KR100773344B1 - 랜드마크를 이용한 충전스테이션 위치 인식 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이동로봇(100)이 충전스테이션(200)의 위치를 인식하는 시스템에 관한 것으로서, 충전스테이션에 구비되는 것으로서, 가시광선 영역을 촬영하는 카메라로 영상 포착이 가능한 직선이 표시되거나, 또는 적외선 영역의 빛을 반사하는 적외선반사띠가 직선 형태로 부착된 랜드마크(210); 이동로봇에 구비되는 것으로서, 상기 랜드마크(210)의 직선 영상을 포착하는 카메라(110); 및, 이동로봇에 구비되는 것으로서, 상기 카메라(110)에서 포착된 영상으로부터 직선을 추출하여 충전스테이션의 위치를 판단하는 프로세서부(120);를 포함하여 구성되되, 상기 카메라(110)는 가시광선 영역을 촬영하는 카메라이거나, 또는 적외선 영역을 촬영하는 적외선카메라이고, 상기 프로세서부(120)는 상기 카메라(110)에 포착된 영상을 이진부호로 변환하고, 이를 다시 허프변환(hough transform)하여 직선을 추출하고 추출된 직선의 형태를 이용하여 충전스테이션의 위치를 판단하는 것을 특징으로 하는 랜드마크를 이용한 충전스테이션 위치 인식 시스템에 관한 것이다.
랜드마크(landmark), 카메라, 프로세서부, 이동로봇, 충전스테이션

Description

랜드마크를 이용한 충전스테이션 위치 인식 시스템{Station Positioning System using Landmark}
도1은 본 발명의 구체적 실시예의 구성을 도시한다.
도2는 충전스테이션에 구비되는 랜드마크의 구체적 실시예이다.
도3은 허프변환을 설명하기 위한 도면으로서 x-y 평면상에 도시된 직선이 (ρ, θ) 값으로 표시될 수 있음을 보여준다.
도4는 이동로봇의 충전스테이션의 위치를 인식하고 이를 찾아가서 도킹하는 과정에 대한 순서도이다.
도5는 프로세서부에서 영상을 이진부호로 변환하고 이를 이용하여 랜드마크에 표시된 직선을 추출하는 과정을 보여주는 순서도이다.
도6은 본 발명의 구체적 실시예를 이용하여 직선을 추출한 결과를 도시한다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100:이동로봇
110:카메라
120:프로세서부
200:충전스테이션
210:랜드마크
220:충전단자
기술분야
본 발명은 이동로봇이 충전스테이션을 찾아가기 위하여 사용되는 충전스테이션의 위치를 인식하는 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세히는 충전스테이션에 구비되는 것으로서, 가시광선 영역을 촬영하는 카메라로 영상 포착이 가능한 직선이 표시되거나, 또는 적외선 영역의 빛을 반사하는 적외선반사띠가 직선 형태로 부착된 랜드마크(210); 이동로봇에 구비되는 것으로서, 상기 랜드마크(210)의 직선 영상을 포착하는 카메라(110); 및, 이동로봇에 구비되는 것으로서, 상기 카메라(110)에서 포착된 영상으로부터 직선을 추출하여 충전스테이션의 위치를 판단하는 프로세서부(120);를 포함하여 구성되되, 상기 프로세서부(120)는 상기 카메라(110)에 포착된 영상을 이진부호로 변환하고, 이를 다시 허프변환(hough transform)하여 직선을 추출하는 것을 특징으로 한다.
종래기술
본 발명은 이동로봇의 충전 스테이션 시스템 및 충전 스테이션으로의 도킹 방법에 관한 것이다. 이동로봇(특히 경비를 목적으로 하는 이동로봇)에 있어서 자 동 충전은 필수적이라고 할 수 있다. 이는 일반적으로 로봇이 경비를 수행하는 시간은 실내에 사용자가 없는 부재 중이거나 혹은 취침 중이며, 대부분의 현존하는 배터리는 1회 완전 충전 시 구동 시간은 최대 4시간 가량이기 때문이다.
따라서 로봇은 반드시 1회 이상 스스로 충전 스테이션을 탐색해서 충전을 수행해야 하는 바, 다수의 자동충전 기법이 소개되어 있다.
먼저 1대의 카메라와 두 개의 적외선 송신기를 이용한 시스템으로, 카메라에 맺힌 적외선의 상을 원하는 영상 평면상에 맺히도록 정렬하는 방식을 통해 도킹을 수행할 수 있으며, 또 다른 방법으로는 레이저 스캐너와 같은 정밀한 거리 센서를 이용하여 충전 시스템의 외곽을 추출하고 이를 이용하여 도킹을 수행하는 방식이 있다.
그러나, 이 방식들을 사용할 경우 별도의 적외선 송신기 또는 레이저 스캐너를 필요로 하고, 특히 레이저 스캐너와 같은 센서는 매우 고가여서 실제 가정용 로봇과 같은 저가를 추구하는 로봇에는 사용하기 힘든 문제점이 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여 창작된 본 발명은 적외선 송신기 또는 레이저 스캐너와 같은 별도의 장치를 필요로 하지 않으며, 시각적으로 인식될 수 있는 표식을 이용하여 충전스테이션의 위치를 인식할 수 있는 알고리즘이 구비된 프로세서부에서 실시간으로 충전스테이션의 위치를 인식할 수 충전스테이션 위치인식 시스템을 제공함을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 창작된 본 발명의 기술적 구성은 다음과 같다.
본 발명은 이동로봇(100)이 충전스테이션(200)의 위치를 인식하는 시스템에 관한 것으로서, 충전스테이션에 구비되는 것으로서, 가시광선 영역을 촬영하는 카메라로 영상 포착이 가능한 직선이 표시되거나, 또는 적외선 영역의 빛을 반사하는 적외선반사띠가 직선 형태로 부착된 랜드마크(210); 이동로봇에 구비되는 것으로서, 상기 랜드마크(210)의 직선 영상을 포착하는 카메라(110); 및, 이동로봇에 구비되는 것으로서, 상기 카메라(110)에서 포착된 영상으로부터 직선을 추출하여 충전스테이션의 위치를 판단하는 프로세서부(120); 를 포함하여 구성되되, 상기 카메라(110)는 가시광선 영역을 촬영하는 카메라이거나, 또는 적외선 영역을 촬영하는 적외선카메라이고, 상기 프로세서부(120)는 상기 카메라(110)에 포착된 영상을 이진부호로 변환하고, 이를 다시 허프변환(hough transform)하여 직선을 추출하고 추출된 직선의 형태를 이용하여 충전스테이션의 위치를 판단하는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 본 발명의 구체적 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도1 및 도2에 도시된 바와 같이 카메라(110)와 프로세서부(120)는 이동로봇(100)에 구비되고 랜드마크(210)는 충전스테이션(200)에 구비된다.
랜드마크(210)는 도2에 도시된 바와 같이 충전스테이션(200)의 전방 바닥면 에 표시된다. 랜드마크(210)는 여러 가지 표시가 사용될 수 있으며, 본 발명의 구체적 실시예에서는 평행한 두 개의 직선이 사용되었으나, 반드시 평행한 두 직선을 요구하는 것은 아니며 평행하지 않는 다수 개의 직선이 사용될 수도 있다. 또한, 식별성을 향상시키기 위하여 직선은 흰색의 바탕면에 검은색으로 표시됨이 바람직하다.
이와 같은 직선은 시각적으로 식별가능하도록 충전스테이션의 바닥면에 표시되거나, 또는 적외선 영역의 빛을 반사하는 직선 형태의 적외선반사띠가 충전스테이션의 바닥면에 부착되어 사용될 수도 있다. 여기서 시각적으로 식별가능하도록 표시되었다는 것은 가시광선 영역을 촬영하는 카메라로 영상 포착이 가능한 직선이 표시된다는 것을 의미한다. 왜냐하면 사람의 육안으로 식별가능한 형태는 가시광선 영역을 촬영하는 일반적인 카메라로 영상 포착이 가능하기 때문이다. 적외선반사띠가 사용되는 경우에는 충전스테이션의 전방 바닥면에 직선 형태의 적외선반사띠 2개를 서로 평행하게 부착한다. 이 경우에 적외선반사띠가 부착되는 충전스테이션이 바닥면에 별도의 특별한 구성이 추가될 필요가 없다. 다시 말하면 충전스테이션의 바닥면의 색상이 특별히 제한될 필요도 없으며, 별도의 적외선흡수띠가 적외선반사띠 사이에 구비될 수도 있으나 이와 같은 적외선흡수띠가 반드시 적외선반사띠 사이에 구비되어야 하는 것은 아니다. 즉, 통상적인 재질의 충전스테이션 전방 바닥면에 적외선반사띠 2개를 서로 평행하게 이격되도록 부착하여 적외선카메라가 이를 2개의 직선으로 인식할 수 있으면 충분하다.
카메라(110)는 이동로봇(100)의 전방에 설치되어 영상을 포착한다.
카메라(110)에서 포착된 랜드마크(210) 영상은 이동로봇(100)의 몸체 내부에 구비된 프로세서부(120)에서 소정의 연산과정을 거쳐 랜드마크(210)에 표시된 직선으로 인식되고, 추출된 직선의 형태를 이용하여 이동로봇(100)은 충전스테이션(200)의 위치를 판단하게 된다.
카메라(110)는 시각적으로 식별가능하도록 표시된 직선의 영상을 포착하는 경우에는 가시광선 영역을 촬영하는 일반적인 카메라가 사용되고, 직선 형태의 적외선반사띠의 영상을 포착하는 경우에는 적외선 영역을 촬영하는 적외선카메라가 사용된다.
프로세서부(120)는 다음과 같은 연산작용을 통하여 충전스테이션(200)의 위치를 판단한다.
본 발명의 구체적 실시예에 의하면 이동로봇(100)에 장착된 카메라(110)를 통해 얻은 영상을 이진부호로 변환하고, 이를 이용하여 직선을 추출하고, 추출된 직선의 형태를 이용하여 충전스테이션(200)의 위치를 판단하고, 이동로봇(100)이 충전스테이션(200)의 충전단자(220)에 도킹하여 충전이 이루어진다. 이진부호에서 직선을 추출하는 알고리즘은 허프변환(hough transform)을 사용하였으며, 그 원리는 다음과 같다.
도3에 도시된 바와 같이 x-y 평면상에 임의의 직선은 y= ax + b 형태로 표시될 수 있는데 이러한 직선은 원점에서 직선까지의 거리 ρ 와 x 축과 직선이 이루는 각도 θ 를 이용하여 (ρ, θ)의 형태로 표시될 수도 있다.
x-y 평면상의 어느 하나의 지점 (x1, y1)을 지나는 직선은 평면상에 무수히 많이 그릴 수 있으며 그 각각의 직선은 (ρ1, θ1)의 형태로 표시될 수도 있다. 또한 x-y 평면상의 다른 하나의 지점 (x2, y2)를 지나는 직선도 평면상에 무수히 많이 그릴 수 있으며 그 각각의 직선도 (ρ2, θ2)의 형태로 표시될 수도 있다.
이때 (ρ1, θ1)과 (ρ2, θ2)의 값이 일치하는 경우가 한 번 있는데 그 값이 표시하는 직선은 (x1, y1)과 (x2, y2)를 모두 통과하는 유일한 직선이 된다.
프로세서부(120)에서는 이런 원리를 이용하여 충전스테이션(200)의 랜드마크(210)에 표시된 직선을 추출한다.
상기 프로세서부(120)는 도5에 도시된 바와 같은 과정으로 직선을 추출한다.
(1) 영상의 이진화
x-y 평면으로 표시되는 카메라 화상면에서 영상이 포착된 지점은 1의 값을 부여하고, 영상이 포착되지 않는 지점은 0의 값을 부여하여 이진부호로 변환한다.
다시 말하면, 직선이 통과되는 지점은 1의 값이 부여되고 직선이 통과되지 않는 지점은 0의 값이 부여될 것이다.
(2) 각 점에 대한 직선검출 및 ρ-θ 테이블 작성
1의 값이 부여된 어느 하나의 지점을 통과하는 직선을 원점에서의 거리 ρ 와 x 축과 이루는 각도 θ 로 표시하되, 미리 설정된 소정의 각도값(예를 들어 1°간격)을 순차적으로 더하여 각도를 순차적으로 증가시키면서 1의 값이 부여된 어느 하나의 지점(x1, y1)을 통과하는 모든 직선에 대하여 (ρ1, θ1) 테이블을 작성하고 난 후, 1의 값이 부여된 다른 하나의 지점(x2, y2)에 대하여 동일한 방법으로 (ρ2, θ2) 테이블을 작성하는 작업을 반복하여 1의 값이 부여된 모든 지점(xn, yn)에 대하여 (ρn, θn) 테이블을 작성한다.
(3) 임계치(Threshold) 적용
미리 설정된 오차범위 내에서 동일한 값을 가지는 (ρn, θn)의 수량을 계수한다. 다시 말하면, 오차범위 내에서 동일한 값을 가지는 (ρn, θn)이 전체 (ρn, θn) 테이블에서 몇 개 존재하는지 계수하고, 미리 설정된 임계치를 초과하는지 여부를 확인한다.
(4) 직선추출
도6에 도시된 바와 같이 임계치(threshold) 이상의 수량을 가지는 (ρn, θn)를 직선으로 추출하고 이를 상기 랜드마크(210)에 표시된 직선으로 인식한다.
이와 같이 랜드마크(210)에 표시된 직선이 추출되면 추출된 직선의 형태를 이용하여 충전스테이션의 위치를 판단할 수 있으며, 도4에 도시된 바와 같은 과정으로 이동로봇(100)의 충전스테이션(200)의 충전단자(220)에 도킹하여 충전을 할 수 있다.
도4에 도시된 충전 과정은 다음과 같다.
예를 들어 경비 업무를 수행하는 이동로봇이라면 경비 업무를 수행하다가 충전이 필요하다고 판단되면 충전기(충전스테이션) 부근으로 이동하고, 카메라(110)가 랜드마크(210)를 구성하는 직선의 영상을 포착하면 충전기가 있는 것으로 인식하고 감지한 영상정보를 이용하여 직선을 추출하게 되는데, 영상정보를 이용한 직선 추출 과정은 이미 설명한 바와 같다. 이와 같이 랜드마크(210)에 표시된 직선이 추출되면 추출된 직선의 형태를 이용하여 충전기(충전스테이션)의 위치를 판단(다시 말하면 이동로봇과 랜드마크(210)를 구성하는 직선과의 거리 및 각도를 계산)하여 이동로봇을 이동시키는데 중간 경유점에서도 동일한 방법으로 충전기의 위치를 판단하면서 이동로봇을 충전기(충전스테이션) 방향으로 이동시킨다. 이동로봇이 충전기(충전스테이션) 전방에 도달하면 이동로봇의 휠과 랜드마크(210)의 직선이 나란하게 평행하도록 이동로봇을 회전하여 적절한 위치를 잡고 충전단자를 향하여 후진하여 도킹한 후 충전을 실시하게 된다.
본 발명의 구체적 실시예와 같이 랜드마크(210)에 두 개의 평행한 직선을 표시한 경우 프로세서부(120)에서 추출되는 직선도 도6에 도시된 바와 같이 평행한 직선이 되고 이동로봇(100)이 추출된 직선과 평행을 이루도록 직선의 방향으로 이동하면 자동적으로 충전단자(220)에 도킹하게 된다.
상기한 바와 같이 본 발명의 구체적 실시예를 기준으로 본 발명을 설명하였으나, 본 발명의 보호범위가 구체적 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 주지관용 기술의 부가나 삭제, 단순한 설계변경 등은 본 발명의 보호범위에 속함을 분명히 한다.
상기한 구성의 본 발명에 따르면 적외선 송신기 또는 레이저 스캐너와 같은 별도의 장치를 사용하지 않고도 시각적으로 인식될 수 있는 랜드마크(210)를 이용하여 충전스테이션(200)의 위치를 인식하고 찾아갈 수 있다. 다시 말하면, 프로세서부(120)의 허프변환을 통하여 랜드마크(210)의 직선 표시를 인식하고 표시된 직선의 형태를 이용하여 충전스테이션(200)의 위치를 판단하고, 충전스테이션(200) 방향으로 이동하여 충전단자(220)에 도킹을 할 수 있다.

Claims (4)

  1. 이동로봇(100)이 충전스테이션(200)의 위치를 인식하는 시스템에 관한 것으로서,
    충전스테이션에 구비되는 것으로서, 가시광선 영역을 촬영하는 카메라로 영상 포착이 가능한 직선이 표시되거나, 또는 적외선 영역의 빛을 반사하는 적외선반사띠가 직선 형태로 부착된 랜드마크(210);
    이동로봇에 구비되는 것으로서, 상기 랜드마크(210)의 직선 영상을 포착하는 카메라(110); 및,
    이동로봇에 구비되는 것으로서, 상기 카메라(110)에서 포착된 영상으로부터 직선을 추출하여 충전스테이션의 위치를 판단하는 프로세서부(120);
    를 포함하여 구성되되,
    상기 카메라(110)는 가시광선 영역을 촬영하는 카메라이거나, 또는 적외선 영역을 촬영하는 적외선카메라이고,
    상기 프로세서부(120)는 상기 카메라(110)에 포착된 영상을 이진부호로 변환하고, 이를 다시 허프변환(hough transform)하여 직선을 추출하고 추출된 직선의 형태를 이용하여 충전스테이션의 위치를 판단하는 것을 특징으로 하는 랜드마크를 이용한 충전스테이션 위치 인식 시스템.
  2. 제1항에서, 상기 프로세서부(120)는,
    x-y 평면으로 표시되는 카메라 화상면에서 영상이 포착된 지점은 1의 값을 부여하고, 영상이 포착되지 않는 지점은 0의 값을 부여하여 이진부호로 변환하고,
    1의 값이 부여된 어느 하나의 지점을 통과하는 직선을 원점에서의 거리 ρ 와 x 축과 이루는 각도 θ 로 표시하되, 미리 설정된 각도값을 순차적으로 더하여 각도를 순차적으로 증가시키면서 1이 값이 부여된 어느 하나의 지점(x1, y1)을 통과하는 모든 직선에 대하여 (ρ1, θ1) 테이블을 작성하고 난 후, 1의 값이 부여된 다른 하나의 지점(x2, y2)에 대하여 동일한 방법으로 (ρ2, θ2) 테이블을 작성하는 작업을 반복하여 1의 값이 부여된 모든 지점(xn, yn)에 대하여 (ρn, θn) 테이블을 작성하고,
    미리 설정된 오차범위 내에서 동일한 값을 가지는 (ρn, θn)의 수량을 계수하여 임계치(threshold) 이상의 수량을 가지는 (ρn, θn)를 직선으로 추출하고 이를 상기 랜드마크(210)에 표시된 직선으로 인식하고, 추출된 직선의 형태를 이용하여 충전스테이션의 위치를 판단하는 것을 특징으로 하는 랜드마크를 이용한 충전스테이션 위치 인식 시스템.
  3. 제2항에서, 상기 랜드마크(210)는,
    가시광선 영역을 촬영하는 카메라로 영상 포착이 가능한 직선의 경우 흰색 바탕면에 검은색의 직선 2개가 이격되도록 충전스테이션의 바닥면에 표시되고, 적외선 영역의 빛을 반사하는 직선 형태의 적외선반사띠의 경우 2개가 이격되도록 충전스테이션의 바닥면에 부착되는 것을 특징으로 하는 랜드마크를 이용한 충전스테이션 위치 인식 시스템.
  4. 제3항에서,
    상기 랜드마크(210)를 구성하는 검은색의 직선 2개는 서로 평행하도록 충전스테이션의 바닥면에 표시되고, 상기 랜드마크(210)를 구성하는 직선 형태의 적외선반사띠 2개는 서로 평행하도록 충전스테이션의 바닥면에 부착되는 것을 특징으로 하는 랜드마크를 이용한 충전스테이션 위치 인식 시스템.
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