KR20170057711A - 시각 장애인을 위한 안내 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시각 장애자용 보행 안내 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시각 장애자에게 보행로의 상황, 장애물의 크기, 위치, 방향, 이동속도 등을 음성으로 안내하여 희망하는 목적지에 보다 안전하고 자유롭게 도달할 수 있도록 하는 시각 장애인용 보행 안내 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

시각 장애인을 위한 안내 장치 및 방법 {Apparatus for guiding blind person and method thereof}

본 발명은 시각 장애자용 보행 안내 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시각 장애자에게 보행로의 상황, 장애물의 크기, 위치, 방향, 이동속도 등을 음성으로 안내하여 희망하는 목적지에 보다 안전하고 자유롭게 도달할 수 있도록 하는 시각 장애인용 보행 안내 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 개발되어 있는 기술들은 시각 장애인용 장애물 감지 장치가 주를 이룬다. 종래 개발되어 있는 시각 장애인용 보행 보조 도구로는 초음파나 레이저 센서 등을 이용한 것들로 가장 널리 알려진 것으로는 Laser Cane(J.M. Benjamine et al., "A laser cane for the blind," Proc. of San Diego Biomedical Symp., vol. 12, pp. 53-57, 1973)이 있다.

이것은 3개의 레이저 다이오드(laser diode)를 장착한 지팡이를 이용하여 장애물의 존재 여부와 위치를 탐색할 수 있다.

그리고 초음파 센서(ultrasonic sensor)를 이용한 것으로, 손전등 모양의 Mowat sensor(N. Pressey, "Mowat sensor," Focus, vol. 11, no. 3, pp. 35-99, 1977)와, 목걸이 형태의 The Russel Pathsounder(L. Russell, "Travel path sounder," Proc. of Rotterdam Mobility Res. Conference, New York: Amer. Foundation for the Blind, 1965) 등이 있다.

또한, 최근 등장한 허리에 부착하는 벨트 형태의 Navbelt(S. Shoval and J. Borenstein, "The Navbelt-A Computeri zed Travel Aid for the Blind Based on Mobile Robotics Technology," IEEE Trans. on Biomedical Engineering,vol. 45, no. 11, pp. 1376-1386, 1998)가 있으며, 지팡이 끝에 초음파 센서가 달린 소형 자율 주행 로봇을 달아 장애물 회피를 도와주는 GuideCane(http://www -personal.engin.umich.edu/~johannb/GC_News/GC_News.html)이 있다.

그러나 실제로 이러한 것들은 탐지 거리가 짧고, 다양한 정보를 주지 못하며, 독립적으로는 큰 효과를 얻지 못한다는 단점 때문에, 지팡이나 맹인안내견의 보조 수단 역할 밖에는 못하고 있는 실정이다.

특히 감지된 물체의 크기, 물체의 위치 (몇 시 방향 등), 물체의 이동속도 등을 정확하게 분석하지 못함에 따라 시각 장애인들에게 완벽한 보행 안내가 이루어지지 않았다.

국내 공개번호 10-2002-0031690 국내 공개번호 10-2009-0105531

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 감지된 물체의 크기, 물체의 위치 (몇 시 방향 등), 거리, 물체의 이동속도 등을 정확하게 분석/확인하여 시각 장애인들에게 완벽한 보행 안내를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 촬영수단에 의해 촬영된 영상정보(음성정보 포함)를 서버 또는/및 보호자 단말기로 전송하여 시각 장애인의 상태 확인 및 블랙박스기능을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 시각 장애인을 위한 안내 장치에서, 장애물 크기를 분석하는 알고리즘은 크기를 분석하는 것은 형태를 인식하는 것이며 검체와 피검체 즉 장애물과 센서의 거리에 따라 상대적인 계측으로 인하여 실시간 상태의 측정이 매우 어렵다.

또한 형태를 인식하는 것은 3차원 공간을 인식하는 문제이며, 이동하는 축을 Z축으로 하여 X-Y 평면에 대한 단면의 연속적인 계측으로 확보될 수 있는 데이터이다.

즉 해결해야 할 문제는 거리에 상대적인 결과데이터의 수치적 보상 즉 스케일링 보상방법과 형태를 감지할 수 있는 면의 2차원 상태를 병렬적으로 인지하는 것이다.

상기의 문제를 해결하기 위해 다양한 변수와 복잡한 관계식으로 구성된 공간을 곧바로 적용하기보다 형태적으로 간략화 할 수 있는 공간 간략화를 위한 면 패턴 알고리즘을 적용하여 공간을 시간 미분요소를 통해 순간에 대한 면으로 적용하여 면을 인식하는 방법을 사용한다.

본 발명에 의하면, 감지된 물체의 크기를 정확하게 확인하여 시각 장애인들에게 완벽한 보행 안내를 제공할 수 있다.

또한 본 발명은 감지된 물체의 위치나 방향을 정확하게 확인하여 시각 장애인들에게 완벽한 보행 안내를 제공할 수 있다.

또한 본 발명은 감지된 물체의 이동속도를 정확하게 확인하여 시각 장애인들이 미리 적절하게 대응하게 함으로써 완벽한 보행 안내를 제공할 수 있다.

따라서 본 발명에 따른 시각 장애인용 보행 안내 장치에 의하면, 시각 장애인이 원하는 목적지까지의 보행 경로 안내는 물론, 보행 중에 변화하게 되는 보행로 상황 및 장애물의 유무 안내, 그리고 보행중에 마주칠 표지판 등의 문자열을 인식하여 안내해줌으로써 시각 장애인이 희망하는 목적지에 보다 안전하고 자유롭게 도달할 수 있는 탁월한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 전체 구성을 보인 개략도.
도 2는 본 발명의 제 1실시 예로 안경형 구성을 보인 도면.
도 3은 본 발명의 제 2실시 예로 목걸이형 구성을 보인 도면
도 4는 본 발명의 제 3실시 예로 벨트형 구성을 보인 도면
도 5는 본 발명의 제 4실시 예로 지팡이형 구성을 보인 도면
도 6은 본 발명의 단말기의 내부 구성을 나타낸 블록도
도 7은 장애물 크기를 분석하는 알고리즘을 설명하기 위한 도면
도 8은 장애물 위치를 분석하는 알고리즘을 설명하기 위한 도면

이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

또한 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

또한, 본 발명에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "구비하다" 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.

이하 종래의 도면 및 본 발명의 도면을 참고하여 본 발명의 사상을 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 시각 장애인용 보행 안내 장치로, 국부적인 영상 정보를 입력받은 초소형 카메라, 초음파(또는 레이저)센서(2)가 장착된 감지수단(1)과, 이로부터 입력받은 영상을 분석하고 GPS를 통하여 얻은 전역적 위치 정보를 분석하여 현재의 상황에 적절한 보행 안내 음성 신호를 출력하는 스마트 폰등을 포함하는 단말기(3)로 구성된다. 또한 부가적으로 음성 신호를 출력하고 입력받을 수 있는 유/무선 (이어) 마이크폰(4)을 포함한다.

도 2 내지 도 5는 본 발명의 감지수단 (1)의 실시 형태를 나타낸 것이다.

도 2는 본 발명의 제 1실시 예인 안경형 감지수단의 구성도로, 시각 장애인이 착용할 수 있는 안경(5)에 초소형 카메라/센서(2)가 1대 이상이 장착되며, 나머지 구성은 상기 도 1과 같다.

도 3은 본 발명의 제 2 실시 예인 목걸이 형 감지수단의 구성도로, 단말기(3)와 함께 감지수단인 카메라/센서(6)가 목에 걸 수 있는 형태로 구성된 것으로, 4는 이어 마이크폰, 7은 목걸이이다.

도 4는 본 발명의 제 3 실시 예인 벨트형 감지수단의 구성도로, 벨트(8)에 감지수단인 카메라/센서(6)를 부착함과 함께 단말기(3)를 부착하여 허리에 착용할 수 있도록 구성한 것이다.

도 5는 본 발명의 제 4 실시 예인 지팡이형 감지수단의 구성도로, 시각 장애인이 소지하고 다니는 지팡이(9)에 감지수단인 카메라/센서(6)를 부착한 형태로, 도면에서 3은 단말기, 4는 이어 마이크폰이다.

도 6은 상기 단말기(3)의 내부 구성을 나타낸 블록도로, 온/오프 스위치(SW) 조작을 통하여 전원 전압을 공급차단하는 전원부(20)와, 감지수단인 카메라/센서로부터 영상 신호나 감지신호를 입력받는 영상/신호 입력부(21)와, 전역적인 위치 측

정을 위한 위치측정부(GPS)(22)와, 상기 위치 측정부(22) 또는 장애인의 단말기와의 데이터 통신을 위한 무선 송수신부(23)와, 마이크(MIC)를 통한 음성신호의 입력 및 인식을 위한 음성신호입력 및 인식부(24)와, 단말기의 구성들의 제어를 수행하는 마이컴(25)과, 상기 마이컴(25)의 제어에 의해 음성 안내 메시지를 이어폰 등으로 출력하는 음성신호재생부(26)와, 상기 마이컴(25)으로부터의 데이터를 저장하고 출력하는 메모리부(27)와, 외부에서 간단하게 조작하여 사용자 명령신호를 마이컴(25)으로 보내기 위한 제어 입력부(28)로 구성된다.

도 6의 메모리부/제어부에는 단말기에서 수행되는 보행 안내 기능을 구성하는 각 알고리즘 모듈이 저장되어 동작된다.

예를 들어 영상취득모듈에서 취득된 영상은 보행로 분석 모듈, 장애물 분석 모듈, 문자열 인식 모듈로 전달될 수 있으며, 여기서 처리된 결과들과 전역적 위치 정보 취득 모듈과 보행 경로 분석 모듈을 통하여 얻어지는 결과들은 안내 메시지 추론 모듈로 전달되어지고, 여기서 안내 메시지를 결정한 뒤 음성 메시지 출력 모듈을 통하여 출력된다.

상기 메모리부에는 촬영수단의 하나인 상기 카메라로부터 입력된 영상정보(음성정보 포함)가 저장되며, 출력부(미도시)를 통해 출력될 수 있다.

본 발명은 서버 또는 보호자 단말기와 무선 송/수신부를 통해 접속 가능하기에, 시각장애인의 위치 및 상태를 확인할 수 있고 나중에 블랙박스처럼 동작 가능하다.

이와 같이 구성된 본 발명의 동작 및 작용 효과를 설명한다.

먼저, 시각 장애자가 희망하는 목적지에 도달하기 위하여 단말기(3)와 감지수단/센서(1)을 착용하고 제어 입력부(28)의 시작 버튼을 누른 후 원하는 목적지를 음성,영상 또는 문자로 입력한다.

음성/문자 등의 정보신호 입력 및 인식부(24)에서 입력된 목적지를 인식하여 시각 장애인이 원하는 목적지의 위치를 메모리부(27)에 저장되어 있는 전자지도에서 얻어낸다.

다음, GPS등의 위치 측정부(22)에서 현재 시각 장애인의 위치를 파악한 뒤 메모리부(27)에 입력되어 있는 전자지도에서 위치를 찾아 목적지까지의 최적 경로를 찾아 보행 경로로 저장한다.

그리고 위치 측정부(22)에서 현재의 시각장애인의 위치를 파악하여 저장된 보행 경로와 비교하여 지속적으로 안내메시지를 출력하게 된다.

이때, 마이컴(25)에서는 입력되는 영상의 정보를 분석하여 현재 보행하고 있는 방향을 보행 경로의 방향으로 교정하는 메시지와 함께 장애물의 유무, 장애물 모양, 방향,거리, 이동속도를 측정하여 장애물 회피 메시지를 부가적으로 출력한다.

이러한 과정을 목적지에 도달할 때까지 반복하게 되며, 목적지에 도달했을 때는 대기 상태로 돌아가게 된다.

또한, 시각 장애인이 특정 위치에 있는 문자열을 읽고자 할 때 사용자의 명령을 받아 현재 바라보고 있는 위치에서 문자열을 추출하여 인식하고 그 결과를 음성으로 출력해준다.

부연하면, 장애인에게 안내 시작일 경우 목적지(음성)입력 및 인식을 하고, 현재 위치를 측정하며, 목적지까지의 경로를 결정한다.

이하 감지수단에 의거 확인된 장애물 (크기, 위치, 거리, 속도등)을 알고리즘을 통해 분석하여 시각 장애인에게 안내정보를 제공하는 것에 대해 설명한다.

1. 장애물 크기를 분석하는 알고리즘

크기를 분석하는 것은 형태를 인식하는 것이며 검체와 피검체 즉 장애물과 센서의 거리에 따라 상대적인 계측으로 인하여 실시간 상태의 측정이 매우 어렵다.

또한 형태를 인식하는 것은 3차원 공간을 인식하는 문제이며, 도 7과 같이 이동하는 축을 Z축으로 하여 X-Y 평면에 대한 단면의 연속적인 계측으로 확보될 수 있는 데이터이다.

즉 해결해야 할 문제는 거리에 상대적인 결과데이터의 수치적 보상 즉 스케일링 보상방법과 형태를 감지할 수 있는 면의 2차원 상태를 병렬적으로 인지하는 것이다.

상기의 문제를 해결하기 위해 다양한 변수와 복잡한 관계식으로 구성된 공간을 곧바로 적용하기보다 형태적으로 간략화 할 수 있는 공간 간략화를 위한 면 패턴 알고리즘을 적용하여 공간을 시간 미분요소를 통해 순간에 대한 면으로 적용하여 면을 인식하는 방법을 사용한다.

2. 장애물 위치를 분석하는 알고리즘

상기의 크기를 분석하는 문제에서 형태를 인식하는 것은 공간의 해석이 필요함을 언급하였고 3차원적 수리해석을 위해 각 차원의 방향과 속도를 위한 변수들을 설정 도입하여 6개의 변수가 필요하며 6자유도(degree of freedom)의 공간해석 수리모델을 사용해야 한다. 위 공간에서 위치를 판별하는 것은 마찬가지로 6개의 변수와 서로에 대한 상대값 변수 6개를 더해 18개의 변수를 동시에 연립해서 풀어야 하는 매우 복잡한 계산을 필요로 한다.

이러한 계산을 실시간적으로 한다면 보행속도 초당 0.9m/s를 기준으로 2m 거리의 물건에 대해 샘플링 효과와 경로 포락선 데이터 및 장비의 양자화노이즈를 포함 최소 초당 4회의 결과를 연산해야 하며 오류를 줄이기 위해 더 많은 계산과 고속연산을 필요로 한다. 중요한 것은 임베디드시스템을 이용한 저전력 시스템의 computing performance를 감안한 간략화 방법이 필요하다.

이상의 문제의 해결을 위해, 도 8과 같이 상기의 크기분석을 위한 알고리즘에서 제안한 거리와 평면의 패턴(Z, X-Y pattern) 알고리즘에서 장애물을 인식한 면을 이용하여 면에서 X-Y 위치를 확인하는 2변수만을 이용한 위치판별 알고리즘을 고안하였다.

제시하는 고안된 방법은 평면의 위치를 판별하기 위해 스테레오 타입의 센서를 이용하는 것으로 두 개 이상의 센서를 이용해 면에 대한 두 변수를 동시에 측정하여 정합하는 것이다. 기준 위치는 GPS 와 E-Compass 가 내장된 휴대용 스마트 장비를 이용하며 장비의 precision에 따른 dead reckoning zone에서 방향을 확인하는 방법에 활용할 것이다.

3. 장애물과의 거리를 분석하는 알고리즘

초음파의 거리 측정방식은 탐지 음파의 장애물 반사 음파 감지하여 그 시간을 측정하여 거리를 측정하는 방법을 사용한다. 초음파의 파장은 전파 속도를 주파수로 할당한 값으로 전자파의 속도는 3*108㎧ 이지만 음속은 약 344㎧로 아주 늦기 때문에 파장이 짧게 되고 파장이 짧으면 거리 방향의 분해능이 높고 정밀도가 높은 계측을 할수 있게 된다.

물체의 유,무를 감지하기 위해서는 초음파가 물체에 닿으면 반사하여야 하며 금속이나 목재, 콘크리트, 종이, 유리등은 초음파를 거의 100% 반사하지만 옷감 등과 같은 것은 인조로 만들어져 공기가 포함되어 있는 물체는 초음파를 거의 흡수하기 때문에 센서 회로의 앰프의 이득을 높여야 할 필요가 있다. 초음파는 온도에 영향을 받아 공기중의 음파의 전송 속도는 다음 식으로 정리된다. C=331.5+0.607t [㎧] (t:주위온도) 따라서 물체가지의 거리를 정밀하게 측정하기 위해서는 온도에 따른 보정이 필요하게 된다.

4. 장애물의 속도를 분석하는 알고리즘

초음파는 온도에 영향을 받아 공기중의 음파의 전송 속도는 다음 식으로 정리된다. C=331.5+0.607t [㎧] (t:주위온도) 이 식을 이용하면 시간에 대한 속도의 곱으로 거리를 측정할 수 있는데 이 때 속도의 변화를 상대적으로 처리하면 시간에 대한 미분형 즉 가속도를 측정할 수 있고 이 때의 가속도의 변화는 센서의 이동에 대해 등가속을 보이면 정지물체이고 그렇지 않으면 움직이는 물체임을 인식 할 수 있으며 나아가 수 많은 데이터 중 선택된 가속도에 대해서만 구간 적분을 이용해 상대 속도를 계산하면 충분히 실시간성과 임베디드시스템화가 가능하다.

상술한 바와 같이 본 발명은 시각 장애자용 보행 안내 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시각 장애자에게 보행로의 상황, 장애물의 크기, 위치, 방향, 이동속도 등을 음성으로 안내하여 희망하는 목적지에 보다 안전하고 자유롭게 도달할 수 있도록 하는 시각 장애인용 보행 안내 장치 및 방법에 관한 것이다.

21 : 제어부

Claims (1)

1. 크기를 분석하는 것은 형태를 인식하는 것이며 검체와 피검체 즉 장애물과 센서의 거리에 따라 상대적인 계측으로 인하여 실시간 상태의 측정이 매우 어렵다.
   또한 형태를 인식하는 것은 3차원 공간을 인식하는 문제이며, 이동하는 축을 Z축으로 하여 X-Y 평면에 대한 단면의 연속적인 계측으로 확보될 수 있는 데이터이다.
   즉 해결해야 할 문제는 거리에 상대적인 결과데이터의 수치적 보상 즉 스케일링 보상방법과 형태를 감지할 수 있는 면의 2차원 상태를 병렬적으로 인지하는 것이다.
   상기의 문제를 해결하기 위해 다양한 변수와 복잡한 관계식으로 구성된 공간을 곧바로 적용하기보다 형태적으로 간략화 할 수 있는 공간 간략화를 위한 면 패턴 알고리즘을 적용하여 공간을 시간 미분요소를 통해 순간에 대한 면으로 적용하여 면을 인식하는 방법을 사용한다.

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