Recently, most automobile companies apply an active suspension system to commercial luxury vehicles gradually. Also, they are using a stereo camera to predict the shape of road surface, and doing the preview control of active suspensions based on the estimated shape of road surface. The preview control of active suspensions can provide better ride quality by compensating the slow actuation ability of active suspensions. However, a high-performance processor should be needed if a stereo camera is used for the preview control of active suspensions because, basically, there is so much data by the characteristics of a camera which is a camera is based on surface detection. And, a camera is vulnerable of the variation of weather and light intensity and the cost of a camera system including a camera and a processor is more expensive than that of other short-range detection sensor systems based on an ultrasonic sensor and an infrared sensor. Thus, this paper proposes an estimation technology of a 3D vertical distance between an ultrasonic sensor module and a road which can be applied for the preview control of an active suspension vehicle based on ultrasonic sensors which system have fewer data that should be processed, and which are cheaper than a stereo camera system which is mainly used for the preview control of an active suspension vehicle. A 3D shape of vertical distance between an ultrasonic sensor module and a road is composed of the 2D shape of vertical distance that is the result of the distance measurement using ultrasonic sensors and the additional time axis that describes the variation of a 2D shape of vertical distance. This paper introduces two different methods to estimate a 3D shape of vertical distance between an ultrasonic sensor module and a road based on Time of Flight (TOF) which can be applied for the preview control of an active suspension.
The 2D shape of vertical distance which excludes the time axis from a 3D shape of vertical distance between an ultrasonic sensor module and a road is formed by interpolation using measured distances of two points in the first method. Two ultrasonic transmitters uses an ultrasound of only the 40 kHz frequency component. The signal interference (cross talk) happens when measuring the distance of two points using an ultrasound of only one frequency component. Thus, the alternate distance measurement for two points is proposed in the first method. First method uses the threshold method to determine TOF. It adopts the trilateration method which is widely used for Global Positioning System (GPS) to enhance the reliability of distance measurement and correspond to the fail situation of ultrasonic receivers. Also, it utilizes Rule-based filter and Low Pass Filter (LPF) to filter TOF data and improve the accuracy of distance measurement. The first method emphasizes on the 3D shape estimation of vertical distance with a logic as light as possible and reliability of distance measurement in the consideration of the cost side of the estimation system. Two ultrasonic transmitters which use around 35 kHz and 45 kHz frequency component respectively are utilized in the second method. The distance of two points of the two ultrasonic transmitters and one additional point through frequency identification and transmitter classification is measured. Then, a 2D shape of vertical distance which excludes the time axis from a 3D shape of vertical distance between an ultrasonic sensor module and a road is formed by interpolating using measured distances of three points in the second method. The second method adopts the cross-correlation method to separate each frequency component. Also, it uses the Hilbert transform and interpolation methods to enhance the accuracy of distance measurement. The second approach emphasizes on improvement of the accuracy of a 3D shape estimation of vertical distance by adding one more measurement point by frequency identification. The first method is verified by comparing a 3D shape data of vertical distance between an ultrasonic sensor module and a road with ultrasonic sensors and a laser scanner for reference distance measurement attached on a real vehicle. The experiment is conducted on a dry asphalt road and urban condition with a vehicle velocity 40 km/h. And, the second method is verified by comparing a 3D shape data of vertical distance which is interpolated using two points of the two ultrasonic transmitters and one additional point through frequency identification and transmitter classification based on ultrasonic sensors and a 3D shape data of vertical distance using a laser scanner on a test bench which is installed with a model of a bump with sensors moving slowly.
최근 자동차 업계는 점차적으로 고급형 차량에 엑티브 서스펜션 시스템을 적용하고 있다. 또한 대부분의 자동차 업계는 스테레오 카메라를 이용하여 노면의 형상을 미리 예측하고 예측된 노면 데이터를 활용하여 엑티브 서스펜션을 제어하는 예견 제어를 실시하고 있다. 예견 제어를 실시함으로써 엑티브 서스펜션의 느린 구동성을 보상하여 보다 향상된 승차감을 제공할 수 있기 때문이다. 한편 스테레오 카메라를 노면 예측을 위해 사용할 경우 카메라의 특성상 기본적으로 처리 해야 할 데이터 양이 많아 고성능의 프로세서를 사용해야 한다. 그리고 카메라는 날씨와 빛의 세기 등과 같은 외부 영향에 취약하며 가격 또한 단거리 측정용 센서인 적외선 센서, 초음파 센서 등에 비해서 비싸다. 또한 데이터 처리 프로세서를 포함한 전체 거리 측정 시스템의 가격도 카메라 시스템이 단거리 측정용 시스템인 초음파, 적외선 시스템보다 비싸다. 따라서 본 학위 논문에서는 엑티브 서스펜션의 예견제어를 위하여 주로 사용되는 스테레오 카메라 시스템에 비하여 데이터 처리 양이 적고 가격이 저렴한 초음파 센서 시스템을 이용하여 엑티브 서스펜션 차량의 예견제어에 응용할 수 있는 초음파 센서 모듈과 노면간의 3차원 수직 거리를 추정하는 기술에 대하여 다루고자 한다. 본 논문에서는 Time of Flight(TOF) 기반 2가지 다른 방법의 3차원 수직 거리 추정 방법을 설명한다. 초음파 센서 모듈과 노면간 3차원 수직 거리 추정 형상은 초음파 센서가 측정한 2차원 수직 거리 형상과 추가적으로 2차원 수직 거리 형상의 변화 양상을 나타내기 위한 시간 축으로 구성된다. 첫 번째 방법은 시간 축을 제외한 2차원 수직 거리 형상을 2개의 지점에서 측정한 거리를 보간하여 생성한다. 이때 두 지점의 거리 측정에 사용되는 두 개의 초음파 송신기는 40 kHz 단일 주파수 성분만을 사용한다. 단일 주파수 성분의 초음파를 이용하여 두 지점의 거리를 측정할 때 초음파 간 간섭 현상이 발생한다. 이러한 현상을 피하기 위하여 첫 번째 방법에서는 두 지점에서의 거리 측정을 교차로 실시하는 방법을 제안하였다. 첫 번째 방법은 TOF를 결정하는데 있어 Threshold method를 이용하였고 거리 측정의 신뢰성과 센서 고장 시 안정성을 보장하기 위해 Global Positioning System(GPS)에서 주로 사용되는 위치 추정 방법인 Trilateration 방식을 이용하였다. 또한 TOF 데이터 필터링을 위해 Rule-based filter 및 Low Pass Filter(LPF)를 사용하였다. 첫 번째 방법은 전체 초음파 센서 모듈과 노면 간 3차원 수직 거리 추정 시스템의 가격적인 측면을 고려하여 최대한 로직이 가벼우면서 거리 측정에 신뢰성 있도록 하는데 초점을 두었다. 두 번째 방법은 시간 축을 제외한 2차원 수직 거리 형상을 3개의 지점에서 측정한 거리를 보간하여 생성한다. 두 번째 방법에서는 약 35 kHz와 45 kHz 부근 주파수 성분의 초음파를 사용하는 초음파 송신기를 이용하였으며 수신기 신호에서 각 주파수 성분을 식별하여 송신기를 구분함으로써 2개의 송신기에 해당하는 2개 지점의 거리와 추가적으로 송신기 식별을 통한 추가적인 1개 지점의 거리를 측정할 수 있게 하였다. 각각의 주파수 성분을 분리해 내기 위하여 Cross-correlation 방식을 채택하였으며 정확한 TOF 추정을 위하여 Hilbert transform과 Second order interpolation을 적용하였다. 두 번째 방법은 초음파의 주파수 성분을 구분함으로써 거리 측정 지점을 추가하여 거리 측정의 정확도를 향상시키는 것에 초점을 두었다. 첫 번째 방법은 실제 자동차에 초음파 센서 모듈과 reference 거리 측정용 레이저 센서를 장착하여 드라이 아스팔트 조건의 도심 주행 상황에서 차량이 40km/h로 이동하면서 초음파 센서와 레이저 센서의 3차원 수직 거리 측정 데이터를 획득하고 비교 분석하였다. 두 번째 방법은 과속 방지턱 모형 도로가 설치된 테스트 벤치에서 초음파 모듈과 레이저 센서를 장착하고 초음파 센서를 이용하여 저속에서 2개의 송신기에 해당하는 2개 지점의 거리와 주파수 식별을 통해 추가된 1개의 지점의 거리 데이터를 이용하여 초음파 센서 모듈과 테스트 노면 간 3차원 수직 거리를 추정하고 레이져 센서를 이용한 획득한 거리 데이터와 비교 분석 하였다.
