KR100609244B1 - 파원 위치 측정 장치 및 측정 방법 - Google Patents

Abstract

파동이 발생한 파원의 위치를 복수의 수파기를 이용하여 측정하는 파원위치 측정 방법 및 장치가 개시된다. 경로차 연산부는 각 수파기들에 수신된 파의 위상과 수신된 파의 속도를 이용하여 상기 파원과 상기 수파기들 사이의 거리차를 연산한다. 위치 연산부는 경로차 연산부에서 연산된 경로차와 수파기들의 배치정보를 이용하여 소정의 연산을 수행함으로써 파원의 위치를 연산한다. 결과 처리부는 연산된 파원의 위치를 표시하여 준다. 본 발명에 따르면, 파원 위치의 차원( 선(1D), 면(2D), 공간(3D))에 제약을 받지 않고 모든 영역에서 파원의 위치를 효과적으로 측정하는 방법이 제공된다. 따라서, 산업사회에서 다양하게 요구되는 다양한 파원 위치 측정을 용이하게 구현하여, 다양한 응용 범위에 용이하게 적용 할 수 있다.

파원, 위치, 차원, 경로차, 좌표, 연산

Description

파원 위치 측정 장치 및 측정 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING THE WAVE ORIGINATION}

도 1 은 본 발명에 따른 파원 위치 측정장치의 블록도

도 2는 파원이 수파기 사이의 1 차원 선상에 위치한 경우 파원을 측정하는 방법을 도시한 개념도

도 3은 1 차원 상의 임의의 지점(수파기 외부 포함)에 위치한 파원을 측정하는 방법을 도시한 개념도

도 4는 파원이 2차원 면의 1사분면 및 4사분면에 위치할 때 파원을 측정하는 방법을 도시한 개념도

도 5는 파원이 2차원 면의 2사분면 및 3사분면에 위치할 때 파원을 측정하는 방법을 도시한 개념도

도 6은 3 차원 공간에 위치한 파원을 측정하는 벙법을 도시한 개념도

도 7 파원 위치 측정 순서도

도 8은 위치 연산 처리 순서에 의한 연산 방법 및 각각의 미지수를 결정하는 방법들을 도시한 도 7의 위치 연산 단계의 상세 순서도이다.

도 9는 종래 기술을 이용하여 시험한 결과를 나타낸 그래프

도 10은 본 발명을 이용하여 시험한 결과를 나타낸 그래프

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

O: 원점 수파기 H: 제 2 수파기

I: 제 3 수파기 J: 제 4 수파기

K: 제 5 수파기 100: 배치 정보 입력단계

400: 경로차 연산 단계 500: 위치 연산 단계

600: 결과 처리 단계

본 발명은 파원 위치 측정장치 및 측정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 파원으로부터의 파동을 수파기를 이용하여 수신하고 수신된 신호에 소정의 연산을 가하여 파원의 위치를 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

전파를 이용하여 위치를 측정하는 시스템으로는 위성을 이용한 위치측정 시스템(GPS : Global Positioning System)이 널리 사용되고 있다. 그런데, 이러한 GPS 시스템은 다음과 같은 한계와 문제점을 가지고 있다.

즉, 충분한 개수의 위성이 마련되어야 하고, 위성과 위치 측정점 사이에 전파 장애물이 없어야 한다. 따라서, 실내, 지하공간, 수중 등에서의 위치 측정에는 GPS 시스템이 사용될 수 없고, 고층 빌딩이 많이 존재하는 도심 등에서는 측정 상에 많은 오차가 발생한다. 더욱이, 양호한 전파 경로가 확보되더라도 장거리의 위성으로부터 전달되는 신호가 주위 환경으로부터 받는 영향에 의한 환경 오차가 크 다. 또한, 정밀 측정을 위한 보정 방법이 복잡하고 보정을 위해 많은 시간이 소요되는 단점이 있다.

한국특허출원 제2001-0076958호 "서브밴드 씨피에스 알고리즘을 이용한 음원 위치 추정 방법" 은 서브밴드 씨피에스 알고리즘에 의한 시간차 오차를 저감하는 방법 위주로 제안을 하였다. 한국특허출원 제1999-0011379호는 GPS 시스템과 관련하여 육안 혹은 사고 위치 정보 수집의 정확도로 위치를 측정할 수 있는 방법을 제안하였다.

한국특허출원 제2001-0015533호 "음원의 위치 결정 방법" 은 입사각을 결정하여 음향 위치를 결정하는 방법을 개시하고 있으나, 이는 음향 센서의 지향성에 의존하는 입사각 결정으로 인해 정밀 측정에 제약이 따르는 단점을 가지고 있다.

한국특허출원 제2000-7014529호 "음원의 방향을 검출하여 음원의 위치로 이동하기 위한 로봇 및 그 동작방법" 은 지진의 진원지 결정 방법과 동일한 방식으로 음원의 위치를 결정하고 있으나, 이는 단일 속도를 갖는 파원의 위치 측정에는 부적합하다는 단점이 있다.

한국특허출원 제1998-0032053호 "수동식 음원 원격 측정방법" 은 각도를 추정하여 위치를 연산하는 방법을 개시하고 있으나, 이는 정밀 측정에는 적합하지 못하다.

일본특허출원 특개평7-332522호 "공중 이동체 위치 측정 장치" 는 3개 이상의 수파기를 이용하여 3차원 좌표를 구하는 방법을 개시하고 있으나, 파원의 발생 시각을 이용 할수 없는 경우에는 응용이 불가 하며, 파원 발생 시각을 이용 하는 경우에서도 3개의 수파기 만으로 3차원 좌표 정보를 연산한다고 하였으나, 연산 방법은 개시하지 않아 용이하게 적용하기 난이 하다.

한편, 본 발명의 출원인은 한국실용신안등록출원 제2001-0019165호 "탄착위치 측정 시스템)과 한국실용신안등록출원 제2001-0021059호 "삼차원 마우스" 를 출원한 바 있으며, 여기에서 상기의 근사 혹은 추정으로 인한 오차를 배제하였으나, 평면과 공간의 제한된 범위(1/4분면과 Z축을 양수)에서 사용할 수 있는 것으로서, 산업사회에서 요구하는 다양한 응용, 특히 사용 범위를 자유롭게 해야 하는 경우에는 사용상의 제약과 구현의 복잡성을 갖는다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 1차원적인 위치 측정, 2차원적인 위치 측정, 및 3차원적인 위치 측정 등 다양한 적용 범위의 위치 측정이 가능한 최적의 파원 위치 측정장치와 방법를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 상기한 종래 기술들에 비하여 간단하고 일관된 연산으로 파원의 위치 측정이 가능하도록 하여, 간단한 프로그램에 의해 디지털 신호 처리기(DSP)나 마이크로 프로세서(MPU) 또는 PC 상에서 구현이 가능한 파원 위치 측정장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 측정 대상의 위치의 차원과 측정 범위에 따라 적 정한 최소 수량의 수파기만을 이용하여 위치를 산출할 수 있으며, 사용 환경에 따른 측정상의 오차가 최소화될 수 있는 파원 위치 측정장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 상기와 같은 파원 위치 측정장치에 의해 수행되는 파원 위치 측정방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 파원 위치 측정 방법은, 복수의 수파기들의 배치 정보를 입력하는 배치 정보 입력단계와, 수파기들에 수신된 파의 위상 혹은 수신된 시간차와 수신된 파의 속도를 이용하여 파원과 수파기들 사이의 거리 차를 연산하는 경로차 연산 단계와, 경로차 연산 단계에서 연산된 경로차와 배치 정보 입력단계에서 입력된 배치 정보를 이용하여 파원의 위치를 연산하는 위치 연산 단계를 포함한다.

여기서, 위치 연산 단계에서 연산된 위치 정보를 이용하여 사용자가 용이하게 인식할 수 있도록 표시하거나, 저장하여주는 결과 처리 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명의 파원 위치 측정 방법은 파원에서 발생하는 파의 속도에 영향을 미치는 환경 인자를 측정하는 환경 측정 단계를 더 포함한다. 이때, 경로차 연산 단계에서는, 환경 측정 단계에서 측정된 환경 인자를 반영하여 거리 차를 연산함으로써 환경의 변화에 따른 연산의 오차를 줄여줄 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 파원 위치 측정 방법을 구현 한, 컴퓨터로 실행 가능하거나, 판독이 가능한 프로그램을 기록한 기록매체가 제공된다.

그리고, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 원점 수파기와, 원점 수파기와 이격되어 설치된 제 2 수파기와, 상기 제 2 수파기에 대칭되는 지점에 설치되는 제 3 수파기와, 상기 직선 X선상 밖에 설치된 제 4 수파기를 포함하는 파원 위치 측정장치가 제공된다. 이에 의하여, 2 차원 평면상에 위치한 파원의 위치를 오차 없이 측정할 수 있다.

또한, 원점 수파기, 제 2 수파기, 제 3 수파기 및 제 4 수파기가 이루는 XY평면상밖에 설치된 제 5 수파기를 더 포함하여, 3차원 공간상에 위치한 파원의 위치를 오차 없이 측정할 수 있다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

도 1 은 본 발명에 따른 파원 위치 측정장치의 블록도이다.

본 발명에 따른 파원 위치 측정장치는, 복수의 수파기(O, H, I, J, K), 수파신호 처리부(110), 거리차 연산부(120), 위치 연산부(130), 결과 처리부(140), 환경 측정부(160) 및 이들을 제어하는 제어부(150)를 포함하여 구성된다.

복수의 수파기(O, H, I, J, K)는 측정 원점에 배치되는 원점 수파기(O), 원점으로부터 X축상으로 A의 거리만큼 이격된 위치에 배치된 제 2 수파기(H), 원점으로부터 X축상으로 -A의 거리만큼 이격된 위치에 배치된 제 3 수파기(I), 원점으로부터 Y축상으로 D의 거리만큼 이격된 위치에 배치된 제 4 수파기(J), 및 원점으로부터 Z축상으로 E의 거리만큼 이격된 위치에 배치된 제 5 수파기(K)를 포함하여 구 성된다. 제 2 수파기(H)와 제 3 수파기(I)는 원점에 대하여 대칭되는 위치에 배치하여 위치 연산을 용이 하게 한다.

수파기(O, H, I, J, K)는 위치 측정의 대상이 되는 파원으로부터 발생된 파동를 수신한다. 이러한 수파기(O, H, I, J, K)는 예컨대 음파를 수신하는 경우에는 마이크 혹은 초음파 센서 등으로, 전자파를 수신하는 경우에는 안테나로, 그리고 광파를 수신하는 경우에는 광전 변환기 등으로 구현된다.

환경 측정부(160)는 파원에서 발생되는 파의 속도 등에 영향을 미치는 환경인자, 예컨대, 매질의 종류 및 온도 등을 측정한다.

수파신호 처리부(110)는 수파기(O, H, I, J, K)가 수신한 전기적 신호를 증폭, 여파, 파형 정형, 신호 합성, 신호 변환하는 등의 신호처리를 수행한다.

거리차 연산부(120)는 수파신호 처리부(110)로부터 처리된 신호를 이용하여 각각의 수파기(O, H, I, J, K)가 수신한 신호들의 전달 경로차에 따른 전달 경로의 거리차를 산출한다. 즉, 거리차 연산부(120)는 각 좌표축상의 수파기(O, H, I, J, K)가 수신한 신호의 평균 위상과 원점 수파기(O)의 위상간의 위상차 및 파원(측정 대상 위치)으로부터 전송된 파동의 전달 속도를 이용하여 전파 지연 시간차를 측정하고, 전송된 파동의 전달 속도와 산출된 지연 시간차를 이용하여 전달 경로의 거리차를 연산한다. 즉, 거리차 연산부(120)는 원점 수파기(O)와 파원간의 거리와 다른 수파기(O, H, I, J, K)와 파원간의 거리의 차이를 각 수파기(H, I, J, K)별로 산출한다.

또한, 거리차 연산부(120)는 파동 전달 매체의 특성에 따라 파동의 속도가 변동되는 점을 고려하여, 환경 측정부(160)에서 측정된 파동의 전파 속도에 영향을 미치는 인자, 예컨대, 음파의 경우 매질의 온도 등을 고려하여 파동 전달 속도의 변화에 따르는 오차를 보상한다. 이에 따라, 거리차 연산부(120)는 각 수파기(O, H, I, J, K)의 수파신호를 토대로 원점 수파기(O)와 파원간의 거리와 다른 수파기(H, I, J, K)와 파원간의 거리의 차이를 오차를 최소화한 상태로 산출하게 된다.

위치 연산부(130)는 이와 같이 거리차 연산부(120)가 산출한 복수의 거리차에 대한 데이터를 토대로 측정 대상이 되는 파원의 위치를 산출한다. 위치 연산부(130)가 복수의 거리차를 토대로 파원의 위치를 산출하는 방법에 대해서는 자세하게 후술한다.

결과 처리부(140)는 위치 연산부(130)가 산출한 파원의 위치를 다른 기기가 이용할 수 있도록 RS-232C 또는 USB 와 같은 표준 혹은 특별한 사양의 전용선을 이용하여 다른 기기로 전송하는 기능을 포함 할수 있다.

이하에서는, 도 2 내지 도 6을 참조하여 파원의 위치를 산출하는 과정을 설명한다. 도 2는 파원이 수파기 사이의 1 차원 선상에 위치한 경우, 파원을 측정하는 방법을 도시한 개념도, 도 3은 1 차원 상의 임의의 지점(수파기외부 포함)에 위치한 파원을 측정하는 방법을 도시한 개념도, 도 4는 파원이 2차원 면의 1사분면 및 4사분면에 위치할 때 파원을 측정하는 방법을 도시한 개념도, 도 5는 파원이 2차원 면의 2사분면 및 3사분면에 위치할 때 파원을 측정하는 방법을 도시한 개념도, 도 6은 3 차원 공간에 위치한 파원을 측정하는 방법을 도시한 개념도이다.

여기서, 도시된 기호 및 이하의 수식에 사용될 기호를 아래와 같이 정의한 다.

P : 측정 대상이 되는 파원의 위치

A : 원점 수파기(O)와 제 2 수파기(H) 사이의 거리

D : 원점 수파기(O)와 제 4 수파기(J) 사이의 거리

E : 원점 수파기(O)와 제 5 수파기(K) 사이의 거리

F : 파원(P)으로부터 X-Z평면을 향하는 법선이 X-Z평면과 만나는 지점

x : 파원(P)에서 원점 수파기(O)까지의 거리

a : 제 2 수파기(H)가 받은 신호와 원점 수파기(O)가 받은 신호간의 거리차

b : 제 3 수파기(I)가 받은 신호와 원점 수파기(O)가 받은 신호간의 거리차

d : 제 4 수파기(J)가 받은 신호와 원점 수파기(O)가 받은 신호간의 거리차

e : 제 5 수파기(K)가 받은 신호와 원점 수파기(O)가 받은 신호간의 거리차

Φ : 2차원 일때, 원점(O)으로부터 파원(P)을 향하는 방향과 X축 사이의 각.

3차원 일때, 원점(O)으로부터 파원(P)를 향하는 방향과

XZ평면사이의 각도

Θ : 원점으로부터 파원(P)을 향하는 방향과 XY평면 사이의 각도.

먼저, 2 개의 수파기(O, H) 사이에 위치한 파원 즉 1차원 수파기 사이 파원을 구하는 방법을 도 2를 참조하여 설명한다.

파원과, 수파기(O) 사이를 거리에 관한 식으로 정리 하면 다음과 같은 수학식이 성립한다.

x = (A-a)/2

파원(P)의 방향은 원점 수파기(O)를 기준으로 제 2 수파기(H)의 방향이므로 별도의 연산이 필요 없다.

그러나, 수학식 1은 수파기(O, H) 사이에 파원이 위치하는 경우에만 적용될 수 있으며, 수파기(O, H)의 외부에 위치한 파원(1차원 수파기 외부)의 경우, 도 3과 같이 추가로 제 4 수파기(J)가 더 설치되어 총 3개의 수파기가 설치 되어야 한다.

삼각형 JOP에 대해 피타고라스 정리를 적용하여 정리하면, 원점 수파기(O)와 파원(P)간의 거리 x는 수학식 2와 같이 정리된다.

x= (D²-d²)/2d

파원(P)의 방향은 제 2 수파기(H)의 경로차 a로 판단할 수 있다. 즉, a = -A이면, 파원은 원점수파기(O)를 기준으로 제 2 수파기(H)의 반대방향에 위치하고, a = -A가 아니면 파원은 제 2 수파기(H) 방향에 위치한다.

이하에서는 도 4를 참조하여 2차원에서의 파원의 위치를 알아내는 방법을 설명한다.

우선, 원점 수파기(O), 제 2 수파기(H) 및 파원(P)이 이루는 삼각형에 대해서 코사인 제 2 법칙을 적용하면, 아래의 수학식 3과 같이 된다.

(x+a)² = A² + x² - 2AxCosΦ

그 다음, 원점 수파기(O), 파원(P) 및 제 3 수파기(I)가 이루는 삼각형에 대해서 코사인 제 2 법칙을 적용하면, 아래의 수학식 4와 같이 된다.

(x+b)² = A² + x² - 2AxCos(Π-Φ)

상기의 수학식 3과 수학식 4를 x에 대해서 정리하면, 아래의 수학식 5와 같이 된다.

x = (2A² - a² - b²)/2(a + b)

따라서, 수학식 5를 이용하여 원점 수파기(O)에서 파원까지의 거리를 구할 수 있다. 상기 수학식에서 a = -b 가 되는 영역은 상기 수학식 5로는 거리를 구할 수 없는 영역으로서, 상기 수학식 5 에서 얻어지는 거리에서 제외되는 영역이다. 이와 같이 제외되는 영역의 파원 거리(x)는, 파원(P), 원점(O) 및 제4 수파기(J) 로 이루어지는 직각 삼각형(∵ a=-b일 때 파원 위치(P)는 X축상에 위치)에 대해서 피타고라스 정리를 적용하면 다음 수학식 6을 얻을 수 있다.

(x + d)² = x² + D²

이 수학식 6을 x 에 대해서 정리함으로써 다음 수학식 7 에 의하여 파원 거리(x)가 구해진다.

x = (D² - d²)/2d

상기의 수학식 5와 수학식 7 에 의하면 2차원적인 공간 좌표상의 모든 영역에서의 측정 대상 파원과 원점간의 거리를 연산할 수 있다.

각(Φ)을 구하기 위하여 원점(O), 파원(P), 제 4 수파기(J)에 의해 형성되는 삼각형에 코사인 제2법칙을 적용하면 다음의 수학식 8 이 얻어진다.

(x+d)² = D² + x² - 2DxCos(Π/2-Φ)

이 수학식 8 을 정리하여 Φ에 대하여 정리하면 다음과 같은 식이 얻어진다.

Φ = sin^-1{(D² - d² - 2xd)/2xD}

그러나, 2차원적인 면의 범위에서는 요구되는 범위가 -Π 내지 +Π 의 범위이며, 수학식 9의 Φ의 범위는 -Π/2 내지 +Π/2 이다. 즉, a<b를 만족할 때의 Φ를 구하는 식이다.

a>b를 만족할 때, 즉, 파원이 2사분면 혹은 3사분면에 위치할 때는 도 5를 참조하여 구할 수 있다.

도 5에서 원점 수파기(O), 파원(P) 및 제 4 수파기(J)가 이루는 삼각형에 대해서 코사인 제 2 법칙을 사용하여 정리하면 수학식 10과 같이 된다.

(x+d)² = D² + x² - 2DxCos(Π/2-ε)

ε=sin^-1{(D² - d² - 2xd)/2xD}

여기서 ε=Π-Φ이므로, Φ는 아래의 수학식 11과 같이 정의된다.

Φ = Π-sin^-1{(D² - d² - 2xd)/2xD}

따라서, 수학식 5와 수학식 7을 이용하여, 원점 수파기(O)에서 파원(P)까지의 거리 x를 구할 수 있고, 수학식 9 혹은 수학식 11을 이용하여 Φ를 구할 수 있으므로, 파원의 좌표인자를 구할 수 있다.

이제 도 6을 참조하여 공간상에서 존재하는 파원의 3차원적인 위치를 측정하는 과정을 설명한다. 도 6은 3차원적인 위치 측정을 위한 수파기의 배치를 기하학적으로 도시한 도면이다.

파원(P)과 원점 수파기(O)간의 거리(x)는 2 차원 평면상의 거리 x를 구하는 수학식 3 내지 수학식 7을 동일하게 적용하여 얻을 수 있고, 직선 OP와 XZ평면이 이루는 각도(Φ)도 역시 수학식 8 및 수학식 9를 이용하여 산출할 수 있다.

한편, 파원(P)과 원점(O) XY평면이 으루는 각도(θ)를 구하기 위해서는, 우선 직선 KF의 크기와 직선 OF의 크기를 알아야 한다. 직선 OF는 수학식 12와 같이 표시됨을 간단히 알 수 있으며, 직선 KF는 삼각형 PKF에 대한 피타고라스 정리를 이용하면 수학식 13과 같이 표시됨을 알 수 있다.

OF=xcosΦ

KF={(x+e)²-x²sin²Φ}^1/2

수학식 12와 수학식 13을 이용하여, 원점(O), F 지점, 및 Z축 수파기(E)에 의해 형성되는 삼각형에 대해서 코사인 제2법칙을 적용하고 이를 θ에 관하여 풀면 다음 수학식 14가 얻어진다.

θ = sin^-1(E² - e² - 2xe)/(2xECosΦ)

상기 수학식 14 에서 얻어지는 각도의 범위는 -Π/2 내지 +Π/2 이고 요구되는 결과의 방향, 즉 각도의 범위는 -Π 내지 +Π 의 범위이므로, 수학식 10 은 다음 수학식 15, 16 과 같이 확장할 수 있다.

a < b 이면 : θ = sin^-1(E² - e² - 2xe)/(2xECosΦ)

a > b 이면 : θ =Π- sin^-1(E² - e² - 2xe)/(2xECosΦ)

이에 따라, 3차원적인 구 좌표계에서 측정 대상의 위치의 좌표들(즉, x, Φ, θ)을 모두 연산할 수 있다.

이를 통상적으로 사용되는 직각 좌표계상의 좌표 P(x,y,z)로 변환하기 위하여 다음 수학식 17 내지 수학식 19를 사용한다.

X = x CosΦ Cosθ

Y = x SinΦ

Z = x CosΦ Sinθ

상기 연산 과정은 파원에서 발생하는 파의 발생시각 정보가 없는 경우, 즉, 파원으로부터 발생한 파의 발생 시점을 알 수 없는 경우를 설명한 것이다. 그러나, 파원의 발생 시점을 측정 또는 기타의 방법으로 알 수 있는 경우에는 원점과 파원간의 거리는 원점 수파기(O) 한 개만으로도 다음 수학식 20 과 같이 구할 수 있다.

x = (Tr-Tt)/V

여기에서, x 는 원점(O)과 파원(P)간의 거리, Tr 은 원점수파기(O)가 파원(P)으로부터의 파동을 수신한 시각, Tt 는 파원(P)에서의 파동 발생시각, V 는 파동의 진행 속도이다. 즉, 파동의 진행 속도와 파동의 발생 시각 및 수신 시각을 알면 거리(x)를 매우 간단하게 연산할 수 있다. 또한, 1차원적인 선상의 위치의 경우 2 개, 2차원적인 면상의 위치의 경우 3 개, 그리고 3차원적인 공간상의 위치의 경우 4 개의 수파기만으로도 충분히 위치를 산출할 수 있다.

다만, 상기 수학식의 선택조건인 인자 b(수파기I)가 없으므로, 선택조건을 얻기 위해 각Φ 가 예각인지 둔각인지를 연산함으로 대체 할 수 있는 조건을 얻을 수 있다. 즉 사이각이 Φ인 삼각형에 코사인 제2 법칙을 적용하면.

(x+a)² = x²+A²-2AxCosΦ

상기 수학식21에 의해 Φ각이 예각인지 둔각인지 판별할 수 있는 판별식이 다음과 같이 성립된다.

0 ≤ A² - a² -2ax

상기 수학식22의 조건에 의해 식이 참이면 Φ가 예각이므로 a < b와 동일한 조건(좌표가 우측)임을 알 수 있고, 반대로 둔각(결과가 거짓)이면 a>b 와 동일한 조건(좌표가 좌측)임을 알 수 있다.

상기와 같이, 파원의 발생 시각을 이용할 수 없을 때보다, 거리를 매우 간단하게 연산이 가능하며, 수파기 또한 원점 수파기 한 개만으로 거리를 측정하므로, 거리 연산이 간단해지고 수파기(I)가 필요치 않음을 알 수 있다.

상기에서 본 발명에서 안출된 정확한 수학식 위주로 설명하였으며, 하기에서는 신호의 처리 단계별로 상세히 설명을 한다.

먼저 도 7 파원 위치 측정 순서도에 의해 순서대로 설명하면, 먼저 사용자가 파원 위치를 측정하기 위해 기본적인 배치 정보를 연산에서 사용 할 수 있도록 입력하는 배치 정보 입력단계(100)와, 수파기로부터 입력된 수파신호를 수신하는 신 호 수신단계(200)와, 신호 수신단계(200)에서 수신된 신호를 사용하기 용이하도록 처리하는 신호 처리단계(300)와, 신호 처리단계(300)의 결과를 이용하여 경로차를 연산하는 경로차 연산단계(400)와, 상기에서 설정되고 연산된 결과를 이용하여, 차원과 수파기 위치에 의해 제약이 없는 위치 연산을 수행하는 위치 연산 단계(500)와, 얻어진 결과를 이용자가 용이하게 이용할 수 있도록 제공하는 결과 처리 단계(600)로 구성된다. 또한, 파원에서 발생하는 파의 속도에 영향을 미치는 환경 인자를 측정하는 환경 측정 단계(미도시)를 더 포함한다. 이때, 상기 경로차 연산단계(400)는 상기 환경 측정 단계에서 측정된 환경 인자를 반영하여 거리차를 연산하는 것이 바람직하다. 여기서 환경 측정 단계는 파가 진행되는 매질의 상태 및 온도 정보를 측정한다.

도 8은 위치 연산 처리 순서에 의한 연산 방법 및 각각의 미지수를 결정하는 방법들을 도시한 위치 연산 단계의 상세 순서도이다.

먼저 위치 연산 처리부로 입력되는 입력 인자들의 의미와 이용 방법을 설명하면, 각각의 수파기 배치 정보 입력 즉, O,H,I,J,K의 값들을 설정 해줌으로써 측정 범위정보를 결정 할 수 있다. 수파기가 원점과 다른 한 점에만 주어진 경우(O,H 값만 입력되고 나머지는 없거나 0으로 입력되는 경우), 즉 두개의 수파기만을 사용하는 경우, 두 수파기 사이의 위치 연산만 요구하는 것이며, 수파기 사이 위치 측정 수학식만을 연산하여 목적(위치 결정)을 달성 할 수 있고, 원점을 포함하여 X축(H)과 Y축(J)에 수파기가 배치된 경우에는, 직선(1D) 내부 및 외부 모든 위치의 연산을 요구하는 것이며, 수파기의 배치 정보가 원점을 포함하여 X축(H), 대칭 되는 수파기(I), 및 Y축(J)의 정보가 입력되면, 즉 4개의 수파기(O,H,I,J)를 사용하면 면(2D)의 위치를 연산 할 것을 요구하는 것이고, 5개 모두의 설치 정보(O,H,I,J,K)가 입력되면 공간(3D)상의 모든 위치에서 연산을 요구하므로, 필요한 모든 연산 과정을 수행하도록 연산 과정을 결정 할 수 있다. 상기의 설명은 응용 용도를 결정하면 확정되는 부분이므로, 실사용에서의 실시간 연산에 따른 결정 사항은 없으므로 연산 량의 부하를 가중시키지는 않는다.

위치 연산부에 입력되는 또 다른 한 종류의 입력정보는, 원점 수파기(O)를 기준한 각각의 수파기간의 경로차 연산부의 출력인 거리차 정보(a,b,d,e)이며 이는 측정에 의해 얻어지는 실시간 정보이며, 상기 설명된 두 종류의 입력(511)에 의해 위치 연산부가 하기의 상세한 설명과 같이 연산을 수행하여 위치를 연산하여 출력한다.

위치 연산단계(500)는 파원이 2 개의 수파기 내부에만 있는지 여부를 판단하는 1차원 내부모드 판단단계(502)와, 파원이 2 개의 수파기 외부에 존재하는지 여부를 판단하는 1차원 전체모드 판단단계(503)와, 파원이 2 차원 평면에 있는지 3차원 공간 상에 있는지 여부를 판단하는 2차원 모드 판단단계(504)와, 1차원 내부모드 판단단계(502)에서 파원이 1차원 내부에 있을 때 연산을 수행하는 1차원 내부 위치 연산단계(510a)와, 1차원 전체모드 판단단계(503)에서 파원이 1차원 직선상에 있을 때 연산을 수행하는 1차원 전체 위치 연산단계(510b)와, 2차원 모드 판단단계(504)에서 파원이 2차원 평면상에 있을 때 연산을 수행하는 2차원 위치 연산단계(520)와, 2차원 모드 판단단계(504)에서 파원이 3차원 공간 상에 있을 때 연산을 수행하는 3차원 위치 연산단계(530)로 구성된다.

1차원 내부모드 판단단계(502)는 전술한 바와 같이, 2 개의 수파기의 정보만 입력된 경우 1차원 내부 위치 연산단계(510a)를 수행하도록 하고, 그 이외의 경우에는 1차원 전체모드 판단단계(503)를 수행한다.

1차원 전체모드 판단단계(503)는 3개 수파기(O, H, J)의 배치 정보가 입력된 경우에는 1차원 전체 위치 연산단계(510b)를 수행하도록 하며, 그 이외의 경우에는 2차원 모드 판단단계(504)를 수행하도록 한다.

2차원 모드 판단단계(503)에서는 4개의 수파기(O,H,I,J) 배치 정보가 입력된 경우 2차원 위치 연산단계(520)를 수행하도록 하며, 그 이외의 경우에는 3차원 위치 연산단계(530)를 수행하도록 한다.

1차원 내부 위치 연산단계(510a)는 수학식 1을 연산하는 단계(511)를 포함함으로써, 파원의 위치를 연산할 수 있다.

1차원 전체 위치 연산단계(510b)는 수학식 2를 연산하는 단계(513)와, a의 부호를 이용하여 파원의 방향을 판단하는 단계(514)로 구성되어, 파원의 거리 및 방향을 알아낼 수 있다.

2차원 위치 연산단계(520)는 우선 제 2 수파기의 경로차 a 혹은, 제 3 수파기의 경로차 b와 설치 정보 A 혹은 B를 비교하여, 상기 파원이 상기 원점 수파기와 상기 제 2 수파기 및 제 3 수파기가 이루는 직선 상이 있는지 여부를 판단하는 단계(521)를 수행한다.

그 다음, 위 단계(521)에서 a=-b를 만족하면 수학식 7을 연산하는 단계(523) 를 수행하며, a=-b를 만족하지 않으면 수학식 5를 연산하는 단계(522)를 수행하여, 원점 수파기(O)와 파원(P)간의 거리 x를 구한다.

그 다음, 제 2 수파기(H)의 경로차 a와, 제 3 수파기(I)의 경로차 b를 비교하여 파원이 상기 원점 수파기와 상기 제 4 수파기를 연결한 Y축 직선을 기준으로 제 2 수파기(O) 측에 위치하는지 혹은 상기 제 3 수파기(I) 측에 위치하는지를 판단하는 단계(524)를 수행한다.

그 다음, 위 단계(524)에서 경로차 a가 경로차 b 보다 큰 경우, 수학식 11을 연산하는 단계(525)를 수행하며, 경로차 a가 경로차 b보다 작은 경우 수학식 9를 연산하는 단계(526)를 수행하여 X축과 원점 수파기(O)와 파원(P)을 연결한 사이 각도 Φ를 구한다.

그 다음, 수학식 17, 18을 연산하는 단계(527)를 수행함으로써, 파원의 X, Y 좌표를 연산함으로써, 파원의 위치를 연산할 수 있다.

3차원 위치 연산단계(530)는 먼저 제 2 수파기의 경로차 a와, 제 3 수파기의 경로차 b를 비교하여 파원(P)이 X축 직선 상이 있는지 여부를 판단하는 단계(531)을 수행한다.

그 다음, 위 단계(531)에서 a=-b이면 수학식 5를 연산하는 단계(532)를 수행하며, a=-b를 만족하지 않으면 수학식 7을 연산하는 단계(533)를 수행하여, 원점 수파기(O)와 파원(P)간의 거리 x를 구한다.

그 다음, 수학식 9를 연산하는 단계(534)를 수행하여, 상기 XZ 평면과 원점 수파기(O)와 파원(P)을 연결한 직선간의 각도 Φ를 구한다.

그 다음, 제 2 수파기의 경로차 a와, 제 3 수파기의 경로차 b를 비교하여 파원이 YZ평면을 직선을 기준으로 제 2 수파기(H) 측에 위치하는지 혹은 제 3 수파기(I) 측에 위치하는지(즉 좌표 인자의 x값의 부호)를 판별하는 단계(535)를 수행한다.

그 다음, 위 단계(535)에서 경로차 a가 경로차 b보다 큰 경우, 수학식 16을 연산하는 단계(537)를 수행하며, 경로차 a가 경로차 b보다 작은 경우 수학식 15를 연산하는 단계(536)를 수행하여, X축과 상기 원점 수파기와 상기 파원에서 상기 X축 및 Z축이 형성하는 XZ평면에 수직으로 내린 점 F를 연결한 직선간의 각도 Θ를 구한다.

그 다음, 수학식 17, 18, 19를 연산하는 단계(538)를 수행하여 파원의 위치 X, Y, Z를 구할 수 있다.

위와 같이 본 발명의 파원 위치 측정을 위한 위치 연산부의 동작을 상세하게 설명하였으며, 도 9는 종래 기술의 문제로 제기 한 사용 범위 제한 영역을 자세히 설명하기 위해 첨부된 자료이며, 자료를 설명하면 총 10000회의 임의 위치에 발생된 파원을 종래 기술(한국 실용신안등록 출원 제 2001-0019165호, '탄착 위치 측정 시스템')로 파원의 위치를 검증한 결과이다.

여기서, 각각의 점에서 오차가 있으면 큰 점으로, 오차가 없으면 작은 점으로 표현하였다. 그래프에서 확인할 수 있듯이, 1/4분면에서는 오류가 전혀 없으며, 2와 4 사분면에서는 일부에서 오차를 발생하고, 3사분면에서는 전체 영역이 오차를 포함하고 있고 2,4 사분면의 오차가 포함되는 경계 면은 각각의 축에 배치된 수파 기를 잇는 선이 오차 경계 면임을 알 수 있고, 그림에서의 오차 영역은 전체 영역의 35.6%를 차지하는 것을 알 수 있다.

수파기의 배치에 따라 2,4 사분면의 오차 영역이 변경되므로 오차가 없는 1사분면만 사용하여야 하는 제약을 갖고 있음을 쉽게 이해 할 수 있다.

도 10은 본 발명에 의해 구현된 측정 방법을 상기 종래 기술과 동일한 방법으로 검증한 결과이다. 그림에서 보여 주듯이 오차 발생 지점은 원점 한곳 이외에는 전혀 오차가 없음을 알 수 있고, 사용 환경에서 원점에 원점 수파기가 이미 배치되어 있으므로 원점과 중복된 위치에 파원이 있을 수 없음을 쉽게 이해 할 수 있을 것이므로, 오차율에는 원점의 경우를 오차에서 제외하여 확인한 결과 오차가 전혀 없음을 보여 주고 있다.

본 발명에 따르면, 파동을 수신하는 수파기의 배치정보를 입력한 후에 파원 위치 연산 과정이 연동되어 요구되는 좌표연산 과정을 수행하므로, 산업 현장에 적용이 간단하다는 장점이 있다. 특히 1차원 즉 선을 제외한 면(2D)과 공간(3D)을 대상으로 파원의 위치를 측정하는 경우, 측정 원점과 원점에 대칭 되는 두개의 수파기를 이용하므로, 파원과 측정 원점(원점 수파기)의 거리 연산을 간단하게 할 수 있고, 측정 위치의 차원 변화에 따라 새로운 수학식을 사용하지 않고 연산하여 얻어진 결과를 연속하여 연산함으로써 연산 과정이 일관되게 진행되고 구현이 간단하다는 장점이 있다. 또한, 현장에서 용이하게 적용 가능하고 파원의 발생 시각을 이용할 수 없는 경우에도 정확한 위치연산을 수행 할 수 있으므로, 파원을 용이하게 만들어 다양하게 활용 할 수 있으며, 일반적인 환경에서 발생하는 파원의 위치를 정확하고 신속하며 측정 위치의 범위제한 없이 자유롭게 적용 가능하다.

또한 본 발명에 의한 파원 위치 측정 방법에서 사용하는 공지의 파동의 속도 오차는 최종 측정된 위치의 오차로 반영되므로, 파동의 속도가 주위 환경에 영향을 받는 경우 이를 보상하여 매우 정확한 위치 측정을 한다.

상기와 같이 산업사회에서 요구하는 신속하고 정확해야 한다는 요구를 수용하고, 1차원을 대상으로 측정하던 기기를 2차원으로 혹은 3차원으로 확장할 때 수파기의 추가만으로 간단하게 측정 범위를 확대함으로써 구현가능하다. 따라서, 제품의 경쟁력 및 기존 제품의 확장성을 대폭 개선하고, 다양한 소비자의 욕구를 충족 할 수 있는 기술적 기반을 제공하고, 파원의 특성 즉 파원의 발생 시각의 이용 여부에 무관하게 최적의 연산을 수행할 수 있다. 즉, 언제 어디서 어떤 형태의 파원이라도 측정 환경에 가장 적합한 모든 측정 방법을 구현 할 수 있는 방법을 일괄적으로 제공하여, 산업사회가 요구하는 다양하고 최적화 된 측정을 충족시킬 수 있는 기술을 제공, 파원 위치 측정 기술을 다양한 형태의 산업 기술에 응용하여 부가 가치를 창출 할 수 있게 한다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해서 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본원 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능할 것이며, 이러한 변형 실시는 본원 발명의 특허청구범위 내에 있는 것이다.

Claims (12)

1. 여러 개의 수 파기를 이용하여 파 원의 위치를 측정하는 방법으로서,

   상기 수 파기들의 배치 정보를 입력하는 배치 정보 입력단계;

   상기 파 원에서 발생하는 파동의 속도에 영향을 미치는 환경인자인 매질의 종류, 온도를 포함하는 환경특성 인자 측정 및 속도 오차 보상 단계;

   상기 수 파기들에 수신된 파의 위상 혹은 수신된 신호의 시간차와 보상된 파의 속도를 이용하여 상기 파 원과 상기 수 파기들 사이의 거리 차를 연산하는 경로차 연산 단계; 및

   상기 배치정보와 경로 차 정보로부터 파 원 좌표의 목표 차원과 영역을 결정하는 단계;

   상기 경로차 연산 단계에서 연산된 경로차와 상기 배치 정보 입력단계에서 입력된 배치 정보를 이용하여 파 원의 위치를 유연하게 연산하는 위치 연산 단계;

   상기 위치 연산 단계에서 연산 된 위치 정보를 표시하고, 외부 기기에 전달하며, 저장하는 결과 처리 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 파원 위치 측정 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 수 파기들은 원점 수 파기, 상기 원점 수 파기의 일 방향에 위치하는 제 2 수 파기, 상기 원점 수 파기를 중심으로 상기 제 2 수 파기의 대칭점에 위치한 제 3 수파기로 구성되며,

   상기 수 파기들의 경로 차 a와 b의 관계가 |a|≠|b|를 만족할 원점 수 파기와 파 원간의 거리를 수학식 x = (2A² - a² - b²)/2(a + b) (여기서, x는 파 원과 원점 수 파기 간의 거리, A는 원점 수 파기와 제 2 수 파기 간의 거리, a 는 파 원과 수 파기 H와의 거리와 원점 수 파기의 거리 차, b는 파 원과 수 파기I와의 거리와 원점 수 파기의 거리 차)으로 연산하는 것을 특징으로 하는 파 원위치 측정 방법.
3. 제 2 항의 수 파기들을 포함하는 직선과 직각을 이루며 원점 수 파기를 지나는직선상에 제 4수 파기를 더하여 2차원 파 원의 모든 영역의 파 원위치를 연산하는 것을 특징으로 하는 파 원위치 측정 방법.
4. 제 3 항의 수 파기들을 포함하는 면에 수직이며 원점 수 파기를 지나는 직선상에 제 5 수 파기를 더하여 3차원의 모든 영역의 파 원위치를 연산하는 것을 특징으로 하는 파 원위치 측정 방법:
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