[논문]구배값을 이용한 스테레오 열감지 센서 시스템

이수용

doi:10.7746/jkros.2019.14.4.258

구배값을 이용한 스테레오 열감지 센서 시스템
Gradient based Stereo Temperature Sensor System 원문보기

로봇학회논문지 = The journal of Korea Robotics Society, v.14 no.4, 2019년, pp.258 - 263

이수용 (Dept. of Mechanical Design and System Engineering, Hongik University)

Abstract ▼ AI-Helper

Some animals have special sensing functions in order to find foods, home and mates. Instead of passively sensing, they discharge signals and then extract necessary information from the response. More importantly, they utilize the gradients of the sensed signal in order to find the destination or objects. In this paper this special strategy is formulated mathematically, i.e., the perturbation and the correlation based gradient estimation is developed. A stereo sensor system using temperature sensors mounted on motors is developed for verification. The proposed method can estimate the gradient of the measured value accurately. Using this method, the direction in the maximum measured value can be estimated accurately, and the position of the heat source can be estimated from the intersection of the directions estimated from both sensors.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 일부 동물들의 특별한 감각기능의 기본원리가 피동적인 감지가 아니라 능동적인 신호의 입력에 대한 반응을 감지하는 것이며, 한 순간의 측정값이 아니라 이의 구배값을 활용하는 것임을 바탕으로 이를 수학적으로 기술하였다. 또한 온도 센서를 사용한 스테레오 센서 시스템을 구성하여 이를 실험적으로 검증하였다.

제안 방법

다음으로 두 개의 열원이 존재하는 경우에 대하여 앞선 방법을 적용하였고, 열원의 위치는 [Fig. 8] 및 [Fig. 9]과 같다.
그러나 전체 소요 시간이 무시 못할 정도로 크며, 특히 센서 시스템이 이동체에 고정되어 있다면 회전하는 동안 센서 중심의 위치가 변하는 문제가 있다. 따라서 본 논문에서 제안한 섭동/상관관계 기반의 구배값을 상대적으로 매우 짧은 시간 내에 추정하고, 이를 기반으로 센서의 방향을 갱신하여 최대 온도 측정값을 얻는 방향을 추정하는 방법을 사용한다. 제안한 방법의 검증을 위하여 1°씩 회전 후, 그 각도에서의 구배값을 추정하기 위하여 먼저 식 (1)에서 ∊ = 0.
본 논문에서는 일부 동물들의 특별한 감각기능의 기본원리가 피동적인 감지가 아니라 능동적인 신호의 입력에 대한 반응을 감지하는 것이며, 한 순간의 측정값이 아니라 이의 구배값을 활용하는 것임을 바탕으로 이를 수학적으로 기술하였다. 또한 온도 센서를 사용한 스테레오 센서 시스템을 구성하여 이를 실험적으로 검증하였다. 제안한 방법으로 측정값의 구배 값을 정확히 추정할 수 있으며, 이를 사용하여 최대 측정 값 방향을 정확히 추정하며, 스테레오 특성으로 양쪽 센서로부터 추정한 방향의 교점으로부터 열원의 위치도 추정할 수 있었다.
센서의 FOV (Field of View)는 35°이다. 모터는 ㈜로보티즈의 Dynamixel XH430-W210-R을 사용하였고 Arduino Uno가 각 모터의 위치 제어와 센서 인터페이스를 담당하고 PC에서 센서 측정값 해석 및 모터 위치명령을 생성한다. [Fig.
또한 두 개 센서로 구성된 스테레오 시스템으로 신호원의 위치 추정이 가능하다. 본 논문에서는 비접촉 온도 측정이 가능한 복사열 측정방식의 온도 센서를 사용하여 열원의 방향을 추정하며, 두 온도 센서의 추정 방향의 교점에 그 열원이 위치함을 예측할 수 있다. 즉, 함수 입력의 구배값이 가용하면 함수값을 최대로 하는 입력값을 찾을 수 있으므로, 이 방법으로 전체 환경을 스캔하지 않더라도 상대적으로 짧은 시간 동안 신호원의 위치를 탐지할 수 있고, 이는 시간에 따라 변화하는 환경내에서도 유효한 방법이다.
본 연구에서 사용한 온도센서는 MLX90614-BBC를 이용한 적외선 복사열 측정 방식이며 온도 측정범위는 -70℃~382℃, 분해능은 0.01℃, settling time은 내부 디지털 필터 설정을 통하여 변경할 수 있으며 0.14초로 설정하여 사용하였다. 센서의 FOV (Field of View)는 35°이다.
이는 제안한 방법의 검증을 위함이다. 센서의 settling time을 고려하여 0.2초마다 온도를 측정하였으며 총 20번의 측정이 한 주기 동안 이루어지므로 매 4초마다 측정값들을 사용하여 구배값을 계산한다. 이 경과 시간은 전적으로 사용한 온도 센서의 특성 값(settling time)에 영향을 받았으며, 모터 구동 속도 및 통신 속도는 매우 높으므로 이 두 가지 요소로 인한 시간 지연은 무시할 수 있을 정도로 작다.
즉, 함수 입력의 구배값이 가용하면 함수값을 최대로 하는 입력값을 찾을 수 있으므로, 이 방법으로 전체 환경을 스캔하지 않더라도 상대적으로 짧은 시간 동안 신호원의 위치를 탐지할 수 있고, 이는 시간에 따라 변화하는 환경내에서도 유효한 방법이다. 제안하는 방법은 자율주행 로봇 분야 및 센서네트워크의 센서노드 위치 배치에 적용 가능하다.

데이터처리

제안한 방법의 실효성을 검증하기 위하여 일반적인 차분 형태의 구배값 추정 결과와 본 논문에서 제안한 방법을 사용한 결과를 비교하였다. 이를 위하여 [Fig.

이론/모형

본 논문에서는 능동적인 신호를 가하여 이에 대한 반응의 변화를 활용하며, 또한 공간 구배값을 구할 수 잇는 섭동/상관 관계기반의 구배값 추정 방법^[6]을 사용하였다. 일반적으로 구배값은 연속한 측정값들의 차이로부터 계산할 수 있으나, 각종 잡음으로 인하여 신뢰도가 낮아진다.
측정값의 구배값은 인접한 측정값들의 차이로부터 구할 수 있으나 다양한 이유로 인한 잡음 등, 오차가 포함되어 있는 경우에는 이러한 방법을 사용하면 신뢰도가 낮아진다. 본 논문에서는 섭동/상관관계 기반의 구배값 추정 방법을 사용한다.

성능/효과

이와 같은 두 가지 차분형태의 구배값 추정 방법과 제안한 방법을 동일한 실험데이터를 이용하여 구배값을 추정한 결과는 [Fig. 12]와 같으며, 특히 잡음이 심한 경우에 제안한 방법의 효율성을 보여준다.
또한 온도 센서를 사용한 스테레오 센서 시스템을 구성하여 이를 실험적으로 검증하였다. 제안한 방법으로 측정값의 구배 값을 정확히 추정할 수 있으며, 이를 사용하여 최대 측정 값 방향을 정확히 추정하며, 스테레오 특성으로 양쪽 센서로부터 추정한 방향의 교점으로부터 열원의 위치도 추정할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	별코 두더지(star nosed mole)의 먹이를 찾는 방법은?	또 다른 특징적인 방법은 순간의 측정 값뿐만 아니라 센서 값의 시간/공간 구배값을 활용하는 것이다. 예를 들어 별코 두더지(star nosed mole)는 단순히 냄새를 맡는 것이 아니라 이의 구배값을 이용하여 먹이를 찾는다 [1] . 특히 두 개의 스테레오 기관을 사용하여 냄새의 근원지를 찾는다.
	센서의 목적은?	센서의 목적은 물리량을 원하는 신호로 변환하는 것이며, 다양한 물리량에 대하여 많은 종류의 센서가 있고 그 출력 형태 또한 다양하며 물리량 변환의 정확도 및 정밀도를 높이는 것이 주 연구 목적이었다. 센서 자체의 개발뿐 만 아니라 센서 값의 해석 또한 매우 중요하며 생물체의 감지 기능에 기반한 측정 방법에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다.
	일부 생물체는 고유의 감지 방법을 가진다 그 예를 설명하라	일부 생물체는 고유의 감지 방법을 갖고 있으며 초음파를 발사하여 반사파가 도달할 때까지의 시간을 측정하여 거리를 추정하는 것이그 예이다. 이와 유사하게 돌고래, 범고래도 음향 반사를 이용하여 주변 환경을 인지한다. 자신이 주변 환경에 신호를 가한후 이에 대한 반응에 기초하여 원하는 값을 얻는 방법이다.

참고문헌 (6)

K. C. Catania and F. E. Remple, "Asymptotic Prey Profitability Drives Star-nosed Moles to the Foraging Speed Limit," Nature, vol. 433, pp. 519-522, Feb., 2005.

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S. Park, J. Chung, S. Seodong, and E. Hong, Animals with Poison, MID, 2015.
P. A. Guerra1, C. Merlin, R. J. Gegear, and S. M. Reppert, "Discordant Timing between Antenna Disrupts Sun Compass Orientation in Migratory Monarch Butterflies," Nature Communication, 2012, DOI: 10.1038/ncomms1965.

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Q. Gaudry, E. J. Hong, J. Kain, B. L. de Bivort, and R. I. Wilson, "Asymmetric Neurotransmitter Release Enables Rapid Odor Lateralization in Drosophila," Nature, vol. 493, pp. 424-428, 2013.

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V. Callier, "How Bees Sense a Flower's Electric Field," Science, 2016, DOI:10.1126/science.aag0578.
S. Lee, "Environment Perception using Artificial Neural Network with Spatial Gradient Inputs," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems, vol. 25, no. 6, pp. 485-491, 2019.

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