KR102078122B1 - 초음파 센서를 이용한 경사도 측정 장치 및 그의 경사도 측정 방법 - Google Patents

초음파 센서를 이용한 경사도 측정 장치 및 그의 경사도 측정 방법 Download PDF

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숭실대학교산학협력단
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 초음파 센서를 이용한 경사도 측정 장치는, 장치본체와, 상기 장치본체에 배치되어 경사도를 측정하고자 하는 지면으로 초음파를 방사하고 수신하는 복수 개의 초음파 센서와, 상기 복수 개의 초음파 센서에 의해 구해진 거리 데이터를 통해 평면의 방정식을 구성하고 상기 방정식을 통해 x축 방향 및 y축 방향과, z축이 이루는 각도를 구함으로써 경사도를 구하는 마이크로 컨트롤러를 포함할 수 있다.

Description

초음파 센서를 이용한 경사도 측정 장치 및 그의 경사도 측정 방법{APPARATUS TO MEASURE GRADIENT USING ULTRASONIC SENSOR AND METHOD TO MEASURE GRADIENT THEREOF}
본 발명은 초음파 센서를 이용한 경사도 측정 장치 및 그의 경사도 측정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 경사면과 이격된 상태에서 초음파 센서를 이용한 초음파 송수신에 의해 경사도를 측정할 수 있기 때문에 종래에 비해 안전하면서도 정확한 경사도 측정을 수행할 수 있는, 초음파 센서를 이용한 경사도 측정 장치 및 그의 경사도 측정 방법에 관한 것이다.
최근 들어, 지면의 기울기를 측정하기 위하여 여러 방법이 사용되고 있는데, 그 중 하나가 액체를 통하여 전류가 흐르는 감지 전극을 이용하는 것이다.
이 방법의 경우, 액체의 면이 언제나 중력 방향에 대해서 수직 면을 유지하는 것을 기본 원리로 구현하기 위해, 액체를 통해 전기가 통하는 감지전극들을 정해진 간격으로 설치한 유연기관을 이용하여 액체와 닿아 있는 감지전극들의 위치를 바로 디지털 데이터로 측정하여 기울기를 구할 수 있다.
이 방법의 경우, 적분식을 이용하여 오차를 줄일 수 있고 디지털화하여 경사각의 수치를 직접 확인할 수 있다.
그런데, 이러한 감지전극을 이용하여 경사도를 구하는 종래의 방식에 있어서는, 경사도를 측정할 때 측정하고자 하는 대상과 접촉이 요구되며 따라서 접근이 어려운 지역이나 위치에 대해서는 측정이 어려운 한계가 있다.
한편, 기울기를 구하기 위하여 가속도 센서 및 자이로 센서가 사용될 수 있다. 이 방법의 경우, 센서들을 통해 지면 측정을 하고 적분식을 통해 경사각을 구할 수 있다. 그런데 이 때 적분 과정에서 오차가 발생함으로써 지면의 정확한 경사도를 구하는 데 한계가 있다.
따라서, 지면의 경사도를 정확하게 측정할 수 있으면서도 접촉하지 않고도 측정할 수 있는 새로운 구조의 지면 경사도 측정 장치의 개발이 요구되는 실정이다.
관련 선행기술로는, 대한민국 공개특허 10-2012-0107705호(발명의 명칭: 디지털 각도 측정센서 및 장치, 공개일자: 2012년 10월 4일)가 있다.
본 발명의 실시예들은 경사면과 이격된 상태에서 초음파 센서를 이용한 초음파 송수신에 의해 경사도를 측정할 수 있기 때문에 종래에 비해 안전하면서도 정확한 경사도 측정을 수행할 수 있는, 초음파 센서를 이용한 경사도 측정 장치 및 그의 경사도 측정 방법을 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 초음파 센서를 이용한 경사도 측정 장치는, 장치본체와, 상기 장치본체에 배치되어 경사도를 측정하고자 하는 지면으로 초음파를 방사하고 수신하는 복수 개의 초음파 센서와, 상기 복수 개의 초음파 센서에 의해 구해진 거리 데이터를 통해 평면의 방정식을 구성하고 상기 방정식을 통해 x축 방향 및 y축 방향과, z축이 이루는 각도를 구함으로써 경사도를 구하는 마이크로 컨트롤러를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 센서를 이용한 경사도 측정 장치는, 상기 장치본체에 구비되어 상기 마이크로 컨트롤러에 의해 계산된 상기 경사도에 대한 정보를 디스플레이하는 디스플레이부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 마이크로컨트롤러는 상기 복수 개의 초음파 센서 간의 위치와 측정된 거리 데이터를 (x, y, z) 좌표로 변환하고, 세 점의 변환된 좌표를 이용하여 구성된 평면 방정식인 Ax+By+Cz=1의 계수들을 이용해 수평면의 x축 방향 및 y축 방향 그리고z축 방향과 이루는 각도를 구할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 경사도 측정 장치는 드론에 장착 가능하다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 센서를 이용한 경사도 측정 장치의 경사도 측정 방법은, 복수 개의 초음파 센서와, 상기 복수 개의 초음파 센서를 이용하여 지면의 경사도를 측정하는 마이크로 컨트롤러를 포함하는 경사도 측정 장치의 경사도 측정 방법에 대한 것으로, 상기 마이크로 컨트롤러를 이용하여, 상기 복수 개의 초음파 센서에 의해 측정하고자 하는 상기 경사면에 대한 거리를 측정한 후 거리 데이터를 죄표화하는, 거리 측정 단계와, 상기 마이크로 컨트롤러를 이용하여, 상기 거리 측정 단계에 의해 측정된 좌표를 이용하여 평면의 방정식을 구성하는, 방정식 구성 단계와, 상기 마이크로 컨트롤러를 이용하여, 상기 평면의 방정식을 이용해 수평면의 수평면의 x축 방향 및 y축 방향 그리고 z축 방향과 이루는 각도를 구하는, 경사도 계산 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 거리 측정 단계 시, 상기 마이크로 컨트롤러를 이용해서 상기 복수 개의 초음파 센서 간의 위치와 측정된 상기 거리 데이터를 (x, y, z) 좌표로 변환할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 방정식 구성 단계 시, 상기 마이크로 컨트롤러를 이용하여 상기 복수 개의 초음파 센서 간의 위치와 측정된 상기 거리 데이터를 (x, y, z) 좌표로 변환하고, 세 점의 변환된 좌표를 이용하여 구성된 평면 방정식인 Ax+By+Cz=1의 계수들을 이용해 수평면의 x축 및 y축 방향과, z축과 이루는 각도를 구할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 상기 z축과 이루는 각도(θ z )는 법선 벡터
Figure 112018097526462-pat00001
와, 방향 코사인
Figure 112018097526462-pat00002
을 이용하여
Figure 112018097526462-pat00003
으로 계산될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 x축과 이루는 각도(θ x )는
Figure 112018097526462-pat00004
이고, 상기 y축과 이루는 각도(θ y )는
Figure 112018097526462-pat00005
일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 경사면과 이격된 상태에서 초음파 센서를 이용한 초음파 송수신에 의해 경사도를 측정할 수 있기 때문에 종래에 비해 안전하면서도 정확한 경사도 측정을 수행할 수 있다. .
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 경사도 측정 장치의 개략적인 구성과 작동 방식을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 경사도 측정 장치를 일측에서 바라본 개략적인 도면이다.
도 3은 도 1의 경사도 측정 장치를 반대측에서 바라본 개략적인 도면이다.
도 4는 도 1의 경사도 측정 장치의 경사도 측정 방법의 순서도이다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 경사도 측정 장치의 개략적인 구성과 작동 방식을 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 경사도 측정 장치를 일측에서 바라본 개략적인 도면이며, 도 3은 도 1의 경사도 측정 장치를 반대측에서 바라본 개략적인 도면이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 센서를 이용한 경사도 측정 장치(100)는, 장치본체(110)와, 장치본체(110)에 구비되어 측정 대상인 경사면(101)으로 초음파를 방사하고 수신하는 복수 개의 초음파 센서(120)와, 복수 개의 초음파 센서(120)들을 이용하여 경사면(101)의 경사도를 측정하는 마이크로 컨트롤러(미도시)와, 계산된 경사도 정보를 디스플레이하는 디스플레이부(130)와, 전원 버튼부(140)를 포함할 수 있다.
이러한 구성에 의해서, 측정 대상인 지면과 같은 경사면(101)에 직접 접근하거나 접촉하지 않고도 경사면(101)의 경사도를 정확하게 측정할 수 있다
각각의 구성에 대해 설명하면, 먼저 본 실시예의 장치본체(110)는 장치의 기본 외관을 형성하는 것으로서 직육면체 형상으로 마련될 수 있다. 이러한 장치본체(110)의 하단부에는 초음파 센서(120)가 노출되도록 장착될 수 있고, 상면에는 디스플레이부(130) 또는 전원 버튼부(140) 등이 장착될 수 있다.
다만, 장치본체(110)의 형상 또는 구성 위치가 전술한 내용 또는 도면에 도시된 내용에 한정되는 것은 아니며, 다른 형상 또는 장착 구조를 가질 수 있음은 당연하다.
한편, 본 실시예의 복수 개의 초음파 센서(120)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 장치본체(110)의 하단부에서 네 꼭지점 영역과 중앙 영역에 배치될 수 있다. 다만, 본 실시예에서는 복수 개의 초음파 센서(120)가 다섯 개로 마련되는 경우에 대해 상술하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 세 개 이상의 초음파 센서(120)로 마련될 수 있음은 당연하다.
또한, 중심에 배치된 초음파 센서(120)를 포함하는 세 개의 초음파 센서(120)를 하나의 초음파 센서군으로 설정하고, 중심에 배치된 초음파 센서(120)를 공유하는 적어도 두 개 이상의 초음파 센서군에서 측정된 데이터를 이용함으로써 정확도를 향상시킬 수 있다.
이처럼 복수 개의 초음파 센서(120)가 장치본체(110)에 구비되고, 각각의 초음파 센서(120)로부터 측정 대상인 경사면(101)으로 초음파를 방사시키고, 이어서 반사된 신호를 받음으로써 각각의 초음파 센서(120)는 각각의 거리 데이터를 획득할 수 있다. 이에 대해서는 본 실시예의 경사도 측정 장치(100)의 경사도 측정 방법을 설명할 때 상술하기로 한다.
한편, 본 실시예의 마이크로 컨트롤러는 전술한 복수 개의 초음파 센서(120)들 간의 위치 그리고 측정된 거리 데이터를 좌표로 변환한 후 평면 방정식을 구성하고 이를 통해 수평면의 x축, y축 및 z축 방향의 각도를 구함으로써 측정 대상인 경사면(101)의 경사도를 구할 수 있다.
이때, 중심에 배치된 초음파 센서(120)를 포함하는 세 개의 초음파 센서(120)를 하나의 초음파 센서군으로 설정하고, 중심에 배치된 초음파 센서(120)를 공유하는 적어도 두 개 이상의 초음파 센서군에서 측정된 데이터로부터 측정 대상인 경사면(101)의 복수 개의 경사도 값을 구할 수 있고, 이를 평균함으로써 경사도 측정의 정확도를 향상시킬 수 있다.
그리고 마이크로 컨트롤러에 의해 측정된 각도들은 도 1 및 도 3에 도시된 디스플레이부(130)를 통해 디스플레이될 수 있다. 다시 말해, 마이크로 컨트롤러에 의해 3개의 각도, 즉 수평면의 x축, y축 및 z축 방향의 각도를 구할 수 있는데 이 값이 디스플레이부(130)의 각 창을 통해 표현될 수 있는 것이다.
한편 전원 버튼부(140)를 누르거나 누름 해제시키는 동작에 의해 경사도 측정을 시작할 수 있으며, 측정이 완료된 후에는 장치의 작동을 멈출 수 있다.
한편, 이하에서는 전술한 초음파 센서(120)를 이용한 지면의 경사도 측정 장치(100)를 이용하여 경사면(101)의 경사도를 측정하는 방법에 대해서 도면의 순서도를 참조하여 설명하기로 한다.
도 4는 도 1의 경사도 측정 장치(100)의 경사도 측정 방법의 순서도이다.
이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 경사도 측정 장치(100)의 경사도 측정 방법은, 측정 대상인 경사면에 대하여 거리를 측정하는 거리 측정 단계(S100)와, 거리 측정 단계(S100)에 의해 측정된 좌표를 이용해서 평면의 방정식을 구성하는 방정식 구성 단계(S200)와, 경사면의 경사도를 계산하는 경사도 계산 단계(S300)를 포함할 수 있다.
각각의 단계를 설명하면, 먼저 본 실시예의 거리 측정 단계(S100)는, 마이크로 컨트롤러를 이용하여, 복수 개의 초음파 센서(120)를 작동(S110)시켜 측정하고자 하는 경사면(101)에 대한 거리를 측정(S120)한 다음 측정된 거리 데이터를 공간좌표로 좌표화(S130)하는 단계이다.
여기서, 복수 개의 초음파 센서(120)는 전술한 것처럼 3개 이상, 본 실시예의 경우 5개의 초음파 센서(120)가 사용될 수 있다. 5개의 초음파 센서(120)는, 도 1의 경사면(101)을 기준으로 하면, 경사면(101)의 네 꼭지점 영역 및 중앙 영역에 대해 초음파를 방사할 수 있고, 방사된 신호는 초음파 센서(120)에 수신되어 거리를 측정할 수 있다.
거리(D)의 측정은 다음의 식 1에 의해 이루어질 수 있다.
Figure 112018097526462-pat00006
... 식 1
여기서 D는 초음파 센서(120)와 경사면 간의 거리를 가리키고, c는 측정 당시 섭씨 온도(T℃에서의 음속((331.5+0.6T) m/s)이고, t는 초음파가 반사되어 돌아오기 까지의 시간을 가리킨다.
이와 같이, 초음파 센서(120) 다섯 개의 작동에 의해 측정된 5개의 거리 데이터와 초음파 센서(120)들 간의 간격을 이용해서 각 초음파 센서(120)로부터 측정된 경사면의 다섯 지점을 (x, y, z) 좌표로 변환한다.
그리고 이어서 실행되는 방정식 구성 단계(S200)를 통해, 전술한 (x, y, z) 좌표를 이용하여 평면의 방정식인 Ax+By+Cz=1을 구성한다.
이어서, 경사도 계산 단계(S300) 시, 방정식 구성 단계를 통해 구성된 방정식을 이용하여 각 축에 대한 각도를 계산(S310)한다. 부연하면, z축과 이루는 각도(θ z )는 법선 벡터
Figure 112018097526462-pat00007
와, 방향 코사인
Figure 112018097526462-pat00008
을 이용하여
Figure 112018097526462-pat00009
으로 계산할 수 있다.
그리고 마찬가지로, x축과 이루는 각도(θ x )는
Figure 112018097526462-pat00010
로 구할 수 있고, y축과 이루는 각도(θ y )는
Figure 112018097526462-pat00011
로 구할 수 있는 것이다.
이처럼 경사도 측정 단계를 통해서, 수평면의 x축, y축 및 z축 방향에 대한 각도를 구할 수 있다. 그리고 이 세 축의 각도를 토대로 경사면에 대한 경사도를 정확하게 측정(S320)할 수 있는 것이다.
한편, 상술한 바와 같이 중심에 배치된 초음파 센서(120)를 하나의 초음파 센서군으로 설정하고, 중심에 배치된 초음파 센서(120)를 공유하는 적어도 두 개 이상의 초음파 센서군을 이용하여 경사면에 경사도를 측정하고 이를 평균함으로써 경사도 측정의 정확도를 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 경사도 측정 장치(100)는 경사면에 접촉한 상태로 경사도를 측정하는 것이 아니라 경사면과 이격된 상태에서 초음파 센서(120)를 이용한 초음파 송수신에 의해 경사도를 측정할 수 있다.
따라서 드론과 같은 비행체에 적용하여 사고 지역이나 도로면의 경사도를 파악하는 데 사용할 수 있고, 또한 산사태 발생이 의심되는 지역이나 비탈 정도가 심해서 사람이 접근하기 힘든 비탈진 장소의 경사도를 용이하면서도 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 종래의 방식의 경우 경사도 측정 시 적분의 과정으로 인해 오차가 발생되었는데, 본 실시예의 경우 평면의 방정식이 사용되기 때문에 종래에 비해 더 정확한 경사로를 얻을 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 초음파 센서를 이용한 경사도 측정 장치
110: 장치본체
120: 초음파 센서
130: 디스플레이부
140: 전원 버튼부
S100: 거리 측정 단계
S200: 방정식 구성 단계
S300: 경사도 측정 단계

Claims (9)

  1. 장치본체;
    상기 장치본체의 하단부에서 네 꼭지점 영역과 중앙 영역에 배치되어 경사도를 측정하고자 하는 지면으로 초음파를 방사하고 수신하는 복수 개의 초음파 센서; 및
    상기 복수 개의 초음파 센서에 의해 구해진 거리 데이터를 통해 평면의 방정식을 구성하고 상기 방정식을 통해 x축 방향 및 y축 방향과, z축이 이루는 각도를 구함으로써 경사도를 구하는 마이크로 컨트롤러;
    를 포함하고,
    상기 마이크로컨트롤러는 상기 복수 개의 초음파 센서 간의 간격과 측정된 거리 데이터를 (x, y, z) 좌표로 변환하고, 세 점의 변환된 좌표를 이용하여 구성된 평면 방정식인 Ax+By+Cz=1의 계수들을 이용해 수평면의 x축 방향 및 y축 방향 그리고 z축 방향과 이루는 각도를 구하고,
    상기 중앙 영역에 배치된 초음파 센서를 포함하는 세 개의 초음파 센서를 하나의 초음파 센서군으로 설정하고, 상기 중앙 영역에 배치된 초음파 센서를 공유하는 적어도 두 개 이상의 초음파 센서군에서 측정된 데이터를 이용하여 상기 경사도를 측정하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서를 이용한 경사도 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 장치본체에 구비되어 상기 마이크로 컨트롤러에 의해 계산된 상기 경사도에 대한 정보를 디스플레이하는 디스플레이부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서를 이용한 경사도 측정 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 경사도 측정 장치는 드론에 장착 가능한 것을 특징으로 하는 초음파 센서를 이용한 경사도 측정 장치.
  5. 장치본체의 하단부에서 네 꼭지점 영역과 중앙 영역에 배치되는 복수 개의 초음파 센서와, 상기 복수 개의 초음파 센서를 이용하여 지면의 경사도를 측정하는 마이크로 컨트롤러를 포함하는 경사도 측정 장치의 경사도 측정 방법에 있어서,
    상기 마이크로 컨트롤러를 이용하여, 상기 복수 개의 초음파 센서에 의해 측정하고자 하는 상기 경사면에 대한 거리를 측정한 후 거리 데이터를 죄표화하는, 거리 측정 단계;
    상기 마이크로 컨트롤러를 이용하여, 상기 거리 측정 단계에 의해 측정된 좌표를 이용하여 평면의 방정식을 구성하는, 방정식 구성 단계; 및
    상기 마이크로 컨트롤러를 이용하여, 상기 평면의 방정식을 이용해 수평면의 수평면의 x축 방향 및 y축 방향 그리고 z축 방향과 이루는 각도를 구하는, 경사도 계산 단계;
    를 포함하고,
    상기 거리 측정 단계 시, 상기 마이크로 컨트롤러를 이용해서 상기 복수 개의 초음파 센서 간의 위치와 측정된 상기 거리 데이터를 (x, y, z) 좌표로 변환하고,
    상기 방정식 구성 단계 시, 세 점의 변환된 좌표를 이용하여 구성된 평면 방정식인 Ax+By+Cz=1의 계수들을 이용해 수평면의 x축 및 y축 방향과, z축과 이루는 각도를 구하고,
    상기 중앙 영역에 배치된 초음파 센서를 포함하는 세 개의 초음파 센서를 하나의 초음파 센서군으로 설정하고, 상기 중앙 영역에 배치된 초음파 센서를 공유하는 적어도 두 개 이상의 초음파 센서군에서 측정된 데이터를 이용하여 상기 경사도를 측정하는 것을 특징으로 하는 경사도 측정 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제5항에 있어서,
    상기 z축과 이루는 각도(θz )는 법선 벡터
    Figure 112019098567537-pat00012
    와, 방향 코사인
    Figure 112019098567537-pat00013
    을 이용하여
    Figure 112019098567537-pat00014
    으로 계산되는 것을 특징으로 하는 경사도 측정 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 x축과 이루는 각도(θ x )는
    Figure 112018097526462-pat00015
    이고,
    상기 y축과 이루는 각도(θ y )는
    Figure 112018097526462-pat00016
    인 것을 특징으로 하는 경사도 측정 방법.
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