KR101106265B1 - Ｒｆｉｄ를 이용한 이동 로봇의 위치측정 장치 및 위치측정 방법 - Google Patents

Ｒｆｉｄ를 이용한 이동 로봇의 위치측정 장치 및 위치측정 방법 Download PDF

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신은철
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Abstract

본 발명은 이동 로봇의 위치측정 장치 및 위치측정 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 주행하는 이동 로봇에 구비된 RFID 리더와 RFID 안테나에서 바닥에 설치된 RFID 태그를 인식하여 이동 로봇의 절대위치를 인지하고, 이동 로봇에 구비된 바퀴의 엔코더로부터 획득한 오도메트리(Odometry) 정보에 의해 이동량을 인식한 후, 파티클 필터(Particle Filter) 위치추정부에서 두 위치 데이터를 정합함으로써, 로봇의 방향을 정확하게 인식하면서 보다 정밀한 위치추정이 가능하게 한 RFID를 이용한 이동 로봇의 위치측정 장치 및 위치측정 방법에 관한 것이다.

Description

ＲＦＩＤ를 이용한 이동 로봇의 위치측정 장치 및 위치측정 방법{LOCALIZATION APPARATUS AND METHOD FOR MOBILE ROBOT USING RFID}
본 발명은 이동 로봇의 위치측정 장치 및 위치측정 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 주행하는 이동 로봇에 구비된 RFID 리더와 RFID 안테나에서 바닥에 설치된 RFID 태그를 인식하여 이동 로봇의 절대위치를 인지하고, 이동 로봇에 구비된 바퀴의 엔코더로부터 획득한 오도메트리(Odometry) 정보에 의해 이동량을 인식한 후, 파티클 필터(Particle Filter) 위치추정부에서 두 위치 데이터를 정합함으로써, 로봇의 방향을 정확하게 인식하면서 보다 정밀한 위치추정이 가능하게 한 RFID를 이용한 이동 로봇의 위치측정 장치 및 위치측정 방법에 관한 것이다.
근래에 여러 분야에서 로봇이 사람을 대신하여 다양한 작업을 수행하는데, 이러한 로봇에는 한 장소에 고정 설치되어 지시된 작업을 수행하는 로봇 암(Robot Arm)과, 한 장소에 고정되지 않아 자유롭게 이동하며 작업을 수행하는 이동 로봇(Mobile Robot) 등이 있다.
일반적으로 지능형 로봇인 이동 로봇은 이동을 요구하게 되는 특성상 로봇 스스로 장애물을 회피하면서 목적지까지 이동할 수 있는 자율주행 기능이 중요한 역할을 하게 된다. 로봇이 자율주행을 원활하게 수행하기 위해서는 로봇의 위치를 인식하는 것이 필수적으로 요구되므로, 로봇이 자신의 위치를 인식할 수 있게 한 다양한 위치인식 기술들이 연구되고 있으며 제품으로 적용되기도 하고 있다.
종래의 위치인식 기술들 중 가장 대표적인 것으로는 바퀴의 엔코더로부터 측정되는 오도미터(Odometer) 정보를 이용하는 자율항법(Dead-Reckoning) 위치추정이 있는데, 이러한 자율항법 위치추정은 주행 거리계인 오도미터나 휠 센서를 이용하여 속도 정보를 획득하고, 자성센서 등을 이용하여 방위각 정보를 얻은 후, 초기 위치에서 다음 위치까지의 이동 거리 및 방향에 대한 정보를 계산함으로써 이동 로봇 자신의 위치와 방향을 인식하게 된다.
이와 같이 종래의 자율항법 위치추정에 이용되는 오도메트리 좌표계에서 이동 로봇의 위치는 이동 로봇의 회전 중심이 위치한 지점의 좌표에 의해 결정되며, 이동 로봇의 방향은 이동 로봇의 정면 방향과 X축 사이의 각도에 의해 결정된다.
그러나, 이러한 자율항법 위치추정은 저가이면서도 높은 샘플링 속도를 갖게 되어 위치 정보의 갱신이 신속하게 이루어지지만, 바퀴의 미끄러짐과 적분 오차 등으로 인하여 시간이 지날수록 오차가 누적되는 큰 단점을 갖게 되는 문제점이 있었다.
따라서, 이와 같이 누적되는 오차를 줄이기 위해서는 이동 로봇의 절대 위치를 측정할 수 있는 별도의 센서가 필요하게 되며, 그에 따라 레이저 스캐너를 이용한 맵 매칭기반의 위치인식 수단이나, 영상 기반의 랜드 마크와 카메라를 이용하는 위치인식 수단인 스타게이저(StarGazer), 또는 초음파 위성을 이용하는 U-SAT들이 제안되었다.
그러나, 이와 같이 이동 로봇의 절대 위치를 측정하기 위해 레이저 스캐너를 이용하는 것은 이동 로봇의 제조비용을 상승시킬 뿐만 아니라, 스캐닝한 데이터를 이미 저장되어 있는 맵에 매칭시켜 위치를 판단함에 많은 시간이 소요되어 제품화에 적합하지 못한 문제점이 있었다.
또한, 종래의 상용 제품으로서 랜드 마크와 카메라를 사용하는 위치인식 장치를 이용하였으나, 이러한 종래의 위치인식 장치는 카메라 센서가 기울어지면 인식된 랜드 마크의 오차가 생기게 되어 최종 인식된 위치의 오차가 커지게 되는 문제점과, 랜드 마크를 수신하는 카메라가 장애물에 의해 가려지면 위치를 인식하지 못하게 되는 문제점이 있었다.
그리고, 초음파 위성을 이용하는 위치인식 장치도 이용되었으나, 이러한 위치인식 장치는 천정에 설치된 4개의 초음파 위성이 순차적으로 초음파를 발생하기 때문에 이동하는 로봇에 도달하는 각 초음파들의 시간차로 인해 측정되는 위치의 오차가 증가하게 된다. 그에 따라, 이동 로봇의 이동 속도가 증가함에 따라 최종적으로 인식하게 되는 위치의 오차도 증가하게 되는 문제점이 있었다. 또한, 랜드 마크와 카메라를 사용하는 위치인식 장치와 동일하게 초음파 위성들과 수신부 사이에 장애물이 존재하게 되면 인식된 위치의 오차가 증가하게 되는 문제점이 있었다.
그에 따라, 최근에는 RFID 태그와 RFID 리더를 이용하여 이동 로봇의 위치를 인식할 수 있게 한 기술이 제안되었다.
이러한 종래의 RFID 좌표계에서 이동 로봇의 위치는 바닥에 설치된 다수의 RFID 태그들 중에서 현재 이동 로봇에 구비된 RFID 리더에 의해 검출된 RFID 태그의 고유 위치 정보인 좌표에 의해 결정된다.
그러나. 이와 같이 RFID 태그를 이용하여 이동 로봇의 위치를 결정할 경우에는 RFID 태그의 분포 밀도에 따라 이동 로봇의 위치 및 방향을 인식하는 정밀도가 좌우되는 문제점이 있었다. 그에 따라, RFID 태그의 분포 밀도가 너무 낮으면 정밀한 위치 및 방향의 인식을 기대할 수 없고, 분포 밀도가 너무 높으면 RF 신호들 사이의 간섭에 의해 판독 오류가 발생될 수 있는 문제점이 있었다.
따라서, 근래에는 이동 로봇의 위치 및 방향을 인식하기 위해 대한민국 공개특허공보 특2003-0095492호에 개시된 바와 같이, 서로 상이한 기준으로 표현되는 오도메트리 좌표계와 RFID 좌표계를 일치시켜 오도메트리 방법과 RFID 방법을 통합 운영하는 것이 제안된 바 있다.
이와 같이 종래에 오도메트리 좌표계와 RFID 좌표계를 일치시키던 통합은 시간의 경과에 따라 오도메트리 방법에 의해 획득하는 값과 RFID 방법에 의해 획득하는 위치 데이터가 상이하게 됨을 전제하고, 이동 로봇의 테스트 모션을 여러 번 실시하여 획득한 경험치에 기초하여, 시간의 경과에 따라 두 위치 데이터의 차이가 일정 범위 이상으로 증가하게 되면 오도메트리 좌표계의 기준점을 임의로 RFID 좌표계에 일치시켜 오차를 줄이도록 구성되었다.
그러나, 이처럼 일정 시간 동안 오도메트리 방법에 의해 획득한 위치 데이터와 RFID 방법에 의해 획득한 위치 데이터가 상이하게 됨을 방치한 후, 이동 시간의 경과를 기다려 기준 위치를 수정하는 것은 일정 시간 동안의 오차 존재를 방치하는 것이 되어 이동로봇의 정밀한 위치 측정 및 제어가 이루어질 수 없게 하는 문제점이 있었다.
또한, 종래에는 이동로봇의 실제 위치를 기준으로 누적 오차를 보정하지 못하고, 테스트 모션에서 획득한 실험 데이터에 전적으로 의존하여 일정 시간의 경과 후에야 누적 오차를 보정하게 됨으로써, 이동 로봇의 속도가 빠를 경우 누적 오차의 발생이 증가하게 되는 문제점이 있었으며, 작업의 수행 중 이동 로봇의 속도가 증감하는 변속 운동의 경우에는 획득한 실험 데이터의 적용이 용이하지 않아 정밀한 위치 측정 및 제어가 이루어지기 어려운 문제점이 있었다.
본 발명이 해결하려는 과제는, 바닥에 설치된 RFID 태그의 절대 위치를 인식한 후, 먼저 인식된 RFID 태그로부터 획득한 이동 로봇의 절대 위치를 기준으로 하여 임의의 반경 내에 다수의 파티클을 생성하고, 이동 로봇의 이동에 의해 엔코더에서 획득한 오도메트리 정보와 이동 노이즈를 더하여 파티클들의 위치를 변경하며, 다음에 인식된 RFID 태그로부터 획득한 이동 로봇의 절대 위치와 상기 파티클들의 변경된 위치를 비교하여 두 위치사이의 거리 차이와 그러한 거리 차이에 따라 파티클들이 태그를 인식할 확률을 연산한 후, 그 확률을 이용하여 각 파티클들의 가중치를 연산하고, 상기 가중치에 비례하는 새로운 파티클들을 생성하여 로봇의 추정 위치를 연산함으로써, 정밀한 위치 추정이 가능하게 한 RFID를 이용한 이동 로봇의 위치측정 장치 및 위치측정 방법을 제공함에 있다.
상기 과제를 이루기 위한 RFID를 이용한 이동 로봇의 위치측정 장치는,
이동 로봇이 작업을 수행하기 위해 이동하는 바닥에 설치된 다수 개의 RFID 태그; 상기 RFID 태그로 RF신호를 송출하고, 상기 RF신호에 응답하여 송출되는 RFID 태그의 고유 위치정보를 수신하여 이동 로봇의 절대 위치를 인식하는 태그위치 인식부; 상기 이동 로봇의 이동량을 인식하는 엔코더; 및 상기 RFID 태그에 의해 인식된 절대 위치의 위치데이터와 상기 이동 로봇의 이동량에 따라 인식된 위치데이터를 파티클 필터 알고리즘을 기반으로 정합시켜 이동 로봇의 추정위치를 연산하는 파티클 필터 위치추정부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 파티클 필터 위치추정부는,
상기 태그위치 인식부에서 획득한 이동 로봇의 절대 위치에 기반하여 파티클들을 생성하는 파티클 초기 생성부; 상기 파티클 초기 생성부에서 생성된 파티클들에 상기 엔코더에서 획득한 이동량에 이동 로봇의 이동거리 노이즈와 회전각도 노이즈를 더하여 각 파티클들의 위치 정보를 변경하는 파티클 예측부; 상기 파티클 예측부에서 변경된 파티클의 위치와 이동 후 RFID 태그에 의해 획득한 절대 위치간의 거리를 연산하고, 거리에 따라 파티클이 태그를 인식할 확률을 연산하여 기존 파티클들의 집합을 갱신하는 파티클 갱신부; 상기 파티클 갱신부에서 갱신된 파티클들의 가중치에 비례하는 새로운 파티클들을 생성하는 리샘플링부; 및 상기 파티틀 초기 생성부에서 생성되어 남아 있는 파티클과 상기 리샘플링부에서 생성된 파티클들 각각의 가중치와 위치의 곱을 합하여 이동 로봇의 추정 위치를 연산하는 추정위치 연산부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 RFID를 이용한 이동 로봇의 위치측정 방법은,
이동 로봇이 작업 공간을 이동하면서 RF신호를 송출하고, 상기 RF신호에 응답하여 바닥에 설치된 RFID 태그에서 송출되는 RFID 태그의 고유 위치정보를 획득하여 이동 로봇의 절대 위치를 인식하는 태그위치 인식단계; 상기 이동 로봇의 바퀴 이동량을 인식하여 오도메트리 정보를 획득하는 로봇 이동량 인식단계; 상기 RFID 태그에 의한 절대 위치를 기준으로 다수의 파티클을 생성하는 파티클 초기화 단계; 상기 오도메트리 정보를 기반으로 상기 파티클들의 위치와 방향을 이동시키켜 파티틀들의 위치정보를 변경하는 파티클 위치 및 방향 예측 단계; 상기 이동 로봇의 이동에 의해 다음 RFID 태그의 위치 정보를 획득하여, 상기 다음 RFID 태그의 절대 위치와의 거리 차이에 따른 파티클들의 인식 확률을 연산하고, 각 파티클들의 가중치를 갱신하는 파티클 갱신단계; 상기 갱신된 가중치에 비례하여 일부 파티클을 소멸시키고 새로운 파티클들을 생성하는 리샘플링단계; 및 상기 파티클 초기화 단계에서 생성된 기존 파티클과 상기 파티클 갱신단계에서 새로이 생성된 파티클들의 가중치를 이용하여 로봇의 추정위치를 연산하는 로봇위치 추정단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 이동 로봇이 이동할 때 먼저 인식된 RFID 태그의 위치에서 생성된 파티클이 다음 RFID 태그를 만나기 전까지 이동 로봇이 존재할 확률 분포에 따라 퍼지고, 다음 RFID 태그를 만나면 파티클이 다시 수렴하는 것을 반복하면서, 이동 로봇이 실제로 이동하는 위치와 방향을 추정하고 현재의 위치를 정밀하게 측정할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 이동 로봇이 현재 위치하고 있는 절대 위치를 기준으로 하여 오차의 보정이 이루어지게 함으로써, 이동 로봇이 빠르게 이동하거나, 변속 운동을 할 경우에도 위치를 정밀하게 측정할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 RFID를 이용한 이동 로봇의 위치측정 장치의 블록 구성도.
도 2는 본 발명에 따라 바닥에 설치된 RFID 태그의 예시 사진.
도 3은 본 발명에 따른 RFID 태그 띠의 구성도.
도 4는 본 발명에 따라 이동 로봇의 하부에 설치된 RFID 리더의 예시 사진.
도 5는 본 발명에 따라 이동 로봇의 하부에 설치된 RFID 안테나의 예시 사진.
도 6은 본 발명에 따라 파티클이 태그와 떨어진 거리에 따른 태그의 인식 확률을 나타내는 그래프.
도 7은 본 발명에 따라 RFID 태그가 설치된 환경을 나타낸 구성도.
도 8은 본 발명에 따라 태그위치 인식부에서 첫 번째 RFID 태그를 감지한 후 파티클 필터 위치추정부에서의 파티클 생성을 나타내는 구성도.
도 9는 본 발명에 따라 첫 번째 RFID 태그를 감지한 후 이동 로봇과 파티클의 이동 상태를 나타내는 구성도.
도 10은 본 발명에 따라 태그위치 인식부에서 두 번째 RFID 태그를 감지한 후 이를 기초로 한 파티클 필터 위치추정부에서의 파티클 갱신을 나타내는 구성도.
도 11는 본 발명에 따라 두 번째 RFID 태그를 감지한 후 이동 로봇과 파티클의 이동 상태를 나타내는 구성도.
도 12는 본 발명에 따른 RFID 태그의 배치형태와 이동 로봇의 이동 경로를 나타낸 그래프.
도 13은 본 발명에 따라 파티클 필터 위치추정부에서 추정된 위치의 실제 이동 로봇의 위치에 대한 거리 오차를 나타내는 그래프.
도 14는 본 발명에 따라 파티클 필터 위치추정부에서 추정된 방향각도의 실제 이동 로봇의 방향각도에 대한 오차를 나타내는 그래프.
도 15는 종래의 RFID 리더, 스타게이저, U-SAT에 의해 측정된 위치의 실제 이동 로봇의 위치에 대한 거리 오차를 나타내는 그래프.
도 16은 종래의 RFID 리더, 스타게이저, U-SAT에 의해 측정된 방향의 실제 이동 로봇의 방향각도에 대한 오차를 나타내는 그래프.
도 17은 본 발명에 따FMS RFID를 이용한 이동 로봇의 위치측정 방법의 구성도.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 RFID를 이용한 이동 로봇의 위치측정 장치의 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 RFID를 이용한 이동 로봇의 위치측정 장치는 이동 로봇이 작업을 수행하기 위해 이동하는 바닥에 설치된 RFID 태그(300)와, 상기 RFID 태그의 절대 위치를 인식하기 위한 태그위치 인식부(400,420)와, 이동 로봇의 이동량을 인식하는 엔코더(450)와, 상기 RFID 태그에 의해 인식된 절대 위치의 위치데이터와 이동량에 따라 인식된 위치데이터를 파티클 필터 알고리즘을 기반으로 정합시켜 이동 로봇의 추정위치를 연산하는 파티클 필터 위치추정부(500)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 RFID 태그(300)는 이동 로봇(100)의 동선을 따라 작업 공간인 바닥(200)에 다수 개 설치되고, 상기 태그위치 인식부(400,420)와 엔코더(450)는 이동 로봇의 이동에 따라 변경되는 위치데이터를 획득할 수 있도록 이동 로봇(100)에 설치되며, 상기 파티클 필터 위치추정부(500)는 상기 이동 로봇으로 제어정보를 전송할 수 있는 별도의 시스템으로 형성될 수도 있으나, 추정된 위치정보에 따라 이동을 정밀하고 신속하게 제어할 수 있도록 상기 이동 로봇(100)의 이동을 제어하는 제어부에 직접 연결되게 설치되는 것이 바람직하다.
상기 RFID 태그(300)는 이동 로봇이 이동하면서 작업을 수행하는 공간의 바닥(200)에 다수 개 설치되며, 상기 RFID 리더에서 전송되는 RF신호를 전원으로 이용하는 패시브 타입으로 구성되는 것이 바람직하다. 이러한 상기 RFID 태그는 인덕터와 커패시터 및 저항으로 이루어진 공진회로와 고유의 위치 정보를 저장하고 있는 마이크로 칩을 포함하는 통상적인 RFID 태그로 구성된다.
이때, 바닥에 설치되는 상기 RFID 태그(300)의 배치와 밀도를 변경시키면서 이동 로봇의 작업 공간과 이동 공간에서의 위치인식 정밀도를 조절할 수 있게 된다. 그에 따라, 이동 로봇이 정밀한 작업 등을 하기 위해 위치인식의 정밀도가 높아야 하는 지역에는 상기 RFID 태그를 조밀하게 배치함으로써 위치인식의 정밀도를 높이고, 상기 이동 로봇이 다음 목적지로 이동하기 위해 단순히 지나가는 복도나 광장과 같은 지역에는 정밀한 위치인식이 불필요하므로 상기 RFID 태그를 듬성듬성 배치함으로써 RFID 태그의 설치비용이 증가되는 것을 방지하면서도 정밀한 작업이 가능하도록 구성할 수 있게 된다.
도 2는 본 발명에 따라 바닥에 설치된 RFID 태그의 예시 사진이고, 도 3은 본 발명에 따른 RFID 태그 띠의 구성도이다.
상기 RFID 태그(300)는 도 2에 도시된 바와 같이 이동 로봇이 이동하면서 작업을 수행하는 공간의 바닥(200)에 약 12㎝ 간격으로 개별적으로 설치된 후 그 상부를 일정한 크기의 나무 타일로 덮어서 구성될 수 있음은 물론, 도 3에 도시된 바와 같이 다수의 RFID 태그가 일정 간격으로 배치되어 있는 태그 띠(320)의 형태로 구성될 수도 있다.
도 3을 참조하면, 상기 태그 띠(320)는 두께가 얇고 약간의 폭이 있는 비닐 막(330)에 다수의 RFID 태그(300)를 일정한 간격으로 부착시켜 구성된다. 이와 같이 태그 띠의 형태로 구성될 경우 다수의 RFID 태그가 부착된 비닐 막을 원통 등에 말아서 보관할 수 있게 되므로 RFID 태그의 보관 및 취급이 용이하게 된다. 또한, 상기 RFID 태그를 바닥에 설치할 경우에는 필요한 길이만큼 잘라서 사용할 수 있게 되어 이용의 편의성도 증가시킬 수 있게 된다.
또한, 상기 태그 띠에 부착되는 각 RFID 태그의 간격을 일정하게 구성할 경우에는 해당 태그 띠에 구비된 처음 RFID 태그(S)와 마지막 RFID 태그(E)의 위치를 알면 그 사이에 부착된 나머지 RFID 태그들의 위치를 계산할 수 있게 되므로, 일일이 모든 태그의 좌표를 입력하지 않고도 RFID 태그의 위치를 용이하게 계산할 수 있게 된다.
따라서, 태그 띠에서 RFID 태그의 시작(S)과 끝(E)의 좌표를 알고 태그가 설치된 개수(n)를 알 경우에는, 상기 이동 로봇에 구비된 제어부에서 하기의 수학식 1 및 수학식 2에 의해 나머지 태그들의 위치를 연산하여 위치데이터를 획득할 수 있게 된다.
[수학식 1]
Figure 112010072249010-pat00001
즉, i = 0,1,2,…,n-1 이며 t = i/(n-1) 일 때, 각 태그의 위치 li 는 하기의 수학식 2에 의해 연산된다.
[수학식 2]
Figure 112010072249010-pat00002
이와 같이 태그 띠(320)의 형태로 구성되면 바닥에의 시공을 용이하게 할 뿐, 태그 띠 자체가 이동 로봇의 위치인식에 영향을 미치지는 않게 되며, 이동 로봇의 위치인식은 상술한 수학식 1 및 수학식 2에 의해 연산된 개별적인 RFID 태그의 독립적인 위치로부터 가능하게 된다.
또한, 하나의 태그 띠를 표현하기 위한 데이터는 다음과 같은 형식으로 파일에 저장된다.
Sx, Sy, Ex, Ey, n, T1, T2, T3,…, Tn
이때, 상기 Sx, Sy는 시작 태그의 위치를 나타내고, Ex, Ey는 끝 태그의 위치를 나타내며, n은 태그의 개수를 나타내고, T1, T2, T3,…, Tn은 태그의 개수만큼 존재하는 태그를 구별할 수 있는 유일한 식별 값을 나타낸다.
또한, 상기 이동 로봇(100)이 이동하는 경로를 따라 복수의 태그 띠를 설치할 경우 RFID 태그의 인식률을 증가시킬 수 있게 되며, 이와 같이 한 개 이상의 태그 띠가 바닥에 설치된 경우에는, 이를 저장하는 파일에 각각의 띠에 해당하는 데이터가 줄 단위로 구분되어 저장되도록 구성된다. 그에 따라 이동 로봇의 위치를 인식하기 위한 태그위치 인식부에서는 상기 파일을 읽어서 각 태그의 위치를 연산하여 RFID 태그 맵을 생성하게 된다.
상기 태그위치 인식부는 바닥에 설치된 RFID 태그(300)를 인식하여 이동 로봇의 현재 위치인 절대 위치에 관한 위치데이터를 획득하기 위해 상기 이동 로봇(100)에 설치되어 있는 RFID 리더(400)와 RFID 안테나(420)를 포함하여 구성된다.
도 4는 본 발명에 따라 이동 로봇의 하부에 설치된 RFID 리더의 예시 사진이고, 도 5는 본 발명에 따라 이동 로봇의 하부에 설치된 RFID 안테나의 예시 사진이다.
도 4를 참조하면, 상기 RFID 리더(400)는 이동 로봇의 베이스 프레임 밑면에 설치되어 지속적으로 하부의 바닥면을 향하여 RF신호를 송출하고, 상기 RF신호에 반응하여 RFID 태그(300)로부터 전송되는 고유의 위치 정보를 획득하여 이동 로봇의 절대 위치에 관한 위치데이터를 획득하도록 구성된다.
또한, 도 5를 참조하면, 상기 RFID 안테나(420)도 이동 로봇의 하부에 설치되며, 도 5에서는 사각형의 RFID 안테나가 설치된 것을 예시하고 있으나, 상기 RFID 안테나의 형상이 이러한 사각형으로 제한되지는 않음은 물론이다.
상기 엔코더(450)는 통상적인 오도미터(Odometer)를 이용한 오도메트리(Odometry) 측정과 마찬가지로 이동 로봇에 구비된 바퀴의 회전속도와 회전 방향을 검출하여 바퀴의 이동량을 인식할 수 있도록 구성된다.
상기 파티클 필터 위치추정부(500)는 상기 태그위치 인식부에서 획득한 이동 로봇의 절대 위치에 기반하여 파티클들을 생성하는 파티클 초기 생성부(510)와, 상기 파티클 초기 생성부에서 생성된 파티클들에 상기 엔코더에서 획득한 이동량과, 이동 로봇의 이동거리 노이즈와 회전각도 노이즈를 더하여 각 파티클들의 위치 정보를 변경하는 파티클 예측부(520)와, 상기 파티클 예측부에서 변경된 파티클의 위치와 이동 후 RFID 태그에 의해 획득한 절대 위치간의 거리를 연산하고 거리에 따라 파티클이 태그를 인식할 확률을 연산하여 기존 파티클들의 집합을 갱신하는 파티클 갱신부(530)와, 갱신된 파티클들의 가중치에 비례하는 새로운 파티클들을 생성하는 리샘플링부(540)와, 모든 파티클들의 가중치와 위치의 곱을 합하여 이동 로봇의 추정 위치를 연산하는 추정위치 연산부(550)를 포함하여 구성된다.
상기 파티클 필터 위치추정부(500)는 파티클 필터 알고리즘(Particle filter Algorithm)을 기반으로 하여 이동 로봇의 오도메트리(Odometry) 정보와, RFID 리더로부터 획득한 RFID 태그들의 위치 정보를 이용하여 이동 로봇의 위치를 추정하게 된다.
이때, 파티클 필터(Particle Filter)는 베이스 필터(Bayes Filter)의 신뢰도, 즉 이동 로봇의 추정 위치를 파티클의 분포로 나타낼 수 있다. 또한, 칼만 필터(Kalman Filter)에서와 같이 이동 로봇의 이동 모델을 근사화한 가우시안(Gaussian)으로 가정할 필요가 없고 선형화 과정도 필요로 하지 않으며, 어떤 형태의 확률 분포도 파티클의 분포로 나타낼 수 있게 된다.
그에 따라, 파티클 필터 알고리즘을 기반으로 하여 이동 로봇의 위치를 추정하는 상기 파티클 필터 위치추정부에 의하여 RFID 태그만으로는 불가능하였던 이동 로봇의 방향도 인식할 수 있고, RFID 태그에 의해 획득하게 되는 인식 반경보다 정밀한 위치 추정이 가능하게 된다.
상기 파티클 필터 위치추정부(500)에 의해 생성되는 파티클의 위치를
Figure 112010072249010-pat00003
로 표시하고 가중치를 ω로 표시할 때, M개의 파티클에 대한 집합은 하기의 수학식 3과 같이 표시될 수 있게 된다.
[수학식 3]
Figure 112010072249010-pat00004
상기 파티클 초기 생성부(510)는 상기 태그위치 인식부에서 첫 번째 RFID 태그를 인식하면, 인식된 RFID 태그의 위치인 절대 위치를 기준으로 하여 최대 파티클의 수(M) 만큼의 파티클을 생성하도록 구성된다. 이때, 생성되는 각 파티클의 위치는 상기 RFID 태그가 인식된 위치를 중심으로 인식 반경 내에서 랜덤 값이 지정되고, 방향은 0°에서 360°까지 랜덤 값이 지정되어 파티클을 생성하도록 구성된다.
그에 따라, 상기 파티클은 RFID 태그의 인식 후 그 인식 지점에 형성되는 일정한 반지름을 갖는 가상의 작은 원 내부에 다수의 파티클들이 밀집된 형태로 생성되며, 이후 이동 로봇의 이동량에 따라 파티클들이 방사형으로 퍼져나가게 된다.
상기 파티클 예측부(520)는 각 파티클들을 이동 로봇의 이동량에 따라 이동시키면서 오도메트리(Odometry) 에러로부터 발생되는 이동 로봇의 이동 노이즈를 더해주어 각 파티클들의 위치와 방향을 갱신하여 변경시키도록 구성된다.
이때, 상기 오도메트리(Odometry) 에러로부터 발생하는 이동 노이즈는 평균(mtr, mrot)과 이동량에 비례하는 표준 편차(σtrρ, σrotδθ)의 가우시안(Gaussian) 모델을 가지는데, 이동 로봇의 실제 주행을 반복 실험하여 획득하게 된다.
여기서 이동 로봇에 구비된 오른쪽 바퀴의 회전량이 δθr 이고, 왼쪽 바퀴의 회전량이 δθl 이며, r 이 바퀴의 반지름을 나타내고, l 이 양쪽 바퀴간의 거리를 나타낼 때, 상기 이동 로봇의 이동거리 ρ 와 회전각도 δθ 는 하기의 수학식 4에 의해 연산된다.
[수학식 4]
Figure 112010072249010-pat00005
그리고, 상기 파티클 초기 생성부(510)에서 생성된 파티클들을 상기 수학식 4에서 연산된 이동 로봇의 이동거리와 회전각도만큼 이동시키면서, 상기 각각의 파티클들에 이동 로봇의 이동거리와 회전각도의 노이즈를 더하도록 구성된다. 이때, 이동거리에 대한 노이즈 N(0, σtrρ)과 회전각도에 대한 노이즈 N(0, σrotδθ)은 평균값 0을 기준으로 하여 표준편차(σtrρ, σrotδθ)를 가지는 정규분포로부터 무작위로 임의의 숫자를 선택하여 구성된다. 그에 따라 상기 수학식 4에서 연산된 이동거리에 노이즈를 더하고 회전각도에 노이즈를 더하여 파티클들의 이동거리와 회전각도의 변경량을 하기의 수학식 5와 같은 연산에 의해 결정하게 된다.
[수학식 5]
Figure 112010072249010-pat00006
그에 따라, 상기 첫 번째 RFID 태그를 인식하고, 그 절대 위치를 기준으로 생성된 파티클들이 이동 로봇의 이동에 따라 획득된 오도메트리 정보에 의해 이동하게 된 후의 각 파티클(j)의 위치와 방향을 하기의 수학식 6과 같이 변경하도록 구성된다.
[수학식 6]
Figure 112010072249010-pat00007
상기 파티클 갱신부(530)는 이동 로봇의 이동에 따라 획득한 오도메트리 정보와 그에 따른 노이즈를 더하여 변경된 파티클의 위치(x'j, y'j)와, 이동한 상태에서 새로이 획득한 두 번째 RFID 태그의 위치(xtag, ytag) 간의 거리를 연산하고, 이를 이용하여 태그로부터 파티클이 떨어져 있는 거리에 따라 태그가 인식될 확률을 구한 후, 각 파티클의 가중치를 업데이트 하여 기존 파티클에 대한 집합(S)을 갱신하도록 구성된다.
그에 따라, 상기 파티클 갱신부(530)는 상기 파티클 예측부(520)에서 변경된 파티클의 위치(x'j, y'j)와, 새로이 획득한 RFID 태그의 위치(xtag, ytag) 간의 거리를 하기의 수학식 7에 의해 연산하도록 구성된다.
[수학식 7]
Figure 112010072249010-pat00008
그리고, 상기 수학식 7에 의해 연산된 거리(dj)를 이용하여 태그와 파티클의 거리에 따른 태그의 인식 확률(pj)을 하기의 수학식 8에 의해 연산하도록 구성된다. 이때, 수학식 8에서 rtag는 태그의 인식 반경을 나타낸다.
[수학식 8]
Figure 112010072249010-pat00009
도 6은 본 발명에 따라 파티클이 태그와 떨어진 거리에 따른 태그의 인식 확률을 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 상기 수학식 8에 의해 연산되는 태그의 인식 확률(pj)은 파티클과 태그의 거리(d)가 태그의 인식 반경(rtag)보다 작은 영역에서는 태그가 모두 인식되고, 파티클과 태그의 거리(d)가 태그의 인식 반경의 1.5배보다 큰 영역에서는 태그가 인식되지 않으며, 그 사이 영역에서는 파티클과 태그의 거리(d)가 증가할 수 록 태그의 인식확률이 감소하게 됨을 알 수 있다.
또한, 상기 파티클 갱신부(530)는 상기 수학식 8에 의해 연산된 태그의 인식 확률(pj)을 이용하여 모든 파티클들의 가중치 합이 1이 되도록 각 파티클의 가중치를 갱신하도록 구성된다. 이때, 상기 각 파티클들의 가중치(w'j)는 하기의 수학식 9에 의해 연산되도록 구성된다.
[수학식 9]
Figure 112010072249010-pat00010
이와 같이 상기 파티클 예측부(520)에서 수학식 6에 의해 연산된 파티클들의 위치정보(X'j)와, 상기 파티클 갱신부에서 수학식 9에 의해 연산된 가중치(w'j)를 M개의 파티클에 대한 기존 파티클의 집합(S)에 적용함으로써, 하기의 수학식 10과 같이 기존 파티클의 집합(S)에 대한 예측과 갱신을 실행한 새로운 파티클 집합(S')을 구할 수 있게 된다.
[수학식 10]
Figure 112010072249010-pat00011
상기 리샘플링부(540)는 상기 파티클 갱신부(530)에서 연산된 각 파티클들의 가중치(w'j)에 비례하는 새로운 파티클들을 생성하도록 구성된다. 그에 따라, 가중치(w'j)가 작은 파티클은 소멸하게 되고, 가중치(w'j)가 클수록 새로운 파티클들을 많이 생성하게 된다. 이때, 새로이 생성되는 파티클들은 기존 파티클의 특성(X'j, w'j)을 그대로 보유하게 된다.
이와 같이, 기존의 파티클 j 에 의해 상기 리샘플링부(540)에서 새로이 생성되는 파티클들의 개수(n)는 하기의 수학식 11에 의해 연산된다. 여기서 int() 는 실수를 정수로 변환시키는 연산자를 지칭한다.
[수학식 11]
Figure 112010072249010-pat00012
상기 추정위치 연산부(550)는 기존 파티클과 각 파티클의 가중치(w'j)에 따라 상기 리샘플링부(540)에서 새로이 생성된 파티클들을 포함하는 모든 파티클의 가중치와 위치의 곱을 합하여, 즉 하기의 수학식 12에 표현된 바와 같은 연산에 의해 이동 로봇의 추정 위치(Pest)를 연산하도록 구성된다.
[수학식 12]
Figure 112010072249010-pat00013
이때, 이동 로봇의 이동 방향(θ)을 연산함에 있어서 주의를 요한다. 예를 들어, -180°와 180°를 더하여 평균을 구하면 0이 되지만, 이동 로봇의 이동 방향을 나타내는 값은 180°이어야 한다. 그에 따라, 이동 방향(θ)은 -180°에서 +180°에 이르는 범위 내에서 값을 가지므로 ‘+’ 영역에 있는 각도와 ‘-’ 영역에 있는 각도를 따로 계산하는데, ‘-’ 영역의 값을 기준으로 ‘+’ 영역의 값과 ‘-’ 영역의 값의 차를 더하여 평균을 계산하도록 구성되어 평균이 0이 되는 것을 방지할 수 있게 된다.
이와 같이, 상기 태그위치 인식부에서 RFID 태그의 절대 위치를 인식하고, 파티클 필터 위치추정부에서 첫 번째로 인식된 RFID 태그로부터 획득한 이동 로봇의 절대 위치를 기준으로 하여 임의의 반경 내에 다수의 파티클을 생성하고, 이동 로봇의 이동에 의해 엔코더에서 획득한 오도메트리 정보와 이동 노이즈를 더하여 파티클들의 이동된 위치를 변경하며, 두 번째 인식된 RFID 태그로부터 획득한 이동 로봇의 절대 위치와 상기 파티클들의 이동된 위치를 비교하여 두 위치사이의 거리 차이와 그러한 거리 차이에 따라 파티클들이 태그를 인식할 확률을 연산한 후 그러한 확률을 이용하여 각 파티클들의 가중치를 연산하고,, 상기 가중치에 비례하는 새로운 파티클들을 생성하여 로봇의 추정 위치를 연산하도록 구성된다.
그에 따라, 본 발명은 태그위치 인식부에서 획득한 RFID 태그의 절대 위치를 기준으로 하여 파티클 필터 위치추정부에서 파티클들을 절대 위치 주변에 생성하고, 상기 태그위치 인식부에서 획득한 다음 RFID 태그의 절대 위치에 의해 이러한 파티클들의 이동 정보를 변경하면서 파티클들의 실제 이동 경로 및 예상 되는 추정 경로를 연산하며, 상기 파티클 필터 위치추정부에서 이러한 파티클들의 실제 이동 경로와 추정 경로의 연산과 갱신을 반복함으로써 RFID 태그의 절대 위치를 기초로 하는 이동 로봇의 정확한 위치 정보를 측정할 수 있게 된다.
다음에는 이와 같이 구성된 본 발명에 따른 RFID를 이용한 이동 로봇의 위치측정 장치를 이용하여 이동 로봇의 실제 거리 및 방향과의 오차를 측정하는 시뮬레이션을 설명한다.
도 7은 본 발명에 따라 RFID 태그가 설치된 환경을 나타낸 구성도이다.
도 7을 참조하면, 상기 이동 로봇이 작업을 위해 이동하는 바닥은 5m×5m 크기를 갖으며, 이러한 바닥에 0.5m 마다 인식 반경 0.09m 인 RFID 태그(300)를 모두 121개 설치하여 구성한다. 이때, 도 7에 도시된 가로와 세로 실선은 1m 간격으로 그은 선을 나타내며, 둥근 원은 상기 RFID 태그의 위치와 인식 반경을 함께 나타낸다. 이러한 원은 태그가 인식되었을 때는 붉은 색으로 진하게 변경되는 것으로 표시하였다. 또한, 연한 점선으로 표시되는 로봇은 실제적인 이동 로봇(100)의 위치를 나타내고, 갈색 실선으로 표시되는 로봇은 파티클 필터 위치추정부에 의해 추정된 이동 로봇(150)의 위치를 나타낸다. 또한, 파란색 점은 각 파티클(250)의 위치를 나타낸다. 이때, 상기 실제 이동 로봇의 위치와 방향은 자율항법에 의한 위치와 방향으로 획득하였다.
도 8은 본 발명에 따라 태그위치 인식부에서 첫 번째 RFID 태그를 감지한 후 파티클 필터 위치추정부에서의 파티클 생성을 나타내는 구성도이고, 도 9는 본 발명에 따라 첫 번째 태그를 감지한 후 이동 로봇과 파티클의 이동 상태를 나타내는 구성도이며, 도 10은 본 발명에 따라 태그위치 인식부에서 두 번째 RFID 태그를 감지한 후 이를 기초로 파티클 필터 위치추정부에서의 파티클 갱신을 나타내는 구성도이고, 도 11은 본 발명에 따라 두 번째 태그를 감지한 후 이동 로봇과 파티클의 이동 상태를 나타내는 구성도이다.
도 8 내지 도 11을 참조하여 파티클 필터 위치추정부에서 이동 로봇의 위치를 추정하는 것을 설명한다.
이동 로봇이 RFID 태그를 감지하기 전까지는 로봇의 위치를 인식할 수 없으나, 이동 로봇에 구비된 태그위치 인식부(400,420)에서 첫 번째 RFID 태그(300)를 감지하고 그 위치를 인식하면, 상기 파티클 필터 위치추정부의 파티클 초기 생성부(510)에서 도 8에 도시된 바와 같이 태그의 인식 반경범위 내에 무작위로 파티클을 생성하게 된다.
그리고, 상기 이동 로봇이 다른 RFID 태그를 인식하기 전까지는 상기 파티클 필터 위치추정부에서 이동 로봇의 진행방향을 알 수 없기 때문에 도 9에 도시된 바와 같이 상기 파티클 초기 생성부에서 생성된 파티클(250)이 오도메트리 정보에 의한 이동량에 따라 원을 그리며 퍼져나가게 된다.
이후, 상기 태그위치 인식부에서 두 번째 RFID 태그(300)를 감지하고 그 위치를 인식하면, 도 10에 도시된 바와 같이 상기 두 번째 태그의 인식 반경을 벗어난 파티클은 소멸되고 이동 로봇의 실제 이동 방향과 일치하는 방향으로 퍼져나간 파티클만이 남게 된다.
이와 같이 이동 로봇이 이동할 때 먼저 인식된 RFID 태그의 위치에서 생성된 파티클(250)이 다음 RFID 태그를 만나기 전까지 이동 로봇이 존재할 확률 분포에 따라 퍼지고, 다음 RFID 태그를 만나면 파티클(250)이 다시 수렴하는 것을 반복하면서, 도 11에 도시된 바와 같이 이동 로봇이 실제로 이동하는 위치와 방향을 추정하고 현재의 위치를 정밀하게 측정할 수 있게 된다.
이때, 이동 로봇의 위치추정시에 발생되는 오차는 파티클이 퍼진 넓이에 비례하여 커지게 되므로, RFID 태그가 조밀하게 설치될 경우에는 다음 RFID 태그를 인식하기까지 소요된 시간이 짧게 되므로 보다 정밀한 위치추정이 가능하게 된다.
다음에는 본 발명에 따라 RFID를 이용한 이동 로봇의 위치측정 장치에 의할 경우 보다 정밀한 위치추정이 이루어졌음을 확인할 수 있도록, 본 발명에 의해 획득한 오차를 종래의 랜드마크와 카메라를 이용한 위치측정 장치인 스타게이저(StarGazer)와 초음파 위성을 이용한 위치측정 장치인 U-SAT를 이용하여 측정한 오차와 비교하여 검토한다.
먼저, 본 발명에 따른 태그위치 인식부와 파티클 필터 위치추정부를 포함하는 위치측정 장치를 이동 로봇인 CMR-P3 로봇에 설치한다. 이때, 본 발명에 따른 RFID를 이용한 이동 로봇의 위치측정 장치에 의해 추정된 위치와 이동 로봇의 실제 위치간의 오차를 계산하기 위해, 상기 이동 로봇의 실제 위치는 3차원 위치인식 장비인 레이저 트래커(Laser Tracker)를 이용하여 측정하였다.
그리고, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 이동 로봇(100)의 베이스 프레임 밑면에 RFID 리더(400)와 RFID 안테나(420)를 설치한다. 이때, 상기 RFID 안테나(420)와 바닥면과의 높이는 약 3㎝ 정도가 되도록 설치하는 것이 바람직하다.
이동 로봇의 하체를 구성하는 베이스 프레임은 대부분 금속으로 구성되어 있는데, 이와 같이 금속으로 이루어진 판은 RFID 안테나의 전자기파를 RFID 태그로 전달하는 것을 방해할 수 있으므로, 상기 RFID 안테나를 배치할 때에 안테나 근처에 금속이 가까이 위치하지 않도록 주의하는 것이 바람직하다.
상기 이동 로봇이 작업을 수행하기 위해 이동하는 실험 환경인 바닥은 도 2에 도시된 바와 같이 2.4m×2.4m 공간에 12㎝ 간격으로 RFID 태그(300)가 다수 개 설치되고, 그 상부는 나무 타일로 덮어서 RFID 태그의 직접적인 손상을 방지하도록 구성된다.
그에 따라, 상기 RFID 태그(300)는 2.4m×2.4m 크기의 바닥에 12㎝ 간격으로 가로, 세로 20개씩 격자형으로 설치되며, 2-Wheel Differential Wheel 방식의 이동 로봇 하단의 구동축 중심의 위치에 RFID 리더(400)와 안테나(420)를 장착시켜 구성된다.
도 12는 본 발명에 따른 RFID 태그의 배치형태와 이동 로봇의 이동 경로를 나타낸 그래프이다.
도 12를 참조하면, 이동 로봇은 큰 원의 궤적을 따라 화살표 방향으로 이동하게 되며, 파티클 필터 위치추정부에서 이동 로봇의 위치 추정을 위해 생성되는 파티클의 최대 개수는 1000개로 설정하고, 위치 추정을 위해 파티클 필터 알고리즘을 수행하는 주기는 130㎳로 설정한다.
이때, 상기 파티클 필터 위치추정부에서의 위치인식과 동시에 종래의 상용화 장치인 스타게이져(Stargazer)를 이용한 위치인식과, U-SAT를 이용한 위치인식을 실행하였으며, 3차원 위치인식 장비인 레이저 트래커(Laser Tracker)를 이용하여 측정된 이동 로봇의 실제 위치와 비교하였다.
도 13은 본 발명에 따라 파티클 필터 위치추정부에서 추정된 위치의 실제 이동 로봇의 위치에 대한 거리 오차를 나타내는 그래프이고, 도 14는 본 발명에 따라 파티클 필터 위치추정부에서 추정된 방향각도의 실제 이동 로봇의 방향각도에 대한 오차를 나타내는 그래프이다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 본 발명에 따라 태그위치 인식부에서 RFID 태그의 위치를 기초로 이동 로봇의 절대 위치를 인식하고, 파티클 필터 위치추정부에서 이러한 절대 위치와 바퀴의 이동량에 의해 엔코더에서 획득한 오도메트리 정보를 토대로 파티클의 발산 및 수렴과정을 반복하면서 연산한 이동 로봇의 추정위치와, 상기 레이저 트래커에 의해 획득한 이동 로봇의 실제 위치 사이의 거리 오차는 0.04m 미만이고, 방향 오차는 3° 미만임을 확인할 수 있다.
도 15는 본 발명에 따른 RFID를 이용한 위치측정 장치, 스타게이저, U-SAT에 의해 측정된 위치의 실제 이동 로봇의 위치에 대한 거리 오차를 나타내는 그래프이고, 도 16은 본 발명에 따른 RFID를 이용한 위치측정 장치, 스타게이저, U-SAT에 의해 측정된 방향의 실제 이동 로봇의 방향각도에 대한 오차를 나타내는 그래프이다.
도 15를 참조하면, 종래의 스타게이저를 이용하여 측정한 이동 로봇의 실제 위치와의 거리 오차(②)나, 종래의 U-SAT를 이용하여 측정한 이동 로봇의 실제 위치와의 거리 오차(③)보다, 본 발명에 따른 RFID를 이용한 위치측정 장치를 이용하여 획득한 실제 위치와의 거리 오차(①)가 훨씬 작음을 확인 할 수 있다.
또한, 도 16을 참조하면, 종래의 스타게이저를 이용하여 측정한 이동 로봇의 실제 방향과의 오차(②)나, 종래의 U-SAT를 이용하여 측정한 이동 로봇의 실제 방향과의 오차(③)보다, 본 발명에 따른 RFID를 이용한 위치측정 장치를 이용하여 획득한 실제 방향과의 오차(①)가 훨씬 작음을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 RFID를 이용한 이동 로봇의 위치측정 장치와, 종래의 랜드마크와 카메라를 이용한 위치인식 장치인 스타게이저(Stargazer), 및 종래의 초음파 위성을 이용한 위치인식 장치인 U-SAT을 이용하여 획득한 위치 및 방향과, 이동 로봇의 실제 위치 및 실제 방향과의 평균 오차를 하기의 표 1에 나타내었다.
평균 거리 오차(m) 평균 방향 오차(°)
RFID를 이용한 위치측정 장치 0.018 1.233
스타게이저 0.053 4.867
U-SAT 0.235 23.741
상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 RFID를 이용한 이동 로봇의 위치측정 장치에 의할 경우 거리 오차와 방향 오차 모두가 상기 스타게이저나 U-SAT 보다 현저하게 작게 됨을 알 수 있는바, 본 발명에 의할 경우 보다 정밀한 위치 추정이 가능해지며, 그에 따라 이동 로봇의 정밀한 위치측정이 가능하게 된다.
이때, 본 발명에 따른 RFID를 이용한 이동 로봇의 위치측정 장치는 이동 로봇이 이동하고자 하는 공간의 바닥에 RFID 태그를 설치해야 하므로 초기 설치비용이 증가될 수도 있으나, 이는 바닥에 설치되는 RFID 태그의 조밀도를 조절함으로써 조절할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 RFID를 이용한 이동 로봇의 위치측정 장치는 지면, 즉 바닥의 굴곡으로 인한 이동 로봇의 기울어짐에 따른 오차나, 이동 로봇의 이동 속도의 변동에 따른 오차, 또는 장애물에 의해 가려짐으로 야기되는 오차가 발생하지 않게 되어 항상 신뢰성이 높고 정밀한 위치측정이 가능하게 된다.
다음에는 본 발명에 따른 RFID를 이용한 이동 로봇의 위치측정 방법을 설명한다.
도 17은 본 발명에 따른 RFID를 이용한 이동 로봇의 위치측정 방법의 구성도이다.
도 17을 참조하면, 본 발명에 따른 RFID를 이용한 이동 로봇의 위치측정 방법은, 이동 로봇이 작업 공간을 이동하면서 RF신호를 송출하고, 상기 RF신호에 응답하여 바닥에 설치된 RFID 태그에서 송출되는 RFID 태그의 고유 위치정보를 획득하여 이동 로봇의 절대 위치를 인식하는 태그위치 인식단계(S100)와, 상기 이동 로봇의 바퀴 이동량을 인식하여 오도메트리 정보를 획득하는 로봇 이동량 인식단계(S200)와, 상기 RFID 태그에 의한 절대 위치를 기준으로 다수의 파티클을 생성하는 파티클 초기화 단계(S300)와, 상기 오도메트리 정보를 기반으로 상기 파티클들의 위치와 방향을 이동시켜 파티클들의 위치정보를 변경하는 파티클 위치 및 방향 예측 단계(S400)와, 상기 이동 로봇의 이동에 의해 다음 RFID 태그의 위치 정보를 획득하여 다음 RFID 태그의 절대 위치와의 거리 차이에 따른 파티클들의 인식 확률을 연산하고, 각 파티클들의 가중치를 갱신하는 파티클 갱신단계(S500)와, 상기 갱신된 가중치에 비례하여 일부 파티클을 소멸시키고 새로운 파티클들을 생성하는 리샘플링 단계(S600)와, 상기 파티클 초기화 단계에서 생성된 기존 파티클과 상기 파티클 갱신단계에서 새로이 생성된 파티클들의 가중치를 이용하여 로봇의 추정위치를 연산하는 로봇위치 추정단계(S700)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 파티클 위치 및 방향 예측 단계(S400)는 다음 RFID 태그에 대한 절대 위치의 위치정보를 획득하기 전까지 오도메트리 정보에 기반하여 모든 파티클의 위치 및 방향으로 동일하게 이동시키되, 이동 로봇의 이동량에 따른 노이즈를 추가하여 파티클을 이동시킴으로써 거리 및 방향의 노이즈가 누적되는 것을 방지할 수 있도록 구성된다.
또한, 상기 파티클 갱신단계(S500)는 이동 로봇이 이동하면서 획득하는 RFID 태그의 절대 위치에 관한 위치정보에 의해 파티클의 가중치를 갱신함으로써 RFID 태그에 의해 위치데이터가 획득될 때마다 즉시 반영되어 위치측정의 정밀도를 향상시킬 수 있게 된다.
상기 파티클 위치 및 방향 예측단계(S400)와, 파티클 갱신단계(S500)와, 리샘플링 단계(S600) 및 로봇위치 추정단계(S700)는 이동 로봇이 작업 수행을 위해 이동하는 동안 반복적으로 수행되면서 이동 로봇의 정밀한 위치를 측정할 수 있게 된다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능은 명백한 사실이다.
100 - 이동 로봇 150 - 추정된 이동 로봇
200 - 바닥 250 - 파티클
300 - RFID 태그 320 - 태그 띠
400 - RFID 리더 420 - RFID 안테나
450 - 엔코더 500 - 파티클 필터 위치추정부
510 - 파티클 초기 생성부 520 - 파티클 예측부
530 - 파티클 갱신부 540 - 리샘플링부
550 - 추정위치 연산부

Claims (9)

  1. 이동 로봇의 위치측정 장치에 있어서,
    상기 이동 로봇이 작업을 수행하기 위해 이동하는 바닥에 설치된 다수 개의 RFID 태그;
    상기 RFID 태그로 RF신호를 송출하고, 상기 RF신호에 응답하여 송출되는 RFID 태그의 고유 위치정보를 수신하여 이동 로봇의 절대 위치를 인식하는 태그위치 인식부;
    상기 이동 로봇의 이동량을 인식하는 엔코더; 및
    상기 RFID 태그에 의해 인식된 절대 위치의 위치데이터와 상기 이동 로봇의 이동량에 따라 인식된 위치데이터를 파티클 필터 알고리즘을 기반으로 정합시켜 이동 로봇의 추정위치를 연산하는 파티클 필터 위치추정부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 RFID를 이용한 이동 로봇의 위치측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파티클 필터 위치추정부는,
    상기 태그위치 인식부에서 획득한 이동 로봇의 절대 위치에 기반하여 파티클들을 생성하는 파티클 초기 생성부;
    상기 파티클 초기 생성부에서 생성된 파티클들에 상기 엔코더에서 획득한 이동량에 이동 로봇의 이동거리 노이즈와 회전각도 노이즈를 더하여 각 파티클들의 위치 정보를 변경하는 파티클 예측부;
    상기 파티클 예측부에서 변경된 파티클의 위치와 이동 후 RFID 태그에 의해 획득한 절대 위치간의 거리를 연산하고, 거리에 따라 파티클이 태그를 인식할 확률을 연산하여 기존 파티클들의 집합을 갱신하는 파티클 갱신부;
    상기 파티클 갱신부에서 갱신된 파티클들의 가중치에 비례하는 새로운 파티클들을 생성하는 리샘플링부; 및
    상기 파티틀 초기 생성부에서 생성되어 남아 있는 파티클과 상기 리샘플링부에서 생성된 파티클들 각각의 가중치와 위치의 곱을 합하여 이동 로봇의 추정 위치를 연산하는 추정위치 연산부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 RFID를 이용한 이동 로봇의 위치측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 파티클 갱신부는 이동 로봇의 이동에 따라 획득한 오도메트리 정보와 그에 따른 이동거리 노이즈와 회전각도 노이즈를 더하여 변경된 파티클의 위치(x'j, y'j)와 이동한 상태에서 새로이 획득한 다음 RFID 태그의 위치(xtag, ytag) 간의 거리를 연산하고, 태그로부터 파티클이 떨어져 있는 거리에 따라 태그가 인식될 확률(pj)을 구한 후, 각 파티클의 가중치를 업데이트하여 기존 파티클에 대한 집합을 갱신하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 RFID를 이용한 이동 로봇의 위치측정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 파티클 갱신부는 상기 새로이 획득한 다음 RFID 태그와 파티클 간의 거리 차이에 따른 태그의 인식 확률(pj)을 하기의 수학식
    Figure 112010072249010-pat00014

    에 의해 연산하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 RFID를 이용한 이동 로봇의 위치측정 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 파티클 필터 위치추정부에서 이동 로봇의 위치추정을 위해 생성되는 파티클의 최대 개수는 900~1200개로 설정되고, 위치추정을 위해 파티클 필터 알고리즘을 수행하는 주기는 100~150㎳로 설정되는 것을 특징으로 하는 RFID를 이용한 이동 로봇의 위치측정 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 RFID 태그는 두께가 얇고 약간의 폭이 있는 비닐 막에 다수의 RFID 태그를 일정한 간격으로 부착시킨 태그 띠의 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 RFID를 이용한 이동 로봇의 위치측정 장치.
  7. 이동 로봇이 작업 공간을 이동하면서 RF신호를 송출하고, 상기 RF신호에 응답하여 바닥에 설치된 RFID 태그에서 송출되는 RFID 태그의 고유 위치정보를 획득하여 이동 로봇의 절대 위치를 인식하는 태그위치 인식단계;
    상기 이동 로봇의 바퀴 이동량을 인식하여 오도메트리 정보를 획득하는 로봇 이동량 인식단계;
    상기 RFID 태그에 의한 절대 위치를 기준으로 다수의 파티클을 생성하는 파티클 초기화 단계;
    상기 오도메트리 정보를 기반으로 상기 파티클들의 위치와 방향을 이동시키켜 파티틀들의 위치정보를 변경하는 파티클 위치 및 방향 예측 단계;
    상기 이동 로봇의 이동에 의해 다음 RFID 태그의 위치 정보를 획득하여, 상기 다음 RFID 태그의 절대 위치와의 거리 차이에 따른 파티클들의 인식 확률을 연산하고, 각 파티클들의 가중치를 갱신하는 파티클 갱신단계;
    상기 갱신된 가중치에 비례하여 일부 파티클을 소멸시키고 새로운 파티클들을 생성하는 리샘플링 단계; 및
    상기 파티클 초기화 단계에서 생성된 기존 파티클과 상기 파티클 갱신단계에서 새로이 생성된 파티클들의 가중치를 이용하여 로봇의 추정위치를 연산하는 로봇위치 추정단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 RFID를 이용한 이동 로봇의 위치측정 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 파티클 위치 및 방향 예측 단계는 다음 RFID 태그에 대한 절대 위치의 위치정보를 획득하기 전까지 오도메트리 정보에 기반하여 모든 파티클의 위치 및 방향으로 동일하게 이동시키되, 이동 로봇의 이동량에 따른 노이즈를 추가하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 RFID를 이용한 이동 로봇의 위치측정 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 파티클 위치 및 방향 예측단계와, 파티클 갱신단계와, 리샘플링 단계 및 로봇위치 추정단계는 상기 이동 로봇이 작업 수행을 위해 이동하는 동안 반복적으로 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 RFID를 이용한 이동 로봇의 위치측정 방법.
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