KR20000013290A - 수동식음원원격측정시스템및그방법과이를이용한작동완구 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 4각형 또는 대칭형 4각뿔형상으로 배치된 3-6개의 음향 수신기를 통하여 수신된 음향신호를 매 펄스마다 1회의 위상차를 구하는 계산을 수행하여 광범위한 방향의 2차원 또는 3차원적으로 떨어져 있는 음원과의 거리 및 각도를 고속의 실시간 처리로 정밀한 음원위치를 구할 수 있는 수동식 음원 원격측정 시스템(Passive Sound Telemetry System) 및 그 방법에 관한 것이다. 상기 시스템은 작동완구에 적용되어 사용자의 명령에 따라 사용자를 추종하는 기능을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 측정 시스템은 정사각형의 각 모서리에 배치되어 상기 음향발생원으로부터 발생하여 도달 시간차를 갖는 제1 내지 제4음향신호를 수신하기 위하여 제1 내지 제4음향 수신기와, 제1 내지 제4음향신호를 각각 매 주기마다 영전위를 기준으로 1펄스신호로 변환하여 제1 내지 제4펄스신호를 발생시키기 위한 제1 내지 제4영교차 검출기와, 제1 내지 제4펄스신호들 중에서 위상이 가장 빠른 펄스신호를 검출하기 위한 최우선 수신신호 검출수단과, 위상이 가장 빠른 펄스신호와 제1 내지 제4펄스신호 사이의 도달 시간차를 구하기 위한 제1 내지 제4도달 시간차 계산수단으로 구성되어, 제2최소 도달 시간차값과 제3최소 도달 시간차값의 시간차에 기초하여 제1 내지 제4음향 수신기의 중앙으로부터 음향발생원 사이의 각도와 거리를 구하는 것을 특징으로 한다.

Description

수동식 음원 원격측정 시스템 및 그 방법과 이를 이용한 작동완구
본 발명은 수동식 음원 원격측정 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 4각형 또는 대칭형 4각뿔형상으로 배치된 3-6개의 음향 수신기를 통하여 수신된 음향신호를 매 펄스마다 1회의 위상차를 구하는 계산을 수행하여 광범위한 방향의 2차원 또는 3차원적으로 떨어져 있는 음원과의 거리 및 각도를 고속의 실시간 처리로 측정하여 측정오차를 보정함에 의해 정밀한 음원위치를 구할 수 있는 수동식 음원 원격측정 시스템(Passive Sound Telemetry System) 및 그 방법에 관한 것이다.
더욱이 본 발명은 상기한 수동식 음원 원격측정 시스템 및 그 방법을 이용하여 음향 발생위치를 인식함과 동시에 사용자의 명령을 인식하여 사용자의 부름에 추종하면서 각종 명령 동작을 실행할 수 있는 지능적이고 대화형의 기능을 갖는 작동완구에 관한 것이다.
일반적으로 음향을 이용하여 목적물(target)의 각도와 거리를 측정하는 방법으로는 특정한 음파를 발사한 후 되돌아오는 반사파의 시간을 측정하여 계산하는 능동적(active) 방법과, 음원으로부터 발산된 음향의 수신에 의존하여 측정하는 수동적(passive) 방법으로 분류된다.
이경우 수동적 측정방법은 예를들어, 다수의 지향성 마이크를 사용하여 각도를 추정하는 방법(한국 공개특허공보 제90-5252호 참조)과, 2 내지 3 이상의 센서를 사용하여 각도에 한하여 측정 가능한 방법(미합중국 특허 제3,947,803호, 제4,245,430호, 제4,601,025호 참조)과, 3개 이상의 센서를 사용하여 각도와 거리를 측정하는 방법(미합중국 특허 제4,317,186호, 제4,910,719호, 제5,586,086호 참조) 등이 제안되어 있다.
우선, 센서의 구성과 관련하여 살펴보면 미합중국 특허 제4,317,186호는 행렬로 구성된 많은 센서를 사용하고 있고, 미합중국 특허 제4,910,719호는 3개의 센서가 일렬로 배치되어 있어 180°미만에서만 측정이 가능하며, 미합중국 특허 제5,586,086호는 음향원의 이동을 추적하여 발생점을 계산하는 방법으로서 다른 문제점을 안고 있다.
신호처리 측면에서 살펴보면, 미합중국 특허 제3,947,803호, 제4,245,430호, 제4,717,364호, 제5,407376호 등은 각 채널의 센서에 수신되는 음파의 전기신호를 일단 정류하여 음향 에너지로 변환한 후 최고점을 검출하여 각 채널에 검출된 파형의 도달 지연시간을 측정하여 각도와 거리를 구하였다.
따라서 이러한 측정방법은 음성신호의 정류과정과 피크치 검출부분에서 시간의 손실과 오차가 발생할 수 있고 또한 실시간 처리를 위한 고속측정이 용이하지 못하여 짧은 시간에 많은 수의 표본을 추출하지 못하였으며, 그 결과 측정오차의 보정에 한계가 있어 측정의 정밀도가 떨어지는 문제가 있다.
한편, 작동완구의 측면에서 살펴보면 음향에 반응하는 것으로 한국 공개특허공보 제90-5252호와 미합중국 특허 제4,245,430호는 소리가 나는 방향을 인식하여 작동하는 구조를 갖고 있으나, 이는 거리는 인식하지 못하고 단지 소리가 나는 동안만 그 방향으로 진행할 수 있어 사용자가 작동완구와의 접촉 등을 시도하는 경우에는 계속하여 소리를 발생하여야 하는 문제점이 있다.
또한 미합중국 특허 제4,717,364호와 제5,647,787호는 사용자의 명령 인식기능 및 그에 따른 행동을 보여주는 기능을 갖고 있으나, 사용자의 위치와는 무관한 동작을 실행하고 있다.
상기한 바와같이 종래의 기술은 음원에 대한 각도와 거리를 2차원 및/또는 3차원 공간에서 고속의 실시간 처리로 구할 수 있고, 이를 이용하여 측정오차를 보정함에 의해 측정의 정밀도를 높일 수 있는 방안은 제안하고 있지 못하였다.
더욱이 이러한 음원, 예를들어 사용자에 대한 각도와 거리를 인식하여 사용자의 호출 또는 명령에 응답하여 사용자를 추종하면서 인식된 명령에 따른 동작을 실행할 수 있는 지능형/대화형 작동완구는 제시하고 있지 못하였다.
따라서 본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 4각형 또는 대칭형 4각뿔형상으로 배치된 3-6개의 음향 수신기로부터 수신된 음파신호를 매 펄스마다 1회의 위상차를 구하는 계산을 수행하여 광범위한 방향의 2차원 또는 3차원적으로 떨어져 있는 음원과의 거리 및 각도를 고속의 실시간 처리로 측정오차를 보정하여 정밀하게 구할 수 있는 수동식 음원 원격측정 시스템 및 그 방법을 제공하는데 있다.
더욱이 본 발명의 다른 목적은 상기한 수동식 음원 원격측정 시스템 및 그 방법을 이용하여 음향 발생위치를 인식함과 동시에 사용자의 명령을 인식하여 사용자의 부름에 추종하면서 각종 명령 동작을 실행할 수 있는 지능적이고 대화형의 기능을 갖는 작동완구를 제공하는데 있다.
도 1은 2차원상에 4개의 센서가 배치된 경우의 본 발명에 따른 수동식 음원 원격측정 원리를 설명하기 위한 지오메트리,
도 2a는 3차원상에서 본 발명에 따른 수동식 음원 원격측정 원리를 설명하기 위한 지오메트리,
도 2b는 도 2a에 도시된 센서의 3차원 직교좌표상의 배치위치를 보여주는 도면,
도 2c는 도 2b에 도시된 센서에 의해 이루어지는 형상을 보여주는 배치 구성도,
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 수동식 음원 원격측정 시스템의 구성을 보여주는 회로도,
도 4는 도 3a 및 도 3b에 도시된 본 발명에 따른 수동식 음원 원격측정 시스템의 작용을 설명하기 위한 주요부분의 신호파형을 나타내는 타이밍도,
도 5는 본 발명에 따른 수동식 음원 원격측정방법을 설명하기 위한 제어 흐름도,
도 6은 본 발명에 따른 수동식 음원 원격측정 시스템을 이용한 작동완구 구동회로를 보여주는 개략 블록도,
도 7은 도 6에 도시된 구동회로에 의해 작동되는 자동차 작동완구의 개략적인 구성도,
도 8은 동물 작동완구 구동회로의 전체적인 동작을 설명하기 위한 제어 흐름도,
도 9는 주행기능에 대한 서브루틴을 나타낸 흐름도이다.
( 도면의 주요부분에 대한 부호설명 )
10 ; 음향 발생위치 검출회로 11-14 ; 제1-제4저역통과필터
21-24 ; 영교차 검출기 31-34 ; 제1-제4위상반전회로
41-44 ; 제1-제4계수기 45 ; 인터럽트 발생회로
51 ; 트리거 신호 발생회로 53 ; NOR5
55 ; DFF 57 ; OR1
60 ; 음성인식장치 61 ; 합산기
62 ; 파형 정류기 63 ; 레벨 트리거 회로
64 ; 녹음/인식 스위치 65-68 ; NOR1-NOR4
70 ; CPU 72 ; EPROM
74 ; RAM 80 ; 장애물 감지센서
90 ; 주행제어장치 92 ; 전동모터
94 ; 음성 발생기 96 ; 동작 구동부
100 ; 작동완구 102 ; 구동륜
104 ; 조향륜 106 ; 밧데리
108 ; PCB 112 ; 전구
114 ; 경광등 116 ; 하우징
118 ; 행위모터 M1-M6 ; 마이크
본 발명의 제1특징에 따르면, 음향발생원에 대한 각도(θ)와 거리(R)를 측정하기 위한 수동식 음원 원격측정 시스템에 있어서, 미리 설정된 길이(L)를 갖는 사각형의 3 모서리에 배치되어 상기 음향발생원으로부터 발생하여 도달 시간차를 갖는 3개의 제1 내지 제3음향신호를 수신하기 위하여 제1 내지 제3음향 수신기와, 상기 제1 내지 제3음향신호를 각각 매 주기마다 영전위를 기준으로 1펄스신호로 변환하여 제1 내지 제3펄스신호를 발생시키기 위한 제1 내지 제3영교차 검출기와, 상기 제1 내지 제3펄스신호들 중에서 위상이 가장 빠른 펄스신호를 검출하기 위한 최우선 수신신호 검출수단과, 상기 위상이 가장 빠른 펄스신호와 제1 내지 제3펄스신호 사이의 도달 시간차(t0,t1,t2)를 구하기 위한 제1 내지 제3도달 시간차 계산수단으로 구성되어, 상기 제2최소 도달 시간차값(t2)과 제3최소 도달 시간차값(t0)의 시간차(t2-t0)에 기초하여 상기 제1 내지 제3음향 수신기의 중앙으로부터 음향발생원 사이의 각도와 거리를 구하는 것을 특징으로 하는 수동식 음원 원격측정 시스템을 제공한다. 상기 측정 시스템은 2차원 평면의 180。 범위 내에서 동작된다.
본 발명의 제2특징에 따르면, 음향발생원에 대한 각도(θ)와 거리(R)를 측정하기 위한 수동식 음원 원격측정 시스템에 있어서, 미리 설정된 길이(L)를 갖는 정사각형의 각 모서리에 배치되어 상기 음향발생원으로부터 발생하여 도달 시간차를 갖는 제1 내지 제4음향신호를 수신하기 위하여 제1 내지 제4음향 수신기와, 상기 제1 내지 제4음향신호를 각각 매 주기마다 영전위를 기준으로 1펄스신호로 변환하여 제1 내지 제4펄스신호를 발생시키기 위한 제1 내지 제4영교차 검출기와, 상기 제1 내지 제4펄스신호들 중에서 위상이 가장 빠른 펄스신호를 검출하기 위한 최우선 수신신호 검출수단과, 상기 위상이 가장 빠른 펄스신호와 제1 내지 제4펄스신호 사이의 도달 시간차(t0,t1,t2,t3,)를 구하기 위한 제1 내지 제4도달 시간차 계산수단으로 구성되어, 상기 제2최소 도달 시간차값(t2)과 제3최소 도달 시간차값(t0)의 시간차(t2-t0)에 기초하여 상기 제1 내지 제4음향 수신기의 중앙으로부터 음향발생원 사이의 각도와 거리를 구하는 것을 특징으로 하는 수동식 음원 원격측정 시스템을 제공한다. 상기한 제2특징에 따른 시스템은 2차원 평면의 모든 각도에 걸쳐 음원에 대한 각도와 거리를 구하는 데 적용될 수 있다.
상기 최우선 수신신호 검출수단은 상기 제1 내지 제4펄스신호중 가장 앞선 펄스신호의 상승에지에 동기하여 하강하며 가장 느린 펄스신호의 하강에지에 동기하여 상승하는 제1게이트신호를 발생하는 제1NOR 게이트와, 상기 도달 시간차 계산수단의 카운팅 종료와 동기하여 카운팅 종료신호를 발생하는 인터럽트 요구신호 발생수단과, 상기 카운팅 종료신호의 상승에지에 동기하여 세트되고 상기 제1NOR 게이트의 게이트 신호 출력의 하강에지에 동기하여 리세트되는 제2게이트신호를 발생하는 D 플립플롭과, 상기 NOR 게이트와 D 플립플롭의 제1 및 제2게이트신호의 합신호로서 트리거 신호를 발생하는 OR 게이트와, 각각 일입력단자에 인가되는 상기 제1 내지 제3펄스신호와 다른 입력단자에 공통으로 인가되는 상기 트리거 신호에 응답하여 상기 제1 내지 제4도달 시간차 계산수단에 대한 계수기간을 설정하는 인에이블 신호를 발생하는 제2 내지 제5 NOR 게이트로 구성된다.
더욱이 상기 시스템은 상기 인터럽트 요구신호 발생수단의 카운팅 종료신호에 응답하여 상기 제1 내지 제4도달 시간차 계산수단으로부터 발생된 상기 도달 시간차값(t0,t1,t2)을 읽어들여 제2최소 도달 시간차값(t2)과 제3최소 도달 시간차값(t0)의 시간차(t2-t0)에 기초하여 상기 제1 내지 제4음향 수신기의 중앙으로부터 음향발생원 사이의 각도와 거리를 구하기 위한 신호처리수단을 더 포함한다.
또한 상기 신호처리수단은 구해진 도달 시간차가 오버플로우될때 해당 펄스신호의 위상을 반전시키기 위한 반전신호를 발생하며, 상기 반전신호가 일입력에 인가될때 상기 위상반전되어 수신된 음향신호의 펄스신호를 반전시키기 위한 제1 내지 제4위상반전회로를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 잡음을 제거하기 위하여 상기 제1 내지 제4음향 수신기 각각에 접속되어 수신된 제1 내지 제4음향신호의 저주파 음향신호 만을 통과시키기 위한 제1 내지 제4저역통과필터를 더 포함하는 것이 바람직하다.
더욱이 상기 2차원 측정 시스템은 상기 제1 내지 제4음향 수신기를 포함하여 상하 대칭형 정사각뿔을 형성하는 상부 및 하부 꼭지점에 배치된 제5 및 제6음향 수신기와, 상기 제5 및 제6음향신호를 각각 매 주기마다 영전위를 기준으로 1펄스신호로 변환하여 제5 및 제6펄스신호를 발생시키기 위한 제5 및 제6영교차 검출기와, 상기 위상이 가장 빠른 펄스신호와 제5 및 제6펄스신호 사이의 도달 시간차(t5,t6)를 구하기 위한 제5 및 제6도달 시간차 계산수단을 더 포함하는 것에 의해 3차원 공간에서 각도와 거리를 측정할 수 있다.
상기한 본 발명 시스템에서 상기 음향 수신기와 음향 수신기 사이의 거리는 수신되는 상기 음향신호의 1파장 범위보다 작게 위치시키는 것이 가능하여 작은 스스템 구성이 가능하다.
한편 본 발명에 따른 측정 시스템은 상호간에 미리 설정된 길이를 갖고 배치되어 상기 음향발생원으로부터 발생하여 도달 시간차를 갖는 다수의 음향신호를 수신하기 위하여 다수의 음향 수신기와, 상기 다수의 음향신호들 중에서 가장 빠르게 도달한 음향신호를 검출하기 위한 최우선 수신신호 검출수단과, 상기 음향 수신기 각각에 직렬로 접속되어 상기 최우선 수신신호 검출수단으로부터 발생된 가장 빠르게 도달한 음향신호와 상기 다수의 음향신호 사이의 도달 시간차를 구하기 위한 다수의 신호처리채널로 구성되며, 상기 제2 최소 도달 시간차와 제3 최소 도달 시간차 사이의 시간차에 기초하여 상기 다수의 음향 수신기의 중앙으로부터 음향발생원 사이의 각도와 거리를 구하는 것을 특징으로 하는 수동식 음원 원격측정 시스템으로 개념을 확장하는 것도 가능하다.
이경우 상기 신호처리채널 각각은 상기 음향신호를 각각 매 주기마다 영전위를 기준으로 1펄스신호로 변환하여 펄스신호를 발생시키기 위한 영교차 검출기와, 상기 위상이 가장 빠른 펄스신호와 상기 펄스신호 사이의 도달 시간차를 구하기 위한 도달 시간차 계산수단으로 구성된다.
한편 음향발생원에 대한 각도(θ)와 거리(R)를 측정하기 위한 수동식 음원 원격측정 방법은 미리 설정된 길이(L)를 갖는 정사각형의 각 모서리에 배치된 제1 내지 제4음향 수신기에 의해 상기 음향발생원으로부터 발생하여 도달 시간차를 갖는 제1 내지 제4음향신호를 수신하는 단계와, 상기 제1 내지 제4음향신호를 각각 매 주기마다 영전위를 기준으로 1펄스신호로 변환하여 제1 내지 제4펄스신호를 발생시키는 단계와, 상기 제1 내지 제4펄스신호들 중에서 위상이 가장 빠른 펄스신호를 검출하는 단계와, 상기 위상이 가장 빠른 펄스신호와 제1 내지 제4펄스신호 사이의 도달 시간차(t0,t1,t2,t3,)를 구하는 단계와, 상기 제2최소 도달 시간차값(t2)과 제3최소 도달 시간차값(t0)의 시간차(t2-t0)에 기초하여 상기 제1 내지 제4음향 수신기의 중앙으로부터 음향발생원 사이의 각도(θ)와 거리(R)를 구하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 본 발명에서는 상기 구해진 도달 시간차(t0,t1,t2,t3,)가 오버플로우될때 해당 펄스신호의 위상을 반전시키기 위한 반전신호를 발생하는 단계와, 상기 반전신호를 인가하여 오버플로우가 발생된 채널의 펄스신호를 반전시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 수동식 음원 원격측정 시스템을 이용한 사용자 대화형 작동완구는 개별구동되는 한쌍의 전동모터에 의해 방향전환 및 전후 주행기능을 갖는 전동식 구동 메카니즘과, 상기 전동식 구동 메카니즘에 의해 이동되는 하우징과,상기 하우징의 외측에 설치되어 제어신호에 의해 작동되는 다수의 시각, 청각, 물리적인 피구동부와, 상기 하우징에 배치되는 미리 설정된 길이(L)를 갖는 정사각형의 각 모서리에 배치되어 상기 사용자로부터 발생하여 도달 시간차를 갖는 제1 내지 제4음향신호를 수신하기 위하여 제1 내지 제4음향 수신기와, 상기 제1 내지 제4음향신호를 각각 매 주기마다 영전위를 기준으로 1펄스신호로 변환하여 제1 내지 제4펄스신호를 발생시키기 위한 제1 내지 제4영교차 검출기와, 상기 제1 내지 제4펄스신호들 중에서 위상이 가장 빠른 펄스신호를 검출하기 위한 최우선 수신신호 검출수단과, 상기 위상이 가장 빠른 펄스신호와 제1 내지 제4펄스신호 사이의 도달 시간차(t0,t1,t2,t3,)를 구하기 위한 제1 내지 제4도달 시간차 계산수단과, 상기 제1 내지 제4음성신호에 대한 음성인식을 실행하는 음성인식수단과, 상기 제2최소 도달 시간차값(t2)과 제3최소 도달 시간차값(t0)의 시간차(t2-t0)에 기초하여 상기 제1 내지 제4음향 수신기의 중앙으로부터 사용자 사이의 각도(θ)와 거리(R)를 구하며, 상기 구해진 각도(θ)와 거리(R)를 사용하여 음성인식에 따른 사용자의 지시명령을 추종하도록 상기 전동식 구동 메카니즘을 구동시키는 제어수단으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 작동완구에서 상기 음성인식수단은 사용자의 특정음성패턴을 등록하기 위한 음성패턴 메모리와, 수신되는 음성신호가 기등록된 특정음성신호인 지를 판단하기 위한 음성판단수단을 더 포함하며, 상기 제어수단은 기등록된 특정음성신호가 수신되는 경우에만 기동되어 시스템의 작동을 실행하도록 제어할 수 있다.
더욱이 상기 작동완구는 상기 제1 내지 제4음향신호의 음향 에너지가 설정치 이상일때 트리거 신호를 발생하는 레벨 트리거신호 발생수단을 더 포함하는 것에 의해, 상기 제어수단가 상기 트리거 신호가 수신되는 경우에만 기동되어 시스템의 작동을 실행하도록 제어할 수 있다.
상기 작동완구는 동물완구, 로보트, 자동차, 무한궤도차 중 어느 하나를 구성할 수 있다.
또한, 장애물을 감지하기 위한 장애물 감지센서를 더 포함하는 경우 주행 도중에 장애물이 검출되는 경우 구동 메카니즘의 개별구동되는 한쌍의 전동모터에 의해 방향전환을 실행하고, 상기 음향발생원에 도달한 상태에서 장애물이 검출되는 경우 주행을 정지시키는 것이 가능하다.
더욱이 상기 제어수단은 시스템 제어용 프로그램과 각종 변수값 및 각종 멜로디나 동물소리 또는 음성을 기억하고 있는 프로그램 가능 메모리와, 처리중인 일시적인 데이터를 기억하기 위한 데이터 메모리를 포함함과 동시에 상기 프로그램 가능 메모리에 기억된 음성 데이터를 음성합성하기 위한 음성 발생기를 더 포함하는 것에 의해 상기 사용자의 특정명령에 응답하여 멜로디, 동물소리, 음성 중 어느 하나의 소리를 발생할 수 있다.
상기 제어수단은 각도(θ)와 거리(R)를 연속적으로 다수회 측정한후 측정된 각도(θ)와 거리(R)를 산술평균하여 얻어진 평균 각도(θ)와 거리(R)에 따라 구동 메카니즘을 제어할 수 있다.
상기한 바와같이 본 발명에서는 먼저 2차원 공간일때 4각형으로 배치된 3-4개의 센서 또는 3차원 공간일때는 대칭형 4각뿔형상으로 배치된 6개의 센서로부터 수신된 각 채널의 음파신호들 상호간에 매 펄스마다 1회의 시간차를 구하는 계산을 수행하므로 광범위한 방향의 음원과의 거리 및 각도를 고속의 실시간 처리로 측정가능하고, 또한 다수회 구하여진 측정값을 산술평균 처리함에 의해 측정오차를 보정하여 정밀한 데이터를 구할 수 있게 된다.
더욱이 본 발명의 작동완구는 상기한 수동식 음원 원격측정 시스템 및 그 방법을 이용하여 음향 발생위치를 인식함과 동시에 음성인식칩에 의해 사용자의 명령을 인식하여 사용자의 부름에 추종하면서 각종 명령 동작을 실행할 수 있는 지능적이고 대화형의 기능을 갖는다.
또한 본 발명에서는 마이크들 사이의 간격을 측정할 음파의 1파장 범위 이내로 설정하는 것이 가능하여 작은 공간에 측정 시스템을 구현할 수 있고, 그 결과 측정장비의 소형화가 가능하다.
(실시예)
이하에 상기한 본 발명을 바람직한 실시예가 도시된 첨부도면을 참고하여 더욱 상세하게 설명한다.
첨부된 도 1은 2차원상에 4개의 센서가 배치된 경우의 본 발명에 따른 수동식 음원 원격측정 원리를 설명하기 위한 지오메트리, 도 2a는 3차원상에서 본 발명에 따른 수동식 음원 원격측정 원리를 설명하기 위한 지오메트리, 도 2b는 도 2a에 도시된 센서의 3차원 직교좌표상의 배치위치를 보여주는 도면, 도 2c는 도 2b에 도시된 센서에 의해 이루어지는 형상을 보여주는 배치 구성도, 도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 수동식 음원 원격측정 시스템의 구성을 보여주는 회로도, 도 4는 도 3a 및 도 3b에 도시된 본 발명에 따른 수동식 음원 원격측정 시스템의 작용을 설명하기 위한 주요부분의 신호파형을 나타내는 타이밍도, 도 5는 본 발명에 따른 수동식 음원 원격측정방법을 설명하기 위한 제어 흐름도, 도 6은 본 발명에 따른 수동식 음원 원격측정 시스템을 이용한 작동완구 구동회로를 보여주는 개략 블록도, 도 7은 도 6에 도시된 구동회로에 의해 작동되는 자동차 작동완구의 개략적인 구성도, 도 8은 동물 작동완구 구동회로의 동작을 설명하기 위한 제어 흐름도, 도 9는 주행기능 서브루틴을 나타낸 흐름도이다.
먼저 본 발명에 따른 수동식 음원 원격측정은 2차원 공간의 어느 한지점에서 360°전체에 걸쳐 음원(sound source)(S)에 대한 각도(θ)와 거리(R)를 측정할때 도 1에 도시된 바와같은 미리 설정된 거리(L)를 갖고 바람직하게는 정사각형 또는 직사각형상으로 배치되어 있는 적어도 3개, 바람직하게는 4개의 음향 검출센서로서 4개의 제1 내지 제4 마이크(M1-M4)가 배치된 구조를 사용한다.
이러한 4개의 제1 내지 제4 마이크(M1-M4) 배치 구조는 음원(S)으로부터 발생된 음파가 대략 원형 물결파와 같이 전파되기 때문에 4개의 제1 내지 제4 마이크(M1-M4)에 도달하는 음파는 음원(S)과 대향하고 있는 방향에 따라 도달순서가 결정되고 제1 내지 제4 마이크(M1-M4)에는 상대적으로 시간차를 갖고 음파가 수신된다는 점을 고려한 것이다.
여기서 음원(S)으로부터 제1 내지 제4 마이크(M1-M4)까지의 거리를 r0-r3, 제1 내지 제4 마이크(M1-M4)까지 음파가 도달하는 데 걸리는 시간을 t0-t3라고 하고, 위치상 마이크(M2)가 가장 먼저 음향이 수신되었다고 가정한다.
이경우 마이크(M2)를 기준으로 좌우에 배치되어 있는 마이크(M1,M3)를 이용하여 마이크(M1)와 마이크(M2) 및 마이크(M3)와 마이크(M2) 중간의 지점인 P0와 P1에서 음원(S) 지점을 바라본 각도(θ0,θ1)는 다음과 같이 구할 수 있다.
상기 수학식 1에서 음파의 진행속도를 c라고 하여 다시 정리하면,
상기 수학식 2와 동일한 방법으로 각도(θ1)를 구하면 하기 수학식 3과 같이 얻어진다.
또한 상기와 유사한 방법으로 4개의 제1 내지 제4 마이크(M1-M4)의 중심점(P)에서 정면을 기준으로 음원(S)을 바라본 각도(θ)는 하기 수학식 4와 같이 얻어진다.
한편 도 1에서 중심점(P)과 음원(S) 사이의 거리를 R이라고 하면 다음과 같은 관계식이 사인법칙에 따라 성립된다.
상기한 관계식을 거리(R)에 대하여 정리하면 수학식 5가 얻어진다.
따라서 상기 수학식 4에서 마이크(M3,M1)까지 음파가 도달하는 데 걸리는 시간차(t2-t0)를 구하면 수학식 4로부터 각도(θ)를 구할 수 있고, 유사한 방식으로 시간차(t0-t1)를 구하여 수학식 2로부터 각도(θ0)를 구하여 수학식 5에 대입하면 거리(R)를 구할 수 있다.
한편 도 1에서 점(P0와 P1)에서 음원(S) 지점까지의 거리(R0,R1)는 각각 하기 수학식 6 및 수학식 7과 같이 구하여진다.
본 발명에서는 상기 수학식 6 및 7에서 θ0또는 θ가 135°가 되어 분모가 제로가 되는 경우 마이크(M1,M3,M4)의 구성을 이용하거나 마이크(M1,M2,M4)의 구성을 이용하여 해당 거리를 구할 수 있어 2차원 공간에서 360°전체의 각도 및 거리의 계산이 가능하다.
한편 3차원 공간에서 음향발생위치, 즉 음원(S)을 측정하기 위하여는 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와같은 대칭형 4각뿔형상의 각 꼭지점에 음향 검출센서로서 6개의 마이크(M1-M6)가 배치된 구조를 사용한다.
이러한 3차원 배치구조는 제1 내지 제4 마이크(M1-M4)로 이루어지는 x-y 평면, 마이크(M2,M4-M6)로 이루어지는 y-z 평면, 및 마이크(M1,M3,M5,M6)를 이용한 z-x 평면 모두에 4개씩의 마이크가 배치되어 있다. 따라서, 각 평면별로 상기한 2차원 공간에서 구하는 방법으로 음향발생위치를 계산한 다음 3차원 좌표의 교차점을 구하면, 3차원 좌표계에서 음향발생위치(S)의 측정을 할 수 있다.
예를들어 도 2a의 경우 우선 x-y 수평면에 대한 각도(θz)를 수학식 4에 따라 구하면 하기 수학식 8과 같이 얻어진다.
또한 3차원공간에서 실제거리(D)는 상기한 수학식 2 내지 수학식 7을 응용하여 구할 수 있고, 더욱이 간단한 방법으로는 수학식 5에 의해 미리 구한 평면상의 거리(R)를 이용하면, 하기 수학식 9와 같이 구하여질 수 도 있다.
상기한 바와같은 수학식에 기초하여 2차원 및 3차원 공간에서 음원(S)에 대한 각도(θ)와 거리(R)를 구하기 위하여는 각 마이크(M1-M6) 까지 음파가 도달하는 데 걸리는 시간차를 구하는 것이 필요하게 된다.
이하에 도 3a 및 도 3b를 참고하여 상기한 각 마이크까지 음파가 도달하는데 걸리는 시간차를 구하여 예를들어 2차원 공간에서 음원(S)에 대한 각도(θ)와 거리(R)를 구하기 위한 본 발명에 따른 수동식 음원 원격측정 시스템의 구성을 설명한다.
본 실시예는 4개의 음향센싱용 마이크를 사용한 구성을 예를들어 설명하며, 각 마이크를 통하여 수신된 4개의 음향신호는 서로 동일한 구조를 갖는 4채널(CH1-CH4)의 신호처리부에 의해 처리되어, 가장 먼저 음파가 수신된 마이크와 후속하여 수신된 마이크 사이의 시간차가 구하여지며, 그결과 각도와 거리를 알수 있게 된다. 따라서 본 발명은 필요에 따라 음향센싱용 마이크가 추가되는 경우 이에 대응한 채널의 증가가 이루어진다.
음향 검출센서로서 4개의 제1 내지 제4 마이크(M1-M4)가 도 1과 같은 형태로 배치되어 있고, 제1 내지 제4 마이크(M1-M4) 각각의 출력에는 제1 내지 제4 마이크(M1-M4)를 통하여 수신된 미세한 음향신호(S1-S4)를 증폭함과 동시에 가청주파수 이상의 고음과 잡음을 걸러내기 위한 제1 내지 제4 저역통과필터(LPF0-LPF3)(11-14)가 접속되어 있다.
각각의 저역통과필터(11-14)는 수신된 음향신호(S1-S4)의 증폭과 저역통과를 위해 연산 증폭기(OP-AMP)의 비반전 입력에 2단의 RC회로(R1,C1;R2,C2)가 접속되고 반전입력에 저항(R3,R4)의 접속점이 연결된 2차 능동저역필터를 사용하는 것이 바람직하다.
제1 내지 제4 저역통과필터(11-14)의 각각의 출력에는 DC 차단용 캐패시터(C3)를 통하여 영전위를 통과하는 점을 기준으로 고음과 잡음이 제거되어 입력된 음향신호(S1-S4)를 펄스신호(SP1-SP4)로 변환시키는 기능을 갖는 4개의 영교차 검출기(Zero Crossing Detector)(21-24)가 접속되어 있고, 각각의 영교차 검출기(21-24)는 반전입력이 접지되어 있어 비반전입력에 인가되는 신호가 영전위보다 더 큰지를 비교하기 위한 비교기로서 이루어져 있다.
각각의 영교차 검출기(21-24)의 출력에서 발생되는 펄스신호(SP1-SP4)는 후술하는 마이크로프로세서(CPU)(70)로부터 인가되는 채널별 반전신호(INV1-INV4)와 함께 4개의 XOR 게이트(XOR1-XOR4)(31-34)에 인가되어 반전신호(INV1-INV4)가 인가되는 경우 출력되는 펄스신호(SP1-SP4)의 위상이 반전되는 제1 내지 제4 위상반전회로(31-34)에 접속된다.
동일한 음향신호에 대하여 전기신호의 극성이 동일한 위상이 되도록 하는 것이 필요하다. 그러나 제1 내지 제4 마이크(M1-M4)에 대한 배선 극성이 반대로 되는 경우 각채널의 제1 내지 제4 마이크(M1-M4)에 수신된 음향신호(S1-S4)의 위상이 반전될 수 있다. 따라서 이경우에는 CPU(70)에서 이를 판단하여 상기 제1 내지 제4 위상반전회로(31-34)에 채널별로 선택적으로 반전신호(INV1-INV4)를 공급하여 위상반전된 펄스신호(SP1-SP4)를 발생하도록 한다.
한편 각 제1 내지 제4 마이크(M1-M4), 즉 채널 별로 펄스로 변환되어진 펄스신호(SP1-SP4)는 후단의 제1 내지 제4 계수기(CNTR1-CNTR4)(41-44)로 인가된다. 이경우 각 마이크까지 음향신호가 도달하는데 걸리는 시간차를 상기 계수기(41-44)에 의해 구하려면 가장 먼저 음향신호가 수신된 마이크, 즉 가장 먼저 출력을 발생하는 채널(본 실시예에서는 제2채널(CH2)의 펄스신호(SP2)를 기준으로 계수기 구동용 트리거 신호(TRG)를 만들어 해당 채널(CH1,CH3,CH4)의 펄스출력이 입력될때 까지 기준주파수를 갖는 클럭신호(CLK)를 카운트한다.
상기한 계수기 구동용 트리거 신호(TRG)는 트리거신호 발생회로(51)에 의해 발생되며, 이 트리거신호 발생회로(51)는 각 채널의 펄스신호(SP1-SP4)를 수신하여 가장 앞선 펄스신호(SP2)의 상승에지에 동기하여 하강하며 가장 느린 펄스신호(SP4)의 하강에지에 동기하여 상승하는 게이트신호(ET1)를 발생하는 NOR 게이트(NOR5)(53)와, 후술하는 카운터 종료에 따른 CPU(70)에 대한 인터럽트 요구신호(IRQ)가 클럭단자에 인가되어 인터럽트 요구신호(IRQ)의 상승에지에 동기하여 세트되고 NOR 게이트(53)의 출력(ET1)의 하강에지에 동기하여 리세트되는 게이트신호(ET2)를 발생하는 D 플립플롭(55)과, NOR 게이트(53)와 D 플립플롭(55)의 게이트신호(ET1,ET2)의 합신호로서 상기 트리거신호(TRG)를 발생하는 OR 게이트(OR1)(57)로 구성된다.
상기 트리거신호(TRG)는 각 채널(CH1-CH4)의 펄스신호(SP1-SP4)가 인가되는 4개의 NOR 게이트(NOR1-NOR4)(65-68)의 각각의 다른 입력으로 인가되어 NOR 게이트(65-68)의 출력으로부터 제1 내지 제4 계수기(41-44) 각각의 계수기간을 설정하는 인에이블신호(EN1-EN4)를 발생하여 제1 내지 제4 계수기(41-44)의 인에이블 입력에 인가된다.
제1 내지 제4 계수기(41-44)는 인에이블신호(EN1-EN4)가 입력되는 기간동안 클럭신호(CLK)를 카운트하며, 계수값은 인터럽트 발생회로(45)에 의해 CPU(70)에 대한 인터럽트 요구신호(IRQ)가 CPU(70)에 인가될때 CPU(70)는 데이터 버스(DATA BUS)를 통하여 계수값을 읽어들인후 클리어신호를 발생하여 제1 내지 제4 계수기(41-44)를 초기화시킨다.
상기한 인터럽트 발생회로(45)는 NOR 게이트(65-68)로부터 출력된 계수기간 설정용 인에이블신호(EN1-EN4)를 수신하여 가장 긴 인에이블신호(EN4)의 위상반전된 펄스신호를 인터럽트 요구신호(IRQ)로서 발생하는 NOR 게이트(NOR6)로 구성된다.
한편 상기한 CPU(70)는 도 5 및 도 8에 도시된 시스템 제어용 프로그램과 각종 변수값을 기억하고 있는 프로그램 가능 메모리와, 처리중인 일시적인 데이터, 예를들어 계수값 등을 기억하기 위한 데이터 메모리를 구비하면서 상기 시스템 제어 프로그램에 따라 음원에 대한 각도와 거리를 산출한다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 수동식 음원 원격측정 시스템에 의해 2차원 공간에서 음원(S)에 대한 각도(θ)와 거리(R)를 구하기 위한 과정을 도 4 및 도 5를 참고하여 상세하게 설명한다.
먼저 음원(S)으로부터 발생된 음파는 음향 검출센서인 제1 내지 제4 마이크(M1-M4)를 통하여 상호간에 시간차를 두고 수신이 이루어진다. 제1 내지 제4 마이크(M1-M4)를 통하여 수신된 미세한 음향신호(S1-S4)(도 4(a)-도 4(d) 참조)는 제1 내지 제4 저역통과필터(11-14)에서 소정의 증폭도로 증폭됨과 동시에 가청주파수 이상의 고음과 잡음이 걸러진다.
그후 제1 내지 제4 저역통과필터(11-14) 각각의 출력은 비교기로 이루어진 제1 내지 제4 영교차 검출기(21-24)에 인가되어 영전위를 통과하는 점을 기준으로 입력된 음향신호(S1-S4)를 도 4(e) 내지 도 4(h)에 도시된 바와같이 펄스신호(SP1-SP4)로 변환하여 출력한다.
여기서 유의할 점은 영교차 검출기(21-24)의 각 채널별 신호는 도 4에 도시된 바와같이 음향신호(S1-S4)의 매 주기마다 1펄스로 변환되어지므로 종래 시스템에 있어서 수신된 신호를 정류한 후 적분기를 통하여 음향 에너지의 최고점을 찾는 방법에 비하여 휠씬 고속이고 짧은 시간에도 많은 표본을 추출할 수 있게 되어, 그결과 측정의 정확도를 높일 수 있게 된다.
그후 각각의 영교차 검출기(21-24)의 출력에서 발생되는 펄스신호(SP1-SP4)는 제1 내지 제4 위상반전회로(31-34)의 일입력에 인가된다. 여기서 CPU(70)는 마이크(M1-M4)에 대한 배선극성의 반대접속으로 인하여 음향신호의 위상반전이 발생된 것을 해당 채널에 오버플로우가 발생된 것에 의해 판단하고, 만약 어떤 채널에 오버플로우가 발생하는 경우 해당 펄스신호의 위상을 반전시키기 위한 반전신호(INV1-INV4)를 해당하는 제1 내지 제4 위상반전회로(31-34)의 다른 입력에 인가된다.
따라서, 고레벨(H)의 반전신호가 인가된 채널의 출력은 위상이 반전되어 출력되며, 반전신호가 인가되지 않은 채널의 출력에서는 위상반전이 일어나지 않은 상태로 NOR 게이트(65-68)의 일입력에 인가된다.
한편 채널 별로 펄스로 변환되어진 펄스신호(SP1-SP4)는 트리거신호 발생회로(51)의 NOR 게이트(53)에 인가되어, 도 4(i)와 같이 가장 앞선 펄스신호(SP2)의 상승에지에 동기하여 하강하며 가장 느린 펄스신호(SP4)의 하강에지에 동기하여 상승하는 게이트신호(ET1)를 발생하며, 이 게이트신호(ET1)는 D 플립플롭(55)의 리세트단자에 공급된다.
또한 D 플립플롭(55)의 데이터 입력에는 고레벨(H)의 풀업전압이 인가되어 있으며, 클럭단자에는 카운터 종료에 따른 CPU(70)에 대한 인터럽트 요구신호(IRQ)가 인가되어 있어, 도 4(j)와 같이 인터럽트 요구신호(IRQ)의 상승에지에 동기하여 세트되고 NOR 게이트(53)의 출력(ET1)의 하강에지에 동기하여 리세트되는 게이트신호(ET2)를 발생한다.
그후 NOR 게이트(53)와 D 플립플롭(55)의 게이트신호(ET1,ET2)는 OR 게이트(57)에 의해 신호가 합성되어 가장 먼저 어떤 마이크에 도달한 음향신호와 그 이후에 다른 마이크에 도달한 음향신호 사이의 시간차를 계수기(41-44)가 카운트할 수 있 트리거신호(TRG)(도 4(k) 참조)로서 상기 NOR 게이트(65-68)의 다른 입력에 공통으로 인가된다.
상기 NOR 게이트(65-68)는 트리거신호(TRG)와 펄스신호(SP1-SP4)를 합한후 그의 반전신호를 발생하여 제1 내지 제4 계수기(41-44) 각각의 계수기간을 설정하는 인에이블신호(EN1-EN4)(도 4(l) 내지 도 4(o) 참조)를 발생하여 제1 내지 제4 계수기(41-44)의 인에이블 입력에 인가한다.
이에 따라 제1 내지 제4 계수기(41-44)는 인에이블신호(EN1-EN4)가 입력되는 기간동안 클럭신호(CLK)를 카운트하며, 이와 동시에 상기 인터럽트 발생회로(45)는 인에이블신호(EN1-EN4)를 수신하여 가장 긴 인에이블신호(EN4)의 위상반전된 펄스신호를 인터럽트 요구신호(IRQ)(도 4(p) 참조)로서 발생하여 CPU(70)에 인가한다.
그후 계수값은 인터럽트 발생회로(45)에 의해 계수기 인터럽트 요구신호(IRQ)가 CPU(70)에 인가될때(도 5의 단계(S101)), CPU(70)는 데이터 버스(DATA BUS)를 통하여 계수값을 읽어들여 그값을 데이터 메모리에 저장한후(S102), 클리어신호(도 4(r))를 발생하여 제1 내지 제4 계수기(41-44)를 초기화시킨다(S103).
이어서 CPU(70)는 데이터 메모리에 저장된 각 채널별 계수값을 판단하여 오버플로우 채널이 발생하였는 지를 판단하고(S104), 만약 오버플로우된 채널이 발생한 경우에는 수신되는 음향신호의 위상이 반전된 것으로 판단하여 해당 채널의 위상반전회로(31-34)에 반전신호(INV1-INV4)를 인가함에 의해(S105), 다음에 수신되는 음향신호에 대한 신호처리시에는 정확한 위상으로 다른 수신신호와의 정확한 시간차가 얻어질 수 있도록 한다.
또한 상기한 판단결과 오버플로우된 채널이 발생하지 않은 경우는 이어서 4개의 채널로부터 읽어들인 계수값중에서 가장 작은 계수값을 갖는 채널을 선정한다(S106).
이어서 선정한 결과 예를들어 제2채널(CH2)의 계수값이 제로로 가장 작으므로 이를 기준으로 마이크(M2)와 마이크(M1) 사이에 음파가 도달하는데 걸리는 시간차(t0-t1)는 제1채널(CH1)의 계수값으로 얻어지므로, 이 시간차값을 수학식 2에 대입하면 거리(L)는 알고 있는 값이므로 수학식 2로부터 마이크(M1)와 마이크(M2)의 중간지점(P0)에서 음원(S) 지점을 바라본 각도(θ0)를 구할 수 있다(S107).
같은 방법으로 마이크(M2)와 마이크(M3)의 중간지점(P1)에서 음원(S)을 바라본 각도(θ1)는 마이크(M2)와 마이크(M3) 사이의 시간차(t2-t1)가 제3채널(CH3)의 계수값으로 얻어지므로, 이 시간차값을 사용하여 수학식 3으로부터 구한다.
상기 단계(S107)로부터 계산된 각도(θ0,θ1)를 사용하여 각각 수학식 6 및 수학식 7에 대입하면 상기 중간지점인 P0와 P1에서 음원(S)까지의 거리(R0,R1)를 각각 구할 수 있다(S108).
이어서 제1 내지 제4 마이크(M1-M4)의 중심점(P)에서 정면을 기준으로 음원(S)을 바라본 각도(θ)는 기준 마이크(M2)의 최저치 계수값을 제외하고 계수값이 2번째와 3번째로 작은 계수값을 사용하여, 즉 이들 계수값 사이의 차값이 마이크(M1)와 마이크(M3) 사이의 시간차(t2-t0)로 된다.
따라서 상기 시간차(t2-t0)를 사용하여 수학식 4로부터 각도(θ)를 구할 수 있고, 또한 상기 단계(107)에서 구한 각도(θ0)를 구하여 수학식 5에 대입하면 중심점(P)로부터 음원까지의 거리(R)를 구할 수 있다(S109).
이어서 상기 단계(S107-S109)에서 얻어진 결과치를 데이터 메모리에 저장한후(S110), 계수기 인터럽트를 종료한다.
상기한 방식으로 후속하여 수신되는 음향신호를 매 주기마다 신호처리하여 각도와 거리 데이터를 구하면 측정의 정밀도는 매우 높아지게 된다.
더욱이 마이크의 수를 증가시켜 도 2c에 도시된 바와같이 3차원상으로 배치함과 동시에 증가된 수신신호를 처리하기 위한 채널을 증가된 마이크의 수만큼 병렬로 부가함에 의해 3차원상의 수동식 음원 원격측정 시스템을 쉽게 구성할 수 있게 된다.
또한 본 발명에서는 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와같이 주변의 잡음에 시스템이 작동하는 것을 방지하기 위하여 일정한 레벨의 음향 에너지가 검출된 경우에 한하여 동작하도록 구성할 수 있다.
즉, 도 3a에서 제1 내지 제4 저역통과필터(11-14)의 모든 출력을 DC 차단용 캐패시터(C3)를 거친후 음향신호(S1-S4)를 합산기(61)에 의해 합하고, 합산된 음향신호(S1-S4)를 파형정류기(62)에 의해 정류함에 수신된 음향신호의 음향 에너지(SE)를 구한다.
그후 음향 에너지값(SE)을 비교기로 이루어지는 레벨 트리거 회로(63)를 사용하여 기준레벨 이상인지를 판단하여 기준레벨 이상인 경우에 한하여 레벨 트리거 회로(63)의 출력으로부터 레벨 트리거 신호(TRIG)를 발생시켜 CPU(70)의 입력에 인가되도록 한다. 이경우 CPU(70)는 레벨 트리거 신호(TRIG)가 입력된 경우에 한하여 시스템을 기동시키게 된다.
더욱이 하기한 음성인식장치(60)를 부가함에 의해 미리 사용자의 음성패턴을 녹음해 놓은 후 사용자의 목소리에 대하여만 반응하도록 구성하는 것도 물론 가능하다.
한편 본 발명에 있어서는 상기한 수동식 음원 원격측정 시스템 및 그 방법을 이용하여 음향 발생위치를 인식함과 동시에 음원(S), 예를들어 사용자로부터의 각종 명령 등을 인식하여 사용자의 부름에 추종하면서 각종 명령 동작을 실행할 수 있는 지능적이고 대화형의 기능을 갖는 작동완구를 구성할 수 있다.
이를 위하여 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와같이 합산기(61)에 의해 합산된 음향신호(S1-S4)와 음향신호의 음향 에너지(SE)를 주지된 음성인식칩으로 구현되는 음성인식장치(60)에 인가하여 그의 출력으로부터 수신된 음향신호에 대한 음성인식 데이터를 발생하여 데이터 버스(DATA BUS)를 통하여 CPU(70)로 인가한다.
이경우 상기한 음성인식장치(60)는 음성패턴 메모리를 구비하여 미리 입력된 사용자의 음성패턴을 녹음해 놓은 후, 시스템이 동작할때에는 입력되는 음성신호의 음성패턴을 검출하여 검출된 음성패턴이 미리 녹음되어 있는 사용자의 음성패턴과 일치하는 경우에만 사용자의 목소리로 인식하여, 사용자에 대하여만 반응하도록 구성하는 것도 가능하다.
한편 도 6을 참고하면, 본 발명에 따른 수동식 음원 원격측정 시스템을 이용한 작동완구 구동회로가 도시되어 있다.
본 발명에 따른 작동완구 구동회로는 상기한 수동식 음원 원격측정 시스템을 구성하는 적어도 4개의 마이크(M1-M4)와, 마이크(M1-M4)를 통하여 수신된 음향신호로부터 음향 발생위치(방향, 거리)를 측정하기 위한 음향 발생위치 검출회로(10)와, 사용자 목소리의 음성패턴을 기억하는 음성패턴 메모리를 구비하고, 상기 수신된 음성신호를 인식하는 기능과 사용자 목소리 판단기능 및 음성합성기능을 구비한 음성인식장치(60)와, 도 8에 도시된 바와같은 시스템 제어용 프로그램과 각종 변수값 및 각종 멜로디나 동물소리 또는 음성을 기억하고 있는 프로그램 가능 메모리(EPROM)(72)와, 처리중인 일시적인 데이터를 기억하기 위한 데이터 메모리(RAM)(74)와, 상기 시스템 제어 프로그램에 따라 음향 발생위치 검출회로(10)로부터 수신된 검출 데이터에 기초하여 음원에 대한 각도(θ)와 거리(R)를 산출하고, 음성인식장치(60)에 의한 음성신호의 인식에 따른 사용자의 명령을 수행하도록 제어신호를 발생하는 마이크로프로세서(CPU)(70)를 구비한다.
또한 작동완구 구동회로는 적어도 완구의 전면에 설치된 장애물 감지기(80)를 CPU(70)의 입력측에 더 구비하며, 출력측에는 1또한 한쌍의 주행용 전동모터(M1)(92)를 구동제어하기 위한 주행제어장치(90)와, 상기 EPROM(72)에 미리 기억되어 있는 각종 음성 데이터에 따라 음성 및 멜로디를 합성한후 스피커(96)를 구동하여 음성을 발생시키기 위한 음성발생기(94)와, 각종 라이트 기능을 수행하기 위한 전구(112)나 경광등(114) 또는 동물완구의 완구동작을 수행하기 위한 행위모터(118) 등을 구동시키기 위한 동작 구동부(98)가 접속되어 있다.
한편 도 7에는 도 6에 도시된 구동회로에 의해 작동되는 자동차 작동완구의 개략적인 구성도가 도시되어 있다.
도 7에 도시된 바와같이 본 발명에 사용될 수 있는 작동완구는 예를들어, 작동완구(100)의 하우징(116) 전방 좌/우와, 후방 좌/우에는 음향 검출센서로서 4개의 제1 내지 제4 마이크(M1-M4)가 배치되어 있고, 또한 일 또는 한쌍의 전동모터(92)로 구동되는 적어도 한쌍의 구동륜(102)과 한쌍의 조향륜(104)을 구비하고 있으며, 작동완구(100)가 전진 및 후진을 하는 동안 조향륜(104)을 사용하여 방향 전환함에 의해 목표위치로 이동하게 된다.
또한 이와는 다르게 주지된 방법에 따라 적어도 한쌍 이상의 구동륜(102)과 균형 유지용 보조바퀴를 구비하고 한쌍의 전동모터(92)에 대한 회전속도를 서로 다르게 하거나 동일하게 설정함에 의해 한쌍의 구동륜(102)에 대한 회전속도를 서로 다르게 또는 동일하게 설정하는 것에 의해 전/후진 구동과 방향전환이 가능하며, 한쌍의 구동륜(102)을 서로 반대로 회전시킴에 의해 제자리에서 회전시키는 것도 가능하다.
또한 하우징(116) 내부에는 작동완구를 동작시키는데 필요한 각종 전자부품이 실장되는 PCB(108)와 스피커(96) 및 전원을 공급하는 밧데리(106)가 내장되어 있다.
또한 하우징(116)의 전면에는 광학식 또는 접촉식 장애물 감지기(80)가 설치되어 있어 주행중에 장애물이 감지되는 경우 우회하는 기능과 목적지에 근접하여 장애물이 감지되면 이동을 완료하는 목적에 사용될 수 있고, 하우징의 상부에는 경광등(114)가 설치되고, 전면에는 또한 라이트 기능을 갖기 위한 전구(112)가 설치되어 있다.
상기한 작동완구(100)는 예를들어, 경찰차 또는 앰블런스 기능을 갖는 자동차 완구를 나타낸 것이나, 상기 작동완구(100)의 후미에 전동모터에 의해 특정한 행동을 실행할 수 있는 꼬리를 부가함과 동시에 외부형상을 변형시킴에 의해 상기 작동완구는 동물 작동완구로도 물론 적용 가능하다. 또한 상기한 본 발명은 작동완구의 이동을 2발 또는 4발을 사용하여 이동하는 동물 작동완구에도 동일하게 적용될 수 있다.
이하에 도 6 내지 도 9를 참고하여 본 발명에 따른 수동식 음원 원격측정 시스템을 이용한 작동완구 구동회로의 작용을 상세하게 설명한다.
도 8에 도시된 작동완구 제어 흐름도는 동물완구 중에서 특히 강아지에 적용될 수 있는 제어방법의 일예를 나타낸 것이나, 본 발명은 다른 동물의 작동완구에도 해당 동물의 고유한 행동을 나타내도록 구현될 수 있는 것이다.
먼저 사용자는 음성인식장치(60)의 모드설정 스위치(64)가 어떤상태에 있는 지를 판단한다(S120).
판단결과 모드설정 스위치(64)가 녹음모드에 설정되어 있는 경우 사용자가 입력하는 음성으로부터 사용자의 음성패턴을 추출하여 음성인식장치(60)의 음성패턴 메모리에 녹음을 실시한다(S121,S122).
그러나 상기 판단결과 모드설정 스위치(64)가 인식모드에 설정되어 있는 경우 CPU(70)는 상기한 도 3a 및 도 3b에 도시된 수동식 음원 원격측정 시스템에서 설명한 바와같이 사용자의 호출이 있는 경우 마이크(M1-M4)를 통하여 수신된 음향신호에 기초하여 검출된 음향 에너지(SE)가 주변소음이 아닌 일정한 레벨 이상인 지를 레벨 트리거 회로(63)에 의해 판단한다(S130).
판단결과 일정레벨 이상의 음향 에너지가 검출되지 않는 경우 레벨 트리거 회로(63)의 출력으로부터 레벨 트리거 신호(TRIG)가 발생되지 않아 CPU(70)에는 인터럽트 신호가 입력되지 않는다. 이경우 시스템은 기동되지 않고 시작단계로 리턴하여 일정레벨 이상의 사용자의 호출이 있는 지를 대기한다.
한편 판단결과 일정레벨 이상의 음향 에너지인 경우 레벨 트리거 회로(63)의 출력으로부터 레벨 트리거 신호(TRIG)가 발생되어 CPU(70)에 인터럽트 신호로서 입력되면, CPU(70)는 마이크(M1-M4)를 통하여 수신된 음향신호(S1-S4)가 음성인식장치(60)의 메모리에 등록된 사용자, 즉 주인의 목소리인 지를 판단하는 절차를 갖도록 음성인식장치(60)에 제어신호를 송부할 수 있다.
이경우 주인을 식별하기 위하여 등록하는 소리는 예를들어 완구 동물의 이름을 등록하거나 또는 박수소리나 고함소리 등으로 주인을 인식하게 설정할 수 있다.
상기 판단결과 주인 목소리인 경우 호출한 사용자가 위치해 있는 지점, 즉 음원에 대한 각도(θ)와 거리(R)를 측정하기에 앞서 음향 발생위치 검출회로(10)의 계수기(41-44)와 계수값을 기억하기 위한 RAM(74)을 초기화 처리한다(S140).
그후 계수기(41-44)에 대한 인터럽트가 가능하게 설정하여(S150), 수신된 음향신호(S1-S4)에 기초하여 음향 발생위치 검출회로(10)에 의해 사용자에 대한 각도(θ)와 거리(R)를 측정하여 측정한 데이터를 RAM(74)에 기억시킴과 동시에 상기 수신된 음향신호(S1-S4)에 대한 사용자의 명령인식이 음성인식장치(60)에 의해 완료되었는 지를 판단하고(S160), 인식이 완료된 경우는 계수기에 대한 인터럽트가 불가능하게 설정한다(S170).
그후 RAM(74)에 기억된 다수의 각도(θ)와 거리(R)를 평균하여 평균값을 산출함에 의해 얻어진 데이터의 신뢰성을 높게 한다(S180).
이어서 상기 단계(S160)에서 인식된 사용자의 명령이 예를들어, "이리와!"인 지를 판단하고, 만약 "이리와!"인 경우에는 CPU(70)는 음원방향으로 자세를 전환하도록 주행제어장치(90)에 제어신호를 발생하며, 이경우 주행제어장치(90)는 상기한 평균 각도(θ) 만큼 회전하여 자동차 주행완구(100)의 앞면이 사용자를 향하도록 한쌍의 전동모터(92)를 반대방향으로 회전구동시켜 자세를 잡는다(S191).
이어서 이후에 설명될 도 9에 상세하게 도시한 바와같은 절차에 따라 거리(R) 만큼 주행기능을 수행하여 사용자가 위치하고 있는 목표점에 도달하면 전동모터(92)에 대한 구동을 정지시킨다(S192).
그후 강아지인 경우에는 동작 구동부(98)에 제어신호를 송부하여 행동모터(118)를 구동함에 의해 꼬리 흔들기를 일정시간 동안 수행한다(S193).
한편 상기 단계(S190) 판단결과 인식된 명령이 "이리와!"가 아닌 경우는 명령이 "저리가!"인 지를 판단하고(S200), 인식된 명령이 "저리가!"인 경우 CPU(70)는 음성발생기(94)를 작동시켜 음성합성에 의해 스피커(96)로 "끼잉!" 소리가 발생되게 한다(S201).
이어서 CPU(70)는 음원(사용자)의 반대방향으로 자세를 전환하도록 주행제어장치(90)에 제어신호를 발생하며, 이경우 주행제어장치(90)는 상기한 평균 각도(θ)에 기초하여 회전시킴에 의해 자동차 주행완구(100)의 후면이 사용자를 향하도록 한쌍의 전동모터(92)를 반대방향으로 회전구동시켜 자세를 잡는다(S202).
이어서 상기 단계(S192)와 같이 거리(R) 만큼 반대로 주행기능을 수행하여 목표점에 도달하면 전동모터(92)에 대한 구동을 정지시킨다(S203).
한편 상기 단계(S200)의 판단결과 인식된 명령이 "저리가!"가 아닌 경우는 명령이 "돌아!"인 지를 판단하고(S210), 인식된 명령이 "돌아!"인 경우 CPU(70)는 주행제어장치(90)에 1회전 제어신호를 발생하며, 이경우 주행제어장치(90)는 상기한 한쌍의 전동모터(92)를 반대방향으로 구동시켜 1 회전시킨다(S211).
이어서, 동작 구동부(98)에 제어신호를 송부하여 행동모터(118)를 구동함에 의해 꼬리 흔들기를 일정시간 동안 수행한다(S212).
또한 상기 단계(S210)의 판단결과 인식된 명령이 "돌아!"가 아닌 경우는 명령이 동물완구의 이름, 예를들어 "진돌!"인 지를 판단하고(S220), 인식된 명령이 자신의 이름 "진돌!"인 경우 주인에 대한 반가움의 표시로 CPU(70)는 음성발생기(94)를 작동시켜 음성합성에 의해 스피커(96)로 "멍멍!" 소리가 발생되게 한다(S221).
이어서 CPU(70)는 사용자의 방향으로 자세를 전환하도록 주행제어장치(90)에 제어신호를 발생하며, 이경우 주행제어장치(90)는 상기한 평균 각도(θ) 만큼 회전시킴에 의해 자동차 주행완구(100)의 전면이 사용자를 향하도록 한쌍의 전동모터(92)를 반대방향으로 회전구동시켜 자세를 잡는다(S222).
계속하여 CPU(70)는 동작 구동부(98)에 제어신호를 송부하여 행동모터(118)를 구동함에 의해 꼬리 흔들기를 일정시간 동안 수행한다(S212).
끝으로 수신된 음향신호(S1-S4)에 대한 음성인식이 불가능한 경우는 일정시간 동안 음성발생기(94)를 작동시켜 음성합성에 의해 스피커(96)로 "멍멍!" 소리가 발생되게 한다(S230).
상기한 각종 동작은 강아지를 예를들어 설명하였으나, 2다리를 사용하여 이동하는 로보트 작동완구에 적용하는 것도 가능하며, 또한 인식된 명령의 종류에 따라 각종 자동차 또는 탱크의 기능을 갖도록 동작시키는 것도 가능하다. 예를들어, 음성인식 결과가 "도둑야!"인 경우는 경찰차량의 비상출동에 대응하는 사이렌 소리를 음성발생기(94)와 스피커(96)를 통하여 발생함과 동시에 동작구동부(98)에 의해 경광등(114)을 점멸구동시키면서 음원의 위치로 주행하도록 실행시킬 수 있다.
상기와 유사하게 음성인식 결과가 "119!" 또는 "공습경보"인 경우에도 상황에 적합한 행동을 취하면서 예를들어 메모리(72)에 저장되어 있는 "대피하라!"와 같은 안내 메시지를 스피커(96)를 통하여 발생되게 할 수 있고, 탱크인 경우는 주행시에 탱크소음의 음성합성음 발생과 동시에 소리가 발생된 지점을 향하여 장진된 총알을 발사하는 것도 가능하다.
또한 유아용 작동완구로서 사용하는 경우에는 유아의 소리에 응답하여 소정의 속도로 소리나는 위치와 반대의 방향으로 작동완구가 주행하도록 설정함에 의해 유아가 도망가는 작동완구를 쫓아다니는 지능형 완구로서 동작시킬 수 있다. 이러한 작동완구는 유아의 운동력을 향상시키는 도움이 될 수 있다.
한편 상기 주행기능에 대한 서브루틴(S192)의 동작을 도 9를 참고하여 이하에 상세하게 설명한다.
주행기능이 시작되면 먼저 주행 제어장치(90)의 구동에 의해 한쌍의 전동모터(92)를 상호 반대방향으로 회전시킴에 의해 상기 RAM(74)에 기억되어 있는 각도(θ) 만큼 방향을 전환한다(S310).
이어서 한쌍의 전동모터(92)를 동일한 속도로 정회전시킴에 의해 목표점으로 직진을 시작한다. 직진하는 도중에 만약 장애물이 있는 것이 장애물 감지기(80)에 의해 검출되는 경우 CPU(70)는 전동모터(92)의 구동을 일단 정지시키고, 상기한 방식으로 완구의 방향을 전환시키면서 목표점에 대한 각도(θ)와 거리(R)를 보정하고 상기 단계(S300)로 리턴한다(S320,S350,S360)
또한 거리(R)만큼 직진하여 목표점에 도달한 상태에서 장애물이 있는 것이 검출되면, 주인이 있는 것으로 판단하여 주행용 전동모터(92)의 구동을 정지시켜 주행을 종료한다(S330,S370,S380).
그러나 만약 직진하는 도중에 새로운 명령이 수신되어 이를 인식한 결과 "정지" 명령인 경우 상기와 같이 주행용 전동모터(92)의 구동을 정지시켜 주행을 종료한다(S340,S370,S380).
상기 작동완구(100)는 음원 원격측정 시스템을 이용하여 음향 발생위치를 인식함과 동시에 음성인식장치(60)에 의해 사용자의 명령을 인식하여 사용자의 부름에 추종하면서 각종 명령 동작을 실행할 수 있는 지능적이고 대화형의 기능을 실현한다.
한편 상기 실시예에서는 음원 원격측정 시스템을 작동완구에 적용한 것을 예를들었으나 본 발명의 시스템은 폭발음의 발생지점을 원격측정하거나, 단순히 상기 레벨 트리거 회로의 출력을 이용한 방범 경보용 센서로서 적용 가능하다. 또한 공장 또는 사무실 등의 다수의 지점에 배치된 마이크를 사용하여 야간에 외부로부터 침입이 발생할 경우 중앙통제실에서 측정 시스템의 출력을 신호처리하여 어느 지점에서 소리가 가장 먼저 수신되었는 지를 검출함에 의해 외부인의 침입지점을 가장 정확하게 식별하는데 사용하는 것도 가능하다. 이와같이 본 발명의 측정 시스템은 군수, 산업, 가정용의 여러가지 자동화 기기에 응용이 가능하다.
본 발명에서는 상기한 측정 시스템을 구현하는데 2차원 평면의 180。 범위내인 경우 3개의 마이크를 사용하는 것이 필요하고, 360°의 모든 방향으로부터 측정이 가능하게 할때에는 4개의 마이크를 사용하며, 3차원 공간의 측정을 위하여는 서로 직각이 되게 설치한 6개 이상의 마이크가 사용된다.
또한 마이크 수에 대응하는 수의 채널을 구비하는 것이 필요하고, 상기 채널을 형성하는 회로는 게이트 어레이 등에 집접시켜 1칩화시키는 것도 가능하다.
상기한 바와같이 본 발명에서는 먼저 2차원 공간일때 4각형으로 배치된 3-4개의 센서 또는 3차원 공간일때는 대칭형 4각뿔형상으로 배치된 6개의 센서로부터 수신된 각 채널의 음향신호들 상호간에 매 펄스마다 1회의 시간차를 구하는 계산을 수행하므로 광범위한 방향의 음원과의 거리 및 각도를 고속의 실시간 처리로 측정가능하고, 또한 다수회 구하여진 측정값을 산술평균하여 측정오차를 보정하여 정밀하게 구할 수 있게 된다.
더욱이 본 발명의 작동완구는 상기한 수동식 음원 원격측정 시스템 및 그 방법을 이용하여 음향 발생위치를 인식함과 동시에 음성인식칩에 의해 사용자의 명령을 인식하여 사용자의 부름에 추종하면서 각종 명령 동작을 실행할 수 있는 지능적이고 대화형의 기능을 갖게 된다.
또한 본 발명에서는 마이크들 사이의 간격을 측정할 음파의 1파장 범위 이내로 설정하는 것이 가능하여 작은 공간에 측정 시스템을 구현할 수 있고, 그 결과 측정장비의 소형화가 가능하다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (31)

  1. 음향발생원에 대한 각도(θ)와 거리(R)를 측정하기 위한 수동식 음원 원격측정 시스템에 있어서,
    미리 설정된 길이(L)를 갖는 사각형의 3 모서리에 배치되어 상기 음향발생원으로부터 발생하여 도달 시간차를 갖는 3개의 제1 내지 제3음향신호를 수신하기 위하여 제1 내지 제3음향 수신기와,
    상기 제1 내지 제3음향신호를 각각 매 주기마다 영전위를 기준으로 1펄스신호로 변환하여 제1 내지 제3펄스신호를 발생시키기 위한 제1 내지 제3영교차 검출기와,
    상기 제1 내지 제3펄스신호들 중에서 위상이 가장 빠른 펄스신호를 검출하기 위한 최우선 수신신호 검출수단과,
    상기 위상이 가장 빠른 펄스신호와 제1 내지 제3펄스신호 사이의 도달 시간차(t0,t1,t2)를 구하기 위한 제1 내지 제3도달 시간차 계산수단으로 구성되어,
    상기 제2최소 도달 시간차값(t2)과 제3최소 도달 시간차값(t0)의 시간차(t2-t0)에 기초하여 상기 제1 내지 제3음향 수신기의 중앙으로부터 음향발생원 사이의 각도와 거리를 구하는 것을 특징으로 하는 수동식 음원 원격측정 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 최우선 수신신호 검출수단은
    상기 제1 내지 제3펄스신호중 가장 앞선 펄스신호의 상승에지에 동기하여 하강하며 가장 느린 펄스신호의 하강에지에 동기하여 상승하는 제1게이트신호를 발생하는 제1NOR 게이트와,
    상기 도달 시간차 계산수단의 카운팅 종료와 동기하여 카운팅 종료신호를 발생하는 인터럽트 요구신호 발생수단과,
    상기 카운팅 종료신호의 상승에지에 동기하여 세트되고 상기 제1NOR 게이트의 게이트 신호 출력의 하강에지에 동기하여 리세트되는 제2게이트신호를 발생하는 D 플립플롭과,
    상기 NOR 게이트와 D 플립플롭의 제1 및 제2게이트신호의 합신호로서 트리거 신호를 발생하는 OR 게이트와,
    각각 일입력단자에 인가되는 상기 제1 내지 제3펄스신호와 다른 입력단자에 공통으로 인가되는 상기 트리거 신호에 응답하여 상기 제1 내지 제3도달 시간차 계산수단에 대한 계수기간을 설정하는 인에이블 신호를 발생하는 제2내지 제4 NOR 게이트로 구성되는 것을 특징으로 하는 수동식 음원 원격측정 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 인터럽트 요구신호 발생수단의 카운팅 종료신호에 응답하여 상기 제1 내지 제3도달 시간차 계산수단으로부터 발생된 상기 도달 시간차값(t0,t1,t2)을 읽어들여 제2최소 도달 시간차값(t2)과 제3최소 도달 시간차값(t0)의 시간차(t2-t0)에 기초하여 상기 제1 내지 제3음향 수신기의 중앙으로부터 음향발생원 사이의 각도와 거리를 구하기 위한 신호처리수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수동식 음원 원격측정 시스템.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 시스템의 정면에 대한 각도(θ)는 c가 음파의 속도일때 하기 방정식에 따라 구하여지는 것을 특징으로 하는 수동식 음원 원격측정 시스템.
    θ〓 sin-1
  5. 제4항에 있어서, 상기 거리(R)는 하기 방정식에 따라 구하여지는 것을 특징으로 하는 수동식 음원 원격측정 시스템.
    R 〓
    단, θ0〓 cos-1 임.
  6. 제3항에 있어서, 상기 신호처리수단은 구해진 도달 시간차가 오버플로우될때 해당 펄스신호의 위상을 반전시키기 위한 반전신호를 발생하며,
    상기 반전신호가 일입력에 인가될때 상기 위상반전되어 수신된 음향신호의 펄스신호를 반전시키기 위한 제1 내지 제3위상반전회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수동식 음원 원격측정 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 내지 제3음향 수신기 각각에 접속되어 수신된 제1 내지 제3음향신호의 저주파 음향신호 만을 통과시키기 위한 제1 내지 제3저역통과필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수동식 음원 원격측정 시스템.
  8. 음향발생원에 대한 각도(θ)와 거리(R)를 측정하기 위한 수동식 음원 원격측정 시스템에 있어서,
    미리 설정된 길이(L)를 갖는 정사각형의 각 모서리에 배치되어 상기 음향발생원으로부터 발생하여 도달 시간차를 갖는 제1 내지 제4음향신호를 수신하기 위하여 제1 내지 제4음향 수신기와,
    상기 제1 내지 제4음향신호를 각각 매 주기마다 영전위를 기준으로 1펄스신호로 변환하여 제1 내지 제4펄스신호를 발생시키기 위한 제1 내지 제4영교차 검출기와,
    상기 제1 내지 제4펄스신호들 중에서 위상이 가장 빠른 펄스신호를 검출하기 위한 최우선 수신신호 검출수단과,
    상기 위상이 가장 빠른 펄스신호와 제1 내지 제4펄스신호 사이의 도달 시간차(t0,t1,t2,t3,)를 구하기 위한 제1 내지 제4도달 시간차 계산수단으로 구성되어,
    상기 제2최소 도달 시간차값(t2)과 제3최소 도달 시간차값(t0)의 시간차(t2-t0)에 기초하여 상기 제1 내지 제4음향 수신기의 중앙으로부터 음향발생원 사이의 각도와 거리를 구하는 것을 특징으로 하는 수동식 음원 원격측정 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 내지 제4음향 수신기를 포함하여 상하 대칭형 정사각뿔을 형성하는 상부 및 하부 꼭지점에 배치된 제5 및 제6음향 수신기와,
    상기 제5 및 제6음향신호를 각각 매 주기마다 영전위를 기준으로 1펄스신호로 변환하여 제5 및 제6펄스신호를 발생시키기 위한 제5 및 제6영교차 검출기와,
    상기 위상이 가장 빠른 펄스신호와 제5 및 제6펄스신호 사이의 도달 시간차(t5,t6)를 구하기 위한 제5 및 제6도달 시간차 계산수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수동식 음원 원격측정 시스템.
  10. 제8항에 있어서, 상기 음향 수신기와 음향 수신기 사이의 거리는 수신되는 상기 음향신호의 1파장 범위보다 작은 것을 특징으로 하는 수동식 음원 원격측정 시스템.
  11. 제8항에 있어서, 상기 도달 시간차 계산수단의 카운팅 종료에 응답하여 상기 제1 내지 제3도달 시간차 계산수단으로부터 발생된 상기 도달 시간차값(t0,t1,t2,t3,)을 읽어들여 제2최소 도달 시간차값(t2)과 제3최소 도달 시간차값(t0)의 시간차(t2-t0)에 기초하여 상기 제1 내지 제4음향 수신기의 중앙으로부터 음향발생원 사이의 각도와 거리를 구하기 위한 신호처리수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수동식 음원 원격측정 시스템.
  12. 제8항 또는 제11항에 있어서, 시스템 정면을 향한 각도(θ)는 c가 음파의 속도일때 하기 방정식에 따라 구하여지는 것을 특징으로 하는 수동식 음원 원격측정 시스템.
    θ〓 sin-1
  13. 제12항에 있어서, 상기 거리(R)는 하기 방정식에 따라 구하여지는 것을 특징으로 하는 수동식 음원 원격측정 시스템.
    R 〓
    단, θ0〓 cos-1 임.
  14. 제11항에 있어서, 상기 신호처리수단은 구해진 도달 시간차가 오버플로우될때 해당 펄스신호의 위상을 반전시키기 위한 반전신호를 발생하며,
    상기 반전신호가 일입력에 인가될때 상기 위상반전되어 수신된 음향신호의 펄스신호를 반전시키기 위한 제1 내지 제4위상반전회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수동식 음원 원격측정 시스템.
  15. 제9항에 있어서, 상기 제1 내지 제6음향 수신기의 중앙으로부터 음향발생원에 대한 각도(θz)는 하기 방정식에 따라 얻어지며,
    θz〓 sin-1
    3차원공간에서 실제거리(D)는 상기 중앙이 포함된 수평면상에서 음향발생원까지의 거리(R)를 이용하여 하기 방정식에 따라 구하여지는 것을 특징으로 하는 수동식 음원 원격측정 시스템.
    D 〓
  16. 음향발생원에 대한 각도(θ)와 거리(R)를 측정하기 위한 수동식 음원 원격측정 방법에 있어서,
    미리 설정된 길이(L)를 갖는 정사각형의 각 모서리에 배치된 제1 내지 제4음향 수신기에 의해 상기 음향발생원으로부터 발생하여 도달 시간차를 갖는 제1 내지 제4음향신호를 수신하는 단계와,
    상기 제1 내지 제4음향신호를 각각 매 주기마다 영전위를 기준으로 1펄스신호로 변환하여 제1 내지 제4펄스신호를 발생시키는 단계와,
    상기 제1 내지 제4펄스신호들 중에서 위상이 가장 빠른 펄스신호를 검출하는 단계와,
    상기 위상이 가장 빠른 펄스신호와 제1 내지 제4펄스신호 사이의 도달 시간차(t0,t1,t2,t3,)를 구하는 단계와,
    상기 제2최소 도달 시간차값(t2)과 제3최소 도달 시간차값(t0)의 시간차(t2-t0)에 기초하여 상기 제1 내지 제4음향 수신기의 중앙으로부터 음향발생원 사이의 각도(θ)와 거리(R)를 구하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 수동식 음원 원격측정 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 구해진 도달 시간차(t0,t1,t2,t3,)가 오버플로우될때 해당 펄스신호의 위상을 반전시키기 위한 반전신호를 발생하는 단계와,
    상기 반전신호를 인가하여 오버플로우가 발생된 채널의 펄스신호를 반전시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수동식 음원 원격측정 방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 각도(θ)는 c가 음파의 속도일때 하기 방정식에 따라 구하여지며,
    θ〓 sin-1
    상기 거리(R)는 하기 방정식에 따라 구하여지는 것을 특징으로 하는 수동식 음원 원격측정 시스템.
    R 〓
    단, θ0〓 cos-1 임.
  19. 음향발생원에 대한 각도와 거리를 측정하기 위한 수동식 음원 원격측정 시스템에 있어서,
    미리 설정된 길이를 갖고 배치되어 상기 음향발생원으로부터 발생하여 도달 시간차를 갖는 다수의 음향신호를 수신하기 위하여 다수의 음향 수신기와,
    상기 다수의 음향신호들 중에서 가장 빠르게 도달한 음향신호를 검출하기 위한 최우선 수신신호 검출수단과,
    상기 음향 수신기 각각에 직렬로 접속되어 상기 최우선 수신신호 검출수단으로부터 발생된 가장 빠르게 도달한 음향신호와 상기 다수의 음향신호 사이의 도달 시간차를 구하기 위한 다수의 신호처리채널로 구성되며,
    상기 제2 최소 도달 시간차와 제3 최소 도달 시간차 사이의 시간차에 기초하여 상기 다수의 음향 수신기의 중앙으로부터 음향발생원 사이의 각도와 거리를 구하는 것을 특징으로 하는 수동식 음원 원격측정 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 상기 신호처리채널 각각은
    상기 음향신호를 각각 매 주기마다 영전위를 기준으로 1펄스신호로 변환하여 펄스신호를 발생시키기 위한 영교차 검출기와,
    상기 위상이 가장 빠른 펄스신호와 상기 펄스신호 사이의 도달 시간차를 구하기 위한 도달 시간차 계산수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 수동식 음원 원격측정 시스템.
  21. 제19항에 있어서, 상기 다수의 음향 수신기는 정사각형의 각 모서리에 배치된 제1 내지 제4음향 수신기로 구성되는 것을 특징으로 하는 수동식 음원 원격측정 시스템.
  22. 제19항에 있어서, 상기 다수의 음향 수신기는 상하 대칭형 정사각뿔의 각 모서리에 배치된 제1 내지 제6음향 수신기로 구성되는 것을 특징으로 하는 수동식 음원 원격측정 시스템.
  23. 제19항에 있어서, 상기 음향 수신기와 음향 수신기 사이의 거리는 수신되는 상기 음향신호의 1파장 범위보다 작은 것을 특징으로 하는 수동식 음원 원격측정 시스템.
  24. 사용자 대화형 작동완구에 있어서,
    개별구동되는 한쌍의 전동모터에 의해 방향전환 및 전후 주행기능을 갖는 전동식 구동 메카니즘과,
    상기 전동식 구동 메카니즘에 의해 이동되는 하우징과,
    상기 하우징의 외측에 설치되어 제어신호에 의해 작동되는 다수의 시각, 청각, 물리적인 피구동부와,
    상기 하우징에 배치되는 미리 설정된 길이(L)를 갖는 정사각형의 각 모서리에 배치되어 상기 사용자로부터 발생하여 도달 시간차를 갖는 제1 내지 제4음향신호를 수신하기 위하여 제1 내지 제4음향 수신기와,
    상기 제1 내지 제4음향신호를 각각 매 주기마다 영전위를 기준으로 1펄스신호로 변환하여 제1 내지 제4펄스신호를 발생시키기 위한 제1 내지 제4영교차 검출기와,
    상기 제1 내지 제4펄스신호들 중에서 위상이 가장 빠른 펄스신호를 검출하기 위한 최우선 수신신호 검출수단과,
    상기 위상이 가장 빠른 펄스신호와 제1 내지 제4펄스신호 사이의 도달 시간차(t0,t1,t2,t3,)를 구하기 위한 제1 내지 제4도달 시간차 계산수단과,
    상기 제1 내지 제4음성신호에 대한 음성인식을 실행하는 음성인식수단과,
    상기 제2최소 도달 시간차값(t2)과 제3최소 도달 시간차값(t0)의 시간차(t2-t0)에 기초하여 상기 제1 내지 제4음향 수신기의 중앙으로부터 사용자 사이의 각도(θ)와 거리(R)를 구하며, 상기 구해진 각도(θ)와 거리(R)를 사용하여 음성인식에 따른 사용자의 지시명령을 추종하도록 상기 전동식 구동 메카니즘을 구동시키는 제어수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 사용자 대화형 작동완구.
  25. 제24항에 있어서, 상기 음성인식수단은 사용자의 특정음성패턴을 등록하기 위한 음성패턴 메모리와,
    수신되는 음성신호가 기등록된 특정음성신호인 지를 판단하기 위한 음성판단수단을 더 포함하여,
    상기 제어수단은 기등록된 특정음성신호가 수신되는 경우에만 기동되어 시스템의 작동을 실행하는 것을 특징으로 하는 사용자 대화형 작동완구.
  26. 제24항에 있어서, 상기 제1 내지 제4음향신호의 음향 에너지가 설정치 이상일때 트리거 신호를 발생하는 레벨 트리거신호 발생수단을 더 포함하며,
    상기 제어수단은 상기 트리거 신호가 수신되는 경우에만 기동되어 시스템의 작동을 실행하는 것을 특징으로 하는 사용자 대화형 작동완구.
  27. 제24항에 있어서, 상기 작동완구는 동물완구, 로보트, 자동차, 무한궤도차 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 사용자 대화형 작동완구.
  28. 제27항에 있어서, 장애물을 감지하기 위한 장애물 감지센서를 더 포함하며, 주행 도중에 장애물이 검출되는 경우 구동 메카니즘의 개별구동되는 한쌍의 전동모터에 의해 방향전환을 실행하고, 상기 음향발생원에 도달한 상태에서 장애물이 검출되는 경우 주행을 정지하는 것을 특징으로 하는 사용자 대화형 작동완구.
  29. 제24항에 있어서, 상기 제어수단은 시스템 제어용 프로그램과 각종 변수값 및 각종 멜로디나 동물소리 또는 음성을 기억하고 있는 프로그램 가능 메모리와,
    처리중인 일시적인 데이터를 기억하기 위한 데이터 메모리를 포함하며,
    상기 사용자의 특정명령에 응답하여 멜로디, 동물소리, 음성 중 어느 하나의 소리를 발생하도록 상기 프로그램 가능 메모리에 기억된 음성 데이터를 음성합성하기 위한 음성 발생기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자 대화형 작동완구.
  30. 제24항에 있어서, 상기 각도(θ)는 c가 음파의 속도일때 하기 방정식에 따라 구하여지며,
    θ〓 sin-1
    상기 거리(R)는 하기 방정식에 따라 구하여지는 것을 특징으로 하는 사용자 대화형 작동완구.
    R 〓
    단, θ0〓 cos-1 임.
  31. 제24항에 있어서, 상기 제어수단은 각도(θ)와 거리(R)를 연속적으로 다수회 측정한후 측정된 각도(θ)와 거리(R)를 산술평균하여 얻어진 평균 각도(θ)와 거리(R)에 따라 구동 메카니즘을 제어하는 것을 특징으로 하는 사용자 대화형 작동완구.
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