KR101019336B1 - 관성 센서를 이용한 안정화 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

관성 센서를 이용한 안정화 제어 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

제1 몸체의 움직임에 대응되는 신호를 생성하는 관성 센서부; 상기 제1 몸체에 연결된 제2 몸체를 움직이기 위하여, 상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체 사이에 연결된 구동부; 및 상기 관성 센서부에서 생성된 상기 신호를 사용하여 상기 제1 몸체의 움직임을 상기 제2 몸체에 음의 피드백(negative feedback)하도록 상기 구동부를 제어하는 제어부를 포함하는 안정화 제어 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 제어 시스템 및 방법을 이동 로봇의 비젼(vision) 시스템에 응용하면, 이동 로봇이 움직이는 경우에도 비젼 시스템이 안정된 영상 정보를 획득할 수 있어 번짐(blurring) 등의 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있는 이점이 있다.
비젼, 안정화, 관성 센서

Description

관성 센서를 이용한 안정화 제어 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR STABILIZATION CONTOL USING AN INERTIAL SENSOR}
본 발명은 관성 센서를 이용한 안정화 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로, 상세하게는 다축 관성 센서를 이용하여 이동 로봇 등과 같은 물체의 움직임에 대응되는 신호를 생성하고, 생성된 신호에 따라 물체에 포함된 특정 부분의 움직임을 안정적으로 제어할 수 있는 안정화 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 회전하는 경우 비젼 시스템이 인식하고자 하는 목표물이 비젼 시스템의 입력 범위를 벗어 나게 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 같은 물체가 움직일 경우, 물체 움직임을 측정하고 이를 구동부에 되먹임하여, 물체가 움직이는 경우에도 물체 내 특정 부분의 위치 및 방향을 일정하게 유지할 수 있는 안정화 제어 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한 이를 통하여 비젼 시스템이 장착된 물체가 움직일 경우 발생할 수 있는, 인식하고자 하는 물체가 비젼 시스템의 입력 범위를 벗어나는 현상, 또는 영상 신호에 번짐(blurring) 현상으로 인한 신호 품질 저하를 해결하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 제어 시스템은, 제1 몸체의 움직임에 대응되는 신호를 생성하는 관성 센서부; 상기 제1 몸체에 연결된 제2 몸체를 움직이기 위하여, 상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체 사이에 연결된 구동부; 및 상기 관성 센서부에서 생성된 상기 신호를 사용하여 상기 제1 몸체의 움직임을 상기 제2 몸체에 음의 피드백(negative feedback)하도록 상기 구동부를 제어하는 제어부를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 제어 방법은, 관성 센서부가 제1 몸체의 움직임에 대응되는 신호를 생성하는 단계; 상기 관성 센서부에서 생성된 신호를 제어부가 수신하는 단계; 및 상기 제1 몸체의 움직임을 상기 제1 몸체에 연결된 제2 몸체에 음의 피드백(negative feedback)하기 위하여, 상기 제어부가 상기 제2 몸체 에 연결된 구동부를 제어하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 제어 시스템 및 방법을 사용하면, 관성 센서에 의하여 이동 로봇 등과 같은 물체의 움직임을 측정하고 이를 구동부에 되먹임하여, 물체가 진동 또는 회전하는 경우에도 특정 부분의 움직임은 안정적으로 유지할 수 있다. 상기 안정화 제어 시스템 및 방법을 이동 로봇의 비젼(vision) 시스템에 응용하면, 이동 로봇이 움직이는 경우에도 비젼 시스템이 안정된 영상 정보를 획득할 수 있어 번짐(blurring) 등의 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있는 이점이 있다.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 제어 시스템의 구성을 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 상기 실시예에 따른 안정화 제어 시스템은 관성 센서부(10), 제어부(20) 및 구동부(30)를 포함하여 구성된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 제어 시스템은, 서로 연결된 복수 개의 부분을 포함하며, 자동으로 또는 조작에 의해 이동 가능한 물체를 대상으로 실시된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 제어 시스템이 적용된 물체를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 2를 참조하면, 상기 안정화 제어 시스템은 제1 몸체(1)와 제2 몸체(2)가 서로 연결되어 구성된 물체에 적용된다. 도 1에 도시된 제1 몸체(1) 및 제2 몸체(2)는 설명의 편의를 위하여 가시화된 것으로서, 제1 몸체(1)와 제2 몸체(2)의 형태 및 연결 방식은 도 2에 도시된 것으로 제한되지 않는다.
도 2에 도시된 실시예에서, 제1 몸체(1)의 일부분의 상부에는 제2 몸체(2)가 위치한다. 제1 몸체(1)와 제2 몸체(2)는 구동부(30)를 통하여 서로 연결된다. 도 2에서 관성 센서부(10) 및 제어부(20)는 도시되지 않으나, 관성 센서부(10) 및 제어부(20)는 제1 몸체(1)의 내부에 내장되어 사용되거나 또는 물체의 외부에서 제1 몸체(1) 및 제2 몸체(2)와 연결하여 사용될 수도 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 몸체(1) 및 제2 몸체(2)를 포함하는 물체는 자동으로 또는 조작에 의해 이동하거나 회전하는 등 움직일 수 있다. 이때, 관성 센서부(10)는 물체가 움직임에 따라 제1 몸체(1)의 움직임에 대응되는 신호를 생성한다. 예컨대, 관성 센서부(10)는 제1 몸체(1)의 이동으로 인한 가속도 및 제1 몸체(1)의 회전으로 인한 각속도를 측정하고, 이에 대응되는 신호를 생성한다.
본 발명의 일 실시예에서, 관성 센서부(10)는 공간상에 위치한 3개의 축 방향의 가속도를 검출할 수 있는 가속도 센서(11) 및 3개의 축 방향의 각속도를 검출할 수 있는 각속도 센서(12)를 포함하여 구성된다.
또한 본 발명의 다른 실시예에서, 관성 센서부(10)는 서로 상이한 축 방향의 가속도를 검출하는 하나 이상의 가속도 센서(11) 및 서로 상이한 축 방향의 각속도를 검출하는 하나 이상의 각속도 센서(12)를 포함하여 구성될 수도 있다.
관성 센서부(10)에서 제1 몸체(1)의 이동 및 회전과 같은 움직임에 대응되는 신호가 생성되면, 생성된 신호는 제어부(20)로 전달된다. 제어부(20)는 관성 센서부(10) 및 구동부(30)에 연결되어, 관성 센서부(10)로부터 전달된 신호에 따라 구동부(30)를 제어하여 제2 몸체(2)를 이동시키거나 회전시킨다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 제어부(20)는 관성 센서부(10)에서 전달된 신호로부터 제1 몸체(1)의 이동 방향 또는 회전 방향을 산출하고, 제2 몸체(2)가 제1 몸체(1)의 이동 방향 또는 회전 방향과 반대 방향으로 이동 또는 회전하도록 구동부(30)를 제어할 수 있다. 이 경우 제어부(20)는 제1 몸체(1)의 움직임을 제2 몸체(2)를 구동하는 구동부(30)에 음의 피드백(negative feedback)에 의하여 되먹임하는 효과를 갖는다.
일 실시예에서 제어부(20)는 음의 피드백을 수행하기 위하여 비례 제어 방식을 채택할 수 있다. 즉, 제어부(20)는 관성 센서부(10)에서 검출된 하나 이상의 축 방향의 가속도(ax, ay, az) 및 하나 이상의 축 방향의 각속도(ωx, ωy, ωz) 각각에 음의 피드백을 위한 고유의 가중치(k1, k2, k3, k4, k5, k6)를 인가할 수 있다.
또한, 다른 실시예에서 제어부(20)는 P, PI, PD, PID 제어기 등 다양한 회로를 포함할 수도 있으나, 제어부의 구성은 특정 제어 기법이나 회로에 제한되지 않는다.
구동부(30)는 도 2에 도시되는 바와 같이 제1 몸체(1)와 제2 몸체(2) 사이에 연결된다. 구동부(30)는 제어부(20)의 제어에 따라 제2 몸체(2)의 위치를 변경하거 나 제2 몸체(2)를 회전시키기 위한 장치이다.
본 발명의 일 실시예에서, 구동부(30)는 관성 센서부(10)에서 생성된 신호 중 복수 개의 축 방향의 가속도 또는 각속도에 대응하여 제2 몸체(2)를 구동하기 위한 복수 개의 구동축(미도시)을 포함하여 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 1을 참조하면, 구동부(20)는 x축, y축 및 z축 각각을 따라 제2 몸체(2)를 평행 이동시키는 각 축 방향의 병진 구동부(31, 32, 33)를 포함할 수 있다. 또한, 구동부(20)는 x축, y축 및 z축 각각을 기준으로 제2 몸체(2)를 회전시키는 각 축 방향의 회전 구동부(34, 35, 36)를 포함할 수도 있다.
각각의 병진 구동부(31, 32, 33)에는 제어부(20)에 의하여 가중치가 인가된 가속도(k1ax, k2ay, k3az)가 입력될 수 있다. 또한, 각각의 회전 구동부(34, 35, 36)에는 제어부(20)에 의하여 가중치가 인가된 각속도(k4ωx, k5ωy, k6ωz)가 입력될 수 있다.
구동부(30)는 제어부(20)의 제어에 따라 제1 몸체(1)의 움직임으로 인한 영향을 감소시키는 방향으로 제2 몸체(2)의 위치 및 회전을 제어한다. 예컨대, 구동부(30)는 제1 몸체(1)의 이동 방향 또는 회전 방향과 반대 방향으로 제2 몸체(2)를 이동시키거나 회전시킬 수 있다.
이동 로봇 등과 같은 물체의 주행으로 인하여 제1 몸체(1)가 움직이게 되면 제1 몸체(1)와 연결되어 있는 제2 몸체(2)도 제1 몸체(1)와 동일한 방향으로 움직이게 된다. 이때, 제어부(20)는 제1 몸체(1)의 이동 방향과 반대 방향으로 제2 몸 체(2)가 구동되도록 구동부(30)를 제어함으로써, 제1 몸체(1) 및 제2 몸체(2)를 포함하는 물체가 움직이는 경우에도 물체에 포함된 제2 몸체(2)의 위치 및 방향을 일정하게 유지할 수 있다.
도 2의 평면도는 전술한 제어부(20) 및 구동부(30)에 의한 제2 몸체(2)의 구동 결과의 일 예로, 물체의 방향이 소정의 각도만큼 회전된 경우를 도시한다. 도 2에 도시되는 바와 같이, 물체의 제1 몸체(1)는 초기 방향인 도면 상하 방향으로부터 각도 θ 만큼 우측으로 회전되었다. 제1 몸체(1) 및 제2 몸체(2)는 서로 연결되어 있으므로, 제1 몸체(1)가 회전되면 제2 몸체(2) 역시 함께 회전된다.
이때 관성 센서부(10)에 의하여 제1 몸체(1)의 회전에 대응하는 신호가 생성된다. 생성된 신호는 제어부(20)로 전달되며, 제어부(20)는 신호에 따라 구동부(30)를 제어하여 제2 몸체(2)의 방향을 일정하게 유지한다. 즉, 제1 몸체(1)가 회전된 방향과 반대 방향으로 동일한 각도 θ 만큼 제2 몸체(2)가 회전되어, 제1 몸체(1)의 회전에 영향을 받지 않고 제2 몸체(2)의 방향은 일정하게 유지되었다.
도 2에 도시된 실시예에서는 제1 몸체(1) 및 제2 몸체(2)를 포함하는 물체가 회전된 경우를 도시하였으나, 물체가 이동하는 경우에도 관성 센서부(10), 제어부(20) 및 구동부(30)에 의한 음의 피드백 과정은 동일하다. 따라서, 이는 본 발명의 기술 분야의 당업자에게 용이하게 이해될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 제어 방법의 각 단계를 도시한 다. 설명의 편의를 위하여 도 1 내지 도 3을 참조하여 상기 실시예에 따른 안정화 제어 방법에 대하여 설명한다. 도 3에 도시되는 바와 같이, 상기 실시예에 따른 안정화 제어 방법은 제1 몸체(1)의 움직임으로 인한 신호를 관성 센서부(10)가 검출하는 것으로 시작된다(S1). 관성 센서부(10)는 예컨대, 제1 몸체(1)의 이동으로 인한 가속도 및 제1 몸체(1)의 회전으로 인한 각속도를 측정하고, 이에 대응되는 신호를 생성한다.
다음으로, 제어부(20)는 관성 센서부(10)로부터 전달된 신호를 제1 몸체(1)와 제2 몸체(2) 사이에 연결된 구동부(30)에 되먹임한다(S2). 본 발명의 일 실시예에서, 제어부(20)는 관성 센서부(10)로부터 전달된 신호에 음의 피드백을 위한 소정의 가중치를 인가하여 구동부(30)에 입력할 수도 있다. 또한, 제어부(20)는 관성 센서부(10)가 생성한 신호로부터 제1 몸체(1)의 이동 방향 또는 제1 몸체(1)의 회전 방향을 산출할 수도 있다.
마지막으로, 구동부(30)는 제어부(20)의 제어에 따라 제2 몸체(2)를 구동시켜, 제1 몸체(1)의 움직임에 대한 음의 피드백을 수행한다(S3). 본 발명의 일 실시예에서, 구동부(30)는 제1 몸체(1)의 이동 방향 또는 회전 방향과 반대 방향으로 제2 몸체(2)를 이동 또는 회전시킬 수 있다. 이 경우, 제1 몸체(1)의 움직임에 영향을 받지 않고 제2 몸체(2)의 위치 및 방향을 일정하게 유지할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 일 실시예에서 안정화 제어 시스템을 이동 로봇에 적용할　경우, 제2 몸체(2)는 이동 로봇이 영상 정보를 수신하기 위한 비젼(vision) 시스템을 포 함할 수 있다. 상기 실시예에 따른 안정화 제어 시스템에 의하여, 이동 로봇이 진동 또는 회전하더라도 비젼 시스템의 방향은 일정하게 유지되므로, 비젼 시스템이 안정된 영상 정보를 획득할 수 있는 이점이 있다. 나아가, 비젼 시스템이 획득하는 영상 정보에 번짐(blurring) 등의 현상이 발생하는 것을 방지할 수 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 않는 범위 내에서 본 발명의 특허청구범위에 속한다고 볼 것이다.　
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 제어 시스템의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 제어 시스템이 적용된 물체를 도시한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 제어 방법의 각 단계를 도시한 순서도이다.

Claims (14)

  1. 제1 몸체의 이동 및 회전에 대응되는 신호를 생성하는 관성 센서부;
    상기 제1 몸체에 연결된 제2 몸체를 움직이기 위하여, 상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체 사이에 연결된 구동부; 및
    상기 관성 센서부에서 생성된 상기 신호를 사용하여 상기 제1 몸체의 이동 및 회전을 상기 제2 몸체에 음의 피드백(negative feedback)하도록 상기 구동부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 안정화 제어 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 관성 센서부는,
    하나 이상의 가속도 센서 및 하나 이상의 각속도 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 안정화 제어 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 관성 센서부는,
    하나 이상의 서로 상이한 축 방향의 상기 제1 몸체의 이동 및 회전에 대응되는 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 안정화 제어 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 구동부는,
    상기 각 축 방향으로 상기 제2 몸체를 이동시키거나 상기 각 축 방향을 기준으로 상기 제2 몸체를 회전시키기 위한 하나 이상의 구동축을 포함하는 것을 특징으로 하는 안정화 제어 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 구동부는,
    상기 각 구동축 방향의 병진 구동부 및 상기 각 구동축 방향의 회전 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 안정화 제어 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 신호로부터 상기 제1 몸체의 이동 방향을 검출하고,
    상기 제2 몸체가 상기 제1 몸체의 이동 방향과 반대 방향으로 이동하도록 상기 구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 안정화 제어 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 신호로부터 상기 제1 몸체의 회전 방향을 검출하고,
    상기 제2 몸체가 상기 제1 몸체의 회전 방향과 반대 방향으로 회전하도록 상 기 구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 안정화 제어 시스템.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 신호에 가중치를 인가하여 상기 구동부에 입력하는 것을 특징으로 하는 안정화 제어 시스템.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 몸체는 영상 정보를 수신하기 위한 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 안정화 제어 시스템.
  10. 관성 센서부가 제1 몸체의 이동 및 회전에 대응되는 신호를 생성하는 단계;
    상기 관성 센서부에서 생성된 신호를 제어부가 수신하는 단계; 및
    상기 관성 센서부에서 생성된 신호를 사용하여 상기 제1 몸체의 이동 및 회전을 상기 제1 몸체에 연결된 제2 몸체에 음의 피드백(negative feedback)하기 위하여, 상기 제어부가 상기 제2 몸체에 연결된 구동부를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 안정화 제어 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 제1 몸체의 이동 및 회전에 대응되는 신호를 생성하는 단계는,
    하나 이상의 서로 상이한 축 방향의 상기 제1 몸체의 가속도를 검출하는 단계; 및
    상기 각 축 방향의 상기 제1 몸체의 각속도를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 안정화 제어 방법.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 제2 몸체에 연결된 구동부를 제어하는 단계 전에,
    상기 신호로부터 상기 제1 몸체의 이동 방향을 검출하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제2 몸체에 연결된 구동부를 제어하는 단계는,
    상기 제2 몸체가 상기 제1 몸체의 이동 방향과 반대 방향으로 이동하도록 상기 구동부를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 안정화 제어 방법.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 제2 몸체에 연결된 구동부를 제어하는 단계 전에,
    상기 신호로부터 상기 제1 몸체의 회전 방향을 검출하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제2 몸체에 연결된 구동부를 제어하는 단계는,
    상기 제2 몸체가 상기 제1 몸체의 회전 방향과 반대 방향으로 회전하도록 상기 구동부를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 안정화 제어 방법.
  14. 제 10항에 있어서,
    상기 제2 몸체에 연결된 구동부를 제어하는 단계는,
    상기 제어부가 상기 신호에 가중치를 인가하는 단계; 및
    가중치가 인가된 상기 신호를 상기 구동부에 입력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 안정화 제어 방법.
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