Performance Evaluation, Optimal Design and Complex Obstacle Detection of an Overlapped Ultrasonic Sensor Ring

This paper presents the performance evaluation. optimal design. and complex obstacle detection of an overlapped ultrasonic sensor ring by introducing a new concept of effective beam width. It is assumed that a set of ultrasonic sensors of the same type are arranged along a circle of nonzero radius at regular spacings with their beams overlapped. First, the global positional uncertainty of an overlapped ultrasonic sensor ring is expressed by the average value of local positional uncertainty over the entire obstacle detection range. The effective beam width of an overlapped ultrasonic sensor ring is assessed as the beam width of a single ultrasonic sensor having the same amount of global positional uncertainty, from which a normalized obstacle detection performance index is defined. Second. using the defined index, the design parameters of an overlapped ultrasonic sensor ring are optimized for minimal positional uncertainty in obstacle detection. For a given number of ultrasonic sensors, the optimal radius of an overlapped ultrasonic sensor ring is determined, and for a given radius of an overlapped ultrasonic sensor ring, the optimal number of ultrasonic sensors is determined. Third, the decision rules of positional uncertainty zone for multiple obstacle detection are provided based on the inequality relationships among obstacle distances by three adjacent ultrasonic sensors. Using the provided rules, the obstacle outline detection is performed in a rather complex environment consisting of several obstacles of different shapes.

중첩 초음파 센서 링의 성능 평가, 최적 설계 및 복합 장애물 탐지

본 논문에서는 유효 빔 폭 개념을 새로이 도입하여 중첩 초음파 센서 링의 성능 평가, 최적 설계, 그리고 복합 장애물 탐지에 대해 기술하도록 한다. 일군의 동종 저지향성 초음파 센서들이 반경이 영이 아닌 원주 상에 일정 간격으로 상호 빔 폭이 중첩되도록 배치된다고 가정한다. 첫째, 중첩 초음파 센서 링의 전역 위치 불확실성을 전체 장애물 탐지 범위 내에서의 국부적 위치 불확실성의 평균값으로 나타낸다. 중첩 초음파 센서 링의 유효 빔 폭을 동일한 전역 위치 불확실성을 갖는 단일 초음파 센서의 빔 폭으로 산정하고 이를 바탕으로 정규화된 장애물 탐지 성능 평가 지수를 정의한다. 둘째, 정의된 성능 평가 지수를 이용하여 장애물 탐지 시 위치 불확실성이 최소화되도록 중첩 초음파 센서 링의 설계 사양을 최적화한다. 주어진 초음파 센서의 사용 개수에 대한 중첩 초음파 센서 링의 최적 반경 그리고 주어진 중첩 초음파 센서 링의 반경에 대한 초음파 센서의 최적 사용 개수를 결정한다. 셋째, 3개의 인접 초음파 센서로부터의 장애물 거리 간의 대소 관계에 의거한 복수 장애물의 위치 불확실성 영역 판정 기준을 제시한다. 제시된 위치 불확실성 영역판정 기준을 이용하여 다양한 형태의 장애물로 구성된 복합 장애물 환경에서의 장애물 윤곽 추출 결과를 보인다.