KR20010083525A - 3차원적인 개체의 움직임을 감지/측정하는 방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 압전소자의 압력 변화에 기초한 전압의 변동을 이용하여 회전 각속도를 측정하는 3개의 자이로와, MEMS기술을 이용하여 가속도 변화를 전하량 변화로 측정함으로써 선형 가속도를 측정하는 3개의 가속도계를, x,y,z축 방향으로 각각 1개씩 조합하여 구성한 센서 수단과; 이 센서 수단으로부터 출력되는 x,y,z축 방향의 회전 각속도신호와 선형 가속도신호를 저역통과시켜서 고역성분을 제거하는 로우패스 필터 수단; 이 로우패스 필터 수단으로부터의 출력신호를 다중처리하여 정형화하는 다중화 수단; 이 다중화 수단으로부터 출력되는 정형화된 아날로그신호를 디지털신호로 변환하는 A/D변환 수단; 디지털신호로 변환된 회전 각속도신호를 ROM에 미리 저장되어 있는 기준 회전데이터들과 비교하여 상기 센서 수단의 회전방향을 결정함과 더불어, 디지털신호로 변환된 선형 가속도신호를 ROM에 미리 저장되어 있는 기준 이동데이터들과 비교하여 센서 수단의 이동방향을 결정하고, 상기 디지털신호로 변환된 선형 가속도신호를 적분하여 속도를 산출하며, 상기 산출된 속도를 적분하여 거리를 산출하는 연산 수단; 상기 산출된 회전방향, 이동방향, 속도, 거리에 관한 데이터를 무선으로 출력하는 송신 수단을 구비하여 구성된 감지/측정장치이다.

Description

3차원적인 개체의 움직임을 감지/측정하는 방법 및 그 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR SENSING AND MEASURING THE MOVEMENTS OF THE OBJECTS IN THREE DIMENSIONS}

본 발명은 3차원적으로 움직이는 개체의 이동방향과 그 이동거리, 이동속도, 회전상태를 감지 및 측정할 수 있는 방법과 그 장치에 관한 것이다.

개체의 움직임을 2차원적으로 감지 및 측정하는 일반적인 장치로서는 컴퓨터의 부속품으로 사용되는 마우스나 조이스틱, 디지타이저 등의 포인팅 디바이스를 들 수 있는데, 이러한 포인팅 디바이스들에 있어서 예컨대 개체가 마우스인 경우는 주지되어 있는 바와 같이 그 내부에 내장된 볼과 같은 포인팅 셀의 움직임을 기계적, 광학적, 또는 정전기적으로 감지하여, 마우스의 이동방향 및 이동궤적에 관한 신호를 컴퓨터에 전송함으로써, 소프트웨어가 필요로 하는 각종 데이터를 제공하고 있다. 이러한 종래의 장치는 내장된 하나의 포인팅 셀의 움직임만을 감지하도록 되어 있고, 감지할 수 있는 범위도 2차원으로 한정되어 있다.

최근의 컴퓨터 소프트웨어 기술에 있어서 게임용 소프트웨어나 컴퓨터 그래픽(CG) 소프트웨어의 발전동향을 보면, 갖가지 개체의 모습이나 움직임을 3차원적으로 처리하는 3D기술이 많이 개발되고 있고, 이러한 3D기술을 이용하면 모니터 상에 가상적으로 3차원 디스플레이를 행할 수 있다.

상기한 가상적인 3D기술은 현재 대부분 디스플레이 분야에 적용되고 있는데, 향후에는 여러 산업분야에서 가상적인 디스플레이가 아닌, 실질적인 3차원 처리가 필요할 것으로 예상되는 바, 예컨대, 대형제품을 생산하는 자동화 라인 또는 위험한 물질을 다루는 설비에 사용되는 로봇의 암(Arm)을 3차원적으로 원격제어한다거나, 컴퓨터에 대한 입출력을 3차원적으로 처리한다거나, 3차원상에서 움직이는 개체, 즉 군사용 유도장비, 무인 항공기나 잠수함, 위성 등의 개체를 원격제어하는 것이 필요하게 될 것이다.

여기서 문제가 되는 것은 현재까지 상용화되어 있는 감지/측정장치의 기능이 실질적으로는 단일 개체에 대한 2차원 처리에 한정되어 있다는 것에 있다. 즉, CPU나 소프트웨어 기술은 3차원적인 데이터 처리에 충분히 대응할 만한 수준에 와 있으면서도 개체의 움직임을 감지/측정하는 방식은 2차원 처리에 머물고 있기 때문에, 제어해야 할 개체의 움직임이 3차원상에서 복잡다단한 경우에는 그러한 움직임에 대응되는 감지/측정신호를 생성할 수 없다는 문제가 있다.

한편, 미사일과 같은 군사용 유도장비에는 3차원 감지/측정장치가 탑재되어 있을 것으로 추측되나, 현재로서는 그 구체적인 기술구성이 비공개로 되어 있고 제품의 가격도 매우 비쌀 것으로 예상되므로, 감지/측정장치를 저가에 상용화함에는 많은 제약이 따르고 있는 실정이다.

본 발명은 상기 사정을 고려하여 이루어진 것으로서, 개체의 움직임을 감지/측정하는 방식을 개선하여 개체의 움직임을 3차원적으로 실시간에 감지 및 측정할 수 있도록 된 경제적인 가격대의 감지/측정방법 및 그 장치를 제공하고자 함에 목적이 있는 것으로, 특히 개체가 움직이는 방향과 속도, 이동거리, 회전상태를 신속하고 정확하게 감지 및 측정하도록 된 감지/측정방법 및 장치를 제공하기 위한 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 감지/측정장치의 구성도,

도 2는 도 1에 도시된 중앙처리장치의 동작수순을 나타낸 플로우 차트이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 3차원 감지/측정방법은,

자이로와 가속도계를 x,y,z축 방향으로 각각 1개씩 3쌍을 조합하여 이루어진 센서가 움직이는 경우, 그 센서의 회전에 대응되는 x,y,z축 방향의 회전 각속도신호를 상기 자이로로부터 추출함과 더불어, 그 센서의 선형이동에 대응되는 x,y,z축 방향의 선형 가속도신호를 상기 가속도계로부터 추출하는 단계,

상기 회전에 대응되는 회전 각속도신호와 선형이동에 대응되는 선형 가속도신호를 디지털신호로 변환하는 단계,

디지털신호로 변환된 회전 각속도신호를 미리 준비된 기준 회전데이터들과 비교하여 센서의 회전방향을 결정함과 더불어, 디지털신호로 변환된 선형 가속도신호를 미리 준비된 기준 이동데이터들과 비교하여 센서의 이동방향을 결정하는 단계,

상기 디지털신호로 변환된 선형 가속도신호를 적분하여 속도를 산출하는 단계,

상기 산출된 속도를 적분하여 거리를 산출하는 단계,

상기 산출된 회전방향, 이동방향, 속도, 거리에 관한 데이터를 무선으로 출력하는 단계를 구비하여 이루어져 있다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 3차원 감지/측정장치는,

다수의 면을 구비하고, 각 면에 부착된 압전소자의 압력 변화에 기초한 전압의 변동을 이용하여 회전 각속도를 측정하는 3개의 자이로와, MEMS기술을 이용하여 가속도 변화를 전하량 변화로 측정함으로써 선형 가속도를 측정하는 3개의 가속도계를, x,y,z축 방향으로 각각 1개씩 조합하여 구성한 센서 수단과,

상기 센서 수단의 자이로로부터 출력되는 x,y,z축 방향의 회전 각속도신호와 가속도계로부터 출력되는 x,y,z축 방향의 선형 가속도신호를 저역통과시켜서 고역성분을 제거하는 로우패스 필터 수단,

상기 로우패스 필터 수단으로부터의 출력신호를 다중처리하여 정형화하는 다중화 수단,

상기 다중화 수단으로부터 출력되는 정형화된 아날로그신호를 디지털신호로 변환하는 A/D변환 수단,

디지털신호로 변환된 회전 각속도신호를 ROM에 미리 저장되어 있는 기준 회전데이터들과 비교하여 상기 센서 수단의 회전방향을 결정함과 더불어, 디지털신호로 변환된 선형 가속도신호를 ROM에 미리 저장되어 있는 기준 이동데이터들과 비교하여 센서 수단의 이동방향을 결정하고, 상기 디지털신호로 변환된 선형 가속도신호를 적분하여 속도를 산출하며, 상기 산출된 속도를 적분하여 거리를 산출하는 연산 수단,

상기 산출된 회전방향, 이동방향, 속도, 거리에 관한 데이터를 무선으로 출력하는 송신 수단을 구비하여 구성되어 있다.

<실시예>

이하, 본 발명을 실시예의 형태로 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 실시예의 구성을 나타낸 도면으로, 이 실시예의 감지/측정장치는, 3개의 자이로(Gx, Gy, Gz)와 3개의 가속도계(Ax, Ay, Az)를 x,y,z축 방향으로 각각 1개씩 조합하여 이루어진 센서(1)와, 이 센서(1)의 자이로(Gx, Gy, Gz)로부터 출력되는 x,y,z축 방향의 회전 각속도신호(Ogx, Ogy, Ogz)와 가속도계(Ax, Ay, Az)로부터 출력되는 x,y,z축 방향의 선형 가속도신호(Oax, Oay, Oaz)를 입력받아서 고역성분은 제거하고 저역성분만을 통과시키는 6개의 로우패스 필터(LPF1~LPF6)로 이루어진 로우패스 필터부(2), 상기 로우패스 필터부(2)의 출력신호를 다중화 처리하여 정형화하는 멀티플렉서(3), 상기 멀티플렉서(3)의 아날로그 출력을 디지털신호로 변환하는 A/D변환기(4), 상기 A/D변환기(4)의 디지털신호로 변환된 회전 각속도신호를 ROM에 미리 저장되어 있는 기준 회전데이터들과 비교하여 센서(1)의 회전방향을 결정함과 더불어 디지털신호로 변환된 선형 가속도신호를 ROM에 미리 저장되어 있는 기준 이동데이터들과 비교하여 센서(1)의 이동방향을 결정하고, 상기 디지털신호로 변환된 선형 가속도신호를 적분하여 속도를 산출하며, 상기 산출된 속도를 적분하여 거리를 산출하는 중앙처리장치(5), 상기 산출된 회전방향, 이동방향, 속도, 거리에 관한 데이터를 무선으로 출력하는 송신부(6)를 구비하여 구성되어 있다.

상기 센서(1)를 구성하는 자이로(Gx, Gy, Gz)는 예컨대 각각이 다수의 면을 구비하고 각 면에 압전소자가 부착되어 이루어진 진동형 자이로로서, 이 자이로(Gx, Gy, Gz)가 움직이면 그 움직임 중에서 회전운동에 해당하는 물리적인 힘이 각 면에 부착된 압전소자에 작용하여 그에 대응되는 전압변화가 생기는 바, 이러한 전압변화로부터 자이로의 회전 각속도를 출력하도록 된 것이다. 이 자이로는 상용화되어 있는 것으로, 일본국 MURATA사의 모델 ENV-05D-52나 ENV-05DB-52 등이 있다.

또한, 상기 센서(1)를 구성하는 가속도계(Ax, Ay, Az)는 예컨대 iMEMS기술을 이용하는 반도체형 가속도계로서, 이 가속도계(Ax, Ay, Az)가 움직이면 그 움직임 중에서 선형 운동의 가속도성분을 측정하여 출력하도록 된 것이다. 이러한 가속도계는 상용화되어 있는 것으로, 예컨대 미국 ANALOG DEVICES사의 모델 ADXL202나 ADXL210 등이 있다.

상기 센서(1)는 위와 같이 작용하는 자이로와 가속도계를 x,y,z축 방향으로 각각 1개씩 붙여서 도합 3쌍으로 구성한 것으로, 이러한 센서(1) 자체가 움직일 경우, 또는 측정대상물의 어떤 특정 부위에 부착된 센서(1)가 움직일 경우, 그 움직임에 반응하여 x,y,z축 방향에 있어서의 회전에 관련된 신호와 선형 이동에 관련된신호를 출력하게 된다.

즉, 센서(1)의 자이로(Gx, Gy, Gz)는 물체의 움직임중 회전성분에 해당하는 신호를 출력하는데, 이 자이로는 x,y,z축 방향으로 각각 설치되어 있으므로, 각 축 방향의 회전운동에 관한 각속도신호를 각각 출력한다. 또한, 센서(1)의 가속도계(Ax, Ay, Az)는 물체의 움직임중 선형 이동에 관한 신호를 출력하는데, 이 가속도계도 x,y,z축 방향으로 각각 설치되어 있으므로, 각 축 방향의 선형 이동에 관한 가속도신호를 각각 출력한다.

따라서, 센서(1)의 3개 축 방향의 2가지 신호를 종합하여 판단하면, 센서(1)가 3차원 공간의 어떤 위치에서 어떤 회전을 하며 어떤 속도로 얼마만큼 움직이고 있는지를 감지/측정할 수 있게 되는 것이다.

이하, 도 2를 이용하여 본 발명의 감지/측정방법을 설명한다.

도 2는 중앙처리장치(5)가 하는 동작을 나타낸 플로우 차트로서, 이 중앙처리장치(5)는 3차원상에서의 회전에 관련된 회전데이터들과 이동에 관련된 이동데이터들을 기억하고 있는 ROM의 데이터와, 정형화된 상기 센서(1)의 출력을 비교 및 연산함으로써, 센서(1)의 움직임에 관한 종합적인 데이터를 작성하게 된다.

즉, 도 2에 나타낸 바와 같이, 중앙처리장치(5)는 센서(1)로부터 나오는 3개 축 방향의 회전 각속도신호(Ogx, Ogy, Ogz)와 선형 가속도신호(Oax, Oay, Oaz)를 로우패스 필터부(2)와 멀티플렉서(3)에 통과시키면서 정형화하고(S1), 정형화된 아날로그신호를 A/D변환기(4)에 인가하여 디지털신호로 변환한다(S2).

다음으로, 중앙처리장치(5)는 디지털신호의 오차보상을 행하고(S3), 오차가보상된 회전 각속도신호와 ROM에 저장되어 있는 기준 회전데이터들을 비교/연산하여 3차원상에서의 센서(1)의 회전방향을 결정함과 더불어, 오차가 보상된 선형이동 가속도신호와 ROM에 저장되어 있는 기준 이동데이터들을 비교/연산하여 3차원상에서의 센서(1)의 이동방향을 결정한다(S4).

다음으로, 중앙처리장치(5)는 상기 선형이동 가속도를 적분함으로써 센서(1)의 이동속도를 계산해 내고, 이 이동속도를 적분함으로써 센서(1)의 이동거리를 계산해 낸다(S5).

위와 같이 하여 결정 또는 계산된 회전방향, 이동방향, 이동속도, 이동거리에 관한 데이터는 송신부(6)를 통하여 무선으로 3차원 제어계통에 제공된다(S6).

상기 외부의 3차원 제어계통으로는, 전술한 바와 같이, 대형제품을 생산하는 자동화 설비 또는 위험한 물질을 다루는 설비에 사용되는 로봇 암(Arm)의 원격제어장치, 3D 처리용 컴퓨터의 입출력 제어장치, 또는 3차원상에서 움직이는 군사용 유도장비나 무인 항공기, 잠수함, 위성 등을 위한 제어장치를 들 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명에 의하면, 종래의 2차원적인 감지/측정의 한계를 넘어서, 개체의 이동에 관하여, 그 개체가 움직이는 방향과 속도 및 이동거리에 덧붙여서 개체의 회전상태까지를 신속하고 정확하게 감지 및 측정함으로써, 향후 생산현장에 투입되는 무인 제조설비의 제어에 요구되는 3차원 데이터나, 3차원상에서 이동하는 물체의 원격제어 등에 핵심적으로 사용되어질 3차원 데이터를 저가에 효율적으로 제공할 수 있다.

Claims (3)

1. 자이로와 가속도계를 x,y,z축 방향으로 각각 1개씩 3쌍을 조합하여 이루어진 센서가 움직이는 경우, 그 센서의 회전에 대응되는 x,y,z축 방향의 회전 각속도신호를 상기 자이로로부터 추출함과 더불어, 그 센서의 선형이동에 대응되는 x,y,z축 방향의 선형 가속도신호를 상기 가속도계로부터 추출하는 단계,

   상기 회전에 대응되는 회전 각속도신호와 선형이동에 대응되는 선형 가속도신호를 디지털신호로 변환하는 단계,

   디지털신호로 변환된 회전 각속도신호를 미리 준비된 기준 회전데이터들과 비교하여 센서의 회전방향을 결정함과 더불어, 디지털신호로 변환된 선형 가속도신호를 미리 준비된 기준 이동데이터들과 비교하여 센서의 이동방향을 결정하는 단계,

   상기 디지털신호로 변환된 선형 가속도신호를 적분하여 속도를 산출하는 단계,

   상기 산출된 속도를 적분하여 거리를 산출하는 단계,

   상기 산출된 회전방향, 이동방향, 속도, 거리에 관한 데이터를 무선으로 출력하는 단계를 포함하여 이루어진 3차원 감지/측정방법.
2. 다수의 면을 구비하고, 각 면에 부착된 압전소자의 압력 변화에 기초한 전압의 변동을 이용하여 회전 각속도를 측정하는 3개의 자이로와, MEMS기술을 이용하여가속도 변화를 전하량 변화로 측정함으로써 선형 가속도를 측정하는 3개의 가속도계를, x,y,z축 방향으로 각각 1개씩 조합하여 구성한 센서 수단과,

   상기 센서 수단의 자이로로부터 출력되는 x,y,z축 방향의 회전 각속도신호와 가속도계로부터 출력되는 x,y,z축 방향의 선형 가속도신호를 저역통과시켜서 고역성분을 제거하는 로우패스 필터 수단,

   상기 로우패스 필터 수단으로부터의 출력신호를 다중처리하여 정형화하는 다중화 수단,

   상기 다중화 수단으로부터 출력되는 정형화된 아날로그신호를 디지털신호로 변환하는 A/D변환 수단,

   디지털신호로 변환된 회전 각속도신호를 ROM에 미리 저장되어 있는 기준 회전데이터들과 비교하여 상기 센서 수단의 회전방향을 결정함과 더불어, 디지털신호로 변환된 선형 가속도신호를 ROM에 미리 저장되어 있는 기준 이동데이터들과 비교하여 센서 수단의 이동방향을 결정하고, 상기 디지털신호로 변환된 선형 가속도신호를 적분하여 속도를 산출하며, 상기 산출된 속도를 적분하여 거리를 산출하는 연산 수단,

   상기 산출된 회전방향, 이동방향, 속도, 거리에 관한 데이터를 무선으로 출력하는 송신 수단을 구비하여 구성된 3차원 감지/측정장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 자이로는 진동형 자이로이고, 상기 가속도계는 반도체형 가속도계인 것을 특징으로 하는 3차원 감지/측정장치.