KR100972229B1 - 비전과 초음파센서를 이용한 위치인식 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비전센서에 의한 이동체의 좌표 측정과 초음파센서를 이용한 초음파 거리 측정을 융합하여 초음파 비컨의 설치 개수를 줄이면서도 정확하게 위치를 인식할 수 있도록 형성된 비전과 초음파센서를 이용한 위치인식 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 비전과 초음파센서를 이용한 위치인식 시스템은 이동체가 이동하는 공간의 천장에 설치되며 상호 이격되어 있는 제1, 제2 하우징을 포함하는 위치검출표지부와, 상기 이동체에 설치되며 상기 위치검출표지부가 장착된 작업영역의 천장을 촬상하는 비전센서와, 상기 이동체에 설치되어 전자기파로 발진되는 무선 동기신호와, 상기 무선 동기신호와 동기된 초음파를 송신하는 송신부를 포함하는 비컨과, 상기 비전센서에 의해 생성된 이미지로부터 저장된 기준 표지이미지와 비교할 대상 표적을 추출하고, 인식한 상기 위치검출표지부를 이용하여 이동체의 현재 위치를 인식하는 제어부를 포함하는 태그유닛을 포함한다.

Description

비전과 초음파센서를 이용한 위치인식 시스템 {Positioning system using vision and ultrasonic sensor}

본 발명은 위치인식 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 비전센서에 의한 이동체의 좌표 측정과 초음파센서를 이용한 초음파 거리 측정을 융합하여 초음파 비컨의 설치 개수를 줄이면서도 정확하게 위치를 인식할 수 있도록 형성된 비전과 초음파센서를 이용한 위치인식 시스템에 관한 것이다.

현재 널리 사용되는 위치인식 시스템에는 실외에서 인공위성을 이용하여 광범위한 지역을 대상으로 제공되는 지피에스(GPS)가 있다. 그러나 이와 같은 지피에스를 이용한 위치인식 시스템은 실내에서 사용이 불가능하고, 건물이 밀집되어 있는 곳에서도 동작이 안되는 경우가 있다. 또한 이와 같은 지피에스를 이용한 위치인식 시스템은 광범위한 지역에 대한 상대적인 정도는 좋지만, 좁은 지역에 대한 반복정도는 수십미터로써 매우 낮다.

이에 대해 대한민국 등록특허공보 등록번호 제0351962호 "의사위성을 이용한 항법 시스템"은 이와 같은 종래 위치인식 시스템을 보완하여 실내에서도 사용이 가능한 방법을 제안하고 있다. 그러나 이와 같은 방법은 가까운 거리에서 신호 강도의 변화가 크다는 등의 문제로 실용화에는 장애가 있다.

한편 이와 같은 위치인식 시스템들보다 용이한 방법으로 초음파를 적용하는 다양한 기술이 제안되고 있다.

그런데 종래의 위치인식 시스템은 이동체에서 특정의 RFID를 이용하여 특정의 비컨을 호출하고, 상기 RFID와 동일한 ID를 갖는 비컨에서 그에 응답으로 초음파를 발신한다. 그러면 초음파 수신장치에서 이를 수신하여 신호 처리하게 되는데, 삼각측량에 의해 이동체의 위치를 계산해야 하기 때문에 한 블록에서 이동ㅊ의 위치를 초음파로 측정하려면 최소한 3개의 초음파 비컨을 배치해야 하는 문제점이 있다.

또한 이동체의 방향을 측정하려면 초음파 수신 센서를 이동체당 두 개씩 사용해야 하는 단점이 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 비전센서에 의한 이동체의 좌표 측정과 초음파센서를 이용한 초음파 거리 측정을 융합하여 초음파 비컨의 설치 개수를 최소화 하면서 정확하게 위치를 인식할 수 있도록 형성된 비전과 초음파센서를 이용한 위치인식 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 이동체의 위치와 방향을 측정할 때 이미지 센서를 이용하고, 조명 등의 변화에 의해 영상좌표를 얻기 힘든 경우에는 초음파 거리에 의해 이동체의 위치 계산을 보완할 수 있도록 한 비전과 초음파센서를 이용한 위치인식 시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 비전과 초음파센서를 이용한 위치인식 시스템은 이동체가 이동하는 공간의 천장에 설치되며 상호 이격되어 있는 제1, 제2 하우징을 포함하는 위치검출표지부와, 상기 이동체에 설치되며 상기 위치검출표지부가 장착된 작업영역의 천장을 촬상하는 비전센서와, 전자기파로 발진되는 무선 동기신호와, 상기 무선 동기신호와 동기된 초음파를 상기 이동체를 향해 송신하는 송신부를 포함하는 비컨과, 상기 비전센서에 의해 생성된 이미지로부터 저장된 기준 표지이미지와 비교할 대상 표적을 추출하고, 상기 대상 표적의 형상, 그 사이의 거리, 주변의 이미지를 순차적으로 상기 기준 표지이미지의 형상, 그 사이의 거리, 주변의 이미지와 비교하여 그 전부가 일치하면 상기 대상 표적을 상기 위치검출표지부로 인식하고, 인식한 상기 위치검출표지부를 이용하여 이동체의 현재 위치를 인식하는 제어부와, 상기 송신부로부터 송신된 무선 동기신호와 초음파를 수신하는 수신부와, 상기 수신부에서 수신되는 무선 동기신호와 초음파의 수신 시간차를 통해 상기 이동체와의 거리를 계산하는 연산부를 포함하는 태그유닛을 포함한다.

상기 비전센서는 천장에서 반사되는 가시광선을 통해 영상을 촬영하는 제1 카메라와, 천장의 온도분포를 촬영할 수 있도록 적외선을 감지하여 영상을 획득하는 제2 카메라를 포함하고, 상기 제1 하우징은 금속제의 제1 하우징과, 상기 제1 하우징의 내부에 설치되어 하방으로 광을 조사하는 제1 발광램프와, 상기 제1 하우징에 설치되어 제1 하우징을 발열시키는 제1 전열선을 포함하고, 상기 제2 하우징은 금속제의 제2 하우징과, 상기 제2 하우징의 내부에 설치되어 하방으로 상기 제1 발광램프와는 다른 색상의 광을 조사하는 제2 발광램프와, 상기 제2 하우징에 설치되어 제2 하우징을 발열시키는 제2 전열선을 포함하며, 상기 위치검출표지부는 천장에 고정되고 상기 제1, 제2 하우징은 상호 소정거리 이격된 상태로 지지하는 프레임과, 상기 제1, 제2 하우징을 냉각시키도록 상기 제1, 제2 하우징으로부터 상기 프레임의 상부로 연장되는 방열핀과, 상기 프레임에 설치되며 상기 방열핀을 감싸 소정의 공기유로를 형성하는 커버와, 상기 커버의 일측 단부에 위치하도록 상기 프레임에 설치되어 상기 커버의 내부로 공기를 강제 유동시키는 송풍기와, 상기 제어부로부터 무선 신호를 인가받아 상기 제1, 제2 전열선에 인가되는 전원을 단속하고, 상기 송풍기를 구동시키는 온열구동부를 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 비전과 초음파센서를 이용한 위치인식 시스템은 이미지검출을 통한 이동체의 정확한 위치정보를 산출할 수 있으며, 주변 조명이나 구조물과 같은 장애물에 대한 인식률 저하를 최소화할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 비전과 초음파센서를 이용한 위치인식 시스템의 일 사용례를 도시한 사시도,
도 2는 위치검출표지부를 도시한 부분발췌 사시도,
도 3은 도 1의 비전과 초음파센서를 이용한 위치인식 시스템의 구성을 나타낸 블럭도,
도 4는 도 1의 비전과 초음파센서를 이용한 위치인식 시스템을 통한 위치인식 과정을 도시한 순서도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 비전과 초음파센서를 이용한 위치인식 시스템(이하 '위치인식 시스템'이라 함)을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 위치인식 시스템(100)은 이동체(110)에 설치되는 태그유닛(120)과 비전센서(130), 이동체(110)가 이동하는 이동영역의 천장에 설치된 위치검출표지부(140)와 비컨(160)을 포함한다.

본 실시예에서는 이동체(110)로서 자동 로봇청소기가 적용되었는데, 위치인식 시스템(100)은 본 실시예의 로봇 청소기 외에도 다양한 이동체(110)의 위치를 검출하는 수단으로써 적용이 가능하다.

상기 위치검출표지부(140)는 이동체(110)가 이동하는 이동영역의 천장에 설치되어 후술하는 비전센서(130)를 통해 획득하는 영상으로 이동체(110)의 위치를 검출하도록 하기 위한 것이다.

위치검출표지부(140)는 천장에 고정되는 프레임(141)과, 이 프레임(141)에 설치되는 제1, 제2 하우징(142,143)과, 제1, 제2 하우징(142,143)에 설치되는 제1, 제2 발광램프(144,145) 및 제1, 제2 전열선(146,147)과, 제1, 제2 하우징(142,143)을 냉각시키기 위한 방열핀(148) 및 송풍기(150)와, 제1, 제2 전열선(146,147) 및 송풍기(150)를 선택적으로 구동시키는 온열구동부(172)를 구비한다.

프레임(141)은 천장에 고정구를 통해 고정될 수 있도록 와이어와 연결되어 있으며, 중앙으로부터 소정 폭의 플레이트가 원주방향을 따라 등간격으로 이격되어 방사상의 방향으로 뻗어있는 형태이다.

상기 세 개의 플레이트 중 두 개에는 각각 하면에 금속제의 제1, 제2 하우징(142,143)이 설치되어 있으며, 제1, 제2 하우징(142,143)에는 각각 상호 다른 색상으로 발광하는 제1, 제2 발광램프(144,145)가 장착되어 있으며, 그 내주면에는 제1, 제2 하우징(142,143)을 가열시키기 위한 제1, 제2 전열선(146,147)이 배설되어 있다.

따라서 후술하는 비전센서(130)에서 제1, 제2 발광램프(144,145)에서 발광하는 빛을 통해서 제1, 제2 발광램프(144,145)를 대상표적으로 추출할 수 있도록 되어 있다.

상기 제1, 제2 전열선(146,147)은 각각 제1, 제2 하우징(142,143)을 가열하기 위한 것인데, 상기 제1, 제2 발광램프(144,145)에서 발광하는 빛으로 비전센서(130)에서 대상 표적을 추출하는 경우 천장 주변의 조명이나 기타 구조물이 대상표적의 인식을 방해하게 될 수 있다.

이 경우 대상 표적의 정확한 추출이 불가능하여 후술하는 제어부(123)에서 이동체(110)의 위치를 정확하게 인식할 수 없게 되므로 제1, 제2 하우징(142,143)을 발열시켜 비전센서(130)의 제2 카메라(132)로서 적용된 적외선 카메라가 이를 이미지로 촬상할 수 있도록 하기 위한 것이다.

상기 제1, 제2 하우징(142,143)은 상호 다른 온도로 발열하여 제1, 제2 하우징(142,143)의 가열온도를 상이하게 함으로써 제1, 제2 하우징(142,143)의 온도차를 통해 대상 표적을 용이하게 취출할 수 있다.

제1, 제2 하우징(142,143)은 모두 프레임(141)을 관통해 프레임(141)의 상면으로 돌출된 방열핀(148)과 연결되어 있다. 이 방열핀(148)은 제1, 제2 하우징(142,143)을 냉각시키기 위한 것으로, 제1, 제2 하우징(142,143)이 설치되지 않은 플레이트에는 송풍기(150)가 마련되어 있고, 프레임(141)의 상면에는 방열핀(148)을 통과하는 공기유로를 제공하는 커버(149)가 장착되어 있다.

상기 송풍기(150)는 모터(151)와, 모터(151)에 의해 커버(149)의 내부로 외부공기를 강제 유입시키는 회전팬(152)을 포함하는데, 송풍기(150)에 의해 커버(149)의 내부로 유입된 공기는 커버(149) 내부의 유로를 따라 진행하면서 방열핀(148)을 통과한 후 외부로 배출된다.

따라서 이동하는 공기와 방열핀(148)이 열교환됨으로써 제1, 제2 하우징(142,143)이 급속으로 냉각되도록 한다.

상기 제1, 제2 하우징(142,143)은 송풍기(150)가 간헐적으로 구동됨에 따라 가열과 냉각이 반복되며, 제2 카메라(132)에서는 램프가 점멸하듯이 영상이 촬상됨으로써 대상표적의 정확한 추출이 가능토록 한다.

프레임(141)의 중앙 하부에는 비컨(160)이 설치되어 있다.

상기 비컨(160)은 이동체(110)를 향해 전자기파로 송출되는 무선 동기신호와, 무선 동기신호와 동기된 초음파신호를 송출하는 송신부(161)를 포함한다.

상기 비전센서(130)는 이동체(110)에 설치되어 상기 위치검출표지부(140)를 촬영함으로써 이동체(110)의 위치를 검출하기 위한 것으로서, 가시광선을 통해 위치검출표지부(140)의 영상을 취득하는 제1 카메라(131)와, 적외선을 통해 온도분포를 촬영하기 위한 제2 카메라(132)를 포함한다.

제1, 제2 하우징(142,143)에 마련된 제1, 제2 발광램프(144,145)에서 조사되는 광을 통해서 상기 두 개의 대상 표적을 용이하게 추출할 수 있는 경우에는 제1 카메라(131)를 통해 이미지를 촬상하고 후술하는 제어부(123)에서는 이를 통해 이동체(110)의 위치를 검출한다.

만약 조명이나 기타 구조물에 의해 제1, 제2 발광램프(144,145)에서 발광하는 광을 인식하기 어려울 때에는 제2 카메라(132)에서 가열된 제1, 제2 하우징(142,143)의 적외선을 촬상하여 이를 통해 대상 표적을 추출하게 된다.

상기 태그유닛(120)은 이동체(110)에 설치되며, 상기 비컨(160)의 송신부(161)에서 송출되는 무선 동기신호와 초음파 신호를 수신하는 수신부(121)와, 수신된 무선동기신호와 초음파신호를 통해 이동체(110)와 비컨(160) 사이의 거리를 계산하는 연산부(122)와, 상기 비전센서(130)에서 촬상된 영상을 통해 이동체(110)의 위치를 산출하는 제어부(123) 및 발광구동부(171)와 온열구동부(172)에 구동신호를 전달하기 위한 보조송신부(125)를 포함한다.

보조송신부(125)에서 비전센서(130)에서의 이미지 촬상을 위해 구동신호를 송신하면 프레임(141)에 마련된 보조수신부(170)에서 이 신호를 수신하고 발광구동부(171)에 신호를 전달하여 제1, 제2 발광램프(144,145)를 점등시킨다.

제어부(123)에서는 제1 카메라(131)에서 촬상된 이미지를 통해 대상 표적을 추출하는 과정을 거치는데, 메모리(124)에 저장되어 있는 기준 표지 이미지와 일치하는가를 판별한다.

즉, 도 4의 순서도에 도시된 바와 같이 촬상된 대상 표적의 형상 및 색상이 메모리(124)에 저장되어 있는 기준 표지 이미지의 형상 및 색상과 일치하는지, 또는 촬상된 대상 표적들의 이격 거리가 기준 표지 이미지의 이격 거리와 일치하는지, 그리고 대상 표적의 주변 이미지가 기준 표지 이미지에 나타난 주변 이미지와 일치하는지를 분석하고, 이를 통해 추출된 대상 표적이 위치 검출을 위한 제1, 제2 하우징(142,143)과 일치한다고 판별한다.

그러나 주변 구조물 또는 주변 조명에 의해 제1 카메라(131)로부터 대상 표적을 추출하는 것이 용이하지 않은 경우에는 보조송신부(125)를 통해 온열구동부(172)에 구동신호를 전송하고, 온열구동부(172)에서는 신호가 전달되면 제1, 제2 전열선(146,147)에 전원을 인가하여 제1, 제2 하우징(142,143)을 가열한다.

온열구동부(172)는 소정 시간 간격으로 제1, 제2 전열선(146,147)에 전원을 인가하고, 제1, 제2 전열선(146,147)에 전원이 차단되었을 때, 송풍기(150)를 구동하여 제1, 제2 하우징(142,143)을 냉각시킨다.

따라서 제1, 제2 하우징(142,143)은 가열과 냉각이 소정 시간간격으로 반복된다.

제2 카메라(132)에서는 적외선을 감지하여 천장을 촬상하는데, 상기 제1, 제2 하우징(142,143)이 제1, 제2 전열선(146,147)에 의해 가열되므로 제2 카메라(132)를 통해 이를 확인할 수 있다.

제어부(123)에서는 제2 카메라(132)에서 촬영되는 영상을 통해 대상 표적을 추출하고, 이 대상 표적이 제1, 제2 하우징(142,143)과 일치하는 것인지를 판별하는데, 대상 표적들의 온도, 사이 거리, 가온/냉각 패턴이 기준 표지 이미지와 일치하는지를 통해 대상표적이 제1, 제2 하우징(142,143)인지 아닌지의 여부를 판별하게 된다.

제1 카메라(131) 또는 제2 카메라(132)를 통해 취득한 영상으로 제1, 제2 하우징(142,143)을 대상 표적으로 검출하면 검출된 제1, 제2 하우징(142,143)의 좌표 및 방향을 계산한다. 그 후, 이동체(110)가 소정거리 이동되도록 한 후에 다시 비전센서(130)를 통해 천정을 촬상하여 새로운 대상 표적을 검출하는 과정을 거쳐 새로운 제1, 제2 하우징(142,143)의 좌표 및 방향을 계산한다. 이어서 두 번의 검출과정에서 계산된 제1, 제2 하우징(142,143)의 좌표와 방향의 변동량을 산출하면 이동체(110)의 현재위치를 인식할 수 있게 된다.

그리고 제어부(123)에서는 비컨(160)에서 송신된 무선 동기신호와 초음파 신호를 수신하는 수신부(121)로부터 수신신호를 전달받는다.

무선 동기신호인 전자기파와 초음파는 상호 진행속도가 다르다. 따라서 송신부(161)에서 동시에 송출된 무선 동기신호와 초음파신호는 수신부(121)에서 수신될 때, 시간차가 발생한다.

연산부(122)에서는 무선 동기신호와 초음파 신호의 수신 시간차를 통해서 비컨(160)과 이동체(110) 사이의 거리를 계산한다. 즉, 상기 전자기파의 속도가 초음파에 비해 아주 빠르기 때문에 전자기파가 송신부(161)로부터 수신부(121)까지 전달되는 시간은 0으로 봐도 무방하므로 무선 동기신호가 수신부(121)에 수신된 후 초음파 신호가 수신될 때까지의 시간을 초음파신호가 송신부(161)로부터 송출되어 수신부(121)에 수신될때까지의 시간으로 봐도 무방하다. 따라서 이 시간차를 통해 초음파신호가 수신부(121)에 수신될때까지 걸린 시간으로 보고, 이를 초음파의 속도와 곱하여 비컨(160)과 이동체(110) 사이의 거리를 계산한다.

제어부(123)에서는 상기 비전센서(130)를 통해 확인한 이동체(110)의 위치정보에 초음파센서를 통한 비컨(160)과 이동체(110) 사이의 거리정도를 도입하여 비전센서(130)를 통해 인지한 이동체(110)의 위치 인식정보를 보정함으로써 더욱 정확하게 이동체(110)의 위치를 확인할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 사람이라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록 청구 범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

100; 비전과 초음파센서를 이용한 위치 인식 시스템
110; 이동체
120; 태그유닛
130; 비전센서
140; 위치검출표지부
160; 비컨

Claims (2)

1. 이동체가 이동하는 공간의 천장에 설치되며 상호 이격되어 있는 제1, 제2 하우징을 포함하는 위치검출표지부와;
   상기 이동체에 설치되며 상기 위치검출표지부가 장착된 작업영역의 천장을 촬상하는 비전센서와;
   전자기파로 발진되는 무선 동기신호와, 상기 무선 동기신호와 동기된 초음파를 상기 이동체를 향해 송신하는 송신부를 포함하는 비컨과;
   상기 비전센서에 의해 생성된 이미지로부터 저장된 기준 표지이미지와 비교할 대상 표적을 추출하고, 상기 대상 표적의 형상, 그 사이의 거리, 주변의 이미지를 순차적으로 상기 기준 표지이미지의 형상, 그 사이의 거리, 주변의 이미지와 비교하여 그 전부가 일치하면 상기 대상 표적을 상기 위치검출표지부로 인식하고, 인식한 상기 위치검출표지부를 이용하여 이동체의 현재 위치를 인식하는 제어부와, 상기 송신부로부터 송신된 무선 동기신호와 초음파를 수신하는 수신부와, 상기 수신부에서 수신되는 무선 동기신호와 초음파의 수신 시간차를 통해 상기 이동체와의 거리를 계산하는 연산부를 포함하는 태그유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 비전과 초음파센서를 이용한 위치인식 시스템.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 비전센서는 천장에서 반사되는 가시광선을 통해 영상을 촬영하는 제1 카메라와, 천장의 온도분포를 촬영할 수 있도록 적외선을 감지하여 영상을 획득하는 제2 카메라를 포함하고,
   상기 제1 하우징은 금속제의 제1 하우징과, 상기 제1 하우징의 내부에 설치되어 하방으로 광을 조사하는 제1 발광램프와, 상기 제1 하우징에 설치되어 제1 하우징을 발열시키는 제1 전열선을 포함하고, 상기 제2 하우징은 금속제의 제2 하우징과, 상기 제2 하우징의 내부에 설치되어 하방으로 상기 제1 발광램프와는 다른 색상의 광을 조사하는 제2 발광램프와, 상기 제2 하우징에 설치되어 제2 하우징을 발열시키는 제2 전열선을 포함하며,
   상기 위치검출표지부는 천장에 고정되고 상기 제1, 제2 하우징은 상호 소정거리 이격된 상태로 지지하는 프레임과, 상기 제1, 제2 하우징을 냉각시키도록 상기 제1, 제2 하우징으로부터 상기 프레임의 상부로 연장되는 방열핀과, 상기 프레임에 설치되며 상기 방열핀을 감싸 소정의 공기유로를 형성하는 커버와, 상기 커버의 일측 단부에 위치하도록 상기 프레임에 설치되어 상기 커버의 내부로 공기를 강제 유동시키는 송풍기와, 상기 제어부로부터 무선 신호를 인가받아 상기 제1, 제2 전열선에 인가되는 전원을 단속하고, 상기 송풍기를 구동시키는 온열구동부를 구비하는 것을 특징으로 하는 비전과 초음파센서를 이용한 위치인식 시스템.

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