Design of Overlapped Ultrasonic Sensor Ring and Its Application to Obstacle Detection

This paper presents the optimal design method of an overlapped ultrasonic sensor ring for reduced positional uncertainty, and its application to the obstacle detection with improved resolution. Basically, it is assumed that a set of ultrasonic sensors are installed to form a circle at regular intervals with their beams overlapped. First, exploiting the overlapped beam pattern, the positional uncertainty inherent to an ultrasonic sensor is shown to be significantly reduced. Second, for an ideal ultrasonic sensor ring of zero radius, the effective beam width is defined to represent the positional uncertainty, and the optimal number of ultrasonic sensors required for minimal effective beam width is obtained. Third, for an actual ultrasonic sensor ring of nonzero radius, the design index is defined to represent the degree of positional uncertainty, and an optimal design of an overlapped ultrasonic sensor ring consisting of commercial ultrasonic sensors with low directivity is given. Fourth, given measured distances from ultrasonic sensors, the geometric method is described to compute the obstacle position with reference to the center of a mobile robot. Finally, through experiments using our overlapped ultrasonic sensor ring prototype, the validity and performance of the proposed method is demonstrated.

중첩 초음파 센서 링의 설계 및 장애물 탐지에의 응용

본 논문에서는 위치 불확실성이 최소화되도록 중첩 초음파 센서 링을 최적 설계하는 방법과 이를 향상된 해상도의 장애물 탐지에 응용하는 방안에 대해 기술하도록 한다. 기본적으로 일군의 초음파 센서들이 일정 간격으로 상호 빔 폭이 중첩되도록 원형으로 배치된다고 가정한다. 첫째, 빔 폭 중첩 상태를 활용함으로써 초음파 센서 고유의 위치 불확실성을 현저히 감소시킬 수 있음을 보인다. 둘째, 반경이 영인 이상적인 중첩 초음파 센서 링에 대해, 위치 불확실성을 나타낼 수 있도록 유효 빔 폭의 개념을 도입하고, 유효 빔 폭을 최소화하기 위해 필요한 초음파 센서의 최적 개수를 구한다. 셋째, 일정 반경의 실제 중첩 초음파 센서 링을 대상으로, 위치 불확실성 정도를 표현하는 설계 지수를 정의하고, 상용 저지향성 초음파 센서를 구성되는 중첩 초음파 센서 링의 최적 설계 예를 제시한다. 넷째, 초음파 센서의 측정 거리로부터 이동로봇 중심 기준 장애물의 위치를 산정하기 위한 기하학적 방법을 기술한다. 마지막으로, 한 쪽이 열린 평면 장애물 탐지 실험을 통해, 자체 제작된 초음파 센서 링의 장애물 탐지 해상도가 향상됨을 입증한다.