KR20180047142A - 도플러 레이더 방식을 이용한 골프공 탄도 분석용 레이더 센서 시스템 - Google Patents

도플러 레이더 방식을 이용한 골프공 탄도 분석용 레이더 센서 시스템 Download PDF

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KR20180047142A
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KR1020160142913A
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김진모
이종필
이일근
조재욱
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(주)유원시스템즈
(주)티디지
이일근
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Abstract

본 발명은 도플러 레이더 방식을 이용하여 골프공의 비행속도, 탈출 고각 및 탈출 방위각을 측정하여 골프공의 탄도를 분석할 수 있도록 하는 도플러 레이더 방식을 이용한 골프공 탄도 분석용 레이더 센서 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 골프공 탄도 분석용 레이더 센서 시스템은 도플러 레이더 방식을 이용하여 골프공의 탄도를 분석하는 탄도 분석용 레이더 센서 시스템으로서, 골프채 스윙 영역 및 골프공의 비행 영역에 RF 신호를 송신하는 송신 안테나와, 상기 골프채 및 골프공에 부딪혀 반사되는 RF 신호를 수신하는 복수의 수신 안테나가 구비된 안테나 모듈(110)과; 상기 RF 신호를 발생시켜 상기 안테나 모듈(110)을 통하여 송신하고, 상기 안테나 모듈(110)을 통하여 수신되는 RF 신호를 주파수 변환 및 증폭하는 RF 송수신 모듈(120)과; 상기 RF 송수신 모듈(120)로부터 전송되는 RF 신호의 골프공 반사 신호를 분석하여, 상기 골프공 반사 신호의 도플러 주파수를 측정하고 측정된 도플러 주파수를 이용하여 골프공의 이동 속도를 계산하며, 골프공 반사 신호의 수신 안테나별 위상차를 이용하여 방위각과 고각을 계산하여 골프공 비행 파라미터를 획득하는 신호처리 모듈(130);이 구비된 레이더 센서(100)를 포함하여 이루어져, 레이더 방식으로 골프공 비행의 핵심 파라미터인 속도, 방위각 및 고각을 보다 정확하게 측정할 수 있도록 제공된다.

Description

도플러 레이더 방식을 이용한 골프공 탄도 분석용 레이더 센서 시스템 {Radar Sensor System For Golf Ball Flight Trajectory Analyzer Using Doppler Radar Scheme}
본 발명은 골프공 탄도 분석용 레이더 센서 시스템에 관한 것으로, 특히 도플러 레이더 방식을 이용하여 골프공의 비행속도, 탈출 고각 및 탈출 방위각을 측정하여 골프공의 탄도를 분석할 수 있도록 하는 도플러 레이더 방식을 이용한 골프공 탄도 분석용 레이더 센서 시스템에 관한 것이다.
골프는 최근 국내뿐 아니라 해외에서 좋은 성적을 거두고 있는 한국 선수들의 활약 덕분에 대중적인 스포츠로 부상하고 있다. 또한, 골프 중계 미디어 및 스크린골프 연습장의 등장으로 골프에 대한 관심과 애호가가 급격히 증가하였으며, 이에 따라 골프 산업도 비약적으로 증가하였다. 골프 장비들의 개발도 활발히 이루어지고 있는데, 과학적인 원리에 바탕을 둔 개발보다는 골퍼들의 경험을 통한 실패나 오차를 기반으로 개발이 이루어지고 있다. 현재 국내에서 많은 골퍼들이 이용하고 있는 스크린골프도 실제 골프공의 비행궤적과의 오차가 10% 이상 차이가 발생한다.
한편, 스크린골프 뿐만 아니라 아마추어의 골퍼의 실력 향상에 도움을 줄 수 있는 장비인 골프공 탄도분석기, 스윙분석기, 밸런스측정기 등 장비들의 사용이 최근 증가하고 있다. 이러한 장비들은 대체로 고가의 장비이며 해외에서 수입하여 사용되고 있어 클럽을 피팅해 주는 피팅샵과 일부 실내 연습장에만 설치되어 있고, 많은 비용이 발생되어 극히 일부의 골퍼들만이 이용 가능한 문제를 가진다.
골프공 탄도 분석을 위해서는 우선 골프공 비행에 영향을 미치는 주요 인자를 살펴볼 필요가 있다. 탄도의 주요 결정 인자로는 공의 발사속도, 공의 발사각, 공의 역회전 및 횡회전 속도, 공의 질량 및 크기, 풍속 및 풍향, 습도, 중력, 공기밀도 등이 있다. 이들 중 공의 질량 및 대기 환경요건은 실험장소를 고정시키면 상수로 취급이 가능하다. 결국 타구의 발사속도, 발사각 및 회전량의 정확한 측정여부가 골프공 탄도 분석 정확도와 직결된다.
골프공 탄도 분석기는 센서의 유형에 따라 적외선 센서 방식, 광학 센서 방식 및 레이더 센서 방식 등으로 분류될 수 있는데, 국내 스크린골프 초기에는 주로 적외선 센서 방식의 탄도 분석기가 이용되었다. 도 1은 이러한 적외선 센서를 이용한 탄도 분석기의 개념도를 나타낸 것으로, 타석 상단에 설치되는 광원(적외선 램프)을 바닥에 설치된 센서가 공의 비행에 의해 발생되는 그림자의 크기 및 속도변화를 측정하여 볼의 속도, 탈출고각 및 탈출방위각을 측정하게 된다. 즉, 적외선 센서의 동작원리는 발광부와 수광부를 통과하는 골프공의 정보를 수광부 센서가 감지하여 표현하는 방식으로서, 도 1의 (a)에서 A지점에서부터 B지점을 통과한 볼의 속도를 바닥 센서로부터 측정하여 거리를 계산하고, A'지점과 B'지점의 그림자의 크기 차이에 따라 볼의 고각을 계산한다. 또한, 방위각은 도 1의 (b)에서와 같이 A'지점과 B'지점을 통과할 때 센서 중심으로부터 떨어진 거리를 이용한 원리를 이용하여 구하게 된다.
이러한 방식의 적외선 센서는 수광부에 나타난 그림자의 크기로 고각과 방위각을 산출해야 하므로 정확한 고각 계산이 매우 어려운 문제가 있다. 또한 A지점과 B지점을 통과하는 속도도 기울기 값이 적용된 속도를 산출해야 하는데 정확한 고각과 방위각 측정이 어렵기 때문에 속도 보정이 정확히 이루어질 수 없는 문제점이 있다.
이러한 단점을 보완하기 위해 최근에는 고속카메라를 이용한 탄도 분석기를 많이 이용하기도 하는데, 이 방식을 사용하면 정확도는 많이 개선되나 고가의 카메라를 사용하여야 하기 때문에 비용이 많이 소요되고, 실내에 설치되어야 하기 때문에 사용 범위에 제한이 따르는 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허공보 제10-1231046호 (2013.01.31. 등록)
본 발명은 상기 종래 탄도 분석기의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 고가의 카메라를 사용하지 않고 도플러 레이더 방식을 이용하여 이동이 자유롭고 간편하면서도 탄도 분석을 정확하게 수행할 수 있도록 하는 골프공 탄도 분석용 레이더 센서 시스템을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 골프공 탄도 분석용 레이더 센서 시스템은 도플러 레이더 방식을 이용하여 골프공의 탄도를 분석하는 탄도 분석용 레이더 센서 시스템으로서, 골프채 스윙 영역 및 골프공의 비행 영역에 RF 신호를 송신하는 송신 안테나와, 상기 골프채 및 골프공에 부딪혀 반사되는 RF 신호를 수신하는 복수의 수신 안테나가 구비된 안테나 모듈과; 상기 RF 신호를 발생시켜 상기 안테나 모듈을 통하여 송신하고, 상기 안테나 모듈을 통하여 수신되는 RF 신호를 주파수 변환 및 증폭하는 RF 송수신 모듈과; 상기 RF 송수신 모듈로부터 전송되는 RF 신호의 골프공 반사 신호를 분석하여, 상기 골프공 반사 신호의 도플러 주파수를 측정하고 측정된 도플러 주파수를 이용하여 골프공의 이동 속도를 계산하며, 골프공 반사 신호의 수신 안테나별 위상차를 이용하여 방위각과 고각을 계산하여 골프공 비행 파라미터를 획득하는 신호처리 모듈;이 구비된 레이더 센서를 포함한다.
상기 신호처리 모듈은 골프공 반사 신호의 고속 푸리에 변환(FFT)을 통하여 도플러 주파수(FDoppler[Hz])를 획득한 후, 다음의 수학식을 통해 골프공의 이동속도를 계산한다.
[수학식]
Figure pat00001
(여기서, FTx[Hz]는 레이더 송수신 주파수, c[m/s]는 전파 속도이며, θ[deg]는 반사신호와 안테나 법선 방향이 이루는 입사각이다)
또한, 상기 수학식에 의해 계산되는 골프공의 이동속도는 공프공과 레이더 센서의 설치 거리에 따라 다음의 수학식과 같이 속도 보정이 이루어진다.
[수학식]
Figure pat00002
한편, 상기 안테나 모듈은 RF 신호를 송신하는 1개의 송신 안테나(Tx_ANT)와, 상기 골프채 및 골프공으로부터 반사되는 RF 신호를 수신하는 4개의 수신 안테나(Rx_ANT1, Rx_ANT2. Rx_ANT3, Rx_ANT4)를 포함하되, 상기 4개의 수신 안테나는 방위각 방향으로 2개, 고각 방향으로 2개가 배치되는 2×2 배열로 설치된다.
상기 4개의 수신 안테나 중, 방위각 방향으로 배치되는 2개의 수신 안테나를 통하여 수신되는 골프공 반사 신호의 시간 차이를 이용하여 골프공의 방위각을 계산하고, 고각 방향으로 배치되는 2개의 수신 안테나를 통하여 수신되는 골프공 반사 신호의 시간 차이를 이용하여 골프공의 고각을 계산하되, 상기 수신 안테나의 골프공 반사 신호의 시간 차이가 RF 송신 및 수신 주파수에 따라 표현되는 두 입력 신호의 위상차를 측정한 후, 입사각을 계산하여 골프공의 고각 및 방위각을 계산하게 된다.
여기에서, 상기 골프공 반사 신호의 수신 안테나 입사각(θ)은 다음의 수학식을 통하여 계산된다.
[수학식]
Figure pat00003
(여기서 λ[m]는 송수신 주파수의 파장이고, d[m]는 안테나 간 이격된 거리, φ[rad]은 안테나에 각각 수신된 신호의 위상차이다)
또한, 상기 골프공의 고각(β)은 골프공의 비행 거리와 상기 수신 안테나 입사각(θ)의 관계에 의하여 다음의 수학식을 통해 계산된다.
[수학식]
Figure pat00004
(여기서 D1[m]는 골프공 시작점과 안테나 설치거리, α[deg]는 안테나 설치 기울기, D2[m]는 안테나 간 이격된 거리이다)
한편, 상기 레이더 센서에는 안테나 모듈의 설치 높이 및 기울기를 조절하는 자세제어 모듈과, 상기 RF 송수신 모듈과 신호처리 모듈 및 자세제어 모듈에 전원을 공급하는 전원모듈이 더 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 골프공 탄도 분석용 레이더 센서 시스템은 적외선 센서 대신 무선 RF 주파수를 이용한 레이더 방식으로 골프공 비행의 핵심 파라미터인 속도, 방위각 및 고각을 보다 정확하게 측정함으로써 탄도 분석기의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명의 탄도 분석용 레이더 센서 시스템을 통해 저비용 고성능의 휴대용 탄도 분석기 실용화와 함께 골프 선수들의 훈련이나, 골프클럽 맞춤제작에 정확한 샷 정보를 이용함으로써 체계적인 골프클럽 맞춤 시스템 및 골프레슨 시스템 개발에 많은 활용이 될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 적외선 센서를 이용한 탄도 분석기의 개념도
도 2는 본 발명에 따른 골프공 탈출각도에 따른 골프공 속도보정 개념도,
도 3은 본 발명에 따른 RF 신호를 송수신하는 안테나의 배치도,
도 4는 본 발명에 따른 안테나 배치에 따른 반사 신호의 위상차 일례,
도 5는 본 발명에 따른 안테나와 골프공 위치에 따른 각도 보정 개념도,
도 6과 도 7은 본 발명에 따른 골프공 탄도 분석용 레이더 센서 시스템의 블럭 구성도,
도 8은 본 발명에 따른 레이더 센서의 블록 구성도,
도 9는 본 발명에 따른 위상배열 안테나의 설계도,
도 10은 본 발명에 따른 위상배열 안테나의 안테나 패턴 시뮬레이션 결과 일례,
도 11은 본 발명에 따른 위상배열 안테나의 배열 일례,
도 12는 본 발명에 따른 위상배열 안테나의 방사패턴을 측정 결과 일례,
도 13은 본 발명에 따른 RF 송수신 모듈을 설계 블록도,
도 14는 본 발명에 따른 RF 송수신 모듈의 제작 일례,
도 15는 본 발명에 따른 신호처리 모듈의 블록 구성도,
도 16은 본 발명에 따른 제어 및 신호처리 모듈의 제작 형상 일례,
도 17은 본 발명에 따른 비행하는 골프공에 반사되어 안테나로 수신된 신호의 도플러 주파수 성분을 ADC를 이용하여 획득한 데이터 일례,
도 18은 본 발명에 따른 ADC로부터 획득된 데이터를 FFT 수행한 결과를 나타내 일례,
도 19는 본 발명에 따라 공의 고각을 계산하기 위하여 안테나 1번과 안테나 4번 사이의 위상차를 측정한 결과를 나타낸 일례,
도 20은 본 발명에 따라 골프공의 방위각 계산을 위하여 안테나 1번과 안테나 2번의 위상차를 측정한 결과 일례,
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명에서 도플러 레이더 방식을 이용하여 골프공의 이동속도와 비행방향을 예측하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.
본 발명에서는 골프공의 탄도를 분석하기 위해 레이더 센서를 이용하게 되는데, 이 레이더 센서 방식은 무선 RF신호를 골프공 비행 방향으로 송신하여 비행하는 골프공에 의해 반사되어 수신 안테나에 입사되는 RF 신호(이하 '반사 신호'라 한다)를 분석함으로써 공의 속도 및 비행 방향을 예측하게 된다. 공의 속도는 송신 주파수와 수신 주파수의 차이가 공의 속도에 따라 변하는 도플러 주파수 측정을 통하여 계산하며, 공의 비행 방향에 해당하는 골프공 탈출각 계산은 수신 안테나를 방위각 방향으로 2개, 고각 방향으로 2개를 배치하여 비행하는 공의 방향에 따라 안테나에 수신된 신호의 시간차를 측정함으로써 가능해진다.
본 발명에 따른 레이더 센서의 신호처리 모듈에서 골프공의 이동속도 계산을 위해서는 먼저, 반사 신호의 도플러 주파수 FDoppler[Hz]를 측정하고, 측정된 도플러 주파수를 이용하여 골프공의 이동속도를 계산하게 된다. 반사 신호의 도플러 주파수 값을 얻기 위해서 안테나로 수신된 신호의 FFT 수행 결과를 누적 처리하여 최대주파수를 획득하게 된다. 골프공의 이동속도 v[m/s]는 다음의 수학식 1과 같이 계산된다.
Figure pat00005
여기서, FTx[Hz]는 레이더 송수신 주파수, c[m/s]는 전파 속도이며, θ[deg]는 반사신호와 안테나 법선 방향이 이루는 입사각이다.
골프공 반사신호에 의한 도플러 주파수를 측정함으로써 골프공의 속도는 상기 수학식 1과 같이 계산되는데, 여기에 골프공과 센서의 설치거리에 따른 속도 보정이 이루어져야 더 정확한 골프공의 속도를 측정할 수 있게 된다.
도 2는 이러한 골프공 탈출각도에 따른 골프공 속도보정 개념도를 나타낸 것으로, 속도 보정은 설치거리와 골프공의 발사각에 의해서 보정되는데, 이는 다음의 수학식 2와 같이 계산된다.
Figure pat00006
골프공의 탈출각은 반사 신호가 수신 안테나로 입사될 때 발생되는 시간차에 의해서 계산된다.
도 3은 RF 신호를 송수신하는 안테나의 배치도를 나타낸 것으로, 위상배열 안테나는 송신용 안테나 1개와 수신용 안테나 4개로 구성된다. 수신용 안테나는 방위각 측정과 고각 측정을 동시에 수행하게 되는데, 수신 안테나 1번과 4번의 위상차에 의해서 고각을 계산하고, 1번과 2번의 위상차를 이용하여 방위각을 계산하게 된다.
상기 고각 및 방위각을 계산하는 원리를 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 안테나 배치에 따른 반사 신호의 위상차를 나타낸 것으로, 도 4와 같이 골프공에 반사되어 안테나로 수신되는 반사 신호는 안테나와 신호의 입사각에 따라 두 안테나 사이에 시간 차이가 발생한다. 이때의 시간차는 RF 송수신 주파수에 따라 위상차로 표현됨으로써 두 입력신호의 위상차를 측정한 후 입사각을 계산하면 골프공의 발사각을 알아낼 수가 있게 된다. 반사 신호의 안테나 입사각 θ[deg]는 다음의 수학식 3에 의해 계산된다.
Figure pat00007
여기서 λ[m]는 송수신 주파수의 파장이고, d[m]는 안테나 간 이격된 거리, φ[rad]은 안테나에 각각 수신된 신호의 위상차이다.
이때 골프공의 초기 위치와 안테나 설치위치가 다르기 때문에 추가적인 각도보정이 필요하게 된다. 도 5는 안테나와 골프공 위치에 따른 각도 보정 개념도를 나타낸 것으로, 골프공이 놓여지는 지점을 기준으로 D1의 거리에 안테나를 설치하고, 비행하는 골프공을 지향하기 위해 α만큼 기울어진 상태로 골프공 비행방향을 지향하도록 한다. 골프공 비행거리와 상기 수학식 3에서 계산된 입사각의 관계의 의해서 골프공 고각 β[deg]이 다음의 수학식 4에 의해 구해진다.
Figure pat00008
여기서 D1[m]는 안테나 설치거리, α[deg]는 안테나 설치 기울기, D2[m]는 안테나 간 이격된 거리이고, h[m]는 골프공 비행 높이이다. 도 5에서의 입사각 α는 안테나 법선 기준으로 아래쪽은 '-' 부호, 위쪽은 '+' 부호를 갖는다.
이하에서는, 상기 도플러 레이더 센서 방식으로 골프공의 이동속도와 비행방향을 분석하는 골프공 탄도 분석용 레이더 센서 시스템의 구체적인 실시예에 대하여 설명하기로 한다.
본 발명에서는 10GHz 대역의 무선 RF 신호의 반사파를 이용함으로써 빛의 밝기에 따른 제한 없이 사용할 수 있는 탄도 분석용 레이더 센서 시스템을 설계하였다. 본 발명에서는 송신 안테나에서 방사된 RF 신호가 골프채 및 골프공에 부딪혀 반사되어 수신된 신호를 디지털 변환한 후 이를 실시간 처리하여 골프공의 비행관련 파라미터를 추출하게 된다.
도 6과 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 골프공 탄도 분석용 레이더 센서 시스템의 블럭 구성도이고, 도 8은 레이더 센서의 블록 구성도를 나타낸 것이다.
도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 골프공 탄도 분석용 레이더 센서 시스템은 골프공의 비행 파라미터를 측정하는 레이더 센서(100)와, 탄도비행 알고리즘이 포함된 탄도분석 소프트웨어가 탑재된 탄도분석 컴퓨터(200)를 포함한다.
상기 탄도분석 컴퓨터(200)에 탑재된 탄도분석 소프트웨어는 골프 클럽과 골프공의 움직임에 의한 골프공의 비행관련 데이터를 계산하는 탄도비행 알고리즘과 처리결과를 3D 전시해주는 3D 엔진 및 골프공 속도, 방위각, 고각 및 비행거리 등과 같은 골퍼의 실시간 샷 정보를 시각적으로 전달하고 자료를 저장 분석하는 모듈로 구성되어 있어 보다 과학적인 골프 스윙을 분석할 수 있도록 한다.
상기 레이더 센서(100)는 골프공의 비행에 관련된 주요 파라미터인 골프공 이동속도, 고각 및 방위각을 추출한 후 그 정보를 탄도분석 컴퓨터(200)의 탄도분석 소프트웨어로 보내어 정확한 샷 정보를 분석할 수 있도록 제공한다.
본 발명의 실시예에서 상기 레이더 센서(100)에는 도 6 및 도 7에서와 같이, RF신호 송수신을 담당하는 안테나 모듈(110)과, RF신호 발생 및 주파수 변환/증폭을 하는 RF 송수신 모듈(120)과, 골프공 비행 파라미터 추출을 담당하는 신호처리 모듈(130)이 구비된다. 여기에 안테나 설치 높이 및 기울기를 조절하는 자세제어 모듈(150)과 전원모듈(140)이 더 포함된다.
상기 안테나 모듈(110)은 레이더 센서(100)의 눈과 같은 역할을 수행하는 모듈로서 평면 위상배열 안테나 형태로 제작한다. 평면 위상배열 안테나는 마이크로스트립 형태로 제작되어 소형, 경량화에 유리하고 저렴한 가격에 제조할 수 있다. 본 발명에서 개발된 평면 위상배열 안테나(이하 '위상배열 안테나'라 명칭한다)는 4×4 배열로 Microstrip 인쇄회로기판에 직접화되어 성능향상, 비용 절감 및 제작크기 감소의 효과를 얻을 수 있다. 도 9는 위상배열 안테나의 설계도이고, 도 10은 설계된 위상배열안테나의 안테나 패턴 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.
또한, 도 11은 설계된 위상배열 안테나 배열을 나타낸 것으로, 위상배열 안테나는 송신용 안테나 1개와 수신용 안테나 4개로 구성되며, 수신용 안테나는 방위각 측정과 고각 측정을 동시에 수행하기 위하여 도 3과 같은 형태로 배치한다. 여기에서, Rx_ANT1과 Rx_ANT2, Rx_ANT3과 Rx_ANT4를 이용하여 방위각을 얻을 수 있으며, Rx_ANT1과 Rx_ANT2와 Rx_ANT3을 이용하여 고각을 얻을 수 있다. 여기에서 수신 안테나 이격거리정보는 방위각 및 고각의 연산을 위한 중요한 파라미터가 된다.
도 12는 본 발명에 따른 위상배열 안테나의 방사패턴을 측정한 결과로서, 다음의 표 1과 같은 목표규격을 만족시키도록 구현되었음을 확인할 수 있다.
Figure pat00009
도 13은 RF 송수신 모듈의 설계 블록도를 나타낸 것으로, 본 발명에 따른 RF 송수신 모듈(120)은 10.5GHz대역의 주파수를 발생 및 증폭하는 송신 모듈과, 수신 안테나를 통해 수신된 10.5GHz대역 주파수를 저잡음 증폭 및 주파수 하향 변환하여 도플러 주파수(클럽 및 볼의 움직임 정보 포함)를 추출 및 증폭하는 수신 모듈로 구성된다. 국부발진기(LO: Local Oscillator)에서 저위상 잡음(Low Phase Noise) 특성을 갖는 주파수를 발생하여 송신단과 수신단으로 전력 분배한 후 전력증폭기를 거쳐 송신 안테나로 전송한다.
송신 안테나에서 복사(Radiation)된 주파수 신호는 물체(골프 볼 및 클럽)에 부딪혀 반사되며, 반사된 주파수 신호는 4개의 수신 안테나를 통해 수신경로로 입력된다. 수신 안테나로 입력되는 반사된 주파수 신호는 전력이 매우 낮으므로 저잡음 증폭기(LNA: Low Noise Amplifier)를 통하여 증폭된 후 송신부에서 사용한 주파수 신호로 혼합(Mixer)하여 움직이는 물체에 의한 신호(도플러 신호)를 분리해 낸다. 분리된 IF(도플러) 신호는 원하지 않는 신호도 포함되어 있어서 필요한 신호만 분리하여 증폭하는 과정을 거쳐야 한다. 골프 탄도분석에 필요한 신호인 수백 Hz(클럽의 움직임에 의한 주파수)~수 kHz(볼의 움직임에 의한 주파수)만을 선택하여 증폭하는 회로를 설계하여 오동작을 최소화하고 정확한 신호를 분석 할 수 있다.
도 14는 이와 같은 원리를 따라 구현된 RF 송수신 모듈의 제작 일례로서, 개발된 RF 송수신 모듈(120)의 성능은 각 파라미터별로 다음의 표 2와 같이 목표규격을 만족시키도록 구현되었다.
Figure pat00010
도 15는 본 발명에 따른 신호처리 모듈의 블록 구성도를 나타낸 것이다.
도 15에 도시된 바와 같이, 신호처리 모듈(130)은 4개의 아날로그-디지털변환기(ADC: Analog-Digital Converter)를 사용하여 각 수신채널 별로 선택 및 증폭된 기본대역 신호를 입력받아 디지털 신호로 변환하여 프로세서에 공급하고, 프로세서에서 생데이터(raw data)를 분석하는 알고리즘을 통해 탄도 분석에 필요한 다양한 파라미터를 추출하여 운용프로그램에 전달하게 된다.
본 발명의 실시예에서는 24bit 고해상도 ADC 처리를 하여 우수한 생데이터를 획득하고, 파라미터 추출 알고리즘을 이용하여 프로세서에서 생데이터를 처리하면 구질 분석에 필요한 파라미터가 계산된다. 고성능 DSP(Digital Signal Processor)를 이용하여 다양한 파라미터를 분석하기에 적합한 알고리듬을 적용함으로써 정확도가 높은 탄도 분석 파라미터를 획득하며, 고속의 DSP를 사용함으로써 빠른 파라미터 추출 및 전송하여 운용 프로그램에서 실시간으로 샷 정보를 전시 가능하게 해준다.
이러한 신호처리 모듈(130)은 아날로그 신호를 디지털로 변환하는 데이터 획득부와, 파라미터 추출을 위한 신호처리부로 구성된다. 데이터 획득부는 4개의 수신안테나로부터 입력된 반사 신호를 주파수 하향변환 하여 얻어진 I(Inphase)/Q(Quadrature) 신호로 분리됨으로써 8채널의 ADC를 이용하여 데이터를 획득할 수 있다. 획득된 신호는 골프채에 의한 반사 신호와 골프공에 의한 반사 신호를 분리하기 위하여 각각의 도플러 주파수 성분을 추출하여야 한다. 도플러주파수는 고속푸리에변환(FFT)를 수행하여 구한 후 능동형 필터의 차단주파수를 결정한다. 능동형 필터에 의해 분리된 골프공의 반사 신호의 수신 안테나별 위상차를 이용하여 방위각과 고각을 계산한다. 이때, 도 2 내지 도 5에서 설명한, 골프공과 레이더 센서(100) 설치위치에 따른 차이를 보정하여 계산함으로써 보다 정확한 파라미터를 획득할 수 있게 된다.
표 3은 레이더 센서(100)의 신호처리 모듈(130)의 주요 성능 및 구현된 모듈을 이용하여 얻어진 결과를 나타낸 것이다. 하드웨어적 관점에서 ADC는 4개의 수신 안테나 신호를 동시 획득하기 위해 8채널을 보유하며, ADC 샘플링 클럭은 10kHz로 설정함으로써 골프공의 최대 속도에 따른 도플러 속도인 8kHz 이하의 신호를 측정할 수 있도록 하였다. 프로세서는 ADC로 획득된 데이터를 실시간으로 FFT 및 위상차 연산을 수행하기 위해 200MHz DSP 4개를 구성하였다. 도 16은 제어 및 신호처리 모듈의 제작 형상 일례를 나타낸 것이다.
Figure pat00011
이하에서는 상기의 구성 및 방법을 통하여 골프공의 탄도를 분석하는 레이더 센서 시스템의 성능 실험 결과에 대하여 설명하기로 한다.
본 발명에 따라 개발된 탄도 분석용 레이더 센서 시스템의 성능을 검증하기 위하여 다음의 표 4와 같이 골프공 레이더 센서(100) 실험조건으로 설치한 후 실험을 진행하였다. 골프공의 타격은 로프트 각이 10.5도인 드라이버를 이용하여 30회 타격하여 골프공의 속도, 고각, 방위각을 각각 측정하고 이를 실제 파라미터 값으로 가정하고, 본 발명에서 제작된 장비의 성능비교를 위해 사용하였다.
Figure pat00012
본 발명에서 제안된 탄도 분석기의 정확도 측정을 위해 사용된 측정 장비는 TrackMan사의 TrackMan이라는 분석 장비로서, 장비의 신뢰성은 골프스윙머신을 이용하여 야외에서 실제 거리를 측정 분석한 결과 1%이내의 정확도를 보이는 장비로 알려져 있다.
골프공 탄도 분석용 레이더 센서 시스템의 주요 측정파라미터인 골프공 속도, 고각, 방위각의 목표규격은 다음의 표 5와 같이 정의하였다.
Figure pat00013
도 17은 비행하는 골프공에 반사되어 안테나로 수신된 신호의 도플러 주파수 성분을 ADC를 이용하여 획득한 데이터 일례를 나타낸 것이다. 4개의 수신채널의 이득에 따라 크기가 다르게 측정되는데, 도 17에서 0.02초부터 0.038초까지의 데이터는 골프채에 의해 발생된 도플러 신호이고, 0.038초부터 0.058초까지의 신호는 골프채와 골프공에 의한 도플러 주파수이며, 0.058초부터 그 이후의 신호는 골프공에 의한 도플러 신호이다.
도 18은 ADC로부터 획득된 데이터를 FFT 수행한 결과를 나타내 것이다. 도플러 주파수가 3kHz 이하의 성분은 골프채에 의해 반사된 신호의 스펙트럼이고, 4kHz이상의 선으로 표현된 부분이 골프공의 비행에 의해 발생된 스펙트럼이다. 골프채에 의해 발생된 도플러 주파수는 0.03초부터 0.07초 구간에 스펙트럼이 집중적으로 발생되었고, 골프공에 의한 도플러 주파수는 0.06초 구간부터 0.12초 까지 0.06초 동안 비행하는 형태로 발생되었다.
다음의 표 6은 골프측정 시스템을 이용하여 드라이버로 30회 실험하여 도플러 주파수를 측정한 후 골프공의 속도를 얻어낸 실제값들과 본 발명에서 제안한 시스템을 이용하여 측정한 결과값들을 통계적으로 분석하여 얻어진 결과를 나타낸 것이다.
Figure pat00014
골프공의 속도를 측정한 결과 기준값(실제값) 대비 측정값의 RMS 오차는 1.225[m/s]를 얻을 수 있었으며, 탄도비행방정식에 의해 비행거리를 계산하면 기준값(실제값) 대비 RMS 거리 오차는 2.8%의 RMS 오차가 발생함을 알 수 있었다. 이 결과는 거리정확도 5% 이내를 만족시키기 위해 역으로 환산된 속도오차 범위인 2.12[m/s] 이내를 만족함을 확인할 수 있다.
도 19는 공의 고각을 계산하기 위하여 안테나 1번과 안테나 4번 사이의 위상차를 측정한 결과를 나타낸 것이다. 안테나의 설치 고각은 10.5도 기울어진 상태로 설치되어 있어서 최초 골프공 비행 시작 지점에서의 3[rad]에서부터 비행종료 지점에서는 -0.122[rad]까지 변화됨을 확인 할 수 있다. 이때 고각 계산은 골프공 시작 지점에서 3.5[m] 떨어진 지점에서의 위상차인 -0.122[rad]에 의해서 계산된다.
표 7은 고각 측정 결과를 나타낸 것으로, 골프공의 수직 위상차를 측정하여 계산된 고각은 표 7과 같이 드라이버를 이용하여 타구된 공의 평균 고각 14.9[deg]로 30회 측정한 결과(실제값)를 나타낸다. 본 발명에서 제안된 시스템을 사용하여 측정된 고각은 기준값 대비 RMS 오차 1.322[deg]가 얻어졌으며, 탄도비행방정식에 의해 비행거리를 계산하면 기준 대비하여 거리오차가 2.6[m]로서 1.3%의 RMS 오차가 발생하는데, 이 결과도 거리정확도 5% 이내를 충분히 만족하고 있음을 보여준다.
도 20은 골프공의 방위각 계산을 위하여 안테나 1번과 안테나 2번의 위상차를 측정한 결과를 나타낸 것이다. 방위각 계산은 골프공 시작 지점에서 3.5[m] 떨어진 지점에서의 위상차인 0.2[rad]에 의해서 계산된다.
표 8은 골프공의 수평 위상차를 측정하여 계산된 방위각을 나타낸 것으로, 실험은 고각 측정과 동일하게 드라이버를 이용하여 타구된 공의 평균 방위각 -6.446[deg]로 30회 실험 결과(실제값)가 얻어졌다.
Figure pat00015
본 발명에서 제안된 시스템을 이용하여 측정된 방위각은 기준값(실제값) 대비 RMS 1.019[deg]의 RMS 오차가 얻어졌으며, 이를 탄도비행방정식에 의해 비행거리를 계산하면 기준 대비하여 1.78%의 RMS 거리오차가 구해졌다. 이 결과도 거리정확도 5% 이내를 충분히 만족하고 있음을 보여준다.
표 9는 본 발명의 골프공 탄도 분석용 레이더 센서 시스템의 전체적인 성능 실험 결과로서, 골프공 비행거리 계산을 위해 탄도비행방정식에 속도, 방위각 및 고각 오차를 모두 적용했을 때의 비행거리를 계산한 결과 기준거리 대비하여 4.49%의 RMS 비행거리 오차가 발생함으로써 골프공 비행거리 오차 목표치인 5% 이내를 만족함을 확인할 수 있다.
Figure pat00016
이와 같이, 본 발명에 따른 탄도 분석용 레이더 센서 시스템은 기존의 적외선 센서의 낮은 정확성을 무선 RF주파수를 이용한 레이더 방식으로 골프공 비행의 핵심 파라미터인 속도, 방위각 및 고각을 보다 정확하게 측정함으로써 탄도 분석 성능을 향상시킬 수 있도록 제공한다. 이러한 본 발명은 타구의 회전량 관련 파라미터 분석 결과를 추가하여 항력에 따른 비행거리를 더 정확히 계산함으로써 성능을 개선할 수도 있다. 또한, 이러한 시스템 완성을 통한 저비용 고성능의 휴대용 탄도 분석기 실용화와 함께 골프 선수들의 훈련이나, 골프클럽 맞춤제작에 정확한 샷 정보를 이용함으로써 체계적인 골프클럽 맞춤 시스템 및 골프레슨 시스템 개발에 많은 활용이 될 수 있을 것이다. 또한, 본 발명은 골프공 추적 시스템뿐만 아니라 야구같이 정해진 공간 내 이동물체 분석 분야에서도 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
이와 같이 본 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구 범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
100 : 레이더 센서 110 : 안테나 모듈
120 : RF 송수신 모듈 130 : 신호처리 모듈
140 : 전원모듈 150 : 자세제어 모듈
200 : 탄도분석 컴퓨터

Claims (8)

  1. 도플러 레이더 방식을 이용하여 골프공의 탄도를 분석하는 탄도 분석용 레이더 센서 시스템으로서,
    골프채 스윙 영역 및 골프공의 비행 영역에 RF 신호를 송신하는 송신 안테나와, 상기 골프채 및 골프공에 부딪혀 반사되는 RF 신호를 수신하는 복수의 수신 안테나가 구비된 안테나 모듈(110)과;
    상기 RF 신호를 발생시켜 상기 안테나 모듈(110)을 통하여 송신하고, 상기 안테나 모듈(110)을 통하여 수신되는 RF 신호를 주파수 변환 및 증폭하는 RF 송수신 모듈(120)과;
    상기 RF 송수신 모듈(120)로부터 전송되는 RF 신호의 골프공 반사 신호를 분석하여, 상기 골프공 반사 신호의 도플러 주파수를 측정하고 측정된 도플러 주파수를 이용하여 골프공의 이동 속도를 계산하며, 골프공 반사 신호의 수신 안테나별 위상차를 이용하여 방위각과 고각을 계산하여 골프공 비행 파라미터를 획득하는 신호처리 모듈(130);이 구비된 레이더 센서(100)를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄도 분석용 레이더 센서 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 신호처리 모듈(130)은 골프공 반사 신호의 고속 푸리에 변환(FFT)을 통하여 도플러 주파수(FDoppler[Hz])를 획득한 후, 다음의 수학식을 통해 골프공의 이동속도를 계산하는 것을 특징으로 하는 탄도 분석용 레이더 센서 시스템.
    [수학식]
    Figure pat00017

    (여기서, FTx[Hz]는 레이더 송수신 주파수, c[m/s]는 전파 속도이며, θ[deg]는 반사신호와 안테나 법선 방향이 이루는 입사각이다)
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 수학식에 의해 계산되는 골프공의 이동속도는 공프공과 레이더 센서(100)의 설치 거리에 따라 다음의 수학식과 같이 속도 보정이 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄도 분석용 레이더 센서 시스템.
    [수학식]
    Figure pat00018

  4. 제 1항에 있어서,
    상기 안테나 모듈(110)은 RF 신호를 송신하는 1개의 송신 안테나(Tx_ANT)와, 상기 골프채 및 골프공으로부터 반사되는 RF 신호를 수신하는 4개의 수신 안테나(Rx_ANT1, Rx_ANT2. Rx_ANT3, Rx_ANT4)를 포함하되,
    상기 4개의 수신 안테나는 방위각 방향으로 2개, 고각 방향으로 2개가 배치되는 2×2 배열로 설치되는 것을 특징으로 하는 탄도 분석용 레이더 센서 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 4개의 수신 안테나 중, 방위각 방향으로 배치되는 2개의 수신 안테나를 통하여 수신되는 골프공 반사 신호의 시간 차이를 이용하여 골프공의 방위각을 계산하고, 고각 방향으로 배치되는 2개의 수신 안테나를 통하여 수신되는 골프공 반사 신호의 시간 차이를 이용하여 골프공의 고각을 계산하되,
    상기 수신 안테나의 골프공 반사 신호의 시간 차이가 RF 송신 및 수신 주파수에 따라 표현되는 두 입력 신호의 위상차를 측정한 후, 입사각을 계산하여 골프공의 고각 및 방위각을 계산하는 것을 특징으로 하는 탄도 분석용 레이더 센서 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 골프공 반사 신호의 수신 안테나 입사각(θ)은 다음의 수학식을 통하여 계산되는 것을 특징으로 하는 탄도 분석용 레이더 센서 시스템.
    [수학식]
    Figure pat00019

    (여기서 λ[m]는 송수신 주파수의 파장이고, d[m]는 안테나 간 이격된 거리, φ[rad]은 안테나에 각각 수신된 신호의 위상차이다)
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 골프공의 고각(β)은 골프공의 비행 거리와 상기 수신 안테나 입사각(θ)의 관계에 의하여 다음의 수학식을 통해 계산되는 것을 특징으로 하는 탄도 분석용 레이더 센서 시스템.
    [수학식]
    Figure pat00020

    (여기서 D1[m]는 골프공 시작점과 안테나 설치거리, α[deg]는 안테나 설치 기울기, D2[m]는 안테나 간 이격된 거리이다)
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 레이더 센서(100)에는 안테나 모듈(110)의 설치 높이 및 기울기를 조절하는 자세제어 모듈(150)과, 상기 RF 송수신 모듈(120)과 신호처리 모듈(130) 및 자세제어 모듈(150)에 전원을 공급하는 전원모듈(140)이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 탄도 분석용 레이더 센서 시스템.
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