KR100286648B1 - 3차원형상검출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원형상검출기를 사용하여 제철소, 발전소 등의 원료 파일 등의 3차원 형상을 검출하는 방법에 관한 것으로서, 레이저 반사경의 제작 정밀도에 의해 나타나는 검출오차를 보정하여 보다 정밀하게 3차원형상을 검출할 수 있는 방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

본 발명은 3차원형상 검출기를 이용하여 3차원형상을 검출하는 방법에 있어서,

일정한 크기를 갖는 격자틀을 준비하고; 이 격자틀내에 목표지점(Po)을 설정하고;이 목표지점(Po)의 3차원 직교좌표값(x,y,z)을 구하고; 상기와 같이 구한 3차원 직교좌표값(x,y,z)을 3차원 극좌표값(θ,&phgr;,r)으로 변환하고; 형상검출기의 각축이 상기 3차원 극좌표값을 가르키도록 이동시킨 다음, 거리검출용 레이저를 주사시키고; 레이저가 격자틀에 충돌하는 지점(P1)을 표시하고, 그 지점(P1)에 3차원직교좌표(x1, y1, z1)를 구하고; 상기 지점(P1)에 대한 3차원직교좌표계값을 3차원극좌표값으로 변환하고; 상기 Po점의 극좌표값과 P1점의 극좌표값(θ1,&phgr;1,r1)의 수평,수직간의 편차(Δθ)(Δ&phgr;)를 구하고; 3차원형상검출기를 사용하여 3차원 형상을 검출할 시에 검출된 극좌표값의 수평, 수직각에 각각 상기에서 구한 Δθ,Δ&phgr;만큼을 보정하여 보정좌표값을 구하고; 그리고 상기와 같이 구한 보정좌표값을 이용하여 3차원 형상을 구하는 3차원형상검출방법을 그 요지로 한다.

Description

3차원 형상 검출방법

본 발명은 3차원형상검출기를 사용하여 제철소, 발전소 등의 원료 파일 등의 3차원 형상을 검출하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 3차원 형상 검출기에 의해 3차원형상을 검출할 시 발생되는 오차를 보정하여 보다 정밀하게 3차원형상을검출하는 방법에 관한 것이다.

3차원 형상 검출기는, 도 1에 나타난 바와 같이, 거리 검출을 위한 레이저 센서(1)에서 발생된 레이저 광선(7)을 45°로 경사져 수직으로 회전(4)하는 레이저 반사경(3)으로 수직선상으로 주사하게 하고, 상기한 레이저 센서(1), 레이저 반사경(3), 레이저 반사경(3)을 구동시키고 그 회전각위치를 검출하는 수직구동및검출부(5)가 일체형으로 된 3차원형상검출기의 상부 구조물을 수평방향(6)으로 회전하게 함으로써 도 2에서와 같은 공간 극좌표계에서 θ,, r 좌표값을 검출하는 원리를 이용한 것이다.

도 1에서, 부호 2는 상기 3차원형상 검출기의 상부 구조물의 수평방향으로의 회전을 구동시키고 그 회전각 위치를 검출하는 수평구동및검출부를 나타내고,그리고, 부호 8은 격자틀을 나타낸다.

일반적으로, 검출 대상물까지의 거리가 50m이상이며 직경, 높이가 각각 50m 이상되는 제철소 원료 공장의 원료 파일 등의 형상을 검출해야 하는 경우에는 거리 검출 센서로서 펄스 레이저의 비행시간차를 거리로 환산하는 것을 원리로 하는 것을 이용한다.

극좌표계의 좌표값으로 표현된 3차원 위치정보 값은 직접 신호처리 등을 거치지 않고 직교 좌표계의 좌표값으로 변환되어 그 과정을 거치는 것이 일반적이다. 극좌표상의 위치정보가 직교 좌표상의 x, y, z과 같은 좌표값으로 변환되는 원리는 다음과 같다. (도 2 참조)

[수학식 1]

[수학식 2]

[수학식 3]

3차원 형상 검출기에서 x, y, z 좌표를 검출하는데 있어서 검출 오차가 발생할 수 있는 원인은 레이져 센서(1)를 이용하여 거리를 검출하는 경우에 발생되는 검출오차와 수직, 수평 회전각 이동기구의 위치결정상의 오차로 나누어 볼 수 있다.

상기한 레이져 센서(1)를 이용하여 거리를 검출하는 경우에 발생되는 검출오차를 보정하기 위하여 여러가지 방법들이 제안되고 실제로 행해지고 있다.

그러나, 형상 검출기의 회전각 위치결정 과정에서 발생하는 오차는 각 위치 검출기의 정밀도, 구동부의 조립 정밀도, 레이저 반사경의 제작 정밀도에 의해 나타나는 복합 증상이므로 완벽하게 보정하는데는 어려움이 따른다.

본 발명은 3차원 형상 검출기를 사용하여 3차원형상을 검출하는 방법에서 발생되는 검출오차중 레이저 반사경의 제작 정밀도에 의해 나타나는 검출오차를 보정하여 보다 정밀하게 3차원형상을 검출할 수 있는 방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 통상적인 3차원 형상 검출기 및 교정용 격자틀를 나타내는 일부개략도

도 2는 3차원 형상 데이터를 표현하기 위한 공간 좌표계와 직교 좌표계를 나타내는 모식도

도 3은 레이저 반사경을 통해 반사되는 레이저 광선의 경로를 나타내는 것으로서,

(a)는 레이저 반사경의 지지축이 정확하게 고정된 경우를 나타내고,

(b)는 레이저 반사경의 지지축이 경사져 조립된 경우를 나타냄

도 4는 교정용 격자틀의 일례를 나타내는 모식도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1... 레이저 센서 3, 34... 레이저 반사경 35... 지지축

8... 격자틀

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은 3차원형상 검출기를 이용하여 3차원형상을 검출하는 방법에 있어서,

일정한 크기를 갖는 격자틀을 준비하는 단계;

상기 격자틀내에 목표지점(Po)을 설정하는 단계;

상기 목표지점(Po)의 3차원 직교좌표값(x,y,z)을 구하는 단계;

상기와 같이 구한 3차원 직교좌표값(x,y,z)을 3차원 극좌표값(θ,, r)으로 변환하는 단계;

형상검출기의 각축이 상기 3차원 극좌표값을 가르키도록 이동시킨 다음, 거리검출용 레이저를 주사시키는 단계;

레이저가 격자틀에 충돌하는 지점(P1)을 표시하고, 그 지점(P1)에 3차원직교좌표(x1, y1, z1)를 구하는 단계;

상기 지점(P1)에 대한 3차원직교좌표계값(x1, y1, z1)을 3차원극좌표값(θ1,1,r1)으로 변환하는 단계;

상기 Po점의 극좌표값(θ,, r)과 P1점의 극좌표값(θ1,1, r1)의 수평,수직간의 편차(Δθ)(Δ)를 하기 식(4),및(5)에 의해 구하는 단계;

[수학식 4]

[수학식 5]

3차원형상검출기를 사용하여 3차원 형상을 검출할 시에 검출된 극좌표값의 수평,수직각에 각각 상기에서 구한 Δθ,Δ만큼을 보정하여 보정좌표값을 구하는 단계; 및 상기와 같이 구한 보정좌표값을 이용하여 3차원 형상을 구하는 단계를 포함하여 구성되는 3차원형상검출방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은 3차원 형상 검출기를 사용하여 3차원형상을 검출하는 방법에서 발생되는 검출오차중 레이저 광선을 반사하여 광선의 이동경로를 바꾸어주는 레이저 반사경의 조립정밀도 한계에 의해 발생될 수 있는 검출오차를 보정하여 보다 정밀하게 3차원형상을 검출할 수 있는 방법에 관한 것이다.

도 3에 나타난 바와 같이, 상기 레이저 반사경(34)은 레이저 광선의 빔 축에 대하여 45°경사져 조립되어 입사되는 광선을 빔 축에 대하여 90°굴절하도록 조립되어야 한다. 상기 레이저 반사경의 조립에서는 레이저 반사경(34)과 거울을 지지하는 지지축(35)을 하나의 부품으로 만들고 이것을 구동기의 회전축(도시되어 있지 않음)에 고정시키는 방법이 일반적인데 지지축(35)과 레이저 반사경(34)사이의 각도는 미리 직접 검출을 통해 검사해 볼 수 있고 수정이 가능하다.

한편, 레이저 반사경(34)과 구동기 축 사이의 조립 과정에서 구동기 축과 지지축사이에 편심이 생길 수 있는데, 이것은 조립이 완료된 상태에서 발생하므로 직접적인 검출으로 수정하기는 어렵다.

편심이란 통상 회전축의 중심이 일치하지 않은 경우를 지칭하는데 여기서는 지지축의 경사진 것까지 포함하는 것으로 한다.

지지축 중심이 어긋나서 생기는 편심의 경우는 그 값이 수㎜에 불과하므로 100m 이상까지 검출하는 형상 검출기의 경우는 무시할 수 있다.

그러나, 지지축(35)이 회전중심에 대하여 기울여져서 생긴 편심의 경우는 검출거리가 커질수록 검출오차는 증폭된다.

먼 거리의 대상물에 대한 검출에서 오차를 크게 증폭시킬 수 있는 레이저 반사경의 지지축(회전축)이 경사져서 생기는 편심오차를 본 발명에 따라 보정하는 방법에 대하여 도면을 통해 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따라 레이저 반사경의 편심오차를 보정하기 위해서는 일정한 크기를 갖는 격자틀을 준비해야 한다.

도 1에 나타난 바와 같이, 검출기 원점에서 주사한 레이저 광선(7)의 빔축과 직교하도록 미리 검출된 거리에 평판의 격자틀(8)을 설치한다.

이 격자틀(8)면에는 도 4에 나타난 바와 같이 검출기의 원점과 일치하도록 zx좌표계의 원점(23)이 지정되고 각각의 좌표축(19, 20, 21, 22)이 그려진다. 이렇게 하면 평판위의 모든 점들은 y 좌표값이 일정하며 zx 좌표계로 표현할 수 있게 된다.

형상 검출기가 원점에 위치한 상태에서 주사한 레이저광선은 y축선과 일치한다. 또한 이 평판위에 우리가 검출하고자 하는 거리 간격으로 가로, 세로 격자선(24, 25)을 그어 격자틀을 완성한다.

상기 격자틀(8)위에는 가로, 세로 격자선이 교차하는 격자점(26, 27, 28, 29)이 생긴다.

본 발명에서는 상기와 같이 격자틀(8)이 준비되면, 상기 격자틀(8)내에 목표지점(Po)을 설정한 다음, 이 목표지점(Po)의 3차원 직교좌표값(x,y,z)을 구한다.

상기와 같이 구한 3차원 직교좌표값(x,y,z)을 상기 식(1),(2),(3)을 이용하여 3차원 극좌표값(θ,, r)으로 변환한다.

다음에, 형상검출기의 각 축을 상기 3차원 극좌표값이 지적하는 위치로 이동시킨 다음, 거리검출용레이저를 주사시키고, 레이저가 격자틀에 충돌하는 지점(P1)을 표시하고, 그 지점(P1)에 3차원직교좌표(x1, y1, z1)를 구한다.

즉, 상기에서 구한 극좌표계에 대한 좌표값 중에서 θ,축 좌표값에 해당하는 위치로 형상 검출기의 각 축을 이동시키고 레이저 광선을 주사하여 거리를 검출한다. 거리를 검출하는 중에는 격자틀(8)위에 충돌하는 빔의 단면을 관찰할 수 있다. 원거리 검출에 이용되는 레이저는 가시영역 이외의 적외선이 대부분이므로 맨눈으로 확인하기는 불가능하고 적외선 투시기를 이용하여 빔이 맺히는 지점을 표시하고, 그 지점(P1)에 3차원직교좌표(x1, y1, z1)를 구한다.

상기한 극좌표계를 구하는데 사용한 직교 좌표에 해당하는 격자점과 빔의 충돌점이 일치한다면 이 검출기의 검출 정밀도는 매우 우수하다고 볼 수 있다.

다음에, 상기 지점(P1)에 대한 3차원직교좌표계값(x1, y1, z1)을 3차원극좌표값(θ1,1, r1)으로 변환한다.

다음에, 상기 Po점의 극좌표값(θ,, r)과 P1점의 극좌표값(θ1,1, r1)의 수평,수직간의 편차(Δθ)(Δ)를 상기 식(4),및(5)에 의해 구한다.

레이저 반사경(34)의 지지축(35)이 레이저 광선의 축에 대하여 경사져 편심이 일어나는 경우, 검출 오차의 양상은 다음과 같다.

도 3(a)에서와 같이, 레이저 반사경(34)이 정확하게 조립된 경우에는 레이저 광선(36)이 직각으로 굴절된다.

그러나, 도 3(b)에서와 같이, 레이저 반사경(34)이 편심되는 경우에는 직각에 경사진 각도 만큼(44)을 더 더하여 굴절된다. 그러므로 극좌표 위의 θ,좌표값을 교정해야만 정확한 검출점에 대한 위치를 표현할 수 있다.

이상의 설명을 일례를 들어 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

격자틀 까지의 거리를 50m라고 하고 도 4의 격자틀 위의 한점(26)의 zx 좌표값을 각각 3m, 5m라고 하면 이 점의 극좌표값은 (θ,, r) = (84.289°, 3.417°, 50.339m)이다. 만일 위의 (θ,)좌표로 검출기의 각축을 이동시키고 나서 레이저 광선을 주사시킨 후 관측한 레이저빔의 위치가 (x1, y1, z1) = (5.5m, 50m, 3m)라면 검출상태에서의 실제의 형상검출기 각 축의 위치는 (θ1,1) = (83.723°, 3.413°)이다. 그러므로 형상검출기에 있어서 θ축에서의 오차(Δθ)는 0.566°,축에서의 오차(Δ)는 0.004°이므로 이후에 다른 지점의 거리를 검출하고 직교 좌표계의 좌표값으로 변환할 때는 이 각도오차를 검출한 각도에서 빼고난 후에 변환하는 것이 정확한 위치 좌표를 구하는 것이라고 할 수 있다.

따라서, 3차원형상검출기를 사용하여 3차원 형상을 검출할 시에 검출된 극좌표값의 수평, 수직각(θ_{e, e})에 각각 상기에서 구한 Δθ,Δ만큼을 하기 식(6)과 같이 보정하여 보정좌표값을 구한다.

[수학식 6]

여기서 (θ_t, _t)은 오차가 보정된 검출점의 극좌표계상의 좌표값이며 이 값으로 검출점에 대한 직교좌표 환산을 수행하면 이상에서 설명한 위치 검출오차를 줄일 수 있다.

(θ_e, _e)는 형상검출기의 각위치 검출기에서 읽은 각 지지축의 각위치이다.

다음에, 상기와 같이 구한 보정좌표값을 이용하여 3차원 형상을 구한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 3차원 형상 검출기를 사용하여 3차원형상을 검출하는 방법에서 발생되는 검출오차중 레이저 반사경의 제작 정밀도에 의해 나타나는 검출오차를 보정함으로써, 보다 정확하게 3차원형상을 검출할 수 있는 방법을 제공할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (1)

1. 3차원형상 검출기를 이용하여 3차원형상을 검출하는 방법에 있어서,

   일정한 크기를 갖는 격자틀을 준비하는 단계;

   상기 격자틀내에 목표지점(Po)을 설정하는 단계;

   상기 목표지점(Po)의 3차원 직교좌표값(x,y,z)을 구하는 단계;

   상기와 같이 구한 3차원 직교좌표값(x,y,z)을 3차원 극좌표값(θ,&phgr;, r)으로 변환하는 단계;

   형상검출기의 각축이 상기 3차원 극좌표값을 가르키도록 이동시킨 다음, 거리검출용 레이저를 주사시키는 단계;

   레이저가 격자틀에 충돌하는 지점(P1)을 표시하고, 그 지점(P1)에 3차원직교좌표(x1, y1, z1)를 구하는 단계;

   상기 지점(P1)에 대한 3차원직교좌표계값(x1, y1, z1)을 3차원극좌표값(θ1,&phgr;1,r1)으로 변환하는 단계;

   상기 Po점의 극좌표값(θ,&phgr;, r)과 P1점의 극좌표값(θ1,&phgr;1, r1)의 수평,수직간의 편차(Δθ)(Δ&phgr;)를 하기 식(4),및(5)에 의해 구하는 단계;

   (수식 4)

   Δθ= θ - θ1

   (수식 5)

   Δ&phgr; = &phgr; - &phgr;1

   3차원형상검출기를 사용하여 3차원 형상을 검출할 시에 검출된 극좌표값의 수평, 수직각에 각각 상기에서 구한 Δθ,Δ&phgr;만큼을 보정하여 보정좌표값을 구하는 단계; 및 상기와 같이 구한 보정좌표값을 이용하여 3차원 형상을 구하는 단계를 포함하여 구성되는 3차원형상검출방법