KR20090079295A - 광류센서를 이용한 비접촉식 주행거리계 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 광류센서를 이용한 비접촉식 주행거리계는, 레이저 다이오드와 상기 레이저 다이오드에서 나온 레이저 광을 일정한 조사면적을 갖는 평행광 레이저빔으로 정형화하는 빔콜리메이터로 구비되는 레이저 유닛; 상기 레이저 유닛과 일정 간격 이격되어 상기 레이저 유닛에서 출사된 레이저빔의 광축과 직각 방향으로 광류센서(optical flow sensor)의 수광면을 배치하고, 상기 광류센서에 연결되어 상기 광류센서에서 출력된 광전변환된 신호를 이용하여 디지털 신호처리하여 광학항법방식으로 위치변화를 계산하는 디지털 신호처리 시스템을 구비하는 센서유닛; 및 상기 레이저 유닛에서 출사된 레이저빔의 광축상에 구비되어 상기 레이저 유닛에서 출사된 레이저빔을 상기 광류센서의 수광면과 대향하는 지면측으로 반사하고, 지면측에서 반사된 광을 상기 광류센서의 수광면 방향으로 투과하는 빔스플리터를 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 광류센서를 이용한 비접촉식 주행거리계는 기존의 바퀴구동식 주행거리계에 비해 미끄러짐에 의한 오차가 발생하지 않고, 또한 광류 센서로부터 지면의 거리가 변하거나 일정 수준의 고르지 못한 면과 굴곡면에서도 안정적으로 동작하여 주행거리를 측정할 수 있는 장점이 있어 매우 유용하다. 본 발명의 주행거리계를 이용하면 각종 모바일 로봇 및 계측기에서 이동거리를 정확하게 측정하여 네비게이션 및 측량에 도움이 될 것이다.

Description

광류센서를 이용한 비접촉식 주행거리계{Noncontact odometer using optical flow sensor}

도 1은 종래기술에 의한 광학식 주행거리계의 일 예이다.

도 2는 광학항법기술을 구현한 광류센서 칩 및 이를 적용한 컴퓨터용 광마우스의 일 예이다.

도 3은 광학식 주행거리계의 발광축과 수광축이 일치하지 않을 경우의 문제점을 설명한 도면이다.

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 주행거리계의 간략화된 구성도이다.

도 5는 본 발명의 주행거리계 실시예의 광전달 효율을 나타낸다.

도 6은 본 발명의 개선된 주행거리계 실시예의 광전달 효율을 나타낸다.

본 발명은 광류센서를 이용한 이동로봇의 비접촉식 주행거리계에 관한 것이다.

광류센서를 이용한 주행 거리계에 관한 종래 기술로는 다음 표 1과 같은 것 들이 있다.

문헌명	저자명	발행기관	발행시기	문헌내용
광마우스를 이용한 광학식 거리주행계의 설계 및 구현	김형기	한국외국어대학교 대학원	2005.02	광마우스 3개를 사용하여 주행거리계로 구현
로봇의 위치 추정을 위한 거리 센서 데이터 처리	백성진	홍익대학교 대학원	2006.08	광마우스 2개를 사용하여 주행거리계로 구현
광마우스와 엔코더의 센서퓨전을 이용한 이동로봇의 위치추정	문병권	한국외국어대학교 대학원	2007	광마우스 1개를 사용하여 주행거리계로 구현하고 엔코더와 센서퓨전을 통해 이동체의 위치 추정

도 1은 표 1의 광마우스를 이용한 광학식 거리주행계에서 구현된 이동로봇의 몸체 바닥에 3개의 광학식 거리주행계를 장착한 모델의 개략도이다.

바퀴구동식 주행거리계는 미끄러짐에 의한 오차가 발생한다. 그리고 종래의 광류센서를 응용한 주행거리계 기술은 광센서를 지면에 밀착시켜 이동로봇의 주행거리를 측정하여야 하거나, 또는 2 이상의 광류센서를 사용하고 별도의 기구학 모델링을 사용하여야 하는 제약조건이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 지면으로부터 광류센서까지 멀리 떨어져 있어도 동작이 가능한 광류센서를 이용한 비접촉식 주행거리계를 제공하는데 있다.

상기한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 의한 광류센서를 이용한 비접촉식 주행거리계는, 레이저 다이오드와 상기 레이저 다이오드에서 나온 레이저 광을 일정한 조사면적을 갖는 평행광 레이저빔으로 정형화하는 빔콜리메이터로 구비 되는 레이저 유닛; 상기 레이저 유닛과 일정 간격 이격되어 상기 레이저 유닛에서 출사된 레이저빔의 광축과 직각 방향으로 광류센서(optical flow sensor)의 수광면을 배치하고, 상기 광류센서에 연결되어 상기 광류센서에서 출력된 광전변환된 신호를 이용하여 디지털 신호처리하여 광학항법방식으로 위치변화를 계산하는 디지털 신호처리 시스템을 구비하는 센서유닛; 및 상기 레이저 유닛에서 출사된 레이저빔의 광축상에 구비되어 상기 레이저 유닛에서 출사된 레이저빔을 상기 광류센서의 수광면과 대향하는 지면측으로 반사하고, 지면측에서 반사된 광을 상기 광류센서의 수광면 방향으로 투과하는 빔스플리터를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 주행거리계에 있어서, 상기 빔스플리터는 상기 레이저 유닛에서 출사된 선편광(linearly polarized light)을 반사하고 그 1/2 파장 지연된 선편광을 투과하는 편광형 빔스플리터(polarized beam splitter)이고, 상기 편광형 빔스플리터에서 지면측으로 반사된 광의 광로상에 1/4 파장판(λ/4 wave plate, quarter wave plate)을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 구성과 동작을 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에 있어서, 광류센서를 구비하는 센서유닛(도 3~도 6)은 예컨대 도 2와 같은 컴퓨터용 광마우스(optical mouse)에 사용되는 광류센서 칩(예:AVAGO TECHNOLOGIES의 ADNS-6010)을 이용하여 간단히 구현될 수 있다. ADNS-6010과 같은 광류센서 칩은, 광류센서로 빛을 수광하는 영상취득 시스템과, 취득된 영상을 디지털 신호처리하여 센서유닛을 구비한 이동체가 움직인 방향과 거리를 계산하는 디지 털 신호처리 시스템을 구비하여 광학항법기술을 구현한다.

도 3은 지면의 굴곡이 존재하여 고르지 못한 지역에서 주행거리계로부터 지면이 (a),(b),(c)로 변화되는 지형에서 레이저빔의 발광축과 수광축(광류센서가 보는 축)이 일치하지 않는 경우에, 지면높이 (a),(b),(c)에 따라 지면에 반사된 레이저빔이 광류센서로 수광되는 상태를 나타낸 도면이다.

도 3에 있어서, 레이저 유닛은 내부에 레이저 다이오드와 레이저 다이오드에서 나온 레이저 광을 일정한 조사면적을 갖는 평행광 레이저빔으로 정형화하는 빔콜리메이터(collimator, collimation lens)로 구비된다. 레이저 유닛에서 출사된 레이저빔의 크기는 광류센서가 보는 영역의 크기보다 크게 되도록 빔콜리메이터에 의해 정형화되는 것이 바람직하다.

도 3에서 지면 (a),(b)의 경우에는, 광류센서가 레이저빔이 지면에 반사되는 영역을 감지하므로 주행거리 측정 동작이 가능하지만, 지면 (c)의 경우에는 레이저빔이 비추는 영역과 센서가 보는 영역이 어긋나게 되므로 광류센서는 지면의 영상을 얻을 수 없다. 따라서 도 3과 같이 레이저빔의 발광축과 수광축이 일치하지 않는 경우에는 지면 높이 (a)~(b) 사이에서만 주행거리 측정 동작이 가능하다.

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 광류센서를 이용한 비접촉식 주행거리계의 간략화된 구성도로서, 레이저 유닛, 빔스플리터, 센서유닛으로 구비된다. 도 4의 구성에 의하면, 레이저빔의 발광축과 수광축(광류센서가 보는 축)이 일치하므로, 지면의 높이 변화 (a),(b),(c)에 무관하게 광 센싱이 가능하다.

도 4에서 레이저 유닛은 내부에 레이저 다이오드와 레이저 다이오드에서 방 사되는 레이저 광을 일정한 조사면적을 갖는 평행광 레이저빔으로 정형화하는 빔콜리메이터를 구비한다. 레이저 유닛에서 출사된 레이저빔의 크기는 광류센서가 보는 영역의 크기보다 크게 되도록 빔콜리메이터에 의해 정형화되는 것이 바람직하다.

센서유닛은, 레이저 유닛과 일정 간격 이격되어 레이저 유닛에서 출사된 레이저빔의 광축과 직각 방향으로 광류센서(optical flow sensor)의 수광면을 배치하고, 광류센서에서 출력된 광전변환된 신호를 이용하여 디지털 신호처리하여 광학항법방식으로 위치변화를 계산하는 디지털 신호처리 시스템을 구비한다. 본 발명에 있어서, 광류센서를 구비하는 센서유닛은 도 2와 같은 컴퓨터용 광마우스(optical mouse)에 사용되는 광류센서 칩(예:AVAGO TECHNOLOGIES의 ADNS6010)을 이용하여 간단히 구현될 수 있다. ADNS-6010과 같은 광류센서 칩은, 광류센서로 빛을 수광하는 영상취득 시스템과, 취득된 영상을 디지털 신호처리하여 센서를 구비한 이동체가 움직인 방향과 거리를 계산하는 디지털 신호처리 시스템을 구비하여 광학항법기술을 구현한다.

빔스플리터는 레이저 유닛에서 출사된 레이저빔의 광축상에 구비되어, 레이저 유닛에서 출사된 레이저빔을 광류센서의 수광면과 대향하는 지면측으로 반사하고, 지면측에서 반사된 광을 광류센서 수광면 측으로 투과한다.

도 5는 본 발명의 주행거리계 실시예로서 비편광형 빔스플리터(non-polarized beam splitter)를 사용한 경우의 광 센싱 동작의 개략적인 광전달 효율을 나타낸다. 도 5의 실시예에서 빔스플리터는 반사율과 투과율이 50%라 가정한다.

도 5의 실시예에서, 레이저 유닛에서 출사된 레이저빔①의 광강도를 100% 라 고 하였을 때, 빔스플리터에서 50%가 투과(③)되고 50%가 반사되어 지면으로 향하는 광②의 광강도는 50%이다. 그리고, 지면(지면 반사율이 100%라 가정)에서 반사된 광④의 50%가 빔스플리터에서 반사(⑥)되고 나머지 광류센서로 수광되는 광⑤의 강도는 최초 레이저빔①의 25%가 된다. 즉 광류센서로 입사되는 광의 강도는, 빔스플리터의 광반사율/광투과율(50% 가정)과 지면의 반사율(100% 가정)에 따라 다르지만, 레이저 유닛에서 출사되는 최초 레이저빔 광강도의 25% 정도로서 약화된다.

도 6은 본 발명의 주행거리계에서 편광형 빔스플리터(polarized beam splitter)와 1/4 파장판을 사용하여 광 센싱 동작의 성능이 보다 개선된 실시예의 광 전달 효율을 나타낸다. 도 6의 실시예에서, 레이저 유닛은 P상으로 정류된 레이저빔을 출사하고, 편광형 빔스플리터는 P상을 100% 반사하고 S상을 100% 투과한다고 가정한다.

도 6의 실시예에서, 레이저 유닛에서 출사된 P상 레이저빔①의 광강도를 100% 라고 하였을 때, 빔스플리터에서 P상 레이저를 전반사(②)하여 광강도를 100% 유지한다. 그리고 1/4 파장판(파장판 광 투과율이 100%라 가정)을 투과한 광③(P상+λ/4)이 지면(지면 반사율이 100%라 가정)에서 반사(④)된다. 지면 반사광④이 다시 1/4 파장판을 투과(P상+λ/2=S상)하며 S상 레이저(⑤)로 상이 바뀌게 된다. 그리고 S상 레이저⑤는 편광형 빔스플리터에서 100% 투과(⑥)하여 광류센서로 수광된다.

즉 광류센서로 입사되는 광의 강도는, 빔스플리터의 광반사율/광투과율(100% 가정)과 파장판의 광투과율(100% 가정)과 지면의 반사율(100% 가정)에 따라 다르지 만, 레이저 유닛에서 출사되는 레이저빔의 광강도를 최대 100% 유지할 수 있다.

이상 도면과 명세서에서 최적 실시예들이 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 광류센서를 이용한 비접촉식 주행거리계는 기존의 바퀴구동식 주행거리계에 비해 미끄러짐에 의한 오차가 발생하지 않고, 또한 광류 센서로부터 지면의 거리가 변하거나 일정 수준의 고르지 못한 면과 굴곡면에서도 안정적으로 동작하여 주행거리를 측정할 수 있는 장점이 있어 매우 유용하다.

본 발명에 주행거리계를 이용하면 각종 모바일 로봇 및 계측기에서 이동거리를 정확하게 측정하여 네비게이션 및 측량에 도움이 될 것이다.

본 발명은 이상에서 설명되고 도면들에 표현된 예시들에 한정되는 것은 아니다. 전술한 실시 예들에 의해 가르침 받은 당업자라면, 다음의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 범위 및 목적 내에서 치환, 소거, 병합 등에 의하여 전술한 실시 예들에 대해 많은 변형이 가능할 것이다.

Claims (2)

1. 레이저 다이오드와 상기 레이저 다이오드에서 나온 레이저 광을 일정한 조사면적을 갖는 평행광 레이저빔으로 정형화하는 빔콜리메이터로 구비되는 레이저 유닛;

   상기 레이저 유닛과 일정 간격 이격되어 상기 레이저 유닛에서 출사된 레이저빔의 광축과 직각 방향으로 광류센서(optical flow sensor)의 수광면을 배치하고, 상기 광류센서에 연결되어 상기 광류센서에서 출력된 광전변환된 신호를 이용하여 디지털 신호처리하여 광학항법방식으로 위치변화를 계산하는 디지털 신호처리 시스템을 구비하는 센서유닛; 및

   상기 레이저 유닛에서 출사된 레이저빔의 광축상에 구비되어 상기 레이저 유닛에서 출사된 레이저빔을 상기 광류센서의 수광면과 대향하는 지면측으로 반사하고, 지면측에서 반사된 광을 상기 광류센서의 수광면 방향으로 투과하는 빔스플리터를 구비하는 것을 특징으로 하는 광류센서를 이용한 비접촉식 주행거리계.
2. 제1항에 있어서,

   상기 빔스플리터는 상기 레이저 유닛에서 출사된 선편광(linearly polarized light)을 반사하고 그 1/2 파장 지연된 선편광을 투과하는 편광형 빔스플리터(polarized beam splitter)이고,

   상기 편광형 빔스플리터에서 지면측으로 반사된 광의 광로상에 1/4 파장판 (λ/4 wave plate, quarter wave plate)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광류센서를 이용한 비접촉식 주행거리계.

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