KR101227008B1 - 모빌로봇 시스템의 자이로스코프 보정장치 및 이를 이용한보정방법 - Google Patents

Abstract

자이로스코프에 의해 회전을 감지하는 모빌로봇 시스템의 자이로스코프 보정장치 및 이를 이용한 보정방법이 개시된다. 개시된 본 발명에 의한 모빌로봇 시스템의 자이로스코프 보정장치는 자이로스코프를 가지는 모빌로봇과 모빌로봇에 내장된 배터리를 충전하는 외부 충전장치를 가지는 모빌로봇 시스템에 적용되는 것으로, 외부 충전장치에 설치되어 적외선을 송출하는 적외선 송신장치; 모빌로봇에 설치되어 적외선을 감지하는 적외선 수신장치; 및 적외선 수신장치에서 수신된 적외선 정보를 이용하여, 자이로스코프의 내부오차를 보정하는 로봇제어유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하고, 자이로스코프 보정방법은 모빌로봇이 작동명령에 따라 동작하는 단계; 모빌로봇이 장애물 또는 작동명령에 의해 진행 중 선회하는 단계; 단계에서 모빌로봇이 선회한 각도값을 자이로스코프로 감지하여 모빌로봇의 제 1 선회각을 계산하는 단계; 적외선 송신장치에서 송출되는 적외선 신호를 적외선 수신장치에서검출하여 모빌로봇의 제 2 선회각을 계산하는 단계; 제 1 선회각과 제 2 선회각을 서로 비교하는 단계; 및 비교단계의 판단 결과에 따라 제 1 선회각을 보정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

모빌로봇, 자이로스코프, 적외선, 적외선감지센서, 센서보정

Description

모빌로봇 시스템의 자이로스코프 보정장치 및 이를 이용한 보정방법{Gyro-scope calibration apparatus and calibration method having the same}

도 1은 본 발명에 의한 모빌로봇 시스템의 개략적인 구성도,

도 2는 본 발명에 의한 모빌로봇 시스템의 제어 블럭도,

도 3은 본 발명에 의한 적외선 송신유닛 및 적외선 수신유닛 각각에서 방출 및 결상되는 적외선의 형태를 나타낸 도면,

도 4는 본 발명에 의한 모빌로봇의 각 위치별 적외선 입사각을 도시한 도면, 그리고,

도 5는 본 발명에 의한 모빌로봇 시스템의 자이로스코프 보정방법을 나타낸 흐름도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10; 외부충전장치 11; 적외선 송신장치

20; 모빌로봇 21; 자이로스코프

22; 적외선 수신장치 30; 로봇제어유닛

31; 제 1 선회각 계산유닛 32; 제 2 선회각 계산유닛

33; 비교유닛

본 발명은 자율주행을 하는 모빌로봇 시스템의 자이로스코프 보정방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 적외선 송·수신유닛을 이용하여, 자이로스코프의 보정시점을 판단할 수 있는 모빌로봇 시스템의 자이로스코프 보정장치 및 이를 이용한 자이로스코프 보정방법에 관한 것이다.

일반적으로, 모빌로봇은 본체 상에 설치된 초음파 센서를 이용하여 벽이나 장애물로 둘러싸인 작업영역을 판단하고, 미리 프로그램된 작업경로에 따라 주행하면서 목적으로 하는 작업, 예컨대 청소작업 또는 경비작업을 수행한다. 이러한 모빌로봇은 주행시 바퀴의 회전수 및 회전각도를 검출하는 엔코더와 같은 회전검출센서를 통해 검출된 신호로부터 주행각도, 주행거리 및 현재 위치를 산출하면서 계획된 작업경로를 주행할 수 있도록 바퀴를 구동시킨다.

그러나, 엔코더를 사용하는 위치 인식방식, 특히 회전각도 검출방식은 모빌로봇이 주행되는 동안 바퀴의 슬립, 바닥면의 굴곡 등에 의해 엔코더로 검출된 신호로부터 산출된 주행각도와 실제 주행각도 사이에 오차가 발생한다. 이러한 회전각도 검출 오차는 모빌로봇이 주행하면 할수록 누적되게 되고, 그에 따라 주행되는 모빌로봇이 계획된 작업경로를 이탈 할 수 있다. 그 결과, 작업이 수행되지 않은 영역이 발생하거나, 작업이 동일 영역에서 수회 반복될 수 있어 작업 효율이 떨어지는 문제점이 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 엔코더를 사용하여 바퀴의 회전수만을 검출 하는 대신, 자이로스코프를 추가로 설치하여 회전각도를 검출하는 모빌로봇이 제안되었다.

그러나, 이러한 모빌로봇은 로봇이 주행되는 동안 발생하는 바퀴의 슬립, 바닥면의 굴곡 등에 의해 엔코더가 회전각도 검출 오차를 발생하는 문제는 개선되었지만, 연속적으로 사용할 경우 자이로스코프 자체의 내부 오차에 의해 점차로 측정값에 오차가 발생될 수 있다. 이처럼 자이로스코프에 오차가 발생되면, 장치 초기화(reset)과 같은 방법으로 내부오차를 제거할 수 있으나, 자이로스코프에 내부오차가 발생되었는지의 여부를 확인할 수 있는 기준값이 없어 적절한 보정시점을 판단할 수 없다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로서, 자이로스코프의 내부오차의 적절한 보정시점을 판단하여, 적시에 자이로스코프를 보정할 수 있는 모빌로봇 시스템의 자이로스코프 보정장치 및 이를 이용한 보정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 모빌로봇 시스템의 자이로스코프 보정장치는 자이로스코프를 가지는 모빌로봇과 상기 모빌로봇에 내장된 배터리를 충전하는 외부 충전장치를 가지는 모빌로봇 시스템의 자이로스코프 보정장치에 있어서, 상기 외부 충전장치에 설치되어 적외선을 송출하는 적외선 송신장치; 상기 모빌로봇에 설치되어 상기 적외선을 감지하는 적외선 수신장치; 및 상기 적외선 수신장치에서 수신된 적외선 정보를 이용하여, 상기 자이로스코프의 내부오차를 보정하는 로봇제어유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 로봇제어유닛은 자이로스코프에서 출력되는 정보를 이용하여 모빌로봇의 선회각을 출력하는 제 1 선회각 계산유닛; 상기 적외선 수신유닛이 측정한 적외선의 정보를 이용하여 모빌로봇의 선회각을 계산하는 제 2 선회각 계산유닛; 및 상기 제 1 및 제 2 선회각 계산유닛에서 출력된 모빌로봇의 선회각을 비교하는 비교유닛;을 포함하는 것이 좋다.

이 때, 상기 제 2 선회각 계산유닛은 상기 자이로스코프가 영의 값(zero)을 출력하는 기준위치에서 측정한 적외선과 감지위치에서 측정한 적외선과의 각도를 비교하여 그 차이값을 모빌로봇의 선회각으로 계산하는 것이 좋다.

그리고, 상기 적외선 송신유닛은 송출되는 적외선을 소정 파장의 직선으로 필터링하는 적외선 필터;를 포함하며, 천장을 향해 자외선을 방출하도록 설치되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 적외선 송신장치가 설치된 외부충전장치와, 자이로스코프와 적외선 수신장치가 설치된 모빌로봇으로 구성된 모빌로봇 시스템의 자이로스코프 보정방법은 모빌로봇이 작동명령에 따라 동작하는 단계; 모빌로봇이 장애물 또는 작동명령에 의해 진행 중 선회하는 단계; 상기 단계에서 모빌로봇이 선회한 각도값을 자이로스코프로 감지하여 모빌로봇의 제 1 선회각을 계산하는 단계; 상기 적외선 송신장치에서 송출되는 적외선 신호를 상기 적외선 수신장치에서검출하여 모빌로봇의 제 2 선회각을 계산하는 단계; 상기 제 1 선회각과 제 2 선회각을 서로 비 교하는 단계; 및 상기 비교단계의 판단 결과에 따라 상기 제 1 선회각을 보정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 보정단계는 상기 자이로스코프를 초기화(reset) 하여 내부 오차를 삭제할 수도 있고, 상기 제 1 선회각을 상기 제 2 선회각으로 보정할 수도 있다.

상기 비교단계는 소정 시간을 간격으로 반복수행되는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 모빌로봇 시스템의 자이로스코프 보정장치 및 그 자이로스코프 보정방법의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 의한 모빌로봇 시스템의 일실시예를 개략적으로 나타낸 사시도 및 제어블럭도 이다.

도시된 바와 같이, 본 실시예에 의한 모빌로봇 시스템의 자이로스코프 보정장치는 외부충전장치(10)에 설치되는 적외선 송신유닛(11), 모빌로봇(20)에서 설치되는 적외선 수신유닛(22) 및 로봇제어유닛(30)을 포함한다.

적외선 송신유닛(11)은 도 1에 도시된 바와 같이, 천장(1)에 대하여 일정 입사각도로 적외선을 방출한다. 이 때, 적외선 송신유닛(11)에는 소정 파장의 적외선이 '│'형상의 직선형으로 방출될 수 있도록 적외선 필터가 설치되어 있다.

적외선 수신유닛(22)은 모빌로봇(20)에 설치되어 적외선 송신유닛(11)에서 방출된 적외선을 수신한다.

도 2를 참조하면, 적외선 수신유닛(22)이 설치된 모빌로봇(20)은 사용자의 명령 또는 입력된 프로그램에 의해 자동주행하는 것으로, 그 내부에는 적외선 수신 유닛(22) 외에, 자이로스코프(21), 카메라유닛(23), 정보 저장유닛(24), 조작유닛(25), 배터리(26), 바닥면을 청소하는 진공청소유닛(27)과 구동유닛(28), 장애물 감지유닛(29)이 로봇제어유닛(30)에 연결된다.

자이로스코프(21)는 모빌로봇(20)의 회전 및 선회동작에 따라 모빌로봇(20)의 선회정보를 출력한다. 카메라유닛(23)은 모빌로봇(20)의 위치를 파악하기 위한 것으로, 천장의 영상을 촬상할 수 있도록 설치되어, 로봇제어유닛(30)이 천장의 영상을 이용하여 모빌로봇(20)의 현재위치를 감지할 수 있는 정보를 제공한다. 정보 저장유닛(24)은 카메라유닛(23)에서 촬상한 영상정보를 수록하며, 조작유닛(25)은 사용자가 제어명령을 입력하기 위한 것이다. 이들 각각에 대한 설명은 본 발명의 요지와는 밀접한 관련이 없으므로 생략한다.

로봇제어유닛(30)은 자이로스코프(21)와 연결되는 제 1 선회각 계산유닛(31), 적외선 수신유닛(22)과 연결되는 제 2 선회각 계산유닛(32) 및 비교유닛(33)을 포함한다.

제 1 선회각 계산유닛(31)은 자이로스코프(21)에서 출력되는 모빌로봇(20)의 선회정보를 이용하여 모빌로봇(20)의 선회각을 계산하고, 제 2 선회각 계산유닛(32)은 적외선 수신유닛(22)에서 수신된 적외선 정보를 이용하여 모빌로봇(20)의 선회각을 계산한다.

제 2 선회각 계산유닛(32)은 자이로스코프(21)가 영의 값(zero)을 출력하는 위치를 기준위치로 인식하여, 이 위치에서 감지된 적외선 값을 기준값으로 저장한다. 따라서, 임의 위치에서의 모빌로봇(20)의 선회각은 저장된 기준값과 이 위치에 서 적외선 감지유닛(22)이 감지한 "│"형의 직선 적외선 사이의 각도차가 선회각(B)이 된다(도 3 참조).

비교유닛(33)은 자이로스코프(21)에서 출력된 정보를 토대로 계산된 제 1 선회각(A)과 적외선 수신유닛(22)에서 감지된 정보를 토대로 계산된 제 2 선회각(B)의 차이를 계산하여, 비교결과 제 1 및 제 2 선회각(A)(B)의 값이 오차범위를 넘어설 경우, 로봇제어유닛(30)이 자이로스코프(21)를 보정할 수 있도록 한다.

이하, 도 5에 도시된 흐름도와 함께, 상기 실시예에 의한 자이로스코프 보정장치를 이용한 모빌로봇의 자이로스코프 보정방법을 설명한다.

모빌로봇(20)의 작동을 위해서는, 위치정보를 포함한 초기 설정이 필요하다. 즉, 모빌로봇(20)의 영점좌표를 설정하는 위치를 기준위치라고 할 때, 상기 기준위치에서의 자이로스코프(22) 의 출력 정보를 토대로 제 1 선회각 계산유닛(31)이 계산한 모빌로봇의 선회각을 영(zero)이라고 가정하면, 이 위치에서 제 2 선회각 계산유닛(32)은 제 1 선회각 계산유닛(31)과 독립적으로 적외선 송신장치(11)에서 방출한 '│'자 형상의 직선형 적외선을 적외선 수신장치(22)로 감지한다. 그리고, 이 위치에서 감지된 적외선 신호는 기준값으로 저장된다(도 3의 적외선 x).

이와 같이 기준값 세팅이 종료되면, 모빌로봇(20)은 사용자의 명령 또는 프로그램에 의해 작동을 시작하며(S1), 도 4에 도시된 바와 같이, 프로그램 또는 사용자의 명령에 따라 작업영역을 주행한다(S2).

작동되는 양상에 따른 모빌로봇(20)의 위치정보는 내장된 엔코더(미도시)와 자이로스코프(21)를 통해 계산된다. 즉, 자이로스코프(21)는 실시간으로 모빌로봇 (20)이 상기 기준위치를 기준으로 어느 정도의 각도로 틀어져 있는지 로봇제어유닛(30)에 출력한다. 그러면, 로봇제어유닛(30)은 이 값을 상기 엔코더가 출력하는 구동유닛의 회전수 정보와 함께 rθ좌표계로 변환하여 현재 모빌로봇(20)의 위치를 계산한다. 따라서, 로봇제어유닛(30)은 입력된 프로그램에 따라 모빌로봇(20)이 정상적으로 동작하는지의 여부를 판단할 수 있다.

모빌로봇(20)의 작동 초기에는 자이로스코프(21)의 내부 오차가 무시할 수 있는 수준이기 때문에, 자이로스코프(21)에서 검출된 선회각을 실질적인 모빌로봇(20)의 선회각으로 간주할 수 있다. 하지만, 장시간 동작하게 될 경우, 자이로스코프(21) 내부 오차에 의해 실제 선회각과 자이로스코프(21)의 측정 값 사이의 차이가 발생되어 자이로스코프(21)의 보정이 필요하다. 따라서, 모빌로봇의 제어유닛(30)에는 소정의 보정 알고리즘이 구비되어 자이로스코프(21)에서 출력되는 선회각을 항상 신뢰성 있는 값으로 유지한다.

이 때, 주행경로상에 장애물이 감지되거나, 소정의 명령에 의해 회전 또는 선회를 하게 되면(S3), 자이로스코프(21)는 모빌로봇(20)의 선회정보를 출력하고, 이 정보에 의해 제 1 선회각 계산유닛(31)이 모빌로봇의 선회각을 계산한다(S4).

그리고, 상기 S4단계와는 독립적으로 적외선 수신유닛(22)은 외부충전장치(10)에 설치된 적외선 송신유닛(11)에서 방출되는 적외선을 감지하고, 이 정보를 이용하여 제 2 선회각 계산유닛(32)은 모빌로봇의 선회각을 계산한다.

한편, 적외선 수신유닛(22)은 대략 5분 간격으로 외부충전장치(10)에 설치된 적외선 송신유닛(11)에서 방출되는 '│'자 형의 직선 적외선 신호를 감지하여, 그 정보를 제 2 선회각 계산유닛(32)에 출력한다. 그러면, 제 2 선회각 계산유닛(32)은 기준위치에서 저장된 상기 기준값(도 3의 x)과 감지된 적외선 신호(도 3의 x')를 비교하여, 이 둘 사이의 각도로 선회각(B)의 값을 계산한다.

이처럼 적외선 수신유닛(22)이 5분 간격으로 진행되는 것은, 상기와 같은 보정단계가 너무 자주 실행될 경우 불필요한 계산이 많아져 로봇제어유닛(30)에 불필요한 부하가 걸릴 수 있기 때문이다. 이 시간 간격은 5분에 국한 된 것이 아니며, 로봇제어유닛(30)의 처리 용량 및 사용자의 선택에 따라 다양하게 가변될 수 있다.

이와 같이 제 1 선회각 계산유닛(31)과 제 2 선회각 계산유닛(32)에서 모빌로봇(20)의 선회각이 각각 계산되면, 비교유닛(33)은 제 1 및 제 2 선회각(A)(B)의 값을 비교한다(S6).

만일, 자이로스코프(21)가 정상적으로 작동중이라면, 자이로스코프(21)가 출력값을 이용하여 제 1 선회각 계산유닛(31)에서 계산된 모빌로봇(20)의 선회각(A)과 제 2 선회각 계산유닛(32)에서 계산된 모빌로봇(20)이 출력한 선회각(B)은 오차 범위내에서 유사한 값으로 나타난다. 하지만, 이 둘값의 차이가 오차범위 이상으로 벌어질 경우에는 자이로스코프(21)의 내부오차가 증가되어 정상적인 측정값이 출력되지 못하고 있는 것으로 간주할 수 있다. 이 경우, 로봇제어유닛(30)은 자이로스코프 보정단계(S8)로 제어 플로우를 진입시켜, 자이로스코프(21)에서 검출된 신호로 계산된 제 1 선회각(A) 값을 보정한다(S7).

자이로스코프 보정단계(S8)에서는 자이로스코프(21)의 내부오차를 제거하기 위한 방법으로 자이로스코프를 초기화(reset)할 수 있다. 즉, 자이로스코프(21)를 초기화하면, 장치에 누적된 누적 오차값들은 모두 삭제되고, 저장된 기준위치에서의 출력값을 기준으로 초기화된 위치에서의 측정값을 새롭게 출력한다. 또한, 이와 같이 자이로스코프(21)를 초기화 하는 방법 이외에도, 제 1 선회각(A)의 값을 제 2 선회각 계산유닛(32)에서 계산된 제 2 선회각(B)의 값으로 치환하여 보정하는 것도 가능하다.

그리고, 제 1 선회각(A)과 제 2 선회각(B)이 서로 같은 값을 가지거나, 상기 S8 단계에서 자이로스코프(21)의 보정이 완료되면, 모빌로봇(20)은 예정된 프로그램 또는 사용자의 작동명령에 따라 주행계속 단계(S9)로 진입하고, 작업완료여부를 판단하여, 상기와 같은 작업을 계속할 것인지 종료할 것인지를 결정한다(S10).

이와 같은 본 발명에 의하면, 자이로스코프(21)의 내부 오류에 의해 오차가 발생하더라도, 자이로스코프(21)와 독립적으로 설치되는 적외선 송/수신부(11)(22)에 의해 자이로스코프(21)의 내부 오차발생 시점을 확인할 수 있으므로, 적시에 자이로스코프(21)를 적절한 값을 출력하도록 보정할 수 있어, 모빌로봇(20)의 동작신뢰성을 향상시킬 수 있다.

이상과 같은 본 발명에 의하면, 외부충전장치에 설치된 적외선 송신유닛에서 일정 형상을 가지도록 필터링되어 방출되는 적외선이 모빌로봇이 선회하는 방향에 따라, 적외선 수신유닛에 결상되는 방향이 변하는 것을 이용하여 자이로스코프의 내부오차의 발생 시점을 감지하여, 자이로스코프를 적시에 보정할 수 있기 때문에 모빌로봇의 동작신뢰성을 향상시킬 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고, 또한 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 이하 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다양한 변형실시가 가능할 것이다.

Claims (9)

1. 자이로스코프를 가지는 모빌로봇과 상기 모빌로봇에 내장된 배터리를 충전하는 외부 충전장치를 가지는 모빌로봇 시스템의 자이로스코프 보정장치에 있어서,

   상기 외부 충전장치에 설치되어 적외선을 송출하는 적외선 송신장치;

   상기 모빌로봇에 설치되어 상기 적외선을 감지하는 적외선 수신장치; 및

   상기 적외선 수신장치에서 수신된 적외선 정보를 이용하여, 상기 자이로스코프의 내부오차를 보정하는 로봇제어유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 모빌로봇 시스템의 자이로스코프 보정장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 로봇제어유닛은,

   자이로스코프에서 출력되는 정보를 이용하여 모빌로봇의 선회각을 출력하는 제 1 선회각 계산유닛;

   상기 적외선 수신장치가 측정한 적외선의 정보를 이용하여 모빌로봇의 선회각을 계산하는 제 2 선회각 계산유닛; 및

   상기 제 1 및 제 2 선회각 계산유닛에서 출력된 모빌로봇의 선회각을 비교하는 비교유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 모빌로봇 시스템의 자이로스코프 보정장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 선회각 계산유닛은,

   상기 자이로스코프가 영의 값(zero)을 출력하는 기준위치에서 측정한 적외선과 감지위치에서 측정한 적외선과의 각도를 비교하여 그 차이값을 모빌로봇의 선회각으로 계산하는 것을 특징으로 하는 모빌로봇 시스템의 자이로스코프 보정장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 적외선 송신장치는,

   송출되는 적외선을 소정 파장의 직선으로 필터링하는 적외선 필터;를 포함하는 것을 특징으로하는 모빌로봇 시스템의 자이로스코프 보정장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 적외선 송신장치는,

   천장을 향해 적외선을 방출하도록 설치된 것을 특징으로 하는 모빌로봇 시스템의 자이로스코프 보정장치.
6. 적외선 송신장치가 설치된 외부충전장치와, 자이로스코프와 적외선 수신장치가 설치된 모빌로봇으로 구성된 모빌로봇 시스템의 자이로스코프 보정방법에 있어서,

   모빌로봇이 작동명령에 따라 동작하는 단계;

   모빌로봇이 장애물 또는 작동명령에 의해 진행 중 선회하는 단계;

   상기 단계에서 모빌로봇이 선회한 각도값을 자이로스코프로 감지하여 모빌로봇의 제 1 선회각을 계산하는 단계;

   상기 적외선 송신장치에서 송출되는 적외선 신호를 상기 적외선 수신장치에서검출하여 모빌로봇의 제 2 선회각을 계산하는 단계;

   상기 제 1 선회각과 제 2 선회각을 서로 비교하는 단계; 및

   상기 계산된 제 1 선회각 및 제 2 선회각들의 값차이가 오차범위 이상일 경우 상기 제 1 선회각을 보정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모빌로봇 시스템의 자이로스코프 보정방법.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 보정단계는,

   상기 자이로스코프를 초기화(reset) 하여 내부 오차를 삭제하고, 저장된 기준위치에서의 출력값을 기준으로 초기화된 위치에서의 제 1 선회각을 새롭게 계산하는 것을 특징으로 하는 모빌로봇 시스템의 자이로스코프 보정방법.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 보정단계는,

   상기 제 1 선회각을 상기 제 2 선회각으로 보정하는 것을 특징으로 하는 모빌로봇 시스템의 자이로스코프 보정방법.
9. 제 6 항에 있어서, 상기 비교단계는,

   소정 시간 간격으로 수행되는 것을 특징으로 하는 모빌로봇 시스템의 자이로스코프 보정방법.

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