KR20040002162A - 레이저를 이용한 위치 측정 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저를 이용한 위치 측정 장치에 관한 것으로, 레이저 발생 장치와 영상 장치, 제어부를 포함하여 이루어진다. 레이저 발생 장치는 균등한 간격으로 평행하게 진행하는 다수개의 레이저 빔들을 발생시킨다. 영상 장치는 레이저 빔들에 의해 목표물에 형성되는 포인트들의 영상물을 획득하기 위한 것이다. 제어부는 영상물에서의 포인트들 사이의 픽셀 수를 통해 목표물에 대한 상대 위치를 산출한다. 이와 같은 본 발명에 따른 레이저를 이용한 위치 측정 장치는 벽면과 같은 목표물에 대해 상대적인 각도와 거리 측정을 통해 목표물에 대한 상대적인 위치를 파악할 수 있다. 이를 위해 구조가 간단하고 가격이 저렴한 레이저 포인터 및 CCD 카메라를 이용하기 때문에 취급이 간편하고 경제적이다. 또한 위치 측정 알고리즘이 간단하여 시스템의 부하를 줄이고, 부하 감소에 따른 위치 측정 시간이 단축되어 실시간 위치 측정이 가능하다. 뿐만 아니라, 레이저 포인트를 촬영한 영상물을 필터링하여 포인트들의 위치를 파악하기 때문에 야간에도 본 발명에 따른 위치 측정이 가능하다.

Description

레이저를 이용한 위치 측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD OF LOCALIZATION USING LASER}

본 발명은 위치 측정에 관한 것으로, 특히 주변의 구조물에 대한 이동 물체의 상대적인 위치 측정에 관한 것이다.

일반적으로 정밀한 거리 측정을 위해 종래에는 전자소자를 이용한 초음파 측정기나 레이저의 반사파를 이용한 거리 측정기 등이 상품화되어 사용되고 있다.

이 가운데 초음파 거리 측정기는 전자유도 현상이나 압전 현상 등을 이용한 것으로서, 크게 송파기와 수파기로 구성된다. 송파기에서 초음파를 발사하면 측정 대상 물체에 부딪혀서 반사되어 돌아오는 초음파를 수파기로 수신한다. 이 때 초음파의 속도와 송신에서 수신까지 걸린 시간을 통해 대상물까지의 거리를 구할 수 있다. 송신에서 수신까지의 시간 측정은 플립플롭을 이용하여 다음과 같이 구현할 수 있다. 즉, 송파기에서 초음파를 발사할 때 플립플롭을 세트시키고 수파기가 초음파를 검지했을 때 플립플롭을 리셋시키면 초음파가 발사되어 돌아오기까지의 시간을 폭으로 하는 펄스가 만들어진다. 이 펄스를 통해 시간을 알 수 있다. 그러나 이와 같은 초음파 거리 측정기는 굴곡 면에서의 난반사에 의한 측정값의 정확도가 크게떨어진다. 또한 잡음 유입에 취약하고, 실시간의 정밀한 거리 측정이 곤란하다.

레이저 거리 측정기는 반사파의 위상 변화를 이용하는 방법과 펄스를 이용하는 방법, 삼각법에 의한 반사파의 수광 방법 등이 있다. 펄스를 이용한 방법은 목표물을 향해 간섭성 빛(coherent light)인 단일 펄스나 일련의 펄스를 방출한다. 이 빛은 수 km의 거리를 진행하여도 펄스의 지름이 약 1m에 불과할 정도로 거의 분산되지 않는다. 빛이 목표물에 도달하게 되면 사방으로 분산되지만, 일부 에너지는 다시 레이저 거리 측정기로 돌아와서 감지된다. 레이저 거리 측정기는 펄스가 반사되어 돌아오는 시간을 측정해서 표적의 거리를 결정한다.

삼각법을 이용한 레이저 거리 측정 방법은 레이저 빔(laser beam)을 발사해서 물체에 반사된 반사광을 레이저 수광 센서에서 검출하고, 이때의 레이저 발사각을 검출하여 삼각법에 의해 물체까지의 거리를 측정하는 방법이었다. 그러나 이 방법은, 레이저 출력이 커야 하고 수광 센서의 감도가 좋아야 하며, 수광 센서의 회로 구성이 대단히 복잡해져 제품의 가격 상승의 원인이 된다. 또한 이를 취급할 때에도 많은 주의를 필요로 하기 때문에 실용적이지 못하다.

본 발명에 따른 레이저를 이용한 위치 측정 장치 및 방법은 저가의 장비를 가지고 비교적 높은 정밀도의 거리 및 각도 측정이 가능하도록 하는데 그 목적이 있다.

도 1a는 본 발명에 따른 레이저를 이용한 위치 측정 장치의 평면도.

도 1b는 본 발명에 따른 레이저를 이용한 위치 측정 장치를 나타낸 블록도.

도 2a는 본 발명에 따른 레이저를 이용한 위치 측정 장치의 각도 측정 개념을 나타낸 도면.

도 2b는 본 발명에 따른 레이저를 이용한 위치 측정 장치에서 각도 측정을 위해 획득한 영상물을 나타낸 도면.

도 3a는 본 발명에 따른 레이저를 이용한 위치 측정 장치의 거리 측정 개념을 나타낸 도면.

도 3b는 본 발명에 따른 레이저를 이용한 위치 측정 장치에서 거리 측정을 위해 획득한 영상물을 나타낸 도면.

도 4는 본 발명에 따른 레이저를 이용한 위치 측정 장치의 위치 측정 방법을 나타낸 순서도.

도 5는 본 발명에 따른 레이저를 이용한 위치 측정 장치를 채용한 이동 로봇의 실시예를 나타낸 도면.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

102 : 레이저 위치 측정 장치

104 : 레이저 포인터

106 : CCD 카메라

108 : 벽면

이와 같은 목적의 본 발명에 따른 레이저를 이용한 위치 측정 장치는 레이저발생 장치와 영상 장치, 제어부를 포함하여 이루어진다. 레이저 발생 장치는 균등한 간격으로 평행하게 진행하는 다수개의 레이저 빔들을 발생시킨다. 영상 장치는 레이저 빔들에 의해 목표물에 형성되는 포인트들의 영상물을 획득하기 위한 것이다. 제어부는 영상물에서의 포인트들 사이의 픽셀 수를 통해 목표물에 대한 상대 위치를 산출한다.

본 발명에 따른 레이저를 이용한 위치 측정 장치 및 방법의 바람직한 실시예를 도 1a 내지 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 먼저 도 1a는 본 발명에 따른 레이저를 이용한 위치 측정 장치의 평면도이다. 도 1a에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저 위치 측정 장치(102)는 세 개의 레이저 포인터(104)와 하나의 CCD 카메라(106)를 구비한다. 세 개의 레이저 포인터(104)는 균등한 간격으로 설치되며, 서로 평행한 세 개의 레이저 빔을 발생시킨다. CCD 카메라(106)는 세 개의 레이저 빔에 의해 형성되는 세 개의 포인트를 촬영하여 영상물을 얻기 위한 것이다. CCD 카메라(106)는 중앙에 위치한 레이저 포인터에 의한 포인트가 화면의 정 중앙에 오도록 설치한다. CCD 카메라(106)의 해상도는 본 발명에 따른 위치 측정 장치의 각도 및 거리 측정의 정밀도를 결정하는 요소 가운데 하나인데, 필요로 하는 정밀도에 따라 CCD 카메라의 해상도를 선택한다.

도 1b는 본 발명에 따른 레이저를 이용한 위치 측정 장치를 나타낸 블록도이다. 도 1b에 나타낸 바와 같이, 제어부(152)에는 레이저 포인터(104)를 제어하여 레이저 빔을 발생시키고, CCD 카메라(106)를 제어하여 레이저 빔에 의해 형성된 포인트들의 영상물을 획득한다. CCD 카메라(106)를 통해 획득한 영상물 데이터는 저장부(158)에 저장되어 제어부(152)가 각도 및 거리를 산출할 때 이용한다. 영상물 처리부(160)는 CCD 카메라(106)를 통해 획득한 영상물을 필터링하여 레이저 빔에 의해 형성된 포인트들의 위치 정보만을 추출할 수 있도록 한다.

도 2a는 본 발명에 따른 레이저를 이용한 위치 측정 장치의 각도 측정 개념을 나타낸 도면이다. 도 2a에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 위치 측정 장치(102)에서 발생한 레이저 빔과 벽면(108) 사이의 각도를 라고 할 때, 만약 =0이면 레이저 빔은 벽면(108)에 대해 수직이다. 반대로, 0이면 레이저 빔이 벽면(108)에 대해 소정의 각도를 갖는다. 따라서 0일 때, =0이 되도록 위치 측정 장치(102)를 회전시키면 그 회전각이 각도 와 같은 값을 가지므로 이를 통해 각도 를 구할 수 있다. 위치 측정 장치(102)를 회전시켜 =0이 되도록 하는 원리를 도 2b를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2b는 본 발명에 따른 레이저를 이용한 위치 측정 장치에서 각도 측정을 위해 획득한 영상물을 나타낸 도면이다. 도 2b에서 (I)은 0일 때 CCD 카메라(106)를 통해 획득한 영상물이다. 영상물 (I)에서 알 수 있듯이 세 개의 레이저 빔이 벽면(108)에 대해 수직이 아니기 때문에 레이저 빔에 의해 생성된 세 포인트 사이의 거리가 서로 다르다. 즉, 중앙의 포인트를 기준으로 할 때 좌측의 포인터보다 우측의 포인터가 더 가깝기 때문에 영상물 (I)에서는 a'이 a"보다 더 크게 나타난다. 영상물 (I)에서 거리 a'과 a"은 영상물의 픽셀 수를 통해 구한 값이다.

이 상태에서 본 발명에 따른 위치 측정 장치(102)를 회전시키면서 a'=a"이 되도록 하면 벽면(108)과 레이저 빔이 수직이 되도록 할 수 있다. 도 2b의 (II)는a'=a"이 되도록 위치 측정 장치(102)를 회전시켜 벽면(108)과 레이저 빔이 수직이 되도록 한 상태에서 획득한 영상물이다.

벽면(108)과 레이저 빔이 수직으로 되면, 벽면(108)과 본 발명에 따른 위치 측정 장치(102) 사이의 거리를 측정한다. 도 3a는 본 발명에 따른 레이저를 이용한 위치 측정 장치의 거리 측정 개념을 나타낸 도면이다. 도 3a에 나타낸 바와 같이, 레이저 빔을 벽면(108)에 대해 수직으로 발사하고, 이 때 CCD 카메라(106)를 통해 획득한 영상물에서의 세 포인트 사이를 거리를 산출하여 벽면(108)과 CCD 카메라(106) 사이의 실제 거리를 획득한다. 이와 같은 본 발명에 따른 위치 측정 장치의 거리 측정 원리를 도 3b를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 3b는 본 발명에 따른 레이저를 이용한 위치 측정 장치에서 거리 측정을 위해 획득한 영상물을 나타낸 도면이다. 도 3b에서 (I)은 근거리 영상물이고, (II)는 원거리 영상물이다. 근거리 영상물 (I)과 원거리 영상물 (II)를 비교할 때, 근거리 영상물 (I)에서의 거리 a'이 원거리 영상물 (II)의 거리 a'보다 더 큰 것을 알 수 있다. 이 거리 a'은 영상물의 픽셀 수를 통해 구하는데, 단위 픽셀당 실제 거리를 알면 다음의 식 (1)을 통해 실제 거리를 획득할 수 있다.

(1)

식 (1)에서, L은 CCD 카메라(106)와 벽면(108)까지의 거리이고, x는 영상물에서의 포인트 사이의 거리 a'+a"이며, k와 b는 상수이다. 상수 k와 b는 단이 픽셀당 실제 거리를 구하기 위해 2회 이상의 실험에 따른 데이터로부터 구해지는 값이다.

식 (1)에서 알 수 있듯이, 벽면(108)과 CCD 카메라(106) 사이의 거리 L은 영상물에서의 포인트 사이의 거리 a'+a"에 반비례한다. 즉, 영상물에서의 거리 a'에 해당하는 픽셀 수가 적을수록 CCD 카메라(106)와 벽면(108) 사이의 거리는 멀다. 반대로 영상물에서의 거리 a'에 해당하는 픽셀 수가 많을수록 CCD 카메라(106)와 벽면(108) 사이의 거리는 가깝다.

도 4는 본 발명에 따른 레이저를 이용한 위치 측정 장치의 위치 측정 방법을 나타낸 순서도이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저를 이용한 위치 측정 장치를 통해 위치를 측정하기 위해서는 먼저 레이저 포인터(104)를 턴 온시켜 레이저 빔을 발생시키고(S402), CCD 카메라(106)를 통해 벽면(108)에 형성된 세 개의 포인터에 대한 영상물을 획득한다(S404). 획득한 영상물에 대해 필터링을 실시하여 세 개의 레이저 포인트의 위치 정보만을 추출한다(S406). 세 개의 포인트 사이의 픽셀 수를 검출하여(S408), 각각의 거리 a'와 a"을 비교한다(S410). 만약, a'=a"이면 이미 설명한 바 있는 식 (1)을 통해 실제 거리를 산출하고 레이저 포인터(104)를 턴 오프시킨다. 반대로 a'a"이면 각도 조정을 통해 a'=a"의 조건이 만족하도록 하고(S412) 다시 a'와 a"의 비교 단계(S410)를 반복한다.

이와 같은 본 발명에 따른 위치 측정 장치는 산업 분야 또는 가정 내에서 사용되는 이동 로봇에 적용하여 이동 로봇이 주변 환경(구조물이나 가구, 기계 장치 등)에 대한 상대적 위치를 측정하도록 할 수 있다. 도 5는 본 발명에 따른 레이저를 이용한 위치 측정 장치를 채용한 이동 로봇의 실시예를 나타낸 도면이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 이동 로봇(500)에 레이저 포인터(104)와 CCD 카메라(106)를 장착하고, 벽면(108) 등에 대한 이동 로봇(500)의 상대적 위치를 측정하도록 하면가정이나 산업 분야에서 이동 로봇의 위치 제어가 가능하다.

이와 같은 본 발명에 따른 레이저를 이용한 위치 측정 장치는 벽면과 같은 목표물에 대해 상대적인 각도와 거리 측정을 통해 목표물에 대한 상대적인 위치를 파악할 수 있다. 이를 위해 구조가 간단하고 가격이 저렴한 레이저 포인터 및 CCD 카메라를 이용하기 때문에 취급이 간편하고 경제적이다. 또한 위치 측정 알고리즘이 간단하여 시스템의 부하를 줄이고, 부하 감소에 따른 위치 측정 시간이 단축되어 실시간 위치 측정이 가능하다. 뿐만 아니라, 레이저 포인트를 촬영한 영상물을 필터링하여 포인트들의 위치를 파악하기 때문에 야간에도 본 발명에 따른 위치 측정이 가능하다.

Claims (11)

1. 위치 측정 장치에 있어서,

   균등한 간격으로 평행하게 진행하는 다수개의 레이저 빔들을 발생시키기 위한 레이저 발생 장치와;

   상기 레이저 빔들에 의해 목표물에 형성되는 포인트들의 영상물을 획득하기 위한 영상 장치와;

   상기 영상물에서의 상기 포인트들 사이의 픽셀 수를 통해 상기 목표물에 대한 상대 위치를 산출하는 제어부를 포함하는 위치 측정 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 세 개 이상의 포인트가 단일 직선상에 위치하도록 상기 레이저 포인터들이 설치되는 위치 측정 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 영상 장치의 초점이 상기 레이저 포인터의 지시 방향과 동일하게 설정되는 위치 측정 장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 세 개 이상의 포인트들 사이의 픽셀 수를 검출하고, 상기 두 개의 포인트 간 픽셀 수가 서로 동일할 때 상기 픽셀 수를 통해 상기 목표물과의 실제 거리를 산출하는 위치 측정 장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 목표물과 상기 영상 장치 사이의 실제 거리가 다음 식으로 표현되는 위치 측정 장치.

   (단, L은 상기 영상 장치와 상기 목표물 사이의 실제 거리이고, x는 상기 영상물에서의 이웃한 세 개의 포인트 사이의 픽셀 수이며, k와 b는 상수)
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 영상물을 필터링하여 상기 포인트들의 위치만을 검출하기 위한 영상물 처리부를 더 포함하고;

   상기 제어부는 상기 영상물 처리부를 통해 검출된 위치 정보를 통해 상기 상대 위치를 측정하는 것이 특징인 위치 측정 장치.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 위치 측정 장치가 이동 로봇에 설치되어 주변 물체에 대한 상기 이동 로봇의 상대 위치를 측정하는 위치 측정 장치.
8. 위치 측정 방법에 있어서,

   균등한 간격으로 평행하게 진행하는 다수개의 레이저 빔들을 발생시키는 단계와;

   상기 레이저 빔들에 의해 목표물에 형성되는 포인트들의 영상물을 획득하는 단계와;

   상기 영상물에서 상기 포인트들 사이의 픽셀 수를 통해 상기 목표물과의 각도 및 거리를 산출하는 단계를 포함하는 위치 측정 방법.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 세 개 이상의 포인트들 사이의 픽셀 수를 검출하고, 상기 두 개의 포인트 간 픽셀 수가 서로 동일할 때 상기 픽셀 수를 통해 상기 목표물과의 실제 거리를 산출하는 위치 측정 방법.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 목표물과 상기 영상 장치 사이의 실제 거리가 다음 식으로 표현되는 위치 측정 방법.

    (단, L은 상기 영상 장치와 상기 목표물 사이의 실제 거리이고, x는 상기 영상물에서의 이웃한 세 개의 포인트 사이의 픽셀 수이며, k와 b는 상수)
11. 제 8 항에 있어서,

    상기 영상물의 필터링을 통해 상기 포인트들의 위치만을 검출하여 상기 위치 측정을 실시하는 위치 측정 방법.