KR20190043306A - 3d coordinate measuring equipment - Google Patents

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KR20190043306A
KR20190043306A KR1020170135182A KR20170135182A KR20190043306A KR 20190043306 A KR20190043306 A KR 20190043306A KR 1020170135182 A KR1020170135182 A KR 1020170135182A KR 20170135182 A KR20170135182 A KR 20170135182A KR 20190043306 A KR20190043306 A KR 20190043306A
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KR1020170135182A
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허용철
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허윤선
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Abstract

The present invention relates to a device for measuring displacement using an electromagnetic wave or an ultrasonic wave and, more specifically, to a 3 dimensional coordinate measuring device wherein various sensors and time of flight (TOF) techniques are applied to derive the distance information between a measuring device and a target object and the rotation angle information of the measuring device, and finally calculating the 3 dimensional coordinate of the object. More specifically, the present invention describes in providing the 3 dimensional coordinate measuring device comprising: a distance sensor for sensing distance information between the measuring device and the target object; a reference coordinate sensor for sensing the rotation angle information on the basis of the position of the measuring device; and a microcontroller for calculating the 3 dimensional coordinate of the target object on the basis of the distance information and the rotation angle information.

Description

3차원 좌표 측정장치{3D COORDINATE MEASURING EQUIPMENT}3D COORDINATE MEASURING EQUIPMENT [0002]

본 발명은 전자기파 또는 초음파를 이용한 좌표 측정장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다양한 센서 및 TOF(Time Of Flight) 기술을 적용하여 측정장치와 대상체 간의 거리 정보, 측정장치의 회전각 정보를 도출하고, 종국적으로는 대상체의 3차원 좌표를 산출하는 3차원 좌표 측정장치에 관한 것이다.The present invention relates to a coordinate measuring apparatus using an electromagnetic wave or an ultrasonic wave, and more particularly, it relates to a coordinate measuring apparatus using an electromagnetic wave or an ultrasonic wave, And finally to a three-dimensional coordinate measuring apparatus for calculating three-dimensional coordinates of a target object.

TOF(Time Of Flight) 기술은 소정의 주파수로 변조된 빛과 같은 전자기파 신호가 대상체에서 반사되어 되돌아오는 과정에서 발생하는 위상(Phase)의 지연 등을 이용해 상기 대상체를 탐지하는 기술로서, 지형의 측량 분야 또는 대상체의 자세 제어 분야 등에 널리 이용되어 왔다.The TOF (Time Of Flight) technology is a technology for detecting the object by using a delay of a phase occurring in the process of returning an electromagnetic wave signal, such as light modulated at a predetermined frequency, And has been widely used in the field of posture control of a field or object.

그리고 현재에는 위 분야 이외에도 건설, 로봇, 군사, 의료, 스포츠, AR, VR, 스케닝 등 다양한 산업분야에서 활용되고 있다.Currently, it is used in various industries such as construction, robotics, military, medical, sports, AR, VR, and scanning.

이러한 TOF 기술 또는 TOF 측정 기술의 기본적인 원리를 간략히 설명하면, TOF 출력회로에서 출력된 전기적 신호가 다이오드 등의 소자에 의해 레이저, 초음파, 적외선 등의 신호로 변환되고, 상기 신호는 대상체에 입사된 후 반사가 이루어지며, 상기 대상체에서 반사된 신호가 수신 감지를 위한 센서에 수신됨으로써 기준 거리에 따라 상이 맺히는 위치와 형태가 상이한 특징 또는 기준 거리에 따라 소요되는 시간이 상이한 특징을 이용해 대상체까지의 거리 및 변위를 산출하게 된다.To briefly explain the basic principle of the TOF technique or TOF measurement technique, an electrical signal outputted from the TOF output circuit is converted into a signal such as laser, ultrasonic wave or infrared ray by an element such as a diode, The distance to the target object and the distance to the target object are measured using a characteristic that the reflected signal is received by the sensor for detecting the reception and the time required for the characteristic distance or the reference distance is different according to the position where the image is formed according to the reference distance, The displacement is calculated.

대상체까지의 거리는 식 'd = c * tTOF/2'로 계산될 수 있으며, 여기에서 d는 '물체와의 거리', c는 '빛의 속도', tTOF는 '입사된 신호가 대상체에 반사되어 수신 센서에 도달하는 시간'에 해당한다. 다만, 빛의 속도는 매우 빨라 시간 tTOF를 측정하기 어렵기 때문에 변조된 신호를 방사하고 2개 이상의 위상을 이용하여 간접적으로 거리를 계산하는 것이 일반적이다.The distance to the object can be calculated as: d = c * t TOF / 2 where d is the distance from the object, c is the velocity of the light, t TOF is the distance from the object And reaches the reception sensor after the reflection. However, since the speed of light is so fast that it is difficult to measure the time t TOF , it is common to emit a modulated signal and calculate the distance indirectly using two or more phases.

이러한 종래의 TOF 기술은 대상체나 특정 지점의 좌표를 산출하는 것이 아니라 신호가 이동하는 시간을 정확하게 산출하기 위한 정밀 광학장치, 신호 보정 메커니즘 등을 이용하여 스칼라값인 거리를 측정한다. 또한, 종래의 TOF 기술은 정밀한 신호 측정을 위해 측정장치 자체를 안정적으로 지지할 수 있는 별도의 장비들을 필수적으로 요구한다.This conventional TOF technique measures the distance as a scalar value by using a precision optical device, a signal correction mechanism, and the like for accurately calculating the time when a signal moves, instead of calculating coordinates of a target object or a specific point. In addition, the conventional TOF technology essentially requires separate equipment capable of stably supporting the measuring apparatus itself for precise signal measurement.

따라서, TOF 기술의 사용에 있어서 측정장치의 움직임에 제약이 따르며, 대상체의 길이나 높이 등을 측정하고자 할 경우에는 측정한 수치의 오차 범위가 커져 이를 보완하여야 하는 문제가 존재한다.Therefore, when the TOF technique is used, there is a restriction on the movement of the measuring device. In the case of measuring the length or height of the object, there is a problem that the error range of the measured value becomes large and needs to be compensated.

아울러 위와 같은 문제점을 해소하기 위해 측정장치를 휴대 가능한 사이즈로 제작하여 사용자가 이를 손에 들고 이용할 경우, 사용자의 손 떨림에 의한 오차를 보정해야 하고, 사용자의 팔 길이를 고려하여 대상체까지의 거리 오차를 보정해야 하는 등 해결해야 할 사항들이 추가적으로 발생한다.In addition, in order to solve the above-mentioned problems, when the user uses the measuring device in a portable size, the error due to the hand tremor of the user must be corrected, and the distance error to the target object And there is an additional problem to be solved.

뿐만 아니라, 대상체가 길이가 긴 물체에 해당하거나 움직임이 있는 물체인 경우에는 단일 측정장치로는 측정이 불가능하며, 하나의 지점에 대한 측정이 아닌 대상체의 길이나 면적 등 입체적 정보를 도출하기 위해서는 다수의 측정장치가 필요한 현실이다.In addition, in the case where the object is an object having a long length or a moving object, it is impossible to measure with a single measuring device. In order to derive stereoscopic information such as the length or area of the object, It is a reality that a measuring device of

결과적으로, 다수의 측정장치를 사용하지 않고도 대상체의 길이, 면적 등의 입체적 정보를 획득할 수 있으면서 측정장치를 고정시키지 않은 상황에서도 대상체 또는 특정 지점의 좌표를 산출하여 원하는 측정값을 얻을 수 있도록 하는 개선된 TOF 측정장치가 필요하다.As a result, it is possible to obtain stereoscopic information such as the length and area of a target object without using a plurality of measurement devices, and to obtain a desired measurement value by calculating coordinates of a target object or a specific point even when the measurement device is not fixed An improved TOF measurement device is needed.

이에 더불어 거리 정보나 3차원 좌표 등 측정장치가 측정한 결과값을 다른 장치들이 연동하여 이용할 수 있도록 네트워크 활용이 가능한 기술 또한 필요한 실정이다.In addition, there is a need for a technology that can utilize the network so that the result of the measurement by the measuring device such as the distance information or the three-dimensional coordinates can be used by the other devices in cooperation with each other.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 각종 센서 및 TOF 기술을 적용하여 대상체 또는 특정 지점의 3차원 좌표를 산출하는 3차원 좌표 측정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a three-dimensional coordinate measuring apparatus for calculating three-dimensional coordinates of a target object or a specific point by applying various sensors and TOF techniques.

그리고 산출한 3차원 좌표들을 기반으로, 대상체의 길이, 높이, 입체정보 및 측정장치의 이동 정보 등을 도출하여 활용할 수 있도록 하는 것을 또 다른 목적으로 한다.Another object of the present invention is to derive the length, height, stereoscopic information of the object, and movement information of the measuring apparatus based on the calculated three-dimensional coordinates.

아울러 본 발명은 3차원 좌표 측정 시 다양한 오차 보정 알고리즘을 적용함으로써 측정값의 신뢰도를 향상시키는데 또 다른 목적이 있다.Another object of the present invention is to improve the reliability of measured values by applying various error correction algorithms in three-dimensional coordinate measurement.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical objects to be achieved by the present invention are not limited to the above-mentioned technical problems, and other technical subjects which are not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description of the present invention .

상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의하면, 측정장치와 대상체와의 거리 정보를 센싱하는 거리 센서; 상기 측정장치의 위치를 기준으로 회전각 정보를 센싱하는 기준 좌표 센서; 및 상기 거리 정보 및 회전각 정보를 기반으로 대상체의 3차원 좌표를 산출하는 마이크로컨트롤러; 를 포함하는 3차원 좌표 측정장치를 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a distance measuring apparatus comprising: a distance sensor for sensing distance information between a measurement apparatus and a target object; A reference coordinate sensor for sensing rotation angle information based on the position of the measuring device; And a microcontroller for calculating three-dimensional coordinates of the object based on the distance information and the rotation angle information; Dimensional coordinate measurement device.

본 발명에서 상기 거리 센서는 전자기파 또는 초음파 중 어느 하나를 이용하는 것이 바람직하다.In the present invention, the distance sensor preferably uses either electromagnetic waves or ultrasonic waves.

본 발명에서 상기 기준 좌표 센서는 지자기 센서, 각도 센서 또는 변위 센서 중 어느 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.In the present invention, the reference coordinate sensor may include at least one of a geomagnetic sensor, an angle sensor, and a displacement sensor.

본 발명은 상기 측정장치의 이동 정보를 센싱하는 속도 센서; 를 더 포함할 수 있다.The present invention may include a speed sensor for sensing movement information of the measuring device; As shown in FIG.

본 발명에서 상기 속도 센서는, 상기 측정장치의 가속도를 센싱하는 가속도 센서; 및 상기 측정장치의 각속도를 센싱하는 자이로스코프 센서; 를 포함하여 구성될 수 있다.In the present invention, the speed sensor may include an acceleration sensor for sensing an acceleration of the measurement device; And a gyroscope sensor for sensing an angular velocity of the measuring device; As shown in FIG.

본 발명에서 상기 측정장치의 이동 정보를 고려하여 대상체의 3차원 좌표를 산출하는 경우, 마이크로컨트롤러는 로테이션 매트릭스(Rotation Matrix)를 이용하여 좌표계를 치환함으로써 대상체의 3차원 좌표를 산출하는 것이 바람직하다.In the present invention, when three-dimensional coordinates of a target object are calculated in consideration of movement information of the measurement apparatus, the microcontroller preferably calculates the three-dimensional coordinates of the target object by replacing the coordinate system using a rotation matrix.

본 발명에서 상기 로테이션 매트릭스는,

Figure pat00001
에 해당한다.In the present invention,
Figure pat00001
.

(상기 2 1RZYX는 로테이션 매트릭스, RZ(α)는 Z축으로 회전한 α만큼의 각정보 매트릭스, RY(β)는 Y축으로 회전한 β만큼의 각정보 매트릭스, RX(γ)는 X축으로 회전한 γ만큼의 각정보 매트릭스, s는 사인(sine), 그리고 c는 코사인(cosine)에 해당함)( 2 1 R ZYX is a rotation matrix, R Z (α) is an information matrix by α rotated by the Z axis, R Y (β) is an information matrix by β rotated by the Y axis, R X ) Is an information matrix corresponding to y rotated by the X axis, s is a sine, and c is a cosine)

본 발명에서 상기 마이크로컨트롤러는 오차 보정 알고리즘을 이용하여 대상체의 3차원 좌표를 산출할 수 있다.In the present invention, the microcontroller can calculate the three-dimensional coordinates of an object using an error correction algorithm.

본 발명에서 상기 오차 보정 알고리즘은, 대상체의 자세각 측정을 위한 위치 및 각도 보정 알고리즘; 장치의 진동에 의한 오차를 보정하는 손 떨림 보정 알고리즘; 사용자의 팔길이를 고려하여 대상체까지의 거리를 구하는 삼각함수 기법 알고리즘; 주파수가 비선형적으로 변화하는 것을 보정하는 비선형성 보정 알고리즘; 또는 센서값의 정확성을 향상시키기 위한 센서 융합 알고리즘; 중 어느 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.In the present invention, the error correction algorithm includes a position and angle correction algorithm for measuring the attitude angle of a target object; A hand shake correction algorithm for correcting an error due to vibration of the apparatus; Trigonometric Algorithm for Estimating the Distance to the Object by Considering User 's Arm Length; A nonlinearity correction algorithm that corrects nonlinear changes in frequency; Or a sensor fusion algorithm to improve the accuracy of sensor values; It is preferable to include any one or more of them.

본 발명은 센싱한 값 또는 산출한 값을 외부에 현시하는 디스플레이부; 를 더 포함하는 것이 바람직하다.The present invention provides a display device comprising: a display unit for externally displaying a sensed value or a calculated value; .

본 발명은 센싱한 값 또는 산출한 값을 이용해 외부 단말기와 연동할 수 있는 통신부; 를 더 포함하는 것이 바람직하다.The present invention provides a communication device, comprising: a communication unit capable of interfacing with an external terminal using a sensed value or a calculated value; .

본 발명에서 상기 외부 단말기는 회전과 이동이 가능한 기기에 해당할 수 있다.In the present invention, the external terminal may correspond to a device capable of rotating and moving.

본 발명에서 상기 3차원 좌표 측정장치는 휴대 가능한 크기로 구현되는 것이 바람직하다.In the present invention, it is preferable that the three-dimensional coordinate measuring apparatus is implemented in a portable size.

본 발명은 측정장치에 다양한 센서 및 TOF 기술을 적용하여 대상체 또는 특정 지점의 3차원 좌표를 산출해낼 수 있는 효과가 있다.The present invention has the effect of calculating three-dimensional coordinates of a target object or a specific point by applying various sensors and TOF techniques to a measurement device.

뿐만 아니라, 본 발명은 산출한 3차원 좌표를 근거로 대상체까지의 거리, 대상체의 길이, 높이, 입체정보 및 측정장치의 이동 정보를 도출해낼 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention has the effect of deriving the distance to the target object, the length and height of the target object, the three-dimensional information, and the movement information of the measurement apparatus based on the calculated three-dimensional coordinates.

또한, 본 발명은 측정장치가 이동하는 경우에도 로테이션 매트릭스를 이용해 좌표계를 치환시킴으로써 대상체나 특정 지점의 3차원 좌표를 획득할 수 있어 측정장치를 보다 효율적으로 사용하도록 하는 효과가 있다.Further, in the present invention, even when the measuring apparatus moves, the coordinate system is replaced by using the rotation matrix, so that the three-dimensional coordinates of the object or a specific point can be obtained, and the measuring apparatus can be used more efficiently.

아울러 본 발명은 휴대 가능한 사이즈로 제작되고 3차원 좌표 측정 시 다양한 오차 보정 알고리즘을 적용함으로써 사용상의 편의성과 측정값의 신뢰도를 향상시킴과 동시에, 외부 단말기와 연동하여 3차원 좌표 획득을 지원하거나 획득한 3차원 좌표를 활용함으로써 보다 다양한 분야에 본 발명을 이용할 수 있도록 하는 효과가 있다.In addition, the present invention improves ease of use and reliability of measured values by applying various error correction algorithms when measuring three-dimensional coordinates, and supports or acquires three-dimensional coordinates in cooperation with an external terminal By utilizing three-dimensional coordinates, the present invention can be used in a wide variety of fields.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 좌표 측정장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 좌표 산출을 통한 거리 측정을 나타낸 예시도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 좌표 산출을 통한 길이 측정을 나타낸 예시도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 좌표 산출을 통한 높이 측정을 나타낸 예시도.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 제1지점과 제2지점 및 측정 체의 3차원 좌표 측정을 나타낸 예시도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 특정 지점들을 매핑하기 위한 전위벡터를 나타낸 예시도.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 로테이션 매트릭스 산출을 나타낸 예시도.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 가속도계, 각속도계 및 변위센서를 이용한 3차원 좌표의 획득을 나타낸 개념도.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 가속도계, 각속도계 및 변위센서를 이용한 3차원 좌표 획득의 알고리즘을 나타낸 예시도.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일실시예에 따른 위치 및 각도 보정 알고리즘의 적용을 설명하기 위한 예시도.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 일실시예에 따른 손 떨림 보정 알고리즘의 적용을 설명하기 위한 예시도.
도 12a 내지 도 12c는 본 발명의 일실시예에 따른 삼각함수 기법 알고리즘의 적용을 설명하기 위한 예시도.
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 일실시예에 따른 비선형성 보정 알고리즘의 적용을 설명하기 위한 예시도.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 센서 융합 알고리즘의 적용을 설명하기 위한 예시도.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 오차 보정 알고리즘 적용을 확인하기 위한 프로그램의 예시도.
1 is a configuration diagram of a three-dimensional coordinate measuring apparatus according to an embodiment of the present invention;
FIG. 2 is an exemplary view illustrating distance measurement by three-dimensional coordinate calculation according to an embodiment of the present invention; FIG.
3 is a diagram illustrating length measurement through three-dimensional coordinate calculation according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an exemplary view illustrating height measurement by three-dimensional coordinate calculation according to an embodiment of the present invention; FIG.
5A and 5B are views illustrating measurement of three-dimensional coordinates of a first point, a second point, and a measurement object according to an embodiment of the present invention;
6 illustrates an example of a potential vector for mapping specific points according to an embodiment of the present invention.
7 is an exemplary diagram illustrating calculation of a rotation matrix according to an embodiment of the present invention;
8 is a conceptual diagram illustrating acquisition of three-dimensional coordinates using an accelerometer, an angular velocity meter, and a displacement sensor according to an embodiment of the present invention.
9 is an exemplary view showing an algorithm for three-dimensional coordinate acquisition using an accelerometer, an angular velocity meter, and a displacement sensor according to an embodiment of the present invention.
10A and 10B are exemplary diagrams for explaining application of a position and angle correction algorithm according to an embodiment of the present invention;
11A and 11B are diagrams for explaining application of the hand shake correction algorithm according to an embodiment of the present invention;
12A to 12C are diagrams for explaining application of a trigonometric function algorithm algorithm according to an embodiment of the present invention;
13A and 13B are exemplary diagrams for explaining application of a nonlinearity correction algorithm according to an embodiment of the present invention;
FIG. 14 is an exemplary diagram for explaining application of a sensor fusion algorithm according to an embodiment of the present invention; FIG.
15 is an exemplary view of a program for confirming the application of an error correction algorithm according to an embodiment of the present invention;

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms and words used in the present description and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary meanings, and the inventor should properly interpret the concepts of the terms in order to describe their invention in the best way. It should be interpreted in accordance with the meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it can be defined. Therefore, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are only the most preferred embodiments of the present invention, and not all of the technical ideas of the present invention are described. Therefore, It is to be understood that equivalents and modifications are possible.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되므로 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면 복수의 형태를 포함할 수 있다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. As used herein, the singular forms "a", "an", and "the" include plural referents unless the context clearly dictates otherwise.

전자기파나 초음파를 이용하여 변위를 측정하는 장치는 빛을 매체로 하므로 매우 빠른 측정이 가능함과 동시에 측정하고자 하는 대상체에 센서를 접촉시켜야만 하는 기계식 측정장치와 달리 비접촉 방식으로 측정이 가능하므로, 상당한 길이의 물체나 고온의 물체 등 대상체의 특성과 환경에 영향을 받지 않는 장점으로 인하여 다양한 분야에 적용이 가능한 특징을 가진다.Unlike a mechanical measuring device, which is capable of measuring a displacement using an electromagnetic wave or an ultrasonic wave, since it is a light medium, it is possible to measure very rapidly and to contact a sensor with a target object to be measured. It has a characteristic that it can be applied to various fields because it is not affected by characteristics and environments of objects such as objects and high temperature objects.

또한, 전자기파나 초음파가 갖는 단색성, 직진성 및 집속 특성으로 인하여 정밀한 측정이 가능한데, 거리 측정의 원리는 기준거리에 따라 상이 맺히는 위치와 형태가 상이한 특징 또는 기준거리에 따라 소요되는 시간이 상이한 특징을 이용하고, 길이 측정의 원리는 두 변의 길이와 그 끼인각의 크기가 주어지면 나머지 한 변의 길이를 구할 수 있는 삼각형의 결정조건을 이용한다.The principle of the distance measurement is that the position and the shape of the image are different according to the reference distance, and the feature that the time required varies depending on the characteristic distance or the reference distance. The principle of length measurement is based on the determination condition of a triangle which can obtain the length of the other side when the length of two sides and the size of the included angle are given.

위와 같은 측정의 기본적인 원리를 이용하며, 다양한 센서와 TOF 기술을 적용하여 특정 대상체 또는 특정 지점의 3차원 좌표를 획득하고 이를 응용하도록 하기 위한 본 발명은, 측정장치와 대상체와의 거리 정보를 센싱하는 거리 센서(200), 상기 측정장치의 위치를 기준으로 회전각 정보를 센싱하는 기준 좌표 센서(300) 및 상기 거리 정보 및 회전각 정보를 기반으로 대상체의 3차원 좌표를 산출하는 마이크로컨트롤러(100)를 포함하여 구성되는 3차원 좌표 측정장치(10)를 제공한다.The present invention for acquiring and applying three-dimensional coordinates of a specific object or a specific point using various sensors and TOF technology using the basic principle of the above-described measurement is characterized by sensing distance information between the measurement device and the object A distance sensor 200, a reference coordinate sensor 300 for sensing rotation angle information based on the position of the measurement device, and a microcontroller 100 for calculating three-dimensional coordinates of the object based on the distance information and the rotation angle information, Dimensional coordinate measuring apparatus 10 according to an embodiment of the present invention.

이에 대한 이해를 돕기 위해, 도 1에 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 좌표 측정장치의 구성도가 도시되며, 각각의 구성들에 대한 설명은 다음과 같다.In order to facilitate understanding of this, FIG. 1 shows a configuration diagram of a three-dimensional coordinate measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.

먼저 본 발명의 거리 센서(200)는 측정장치와 대상체와의 거리 정보를 센싱하기 위한 구성으로서, 상기 거리 센서는 측정장치에 포함된 전자기파 또는 초음파 신호(이하 "신호"라 한다)를 이용한 변위센서인 것이 바람직하다.First, the distance sensor 200 of the present invention is configured to sense distance information between a measurement device and a target object. The distance sensor includes a displacement sensor using an electromagnetic wave or an ultrasonic signal (hereinafter referred to as " signal & .

상기 변위센서는 입사하고자 하는 신호를 발생시켜 대상지점에 입사하는 발광부와 상기 대상지점으로부터 반사되는 신호를 수신하는 수광부로 이루어지는데, 보다 구체적으로 상기 발광부는 신호를 발생시키는 광원, 상기 광원에서 출사된 신호를 집광하는 볼록렌즈 및 상기 볼록렌즈를 통과한 신호를 선형화하는 실린더형렌즈를 포함하고, 상기 수광부는 대상체에서 반사되는 신호를 결상시키는 결상렌즈 및 상기 결상렌즈의 일단에 연결되는 수광센서를 포함하여 구성된다.The displacement sensor comprises a light emitting unit that generates a signal to be incident and that receives a signal reflected from the target point. More specifically, the light emitting unit includes a light source that generates a signal, And a cylindrical lens for linearizing the signal passed through the convex lens, wherein the light receiving unit includes an image forming lens for forming a signal reflected by the object, and a light receiving sensor connected to one end of the image forming lens .

전자기파 또는 초음파를 이용하는 변위센서라 표현하였지만, 상기 거리 센서(200)로 이용되는 변위센서는 레이저를 포함한 다양한 주파수의 신호들을 이용할 수도 있음은 물론이다.It is needless to say that the displacement sensor used as the distance sensor 200 may use signals of various frequencies including laser.

위와 같은 거리 센서(200)를 이용하여 본 발명은 측정장치와 대상체 사이의 스칼라값인 직선거리 즉, 거리 정보를 센싱할 수 있으며, 이 정보를 그대로 이용할 수도 있으나 후술할 회전각 정보와 함께 이용되어 마이크로컨트롤러(100)에 의해 대상체의 3차원 좌표를 산출하는 것이 바람직하다.By using the distance sensor 200 as described above, the present invention can sense the linear distance, i.e., the distance information, which is a scalar value between the measuring device and the object, and can use this information as it is, It is preferable that the microcontroller 100 calculates the three-dimensional coordinates of the object.

그리고 본 발명의 기준 좌표 센서(300)는 상기 측정장치의 위치를 기준으로 측정장치의 회전각 정보를 센싱하기 위한 구성에 해당한다. 이러한 구성을 이용하여 본 발명은 측정장치를 기준점으로 놓았을 때, 특정 지점까지의 거리 정보와 측정장치의 회전각 정보를 알면 특정 지점의 3차원 좌표를 산출할 수 있게 된다.The reference coordinate sensor 300 of the present invention corresponds to a configuration for sensing the rotation angle information of the measurement apparatus based on the position of the measurement apparatus. With this arrangement, when the measuring apparatus is set as a reference point, the distance information to a specific point and the rotation angle information of the measuring apparatus can be known by using this configuration, so that the three-dimensional coordinates of a specific point can be calculated.

회전각 정보를 센싱하기 위한 상기 기준 좌표 센서(300)는 지자기 센서, 각도 센서 또는 변위 센서 중 어느 하나 이상을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.The reference coordinate sensor 300 for sensing rotation angle information may include at least one of a geomagnetic sensor, an angle sensor, and a displacement sensor.

지자기 센서란 지자기를 이용하여 절대위치를 검출하는 데 사용되는 것으로, 가장 간단한 것은 지침으로 지자기의 방향을 직접 알 수 있을 뿐만 아니라 진동주기로부터 크기를 알 수도 있다.The geomagnetic sensor is used to detect the absolute position using geomagnetism. The simplest is to not only know the direction of the geomagnetism directly but also know the magnitude from the vibration period.

현재에는 회전 코일을 이용한 자기의(磁氣儀), 강자성체의 자기포화 현상을 이용한 포화철심형 자력계(Flux gate magnetometer), 양성자의 핵자기 공명을 이용한 양자 자력계, 루비듐이나 세슘 원자의 제만효과를 이용한 광 펌핑 자력계, 초전도현상을 이용한 SQUID 등이 다양한 분야에서 사용되고 있다.At present, we are using magnetic coils of rotation, magnetic flux saturation magnetomagnetism using magnetic saturation phenomenon of ferromagnets, quantum magnetometer using proton nuclear magnetic resonance, and emitter effect of rubidium and cesium atoms. Optical pumping magnetometers, and SQUIDs using superconducting phenomena have been used in various fields.

그리고 각도 센서란 상기 측정장치의 회전각 정보를 획득하기 위한 구성으로, 미세각도의 측정에 사용되는 경우 광지레식 각도 센서가 이용될 수 있고, 축의 회전각도와 같은 비교적 큰 각도의 측정에 사용되는 경우 편광식 각도 센서가 이용될 수 있으며, 기타 공지의 각도 센서 또한 필요에 따라 적용될 수 있다.The angle sensor is a configuration for acquiring the rotation angle information of the measurement apparatus. When used for measurement of fine angles, a light-induced angle sensor can be used. When the angle sensor is used for measurement of a relatively large angle such as a rotation angle of a shaft A polarized angle sensor may be used, and other known angle sensors may be applied as needed.

또한, 변위 센서란 크게 직선변위 센서와 회전변위 센서로 나뉠 수 있는데, 회전각 정보를 센싱하기 위한 본 발명에서는 회전변위 센서가 이용되는 것이 바람직하다. 그 종류로는 포텐셔미터류, 회전형 차동변압기, 싱크로 리졸버, 로터리 엔코더, 펄스 제너레이터가 있는데, 이 중에서 싱크로 리졸버, 로터리 엔코더, 펄스 제너레이터가 많이 이용되고 있다.The displacement sensor can be roughly classified into a linear displacement sensor and a rotational displacement sensor. In the present invention for sensing rotation angle information, a rotational displacement sensor is preferably used. There are potentiometers, rotary differential transformers, synchronous resolvers, rotary encoders, and pulse generators, among which synchronous resolvers, rotary encoders, and pulse generators are widely used.

위와 같은 센서들이 센싱한 거리 정보 및 회전각 정보 등을 이용하여 대상체의 3차원 좌표를 산출하기 위해 본 발명은 마이크로컨트롤러(100)를 포함한다.The present invention includes a microcontroller 100 for calculating three-dimensional coordinates of a target object by using distance information and rotation angle information sensed by the sensors.

상기 마이크로컨트롤러(100)는 마이크로프로세서와 입출력 모듈을 하나의 칩으로 만들어 정해진 기능을 수행하는 컴퓨터를 의미하며, MCU(Micro Controller Unit)라고도 불린다.The microcontroller 100 refers to a computer that functions as a single chip of a microprocessor and an input / output module, and is also called a microcontroller unit (MCU).

이에 따라 본 발명은 대상체의 3차원 좌표를 산출하여 대상체까지의 거리, 대상체의 길이 및 높이 측정을 보다 손쉽게 수행할 수 있으며, 이에 대한 예시로 도 2에는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 좌표 산출을 통한 거리 측정을 나타낸 예시도가, 도 3에는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 좌표 산출을 통한 길이 측정을 나타낸 예시도가, 도 4에는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 좌표 산출을 통한 높이 측정을 나타낸 예시도가 도시된다.Accordingly, the present invention can easily measure the distance to the target object, the length and the height of the target object by calculating the three-dimensional coordinates of the target object. For example, FIG. 2 shows the three- FIG. 3 is an exemplary view illustrating distance measurement through calculation, FIG. 3 is an exemplary view illustrating length measurement by three-dimensional coordinate calculation according to an exemplary embodiment of the present invention, FIG. 4 is a three- An example of height measurement through calculation is shown.

도면 상에서 3차원 좌표 측정장치(10)는 디스플레이부(500)가 상부면에 형성된 직육면체의 형상으로 표시되었으나, 경우에 따라 원통 또는 정육면체 등 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.Although the apparatus for measuring three-dimensional coordinates 10 is shown in the form of a rectangular parallelepiped formed on the upper surface of the display unit 500, the apparatus may be embodied in various forms such as a cylinder or a cube.

먼저 도 2를 보면, 본 발명 3차원 좌표 측정장치(10)가 대상체의 좌표 (x, y, z)를 산출하여 측정장치와 대상체 간의 거리 D를 산출한다.2, the three-dimensional coordinate measuring apparatus 10 of the present invention calculates coordinates (x, y, z) of a target object to calculate a distance D between the measuring device and the target object.

이 경우 대상체로의 신호 입사를 위해 상기 3차원 좌표 측정장치(10)는 버튼을 포함할 수 있으며, 상기 버튼은 사용자가 손가락을 이용해 누름으로써 신호를 입사시키고, 버튼에서 손가락을 뗌으로써 신호의 입사를 종료시키는 방식으로 사용된다.In this case, the three-dimensional coordinate measuring apparatus 10 may include a button for inputting a signal to a target object. The button may be a button that is pressed by a user using a finger to input a signal, Is terminated.

경우에 따라, 지속적으로 신호의 입사가 필요한 경우가 있으므로 1회 버튼을 눌렀을 때에는 다시 버튼이 눌리게 될 때까지 연속하여 신호 입사가 이루어지는 방식을 채용할 수도 있다.In some cases, it may be necessary to continuously input a signal. Therefore, when the button is pressed once, a method may be employed in which signal input is continuously performed until the button is pressed again.

그리고 도 3은 본 발명 3차원 좌표 측정장치(10)를 이용하여 제1지점의 좌표 (x, y, z)를 산출하고 이후 제2지점의 좌표 (x', y', z')를 산출한 후 최종적으로 이들의 길이 L을 도출한다.FIG. 3 is a diagram illustrating the coordinates (x, y, z) of the first point by using the apparatus for measuring three-dimensional coordinates 10 of the present invention and then calculating the coordinates (x ', y' Finally, their length L is derived.

한편, 도 4 또한 마찬가지로 3차원 좌표 측정장치(10)를 이용해 제1지점의 좌표 (x, y, z)를 산출한 후 제2지점의 좌표 (x', y', z')를 산출함으로써 이들 사이의 높이 H를 도출한다.4, the coordinate (x, y, z) of the first point is calculated using the three-dimensional coordinate measuring apparatus 10 and the coordinate (x ', y', z ') of the second point is calculated And the height H between them is derived.

위의 예시들은 측정장치가 이동하지 않는 경우를 가정한 것으로, 만약 사용자의 회전이나 이동으로 측정장치의 위치가 변경되는 경우에는 제1지점의 3차원 좌표 산출 시와 제2지점의 3차원 좌표 산출 시 기준이 되는 좌표계가 상이하여 단순 직선거리는 도출해낼 수 있지만 도 3이나 도 4와 같은 길이 내지 높이 산출은 불가능하게 된다.The above examples assume that the measuring apparatus does not move. If the position of the measuring apparatus is changed due to the rotation or movement of the user, the three-dimensional coordinate calculation of the first point and the three-dimensional coordinate calculation of the second point The simple linear distance can be derived because the coordinate system serving as the time reference is different, but it is impossible to calculate the length or height as shown in FIG. 3 or FIG.

따라서, 본 발명은 측정장치의 이동 정보를 센싱하는 속도 센서(400)를 더 포함하고, 상기 측정장치의 이동 정보를 고려하여 대상체의 3차원 좌표를 산출하는 경우, 마이크로컨트롤러(100)는 로테이션 매트릭스(Rotation Matrix)를 이용하여 좌표계를 치환함으로써 대상체의 3차원 좌표를 산출하도록 한다.Therefore, in the case of calculating the three-dimensional coordinates of the object in consideration of the movement information of the measurement apparatus, the microcontroller 100 controls the rotation matrix Dimensional coordinates of the object are calculated by substituting the coordinate system by using the rotation matrix (Rotation Matrix).

먼저, 상기 속도 센서(400)는 상기 측정장치의 가속도를 센싱하는 가속도 센서 및 상기 측정장치의 각속도를 센싱하는 자이로스코프 센서를 포함하는 것이 바람직하다.First, the speed sensor 400 preferably includes an acceleration sensor for sensing the acceleration of the measurement device and a gyroscope sensor for sensing the angular velocity of the measurement device.

가속도 센서란 단위시간당 속도의 변화를 검출하기 위한 구성으로, 관성력, 전기변형, 자이로의 원리를 이용하여 가속도, 진동, 충격 등의 동적인 힘을 감지하는 것을 특징으로 한다.An acceleration sensor is a device for detecting a change in velocity per unit time, and is characterized by detecting dynamic forces such as acceleration, vibration, and shock using inertia force, electric strain, and gyro principle.

이러한 가속도 센서를 이용하는 경우 가속도가 출력으로 발생하는데, 이 출력값을 적분하면 속도를 얻을 수 있고, 한 번 더 적분하는 경우 이동 거리를 얻을 수 있게 된다When this acceleration sensor is used, the acceleration is generated as an output. By integrating this output value, the speed can be obtained, and when it is integrated one more time, the movement distance can be obtained

이렇게 얻어진 이동 거리는 자이로스코프 센서를 통해 얻은 각도값과 함께 측정장치의 이동 좌표를 산출하게 되어 측정장치의 이동 시에도 보다 정밀하고 효율적인 3차원 좌표 산출을 수행할 수 있다.The moving distance thus obtained calculates the moving coordinates of the measuring apparatus together with the angle value obtained through the gyroscope sensor, so that it is possible to perform more precise and efficient calculation of the three-dimensional coordinates when the measuring apparatus is moved.

그리고 자이로스코프 센서란 방향의 측정이나 유지에 사용되는 구성으로서, 각가속도를 출력한다. 자이로스코프는 축이 어느 방향으로든지 놓일 수 있는 회전하는 바퀴이며, 로터(Rotor)와 짐벌(Gimbal)로 이루어진 하나의 메커니즘으로서 각운동량 보존법칙에 근거하는 특징이 있다.The gyroscope sensor is a configuration used for measuring and maintaining the direction, and outputs the angular acceleration. A gyroscope is a rotating wheel on which an axis can be placed in either direction, and is a mechanism consisting of a rotor and a gimbal, which are based on the Angular momentum conservation law.

자이로스코프가 빠르게 회전할 때에는 외부에서 토크가 주어졌을 때 그 방향이 회전에 의한 각운동량에 의해 회전하지 않을 때보다 훨씬 적게 변화하게 되며, 자이로스코프는 수평 유지 장치인 짐벌에 놓이게 되므로 외부의 토크는 최소화되고, 장착된 받침이 움직이더라도 그 방향은 거의 고정되는 특성을 가진다.When the gyroscope rotates rapidly, when the torque is given from the outside, the direction changes much less than when it is not rotated due to the angular momentum due to the rotation, and the gyroscope is placed on the gym And the direction is almost fixed even if the mounted support moves.

상기 자이로스코프 센서가 출력한 각가속도를 적분하면 각속도를 알 수 있고, 이를 한 번 더 적분하는 경우에는 각도를 얻게 된다. 이렇게 얻은 각도는 가속도 센서로부터 얻은 이동 거리와 함께 측정장치의 이동 좌표 산출에 이용된다.By integrating the angular velocity output from the gyroscope sensor, the angular velocity can be known. If the angular velocity is further integrated, the angle is obtained. The obtained angle is used to calculate the moving coordinates of the measuring apparatus together with the moving distance obtained from the acceleration sensor.

상기 측정장치의 이동 좌표를 포함한 이동 정보가 도출된 후에는 로테이션 매트릭스를 이용하여 좌표계를 치환함으로써 최종적인 3차원 좌표를 산출하게 되며, 이 때 상기 로테이션 매트릭스는

Figure pat00002
에 해당한다.After the movement information including the movement coordinates of the measurement apparatus is derived, the final three-dimensional coordinates are calculated by replacing the coordinate system using the rotation matrix,
Figure pat00002
.

위 식에서 2 1RZYX는 로테이션 매트릭스, RZ(α)는 측정장치가 Z축으로 회전한 α만큼의 각정보 매트릭스, RY(β)는 측정장치가 Y축으로 회전한 β만큼의 각정보 매트릭스, RX(γ)는 측정장치가 X축으로 회전한 γ만큼의 각정보 매트릭스, s는 사인(sine), 그리고 c는 코사인(cosine)에 해당한다.In the above equation, 2 1 R ZYX is a rotation matrix, R Z (α) is an information matrix corresponding to α rotated by the measuring device in the Z axis, R Y (β) The matrix, R X (γ), corresponds to each information matrix as γ rotated by the measuring device about the X axis, s to sine, and c to cosine.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명 3차원 좌표 측정장치(10)를 이용하여 3차원 좌표를 측정하는 원리를 설명하면, 먼저 신호를 발신 및 수신하는 측정장치와 상기 신호를 반사하는 대상체간의 TOF(Time Of Flight)를 통해 최초의 거리 정보를 획득하여 제1좌표계에서의 3차원 좌표 및 벡터를 도출한다. 이후, 측정장치의 이동 및/또는 회전 등 움직임에 따른 이동 정보 및 이동 벡터를 산출하고, 후속 신호를 발신 및 수신함에 따라 제2좌표계에서의 3차원 좌표 및 벡터를 산출해내는 방식을 이용한다.The principle of measuring the three-dimensional coordinates using the three-dimensional coordinate measuring apparatus 10 of the present invention having the above-described configuration will be described. First, a TOF (Time) between a measuring device for transmitting and receiving a signal, Of Flight) to obtain three-dimensional coordinates and vectors in the first coordinate system. Thereafter, motion information and a motion vector according to motion, such as movement and / or rotation of the measurement apparatus, are calculated, and a three-dimensional coordinate and a vector in the second coordinate system are calculated according to transmission and reception of a subsequent signal.

본 방식에 따르면, 스칼라값인 거리 정보를 벡터화하는 단계가 수행되는데, 이 때에는 3개의 좌표 정보 및 3개의 각도 정보, 총 6개의 데이터가 요구된다.According to this method, a step of vectorizing distance information which is a scalar value is performed. At this time, three coordinate information and three angle information, i.e., a total of six data, are required.

다시 말하면, 3차원 상에 존재하는 물체는 기준 좌표계의 0점을 중심으로 (x, y, z) 좌표값을 가지며, 그 방위는 각축의 회전값 (α, β, γ)에 의해 결정되므로, 본 발명에서는 신호로 처음 대상체를 포인팅한 좌표계를 기준 좌표계로 설정할 경우 이후 포인팅되는 3차원 좌표는 x, y, z축의 이동거리와 α, β, γ 회전각만 알면 정확히 알 수 있게 된다.In other words, an object existing on a three-dimensional coordinate system has coordinate values (x, y, z) centered on the zero point of the reference coordinate system and its orientation is determined by the rotation values (?,?,?) Of the respective axes, In the present invention, when the coordinate system in which the object is initially pointed by the signal is set as the reference coordinate system, the pointed three-dimensional coordinates can be accurately known only when the movement distances of the x, y, and z axes and the rotation angles of?,?,?

도 5a 및 도 5b에 본 발명의 일실시예에 따른 제1지점과 제2지점 및 측정장치의 3차원 좌표 측정을 나타낸 예시도가 도시된다.Figures 5A and 5B show an exemplary view of a first point, a second point, and a three-dimensional coordinate measurement of a measurement device in accordance with an embodiment of the present invention.

보다 구체적으로는, 도 5a는 측정장치가 고정된 3차원 좌표를 가지는 경우에 제1지점과 제2지점의 3차원 좌표를 측정하는 것을 나타내며, 도 5b는 측정장치가 이동하는 경우 즉, 제1지점의 3차원 좌표를 측정할 때의 측정장치의 3차원 좌표와 제2지점의 3차원 좌표를 측정할 때의 측정장치의 3차원 좌표가 상이한 경우를 나타낸다.More specifically, FIG. 5A shows measurement of the three-dimensional coordinates of the first point and the second point when the measuring apparatus has fixed three-dimensional coordinates, FIG. 5B shows a case where the measuring apparatus moves, that is, Dimensional coordinate of the measurement apparatus when measuring the three-dimensional coordinates of the point is different from the three-dimensional coordinates of the measuring apparatus when the three-dimensional coordinate of the second point is measured.

도 5a에서 측정장치는 고정된 상태로 (0, 0, 0)의 3차원 좌표를 가지며, 제1지점은 (x1, y1, z1)의 3차원 좌표를 가지고, 제2지점은 (x2, y2, z2)의 3차원 좌표를 가진다.5A, the measuring apparatus has three-dimensional coordinates of (0, 0, 0) in a fixed state, a first point has three-dimensional coordinates of (x1, y1, z1) , z2).

이 경우에는 앞서 설명한 바와 같이, 측정장치와 제1지점까지의 거리 L1, 측정장치와 제2지점까지의 거리 L2, 그리고 끼인각 θ를 측정하면 제1지점과 제2지점간의 거리를 구할 수 있다.In this case, the distance between the first point and the second point can be obtained by measuring the distance L1 to the first point, the distance L2 to the second point, and the included angle? As described above.

따라서, 특별히 제1지점의 3차원 좌표와 제2지점의 3차원 좌표를 획득하지 않고도 제1지점과 제2지점 사이의 길이를 획득할 수 있으나, 또 다른 활용을 위해 각 지점들의 3차원 좌표가 필요한 경우에는 후술할 방식을 이용하여 3차원 좌표를 획득할 수도 있다.Therefore, it is possible to obtain the length between the first point and the second point without obtaining the three-dimensional coordinate of the first point and the three-dimensional coordinate of the second point, but for the other application, the three- If necessary, three-dimensional coordinates may be obtained using a method described later.

반면, 도 5b은 측정장치가 이동하는 경우를 나타내며, 제1지점(P1)을 측정할 때의 측정장치의 위치와 제2지점(P2)을 측정할 때의 측정장치의 위치가 상이한 조건을 가진다.On the other hand, FIG. 5B shows a case in which the measuring apparatus moves, and has a condition in which the position of the measuring apparatus when measuring the first point P1 and the position of the measuring apparatus when measuring the second point P2 are different .

따라서, 도 5b의 왼쪽 그림과 같이 제1지점(P1)을 측정할 때에는 제1좌표계에서 신호가 방사되는 제1지점 방향을 y축으로 설정한 후 3차원 좌표를 획득하고, 제2지점(P2)을 측정할 때에는 제2좌표계에서 신호가 방사되는 제2지점을 y축으로 설정한 후 3차원 좌표를 획득한다. 이 때 각각의 좌표계에서 신호가 방사되는 지점의 방향을 y축으로 설정하며, 중력 방향을 z축, 나머지 한 방향을 x축으로 설정하게 된다.5B, when measuring the first point P1, the first point direction in which the signal is radiated in the first coordinate system is set as the y-axis and then the three-dimensional coordinate is obtained, and the second point P2 ), The second point at which the signal is emitted in the second coordinate system is set as the y-axis, and then the three-dimensional coordinate is obtained. In this case, the direction of the point at which the signal is radiated in each coordinate system is set as the y-axis, the gravity direction is set as the z-axis, and the other direction is set as the x-axis.

위와 같은 경우, 제1좌표계를 중심으로 제2지점의 측정 포인트 즉, 제1좌표계에서 측정장치부터 제2지점까지의 벡터는 1P2Tar이고, 상기 1P2Tar = 1P2Org + 2P2Tar로 계산되는데, 1P2Org는 제1좌표계에서 측정장치의 이동벡터이고, 2P2Tar는 제2좌표계에서 측정장치부터 제2지점까지의 벡터에 해당한다.In this case, the vector from the measuring point to the second point on the measuring point at the second point, i.e., the measuring point in the first coordinate system, is 1 P 2Tar around the first coordinate system, and 1 P 2Tar = 1 P 2Org + 2 P 2Tar 1 P 2Org is the motion vector of the measuring device in the first coordinate system and 2 P 2Tar is the vector from the measuring device to the second point in the second coordinate system.

다시 말해, 제1좌표계에서의 벡터인 1P2Tar을 구하기 위해서는 제2좌표계에서의 벡터인 2P2Tar를 제1좌표계로 치환하지 않고서는 벡터합을 연산할 수 없게 된다.In other words, in order to obtain 1 P 2Tar as a vector in the first coordinate system, the vector sum can not be calculated without replacing 2 P 2Tar , which is a vector in the second coordinate system, with the first coordinate system.

따라서, 우측 도면과 같이 동일한 좌표계로 해당 좌표들을 치환하여 연산하기 위해 상기 로테이션 매트릭스가 이용되며, 제2좌표계에서 측정장치부터 제2지점까지의 벡터 2P(또는 2P2Tar)는 로테이션 매트릭스를 통해 제1좌표계에서의 측정장치부터 제2지점까지의 벡터 1P(또는 1P2Tar)로 치환될 수 있다.Therefore, the rotation matrix is used to substitute corresponding coordinates in the same coordinate system as in the right figure, and the vector 2 P (or 2 P 2 Tar ) from the measuring device to the second point in the second coordinate system is transformed through the rotation matrix Can be replaced with a vector 1 P (or 1 P 2 Tar ) from the measuring device in the first coordinate system to the second point.

반대로, 경우에 따라서는 제1좌표계에서 측정장치부터 제1지점까지의 벡터 1P1Tar를 제2좌표계에서의 벡터합을 위해 제2좌표계에서 측정장치부터 제1지점까지의 벡터 2P1Tar로 치환하여 연산할 수도 있다. 이 때에는 제1좌표계에서 측정장치의 이동 정보를 나타내는 이동벡터 1P2Org 대신 제2좌표계에서 측정장치의 이동 정보를 나타내는 이동벡터 2P1Org를 구하여야 한다.Conversely, in some cases, the vector 1 P 1Tar from the measuring device to the first point in the first coordinate system is replaced with the vector 2 P 1Tar from the measuring device to the first point in the second coordinate system for the vector sum in the second coordinate system . In this case, instead of the motion vector 1 P 2Org indicating the movement information of the measurement apparatus in the first coordinate system, a motion vector 2 P 1Org representing the movement information of the measurement apparatus in the second coordinate system should be obtained.

즉, 신호의 발신과 수신을 통해 측정된 스칼라값인 거리 정보를 벡터값으로 산정하고, 제1좌표계의 영점인 측정장치의 좌표를 (x1, y1, z1)로 설정한 후, 신호가 수신될 때 제1지점의 좌표 (x1, y1', z1)를 구할 수 있는데, 이는 제1지점 방향을 y축으로 설정하였기 때문이다.That is, the distance information, which is a scalar value measured through transmission and reception of a signal, is calculated as a vector value, and the coordinates of the measurement apparatus, which is the zero point of the first coordinate system, are set to (x1, y1, z1) The coordinates (x1, y1 ', z1) of the first point can be obtained because the first point direction is set as the y-axis.

이러한 제1좌표계의 좌표 정보들은 거리 센서(200), 기준 좌표 센서(300) 및 좌표 연산이 가능한 마이크로컨트롤러(100)를 통해 구할 수 있으며, 위와 같은 방법 외에도 영점 조정 수행 또는 절대좌표를 알 수 있는 위치에서 측정 수행 등 최초 측정장치의 좌표를 먼저 산출하여 구한 후 신호가 닿는 대상체의 좌표를 구하는 방법으로도 가능하다. 결과적으로, 최초 기준 좌표계를 지정하는 순서는 다양하며 상술한 내용에 한정되지 않는다.The coordinate information of the first coordinate system can be obtained through the distance sensor 200, the reference coordinate sensor 300, and the microcontroller 100 capable of coordinate calculation. In addition to the above method, It is also possible to calculate the coordinates of the initial measuring device such as measurement at the position and obtain the coordinates of the object to which the signal comes. As a result, the order of designating the initial reference coordinate system varies and is not limited to the above description.

만약, 위 예시와 달리 ⅰ) 제1좌표계에서 제1지점과 제2지점의 3차원 좌표를 획득하고, 제2좌표계에서 제3지점과 제4지점의 3차원 좌표를 획득하여야 하는 경우, 또는 ⅱ) 제1좌표계에서 제1지점의 3차원 좌표를 획득하고, 제2좌표계에서 제2지점의 3차원 좌표를 획득한 후, 제3좌표계에서 제3지점의 3차원 좌표를 획득하여야 하는 경우에는, 마찬가지로 서로 다른 좌표계에서 벡터합을 구하는 과정을 통해 원하는 정보를 획득하여야 하므로, 상기 로테이션 매트릭스를 반복하여 적용함으로써 획득한 3차원 좌표(또는 이를 이용한 벡터)들을 동일한 좌표계로 치환하여 원하는 결과값을 얻을 수 있게 된다.If, in contrast to the above example, the three-dimensional coordinates of the first point and the second point are obtained in the first coordinate system and the three-dimensional coordinates of the third point and the fourth point are acquired in the second coordinate system, or ) When obtaining the three-dimensional coordinates of the first point in the first coordinate system, obtaining the three-dimensional coordinates of the second point in the second coordinate system, and then obtaining the three-dimensional coordinates of the third point in the third coordinate system, Similarly, since desired information is obtained through a process of obtaining a vector sum in different coordinate systems, a desired result value can be obtained by replacing the three-dimensional coordinates (or vectors using the same) obtained by repeatedly applying the rotation matrix to the same coordinate system .

따라서, 본 발명은 더 많은 지점의 3차원 좌표, 그리고 해당 벡터를 도출하기 위해서 상기 로테이션 매트릭스를 다수 이용함으로써 추가적인 정보를 얻을 수 있는 특징이 있다.Therefore, the present invention is characterized by obtaining more information by using the three-dimensional coordinates of more points and the rotation matrix in order to derive the corresponding vector.

이어서 도 6에는 본 발명의 일실시예에 따른 특정 지점들을 매핑하기 위한 전위벡터를 나타낸 예시도가 도시된다.6 is a diagram illustrating an example of a potential vector for mapping specific points according to an embodiment of the present invention.

본 과정은 제1좌표계에서 구한 이동 전의 측정장치 및 제1지점의 3차원 좌표와 제2좌표계에서 구한 이동 후의 측정장치 및 제2지점의 3차원 좌표를 이용하여 대상체의 길이, 높이, 입체정보 및 측정장치의 이동 정보 등을 도출해내기 위한 과정으로서, 서로 다른 좌표계에서 얻은 좌표 정보를 연산하기 위한 절차에 해당한다.In this procedure, the length, height, stereoscopic information and the like of the object are measured using the measurement apparatus before the movement obtained in the first coordinate system, the three-dimensional coordinates of the first point and the three-dimensional coordinates of the second point, And the movement information of the measuring apparatus, and corresponds to a procedure for calculating coordinate information obtained from different coordinate systems.

보다 상세히 설명하면, 제1좌표계의 좌표축을 제1지점 방향을 y축으로, 중력 방향을 z축으로, 나머지 방향을 x축으로 설정하여 측정장치 또는 제1좌표계의 기준점에서 제1지점까지의 벡터 1P1Tar를 도출한다.More specifically, the coordinate axes of the first coordinate system are set as the y-axis, the gravity direction as the z-axis, and the remaining directions as the x-axis, so that the vector from the reference point to the first point of the measuring device or the first coordinate system 1 P 1Tar .

여기서, 1P1Tar의 좌측 상단 첨자는 제1좌표계를 나타내는데, P는 제1좌표계에서의 위치 벡터, 우측 하단 첨자는 제1좌표계에서의 목표지점을 말하며, 1Tar은 첫 번째 타겟점(제1지점), 2Tar은 두 번째 타겟점(제2지점)을 의미한다.Herein, the upper left subscript of 1 P 1Tar represents a first coordinate system, P is a position vector in the first coordinate system, the lower right subscript is a target point in the first coordinate system, 1Tar is a first target point ), 2Tar means the second target point (second point).

그리고 측정장치가 이동 또는 회전한 후, 제2좌표계는 좌표축을 제2지점 방향을 y축으로, 중력 방향을 z축으로, 그리고 나머지 방향을 x축으로 설정하여 이동 후의 측정장치 또는 제2좌표계의 기준점에서 제2지점까지의 벡터 2P2Tar를 도출한다.Then, after the measurement apparatus moves or rotates, the second coordinate system sets the coordinate axis to the second point direction as the y axis, the gravity direction as the z axis, and the remaining direction to the x axis, And the vector 2 P 2Tar from the reference point to the second point is derived.

도 6에서 제1지점과 제2지점은 동일한 지점으로 표시되어 있으나, 상기 제1지점과 제2지점이 서로 다른 위치인 경우에도 로테이션 매트릭스를 이용하여 벡터합을 연산할 수 있는 본 방식을 이용할 수 있는 것은 동일하다.Although the first point and the second point are indicated by the same point in FIG. 6, even when the first point and the second point are at different positions, it is possible to use the present method in which the vector sum can be calculated using the rotation matrix It is the same.

그리고 제1좌표계의 기준점(측정장치의 이동 전 위치)에서부터 제2좌표계의 기준점(측정장치의 이동 후 위치)까지의 이동벡터 1P2Org를 도출한 후 후술할 로테이션 매트릭스를 적용함으로써 벡터합을 구하여야 한다.Then, a motion vector 1 P 2Org from the reference point of the first coordinate system (position before movement of the measuring apparatus) to the reference point of the second coordinate system (position after movement of the measuring apparatus) is derived and a vector sum is obtained by applying a rotation matrix shall.

예를 들면, 제2좌표계에서 획득한 제2지점 3차원 좌표를 이용하여 제1좌표계에서 제2지점의 3차원 좌표 1P2Tar를 획득하고자 하는 경우에는, 상기 로테이션 매트릭스 2 1RZYX에 제2좌표계에서 측정장치부터 제2지점까지의 벡터 2P2Tar를 곱한 값에 제1좌표계에서 측정장치의 이동벡터 1P2Org를 더하면 된다.For example, when it is desired to acquire the three-dimensional coordinate 1 P 2 Tar of the second point in the first coordinate system using the second point three-dimensional coordinates acquired in the second coordinate system, the rotation matrix 2 1 R ZYX The moving vector 1 P 2Org of the measuring device in the first coordinate system is added to the value obtained by multiplying the vector 2 P 2Tar from the measuring device to the second point in the coordinate system.

이를 수식으로 표현하면, '1P2Tar = 2 1RZYX 2P2Tar + 1P2Org'와 같다.This expression is expressed as ' 1 P 2Tar = 2 1 R ZYX 2 P 2Tar + 1 P 2Org '.

이러한 로테이션 매트릭스를 적용함으로써 서로 다른 좌표계에서의 벡터합을 연산할 수 있으며, 결과적으로 3차원 좌표를 획득함에 있어서 측정장치의 이동에 관한 제약이 사라지는 효과가 있다.By applying such a rotation matrix, the vector sum in different coordinate systems can be calculated, and as a result, there is an effect that restrictions on the movement of the measuring device are lost in acquiring three-dimensional coordinates.

상술한 내용을 한 번 더 상세히 설명하면, 처음 타겟팅한 제1지점의 좌표축(기준좌표축)이 제1좌표계, 이후 타겟팅되는 지점이 제2지점, 제3지점으로 진행될 때 첫 번째 포인팅되는 제1지점은 획득된 거리정보만큼의 제1좌표계의 y축 좌표값을 가지며 그 값은 (0, L1, 0)이 된다.The above description will be described in more detail. When the coordinate axis (reference coordinate axis) of the first target first is the first coordinate system, then the target point is the second point, the first point Axis coordinate value of the first coordinate system as much as the obtained distance information, and its value is (0, L 1 , 0).

이후, 두 번째 타겟을 포인팅하기 위해 측정장치가 이동 또는 회전하게 되며, 이동 후의 좌표계는 제2좌표계가 되고, 마찬가지로 두 번째 포인팅되는 제2지점 또한 획득된 거리정보만큼의 제2좌표계의 y축 좌표값을 가지므로 그 값은 (0, L2, 0)이다.Thereafter, the measuring apparatus moves or rotates to point to the second target, and the coordinate system after the movement becomes the second coordinate system. Likewise, the second point to be pointed in the second direction is also the y axis coordinate of the second coordinate system Value, so the value is (0, L 2 , 0).

만약 위 3차원 좌표들을 이용하여 대상체의 길이 등 원하는 측정값을 구하고자 할 때, 이미 획득한 3차원 좌표값은 서로간의 좌표계가 상이한 제1좌표계 및 제2좌표계이므로 벡터합 등의 연산이 불가능하다.If a desired measurement value such as the length of the object is obtained by using the above three-dimensional coordinates, the previously acquired three-dimensional coordinate values can not be calculated because the first and second coordinate systems have mutually different coordinate systems .

따라서, 본 발명에서 제안하는 바와 같이 로테이션 매트릭스가 필요하게 되며, 수식 '1P2Tar = 2 1RZYX 2P2Tar + 1P2Org'를 통해 원하는 결과값을 도출할 수 있다.Therefore, a rotation matrix is required as proposed in the present invention, and a desired result value can be derived from the formula ' 1 P 2Tar = 2 1 R ZYX 2 P 2Tar + 1 P 2Org '.

도 6과 도 7을 참조하여 부호와 함께 본 발명을 다시 설명하면, P는 위치 벡터이고 우측 하단의 첨자는 목표점을 의미하는데, 1Tar은 첫 번째 타겟 지점, 2Tar은 두 번째 타겟 지점을 뜻한다.6 and 7, P is a position vector, and subscripts at the lower right of the figure represent target points, where 1Tar denotes a first target point and 2Tar denotes a second target point.

즉, 첫 번째 타겟에 대한 벡터 1P1Tar은 기준 좌표계로 선택됨에 따라 거리 센서(200)로 측정된 만큼의 제1좌표계의 y축 좌표값을 가지며 측정장치의 3차원 좌표를 (0, 0, 0)으로 설정한 경우 그 값은 (0, L1, 0)이 된다. 여기서 L1은 측정장치에서 제1지점까지의 거리이다.That is, the vector 1 P 1Tar for the first target has the y-axis coordinate value of the first coordinate system measured by the distance sensor 200 as selected by the reference coordinate system, and the three-dimensional coordinates of the measuring apparatus are (0, 0, 0), the value is (0, L 1 , 0). Where L 1 is the distance from the measuring device to the first point.

이후, 첫 번째 타겟을 측정한 후 두 번째 타겟을 포인팅하기 위해 이동된 3축 좌표 1P2Org에서 좌측 상단의 첨자는 동일한 제1좌표계를 나타내며 기준 좌표계를 중심으로 두 번째 타겟의 중심(Org) 좌표계로 얼마나 이동했는지를 의미한다.Then, in order to point to the second target after the first target is measured, the subscripts at the upper left of the shifted 3-axis coordinate 1 P 2Org indicate the same first coordinate system, and the center of the second target (Org) As shown in FIG.

이동 후 측정 좌표계는 제2좌표계가 되며, 2P2Tar은 제2좌표계를 중심으로 두 번째 타겟까지의 벡터를 의미하고, 제1좌표계를 중심으로 제2좌표계의 측정 포인트는 1P1Tar = 1P2Org + 2P2Tar로 계산되는데, 이 때 제1좌표계와 제2좌표계의 벡터합이 불가능하므로 상술한 바와 같이 로테이션 매트릭스를 이용하게 된다. 2 P 2Tar denotes a vector up to the second target around the second coordinate system, and the measurement point of the second coordinate system around the first coordinate system is 1 P 1Tar = 1 P is calculated by 2Org + 2 P 2Tar, it is not possible when the vector sum of the first coordinate system and the second coordinate system is using a rotation matrix as described above.

이어서, 도 8에는 본 발명의 일실시예에 따른 가속도계, 각속도계 및 변위센서를 이용한 3차원 좌표의 획득을 나타낸 개념도가 도시된다.FIG. 8 is a conceptual diagram illustrating acquisition of three-dimensional coordinates using an accelerometer, an angular velocity meter, and a displacement sensor according to an embodiment of the present invention.

도면을 참조하면, 본 발명은 각속도계(자이로스코프 센서)와 가속도계(가속도 센서)를 포함한 기준 좌표 센서(300)를 이용하여 측정장치의 자세 형상 정보를 획득하고, 거리 센서(200)를 이용해 대상체 또는 특정 지점까지의 직선 거리 정보를 획득하여 칼만 필터를 통한 최소 제곱법을 이용해 측정값들을 분석함으로써 위치 정보를 통합한 후, 최종적으로 3차원 좌표로 구체화될 수 있는 통합 위치정보를 획득하는 개념으로 구현된다.Referring to the drawings, the present invention obtains posture shape information of a measurement apparatus using a reference coordinate sensor 300 including a speedometer (gyroscope sensor) and an accelerometer (acceleration sensor) Or by acquiring linear distance information up to a certain point and analyzing the measured values using a least squares method using a Kalman filter to acquire integrated position information that can be finally embodied as three-dimensional coordinates .

한편, 도 9에는 본 발명의 일실시예에 따른 가속도계, 각속도계 및 변위센서를 이용한 3차원 좌표 획득의 알고리즘을 나타낸 예시도가 도시된다.FIG. 9 is a diagram illustrating an algorithm for acquiring three-dimensional coordinates using an accelerometer, an accelerometer, and a displacement sensor according to an embodiment of the present invention.

도면에서 나타난 wb는 자이로스코프 센서로 측정한 각가속도이고, fb는 가속도 센서로 측정한 가속도이며, Rn b는 오일러각에 대응하는 회전행렬이고, gn은 항법 좌표계(기준 좌표계)에서 단위 중력가속도이며, Vn은 항법 좌표계(기준 좌표계)에서 측정장치의 속도, rn은 항법 좌표계(기준 좌표계)에서 측정장치의 위치에 해당한다.In the figure, w b is the angular acceleration measured by the gyroscope sensor, f b is the acceleration measured by the acceleration sensor, R n b is the rotation matrix corresponding to the Euler angles, g n is the unit in the navigation coordinate system (reference coordinate system) V n is the velocity of the measuring device in the navigation coordinate system (reference coordinate system), and r n is the position of the measuring device in the navigation coordinate system (reference coordinate system).

앞서 설명한 개념과 동일하게, 자이로스코프 센서(IMU: Inertial Measurement Unit)를 통해 얻은 각가속도를 HDR(Heuristic Drift Reduction) 알고리즘을 적용한 후 자세에 대한 칼만 필터를 통과시키고 오일러각에 대응하는 회전행렬을 적용하여 결과값을 후술할 속도, 위치에 대한 칼만 필터에 통과시킨다.Similarly to the above-described concept, an angular velocity obtained through a gyroscope sensor (IMU) is applied to a Kalman filter for attitude after applying an HDR (Heuristic Drift Reduction) algorithm, and a rotation matrix corresponding to the Euler angle is applied The resultant value is passed through the Kalman filter for the velocity and position to be described later.

그리고 가속도 센서를 통해 얻은 가속도를 HSR(Heuristic Scale Regulation) 알고리즘을 적용한 후 중력가속도를 적용하여 속도를 산출하고 이를 앞선 결과값과 함께 속도, 위치에 대한 칼만 필터를 통과시킨다.Then, the acceleration obtained from the acceleration sensor is applied to the acceleration by applying the HSR (Heuristic Scale Regulation) algorithm, and the velocity is calculated.

결과적으로 항법 좌표계(또는 기준 좌표계)에서의 측정장치의 속도와 위치 등의 값을 산출해낼 수 있게 된다.As a result, it is possible to calculate values such as the speed and position of the measuring apparatus in the navigation coordinate system (or reference coordinate system).

여기서, HDR이란 자이로 센서의 드리프트 최소화를 위한 알고리즘으로서, 자이로 센서를 각속도를 출력하고 상기 각속도를 적분하여 회전각을 계산하게 되는데, 이 때 작은 바이어스 드리프트(Bias Drift)라도 적분을 통해 누적되는 큰 오차가 발생하게 되므로, 상기 HDR은 이러한 바이어스 드리프트를 최소화하기 위한 알고리즘에 해당한다.Here, the HDR is an algorithm for minimizing the drift of the gyro sensor. The gyro sensor outputs an angular velocity and integrates the angular velocity to calculate a rotation angle. At this time, even if a small bias drift occurs, The HDR corresponds to an algorithm for minimizing the bias drift.

또한, HSR이란 가속도 센서의 스케일 팩터 조절 알고리즘으로, 가속도 센서는 가속도를 출력하고 상기 가속도에는 중력이 포함되어 있기 때문에 중력을 제거한 후 적분하여 속도와 위치를 계산하게 되는데, 이 때 작은 스케일 팩터(Scale Factor)의 변화로 인하 중력 성분이 제대로 제거되지 않고 적분을 통해 누적되면 큰 오차가 발생하게 되므로, 상기 HSR은 이러한 스케일 팩터를 조절하기 위한 알고리즘이다.The HSR is a scale factor adjustment algorithm of an acceleration sensor. The acceleration sensor outputs acceleration, and the gravity is included in the acceleration. Therefore, the gravity is eliminated and then integrated to calculate a speed and a position. At this time, a small scale factor Factor), a large error is generated when the gravity component is not removed properly but is accumulated through integration. Therefore, the HSR is an algorithm for adjusting the scale factor.

한편, 본 발명은 센싱한 값 또는 산출한 값을 사용자가 현장에서 그대로 이용할 수도 있지만 다른 현장이나 장소에서 이용할 수 있도록 외부 단말기(610)와 연동할 수 있는 통신부(600)를 더 포함하며, 상기 통신부는 통신망을 통해 회전과 이동이 가능한 외부 단말기와 연동함으로써 더욱 난이도 높은 측량 업무를 지원하거나 결과값을 응용할 수 있도록 한다.Meanwhile, the present invention further includes a communication unit 600 capable of interfacing with the external terminal 610 so that the user can use the sensed value or the calculated value as it is in the field, Is linked with an external terminal capable of rotating and moving through a communication network, thereby supporting a more difficult surveying task or applying a result value.

이 때, 상기 통신망은 와이파이(Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth), 지그비(Zigbee), 지-웨이브(Z-Wave) 등의 근거리무선통신망 또는 원거리무선통신망에 해당할 수 있으며, 외부 단말기(610) 또한 데스크탑 PC, 노트북 PC, 스마트폰 등의 컴퓨터 장치 또는 연동하는 다른 측정장치에 해당할 수 있다.At this time, the communication network may correspond to a short-range wireless communication network or a long-distance wireless communication network such as Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, Z- ) May also be a computer device such as a desktop PC, a notebook PC, a smart phone, or other interlocking measuring device.

한편, 위와 같은 구성으로 대상체 또는 특정 지점의 3차원 좌표를 산출함에 있어서, 본 발명은 여러 가지 상황에 의해 발생할 수 있는 오차를 보정하기 위해 다양한 오차 보정 알고리즘을 이용한다.Meanwhile, in calculating the three-dimensional coordinates of a target object or a specific point in the above-described configuration, the present invention uses various error correction algorithms to correct errors that may occur due to various situations.

상기 오차 보정 알고리즘은 대상체의 자세각 측정을 위한 위치 및 각도 보정 알고리즘, 장치의 진동에 의한 오차를 보정하는 손 떨림 보정 알고리즘, 사용자의 팔길이를 고려하여 대상체까지의 거리를 구하는 삼각함수 기법 알고리즘, 주파수가 비선형적으로 변화하는 것을 보정하는 비선형성 보정 알고리즘 또는 센서값의 정확성을 향상시키기 위한 센서 융합 알고리즘 중 어느 하나 이상을 포함하며, 각각의 알고리즘에 대한 설명은 다음과 같다.The error correction algorithm includes a position and angle correction algorithm for measuring an attitude angle of a target object, a hand tremble correcting algorithm for correcting an error due to vibration of the apparatus, a trigonometric function algorithm for obtaining a distance to an object in consideration of a user's arm length, A nonlinearity correction algorithm for correcting nonlinear changes in frequency, or a sensor fusion algorithm for improving the accuracy of sensor values. The description of each algorithm is as follows.

위치 및 각도 보정 알고리즘Location and Angle Correction Algorithm

대상체의 자세각은 자이로스코프 센서의 출력값을 적분해 측정할 수 있으나, 시간 경과에 따라 오차가 누적되거나 센서의 드리프트 현상으로 오차가 발생하는 등 많은 문제점들을 가지고 있다.The attitude angle of the object can be measured by integrating the output value of the gyroscope sensor, but it has many problems such as accumulation of error according to the passage of time or error due to drift phenomenon of the sensor.

반면, 가속도 센서는 자세각 측정에 있어 오차의 누적이나 드리프트 현상은 발생하지 않으나, 순간적인 각도를 측정할 때에는 자이로스코프 센서에 비해 더 큰 오차를 가지며 진동과 소음 등의 외란에 약한 단점을 가진다.On the other hand, the acceleration sensor does not cause error accumulation or drift in the attitude angle measurement. However, when measuring the instantaneous angle, the acceleration sensor has a larger error than the gyroscope sensor and has a weak point in disturbances such as vibration and noise.

이는 가속도 센서를 이용한 자세각 측정에서는 대상체에 중력 가속도만 작용하는 것으로 가정하므로 대상체에 작용하는 가속도에 의해 자세각 측정 오차가 발생하기 때문이다.This is because the posture angle measurement using the acceleration sensor assumes that only the gravitational acceleration acts on the object, and therefore, the error of the posture angle measurement occurs due to the acceleration acting on the object.

이러한 두 센서의 단점을 상호 보완하기 위해 자이로와 가속도계의 혼합 알고리즘 적용 및 측정 알고리즘의 개선을 통해 자세각 측정장치의 성능을 개선하는 방법에 관한 연구가 진행되고 있으며, 대부분의 연구에서는 자이로와 가속도계의 단점을 상호 보완하기 위해 칼만 필터를 이용한 자이로스코프 센서와 가속도 센서의 혼합 알고리즘을 통해 자세각을 측정하는 방법을 제시한다.In order to complement the disadvantages of these two sensors, a method of improving the performance of the attitude measuring device by applying the mixed algorithm of the gyro and the accelerometer and improving the measurement algorithm is being studied, and in most studies, the gyro and the accelerometer In order to compensate the disadvantages, we propose a method of measuring the attitude angle by using the mixture algorithm of the gyroscope sensor and the acceleration sensor using the Kalman filter.

칼만 필터를 이용한 혼합 알고리즘에서는 가속도 센서를 이용한 자세각 측정 시 발생하는 진동 및 소음 등의 외란에 의한 순간적인 잡음에 대해서는 보완이 가능하나, 대상체에 작용하는 지속적인 가속도에 의한 잡음에 대해서는 보완이 어려운 특징이 있다.In the mixing algorithm using the Kalman filter, it is possible to compensate for instantaneous noise due to disturbances such as vibration and noise generated by the acceleration sensor, but it is difficult to compensate for the noise due to the continuous acceleration acting on the object .

그러나 자세각 측정장치는 대부분 이동하는 물체의 자세를 측정하는데 사용되므로 이러한 잡음의 제거 방법에 대한 연구가 필요한 실정이다.However, most of the attitude measuring devices are used to measure the attitude of a moving object.

도 10a 및 도 10b에 본 발명의 일실시예에 따른 위치 및 각도 보정 알고리즘의 적용을 설명하기 위한 예시도가 도시된다.Figs. 10A and 10B show an exemplary diagram for explaining the application of the position and angle correction algorithm according to an embodiment of the present invention.

먼저 도 10a는 가속도 센서를 이용하여 고정된 물체의 자세각을 측정하는 과정을 보여준다.10A shows a process of measuring an attitude angle of a fixed object using an acceleration sensor.

가속도 센서의 축 방향에 대해 속도 성분이나 진동 등 외부의 힘이 가해지지 않는다면 단지 중력 가속도만 작용하는 상태이므로, 3축 가속도 센서의 출력을 이용해 중력 방향을 기준으로 기울기(롤각, 피치각)를 얻을 수 있다.If an external force such as a velocity component or a vibration is not applied to the axial direction of the acceleration sensor, only the gravitational acceleration is applied. Thus, the output of the three-axis acceleration sensor is used to obtain the tilt (roll angle and pitch angle) .

가속도 센서의 x축 방향이 피치 방향과 일치하면 피치각이 θ만큼 기울어졌을 때 도면에서와 같이 중력가속도 g에 의해 가속도 센서에서는 각 축 방향으로의 가속도 Ax, Az가 출력된다. 이 때, 가속도 센서에 중력 가속도만 작용한다면 중력 가속도 g는 다음과 같이 가속도 센서 3축 출력의 합성 벡터와 같다.When the x-axis direction of the acceleration sensor coincides with the pitch direction, when the pitch angle is inclined by?, The accelerations A x and A z in the respective axial directions are output by the acceleration sensor by the gravitational acceleration g as shown in the figure. At this time, if only the gravitational acceleration is applied to the acceleration sensor, the gravitational acceleration g is equal to the composite vector of the acceleration sensor 3-axis output as follows.

Figure pat00003
Figure pat00003

도 10a와 같이 가속도 센서가 θ만큼의 피치각 기울기를 가질 때, 다음 식에 의해 가속도 센서의 x, y축 출력으로 피치각(θ)을 연산할 수 있다.When the acceleration sensor has a pitch angle slope of? As shown in Fig. 10A, the pitch angle? Can be calculated by the x- and y-axis outputs of the acceleration sensor by the following equation.

Figure pat00004
Figure pat00004

여기서 θ의 단위는 라디안이므로 각도값으로 환산하면 3축 가속도 센서의 출력과 롤 각(ø), 피치각(θ) 사이의 관계식은 다음과 같다.Here, since the unit of? Is radian, the relation between the output of the three-axis acceleration sensor and the roll angle (?) And the pitch angle (?) Is as follows.

Figure pat00005
Figure pat00005

단 위 식에 의해 측정할 수 있는 자세각의 범위는 ±90°이며, 그 외의 각도 범위에서는 각 축 센서의 부호에 따라 다른 연산이 필요하다.The range of the attitude angle that can be measured by the above equation is ± 90 °. In other angular ranges, different calculation is required depending on the sign of each axis sensor.

그리고 도 10b는 가속도 센서를 이용하여 이동하는 물체의 자세각을 측정하는 과정에 발생하는 오차각을 보여준다.And FIG. 10B shows an error angle occurring in the process of measuring the attitude angle of the moving object using the acceleration sensor.

가속도 센서를 이용한 움직이지 않는 물체의 자세각 측정은 위 식에 의해 가능하지만, 물체가 가속도를 가지고 움직일 경우 자세각을 측정하면 물체에 작용하는 가속도에 의해 오차가 발생한다. 따라서, 이동하는 물체의 자세각을 측정하기 위해서는 물체에 작용하는 가속도에 의한 오차를 고려해야 한다.The attitude angle measurement of an immovable object using an acceleration sensor is possible by the above equation, but when an object moves with acceleration, an attitude angle is measured and an error is caused by the acceleration acting on the object. Therefore, in order to measure the attitude angle of the moving object, the error due to the acceleration acting on the object should be considered.

도 10b를 참고하여 x축 방향으로 물체의 이동을 고려하면, x와 z축에 작용하는 가속도 (Ax, Az)의 합성벡터와, 중력 가속도 g와 x축으로 작용하는 가속도 ax의 합성벡터는 Axz로 같으므로 다음과 같이 나타낼 수 있다.Considering the movement of the object in the x-axis direction, referring to Fig. 10B, a synthetic vector of the acceleration (A x , A z ) acting on the x and z axes and a synthetic vector of the acceleration a x acting on the x- Since the vector is the same as A xz , it can be expressed as follows.

Figure pat00006
Figure pat00006

따라서, 물체의 x축으로 작용하는 가속도 ax의 크기는 다음과 같다.Therefore, the magnitude of the acceleration a x acting on the x axis of the object is as follows.

Figure pat00007
Figure pat00007

가속도 ax로 인해 x, z축의 가속도 센서 출력에 각각 ax1, ax2가 더해지므로, 각 축 센서의 출력(Ax, Az)은 중력 가속도에 의한 각 축의 가속도(gx, gz)와, 물체에 가해지는 가속도(ax)에 의한 각 축의 가속도(ax1, ax2)의 합으로 나타낼 수 있다. 또 가속도 센서의 출력에 의해 얻어지는 자세각(

Figure pat00008
)은 중력 가속도(g)에 의해 생기는 각 θ와 물체에 가해지는 가속도 a에 의해 생기는 각 ψ의 합으로 나타낼 수 있다. 결국 구하고자 하는 중력 방향에 대한 물체의 자세각(θ)은 다음과 같다.Acceleration a x is due to x, z axis respectively, a x1, a x2 on the acceleration sensor output because in addition, the output (A x, A z) are each axis acceleration (g x, g z) of the gravitational acceleration for each axis sensor , And the acceleration (a x1 , a x2 ) of each axis by the acceleration (a x ) applied to the object. The attitude angle obtained by the output of the acceleration sensor
Figure pat00008
Can be expressed by the sum of the angles? Caused by the gravitational acceleration g and the angles? Caused by the acceleration a applied to the object. The attitude angle (θ) of the object with respect to the direction of gravity to be obtained is as follows.

Figure pat00009
Figure pat00009

손 떨림 보정 알고리즘Hand shake correction algorithm

종래의 변위 측정장치는 받침대와 같은 지지대를 활용하여 계측을 하는 방식으로, 미세 떨림에 의한 오차원인이 없어 정확한 데이터를 받을 수 있다.Conventional displacement measuring apparatuses measure by utilizing a support such as a pedestal, and can receive accurate data because there is no cause of error due to micro-vibrations.

그러나 본 발명과 같이 사용자가 직접 손에 쥔 상태로 계측할 수 있는 장치는 미세 떨림에 의한 자이로스코프 센서의 오차가 정확한 위치데이터를 받기 힘들게 만든다.However, as in the present invention, a device that can be directly measured by a user in a state of being held in a hand makes the error of the gyroscope sensor due to the micro-tremble difficult to receive accurate position data.

따라서, 본 발명은 손 떨림 또는 외부요인에 의한 미세 떨림이 발생시키는 위치데이터의 오차를 보상해주기 위하여 다음과 같은 손 떨림 보정 알고리즘을 적용한다.Accordingly, the present invention applies the following shake correction algorithm to compensate for errors in position data caused by hand tremor or external factors.

상기 손 떨림 보정 알고리즘에서는 4 개의 힌지 포인트(Hinge Point)를 만들어 회전시키는 방식을 사용한다.In the hand shake correction algorithm, four hinge points are created and rotated.

도 11a에 본 발명의 일실시예에 따른 손 떨림 보정 알고리즘의 적용을 설명하기 위한 예시도가 도시되며, coil1과 coil3는 Pitching 구동을 위해 이용되고(coil1 + coil3 = Pitching 구동), coil2와 coil4는 Yawing 구동을 위해 이용된다(coil2 + coil4 = Yawing 구동).11A is an exemplary diagram for explaining the application of the hand shake correction algorithm according to an embodiment of the present invention, wherein coil1 and coil3 are used for pitching drive (coil1 + coil3 = pitching drive) It is used for yawing drive (coil2 + coil4 = Yawing drive).

다시 말해, 자이로스코프 센서 모듈 전체를 Pitch, Yaw 대응각으로 회전왕복함으로써 손 떨림 보정 효과를 극대화할 수 있는 메커니즘을 사용하며, 액츄에이터(Actuator) 운동량과 감도는 다음과 같다.In other words, a mechanism that can maximize the effect of hand tremor correction is used by rotating and reciprocating the entire gyroscope sensor module at a pitch and yaw angle, and the actuator's momentum and sensitivity are as follows.

Figure pat00010
Figure pat00010

그리고 이를 적용한 특성곡선은 도 11b에 보다 상세히 도시된다.The characteristic curve to which this is applied is shown in more detail in FIG. 11B.

삼각함수 기법 알고리즘Trigonometric Algorithm Algorithm

도 12a 내지 도 12c에는 본 발명의 일실시예에 따른 삼각함수 기법 알고리즘의 적용을 설명하기 위한 예시도가 도시된다.12A to 12C show an exemplary diagram for explaining the application of the trigonometric function algorithm according to an embodiment of the present invention.

먼저, 도 12a는 실제 거리 측정에 사용되는 거리 센서 측정의 예시를 나타낸다. 이러한 거리 센서는 측정장치에서부터 측정 물체까지의 거리를 측정하는 것으로, 이렇게 측정된 시작점과 끝지점의 거리만으로는 삼각함수를 이용하여 양 끝의 거리를 측정하기 어렵다. 즉, 중심각을 구하기 위해서는 측정장치에서 어깨까지의 거리를 구해야 한다.First, FIG. 12A shows an example of a distance sensor measurement used for actual distance measurement. This distance sensor measures the distance from the measuring device to the measurement object. It is difficult to measure the distance between both ends by using the trigonometric function only at the distance between the start point and the end point. In other words, the distance from the measuring device to the shoulder is required to obtain the central angle.

도 12b는 어깨의 중심점과 거리를 나타낸다. 첫 번째 측정 거리와 두 번째 측정 거리에서 장치가 거리를 계산하기 위해서는 두 변의 중심이 되는 중심점을 찾아야 하고, 이러한 중심점을 알기 위해서는 어깨에서 장치까지의 거리를 확인하여야 한다.12B shows the center point and distance of the shoulder. In order to calculate the distance at the first measurement distance and the second measurement distance, the center point of the two sides should be found, and the distance from the shoulder to the device should be checked to find the center point.

이렇게 중심점인 어깨에서부터 측정 물체의 끝점까지의 거리가 획득되면, 양 변과 중심점을 통해 중심각을 알 수 있고, 이에 따라 장치가 측정할 수 있는 양 끝점의 거리를 계산하게 된다.When the distance from the center point, the shoulder, to the end point of the measurement object is obtained, the center angle can be known through both sides and the center point, and thus the distance between both end points that the device can measure is calculated.

도 12c는 미리 측정해 놓은 거리에서 장치로 측정한 거리의 차이가 어깨에서 장치까지의 거리임을 나타낸다.12C shows that the difference in distance measured by the device at a distance measured in advance is the distance from the shoulder to the device.

보다 효율적으로 장치를 이용하기 위해서는, 각 사용자들의 서로 다른 어깨 길이를 저장하여 사용 시 미리 저장된 어깨 길이값을 이용할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.In order to use the device more efficiently, it is desirable to store the different shoulder lengths of each user so that the previously stored shoulder length values are available for use.

이에 따라, 본 발명은 마이크로컨트롤러(100)에 사용자별 팔길이를 저장하고 이를 선택적으로 적용할 수 있도록 하거나 별도의 저장장치로 메모리부를 포함함으로써 상술한 바와 같이 효율적으로 3차원 좌표 측정장치(10)를 이용하도록 할 수 있다.Accordingly, the present invention effectively stores the three-dimensional coordinate measurement device 10 as described above by storing the arm length per user in the microcontroller 100 and selectively applying the arm length to the microcontroller 100 or by including the memory part as a separate storage device. Can be used.

한편, 신호를 이용해 거리를 측정하는 방법은 거리 센서(200)의 수광부의 정확도에 따라 장치의 정확도가 결정된다. 따라서, 정확도가 높은 고가의 수광부 또는 수광센서를 이용할 수도 있지만, 경우에 따라서는 저가형 부품을 사용함과 동시에 HSR, HDR 필터와 칼만 필터를 이용하여 센서의 정확도를 소프트웨어적으로 보정함으로써 장치의 경쟁력을 확보할 수도 있음은 물론이다.On the other hand, in the method of measuring the distance using a signal, the accuracy of the apparatus is determined according to the accuracy of the light receiving unit of the distance sensor 200. Therefore, it is possible to use an expensive light receiving unit or a light receiving sensor with high accuracy, but in some cases, by using a low-cost component and correcting the accuracy of the sensor by software using HSR, HDR filter and Kalman filter, Of course.

비선형성 보정 알고리즘Nonlinearity Correction Algorithm

FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave) 변위 측정장치는 주파수가 점진적으로 변화되는 사인파 신호를 송출하고 대상체에서 반사되는 신호를 수신한다. 그리고 반사된 신호는 송출 신호와 믹스되어 거리 정보를 가지고 있는 비트 주파수 신호로 전달되며, 푸리에 변환을 통한 주파수 측정값으로 해당 거리를 산출한다.The FMCW (Frequency Modulation Continuous Wave) displacement measuring device transmits a sinusoidal signal whose frequency gradually changes and receives a signal reflected from the object. Then, the reflected signal is mixed with the transmission signal and transmitted as a bit frequency signal having distance information, and the distance is calculated by the frequency measurement value through the Fourier transform.

이 때, 주파수 변화가 선형적일 경우에는 하나의 주파수 성분만이 추출되어 정확한 거리를 산출할 수 있지만, 주파수 변화가 비선형적일 경우에는 여러 개의 주파수 성분이 존재하기 때문에 정확한 거리 산출이 어려워진다.In this case, when the frequency change is linear, only one frequency component is extracted and the accurate distance can be calculated. However, when the frequency change is nonlinear, it is difficult to accurately calculate the distance because there are several frequency components.

이와 같은 문제점을 극복하기 위해 본 발명은 보조 딜레이부를 추가적으로 사용함으로써 비선형성을 보상하는 방식을 제안한다. 보조 딜레이부를 통해 생성되는 신호는 비트 신호의 주파수와 동일한 변화율을 가지고 있기 때문에, 이를 ADC(Analog to Digital Converter)의 트리거(Trigger) 신호로 사용하여 ADC의 입력 신호이자 거리 정보를 포함하고 있는 비트 신호를 샘플링함으로써 비선형성을 보정할 수 있다.In order to overcome such a problem, the present invention proposes a method of compensating for non-linearity by additionally using an auxiliary delay unit. Since the signal generated through the auxiliary delay unit has the same rate of change as the frequency of the bit signal, it is used as a trigger signal of an ADC (Analog to Digital Converter) to generate a bit signal The non-linearity can be corrected.

도 13a는 비선형성 출력 특성을 나타낸 것으로, 도면의 Reference Signal은 기준신호로서 송출된 신호를 의미하고, Reflected Signal은 대상체에서 반사된 신호를 의미한다. 그리고 fB는 비트 주파수로서 두 신호의 주파수 차이를 나타내고, τRTT는 신호의 왕복 시간을 나타내며, Δf는 주파수 변화의 폭을 나타내고, tRAMP는 램프 신호의 주기, 즉, 주파수 변화의 시간을 나타낸다.13A shows a nonlinear output characteristic. In FIG. 13A, the reference signal indicates a signal transmitted as a reference signal, and the reflected signal indicates a signal reflected from a target object. And fB represents the frequency difference between the two signals as a bit frequency, τRTT represents the round trip time of the signal, Δf represents the width of the frequency change, and tRAMP represents the cycle of the ramp signal, ie, the time of the frequency change.

FMCW 변위 측정장치에서 대상체의 거리 정보는 비트 주파수에 포함되어 있으므로, Reference Signal과 Reflected Signal을 믹서의 입력신호로 사용하여 비트 주파수 신호를 획득한 후 푸리에 변환을 통해 비트 주파수를 얻게 되며, 최종적인 대상체의 거리는 다음과 같이 표현될 수 있다.Since the distance information of the object is included in the bit frequency in the FMCW displacement measuring device, the bit frequency is obtained through the Fourier transform after obtaining the bit frequency signal using the reference signal and the reflected signal as the input signal of the mixer. Can be expressed as follows.

Figure pat00011
Figure pat00011

위의 수식에서 c는 빛의 속도를 의미하며, 비트 주파수를 알면 간단한 수식을 통해 대상체와의 거리를 얻을 수 있다.In the above equation, c means the speed of light, and if you know the bit frequency, you can get the distance from the object by simple formula.

주파수 변화가 선형적인 경우에는 특정 시간 범위에서 동일한 비트 주파수가 생성되는 것을 알 수 있고, 이를 통해 정확한 거리를 얻을 수 있다. 그러나 일반적인 경우 완벽하게 선형적으로 변화하는 주파수 신호를 얻기 힘들기 때문에, 대부분 비선형적인 주파수 변화 특성을 가지게 된다.If the frequency change is linear, it can be seen that the same bit frequency is generated in a certain time range, thereby obtaining an accurate distance. However, in general, it is difficult to obtain a perfectly linearly varying frequency signal, so that it has mostly nonlinear frequency change characteristics.

따라서, 본 발명은 보조 딜레이부를 추가적으로 사용함으로써 비선형성으로 인한 오차 문제를 해결하며, 도 13b에 비선형성 주파수 변화 보정을 위한 개념도의 예시가 도시된다.Therefore, the present invention solves the error problem due to nonlinearity by additionally using the auxiliary delay part, and an example of a conceptual diagram for nonlinearity frequency variation correction is shown in FIG. 13B.

도면에 나타나듯이, 기본적인 FMCW 변위 측정장치에서 비선형성 보정 알고리즘을 위해 보조 딜레이부가 추가되었음을 확인할 수 있으며, 이는 딜레이(Delay) 회로 및 저역통과필터(Low Pass Filter: LPF) 회로를 포함하여 신호처리 시 트리거 신호를 생성한다.As shown in the figure, the auxiliary delay unit is added to the nonlinearity correction algorithm in the basic FMCW displacement measuring apparatus. It includes a delay circuit and a low pass filter (LPF) And generates a trigger signal.

결과적으로, 주파수 변화의 비선형성으로 인해 생기는 비트 주파수의 변화와 동일한 변화율을 가지는 신호를 신호처리부(Signal Processor)에서 트리거 신호로 사용하여 샘플링함으로써 비선형 특성을 보정하는 결과를 가져온다.As a result, a nonlinear characteristic is corrected by sampling a signal having a rate of change equal to a change in bit frequency due to nonlinearity of the frequency as a trigger signal in a signal processor.

센서 융합 알고리즘Sensor fusion algorithm

- IMU(Inertial Measurement Unit) 센서의 보정- Calibration of IMU (Inertial Measurement Unit) sensor

IMU 센서의 출력이 각속도와 가속도가

Figure pat00012
,
Figure pat00013
일 때, HDR(Heuristic Drift Reduction) 알고리즘과 HSR(Heuristic Scale Regulation) 알고리즘을 사용하여 드리프트와 스케일이 보정된
Figure pat00014
,
Figure pat00015
를 계산한다.The output of the IMU sensor is the angular velocity and the acceleration
Figure pat00012
,
Figure pat00013
(Heuristic Drift Reduction) algorithm and HSR (Heuristic Scale Regulation) algorithm, the drift and scale corrected
Figure pat00014
,
Figure pat00015
.

Figure pat00016
Figure pat00016

여기서 바이어스값 bg를 계산하기 위해 HDR 알고리즘을 사용한다.Here, the HDR algorithm is used to calculate the bias value b g .

Figure pat00017
Figure pat00017

여기서는 스케일 펙터 Sa를 계산하기 위해 HSR 알고리즘을 사용한다.Here, the HSR algorithm is used to calculate the scale factor S a .

- Attitude Kalman Filter- Attitude Kalman Filter

1) Initialize1) Initialize

칼만 필터에 사용할 상태변수를 회전행렬과 오일러각으로 표시하고, 공분산 행렬은 오일러각의 공분산으로 표시한다.The state variables used in the Kalman filter are denoted by the rotation matrix and the Euler angles, and the covariance matrix is denoted by the covariance of the Euler angles.

상태변수:

Figure pat00018
State variables:
Figure pat00018

오일러각에 대한 공분산 행렬:

Figure pat00019
Covariance matrix for Euler angles:
Figure pat00019

상태변수와 공분산 행렬은 다음과 같이 초기화한다.The state variables and covariance matrix are initialized as follows.

Figure pat00020
Figure pat00020

- Attitude Predict- Attitude Predict

1) 시스템 모델1) System model

센서에서 측정되는 각속도는 회전행렬의 미분과 다음과 같은 관계를 가진다.The angular velocity measured by the sensor has the following relationship with the derivative of the rotation matrix.

Figure pat00021
Figure pat00021

여기서 Ωb는 wb의 Skew Symmetric 행렬로 다음과 같이 정의된다.Where Ω b is the skew symmetric matrix of w b and is defined as:

Figure pat00022
Figure pat00022

그리고 오일러각의 미분은 각속도와 다음과 같은 관계가 있다.The derivative of Euler angles has the following relation with angular velocity.

Figure pat00023
Figure pat00023

여기서 C1 -1은 자이로스코프 센서에서 측정한 각속도를 오일러각의 변환율로 변환하기 위한 행렬이다.Here, C 1 -1 is a matrix for converting the angular velocity measured by the gyroscope sensor into the conversion ratio of the Euler angle.

Figure pat00024
Figure pat00024

상기 행렬에서 θ ≒ ±π/2 인 경우 cosθ ≒ 0 이므로 행렬 원소의 분모가 0에 가까워지는 경우가 발생한다. 하지만 이러한 경우에는 센서가 수직으로 서는 경우를 의미하기 때문에 센서의 부착 위치와 방향을 고려하였을 때 이러한 경우는 발생하지 않는다.In the case of θ ≈ ± π / 2 in the matrix, cos θ≈0, so that the denominator of the matrix element may become close to zero. In this case, however, this means that the sensor is standing vertically, so this case does not occur when the position and orientation of the sensor are considered.

- Predict- Predict

Figure pat00025
Figure pat00025

오일러각에 대한 공분산은 다음과 같이 업데이트한다.The covariance for the Euler angles is updated as follows.

Figure pat00026
Figure pat00026

여기서

Figure pat00027
는 다음과 같이 계산한다.here
Figure pat00027
Is calculated as follows.

Figure pat00028
Figure pat00028

- Attitude Update by Gravity- Attitude Update by Gravity

1) 중력에 의한 센서의 자세 측정 모델1) Model of attitude measurement of sensor by gravity

Figure pat00029
,
Figure pat00030
를 이용하여 센서의 자세를 나타내는 행렬은 다음과 같이 보정된다.
Figure pat00029
,
Figure pat00030
The matrix representing the attitude of the sensor is corrected as follows.

Figure pat00031
Figure pat00031

그리고 오일러각은 다음과 같이 보정된다.And the Euler angles are corrected as follows.

Figure pat00032
Figure pat00032

여기서 C0 -1은 다음과 같다.Here, C 0 -1 is as follows.

Figure pat00033
Figure pat00033

센서의 자세 측정 모델 함수 h()는 다음과 같이 오일러각을 변환 없이 그대로 사용한다.The attitude measurement model function h () of the sensor uses the Euler angles without conversion as follows.

Figure pat00034
Figure pat00034

자세 측정값 Zk

Figure pat00035
,
Figure pat00036
를 사용하여 다음과 같이 계산된다.The posture measurement Z k
Figure pat00035
,
Figure pat00036
Is calculated as follows.

Figure pat00037
Figure pat00037

2) Attitude update2) Attitude update

Figure pat00038
Figure pat00038

여기서 Kø는 Kk의 1행 1열 원소이고, Kθ는 Kk의 2행 2열 원소이다.Where K ø is the first heat element row of the K k, θ K is the second row and second column of the elements K k.

Figure pat00039
Figure pat00039

여기서

Figure pat00040
을 다음과 같이 계산한다. 왜냐하면, 가속도의 크기가 1g 근처일 때 이득이 커야 하고 1g에서 멀어질수록 이득이 작아야 한다.here
Figure pat00040
Is calculated as follows. Because the gain should be large when the magnitude of the acceleration is near 1 g, and the gain should be small when moving away from 1 g.

Figure pat00041
Figure pat00041

- 중력에 의한 자세 측정- Attitude measurement by gravity

중력 가속도는 항상 지구 중심으로 향하기 때문에 가속도 센서에 다른 힘이 작용하지 않을 경우 g = (0, 0, -9.81)이 측정된다. 가속도 센서에서 측정한 가속도와 중력 가속도를 비교함으로써 센서의 자세를 보정할 수 있다. 하지만 이러한 조건은 가속도 센서에 작용하는 힘이 오직 중력만 존재할 때 가능하다. 중력 가속도와 이러한 힘을 분리하여 측정할 수 없기 때문에, 중력 가속도 외의 다른 힘이 작용하고 있는 조건은

Figure pat00042
인지 확인해보는 것이 가장 간단한 방법이다.G = (0, 0, -9.81) is measured when there is no other force acting on the acceleration sensor since gravitational acceleration is always directed toward the center of the earth. The posture of the sensor can be corrected by comparing the acceleration measured by the acceleration sensor and the gravity acceleration. This condition, however, is only possible when the force acting on the accelerometer is only gravity. Since gravity acceleration can not be measured by separating these forces, the conditions under which forces other than gravitational acceleration act
Figure pat00042
It is the simplest way to check if it is.

가속도 센서에서 측정한 가속도 a = [ax ay az]T에는 중력 가속도와 센서의 가속에 의한 다양한 종류의 가속도가 포함되어 있다. 이를 식으로 나타내면 다음과 같다.Acceleration measured by the acceleration sensor a = [a x a y a z ] T contains various types of accelerations due to gravitational acceleration and sensor acceleration. This can be expressed as follows.

Figure pat00043
Figure pat00043

- Quaternion- Quaternion

센서의 초기위치로부터 3축 가속도와 각속도 출력을 적분하여 현재 대상체의 자세, 속도, 그리고 가속도를 계산하며, 이 때 계산을 위하여 쿼터니언을 사용한다.The three-axis acceleration and the angular velocity output are integrated from the initial position of the sensor to calculate the posture, velocity, and acceleration of the current object, and the quaternion is used for the calculation.

쿼터니언(Quaternion: 사원수)은 물체의 회전이나 방향 설정에서 뛰어난 성능을 발휘하는데, 특히 오일러각의 연산에서 발생하는 짐벌락(Gimbal Lock)과 같은 각종 문제점들을 극복하기 위하여 사용된다. 또한, 4개의 원소로 표현할 수 있어 9개의 원소를 사용하는 회전행렬에 비해 간결하게 표현할 수 있는 장점이 있다.Quaternion is used to overcome various problems such as gimbal lock which occurs in Euler angle operation, especially in the rotation or direction setting of an object. In addition, it can be represented by four elements, which is advantageous in that it can be expressed concisely as compared with a rotation matrix using nine elements.

1) Quaternion1) Quaternion

쿼터니언은 3개의 벡터요소와 1개의 스칼라요소로 구성된다.A quaternion consists of three vector elements and one scalar element.

Figure pat00044
Figure pat00044

여기서

Figure pat00045
는 쿼터니언의 스칼라 성분이고,
Figure pat00046
는 쿼터니언의 벡터 성분이다.here
Figure pat00045
Is a scalar component of quaternion,
Figure pat00046
Is a vector component of a quaternion.

도 14에 쿼터니언 좌표계가 도시되며, 도면에서와 같이 회전축이 되는 벡터 r과 회전각

Figure pat00047
로부터 다음과 같이 쿼터니언을 계산한다.A quaternion coordinate system is shown in Fig. 14. As shown in the drawing, a vector r and a rotation angle
Figure pat00047
The quaternion is calculated as follows.

Figure pat00048
Figure pat00048

2) Unit Quaternion2) Unit Quaternion

쿼터니언의 크기가 1일 때 단위 쿼터니언(Unit Quaternion)으로 부르며, 단위 쿼터니언은 쿼터니언의 놈을 나누어 계산한다.When the size of the quaternion is 1, it is called the unit quaternion. The unit quaternion divides the quaternion.

Figure pat00049
Figure pat00049

** Product** Product

쿼터니언의 곱은 다음과 같이 계산한다.The product of the quaternion is calculated as follows.

Figure pat00050
Figure pat00050

쿼터니언의 곱은 두 회전행렬 R1과 R2의 곱 R1R2와 같은 의미이며, 다음과 같이 쿼터니언의 곱에 대한 역은 성립하지 않는다.The product of the quaternion is the same as the product R 1 R 2 of the two rotation matrices R 1 and R 2 , and the inverse of the quaternion product is not established as follows.

Figure pat00051
Figure pat00051

** Conjugate** Conjugate

쿼터니언의 conjugate q*는 다음과 같이 정의된다.The conjugate q * of a quaternion is defined as:

Figure pat00052
Figure pat00052

** norm** norm

쿼터니언의 놈(norm)은 다음과 같이 정의된다.The norm of quaternion is defined as follows.

Figure pat00053
Figure pat00053

그리고 쿼터니언의 곱의 놈은 다음 특성을 만족한다.And the quaternion's product satisfies the following characteristics.

Figure pat00054
Figure pat00054

** Inverse** Inverse

쿼터니언의 역(inverse) q-1은 회전행렬 R의 역 R-1 = RT과 같은 의미이며, 다음과 같이 계산한다.The inverse q -1 of the quaternion is equivalent to the inverse R -1 = R T of the rotation matrix R, and is calculated as follows.

Figure pat00055
Figure pat00055

3) Euler Angles to Quaternion3) Euler Angles to Quaternion

오일러각

Figure pat00056
로 쿼터니언을 다음과 같이 계산한다.Euler angle
Figure pat00056
Calculate the quaternion as:

** ZYX(Roll-Pitch-Yaw) Angles** ZYX (Roll-Pitch-Yaw) Angles

Figure pat00057
Figure pat00057

여기서 각 축별 쿼터니언 변환 함수는 다음과 같다.Here, the quaternion transformation function for each axis is as follows.

Figure pat00058
Figure pat00058

** XYZ Angles** XYZ Angles

Figure pat00059
Figure pat00059

4) Calculation of Rotation Matrix using Quaternion4) Calculation of Rotation Matrix using Quaternion

Figure pat00060
Figure pat00060

5) Calculation of Euler Angles using Quaternion5) Calculation of Euler Angles using Quaternion

회전행렬 R로부터 오일러각을 계산하는 방법을 이용하면 되며, 다음 식에서 사용되는 rij는 행렬 R의 i행과 j열의 원소이다.A method of calculating the Euler angles from the rotation matrix R is used, and r ij used in the following equation is an element of the i-th row and the j-th column of the matrix R.

Figure pat00061
Figure pat00061

** ZYX(Roll-Pitch-Yaw) Angles** ZYX (Roll-Pitch-Yaw) Angles

θ가 (-π/2, π/2)일 때는 다음과 같다.When θ is (-π / 2, π / 2), it is as follows.

Figure pat00062
Figure pat00062

θ가 (π/2, 3π/2)일 때는 다음과 같다.When θ is (π / 2, 3π / 2), the following is obtained.

Figure pat00063
Figure pat00063

6) Calculate Quaternion using Rotation Matrix6) Calculate Quaternion using Rotation Matrix

회전행렬로부터 쿼터니언은 다음과 같이 계산한다.The quaternion from the rotation matrix is calculated as follows.

Figure pat00064
Figure pat00064

7) Quaternion Normalization7) Quaternion Normalization

쿼터니언이 계속해서 업데이트된다면 수치 계산의 미세한 오류가 누적되어 단위 쿼터니언의 성질이 만족되지 않는다(

Figure pat00065
). 만일 쿼터니언
Figure pat00066
이 있을 때, 다음과 같이 정규화될 수 있다.If the quaternion is continually updated, the fine errors of the numerical calculations accumulate and the properties of the unit quaternion are not satisfied (
Figure pat00065
). If quaternions
Figure pat00066
, It can be normalized as follows.

Figure pat00067
Figure pat00067

8) Vector rotation with Quaternion8) Vector rotation with Quaternion

단위벡터 u를 회전축으로 a만큼 회전한 쿼터니언은 q = {cos(a/2), usin(a/2)} 이다. 3차원 공간에서 일반적인 벡터 v를 쿼터니언 q로 회전하면 다음과 같다.The quaternion that rotates the unit vector u by the rotation axis a is q = {cos (a / 2), usin (a / 2)}. In a three-dimensional space, a general vector v is rotated by a quaternion q as follows.

Figure pat00068
Figure pat00068

여기서 p = {0, v}와 p' = {0, v'}는 벡터 성분만 있는 순수 쿼터니언이다. 물리적 의미로 해석해보면, 벡터 v'는 원래 벡터 v가 벡터 u를 회전축으로 a만큼 회전한 벡터이다.Where p = {0, v} and p '= {0, v'} are pure quaternions with only vector components. In a physical sense, the vector v 'is a vector whose original vector v is rotated by the vector u by the rotation axis a.

9) Derivative of Quaternion9) Derivative of Quaternion

쿼터니언의 미분 방정식은 다음과 같다.The differential equation of quaternion is as follows.

Figure pat00069
Figure pat00069

여기서,here,

Figure pat00070
Figure pat00070

이다.to be.

위 알고리즘들의 결과로, 도 15에 본 발명의 일실시예에 따른 오차 보정 알고리즘 적용을 확인하기 위한 프로그램의 예시도가 도시된다.As a result of the above algorithms, an example of a program for confirming the application of the error correction algorithm according to an embodiment of the present invention is shown in Fig.

도면의 상부는 프로그램을 구동하기 전 결과에 해당하고, 하부는 프로그램을 구동한 후의 결과에 해당한다.The upper part of the drawing corresponds to the result before the program is driven, and the lower part corresponds to the result after driving the program.

하부 도면에서 볼 수 있듯이, 오차 보정 알고리즘이 적용되면 IMU와 결합된 센서의 위치에 따라 알고리즘들의 연산에 따른 결과값이 그래프로 산출되는 것을 확인할 수 있고, 알고리즘이 의도한 바와 같이 정확하게 연산을 하는지를 확인할 수 있다.As shown in the lower drawing, when the error correction algorithm is applied, it is confirmed that the result of the operation of the algorithms is calculated by the graph according to the position of the sensor combined with the IMU, and it is confirmed whether the algorithm performs the calculation as intended .

최종적으로 상기 마이크로컨트롤러가 산출한 3차원 좌표는 상술한 디스플레이부(500)를 통해 사용자에게 제공된다.Finally, the three-dimensional coordinates calculated by the microcontroller are provided to the user through the display unit 500 described above.

디스플레이부(500)는 사용자에게 특정 수치를 포함한 정보를 전달할 수 있는 영상 표시 수단에 해당하며, 사용자가 보다 쉽게 인지할 수 있도록 상기 디스플레이부는 신호를 조사하는 방향이 아닌 다른 방향에 형성되는 것이 바람직하다.The display unit 500 corresponds to a video display unit that can transmit information including a specific value to a user and the display unit is preferably formed in a direction other than the direction in which the signal is irradiated .

상기 디스플레이부(500)를 구현하는 데 있어 정보를 전달할 수 있는 다양한 영상 표시 수단들이 이용될 수 있으나, 상기 출력부는 LCD(Liquid Crystal Display) 패널, LED(Light Emitting Diode) 디스플레이 패널, 아몰레드(AMOLED) 패널, 플렉서블 아몰레드 패널 또는 TFT-LCD 패널 중 어느 하나로 구성되는 것이 가장 바람직하다.The output unit may be a liquid crystal display (LCD) panel, a light emitting diode (LED) display panel, an AMOLED ) Panel, a flexible amorphous panel, or a TFT-LCD panel.

만약, 상기 마이크로컨트롤러(100)가 산출한 결과값을 외부 단말기(610)로 전송하여야 할 필요가 있는 경우에는 통신망을 통해 상기 결과값을 외부 단말기로 전송할 수 있는 통신부(600)를 이용하여 보내줄 수 있는데, 이 때 상기 디스플레이부(500)에 해당 결과값을 현시하도록 할지 아니면 이를 생략할지는 사용자가 임의로 설정할 수 있는 것이 바람직하다.If it is necessary to transmit the result calculated by the microcontroller 100 to the external terminal 610, the communication unit 600 transmits the resultant value to the external terminal through the communication network. At this time, it is preferable that the user can arbitrarily set whether to display the result value on the display unit 500 or to omit the result value.

추가적으로, 상술한 구성들을 안정적으로 동작시키기 위하여 본 발명은 각종 구성들에 전원을 공급하여 주는 전원부(미도시)를 더 포함하며, 배터리 일체형 시스템의 경우 배터리가 방전되는 경우 충전시키는 시간 동안 사용이 불가능한 단점이 있으므로, 이를 해소하기 위하여 상기 전원부는 충전식 배터리로 구성될 수도 있지만 되도록이면 교체 가능한 배터리로 구성되는 것이 바람직하다.In addition, in order to stably operate the above-described configurations, the present invention further includes a power supply unit (not shown) for supplying power to various configurations. In case of a battery-integrated system, In order to solve this problem, the power supply unit may be a rechargeable battery, but it is preferable that the power supply unit is composed of a replaceable battery.

상기 전원부는 측정장치 내에 장착되어 본 발명을 이루는 구성들과 전기적으로 연결됨으로써 전원을 공급하게 되며, 충전식 배터리로 구성되는 경우에는 USB 충전식 배터리나 일반적인 리튬이온 충전식 배터리로 구성될 수 있고, 교체 가능한 배터리로 구성되는 경우에는 3차원 좌표 측정장치의 전원을 다 소모하는 경우 단순히 상기 전원부에 장착되어 있는 배터리를 교체함으로써 사용자는 해당 장치를 지속적으로 사용할 수 있다.The power supply unit is installed in the measurement device and electrically connected to the configurations of the present invention to supply power. In the case of a rechargeable battery, the power supply unit may be a USB rechargeable battery or a general lithium ion rechargeable battery, The user simply can replace the battery mounted on the power supply unit when the power of the three-dimensional coordinate measuring apparatus is consumed.

위와 같은 특징을 가지는 3차원 좌표 측정장치(10)는 사용자가 손쉽게 휴대하여 사용할 수 있도록 적정한 크기를 가지는 것이 바람직한데, 구체적인 사이즈를 제한하지는 않지만 사용자가 한 손 또는 두 손을 이용해 사용할 수 있을 정도의 크기에 해당하는 것이 좋다.The three-dimensional coordinate measuring apparatus 10 having the above characteristics is desirably an appropriate size so that the user can carry it easily. It is not limited to a specific size, but it is possible to use the three- It is good for size.

뿐만 아니라, 3차원 좌표 측정장치(10)를 사용자가 손에 파지한 후 이용할 수 없는 상황이거나 특정점에 고정시킨 상태로 이용할 필요성이 있는 경우, 하부에 삼각대와 같은 지지대를 고정시킨 후 이용할 수 있도록 하기 위해 3차원 좌표 측정장치의 하부에는 지지대와 연결할 수 있는 구성이 구비될 수 있다.In addition, when it is necessary to use the three-dimensional coordinate measuring apparatus 10 in a state where the user can not use the coordinate measuring apparatus 10 after grasping the coordinate measuring apparatus 10 in a hand or fixed to a specific point, a support such as a tripod In order to accomplish this, a structure that can be connected to a support is provided below the three-dimensional coordinate measuring device.

예를 들면, 상기 3차원 좌표 측정장치(10)의 하부에 나사를 삽입할 수 있는 공간 또는 특정 크기의 샤프트를 끼움결합할 수 있는 공간이 마련되고, 나사 또는 샤프트를 해당 공간에 삽입 또는 끼움결합함으로써 사용자는 본 발명 장치를 고정된 상태로 이용할 수 있게 된다.For example, a space capable of inserting a screw or a shaft having a specific size is provided in the lower portion of the three-dimensional coordinate measuring apparatus 10, and a screw or a shaft is inserted into or engaged with the corresponding space So that the user can use the apparatus of the present invention in a fixed state.

결과적으로 본 발명은 측정장치에 다양한 센서 및 TOF 기술을 적용하여 대상체 또는 특정 지점의 3차원 좌표를 정확하게 산출해낼 수 있는 장점이 있다.As a result, the present invention is advantageous in that the three-dimensional coordinates of a target object or a specific point can be accurately calculated by applying various sensors and TOF techniques to the measurement device.

그리고 본 발명은 산출한 3차원 좌표를 근거로 대상체까지의 거리, 대상체의 길이, 높이, 입체정보 및 측정장치의 이동 정보를 도출해낼 수 있는 장점이 있다.Further, the present invention has an advantage in that the distance to the target object, the length of the target object, the height, the stereoscopic information, and the movement information of the measurement device can be derived based on the calculated three-dimensional coordinates.

아울러 본 발명은 측정장치가 이동하는 상황에서도 대상체 또는 특정 지점의 3차원 좌표를 획득할 수 있어 장치의 움직임 제약을 해소하여 측정 방법 및 환경에 대한 자유도를 향상시키는 장점이 있다.In addition, the present invention can acquire three-dimensional coordinates of a target object or a specific point even in a moving state of the measurement apparatus, thereby solving motion constraints of the apparatus, thereby improving the measurement method and the degree of freedom for the environment.

또한, 본 발명은 휴대 가능한 사이즈로 제작되고 3차원 좌표 측정 시 다양한 오차 보정 알고리즘을 적용함으로써 사용상의 편의성과 측정값의 신뢰도를 향상시킴과 동시에, 외부 단말기와 연동하여 3차원 좌표 획득을 지원하거나 획득한 3차원 좌표를 활용함으로써 보다 다양한 분야에 본 발명을 이용할 수 있도록 하는 장점이 있다.In addition, the present invention improves convenience in use and reliability of measured values by applying various error correction algorithms when measuring three-dimensional coordinates, and also supports or acquires three-dimensional coordinates in cooperation with an external terminal There is an advantage that the present invention can be utilized in a wide variety of fields by utilizing a three-dimensional coordinate.

이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나, 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.While the present invention has been described with reference to the specific embodiments, it is to be understood that the invention is not limited thereto. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims and their equivalents. Various modifications and variations are possible.

10: 3차원 좌표 측정장치
100: 마이크로컨트롤러
200: 거리 센서
300: 기준 좌표 센서
400: 속도 센서
500: 디스플레이부
600: 통신부
610: 외부 단말기
10: 3D coordinate measuring device
100: Microcontroller
200: Distance sensor
300: reference coordinate sensor
400: Speed sensor
500:
600:
610: External terminal

Claims (13)

측정장치와 대상체와의 거리 정보를 센싱하는 거리 센서;
상기 측정장치의 위치를 기준으로 회전각 정보를 센싱하는 기준 좌표 센서; 및
상기 거리 정보 및 회전각 정보를 기반으로 대상체의 3차원 좌표를 산출하는 마이크로컨트롤러; 를 포함하는 3차원 좌표 측정장치.
A distance sensor for sensing distance information between the measurement device and the object;
A reference coordinate sensor for sensing rotation angle information based on the position of the measuring device; And
A microcontroller for calculating three-dimensional coordinates of the object based on the distance information and the rotation angle information; Dimensional coordinate measuring device.
제 1항에 있어서,
상기 거리 센서는 전자기파 또는 초음파 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 3차원 좌표 측정장치.
The method according to claim 1,
Wherein the distance sensor uses either electromagnetic waves or ultrasonic waves.
제 1항에 있어서,
상기 기준 좌표 센서는 지자기 센서, 각도 센서 또는 변위 센서 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 좌표 측정장치.
The method according to claim 1,
Wherein the reference coordinate sensor includes at least one of a geomagnetic sensor, an angle sensor, and a displacement sensor.
제 1항에 있어서,
상기 측정장치의 이동 정보를 센싱하는 속도 센서; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 좌표 측정장치.
The method according to claim 1,
A speed sensor for sensing movement information of the measuring device; Dimensional coordinate measuring device.
제 4항에 있어서 상기 속도 센서는,
상기 측정장치의 가속도를 센싱하는 가속도 센서; 및
상기 측정장치의 각속도를 센싱하는 자이로스코프 센서; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 좌표 측정장치.
5. The speed sensor according to claim 4,
An acceleration sensor for sensing the acceleration of the measuring device; And
A gyroscope sensor for sensing an angular velocity of the measuring device; Dimensional coordinate measuring device.
제 4항에 있어서,
상기 측정장치의 이동 정보를 고려하여 대상체의 3차원 좌표를 산출하는 경우, 마이크로컨트롤러는 로테이션 매트릭스(Rotation Matrix)를 이용하여 좌표계를 치환함으로써 대상체의 3차원 좌표를 산출하는 것을 특징으로 하는 3차원 좌표 측정장치.
5. The method of claim 4,
Dimensional coordinate of a target object is calculated by considering the movement information of the measurement apparatus, the microcontroller calculates three-dimensional coordinates of the target object by replacing the coordinate system using a rotation matrix. Measuring device.
제 6항에 있어서 상기 로테이션 매트릭스는,
Figure pat00071
에 해당하는 것을 특징으로 하는 3차원 좌표 측정장치.
(상기 2 1RZYX는 로테이션 매트릭스, RZ(α)는 Z축으로 회전한 α만큼의 각정보 매트릭스, RY(β)는 Y축으로 회전한 β만큼의 각정보 매트릭스, RX(γ)는 X축으로 회전한 γ만큼의 각정보 매트릭스, s는 사인(sine), 그리고 c는 코사인(cosine)에 해당함)
7. The apparatus of claim 6,
Figure pat00071
Of the three-dimensional coordinate measuring device.
( 2 1 R ZYX is a rotation matrix, R Z (α) is an information matrix by α rotated by the Z axis, R Y (β) is an information matrix by β rotated by the Y axis, R X ) Is an information matrix corresponding to y rotated by the X axis, s is a sine, and c is a cosine)
제 1항에 있어서,
상기 마이크로컨트롤러는 오차 보정 알고리즘을 이용하여 대상체의 3차원 좌표를 산출하는 것을 특징으로 하는 3차원 좌표 측정장치.
The method according to claim 1,
Wherein the microcontroller calculates three-dimensional coordinates of a target object using an error correction algorithm.
제 8항에 있어서 상기 오차 보정 알고리즘은,
대상체의 자세각 측정을 위한 위치 및 각도 보정 알고리즘;
장치의 진동에 의한 오차를 보정하는 손 떨림 보정 알고리즘;
사용자의 팔길이를 고려하여 대상체까지의 거리를 구하는 삼각함수 기법 알고리즘;
주파수가 비선형적으로 변화하는 것을 보정하는 비선형성 보정 알고리즘; 또는
센서값의 정확성을 향상시키기 위한 센서 융합 알고리즘; 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 좌표 측정장치.
9. The method of claim 8,
Position and angle correction algorithm for attitude angle measurement of object;
A hand shake correction algorithm for correcting an error due to vibration of the apparatus;
Trigonometric Algorithm for Estimating the Distance to the Object by Considering User 's Arm Length;
A nonlinearity correction algorithm that corrects nonlinear changes in frequency; or
Sensor fusion algorithm to improve sensor value accuracy; Dimensional coordinate measuring apparatus according to the present invention.
제 1항에 있어서,
센싱한 값 또는 산출한 값을 외부에 현시하는 디스플레이부; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 좌표 측정장치.
The method according to claim 1,
A display unit for externally displaying the sensed value or the calculated value; Dimensional coordinate measuring device.
제 1항에 있어서,
센싱한 값 또는 산출한 값을 이용해 외부 단말기와 연동할 수 있는 통신부; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 좌표 측정장치.
The method according to claim 1,
A communication unit capable of interfacing with an external terminal using a sensed value or a calculated value; Dimensional coordinate measuring device.
제 11항에 있어서,
상기 외부 단말기는 회전과 이동이 가능한 기기인 것을 특징으로 하는 3차원 좌표 측정장치.
12. The method of claim 11,
Wherein the external terminal is a device capable of rotating and moving.
제 1항에 있어서,
상기 3차원 좌표 측정장치는 휴대 가능한 크기로 구현되는 것을 특징으로 하는 3차원 좌표 측정장치.
The method according to claim 1,
Wherein the three-dimensional coordinate measuring device is implemented in a portable size.
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