KR200352985Y1 - 음파 또는 초음파의 전달시간을 이용한 삼차원 공간위치파악장치 - Google Patents

음파 또는 초음파의 전달시간을 이용한 삼차원 공간위치파악장치 Download PDF

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Abstract

본 고안은 음파 또는 초음파의 전달시간을 이용한 삼차원 공간위치 파악장치에 있어서, 주기에 따라 시스템 조작 횟수를 결정하게 되며, 그에 따라 주기적으로 클럭 신호를 내보내는 타이머와, 타이머로부터 일정주기에 따라 수신한 클럭 신호에 따라 무선전파를 송신하는 무선전파송신부를 포함하는 제어기와, 무선전파송신부로부터 무선전파를 수신하는 제1, 제2, 제3 및 제4 수신안테나와 각각의 대응하는 제1, 제2, 제3 및 제4 수신안테나로부터 수신한 무선전파에 따라 각기 다른 음파 또는 초음파 신호를 발생시키는 제1, 제2, 제3 및 제4 음파 또는 초음파 펄스 발생기를 포함하는 각각의 대응하는 발신기와, 제어기의 무선전파 송신안테나와, 각각의 발신기의 각각의 음파 또는 초음파 펄스 발생기에서 나온 음파 또는 초음파를 수신하여 공간좌표를 계산하고 그 결과값을 보여주고 컴퓨터나 프린터 등의 타 주변기기로 결과값, 즉 해당 위치의 공간좌표를 전송하는 측정기로 구성되므로, 이상에서 설명한 바와 같이, 제어부와 4개의 발신부가 설치 구성하고, 수신부에서 각 발신부로부터의 음파 또는 초음파의 전달 시산을 구하는 것만으로 각 발신부에 대한 공간위치를 구할 수 있는 효과가 있다.

Description

음파 또는 초음파의 전달시간을 이용한 삼차원 공간위치 파악장치{THREE DIMENSIONAL SPACE POSITION PREHENSION APPARATUS USING TRANSFER TIME OF SOUND OR SUPERSONIC WAVE}
본 고안은 음파 또는 초음파의 전달시간을 이용한 삼차원 공간위치 파악장치 에 관한 것으로서, 음파 또는 초음파를 이용하여 전달시간만을 이용하여 좌표에 따라 위치를 측정하므로 온도를 측정할 필요가 없기 때문에 오차가 더 줄어들게 된다.
종래의 초음파를 이용한 거리 측정기의 경우에는 초음파가 발사되어 거리를 측정하고자 하는 물체에 반사되어 돌아오는 데까지 걸리는 시간(t) 및 주변온도(T)를 측정하고 초음파의 속도(v = 331.5 +0.61T (m/sec))를 구할 수 있고, 거리를 다음과 같은 공식(s = v * t)에서 구할 수 있다. 이때 주변온도가 평균온도와 차이가 많이 나면, 초음파가 온도가 상이한 구간별로 그 전달속도에 차이가 발생하며, 이에 따라 속도를 계산하는 데에서 오차가 발생하기 때문에 전제적으로 정확도가 떨어지는 문제가 발생한다. 또한, 음파를 이용해서 1차원인 거리만 계산하였기 때문에 활용도가 낮은 문제점이 있었다.
그러므로, 이와 같은 문제점을 해결하기 위해서는 온도를 측정할 필요가 전혀 없으며 간편하게 여러대의 측정기를 동시에 사용할 수 있는 새로운 장비의 필요성이 절실하게 필요하다.
본 고안은 종래와 같은 문제점을 해결함과 동시에 전술한 필요성에 의해 안출된 것으로 음파 또는 초음파를 이용하여 3차원 공간의 위치를 측정하는 것이다. 이 때 음파 또는 초음파를 이용해서 거리를 구하지 않고 음파 또는 초음파의 전달시간만을 이용하여 위치를 좌표에 의해 측정하므로 온도를 측정할 필요가 없으므로 오차가 더 줄어들게 된다.
도 1은 본 고안의 일실시예에 따른 공간위치 측정시스템의 개념을 개략적으로 나타낸 블록 구성도.
도 2는 본 고안의 일실시예에 따른 도 1의 측정기의 내부 블록 구성을 개략적으로 나타낸 블록 구성도.
도 3은 본 고안의 일실시예에 따른 도 1의 발신기의 배치 및 역할을 개략적으로 도시한 공간좌표 배치도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>
110 : 제어기 112 : 타이머
114 ; 무선전파 송신 안테나 120, 130, 140 : 주발신기
122, 132, 142, 152 : 수신안테나
124, 134, 144, 154 : 음파 또는 초음파 펄스 발생기
150 : 부발신기 160 : 측정기
162 : 음파 또는 초음파 수신부 164 : 잡음제거 및 증폭회로
166, 168, 170, 172 : 주파수 필터 174 : 전자기파 수신부
176 : 연산회로 178 : 결과표시 전달부
본 고안은 음파 또는 초음파의 전달시간을 이용한 삼차원 공간위치 파악장치에 있어서, 주기에 따라 시스템 조작 횟수를 결정하게 되며, 그에 따라 주기적으로 클럭 신호를 내보내는 타이머와, 타이머로부터 일정주기에 따라 수신한 클럭 신호에 따라 무선전파를 송신하는 무선전파송신부를 포함하는 제어기와, 무선전파송신부로부터 무선전파를 수신하는 제1, 제2, 제3 및 제4 수신안테나와 각각의 대응하는 제1, 제2, 제3 및 제4 수신안테나로부터 수신한 무선전파에 따라 각기 다른 음파 또는 초음파 신호를 발생시키는 제1, 제2, 제3 및 제4 음파 또는 초음파 펄스 발생기를 포함하는 각각의 대응하는 발신기와, 제어기의 무선전파 송신안테나와, 각각의 발신기의 각각의 음파 또는 초음파 펄스 발생기에서 나온 음파 또는 초음파를 수신하여 공간좌표를 계산하고 그 결과값을 보여주고 컴퓨터나 프린터 등의 타 주변기기로 결과값, 즉 해당 위치의 공간좌표를 전송하는 측정기로 구성된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 구성에 대하여 보다 상세하게 개시한다. 도 1은 본 고안의 일실시예에 따른 공간위치 측정시스템의 개념을 개략적으로 나타낸 블록 구성도이다.
도 1을 참조하여 보면, 본 고안은 제어기(110), 다수의 주발신기(120, 130, 140), 부발신기(150) 및 측정기(160)로 구성된다.
제어기(110)는 타이머(112)와 무선전파 송신안테나(114)로 구성된다. 타이머(112)는 운용자에 의해 조작되며, 조작된 주기에 따라 시스템 조작 횟수를 결정하게 되며, 그에 따라 주기적으로 클럭 신호를 내보내게 된다. 무선전파송신부(114)는 타이머(112)로부터 일정주기에 따라 수신한 클럭 신호에 따라 무선전파를 각각의 발신기(120, 130, 140, 150)로 송신한다. 이와 같은 무선전파는 어떤 특정 지점 또는 어떤 특정 대상의 위치를 파악하고자 할 때 조작자가 임의로 조작하여 또는 일정 주기로 해당 대상의 위치를 측정하라고 하는 명령에 해당한다.
각각의 발신기(120, 130, 140, 150)는 무선전파를 수신하는 각각의 수신안테나(122, 132, 142, 152)를 포함한다.
발신기(120, 130, 140, 150)는 송신한 무선전파를 수신하자마자 각기 다른 특정주파수의 음파 또는 초음파 펄스를 발생시키는 제1 주발신기(120), 제2 주발진기(130) 및 제3 주발진기(140)와 하나의 부발신기(150)가 있다.
먼저 제1 주발진기(120)는 제1 수신안테나(122)와 제1 음파 또는 초음파 펄스 발생기(124)로 구성된다. 제2 주발진기(130)는 제2 수신안테나(132)와 제2 음파 또는 초음파 펄스 발생기(134)로 구성된다. 제3 주발진기(140)는 제3수신안테나(142)와 제3 음파 또는 초음파 펄스 발생기(144)로 구성된다. 부발진기(150)는 제4 수신안테나(152)와 제4 음파 또는 초음파 펄스 발생기(154)로 구성된다. 전술한 발신기(120, 130, 140, 150)의 배치 및 역할에 대해서는 도 3을 참조하여 상세하게 기술하기로 한다.
각각의 수신안테나(122, 132, 142, 152)는 제어기(110)에서 발생된 무선전파를 수신할 수 있다. 그리고 각각의 음파 또는 초음파 펄스 발생기(124, 134, 144, 154)는 각각의 수신안테나(122, 132, 142, 152)에서 수신된 무선전파를 수신하여 정해진 주파수의 음파 또는 초음파 펄스발생기를 발생시키는 데, 이 때 각각의 음파 또는 초음파 펄스 발생기(124, 134, 144, 154)는 서로 다른 음파 또는 초음파 주파수가 할당되어 측정기(160)가 어떤 발신기(120, 130, 140, 150)에서 음파 또는 초음파 신호가 나오는 지를 확실히 알 수 있게 하며, 각 주파수는 배수관계가 성립하지 않도록 할당한다.
측정기(160)는 제어기(110)의 무선전파 송신안테나(114)와, 각각의 발신기(120, 130, 140, 150)의 각각의 음파 또는 초음파 펄스 발생기(124, 134, 144, 154)에서 나온 음파 또는 초음파를 수신하여 공간좌표를 계산하고 그 결과값을 보여주고 컴퓨터나 프린터 등의 타 주변기기로 결과값, 즉 해당 위치의 공간좌표를 전송한다.
도 2는 본 고안의 일실시예에 따른 도 1의 측정기의 내부 블록 구성을 개략적으로 나타낸 블록 구성도이다.
도 2를 참조하여 보면, 측정기(160)는 음파 또는 초음파 수신부(162), 잡음제거 및 증폭회로(164), 제1 주파수 필터(166), 제2 주파수 필터(168), 제3 주파수 필터(170), 제4 주파수 필터(172), 전자기파 수신부(174), 연산회로(176) 및 결과표시 전달부(178)로 구성된다.
음파 또는 초음파 수신부(162)는 각각의 발신기(120, 130, 140, 150) 내의 음파 또는 초음파 펄스 발생기(124, 134, 144, 154)로부터 수신된 음파 또는 초음파를 수신한다. 이 때 각각의 발신기(120, 130, 140, 150)에서 수신되는 음파 또는 초음파는 전술한 바와 같이 그 주파수가 상이하며 또한 배수의 관계가 성립되지 않도록 구성하였기 때문에 음파 또는 초음파가 어느 발신기(120, 130, 140, 150)의 어떤 음파 또는 초음파 펄스 발생기(124, 134, 144, 154)로부터 수신된 음파 또는 초음파인지의 여부를 여부를 감별해 낼 수 있는 것이다.
잡음제거 및 증폭회로(164)는 수신되는 음파 또는 초음파가 기본적으로 감쇄되어 입력되며, 또한, 측정기(160)의 위치에 따라 그 감쇄정도가 틀리므로, 측정가능한 정도로 충분하게 증폭시킨다. 또한, 수신된 음파 또는 초음파는 공기중을 통과하여 수신되었기 때문에 잡음이 존재한다. 특히 음파의 경우에는 각종 잡음이 혼재하여 있으므로, 증폭시킨 음파 또는 초음파를 잡음을 제거하는 필터링하여 데이터화 한다.
각각의 주파수 필터(166, 168, 170, 172)는 각각의 대응되는 발신기(120, 130, 140, 150)로부터 수신되어 데이터화된 음파 또는 초음파를 수신한다. 즉, 제1 주파수 필터(166)는 제1 주발신기(120)에서 발신되어 데이터화된 음파 또는 초음파를 전송받는다. 제2 주파수 필터(168)는 제2 주발신기(130)에서 발신되어 데이터화된 음파 또는 초음파를 전송받는다. 제3 주파수 필터(170)는 제3 주발신기(140)에서 발신되어 데이터화된 음파 또는 초음파를 전송받는다. 제4 주파수 필터(172)는 부발신기(150)에서 발신되어 데이터화된 음파 또는 초음파를 전송받는다. 이와 같이 주파수 필터(166, 168, 170, 172)에 수신된 데이터화된 음파 또는 초음파는 주파수 필터를 거침으로써, 해당 발신기(120, 130, 140, 150)에서 발신된 음파 또는 초음파를 각각 구분한다.
연산회로(176)에서는 제어기(110)가 발생시킨 무선전파를 수신하는 무선전파 수신부(174), 발신기에서 보낸 신호를 구분하는 각각의 주파수 필터(166, 168, 170, 172) 및 결과표시 전달부(178)과 연결되어 있다.
이때, 연산회로(176)는 전자기파 수신부(174)로부터 수신된 무선전파를 수신하고 그 시간을 기록한다. 이때, 연산회로(176)는 무선전파가 수신된 지점으로부터 각 주파수 필터를 통과한 음파 또는 초음파가 들어오는 시점까지의 시간을 측정하고, 무선전파가 수신된 시간을 통해 공간좌표를 계산하여 그 결과값을 연결된 결과표시 전달기(178)로 전송하면 그 결과를 자체의 모니터 또는 LCD로 보여주거나 결과를 외부에 네트웍으로 연결된 컴퓨터나 프린터 등의 주변 기기로 전송한다.
도 3은 본 고안의 일실시예에 따른 도 1의 발신기의 배치 및 역할을 개략적으로 도시한 공간좌표 배치도이다.
도 3을 참조하여 보면, 이 시스템에서 각 발신기의 위치 및 공간좌표체계가 매우 중요하다. 먼저, 제1 주발신기(120)의 위치는 공간좌표에서 원점에 해당된다. 제2 주발신기(130)는 제1 주발신기(120)와 충분한 거리를 두고 있어야 하며, 제2주발신기(130)와 제3 주발신기(140)의 방향이 각각 제1 주발신기(120)를 원점으로 하여 각각 X축과 Y축이 되도록 위치를 설정하고, 이때, X축과 Y축은 제1 주발신기(120)를 원점으로 직각이 되도록 정확하게 측량하여 설치하여야 한다.
이때, 제3 주발신기(140)와 제1 주발신기(120)의 거리를 B라고 하며, 따라서 제3 주발신기(140)의 좌표는 (0,B,0)이 된다. 또한, 제2 주발신기(130)와 제1 주발신기(120)의 거리를 A라고 하며, 따라서 제2 주발신기(130)의 좌표는 (A,0,0)이 된다. 또한, 제1 주발신기(120)의 좌표는 원점이므로 그 좌표는 (0,0,0)이 된다.
부발신기(150)는 X축과 Y축이 만들어내는 XY 평면상에 있어서는 아니되며, XY 평면과 충분한 거리를 두도록 하고, 그 위치는(P, Q, R)이라 정한다.
측정기(160)는 어느 위치에 있건 상관없으며, 측정기(160)의 개수는 무한개가 되어도 각 측정기(160)에서 공간좌표를 측정할 수 있다. 측정기(160)의 좌표는 최종적으로 계산해야 되는 (X, Y, Z)이다. 공간좌표의 계산법은 아래와 같다.
측정기(160)와 제1 주발신기(120) 사이의 거리의 제곱으로 수식을 만들면, 아래와 같이 4개의 식이 나오는데, 이때 미지수는 X, Y, Z 및 v이고, 나머지 T1, T2, T3, T4, A, B, P, Q 및 R은 상수이다.
S1 2= (vT1)2= X2+ Y2+ Z2
S2 2= (vT2)2= (X - A)2+ Y2+ Z2
S3 2= (vT3)2= X2+ (Y - B)2+ Z2
S4 2= (vT4)2= (X - P)2+ (Y - Q)2+ (Z - R)2
즉, 제1 주발신기(120)를 기준으로 제2 주발신기(130), 제3 주발신기(140), 부발신기(150)의 위치를 알고, 측정기(160)에서 각 발신기까지 음파전달 시간을 알게되면, 수학식 1 내지 수학식 4의 수학식을 이용하여 (X,Y,Z)의 좌표, 즉 측정기(160)의 위치를 구해낼 수 있는 것이다.
따라서, 본 고안은 이상에서 설명한 바와 같이, 제어부와 4개의 발신부가 설치 구성하고, 수신부에서 각 발신부로부터의 음파 또는 초음파의 전달 시산을 구하는 것만으로 각 발신부에 대한 공간위치를 구할 수 있다. 또한, 제어부 및 발신부의 구조가 간단하여 설치비가 저렴하고, 사후관리도 간편하다는 효과가 있으며, 수신부의 개수를 무한대로 사용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 음파 또는 초음파의 전달시간을 이용한 삼차원 공간위치 파악장치에 있어서,
    주기에 따라 시스템 조작 횟수를 결정하게 되며, 그에 따라 주기적으로 클럭 신호를 내보내는 타이머(112)와, 상기 타이머(112)로부터 일정주기에 따라 수신한 클럭 신호에 따라 무선전파를 송신하는 무선전파송신부(114)를 포함하는 제어기(110)와;
    상기 무선전파송신부(114)로부터 무선전파를 수신하는 제1, 제2, 제3 및 제4 수신안테나(122, 132, 142, 152)와 상기 각각의 대응하는 제1, 제2, 제3 및 제4 수신안테나(122, 132, 142, 152)로부터 수신한 무선전파에 따라 각기 다른 음파 또는 초음파 신호를 발생시키는 제1, 제2, 제3 및 제4 음파 또는 초음파 펄스 발생기(124, 134, 144, 154)를 포함하는 각각의 대응하는 발신기(120, 130, 140, 150)와,
    상기 제어기(110)의 무선전파 송신안테나(114)와, 각각의 상기 발신기(120, 130, 140, 150)의 각각의 상기 음파 또는 초음파 펄스 발생기(124, 134, 144, 154)에서 나온 음파 또는 초음파를 수신하여 공간좌표를 계산하고 그 결과값을 보여주고 컴퓨터나 프린터 등의 타 주변기기로 결과값, 즉 해당 위치의 공간좌표를 전송하는 측정기(160)를 포함하는 것을 특징으로 하는 음파 또는 초음파의 전달시간을 이용한 삼차원 공간위치 파악장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 초음파 펄스 발생기(124, 134, 144, 154)는 서로 다른 음파 또는 초음파 주파수가 할당되어 측정기(160)가 어떤 발신기에서 음파 또는 초음파 신호가 나오는 지를 확실히 인지할 수 있도록 구성하는 것을 특징으로 하는 음파 또는 초음파의 전달시간을 이용한 삼차원 공간위치 파악장치.
  3. 제1항 또는 제2항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 측정기(160)는,
    각각의 발신기(120, 130, 140, 150) 내의 음파 또는 초음파 펄스 발생기(124, 134, 144, 154)로부터 수신된 음파 또는 초음파를 수신하는 음파 또는 초음파 수신부(162)와;
    수신되는 음파 또는 초음파를 측정가능한 정도로 충분하게 증폭시키고 잡음을 제거하는 필터링하여 데이터화 하는 잡음제거 및 증폭회로(164)와;
    각각의 대응되는 발신기(120, 130, 140, 150)로부터 수신되어 데이터화된 음파 또는 초음파를 구분하여 수신하는 각각의 주파수 필터(166, 168, 170, 172)와;
    상기 제어기(110)로부터 무선전파를 수신하는 전자기파 수신부(174)와;
    상기 전자기파 수신부(174)로부터 무선전파를 수신하고, 무선전파가 수신된 지점으로부터 상기 각각의 주파수 필터(166, 168, 170, 172)를 통과한 음파 또는 초음파가 들어오는 시점까지의 시간을 측정하고, 무선전파가 수신된 시간을 통해 공간좌표를 계산하는 연산회로(176)와;
    상기 결과를 연산회로(176)으로부터 수신받아 모니터로 보여주거나 결과를 외부에 네트웍으로 연결된 외부 주변 기기로 전송하는 결과표시 전달기(178)로 구성되는 것을 특징으로 하는 음파 또는 초음파의 전달시간을 이용한 삼차원 공간위치 파악장치.
  4. 제1항 또는 제2항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 주발신기(120)의 위치는 공간좌표에서 원점에 해당하는 부분에 설치하고, 상기 제2 주발신기(130) 및 상기 제3 주발신기(140)는 제1 주발신기(120)와 충분한 거리를 두고 제2 주발신기(130)와 제3 주발신기(140)의 방향이 각각 제1 주발신기(120)를 원점으로 하여 각각 X축과 Y축이 되도록 위치를 설정하며, 상기 부발신기는(150)는 X축과 Y축이 만들어내는 XY 평면상이 아닌곳에 충분한 거리를 두고 배치하는 것을 특징으로 하는 음파 또는 초음파의 전달시간을 이용한 삼차원 공간위치 파악장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제3 주발신기(140)의 좌표를 (0,B,0)로하고, 상기 제2 주발신기(130)의 좌표를 (A,0,0)로 하며, 측정기(160)의 좌표를 (X, Y, Z)이라하며, 부발신기(150)의 좌표를 (P, Q, R)이라 정하는 경우,
    S1 2= (vT1)2= X2+ Y2+ Z2
    S2 2= (vT2)2= (X - A)2+ Y2+ Z2
    S3 2= (vT3)2= X2+ (Y - B)2+ Z2
    S4 2= (vT4)2= (X - P)2+ (Y - Q)2+ (Z - R)2
    상기 수학식을 통해 상기 측정기(160)의 좌표(X, Y, Z)의 값을 구하는 것을 특징으로 하는 음파 또는 초음파의 전달시간을 이용한 삼차원 공간위치 파악장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 측정기(160)의 위치는 어느 위치에 있어도 상관 없으며, 측정기(160)의 개수는 무한개가 되어도 각 측정기(160)에서 공간좌표를 측정할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 음파 또는 초음파의 전달시간을 이용한 삼차원 공간위치 파악장치.
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