KR100387598B1 - 드로스분포측정용초음파거리센서의신호처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제철소 내 용융아연 도금설비 중 용융아연 도금조 상에 부유하는 드로스(Dross)를 자동으로 제거하기 위하여 설치되어 사용되는 드로스 제거장치에있어서, 이송기구 제어기(15)가 컴퓨터(14)에 드로스 높이를 요구하는 단계(21)와; 컴퓨터(14)에서 초음파센서(11)의실제 측정횟수(i)를 1로하여(26) 초음파센서(11)에 드로스 표면까지의 높이 측정을 명령하는 단계(22)와; 초음파센서(11)가 측정을 완료하면(23) 컴퓨터(14)가 i값과미리 지정된 측정할 횟수 n값을 비교하는 단계(27)와; 상기 단계(27)에서 i값과 n값이 동일하면 측정된 센서값들을 신호처리하는 단계(28)와; 상기 단계(27)에서 i값과 n값이 동일하지 않으면 i값에 "1"을 더하여(29) 상기 단계(22),(23)를 반복하고 상기 단계(28)에서 신호처리된 초음파센서(11)의 출력값을 컴퓨터(14)에 보내 드로스 회수상자 바닥면으로부터 드로스 표면까지의 높이로 변환하여(24) 이송기구 제어기(15)로 전송함으로써 이송기구 제어기(15)가 드로스 높이값 수신을 완료하는 단계(25)로 이루어져 측정시 소음이 포함된 측정신호를 효율적으로 제거하고 실제 드로스 높이에 가장 근접한 측정 신호를 선별해 얻음으로써 로봇이 드로스를 드로스 회수상자에 버리기 위해 드로스 제거기구를 드로스 회수상자 내로 이동시킬 때 측정 오차로 인해 드로스 제거기구를 잘못 이동시켜 드로스에 충돌하는 위험을 막는 효과가 있는 드로스분포 측정용 초음파 거리센서의 신호처리방법이다.

Description

드로스분포 측정용 초음파 거리센서의 신호처리방법

본 발명은 제철소 내 용융아연 도금설비 중 용융아연 도금조 상에 부유하는 드로스(Dross)를 자동으로 제거하기 위하여 설치되어 사용되는 드로스 제거장치에있어서, 드로스를 자동으로 제거하기 위해 로봇을 이용하여 드로스를 모으고 떠서 드로스 회수상자에 버릴 때 회수상자 내에 드로스를 고르게 분포시키고 로봇의 몸체나 로봇에 부착된 드로스 제거기구가 회수상자 내의 드로스에 충돌되지 않도록 해주며 드로스 회수상자의 교체시기를 작업자가 정확하게 예측하도록 하기 위한 드로스 분포 제어장치에서, 드로스 회수상자 내의 고온 상태의 드로스 분포를 정확하게 측정하기 위한 초음파센서의 신호처리방법에 관한 것이다.

제철소 내 용융아연 도금설비에서는 풀림 처리된 강판을 용융아연 도금액이 담겨진 욕조 속으로 통과시켜서 강판에 아연을 도금하며, 이때 용융아연 도금조에 산화아연 등의 드로스가 발생하기 때문에 이것을 적절히 제거하지 않으면 강판에 드로스가 묻어서 제품 불량의 원인이 된다.

이러한 드로스를 회수, 제거하기 위해서 통상 용융아연 도금조 상에 부유하는 드로스를 모으고 떠서 버리는 삽을 가진 로봇과, 상기 로봇이 떠낸 드로스가 회수되어 모이는 도 1 과 도 2 에 도시한 바와 같은 드로스 회수상자(1)를 포함하는 드로스 제거장치가 설치되어 사용되고 있다.

상기 로봇이 도금조 상의 드로스를 모으고 떠서 드로스 회수상자(1)에 버릴때 로봇의 팔 끝에 부착된 드로스를 떠내는 삽의 크기가 드로스 회수상자(1) 윗면 의 크기에 비해 작으므로 도 2 에 나타낸 바와 같이 드로스 회수상자(1)의 윗면을 삽의 크기에 준하는 여러 개의 가상 구역으로 분할하고 분할된 각 드로스 회수상자(1)내의 구역 중 상대적으로 낮은 곳을 찾아 드로스를 버리도록 로봇이 작동하게 된다.

그러나, 드로스를 떠서 드로스 회수상자(1)에 버리는 매 작업때 마다 로봇의 팔 끝에 부착된 삽에 드로스가 떠지는 양이 일정하지 않으므로 드로스 회수상자(1)내의 모든 면에 드로스가 골고루 쌓이지 않고 어느 한 곳에 집중적으로 많이 쌓일 수도 있고 반대로 어떤 곳에는 적게 쌓일 수 있다.

따라서, 드로스 회수상자(1)의 사용이 비효율적으로 이루어지고, 드로스 회수상자(1)의 교체가 적시에 이루어지지 않아 드로스가 넘쳐 흐르거나 일부분에만 많이 쌓여 돌출된 부분이 로봇의 몸체에 충돌할 경우 로봇이나 드로스를 떠내는 삽이 파손되거나 삽이 몸체에서 분리되어 조업사고를 유발하는 문제가 있게 된다.

한편, 상기 드로스 회수상자(1) 내의 드로스 분포가 고르게 이루어지도록 제어하기 위해서 도 3에 도시한 바와 같은 드로스 분포 제어장치가 사용되고 있다.

이러한 드로스 분포 제어장치는 드로스 회수상자(1) 내에 버려진 드로스(10)의 분포를 비접촉식 초음파 센서(11)를 이용하여 직접 측정함으로써 드로스 분포를 상시로 정확하게 측정하여 로봇이 드로스를 드로스 회수상자(1) 내에 골고루 쌓도록 해주고 드로스가 쌓인 부분에 로봇의 몸체나 툴이 충돌하지 않게 로봇을 제어하도록 해주며, 드로스의 분포에 따라 드로스 제거용 삽의 높이를 적절히 조절하도록 하여 드로스를 버릴 때 반 용융 상태의 드로스가 드로스 회수상자(1) 내에서 되튀는 단점을 보완해 주고 드로스가 쌓여 있는 양을 정확하게 계산함으로써 드로스 회수상자(1)가 가득차는 시기를 예측하여 드로스 회수상자(1)의 교환 시기를 정확하게 알려 준다.

상기 드로스 분포 제어장치는 드로스 회수상자(1)내의 드로스 표면에 초음파(18)를 쏘아 되돌아오는 반사파의 지연 시간을 계산하여 드로스 표면까지의 거리를 측정하기 위한 초음파 센서(11)와, 상기 초음파 센서(11)를 도 2 에 나타낸 바와 같은 드로스 회수상자(1)의 가상적으로 분할된 영역으로 순차적으로 이동시켜서 드로스 회수상자(1) 전 영역의 드로스의 높이 분포를 측정할 수 있도록 하는 이송기구(12)와, 상기 초음파 센서(11)를 이송기구(12)에 고정하기 위한 고정치구(13)와, 상기 이송기구(12)의 작동을 제어하기 위한 이송기구 제어기(15)와 상기 초음파 센서(11)로부터 측정값을 읽어 오고 변환하여 이를 저장하며 드로스 회수상자(1) 내에 버려진 드로스(10)의 최고 높이, 최저 높이 및 평균 높이 등 통계치를 관리하여 이 데이터를 이송기구 제어기(15)에 보내는 컴퓨터(14)를 포함한 시스템 제어기(16)로 구성된다.

먼저, 이송기구 제어기(15)의 명령에 의해 초음파 센서(11)는 도 2 에 도시한 드로스 회수상자(1)의 분할된 영역의 한곳으로 옮겨지고 초음파 센서(11)를 작동시켜 그곳의 드로스 표면까지의 거리를 측정한다.

측정이 끝나면 컴퓨터(14)는 이송기구 제어기(15)에 측정완료 신호를 보내게되고, 이송기구 제어기(15)는 다시 다음 영역으로 초음파센서(11)를 이동시키고, 다시 초음파 센서(11)를 작동시켜 새로이 이동시킨 곳의 드로스 표면까지의 거리를 측정한다.

이와 같이 순차적으로 도 2 에 도시한 드로스 회수상자(1)의 분할된 전 영역에서 드로스 표면까지의 거리를 측정하고 나면, 컴퓨터(14)는 측정된 값들을 변환하여 드로스 회수상자(1)의 밑면을 기준으로 하여 드로스의 높이 분포를 계산한다.

다음 컴퓨터(14)는 드로스 회수상자(1) 내 각 영역에서의 높이 순위와 드로스의 최고 높이, 최저 높이 및 평균 높이를 계산하여 그 계산한 데이터에 의해 이송기구 제어기(15)를 제어함으로써 로봇이 드로스를 떠서 버릴 때 가장 낮은 곳부터 순차적으로 버리도록 해주며, 가장 높이 쌓인 부분에 로봇의 몸체나 툴들이 충돌하지 않고, 드로스의 쌓인 높이에 따라 드로스 제거용 삽의 높이를 적절히 조절할 수 있도록 로봇을 제어하게 된다.

도 4 는 드로스 회수상자(1) 내 드로스 표면까지의 거리를 9번 측정할 때 초음파센서(11)로부터 실제로 얻어지는 일련의 신호 예를 나타낸 그래프이다. 이때 원래의 정확한 높이는 10 이다(굵은 수평의 직선). 여기서 초음파센서(11)의 주위는 고온, 고열의 아연 도금조와 드로스 회수상자(1)가 있으므로 측정 환경은 과도적이며 매우 열악하다. 바로 옆 아연도금조 안의 용융아연은 450℃ 가량에 이르고드로스 회수상자(1) 내에 버려진 드로스(10)의 온도는 냉각되어도 200℃ 가량에 이르며, 음파의 속도는 주위 공기의 온도와 밀도 및 공기의 흐름 등에 밀접하게 영향을 받으므로 도 2 의 분할영역 한 곳에서 연속하여 드로스 까지의 거리를 측정하더라도 도 4에 나타낸 바와 같이 신호에 소음(noise)을 포함하게 되기 때문에 측정오차를 가지고 연속적으로 변하게 된다. 도 4에서 실선의 그래프로 표시된 거리 측정값 S는 아래와 같다.

S = { S(k), k=1,..,9}

= {9.9, 10.2, 10, 11.3, 9.8, 10.3, 10, 9.8, 10.4}

이때, 측정오차는

{ S(k) - 10 }

= {-0.1, 0.2, 0, 1.3, -0.2, 0.3, 0, -0.2, 0.4}

와 같다.

이와 같이 원래 정확한 드로스 표면까지의 거리는 10인데 -0.2에서부터 1.3까지의 측정오차를 보이고 있다. 특히 문제가 되는 경우는 11.3과 같이 원래의 거리 10보다 더 먼 거리로 측정하는 경우인데, 이때 이를 드로스의 높이로 변환하면 측정된 드로스 높이가 실제의 높이보다 낮게 측정되므로 로봇이 드로스 회수상자(1)에 드로스를 버릴 때 로봇이나 드로스 제거 기구들이 드로스에 간섭되지 않는 최소의 높이보다 더 낮게 설정되므로 로봇이 드로스를 버리기 위해 드로스 제거기구를 드로스 회수상자(1) 내에서 아래로 내리면 이 기구가 드로스에 충돌하는 위험에 처하게 된다.

본 발명은 상기한 실정을 감안하여 종래 드로스 회수장치에서 발생하는 문제점들을 해결하고자 발명한 것으로서, 드로스 회수상자 내에 버려진 드로스의 분포를 비접촉 초음파센서를 이용하여 직접적으로 측정할 때 초음파센서 주위의 온도나 밀도 혹은 공기의 흐름 등으로 인해 음파의 속도가 변함으로써 측정오차를 유발하여 드로스 높이가 부정확하게 측정되어 로봇이 드로스를 버릴 때 로봇이나 드로스 제거기구가 드로스 회수상자 내의 드로스에 충돌하는 것을 막기 위한 초음파센서의 신호처리 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1 은 드로스 회수상자의 사시도

도 2 는 드로스 회수상자의 윗면을 여러 개의 가상구역으로 분할하여 도시한 평면도

도 3 은 용융아연 도금설비용 드로스 제거장치에서 드로스분포 제어장치의 구성도

도 4 는 일련의 연속적인 초음파 거리센서의 측정신호를 나타낸 도면

도 5 의 (a) 종래 드로스분포 측정의 공정 구성도이고, (b)는 본 발명 초음파센서 신호처리방법에 따른 드로스분포 측정의 공정 구성도이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 드로스 회수상자 10 : 버려진 드로스

11 : 초음파센서 12 : 이송기구

13 : 고정치구 14 : 컴퓨터

15 : 이송기구 제어기 16 : 시스템 제어기

17 : 자동 툴 교환장치 18 : 초음파

20 : 센서이송 21 : 드로스 높이 요구

22 : 센서 측정명령 23 : 센서 측정완료

24 : 센서 출력값 변환 25 : 드로스 높이값 수신완료

26 :i(실제 측정 횟수)= 1

27 : i =n(미리지정된 측정할 횟수)인가?

28 : 센서값 신호처리 29 : i ← i+1

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 드로스분포 측정용 초음파 거리센서의 신호처리방법은 이송기구 제어기(15)가 컴퓨터(14)에 드로스 높이를 요구하는 단계(21)와; 컴퓨터(14)에서 초음파센서(11)의실제 측정횟수(i)를 1로하여(26) 초음파센서(11)에 드로스 표면까지의 높이 측정을 명령하는 단계(22)와; 초음파센서(11)가 측정을 완료하면(23) 컴퓨터(14)가 i값과미리 지정된 측정할 횟수 n값을 비교하는 단계(27)와; 상기 단계(27)에서 i값과 n값이 동일하면 측정된 센서값들을 신호처리하는 단계(28)와; 상기 단계(27)에서 i값과 n값이 동일하지 않으면 i값에 "1"을 더하여(29) 상기 단계(22),(23)를 반복하고 상기 단계(28)에서 신호처리된 초음파센서(11)의 출력값을 컴퓨터(14)에 보내 드로스 회수상자 바닥면으로부터 드로스 표면까지의 높이로 변환하여(24) 이송기구 제어기(15)로 전송함으로써 이송기구 제어기(15)가 드로스 높이값 수신을 완료하는 단계(25)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 측정된 센서값들을 신호처리하는 단계(28)는 한 영역에서 일정한 시간 간격으로 연속적으로 측정한 측정값을 크기에 따라 배열하여 가운데 배열되는 측정값을 초음파센서(11)의 측정값으로 하여 출력하는 것이다.

본 발명은 초음파 센서(11)를 이용하여 드로스 회수상자(1) 내 드로스 표면까지의 거리를 측정할 때 한번 측정하여 이를 이송기구 제어기(15)로 보내지 않고, 같은 조건에서 여러 번 측정한 후 이들 신호들 중 소음을 포함하여 심하게 변동된 신호는 신호처리기에서 제거하고 좀 더 정확한 거리값을 선별하여 얻는 방법이다.

이하 첨부도면을 참조하여 본 발명을 종래와 비교 설명한다.

도 5 의 (a)는 종래의 드로스분포 측정방법에 따른 공정 구성도를 나타낸 것이고, (b)는 본 발명에 따른 초음파센서의 신호처리 방법을 채용한 드로스분포 측정방법의 공정 구성도를 나타낸 것이다.

도 5 의 (a)에서 먼저 이송기구 제어기(15)는 도 2 에 도시한 바와 같은 드로스 회수상자(1) 내의 분할된 영역 중 드로스 높이를 측정하고자 하는 하나의 영역으로 초음파센서(11)를 이송(20)시킨다. 이어서 상기 이송기구 제어기(15)가 컴퓨터(14)에 드로스 높이를 요구(21)하면 컴퓨터(14)는 초음파센서(11)에 드로스 표면까지의 거리 측정을 명령(22)한다. 이후 초음파센서(11)가 측정을 완료(23)하면, 초음파센서(11)는 컴퓨터(14)에 센서 출력값을 보내고 컴퓨터(14)에서는 이를 드로스 회수상자 바닥면으로부터 드로스 표면까지의 높이로 변환(24)하여 이송기구 제어기(15)로 보낸다. 이어서 이송기구 제어기(15)는 드로스 높이값 수신을 완료(25)하고 나면 초음파센서(11)를 다시 드로스 회수상자(1) 내의 측정하고자 하는 다른 분할영역으로 이송(20)시킨다.

상기한 과정이 드로스 회수상자(1) 내의 모든 분할영역에 대하여 순차적으로 이루어지면, 컴퓨터(14)는 드로스 회수상자(11) 내 전영역에서의 드로스의 높이 분포를 얻게 되고, 이들 영역중 가장 낮은 영역을 찾아 다음에 로봇이 드로스를 버릴 때의 위치로 로봇제어기에 지정해준다. 이렇게 하여 로봇이 드로스를 드로스 회수상자(1)에 버릴 때 드로스를 골고루 분산시킬 수 있다.

도 5 의 (b)는 본 발명 초음파센서의 신호처리 방법을 채용한 드로스분포 측정의 공정도로서, 이는 측정된 거리값이 측정오차를 많이 포함하고 있으므로 한 영역에서 드로스까지의 거리를 한번만 측정하지 않고 여러 번 측정하고 신호처리를 행함으로써 상대적으로 안정된 신호를 찾는다. 여기서는 이송기구 제어기(15)가 컴퓨터(14)에 드로스 높이를 요구(21)하면 컴퓨터(14)에서는 먼저 초음파센서(11)의 측정 횟수를 카운트(count)하기 위하여‘i(실제 측정 횟수)’를‘1’로(26 : i = 1)하고 초음파 센서(11)에게 드로스 표면까지의 높이 측정을 명령(22)한다. 이후 초음파센서(11)가 측정을 완료(23)하면, 컴퓨터(14)는'i’값(실제 측정 횟수)과‘n’값(미리 지정된 측정 횟수)을 비교(27)하여 동일한 값이면(YES) 측정된 센서값들을 신호처리(28)하고, 동일한 값이 아니면(NO) 실제 측정 횟수인 ‘i’값에 ‘1’을 더하여(29 : i ← i+1) 상기한 (22)부터 (23), (27), (29)까지의 과정을미리 지정된 측정 횟수(n,도 4 에서는 9)가 될 때까지 반복한다.

센서값의 신호처리 방법으로는 측정된 센서신호에서 소음(noise)이 포함된비정상적인 값을 제거하는데 효율적인 중간값 필터(median filter)를 사용한다. 이 방법을 설명하면, 먼저 한 영역에서 일정한 시간 간격으로 연속적으로 측정된 신호의 수열인 S를 크기에 따라 배열한 수열 S’을 구한다.

S’= {9.8, 9.8, 9.9, 10,10, 10.2, 10.3, 10.4, 11.3}

이제 밑줄친 맨 중앙인 5 번째의 값 '10’을 최종 처리된 값으로 하면, 원래의 거리값에 가장 근접한 측정값을 얻을 수 있고, 4 번째로 측정된 값(11.3)과 같은 극단적으로 빗나간 값을 효과적으로 제거할 수 있다.

이때,미리 지정된 측정할 횟수(n)는 많게 할수록 실제값에 근접한 측정값을 얻을 수 있으나, 너무 많게 하면 측정시간이 너무 길어지는 단점이 있으므로 측정 횟수와 측정시간 간격과 총 측정 시간을 산출하여 적절히 조정할 필요가 있다.

상기한 바와 같이 드로스분포 제어장치에서 본 발명 초음파센서의 신호처리 방법을 사용하면, 드로스 회수상자 내의 한 영역에서 드로스 높이를 한번만 측정하지 않고 일정한 시간 간격으로 여러 번을 연속적으로 측정하고 이들을 중간값 필터를 이용하여 신호 처리함으로써 측정시 소음이 포함된 측정신호를 효율적으로 제거하고 실제 드로스 높이에 가장 근접한 측정 신호를 선별해 얻음으로써 로봇이 드로스를 드로스 회수상자에 버리기 위해 드로스 제거기구를 드로스 회수상자 내로 이동시킬 때 측정 오차로 인해 드로스 제거기구를 잘못 이동시켜 드로스에 충돌하는 위험을 막는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 지정된 측정할 횟수 n값을 미리 설정하는 단계와; 이송기구 제어기(15)가 컴퓨터 (14)에 드로스 높이를 요구하는 단계(21)와; 컴퓨터(14)에서 초음파센서(11)의 실제 측정횟수(i)를 1로하여(26) 초음파센서(11)에 드로스 표면까지의 높이 측정을 명령하는 단계(22)와; 초음파센서(11)가 측정을 완료하면(23) 컴퓨터(14)가 i값과 미리 지정된 측정할 횟수 n값을 비교하는 단계(27)와; 상기 단계(27)에서 i값과 n값이 동일하면 측정된 센서값들을 신호처리하는 단계(28)와; 상기 단계(27)에서 i값과 n값이 동일하지 않으면 i값에 "1"을 더하여(29) 상기 단계(22),(23)를 반복하고 상기 단계(28)에서 신호처리된 초음파센서(11)의 출력값을 컴퓨터(14)에 보내 드로스 회수상자 바닥면으로부터 드로스 표면까지의 높이로 변환하여(24) 이송기구 제어기(15)로 전송함으로써 이송기구 제어기(15)가 드로스 높이값 수신을 완료하는 단계(25)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 드로스분포 측정용 초음파 거리센서의 신호처리방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 측정된 센서값들을 신호처리하는 단계(28)가 한 영역에서 일정한 시간 간격으로 연속적으로 측정한 측정값을 크기에 따라 배열하여 가운데 배열되는 측정값을 초음파센서(11)의 측정값으로 하여 출력하는 것임을 특징으로 하는 드로스분포 측정용 초음파 거리센서의 신호처리방법.