KR101403377B1 - 2차원 레이저 센서를 이용한 대상 물체의 6 자유도 운동 산출 방법 - Google Patents

2차원 레이저 센서를 이용한 대상 물체의 6 자유도 운동 산출 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한, 2D 레이저 센서를 이용하여 대상 물체의 6 자유도 운동을 컴퓨터가 산출하는 방법은, 제1 2D 레이저 센서로 상기 대상 물체를 제1 방향으로 스캔하여 제1 방향에 있어서 두 개의 모서리 지점을 검출하는 제1 단계와l 상기 제1 2D 레이저 센서에 직교하는 제2 2D 레이저 센서로 상기 대상 물체를 상기 제1 방향에 직교하는 제2 방향으로 스캔하여 제2 방향에 있어서 두 개의 모서리 지점을 검출하는 제2 단계와; 상기 레이저 센서 좌표계에 대한 상기 네 개의 지점의 제1 위치 정보를 산출하는 제3 단계와; 상기 대상 물체 좌표계에 대한 상기 네 개의 지점의 제2 위치 정보를 정의하는 제4 단계와; 상기 제3 단계에서 산출한 제1 위치 정보와 상기 제4 단계에서 정의한 제2 위치 정보에 기초하여 상기 대상 물체의 6 자유도 운동을 산출하는 제5 단계를 포함한다.

Description

2차원 레이저 센서를 이용한 대상 물체의 6 자유도 운동 산출 방법{Method for Calculating 6 DOF Motion of Object By Using 2D Laser Scanner}
본 발명은 2차원 레이저 센서를 이용하여 대상 물체의 6 자유도 운동을 산출하는 방법에 관한 것이다.
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.
본 발명은, 장거리에서 움직이는 대상 물체의 6 자유도 운동을 간단한 장치로 정확하게 측정하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 2D 레이저 센서를 이용하여 대상 물체의 6 자유도 운동을 컴퓨터가 산출하는 방법으로서, 제1 2D 레이저 센서로 상기 대상 물체를 제1 방향으로 스캔하여 제1 방향에 있어서 제1 및 제2 모서리 지점을 검출하는 제1 단계와; 상기 제1 2D 레이저 센서에 직교하는 제2 2D 레이저 센서로 상기 대상 물체를 상기 제1 방향에 직교하는 제2 방향으로 스캔하여 제2 방향에 있어서 제3 및 제4 모서리 지점을 검출하는 제2 단계와; 상기 레이저 센서 좌표계에 대한 상기 제1 내지 제4 모서리 지점 각각의 제1 위치 정보를 산출하는 제3 단계와; 상기 대상 물체 좌표계에 대한 상기 제1 내지 제4 모서리 지점 각각의 제2 위치 정보를 정의하는 제4 단계와; 상기 제3 단계에서 산출한 제1 위치 정보와 상기 제4 단계에서 정의한 제2 위치 정보에 기초하여 상기 대상 물체의 6 자유도 운동을 산출하는 제5 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면 대상 물체가 장거리에 배치되더라도 간단한 2D 레이저 센서에 의해서 해당 대상 물체의 6 자유도 운동을 정확하게 측정할 수 있는 방법이 제공된다.
도 1은 본 발명이 실시되는 환경을 도시한 개념도.
도 2는 본 발명에 의한 6 자유도 운동 산출 방법에 있어서 대상 물체에서 검출되는 네 개의 지점의 좌표 관계를 설명하기 위한 도면.
이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 대해서 자세하게 설명한다. 본 발명에 의한 6 자유도 운동 산출 방법은 후술하는 2D 레이저 센서에 의해서 측정되는 네 개의 지점의 좌표 정보(위치 정보)에 기초하여 산출되는데 그 과정은 컴퓨터에 의해서 수행된다는 점이 이해되어야 한다.
도 1에는 본 발명의 원리를 설명하기 위한 개념도가 도시되어 있으며, 도 2에는 본 발명에 의한 방법을 설명하기 위한 좌표 개념도가 도시되어 있다.
본 발명에 의한 6 자유도 운동 산출 방법은, 제1 2D 레이저 센서(34) 및 제2 2D 레이저 센서(35)를 포함하는 레이저 장치(40)와, 레이저 장치(40)에 데이터 통신이 가능하게 연결되고 수학적 연산을 입력된 프로그램에 따라 수행할 수 있는 컴퓨터(50)를 포함한다. 컴퓨터(50)는 데이터를 전자적으로 입력/출력하는 것이 가능하고, 입력된 프로그램 또는 명령에 따라서 수학적 연산 또는 일련의 프로세스의 실행이 가능한 장치를 의미하며 그 종류에 제한은 없다.
레이저 장치(40)는 소정의 명령에 따라서 대상 물체(33)를 레이저 스캔하고, 스캔한 정보를 컴퓨터(50)로 전송하는 역할을 수행한다.
제1 2D 레이저 센서(34)와 제2 2D 레이저 센서(35)는 스캔하는 라인(30, 31)이 서로 직교하도록 배치된다. 제1 2D 레이저 센서(34)는 대상 물체(33)를 수직으로 스캔하고, 제2 2D 레이저 센서(35)는 대상 물체(33)를 수평으로 스캔한다.
레이저 장치(40)를 제어하여 대상 물체(33)를 수직 라인(30)과 수평 라인(31)을 스캔한다. 이렇게 레이저 스캔을 수행하면 대상 물체(33)의 모서리에서 수직 라인(30)의 두 개 지점(P2, P4)와 수평 라인(31)의 두 개 지점(P1, P3)이 측정된다.
이 네 개의 지점의 좌표는 레이저 좌표계로 표현할 수 있고, 또한 대상 물체 좌표계로 표한할 수도 있다.
도 2에는 네 개의 지점에 대한 좌표 표시에 대해서 도시되어 있다.
레이저 좌표계에 대한 네 개 지점의 좌표(
Figure 112012104282419-pat00001
)는 아래 행렬
Figure 112012104282419-pat00002
으로 표시될 수 있다. 대상 물체 좌표계에 대한 네 개 지점의 좌표(
Figure 112012104282419-pat00003
)는 후술하는 행렬
Figure 112012104282419-pat00004
으로 표시될 수 있다.
Figure 112012104282419-pat00005
은 다음과 같은 행렬로 표시할 수 있다.
Figure 112012104282419-pat00006
그리고 6 자유도 운동과,
Figure 112012104282419-pat00007
및
Figure 112012104282419-pat00008
관계는 다음과 같은 관계식으로 표현된다.
Figure 112012104282419-pat00009
6 자유도 운동을 나타내는 행렬
Figure 112012104282419-pat00010
는 다음과 같이 정의되는 오일러각도(Euler angles)의 동차행렬변환(homogenous transformation matrix)이며, 6 자유도 운동의 변수 즉
Figure 112012104282419-pat00011
,
Figure 112012104282419-pat00012
,
Figure 112012104282419-pat00013
, 롤각도(θ; roll), 피치각도(φ; pitch), 요각도(ψ; yaw)를 포함한다.
Figure 112012104282419-pat00014
한편,
Figure 112012104282419-pat00015
는 2D 레이저 장치로 산출(측정)하기가 어려운데, 본 발명자는 다음과 같은 방법을 제안한다.
서로 직교하는 전술한 바와 같은 2D 레이저 센서에 의해서 대상 물체에 검출되는 네 개의 지점(P1, P2, P3, P4)는 도 2와 같이 표시할 수 있으며, 이 네 개의 지점을 네 개의 영역(A1, A2, A3, A4)를 포함하는 함수에 의해서 표시한다. 이 영역들의 네 개의 부분은 함수 f(xi)로 표현할 수 있다.
대상 물체 좌표계를 (xS, yS)로 하고 원점을 OS로 하면,
Figure 112012104282419-pat00016
는 다음과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112012104282419-pat00017
여기에서,
Figure 112012104282419-pat00018
,
Figure 112012104282419-pat00019
,
Figure 112012104282419-pat00020
,
Figure 112012104282419-pat00021
이다.
미지수는 x1, x2, x3, x4와 6 자유도를 표시하는 6개의 변수 즉 총 10개이며, 전술한 수학식
Figure 112012104282419-pat00022
에 의해서 총 12개의 방정식으로 표현될 수 있기 때문에 뉴턴-랩슨법(Newton-Raphson Method), EKF(Extended Kalman Filter), 오일러 방법, 이분법(bisection method)과 같은 수치해석적 방법을 적용하여 컴퓨터(50)에 의해 10개의 변수를 산출할 수 있다. 위 변수들을 구하기 위해서 적용될 수 있는 수치해석적 방법은 다른 방법을 적용해도 무방하며, 그러한 수치해석적 방법의 종류에 본 발명의 권리범위가 제한되는 것은 아니다.
이 10개의 변수 중에서 6 자유도를 표시하는
Figure 112012104282419-pat00023
,
Figure 112012104282419-pat00024
,
Figure 112012104282419-pat00025
,
Figure 112012104282419-pat00026
,
Figure 112012104282419-pat00027
,
Figure 112012104282419-pat00028
를 산출하여 대상 물체(33)의 6 자유도 운동을 컴퓨터가 산출할 수 있다.
이상 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되며, 첨부 도면 및/또는 전술한 실시예에 제한되는 것으로 해석되어서는 아니된다. 그리고 특허청구범위에 기재된 발명의, 당업자에게 자명한 개량, 변경 및/또는 수정도 본 발명의 권리범위에 포함됨이 명백하게 이해되어야 한다.
33: 대상 물체
40: 레이저 장치
50: 컴퓨터

Claims (3)

  1. 2D 레이저 센서를 이용하여 대상 물체의 6 자유도 운동을 컴퓨터가 산출하는 방법에 있어서,
    제1 2D 레이저 센서로 상기 대상 물체를 제1 방향으로 스캔하여 제1 방향에 있어서 제1 및 제2 모서리 지점을 검출하는 제1 단계와,
    상기 제1 2D 레이저 센서에 직교하는 제2 2D 레이저 센서로 상기 대상 물체를 상기 제1 방향에 직교하는 제2 방향으로 스캔하여 제2 방향에 있어서 제3 및 제4 모서리 지점을 검출하는 제2 단계와,
    상기 레이저 센서 좌표계에 대한 상기 제1 내지 제4 모서리 지점 각각의 제1 위치 정보를 산출하는 제3 단계와,
    상기 대상 물체 좌표계에 대한 상기 제1 내지 제4 모서리 지점 각각의 제2 위치 정보를 정의하는 제4 단계와,
    상기 제3 단계에서 산출한 제1 위치 정보와 상기 제4 단계에서 정의한 제2 위치 정보에 기초하여 상기 대상 물체의 6 자유도 운동을 산출하는 제5 단계를 포함하는,
    2D 레이저 센서를 이용한 대상 물체의 6 자유도 운동 산출 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 위치 정보(PL)는 다음의 수학식 1에 의한 행렬로 정의되며, 상기 제2 위치 정보(PS)는 다음의 수학식 2의 행렬로 정의되며, 상기 대상 물체의 6 자유도 운동(Ms)은 다음의 수학식 3에 의해서 정의되며,
    하기 f(xn)은 상기 제1 내지 제4 모서리 지점에 의해서 대상 물체 상에서 정의되는 기하학적 형상에서 상기 제1 내지 제4 모서리 지점을 각각 포함하는 각각의 선을 규정하는 함수이며,
    상기 대상 물체의 6 자유도 운동은 하기 수학식 3을 상기 컴퓨터가 수치해석적으로 계산하여 산출되는,
    2D 레이저 센서를 이용한 대상 물체의 6 자유도 운동 산출 방법.
    <수학식 1>
    Figure 112014030086837-pat00035

    여기에서, X1은 서로 직교하는 X-Y-Z 축으로 구성된 레이저 센서 좌표계에 대한 상기 제1 모서리 지점의 X축 좌표이며, X2는 상기 레이저 센서 좌표계에 대한 상기 제2 모서리 지점의 X축 좌표이며, X3는 상기 레이저 센서 좌표계에 대한 상기 제3 모서리 지점의 X축 좌표이며, X4는 상기 레이저 센서 좌표계에 대한 상기 제4 모서리 지점의 X축 좌표이며,Y1은 상기 레이저 센서 좌표계에 대한 상기 제1 모서리 지점의 Y축 좌표이며, Y2는 상기 레이저 센서 좌표계에 대한 상기 제2 모서리 지점의 Y축 좌표이며, Y3는 상기 레이저 센서 좌표계에 대한 상기 제3 모서리 지점의 Y축 좌표이며, Y4는 상기 레이저 센서 좌표계에 대한 상기 제4 모서리 지점의 Y축 좌표이며, Z1은 상기 레이저 센서 좌표계에 대한 상기 제1 모서리 지점의 Z축 좌표이며, Z2는 상기 레이저 센서 좌표계에 대한 상기 제2 모서리 지점의 Z축 좌표이며, Z3는 상기 레이저 센서 좌표계에 대한 상기 제3 모서리 지점의 Z축 좌표이며, Z4는 상기 레이저 센서 좌표계에 대한 상기 제4 모서리 지점의 Z축 좌표임.
    <수학식 2>
    Figure 112014030086837-pat00036

    여기에서, x1은 서로 직교하는 xs-ys축으로 구성된 대상 물체 좌표계에 대한 상기 제1 모서리 지점의 x축 좌표이며, x2는 상기 대상 물체 좌표계에 대한 상기 제2 모서리 지점의 x축 좌표이며, x3는 상기 대상 물체 좌표계에 대한 상기 제3 모서리 지점의 x축 좌표이며, x4는 상기 대상 물체 좌표계에 대한 상기 제4 모서리 지점의 x축 좌표임.
    <수학식 3>
    Figure 112014030086837-pat00037

    여기에서
    Figure 112014030086837-pat00038

    이고, Δx는 서로 직교하는 x-y-z 축으로 구성된 변위 측정 기준 좌표계에 대한 x축 변위이며, Δy는 상기 변위 측정 기준 좌표계에 대한 y축 변위이며, Δz는 상기 변위 측정 기준 좌표계에 대한 z 축 변위임. θ는 상기 변위 측정 기준 좌표계의 x축에 대한 회전 각도인 롤각도(roll)이며, φ는 상기 변위 측정 기준 좌표계의 y축에 대한 회전 각도인 피치각도(pitch)이며, ψ는 상기 변위 측정 기준 좌표계의 z축에 대한 회전 각도인 요각도(yaw)임.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 수치해석적으로 산출하는 것은, 뉴턴-랩슨(Newton-Raphson) 방법과, EKF, 오일러 방법 및 이분법 중 어느 하나의 방법에 의한 수치해석에 의해서 상기 컴퓨터가 수행하는,
    2D 레이저 센서를 이용한 대상 물체의 6 자유도 운동 산출 방법.
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