KR100962674B1 - 이동 로봇의 위치 추정 방법 및 이를 위한 이동 로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이동 로봇의 위치 추정 방법 및 여기에 사용되는 이동 로봇에 관한 것이다. 보다 상세히는, 적어도 셋 이상의 이동 로봇을 구비하여, 이동 로봇의 상대 위치의 제약범위를 산출하는 제1 단계와, 이동 로봇의 절대 위치의 제약범위를 산출하는 제2 단계와, 이동 로봇 간의 거리를 산출하는 제3 단계 및 상기 거리를 이용하여 상기 이동 로봇의 최종 위치의 제약 범위를 산출하는 제4 단계를 포함하는 이동 로봇의 위치 추정 방법 및 여기에 사용되는 이동 로봇에 관한 것이다.

로봇, 오도미터, 자이로

Description

이동 로봇의 위치 추정 방법 및 이를 위한 이동 로봇 {The Method for Estimating Location of Moble Robot and Mobile Robot thereof}

본 발명은 이동 로봇의 위치 추정 방법에 관한 것으로서, 특히 이동 로봇의 상대 위치와 절대 위치를 조합하여 위치를 추정하는 방법 및 이에 사용되는 이동 로봇에 관한 것이다.

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 추적하는 것이 매우 중요하다.

이동 로봇 위치를 추적하는 방법에는 크게 디바이스 간의 거리를 이용하여 위치를 추정하는 방식(range basedestimation algorithm)과 위치 추적에 디바이스 사이의 거리 측정을 필요로 하지 않는 방식(range freealgorithm)으로 크게 나눌 수 있다. 일반적으로 거리 기반 위치 추정 방법은 비교적 높은 사양의 하드웨어를 요구하지만 상대적으로 정확하게 위치 추적을 할 수 있다.

거리 기반 위치 추정 방법으로는 RSSI(Received Signal Strength Indication), TOA(time of arrival) 및 TDOA(time difference of arrival) 방법 등이 대표적으로 전파 신호를 처리하여 거리 정보를 얻어내는 방식이다.

위와 같은 방법을 통해 구한 거리 정보를 기반으로 위치를 알아내는 방법으로는 삼각법(trigonometric method)이 있다. 이 방법은 오로지 거리 정보만을 가지고 목표 물체의 위치를 알아낸다.

한편 거리 정보와 방향 정보를 결합하여 목표 물체의 위치를 추적하는 방법이 있다. 예컨대, RSSI, TOA , TDOA등의 거리 측정 방법을 통해 거리를 알아내고 DOA(direction of arrival) 방식을 통해 방향을 알아낼 수 있다. 두 시스템 사이의 위치는 두 디바이스 간의 거리와 각도를 통해 나타낼 수 있으며, 이러한 방법을 이차원 위치측정이라고 부른다.

이차원 위치 측정에 필요한 거리와 각도 정보를 추정하기 위해 정확도가 높은 추정 알고리즘이 필요하다. 잘 알려진 매트릭스 펜슬(matrix pencil) 추정 방식은 낮은 프로세싱 파워와 적은 계산 복잡도를 장점으로 하나, 정확도가 떨어지는 단점을 가지고 있다.

이동 로봇의 위치추정은 절대센서 또는 상대센서를 이용하여 물체의 위치 및 방향을 추정하는 문제로서, x-y좌표의 2차원 평면에서 움직이는 이동로봇의 경우에는 (x,y) 위치 및 방향 θ를 추정하는 문제이다. 절대센서는 로봇의 상대적인 움직임이 아닌 절대적인 위치 또는 자세를 측정할 수 있는 센서로서 카메라(Camera), 레이저 스캐너(Laser Scanner), 소나(Sonar), 위성 위치확인 시스템(GPS), 콤파스(Compass) 등이 있다.

이에 반해 상대센서는 로봇의 상대적인 변량을 측정하고 이를 통합함으로써 위치 또는 자세를 측정할 수 있는 센서로서 자이로(Gyro), 가속도계, 오도미터(odometer, 모터에 부착된 엔코더(encoder)) 등이 이에 해당된다.

로봇의 절대센서 중 카메라는 주변 환경의 조명상태에 민감하고, 불확실한 정보의 데이터를 줄 가능성이 높으며, 레이저 스캐너는 정확한 데이터의 획득이 가능하나 가격이 매우 비싸고, 장애물이 많을 경우 측정하기 어렵다는 단점이 있다. 또한 소나는 데이터의 정확성이 떨어지며, 콤파스는 실내에 혼재하는 외란 자기장의 영향을 받을 가능성이 높다는 단점이 있다.

한편 자이로, 오도미터, 가속도계 등의 상대센서는 변화량만을 측정하므로 이를 적분하는데서 발생하는 적분오차를 피할 수 없고, 자이로, 가속도계에 고유하게 존재하는 드리프트오차를 회피할 수 없다.

기존의 추측항법(dead-reckoning) 자세 추정 방식은 사용된 센서에 따라 오도미터(Odometer)만을 사용한 방식, 자이로와 오도미터를 사용한 방식, 콤파스와 오도미터를 사용한 방식으로 구분된다. 오도미터만을 사용한 방식은 가장 간단한 방식이지만, 미끄러짐 에러(slippage error), 범프 충돌(bump collision), 공중이동(kidnapping) 문제 등에 대처할 수 없고 에러가 계속 누적되므로 한계가 없는 에러(unbounded error)를 갖는다. 이를 보완하기 위하여 오도미터에 자이로를 추가하여 추측항법을 수행한 방식이 개발되었다. 이 방식은 오도미터 즉 모터 인코더(Encoder)만을 단독으로 사용하는 방식에 비해 정확한 결과를 얻을 수 있지만, 인코더와 자이로 모두 상대 센서이므로 장기적으로는 역시 에러의 한계를 보장할 수 없다. 자이로 대신에 절대 센서인 콤파스를 도입하여 장기적으로는 진행방향(Heading direction)을 안정적으로 검출할 수 있는 방식도 개발되었으나, 가정환경, 사무실환경 등에 항상 존재하고 있는 외란 자기장의 영향을 받기 쉬우므로 이 방식 그대로 실용화되기는 어렵다.

따라서 본 발명의 목적은 이동 로봇의 진행 방향을 정확하게 추정하기 위해 절대 위치와 상대 위치를 조합하여 이동 로봇의 위치를 추정하는 방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 이동 로봇의 위치 추정에 따른 정확도의 향상을 위해 다수의 이동 로봇간에 교신을 통한 이동 로봇의 주행방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 이동 로봇의 위치 추정의 정확도 향상을 위해 마련된 이동 로봇을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇의 위치 추정 방법은, 적어도 셋 이상의 이동 로봇들을 이용하고, 상기 이동 로봇들 중 제1 이동 로봇이 상대 좌표계에서 기준위치로부터 이동된 위치인 상대 위치의 제약범위를 산출하는 제1 단계와, 상기 제1 이동 로봇의 절대 좌표계에서 위치인 절대 위치의 제약범위를 산출하는 제2 단계와, 상기 제1 이동 로봇과 나머지 이동 로봇들 간의 거리 정보를 산출하는 제3 단계 및 상기 상대 위치의 제약범위, 상기 절대 위치의 제약범위 및 상기 거리 정보를 이용하여 상기 제1 이동 로봇의 최종 위치의 제약범위를 산출하는 제4 단계를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 나머지 이동 로봇들은 상기 제1 이동 로봇을 중심으로 하여 소정의 거리와 각도를 유지하면서 상기 제1 이동 로봇의 주위를 회전하면서 주행하도록 주행경로가 설정될 수 있을 것이다.

또한 바람직하게는, 상기 적어도 셋 이상의 이동 로봇들 중 임의로 정해지는 순번에 따라 어느 하나의 이동 로봇이 나머지 이동 로봇들 사이를 통과하여 소정 거리를 주행하되, 순차적으로 다음 순번의 이동 로봇이 나머지 이동 로봇들 사이를 통과하여 소정 거리를 주행하는 것을 반복하도록 주행 경로가 설정될 수 있을 것이다.

또한 바람직하게는, 상기 기준위치는 상기 제1 이동 로봇의 이동 전 위치일 수 있을 것이다.

또한 바람직하게는, 상기 제1 단계는 상기 제1 이동 로봇에 구비되어 상기 제1 이동 로봇을 이동하는 수단인 바퀴의 회전수와 방향각 범위를 검출하여 상대 위치의 제약범위를 산출할 수 있을 것이다.

그리고, 상기 제1 이동 로봇의 바퀴 회전수는 오도미터에 의해 검출되고, 상기 제1 이동 로봇의 방향각 범위는 자이로센서에 의해 검출되는 것이 바람직할 것이다.

또한 바람직하게는, 상기 제2 단계에서 상기 제1 이동 로봇의 절대 위치의 제약범위는 상기 제1 이동 로봇의 GPS정보를 이용하여 산출할 수 있을 것이다.

또한 바람직하게는, 제2 단계의 이동 로봇의 절대 위치 제약범위는 상기 이동 로봇의 GPS정보를 이용하여 산출할 수 있을 것이다.

또한 바람직하게는, 상기 제3 단계의 상기 거리 정보는 상기 제1 이동 로봇 과 상기 나머지 이동 로봇들 간의 교신에 의한 신호의 도달시간정보를 통해 산출될 수 있을 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에는 상술한 이동 로봇의 위치 추정 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램으로 기록할 수 있을 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇은, 적어도 셋 이상의 이동 로봇으로서, 상기 이동 로봇 중 제1 이동 로봇이 상대 좌표계에서 기준위치로부터 이동된 위치인 상대 위치의 제약범위를 산출하는 상대 위치 산출부와, 상기 제1 이동 로봇의 절대 좌표계에서 위치인 절대 위치의 제약범위를 산출하는 절대 위치 산출부와, 상기 제1 이동 로봇과 나머지 이동 로봇들 간의 거리 정보를 산출하는 거리 검출부 및상기 상대 위치 산출부 및 상기 절대 위치 산출부에서 산출된 제약범위와 상기 거리 검출부에서 산출된 거리 정보를 기초로, 상기 제1 이동 로봇의 최종 위치의 제약범위를 산출하는 최종 위치 산출부를 포함할 수 있을 것이다.

바람직하게는, 상기 이동 로봇은 상기 이동 로봇을 이동시키는 수단인 바퀴가 구비된 주행부를 더 포함할 수 있을 것이다.

또한 바람직하게는, 상기 거리 검출부는 상기 제1 이동 로봇과 상기 나머지 이동 로봇들 간의 교신에 의해 신호의 도달시간정보를 획득할 수 있는 통신 모듈과 상기 도달시간정보를 이용하여 상기 제1 이동 로봇과 상기 나머지 이동 로봇들 간의 거리를 계산하는 거리 계산부를 포함할 수 있을 것이다. 그리고, 상기 신호는 IR(Infra Red) 또는 RF(Radio Frequency)일 수 있을 것이다.

또한 바람직하게는, 상기 상대 위치 산출부는 상기 제1 이동 로봇에 구비된 바퀴의 회전수를 검출하는 오도미터와 상기 제1 이동 로봇의 방향각 범위를 검출할 수 있는 자이로 센서를 포함할 수 있을 것이다.

또한 바람직하게는,상기 절대 위치 산출부는 상기 제1 이동 로봇의 GPS정보를 이용할 수 있는 GPS수신부를 더 포함할 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 이동 로봇의 위치추정 방법은, 오도메트리 좌표계와 GPS 좌표계를 통합 운영함으로써 GPS에 의해 오차 범위가 일정 크기 이내로 제한되면서 동시에 오도메트리에 의해 높은 샘플링 속도를 얻을 수 있다. 이처럼 이동 로봇의 위치추정에 있어서 GPS 좌표계와 오도메트리 좌표계의 각각의 장점을 모두 취하고 서로의 단점을 보완함으로써 빠른 샘플링 속도와 제한적인 오차 범위를 갖도록 한다.

또한, 본 발명은 다수의 이동 로봇 간의 위치 정보를 교환하여 서로의 위치 정보를 활용함으로서, 보다 정확한 위치 추정을 가능하게 한다.

또한, 본 발명은 다수의 이동 로봇의 주행 경로를 설정함으로서, 이동 로봇의 위치 추정 성능을 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 이때 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.

도 1은 오도메트리 좌표계에서의 위치 및 방향 인식 개념을 나타낸 도면이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 오도메트리 좌표계에서 이동 로봇(100)의 위치는 이동 로봇(100)의 회전 중심(108)이 위치한 지점의 좌표 와 로 결정되며, 방향은 이동 로봇(100)의 진행 방향과 x축 사이의 각도 로 결정된다.

본 발명에 따른 이동 로봇은 오도메트리 방법과 GPS 방법을 통합 운영하기 때문에 두 개의 좌표계를 갖게 된다. 오도메트리 좌표계는 상대 좌표계로서, 좌표 값을 초기화할 때의 이동 로봇의 위치에 따라 그 최종위치 및 방향이 달라질 수 있다. 이와 달리 GPS 좌표계는 절대 좌표계로서, GPS 위성으로부터 위치 정보를 수신하여 이동 로봇의 절대 위치를 인식할 수 있다.

본 발명에 따른 이동 로봇은 오도메트리 방법과 GPS 방법을 통합 운영하기 위해서는 절대 좌표계인 GPS 좌표계와 상대 좌표계인 오도메트리 좌표계를 어느 한 쪽으로 정렬할 필요가 있다. 오도메트리 좌표계의 초기화 상태가 GPS 좌표계의 좌표축과 일치하지 않으면 오도메트리 좌표계와 GPS 좌표계를 통합 운영할 수 없기 때문에 오도메트리 좌표계와 GPS 좌표계의 좌표축 정렬이 필요하다.

도 2는 본 발명에 따른 이동 로봇의 오도메트리 좌표와 GPS 좌표가 일치하지 않은 상태를 나타내는 도면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 오도메트리와 GPS 를 통합 운영하여 위치 및 방향을 인식하는 이동 로봇에 있어서 오도메트리 좌표(A)와 GPS 좌표(B)가 항상 일치하는 것은 아니다. 이동 로봇의 오도메트리 좌표(A)와 GPS 좌표(B)가 일치하지 않으면 각각의 장점을 취할 수 없으므로, 두 좌표를 일치시켜야만 오도메트리와 GPS 각각의 장점을 취할 수 있어 정확한 위치 및 방향의 인식이 가능하다.

따라서, 오도메트리 좌표계(A)의 원점은 GPS 좌표계(B)의 원점으로부터 x 방향으로

만큼, y 방향으로

만큼 떨어져 있으며, 방향은 GPS 좌표계(B)에 대해 α만큼 회전한 상태이다. 따라서 거리

와

, 각도 α를 구하여 오도메트리 좌표계(A)를 x 방향으로 -만큼, y 방향으로 -만큼 이동시키고 -α만큼 회전시키면 도 3에 나타낸 것처럼 오도메트리 좌표계(A)를 GPS 좌표계(B)에 일치시킬 수 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 이동 로봇의 위치 추정 방법에 관하여 설명을 개시한다.

본 발명은 이동 로봇에 일반적으로 구비되어 있는 자이로(gyroscope) 및 오도미터(odometer)를 이용하여 이동 로봇의 상대 위치 제약범위와 GPS정보를 이용한 이동 로봇의 절대 위치 제약범위와 수신 및 발신 기능을 갖는 하나의 통신 모듈을 이용하여 이동 로봇과 발신 장치 간 또는 이동 로봇 상호간의 위치를 파악하는 것이다.

또한, 본 발명에 따른 이동 로봇은 이동 로봇에 통신 모듈을 구비하여 이동 로봇 상호간의 위치 정보를 교환하고 거리를 측정할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇의 위치 추정 알고리즘을 도시한 블록도이다.

도 4를 참조하면, 이동 로봇의 운행이 시작되면, 이동 로봇에 구비된 오도미터로부터 오도메트리 정보(바퀴의 회전수로 산출되는 주행범위 정보) 및 자이로 센서로부터 방향각 정보(이동 로봇의 방향각 범위에 대한 정보)를 획득하게 된다.(S100, S200)

획득한 상기 정보를 기초로 하여 이동 로봇의 상대 위치 제약범위가 산출된다.(S10) 본 발명에 있어서, 상대 위치 제약범위란, 이동 로봇의 위치 측정에 사용되는 오도미터 및 자이로에 의해 측정된 이동 로봇의 위치 정보에 있어서, 소정의 오차 범위를 의미한다.

다음으로 이동 로봇에 장착된 GPS 수신부는 GPS 위성으로부터 이동 로봇의 절대 위치 정보를 수신하고(S300), 이를 기초로 하여 이동 로봇의 절대 위치 제약범위가 산출된다.(S20) 본 발명에 있어서, 절대 위치 제약범위란, 이동 로봇의 위치 측정에 사용되는 GPS 정보에 의한 위치 정보에 있어서 발생하는 소정의 오차 범위를 의미한다.

다음으로, 본 발명은 적어도 셋 이상의 이동 로봇을 구비하므로, 각 이동 로봇은 서로간의 거리를 계산하는 과정을 거친다.(S400) 즉 후술할 각 이동 로봇에 마련된 통신 모듈은 상호간 신호를 교환하여 신호의 도달시간(TOA, Time Of Arrival)정보를 기초로 하여 이동 로봇간의 거리를 계산할 수 있는 것이다.

즉, 측정의 대상이 되는 이동 로봇을 기준으로 하여 나머지 이동 로봇들과의 거리를 측정하여, 상기 S10단계 및 S20단계에서 산출된 상대 위치 및 절대 위치의 제약범위에 상기 거리를 반영하여 이동 로봇의 최종 위치 제약범위를 산출한다.(S30)

이와 같이, 이동 로봇의 운행이 계속되는 동안 상기 과정을 반복함으로써 이동 로봇의 위치를 계속하여 추정할 수 있는 것이다.(S40)

이하 본 발명의 일실시예에 따른 이동 로봇의 위치 추정 방법을 종래의 다중 이동 로봇의 위치 추정 방법과 비교하여 설명을 개시한다.

도 5는 종래의 다중 이동 로봇의 위치 추정 방법을 도시한 도면, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇의 위치 추정 방법을 설명하기 위한 도면이다.

종래에는 집단 항법의 일례로서, 원격 조정 센터(1000)에서 각 이동 로봇1,2 및 3(100,200,300)으로 신호를 보내 이들의 운행을 통제하여 다중 이동 로봇의 위치를 추정하는 방법이 사용되었다. 그러나, 이러한 방법에 의한 이동 로봇의 위치 추정은 각 이동 로봇간에 서로의 위치 정보를 활용할 수 없어 보다 정확도 높은 위치 추정이 되기 어려웠다.

이에 반해, 본 발명은 원격 조정 센터(1000)로부터 방사되는 신호에 의해 이동 로봇1,2,3(100,200,300)의 주행이 제어되는 것 이외에, 각 이동 로봇은 상호간에 교신하여 서로의 위치 정보 및 속도 정보를 교환할 수 있는 것이다.

도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇의 위치 추정 방법을 설명하기 위한 도면, 도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이동 로봇의 위치 추정 방법 을 설명하기 위한 도면이다.

도 6a를 참조하면, 본 발명의 일 실시에 따른 이동로봇의 위치 추정 방법은 중앙제어시스템으로서 기능하는 원격 조정 센터(1000)에 의해 이동 로봇들의 주행을 제어하는 것이다. 여기서 원격 조정 센터(1000)에 의해 제어되는 각 이동 로봇들은 각 이동 로봇(100,200,300)에 구비되는 통신 모듈을 이용하여 상호간에 위치 정보 및 속도 정보를 교환할 수 있다.

또한, 도 6b를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이동로봇의 위치 추정 방법은 원격 조정 센터를 구비하지 않고 이동 로봇간의 통신만으로 이동 로봇들(100,200,300)의 주행을 제어하는 것이 가능함을 나타내고 있다. 이것은 중앙제어시스템에 의한 제어방식이 아닌, 이동 로봇 내부에 구비되는 통신 모듈을 통해서 이동 로봇의 집단 주행 제어가 이루어지는 방식이다.

이렇게 중앙제어방법 또는 각 이동로봇에 탑재되는 통신 모듈에 의한 제어방법 중 어느 하나의 방법을 사용하고, 오도미터 및 자이로 센서에 의한 이동 로봇의 상대 위치 제약범위와 GPS 정보를 이용한 절대 위치 제약범위를 산출하여, 여기에 각 이동 로봇간의 교신에 의한 거리 정보를 반영하여, 이동 로봇의 최종 위치 제약범위를 산출함으로서, 보다 정확한 위치 추정이 가능한 것이다.

이를 보다 상세히 설명한다.

도 7은 본 발명에 따른 이동 로봇의 위치 추정 방법을 오도메트리 좌표와 GPS좌표를 이용하여 설명한 도면이다.

도 7을 참조하면, 상술한 바와 같이 오도미터 좌표계와 GPS 좌표계를 일치 시킨 상태에서, 이동 로봇 P의 위치를 추정 한다.

이동 로봇 P에 장착된 오도미터와 자이로 센서에 의해 이동 로봇 P의 원점으로부터의 주행 범위와, 방향각 범위가 산출된다. 이렇게 산출된 범위를 상대 위치 제약범위라 하고, 이것은 x축 상에

의 범위로, y축 상에

의 범위로 형성된다.

또한, 이동 로봇 P에 장착된 GPS 수신부는 GPS 정보를 수신하여 이동 로봇 P의 절대 위치 제약범위를 산출한다. 이렇게 산출된 절대 위치 제약범위를 x축 상에

의 범위로, y축 상에

의 범위로 나타낸다.

다음으로 이동 로봇 A와 이동 로봇 P간의 GPS 정보를 기초로 한 거리가 계산되고, 이와 동일한 방법으로 이동 로봇 B완 이동 로봇 P의 거리가 계산된다.

이 때, 이들 거리에도 GPS 정보에 따른 오차가 포함될 수 있는데, 이동 로봇 A를 기준으로 반지름

에 해당하는 범위와 이동 로봇 B를 기준으로 반지름

에 해당하는 범위로서 이동 로봇 P의 최종 위치의 제약범위를 산출한다.

이렇게 하여 상대 위치와 절대 위치의 제약범위를 설정하고 이에 따른 오차를 각 이동 로봇간의 거리를 이용하여 측정하고자 하는 이동 로봇의 위치를 보다 정확하세 측정할 수 있는 것이다.

이하는, 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇의 주행 방법을 설명하되, 이동 로봇 하나의 위치 정확도 향상을 위한 주행 방법 및 이동 로봇 모두의 위치 정 확도 향상을 위한 주행 방법으로 나누어 설명한다.

도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 하나의 이동 로봇의 위치 정확도 향상을 위한 이동 로봇의 주행방법을 도시한 도면, 도 8b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하나의 이동 로봇의 위치 정확도 향상을 위한 이동 로봇의 주행방법을 도시한 도면이다.

도 8a를 참조하면, 3개로 이루어진 이동 로봇들 중 이동 로봇1(100)의 위치 정확도 향상을 위한 주행방법은 이동 로봇1(100)을 중심으로 이동 로봇2(200)과 이동 로봇(300)이 서로 대칭되도록 배치된다. 즉, 이동 로봇2(200)와 이동 로봇3(300)은 이동 로봇1(100)을 기준으로 180도의 각도를 유지하면서 주행하게 된다. 이동 로봇1(100)은 지면의 위 쪽 방향으로 진행한다고 할 때, 이동 로봇2(200)와 이동 로봇3(300)은 이동 로봇1(100)을 중심으로 도 8a의 화살표 방향으로 주행하는 것이다. 이렇게 하는 것에 의해서, 이동 로봇1(100)과 이동 로봇2(200)의 거리가 유지되고, 마찬가지로 이동 로봇1(100)과 이동 로봇3(300)의 거리도 일정하게 유지 되므로 이동 로봇1(100)의 위치 추정시 정확도가 높아지는 것이다.

도 8b에서는 4개로 이루어진 이동 로봇들 중 이동 로봇1(100)의 위치 정확도 향상을 위한 주행방법이 도시되어 있다. 이동 로봇2,3,4(200,300,400)는 이동 로봇1(100)을 중심으로 서로 120도의 각도와 유지하고, 이동 로봇1(100)과 일정한 거리를 형성하여 주행한다. 따라서, 이동 로봇1(100)의 위치 추정의 정확도를 향상 시킬수 있는 것이다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 모든 이동 로봇의 위치 정확도 향상을 위한 이동 로봇의 주행방법을 도시한 도면이다.

도 9를 참조하면, 3개의 이동 로봇으로 이들 모두의 위치 추정의 정확도를 향상시킬 수 있는 주행방법이 도시되어 있다. 먼저 이동 로봇1(100)은 이동 로봇2(200)와 이동 로봇3(300)사이를 통과하도록 주행 경로가 설정된다. 이동 로봇1(100)이 상기 주행 경로를 따라 소정의 거리만큼 이동하면①, 이제 이동 로봇2(200)가 이동 로봇1(100)과 이동 로봇3(300)사이를 통과하여 소정 거리를 주행한다②. 다음 이동 로봇3(300)은 이동 로봇1(100)과 이동 로봇2(200)사이를 통과하도록 주행하며③, 이러한 과정을 반복하는 것에 의해 이동 로봇1,2,3이 집단 주행하는 것이다. 이러한 방법으로 주행하는 것에 의해 각 이동 로봇은 이웃한 이동 로봇과의 관계에서 일정한 거리를 유지할 수 있으므로 모든 이동 로봇의 위치 추정의 정확도를 높일 수 있는 것이다.

본 발명은 또한, 상술한 이동 로봇의 위치 추정 방법 및 위치 추정의 정확도 향상을 위한 주행 방법을 프로그램화하여 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 저장하여, 이를 이동 로봇 또는 이동 로봇을 제어하는 리모트 컨트롤스테이션에서 실행하는 방법으로 사용할 수 있다.

이하는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇의 구성에 대하여 설명을 개시한다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

이동 로봇(100)은 거리 검출부(110)와, 제어부(160)와, 상대 위치 산출 부(130)와 절대 위치 산출부(140)와, 최종 위치 산출부(150) 및 주행부(120)를 포함하여 구성될 수 있다. 이동 로봇(100)의 거리 검출부(110)에는 IR 또는 RF를 수신하며, 다수의 이동 로봇 상호간의 위치 정보 및 속도 정보를 교신할 수 있는 통신 모듈(111)이 구비되며 거리 계산부(112)에서는 통신 모듈(111)로부터 전해지는 신호의 도달시간정보(TOA)를 이용하여 발신장치와 이동 로봇(100)과의 거리 또는 이동 로봇(100)과 다른 이동 로봇들과의 거리를 계산한다.

제어부(160)는 이동 로봇의 바퀴 등을 통하여 이동 로봇(100)의 이동을 제어하거나 이동 로봇(100)을 제자리에서 회전할 수 있도록 제어한다. 본 발명에서는, 상기 이동 또는 회전을 수행하기 위한 기구적인 메커니즘은 알려진 공지의 기술 수단을 이용하는 것으로 한다.

주행부(120)는 제어부(160)의 제어에 따라 이동 로봇(100)이 이동할 수 있도록 구동력을 제공한다. 주행부(120)는 일반적으로 복수의 주행 바퀴와 방향 제어 장치를 포함하지만, 이동 로봇(100)의 이동이 가능한 한 다른 공지의 주행 수단으로 이루어져도 무방하다. 또한 주행부(120)는 제어부(160)의 제어에 따른 주행 바퀴의 조향(steering)에 의해, 이동 로봇(100)의 중심을 기준으로 이동 로봇(100)을 특정 각도만큼 회전시킬 수도 있다. 다만, 이러한 회전을 구현하기 위하여 상기와 같이 주행부(120)를 이용하는 것 이외에 공지된 별도의 기구적인 메커니즘을 이용할 수도 있음은 물론이다.

상대 위치 산출부(130)는 주행부(120)에 의하여 회전된 각도를 측정한다. 이러한 회전각을 측정하는 방법으로는 자이로(132), 오도미터(131) 등을 이용하거나 이들의 조합을 이용할 수 있다. 오도미터(131)는 주행부(160)에 포함되는 주행 바퀴의 회전 속도를 감지한다.

상기 회전 속도에 주행 바퀴의 반경을 곱하면 해당 주행 바퀴의 선속도를 계산할 수 있다.

도 11은 오도미터를 이용하여 회전각을 계산하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 11을 참조하면, 이동 로봇(100)에 포함된 2개의 주행 바퀴(104, 106)에는 각각 오도미터(131a, 131b)가 장착되어 있다. 오도미터(131a)에 의하여 측정되는 좌측 주행 바퀴(104)의 선속도는

, 오도미터(131b)에 의하여 측정되는 우측 주행 바퀴(106)의 선속도는

, 양 주행 바퀴(104, 106) 간의 거리는 D로 표시된다. 또한, 어떤 기준선으로부터 이동 로봇(100)이 회전한 각도는 θ, 이동 로봇(100)의 선속도는

로 표시할 수 있다.

이동 로봇(100)의 기구학적 관계에 따라서 회전 각속도 ω는 다음의[수학식]과 같이 표현될 수 있다.

[ 수학식 ]

상기 ω를 시간에 대하여 적분하면 회전각 θ를 구할 수 있다.

자이로 센서(132)는 적어도 하나 이상의 축을 중심으로 회전 가능한 질량의 회전 관성을 이용하여 이동 로봇(100)의 회전 각속도를 측정하고 이를 적분하여 회 전각을 계산한다. 본 발명에 있어서, 자이로 센서(132)는 평면상에서 이동 로봇(100)의 회전 각속도를 측정할 수 있는 1축 자이로이거나 2축 이상의 자이로이어도 무방하다.

절대 위치 산출부(140)은 GPS수신부(141)를 구비하여, GPS 위성으로부터 이동 로봇(100)의 위치 정보를 수신하여 이동 로봇(100)의 절대 위치 제약범위를 산출한다. 그리고 최종 위치 산출부(150)에서는 상대 위치 산출부(130)와 절대 위치 산출부(140)에 의한 각 상대 위치 제약범위와 절대 위치 제약범위를 기초로 하여, 거리 검출부(110)에서 계산된 각 이동 로봇간의 거리 정보를 반영하여 이동 로봇의 최종 위치의 제약범위를 산출하는 것이다.

지금까지 설명한 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형이 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.

도 1은 오도메트리 좌표계에서의 위치 및 방향 인식 개념을 나타낸 도면,

도 2는 본 발명에 따른 이동 로봇의 오도메트리 좌표와 GPS좌표가 일치하지 않은 상태를 나타내는 도면,

도 3은 본 발명에 따른 이동 로봇의 위치 및 방향 인식 방법을 통해 오도메트리 좌표와 GPS좌표가 일치된 상태를 나타낸 도면,

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇의 위치 추정 알고리즘을 도시한 블록도,

도 5는 종래의 다중 이동 로봇의 위치 추정 방법을 도시한 도면,

도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇의 위치 추정 방법을 설명하기 위한 도면,

도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이동 로봇의 위치 추정 방법을 설명하기 위한 도면,

도 7은 본 발명에 따른 이동 로봇의 위치 추정 방법을 오도메트리 좌표와 GPS좌표를 이용하여 설명한 도면,

도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 하나의 이동 로봇의 위치 정확도 향상을 위한 이동 로봇의 주행방법을 도시한 도면,

도 8b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하나의 이동 로봇의 위치 정확도 향상을 위한 이동 로봇의 주행방법을 도시한 도면,

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 모든 이동 로봇의 위치 정확도 향상을 위한 이동 로봇의 주행방법을 도시한 도면,

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇의 구성을 개략적으로 나타낸 도면,

도 11은 오도미터를 이용하여 회전각을 계산하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

Claims (15)

1. 적어도 셋 이상의 이동 로봇들을 이용하는 이동 로봇의 위치추정 방법에 있어서,

   상기 이동 로봇들 중 제1 이동 로봇이 상대 좌표계에서 기준위치로부터 이동된 위치인 상대 위치의 제약범위를 산출하는 제1 단계;

   상기 제1 이동 로봇의 절대 좌표계에서 위치인 절대 위치의 제약범위를 산출하는 제2 단계;

   상기 제1 이동 로봇과 상기 제1 이동 로봇을 중심으로 하여 소정의 거리와 각도를 유지하면서 상기 제1 이동 로봇의 주위를 회전 주행하도록 주행경로가 설정된 나머지 이동로봇들 간의 거리 정보를 산출하는 제3 단계; 및

   상기 상대 위치의 제약범위, 상기 절대 위치의 제약범위 및 상기 거리 정보를 이용하여 상기 제1 이동 로봇의 최종 위치의 제약범위를 산출하는 제4 단계를 포함하는 이동 로봇의 위치 추정 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,

   상기 기준위치는 상기 제1 이동 로봇의 이동 전 위치인 것을 특징으로 하는 이동 로봇의 위치 추정 방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 제1 단계는 상기 제1 이동 로봇에 구비되어 상기 제1 이동 로봇을 이동하는 수단인 바퀴의 회전수와 방향각 범위를 검출하여 상대 위치의 제약범위를 산출하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇의 위치 추정 방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 제1 이동 로봇의 바퀴 회전수는 오도미터에 의해 검출되고, 상기 제1 이동 로봇의 방향각 범위는 자이로센서에 의해 검출되는 것을 특징으로 하는 이동 로봇의 위치 추정 방법.
7. 제1항에 있어서,

   상기 제2 단계에서 상기 제1 이동 로봇의 절대 위치의 제약범위는 상기 제1 이동 로봇의 GPS정보를 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇의 위치 추정 방법.
8. 제1항에 있어서,

   상기 제3 단계의 상기 거리 정보는 상기 제1 이동 로봇과 상기 나머지 이동 로봇들 간의 교신에 의한 신호의 도달시간정보를 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 이동 로봇의 위치 추정 방법.
9. 제1항, 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 이동 로봇의 위치 추정 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램으로 기록한, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
10. 적어도 셋 이상의 이동 로봇으로서,

    상기 이동 로봇 중 제1 이동 로봇이 상대 좌표계에서 기준위치로부터 이동된 위치인 상대 위치의 제약범위를 산출하는 상대 위치 산출부;

    상기 제1 이동 로봇의 절대 좌표계에서 위치인 절대 위치의 제약범위를 산출하는 절대 위치 산출부;

    상기 제1 이동 로봇과 상기 제1 이동 로봇을 중심으로 하여 소정의 거리와 각도를 유지하면서 상기 제1 이동 로봇의 주위를 회전 주행하도록 주행경로가 설정된 나머지 이동 로봇들 간의 거리 정보를 산출하는 거리 검출부; 및

    상기 상대 위치 산출부 및 상기 절대 위치 산출부에서 산출된 제약범위와 상기 거리 검출부에서 산출된 거리 정보를 기초로, 상기 제1 이동 로봇의 최종 위치의 제약범위를 산출하는 최종 위치 산출부를 포함하는 이동 로봇.
11. 제10항에 있어서,

    상기 이동 로봇은 상기 이동 로봇을 이동시키는 수단인 바퀴가 구비된 주행부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇.
12. 제10항에 있어서,

    상기 거리 검출부는 상기 제1 이동 로봇과 상기 나머지 이동 로봇들 간의 교신에 의해 신호의 도달시간정보를 획득할 수 있는 통신 모듈과 상기 도달시간정보를 이용하여 상기 제1 이동 로봇과 상기 나머지 이동 로봇들 간의 거리를 계산하는 거리 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇.
13. 제12항에 있어서,

    상기 신호는 IR(Infra Red) 또는 RF(Radio Frequency)인 것을 특징으로 하는 이동 로봇.
14. 제11항에 있어서,

    상기 상대 위치 산출부는 상기 제1 이동 로봇에 구비된 바퀴의 회전수를 검 출하는 오도미터와 상기 제1 이동 로봇의 방향각 범위를 검출할 수 있는 자이로 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇.
15. 제10항에 있어서,

    상기 절대 위치 산출부는 상기 제1 이동 로봇의 GPS정보를 이용할 수 있는 GPS수신부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇.

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