KR20090111158A

KR20090111158A - 각도 측정 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20090111158A
Application number: KR1020080036778A
Authority: KR
Inventors: 정중연; 김호섭
Original assignee: (주)이오시스템
Priority date: 2008-04-21
Filing date: 2008-04-21
Publication date: 2009-10-26
Also published as: KR101005781B1

Abstract

본 발명에 따른 각도 측정 장치는 본 발명의 일실시예에 따른 각도 측정 장치는표면상에 각도를 나타내는 인코더 패턴이 형성된 인코더 패턴 로터, 상기 인코더 패턴 로터의 일면 위에 소정의 거리로 이격되어 광을 방사하는 광원, 상기 인코더 패턴 로터의 타면 위에 소정의 거리로 이격되어 상기 인코더 패턴 로터를 통과한 광을 반사하는 반사경, 상기 인코더 패턴 로터의 일면 위에 위치하여 반사경으로부터 반사 후 인코더 패턴 로터의 인코더 패턴를 통과한 상기 광원의 광을 입사받는 CCD 센서, 상기 CCD 센서로부터 이미지 신호를 샘플링하여 홀드하는 샘플 홀드부, 샘플 홀딩된 신호를 디지털 신호 데이터로 변환하는 A/D 컨버터, 상기 광원, 상기 CCD 센서, 상기 샘플 홀드부, 및 상기 A/D 컨버터를 제어하는 신호를 발생하고 상기 A/D 컨버터로부터 데이터를 입력받아 연산 처리하여 각도를 계산하는 중앙처리유닛, 및 상기 중앙처리유닛으로부터 제어 신호를 입력받아 상기 광원, 상기 CCD 센서 및 샘플 홀드부를 구동하기 위한 타이밍 신호를 출력하는 타이밍 발생기를 포함한다.

각도 측정 장치, 타이밍 발생기, 중앙처리유닛, 상관 계산부, 반사경

Description

각도 측정 장치 및 방법{Device and method for detecting angle}

이 발명은 각도 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 로터리 인코더 패턴을 판독 후, 상관 계산부에 의하여 정확한 각도를 측정하는 각도 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.

현재의 측량기는 주로 각도를 검출하기 위하여 로터리 인코더를 채용하고 있다. 이러한 로터리 인코더를 측정하는 방식에는 증분(incremental) 방식과 절대(absolute) 방식이 있다.

증분 방식의 인코더는 제로(zero)위치로부터 카운트(count)수를 각도로 환산하는 방식이므로, 각도환산에 제로 위치의 검출이 필요하다.

절대 방식의 인코더는 인코더의 원주상 패턴의 위치가 절대 번지로서 등록되어 있기 때문에 각도값과 원주상의 패턴의 위치가 일대일로 대응된다.

그러나, 절대 방식의 인코더는 광원에서 나온 광을 투과시키는 경우 광을 왜곡시키게 되고 CCD센서에서 왜곡된 광을 인식하는 경우 인코더의 패턴이 정확하지 않아 정확한 각도값을 계산하여 판단하는 것이 어렵게 된다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 상관 계산에 의하여 인코더 로터 패턴의 정확한 위치를 계산하여 정밀한 각도를 측정할 수 있는 거리측정장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 각도 측정 장치는표면상에 각도를 나타내는 인코더 패턴이 형성된 인코더 패턴 로터; 상기 인코더 패턴 로터의 일면 위에 소정의 거리로 이격되어 광을 방사하는 광원; 상기 인코더 패턴 로터의 타면 위에 소정의 거리로 이격되어 상기 인코더 패턴 로터를 통과한 광을 반사하는 반사경; 상기 인코더 패턴 로터의 일면 위에 위치하여 반사경으로부터 반사 후 인코더 패턴 로터의 인코더 패턴를 통과한 상기 광원의 광을 입사받는 CCD 센서; 상기 CCD 센서로부터 이미지 신호를 샘플링하여 홀드하는 샘플 홀드부; 샘플 홀딩된 신호를 디지털 신호 데이터로 변환하는 A/D 컨버터; 상기 광원, 상기 CCD 센서, 상기 샘플 홀드부, 및 상기 A/D 컨버터를 제어하는 신호를 발생하고 상기 A/D 컨버터로부터 데이터를 입력받아 연산 처리하여 각도를 계산하는 중앙처리유닛; 및 상기 중앙처리유닛으로부터 제어 신호를 입력받아 상기 광원, 상기 CCD 센서 및 샘플 홀드부를 구동하기 위한 타이밍 신호를 출력하는 타이밍 발생회로를 포함한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 각도 측정 장치는 표면상에 각도를 나 타내는 인코더 패턴이 형성된 인코더 패턴 로터; 상기 인코더 패턴 로터의 일면 위에 소정의 거리로 이격되어 광을 방사하는 광원; 상기 인코더 패턴 로터의 인코더 패턴를 통과한 광을 입사받는 CCD 센서; 상기 CCD 센서로부터 이미지 신호를 샘플링하여 홀드하는 샘플 홀드부; 샘플 홀딩된 신호를 디지털 신호 데이터로 변환하는 A/D 컨버터; 상기 A/D 컨버터의 데이터를 상관 함수로 상관 계산하는 상관 계산부; 상기 광원, 상기 CCD 센서, 상기 샘플 홀드부, 및 상기 A/D 컨버터를 제어하는 신호를 발생하고 상기 상관 계산부로부터 상관 값을 입력받아 각도를 연산 처리하는 중앙처리유닛; 및 상기 중앙처리유닛으로부터 제어 신호를 입력받아 상기 광원, 상기 CCD 센서 및 샘플 홀드부를 구동하기 위한 타이밍 신호를 출력하는 타이밍 발생회로를 포함한다.

인코더 패턴 로터는 세 종류 이상의 패턴이 조합된 적어도 하나 이상의 블록 패턴을 포함한다.

블록 패턴은 서로 다른 폭을 갖는 막대형 패턴의 조합이거나 서로 다른 형상의 패턴의 조합이거나 삼각형, 사각형, 사다리꼴 및 역삼각형의 조합이다.

본 발명의 일실시예에 따른 각도 측정 방법은 광원에서 광을 복수의 패턴으로 이루어진 인코더 패턴 로터에 방사하는 단계; 상기 인코더 패턴 로터를 투과한 광을 CCD 센서로 촬상하는 단계; 상기 CCD 센서로부터 이미지 신호를 샘플링하여 홀드하는 단계; 상기 샘플 홀딩된 신호를 디지털 신호 데이터로 변환하는 단계; 상기 디지털 데이터에서 각 패턴의 종류를 판단하는 단계; 상기 패턴들의 배열순서에 의하여 측정 각도에 근접한 블록 패턴의 번호를 판단하는 단계; 및 상기 블록 패턴 의 좌표 값에 의하여 각도를 산출하는 단계를 포함한다.

상기 각도를 산출하는 단계는 상기 블록 패턴 번호내 패턴들의 상기 디지털 데이터와 상관 함수를 상관 계산하는 단계; 및 상기 상관 계산 값 중 최대 값에 대응하는 좌표 값을 계산하는 단계를 더 포함한다.

상기 상관 계산 값 중 최대 값에 대응하는 좌표 값을 계산하는 단계는 상기 최대 값의 좌, 우 픽셀 번호의 상관 계산 값의 비에 의하여 계산된 영 교차 점을 가감하여 계산하는 단계를 포함한다.

상기 패턴의 종류를 판단하는 단계는 상기 디지털 데이터의 평균값을 구하는 단계; 상기 평균값에 대응하는 패턴의 좌표 값들을 구하는 단계; 상기 좌표 값들의 차이를 계산하여 패턴의 종류를 구하는 단계를 포함한다.

상기 패턴의 좌표 값들을 구하는 단계는 상기 평균 값에 근접한 CCD 센서 픽셀 번호를 구하는 단계; 및 상기 패턴의 시작점과 끝점의 좌표 값(x_s)을 y(j)< y(x_s)< y(j+1), x_s = j + {[y(x_s)-y(j)]/[y(j+1)-y(j)]}(여기서, y(x_s)는 평균값, j와 j+1은 픽셀 번호, y(j)와 y(j+1)는 j와 j+1 픽셀 번호에 대응하는 디지털 데이터를 각각 나타냄)으로 계산하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상관 계산에 의하여 인코더 로터 패턴의 정확한 위치를 계산하여 정밀한 각도를 측정할 수 있다.

또한, 인코더 로터 패턴의 일면 위에 광원과 CCD센서를 위치시키고 인코더 로터 패턴의 타면 위에 반사경을 설치하여 광경로를 증가시켜 각도 측정 장치의 공 간을 절약할 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 각도 측정 장치 및 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

각도 측정 장치는 고도각(Vertical Angle)을 측정하는 틸트 측각부(1)와 수평각(Horizontal Angle)을 측정하는 방향각 측각부(2)로 나눌 수 있다. 기본적으로 고도각이나 수평각은 같은 방법으로 각도를 계산한다.

도 1과 도 2은 본 발명의 일실시예에 따른 각도 측정 장치의 개략적인 구성을 나타낸다.

도 1와 도 2에 도시된 바와 같이, 각도 측정 장치는 광원(3), 인코더 패턴 로터(encoder pattern rotor)(4), 반사경(5), CCD 센서(6), A/D 컨버터(7), 메모리(8), 중앙처리유닛(CPU: Central Processing Unit)(9)으로 구성되어 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 인코더 패턴 로터(4)는 투명 기판, 예를 들어 유리, 또는 투명 플라스틱 기판위에 형성된 인코더 패턴 형성부(10)를 포함하고 있다. 인코더 패턴 형성부(10)에 형성된 인코더 패턴은 패턴의 형상과 일대일 대응하여 각도에 대응하게 되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 인코더 패턴은 예를 들어 패턴의 폭에 따라 기준 패턴(R), 2진수의 1에 대응하는 A 패턴 및 2진수의 0에 대응하는 B 패턴 중 적어도 하나를 포함하는 복수의 블록 패턴을 포함한다.

기준 패턴, A 패턴 및 B 패턴과 같은 패턴의 종류는 패턴의 형상에 의하여 구별될 수 있다. 도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 패턴들 은 사각 막대 형상이므로, 패턴의 종류는 패턴의 폭으로 구분된다. 본 발명의 다른 실시예로, 패턴의 형상이 삼각형인 경우, 삼각형의 각도를 변경하거나 삼각형, 역삼각형의 조합 등으로 패턴의 종류를 구분하거나, 패턴을 각각 다른 종류의 도형으로, 예를 들어 사각형, 삼각형, 사다리꼴로 구분하여 패턴의 종류를 구분할 수 있다.

이러한 기준 패턴과 복수의 A 패턴 및 복수의 B 패턴의 조합에 의하여 하나의 블록을 형성하고 이러한 인코더 패턴은 예를 들어 n블록 패턴으로 투명 기판 상에 원형으로 배열되면 각 블록 패턴은 (360x60x60)/n 초를 나타내게 된다.

도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 광원(3), 예를 들어 LED(Light Emission Diode), CCFL(Cold Cathode Fluorscent Lamp), 또는 레이저 광원은 상기 인코더 패턴 로터(4)의 일면위에 소정의 거리로 이격되어 위치하여 빛을 인코더 패턴 로터의 패턴 미형성부(11)에 조사한다. 이러한 패턴 미형성부(11)는 인코더 패턴 로터의 패턴 형성부(10)보다 중심부에 위치하는 것이 바람직하다. 도 3에 도시된 바와 같이, 인코더 패턴 로터(4)의 일면 위에 광원(3)과 CCD 센서(6)를 위치시키고 인코더 패턴 로터(4)의 타면 위에 하나 이상의 반사경을 위치시킨다. 왜냐하면, CCD 센서(6)가 인코더 패턴 로터(4)의 기준 패턴과 A패턴 및 B패턴을 적어도 하나 이상 포함하는 블록 패턴의 이미지를 인식하기 위해서는 광원(3)과 인코더 패턴 로터(4)가 일정 거리 이상 이격되어야 하므로, 광원(3)과 CCD 센서(6)를 인코더 패턴 로터(4)의 일면과 타면 위에 각각 위치시킨 경우, 광원(3)과 CCD 센서(6)사이의 거리 때문에 각도 거리장치의 크기가 소형화되지 못하는 문제가 있다. 따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 인코더 패턴의 일면 위에 광원(3)과 CCD 센서(6)를 위치시키고 타면에 반사경을 위치시키면 광경로가 2배로 증가하기 때문에 광원(3)(또는 CCD 센서(6))와 반사경(5) 사이의 거리를 1/2로 줄일 수 있어 각도 측정 장치의 크기를 소형화할 수 있다.

인코더 패턴 로터(4)의 패턴 미형성부(11)를 통과한 빛은 인코더 패턴 로터(4)의 타면에 소정 거리로 이격되어 위치한 반사경(5)에 의하여 경로를 변경한 후, 다시 인코더 패턴 로터(4)에 조사되어 패턴 형성부(10)를 통과하여 CCD 센서(6)에 입사된다. CCD 센서(6)는 복수의 수광 픽셀을 포함하고 있으므로, CCD 센서(6)는 각 수광 픽셀에서 수광된 빛을 전기적 신호로 변환하여 인코더 패턴 로터(4)의 패턴 형상을 나타내는 이미지 신호를 생성하여 A/D 컨버터(7)에 출력시킨다. A/D 컨버터(7)는 CCD 센서(6)에서 출력된 이미지 신호를 입력받아 디지털 신호로 변환시킨다. 중앙처리유닛(9)는 A/D 컨버터(7)로부터 디지털 신호를 입력받아 각도 값을 연산한다.

도 2는 본 발명의 각도 측정 장치의 개략적인 전기적 블록도를 나타내는 것으로, 광원(3), 광원 드라이버(30), 타이밍 발생기(40), CCD 센서(6), CCD 센서 드라이버(60), 샘플 홀드부(50), 증폭기(80), A/D 컨버터(7), 메모리(8) 및 중앙처리유닛(9)으로 구성되어 있다.

광원 드라이버(30)는 타이밍 발생기(40)의 타이밍 신호에 근거하여 광원(3)을 구동한다. CCD 센서 드라이버(60)는 CCD 센서(6)가 이미지 신호를 형성하기 위해 필요한 시프트 펄스, 전송 리셋 펄스 등의 신호를 공급한다.

샘플 홀드부(50)는 CCD 센서(6)로부터 이미지 신호를 입력받고 타이밍 발생기로부터 타이밍 신호를 입력받아 이미지 신호를 샘플링하여 홀드한다.

증폭기(80)는 CCD 센서가 출력한 이미지 신호를 증폭하고 샘플 홀딩된 신호는 A/D 컨버터에 의하여 디지털 신호로 변환되어 메모리에 저장된다.

중앙처리유닛(9)은 각 구성요소를 제어하는 신호를 발생하고 데이터를 연산 처리한다.

타이밍 발생기(40)는 중앙처리유닛으로부터 제어 신호를 입력받아 광원 드라이버(30), CCD 센서 드라이버(60) 및 샘플 홀드부(50)를 구동하기 위한 타이밍 신호를 출력한다.

도 4를 참조하여, 각도 측정 장치의 작동을 설명하면 다음과 같다.

우선, 각도 측정 장치를 초기화하기 위하여, CCD 센서(6)를 초기화하고 광원(3)의 밝기 조절 및 채널 선택(고도각 1(V1), 고도각 2(V2), 수평각 1(H1), 수평각 2(H2))을 초기화 한다.

초기화 이후 CCD 센서(6)는 샘플 홀드부(50)에서 신호의 레벨 및 높이를 가변한 후 출력되어 A/D 컨버터(7)로 보내진다. 샘플 홀드부(50)의 출력신호는 A/D 컨버터(7)에 입력되어 디지털신호로 변환된 후 메모리(8)에 저장된다. A/D 컨버터(7)는 각 픽셀의 이미지 신호를 8 비트 디지털 데이터로 변환하고 변환된 디지털 데이터는 직접 메모리 접근(DMA: Direct Memory Access)방식을 통하여 메모리에 저장된다.

저장된 데이터는 필터링된 후, 중앙처리유닛(9)이 각 패턴의 중간 값을 구하 여 각 패턴의 시작점, 끝점 및 중간점을 구한다. 여기서 필터링이라 함은 동일한 각도 측정 위치에서 복수의 샘플 홀드 신호에 의하여 출력된 각 픽셀의 이미지 신호 데이터의 평균값을 취하는 것을 의미한다. 예를 들어, 측정된 데이터가 a₀,a₁,a₂,a₃,a₄,a₅,a₆,a₇,...,a₉ 라면 필터링한 값은 (

)/10 이 된다.

예를 들어, 필터링된 값이 {data(0)=3, data(1)=3, data(2)=5, data(3)=6, data(4)=8, data(5)=12, data(6)=16, data(7)=18, data(8)=18, data(9)=19, data(10)=16, data(11)=12, data(12)=7, data(13)=6, data(14)=5, data(15)=3, data(16)=3, ....., data(m-1)=3}으로 나타내면, data 뒤에 0,1,2,3,...,m-1은 픽셀의 번호(x)가 되고 3,3,5,6...는 필터링된 측정 데이터(y)가 된다. 이 값을 기초로 하여 기준 패턴(R), A 패턴, B 패턴 중 어느 패턴에 해당하는지 패턴 종류를 판단하게 된다. 일단 필터링된 m 개의 데이터의 평균을 구하여 평균 값(

)을 구한다. 위의 예로

가 된다.

본 발명의 일실시예에 따른 패턴 종류를 판단하기 위해서는 각 패턴의 폭을 측정하여야 하나, 인코더 패턴 로터상의 패턴과 달리 CCD 센서에서 촬상된 패턴은 광의 왜곡에 의하여 그 형상이 일정하지 않기 때문에, 평균 값(

)에 대응하는 각 패턴의 픽셀 좌표 값을 구하고 그 좌표 값 사이의 폭을 구하는 것이 바람직하다.

픽셀 번호 5와 픽셀 번호 6의 디지털 데이터 값인 data(5)와 data(6) 사이와 픽셀 번호 10과 픽셀 번호 11의 디지털 데이터 값인 data(10)과 data(11) 사이에 패턴의 평균 값(

)이 위치하게 된다. 이때, 각 패턴의 시작점, 끝점 및 중간점이 어느 픽셀 번호(x)들 사이에 위치하는지 정밀하게 알기 위하여 삼각비를 사용한다. 위의 경우, 각 패턴의 시작점과 끝점은 평균 값(

)에 대응하는 픽셀 위치로 표현된 좌표 값(x)으로 정의되고 위의 예에서, 시작점은 5.75 = 5 + [(15-12)/(16-12)]가 되고, 끝점은 10.75 = 10 + [(15-12)/(16-12)]가 되고, 중간점 = (시작점 + 끝점)/2 이 된다.

삼각비를 이용하여 실제로 패턴의 각 점(시작점, 끝점 및 중간점)의 정밀한 좌표 값을 구하는 방법을 일반화하면 다음과 같다.

즉, 임의의 시작점 또는 끝점의 좌표 값(x_s)이 픽셀 번호 j과 j+1사이에 있다면, y(j)< y(x_s)< y(j+1), x_s = j + {[y(x_s)-y(j)]/[y(j+1)-y(j)]}(여기서, y(x_s)는 평균 값, j와 j+1은 픽셀 번호, y(j)와 y(j+1)는 j와 j+1 픽셀 번호에 대응하는 디지털 데이터를 각각 나타냄)가 된다.

중앙처리유닛(9)은 각 패턴의 시작점과 끝점을 결정한 후, 각 패턴의 폭(width)(끝점-시작점)을 구한다. 구해진 패턴의 폭에 의하여 각 패턴은 기준 패턴(R), A 패턴, B 패턴 중 어느 패턴에 속하는지 패턴의 종류가 중앙처리유닛에 의하여 결정된다.

도 5에 도시된 바와 같이, 인코더 패턴 로터(4)를 통과한 빛을 촬상한 CCD 센서(6)는 m 개의 픽셀에 대응하는 이미지 신호를 디지털 데이터로 변환하여 표시한다. 중앙처리유닛(9)은 측정각도와 근접한 블록의 기준 패턴(R)으로 판단된 중앙 의 두 개의 패턴(R2, R3)을 선택하고 R2와 R3사이에 형성된 각 패턴의 넓이(width)를 확정하여 A 패턴 또는 B 패턴인지 여부를 결정하고 A 패턴과 B 패턴으로 구성된 k 개의 패턴(예를 들어, AAABBAAB)에 의하여 현재 위치가 n 블록 중 어느 블록 패턴(block)에 속하는지 블록 패턴의 번호를 판별한다.

기본적으로 각 블록 패턴은 (360x60x60)/n 초의 각도를 표시하고 있으므로, 패턴과 패턴사이의 각도는 {(360x60x60)/n}/(k+1) 초를 나타낸다.

패턴사이가 {(360x60x60)/n}/(k+1) 초임을 감안하여 거리를 각도로 변환하기 위한 상수를 구한다. 위의 R2와 R3사이는 (k+1)개의 패턴구간이 있고 R2와 R3 패턴의 중간점은 이미 알고 있으므로 픽셀(pixel)과 픽셀사이의 각도 값(초)를 다음과 같이 구할 수 있다. 각도 변환 상수(C)={(360x60x60)/n}/(중간점[R3]-중간점[R2])

예를 들어, R2 패턴의 중간점과 R3 패턴의 중간점 사이는 (360x60x60)/n초이고 중간점 좌표값[R3] = C₁ 이고 중간점 좌표값[R2] = C₂ 라면, 각도 변환 상수(C)=[(360x60x60)/n]/[C₁-C₂]이 되고, 이 값은 단위거리(픽셀사이)가 [(360x60x60)/n]/[C₁-C₂] 초가 된다.

한편, 현재의 블록 패턴위치는 쉽게 판정할 수 있으나, CCD 센서의 노이즈, 빛의 회절 또는 간섭 등으로 인하여 CCD 센서의 중간 위치인 m/2번째 픽셀을 각도 값에 대응하는 정확한 패턴 위치로 확정할 수 없다.

따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 각도 측정 장치는 중앙처리유닛과 별도 로 상관 계산부를 포함하거나 중앙처리유닛이 상관 계산부를 포함하여, 상관 계산부에 의하여 코릴레이션(Correlation)을 통하여 정확한 패턴위치를 찾아 정밀한 각도를 계산한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상관 계산부는 측정 각도에 근접한 블록 패턴 내의 중간 4개 패턴(184개 픽셀)의 디지털 데이터와 같은 크기를 갖는 상관 코드(184개 픽셀)를 상관 함수로 계산하여 가장 큰 상관 값을 가지는 좌표 값(x)을 찾아 정밀 각도를 계산한다. 본 발명의 일실시예에서 상관 함수는 삼각파를 나타내고 있으나 정현파, 또는 톱니파 등을 사용할 수 있다.

상관 함수는 다음 수식(1)로 나타낼 수 있다.

----- (1)

상관 함수로는 예를 들어 구형파, 삼각파, 톱니파, 정현파등이 가능하다.

상관 함수가 삼각파인 경우, 삼각파의 상관 코드(correlation_codes), CCD 센서의 데이터 값 및 이들을 코릴레이션하기 위하여 실제 적용되는 상관 함수 공식을 예를 들어 설명하면 다음과 같다.

correlation_codes[184]= {r₀,r₁, ..., r₁₈₃} // 개수 :184개

ccd_data[m] = {d₀,d₁, ..., d_m _-1} // 개수 : m개

*** 상관 함수(Correlation Function) 공식 ***

#define CORREL_COUNT 184 // correlation code 개수

for(i=첫패턴의 시작점; i<끝패턴의 마지막점; i++)

{

for(j=0;j<CORREL_COUNT;j++)

{

correlation_data[i] += (correlation_codes [j] * ccd_data[i+j]);

}

도 6에 도시된 바와 같이, CCD 센서의 1 프레임의 이미지 데이터 중 4개의 패턴을 상관 코드로 상관 함수로 계산하면, 도 7에 도시된 바와 같이, 상관 데이터의 최대값을 쉽게 찾을 수 있다.

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// 코릴레이션값 중 최대값을 갖는 x 좌표(maxi)를 찾는다.

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for(i=0;i<DATA_NUM;i++)

{

if(correlation_data[i]>max)

{

max = correlation_data [i];

maxi = i;

}

한편, 1프레임의 CCD 센서 이미지 데이터와 상관함수를 상관 계산하여 최대값을 찾은 후 이에 대응하는 픽셀 좌표 값을 구하여 측정 각도를 계산하는 것도 가능하다.

여기서, 최대값(maxi)는 픽셀 번호만 알려준다. 그러나 초단위의 정밀도를 구하기 위여, 해당 픽셀 번호(maxi번째)의 좌, 우 픽셀 번호(maxi-1번째, maxi+1번째)를 가지고 정밀한 최소 소수점 둘째자리까지의 값을 구할 필요가 있다. 최대값의 좌, 우 픽셀 번호의 상관 계산 값의 비에 의하여 계산된 영 교차점을 가감하여 계산한다.

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// zero crossing point를 이용하여 정밀한 x_real 좌표값을 찾는다.

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zero_crossing_point = correlation_data[maxi] - correlation_data [maxi-1]/(( correlation_data [maxi]- correlation_data [maxi-1])-( correlation_data [maxi+1]- correlation_data [maxi]));

x_real = maxi + zero_crossing_point

예를 들어, maxi가 100이고 영 교차 점(zero crossing point)가 0.15라면 최대 좌표값(x_real)은 100 + 0.15 = 100.15 이다.

다음으로, 각도를 계산하면 다음과 같다. 주로 중앙 픽셀 번호인 m/2 번째 픽셀 위치를 기준으로 변화량을 가감하여 각도를 구한다.

구하고자 하는 각도(초)는

각도(초) = {[(360x60x60)/n]*(해당 block))+(coeff * x_real)};

coeff : 픽셀(pixel)간 초

만일 기준값이 m/2 이라면

if(x_real>=(m/2) {

if(block==0)

second = coeff*(x_real-(m/2);

else if(block > 0 && block < n)

second = ([(360x60x60)/n]*block)+

(coeff*(x_real-(m/2)));

} else {

if(block==0)

second = (1296000-(coeff*((m/2)-x_real)));

else if(block>0 && block<n)

second = ([(360x60x60)/n]*block)-

(coeff*((m/2)-x_real)));

}

측정값(x_real)이 m/2보다 크거나 같을 때와 작을 때로 구분하여 처리한다.

즉, m/2보다 작고 block 0 일 때는 360도(1296000초)에서 측정값을 빼주고, m/2보다 작고 (block>0 && block<n) 일 때는 해당 block에서 측정값을 빼준다.

이제까지 본 발명에 대한 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 이 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 이 발명이 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 이해되어야 한다. 이 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 이 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1도 본 발명의 일실시예에 따른 각도 측정 장치의 개략적인 구성도,

도 2은 본 발명의 일실시예에 따른 각도 측정 장치의 개략적인 전기적 블록도,

도 3는 본 발명의 일실시예에 따른 인코더 패턴 로터의 평면도,

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 인코더 패턴 형성부의 일부를 나타내는 부분 확대도,

도 5은 본 발명의 일실시예에 따른 인코더 패턴과 상관함수를 나타내는 차트,

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 인코더 패턴을 촬상한 CCD센서의 이미지 신호를 나타내는 차트,

도 7는 본 발명의 다른 실시예에 따른 인코더 패턴과 상관함수를 상관계산한 결과를 나타내는 차트이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 >

1: 틸트 측각부 2: 방향각 측각부

3: 광원 4: 인코더 패턴 로터

5: 반사경 6: CCD 센서

7: A/D 컨버터 8: 메모리

9: 중앙처리유닛 10: 패턴 형성부

11: 패턴 미형성부 D/A 컨버터 30: 광원 드라이버

40: 타이밍 발생기 50: 샘플 홀드부

60: CCD 센서 드라이버 80: 증폭기

Claims

각도 측정 장치에 있어서,

표면상에 각도를 나타내는 인코더 패턴이 형성된 인코더 패턴 로터;

상기 인코더 패턴 로터의 일면 위에 소정의 거리로 이격되어 광을 방사하는 광원;

상기 인코더 패턴 로터의 타면 위에 소정의 거리로 이격되어 상기 인코더 패턴 로터를 통과한 광을 반사하는 반사경;

상기 인코더 패턴 로터의 일면 위에 위치하여 반사경으로부터 반사 후 인코더 패턴 로터의 인코더 패턴를 통과한 상기 광원의 광을 입사받는 CCD 센서;

상기 CCD 센서로부터 이미지 신호를 샘플링하여 홀드하는 샘플 홀드부;

샘플 홀딩된 신호를 디지털 신호 데이터로 변환하는 A/D 컨버터;

상기 광원, 상기 CCD 센서, 상기 샘플 홀드부, 및 상기 A/D 컨버터를 제어하는 신호를 발생하고 상기 A/D 컨버터로부터 데이터를 입력받아 연산 처리하여 각도를 계산하는 중앙처리유닛; 및

상기 중앙처리유닛으로부터 제어 신호를 입력받아 상기 광원, 상기 CCD 센서 및 샘플 홀드부를 구동하기 위한 타이밍 신호를 출력하는 타이밍 발생기를 포함하는 각도 측정 장치.
제1항에 있어서,

상기 중앙처리유닛은 상기 A/D 컨버터의 데이터를 상관 함수로 상관 계산하는 상관 계산부를 포함하는 각도 측정 장치.
제1항에 있어서,

상기 인코더 패턴 로터는 세 종류 이상의 패턴이 조합된 적어도 하나 이상의 블록 패턴을 포함하는 각도 측정 장치.
제3항에 있어서,

상기 블록 패턴은 서로 다른 폭을 갖는 막대형 패턴의 조합인 각도 측정 장치.
제3항에 있어서,

상기 블록 패턴은 서로 다른 형상의 패턴의 조합인 각도 측정 장치.
제5항에 있어서,

상기 블록 패턴은 삼각형, 사각형, 사다리꼴 및 역삼각형의 조합인 각도 측정 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 광원은 LED, CCFL, 및 레이저 광원 중 어느 하나인 각도 측정 장치.
제1항에 있어서,

상기 상관함수는 삼각파인 각도 측정 장치.
제1항에 있어서,

상기 디지털 데이터는 복수의 측정에 의한 데이터의 평균값인 각도 측정 장치.
각도 측정 장치에 있어서,

표면상에 각도를 나타내는 인코더 패턴이 형성된 인코더 패턴 로터;

상기 인코더 패턴 로터의 일면 위에 소정의 거리로 이격되어 광을 방사하는 광원;

상기 인코더 패턴 로터의 인코더 패턴를 통과한 광을 입사받는 CCD 센서;

상기 CCD 센서로부터 이미지 신호를 샘플링하여 홀드하는 샘플 홀드부;

샘플 홀딩된 신호를 디지털 신호 데이터로 변환하는 A/D 컨버터;

상기 A/D 컨버터의 데이터를 상관 함수로 상관 계산하는 상관 계산부;

상기 광원, 상기 CCD 센서, 상기 샘플 홀드부, 및 상기 A/D 컨버터를 제어하는 신호를 발생하고 상기 상관 계산부로부터 상관 값을 입력받아 각도를 연산 처리하는 중앙처리유닛; 및

상기 중앙처리유닛으로부터 제어 신호를 입력받아 상기 광원, 상기 CCD 센서 및 샘플 홀드부를 구동하기 위한 타이밍 신호를 출력하는 타이밍 발생기를 포함하는 각도 측정 장치.
제10항에 있어서,

상기 인코더 패턴 로터의 타면 위에 소정의 거리로 이격되어 상기 인코더 패턴 로터를 통과한 광을 반사하는 반사경을 더 포함하여,

상기 CCD 센서는 반사경에서 반사 후 상기 인코더 패턴 로터를 통과한 광을 입사 받는 각도 측정 장치.
제10항에 있어서,

상기 인코더 패턴 로터는 세 종류 이상의 패턴이 조합된 적어도 하나 이상의 블록 패턴을 포함하는 각도 측정 장치.
제12항에 있어서,

상기 블록 패턴은 서로 다른 폭을 갖는 막대형 패턴의 조합인 각도 측정 장치.
제12항에 있어서,

상기 블록 패턴은 서로 다른 형상의 패턴의 조합인 각도 측정 장치.
제14항에 있어서,

상기 블록 패턴은 삼각형, 사각형, 사다리꼴 및 역삼각형의 조합인 각도 측정 장치.
제10항에 있어서,

상기 상관함수는 삼각파인 각도 측정 장치.
제10항에 있어서,

상기 디지털 데이터는 복수의 측정에 의한 데이터의 평균값인 각도 측정 장치.
각도 측정 방법에 있어서,

광원에서 광을 복수의 패턴으로 이루어진 인코더 패턴 로터에 방사하는 단계;

상기 인코더 패턴 로터를 투과한 광을 CCD 센서로 촬상하는 단계;

상기 CCD 센서로부터 이미지 신호를 샘플링하여 홀드하는 단계;

상기 샘플 홀딩된 신호를 디지털 신호 데이터로 변환하는 단계;

상기 디지털 데이터에서 각 패턴의 종류를 판단하는 단계;

상기 패턴들의 배열순서에 의하여 측정 각도에 근접한 블록 패턴의 번호를 판단하는 단계; 및

상기 블록 패턴의 좌표 값에 의하여 각도를 산출하는 단계를 포함하는 각도 측정 방법.
제18항에 있어서,

상기 각도를 산출하는 단계는,

상기 블록 패턴 번호내 패턴들의 상기 디지털 데이터와 상관 함수를 상관 계산하는 단계; 및

상기 상관 계산 값 중 최대 값에 대응하는 좌표 값을 계산하는 단계를 더 포함하는 각도 측정 방법.
제19항에 있어서,

상기 상관 계산 값 중 최대 값에 대응하는 좌표 값을 계산하는 단계는

상기 최대 값의 좌, 우 픽셀 번호의 상관 계산 값의 비에 의하여 계산된 영 교차 점을 가감하여 계산하는 단계를 포함하는 각도 측정 방법.
제18항 또는 제19항에 있어서,

상기 패턴의 종류를 판단하는 단계는

상기 디지털 데이터의 평균값을 구하는 단계;

상기 평균값에 대응하는 패턴의 좌표 값들을 구하는 단계;

상기 좌표 값들의 차이를 계산하여 패턴의 종류를 구하는 단계를 포함하는 각도 측정 방법.
제21항에 있어서,

상기 패턴의 좌표 값들을 구하는 단계는

상기 평균 값에 근접한 CCD 센서 픽셀 번호를 구하는 단계; 및

상기 패턴의 시작점과 끝점의 좌표 값(x_s)을 y(j)< y(x_s)< y(j+1), x_s = j + {[y(x_s)-y(j)]/[y(j+1)-y(j)]}(여기서, y(x_s)는 평균값, j와 j+1은 픽셀 번호, y(j)와 y(j+1)는 j와 j+1 픽셀 번호에 대응하는 디지털 데이터를 각각 나타냄)으로 계산하는 단계를 포함하는 각도 측정 방법.
제18항 또는 제19항에 있어서,

상기 블록 패턴은 서로 다른 폭을 갖는 막대형 패턴의 조합인 각도 측정 장치.
제18항 또는 제19항에 있어서,

상기 블록 패턴은 서로 다른 형상의 패턴의 조합인 각도 측정 장치.
제18항 또는 제19항에 있어서,

상기 블록 패턴은 삼각형, 사각형, 사다리꼴 및 역삼각형의 조합인 각도 측 정 장치.