KR101815972B1

KR101815972B1 - 적외선을 이용한 고정밀 신호 센싱 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101815972B1
Application number: KR1020100138939A
Authority: KR
Inventors: 이형욱; 김상현; 방원철; 김정배
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2010-12-30
Filing date: 2010-12-30
Publication date: 2018-01-09
Anticipated expiration: 2030-12-30
Also published as: US20160069668A1; US9207778B2; US20120170054A1; US9568306B2; KR20120077105A

Abstract

적외선을 이용한 고정밀 신호 센싱 시스템 및 방법이 제공된다. 고정밀 신호 센싱 시스템은, 발광 장치로부터 제1 광 및 제2 광을 포함하는 복수의 조사광을 수광하여, 제1 광 및 제2 광 각각의 수광 세기를 측정하고, 수광 세기 간의 차이 세기를 이용하여 발광 장치의 발광 세기를 측정한다.

Description

적외선을 이용한 고정밀 신호 센싱 시스템 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR SENSING HIGH PRECISION SIGNAL USING INFRARED LIGHT}

발사체에서 상이한 지향성으로 신호를 구분하여 송출하거나, 또는 수신체에서 상이한 지향성, 상이한 방향으로 신호를 구분하여 수신하고, 수신된 신호에 대해 측정된 각 신호의 세기 또는 세기 간의 차이 세기를 선택적으로 이용하여, 상기 발사체를 포함하는 대상체의 추정을 위한 지향 방향별 신호를 측정하는 방안에 관한 것이다. 실시예로서, 송출되는 신호가 광일 경우, 발광 장치에서 조사된 복수의 조사광 간의 차이 세기를 이용하여, 발광 장치 추정에 사용할 SNR이 우수한 광을 정밀하게 측정하는 방안에 관한 것이다.

이동하는 물체 또는 대상체의 3차원 위치와 방향을 추정하는 기술은, 종래 영화, Graphics, Animation 산업 등에서 고가, 대형 모션 캡쳐 장비를 이용하여 3차원 공간 내 물체 또는 대상체(인체, 동물 등)의 움직임을 센싱 하는 데에 주로 활용되어 왔다.

3차원 위치와 방향을 추정하는 방법은, 예컨대 적외선을 이용하는 방법이 있어 왔다. 상기 3차원 위치와 방향을 추정하는 방법은, 발광 장치로부터 수신한 적외선 신호의 세기를 측정하고, 측정된 적외선 신호의 세기를 이용하여 3차원 위치와 방향을 비교적 낮은 신뢰도로 추정하는 것에 한정되고 있다.

이에 따라, 3차원 위치와 방향을 보다 정확하게 추정하기 위해, 신호를 높은 SNR로 측정하는 기술이 필요하다.

일실시예에서는, 발사체로부터 신호를 수신하는 수신체와, 거리와 수신방향에 따른 제1 신호와 제2 신호 각각에 대해 세기를 측정하고, 상기 측정된 세기 또는 상기 세기 간의 차이 세기 중 적어도 하나를 이용하여, 상기 발사체를 포함하는 대상체를 추정하기 위한 지향 방향별 신호를 측정하는 측정 장치를 포함하는 고정밀 신호 센싱 시스템을 제공한다.

다른 실시예에서의 고정밀 신호 센싱 시스템은, 발광 장치로부터의 조사광을, 지향성 또는 수광방향을 상이하게 하여 제1 광 및 제2 광으로 구분하여 수광하는 수광 장치와, 상기 제1 광에 대한 제1 수광 세기와, 상기 제2 광에 대한 제2 수광 세기를 측정하고, 상기 수광 세기 간의 차이 세기를 이용하여, 상기 발광 장치를 추정하기 위한 지향 방향별 광을 측정하는 측정 장치를 포함하여 구성할 수 있다.

또한, 다른 실시예로서의 고정밀 신호 센싱 방법에서는, 발광 장치로부터의 광을 수광 장치에서 수광하는 단계와, 거리와 수광방향에 따른 제1 광과 제2 광 각각에 대해 수광 세기를 측정하는 단계, 및 상기 측정된 수광 세기 또는 상기 수광 세기 간의 차이 세기 중 적어도 하나를 이용하여, 상기 발광 장치를 추정하기 위한 지향 방향별 광을 측정하는 단계를 포함할 수 있다.

발광 장치에서 상이한 지향성의 제1 광 및 제2 광을 발광하거나, 또는 발광 장치로부터의 조사광을 상이한 지향성으로 수광하고, 제1 광 및 제2 광 각각의 수광 세기를 측정하고, 각 수광 세기 또는 수광 세기 간의 차이 세기를 선택적으로 이용하여, 상기 발광 장치를 추정하기 위한 신호가 높은 신호대 잡음비(SNR)로서 정밀하게 측정되게 할 수 있다.

도 1은 고정밀 신호 센싱 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 적외선 신호의 발광 지향 방향에 따라 적외선의 수광 세기가 달라지는 적외선의 발광 지향 특성을 도시한 도면이다.
도 3은 적외선 신호의 발광 지향성 및 수광 지향성을 도시한 도면이다.
도 4는 고정밀 신호 센싱 시스템의 일례를 도시한 도면이다.
도 5는 수광부의 방향 별 조사광에 대한 수광 세기의 일례를 도시한 도면이다.
도 6은 고정밀 신호 센싱 시스템의 다른 일례를 도시한 도면이다.
도 7은 고정밀 신호 센싱 시스템을 이용하여 위치 및 방향을 추정하는 시스템을 도시한 도면이다.
도 8은 광조사부가 2개인 경우 3차원 위치 및 방향을 추정하기 위한 계산시 필요한 파라메타를 표시한 도면이다.
도 9는 고정밀 신호 센싱 방법을 나타내는 흐름도이다.

본 명세서에서 지속적으로 기재되는 발사체는 신호를 송출하는 수단으로서, 구체 실시예에서는 상이한 지향성으로 광형태의 신호를 발광하는 하나 이상의 광조사부일 수 있다.

반면, 수신체는, 발사체에서 송출되는 신호를 수신하는 수단으로, 상기 구체 실시예에서는 상이한 지향성으로, 상기 광형태의 신호를 수광하는 하나 이상의 수광부, 또는 동일한 지향성을 갖지만, 상이한 수신방향으로, 상기 광형태의 신호를 수광하는 하나 이상의 수광부 일 수 있다.

상기 구체 실시예에서는, 상기 발사체 또는 상기 수신체 어느 한 쪽 또는 양 쪽 모두에서 지향성이나 방향을 달리하여 신호를 송수신 함으로써, SNR이 우수한 신호를 측정하는 목적이 달성되게 한다.

또한, 상기 구체 실시예에서, 상기 수광부는 광의 센싱 기능을 갖는 수광 장치에 포함되어 구현될 수 있고, 상기 광조사부는 위치 또는 방향을 추정하는 대상체에 포함되어 구현될 수 있다.

고정밀 신호 센싱 시스템의 일구성인 수신체는, 발사체로부터 신호를 수신하는 기능을 한다. 상기 신호는, 발신체와의 거리 또는 수신방향에 따라 제1 신호와 제2 신호로 구분될 수 있고, 실시예에 따라, 복수의 발사체로부터 발신되는 각각의 신호를 제1 신호와 제2 신호로 구분할 수 있다.

발신체는 송출하는 신호 각각이 상이한 지향성을 갖게 하는 하나 이상으로 구현될 수 있으며, 상기 발신체에서는, 특정 시간에서 개별 신호를 독립적으로 송출하는 시분할 방식, 변조 등의 코딩 방식, 신호 각각을 상이한 광 파장(Optical Wavelength)으로 전송하는 방식 등을 이용하여, 상기 제1, 2 신호를 구분하여 송출할 수 있다.

상기 수신체는, 상이한 지향성을 가지며 송출된 제1, 2 신호를 수신 함으로써, 후술하는 측정 장치에서, 각 신호의 세기 측정 및 차이 세기 등을 이용한 지향 방향별 신호의 측정이 정밀하게 이루어지도록 한다.

상기 수신체는 하나 이상으로 구비될 수 있고, 만약 하나로 구비되는 경우, 제1, 2 신호를 수신하는 방향(이하, '수신방향'으로 약칭)을 변경하면서 수신할 수 있다.

반면, 복수 개로 구비되는 경우, 상기 수신체는 서로 상이한 지향성으로 상기 제1 신호와 제2 신호를 개별 수신할 수 있고, 또 달리 동일한 지향성을 같게 배치되지만 같은 위치에서 상이한 수신방향으로 상기 제1 신호와 제2 신호를 개별 수신할 수 있다.

이를 통해 고정밀 신호 센싱 시스템에서는, 이종의 방향을 갖는 신호를 대상체로부터 수신할 수 있어, 상기 대상체에 대한 위치, 방향의 추정시 보다 높은 SNR의 신호를 선택적으로 이용할 수 있게 하는 환경을 조성할 수 있다.

측정 장치는, 발사체와의 이격 거리와 수신방향에 따른, 상기 제1 신호와 상기 제2 신호 각각에 대한 세기를 측정하고, 상기 측정된 세기 또는 상기 세기 간의 차이 세기 중 적어도 하나를 이용하여, 상기 발사체를 포함하는 대상체를 추정하기 위한 지향 방향별 신호를 측정한다.

상기 지향 방향별 신호 측정에 있어, 상기 측정 장치는, 상기 제1 신호에 대해 측정된 제1 세기, 또는 상기 제2 신호에 대해 측정된 제2 세기가, 상기 차이 세기 보다 작은 지향 방향에서, 상기 차이 세기에 상응하는 신호를 상기 지향 방향별 신호로 측정할 수 있다.

즉, 개별 신호의 세기가 선정된 기준값 이하인 지향 방향의 영역에서는, 상기 개별 신호 대신에 신호 간의 차이 세기에 상응하는 신호를, 대상체 추정시 사용할 신호로서 측정한다.

반면, 제1 세기 또는 제2 세기가, 상기 차이 세기 보다 작지 않는 지향 방향에서는, 상기 측정 장치에 의해, 상기 제1 세기 또는 상기 제2 세기를, 상기 지향 방향별 신호로 측정하게 된다.

즉, 개별 신호의 세기가 신호간의 차이 세기 보다 큰 지향 방향의 영역에서는, 상기 개별 신호, 특히 지향 방향이 증가할수록 급격히 세기가 감소되어 분해능이 우수한 것으로 판단되는 신호를, 대상체 추정시 사용할 신호로서 선택적으로 측정한다

예컨대, 측정된 제1, 2 세기가 차이 세기 보다 큰 지향 방향의 영역(지향 방향 '라디안 1' 이하)에서, 측정 장치는 제1 세기 또는 제2 세기 중에서, 분해능이 우수한, 즉 발사체와 수신체가 마주보는 방향이 직선 방향에 비해 어긋날수록 측정되는 값이 급격하게 떨어지는 세기의 신호를 선택하여 지향 방향별 신호로 측정할 수 있다.

반면, 측정된 제1, 2 세기가 차이 세기 보다 작은 지향 방향의 영역(지향 방향 '라디안 1' 초과)에서, 측정 장치는 차이 세기의 신호를, 해당 지향 방향 영역에서의 지향 방향별 신호로 측정할 수 있다.

이하, 신호가 광형태로 송출되는, 본 발명의 구체 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 고정밀 신호 센싱 시스템의 구성을 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 고정밀 신호 센싱 시스템(100)는 수광 장치(110) 및 측정 장치(120)를 포함한다.

수광 장치(110)는 발광 장치(130)로부터 제1 광 및 제2 광을 포함하는 복수의 조사광을 수광한다. 여기서, 발광 장치(130)는 1개 이상의 광조사부(131, 132)를 포함할 수 있고, 수광 장치(110) 또한 1개 이상의 수광부(111, 112)를 포함할 수 있다. 광조사부(131, 132)는 예컨대, 엘이디(LED)로서, 적외선 신호를 조사할 수 있고, 수광부(111, 112)는 예컨대, 포토다이오드(Photodiode)로서, 조사된 적외선 신호를 센싱할 수 있다.

일 실시예로, 수광 장치(110) 내 수광부(111)가 발광 장치(130) 내 광조사부(131, 132) 보다 상대적으로 소수 개일 경우(예컨대 광조사부 2개, 수광부 1개), 수광 장치(110)는 개별의 광조사부(131, 132)에서 조사되는 상기 제1 광과 상기 제2 광을, 단일의 수광부(111)로 수광할 수 있다.

이때, 발광 장치(130) 내 광조사부(131, 132) 각각은, 동일한 방향을 가지고 배열하되, 상이한 지향성을 갖는 필드를 형성할 수 있다. 즉, 광조사부(131, 132) 각각이 동일한 방향으로 배열되면, 발광 장치(130)는 동일한 방향으로 복수의 조사광을 조사하되, 광조사부(131, 132) 각각이 상이한 지향성을 갖는 필드를 형성 함에 따라, 서로 다른 세기의 복수 조사광을 조사할 수 있다. 발광 장치(130)는 제1, 2 광에 대해, 시분할, 코딩, 광 파장 등을 이용하여 서로 구분되어 조사되도록 한다.

다른 실시예로, 수광 장치(110) 내 수광부(111, 112)가, 발광 장치(130) 내 광조사부(131) 보다 상대적으로 다수 개일 경우(예컨대 광조사부 1개, 수광부 2개), 수광 장치(110)는 광조사부(131 또는 132)에서 조사되는 상기 제1 광과 상기 제2 광 각각을, 수광부(111, 112)에서 개별적으로 수광할 수 있다.

이때, 수광 장치(110) 내 수광부(111, 112) 각각은, 동일한 방향을 가지고 배열하되, 상이한 지향성을 갖는 필드를 형성할 수 있다. 즉, 수광 장치(110)는 내부의 수광부(111, 112) 각각을 동일한 방향으로 배열하여 동일한 수광방향으로 복수의 조사광을 수광하되, 수광부(111, 112) 각각이 상이한 지향성을 갖는 필드를 형성 함에 따라, 방향 별로 세기가 서로 다른 복수의 조사광을 수광할 수 있다.

다른 예로서, 수광 장치 내 수광부(111, 112) 각각은, 상이한 방향을 가지고 배열하되, 동일한 지향성을 갖는 필드를 형성할 수도 있다. 즉, 수광 장치(110)는, 수광부(111, 112) 각각이 동일한 지향성을 갖는 필드를 형성하더라도, 수광부(111, 112) 각각이 상이한 방향으로 배열 됨에 따라, 방향 별로 세기가 서로 다른 복수의 조사광을 수광할 수 있다.

측정 장치(120)는 복수의 조사광이 수광되면, 발광 장치(130)과의 이격된 거리 및 상기 조사광의 수신방향에 따른, 상기 제1 광 및 제2 광 각각의 수광 세기를 측정하고, 상기 수광 세기 간의 차이 세기를 이용하여, 대상체로서의 발광 장치(130)를 추정하기 위한 지향 방향별 광을 측정한다.

예컨대, 측정 장치(120)는 상기 제1 광에 대해 측정된 제1 수광 세기, 또는 상기 제2 광에 대해 측정된 제2 수광 세기가, 제1, 2 수광 세기 간의 차이 세기 보다 작은 지향 방향의 영역에서, 상기 차이 세기에 상응하는 광을 발광 장치(130)의 지향 방향별 광으로 측정할 수 있다. 여기서, 상기 차이 세기에 상응하는 광은 제1 광에 포함되는 잡음과, 제2 광에 포함되는 잡음이 상쇄되어, 신호대 잡음비(SNR)가 높게 형성된다. 이에 따라, 측정 장치(120)는 신호대 잡음비가 높은, 상기 차이 세기의 광을 이용하여, 지향 방향별 광을 측정 함으로써, 일정한 레벨의 신호 세기가 유지되는 광을 활용하여 대상체를 정밀도 높게 추정할 수 있는 환경을 마련한다.

반면, 측정 장치(120)는 상기 제1 광에 대해 측정된 제1 수광 세기, 또는 상기 제2 광에 대해 측정된 제2 수광 세기가, 제1, 2 수광 세기 간의 차이 세기 보다 작지 않은 지향 방향의 영역의 경우, 상기 제1 수광 세기 또는 상기 제2 수광 세기에 상응하는 광을 지향 방향별 광으로 측정할 수 있다. 예컨대, 측정 장치(120)는 제1 수광 세기 및 제2 수광 세기 중에서, 발광 장치와 수광 장치가 정면으로 마주 보는 가상 축을 기준으로 어긋나는 크기가 증가 함에 따라 세기가 급격하게 떨어지는(즉 분해능이 우수한) 세기를 선택하고, 선택된 세기의 광을 발광 장치(130)를 추정하기 위한 지향 방향별 광으로 측정 할 수 있다.

구체적으로, 발광 장치(130) 내 광조사부(131, 132) 각각이 동일한 방향으로 배열되고, 상이한 지향성을 갖는 필드를 형성하는 경우, 측정 장치(120)는 상기 형성된 필드가 수광 장치(110) 내 수광부(111, 112)와 연관된 필드와 교차되는 상태하에서, 수광부(111, 112)와 각 광조사부(131, 132)와의 거리, 및 수광방향 또는 발광방향에 따른 복수의 수광 세기를 측정할 수 있다.

또한, 다른 일례로서, 수광 장치(110) 내 수광부(111, 112) 각각이 동일한 방향으로 배열되고, 상이한 지향성을 갖는 필드를 형성하거나, 또는 수광 장치(110) 내 수광부(111, 112) 각각이 상이한 방향으로 배열되고, 동일한 지향성을 갖는 필드를 형성하는 경우, 측정 장치(120)는 상기 형성된 필드가 발광 장치(130) 내 광조사부(131, 132)와 연관된 필드와 교차되는 상태하에서, 각 수광부(111, 112)와 광조사부(131, 132)와의 거리, 및 수광방향 또는 발광방향에 따른 복수의 수광 세기를 측정할 수 있다.

또한, 측정 장치(120)는 조사광 각각에 대한 수광 세기 간의 차이 세기와 함께, 상기 조사광과 관련하여, 수광 장치(110)에서의 수광 지향성, 또는 발광 장치(130)에서의 발광 지향성을 더 이용하여, 발광 장치(130)를 추정하는 데에 활용되는 지향 방향별 광을 측정 할 수 있다. 여기서, 수광 지향성은 수광부(111, 112)에서 조사광을 수광할 때의 지향 방향에 따라 수광되는 세기가 달라지는 특성이고, 발광 지향성은 광조사부(131, 132)에서 조사광을 조사할 때의 지향 방향에 따라 수광되는 세기가 달라지는 특성일 수 있다.

도 2는 적외선 신호의 발광 지향 방향에 따라 적외선의 수광 세기가 달라지는 적외선의 발광 지향 특성을 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 적외선은 정해진 거리에서 적외선 신호의 지향 방향인 광조사부의 방향각에 따라 적외선의 수광 세기가 달라지는 특성을 가진다. 도 2에서 Z축은 발광 적외선의 세기를 나타내고, X축과 Y축은 수광부에서 광조사부를 측정하는 측정 각도를 나타낸다.

도 3은 적외선 신호의 발광 지향성 및 수광 지향성을 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, A와 B의 수광 세기를 비교하면 알 수 있듯이 적외선 신호의 수광 세기는 광조사부에서의 발광 지향 방향각(θ)에 따라 달라진다. 또한, 적외선 신호의 수광 세기는 수광부에서 적외선 신호를 수광하는 방향인 수광 지향 방향각(ψ)에 따라서도 영향을 받을 수 있다.

광조사부와 수광부 사이의 거리에 따라 측정되는 신호의 세기는 아래 <수학식 1>과 같은 특성을 가진다.

여기서, I는 측정되는 신호의 세기이고, r은 광조사부와 수광부 사이의 거리이다.

광조사부의 지향 방향에 따라 측정되는 신호의 세기는 아래 <수학식 2>과 같은 특성을 가진다.

여기서, I는 측정되는 신호의 세기이고, κ는 광조사부의 감쇄 특성을 나타내는 변수이고, θ는 광조사부가 지향하는 방향각이다.

수광부의 지향 방향에 따라 측정되는 신호의 세기는 아래 <수학식 3>과 같은 특성을 가진다.

여기서, I는 측정되는 신호의 세기이고, λ는 수광부의 감쇄 특성을 나타내는 변수이고, ψ는 수광부가 지향하는 방향각이다.

그러면, 광조사부와 수광부 사이의 거리와 광조사부의 지향 방향, 수광부의 지향 방향에 따른 특성을 모두 고려하여 측정되는 적외선의 신호 세기는 아래 <수학식 4>와 같이 측정할 수 있다.

여기서, I는 측정되는 신호의 세기이고, r은 광조사부와 수광부 사이의 거리이고, α는 광조사부와 수광부의 특성을 고려한 스케일 팩터이고, κ는 광조사부의 감쇄 특성을 나타내는 변수이고, θ는 광조사부가 지향하는 방향각이고, λ는 수광부의 감쇄 특성을 나타내는 변수이고, ψ는 수광부가 지향하는 방향각이다.

도 4는 고정밀 신호 센싱 시스템의 일례를 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 고정밀 신호 센싱 시스템(400)은 1개의 수광부(401)를 이용하여, 발광 장치(410) 내 동일한 방향으로 배열된 2개의 광조사부(411, 412)로부터 2개의 조사광을 수광할 수 있다. 여기서, 2개의 광조사부(411, 412)는 상이한 지향성을 갖는 필드를 형성하여, 세기가 서로 다른 2개의 조사광을 조사할 수 있다. 이에 따라, 고정밀 신호 센싱 시스템(400)은 세기가 다른 2개의 조사광을 수광할 수 있다.

고정밀 신호 센싱 시스템(400)은 수광 세기가 다른 상기 2개의 조사광을 이용하여, 발광 장치를 추정하는 데에 활용되는 지향 방향별 광(조사광)을 측정할 수 있다. 구체적으로, 고정밀 신호 센싱 시스템은 2개의 조사광 중 제1 광에 대해 측정된 제1 수광 세기, 또는 제2 광에 대해 측정된 제2 수광 세기가, 제1, 2 수광 세기 간의 차이 세기 보다 작지 않은 지향 방향의 영역의 경우, 제1 수광 세기 또는 제2 수광 세기에 상응하는 광을, 해당 영역에서의 지향 방향별 광으로 측정할 수 있다. 이때, 고정밀 신호 센싱 시스템(400)은 제1 수광 세기 또는 제2 수광 세기 중, 분해능이 보다 우수한 광조사부의 것을 선택하여, 지향 방향의 변화에 따라 수광되는 세기가 민감하게 달라지는 조사광을 선택적으로 측정할 수 있다.

반면, 고정밀 신호 센싱 시스템(400)은 2개의 조사광 중 제1 광에 대해 측정된 제1 수광 세기, 또는 제2 광에 대해 측정된 제2 수광 세기가, 제1, 2 수광 세기 간의 차이 세기 보다 작은 지향 방향의 영역의 경우, 상기 차이 세기에 상응하는 광을 해당 영역에서의 지향 방향별 광으로 측정할 수 있다.

도 5는 수광부의 방향 별 조사광에 대한 수광 세기의 일례를 도시한 도면이다.

도 5를 참조하면, 고정밀 신호 센싱 시스템은 제1 광에 대해 측정된 제1 수광 세기(Intensity), 또는 제2 광에 대해 측정된 제2 수광 세기가, 제1, 2 수광 세기 간의 차이 세기(difference) 보다 작지 않은 지향 방향의 영역, 즉 도번 (501)에서, 분해능이 보다 우수한 광조사부의 제1 수광 세기에 상응하는 광을 측정할 수 있다.

반면, 고정밀 신호 센싱 시스템은 제1 광에 대해 측정된 제1 수광 세기, 또는 제2 광에 대해 측정된 제2 수광 세기가, 제1, 2 수광 세기 간의 차이 세기 보다 작은 지향 방향의 영역, 즉 도번 (502)에서, 상기 차이 세기에 상응하는 광을 선택적으로 측정할 수 있다.

이에 따라, 고정밀 신호 센싱 시스템은 잡음이 상쇄되어, 신호대 잡음비(SNR)가 일정 수준으로 높은 신호 만을 이용하여, 대상체인 발광 장치의 거리와 방향을 정밀하게 추정하는 환경을 조성할 수 있다.

도 6은 고정밀 신호 센싱 시스템의 다른 일례를 도시한 도면이다.

도 6을 참조하면, 고정밀 신호 센싱 시스템(600)은 (a)에 도시된 바와 같이, 동일한 방향으로 배열되나 상이한 지향성을 갖는 2개의 수광부(601, 602)를 이용하여, 발광 장치(610) 내 1개의 광조사부(611)로부터 2개의 조사광을 수광할 수 있다. 여기서, 2개의 수광부(601, 602)는 상이한 지향성을 갖는 필드를 형성하여, 세기가 서로 다른 2개의 조사광을 각각 수광할 수 있다. 이때, 상기 서로 다른 2개의 조사광은, 시분할, 변조, 광파장 등을 통해 구분되어 조사될 수 있다.

또한, 고정밀 신호 센싱 시스템(620)는 (b)에 도시된 바와 같이, 동일한 방향으로 배열되나 상이한 지향성을 갖는 2개의 수광부(621, 622)를 이용하여, 발광 장치(630) 내 동일한 방향으로 배열된 2개의 광조사부(631, 632)로부터 2개의 조사광을 수광할 수 있다. 여기서, 2개의 광조사부(631, 632)는 상이한 지향성을 갖는 필드를 형성하여, 세기가 서로 다른 2개의 조사광을 조사하고, 2개의 수광부(621, 622)는 상이한 지향성을 갖는 필드를 형성하여, 세기가 서로 다른 2개의 조사광을 각각 수광할 수 있다.

또한, 고정밀 신호 센싱 시스템(640)는 (c)에 도시된 바와 같이, 상이한 방향으로 배열되나 동일한 지향성을 갖는 2개의 수광부(641, 642)를 이용하여, 발광 장치(650) 내 1개의 광조사부(651)로부터 2개의 조사광을 수광할 수 있다. 여기서, 2개의 수광부(641, 642)는 동일한 지향성을 갖는 필드를 형성하나, 상이한 방향으로 배열 됨에 따라, 세기가 서로 다른 2개의 조사광을 각각 수광할 수 있다.

고정밀 신호 센싱 시스템은 도 6에 도시한 구성 이외에, 다양한 방법으로 구성될 수 있으며, 조사광에 대한 서로 다른 수광 세기를 이용하여, 일정 수준의 신뢰성 있는 SNR의 신호를 측정 함으로써, 발광 장치에 대한 후속 추정 과정이 보다 정밀하게 이루어지도록 유도 할 수 있다.

도 7은 고정밀 신호 센싱 시스템을 이용하여 위치 및 방향을 추정하는 시스템을 도시한 도면이다. 여기서, 위치 및 방향을 추정하는 시스템은, 상술한 고정밀 신호 센싱 시스템을 포함할 수 있다.

도 7을 참조하면, 위치 및 방향을 추정하는 시스템(700)은 수광부(701, 702, 703)에서 수광된 조사광의 수광방향 또는 거리에 따라 달라지는 세기와 수광 지향성 및 발광 지향성을 이용해서 발광 장치의 위치(x, y, z)와 방향(f, q, y)을 추정한다. 위치 및 방향을 추정하는 시스템(700)의 위치 및 방향의 추정 방법은 아래에서 도 8을 참조해서 상세히 설명하고자 한다.

도 8은 광조사부가 2개인 경우 3차원 위치 및 방향을 추정하기 위한 계산시 필요한 파라메타를 표시한 도면이다.

도 8를 참조하면, 광조사부(711, 712)와 수광부(701)가 지향하고 있는 단위(unit) 방향 벡터를 Global 좌표계에 대해서 각각

,

라 정의한다. 그리고, 광조사부(711, 712)로부터 수광부(701)까지의 변위를 나타내는 방향 벡터를

라고 정의한다.

또한,

과

,

가 각각 이루는 각도를

,

라고 하고, 편의상 <수학식 4>의 λ=1 로 했을 경우 각 수광부(701~703)에서 수광되는 조사광의 세기는 아래 <수학식 5>, <수학식 6>과 같이 표현될 수 있다.

여기서,

는 n번째 수광부에서 수광하는 제1 광조사부(711)의 조사광의 세기이다.

여기서,

는 n번째 수광부에서 수광하는 제2 광조사부(712)의 조사광의 세기이다.

즉, 2개의 광조사부(711, 712)의 조사광이 짧은 시간 안에 순차적으로 들어오거나 서로 다른 주파수로 수광되는 경우, <수학식 5>와 <수학식 6>의 정보는 독립적으로 얻어진다. 따라서 수광부(701~703)는 각각 2개의 식을 구할 수 있다.

수광부(701~703)가 3개일 경우는 발광 장치(710)의 위치와 방향에 대해서 6개의 식이 얻어지게 된다.

이 중

,

및

를 구하게 되면 위치와 방향을 모두 구할 수 있으므로, 각 방향 벡터의 성분인 9개의 미지수를 구하는 문제가 된다. 이 때,

와

는 단위 벡터이므로, 크기가 1이고,

와

의 상대적인 위치 관계는 사전에 주어지는 것이므로, 결국은 3개의 추가식이 주어지게 된다.

따라서, 9개의 식으로부터 9개의 미지수를 구하는 문제가 되므로 최적화 기법 등의 수학식을 이용하여 해결 가능하다. 이때 수광부(701~703)의 수가 증가하게 되면 오차를 최소화하는 정규화 문제로 생각할 수 있다.

위치 및 방향을 추정하는 시스템(700)은 광조사부(711, 712)가 2개인 경우 수광부(701~703)의 개수에 따라 측정할 수 있는 위치(x, y, z)와 방향(f, q, y)의 종류가 아래 <표 1>과 같이 달라진다. 여기서, x, y, z는 3차원 좌표이고, φ는 z축을 기준으로 하는 각도(roll)이고, θ는 x축을 기준으로 하는 각도(pitch)이고, ψ는 y축을 기준으로 하는 각도(yaw)이다.

<표 1>을 참조하면, 위치 및 방향을 추정하는 시스템(700)은 광조사부(711, 712)가 2개 이고, 수광부(701~703)가 3개인 경우, 발광 장치(710)의 3차원 위치(x, y, z)와 발광 장치(710)의 3축 방향인 roll(φ), pitch(θ)와 yaw(ψ)를 추정할 수 있다.

한편, 광조사부와 수광부의 수가 반대인 경우도 이와 동일 하다. 즉, 광조사부가 3개 이고, 수광부가 2개인 경우, 위치 및 방향을 추정하는 시스템(700)은 발광 장치(710)의 3차원 위치(x, y, z)와 발광 장치(710)의 3축 방향인 roll(φ), pitch(θ)와 yaw(ψ)를 추정할 수 있다.

<표 1>을 참조하면, 위치 및 방향을 추정하는 시스템(700)은 광조사부가 2개이고, 수광부가 2개이고, 발광 장치(710)의 3축의 방향 중에서 roll(φ)이 고정된 경우, 발광 장치(710)의 2차원 평면상의 위치(x, y)와 발광 장치(710)의 2차원 평면상의 방향인 pitch(θ)와 yaw(ψ)를 추정할 수 있다.

도 9는 고정밀 신호 센싱 방법을 나타내는 흐름도이다.

도 9를 참조하면, 단계 901에서, 고정밀 신호 센싱 시스템은 발광 장치로부터의 광을 수광 장치에서 수광한다. 고정밀 신호 센싱 시스템은 발광 장치와 수광 장치 사이의 이격된 거리, 수광방향 등에 따라, 조사광을 제1 광 및 제2 광으로 구분하여 수광한다.

고정밀 신호 센싱 시스템은 다양한 방법으로 조사광을 수광할 수 있다.

예컨대, 고정밀 신호 센싱 시스템은, 상이한 지향성으로 갖는 2개의 광조사부로부터 조사되는, 상이한 세기의 2개의 조사광을 1개의 수광부를 이용하여 수광할 수 있다.

또는, 고정밀 신호 센싱 시스템은 동일한 방향으로 배열되나 상이한 지향성을 갖는 2개의 수광부를 이용하여, 하나 이상의 광조사부로부터 2개의 조사광을 수광할 수 있다. 상기 수광부는 상이한 지향성에 의해 상이하게 되는 세기로 2개의 조사광을 수광할 수 있다.

또는, 고정밀 신호 센싱 시스템은 상이한 방향으로 배열되나 동일한 지향성을 갖는 2개의 수광부를 이용하여, 하나 이상의 광조사부로부터 2개의 조사광을 수광할 수 있다. 상기 수광부는 수광 방향의 변화에 따라, 광조사부로부터의 조사광을 상이한 세기로 수광할 수 있다.

단계 903에서, 고정밀 신호 센싱 시스템은 거리와 수광 방향에 따른 제1 광 및 제2 광 각각의 수광 세기를 측정한다.

여기서, 제1광에 대한 수광 세기와 제2 광에 대한 수광 세기는 서로 상이하다.

단계 905에서, 고정밀 신호 센싱 시스템은 상기 측정된 수광 세기 또는 상기 수광 세기 간의 차이 세기 중 적어도 하나를 이용하여, 상기 발광 장치를 추정하기 위한 지향 방향별 광을 측정한다.

고정밀 신호 센싱 시스템은 제1 광에 대해 측정된 제1 수광 세기, 또는 제2 광에 대해 측정된 제2 수광 세기가, 제1, 2 수광 세기 간의 차이 세기 보다 작지 않은 지향 방향에서, 제1 수광 세기 또는 제2 수광 세기에 상응하는 광을 상기 발광 장치를 추정하는 데에 활용되는 지향 방향별 광으로 측정할 수 있다. 예컨대, 고정밀 신호 센싱 시스템은 제1 수광 세기 및 제2 수광 세기 중 분해능이 보다 우수한 광조사부와 연관된 광을 측정할 수 있다.

반면, 고정밀 신호 센싱 시스템은 제1 광에 대해 측정된 제1 수광 세기, 또는 제2 광에 대해 측정된 제2 수광 세기가, 제1, 2 수광 세기 간의 차이 세기 보다 작은 지향 방향에서, 상기 차이 세기에 상응하는 광을 선택적으로 측정할 수 있다. 여기서, 상기 차이 세기에 상응하는 광은 제1 광에 포함되는 잡음과, 제2 광에 포함되는 잡음이 상쇄되어, 신호대 잡음비(SNR)가 높을 수 있다. 이에 따라, 고정밀 신호 센싱 시스템은 신호대 잡음비가 높은 광을, 지향 방향의 변화에 따라 선택적으로 측정 할 수 있다.

나아가, 고정밀 신호 센싱 시스템을 이용하는, 위치 및 방향을 추정하는 시스템에서는, 대상체로서의 발광 장치에 대한 위치 또는 방향을 보다 정확하게 추정할 수 있게 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100: 고정밀 신호 센싱 시스템
110: 수광 장치
120: 측정 장치
130: 발광 장치

Claims

상이한 지향성 또는 상이한 발광 방향을 가지는 복수의 광 조사부들을 포함하는 발광 장치로부터 제1 광 및 제2 광을 수신하는 수광 장치; 및
상기 제1 광 및 제2 광 각각에 대한 세기를 측정하고, 상기 제1 광 및 상기 제2 광 각각의 측정된 세기 및 상기 측정된 세기들 간의 차이 세기 중 적어도 하나를 이용하여, 상기 발광 장치를 포함하는 대상체의 위치 및 방향 중 적어도 하나를 추정하는 측정 장치
를 포함하고,
상기 제1 광 및 상기 제2 광 각각의 측정된 세기는
상기 수광 장치의 수신 방향, 상기 발광 장치의 발광 방향 및 상기 발광 장치와 상기 수광 장치 간의 거리 중 적어도 하나에 기초하는,
고정밀 신호 센싱 시스템.
제1항에 있어서,
상기 측정 장치는,
상기 제1 광에 대해 측정된 제1 세기, 또는 상기 제2 광에 대해 측정된 제2 세기가, 상기 차이 세기 보다 작은 지향 방향에서,
상기 차이 세기에 상응하는 광을 지향 방향별 광으로 측정함으로써 상기 대상체의 위치 및 방향 중 적어도 하나를 추정하는 고정밀 신호 센싱 시스템.
제1항에 있어서,
상기 측정 장치는,
상기 제1 광에 대해 측정된 제1 세기, 또는 상기 제2 광에 대해 측정된 제2 세기가, 상기 차이 세기 보다 작지 않는 지향 방향에서,
상기 제1 세기 또는 상기 제2 세기에 상응하는 광을, 지향 방향별 광으로 측정함으로써 상기 대상체의 위치 및 방향 중 적어도 하나를 추정하는, 고정밀 신호 센싱 시스템.
제1항에 있어서,
상기 발광 장치는
상이한 지향성으로 상기 제1 광 및 상기 제2 광을 광 형태로 송신하는 광조사부를 포함하는, 고정밀 신호 센싱 시스템.
제4항에 있어서,
상기 광조사부는,
시분할, 코딩 또는 광 파장 중 적어도 하나를 이용하여 상기 제1 광과 제2 광을 구분하여 발광하는, 고정밀 신호 센싱 시스템.
제1항에 있어서,
상기 수광 장치는,
상이한 지향성으로 상기 제1 광과 상기 제2 광을 수광하거나, 또는 동일한 지향성이지만 상이한 수신방향으로 상기 제1 광과 상기 제2 광을 수광하는 수광부를 포함하는, 고정밀 신호 센싱 시스템.
삭제
발광 장치로부터의 조사광을, 상이한 지향성 또는 상이한 수광 방향을 가지는 복수의 수광부들을 통해 제1 광 및 제2 광으로 구분하여 수신하는 수광 장치; 및
상기 제1 광에 대한 제1 수광 세기와, 상기 제2 광에 대한 제2 수광 세기를 측정하고, 상기 제1 수광 세기, 상기 제2 수광 세기 및 상기 제1 수광 세기와 상기 제2 수광 세기 간의 차이 세기 중 적어도 하나를 이용하여, 상기 발광 장치를 포함한 대상체의 위치 및 방향 중 적어도 하나를 추정하는 측정 장치
를 포함하고,
상기 제1 광 및 상기 제2 광 각각의 측정된 세기는
상기 수광 장치의 수신 방향, 상기 발광 장치의 발광 방향 및 상기 발광 장치와 상기 수광 장치 간의 거리 중 적어도 하나에 기초하는 고정밀 신호 센싱 시스템.
제8항에 있어서,
상기 측정 장치는,
상기 제1 수광 세기, 또는 상기 제2 수광 세기가, 상기 차이 세기 보다 작은 경우, 상기 차이 세기에 상응하는 광을, 지향 방향별 광으로 측정함으로써 상기 대상체의 위치 및 방향 중 적어도 하나를 추정하고,
상기 제1 수광 세기, 또는 상기 제2 수광 세기가, 상기 차이 세기 보다 작지 않은 경우, 상기 제1 수광 세기 또는 상기 제2 수광 세기에 상응하는 광을, 상기 지향 방향별 광으로 측정함으로써 상기 대상체의 위치 및 방향 중 적어도 하나를 추정하는, 고정밀 신호 센싱 시스템.
상이한 지향성 또는 상이한 발광 방향을 가지는 복수의 광 조사부들을 포함하는 발광 장치로부터 제1 광 및 제2 광을 수광 장치에서 수신하는 단계;
상기 제1 광 및 상기 제2 광 각각에 대한 세기를 측정하는 단계; 및
상기 제1 광 및 상기 제2 광 각각의 측정된 세기 및 상기 측정된 세기들 간의 차이 세기 중 적어도 하나를 이용하여, 상기 발광 장치를 포함한 대상체의 위치 및 방향 중 적어도 하나를 추정하는 단계
를 포함하고,
상기 제1 광 및 상기 제2 광 각각의 측정된 세기는
상기 수광 장치의 수신 방향, 상기 발광 장치의 발광 방향 및 상기 발광 장치와 상기 수광 장치 간의 거리 중 적어도 하나에 기초하는 고정밀 신호 센싱 방법.
제10항에 있어서,
상기 대상체의 위치 및 방향 중 적어도 하나를 추정하는 단계는,
상기 제1 광에 대해 측정된 제1 수광 세기, 또는 상기 제2 광에 대해 측정된 제2 수광 세기가, 상기 차이 세기 보다 작은 지향 방향에서, 상기 차이 세기에 상응하는 광을 지향 방향별 광으로 측정함으로써 상기 대상체의 위치 및 방향 중 적어도 하나를 추정하는 단계
를 포함하는 고정밀 신호 센싱 방법.
제10항에 있어서,
상기 대상체의 위치 및 방향 중 적어도 하나를 추정하는 단계는,
상기 제1 광에 대해 측정된 제1 수광 세기, 또는 상기 제2 광에 대해 측정된 제2 수광 세기가, 상기 차이 세기 보다 작지 않는 지향 방향에서, 상기 제1 수광 세기 또는 상기 제2 수광 세기에 상응하는 광을, 지향 방향별 광으로 측정함으로써 상기 대상체의 위치 및 방향 중 적어도 하나를 추정하는 단계
를 포함하는 고정밀 신호 센싱 방법.