KR100752584B1 - 위치파악시스템에서 거리오차 보정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 위치 추정시 거리 데이터의 오차를 분석하여 실제 위치와 오차 범위를 줄임으로써 위치데이터의 신뢰성을 확보하여 정확하게 로봇의 위치를 파악할 수 있도록 한 위치파악시스템에서 거리오차 보정방법에 관한 것으로서, 이러한 본 발명은, 거리측정 테스트를 통해 수신기가 장착된 로봇과 위치 데이터 산출을 위한 초음파를 발신하는 비컨과의 거리를 측정하고, 그 측정거리와 미리 저장된 로봇과 비컨과의 실제거리와의 오차 패턴을 분석하는 단계와; 분석한 오차 패턴을 이용하여 오차 발생 원인을 추정하는 단계와; 추정한 오차 발생 원인에 근거하여 거리 오차를 보정하기 위한 오차 보정 알고리즘을 정의하는 단계와; 비컨으로 RF신호를 송출한 후 비컨으로부터 송출되는 초음파를 수신하는 단계와; 수신된 초음파 신호를 처리하여 초음파 거리 정보를 획득하고, 그 획득한 초음파 거리 정보에 정의한 오차보정 알고리즘을 적용하여 거리 데이터를 보정하는 단계와; 보정된 거리 데이터를 이용하여 삼각측량법으로 위치 데이터를 산출하는 단계를 수행함으로써, 실제거리와 측정거리 간의 거리 오차 보정이 가능하므로 신뢰성 있는 위치 데이터의 확보가 가능해진다.

위치 추정, 거리오차 보정, 오차 보정 알고리즘

Description

위치파악시스템에서 거리오차 보정방법{Method of correcting distance errors}

도 1은 종래 액티브 비컨 센서 시스템(Active Beacon Sensor system)의 구성도.

도 2는 종래 실제 로봇 위치와 초음파를 이용한 위치파악시스템을 이용하여 측정한 위치를 보인 그래프.

도 3은 본 발명에 의한 위치파악시스템에서 거리오차 보정방법을 보인 흐름도.

도 4는 실제거리와 측정거리와의 오차 패턴 분석을 위한 도표.

도 5는 거리에 비례하여 오차 정도의 특성을 설명하기 위한 설명도.

도 6은 시간차에 의한 거리오차를 설명하기 위한 파형도.,

도 7은 본 발명을 적용한 후 실제 로봇 위치와 초음파를 이용한 위치파악시스템을 이용하여 측정한 위치를 보인 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11 ~ 14… 비컨 1 내지 비컨 4

20 ..... 수신기(이동체)

본 발명은 지능형 로봇용 위치파악시스템에서 거리 오차 보정에 관한 것으로서, 특히 위치 추정시 거리 데이터의 오차를 분석하여 실제 위치와 오차 범위를 줄임으로써 위치데이터의 신뢰성을 확보하여 정확하게 로봇의 위치를 파악할 수 있도록 한 위치파악시스템에서 거리오차 보정방법에 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.

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

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.

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, 동기용 클록용 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.

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

여기서 삼각 측량 방법은 알고 있는 3개의 점으로부터의 거리를 측정할 수 있다면 3개의 원의 교차점이 2차원에서의 현재 위치임을 쉽게 알아낼 수 있다는 원리에 근거하여 위치를 파악하는 방법이다.

주지한 바와 같은 삼각측량법을 적용하여 위치 추정을 수행하는 경우, 실제 로봇 위치와 초음파를 이용한 위치파악시스템으로 측정한 위치는 도 2에 도시된 바와 같이 일정한 패턴의 오차가 발생한다.

그러나 종래의 위치 추정 방법은 도 2에 도시한 바와 같이 실제 로봇 위치와 초음파를 이용한 위치파악시스템을 이용하여 측정한 위치 간에 일정한 패턴의 오차 가 발생함에도, 이러한 오차를 분석하여 오차를 보정하는 방법이 없어 위치 추정에 오류가 발생하는 문제점을 발생하였다.

본 발명은 상기와 같은 종래 위치파악시스템에서 실제 로봇 위치와 초음파를 이용한 위치파악시스템을 이용하여 측정한 위치 간에 발생하는 일정한 오차 패턴에 의해 수반되는 위치 추정 오류를 제거하기 위해서 제안된 것으로서,

본 발명의 목적은, 위치 추정시 거리 데이터의 오차를 분석하여 실제 위치와 오차 범위를 줄임으로써 위치데이터의 신뢰성을 확보하여 정확하게 로봇의 위치를 파악할 수 있도록 한 위치파악시스템에서 위치 오차 보정방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 "위치파악시스템에서 거리오차 보정방법"은,

지능형 로봇용 위치파악시스템에서의 거리오차 보정방법에 있어서,

거리측정 테스트를 통해 수신기가 장착된 로봇과 위치 데이터 산출을 위한 초음파를 발신하는 비컨과의 거리를 측정하고, 그 측정거리와 미리 저장된 로봇과 비컨과의 실제거리와의 오차 패턴을 분석하는 단계와;

상기 분석한 오차 패턴을 이용하여 오차 발생 원인을 추정하는 단계와;

상기 추정한 오차 발생 원인에 근거하여 거리 오차를 보정하기 위한 오차 보 정 알고리즘을 정의하는 단계와;

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

상기 수신된 초음파 신호를 처리하여 초음파 거리 정보를 획득하고, 그 획득한 초음파 거리 정보에 상기 정의한 오차보정 알고리즘을 적용하여 거리 데이터를 보정하는 단계와;

상기 보정된 거리 데이터를 이용하여 삼각측량법으로 위치 데이터를 산출하는 단계를 포함하여 이루어짐을 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 발명에 의한 거리오차 보정방법을 보인 흐름도이다.

이에 도시된 바와 같이, 거리측정 테스트를 통해 수신기(20)가 장착된 로봇과 위치 데이터 산출을 위한 초음파를 발신하는 비컨(11 ~ 14)과의 거리를 측정하고, 그 측정거리와 미리 저장된 로봇과 비컨과의 실제거리와의 오차 패턴을 분석하는 단계(S101)와; 상기 분석한 오차 패턴을 이용하여 오차 발생 원인을 추정하는 단계(S103)와; 상기 추정한 오차 발생 원인에 근거하여 거리 오차를 보정하기 위한 오차보정 알고리즘을 정의하는 단계(S105)와; 상기 비컨(11 ~ 14)으로 RF신호를 송출한 후 상기 비컨(11 ~ 14)으로부터 송출되는 초음파를 수신하는 단계(S109)와; 상기 수신된 초음파 신호를 처리하여 초음파 거리 정보를 획득하고, 그 획득한 초음파 거리 정보에 상기 정의한 오차보정 알고리즘을 적용하여 거리 데이터를 보정하는 단계(S111)와; 상기 보정된 거리 데이터를 이용하여 삼각측량법으로 위치 데이터를 산출하는 단계(S113)로 이루어진다.

이와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 위치파악시스템에서 거리오차 보정방법은, 먼저 단계 S101에서 수신기(20)는 초음파 센서를 이용하여 거리측정 테스트를 하여 실제거리와 측정거리와의 오차 정도를 분석하게 된다.

도 4는 수신기와 비컨과의 실제거리와 측정거리와의 오차 패턴 분석을 위한 도표이고, 도 5는 거리에 비례하여 오차 정도의 특성을 설명하기 위한 설명도이다.

도 4는 측정 테스트를 통해 표본 100번의 측정 평균을 나타낸 결과이다. 이를 분석하면 도 5와 같이 거리에 비례하여 오차 정도가 커지는 특성을 확인할 수 있다.

다음으로, 단계 S103에서 상기 분석한 오차 패턴의 결과를 토대로 거리 오차가 발생한 원인을 분석하게 된다.

도 6은 시간차에 의한 거리오차를 설명하기 위한 파형도이다. 도 6에서 <파형 1>은 초음파 송신센서(비컨)와 수신센서(수신기) 간의 거리가 짧을 때의 초음파 수신 감도 파형이고, <파형 2>는 상대적으로 거리가 멀 때의 초음파 수신감도 파형이다. 수평선(31, 32)은 초음파를 인식하기 위한 기준 전압이고, 수직선(41)은 초음파를 인식했을 때의 시간 타이밍을 비교하기 위한 것이다. 초음파를 이용한 위치파악시스템에서 초음파 감지 시간은 바로 거리를 의미하기 때문에 도 6에 도시된 바와 같이 시간 차는 바로 거리 오차로 직결된다. 따라서 도 4의 자료를 토대로 실제 거리에 따른 오차를 보정하기 위한 알고리즘이 추가로 필요하다.

다음으로, 단계 S105에서는 상기 발생하는 거리 오차를 보정하기 위한 알고리즘을 정의하게 된다. 도 4와 도 5를 토대로 정밀도 개선을 위한 거리 오차 보정 알고리즘에 적용될 오차관계식(오차 보정 알고리즘)은 아래의 [수학식1]과 같다.

여기서 F함수는 정밀도 개선 함수이고, k는 위치파악시스템의 측정 고유 상수 값(0.0176)을 나타내고, m은 위치파악시스템에서 측정한 거리 데이터를 나타낸다.

다음으로, 단계 S107에서 수신기(20)는 비컨(11 ~ 14)으로 RF신호를 발신하게 되고, 단계 S109에서 상기 RF신호를 수신한 비컨(11 ~ 14)에서 발신되는 초음파를 수신하게 된다.

다음으로, 단계 S111에서 상기 수신된 초음파 신호를 처리하여 초음파 거리 정보를 획득하고, 그 획득한 초음파 거리 정보에 상기 정의한 오차보정 알고리즘을 적용하여 거리 데이터를 보정 하게 된다.

이후 단계 S113에서 상기 보정된 거리 데이터를 이용하여 기존의 삼각측량법으로 위치 데이터를 산출함으로써, 정확하게 로봇의 위치를 추정할 수 있게 된다.

도 7은 거리 오차 보정 알고리즘을 적용한 후의 실제위치와 측정값의 비교 그림이다. 도 2에 비해 측정 위치가 실제 위치에 더 근접함을 알 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, 실제 거리와 측정 거리간의 시간 차에 의한 거리 오차를 보정할 수 있으므로, 위치데이터의 신뢰성을 확보할 수 있어 정밀하게 위치를 추정할 수 있는 장점이 있다.

또한, 거리 오차의 보정으로 신뢰성 있는 위치데이터를 확보할 수 있어, 지능형 로봇의 자율 주행에 안정성을 부여해줄 수 있는 효과도 있다.

Claims (3)

1. 삭제
2. 지능형 로봇용 위치파악시스템에서의 거리오차 보정방법에 있어서,

   거리측정 테스트를 통해 수신기가 장착된 로봇과 위치 데이터 산출을 위한 초음파를 발신하는 비컨과의 거리를 측정하고, 그 측정거리와 실제거리와의 오차 패턴을 분석하는 단계와;

   상기 분석한 오차 패턴을 이용하여 오차 발생 원인을 추정하는 단계와;

   상기 추정한 오차 발생 원인에 근거하여 거리 오차를 보정하기 위한 오차 보정 알고리즘을 정의하는 단계와;

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

   상기 수신된 초음파 신호를 처리하여 초음파 거리 정보를 획득하고, 그 획득한 초음파 거리 정보에 상기 정의한 오차보정 알고리즘을 적용하여 거리 데이터를 보정하는 단계와;

   상기 보정된 거리 데이터를 이용하여 삼각측량법으로 위치 데이터를 산출하는 단계를 포함하여 이루어지며,

   상기 오차 발생 원인을 추정하는 단계는,

   수신기와 비컨과의 거리에 따른 초음파 수신 감도 파형의 차이를 이용하여 오차 발생 원인을 추정하는 것을 특징으로 하는 위치파악시스템에서 거리오차 보정방법.
3. 지능형 로봇용 위치파악시스템에서의 거리오차 보정방법에 있어서,

   거리측정 테스트를 통해 수신기가 장착된 로봇과 위치 데이터 산출을 위한 초음파를 발신하는 비컨과의 거리를 측정하고, 그 측정거리와 실제거리와의 오차 패턴을 분석하는 단계와;

   상기 분석한 오차 패턴을 이용하여 오차 발생 원인을 추정하는 단계와;

   상기 추정한 오차 발생 원인에 근거하여 거리 오차를 보정하기 위한 오차 보정 알고리즘을 정의하는 단계와;

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

   상기 수신된 초음파 신호를 처리하여 초음파 거리 정보를 획득하고, 그 획득한 초음파 거리 정보에 상기 정의한 오차보정 알고리즘을 적용하여 거리 데이터를 보정하는 단계와;

   상기 보정된 거리 데이터를 이용하여 삼각측량법으로 위치 데이터를 산출하는 단계를 포함하여 이루어지며,

   상기 오차 보정 알고리즘을 정의하는 단계는, 측정한 거리 데이터를 정수 1에 위치파악시스템의 측정 고유 상수 값(k)을 가산한 결과치(1+k)로 제산하는 아래와 같은 <수학식>으로 정의하는 것을 특징으로 하는 위치파악시스템에서 거리오차 보정방법.

   <수학식>

   

   여기서 F함수는 정밀도 개선 함수이고, k는 위치파악시스템의 측정 고유 상수 값(0.0176)을 나타내고, m은 위치파악시스템에서 측정한 거리 데이터를 나타낸다.

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