KR20090062594A - 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 장치 및 그방법 - Google Patents

초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 장치 및 그방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 하나의 송신 센서와 다수의 수신 센서로 이루어진 센서 어레이를 이용하여 3차원 공간좌표계상에서 측정 대상물의 위치를 측정할 수 있는 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 장치 및 그 방법을 제공한다. 이를 위한 본 발명은 초음파를 측정 대상물로 송신하는 하나의 송신 센서와, 상기 측정 대상물로부터 반사된 초음파를 수신하는 적어도 3개의 수신 센서로 이루어진 판상의 센서 어레이와; 상기 송신 센서에서 초음파 송신후 상기 각 수신 센서에서 수신한 시간을 카운트하여 상기 각 수신 센서로부터 상기 측정 대상물까지의 왕복거리를 산출하고 이를 기초로 상기 측정 대상물의 위치를 측정하는 제어부;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. 상기와 같은 구성에 의해 본 발명은 위치측정의 2차원 한계성을 극복하여 공간상에서 정확하고 다양한 위치를 측정할 수 있으며, 다양한 용도로 활용할 수 있는 효과가 있다.
초음파 센서, 3차원 위치, 좌표계, 센서 어레이

Description

초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 장치 및 그 방법{Device and method for measuring 3D position using multi-channel ultrasonic sensor}
본 발명은 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히, 하나의 송신 센서와 다수의 수신 센서로 이루어진 센서 어레이를 구성하고, 측정 대상물과의 거리 및 3차원 공간좌표계 상에서의 수신 센서 좌표를 기초로 수치해석 기법을 이용하여 3차원 위치측정이 가능한 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 초음파 센서를 이용한 물체의 감지는 주로 초음파 센서로부터 물체까지의 거리를 측정하는 것이다.
초음파 센서를 이용한 거리측정 방법은 초음파를 송신한 시점부터 물체에서 반사된 초음파를 수신하는 시점까지의 체공 시간(T.O.F.:Time-Of-Flight)을 측정하고, 측정된 체공 시간에 공기중에서 초음파의 전파 속도를 곱하여 산출한다.
여기서, 체공 시간은 초음파를 송신한 시점에 일정한 주파수의 클록 신호를 갖는 카운터가 카운트를 개시하고 물체에서 반사된 초음파를 수신하는 시점에 카운트를 종료하여 측정된다.
이러한 초음파 센서를 이용한 측정방법은 로봇의 장애물 검지 등 다양한 목적으로 사용될 수 있다.
그러나, 이와 같은 종래의 초음파 센서를 이용한 측정 방법은 초음파 센서의 퍼짐각 특성으로 인해 물체의 정확한 방향을 측정할 수 없고, 로봇과 같은 이동체의 위치 측정시 기본적으로 2차원상에서 측정하는 것으로 3차원 위치를 측정할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 하나의 송신 센서와 다수의 수신 센서로 이루어진 센서 어레이를 이용하여 3차원 공간좌표계상에서의 측정 대상물의 위치를 측정할 수 있는 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 초음파를 측정 대상물로 송신하는 하나의 송신 센서와, 상기 측정 대상물로부터 반사된 초음파를 수신하는 적어도 3개의 수신 센서로 이루어진 판상의 센서 어레이와; 상기 송신 센서에서 초음파 송신후 상기 각 수신 센서에서 수신한 시간을 카운트하여 상기 각 수신 센서로부터 상기 측정 대상물까지의 왕복거리를 산출하고 이를 기초로 상기 측정 대상물의 위치를 측정하는 제어부;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 센서 어레이는 상기 송신 센서가 그 중앙에 배치되고, 상 기 각 수신 센서는 상기 송신 센서를 중심으로 한 원상에서 등각으로 배치될 수 있다.
바람직하게는 상기 제어부가, 상기 각 수신 센서로부터 수신된 신호를 증폭하는 적어도 3개의 증폭부와; 상기 송신 센서를 구동하는 드라이버와; 상기 송신 센서와 상기 각 수신 센서의 위치를 3차원 좌표계로 구성하고 상기 송신 센서 및 상기 각 수신 센서로부터 상기 측정 대상물까지의 왕복거리 산출식을 도출하여 수치해석 기법에 따라 상기 측정 대상물의 위치를 산출하는 신호처리부와; 상기 신호처리부의 제어에 따라 시간을 카운트하는 카운터;를 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 센서 어레이는 상기 각 수신 센서의 각 좌표축에 대한 좌표값이 동일하게 되지 않도록 상기 각 수신 센서가 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따른 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 방법은 하나의 송신 센서와 적어도 3개의 수신 센서로 이루어진 센서 어레이를 준비하는 준비 단계와; 상기 송신 센서에서 초음파를 측정 대상물로 송신하고, 상기 각 수신 센서가 상기 측정 대상물로부터 반사된 초음파를 수신하는 측정 단계와; 상기 송신 센서에서 초음파 송신후 상기 각 수신 센서에서 수신한 시간을 카운트하여 상기 각 수신 센서로부터 상기 측정 대상물까지의 왕복거리를 산출하는 거리산출 단계와; 상기 산출된 왕복거리를 기초로 상기 측정 대상물의 위치를 산출하는 위치산출 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 거리산출 단계에서 상기 송신 센서에서 초음파를 송신하면 카운트를 개시하여 상기 각 수신 센서에서 초음파를 수신하면 카운트를 종료하 고 그에 대응하는 시간을 산출하는 카운트 단계를 추가로 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 위치산출 단계에서 상기 송신 센서와 상기 각 수신 센서의 위치를 3차원 좌표계로 구성하고 상기 송신 센서 및 상기 각 수신 센서로부터 상기 측정 대상물까지의 왕복거리 산출식을 도출하여 수치해석 기법에 따라 상기 측정 대상물의 위치를 산출할 수 있다.
바람직하게는 상기 준비 단계에서 상기 각 수신 센서의 각 좌표축에 대한 좌표값이 동일하게 되지 않도록 상기 각 수신 센서를 배치할 수 있다.
본 발명에 따른 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 장치 및 그 방법은 하나의 송신 센서와 다수의 수신 센서를 하나의 어레이에 배치하고, 송신 센서로부터 송신된 초음파가 측정 대상물에 의해 반사되어 수신된 시간차를 측정하여 측정 대상물까지의 왕복거리를 산출하고, 산출된 왕복거리와 다수의 수신 센서의 위치정보를 기초로 수치해석 기법을 이용하여 측정 대상물의 3차원 위치를 측정함으로써, 위치측정의 2차원 한계성을 극복하여 공간상에서 정확하고 다양한 위치를 측정할 수 있으며, 다양한 용도로 활용할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 센서 어레이의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 장치의 구 성도이다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 위치측정 장치(1)는 초음파를 측정 대상물로 송신하는 송신 센서(200)와 측정 대상물로부터 반사된 초음파를 수신하는 적어도 3개의 수신 센서(300)가 배치된 판상의 센서 어레이(100)와, 센서 어레이(100)의 초음파 송수신을 제어하여 체공 시간을 측정하여 거리를 산출하고 이를 기초로 3차원 좌표계상에서 측정 대상물의 위치를 측정하는 제어부(400)로 구성된다.
센서 어레이(100)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 송신 센서(200)가 그 중앙에 배치되고, 각 수신 센서(301~303)가 후술하는 바와 같이 3차원 좌표계에서 각 좌표축에 대한 좌표값이 동일하게 되지 않도록 배치된다.
예를 들면, 각 수신 센서(301~303)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 송신 센서(200)를 중심으로 반경 D의 원상에서 120°의 등각으로 배치된다.
제어부(400)는 수신 센서(300)로부터 수신된 신호를 증폭하는 적어도 3개의 증폭부(410)와, 송신 센서(200)를 구동하는 드라이버(420)와, 신호처리를 위한 DSP(Digital Signal Processing) 모듈로 이루어진 신호처리부(430)와, 신호처리부(430)의 제어에 따라 카운트하는 카운터(440)로 구성된다.
증폭부(410)는 제 1 증폭부(411)와, 제 2 증폭부(412)와, 제 3 증폭부(413)로 구성되는데, 각 증폭부(411~413)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 수신 센서(301), 제 2 수신 센서(302), 제 3 수신 센서(303)에 각각 연결되어 수신된 신호를 증폭한다.
드라이버(420)는 초음파가 측정 대상물로 적절하게 송신될 수 있도록 송신 센서(200)를 구동한다.
신호처리부(430)는 송신 센서(200)에서 초음파를 송신한 다음 각 수신 센서(300)에서 수신한 시간을 측정하기 위하여 카운터(440)를 제어하고, 카운트된 시간에 초음파의 공기중 전파 속도를 곱하여 송신 센서(200) 및 수신 센서(300)와 측정 대상물까지의 왕복거리를 산출한다.
여기서, 왕복거리의 산출을 위한 송신 센서(200), 수신 센서(300) 및 측정 대상물의 위치는 후술하는 바와 같은 3차원 좌표계로 구성한다. 송신 센서(200) 및 각 수신 센서(301~303)로부터 측정 대상물까지의 왕복거리는 3차원 좌표계상에서의 두점 간의 거리 산출식에 의해 산출된다.
또한, 신호처리부(430)는 적어도 3개의 수신 센서(300)에 대한 거리 산출식, 즉, 적어도 3개의 거리 산출식에서 산출된 거리와, 송신 센서(200), 각 수신 센서(301~303) 및 측정 대상물의 3차원 좌표를 대입하고, 수치해석 기법에 따라 측정 대상물의 위치를 산출하여 그 위치를 측정한다.
카운터(440)는 신호처리부(430)가 송신 센서(200) 및 수신 센서(300)로부터 측정 대상물까지의 거리를 산출하기 위한 초음파의 체공 시간을 카운트한다.
이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 3차원 위치측정 장치(1)는 제어부(400)가 송신 센서(200)를 구동하여 측정 대상물을 향해 초음파를 송신하면, 송신된 초음파가 측정 대상물로 전파된다. 이때, 제어부(400)는 카운터(440)를 제어하여 시간 카운트를 개시한다. 여기서, 초음파는 그 특성상 60도 내외의 퍼짐각을 가지고 전파된다.
측정 대상물에 도달한 초음파 중 일부는 측정 대상물에 의해 반사되어 다시 수신 센서(300)로 전파된다. 이때, 측정 대상물로부터 반사된 초음파는 각 수신 센서(301~303)의 위치와 측정 대상물의 위치에 따라 서로 다른 시간에 각 수신 센서(301~303)로 도달된다.
제어부(400)는 각 수신 센서(301~303)에서 초음파를 수신하면 카운터(440)를 제어하여 각 수신 센서(301~303)에 대한 체공 시간을 산출하고, 산출된 체공 시간과 초음파의 공기중 전달 속도를 곱하여 각 수신 센서(301~303)에서 수신된 초음파가 이동한 왕복거리를 거리 산출식에 의해 산출한다.
또한, 제어부(400)는 송신 센서(200)를 3차원 좌표계의 원점으로 하며 각 수신 센서(301~303)와 측정 대상물의 좌표값을 거리 산출식에 대입하고 수치해석 기법을 이용하여 측정 대상물의 위치를 측정한다.
이러한 구성에 의해 3차원상에서 대상물의 위치를 측정할 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 방법을 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 방법을 나타낸 순서도이고, 도 4는 본 발명의 3차원 위치측정 원리를 설명하기 위한 도면이며, 도 5는 도 3에서 각 수신 센서의 신호 수신에 대한 타이밍도이다.
본 발명의 실시예에 따른 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 방법은 먼저, 하나의 송신 센서와 적어도 3개의 수신 센서로 이루어진 센서 어레이를 준비한다(단계 S301).
도 1에 도시된 바와 같이, 센서 어레이(100)는 각 수신 센서(301~303)가 송신 센서(200)를 중심으로 반경 D의 원상에서 120°의 등각으로 배치되도록 구성된다.
다음으로, 송신 센서에서 초음파를 측정 대상물로 송신한다(단계 S302).
도 4에 도시된 바와 같이, 송신 센서(200)가 초음파를 송신하면 측정 대상물(10)로 전파 경로(20)를 따라 전파되고, 측정 대상물(10)에 의해 반사된 초음파는 다시 각 전파 경로(31~33)를 통하여 각 수신 센서(301~303)로 전파된다.
송신 센서에서 초음파를 송신하면 카운트를 개시한다(단계 S303).
3차원 위치측정 장치(1)에서 제어부(400)는 송신 센서(200)가 초음파를 송신함과 동시에 카운터(440)를 제어하여 카운트를 개시하고 수신 센서(300)에서 측정 대상물(10)에 의해 반사된 초음파가 수신될 때까지 지속적으로 카운트하도록 카운터(440)를 제어한다.
다음으로, 각 수신 센서에서 초음파가 수신되었는가를 판단하여(단계 S304), 초음파가 수신되지 않았다고 판단한 경우에는 초음파가 수신될 때까지 카운트를 지속한다.
단계 S304의 판단결과, 각 수신 센서에서 초음파가 수신되었다고 판단한 경우, 즉, 각 수신 센서가 측정 대상물로부터 반사된 초음파를 수신하면, 해당 수신 센서에 대한 카운트를 종료하고 그에 대응하는 시간을 산출한다(단계 S305).
3차원 위치측정 장치(1)에서 제어부(400)는 각 수신 센서(301~303)에서 초음파가 수신되었음을 감지하면, 이 시점의 카운터(440) 출력값으로부터 체공 시간을 산출한다.
여기서, 각 수신 센서(301~303)에서 수신된 초음파는, 도 4에 도시된 바와 같이, 측정 대상물(10)의 위치와 각 수신 센서(301~303)의 배치에 따라 체공 시간에 차이가 발생한다.
산출된 시간을 기초로 각 수신 센서로부터 측정 대상물까지의 왕복거리를 산출한다(단계 S306).
3차원 위치측정 장치(1)에서 제어부(400)는 도 5에 도시된 바와 같은 초음파의 체공 시간에 초음파의 공기중 전파 속도를 곱하여 초음파의 이동 왕복거리를 산출한다.
산출된 왕복거리와 각 수신 센서의 위치를 기초로 측정 대상물의 위치를 산출한다(단계 S307).
여기서, 측정 대상물의 위치를 산출하기 위해서는 먼저, 송신 센서와 각 수신 센서의 위치를 3차원 좌표계로 구성하고, 송신 센서 및 상기 각 수신 센서로부터 상기 측정 대상물까지의 왕복거리 산출식을 도출하여 수치해석 기법에 따라 상기 측정 대상물의 위치를 산출한다.
3차원 좌표계의 설정은 예를 들면, 도 4에 도시된 바와 같이, 판상의 센서 어레이(100)에서 송신 센서(200)를 원점으로 하여 평면의 상하방향을 z축으로, 좌우방향을 y축으로, 센서 어레이(100)로부터 측정 대상물(10)로의 방향을 x축으로 하는 3차원 좌표계(40)를 설정한다.
이와 같이 설정된 3차원 좌표계에서, 측정 대상물(10), 송신 센서(200), 및 각 수신 센서(301~303)의 좌표는 [x0,y0,z0], [0,0,0], [0,xR1,zR1], [0,xR2,zR2], [0,xR3,zR3]로 가정한다.
여기서, 각 수신 센서(301~303)의 위치 좌표는 센서 어레이(100)의 배치에 따라 변경되며 사전 센서 어레이(100)의 설계시 결정된다. 단, 3차원 위치 연산을 위해서는 각 수신 센서(301~303)는 각 좌표축(x,y,z)에 대한 그 좌표값이 동일하지 않게 되도록 배치될 수도 있다.
이와 같은 3차원 좌표계에서 송신 센서(200)와 각 수신 센서(301~303)간 초음파의 이동 왕복거리 산출식은 하기의 수학식 1과 같다.
Figure 112007089696638-PAT00001
여기서, LR1은 송신 센서(200)와 제 1 수신 센서(301)간 초음파의 이동 왕복거리이고, LR2는 송신 센서(200)와 제 2 수신 센서(302)간 초음파의 이동 왕복거리이며, LR1은 송신 센서(200)와 제 3 수신 센서(303)간 초음파의 이동 왕복거리이다.
상기 수학식 1을 기초로 수치해석 기법을 이용하여 해를 구하여 측정 대상물(10)의 위치를 측정한다.
여기서, 복수의 해가 나올 경우에는 x0의 값이 초음파 전파 방향과 일치하는 것을 선정한다. 즉, 도 4의 좌표계(40)에 있어서, 측정 대상물(10)의 위치는 x0의 값이 양수인 것을 선정한다.
이와 같은 방법에 의해 위치측정의 2차원 한계성을 극복하여 공간상에서 정확하고 다양하게 대상물의 위치를 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 센서 어레이의 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 장치의 구성도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 방법을 나타낸 순서도.
도 4는 본 발명의 3차원 위치측정 원리를 설명하기 위한 도면.
도 5는 도 4에서 각 수신 센서의 신호 수신에 대한 타이밍도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 3차원 위치측정 장치 100 : 센서 어레이
200 : 송신 센서 300 : 수신 센서
400 : 제어부 410 : 증폭부
420 : 드라이버 430 : 신호처리부
440 : 카운터

Claims (8)

  1. 초음파를 측정 대상물로 송신하는 하나의 송신 센서와, 상기 측정 대상물로부터 반사된 초음파를 수신하는 적어도 3개의 수신 센서로 이루어진 판상의 센서 어레이와;
    상기 송신 센서에서 초음파 송신후 상기 각 수신 센서에서 수신한 시간을 카운트하여 상기 각 수신 센서로부터 상기 측정 대상물까지의 왕복거리를 산출하고 이를 기초로 상기 측정 대상물의 위치를 측정하는 제어부;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 어레이는 상기 송신 센서가 그 중앙에 배치되고, 상기 각 수신 센서는 상기 송신 센서를 중심으로 한 원상에서 등각으로 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 각 수신 센서로부터 수신된 신호를 증폭하는 적어도 3개의 증폭부와;
    상기 송신 센서를 구동하는 드라이버와;
    상기 송신 센서와 상기 각 수신 센서의 위치를 3차원 좌표계로 구성하고 상 기 송신 센서 및 상기 각 수신 센서로부터 상기 측정 대상물까지의 왕복거리 산출식을 도출하여 수치해석 기법에 따라 상기 측정 대상물의 위치를 산출하는 신호처리부와;
    상기 신호처리부의 제어에 따라 시간을 카운트하는 카운터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 센서 어레이는 상기 각 수신 센서의 각 좌표축에 대한 좌표값이 동일하게 되지 않도록 상기 각 수신 센서가 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 장치.
  5. 하나의 송신 센서와 적어도 3개의 수신 센서로 이루어진 센서 어레이를 준비하는 준비 단계와;
    상기 송신 센서에서 초음파를 측정 대상물로 송신하고, 상기 각 수신 센서가 상기 측정 대상물로부터 반사된 초음파를 수신하는 측정 단계와;
    상기 송신 센서에서 초음파 송신후 상기 각 수신 센서에서 수신한 시간을 카운트하여 상기 각 수신 센서로부터 상기 측정 대상물까지의 왕복거리를 산출하는 거리산출 단계와;
    상기 산출된 왕복거리를 기초로 상기 측정 대상물의 위치를 산출하는 위치산출 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 초음파 센서 어레이를 이용한 3 차원 위치측정 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 거리산출 단계는 상기 송신 센서에서 초음파를 송신하면 카운트를 개시하여 상기 각 수신 센서에서 초음파를 수신하면 카운트를 종료하고 그에 대응하는 시간을 산출하는 카운트 단계를 추가로 포함하는 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 위치산출 단계는 상기 송신 센서와 상기 각 수신 센서의 위치를 3차원 좌표계로 구성하고 상기 송신 센서 및 상기 각 수신 센서로부터 상기 측정 대상물까지의 왕복거리 산출식을 도출하여 수치해석 기법에 따라 상기 측정 대상물의 위치를 산출하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 방법.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 준비 단계는 상기 각 수신 센서의 각 좌표축에 대한 좌표값이 동일하게 되지 않도록 상기 각 수신 센서를 배치하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 방법.
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