자동차용 초음파 근접 센서

1) 센서 개발 동향

  초음파 센서는 음파가 물체에 반사되어 돌아오는 시간을 측정하여 음파의 속도를 이용하여 거리를 계산하는 센서다. 음파의 속도는 온도에 따라 다소 차이가 있지만 대개 334m/s 정도의 값을 이용한다. 초음파 센서의 종류에는 여러 가지가 있는데 송수신 일체형과 송수신 분리형이 있다.

 

  송수신 일체형은 Transceiver라고 부르는데 이것은 하나의 센서로 송신 및 수신을 하게 된다. 장점은 센서가 차지하는 공간이 작다는 것이고 단점은 회로를 분리형에 비해 구성하기가 약간 어려울 수 있다는 것이다. 요즘에는 송수신 일체형은 좀처럼 찾아보기가 쉽지 않다.

 

  송수신 분리형은 Transmitter와 Receiver가 분리된 것으로 회로 구성은 간단하지만, 센서가 차지하는 공간은 작다.

 

 

  초음파 센서를 선택할 때 고려해야 할 사항은 다음과 같다.

 

1. 초음파 센서의 측정 거리 - 대개는 3-4m 정도이고 초음파 주파수가 높아질수록 거리는 짧아지는데 대개 40kHz 요즘 많이 사용한다.
2. 초음파 센서의 Beam angle - Beam angle이라는 것은 음파가 퍼지는 각도를 의미하는 것인데 이것은 어느 쪽이 꼭 좋다고는 말할 수 없다. Beam angle이 작으면 직진성이 좋다는 것으로 narrow beam angle의 특성이 있다. 직진성이 좋으면 넓은 범위에서 감지가 어렵다. 반대로 퍼짐이 좋으면 wide beam angle의 특성이라고 하는데 대신 직진성이 나빠서 반사되어 돌아오는 신호가 어디에서 왔는지를 추측하기가 어렵다. 음파가 반사체에 반사되어 돌아올 때 반사 점이 명확지 않기 때문에 이것은  RCD (Region of Constant Distance)라고 나타내기도 한다.
3. 초음파 센서의 전원 - 초음파 센서에 따라 작게는 10V 내외의 송신 전압을 필요로 하는 것도 있고 100V DC 바이어스가 있어야 하는 것도 있다. 그러나 높은 전압을 생성하기는 쉽지도 않고 효율도 높지 않기 마련이기 때문에 application에 적합한 전압을 고려해야 한다. 대개 application은 5V 정도의 전원을 이용하는데 이러한 전원으로부터 높은 전압을 생성하기 위해 Step Up DC-DC converter를 많이 이용한다.

 

  이 센서에서 초음파 방사기(Ultrasonic Emitter)는 고주파수(일반적으로 200kHz 범위) 음파를 주기적으로 방사한다. 초음파 센서의 운용에는 두 가지 모드가 있다. 즉, 대항 모드와 반향(확산) 모드가 바로 그것이다. 대항 모드 (Opposed Mode) 수신기는 방사기 앞에 위치해 있는 반면에, 반향 모드(Echo Mode)는 수신기가 바로 다음에 있거나 방사기와 통합되어 있고 반사된 음파를 수신받는다. 만약 수신기가 수신범위 안에 있거나 음파가 센서 가까이에있는물 체의 표면에 반사된다면 그 음파가 감지되고 신호가 발생한다. 반면에, 수신기가 음파를 감지하 지 못하면 신호는 발생하지 않는다.

 

  모든 초음파 센서는 방사기 표면으로부터 물체의 거리와 존재를 인지할 수 없는 사각지대 (Blind Zone)를 가지고 있다. 초음파 센서는 반 향모드에서 음파를 반사할 수 없는 고무나 거품 같은 표면을 가진 물체에 대해서는 사용할 수 없다.

 

 

2) 초음파 센서 응용 시스템

a. Blind Spot Warning

Bosch사에서 Radar 대신 ultrasonic 센서를 사용한 BSW를 개발하였다. Ultrasonic 센서는 측정거리가 radar보다 짧고 다른 차량의 상대속도를 측정하는데 제약이 있기 때문에 그림과 같이 앞쪽 측면에 센서가 하나씩 더 필요하다. 그러나 이 센서들은 원래 자동주차 시스템의 주차 공간 탐색에 이미 사용되고 있는 센서들이라 추가비용이 없다는 장점이 있다.

 

앞쪽 측면 센서들은 탐색 된 차량이 반대편에서 다가오는 차량인지 아닌지 판별하는데 사용된다. 앞 센서가 먼저 검출하고 뒷 센서가 검출하게 되면 반대편에서 다가오는 차량이므로 경고를 발생하지 않게 되는 원리이다. 반대로 뒷 센서가 먼저 검출하게 되면 뒤에서 다가오는 위험한 차량이므로 경고를 주게 된다. 르노삼성 SM5에 이 시스템이 동급 최초로 장착되었다.

 

b. 자동주차시스템

최근, 자동차가 지능화되어 가면서 여러 가지 다양한 기능들을 갖추고 있다. 이러한 기능 중 하나로 자동 주차 시스템이 있다. 여러 주차 중 특히 평행주차는 가장 어려운 기술로 공간지각 능력과 상당한 운동신경을 요구하기 때문에 여성들이나 노인들이 가장 힘들어하는 운전 형태이다. 자동주차 시스템의 동작 방식은 다음과 같다. 먼저, 카메라, 레이저, 레이더 또는 초음파 센서로 주차 공간을 찾고 주차공간이 충분히 넓은지 시스템이 판단을 내린다. 공간이 충분히 넓으면 운전자가 주차 보조 모드에 놓고 주차 시작 위치에 차를 이동시키면, 제어기는 주차 경로를 만들고, 전자 조향 장치에 의해 주차가 이뤄지게 된다. 이때 가속페달은 운전자가 직접 제어하거나 자동으로 제어된다. 주로 대부분의 연구와 상용화 제품이 평행주차를 위한 것이며 최근에는 직각 자동 주차 시스템도 등장하고 있다.

 

BOSCH PARKING ASSISTANT

보슈사의 오랜 기술력을 바탕으로 개발된 이 시스템은 초음파 센서를 이용한 시스템이다. 2006년에 Citroen사의 C4 Picasso에 장착되어 시장에 첫선을 보였다.

 

이 시스템은 주차 공간으로부터 1.8미터의 거리까지 주차공간 탐색이 가능하다. 2가지 타입의 시스템이 완성차 회사에 제공될 수 있는데, 첫 번째는 자동 조작 없이 운전자에게 알맞은 지시만 내리는 가이드 형식의 제품 그리고 두 번째는 자동으로 조향장치를 제어하는 시스템이다. 둘 다 가속 페달은 운전자의 몫이다.

 

 

BOSCH사의 자동평행주차 시스템

 

자동차 길이보다 최소 80cm 큰 주차공간까지 주차가 가능하며, 즉 좁은 공간에서의 앞뒤 방향전환이 포함된 Multiple movement 주차가 가능한 제품인 듯하나 관련 동영상은 아직 찾지 못하였다. 좁은 도로에서도, 언덕진 주차공간에서도, 커프진 주차공간에서도 아무 문제 없이 주차가 가능하다. 실시간으로 주변 상황을 측정하고 순차적으로 주차경로를 생성하는 형태로, 현재의 주변 상황은 다음 조작을 계산하는데 반영된다. 또 하나의 장점은 최대 시속 30km까지 정확한 주차공간 탐색이 가능하다는 점이다. 그리고 사용된 스마트 알고리즘에 의해서 10초 안에 주차가 가능하다고 한다.

 

VALEO Park4U

프랑스의 발레오사의 Park4U는 가장 성공적인 상용화된 사례이다. 이미 6종의 Volkswagen 모델에 장착되었고, Audi A3와 Skoda Superb에도 장착되었다. 곧 미국 Ford사의 Lincoln MKS와 MKT 모델의 포함하여 총 18종의 모델에 장착될 예정이다.

 

이 제품 역시 초음파 센서를 사용하여 주차공간을 찾고, 차 앞뒤로 각각 최소 70cm의 여유만 있으면 주차가 가능하다. 다른 제품들처럼 핸들은 자동 제어되지만, 가속페달은 운전자의 몫이다.

 

초음파 센서가 주차공간 측정을 할 때 인도와 주차 공간 사이의 턱이 너무 높으면 턱과의 충돌이 없게끔 주차경로를 생성하고, 턱이 없으면 앞차와 일직선이 되도록 주차경로를 생성한다. 주차공간 측정 시 속도는 시속 30km를 넘으면 안 되며 주차공간으로부터 50cm와 150cm 사이에 있어야 한다. 자동 주차 중에 속도가 시속 7km가 넘거나 운전자가 핸들을 조작하면 주차가 중단된다.

 

2009년에 발표된 좀 더 향상된 Park4U는 앞뒤 40cm의 여유만 있으면 주차가 가능하고 커브 길에 위치한 주차공간에도 주차가 가능하다고 한다. 그리고 주차공간에서 차를 빼는 작업도 자동으로 될 것이라고 한다.