KR100371793B1

KR100371793B1 - 음원의 위치 결정 방법

Info

Publication number: KR100371793B1
Application number: KR10-2001-0015533A
Authority: KR
Inventors: 김증기; 이성태; 박병호; 서정범
Original assignee: 이성태; 박병호; 서정범; 김증기
Priority date: 2001-03-26
Filing date: 2001-03-26
Publication date: 2003-02-12
Also published as: KR20020075522A

Abstract

본 발명은 직각좌표계에서 음원의 투영입사각들을 구하여 그 위치를 결정하는 음원의 위치결정방법에 관한 것으로, 제1입사각 결정시스템(31)과 제2입사각 결정시스템(32)의 X, Y, Z축을 서로 평행하게 다른 점(A, B)에 위치시키는 단계(S51)와; 상기 제1입사각 결정시스템(31)과 제2입사각 결정시스템(32)에 음원 S의 음향이 입사되는 상한을 결정하고 그 상한을 이루는 3개의 평면에 투영된 음원과 X, Y, Z축이 이루는 3개의 투영입사각들을 결정하는 단계(S52)와; 상기 제1입사각 결정시스템(31)과 제2입사각 결정시스템(32)의 좌표와 각각 3개의 투영입사각들을 전송받아 음원 S가 XY평면에 투영된 투영음원 Sxy의 좌표(x, y, 0)를 결정하는 단계(S53)와; 상기 결정된 투영음원 Sxy의 좌표(x, y, 0)와 투영입사각 θ_1yz, θ_1xz와의 관계에 의해 음원 S가 제1입사각 결정시스템(31)에 입사되는 각 θ_1z를 구하고, tanθ_1z와 투영음원 Sxy까지의 거리(

Description

음원의 위치 결정 방법{A Method for Determining the Location of Sound Source}

본 발명은 음원의 위치 결정 방법에 관한 것으로서, 특히 음원의 입사각들을 결정하여 음원의 방향을 탐지하는 음원의 입사각 결정시스템을 상이한 2개이상의 지점에 위치시키고, 이 2개이상의 지점에서 각각 음원의 입사각들을 결정하여 각 입사각 결정시스템의 위치와 그 입사각들에 의하여 음원의 위치를 결정하는 음원의 위치 결정 방법에 관한 것이다.

어떤 사고가 발생하면 그 사고에 의한 음향이 발생한다. 또한, 감지를 원하는 특정 음원에서 음향을 방출할 수도 있다. 이러한 특정 음원을 추적하기 위해 여러 가지 방법이 사용된다.

통상적으로 센서어레이를 사용하여 많은 수의 센서들에 도달하는 신호의 시간차를 계산하여 입사각을 결정하여 이를 바탕으로 음원의 위치를 결정하거나, 또는 더 많은 수의 센서들을 사용하여 원통으로 구성하거나 구형으로 구성하여 입사각을 결정하여 이를 바탕으로 음원의 위치를 결정하는 방식이 알려져 있다.

그런데, 이러한 많은 수의 센서들에 도달하는 신호의 시간차를 계산하는 방법은 시간차를 계산함에 있어, 복잡한 과정을 거쳐야 하므로 계산량도 많고 그에 따른 시간도 많이 소요되어 신속하게 음원의 위치를 획득할 수 없다는 문제점과, 또한 많은 센서들을 사용하여 센서어레이를 구성하기 때문에 시스템이 복잡하고 비용이 많이 소요되는 문제점을 갖고 있다.

이와 같이, 음원의 위치를 파악하는 기술과 관련된 종래의 기술로서, 한국 특허공개공보 공개번호 2000-65273호로 알려진 바와 같이, 공간상의 네 곳에 위치한 음파감지기의 위치를 알고 있을 때 각각의 감지기에 도달하는 음파의 도달시간 차이를 측정하여 실제 음원의 위치를 찾아내는 방법이 공개되어 있다.

이 시스템은 음파감지기와 GPS(Global Positioning System)수신기 및 무선송수신장치로 이루어진 음원감지부들과, 여러 개의 음원감지부에서 보내온 자료를 처리하여 음원위치를 추적하는 중앙통제센타로 구성되어, GPS시스템에 의해 음원감지부의 시각동기 및 위치정보 확보가 가능하므로 음원감지부가 이동하더라도 음원의 자동적인 위치추적을 하는 것으로서, GPS위성에서 시각정보를 수신하여 시간차를 계산하거나 기준시각을 발생시키는 장치와 함께 사용하여야만 위치를 결정할 수 있다.

따라서, 이러한 종래의 음향추적 시스템은 각각의 음향탐지기의 위치에 시간차를 결정해 주는 장치를 설치하여야만 하고, 그렇지 않은 경우에는 중앙통제장치에서 각각의 포착된 신호를 받아들여서 FFT(Fast Fourier Transform), cross- corelation 계산 및 IFFT(Inverse FFT) 변환을 하여서 시간차를 획득하여 사용하여야 하기 때문에, 복잡한 계산을 수행하여 음원의 위치를 결정하여야 하므로 시간이 많이 소요되어 정지 또는 느린 음원의 위치만을 결정할 수 있다. 그렇지 않으면 고가의 장비를 사용하여 계산 속도를 높여야 하는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기의 문제점들을 해결하기 위하여, 본 발명자가 선출원한 특허출원 2001-006671호의 음원의 입사각들을 결정하여 음원의 방향을 탐지하는 음원의 입사각 결정시스템 2개이상을 상이한 2개이상의 지점에 각각 위치시키고, 그중 최소 2개의 지점에서 음원의 입사각들을 결정하여 2개 지점의 위치와 그 입사각들에 의하여 미지의 음원의 위치를 결정하는 음원의 위치 결정 방법을 창안하게 되었다.

본 발명의 목적은 음원의 입사각들을 결정하기 위하여 소형의 간단한 구조로 이루어진 음원의 입사각 결정시스템 2개이상을 이용하여 음원의 위치를 결정함으로써, 음원의 위치를 결정하는 시스템이 복잡하지 않아 경제성이 높은 음원의 위치 결정 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 입사각 결정을 음향센서의 지향특성을 이용함으로써, 간단한 계산과정을 거쳐서 신속하게 음원의 위치를 결정하기 위한 음원의 위치 결정 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 음향센서의 지향특성을 동일하게 이용하면서 음향센서어레이를 사용함으로써 계산을 빠르게 하면서도 탐지범위를 확장할 수 있는 음원의 위치 결정 방법을 제공하는데 있다.

도1은 A, B 2개의 지점에 위치한 입사각 결정시스템에 의해 음원의 위치를 2차원적으로 결정하는 방법을 나타내는 도면,

도2는 투영각 θ_xy, θ_yz, θ_xz들로 3차원에 위치한 음원의 좌표를 구하는 방법을 나타내는 도면,

도3은 A, B 2개의 지점에 위치한 입사각 결정시스템에 의해 음원의 위치를 3차원적으로 결정하는 방법을 나타내는 도면,

도4는 본 발명의 다른 실시예로서 입사각 결정시스템의 X, Y, Z축을 따라 놓인 지향성 음향센서를 음향센서어레이로 대체하여 음원의 위치를 결정하는 방법을 나타내는 도면,

도5는 본 발명에 의한 음원의 위치 결정 방법을 나타내는 플로우 차트이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

31:제1입사각 결정시스템 32:제2입사각 결정시스템

33:제1통신수단 34:제2통신수단

35:중앙제어센타

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 음원의 위치 결정 방법은 제1입사각 결정시스템과 제2입사각 결정시스템의 X, Y, Z축을 서로 평행하게 다른 점에 위치시키는 단계와; 상기 제1입사각 결정시스템과 제2입사각 결정시스템에 음원 S의 음향이 입사되는 상한을 결정하고 그 상한을 이루는 3개의 평면에 투영된 음원과 X, Y, Z축이 이루는 3개의 투영입사각들을 결정하는 단계와; 상기 제1입사각 결정시스템과 제2입사각 결정시스템의 좌표와 각각 3개의 투영입사각들을 전송받아 음원 S가 XY평면에 투영된 투영음원 Sxy의 좌표(x, y, 0)를 결정하는 단계와; 상기 결정된 투영음원 Sxy의 좌표(x, y, 0)와 투영입사각 θ_1yz, θ_1xz와의 관계에 의해 음원 S가 제1입사각 결정시스템의 XY평면에 대해 입사되는 각 θ_1z를 구하고, tanθ_1z와 투영음원 Sxy까지의 거리()로부터 음원 S의 z좌표를 구하는 단계로 구성된다.

다음에 본 발명의 구성을 도면을 참고로 하여 설명한다.

도1에 A, B 2개의 지점에 위치한 입사각 결정시스템에 의해 음원의 위치를 2차원적으로 결정하는 방법이 도시된다.

A지점(0, 0)에 제1입사각 결정시스템(11)을 위치시키고, B지점(x₁, y₁)에 제2입사각 결정시스템(12)을 위치시킨다. 제1입사각 결정시스템(11)과 제2입사각 결정시스템은 본 발명자가 선출원한 특허출원 2001-006671호에서 기재한 바와 같이, 직각좌표계의 각 축에 축방향으로 설치된 단일지향성을 갖는 음향센서들에 입력되는 음향의 세기의 비에 의해 입사각 θ₁, θ₂들을 결정한다.

이렇게 결정된 입사각 θ₁, θ₂들은 제1통신수단(13)과 제2통신수단(14)에 의해 중앙제어센타(15)로 전송된다.

중앙제어센타(15)는 제1입사각 결정시스템(11)과 제2입사각 결정시스템(12)으로부터 입사각 θ₁, θ₂들과, A지점의 좌표(0, 0), B지점의 좌표(x₁, y₁)들을 제1통신수단(13)과 제2통신수단(14)으로부터 전송받아 미지의 음원 S의 좌표(x, y)를 다음과 같이 산출한다.

....①

....②

식 ①에서을 구하여 식 ②에 대입하면

여기서 x, y를 구하면

∴....③

...④

만일, 중앙제어센타(15)를 두지 않고 입사각 θ₂를 제1입사각 결정시스템 (11)에 전송하여 제1입사각 결정시스템(11)에서 음원의 위치를 결정할 수 있으며, 제2입사각 결정시스템(12)을 기준으로 하는 경우 입사각 θ₁을 제2입사각 결정시스템(12)에 전송할 수 있다.

상기와 같이, 입사각 결정시스템이 평면을 이루는 2개의 축에 지향성 센서가 배치됨으로써 미지의 음원 위치를 2차원적 좌표로 결정하게 된다.

이상은 2차원에서 음원의 위치를 결정하는 방법에 대해 설명한 것이고, 다음은 3차원에서 음원의 위치를 결정하는 방법에 대해 설명한다.

3차원에서 음원의 위치를 결정하는 방법을 설명하기에 앞서 3차원에 놓인 음원이 XY, YZ, XZ 평면에 투영될 때, 각 평면에 투영된 음원과 X, Y, Z축이 이루는 각 θ_xy, θ_yz, θ_xz들을 결정하고, 그 각들에 의해 음원의 좌표를 결정하는 방법을 설명한다.

도2에 투영각 θ_xy, θ_yz, θ_xz들로 3차원에 위치한 음원의 좌표를 구하는 방법을 나타낸다.

음원 S가 XY, YZ, XZ 평면에 투영될 때, 투영각 θ_xy, θ_yz, θ_xz들에 대해 각각 다음과 같은 식이 성립한다.

....⑤

....⑥

....⑦

⑥식에서....⑧

⑦식에서....⑨

또한 원점 0, 음원 S 및 XY평면에 투영된 음원 S_xy에 의해 형성되는 삼각형 OSS_xy에서 밑변은이고, 높이는 z이고, XY평면과의 사이각은 θ_z이므로,다음 식이 성립한다.

....⑩

식 ⑩에 식 ⑧과 식 ⑨를 대입하면

∴....⑪

도3에 A, B 2개의 지점에 위치한 입사각 결정시스템에 의해 음원의 위치를 3차원적으로 결정하는 방법이 도시된다.

A지점(0, 0, 0)에 위치한 제1입사각 결정시스템(31)은 선출원된 특허출원 2001-006671호에서 알 수 있는 바와 같이, 단일지향성을 갖는 음향센서들에 입력되는 음향의 세기의 비에 의해 음원 S가 XY, YZ, XZ의 각 평면에 투영된 입사각 θ_1xy, θ_1yz, θ_1xz들을 결정한다. 마찬가지로 B지점(x₁, y₁, z₁)에 위치한 제2입사각 결정시스템(31)은 음원 S가 XY, YZ, XZ의 각 평면에 투영된 입사각 θ_2xy, θ_2yz, θ_2xz들을 결정한다.

중앙제어센타(35)는 제1입사각 결정시스템(31)과 제2입사각 결정시스템(32)으로부터 입사각 θ_1xy, θ_1yz, θ_1xz, θ_2xy, θ_2yz, θ_2xz들과, A지점 좌표(0, 0, 0)값과, B지점 좌표(x₁, y₁, z₁)값들을 제1통신수단(33)과 제2통신수단(34)으로부터 전송받아 음원 S의 미지의 좌표(x, y, z)를 다음과 같이 산출한다.

먼저 XY평면상에 투영된 음원 Sxy의 좌표(x, y, 0)를 도1에 설명된 방법에 의해 구한다. 그리고 그 결과인 식 ③과 ④에서 θ₁대신에 θ_1xy를 대입하고, θ₂대신에 θ_2xy를 대입하면,

,

이다.

다음에 식 ⑪에서 θ_xz대신에 θ_1xz를 대입하고, θ_yz대신에 θ_1yz를 대입하여 θ_1z를 구하면

∴....⑫ 이다.

식 ⑩에 상기 x, y값을 대입하고 θ_z대신에 θ_1z를 대입하여 z를 구하면

이다.

여기에서 A지점(0, 0, 0)과, B지점(x₁, y₁, z₁)의 좌표값은 알고 있는 좌표값이며, 또한 A지점과 B지점에서의 음원 S가 XY, YZ, XZ의 각 평면에 투영된 입사각 θ_1xy, θ_1yz, θ_1xz, θ_2xy, θ_2yz, θ_2xz들은 알고 있는 값이며, 음원 S의 좌표(x, y, z)는 미지이다.

한편, 상기에서 A지점의 제1입사각 결정시스템과, B지점의 제2입사각 결정시스템의 입사각 결정시스템 2개를 위치시켰으나, 상기 입사각 결정시스템은 적어도 2개이상 설치하여 음원의 위치를 결정할 수 있는 것임을 밝혀 둔다.

이와 같이 음원의 입사각 결정시스템을 적어도 2개이상을 다른 위치에 위치시키고, 음원으로부터의 각각의 입사각 결정시스템에 대한 입사각들을 결정한 후, 그 입사각들과 입사각 결정시스템의 위치로부터 음원의 위치를 찾아낼 수 있으며, 그것으로부터 미지의 음원까지의 위치를 알 수 있어서 음원의 원인이 되는 사고 현장에 신속히 접근할 수 있다.

도4에 본 발명의 다른 실시예로서 입사각 결정시스템의 X, Y, Z 축을 따라 놓인 지향성 음향센서를 음향센서어레이로 대체하여 음원의 위치를 결정하는 방법이 도시된다.

제1입사각 결정시스템(31)의 음향센서어레이(41,41',42,42',43,43')는 기준점 0을 중심으로 X, -X, Y, -Y, Z, -Z축으로 배열된다. 음향센서어레이(41,41',42,42', 43,43')는 빔 포밍 수단에 의해 음원 S의 입사각들을 결정하고 탐지범위(47)를 음원 S로 향하게 한다.

마찬가지로 제2입사각 결정시스템(31)의 음향센서어레이(44,44',45,45',46, 46')는 점 O'를 중심으로 X, -X, Y, -Y, Z, -Z축으로 배열되고, 빔 포밍 수단에 의해 음원 S의 입사각들을 결정하고 탐지범위(48)를 음원 S로 향하게 한다.

본 발명자의 선출원된 특허출원 2001-006671호에서는 단일 지향성 음향센서에 입력되는 음향의 세기의 비에 의해 1차로 입사각을 결정한 후, 하나의 축 예를 들면 X축에만 설치된 센서어레이의 탐지범위를 빔 포밍 수단에 의해 음원의 방향으로 향하게 하였었다.

그러나 본 실시예에서는 지향성 음향센서를 음향센서어레이로 대체함으로써 빔포밍 수단에 의해 음원의 입사각을 결정하고 음향센서어레이의 탐지범위를 음원으로 향하게 함으로써 3차원 모든 공간에 위치한 음원의 위치를 정확하게 찾아낼 수 있다.

도5에 본 발명에 의한 음원의 위치 결정 방법을 나타내는 플로우 차트가 도시된다.

제1입사각 결정시스템(31)과 제2입사각 결정시스템(32)의 X, Y, Z축을 서로 평행하게 다른 점(A, B)에 위치시킨다(단계 S51).

제1입사각 결정시스템(31)과 제2입사각 결정시스템(32)에 음원 S의 음향이 입사되는 상한을 결정하고, 그 상한을 이루는 3개의 평면에 투영된 음원과 X, Y, Z축이 이루는 3개의 투영입사각들을 결정한다(단계 S52).

예를 들면, 제1입사각 결정시스템(31)에는 1상한으로 음원 S의 음향이 입사되고, 제2입사각 결정시스템(32)에는 2상한으로 입사되는 경우, 각각 투영입사각들은 θ_1xy, θ_1yz, θ_1xz및 θ_2(-x)y, θ_2yz, θ_2(-x)z들이 된다.

상기 제1입사각 결정시스템(31)과 제2입사각 결정시스템(32)의 좌표와 각각 3개의 투영입사각들을 전송받아 음원 S가 XY평면에 투영된 투영음원 Sxy의 좌표(x, y, 0)를 결정한다(단계 S53).

상기 결정된 투영음원 Sxy의 좌표(x, y, 0)와 투영입사각 θ_1yz, θ_1xz와의 관계(식 ⑫참조)에 의해 음원 S가 제1입사각 결정시스템(31)에 입사되는 각 θ_1z를 구하고, tanθ_1z와 투영음원 Sxy까지의 거리()로부터 음원 S의 z좌표를 구한다(단계 S54).

상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 의한 음원의 위치 결정 방법은 직각 좌표계의 각 좌표축에 지향성 음향센서를 설치하고 각 지향성 음향센서가 감지하는 음향의 세기의 비에 따른 입사각들을 데이터베이스에서 검색하여 구하는 입사각 결정시스템 2개이상을 다른 위치에 놓고 음원의 입사각들을 결정한 후, 그 입사각들과 입사각 결정시스템사이의 위치관계에 의해 음원의 위치를 구함으로써, 계산량을 줄여서 시간을 단축하여 신속하게 음원의 위치를 찾을 수 있고, 복잡한 음향센서 시스템 대신에 간단한 입사각 결정시스템을 사용하므로 시스템이 복잡하지 않아 경제적이다.

또한 지향성 음향센서 대신에 음향센서어레이를 사용하는 경우에는 탐지거리를 확장할 수 있는 효과가 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 음원의 입사각 결정시스템을 상이한 2개이상의 지점에 위치시키고, 이 2개이상의 지점에서 각각 음원의 입사각들을 결정하여 2개 지점의 위치와 그 입사각들에 의하여 미지의 음원의 위치를 결정하는 유용한 발명이다.

Claims

제1입사각 결정시스템(31)과 제2입사각 결정시스템(32)의 X, Y, Z축을 서로 평행하게 다른 점(A, B)에 위치시키는 단계(S51)와;

상기 제1입사각 결정시스템(31)과 제2입사각 결정시스템(32)에 음원 S의 음향이 입사되는 상한을 결정하고 그 상한을 이루는 3개의 평면에 투영된 음원과 X, Y, Z축이 이루는 3개의 투영입사각들을 결정하는 단계(S52)와;

상기 제1입사각 결정시스템(31)과 제2입사각 결정시스템(32)의 좌표와 각각 3개의 투영입사각들을 전송받아 음원 S가 XY평면에 투영된 투영음원 Sxy의 좌표(x, y, o)를 결정하는 단계(S53)와;

상기 결정된 투영음원 Sxy의 좌표(x, y, 0)와 투영입사각 θ_1yz, θ_1xz와의 관계에 의해 음원 S가 제1입사각 결정시스템(31)에 입사되는 각 θ_1z를 구하고, tanθ_1z와 투영음원 Sxy까지의 거리()로부터 음원 S의 z좌표를 구하는 단계(S54)로 구성되는 것을 특징으로 하는 음원의 위치 결정 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1입사각 결정시스템(31)과 제2입사각 결정시스템 (32)은 X, -X, Y, -Y, Z, -Z축으로 배열된 음향센서들을 음향센서어레이(41,41', 42, 42',43,43',44,44',45,45',46,46')로 구성한 것을 특징으로 하는 음원의 위치 결정 방법.
제1항에 있어서, 상기 입사각 결정시스템이 평면을 이루는 2개의 축에 지향성 센서가 배치되어 미지 음원의 위치를 2차원적 좌표로 결정하는 것을 특징으로 하는 음원의 위치 결정 방법.
제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 입사각 결정시스템을 적어도 2개이상 설치함으로써 미지 음원의 위치를 결정함을 특징으로 하는 음원의 위치 결정 방법.
제1항에 있어서, 상기 투영음원 Sxy의 좌표(x, y, 0)와 투영입사각 θ_1yz, θ_1xz와의 관계는,

,

인 것을 특징으로 하는 음원의 위치 결정 방법.