KR100924994B1 - 적외선 센서와 카메라를 이용한 이동로봇의 자동충전시스템 및 그 방법 - Google Patents

적외선 센서와 카메라를 이용한 이동로봇의 자동충전시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적외선 필터가 장착된 카메라와 무선 기지국(Access Point)를 포함하는 충전 스테이션에서 최소 2개 이상의 적외선 센서를 장착한 로봇의 영상을 획득하여 로봇의 위치와 자세를 계산하며, 그 계산 결과를 이용하여 로봇이 충전 스테이션에 도킹하여 자동충전되도록 하는 적외선 센서와 카메라를 이용한 이동로봇의 자동충전 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 이동로봇에 장착된 복수개의 적외선 센서와; 상기 적외선 센서를 인지하기 위한 카메라, 및 상기 이동로봇과의 무선통신을 수행하기 위한 무선 기지국을 구비하는 충전 스테이션과; 상기 적외선 센서와 카메라를 이용하여 상기 이동로봇의 위치를 파악하고 상기 이동로봇이 상기 충전 스테이션에 도킹하도록 유도하여 자동충전이 이루어지도록 하는 충전 유도 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하며, 충전 유도와 로봇의 위치인식을 하나의 장치로 구현하기 때문에 설치와 초기 설정이 간편하며, 그 비용이 저렴한 특징이 있다.
이동로봇, 자동 충전, 도킹, 위치인식, 적외선 센서

Description

적외선 센서와 카메라를 이용한 이동로봇의 자동충전 시스템 및 그 방법{AUTOMATIC CHARGING SYSTEM FOR MOVING ROBOT USING INFRARED SENSOR AND CAMERA AND METHOD THEREOF}
본 발명은 이동로봇의 위치를 파악하고, 이동로봇이 충전 스테이션에 도킹하여 자동 충전이 이루어지도록 하는 이동로봇의 자동충전 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 적외선 필터가 장착된 카메라와 무선 기지국(Access Point)를 포함하는 충전 스테이션에서 최소 2개 이상의 적외선 센서를 장착한 로봇의 영상을 획득하여 로봇의 위치와 자세를 계산하며, 그 계산 결과를 이용하여 로봇이 충전 스테이션에 도킹하여 자동충전되도록 하는 적외선 센서와 카메라를 이용한 이동로봇의 자동충전 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT신성장동력핵심기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2005-S-026-02, 과제명: URC용 임베디드 소프트웨어 플랫폼 및 미들웨어 개발].
자율 이동로봇에 있어서 로봇의 위치 인식과 자동 충전 기능은 사용자의 간섭 없이 로봇이 자율적으로 동작하기 위한 필수적인 기능이다. 실내에서 동작하는 이동로봇의 위치를 인식하기 위하여 로봇마다 다양한 방법이 이용되고 있으며 적외선 센서를 이용한 로봇의 위치인식 방법과 관련하여 대한민국 등록특허 제10-2005-0036831호에서는 로봇 외부에 부착된 적외선 센서점을 인식하는 방법에 의해 위치를 파악하고 있으며, 또 다른 등록특허 제10-0492592호에서는 충전 스테이션에 장착된 적외선 표식을 로봇에 장착된 적외선 센서로 감지하여 로봇의 방향을 인식하여 충전단자와 접속할 때 자세를 유지할 수 있도록 하고 있다.
실내의 벽이나 천장의 적외선 센서를 로봇에 장착된 카메라로 인식하여 위치를 추정하는 종래의 로봇의 위치인식 방법에서는 상당한 위치 정확도와 넓은 위치인식 영역을 갖는 장점이 있으나, 이를 위해서는 여러 개의 적외선 센서를 실내공간에 설치해야 하며, 정확한 위치인식을 위해 위치 보정에 많은 시간이 소요된다. 그러나 실내에서 동작하는 바퀴 구동형의 이동로봇의 경우에, 충전 스테이션이나 문 같은 몇몇 중요한 지점에서만 높은 정밀도의 위치 정보가 요구되며, 그 외의 경우에는 위치정밀도가 낮아도 크게 문제되지 않는다.
종래의 로봇 위치인식 방법과 반대로, 로봇에 적외선 센서를 장착하고 충전 스테이션이 위치한 벽면에 카메라를 장착한다면 위치인식의 기준을 충전 스테이션으로 한정할 수 있으므로 설치 및 보정이 간편해진다는 장점이 있다. 또한 카메라로 적외선 센서를 인지하여 위치를 추정하는 방식은 적외선 센서와 카메라와의 거 리가 가까울수록 그 정확도가 증가하는 특징이 있다. 따라서 충전 스테이션에 가까울수록 위치 정확도가 높아지게 된다.
본 발명은 상기한 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 상기와 같은 방법으로 저비용으로 설치가 쉽고 넓은 위치인식 영역을 가지며, 로봇이 충전 스테이션에 도킹하여 자동충전을 할 수 있도록 충전 스테이션 부근에서 도킹에 필요한 충분한 위치 및 자세 정확도를 획득할 수 있는 적외선 센서와 카메라를 이용한 이동로봇의 자동충전 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 적외선 센서와 카메라를 이용한 이동로봇의 자동충전 시스템은, 이동로봇에 장착된 복수개의 적외선 센서와; 상기 적외선 센서를 인지하기 위한 카메라, 및 상기 이동로봇과의 무선통신을 수행하기 위한 무선 기지국을 구비하는 충전 스테이션과; 상기 적외선 센서와 카메라를 이용하여 상기 이동로봇의 위치를 파악하고 상기 이동로봇이 상기 충전 스테이션에 도킹하도록 유도하여 자동충전이 이루어지도록 하는 충전 유도 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 카메라는 적외선 필터를 더 구비하고, 상기 복수의 센서는 상기 이동로봇의 회전 중심점 상단에 부착된 제1 적외선 센서와, 상기 제1 적외선 센서로부터 일정 간격 만큼 이격되어 상기 이동로봇의 표면에 90도 방향으로 각각 장착된 적어도 2개 이상의 제2 적외선 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 제1 및 제2 적외선 센서는 적외선 LED인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 적외선 센서와 카메라를 이용한 이동로봇의 자동충전 방법은, 자동충전 모드 진입시, 이동로봇이 고정식 충전 스테이션에 위치정보를 요청하면, 상기 충전 스테이션이 상기 이동로봇의 위치정보를 계산하여 상기 이동로봇으로 전송하는 제1 단계와; 상기 이동로봇이 상기 위치정보에 기초하여 상기 충전 스테이션 근처로 이동하는 제2 단계와; 상기 이동로봇이 상기 충전 스테이션에 자세 정렬을 위한 자세정보를 요청하면, 상기 충전 스테이션이 상기 이동로봇의 자세정보를 계산하여 상기 이동로봇으로 전송하는 제3 단계와; 상기 이동로봇이 자동충전을 위해 상기 자세정보에 기초하여 자세정렬을 수행하면서 상기 충전 스테이션에 도킹하도록 유도하는 제4 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 이동로봇의 위치정보와 자세정보는 상기 충전 스테이션의 카메라에서 상기 이동로봇에 장착된 복수개의 적외선 센서를 인지함으로써 획득하되, 상기 복수의 센서는 상기 이동로봇의 회전 중심점 상단에 부착된 제1 적외선 센서와, 상기 제1 적외선 센서로부터 일정 간격 만큼 이격되어 상기 이동로봇의 표면에 90도 방향으로 각각 장착된 적어도 2개 이상의 제2 적외선 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 이동로봇의 위치정보는 상기 제1 적외선 센서와 상기 제2 적외선 센서 중의 하나와의 높이 차(h)로부터 구해지고, 상기 이동로봇의 위치정보는 상기 카메라와 이동로봇 간의 거리(d) 및 상기 카메라에서 바라본 로봇의 방향(θ)으로부터 구해지며, 상기 충전 스테이션을 기준으로 하기의 극좌표계:
Figure 112007059993309-pat00001
,
Figure 112007059993309-pat00002
로 표현되는 것을 특징으로 한다.
상기 카메라와 이동로봇 간의 거리(d)는 하기의 수학식:
Figure 112007059993309-pat00003
에 의해 구해지며, 여기서 h는 상기 제1 및 제2 적외선 센서 사이의 높이 차이이고, C 0 는 상기 카메라의 렌즈에 따라 변하는 상수 값인 것을 특징으로 한다.
상기 카메라에서 바라본 로봇의 방향(θ)은 하기의 수학식:
Figure 112007059993309-pat00004
에 의해 구해지며, 여기서 w은 상기 카메라로부터 얻어진 영상 중심과 상기 제1 적외선 센서와의 수평거리이고, C1은 상기 카메라의 렌즈에 따라 변하는 상수 값인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이동로봇의 자세정보는 상기 제1 적외선 센서와, 상기 제2 적외선 센서 중 상기 충전 스테이션에 도킹하는 방향에 장착된 제2 적외선 센서와의 상대 위치로 계산되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 충전 유도와 로봇의 위치인식을 하나의 장치로 구현하기 때문에 설치와 초기 설정이 간편하며, 그 비용이 저렴한 특징이 있다.
또한, 고정 카메라를 이용하여 위치를 인식하고 최종 확인과정을 거치기 때 문에 위치 인식의 오류 가능성이 거의 없으며, 적외선 영역의 적외선 센서를 이용하기 때문에 조명이 없는 밤에도 사용가능하다는 장점이 있다.
이하, 본 발명의 적외선 센서와 카메라를 이용한 이동로봇의 자동충전 시스템 및 그 방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 적외선 센서와 카메라를 이용한 이동로봇의 자동충전 시스템 구성도이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 적외선 센서와 카메라를 이용한 이동로봇의 자동충전 시스템 구현예를 도시하는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 이동로봇의 자동충전 시스템은 크게 바퀴에 의해 이동가능한 이동로봇(100)과 벽면 등에 고정되는 충전 스테이션(200)으로 구분된다.
이동로봇(100)은 복수개의 적외선 센서(110)와, 무선통신부(120), 충전단자(130)를 포함하여 구성되며, 충전 스테이션(200)은 카메라(210), 무선 기지국(AP)(220), 충전단자(230), 충전 유도 제어부(240)를 포함하여 구성된다. 여기서, 충전 유도 제어부(240)는 충전 스테이션(200) 내에 포함되는 것으로 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않고 별도의 구성요소로서 제공가능하다.
충전 스테이션(200)의 카메라(210)는 높이 조절이 가능하고, 적외선 필터가 장착되어 이동로봇(100)에 장착된 적외선 센서(110)를 인지할 수 있도록 구성되어 있다. 바람직하게, 카메라(210)의 높이는 이동로봇의 최상단의 적외선 센서(110a)의 높이와 동일하게 맞춰진다.
이동로봇(100)과 충전 스테이션(200)은 모두 TCP/IP에 기반한 네트워크로 연결되어 있으며, 이동로봇(100)의 무선통신부(120)는 충전 스테이션(200)의 무선 기지국(220)과 무선통신을 수행한다.
또한, 충전 스테이션(200)은 이동로봇(100)의 요청에 따라 적외선 센서(110)에 대한 영상 정보를 획득하여 이동로봇(100)의 위치를 계산한 후 이를 이동로봇(100)에 알려 줄 수 있는 기능을 가지고 있다.
즉, 충전 유도 제어부(240)는 적외선 센서(110)와 카메라(210)를 이용하여 이동로봇(100)의 위치를 파악하고 이동로봇(100)이 충전 스테이션(200)에 도킹하도록 유도하여 자동충전이 이루어지도록 제어한다.
또한, 이동로봇(100)의 충전단자(130)와 충전 스테이션(200)의 충전단자(230)는 충전 유도 제어부(240)의 제어하에서 이동로봇(100)이 충전 스테이션(200)에 도킹할 때 충전을 수행하기 위한 것이다.
도 3은 도 1에 도시한 이동로봇에 장착된 적외선 센서 배치도로서, 본 발명의 적외선 센서로는 지향각이 넓은 적외선 LED가 사용될 수 있다.
도 3을 참조하면, 적외선 센서(110)는 적어도 5개의 적외선 센서(110a, 110b, 110c, 110d, 100e)로 구성되어 있다.
예를 들면, 적외선 센서 1(110a)은 측면 모든 방향에서 보일 수 있도록 이동 로봇의 최상단의 회전 중심점에 장착된다. 이를 위해서, 적외선 센서 1(110a)은 6개의 적외선 LED가 원형으로 배치된 형태로 구성된다.
또한, 적외선 센서 2,3,4,5(110b, 110c, 110d, 100e)는 적외선 센서 1(110a)로부터 일정 간격(h) 만큼 이격되어 이동로봇의 표면에 90도 방향으로 1개씩 각각 장착되며, 적외선 센서 2,3,4,5(110b, 110c, 110d, 100e) 중 하나(110c)가 충전단자(130)의 근처에 장착된다.
상기와 같이 총 5개의 적외선 센서를 장착하면 측면의 어느 방향에서 보아도 적외선 센서 2,3,4,5(110b, 110c, 110d, 100e) 중의 하나와 적외선 센서 1(110a)이 보이게 된다.
도 4는 도 1에 도시한 충전 스테이션에 장착된 적외선 필터 장착 카메라로 촬영한 이동로봇의 측면영상의 예시도이다.
충전 스테이션(200)의 카메라(210)에서 이동로봇(100)에 장착된 적외선 센서(110)를 인지할 수 있다면, 적외선 센서(110)의 위치로부터 카메라(210)에서 이동로봇까지의 방향을 알 수 있으며, 적외선 센서 1(110a)과 적외선 센서 2,3,4,5(110b, 110c, 110d, 100e) 중의 하나와의 높이 차로부터 카메라와 이동로봇간의 거리를 파악할 수 있다.
이때, 카메라와 로봇과의 거리는 다음의 수학식 1에 의해 구할 수 있다.
Figure 112007059993309-pat00005
여기서, d는 카메라와 로봇간의 거리이고, h는 도 4에 나타난 바와 같이 두 개의 적외선 센서(110a와 110c) 간의 높이 차이이고, C 0 는 카메라의 렌즈에 따라 변하는 상수 값으로, 이미 알고 있는 거리에서 카메라로 인식한 두 개의 적외선 센서간의 높이 차를 구하여 계산할 수 있다.
또한, 카메라에서 본 이동로봇의 방향은 다음의 수학식 2에 의해 구할 수 있다.
Figure 112007059993309-pat00006
여기서, w은 도 4에 나타난 바와 같이 영상 중심과 적외선 센서 1(110a)과의 수평거리이다. 예를 들면, 영상의 수평 중심을 기준으로 적외선 센서 1(110a)이 오른쪽에 있으면 w의 부호는 (-)이고 왼쪽이 있을 경우 w의 부호는 (+)이 된다. 또한, C1은 카메라의 렌즈에 따라 변하는 상수 값으로, 이미 알고 있는 각도와 카메라 영상의 w 값을 이용하여 계산에 의해 구할 수 있다. 즉, θ의 부호는 영상의 좌우 배치에 따라 변경된다.
이상과 같이, 카메라에서 바라본 로봇의 방향과 거리를 알면 충전 스테이션 을 기준으로 극좌표계로 표현되는 로봇의 위치를 알 수 있다. 이를 직교좌표계로 표현하면,
Figure 112007059993309-pat00007
,
Figure 112007059993309-pat00008
식으로 간단히 표현된다.
충전 스테이션에서는 로봇에 장착된 적외선 센서를 지속적으로 관찰하며, 적외선 센서가 관찰되면 카메라로부터 로봇까지의 거리와 방향을 무선 네트워크를 통해 로봇에게 통보한다.
로봇의 위치를 표현하는데 필요한 변수는 모두 3개이며, 이중 위치에 해당하는 2개의 변수는 앞서 구하였다. 다음으로, 로봇의 자세, 즉 로봇의 지향각은 로봇과 충전 스테이션 간의 상호작용을 통해 계산 가능하다.
바람직하게, 로봇의 자세 인식, 즉 로봇의 자세정보는 충전 단자가 장착된 방향의 적외선 센서 4(110d)와 최상단의 적외선 센서 1(110a)과의 상대 위치로 계산되는데, 이에 대해 살펴보면 다음과 같다.
도 5는 로봇의 위치를 파악하는 과정에 있어서 방향 정렬이 되지 않았을 때의 로봇과 카메라의 관계 및 영상 예시도이며, 도 6은 로봇의 위치를 파악하는 과정에 있어서 방향 정렬이 되었을 때의 로봇과 카메라의 관계 및 영상 예시도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 로봇과 카메라의 지향각이 일치할 경우에는 적외선 센서 1(110a)과 적외선 센서 4(110d)의 영상이 수직선 상에 위치하게 되며, 도 5에 도시된 바와 같이 그렇지 않을 경우에는 서로 다른 위치에 있게 된다.
즉, 방향정렬(또는 자세정렬)이라 함은 도 3에 나타난 적외선 센서 1(110a) 과 적외선 센서 2,3,4,5(110b, 110c, 110d, 100e) 중 하나가 수직선 상에 위치하도록 로봇을 회전시키는 것을 의미하며, 도 6의 경우에 자세 정렬이 완료된 상태가 된다. 자세정렬이 완료되면 카메라의 위치를 기준점으로 한 로봇의 위치와 방향을 알 수 있게 된다.
따라서, 로봇의 자세 인식을 위해서는 적외선 센서 2,3,5(110b, 110c, 100e)를 끄고, 로봇이 정지상태에서 제자리에서 회전을 하여 적외선 센서 1(110a)과 적외선 센서 4(110d)의 영상이 수직선 상에 위치하도록 하는 자세 정렬 과정을 수행한다.
정렬된 이후, 도 4에 표시된 영상에서 h와 w를 추출하여 로봇의 방향과 거리를 구하면 위치를 파악할 수 있다. 즉, 적외선 센서 1(100a)의 수평위치 w로부터 로봇의 지향각 및 거리 방향을 파악하면 된다. 이때, 정렬된 상태에서의 로봇의 지향각은
Figure 112007059993309-pat00009
로 나타낼 수 있다.
로봇 자세 및 위치의 정확성은 로봇과 카메라와의 거리가 가깝고, 영상의 수평 성분이 카메라의 중앙에 근접할수록 좋아진다. 로봇의 자세 인식을 위해서는 정렬 과정이 필요하며, 이 과정은 로봇 시스템의 반응 속도에 따라 편차를 보이지만 수 초에서 30초까지 소요될 수 있는 작업이기 때문에 로봇의 누적 위치 오차가 일정 수준 이상이 되었을 때에만 자세 인식을 하도록 한다.
또한, 로봇의 자세 인식은 카메라에서 본 로봇의 방향이 0도에 가깝고 거리 가 가까울수록 정확도가 높아지므로 카메라 영상을 기준으로 일정 범위 이내에서만 자세 정렬 및 인식을 하도록 한다.
상기 기술한 과정은 로봇의 주행에 필요한 위치 인식 및 자세 인식에 대한 내용이었으며, 높은 정확도의 위치 및 자세인지가 요구되지는 않았다. 다음에 기술할 충전 유도 과정은 상기 기술한 위치 및 자세인식 방법을 이용하여 충전 스테이션까지 도킹하기 위한 절차를 포함한다. 이 과정은 로봇이 목표위치로부터 수 cm이내의 정밀도를 가져야만 가능하다.
상기 기술한 바와 같이 본 발명에 사용된 위치 및 자세 인식 방법은 카메라와 로봇이 근접할수록, 그리고 적외선 센서가 카메라의 중앙에 가깝게 보일수록 정확도가 높다. 이러한 특성을 이용한 충전 유도 방법은 도 7에 나타난 순서도와 같다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 적외선 센서와 카메라를 이용한 이동로봇의 자동충전 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 자동충전 모드 진입시, 먼저 이동로봇이 고정식 충전 스테이션에 위치정보를 요청한다(S100). 이때, 충전 스테이션은 이동로봇의 위치정보를 계산하여 이동로봇으로 전송한다.
즉, "충전 스테이션에서 위치요청"을 하는 부분에서 수학식 1과 수학식 2를 이용하여 카메라가 장착된 충전스테이션의 위치를 기준으로 한 로봇의 위치와 방향 을 파악할 수 있게 된다.
다음에, 이동로봇이 충전 스테이션으로부터 전송받은 위치정보에 기초하여 충전 스테이션 정면으로 이동한다(S102). 이 과정은 도킹하기 편리한 위치로 이동하는 단계이다.
다음에, 이동로봇이 충전 스테이션에 자세 정렬을 위한 자세정보를 요청한다(S104). 이때, 충전 스테이션은 이동로봇의 자세정보를 계산하여 이동로봇으로 전송해준다.
다음에, 이동로봇이 자동충전을 위해 상기한 자세정보에 기초하여 자세정렬을 수행하며(S106), 이러한 과정에서 충전 스테이션에 대한 도킹을 유도한다.
충전 스테이션에 대한 도킹은 앞서 설명한 로봇의 주행에 필요한 위치 인식 및 자세 인식방법에 의해 이루어진다. 즉, 이동후 로봇의 위치를 다시 한번 확인하기 위해 충전스테이션에 자세정렬 여부 요청과 자세정렬 과정을 반복한다.
일례로, 영상의 수평 중심을 기준으로 볼 때, 상기 적외선 센서 1이 오른쪽에 있으면 w의 부호는 (-)이고, 상기 적외선 센서 1이 왼쪽에 있으면 w의 부호는 (+)가 되는데, 상기 w의 부호가 (-)이면 상기 이동로봇이 오른쪽으로 회전하면서 후진하며(S112), 상기 w의 부호는 (+)이면 상기 이동로봇이 왼쪽으로 회전하면서 후진한다(S114).
만약 도킹이 실패하면, 위의 과정을 재반복 한다.
최종적으로, 도킹이 완료되었는지 체크하고(S116), 충전이 수행된다. 여기서, 도킹 완료여부는 로봇에 배터리의 전압을 측정하는 장치를 별도로 두고, 이를 통해 결정할 수 있다. 예를 들면, 일정 시간(약 1초에서 5초) 동안 배터리 전압을 측정하여 배터리 전압이 일정 수준을 넘고, 전압이 시간이 지날수록 상승하고 있다면 충전중이라고 판단한다. 이와 반대로, 전압이 일정 수준 이하거나 전압이 시간이 지날수록 하강하고 있다면 충전중이 아닌 것으로 판단한다.
이상에서 몇 가지 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 적외선 센서와 카메라를 이용한 이동로봇의 자동충전 시스템 구성도이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 적외선 센서와 카메라를 이용한 이동로봇의 자동충전 시스템 구현예를 도시하는 도면이고,
도 3은 도 1에 도시한 이동로봇에 장착된 적외선 센서 배치도이고,
도 4는 도 1에 도시한 충전 스테이션에 장착된 적외선 필터 장착 카메라로 촬영한 로봇의 측면영상의 예시도이고,
도 5는 로봇의 위치를 파악하는 과정에 있어서 방향 정렬이 되지 않았을 때의 로봇과 카메라의 관계 및 영상 예시도이고,
도 6은 로봇의 위치를 파악하는 과정에 있어서 방향 정렬이 되었을 때의 로봇과 카메라의 관계 및 영상 예시도이며,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 적외선 센서와 카메라를 이용한 이동로봇의 자동충전 방법을 설명하는 흐름도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 이동로봇 110 : 적외선 센서
200 : 충전 스테이션 210 : 카메라
240 : 충전 유도 제어부

Claims (11)

  1. 이동로봇의 회전 중심점 상단에 부착된 제1 적외선 센서와, 상기 제1 적외선 센서로부터 일정 간격 만큼 이격되어 상기 이동로봇의 표면에 90도 방향으로 각각 장착된 적어도 2개 이상의 제2 적외선 센서를 포함하는 복수개의 적외선 센서와;
    상기 적외선 센서를 인지하기 위한 카메라, 및 상기 이동로봇과의 무선통신을 수행하기 위한 무선 기지국을 구비하는 충전 스테이션과;
    상기 적외선 센서와 카메라를 이용하여 상기 이동로봇의 위치를 파악하고 상기 이동로봇이 상기 충전 스테이션에 도킹하도록 유도하여 자동충전이 이루어지도록 하는 충전 유도 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서와 카메라를 이용한 이동로봇의 자동충전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 카메라는 적외선 필터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서와 카메라를 이용한 이동로봇의 자동충전 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 적외선 센서는 적외선 LED인 것을 특징으로 하는 적외선 센서와 카메라를 이용한 이동로봇의 자동충전 시스템.
  5. 자동충전 모드 진입시, 이동로봇이 고정식 충전 스테이션에 위치정보를 요청하면, 상기 이동로봇의 회전 중심점 상단에 부착된 제1 적외선 센서와, 상기 제1 적외선 센서로부터 일정 간격 만큼 이격되어 상기 이동로봇의 표면에 90도 방향으로 각각 장착된 적어도 2개 이상의 제2 적외선 센서를 포함하는 복수개의 적외선 센서를 충전 스테이션의 카메라에서 인지함으로써 상기 충전 스테이션이 상기 이동로봇의 위치정보를 계산하여 상기 이동로봇으로 전송하는 제1 단계와;
    상기 이동로봇이 상기 위치정보에 기초하여 상기 충전 스테이션 근처로 이동하는 제2 단계와;
    상기 이동로봇이 상기 충전 스테이션에 자세 정렬을 위한 자세정보를 요청하면, 상기 이동로봇의 회전 중심점 상단에 부착된 제1 적외선 센서와, 상기 제1 적외선 센서로부터 일정 간격 만큼 이격되어 상기 이동로봇의 표면에 90도 방향으로 각각 장착된 적어도 2개 이상의 제2 적외선 센서를 포함하는 복수개의 적외선 센서를 충전 스테이션의 카메라에서 인지함으로써 상기 충전 스테이션이 상기 이동로봇의 자세정보를 계산하여 상기 이동로봇으로 전송하는 제3 단계와;
    상기 이동로봇이 자동충전을 위해 상기 자세정보에 기초하여 자세정렬을 수행하면서 상기 충전 스테이션에 도킹하도록 유도하는 제4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서와 카메라를 이용한 이동로봇의 자동충전 방법.
  6. 삭제
  7. 제5항에 있어서,
    상기 이동로봇의 위치정보는 상기 제1 적외선 센서와 상기 제2 적외선 센서 중의 하나와의 높이 차(h)로부터 구해지는 것을 특징으로 하는 적외선 센서와 카메라를 이용한 이동로봇의 자동충전 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 이동로봇의 위치정보는 상기 카메라와 이동로봇 간의 거리(d) 및 상기 카메라에서 바라본 로봇의 방향(θ)으로부터 구해지며, 상기 충전 스테이션을 기준으로 하기의 극좌표계:
    Figure 112009039733266-pat00010
    ,
    Figure 112009039733266-pat00011
    로 표현되는 것을 특징으로 하는 적외선 센서와 카메라를 이용한 이동로봇의 자동충전 방법.
    (여기서, x, y 는 극좌표계에서의 이동로봇의 위치를 나타낸다.)
  9. 제8항에 있어서,
    상기 카메라와 이동로봇 간의 거리(d)는 하기의 수학식:
    Figure 112007059993309-pat00012
    에 의해 구해지며, 여기서 h는 상기 제1 및 제2 적외선 센서 사이의 높이 차이이고, C 0 는 상기 카메라의 렌즈에 따라 변하는 상수 값인 것을 특징으로 하는 적외선 센서와 카메라를 이용한 이동로봇의 자동충전 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 카메라에서 바라본 로봇의 방향(θ)은 하기의 수학식:
    Figure 112007059993309-pat00013
    에 의해 구해지며, 여기서 w은 상기 카메라로부터 얻어진 영상 중심과 상기 제1 적외선 센서와의 수평거리이고, C1은 상기 카메라의 렌즈에 따라 변하는 상수 값인 것을 특징으로 하는 적외선 센서와 카메라를 이용한 이동로봇의 자동충전 방법.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 이동로봇의 자세정보는 상기 제1 적외선 센서와, 상기 제2 적외선 센서 중 상기 충전 스테이션에 도킹하는 방향에 장착된 제2 적외선 센서와의 상대 위치로 계산되는 것을 특징으로 하는 적외선 센서와 카메라를 이용한 이동로봇의 자동충전 방법.
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