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KR100632184B1 - 초음파 센서를 이용한 공간 포인팅 장치 및 그 방법 - Google Patents

초음파 센서를 이용한 공간 포인팅 장치 및 그 방법 Download PDF

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KR100632184B1
KR100632184B1 KR1020030093890A KR20030093890A KR100632184B1 KR 100632184 B1 KR100632184 B1 KR 100632184B1 KR 1020030093890 A KR1020030093890 A KR 1020030093890A KR 20030093890 A KR20030093890 A KR 20030093890A KR 100632184 B1 KR100632184 B1 KR 100632184B1
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ultrasonic signal
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Abstract

본 발명은 컴퓨터의 입력 장치인 마우스, 터치 패널을 초음파 센서를 이용하여 구현하는 공간 포인팅 장치에 관한 것이다. 본 발명은 공간 포인팅 장치에 있어서, 주기적으로 초음파 신호를 송신하는 초음파 송신부로서 사용자의 초음파 신호 송신 명령이 있으면 상기 주기와 상관없이 초음파 신호를 송신하고, 사용자의 명령에 따른 초음파 신호의 송신직후부터 기산하여 상기 주기마다 초음파 신호를 송신하는 초음파 송신부; 및 상기 초음파 송신부로부터 주기적으로 송신되는 초음파 신호 및 사용자의 명령에 따른 초음파 신호를 3개의 초음파 센서를 통해 입력받아 신호가 각각의 센서에 입력된 시간차를 이용하여 화면상의 포인터 좌표값을 계산하는 초음파 수신부를 포함한다.
마우스, 터치 패널, 초음파 센서, 공간 포인팅 장치, 포인터 위치 계산

Description

초음파 센서를 이용한 공간 포인팅 장치 및 그 방법{3-DIMENSIONAL POINTING DEVICE USING ULTRASONIC WAVE SENSOR AND POINTING METHOD THEREOF}
도 1은 본 발명에서 사용하는 초음파 송신부의 구성도.
도 2는 본 발명에서 사용하는 초음파 수신부의 구성도.
도 3은 초음파 송신부에서 버튼이 눌렸을 때와 버튼이 눌리지 않았을 때의 신호도.
도 4는 본 발명에서 사용하는 초음파 송신부의 알고리즘을 설명하기 위한 상세 흐름도.
도 5는 초음파 수신부에 전달되는 신호를 설명하는 타이밍도.
도 6은 수신된 초음파 신호로부터 화면 좌표를 환산하는 알고리즘을 설명하기 위한 상세 흐름도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 초음파 송신 모듈 101 : 마이크로콘트롤러
102 : 초음파 송신 회로 103 : 버튼
200 : 초음파 수신 모듈 201, 202, 203 : 초음파 센서
210 : 초음파 수신 시스템 211 : 마이크로콘트롤러
212 : 디스플레이 장치
본 발명은 초음파 센서를 이용한 포인팅 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초음파 송신부에서 초음파를 발생시키고, 초음파 수신 부에서 신호를 받아 이로부터 버튼의 눌림과 화면에 표시될 포인터의 위치를 계산하는 장치 및 방법에 대한 것이다.
현재 대부분의 포인팅 장치는 이차원적인 평면에서 움직여 포인터의 위치를 입력하는 장치들이다. 마우스는 볼 마우스 및 광 마우스가 있으며 이들은 모두 이차원의 면 위에서만 사용할 수 있다. 휴대형 기기에 많이 적용되어 있는 터치 스크린은 역시 제한된 공간에서만 입력이 가능하며, 터치 펜과 같은 별도의 입력 장치가 있어야 한다. 터치 펜이 없을 경우에는 정밀한 입력이 어려워진다.
마우스 외에 각도 센서 및 가속 센서를 이용한 포인팅 장치가 많이 개발되고 있으나 이는 직관적인 입력이 어려워 사용자에게 일정 시간의 학습 시간을 요구하고 있다.
종래의 초음파 포인팅 장치들은 수신 센서로부터 공간상의 거리를 측정하여 공간 좌표를 계산하고 이로부터 화면상의 좌표로 환산하는 과정을 거친다. 공간상의 거리를 측정하기 위해 센서들의 위치는 정확히 설치되어야 하며, 송신으로부터 수신되기까지의 시간을 알아야 하기 때문에 광센서 등의 부가적인 동기화 수단을 갖추어야만 한다. 거리를 측정하는 방법을 사용하기 때문에 대부분의 응용 분야는 PC, 디지털 TV와 같은 고정 시스템에 국한되고 있다.
공간 포인팅 장치가 필요한 분야는 휴대형 단말기나 착용형 컴퓨터, 그리고 디지털 TV 또는 셋탑 박스와 같이 점점 그 응용 분야가 넓어지고 있다. 그러나 기존의 초음파를 이용한 공간 포인팅 장치는 수신부로부터 공간상의 거리를 측정하여 공간상의 좌표를 계산하고, 이를 화면 좌표로 계산하기 때문에 장치의 설치에 정밀성을 요하게 되어 응용 분야가 제한되고, 많은 연산이 필요하기 때문에 더 높은 사양의 시스템을 요구하고 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 공간상의 제약 사항이 없으며, 센서 설치시 오차에 덜 민감하여 다양한 응용 분야에 적용 가능하며, 직관적인 입력 방법을 제공함으로써 별도의 학습 시간 없이 자유롭게 입력할 수 있는 공간 포인팅 장치 및 그 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 동기화에 필요한 부가적인 신호 전달 수단 없이 초음파 신호만으로 포인터의 화면 좌표를 계산하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 포인터 버튼 입력을 부가적인 신호 전달 수단 없이 초음파 신호만으로 전달하는 방법을 제공하는 것이다.
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상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 초음파 센서를 이용한 공간 포인팅 장치는 공간 포인팅 장치에 있어서, 주기적으로 초음파 신호를 송신하는 초음파 송신부로서 사용자의 초음파 신호 송신 명령이 있으면 상기 주기와 상관없이 초음파 신호를 송신하고, 사용자의 명령에 따른 초음파 신호의 송신직후부터 기산하여 상기 주기마다 초음파 신호를 송신하는 초음파 송신부; 및 상기 초음파 송신부로부터 주기적으로 송신되는 초음파 신호 및 사용자의 명령에 따른 초음파 신호를 3개의 초음파 센서를 통해 입력받아 신호가 각각의 센서에 입력된 시간차를 이용하여 화면상의 포인터 좌표값을 계산하는 초음파 수신부를 포함한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 초음파 송신 모듈의 개요도이다.
상기 도 1을 참조하면, 초음파 송신 모듈(100)은 버튼(103)의 눌림 여부를 판단하고, 주기적인 신호를 발생해 주는 마이크로콘트롤러(101), 주기적인 신호를 초음파 신호로 전송하는 초음파 송신 회로(102)로 구성된다. 초음파 송신 모듈은 독립적인 전원을 가진 시스템으로 실제적인 포인팅 장치의 역할을 하게 된다.
도 2는 상기 도 1의 초음파 송신 모듈에서 전송된 초음파 신호를 수신하여 이로부터 화면 포인터를 위치를 환산하여 표시하는 초음파 수신 모듈에 대한 개요도이다.
도 2를 참조하면, 초음파 수신 모듈(200)은 세 개의 초음파 센서(201, 202, 203)로부터 신호를 수신 받아 수신된 시간차를 이용해 화면상의 포인터 위치를 계산 및 표시하고, 버튼의 눌림 여부에 따라 정해진 동작을 취하는 마이크로콘트롤러(211)와 디스플레이 장치(212)로 구성된다. 세 개의 초음파 센서는 X축과 Y축을 따라 적절하게 배치될 수 있다. 도 2를 참조로 할 때, 초음파 센서(201)를 기준점으로 하여 초음파 센서(202)가 X축으로 떨어져 있으며, 초음파 센서(203)이 Y축으로 떨어져 있다. 다만, X 및 Y 축을 나타낼 수 있다면 이러한 배치에 한정되지 않는다. 도 1의 초음파 송신 모듈은 X, Y 축을 나타내도록 설치된 초음파 센서에 대해 움직이거나 멀어지는 방향으로 움직여 입력 작업을 행할 수 있다. 신호주기 T는 바람직하게는 X 축 또는 Y 축 상의 초음파 센서의 거리에 비례하여 크게 결정할 수 있으나, 지나치게 크게 결정하거나, 지나치게 작게 결정하지 않는 이상 초음파 신호의 입력 작업에 영향을 미치지 않으므로 오차에 대하여 민감하지 않다.
도 3은 도 1의 초음파 송신부에서 버튼이 눌리지 않았을 때(a)와 버튼이 눌렸을 때(b)의 신호 타이밍도이다. 도 2의 초음파 수신부에서 마이크로콘트롤러(211)에 입력되는 파형도 이와 같은 형태이다. 초음파 수신부에서는 수신된 신호의 ON 비율에 따라 버튼이 눌림 여부를 판단하게 된다. 송신되는 초음파 신호만으로 신호 동기화를 이루기 위해 각 신호는 0.5T 안에 도달되도록 센서(201, 202, 203)를 설치하도록 한다.
도 4는 도 1의 초음파 송신 모듈의 동작을 상세하게 설명한 흐름도이다. 초음파 송신 모듈(100)의 마이크로콘트롤러(101)는 신호 주기 T를 적절히 선정(S401)하고, 버튼의 눌림 여부를 확인하여(S402) 버튼이 눌리지 않은 경우에는 도 3에서 보여진 바와 같이 송신신호 온(ON) 시간을 Td1으로 설정(S403)하고, 만약 버튼이 눌러진 경우에는 송신신호 온(ON) 시간을 Td2로 설정(S404)함으로써, 초음파 송신 회로(102)에서는 각각의 경우에 대한 신호 ON 비율, 즉 송신신호 온(ON) 시간만큼 초음파 수신부로 초음파를 송신(S405)한다.
도 5는 도 2의 초음파 수신 모듈에서 센서를 통해 마이크로콘트롤러(211)에 입력되는 신호의 타이밍도이다. 각 센서로 입력되는 신호는 T의 주기를 가지며 그 이외의 신호는 무시하도록 한다.
도 6은 도 5의 신호로부터 화면상의 포인터 좌표를 계산하는 상세 흐름도이다. 각각의 초음파 센서에서 초음파 신호 S0,SX,Sy가 수신(S601)되면, 초음파 수신 모듈(200)의 마이크로콘트롤러(211)는 이들 신호가 올바른 신호인지를 판별하여 이전 신호와의 시간차가 신호주기 T인지를 확인(S602)하여, 이전 신호와의 시간차가 신호주기 T인 경우 수신된 데이터를 무시(S603)한다. 즉, 아래의 수학식 1에 의해 표현되는 주기 T안에 들어온 신호들은 무시하도록 한다. 아래의 수학식 1은 이전신호와의 시간차(│t(n)-t(n-1)│)가 송신 주기 T에 가감된 허용오차 범위 내에 들어온 경우에 수신된 신호들을 무시하기 위한 범위를 표현한다.
Figure 112006035118389-pat00001
여기서, T는 초음파 신호 송신 주기, Te는 초음파 송신 주기 허용 오차 시간, t(n-1)은 초음파 수신 모듈에서 n-1번째 초음파 수신 시간, t(n)은 초음파 수신 모듈에서 n번째 초음파 수신시간을 나타낸다.
또한, 초음파 수신 모듈(200)의 마이크로콘트롤러(211)는 세 개의 센서에서 들어온 신호는 서로 0.5T 안에 들어오는지 확인(S604)한다. 이는 별도의 신호 없이 동기를 맞추기 위해 필요하다.
확인 결과, 세 개의 센서에서 들어온 신호가 서로 0.5T 안에 들어오지 않는 경우에는 직전 신호보다 시간이 T만큼 더 지났는지를 확인(S605)하여 시간이 T만큼 더 지나지 않은 경우에는 수신된 데이터를 무시(S603)하는 과정을 수행하고, 시간이 T만큼 더 지난 경우에는 상기 3개의 초음파 신호 S0,SX,Sy를 수신(S601)하는 과정을 수행하게 된다. 즉, 직전 신호로부터 주기 T안에 세 개의 신호가 모두 도달하지 않으면 모든 데이터를 무시한다.
그러나, 세 개의 센서에서 들어온 신호가 서로 0.5T 안에 들어오는지 확인(S604)한 결과, 세 개의 센서에서 들어온 신호가 서로 0.5T 안에 들어오는 경우 초음파 수신 모듈(200)의 마이크로콘트롤러(211)는 시간차를 계산(S606)하게 된다. 즉, X축 방향 신호의 시간차는 tx와, Y축 방향 신호의 시간차는 ty라 할 때 tx=t(n')-t(n), ty=t(n")-t(n)로부터 시간차를 계산하고, 이로부터 화면상의 포인터 위치(DX = f(tx)=f(t(n')-t(n)), Dy = f(ty)=f(t(n")-t(n)))를 계산(S607)한다. 이 때, 화면상의 포인터 위치를 결정하는 함수 f(tx)와 f(ty)는 X, Y축에 대한 시간차의 가능한 범위와 화면상에서 나타낼 수 있는 X, Y축에 대한 픽셀의 수가 서로 1 : 1로 매칭될 수 있도록 적절하게 결정되는 것이다.
마지막으로 계산 결과(DX, Dy)가 화면상에 표시 가능한 범위의 값인지 판단(S608)하여 계산 결과(DX, Dy)가 화면상에 표시 가능한 범위의 값이면 화면에 포인터를 표시(S609)한다. 그러나, 계산 결과(DX, Dy)가 적절하지 않은 경우에는 상술한 3개의 초음파 신호 S0,SX,Sy를 수신(S601)하는 과정을 수행하게 된다.
삭제
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 본 발명에 의한 초음파 포인팅 장치는 동기화를 위한 별도의 신호 수단을 갖추지 않으며, 또한 버튼 입력을 전달하는 별도의 수단도 갖지 않아 더욱 간단한 구성의 시스템으로 공간상의 제약 사항이 없게 된다. 또한 정밀한 센서의 설치를 요구하지 않으므로 적용 분야가 더욱 넓고, 특히 착용형 컴퓨터와 같은 휴대형 단말의 포인팅 장치에 적용이 용이하다.
또한, 디스플레이 장치와 수신 센서가 평행면상에 설치되면 직관적인 입력이 가능하므로 사용에 따른 학습 시간이 줄어 들게 된다.
이상으로 설명한 것은 본 발명에 따른 초음파 센서를 이용한 공간 포인팅 장치 및 방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 미친다고 할 것이다.

Claims (9)

  1. 공간 포인팅 장치에 있어서,
    주기적으로 초음파 신호를 송신하는 초음파 송신부로서 사용자의 초음파 신호 송신 명령이 있으면 상기 주기와 상관없이 초음파 신호를 송신하고, 사용자의 명령에 따른 초음파 신호의 송신직후부터 기산하여 상기 주기마다 초음파 신호를 송신하는 초음파 송신부; 및
    상기 초음파 송신부로부터 주기적으로 송신되는 초음파 신호 및 사용자의 명령에 따른 초음파 신호를 3개의 초음파 센서를 통해 입력받아 신호가 각각의 센서에 입력된 시간차를 이용하여 화면상의 포인터 좌표값을 계산하는 초음파 수신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서를 이용한 공간 포인팅 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 초음파 송신부는 마이크로 콘트롤러에 초음파 송신 명령을 전달하기 위한 버튼으로서 사용자에 의하여 눌러진 경우에 눌러진 시간동안 마이크로 콘트롤러에 초음파 송신 명령을 전달하는 버튼;
    초음파 송신 회로가 주기적으로 초음파 신호를 송신하도록 제어하는 마이크로 콘트롤러로서 상기 버튼으로부터 초음파 송신 명령을 전달받으면 즉시 초음파 송신회로에서 버튼이 눌러진 시간동안 초음파 신호를 송신하도록 제어하고, 초음파 신호의 송신후부터 기산하여 상기 주기마다 초음파 송신회로에서 초음파를 송신하도록 제어하는 마이크로 콘트롤러; 및
    상기 마이크로 콘트롤러의 제어에 의하여 초음파 신호를 송신하는 초음파 송신 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서를 이용한 공간 포인팅 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 초음파 수신부는 상기 초음파 송신부로부터 송신되는 초음파 신호를 감지하기 위하여 X, Y축을 나타내도록 배치된 3개의 초음파 센서;
    상기 3개의 초음파 센서에서 감지한 초음파 신호가 직전 신호로부터 상기 주기만큼의 시간 경과후 수신된 것이 아니라면 사용자의 명령에 의한 초음파 신호로 판단하여 상기 초음파 신호가 각각의 센서에 입력된 시간차를 이용하여 포인터 좌표값을 계산하는 마이크로 콘트롤러;
    상기 마이크로 콘트롤러에서 계산된 포인터의 좌표값에 해당하는 지점에 포인터를 표시하는 디스플레이 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서를 이용한 공간 포인팅 장치.
  4. 삭제
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 마이크로 콘트롤러는 상기 3개의 초음파 센서에서 초음파 신호를 감지한 시간차중 가장 큰 것이 상기 주기의 절반보다 큰 경우에는 직전 신호를 감지한 시간보다 상기 주기만큼 시간이 더 경과했는지 판단하고, 시간이 상기 주기만큼 더 지나지 않은 경우에는 수신된 초음파 신호를 무시하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서를 이용한 공간 포인팅 장치.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 마이크로 콘트롤러는 상기 3개의 초음파 센서에서 감지한 초음파 신호의 시간차를 이용하여 계산된 포인터 좌표값이 상기 디스플레이 장치에서 표현 가능한 범위를 벗어나는 경우 이를 무시하고 다음번 초음파 신호를 대기하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서를 이용한 공간 포인팅 장치.
  7. (a) 초음파 송신부에서 주기적으로 초음파 신호를 송신하는 단계로서 초음파 송신부의 버튼이 눌러지면 즉시 눌러진 시간만큼 초음파 신호를 송신하고, 초음파신호의 송신후부터 기산하여 일정한 주기마다 초음파 신호를 송신하는 단계;
    (b) 상기 초음파 송신부에서 송신되는 초음파 신호를 초음파 수신부의 3개의 초음파 센서에서 수신하여 직전 신호를 수신한 후 상기 주기만큼 시간이 경과하였는지 판단하여 상기 주기만큼 시간이 경과한 경우 수신한 초음파 신호를 무시하고 다음 초음파 신호를 대기하는 단계;
    (c) 상기 (b) 단계에서 3개의 초음파 센서에서 직전 신호를 수신한 후 상기 주기만큼 시간이 경과하지 않은 경우에 상기 3개의 초음파 센서에서 초음파를 수신한 시간차에 따라 포인터의 좌표값을 계산하는 단계;
    (d) 디스플레이 장치의 상기 계산된 포인터 위치의 좌표값에 해당하는 지점에 포인터를 표시하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파 센서를 이용한 공간 포인팅 방법.
  8. 삭제
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 (c) 단계는 상기 3개의 초음파 센서에서 초음파를 수신한 시간차중 가장 큰 것이 상기 주기의 절반보다 큰 경우에는 직전 신호를 감지한 시간보다 상기 주기만큼 시간이 더 경과했는지 판단하고, 시간이 상기 주기만큼 경과하지 않은 경우에는 수신된 초음파 신호를 무시하고 다음 초음파 신호를 대기하며, 상기 3개의 초음파 센서에서 초음파를 수신한 시간차중 가장 큰 것이 상기 주기의 절반보다 큰 경우 상기 3개의 초음파 센서에서 초음파를 수신한 시간차에 따라 포인터의 좌표값을 계산하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서를 이용한 공간 포인팅 방법.
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