초음파센서
초음파센서(ultrasonic sensor)는 초음파를 이용하여 물체와의 거리를 측정하는 센서이다. 이동로봇의 경우 주행 중 경로상의 물체와의 충돌을 피하기 위해 물체의 유무 및 거리를 알아야 한다. 로봇은 이 정보를 실시간으로 취득하여 충돌을 피하는 새로운 회피경로를 계획하여 물체와의 충돌을 피할 수 있다. 초음파 센서는 2개의 압전 소자로 구성된다. 발신부는 압전소자의 전기적 펄스신호에 의해 초음파를 발생시키고, 수신부는 되돌아온 초음파를 수신하여, 전기적 펄스신호로 변환한다. 이때 두신호의 시간차를 측정하여 거리를 계산한다. 대표적인 제조기업으로는 하기소닉이 있다.
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개요[편집]
초음파센서는 사람의 귀에 들리지 않을 정도로 높은 주파수(약 20 KHz 이상)의 소리인 초음파가 가지고 있는 특성을 이용한 센서이다. 초음파는 공기나 액체, 고체에 사용할 수 있다. 주파수가 높고 파장이 짧기 때문에 높은 분해력을 계측할 수 있는 특징이 있다. 초음파센서에 이용되는 파장은 매체의 음속과 음파의 주파수에 따라 결정되고, 바다 속의 어군탐지기나 소나에서는 1㎜~100㎜, 금속 탐상(探賞) 등에서는 0.5㎜~15㎜, 기체 속에서는 5~35㎜ 정도이다. 초음파센서는 초음파의 발신소자와 수신소자가 동일하고, 센서 재료로는 자기변형 재료(페라이트 등)나 전압, 전기 변형재료(로셸염, 티탄산 바륨 등)가 이용되고 있다. 초음파 센서의 종류는 많은데 응용면에서는 다음과 같이 분류할 수 있다.
- 속도 측정 : 초음파 유속계(流速計), 초음파 유량계, 초음파 도플러 혈류계, 초음파 도플러 유속계
- 거리 측정 : 초음파 거리계, 초음파식 근접각(近接覺) 센서, 초음파 레벨 센서, 초음파식 수위계, 초음파식 적설계, 초음파식 파고계(波高計) 등
- 농도, 점성도 측정 : 초음파 점성도계(粘性度計), 초음파 탁도계 (濁度計)
- 기타: 초음파 탐상자(探傷子), 초음파 두께계, 초음파 현미경, 초음파 진단장치, 초음파 CT스캐너 등을 이용한 장치에 널리 초음파 센서가 사용되고 있다.
작동방식[편집]
초음파센서의 기본 작동은 박쥐가 비행 중에 곤충을 찾기 위해 반향 위치를 사용하는 방법과 유사하다. 송신기는 23kHz ~ 40kHz 사이의 주파수를 포함하는 '처프'라는 고주파 음파의 짧은 버스트를 방출한다. 이 소리의 펄스가 물체에 부딪히면 일부 음파는 수신기로 다시 반사된다. 센서가 초음파 신호를 송신한 후 수신할 때까지의 시간을 측정하여, 다음 방정식을 통해 물체까지의 거리를 계산할 수 있다.
d = 0.5 * t * c
여기서,
d = 거리(미터)
t = 송신부터 수신까지의 시간(초)
c = 소리의 속도(343미터/초)dl다.
d는 음파가 양방향으로 이동한 거리를 측정한 값dl다. 한 방향으로 이동하는 시간을 계산하려면 0.5를 곱해야 하며, 이는 궁극적으로 물체까지의 거리와 같다.
가장 간단한 초음파센서는 송신기와 수신기가 서로 인접하도록 구성된다(그림 1). 이 배열은 송신기에서 직선으로 이동하는 소리의 양을 최대화하고 수신기로 다시 직선으로 반사하므로 측정 오차를 줄이는 데 도움이 된다.
초음파 트랜시버는 단일 인클로저 내에 송신기와 수신기를 결합한다. 이는 측정 정확도를 더욱 향상시키면서(송신기와 수신기 사이의 거리를 최소화하여) 기판 공간을 줄이는 추가적인 이점을 갖는다.
센서의 판독값을 기준으로 물체까지의 거리를 계산할 경우 여러 요인을 고려해야 한다. 소리는 자연스럽게 모든 방향(세로 및 가로)으로 이동하므로 음파가 송신기에서 멀리 이동할수록 더 넓은 영역으로 퍼질 가능성이 커진다. 이는 마치 손전등에서 빛이 퍼지는 것과 비슷하다(그림 2).
이러한 이유로 초음파센서는 표준 감지 영역이 아니라 빔 각도 또는 빔 폭에 대해 사양이 지정된다. 일부 제조업체는 송신기의 센서 빔을 전체 각도 편차로 지정하는 반면 다른 제조업체는 직선 편차로 지정한다. 서로 다른 제조업체의 센서를 비교할 때 센서 빔 각도를 지정하는 방법을 아는 것이 중요하다.
빔 각도는 또한 초음파 센서의 작동 범위와 정확도에 영향을 미칩니다. 좁고 집중된 빔을 전송하는 센서는 더 넓은 빔을 생성하는 센서보다 물리적으로 더 멀리 있는 물체를 감지할 수 있다. 빔이 감지하기에 너무 넓게 확산되기 전에 더 먼 거리를 이동할 수 있기 때문이다. 또한 이를 통해 센서가 더 정확하게 물체를 감지할 수 있으며 원격 본체가 존재한다는 잘못된 표시를 제공할 가능성이 적어진다. 와이드 빔 센서의 경우, 정확도는 떨어지지만 더 넓은 영역에서 범용 물체 감지를 필요로 하는 응용 분야에 사용하는 데 적합하다.
동등하게 중요한 고려 사항은 아날로그 센서를 사용할 것인지 또는 디지털 센서를 사용할 것인지 선택하는 것이다. 아날로그 센서는 초음파 처프를 생성하고 해당하는 에코를 수신하는 역할만 한다. 이 에코는 이후에 물체 거리 계산을 수행하는 시스템 마이크로 컨트롤러에서 사용할 수 있도록 디지털 형식으로 변환되어야 한다. 시스템 설계자는 계산 시 아날로그에서 디지털로의 변환 지연에 대한 허용을 고려해야 한다. 오디오 신호를 생성하고 수신하는 것 이외에, 디지털 초음파 센서 모듈에는 통신 버스를 통해 마스터 시스템 마이크로 컨트롤러로 이 수치를 전송하기 전에 거리 계산을 수행하는 슬레이브 마이크로 컨트롤러도 포함되어 있다.
또한 시스템 엔지니어는 별도의 송신기 및 수신기(다른 이산 부품과 함께)를 사용하여 맞춤형 센서를 설계할지 아니면 완전히 통합된 트랜시버를 사용할지 결정해야 한다(그림 3). 개별 송신기 및 수신기와 비교하여, 통합 초음파 트랜시버는 크기가 작고(따라서 PCB 공간이 절약됨), 사용이 간편하고, 일부 응용 분야에서 정확도가 향상된다는 장점이 있다. 그러나, 센서가 응용 분야에 맞게 설계되는 방식을 조정할 수 있는 자유도가 떨어지고 제약 조건이 더 커진다.
장점[편집]
다른 유형의 근접/존재 감지 센서 대신 초음파센서를 사용할 지에 대한 결정은 대개 응용 분야에 따라 달라진다. 그러나 초음파센서는 다음과 같은 여러 장점을 제공한다.
- 광학 센서 및 IR 센서와 달리 초음파 센서는 색상에 독립적으로 작동합니다. 즉, 물체의 색상이 측정 정확도에 영향을 미치지 않음을 의미한다.
- 마찬가지로, 유리 및 물과 같이 반투명하거나 투명한 재료도 성능에 부정적인 영향을 미치지 않는다.
- 넓은 범위에 걸쳐(대개 수 센티미터에서 수 미터에 이르는 범위) 물체 감지 및 거리 측정을 위한 뛰어난 유연성을 제공하지만 최대 20미터까지 작동하도록 맞춤 설계할 수 있다.
- 일관되고 안정적으로 수행할 수 있는 복잡하지 않은 물리적 원칙을 기반으로 하여 세월의 시험을 견뎌냈다.
- 정교하지는 않지만 측정 오차가 1% 이하로 놀라울 정도로 정확합니다.
- 초당 여러 번의 측정이 요구되는 응용 제품에서 높은 '재생률'로 작동하도록 설계할 수 있다.
- 쉽게 구할 수 있고 상대적으로 저렴한 부품을 사용하여 구성할 수 있다.
- 전기적 잡음에 대해 높은 내성을 제공하며, 배경 음향 잡음의 영향을 극복하기 위해 특별히 인코딩된 정보로 '처프'를 전송하도록 설계할 수 있다.
단점[편집]
- 온도 및 습도가 소리의 속도에 영향을 준다. 이는 환경 조건이 거리 측정의 정확성과 안정성에 영향을 미칠 수 있으며 추가로 보상 회로망이 필요할 수도 있음을 의미한다.
- 초음파 센서는 거리 측정 또는 물체 감지를 제공하는 데만 사용할 수 있으며 물체 위치를 나타내거나 물체의 모양 또는 색상에 대한 정보를 제공하지 않는다.
- 산업용 및 자동차용 제품에는 적합하지만 작은 내장형 응용 제품에서는 크기가 문제가 될 수 있다.
- 대부분의 센서와 마찬가지로 습도, 극한의 온도, 열악한 조건에 취약하여 성능에 부정적 영향을 미치거나 사용 불가능한 상태가 될 수도 있다.
- 소리는 이동할 수 있는 매체가 필요하다. 즉, 진공 상태에서 작동하는 응용 제품에서는 초음파 센서를 사용할 수 없다.
자동차 분야 활용[편집]
- 초음파센서는 주로 5m 내의 근거리 장애물 감지를 위해 사용되어지며, 능동적 주차보조(Active Parking Assist) 및 자동주차(Auto Parking)에 응용할 수 있다. 주차 중 물체와 가까워지면 '삐비빅' 경고음이 나는 것도 초음파센서를 이용한 것이다. 레이더나 라이다 센서가 고속주행이나 먼 거리에 위치한 사물을 인식하는데 유용하지만, 좁은 골목이나 지하주차장에서는 오히려 초음파 센서가 적합하다. 초음파센서가 근거리 사물을 인지하고, 소프트웨어 로직과 제어시스템으로 자율주행을 수행한다.
- 트렁크를 여는 킥 : 킥오프닝 트렁크는 스마트 트렁크 개방 시스템이라고도 한다. 이 기능을 사용하면 소유자가 손을 사용하지 않고 뒷범퍼 아래에 발을 넣을 수 있으며 발을 차서 차 트렁크를 열 수 있다.
동영상[편집]
참고자료[편집]
- 〈초음파 센서〉, 《센서용어사전》
- 〈초음파 센서〉, 《위키백과》
- Jeff Smoot, 〈초음파 센서 기본 사항〉, 《디지키》, 2021-05-20
- 김현호 기자, 〈기술수준 따라 6단계로 나눠...센서와 딥러닝 SW, 도로인프라가 필수〉, 《뉴스트리》, 2021-05-18
- 전미준 기자, 〈현대모비스, SW로직·초음파 센서 기반 ‘도심형 자율주행’ 신기술 개발〉, 《인공지능신문》, 2021-11-15
- 안성원AI정책연구팀 선임연구원, 〈자율주행을 가능하게 하는 기반 기술들〉, 《소프트웨어정책연구소》, 2017-05-30
같이 보기[편집]
