KR100752580B1 - 위치 추정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 위치 추정시 주변의 물체나 사람 등의 장애물에 의해 삼각측량법으로 위치 추정이 불가능한 경우에도 2개의 비컨 데이터만을 이용하여 정확하게 로봇의 위치를 파악할 수 있도록 한 위치 추정 방법에 관한 것으로서, 이러한 본 발명은, 다수개의 비컨으로 RF신호를 송출한 후 각 비컨으로부터 송출되는 초음파를 수신하는 단계와; 수신된 초음파 신호를 처리하여 초음파 거리 정보를 획득하는 단계와; 획득한 초음파 거리 정보의 개수를 확인하여, 3개 이상일 경우 통상의 삼각 측량법을 이용하여 위치 데이터를 산출하는 단계와; 획득한 초음파 거리 정보가 2개일 경우, 그 거리 정보에 피타고라스 정리를 적용하여 평면상의 거리를 산출하고, 그 산출한 평면상의 거리 정보를 기초로 위치 데이터를 산출하는 단계를 수행함으로써, 장애물이 많아 거리 데이터를 2개밖에 획득하지 못한 경우에도 정확하게 위치 추정이 가능하다.

위치 추정, 삼각 측량법, 피타고라스 정리, 코사인 제2법칙

Description

위치 추정 방법{Method of estimating location}

도 1은 종래 액티브 비컨 센서 시스템(Active Beacon Sensor system)의 구성도이고,

도 2는 종래 삼각 측량 방법을 설명하기 위한 설명도이고,

도 3은 본 발명에서 2개의 비컨만을 이용하여 위치 추정을 수행하는 방법을 설명하기 위한 개념도이고,

도 4는 본 발명에 따른 위치 추정 방법을 보인 흐름도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

101, 102… 비컨 1 및 비컨 2

200 ..... 수신기(이동체)

300… 장애물

본 발명은 지능형 로봇용 위치파악시스템에서 위치 추정에 관한 것으로서, 특히 위치 추정시 주변의 물체나 사람 등의 장애물에 의해 삼각측량법으로 위치 추 정이 불가능한 경우에도 2개의 비컨 데이터만을 이용하여 정확하게 로봇의 위치를 파악할 수 있도록 한 위치 추정 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 어떠한 환경 내에서 이동 물체가 어디에 위치하는지 모니터링 할 경우나 어떤 로봇에 지령을 할 경우 현재 자신의 위치를 알아야 한다. 위치 측정은 그 범위에 따라 실내와 실외로 구분되며, 측정 방법에 따라 상대 위치 측정 방법과 절대 위치 측정 방법으로 구분된다.

실외에서 상대 위치 측정 방법은 Odometry, 관성 항법이 있으며, 실외에서 절대 위치 측정 방법은 GPS(Global Positioning Systems), 이정표 항법, 모델 정합법이 있다. 실내에서 상대 위치 측정 방법은 Odometry가 있고, 절대 위치 측정 방법은 삼각 측량법, 풍경 분석법, 근접성을 이용한 방법이 있다. 풍경 분석법은 검출 위치에서 관측되는 풍경의 특징을 이용하여 위치 인식을 한다. 이 경우 환경적 특징(풍경)을 미리 알고 있어야 한다는 단점이 있다. 풍경이란 것은 관측 시스템에 따라 전혀 다른 형태를 가진다. 예를 들면, 컴퓨터 비전 시스템의 경우 이미지가 되고, 전파 신호를 사용하는 수신기를 사용할 경우는 전파의 신호 세기이다. 이러한 풍경은 표현되기 쉽고 비교하기 쉬운 특징들로 단순화되어야 한다. 근접성을 이용하는 것은 현재 위치를 알고자 하는 물체가 이미 위치를 알고 있는 다른 물체와의 접촉에 의해 위치를 검출한다. 감지방법은 물리적인 접촉 감지, 무선 셀 접속 점 감시 그리고 자동 ID 시스템 관측이 있다.

실내 환경에서 삼각 측량법을 이용하여 절대 위치를 측정하는 방법은, 거리 측정을 이용한 lateration 방법 및 각도 측정에 기초한 angulation 방법으로 구분 된다.

도 1은 종래 삼각 측량법으로 위치 추정을 수행하는 액티브 비컨 센서 시스템(Active Beacon Sensor system)의 구성을 보인 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 환경(보편적으로 천장)에 설치되어 RF 수신 및 초음파 신호를 발신하는 4개의 비컨(11 ~ 14)과, 이동체(로봇)에 장착되어 RF 발신 및 상기 비컨(11 ~ 14)이 발사하는 초음파신호를 수신하는 수신기(20)로 구성되어 있다.

여기서 수신기(20)의 전체 제어부는 하나이며 초음파를 수신하는 초음파 수신기만 로봇의 일직선상에 두 개 장착된다.

수신기(20)는 통상적으로, 전체 시스템을 제어하고 좌표계산을 하는 제어부, RFID를 송신하는 RF송신부, 상기 RF송신부로부터 발생되는 RFID를 공간상에 송출하는 안테나, 비컨에서 송출되는 초음파 신호를 수신하는 두 개의 초음파 수신기, 상기 초음파 수신기의 출력신호를 소정 레벨로 각각 증폭하는 증폭회로, 데이터 송수신을 위한 통신부, 전원 공급을 위한 전원 회로, 동기 및 클록을 제공해주는 클록 회로, 시스템 초기화를 위한 리셋 회로 등으로 구성된다.

기본적인 위치 인식 방법은 초음파를 이용한 거리 측정 방식, 즉 초음파의 비행시간(TOF) 측정에 의한 거리 측정 방식을 이용한다. 비행시간 측정을 위해 반드시 필요한 송/수신기의 동기를 RF 신호를 이용한다. 즉, RF의 속도는 음파에 비해 매우 빠르기 때문에 RF 신호의 시간 지연을 0으로 간주하고 있는 것이다.

수신기의 RF신호는 같은 주파수를 사용하는 여러 개의 비컨이 있을 때, 수신 된 초음파 신호가 어느 비컨의 초음파 신호인지 구분하지 못하면 오동작을 할 수 있다. 이를 막기 위해서 Active Beacon Sensor에 각각의 ID를 부여하게 된다. 여기서 이동 로봇에 장착된 RF 송신 모듈에서 RF 데이터를 전송할 때 미리 부여된 식별 ID를 전송한다. 따라서 Active Beacon Sensor는 수신된 ID가 자신의 ID와 일치하면 비컨에서 초음파를 발생하게 된다. 이렇게 비컨에 각각의 ID를 부여하는 이유는 다음과 같다.

1) 초음파 신호들 간의 혼신 방지, 2) 초음파 수신부에서 각 초음파 신호 식별, 3) 초음파 비행시간(TOF)을 측정하기 위한 초음파 송수신 센서 간의 동기화를 위해서이다.

초음파 신호들 간의 혼신 방지를 위해서는 RF 송수신 모듈은 각 초음파 발신기(11 ~ 14)의 신호 발생 시점을 순서화하고, 또한 초음파 수신부(20)에서 각 초음파 신호 식별을 위해 초음파 송수신기를 동기화해야 한다. 각각의 비컨은 자신의 ID에 부합되는 RFID 수신에 의해 구동된다. 자신에게 부여된 RFID라고 판단되면 수신기 측으로 초음파를 발신하게 된다.

다음으로, 초음파 수신부(20)에서는 산출한 초음파 송/수신기 사이의 거리를 이용하여 삼각 측량을 한다.

도 2와 같이 삼각 측량 방법은 알고 있는 3개의 점으로부터의 거리를 측정할 수 있다면 3개의 원의 교차점이 2차원에서의 현재 위치임을 쉽게 알아낼 수 있다.

비컨이 b1, b2, b3에 위치한 상태에서 로봇(robot)과 각 비컨 간의 거리를 초음파를 통해 계산하고, 그 계산 값인 d1, d2, d3를 가지고 원 방정식을 통해 로봇의 위치를 계산한다. 이는 가장 보편적인 위치 계산 방법이다.

주지한 바와 같이 종래의 실내 환경에서 위치 추정 방법은 비컨과 로봇과의 거리 데이터 3개가 필요하다. 그러나 도 1에 도시된 바와 같이, 장애물(예를 들어, 사람)(31) 때문에 로봇이 비컨에서 발신한 초음파를 2개밖에 받지 못한 상황이 발생하면 삼각측량에 의한 위치파악이 불가능한 상황이 발생한다.

즉, 종래의 삼각측량에 의한 위치 파악 방법은, 도 1에 도시된 바와 같이 비컨 1(11)과 비컨 2(12)에서 발신한 초음파는 수신하였으나, 비컨 3(13) 및 비컨 4(14)로부터의 초음파는 장애물(31) 때문에 수신하지 못하면, 로봇과 비컨과의 거리 데이터를 2개밖에 획득하지 못하게 되어, 삼각측량에 의한 위치 파악이 불가능한 문제점이 발생되었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 수신기에서 장애물에 의해 3개의 거리 데이터를 획득하지 못할 경우 발생하는 위치 추정 오류를 제거하기 위해서 제안된 것으로서,

본 발명의 목적은, 위치 추정시 주변의 물체나 사람 등의 장애물에 의해 삼각측량법으로 위치 추정이 불가능한 경우에도 2개의 비컨 데이터만을 이용하여 정확하게 로봇의 위치를 파악할 수 있도록 한 위치 추정 방법을 제공하는 데 있다.

더욱 상세하게는, 위치 추정시 주변의 물체나 사람 등의 장애물에 의해 비컨과의 거리 값을 3개가 아닌 2개만을 획득한 경우에는 코사인 제2법칙을 이용하여 로봇의 위치를 정확히 계산할 수 있도록 한 위치 추정 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 "위치 추정 방법"은,

공간(ROOM)의 소정 위치에 구비되어 초음파를 발신하는 다수개의 비컨과 상기 다수개의 비컨으로부터 송출되는 초음파를 수신하기 위한 수신기로 이루어진 위치추정 시스템에서의 위치 추정 방법에 있어서,

상기 다수개의 비컨으로 RF신호를 송출한 후 상기 각 비컨으로부터 송출되는 초음파를 수신하는 단계와;

상기 수신된 초음파 신호를 처리하여 초음파 거리 정보를 획득하는 단계와;

상기 획득한 초음파 거리 정보의 개수를 확인하여, 3개 이상일 경우 삼각 측량법을 이용하여 위치 데이터를 산출하는 단계와;

상기 획득한 초음파 거리 정보가 2개일 경우, 그 거리 정보에 피타고라스 정리를 적용하여 평면상의 거리를 산출하고, 상기 산출한 평면상의 거리 정보를 기초 로 위치 데이터를 산출하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

상기에서 평면상의 거리 정보를 기초로 위치 데이터의 산출은, 코사인 제2법칙을 사용하여 위치 데이터를 산출하는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명하기에 앞서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 3은 본 발명에서 2개의 비컨만을 이용하여 위치 추정을 수행하는 방법을 설명하기 위한 개념도로서, 참조부호 101은 비컨 1, 참조부호 102는 비컨 2를 나타내며, 참조부호 200은 수신기를 나타내고, 참조부호 300은 장애물을 나타낸다. 도 3에서 비컨이 2개만 도시되어 있으나, 실질적으로 공간상에 비컨은 4개(비컨 1, 비컨 2, 비컨 3, 비컨 4)가 존재하나, 비컨 3 및 비컨 4는 장애물(300)에 의해 수신이 불가능하므로 도시하지 않았다.

도 4는 본 발명에 따른 위치 추정 방법을 보인 흐름도이다.

이에 도시된 바와 같이, 다수개의 비컨(비컨 1 ~ 비컨 4)으로 RF신호를 송출한 후 상기 각 비컨으로부터 송출되는 초음파를 수신하는 단계(S101 ~ S103)와; 상기 수신된 초음파 신호를 처리하여 초음파 거리 정보(d1, d2)를 획득하는 단계(S105)와; 상기 획득한 초음파 거리 정보의 개수를 확인하여, 3개 이상일 경우 삼각 측량법을 이용하여 위치 데이터를 산출하는 단계(S107 ~ S109)와; 상기 획득한 초음파 거리 정보가 2개일 경우, 그 거리 정보에 피타고라스 정리를 적용하여 평면상의 거리를 산출하고, 상기 산출한 평면상의 거리 정보를 기초로 위치 데이터를 산출하는 단계(S111, S115, S117)와; 상기 획득한 초음파 거리 정보가 2개 이하일 경우 에러로 판단하는 단계(S113)로 이루어진다.

상기에서 평면상의 거리 정보를 기초로 위치 데이터의 산출은, 코사인 제2법칙을 사용하여 위치 데이터를 산출하는 것이 바람직하다.

이와 같이 이루어지는 본 발명에 의한 위치 추정 방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 수신기(200)에서 단계 S101에서와 같이 비컨의 ID를 포함하는 RF신호를 각 비컨으로 송출하고, 단계 S103에서 상기 각 비컨으로부터 송출되는 초음파를 수신하게 된다. 그리고 단계 S105에서 상기 비컨으로부터 수신되는 초음파 신호를 처리하여 각 비컨과 수신기(200)간의 거리 정보를 획득하게 된다. 여기서 거리 정보를 획득하는 방법은 종래의 기술 설명에서 자세하게 설명하였으므로, 중복 기재를 회피하기 위해서 생략한다.

다음으로, 단계 S107에서 상기 획득한 거리 정보가 3개 이상인가를 확인하여, 3개 이상일 경우 단계 S109로 이동하여 일반적인 삼각측량법을 이용하여 로봇의 위치 데이터를 산출하게 된다. 이러한 방법은 종래의 위치 추정 방법과 동일하다.

본 발명은 상기 단계 S107에서 획득한 거리 정보가 3개 이하일 경에도 위치 추정을 정확히 수행하기 위해서, 단계 S111로 이동하여 획득한 거리 정보가 2개인지를 확인한다. 이 확인 결과 획득한 거리 정보가 2개 이하일 경우, 예를 들어, 1 개이거나 거리 정보가 전혀 없는 경우에는 위치 데이터 산출이 불가능하므로, 단계 S113으로 이동하여 에러로 판단을 하게 된다.

이와는 달리 획득한 거리 정보가 2개(d1, d2)일 경우, 단계 S115로 이동하여 상기 2개의 거리 정보(d1, d2)를 피타고라스 정리에 적용하여 평면상의 거리 r1, r2를 산출하게 된다. 여기서 평면상의 거리를 산출하는 방법 역시 공지의 기술이므로 자세한 설명은 생략한다.

다음으로, 단계 S117로 이동하여 상기 산출한 평면상의 거리 정보를 코사인 제2법칙에 적용하여 로봇의 위치 좌표를 아래의 <수학식1>과 같이 산출하게 된다.

즉, 본 발명은 로봇의 위치 추정시 공간상에 위치한 장애물에 의해서 2개의 비컨으로부터 송출된 초음파를 이용하여 2개의 거리 데이터만 획득하게 된 경우에도, 코사인 제2법칙을 이용하여 정확하게 로봇의 위치 데이터를 산출할 수 있으므로, 장애물이 존재하는 상황하에서도 정확하게 위치 추정을 수행할 수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

이상에서 상술한 본 발명에 따르면, 실내 환경에서 장애물에 의해 거리 데이터를 2개밖에 획득하지 못하는 경우에도 정확하게 위치 추정을 수행할 수 있는 효과가 있다.

또한, 2개의 거리 데이터만을 이용하여 정확한 위치 추정이 가능하므로, 기존 3개의 거리 데이터를 이용한 삼각측량법에 의한 위치 추정 방법에 비해 더욱 신속하게 위치 추정을 수행할 수 있는 장점도 있다.

Claims (2)

1. 삭제
2. 공간(ROOM)의 소정 위치에 구비되어 초음파를 발신하는 다수개의 비컨과 상기 다수개의 비컨으로부터 송출되는 초음파를 수신하기 위한 수신기로 이루어진 위치추정 시스템에서의 위치 추정 방법에 있어서,

   상기 다수개의 비컨으로 RF신호를 송출한 후 상기 각 비컨으로부터 송출되는 초음파를 수신하는 단계와;

   상기 수신된 초음파 신호를 처리하여 초음파 거리 정보를 획득하는 단계와;

   상기 획득한 초음파 거리 정보의 개수를 확인하여, 3개 이상일 경우 통상의 삼각 측량법을 이용하여 위치 데이터를 산출하는 단계와;

   상기 획득한 초음파 거리 정보가 2개일 경우, 그 거리 정보에 피타고라스 정리를 적용하여 평면상의 거리를 산출하고, 상기 산출한 평면상의 거리 정보를 기초로 위치 데이터를 산출하는 단계를 포함하여 이루어지며,

   상기 평면상의 거리 정보를 기초로 위치 데이터의 산출은, 코사인 제2법칙을 사용하여 위치 데이터를 산출하는 것을 특징으로 하는 위치 추정 방법.

Images