KR100860966B1 - 이동 로봇의 위치 추정 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이동 로봇의 위치 추정 방법 및 장치에 관한 발명으로서 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇의 위치 추정 방법은 소정의 신호 발신 장치로부터 발신된 제 1 신호 및 제 2 신호를 이동 로봇에 구비된 제 1 신호를 수신하는 센서와 제 2 신호를 수신하는 셋 이상의 센서에 의해 제 1 신호 및 제 2 신호를 수신하는 단계, 제 1 신호에서 추출된 시간정보를 사용하여 제 2 신호를 수신하는 각 센서까지의 발신 거리를 계산하는 단계 및 발신 거리로부터 이동 로봇의 위치를 계산하는 단계를 포함하며, 제 2 신호는 신호 발신 장치로부터 2회 이상 발신되며, 제 2 신호를 감지하는 각 센서는 최초 수신된 제 2 신호의 측정 결과에 따라 이후 수신될 제 2 신호의 증폭 여부를 계산한다.
로봇, 원격제어, 삼각형, 장애물, 이동, 센서

Description

이동 로봇의 위치 추정 방법 및 장치{Method for estimating position of moving robot and apparatus thereof}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구성을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호와 이동 기능의 연동을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리모트 컨트롤과 로봇 간의 상호 작용을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 2 신호의 수신 방식을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 2 신호의 증폭을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호의 레벨을 바탕으로 증폭 여부를 판단하는 과정을 보여주는 도면이다.
도 7은 도 6에 이어, 본 발명의 일 실시예에 따른 수신한 신호의 파형 검출 과정을 보여주는 도면이다.
도 8은 도 6과 도 7의 과정을 통해 계산된 t1, t2를 사용하여 h를 추정하는 과정을 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 신호의 수신 시각을 측정하는 과정 을 보여주는 도면
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서가 센싱한 결과에 따른 거리 정보를 이용한 상황 판단의 과정을 보여주는 도면이다.
도 11은 도 10의 센서의 위치에 따른 영역을 분할하여 표시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 장애물이 없는 경우 리모트 컨트롤의 위치를 계산하는 과정을 보여준다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 장애물이 있는 경우 두 개의 센서를 사용하여 리모트 컨트롤의 위치를 계산하는 과정을 보여준다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 순서도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 구성요소를 보여주는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
510: 레벨 측정부 520: 증폭치 결정부
530: 측정신호 검출부 540: 시각 계산부
900: 피크시간 측정부 910: 인벨로프 감지부
920: 미분기 930: 비교부
1500: 로봇 1505: 제 1 신호 수신부
1510, 1511, 1512: 제 2 신호 수신부 1520: 거리 계산부
1530: 증폭치 결정부 1540: 피크시간 측정부
1550: 장애물 판단부 1560: 이동부
본 발명은 이동 로봇의 위치 추정 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 신호 발생 장치를 통해 발신된 신호를 이용해 이동 로봇의 위치를 추정하는 이동 로봇의 위치 추정 방법 및 장치에 관한 것이다.
많은 기기들은 고정된 위치에서 기능을 수행한다. 그러나, 고정되지 않은 경우, 그 기능을 효율적으로 발휘하지 못하는 경우가 있다. 최근에 이동하는 로봇의 개발이 진행되면서, 로봇의 이동에 대한 관심과 연구가 증대되고 있다.
그런데, 로봇을 이동시키는 조작에 있어서, 사용자가 원하는 위치를 정확하게 표시하기도 어렵지만, 로봇을 해당 위치로 이동시키는 것도 어렵다. 종래에는 로봇을 이동시키기 위해 로봇을 사용자가 직접 들고 이동하거나 또는 리모콘으로 조작하는 방식이 제시되었다.
리모트 컨트롤을 사용할 경우, 사용자가 원격에서 로봇을 제어할 수 있다는 장점이 있으나, 로봇의 위치를 정확하게 파악하여 장애물을 피하거나 원하는 위치까지 이동시키도록 로봇을 자동 제어하는 것에 어려움이 있어왔다. 한국 공개 특허 2002-0049784호를 살펴보면, 리모트 컨트롤을 통해 청소 로봇을 제어하지만, 장애물을 회피하기 위해 별도의 센서를 부착하여 계산 과정을 수행하는 등, 복잡하게 구현되어 있다. 또한 신호가 장애물에 가려져서 제대로 추출하지 못하는 경우도 발생한다.
따라서, 리모트 컨트롤을 사용할 경우의 로봇의 위치를 정확하게 파악하기 위해 신호의 정확한 검출을 가능하게 하는 방법이 필요하다.
본 발명은 상기한 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 신호 발생 장치에 의해 발신된 신호를 정확하게 검출하여 이동 로봇의 위치 추정의 정확도를 높이는 데 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 로봇의 이동에 있어서 목표지점까지 정확하게 이동하면서도 장애물을 판단할 수 있도록 하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇의 위치 추정 방법은 소정의 신호 발신 장치로부터 발신된 제 1 신호 및 제 2 신호를 이동 로봇에 구비된 상기 제 1 신호를 수신하는 센서와 상기 제 2 신호를 수신하는 셋 이상의 센서에 의해 상기 제 1 신호 및 제 2 신호를 수신하는 단계; 상기 제 1 신호에서 추출된 시간정보를 사용하여 상기 제 2 신호를 수신하는 각 센서까지의 발신 거리를 계산하는 단계 및; 상기 발신 거리로부터 상기 이동 로봇의 위치를 계산하는 단계를 포함하며, 상기 제 2 신호는 상기 신호 발신 장치로부터 2회 이상 발신되며, 상기 제 2 신호를 감지하는 각 센서는 최초 수신된 제 2 신호의 측정 결과에 따라 이후 수신될 제 2 신호의 증폭 여부를 계산한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇의 위치 추정 장치는 소정의 신호 발신 장치로부터 발신된 제 1 신호를 수신하는 제 1 신호 수신부; 상기 신호 발신 장치로부터 발신된 제 2 신호를 수신하는 셋 이상의 제 2 신호 수신부; 상기 제 1 신호에서 추출된 시간정보를 사용하여 상기 제 2 신호를 수신하는 각 센서까지의 발신 거리를 계산하는 거리 계산부; 및 상기 발신 거리로부터 상기 이동 로봇의 위치를 계산하는 위치 계산부를 포함하며, 상기 제 2 신호를 상기 신호 발신 장치로부터 2회 이상 발신되며, 상기 거리 계산부는 상기 제 2 신호 수신부에 최초 수신된 제 2 신호의 측정 결과에 따라 이후 수신될 제 2 신호의 증폭 여부를 계산하는 증폭치 결정부를 포함한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다
이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 이동 로봇의 위치 추정 방법 및 장치를 설명하기 위한 블록도 또는 처리 흐름도에 대한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다. 이 때, 처리 흐름도 도면들의 각 블록과 흐름도 도면들의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑제되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록은 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실행예들에서는 블록들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나 서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구성을 보여주는 도면이다. 도 1에서 신호 발생 장치(110)는 로봇(120)에 두 종류의 신호(130)를 발신한다. 신호 발생 장치(110)는 벽면 등과 같이 고정된 위치에서 신호를 발생시킬 수 있으나, 바람직하게는 도 1에서와 같이 사용자에 의해 조작 가능한 리모콘(110) 등의 이동이 가능한 신호 발생 장치(110)로부터 신호를 발생시킨다. 두 종류의 신호라 함은 속도로 나눌 수 있다. 예를 들어 한 종류로 RF신호의 경우, 발신에서 수신에 이르기까지 거의 시간이 소요되지 않는다. 그리고 다른 종류, 예를 들어 거리를 측정할 수 있을 정도의 시간적 차이를 가지는 초음파 신호와 같은 신호를 포함한다. 두 종류의 신호를 발생시킴으로써, 로봇(120)은 리모트 컨트롤(110)의 위치를 파악하여 이동을 할 수 있다.
또한, 리모트 컨트롤(110)을 이용하여 복수의 위치에서 신호를 발신하여 이동 로봇(120)은 각각에 대한 리모트 컨트롤(110)의 위치를 저장할 수 있다. 복수의 저장된 위치로부터 이동 로봇(120)은 이동 경로 패턴을 형성하여 형성된 이동 경로 패턴에 따라서 이동을 한다. 예를 들어 청소 로봇(120)의 경우에, 사용자는 청소할 영역에 대하여 각 모서리 지점에서 리모트 컨트롤(110)로부터 신호를 발신한다. 그리고, 전술한 방법으로 계산된 각 지점의 위치가 청소 로봇에 저장된다. 저장된 각 위치로부터 청소 로봇(120)의 청소 경로 패턴을 형성하고, 청소 경로 패턴에 따라 서 청소 로봇을 이동시키면서 청소를 수행할 수 있다. 이동 경로 패턴은 복수의 신호 발생 장치의 위치를 연결한 폐곡선 내에 형성될 수 있다. 예를 들어, 청소 로봇으로 카펫을 청소하고자 할 때, 사용자는 카펫의 네 모서리 위치에서 리모트 컨트롤을 이용해서 신호를 순차적으로 발신한다. 이때, 각 위치에서 발신된 신호로부터 이동 로봇은 리모트 컨트롤의 네 위치를 계산하여 저장한다. 이때, 네 개의 위치로부터 카펫의 형상인 직사각형의 폐곡선을 형성할 수 있는데, 이때 청소 로봇의 이동 경로는 형성된 폐곡선 내에 지그재그 또는 나선형 등으로 생성될 수 있다. 이때, 카펫의 전면적을 청소할 수 있도록 폐곡선 내에 이동 경로가 생성되어야 할 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호와 이동 기능의 연동을 보여주는 도면이다. 리모트 컨트롤(230)은 두 종류의 신호를 생성하여 로봇(250)에 발신한다. 로봇(250)의 센서(251, 252, 254, 256)는 리모트 콘트롤의 제 1 신호 발생부(210)에서 생성한 신호(262)와 제 2 신호 발생부(220)에서 생성한 신호(264, 266)를 수신한다. 예를 들어 제 1 신호 발생부(210)는 RF(Radio Frequency) 또는 IR(Infra Red) 신호를 발생시키고, 이와 동시에 제 2 신호 발생부(220)가 초음파 신호를 발생하는 경우, RF 또는 IR의 신호의 특성상 제 1 신호 발생부(210)가 신호를 송신함과 동시에 로봇(250)이 제 1 신호를 감지하는 반면, 제 2 신호는 초음파의 경우 일정 시간이 지나서 로봇(250)의 센서에 도착하므로, 제 1 신호가 수신된 시점과 제 2 신호가 수신된 시점을 계산하여 리모트 컨트롤의 거리와 위치를 계산할 수 있다. 한편, 도 2에서는 상기 초음파 신호의 수신 정확도를 향상시키기 위해 2회의 초음 파 신호를 송신하며, AGC(Auto Gain Control)신호, 즉, 처음에 전송되는 초음파 신호(264)를 통해 초음파 신호의 증폭 여부 또는 증폭 크기를 설정하고, 그 다음에 센싱되는 초음파 신호(266)인 측정 신호를 감지할 수 있도록 한다.
도 2에서와 같이 두 번의 신호를 전송할 경우, 초음파 신호가 왜곡되거나 파형이 낮아진 경우에 어떻게 증폭할 것인지를 판단하는 잣대가 될 수 있다. 또한 두 종류의 서로 다른 신호를 송신함으로써, 신호 검출의 정확도를 높여 거리 정보를 정확하게 계산할 수 있다. 제 2 신호 발생부(220)에서 생성한 신호를 감지시 로봇(250)은 거리 정보의 정확한 판단을 위해 다수의 센서(252, 254, 256)를 사용한다. 전술한 바와 같이 제 1 신호를 통해 제 2 신호를 수신하는데 소요된 시간을 계산할 수 있으며, 그 결과 각각의 센서(252, 254, 256)는 리모트 컨트롤까지의 길이 각각(L1, L2, L3)를 계산할 수 있다. 센서들 간의 거리와 L1, L2, L3를 계산하여 리모트 컨트롤의 위치를 계산한다. 세 개의 센서를 사용할 수 있으며, 센서의 개수가 늘어날수록 거리의 정확도는 비례할 수 있다. 다만, 센서의 개수와 계산량의 증가라는 점이 트레이드 오프(trade off)가 될 수 있다. 본 명세서에서는 제 2 신호를 수신하는 센서가 세 개이고, 제 1 신호를 수신하는 센서가 하나인 경우를 예로써 설명하지만, 본 발명이 이에 국한되는 것은 아니다. 다수의 센서를 사용하여 거리를 측정하는 방법에 대해서는 후술하고자 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리모트 컨트롤과 로봇 간의 상호 작용을 보여주는 도면이다.
리모트 컨트롤(310)은 사용자가 리모트 컨트롤의 버튼을 누를 경우, 제 1 신 호와 제 2 신호를 송신한다. 제 1 신호와 제 2 신호는 동시에 또는 순차적으로 송신할 수 있다. 로봇(320)과 미리 약속된 방식에 따라 제 1 신호와 제 2 신호를 송신할 수 있다.
로봇(320)은 제 1 신호를 수신하고 수신한 시각인 t를 기록한다. 그리고 그 다음 수신되는 제 2 신호의 수신 시각을 측정한다. 이때, 도 2에서 살펴본 바와 같이 센서에 따라 수신되는 시각이 다를 수 있다. 도 3에서는 세개의 센서를 사용하여 제 2 신호의 수신 시각인 a1, a2, a3를 측정한 경우를 보여준다. 그리고 앞서 기록한 제 1 신호의 수신 시각 t와 a1, a2, a3를 사용하여 리모트 컨트롤까지의 거리를 계산한다. 그리고 리모트 컨트롤의 위치인 거리 및 각도 정보(R, θ)를 계산하여 리모트 컨트로을 기준으로 로봇의 위치를 계산할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 2 신호의 수신 방식을 보여주는 도면이다. 종래의 방식(410)에서는 센서가 기준 값(Threshold) 이상의 신호가 발생하면 새로운 신호가 발생한 것으로 판단하여 해당 신호를 검출한다. 그러나 이 경우, 송, 수신부의 거리에 변화가 생기거나 송신부의 방향이 틀어지는 등의 여러 요인에 의해 신호의 크기가 작아지면 기준값 보다 낮은 수준에서 감지될 수 있는데, 이때에는 신호가 검출되지 않을 수 있다. 따라서 본 명세서에서는 신호를 감지할 수 있도록 하는 한 가지 예시를 제안하고 있다.
450에서 살펴볼 때, 도 2에서 살펴본 제 2 신호를 두 번에 나누어 보낸다. 제 1 신호 이후에 AGC 신호(452)를 감지하면, 제 2 신호를 감지하는데 필요한 증폭의 정도를 계산할 수 있다. 계산된 증폭 정도에 따라 이후 수신되는 측정 신 호(454)를 증폭하여 검출할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 2 신호의 증폭을 보여주는 도면이다. 이러한 증폭 메커니즘은 도 2의 센서(252, 254, 256)에 구현될 수 있다. 제 2 신호는 증폭부(550)를 통해 수신된다. 처음 수신되는 신호는 AGC 신호가 된다. 레벨 측정부(510)는 수신된 AGC 신호의 크기 및 새추레이션(saturation) 정도(문턱값에 대한 도달 정도)를 파악한다. 증폭치 결정부(520)는 레벨 측정부(510)에서 파악한 데이터를 사용하여 앞으로 수신할 측정 신호에 대한 증폭치를 결정한다. 이 결정은 증폭부(550)에 피드백 된다.
일정 시간 후에 측정 신호가 수신되면, 증폭부(550)는 해당 신호를 상기 결정된 증폭치에 따라 증폭한다. 증폭된 신호는 측정 신호 검출부(530)를 통해 측정 신호인지 여부를 판단하게 되고, 측정 신호라고 판단되면 시각 계산부(540)를 통해 수신된 시각을 검출하게 된다. 검출된 시각은 도 3에서 살펴본 바와 같은 a1, a2, a3가 될 수 있으며, 각 센서가 측정한 측정 신호의 수신 시각을 비교하여 리모트 컨트롤의 위치를 계산할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호의 레벨을 바탕으로 증폭 여부를 판단하는 과정을 보여주는 도면이다. 도 6은 문턱값에 도달하지 않은 경우의 증폭을 보여준다.
센싱되는 신호는 도 6과 같은 신호 레벨 내의 여러 영역 중 하나를 만족시키게 된다. 이때, 판단 근거는 신호의 포락선(Envelope)(610)의 높이(h)가 될 수 있다. 문턱값 영역(620)에 도달하지 못하는 신호의 경우, 전압 레벨 비교기를 이용하 여, 각각의 비교기 출력을 이용하여 기대 영역에 출력이 올 수 있도록 조정한다. 예를 들어, 630과 같은 신호는 인벨로프의 높이가 낮으며 기대 영역에 포함되지 않으므로 기대 영역에 포함되도록 증폭시킨다.
도 7은 도 6에 이어, 본 발명의 일 실시예에 따른 수신한 신호의 파형 검출 과정을 보여주는 도면이다. 도 7은 문턱값에 도달한 경우의 증폭을 보여준다.
입력된 신호(710)의 파형 검출 시점부터 처음 신호가 특정 전압 레벨 V1을 통과한 시각 t1과 특정 전압 레벨 V2를 통과한 시점 t2를 이용하여, 수신 신호의 최대 진폭 h를 예측한다. H를 이용하여 현재 증폭부의 게인(gain)을 조정한다. 예를 들어 게인 조절 비율은 1/2 * 1/h = 1/(2h) 가 될 수 있다.
도 8은 도 6과 도 7의 과정을 통해 계산된 t1, t2를 사용하여 h를 추정하는 과정을 보여주는 도면이다.
실험을 통해 t1, t2의 입력값과 h의 관계를 테이블로 저장하거나 또는 회기식으로 구할 수 있다. 도 8의 810과 같이 두 전압 V1과 V2의 차이와 t1 및 t2의 차이의 비율을 구하여, 이를 통해 소정의 피크(peak) 값을 산출 할 수 있다.
도 8에서 입력된 t1, t2와 미리 정의된 V1, V2를 통해 기울기 x를 산출할 수 있다. 기울기 x에 P1과 P2를 대입하여 피크 값 peak(h)를 예측할 수 있다. 810은 상기 과정을 통해 산출한 예측값과 실제 값을 비교한 그래프이다.
도 8의 그래프(820)를 살펴보면, 산술적으로 계산된 값(또는 예측된 값)은 일정하게 증가하는 반면, 원래의 값, 즉 실제 피크값은 계산된 값의 주변에 존재함을 알 수 있다. 이러한 결과를 피드백 하여, 실제 피크값과 계산된 값의 차이가 많 은 경우 P1, P2의 값을 조절하는 방안도 가능하다.
도 6 내지 도 8의 과정을 통해 AGC 신호를 측정하게 되면 두번째로 수신되는 신호인 측정 신호를 처리하는 과정이 필요하다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 신호의 수신 시각을 측정하는 과정을 보여주는 도면이다. 두번째 신호(측정 신호, 950)가 피크 시간 측정부(900)로 입력되면 인벨로프 감지부(910)는 인벨로프를 감지한다. 그 결과 952와 같은 파형을 산출한다. 이는 미분기(Differentiator)(920)에 입력되고 미분기를 통해 954와 같이 신호의 미분된 결과가 산출된다. 미분된 결과를 사용하여, 비교부(930)는 특정 레벨과 비교하여 956과 같이 피크된 신호를 생성한다. 그리고 해당 신호가 도달한 시각을 측정한다. 측정한 시각(ta)는 이전에 수신한 제 1 신호의 수신 시각과 비교하여 리모트 컨트롤의 위치를 측정할 수 있다. 피크 시간 측정부(900)는 제 2 신호를 수신하는 각 센서들에 포함될 수 있다.
거리의 측정은 제 2 신호를 수신하는 다수의 각 센서들에 의해 감지된 제 2 신호 중에서 측정 신호의 피크 시간 측정을 통해 리모트 컨트롤까지의 거리를 계산하는 것을 통해 이루어진다. 계산하는 일 실시예는 수학식 1과 같다.
L = v * T (m), v = 0.61 * (온도) + 331.5(m/s), T = 신호의 시간차이
제 1 신호와 제 2 신호가 수신된 시점의 시간적 차이T를 수학식 1에 대입하여 거리를 구할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서가 센싱한 결과에 따른 거리 정보 를 이용한 상황 판단의 과정을 보여주는 도면이다.
리모트 컨트롤(1010)에서 송신한 제 2 신호는 세 개의 센서(1001, 1002, 1003)에서 감지되고, 각 센서가 감지하여 계산한 거리 정보 L1, L2, L3에 의해 리모트 컨트롤(1010)의 위치를 파악할 수 있다. 한편, 이러한 위치 파악 이외에도 리모트 컨트롤과 센서 사이에 어떤 다른 장애물이 존재하는지도 판단할 수 있다.
먼저 삼각형의 두변의 길이의 합은 한변의 길이보다 길다는 정리에 바탕을 두고, 수학식 2, 수학식 3, 수학식 4가 도출된다. 이때, 센서 두 개가 일직선으로 존재할 수 있으므로, 두변의 길이의 합은 한변의 길이보다 길거나 같을 수 있다는 가정에 바탕을 두고 다음과 같은 수식을 전개할 수 있다.
L1 ≤ L2+d1, |L1 - L2| ≤ d1
|L1 - L2| ≤ d1 + Δ (제 1 조건)
L2 ≤ L3+d2, |L2 - L3| ≤ d2
|L2 - L3| ≤ d2 + Δ (제 2 조건)
L3 ≤ L1+d3, |L3 - L1| ≤ d3
|L3 - L1| ≤ d3 + Δ (제 3 조건)
제 1, 2, 3 조건을 모두 만족할 때에는 장애물이 존재하지 않는 정상 상태로 판별한다. 한편, 상기 세 조건 중에서 하나만 만족할 때, 즉 한 센서의 거리가 너무 길거나 짧은 경우에는 다음과 같은 판단이 가능하다.
도 11은 도 10의 센서의 위치에 따른 영역을 분할하여 표시한 것이다.
(1) 한 센서의 거리가 너무 길 경우에는 한 센서만 장애물에 의해 가려졌을 경우가 높다.
예를 들어 제 2 조건만 만족하고 그 센서의 길이(L1)가 다른 두 센서 길이보다 긴 경우, 세가지 경우로 나뉘어 진다. 먼저 |L2 - L3| < Δ 을 만족할 경우, 도 11의 (a) 영역에 리모트 컨트롤의 발신부가 존재함을 나타낸다. 그리고 (L2 >> L3)인 경우, 0도 방향에 발신부가 존재하며, (L2 << L3)인 경우 180도 방향에 발신부가 존재한다.
한편, 제 2 조건만 만족하고 그 센서의 길이(L1)가 다른 두 센서 길이보다 짧은 경우, 두가지 경우로 나뉘어 진다. 먼저 |L2 - L3| < Δ 을 만족할 경우, (b) 영역에 발신부가 존재한다. 다른 경우에는 장애물의 존재만 확인할 수 있다.
(2) 한 센서의 거리가 너무 짧을 경우에는 두 센서가 장애물에 의해 가려졌을 경우가 높다.
한편 상기 세 조건(수학식 2, 3, 4) 중에서 두 개만 만족될 경우 장애물 존재만 확인 가능하다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 장애물이 없는 경우 리모트 컨트롤의 위치를 계산하는 과정을 보여준다.
각 센서의 위치 정보와 리모트 컨트롤까지의 거리 정보 L1, L2, L3의 정보를 알고 있으므로 수학식 5의 해답을 구하여 x, y, z를 구할 수 있다. 좌표 (x,y,z)는 리모트 컨트롤의 위치를 나타내고 (0,0,0)은 로보의 중심 좌표를 나타낸다.
Figure 112007015693230-pat00001
상기 방정식의 해를 통해 x, y, z를 구하고 사용자의 위치를 구하게 된다. 그리고, 사용자의 리모트 컨트롤까지의 거리 R과 각도 Θ를 수학식 6과 같이 구할 수 있다.
Figure 112007015693230-pat00002
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 장애물이 있는 경우 두 개의 센서를 사용하여 리모트 컨트롤의 위치를 계산하는 과정을 보여준다. 이 경우는 세 개의 센서 중에서 장애물에 의해서 한 센서만 가려지고 나머지 두 개의 센서는 가려지지 않은 경우이다.
각 센서의 위치 정보와 리모트 컨트롤까지의 거리 정보 L1, L3의 정보를 알고 있으므로 수학식 7의 해답을 구하여 x, y, z를 구할 수 있다.
Figure 112007015693230-pat00003
그리고 수학식 8과 같은 공식을 사용하여 2차원 상의 거리와 방향을 구할 수 있다.
Figure 112007015693230-pat00004
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 순서도이다. 로봇이 신호 발신 장치부터 발신된 신호를 수신하여 거리 및 방향을 계산하고, 장애물의 존재 유무를 확인한 후에 이동하는 과정을 보여주는 도면이다.
신호 발생 장치로부터 제 1 신호 및 제 2 신호를 수신한다(S1410). 제 1 신호는 전술한 바와 같이 RF/IR 신호와 같이 송신후 수신시까지 시간적 차이가 거의 없는 신호를 채택 가능하며, 제 2 신호는 제 1 신호보다 늦게 전달되는 속성을 가지는 신호로 초음파 등이 될 수 있다. 제 2 신호는 신호 수신의 정확성을 위해 2회 이상 송신될 수 있다. 로봇은 처음으로 수신된 제 2 신호(예를 들어, 전술한 AGC 신호)에서 제 2 신호의 증폭량을 계산한다(S1420). 계산된 증폭량에 따라 두번째 제 2 신호(예를 들어, 전술한 측정 신호)의 도착 시간을 측정한다. 이때, 도착 시간을 측정하는 일 실시예로, 신호의 피크 시점을 구하게 되는데, 이때, 소정 전압에 도달한 시간과 전압간의 비율 차이를 계산하여 피크가 되는 시점을 계산한다(S1430).
제 1 신호 및 상기 계산된 제 2 신호의 수신 시각의 차이를 바탕으로 신호 발신 장치를 기준으로 거리 및 방향을 계산한다(S1440). 또한 이러한 거리 결과를 바탕으로 장애물 여부를 판단한다(S1450). 장애물 여부의 판단은 도 11 및 도 13에서 살펴보았다. 판단 결과 장애물이 존재하는 경우(S1460), 신호 발신 장치의 위치를 예측 또는 판단하여 신호 발신 장치쪽으로 로봇을 이동한다(S1470). 장애물이 존재하지만 두 센서를 이용하여 위치 측정이 가능한 경우, 로봇은 계산된 위치로 이동하고 위치 측정이 가능하지 않은 경우는 장애물이 존재하지 않는 위치로 이동한다. 한편 장애물이 존재하지 않는 경우 S1440 단계에서 계산된 방향으로 계산된 거리만큼 이동한다(S1480).
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 구성요소를 보여주는 도면이다.
각 구성요소는 소프트웨어(software) 또는, FPGA(field-programmable gate array)나 ASIC(application-specific integrated circuit)과 같은 하드웨어(hardware)를 의미할 수 있다.　그렇지만 상기 구성요소들은 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니며, 어드레싱(addressing)할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 실행시키도록 구성될 수도 있다.　상기 구성요소들 안에서 제공되는 기능은 더 세분화된 구성요소에 의하 여 구현될 수 있으며, 복수의 구성요소들을 합하여 특정한 기능을 수행하는 것으로 구현할 수도 있다.　뿐만 아니라, 상기 구성요소들은 시스템 내의 하나 또는 그 이상의 컴퓨터들을 실행시키도록 구현될 수 있다.
로봇(1500)은 다수의 신호 수신부(1505, 1510, 1511, 1512)와 거리 계산부(1520), 위치 계산부(1545)를 포함한다. 또한, 장애물 판단부(1550) 이동부(1560)를 더 포함할 수 있다. 리모트 컨트롤과 같은 신호 발신 장치로부터 발신된 제 1 신호와 제 2 신호는 해당 신호 수신부에서 각각 수신된다. 이때, 제 2 신호는 다수의 신호 수신부(1510, 1511, 1512)에 수신된다.
거리 계산부(1520)는 제 1 신호 및 제 2 신호의 수신 결과를 바탕으로 신호 발신 장치까지의 거리를 계산한다. 이때, 거리 계산에 있어서, 증폭치 결정부(1530)는 최초로 송신되는 제 2 신호를 사용하여 이후 송신될 신호의 증폭 여부를 계산하게 된다. 보다 상세하게는 도 5에서 제시된 바와 같이, 증폭치 결정부는 최초로 송신된 제 2 신호의 신호의 크기를 측정하는 레벨 측정부의 결과를 사용하여 소정 문턱값을 만족시키지 못할 경우 이후 송신될 신호의 증폭여부를 계산하여 증폭량을 피드백하여 설정한다.
피크시간 측정부(1540)는 도 7 내지 도 9에 제시된 바와 같이 제 2 신호의 크기가 제 1 측정치를 만족하는 시간 t1과 제 2 측정치를 만족하는 시간 t2를 계산하여 제 2 신호의 인벨로프의 높이를 계산하고, 상기 인벨로프가 피크가 되는 시각을 계산한다.
위치 계산부(1545)는 거리 계산부(1520)에서 계산된 각 센서 까지의 거리를 바탕으로 신호 발신 장치를 기준으로 한 이동 로봇의 위치 또는 이동 로봇을 기준으로 한 신호 발신 장치의 위치를 계산한다.
또한 본 발명의 이동 로봇의 위치 추정 장치는 장애물 판단부(1550)를 포함할 수 있으며, 신호 발신 장치와 로봇 사이의 장애물을 판단한다. 장애물을 판단하는 과정은 도 11에 제시되었다.
거리 계산부(1520)는 계산된 거리와 방향을 이동부(1560)로 전달하고, 이동부(1560)는 로봇(1500)을 이동시키게 된다.
또한, 본 발명의 이동 로봇의 위치 추정 장치는 위치 계산부로부터 계산된 신호 발생 장치 또는 이동 로봇의 위치를 저장하는 저장부를 더 포함할 수 있다.
또한, 저장부에 저장된 복수의 신호 발생 장치의 위치로부터 이동 로봇의 이동 경로 패턴을 형성하는 이동 경로 패턴 형성부를 더 포함할 수 있다. 이동 경로 패턴 형성부에 의해 형성된 로봇의 이동 경로에 따라 이동부는 이동 로봇을 이동시킬 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명을 구현함으로써 신호 발생 장치를 사용하여 이동 로봇의 위치를 추정하는 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
본 발명을 구현함으로써 신호 검출 능력을 향상시켜 로봇의 위치 추정의 정확도를 향상시킬 수 있다.
본 발명을 구현함으로써 신호 발신 장치와 이동 로봇 사이의 장애물을 판단할 수 있다.

Claims (30)

  1. 소정의 신호 발신 장치로부터 발신된 제 1 신호 및 제 2 신호를 이동 로봇에 구비된 상기 제 1 신호를 수신하는 센서와 상기 제 2 신호를 수신하는 셋 이상의 센서에 의해 상기 제 1 신호 및 제 2 신호를 수신하는 단계;
    상기 제 1 신호에서 추출된 시간정보를 사용하여 상기 제 2 신호를 수신하는 각 센서까지의 발신 거리를 계산하는 단계 및;
    상기 발신 거리로부터 상기 신호 발생 장치의 위치를 계산하는 단계를 포함하며,
    상기 제 2 신호는 상기 신호 발신 장치로부터 2회 이상 발신되며, 상기 제 2 신호를 감지하는 각 센서는 최초 수신된 제 2 신호의 측정 결과에 따라 이후 수신될 제 2 신호의 증폭 여부를 계산하는, 이동 로봇의 위치 추정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발신 거리를 계산하는 단계는 상기 제 1 신호 및 제 2 신호의 수신 시각의 차이에 대한 정보를 사용하여 상기 발신 거리를 계산하는, 이동 로봇의 위치 추정 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 신호는 상기 제 1 신호와 소정의 시간적 간격을 두고 발신되는, 이동 로봇의 위치 추정 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 증폭 여부는
    상기 최초 발신된 제 2 신호가 소정 문턱값을 만족시키지 못할 경우 이후 발신될 신호의 증폭여부를 계산하여 증폭량을 상기 제 2 신호를 수신하는 센서에 피드백하여 설정되는, 이동 로봇의 위치 추정 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 발신 거리를 계산하는 단계는
    상기 제 2 신호의 크기가 제 1 측정치를 만족하는 시간 t1과 제 2 측정치를 만족하는 시간 t2를 계산하여, 상기 제 2 신호의 포락선(envelope)의 높이를 계산하고, 상기 포락선의 높이가 최고가 되는 시각을 이용하여 계산하는 단계를 포함하는, 이동 로봇의 위치 추정 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 포락선의 높이가 최고가 되는 시각을 계산하는 단계는
    상기 t1과 t2의 비율과, 상기 제 1 측정치에서의 전압의 값 V1과 상기 제 2 측정치에서의 전압의 값 V2간의 비율을 계산하는 단계를 포함하는, 이동 로봇의 위치 추정 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 신호를 수신하는 셋 이상의 센서 중 어느 하나가 상기 제 2 신호를 수신하지 못하거나, 또는 상기 발신 거리가 다른 상기 제 2 신호를 수신하는 셋 이상의 센서가 수신하여 계산한 각각의 상기 발신 거리가 수학적 관계식을 충족시키지 못할 경우, 상기 신호 발생 장치와 상기 이동 로봇 사이에 장애물이 존재하는 것으로 판단하는 단계를 더 포함하는, 이동 로봇의 위치 추정 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 신호를 수신하는 센서가 세 개이며,
    상기 판단하는 단계는
    상기 제 2 신호를 수신하는 센서가 수신하여 계산한 상기 제 2 신호가 발신된 위치까지의 거리를 각각 L1, L2, L3라 하고, 상기 세 개의 센서 사이의 거리를 각각 d1, d2, d3일 경우, 상기 L1, L2, L3, d1, d2, d3중 소정의 조합에 따라 삼각형을 구성하는 단계; 및
    상기 구성된 삼각형의 각 변의 길이를 삼각형의 두 변의 길이의 합이 다른 한 변의 길이보다 크다는 상기 수학적 관계식에 대입하여 계산한 결과 장애물이 존재하는 것으로 판단하는 단계를 포함하는, 이동 로봇의 위치 추정 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호 발생 장치의 위치로 상기 이동 로봇을 이동시키는 단계를 더 포함하는, 이동 로봇의 위치 추정 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호 발신 장치는 리모컨인, 이동 로봇의 위치 추정 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 신호는 RF(radio frequency) 또는 IR(infra-red)인, 이동 로봇의 위치 추정 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 신호는 초음파인, 이동 로봇의 위치 추정 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호 발생 장치의 위치를 저장하는 단계를 더 포함하는, 이동 로봇의 위치 추정 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    복수의 상기 저장된 신호 발생 장치의 위치로부터 상기 이동 로봇의 이동 경로 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 이동 경로 패턴에 따라 상기 이동 로봇이 이동하는 단계를 더 포함하는, 이동 로봇의 위치 추정 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 이동 경로 패턴은 상기 복수의 신호 발생 장치의 위치를 연결한 폐곡선 내에 형성되는, 이동 로봇의 위치 추정 방법.
  16. 소정의 신호 발신 장치로부터 발신된 제 1 신호를 수신하는 제 1 신호 수신부;
    상기 신호 발신 장치로부터 발신된 제 2 신호를 수신하는 셋 이상의 제 2 신호 수신부;
    상기 제 1 신호에서 추출된 시간정보를 사용하여 상기 제 2 신호를 수신하는 제 2 신호 수신부까지의 발신 거리를 계산하는 거리 계산부; 및
    상기 발신 거리로부터 상기 신호 발생 장치의 위치를 계산하는 위치 계산부를 포함하며,
    상기 제 2 신호를 상기 신호 발신 장치로부터 2회 이상 발신되며, 상기 거리 계산부는 상기 제 2 신호 수신부에 최초 수신된 제 2 신호의 측정 결과에 따라 이후 수신될 제 2 신호의 증폭 여부를 계산하는 증폭치 결정부를 포함하는, 이동 로봇의 위치 추정 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 거리 계산부는 상기 제 1 신호 및 제 2 신호의 수신 시각의 차이에 대한 정보를 사용하여 상기 발신 거리를 계산하는 시각 계산부를 포함하는, 이동 로봇의 위치 추정 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 2 신호는 상기 제 1 신호와 소정의 시간적 간격을 두고 발신되는, 이동 로봇의 위치 추정 장치.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 거리 계산부는 상기 최초로 송신된 제 2 신호의 신호의 크기를 측정하는 레벨 측정부를 포함하며, 상기 레벨 측정부가 측정한 결과, 소정 문턱값을 만족시키지 못할 경우 상기 증폭치 결정부는 이후 발신될 신호의 증폭여부를 계산하여 증폭량을 피드백하여 설정하는, 이동 로봇의 위치 추정 장치.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 거리 계산부는 상기 제 2 신호의 크기가 제 1 측정치를 만족하는 시간 t1과 제 2 측정치를 만족하는 시간 t2를 계산하여, 상기 제 2 신호의 포락선의 높이를 계산하고, 상기 포락선의 높이가 최고가 되는 시각을 계산하는 피크시간 측정부를 포함하는, 이동 로봇의 위치 추정 장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 피크시간 측정부는
    상기 t1과 t2의 비율과, 상기 제 1 측정치에서의 전압의 값 V1과 상기 제 2 측정치에서의 전압의 값 V2간의 비율을 계산하는, 이동 로봇의 위치 추정 장치.
  22. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 2 신호를 수신하는 셋 이상의 제 2 신호 수신부 중 어느 하나가 상기 제 2 신호를 감지하지 못하거나, 또는 상기 발신 거리가 다른 상기 제 2 신호를 수신하는 셋 이상의 제 2 신호 수신부가 수신하여 계산한 각각의 상기 발신 거리가 수학적 관계식을 충족시키지 못할 경우, 상기 신호 발생 장치와 상기 이동 로봇 사이에 장애물이 존재하는 것으로 판단하는 장애물 판단부를 더 포함하는, 이동 로봇의 위치 추정 장치.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 제 2 신호를 수신하는 제 2 신호 수신부가 세 개이며,
    상기 제 2 신호 수신부가 수신하여 계산한 상기 제 2 신호가 발신된 위치까지의 거리를 각각 L1, L2, L3라 하고, 상기 세 개의 제 2 신호 수신부 사이의 거리를 각각 d1, d2, d3일 경우, 상기 장애물 판단부는 상기 L1, L2, L3, d1, d2, d3중 소정의 조합에 따라 삼각형을 구성하고, 상기 구성된 삼각형의 각 변의 길이를 삼각형의 두 변의 길이의 합이 다른 한 변의 길이보다 크다는 상기 수학적 관계식에 대입하여 계산한 결과 장애물이 존재하는 것으로 판단하는, 이동 로봇의 위치 추정 장치.
  24. 제 16 항에 있어서,
    상기 신호 발생 장치의 위치로 상기 이동 로봇을 이동시키는 이동부를 더 포함하는, 이동 로봇의 위치 추정 장치.
  25. 제 16 항에 있어서,
    상기 신호 발생 장치는 리모컨인, 이동 로봇의 위치 추정 장치.
  26. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 신호는 RF(radio frequency) 또는 IR(infra-red)인, 이동 로봇의 위치 추정 장치.
  27. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 2 신호는 초음파인, 이동 로봇의 위치 추정 장치.
  28. 제 16 항에 있어서,
    상기 신호 발생 장치의 위치를 저장하는 저장부를 더 포함하는, 이동 로봇의 위치 추정 장치.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 저장부에 저장된 복수의 상기 신호 발생 장치의 위치로부터 상기 이동 로봇의 이동 경로 패턴을 형성하는 이동 경로 패턴 형성부; 및
    상기 이동 경로 패턴에 따라 상기 이동 로봇을 이동시키는 이동부를 더 포함하는, 이동 로봇의 위치 추정 장치.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 이동 경로 패턴은 상기 복수의 신호 발생 장치의 위치를 연결한 폐곡선 내에 형성되는, 이동 로봇의 위치 추정 장치.
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