KR20150108533A

KR20150108533A - 다지점 적설량 측정 장치

Info

Publication number: KR20150108533A
Application number: KR1020140031431A
Authority: KR
Inventors: 김병무
Original assignee: 주식회사 웨더피아
Priority date: 2014-03-18
Filing date: 2014-03-18
Publication date: 2015-09-30
Also published as: WO2015141935A1; KR101565481B1

Abstract

단일 레이저 거리측정기를 사용한 적설량 측정방법 및 적설량 측정장치가 제공된다. 본 발명의 적설량 측정장치는 회전축을 포함하는 스텝 모터, 상기 스텝 모터의 상기 회전축에 수직인 평면에 대해서 소정 각도로 기울어져 연결되어 있는 레이저 거리측정기, 상기 스텝 모터를 제어하여 상기 레이저 거리측정기를 회전시키면서 상기 레이저 거리측정기를 제어하여 다수의 목표지점에서의 거리를 측정하는 제어부를 구비한다. 본 발명에 따르면, 레이저 거리측정기가 스텝모터의 축에 약간 기울여져 부착되어 회전하므로, 눈 표면 상의 원을 따라 흩어져 있는 다수의 지점 상에서의 적설량 측정이 가능해진다.

Description

다지점 적설량 측정 장치 {Multipoint snow depth measurement apparatus}

본 발명은 적설량 측정 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 땅 위에 쌓인 눈의 깊이(적설량)를 보다 실용적이고 신뢰성 있게 측정하는 장치에 관한 것이다.

인터넷과 통신망의 발달에 따라 기상과 관련된 데이터 측정은 컴퓨터, 통신장비 및 센서 등을 이용하여 많이 자동화되고 있다.

적설량의 측정은 자동화의 중요성과 필요성 때문에 자동 측정 분야에서 관심도가 높은 영역 중 하나인데, 특히 목표 지점의 위치가 기상 센터나 거주 지역에서 멀리 떨어져 있는 경우에 더욱 그러하다.

이러한 점 때문에 많은 제조사가 레이저 거리측정기(laser distance meter), 초음파 측정, 시각 신호 (이미지 신호) 프로세싱, 및 기계적 측정 방법을 포함하는 다양한 기술에 근거하여 적설량 측정장비를 개발해오고 있다.

현재 출시되거나 제안된 레이저 거리 측정 기술에 근거한 적설량 측정장비는 하나 또는 두 개의 레이저와 그에 연계된 수신기를 사용한다(예: 대한민국 등록특허 제348574호). 이러한 점 때문에, 일관적이지 않은 측정결과와 실제 측정장소에서의 다양한 환경에 대한 취약성과 관련된 불만이 제기되고 있다. 예를 들면, 레이저 송신기의 목표 지점이 낙엽, 먼지, 흩날리는 눈송이와 같은 외부 물질에 의해 가려지거나 방해되는 경우에는 측정결과가 그 지점의 적설량에 대한 원하는 정보를 나타내지 못하게 된다. 또한, 1 미터 x 1 미터 면적에서 한두 지점에 대해서만 측정을 한다고 하면, 측정된 값은 전체 면적을 대표할 수 없다.

초음파 신호에 기반한 모델들은 널리 사용되고는 있으나, 이들 모델들은 초음파 신호 자체의 특성상, 그리고 온도 변화에 따른 변동으로 인하여 측정 정확도 면에서 약점이 있다.

영상처리에 기반한 몇몇 모델들은 눈의 깊이를 나타내는 지점의 위치를 인식하기 위하여 다양한 신호/영상 처리 기술을 사용한다. 이들 모델이 갖는 문제점 중 하나는, 눈금이 형성된 막대기와 같은 목표지점에 형성된 눈 또는 얼음과, 일직선 상에 비치는 다수의 광원 등에 기인한 불명확하거나 흐린 영상에 의해 발생한다. 또 다른 문제점으로는, 너무 어두워지면 적절한 조명을 해줘야 한다는 점이 있다. (예: 미국특허공개 제2011/0219868호)

기계적인 측정에 기반한 방법들은 추운 날씨, 강한 바람, 그리고 얼음의 형성 등에 따른 기계적인 오동작이라는 잠재적인 큰 문제를 안고 있다. 게다가, 눈의 종류에 따라 측정결과가 현저하게 변할 가능성이 있다. 예를 들어 눈이 부드럽다면, 눈에 접촉되는 기계 장치는 눈을 눌러버려서 측정 데이터에 영향을 줄 우려가 있다.

용기를 사용하여 물로 치환된 등가량으로 눈의 양을 측정하는 방법(예: 미국특허 제6,044,699호)이나, GPS 신호를 사용하여 넓은 지역에 대해서 측정하는 방법(예: 미국특허 제5,761,095호)에 관한 몇몇 연구들이 있지만, 이들 방법들은 본 발명이 제공하는 해결책이 적용되는 응용분야와는 다른 응용분야에 관한 것이다.

요구되는 정확도와 일관성을 유지하면서 이들 문제점을 해결하기 위해서는 다수의 레이저 발신기와 수신기를 갖는 구조에 기반한 레이저 거리측정기를 시도해볼 수도 있을 것이다. 예상되는 것처럼, 이 방법은 더 많은 비용이 들 것이고, 특히, 실생활에 적용하기 위한 요구조건들을 만족시키기 위해 많은 지점들을 측정할 필요가 있을 때에 더욱 그러할 것이다.

본 발명은 이러한 점을 감안하여 이루어진 것으로서, 단일 레이저 거리측정기를 사용하면서도 주변 환경의 영향을 덜 받고 측정 결과의 신뢰성이 높은 적설량 측정 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 스텝모터와 결합한 단일 레이저 거리측정기를 사용하여 적설량의 다지점 측정을 하도록 함으로써 종래의 문제점들을 해결하기 위한 장치를 제안한다. 서로 다른 시점(또는 다른 회전각)에 레이저 거리측정기로부터 송출된 레이저 신호가 눈 표면 위의 또는 땅 위의 원 모양 상의 서로 다른 지점을 가리키도록 레이저 거리측정기가 스텝모터에 일정 각도로 기울어진 형태로 부착된다. 이 방법에 따르면 눈 표면 상의 원을 따라 흩어져 있는 다수의 지점 상에서의 적설량 측정이 가능해진다. 원(타원)의 크기는, 레이저 거리측정기와 눈 표면 사이의 거리와, 레이저 거리측정기가 가리키는 방향과 스텝모터의 축이 가리키는 방향 사이의 각에 따라 달라질 수 있다.

본 발명의 다른 양상에 따르면, 본 발명은 컨트롤러 유닛과 회전하는 레이저 거리측정기를 연결하는 케이블의 절단이나 파손을 예방하기 위한 스토퍼 메카니즘을 사용한다.

본 발명의 다른 양상에 따르면, 본 발명은 적외선 또는 가시광선 발광소자와 포토트랜지스터에 기초한 위치제어 메카니즘을 사용한다.

본 발명은 또한 본 발명의 장치를 캘리브레이션(calibration)하는 방법을 제공한다. 목표 영역을 소정의 높이만큼 들어올려서 캘리브레이션 절차에서 땅 또는 눈 표면 상의 원의 각 지점에의 도달 각도를 계산할 수 있도록 하는 상자나 지그(jig)가 사용된다.

본 발명의 다른 양상에 따르면, 제안된 방법은 이 원에 의해 정의되는 영역의 평균 깊이를 계산한다. 경로를 따라 획득한 측정 데이터를 필터링하고 추가 처리함으로써 비정상적인 측정치는 파기되고 유의미한 측정 데이터만으로 평균을 계산하여 최종 결과를 낸다.

본 발명의 다른 양상에 따르면, 제어부와 레이저 거리측정기 사이의 데이터의 송수신 및 전력의 전달은 무선으로 이루어진다.

본 발명에 따르면, 레이저 빔을 방출시키기 위한 레이저 거리측정기가 스텝모터의 축에 약간 기울어져 부착되어 있으므로, 눈 표면 상의 원을 따라 흩어져 있는 다수의 지점 상에서의 적설량 측정이 가능해진다. 또한, 시간의 경과에 따라 잘못된 측정 데이터를 감지하고 잘못된 동작이 고쳐질 때까지 영향받는 지점(들)을 분리시킬 수 있다. 또한, 눈 표면 상의 원(타원)형에 대해서 더 많은 수의 샘플을 얻을 수 있으므로 측정되는 평균 적설량은 하나 또는 적은 샘플에 기반하는 다른 방법들에 비해서 실제 적설량 값에 좀 더 근접할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 비정상적인 결과를 보이는 지점을 발견하게 되면 측정 지점의 위치를 쉽게 바꿀 수 있다. 본 발명에 따르면 측정 감도의 변경이 가능하다. 또한, 본 발명에 따르면, 하나의 레이저 거리측정기와 스텝 모터를 포함하는 저가의 장치만을 사용하므로, 비용 효율이 높고 좀더 낮은 복잡도로 비교적 더 작은 하우징 안에 만들 수 있다.

도 1은 본 발명의 적설량 측정장치의 구성을 보여주는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 적설량 측정장치의 레이저 빔 송출 동작을 설명하기 위한 설명도이다.
도 3은 본 발명의 적설량 측정장치의 적설량 측정 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 적설량 측정장치가 눈 표면 상의 원을 따라서 적설량 측정을 하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 돌출값과 함몰값을 갖는 측정 데이터 그래프의 예이다.
도 6은 주어진 시간 t에서 수행한 측정을 위하여 높이 Lref를 갖는 도구를 사용하여 본 발명의 캘리브레이션을 수행하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 캘리브레이션 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 8은 보호용 하우징에 수용된 다지점 적설량 측정장치를 보여주는 도면이다.
도 9는 레이저 거리측정기와 스텝모터를 연결하는 케이블의 단절을 방지하기 위한 스토퍼 메카니즘을 보여준다.
도 10은 다른 시점에서 본 스토퍼 메카니즘을 보여준다.
도 11은 본 발명의 재위치 설정 방법을 위한 광학 센서 방식을 보여준다.
도 12는 모터 재위치 설정 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 13은 스텝모터가 한번 회전할 때의 원형 위치들을 재설정 알고리즘이 어떻게 사용하는지를 보여주는 도면이다.
도 14는 제어부와 레이저 거리측정기 사이에서 무선으로 전력 및 데이터를 전송하는 실시예의 구성을 보여주는 블록도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 상세히 설명한다.

이하의 설명에서, 눈의 "깊이"는 지표면으로부터의 눈의 높이를 의미하며, "원형", "원", "타원"은 일정 각도 로 스텝모터에 부착된 레이저 거리측정기로부터의 레이저 광의 투사(projection)에 의해 눈 표면 상에 형성되는 원형 패턴을 나타내기 위하여 상호 호환적으로 사용된다. 본 문서에서 특정 지점을 가리키는 또는 눈 표면 상의 투사된 레이저 신호를 언급할 때에는, 눈 표면에서 반사되어 완전히 동일한 경로를 따라 레이저 거리측정기로 복귀하는 반사된 신호도 포함하며, 복귀 신호에 대한 반복된 설명은 생략한다.

도 1에 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 적설량 측정시스템은 다음과 같은 세가지 모듈을 구비한다: 레이저 거리측정기(10), 스텝 모터(11), 제어부(12).

도 1에 도시한 것처럼, 스텝모터(11)에 부착된 레이저 거리측정기(10)에 의해 투사된 레이저 빔(16)은, 레이저 거리측정기(10)가 스텝모터(11)에 각도를 가지고 기울어진 형태로 부착되어 있으므로, 레이저 거리측정기(10)가 스텝모터(11)에 의해 회전함에 따라 눈 표면(15) 상에 타원형 (또는 원형)(14)의 궤적을 생성한다. 적설량 측정을 위해서 레이저 거리측정기(10)는 눈 표면 상의 목표지점으로 레이저 신호를 송출하고, 눈 표면 상에서 반사되는 신호를 수신하여, 레이저 빔이 가리키는 눈 표면(15) 상의 지점까지의 거리를 계산한다. 거리 데이터는 제어부(12) 및/또는 중앙 서버로 전송되고, 제어부(12)는 데이터를 처리하고 저장한다.

도 2는 모터 축(13)에 레이저 거리측정기(10)가 기울어져서 부착됨으로 인하여 스텝 모터(11)가 회전함에 따라 레이저 거리측정기(10)로부터의 레이저 신호의 방향을 어떻게 변화시키는지를 보여주고 있다. 도 2에서 볼 수 있는 것처럼, 레이저 거리측정기(10)는 모터 축(13) 방향에 대해서 각도 θ만큼 약간 기울어져 있다. 스텝 모터(11)가 축(13)을 중심으로 회전함에 따라 레이저 거리측정기(10)로부터의 레이저 빔(16)은 원 형상을 형성한다. 원의 반경은 눈 표면(또는 지면)과 레이저 거리측정기(10) 사이의 거리와 각도 θ에 의해 결정된다.

도 3은 주어진 시간 t에 레이저 거리측정기(10)에서 투사되고 눈 표면에 의해 레이저 거리측정기(10)로 반사되어 돌아오는 단일 레이저 빔을 보여준다. 도 3에 도시한 것처럼, 어떤 측정시점 t에서 레이저 거리측정기(10)에서 눈의 표면까지의 측정 거리가 Ls(t)이고, 레이저 거리측정기(10)로부터 지표면까지의 거리가 Lg(t)라면, 시점 t에서의 눈의 깊이 d ( t )는 다음 식에 의해 구할 수 있다. 여기에서, (t)는 시점 t에서 레이저 빔과 지표면이 만나는 각도이다.

d ( t ) = ((Lg(t) - Ls(t)) x sinθ(t)

도 4에 도시한 눈 표면 상의 원(14) 상의 다음 지점에 대한 측정을 위하여, 제어부(12)는 스텝모터를 각도 Φ만큼 회전시킨다. 그리고, 원 상의 모든 지점에 대한 측정을 완료하기 위하여 본 발명의 측정 시스템은 스텝 모터(11)에 의해 회전된 전체 각도가 360도에 가까운 원하는 각도가 될 때까지 t=0에서 t=n-1까지 동일한 단계를 반복하거나, 한 라운드의 측정을 위한 의도된 수만큼의 측정을 완료한다. 인접하는 지점 사이의 회전량을 각도로 나타낸 φ는, 예를 들면 한 라운드의 전체 회전이 330도라면, φ = 330 / n 또는 φ × n = 330 이 된다. 도 4는 t = 0 에서 t = n-1까지의 모든 지점, 회전각으로 나타내면 tf에 대해서 측정이 어떻게 이루어지는지를 보여주고 있다.

각 시간 t (회전각 tφ)에서 눈의 깊이(적설량) d ( t )는 다음과 같이 구할 수 있다.

d ( t ) = ((Lg(t) - Ls(t)) x sinθ(t),

(t = 0 에서 n-1 까지이고, n = 눈 위의 목표 표면 영역 상의 원을 따라 측정되는 샘플의 수)

시점 t = 0 에서 t = n-1 (회전각 tφ = 0 도에서 (n-1)φ 도)까지의 각 시점에서의 Lg(t)를 측정하고, θ(t) 값은 캘리브레이션 과정(calibration procedure)에서 결정되며, 이에 대해서는 후술한다.

한 회전의 측정이 완료되면, 제어부(12)는 모든 측정 데이터를 로컬 저장소에 저장해두거나 외부 서버로 전송하여 추가적인 분석을 할 수 있다.

제어부(12) 및/또는 외부 서버는 측정된 원 데이터에 평균을 취함으로써 데이터를 분석한다. 이때, 통계치 혹은 기준치와 비교하여 비정상적으로 높거나 낮은 값을 측정 데이터로부터 제거하는 것이 바람직하다. 기준치의 예로는 이웃 지점에서 측정된 데이터의 평균값 또는 동일한 지점에서 이전에 측정한 적설량의 유효 평균값을 들 수 있다. 원을 따라 24개의 지점에 대해 측정한 예시적인 그래프가 도 5에 도시되어 있다. 이 예에서는 돌출값(spike)(18, 19)과 함몰값(dip)(20)은 최종 결과를 계산할 때 제거될 수 있다. 현저하게 비정상적인 값들을 제거한 후에 남아있는 값에 평균을 취함으로써 의미있는 평균 데이터를 얻을 수 있다.

본 발명의 측정 시스템을 처음 현장에 설치하고 측정을 실시하기 전에 다음과 같은 과정을 거쳐서 캘리브레이션(calibration)하여야 한다. 도 6은 본 발명의 캘리브레이션 방식을 특정 시간 t에 대해서 도시한 도면이다. 캘리브레이션을 위해서 도 6에 도시한 것처럼 미리 정해진 눈의 깊이(높이)를 제공하기 위해 상자나 올려진 평면으로 된 지그(21)를 사용할 수 있다.

도 7는 전형적인 캘리브레이션 절차를 보여주는 흐름도이다. 시간 t에서 레이저 거리측정기(10)에서 지표면까지의 거리를 Lg(t)라 하고, 지그 표면까지의 거리를 Lr(t)라 하자. 캘리브레이션 과정의 첫번째 단계는 레이저 거리측정기(10)에서 지표면까지의 거리를 측정하는 것이다.

t=0으로 초기화한 후에, 즉 스텝모터(11)를 초기 위치에 놓은 후에(단계 S70), 지표면을 치우고(S71), Lg(t)를 측정하고 스텝 모터(11)를 φ만큼 회전함으로써 t를 하나 증가시킨다(단계 S72). 단계 S72을 t=n이 되기 전까지 반복함으로써(단계 S73) t=0에서 t=n-1까지의 Lg(t)를 측정하고 기록한다.

다음으로, 지표면에 Lref 높이의 지그(21)를 놓고(목표 평면을 Lref만큼 높이고)(단계 S74) 동일한 절차를 반복한다(단계 S75, 76). 즉, 스텝 모터(11)를 φ만큼 회전시키면서 t=0에서 t=n-1까지의 Lr(t)를 측정하고 기록한다.

각 시간 t에서의 Lg(t)와 Lr(t)를 측정하고 나서 t=0에서 t=n-1까지에 대해서 sinθ(t)에 해당하는 Lref/(Lg(t) - Lr(t))를 구하고 기록해둔다(단계 S77). 이렇게 계산된 계수들(t=0에서 t=n-1까지의 sinθ(t))은 측정된 Ls(t)를 사용하여 적설량 d ( t )를 계산할 때 사용된다. Lref가 클수록(평면(21)이 레이저 거리측정기에 가까울수록) 오차가 적어지므로 계수값도 실제값에 가까워진다.

위의 두 단계는 연이어서 진행할 수도 있지만, 필요에 따라 다른 시점에 별도로 진행하여도 무방하다.

도 8은 보호용 하우징(22)에 둘러싸인 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 장치를 보여준다. 보호용 하우징(22)의 레이저 거리측정기 앞에는 레이저 거리측정기(10)로 빛의 난반사되어 들어가는 것을 방지하기 위한 후드가 구비될 수 있다. 또한, 보호용 하우징(22)은강풍이나 다른 외력에 의해 흔들리거나 움직이지 않도록 하기 위하여 기둥이나 구조물에 고정될 수 있다. 제어부(12)는 추가적인 데이터 처리가 이루어지는 원격지의 서버와 통신하기 위한 외부 통신 모듈에 연결될 수 있다.

레이저 거리측정기(10)는 회로부를 가지고 있으므로 동작을 위해서는 전원장치가 필요하다. 따라서, 제어부(12)와 레이저 거리측정기(10) 사이에는 도 9에 도시한 것처럼 어떤 형태든 연결수단(28)이 필요하다. 스텝모터(11)가 레이저 거리측정기(10)를 회전시키는 동안에도 연결을 유지하기 위하여 회전 커넥터를 사용할 수도 있을 것이다. 회전 커넥터는 상당한 공간을 차지하고 시스템의 전체 원가를 상승시킨다. 또한, 극한의 기상 상태에서 오랜 기간 동안 신호와 전력을 공급하는데는 신뢰할만한 방법은 아닐 수도 있다.

본 발명에서는 도 9에 도시한 것처럼, 제어부(12)와 레이저 거리측정기(10)를 연결하는데에 연결수단(28)으로서 고신축 케이블을 사용한다. 레이저 거리측정기(10)와 제어부(12)를 연결하는데 케이블을 사용한다면, 스텝모터(11)가 한쪽 방향으로만 회전하는 경우에는 케이블이 꼬여서 손상되어, 결국 동작을 멈추게 될 것이다. 바람직한 실시예에서, 스텝모터(11)는 한 방향으로만 회전하다가 360도 원의 끝에 다다르기 전에 방향을 반대로 바꾼다. 예를 들어, 30도 간격으로 측정을 하는 경우에는 330도까지 측정하고 방향을 반대로 바꾼다. 이와 같이 330도까지 측정하여도 실질적으로는 360도만큼의 측정을 한 것에 해당한다. 50도 간격으로 측정을 하는 경우에는 350도까지 측정하고 방향을 반대로 바꾼다.

이것이 완벽하게 작동된다면 케이블의 손상과 시스템의 오동작을 일으키지 않고 동작할 수 있을 것이다. 그러나, 시스템 재시작과 같은 비정상적인 상황이 있다. 시스템이 리셋되는 시간에 따라서는, 스텝모터(11)의 현재 위치가 한 라운드의 측정을 시작할 때 이 방식이 추정하는 그 위치가 아닐 수 있다. 그러므로, 케이블 손상을 일으킬 수 있는 오동작의 가능성은 항상 있다.

이러한 형태의 문제를 방지하기 위하여, 본 발명에서는 스텝모터(11)가 돌발적으로 한도 이상 회전되는 것을 멈추기 위하여 기계적 스토퍼(25, 26)를 사용한다. 도 9 및 도 10에 도시된 것처럼, 스텝모터(11)가 레이저 거리측정기(10)를 소정의 각도 이상으로 회전시키면, 기계적 구조물(25)이 모터 브라켓에 부착된 다른 구조물(26)에 의해 막혀지게 된다. 도 9 및 10은 레이저 거리측정기(10), 브라켓(24), 스텝모터(11) 및 제어부(12)에 부착되어 있는 스토퍼들의 기계적인 구조를 서로 다른 시점으로 보여준다.

이 스토퍼 메카니즘은 스텝모터(11)를 재위치시키는데 사용될 수 있다. 그러나, 스텝모터(11)가 스토퍼에 부딪혔을 때에 발생되는 일정하지 않은 반발로 인하여, 두 스토퍼가 부딪혔을 때 스텝모터(11)의 정확한 위치를 예측하는 것은 항상 가능한 것은 아니다. 또한, 때때로 스텝모터(11)는 여러가지 이유로 현재의 위치 데이터를 잃을 수 있다. 특히 시스템이 재시작될 때는, 스텝모터(11)를 정확히 동일한 위치에 리셋시킬 확률이 낮아진다.

본 발명에서 의도하는 정확성과 감도를 획득하기 위하여 본 발명의 시스템은 레이저 거리측정기를 한쪽 방향(예를 들면 도 10의 방향 A)으로만 회전시키면서 목표지점들까지의 거리를 측정한다.

스텝모터(11)와 레이저 거리측정기(10)의 보다 정밀한 재위치 설정을 위하여, 본 발명의 일 실시예는 한 쌍의 적외선 발생기(IR emitter)와 포토트랜지스터 등의 광 감지기를 사용한다. 적외선 발생기/포토트랜지스터 쌍을 사용한 레이저 거리측정기(10)의 위치 감지는 여러 가지 방법으로 구현될 수 있다. 예를 들면, 포토 스위치와, 레이저 거리측정기(10)에 부착되어 회전하면서 특정 위치에 도달하면 포토 스위치를 통과하는 플라스틱이나 금속 조각을 사용할 수 있다. 또는, 포토트랜지스터/디텍터를 측면 또는 바닥에 설치하고, 레이저 거리측정기(10)에 부착된 표지로부터 반사되는 빛을 검출할 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에서는 적외선 또는 가시광선 발광소자(29)와 적외선/포토트랜지스터(31)에 기초한 위치설정 메카니즘을 사용한다. 이 실시예에서는 도 11에 도시한 것처럼 적외선 혹은 가시광선 신호(32)가 모터 브라켓(24)과 모터 하우징 상의 구멍(30)을 통과한다.

도 11은 정확히 동일한 위치에서 새로운 측정 라운드를 시작할 수 있도록 하는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 감지 메카니즘의 구현예를 보여준다. 스텝모터(11)가 레이저 거리측정기(10)를 회전시키는 동안, 적외선(또는 가시광선) 발광소자(29)는 적외선(가시광성) 신호를 방출하며, 적외선(가시광선) 포토트랜지스터(31)는 구동(30)을 통해 수신한 신호(31)의 세기를 확인한다. 브라켓(24)은 스텝모터(11)의 회전에 따라 함께 회전하며, 발광소자(29)에서 방출된 적외선 신호의 방향이 브라켓(24)에 형성되어 있는 구멍(30)과 완벽하게 정렬되면 수신 신호의 세기가 최대치가 된다. 본 실시예에서는 도 11에 도시한 것처럼 적외선(가시광선) 신호가 구멍의 방향과 완벽하게 정렬될 때만 신호가 도달하도록 하기 위하여 길고 좁은(elongated) 구멍을 사용한다. 한편, 도 11에는 스텝모터(11)가 광경로 상에 있고, 스텝모터(11)에도 구멍이 형성되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 실시예에 따라서는 스텝모터(11)는 광경로 상에서 벗어나도록 작은 지름으로 구성하고, 브라켓(24)을 도 11에서 단면이 ㄷ자 형태가 되도록 구성하여 브라켓(24)에만 길고 좁은 구멍을 형성하는 것도 가능하다.

도 12는 새로운 측정 라운드를 시작하기 전에 스텝모터를 리셋(위치 재설정)하는 위치 재설정 방법을 구현하는 바람직한 실시예를 보여주는 흐름도이다. 도 13은 위치 재설정 알고리즘이 어떻게 스텝모터(11)의 단일 회전을 따르는 위치들을 사용하는지를 보여주는 도면이다.

방향 A가 양의 방향이라고 가정하자. 그리고 반대방향으로 회전할 때 스토퍼가 부딪힐 때를 영점(33)이라고 가정한다. 매 측정 라운드는 출발점(34)에서 시작하고 스토퍼에 다시 부딪히기 바로 직전에 360도 원에 가까운 종점(35)에서 끝난다. 일 실시예에서 측정 라운드는 360도 원의 대략 90%만을 사용한다.

위치 재설정 프로세스는 하나의 측정 라운드를 완료하고 시작된다. 도 12에 도시한 것처럼, 직전의 측정 라운드 후에 스텝모터(11)가 종점(35)에 있다고 가정하면, 프로세스가 시작되면 스토퍼(도 13의 36 위치에 가까운)와 반드시 부딛히도록 또는 스토퍼에 충분히 접근하도록 스텝모터(11)를 약간 더 전진시킨다(S120). 우선 스텝모터(11)를 시작점(33) 근방으로 회전시켜서 원위치시킨 후(S121), 다시 37과 38 사이의 음영 지역의 스캔 시작점(37)으로 위치할 수 있도록 스텝모터(11)를 회전한다(S122). 그리고 스텝모터(11)를 한 스텝씩 (또는 일정한 수의 마이크로 스텝씩) 이동시키면서 37과 38 사이의 음영으로 표시된 영역을 스캔하고 수신된 적외선 신호를 읽어 들여 최대값의 위치를 기록한다(S123). 이러한 과정을 2N 포인트에 대해서 반복하여(S124), 수신된 적외선 신호가 최대의 신호 세기를 갖는 지점(39)이 결정되면 이 지점을 구멍 지점으로 설정한다(S125). 그리고, 이 지점(39)으로부터 미리 지정된 수의 포인트만큼 후진하여 스텝모터(11)를 원하는 실제 출발점(34)으로 리셋시킨다(S126).

시스템이 재시작되거나 파워업될 때, 스텝모터(11)는 알고리즘이 상정하고 있는 종점(35)에 있지 않을 수도 있으며, 이러한 일이 발생되면 전술한 알고리즘은 처음부터 가장 센 신호를 갖는 위치를 찾을 수 없을지도 모른다. 이러한 경우에는 스텝모터(11)가 스토퍼(33 지점)와 확실히 부딛히도록 스텝모터(11)를 뒤로 더 이동시키고 37 지점까지 앞으로 이동시켜서 전술한 것처럼 최대의 빛 세기 지점(39)의 스캐닝을 시작한다.

어느 방법으로도 최대 지점(39)을 찾지 못하면, 스토퍼 메카니즘을 사용하여 스텝모터(11)를 리셋시킨다. 기본적으로, 스텝모터(11)를 힘차게 회전시켜서 스토퍼와 부딛히도록 함으로써 모터 위치가 확실하게 영점(33)에 있도록 한다. 그리고는, 스토퍼에 부딛힌 후에 추정되는 시작점(34)으로 스텝모터(11)를 수 마이크로 스텝만큼 빨리 이동시킨다. 스토퍼에 부딛힌 후의 스텝모터(11)의 바운싱백으로 인하여 이 메카니즘은 오프셋을 발생시켜서 약간의 오류가 있는 출력을 낼 수 있다. 위치설정 모드가 변경되면, 정밀한 측정을 위하여 다시 캘리브레이션 할 필요가 있다.

한편, 본 발명에서 원의 형태는 중요한 것은 아니며, 장치가 설치되는 곳에 따라 그리고 레이저 신호가 투사되는 각도에 따라 완전한 원이어도 되고 타원이어도 된다.

이상의 설명에서는 제어부(12)와 레이저 거리측정기(10) 사이를 케이블을 사용하여 연결하는 실시예에 대해서 설명하였지만, 이를 무선으로 대체하는 것도 가능하다. 즉, 레이저 거리측정기와 제어부를 연결하는 케이블을 사용하는 대신에, 제어부(12)에 무선전력 송신부를 마련하고 레이저 거리측정기(10)에 무선전력 수신부를 마련하여 제어부(12)에서 레이저 거리측정기(10)로 무선으로 전력을 송신하고, 제어부(12)와 레이저 거리측정기(10)에 무선데이터통신부를 각각 마련하여 무선으로 데이터를 송수신하도록 구성할 수 있다.

이러한 예가 도 14에 도시되어 있다. 즉, 도 14에서 도시한 것처럼, 일반적인 송전회로(42)에 케이블(45)을 통해 연결되어 송전회로(42)에 의해 구동되는 송전 코일(41)과, 송전 코일(41)에 인접하여 배치되며 수전회로(44)에 연결되는 수전코일(40)과의 사이에서의 전자기유도에 의해 레이저 거리측정기(10)에 전원을 무선으로 공급한다.

또한, 레이저 거리측정기(10)와 제어부(12) 간의 데이터 통신은 양쪽에 지그비 또는 블루투스 모듈 등의 근거리 무선 데이터통신부(43, 44)를 설치하여 무선으로 데이터를 송수신하도록 구현할 수 있다. 송전회로(42) 및 수전회로(44)는 일반적인 무선전력 송수신회로를 사용하여 구현할 수 있다. 예를 들어, 송전회로(42)는 발진회로와 구동회로으로 구성하고, 수전회로(44)는 수신회로와 정류 및 정전압회로로 구성할 수 있다.

이와 같이 제어부(12)와 레이저 거리측정기(10) 사이를 무선으로 구성함으로써, 케이블을 사용하는데 따른 복잡한 메카니즘을 피할 수 있고, 레이저 거리측정기(10)의 회전 방향도 복잡한 구성없이 한 방향으로 계속 회전하도록 구성할 수 있으며, 회전 원주의 전체를 스캔하여 측정점의 수를 극대화하고　케이블의 마모 등으로 인한 오작동의 가능성을 줄일 수 있다.

근거리 무선 데이터통신부(43,44)는 자체적으로 디지털/아날로그 포트를 포함하도록 구성하여 필요한 제어신호를 양측으로 바로 전달하도록 할 수도 있고, 별도의 프로세서를 추가하여 프로세서에서 양측 사이의 데이터 통신과 필요한 제어를 수행하도록 구성할 수도 있다.

이상, 본 발명을 몇가지 예를 들어 설명하였으나, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성 요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 그 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 본 발명의 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다.

이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 레이저 거리측정기,
11 스텝모터,
12 제어부,
21 지그,
22 하우징,
24 브라켓.

Claims

회전축을 포함하는 스텝 모터,
상기 스텝 모터의 상기 회전축에 수직인 평면에 대해서 소정 각도로 기울어져 연결되어 있는 레이저 거리측정기,
상기 스텝 모터를 제어하여 상기 레이저 거리측정기를 회전시키면서 상기 레이저 거리측정기를 제어하여 다수의 목표지점에서의 거리를 측정하는 제어부
를 구비하는 적설량 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어부는 상기 레이저 거리측정기를 제어하여 거리를 측정하고, 소정의 회전각 φ만큼 상기 스텝 모터를 회전시킨 다음에 거리를 측정하는 과정을 상기 레이저 거리측정기가 실질적으로 일 회전할 때까지 반복하고, 측정된 거리 데이터로부터 적설량을 계산하는 것을 특징으로 하는 적설량 측정 장치.
제2항에 있어서,
임의의 측정시점 t에서 상기 거울로부터 눈의 표면까지의 측정 거리를 Ls(t), 상기 거울로부터 지표면까지의 거리를 Lg(t), 레이저 빔과 지표면이 만나는 각도를 θ(t)라 할 때, 측정순번 t에서의 적설량 d ( t )는
d ( t ) = ((Lg(t) - Ls(t)) x sinθ(t)
에 의해 구하는 것을 특징으로 하는 적설량 측정 장치.
제3항에 있어서,
상기 제어부는 기준치보다 일정 비율 이상 높거나 낮은 값은 제거하고 남은 측정값만을 사용하여 평균 적설량을 계산하며,
상기 기준치는 직전의 적어도 한 회전동안 측정한 적설량의 최종 평균값인 것을 특징으로 하는 적설량 측정 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적설량 측정장치는 장치보호를 위한 보호용 하우징 안에 수용되며,
상기 보호용 하우징의 상기 레이저 거리측정기 앞에는 후드가 설치되는 것을 특징으로 하는 적설량 측정장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 레이저 거리측정기는 파워 서플라이와 고신축 케이블에 의해 연결되며,
상기 제어부는 상기 스텝모터를 한 방향으로 회전시키다가 360도 원의 끝에 다다르기 전에 방향을 반대로 바꾸는 것을 특징으로 하는 적설량 측정장치.
제6항에 있어서,
스텝모터가 한도 이상 회전되는 것을 멈추기 위한 기계적 스토퍼를 더 포함하는 적설량 측정장치.
제7항에 있어서,
광 감지기와,
레이저 거리측정기가 회전하면서 특정 위치에 도달하면 상기 광 감지기에 광이 검출 또는 차단될 수 있도록 하는 위치에 설치된 표지
를 더 포함하는 적설량 측정장치.
제8항에 있어서,
상기 표지는 광 발생기인 것을 특징으로 하는 적설량 측정장치.
제9항에 있어서,
상기 광 감지기와 상기 광발생기 사이에 위치하며 상기 스텝모터의 회전에 따라 함께 회전하는 브라켓이 더 포함되며,
상기 브라켓에는 구멍이 형성되어 있으며, 상기 구멍은 상기 스텝모터가 소정의 위치에 있을 때 상기 광발생기에서 방출되는 광신호의 방향이 상기 구멍과 완벽하게 정렬되도록 하는 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 적설량 측정장치.
제10항에 있어서,
상기 구멍은 길게 연장된(elongated) 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 적설량 측정장치.
제8항에 있어서,
상기 광 감지기는 포토 스위치이며,
상기 표지는 상기 레이저 거리측정기에 부착되어 회전하면서 특정 위치에 도달하면 포토 스위치를 통과하면서 포토 스위치의 광 발생기와 광 감지기 사이의 빛을 차단하는 물체인 것을 특징으로 하는 적설량 측정장치.
제7항에 있어서,
상기 제어부는 직전의 측정 라운드 후에 스캔 시작점으로 위치하도록 스텝모터를 회전시킨 후, 스텝모터를 한 스텝 이동시키면서 수신된 적외선 신호를 읽어 들여 최대값의 위치를 결정하고, 이 지점으로부터 미리 지정된 수의 포인트만큼 후진하여 스텝모터의 위치를 리셋시키는 것을 특징으로 하는 적설량 측정장치.
제13항에 있어서,
상기 제어부는 직전의 측정 라운드 후에 스토퍼와 반드시 부딛히도록 스텝모터를 더 이동시킨 후에 스캔 시작점으로 위치하도록 스텝모터를 회전시키는 것을 특징으로 하는 적설량 측정장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어부에는 전력을 무선으로 송신하기 위한 무선전력송신부와, 데이터를 무선으로 송수신하기 위한 데이터 무선통신부가 구비되며, 상기 레이저 거리측정기에는 전력을 무선으로 수신하기 위한 무선전력수신부와, 데이터를 무선으로 송수신하기 위한 데이터 무선통신부가 구비되는 것을 특징으로 하는 적설량 측정장치.