KR100483666B1 - 광막을 이용한 원형물체의 비행 속도 및 위치 측정 시스템 - Google Patents

광막을 이용한 원형물체의 비행 속도 및 위치 측정 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원형물체가 자신의 비행경로와 교차되도록 형성된 광막을 통과하면서 발생시키는 광막하에서의 그림자 정보를 분석하여 원형물체의 비행 속도 및 위치를 계산하고 이를 통하여 비행궤도를 파악할 수 있도록 하는 광막을 이용한 원형물체의 비행 속도 및 위치 측정 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 원형물체의 비행 속도 및 위치 측정 시스템은 원형물체의 비행경로에 광막을 조사하는 광막발생부(100)와, 상기 광막발생부(100)로부터 조사되는 광막과 상기 광막을 통과하는 원형물체의 그림자를 감지하는 다수의 수광센서라인이 형성된 수광센서부(200)와, 상기 수광센서부(200)로부터 전송되는 광막 감지 신호를 분석하여 원형물체의 비행 속도 및 위치를 계산하는 컴퓨터처리부(300)가 구비된 원형물체의 비행 속도 및 위치 측정 시스템에 있어서, 상기 광막발생부(100)는 원형물체의 비행경로와 교차될 수 있도록 광원을 중심으로 부채꼴 형태로 퍼져나가는 광막을 형성하여 수광센서라인에 조사하는 다수의 광막발생기를 포함하여 이루어지고, 상기 컴퓨터처리부(300)는 상기 수광센서라인으로부터 전송되는 신호를 기준 신호와 비교하여 광막 신호와 원형물체 그림자 신호로 분리하는 광센서 출력신호처리기(310)와, 상기 광센서 출력신호처리기(310)로부터 출력되는 신호를 디지털 신호로 변환하는 디지털 입출력보드(320)와, 상기 디지털 입출력보드(320)로부터 출력되는 디지털 신호를 분석하여 원형물체 그림자의 중심점과 해당 그림자를 발생시킨 광막발생기를 연결하는 다수의 가상 라인을 설정하고 각 라인의 가상 교차점을 계산하여 원형물체의 비행 위치를 파악하며 각 라인의 원형물체 통과 시간을 측정하여 비행 속도를 계산하는 중앙처리기(330)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

광막을 이용한 원형물체의 비행 속도 및 위치 측정 시스템 { A System for Measuring Flying Position and Velocity of Globe-Shaped Object Using the Light Fan Screen }
본 발명은 원형물체의 비행 속도 및 위치 측정 시스템에 관한 것으로, 보다 상세히는 원형물체가 자신의 비행경로와 교차되도록 형성된 광막을 통과하면서 발생시키는 광막하에서의 그림자 정보를 분석하여 원형물체의 비행 속도 및 위치를 계산하고 이를 통하여 비행궤도를 파악할 수 있도록 하는 광막을 이용한 원형물체의 비행 속도 및 위치 측정 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 비행하는 물체의 비행궤도를 파악하기 위하여는 비행 물체의 순간 비행 속도 및 위치를 측정한 후, 이를 분석하여 비행 물체의 전체적인 비행궤도를 파악하게 된다.
비행 물체의 순간 속도 및 위치를 측정하기 위한 방법으로는 쌍으로 이루어진 발광센서와 수광센서를 이용하는 방법이 많이 사용되는데, 이러한 수발광센서를 이용하여 비행물체의 비행궤도를 예측하는 시스템은 예를 들면 골프 시뮬레이션 시스템과 같이 비행물체의 비행궤도를 정확히 예측하여야 하는 분야에서 많이 이용된다.
이러한 수발광센서를 이용하여 비행물체(골프공)의 비행궤도를 측정하는 시스템의 일례로 국내실용신안등록 제261712호의 골프연습시뮬레이팅 장치가 있는데, 도 1은 이 골프연습시뮬레이팅 장치의 구조를 나타낸 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 이 골프연습시뮬레이팅 장치는 골프공의 출발을 감지하기 위한 제1센서수단(10)(20)과, 공의 통과높이를 감지하기 위한 제2센서수단(30)(40)과, 비행중인 공의 좌우위치를 감지하기 위한 제3센서수단(50)(60)과, 상기 센서수단(10)(20)(30)(40)(50)(60)을 통하여 감지된 골프공의 비행궤도를 계산하는 콘트롤러 및 비행궤도를 표시하는 디스플레이장치로 구성된다.
상기 제1,제2,제3센서수단(10)(20)(30)(40)(50)(60)은 각각 발광센서(송신센서)(10)(30)(50)와 수광센서(수신센서)(20)(40)(50)로 구성되는데, 이 발광센서와 수광센서는 직진하는 광줄기를 이용하기 때문에 다수개의 발광센서와 수광센서가 공의 비행경로를 향하여 서로 대응되도록 설치되어야 한다. 또한, 비행하는 골프공의 상하 방향과 좌우 방향을 감지할 수 있도록 수직 및 수평 방향으로 수발광센서가 각각 설치되어야 하며, 비행 속도를 측정하기 위하여 적어도 2개 이상의 센서가 소정의 거리로 이격되어 동일 방향으로 설치되어야만 한다.
따라서, 이러한 수발광센서를 이용하여 공의 비행 궤도를 측정하는 시스템은 골프공의 비행 속도와 위치를 감지하기 위하여 많은 수의 발광센서와 수광센서가 대응되는 길이로 길게 설치되어야만 하며, 이에 따라 수발광센서를 제어하는 제어장치가 복잡해지는 문제점이 있었다.
또한, 많은 수의 수발광센서를 설치하여도 골프 시뮬레이팅 장치에서 골프공의 비행경로를 모두 감지하기가 어려워 실제로 골프 시뮬레이션 시스템에 적용하기에는 어려운 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 구성 및 제어가 간단한 광막발생기를 통하여 원형물체의 비행경로에 광원을 중심으로 부채꼴 형태로 퍼져나가는 광막을 조사하고, 광막을 통과하는 원형물체에 의해 형성되는 광막 그림자 정보를 획득하여 분석함으로써 원형물체의 순간 비행 속도 및 위치를 파악할 수 있도록 하는 원형물체의 비행 속도 및 위치 측정 시스템을 제공하는데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 원형물체의 비행 속도 및 위치 측정 시스템은 원형물체의 비행경로에 광막을 조사하는 광막발생부와, 상기 광막발생부로부터 조사되는 광막과 상기 광막을 통과하는 원형물체의 그림자를 감지하는 다수의 수광센서라인이 형성된 수광센서부와, 상기 수광센서부로부터 전송되는 광막 감지 신호를 분석하여 원형물체의 비행 속도 및 위치를 계산하는 컴퓨터처리부가 구비된 원형물체의 비행 속도 및 위치 측정 시스템에 있어서, 상기 광막발생부는 원형물체의 비행경로와 교차될 수 있도록 광원을 중심으로 부채꼴 형태로 퍼져나가는 광막을 형성하여 수광센서라인에 조사하는 다수의 광막발생기를 포함하여 이루어지고, 상기 컴퓨터처리부는 상기 수광센서라인으로부터 전송되는 신호를 기준 신호와 비교하여 광막 신호와 원형물체 그림자 신호로 분리하는 광센서 출력신호처리기와, 상기 광센서 출력신호처리기로부터 출력되는 신호를 디지털 신호로 변환하는 디지털 입출력보드와, 상기 디지털 입출력보드로부터 출력되는 디지털 신호를 분석하여 원형물체 그림자의 중심점과 해당 그림자를 발생시킨 광막발생기를 연결하는 다수의 가상 라인을 설정하고 각 라인의 가상 교차점을 계산하여 원형물체의 비행 위치를 파악하며 각 라인의 원형물체 통과 시간을 측정하여 비행 속도를 계산하는 중앙처리기를 포함하여 이루어진다.
상기 광막발생부는 상호 이격되어 설치되어 레이저 광원을 블록렌즈와 실린더렌즈를 통하여 광막으로 변환시켜 조사하는 제1,제2,제3광막발생기를 포함하여 이루어지고, 상기 수광센서부는 상기 제1,제2,제3광막발생기와 대응되도록 설치되어 상기 제1,제2,제3광막발생기의 광막 신호를 각각 수신하는 다수의 수광센서가 구비된 제1,제2,제3수광센서라인을 포함하여 이루어진다.
상기 제2광막발생기와 제3광막발생기는 상기 제2수광센서라인에 감지되는 원형물체 그림자의 중심점을 제2광막발생기와 연결한 가상 라인과, 제3수광센서라인에 감지되는 원형물체 그림자의 중심점을 제3광막발생기와 연결한 가상 라인간에 가상 교차점이 발생될 수 있도록 상호 좌우로 이격 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 광센서 출력신호처리기는 수광센서부의 각 수광센서라인에 구비된 다수의 수광센서로부터 출력되는 신호를 기준신호와 비교하여 그림자 정보가 포함된 신호로 분리하여 출력하는 비교기와, 상기 비교기로부터 출력되는 신호를 상기 디지털 입출력보드를 통하여 상기 중앙처리기로부터 전송되는 제어신호에 따라 순차적으로 디지털 입출력보드에 출력하는 래치기가 구비된 다수의 신호처리기를 포함하여 이루어진다.
상기 컴퓨터처리부는 원형물체의 출발점과 원형물체의 속도 및 위치 정보를 통하여 이동물체의 비행궤도를 계산하고 이를 디스플레이장치로 출력하게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 따른 원형물체의 비행 속도 및 위치 측정 시스템의 개념을 나타내는 전체 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 원형물체의 비행 속도 및 위치 측정 시스템은 광원을 중심으로 퍼져나가는 광막을 형성시켜 원형물체의 비행경로와 교차되게 조사하는 다수의 광막발생기로 이루어진 광막발생부(100)와, 상기 광막발생부(100)로부터 조사되는 광막과 상기 광막을 통과하는 원형물체에 의해 형성되는 광막의 그림자를 감지하는 다수의 수광센서라인으로 이루어진 수광센서부(200)와, 상기 수광센서부(200)로부터 출력되는 광막신호와 광막의 그림자 신호를 분석함으로써 원형물체의 비행 속도와 위치를 계산하는 컴퓨터처리부(300)를 포함하여 이루어진다.
상기 컴퓨터처리부(300)는 수광센서부(200)로부터 출력되는 신호를 광막신호와 그림자 신호로 구분하여 출력하는 광센서 출력신호처리기(310)와, 상기 광센서 출력신호처리기(310)로부터 출력되는 신호를 디지털 신호로 변환하는 디지털 입출력보드(320)와, 상기 디지털 입출력보드(320)로부터 출력되는 디지털 신호를 분석하여 원형물체의 비행 속도 및 위치를 계산하는 중앙처리기(330)를 포함하여 이루어진다.
도 3은 본 발명에 따라 원형 물체가 광막발생부로부터 조사된 광막을 비행하는 과정에서 수광센서부에 형성되는 광막 그림자를 좌표로 나타낸 개념도이다.
도 3에 도시된 기준 좌표 Y축은 원형물체의 출발지점으로부터의 거리를 나타내는 것으로 원형물체의 출발지점과 수광센서라인과의 거리를 의미하며, X축은 원형물체의 좌우측 비행 방향을 나타내는 것으로 수광센서라인의 폭을 의미하며, Z축은 원형비행물체의 비행 높이를 나타낸다.
도 3에 도시된 바와 같이, 광막발생부(100)의 광막발생기(A)로부터 수광센서부(200)의 수광센서라인(B-C)으로 조사되는 광막을 원형물체가 통과하는 경우 원형물체에 의해 광막이 부분적으로 차단되고, 차단된 부분에서 수광센서라인(B-C)에 광막이 수광되지 않으므로 그림자(D-E)가 발생되며 발생된 그림자(D-E)는 수광센서라인(B-C)에 의해 감지되어 컴퓨터처리부(300)로 전송된다.
이 그림자 신호를 통하여 컴퓨터처리부(300)는 원형물체의 위치를 파악하게 되는데, 즉 컴퓨터처리부(300)는 수광센서라인(B-C)의 다수의 수광센서 중 그림자가 감지되는 수광센서들(D-E)의 중심점(F)을 계산하게 되며 이 중심점을 광막발생기(A)와 연결하면 그 직선라인에 원형물체가 위치되는 것을 파악할 수 있게 된다. 또한, 원형물체의 직경(Φ)을 미리 알고 있다면 원형물체의 직경에 따라 광막 그림자(D-E)의 크기가 달라지고 이를 통하여 원형물체의 높이까지 계산할 수 있게 되어 원형물체의 정확한 위치(Xe,Ze)를 파악할 수 있게 된다.
또한, 원형물체의 속도를 계산하는 방법은 상술한 Y축에 대하여 상호 이격 형성되는 두개 이상의 광막을 통하여 계산될 수 있는데, 원형물체가 두 개 이상의 광막을 각각 통과하는 시간을 측정한 후, 해당 광막간의 거리를 측정된 시간으로 나누게 되면 평균속도가 계산된다.
도 4a는 본 발명에 따라 원형물체가 상부로부터 조사된 두개의 광막을 비행하는 과정에서 수광센서부에 형성되는 광막 그림자를 좌표로 나타낸 개념도이고, 도 4b는 원형물체가 상부와 측부로부터 조사된 두개의 광막을 비행하는 과정에서 수광센서부에 형성되는 광막 그림자를 좌표로 나타낸 개념도이다.
도 3에서 설명한 바와 같이, 원형물체의 직경을 미리 알고 있으면 원형물체에 의해 형성되는 그림자의 크기를 분석하여 원형물체의 위치를 파악할 수 있으나, 이를 위해서는 수광센서라인에 수광센서들이 정밀하게 배치되고 정밀한 계산을 통하여 오차의 범위를 최소화하여야 하기 때문에 수광센서라인의 구성이 복잡해지고 제어가 어려워지는 문제점이 발생된다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 교차막이 형성되는 두개의 광막을 통하여 원형물체의 정확한 위치를 파악할 수 있도록 한다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 두개의 광막발생기(A1)(A2)는 수광센서라인(X축)에 대하여 소정의 거리로 이격 설치됨으로써 각각의 광막에 상호 교차막이 형성되는데, 수광센서라인(B-C)에는 이 교차막을 통과하는 원형물체에 의해 각각의 그림자(D1-E1)(D2-E2)가 발생하게 된다. 따라서, 상기 수광센서라인(B-C)에 발생되는 각 그림자(D1-E1)(D2-E2)의 중심점(F1)(F2)을 계산한 후, 이 두 중심점(F1)(F2)을 각각 광막발생기(A1)(A2)와 직렬 연결하면 원형물체가 위치하는 두개의 라인이 형성되며, 이 두 라인이 교차되는 지점을 계산하면 원형물체의 정확한 위치를 파악할 수 있게 된다.
교차막이 형성되도록 각각의 광막을 형성하는 광막발생기(A1)(A2)는 도 4b와 같이 위치를 변경하여 광막이 형성되도록 구성할 수도 있는데, 이때에는 동일 Y축상에 X축과 Z축에 각각의 수광센서라인(B1-C1)(B2-C2)이 설치되어야 한다. 이를 통하여 원형물체의 위치를 파악하는 과정은 상기 도 4a의 과정과 마찬가지로 수광센서라인(B1-C1)(B2-C2)에 형성되는 그림자(D1-E1 )(D2-E2)의 각 중심점(F1)(F2)을 계산한 후, 이를 각각 광막발생기(A1)(A2)와 직선으로 연결하여 교차되는 지점을 계산함으로써 파악된다.
이하, 상기의 개념으로 이루어지는 본 발명에 따른 원형물체의 비행 속도 및 위치 측정 시스템의 구체적인 실시예를 설명한다.
도 5는 상술한 본 발명의 기술적 사상에 따른 원형물체의 비행 속도 및 위치 측정 시스템이 적용된 3차원 골프 시뮬레이션 시스템의 설치 구성도이며, 도 6은 원형물체의 비행 속도 및 위치 측정 시스템이 적용된 3차원 골프 시뮬레이션 시스템의 블록 구성도이다.
도 5와 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 원형물체의 비행 속도 및 위치 측정 시스템이 적용된 3차원 골프 시뮬레이션 시스템은 크게 광막발생부(100), 수광센서부(200), 컴퓨터처리부(300) 및 디스플레이장치(400)를 포함하여 이루어진다.
상기 광막발생부(100)는 각각 소정의 거리로 이격되어 설치되는 제1광막발생기(110)와 제2광막발생기(120) 및 제3광막발생기(130)로 이루어지며, 각각의 광막발생기(110)(120)(130)는 광원(111)을 투과시켜 골프공의 비행경로와 교차되도록 광막을 형성하는 블록렌즈(112)와 실린더렌즈(113)를 포함하여 이루어진다. 광막을 형성하기 위한 광원(111)으로는 가시광선이나 적외선 등을 사용할 수 있으나 직진성이 좋은 레이저를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 수광센서부(200)는 광막발생부(100)로부터 조사되는 광막을 수신할 수 있도록 제1,제2,제3광막발생기(110)(120)(130)와 대응되도록 설치되는 제1수광센서라인(210)과 제2수광센서라인(220) 및 제3수광센서라인(230)으로 이루어지는데, 각각의 수광센서라인은 다수의 수광센서들로 이루어진다.
도 7a는 상기 도 6의 골프 시뮬레이션 시스템에 설치된 광막발생부의 평면 배치도이고, 도 7b는 수광센서부의 평면 배치도이며, 도 7c는 광막발생부와 수광센서부의 정면 배치도이다.
도 7a 내지 도 7c에 도시된 바와 같이, 광막발생부(100)는 수광센서부(200)의 상부에 위치되는데, 제1광막발생기(110)와 제2광막발생기(120) 및 제3광막발생기(130)는 각각 소정의 거리로 상호 이격 설치되고, 제1수광센서라인(210)과 제2수광센서라인(220) 및 제3수광센서라인(230)은 각 광막발생기(110)(120)(130)와 대응되도록 골프 시뮬레이션 시스템의 바닥에 설치되어 광막발생부(100)와 수광센서부(200) 사이에는 골프공의 비행경로와 교차되는 광막이 형성된다.
상기 수광센서부(200) 중 제1수광센서라인(210)은 골프공이 놓이는 초기위치로부터 다른 수광센서라인(220)(230)보다 근접하여 설치되기 때문에 공의 궤적영역을 고려하여 라인의 폭이 제2,제3수광센서라인(220)(230)에 비하여 다소 짧게 구성된다. 본 발명의 실시예에서 상기 제1수광센서라인(210)의 라인폭(a)을 533㎜로 설정하였고, 제2수광센서라인(220) 및 제3수광센서라인(230)의 폭(b)을 1066㎜로 설정하였다. 또한, 제1수광센서라인(210)과 제2수광센서라인(220)의 간격(c)은 500㎜로, 제2수광센서라인(220)과 제3수광센서라인(230)의 간격(d)은 60㎜로 설정하였으며, 각 수광센서라인(210)(220)(230)을 구성하는 다수의 수광센서들의 배치간격은 8.2㎜가 되도록 설정하였다.
이에 따라, 상기 제1,제2,제3수광센서라인(210)(220)(230)과 대응되도록 상부에 설치되는 광막발생부(100)의 각 광막발생기들(110)(120)(130)간의 길이간격(a)(d)이 설정되며, 각 광막발생기(110)(120)(130)의 폭간격(e)은 제1광막발생기(110)를 기준으로 제2광막발생기(120)와 제3광막발생기(130)가 좌우로 각각 200㎜씩 이격 설치되었다. 또한, 광막발생부(100)와 수광센서부(200)의 높이간격(h)은 3000㎜로 설정하였는데, 상술한 광막발생부(100)와 수광센서부(200)의 설치 간격을 나타내는 각 수치들은 본 발명을 한정하는 것은 아니며, 골프 시뮬레이션 시스템의 규모나 특징에 따라 적절히 변형되어 설치될 수 있음은 당연하다.
상기 컴퓨터처리부(300)는 광센서 출력신호처리기(310)와, 디지털 입출력보드(320)와, 중앙처리기(330)를 포함하여 이루어진다.
광센서 출력신호처리기(310)는 제1수광센서라인(210)의 출력신호를 처리하는 제1신호처리기(311)와, 제2수광센서라인(220)의 출력신호를 처리하는 제2신호처리기(312)와, 제3수광센서라인(230)의 출력신호를 처리하는 제3신호처리기(313)로 이루어지며, 각각의 신호처리기(311)(312)(313)는 각 수광센서라인(210)(220)(230)으로부터 출력되는 신호를 기준신호와 비교하여 원형물체의 그림자 정보 신호를 출력하는 비교기(311a)와, 상기 비교기(311a)로부터 출력되는 그림자 정보 신호를 중앙처리기(330)의 제어신호에 따라 순차적으로 출력하는 래치기(311b)를 포함하여 이루어진다.
상기 비교기(311a)는 실시간으로 제1,제2,제3수광센서라인(210)(220)(230)으로부터 출력되는 그림자 정보가 포함된 출력신호를 기준신호와 비교한 후, 그림자가 발생된 수광센서의 출력신호와 그림자가 발생되지 않은 수광센서의 출력신호를 전압의 세기로 분리하여 이를 래치기(311b)에 출력하게 된다. 상기 래치기(311b)는 비교기(311a)로부터 출력되는 신호를 기억한 후 디지털 입출력보드(320)를 통하여 입력되는 제어신호(타이밍신호)에 따라 기억된 신호를 디지털 입출력보드(320)로 전송하게 된다.
상기 디지털 입출력보드(320)는 중앙처리기(330)로부터 제어신호를 전송받아 출력신호처리기(310)에 전송하며, 출력신호처리기(310)로부터 전송되는 출력신호를 2진 디지털 신호로 변환하여 중앙처리기(330)에 전송하는 역할을 수행하게 되는데, 본 발명의 실시예에서 상기 디지털 입출력보드(320)는 입출력단자의 수가 64 내지 128 채널로 이루어진다.
상기 중앙처리기(330)는 디지털 입출력보드(320)에 타이밍 제어신호를 전송하며, 디지털 입출력보드(320)를 통하여 전송되는 출력신호를 분석하고 계산하여 이동물체의 위치 및 속도를 계산하게 된다.
이하, 상기의 중앙처리기(330)가 골프공의 속도 및 위치를 계산하는 과정에 대하여 설명하는데, 먼저 골프공의 속도를 계산하는 과정을 설명한다.
중앙처리기(330)는 골프공의 속도를 계산하기 위하여 제1,제2,제3수광센서라인(210)(220)(230)으로부터 획득된 골프공 그림자의 중심점을 구하고, 그 골프공 그림자의 중심점을 통과한 골프공의 통과시간을 측정하여 평균시간을 구하게 된다. 즉, 제1수광센서라인(210)과 제2수광센서라인(220) 사이를 통과하는 골프공의 평균속도를 구하고, 제2수광센서라인(220)과 제3수광센서라인(230)을 통과하는 골프공의 평균속도를 구한 후, 두 평균속도의 평균속도를 구함으로써 전체 평균속도를 구하게 된다.
이를 수식으로 표현하면,
여기에서, V1-2 : 제1수광센서라인과 제2수광센서라인 사이의 평균속도
S1 : 제1수광센서라인과 제2수광센서라인간의 간격(c)
T1 : 골프공이 제1수광센서라인을 통과한 시간
T2 : 골프공이 제2수광센서라인을 통과한 시간
여기에서, V2-3 : 제2수광센서라인과 제3수광센서라인 사이의 평균속도
S2 : 제2수광센서라인과 제3수광센서라인간의 간격(d)
T2 : 골프공이 제2수광센서라인을 통과한 시간
T3 : 골프공이 제3수광센서라인을 통과한 시간
따라서, 골프공의 평균속도
가 된다.
중앙처리기(330)는 상술한 골프공의 속도뿐만 아니라, 골프클럽의 속도도 계산할 수 있는데, 골프클럽의 속도는 상기 골프공의 속도 계산과정과 동일한 과정을 통하여 획득된다. 또한, 상기의 과정으로 계산되는 골프클럽과 골프공은 광막을 통과하는 물체의 그림자 크기를 계산함으로써 구분될 수 있다.
다음으로, 골프공의 위치를 계산하는 과정을 설명한다.
도 8a는 본 발명의 실시예에 따른 제2광막발생기 및 제2수광센서라인에 의해 형성되는 광막과 제3광막발생기 및 제3수광센서라인에 의해 형성되는 광막의 교차막을 통과하는 골프공의 위치를 나타낸 것이다.
골프공은 제1수광센서라인(210) 중 골프공의 광막 차단에 의해 발생되는 그림자의 중심점과 제1광막발생기(110)를 직선으로 연결하는 제1라인에 위치하게 된다. 마찬가지로 골프공은 도 8a에 도시된 바와 같이, 제2수광센서라인(220)의 그림자 중심점과 제2광막발생기(A1)(120)를 직선으로 연결하는 제2라인과, 제3수광센서라인(230)의 그림자 중심점과 제3광막발생기(A2)(130)를 직선으로 연결하는 제3라인에 위치하게 된다. 따라서, 골프공의 위치하는 각 라인의 교차점을 찾게 되면 골프공의 공간상 위치를 정확히 파악할 수 있게 된다.
도 4b에서 설명했던 바와 같이 골프공이 위치하는 각 라인이 동일한 Y축값을 갖도록 구성되어야만 정확한 교차점이 발생되나, 본 발명에서 제2광막발생기(120)(제2수광센서라인(220))와 제3광막발생기(130)(제3수광센서라인(230))의 Y값이 소정의 차이가 발생되도록 이격되어 설치하였기 때문에 제2라인과 제3라인의 교차점이 발생하지 않는다. 하지만, 이들 간의 간격이 약 60㎜로 충분히 작아 두 위치 사이에서 골프공의 궤적 변화가 미미하게 발생함으로 양 라인을 Y축에 대하여 상호 30㎜씩 이동시키게 되면 교차점이 발생되어 이 교차점을 계산할 수 있게 된다.
본 발명의 실시예에서 상기 제2광막발생기(120)와 제3광막발생기(130)를 동일 Y값을 갖도록 설치하지 않고 소정의 거리로 이격시켜 설치한 이유는 골프공의 그림자에 의한 수광센서라인(220)(230)의 상호 간섭을 피하기 위한 것이며, 이는 경우에 따라 이격 거리를 달리하거나 동일값을 갖도록 설치할 수도 있다.
도 8b는 상기 도 8a에서 제2수광센서라인 중 골프공의 그림자 중심점과 제2광막발생기를 연결한 제2라인과, 제3수광센서라인 중 골프공의 그림자 중심점과 제3광막발생기를 연결한 제3라인을 Y축상에서 이동시킴으로써 발생되는 교차점을 좌표로 나타낸 것이다.
도 8b에 도시된 바와 같이, 제2광막발생기(A1)(120)의 좌표점(X3,Z3)과 제3광막발생기(A2)(130)의 좌표점(X4,Z4)은 설치시 미리 알 수 있으며, 제2수광센서라인(220)의 골프공 중심점(X1,Z1)과 제3수광센서라인(230)의 골프공 중심점(X2,Z2) 또한 계산할 수 있으므로, 제2라인과 제3라인의 교차점은 다음의 수식에 의해 계산되어진다.
여기에서 해당 좌표 값 중 Y좌표 값은 수광센서부(200) 및 광막발생부(100)의 설치시 미리 정해지므로 상기의 계산에 어떠한 영향도 미치지 않는다. 따라서, 상기 두개의 직선 방정식에 의하여 제2라인과 제3라인의 교차점인 골프공의 중심 위치가 결정되어 골프공의 정확한 위치를 파악할 수 있게 된다.
상기의 과정을 통하여 계산된 골프공의 비행 속도와 위치 정보를 통하여 중앙처리기(330)는 골프공의 3차원 비행궤도를 계산하게 되는데, 골프공의 비행전 초기 위치 좌표는 미리 알 수 있으므로 이 값들을 일반적인 공력수식에 대입하면 골프공의 3차원 비행궤도를 계산할 수 있게 된다.
상기 중앙처리기(330)에 의해 계산된 골프공의 비행궤도 정보는 골프공의 타격지점을 제공하며 골프장 영상 및 골프공의 영상을 디스플레이하는 디스플레이장치(400)에 실시간으로 전송되어, 골프공의 3차원 이동영상이 디스플레이장치(400)에 실시간으로 디스플레이되도록 한다.
이하, 상술한 본 발명의 실시예에 따른 원형물체의 비행 속도 및 위치 측정 시스템이 적용된 3차원 골프 시뮬레이션 시스템의 동작과정에 대하여 설명한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 원형물체의 비행 속도 및 위치 측정 시스템이 적용된 골프 시뮬레이션 시스템의 동작과정을 나타낸 흐름도로서, 먼저 골프 시뮬레이션 시스템의 각 구성부에 전원이 인가되어 시스템이 턴온되면 수광센서부(200)의 각 수광센서라인(210)(220)(230)은 광막발생부(100)의 각 광막발생기(110)(120)(130)로부터 형성되는 광막을 수신한다(단계 S110).
수광센서부(200)에 의해 수신된 광막 신호는 컴퓨터처리부(300)의 광센서 출력신호처리기(310)로 전송되며, 광센서 출력신호처리기(310)의 각 신호처리기(311)(312)(313)에 구성된 비교기(311a)는 광막신호 중 그림자 신호가 포함되어 있는지를 비교한다(단계 S120).
만약 광막 신호에 그림자 신호가 포함되어 있지 않다면 단계 S110으로 돌아가 계속하여 광막을 수신하게 되며, 광막 신호에 그림자 신호가 포함되어 있다면 비교기(311a)는 광막 신호에서 그림자 신호를 구분하여 이를 래치기(311b)로 출력한다(단계 S130).
래치기(311b)는 디지털 입출력보드(320)로부터 전송되는 타이밍 제어신호에 따라 비교기(311a)로부터 입력되는 신호를 디지털 입출력보드(320)로 전송하게 되며, 디지털 입출력보드(320)는 래치기(311b)로부터 전송되는 신호를 디지털 신호로 변환한 후 이를 중앙처리기(330)로 전송한다(단계 S140).
중앙처리기(330)는 디지털 입출력보드(320)를 통하여 전송되는 그림자 신호가 포함된 디지털 신호를 분석하여 골프공과 골프클럽을 구분하며(단계 S150), 구분된 골프공의 속도와 위치를 계산하게 된다(단계 S160).
또한, 중앙처리기(330)는 상기 단계(S160)를 통하여 획득되는 골프공의 속도 및 위치 정보와 골프공의 초기위치 정보를 공력수식에 대입하여 골프공의 3차원 궤적을 계산하게 된다(단계 S170).
중앙처리기(330)에 의해 계산된 골프공의 궤적정보를 통하여 골프공의 비행위치에 따른 골프장 배경영상이 조합되고(단계 S180), 조합된 골프공 비행영상은 실시간으로 골프공의 타격지점을 제공하는 디스플레이장치(400)로 전송되어 골프공의 비행영상이 디스플레이되게 된다(단계 S190).
상기의 과정은 골프 연습자가 골프 연습을 종료할 때까지 반복하여 진행된다(단계 S200).
상술한 바와 같이, 본 발명의 원형물체의 비행 속도 및 위치 측정 시스템은 원형물체의 비행경로와 교차되게 형성되는 광막을 통하여 원형물체의 그림자 정보를 획득한 후, 이를 분석하여 원형물체의 속도와 위치를 계산할 수 있으며, 원형물체의 속도 및 위치 정보를 통하여 원형물체의 비행궤적을 계산할 수 있다.
본 발명의 실시예로 원형물체의 비행 속도 및 위치 측정 시스템이 적용된 골프 시뮬레이션 시스템을 설명하였지만 이는 원형물체의 비행 속도와 위치를 측정하여야 하는 다양한 장치에 적용되어 활용될 수 있는 것으로, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 원형물체의 비행 속도 및 위치 측정 시스템은 광막발생부를 통하여 원형물체의 비행경로와 교차되는 광막을 형성하고, 수광센서부를 통하여 광막을 비행하는 원형물체의 그림자를 감지하며, 컴퓨터처리부를 통하여 원형물체 그림자 신호를 분석함으로써 원형물체의 속도 및 위치를 측정할 수 있으며, 이를 통하여 원형물체의 비행궤도를 정확히 파악할 수 있다.
또한, 본 발명의 원형물체의 비행 속도 및 위치 측정 시스템은 간단한 구성으로 이루어져 저렴한 비용으로 시스템의 구축이 가능함으로써, 3차원 골프 시뮬레이션 시스템 등과 같은 다양한 분야에 활용될 수 있다.
도 1은 수발광센서를 이용한 종래 골프연습시뮬레이팅 장치의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 원형물체의 비행 속도 및 위치 측정 시스템의 개념을 나타내는 전체 구성도,
도 3은 본 발명에 따라 원형물체가 광막발생부로부터 조사된 광막을 비행하는 과정에서 수광센서부에 형성되는 광막 그림자를 좌표로 나타낸 개념도,
도 4a는 본 발명에 따라 원형물체가 상부로부터 조사된 두개의 광막을 비행하는 과정에서 수광센서부에 형성되는 광막 그림자를 좌표로 나타낸 개념도,
도 4b는 본 발명에 따라 원형물체가 상부와 측부로부터 조사된 두개의 광막을 비행하는 과정에서 수광센서부에 형성되는 광막 그림자를 좌표로 나타낸 개념도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 원형물체의 비행 속도 및 위치 측정 시스템이 적용된 3차원 골프 시뮬레이션 시스템의 설치 구성도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 원형물체의 비행 속도 및 위치 측정 시스템이 적용된 3차원 골프 시뮬레이션 시스템의 블록 구성도,
도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 골프 시뮬레이션 시스템에 설치된 광막발생부의 평면 배치도,
도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 골프 시뮬레이션 시스템에 설치된 수광센서부의 평면 배치도,
도 7c는 본 발명의 실시예에 따른 골프 시뮬레이션 시스템에 설치된 광막발생부와 수광센서부의 정면 배치도.
도 8a는 본 발명의 실시예에 따른 제2광막발생기 및 제2수광센서라인에 의해 형성되는 광막과 제3광막발생기 및 제3수광센서라인에 의해 형성되는 광막의 교차막을 통과하는 골프공의 위치를 나타낸 상태도,
도 8b는 상기 도 8a에서 제2수광센서라인 중 골프공의 그림자 중심점과 제2광막발생기를 연결한 제2라인과, 제3수광센서라인 중 골프공의 그림자 중심점과 제3광막발생기를 연결한 제3라인을 Y축상에서 이동시킴으로써 발생되는 교차점을 좌표로 나타낸 상태도,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 원형물체의 비행 속도 및 위치 측정 시스템이 적용된 골프 시뮬레이션 시스템의 동작과정을 나타낸 흐름도로이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100 : 광막발생부 110 : 제1광막발생기
111 : 광원 112 : 볼록렌즈
113 : 실린더렌즈 120 : 제2광막발생기
130 : 제3광막발생기 200 : 수광센서부
210 : 제1수광센서라인 220 : 제2수광센서라인
230 : 제3수광센서라인 300 : 컴퓨터처리부
310 : 광센서 출력신호처리기 311 : 제1신호처리기
311a : 비교기 311b : 래치기
312 : 제2신호처리기 313 : 제3신호처리기
320 : 디지털 입출력보드 330 : 중앙처리기
400 : 디스플레이장치

Claims (6)

  1. 원형물체의 비행경로에 광막을 조사하는 광막발생부(100)와, 상기 광막발생부(100)로부터 조사되는 광막과 상기 광막을 통과하는 원형물체의 그림자를 감지하는 다수의 수광센서라인이 형성된 수광센서부(200)와, 상기 수광센서부(200)로부터 전송되는 광막 감지 신호를 분석하여 원형물체의 비행 속도 및 위치를 계산하는 컴퓨터처리부(300)가 구비된 원형물체의 비행 속도 및 위치 측정 시스템에 있어서,
    상기 광막발생부(100)는 원형물체의 비행경로와 교차될 수 있도록 광원을 중심으로 부채꼴 형태로 퍼져나가는 광막을 형성하여 수광센서라인에 조사하는 다수의 광막발생기를 포함하여 이루어지고,
    상기 컴퓨터처리부(300)는 상기 수광센서라인으로부터 전송되는 신호를 기준 신호와 비교하여 광막 신호와 원형물체 그림자 신호로 분리하는 광센서 출력신호처리기(310)와, 상기 광센서 출력신호처리기(310)로부터 출력되는 신호를 디지털 신호로 변환하는 디지털 입출력보드(320)와, 상기 디지털 입출력보드(320)로부터 출력되는 디지털 신호를 분석하여 원형물체 그림자의 중심점과 해당 그림자를 발생시킨 광막발생기를 연결하는 다수의 가상 라인을 설정하고 각 라인의 가상 교차점을 계산하여 원형물체의 비행 위치를 파악하며 각 라인의 원형물체 통과 시간을 측정하여 비행 속도를 계산하는 중앙처리기(330)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원형물체의 비행 속도 및 위치 측정 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 광막발생부(100)는 상호 이격되어 설치되어 레이저 광원(111)을 블록렌즈(112)와 실린더렌즈(113)를 통하여 광막으로 변환시켜 조사하는 제1,제2,제3광막발생기(110)(120)(130)를 포함하여 이루어지고,
    상기 수광센서부(200)는 상기 제1,제2,제3광막발생기(110)(120)(130)와 대응되도록 설치되어 상기 제1,제2,제3광막발생기(110)(120)(130)의 광막 신호를 각각 수신하는 다수의 수광센서가 구비된 제1,제2,제3수광센서라인(210)(220)(230)을 포함하여 이루어는 것을 특징으로 하는 원형물체의 비행 속도 및 위치 측정 시스템.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 제2광막발생기(120)와 제3광막발생기(130)는
    상기 제2수광센서라인(220)에 감지되는 원형물체 그림자의 중심점을 제2광막발생기(120)와 연결한 가상 라인과, 제3수광센서라인(230)에 감지되는 원형물체 그림자의 중심점을 제3광막발생기(130)와 연결한 가상 라인간에 가상 교차점이 발생될 수 있도록 상호 좌우로 이격 설치되는 것을 특징으로 하는 원형물체의 비행 속도 및 위치 측정 시스템.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서, 상기 광센서 출력신호처리기(310)는
    상기 수광센서부(200)의 각 수광센서라인(210)(220)(230)에 구비된 다수의 수광센서로부터 출력되는 신호를 기준신호와 비교하여 그림자 정보가 포함된 신호로 분리하여 출력하는 비교기(311a)와, 상기 비교기(311a)로부터 출력되는 신호를 상기 디지털 입출력보드(320)를 통하여 상기 중앙처리기(330)로부터 전송되는 제어신호에 따라 순차적으로 디지털 입출력보드(320)에 출력하는 래치기(311b)가 구비된 다수의 신호처리기(311)(312)(313)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원형물체의 비행 속도 및 위치 측정 시스템.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 컴퓨터처리부(300)는
    원형물체의 출발점과 원형물체의 속도 및 위치 정보를 통하여 이동물체의 비행궤도를 계산하고 이를 디스플레이장치(400)로 출력하는 것을 특징으로 하는 원형물체의 비행 속도 및 위치 측정 시스템.
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