KR101994339B1 - 엔코더 프레임 장치 및 이를 이용한 차량 위치 측정 시스템 - Google Patents

Abstract

엔코더 프레임 장치 및 이를 이용한 차량 위치 측정 시스템이 제시된다. 일 실시예에 따른 차량 위치 측정을 위한 엔코더 프레임 장치는 일측에 엔코더와 소정 간격 이격되어 결합되어 상기 엔코더의 위치를 고정시키는 제1 프레임; 상기 제1 프레임의 타측에 소정 간격 이격되어 배치되며, 캘리퍼와 결합되는 제2 프레임; 및 상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임을 연결하는 연결부를 포함하여 이루어질 수 있다.

Description

엔코더 프레임 장치 및 이를 이용한 차량 위치 측정 시스템{ENCODER FRAME DEVICE AND VEHICLE ODOMETRY MEASUREMENT SYSTEM USING THE SAME}

아래의 실시예들은 차량 위치 측정 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량 위치 측정을 위한 엔코더 프레임 장치 및 이를 이용한 차량 위치 측정 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 차량용 휠 베어링은 차체에 휠을 회전 가능하게 연결함으로써 차량이 움직일 수 있도록 한다.

최근에는 차량 운행의 안정성을 향상시키기 위하여 차량에 ABS(Anti-lock Brake System)가 적용되며, ABS가 적용된 차량은 모든 휠 베어링 또는 모든 휠에 속도 센서가 장착되어 각 휠의 회전 속도를 측정하게 된다.

톤휠(tone wheel)은 자성체로 휠 베어링의 회전 요소에 장착되어 있으며 휠의 회전에 따라 톤휠도 회전한다. 톤휠이 회전하는 경우 그 회전속도에 따라 센서에 자기장의 변화가 발생되고 이러한 자기장의 변화를 ECU(Electric Control Unit)가 분석함으로써 각 휠의 회전 속도를 검출한다. 이와 같이 검출된 회전 속도를 이용하여 ECU는 ABS의 작동을 제어하게 된다.

이러한 휠 베어링의 경우 소결금속으로 제작된 소결톤휠 또는 프레스톤휠 적용으로 톱니모양의 높낮이 변화로 회전속도 정보를 ABS 센서에서 센싱하지만, 마그네틱 엔코더 타입 휠 베어링(Magnetic Encoder Type Wheel Bearing)의 경우 페라이트 고무자석을 적용하여 자석의 N/S극 변화로 회전속도 정보를 ABS 센서에서 센싱하는 구조이다.

한국공개특허 10-2015-0055398호는 이러한 마그네틱 엔코더 구조에 관한 것으로, 마그네틱 엔코더의 부분적인 두께 증대를 통하여 자속밀도를 증대시키는 마그네틱 엔코더 구조에 관한 기술을 기재하고 있다.

종래에는 엔코더를 휠 베어링 내부에 일체형으로 설치하여 공간을 줄이고 안정성을 높였다. 그러나 차량 모델에 따라 부품의 설계가 변경되거나 일부 센서가 고장난 경우, 부품 전체의 설계를 변경하거나 베어링과 엔코더 전체를 교체하여야 하는 번거로움이 있다. 또한 해당 엔코더 설계들은 차체의 ABS 기능을 제공하기 위한 수준의 낮은 해상도를 가지고 있어 위치 추정용으로는 부적합하며, 높은 수준의 해상도를 얻을 수 없다.

실시예들은 가공용 기계에서 사용하던 마그네틱(magnetic) 엔코더를 디스크 휠과 브레이크 캘리퍼(caliper) 사이에 설치함으로써, 내부 장착된 ABS 엔코더보다 높은 해상도로 바퀴 회전각을 알 수 있어 자율 주행 차량 또는 지도제작 장치의 위치 측정에 사용 가능한 엔코더 프레임 장치 및 이를 이용한 차량 위치 측정 시스템을 제공하는데 있다.

실시예들은 엔코더를 디스크 휠 베어링의 내부가 아닌 디스크 휠과 브레이크 캘리퍼 사이에 설치하여, 기 존재하는 다양한 차체에 설계변경을 하지 않고도 범용적으로 적용 가능한 엔코더 프레임 장치 및 이를 이용한 차량 위치 측정 시스템을 제공하는데 있다.

일 실시예에 따른 차량 위치 측정을 위한 엔코더 프레임 장치는, 일측에 엔코더와 소정 간격 이격되어 결합되어 상기 엔코더의 위치를 고정시키는 제1 프레임; 상기 제1 프레임의 타측에 소정 간격 이격되어 배치되며, 캘리퍼와 결합되는 제2 프레임; 및 상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임을 연결하는 연결부를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 제1 프레임은, 상기 엔코더를 디스크 휠의 일측에 위치시키고, 차량의 운동에 관계없이 고정적인 위치를 제공할 수 있다.

상기 제1 프레임은, 직사각 형상, 타원 형상, 및 꼭지점이 둥근 직사각 형상 중 적어도 어느 하나의 형상으로 이루어지며, 상기 캘리퍼와 맞닿는 면은 평평하게 이루어질 수 있다.

상기 제2 프레임은, 상기 제1 프레임보다 길이가 긴 형상으로 이루어지고, 상부에 상기 연결부와 결합을 위한 적어도 하나 이상의 홈부가 형성되며, 중간부에 상기 캘리퍼와 결합을 위한 적어도 하나 이상의 결합 홈이 형성될 수 있다.

상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임은, 상기 캘리퍼의 브레이크 작용 시 발생되는 유압에 의해 측방(lateral) 변위가 발생되는 부분에 영향을 미치지 않도록 구성될 수 있다.

상기 제1 프레임은, 디스크 휠의 상기 엔코더에 대한 상대운동 방향의 진동을 최소화하기 위해 상기 캘리퍼와 맞닿는 측면에 적어도 하나 이상의 볼트 지지부가 구성될 수 있다.

상기 제1 프레임의 상기 볼트 지지부는, 상기 디스크 휠의 상기 엔코더에 대한 상대운동 방향인 x축 방향으로 응력(stress)을 준 상태로 평형을 이루게 하여 상대적으로 상기 x축 방향의 진동에 대해서 강한 강도(stiffness)를 가지게 할 수 있다.

상기 연결부는, 적어도 하나 이상의 막대로 이루어져 상기 엔코더와 결합되는 상기 제1 프레임과 상기 캘리퍼와 결합되는 상기 제2 프레임의 사이를 소정 간격을 두고 이격되도록 연결하여, 다양한 형상의 캘리퍼에 결합 가능하다.

상기 엔코더는, 가공용 기계에서 사용되는 마그네틱(magnetic) 엔코더로 이루어지며, 디스크 휠과 상기 캘리퍼 사이에 구성되어 고해상도로 바퀴 회전수를 측정할 수 있다.

다른 실시예에 따른 엔코더 프레임 장치를 이용한 차량 위치 측정 시스템은, 디스크 휠; 상기 디스크 휠에 결합되어 브레이크 작용을 수행하는 캘리퍼; 상기 디스크 휠의 일측에 배치되어 바퀴 회전수를 측정하는 엔코더; 및 상기 캘리퍼에 결합되어 상기 엔코더의 위치를 고정시키는 엔코더 프레임 장치를 포함하고, 상기 엔코더 프레임 장치는, 일측에 엔코더와 소정 간격 이격되어 결합되어 상기 엔코더의 위치를 고정시키는 제1 프레임; 상기 제1 프레임의 타측에 소정 간격 이격되어 배치되며, 캘리퍼(caliper)와 결합되는 제2 프레임; 및 상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임을 연결하는 연결부를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 제1 프레임은, 직사각 형상, 타원 형상, 및 꼭지점이 둥근 직사각 형상 중 적어도 어느 하나의 형상으로 이루어지며, 상기 캘리퍼와 맞닿는 면은 평평하게 이루어지고, 상기 제2 프레임은, 상기 제1 프레임보다 길이가 긴 형상으로 이루어지고, 상부에 상기 연결부와 결합을 위한 적어도 하나 이상의 홈부가 형성되며, 중간부에 상기 캘리퍼와 결합을 위한 적어도 하나 이상의 결합 홈이 형성될 수 있다.

상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임은, 상기 캘리퍼의 브레이크 작용 시 발생되는 유압에 의해 측방(lateral) 변위가 발생되는 부분에 영향을 미치지 않도록 구성될 수 있다.

상기 제1 프레임은, 상기 디스크 휠의 상기 엔코더에 대한 상대운동 방향의 진동을 최소화하기 위해 상기 캘리퍼와 맞닿는 측면에 적어도 하나 이상의 볼트 지지부가 구성될 수 있다.

상기 연결부는, 적어도 하나 이상의 막대로 이루어져 상기 엔코더와 결합되는 상기 제1 프레임과 상기 캘리퍼와 결합되는 상기 제2 프레임의 사이를 소정 간격을 두고 이격되도록 연결하여, 다양한 형상의 캘리퍼에 결합 가능하다.

상기 엔코더는, 가공용 기계에서 사용되는 마그네틱(magnetic) 엔코더로 이루어지며, 상기 디스크 휠과 상기 캘리퍼 사이에 구성되어 고해상도로 바퀴 회전수를 측정할 수 있다.

실시예들에 따르면 가공용 기계에서 사용하던 마그네틱(magnetic) 엔코더를 디스크 휠과 브레이크 캘리퍼(caliper) 사이에 설치함으로써, 내부 장착된 ABS 엔코더보다 높은 해상도로 바퀴 회전각을 알 수 있어 자율 주행 차량 또는 지도제작 장치의 위치 측정에 사용 가능한 엔코더 프레임 장치 및 이를 이용한 차량 위치 측정 시스템을 제공할 수 있다.

실시예들에 따르면 엔코더를 디스크 휠 베어링의 내부가 아닌 디스크 휠과 브레이크 캘리퍼 사이에 설치하여 기 존재하는 다양한 차체에 설계변경을 하지 않고도 범용적으로 적용 가능할 뿐 아니라, 오염과 침수 등에도 강하며 차체 외부 장착형 엔코더에 비해 충돌과 충격에 강한 엔코더 프레임 장치 및 이를 이용한 차량 위치 측정 시스템을 제공할 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 차량 위치 측정을 위한 엔코더 프레임 장치를 나타내는 사시도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 엔코더 프레임 장치를 이용한 차량 위치 측정 시스템을 나타내는 사시도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 엔코더 프레임 장치를 이용한 차량 위치 측정 시스템을 나타내는 측면도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 엔코더 프레임 장치를 이용한 차량 위치 측정 시스템의 구성을 설명하기 위한 분해 사시도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 엔코더 프레임 장치의 적용을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 엔코더 프레임 장치의 적용 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 주행 거리 측정 기반 추적을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

도시환경과 같은 비개활지에서의 GPS 정확도가 낮아 컴퓨터 비전(computer vision)이나 주행 거리 측정 기반 추적(odometry based tracking)이 사용되고 있다. 차량의 이동경로 추정을 위해서 바퀴의 회전수를 사용할 수 있다(wheel odometry-based car localization).

바퀴의 회전수를 측정하기 위하여 내재된 ABS 센서를 사용할 수 있지만, 그 정확도가 떨어지고 데이터를 취득하기 어렵다. 바퀴의 회전수를 정확히 측정하기 위하여 새로운 센서를 부착하려는 시도가 있었으나, 바퀴 주변에 장착된 다수의 부품, 진동, 오염 등으로 인해 센서를 부착하기 어렵다.

그러므로 환경에 안정적인 센서를 기계적 손상이 일어나지 않도록 차체에 장착하여야 차량 바퀴의 회전수를 측정할 수 있다.

아래의 실시예에서는 엔코더(encoder)를 디스크 휠(disk wheel) 베어링 내부가 아닌 외부에 설치함으로써 다양한 차량 모델에 쉽게 적용할 수 있도록 한다. 즉, 엔코더를 일반적인 차량의 디스크 휠 안쪽에 탑재하여 범용적으로 사용 가능하다. 기존에는 엔코더를 추가로 장착할 때 차량의 외부에 장착함에 따라 안전 등의 문제가 있으나, 실시예에 따르면 차량의 구동부 내측(예컨대, 바퀴 조립부 내측)에 엔코더를 장착함으로써 안전하게 구현될 수 있다.

또한 실시예에 따르면 낮은 해상도를 가진 엔코더가 아니라, 가공용 기계에서 사용하던 마그네틱(magnetic) 엔코더를 디스크 휠과 브레이크 캘리퍼(caliper) 사이에 설치하여 위치 추정이 가능할 만큼의 높은 해상도를 갖는 데이터를 얻을 수 있다.

실시예들은 가공에 쓰이는 마그네틱(magnetic) 엔코더를 매핑 차량의 주행 거리 측정(odometry)에 사용하기 위한 설계를 포함할 수 있다. 차량에 내장된 거리 측정 장치에 비해 해상도가 높은 엔코더를 탑재하여 지도제작 장치에서 이동거리에 대한 오차를 줄일 수 있다. 그리고 바퀴 회전수를 정확하게 측정하기 위해서 기계 가공에 쓰이는 엔코더를 사용하여, 오염과 침수 등의 환경에서도 정밀한 측정이 가능한 특징을 갖는다. 궁극적으로는 차량의 진행 거리를 정밀 추정하여 GPS 음영지역에서의 항법 오차 개선에 사용할 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 차량 위치 측정을 위한 엔코더 프레임 장치를 나타내는 사시도이다.

도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 차량 위치 측정을 위한 엔코더 프레임 장치(100)는 제1 프레임(110), 제2 프레임(120) 및 연결부(111)를 포함하여 이루어질 수 있다. 실시예에 따라 차량 위치 측정을 위한 엔코더 프레임 장치(100)는 엔코더(130)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.

제1 프레임(110)은 일측에 엔코더(130)와 결합되어 엔코더(130)의 위치를 고정시킬 수 있다. 바람직하게는 제1 프레임(110)은 일측에 엔코더(130)와 소정 간격 이격되어 지지 막대(112) 등에 의해 엔코더(130)의 위치를 고정시킬 수 있으나, 제1 프레임(110)의 일측에 엔코더(130)가 접촉된 형태로 배치될 수도 있다.

엔코더(130)는 디스크 휠의 속도를 측정하기 위한 속도 센서가 될 수 있다. 일반적으로 엔코더(130)는 변위, 회전방향 및 각도 등을 검출하는 장치이다. 차량에서도 엔코더(130)가 사용되는데, 베어링 장치에 엔코더(130)를 설치하여 디스크 휠의 회전수나 회전방향을 검출할 수 있다.

여기에서 엔코더(130)는 기계 엔코더(130)로, 디스크 휠과 한 세트로 이루어지며, 디스크 휠에 N, S 극이 반복되어 엔코더(130)에서 디스크 휠의 회전량을 카운트(count) 할 수 있다. 특히, 엔코더(130)는 가공용 기계에서 사용되는 마그네틱(magnetic) 엔코더(130)로 이루어질 수 있으며, 디스크 휠과 캘리퍼 사이에 구성되어 고해상도로 바퀴 회전수를 측정할 수 있다. 더욱이 가공용 기계에서 사용되는 마그네틱(magnetic) 엔코더(130)는 위치 추정이 가능할 만큼의 높은 해상도를 갖는 데이터를 얻을 수 있다.

제1 프레임(110)은 엔코더(130)를 디스크 휠의 일측에 위치시키고, 차량의 운동에 관계없이 고정적인 위치를 제공할 수 있다. 즉, 제1 프레임(110)은 엔코더(130)와 디스크 휠 사이의 상대 위치가 변하지 않도록 할 수 있다.

예를 들어 제1 프레임(110)은 철제 프레임으로 이루어질 수 있으며, 직사각 형상, 타원 형상, 및 꼭지점이 둥근 직사각 형상 등으로 이루어질 수 있다. 여기에서 캘리퍼와 맞닿는 면은 평평하게 이루어질 수 있다. 제1 프레임(110)은 상기의 재질 및 형상에 제한되지 않으며, 캘리퍼의 일측에 배치되어 엔코더(130)를 디스크 휠의 일측에 위치시킬 수 있는 형상으로 이루어지면 적용 가능하다.

이러한 제1 프레임(110)은 캘리퍼의 브레이크 작용 시 발생되는 유압에 의해 측방(lateral) 변위가 발생되는 부분에 영향을 미치지 않는 형상으로 이루어지며, 유압에 의해 측방(lateral) 변위가 발생되는 부분에 영향을 미치지 않는 위치에 배치될 수 있다.

제1 프레임(110)은 디스크 휠의 엔코더(130)에 대한 상대운동 방향의 진동을 최소화하기 위해 캘리퍼와 맞닿는 측면에 적어도 하나 이상의 볼트 지지부(113)가 구성될 수 있다. 제1 프레임(110)의 볼트 지지부(113)는 디스크 휠의 엔코더(130)에 대한 상대운동 방향인 x축 방향으로 응력(stress)을 준 상태로 평형을 이루게 하여 상대적으로 x축 방향의 진동에 대해서 강한 강도(stiffness)를 가지게 할 수 있다. 이에 대해 아래에서 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

제2 프레임(120)은 제1 프레임(110)의 타측에 소정 간격 이격되어 배치되며, 캘리퍼와 결합될 수 있다.

예를 들어 제2 프레임(120)은 철제 프레임으로 이루어질 수 있으며, 제1 프레임(110)보다 길이가 긴 형상으로 이루어질 수 있다.

또한, 제2 프레임(120)은 상부에 연결부(111)와 결합을 위한 적어도 하나 이상의 홈부가 형성되며, 중간부에 캘리퍼와 결합을 위한 적어도 하나 이상의 결합 홈(121)이 형성될 수 있다. 한편, 제2 프레임(120)은 연결부(111)와 일체형으로 구성될 수도 있다.

이러한 제2 프레임(120)은 캘리퍼의 브레이크 작용 시 발생되는 유압에 의해 측방(lateral) 변위가 발생되는 부분에 영향을 미치지 않는 형상으로 이루어지고 측방(lateral) 변위가 발생되는 부분에 영향을 미치지 않는 위치에 배치될 수 있다.

연결부(111)는 적어도 하나 이상의 막대로 이루어져 제1 프레임(110)과 제2 프레임(120)을 연결할 수 있다. 여기에서, 연결부(111)은 제1 프레임(110)과 제2 프레임(120)을 연결하기 위한 매개체로, 그 형상이 막대 형상에 제한되지는 않는다.

연결부(111)는 엔코더(130)와 결합되는 제1 프레임(110)과 캘리퍼와 결합되는 제2 프레임(120)의 사이를 소정 간격을 두고 이격되도록 연결하여, 다양한 형상의 캘리퍼에 결합 가능하다.

한편, 제1 프레임(110)의 제2 프레임(120)의 형상은 캘리퍼에 적용 가능하도록 수정 가능하며, 세부적인 형상의 곡률, 제1 프레임(110) 및 제2 프레임(120)을 연결하는 연결부(111)의 길이 등은 캘리퍼에 따라 다르게 적용될 수 있다.

이와 같이 공작기계의 속도 제어용으로 사용되던 엔코더(130)를 차량의 브레이크 캘리퍼에 장착할 수 있도록 철제 프레임을 제작하여 장착시킬 수 있다. 이를 통해 정밀한 주행 거리 측정(odometry measurement)이 가능하다.

아래에서 일 실시예에 따른 차량 위치 측정을 위한 엔코더 프레임 장치를 이용한 차량 위치 측정 시스템을 통해 보다 상세히 설명한다.

도 2는 일 실시예에 따른 엔코더 프레임 장치를 이용한 차량 위치 측정 시스템을 나타내는 사시도이고, 도 3은 일 실시예에 따른 엔코더 프레임 장치를 이용한 차량 위치 측정 시스템을 나타내는 측면도이며, 도 4는 일 실시예에 따른 엔코더 프레임 장치를 이용한 차량 위치 측정 시스템의 구성을 설명하기 위한 분해 사시도이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 엔코더 프레임 장치를 이용한 차량 위치 측정 시스템(1)은 디스크 휠(200), 디스크 휠(200)에 결합되어 브레이크 작용을 수행하는 캘리퍼(300), 디스크 휠(200)의 일측에 배치되어 바퀴 회전수를 측정하는 엔코더(130), 및 캘리퍼(300)에 결합되어 엔코더(130)의 위치를 고정시키는 엔코더 프레임 장치(100)를 포함하여 이루어질 수 있다.

엔코더 프레임 장치(100)는 일측에 엔코더(130)와 소정 간격 이격되어 결합되어 엔코더(130)의 위치를 고정시키는 제1 프레임(110), 제1 프레임(110)의 타측에 소정 간격 이격되어 배치되며, 캘리퍼(300)(caliper)와 결합되는 제2 프레임(120), 및 제1 프레임(110)과 제2 프레임(120)을 연결하는 연결부(111)를 포함하여 이루어질 수 있다.

여기에서, 엔코더 프레임 장치(100)는 도 1에서 설명한 일 실시예에 따른 차량 위치 측정을 위한 엔코더 프레임 장치(100)의 구성과 동일한 구성요소를 포함하여, 아래에서는 중복되는 설명은 생략하고 간단히 설명하기로 한다.

일 실시예에 따른 엔코더 프레임 장치를 이용한 차량 위치 측정 시스템(1)은 디스크 휠(200), 캘리퍼(300), 엔코더(130) 및 엔코더 프레임 장치(100)를 포함하여 이루어질 수 있다.

디스크 휠(200)에는 브레이크 작용을 수행하는 캘리퍼(300)가 결합되고, 디스크 휠(200)의 외주연의 일측에 엔코더(130)가 배치되어 디스크 휠(200)의 회전수를 측정할 수 있다.

여기에서 엔코더(130)는 디스크 휠(200)의 속도를 측정하기 위한 속도 센서가 될 수 있다. 특히, 엔코더(130)는 가공용 기계에서 사용되는 정밀 가공용 마그네틱 엔코더(130)(magnetic encoder)가 사용될 수 있다. 즉, 디스크 휠(200)과 엔코더(130)가 한 세트로 이루어지며, 디스크 휠(200)에는 N, S 극이 반복되어 엔코더(130)에서 디스크 휠(200)의 회전량을 카운트(count) 할 수 있다.

엔코더 프레임 장치(100)는 엔코더(130)가 디스크 휠(200)의 너비(width)에 정확히 위치하고, 차량의 운동에 관계없이 안정적이고 연속적인 고정위치 보장을 위해 필요한 장치이다. 엔코더 프레임 장치(100)는 캘리퍼(300)에 결합되어 엔코더(130)의 위치를 고정시킬 수 있다.

이러한 엔코더 프레임 장치(100)는 제1 프레임(110) 및 제2 프레임(120)을 포함하여 이루어질 수 있으며, 제1 프레임(110)과 제2 프레임(120)은 연결부(111)에 의해 연결될 수 있다.

제1 프레임(110)은 엔코더(130)의 안정적인 지지를 위해 필요하다. 제1 프레임(110)이 없이 엔코더(130)와 제2 프레임(120)이 연결부(111)로 바로 연결되었을 경우, 중력 또는 차량의 앞뒤 운동에 의해 엔코더(130)의 위치 변화가 생기게 되고, 이는 엔코더(130)가 디스크 휠(200)의 위에 놓이지 못하게 하여 정상적인 엔코더(130) 기능(회전수 카운트)을 보장하지 못한다.

그러한 목적에 비추어 보았을 때 제1 프레임(110)과 제2 프레임(120)의 사이의 연결부(111)를 두지 않고, 이를 하나로 묶어 측면에서 볼 때 ㄱ자 형태로 제조 가능하다. 그러나 다양한 캘리퍼(300) 형상에 능동적인 대응이 어렵다.

이에 따라 제1 프레임(110)과 제2 프레임(120)은 소정 간격 이격 형성되며, 제1 프레임(110)과 제2 프레임(120)의 사이에는 연결부(111)로 연결되어 캘리퍼(300)에 결합됨으로써 제조사마다 다양한 캘리퍼(300)의 형상에 능동적으로 대응할 수 있다.

제2 프레임(120)은 기존 캘리퍼(300)와 함께 체결될 수 있다. 더 구체적으로 제2 프레임(120)은 제1 프레임(110)의 타측에 소정 간격 이격되어 배치되며, 캘리퍼(300)와 결합될 수 있다.

이 때 제2 프레임(120)은 캘리퍼(300)와의 결합을 위해 제1 프레임(110)보다 길이가 긴 형상으로 이루어질 수 있다. 예를 들어 중간부에 캘리퍼(300)와 결합을 위한 적어도 하나 이상의 결합 홈이 형성되어 나사 등에 의해 캘리퍼(300)와 결합될 수 있다.

또한, 제2 프레임(120)은 상부에 적어도 하나 이상의 홈부가 형성되어 연결부(111)와 결합함으로써, 제1 프레임(110)과 연결될 수 있다.

이러한 제2 프레임(120)은 캘리퍼(300)의 브레이크 작용 시 발생되는 유압에 의해 측방(lateral) 변위가 발생되는 부분에 영향을 미치지 않는 형상으로 이루어지고 측방(lateral) 변위가 발생되는 부분에 영향을 미치지 않는 위치에 배치될 수 있다.

연결부(111)는 적어도 하나 이상의 막대로 이루어져 제1 프레임(110)과 제2 프레임(120)을 연결하는 것으로, 엔코더(130)와 결합되는 제1 프레임(110)과 캘리퍼(300)와 결합되는 제2 프레임(120)의 사이를 이격되도록 연결함으로써, 다양한 형상의 캘리퍼(300)에 결합 가능하다.

한편, 제1 프레임(110)의 제2 프레임(120)의 형상은 캘리퍼(300)에 적용 가능하도록 수정 가능하며, 세부적인 형상의 곡률, 제1 프레임(110) 및 제2 프레임(120)을 연결하는 연결부(111)의 길이 등은 캘리퍼(300)에 따라 다르게 적용될 수 있다.

이와 같이 실시예들에 따르면 엔코더(130)를 디스크 휠(200) 베어링의 내부가 아닌 디스크 휠(200)과 브레이크 캘리퍼(300) 사이에 설치하여 기 존재하는 다양한 차체에 설계변경을 하지 않고도 범용적으로 적용 가능하다. 그리고 엔코더(130)(encoder)를 디스크 휠(200)(disk wheel) 베어링 내부가 아닌 외부에 설치함으로써 다양한 차량 모델에 쉽게 적용할 수 있다.

도 5는 일 실시예에 따른 엔코더 프레임 장치의 적용을 설명하기 위한 도면이다.

도 5를 참조하면, 차량 운동 시 진동이 생기고, 이는 엔코더(130)의 3축 방향(x, y, z)의 진동을 유발하게 된다. 이 때 회전으로 인한 변형은 충분히 작다고 가정할 수 있다.

하지만 엔코더(130) 디스크 휠의 엔코더(130)에 대한 상대운동 방향이 x축 방향이므로, y축 및 z축 방향의 진동은 엔코더(130)에서 측정한 신호 세기에만 영향을 미칠 뿐, 속도 값에는 큰 영향을 미치지 않는다. 그러므로 x축 방향의 진동을 최소화해야 엔코더(130)에서 읽어 들이는 신호의 타이밍이 정확해진다. 이를 위해 고체의 응력 강성 증강(stress-stiffening) 성질을 이용하여, 부품에 x축 방향으로 응력(stress)을 준 상태로 평형을 이루게 하여 상대적으로 x축 방향의 진동에 대해서 강한 강도(stiffness)를 가지게 할 수 있다.

이에 따라 차량 위치 측정을 위한 엔코더 프레임 장치(100)의 제1 프레임(110)에 적어도 하나 이상의 볼트 지지부를 구성할 수 있다. 적어도 하나 이상의 볼트 지지부는 볼트 지지부는 볼트를 조일 수 있게 한 부분으로, 캘리퍼와 대면하는 제1 프레임(110)의 측면에 구성됨으로써, 디스크 휠의 엔코더(130)에 대한 상대운동 방향의 진동을 최소화할 수 있다.

도 6은 일 실시예에 따른 엔코더 프레임 장치의 적용 예를 설명하기 위한 도면이다.

도 6을 참조하면, 캘리퍼에는 디스크 휠을 잡아 브레이크(brake)를 걸기 위해 유압에 의해 측방(lateral) 변위가 발생하는 부분이 구성되는데, 캘리퍼에 장착되는 엔코더 프레임은 이 부분의 변위 발생과 무관하도록 설계되어 장착될 수 있다. 만약 이러한 특성을 고려하지 않는다면 디스크 휠의 상단에 정확히 위치하여야 하는 엔코더의 특성을 위배하게 되어 연속적인 측정을 할 수 없게 된다.

도 6a의 경우, 부품이 유압에 의해 브레이크를 잡을 때 상대적 위치 이동이 발생해서 610 부분에 부착된 프레임도 이동하게 되고, 결과적으로 엔코더가 디스크 휠의 상단에 정확히 위치하지 못하게 된다. 따라서 주행 중 브레이크를 걸 때마다 신호가 끊기는 현상이 발생될 수 있다.

도 6b의 경우, 유압에 의해 측방(lateral) 변위가 발생되는 부분과 무관한 부분에 장착(620)됨에 따라 엔코더가 항상 정확히 디스크 휠의 상단에 위치할 수 있게 된다. 이에 따라 엔코더를 이용하여 정확한 측정이 가능하다.

여기에서 제1 프레임 및 제2 프레임의 형상은 캘리퍼에 적용 가능하도록 수정 가능하며, 세부적인 형상의 곡률, 제1 프레임 및 제2 프레임을 연결하는 연결부의 길이 등은 캘리퍼에 따라 다르게 적용될 수 있다.

도 7은 일 실시예에 따른 주행 거리 측정 기반 추적을 설명하기 위한 도면이다.

도시환경과 같은 비개활지에서의 GPS 정확도가 낮아 컴퓨터 비전(computer vision)이나 주행 거리 측정 기반 추적(odometry based tracking)이 사용되고 있다. 차량의 이동경로 추정을 위해서 바퀴의 회전수를 사용할 수 있다(wheel odometry-based car localization).

도 7a를 참조하면, Differential drive kinematics를 나타내는 것으로, 두 바퀴를 가지는 차량을 예를 들어 운동 특징을 설명할 수 있다. 두 바퀴를 가지는 차량의 경우, 각 바퀴가 회전하는 각속도

가 있고, 이 두 각속도와 두 바퀴 사이 간격 d를 활용하면 두 바퀴를 가지는 차량의 운동 특성을 아래와 같이 나타낼 수 있다. 여기에서 x, y는 차량의 자체적인 좌표축을 의미하고,

는 xy 평면상 회전축을 나타낸다.

도 7b에 도시된 바와 같이, 각 바퀴가 회전곡면 상에서 각각 얼마만큼 이동하였을 때, 나중 위치(x, y의 위치)를 추정할 수 있으며, 다음 식과 같이 나타낼 수 있다. 이 때 각 바퀴가 회전곡면 상에서 각각 얼마만큼 이동하였는지는 각속도 x 시간으로부터 추정할 수 있다.

[식 1]

여기에서,

는 회전중심으로부터 회전하는 안쪽 바퀴의 중심까지의 거리를 나타내고,

는 두 바퀴 사이의 거리를 나타내며,

는 각각 안쪽 바퀴가 회전한 경로(거리), 차체가 평균적으로 회전한 경로(거리), 바깥쪽 바퀴가 회전한 경로(거리)를 나타낸다. 그리고

는 회전각을 나타내는 것으로,

가 측정을 통해 알 수 있는 값이고, 이 값들이 주어졌을 때 회전각(이 때 얼마만큼 회전하였는지를 의미할 수 있음.)를 나타낼 수 있다.

는 회전한 이후의 차량의 위치(차체 중심의 위치로 가정. 이 경우에는 원의 중심이 될 수 있음.)를 의미하고, 간단한 삼각함수 공식에 의해 나타낼 수 있다.

는 어떠한 글로벌한 기준 좌표계에 대해 차량 바퀴의 축(d)이 얼마만큼 틀어져 있는지를 의미하며,

는 회전 이후, 글로벌한 기준 좌표계에 대해 차량이 얼마만큼 틀어져 있는지를 의미할 수 있다. 이 때 원래 틀어져 있는 각도와 회전한 각도의 합이 될 수 있다.

이상과 같이, 실시예들에 따르면 자율 주행 차량 또는 도시 환경 매핑 차량의 정밀 주행 거리 측정(odometry)이 가능하다. 추가적으로 차량뿐 아니라 오염이 심한 지역에서 사용되는 각종 모바일 플랫폼의 바퀴 회전수 측정에 사용될 수 있다. 광산이나 공사 현장 등에서 자율 이동체를 운용할 때 환경의 특성상 인식 센서의 의존도가 낮아지고 내부적으로 움직임을 추정해야 하는 경우에서도 효과적이다.

또한, 실시예들에 따르면 GPS 음영지역에 대한 극복방안으로 효과적이며, 주행거리를 측정하기에 차량의 기본 주행 거리 측정(odometry)은 정확도가 낮고 외부 장착형은 충돌 등의 위험이 있으나 그 부분을 효과적으로 개선하였기에 자율 주행용의 기본 센서로 적극 활용될 수 있다. 더욱이 센서 특성이 오염에 강하고 방수 성능이 우수하므로 기존 센서 사용이 제한적인 극한 환경의 모바일 로봇에서 효과가 크다.

이상에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

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.

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, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

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 참조 부호를 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.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (15)

1. 차량 위치 측정을 위한 엔코더 프레임 장치에 있어서,
   일측에 엔코더와 상기 엔코더의 위치를 고정시키는 제1 프레임;
   상기 제1 프레임의 타측에 소정 간격 이격되어 배치되며, 캘리퍼와 결합되는 제2 프레임; 및
   상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임을 연결하는 연결부
   를 포함하고,
   상기 제1 프레임은,
   디스크 휠의 상기 엔코더에 대한 상대운동 방향의 진동을 최소화하기 위해 상기 캘리퍼와 맞닿는 측면에 적어도 하나 이상의 볼트 지지부가 구성되는 차량 위치 측정을 위한 엔코더 프레임 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 프레임은,
   상기 엔코더를 디스크 휠의 일측에 위치시키고, 차량의 운동에 관계없이 고정적인 위치를 제공하는 것
   을 특징으로 하는 차량 위치 측정을 위한 엔코더 프레임 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 프레임은,
   직사각 형상, 타원 형상, 및 꼭지점이 둥근 직사각 형상 중 적어도 어느 하나의 형상으로 이루어지며, 상기 캘리퍼와 맞닿는 면은 평평하게 이루어지는 것
   을 특징으로 하는 차량 위치 측정을 위한 엔코더 프레임 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제2 프레임은,
   상기 제1 프레임보다 길이가 긴 형상으로 이루어지고, 상부에 상기 연결부와 결합을 위한 적어도 하나 이상의 홈부가 형성되며, 중간부에 상기 캘리퍼와 결합을 위한 적어도 하나 이상의 결합 홈이 형성되는 것
   을 특징으로 하는 차량 위치 측정을 위한 엔코더 프레임 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임은,
   상기 캘리퍼의 브레이크 작용 시 발생되는 유압에 의해 측방(lateral) 변위가 발생되는 부분에 영향을 미치지 않도록 구성되는 것
   을 특징으로 하는 차량 위치 측정을 위한 엔코더 프레임 장치.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 제1 프레임의 상기 볼트 지지부는,
   상기 디스크 휠의 상기 엔코더에 대한 상대운동 방향인 x축 방향으로 응력(stress)을 준 상태로 평형을 이루게 하여 상대적으로 상기 x축 방향의 진동에 대해서 강한 강도(stiffness)를 가지게 하는 것
   을 특징으로 하는 차량 위치 측정을 위한 엔코더 프레임 장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 연결부는,
   적어도 하나 이상의 막대로 이루어져 상기 엔코더와 결합되는 상기 제1 프레임과 상기 캘리퍼와 결합되는 상기 제2 프레임의 사이를 소정 간격을 두고 이격되도록 연결하여, 다양한 형상의 캘리퍼에 결합 가능한 것
   을 특징으로 하는 차량 위치 측정을 위한 엔코더 프레임 장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 제1 프레임과 소정 간격 이격되어 결합되는 상기 엔코더
   를 더 포함하고,
   상기 엔코더는,
   가공용 기계에서 사용되는 마그네틱(magnetic) 엔코더로 이루어지며, 디스크 휠과 상기 캘리퍼 사이에 구성되어 고해상도로 바퀴 회전수를 측정하는 것
   을 특징으로 하는 차량 위치 측정을 위한 엔코더 프레임 장치.
10. 엔코더 프레임 장치를 이용한 차량 위치 측정 시스템에 있어서,
    디스크 휠;
    상기 디스크 휠에 결합되어 브레이크 작용을 수행하는 캘리퍼;
    상기 디스크 휠의 일측에 배치되어 바퀴 회전수를 측정하는 엔코더; 및
    상기 캘리퍼에 결합되어 상기 엔코더의 위치를 고정시키는 엔코더 프레임 장치
    를 포함하고,
    상기 엔코더 프레임 장치는,
    일측에 엔코더와 결합되어 상기 엔코더의 위치를 고정시키는 제1 프레임;
    상기 제1 프레임의 타측에 소정 간격 이격되어 배치되며, 캘리퍼(caliper)와 결합되는 제2 프레임; 및
    상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임을 연결하는 연결부
    를 포함하고,
    상기 제1 프레임은,
    상기 디스크 휠의 상기 엔코더에 대한 상대운동 방향의 진동을 최소화하기 위해 상기 캘리퍼와 맞닿는 측면에 적어도 하나 이상의 볼트 지지부가 구성되는 엔코더 프레임 장치를 이용한 차량 위치 측정 시스템.
11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 프레임은,
    직사각 형상, 타원 형상, 및 꼭지점이 둥근 직사각 형상 중 적어도 어느 하나의 형상으로 이루어지며, 상기 캘리퍼와 맞닿는 면은 평평하게 이루어지고,
    상기 제2 프레임은,
    상기 제1 프레임보다 길이가 긴 형상으로 이루어지고, 상부에 상기 연결부와 결합을 위한 적어도 하나 이상의 홈부가 형성되며, 중간부에 상기 캘리퍼와 결합을 위한 적어도 하나 이상의 결합 홈이 형성되는 것
    을 특징으로 하는 엔코더 프레임 장치를 이용한 차량 위치 측정 시스템.
12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임은,
    상기 캘리퍼의 브레이크 작용 시 발생되는 유압에 의해 측방(lateral) 변위가 발생되는 부분에 영향을 미치지 않도록 구성되는 것
    을 특징으로 하는 엔코더 프레임 장치를 이용한 차량 위치 측정 시스템.
13. 삭제
14. 제10항에 있어서,
    상기 연결부는,
    적어도 하나 이상의 막대로 이루어져 상기 엔코더와 결합되는 상기 제1 프레임과 상기 캘리퍼와 결합되는 상기 제2 프레임의 사이를 소정 간격을 두고 이격되도록 연결하여, 다양한 형상의 캘리퍼에 결합 가능한 것
    을 특징으로 하는 엔코더 프레임 장치를 이용한 차량 위치 측정 시스템.
15. 제10항에 있어서,
    상기 엔코더는,
    상기 제1 프레임에 소정 간격 이격되어 결합되고, 가공용 기계에서 사용되는 마그네틱(magnetic) 엔코더로 이루어지며, 상기 디스크 휠과 상기 캘리퍼 사이에 구성되어 고해상도로 바퀴 회전수를 측정하는 것
    을 특징으로 하는 엔코더 프레임 장치를 이용한 차량 위치 측정 시스템.
    

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