KR100882898B1 - 이동 로봇 장치의 위치 인식 시스템 - Google Patents

이동 로봇 장치의 위치 인식 시스템 Download PDF

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김상우
박영수
이제원
박지훈
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동명대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 RFID를 이용한 이동 로봇 장치의 위치 인식 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 이동 로봇 장치의 위치 인식 시스템은, 일정 간격으로 이격되어 바닥에 부착되어 있는 복수의 RFID 태그, 그리고 상기 복수의 RFID 태그로 RFID 신호를 송출하고, 상기 복수의 RFID 태그로부터 수신된 식별 정보와 위치 정보에 대응하여 상기 RFID 신호를 송출시키는 송신전력의 세기를 조절하는 이동 로봇 장치를 포함하며, 상기 이동 로봇 장치는, 상기 수신된 복수의 RFID 태그의 위치 정보와 상기 조절된 송신전력의 세기를 통하여 상기 이동 로봇 장치의 현재 위치를 추정한다. 본 발명에 의하면, RFID 리더의 송신전력의 세기를 여러 레벨로 나누어 변경시킴으로써 이동 로봇의 위치를 더욱 정확하게 인식할 수 있다. 특히 RFID 태그 사이의 거리가 큰 경우에도 정확하게 이동 로봇의 위치를 인식할 수 있으므로, 적은 개수의 RFID 태그를 설치하더라도 이동 로봇의 위치를 정확하게 인식할 수 있다. 따라서 RFID 태그의 설치 비용을 절감할 수 있어 경제적으로도 매우 효율적이다.
RFID, 이동 로봇, RFID 태그, RFID 리더, 송신전력

Description

이동 로봇 장치의 위치 인식 시스템{MOBILE ROBOT LOCATION SYSTEM USING RFID}
본 발명은 RFID를 이용한 이동 로봇 장치의 위치 인식 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 RFID 태그 사이의 간격에 따라 RFID 신호를 송출하는 송신전력의 세기를 조절하는 이동 로봇 장치의 위치 인식 시스템에 관한 것이다.
가까운 미래에는 유비쿼터스 컴퓨팅과 유비쿼터스 네트워크를 통해 새롭고 다양한 서비스가 창출될 것이다. 특히 언제 어디서나 사람과 사물이 같은 객체의 위치를 인식하고 이를 기반으로 유용한 서비스를 제공하는 환경에서 로봇의 위치를 인식하는 것은 기본적이며 중요한 기술중의 하나이다.
이전에 로봇은 제한된 작업 공간에서 업무를 처리하는데 주로 사용되어 왔으나 최근 들어, 보안 분야를 포함해 사회 전 분야에서 이동 로봇의 역할이 점차 증대되고 있다. 보호 구역을 순찰하는 보안 로봇 등과 같이 이동성을 가지는 로봇을 중앙에서 제어하기 위해서는 해당 로봇의 위치를 정확하게 인식하는 것이 매우 중요하다.
이동 로봇 위치를 인식하는 방법에는 odometry, INS, 초음파 센서, LRF, GPS, RF 기술 등이 개발되어 적용되고 있다. 그러나 odometry, INS 등을 이용한 추측항법(dead recking)은 주로 로봇의 바퀴의 회전 량을 통해 위치를 추정한다. 이 방법은 간단하고 저가이며 실시간으로 위치를 계산하기 쉽다는 장점이 있으나 바닥의 상태에 따른 미끌림이나 센서의 에러로 인하여 항상 오차가 상대적으로 커지며 축적되는 단점이 있다. 또한 초음파 센서를 통한 위치 인식 방법은 가격이 저렴하고 제어가 편리한 장점이 있으나 다양한 경로를 인식하게 되어 정확성이 떨어지고 특정한 표면 상태에서는 로봇을 인식하지 못한다.
그리고, 초음파 센서나 LRF를 이용하는 경우에는 위치 인식 과정을 위하여 컴퓨터로 맵 매핑하는 과정이 선결되어야 하고 특히 초음파 센서를 이용하는 경우에는 제어가 어렵고 다양한 경로를 인식하게 되는 문제점이 있다. 또한 GPS는 오로지 실외 환경에서만 사용될 수 있고 모바일 로봇에 적용하기에는 그 위치 오차가 너무 크다는 단점이 있다.
최근에는 이동 로봇의 위치 인식을 위하여 RFID 기술이 적용되고 있으나, 인식 범위가 짧다는 문제점이 있다. 실내에서의 이동 로봇의 위치 인식 시스템에 있어서, 로봇의 이동 범위의 확장과 설치 비용에 관심이 모아지고 있다. RFID 태그(Tag)가 바닥에 충분히 설치되어 있는 경우에는 이동 로봇의 위치 추정이 수월해지지만 RFID 태그의 설치 비용이 증가할 수 있다는 문제점이 있다. 따라서, 최소한의 RFID 태그를 이용하여 정확하게 이동 로봇의 위치를 인식하는 기술은 매우 중요하다 할 것이다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이동 로봇의 위치를 정확하게 인식할 수 있는 RFID를 이용한 이동 로봇 장치의 위치 인식 시스템을 제공하는 것이다.
이러한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시예에 따른 이동 로봇 장치의 위치 인식 시스템은, 일정 간격으로 이격되어 바닥에 부착되어 있는 복수의 RFID 태그, 그리고 상기 복수의 RFID 태그로 RFID 신호를 송출하고, 상기 복수의 RFID 태그로부터 수신된 식별 정보와 위치 정보에 대응하여 상기 RFID 신호를 송출시키는 송신전력의 세기를 조절하는 이동 로봇 장치를 포함하며, 상기 이동 로봇 장치는, 상기 수신된 복수의 RFID 태그의 위치 정보와 상기 조절된 송신전력의 세기를 통하여 상기 이동 로봇 장치의 현재 위치를 추정한다.
상기 이동 로봇 장치는, 상기 RFID 신호를 발생하는 RFID 리더, 상기 송신전력을 발생하는 송신전력 발생부, 상기 복수의 RFID 태그로 상기 RFID 신호를 송출하고, 상기 복수의 RFID 태그로부터 식별 정보와 위치 정보를 수신하는 송수신안테나, 그리고 상기 수신된 복수의 RFID 태그의 위치 정보에 대응하여 상기 RFID 신호를 송출시키는 송신전력의 세기를 조절하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 수신된 복수의 RFID 태그의 위치 정보와 상기 조절된 송신전력의 세기를 통하여 상기 이동 로봇 장치의 현재 위치를 추정할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 복수의 RFID 태그의 위치 정보로부터 획득한 상기 복수 의 RFID 사이의 간격이 일정 거리 이상이면 상기 송신전력의 세기를 변환시키면서 상기 RFID 신호를 송출할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 복수의 RFID 태그의 위치 정보로부터 획득한 상기 복수의 RFID 사이의 간격이 일정 거리 이상이면, 상기 송신전력의 세기를 서로 다른 복수의 레벨로 교대로 변환시키면서 상기 RFID 신호를 송출할 수 있다.
상기 이동 로봇 장치는 다음의 수학식을 통하여 현재 위치를 추정할 수 있다.
Figure 112008064497259-pat00001
xestimate는 추정된 이동 로봇 장치의 위치이며, M은 송신전력의 레벨 개수이고, j는 송신전력의 해당 레벨이며, Kj는 송신전력의 레벨이 j일 경우의 인식되는 RFID 태그의 개수이고, aj는 송신전력 레벨의 가중치이며, bij는 송신전력 레벨이 j일 경우 RFID 태그 i에 대한 가중치이다.
상기 이동 로봇 장치의 위치 인식 시스템은 상기 제어부의 제어에 의해 기 설정된 경로로 이동하도록 하는 로봇 동작부를 더 포함할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 의하면, RFID 리더의 송신전력의 세기를 여러 레벨로 나누어 변경시킴으로써 이동 로봇의 위치를 더욱 정확하게 인식할 수 있다. 특히 RFID 태그 사이의 거리가 큰 경우에도 정확하게 이동 로봇의 위치를 인식할 수 있 으므로, 적은 개수의 RFID 태그를 설치하더라도 이동 로봇의 위치를 정확하게 인식할 수 있다. 따라서 RFID 태그의 설치 비용을 절감할 수 있어 경제적으로도 매우 효율적이다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예를 설명하기에 앞서 RFID 시스템의 원리에 대하여 간략하게 설명하면, RFID 시스템은 고유 정보를 내장한 트랜스폰더 칩과 안테나로 구성된 RFID 태그 장치와 일정한 주파수를 발생하는 판독기를 포함하는 RFID 리더로 구성된다. RFID 리더가 일정 주파수 신호를 안테나를 통해 전송하고, 이때 RFID 리더 근처에 위치하는 RFID 태그 장치는 수신된 신호를 반사파로 재전송하도록 하여 RFID 리더의 동작을 제어한다. 여기서 RFID 태그 장치가 RFID 리더에 접근하면, RFID 태그 장치와 RFID 리더에 포함되어 있는 두 코일 간에 교류 자기장이 생성되며, 생성된 교류 자기장을 통해 유도성 전류가 흐르는 원리로 RFID 태그 장치에 전원이 공급된다. 따라서, 코일 사이의 거리가 0.1λ이내로서, 13.56MHz 이하의 낮은 주파수를 사용하는 1m 이하의 근거리에서 RFID 시스템은 활용되고 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 RFID를 이용한 이동로봇의 위치인식 시스템에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 RFID를 이용한 이동 로봇의 위치 인식 시스템의 구성 도이다. 본 발명에 따른 RFID를 이용한 이동로봇의 위치인식 시스템은 RFID 태그 장치(100)와 이동 로봇 장치(200)를 포함한다.
RFID 태그 장치(100)는 일정한 간격으로 바닥에 부착되어 있으며, 각각의 RFID 태그 장치(100)는 식별 정보와 위치 정보를 저장한다. RFID 태그 장치(100)는 식별 코드의 발생, 주파수 수신, 주파수 변조, 주파수를 수신하여 반사파 형태로 주파수 재송신 및 DC전압 발생 등의 기능을 수행한다.
이동 로봇 장치(200)는 RFID 태그 장치(100)의 위치 정보와 식별 정보를 수신하여 현재의 위치를 파악한 후 기 설정된 경로로 이동하고, 명령동작을 수행한다.
더욱 구체적으로, RFID 태그 장치(100)는 RFID 태그 정보 저장부(110), 주파수 변조 제어부(120) 및 송수신 안테나(130)를 포함한다.
먼저 RFID 태그 정보 저장부(110)는 식별 정보와 위치 정보를 저장한다. 본 발명의 실시예에 따르면 RFID 태그 정보 저장부(110)에 저장된 식별 정보와 위치 정보를 저장하는 방식은 ROM으로 구현될 수 있으며, PROM을 이용한 한번 읽고 쓰기가 가능한 write once read many형, EPROM을 이용한 여러 번 읽고 쓰기가 가능한 read/write형으로 구현될 수도 있다.
또한 주파수 변조 제어부(120)는 일정 대역의 주파수를 수신하고, RFID 태그 정보 저장부(110)에 저장된 식별 정보와 위치 정보를 일정 대역의 재전송 주파수에 포함시켜서 전송하는 기능을 수행한다. 본 발명의 실시예에서는 주파수 변조 제어부(120)는 고효율과 큰 변조신호파워의 특성을 가진 PSK(Phase Shift Keying), FSK(Fequency Shift Keying), ASK(Amplitude Shift Keying) 변조 방식을 사용할 수 있다.
그리고, 송수신안테나(130)는 이동로봇 장치(200)로부터 전송된 RFID 신호를 수신하고, 주파수 변조 제어부(120)에서 변조된 신호를 송출한다.
이동 로봇 장치(200)는 RFID 리더(210), 제어부(220), 송신전력 발생부(230), 메모리부(240), 로봇 동작부(250) 및 송수신 안테나(260)를 포함한다.
먼저 RFID 리더(210)는 일정 대역의 RFID 신호를 발생하고, RFID 태그 장치(100)로부터 수신된 신호를 복조하여 신호의 세기 및 도착시간, 수신방향을 포함하는 위치 정보 및 식별 정보를 획득한다.
제어부(220)는 RFID 태그 장치(100)의 위치 정보로부터 연산된 RFID 사이의 간격에 따라 송신전력 발생부(230)로부터 발생되는 송출전력의 세기를 조절한다.
그리고, 수신된 RFID 태그 장치(100)의 위치 정보와 조절된 송신전력의 세기를 통하여 이동 로봇 장치(200)의 현재 위치를 추정한다. 또한 제어부(22)는 주위 물체에 대한 위치를 판단하고, 이동로봇이 자율 주행하도록 이동 제어 신호를 발생한다.
송신전력 발생부(230)는 RFID 신호를 송출하기 위한 송신전력을 발생하며, 송출되는 전력의 세기는 제어부(220)에 의해 조절된다.
메모리부(240)는 랜드 마크를 저장하고, RFID 태그 장치(100)가 검출된 주파수 정보, 이동 로봇 장치(100)의 현재 위치, 이동 로봇 장치(100)의 추가적인 자율 이동 경로를 저장한다. 그리고 로봇 동작부(250)는 이동 제어 신호에 대응하여 이 동 경로를 따라서 이동 로봇 장치(200)를 이동시킨다.
그리고 송수신 안테나(260)는 RFID 태그 장치(100)에 RFID 신호를 송출하고, RFID 태그 장치(100)로부터 일정 주파수 대역의 신호를 수신한다.
이하 본 발명에 따른 RFID를 이용한 이동 로봇 장치의 위치 인식 시스템을 이용하여 이동 로봇 장치의 위치를 인식하는 방법에 관해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시예에 따른 RFID를 이용한 이동로봇의 위치인식 시스템을 이용하여 이동로봇이 자율 주행하는 방법에 관한 전체적인 흐름을 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 의한 RFID를 이용한 이동 로봇의 위치 인식 방법에 대한 동작 과정을 순차적으로 도시한 흐름도이다.
이동 로봇 장치(200)는 복수의 RFID 태그 장치(100)가 일정한 거리로 격자형으로 설치된 바닥을 이동 중이라고 가정한다. 복수의 RFID 태그 장치(100)는 서로 이웃하여 설치된 제1 RFID 태그 장치(100a)와 제2 RFID 태그 장치(100b)를 포함한다고 가정한다,
먼저 이동 로봇 장치(200)는 RFID 리더(210)를 통하여 일정 주파수의 RFID 신호를 제1 RFID 태그 장치(100a)와 제2 RFID 태그 장치(100b)로 송출한다(S210). 도 2에서는 설명의 편의상 이동 로봇 장치(200)가 제1 RFID 태그 장치(100a)와 제2 RFID 태그 장치(100b)로 RFID 신호를 송출한 것으로 가정한다.
이동 로봇 장치(200)는 제1 및 제2 RFID 태그 장치(100a, 100b)로부터 식별 정보와 위치 정보가 포함된 일정 주파수의 신호를 송수신 안테나(260)를 통해 수신 한다(S220).
이동 로봇 장치(200)는 식별 정보와 위치 정보를 이용하여 제1 RFID 태그 장치(100a)와 제2 RFID 태그 장치(100b)를 검출한다(S230). 그리고, 제어부(220)는 제1 및 제2 RFID 태그 장치(100a, 100b)의 위치 정보로부터 제1 RFID 태그 장치(100a)와 제2 RFID 태그 장치(100b) 사이의 간격을 연산하고, 연산된 간격에 따라 송신전력 발생부(230)를 제어함으로써, 송출되는 전력의 세기를 조절한다(S240).
제1 RFID 태그 장치(100a)와 제2 RFID 태그 장치(100b)가 검출되면, 제어부(220)는 제 1, 제2 RFID 태그 장치(100a, 100b)의 위치 정보 및 송신전력의 세기를 고려하여 이동 로봇 장치(100)의 현재 위치를 추정한다(S250). 여기서, 제어부(220)는 추후에 설명할 수학식 2를 이용하여 이동 로봇 장치(100)의 현재 위치를 추정한다.
제어부(220)는 계산된 현재 위치와 로봇 메모리(240)에 저장된 랜드 마크를 이용하여 기 설정된 경로로 이동하도록 로봇 동작부(250)를 제어한다(S260).
이하에서는 도 3 내지 도 4를 통하여 일반적인 RFID 리더의 위치를 추정하는 방법을 설명한다. 설명의 편의상, 각각의 RFID 태그 장치(100)는 식별 정보에 해당하는 고유 식별자 ID를 가지고 있다고 가정한다.
도 3은 일반적인 RFID 리더의 위치를 추정하는 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 RFID 리더의 인식 범위를 설명하기 위한 도면이다.
도 3에서 TID는 식별자가 ID인 RFID 태그 장치(100)를 나타내고, xID와 yID는 2차원 좌표에서 RFID 태그 장치(100) TID의 위치를 나타낸다. 도 3에서 보는 바와 같이 복수의 RFID 태그 장치(100)들은 일정한 간격의 격자형으로 설치되어 있다.
또한 N은 RFID 태그장치(100)의 개수를 나타내고, R(xR, yR, r)는 좌표 위치가 (xR, yR)이고 인식 범위가 r인 RFID 리더(210)를 나타낸다. d는 장치(100)들 사이의 거리이며, LID는 R(xR, yR, r)인 RFID 리더(210)와 RFID 태그 장치(100) TID 사이의 거리를 나타낸다. 여기서 RFID 리더(210)의 인식 범위 r은 도 4와 같이 실험에 의하여 구해질 수 있다.
도 4에 도시한 바와 같이, RFID 태그 장치(100)의 인식 확률이 50%가 되는 지점을 RFID 리더(210)의 인식 범위 r로 설정하도록 하며, 이는 설정에 따라 변경될 수 있다.
도 3 및 도 4와 같은 상태에서, RFID 리더(210)의 위치(xestimate)를 추정하기 위한 가장 일반적이고 간단한 방법은 다음의 수학식 1과 같이 검출된 RFID 태그 장치(100)의 위치를 평균 내거나 가중치를 적용하여 평균을 내는 방법이다.
Figure 112008064497259-pat00002
여기서, K는 검출된 RFID 태그 장치(100)의 개수이고, bi는 RFID 태그 장치 i에 대한 가중치 팩터이다. bi는 모두 동일할 수 있으며, RFID 리더(210)부터의 거리에 따른 가우시안 함수(Gaussian function)를 따를 수도 있다. 즉, RFID 리더(210)부터의 거리가 먼 RFID 태그 장치(100)일수록 가중치 bi값은 낮아지고, 거리가 가까운 RFID 태그 장치(100)일수록 가중치 bi 값은 커질 수 있다.
xi는 RFID 리더(210)를 기준으로 RFID 태그 장치(100)의 x와 y 위치 벡터이고
Figure 112008064497259-pat00003
와 같이 나타낼 수 있다. 수학식 1에 따르면 x 좌표와 y 좌표의 최대값과 최소값의 중간 값(median value)을 이용하여 RFID 리더(210)의 위치(xestimate)를 추정할 수 있다.
이와 같이 도 3 및 수학식 1을 통해 설명한 일반적인 RFID 리더(210)의 위치 추정 방법은 송신전력 발생부(230)에서 발생하는 송신전력의 변경을 고려하지 않았으나, 이하에서는 도 5 내지 도 6을 이용하여 송신전력 발생부(230)에서 발생하는 송신전력을 조절하여 RFID 리더(210)의 위치를 추정하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 5는 송신전력에 따른 RFID 리더의 RFID 태그 장치 인식 확률을 나타낸 실험 결과 그래프이다.
도 5에 따른 실험에서는 RFID 태그 장치(100)와 RFID 리더(210) 사이의 거리를 증가시켜가면서 RFID 태그 장치(100)의 인식 확률을 측정하였고, 또한 RFID 리 더(210)에서 송출되는 전력의 세기를 변화시켜가면서 RFID 태그장치(210)의 인식 확률을 측정하였다.
도 5에서 보는 바와 같이, RFID 태그 장치(100)와 RFID 리더(210) 사이의 거리에 따라서 RFID 태그장치(100)의 인식 확률은 변화된다는 것을 알 수 있다. 즉, RFID 태그 장치(100)와 RFID 리더(210) 사이의 거리가 증가함에 따라 RFID 태그 장치(100)의 인식 확률은 감소한다. 또한, 도 5에 나타난 결과와 같이 RFID 태그 장치(100)와 RFID 리더(210) 사이의 거리와 RFID 태그 장치의 인식 확률은 정확하게 반비례하지 않는다. 즉, RFID 태그 장치(100)와 RFID 리더(210) 사이의 거리가 일정 범위 내에서는 RFID 태그 장치(100)의 인식 확률은 1에 가까운 값을 가지나, 일정 거리가 넘어서면 RFID 태그 장치(100)의 인식 확률은 급격하게 감소한다.
또한, 도 5에 나타난 결과와 같이, 송신전력 발생부(230)에서 발생하는 송신전력의 세기에 따라서 RFID 태그 장치(100)의 인식 범위는 다르다는 것을 알 수 있다. 즉, 송신전력의 세기가 20dBm인 경우에는 RFID 태그 장치(100)와 RFID 리더(210) 사이의 거리가 약 3.3cm 인 지점에서 RFID 태그 장치(100)의 인식 확률이 50%까지 감소된다. 반면, 송신전력의 세기가 22dBm인 경우에는 RFID 태그 장치(100)와 RFID 리더(210) 사이의 거리가 약 5.4cm 인 지점에서 RFID 태그 장치(100)의 인식 확률이 50%까지 감소된다. 따라서, 송신전력의 세기가 20dBm인 경우에는 RFID 리더(210)의 인식 범위는 약 3.3cm 라고 볼 수 있으며, 송신전력의 세기가 22dBm인 경우에는 RFID 리더(210)의 인식 범위는 약 5.4cm 라고 볼 수 있다.
그리고, 송신전력 발생부(230)에서 발생하는 송신전력의 세기와 RFID 태그 장치(100)의 인식 확률이 완전히 비례하지 않는다는 것을 알 수 있다.
즉, 송신전력의 세기가 17dBm인 경우에는 RFID 태그 장치(100)의 인식 범위가 약 7.3cm 인데 반하여, 송신전력의 세기가 21dBm인 경우에는 RFID 태그 장치(100)의 인식 범위는 약 4.4cm 이다. 따라서 송신전력의 세기가 크다고 해서 반드시 RFID 태그 장치(100)의 인식 범위도 넓다고 볼 수는 없다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 도 5에 나타난 실험 결과를 고려하여, RFID 리더(210)의 위치를 추정하는데 있어서 송신전력의 세기 조절 방법을 적용하고자 한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 RFID 리더의 송신전력의 조절에 따른 RFID 리더의 위치 추정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6에서 r1은 RFID 리더(210)의 최소 인식 범위이고, r2 및 r3은 r1 보다 큰 인식 범위를 나타낸다. 도 6에서는 각각 인식 범위가 r1, r2, r3가 되도록 RFID 리더(210)에서 발생하는 송신전력의 세기를 20ms 마다 r1, r2, r3의 3개의 레벨로 변경되도록 설정하였다. 따라서, RFID 리더(210)에서 발생하는 송신전력은 20ms 마다 r1, r2, r3 의 순서로 교대로 변경된다.
여기서, 도 5에서 설명한 것과 같이 RFID 리더(210)의 인식 범위는 송신전력의 세기에 정확하게 비례하지는 않으므로, rj의 j값이 작다고 하더라도 송신전력의 세기가 작은 것은 아니다. 물론 인식 범위가 다르면 인식되는 RFID 태그 장 치(100)의 개수는 다르게 된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 송신전력 세기의 조절을 고려한 RFID 리더(210)의 위치는 다음의 수학식 2와 같이 추정될 수 있다. 수학식 2는 수학식 1을 확장한 것으로서, RFID 태그 장치(100)의 위치뿐만 아니라 송신전력의 레벨도 같이 고려한 것이다.
Figure 112008064497259-pat00004
M은 송신전력의 레벨 개수이고, j는 송신전력의 해당 레벨이며, Kj는 송신전력의 레벨이 j일 경우의 인식되는 RFID 태그 장치(100)의 개수이다. aj는 송신전력 레벨의 가중치로서, 도 5에 나타낸 결과를 참고하여 결정될 수 있다. 즉, aj는 송신전력의 세기에 따른 인식 범위의 실험 결과를 반영한 팩터로서, 인식 범위가 큰 송신전력 레벨일수록 가중치 aj 값은 작은 것으로 설정할 수 있다. bij는 송신전력 레벨이 j일 경우 RFID 태그 장치 i에 대한 가중치이다.
한편, 수학식 2에 나타낸 위치 추정 알고리즘이 어느 정도의 정확성을 가지는지를 판단하기 위하여 실제 실험치와의 오차 분산을 통해 검증하는 것이 필요하다고 할 것이다.
RFID 태그 장치(100)의 위치 추정에 대한 오차 분산(error variance)을 유도 하기 위하여, 수학식 2에서 aj와 bij를 1로 가정하면 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008064497259-pat00005
추정된 RFID 태그 장치(100)의 위치는 균등분포(uniform distribution) 상에서 확률변수(random variable)로 나타낼 수 있다.
여기서, 수학식 3을 통해 얻어진 RFID 태그 장치(100)의 위치 벡터 xij 와 실험에 의하여 얻어진 RFID 태그 장치(100)의 위치 벡터 xR 의 오차는
Figure 112008064497259-pat00006
와 같이 나타낼 수 있고, 균등분포 상에서 확률변수는
Figure 112008064497259-pat00007
로 나타낼 수 있다. 실험에 의하여 획득한 RFID 태그 장치(100)의 위치 벡터 xR 에 대한 설명은 추후에 표 1를 통하여 설명하기로 한다.
Figure 112008064497259-pat00008
는 인식 범위가 rj일 경우에
Figure 112008064497259-pat00009
의 오차 분산을 의미한다.
Figure 112008064497259-pat00010
값 들이 상호 독립이라고 가정하면, 추정된 RFID 리더(210)의 위치(xestimate)에 대한 오차 분산은 다음의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008064497259-pat00011
수학식 4에 나타낸
Figure 112008064497259-pat00012
는 수학식 5와 같이 계산될 수 있다.
Figure 112008064497259-pat00013
그리고, 수학식 5를 수학식 4에 대입하면 다음의 수학식 6과 같이 정리할 수 있다.
Figure 112008064497259-pat00014
따라서, 수학식 6에 나타낸 바와 같이 송신전력의 레벨 개수(M)가 크고 인식 범위(rj)가 좁을수록 추정된 RFID 리더(210)의 위치에 대한 오차 분산을 줄일 수 있다.
만일 RFID 태그 장치(100)들 사이의 거리 d가 충분히 작다고 가정하면, 인식되는 RFID 태그 장치(100)의 개수(Kj)는
Figure 112008064497259-pat00015
로 가정될 수 있으며 수학식 6은 다음과 같이 수학식 7로 변형될 수 있다.
Figure 112008064497259-pat00016
여기서 RFID 리더(210)의 인식 범위 내에 적어도 1개의 RFID 태그 장치(100)는 포함된다고 가정한다.
수학식 7에 나타낸 것과 같이 RFID 태그 장치(100)들 사이의 거리 d가 작을수록, 송신전력의 레벨 개수 M이 클수록 RFID 리더(210)의 위치 추정은 정확하다고 볼 수 있다.
이하에서는 실험을 통하여 송신전력 레벨을 조절하는 실험군과 송신전력 레벨을 조절하지 않는 대조군에 대하여 RFID 리더(210)의 추정 위치의 오차 분산을 비교하도록 한다.
송신전력 레벨을 조절하는 실험군의 경우에는 송신전력의 레벨을 3개로 설정하며, 각각의 인식 범위 (r1, r2, r3) = (0.2, 0.5, 1.0)이 되도록 한다. RFID 태그 장치(100)들 사이의 거리 d는 0.1부터 1.0까지 0.1의 비율로 증가하도록 설정한다. 따라서, 실험군에서는 d가 0.2 이하이면 인식 범위가 r1이 되도록 송신전력을 조절하고, d가 0.2 이상이고 0.5 이하이면 인식 범위가 r2가 되도록 송신전력을 조절하며, d가 0.5 이상이면 인식 범위가 r3이 되도록 송신전력을 조절하도록 한다.
반면에 송신전력 레벨을 조절하지 않는 대조군의 경우에는 d에 관계없이 RFID 리더(210)의 송신전력 레벨을 1.0이 되도록 설정한다. 여기서, RFID 태그 장치(100)들 사이의 거리 d는 별도의 길이 단위는 적용하지 않으며, 거리 d는 절대치가 아니라 실험의 편의를 위한 상대적인 비율을 나타낸 상대치이다.
아래의 표 1은 d가 증가함에 따라 실험군과 대조군에 대하여 추정된 RFID 리더(210) 위치의 오차 분산 실험의 결과를 표로 나타낸 것이다.
Figure 112008064497259-pat00017
표 1에서 보는 바와 같이 d가 0.5보다 작은 경우에는, 송신전력의 세기를 조절시키는 실험군과 송신전력의 세기를 조절하지 않은 대조군의 오차 분산은 크게 차이점이 없다. 즉, d가 0.5보다 작은 경우, 0.2, 0.5, 1.0의 인식 범위를 갖도록 송신전력의 세기를 변경시키는 실험군과 1.0의 인식 범위를 갖도록 송신전력의 세기를 유지하는 대조군의 오차 분산은 비슷하다.
그러나, 표 1을 통해 d가 0.5보다 크면 실험군의 경우가 대조군의 경우보다 오차 분산이 더 작아진다는 것을 알 수 있다. 다시 말하면, 송신전력의 세기를 3개의 레벨로 변경되도록 제어하는 경우, RFID 리더(210)는 더욱 정확하게 RFID 태그 장치(100)를 검출한다.
예를 들어, d가 1.0 인 경우, 실험군은 평균오차분산이 약 0.127 인데 비하여 대조군은 평균오차분산이 0.260 으로서 실험군에 비하여 오차가 더욱 커진다는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면 RFID 태그 장치(100)들 사이의 거리 d가 일정 거리보다 큰 경우에는 RFID 리더(210)의 송신전력의 세기를 여러 레벨로 나누어 조절하는 것이 효율적이다.
일반적으로 이동 로봇의 위치인식 시스템에 있어서, 경제적인 면을 고려할 때 RFID 태그 장치(100)들 사이의 거리 d는 클수록 경제적이다. 그러나, 앞에서 설명하였듯이, d가 클수록 RFID 태그 장치(100)의 인식 확률이 감소하므로 정확한 RFID 리더(210)의 위치 인식이 어렵게 된다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따르면 RFID 리더(210)의 송신전력의 세기를 여러 레벨로 나누어 변경시킴으로써 RFID 리더(210)의 위치 인식의 정확률을 높일 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 RFID를 이용한 이동 로봇의 위치 인식 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 의한 RFID를 이용한 이동 로봇의 위치 인식 방법에 대한 동작 과정을 순차적으로 도시한 흐름도이다.
도 3은 일반적인 RFID 리더의 위치를 추정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 RFID 리더의 인식 범위를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 송신전력에 따른 RFID 리더의 RFID 태그 장치 인식 확률을 나타낸 실험 결과 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 RFID 리더의 송신전력의 조절에 따른 RFID 리더의 위치 추정 방법을 설명하기 위한 도면이다.

Claims (6)

  1. 일정 간격으로 이격되어 바닥에 부착되어 있는 복수의 RFID 태그, 그리고
    상기 복수의 RFID 태그로 RFID 신호를 송출하고, 상기 복수의 RFID 태그로부터 수신된 식별 정보와 위치 정보에 대응하여 상기 RFID 신호를 송출시키는 송신전력의 세기를 조절하는 이동 로봇 장치를 포함하며,
    상기 이동 로봇 장치는,
    상기 수신된 복수의 RFID 태그의 위치 정보와 상기 조절된 송신전력의 세기를 통하여 상기 이동 로봇 장치의 현재 위치를 추정하되, 다음의 수학식을 통하여 현재 위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇 장치의 위치 인식 시스템.
    Figure 112008085196157-pat00025
    xestimate는 추정된 이동 로봇 장치의 위치이며, M은 송신전력의 레벨 개수이고, j는 송신전력의 해당 레벨이며, Kj는 송신전력의 레벨이 j일 경우의 인식되는 RFID 태그의 개수이고, aj는 송신전력 레벨의 가중치이며, bij는 송신전력 레벨이 j일 경우 RFID 태그 i에 대한 가중치이, xij는 송신전력의 레벨이 j일 경우의 RFID 테그장치 i의 위치벡터이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이동 로봇 장치는,
    상기 RFID 신호를 발생하는 RFID 리더,
    상기 송신전력을 발생하는 송신전력 발생부,
    상기 복수의 RFID 태그로 상기 RFID 신호를 송출하고, 상기 복수의 RFID 태그로부터 식별 정보와 위치 정보를 수신하는 송수신안테나, 그리고
    상기 수신된 복수의 RFID 태그의 위치 정보에 대응하여 상기 RFID 신호를 송출시키는 송신전력의 세기를 조절하는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 수신된 복수의 RFID 태그의 위치 정보와 상기 조절된 송신전력의 세기를 통하여 상기 이동 로봇 장치의 현재 위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇 장치의 위치 인식 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 RFID 태그의 위치 정보로부터 획득한 상기 복수의 RFID 사이의 간격이 일정 거리 이상이면 상기 송신전력의 세기를 변환시키면서 상기 RFID 신호를 송출하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇 장치의 위치 인식 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 RFID 태그의 위치 정보로부터 획득한 상기 복수의 RFID 사이의 간격이 일정 거리 이상이면, 상기 송신전력의 세기를 서로 다른 복수의 레벨로 교대로 변환시키면서 상기 RFID 신호를 송출하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇 장치의 위치 인식 시스템.
  5. 삭제
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제어부의 제어에 의해 기 설정된 경로로 이동하도록 하는 로봇 동작부를 더 포함하는 이동 로봇 장치의 위치 인식 시스템.
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