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문제 정의
- 본 논문에서 제안된 스마트케인은 지팡이의 기본적인 기능과 정보통신기술을 접목시켜 효과적인 시각장애인의 주행보조를 수행할 가능성을 제시한다.
- 본 논문에서는 기존에 연구개발 되었던 스마트케인보다 사용자 편의가 고려된 실용적인 제품을 개발하기 위해 초음파를 이용한 거리측정에서 보다 먼 거리를 측정할 수 있고 음파의 반향파라는 특성으로 생기는 오차의 결과를 최적화 할 수 있는 알고리즘을 기반으로 거리 알람 신호를 촉각으로 전달하고 실질적인 기능으로서 GPS 정보를 이용하여 현재 위치를 음성으로 알린다.
- 상기 요구사항들에 대한 충족을 목표로 본 연구개발에서는 다음의 내용들을 기반으로 스마트케인을 구현하고자 한다. 거리감지 기능에서 오차에 크기가 크면 클수록 상황에 따라서는 위험한 상황이 도래할 수 있으며 한 번이라도 장애물에 부딪히게 된다면 시각 장애인은 제품에 대해 신뢰할 수 없을 것이다.
제안 방법
- H/W : 들어오는 빛의 양에 따라 저항값이 변화하는 광센서의 동작 원리를 이용하여 일정 임계 저항값 이상이 될 경우 고광도 LED가 동작하도록 구현하였다.
- H/W : 하나의 MCU로 WIFI 모듈과 비컨 모듈을 동시에 제어할 경우 발생하는 원활하지 않은 정보수신 문제를 해결하기 위해 본 구현에서는 2개의 MCU를 사용했다.
- MCU 출력 단자의 기생 전류로 인해 유도되는 음성 모듈의 노이즈 출력 문제늘 해결하기 위하여 2채널 Mux를 설치 후 조작하였다.
- H/W : 들어오는 빛의 양에 따라 저항값이 변화하는 광센서의 동작 원리를 이용하여 일정 임계 저항값 이상이 될 경우 고광도 LED가 동작하도록 구현하였다. S/W : 광센서에 들어오는 아날로그 값을 확인하여 일정 임계 값 이하이면 고광도 LED가 작동하도록 프로그램하였으며 사용된 임계 값은 노을이 지고 난 직후의 광량을 실험적으로 산정해 설정되었다. 또한, 효과적인 가시화를 위해 패턴을 달리하는 점멸을 구현하였다.
- S/W : 초음파 센서의 측정값 오류를 일으키는 주요한 문제점인 반향파를 해결하기 위하여 프로그램에서 거리를 측정하는 변수를 3개 지정하여 순차적으로 거리 측정값을 넣고 평균값을 구해 하나의 Stack으로 지정했다. 총 3개의 Stack 값으로 비교하여 그 차이에 해당하는 델타 값을 계산하고 비정상적인 Stack 값을 제외하고 나머지에 대해 거릿값을 추정하였다.
- 또한 사용자의 편의성을 고려하여 인체 공학적으로 설계되었다. 가볍고 저전력으로 동작하도록 구성하였으며 기존의 스마트케인과는 차별화된 기능과 5pin 충전과 같은 세세한 편의성을 고려하여 제작되었다. 바퀴를 통해 손목에 무리가 가지 않고 안정적으로 시스템이 동작할 수 있도록 제품을 디자인하였다.
- H/W : 거리 측정 알림과 장애물 탐지에서 사용된 거리 센서로 초음파센서를 사용하였다. 근접 장애물을 측정하고 이를 경고하기 위한 스마트케인 하단 센서와 장애물까지의 거리를 측정하여 사용자에게 알려주기 위한 상단센서로 나누어 구현하였다. 사용된 초음파 센서는 Maxbotix XL-Max Sonar-EZ4로 4미터 까지 측정되는 높은 해상도와 낮은 전력으로 동작되기 때문에 일반적인 스마트케인에서 자주 사용되는 저가형 초음파센서인 HC-04와는 차별성을 둘 수 있다.
- 본 논문에서 고려하는 스마트케인의 전체 시스템 구성은 다음과 같다. 다양한 기능을 수행하기 위한 MCU와 거리 감지를 위한 초음파 센서, 감지된 거리를 표현하는 리니어 서보모터, 신호등과 통신하는 비컨, 위치정보를 받아들이는 GPS, Map Server와 연결하는 Wifi 모듈, 시스템을 동작시키는 배터리 등을 부착하였다.
- 하지만 위도와 경도로는 현재 위치를 수치로 밖에 알 수 없으므로 정확한 주소를 찾을 필요가 있다. 따라서 Wifi 모듈을 통해 구글 지도에 접속하고 추출된 위도와 경도 값을 통해 현재 주소 값을 도출해 낸다. 현재 위치 주소 또한 음성 모둘을 통해 사용자에게 전달한다.
- 또한 사용자의 편의성을 고려하여 인체 공학적으로 설계되었다. 가볍고 저전력으로 동작하도록 구성하였으며 기존의 스마트케인과는 차별화된 기능과 5pin 충전과 같은 세세한 편의성을 고려하여 제작되었다.
- 8개의 장치를 하나의 CMU로 동작시키기에는 사용된 CMU가 가지고 있는 아날로그 핀과 디지털 핀의 개수가 부족하였다. 또한, MCU의 가용한 전류량이 부족하여 센서 구동이 불규칙하게 되어 전체 시스템 작동이 불안정 해지는 등의 여러 가지 문제점들이 발생하여 이를 해결하고 효율적인 연산처리 및 통신 충돌을 막기 위해 총 2개의 MCU를 이용하여 제작되었다.
- 이를 통해 기존에 센서나 모듈이 밖에 나와 조잡하던 스마트케인의 디자인과는 차별성을 두었다. 또한, 소형이지만 센서의 해상도와 크기 등을 고려하여 기존의 스마트케인 보다 향상된 서비스를 제공하도록 하였다.
- 본 논문에서는 기존에 연구개발 되었던 스마트케인보다 사용자 편의가 고려된 실용적인 제품을 개발하기 위해 초음파를 이용한 거리측정에서 보다 먼 거리를 측정할 수 있고 음파의 반향파라는 특성으로 생기는 오차의 결과를 최적화 할 수 있는 알고리즘을 기반으로 거리 알람 신호를 촉각으로 전달하고 실질적인 기능으로서 GPS 정보를 이용하여 현재 위치를 음성으로 알린다. 또한, 시각 장애인의 스마트케인 자체에 대한 사용편의를 높이고자 스마트케인의 형태를 인체 공학적으로 디자인하였다.
- S/W : 광센서에 들어오는 아날로그 값을 확인하여 일정 임계 값 이하이면 고광도 LED가 작동하도록 프로그램하였으며 사용된 임계 값은 노을이 지고 난 직후의 광량을 실험적으로 산정해 설정되었다. 또한, 효과적인 가시화를 위해 패턴을 달리하는 점멸을 구현하였다.
- 가볍고 저전력으로 동작하도록 구성하였으며 기존의 스마트케인과는 차별화된 기능과 5pin 충전과 같은 세세한 편의성을 고려하여 제작되었다. 바퀴를 통해 손목에 무리가 가지 않고 안정적으로 시스템이 동작할 수 있도록 제품을 디자인하였다.
- 스마트케인에 내장되어 있는 2개의 초음파 센서, 그리고 진동모터와 서보모터를 이용해 사용자에게 장애물에 관한 정보를 알린다. 아랫부분에 위치하는 계단이나 턱과 같은 발에 걸릴 수 있는 장애물이 일정 거리 근처로 오게 되면 손잡이 부분에 내장되어 있는 진동모터가 작동하여 사용자에게 위험을 알려준다.
- 디자인 설계 주안점으로 사용된 센서와 모듈이 지팡이 내부에 위치하도록 하였다. 이를 통해 기존에 센서나 모듈이 밖에 나와 조잡하던 스마트케인의 디자인과는 차별성을 두었다. 또한, 소형이지만 센서의 해상도와 크기 등을 고려하여 기존의 스마트케인 보다 향상된 서비스를 제공하도록 하였다.
- S/W : 초음파 센서의 측정값 오류를 일으키는 주요한 문제점인 반향파를 해결하기 위하여 프로그램에서 거리를 측정하는 변수를 3개 지정하여 순차적으로 거리 측정값을 넣고 평균값을 구해 하나의 Stack으로 지정했다. 총 3개의 Stack 값으로 비교하여 그 차이에 해당하는 델타 값을 계산하고 비정상적인 Stack 값을 제외하고 나머지에 대해 거릿값을 추정하였다.
- x 기반의 비컨은 발신부와 수신부로 구분된다. 클래식 블루투스와 달리 비컨 발신 부는 총 20개의 코드를 100m 내의 공간에 방송하며 방송반경 내의 비컨 수신부는 해당 신호를 받아 해당 신호 정보를 확인한다. 신호등 근처 4m 이내에 접근할 경우 미리 설정해 놓은 코드에 따라 신호등의 위치와 현재 신호등 상태정보 및 신호 변경까지의 남은 시간 등의 정보를 음성모듈로 사용자에게 전달한다.
- 하나의 MCU는 비콘, 음성모듈, 광센서 그리고 LED를 제어하도록 구성하였다. 신호등의 비컨 발신 신호를 수신하여 음성모듈을 통해 사용자에게 신호등 상태 및 횡단보도 등의 정보를 알린다.
대상 데이터
- CMU의 경우 2개가 사용되었으며 센서의 경우는 초음파센서 2개, 광센서, 그리고 비컨, 서보모터, 진동모터, GPS 모듈, 음성모듈까지 총 8개의 모듈이 사용되었다.
- 나머지 MCU는 GPS, 초음파 센서, 음성 센서, 서보모터를 제어하도록 구성하였다. 스마트케인 상 하단에 설치된 초음파 센서의 감지 정보를 기반으로 선형 서보모터를 통해 사용자에게 장애물과의 거리를 통보한다.
- 스마트케인의 배터리는 일반적으로 보조배터리에 많이 사용되는 18650 리튬이온 배터리를 사용하였으며 총방전의 용이성을 도모하기 위해 스마트폰 충전 단자인 5pin으로 충전할 수 있도록 하였다. 그림 15는 본 논문에서 구현한 스마트케인을 나타낸다.
이론/모형
- GPS 모듈을 통해 얻은 위도와 경도 값을 주소로 변환하기 위해 인터넷 접속이 필수적이므로 WIFI 기능을 탑재한 ESP 8266 기반의 Memos MCU를 사용하였다.
- 이러한 센서들을 제어하는 장치가 MCU (Micro Control Unit)이며 해당 시스템은 아두이노 IDE를 기반으로 프로그래밍 되었다.
성능/효과
- 8개의 장치를 하나의 CMU로 동작시키기에는 사용된 CMU가 가지고 있는 아날로그 핀과 디지털 핀의 개수가 부족하였다. 또한, MCU의 가용한 전류량이 부족하여 센서 구동이 불규칙하게 되어 전체 시스템 작동이 불안정 해지는 등의 여러 가지 문제점들이 발생하여 이를 해결하고 효율적인 연산처리 및 통신 충돌을 막기 위해 총 2개의 MCU를 이용하여 제작되었다.
- 스마트케인을 실제 구현하는 데 있어서 다음의 요소들이 고려되었다. 기존 지팡이와 같이 가벼울 것, 간편하고 오래 사용 가능할 것, 인체공학적인 디자인일 것, 기능 구 현에 충실할 것.
- 첫 번째로 스마트케인의 동작이 정확하게 이루어지지 않기 때문에 신뢰도가 떨어진다. 두 번째로 일반 시각 장애인용 지팡이에 비해 지나치게 무거워 손과 어깨에 무리가 간다. 마지막으로 기존의 스마트케인은 감지거리가 짧아 실용성이 떨어진다.
- 제작된 스마트케인은 소형 소자들을 사용해 제작되었음에도 배터리로 인해 무거워질 수 있으며 두드리면서 앞의 장애물을 판단하는 일반적인 지팡이와는 다르게 초음파 센서를 통해 장애물을 감지하는 작동방식으로 인하여 안정적인 각도가 유지되어야 했다. 따라서 견고하고 턱을 보다 쉽게 넘어갈 수 있도록 바퀴를 제작하여 부착하였으며 이는 하중이 바퀴로 인해 분산되어 가볍고 시스템의 안정적인 동작을 이끌어낼 수 있었다.
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