[논문]3D 초음파센싱 자동물류부피측정 및 분류관리 임베디드시스템 구현

이은억; 류광렬; 허창우

문제 정의

있다. [1] 이러한 초음파센서를 물류관리에 활용하여 효율적인 물류관리를 하고자 한다. 물류관리는 경제재의 효용을 극대화시키기 위한 재화의 흐름에 있어서 운송, 보관, 하역, 포장, 정보, 가공 등 이제 활동을 유기적으로 조정하여 하나의 독립된 시스템으로 관리하는 것을 말하는데 기업 활동에서 물류를 제3의 이익원천 혹은 제2의 품질로서 그 중요성이 강조되고 있다.
본 논문에서는 초음파센서를 3방향에 설치하여 일정 속도로 컨베이어 벨트를 지나가는 포장된 물류를 입체적인 방식으로 부피를 측정하여 컴퓨터에 측정된 부피를 전송하고 마이크로컨트롤러 기반으로 효율적인 물류분류를 위한 임베디드시스템을 구현한다.
본 논문은 초음파 센싱을 이용한 물체의 부피 측정을 구현하여 물류관리의 효율을 높이기 위한 연구이다. 제안한 방식은 3방향에 초음파센서를 설치하여 컨베이어벨트를 통과하는 물류의 부피를 측정한다.

제안 방법

둘째, 물체의 가로길이는 물체가 통과할 때 프레임의 좌측과 우측에 설치되어 있는 초음파센서를 통해 물체와의 거리를 각각 측정하여 좌우측 센서 간의 거리에서 측정한 좌측 값과 우측 값을 빼어 알 수 있다. 셋째, 물체의 세로길이는 일정한 속도로 동작하는 컨베이어 벨트에 물체가 통과할 때 상단에 설치된 초음파센서가 물체를 감지하여 측정값이 변화된 시점부터 물체가 통과 되어 원래 값으로 돌아가는 시점까지의 시간을 측정하여 컨베이어 벨트의 속도에 대입하여 구한다.
이 시점부터 카운터를 작동시켜 하강 엣지에서 인터럽트를 발생시켜 카운터를 정지시킨 후 그 카운터 값을 시간으로 변환하여 거리로 환산하여 거리측정을 한다. 시스템 구현에 필요한 3 개의 초음파센서를 사용하기 위해서 각각의 초음파 센서의 초음파가 서로 간섭하지 않도록 하기 위해 각 초음파 센서를 서로 번갈아 가면서 거리를 측정하고 측정할 수 있는 최대거리를 벗어나지 않는 일정한 지연시간을 주어 좀 더 정확한 거리를 측정한다.
에코 펄스의 길이를 정확하게 측정하기 위해서 마이크로 컨트롤러를 이용하여 에코 펄스의 상숭엣지에 인터럽트를 발생시킨다. 이 시점부터 카운터를 작동시켜 하강 엣지에서 인터럽트를 발생시켜 카운터를 정지시킨 후 그 카운터 값을 시간으로 변환하여 거리로 환산하여 거리측정을 한다. 시스템 구현에 필요한 3 개의 초음파센서를 사용하기 위해서 각각의 초음파 센서의 초음파가 서로 간섭하지 않도록 하기 위해 각 초음파 센서를 서로 번갈아 가면서 거리를 측정하고 측정할 수 있는 최대거리를 벗어나지 않는 일정한 지연시간을 주어 좀 더 정확한 거리를 측정한다.
수치이다. 이러한 온도의 영향에 따른 오차를 줄이기 위하여 온도센서를 설치하여 온도에 따라 각기 다른 음파속도를 적용시켜 보정하였다. 이와 같은 상황을 모두 고려하여 실제적으로 사용하는 cm단위로 표현하면 초음파를 이용한 거리측정은 (3)식과 같다.
제안한 방식은 3방향에 초음파센서를 설치하여 컨베이어벨트를 통과하는 물류의 부피를 측정한다. 이때 발생하는 오차는 온도에 따라 음파 속도가 달라지는 문제와 물체가 정 방향으로 통과 하지 않을 때 물체의 길이가 달라지는 문제가 있다.
이때 발생하는 오차는 온도에 따라 음파 속도가 달라지는 문제와 물체가 정 방향으로 통과 하지 않을 때 물체의 길이가 달라지는 문제가 있다. 첫 번째 문제는 온도센서를 이용하여 값을 보정하여 해결하였고 두 번째 문제는 물체가 감지된 시점부터 물체가 완전히 통과할 때까지 일정 시간 간격으로 길이 값을 평균하여 오차를 최소화 한다. 부피측정 평균오차는 2.
측정값의 오차를 확인하기 위하여 각 물체 당 3번의 실험을 하여 컴퓨터 출력화면을 통하여 분류관리 하기 위한 물체의 각 크기 데이터를 얻었다. 실험 결과, 부피측정평균오차는 가로 2.

대상 데이터

초음파를 사용하려면 시험하고자 하는 목적에 따라 적절한 탐촉자를 선정해야 한다. 본 실험에서는 낮은 주파수의 초음파를 사용하였다. 탐촉자의 크기가 크면 보통 낮은 주파수로 제한되는데 주파수가 낮을수록 확산이 크다.
확인한다. 제안한 시스템은 포장된 물체가 직육면체로 한정하기 때문에 물체는 서로 다른 크기의 직육면체를 사용하며 실험 시스템 프레임의 크기와 초음파의 최소 인식거리 고려하여 물체의 크기는 가로 8 ~ 28cm, 세로 3 ~ 30cm, 높이 3~ 18cm로 제한한다. 표 2는 실험한 물체의 실제 크기와 실험을 통해 측정된 물체의 크기를 비교한 표이다.

성능/효과

물류관리는 경제재의 효용을 극대화시키기 위한 재화의 흐름에 있어서 운송, 보관, 하역, 포장, 정보, 가공 등 이제 활동을 유기적으로 조정하여 하나의 독립된 시스템으로 관리하는 것을 말하는데 기업 활동에서 물류를 제3의 이익원천 혹은 제2의 품질로서 그 중요성이 강조되고 있다.[2] 이와 같은 물류 관리를 효율적으로 하기 위해서 대량의 물류를 창고에 저장하거나 운송할 때 물체의 크기를 자동으로 측정한다면 물류를 크기 별로 분류할 수 있고 창고나 화물차에 물건을 적재할 때 효율적으로 짐을 싣고 운반할 수 있으며 물류관리에서 중요한 재고관리에 있어서 재고를 보관하는데 필요한 저장장소의 수나 크기를 예측하는데도 용이하다. 물류관리를 효율적으로 하는 방법으로 상품의 정보를 읽는 RFID를 이용한 방식이 많이 연구 되고 있으며 [3] 초음파를 컨베이어벨트에 이용하는 방식은 지금까지 공장의 자동화 라인에서 라인의 상단에 초음파센서를 병렬로 설치하여 이동하는 물체를 감지하고 물체의 위치를 추적을 하는 방식으로 많이 연구되고 있고, [4] 초음파 대신 적외선 센서를 사용하여 컨베이어벨트의 사행을 검출하는 방법도 연구 되고 있다.
첫째, 물체의 높이는 물체가 통과할 때 프레임의 상단에 설치된 초음파센서를 통해 물체와의 거리를 측정하여 아무 물체도 통과하지 않을 때의 거리에서 측정한 값을 빼어 알 수 있다. 둘째, 물체의 가로길이는 물체가 통과할 때 프레임의 좌측과 우측에 설치되어 있는 초음파센서를 통해 물체와의 거리를 각각 측정하여 좌우측 센서 간의 거리에서 측정한 좌측 값과 우측 값을 빼어 알 수 있다. 셋째, 물체의 세로길이는 일정한 속도로 동작하는 컨베이어 벨트에 물체가 통과할 때 상단에 설치된 초음파센서가 물체를 감지하여 측정값이 변화된 시점부터 물체가 통과 되어 원래 값으로 돌아가는 시점까지의 시간을 측정하여 컨베이어 벨트의 속도에 대입하여 구한다.
그리고 결과의 데이터를 컴퓨터로 전송하여 효율적인 분류 관리를 지원한다. 따라서 제안한 3D 초음파 센싱을 이용한 포장된 물류의 부피 측정 방식과 RFID로 읽아 들인 물류의 정보를 병행하여 적용하면 물류를 종류별, 크기별로 분류할 수 있으므로 보다 정확하고 효율적인 물류의 분류관리가 가능하다.
실험 결과, 부피측정평균오차는 가로 2.3%, 세로 5.3%, 높이 1.2%이며 전체평균오차는 2.9%이다. 세로측정의 오차율이 비교적 18.
측정 단계는 다음과 같다. 첫째, 물체의 높이는 물체가 통과할 때 프레임의 상단에 설치된 초음파센서를 통해 물체와의 거리를 측정하여 아무 물체도 통과하지 않을 때의 거리에서 측정한 값을 빼어 알 수 있다. 둘째, 물체의 가로길이는 물체가 통과할 때 프레임의 좌측과 우측에 설치되어 있는 초음파센서를 통해 물체와의 거리를 각각 측정하여 좌우측 센서 간의 거리에서 측정한 좌측 값과 우측 값을 빼어 알 수 있다.

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