STEAM R&E 연구결과보고서
(스테레오 방식을 이용한 물체인식 흰 지팡이 개발)
2016. 11. 30.
한민고등학교
< 연구 결과요약 >
과 제 명 스테레오 방식을 이용한 물체인식 흰 지팡이 개발
연구목표
스테레오 방식을 이용한 사물의 위치를 입체적으로 가르쳐주는 흰 지팡이 의 개발.
초음파센서와 삼각함수를 이용하여 물체의 크기 측정이 가능한 흰 지팡이 개발.
흰 지팡이의 원리를 적용하여 새로운 디자인의 보조기구 제작.
연구내용
여러 센서들의 기능 및 작동원리에 대해 조사 및 탐구
-초음파 센서, 자이로 센서, 디지털 접촉 센서, 아두이노 터치 센서, 적 외선 센서, 레이저 센서의 작동원리 숙지 및 활용방안 연구.
위 센서들을 사용 및 조합하여 최적의 조건 연구
- 초음파, 자이로, 디지털 접촉 터치, 적외선, 레이저 센서들을 조합 하여 방향 및 물체 탐지에 최적의 조건 연구 및 센서 제작.
지팡이에 내장되어 있는 센서들과 안경에 부착되어있는 초소형 카메라 를 이용한 정확한 사물 판단에 대한 연구
- 초소형 카메라의 사물 판단을 하기 위한 코딩작업.
- 안경과 지팡이의 상호작용에 대한 연구.
연구성과
시각 장애를 가진 사람들이 더 쉽게 물체의 크기 및 거리, 방향을 인식할 수 있음으로써 주변의 장애물 및 지형으로 인한 사고율을 줄일 수 있다. 가속도 센서로 움직이는 물체와 정지해 있는 물체를 구분함으로써 시각장애 인들이 보행자와 장애물을 구분하는데 겪는 혼란을 덜어줄 수 있다.
주요어 (Key words)
지팡이, 시각장애인, 스테레오 기술, 센서
< 연구 결과보고서 >
1. 개요
□ 연구목적
○ 보건복지부의 ‘2014 장애인 실태조사’를 보면 알 수 있듯 2014년 국내 시각장애인의 출현율은 인구 1000명당 6.43건으로 시각장애인의 수는 309.1천명으로 추정하고 있다.
이는 2011년 국내 시각장애인 출현율인 인구 1000명당 5.99건에 비하여 0.35건이 증가 한 수치이다. 한편 시각장애인들이 일상생활에서 겪는 여러 가지 어려움들 중 하나는 바로 여러 장애물들을 피해 안전하게 목적지까지 찾아가는 것, 즉, 보행이다. 시각장애 인들은 보행을 할 때 가장 많은 두려움을 느끼는데 이 문제를 해결하기 위해 등장한 것이 흰지팡이이다. 흰지팡이는 첨단과학이 고도로 발달된 현대에도 세계적으로 시각 장애인들이 가장 많이 사용하고 있는 보조기구이다. 하지만 흰지팡이로는 정보를 획득할 수 있는 범위가 짧고 대상과의 직접적인 접촉을 통해서만 장애물의 유무 판단 이 가능하다는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 보완하기 위해 안내견을 훈련시켜 시각장애인들의 생활에 도움을 주기 위해 노력하고 있지만 이 안내견의 관리도 용이하 지 않아 불편함을 겪고 있다. 최근에 와서 첨단 센서기술을 이용하여 장애인들의 감각을 대체하거나 보조해 줄 수 있는 기술들이 많이 연구되고 있으나, 아직 실용화되 어 장애인들에게 널리 사용되는 기기는 많지 않다. 따라서 시각장애인들이 보행을 할 때 느끼는 불편함을 해소하고자 현재 시각장애인들이 사용하는 여러 가지 흰지팡이 의 문제점을 분석하여 해결하고자 한다.
□ 연구범위
1) 초음파센서를 이용한 장애물 인식 흰지팡이의 개발
2) 초음파센서로 인식한 장애물의 위치를 스테레오 방식을 사용하여 입체적으로 가르쳐주는 흰지팡이의 개발
3) 개발한 흰지팡이의 원리를 적용한 새로운 디자인의 보조기구 제작
○ 본 논문의 연구자들은 위와 같은 연구목표를 세웠다. 크게 공학이라는 틀 안에 수학, 물리, 미술 등 다양한 분야를 접목시켜 위의 연구목표를 차례차례 달성해 나간다.
2. 연구 수행 내용
□ 이론적 배경 및 선행 연구
○ 시각장애인들을 위한 보행 보조기구 연구 논문 탐구
1) 초음파센서를 이용한 물체인식 흰지팡이
초음파센서를 이용한 물체인식 흰지팡이는 다양한 방식으로 존재했다. 어떤 논문에서는 범위를 나누어 거리가 가까워짐에 따라 알림음의 빈도수를 늘리기도 했다. 이런 방식의
흰지팡이 또한 여러개 존재하였는데 거리에 따른 빈도수는 연구마다 차이가 있었다. 한 논문에서는 1.5m와 2.5m로 나누어 2.5m 이상의 물체에 대해서는 알림을 하지 않고, 1.5m 이상, 2.5m 미만에 위치한 물체에 대해서는 느린 진동이 울리도록 설정을 했고, 1.5m 미만에 있는 물체는 빠른 진동이 울리도록 설정을 해 놓았다.
초음파센서는 감지 범위가 넓기 때문에 각도 등에 대한 초음파센서의 감지 범위에 관련된 다양한 연구도 존재했다. 이 연구들은 초음파센서를 이용하여 전방 물체의 거리에 대한 가장 정확한 결과를 얻기 위해서는 초음파센서를 지면과 수평으로 고정해야 한다는 사실을 밝혀냈다. 만약 각도가 낮으면 상방은 높게 측정되고 전방은 거리가 짧아져 오차가 발생한다.
본 연구에서는 이를 적용하여 초음파 센서를 지평과 수평으로 설치하도록 하였다. 본 연구의 실험 통 계 결과, 지팡이와 지면이 이루는 각이45°일 때가 가장 적합하다고 판단되었다.
○ 물체 감지를 위한 다양한 센서 연구
초음파센서 대신 레이저센서를 이용한 연구도 있었다. 레이저 센서는 레이저가 반사되는 빛을 측정함 으로써 장애물과의 거리를 계산하였다. 그러나 실험 결과 레이저는 직진성이 너무 강해서 장애물을 효 과적으로 탐지하지 못할 위험이 우려되어 초음파를 사용하는 것이 적합하다는 결론을 도출했다.
카메라를 이용해 물체를 인식하는 지팡이를 개발하려는 연구도 있었다. 카메라를 이용하면 장애물과 사람 얼굴, 문자열 등을 인식, 색상 식별 구현이 가능하다. 그렇지만 가격이 비싸기 때문에 보급을 위한 저렴하고 효율적인 지팡이를 제작해야 하는 연구의 취지와 맞지 않기 때문에 개선이 필요했다.
○ 지팡이의 부가적인 기능을 위한 다양한 센서 연구
컬러센서를 이용하여 물체의 색상을 인식하고 식별하는 기능을 추가한 연구도 있었 다. 그러나 신호등에서 쓰일 색상 식별을 위한 컬러 센서는 신호등에 프로그램화되어 있는 시각장애인 신호등 알림 시스템이 있어, 값비싼 센서를 쓰면서까지 사용할 필요 는 없다고 생각했기 때문에 본 연구에서는 컬러센서는 부착하지 않았다.
또한, 조명이 켜있는 지의 여부 등을 알려주기 위해 조도 센서를 이용하여 주변의 밝 기를 음성으로 알려주는 기능도 추가한 연구도 있었다.
○ 알림 방식(진동 모터, 음성)
물체가 일정 범위 내에 있을 때 범위를 나누는 것의 유무, 알림 방식도 제각기 차이 가 있었다. 다만 진동을 사용하는 것은 공통적인 특성이었다. 진동을 사용하게 되면 소 음이 있는 곳에서도 정확한 탐지가 가능해지기 때문이다. 한 가지 부족한 점이 있다면 진동은 익숙해지기 쉽지 않다는 연구 결과가 있었다. 이러한 이유로 어떤 논문에서는 음성을 활용하기도 했다. 1.5m 이내에 있는 경우 1.5m 이내에 물체가 있다고 알려주 고, 2.5m 이내에 있는 경우 2.5m 이내에 물체가 있다고 알려주었다.
○ 지팡이의 기능을 보조하는 보조 기구 연구
시각장애인분들이 많이 이용하는 기구가 선글라스라는 말을 들은 적이 있다. 시각장 애가 있는 분들을 보면 대게 눈 부근의 외모에 신경을 많이 쓰는 것이 그 이유였다.
뿐만 아니라 아예 보이지 않는 것이 아니라 거의 보이지 않는 시력을 가진 저시력 시
각장애인들도 안경을 많이 사용한다. 일상생활에서 많이 사용하는 만큼 다른 기구에 비해 불편함이 적을 것으로 예상된다. 시각장애인용 지팡이 개발 선행 연구를 살펴보 면 머리 높이의 장애물을 감지하는 것에 어려움을 느낀다는 말을 찾아볼 수 있다. 따 라서 본 연구에서는 머리 높이 물체를 감지하는 보조 기구로써 안경을 개발하였다.
○ 가속도 센서를 이용한 오차 개선
지팡이를 좌우로 움직일 때 진행 방향에 위치하지 않은 장애물을 탐지하지 않음으로 써 옆의 벽이 감지되는 것을 막고자 하는 연구도 있었다. 이를 위해 추가한 것이 가속 도 센서이다. 흰 지팡이를 좌우로 움직일 때 가속도 값이 크게 변화하게 된다. 가속도 센서는 정지된 상태에서도 특정한 값을 가지기 때문에 기울어진 정도를 파악할 수 있 다. 이를 응용해, 가속도 값이 크게 변하는 지점에서 초음파 센서의 값을 무시하게 함 으로써 옆면의 벽을 장애물로 감지하는 것을 방지하였다.
가속도 센서를 이용해 가속도가 크게 변화하는 경우 알림을 멈춘다고 했다. 그런데 만약 왼쪽에 사물이 있는지 알아보기 위해 지팡이를 왼쪽으로 움직였다고 해보자. 그 러면 가속도 값이 크게 변하게 되고 그에 따라 초음파 센서의 값은 무시당하게 된다.
이런 경우에는 오히려 초음파의 감지 속도를 더 늦추는 결과를 초래할 수 있다. 이 때 문에 더 큰 문제가 발생할 위험도 크다고 본다.
위와 같은 위험을 예방하기 위해 본 연구에서는 좌우를 나누어 초음파 센서를 부착하 였다. 앞을 향하고 있는 지팡이 임에도 좌우 감지가 가능하기 때문에 지팡이를 움직여 야 하는 이유를 줄일 수 있고, 더불어 오차 발생의 가능성도 줄어들게 된다.
○ 선행연구와 구별되는 특징
지팡이에서 좌, 우를 감지하는 기능이 없을 경우 지팡이를 좌, 우로 짚어가며 하나씩 확인해야 한다. 지팡이를 좌, 우로 계속해서 움직이다 보면 초음파 센서의 작동에 오류 가 생길 수 있다. 좁은 길에서도 오류가 발생하는 빈도도 높아진다. 오류가 계속해서 발생하다보면 시각장애인의 안전하고 편리한 보행을 돕는 지팡이 제작 목적에 달성하 기 어려워질 수 있다. 이러한 문제를 해결하고자 본 연구는 이전 연구와는 지팡이의 좌, 우를 나누는 방법을 취했다. 기존 연구들을 살펴보면 초음파 센서를 정면, 위, 혹은 아래까지 이렇게 2가지의 범위를 중심으로 물체 여부를 알렸다. 그렇지만 보행자를 기 준으로 2가지 범위만의 정보를 제공한다면, 좁은 길을 걸어갈 때 진행 방향에 물체가 없음에도 불구하고 알림이 계속되어 갈 수 없다고 안내되는 경우가 있을 수 있다. 이 는 초음파 센서의 범위가 부채꼴이고, 약간의 좌, 우를 살필 필요가 있기 때문에 범위 마저 줄일 수 없는 상황이 발생하기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 위, 아래, 좌, 우 이렇게 총4개의 초음파 센서를 부착하였다. 초음파 센서에도 여러 가지 종류가 있다.
감지범위가 길고 부채꼴로 퍼져나가는 좌우 범위의 각이 작은 초음파 센서도 있고, 감
지범위가 짧은 대신 부채꼴의 각이 큰 초음파 센서도 있다. 본 연구에서는 정면 초음 파 위치에 좌, 우 초음파를 설치하였기 때문에 정면은 위와 아래를 감지하는 초음파 센서를 통해 인식하도록 했다. 초음파 센서는 감지 범위의 각이 넓은 HC-SR04를 이용 했다. 초음파 센서를 통해 일정한 거리 안에서 좌, 우 초음파 센서에 물체가 감지된 것 이 확인되면, 스테레오 방식을 사용해 물체의 위치를 알렸다. 스테레오는 스피커의 구 성을 통해 둘 이상의 오디오 채널을 사용하는 방식을 말하다. 양쪽 스피커에서 다른 소리가 나기 때문에 공간감과 방향감을 느낄 수 있다. 따라서 본 연구에서는 스테레오 방식을 사용함으로써 물체의 위치를 보다 입체적으로 전달하고자 했다. 손잡이에는 위, 정면, 아래에 해당하는 진동모터를 설치하였다.
선행 연구에는 공통적인 특징이 있었다. 초음파센서와 진동모터를 사용하고 있었다. 초음파의 송신부에 서 초음파를 발생시키고, 물체로부터 반사되어 되돌아오는 초음파를 수신부를 통해 받아들이면 중앙처 리 장치를 거쳐 시간을 거리로 환산한다. 거리로 환산되어 입력된 값은 미리 지정해둔 일정한 범위(거 리) 내에서 물체의 여부를 판단해 음성이나 진동(이하 알림음) 등의 알림 방식을 적용해 안내했다.(좌, 우는 스테레오 방식만 적용했다. 이때, 스테레오를 구현하기 위해 사용한 것은 부저이다.) 이때, 일정한 범위 내에 물체가 감지되지 않았을 경우에는 장애물이 있다고 판단될 때까지 다음 동작을 실행하지 않 도록 하였다.
○ 여러 가지 센서들의 기능 및 작동원리에 대한 탐구
1) 초음파센서
사람의 귀에 들리지 않을 정도로 높은 주파수(약 20KHz 이상)의 소리인 초음파가 가 지고 있는 특성을 이용한 센서이다. 초음파 센서에 이용되는 파장은 매체의 음속과 음 파의 주파수에 따라 결정된다. 초음파 센서는 초음파의 발신소자와 수신소자가 동일하 고 센서 재료로는 자기변형 재료나 전압, 전기 변형재료가 이용되고 있다. 초음파센서 의 종류는 매우 다양하고 속도 측정, 거리 측정, 농도, 점성도 측정 등 다양한 분야에 서 이용된다. 그 중 로봇에서 물체를 지각하고 거리를 측정하는데 이용하는 초음파센 서는 초음파 펄스를 피측정물을 향해 방사하여 물체에서 반사되어 오는 반사파를 받을 때까지의 시간을 계측하여 거리를 측정한다.
자기변형 재료 : 강자성체가 자기화 될 때 부피가 조금 변하는 현상을 이용하여 전기 적 진동을 기계적 진동으로 바꾸는데 이용하는 금속 재료
초음파센서의 작동원리
압전효과 : 수정 또는 세라믹 결정체가 압축 또는 신장할 때 전압을 발생하는 효과 (정 효과), 수정 또는 세라믹 결정체에 교류 전계를 가하면 수축 및 신장하는 효과 (부 효 과)
2) 적외선센서
적외선을 이용해 온도, 압력, 방사선의 세기 등의 물리량이나 화학량을 감지하여 신호 처리가 가능한 전기량으로 변환하는 장치이다. 스스로 적외선을 복사하여 빛이 차단됨 으로써 변화를 감지하는 능동식과, 자체에는 발광기를 가지지 않고 외계로부터 받는 적외선의 변화만을 읽어내는 수동식이 있다. 한편 검출방식상 양자형과 열형으로 나눌 수 있는데 양자형은 광도전, 광기전력의 효과를 이용하여 빛을 양자로서 감지하고 열
형은 흡수된 적외광을 열로 변환하여, 온도변화에 의한 재료의 물리량의 변화를 이용 한다. 양자형은 감도나 응답속도는 좋지만 열잡음을 줄이기 위해서 저온으로 해둘 필 요가 있으며 파장에 대하여 선택성이 있다. 열형은 또 다시 다양한 형식으로 나눌 수 있는데 대표적인 것이 전기저항의 변화를 이용하는 서미스터형과 표면전하량의 변화를 이용하는 초전형이다. 열형은 파장에 대해서 비선택적이고 실내온도 부근에서 사용할 수 있지만 응답이 늦고 S/N이 좋지 않다는 단점이 있다.
광도전 효과 : 물질의 도전율이 빛의 흡수로 인해서 증대하는 성질, 물질의 빛 흡수특 성은 그 물질의 에너지대 구조에 따라 다르므로 물질고유의 파장영역에서 광도전 효과 를 나타낸다.
- 도전율 : J = σE (J : 전류밀도, E : 전계, σ : 비례계수(전류의 흐르기 쉬운 정도))
광기전력 효과 : 반도체의 p-n접합부나 정류작용이 있는 금속과 반도체의 경계면에 강 한 빛을 입사시키면 반도체 중에 만들어진 전자와 정공이 접촉전위차 때문에 분리되어 양쪽 물질에서 서로 다른 종류의 전기가 나타나는 광기전력이 발생하는 현상
S/N : 신호 전압과 잡음 전압과의 비
* 초음파센서와 적외선센서의 거리측정 방식 비교
초음파센서는 초음파를 발신한 후 물체에 반사되어 되돌아오는 초음파를 다시 수신하 는데 걸린 시간을 통해 거리를 측정한다. 적외선센서는 광선을 사용하기 때문에 음파 에 비하여 속도가 너무 빨라 짧은 거리에서 반사되어 되돌아오는 시간을 측정하기 어 려워 광삼각법으로 거리를 측정한다.
3) 가속도센서
속도의 변화를 측정하는 센서이다. 질량이 있는 물체는 가속도를 받으면 힘이 발생하 므로 용수철 따위로 받쳐 두면 신축의 정도에 따라 가속도를 알 수 있다. 전자식 가속 도 센서는 적당한 질량을 가진 가동 부분이 움직인 양을 자석과 코일의 기전력에 의하 여 측정하는 것이고 전압식 가속도 센서는 압력을 가하면 전압을 발생하는 압전 소자 를 사용하여 가해진 압력으로 가속도를 알아내는 것이다.
4) 각속도센서(자이로센서)
지구의 회전과 관계없이 높은 정확도로 항상 처음에 설정한 일정 방향을 유지하는 성 질을 이용하여 물체의 방위 변화를 측정하는 센서이다. (단위 시간당 각 변위를 측정하 기 위한 센서이다)
□ 연구주제의 선정
○ 본 논문의 연구자들은 평소 소프트웨어 및 공학기술에 관심을 가지고 동아리를 조직하 여 탐구활동을 진행하였다. 또한 서로 도와가면서 프로그래밍 기술을 익히기도 하고 로봇 관련 방과후학교 개설을 요청하여 그 수업을 통해 관련 지식을 습득하기도 하였 다. 그러다 인터넷 뉴스를 통해 최근 소프트웨어 및 IOT에 대한 관심이 급증하면서 여러 기술들이 개발되고 있지만 장애인들을 위한 기술 발전은 그 속도를 따라잡지 못하고 있다는 사실을 알게 되어 지금까지 배운 지식들과 로봇을 만들어본 경험을 토대로 시각장애인들을 위한 보조기구를 만들어 그 사람들의 생활에 도움을 줄 수 있으면 좋겠다고 생각을 하게 되었다.
○ 이러한 생각을 바탕으로 현재 시각장애인들에게 가장 널리 보급되어져 있는 흰지팡이에 대해 조사를 해 보았다. 이를 통해, 흰지팡이가 첨단과학 기술이 발달되어 있는 현대에 도 시각장애인들이 가장 많이 쓰는 보조기구이지만, 흰지팡이로는 정보를 획득할 수 있는 범위가 짧고 대상과의 직접적인 접촉을 통해서만 장애물의 유무 판단이 가능 하다는 것을 알 수 있었다. 한편 ‘시각장애인을 위한 보조기기 개발 - 조현철, 김래현, 한만철, 박세형, 하성도’를 통해 2008년도까지 개발된 여러 가지 흰지팡이에 대해 알 수 있었다. 그 중 몇 가지를 살펴보면 Ultracane은 손잡이 부분의 두 개의 초음파 센서(앞 방향과 아래 방향)를 이용하여 장애물을 감지하여 진동으로 알려주는 것인데 흰지팡이보다 짧고 무거우며 지면을 두드리며 걷는 형태로는 사용하지 못하여 Ultracane용 보행법을 다시 교육받아 사용해야 하는 문제점이 있었다. 또한 Teletact는 레이저의 반사되는 빛을 측정하여 장애물과의 거리를 계산 후 3단계의 진동 세기와 멜로디를 이용하여 알려주는 보조기구인데 레이저가 직진성이 강해 장애물을 효과적 으로 탐지하지 못할 위험이 있었다. 결론적으로 다양한 기술들을 사용한 흰지팡이는 어느 정도 개발되어 있었지만 아직 실용화에 성공한 것은 거의 없었고 많은 문제점이 남아있었다.
○ 본 논문의 연구자들은 다양한 자료 조사를 통해 레이저보다는 초음파센서를 사용하는 것이 더 효과적일 것이라는 판단에 초음파센서를 이용하여 장애물을 인식할 수 있는 흰지팡이를 개발하기로 하였다. 또한 현재까지 개발된 초음파센서가 부착된 흰지팡이 는 장애물이 있는지 없는지만 시각장애인들에게 가르쳐주었는데 시각장애인들이 보 다 정확하고 편안하게 장애물을 인식할 수 있도록 하기 위해서는 입체적으로 정보를 전달할 필요성을 느꼈다. 이에 따라, 초음파센서를 부착한 흰지팡이에 스테레오 방식 을 도입하여 물체의 존재여부를 거리와 방향에 따라 소리를 통해 입체적으로 전달을 할 수 있는 기술을 연구해 보기로 하였다. 또한 최종적으로는 개발한 흰지팡이의 원리를 적용한 새로운 디자인의 보조기구를 제작함으로써 힘이 약한 노인이나 어린이 들도 편리하게 이용할 수 있도록 하는 것을 목표로 삼았다.
□ 연구 활동 및 과정
○ 부품 연구
1) 초음파센서
제품명 SRF02 초음파센서 [SEN0005]
2) 진동모터
제품명 아두이노 진동모터 모듈 [ELB060416]
크기 24.5 * 21mm
모터크기 직경 10mm, 두께 2.7mm
정격전압 5V
포트 디지털
플랫폼 아두이노, MCU
3) 아두이노
제품명 NEROINO NANO V3.0
크기 45.0 * 17.8mm
무게 5g
동작전압 5V
입력전압(권장) 7-12V
입력전압(제한) 6-16V
작동 온도 -40℃ ~ +85℃
마이크로
컨트롤러 Atmel ATmega328 디지털 입출력
핀 14 (6개의 PWM 출력 제공)
아날로그 입력
핀 8
입출력 핀 당
DC 전류 40mA
플래시 메모리 32KB를 가지며 2KB의 부트로더를 사용
SRAM 2KB (ATmega328) EEPROM 1KB (ATmega328)
클럭 속도 16MHz
4) 스위치
제품명 하네스 스위치
5) 전지
제품명 Skyholic 7.4V 1000mAh 크기 55 * 31.5 * 18mm
무게 58g
전압 7.4V
만충전압 8.4V
임계전압 5.4V
방전율 10c
충전전류 1c (max)
○ 실험
현재 개발되어 있는 흰지팡이 중 본 논문의 연구자들이 개발하고자 하는 흰지팡이에 가장 근접한 일본의 초음파센서 흰지팡이의 문제점을 분석하고자 실험을 진행하였다. 실험은 한민고등학교 1, 2학년 학생들을 대상으로 지원을 받아 진행되었다. 피실험자들은 실험이 진행되기 전 지팡이 사용법에 대한 교육을 받았다. 실험 시에는 안대를 착용하고 연구자들이 진행방향만 가르쳐 주면 흰지팡이에 의존해 장애물을 피해 길을 통과하였다. 또한 눈을
가리지 않고 장애물들을 피해 길을 통과하는 시간과 어느 정도 차이가 나는지 알아보기 위해 실험 시 초시계로 시간을 쟀다.
연구자들은 위 사진을 보면 알 수 있듯 교실에 다양한 모양과 크기의 장애물들을 설치하였다. 위 사진을 모식적으로 표현하면 아래 그림과 같다.
1층
3층 2층
계단 문
문 1구역
3구역
2구역
5구역 4구역
7구역
6구역
10구역
9구역 8구역
연구자들은 효과적인 실험을 위하여 비슷한 특징을 가진 장애물들을 서로 가까운 곳에 배치 하였다. 그리고 장애물들의 특징을 기준으로 구역을 나누었다. 위의 그림에서 화살표는 진행 방향을 의미한다.
1구역)
140cm 131cm 15cm
65cm 106cm
바닥 천장
1구역은 직진코스로 눈높이에 장애물이 있는 경우이다. 실생활에서의 간판이나 깃발 같은 것을 예로 들 수 있다. 문의 폭은 90cm이고 길의 폭과 장애물의 크기 등은 위의 그림에 쓰여 있는 것과 같다.
2구역)
2구역은 커브길이다. 폭은 63cm이다.
3구역)
바닥 81cm 22cm
131cm
물체
3구역에는 허리 높이로 돌출된 장애물이 설치되어 있다. 실생활에서 물건이 허리높이로 삐져나온 경우를 예로 들 수 있다. 물체의 크기는 131 * 25 * 22cm이다. (가로, 폭, 높이)
4구역)
4구역에는 키를 넘는 매우 높은 장애물이 설치되어 있다. 실생활에서의 굵은 전봇대, 나무 등을 예로 들 수 있다. 물체의 크기는 37 * 26 * 200cm이다. (가로, 폭, 높이)
5구역)
5구역에는 길을 완전히 가로막고 있는 물체가 설치되어있다. 실생활에서 큰 바위 등을 예로 들 수 있는데 이 경우에는 물체를 밟고 지나가거나 다리를 뻗어 넘어가야 한다. 물체의 크기는 50 * 37 * 26cm이다. 또한 턱의 높이는 17cm이다. 본 실험에서 피실험자들은 무조건 봉과 봉 사이로 지나가야 했다.
6구역)
6구역에는 발목 높이의 물체와 작은 돌 크기의 플라스틱 물체가 놓여있다. 발목 높이의 물체의 크기는 23 * 13 * 9cm이고 그 주위에 놓여 있는 물체는 높이 4~5cm, 지름 3~4cm의 원기둥 모양이다. 실생활에서 이와 같은 물체들은 매우 많이 볼 수 있고 예를 들어 벽돌, 돌멩이 등이 있다.
7구역)
7구역에는 허리 높이의 물체가 놓여 있다. 실생활에서 협탁 등이 예가 될 수 있다. 크기는 37 * 16 * 78cm이다.
8구역)
7구역에는 얇은 봉이 세워져 있다. 실생활에서 작은 나무 등이 이에 해당한다. 크기는 높이 100cm, 지름 4cm이다.
9구역)
①
④ ⑤
③
②
박스의 크기
① 40 * 27 * 15cm
② 39 * 31 * 24cm
③ 15 * 30 * 44cm
④ 21 * 35 * 45cm
⑤ 20 * 36 * 54cm
9구역에는 다양한 크기의 박스들이 놓여 있고 그것들로 인해 계단까지 가는 길이 매우 좁다.
실생활에서 물건들로 인해 좁아진 길을 지나갈 때가 이와 유사하다. 각 박스들의 크기는 위와 같다. 또한 ①박스와 ②박스 사이의 간격은 75cm, ③박스와 ④박스 사이의 간격은 41cm, ④박스와 ⑤박스 사이의 간격은 36cm이다.
10구역)
마지막 구역인 10구역은 계단으로 이루어져 있다.
실험 참여 지원서는 위와 같다. 키에 따라 흰지팡이를 잡는 각도를 측정하기 위해 키를 10단위로 나누어 각각 5명씩 지원을 받았다.
연구자들은 시각장애인의 입장에서 감지 범위의 적절성, 통과하기 가장 어려운 구간과 심리 적으로 가장 두려운 구간을 알아내기 위해 실험 후 피실험자들에게 아래와 같은 설문을 실시했다. 또한 흰지팡이를 피실험자가 느끼기에 가장 편하게 잡았을 때의 각도를 측정하였 다.
설문의 결과는 다음과 같다.
실험자
번호 키 (cm) 감지범위 어려운
구간
두려운
구간 각도 (°) 시간
1 158 4 2, 6, 10 5, 10 46 8분 25초
2 157 3 2, 5, 7 1, 5 45 6분 02초
3 166 4 5, 10 5 37 7분 01초
4 171 2 5, 7 2, 3, 10 47 5분 36초
5 175 4 1, 5 5 40 5분 40초
6 180 5 1 10 50 5분 57초
7 180 4 1, 3 1, 10 50 8분 55초
8 165 3 5, 10 5, 10 50 6분 41초
9 155 4 2, 5, 9 2, 5, 10 47 6분 30초
10 156 3 1, 5, 7 2, 5, 9 50 8분 24초
11 161 4 2 10 42 4분 17초
12 163 3 3, 5, 9 3, 6, 10 35 5분 50초
13 176 2 2, 5, 6 1, 10 38 5분 11초
14 173 5 2 2 47 5분 43초
15 192 5 * * 55 4분 59초
16 160 4 2, 6 2, 5, 6 40 7분 29초
17 182 3 * 2, 5, 10 45 6분 53초
18 159 4 2 1, 9 30 7분 40초
19 180 4 4, 5 * 52 4분 49초
20 177 5 1, 5, 10 5, 10 45 7분 53초
위의 표에서 실험자 번호는 실험의 편의를 위해 부여한 번호이다. 감지범위, 어려운 구간, 두려운 구간은 설문지 상의 번호이고 어려운 구간과 두려운 구간은 중복 3개까지 선택 가능하 게 하였다. *는 피실험자가 어려운 구간 또는 두려운 구간이 없다고 생각하여 표시를 하지 않은 것을 의미한다.
감지범위에 대한 피실험자들의 의견은 다음과 같다.
매우짧다 짧다 적당하다 길다 매우 길다
인원 (명) 0 2 5 9 4
대부분의 피실험자들이 일본의 초음파센서 흰지팡이의 감지 범위가 길다고 생각하였다. 감지거리가 길어 물체를 먼저 인식해서 경고를 주어 그들로 하여금 조금 더 주의하게 하였지 만 좁은 길이나 장애물이 많은 길 등을 지날 때에는 진동이 계속해서 울리는 일이 발생하여 오히려 아무런 도움이 되지 않았다고 하였다.
통과하기 가장 어려웠던 구간에 대한 의견은 다음과 같다.
구역 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
인원
(명) 5 8 2 1 11 3 3 0 2 4
피실험자들이 통과하기 가장 어렵다고 느낀 곳 1위는 5구역이고 2위는 2구역, 3위는 1구역이 다. 5구역은 물체가 길을 완전히 막고 있는 경우로 물체를 밟고 지나가는 경우도 있었고 넘어가는 경우도 있었다. 그런데 이 경우 그 물체를 밟아도 되는지를 판단할 수 없고 그 물체 너머에 무엇이 있는지 알기 어려워 통과하기 가장 어려웠다고 하였다. 2구역은 커브 길로 길이 휘어져 있기 때문에 진동이 계속해서 울려 길을 찾기 어려웠다고 했다. 1구역은 눈높이에 장애물이 있는 구역이다. 피실험자들은 아래쪽에 있는 물체는 진동이 울리면 흰지 팡이를 휘둘러보면서 물체를 파악할 수 있지만 위쪽에 있는 물체는 오로지 진동에만 의지해 야 해서 통과하기 어려웠다고 했다.
심리적으로 가장 두려웠던 구간에 대한 의견은 다음과 같다.
구역 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
인원
(명) 4 6 2 0 10 2 0 0 2 11
피실험자들이 가장 두려웠다고 생각한 곳 1위는 10구역, 2위는 5구역, 3위는 2구역이다.
피실험자들은 10구역이 통과하기에는 그리 어렵지 않았지만 두려웠다고 답했는데 이는 흰지 팡이로 바닥의 위치를 알 수 있어도 어느 정도 다리를 뻗어야 바닥에 닿는지 알기 어렵기 때문이라고 하였다. 5구역은 피실험자들이 통과하기 가장 어렵다고 느낀 곳 1위인 구역이면 서 가장 두렵다고 느낀 곳 2위인 구역이다. 이 구역은 물체가 길을 완전히 막고 있는 구역으로 그 물체를 밟고 지나가도 되는지, 그 물체 너머에 무엇이 있는지를 알 수 없으므로 이것이 곧 두려움으로 이어진다고 하였다. 2구역 역시 피실험자들이 가장 통과하기 어렵다고 느낀 곳 순위에 든 구역으로 커브길이다. 피실험자들은 커브길에서 올바른 방향으로 가고 있음에 도 불구하고 길이 휘어져있어서 진동이 계속 울리기 때문에 갇힌 기분이 들어 두려웠다고 답하였다.
키에 따라 흰지팡이를 잡는 각도는 다음과 같았다.
키 각도 (°) 평균 각도 (°) 160cm미만 46, 45, 47, 50, 30 43.6 160cm이상 170cm미만 37, 50, 42, 35, 40 40.8 170cm이상 180cm미만 47, 40, 38, 47, 45 43.4 180cm이상 50, 50, 55, 45, 52 50.4
본 실험을 통해 다양한 문제점이 발견되었다. 실내에서는 천장의 높이가 2m이하일 경우 가슴 이상 높이의 장애물을 인지하는 초음파센서가 천장을 감지하였고, 지면과 붙어있지 않고 벽에 돌출된 장애물은 장애물의 유무는 감지할 수 있지만 높이와 너비를 가늠하기 힘들어 피하는데 어려움이 있었다. 폭이 120cm 이하인 문이나 복도에서는 좌우의 벽이 정면 센서와 상방센서의 탐지범위에 들어와 정면에 장애물이 없어도 진동이 울렸다. 따라서 문턱 을 지날 때와 커브 길을 돌 때 실험자들이 정면의 길을 찾는데 어려움을 겪었으며, 사방에 진동이 울리는 경우 하드웨어에 의존하여 통과하는 모습을 보였다. 실험 후 설문에서 참가자 들 대부분이 센서의 탐지각이 크다고 지적했고, 오차로 인한 진동 때문에 혼란스러웠다고 답했다.
○ 개발과정
1) 초음파 진동 안경
사진 1은 아두이노 나노와 호환되는 네로이노 나노에 SRF-02를 연결한 상태이며, 그림1은 SRF-02의 회로도이다.
사진 1. 그림 1.
사진 2.
사진 2는 안경의 중앙에 초음파센서를 고정시키고 진동모터를 연결한 사진이다. 부착 된 초음파센서가 물체를 인식하면 진동이 울리게 설계했다.
void setup() {
Wire.begin();
pinMode(mopin,OUTPUT);
}
int reading = 0;
void loop() {
Wire.beginTransmission(112);
Wire.write(byte(0x00));
Wire.write(byte(0x51));
Wire.endTransmission();
delay(70);
Wire.beginTransmission(112);
Wire.write(byte(0x02));
Wire.endTransmission();
// step 4: request reading from sensor Wire.requestFrom(112, 2);
if (2 <= Wire.available()) {
reading = Wire.read();
reading = reading << 8;
reading |= Wire.read();
if(reading < 200&&reading>20) {
digitalWrite(mopin, HIGH);
}
else digitalWrite(mopin, LOW);
} delay(50);
}
2) 초음파 흰지팡이
네로이노 나노에 초음파센서 4개와 진동모터 2개, 부저 2개를 연결했다. 상하의 초음파 센서가 감지될 경우 진동모터가 울리고, 좌우의 초음파센서가 감지될 경우 부저가 울 린다. 각 방향에 물체가 있는 경우 부저와 진동모터는 독립적으로 작동된다. 초음파센 서는 HCSR-04를 사용한다.
void setup() {
pinMode(trigR,OUTPUT);
pinMode(trigL,OUTPUT);
pinMode(echoR,INPUT);
pinMode(echoL,INPUT);
pinMode(trigD,OUTPUT);
pinMode(echoD,INPUT);
pinMode(trigU,OUTPUT);
pinMode(echoU,INPUT);
pinMode(mopinD,OUTPUT);
pinMode(mopinU,OUTPUT);
}
int reading=0;
void loop() {
digitalWrite(trigR,HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(trigR,LOW);
int distanceR=pulseIn(echoR,HIGH)*17/1000;
digitalWrite(trigL,HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(trigL,LOW);
int distanceL=pulseIn(echoL,HIGH)*17/1000;
digitalWrite(trigD,HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(trigD,LOW);
int distanceD=pulseIn(echoD,HIGH)*17/1000;
digitalWrite(trigU,HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(trigU,LOW);
int distanceU=pulseIn(echoU,HIGH)*17/1000;
if(distanceR<=30 && distanceR>=1 && distanceL<=30 && distanceL>=1) {
if(distanceR>=distanceL) {
noTone(9);
tone(8,262,250);
delay(70);
} else {
noTone(8);
tone(9,262,250);
delay(70);
} }
else if(distanceR<=30&&distanceR>=1) {
noTone(8);
tone(9,262,250);
delay(70);
}
else if(distanceL<=30&&distanceL>=1) {
noTone(9);
tone(8,262,250);
delay(70);
}
else {
noTone(8);
noTone(9);
}
if(distanceD<170&&distanceD>100) digitalWrite(mopinD,HIGH);
else if(distanceD<=100&&distanceD>=5) {
digitalWrite(mopinD,HIGH);
delay(100);
digitalWrite(mopinD,LOW);
delay(100);
}
else digitalWrite(mopinD,LOW);
if(distanceU<170&&distanceU>100) digitalWrite(mopinU,HIGH);
else if(distanceU<=100&&distanceU>=5) {
digitalWrite(mopinU,HIGH);
delay(50);
digitalWrite(mopinU,LOW);
delay(50);
}
else digitalWrite(mopinU,LOW);
delay(50);
}
3. 연구 결과 및 시사점
□ 연구 결과
현재 제작한 이어폰(부저)은 아직 스테레오 식이라기 보다는 각각 따로 작동하는 형태 이다. 그렇기에 양 옆의 물체들을 초음파 센서로 인식은 할 수 있으나 좌 와 우의 초 음파 센서 값들의 상대적인 값을 비교하여 나타내기 때문에 약간의 혼란을 가져올 것을 예상한다. 이어폰 케이스는 3D프린팅을 이용해 제작하였지만, 그 크기에 맞는 부 저 또는 피에조 스피커의 작동에 대해 아직까지는 시간이 더 필요한 것으로 예상한다.
초창기에 예상해서 구매했던 초음파 센서들의 사용제한에 따라 연구제작중인 흰 지팡
이의 크기가 더 커질 것으로 예상한다. 아직 3D프린팅을 사용하는데 있어서 조금 미숙 한 점이 있어 높은 퀄리티의 흰 지팡이를 기대하는 것은 못할 것으로 예상한다. 연구 초창기에 조사하였던 가속도 센서나 자이로 센서 등의 여러가지 센서들의 자세한 구동 방법과 제어 및 활용이 어려워 현 흰 지팡이 제작에서 빠질 것을 예상한다. 연구 중기 에 구매하였던 초음파 센서들의 사용제한에 따라 크기도 크고 성능도 조금 하향된 초 음파를 씀으로써, 현재 시판중인 흰 지팡이 보다 성능이 안 좋을 수도 있다는 것을 감 안해야 한다.
아두이노 보드에 직접 코딩을 하여 일정 거리마다 진동센서의 진동 주기가 빨라지거 나, 부저의 소리가 점점 빨라지는 등 거리에 따른 위험도에 대해 좋은 결과를 얻을 것 을 예상(현재 시판중인 흰 지팡이보다 거리에 따른 위험도를 훨씬 잘 감지할 수 있다 는 장점이 있다)한다. 초음파 안경과 흰 지팡이를 함께 사용함으로써 머리 부분의 장 애물과 다리 부분 및 몸통 부분의 장애물을 감지 가능할 것으로 예상한다. 생각 보다 초음파 센서의 감지 범위의 측정이 어려워서 정확한 장애물의 위치를 판단하기 어려울 것으로 판단한다.
4. 홍보 및 사후 활용
□ 사후 활동 계획
○ 시각장애인들을 위한 보행 기구에 대한 연구를 많이 증가하고 있는 추세이다. 그렇지만 아직까지는 많이 부족한 것이 사실이다. 본 연구 및 다른 선행 연구를 바탕으로 앞으로도 시각장애인들을 위한 많은 보행 기구에 대한 연구하고 시각장애인들을 대상으로 평가를 거쳐 그들의 의견을 반영해야할 필요성이 있을 것이다.
○ 선행 연구 내용과 본 연구 내용 및 결과를 바탕으로 향후 진행할 연구 계획에서는 시각장애인들을 위해 보다 편리한 보행 기구 필요성을 느꼈다. 따라서 안경 전원 on/off 방식을 개선해 선행 연구와 같이 안경의 다리를 접고 펴는 행위만으로도 전원 스위치를 조절할 수 있도록 시도해 볼 것이다. 그러나 만약 접고 펴는 행위가 시각장애인들에게 더 불편하게 작용-필요하지 않을 때 벗었는데 다시 착용할 때 안경을 못 찾을 수 있다는 단점이 있다. 특히 지팡이를 들고 있는 도중에 안경을 다시 쓰고자 한다면 더욱 불편할 것으로 예상된다.-한다면 다른 개선 방안을 생각해보는 것도 나쁘지 않을 것 같다.
○ 조도 센서를 이용하여 조명이 켜있는 지의 여부의 알림과 함께, 어두움과 밝음을 구분해 주는 용도로써의 기능도 추가하고자 한다. LED를 함께 사용해 어두워졌을 때 LED가 자동적 으로 켜지도록 하는 기능을 추가한다면 시각장애인들이 어두운 길을 보행할 때 다른 보행자 와의 충돌을 예방할 수 있을 것이다. 이는 불필요한 에너지 낭비를 막고 시각장애인들의 안전을 책임질 수 있을 것으로 예상된다.
○ 나머지 초음파 센서의 경우에는 진동 알림 방식을 사용하지만 좌, 우의 경우 스테레오 스피커 방식만을 사용한다. 그러나 이렇게 되면 소음이 발생하는 곳에서는 사용하는 데 많은 불편함이 있을 것으로 예상된다. 따라서 본 연구는 추후에 스피커와 함께 진동 모터를 연결하는 방법 또한 고려하고자 한다.
○ 스테레오 방식을 적용한 것도 현재는 부저로 연결한 것으로 마무리 지었다. 그렇지만 현재 사용하고 있는 부저는 크기도 큰 뿐더러 볼륨조절 기능을 추가하지 않아 좌, 우 소리 구별이 힘든 상황이다. 따라서 추후에 이어질 연구에서는 저항을 연결하여 볼륨을 조절할 것이며 스테레오 방식을 이용하는 이어폰을 직접 제작하여 사용할 것이다. 본래, 이어폰을 직접 제작하기 위해 초소형 부저를 사용했었다. 그 과정에서 초소형 부저의 고장이 잦아 부저로 교체한 것이다.
○ 이어폰을 직접 제작하고 난 후에는 이어폰에 점자를 새겨 좌, 우가 구분될 수 있도록 할 것이다. 또한, 지팡이에 이어폰을 내장시킨 후 청소기 선 정리 방식을 응용하여 이어폰을 사용하지 않는 경우 보관이 편리하도록 할 것이다.
○ 여러 차례의 실험 결과 현재의 지팡이로는 진행 방향을 알려줄 수가 없다. 따라서 목적지까지 도달하는 과정에서 누군가의 도움 없이는 방향을 온전하게 찾기 힘들다. 따라서 GPS 연구를 통해 장애물도 피하고 목적지까지 안전하게 도달할 수 있도록 지팡이를 개발할 것이다.
○ 본 연구에서 실행한 실험은 시각장애인들을 대상으로 실행한 실험이 아니며, 지팡이 사용에 익숙하지 않은 학생들이 체험한 것이기 때문에 실제 시각장애인들의 사용과 다를 수 있다. 이를 확실히 하고자 다음 연구에서는 시각장애인들을 대상으로 직접 실험을 실시하 고자 한다.
○ 배터리의 경우 닳게 되면 교체해야 하는 경우가 생긴다. 이에는 어려움이 있기 때문에 자가 발전형 전지나 태양열 전지 등을 이용하여 교체시기를 늦추거나 영구적인 배터리를 사용하게끔 하고자 한다.
5. 참고문헌
□ 학술 논문
○ 김동철, 김백기(2015). 초음파 센서를 이용한 시각장애인용 모자. Proceedings of KIIT Summer Conference, 396-364
○ 서민우, 조용호, 김진혁, 이붕주(2011). 시각장애인을 위한 보행보조 지팡이. 한국전자통 신학회 학술대회지, 5(2), 306-309.
○ 전충호, 김성환, 엄문기, 김승현, 백봉길(2012). 초음파센서를 이용한 시각장애인 보행지 원시스템. 한국조명 전기설비학회 학술대회눈문집, 249-250.
○ 조현철, 김래현, 한만철, 박세형, 하성도(2008). 시각장애인을 위한 보조기기 개발. 한국 HCI학회 학술대회, 251-255.
○ 서인환, 우영화(2000). 초음파센서를 장착한 시각장애인용 안경 개발에 대한 연구. 대한 인간공학회 학술대회논문집, 1-5.
○ 김수정, 송형석, 김영천(2013). 시각장애인용 초음파센서 안경의 센서 배열에 따른 탐지 가능 영역 분석. 대한전자공학회 학술대회, 946-949.
○ 임채홍(2011). 시각장애인을 위한 센서지팡이 디자인개발 연구. 디지털디자인학연구, 11(1), 1-8.
○ 김래현, 박세형, 이수용, 조현철, 하성도(2009). 초음파 및 가속도 센서를 이용한 시각장애 인용 보행보조 장치의 성능 개선. 정보과학회논문지 : 소프트웨어 및 응용, 36(4), 291-297.
○ 이진희, 임석현, 이은석, 신병석, (2009). 초음파 센서와 GPS를 연동한 시각장애인 실외 보행지원 시스템. 정보과학회논문지 : 소프트웨어 및 응용, 36(6), 462-470.
□ 홈페이지 조사
○ http://blog.naver.com/jinoh9272/220459075208
□ PPT 자료
○ 초음파센서(원리와 응용). 센서텍주식회사, 2006. 7.
