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초음파 센서 모듈을 활용한 2D 실내 지도 작성 기법
2D Indoor Map Building Scheme Using Ultrasonic Module 원문보기

한국통신학회논문지 = The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences, v.41 no.8, 2016년, pp.986 - 994  

안덕현 (Kwangwoon University Department of Electronic Engineering) ,  김남문 (Kwangwoon University Department of Electronic Engineering) ,  박지혜 (Kwangwoon University Department of Electronic Engineering) ,  김영억 (Kwangwoon University Department of Electronic Engineering)

초록
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본 논문에서는 초음파 센서를 활용한 2D 실내 지도 작성을 위하여 회전형 모듈과 고정형 모듈을 개발하여 각 모듈의 가능성과 한계점을 확인하였으며, 초음파 센서를 활용하여 실내 지도 작성 시에 고려하여야 할 센서 특성 실험과 2D 실내 지도 작성 결과를 기술한다. 최근 실내 공간에서의 simultaneous localization and mapping(SLAM) 기술이 많은 주목을 받으면서 이와 더불어 실내 공간을 인식하여 지도정보로 만들기 위한 기술연구 또한 활발히 진행되고 있고, 이를 위한 기술로써 LiDAR, 초음파, 카메라 등이 많이 사용 되고 있다. 가장 좋은 성능을 지닌 LiDAR 기술의 경우 초음파에 비해 높은 해상력과 넓은 탐지범위를 가지고 있지만 모듈 크기의 한계, 높은 비용, 많은 연산량 그리고 비교적 다양한 매질에 따른 노이즈에 약한 특성이 있다. 이에 따라 본 논문에서는 초음파 센서를 활용하여, 레이저 센서의 취약점을 보완함과 동시에 비교적 적은 연산량을 가지며 최소한의 초음파 센서를 사용한 2D 실내 지도 작성 기법을 제안하며 실험을 통하여 이를 검증하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, we proposed ultrasonic radar module and fixed module for the 2D indoor map building and from each of the modules, we can see the possibilities, limitations and considerations. And finally show the result of building actual 2D indoor map from the modules. Recently there are lots of wor...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 또한 초음파 센서로 실내 공간의 어느 영역을 탐지해서 지도로 만들 것인지에 대한 계획이 필요한데, 기존의 연구에서는 주로 실내공간에 대한 모든 형상학적 데이터를 지도로 표현하기 위하여 높은 해상력의 센서를 사용하였고, 이런 경우 데이터 연산량과 센서 개수, 비용이 증가하게 되며 모듈의 크기 또한 커지게 되었다[6-8]. 본 논문에서는 이러한 특성들을 고려하여 최소한의 센서 개수와 연산량으로 2D 실내 지도를 작성하는 것을 목적으로 하여 모듈과 알고리즘을 구현하였다. 우선, 지도를 작성하기 위하여 탐지할 영역을 최소한으로 줄여 실내 공간상의 가장 중요한 정보인 벽에 대한 탐지와 빈 공간에 대한 탐지만을 설정하였다.
  • 본 논문에서는 초음파 센서를 활용하여 회전형 Radar 모듈과 고정형 모듈을 제작하여 각 모듈이 가지는 특장점과 한계점을 분석하였다. 그림 3 (a)는 회전형 초음파 Radar 모듈로, 2cm to 500cm의 탐지범위를 가지며 40kHz로 동작하고 약 30°가량의 지향각을 가지는 HC-SR04 초음파 센서와, 0° to 180° 반경으로 동작하는 서보모터 NT-S0090을 결합하여 모듈을 구성하였다.
  • 본 논문에서는 초음파 센서를 활용한 2D 실내 지도 작성을 위하여 회전형 Radar 모듈과 고정형 모듈을 개발하여 각 모듈의 가능성과 한계점을 확인하였으며, 제안 하는 기법과 초음파 센서를 활용하여 실내지도 작성 시에 고려하여야 할 센서 특성 실험과 2D 실내 지도 작성 결과를 확인하였다. 실험을 통하여, 회전형 Radar 모듈의 경우 한 개의 센서만을 사용하여 해상력과 주변의 다양한 정보를 수신하는데 한계가 있었지만, Lidar는 나타내지 못하는 어두운 환경이나 수중과 같은 다양한 매질에서 주변의 장애물에 대한 정보를 나타낼 수 있으므로 어두운 광산의 갱도 혹은 군사용 Drone에서의 장애물 탐지모듈로써의 활용이 가능할 것이라 기대한다.
  • 회전형 초음파 Radar 모듈은 1개의 초음파 센서만을 장착하여 주변 환경을 탐지하여 그 정보를 실시간으로 사용자의 화면상에 시각화 해주는 것을 목적으로 하여 제작되었다. 실험을 통해 14cm*7.

가설 설정

  • 최소 3-5cm, 최대 3-10m 정도이고 초음파의 주파수가 높아질수록 측정거리는 짧아지는 특성이 있으며 측위를 목적으로 사용되는 센서의 경우에는 일반적으로 40kHz 대역을 많이 사용한다. 두 번째로, 초음파 센서의 빔 각도이다. 빔 각도는 음파가 퍼지는 각도를 의미하는 것인데, 빔 각도가 퍼짐이 좁으면 직진성이 좋으며 넓은 범위에서의 감지가 어려워지는 특성을 지닌다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
초음파 센서란? 초음파 센서는 음파의 속도를 이용하여 음파가 물체에 반사되어 돌아오는 시간을 측정함으로써 거리를 계산하는 센서이다. 음파의 속도는 온도에 따라 다소 차이가 있지만 대개 15°의 온도에서 334m/s 정도의 전파속도를 가지며 일정하게 유지된다
초음파 센서를 선택할 때의 고려 할 사항 두 가지는 무엇인가? 초음파 센서를 선택할 때의 고려 할 사항은 크게두 가지가 있다. 첫 번째로, 초음파 센서의 측정거리이다. 최소 3-5cm, 최대 3-10m 정도이고 초음파의 주파수가 높아질수록 측정거리는 짧아지는 특성이 있으며 측위를 목적으로 사용되는 센서의 경우에는 일반적으로 40kHz 대역을 많이 사용한다. 두 번째로, 초음파 센서의 빔 각도이다. 빔 각도는 음파가 퍼지는 각도를 의미하는 것인데, 빔 각도가 퍼짐이 좁으면 직진성이 좋으며 넓은 범위에서의 감지가 어려워지는 특성을 지닌다. 반대로 퍼짐이 넓으면 직진성이 나쁘기 때문에 반사되어 돌아오는 신호가 어디에서 왔는지를 추측하기가 어렵다
LiDAR 기술의 장단점은? 최근 실내 공간에서의 simultaneous localization and mapping(SLAM) 기술이 많은 주목을 받으면서 이와 더불어 실내 공간을 인식하여 지도정보로 만들기 위한 기술연구 또한 활발히 진행되고 있고, 이를 위한 기술로써 LiDAR, 초음파, 카메라 등이 많이 사용 되고 있다. 가장 좋은 성능을 지닌 LiDAR 기술의 경우 초음파에 비해 높은 해상력과 넓은 탐지범위를 가지고 있지만 모듈 크기의 한계, 높은 비용, 많은 연산량 그리고 비교적 다양한 매질에 따른 노이즈에 약한 특성이 있다. 이에 따라 본 논문에서는 초음파 센서를 활용하여, 레이저 센서의 취약점을 보완함과 동시에 비교적 적은 연산량을 가지며 최소한의 초음파 센서를 사용한 2D 실내 지도 작성 기법을 제안하며 실험을 통하여 이를 검증하였다.
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참고문헌 (8)

  1. P. Yang, "Efficient particle filter algorithm for ultrasonic sensor-based 2D range-only simultaneous localization and mapping application," IET Wireless Sensor Systems, vol. 2, no. 4, pp. 394-401, Dec. 2012. 

  2. H. M. Han and J. B. Song, "Robust map building in narrow environments based on combination of sonar and IR sensors," J. KRS, vol. 6. no. 1, pp. 42-48 Mar. 2011. 

  3. M. H, Lee and W. Cho, "Real-time measurement model of indoor environment using ultrasonic sensor," J. KICS, vol. 30, no. 6A, pp. 481-487, Jun. 2005. 

  4. Y. S. Kim, S. H. Kim, and S. W. Ra, "An indoor location aware system using ultrasonic," in Proc. KICS Int. Conf. Commun., pp. 183-186, Yeosu, Korea, Apr. 2004. 

  5. J. J. Park, D. H. Lee, and S. Y. Mun, "A study on the recognizing range expansion techniques of the ultrasonic location awareness system for the ubiquitous computing," J. KICS, vol. 31, no. 7B, pp. 595-601, Jul. 2006. 

  6. T. S. Jin and J. M. Lee, "Localization and navigation of a mobile robot using single ultrasonic sensor module," J. IEEK, vol. 42, no. 2, pp. 1-10, Mar. 2005. 

  7. G. Gallegos and P. Rives, "Indoor SLAM based on composite sensor mixing laser scans and omnidirectional images," ICRA, pp. 3519-3524, May 2010. 

  8. B. J. Park, S. J. Lee, W. K. Chung, and D. W. Cho, "Development of grid observation model for particle filter-based mobile robot localization using sonar grid map," J. Korean Soc. Precis. Eng., vol. 30. no. 3, pp. 308-316, Mar. 2013. 

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