[논문]광 센서에 기반한 동하중의 측정 및 잡음 감소

신대정; 나승유; 김진영

doi:10.3745/kipstc.2005.12c.4.519

광 센서에 기반한 동하중의 측정 및 잡음 감소
Photo Sensor Based Measurement and Noise Reduction of Dynamic Weights 원문보기

정보처리학회논문지. The KIPS transactions. Part C Part C, v.12C no.4 = no.100, 2005년, pp.519 - 524

신대정 (전남대학교 전자공학과) , 나승유 (전남대학교 전자컴퓨터정보통신공학부) , 김진영 (전남대학교 전자컴퓨터정보통신공학부)

초록
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동하중 측정 데이터에 추가되는 여러 가지 종류의 오차로 인하여, 신뢰할 수 있는 하중을 구하기 위해 측정 오차를 감소시키는 적절한 방법이 필요하다. 과도한 진동으로 인해 발생하는 측정 오류는 쉽게 제거하기 어렵다. 이러한 오류를 최소화하기 위하여 측정 장치 혹은 측정 대상의 수직 운동과 상호 관계가 전혀 없는 광 센서 시스템을 이용한다. 여러 가지 시료들의 흐름률을 광 센서를 이용하여 측정함으로써 로드셀을 이용한 부정확한 측정 부분을 보완한다. 동하중 측정시 발생하는 잡음 감소를 확인하기 위하여 모형 트레일러 시스템을 사용하며, 제안된 방법이 효과적임을 확인한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Due to various types of errors added to dynamic weight measurement data, proper methods to reduce measurement errors are required to produce reliable weights. It is very difficult to reduce the measurement error due to excessive oscillation of the system. To cope with parasitic types of errors in real systems, information provided by the photo sensors are utilized and combined in such a way to reduce the measurement errors of load cells. In addition to four channels of load cells from a model trailer, photo sensors are used to obtain the information to compensate the error induced from vertical movement of the vehicle due to the variation of ground level. A model trailer system is run to verify the effectiveness of the proposed method to reduce noise of dynamic weight measurements.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 가속도 센서의 제한된 해상력과 강한 외란으로 인하여 큰 진동에 대한 측정 오류를 완전히 제거할 수 없었다. 본 논문에서는 곡물 시료의 흐름률을 광 센서를 사용하여 측정함으로써, 진동과 전혀 무관한 하중을 측정하고 로드 셀에 의해 측정된 하중의 오류를 감소시키는 방법을 제안한다.
또한 저역 통과 필터링된 값의 이동 평균 또한 진동 성분이 감소하게 되지만 여전히 존재하게 된다. 본 논문에서는 즉정 하중 오류의 직접적인 원인이 되는 진동과 충격에 대해 전혀 무관한 광 센서를 이용하여 변화하는 하중 측정을 위한 하나의 데이터로 사용할 수 있음을 보였다.
G-310이 방출하는 최대 감도의 파장은 940nm이고, ST-310이 감지하는 파장은 750~ 1050nm이다. 이는 태양광의 적외선에 해당하는 파장이며, 자연광에 의한 영향을 최소화시키기 위하여 빛을 차단시키고 실험을 하였다.

가설 설정

적응 필터링 방법団을 사용하거나, 이차 동적 모델을 출력 신호에 적합 시키는 비선형 회귀 방법⑸을 사용하여 가해진 하중을 예측하여 빠르고 정확하게 하중을 측정하는 다양한 방법들이 제안되어 왔다. 이러한 방법들은 하중이 이상적인 계단 신호라고 가정하고 진동 등 모든 동적 모드는 없는 것으로 가정한다. 반면 Bahar的는 인공 신경 회로망을 사용하여 실험적으로 얻어진 데이터를 이용해 진동의 영향을 포함하여 가해진 하중을 예측하였다.

제안 방법

8개의 발광 소자를 3mm 간격으로 배치시키고 이와 2.4mm 어긋나게 제 2열, 3열의 발광 소자를 배치하였으며, 이와 정확히 대응하도록 수광 소자를 배치하여 구성함으로써 소량의 시료가 통과하더라도 감지 장치가 누락하는 경우를 최소화시키도록 하였다. 또한 통과하는 시료의 속도를 감소시켜 감지를 누락하는 경우를 최소화 하도록 통과면을 20°로 하였으며, 수광 소자를 아래쪽에 위치시켜 작은 크기의 시료 하나가 여러 개의 수광 소자에 영향을 미치는 경우를 최소화 시켰다.
전체 실험은 모형 실험 장치를 자동차에 싣고 흙으로 된 운동장의 굴곡 있는 부위에서 행해졌다. 또한 실험중 영향을 미칠 수 있는 강한 햇빛의 영향을 최소화하기 위하여 광센서 모듈을 검은 색 종이로 감쌌으며, 자동차의 내부를 검은색 암막으로 감싸 차량의 위치 변화에 따른 태양광의 영향을 최소화 하였다.
4mm 어긋나게 제 2열, 3열의 발광 소자를 배치하였으며, 이와 정확히 대응하도록 수광 소자를 배치하여 구성함으로써 소량의 시료가 통과하더라도 감지 장치가 누락하는 경우를 최소화시키도록 하였다. 또한 통과하는 시료의 속도를 감소시켜 감지를 누락하는 경우를 최소화 하도록 통과면을 20°로 하였으며, 수광 소자를 아래쪽에 위치시켜 작은 크기의 시료 하나가 여러 개의 수광 소자에 영향을 미치는 경우를 최소화 시켰다. 광 센서의 출력을 로드셀과 같은 매 4msec의 주기로 MSP430 의 디지털 입력 기능을 이용하여 읽어 들인다.
복잡한 동적 환경에서 하중을 측정하기 위하여 동하중과광 센서 데이터의 특성을 분석하였다. 로드셀을 이용한 동하중의 측정은 저역 통과 필터를 통과 하더라도 진동 성분에 아주 취약하며, 이로 인해 정확한 하중 값을 측정하기 어렵다.
하지만 광 센서를 사용하는데 있어, 발광-수광 소자 간의 일대일 대응조차 확인되지 않고, 인접 소자들 간의 간섭을 최소화하지 못하여 좋은 성능을 보이지 못하였다. 본 논문에서는 광 센서를 사용하여 최적의 성능을 보이도록 광 센서 모듈을 배치한다.
이는 하나의 발광 소자가 대응하는 단 하나의 수광 소자뿐 아니라 인접한 수광 소자에도 영향을 미칠 수 있는 충분한 각도이다. 이러한 현상을 방지하기 위하여 발광부와 수광부사이에 (그림 5)와 같이 슬릿을 사용하여 발광 소자가 수광소자에 일대일로 대응하도록 하였다. 광 센서를 사용하는 일부 방법이 좋은 성능을 보이지 못한 이유 중의 하나가 개개의 발광-수광 소자 사이의 정확한 일대일 대응이 확인되지 못하기 때문이다.
컨테이너를 포함한 관심 하중을 동적인 상황에서도 정확히 측정하기 위하여 시스템의 기본적인 특성을 분석한다. (그림 3)은 차량이 움직이는 상태에서 시스템의 주파수 특성을 분석한 그림이다.
하중 공급 장치에서 공급되는 다양한 시료의 하중을 4개의 로드 셀이 장착되어 있는 하중 측정 장치에서 측정한다. (그림 1)은 하중 측정 장치와 하중 공급 장치를 보여준다.

대상 데이터

검은색 콩, 황색 콩, 쌀, 짧게 잘려진 대나무 등 총 4가지 형태의 시료를 이용하여 실험을 하였다. 시료 표면의 색깔에 따라 발광 소자의 적외선의 반사 정도에 따른 차이를 두기 위하여 검은 색과 황색 콩을 시료로 선택하였으며, 수광-발광 소자의 크기보다 훨씬 작은 경우도 적절한 실험 결과를 보이는지 확인하기 위하여 반투명하며 크기가 작은 쌀을 시료로 선택하였다.
시료 표면의 색깔에 따라 발광 소자의 적외선의 반사 정도에 따른 차이를 두기 위하여 검은 색과 황색 콩을 시료로 선택하였으며, 수광-발광 소자의 크기보다 훨씬 작은 경우도 적절한 실험 결과를 보이는지 확인하기 위하여 반투명하며 크기가 작은 쌀을 시료로 선택하였다. 또한 크기가 작으면서 2개 이상의 광 센서에 동시에 영향을 미칠 수 있는 시료를 선택하기 위하여 작은 크기로 잘린 가느다란 대나무를 시료로 선택하였다. 총 4 개의 시료에 대한 로드셀로 측정한 동하중의.
모델 UU 로드셀이다. 미약한 로드셀 신호를 증폭하기 위하여 고정밀 증폭기인 MAX4194를 사용하였으며, 데이터수집 및 전송을 위해서는 TI사의 MSP43的149를 사용하였다.
시료를 이용하여 실험을 하였다. 시료 표면의 색깔에 따라 발광 소자의 적외선의 반사 정도에 따른 차이를 두기 위하여 검은 색과 황색 콩을 시료로 선택하였으며, 수광-발광 소자의 크기보다 훨씬 작은 경우도 적절한 실험 결과를 보이는지 확인하기 위하여 반투명하며 크기가 작은 쌀을 시료로 선택하였다. 또한 크기가 작으면서 2개 이상의 광 센서에 동시에 영향을 미칠 수 있는 시료를 선택하기 위하여 작은 크기로 잘린 가느다란 대나무를 시료로 선택하였다.
실험에서 검은 콩, 황색 콩, 쌀, 짧게 잘려진 대나무 등 4 가지 시료의 흐름을 광 센서를 이용하여 감지하는데 사용된다. 광 센서는 로드셀에 비하여 진동이나 외부 충격에 영향이 없기 때문에, 진동이나 외부 충격에 의한 측정 오류로 인한 하중의 부정확한 측정을 보상하는 정보로 사용될 수 있다.
실험에서 사용한 koden안ii사의 적외선 발광 다이오드 (G-310)와 포토트랜지스터 (ST-310)를 사용하였다. G-310이 방출하는 최대 감도의 파장은 940nm이고, ST-310이 감지하는 파장은 750~ 1050nm이다.
하중을 측정하기 위해 사용된 로드셀은 다 셀(dacell) 사의 범용 모델 UU 로드셀이다. 미약한 로드셀 신호를 증폭하기 위하여 고정밀 증폭기인 MAX4194를 사용하였으며, 데이터수집 및 전송을 위해서는 TI사의 MSP43的149를 사용하였다.

성능/효과

정확한 측정 오차를 대신하기 위하여에 보인 진동이 없는 정적인 환경에서 측정한 작용 하중과 광 센서를 사용한 작용 하중 사이의 상관 계수를 측정하여 둘 사이의 상관 관계가 아주 크다는 것을 확인하였다.

참고문헌 (8)

S. Blackmore and C. Marshall, 'Yield Mapping; Errors and Algorithms,' 3rd International Conference on Precision Agriculture, 1996
P. N. Wheeler, R. J. Godwin, C. D. Watt and B. S. Blackmore, 'Trailer based yield mapping,' 1st European Conference on Precision Agriculture, 1997
M. J. Krumpelman and K. A. Sudduth, 'Design and analysis of a grain weighing system,' 2000 ASAE Annual International Meeting, 2000
W. Q.. Shu, 'Dynamic weighing under non-zero initial conditions.' IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 42(4), pp.806-811, 1993

상세보기
M. Danaci and D. H. Horrocks, 'A nonlinear regression technique for improved dynamic weighing.' Proceedings of the European conference on Circuit Theory and Design, Istanbul, Turkey, pp.507-510, August, 1995
H. B. Bahar and D. H. Horrocks, 'Dynamic weight estimation using and artificial neural network,' Artificial Intelligence in Engineering, pp. 135-139, 1998

상세보기
P. Lingman and B. Schmidtbauer, 'Road slope and vehicle mass estimation using Kalman filtering', Proc. of the IAVSD Symposium 2001, Copenhagen
나승유, 신대정, '가속도 센서에 기반한 동하중의 측정 및 잡음 감소', 한국센서학회논문지, 13-1, pp.1-11, 2004

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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