KR101618795B1 - 이동체의 3차원 자세 및 위치 인식 장치 - Google Patents

이동체의 3차원 자세 및 위치 인식 장치 Download PDF

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Abstract

이동체의 3차원 자세 및 위치 인식 장치가 개시된다. 이동체의 3차원 자세 및 위치 인식 장치는, 입체 도형의 복수의 면에 개별적으로 부착되는 복수의 편광 모듈; 상기 편광 모듈에 개별적으로 대응되고, 편광 광원으로부터 발산되는 편광된 빛이 대응되는 편광 모듈에 투과되어 수광된 조도값 정보를 생성하여 출력하는 복수의 조도 모듈; 및 적어도 3개의 고려 대상면에 부착된 편광 모듈에 상응하는 조도 모듈로부터 수신된 조도값 정보를 이용하여 상기 이동체의 자세 정보와 위치 정보를 생성하는 해석부를 포함한다.

Description

이동체의 3차원 자세 및 위치 인식 장치{Device for detecting three-dimensional pose and position of moving object}
본 발명은 이동체의 3차원 자세 및 위치 인식 장치에 관한 것이다.
위치 기반 서비스(LBS, Location Based Service)는 위치 측위 기술을 통해 사용자의 위치를 파악하고, 이 파악한 결과에 기초하여 각종 정보 또는 서비스를 제공하는 서비스로서, 최근 GPS, 지자기 센서, 카메라, RFID 등의 기능을 가지는 스마트 폰의 등장으로 위치 기반 서비스에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
기존에 연구되고 있는 위치 기반 서비스는 GPS와 이동 통신망을 이용한 위치 측위 기술, 무선랜 신호 패턴의 매칭(Pattern Matching) 알고리즘에 기반한 위치 측위 기술 등 주로 실외 측위 시스템(outdoor localization system)에 관한 것이다.
그러나, 이러한 실외 측위 시스템은 높은 측위 정확도(accuracy of location estimation)를 요구하는 실내 환경에서는 적합하지 않다. 그 이유는 실외 측위 시스템이 실외에서 적절한 성능을 보장할지라도, 실내에서는 벽과 같은 실내 구조물에 의한 신호 간섭 등의 영향으로 인해 정확한 실내 측위가 어렵기 때문이다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 한국공개특허 제2014-0055109호(이동노드 위치 인식 장치 및 방법)는 하나 이상의 기준노드에서 이동노드로 전송되는 수신 신호 강도에 관한 정보를 이용하여 이동노드의 위치를 인식하는 기술을 개시하고 있다.
또한 한국공개특허 제2014-0066570호(네비게이션 시스템 및 방법)는 실내의 미리 지정된 지점에 식별정보가 포함된 바코드를 부착하고, 바코드를 인식하면 실내 지도상에서 사용자가 어느 위치에 존재하는지를 인식하여 제시하는 기술을 개시하고 있다.
이와 같이, 위치기반 서비스, 방문자 위치 추적 등의 목적으로 건물 내에 위치하는 사용자의 위치를 정확하게 인식하기 위한 다양한 기술들이 개발되고 있다.
그러나 이러한 위치 인식 기술은 단지 실내 공간상에서 사용자가 어떤 위치에 있는지만을 파악할 수 있을 뿐, 그 위치에서 어느 정도의 기울어짐 각도를 가진 상태에서 어느 방향을 바라보고 있는지는 확인할 수 없기 때문에 전시회장, 동물원 등 사용자의 위치와 주시 방향을 고려한 위치기반 서비스가 제공되지 못하는 한계가 있었다.
한국공개특허 제2014-0055109호(이동노드 위치 인식 장치 및 방법) 한국공개특허 제2014-0066570호(네비게이션 시스템 및 방법)
본 발명은 파악된 이동체의 자세에 근거하여 위치기반 서비스 등 다양한 부가 서비스를 제공할 수 있도록 하기 위해, 편광(polarized light) 특성을 이용하여 3차원 공간상에서 이동체의 자세(예를 들어, 대향 방향과 기울임 각도에 따른 주시 방향)와 위치를 정확하게 파악할 수 있는 이동체의 3차원 자세 및 위치 인식 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 이동체의 3차원 자세 및 위치 인식 장치로서, 입체 도형의 복수의 면에 개별적으로 부착되는 복수의 편광 모듈; 상기 편광 모듈에 개별적으로 대응되고, 편광 광원으로부터 발산되는 편광된 빛이 대응되는 편광 모듈에 투과되어 수광된 조도값 정보를 생성하여 출력하는 복수의 조도 모듈; 및 적어도 3개의 고려 대상면에 부착된 편광 모듈에 상응하는 조도 모듈로부터 수신된 조도값 정보를 이용하여 상기 이동체의 자세 정보와 위치 정보를 생성하는 해석부를 포함하되, 상기 입체 도형의 복수의 면 중 선택되는 3개의 고려 대상면은 상기 편광 광원으로부터 발산된 빛이 조사되는 위치에 존재하고, 다른 2개의 고려 대상면의 면벡터의 합성을 통해 다른 하나의 고려 대상면의 면벡터가 만들어지지 않는 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 이동체의 3차원 자세 및 위치 인식 장치가 제공된다.
상기 복수의 편광 모듈 각각은 광 투과축이 상이하게 설정된 복수의 편광부를 구비할 수 있다.
상기 해석부는 상기 이동체의 자세 정보를 생성하기 위해, 상기 입체도형상에서 상기 편광 광원으로부터 발산되는 편광된 빛에 의해 형성되는 획득 편광면을 미리 저장된 기준 편광면과 일치되도록 3차원 공간상에서 기울어짐 각도(Tp)만큼 회전시키는 단계; 및 상기 3개의 고려 대상면 중 2개의 고려 대상면에 대한 조도값 정보를 활용하는 하기 수학식을 이용하여 상기 이동체의 자세 정보를 생성하는 단계를 수행하되,
Figure 112014116007330-pat00001
여기서,
Figure 112014116007330-pat00002
은 유입되는 편광된 빛의 방향벡터이고, s1은 제1 고려 대상면에 대해 측정된 조도값이고, (A1, B1, C1)은 상기 기울어짐 각도(Tp)만큼 회전된 제1 고려 대상면의 면벡터이며, s2은 제2 고려 대상면에 대해 측정된 조도값이고, (A2, B2, C2)는 기울어짐 각도(Tp)만큼 회전된 제2 고려 대상면의 면벡터이며, 상기 θ는 상기 이동체의 자세 정보를 나타내는 회전각일 수 있다.
상기 해석부는 상기 이동체의 위치 정보를 생성하기 위해, 상기 입체도형상에서 상기 편광 광원으로부터 발산되는 편광된 빛에 의해 형성되는 획득 편광면을 미리 저장된 기준 편광면과 일치되도록 3차원 공간상에서 기울어짐 각도(Tp)만큼 회전시키는 단계; 및 상기 3개의 고려 대상면에 대한 조도값 정보를 활용하는 하기 수학식을 이용하여 상기 이동체의 위치 정보를 생성하는 단계를 수행하되,
Figure 112014116007330-pat00003
여기서, 상기 i는 3개의 고려 대상면 각각에 대응되도록 1, 2 또는 3으로 지정되고, 상기 k는 미리 지정된 상수이며, (Ai, Bi, Ci)는 상기 3개의 고려 대상면 각각의 면벡터이고, (x, y, z)는 상기 편광 광원의 위치 좌표를 (0,0,0)으로 지정했을 때의 상기 이동체의 위치 정보이며, si는 상기 3개의 고려 대상면 각각의 조도값일 수 있다.
상기 입체 도형은 상기 이동체에 부착된 유형의 입체 도형이거나, 상기 편광 모듈이 부착된 각각의 고려 대상면을 가상으로 연장하여 형성되는 가상의 입체 도형일 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 편광(polarized light) 특성을 이용하여 3차원 공간상에서 이동체의 자세(예를 들어, 대향 방향과 기울임 각도에 따른 주시 방향)와 위치를 정확하게 파악할 수 있고, 파악된 이동체의 자세에 근거하여 위치기반 서비스 등 다양한 부가 서비스를 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동체 정보 인식 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블록 구성도.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동체 정보 인식 장치의 3차원 공간 상에서의 자세 및 위치에 대한 인식 기법을 설명하기 위한 도면.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…유닛", "…모듈", "…기" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동체 정보 인식 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블록 구성도이고, 도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동체 정보 인식 장치의 3차원 공간 상에서의 자세 및 위치에 대한 인식 기법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 이동체의 일 측에 구비되는 이동체 정보 인식 장치는 편광 광원(140)에서 조사된 빛을 수광하여 이동체 정보, 즉 이동체의 자세 정보(예를 들어, XYZ축으로 구성된 공간좌표계의 3차원 공간상에서의 회전각 정보)와 3차원 공간 상에서의 위치 정보를 해석하는 인식 유닛(100)을 포함하여 구성될 수 있다.
예를 들어 이동체가 자체 동력을 이용하여 공간상에서 이동하는 기능을 포함하는 경우, 도시되지는 않았으나 이동체가 바퀴, 모터 등의 구성요소가 더 포함될 수 있음은 당연하다. 또한, 이동체는 사람에 착용되어 사람의 이동에 부합하여 함께 이동되는 모자, 배지 등의 형상으로도 형성될 수 있으며, 이외에도 이동체의 형상은 다양할 수 있다.
편광 광원(140)은 편광(polarized light)된 빛을 조사하는 수단으로, 편광부와 광원을 포함하여 구성될 수 있다.
편광 광원(140)은 예를 들어 편광 필름이 부착된 광원체, 편광 램프, 편광 필터가 설치된 광원체 등으로 구현될 수 있으며, 편광 광원(140)이 구비하는 편광부(즉, 편광 처리를 위해 구비되는 편광 필름 등의 부재)는 후술될 제1 내지 제3 편광모듈(110a, 110b, 110c)과의 구별을 위해 '광원 편광부'라 칭해질 수 있다. 또한 광원은 실내 공간의 상측에 배치되는 등기구일 수 있다.
이때, 광원 편광부는 미리 지정된 방위(예를 들어, 정북 방향으로서 위상각 0도 방향)에 부합되는 투과축이 형성되도록 설치될 수 있으며, 이에 관한 정보는 이동체 정보 인식 장치에 구비된 저장부(도시되지 않음)에 저장되어 관리될 수도 있다.
인식 유닛(100)은 제1 편광모듈(110a), 제2 편광모듈(110b), 제3 편광모듈(110c), 제1 조도모듈(120a), 제2 조도모듈(120b), 제3 조도모듈(120c) 및 해석부(130)를 포함할 수 있다. 인식 유닛(100)은 도시되지 않았으나 이동체의 자세 및 위치 정보의 해석 과정에서 필요한 데이터를 저장하기 위한 저장부를 더 포함할 수 있다.
인식 유닛(100)은 이동체 정보, 즉 자세 정보와 위치 정보를 인식하기 위해 이동체의 일측에 형성되거나 부착될 수 있을 것이다. 다만, 인식 유닛(100)은 이동체의 일측에 구비될 때, 편광 광원(140)으로부터 빛을 유입받을 수 있는 위치에 배치됨은 당연하다.
참고로, 본 명세서에서 '자세'라는 용어는 예를 들어, XYZ축으로 구성된 공간좌표계의 3차원 공간상에서의 회전각 정보에 상응하는 회전 상태를 포함하는 용어로 해석되어야 하며, 인식 유닛(100)은 이동체가 어느 방향으로 어느 정도 회전되고 수직 방향으로 어느 정도 기울어졌는지를 해석함으로써 이동체가 어떤 자세를 취하고 있는지를 인식할 수 있다.
도 1에는 이동체의 자세에 관한 정보를 생성하는 해석부(130)가 인식 유닛(100)에 포함되는 경우가 예시되었으나, 해석부(130)는 인식 유닛(100)이 통신망을 통해 접속되는 독립된 장치에 포함될 수도 있으며, 이 경우 인식 유닛(100)은 제1 내지 제3 조도모듈(120a, 120b, 120c)에 의해 측정된 조도값 정보를 해석부(130)가 포함된 장치로 전송하기 위한 전송부가 포함될 것이다. 다만, 해석부(130)의 위치에 관계없이, 설명의 편의를 위해 본 명세서에서는 제1 내지 제3 편광모듈(110a, 110b, 110c), 제1 내지 제3 조도모듈(120a, 120b, 120c) 및 해석부(130)를 포함하는 구성을 인식 유닛(100)이라 칭하기로 한다.
본 명세서에서 상호 구분의 필요가 없는 경우에는 제1 내지 제3 편광모듈(110a, 110b, 110c)이 편광모듈(110)로 통칭될 수 있고, 제1 내지 제3 조도모듈(120a, 120b, 120c)이 조도모듈(120)로 통칭될 수 있다.
도 2에 예시된 바와 같이, 제1 내지 제3 편광모듈(110a, 110b, 110c) 각각은 3차원 공간상에서 형성되는 입체 도형의 각 면에 하나씩 위치된다. 각 편광모듈(110)이 위치될 입체 도형은 유형의 형상을 가지는 입체도형일 수도 있고, 각 편광모듈(110)이 위치된 면을 연장할 때 연장된 면이 상호 연결되어 가상으로 형성되는 입체 도형일 수도 있다.
다만, 각 편광모듈(110)이 개별적으로 부착될 면(이하, '고려 대상면'이라 칭해질 수 있음)을 가지는 입체 도형은 첫째, 적어도 세 개의 고려 대상면이 편광 광원(140)으로부터 조사되는 빛을 수광할 수 있는 위치 및 각도를 가져야 하고, 둘째, 해석부(130)의 해석을 위해 요구되는 조도값 정보를 제공할 편광모듈 각각이 부착된 세 개의 고려 대상면의 면벡터(area vector)는 다른 두 개의 고려 대상면의 면벡터의 합성을 통해 다른 하나의 고려 대상면의 면벡터가 만들어지지 않는 독립성이 존재하여야 하는 조건을 만족하여야 한다.
예를 들어, 입체 도형은 도 2의 (a)에 예시된 바와 같이 정육면체의 서로 인접하지 않은 세개의 꼭지점을 중심으로 자른 직각사면체일 수 있으며, 도 2의 (b)에 예시된 바와 같이 밑면을 제외한 나머지 세면(즉, 고려 대상면들인 F1, F2 및 F3)에 각각 하나씩의 편광모듈이 부착될 수 있을 것이다.
물론 편광모듈(110)이 부착되는 세개의 고려 대상면이 물리적으로 상호 인접되지 않는 형태일지라도 전술한 입체도형의 형성 조건을 만족하기만 하면 가상의 입체 도형 또는/및 다른 형태의 다면체의 구성을 가지도록 입체 도형이 결정될 수도 있다.
또한 편광모듈(110)이 각각 부착되는 면들은 세개 이상일 수 있으며, 전술한 입체도형의 형성 조건을 만족하는 면들 중 세면을 고려 대상면들로 결정하고, 결정된 세면에 부착된 편광모듈(110)에 상응하는 조도모듈(120)로부터 입력되는 조도값 정보를 이용하여 이동체 정보가 해석될 수도 있음은 당연하다.
각 면에 부착되는 편광모듈(110)은 도 2의 (c)와 (d)에 각각 예시된 바와 같이 복수의 편광부를 포함하여 구성될 수 있으며, 편광부 각각의 광 투과축은 0도, 45도, 90도, 135도 등으로 상이하게 설정될 수 있다. 또한 각 편광부에 대응되는 조도계가 조도모듈(120)에 포함되어 각 편광부를 투과한 빛에 따른 조도값 정보를 생성한다.
편광모듈(110)에 포함되는 복수의 편광부에 대한 배치 형상이 도 2의 (c)와 (d)에 1x4, 2x2가 예시되었으나, 편광모듈(110)에 포함되는 편광부의 수량과 그 배치 형상이 이에 제한되지 않음은 당연하다.
이하 도 3을 참조하여, 조도모듈(120)을 투과하여 수광되는 빛을 이용한 이동체의 자세 후보군 결정 과정을 설명한다.
도 3의 (a)는 편광 광원(140)으로부터 조사되는 빛의 개념적 형상, 즉 편광면(Fp)를 나타낸다. 즉, 광원에서 조사된 빛은 광원 편광부의 광 투과축에 따라 편광되어 발산된다. 도 3의 (a)의
Figure 112014116007330-pat00004
은 빛이 발산되는 방향 벡터를 나타내고,
Figure 112014116007330-pat00005
는 광원 편광부를 투과하여 편광된 빛의 진동 방향을 나타내며, Fp는
Figure 112014116007330-pat00006
과
Figure 112014116007330-pat00007
를 포함하는 평면인 편광면을 나타낸다.
편광 광원(140)의 빛 조사에 의해 도 3의 (b)와 같이 가상의 편광면(Fp)이 입체도형상에 형성된다. 편광 광원(140)의 실제적인 빛 조사에 의해 형성되는 가상의 편광면을 획득 편광면(Fp)이라 칭하기로 한다.
예를 들어, 이동체가 편광 광원(140)의 수직 하부에 위치하고 있다면 가상 편광면은 수직한 형상으로 형성될 수 있을 것이나, 이동체가 편광 광원의 수직 하부 이외의 장소에 위치하고 있다면 가상 편광면은 도 2의 (b)와 같이 기울어진 형상으로 형성될 수 있을 것이다. 획득 편광면과의 대비를 위해, 이동체가 편광 광원(140)의 수직 하부에 위치할 때 형성되는 가상의 편광면을 기준 편광면(Fp')이라 칭하기로 한다. 기준 편광면(Fp')에 관한 정보는 인식 유닛(100)에 구비된 저장부에 미리 저장되어 관리될 수 있다.
획득 편광면(Fp)은 편광모듈(110)이 위치한 입체도형상의 임의의 한 면(제1 면인 F1으로 가정함)과 접하는 가상의 선분을 만들고, 해당 선분은 교선벡터
Figure 112014116007330-pat00008
으로 표현된다. 여기서, 가상의 선분은 편광모듈(110)을 투과한 빛이 조도모듈(120)에 수광되어 생성되는 조도값 정보를 이용하여 해석부(130)에 의해 인식될 수 있다.
이때, 입체 도형상에서 편광모듈(110)이 각각 위치된 세면을 고려하면, 획득 편광면과 각 면의 접선인 교선벡터가 적어도 2개 또는 최대 3개가 획득될 수 있고, 이 중 2개의 교선벡터간의 외적(outer product)을 수행하면 획득 편광면(Fp)에 수직한 벡터인 획득 법선벡터
Figure 112014116007330-pat00009
가 산출된다. 이는, 각 면의 접선인 2개 또는 3개의 교선벡터들이 하나의 획득 편광면(Fp)상에 존재하기 때문이다. 물론, 고려되는 입체도형의 형상이 직각사면체 이외의 형상인 경우 획득되는 교선벡터의 수는 달라질 수 있을 것이다.
또한, 저장부에는 기준 편광면(Fp')에 관한 정보와, 기준 편광면(Fp)에 수직한 벡터인 기준 법선벡터
Figure 112014116007330-pat00010
가 미리 저장되어 관리되고 있으므로, 해석부(130)는 전술한 과정에 의해 산출한 획득 법선벡터
Figure 112014116007330-pat00011
와 기준 법선 벡터
Figure 112014116007330-pat00012
간의 3차원 공간상에서의 기울어짐 각도 Tp를 산출될 수 있고, 기울어짐 각도 Tp만큼 획득 편광면을 3차원 공간상에서 회전시켰을 때 기준 편광면과 획득 편광면은 서로 합치된다.
기준 편광면과 획득 편광면의 합치 작업이 완료(즉, 이동체가 편광 광원(140)의 수직 하부에 위치하는 경우를 전제로 이동체의 자세를 해석하기 위한 선행 작업이 완료)되면 이동체의 자세 정보를 생성하기 위한 자세 후보군이 결정될 수 있다.
이는, 기준 편광면(이는, 3차원 회전을 통해 획득 편광면과 합치됨)이 도 4에 도시된 바와 같이 입체도형을 자르는 가상의 절단면으로 인식한 상태에서 기준 편광면에 수직인 기준 법선벡터
Figure 112014116007330-pat00013
를 중심으로 이동체(즉, 이동체에 부착된 편광모듈(110)에 의해 결정되는 입체도형)를 회전시키면, 고려 대상인 세 면에서의 교선벡터의 기울어짐 각도는 변하지 않지만 이동체의 자세는 달라지는 현상이 발생되기 때문에, 세 면에서의 교선벡터의 기울어짐 각도가 변하지 않는 상태에서 이동체가 가질 수 있는 자세 정보들을 자세 후보군으로 특정하는 것이다.
따라서, 자세 후보군을 대상으로 이동체가 어느 각도만큼 회전되었는지를 더 판단하여야 이동체의 자세 정보가 확정될 수 있다.
이하, 해석부(130)가 자세 후보군을 대상으로 이동체의 자세 정보를 확정하는 과정을 간략히 설명한다.
우선 해석부(130)는 조도모듈(120)로부터 제공되는 조도값 정보를 이용하여 고려 대상면들에 도달하는 빛의 양(조도값)을 인식할 수 있고, 또한 각 고려 대상면들간의 조도값의 비를 산출할 수 있다.
따라서, 해석부(130)는 기준 법선벡터
Figure 112014116007330-pat00014
를 중심축으로 하여 회전각 θ만큼 회전시키는 변환식인 하기 수학식 1을 이용하여 이동체의 자세정보를 획득할 수 있다.
Figure 112014116007330-pat00015
수학식 1에서의,
Figure 112014116007330-pat00016
은 유입되는 빛의 방향벡터이고, s1은 제1 고려 대상면의 조도값이고, (A1, B1, C1)은 기울어짐 각도 Tp만큼 회전시킨 이후의 제1 고려 대상면의 면벡터를 나타내며, s2은 제2 고려 대상면의 조도값이고, (A2, B2, C2)는 기울어짐 각도 Tp만큼 회전시킨 이후의 제2 고려 대상면의 면벡터를 나타낸다. 고려 대상면의 조도값은 예를 들어 조도모듈(120)에 포함된 각 조도계의 출력값을 산술합산, 가중치적용 합산, 곱셈연산 등 미리 지정된 방식을 이용하여 해석부(130)에 의해 산출될 수 있을 것이다.
여기서, s1, s2,
Figure 112014116007330-pat00017
, (A1, B1, C1) 및 (A2, B2, C2)를 알고 있는 반면 회전각 θ만이 미지수이므로, 해석부(130)는 수학식 1을 이용하여 회전각 θ를 산출할 수 있고, 산출된 회전각 θ를 회전체의 자세 정보로서 저장부에 저장할 수 있다.
또한 해석부(130)는 조도모듈(120)로부터 제공되는 조도값 정보를 이용하여 위치 정보를 산출할 수 있다. 이하 도 5를 참조하여 위치 정보 산출 과정을 간략히 설명한다.
전술한 자세 정보 해석 과정에서 3개의 고려 대상면이 선택되면, 앞서 설명한 바와 같이 각 고려 대상면의 면벡터 (Ai, Bi, Ci)는 하기 수학식 2와 같이 각 평면의 방정식으로 표현될 수 있다.
Figure 112014116007330-pat00018
여기서, i는 각 고려 대상면을 특정하기 위한 인수로서, 고려 대상면이 세개인 경우 i는 1, 2 또는 3일 수 있다.
만일 편광 광원(140)의 위치를 (0,0,0)이라 하고, 이동체의 위치를 (x,y,z)라 가정하면 하기 수학식 3 내지 6을 이용하여 이동체의 위치가 결정될 수 있다.
이때, 인식 유닛(100)에 도달되는 빛의 양과 광원의 위치 관계는 첫째, 편광 광원(140)과 이동체간의 거리(즉, f(d), 하기 수학식 3 참조), 둘째, 고려 대상면들 각각이 편광 광원(140)에 대해 어느 정도의 각도로 기울어져 있는가(즉, g(α), 하기 수학식 4 참조), 셋째, 편광 광원(140)으로부터 빛이 구 형태로 균일하게 발산할 것(하기 수학식 5 참조)이라는 세가지 요소로 구성된다.
Figure 112014116007330-pat00019
여기서, k는 미리 지정된 상수이다.
Figure 112014116007330-pat00020
Figure 112014116007330-pat00021
여기서 수학식 5는 항상 편광 광원(140)이 천장에 있고, 편광 광원(140)이 반구 형태로 빛을 균일하게 발산함은 전제하기 위한 것이다.
전술한 수학식 3 내지 5의 곱셈연산에 의해 편광모듈(110)의 조도값(s)이 연산될 수 있다.
Figure 112014116007330-pat00022
수학식 6에 의해 표현되는 수식은 각 고려 대상면에 대해 도출된다. 여기서, s, k, (Ai, Bi, Ci)는 미리 알고 있는 값인데 반해, 이동체의 위치를 결정하기 위한 x, y, z는 미지수이다.
그러나, 해석부(130)는 수학식 6에 의해 표현되는 각 고려 대상면에 대한 3개의 수식을 이용한 연립 방정식을 연산하여 3개의 미지수 x, y, z가 연산할 수 있고, 결과적으로 이동체의 위치 정보를 산출하여 저장부에 저장할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 인식 유닛(100)은 편광 광원(140)으로부터 발산된 빛을 수광하여 이동체 정보, 즉 이동체의 자세 정보와 위치 정보를 연산할 수 있는 특징을 가진다.
상술한 이동체 정보 인식 방법은 디지털 처리 장치에 내장되거나 설치된 프로그램 등에 의해 시계열적 순서에 따른 자동화된 절차로 수행될 수도 있음은 당연하다. 상기 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 또한, 상기 프로그램은 디지털 처리 장치가 읽을 수 있는 정보저장매체(computer readable media)에 저장되고, 디지털 처리 장치에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써 상기 방법을 구현한다. 상기 정보저장매체는 자기 기록매체, 광 기록매체 및 캐리어 웨이브 매체를 포함한다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 인식 유닛 110a, 110b, 110c : 편광모듈
120a, 120b, 120c : 조도모듈 130 : 해석부
140 : 편광 광원

Claims (5)

  1. 이동체의 3차원 자세 및 위치 인식 장치로서,
    입체 도형의 복수의 면에 개별적으로 부착되는 복수의 편광 모듈;
    상기 편광 모듈에 개별적으로 대응되고, 편광 광원으로부터 발산되는 편광된 빛이 대응되는 편광 모듈에 투과되어 수광된 조도값 정보를 생성하여 출력하는 복수의 조도 모듈; 및
    적어도 3개의 고려 대상면에 부착된 편광 모듈에 상응하는 조도 모듈로부터 수신된 조도값 정보를 이용하여 상기 이동체의 자세 정보와 위치 정보를 생성하는 해석부를 포함하되,
    상기 입체 도형의 복수의 면 중 선택되는 3개의 고려 대상면은 상기 편광 광원으로부터 발산된 빛이 조사되는 위치에 존재하고, 다른 2개의 고려 대상면의 면벡터의 합성을 통해 다른 하나의 고려 대상면의 면벡터가 만들어지지 않는 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 이동체의 3차원 자세 및 위치 인식 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 편광 모듈 각각은 광 투과축이 상이하게 설정된 복수의 편광부를 구비하는 것을 특징으로 하는 이동체의 3차원 자세 및 위치 인식 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 해석부는 상기 이동체의 자세 정보를 생성하기 위해,
    상기 입체도형상에서 상기 편광 광원으로부터 발산되는 편광된 빛에 의해 형성되는 획득 편광면을 미리 저장된 기준 편광면과 일치되도록 3차원 공간상에서 기울어짐 각도(Tp)만큼 회전시키는 단계; 및
    상기 3개의 고려 대상면 중 2개의 고려 대상면에 대한 조도값 정보를 활용하는 하기 수학식을 이용하여 상기 이동체의 자세 정보를 생성하는 단계를 수행하되,
    Figure 112014116007330-pat00023

    여기서,
    Figure 112014116007330-pat00024
    은 유입되는 편광된 빛의 방향벡터이고, s1은 제1 고려 대상면에 대해 측정된 조도값이고, (A1, B1, C1)은 상기 기울어짐 각도(Tp)만큼 회전된 제1 고려 대상면의 면벡터이며, s2은 제2 고려 대상면에 대해 측정된 조도값이고, (A2, B2, C2)는 기울어짐 각도(Tp)만큼 회전된 제2 고려 대상면의 면벡터이며, 상기 θ는 상기 이동체의 자세 정보를 나타내는 회전각인 것을 특징으로 하는 이동체의 3차원 자세 및 위치 인식 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 해석부는 상기 이동체의 위치 정보를 생성하기 위해,
    상기 입체도형상에서 상기 편광 광원으로부터 발산되는 편광된 빛에 의해 형성되는 획득 편광면을 미리 저장된 기준 편광면과 일치되도록 3차원 공간상에서 기울어짐 각도(Tp)만큼 회전시키는 단계; 및
    상기 3개의 고려 대상면에 대한 조도값 정보를 활용하는 하기 수학식을 이용하여 상기 이동체의 위치 정보를 생성하는 단계를 수행하되,
    Figure 112014116007330-pat00025

    여기서, 상기 i는 3개의 고려 대상면 각각에 대응되도록 1, 2 또는 3으로 지정되고, 상기 k는 미리 지정된 상수이며, (Ai, Bi, Ci)는 상기 3개의 고려 대상면 각각의 면벡터이고, (x, y, z)는 상기 편광 광원의 위치 좌표를 (0,0,0)으로 지정했을 때의 상기 이동체의 위치 정보이며, si는 상기 3개의 고려 대상면 각각의 조도값인 것을 특징으로 하는 이동체의 3차원 자세 및 위치 인식 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 입체 도형은 상기 이동체에 부착된 유형의 입체 도형이거나, 상기 편광 모듈이 부착된 각각의 고려 대상면을 가상으로 연장하여 형성되는 가상의 입체 도형인 것을 특징으로 하는 이동체의 3차원 자세 및 위치 인식 장치.
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