KR102469086B1 - 적응형 레이더를 구비한 네비게이션 보조 장치 - Google Patents

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테로 키우루
잔 하클리
페카 푸르술라
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테크놀로지안 투트키무스케스쿠스 브이티티 오와이
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Abstract

적어도 하나의 송신(TX) 채널 및 다수의 수신(RX) 채널을 갖는 무선 주파수, 바람직하게는 밀리미터파 레이더(218), 레이더의 방향을 나타내는 데이터를 획득하도록 구성된 적어도 하나의 방향 센서(220), 및 방향 센서에 의해 제공되는 데이터를 기반으로 레이더의 빔 형성을 적응적으로 제어(500, 602)하도록 구성된 처리 요소(210)를 포함하는, 예를 들어, 맹인(102)용 휴대용 전자 네비게이션 보조 장치(104)가 개시된다. 대응하는 방법이 제시된다. 전자 호스트 장치에 부착하기 위한 무선 주파수 레이더를 포함하는 교체 가능한 커버와 같은 액세서리가 제시된다.

Description

적응형 레이더를 구비한 네비게이션 보조 장치{NAVIGATIONAL AID WITH ADAPTIVE RADAR}
일반적으로 본 발명은 전자 장치에 관한 것이다. 특히, 배타적이지는 않지만, 본 발명은 원격 감지 기술을 이용하여 네비게이션을 용이하게 하는 것에 관한 것이다.
지난 20년 동안, 예를 들어, 휴대용 네비게이터 또는 네비게이션 기능을 구비한 모바일 단말기와 같은 휴대용 개인 장치의 형태의 다양한 네비게이션 장치가 일반 대중에게 소개되었다. 이들 장치는 전자, 통신, 측위 기술, 배터리, 및 일반적인 감지 분야의 다양한 발전으로 인해 큰 인기를 얻었으며, 그 결과, 이러한 제품의 유용성은 소위 대중 시장에 진입하기 위한 요건을 고려하여 필요한 도약을 이루었다. 크기, 무게, 사용자 편의성, 신뢰성 및 가격이 마침내 관련된 중요한 요건에 도달했다.
다양한 주류 응용 분야 외에도, 현대 네비게이션 솔루션은 여러 특수한 상황에서도 특히 유용한 것으로 나타났다. 예를 들어, 시각 장애인, 즉, 맹인이거나 근시안인 사람은 분명히 스스로 길을 찾을 수 있는(self-navigation) 능력이 제한적이다. 그러나 셀프-네비게이션은, 예를 들어, 무수히 많은 도전 과제를 잊지 않고, 가까운 식료품점을 방문하는 것과 같이 일상 생활의 일반적인 일을 자동으로 수행하는 다소 중요한 기능이다. 따라서, 셀프-네비게이션 기능의 복원 또는 함양은 많은 방식으로 장애인의 삶의 질을 향상시키는 데 중요한 요소가 된다.
일반적으로 레이더라고 하는 능동 감지 장치는 환경에 대한 정보를 제공하며, 스캐닝 광선을 차단하는 사람, 물건 또는 다양한 다른 장애물과 같은 스캐닝된 영역 내의 다양한 개체가 이들의 크기, 속도, 재료 등의 측면에서 검출되고, 위치 파악이 되며 선택적으로 특성화될 수 있다. 많은 기술 분야에서 급속한 발전은 레이더의 소형화를 가속화하였다. 휴대용 응용 분야는, 예를 들어, 맹인 또는 소방관을 위한 네비게이션 보조 장치를 포함한다. 휴대용 개인 장치 이외에, 소형 레이더는 의심의 여지없이, 예를 들어, 자동차, 로봇 및 무인 항공기와 같은 이동 차량에 더 적용될 수 있을 것이다.
상기한 응용 분야에서, 스마트폰 기반의 초음파 감지 장치와 같은 레이더 장치는 레이더 장치가 부착된 사람 또는 기계와 함께 움직이거나 이에 통합될 수 있다. 따라서, 레이더 빔(들)은 때때로 원하지 않는 방향을 가리킴으로써 오경보를 발령할 수 있고 실제 경로상의 장애물로 인해 유발되는 적절한 경보를 누락할 수 있다. 예를 들어, 움직이는 사람이 가슴 끈이나 벨트를 이용해 휴대하는 레이더 장치는 기울어질 수 있고, 전방을 가리키는 대신에 땅이나 하늘을 가리킬 수 있다. 바람직한 스캐닝 방향은, 검출되어야 하는 가장 중요한 장애물이 실질적으로 사람의 정면에 위치할 가능성이 있다는 사실로 인해 실질적으로 수평일 수 있다. 또한, 감지 장치, 예를 들어, 초음파 개인용 레이더 솔루션은 다소 보통의 범위(예를 들어, 1 미터 또는 2 미터)를 갖는 경향이 있으며, 관련 초음파는 밀도가 높은 물질을 잘 통과하지 못한다.
미국등록특허 제6489605호(2002.12.03.)
본 발명의 목적은 공지된 네비게이션 장치에 의해 아직 완전히 만족스럽게 해결되지 않은 상기한 하나 이상의 문제를 적어도 완화하는 것이다.
상기 목적은 독립형 장치와 같은 네비게이션 보조 장치 형태의 전자 장치 및 스마트폰과 같은 호스트 장치에 물리적 및 기능적으로 부착하기에 적합한 교체 가능한 커버와 같은 액세서리의 실시형태에 의해 달성되며, 이들 장치는 원래 호스트 장치에서 누락된, 원하는 레이더 기능을 제공할 수 있다. 관련 방법도 제시된다. 이 요약은 일반적으로 아래의 상세한 설명에서 더 설명되는 개념의 선택을 소개하기 위해 제공된다는 점에 주목해야 한다. 그러나, 요약은 청구된 주제의 유일하고 중요한, 특히, 필수적인 특징을 구체적으로 확인하기 위한 것은 아니며 따라서 청구된 주제의 범위를 제한하지 않는다.
따라서, 본 발명의 일 양태에서, 바람직하게, 예를 들어, 맹인용의 일체형 장치 형태의 휴대용 전자 네비게이션 보조 장치는,
- 적어도 하나의 송신 채널 및 다수의 수신 채널을 갖는 무선 주파수, 바람직하게는 마이크로파 또는 밀리미터파 레이더,
- 레이더의 방향을 나타내는 데이터를 획득하도록 구성된 적어도 하나의 방향 센서, 및
- 방향 센서에 의해 제공되는 데이터를 기반으로 레이더의 빔 형성을 적응적으로 제어하도록 구성된 처리 요소를 포함한다.
일 실시형태에서, 보조 장치에 포함된 상기 적어도 하나의 방향 센서 및/또는 추가 센서는 관성 측정 장치(inertial measurement unit, IMU), 자이로스코프(gyroscope), 3축 자이로스코프, 가속도계(accelerometer), 3축 가속도계, 자기계(magnetometer), 항법 신호 수신기, 위성 항법(신호) 수신기, 지구 측위 시스템(Global Positioning System, GPS) 수신기, 지구 항법 위성 시스템(Global Navigation Satellite System, GLONASS) 수신기, 및 GALILEO 수신기로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 요소를 포함한다.
일부 실시형태에서, 센서(들)는 레이더의 회전 및/또는 병진 운동을 측정하도록 더 구성될 수 있다. 그러나, 레이더만의 운동 또는 방향을 검출할 수 있지만, 센서(들)는 일반적으로, 예를 들어 보조 장치가 레이더를 포함하는 여러 개의 요소를 수용하기 위한 공통 하우징과 실질적으로 일체화된 장치로서 구현되는 바람직한 경우에, 보조 장치의 운동/방향을 분명히 나타낼 수 있다.
또 다른 실시형태에서, 빔 형성이 통합되거나 또는 실질적으로 전자적으로 달성된다. 전자식 빔 형성은 하드웨어에서 아날로그적으로 또는 소프트웨어에서 디지털적으로 수행될 수 있다.
대안적으로 또는 부가적으로, 기계적 빔 형성이 수행될 수 있다. 기계적 빔 형성은 레이더의 방향 또는 정렬, 또는 레이더의 물리적 및 기능적으로 의미 있는 적어도 여러 개의 요소를 물리적으로 조정하여(예를 들어, 안테나(들)가 회전/조향될 수 있음) 관련 빔 방향이 원하는 대로 변경되도록 할 수 있다.
일부 실시형태에서, 기계적 빔 형성은 여러 개의 압전 액츄에이터, 선택적으로 모터(들)에 의해 달성될 수 있다. 이들 요소들은 일반적으로 모바일 환경에서 매우 유익한 특성인 경량 및 소형 모두일 수 있다.
또 다른 실시형태에서, 레이더는 여러 개의 안테나를 포함할 수 있다. 송신 및 수신 채널은 전용 안테나를 가질 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 공유 안테나(들)는 TX 및 RX 채널 사이에서 이용될 수 있다. 채널은 적어도 하나의, 선택적으로 전용 안테나와 결합되어야 한다. 그럼에도 불구하고, 다수의 안테나 또는 '안테나 소자'(방사 소자(radiating element))는 숙련자가 이해할 수 있는 어레이 안테나 또는 다양한 방향을 가리키는 빔을 갖는 안테나 군으로 제공될 수 있다.
또 다른 실시형태에서, 레이더에 의해 스캐닝되거나 스캐닝 가능한 전자기 스펙트럼의 일부는 대략 1 GHz 또는 3 GHz 내지 대략 1000 GHz의 범위일 수 있다. 선택적으로, 상한 임계 주파수는 대략 350 GHz 이하이다.
또 다른 실시형태에서, 위에서 시사한 바와 같이, 레이더 운동을 결정하기 위해 하나 이상의 센서가 이용되고, 얻어진 정보는 다양한 위치에서 레이더 측정치를 가간섭적으로(coherently)(합성 개구 레이더(synthetic-aperture radar, SAR) 또는 비간섭적으로(incoherently) 결합하여, 예를 들어, 검출 정확도의 측면에서 레이더 시스템의 성능을 증가시키는데 사용된다.
또 다른 실시형태에서, 보조 장치는 사용자가 착용할 수 있는 장치이거나 또는 이를 포함한다. 이는 여러 개의 클립, 벨트, (스트레치) 스트랩((stretch) strap), 하네스(harness), 벨크로(Velcro™) 또는 대응하는 (예를 들어, 후크 앤드 루프(hook-and-loop)) 패스너를 포함할 수 있다. 예를 들어, 보조 장치는 사용자의 가슴, 배, 팔, 손목, 목, 어깨, 다리 또는 머리(예를 들어, 이마)에 부착될 수 있다. 사용된 주파수가 충분한 전력으로 침투할 수 있을 만큼 낮은 경우, 보조 장치는 옷 속에 착용될 수도 있다.
또 다른 실시형태에서, 보조 장치는 독립형 네비게이션 보조 장치이다. 대안적으로, 보조 장치는 스마트폰 또는 패블릿(phablet)과 같은 다용도의 모바일 단말기 장치로서 구현될 수 있다. 이는 시각 장애인용 지팡이(예를 들어, 지지대 또는 탐침 지팡이(probing cane))와 같이 완전히 다른 유형의 장치 또는 요소를 구비할(이에 부착 또는 통합될) 수도 있다. 보조 장치는 바람직하게, 예를 들어, 자체적으로 재충전 가능하거나 적어도 교체 가능한 배터리와 같은 전원을 포함하는 의미에서 자체 포함일 수 있다.
일부 실시형태에서, 빔 형성은 레이더의 수신 측에서 독점적으로 수행될 수 있지만, 일부 다른 실시형태에서, 빔 형성은 수신 측에 추가로 또는 수신 측 대신에 레이더의 송신 측에 적용될 수 있다.
다양한 실시형태에서, 적응형 형 빔 형성은 예를 들어, 빔 지향 방향 적응 및/또는 주사 빔 영역 적응을 포함할 수 있다.
또 다른 실시형태에서, 적어도 하나의 방향 센서에 의해 제공되는 데이터에 응답하여, 보조 장치는 방향을 나타내는 통지 신호를 사용자에게 촉발(trigger)하도록 구성될 수 있다. 선택적으로, 통지 신호는 사용된 결정 기준에 따라 차선의 방향을 나타낼 수 있으며, 이는 레이더가 예를 들어 보조 장치의 하우징 및/또는 본체에 대해 사용자에 의해 제어 가능하게 관절로 이어지거나 또는 고정되는 실시형태에서 보조 장치 또는 적어도 이의 레이더 부분을 재-위치시키거나 또는 가능하게는 재-정렬시킴으로써 수정될 수 있다. 예를 들어, 통지 신호는 가청 및/또는 촉각 신호일 수 있다.
또 다른 실시형태에서, 레이더 측정치에 응답하여, 경보 신호와 같은 출력 또는 통지 신호가 촉발될 수 있다. 예를 들어, 신호는 가청 신호 및/또는 촉각 신호(예를 들어, 진동)일 수 있다. 일부 실시형태에서, 신호는 무선 주파수 신호를 포함할 수 있다. 신호는 레이더 범위 또는 이의 특정 하위 범위 내에서 물체가 검출될 때 촉발될 수 있다. 신호는 물체와의 거리가 변함에 따라, 즉, 거리를 반영하여 수정될 수 있다. 선택적으로, 신호를 촉발하거나 수정하기 위해, 물체의 검출된 크기가 하나의 입력으로 사용될 수 있다.
또 다른 양태에서, 스마트폰 또는 그 밖의 선택적으로 개인 모바일 장치와 같은 호스트 장치에 물리적 및 기능적으로 부착하기에 적합한 교체 가능한 액세서리, 바람직하게는 기능성 덮개는,
- 액세서리를 모바일 호스트 장치에 부착하기 위한 기계식 고정 수단,
- 적어도 하나의 송신 채널 및 다수의 수신 채널을 갖는 무선 주파수, 바람직하게는 마이크로파 또는 밀리미터파 레이더, 및
- 레이더 데이터를 호스트 장치에 전달하고 호스트 장치로부터 제어 신호를 수신하기 위한 호스트 데이터 인터페이스를 포함한다.
실제로, 호스트 데이터 인터페이스는 레이더 데이터를 호스트 장치에 전달하기 위한 송신기 또는 트랜시버를 포함할 수 있다. 이는 데이터 요청, 제어 또는 구성 신호, 활성화/비활성화 명령, 확인 응답 등과 같은 정보를 호스트 장치로부터 수신하기 위한 수신기/송수신기(transceiver)를 더 포함할 수 있다. 이러한 수신된 제어 신호는, 예를 들어, 원하는 종류의 빔 형성을 달성하기 위해 레이더를 켜거나 끄거나 또는 레이더 파라미터를 조정할 수 있다.
또 다른 실시형태에서, 호스트 데이터 인터페이스는 유선 연결을 위해 설계된다. 인터페이스는 이를 위한 커넥터를 포함할 수 있다. 커넥터는, 예를 들어, 전기 또는 광학 데이터 전송을 위해 구성될 수 있다. 대안적으로, 호스트 데이터 인터페이스는 무선 연결을 위해 구성된다. 무선 연결은, 예를 들어, 무선(RF) 연결, 광학 연결 또는 초음파 연결일 수 있다.
또 다른 실시형태에서, 액세서리는 성형 재료, 선택적으로 플라스틱을 포함하거나 실질적으로 이들로 구성된다. 레이더의 적어도 일부분은 사출 성형과 같은 성형 동안 재료에 보호용으로 매립되었을 수 있다. 성형된 재료와 같은 액세서리의 재료는, 레이더 요소(들)를 수용하고 각각 레이더와 환경 사이에서 손실이 적은 신호 전파를 각각 가능하게 하는 여러 개의 리세스(recess), 윈도우(window) 및/또는 개구(opening)를 포함할 수 있다.
선택적으로 개인 모바일 단말기, 개인 컴퓨팅 장치 또는, 예를 들어, 휴대용 미디어 플레이어이거나 이를 포함하는 호스트 장치 및 액세서리의 실시형태를 포함하는 시스템이 본원에서 일반적으로 추구하는 네비게이션 보조 기능을 구현하도록 제공될 수 있다.
또 다른 양태에서, 네비게이션에서, 선택적으로 시각 장애가 있는 사람 또는 시야가 제한된 환경에서 활동하는 사람에 의한 셀프-네비게이션에서 레이더 신호의 적응형 빔 형성 방법은,
- 선택적으로 두 개 이상의 탈착식으로 연결 가능한 물리적 및 기능적 요소를 갖는 휴대용 전자 장치를 얻는 단계로서, 상기 장치는 적어도 하나의 송신 채널 및 다수의 수신 채널을 갖는 무선 주파수, 바람직하게는 밀리미터파 레이더, 적어도 하나의 방향 센서, 및 처리 유닛을 포함하는, 휴대용 전자 장치를 얻는 단계,
- 처리 유닛에 의해, 상기 적어도 하나의 방향 센서를 이용하여 레이더의 방향을 결정하는 단계, 및
- 방향을 기반으로 무선 주파수 레이더의 빔 형성을 조정하는 단계를 포함한다.
보조 장치의 다양한 실시형태에 관해 이전에 제시된 고려 사항은, 숙련자에 의해 이해되는 바와 같이, 필요한 변경을 가하여 액세서리 또는 방법의 실시형태에 유연하게 적용될 수 있으며, 그 반대일 수도 있다.
본 발명의 유용성은 각각의 특정 실시형태에 따른 몇 가지 문제점에 기인한다. 방향 데이터를 기반으로 레이더의 빔 형성을 조정함으로써, 전송 및/또는 수신 빔은, 시각 장애인 또는 시계 불량의 적대적 환경에 있고 레이더의 범위 또는 검출 방향에 즉각 악영향을 미치는 장치의 (오)배치 또는 방향 변화로 인한 지나친 부담 없이 원격 물체를 신뢰성 있게 인식할 수 있는 사용자의 주요 보행 방향과 같은 보조 장치 주위의 필요하고 중요한 방향(들)에서의 장애 검출에 대해 자동으로, 신속하고 정확하게 최적화될 수 있다.
또한, 본 발명의 일부 실시형태에 따른 보조 장치를 사용함으로써, 사용자는, 센서 데이터를 기반으로, 다른 선택 중에서도, 청각적으로 또는 촉각 수단을 사용하여 사용자가 필요한 경우 적절한 시정 조치를 취할 수 있도록, 보조 장치의 가능한 차선의 위치 설정/방향에 대해 기민하게 통지(경고)될 수 있다.
바람직한 실시형태에서는 전파, 가장 바람직하게는 밀리미터 파장을 이용하기 때문에, 달성된 검출 범위는, 예를 들어, 유사한 맥락에서 초음파 감지에 대해 비교적 양호하고, 전송/수신된 반사 신호가 과도한 감쇠 또는 교란 없이 투과하는 경우 보조 의류는 겉옷 속에 착용될 수 있다.
교체 가능한 기능성 덮개와 같은 제안된 액세서리는 호환 가능한 호스트 장치, 예를 들어, 개인 모바일 통신 장치, 태블릿 또는 패블릿, 또는 미디어 플레이어에 편리하게 장착되어, 호스트 장치와 함께 본 발명의 보조 장치를 작동 가능하게 설정할 수 있다. 호스트 장치의 다양한 요소들, 예를 들어, 프로세싱, 메모리, UI, 감지 및/또는 데이터 전달 요소가, 이에 의해 형성되는 공통 네비게이션 보조 시스템에서 이용될 수 있다.
또한, 본 발명은 시각 장애인의 셀프-네비게이션 이외의 다양한 응용 분야에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 소방관은 시계 불량 시나리오에서 네비게이션 지원을 제공할 수 있는 장치를 이용할 수 있다. 로봇 및 예를 들어 다양한 무인 차량(지상, 공중, 수중, 지하 등)이 또한 제안된 적응형 레이더 장치로부터 이익을 얻을 수 있다.
"여러 개의"라는 표현은 본원에서 하나(1)에서 시작하는 임의의 양의 정수, 예를 들어, 하나, 둘, 또는 셋을 의미한다.
"다수의"라는 표현은 본원에서 둘(2)에서 시작하는 임의의 양의 정수, 예를 들어, 둘, 셋 또는 넷을 의미한다.
"포함하는"이라는 표현은 본원에서 언급되지 않은 특징의 존재를 필요로 하거나 배제하지 않는 열린 제한(open limitation)으로서 사용된다.
단수 용어는 수량의 제한을 나타내지 않지만, 언급된 항목 중 적어도 하나의 존재를 나타낸다.
본 발명의 다양한 실시형태는 종속항에 개시되어 있다.
다음, 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명된다, 도면에서:
도 1은 본 발명의 하나의 사용 시나리오를 통한 본 발명의 전반적인 개념을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 네비게이션 보조 장치의 일 실시형태의 내부를 도시한 상위 수준의 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 액세서리의 실시형태의 내부를 도시한 상위 수준의 블록도이다.
도 4는 휴대용 레이더 장치와 관련하여 본 발명의 적응형 빔 형성이 활성화되지 않는 시나리오를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 빔 형성 적응의 실시형태를 개시한다.
도 6은 TX 측이 넓은 고정 빔을 이용하고 RX 측이 적응형 빔 조정을 지원하는 또 다른 실시형태를 개시한다.
도 7은 본 발명에 따른 방법의 실시형태를 개시하는 흐름도이다.
도 1은 시작 장애인, 잠재적으로는 맹인, 또는 '사용자'(102)가 본 발명에 따른 적응적 빔 형성 레이더 장비를 구비한 네비게이션 보조 장치의 실시형태를 휴대하거나 착용하는 시나리오를 100으로 도시하고 있다.
보조 장치(104)는 벨트, 클립 및/또는 허리와 같은 원하는 위치에 보조 장치를 용이하게 위치시킬 수 있는 그 밖의 고정 기구와 같은 부착 수단을 구비할 수 있다. 바람직하게, 보조 장치(104)는 연관된 레이더가 사용자(102) 대신에 물체/장애물(106)(단지 예로서 도시된 나무)에 대한 관심 영역을 잘 스캐닝할 수 있도록 위치된다.
보조 장치(104)가 물체(106)를 검출할 때, 보조 장치(104)는 미리 정해진 방식으로 진행할 수 있고, 이는 일반적으로 물체의 존재 그리고 선택적으로 크기, 유형 및/또는 거리와 같은 여러 개의 물체 특성을 나타내는 미리 정해진 가청 및/또는 촉각 경보를 제공하는 것일 수 있다. 따라서, 사용자(102)는 자신의 경로를 조정하고, 걸음을 멈추고, 도움을 요청하고, 지시된 방향으로 지팡이를 이용하여 탐침 동작을 집중하는 것과 같은 필요한 예방 조치를 취할 수 있다.
레이더/보조 장치(104)는 방향 센서를 구비하기 때문에, 매 순간마다 정확한 빔 지향 방향이 결정될 수 있도록 레이더/보조 장치의 방향이 모니터링되어야 한다. 방향 정보는 이후 레이더의 적응형 빔 형성을 제어하는데 사용됨으로써, 보조 장치 자체의 방향 변화에도 불구하고 이의 효과적인 시각이 최적으로 유지된다, 예를 들어, 다른 방향보다도 선호되는 경우 실질적으로 수평이다.
본원에서, 적응형 빔 형성은 방향 데이터를 기반으로 RX 측, TX 측 또는 양 방향을 조정하는 것을 의미할 수 있다. 그러나 조정은 기계적으로, 전기적으로 또는 두 방법 모두를 사용하여 달성될 수 있다.
전자식 빔 형성은 하드웨어에서 아날로그적으로 또는 소프트웨어에서 디지털적으로 수행될 수 있다.
기계적 조정(안테나와 같은 레이더 RX 및/또는 TX 측 요소의 방향 및/또는 다른 특성을 물리적으로 변경)의 경우, 전기 모터, 서보, 압전 요소 등과 같은 적절한 수단이 사용될 수 있다.
아날로그식 빔 적응은, 예를 들어, 안테나 어레이를 전기적으로 위상 조정함(phrasing)으로써 수행될 수 있다. 이 절차에서, 다양한 각도에서 안테나 빔을 형성하기 위해 전기적으로 스위칭된 위상 변위기가 이용될 수 있다. 대안적으로, 다양한 방향으로 빔을 생성하는 안테나를 스위칭하기 위해 여러 개의 스위치가 사용될 수 있다.
디지털식 빔 형성에서, 여러 각도의 빔이 계산적으로 형성되도록 여러 레이더 트랜시버 채널을 사용하여 여러 채널로부터의 데이터가 결합될 수 있다. 간단한 예로서, 이는 각각의 레이더 채널의 동 위상(in-phase) 및 직교 위상(I 및 Q) 신호를 결합하고 특정 안테나 빔 지향 각도에 대응하는 위상 차이를 추가하는 것을 의미한다. 또 다른 예는 다양한 방향으로 안테나 빔을 갖는 다중 코딩된 송신을 사용하고, 목표 방향 정보(TX 안테나 빔)를 얻기 위한 코딩을 기반으로 넓은 범위의 RX 안테나에 의해 수신된 신호를 분리하는 것이다. 센서 데이터를 이용함으로써, 원하는 방향으로만 레이더를 조정하기 위해 원하지 않는 안테나 빔 각도를 생략할 수 있다. 조정은 빔 지향 방향 조정을 통해 또는 안테나 스캐닝 영역을 조정함으로써 이루어질 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 네비게이션 보조 장치의 일 실시형태의 내부를 도시한 상위 수준의 블록도이다.
보조 장치를 구성하는 장치는 하나 이상의 마이크로프로세서, 마이크로 컨트롤러, 디지털 신호 프로세서(DSP), 프로그램 가능 논리 칩 등과 같은 명령 및 그 밖의 데이터를 처리할 수 있는 하나 이상의 처리 장치를 포함한다. 따라서, 처리 개체(210) 기능 개체로서 상호 작용하는 다수의 프로세서 및/또는, 예를 들어, 중앙 처리 장치에 연결된 여러 개의 서브 프로세서를 포함할 수 있다. 처리 개체(210)는 메모리(212)에 저장된 코드(214)를 실행하도록 구성될 수 있으며, 이 코드는 장치(104) 및 이의 다양한 구성 요소를 제어하기 위한 소프트웨어 논리 및 소프트웨어 구조에 관한 명령 및 데이터를 의미할 수 있다.
메모리 개체(212)는 하나 이상의 물리적 메모리 칩 또는 그 밖의 메모리 요소로 분할될 수 있다. 메모리(212)는 메모리 카드 또는 하드 드라이브와 같은 그 밖의 저장 매체를 더 의미하고 이를 포함할 수 있다. 메모리(212)는 비-휘발성, 예를 들어, 읽기 전용 메모리(ROM), 및/또는 휘발성, 예를 들어 랜덤 액세스 메모리(RAM)이거나 이를 포함할 수 있다. 소프트웨어(제품) 코드는 또한, 예를 들어, 저장, 전송 및 설치 목적에 따라 메모리 카드, 메모리 스틱, 광학 디스크(예를 들어, CD-ROM 또는 DVD), 또는 그 밖의 다른 비-휘발성 메모리 캐리어와 같은 캐리어 매체 상에 구비될 수 있다. 적어도 기능적으로 연결된 처리 개체(210) 및 메모리 개체(212)는 물리적으로 분리되거나, 예를 들어, 공통 칩에 통합될 수 있다.
사용자 인터페이스(UI)(222)는 장치의 상태, 레이더 상태, 물체 감지 상태, 배터리 상태 등의 시각적 표시를 제공하기 위해 디스플레이 또는 그 밖의 시각적 표시 수단(예를 들어 LED(들) 또는 그 밖의 광(들))을 포함할 수 있다. 특히, 시각 장애인과 관련하여, UI(222)는 동일한 목적을 위해 오디오(예를 들어, 버저 또는 스피커) 및/또는 촉각 출력 수단(예컨대, 진동 요소)을 포함할 수 있다.
그러나, 여러 개의 버튼, 노브, 스위치, 터치 패드 등과 같은 제어 입력 수단이 구비될 수 있다. 이러한 입력을 이용하여 온/오프 전력 스위칭이 제공될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 사용자는 레이더 기능(예를 들어, 활성화/비활성화 또는 기능 상태 또는 파라미터(예를 들어, 검출 거리 또는 방향)의 선택)와 함께 보조 장치(104)를 제어할 수 있다. 입력 수단은 제어 입력으로 사용하기 위한 음성과 같은 음향을 캡처하기 위해 A/D 변환기를 구비한 마이크를 포함할 수 있다.
분명히, 네비게이션 보조 장치(104)는 원격 물체의 검출을 위한 레이더(218)를 포함한다. 바람직하게, 레이더(218)는 무선 주파수 레이더이다. 사용되는 파장은 합리적인 범위 및 평상복과 같은 많은 재료를 통해 전파할 수 있는 능력과 같은 다양한 관련 이점을 위해 밀리미터 범위 이하일 수 있다.
보조 장치(104)는 관성 측정 장치(IMU)와 같은 방향 센서(220)를 더 포함한다. 센서(220)에 의해 제공되는 데이터는 레이더의 빔 형성을 적응적으로 제어하는데 이용된다. 예를 들어, 센서(220)에 의해 검출되고 센서 데이터에 의해 지시된 방향 변화는 레이더 검출 방향이 실질적으로 원하는 대로 유지되도록 적응형 빔 형성에서 보상될 수 있다. 예를 들어, 실질적으로 수평(빔) 방향 또는 '스캔 축'이 수평 방향으로부터 명확하게 벗어난 각도보다 선호될 수 있다.
보조 장치(104)는 컴퓨터와 같은 외부 장치와 통신하기 위한 데이터 인터페이스와 같은 여러 개의 추가 센서 및/또는 기타 요소(216)를 포함할 수 있다. 이를 통해, 예를 들어, 제어 또는 구성 입력이 수신될 수 있고 및/또는 레이더/방향 데이터가 전송될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 액세서리의 실시형태(104b)의 내부를 도시한 상위 수준의 블록도이다. 이러한 특정 실시형태는 스마트폰, 태블릿, 패블릿 또는 다른 전자 장치와 같은 호스트 장치(330)에 대한 적어도 부분적인 커버 요소로서 구현될 수 있다. 바람직하게, 호스트 장치(330)는 처리 장치 및 방향 센서(예를 들어, 가속도계)와 같은 다수의 요소를 포함하며, 본 명세서에서 제안된 바와 같이 적응형 빔 형성 가능 레이더의 구성에서 액세서리(104b).
액세서리(104b)는 상기한 레이더, 예를 들어, 무선 주파수 밀리미터파 레이더 및 레이더 데이터를 호스트 장치(330)에 제공하고 이로부터의 데이터를 레이더(318)로 다시 제어하기 위한 데이터 인터페이스(320)의 실시형태를 포함한다. 데이터 인터페이스(320)는, 예를 들어, 전기적 또는 광학적일 수 있다. 또한, 데이터 인터페이스(320)는 유선(접촉 기반) 또는 무선일 수도 있다. 호스트 기계적 커넥터(들)(322)는 클립(들)과 같은 물리적 고정 장치, 예를 들어, 호스트 장치(330)에 액세서리(104b)를 고정하기 위해 데이터 인터페이스(예를 들어, 전기 전도체)와 통합된 커넥터를 의미한다. 액세서리(104b)는 구현예에 따라 내부 (방향) 센서, 내부 메모리, 처리 요소(들) 등과 같은 추가 요소(316)를 포함할 수 있다.
전반적으로, 보조 장치(104) 및 액세서리(104b) 모두는 유리한 통신, 처리, 감지 또는 그 밖의 기능을 제공하기 위한 많은 부가적인 기능적 및/또는 구조적 요소를 포함할 수 있음을 숙련자는 이해해야 할 것이며, 본 개시는 어떤 방식으로든 추가 요소의 존재를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 되며, 보조 장치(104) 또는 액세서리(104b)의 유일한 적용 가능한 실시형태를 개시하는 것으로 해석되어서도 안 된다.
도 4는 휴대용 레이더 장치와 관련하여 적응형 빔 형성이 활성화되지 않는 상황을 도시한다.
401에서, 레이더(402)를 포함하는 장치는 개인 네비게이션 장치의 경우, 예를 들어, 사용자의 벨트를 나타낼 수 있는 지지체(404)에 부착되어 있다. 사용자가 반듯이 일어선 경우, TX 및 RX 측을 모두 의미할 수 있는 레이더 빔(들)(406)은 사용자의 전방에서 실질적으로 수평으로 연장되어 실질적으로 원추형 패턴(406)을 형성한다.
장치 몸체/커버에 대한 레이더 빔(들)의 방향/정렬은 공장에서 미리 설정되어 있고, 적어도 자동으로 제어되지는 않으며, 따라서 403에 도시된 시나리오에서, 사용자는 구부정하게 걷고, 레이더 장치는 기울어지며, 레이더의 결과적인 스캐닝 방향은 수평 방향(408)에서 멀어지고(빔은 기본적으로 지면을 향함) 따라서, 예를 들어, 거리 표지판과 같은 머리 높이의 장애물이 신체 접촉 이전에 적절하게 검출되어야 하는 경우, 열악한 경우를 초래한다..
더욱 일반적으로, 레이더 빔이 부착된 사람 또는 기계와 함께 움직일 때, 레이더 빔은 가끔씩, 예를 들어, 불필요한 방향 또는 알려지지 않은 방향을 가리킴으로써, 예를 들어, 오경보를 발령할 수 있다.
상기 문제를 극복하기 위해, 도 5는 본 발명에 따른 빔 형성 적응의 실시형태를 개시한다.
500에서, 403에 도시된 것과 실질적으로 대응하는 시나리오 내에 기울어진 네비게이션 보조 장치(502)가 도시되어 있다. 그러나, 이 경우, 장치의 방향을 결정하고 그에 따라 레이더의 빔 형성을 제어하기 위해, 즉, 관련된 레이더 빔이 보조 장치의 전방 영역을 실질적으로 수평으로 스캔하도록 TX(즉, 점선(506)으로 나타냄) 및 RX(대략 포물선 패턴(504)으로 나타냄)를 반대(상향) 방향으로 조종함으로써 (하향) 기울기를 보상하기 위해 보조 장치에 구비된 적어도 하나의 방향 센서가 이용된다.
실제로, 방향 센서는 관성 센서를 포함할 수 있다. 센서는 레이더의 방향 및 선택적으로 병진 이동(예를 들어, SAR 측정에 사용됨)에 대한 정보를 제공할 수 있다. (TX) 레이더 신호가 원하는 방향으로만 전송되고 그 방향으로만 신호가 유효하게 수신된 것(RX)이 되도록 송신 및 수신 안테나의 방향성을 제어하는 처리 유닛으로 정보가 송신될 수 있다. RX 및 TX 빔은 본 실시형태에서 비교적 좁을 수 있다.
도 6은 TX 측이 넓은 고정 빔을 이용하고 RX 측이 적응형 빔 조정을 지원하는 또 다른 실시형태를 개시한다.
본 실시형태에서, TX 측은, 예를 들어, 실질적으로 전방향 안테나와 같은 단일 안테나에 의해 제공되는 적응형 조정을 갖지 않는 넓은 빔을 이용한다. RX 측은 다수의 안테나 소자, 예를 들어, 안테나 어레이 또는 여러 개의 물리적으로 분리된 안테나에 의해 제공되는 다중 채널들을 이용할 수 있다. 대안적으로, TX 빔은 넓은 RX 빔을 이용하여 적응적으로 조정될 수 있다.
600에서, 레이더를 포함하는 보조 장치(602)는 이전의 도면에서와 같이 기울어진 상태로 도시되어 있다. RX(604) 및 TX(606) 빔은 일반적으로 아래를 향한다.
그러나, 602에서, 보조 장치의 하향 경사각은, 원래 기울어진 방향 대신에 수평으로 연장되도록(물론, 다른 대안적인 목표 정렬도 이용될 수 있음) (중앙 축으로 )조정되는 레이더 RX 빔(604)에서 보상되었다. 그 결과, 네비게이션 보조 장치를 휴대하고 있는 사람 또는 장치는, 주변의 지상 지역 대신에 정면에 더 멀리 떨어져 있는 환경 및 물체에 관한, 장애 경고와 같은, 레이더로부터의 신뢰할 만한 검출 정보를 여전히 얻을 수 있다.
또한, 이러한 예에서, 보조 장치/레이더의 방향 및 선택적으로 병진 운동을 측정하는데 사용된 방향 센서는 IMU를 포함할 수 있다. 바람직하게, RX 측 레이더 빔이 상대적으로 넓더라도 빔 조종 기능을 가능하게 하기 위해 여러 개의 RX 채널이 이용된다(적어도 두 개의 안테나 요소). 원하는 방향에서만 신호를 얻기 위해 RX 안테나의 지향성을 동적으로 제어하기 위해 센서 데이터가 처리 유닛에 의해 이용된다. 넓은 빔 폭으로 인해, TX 안테나는 다양한 방향으로 방사하고 적응형 조종은 필요하지 않다. 이는 열악한 신호 대 잡음비라는 대가를 치르고 도 5의 것보다 기술적으로 더욱 간단한 예이다.
도 5 및 도 6의 실시형태는 네비게이션 보조 장치만을 명시적으로 언급하여 논의되었지만, 숙련자라면 기본적으로 동일한 솔루션이 레이더-포함 액세서리 및 관련 호스트 장치가 함께 연결된 실시형태에 의해 구현될 수 있다는 사실을 것을 이해할 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 방법의 실시형태를 개시하는 흐름도이다. 시작 단계에서, 독립형 네비게이션 보조 장치와 같은 바람직하게는 휴대용 전자 장치 또는 모바일 단말기와 같은 호스트 장치와 결합된 커버와 같은 액세서리가 얻어지고 구성되며, 이는 적절한 소프트웨어의 다운로드 및 설치 등을 의미할 수 있다.
이러한 독립형, 실질적으로는 일체형 또는 다수의 탈착식으로 연결된 구성 요소 수용 장치는, 적어도 하나의 송신 채널 및 바람직하게는 다수의 수신 채널을 갖는 무선 주파수, 바람직하게는 밀리미터파 레이더, 적어도 하나의 방향 센서, 및 그 밖의 다양한 가능한 요소들 외에도, 마이크로 컨트롤러, 마이크로 프로세서 또는 필요한 메모리를 구비한 디지털 신호 프로세서와 같은 처리 유닛을 포함한다.
단계 704에서, 적어도 하나의 방향 센서 및 선택적으로 추가 센서(들)를 사용하여 회전 운동 데이터를 포함할 수 있는 방향 데이터 및 선택적으로 병진 운동 데이터가 획득된다.
단계 706에서, 장치의 방향은 센서(들)에 의해 제공되는 데이터를 기반으로 결정된다. 예를 들어, 기준에 대한 경사각이 결정될 수 있다. 예를 들어, 장치 위치, 이동 특성(속도, 가속도 등)을 나타내는 임의의 파라미터가 또한 결정될 수 있다.
단계 716은 장치의 검출된 열등한 방향에 응답하여 미리 정해진 진동 또는 음향 신호와 같은 방향 관련 경보가 발행되는 선택적인 단계를 나타낸다. 예를 들어, 보행 환경에서 장치가 실질적으로 직접 아래쪽을 가리키고 있는 경우 사용자에게 (재)정렬 필요성을 알리는 경보가 촉발될 수 있다.
대안적인 또는 추가적인 경보는 센서 데이터를 기반으로 촉발될 수도 있다. 예를 들어, 장치가 두꺼운 의류의 여러 층 속에 위치하는 경우, 레이더 성능이 악화되고 레이더가 수신 신호에서 감지됨으로써, 관련된 임의의 특징적인 알람이 촉발될 수 있다.
단계 708에서, 레이더 빔 형성은 상기한 바와 같이 결정된 방향을 고려하여 조정된다. 예를 들어, 미리 정의된 원하는 빔/스캔 방향(공장 설정 및/또는 장치의 UI를 통해서 사용자 조정 가능함)이 가능한 경우 유지되도록 빔(들)을 실질적으로 반대 방향으로 조정함으로써 장치의 검출된 기울기가 보상될 수 있다.
또한, 레이더 데이터는, 예를 들어, 상기한 바와 같이 다수의 순차적 레이더 위치로부터의 측정 결과들을 결합하는 SAR 기술(도시되지 않음)을 적용 받을 수 있다.
단계 710 및 712는 각각 레이더 범위 내의 검출 가능한 물체/장애물의 관점에서 실제 레이더 데이터를 분석하는 단계 및 관련된 알람 또는 그 밖의 신호를 제공하는 단계를 나타낸다. 범위 내의 물체/장애물을 나타내는 일반적인 경고 신호가 제공되거나, 더 많은 특징적인 신호가 발행될 수 있다. 예를 들어, 음향 또는 진동 신호의 강도는 물체에 대해 감지된 거리를 나타낼 수 있다(예를 들어, 짧은 작은 거리 -> 강한 강도).
점선으로 표시된 되돌림 화살표는 방법 단계의 가능한 반복적이고 연속적인 실행을 강조하는 것이다.
방법 실행은 단계 714에서 종료된다.
궁극적으로, 숙련자는 본 개시 및 일반 상식을 기반으로 첨부된 청구 범위에 의해 정의된 본 발명의 범위를 구현하기 위해 제공된 교시를 이용할 수 있다. 일반적으로, 본원에 명시된 다양한 원리는 무선 주파수, 특히 밀리미터파 레이더에 의존하지 않는 사용 환경에서도 적어도 선택적으로 이용될 수 있다. 대신에, 해당 레이더 기술은 다른 선택 중에서도 초음파, 적외선 또는 광학이 될 수 있다. 또한, 네비게이션 보조 장치 및 예를 들어, 빔 형성 측면이 없고 따라서 단일 RX 채널만을 갖는 다양한 (그 밖의) 레이더/검출기 장치에 본원에서 제안된 경고 기능과 같은 여러 가지 기능이 적용될 수 있다.

Claims (24)

  1. 휴대용 전자 네비게이션 보조 장치(104)로서,
    - 적어도 하나의 송신(TX) 채널 및 다수의 수신(RX) 채널을 갖는 무선 주파수 레이더(218),
    - 레이더의 방향을 나타내는 데이터를 획득하도록 구성된 적어도 하나의 방향 센서(220), 및
    - 방향 센서에 의해 제공되는 데이터를 기반으로 기준 평면 또는 기준 방향에 대해 상기 레이더의 기울기를 검출하고, 상기 기울기를 보상하도록 상기 레이더의 빔 형성을 적응적으로 제어(500, 602)하도록 구성된 처리 요소(210)를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 전자 네비게이션 보조 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 방향 센서 또는 보조 장치의 추가 센서는 관성 측정 장치(inertial measurement unit, IMU), 자이로스코프(gyroscope), 3축 자이로스코프, 가속도계(accelerometer), 3축 가속도계, 자기계(magnetometer), 항법 신호 수신기, 위성 항법(신호) 수신기, 지구 측위 시스템(Global Positioning System, GPS) 수신기, 지구 항법 위성 시스템(Global Navigation Satellite System, GLONASS) 수신기, 및 GALILEO 수신기로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 전자 네비게이션 보조 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 방향 센서 또는 여러 개의 추가 센서를 이용하여 레이더의 병진 운동을 측정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 휴대용 전자 네비게이션 보조 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    빔 형성은 전자적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 휴대용 전자 네비게이션 보조 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    빔 형성은 디지털적으로 또는 아날로그적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 휴대용 전자 네비게이션 보조 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    여러 개의 압전 액추에이터를 선택적으로 이용하여 기계적 빔 형성이 수행되는 것을 특징으로 하는 휴대용 전자 네비게이션 보조 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    적어도 RX(504, 604)에 대해 적응형 빔 형성이 적용되는 것을 특징으로 하는 휴대용 전자 네비게이션 보조 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    레이더의 동작 주파수 범위의 상한은 1000 GHz 이하인 것을 특징으로 하는 휴대용 전자 네비게이션 보조 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    대상자 또는 장치에 보조 장치를 고정하기 위해 클립, 후크 앤드 루프(hook-and-loop) 형태의 요소, 벨트, 스트레치 스트랩(stretch strap), 하네스(harness) 및 스크류 중에서 선택되는 적어도 하나의 고정 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 전자 네비게이션 보조 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    센서 데이터를 기반으로 결정되는 레이더의 차선의 방향에 응답하여 경보 신호를 사용자에게 촉발(trigger)하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 휴대용 전자 네비게이션 보조 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 경보 신호는 가청 또는 촉각 신호인 것을 특징으로 하는 휴대용 전자 네비게이션 보조 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 보조 장치를 포함하는 개인 통신 장치.
  13. 네비게이션에서 레이더 신호의 적응형 빔 형성 방법(700)으로서,
    - 휴대용 전자 장치를 얻는 단계로서, 상기 장치는 적어도 하나의 송신 채널 및 다수의 수신 채널을 갖는 무선 주파수 레이더, 적어도 하나의 방향 센서, 및 처리 유닛(702)을 포함하는, 휴대용 전자 장치를 얻는 단계,
    - 처리 유닛에 의해, 상기 적어도 하나의 방향 센서(704, 706)를 이용하여 레이더의 방향을 결정하는 단계,
    - 센서 데이터를 기반으로 기준 평면 또는 기준 방향에 대해 레이더의 기울기를 검출하는 단계, 및
    - 상기 기울기를 보상하도록 방향(708)을 기반으로 무선 주파수 레이더의 빔 형성을 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 무선 주파수 레이더는 밀리미터파 레이더인 것을 특징으로 하는 휴대용 전자 네비게이션 보조 장치.
  15. 제 7 항에 있어서,
    선택적으로 TX(506) 채널에 대해서도 적응형 빔 형성이 적용되는 것을 특징으로 하는 휴대용 전자 네비게이션 보조 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    레이더의 동작 주파수 범위의 상한은 350 GHz 이하인 것을 특징으로 하는 휴대용 전자 네비게이션 보조 장치.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 무선 주파수 레이더는 밀리미터파 레이더인 것을 특징으로 하는 방법.





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