KR20210001893A - Method for measuring device position using relative time difference between sound waves with reduced measurement error - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 자동차와 디바이스 사이의 거리를 측정하는 방법에 관한 것이다. 보다 자세하게는 구간별 가중치 부여 및 음파의 주파수 변형을 통해 측정 오차가 감소된 두 음파의 상대 도달 시간차를 이용한 디바이스 위치 측정 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of measuring the distance between a vehicle and a device. In more detail, the present invention relates to a device position measurement method using the relative arrival time difference between two sound waves with a reduced measurement error through weighting for each section and frequency modification of the sound wave.
일반적으로, 자동차의 개폐 컨트롤 방법으로 리모컨 키를 이용하여 일정 영역 내에서 소정 거리 떨어진 위치에서도 게이트를 개폐하는 시스템이 활발이 사용되고 있다. 이와 관련하여 선행문헌 1에서는 스마트 키를 이용하여 자동차의 개폐를 컨트롤하는 작동 시스템을 개시한 바 있다.In general, as a method of controlling the opening and closing of a vehicle, a system for opening and closing a gate even at a predetermined distance within a predetermined area by using a remote control key is actively used. In this regard,
이처럼 스마트단말기를 이용한 기존의 방식은 전파 해킹에 취약하여 자동차 개폐 컨트롤 시스템의 보안 문제가 있었고, 이를 해결하기 위하여 보안화 된 거리 및 위치 측정을 위한 다양한 장치 및 방법들이 사용되고 있다.As such, the existing method using a smart terminal has a security problem of the vehicle opening/closing control system because it is vulnerable to radio wave hacking, and various devices and methods for measuring a secured distance and location are used to solve this problem.
일 예로, 본 발명의 출원인인 주식회사 원키는 암호화된 음파와 스마트단말기를 활용한 차량 개폐 시스템에서 각 음파들의 시간차를 활용한 삼각 측위 알고리즘을 개발한 바 있다. 이러한 삼각 측위 알고리즘은 스마트단말기와 차량의 MCU간의 블루투스 통신시 발생하는 딜레이(delay)의 불안정성을 해결하기 위해 고안된 방법이다.For example, Wonkey, an applicant of the present invention, has developed a triangular positioning algorithm using the time difference of each sound wave in a vehicle opening and closing system using an encrypted sound wave and a smart terminal. This triangulation algorithm is a method devised to solve the instability of a delay that occurs during Bluetooth communication between a smart terminal and a vehicle's MCU.
그러나, 음파의 빠른 속도로 인한 시간차 오차 대비 큰 거리 오차 및 근사를 활용한 해석적 해를 구하는 복잡한 계산으로 인해, 미세한 오차에도 큰 오차가 발생하거나 해석적 해의 제곱근 내의 음수 발생으로 인해 허수근이 발생할 수 있다.However, due to the large distance error compared to the time difference error due to the fast speed of the sound wave, and the complex calculation to obtain an analytical solution using approximation, a large error occurs even in a minute error, or an imaginary root occurs due to the occurrence of a negative number within the square root of the analytical solution. I can.
본 발명에서는 이러한 오차 및 허수근 발생을 막기 위해 두 음파의 상대 도달 시간차 및 구간별 가중치 부여를 통해 오차에 강인한 위치 측정 기법을 제안하고, 음파의 주파수 변형을 통해 측정 오차를 줄일 수 있는 방법을 설명하고자 한다.In the present invention, in order to prevent the occurrence of such errors and imaginary roots, we propose a method for measuring a location that is robust to errors by assigning a relative time difference of arrival time between two sound waves and weighting for each section, and to explain a method of reducing measurement errors through frequency transformation of the sound waves do.
본 발명의 기술적 과제는 음파들의 시간차를 활용한 삼각 측위 알고리즘을 제안하는 것이다.The technical problem of the present invention is to propose a triangular positioning algorithm using the time difference of sound waves.
본 발명의 다른 기술적 과제는 삼각 측위 알고리즘에 있어서 음파들의 빠른 속도에 의한 오차를 해결하는 것이다.Another technical problem of the present invention is to solve an error due to a high speed of sound waves in a triangulation algorithm.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 오차를 방지하기 위해 두 음파의 상대 도달 시간차 및 구간별 가중치 부여를 통해 오차에 강인한 위치 측정 기법을 제안하고, 음파의 주파수 변형을 통해 측정 오차를 감소시키는 것이다.Another technical problem of the present invention is to propose a location measurement technique that is robust to errors by assigning a relative arrival time difference between two sound waves and a weight for each section in order to prevent errors, and to reduce a measurement error through frequency modification of the sound waves.
본 발명의 일 양태에 따르면, 디바이스의 제어부가 자동차에 구비된 복수개의 출력장치로부터 출력된 음파들의 상대 도달 시간차에 따른 위치차이를 계산하여 디바이스의 2차원 위치 좌표들의 집합인 복수개의 직선그래프를 산출하며, 오차 및 허수근 발생을 막기 위해 두 음파의 상대 도달 시간차 및 구간별 가중치 부여를 통해 오차에 강인한 위치 측정 기법을 사용하고, 자동차의 신호처리부가 음파의 주파수를 변형함으로써 디바이스의 위치를 측정함에 있어 발생할 수 있는 오차를 최소화한다.According to an aspect of the present invention, the control unit of the device calculates the position difference according to the relative arrival time difference of sound waves output from a plurality of output devices provided in the vehicle to calculate a plurality of linear graphs, which are sets of two-dimensional position coordinates of the device. In order to prevent the occurrence of errors and imaginary roots, a location measurement technique that is robust against errors is used by giving the relative arrival time difference of the two sound waves and weighting for each section, and the signal processing unit of the vehicle measures the location of the device by changing the frequency of the sound wave. Minimize possible errors.
본 발명에 따르면, 음파의 도달 시간과 삼각 측위를 이용하여 자동차와 디바이스 사이의 거리 또는 각 좌표를 보다 정교하게 계산할 수 있다.According to the present invention, the distance between the vehicle and the device or each coordinate can be more precisely calculated using the arrival time of the sound wave and triangular positioning.
본 발명에 따르면, 음파들의 상대 도달 시간차를 사용하므로 딜레이가 거리 계산에 반영되지 않아 딜레이와 독립적으로 거리를 계산할 수 있다.According to the present invention, since the relative arrival time difference of sound waves is used, the delay is not reflected in the distance calculation, so that the distance can be calculated independently of the delay.
본 발명에 따르면, 오차 및 허수근의 발생을 방지하여 측정 오차를 최소화하므로 디바이스의 위치 측정의 정확도를 높일 수 있다.According to the present invention, since the occurrence of errors and imaginary muscles is prevented, measurement errors are minimized, and thus the accuracy of the position measurement of the device can be increased.
본 발명에 따르면, 복수개의 출력장치에서 출력한 음파가 디바이스에 도달하는 시간을 활용하여 계산하므로, 자동차를 기준으로 디바이스의 상대적인 위치 좌표를 확보하여 자동차의 어느 부분이 사용자와 가장 가까운지에 대해 판단할 수 있다.According to the present invention, since sound waves output from a plurality of output devices are calculated using the time to reach the device, it is possible to determine which part of the vehicle is closest to the user by securing the relative position coordinates of the device based on the vehicle. I can.
본 발명에 따르면, 제어장치의 신호처리부가 음파의 주파수를 함수화하고 위상을 변화시키므로, 반사파 효과를 억제하고 상관관계의 정확도를 향상시켜 측정 오차를 최소화할 수 있다.According to the present invention, since the signal processing unit of the control device functionalizes the frequency and changes the phase of the sound wave, it is possible to minimize the measurement error by suppressing the reflected wave effect and improving the accuracy of the correlation.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 측정 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 간 상대 도달 시간차를 이용한 디바이스 위치 측정 방법의 순서를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차에 구비된 복수개의 출력장치를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차에 구비된 제 1 출력장치, 제 2 출력장치 및 디바이스의 위치를 나타낸 좌표계이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 직선그래프를 나타낸 좌표계이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 디바이스 위치 측정 방법을 복수개의 출력장치에 적용하여 계산한 복수개의 직선그래프를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 주파수를 사용하였을 때 반사파에 의해 발생하는 오차를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수의 함수화를 통해 반사파 효과를 억제한 결과를 나타낸 도면이다.1 is a diagram showing the configuration of a position measurement system according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram schematically illustrating a procedure of a method of measuring a device location using a relative arrival time difference between sound waves according to an embodiment of the present invention.
3 is a view showing a plurality of output devices provided in a vehicle according to an embodiment of the present invention.
4 is a coordinate system showing positions of a first output device, a second output device, and a device provided in a vehicle according to an embodiment of the present invention.
5 is a coordinate system showing a first linear graph according to an embodiment of the present invention.
6 is a view showing a plurality of linear graphs calculated by applying a device position measurement method according to an embodiment of the present invention to a plurality of output devices.
7 is a diagram showing an error caused by a reflected wave when a single frequency is used according to an embodiment of the present invention.
8 is a diagram showing a result of suppressing a reflected wave effect through frequency functioning according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되지 않는다. 또한 도면에서 본 발명을 명확하게 개시하기 위해서 본 발명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 도면에서 동일하거나 유사한 부호들은 동일하거나 유사한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art may easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in various different forms and is not limited to the embodiments disclosed below. In addition, parts irrelevant to the present invention are omitted in the drawings in order to clearly disclose the present invention, and the same or similar reference numerals denote the same or similar components in the drawings.
본 발명의 목적 및 효과는 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이나 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Objects and effects of the present invention will become more apparent through the following detailed description, but the objects and effects of the present invention are not limited only by the following description. In addition, in describing the present invention, when it is determined that a detailed description of known technologies related to the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
발명의 상세한 설명에 앞서, 본 출원인 주식회사 원키에서 개발한 기존의 특허출원 10-2020-0024888(2020.02.28.)의 경우 일반적으로 자동차에 주차 보조 시스템으로써 구비된 피에조(piezo) 스피커를 활용하므로 본 발명에서도 자동차 주차 보조 시스템의 사용을 전제로 설명하도록 한다.Prior to the detailed description of the invention, in the case of the existing patent application 10-2020-0024888 (2020.02.28.) developed by the applicant, Wonki, the present invention generally utilizes a piezo speaker provided as a parking assistance system in a vehicle. The invention will also be described on the premise of the use of the vehicle parking assist system.
더불어 이하에서 음파로 설명하는 것은 음파 또는 초음파를 포함하는 수십 내지 수백 킬로헤르츠(kHz)의 전파를 말하며, 실제로 사람 또는 동물이 들을 수 있는 음성 신호만을 음파라고 하는 것은 아님을 미리 밝혀 둔다.In addition, it should be noted in advance that what will be described as sound waves hereinafter refers to radio waves of tens to hundreds of kilohertz (kHz) including sound waves or ultrasonic waves, and not only sound waves that can be actually heard by humans or animals.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 측정 시스템의 구성을 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 위치 측정 시스템은 자동차(100) 및 디바이스(200)로 구성된다.1 is a diagram showing the configuration of a position measurement system according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, a position measurement system according to the present invention is composed of a vehicle 100 and a
상세하게, 자동차(100)는 음파(H)를 출력하는 복수개의 출력장치(110) 및 복수개의 출력장치(110)에 전기적 출력신호(V)를 전달하는 제어장치(120)를 포함하여 구성되고, 디바이스(200)는 자동차(100)의 출력장치(110)에서 출력한 음파(H)를 수신하는 입력부(210) 및 위치와 관련된 데이터를 처리하는 제어부(220)를 포함하여 구성된다.In detail, the vehicle 100 is configured to include a plurality of output devices 110 for outputting sound waves (H) and a control device 120 for transmitting electrical output signals (V) to the plurality of output devices (110). , The
보다 상세하게, 자동차(100)의 출력장치(110)는 자동차(100)의 내부 또는 외부에 복수개로 구비되며, 제어장치(120)의 전기적 출력신호(V)에 따라 음파(H)를 디바이스(200)로 송신한다. 출력장치(110)에 전기적 출력신호(V)를 전달하는 제어장치(120)는, 전기적 출력신호(V)를 생성 및 변조하는 신호처리부(121) 및 신호처리부(121)에 의해 생성된 전기적 출력신호(V)를 복수개의 출력장치(110)에 전달하는 출력회로(122)를 포함하도록 구비된다.In more detail, a plurality of output devices 110 of the vehicle 100 are provided inside or outside the vehicle 100, and a sound wave H is transmitted according to the electrical output signal V of the control device 120. 200). The control device 120 for transmitting the electrical output signal V to the output device 110 includes a signal processing unit 121 for generating and modulating an electrical output signal V and an electrical output generated by the signal processing unit 121 It is provided to include an output circuit 122 for transmitting the signal (V) to the plurality of output devices (110).
자동차(100)의 출력장치(110)에서 송출하는 음파(H)는 스테레오 신호일 수 있으며(예, 2.1채널 또는 5.1 채널 등), 2~24,000Hz 범위의 주파수를 갖는 신호일 수 있다. 보다 바람직하게는, 19~21kHz 대역의 신호일 수 있으며, 해당 주파수 대역의 음파는 일반적으로 사람들이 잘 듣지 못하는 비가청 대역의 음파이다.The sound wave H transmitted from the output device 110 of the vehicle 100 may be a stereo signal (eg, 2.1 channel or 5.1 channel), and may be a signal having a frequency in the range of 2 to 24,000 Hz. More preferably, it may be a signal in the 19 to 21 kHz band, and the sound waves in the corresponding frequency band are generally sound waves in an inaudible band that people do not hear well.
자동차(100)에 구비된 각 출력장치(110)의 채널(Ch)에서 송출되는 음파(H)는 서로 다른 주파수를 가지고 있으므로, 상관관계(correlation)를 통해 언제 어떤 채널(Ch)에서 발송된 음파(H)가 디바이스(200)에 도달했는지 구분할 수 있다. 또한 ToA(Time of Arrival) 또는 TDoA(Time Difference of Arrival)을 기초로 헤론의 공식을 이용한 삼각 측량을 통해 계산될 수 있다. 여기서, 헤론의 공식은 삼각형의 세 변의 길이를 통해 넓이를 구하는 공식이다.Since the sound waves H transmitted from the channel Ch of each output device 110 provided in the vehicle 100 have different frequencies, the sound waves transmitted from a certain channel Ch at any time through correlation It is possible to distinguish whether (H) has reached the
바람직한 일 실시예로, 제어장치(120)의 신호처리부(121)는 생성하는 전기적 출력신호(V)의 크기를 시간에 따라 증감시킴으로써 출력장치(110)에서 출력하는 음파(H)의 주파수를 함수화 할 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 도 7 및 도 8을 참조하여 후술하도록 한다.In a preferred embodiment, the signal processing unit 121 of the control device 120 increases or decreases the magnitude of the generated electrical output signal V over time to function the frequency of the sound wave H output from the output device 110. can do. A detailed description of this will be described later with reference to FIGS. 7 and 8.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음파(H) 간 상대 도달 시간차(dt)를 이용한 디바이스(200) 위치 측정 방법의 순서를 개략적으로 나타낸 도면이다.FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a procedure of a method for measuring a location of a
도 2를 참조하면, 자동차(100)에 구비된 복수개의 출력장치(110)에서 음파(H)를 출력하면, 디바이스(200)의 입력부(210)에서 이를 송신하게 된다. 상세하게, 제 1 출력장치(111) 및 제 2 출력장치(112) 각각에서 출력한 제 1 음파(H1) 및 제 2 음파(H2)가 디바이스(200)의 입력부(210)에 도달하게 된다. 이 때, 제 1 출력장치(111)와 제 2 출력장치(112)는 디바이스(200)까지 서로 상대적인 위치차이(n)를 가지므로 이에 따라 제 1 음파(H1)의 도달시간과 제 2 음파(H2)의 도달시간에는 상대적인 차이(dt)가 발생하게 된다.Referring to FIG. 2, when sound waves H are output from a plurality of output devices 110 provided in the vehicle 100, the input unit 210 of the
디바이스(200)의 제어부(220)는 제 1 음파(H1) 및 제 2 음파(H2)가 입력부(210)에 도달하는 상대적인 시간차(dt)를 측정하여, 자동차(100)의 제 1 출력장치(111) 및 제 2 출력장치(112)로부터 디바이스(200)까지의 각각의 위치차이(n)를 계산한다.The control unit 220 of the
이후, 디바이스(200)의 제어부(220)는 계산된 복수개의 위치차이(n)를 기초로 삼각 측량법을 이용하여, 지면을 기준으로 하는 디바이스(200)의 2차원 위치 좌표들의 집합인 복수개의 직선그래프(L)를 계산하고, 복수개의 직선그래프(L)를 이용하여 디바이스(200)의 위치를 측정함으로써 자동차(100)와 디바이스(200) 사이의 거리를 산출한다. 이하, 도 3 내지 도 6을 참조하여 디바이스(200)의 제어부(220)가 수행하는 계산과정 및 알고리즘을 보다 상세하게 서술하도록 한다.Thereafter, the control unit 220 of the
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(100)에 구비된 복수개의 출력장치(110)를 나타낸 도면이다.3 is a view showing a plurality of output devices 110 provided in the vehicle 100 according to an embodiment of the present invention.
도 3과 같이 복수개로 구비된 출력장치(110)의 채널(Ch)을 좌측에서부터 순차적으로 제 1 채널(Ch1) 내지 제 4 채널(Ch4)이라고 할 때, 제 1 채널(Ch1) 내지 제 4 채널(Ch4)은 모두 동일 선상 즉, 지면을 기준으로 하는 2차원 좌표계에서 동일한 y좌표상에 위치한다고 가정한다. 네 개의 채널(Ch)의 경우 네 개의 출력장치(110)를 두 개씩 짝 지으면 다음과 같이 총 6개의 쌍이 나온다.When the channels Ch of the output device 110 provided in plural as shown in FIG. 3 are sequentially referred to as the first channel Ch1 to the fourth channel Ch4 from the left, the first channel Ch1 to the fourth channel It is assumed that all (Ch4) are located on the same line, that is, on the same y-coordinate in a two-dimensional coordinate system based on the ground. In the case of four channels (Ch), if the four output devices 110 are paired two by two, a total of six pairs appear as follows.
[Ch1-Ch2 / Ch1-Ch3 / Ch1-Ch4 / Ch2-Ch3 / Ch2-Ch4 / Ch3-Ch4][Ch1-Ch2 / Ch1-Ch3 / Ch1-Ch4 / Ch2-Ch3 / Ch2-Ch4 / Ch3-Ch4]
각 쌍에서 좌측 출력장치(110)를 제 1 출력장치(111), 우측 출력장치(110)를 제 2 출력장치(112)라 칭하고, 지면을 기준으로 하는 2차원 좌표계에서 제 1 출력장치(111)의 좌표를 (0,0)으로 할 때, 제 1 출력장치(111) 및 제 2 출력장치(112)의 x좌표 차이를 a라 하고, 디바이스(200)의 위치를(x, y)라 하면 후술되는 도 4와 같이 정리될 수 있다.In each pair, the left output device 110 is referred to as a first output device 111, the right output device 110 is referred to as a second output device 112, and the first output device 111 is in a two-dimensional coordinate system based on the ground. When the coordinate of) is (0,0), the x-coordinate difference between the first output device 111 and the second output device 112 is a, and the position of the
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차에 구비된 제 1 출력장치(111), 제 2 출력장치(112) 및 디바이스(200)의 위치를 나타낸 좌표계이다.4 is a coordinate system showing the positions of the first output device 111, the second output device 112, and the
음파 통신 시 발생하는 딜레이(delay)의 불안정성으로 인해 디바이스(200)와 제 1출력장치(1110) 사이의 절대길이(m)를 구하는 것은 어렵지만, 각 출력장치(110)에서 발생하는 음파(H)의 상대 도달 시간 차이(dt)는 측정이 가능하기 때문에 디바이스(200)로부터 각 출력장치(110)의 위치차이(n)는 계산이 가능하다. 여기서, 절대길이(m)는 변수 m으로, 각 출력장치(110)의 위치차이(n)는 변수 n으로 설명한다. 상술한 바에 의해 계산된 각 출력장치(110)의 위치차이(n)는 다음의 식(1)과 같다.It is difficult to obtain the absolute length (m) between the
식(1) : 
이때, 도 3의 변수들의 관계를 정리하면 식(2)가 되며, 식(2)를 y에 대해 풀면 식(3)과 같이 표현된다.At this time, if the relationship between the variables in FIG. 3 is summarized, Equation (2) is obtained, and if Equation (2) is solved for y, it is expressed as Equation (3).
식(2) : 
식(3) : 
디바이스(200)의 제어부(220)가 상기 식들을 통해 지면을 기준으로 하는 디바이스(200)의 2차원 위치 좌표들의 집합인 복수개의 직선그래프(L)를 계산하고, 계산된 복수개의 직선그래프(L)를 이용하여 디바이스(200)의 위치를 측정함으로써 자동차(100)와 디바이스(200) 사이의 거리를 산출한다.The control unit 220 of the
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 직선그래프(L1)를 나타낸 좌표계이다. 제 1 직선그래프(L1)는 상술한 식(3)을 표현한 복수개의 직선그래프(L) 중에서, 각 출력장치(110)의 위치차이(n)의 변수 n이 0.3이고, 제 1 출력장치(111)와 제 2 출력장치(112)의 x좌표 차이 변수 a가 0.5인 경우를 기준으로 표현한 그래프이다.5 is a coordinate system showing a first linear graph L1 according to an embodiment of the present invention. In the first linear graph L1, among a plurality of linear graphs L expressing the above-described equation (3), the variable n of the position difference n of each output device 110 is 0.3, and the first output device 111 ) And the x-coordinate difference variable a of the second output device 112 is a graph expressed as a reference.
즉, 제 1 음파(H1) 및 제 2 음파(H2)의 상대적인 도달 시간차(dt)를 활용하여 제 1 출력장치(H1) 및 제 2 출력장치(H2)의 상대적인 위치차이(n)를 구하면 이를 한점으로 특정할 수는 없지만, 디바이스(200)가 존재할 수 있는 2차원 위치 좌표들의 집합인 직선그래프(L)로 표현할 수 있다. 이를 알고리즘으로 표현하면 아래의 순서와 같다.That is, by using the relative arrival time difference dt of the first sound wave H1 and the second sound wave H2, the relative position difference n between the first output device H1 and the second output device H2 is obtained. Although it cannot be specified as a single point, it can be expressed as a straight line graph (L), which is a set of two-dimensional position coordinates in which the
(1) 제 1 음파(H1) 및 제 2 음파(H2)가 디바이스(200)에 도달하는 상대적인 시간 차이(dt)를 기준으로 제 1 출력장치(111) 및 제 2 출력장치(112)의 상대적인 위치차이(n) 계산(1) Based on the relative time difference dt for the first sound wave H1 and the second sound wave H2 to reach the
(2) 
[for j=0:k][for j=0:k]
x(j)=(a+n)/2 - i*j*n/abs(n)x(j)=(a+n)/2-i*j*n/abs(n)
[end][end]
(3) x좌표 배열을 식(3)에 대입하여 y좌표 배열을 계산(3) Calculate the y-coordinate array by substituting the x-coordinate array into Equation (3)
(4) n=0 일 때, x=(a+n)/2 로 표현됨 (y축과 평행한 직선)(4) When n=0, expressed as x=(a+n)/2 (a straight line parallel to the y-axis)
(5) 구해진 (x, y) 좌표에 제 1 출력장치(111)의 좌표를 더하여 절대 좌표계로 전환(5) Convert the obtained (x, y) coordinates to the absolute coordinate system by adding the coordinates of the first output device 111
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 디바이스(200) 위치 측정 방법을 복수개의 출력장치(110)에 적용하여 계산한 복수개의 직선그래프(L)를 나타낸 도면이다.6 is a diagram showing a plurality of linear graphs L calculated by applying a method of measuring the position of the
도 6을 참조하면, 상기한 알고리즘에 따른 (1) 내지 (4)의 과정을 상술한 6개의 쌍에 대해 수행하면 6개의 직선그래프(L)를 지면을 기준으로 하는 2차원 좌표상에 표현할 수 있다. 이상적인 경우 6개의 직선그래프(L)가 하나의 교점(P)으로 모이게 된다. 이 때, 오차가 있는 실험 데이터를 통해 위의 과정을 수행하면 이상적인 경우와는 다르게 복수개의 교점(P)이 발생하며, 교점(P)이 없는 경우 즉, 삼각 측위에서 허수근이 발생하는 경우도 생길 수 있다.Referring to FIG. 6, if the processes (1) to (4) according to the above algorithm are performed for the above-described six pairs, six straight line graphs (L) can be expressed on two-dimensional coordinates based on the ground. have. In an ideal case, 6 straight line graphs (L) are gathered at one intersection (P). In this case, if the above process is performed through experimental data with errors, a plurality of intersection points (P) will occur differently from the ideal case, and if there is no intersection point (P), that is, an imaginary root may occur in triangular positioning. I can.
이에 대한 바람직한 일 실시예로, 이상적이지 않은 경우에 사용할 수 있는 가중치(W)에 대해 설명하도록 한다. 상술한 일 실시예에 따라 이상적인 경우 6개의 직선그래프(L)가 하나의 교점(P)으로 모일 수 있으나, 이상적이지 않은 경우 허수근이 발생될 수 있는 문제점이 있다. 따라서, 이러한 경우 디바이스(200)의 위치를 추적하기 위하여 가중치(W)를 통해 점수를 제공하는 섹터별 점수(sector scoring) 방식을 제안한다.As a preferred embodiment for this, a weight (W) that can be used when it is not ideal will be described. According to the above-described exemplary embodiment, in an ideal case, six straight line graphs L may be gathered as one intersection point P, but if not ideal, there is a problem that an imaginary root may occur. Therefore, in this case, in order to track the location of the
섹터별 점수 방식은 공간을 섹터(sector)화 하여 구분한 뒤, 직선그래프(L)가 가장 많이 통과하는 구간을 디바이스(200)가 존재하는 위치로 판별하는 방식을 의미한다. 이 때, 모든 직선그래프(G)가 통과하는 구간이 존재할 수 있으므로 가중치(W)를 주어 각 구간별로 점수를 매긴다. 도 6의 경우, 가로 6개 세로 14개로 총 84개의 섹터를 구분하였다.The sector-by-sector score method refers to a method of classifying a space into a sector and then determining a section through which the linear graph L passes the most as a location where the
가중치(W)는 다양한 경우의 수가 존재하나 본 발명에서는 하나의 구간을 통과하는 직선그래프(L)의 그 구간 내에서의 길이를 기본으로 사용한다. 보다 바람직한 일 실시예로, 구간 내에서의 직선그래프(L)의 길이 외에도 디바이스(200)의 입력부(210)가 수신하는 음파(H)의 크기 등도 가중치(W)의 일 요소가 될 수 있으며, 이 경우 음파(H)의 길이 및 크기에 가중치(W)가 비례하는 하기와 같은 방식을 사용한다.There are various cases of the weight W, but in the present invention, the length of the straight line graph L passing through one section is used as a basis. In a more preferred embodiment, in addition to the length of the linear graph L within the section, the size of the sound wave H received by the input unit 210 of the
[가중치(W) = 해당 구간을 통과하는 n번째 직선그래프(L)의 길이 * n번째 직선그래프(L)의 음파(H) 쌍의 크기의 합 / 모든 채널(Ch)의 음파(H) 크기의 합][Weight (W) = length of the nth line graph (L) passing through the section * sum of the size of the sound wave (H) pair of the nth line graph (L) / the size of sound waves (H) of all channels (Ch) Sum of]
상기한 과정을 통해 최종적으로 디바이스(200)의 제어부(220)는, 각각의 구간에서 위와 같은 n개의 가중치(W)를 모두 더해 각 구간별로 크기를 비교하고, 이 중 가장 큰 가중치(W)를 가지는 구간을 디바이스(200)가 존재하는 구간으로 특정한다.Through the above-described process, the control unit 220 of the
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 주파수를 사용하였을 때 반사파에 의해 발생하는 오차를 나타낸 도면이다.7 is a diagram showing an error caused by a reflected wave when a single frequency is used according to an embodiment of the present invention.
본 발명에 따른 디바이스(200) 위치 측정 시스템에서 자동차(100)에 구비된 복수개의 출력장치(110)로부터 송출되어 디바이스(200)의 입력부(210)에 도달한 복수개의 음파(H)에서 특정 주파수의 음파(H)가 도착한 시간을 추출하기 위해, 필터링(filtering) 및 상관관계(correlation)와 같은 일반적인 주파수 분석 방식이 사용된다. In the
도 7을 참조하면, 단일 주파수를 사용한 측정 실험에서 반사파에 의한 오차가 약 0.82494m 발생하였음을 확인할 수 있다. 이처럼, 본 발명의 경우 도달 시간의 'ms'단위의 오차가 수 'm'단위의 오차를 발생시킬 수 있기 때문에 주파수 추출 기술에 있어서 더욱 높은 정밀도가 요구된다.Referring to FIG. 7, it can be seen that in the measurement experiment using a single frequency, an error due to the reflected wave occurred about 0.82494m. As described above, in the case of the present invention, since an error in the'ms' unit of the arrival time may generate an error in the unit of several'm', a higher precision is required in the frequency extraction technique.
이에 대한 바람직한 실시예로, 주파수를 변형하여 위치 측정의 정밀도를 더욱 향상시키는 방안을 도 8을 참조하여 후술하도록 한다.As a preferred embodiment for this, a method of further improving the precision of position measurement by changing the frequency will be described later with reference to FIG. 8.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수의 함수화를 통해 반사파 효과를 억제한 결과를 나타낸 도면이다.8 is a diagram illustrating a result of suppressing a reflected wave effect through frequency functioning according to an embodiment of the present invention.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 위치 측정 방법은 음파(H)의 주파수를 함수화 하는 방법 및 주파수의 위상을 변화시키는 방법을 통해 반사과 효과를 억제하여, 측정 오차를 최소화하였음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 8, it can be seen that the method of measuring a position according to the present invention suppresses reflection and effects through a method of functioning the frequency of the sound wave H and a method of changing the phase of the frequency, thereby minimizing measurement errors.
측정 오차를 최소화하기 위한 바람직한 일 실시예로써, 일반적으로 사용하는 단일 주파수가 아닌 시간에 따라 주파수에 변화를 주어 주파수를 함수화 하는 방식을 사용할 수 있다. 도 7에서 상술한 바와 같이 일반적인 단일 주파수를 사용하는 경우 반사파에 의한 오차가 발생하나, 주파수를 함수화 할 경우 반사파로 인한 보강 및 상쇄 간섭에 대한 효과를 줄여줄 수 있다. 본 발명에 따른 위치 측정 시스템은 자동차(100)에 구비된 제어장치(120)의 신호처리부(121)를 통해 음파(H)의 주파수를 함수화(8ms 동안 선형적으로 4000Hz 증가)함으로써, 반사파 효과를 억제하여 측정 오차를 최소화할 수 있다.As a preferred embodiment for minimizing measurement errors, a method of functionalizing a frequency by varying the frequency over time may be used instead of a single frequency that is generally used. As described above in FIG. 7, when a general single frequency is used, an error occurs due to the reflected wave, but when the frequency is functioned, the effect on the constructive and destructive interference due to the reflected wave can be reduced. The position measurement system according to the present invention functions by functioning the frequency of the sound wave H through the signal processing unit 121 of the control device 120 provided in the vehicle 100 (linearly increasing by 4000 Hz for 8 ms), thereby reducing the reflected wave effect. Can be suppressed to minimize measurement errors.
측정 오차를 최소화하기 위한 다른 일 실시예로써, 주파수의 위상을 변화시키는 방식을 사용할 수 있다. 상세하게, 일반적인 sin파가 가지는 위상을 1이라 하고, 이 파형을 상하 반전 즉, 모든 값에 -1을 곱한 위상을 0이라 정의한다. 이후 위상의 0과 1의 조합으로 새로운 파형을 구성하면 상관관계(correlation)의 정확도를 향상시키고 및 반사파의 효과를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 음파(H)의 암호화 및 정보 전달 역시 가능하다. 본 발명에 따른 위치 측정 시스템은 자동차(100)에 구비된 제어장치(120)의 신호처리부(121)를 통해 주파수의 위상을 변화시킴으로써, 상관관계(correlation)의 정확도를 향상시키고 반사파 효과를 감소시켜 측정 오차를 최소화할 수 있다.As another embodiment for minimizing the measurement error, a method of changing the phase of the frequency may be used. In detail, the phase of a typical sin wave is defined as 1, and the phase in which this waveform is vertically inverted, that is, multiplied by -1, is defined as 0. Thereafter, when a new waveform is formed with a combination of 0 and 1 of the phase, not only can the accuracy of the correlation be improved and the effect of the reflected wave can be reduced, but also the sound wave H can be encrypted and information transmitted. The position measurement system according to the present invention improves the accuracy of the correlation and reduces the reflected wave effect by changing the phase of the frequency through the signal processing unit 121 of the control device 120 provided in the vehicle 100. Measurement errors can be minimized.
상기한 본 발명의 바람직한 실시 예는 예시의 목적으로 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이며 이러한 수정, 변경 및 부가는 상기의 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다. 또한 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.Preferred embodiments of the present invention described above are disclosed for the purpose of illustration, and those skilled in the art with ordinary knowledge of the present invention will be able to make various modifications, changes and additions within the spirit and scope of the present invention. Such modifications, changes and additions It should be seen as falling within the scope of the above claims. In addition, if a person of ordinary skill in the art to which the present invention pertains, various substitutions, modifications, and changes can be made within the scope of the technical spirit of the present invention, so that the present invention is described by the above-described embodiments and the accompanying drawings. It is not limited.
상술한 예시적인 시스템에서, 방법들은 일련의 단계 또는 블록으로써 순서도를 기초로 설명되고 있지만, 본 발명은 단계들의 순서에 한정되는 것은 아니며, 어떤 단계는 상술한 바와 다른 단계와 다른 순서로 또는 동시에 발생할 수 있다. 또한, 당업자라면 순서도에 나타낸 단계들이 배타적이지 않고, 다른 단계가 포함되거나 순서도의 하나 또는 그 이상의 단계가 본 발명의 범위에 영향을 미치지 않고 삭제될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.In the exemplary system described above, the methods are described on the basis of a flowchart as a series of steps or blocks, but the present invention is not limited to the order of steps, and certain steps may occur in a different order or concurrently with the steps described above. I can. In addition, those skilled in the art will appreciate that the steps shown in the flowchart are not exclusive, other steps may be included, or one or more steps in the flowchart may be deleted without affecting the scope of the present invention.
100 : 자동차
110 : 출력장치
111 : 제 1 출력장치
112 : 제 2 출력장치
120 : 제어장치
121 : 신호처리부
122 : 출력회로
200 : 디바이스
210 : 입력부
220 : 제어부
V : 전기적 출력신호
H : 음파
Ch : 채널
m : 절대길이
n : 상대적인 위치차이
dt : 두 음파의 도달 시간차이
L : 직선그래프
P : 교점
W : 가중치100: car 110: output device
111: first output device 112: second output device
120: control device 121: signal processing unit
122: output circuit 200: device
210: input unit 220: control unit
V: Electrical output signal H: Sound wave
Ch: Channel
m: absolute length n: relative position difference
dt: difference in arrival time of two sound waves L: linear graph
P: intersection W: weight
Claims (5)
상기 자동차(100)의 출력장치(110)에서 출력한 음파(H)를 수신하는 입력부(210) 및 위치와 관련된 데이터를 처리하는 제어부(220)를 포함하는 디바이스(200)로 구성되는 위치 측정 시스템에 있어서,
상기 디바이스(200)의 제어부(220)는,
상기 자동차(100)에 구비된 복수개의 출력장치(110)로부터 발생한 복수개의 음파(H)가 상기 디바이스(200)의 입력부(210)에 도달하는 상대적인 시간차(dt)를 측정하여, 상기 자동차(100)의 복수개의 출력장치(110)로부터 상기 디바이스(200)까지의 각각의 위치차이(n)를 계산하고;
상기 계산된 복수개의 위치차이(n)를 기초로 삼각 측량법을 이용하여, 지면을 기준으로 하는 상기 디바이스(200)의 2차원 위치 좌표들의 집합인 복수개의 직선그래프(L)를 계산하고;
상기 디바이스(200)의 2차원 위치 좌표들의 집합인 복수개의 직선그래프(L)를 이용하여 디바이스(200)의 위치를 측정함으로써 상기 자동차(100)와 디바이스(200) 사이의 거리를 산출하는 것을 특징으로 하는 측정 오차가 감소된 음파 간 상대 도달 시간차를 이용한 디바이스 위치 측정 방법.
A vehicle 100 equipped with a plurality of output devices 110 for outputting sound waves H and a control device 120 for transmitting electrical output signals V to the plurality of output devices 110; And
A position measurement system comprising a device 200 including an input unit 210 receiving the sound wave H output from the output device 110 of the vehicle 100 and a control unit 220 processing data related to the position In,
The control unit 220 of the device 200,
By measuring the relative time difference dt at which a plurality of sound waves H generated from a plurality of output devices 110 provided in the vehicle 100 reach the input unit 210 of the device 200, the vehicle 100 Calculate each position difference (n) from the plurality of output devices (110) of) to the device (200);
Calculating a plurality of linear graphs L, which is a set of two-dimensional position coordinates of the device 200 based on the ground, using a triangulation method based on the calculated plurality of position differences n;
The distance between the vehicle 100 and the device 200 is calculated by measuring the position of the device 200 using a plurality of linear graphs L, which are a set of two-dimensional position coordinates of the device 200. Device location measurement method using the relative arrival time difference between sound waves with reduced measurement error.
상기 복수개의 직선그래프(L)의 교점(P)이 하나인 경우 하나의 교점(P)을 상기 디바이스(200)의 위치로 특정하며;
상기 복수개의 직선그래프(L)의 교점(P)이 복수개인 경우,
상기 복수개의 직선그래프(L)의 좌표계를 미리 설정된 기준에 따라 구간을 분할하여 상기 복수개의 직선그래프(L) 중 가장 많은 직선그래프(L)가 통과하는 구간을 상기 디바이스(200)의 위치가 존재하는 구간으로 특정하는 것을 특징으로 하는 측정 오차가 감소된 음파 간 상대 도달 시간차를 이용한 디바이스 위치 측정 방법.
The method of claim 1, wherein the control unit 220 of the device 200,
When the plurality of linear graphs L has one intersection point P, one intersection point P is specified as the position of the device 200;
When there are a plurality of intersection points (P) of the plurality of linear graphs (L),
The location of the device 200 exists in the section through which the most linear graphs L among the plurality of linear graphs L pass by dividing the section of the plurality of linear graphs L according to a preset reference A device position measurement method using a relative arrival time difference between sound waves having a reduced measurement error, characterized in that it is specified as a section to be measured.
상기 복수개의 직선그래프(L)의 교점(P)이 복수개인 경우,
미리 설정된 기준에 따라 분할 된 상기 복수개의 직선그래프(L)의 좌표계의 각 구간에 미리 설정된 하나 이상의 가중치(W)를 부여하고,
상기 복수개의 직선그래프(L)의 좌표계의 각 구간 중 상기 하나 이상의 가중치(W)를 모두 더한 값이 가장 큰 구간을 상기 디바이스(200)의 위치가 존재하는 구간으로 특정하는 것을 특징으로 하는 측정 오차가 감소된 음파 간 상대 도달 시간차를 이용한 디바이스 위치 측정 방법.
The method of claim 1, wherein the control unit 220 of the device 200,
When there are a plurality of intersection points (P) of the plurality of linear graphs (L),
One or more preset weights (W) are assigned to each section of the coordinate system of the plurality of linear graphs (L) divided according to a preset standard,
Measurement error, characterized in that the section in which the sum of the one or more weights (W) is the largest of each section of the coordinate system of the plurality of linear graphs (L) as a section in which the location of the device 200 exists Device location measurement method using the relative arrival time difference between sound waves with reduced
전기적 출력신호(V)를 생성 및 변조하는 신호처리부(121); 및
상기 신호처리부(121)에 의해 생성된 전기적 출력신호(V)를 상기 복수개의 출력장치(110)에 전달하는 출력회로(122)를 포함하여 구비되는 것을 특징으로 하는 측정 오차가 감소된 음파 간 상대 도달 시간차를 이용한 디바이스 위치 측정 방법.
The method of claim 1, wherein the control device (120) of the vehicle (100),
A signal processing unit 121 for generating and modulating an electrical output signal V; And
A relative between sound waves with reduced measurement error, characterized in that it comprises an output circuit (122) for transmitting the electrical output signal (V) generated by the signal processing unit (121) to the plurality of output devices (110) Device location measurement method using the arrival time difference.
생성하는 전기적 출력신호(V)의 크기를 시간에 따라 증감시킴으로써 상기 출력장치(110)에서 출력하는 음파(H)의 주파수를 함수화 하는 것을 특징으로 하는 측정 오차가 감소된 음파 간 상대 도달 시간차를 이용한 디바이스 위치 측정 방법.
The method of claim 4, wherein the signal processing unit (121) of the control device (120),
Using the relative arrival time difference between sound waves with a reduced measurement error, characterized in that the frequency of the sound wave H output from the output device 110 is functioned by increasing or decreasing the magnitude of the generated electrical output signal V with time. How to measure device location.
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