KR100635826B1 - 이동로봇 위치추정 시스템과 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스테레오 비젼 카메라를 이용하여 이동로봇의 위치 인식이 가능하도록 한 이동로봇 위치추정 시스템에 관한 것으로, 상기 시스템은 :

스테레오 카메라가 설치되어 회전 가능한 스테레오 카메라 벤치와; 상기 스테레오 카메라 각각을 통해 획득한 영상으로부터 이동로봇과 카메라간의 위치정보를 검출하기 위한 이동로봇 위치검출부와; 상기 이동로봇 위치검출부를 통해 검출된 이동로봇의 위치정보를 신호 수신측으로 무선 송신하기 위한 무선 통신부와; 상기 이동로봇 위치검출부를 통해 검출된 이동로봇의 위치정보에 근거하여 상기 스테레오 카메라 벤치를 회전 구동시키는 스테레오 카메라 벤치 구동부;를 포함함을 특징으로 한다.

로봇, 스테레오 비젼, 위치추정.

Description

이동로봇 위치추정 시스템과 그 방법{SYSTEM AND METHOD FOR ESTIMATING LOCATION OF A ROBOT}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이동로봇 위치추정 시스템 구성도.

도 2는 도 1에 도시한 이동로봇 위치추정 시스템(100)과 이동로봇(200)의 블록구성도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이동로봇 위치추정 흐름도.

도 4와 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이동로봇 위치검출부(120)의 동작을 설명하기 위한 도면.

본 발명은 이동로봇 위치추정 시스템에 관한 것으로, 특히 스테레오 비젼 카메라를 이용하여 이동로봇의 위치 인식이 가능하도록 한 이동로봇 위치추정 시스템과 그 방법에 관한 것이다.

로봇은 산업용으로 개발되어 공장 자동화의 일환으로 사용되거나, 인간이 견딜 수 없는 극한의 환경에서 인간을 대신하여 정보를 수집하거나 채집하는데 사용되어 왔다. 이러한 로봇공학 분야는 근래에 들어 최첨단 우주개발산업에 사용되면 서 발전을 거듭하여 왔고, 최근에 들어서는 인간 친화적인 가정용 로봇이 개발되기에까지 이르렀다. 이러한 인간 친화적인 가정용 이동로봇의 대표적인 예가 바로 청소용 로봇일 것이다.

일반적인 청소용 로봇은 사용자의 조작 없이도 청소하고자 하는 영역내를 스스로 주행하면서 먼지 등의 이물질을 흡입하는 일종의 자동화 기기라 할 수 있다. 이러한 청소용 로봇은 청소 영역내를 자유로이 이동하면서 청소 수행하다가 배터리의 충전전압이 설정 레벨 이하로 떨어지면 배터리를 충전시키기 위해 충전대로 복귀하도록 프로그램되어 있다.

청소용 로봇이 충전대로 복귀하기 위해서는 충전대로부터 자신의 상대적 위치를 알면 충전대로 정상 복귀할 수 있다. 이에 따라 일반 청소용 로봇에서는 바퀴에 설치된 엔코더 출력정보를 이용하여 충전대로부터 자신의 현재 위치를 추정하여 복귀시 이용한다.

그러나 엔코더를 이용하여 위치를 추정하는 방법은 바퀴의 미끄러짐이나 공회전에 의해 오차가 발생하는 문제점이 있다. 더욱이 이러한 위치추정오차는 주행시간과 주행거리에 비례하기 때문에 주행시간과 주행거리가 길어질수록 위치추정오차가 커, 결과적으로는 충전대로의 복귀가 정상적으로 이루어질 수 없는 상황에 놓이게 된다.

한편 소정 영역에 대해 신속하고 동일한 상태로 청소가 이루어지기 위해서는 청소용 로봇 자신이 청소하지 않은 영역을 찾아다니면서 청소 수행하여야 한다. 이를 위해 바닥재에 위치좌표로 활용될 수 있는 비컨을 부착하여 이를 카메라를 통해 인식하는 방법이 소개되고는 있으나, 이러한 방법 역시 별도의 구성과 사용자의 불편함을 수반하는 관계로 비효율적인 방법이라 할 수 있다.

이에 본 발명의 목적은 기준위치에서 이동로봇의 상대적 위치를 구하여 이동로봇의 위치추정오차를 최소화할 수 있는 이동로봇 위치추정 시스템과 그 방법을 제공함에 있으며,

더 나아가 본 발명은 바닥재에 별도의 위치좌표 부재를 부착하지 않고서도 이동로봇이 자신의 현재 위치를 인식하도록 지원할 수 있는 이동로봇 위치추정 시스템과 그 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 이동로봇 위치추정 시스템은:

스테레오 카메라가 설치된 스테레오 카메라 벤치와;

상기 스테레오 카메라 각각을 통해 획득한 영상으로부터 이동로봇과 카메라간의 위치정보를 검출하기 위한 이동로봇 위치검출부와;

상기 이동로봇 위치검출부를 통해 검출된 이동로봇의 위치정보를 신호 수신측으로 무선 송신하기 위한 무선 통신부와;

상기 이동로봇 위치검출부를 통해 검출된 이동로봇의 위치정보에 근거하여 상기 스테레오 카메라 벤치를 회전 구동시키는 스테레오 카메라 벤치 구동부;를 포함함을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이동로봇 위치추정 시스템은 :

무선 통신부를 통해 수신되는 위치정보에 따라 이동방향을 결정하여 이동하는 이동로봇과,

스테레오 카메라가 설치된 스테레오 카메라 벤치와;

상기 스테레오 카메라 각각을 통해 획득한 영상으로부터 상기 이동로봇과 카메라간의 위치정보를 검출하기 위한 이동로봇 위치검출부와;

상기 이동로봇 위치검출부를 통해 검출된 이동로봇의 위치정보를 상기 이동로봇으로 무선 송신하기 위한 무선 통신부와;

상기 이동로봇 위치검출부를 통해 검출된 이동로봇의 위치정보에 근거하여 상기 스테레오 카메라 벤치를 회전 구동시키는 스테레오 카메라 벤치 구동부;를 포함함을 특징으로 한다.

상술한 구성상의 특징에 따르면, 스테레오 카메라를 통해 획득한 영상을 스테레오 비젼 프로세싱(Stereo Vision Processing) 처리하여 이동로봇과 카메라간의 위치정보를 검출한후 이를 이동로봇측으로 전송하여 주기 때문에, 이동로봇은 스테레오 카메라가 설치된 기준 위치로부터의 상대적 위치를 알 수 있기 때문에 청소영역과 같은 이동영역내에서 자신의 현재 위치를 정확하게 인식할 수 있게 되는 것이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상 세한 설명은 생략하기로 한다.

우선 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이동로봇 위치추정 시스템 구성을 도시한 것이며, 도 2는 도 1에 도시한 이동로봇 위치추정 시스템(100)과 이동로봇(200)의 블록구성도를 도시한 것이다.

도 1에 도시한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 이동로봇 위치추정 시스템(100)은 모터 구동축에 연결되어 바람직하게는 전방향, 최소한 360도 회전 가능한 스테레오 카메라 벤치(Stereo Camera Bench)(105)가 하우징 상부에 위치한다. 이러한 스테레오 카메라 벤치(105)에는 두 개의 스테레오 비젼 카메라(110,112)가 장착되어 목표물인 이동로봇(200)의 영상을 획득한다. 획득된 영상데이터는 하우징 내부에 위치하는 회로기판상의 신호처리모듈로 전송되어 처리된다.

이러한 이동로봇 위치추정 시스템(100)은 좌표축상에서 하나의 기준점으로서 작용하며, 상기 스테레오 카메라(110,112)를 통해 획득된 영상을 스테레오 비젼 프로세싱 처리하여 이동로봇(200)의 위치정보를 검출하고 이를 이동로봇(200)에 제공하는 역할을 수행한다. 물론 스테레오 카메라 벤치(105)를 이동로봇의 충전대에 설치함으로서 이동로봇의 충전대를 좌표축상에서 기준점으로 사용할 수도 있을 것이다.

참고적으로 도 1에서 미설명된 참조부호 200은 이동로봇의 일예로서 청소용 로봇을 도시한 것이다. 이러한 이동로봇(200)은 상기 이동로봇 위치추정 시스템(100)으로부터 전송되는 이동로봇의 위치정보를 수신하여 자신의 현재 위치를 인식함으로서 청소되지 않은 영역으로 이동하거나 충전대로 복귀하는 것이 가능하다. 시스템 설계자 혹은 제조자 입장에서 보면 상기 이동로봇(200)을 이동로봇 위치추정 시스템(100)의 일 구성요소로 간주하여 하나의 시스템으로 제조 판매할 수도 있기 때문에, 도시한 이동로봇 위치추정 시스템(100)만이 순수한 이동로봇 위치추정 시스템으로 불리울 수 있으며, 이동로봇(200)과 함께 이동로봇 위치추정 시스템으로 불리울 수도 있다.

이하 상술한 이동로봇 위치추정 시스템(100)과 이동로봇(200)의 구성을 도 2를 참조하여 설명하면,

우선 도시한 바와 같이 이동로봇 위치추정 시스템(100)은 크게 스테레오 카메라 벤치(110), 이동로봇 위치검출부(120), 무선 통신부(130) 및 스테레오 카메라 벤치 구동부(140)를 포함한다.

상기 스테레오 카메라 벤치(100) 양측에는 영상획득을 위한 제1 및 제2카메라(112,114)가 위치하여 청소영역내를 자유 이동하는 이동로봇(200)의 영상을 촬영한다. 이동로봇(200)을 추종하기 위해 상기 스테레오 카메라 벤치(100)는 후술할 스테레오 카메라 벤치 구동부(140)에 의해 구동되는 모터 구동축에 연결되는 구조를 갖는다.

이동로봇 위치검출부(120)는 상기 스테레오 카메라(112,114) 각각을 통해 획득한 영상을 스테레오 비젼 프로세싱 처리하여 이동로봇과 카메라간의 위치정보를 검출한다. 이러한 이동로봇 위치검출부(120)의 동작은 도 3 내지 도 5를 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

한편 무선 통신부(130)는 상기 이동로봇 위치검출부(120)를 통해 검출된 이 동로봇의 위치정보를 신호 수신측, 즉 이동로봇(200)으로 무선 송신하여 준다. 이러한 무선 통신부(130)는 적외선 통신, 근거리 무선통신 등과 같이 이미 널리 알려진 통신방신중 하나를 채택하여 구현할 수 있을 것이다.

마지막으로 스테레오 카메라 벤치 구동부(140)는 상기 이동로봇 위치검출부(120)를 통해 검출된 이동로봇의 위치정보에 근거하여 상기 스테레오 카메라 벤치를 회전 구동시킨다.

이하 이동로봇 위치추정 시스템(100)으로부터 전송되는 이동로봇 위치정보를 수신하여 자신의 현재 위치를 인식하는 이동로봇(200)의 구성을 설명하기로 한다.

우선 청소용 로봇인 이동로봇(200)은 본 발명의 실시예에 따른 이동로봇 위치추정 시스템(100)과 무선 통신하기 위한 무선 통신부(210)를 포함한다. 이러한 무선 통신부(210)는 이동로봇의 위치정보를 수신하기 위한 것으로서 이미 설명한 바와 같이 적외선 통신, 근거리 무선통신 모듈 등으로 구현 가능하다.

그리고 상기 이동로봇(200)은 일반 청소용 로봇과 같이 장애물, 압력, 클리프(cliff)를 감지하기 위한 센서들로 이루어지는 센서부(240)를 더 포함하며, 이동로봇(200)의 이동을 위한 좌/우륜 모터 구동부(250)와 회전량 감지부(260)를 더 포함한다. 상기 좌/우륜 모터 구동부(250)는 후술하는 제어부(220)로부터 인가되는 구동제어신호에 따라 좌/우륜 모터(M)를 각각 구동시킨다. 그리고 상기 회전량 감지부(260)는 좌륜과 우륜 휠 각각에 연결된 엔코더로서 좌륜 및 우륜 휠의 회전량을 감지하여 그에 상응하는 회전수 데이터를 상기 제어부(220)로 피드백하여 준다.

아울러 이동로봇(200)의 일 구성요소인 메모리(230)에 저장된 제어 프로그램 데이터에 기초하여 이동로봇(200)의 동작을 제어하는 제어부(220)는 이동로봇 위치추정 시스템(100)으로부터 전송된 이동로봇 위치정보에 따라 현재 위치를 인식하고 그에 따라 이동방향을 결정하여 이동이 이루어지도록 이동로봇(200)을 제어한다.

이하 상술한 구성을 가지는 이동로봇 위치추정 시스템의 동작을 첨부도면 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.

우선 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이동로봇 위치추정 흐름도를 도시한 것이며, 도 4와 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이동로봇 위치검출부(120)의 동작을 설명하기 위한 도면을 도시한 것이다.

도 3을 참조하면, 우선 이동로봇(200)이 스테레오 카메라(112,114)의 촬상영역내에 존재한다면 스테레오 카메라(112,114)를 통해서 이동로봇의 스테레오 촬영영상이 획득(300단계)되어 이동로봇 위치검출부(120)로 전송된다.

그러면 이동로봇 위치검출부(120)는 도 4에 도시한 바와 같이 스테레오 비젼 특성에 따라 기하학적 매핑 과정을 통해 연속적으로 이동로봇과 카메라간의 거리정보를 검출할 수 있다. 이를 도 4와 도 5를 참조하여 부연 설명하면,

우선 도 4에 도시한 바와 같이 스테레오 카메라(112,114)로부터 입력되는 제1영상(제1카메라 영상)과 제2영상(제2카메라 영상)들을 이용하여 t-1 시점에서의 이동로봇(200)과 카메라와의 거리 P를 구할 수 있고, t시점에서 이동로봇(200)과 카메라와의 거리 Q를 구할 수 있다. 스테레오 비젼 프로세싱을 이용하여 P,Q를 구하는 방법을 도 5를 참조하여 보충 설명하면,

우선 도 5는 두 대의 스테레오 카메라(112,114)가 벤치(105)에 평행하게 배 치되어 있는 구조를 도시한 것으로, 스테레오 영상으로부터 이동로봇(200)과 카메라와의 거리(depth)를 Z라고 하고, v1과 v2의 차이(disparity)를 d라 가정하면 하기 수학식 1이 성립한다.

따라서, 카메라로부터 이동로봇(M)까지의 거리 z는 하기 수학식 2로 구할 수 있다.

상술한 관계를 이용하면 3차원 공간내 지점들의 상대적 거리를 구할 수 있고 초점거리와 기준선의 길이를 알 수 있다면 물체의 z좌표를 구할 수 있다. 이러한 물체의 z좌표가 바로 이동로봇의 위치정보에 해당한다. 참고적으로 도 5에서

는 왼쪽 카메라와 오른쪽 카메라의 옵티컬 센터를 나타낸 것이다.

상술한 바와 같이 이동로봇 위치검출부(120)가 스테레오 비젼 프로세싱 기법을 이용하여 이동로봇(200)의 위치정보를 검출(310단계) 완료하면 검출한 이동로봇의 위치정보를 무선 통신부(130)를 통해 무선 송신(320단계)한다. 그리고 이동로봇 위치정보 획득시 얻어지는 모션벡터값을 스테레오 카메라 벤치 구동부(140)로 전송하여 줌으로서, 상기 스테레오 카메라 벤치 구동부(140)는 이동로봇(200)의 움직임을 추종할 수 있도록 스테레오 카메라 벤치(105)를 구동(330단계)시킨다.

따라서 스테레오 카메라(112,114)가 장착되어 있는 스테레오 카메라 벤치(105)는 이동로봇(200)의 이동에도 불구하고 정상적으로 이동로봇(200)을 추종할 수 있게 되는 것이다.

한편 상기 무선 통신부(130)를 통해 송출된 이동로봇의 위치정보는 이동로봇(200)의 무선 통신부(210)를 통해 제어부(220)로 인가된다. 따라서 이동로봇(200)의 제어부(220)는 수신된 이동로봇의 위치정보에 따라 현재 위치를 인식하게 됨으로서, 예를 들어 현재 위치에서 청소하지 않은 영역을 찾아 이동 주행하면서 청소하거나 충전대를 찾아 신속히 이동할 수 있게 되는 것이다.

따라서 본 발명은 별도의 비컨 부착 없이도 이동로봇(200)이 자신의 현재 위치를 인식하도록 지원할 수 있는 발명이라고 할 수 있는 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명은 스테레오 카메라를 통해 획득한 영상을 스테레오 비젼 프로세싱 처리하여 이동로봇의 위치정보를 검출한후 이를 이동로봇측으로 전송하여 주기 때문에, 이동로봇은 이동영역내에서 자신의 현재 위치를 정확하게 인식할 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명은 이동로봇의 위치추정오차가 주행시간과 주행거리의 함수가 아니라, 이동로봇과 스테레오 비젼 카메라의 거리함수이기 때문에 이동로봇의 위치추정오차를 최소화할 수 있는 장점도 있다.

아울러 본 발명은 별도의 비컨 부착 없이도 이동로봇이 자신의 현재 위치를 인식할 수 있기 때문에 사용자의 이용측면에서 효율적인 발명이라 할 수 있다.

Claims (6)

1. 스테레오 카메라가 설치되어 회전 가능한 스테레오 카메라 벤치와;

   상기 스테레오 카메라 각각을 통해 획득한 영상으로부터 이동로봇과 카메라간의 위치정보를 검출하기 위한 이동로봇 위치검출부와;

   상기 이동로봇 위치검출부를 통해 검출된 이동로봇의 위치정보를 신호 수신측으로 무선 송신하기 위한 무선 통신부와;

   상기 이동로봇 위치검출부를 통해 검출된 이동로봇의 위치정보에 근거하여 상기 스테레오 카메라 벤치를 회전 구동시키는 스테레오 카메라 벤치 구동부;를 포함함을 특징으로 하는 이동로봇 위치추정 시스템.
2. 무선 통신부를 통해 수신되는 위치정보에 따라 현재 위치를 인식하고 그에 따라 이동방향을 결정하여 이동하는 이동로봇과,

   스테레오 카메라가 설치된 스테레오 카메라 벤치와;

   상기 스테레오 카메라 각각을 통해 획득한 영상으로부터 상기 이동로봇과 카메라간의 위치정보를 검출하기 위한 이동로봇 위치검출부와;

   상기 이동로봇 위치검출부를 통해 검출된 이동로봇의 위치정보를 상기 이동로봇으로 무선 송신하기 위한 무선 통신부와;

   상기 이동로봇 위치검출부를 통해 검출된 이동로봇의 위치정보에 근거하여 상기 스테레오 카메라 벤치를 회전 구동시키는 스테레오 카메라 벤치 구동부;를 포 함함을 특징으로 하는 이동로봇 위치추정 시스템.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 이동로봇은 청소용 로봇임을 특징으로 하는 이동로봇 위치추정 시스템.
4. 청구항 2에 있어서, 상기 스테레오 카메라 벤치는 이동로봇의 충전대에 설치됨을 특징으로 하는 이동로봇 위치추정 시스템.
5. 카메라 벤치에 장착되어 회전 가능한 스테레오 카메라 각각으로부터 이동로봇 촬영영상을 획득하는 단계와;

   획득한 영상으로부터 이동로봇과 카메라간의 위치정보를 검출하는 단계와;

   검출된 이동로봇의 위치정보를 이동로봇측으로 무선 송신하는 단계와;

   상기 위치정보에 근거하여 상기 스테레오 카메라가 장착된 카메라 벤치를 회전 구동시키는 단계;를 포함함을 특징으로 하는 이동로봇 위치추정 방법.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 이동로봇은 청소용 로봇임을 특징으로 하는 이동로봇 위치추정 방법.

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