KR100958412B1 - 이동 로봇의 자기 위치 인식 시스템 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수신 신호 세기(received signal strength)를 이용하여 실내 환경에서 이동 로봇의 위치를 인식하는 기술에 있어, 수신 신호 세기로부터 이동 로봇과 고정 노드 사이의 거리 계산 시 기존의 방법보다 보다 정확한 거리를 구할 수 있도록 하기 위하여, 다중 안테나에 의한 다수의 샘플 획득과 전자 나침반을 이용한 안테나 방향을 고려하여 이를 반영하는 이동로봇의 자기 위치 인식 시스템 및 방법에 관한 것이다.

Received signal strength indicator(RSSI), 전자 나침반, 모바일 로봇, 위치 인식, 다중 안테나

Description

이동 로봇의 자기 위치 인식 시스템 및 그 방법{Self-location cognition system of mobile robot and method thereof}

본 발명은 실내에서 수신 신호 세기를 이용하여 이동 로봇의 위치를 계산하는 방법으로서 계산된 위치의 오차를 줄이기 위한 기술에 관한 것이다. 더 상세하게는 다중 안테나와 전자 나침반을 이용하여 이동 로봇의 위치 계산의 기초가 되는 수신 신호 세기로부터 환산된 고정 노드와 이동 로봇간의 거리 값을 보다 정확히 계산할 수 있는 방법에 관한 것이다.

종래의 수신 신호 세기를 통한 이동 로봇의 위치 계산 과정은 일반적으로 다음과 같다.

1) 절대 좌표 값을 가지고 있는 고정 노드의 송신 안테나로부터 송신된 RF 신호를 이동 로봇의 수신 안테나가 수신한다.

2) 수신한 RF 신호의 세기를 측정하고, 이 측정값으로부터 사전에 준비된 ‘거리에 따른 RF 신호 세기' 데이터베이스를 이용하여 이동 로봇 자신 고정된 송신 안테나 사이의 거리를 계산한다.

3) 1), 2)의 과정을 또 다른 고정 노드들에 대해 수행한다.

4) 적어도 서로 다른 3개 이상의 고정 노드와의 거리가 획득되면, 이미 알고 있는 해당 고정 노드의 좌표를 함께 이용하여 삼각측량 방법을 사용하여 이동 로봇의 위치를 계산한다.

이와 같은 과정을 이용하는 수신 신호 세기를 통한 이동 로봇의 위치 계산은 초음파, IR 또는 비전과 같은 방법을 사용한 위치 인식에 비해 원리와 구조가 매우 단순하다는 장점이 있다. 하지만 RF의 수신 신호 세기는 주변 환경에 매우 민감하며, 일반 적인 RF 송수신 안테나의 방사 패턴은 모든 방향에 대해서 일정하지 않으므로 수신 신호 세기는 동일한 거리상에서도 일정하게 측정되지 않는다. 따라서, 수신 신호 세기를 통한 위치 인식 방법은 그 정확성이 떨어진다는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 다중 안테나와 전자 나침반을 이용하여 이동 로봇의 위치 계산의 기초가 되는 수신 신호 세기로부터 환산된 고정 노드와 이동 로봇간의 거리 값을 보다 정확히 계산할 수 있는 방법을 제공하는데 있다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명에서는 적어도 하나 이상의 안테나를 모바일 로봇에 장착하고, 고정된 위치의 송신 안테나로부터 송신된 RF 신호를 동시에 상기 수신 안테나들이 수신하여, 많은 양의 수신 신호 세기 샘플 취득이 가능하도록 하고, 또한 안테나 방향에 따른 방사패턴의 변화에 의해 발생하는 수신 신호 세기의 차이를 보정하기 위해, 전자 나침반을 이용하여 수신 안테나와 송신 안테나의 방향을 알아내고 이를 수신 신호 세기로부터 거리 값을 계산하는 과정에 반영할 수 있는 이동 로봇의 자기 위치 인식 시스템의 오차 감소 방법을 제시한다.

본 발명에 의하면 다중 안테나를 사용함으로써 다수의 수신 신호 세기 샘플을 취득하게 되어, 통계적인 방법을 통해 더욱 신뢰도가 높은 수신 신호 세기 값을 얻을 수 있고, 또한 전자 나침반을 이용하여 안테나의 방향을 알 수 있으므로 같은 거리에 대해서 안테나 방향에 따른 수신 신호 세기를 고려할 수 있으므로 수신 신 호 세기로부터 거리 값을 구하는 과정에서 보다 정확한 계산이 가능하여, 결과적으로 보다 정확한 수신 신호 세기를 통한 이동 로봇의 위치 인식이 가능하게 되는 효과가 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 대한 상세한 설명을 하기로 한다.

도 1은 본 발명의 다중 안테나를 사용한 수신 신호 세기 측정 방법의 설명도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 모바일 로봇(101)과, 상기 모바일 로봇(101)에 장착되어 있는 다중 수신 안테나 그룹(102)과, 위치 추정에 기준이 되는 자신의 좌표를 알고 있는 고정 노드(104)와, 상기 고정노드(104)에 설치되어 있는 송신 안테나(105)를 포함하고, 상기 송신 안테나(105)가 고정 노드(104)의 고정위치 좌표 등을 포함하는 데이터를 RF신호(103)를 송신하고, 상기 송신된 RF신호(103)는 상기 이동 로봇(101)에 장착되어 있는 상기 다중 안테나 그룹(102)을 통해 수신된다.

일반적으로 수신 신호 세기는 RF 신호의 환경적 영향에 의해 고정 노드(104)가 수신 안테나 그룹(102)을 구성하는 각각의 수신 안테나와 같은 거리에 있다고 하더라도, 각각의 측정시 마다 다른 값이 측정된다. 이 때문에 여러 번의 측정을 통한 평균 수신 신호 세기를 거리 값 환산에 반영하는 것이 오차를 줄일 수 있는 방법 중 하나이다. 그러나 이동 로봇(101)은 움직이고 있는 상황에 있으므로, 고정 노드(104)와 이동 로봇(101)이 특정한 거리를 유지하고 있는 시간이 짧기 때문에 의미 있는 평균값을 구할 수 있을 정도의 수신 신호 세기 샘플을 얻기가 어렵다.

본 발명에는 다중 수신 안테나 그룹(102)을 사용하여, 한 번의 샘플링 과정에서 다중 수신 안테나 그룹(102)을 구성하는 수신 안테나의 수 만큼에 해당하는 수신 신호 세기 샘플을 얻을 수 있으므로, 충분히 확보된 샘플로부터 더 정확한 평균값을 구할 수 있다.

도 2는 본 발명의 다중 수신안테나그룹을 이용한 이동 로봇의 자기 위치 인식 방법을 설명하기 위한 흐름도이다,

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 다중 수신안테나그룹을 이용한 이동 로봇의 자기 위치 인식 방법은,

위치 추정에 기준이 되는 자신의 좌표를 알고 있는 고정 노드에 설치되어 있는 송신안테나로부터 고정위치 좌표 등을 포함하는 데이터를 송신하는 단계(S100)와,

이동로봇에 장착되어 있는 적어도 2개 이상의 다중 수신안테나그룹에서 상기 송신안테나로부터 송신된 데이터를 수신하는 단계(S110)와,

상기 이동로봇에서 다중 수신 안테나 그룹의 수신안테나 수에 해당하는 수의 수신신호세기샘플을 획득하는 단계(S120)와,

상기 이동로봇에서 상기 획득한 수신신호세기샘플들의 평균값을 산출하여 이동로봇의 자기 위치를 인식하는 단계(S130)를 포함하여 이루어진다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예로서 전자 나침반을 사용한 이동 로봇의 자기 위치 인식 시스템의 오차 감소 방법을 설명하기 위한 개념도이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 이동로봇(206)과, 상기 이동로봇에 장착되는 수신안테나(203)와, 상기 이동로봇(206)에 장착되는 전자나침반(207)과, 고정되어 있는 송신안테나(201)를 포함하여 이루어진다.

상기 실시예는 송신 안테나(201)와 수신 안테나(203)의 상대적인 방향을 고려하는 방법이다. 상기 수신 안테나(203)는 로봇의 현재 위치와 진행방행에 따라 안테나가 바라보는 방향이 변하게 된다. 상기 송신 안테나(201)와 수신 안테나(203)가 서로를 향하는 방향 관계는 상기 이동로봇(206)의 위치와 진행 방향(heading angle)(204)에 따라 지속적으로 변화한다. 상기 이동로봇(206)의 진행 방향(heading angle)(204)에 대한 정보를 얻는데 상기 전자나침반(207)을 적용한다. 그 방법은 먼저, 도 2에서와 같이 상기 송신 안테나(201)가 화살표(202) 방향을 바라보는 상태로 고정되어 있다고 가정한다. 또한 상기 이동로봇(206)의 초기 진행 방향이 화살표(205)이며, 상기 수신안테나(203)도 역시 화살표(205)를 향하고 있었다고 가정한다. 상기 이동로봇(206)이 이동함에 따라 진행 방향(heading angle)이 화살표(204)의 방향으로 변화하게 될 경우, 상기 수신안테나(203)가 바라보는 방향도 화살표(204)의 방향으로 변화하게 된다. 상기 수신안테나(203)가 화살표(205)를 향하고 있을 경우 상기 송신 안테나(201)로부터 받은 수신 신호 세기와, 상기 수신안테나가(203)가 화살표(204)를 향하고 있을 때 상기 송신안테나(201)로부터 받은 수신 신호 세기는 안테나의 방사패턴은 모든 방향에 대해 일정하기 않기 때문에 상기 송신안테나(201)와 상기 수신안테나(203)가 같은 거리에 있다고 하더라도 서로 다르다. 그러므로 화살표(205)와 화살표(204)가 가리키는 방향의 각도 차이를 전자 나침반(207)를 사용하여 계산하고, 이를 수신 신호 세기를 통해 거리 값으로 환산하는 과정에 반영한다. 이 경우 사전에 준비된 ‘거리에 따른 RF 신호 세기’에 관한 데이터베이스와 함께 ‘동일한 거리에 대한 안테나 각도와 RF 신호 세기’ 데이터베이스가 준비되어 있어야 한다.

도 4는 본 발명의 전자나침반을 이용한 이동 로봇의 자기 위치 인식 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 전자나침반을 이용한 이동 로봇의 자기 위치 인식 방법은,

고정되어 있는 송신안테나와, 상기 송신안테나로부터 RF신호를 수신하기 위한 수신안테나와 전자나침반을 구비한 이동로봇의 자기 위치 인식 방법에 있어서,

상기 송신안테나의 방향을 설정하는 단계(S200)와,

상기 수신안테나가 가리키는 방향을 상기 송신안테나의 방향과 동일하게 설정하는 단계(S210)와,

상기 이동로봇의 이동에 따른 상기 수신안테나가 가리키는 방향과 상기 송신안테나의 방향과의 각도 차이를 상기 전자나침반을 이용하여 계산하는 단계(S220)와,

미리 저장되어 있는 거리에 따른 RF 신호 세기에 관한 정보와 동일한 거리에 대한 안테나 각도와 RF 신호 세기에 관한 정보를 이용하여 수신 신호 세기를 통해 거리 값으로 환산하여 상기 이동로봇의 자기 위치를 인식하는 단계(S230)를 포함하여 이루어진다.

본 발명은 다중 안테나와 전자 나침반을 이용한 수신 신호 세기 기반의 이동 로봇의 자기 위치 인식 시스템의 오차를 줄이는 방법에 관한 것으로서, 이동로봇의 산업에 이용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예인 다중 수신안테나그룹을 이용한 이동로봇의 자기 위치 인식 시스템의 구성도이다.

도 2는 본 발명의 실시예인 다중 수신안테나그룹을 이용한 이동로봇의 자기 위치 인식 방법의 흐름도이다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예인 전자나침반을 이용한 이동로봇의 자기 위치 인식 시스템의 구성도이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예인 전자나침반을 이용한 이동로봇의 자기 위치 인식 방법의 흐름도이다.

Claims (4)

1. 삭제
2. 위치 추정에 기준이 되는 자신의 좌표를 알고 있는 고정 노드에 설치되어 있는 송신안테나로부터 고정위치 좌표 등을 포함하는 데이터를 송신하는 단계와,

   이동로봇에 장착되어 있는 적어도 2개 이상의 다중 수신안테나그룹에서 상기 송신안테나로부터 송신된 데이터를 수신하는 단계와,

   상기 이동로봇에서 다중 수신 안테나 그룹의 수신안테나 수에 해당하는 수의 수신신호세기샘플을 획득하는 단계와,

   상기 이동로봇에서 상기 획득한 수신신호세기샘플들의 평균값을 산출하여 이동로봇의 자기 위치를 인식하는 단계를 포함하는 이동로봇의 자기 위치 인식 방법.
3. 고정되어 있는 송신안테나와,

   이동로봇과,

   상기 이동로봇에 장착되어 상기 송신안테나로부터 RF신호를 수신하기 위한 수신안테나와,

   상기 이동로봇에 장착되어 상기 이동로봇의 진행방향에 대한 정보를 얻기 위한 전자나침반과,

   거리에 따른 RF 신호 세기에 관한 정보를 수록하고 있는 제1 데이터베이스와,

   동일한 거리에 대한 안테나 각도와 RF 신호 세기에 관한 정보를 수록하고 있는 제2 데이터베이스를 포함하고,

   상기 송신안테나와 동일한 방향의 수신안테나가 가리키는 방향과 상기 이동로봇이 이동할 때의 상기 수신안테나가 가리키는 방향의 각도 차이를 상기 전자나침반을 이용하여 계산하고 이를 수신 신호 세기를 통해 거리 값으로 환산하여 상기 이동로봇의 자기 위치를 인식하는 것을 특징으로 하는 이동로봇의 자기 위치 인식 시스템.
4. 고정되어 있는 송신안테나와, 상기 송신안테나로부터 RF신호를 수신하기 위한 수신안테나와 전자나침반을 구비한 이동로봇의 자기 위치 인식 방법에 있어서,

   상기 송신안테나의 방향을 설정하는 단계와,

   상기 수신안테나가 가리키는 방향을 상기 송신안테나의 방향과 동일하게 설정하는 단계와,

   상기 이동로봇의 이동에 따른 상기 수신안테나가 가리키는 방향과 상기 송신안테나의 방향과의 각도 차이를 상기 전자나침반을 이용하여 계산하는 단계와,

   미리 저장되어 있는 거리에 따른 RF 신호 세기에 관한 정보와 동일한 거리에 대한 안테나 각도와 RF 신호 세기에 관한 정보를 이용하여 수신 신호 세기를 통해 거리 값으로 환산하여 상기 이동로봇의 자기 위치를 인식하는 단계를 포함하는 이동로봇의 자기 위치 인식 방법.

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