KR101015750B1 - 엔코더를 이용한 방향 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

서로 연결된 제1 몸체 및 제2 몸체를 포함하는 물체의 방향을 제어하는 방향 제어 시스템에 있어서, 상기 제1 몸체에 연결되어 회전하며 상기 물체를 이동시키는 복수 개의 주행부; 상기 복수 개의 주행부의 회전수를 측정하고, 측정된 회전수로부터 상기 제1 몸체의 움직임에 대응하는 신호를 출력하는 엔코더부; 및 상기 제1 몸체와 상기 제2 몸체 사이에 연결되며, 상기 엔코더부로부터 출력된 상기 신호에 대응하여 상기 제2 몸체를 회전시키는 구동부를 포함하는 방향 제어 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 방향 제어 시스템은 물체가 이동 및/또는 회전하는 경우에도 물체 내의 소정의 부분의 방향은 일정하게 유지할 수 있어, 로봇의 비젼(vision) 시스템의 안정화를 위하여 사용될 수 있는 이점이 있다.

회전, 엔코더, 로봇, 비젼

Description

엔코더를 이용한 방향 제어 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR DIRECTION CONTOL USING ENCODERS}

본 발명은 엔코더를 이용한 방향 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로, 엔코더를 이용하여 물체의 움직임에 대응하는 신호를 생성하고, 생성된 신호에 따라 물체 내 소정의 부분의 회전을 제어함으로써, 물체가 이동 및/또는 회전하는 경우에도 해당 부분의 방향을 일정하게 유지하는 방향 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.

인간의 노력을 대체하여 무인 경비 등의 업무를 수행하는 이동 로봇이 널리 사용되고 있다. 이러한 이동 로봇의 작업 수행을 위해서는 주행부를 사용하여 로봇의 이동 및 방향 전환을 수행하는 기능이 필수적으로 요구된다. 또한 이동 로봇에 있어서는, 특정 사물을 인식하거나 추적하는 등의 기능을 수행하기 위하여 외부로부터 영상 신호를 획득하는 비젼(vision) 시스템을 구현하는 것이 핵심 기능 중의 하나에 해당한다.

그러나, 이동 로봇의 주행부와 비젼 시스템은 모두 동일한 몸체에 연결되어 있으므로, 로봇의 주행부가 회전하거나 또는 비젼 시스템이 위치한 부분이 회전하 는 경우 비젼 시스템이 인식하고자 하는 목표물이 비젼 시스템의 입력 범위를 벗어나게 되는 문제점이 있다. 또한, 목표물이 입력 범위를 벗어나지 않더라도 비젼 시스템이 획득하는 영상 신호에 번짐(blurring) 등의 현상이 발생하게 되어 비젼 시스템의 물체 인식률 및 정확도가 감소하게 되는 문제점이 있다.

상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 이동 로봇 등과 같이 움직이는 물체 또는 물체의 일부분이 움직이는 경우에도, 물체에 포함된 소정의 부분의 방향을 일정하게 유지할 수 있는 방향 제어 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 방향 제어 시스템은, 서로 연결된 제1 몸체 및 제2 몸체를 포함하는 물체의 방향을 제어하는 방향 제어 시스템에 있어서, 상기 제1 몸체에 연결되어 회전하며 상기 물체를 이동시키는 복수 개의 주행부; 상기 복수 개의 주행부의 회전수를 측정하고, 측정된 회전수로부터 상기 제1 몸체의 움직임에 대응하는 신호를 출력하는 엔코더부; 및 상기 제1 몸체와 상기 제2 몸체 사이에 연결되며, 상기 엔코더부로부터 출력된 상기 신호에 대응하여 상기 제2 몸체를 회전시키는 구동부를 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 방향 제어 시스템을 사용하면, 물체가 움직이는 경우에도 물체 내의 소정의 부분의 방향을 일정하게 유지할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 방향 제어 시스템을 이동 로봇에 적용하면, 로봇이 이동 및/또는 회전하더라도 로봇의 비젼 시스템의 방향을 일정하게 유지하여 목표물을 비젼 시스템의 입력 범위 중앙에 위치 시킬 상태에서 영상 신호를 획득할 수 있다. 나아가, 안 정된 영상 신호를 기반으로 하여 물체 인식도 및 정확도를 향상시킬 수 있다.

이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 살펴본다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방향 제어 시스템이 적용된 물체를 도시한 사시도이다. 도 1을 참조하면, 상기 실시예에 따른 방향 제어 시스템은, 서로 연결된 제1 몸체(1) 및 제2 몸체(2)를 포함하는 움직이는 물체에 적용된다. 본 발명의 일 실시예에서, 물체는 자동으로 또는 수동 조작에 의하여 원하는 방향으로 이동하는 이동 로봇일 수 있다. 또한 이 경우, 제2 몸체(2)는 이동 로봇이 외부로부터 획득되는 영상 정보를 수신하기 위한 장치, 예컨대, 로봇의 비젼(vision) 시스템일 수도 있다.

도 1에 도시된 물체는, 제1 몸체(1)에 연결된 복수 개의 주행부(10)의 회전에 의하여 이동할 수 있다. 각각의 주행부(10)는 물체를 소정의 방향으로 이동시킬 수 있는 임의의 형태로 구성되어도 무방하다. 그러나, 물체가 방향을 전환할 수 있도록 하기 위해 주행부(10)의 개수는 2개 이상이어야 한다.

도 1에는 4개의 바퀴 형태의 주행부(10)를 사용한 실시예를 도시하였으나, 다른 실시예에서 주행부(10)의 개수 및 형태는 상이하게 구성될 수도 있다. 예컨대, 각 주행부(10)는 바퀴 또는 캐터필러(caterpillar) 등과 같이 회전에 의하여 구동되는 형태의 이동 수단일 수 있다. 또한, 4개 미만 또는 4개를 초과하는 개수의 주행부(10)를 제1 몸체(1)에 연결하여 물체를 이동시키는 것도 가능하다.

도 2는 도 1에 도시된 물체의 방향이 소정의 각도만큼 회전된 경우를 도시한 평면도이다. 도 2에 도시되는 바와 같이, 물체의 제1 몸체(1)는 초기 방향인 도면 상하 방향으로부터 각도 θ 만큼 우측으로 회전되었다. 회전을 위해서는, 제1 몸체(1)의 도면 좌측 방향에 연결된 주행부(10)의 이동 거리가 제1 몸체(1)의 우측 방향에 연결된 주행부(10)의 이동 거리보다 길어져야 한다. 따라서, 제1 몸체(1) 양측의 주행부(10)의 회전수에도 차이가 생기게 된다.

상기 실시예에서, 각각의 주행부(10)에는 엔코더(20)가 연결되어 주행부(10)의 회전수를 측정한다. 측정된 회전수는 신호 생성기(미도시)로 전달되며, 회전수로부터 제1 몸체(1)의 움직임에 대응하는 신호가 생성된다. 상기 실시예에 따른 방향 제어 시스템의 구동부(30)는 제1 몸체(1)와 제2 몸체(2) 사이에 연결되며, 신호 생성기로부터 신호를 전달받고, 이에 대응하여 제2 몸체(2)의 회전을 제어한다.

제1 몸체(1) 및 제2 몸체(2)는 서로 연결되어 있으므로, 제1 몸체(1)가 이동하거나 회전되면 제2 몸체(2) 역시 함께 이동하거나 회전된다. 이때 구동부(30)는 제2 몸체(2)의 방향을 유지하기 위하여 제1 몸체(1)에 의한 움직임을 네거티브 피드백(negative feedback)한다. 즉, 구동부(30)는 제1 몸체(1)의 움직임으로 인한 효과를 상쇄하는 방향으로 제2 몸체(2)를 회전시킨다.

예를 들면, 구동부(30)는 제1 몸체(1)의 이동 방향 또는 회전 방향과 반대 방향으로 제2 몸체(2)를 회전시킬 수 있다. 그 결과 도 2에 도시되는 바와 같이 제1 몸체(1)의 움직임에 영향을 받지 않고 제2 몸체(2)의 방향을 초기 방향과 동일하게 유지할 수 있다.

네거티브 피드백 제어를 위하여, 구동부(30)는 P, PI, PD, PID 제어기 등 다양한 회로를 포함할 수 있으나, 구동부(30)의 구성은 특정 제어 기법이나 회로에 제한되지 않는다.

본 발명의 일 실시예에서 방향 제어 시스템을 이동 로봇에 적용할　경우, 제2 몸체(2)에는 이동 로봇의 비젼 시스템을 위치시킬 수 있다. 이와 같이 구성하면 로봇이 이동하거나 회전하더라도 비젼 시스템의 방향은 일정하게 유지되므로, 안정된 영상 정보를 획득할 수 있는 이점이 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 방향 제어 시스템의 구성을 도시한 블록도이다. 이하에서는, 설명의 편의를 위하여 도 1 및 도 3을 참조하여 상기 실시예에 따른 방향 제어 시스템의 구성을 상세히 살펴본다.

도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 방향 제어 시스템은, 복수 개의 주행부(10), 엔코더부(200) 및 구동부(30)를 포함하여 구성된다. 주행부(10)는 도 1을 참조하여 전술한 바와 같이, 물체의 제1 몸체(1)에 연결되며 회전에 의하여 물체를 이동시킨다. 또한, 물체가 회전할 수 있도록 하기 위해서는 적어도 2개 이상의 주행부(10)가 물체를 이동시키기 위해 사용되어야 한다.

엔코더부(200)는 복수 개의 주행부(10)에 연결되며, 주행부(10)의 회전수를 측정하고 이로부터 물체의 제1 몸체(1)의 움직임에 대응하는 신호를 출력한다. 도 3에 도시된 실시예에서, 엔코더부(200)는 복수 개의 주행부(10) 각각에 연결된 복수 개의 엔코더(20) 및 복수 개의 주행부(10)의 회전수를 이용하여 제1 몸체(1)의 움직임에 대응하는 신호를 출력하는 신호 생성기(25)를 포함하여 구성된다.

복수 개의 엔코더(20)는 각 주행부(10)의 회전수를 측정하여, 측정된 회전수를 신호 생성기(25)로 전달한다. 도 1에는 신호 생성기(25)는 도시되지 않으나 신호 생성기(25)는 물체 내부에 장착될 수 있으며, 또는 물체 외부에 위치하여 엔코더(20) 및 구동부(30)와 연결될 수도 있다.

신호 생성기(25)는 복수 개의 엔코더(20)에 의해 측정된 회전수를 이용하여, 제1 몸체(1)의 움직임에 대응하는 신호를 출력한다. 예를 들어, 복수 개의 엔코더(20)에 의하여 측정된 각각의 주행부(10)의 회전수가 동일할 경우, 이는 제1 몸체(1)가 직선 방향으로 전진하거나 후진하는 등의 선형 운동을 하였다는 것을 의미한다. 신호 생성기(25)는 위와 같은 제1 몸체(1)의 선형 운동에 해당하는 신호를 생성할 수 있다.

한편, 제1 몸체(1)가 회전하는 경우, 회전으로 인하여 제1 몸체(1)의 각 방향에 연결된 주행부(10)의 회전수가 서로 상이하게 된다. 이때 주행부(10)의 위치에 따른 회전수를 서로 비교하면 제1 몸체(1)의 회전에 해당하는 신호를 생성할 수 있다. 예컨대, 복수 개의 주행부(10) 중 상대적으로 제1 몸체(1)의 우측에 위치한 주행부(10)의 회전수가 더 작은 경우, 물체는 우측으로 회전되었음을 알 수 있다.

신호 생성기(25)에 의해 생성되는 신호는 물체의 선형 운동 또는 회전 등의 움직임을 나타내기에 적합한 다양한 형태의 신호일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 신호 생성기(25)는 제1 몸체(1)의 선형 운동에 대응되는 신호를 출력할 수 있다. 예컨대, 각 주행부(10)의 직경을 알고 있을 경우, 신호 생성기(25)는 이를 이용하여 제1 몸체(1)의 이동 거리 또는 이동 속도 등을 산출하고 이를 신호로 출력할 수 있다.

한편, 다른 실시예에서 회전 신호 생성기(25)는 제1 몸체(1)의 회전 각속도 등 제1 몸체(1)의 회전에 대응되는 값을 산출하고 이를 신호로 출력하도록 구성하는 것도 가능하다.

예를 들어, 제1 몸체(1)의 우측에 위치한 주행부(10)의 회전 각도를 ?θ_R, 제1 몸체(1)의 우측에 위치한 주행부(10)의 회전 각속도를 ω_R, 측정 시간을 ?t라 할 경우, ω_R은 하기 수학식 1에 의하여 산출될 수 있다.

상기 주행부(10)의 회전 각도 ?θ_R은 엔코더(20)에 의하여 측정된 주행부(10)의 회전수로부터 산출할 수 있다.

한편, 주행부(10)의 반지름을 R(도 1 참조), 제1 몸체(1)의 우측면의 이동거리를 V_R이라 할 경우, V_R은 하기 수학식 2에 의하여 산출될 수 있다.

마찬가지로, 제1 몸체(1)의 좌측에 위치한 주행부(10)의 회전 각도를 ?θ_L, 제1 몸체(1)의 좌측에 위치한 주행부(10)의 회전 각속도를 ω_L이라 할 경우, ω_L은 하기 수학식 3에 의하여 산출될 수 있다.

이때, 제1 몸체(1)의 좌측면의 이동거리 V_L은 하기 수학식 4에 의하여 산출될 수 있다.

신호 생성기(25)는, 상기 수학식 1 내지 수학식 4에서 구한 값들을 사용하여 제1 몸체(1)의 움직임에 대응되는 신호를 출력할 수 있다. 예를 들어, 제1 몸체(1) 의 회전 각속도를 ω_C, 제1 몸체(1)의 중심으로부터 각 주행부(10)까지의 거리(도 2 참조)를 L이라 할 경우, ω_C는 하기 수학식 5에 의하여 산출될 수 있다.

또한, 제1 몸체(1)의 이동 속도를 V_C라 할 경우, V_C는 하기 수학식 6에 의하여 산출될 수 있다.

신호 생성기(25)로부터 출력된 신호는 구동부(30)로 전달된다. 구동부(30)는 제1 몸체(1)와 제2 몸체(2) 사이에 연결되며, 전달된 신호에 대응하여 제2 몸체(2)를 회전시킨다. 본 발명의 일 실시예에서, 구동부(30)에 의한 제2 몸체(2)의 회전 제어는 제1 몸체(1)의 움직임으로 인한 효과를 상쇄하기 위한 네거티브 피드백으로 이루어질 수 있다.

예컨대, 구동부(30)는 제1 몸체(1)의 이동 속도를 이용하여 제1 몸체(1)의 이동 방향을 산출하고, 산출된 이동 방향과 반대 방향으로 제2 몸체(2)를 회전시킬 수 있다. 이 경우, 제1 몸체(1)가 이동하더라도 제1 몸체(1)에 연결된 제2 몸체(2)가 이와 반대 방향으로 회전하므로, 제2 몸체(2)의 방향이 상대적으로 일정하게 유지될 수 있다.

한편, 구동부(30)는 제1 몸체(1)의 회전 각도를 이용하여 제1 몸체(1)의 회전 방향을 산출하고, 산출된 회전 방향과 반대 방향으로 제1 몸체(1)의 회전 각도와 동일한 크기의 각도만큼 제2 몸체(2)를 회전시킬 수도 있다. 이 경우, 제1 몸체(1)가 회전하더라도 제2 몸체(2)는 제1 몸체(1)와 반대 방향으로 동일한 각도만큼 회전하므로, 제2 몸체(2)의 방향은 일정하게 유지된다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에서는 제2 몸체(2)가 제1 몸체(1)의 이동 거리 또는 제1 몸체(1)의 회전 각도에 대해 일정한 비율만큼 반대 방향으로 회전되도록 구성할 수도 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 비젼 제어 방법의 각 단계를 도시한 순서도이다. 설명의 편의를 위하여, 도 1 및 도 4를 참조하여 상기 실시예에 따른 비젼 제어 방법에 대하여 설명한다.

상기 실시예에 따른 비젼 제어 방법은, 서로 연결된 제1 몸체 및 제2 몸체를 포함하는 물체의 방향을 제어하기 위하여 사용된다. 상기 실시예에 따른 비젼 제어 방법은 먼저 제1 몸체(1)에 연결된 복수 개의 주행부(10)의 회전수를 측정하는 것으로 시작된다(S1).

다음으로, 측정된 복수 개의 주행부(10)의 회전수로부터 물체의 제1 몸체(1)의 움직임에 대응하는 신호를 생성한다(S2). 본 발명의 일 실시예에서, 생성되는 신호는 제1 몸체(1)의 이동 거리 또는 이동 속도 등 제1 몸체(1)의 선형 운동에 대응되는 신호일 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서 출력되는 신호는 제1 몸체(1)의 회전 각속도와 같은 제1 몸체(1)의 회전에 대응되는 신호일 수도 있다.

제1 몸체(1)의 움직임에 대응하는 신호가 출력되면, 다음으로 출력된 신호에 따라 제2 몸체(2)의 회전을 제어한다(S3). 제1 몸체(1)가 회전되면 제1 몸체(1)와 연결된 제2 몸체(2)의 방향도 영향을 받게 되므로, 제1 몸체(1)의 움직임으로 인한 효과를 상쇄하기 위한 방향으로 제2 몸체(2)를 회전시켜 네거티브 피드백함으로써, 제2 몸체(2)의 방향을 일정하게 유지할 수 있다.

이상과 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 방향 제어 시스템및 방법을 이동 로봇 등의 비젼 시스템에 적용하면, 로봇이 이동 및/또는 회전하더라도 로봇이 영상 정보를 획득하는 비젼 시스템의 방향은 원하는 방향으로 유지할 수 있다. 그러므로, 목표물이 비젼 시스템의 입력 범위 내에서 이동하여 발생하는 번짐(blurring) 등의 현상을 방지할 수 있으며, 비젼 시스템의 물체 인식도 및 정확도가 크게 향상되는 이점이 있다.

이상 본 발명의 특정 실시예를 도시하고 설명하였으나, 본 발명의 기술사상은 첨부된 도면과 상기한 설명내용에 한정하지 않으며 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 변형이 가능함은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 사실이며, 이러한 형태의 변형은, 본 발명의 정신에 위배되지 않 는 범위 내에서 본 발명의 특허청구범위에 속한다고 볼 것이다.　

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방향 제어 시스템이 적용된 물체를 도시한 사시도이다.

도 2는 도 1에 도시된 물체가 회전된 상태를 도시한 평면도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 방향 제어 시스템의 구성을 도시한 블록도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 방향 제어 방법의 각 단계를 도시한 순서도이다

Claims (13)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 서로 연결된 제1 몸체 및 제2 몸체를 포함하는 물체의 방향을 제어하는 방향 제어 시스템에 있어서,

   상기 제1 몸체에 연결되어 회전하며 상기 물체를 이동시키는 복수 개의 주행부;

   상기 복수 개의 주행부의 회전수를 측정하고, 측정된 회전수로부터 상기 제1 몸체의 움직임에 대응하는 신호를 출력하는 엔코더부; 및

   상기 제1 몸체와 상기 제2 몸체 사이에 연결되며, 상기 엔코더부로부터 출력된 상기 신호에 대응하여 상기 제2 몸체를 회전시키는 구동부를 포함하되,

   상기 신호는 상기 제1 몸체의 선형 운동에 대응되며,

   상기 구동부는,

   상기 신호로부터 상기 제1 몸체의 이동 방향을 검출하고, 상기 제1 몸체의 이동 방향과 반대 방향으로 상기 제2 몸체를 회전시키는 것을 특징으로 하는 방향 제어 시스템.
6. 서로 연결된 제1 몸체 및 제2 몸체를 포함하는 물체의 방향을 제어하는 방향 제어 시스템에 있어서,

   상기 제1 몸체에 연결되어 회전하며 상기 물체를 이동시키는 복수 개의 주행부;

   상기 복수 개의 주행부의 회전수를 측정하고, 측정된 회전수로부터 상기 제1 몸체의 움직임에 대응하는 신호를 출력하는 엔코더부; 및

   상기 제1 몸체와 상기 제2 몸체 사이에 연결되며, 상기 엔코더부로부터 출력된 상기 신호에 대응하여 상기 제2 몸체를 회전시키는 구동부를 포함하되,

   상기 신호는 상기 제1 몸체의 회전에 대응되는 것을 특징으로 하는 방향 제어 시스템.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 구동부는,

   상기 신호로부터 상기 제1 몸체의 회전 방향을 검출하고, 상기 제1 몸체의 회전 방향과 반대 방향으로 상기 제2 몸체를 회전시키는 것을 특징으로 하는 방향 제어 시스템.
8. 제 5항 또는 제6항에 있어서,

   상기 제2 몸체는, 영상 정보를 수신하기 위한 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 방향 제어 시스템.
9. 서로 연결된 제1 몸체 및 제2 몸체를 포함하는 물체의 회전을 제어하는 방향 제어 방법에 있어서,

   상기 제1 몸체에 연결되어 회전하며 상기 물체를 이동시키는 복수 개의 주행부의 회전수를 측정하는 단계;

   상기 복수 개의 주행부의 회전수로부터 상기 제1 몸체의 움직임에 대응하는 신호를 생성하는 단계; 및

   생성된 상기 신호에 대응하여 상기 제2 몸체를 회전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방향 제어 방법.
10. 제 9항에 있어서,

    상기 신호는 상기 제1 몸체의 선형 운동에 대응되는 것을 특징으로 하는 방향 제어 방법.
11. 제 10항에 있어서,

    상기 제2 몸체를 회전시키는 단계는,

    상기 신호로부터 상기 제1 몸체의 이동 방향을 검출하는 단계; 및

    상기 제1 몸체의 이동 방향과 반대 방향으로 상기 제2 몸체를 회전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방향 제어 방법.
12. 제 9항에 있어서,

    상기 신호는 상기 제1 몸체의 회전에 대응되는 것을 특징으로 하는 방향 제어 방법.
13. 제 12항에 있어서,

    상기 제2 몸체를 회전시키는 단계는,

    상기 신호로부터 상기 제1 몸체의 회전 방향을 검출하는 단계; 및

    상기 제1 몸체의 회전 방향과 반대 방향으로 상기 제2 몸체를 회전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방향 제어 방법.

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