KR101408089B1 - Device and method for measuring 3D position using multi-channel ultrasonic sensor - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 하나의 송신 센서와 다수의 수신 센서로 이루어진 센서 어레이를 이용하여 3차원 공간좌표계상에서 측정 대상물의 위치를 측정할 수 있는 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 장치 및 그 방법을 제공한다. 이를 위한 본 발명은 초음파를 측정 대상물로 송신하는 하나의 송신 센서와, 상기 측정 대상물로부터 반사된 초음파를 수신하는 적어도 3개의 수신 센서로 이루어진 판상의 센서 어레이와; 상기 송신 센서에서 초음파 송신후 상기 각 수신 센서에서 수신한 시간을 카운트하여 상기 각 수신 센서로부터 상기 측정 대상물까지의 왕복거리를 산출하고 이를 기초로 상기 측정 대상물의 위치를 측정하는 제어부;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. 상기와 같은 구성에 의해 본 발명은 위치측정의 2차원 한계성을 극복하여 공간상에서 정확하고 다양한 위치를 측정할 수 있으며, 다양한 용도로 활용할 수 있는 효과가 있다. The present invention relates to an apparatus and method for three-dimensional position measurement using an ultrasonic sensor array and a method for measuring the position of a measurement object on a three-dimensional spatial coordinate system using a sensor array including one transmission sensor and a plurality of reception sensors A three-dimensional position measuring apparatus using an ultrasonic sensor array and a method therefor are provided. In order to achieve the above object, according to the present invention, there is provided an ultrasonic diagnostic apparatus, comprising: a plate-shaped sensor array including one transmitting sensor for transmitting ultrasound to a measurement object and at least three receiving sensors for receiving ultrasonic waves reflected from the object; And a control unit for counting the time received by each of the reception sensors after the ultrasonic wave is transmitted from the transmission sensor, calculating the round trip distance from each reception sensor to the measurement object, and measuring the position of the measurement object based on the calculated distance. . According to the above-described structure, the present invention overcomes the two-dimensional limit of the position measurement and can accurately and variously measure positions in the space and can be utilized for various purposes.

초음파 센서, 3차원 위치, 좌표계, 센서 어레이 Ultrasonic sensor, three-dimensional position, coordinate system, sensor array

Description

초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 장치 및 그 방법{Device and method for measuring 3D position using multi-channel ultrasonic sensor} [0001] The present invention relates to a three-dimensional position measuring apparatus using an ultrasonic sensor array,

본 발명은 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히, 하나의 송신 센서와 다수의 수신 센서로 이루어진 센서 어레이를 구성하고, 측정 대상물과의 거리 및 3차원 공간좌표계 상에서의 수신 센서 좌표를 기초로 수치해석 기법을 이용하여 3차원 위치측정이 가능한 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 장치 및 그 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a three-dimensional position measuring apparatus using an ultrasonic sensor array and a method thereof, and more particularly to a sensor array including one transmitting sensor and a plurality of receiving sensors, Dimensional position measurement using an ultrasonic sensor array capable of three-dimensional position measurement using a numerical analysis technique based on the received sensor coordinates of a receiving sensor, and a method thereof.

일반적으로 초음파 센서를 이용한 물체의 감지는 주로 초음파 센서로부터 물체까지의 거리를 측정하는 것이다.In general, the detection of an object using an ultrasonic sensor is mainly performed by measuring the distance from the ultrasonic sensor to the object.

초음파 센서를 이용한 거리측정 방법은 초음파를 송신한 시점부터 물체에서 반사된 초음파를 수신하는 시점까지의 체공 시간(T.O.F.:Time-Of-Flight)을 측정하고, 측정된 체공 시간에 공기중에서 초음파의 전파 속도를 곱하여 산출한다. The distance measuring method using the ultrasonic sensor measures the time-of-flight (TOF) from the time of transmitting the ultrasonic wave to the time of receiving the ultrasonic waves reflected from the object, Multiplied by the speed.

여기서, 체공 시간은 초음파를 송신한 시점에 일정한 주파수의 클록 신호를 갖는 카운터가 카운트를 개시하고 물체에서 반사된 초음파를 수신하는 시점에 카운트를 종료하여 측정된다.Here, the skew time is measured by counting a counter having a clock signal of a certain frequency at the time of transmitting the ultrasonic wave and ending the count at the time of receiving the ultrasonic wave reflected from the object.

이러한 초음파 센서를 이용한 측정방법은 로봇의 장애물 검지 등 다양한 목적으로 사용될 수 있다. Such a measurement method using an ultrasonic sensor can be used for various purposes such as detecting an obstacle of a robot.

그러나, 이와 같은 종래의 초음파 센서를 이용한 측정 방법은 초음파 센서의 퍼짐각 특성으로 인해 물체의 정확한 방향을 측정할 수 없고, 로봇과 같은 이동체의 위치 측정시 기본적으로 2차원상에서 측정하는 것으로 3차원 위치를 측정할 수 없는 문제점이 있다. However, in the conventional measuring method using the ultrasonic sensor, the accurate direction of the object can not be measured due to the spreading angle characteristic of the ultrasonic sensor, and when measuring the position of the moving object such as a robot, Can not be measured.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 하나의 송신 센서와 다수의 수신 센서로 이루어진 센서 어레이를 이용하여 3차원 공간좌표계상에서의 측정 대상물의 위치를 측정할 수 있는 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Disclosure of Invention Technical Problem [8] The present invention has been proposed in order to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide an ultrasonic sensor array capable of measuring the position of a measurement object on a 3D spatial coordinate system using a sensor array including one transmission sensor and a plurality of reception sensors Dimensional position measuring apparatus and method therefor.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 초음파를 측정 대상물로 송신하는 하나의 송신 센서와, 상기 측정 대상물로부터 반사된 초음파를 수신하는 적어도 3개의 수신 센서로 이루어진 판상의 센서 어레이와; 상기 송신 센서에서 초음파 송신후 상기 각 수신 센서에서 수신한 시간을 카운트하여 상기 각 수신 센서로부터 상기 측정 대상물까지의 왕복거리를 산출하고 이를 기초로 상기 측정 대상물의 위치를 측정하는 제어부;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an ultrasonic diagnostic apparatus comprising: a plate-shaped sensor array including one transmitting sensor for transmitting ultrasonic waves as a measurement object; and at least three receiving sensors for receiving ultrasonic waves reflected from the measurement object; And a control unit for counting the time received by each of the reception sensors after the ultrasonic wave is transmitted from the transmission sensor, calculating the round trip distance from each reception sensor to the measurement object, and measuring the position of the measurement object based on the calculated distance. .

바람직하게는 상기 센서 어레이는 상기 송신 센서가 그 중앙에 배치되고, 상 기 각 수신 센서는 상기 송신 센서를 중심으로 한 원상에서 등각으로 배치될 수 있다. Preferably, the sensor array is disposed at the center of the transmitting sensor, and each receiving sensor may be disposed at an equal angle on a circle around the transmitting sensor.

바람직하게는 상기 제어부가, 상기 각 수신 센서로부터 수신된 신호를 증폭하는 적어도 3개의 증폭부와; 상기 송신 센서를 구동하는 드라이버와; 상기 송신 센서와 상기 각 수신 센서의 위치를 3차원 좌표계로 구성하고 상기 송신 센서 및 상기 각 수신 센서로부터 상기 측정 대상물까지의 왕복거리 산출식을 도출하여 수치해석 기법에 따라 상기 측정 대상물의 위치를 산출하는 신호처리부와; 상기 신호처리부의 제어에 따라 시간을 카운트하는 카운터;를 포함할 수 있다.Preferably, the control unit includes: at least three amplifying units for amplifying signals received from the receiving sensors; A driver for driving the transmission sensor; Wherein a position of the measurement object is calculated according to a numerical analysis technique by constructing a position of the transmission sensor and each reception sensor in a three-dimensional coordinate system and deriving a reciprocating distance calculating expression from the transmission sensor and each reception sensor to the measurement object, ; And a counter for counting time under the control of the signal processing unit.

바람직하게는 상기 센서 어레이는 상기 각 수신 센서의 각 좌표축에 대한 좌표값이 동일하게 되지 않도록 상기 각 수신 센서가 배치될 수 있다.Preferably, the sensor array may be arranged such that the coordinate values of the coordinate axes of the respective receiving sensors are not the same.

본 발명의 다른 양태에 따른 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 방법은 하나의 송신 센서와 적어도 3개의 수신 센서로 이루어진 센서 어레이를 준비하는 준비 단계와; 상기 송신 센서에서 초음파를 측정 대상물로 송신하고, 상기 각 수신 센서가 상기 측정 대상물로부터 반사된 초음파를 수신하는 측정 단계와; 상기 송신 센서에서 초음파 송신후 상기 각 수신 센서에서 수신한 시간을 카운트하여 상기 각 수신 센서로부터 상기 측정 대상물까지의 왕복거리를 산출하는 거리산출 단계와; 상기 산출된 왕복거리를 기초로 상기 측정 대상물의 위치를 산출하는 위치산출 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a three-dimensional position measurement method using an ultrasonic sensor array, comprising: preparing a sensor array including one transmitting sensor and at least three receiving sensors; A measurement step of transmitting ultrasonic waves from the transmission sensor to the measurement object and receiving the ultrasonic waves reflected from the measurement object by the respective reception sensors; A distance calculating step of counting the time received by each of the receiving sensors after the ultrasonic wave is transmitted from the transmitting sensor and calculating a round trip distance from each receiving sensor to the measuring object; And a position calculating step of calculating a position of the measurement object on the basis of the calculated reciprocating distance.

바람직하게는 상기 거리산출 단계에서 상기 송신 센서에서 초음파를 송신하면 카운트를 개시하여 상기 각 수신 센서에서 초음파를 수신하면 카운트를 종료하 고 그에 대응하는 시간을 산출하는 카운트 단계를 추가로 포함할 수 있다.Preferably, the distance calculating step may further include a counting step of counting the ultrasonic waves transmitted from the transmission sensor and counting the ultrasonic waves received by the respective receiving sensors, and calculating the corresponding time .

바람직하게는 상기 위치산출 단계에서 상기 송신 센서와 상기 각 수신 센서의 위치를 3차원 좌표계로 구성하고 상기 송신 센서 및 상기 각 수신 센서로부터 상기 측정 대상물까지의 왕복거리 산출식을 도출하여 수치해석 기법에 따라 상기 측정 대상물의 위치를 산출할 수 있다. Preferably, in the position calculating step, the positions of the transmitting sensor and the receiving sensors are constituted by a three-dimensional coordinate system, and a reciprocating distance calculating expression from the transmitting sensor and each receiving sensor to the measuring object is derived, The position of the measurement object can be calculated.

바람직하게는 상기 준비 단계에서 상기 각 수신 센서의 각 좌표축에 대한 좌표값이 동일하게 되지 않도록 상기 각 수신 센서를 배치할 수 있다.Preferably, the receiving sensors may be disposed such that the coordinate values of the respective coordinate axes of the respective receiving sensors are not the same in the preparing step.

본 발명에 따른 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 장치 및 그 방법은 하나의 송신 센서와 다수의 수신 센서를 하나의 어레이에 배치하고, 송신 센서로부터 송신된 초음파가 측정 대상물에 의해 반사되어 수신된 시간차를 측정하여 측정 대상물까지의 왕복거리를 산출하고, 산출된 왕복거리와 다수의 수신 센서의 위치정보를 기초로 수치해석 기법을 이용하여 측정 대상물의 3차원 위치를 측정함으로써, 위치측정의 2차원 한계성을 극복하여 공간상에서 정확하고 다양한 위치를 측정할 수 있으며, 다양한 용도로 활용할 수 있는 효과가 있다. An apparatus and method for measuring three-dimensional position using an ultrasonic sensor array according to the present invention are characterized by arranging one transmitting sensor and a plurality of receiving sensors in one array and transmitting ultrasonic waves transmitted from the transmitting sensor, Dimensional position of the object to be measured by using a numerical analysis technique based on the calculated reciprocal distance and the positional information of a plurality of receiving sensors by measuring the time difference, It is possible to measure the accurate and various positions in the space by overcoming the limitation, and there is an effect that it can be utilized for various purposes.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 센서 어레이의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 장치의 구 성도이다.FIG. 1 is a configuration diagram of an ultrasonic sensor array according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a configuration diagram of a 3D position measuring apparatus using an ultrasonic sensor array according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에 따른 3차원 위치측정 장치(1)는 초음파를 측정 대상물로 송신하는 송신 센서(200)와 측정 대상물로부터 반사된 초음파를 수신하는 적어도 3개의 수신 센서(300)가 배치된 판상의 센서 어레이(100)와, 센서 어레이(100)의 초음파 송수신을 제어하여 체공 시간을 측정하여 거리를 산출하고 이를 기초로 3차원 좌표계상에서 측정 대상물의 위치를 측정하는 제어부(400)로 구성된다. The three-dimensional position measuring device 1 according to the embodiment of the present invention includes a transmitting sensor 200 for transmitting ultrasonic waves to a measurement object and a plate-like sensor 300 for receiving at least three receiving sensors 300 for receiving reflected ultrasonic waves from the measurement object And a control unit 400 for controlling the ultrasonic transmission / reception of the sensor array 100 to measure the time of the body to measure the distance, and to measure the position of the object to be measured on the three-dimensional coordinate system based on the distance.

센서 어레이(100)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 송신 센서(200)가 그 중앙에 배치되고, 각 수신 센서(301~303)가 후술하는 바와 같이 3차원 좌표계에서 각 좌표축에 대한 좌표값이 동일하게 되지 않도록 배치된다. As shown in Fig. 1, the sensor array 100 includes a transmitting sensor 200 disposed at the center thereof, and each of the receiving sensors 301 to 303 receives a coordinate value of each coordinate axis in a three-dimensional coordinate system Are not the same.

예를 들면, 각 수신 센서(301~303)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 송신 센서(200)를 중심으로 반경 D의 원상에서 120°의 등각으로 배치된다. For example, as shown in Fig. 1, each of the receiving sensors 301 to 303 is arranged at an equiangular angle of 120 deg. From a circle having a radius D centering on the transmitting sensor 200. [

제어부(400)는 수신 센서(300)로부터 수신된 신호를 증폭하는 적어도 3개의 증폭부(410)와, 송신 센서(200)를 구동하는 드라이버(420)와, 신호처리를 위한 DSP(Digital Signal Processing) 모듈로 이루어진 신호처리부(430)와, 신호처리부(430)의 제어에 따라 카운트하는 카운터(440)로 구성된다. The control unit 400 includes at least three amplifying units 410 for amplifying signals received from the receiving sensor 300, a driver 420 for driving the transmitting sensor 200, a DSP (Digital Signal Processing And a counter 440 for counting under the control of the signal processing unit 430. The signal processing unit 430 includes a signal processing unit 430,

증폭부(410)는 제 1 증폭부(411)와, 제 2 증폭부(412)와, 제 3 증폭부(413)로 구성되는데, 각 증폭부(411~413)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 수신 센서(301), 제 2 수신 센서(302), 제 3 수신 센서(303)에 각각 연결되어 수신된 신호를 증폭한다. The amplifying unit 410 includes a first amplifying unit 411, a second amplifying unit 412 and a third amplifying unit 413, The first receiving sensor 301, the second receiving sensor 302, and the third receiving sensor 303 to amplify the received signal.

드라이버(420)는 초음파가 측정 대상물로 적절하게 송신될 수 있도록 송신 센서(200)를 구동한다. The driver 420 drives the transmission sensor 200 so that ultrasonic waves can be appropriately transmitted to the measurement object.

신호처리부(430)는 송신 센서(200)에서 초음파를 송신한 다음 각 수신 센서(300)에서 수신한 시간을 측정하기 위하여 카운터(440)를 제어하고, 카운트된 시간에 초음파의 공기중 전파 속도를 곱하여 송신 센서(200) 및 수신 센서(300)와 측정 대상물까지의 왕복거리를 산출한다. The signal processing unit 430 controls the counter 440 to measure the time received by each of the reception sensors 300 after transmitting the ultrasonic waves from the transmission sensor 200 and calculates the propagation speed of the ultrasonic waves in the air at the counted time And calculates a reciprocating distance between the transmitting sensor 200 and the receiving sensor 300 and the object to be measured.

여기서, 왕복거리의 산출을 위한 송신 센서(200), 수신 센서(300) 및 측정 대상물의 위치는 후술하는 바와 같은 3차원 좌표계로 구성한다. 송신 센서(200) 및 각 수신 센서(301~303)로부터 측정 대상물까지의 왕복거리는 3차원 좌표계상에서의 두점 간의 거리 산출식에 의해 산출된다. Here, the position of the transmission sensor 200, the reception sensor 300 and the measurement object for calculation of the reciprocating distance is constituted by a three-dimensional coordinate system as described later. The reciprocating distance from the transmitting sensor 200 and each receiving sensor 301 to 303 to the measuring object is calculated by a distance calculating formula between two points on the three-dimensional coordinate system.

또한, 신호처리부(430)는 적어도 3개의 수신 센서(300)에 대한 거리 산출식, 즉, 적어도 3개의 거리 산출식에서 산출된 거리와, 송신 센서(200), 각 수신 센서(301~303) 및 측정 대상물의 3차원 좌표를 대입하고, 수치해석 기법에 따라 측정 대상물의 위치를 산출하여 그 위치를 측정한다. The signal processing unit 430 calculates the distance calculated by the distance calculating formula for at least three receiving sensors 300, that is, the distance calculated from at least three distance calculating equations, and the distance between the transmitting sensor 200, The three-dimensional coordinates of the measurement object are substituted, and the position of the measurement object is calculated according to the numerical analysis technique and the position is measured.

카운터(440)는 신호처리부(430)가 송신 센서(200) 및 수신 센서(300)로부터 측정 대상물까지의 거리를 산출하기 위한 초음파의 체공 시간을 카운트한다. The counter 440 counts the time of the ultrasonic wave to calculate the distance from the transmission sensor 200 and the reception sensor 300 to the measurement object.

이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 3차원 위치측정 장치(1)는 제어부(400)가 송신 센서(200)를 구동하여 측정 대상물을 향해 초음파를 송신하면, 송신된 초음파가 측정 대상물로 전파된다. 이때, 제어부(400)는 카운터(440)를 제어하여 시간 카운트를 개시한다. 여기서, 초음파는 그 특성상 60도 내외의 퍼짐각을 가지고 전파된다.When the control unit 400 drives the transmission sensor 200 to transmit ultrasonic waves toward the measurement object, the transmitted three-dimensional position measurement device 1 according to the embodiment of the present invention configured as described above propagates the transmitted ultrasonic waves to the measurement object . At this time, the control unit 400 controls the counter 440 to start counting time. Here, the ultrasonic wave propagates with a spreading angle of about 60 degrees due to its characteristics.

측정 대상물에 도달한 초음파 중 일부는 측정 대상물에 의해 반사되어 다시 수신 센서(300)로 전파된다. 이때, 측정 대상물로부터 반사된 초음파는 각 수신 센서(301~303)의 위치와 측정 대상물의 위치에 따라 서로 다른 시간에 각 수신 센서(301~303)로 도달된다. Some of the ultrasonic waves reaching the measurement object are reflected by the measurement object and then propagated to the reception sensor 300 again. At this time, the ultrasonic waves reflected from the measurement object are respectively transmitted to the reception sensors 301 to 303 at different times according to the positions of the reception sensors 301 to 303 and the position of the measurement object.

제어부(400)는 각 수신 센서(301~303)에서 초음파를 수신하면 카운터(440)를 제어하여 각 수신 센서(301~303)에 대한 체공 시간을 산출하고, 산출된 체공 시간과 초음파의 공기중 전달 속도를 곱하여 각 수신 센서(301~303)에서 수신된 초음파가 이동한 왕복거리를 거리 산출식에 의해 산출한다. The control unit 400 controls the counter 440 to calculate the time of the respective sensors 301 to 303 and outputs the calculated time of the ultrasonic waves to the air in the ultrasonic waves And the reciprocating distance of the ultrasonic waves received by the receiving sensors 301 to 303 is calculated by a distance calculating equation.

또한, 제어부(400)는 송신 센서(200)를 3차원 좌표계의 원점으로 하며 각 수신 센서(301~303)와 측정 대상물의 좌표값을 거리 산출식에 대입하고 수치해석 기법을 이용하여 측정 대상물의 위치를 측정한다. In addition, the control unit 400 sets the transmission sensor 200 as the origin of the three-dimensional coordinate system, substitutes the coordinate values of the reception sensors 301 to 303 and the measurement object into the distance calculation equation, Measure the position.

이러한 구성에 의해 3차원상에서 대상물의 위치를 측정할 수 있다. With this configuration, the position of the object can be measured in three dimensions.

이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 방법을 설명한다.Hereinafter, a method of measuring a three-dimensional position using the ultrasonic sensor array according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 방법을 나타낸 순서도이고, 도 4는 본 발명의 3차원 위치측정 원리를 설명하기 위한 도면이며, 도 5는 도 3에서 각 수신 센서의 신호 수신에 대한 타이밍도이다.FIG. 3 is a flowchart illustrating a method for measuring three-dimensional position using an ultrasonic sensor array according to an embodiment of the present invention. FIG. 4 is a view for explaining the principle of three- Fig. 7 is a timing chart for signal reception of the receiving sensor. Fig.

본 발명의 실시예에 따른 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 방법은 먼저, 하나의 송신 센서와 적어도 3개의 수신 센서로 이루어진 센서 어레이를 준비한다(단계 S301).In the 3D position measuring method using the ultrasonic sensor array according to the embodiment of the present invention, a sensor array including one transmitting sensor and at least three receiving sensors is prepared (step S301).

도 1에 도시된 바와 같이, 센서 어레이(100)는 각 수신 센서(301~303)가 송신 센서(200)를 중심으로 반경 D의 원상에서 120°의 등각으로 배치되도록 구성된다. As shown in FIG. 1, the sensor array 100 is configured such that each of the receiving sensors 301 to 303 is disposed at an equiangular angle of 120 degrees from the circle having a radius D centering on the transmitting sensor 200.

다음으로, 송신 센서에서 초음파를 측정 대상물로 송신한다(단계 S302).Next, the transmission sensor transmits the ultrasonic wave as the measurement object (step S302).

도 4에 도시된 바와 같이, 송신 센서(200)가 초음파를 송신하면 측정 대상물(10)로 전파 경로(20)를 따라 전파되고, 측정 대상물(10)에 의해 반사된 초음파는 다시 각 전파 경로(31~33)를 통하여 각 수신 센서(301~303)로 전파된다.4, when the transmission sensor 200 transmits an ultrasonic wave, the ultrasonic waves propagated along the propagation path 20 to the measurement object 10 and reflected by the measurement object 10 are transmitted to the respective propagation paths 20 31 to 33 to the receiving sensors 301 to 303, respectively.

송신 센서에서 초음파를 송신하면 카운트를 개시한다(단계 S303).When the ultrasonic wave is transmitted from the transmission sensor, counting is started (step S303).

3차원 위치측정 장치(1)에서 제어부(400)는 송신 센서(200)가 초음파를 송신함과 동시에 카운터(440)를 제어하여 카운트를 개시하고 수신 센서(300)에서 측정 대상물(10)에 의해 반사된 초음파가 수신될 때까지 지속적으로 카운트하도록 카운터(440)를 제어한다. In the three-dimensional position measuring apparatus 1, the control unit 400 controls the counter 440 to start counting at the same time that the transmitting sensor 200 transmits ultrasonic waves, and the counting is started by the receiving sensor 300 And controls the counter 440 to continuously count until the reflected ultrasonic waves are received.

다음으로, 각 수신 센서에서 초음파가 수신되었는가를 판단하여(단계 S304), 초음파가 수신되지 않았다고 판단한 경우에는 초음파가 수신될 때까지 카운트를 지속한다. Next, it is determined whether the ultrasonic waves are received from the respective receiving sensors (step S304). If it is determined that the ultrasonic waves are not received, the counting is continued until the ultrasonic waves are received.

단계 S304의 판단결과, 각 수신 센서에서 초음파가 수신되었다고 판단한 경우, 즉, 각 수신 센서가 측정 대상물로부터 반사된 초음파를 수신하면, 해당 수신 센서에 대한 카운트를 종료하고 그에 대응하는 시간을 산출한다(단계 S305).As a result of the determination in step S304, when it is determined that the ultrasonic waves are received by the respective receiving sensors, that is, when each receiving sensor receives the ultrasonic waves reflected from the measuring object, the counting for the receiving sensor is ended and the time corresponding thereto is calculated Step S305).

3차원 위치측정 장치(1)에서 제어부(400)는 각 수신 센서(301~303)에서 초음파가 수신되었음을 감지하면, 이 시점의 카운터(440) 출력값으로부터 체공 시간을 산출한다. In the three-dimensional position measuring apparatus 1, when the controller 400 senses that the ultrasonic waves are received by the receiving sensors 301 to 303, the controller 400 calculates the time of the airs from the output value of the counter 440 at this point.

여기서, 각 수신 센서(301~303)에서 수신된 초음파는, 도 4에 도시된 바와 같이, 측정 대상물(10)의 위치와 각 수신 센서(301~303)의 배치에 따라 체공 시간에 차이가 발생한다. 4, the ultrasonic waves received by the respective receiving sensors 301 to 303 are different from each other depending on the position of the measuring object 10 and the arrangement of the receiving sensors 301 to 303 do.

산출된 시간을 기초로 각 수신 센서로부터 측정 대상물까지의 왕복거리를 산출한다(단계 S306). Based on the calculated time, the reciprocating distance from each reception sensor to the measurement object is calculated (step S306).

3차원 위치측정 장치(1)에서 제어부(400)는 도 5에 도시된 바와 같은 초음파의 체공 시간에 초음파의 공기중 전파 속도를 곱하여 초음파의 이동 왕복거리를 산출한다. In the three-dimensional position measuring apparatus 1, the control unit 400 calculates the moving distance of the ultrasonic wave by multiplying the ultrasonic wave propagation velocity by the ultrasonic wave propagation velocity as shown in FIG.

산출된 왕복거리와 각 수신 센서의 위치를 기초로 측정 대상물의 위치를 산출한다(단계 S307). The position of the measurement object is calculated based on the calculated reciprocating distance and the position of each reception sensor (step S307).

여기서, 측정 대상물의 위치를 산출하기 위해서는 먼저, 송신 센서와 각 수신 센서의 위치를 3차원 좌표계로 구성하고, 송신 센서 및 상기 각 수신 센서로부터 상기 측정 대상물까지의 왕복거리 산출식을 도출하여 수치해석 기법에 따라 상기 측정 대상물의 위치를 산출한다.In order to calculate the position of the measurement object, first, the position of the transmission sensor and each reception sensor is formed into a three-dimensional coordinate system, and a calculation formula of a reciprocal distance from the transmission sensor and each reception sensor to the measurement object is derived, The position of the measurement object is calculated according to the technique.

3차원 좌표계의 설정은 예를 들면, 도 4에 도시된 바와 같이, 판상의 센서 어레이(100)에서 송신 센서(200)를 원점으로 하여 평면의 상하방향을 z축으로, 좌우방향을 y축으로, 센서 어레이(100)로부터 측정 대상물(10)로의 방향을 x축으로 하는 3차원 좌표계(40)를 설정한다. As shown in Fig. 4, the three-dimensional coordinate system can be set, for example, in the planar sensor array 100 with the transmission sensor 200 as the origin, the vertical direction of the plane as the z axis, and the horizontal direction as the y axis Dimensional coordinate system 40 in which the direction from the sensor array 100 to the measurement object 10 is the x-axis.

이와 같이 설정된 3차원 좌표계에서, 측정 대상물(10), 송신 센서(200), 및 각 수신 센서(301~303)의 좌표는 [x0,y0,z0], [0,0,0], [0,xR1,zR1], [0,xR2,zR2], [0,xR3,zR3]로 가정한다. In this three-dimensional coordinate system, the coordinates of the measurement object 10, the transmission sensor 200, and the reception sensors 301 to 303 are [x 0 , y 0 , z 0 ], [ 0 , 0 , 0] , [0, x R1 , z R1 ], [0, x R2 , z R2 ], and [0, x R3 , z R3 ].

여기서, 각 수신 센서(301~303)의 위치 좌표는 센서 어레이(100)의 배치에 따라 변경되며 사전 센서 어레이(100)의 설계시 결정된다. 단, 3차원 위치 연산을 위해서는 각 수신 센서(301~303)는 각 좌표축(x,y,z)에 대한 그 좌표값이 동일하지 않게 되도록 배치될 수도 있다. Here, the positional coordinates of the receiving sensors 301 to 303 are changed according to the arrangement of the sensor array 100, and are determined at the time of designing the pre-sensor array 100. [ However, in order to perform the three-dimensional position calculation, each of the receiving sensors 301 to 303 may be arranged such that coordinate values of the coordinate axes (x, y, z) are not the same.

이와 같은 3차원 좌표계에서 송신 센서(200)와 각 수신 센서(301~303)간 초음파의 이동 왕복거리 산출식은 하기의 수학식 1과 같다.In this three-dimensional coordinate system, the calculation formula of the moving distance of the ultrasonic waves between the transmitting sensor 200 and the receiving sensors 301 to 303 is expressed by Equation 1 below.

Figure 112007089696638-pat00001
Figure 112007089696638-pat00001

여기서, LR1은 송신 센서(200)와 제 1 수신 센서(301)간 초음파의 이동 왕복거리이고, LR2는 송신 센서(200)와 제 2 수신 센서(302)간 초음파의 이동 왕복거리이며, LR1은 송신 센서(200)와 제 3 수신 센서(303)간 초음파의 이동 왕복거리이다.Here, L R1 is a moving distance of ultrasonic waves between the transmitting sensor 200 and the first receiving sensor 301, L R2 is a moving distance of the ultrasonic waves between the transmitting sensor 200 and the second receiving sensor 302, And L R1 is the moving distance of the ultrasonic waves between the transmitting sensor 200 and the third receiving sensor 303.

상기 수학식 1을 기초로 수치해석 기법을 이용하여 해를 구하여 측정 대상물(10)의 위치를 측정한다. The position of the measurement object 10 is measured by obtaining a solution using the numerical analysis technique based on Equation (1).

여기서, 복수의 해가 나올 경우에는 x0의 값이 초음파 전파 방향과 일치하는 것을 선정한다. 즉, 도 4의 좌표계(40)에 있어서, 측정 대상물(10)의 위치는 x0의 값이 양수인 것을 선정한다. Here, when a plurality of solutions occur, the value of x 0 coincides with the propagation direction of the ultrasonic waves. That is, in the coordinate system 40 of FIG. 4, the position of the measurement object 10 is selected such that the value of x 0 is positive.

이와 같은 방법에 의해 위치측정의 2차원 한계성을 극복하여 공간상에서 정확하고 다양하게 대상물의 위치를 측정할 수 있다. In this way, it is possible to overcome the two-dimensional limit of position measurement and accurately and variously measure the position of the object in space.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 센서 어레이의 구성도.1 is a configuration diagram of an ultrasonic sensor array according to an embodiment of the present invention;

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 장치의 구성도.2 is a block diagram of a three-dimensional position measuring apparatus using an ultrasonic sensor array according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 방법을 나타낸 순서도.3 is a flowchart illustrating a method for measuring three-dimensional position using an ultrasonic sensor array according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 3차원 위치측정 원리를 설명하기 위한 도면.4 is a view for explaining the three-dimensional position measurement principle of the present invention.

도 5는 도 4에서 각 수신 센서의 신호 수신에 대한 타이밍도.5 is a timing diagram for signal reception of each receiving sensor in Fig.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Description of the Related Art [0002]

1 : 3차원 위치측정 장치 100 : 센서 어레이1: three-dimensional position measuring device 100: sensor array

200 : 송신 센서 300 : 수신 센서200: transmitting sensor 300: receiving sensor

400 : 제어부 410 : 증폭부400: control unit 410: amplification unit

420 : 드라이버 430 : 신호처리부420: driver 430: signal processor

440 : 카운터440: Counter

Claims (8)

초음파를 측정 대상물로 송신하는 하나의 송신 센서와, 상기 측정 대상물로부터 반사된 초음파를 수신하는 적어도 3개의 수신 센서로 이루어진 판상의 센서 어레이와;A plate-shaped sensor array having one transmitting sensor for transmitting ultrasonic waves as an object to be measured and at least three receiving sensors for receiving ultrasonic waves reflected from the object to be measured; 상기 송신 센서에서 초음파 송신후 상기 각 수신 센서에서 수신한 시간을 카운트하여 상기 각 수신 센서로부터 상기 측정 대상물까지의 왕복거리를 산출하고 이를 기초로 상기 측정 대상물의 위치를 측정하는 제어부;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 장치.And a control unit for counting the time received by each of the reception sensors after the ultrasonic wave is transmitted from the transmission sensor, calculating the round trip distance from each reception sensor to the measurement object, and measuring the position of the measurement object based on the calculated distance. Dimensional position measuring device using an ultrasonic sensor array. 제 1 항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 센서 어레이는 상기 송신 센서가 그 중앙에 배치되고, 상기 각 수신 센서는 상기 송신 센서를 중심으로 한 원상에서 등각으로 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 장치.Wherein the sensor array is disposed at the center of the transmission sensor, and each of the reception sensors is arranged at an equal angle from a circle centered on the transmission sensor. 제 1 항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 제어부는,Wherein, 상기 각 수신 센서로부터 수신된 신호를 증폭하는 적어도 3개의 증폭부와;At least three amplifiers for amplifying signals received from the respective receiving sensors; 상기 송신 센서를 구동하는 드라이버와;A driver for driving the transmission sensor; 상기 송신 센서와 상기 각 수신 센서의 위치를 3차원 좌표계로 구성하고 상기 송신 센서 및 상기 각 수신 센서로부터 상기 측정 대상물까지의 왕복거리를 산출하여 이를 기초로 상기 측정 대상물의 위치를 산출하는 신호처리부와;A signal processor for calculating the position of the measurement object on the basis of the transmission sensor and the reciprocal distance from the reception sensor to the measurement object, the position of the transmission sensor and the reception sensors being in a three-dimensional coordinate system, ; 상기 신호처리부의 제어에 따라 시간을 카운트하는 카운터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 장치.And a counter for counting the time according to the control of the signal processing unit. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, 상기 센서 어레이는 상기 각 수신 센서의 각 좌표축에 대한 좌표값이 동일하게 되지 않도록 상기 각 수신 센서가 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 장치.Wherein the receiving sensors are arranged such that the coordinate values of the respective receiving axes of the receiving sensor are not the same. 하나의 송신 센서와 적어도 3개의 수신 센서로 이루어진 센서 어레이를 준비하는 준비 단계와;Preparing a sensor array composed of one transmitting sensor and at least three receiving sensors; 상기 송신 센서에서 초음파를 측정 대상물로 송신하고, 상기 각 수신 센서가 상기 측정 대상물로부터 반사된 초음파를 수신하는 측정 단계와;A measurement step of transmitting ultrasonic waves from the transmission sensor to the measurement object and receiving the ultrasonic waves reflected from the measurement object by the respective reception sensors; 상기 송신 센서에서 초음파 송신후 상기 각 수신 센서에서 수신한 시간을 카운트하여 상기 각 수신 센서로부터 상기 측정 대상물까지의 왕복거리를 산출하는 거리산출 단계와;A distance calculating step of counting the time received by each of the receiving sensors after the ultrasonic wave is transmitted from the transmitting sensor and calculating a round trip distance from each receiving sensor to the measuring object; 상기 산출된 왕복거리를 기초로 상기 측정 대상물의 위치를 산출하는 위치산출 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 초음파 센서 어레이를 이용한 3 차원 위치측정 방법.And calculating a position of the object to be measured based on the calculated reciprocating distance. 제 5 항에 있어서,6. The method of claim 5, 상기 거리산출 단계는 상기 송신 센서에서 초음파를 송신하면 카운트를 개시하여 상기 각 수신 센서에서 초음파를 수신하면 카운트를 종료하고 그에 대응하는 시간을 산출하는 카운트 단계를 추가로 포함하는 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 방법.Wherein the distance calculating step further comprises a counting step of counting when the ultrasonic wave is transmitted from the transmission sensor and counting the time when the ultrasonic wave is received by each of the reception sensors and calculating a time corresponding thereto, Dimensional position measurement method. 제 5 항에 있어서,6. The method of claim 5, 상기 위치산출 단계는 상기 송신 센서와 상기 각 수신 센서의 위치를 3차원 좌표계로 구성하고 상기 송신 센서 및 상기 각 수신 센서로부터 상기 측정 대상물까지의 왕복거리를 산출하여 이를 기초로 상기 측정 대상물의 위치를 산출하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 방법.Wherein the position calculating step includes a step of calculating a position of the transmitting sensor and the receiving sensor in a three-dimensional coordinate system, calculating a reciprocating distance from the transmitting sensor and each receiving sensor to the measuring object, Dimensional position measurement using the ultrasonic sensor array. 제 5항에 있어서,6. The method of claim 5, 상기 준비 단계는 상기 각 수신 센서의 각 좌표축에 대한 좌표값이 동일하게 되지 않도록 상기 각 수신 센서를 배치하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 방법.Wherein each of the receiving sensors is arranged such that the coordinate values of the coordinate axes of the respective receiving sensors are not the same.
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