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초음파센서

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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 에 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.

그림 1: 기본 초음파 송신기/수신기 배열. (이미지 출처: CUI Devices)

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.

그림 2: 빔 각도는 센서 선택을 이해하는 데 중요한 사양입니다. (이미지 출처: CUI Devices)

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.

그림 3: 별도의 초음파 송신기 및 수신기와 통합 초음파 트랜시버 모듈. (이미지 출처: CUI Devices)

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. 레이더라이다 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]

같이 보기[편집]


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