KR940006567B1

KR940006567B1 - 관성을 이용한 네비게이션 시스템이 부착된 이동로보트

Info

Publication number: KR940006567B1
Application number: KR1019920000033A
Authority: KR
Inventors: 김태식
Original assignee: 삼성전자 주식회사; 강진구
Priority date: 1992-01-06
Filing date: 1992-01-06
Publication date: 1994-07-22
Also published as: GB2262997B; GB9300169D0; KR930016203A; DE4300123A1; JPH0683441A; US5475600A; JP2702370B2; GB2262997A; DE4300123C2

Abstract

내용 없음.

Description

관성을 이용한 네비게이션 시스템이 부착된 이동로보트

제1도는 본 발명을 적용한 로보트의 개략적인 시스템을 도시한 평면도.

제2도는 제1도의 개략적인 측면도.

제3도(a) 및 (b)는 네비게이션 시스템의 구성도.

제4도(a) 내지 (d)는 네비게이션 시스템의 회전방향 및 각도측정을 설명하는 설명도.

제5도는 본 발명의 로보트에 있어서의 구동장치의 구조도.

제6도는 본 발명의 로보트에 있어서의 무동력 바퀴의 구조도.

제7도는 각 이동점에서 삼각측정법에 의해 복귀할때의 최단거리를 계산하는 방법을 도시한 벡터도.

제8도는 본 발명의 관성을 이용한 네비게이션 시스템이 부착된 이동로보트의 동작순서를 도시한 플로우챠트.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 로보트 본체 2 : 관성 네비게이션 시스템

3 : 구동장치 4,14 : 원주판

5,11 : 영구자석 6 : 나침반

5,11 : 광발생장치 8,28 : 광센서

9 : 반사경 10 : 반사원주판

12 : 마그네틱코일 13 : 나침반지지축

15 : 구동바퀴 16,18,18-1 : 기어(gear)

17 : 구동모터 19 : 방향조절모터

20 : 마이콤 21 : 원주판지지대

22 : 마그네틱 감지센서 23 : 무동력바퀴

25 : 구멍 26 : 구동원주판

50 : 마이콤

본 발명은 관성을 이용한 네비게이션 시스템(Navigation System)이 부착된 이동로보트에 관한 것이다.

종래의 이동로보트는 임의의 한 지점에서 다른 지점으로 이동시 방향전환을 하기 위해서는 스텝 모터(Step motor)를 이용하여 모터의 회전수가 조절되면서 목적하는 방향으로 전환한후, 다시 마이콤이 구동모터를 작동시켜 일정한 거리를 이동하게 되며, 로보트가 이동한 행로를 기억하기 위해서는 방향전환용 스텝모터의 회전수 및 구동모터의 회전수를 마이콤의 메모리에 입력하였다가 이를 이용하여 도착지점에서 출발지점으로 이동토록 구성되어 있다. 따라서, 한 지점에서 다른 지점으로 이동시 단지 방향전환 즉, 스텝모터 및 구동모터의 회전수에 의존하여 행로가 결정되므로 최초 출발시의 위치와 이동후의 현재 도착위치에 대한 상대적인 이동벡터(Vector)값을 판단할 수 없어, 한 지점에서 다른 지점으로 이동후 다시 원래의 출발지점으로 복귀할때 그때까지의 행로를 역으로 되돌아 반복 이동할 수 밖에 없으므로, 출발위치를 파악하여 최단 방향을 이용해서 복귀할 수가 없다는 문제점이 있을뿐만 아니라, 단지 모터의 회전수에 따라 방향이 결정되므로 구동부의 마찰저항이나 장애물등에 의해 모터의 회전수가 변화되어 목적하던 방향에서 이탈되었을 경우 이를 판단하여 이동행로를 보정할 수 없고, 또한 정확한 방향결정 및 거리를 조절하기 위해서는 스텝모터를 사용함으로써 제조원가가 상승한다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 이와같은 여러가지 문제점을 감안하여 이루어진 것으로써, 본 발명의 목적은 관성을 이용한 나침반상에 광센서를 부착하여 상기 광센서가 로보트의 위치가 변경되는 것에 관계없이 항상 일정한 방향을 지시토록 독립시스템을 형성함으로써, 로보트가 방향을 변경할시 나침반 주변에 원통형으로 둘러쌓인 광반사판이 이동하여 감지한 이동변위량에 의해서 변경된 방향각도를 판단할 수 있으며, 광반사판에서 반사되는 광의 파형 형태로써 좌, 우회전 여부를 판단토록 하는 관성을 이용한 네비게이션 시스템이 부착된 이동로보트를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 일반적인 모터에 마그네틱(Magnetic) 센서를 이용하여 구동 및 방향제어를 간단하게 방향전환 및 거리조절이 가능한 관성을 이용한 네비게이션 시스템이 부착된 이동로보트를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 관성을 이용한 네비게이션 시스템이 부착된 이동로보트는 원주판상에 N극과 S극으로 구분되어 있는 제1의 영구자석을 배설하여 나침반을 구성하고 그 상단에 광을 발생시키는 제1의 광발생장치 및 이 광발생장치로부터 방사된 광이 반사되어 되돌아오는 광량을 감지하는 제1의 광센서를 대향해서 배치시키고, 상기 나침반의 주변 원주상에 광을 반사시키는 복수의 반사경을 일정한 간격으로 방향성을 가진 원통형 반사원주판이 설치되고, 상기 나침반 하단에는 단부가 N극이나 S극으로 되어있는 영구자석을 배설하고 그 하단에는 제2의 영구자석과 동일 극성의 단부를 갖는 마그네틱 코일이 배설된 관성을 이용한 네비게이션 시스템과, 기어가 형성되어 있는 회전원주판의 기어부의 방향조절 모터를 일련의 기어들에 의해 결합시키고, 회전원주판 내부에는 구동바퀴를 동작시키는 수개의 구동기어 및 구동모터가 설치되고, 마그네틱이 부착되어 있는 회전원주판을 지지하는 원주판 지지대상에 상기 마그네틱과 90°각도를 두고 마그네틱 센서가 부착된 구동장치와, 무동력 바퀴의 중심축의 일단에 원주를 따라 일정한 간격으로 복수의 구멍이 형성된 구동원주판을 부착하고, 구멍 양측에는 광을 발생시키는 제2의 광발생장치와 광을 감지하는 제2의 광센서가 부착된 무동력 바퀴로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 일실시예를 제1도 내지 제6도를 참조하여 상세히 설명한다.

제1도 내지 제6도에 있어서, (1)은 로보트 본체이고, (2)는 로보트(1)의 이동각도를 정확하게 제어하고, 지정된 장소로 이동할때 전환해야할 방향각도를 최초 출발시의 상대적인 벡터값으로 인식하며, 노면의 장애물등에 의한 로보트(1)의 각도 이탈을 수시로 보상해 주는 관성 네비게이션 시스템이고, (3)은 후술하는 방향조절모터의 작동에 의해 정확하게 90°각도로 상기 로보트(1)가 방향전환을 할 수 있도록 구성된 구동장치이며, (23)은 상기 구동장치(3)에 연동하는 무동력 바퀴이고, (50)은 전체동작을 제어하는 마이콤이다.

제3도는 네비게이션 시스템의 구성도를 도시한 것으로서, 제3도(a)는 영구자석(5)과 마그네틱 코일(12)등의 구성관계를 도시한 것이고, 제3도(b)는 원주판(4)상의 제1의 영구자석(5)을 보다 상세하게 도시한 것으로써, 원주판(4)상에 N극과 S극으로 구분어 있는 제1의 영구자석(5)을 배설해서 나침반(6)을 구성하고, 그 상단에 광을 발생시키는 제1의 광발생장치(7)와, 제1의 광발생장치(7)로부터 방사된 광이 반사되어 되돌아오는 광의 량을 감지하는 제1의 광센서(8)가 상하로 서로 대향해서 부착되어 있다.

또한, 나침반(6)이 자체의 하중으로 인해 마찰력이 발생하면 나침반(6)이 로보트(1)의 정확한 위치를 지시하는데 장애요인이 되므로 이 장애요인을 제거하기 위해 상기 나침반(6)의 하부에 단부가 N극이나 S극으로 되어 있는 제2의 영구자석(11)을 부착하고, 그 하부에는 제2의 영구자석(11)과 동일한 극성을 가진 마그네틱 코일(12)을 부착함으로써 로보트(1)가 작동할때 상기 마그네틱 코일(12)에 전원을 인가하여 자화시키면 동일한 극성을 가진 제2의 영구자석(11)이 밀어올려져서 나침반(6) 전체가 나침반(6)을 지지하는 지지축(13)에 의해 지지되면서 자력에 의해 일정한 지점의 공중에 위치하므로 방향지시를 정확하게 할 수 있다. 나침반(6)의 주변원주상에는 반사원주판(10)을 설치해서 로보트본체(1)가 임의의 좌, 우 방향으로 전환할때 나침반(6)은 로보트본체(1)의 방향전환에 관계없이 항상 일정한 방향을 지시하고 있는 반면에, 반사원주판(10)은 로보트(1)의 이동에 따라 동일한 각도로 함께 이동하므로, 나침반(6)상에 위치한 제1의 광발생장치(7)에서 광을 방사하면, 제1의 광센서(8)에서 반사광을 감지하여 상기 감지한 반사광의 파형을 마이콤(50)에서 분석하여 로보트(1)의 정확한 이동각도를 판단하는 것이다.

제4도는 네비게이션 시스템(2)의 회전방향 및 각도 또는 거리를 측정하는 설명도로써, 제4도(a)는 제3도의 반사원주판(10)에 착설되어 방향성을 가지고 좌, 우회전 각도를 마이콤(50)에서 판단할 수 있도록하는 반사경(9)을 도시한 것이고, 제4도(b)는 상기 반사원주판(10)상에 착설되어 있는 반사경(9)의 좌,우 방향을 도시한 것이고, 제4도(c)는 제4도(b)의 B방향으로 회전할 경우에 제1의 광센서(8)가 감지한 파형을 도시한 것이며, 제4도(d)는 제4도(b)의 A방향으로 회전할 경우에 제1의 광센서(8)가 감지한 파형을 도시한 것이다. 즉, 방향성을 갖고 있는 반사경(9)이 로보트(1)가 이동함에 따라 좌측이나 우측으로의 회전, 즉 제4도(b)에 도시한 바와같이 B방향이나 A방향으로 회전함에 따라 반사된 파형의 형태와 양이 다르다. 다시말하면 제4도(c)에 도시한 바와같이 B방향으로 회전할 경우의 제1의 광센서(8)가 감지한 파형과 제4도(d)에 도시한 바와같이 A방향으로 회전할 경우의 제1의 광센서(8)가 감지한 파형이 각기 다르므로 상기 각각 다른 파형을 마이콤(50)에서 판독하여 좌측이나 우측으로의 회전각도를 판단할 수 있는 것이다.

제5도의 (a) 및 (b)는 본 발명에 있어서의 구동장치의 개략도를 도시한 것으로써, 원주판(14)상에 구동바퀴(15)를 부착하고, 상기 구동바퀴(15)의 중심축에 수개의 기어(16)와 연결되어 있는 구동모터(17)의 회전수에 비례하여 로보트(1)가 이동하며, 상기 원주판(14) 주변에 복수개의 기어(18)를 형성하여 방향조절모터(19)가 부착된 기어(18-1)와 맞물려 있으므로, 방향조절모터(19)의 작동에 따라 원주판(14)이 90°각도로 정확하게 회전하면 원주판(14) 상단에 부착되어 있는 마그네틱이 원주판 지지대(21)상에 부착되어 있는 마그네틱 감지센서(22)와 일치되어 90°각도의 방향전환이 완료되었으므로 일단 방향조절모터(19)의 작동은 중지시킨후, 마이콤(50)의 제어에 의해서 재차구동모터(17)를 작동시켜 일정한 거리만큼 로보트(1)가 이동한다. 이어서 다시 로보트(1)가 일정한 각도로 회전하게 되면 네비게이션 시스템(2)에서 상기 회전각도를 인식하여 마이콤(50)에서 그 회전각도를 판단하는 것이다.

제6도(a) 및 (b)는 무동력 바퀴(23)의 구조도를 도시한 것으로써, 원주를 따라 일정한 간격으로 무동력바퀴(23)의 중심축(24)의 일단에 복수개의 구멍(25)이 형성된 구동원주판(26)을 부착하고, 상기 복수개의 구멍(25) 양측에는 제6도(b)에 도시한 바와같이, 광을 발생시키는 제2의 광발생장치(27)와 제2의 광발생장치(27)로부터 방사된 광의 반사광을 감지하는 제2의 광센서(28)가 부착되어 있다. 즉, 로보트(1)의 이동에 따라 상기 무동력바퀴(23)가 연동됨으로써, 상기 중심축(24)의 일단에 형성된 복수의 구멍(25)을 통과하는 광의 파형수를 제2의 광센서(28)에서 감지하여 마이콤(50)에 입력하면, 마이콤(50)이 미리 입력된 이동거리 판별 프로그램에 따라 로보트(1)의 정확한 이동거리를 판단하는 것이다.

제7도는 각 이동점에서 삼각측정법에 의해 복귀할 때의 로보트(1)의 최단 복귀거리를 계산하는 방법을 도시한 벡터도로써, 본 발명에 의한 관성을 이용한 나침반이 부착된 이동로보트(1)가 출발지점(S)에서 출발하여 장애물이 있을 경우에 마이콤(50)이 수시로 각도를 보상하면서 제2의 광센서(28)에서 감지한 반사광을 마이콤(50)에 입력하여 미리 입력된 소정의 이동거리(x)에 대한 데이타와 일치되는 지점(A')에 도달하면 좌측이나 우측의 90°각도로 방향을 전환한다. 이것은 구동장치(23)의 방향조절모터(19)의 작동에 따라 원주판(14)이 정확하게 90°각도로 회전하면, 원주판(14) 상단에 부착되어 있는 마그네틱(20)이 원주판 지지대(21)상에 부착되어 있는 마그네틱 감지센서(22)와 일치되는 것이며, 정확하게 90°회전하면 재차 상기와 동일한 방법으로 무동력 바퀴(23)의 제2의 광센서(28)에서 감지한 반사광의 데이타를 마이콤(50)에 입력하며 소정의 거리(y)만큼 이동하게 된다.

즉, A지점까지 도달하면 관성 네비게이션 시스템(2)에 부착된 반사원주판(10)이 회전한 양을 마이콤(50)에서 감지하여 A' 지점까지의 거리(x), A지점까지의 거리(Y)에 대한 최단복귀 거리를 각도(d₁)을 이용하여 삼각측정법에 의해 판단한다. 그 최단복귀 거리를 제7도에서 I'로 표시하고 있다. 그후 도착지점(c)까지의 거리를 이용해서 상기와 동일한 방법으로 로보트(1)의 최단복귀 거리를 마이콤(50)이 계산하게 되는것이다.

제8도는 본 발명에 의한 이동로보트(1)의 동작순서를 도시한 플로우챠트이다.

먼저, 본 발명의 관성을 이용한 네비게이션 시스템(2)이 부착된 이동로보트(1)에 전원을 인가하면, 스텝 S₁에서 마이콤은 초기화 프로그램에 따라 초기치를 설정한다음, 스텝 S₂에서 마이콤(50)의 제어에 의해서 구동장치(3), 관성을 이용한 네비게이션 시스템(2) 및 무동력 바퀴(23)가 동작되며 구동장치(3)에서는 작동된 구동모터(17)의 회전수에 비례하여 로보트(1)의 이동이 가능해진다. 한편, 관성 네비게이션 시스템(2)에서는 원주판(4)상에 형성된 나침반(6)은 로보트(1)의 방향전환에 관계없이 일정한 방향을 지시함과 동시에, 로보트(1)가 이동함에 따라 반사원주판(10)이 동일한 각도로 함께 이동된다. 이어서 스텝 S₃로 나아가서, 상기 스텝 S₂에서 마이콤(50)의 제어에 의해서 동작된 관성을 이용한 네비게이션 시스템(2)의 나침반(6)상에 위치한 제1의 광발생장치(7)에서 광을 로보트(1)의 이동전방을 향해서 방사하게 되며, 상기 방사된 광을 반사원주판(10)에 형성되어 방향성을 가지며 또 좌, 우 회전각도를 판단할 수 있도록 한 반사경(9)으로 반사시킴과 동시에, 무동력 바퀴(23)의 중심축(24)의 일단에 부착된 구동원주판(26)에 형성되어 있는 복수의 구멍(25) 양측에 설치된 제2의 광발생장치(27)에서 광을 방사시킨다.

이어서, 스텝 S₄로 나아가서, 상기 스텝 S₃의 관성 네비게이션 시스템(2)의 제1의 광발생장치(7) 및 무동력바퀴(23)에 부착되어 있는 제2의 광발생장치(27)에서 로보트(1)의 이동방향으로 방사되어 반사된 광을 관성 네비게이션 시스템(2)의 제1의 광센서(8) 및 무동력바퀴(23)의 제2의 광센서(28)를 이용하여 감지한다. 다음에 스텝 S₅에서 상기 제1 및 제2의 광센서(8)(28)에서 감지한 광의 파형수 및 형태를 마이콤(50)에 입력한다. 그후, 스텝 S₆로 나아가서 로보트(1)가 전방으로 이동할때에 방해가 되는 장애물이 존재하여 로보트(1)의 직진 각도가 틀리면, 장애물로 인한 로보트(1)의 이동변경에 따라 관성 네비게이션 시스템(2)및 무동력바퀴(23)에 각각 부착된 제1, 제2의 광센서(8)(28)에 의해서 감지한 반사광의 파형수 및 형태가 상이한 데이타가 마이콤(50)에 입력되어, 이 데이터와 이미 마이콤(50)에 입력된 로보트(1)의 이동각도보상 프로그램에 따라 스텝 S₇에서 로보트(1)의 이동각도를 보상한다.

다음에, 스텝 S₈로 나아가서 마이콤(50)에 설정된 소정의 거리만큼 직진하게 된다. 이어서, 스텝 S₉에서 부동력바퀴(23)의 제2의 광센서(28)에 의해서 감지한 반사광의 파형수 및 형태가 마이콤(50)에 미리 입력되어 있던 소정의 이동거리 프로그램의 데이타와 일치하면 마이콤(50)의 제어하에 좌측이나 우측으로 90°회전하게 된다.

상기 좌, 우 90°회전은 구동장치(3)의 방향조절모터(19)가 작동할 경우, 원주판(14)이 회전하여 정확하게 90°각도로 회전하게 되며, 이 회전에 따라 원주판(14) 상단에 부착되어 있는 마그네틱(20)이 원주판 지지대(21)상에 부착되어 있는 마그네틱 감지센서(22)와 일치함으로써 90°회전되었다는 것이 판별되면서 관성 네비게이션 시스템(2)에서 상기 각도를 인식하여 정확하게 90°회전이 되었으면 스텝 S₆으로 복귀하여 재차 로보트(1)의 이동방향에 장애물이 존재하여 반사된 광의 데이타가 마이콤(50)에 미리 입력된 데이타와 일치되지 않으면 스텝 S₇에서 이동각도를 보상하여 스텝 S₈에서 직진하게 되며, 스텝 S₉에서 좌측이나 우측으로 90°회전하게 되고 스텝 S₁₀으로 나아가서 로보트(1)가 방향을 전환함에 따라 관성 네비게이션 시스템(2)의 반사원주판(10)이 회전된 양을 마이콤(50)에 입력하며, 스텝 S₁₁에서 삼각측정법에 의해 벡터량을 측정하여 로보트(1)의 최단 복귀거리를 계산한다.

한편, 상기 스텝 S₆에서 장애물이 없을 경우에는 즉 No일 경우에는 직접 스텝 S₈로 나아가서 스텝 S₈이하의 동작을 실행한다.

상술한 바와같이, 본 발명에 의한 관성을 이용한 네비게이션 시스템이 부착된 이동로보트는, 간단한 관성 네비게이션 시스템으로 각도를 정확하게 제어하는 것은 물론 지정된 장소로 이동할 경우에 전환해야할 방향각도를 최초 출발할때의 상대적인 벡터값으로 인식하여 최단거리로 되돌아 오는것이 가능하며, 또한 이동중에 노면의 마찰력이나 장애물로 인해 임의의 방향으로 로보트가 이동할 경우에도 네비게이션 시스템에서 이를 인식하여 각도를 종종 보상함으로써 항상 일정한 방향으로 진행할 수 있으며, 스텝 모터를 사용하지 않고 간단하게 방향 및 거리제어가 가능하며 지정된 장소에서 출발장소로 되돌아오기 위해서 출발장소의 정확한 벡터방향은 네비게이션 시스템에서 지시를 하고, 무동력 바퀴의 중심축에 연결되어 있는 구동원주판을 통해 거리를 입력하여 삼각측정법에 의해 각 행로를 통과할때마다 최단거리가 계산되므로 되돌아올때는 최단복귀거리를 즉시 계산하여 복귀가 가능하다는 뛰어난 효과가 있는 것이다.

Claims

원주판상에 N극과 S극으로 구분되어 있는 제1의 영구자석을 배설하여 나침반을 구성하고 그 상단에 광을 발생시키는 제1의 광발생장치 및 이 광발생장치로부터 방사된 광이 반사되어 되돌아오는 광량을 감지하는 제1의 광센서를 대향해서 배치시키고 상기 나침반의 주변원주상에 광을 반사시키는 복수의 반사경을 일정한 간격으로 방향성을 가진 윈통형 반사원주판이 설치되고 상기 나침반 하단에는 단부가 N극이나 S극으로 되어있는 제2의 영구자석을 배설하고 그 하단에는 상기 제2의 영구자석과 동일 극성의 단부를 갖는 마그네틱 코일이 배설된 관성을 이용한 네비게이션 시스템과, 기어가 형성되어 있는 회전원주판의 기어부의 방향조절 모터를 일련의 기어들에 의해 결합시키고 회전원주판 내부에는 구동바퀴를 동작시키는 수개의 구동기어 및 구동모터가 설치되고 마그네틱이 부착되어 있는 회전원주판을 지지하는 원주판지지대상에 상기마그네틱과 90°각도를 두고 마그네틱 센서가 부착된 구동장치와, 무동력바퀴의 중심축의 일단에 원주를 따라 일정한 간격으로 복수의 구멍이 형성된 구동원주판을 부착하고, 구멍 양측에는 광을 발생시키는 제2의 광발생장치와 광을 감지하는 제2의 광센서가 부착된 무동력바퀴로 이루어진 것을 특징으로 하는 관성을 이용한 네비게이션 시스템이 부착된 이동로보트.