KR101360028B1 - Measuring device for 6 dof motion based on laser sensor through optimaization design - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 최적화 설계를 통한 레이저 센서 기반 6자유도 운동 측정 장치에 관한 것이다.
The present invention relates to a laser sensor based six degree of freedom motion measurement device through an optimized design.
움직이는 대상 물체의 6자유도 운동을 측정하는 장치의 일례로서 2001년 11월 23일에 공개된 한국특허출원공개 제10-2001-0103297호에 개시된 장치가 있다. 그러나 이 종래 기술에서는 삼면 반사체에 레이저를 쏘아 반사되는 빛의 패턴으로 대상 물체의 6 자유도를 측정하는데, 이 기술은 단거리에서는 6 자유도 운동의 측정이 가능하지만, 장거리에서의 6 자유도 운동을 측정하는 데에는 적절하지 않은 단점이 있다.
An example of a device for measuring 6 degrees of freedom motion of a moving object is disclosed in Korean Patent Application Publication No. 10-2001-0103297, published on November 23, 2001. However, this conventional technique measures 6 degrees of freedom of a target object by using a pattern of reflected light by emitting a laser to a three-sided reflector. This technique can measure six degrees of freedom motion at short distances, but measures six degrees of freedom motion at long distances There is a drawback that it is not appropriate to
본 발명은 이러한 종래 기술의 단점을 해결하여 장거리에서도 대상 물체의 6 자유도 운동을 정밀하고 고속으로 측정할 수 있는 레이저 센서 기반 6 자유도 운동 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
An object of the present invention is to provide a laser sensor-based 6 degrees of freedom motion measuring device that can measure the 6 degrees of freedom motion of a target object precisely and at high speed even over a long distance.
본 발명에 의한, 6 자유도 운동을 측정하는 레이저 센서 기반 측정 장치는, (1) 상기 대상 물체에 레이저를 입사시키는 적어도 세 개의 레이저 센서와, (2) 상기 레이저 센서로부터 방출된 레이저가 상기 대상 물체에 입사하여 맺히는 상(像)을 영상처리하여 상기 상의 2차원 좌표를 산출하는 영상 처리 장치와, (3) 상기 영상처리 장치로부터 상기 2차원 좌표를 입력받고 상기 레이저 센서로부터 거리 정보를 입력받아 상기 대상 물체의 6 자유도 운동을 산출하는 주제어부를 포함한다.According to the present invention, a laser sensor-based measuring apparatus for measuring six degrees of freedom motion includes (1) at least three laser sensors for injecting a laser into the object, and (2) a laser emitted from the laser sensor is used for the object. An image processing apparatus that calculates two-dimensional coordinates of the image by image-processing an image formed by entering an object, and (3) receiving the two-dimensional coordinates from the image processing apparatus and receiving distance information from the laser sensor It includes a main control unit for calculating the six degrees of freedom motion of the target object.
상기 적어도 세 개의 레이저 센서는 서로에 대해 비평행하도록 배치되며, 상기 적어도 세 개의 레이저 센서들의 설치 높이 차이, 서로 이격된 거리 및 회전 설치 각도는 최적화 방법에 의해서 결정된다.The at least three laser sensors are arranged to be non-parallel with respect to each other, and the installation height difference, the distance from each other and the rotation installation angle of the at least three laser sensors are determined by an optimization method.
본 발명의 바람직한 형태에 의하면, 상기 대상 물체에 제공되는 각도 센서를 더 포함하며, 상기 영상처리장치는 상기 각도 센서로부터 각도 정보를 더 입력받아 상기 각도 정보를 상기 주제어부로 전달하한다.According to a preferred aspect of the present invention, the apparatus further includes an angle sensor provided to the target object, and the image processing apparatus further receives angle information from the angle sensor and transfers the angle information to the main controller.
상기 최적화 방법은 유전 알고리즘(genetic algorithm) 또는 최소자승법(least square method)일 수 있다.The optimization method may be a genetic algorithm or a least square method.
본 발명의 다른 형태에 의하면 상기 대상 물체에 레이저를 입사시키는 레이저 포인터를 더 포함하며, 상기 영상 처리 장치는 상기 레이저 포인터가 입사시켜 상기 대상 물체에 맺히는 상(像)도 영상처리하여 상기 상의 2차원 좌표를 산출한다.
According to another aspect of the present invention, the apparatus further includes a laser pointer for injecting a laser into the target object, and the image processing apparatus further processes the image of the laser pointer incident on the target object to perform image processing to perform two-dimensional image processing. Calculate the coordinates.
본 발명에 의하면 6 자유도 측정에 있어서 측정 오차가 감소하고 장거리에서도 효과적으로 6 자유도를 측정할 수 있게 된다.
According to the present invention, in the six degrees of freedom measurement, the measurement error is reduced, and six degrees of freedom can be measured effectively even at a long distance.
도 1은 본 발명에 의한 레이저 측정 장치의 측정 원리를 설명하기 위한 개념도.
도 2는 본 발명에 의한 레이저 측정 장치 배열의 일례를 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 의한 레이저 센서가 대상 물체에 입사하여 맺히는 상에 대한 설명을 위한 도면.
도 4는 본 발명에 의한 레이저 센서 기반 측정 장치의 블록도.
도 5는 본 발명에 의한 최적화 방법의 예시적 시뮬레이션 결과를 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면.1 is a conceptual diagram for explaining a measuring principle of a laser measuring apparatus according to the present invention.
2 is a diagram showing an example of the arrangement of the laser measuring apparatus according to the present invention;
3 is a view for explaining the image formed by the laser sensor according to the present invention incident on the target object.
4 is a block diagram of a laser sensor based measurement apparatus according to the present invention.
5 shows exemplary simulation results of the optimization method according to the invention.
6 is a view for explaining another embodiment of the present invention.
이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예에 대해서 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1에는 레이저 센서(10, 20, 30)의 레이저가 대상 물체(50)에 맺히는 상(像)과 기본 원리를 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다. 도 1에는 설명의 간략화를 위해 레이저 센서(10, 20, 30)가 서로 평행하게 배열되어 있는 경우가 도시되어 있다. 레이저 센서(10, 20, 30)가 레이저를 대상 물체(50)에 쏘면 도 1의 붉은색 점과 같은 상(像)이 맺히는데 이를 카메라(40)로 촬영하여 영상처리를 하면 도 1에서와 같이 각각의 상에 대해서 3차원 좌표를 부여할 수 있다. 그리고 대상 물체(50)의 6 자유도 변위는 3개의 축에 대한 3개의 각도값 즉 롤각도(θ; roll angle), 피치각도(φ; pitch), 요잉 각도(ψ; yaw)와, 3개의 축에 대한 변위 , , 로 구성된다.FIG. 1 is a diagram illustrating an image and a basic principle of the laser of the
도 2에는 본 발명에 의한 레이저 센서 배열이 도시되어 있다. 본 발명에 의하면 세 개 이상의 레이저 센서를 서로에 대해서 평행하게 배열하지 않고, 비평행한 관계로 배열되는데 각각의 레이저 센서들간의 설치 높이 차이, 서로 이격된 거리 및 회전 설치 각도는 최적화 방법에 의해서 결정된다. 최적화 방법으로는 유전 알고리즘(genetic algorithm) 또는 최소자승법(least square method)를 사용할 수 있다.2 shows a laser sensor arrangement in accordance with the present invention. According to the present invention, three or more laser sensors are arranged in a non-parallel relationship without being arranged in parallel with each other. The difference in installation heights, distances and rotational installation angles between the respective laser sensors is determined by an optimization method. . As an optimization method, a genetic algorithm or a least square method may be used.
본 명세서에서 레이저 센서라 함은 1차원 레이저 센서를 의미한다.In the present specification, the laser sensor means a one-dimensional laser sensor.
도 3에는 레이저 센서(10, 20, 30)의 예시적인 배치 개념도가 도시되어 있다. 제1 레이저 센서(10)와 제2 레이저 센서(20)는 같은 높이에서 지지부(50)에 제공되며, 제3 레이저 센서(30)는 그 사이에서 높이차(H)를 두고 배치된다. 제3 레이저 센서(30)로부터 제1 레이저 센서(10)와 제2 레이저 센서(20)까지의 거리는 각각 L로서 동일하다고 가정한다. 그리고 각각의 레이저 센서(10, 20, 30)는 서로 평행하지 않게 배치되는데 X 축에 대한 회전 각도를 α로 정의하고 레이저 센서의 순서를 아래 첨자로 표시하여 해당 레이저 센서의 X 축에 대한 회전 각도를 표시한다. 그리고 Y 축에 대한 회전 각도는 β로 정의하고 레이저 센서의 순서를 아래 첨자로 표시하여 해당 레이저 센서의 Y 축에 대한 회전 각도를 표시한다.3 shows an exemplary placement conceptual diagram of the
좌표계를 도 3에 도시된 바와 같이 정의하면, 레이저 센서 구조에서 보는 제1 내지 제3 레이저 센서의 위치는 다음과 같이 정의할 수 있다.If the coordinate system is defined as shown in FIG. 3, the positions of the first to third laser sensors viewed in the laser sensor structure may be defined as follows.
로 정의하면, Lt; / RTI >
는 i번째 레이저 센서에서 측정한 대상물체까지의 거리를 의미한다. Denotes the distance to the object measured by the i-th laser sensor.
결국, 6 자유도를 산출하는 전체적인 수식은 다음과 같이 유도될 수 있다.As a result, the overall equation for calculating six degrees of freedom can be derived as follows.
여기에서 (, , )는 i번째 레이저 센서에 의해서 대상 물체에 맺힌 상을 카메라(40)가 촬영하여 영상처리함으로써 측정된 각각의 상(像)의 좌표를 의미한다. 그리고 는 i번째 레이저 센서의 센서 노이즈값을 의미하며, e는 구조적 설계 오차를 의미한다. 구조적 설계 오차는 레이저 장치를 설치할 때 발생하게 되는 오차를 의미하며, 설계적 오류와 탭 틈새 등에 의해서 발생한다.From here ( , , ) Denotes the coordinates of each image measured by the
위의 수식을 이용하여 cost fuction J가 측정 오차 root mean square를 최소화하는 최적화 설계를 예를 들어, 유전 알고리즘(genetic algorithm) 또는 최소자승법(least square method) 등을 이용하여 구조 변수인, L, H, 및 를 산출할 수 있게 된다.Using the above equation, cost fuction J is an optimization design that minimizes the root mean square of measurement error. For example, the structural variables L, H, which are structural variables using a genetic algorithm or a least square method, etc. , And Can be calculated.
도 5에는 유전 알고리즘을 이용하여 각도 측정에 있어서의 오차를 시뮬레이션한 예시적 결과가 도시되어 있는데, 이 시뮬레이션 결과를 참고하여 오차를 최소로 할 수 있는 레이저 센서간의 거리 및 비틀어진 각도 등을 결정할 수 있다.5 shows an exemplary result of simulating an error in the angle measurement using a genetic algorithm. Referring to the simulation result, the distance between the laser sensors and the twisted angle that can minimize the error can be determined. have.
본 명세서에서는 레이저 센서가 세 개인 경우에 대해서 설명하는데, 그 이상의 개수에 대해서도 본 발명의 기술적 사상을 적용하면 용이하게 이해될 수 있다.In the present specification, a case of three laser sensors will be described, and it can be easily understood by applying the technical spirit of the present invention to the number more than that.
도 4에는 본 발명에 의한 레이저 센서 기반 6 자유도 운동 측정 장치의 블록도가 도시되어 있다. 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 측정 장치는, 주제어부(100)와, 적어도 세 개의 레이저 센서(200)와, 이미지 프로세서(300)와, 카메라(320)와, 레이저센서 모터부(400)를 포함한다. 각도 센서(340)는 본 발명에 의한 측정 장치에 필수적인 구성요소는 아니다.Figure 4 is a block diagram of a laser sensor based 6 degrees of freedom motion measuring apparatus according to the present invention. As shown in FIG. 4, the measuring device according to the present invention includes a
레이저 센서(200)가 대상물체(50)에 쏜 레이저 빛이 형성하는 스폿의 영상정보가 카메라(320)를 통해서 이미지 프로세서(300)에 의해 처리되고 레이저 센서(200)가 측정하여 주제어부(300)에 입력된 거리 정보에 의해서 스폿의 3차원 좌표 정보(x, y, z)가 산출된다.The image information of the spot formed by the laser light shot by the
이렇게 산출된 3차원 좌표 정보는 주제어부(100)로 무선 전송되며, 전술한 관계식에 근거하여 주제어부(100)가 6 자유도 운동을 산출하게 된다. 한편, 대상 물체(50)에 기울기 센서나 자이로 센서와 같은 각도 센서(340)가 제공되면 센서 퓨전 알고리즘을 이용하여 측정 정밀도를 더욱 높일 수 있다.The three-dimensional coordinate information thus calculated is wirelessly transmitted to the
레이저 센서 모터 제어부(400)는 레이저 센서(200)에 장착된 모터를 제어하여 레이저 센서(200)가 대상 물체(50)에 쏘는 레이저가 빗나가지 않도록 모터를 제어한다. The laser sensor
본 발명의 다른 실시예로서, 레이저 센서(10, 20, 30)로 구성된 측정 장치에, 거리 측정 기능은 가지고 있지 않고 대상 물체에 레이저 빛을 쏠 수 있는 기능을 가지고 있는 레이저 포인터를 추가하는 실시예에 대해서 설명한다. 본 명세서에서 "레이저 포인터"라 함은, 레이저를 대상 물체에 입사시켜서 스폿을 형성하는 기능을 가지는 장치를 의미하며, 거리 측정 기능은 포함하지 않는 장치를 의미한다.In another embodiment of the present invention, an embodiment of adding a laser pointer having a function of shooting a laser light to a target object without a distance measuring function, to a measuring device composed of
도 6에는 레이저 포인터(60, 70)가 추가되는 실시예의 개념도가 도시되어 있다. 설명의 간략화를 위하여 레이저 센서(10, 20, 30)와 레이저 포인터(60, 70)의 배열은 도 6의 (b)에 도시된 것처럼 서로가 다각형을 이루면서 중앙에서 같은 거리만큼 이격되어 배치된 것으로 가정하며, 레이저 센서(10, 20, 30)와 레이저 포인터(60, 70)는 서로 평행하게 배열된 것으로 가정한다. 배열의 반지름을 r 이라고 하면, k번째 레이저 센서 및 i번째 레이저 포인터는 다음과 같은 관계식을 가지게 된다.6 shows a conceptual diagram of an embodiment in which
여기에서 From here
전술한 관계식에 의해서 대상 물체(50)의 6 자유도 운동은 방정식의 중복성이 증가에 의해서 산출될 수 있다. 위 관계식은 레이저 센서(10, 20, 30) 및 레이저 포인터(60, 70)의 배열 상태에 따라서 달라질 수 있으며, 예시적인 관계식임이 이해되어야 한다.The six degrees of freedom motion of the
위와 같이 거리 측정 기능은 없지만 레이저를 대상 물체(50)에 쏠 수 있는 레이저 포인터를 이용함으로써 중복성(redundancy)이 증가함으로써 측정 오차가 감소할 수 있다.Although there is no distance measuring function as described above, a measurement error may be reduced by increasing redundancy by using a laser pointer capable of shooting a laser onto the
이상 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예에 대해서 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되며 전술한 실시예 및/또는 도면에 제한되는 것으로 해석되어서는 아니된다. 그리고 특허청구범위에 기재된 발명의, 당업자에게 자명한 개량, 변경 및/또는 수정도 본 발명의 범위에 포함됨이 명백하게 이해되어야 한다.
While the preferred embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, it is to be understood that the scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description and drawings. And that improvements, changes and / or modifications, obvious to those skilled in the art, of the invention described in the claims are also included within the scope of the present invention.
10, 20, 30: 레이저 센서
50: 대상 물체
100: 주제어부
200: 레이저 센서
300: 이미지 프로세서
320: 각도 센서
340: 카메라10, 20, 30: laser sensor
50: object
100: subject fisherman
200: laser sensor
300: image processor
320: angle sensor
340: camera
Claims (4)
상기 대상 물체에 레이저를 입사시키는 적어도 세 개의 레이저 센서와,
상기 레이저 센서로부터 방출된 레이저가 상기 대상 물체에 입사하여 맺히는 상(像)을 영상처리하여 상기 상의 2차원 좌표를 산출하는 영상 처리 장치와,
상기 영상처리 장치로부터 상기 2차원 좌표를 입력받고 상기 레이저 센서로부터 거리 정보를 입력받아 상기 대상 물체의 6 자유도 운동을 산출하는 주제어부를 포함하며,
상기 적어도 세 개의 레이저 센서는 서로에 대해 비평행하도록 배치되며,
상기 적어도 세 개의 레이저 센서들의 설치 높이 차이, 서로 이격된 거리 및 회전 설치 각도는 최적화 방법에 의해서 결정되는,
레이저 센서 기반 6 자유도 측정 장치.
In the laser sensor-based measuring device for measuring the six degrees of freedom motion of the target object,
At least three laser sensors for injecting a laser beam into the object;
An image processing apparatus which calculates two-dimensional coordinates of the image by image-processing an image formed by the laser emitted from the laser sensor incident on the object;
A main control unit which receives the two-dimensional coordinates from the image processing apparatus and receives distance information from the laser sensor to calculate six degrees of freedom motion of the target object;
The at least three laser sensors are arranged to be non-parallel to each other,
The installation height difference, the distance from each other and the rotation installation angle of the at least three laser sensors are determined by an optimization method,
6 degrees of freedom measuring device based on laser sensor.
상기 대상 물체에 제공되는 각도 센서를 더 포함하며,
상기 영상처리장치는 상기 각도 센서로부터 각도 정보를 더 입력받아 상기 각도 정보를 상기 주제어부로 전달하는,
레이저 센서 기반 6 자유도 측정 장치.
The method according to claim 1,
Further comprising an angle sensor provided to the target object,
The image processing apparatus further receives angle information from the angle sensor and transmits the angle information to the main controller.
6 degrees of freedom measuring device based on laser sensor.
상기 최적화 방법은 유전 알고리즘(genetic algorithm) 또는 최소자승법(least square method)인,
레이저 센서 기반 6 자유도 측정 장치.
The method according to claim 1 or 2,
The optimization method is a genetic algorithm or a least square method,
6 degrees of freedom measuring device based on laser sensor.
상기 대상 물체에 레이저를 입사시키는 레이저 포인터를 더 포함하며,
상기 영상 처리 장치는 상기 레이저 포인터가 입사시켜 상기 대상 물체에 맺히는 상(像)도 영상처리하여 상기 상의 2차원 좌표를 산출하는,
레이저 센서 기반 6 자유도 측정 장치.
The method according to claim 1 or 2,
Further comprising a laser pointer for injecting a laser into the target object,
The image processing apparatus also calculates two-dimensional coordinates of the image by processing an image that the laser pointer enters and forms on the object.
6 degrees of freedom measuring device based on laser sensor.
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