[논문]시각정보 부재 시 안전 대피 기술 연구

임기홍; 안병권; 김남현; 이승구; 안덕현; 김영억

문제 정의

본 연구에서는 상반신에 초음파센서를 부착해, 상체 높이의 장애물과 먼 거리의 장애물, 좌, 우, 뒤까지 감지할 수 있는 안전장치를 연구하여 보행자의 위험을 줄이고자 한다. 또한 서버 구동을 통해 위험에 빠진 상황을 빠르게 알릴 수 있으며, 진동모터를 이용해 청각장애인에게도 장애물에 대한 위험 알람을 제공할 수 있다.
본 연구에서는 실내에서의 화재 등의 재난 상황에서 비장애인 및 장애인에게 전방의 시야확보에 도움을 줄 수 있는 웨어러블 모듈을 개발하였으며, 위험 상황판단 시에는 트위터의 게시물 게재로 이를 알릴 수 있도록 구성하였다. 장애물 회피 소요시간과 충돌 횟수를 측정한 실험 결과로 모듈의 착용 전후의 장애물 통과 소요시간은 크게 다르지 않지만 장애물 충돌 횟수를 비교해 봤을 때 모듈을 착용 후에는 충돌하는 빈도가 현저히 낮아지는 것을 확인 할 수 있었다.

제안 방법

센서의 장애물 탐지 정확도 측정 실험을 위해 크기/종류별로 목표물체를 선정하였으며 각 물체로부터 수신되는 거리 값의 평균값과 오차 값을 측정했다. 두 종류의 물체, 지우개와 투명 아크릴박스를 50cm, 100cm, 150cm 거리별로 총 10000개의 샘플 값을 수집하였으며 각 실험의 결과와 주변 환경에서 얻어진 데이터를 통해 센서의 장애물 인식 거리기준을 30cm로 정하였다.
또한 일반적인 상황에서의 활용 측면에서 시각장애인들의 평균 외출시간이 3~4시간이라는 통계를 바탕으로 사용되는 배터리는 휴대성과 착용 시의 편리함을 위하여 일반 신용카드의 크기를 가진 용량 2000mAh의 리튬이온배터리로 선정 하였으며 3시간동안 지속 구동 가능한 것으로 확인하였다. 또한 시각 장애인뿐만 아니라 청각장애인에게도 장애물에 대한 알람을 제공하기 위하여 센서가 장애물을 감지할 경우 음성알림과 진동모터를 함께 사용하여 구성하였다.
초음파 센서 빔 앵글 값은 약 좌:10°, 우:8°, 위:9°, 아래:11° 으로 측정되었다. 또한, Auto CAD를 통해 최적의 초음파 센서 개수를 산출하였으며 이를 통하여 센서 개수를 앞2개 좌, 우 2개씩 총 6개로 구성하여 배치하였다. 센서의 장애물 탐지 정확도 측정 실험을 위해 크기/종류별로 목표물체를 선정하였으며 각 물체로부터 수신되는 거리 값의 평균값과 오차 값을 측정했다.
모듈 제작 후 센서의 방향 별, 움직이지 않는 물체 항목 별로 5000개의 샘플 값을 수집하였으며, 50cm, 100cm의 거리에 있는 불규칙으로 움직이는 드론과 축구공은 항목별 50회의 결과 값을 통해 정확도를 측정했다. 각각의 측정값과 실험결과는 아래의 표 2와 같다.
한국 시각 장애인 연합회는 시각장애인들을 위한 보조 제품들 중 보행을 위한 안전장비는 오직 ‘흰 지팡이’ 단 하나만을 제시하고 있으며, 최근에 이르러 지팡이 내부의 각종 센서들을 통해 사용자에게 주변의 장애물들을 알려주는 장비가 판매되고 있으나 이와 같은 제품들은 보통 신체 하단부에만 중점을 두고 있다. 본 연구는 이러한 기존 연구의 한계점을 극복하여 상체 부분전반에 센서를 장착하여 감지범위를 넓혔으며, 사용자의 편의를 위하여 옷에 자유롭게 탈부착이 가능하도록 설계하였다.
본 연구를 통하여 기존의 시각장애인용 지팡이가 하체의 장애물에만 국한되는 것을 벗어나 상, 하체 모두를 포괄하여 위험에 대처할 수 있는 웨어러블 모듈을 제작하였으며 트위터를 활용하여 사용자가 위험상황일 경우 보호자나 사회복지사에게 실시간으로 알릴 수 있도록 하였다. 추후 연구에서는 사용자의 체형별 최적의 초음파 센서의 위치를 보완하고 시·청각장애인들의 모듈 체험 또는 제작 모듈에 대한 설문조사를 통해 기존의 모듈에서 필요조건을 추가할 계획이다.
또한, Auto CAD를 통해 최적의 초음파 센서 개수를 산출하였으며 이를 통하여 센서 개수를 앞2개 좌, 우 2개씩 총 6개로 구성하여 배치하였다. 센서의 장애물 탐지 정확도 측정 실험을 위해 크기/종류별로 목표물체를 선정하였으며 각 물체로부터 수신되는 거리 값의 평균값과 오차 값을 측정했다. 두 종류의 물체, 지우개와 투명 아크릴박스를 50cm, 100cm, 150cm 거리별로 총 10000개의 샘플 값을 수집하였으며 각 실험의 결과와 주변 환경에서 얻어진 데이터를 통해 센서의 장애물 인식 거리기준을 30cm로 정하였다.
5m의 복도 구간에서 가로 788mm 세로 545mm로 불규칙한 간격으로 설치된 장애물들로 구성되어있다. 실험 과정은 키가 다른 3명의 성인 남성을 모듈 착용 전, 후로 나누어 복도구간을 왕복하게 하였으며, 모듈의 착용여부에 따른 장애물 충돌횟수와 통과소요시간을 측정했다. 피 실험자의 모듈 착용 모습은 그림 4과 같다.

대상 데이터

거리측정을 위하여 본 연구에서 사용하는 거리 측정 센서는 초음파 센서이다. 초음파는 공기를 매질로 하기 때문에 공기의 온도에 따라 그 속도가 달라지며 그 속도는 수식 (1)과 같다.
실험환경은 그림2,3 와 같이 세로 15m 가로 2.5m의 복도 구간에서 가로 788mm 세로 545mm로 불규칙한 간격으로 설치된 장애물들로 구성되어있다. 실험 과정은 키가 다른 3명의 성인 남성을 모듈 착용 전, 후로 나누어 복도구간을 왕복하게 하였으며, 모듈의 착용여부에 따른 장애물 충돌횟수와 통과소요시간을 측정했다.

성능/효과

장애물 회피 소요시간과 충돌 횟수를 측정한 실험 결과로 모듈의 착용 전후의 장애물 통과 소요시간은 크게 다르지 않지만 장애물 충돌 횟수를 비교해 봤을 때 모듈을 착용 후에는 충돌하는 빈도가 현저히 낮아지는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 일반적인 상황에서의 활용 측면에서 시각장애인들의 평균 외출시간이 3~4시간이라는 통계를 바탕으로 사용되는 배터리는 휴대성과 착용 시의 편리함을 위하여 일반 신용카드의 크기를 가진 용량 2000mAh의 리튬이온배터리로 선정 하였으며 3시간동안 지속 구동 가능한 것으로 확인하였다. 또한 시각 장애인뿐만 아니라 청각장애인에게도 장애물에 대한 알람을 제공하기 위하여 센서가 장애물을 감지할 경우 음성알림과 진동모터를 함께 사용하여 구성하였다.
본 연구에서는 실내에서의 화재 등의 재난 상황에서 비장애인 및 장애인에게 전방의 시야확보에 도움을 줄 수 있는 웨어러블 모듈을 개발하였으며, 위험 상황판단 시에는 트위터의 게시물 게재로 이를 알릴 수 있도록 구성하였다. 장애물 회피 소요시간과 충돌 횟수를 측정한 실험 결과로 모듈의 착용 전후의 장애물 통과 소요시간은 크게 다르지 않지만 장애물 충돌 횟수를 비교해 봤을 때 모듈을 착용 후에는 충돌하는 빈도가 현저히 낮아지는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 일반적인 상황에서의 활용 측면에서 시각장애인들의 평균 외출시간이 3~4시간이라는 통계를 바탕으로 사용되는 배터리는 휴대성과 착용 시의 편리함을 위하여 일반 신용카드의 크기를 가진 용량 2000mAh의 리튬이온배터리로 선정 하였으며 3시간동안 지속 구동 가능한 것으로 확인하였다.

후속연구

추후 연구에서는 사용자의 체형별 최적의 초음파 센서의 위치를 보완하고 시·청각장애인들의 모듈 체험 또는 제작 모듈에 대한 설문조사를 통해 기존의 모듈에서 필요조건을 추가할 계획이다. 또한 사용자의 편의성을 위한 모듈의 소형화와 보다 다양한 노이즈 환경에서의 실험을 통하여 성능을 검증 및 보완한다면 더욱 활용도가 높을 것이라 기대한다.
본 연구를 통하여 기존의 시각장애인용 지팡이가 하체의 장애물에만 국한되는 것을 벗어나 상, 하체 모두를 포괄하여 위험에 대처할 수 있는 웨어러블 모듈을 제작하였으며 트위터를 활용하여 사용자가 위험상황일 경우 보호자나 사회복지사에게 실시간으로 알릴 수 있도록 하였다. 추후 연구에서는 사용자의 체형별 최적의 초음파 센서의 위치를 보완하고 시·청각장애인들의 모듈 체험 또는 제작 모듈에 대한 설문조사를 통해 기존의 모듈에서 필요조건을 추가할 계획이다. 또한 사용자의 편의성을 위한 모듈의 소형화와 보다 다양한 노이즈 환경에서의 실험을 통하여 성능을 검증 및 보완한다면 더욱 활용도가 높을 것이라 기대한다.

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