KR101157573B1 - 전기장 센서 시스템 및 이를 이용한 목표 물체 식별 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기장 센서 시스템 및 이를 이용한 목표 물체 식별 방법에 관한 것으로, 상기 전기장 센서 시스템은, 전기장을 발생시키는 전극; 전기장의 변화에 대한 전기장 이미지를 획득하기 위한 전기장 센서; 및 상기 전기장 센서를 통해 획득된 전기장 이미지에 대한 미분 곡선을 구하여 목표 물체를 식별하는 목표 물체 식별부를 포함하여 구성된다.

Description

전기장 센서 시스템 및 이를 이용한 목표 물체 식별 방법 {ELECTRIC SENSOR SYSTEM AND METHOD OF DISCRIMINATING TARGET OBJECT USING THE SAME}

본 발명은 전기장 센서 시스템 및 이를 이용한 목표 물체 식별 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전극 및 전기장 센서로 이루어진 전기장 센서 시스템을 이용하여 여러 개의 물체가 존재하는 복잡한 환경에서 목표 물체를 정확하게 식별할 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.

전기 물고기는 크게 세 가지 종류로 나누어 진다. 첫째로, 전기 뱀장어와 같은 전기 물고기는 먹잇감을 기절시킬 수 있을 정도로 강력한 전기장을 발생시킨다. 둘째로, Aptonotus albifrons와 같은 전기 물고기는 약한 전기장을 발생시키고 그 변화 정도를 감지하여 물체 또는 먹잇감의 위치를 파악하거나, 주변 상황을 인지한다. 셋째로, 상어나 가오리의 경우, 전기장을 스스로 발생시키지는 못하지만 주위의 약한 전기장을 감지하여 먹잇감의 위치를 파악한다.

이 중에서, 약한 전기장을 발생시키는 전기 물고기는 전기적 센서에 특화되어 있어, 이러한 전기 물고기, 특히 Aptonotus albifrons가 물체에 의한 전기장의 왜곡을 통해 어떻게 물체의 위치를 확인하는가에 대한 연구가 진행되어 왔다.

약한 전기장을 발생시키는 전기 물고기는 전기적 센서를 통하여 어두운 환경에서도 물체를 감지하고 그 위치와 성질을 판단할 수 있는데, 이러한 전기적 센싱은 전기적 성질을 사용하는 로봇으로 활용 가능성이 매우 높으며, 물체의 위치를 탐지하거나 물체를 피하는 수중 로봇 네비게이션 등에 이용될 수 있다.

전기장 센서를 통해 읽어지는 전기장의 변화는 전기장 이미지로 해석될 수 있는데, 하나의 물체가 근접해 있는 경우, 전기장 이미지는 그 물체가 있는 위치에서 최대값을 가지는 종 모양의 곡선을 그리게 된다. 그러나, 전기장 이미지는 단순하게 크기 값만을 반영하기 때문에, 여러 개의 물체가 존재하는 복잡한 환경에서는 각각의 물체에 대한 종 모양의 곡선의 이미지가 중첩을 일으켜서 특정 물체를 식별하는 것이 쉽지 않다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 여러 개의 물체가 존재하는 복잡한 환경에서 목표 물체를 정확하게 식별할 수 있도록 하는 전기장 센서 시스템 및 이를 이용한 목표 물체 식별 방법을 제공하기 위한 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 의한 전기장 센서 시스템은, 전기장을 발생시키는 전극; 전기장의 변화에 대한 전기장 이미지를 획득하기 위한 전기장 센서; 및 상기 전기장 센서를 통해 획득된 전기장 이미지에 대한 미분 곡선을 구하여 목표 물체를 식별하는 목표 물체 식별부를 포함한다.

여기서, 상기 전극은 복수개의 전극이 길이 방향으로 나란히 배열된 형태로 구성될 수 있으며, 이 경우 상기 전극은 복수개의 양의 전극과 하나의 음의 전극으로 구성될 수 있고, 상기 복수개의 양의 전극의 전위차의 합과 상기 음의 전극의 전위차가 동일하도록 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 목표 물체 식별부는 상기 전기장 이미지의 1차 미분 곡선에서 기울기가 최대인 지점을 목표 물체가 존재하는 지점으로 식별한다. 즉, 상기 목표 물체 식별부는 상기 전기장 이미지의 2차 미분 곡선에서 최소값을 가지는 지점을 목표 물체가 존재하는 지점으로 식별할 수 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 의한 전기장 센서 시스템을 이용한 목표 물체 식별 방법은, 전기장을 발생시키는 단계; 전기장의 변화에 대한 전기장 이미지를 획득하는 단계; 상기 전기장 이미지에 대한 미분 곡선을 구하는 단계; 및 상기 전기장 이미지의 2차 미분 곡선에서 최소값을 갖는 지점을 목표 물체가 존재하는 지점으로 식별하는 단계를 포함한다.

본 발명에 의하면, 전기장 센서를 통해 간단한 알고리즘으로 효율적으로 수중 상황을 파악할 수 있으며, 필요한 경우 시각 센서와 융합하여 보다 정확하게 주위의 물체를 파악할 수 있게 된다. 특히, 다양한 장애물이 존재하는 수중에서도 목표가 되는 물체의 위치를 정확하게 추정할 수 있게 된다. 따라서, 본 발명은 잠수정이나 탐사선 등에 적용되어 수중에서의 물체 또는 지형 탐사를 위해 다방면으로 활용될 수 있다.

도 1은 본 발명에서 사용 가능한 전기장 센서 시스템을 모델링한 일 예를 도시하는 도면,
도 2a 내지 도 2c는 물체의 변화에 따른 전기장 이미지의 일 예를 나타내는 도면,
도 3a 내지 도 3c는 배경 물체 사이의 간격 변화에 따른 전기장 이미지의 일 예를 나타내는 도면,
도 4a 및 도 4b는 배경 물체 사이의 간격 변화에 따른 전기장 이미지의 일 예를 나타내는 도면,
도 5는 목표 물체와 배경 물체가 함께 존재하는 경우 정규화된 전기장 이미지와 이의 1차 및 2차 미분 곡선을 나타내는 도면,
도 6a 내지 도 6c는 미분 곡선을 통해 목표 물체를 식별하는 방법을 설명하기 위한 도면,
도 7은 본 발명의 일 측면에 의한 전기장 센서 시스템의 구성도, 그리고
도 8은 본 발명의 다른 측면에 의한 전기장 센서 시스템을 이용한 목표 물체 식별 방법의 흐름도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.

덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

우선, 본 발명에 의한 전기장 센서 시스템 및 이를 이용한 목표 물체 식별 방법을 설명하기에 앞서, 물체의 변화에 따른 전기장 이미지로부터 목표 물체를 식별할 수 있는 방법에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에서 사용 가능한 전기장 센서 시스템을 모델링한 일 예를 도시하는 도면이다.

본 발명에서 사용되는 전기장 센서 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 간단하게 모델링될 수 있다. 구체적으로, 전기장을 발생시키기 위한 전극이 나란히 배치되며, 양 옆으로 복수개의 전기장 센서가 배치될 수 있다. 이때, 전극은 복수개의 양의 전극과 하나의 음의 전극으로 이루어질 수 있으며, 양의 전극의 전위차의 합과 음의 전극의 전위차가 동일하도록 구성된다.

도 1에 도시된 바와 같이 전극의 양 옆에 배치된 전기장 센서를 통해 전기장 이미지를 획득할 수 있다. 전극에서 발생시킨 전기장의 크기를 계산할 수 있으므로, 전기장 센서를 통해 얻어지는 전기장 크기와 전극에서 발생시킨 전기장 크기의 차를 통해 전기장의 변화에 대한 전기장 이미지를 획득할 수 있게 된다.

전기장 센서 시스템의 위로부터 아래까지의 방향을 길이 방향이라고 지칭할 때, 길이 방향으로 나란히 배열된 전기장 센서로부터 읽은 왜곡된 값을 이미지로 나타내면 물체가 있는 지점을 중심으로 하여 종 모양의 형태를 보이게 된다. 이 곡선에서 최대값의 위치, 최대값의 크기, 그리고 최대값의 1/2 지점이 되는 곡선의 넓이 등의 성질과 물체의 위치, 전기적 성질, 크기 등을 연결하기 위한 연구가 진행되어 왔다.

도 2a 내지 도 2c는 물체의 변화에 따른 전기장 이미지의 일 예를 나타내는 도면으로, 물체의 위치와 크기가 변하는 경우의 전기장 이미지를 나타낸다. 구체적으로, 도 2a는 물체가 길이 방향으로 이동하는 경우, 도 2b는 물체가 측면으로 멀어지는 방향으로 이동하는 경우, 그리고 도 2c는 물체의 크기가 변하는 경우의 전기장 이미지를 나타낸다.

전기장 센서 근처에 도체의 물체가 있는 경우, 그 물체와 가장 가까운 전기장 센서에서 가장 큰 값을 가지고 그 물체에서 멀어질수록 그 값이 작아져서 물체와 가장 가까운 지점을 중심으로 하는 포물선 형태의 곡선을 그리게 된다.

따라서, 도 2a로부터, 물체의 길이 방향에서의 위치는 곡선에서 최대값의 위치를 통해 쉽게 확인할 수 있다.

또한, 도 2b로부터, 물체의 측면 방향으로의 위치는 최대 기울기와 최대값의 비율, 즉, 상대적 기울기(relative slope)로 물체의 크기에 상관없는 값을 구할 수 있다.

본 발명은 특히 여러 개의 물체가 존재하는 복잡한 환경에서 목표 물체를 정확하게 식별하기 위한 것으로, 이하의 설명에서는 복잡한 환경에서 배경 물체들이 일정한 간격을 유지하면서 전기장 센서 시스템의 중심으로부터 동일한 거리에 배치된다고 가정한다.

여기서, 배경 물체의 개수, 배경 물체들 사이의 간격은 목표 물체 인식에 영향을 미치는 요인이 될 수 있다. 예를 들어, 배경 물체간의 간격이 좁으면 각 배경 물체로 인한 포물선 형태의 곡선이 겹치면서 각각의 피크가 중첩되어 부드럽게 변하는 저주파수 성격을 지니는 하나의 포물선 형태의 곡선이 나타나게 되고, 이에 따라 고주파수 성격을 지닌 포물선 형태의 곡선을 나타내는 목표 물체를 용이하게 분리할 수 있다. 그러나, 배경 물체간의 간격이 커질수록 각 배경 물체로 인한 포물선 형태의 곡선에서 피크가 두드러지게 되어 목표 물체로 인한 피크 점을 구분하기가 어려워진다.

도 3a 내지 도 3c는 배경 물체 사이의 간격 변화에 따른 전기장 이미지의 일 예를 나타내는 도면으로, 도 3a 내지 도 3c에서 실선은 목표 물체만 존재하는 경우, 점선은 배경 물체만 존재하는 경우, 그리고 파선은 목표 물체와 배경 물체가 함께 존재하는 경우를 나타낸다. 또한, 도 3a는 배경 물체 사이의 간격이 2cm인 경우, 도 3b는 배경 물체 사이의 간격이 3cm인 경우, 그리고 도 3c는 배경 물체 사이의 간격이 4cm인 경우를 나타낸다.

또한, 도 4a 및 도 4b는 배경 물체 사이의 간격 변화에 따른 전기장 이미지의 일 예를 나타내는 도면으로, 도 4a 및 도 4b는 배경 물체 사이의 간격이 2cm, 3cm, 4cm 및 5cm로 변할 때의 전기장 이미지를 나타내며, 도 4a는 배경 물체만 존재하는 경우를, 그리고 도 4b는 목표 물체와 배경 물체가 함께 존재하는 경우를 나타낸다.

도 3a 내지 도 3c, 그리고 도 4a 및 도 4b로부터 배경 물체 간의 거리가 멀어질수록 각각의 배경 물체로 인한 곡선의 피크가 눈에 띄게 두드러지게 드러남을 알 수 있다.

구체적으로, 도 3a의 경우 도 3b 및 도 3c에 비해 배경 물체들이 서로 가까이 존재하는데, 이 경우 배경 물체들로 인한 전기장 이미지는 하나의 큰 물체가 존재하는 것처럼 매끄러운 곡선의 형태로 나타난다. 즉, 배경 물체로 인한 전기장 이미지는 저주파수 성격을 가지게 되고, 이로써 목표 물체로 인한 전기장 이미지가 확실하게 드러나서 목표 물체가 어디에 존재하는지 쉽게 확인할 수 있다.

반면, 배경 물체 간의 거리가 멀어질수록 각각의 배경 물체로 인한 포물선 형태의 전기장 이미지가 드러나게 된다. 다시 말해, 도 4a에 도시된 바와 같이 울퉁불퉁한 형태의 전기장 이미지가 형성되고, 목표 물체가 배경 물체와 전기장 센서 시스템 사이에 존재하더라도 전기장 이미지에 피크가 여러 개 존재하기 때문에 목표 물체를 파악하기 힘들어진다. 특히, 배경 물체의 크기가 커지거나 거리가 가까워지는 경우 다른 피크에서의 최대값이 커진다면 목표 물체를 배경 물체로부터 구분하기 힘들어진다.

본 발명에서는 배경 물체들 사이에서 목표 물체를 식별하기 위해 전기장 이미지의 최대 기울기 값을 구하고 그 위치를 통하여 목표 물체의 위치를 추정한다.

이를 위해, 목표 물체가 배경 물체들에 비해 상대적으로 작은 크기를 가지고 전기장 센서 시스템으로부터 가까운 거리에 존재한다고 가정하면, 목표 물체로 인한 전기장의 변화는 배경 물체로 인한 전기장의 변화보다 더 고주파 성분을 가지게 된다.

예를 들어, 도 4b에서 목표 물체는 전기장 센서 시스템으로부터 약 8cm 떨어진 지점에 존재하는데, 목표 물체가 존재하는 지점에서 가장 급격하게 전기장의 변화가 있는 것을 알 수 있다.

도 4b와 같이 목표 물체와 배경 물체가 함께 존재하는 경우의 전기장 이미지에서 목표 물체의 위치를 추정하기 위해 미분 곡선을 구하면 도 5와 같다.

도 5는 목표 물체와 배경 물체가 함께 존재하는 경우 정규화된 전기장 이미지와 이의 1차 및 2차 미분 곡선을 나타내는 도면으로, 점선은 목표 물체와 배경 물체가 함께 존재하는 경우의 정규화된 전기장 이미지(즉, 원래의 곡선)를, 파선은 원래의 곡선의 1차 미분 곡선을, 그리고 실선은 2차 미분 곡선을 나타낸다.

도 5에서 수평의 실선은 미분 곡선에서 0점을 지나는 실선으로, 원래의 곡선에서 피크가 나타나는 지점마다 1차 미분 곡선은 0점을 지나게 된다. 특히, 1차 미분 곡선은 목표 물체가 존재하는 지점에서 그 기울기가 가장 큰데, 이는 목표 물체가 존재하는 지점에서의 전기장의 변화가 가장 급격함을 의미한다.

여기서, 2차 미분을 하면 그 변화를 더 확실하게 알 수 있다. 목표 물체로 인한 전기장의 이미지가 증가하다가 감소하는 형태를 가지기 때문에, 2차 미분 곡선에서 최소값을 가지는 지점이 목표 물체가 존재하는 지점이 된다.

도 6a 내지 도 6c는 미분 곡선을 통해 목표 물체를 식별하는 방법을 설명하기 위한 도면으로, 도 6a 내지 도 6c에서 점선은 목표 물체와 배경 물체가 함께 존재하는 경우의 전기장 이미지, 실선은 점선에 대한 2차 미분 곡선, o는 목표 물체의 실체 위치, 그리고 x는 2차 미분 곡선으로부터 추정된 목표 물체의 위치를 나타낸다. 또한, 도 6a는 배경 물체 사이의 간격이 2cm인 경우, 도 6b는 배경 물체 사이의 간격이 3cm인 경우, 그리고 도 6c는 배경 물체 사이의 간격이 4cm인 경우를 나타낸다.

도 6a 내지 도 6c로부터, 배경 물체 사이의 간격이 달라지더라도 원래의 곡선에서 목표 물체로 인한 피크점과 2차 미분 곡선에서 최소값을 가지는 지점이 일치함을 알 수 있다. 이와 같이, 목표 물체로 인한 전기장 이미지가 갖는 고주파수의 성격을 이용하면 미분 곡선을 통해 쉽게 목표 물체의 위치를 추정할 수 있게 된다.

실제 전기 물고기의 경우에도, 배경으로 간주되는 바위나 꼬리지느러미의 움직임과 같은 전기 물고기 자체의 움직임으로 인한 전기장의 변화는 전기 물고기에 근접해 있는 목표 물체로 인한 전기장의 변화보다 부드럽게 변하는 저주파 성분으로 간주된다. 전기 물고기의 결절 모양의 전기 수용기는 고주파 성분에 더 민감하게 반응하기 때문에 이런 성질을 이용하여 목표 물체를 인식할 수 있음을 알 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 측면에 의한 전기장 센서 시스템의 구성도이다.

도 7을 참조하면, 전기장 센서 시스템(100)은 전극(110), 전기장 센서(120) 및 목표 물체 식별부(130)를 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 전극(110)은 전기장을 발생시키기 위한 것으로, 복수개의 전극이 길이 방향으로 나란히 배열된 형태로 구성될 수 있다. 또한, 전극(110)은 복수개의 양의 전극과 하나의 음의 전극으로 이루어질 수도 있는데, 이때 복수개의 양의 전극의 전위차의 합과 음의 전극의 전위차가 동일하도록 구성되는 것이 바람직하다.

전기장 센서(120)는 전기장 이미지를 획득하기 위한 것으로, 도 7에 도시된 바와 같이 전극(110)의 양 옆에 열의 형태로 배치될 수 있다. 전기장 센서(120)를 통해 얻어지는 전기장 크기와 전극(110)에서 발생시킨 전기장 크기의 차를 통해 전기장의 변화에 대한 전기장 이미지를 획득할 수 있다.

목표 물체 식별부(130)는 전기장 센서(120)에 의해 획득된 전기장 이미지에 대한 미분 곡선을 구하여 목표 물체를 식별한다. 구체적으로, 목표 물체 식별부(130)는 전기장 이미지의 1차 미분 곡선에서 기울기가 최대인 지점을 목표 물체가 존재하는 지점으로 식별할 수 있다. 이를 위해, 목표 물체 식별부(130)는 전기장 이미지의 2차 미분 곡선에서 최소값을 가지는 지점을 목표 물체가 존재하는 지점으로 식별할 수 있다.

도 8은 본 발명의 다른 측면에 의한 전기장 센서 시스템을 이용한 목표 물체 식별 방법의 흐름도이다.

우선, 전기장 센서 시스템(100)의 전극(110)을 통해 전기장을 발생시킨다 (S210).

이후, 전기장 센서(120)를 통해 전기장 이미지를 획득한다(S220). 이때, 전기장 이미지는 전기장의 변화에 대한 전기장 이미지로서, 전기장 센서(120)를 통해 얻어지는 전기장 크기와 전극(110)에서 발생시킨 전기장 크기의 차를 통해 구해질 수 있다.

이후, 목표 물체 식별부(130)에서 전기장 이미지에 대한 미분 곡선을 구하여(S230) 전기장 이미지의 2차 미분 곡선에서 최소값을 갖는 지점을 목표 물체가 존재하는 위치로 식별한다(S240).

본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것이 명백할 것이다.

100: 전기장 센서 시스템
110: 전극
120: 전기장 센서
130: 목표 물체 식별부

Claims (7)

1. 전기장을 발생시키는 전극;
   전기장의 크기를 감지하고, 상기 전극에서 발생된 전기장의 크기와 상기 감지된 전기장의 크기의 차이를 이용하여 전기장의 변화에 대한 전기장 이미지를 획득하기 위한 전기장 센서; 및
   상기 전기장 센서를 통해 획득된 전기장 이미지에 대한 미분 곡선을 구하여 목표 물체를 식별하는 목표 물체 식별부를 포함하고,
   상기 목표 물체 식별부는 상기 전기장 이미지의 2차 미분 곡선에서 최소값을 가지는 지점을 목표 물체가 존재하는 지점으로 식별하는 것을 특징으로 하는 전기장 센서 시스템.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 전극은 복수개의 전극이 길이 방향으로 나란히 배열된 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기장 센서 시스템.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 전극은 복수개의 양의 전극과 하나의 음의 전극으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기장 센서 시스템.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 복수개의 양의 전극의 전위차의 합과 상기 음의 전극의 전위차가 동일하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전기장 센서 시스템.
   
5. 삭제
6. 삭제
7. 전기장을 발생시키는 단계;
   전기장의 변화에 대한 전기장 이미지를 획득하는 단계;
   상기 전기장 이미지에 대한 미분 곡선을 구하는 단계; 및
   상기 전기장 이미지의 2차 미분 곡선에서 최소값을 갖는 지점을 목표 물체가 존재하는 지점으로 식별하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 목표 물체 식별 방법.

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