KR20160084168A - 위치 결정 장치 및 위치 결정 방법 - Google Patents

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    • B64U2201/104—UAVs characterised by their flight controls autonomous, i.e. by navigating independently from ground or air stations, e.g. by using inertial navigation systems [INS] using satellite radio beacon positioning systems, e.g. GPS

Abstract

본 발명의 실시예들은 위치 결정 장치 및 위치 결정 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 3차원 공간에서 물체의 위치를 결정하는 위치 결정 장치로서, 상기 3차원 공간의 일면에 위치 패턴을 투사하는 위치 패턴 투사부; 상기 물체의 위치에 해당하는 상기 위치 패턴의 일부를 촬영하는 패턴 촬영부; 및 상기 촬영된 위치 패턴의 일부를 기초로 상기 물체의 위치를 결정하는 위치 결정부를 포함하는, 위치 결정 장치가 제공된다.

Description

위치 결정 장치 및 위치 결정 방법{POSITIONING APPARATUS AND POSITIONING METHOD}
본 발명의 실시예들은 위치 결정 장치 및 위치 결정 방법에 관한 것이다.
공간 상에 위치하는 드론(drone)의 위치를 결정하기 위하여 다양한 기술이 종래에 존재하고 있다. 측정하기 위한 기초 기술의 관점에서는, GPS, 적외선, Wifi, 초음파, 블루투스(Bluetooth) 등의 기술이 사용되고 있으며, 계산 방법으로는, 삼각측량(triangulation), 영상 분석(scene analysis), 근접 감지(proximity detection) 등이 방법이 사용되고 있고, 처리 수단의 관점에서는, 외부 처리 수단과 내부 처리 수단으로 구분될 수 있다.
그런데, 기존의 기술은 2차원 평면에서의 위치를 결정하는 방식인 것이 대부분이어서, 3차원 공간에서의 위치를 결정하는 데 사용하기는 어려움이 있다. 또한, 3차원 공간에서의 위치를 결정하는 데에 있어서 정밀도를 보장할 수 없어서 정확한 위치를 확인하는데 어려움이 있다. 따라서, 위치를 결정한 후에 이를 바탕으로 드론을 조종하거나 드론의 예상 이동 경로를 예측함에 있어서 그 활용성이 낮아지게 된다.
대한민국 공개특허공보 제10-2009-0099174호 (2009. 09. 22.)
본 발명의 실시예들은, 기존의 2차원 공간에서 위치를 파악하는 기술이 3차원 공간으로 확장되도록 하기 위한 것이다.
또한 본 발명의 실시예들은, 3차원 공간에서 위치 결정의 정밀도를 높이기 위한 것이다.
또한 본 발명의 실시예들은, 3차원 공간에서의 위치 결정을 통해, 드론의 조종이나 예상 이동 경로 예측 등의 기술에 활용할 수 있도록 하기 위한 것이다.
다만, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 한정되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 3차원 공간에서 물체의 위치를 결정하는 위치 결정 장치로서, 상기 3차원 공간의 일면에 위치 패턴을 투사하는 위치 패턴 투사부; 상기 물체의 위치에 해당하는 상기 위치 패턴의 일부를 촬영하는 패턴 촬영부; 및 상기 촬영된 위치 패턴의 일부를 기초로 상기 물체의 3차원 위치 중 (x,y) 좌표를 결정하는 위치 결정부를 포함하는, 위치 결정 장치가 제공된다.
상기 물체의 3차원 위치 중 z 좌표는 위치 패턴의 크기 또는 위치 패턴 간의 거리를 통해 결정될 수 있다.
상기 패턴 촬영부는 상기 물체 상에 위치할 수 있다.
상기 위치 패턴 투사부는 상기 공간의 바닥의 소정의 위치에 배치되고, 상기 공간의 천장에 상기 위치 패턴을 투사할 수 있다.
상기 위치 패턴은 가상의 격자에 의해 생성되는 각각의 격자점로부터 상하좌우 중 하나의 방향으로 소정의 간격만큼 떨어진 위치에 배치되는 복수의 포인트로 형성된 포인트 어레이일 수 있다.
상기 위치 패턴 투사부는 레이저 도트(dot) 프로젝터일 수 있다.
상기 위치 패턴 투사부는 원거리 랜덤 패턴 프로젝터 기술을 사용할 수 있다.
상기 패턴 촬영부는 상기 포인트 어레이 중 상기 물체의 위치에 대응하는 포인트를 중심으로 한 n×n 개의 포인트를 촬영할 수 있다.
상기 위치 결정부는 상기 패턴 촬영부에 의해 촬영된 n×n 개의 포인트의 배치를 기초로 상기 물체의 위치를 결정할 수 있다.
상기 위치 패턴은 체커보드(checkerboard) 형상으로서 상기 체커보드의 각각의 격자 내에는 m가지 주파수 중 하나의 주파수의 광이 투사될 수 있다.
상기 m은 4일 수 있다.
상기 위치 패턴 투사부는 적외선 영상 프로젝터일 수 있다.
상기 패턴 촬영부는 상기 복수의 격자 중 상기 물체의 위치에 대응하는 격자를 중심으로 한 n×n 개의 격자를 촬영할 수 있다.
상기 위치 결정부는 상기 패턴 촬영부에 의해 촬영된 n×n 개의 격자의 배치를 기초로 상기 물체의 위치를 결정할 수 있다.
상기 패턴 촬영부에서의 상기 촬영에 단시간 장애가 발생한 경우 영상 추적 알고리즘을 통해 장애가 발생한 시간의 위치를 결정할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 3차원 공간에서 물체의 위치를 결정하는 위치 결정 방법으로서, 상기 3차원 공간의 일면에 위치 패턴이 투사되는 단계; 상기 물체의 위치에 해당하는 상기 위치 패턴의 일부가 촬영되는 단계; 및 상기 촬영된 위치 패턴의 일부를 기초로 상기 물체의 3차원 위치 중 (x,y) 좌표가 결정되는 단계를 포함하는, 위치 결정 방법이 제공된다.
상기 물체의 3차원 위치 중 z 좌표는 위치 패턴의 크기 또는 위치 패턴 간의 거리를 통해 결정될 수 있다.
상기 물체 상에서 상기 위치 패턴의 일부가 촬영될 수 있다.
상기 공간의 바닥의 소정의 위치에서 상기 공간의 천장을 향해 상기 위치 패턴이 투사될 수 있다.
상기 위치 패턴은 가상의 격자에 의해 생성되는 각각의 격자점로부터 상하좌우 중 하나의 방향으로 소정의 간격만큼 떨어진 위치에 배치되는 복수의 포인트로 형성된 포인트 어레이일 수 있다.
레이저 도트(dot) 프로젝터에 의해 상기 위치 패턴이 투사될 수 있다.
원거리 랜덤 패턴 프로젝터 기술이 사용되어 상기 위치 패턴이 투사될 수 있다.
상기 촬영 단계에서, 상기 포인트 어레이 중 상기 물체의 위치에 대응하는 포인트를 중심으로 한 n×n 개의 포인트가 촬영될 수 있다.
상기 위치 결정 단계에서, 상기 촬영된 n×n 개의 포인트의 배치를 기초로 상기 물체의 위치가 결정될 수 있다.
상기 위치 패턴은 체커보드(checkerboard) 형상으로서 상기 체커보드의 각각의 격자 내에는 m가지 주파수 중 하나의 주파수의 광이 투사될 수 있다.
상기 m은 4일 수 있다.
적외선 영상 프로젝터에 의해 상기 위치 패턴이 투사되는, 위치 결정 방법.
상기 촬영 단계에서, 상기 복수의 격자 중 상기 물체의 위치에 대응하는 격자를 중심으로 한 n×n 개의 격자가 촬영될 수 있다.
상기 위치 결정 단계에서, 상기 촬영된 n×n 개의 격자의 배치를 기초로 상기 물체의 위치가 결정될 수 있다.
상기 패턴 촬영부에서의 상기 촬영에 단시간 장애가 발생한 경우 영상 추적 알고리즘을 통해 장애가 발생한 시간의 위치가 결정될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 기존의 2차원 공간에서 위치를 파악하는 기술을 3차원 공간으로 확장할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예들에 따르면, 3차원 공간에서 위치 결정의 정밀도를 높일 수 있다.
또한 본 발명의 실시예들에 따르면, 3차원 공간에서의 위치 결정을 통해, 드론의 조종이나 예상 이동 경로 예측 등의 기술에 활용할 수 있다.
도 1은 3차원 공간에 물체가 위치하는 상태를 나타내는 도면
도 2는 도 1의 3차원 공간에 물체가 위치하는 상태를 3차원 좌표계로 나타내는 도면
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 결정 장치를 나타내는 도면
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 패턴 투사부가 투사하는 영상을 나타내는 도면
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 패턴의 종류를 나타내는 도면
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴 촬영부 및 위치 결정부가 물체의 위치를 결정하는 것을 나타내는 도면
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 위치 패턴 투사부가 투사하는 영상을 나타내는 도면
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 패턴 촬영부 및 위치 결정부가 물체의 위치를 결정하는 것을 나타내는 도면
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
도 1은 3차원 공간에 물체가 위치하는 상태를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 3차원 공간(100) 내에 물체(10)가 소정의 위치에 있을 수 있다. 3차원 공간(10)은 방의 형태의 실내 공간일 수 있다. 3차원 공간(100) 내에서 물체(10)의 위치를 파악하는 것에 의해서 물체(100)를 원하는 위치로 이동시키는 등의 조종이 가능하다. 물체(10)는 이동이 가능한 드론(drone) 형태일 수 있으며, 3차원 공간(100)의 바닥에서 2차원적인 이동 뿐만 아니라 3차원 이동이 가능한 비행 물체일 수 있다. 물체(10)의 크기와 이동 속도는 일반적인 드론에 해당하는 값을 가질 수 있다..
물체(10)의 상측에는 천장의 영상을 촬영할 수 있는 카메라(미도시됨)가 장착되어서, 후술할 패턴 촬영부로서의 역할을 할 수 있다. 물체(10)의 상측에 패턴 촬영부가 장착되기 때문에, 물체(10)는 3차원 공간의 천장 및 바닥과 평행한 것이 바람직하지만, 약간의 기울어짐은 보정에 의해서 허용될 수 있다.
도 2는 도 1의 3차원 공간에 물체가 위치하는 상태를 3차원 좌표계로 나타내는 도면이다.
3차원 공간(100)은 3차원 좌표계로 표현하여, 물체(10)의 위치를 3차원 좌표계 상의 (x,y,z)좌표로 나타낼 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 물체(10)의 소정의 시간(t)에서의 3차원 좌표인 (x,y,z)좌표를 결정함으로써, 소정의 시간(t)에서의 물체(10)의 위치를 정확하게 확인할 수 있고, 이를 바탕으로 물체(10)의 이동을 조종하거나, 물체(10)의 예상 이동 경로를 예측하는 것이 가능하다. 도 2에서는, 물체(10)의 현재 위치가 3차원 좌표계에서 (x1,y1,z1) 좌표에 해당함을 나타내고 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 결정 장치를 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 위치 결정 장치는, 위치 패턴 투사부(11), 패턴 촬영부(12), 위치 결정부(13), 통신부(14) 및 제어부(15)를 포함할 수 있다.
위치 패턴 투사부(11)는 3차원 공간(100)의 일면 - 예를 들어, 3차원 공간(100)의 천장 - 에 위치 패턴을 투사할 수 있다. 위치 패턴은 물체(10)의 위치를 결정할 수 있도록 물체(10)의 위치에 대응하는 패턴일 수 있으며, 위치 패턴의 구체적인 형태는 후술한다. 위치 패턴 투사부(11)는 3차원 공간(100)의 소정의 위치에 배치될 수 있는데, 예를 들어, 3차원 공간(100)의 바닥에 배치되고, 3차원 공간(100)의 천장을 향해 위치 패턴을 투사할 수 있다. 3차원 공간(100)의 크기에 따라서 위치 패턴 투사부(11)는 복수 개가 배치될 수 있다. 즉, 3차원 공간(100)의 크기가 커짐에 따라서, 위치 패턴 투사부(11)가 커버해야 할 천장의 넓이도 넓어지기 때문에, 위치 패턴 투사부(11)의 개수를 늘려서 3차원 공간(100)의 천장 전체를 커버할 수 있다.
위치 패턴 투사부(11)가 3차원 공간(100)의 천장에 위치 패턴을 투사하는 경우에는 물체(10)의 (x,y,z) 좌표 중 xy 평면 상의 (x,y) 좌표가 위치 패턴에 의해 결정될 수 있다. 이 경우, 물체(10)의 z좌표는 별도의 센서 - 예를 들어, 기압 센서 - 를 통해 구하거나, 패턴 촬영부(12)에 의해 촬영된 위치 패턴의 크기, 또는 다른 알려진 z 좌표의 거리 측정 방법을 통해 결정될 수 있다. 위치 패턴의 크기 촬영을 통한 z 좌표 측정은, 천장에 투사된 위치 패턴의 실제 크기 또는 위치 패턴 사이의 실제 거리 정보를 획득한 상태에서, 패턴 촬영부에 의해 촬영된 위치 패턴의 크기 또는 그 사이의 거리가 물체의 z 좌표에 비례하여 변하게 된다는 점을 이용하여 결정될 수 있다.
패턴 촬영부(12)는 물체(10) 상에 형성되어, 3차원 공간(100)의 일면 - 예를 들어, 천장 - 에 투사된 위치 패턴 중 물체(10)의 실제 위치에 대응하는 일부를 촬영할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 패턴 촬영부(12)는 물체(10) 상에 위치하는 카메라일 수 있어서, 물체(10)의 위치가 변경됨에 따라서 물체(10)의 현 위치에 대응하는 위치 패턴의 일부를 촬영할 수 있다. 패턴 촬영부(12)는 Full HD의 해상도일 수 있으며, 시계(field of view)가 90˚일 수 있다. 그리고, 패턴 촬영부(12)의 촬영 방향은 위치 패턴이 투사된 면 - 예를 들어, 천장 - 을 향할 수 있다.
위치 결정부(13)는 패턴 촬영부(12)에 의해 촬영된 위치 패턴의 일부를 기초로 물체(10)의 위치를 결정할 수 있다. 위치 패턴에 따라서 물체(10)의 위치를 결정하는 구체적인 방식은 후술한다.
통신부(14)는 위치 패턴 투사부(11), 패턴 촬영부(12), 위치 결정부(13) 및 제어부(15) 간의 데이터 통신이 이루어지도록 할 수 있다. 통신부(14)에 의한 데이터 전송 속도는 30 Hz 이내일 수 있다.
제어부(15)는 위치 패턴 투사부(11), 패턴 촬영부(12) 및 위치 결정부(13)를 통해 물체(10)의 위치 결정이 이루어지는 것을 제어할 수 있다. 또한, 여러 장애사유로 인하여 패턴 촬영부(12)에서의 촬영에 단시간 장애가 발생할 수 있으나, 제어부(15)에서는 영상 추적 알고리즘을 통해 이를 해결할 수 있다. 다만, 영상 추적 알고리즘에 의한 단시간 장애의 해결은 제어부(15) 이외에 위치 결정부(13)에서 행하는 것도 가능하다. 영상 추적 알고리즘은 영상 입력을 통해 움직이는 물체를 추적하는데 사용되는 알고리즘으로 움직이는 물체의 속도와 위치의 변화가 연속적으로 일어나고 갑작스러운(불연속적인) 변화는 일어나지 않는다는 사실을 바탕으로 할 수 있다. 위치 결정부(13) 또는 제어부(15)에서 실제로 측정된 현재 위치를 영상 추적 알고리즘에 제공하여 미래 위치를 계속해서 추정하고 있는 상태에서, 단시간 장애가 발생할 경우 영상 추적 알고리즘을 통해 추정된 위치를 현재 위치로 결정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 패턴 투사부가 투사하는 영상을 나타내는 도면이다. 이하에서는, 위치 패턴 투사부(11)가 3차원 공간(100)의 천장에 위치 패턴을 투사한 경우에 대해서 설명한다. 따라서, 물체(10)의 위치를 나타내는 (x,y,z) 좌표 중 (x,y) 좌표가 위치 패턴에 의해 결정될 수 있다.
도 4를 참조하면, 위치 패턴 투사부(11)에 의해 3차원 공간(100)의 천장에 투사되는 위치 패턴은 가상의 격자에 의해 생성되는 각각의 격자점으로부터 상하좌우 중 하나의 방향으로 소정의 간격만큼 떨어진 위치에 배치되는 복수의 포인트로 형성된 포인트 어레이일 수 있다.
즉, 가상의 수직선(51) 및 가상의 수평선(52)에 의해 가상의 격자가 형성되고, 수직선(51) 및 수평선(52)이 만나는 격자점(53)으로부터 포인트(54)는 상하좌우 중 하나의 방향으로 소정의 간격만큼 떨어진 위치에 배치될 수 있다. 각각의 포인트(54)가 모인 포인트 어레이가 3차원 공간(100)의 일면 - 예를 들어, 천장 - 전체에 투사될 수 있다. 도 4에서 나타내는 가상의 수직선(51) 및 가상의 수평선(52)은 3차원 공간(100)의 일면에 실제로 투사되는 것이 아니고, 각각의 포인트(54)의 배치 형태를 설명하기 위하여 도시된 것이다.
가상의 수직선(51) 및 가상의 수평선(52) 간의 간격은 4cm 이내일 수 있다.
포인트 어레이를 3차원 공간(100)의 일면에 투사하기 위하여 레이저 도트(dot) 프로젝터가 위치 패턴 투사부(11)로서 사용될 수 있다. 위치 패턴 투사부(11)인 레이저 도트 프로젝터를 구현하기 위하여, 예를 들어, 원거리 랜덤 패턴 프로젝터(long-range random pattern projector)에서 사용되는 레이저 기술을 사용할 수 있다. 상기 레이저 기술을 통해, 위치 패턴 투사부(11)는 위치 패턴 투사부(11)와 위치 패턴이 투사되는 3차원 공간(100)의 일면과의 거리가 2 m 정도에서 동작 가능하고, 위치 패턴에 해당하는 점(dot)의 지름이 0.7 mm 이며, 위치 패턴 사이의 거리가 7 mm가 되며, 1개의 위치 패턴 투사부(11)를 통해 1.6 × 1.6 m2의 면적을 커버할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 패턴의 종류를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 가상의 수직선(51) 및 가상의 수평선(52)에 의해 형성되는 가상의 격자점(53)으로부터 포인트(54)는 상하좌우의 4가지 방향 중 하나의 방향으로 소정의 간격(a) 만큼 떨어진 상태로 배치될 수 있다. 도 5(a)는 포인트(54)가 가상의 격자점(53)으로부터 우측 방향으로 소정의 간격(a) 만큼 떨어진 것을 나타내고, 도 5(b)는 포인트(54)가 가상의 격자점(53)으로부터 상측 방향으로 소정의 간격(a) 만큼 떨어진 것을 나타내며, 도 5(c)는 포인트(54)가 가상의 격자점(53)으로부터 좌측 방향으로 소정의 간격(a) 만큼 떨어진 것을 나타내고, 도 5(d)는 포인트(54)가 가상의 격자점(53)으로부터 하측 방향으로 소정의 간격(a) 만큼 떨어진 것을 나타낸다.
따라서, 포인트(54)가 가상의 격자점(53)에 대응하여 4개의 가능한 위치가 있는데, 이러한 4개의 위치에 대응하여 각각의 포인트(54)는 "0" 내지 "3"에 대응하는 이진법의 값 4 개 중 하나를 나타낼 수 있다. 이에 대한 예시를 표로 나타내면 다음과 같다.
포인트 값 수평 방향 수직 방향
00 0 a
01 a 0
10 -a 0
11 0 -a
다만, 상기 표 1에서 나타내는, 포인트(54)의 배치와 포인트(54) 값 간의 관계는 예시에 불과하다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴 촬영부 및 위치 결정부가 물체의 위치를 결정하는 것을 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 패턴 촬영부(12)는 3차원 공간의 천장에 투사된 위치 패턴 중에서 물체(10)의 위치에 대응하는 위치 패턴의 일부를 촬영할 수 있다. 도 6에서 나타내는 바와 같이, 물체(10)의 현재 위치에 대응하는 포인트(54)의 위치가 10'에 해당한다고 한다면, 패턴 촬영부(12)는 포인트 어레이 중 상기 물체의 위치에 대응하는 포인트(10')를 중심으로 한 n×n 개의 포인트 배열(10a)을 촬영할 수 있다. 도 6에서는 물체의 위치에 대응하는 포인트(10')를 중심으로 상하좌우 각각 3개의 포인트(54)가 포함되도록 하여, n×n이 7×7인 것으로 예시하고 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
위치 결정부(13)는 패턴 촬영부(12)에 의해 촬영된 n×n 개의 포인트 배열(10a)을 기초로 물체(10)의 위치를 결정할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 각각의 포인트(54)의 배치는 "00", "01", "10" 및 "11"의 4 개의 값 중 하나를 나타내기 때문에, n×n 개의 포인트 배열(10a)은 n×n 행렬에 대응되고, n×n 행렬에 포함된 각각의 값은 "00", "01", "10" 및 "11" 중 하나에 해당될 수 있다. 예를 들어, n×n이 7×7인 경우에 포인트 배열(10a)은 다음과 같은 행렬로 표현될 수 있다.
따라서, n×n이 7×7인 경우에, 행렬의 경우의 수는 449 이 되어서, 이론적으로는 물체(10)의 위치를 449 가지로 나타낼 수 있다. 따라서, 물체(10)의 위치를 정밀하게 결정할 수 있다. 다만, 449 가지로 나타나는 패턴에 대한 위치를 테이블의 형태로 저장하는 것은 과도한 저장용량이 필요하기 때문에, 별도의 포지션 코딩(position coding) 방식을 사용하여, 위치를 나타내기 위한 패턴의 종류를 충분히 확보하면서도, 테이블의 크기가 처리 가능한 수준으로 유지되도록 할 수 있다.
이러한 포지션 코딩 방식을 예시하면 다음과 같다.
(1) 우선, 이진법 두 자리 수로 표현되는 행렬의 각각의 요소를 앞자리 수는 x축 성분으로 하고, 뒷자리 수는 y축 성분으로 나눠서 x축 성분과 y축 성분 각각에 대한 2개의 행렬로 나타낼 수 있다. 이를 바이너리 오프셋 확률 행렬(binary offset probability matrix; BOPM)이라고 할 수 있고, x축 성분에 대한 행렬과 y축 성분에 대한 행렬을 각각 x-BOPM과 y-BOPM이라고 할 수 있다.
(2) x-BOPM 또는 y-BOPM에 포함된 각각의 행 또는 열로 구성된 수열을 메인 시퀀스(main sequence)라고 하면, 각 메인 시퀀스에 대해서 차분 서브시퀀스(difference number subsequence)를 생성할 수 있다. 서브시퀀스를 생성하는 방법에 관해서는 미국등록특허 제6,667,695호에 개시된 방법을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아님은 당연하다.
이와 같은 포지션 코딩 방식에 따르면, x축 성분 및 y축 성분 각각에 대해서 코딩을 행하고, 길이가 긴 메인 시퀀스를 길이가 짧은 복수 개의 서브시퀀스로 변환하여 코딩을 행하기 때문에, 물체의 위치를 결정하기 위한 패턴의 종류를 충분히 확보하면서도, 위치 패턴을 저장하는 테이블의 크기가 지나치게 커지는 것을 방지할 수 있다. 다만, 상기의 포지션 코딩 방식은 예시에 불과하며, 처리 가능한 수준의 테이블 크기를 형성하기 위한 다른 코딩 방식을 사용하는 것도 가능하다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 위치 패턴 투사부가 투사하는 영상을 나타내는 도면이다. 이하에서도, 위치 패턴 투사부(11)가 3차원 공간(100)의 천장에 위치 패턴을 투사한 경우에 대해서 설명한다. 따라서, 물체(10)의 위치를 나타내는 (x,y,z) 좌표 중 (x,y) 좌표가 위치 패턴에 의해 결정될 수 있다.
도 7을 참조하면, 위치 패턴 투사부(11)에 의해 3차원 공간(100)의 천장에 투사되는 위치 패턴은 체커보드(checkerboard) 형상으로서 체커보드의 각각의 격자 내에는 m가지 주파수 중 하나의 주파수의 광 - 예를 들어, 적외선 - 이 투사될 수 있다. 도 7에서는 주파수의 가지수가 4 가지인 것을 예시하고 있으나, 이에 한정될 것은 아니다. 즉, 체커보드의 각각의 격자 내에는 f1, f2, f3, f4 중 하나의 주파수를 갖는 광이 투사될 수 있다. 각각의 주파수 f1, f2, f3, f4는 "0" 내지 "3"에 대응하는 이진법의 값인 "00", "01", "10" 및 "11"의 4 개의 값 중 하나를 나타낼 수 있다.
위치 패턴 투사부(11)는 적외선 영상 프로젝터(infrared scene projector)일 수 있으며, 3~5 μm의 파장을 갖는 적외선이 투사될 수 있다. 적외선 영상 프로젝터의 해상도는 5mrad 일 수 있으며, 약 2 m 거리에서 투사한다고 하였을 때 해상도는 1cm 정도일 수 있다.
적외선 영상 투사기는 투사 어레이 및 광학계를 포함할 수 있다. 투사 어레이는 포지티브 및 네거티브 발광 모두를 방출할 수 있는 적외선 발광 어레이일 수 있다. 적외선 발광 어레이는 소정의 개수의 다이오드 소자 어레이 또는 소정의 개수의 저항 소자 어레이 일 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 패턴 촬영부 및 위치 결정부가 물체의 위치를 결정하는 것을 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 패턴 촬영부(12)는 3차원 공간의 천장에 투사된 위치 패턴 중에서 물체(10)의 위치에 대응하는 위치 패턴의 일부를 촬영할 수 있다. 도 8에서 나타내는 바와 같이, 물체(10)의 현재 위치에 대응하는 격자의 위치가 10"에 해당한다고 한다면, 패턴 촬영부(12)는 물체(10)의 위치에 대응하는 격자(10")를 중심으로 한 n×n 개의 격자 배열(10b)을 촬영할 수 있다. 도 8에서는 물체(10)의 위치에 대응하는 격자(10")를 중심으로 상하좌우 각각 3개의 격자가 포함되도록 하여, n×n이 7×7인 것으로 예시하고 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
위치 결정부(13)는 패턴 촬영부(12)에 의해 촬영된 n×n 개의 격자 배열(10b)을 기초로 물체(10)의 위치를 결정할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 각각의 격자의 배치는 "00", "01", "10" 및 "11"의 4 개의 값 중 하나를 나타내기 때문에, n×n 개의 격자 배열(10b)은 n×n 행렬에 대응되고, n×n 행렬에 포함된 각각의 값은 "00", "01", "10" 및 "11" 중 하나에 해당될 수 있다.
따라서, n×n이 7×7인 경우에, 행렬의 경우의 수는 449 이 되어서, 이론적으로는 물체(10)의 위치를 449 가지로 나타낼 수 있다. 따라서, 물체(10)의 위치를 정밀하게 결정할 수 있다. 다만, 449 가지로 나타나는 패턴에 대한 위치를 테이블의 형태로 저장하는 것은 과도한 저장용량이 필요하기 때문에, 별도의 포지션 코딩(position coding) 방식을 사용하여, 위치를 나타내기 위한 패턴의 종류를 충분히 확보하면서도, 테이블의 크기가 처리 가능한 수준으로 유지되도록 할 수 있음은 앞서 설명한 바와 같다.
전술된 바와 같이, 본 발명은 실시예를 중심을 설명되었으나, 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 변형이 가능함은 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
또한, 본 발명에서 보이는 구성요소들을 공지의 유사한 기능을 수행하는 기술요소로 치환하거나 변형하는 것도 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가지는 자에게 명백할 것이다.
따라서, 본 발명의 권리범위는 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 아래의 청구범위에서 보이는 사상 및 그 균등범위까지 미친다.
10: 물체
11: 위치 패턴 투사부
12: 패턴 촬영부
13: 위치 결정부
14: 통신부
15: 제어부
51: 수직선
52: 수평선
53: 격자점
54: 포인트
100: 3차원 공간

Claims (30)

  1. 3차원 공간에서 물체의 위치를 결정하는 위치 결정 장치로서,
    상기 3차원 공간의 일면에 위치 패턴을 투사하는 위치 패턴 투사부;
    상기 물체의 위치에 해당하는 상기 위치 패턴의 일부를 촬영하는 패턴 촬영부; 및
    상기 촬영된 위치 패턴의 일부를 기초로 상기 물체의 3차원 위치 중 (x,y) 좌표를 결정하는 위치 결정부를 포함하는, 위치 결정 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 물체의 3차원 위치 중 z 좌표는 위치 패턴의 크기 또는 위치 패턴 간의 거리를 통해 결정되는, 위치 결정 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 패턴 촬영부는 상기 물체 상에 위치하는, 위치 결정 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 위치 패턴 투사부는 상기 공간의 바닥의 소정의 위치에 배치되고, 상기 공간의 천장에 상기 위치 패턴을 투사하는, 위치 결정 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 위치 패턴은 가상의 격자에 의해 생성되는 각각의 격자점로부터 상하좌우 중 하나의 방향으로 소정의 간격만큼 떨어진 위치에 배치되는 복수의 포인트로 형성된 포인트 어레이인, 위치 결정 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 위치 패턴 투사부는 레이저 도트(dot) 프로젝터인, 위치 결정 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 위치 패턴 투사부는 원거리 랜덤 패턴 프로젝터 기술을 사용하는, 위치 결정 장치.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 패턴 촬영부는 상기 포인트 어레이 중 상기 물체의 위치에 대응하는 포인트를 중심으로 한 n×n 개의 포인트를 촬영하는, 위치 결정 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 위치 결정부는 상기 패턴 촬영부에 의해 촬영된 n×n 개의 포인트의 배치를 기초로 상기 물체의 위치를 결정하는, 위치 결정 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 위치 패턴은 체커보드(checkerboard) 형상으로서 상기 체커보드의 각각의 격자 내에는 m가지 주파수 중 하나의 주파수의 광이 투사되는, 위치 결정 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 m은 4인, 위치 결정 장치.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 위치 패턴 투사부는 적외선 영상 프로젝터인, 위치 결정 장치.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 패턴 촬영부는 상기 복수의 격자 중 상기 물체의 위치에 대응하는 격자를 중심으로 한 n×n 개의 격자를 촬영하는, 위치 결정 장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 위치 결정부는 상기 패턴 촬영부에 의해 촬영된 n×n 개의 격자의 배치를 기초로 상기 물체의 위치를 결정하는, 위치 결정 장치.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 패턴 촬영부에서의 상기 촬영에 단시간 장애가 발생한 경우 영상 추적 알고리즘을 통해 장애가 발생한 시간의 위치를 결정하는, 위치 결정 장치.
  16. 3차원 공간에서 물체의 위치를 결정하는 위치 결정 방법으로서,
    상기 3차원 공간의 일면에 위치 패턴이 투사되는 단계;
    상기 물체의 위치에 해당하는 상기 위치 패턴의 일부가 촬영되는 단계; 및
    상기 촬영된 위치 패턴의 일부를 기초로 상기 물체의 3차원 위치 중 (x,y) 좌표가 결정되는 단계를 포함하는, 위치 결정 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 물체의 3차원 위치 중 z 좌표는 위치 패턴의 크기 또는 위치 패턴 간의 거리를 통해 결정되는, 위치 결정 방법.
  18. 청구항 16에 있어서,
    상기 물체 상에서 상기 위치 패턴의 일부가 촬영되는, 위치 결정 방법.
  19. 청구항 16에 있어서,
    상기 공간의 바닥의 소정의 위치에서 상기 공간의 천장을 향해 상기 위치 패턴이 투사되는, 위치 결정 방법.
  20. 청구항 16에 있어서,
    상기 위치 패턴은 가상의 격자에 의해 생성되는 각각의 격자점로부터 상하좌우 중 하나의 방향으로 소정의 간격만큼 떨어진 위치에 배치되는 복수의 포인트로 형성된 포인트 어레이인, 위치 결정 방법.
  21. 청구항 20에 있어서,
    레이저 도트(dot) 프로젝터에 의해 상기 위치 패턴이 투사되는, 위치 결정 방법.
  22. 청구항 21에 있어서,
    원거리 랜덤 패턴 프로젝터 기술이 사용되어 상기 위치 패턴이 투사되는, 위치 결정 방법.
  23. 청구항 20에 있어서,
    상기 촬영 단계에서, 상기 포인트 어레이 중 상기 물체의 위치에 대응하는 포인트를 중심으로 한 n×n 개의 포인트가 촬영되는, 위치 결정 방법.
  24. 청구항 23에 있어서,
    상기 위치 결정 단계에서, 상기 촬영된 n×n 개의 포인트의 배치를 기초로 상기 물체의 위치가 결정되는, 위치 결정 방법.
  25. 청구항 16에 있어서,
    상기 위치 패턴은 체커보드(checkerboard) 형상으로서 상기 체커보드의 각각의 격자 내에는 m가지 주파수 중 하나의 주파수의 광이 투사되는, 위치 결정 방법.

  26. 청구항 25에 있어서,
    상기 m은 4인, 위치 결정 방법.
  27. 청구항 25에 있어서,
    적외선 영상 프로젝터에 의해 상기 위치 패턴이 투사되는, 위치 결정 방법.
  28. 청구항 25에 있어서,
    상기 촬영 단계에서, 상기 복수의 격자 중 상기 물체의 위치에 대응하는 격자를 중심으로 한 n×n 개의 격자가 촬영되는, 위치 결정 방법.
  29. 청구항 28에 있어서,
    상기 위치 결정 단계에서, 상기 촬영된 n×n 개의 격자의 배치를 기초로 상기 물체의 위치가 결정되는, 위치 결정 방법.
  30. 청구항 16에 있어서,
    상기 패턴 촬영부에서의 상기 촬영에 단시간 장애가 발생한 경우 영상 추적 알고리즘을 통해 장애가 발생한 시간의 위치가 결정되는, 위치 결정 방법.
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