KR100863245B1 - 거리측정 기능을 갖는 비컨, 이를 이용한 위치인식시스템및 그 위치인식방법 - Google Patents

Abstract

개시된 발명은 광의 송출시기와 반사광의 감지시기의 차이에 따라 거리를 측정하는 비컨과 이 비컨을 이용하여 이동체의 위치를 인식하는 위치인식시스템 및 그 인식방법에 관한 것이다. 본 발명은 비컨에 대한 이동체의 상대 위치를 정확하게 인식할 수 있고, 광원으로 지향성을 가지는 적외선 레이져를 사용할 수 있어 이동체가 작업하는 수 있는 작업 공간이 넓어지며, 비컨의 사용 개수를 줄여서 비용을 절감할 뿐만 아니라 소형 로봇에 용이하게 적용할 수 있는 효과가 있다.

Description

거리측정 기능을 갖는 비컨, 이를 이용한 위치인식시스템 및 그 위치인식방법{BEACON CAPABLE OF DETECTING DISTANCE, POSITION RECOGNITION SYSTEM USING THE BEACON AND POSITION RECOGNITION METHOD THEREOF}

도 1은 종래기술에 따른 위상정보를 포함하는 광을 송출하여 위치를 인식하는 로봇시스템의 블록구성도이다.

도 2는 도 1의 회전구동부를 이용하여 광을 일정 각도로 송출하는 동작을 보인 도면이다.

도 3은 종래기술에 따른 위상정보를 포함하는 광 및 초음파를 송출하여 위치를 인식하는 로봇시스템의 블록구성도이다.

도 4는 도 3의 회전구동부를 이용하여 광을 일정 각도로 송출하면서 초음파를 송출하는 동작을 보인 도면이다.

도 5는 본 발명에 따른 위상정보 및 거리정보를 포함하는 광을 송출하여 위치를 인식하는 로봇시스템의 블록구성도이다.

도 6은 도 5의 회전구동부를 이용하여 광을 송출하면서 반사광을 감지하는 동작을 보인 도면이다.

도 7은 본 발명에 따른 일정 높이에 위치하는 광 생성부에서 광 수신부와 광 반사물을 부착한 이동 로봇으로 광을 송출하는 동작을 보인 도면이다.

도 8은 본 발명에 따른 입사되는 광을 재귀 반사하는 광 반사물의 구조를 간략하게 보인 도면이다.

도 9는 본 발명에 따른 광 생성부에서 송출하는 적외선 레이져가 일정 도달거리에 이르는 경우 빔의 퍼짐이 발생하는 현상을 보인 도면이다.

도 10은 본 발명에 따른 거리측정부가 광 생성부로부터 입력받은 송출광 신호와 반사광감지부로 입력받은 반사광 신호의 시간 차이에 따른 거리 정보를 인코더부에 출력하는 동작을 보인 도면이다.

도 11은 도 10의 비교기에서 송출광 신호와 반사광 신호의 시간 차이를 보인 도면이다.

도 12는 본 발명에 따른 위치측정부가 로봇의 위치 및 진행방향을 산출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 13은 본 발명에 따른 로봇의 위치와 진행 방향을 인식하는 동작을 보인 순서도이다.

도 14는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 하나의 단면거울을 이용하여 광을 송출하면서 반사광을 감지하는 동작을 보인 도면이다.

도 15는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 두 개의 단면거울을 이용하여 광을 송출하면서 반사광을 감지하는 동작을 보인 도면이다.

도 16은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 위치인식 시스템의 구성을 개략적으로 보인 도면이다.

본 발명은 이동 로봇의 위치를 인식하는 위치인식 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비컨에서 발신하는 광에 포함된 위상정보와 거리정보를 수신하여 위치를 인식하는 위치 인식시스템 및 그 인식방법에 관한 것이다.

로봇은 산업전반에 걸쳐 이용범위가 더욱 확대되고 있으며 가정용 가사를 분담하는 로봇 등 다양한 기능을 수행하는 로봇이 등장하고 있다. 과거 로봇은 한정된 공간에 고정되어 특정기능을 수행하였지만 이제 로봇은 자율적으로 이동하고 특정된 궤도에서 벗어나 동작하고 있다.

종래의 로봇시스템은 자율 이동 가능한 로봇이 자신의 현재 위치를 인식할 수 있도록 로봇 외부에 광 송출 유닛을 구비한다. 광 송출 유닛은 고정된 위치에서 적외선 또는 전자파 등과 같은 직진성을 갖는 광을 송출하는 복수의 광 송출부를 포함한다. 광 송출부에서 송출된 광은 직진성을 갖기 때문에, 각 광 송출부에서 송출되는 광은 광 송출 유닛의 위치에 따라 일정 영역에 위치하는 로봇에 도달된다.

또한 각 광 송출부는 다른 광 송출부와 구별되도록 고유의 아이디 정보를 포함하는 광을 송출한다. 로봇은 복수의 광 수신부 및 제어부를 포함한다. 광 수신부는 광 송출 유닛으로부터 송출되는 광을 수신하고, 수신된 광의 세기에 관한 정보를 제어부에 출력한다. 제어부는 광 수신부로부터 제공되는 광의 세기에 관한 정보에 기초하여, 광 송출부에 대한 로봇의 상대적인 위치를 인식하도록 되어 있다.

그런데 이러한 종래의 로봇시스템은 광 송출부 및 광 수신부의 스펙에 따라 광의 세기를 측정하는데 영향을 크게 받기 때문에, 광의 세기에 기초한 로봇의 상대적인 위치를 정확히 측정할 수 없는 단점이 있다. 또한 공간상에 송출되는 광의 에너지는 광 송출부로부터 떨어진 거리의 제곱에 반비례하므로, 광의 세기에 기초한 위치 측정에 있어서 광 송출 유닛과 로봇간의 거리에 제약을 받는 단점이 있다.

광의 세기에 기초한 위치 측정 시 나타나는 문제를 고려하여 한국공개특허 10-2005-0016786호에는 비컨에서 발신하는 위상정보를 포함한 광을 수신하여 로봇의 위치를 인식하는 로봇시스템을 개시하고 있다. 이 로봇시스템은 도 1에 도시한 바와 같이, 비컨(1)과 이동 로봇(2)을 포함한다. 비컨(1)은 위치판별용 광을 송출하는 송신부(10)를 회전시키는 회전구동부(30)와, 송신부(10)가 회전구동부(30)에 의해 회전된 위상정보를 위치판별용 광에 포함시키는 인코더부(40)를 포함한다.

도 2를 참고하여, 회전구동부(30)는 단면 거울(33)을 회전 구동하기 위한 모터(31)를 포함한다. 모터(31)에 의해 단면 거울(33)이 회전함에 따라 송신부(10)의 적외선 발신기(11)에서 발신하는 적외선 광은 단면 거울(33)에 의해 일정 위상 각도를 가지고 반사된다. 회전 구동부(30)는 회전 구동되는 거울에 의해 반사되는 광의 위상 정보를 인코더부(40)에 전달하여 적외선 발신기(11)에서 위상 정보를 포함한 적외선 광이 발신되도록 한다. 이에 따라 이동 로봇(2)은 수신부(20)의 적외선 수신기(21)에서 수신된 적외선 광의 위상정보를 기초로 위치측정부(50)에서 이동로봇의 위치를 측정할 수 있다.

그런데 이 로봇제어시스템은 1개의 비컨을 설치할 경우 최소한 3개의 수신 정보가 있어야 로봇의 위치와 방향을 알아 낼 수 있으며, 이때 3개의 수신 정보가 서로 가까운 곳에서 수신된 것이면 로봇의 위치와 방향의 정밀도가 떨어지게 된다.

이에 따라 3개 수신부를 가깝게 설치해야 하는 소형 로봇에 대해서 정확한 위치와 방향을 얻기가 어렵다.

이러한 문제를 해결하기 위해 로봇에 한 개의 수신부만 장착한 후 로봇을 이동시키면서 서로 다른 위치에서 3개의 수신 정보를 획득하여 로봇의 위치를 계산할 수 있으나, 이 경우 로봇이 이동한 거리를 정확히 알아내기 위한 연산을 추가적으로 해야 하는 부담이 있다. 이와 다르게 2개의 비컨을 이용하여 로봇의 위치를 알아내는 방법이 있지만, 비컨의 개수가 늘어나기 때문에 경제적 비용이 커질 뿐만 아니라 두 비컨의 거리가 가까우면 로봇의 위치 정밀도가 떨어지는 문제가 있다.

광을 송출하면서 초음파를 같이 송출하여 로봇의 위치를 인식하는 로봇시스템은 한국 공개 특허 10-2006-0068968호에 개시되어 있다. 이 로봇시스템은, 도 3에 도시한 바와 같이, 비컨(100)과 이동로봇(200)을 포함한다. 비컨(100)은 회전구동부(130)에 의해 회전 구동하는 광 출력부(120)를 통하여 위상정보가 포함된 광을 발신하고 이와 함께 회전구동부(130)의 회전에 맞추어 초음파 송출부(110)를 통하여 초음파를 송출한다. 광 출력부(120)는 적외선 광을 발신하는 광 생성부(121)와 회전구동부(130)에 의해 회전된 위상정보를 위상조절부(140)로부터 제공받아 광 생성부(121)에서 발신하는 적외선 광에 포함시키는 인코더부(122)를 포함한다.

도 4를 참고하여, 회전구동부(130)의 모터(131)는 단면 거울(133)을 회전 구동하며, 광 생성부(121)에서 발신되는 적외선 광은 단면 거울(133)에 의해 일정 각도를 가지고 반사된다. 회전 구동부(130)는 회전 구동되는 거울에 의해 반사되는 광의 위상 정보를 위상 조절부(140)에 전달하고, 위상 조절부(140)는 인코더부(122)에 전달한다.

이 비컨(100)에서 송출하는 광과 초음파를 광 수신부(220) 및 초음파 수신부(210)에서 각각 수신하고 이를 위치측정부(240)에 제공한다. 광방향 검출부(230)는 비컨(100)에서 송출하는 광을 이용하여 로봇의 진행방향을 검출하여 위치측정부(240)에 제공한다. 이동 로봇의 광 수신부(220)를 통해 수신한 위상 정보와 초음파 수신부(210)를 통해 수신한 초음파의 수신 시간 그리고 광 방향 검출부(230)를 통해 검출한 광이 송출된 방향을 이용하여 위치측정부(240)가 로봇의 위치를 계산할 수 있다.

그런데 위상정보를 갖는 광을 송출하는 경우 멀리 까지 송신할 수 있으나 초음파는 장거리 송신할 수 없어서 사용 범위가 제한된다. 즉, 비컨에서 발신하는 광을 먼 곳에 위치한 이동 로봇이 수신한다 하더라도 도달거리가 멀어지면 초음파의 수신 특성이 나빠서 초음파를 수신할 수 없기 때문에, 넓은 영역에서 이동 로봇을 사용하기 어려워 사용범위의 제한을 받는다.

본 발명의 목적은 송출광과 반사광의 시간 차이에 따라 거리를 측정하고 측정된 거리 정보를 광에 포함하는 비컨을 이용하여 이동체의 위치를 인식할 수 있도록 한 거리 측정 기능을 갖는 비컨, 이를 이용한 위치인식 시스템 및 그 위치인식방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 위상 정보 및 거리 정보를 포함하고 도달거리가 먼 적외선 레이져를 위치판별용 광원으로 사용함으로서 넓은 영역에서 이동체를 사용할 수 있도록 한 거리 측정 기능을 갖는 비컨, 이를 이용한 위치인식 시스템 및 그 위치인식방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 하나의 비컨을 사용하여 위치 인식함으로서 비컨의 사용 개수를 줄여 시스템의 구성에 소요되는 비용을 절감하고 소형 로봇에 용이하게 적용할 수 있도록 한 거리 측정 기능을 갖는 비컨, 이를 이용한 위치인식 시스템 및 그 위치인식방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 비컨과 이동체를 포함하는 위치인식시스템에 있어서, 상기 비컨은 상기 이동체의 위치를 판별하기 위해 송출하는 광의 송출 시기와 상기 이동체에 의해 반사되는 광의 감지 시기의 시간 차이에 따라 상기 이동체와 상기 비컨 간의 거리를 측정하고, 상기 이동체는 상기 비컨으로부터 상기 송출광의 위상 정보 및 거리 정보를 수신하여 상기 비컨에 대한 상대 위치를 인식하는 것을 특징으로 한다.

상기 비컨은 지향성을 갖는 광을 송출하는 광 생성부, 상기 반사광을 감지하는 반사광 감지부, 및 상기 송출광의 신호와 상기 반사광의 신호의 입력 시간의 차이 및 광속에 기초하여 거리를 연산하는 거리 측정부를 포함한다.

상기 거리 측정부는 상기 반사광의 감지 신호를 증폭하기 위한 증폭기를 포함한다.

상기 광 생성부는 적외선 레이져를 송출하는 적외선 레이져 다이오드를 포함 한다.

상기 이동체는 자율 이동할 수 있는 이동 로봇이다.

상기 이동체는 작업자가 이동할 수 있는 이동 수레이다.

상기 이동체는 상기 이동 수레의 위치를 표시하기 위한 표시기를 더 포함한다.

상기 이동체는 상기 비컨에서 송출되는 광을 반사하는 상기 이동체 표면에 장착되는 광 반사물을 포함한다.

상기 광 반사물은 입사되는 광을 송출 측으로 재귀 반사하는 재귀 반사체이다.

상기 비컨은 측정된 거리 정보와 광의 송출방향에 대응하는 위상정보를 인코딩하여 상기 이동체로 송출하기 위한 인코더부를 더 포함하고, 상기 이동체는 상기 광에 포함되는 상기 거리 정보 및 상기 위상 정보에 기초하여 상기 이동체의 상대 위치를 측정하는 위치측정부를 더 포함한다.

상기 인코더부는 현재 광의 송출방향에 대응하는 위상정보와 이전 송출한 반사광으로부터 측정된 거리 정보를 포함하여 인코딩한다.

상기 인코더부는 상기 위상정보와 상기 거리정보 및 상기 비컨의 고유 아이디 정보를 하나의 패킷으로 만들어 통신할 수 있도록 인코딩한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 측정 대상의 위치를 판별하기 위하여 광을 송출하는 비컨에 있어서, 상기 측정 대상에 지향성을 가지는 광을 송출하는 광 생성부; 상기 광 생성부에서 송출되고 상기 측정 대상에 의해 반사된 광을 감지 하는 반사광 감지부; 및 상기 광의 송출시기와 상기 반사광의 감지 시기의 시간 차이에 따라 상기 비컨과 상기 측정 대상 간의 거리를 측정하는 거리 측정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 비컨은, 상기 광 생성부 및 상기 반사광 감지부를 동기시켜 회전 구동하는 회전 구동부를 더 포함한다.

상기 회전구동부는 상기 광 생성부 및 상기 반사광 감지부와 일체로 연결되어 상기 회전 구동하기 위한 동력을 발생하는 모터 및 회전축을 포함한다.

상기 광의 송출방향을 조절하기 위하여 상기 회전구동부에 구동신호를 인가하고 상기 광의 송출방향에 대응하는 위상정보를 출력하는 위상조절부, 상기 위상조절부의 위상 정보와 상기 거리 측정부에 의해 측정된 거리 정보를 인코딩하여 상기 광 생성부에서 송출하는 광에 포함시키는 인코더부를 더 포함한다.

상기 회전구동부는, 상기 광 생성부의 송출광의 진행방향을 바꾸고 상기 측정 대상에 의해 재귀 반사된 광의 진행방향을 바꾸기 위한 적어도 하나의 단면거울, 상기 단면거울을 회전하기 위한 모터와 상기 모터에 상기 단면거울을 연결하는 회전축을 포함한다.

상기 광 생성부 및 상기 반사광 감지부는 상기 단면거울의 일측에 배치한다.

상기 모터의 양측에 적어도 하나의 단면거울을 개별 설치하는 경우, 상기 광 생성부는 상기 어느 하나의 단면 거울에 광을 송출하기 위해 설치하고, 상기 반사광 감지부는 상기 다른 하나의 단면 거울에 의해 반사되는 반사광을 수신하기 위해 설치하며, 상기 광 생성부 및 상기 반사광 감지부는 길이 방향으로 배치한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 고정 위치의 비컨에서 떨어진 작업 공간 상에서 이동하는 이동체가 위치를 인식하기 위한 위치인식시스템의 위치 인식방법에 있어서, 상기 비컨에서 지향성을 가진 광을 송출하고; 상기 비컨에서 상기 이동체에 의하여 반사되는 광을 입력받아 상기 비컨과 상기 이동체 간의 거리를 측정하며; 상기 측정된 거리 정보와 상기 광의 송출방향에 대응하는 위상정보를 인코딩하여 상기 광에 포함시키고; 상기 인코딩되어 상기 비컨에서 송출하는 광을 상기 이동체에서 수신하여 상기 광에 포함된 위상정보 및 거리정보를 기초로 상기 이동체의 위치를 인식하는 것을 특징으로 한다.

상기 광에 포함되는 정보는 상기 비컨 고유의 아이디 정보를 더 포함하고, 상기 위상 정보와 거리 정보 및 상기 비컨 고유의 아이디 정보는 하나의 패킷으로 인코딩한다.

상기 거리정보는 이전 송출된 광을 감지하여 측정한 정보이고 상기 위상정보는 현재 송출하는 광의 위상정보이다.

상기 이동체는 이동 로봇이고 상기 이동 로봇은 위치를 인식하여 자율 이동할 수 있다.

상기 이동체는 작업자가 이동할 수 있는 이동 수레이고, 상기 이동 수레의 위치를 표시하기 위한 표시기를 더 포함한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면에 따라 설명한다.

본 발명에 따른 로봇시스템은, 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 광을 주고 받아 서로 통신하는 하나의 비컨(300)과 이동 로봇(400)을 포함한다.

이동 로봇(400)은 비컨(300)에서 송출하는 광을 이용하여 비컨에 대한 상대 위치를 인식함으로서 작업 영역에서 자율적으로 이동할 수 있다.

비컨(300)은 광을 송출하는 기능 뿐만 아니라 송출하는 광의 송출 시기와 이동 로봇(400)에서 반사되는 광의 감지 시기의 시간 차이에 따라 비컨과 이동 로봇 간의 거리를 측정하는 거리 측정 기능을 갖는다.

비컨(300)은 직진성을 갖는 광을 출력하는 광 생성부(310)를 구비한다. 상기 광 생성부(310)에서 출력되는 광의 송출방향을 조절하기 위해 위상조절부(340)는 회전구동부(330)에 구동신호를 인가한다. 회전구동부(330)는 위상조절부(340)의 구동신호에 응답하여 상기 광 생성부(310)를 회전 구동한다.

회전구동부(330)는, 도 6에 도시한 바와 같이, 모터(331)와 광 생성부(310)를 연결하는 회전축(332)을 포함한다. 회전축(332)은 광 생성부(310)에 연결되어 모터의 동력을 광 생성부(310)에 전달한다. 모터(331)는 광 생성부(310)가 소정의 각속도로 회전되도록 회전축(332)을 회전시킨다. 여기서 모터(331)는 360도 전 구간을 회전하거나 일정 각도 내에서 왕복 운동함으로써 광 생성부(310)에서 송출하는 광의 송출방향을 조절한다.

이동 로봇(400)은 광 생성부(310)에서 송출되는 광을 수신하는 광 수신부(410)와, 상기 비컨(300)이 거리 측정할 수 있도록 송출되는 광을 반사하는 광 반사물(420)을 포함한다. 상기 광 반사물(420)은 입사되는 광을 송출 측으로 재귀하는 재귀 반사체를 사용한다.

비컨(300)은 광 반사물(420)에 의해 재귀 반사되는 반사광을 감지하는 반사 광 감지부(320)를 포함한다. 반사광 감지부(320)는 반사광만을 수집하기 위한 적어도 하나의 렌즈(미도시)를 포함할 수 있으며, 감지한 반사광에 따른 반사광 감지신호를 거리측정부(325)로 출력한다.

회전구동부(330)는 모터(331)와 반사광 감지부(320)를 연결하는 회전축(333)을 포함한다. 회전축(333)은 반사광 감지부(320)에 연결되어 모터의 동력을 반사광 감지부(320)에 전달한다. 모터(331)는 반사광 감지부(320)가 소정의 각속도로 회전되도록 회전축(333)을 회전시킨다. 이때 광 생성부(310)에 연결하는 회전축(332)과 반사광 감지부(320)에 연결하는 회전축(333)이 동기되어 회전함으로서 광을 송출하는 광 생성부(310)의 위상과 반사광을 감지하는 반사광 감지부(320)의 위상이 일치되게 하여 이동할 수 있다. 도 6과 같이, 광 생성부(310)에서 송출하는 광(TL)은 이동 로봇(400)의 광 반사물(420)에 반사되고 그 반사광(RL)은 반사광 감지부(320)에 입사되게 된다.

광 생성부(310)는 먼 곳의 이동 로봇에 도달할 수 있도록 직진성이 있는 광원으로 850nm의 파장을 갖는 적외선 레이져를 발신하는 적외선 레이저 다이오드를 포함하여 구성한다.

위상조절부(340)는 광 생성부(310)에서 송출되는 적외선 레이져가 위상 정보에 대응하는 방향으로 송출되도록 회전구동부(330)를 통해 적외선 레이져의 송출방향을 조절한다. 또한 위상조절부(340)는 적외선 레이져의 송출방향에 대한 위상 정보를 인코더부(350)에 전달한다.

광 생성부(310)에서 송출하는 적외선 레이져는 지향성을 가지고 있기 때문 에, 광 생성부(310)는 지면에 수평으로 설치하는 것이 바람직하다. 도 7에 도시한 바와 같이, 광 생성부(310)는 이동 로봇에 장착된 광 수신부(41)의 장착 위치에 대응하여 일정 높이(H)에 위치하여 적외선 레이져를 송출하도록 되어 있다.

일반적으로 이동 로봇(400)은 작업 공간 상에서 자율적으로 이동하면서 주어진 작업을 수행하도록 되어 있기 때문에, 이동 상태의 이동 로봇(400)이 광 생성부(310)에서 송출하는 적외선 레이져를 수신하도록 하기 위해서는 광 수신부(410)를 복수로 마련하고, 이동 로봇(40)의 외측에 분산 배치하여 적외선 레이져의 수신 효율을 높이도록 하는 것이 바람직하다. 복수 광 수신부(410)를 설치한 경우 적어도 어느 하나에서 수신한 적외선 레이져를 이용하여 로봇의 위치를 인식한다.

또한 반사광 감지부(320)의 수신 효율을 높이기 위해 광 생성부(310)에서 송출하는 적외선 레이져를 반사하기 위한 광 반사물(420)을 광 수신부(410)의 위와 아래에 복수 지점에 배치되도록 하는 것이 바람직하다.

광 반사물(420)은 광을 송출 측으로 재귀 반사할 수 있는 다양한 구조물 중에서 적용할 수 있다. 예를 들어 도 8에 도시한 바와 같이, 광 반사물(420)은 다수의 구형체가 상하 좌우로 배열되어 이루어지고 각 구형체는 입사면(421)을 통해 입사되는 적외선 레이져(TL)를 뒤의 반사면(422)에 의해 송출 측으로 재귀 반사할 수 있는 반사체의 구조를 가지고 있다.

광 생성부(310)에서 송출되는 적외선 레이져(TL)는, 도 9에 도시한 바와 같이, 일정 거리(d)에 도달하는 경우 빔의 퍼짐이 현상이 나타나는데, 예를 들어 이동 로봇까지의 도달거리가 100m인 경우 적외선 레이져(TL)가 퍼져서 빔의 직경(r) 이 1m가 될 수 있다. 적외선 레이져의 퍼짐이 과도하게 나타나는 매우 먼 거리에서는 위치 인식 효율이 저하되므로, 이러한 적외선 레이져의 특성을 고려하여 이도 로봇의 작업 공간을 정하도록 한다. 이에 따라 적정하게 설정된 작업 공간 내에서 송출하는 적외선 레이져가 일정 거리에 이르러 빔이 퍼지더라도 송출된 광은 광 수신부(410)에 이웃한 광 반사물(420)에 의해 재귀 반사되어 송출측 즉 반사광 감지부(320)에 입사되어 거리 측정에 이용할 수 있게 된다.

다시 도 5를 참고하면, 거리측정부(325)는 광 생성부(310)에서 입력받은 송출광의 신호와 반사광 감지부(320)에서 입력받은 반사광 신호에 기초하여 비컨과 로봇의 거리를 측정하고 측정한 거리 정보를 인코더부(350)에 전달한다.

거리 측정부(325)는, 도 10에 도시한 바와 같이, 반사광 감지부(320)의 반사광 신호(RLs)를 소정 증폭비율로 증폭하는 증폭기(326)와 증폭기(326)에 의해 증폭된 반사광 신호(RLs)와 광 생성부(310)로부터 제공되는 송출광의 신호(TLs)를 비교하는 비교기(327)를 포함한다. 여기서 증폭기(326)는 반사광 감지부(320)에 입사된 반사광(TL)의 크기 레벨이 미약하여 비교를 위한 신호 처리하기에 적합치 않기 때문에, 적정 크기 레벨로 증폭하는 것이다.

거리 측정부(325)는 시간차 측정법(Time-of-Flight Measurement)을 이용하여 비컨과 로봇 간의 거리를 측정할 수 있다. 도 11을 참고하면, 비교기(327)는 송출광 신호(TLs)가 입력된 후 반사광 신호(RLs)가 입력된 시간의 차이(t1)에 대응하는 거리(d)를 알아 내고 그에 따른 거리 정보를 인코더부(350)에 전달한다. 여기서 거리(d=c*t1)는 광속(c)과 송출광의 송출시기와 반사광이 감지시기의 차이에 의해 계산할 수 있다.

실시 예에서와 같은 시간차 측정법 이외에 거리 측정을 위한 방법으로서 위상 변위 측정법(Phase-Shift Measurement)과 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave Measurement)를 이용할 수 있다.

인코더부(350)는 위상 조절부(340)에서 제공받은 위상 정보와 거리 측정부(325)에서 제공받은 거리 정보 및 비컨의 고유 아이디 정보 등의 부가 정보를 인코딩하여 광 생성부(310)에서 출력하는 적외선 레이져에 인코딩된 정보를 포함시킨다. 이때 인코더부에서 부가 정보를 인코딩하는 경우 위상 천이방식(Phase Shift Keying)이나 주파수 천이방식(Frequency Shift Keying) 등을 통해 인코딩할 수 있다.

또한 광 생성부(310)에서 적외선 레이져를 송출하는 경우 무선 통신 규약의 일종인 IrDA(Infrared Data Association)에 따라서 적외선 통신할 수 있다. 이때 부가 정보인 위상 정보(φ), 거리 정보(d), 및 비콘의 고유 아이디 정보(ID)를 헤더에 붙여서 하나의 패킷(packet)으로 만들어 송출할 수 있다.

이동 로봇(400)은 송출되는 광의 입력 방향을 감지하는 광방향 검출부(430),와 이동 로봇의 상대적인 위치를 인식하는 위치측정부(440)를 포함한다.

광 방향 검출부(430)는 광을 집광하는 렌즈(미도시)와 렌즈에 의해 집광된 광의 위치를 감지하는 위치다이오드(미도시)를 포함하여 집광위치에 대한 정보를 위치 측정부(440)에 제공한다. 이러한 광 방향 검출부(430)를 구현하기 위한 구성은 종래 기술로 제시한 바 있는 한국 공개 특허 10-2006-0068968호에 개시되어 있 다.

도 12를 참고하면, 위치 측정부(440)는 광 수신부(410)를 통해 수신한 적외선 레이져에 포함된 위상정보(φ)와 거리 정보(d)를 기초로 로봇의 위치(x, y)를 알아 낼 수 있다. 여기서 (x,y)=(dcosφ, dsinφ)이다.

위치측정부(440)는 광방향 검출부(430)로부터 받은 집광 위치에 대한 정보로부터 적외선 레이져의 입사각(Ψ)을 알아내고, 이로부터 로봇의 진행방향(θ=φ-Ψ)을 알아낼 수 있다.

상기의 구성에 따라 비컨에서 위치판별용 광을 송출하고 송출광과 반사광의 시간 차이에 따라 거리를 측정하는 동작 그리고 송출광에 포함된 부가 정보를 이용하여 이동 로봇에서 로봇의 위치 및 진행 방향을 인식하는 동작을 설명한다.

먼저, 회전 구동부(330)에 의해 광 생성부(310) 및 반사광 감지부(320)를 1회전하는 동안 광 생성부(310)에서 송출회수(n)가 N(n=N)회만큼 적외선 레이져를 송출하는 경우를 가정하여 설명한다.

도 13을 참고하면, 위상 조절부(340)의 구동신호에 응답하여 송출 방향을 조절하기 위해 회전구동부(330)가 광 생성부(310)를 회전 구동한다(500).

광 생성부(310)는 인코더부(350)에 의해 인코딩된 정보를 포함하여 적외선 레이져를 송출한다(510).

송출된 적외선 레이져는 이동 로봇(400)으로 전달되고 그 적외선 레이져는 이동 로봇(400)의 광 반사물(420)에 의해 재귀 반사되어 송출측 즉 비컨(300)의 반사광 감지부(320)에 입사된다(520).

반사광 감지부(320)는 반사된 적외선 레이져를 감지하고 그에 따라 반사광 감지신호를 거리 측정부(325)에 전달한다. 거리 측정부(325)는 반사광 감지신호의 감지시기와 광 생성부에서 전달받은 송출광의 송출 시기의 차이에 따라 거리를 측정하는 시간 측정법에 따라 측정한 거리 정보를 인코더부(350)에 전달한다(530).

위상조절부(340)는 적외선 레이져를 송출할 송출방향에 대응하는 위상정보를 인코더부(350)에 전달한다. 인코더부(350)는 위상조절부(340)로부터 제공받은 현재(n회)의 위상정보(φ)와 거리 측정부(325)로부터 제공받은 이전(n-1회)의 거리정보(d), 및 비컨의 고유 아이디 정보(ID)를 인코딩하고(540), 광 생성부(310)는 인코딩된 부가 정보를 적외선 레이져에 포함시켜 이동 로봇으로 송출한다(550).

이동 로봇(400)의 광 수신부(410)는 송출된 적외선 레이져를 수신하여 위치 측정부(440)에 전달하고, 광방향 검출부(430)는 적외선 레이져의 집광 위치에 대한 정보를 위치 측정부(440)에 전달한다. 위치측정부(440)는 적외선 레이져에 포함된 위상정보와 거리정보에 기초하여 이동 로봇의 위치를 인식하며(560), 위상정보와 적외선 레이져의 입사각에 기초하여 이동 로봇의 진행방향을 인식한다(570). 이후 500 내지 570를 반복 수행하여 이동 로봇의 위치와 진행방향을 인식하는 동작을 지속한다.

상술한 실시 예에 따르면, 본 발명의 회전 구동부는 모터의 회전축에 광 생성부 및 반사광 감지부를 일체로 형성하고, 모터의 동력을 회전축이 전달하는 방식을 적용하였으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 이 실시 예에 의하면 모터의 회전축에 광 생성부 및 반사광 감지부를 일체 형성하고 있어 회전 구동을 원활하게 하기 위하여 큰 용량의 모터 사용이 요구되는데 이로 인하여 모터의 사이즈가 커질 수 있다. 또한 일정한 방향으로 회전 구동하는 경우 광 생성부와 반사광 감지부에 연결하는 전기선의 꼬임이 발생할 수 있어 회전 범위를 제한할 필요가 있다. 물론 제한된 범위에서 회전 구동하도록 회전구동부가 왕복 운동하는 방식을 적용할 수 있지만, 이와 같이 광의 송출 방향을 일정 각도로 바꾸면서 제한된 범위에서 왕복 회전하도록 하기 위해서 모터의 가속 및 감속 제어를 정확하게 수행해야 하는 부담이 따른다.

이러한 점을 고려한다면, 후술하는 도 14 및 도 15에 따른 실시 예를 설치 환경을 고려하여 어느 하나를 적용함이 바람직하며, 송출광과 반사광을 이용하여 로봇의 위치 및 진행방향을 인식하는 방법은 동일하므로 이에 대한 구체적 설명은 간략하게 한다.

먼저, 폭이 넓은 설치 공간을 확보할 수 있는 경우 도 14에 도시한 바와 같이 하나의 단면거울을 이용하여 광을 송출하면서 반사광을 감지하는 방식을 적용할 수 있을 것이다.

도 14를 참고하면, 회전구동부는 모터(334)와 단면거울(360)을 연결하는 회전축(335)을 포함한다. 단면거울(360) 위에 지향성을 갖는 적외선 레이져(TL)를 송출하는 광 생성부(311)와, 이동 로봇(400)의 광 반사물(420)에 의해 재귀 반사된 적외선 레이져(RL)를 감지하는 반사광 감지부(321)를 배치한다.

단면 거울(360)은 소정 입사각으로 송출되는 적외선 레이져(TL)의 진행방향을 이동 로봇의 광 반사물(420)로 바꾸고, 이동 로봇측에서 재귀 반사되어 돌아오 는 적외선 레이져(RL)의 진행방향을 반사광 감지부(321)로 바꾼다.

이와 같이 하나의 단면거울(360)을 이용하는 경우, 송출되는 광의 진행방향과 재귀 반사되는 광의 진행방향이 나란하게 되도록 단면거울의 일측에 광 생성부(311)와 반사광 감지부(321)을 나란하게 배치한다.

그런데 설치 환경의 제약으로 광 생성부와 반사광 감지부를 나란히 배치하기 어려운 경우에는, 도 15에 도시한 바와 같이 두 개의 단면거울을 이용하여 광을 송출하면서 반사광을 감지하는 방식을 적용할 수 있을 것이다.

도 15를 참고하면, 회전구동부는 모터(336)와 상부 및 하부에 각각 배치되는 2개의 단면거울(361)(362)을 연결하는 회전축(337)(338)을 포함한다. 상부의 단면거울(361) 위에 지향성을 갖는 적외선 레이져(TL)를 송출하는 광 생성부(312)를 배치하고, 하부의 단면거울(362) 아래에 이동 로봇(400)의 광 반사물(420)에 의해 재귀 반사된 적외선 레이져(RL)를 감지하는 반사광 감지부(322)를 배치한다. 이에 따라 모터(336)의 회전축(337)(338)을 중심으로 광 생성부(312) 및 상부 단면거울(361)과 반사광 감지부(322) 및 하부 단면거울(362)이 양측에 일렬로 배치되게 되며, 상하 길이 방향으로 배치되는 범위를 확보할 수 있는 설치 환경에 적용이 가능하다.

상술한 바와 같이 지금까지의 실시 예에서는, 비컨에서 송출하는 광에 포함된 위상 정보와 거리 정보를 이동 로봇에서 수신하여 로봇의 위치를 인식하고 이를 통해 부여된 작업을 수행하도록 하는 기술에 주안점을 두고 설명하였다. 하지만 본 발명에 따른 위치인식 시스템을 적용하는 분야가 자율적으로 이동할 수 있는 이동 로봇에만 한정하는 것은 아니다. 예를 들어 도 16에 도시한 바와 같이, 작업자가 이동할 수 있는 이동 수레(401a)에 위치 인식 기능을 갖춘 위치인식 유닛(400a)을 설치하고, 비컨(300a)에서 송출하는 광을 위치인식 유닛(400a)에서 수신하여 광에 포함된 위치 정보와 거리 정보를 해석하여 이동 수레의 위치를 인식할 수 있으며, 인식된 위치 정보를 정보 표시기(402a)에 표시할 수 있다. 여기서 비컨(300a)에서 광에 위상 정보와 거리 정보를 포함하여 송출하기 위한 전반적인 동작은 상술한 실시 예의 비컨의 구성을 적용할 수 있으며 또한 위치인식 유닛(400a)에서 위상 정보 및 거리 정보를 기초로 하여 자신의 위치를 인식하는 구성 역시 상술한 실시 예의 이동 로봇의 구성을 적용할 수 있다. 이에 따라 작업자는 정보 표시기(402a)에 표시되는 이동 수레의 위치를 용이하게 확인할 수 있으며, 특히 대형 창고에서 물건의 이동 작업 등이 효율적으로 수행되어 질 수 있게 된다.

이상과 같이 본 발명에 따른 송출광의 송출 시기와 반사광의 감지 시기의 차이에 따라 측정된 거리 정보를 이용함으로써 이동 로봇이나 이동 수레 등의 이동체의 위치를 정확하게 인식할 수 있다.

본 발명은 도달거리가 먼 적외선 레이져를 위치판별용 광원으로 사용하여 위치를 인식하므로 위치인식 시스템을 넓은 작업 영역에서 사용할 수 있다.

본 발명은 위치 인식을 위해 하나의 비컨을 사용할 수 있어서 시스템의 구성에 소요되는 비용을 절감할 수 있고 소형 로봇에 적용이 용이하다.

본 발명은 광의 송출과 반사광의 수신을 위해 단면거울을 모터의 동력으로 회전하는 방식을 적용할 수 있어서 적은 용량의 모터를 사용할 수 있으며, 단면거울의 사용개수와 구성요소의 배치를 다양하게 변형할 수 있는 등 비컨의 설치 작업이 용이하여 사용상의 편의를 제공할 수 있다.

Claims (24)

1. 비컨과 이동체를 포함하는 위치인식시스템에 있어서,

   상기 비컨은 상기 이동체의 위치를 판별하기 위해 송출하는 광의 송출 시기와 상기 이동체에 의해 반사되는 광의 감지 시기의 시간 차이에 따라 상기 이동체와 상기 비컨 간의 거리를 측정하고,

   상기 이동체는 상기 비컨으로부터 상기 송출광의 위상 정보 및 거리 정보를 수신하여 상기 비컨에 대한 상대 위치를 인식하는 것을 특징으로 하는 위치인식시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 비컨은 지향성을 갖는 광을 송출하는 광 생성부, 상기 반사광을 감지하는 반사광 감지부, 및 상기 송출광의 신호와 상기 반사광의 신호의 입력 시간의 차이 및 광속에 기초하여 거리를 연산하는 거리 측정부를 포함하는 위치인식시스템.
3. 제2항에 있어서, 상기 거리 측정부는 상기 반사광의 감지 신호를 증폭하기 위한 증폭기를 포함하는 위치인식시스템.
4. 제2항에 있어서,

   상기 광 생성부는 적외선 레이져를 송출하는 적외선 레이져 다이오드를 포함 하는 위치인식시스템.
5. 제1항에 있어서,

   상기 이동체는 자율 이동할 수 있는 이동 로봇인 위치인식시스템.
6. 제1항에 있어서,

   상기 이동체는 작업자가 이동할 수 있는 이동 수레인 위치인식시스템.
7. 제6항에 있어서,

   상기 이동체는 상기 이동 수레의 위치를 표시하기 위한 표시기를 더 포함하는 위치인식시스템.
8. 제1항에 있어서,

   상기 이동체는 상기 비컨에서 송출되는 광을 반사하는 상기 이동체 표면에 장착되는 광 반사물을 포함하는 위치인식시스템.
9. 제8항에 있어서,

   상기 광 반사물은 입사되는 광을 송출 측으로 재귀 반사하는 재귀 반사체인 위치인식시스템.
10. 제1항에 있어서,

    상기 비컨은 측정된 거리 정보와 광의 송출방향에 대응하는 위상정보를 인코딩하여 상기 이동체로 송출하기 위한 인코더부를 더 포함하고,

    상기 이동체는 상기 광에 포함되는 상기 거리 정보 및 상기 위상 정보에 기초하여 상기 이동체의 상대 위치를 측정하는 위치측정부를 더 포함하는 위치인식시스템.
11. 제10항에 있어서,

    상기 인코더부는 현재 광의 송출방향에 대응하는 위상정보와 이전 송출한 반사광으로부터 측정된 거리 정보를 포함하여 인코딩하는 위치인식시스템.
12. 제11항에 있어서,

    상기 인코더부는 상기 위상정보와 상기 거리정보 및 상기 비컨의 고유 아이디 정보를 하나의 패킷으로 만들어 통신할 수 있도록 인코딩하는 위치인식시스템.
13. 측정 대상의 위치를 판별하기 위하여 광을 송출하는 비컨에 있어서,

    상기 측정 대상에 지향성을 가지는 광을 송출하는 광 생성부;

    상기 광 생성부에서 송출되고 상기 측정 대상에 의해 반사된 광을 감지하는 반사광 감지부; 및

    상기 광의 송출시기와 상기 반사광의 감지 시기의 시간 차이에 따라 상기 비 컨과 상기 측정 대상 간의 거리를 측정하는 거리 측정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 기능을 가지는 비컨.
14. 제13항에 있어서,

    상기 비컨은, 상기 광 생성부 및 상기 반사광 감지부를 동기시켜 회전 구동하는 회전 구동부를 더 포함하는 거리 측정 기능을 가지는 비컨.
15. 제14항에 있어서,

    상기 회전구동부는 상기 광 생성부 및 상기 반사광 감지부와 일체로 연결되어 상기 회전 구동하기 위한 동력을 발생하는 모터 및 회전축을 포함하는 거리 측정 기능을 가지는 비컨.
16. 제14항에 있어서,

    상기 광의 송출방향을 조절하기 위하여 상기 회전구동부에 구동신호를 인가하고 상기 광의 송출방향에 대응하는 위상정보를 출력하는 위상조절부,

    상기 위상조절부의 위상 정보와 상기 거리 측정부에 의해 측정된 거리 정보를 인코딩하여 상기 광 생성부에서 송출하는 광에 포함시키는 인코더부를 더 포함하는 거리 측정 기능을 가지는 비컨.
17. 제14항에 있어서,

    상기 회전구동부는, 상기 광 생성부의 송출광의 진행방향을 바꾸고 상기 측정 대상에 의해 재귀 반사된 광의 진행방향을 바꾸기 위한 적어도 하나의 단면거울, 상기 단면거울을 회전하기 위한 모터와 상기 모터에 상기 단면거울을 연결하는 회전축을 포함하는 거리 측정 기능을 가지는 비컨.
18. 제17항에 있어서,

    상기 광 생성부 및 상기 반사광 감지부는 상기 단면거울의 일측에 배치하는 거리 측정 기능을 가지는 비컨.
19. 제17항에 있어서,

    상기 모터의 양측에 적어도 하나의 단면거울을 개별 설치하는 경우, 상기 광 생성부는 상기 어느 하나의 단면 거울에 광을 송출하기 위해 설치하고, 상기 반사광 감지부는 상기 다른 하나의 단면 거울에 의해 반사되는 반사광을 수신하기 위해 설치하며, 상기 광 생성부 및 상기 반사광 감지부는 길이 방향으로 배치하는 거리 측정 기능을 가지는 비컨.
20. 고정 위치의 비컨에서 떨어진 작업 공간 상에서 이동하는 이동체가 위치를 인식하기 위한 위치인식시스템의 위치 인식방법에 있어서,

    상기 비컨에서 지향성을 가진 광을 송출하고;

    상기 비컨에서 상기 이동체에 의하여 반사되는 광을 입력받아 상기 비컨과 상기 이동체 간의 거리를 측정하며;

    상기 측정된 거리 정보와 상기 광의 송출방향에 대응하는 위상정보를 인코딩하여 상기 광에 포함시키고;

    상기 인코딩되어 상기 비컨에서 송출하는 광을 상기 이동체에서 수신하여 상기 광에 포함된 위상정보 및 거리정보를 기초로 상기 이동체의 위치를 인식하는 것을 특징으로 하는 위치인식시스템의 위치인식방법.
21. 제20항에 있어서,

    상기 광에 포함되는 정보는 상기 비컨 고유의 아이디 정보를 더 포함하고, 상기 위상 정보와 거리 정보 및 상기 비컨 고유의 아이디 정보는 하나의 패킷으로 인코딩하는 위치인식시스템의 위치인식방법.
22. 제21항에 있어서, 상기 거리정보는 이전 송출된 광을 감지하여 측정한 정보이고 상기 위상정보는 현재 송출하는 광의 위상정보인 위치인식시스템의 위치인식방법.
23. 제20항에 있어서,

    상기 이동체는 이동 로봇이고 상기 이동 로봇은 위치를 인식하여 자율 이동할 수 있는 위치인식시스템의 위치인식방법.
24. 제20항에 있어서,

    상기 이동체는 작업자가 이동할 수 있는 이동 수레이고, 상기 이동 수레의 위치를 표시하기 위한 표시기를 더 포함하는 위치인식시스템의 위치인식방법.

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