KR20110020461A - 평면상에서 이동하는 물체의 초기 위치 및 속도 측정 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 물체의 동적정보의 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 평면상에서 이동하는 물체의 초기 위치 및 속도를 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 평면상에서 이동하는 물체의 초기 위치 및 속도 측정 장치는 제1측정부, 제2측정부, 연산부를 포함한다. 제1측정부는 평면에 정지된 물체의 위치 정보를 얻기 위해 배열된 복수의 수광센서를 포함하는 제1센서열 및 상기 제1센서열의 수광센서에 광선을 방사하는 제1광원을 포함한다. 제2측정부는 상기 평면상에서 이동하는 물체의 적어도 두 시점에서의 위치 정보를 측정한다. 연산부는 상기 제1측정부 및 상기 제2측정부에서 얻어진 시간 및 위치 정보로부터 상기 물체의 초기 위치 및 속도를 연산한다.
2차원운동, 센서열, 초기 위치, 속도, 수광센서,
Description
본 발명은 물체의 동적 정보의 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 평면상에서 이동하는 물체의 초기 위치 및 속도를 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 명세서에서는 본 발명의 응용분야의 하나로 평면상에서 이동하는 게이트볼, 골프공의 초기 위치 및 속도를 측정하기 위한 장치와 방법이 제공되나 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 따른 장치와 방법은 평면상에서 2차원적으로 움직이는 모든 물체의 초기 위치 및 속도를 측정하는데 이용될 수 있다.
최근 컴퓨터 그래픽 기술과 골프공의 속도를 측정하는 기술을 결합하여 실제로 골프장에 나아가지 않고서 골프를 할 수 있는 골프 시뮬레이션 시스템이 개발되어 상용화되고 있다. 통상 '스크린 골프(Screen golf)'라고 불리는 골프 시뮬레이션 시스템은 골프타석에 인접한 일정 공간에서 골프공의 속도 및 비행각도 등에 관한 동적정보(Kinetic data)를 측정하고, 이를 바탕으로 골프공의 비행 궤적을 예상 하여 타석 앞에 설치된 스크린에 3차원 영상으로 출력하는 방식으로서, 최근 들어 국내에서 큰 인기를 얻고 있다.
이러한 골프 시뮬레이션 시스템에서 가장 중요한 기술적 요소는 골프공의 동적정보를 정확히 측정하는 것인데, 골프공의 3차원 운동의 동적 정보를 측정하는 장치와 방법에 관하여 많은 특허출원 및 등록이 행하여졌으며, 특히 2차원 운동의 동적 정보 측정 장치 및 방법에 관하여 한국등록특허 제 10-0761789호(발명의 명칭:골프 퍼팅 시뮬레이터용 센싱 장치와 이 장치를 이용한 골프 퍼팅 시뮬레이터)에 개시되어 있다.
도 1은 상기 한국등록특허의 원리를 설명하는 도면이다. 골프 퍼팅 시뮬레이터용 센싱 장치는 적어도 2개의 발광장치(1,2)와 적어도 2개의 반사장치(3,4) 및 적어도 2개의 수광장치(5,6)로 구성되어 있다. 두 개의 발광 장치(1,2)는 평행하게 광선을 발광하고, 두 개의 반사장치(3,4)에서 광선을 각각 반사시켜 두 개의 수광장치(5,6)가 각각 광선을 수광하도록 구성된다.
방향 측정방법에 관하여 살펴보면 수광장치(5,6)의 온오프 신호를 이용해 반사 거울(3,4)로 향하는 첫 번째 광선과 두 번째 광선을 골프공(7)이 각각 통과하는 시간 간격을 측정해 이를 t1이라고 하고, 반사거울(3)에서 반사되어 수광장치(5)로 향하는 광선을 통과하는 시점으로부터 반사거울(3)로 향하는 첫 번째 광선을 골프공(7)이 통과하는 시점 사이의 시간 간격을 측정해 이를 t2라고 한다. 이러한 정의를 전제로 일정하게 정해진 고정점에 골프공을 정치시키고 골프공을 각도별로 굴려 t2/t1와 이동 각도와의 상관방정식을 구한다. 실제로 플레이를 할 때에는 t2/t1을 측정하여 미리 구해놓은 상관방정식에 대입해 이동 각도를 구하여 퍼팅의 방향을 측정한다.
골프공의 진행속도는 미리 측정해놓은 두 개의 발광장치(1,2)의 거리에 골프공의 이동 각도의 탄젠트 값을 곱하고 측정된 t1을 나누어 구한다.
그런데 종래의 골프 퍼팅 시뮬레이션용 센싱 장치는 다음과 같은 문제점이 있다.
첫째, 플레이 시에도 공의 초기 위치를 미리 구하여진 상관방정식의 기준이 된 초기 위치에 계속 고정시키고 사용해야 하는 문제점이 있다. 이는 실제 플레이 시 정확히 기준점에 공을 위치시키기 어려워 오차의 원인이 될 수 있으며, 항상 같은 위치에서 타격하는 것은 사용자의 입장에서 번거러운 일이기도 하다.
둘째, 골프공보다 상대적으로 큰 직경의 공을 사용하게 될 경우 골프용 시뮬레이션 시스템의 크기를 유지한다면 유효한 데이터가 발생할 수 있는 방향각의 범위가 크게 제한받게 되며 이러한 제한을 극복하고자 발광장치(1,2) 사이의 간격 및 시스템의 크기를 크게 하는 것은 제한적이므로 다양한 크기의 물체에 광범위하게 응용되기 어렵다.
본 발명은 상기와 같은 골프 퍼팅 시뮬레이션용 센싱 장치의 문제점을 개선하기 위한 것이다. 본 발명의 목적은 평면상에서 이동하는 물체의 초기 위치를 자동으로 감지하고 공의 운동방향과 속력을 오차없이 간단하게 측정하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 평면상에서 이동하는 물체의 초기 위치 및 속도 측정 장치는 제1측정부, 제2측정부, 연산부를 포함한다. 제1측정부는 평면에 정지된 물체의 위 치 정보를 얻기 위해 배열된 복수의 수광센서를 포함하는 제1센서열 및 상기 제1센서열의 수광센서에 광선을 방사하는 제1광원을 포함한다. 제2측정부는 상기 평면상에서 이동하는 물체의 적어도 두 시점에서의 위치 정보를 측정한다. 연산부는 상기 제1측정부 및 상기 제2측정부에서 얻어진 시간 및 위치 정보로부터 상기 물체의 초기 위치 및 속도를 연산한다.
또한, 상기의 평면상에서 이동하는 물체의 초기 위치 및 속도 측정 장치에 있어서, 상기 제2측정부는 상기 평면과 일정 거리를 두고 상부에 형성되는 제2광원과 상기 제2광원으로부터 광선을 수광하는 수광센서가 배열되는 적어도 두 개의 제2센서열을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기의 평면상에서 이동하는 물체의 초기 위치 및 속도 측정 장치에 있어서, 상기 물체가 제2센서열 상을 지날 때, 상기 물체에 의하여 제2광원에서 방사된 광선을 수광하지 못하는 수광센서가 적어도 두 개가 존재하도록 상기 제2센서열의 수광센서 간의 간격을 설정함이 바람직하다.
본 발명에 따른 평면상에서 이동하는 물체의 초기 위치 및 속도 측정 방법은 복수의 수광센서가 배열된 제1센서열 및 상기 제1센서열의 수광센서에 광선을 방사하는 제1광원을 포함하는 제1측정부와 평면상에서 이동하는 물체의 적어도 두 시점에서의 위치 정보를 측정하는 제2측정부 및 상기 제1측정부 및 상기 제2측정부에서 얻어진 정보로부터 연산을 수행하는 연산부로 구성되어 상기 제1측정부 내 임의의 위치로부터 상기 평면을 따라 이동하여 상기 제2측정부를 통과하는 물체의 초기 위치 및 속도를 측정하는 방법으로서, 상기 제1측정부에서 측정된 정보를 이용하여 상기 제1센서열에 형성된 정지된 물체의 그림자의 중심점과 상기 제1광원을 지나는 제1직선방정식을 구하는 단계, 상기 제2측정부에서 측정된 서로 다른 시점에서의 두 개의 위치 좌표와 시간 정보를 이용하여 상기 두 개의 위치 좌표에 해당하는 두 개의 점을 지나는 직선의 제2직선방정식과 상기 물체의 이동 방향 및 속력을 구하는 단계, 상기 제1직선방정식과 상기 제2직선방정식의 교점을 구해 상기 물체의 초기 위치를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 평면상에서 이동하는 물체의 초기 위치와 속도를 간편하고 정확하게 측정할 수 있는 방법과 장치가 제공된다. 특히, 본 발명에 의하면 물체의 초기 위치를 이동 후 얻어지는 정보로 알 수 있으므로 물체를 정확히 위치시키는 작업을 하지 않아도 간편하게 속도를 측정할 수 있는 기반을 제공한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
이해를 돕기 위해 평면상에서 이동하는 물체를 구의 형상을 가진 공으로 설명한다. 그러나, 본 발명에 따른 장치와 방법은 평면상에서 2차원적으로 움직이는 모든 물체의 초기 위치 및 속도를 측정하는데 이용될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 평면상에서 이동하는 물체의 초기 위치 및 속도 측정 장치의 개략도이고 도 3은 도 2에 도시된 실시예를 좌표 평면상에 도시한 개략도이다.
도 2를 참조하면, 제1측정부(10)는 제1광원(11)과 제1센서열(12)을 포함하여 구성된다. 공(40)이 초기에 위치하게 되는 방향으로 제1광원(11)이 광선을 방사하며, 공(40)을 기준으로 제1광원(11)과 반대편에 제1광원(11)의 광선을 수광하는 제1센서열(12)이 평면에 설치된다. 제1센서열(12)는 제1광원(11)에서 방사된 광선을 정지된 공(40)이 차단하여 생기는 그림자 정보를 얻기 위해 평면과 평행한 방향으로 일정 간격 이격되어 배열된 다수의 수광센서(13)로 구성된다.
제2측정부(20)는 공(40)이 이동하는 경로에 위치하며, 움직이는 공(40)이 제2측정부(20)를 통과할 때 적어도 두 시점에서의 공(40)의 위치 좌표에 대한 정보를 측정한다. 제2측정부(20)의 위치 센싱 방법에 따라 다양한 센서가 고려될 수 있다. 예를 들어, 압력 센서를 사용하여 공의 압력이 측정되는 점의 위치 좌표를 측정할 수도 있으며, 공의 이동 영상을 촬영하여 이미지 프로세싱에 의해 공의 위치를 측정할 수도 있고, 적외선 센서 등의 광센서를 이용해 온오프 신호의 변화로 공이 지나가는 지점의 위치 좌표를 측정할 수도 있다. 이하, 광센서를 이용한 제2측정부(20)의 구성을 설명하기로 한다.
도 2에서와 같이 수광센서(24,25)를 이용하여 제2측정부(20)를 구성할 경우, 제2광원(21)이 더 포함되어야 한다. 이 경우, 제2측정부(20)는 평면의 상부에 위치하는 제2광원(21) 및 수광센서(24,25)를 일정 간격으로 이격하여 배치한 제2센서열(22,23)을 구비한다. 제2측정부(20)를 통과하는 공은 각각의 제2센서열(22,23) 위를 통과하게 되고, 그에 따라 각각의 시점에서의 위치 정보를 추출할 수 있다.
제2센서열(22,23)은 도 2 및 도 3에서와 같이 수광센서(24,25)가 일정 간격으로 이격되어 일렬로 배치되어 있다. 공이 제2센서열(22,23) 위에 위치하는 경우 제2광원(21)에서 방사된 광선을 가려 형성된 그림자에 의해 공의 밑에 위치하게 되는 수광센서(24,25)에서 오프 신호가 발생되며, 최대로 많은 수의 수광센서(24,25)에 오프 신호가 발생한 때 공의 중심점이 제2센서열(22,23) 상에 위치한 것이라 볼 수 있으므로, 그 시점에서의 정보를 통해 공(40)의 중심점 좌표를 얻을 수 있다. 또한, 수광센서(24,25)의 간격은 다양하게 고려될 수 있으나 간격을 작게 하여 많은 수광센서에 오프 신호가 발생될수록 더 정확한 위치 정보를 얻을 수 있으므로, 공(40)이 제2센서열(22,23) 위를 통과할 때 적어도 두 개의 수광센서(24,25)에서 오프 신호가 발생하도록 간격을 설정함이 바람직하다.
제1측정부(10)와 제2측정부(20)는 위와 같이 정지한 공 및 움직이는 공의 좌표 정보를 측정하게 되며, 이러한 정보는 연산부(30)로 전송된다. 연산부(30)는 측정된 좌표 정보를 토대로 이하의 연산을 수행한다.
도 4은 평면상에서 이동하는 물체의 초기 위치와 속도를 구하는 방법을 나타내는 흐름도이고, 도 5는 제2센서열(22,23)을 통과하는 공(40)의 중심점 좌표를 측정하는 방법에 관한 개략도이다. 도 5(a)는 공이 제2센서열(22,23)을 통과할 때 시간의 경과에 따른 통과상태를 나타내는 그림이고, 도 5(b)는 각 시점에 따른 오프된 수광센서의 수를 나타내는 표이다.
도 3 내지 도 5를 참조하여 평면상에서 이동하는 물체의 초기 위치와 속도를 구하는 방법을 설명한다. 도 3을 참조하면, 초기에 제1측정부(10) 내의 평면에 위 치한 공(40)은 이동하여 제2측정부(20)의 각각의 제2센서열(22,23)을 통과하게 된다. 공(40)은 정지해 있을 때, 제1광원(11)으로부터 방사된 광선을 가려 제1센서열(12)에 그림자를 형성시키고, 이동 시에는 제2광원(21)으로부터 방사된 광선을 가려 각각의 제2센서열(22,23)에 그림자를 형성시키게 된다. 제1센서열(12) 및 각각의 제2센서열(22,23)의 수광센서(13,24,25)에서 측정된 그림자 정보는 연산부(30)에 입력된다. 이후, 제1측정부(10)에서 측정된 정보를 이용하여 제1센서열(12)에 형성된 정지된 공(40)의 그림자의 중점과 제1광원(11)을 지나는 제1직선방정식을 구하는 단계(S10), 제2측정부(20)에서 측정된 서로 다른 시점에서의 두 개의 위치 좌표와 시간 정보를 이용하여 이 두 개의 위치 좌표에 해당하는 두 개의 점을 지나는 직선의 제2직선방정식과 공(40)의 이동 방향 및 속력을 구하는 단계(S20), 제1직선방정식과 제2직선방정식의 교점을 구해 공(40)의 초기 위치를 구하는 단계(S30)를 연산부(30)에서 수행하여 평면상에서 이동하는 공의 초기 위치 및 속도를 측정한다.
먼저, 제1측정부(10)에서 측정된 정보를 이용하여 제1센서열(12)에 형성된 정지된 공(40)의 그림자의 중점과 제1광원(11)을 지나는 제1직선방정식을 구하는 단계(S10)에 대해서 설명한다. 이 단계(S10)는 제1센서열(12)에서 그림자 정보를 얻는 단계(S11)와 그림자의 중점 좌표를 연산하는 단계(S12) 및 그림자의 중점과 제1광원(11)을 지나는 제1직선방정식을 구하는 단계(S13)로 이루어진다. 제1광원(11)은 정지된 공(40)을 향해 광선을 방사하고 그에 따라 제1센서열(12)에 공(40)의 그림자가 맺히게 된다. 그림자의 양 끝단(Pa, Pb)의 좌표 정보는 제1센서열(12)에 부착된 수광센서(13)의 온오프 신호로 얻어질 수 있으며(S11), 이 두 점(Pa, Pb)으로부터 그림자의 중점(P1)의 좌표를 구할 수 있다(S12).
그림자의 중점의 좌표를 P1(x1, y1)이라고 하고 제1광원(11)의 좌표를 Pm(xm, ym)이라고 할 때, 점 P1과 점 Pm을 잇는 직선(m)의 제1직선방정식은 다음과 같이 구할 수 있다(S13).
다음으로, 움직이는 공의 서로 다른 시점에서의 두 개의 위치 좌표와 시간 정보로부터 이 두 점을 지나는 직선의 제2직선방정식과 상기 공의 이동 방향 및 속력을 구하는 단계(S20)를 설명한다. 이 단계(S20)는 제2측정부(20)로부터 이동하는 공의 위치 정보를 받는 단계(S21), 움직이는 공의 중심점 좌표를 연산하는 단계(S22), 두 시점에서의 중심점 좌표로부터 제2직선방정식을 연산하는 단계(S23), 공의 이동방향 및 속력을 연산하는 단계(S24)로 이루어진다.
이동하는 공(40)은 제2측정부(20)의 제2센서열(22,23) 위를 통과하게 되고, 공(40)의 밑부분에 형성되는 그림자에 의해 그 부분의 수광센서(24,25)가 가려지게 되므로, 가려진 수광센서의 좌표로 공의 중심점의 좌표를 연산할 수 있다. 도 5를 참조하면, t1 부터 t5 까지의 시간이 흐름에 따라 공(40)은 오프된 수광센서의 수를 2개, 4개, 6개, 4개, 2개로 변화시킨다. 이 중 오프된 수광센서의 수가 가장 많은 시점(t3)에서 공(40)의 중심점이 제2센서열(22)과 가장 근접함을 알 수 있다. 따라서, 오프된 수광센서의 수가 가장 많을 때 양 끝단에 위치한 오프된 수광센서의 좌표값을 얻어(S21) 양 끝점의 중점을 공의 중심점 좌표로 설정한다(S22). 공의 직경은 골프공이나 게이트볼 등의 종류에 따라 결정되고, 수광센서의 간격도 설정되는 값이므로 공의 중심점이 제2센서열(22,23) 상에 위치할 때 최대로 가려지게 되는 수광센서의 수는 미리 계산될 수 있다. 다만, 압력센서 등과 같이 공의 중심점 좌표가 별도의 연산과정(S22) 없이 직접 측정되는 경우도 존재한다.
위와 같은 방법으로 각각의 제2센서열(22,23) 상의 공의 중심점 좌표를 구하여(S22) 이 좌표를 각각 P2(x2, y2), P3(x3, y3)라고 할 때, 점P2 와 점P3를 지나는 제2직선방정식과 공의 이동방향 및 속력은 다음과 같이 계산될 수 있다(S23, S24).
제2직선방정식은 다음과 같은 방법으로 구할 수 있다(S23).
공(40)의 중심점이 P2에 위치하게 되는 시각과 P3에 위치하게 되는 시각을 각각 타이머를 이용해 측정하여 시간차를 구하고 이를 Δt라고 하면, 점P2와 점P3의 좌표 및 Δt을 이용하여 다음과 같은 식으로 속력(v)를 구할 수 있다(S24).
도 3에서와 같이 y축을 기준으로 시계방향의 각을 양(+)으로 하여 공(40)이 이동하는 방향각을 θ라 한다면, 방향각(θ)은 다음 식으로 구할 수 있다(S24).
공의 초기 위치(P0)는 <수학식1>과 <수학식2>를 연립하여 얻어지는 좌표값으로 결정된다(S30).
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다.
예를 들어, 상기 실시예에서는 제1센서열(12) 및 제2센서열(22,23)의 형상을 직선의 형태로 도시하였으나, 원호의 형상 등으로 다양하게 변형이 가능하다.
또한, 상기 실시예에서는 제1센서열(12) 및 제2센서열(22,23)의 수광센서가 일정한 간격으로 이격되어 배열된 것으로 설명하였으나, 수광센서 간의 간격은 위치에 따라 간격을 달리하는 등으로 다양한 설정이 가능하다.
도 1은 종래기술에 따른 골프 퍼팅 시뮬레이터용 센싱 장치의 예시도
도 2는 본 발명에 따른 평면상에서 이동하는 물체의 초기 위치 및 속도 측정 장치의 개략도
도 3은 도 2에 도시된 실시예를 좌표 평면상에 도시한 개략도
도 4는 본 발명에 따른 평면상에서 이동하는 물체의 초기 위치와 속도를 측정하는 방법을 나타내는 흐름도
도 5는 본 발명에 따른 평면상에서 이동하는 물체의 초기 위치와 속도를 측정하는 방법에 있어서 제2센서열을 통과하는 물체의 중심점 좌표를 측정하는 방법에 관한 개략도
<도면의 주요부분에 대한 설명>
10...제1측정부 11...제1광원
12...제1센서열 20...제2측정부
21...제2광원 22,23...제2센서열
13,24,25...수광센서 30...연산부
40...공
Claims (4)
- 평면에 정지된 물체의 위치 정보를 얻기 위해 배열된 복수의 수광센서를 포함하는 제1센서열 및 상기 제1센서열의 수광센서에 광선을 방사하는 제1광원을 포함하는 제1측정부;상기 평면상에서 이동하는 물체의 적어도 두 시점에서의 위치 정보를 측정하는 제2측정부;상기 제1측정부 및 상기 제2측정부에서 얻어진 시간 및 위치 정보로부터 상기 물체의 초기 위치 및 속도를 연산하는 연산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 평면상에서 이동하는 물체의 초기 위치 및 속도 측정 장치.
- 제 1항에 있어서,상기 제2측정부는 상기 평면과 일정 거리를 두고 상부에 형성되는 제2광원과상기 제2광원으로부터 광선을 수광하는 수광센서가 배열되는 적어도 두 개의 제2센서열을 포함하는 것을 특징으로 하는 평면상에서 이동하는 물체의 초기 위치 및 속도 측정 장치.
- 제 2항에 있어서,상기 물체가 상기 제2센서열 상을 통과할 때, 상기 물체에 의하여 상기 제2 광원에서 방사된 광선을 수광하지 못하는 수광센서가 적어도 두 개가 존재하도록 상기 제2센서열의 수광센서 간의 간격을 설정하는 것을 특징으로 하는 평면상에서 이동하는 물체의 초기 위치 및 속도 측정 장치.
- 복수의 수광센서가 배열된 제1센서열 및 상기 제1센서열의 수광센서에 광선을 방사하는 제1광원을 포함하는 제1측정부와 평면상에서 이동하는 물체의 적어도 두 시점에서의 위치 정보를 측정하는 제2측정부 및 상기 제1측정부 및 상기 제2측정부에서 얻어진 정보로부터 연산을 수행하는 연산부로 구성되어 상기 제1측정부 내 임의의 위치로부터 상기 평면을 따라 이동하여 상기 제2측정부를 통과하는 물체의 초기 위치 및 속도를 측정하는 방법으로서,상기 제1측정부에서 측정된 정보를 이용하여 상기 제1센서열에 형성된 정지된 물체의 그림자의 중점과 상기 제1광원을 지나는 제1직선방정식을 구하는 단계;상기 제2측정부에서 측정된 서로 다른 시점에서의 두 개의 위치 좌표와 시간 정보를 이용하여 상기 두 개의 위치 좌표에 해당하는 두 개의 점을 지나는 직선의 제2직선방정식과 상기 물체의 이동 방향 및 속력을 구하는 단계;상기 제1직선방정식과 상기 제2직선방정식의 교점을 구해 상기 물체의 초기 위치를 구하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 평면상에서 이동하는 물체의 초기 위치 및 속도 측정 방법.
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