KR100776944B1

KR100776944B1 - 이동로봇의 맵 빌딩방법

Info

Publication number: KR100776944B1
Application number: KR1020060039215A
Authority: KR
Inventors: 이남수; 장은수; 이상훈; 남중현; 김병수
Original assignee: 주식회사 한울로보틱스
Priority date: 2006-05-01
Filing date: 2006-05-01
Publication date: 2007-11-21
Also published as: KR20070106863A

Abstract

본 발명은 이동로봇의 맵 빌딩방법에 관한 것으로, 그 목적은 사전 정보가 없는 미지의 복잡한 실내공간에 대한 내부 환경 파악을 위한 맵 빌딩을 신속하고 용이하게 수행하고, 정확한 맵의 작성에 의해 이동성 및 작업능률을 향상시킬 수 있으며, 경로 계획을 원활하게 할 수 있도록 이동로봇의 맵 빌딩방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 벽면과 소정간격을 유지하도록 벽면방향으로 이동로봇을 이동시키는 기준점 이동단계와; 상기 벽면을 따라 이동 가능하도록 이동로봇의 조향각을 조절하고 이동로봇의 위치를 기준점으로 인식하는 방향설정단계와; 상기 조향각이 조절된 이동로봇의 몸체를 정지상태에서 조향축에 대하여 좌우 대칭으로 스윙동작하면서 다수개의 초음파센서에 의해 스윙 동작 내 범위 내에 위치하는 장애물을 감지하는 장애물 감지단계와; 상기 감지된 장애물을 인식하고 이를 고려하여 벽면을 따라 이동로봇을 소정거리만큼 이동시킨 다음 정지시키는 이동단계와; 상기 기준점으로 이동로봇이 돌아올 때까지 벽면을 따라 이동로봇을 이동시키면서 장애물 감지단계 및 이동단계를 순차적으로 다수 번 반복하여 맵을 생성하는 맵 형성단계를 통해, 맵 빌딩을 달성하도록 되어 있다.

이동로봇, 맵 빌딩, 맵, 스윙, 장애물

Description

이동로봇의 맵 빌딩방법 {The map building method for mobile robot}

도 1 은 본 발명에 따른 흐름을 보인 블록예시도

도 2 은 본 발명에 따른 장애물 인식을 보인 개념도

도 3 는 본 발명과 종래기술에 따른 장애물 인식정도를 보인 예시도

도 4 은 본 발명에 초음파 센서 배치를 보인 이동로봇 예시도

도 5 는 본 발명과 종래기술에 따른 장애물 인식비교를 보인 예시도

도 6 는 본 발명과 종래기술에 따른 전체 맵 비교를 보인 예시도

도 7 은 종래의 장애물 인식정도를 보인 예시도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

(10) : 이동로봇 (11) : 이동로봇 몸체부

(21) : 제 1 초음파센서 (22) : 제 2 초음파센서

(23) : 제 3 초음파센서 (24) : 제 4 초음파센서

(30) : 스캔영역 (100) : 조향축

(200) : 회전중심축 (300) : 벽면

(400) : 장애물

본 발명은 이동로봇의 맵 빌딩방법에 관한 것으로, 다수개의 초음파 센서 및 이동로봇 스윙동작에 의해 초음파 센서의 분해능을 향상시키고, 이를 통해 장애물을 용이하게 인식하여 실내공간에 대한 맵 빌딩을 수행할 수 있는 이동로봇의 맵 빌딩방법에 관한 것이다.

일반적으로 이동로봇은 자체에 부착된 초음파센서에서 초음파를 발생하고 반사되는 초음파를 탐지하여 거리를 탐지하거나 방향을 감지하도록 되어 있으며, 이와 같은 이동로봇의 기능을 통하여, 실내공간에 대한 맵을 작성하고 있다.

상기와 같은 이동로봇이 작성하는 지도의 형태는 여러가지가 있으나, 그리드(grid) 형식의 지도를 사용하는 것이 보통이며, 상기 그리드 지도는 환경을 일정크기의 격자(Cell)로 나누고, 점유율에 따른 확률에 의해 장애물을 인식하여 장애물에 해당하는 격자와 그렇지 않은 격자로 표시하도록 되어 있다.

종래의 맵 빌딩은 이동로봇에 고정 설치된 초음파센서의 감지에 의해서만 장애물을 인식하므로, 이동로봇의 주행방향에 대하여 장애물 형상에 관계없이 장애물을 인식하고, 이를 직선적인 요소로 표시하도록 되어 있었다.

즉, 도 7 은 종래의 장애물 인식정도를 보인 예시도를 도시한 것으로, 이동로봇의 전 방향에 대하여 초음파센서가 고정 설치되어 있으며, 이들 초음파센서의 겹쳐지는 감지부분에 의해 장애물 존재 확률을 고려하여 지도를 작성하도록 되어 있었다.

그러나, 상기와 같은 종래의 맵 빌딩은 도 7 에 도시된 바와 같이, 오로지 이동로봇의 주행방향에 대한 장애물의 감지에 한정되며, 또한, 장애물이 곡선을 구비할 경우, 장애물의 특정부위만을 감지하여 인식하게 되므로, 정확한 맵을 완성할 수 없으며, 맵 빌딩에 많은 시간이 소요되었다.

또한, 이동로봇을 이용한 종래의 맵 빌딩은 실내 환경을 이동하는 중에 특별한 지점에 설치된 각종 센서(자이로센서, 비콘, 레이저 거리게, 이미지센서)로부터 신호를 받아 실내영역의 부가적인 정보를 획득하여 사용하므로, 비용이 증대되고, 이러한 센서를 각 실내마다 설치해야 하는 문제점이 있었다.

또한, 상기와 같은 방법에 의해 맵 빌딩을 완성한다 하더라도, 정확한 맵을 작성할 수 없게 되므로, 장애물과 이동로봇의 충돌현상이 발생하게 되며, 이동성 및 작업능률이 저하되는 등 여러가지 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로, 그 목적은 복잡한 실내공간에 대한 맵 빌딩을 신속하고 용이하게 수행하고, 정확한 맵의 작성에 의해 이동성 및 작업능률을 향상시킬 수 있는 이동로봇의 맵 빌딩방법을 제공하는 것이다.

도 1 은 본 발명에 따른 흐름을 보인 블록 예시도를 도시한 것으로, 본 발명은 벽면과 소정간격을 유지하도록 벽면방향으로 이동로봇을 이동시키는 기준점 이동단계(S100)와; 상기 벽면을 따라 이동 가능하도록 이동로봇의 조향각을 조절하고 이동로봇의 위치를 기준점으로 인식하는 방향설정단계(S200)와; 상기 조향각이 조절된 이동로봇의 몸체를 정지상태에서 조향축에 대하여 좌우 대칭으로 스윙동작하면서 다수개의 초음파센서에 의해 스윙 동작 내 범위 내에 위치하는 장애물을 감지하는 장애물 감지단계(S300)와; 상기 감지된 장애물을 인식하고 이를 고려하여 벽면을 따라 이동로봇을 소정거리만큼 이동시킨 다음 정지시키는 이동단계(S400)와; 상기 기준점으로 이동로봇이 돌아올 때 까지 벽면을 따라 이동로봇을 이동시키면서 장애물 감지단계 및 이동단계를 순차적으로 다수 번 반복하여 맵을 생성하는 맵 형성단계(S500)를 포함하도록 되어 있다.

도 2 은 본 발명에 따른 장애물 인식을 보인 개념도를 도시한 것으로, 본 발명은 360° 회전되는 터릿과 연결된 이동로봇의 몸체부(11)에 다수개의 초음파 센서(21,22,23)를 설치하고, 상기 초음파센서(21,22,23)가 설치된 몸체부(11)를 제자리에서 스윙동작하면서 초음파센서(21,22,23)를 작동하여 초음파 센서의 분해능을 향상시키도록 되어 있다. 즉, 본 발명은 이동로봇의 스윙동작과 스윙되는 이동로봇의 몸체부에 설치된 다수 개 초음파 센서의 측정에 의해 이동로봇 주위의 장애물을 감지하고 이를 통해 맵 빌딩을 이루도록 되어 있다.

상기 초음파센서(21,22,23)는 이동로봇 몸체부(11)에 설치되어 몸체부의 스윙동작시 일체형으로 회전 이동되는 것으로, 이동로봇의 조향축(100)과 동일한 방 향 및 조향축을 중심으로 양측이 대칭되도록 다수개의 초음파센서가 설치되어 있다.

즉, 도 4 에 도시된 바와 같이, 이동로봇의 진행방향에 대하여 선단 정면에 위치하도록 조향축(100)을 따라 설치되는 제 1 초음파센서(21)와, 상기 조향축에 대하여 직각되는 방향을 감지하도록 이동로봇의 몸체부(10)에 각각 설치되는 제 3 초음파센서(23)와, 상기 제 1,3 초음파센서(21,23) 사이에 위치하고 조향축에 대하여 45°되는 방향을 감지하도록 이동로봇의 몸체부(11)에 각각 설치되는 제 2 초음파센서(22)가 각각 설치되어 있다.

또한, 상기 제 1,2,3 초음파센서(21,22,23)는 모두 동일 높이를 구비하도록 이동로봇의 몸체부(11)에 설치되어 있다.

또한, 상기 이동로봇의 몸체부(11)는 360°무한 회전되는 터릿과 연결되어 있으며, 회전중심축(200)을 기준으로 조향축(100)에 대하여 좌우로 45°∼60°범위내에서 스윙 동작하도록 되어 있다.

상기와 같이 이루어진 본 발명은 회전중심축(200)을 중심으로 한 이동로봇 몸체부(11)의 스윙 동작시, 스윙동작과 연동하여 제 1,2,3 초음파센서(21,22,23)의 설치방향에 따라 각각의 초음파센서가 장애물을 감지하게 되므로, 장애물의 감지영역 및 감지영역에 대한 신뢰도가 향상되고, 이를 통해 장애물을 정확하게 측정하여 표시할 수 있게 된다.

이와 같이 본 발명은 기준점 이동단계(S100) 및 방향설정단계(S200)에 의해 벽면을 따라 이동 가능하도록 기준점에서 이동로봇의 위치가 조절되고, 장애물 감 지단계(S300) 및 이동단계(S400)를 반복수행하여 전체적인 맵을 생성하도록 되어 있다.

상기 기준점 이동단계(S100)는 이동로봇이 위치한 환경내의 벽면을 감지하고 벽면방향으로 이동하는 것으로, 이동로봇의 스윙동작에 따른 초음파센서의 감지에 의해 벽면을 감지하거나, 자기위치 인식에 따른 근접 벽면을 감지하여, 벽면과 소정간격을 유지할 때까지 이동로봇을 이동시킨다.

상기 자기위치 인식에 따른 근접 벽면 감지는 출발점으로부터 이동된 주행방향 및 거리를 측정하고, 이동로봇의 상부에 설치된 카메라에 의해 천정영역의 영상을 획득한 다음, 획득된 영상과 미리 설치되어 있는 천정 지도를 대비하여 이동로봇의 현재위치를 인식하며, 이와 같은 현재위치 인식에 따라 근접한 벽면을 감지한다.

이와 같이 벽면으로 이동되는 이동로봇은 스윙동작에 따른 벽면과 이동로봇의 충돌을 방지 및 초음파센서의 스캔 영역을 고려하여 몸체 회전축을 기준으로 가장 큰 회전반경을 구비하는 몸체 끝단부위와 벽면까지의 거리(L)가 약 8∼12㎝ 정도 간격을 유지하도록 이동한다.

상기 장애물 감지단계(S300)는 이동로봇의 주위에 위치한 장애물을 초음파센서에 의해 감지하는 것으로, 이동로봇의 스윙동작과 함께 다수개의 초음파센서가 동시 작동되어 이동로봇의 정면 및 양 측면을 동시에 스캔 하도록 되어 있다.

이때, 상기 이동로봇의 스윙동작은 조향축을 기준으로 좌우 약 45°∼60°범위내에서 스윙동작하며, 45°미만으로 스윙할 경우, 이동로봇의 양측에 위치한 장애물의 인식확률이 저하되고, 60°초과하여 스윙할 경우 스윙폭의 확대로 인하여 작업시간이 지연되고 중복 측정되는 부위가 필요이상으로 확대되므로, 효율이 저하되게 된다.

이와 같이 본 발명은 약 90°∼120°의 스윙동작과 함께, 동일높이를 구비하며 조향각에 대하여 약 45°간격으로 설치된 다수개의 초음파센서의 조합에 의해 장애물을 감지하도록 즉, 초음파센서의 스캔 효과에 의해 장애물을 감지하게 된다. 이와 같이 본 발명은 스윙동작과 이에 따른 초음파센서의 배치에 의해 맵 빌딩이 이루어지도록 되어 있다.

상기 이동단계(S400)는 스윙 동작 후 다수개의 초음파센서에 의해 인식된 장애물 및 미리 설정 입력된 벽면정보를 바탕으로 소정거리만큼 이동로봇을 이동시키는 것으로, 이동단계에 의해 이동로봇은 1회 벽면을 따라 약 15∼30㎝ 정도 바람직하게는 약 20㎝ 이동된다.

또한, 벽면을 따라 이동로봇의 이동시, 이동로봇은 스윙동작에 따른 초음파센서의 벽면감지 및 이동시 초음파센서로부터 입력되는 값에 의해 자세를 보정하도록 되어 있다.

즉, 다수개의 초음파센서에 의해 측정된 거리데이터의 유효 값 여부를 판단하는 유효 값 인식단계와, 상기 유효 값 판단에 의해 측정된 거리데이터로부터 이 동로봇과 벽면의 각도를 측정하는 각도 측정단계와, 상기 측정된 각도에 따라 청소로봇의 위치를 인식하여 각도에 따라 이동로봇의 위치를 보정하는 자세보정단계를 통해 이동로봇의 자세를 보정하도록 되어 있다.

또한, 본 발명은 상기의 값과 미리 입력된 천정의 정보 대비에 의한 위치측정방법을 병행하여 자세를 보정할 수 있다. 즉, 설정된 천장지도와 주행에 따라 카메라 및 어안렌즈를 통해 획득한 천장영상 정보를 비교하여 특정요소를 대비하고, 이에 따라 이동로봇의 실제위치를 확인하여 자기 위치를 추정하는 자기위치 측정방법과 병행하여 정확한 주행방향 및 위치를 추정할 수 있다.

도 3 는 본 발명과 종래기술에 따른 장애물 인식정도를 보인 예시도를 도시한 것으로, 초음파센서는 반사되는 초음파를 탐지하여 거리를 측정하도록 되어 있으므로, 도 3 에 도시된 바와 같이 장애물이 곡선을 구비하는 원형일 경우, 종래의 측정방법으로는 이동로봇과 가장 가까운 장애물의 일부만이 장애물로 감지되게 되며, 전체적인 장애물의 형상은 감지되지 못하게 됨을 알 수 있다. 또한, 이동로봇에 설치된 다수개의 초음파가 모두 전방을 향하도록 설치되어 있을 경우, 측면에 위치하는 장애물에 대한 감지는 이루어지지 않게 된다.

이에 반하여 본 발명은 정지된 상태에서 90°∼120°의 스윙 동작을 하고, 이에 따라 약 45°간격으로 설치된 다수개의 초음파센서에 의해 장애물이 감지되므로, 곡선을 구비한다 하더러도 장애물의 측면까지 감지하여 표시하게 되고, 측면에 위치하는 장애물도 동시에 감지하여 표시할 수 있다.

즉, 본 발명은 스윙동작에 의해 제 1,2,3 초음파센서의 감지영역 확대 및 중복에 의해 장애물 존재에 따른 신뢰도가 향상되고, 곡선을 구비하는 장애물의 표면이 표시될 뿐만 아니라, 양측에 위치하는 장애물이 동시에 감지/인식되어 표시되게 된다.

도 5 는 본 발명과 종래기술에 따른 장애물 인식비교를 보인 예시도를, 도 6 는 본 발명과 종래기술에 따른 전체 맵 비교를 보인 예시도를 도시한 것으로, 동일한 지역 환경 내에서 기존 방법 및 본 발명에 의해 장애물을 감지하였으며, 이에 대한 결과를 도시한 것이다.

도 5 를 살펴볼 경우, 종래의 장애물 인식방법의 경우, 초음파 스캔 영역은 각각 별도로 이루어지고, 이에 따라 인식된 장애물의 형상 역시 각각 별도로 분리 형성되어 하나의 장애물이 아니라 별도의 장애물로 인식될 수 있으나, 본 발명의 경우, 초음파 스캔 영역이 연속적으로 형성되고, 이에 따라 인식된 장애물의 형상 역시 하나로 이어져 있어, 하나의 장애물임을 확연하게 알 수 있다.

또한, 도 6 을 살펴볼 경우, 이동로봇의 벽면이동에 따라 작성된 초음파 맵의 경우, 완전한 폐곡을 이루어야 하나, 기존 방법에 의해 형성된 맵(왼쪽)의 경우, 스캔 영역이 미치지 못하는 사각지역이 발생하게 되므로, 장애물이 하나로 이어지지 못하고 중간 중간이 끊어진 형상을 구비하게 된다. 이와 같이 중간 중간이 끊어진 형상을 구비할 경우, 별도의 작업을 통해 맵을 하나의 완전한 폐곡으로 형성해야 하는 불편함이 있다.

그러나, 본 발명에 의해 생성된 맵(오른쪽)은 하나의 완전한 폐곡을 형성하므로, 정확한 장애물의 인식 및 별도의 작업이 불필요함을 알 수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 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.

이와 같이 본 발명은 다수개의 초음파가 설치된 이동로봇의 몸체가 스윙 동작을 하면서 초음파센서에 의해 장애물을 감지하도록 되어 있어, 초음파 센서의 분해능을 향상시키고, 이를 통해 장애물의 형태를 더욱 확실하게 표시할 수 있으며, 장애물의 정확한 위치 및 세밀한 정보를 획득할 수 있다. 또한, 스윙동작을 하므로, ㅊ동로봇의 진행방향에 대하여 정면과 양 측면을 동시에 감지할 수 있다.

또한, 본 발명은 스윙동작에 따른 초음파 센서의 감지에 의해 장애물을 실시간 측정하여 맵을 형성하므로, 별도의 센서 및 이에 따른 마킹 수단을 설치할 필요가 없으며, 이로 인해 전체적인 소요비용을 절감할 수 있는 등 많은 효과가 있다.

Claims

벽면과 소정간격을 유지하도록 벽면방향으로 이동로봇을 이동시키는 기준점 이동단계;

상기 벽면을 따라 이동 가능하도록 이동로봇의 조향각을 조절하고 이동로봇의 위치를 기준점으로 인식하는 방향설정단계;

상기 조향각이 조절된 이동로봇의 몸체를 정지상태에서 조향축에 대하여 좌우 대칭으로 스윙동작하면서 다수개의 초음파센서에 의해 스윙 동작 내 범위 내에 위치하는 장애물을 감지하는 장애물 감지단계;

상기 감지된 장애물을 인식하고 이를 고려하여 벽면을 따라 이동로봇을 소정거리만큼 이동시킨 다음 정지시키는 이동단계;

상기 기준점으로 이동로봇이 돌아올 때 까지 벽면을 따라 이동로봇을 이동시키면서 장애물 감지단계 및 이동단계를 순차적으로 다수 번 반복하여 맵을 생성하는 맵 형성단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 이동로봇의 맵 빌딩방법.
제 1 항에 있어서;

상기 기준점 이동단계는 이동로봇의 스윙동작에 따른 초음파센서의 감지에 의해 벽면을 감지하거나,

출발점으로부터 이동된 이동로봇의 주행방향 및 거리를 측정하고, 이동로봇 의 상부에 설치된 카메라에 의해 천정영역의 영상을 획득한 다음, 획득된 영상과 미리 설치되어 있는 천정 지도를 대비하여 이동로봇의 자기위치를 인식하며, 자기위치 인식에 따른 근접 벽면을 감지하여,

벽면과 소정간격을 유지하도록 이동로봇을 이동시키는 것을 특징으로 하는 이동로봇의 맵 빌딩방법.
제 2 항에 있어서;

상기 이동로봇은 몸체부 회전축을 기준으로 가장 큰 회전반경을 구비하는 몸체 끝단부위가 벽면으로부터 8∼12㎝ 간격을 유지하도록 이동되는 것을 특징으로 하는 이동로봇의 맵 빌딩방법.
제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서

상기 이동로봇은 조향축을 기준으로 좌우 약 45°∼60°내에서 스윙 동작하는 것을 특징으로 하는 이동로봇의 맵 빌딩방법.
제 4 항에 있어서,

상기 이동로봇에는 이동로봇의 진행방향에 대하여 선단 정면에 위치하도록 조향축을 따라 설치되는 제 1 초음파센서와, 상기 조향축에 대하여 직각되는 방향을 감지하도록 이동로봇의 몸체에 각각 설치되는 제 3 초음파센서와, 상기 제 1,3 초음파센서 사이에 위치하고 조향축에 대하여 45°되는 방향을 감지하도록 이동로봇의 몸체에 각각 설치되는 제 2 초음파센서가 각각 동일 높이를 구비하도록 몸체부에 설치된 것을 특징으로 하는 이동로봇의 맵 빌딩방법.
제 1 항에 있어서,

상기 이동단계시 이동로봇은 벽면을 따라 15∼30㎝ 이동되는 것을 특징으로 하는 이동로봇의 맵 빌딩방법.
제 1 항 또는 제 6 항에 있어서,

상기 이동단계는 다수개의 초음파센서에 의해 측정된 거리데이터의 유효 값 여부를 판단하는 유효 값 인식단계;

상기 유효 값 판단에 의해 측정된 거리데이터로부터 이동로봇과 벽면의 각도를 측정하는 각도 측정단계;

상기 측정된 각도에 따라 청소로봇의 위치를 인식하여 각도에 따라 이동로봇의 위치를 보정하는 자세보정단계를 통해, 벽면을 따라 이동되는 이동로봇의 자세를 보정하는 것을 특징으로 하는 이동로봇의 맵 빌딩방법.
제 7 항에 있어서,

상기 이동단계는 이동로봇에 설정된 천정 지도와 이동로봇의 주행에 따라 카메라 및 어안렌즈를 통해 획득한 천장 영상 정보를 비교하여 특정요소를 대비하고, 이에 따라 이동로봇의 실제위치를 확인하여 자기 위치를 추정하는 자기 위치 추정단계를 더 포함하여 벽면을 따라 이동되는 이동로봇의 자세를 보정하는 것을 특징으로 하는 이동로봇의 맵 빌딩방법.