KR101170914B1 - 자율주행 로봇 및 그의 경사면 주행방법 - Google Patents

자율주행 로봇 및 그의 경사면 주행방법 Download PDF

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KR101170914B1
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이상훈
허진욱
강신천
지태영
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명은 경사면이나 계단에서 자율 주행 로봇을 직진으로 주행시키기 위한 자율주행 로봇 및 그의 주행방법에 관한 것으로, 상기 자율주행 로봇이 평지에서 경사면으로 진입하면 휠의 회전 중심에 대향되는 좌,우측 가상벡터를 감지센서에서 감지된 롤, 피치 및 요 각도값으로 좌표 변환하여 직진 주행에 요구되는 조향값을 산출하고, 해당 조향값을 만족하도록 상기 로봇의 주행을 제어함으로써 종래 경사면 또는 계단을 직진 주행하지 않을 때 발생되는 주행시간 지연, 과다한 진동 및 충격등의 문제를 효과적으로 방지할 수 있다.

Description

자율주행 로봇 및 그의 경사면 주행방법{AUTONOMOUS NAVIGATION ROBOT AND INCLINED PLANE NAVIGATION METHOD THEREOF}
본 발명은 경사면 또는 계단의 진행방향에 대하여 직진으로 주행할 수 있도록 한 자율주행 로봇 및 그의 경사면 주행방법에 관한 것이다.
과학기술의 발달과 인명을 중시하는 추세에 따라 유인으로만 수행하던 전투수행 개념이 무인장비를 군사적으로 활용하는 유무인(有無人) 전투수행 개념으로 점차 발전하고 있다. 이에 따라 소규모 전투에서 임무수행의 효율성을 극대화하기 위하여 미국을 비롯한 여러 선진국에서는 소형 로봇(SUGV)의 개발 및 운용을 위한 연구를 지속적으로 수행하고 있다. 특히 전술적 운용의 편리성과 상대적으로 높지 않은 자율 기술 수준이 요구되는 소형 로봇에 대한 연구 및 실제 전장에서의 운용이 활발하게 이루어지고 있다.
한편, 최근에 제한적이나마 로봇에 자율주행 기능을 부여하여 통신이 두절되거나, 필요시 스스로 원래의 위치로 돌아오도록 하기 위한 자율경로 복귀 기술이 연구 중에 있다. 특히 지면과의 마찰을 통해 조향하는 트랙 주행의 특성때문에 트랙형 소형로봇은 자율 주행 또는 주행 카메라를 이용하여 원격주행할 때 종(縱) 경사로나 계단 등의 장애물의 진입면에 수직방향으로 진입하도록 조정하거나 경사면 진행방향에 평행하게 주행하도록 조종하기가 어려운 실정이다.
이로 인하여 발생되는 소형 로봇의 빈번한 조향으로 인하여 주행시간 및 에너지 소비가 증가되고, 로봇 자세의 롤/피치 방향으로의 흔들림으로 인하여 감시용 카메라 영상의 과다한 떨림이 발생되는 문제가 있다. 또한, 경사로 측면에 대한 소형 로봇의 충돌/낙하 위험, 계단 주행시 계단 모서리부에 대한 접촉면적 축소로 인한 구조적 파손위험 증대 등의 문제를 해결하기 위한 자율조향 제어가 요구된다.
그런데 소형 로봇에 대한 자율조향 제어는 대부분 주어진 경로를 추종하면서 주행하기 위한 기술이기 때문에 경사면의 방향을 정확히 알고 그 방향으로 정확히 경로가 주어졌을때만 적용 가능한 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 자율주행 로봇이 경사면 또는 계단을 직진 주행하지 않을 때 발생되는 주행시간 지연, 과다한 진동 및 충격등의 문제를 해결할 수 있는 자율주행 로봇 및 그의 경사면 주행방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 자율주행 로봇은, 자율주행 로봇의 롤, 피치 및 요 각도값을 감지하는 자세센서; 및 평지에서 경사면으로 진입하면 휠의 회전 중심에 대향되는 가상벡터를 상기 감지센서의 감지값으로 좌표 변환하여 직진 주행에 요구되는 조향값을 산출한 후 해당 조향값을 만족하도록 상기 로봇의 주행을 제어하는 제어수단;을 포함한다.
상기 경사면은 임의의 각을 갖는 야지의 경사면 또는 건물의 계단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 가상벡터는 필요에 따라 복수개 설치 가능하며, 최소 로봇의 좌우측에 하나씩 설정된다.
상기 제어수단은 로봇 좌우측에 설정된 2개의 가상벡터를 전역좌표계를 이용하여 좌표 변환하고, 상기 전역 좌표계로 변환된 가상벡터들을 고정좌표계중에서 요방향에 대하여 좌표 변환하여, 상기 요방향에 대하여 로봇이 경사면 진행방향에 평행이 되도록하는 조향값을 산출한다.
상기 로봇이 경사면 진행방향에 평행이 되도록하는 조향값은 롤값이 "0"가 되도록하는 조향값을 나타낸다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 자율주행 로봇의 경사면 주행방법은, 자율주행 로봇이 평지에서 경사면으로 진입하면 휠의 회전 중심에 대향되는 가상벡터를 설정하는 단계; 주행 로봇의 롤, 피치 및 요 각도값을 감지하는 단계; 상기 설정된 가상벡터를 상기 감지값을 이용하여 좌표 변환하여 직진 주행에 요구되는 조향값을 산출하는 단계; 및 상기 산출된 조향값을 만족하도록 로봇의 주행을 제어하는 단계;를 포함한다.
상기 경사면은 임의의 각을 갖는 야지의 경사면 또는 건물의 계단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 가상벡터는 필요에 따라 복수개 설치 가능하며, 최소 로봇의 좌우측에 하나씩 설정된다.
상기 조향값을 산출하는 단계는 가상벡터를 전역좌표계를 이용하여 좌표 변환하는 단계; 변환된 가상벡터들을 고정좌표계의 요방향에 대하여 좌표 변환하는 단계; 및 요방향에 대하여 로봇이 경사면 진행방향에 평행이 되도록 하는 조향값을 산출하는 단계;를 포함한다.
상기 로봇이 경사면 진행방향에 평행이 되도록하는 조향값은 롤값이 "0"가 되도록하는 조향값으로, 로봇의 전방 좌우측 높이가 같아지는 조향값이다.
본 발명은 로봇이 경사면 진행방향에 평행하지 못하게 주행할 때 조향제어 성능을 증대시키기 위하여 롤 각도값을 제로("0")로 만들기 위해 필요한 요구 조향값을 산출한 후 그 산출된 조향값을 만족하도록 로봇의 조향을 제어함으로써 경사면에서 로봇을 직진 진행방향으로 주행하도록 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 요구 조향값에 따라 로봇을 제어하여 경사면의 진행방향에 직진으로 주행하도록 자율주행 로봇을 제어함으로써 경사면 또는 계단을 직진주행하지 않을 때 발생되는 주행시간 지연, 과다한 진동 및 로봇의 충격을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 복수 벡터를 전역좌표계와 고정좌표계로 좌표 변환하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자율주행 로봇의 경사면 주행방법을 나타낸 순서도.
도 3은 본 발명에 따라 로봇이 경사로를 주행할 때 롤을 이용한 제어 미적용/적용시 로봇 주행 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따라 로봇이 계단을 주행할 때 롤을 이용한 제어 미적용/적용시 로봇 주행 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따른 로봇의 경사면 및 계단 주행시 요구 조향값 산출 결과를 나타낸 도면.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세히 설명한다.
본 발명에서 피치(pitch)는 로봇의 이동 방향에 대해 수직의 수평면에 있는 X축 주위의 회전을 나타내고, 롤(roll)은 이동방향에 대하여 평행한 수평면에 있는 Y축 주위의 회전을 나타내며, 요(yaw)는 이동방향에 대하여 수직의 수직면에 있는 Z축주위의 회전을 의미한다.
일반적으로 경사면을 주행하는 자율주행 로봇(이하 로봇으로 약칭함)은 경사면 또는 계단 진입전 방향이 진입면에 대하여 수직(경사면 진행방향에 평행)이라면, 일반적인 주행제어에 적용되는 조향제어(요제어)를 이용하여 장애물 진입전의 지자기 컴파스등에서 측정되는 로봇의 방위각(요 각도값)을 기준으로 오차를 고려하여 제어하면 된다.
그런데, 장애물 진입전의 자세가 진입면에 수직이 아닌 상태에서 주행을 시작하는 경우에는 경사면 진행방향으로 직진하도록 주행하기 위한 기준 요(yaw) 각도값(방위각)을 알 수 가 없다. 이러한 문제는 자율주행 상태에서 더욱 빈번히 발생될 것으로 예상된다.
따라서, 본 발명은 로봇이 경사면 진행방향에 평행하지 못하게 주행할 때 발생하는 롤 각도값이 제로("0")가 되도록 조향제어를 수행하여, 경사면 또는 계단을 직진주행하지 않을 때 발생되는 주행시간 지연, 과다한 진동 및 충격 등의 문제를 해결할 수 있는 효과적인 방안을 제안한다.
도 1은 본 발명에 따른 복수 벡터를 전역 좌표계와 고정 좌표계로 좌표 변환하는 예이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자율주행 로봇의 경사면 주행방법을 나타낸 순서도이다. 또한, 도 3과 도 4는 본 발명에 따라 로봇이 경사로 또는 계단을 주행할 때 롤을 이용한 제어 미적용/적용시 로봇 주행의 시뮬레이션 결과이다. 특히 도 1은 롤 각도값을 제로("0")로 만들기 위해 필요한 요구 조향값을 설명한 예이고, 도 3와 도 4는 롤 각도값을 적용한 로봇의 경사면과 계단 주행결과를 시뮬레이션을 통하여 검증한 예이다.
도 3에 도시된 바와같이, 롤을 이용한 조향제어 미적용시(좌측 그래프) 경사로 진입전 43도(방위각[경사면의 방향] 33도 + 경사면에 대한 진입각 10도)이던 로봇의 요 각도값은 장애물에 진입하여 주행하면서 더욱더 커짐을 알 수 있다. 반면에 롤 각도값이 제로("0") 되도록 하기 위한 조향제어를 적용하였을 경우(우측 그래프) 약 2.2초 후에 경사면 진행방향에 평행하게(경사면의 방향인 방위각 33도와 요 각도값이 일치) 주행을 함을 알 수 있었다.
도 4에서도 계단 진입전 10도(방위각 0도+진입각 10도)이던 로봇의 요 각도값이 계단 모서리부에 대한 좌우 트랙 동시접촉 불가 등의 문제로 점차 증대됨을 볼 수 있고, 롤 값을 이용한 조향제어 적용시 로봇의 방향이 상대적으로 수렴함을 볼 수 있다.
본 발명은 로봇이 경사면 진행방향을 따라 주행하지 못할 때 발생되는 롤 각도값을 이용한 조향기법을 기술하였다. 그런데 롤 각도값은 로봇의 좌/우 주행모터를 이용해서 제어가 불가능한 X축에 대한 회전 성분이다. 따라서, 조향제어 성능을 증대시키기 위해서는 롤 각도값을 제로("0")로 만들기 위해 필요한 요구 조향값의 추정이 필요하다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 로봇(10)은 무한궤도 또는 휠을 장착하여 경사면(200)을 자율주행 하는 로봇이다. 이러한 로봇(10)에는 롤, 피치 및 요 각도값을 획득할 수 있는 자세센서(미도시)가 장착되어 있어, 상기 자세센서로부터 로봇의 절대적인 방위각을 획득할 수 있다.
본 발명에서 설명하는 경사면(200)은 야지의 경사면 또는 건물 등의 계단일 수도 있다. 도 1에서는 설명의 편의를 위해 임의의 경사각(θ)을 가진 경사면(200)을 예로들어 설명한다.
로봇(10)은 자율주행에 의해 평지(100)에서 진행방향으로 주행한다. 이때 본 발명에서 설명하는 X축(롤축), Y축(피치축) 및 Z축(요축)은 X축이 지구의 진북방향인 전역 좌표계로, 평지(100)에 있을 때의 방향과 경사면(200)에 있을 때의 방향이 동일한 좌표계이다.
반면에, 본 발명에서 설명하는 고정좌표계인 U축, V축 및 W축은 로봇에 고정된 좌표계로서 로봇의 위치에 따라 상대적으로 변하는 좌표계이다. 즉 평지(100)에 있을 때는 전역좌표계와 동일하지만 경사면(200)으로 로봇이 이동한 경우에는 로봇의 진행방향에 따라 좌표계의 방향이 달라진다.
도 1 및 도2에 도시된 바와같이, 로봇(10)이 평지(100)에서 경사면(200) 방향으로 진입할 때 제어수단(미도시)은 경사면 진행방향에 직진으로 주행하기 위하여, 아래의 [수학식 1], [수학식 2]와 같이 로봇의 회전중심으로부터 서로 대향하는 방향으로 2개의 가상벡터(A1, A2)를 설정한다(S10, S11).
상기 가상벡터(A1, A2)는 로봇(10)의 좌/우측에 각각 하나씩 설정하는 것이 바람직하다. 다만, 상기 가상벡터는 필요에 따라 여러개 설정할 수 있으나 본 발명의 일 실시예에서는 두개의 가상벡터(A1,A2)를 이용하여 설명하기로 한다.
Figure 112011081503553-pat00001
Figure 112011081503553-pat00002
상기 가상벡터(A1, A2)가 설정되면 제어수단은 자세센서로부터 로봇(10)의 롤, 피치 및 요 각도값을 입력받는다. 상기 제어수단은 CPU, 마이크로프로세서 또는 DSP 등으로 구성된 원칩 프로세서와 그 원칩 프로세서와 상응하여 동작할 수 있는 아날로그 회로 등으로 구성되어 있다.
상기 제어수단은 자세센서로부터 입력된 로봇의 롤, 피치 및 요 각도값을 이용하여 상기 가상벡터(A1, A2)의 좌표를 변환한다(S13). 이때 전역좌표계인 X축(롤축), Y축(피치축) 및 Z축(요축)에 대하여 먼저 좌표변환을 수행한다. 각 축에 대한 롤, 피치 및 요의 좌표변환 행렬은 다음의 [수학식 3], [수학식 4], [수학식 5]이고, 이를 이용한 로봇의 자세 변환행렬은 [수학식 6]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011081503553-pat00003
(여기서, φ는 로봇의 요 축에 대한 각도 값)
Figure 112011081503553-pat00004
(여기서, θ는 로봇의 피치 축에 대한 각도 값)
Figure 112011081503553-pat00005
(여기서, ψ는 로봇의 롤 축에 대한 각도 값)
Figure 112011081503553-pat00006
상술한 [수학식 3]내지 [수학식 6]은 가상벡터(A1, A2)를 동일하게 좌표변환시킨다.
다음으로, 제어수단은 전역좌표계로 좌표변환된 A1 및 A2 가상벡터들을 로봇 고정좌표계인 U축, V축 및 W축 중에서 W축에 대해 임의의 각도로 좌표 변환한다 (S14). 상기 W축에 대해 임의의 각도로 좌표 변환한 수식은 다음의 [수학식 7]과 같다.
Figure 112011081503553-pat00007
여기서,
Figure 112011081503553-pat00008
는 W축(Z방향)에 대하여 로봇(10)이 경사면 진행방향에 평행이 되도록(롤이 "0"이 되도록)하는 조향값(요 각도값)이다.
따라서, 제어수단은 상기 [수학식 1]내지 [수학식 7]에 의해 좌표 변환된 가상벡터(A1', A2')의 Z방향 요소가 같아지는 각도(로봇의 전방 좌/우측의 높이가 같아지면 로봇(10)의 롤 성분이 없어지며, 로봇(10)의 방향이 경사면 진행방향과 평행하게 됨)값을 로봇(10)의 요구 조향 각도값으로 산출한다(S15). 이를 다음의 [수학식 8]내지 [수학식 10]에 나타내었다.
Figure 112011081503553-pat00009
Figure 112011081503553-pat00010
Figure 112011081503553-pat00011
여기서,
Figure 112011081503553-pat00012
이다.
특히 [수학식 10]은 로봇이 경사면의 진행방향에 직진하도록 요구되는 조향값(요 각도값)을 나타낸다. 따라서 제어수단은 산출된 조향값을 만족하도록 로봇의 조향을 제어함으로써 경사면에서 로봇(10)을 직진 진행방향으로 주행하도록 할 수 있다(S16).
도 5는 본 발명에 따른 요구 조향값을 적용하여 경사도 30도의 경사면과 약 39도 경사 계단에 대한 로봇 시뮬레이션 결과이다.
도 5에 도시된 바와같이, 경사면 주행의 경우 로봇의 전방 좌측이 경사면에 접촉 후 경사면에 로봇 전체가 완전히 진입하기 전까지 요구 조향값의 과도응답이 있으나 완전히 진입 후에는 정확한 요구 조향값이 추정됨을 알 수 있다.
상술한 바와같이 본 발명은 로봇이 경사면 진행방향에 평행하지 못하게 주행할 때 조향제어 성능을 증대시키기 위하여 롤 각도값을 제로("0")로 만들기 위해 필요한 요구 조향값을 산출한 후 그 산출된 조향값을 만족하도록 로봇의 조향을 제어함으로써 경사면에서 로봇을 직진 진행방향으로 주행하도록 할 수 있다. 따라서, 본 발명은 종래 경사면 또는 계단을 직진주행하지 않을 때 발생되는 주행시간 지연, 과다한 진동 및 충격등을 감소시킬 수 있게 된다.
상기와 같이 설명된 본 발명에 따른 자율주행 로봇 및 그의 경사면 주행방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 상술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명 보다는 특허등록 청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허등록 청구 범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 로봇 100 : 평지
200 : 경사면

Claims (11)

  1. 주행 로봇의 롤, 피치 및 요 각도값을 감지하는 자세센서; 및
    평지에서 경사면으로 진입하면 상기 자세센서의 감지값을 이용하여 휠의 회전 중심에 대향되는 가상벡터의 롤 축, 피치 축 및 요 축 좌표를 변환하여 직진 주행에 요구되는 조향값을 산출한 후 해당 조향값을 만족하도록 상기 주행 로봇의 주행을 제어하는 제어수단;을 포함하는 자율 주행 로봇.
  2. 제1항에 있어서, 상기 경사면은
    임의의 각을 갖는 야지의 경사면 또는 건물의 계단을 포함하는 것을 특징으로 하는 자율주행 로봇.
  3. 제1항에 있어서, 상기 가상벡터는
    복수개 설정 가능하며, 최소 로봇의 좌우측에 하나씩 설정되는 것을 특징으로 하는 자율주행 로봇.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제어수단은
    CPU, 마이크로 프로세서 또는 DSP중 하나로 구성된 것을 특징으로 하는 자율주행 로봇.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제어수단은
    상기 자세센서의 감지값을 이용하여 휠의 회전 중심에 대향되는 2개의 가상벡터를 전역좌표계인 X, Y 및 Z축에 대해 좌표 변환하고, 상기 전역 좌표계로 변환된 가상벡터들을 고정좌표계인 U축, V축 및 W축중 W축에 대하여 좌표 변환하여, 상기 W축에 대하여 로봇이 경사면 진행방향에 평행이 되도록 하는 조향값을 산출하는 것을 특징으로 하는 자율주행 로봇.
  6. 제5항에 있어서, 상기 로봇이 경사면 진행방향에 평행이 되도록하는 조향값은 롤값이 "0"가 되도록하는 조향값을 나타내는 것을 특징으로 하는 자율주행 로봇.
  7. 주행 로봇이 평지에서 경사면으로 진입하면 휠의 회전 중심에 대향되는 가상벡터를 설정하는 단계;
    주행 로봇의 롤, 피치 및 요 각도값을 감지하는 단계;
    상기 감지된 값을 이용하여 상기 가상벡터의 롤 축, 피치 축 및 요축 좌표를 변환하여 직진 주행에 요구되는 조향값을 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 조향값을 만족하도록 주행 로봇의 주행을 제어하는 단계;를 포함하는 자율주행 로봇의 경사면 주행방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 경사면은
    임의의 각을 갖는 야지의 경사면 또는 건물의 계단을 포함하는 것을 특징으로 하는 자율주행 로봇의 경사면 주행방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 가상벡터는
    복수개 설정 가능하며, 최소 로봇의 좌우측에 하나씩 설정되는 것을 특징으로 하는 자율주행 로봇의 경사면 주행방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 조향값을 산출하는 단계는
    상기 감지된 값을 이용하여 휠의 회전 중심에 대향되는 2개의 가상벡터를 전역좌표계인 X축, Y축 및 Z축에 대해 좌표 변환하는 단계;
    상기 전역좌표계로 변환된 가상벡터들을 고정좌표계인 U축, V축 및 W축중에서 W축에 대하여 좌표 변환하는 단계; 및
    상기 W축에 대하여 로봇이 경사면 진행방향에 평행이 되도록하는 조향값을 산출하는 단계;를 포함하는 자율주행 로봇의 경사면 주행방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기
    로봇이 경사면 진행방향에 평행이 되도록하는 조향값은 롤값이 "0"가 되도록하는 조향값으로, 로봇의 전방 좌우측 높이가 같아지는 조향값인 것을 특징으로 하는 자율주행 로봇의 경사면 주행방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102194429B1 (ko) 2020-04-29 2020-12-23 주식회사 트위니 경사로가 있는 환경에서 이동로봇의 환경 인식 장치 및 방법, 이를 구현하기 위한 프로그램이 저장된 기록매체 및 이를 구현하기 위해 매체에 저장된 컴퓨터프로그램
CN113184075A (zh) * 2021-05-25 2021-07-30 重庆邮电大学 一种仿安乐蜥的抗风振爬附机器人

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