게 이동체 감지 신호를 획득하고, 획득한 이동체 감지신호를 이용하여 속도 분석 알고리즘을 이용하여 정확하게 이동체의 속도를 검출할 수 있게 되는 것이다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

본 발명은 이동체의 속도를 검출하는 기술에 효과적으로 적용된다.

Claims

실내 또는 실외에서 이동체의 움직임 신호를 측정하는 모션 센서;
상기 모션 센서에서 획득한 움직임 신호의 이득을 자동으로 조절하고, 상기 이득 제어된 움직임 신호에서 유효레벨을 검출하며, 검출한 유효레벨을 디지털 신호로 변환하고, 주파수 변환을 하여 잡음을 제거하며, 속도연산을 하여 이동체의 속도를 산출하는 속도산출수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 모션센서 기반의 이동체 감지 및 속도측정시스템.
청구항 1에서, 상기 속도산출수단과 연동하여 산출한 속도를 표시해주는 표시수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모션센서 기반의 이동체 감지 및 속도측정시스템.
청구항 1에서, 상기 모션 센서는 마이크로파(microwave)를 송신하고 표적에서 반사된 반사 신호를 수신하는 레이더 센서(LADAR SENSOR), 레이저 광선을 송신하고 표적에서 반사된 반사 신호를 수신하는 라이다 센서(LIDAR SENSOR) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 모션센서 기반의 이동체 감지 및 속도측정시스템.
청구항 1에서, 상기 속도산출수단은 상기 수신한 움직임 신호의 이득을 자동으로 조절하는 자동 이득 제어부; 상기 자동 이득 제어부에서 이득 제어된 움직임 신호에서 유효레벨을 검출하는 유효레벨 검출수단; 상기 유효레벨 검출수단에서 검출한 아날로그 검출 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환기; 상기 아날로그/디지털 변환기의 출력 신호를 고속 푸리에 변환(FFT)하여 잡음을 제거하는 잡음제거기; 상기 잡음이 제거된 측정 신호로부터 하기와 같은 <수식>을 이용하여 속도연산을 하여 이동체의 속도를 산출하는 속도 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 모션센서 기반의 이동체 감지 및 속도측정시스템.
<수식>

여기서, c는 빛의 속도, fd = 21KHz, f₀는 10.5GHz, f_d =
(v_i = 3.00m/s)이다.