KR100585680B1

KR100585680B1 - 이동 로봇의 구동바퀴 속도지령치 생성방법

Info

Publication number: KR100585680B1
Application number: KR1020040104391A
Authority: KR
Inventors: 김종명; 김보형; 김관성
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2004-12-10
Filing date: 2004-12-10
Publication date: 2006-06-07

Abstract

본 발명은 이동로봇의 구동바퀴 속도지령치 생성방법에 관한 것으로, 카메라를 통해 획득되는 화상을 소정 처리하여 목표물의 거리와 수평 위치를 검출하고, 그 검출된 목표물의 거리와 수평위치로 로봇의 병진속도와 회전속도를 계산하여 구동바퀴의 속도지령치를 생성하도록 한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 카메라를 통해 화상을 획득하고, 그 획득한 화상을 소정 영상처리하여 카메라와 목표물까지의 거리 및 화상내 목표물의 수평위치를 계산하는 과정과; 상기 카메라와 목표물까지의 거리를 이용하여, 로봇의 병진속도를 계산하는 과정과; 목표물이 카메라 중심에서 벗어난 위치를 이용하여, 로봇의 회전속도를 계산하는 과정과; 상기 로봇의 병진속도 및 회전속도를 이용하여 좌측 구동바퀴와 우측 구동바퀴의 목표 회전속도를 계산하는 과정과; 상기 좌측 구동바퀴와 우측 구동바퀴의 목표 회전속도와 이전 회전속도 및 각가속도를 이용하여 좌측 구동바퀴와 우측 구동바퀴의 속도를 보간하고,그 보간결과에 근거하여 좌측 구동바퀴와 우측 구동바퀴의 속도지령치를 생성하는 과정으로 이루어진다.

Description

이동 로봇의 구동바퀴 속도지령치 생성방법{DRIVING WHEEL VELOCITY COMMAND VALUE CREATION METHOD FOR MOBILE ROBOT}

도1은 일반적인 이동 로봇의 구성을 보인 개략도.

도2는 종래 이동 로봇의 목표물 추적방법에 대한 동작 흐름도.

도3은 본 발명 이동 로봇의 구동바퀴 속도지령치 생성방법에 대한 실시예의 동작흐름도.

도4는 이동로봇과 목표물과의 거리를 보인도.

도5는 도3에 있어서, 카메라 화상내의 목표물 수평위치를 보인도.

도6은 도3에 있어서, 로봇 병진 속도 산출방법을 보인 그래프.

도7은 도3에 있어서, 로봇 회전 속도 산출방법을 보인 그래프.

도8은 도3에 있어서, 구동바퀴의 속도 보간을 보인 그래프.

본 발명은 이동로봇의 구동바퀴 속도지령치 생성방법에 관한 것으로, 특히 카메라를 통해 획득되는 화상을 소정 처리하여 목표물의 거리와 수평 위치를 검출하고, 그 검출된 목표물의 거리와 수평위치로 로봇의 병진속도와 회전속도를 계산 하여 구동바퀴의 속도지령치를 생성하도록 한 이동로봇의 구동바퀴 속도지령치 생성방법에 관한 것이다.

일반적으로, 엔터테인먼트 로봇 제품군은 사용자의 목적에 의해서만 작업을 수행하는 산업로봇과 달리 인공지능을 가지고 있어 생명체와 같이 자율적으로 행동할 수 있다.

상기 산업로봇은 교시된 경로를 따라 반복적으로 이동하면서 작업을 수행하며, 위치의 정밀도를 요구하는데 반하여, 엔터테인먼트군의 로봇은 위치의 정밀보다 부드러운 움직임을 요구하는데, 즉 로봇은 자율적으로 공간을 이동할 수 있도록, 도1과 같이 로봇 동체에 바퀴를 장착하고 상단에 카메라를 부착하여, 장애물을 피하거나 특정의 목표물을 쫓아갈 때, 움직임을 부드럽게 하여 자율적으로 돌아다닐 수 있다.

상기 카메라를 통해 캡쳐된 화상을 화상처리(vision processing)를 통해 사람 또는 목표물의 거리와 위치를 계산하여 로봇이 목표물과 일정한 거리와 방향을 유지하도록 할 수 있고 목표물을 따라 다니면서 편리한 서비스를 제공할 수 있다.

상기 카메라는 보통 로봇의 머리부에 장착되며, 물체의 움직임에 따라 이를 인식해서 로봇의 머리를 회전시켜 물체를 항상 화상의 중심에 두도록 함으로써 머리를 항상 물체가 있는 방향을 향하도록 하는 방법을 쓰고 있는데, 이와같은 로봇의 목표물 추적 방법을 첨부한 도2를 참조하여 설명한다.

먼저, 카메라를 통해 화상이 캡쳐되면, 그 화상의 색정보를 계산한다.

만약, 그 화상의 색정보가 물체 색정보의 확률분포내에 존재하지 않으면, 상 기 카메라를 통해 화상을 캡쳐하는 동작을 반복수행하고, 화상의 색정보가 물체 색정보의 확률분포내에 존재하면, 물체의 중심좌표를 계산한다.

이후, 상기 물체를 화상의 중심으로 이동하기 위한 머리 회전각도를 계산하여, 그 머리 회전각도로 머리를 회전한다.

이때, 상기 목표물 추적시, 로봇과 일정 거리를 유지하면서 추적해야 하므로 로봇은 목표물로부의 위치 및 속도를 계산하여 이동한다.

즉, 상술한 종래 이동 로봇은 카메라를 통해 획득된 영상을 화상처리하여 사람 또는 물체와 같은 목표물의 위치와 그 목표물과 로봇 사이의 거리를 파악함으로써, 로봇이 목표물과 일정한 거리와 방향을 유지하도록 할 수 있고, 아울러 목표물을 추종하면서 편리한 각종 서비스를 사용자에게 제공할 수 있다.

그러나, 상술한 종래 이동로봇의 위치생성방법은, 목표위치가 주어졌을 때, 현재 위치에서 목표위치에 도달하기 위한 가감속 프로파일을 오프라인으로 생성하는 방식이 대부분이고, 온라인으로는 가감속 프로파일을 변경하기가 어려웠다.

따라서, 종래 이동로봇의 위치 생성방법은, 이동로봇의 특성, 즉 계산부하가 적어야 하고 동작이 부드러워야 하며, 정지 동작시 진동이 적게 발생하도록 속도 명령 또는 위치명령을 생성해야 하므로, 매주기마다 가변되는 목표물을 추종하는 이동로봇에 적용하기 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 카메라를 통해 획득되는 화상을 소정 처리하여 목표물의 거리와 수평 위치를 검출하고, 그 검출된 목표물의 거리와 수평위치로 로봇의 병진속도와 회전속도를 계산하여 구동바퀴의 속도지령치를 생성하도록 한 이동로봇의 구동바퀴 속도지령치 생성방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 카메라를 통해 화상을 획득하고, 그 획득한 화상을 소정 영상처리하여 카메라와 목표물까지의 거리 및 화상내 목표물의 수평위치를 계산하는 과정과;

상기 카메라와 목표물까지의 거리를 이용하여, 로봇의 병진속도를 계산하는 과정과;

목표물이 카메라 중심에서 벗어난 위치를 이용하여, 로봇의 회전속도를 계산하는 과정과;

상기 로봇의 병진속도 및 회전속도를 이용하여 좌측 구동바퀴와 우측 구동바퀴의 목표 회전속도를 계산하는 과정과;

상기 좌측 구동바퀴와 우측 구동바퀴의 목표 회전속도와 이전 회전속도 및 각가속도를 이용하여 좌측 구동바퀴와 우측 구동바퀴의 속도를 보간하고,그 보간결과에 근거하여 좌측 구동바퀴와 우측 구동바퀴의 속도지령치를 생성하는 과정으로 수행함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 의한 이동로봇의 구동바퀴 속도지령치 생성방법에 대한 작용 및 효과를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

우선, 본 발명 이동로봇의 구동바퀴 속도지령치 생성방법이 적용되는 장치는 도1과 동일하다.

도3은 본 발명 이동로봇의 구동바퀴 속도지령치 생성방법에 대한 실시예의 동작흐름도이다.

도3에 도시한 바와같이 본 발명은, 카메라를 통해 화상을 획득하고, 그 획득한 화상을 소정 영상처리하여 카메라와 목표물까지의 거리 및 화상내 목표물의 수평위치를 계산하는 과정(SP1,SP2)과; 상기 카메라와 목표물까지의 거리를 이용하여, 로봇의 병진속도를 계산하는 과정(SP3)과; 목표물이 카메라 중심에서 벗어난 위치를 이용하여, 로봇의 회전속도를 계산하는 과정(SP4)과; 상기 로봇의 병진속도 및 회전속도를 이용하여 좌측 구동바퀴와 우측 구동바퀴의 목표 회전속도를 계산하는 과정(SP5)과; 상기 좌측 구동바퀴와 우측 구동바퀴의 목표 회전속도와 이전 회전속도 및 각가속도를 이용하여 좌측 구동바퀴와 우측 구동바퀴의 속도를 보간하고,그 보간결과에 근거하여 좌측 구동바퀴와 우측 구동바퀴의 속도지령치를 생성하는 과정(SP6)으로 이루어지며, 이와같은 본 발명의 동작을 설명한다.

먼저, 이동로봇과 목표물과의 거리가 도4와 같은 상태에서, 카메라를 통해 화상을 획득하고(SP1), 그 획득한 화상을 소정 영상처리하여,카메라와 목표물까지의 거리를 구하고, 도5와 같이, 화상내에서 목표물의 수평위치를 계산한다(SP2).

그 다음, 상기 카메라와 목표물까지의 거리를 이용하여, 로봇의 병진속도를 계산하는데(SP3), 이를 도6을 참조하여 설명한다.

우선, 카메라와 목표물까지의 거리를 기준거리(L2)와 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 로봇의 병진속도를 계산한다.

즉, 카메라와 목표물까지의 거리가, 기준거리(L2~L4)에 근접하면, 로봇의 병진속도를 '0'으로 계산하고, 카메라와 목표물까지의 거리가, 기준거리 보다 작은 일정범위(L1~L2) 이내에 존재하면 거리에 비례하여 로봇의 후진속도를 증가시켜(V3에서 V4로), 로봇의 병진속도를 계산한다.

또한, 상기 카메라와 목표물까지의 거리가, 기준거리보다 큰 일정범위(L4 ~L5) 이내에 존재하면 거리에 비례하여 로봇의 전진속도를 증가시켜(V2에서 V1으로), 로봇의 병진속도를 계산하고, 카메라와 목표물까지의 거리가, 기준거리보다 작은 일정범위(L1)에 미달하면 로봇의 최대 후진속도(V3)를 로봇의 병진속도로 계산하며, 카메라와 목표물까지의 거리가, 기준거리보다 큰 일정범위(L5)를 초과하면, 로봇의 최대 전진속도(V1)를, 로봇의 병진속도로 계산한다.

그 다음, 목표물이 카메라 중심에서 벗어난 위치를 이용하여, 로봇의 회전속도를 계산하는데(SP4), 이를 도7을 참조하여 설명한다.

우선, 화상에서의 목표물의 수형위치가, 화상의 중앙(0)과 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 로봇의 회전속도를 계산한다.

즉, 화상에서의 목표뮬의 수평위치가, 화상내 중앙에 근접하면(X2~X3), 로봇의 회전속도를 '0'으로 계산하고, 화상에서의 목표물의 수평위치가, 화상의 중앙 보다 좌측으로 일정범위(X1~X2) 이내에 존재하면 거리에 비례하여 로봇의 좌회전 속도를 증가시켜, 로봇의 회전속도를 계산한다.

또한, 상기 화상에서 목표물의 위치가, 화상의 중앙보다 우측으로 일정범위(X3~X4) 이내에 존재하면 거리에 비례하여 로봇의 우회전 속도를 증가시켜, 로봇의 회전속도를 계산하고, 상기 화상에서의 목표물의 수평위치가, 화상의 중앙 보다 좌측으로 일정범위(X1)에 미달하여 존재하면 로봇의 최대 좌회전 속도(W4)를 로봇의 회전속도로 계산하며, 화상에서의 목표물의 수평위치가, 화상의 중앙 보다 우측으로 일정범위(X4)를 초과하여 존재하면 로봇의 최대 우회전 속도(W1)를 로봇의 회전속도로 계산한다.

그 다음, 상기 로봇의 병진속도 및 회전속도를 이용하여 좌측 구동바퀴와 우측 구동바퀴의 목표 회전속도를 계산한다(SP5).

즉, 상기 촤측 구동바퀴의 목표 회전속도와 우측 구동바퀴의 목표 회전속도는, 하기의 수학식에 의해 계산한다.

[수학식]

Wleft(좌측 구동바퀴 목표 회전속도)=aV - bW

Wright(우측 구동바퀴 목표 회전속도)=aV + bW

여기서, V는 로봇의 병진속도, W는 로봇의 회전속도, a,b는 비례상수(로봇의 기구학에 의해 구해지는 값)

그 다음, 상기 좌측 구동바퀴와 우측 구동바퀴의 목표 회전속도와 이전 회전속도 및 각가속도를 이용하여 좌측 구동바퀴와 우측 구동바퀴의 속도를, 도8과 같이 보간하고,그 보간결과에 근거하여 속도지령치 생성 주기(T)마다 좌측 구동바퀴와 우측 구동바퀴의 속도지령치를 생성한다(SP6).

여기서, 상기 속도지령치 생성주기는 이전 구동바퀴의 회전속도와 구동바퀴의 목표 회전속도의 차이가 클수록, 길게 설정되고, 상기 각 가속도는 실험에 의 해, 최적의 값으로 기 설정되는 상수이다.

다시 말해서, 본 발명은, 카메라를 통해 획득되는 화상을 소정 처리하여 목표물의 거리와 수평 위치를 검출하고, 그 검출된 목표물의 거리와 수평위치로 로봇의 병진속도와 회전속도를 계산하여 구동바퀴의 속도지령치를 생성하는 것이다.

상기 본 발명의 상세한 설명에서 행해진 구체적인 실시 양태 또는 실시예는 어디까지나 본 발명의 기술 내용을 명확하게 하기 위한 것으로 이러한 구체적 실시예에 한정해서 협의로 해석해서는 안되며, 본 발명의 정신과 다음에 기재된 특허 청구의 범위내에서 여러가지 변경 실시가 가능한 것이다.

이상에서 상세히 설명한 바와같이 본 발명은, 카메라를 통해 획득되는 화상을 소정 처리하여 목표물의 거리와 수평 위치를 검출하고, 그 검출된 목표물의 거리와 수평위치로 로봇의 병진속도와 회전속도를 계산하여 구동바퀴의 속도지령치를 생성함으로써, 이동로봇을 부드럽게 움직일 수 있는 효과가 있다.

Claims

카메라를 통해 화상을 획득하고, 그 획득한 화상을 소정 영상처리하여 카메라와 목표물까지의 거리 및 화상내 목표물의 수평위치를 계산하는 과정과;

상기 카메라와 목표물까지의 거리를 이용하여, 로봇의 병진속도를 계산하는 과정과;

목표물이 카메라 중심에서 벗어난 위치를 이용하여, 로봇의 회전속도를 계산하는 과정과;

상기 로봇의 병진속도 및 회전속도를 이용하여 좌측 구동바퀴와 우측 구동바퀴의 회전속도를 계산하는 과정과;

상기 좌측 구동바퀴와 우측 구동바퀴의 목표 회전속도와 이전 회전속도 및 각가속도를 이용하여 좌측 구동바퀴와 우측 구동바퀴의 속도를 보간하고,그 보간결과에 근거하여 좌측 구동바퀴와 우측 구동바퀴의 속도지령치를 생성하는 과정으로 수행함을 특징으로 특징으로 하는 이동로봇의 구동바퀴 속도지령치 생성방법.
제1 항에 있어서, 로봇의 병진속도를 계산하는 과정은,

카메라와 목표물까지의 거리를 기준거리와 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 로봇의 병진속도를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동로봇의 구동바퀴 속도지령치 생성방법.
제2 항에 있어서,

카메라와 목표물까지의 거리가, 기준거리에 근접하면, 로봇의 병진속도를 '0'으로 계산하는 것을 특징으로 하는 이동로봇의 구동바퀴 속도지령치 생성방법.
제2 항에 있어서,

카메라와 목표물까지의 거리가, 기준거리 보다 작은 일정범위 이내에 존재하면 거리에 비례하여 로봇의 후진속도를 증가시켜, 로봇의 병진속도를 계산하는 것을 특징으로 하는 이동로봇의 구동바퀴 속도 지령치 생성방법.
제2 항에 있어서,

카메라와 목표물까지의 거리가, 기준거리보다 큰 일정범위 이내에 존재하면 거리에 비례하여 로봇의 전진속도를 증가시켜, 로봇의 병진속도를 계산하는 것을 특징으로 하는 이동로봇의 구동바퀴 속도지령치 생성방법.
제2 항에 있어서,

카메라와 목표물까지의 거리가, 기준거리보다 작은 일정범위에 미달하면 로봇의 최대 후진속도를 로봇의 병진속도로 계산하는 것을 특징으로 하는 이동로봇의 구동바퀴 속도지령치 생성방법.
제2 항에 있어서,

카메라와 목표물까지의 거리가, 기준거리보다 큰 일정범위를 초과하면, 로봇의 최대 전진속도를, 로봇의 병진속도로 계산하는 것을 특징으로 하는 이동로봇의 구동방퀴 속도지령치 생성방법.
제1 항에 있어서, 로봇의 회전속도를 계산하는 과정은,

화상에서의 목표물의 수형위치가, 화상의 중앙과 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 로봇의 회전속도를 계산하는 것을 특징으로 하는 이동로봇의 구동바퀴 속도지령치 생성방법.
제8 항에 있어서,

화상에서의 목표뮬의 수평위치가, 화상내 중앙에 근접하면, 로봇의 회전속도를 '0'으로 계산하는 것을 특징으로 하는 이동로봇의 구동바퀴 속도지령치 생성방법.
제8 항에 있어서,

화상에서의 목표물의 수평위치가, 화상의 중앙 보다 좌측으로 일정범위 이내에 존재하면 거리에 비례하여 로봇의 좌회전속도를 증가시켜, 로봇의 회전속도를 계산하는 것을 특징으로 하는 이동로봇의 구동바퀴 속도지령치 생성방법.
제8 항에 있어서,

화상에서 목표물의 위치가, 화상의 중앙보다 우측으로 일정범위 이내에 존재하면 거리에 비례하여 로봇의 우회전속도를 증가시켜, 로봇의 회전속도를 계산하는 것을 특징으로 하는 이동로봇의 구동바퀴 속도지령치 생성방법.
제8 항에 있어서,

화상에서의 목표물의 수평위치가, 화상의 중앙 보다 좌측으로 일정범위에 미달하여 존재하면 로봇의 최대 좌회전속도를 로봇의 회전속도로 계산하는 것을 특징으로 하는 이동로봇의 구동바퀴 속도지령치 생성방법.
제8 항에 있어서,

화상에서의 목표물의 수평위치가, 화상의 중앙 보다 우측으로 일정범위를 초과하여 존재하면 로봇의 최대 우회전속도를 로봇의 회전속도로 계산하는 것을 특징으로 하는 이동로봇의 구동바퀴 속도지령치 생성방법.
제1 항에 있어서, 좌측 구동 바퀴와 우측 구동 바퀴의 목표 회전속도를 계산하는 과정은,

하기의 수학식에 의해, 좌측 구동바퀴와 우측 구동바퀴의 목표 회전속도를 계산하는 것을 특징으로 하는 이동로봇의 구동바퀴 속도지령치 생성방법.

[수학식]

Wleft(좌측 구동바퀴 목표 회전속도)=aV - bW

Wright(우측 구동바퀴 목표 회전속도)=aV + bW

여기서, V는 로봇의 병진속도, W는 로봇의 회전속도, a,b는 비례상수(로봇의 기구학에 의해 구해지는 값)
제1 항에 있어서, 좌측 구동바퀴와 우측 구동바퀴의 속도지령치를 생성하는 과정은,

이전 구동바퀴의 회전속도와 구동바퀴의 목표 회전속도의 차이가 클수록, 속도지령치 생성주기를 길게 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동로봇의 구동바퀴 속도지령치 생성방법.
제1 항에 있어서, 각 가속도는,

실험에 의해, 최적의 값으로 기 설정되는 상수인 것을 특징으로 하는 이동로봇의 구동바퀴 속도 지령치 생성방법.