KR200426384Y1

KR200426384Y1 - 시각장애인용 물체탐지장치

Info

Publication number: KR200426384Y1
Application number: KR2020060015778U
Authority: KR
Inventors: 김종만
Original assignee: 김종만
Priority date: 2006-06-12
Filing date: 2006-06-12
Publication date: 2006-09-19

Abstract

본 고안은 시각장애인이 시선을 움직여서 물체를 편리하게 탐지할 수 있도록 물체감지기(11)(12)(13), 신호제어기(14), 스피커(15)(16), 진동체(17)(18) 및 거리조절기(19)(20)를 안경형태의 구조물(22)에 부착한 시각장애인용 물체탐지장치에 관한 것이다.

본 고안에서는 탐지하고자 하는 방향을 3개의 영역으로 분할하고 각 영역별로 물체감지기를 부착하여 여러 개의 물체를 동시에 감지하며, 초음파 지향성 각도가 예민한 물체감지기를 사용하고 탐지거리를 임의로 조절 선택하여 물체에 대한 방향, 거리 및 크기 등의 상세한 정보를 탐지하며, 탐지한 정보를 복합적인 음향과 진동 형태로 변환하여 청각 및 촉각으로 동시에 전달함으로써 시각장애인이 편리하고 명확하게 물체를 탐지할 수 있는 것을 특징으로 하는 시각장애인용 물체탐지장치이다

물체감지기, 신호제어기, 스피커, 진동체, 거리조절기, 마이크로콘트롤러, 탐지거리

Description

시각장애인용 물체탐지장치{The object detection system for the blind man}

도 1은 물체탐지장치의 개념도

도 2는 물체탐지장치의 정면도

도 3은 물체탐지장치의 평면도

도 4는 물체감지기의 지향성 각도 예시도

도 5는 물체감지기의 내부 구성도

도 6은 신호제어기의 내부 구성도

도 7는 물체와의 거리 산출 원리 설명도

도 8은 물체 감지신호 제어 흐름도

도 9는 초음파 발신신호 제어 흐름도

도 10은 연속음 출력 제어 흐름도

도 11은 단속음 간격 산출 원리 설명도

본 고안은 시각장애인이 시선을 움직여서 물체를 편리하게 탐지할 수 있도록 물체감지기(11)(12)(13), 신호제어기(14), 스피커(15)(16), 진동체(17)(18) 및 거리조절기(19)(20)를 안경형태의 구조물(22)에 부착한 시각장애인용 물체탐지장치에 관한 것이다. 특히 본 고안에서는 탐지하고자 하는 방향을 3개의 영역(1)(2)(3)으로 분할하고 각 영역별로 물체감지기를 부착하여 여러 개의 물체를 동시에 감지하며, 초음파 지향성 각도가 예민한 물체감지기를 사용하고 탐지거리를 임의로 조절 선택하여 물체에 대한 방향, 거리 및 크기 등의 상세한 정보를 탐지하며, 탐지한 정보를 복합적인 음향과 진동 형태로 변환하여 청각 및 촉각으로 동시에 전달함으로써 시각장애인이 편리하고 명확하게 물체를 탐지할 수 있는 안경형태의 시각장애인용 물체탐지장치이다

일반적으로 시각장애인이 물체를 탐지하기 위하여는 시각장애인용 지팡이가 사용되고 있으나 1m 이상 떨어져 있는 물체에 대하여는 감지하기가 어렵고 근접한 물체라도 접촉에 의하여서만 감지가 가능한 실정이다. 이를 보완하기 위하여 장애물을 감지하는 장치가 국내에서도 활발히 개발되어 오고 있으나 현재 개발되어 있는 감지장치는 보행시 전방에 있는 장애물의 존재 유무만을 감지하여 경보음 형태로 알려 주고 있는 장치가 대부분이며, 물체를 명확하게 인식할 수 있도록 물체에 대한 방향, 거리 및 크기 등의 정보를 상세하게 전달하여 주지는 못하고 있는 실정이다.

대한민국 등록특허공보 등록번호 10-0563193의 "시각 장애인의 실내/실외 보행을 위한 시각 정보를 청각및 촉각 정보로 변환하는 보행 안내 장치 및 방법"에서의 초음파센서가 부착된 안경은 안경 우측과 좌측에 1개씩의 초음파센서를 부착하 고 보행시 전방에 있는 장애물을 감지하는 것으로서 물체의 거리와 방향을 우측 및 좌측에서 감지되는 시간 차이로 산출하는 방식이지만 물체가 2개 이상 있거나 크기가 큰 경우에는 정상적인 감지를 하지 못하며, 물체를 세밀하게 감지하는 기능이 없어서 특정한 위치에 있는 물체를 선택적으로 감지하기도 어려우며, 안경에 부착되어 있는 초음파센서 이외에 별도의 신호처리 및 변환처리 장치를 허리에 차고 사용하여야 하는 불편 점이 있다. 대한민국 공개특허공보 특 2002-0031690의 "시각 장애인을 위한 초음파 센서가 장착된 안경"에서는 안경에 소형화된 감지장치를 부착하여 장애물을 감지하는 장치로서 안경의 중앙에 초음파센서를 1개 부착하여 초음파 반사신호로 물체를 감지하고 있으나 단순히 장애물의 존재 여부만을 감지할 뿐 물체에 대한 방향이나 크기는 감지할 수가 없고 특정한 거리에 있는 물체를 선택하여 세밀하게 탐지하지도 못하는 문제점이 있다.

본 고안은 기존에 개발되어 있는 시각장애인용 감지장치가 물체를 상세하게 탐지하지 못하는 불편한 점이 있는 것을 개선하기 위하여 시각장애인이 탐지하고자 하는 방향을 3개의 영역으로 분할하고 분할한 영역별로 물체감지기를 부착함으로써 영역별로 있는 물체를 동시에 각각 탐지하며, 지향성 각도가 예민한 물체감지기를 부착함으로써 물체에 대한 거리, 방향 및 크기 등을 상세하게 감지하며, 탐지하고자 하는 영역에 여러 개의 물체가 있어도 임의로 탐지거리를 조절함으로써 거리별로 물체를 선택하여 탐지할 수 있다. 탐지한 정보는 인식하기 편리하도록 단속음의 주기, 주파수 및 진폭을 변화시킨 복합적인 음향과 진동으로 동시에 전달함으로 써 보행시뿐만 아니라 일상생활에서 편리하게 물체를 탐지할 수 있는 안경형태의 시각장애인용 물체탐지장치이다.

이하에서는 본 고안의 구성에 대하여 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.

도면 1은 본 고안의 물체탐지장치 개념도로서 안경형태의 물체탐지장치는 탐지방향의 공간을 중앙영역(1), 우측영역(2) 및 좌측영역(3)으로 분할하여 중앙물체감지기(11), 우측물체감지기(12) 및 좌측물체감지기(13)를 영역별로 각각 안경형태의 구조물(22)에 부착하여 물체를 동시에 감지하는 것을 나타내고 있다.

도면 2는 물체탐지장치의 정면도이고 도면 3은 평면도를 나타내고 있으며, 물체탐지장치는 물체감지기(11)(12)(13), 신호제어기(14), 스피커(15)(16), 진동체(17)(18) 및 거리조절기(19)(20)를 안경형태의 구조물(22)에 부착함으로써 시각장애인이 탐지 방향으로 시선을 편리하게 움직여서 탐지한다. 또한 전원(21)은 건전지 또는 충전지로 되어 있으며, 전원 연결선을 이용하여 목에 걸 수도 있어서 편리하다.

중앙물체감지기(11)는 지향성 각도를 10도 이내로 예민하게 함으로써 시각장애인이 시선을 상하좌우로 움직이면서 물체에 대한 크기와 방향을 상세하게 감지할 수 있게 하고 물체가 이동하는 방향에 따라서 시선을 움직이면서 물체의 이동방향 및 이동속도도 탐지할 수가 있다. 우측물체감지기(12) 및 좌측물체감지기(13)는 지향성 각도를 각각 20도 정도로 넓게 하여 물체 탐지를 편리하고 신속하게 할 수 있도록 한다.

지향성 각도는 다음의 공식에 의하여 초음파주파수 및 초음파센서의 지름 크기를 적용하였다.

sin(α/2) ≒ λ/D = V/(D*F)

위 식의 α는 지향성 각도이며, λ는 발신 초음파신호의 파장이며, D는 초음파센서의 지름 크기이며, V는 초음파의 전파속도이며, F는 초음파신호의 주파수이다. 위 식에 의하여 중앙물체감지기(11)는 지향성 각도를 10도 내외로 하기 위하여 초음파주파수는 100KHz~250KHz 대역을 사용하고 초음파센서의 지름 크기는 20mm~48mm를 사용하며, 우측물체감지기(12)와 좌측물체감지기(13)는 지향성 각도를 20도 내외로 하기 위하여 초음파주파수는 30KHz~80KHz 대역을 사용하고 초음파 센서의 지름 크기는 30mm~50mm 를 사용한다. 도면 4는 적용 사례로서 10도의 지향성 각도(41)를 갖는 중앙물체감지기는 200KHz의 초음파주파수를 사용하고 지름의 크기가 20mm인 초음파센서를 사용한 경우이며, 20도의 지향성 각도(42)를 갖는 우측물체감지기(12) 및 좌측물체감지기(13)는 50KHz의 초음파주파수를 사용하고 지름의 크기가 40mm인 초음파센서를 사용한 경우이다.

물체감지기의 내부 구성은 도면 5와 같이 초음파센서(51), 발신신호발진부(52), 발신신호증폭부(53) 및 수신신호증폭부(54)로 되어 있으며, 중앙물체감지기(11)와 우측물체감지기(12) 및 좌측물체감지기(13)의 구성은 동일하지만 지향성각도를 각각 다르므로 초음파센서(51)의 지름의 크기와 발신신호발진부(52)에서 발진하는 초음파주파수는 각각 다르게 한다. 발신신호발진부(52)는 감지 영역별로 필요한 초음파주파수를 만들기 위하여 중앙물체감지기(11)인 경우는 200KHz를 발진하고 우측물체감지기(12) 및 좌측물체감지기(13)의 경우는 50KHz를 발진하여 발신신호증폭부(53)로 보내진다. 발신신호증폭부(53)에서는 발진한 신호를 신호제어기(14)의 발신신호명령에 따라 발신주기, 발신시간 및 세기를 조절하여 최대 16볼트 전압의 발신신호로 증폭한다. 초음파센서(51)는 발신신호를 초음파 신호로 변환하여 감지영역별로 발신을 하며, 발신한 초음파가 물체에 반사되어 되돌아 오는 초음파 수신신호를 전기적 수신신호로 변환한 후 수신신호증폭부(54)로 보낸다. 수신신호증폭부(54)는 연속하여 들어오는 수신신호를 신호제어기(14)가 동작할 수 있는 신호의 세기로 만들기 위하여 20dB~60dB 증폭한 후 감지할 수 있도록 검파하여 신호제어기(14)로 보낸다.

신호제어기(14)의 구성은 도면 6과 같이 마이크로콘트롤러(61), 우측음향출력부(62), 좌측음향출력부(63), 우측진동출력부(64) 및 좌측진동출력부(65)로 구성되여 있으며, 영역별 물체감지기 제어를 위하여 초음파 발신신호의 발신시간, 발신세기 및 발신주기를 명령하는 발신신호명령 기능, 각 영역별 물체감지기의 수신신호증폭부(54)에서 수신된 감지시간과 발신시간을 비교 분석하여 거리를 산출하고 탐지거리를 조절하여 선택적으로 물체를 감지하는 기능, 감지된 물체의 거리에 따라 발신세기 및 발신주기를 조절하는 기능, 시각장애인이 편리하게 인식할 수 있도록 복합적인 신호음과 진동의 전기적인 신호를 생성하여 스피커 및 진동체로 전달하는 기능 등으로 이루어져 있다.

물체와의 거리는 도면 7과 같이 발신신호증폭부에서 초음파 신호를 발신한 발신시간(71)과 신호가 수신되어 감지되는 감지시간(72)까지의 걸린 소요시간(73)을 검출하고 소요시간(73)으로부터 다음과 같은 관계식에 의하여 물체와의 거리를 산출한다.

물체와의 거리 = (소요시간) / 2 * 343.5m (기온 섭씨 20도 기준)

위의 관계식에서 물체와의 거리는 탐지 방향의 영역별 소요시간(73)으로부터 산출이 가능하므로 영역별로 동시에 물체 감지가 가능한 특징이 있다.

또한 시각장애인이 탐지하고자 하는 거리를 임의로 조절하여 특정한 거리에 있는 물체를 선택적으로 탐지하고자 할 경우에는 도면 7과 같이 탐지거리(감지허용거리와 감지제한거리 사이)에 대응하는 감지허용시간(74)과 감지제한시간(75)을 지정함으로써 수신되는 여러 개의 수신신호 중에서 감지허용시간(74)과 감지제한시간(75) 사이에 있는 수신신호의 감지시간(72)만을 감지하게 되어 동일한 영역 내에 여러개의 물체 중에서도 임의로 조절하여 지정한 탐지거리 사이에 있는 물체만을 선택적으로 탐지할 수 있게 된다. 탐지거리의 조절은 중앙영역인 경우는 중앙거리조절기(20), 우측 및 좌측 영역인 경우는 양측거리조절기(19)를 사용하며, 거리조절기(19)(20)에서 조절한 값은 마이크로콘트롤러(61)가 전달받아서 선택적으로 물체 탐지를 제어한다. 도면 8은 물체와의 거리산출 및 특정한 거리에 있는 물체 탐지를 제어하는 흐름도를 나타내고 있다.

초음파 발신신호는 탐지하고자 하는 거리가 멀수록 신호의 감쇄가 큰 폭으로 변화하게 되며, 거리가 근접될수록 물체의 움직임에 따라 방향 변화가 크게 되므로 상황에 따라 발신크기와 발신주기를 조절하지 않을 경우에는 물체를 잘못 감지되는 원인이 될 수 있다. 이를 방지하기 위하여 도면 9의 초음파 발신신호 제어 흐름도와 같이 신호제어기(14)의 발신신호명령에 따라 발신신호의 세기 및 발신주기를 발신신호증폭부(53)에서 조절한다. 물체의 거리에 따른 발신신호의 세기는 3단계로 구분하여 거리가 멀수록 세기를 크게 하며, 발신신호증폭부(53)의 발신신호 세기 조절을 적용한 예로써 물체와의 거리가 3m 이내의 단거리인 경우에는 발신신호 전압을 4v로 출력하며, 3m에서 5m 사이의 중간거리인 경우에는 발신신호 전압을 8v로 출력하며, 5m 이상의 원거리인 경우에는 발신신호 전압을 16v로 출력한다. 또한 물체의 거리에 따른 발신주기도 3단계로 구분하여 거리가 근접할수록 주기를 짧게 하며, 발신신호증폭부(53)의 발신주기 조절을 적용한 예로는 물체와의 거리가 3m 이내의 단거리인 경우에는 100mS 간격으로 발신하며, 3m에서 5m의 사이의 거리인 경우에는 200ms 간격으로 발신하며, 5m 이상의 경우에는 500ms 간격으로 발신한다.

탐지한 물체의 정보를 음향으로 전달하기 위하여 중앙영역(1)에서 감지된 정보는 물체 거리에 따라 주파수가 변화되는 연속음 형태로 전달하며, 우측영역(2)과 좌측영역(3)에서 감지된 정보는 물체 거리에 따라 단속음의 간격이 변화되는 2개의 단속음 형태로 구성하여 전달한다. 또한 중앙영역에서 감지된 물체정보와 우측영역 또는 좌측영역에서 감지된 물체의 정보가 동일한 위치인 경우에는 연속음의 출력 세기를 3dB 정도 크게 하여 물체의 방향을 쉽게 인식하도록 한다.

중앙영역(1)의 감지정보에 따라 발진하는 연속음의 주파수는 감지거리에 따라 설정되어 있는 음악의 음계에 해당하는 주파수이며, 감지거리가 짧아 지면 높은 음계의 주파수 연속음이 발생하고 감지거리가 멀어지면 멀어질수록 낮은 음계에 해당하는 주파수의 연속음이 발생한다. 최대 감지거리에 대한 주파수 범위는 음계의 옥타브 4개에 해당하는 64Hz~1,050Hz의 주파수대역을 사용한다. 적용한 예로써 감지거리가 0.2m 변화하면 음계는 '반음'의 높이가 변화하며, 감지거리가 2.4m 변화하면 음계의 높이는 1개 옥타브('반음' 12개)가 변화하게 된다. 따라서 최대 감지거리 10m에 대응하는 주파수대역은 4개의 옥타브에 해당하는 64Hz~1,050Hz 이며, 감지거리에 따른 주파수대역은 감지거리가 0.2m~2.6m일때 1,050Hz~512Hz 대역, 감지거리가 2.6m~5m일때 512Hz~256Hz 대역, 감지거리가 5m~7.4m일때 256Hz~128Hz 대역, 감지거리가 7.4m~9.8m는 128Hz~64Hz 대역이 된다.

도면 10의 연속음 출력 제어 흐름도에서 마이크로콘트롤러(61)는 중앙영역(1)에서 감지한 감지거리에 대응되는 주파수의 연속음을 우측음향출력부(62) 및 좌측음향출력부(63)에 발진하여 출력하도록 명령하며, 중앙영역에서 감지된 물체가 우측영역에서도 동일한 거리에 있는 것으로 감지가 되면 동일한 큰 물체로 추정하여 우측음향출력부(62)에 연속음을 3dB 추가 증폭시켜 출력하도록 명령하며, 좌측영역에서도 동일 거리에 물체가 감지되면 좌측음향출력부(63)에 연속음을 3dB 추가 증폭시켜 출력하도록 명령하여 시각장애인이 물체에 대한 거리와 방향 및 크기를 감각적으로 쉽게 인식하게 한다.

우측영역(2)과 좌측영역(3)에서 감지된 정보에 따라 음향으로 전달하기 위한 단속음의 신호는 도 11과 같이 기준음(111)(115)과 신호음(112)(115)인 2개의 단속음으로 구성되어 있으며, 우측음향출력부의 기준음(111)과 좌측음향출력부의 기준 음(115)은 동일한 세기의 음으로 동일한 시간에 발진 출력하며, 우측영역에서 감지된 신호음(112)과 좌측영역에서 감지된 신호음(115)은 각각 감지된 거리에 비례하는 값에 따라 간격(113)(117)을 정하여 우측음향출력부 및 좌측음향출력부에서 각각 발진하여 출력하며, 신호음의 크기(114)(118)는 감지된 거리에 반비례하는 값으로 거리가 가까울수록 신호음 세기를 크게 하고 거리가 멀수록 신호음의 세기를 작게 한다. 이때 송출하는 기준음과 신호음의 주파수는 일상생활에서 익숙하게 듣고 있는 음악의 '도' 음계와 유사한 510Hz~530Hz와 1020Hz~1050Hz를 사용한다.

탐지한 정보를 진동으로 전달하기 위한 전기적 신호는 단속진동의 시간과 간격을 마이크로콘트롤러(61)로부터 명령받아 우측진동출력부(64) 및 좌측진동출력부(65)에서 30Hz로 발진한 진동주파수를 단속하여 출력되는 신호이며, 단속시간과 단속간격은 음향과 동일하게 구성하여 시각장애인이 탐지정보를 명확하게 인식할 수 있도록 하며, 우측진동출력부(64)는 우측음향출력부(62)와 동일하게 하고 좌측진동출력부(65)는 좌측음향출력부(63)와 동일하게 하는 전기적 신호를 출력한다.

스피커(15)(16)는 소형이면서 재질이 가벼운 부져형 스피커를 사용하며, 스피커의 부착 위치는 주변의 소리를 듣는 데 지장이 없고 청각의 피로를 줄일 수 있도록 귀에서 2센티 정도의 간격을 두고 구조물(22)에 부착한다. 우측스피커(15)는 우측음향출력부(62)에서 전달받은 전기적신호를 음향으로 전환하여 송출하며, 좌측스피커(16)는 좌측음향출력부(63)에서 전달받은 전기적신호를 음향으로 전환하여 송출한다.

진동체는 소형이면서 무게가 가벼운 자석과 전자석으로 되어 있고 30Hz 에서 적합한 진동을 하며, 우측에는 우측진동체(17) 좌측에는 좌측진동체(18)로 각각 구성하고 진동체 위치는 스피커가 부착되어 있는 구조물(22)의 안쪽에 부착하여 청각과 촉각으로 동시에 느낄 수 있도록 한다.

이상 설명한 바와 같이 본 고안에 의하면 물체탐지장치는 (가) 안경형태로 되어 있어서 편리하게 사용할 수 있으며, (나) 탐지공간을 영역별로 분할하고 각각 물체감지기를 부착하여 영역별로 물체를 동시에 감지하며, (다) 물체감지기의 지향성 각도가 예민하게 하여 물체에 대한 거리, 방향 및 크기 등을 상세하게 탐지하며, (라) 특정 거리에 있는 물체를 선택적으로 탐지할 수 있으며, (마) 발신 초음파신호 출력을 조절하여 최대 10m 까지 감지 거리를 확장할 수 있으며, (마) 탐지정보는 연속음과 단속음 및 진폭 형태의 음향과 진동으로 명확하고 편리하게 전달한다.

본 고안에 따른 물체탐지장치는 물체에 대한 단순한 존재 유무의 감지뿐만 아니라 탐지거리를 임의로 조절하여 특정한 거리에 있는 물체에 대한 방향, 거리 및 크기 등 상세한 정보를 탐지할 수가 있어서 실내외 어디에서나 일상생활을 하는데 편리를 제공할 수 있다.

Claims

안경형태의 구조물(22)에 영역별로 중앙물체감지기(11), 우측물체감지기(12) 및 좌측물체감지기(13)를 부착하며, 탐지거리 조절을 위한 거리조절기(19)(20)와 음향 및 진동을 전달하기 위한 스피커(15)(16) 및 진동체(17)(18)를 부착하며, 부착된 기기의 제어를 위한 신호제어기(14)가 부착되는 것을 특징으로 하는 시각장애인용 물체탐지장치