KR101255024B1 - Relative localization system and method using ultrasonic sensor - Google Patents

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최종석
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Abstract

PURPOSE: A relative position estimation system and a method thereof based on an ultrasonic wave sensor are provided to estimate location and moving direction of an object. CONSTITUTION: A position estimation system includes a first mobile robot(10), a second mobile robot(20) and a server unit(30) . The first mobile robot is installed with a plurality of ultrasonic wave sensors and acquires distance information of an object in the surroundings. The second mobile robot is installed with a plurality of ultrasonic wave sensors and acquires distance information of the object in the surroundings. The server unit receives acquired distance information from the plurality of ultrasonic wave sensors installed in the first mobile robot and the second mobile robot. The server unit determines a pair of ultrasonic wave sensors having the same distance measurement value in the plurality of ultrasonic wave sensors installed in the first mobile robot and the plurality of ultrasonic wave sensors installed the second mobile robot and estimates a relative position and direction between the first mobile robot and the second mobile robot based on the determined pair of ultrasonic wave sensors. [Reference numerals] (12,22) Ultrasonic sensor; (14,24) Electronic compass; (16,26) Odometer; (18,28) Control unit; (30) Server unit;

Description

초음파 센서를 이용한 상대적 위치 추정 시스템 및 방법{Relative Localization System and Method using Ultrasonic Sensor}Relative Positioning System and Method Using Ultrasonic Sensors {Relative Localization System and Method using Ultrasonic Sensor}

본 발명은 초음파 센서를 기반으로 하여 타 물체의 위치와 진행 방향을 추정할 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a system and method for estimating the position and direction of travel of another object based on an ultrasonic sensor.

일반적으로 로봇에서 Localization은 어떠한 방법을 이용하여 현재 자신의 위치 또는 장애물, 벽 또는 다른 로봇의 위치를 추정하는 것을 말한다. 위치를 추정하는 목적에는 여러 가지가 있는데, 차량용 내비게이션과 같은 현재 자신의 위치를 알아내기 위한 목적이 있고, 장애물 피하기, 벽 따라가기 등 여러 가지 목적이 있을 수 있다.In general, localization in a robot is a method of estimating the current position or obstacles, walls or other robots by using some method. There are several purposes for estimating the location, including the purpose of finding your current location, such as vehicle navigation, and avoiding obstacles and following walls.

위치 추정을 위하여 GPS와 같이 현재 자신의 위치와 상대 물체의 위치를 구하는 방법이 있지만, 실내에서는 사용이 불가능하며, 또 정확도가 떨어져 정확한 위치를 알아내기가 쉽지 않다는 문제점이 있다. 또한, 카메라 등의 센서를 이용하여 현재 자신의 위치로부터 주변 물체의 위치를 파악하는 다양한 방법이 있다.There is a method for obtaining the current position and the position of the relative object like the GPS for position estimation, but there is a problem that can not be used indoors, it is difficult to determine the exact position due to the lack of accuracy. In addition, there are various methods of identifying the position of the surrounding object from its current position using a sensor such as a camera.

하지만, 특정 타 물체와 일정 대형을 유지하는 시스템을 구축하는 경우와 같은 경우에는 굳이 자신의 위치를 GPS 등과 같은 복잡한 시스템을 이용하는 것이 불필요하다. 이를 위하여 비교적 간단하고 비용이 싼 초음파 센서를 이용하는 방법이 제안되었다. 한국공개특허 제10-2003-0093387호 “이동체의 위치 및 방향 추정을 위한 초음파 센서 시스템”의 경우에도 이러한 초음파 센서를 이용한 위치 추정 방법을 개시하고 있다. 이 종래기술은 특히, 반사파를 처리하는 기존의 방법 대신 직접파를 처리하여 잡음에 강하며, 혼신 없는 시스템을 개시하고 있다.However, in the case of building a system that maintains a certain large size with a certain other object, it is unnecessary to use a complicated system such as a GPS by itself. For this purpose, a method using a relatively simple and inexpensive ultrasonic sensor has been proposed. Korean Unexamined Patent Publication No. 10-2003-0093387 "Ultrasonic sensor system for estimating the position and direction of the moving body" also discloses a position estimation method using such an ultrasonic sensor. In particular, this prior art discloses a system that is resistant to noise by processing direct waves instead of the conventional method of processing reflected waves, and has no interference.

하지만, 초음파 센서의 경우는 샘플링 주기가 비교적 길고 음파의 퍼짐으로 인하여 정확하지 않는 위치 정보가 검출된다는 문제점이 있다. However, in the case of the ultrasonic sensor, there is a problem that the sampling period is relatively long and inaccurate position information is detected due to the spread of sound waves.

한국공개특허 제10-2003-0093387호Korean Patent Publication No. 10-2003-0093387

본 발명은 위와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 초음파 센서, 전자 나침반 및 오도메트리 정보를 이용하여 간단하면서도 보다 정확한 위치 추정 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is to solve the above problems of the prior art, and to provide a simple and more accurate position estimation system and method using the ultrasonic sensor, electronic compass and odometry information.

이를 위해 본 발명의 일실시예에 따른 위치 추정 시스템은 복수의 초음파 센서가 설치되어 주변 물체까지의 거리 정보를 획득하는 제1 이동로봇과, 복수의 초음파 센서가 설치되어 주변 물체까지의 거리 정보를 획득하는 제2 이동로봇과, 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇에 각각 설치된 복수의 초음파 센서로부터 획득된 거리 정보를 수신하고, 상기 제1 이동로봇에 설치된 복수의 초음파 센서와, 상기 제2 이동로봇에 설치된 복수의 초음파 센서 중 같은 거리 같은 거리 측정값을 갖는 초음파 센서 쌍을 결정하고, 상기 결정된 초음파 센서 쌍을 기초로 상기 제1 이동로봇과 상기 제2 이동로봇 사시의 상대적인 위치 및 방향을 추정하는 서버부를 포함한다.To this end, the position estimation system according to an embodiment of the present invention is installed with a plurality of ultrasonic sensors to obtain the distance information to the surrounding object, and a plurality of ultrasonic sensors are installed to provide distance information to the surrounding object Receives the distance information obtained from the second mobile robot to obtain, and a plurality of ultrasonic sensors installed on the first mobile robot and the second mobile robot, respectively, a plurality of ultrasonic sensors installed on the first mobile robot, and the first A pair of ultrasonic sensors having the same distance and distance measurement value among a plurality of ultrasonic sensors installed in the mobile robot are determined, and relative positions and directions of the first mobile robot and the second mobile robot strabismus are based on the determined ultrasonic sensor pair. It includes a server unit for estimating.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 위치 추정 시스템의 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇은 각각 로봇의 전방 각도를 검출하는 전자 나침반을 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 결정된 초음파 센서 쌍 중에서, 상기 결정된 초음파 센서쌍을 기준으로 한 상기 제1 이동로봇의 방위각 및 상기 제2 이동로봇의 방위각의 합과 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇 각각의 전자나침반에서 측정되는 상기 제1 이동로봇의 전방 각도 및 상기 제2 이동로봇의 전방 각도의 합의 차이가 미리 설정된 임계값 이상인 초음파 센서 쌍은 위치 및 방향 추정을 위한 초음파 센서 쌍에서 제외시킬 수 있다.In addition, the first mobile robot and the second mobile robot of the position estimation system according to an embodiment of the present invention each further comprises an electronic compass for detecting the front angle of the robot, the control unit from among the determined ultrasonic sensor pair And a sum of the azimuth angle of the first mobile robot and the azimuth angle of the second mobile robot with respect to the determined ultrasonic sensor pair, and the first movement measured at the electronic compass of each of the first and second mobile robots. An ultrasonic sensor pair in which the difference between the sum of the front angle of the robot and the front angle of the second mobile robot is greater than or equal to a preset threshold may be excluded from the ultrasonic sensor pair for position and direction estimation.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 위치 추정 시스템의 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇은 각각의 로봇의 속도 및 각속도를 검출하는 오도메트리를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇의 각각의 오도메트리에서 검출된 로봇의 속도 및 각속도를 기초로 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇의 상대 위치를 결정하고, 상기 결정된 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇의 상대 위치가, 상기 결정된 초음파 센서 쌍을 기초로 한 측정 범위의 허용 오차 범위 이내에 위치한 경우에는 이 상대 위치를 추정 위치로 결정하고, 허용 오차 범위 밖에 위치한 경우에는 가장 가까운 허용 오차 범위의 경계값을 추정 위치로 결정할 수 있다.In addition, the first mobile robot and the second mobile robot of the position estimation system according to an embodiment of the present invention further includes an odometry for detecting the speed and the angular velocity of each robot, the control unit is the first The relative position of the first mobile robot and the second mobile robot is determined based on the speed and the angular velocity of the robot detected in each odometry of the mobile robot and the second mobile robot, and the determined first mobile robot is determined. And when the relative position of the second mobile robot is located within the tolerance range of the measurement range based on the determined ultrasonic sensor pair, the relative position is determined as an estimated position, and when the relative position of the second mobile robot is located outside the tolerance range, the closest allowance is allowed. The boundary value of the error range may be determined as the estimated position.

이때, 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇 각각의 오도메트리에서 검출된 로봇의 속도 및 각속도를 이용하여 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇 간의 상대 위치를 추정하는 것은, 상기 초음파 센서의 샘플링 시간 이외의 구간에서 수행되며, 상기 초음파 센서의 샘플링 시간에서는 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇 간의 상대 위치는 상기 초음파 센서에서 측정된 값으로 업데이트 될 수 있다.In this case, estimating a relative position between the first mobile robot and the second mobile robot by using the speed and the angular velocity of the robot detected in the respective odometry of the first and second mobile robots, the ultrasonic wave It is performed in a section other than the sampling time of the sensor, and in the sampling time of the ultrasonic sensor, the relative position between the first mobile robot and the second mobile robot may be updated with a value measured by the ultrasonic sensor.

이때, 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇에 설치되는 복수의 초음파 센서의 개수는 동일할 수 있다.In this case, the number of ultrasonic sensors installed in the first mobile robot and the second mobile robot may be the same.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 위치 추정 방법은 제1 이동로봇이 상기 제1 이동로봇에 설치된 초음파 센서로 주변 물체까지의 거리 정보를 획득하는 단계와, 제2 이동로봇이 상기 제2 이동로봇에 설치된 초음파 센서로 주변 물체까지의 거리 정보를 획득하는 단계와, 상기 제1 이동로봇에 설치된 복수의 초음파 센서와, 상기 제2 이동로봇에 설치된 복수의 초음파 센서 중 같은 거리 측정값을 갖는 초음파 센서 쌍을 결정하는 단계와, 상기 결정된 초음파 센서 쌍을 기초로 상기 제1 이동로봇과 상기 제2 이동로봇 사이의 상대적인 위치 및 방향을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, the position estimation method according to an embodiment of the present invention, the first mobile robot to obtain the distance information to the surrounding object with the ultrasonic sensor installed in the first mobile robot, the second mobile robot to the second movement Acquiring the distance information to the surrounding object with the ultrasonic sensor installed in the robot, ultrasonic waves having the same distance measurement value of the plurality of ultrasonic sensors installed in the first mobile robot, the plurality of ultrasonic sensors installed in the second mobile robot The method may include determining a sensor pair and determining a relative position and a direction between the first mobile robot and the second mobile robot based on the determined ultrasonic sensor pair.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 위치 추정 방법은, 상기 제1 이동로봇이 상기 제1 이동로봇에 설치되는 전자 나침반을 이용하여 상기 제1 이동로봇의 전방 각도를 측정하는 단계와, 상기 제2 이동로봇이 상기 제2 이동로봇에 설치되는 전자 나침반을 이용하여 상기 제2 이동로봇의 전방 각도를 측정하는 단계와, 상기 결정된 초음파 센서 쌍을 기준으로 한 상기 제1 이동로봇의 방위각 및 상기 제2 이동로봇의 방위각의 합이 상기 제1 이동로봇의 전방 각도 및 상기 제2 이동로봇의 전방 각도의 합의 차이가 미리 설정된 임계값 이상인지를 판단하는 단계와, 상기 차이가 미리 설정된 임계값 이상이라고 판단되는 경우, 상기 결정된 초음파 센서 쌍을 위치 및 방향 추정을 위한 초음파 센서 쌍에서 제외시키는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, the position estimation method according to an embodiment of the present invention, the first mobile robot measuring the front angle of the first mobile robot using an electronic compass installed in the first mobile robot, 2, the mobile robot measuring the front angle of the second mobile robot using an electronic compass installed in the second mobile robot, the azimuth angle and the first angle of the first mobile robot based on the determined ultrasonic sensor pair; 2 determining whether the sum of the azimuth angles of the mobile robots is equal to or greater than a preset threshold value between the front angle of the first mobile robot and the front angle of the second mobile robot; If determined, the method may further include excluding the determined ultrasonic sensor pair from the ultrasonic sensor pair for position and direction estimation.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 위치 추정 방법은, 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇 각각의 오도메트리에서 검출된 로봇의 속도 및 각속도를 기초로 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇의 상대 위치를 결정하는 단계와, 상기 결정된 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇의 상대 위치가, 상기 결정된 초음파 센서 쌍을 기초로 한 측정 범위의 허용 오차 범위 이내인지를 판단하는 단계와, 상기 허용 오차 범위 이내라고 판단되는 경우에는 상기 결정된 상대 위치를 추정 위치로 결정하는 단계와, 상기 허용 오차 범위 밖이라고 판단되는 경우에는 가장 가까운 허용 오차 범위의 경계값을 추정 위치로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, the position estimation method according to an embodiment of the present invention, based on the velocity and the angular velocity of the robot detected in each of the first mobile robot and the second mobile robot, the first mobile robot and the first Determining a relative position of the second mobile robot, and determining whether the determined relative positions of the first mobile robot and the second mobile robot are within an allowable error range of the measurement range based on the determined ultrasonic sensor pair; And determining the determined relative position as an estimated position if it is determined to be within the tolerance range, and determining a boundary value of the closest tolerance range as an estimated position if it is determined to be out of the tolerance range. It may include a step.

이때, 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇 각각의 오도메트리에서 검출된 로봇의 속도 및 각속도를 이용하여 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇 간의 상대 위치를 추정하는 것은, 상기 초음파 센서의 샘플링 시간 이외의 구간에서 수행되며, 상기 초음파 센서의 샘플링 시간에서는 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇 간의 상대 위치는 상기 초음파 센서에서 측정된 값으로 업데이트 될 수 있다.
In this case, estimating a relative position between the first mobile robot and the second mobile robot by using the speed and the angular velocity of the robot detected in the respective odometry of the first and second mobile robots, the ultrasonic wave It is performed in a section other than the sampling time of the sensor, and in the sampling time of the ultrasonic sensor, the relative position between the first mobile robot and the second mobile robot may be updated with a value measured by the ultrasonic sensor.

본 발명에 따른 위치 추정 시스템 및 방법은 상대 로봇과 자신의 로봇에 설치된 다수의 초음파 센서 중에서 측정된 거리값이 같은 센서 쌍을 찾음으로써 상대 로봇의 위치를 추정하며, 위치 추정의 정확성을 향상하기 위해 전자 나침반을 이용하여 장애물과 로봇을 효율적으로 구분할 수 있다.The position estimation system and method according to the present invention estimates the position of the relative robot by finding a pair of sensors having the same measured distance value among the relative robot and a plurality of ultrasonic sensors installed in the robot, and to improve the accuracy of the position estimation. The electronic compass can be used to efficiently distinguish obstacles from robots.

또한, 본 발명은 초음파 센서의 오도메트리 정보를 이용하여 상대 로봇의 위치를 보정함으로써 초음파 센서의 샘플링 주기로 인한 위치 추정의 부정확함을 보완한다.In addition, the present invention compensates for the inaccuracy of position estimation due to the sampling period of the ultrasonic sensor by correcting the position of the counterpart robot using the odometry information of the ultrasonic sensor.

특히, 본 발명은 이동 로봇간의 대형 유지를 위한 위치 추정 시스템을 간단한 구조로 구축하고, 보다 더 정확한 위치 추정을 할 수 있게 한다.In particular, the present invention enables the construction of a position estimation system for large-scale maintenance between mobile robots with a simple structure, and more accurate position estimation.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 위치 추정 시스템의 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 위치 추정 시스템의 방향 추정 설명은 위한 두 이동 로봇의 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따른 위치 추정 시스템의 이동 로봇에 설치되는 초음파 센서의 배치도이다.
도 4는 두 이동로봇에서 초음파 센서의 측정 거리가 같고 서로 마주하는 센서 쌍을 나타내는 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 위치 추정 시스템이 올바른 센서 쌍을 찾지 못하는 오류 발생 상황을 나타내는 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 오도메트리 정보를 이용하여 이동 로봇간 상대 위치를 추정하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 7은 오도메트리를 이용한 상대 위치 및 초음파 센서의 측정 범위의 허용 오차 범위를 이용한 이동 로봇간 상대 위치를 결정하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 위치 추정 방법을 설명하는 순서도이다.1 is a schematic structural diagram of a position estimation system according to an embodiment of the present invention.
2 is a conceptual diagram of two mobile robots for explaining the direction estimation of the position estimation system according to an embodiment of the present invention.
3 is a layout view of an ultrasonic sensor installed in the mobile robot of the position estimation system according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating sensor pairs in which the ultrasonic sensors have the same measurement distance and face each other in two mobile robots.
5A and 5B are diagrams illustrating an error occurrence situation in which the position estimation system according to the present invention cannot find a correct sensor pair.
6A to 6C are diagrams illustrating a method of estimating relative positions between mobile robots using odometry information.
7 is a diagram illustrating a method of determining a relative position between mobile robots using a relative position using an odometry and a tolerance range of a measurement range of an ultrasonic sensor.
8 is a flowchart illustrating a position estimation method according to an embodiment of the present invention.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다. 그러나, 첨부도면 및 이하의 설명은 본 발명에 따른 위치 추정 시스템 및 방법의 가능한 일실시예에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상은 위 내용에 한정되지 아니한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the accompanying drawings and the following description are only possible embodiments of the position estimation system and method according to the present invention, and the technical spirit of the present invention is not limited to the above.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 위치 추정 시스템의 개략 구성도이다.1 is a schematic structural diagram of a position estimation system according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 위치 추정 시스템은 제1 이동로봇(10)과, 제2 이동로봇(20) 및 서버부(30)를 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 1, a position estimation system according to an embodiment of the present invention includes a first mobile robot 10, a second mobile robot 20, and a server unit 30.

제1 이동로봇(10)는 초음파 센서(12)와, 전자 나침반(14)과, 오도메트리(16)와, 제어부(18)를 포함하여 구성되며, 마찬가지로 제2 이동로봇(20) 역시 초음파 센서(22)와, 전자 나침반(24)과, 오도메트리(26)와, 제어부(28)를 포함하여 구성된다.The first mobile robot 10 includes an ultrasonic sensor 12, an electronic compass 14, an odometry 16, and a controller 18. Similarly, the second mobile robot 20 also includes ultrasonic waves. The sensor 22, the electronic compass 24, the odometry 26, and the control part 28 are comprised.

초음파 센서(12, 20)는 소나 센서 등으로 구성되어 주변 물체까지의 거리를 측정하는 역할을 한다.The ultrasonic sensors 12 and 20 are configured as sonar sensors to measure the distance to the surrounding objects.

전자 나침반(14, 24)은 디지털 콤파스라고도 불리우며, 이동 로봇의 전방 각도를 검출하는 역할을 한다.The electronic compasses 14 and 24, also called digital compasses, serve to detect the forward angle of the mobile robot.

오도메트리(16, 26)는 이동 로봇(10, 20)의 바퀴에 설치된 엔코더 등의 장치에 의해 획득되는 바퀴의 회전속도 및 회전각 등의 정보로부터 이동 로봇(10, 20)의 이동 속도(v) 및 각속도(w)를 검출하는 역할을 한다.The odometry 16, 26 is a moving speed of the mobile robot 10, 20 based on information such as the rotational speed and the rotation angle of the wheel obtained by an apparatus such as an encoder installed on the wheels of the mobile robot 10, 20. v) and angular velocity w.

제어부(18, 28)는 이러한 초음파 센서(12, 20)와, 전자 나침반(14, 24)과, 오도메트리(16, 26)의 센싱 정보를 수신하여 이동 로봇(10, 20)를 전체적으로 제어하는 역할을 한다.The controller 18, 28 receives the sensing information of the ultrasonic sensors 12, 20, the electronic compasses 14, 24, and the odometry 16, 26 to control the mobile robot 10, 20 as a whole. It plays a role.

서버부(30)는 제1 이동로봇(10)과 제2 이동로봇(20)과 무선 통신방식으로 정보를 송수신할 수 있으며, 제1 이동로봇(10) 및 제2 이동로봇(20)은 서버부(30)에서 수신된 정보를 기초로 상대방 로봇의 상대적인 위치 및 방향을 추정할 수 있다.The server unit 30 may transmit and receive information to and from the first mobile robot 10 and the second mobile robot 20 in a wireless communication manner, and the first mobile robot 10 and the second mobile robot 20 may be servers. The relative position and direction of the counterpart robot may be estimated based on the information received from the unit 30.

서버부(30)는 특히, 제1 이동로봇(10) 및 제2 이동로봇(20)에 설치된 각 센서들에서 수신되는 정보를 기초로 직접 두 이동로봇(10, 20) 간의 상대적인 위치 및 방향을 계산할 수 있다. 물론, 본 명세서에서 도시하지는 않았지만, 서버부(30)가 취합한 정보를 각각의 이동로봇(10, 20)의 제어부(18, 28)가 수신하여, 이 수신된 정보를 기초로 각 이동 로봇(10, 20)이 직접 타 이동 로봇의 상대적인 위치 및 방향을 계산할 수도 있다. 본 명세서에는 서버부(30)가 센싱된 정보를 수신하고, 이 정보를 기초로 두 이동 로봇(10, 20) 간의 상대적인 위치 및 방향을 계산하여 각 이동 로봇(10, 20)에 전송하는 것을 일실시예로 설명한다. 서버부(30)의 구체적인 동작에 대해서는 뒤에서 상술하기로 한다.In particular, the server unit 30 directly determines the relative position and direction between the two mobile robots 10 and 20 based on the information received from the sensors installed in the first and second mobile robots 10 and 20. Can be calculated Of course, although not shown in the present specification, the control unit 18, 28 of each of the mobile robots 10, 20 receives the information collected by the server unit 30, and based on the received information, each mobile robot ( 10, 20) may directly calculate the relative position and direction of the other mobile robot. In the present specification, the server unit 30 receives the sensed information, and calculates a relative position and direction between the two mobile robots 10 and 20 based on this information, and transmits it to each mobile robot 10 and 20. It demonstrates by an Example. The detailed operation of the server unit 30 will be described later.

특히, 본 발명은 자신을 기준으로 한 상대방 로봇의 상대적인 위치 및 방향을 추정하여 상대방 로봇과 일정 대형을 유지하면서 이동할 수 있는 시스템을 구현하는 것에 초점을 맞춘다.In particular, the present invention focuses on implementing a system capable of moving while maintaining a certain large size with the counterpart robot by estimating the relative position and direction of the counterpart robot based on itself.

이에 따라, 이하 설명에서는 제1 이동로봇(10)을 제2 이동로봇(20)을 추종하는 추종자(follower)로, 제2 이동로봇(20)을 추종의 타겟이 되는 리더(leader)로 가정하여 설명하기로 한다.
Accordingly, in the following description, it is assumed that the first mobile robot 10 is a follower following the second mobile robot 20 and the second mobile robot 20 is a leader that is the target of the following. Let's explain.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 위치 추정 시스템의 방향 추정 설명은 위한 두 이동 로봇의 개념도이다.2 is a conceptual diagram of two mobile robots for explaining the direction estimation of the position estimation system according to an embodiment of the present invention.

제1 이동로봇(10) 및 제2 이동로봇(20)은 실제 로봇의 모양이 아닌 로봇의 전방 방향을 쉽게 인지할 수 있도록 하는 화살표 끝 모양으로 도시하였다. 점선 부분은 뒤에 설명될 내용과 같이 두 개의 초음파 센서 상이 결정된 경우 두 초음파 센서 상의 중심을 연결한 선에 해당한다.The first mobile robot 10 and the second mobile robot 20 are shown in the shape of an arrow tip to easily recognize the forward direction of the robot, not the shape of the actual robot. The dotted line portion corresponds to a line connecting the centers of the two ultrasonic sensors when the two ultrasonic sensors are determined as described later.

도 2에는 각 이동 로봇(10, 20)의 전방 방향을 기초로 한 로봇의 전방 각도, 초음파 센서들의 방위각이 도시되어 있다. 이러한 값들을 이용하여 상대 위치 및 방향을 추정하는 방법에 대해서는 뒤에 상술한다.
2 shows the front angle of the robot and the azimuth angle of the ultrasonic sensors based on the forward direction of each mobile robot 10, 20. The method of estimating relative position and direction using these values will be described later.

도 3은 본 발명에 따른 위치 추정 시스템의 이동 로봇에 설치되는 초음파 센서의 배치도이다.3 is a layout view of an ultrasonic sensor installed in the mobile robot of the position estimation system according to the present invention.

초음파 센서들은 중앙의 이동 로봇 일정한 간격을 두고 배치된다. 도 3에서는 각 초음파 센서들의 감지 가능한 영역이 빔의 폭을 고려하여 부채꼴의 모양으로 표시되어 있다. 이동 로봇에는 복수 개의 초음파 센서가 설치되는데, 도 3에서는 10개의 초음파 센서가 설치된 경우를 도시하였다. The ultrasonic sensors are arranged at regular intervals in the center of the mobile robot. In FIG. 3, the detectable areas of the ultrasonic sensors are displayed in a fan shape in consideration of the beam width. A plurality of ultrasonic sensors are installed in the mobile robot, and FIG. 3 illustrates a case where ten ultrasonic sensors are installed.

10개의 초음파 센서들은 36도의 간격으로 0도, 180도, 36도, -36도, 72도, 108도, -108도, 144도, -144도의 각도를 할당 받아 배치되어 있다. 이때, 각 각도의 값은 각 초음파 센서의 중심이 향하는 각도를 의미한다.
Ten ultrasonic sensors are arranged at angles of 0 degrees, 180 degrees, 36 degrees, -36 degrees, 72 degrees, 108 degrees, -108 degrees, 144 degrees, and -144 degrees at intervals of 36 degrees. In this case, the value of each angle means an angle toward which the center of each ultrasonic sensor is directed.

도 4는 두 이동로봇에서 초음파 센서의 측정 거리가 같고 서로 마주하는 센서 쌍을 나타내는 도면이다.FIG. 4 is a diagram illustrating sensor pairs in which the ultrasonic sensors have the same measurement distance and face each other in two mobile robots.

두 이동 로봇(10, 20)이 서로 인접해 있을 경우, 도 4에 도시된 바와 같이 서로를 바라보는 센서 쌍이 존재하게 된다. 이렇게 서로 마주보는 초음파 센서 쌍이 존재하는 경우에는 해당 초음파 센서의 중심이 향하는 방향에 상대방 로봇이 위치해 있고, 초음파 센서에서 감지되는 거리를 이용하여 상대방 로봇까지의 거리를 추정할 수 있다. When the two mobile robots 10 and 20 are adjacent to each other, there is a sensor pair facing each other as shown in FIG. When there is a pair of ultrasonic sensors facing each other like this, the other robot is located in the direction that the center of the corresponding ultrasonic sensor is facing, and the distance to the other robot can be estimated using the distance detected by the ultrasonic sensor.

본 발명에 따른 위치 추정 시스템을 이렇게 초음파 센서의 거리 측정값이 같은 두 센서 쌍을 찾아 타 이동로봇의 위치 및 방향을 추정한다. 이때, 두 센서의 거리값은 도 2에 도시된 바와 같이 제1 이동로봇(10과, 제2 이동 로봇(20) 사이의 거리 dji 이 된다. 도 2에서, 두 이동 제1 이동로봇(10) 및 제2 이동로봇(20)의 방위각(Bearing angle)

Figure 112011082929051-pat00001
및
Figure 112011082929051-pat00002
는 마주 보는 두 초음파 센서 각각에서의 중심 각도가 된다. 즉,
Figure 112011082929051-pat00003
는 제1 이동로봇(10)을 기준으로 한 제2 이동로봇(20)의 방위각을 의미하며,
Figure 112011082929051-pat00004
는 제2 이동로봇(10)을 기준으로 한 제1 이동로봇(10)의 방위각을 의미한다.The position estimation system according to the present invention finds two sensor pairs having the same distance measurement value of the ultrasonic sensor and estimates the position and direction of the other mobile robot. At this time, the distance value of the two sensors is the distance d ji between the first mobile robot 10 and the second mobile robot 20, as shown in Figure 2. In Figure 2, two moving first mobile robot 10 ) And the bearing angle of the second mobile robot 20
Figure 112011082929051-pat00001
And
Figure 112011082929051-pat00002
Is the center angle in each of the two ultrasonic sensors facing each other. In other words,
Figure 112011082929051-pat00003
Denotes an azimuth angle of the second mobile robot 20 based on the first mobile robot 10,
Figure 112011082929051-pat00004
Denotes an azimuth angle of the first mobile robot 10 with respect to the second mobile robot 10.

이때, 제1 이동로봇(10)을 기준으로 한 제2 이동로봇(20)의 자세(pose)를 나타내는

Figure 112011082929051-pat00005
와, 두 이동 로봇(10, 20) 간의 전방 각도의 차이(Heading angle difference)를 나타내는
Figure 112011082929051-pat00006
는 다음의 수학식 1 및 2에 의해 구할 수 있다.In this case, the pose of the second mobile robot 20 with respect to the first mobile robot 10 is shown.
Figure 112011082929051-pat00005
And a heading angle difference between the two mobile robots 10 and 20.
Figure 112011082929051-pat00006
Can be obtained by the following equations (1) and (2).

Figure 112011082929051-pat00007
Figure 112011082929051-pat00007

Figure 112011082929051-pat00008
Figure 112011082929051-pat00008

이와 같은 방법으로 두 이동 로봇(10, 20) 간의 거리를 구할 수 있으며, 복수의 초음파 센서 중에서 거리가 같고, 마주보는 센서 쌍을 찾아 타 이동 로봇의 상태 위치 및 방향을 추정할 수 있다. 하지만, 각 초음파 센서에서 측정되는 거리가 같다고 하더라도 서로 마주보는 센서 쌍이 아닌 경우가 발생하여 오류가 발행할 수 있는 경우가 있다. 이와 같은 경우가 도 5a 및 도 5b에 도시되어 있다.
In this way, the distance between the two mobile robots 10 and 20 can be obtained, and the position and direction of the other mobile robot can be estimated by finding a pair of sensors having the same distance and facing each other among the plurality of ultrasonic sensors. However, even if the distances measured by the respective ultrasonic sensors are the same, there may be cases where an error may occur due to a case in which the sensor pairs do not face each other. This case is illustrated in FIGS. 5A and 5B.

도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 위치 추정 시스템이 올바른 센서 쌍을 찾지 못하는 오류 발생 상황을 나타내는 도면이다.5A and 5B are diagrams illustrating an error occurrence situation in which the position estimation system according to the present invention cannot find a correct sensor pair.

도 5a에서는 제1 이동로봇(10)과 제2 이동로봇(20)이 특정한 장애물까지의 거리를 측정한 거리값이 같은 두 초음파 센서 쌍을 도시하고 있다. 하지만, 도시된 바와 같이 두 센서 쌍은 서로 마주보고 있지 않아, 이러한 센서 쌍으로 방향을 추정하는 경우에는 오류가 발생하게 된다.In FIG. 5A, two ultrasonic sensor pairs having the same distance value measured by the first mobile robot 10 and the second mobile robot 20 to a specific obstacle are illustrated. However, as shown, the two sensor pairs do not face each other, and thus an error occurs when the direction is estimated using the sensor pair.

도 5b에서는 제1 이동로봇(10)은 특정 장애물까지의 거리를 측정하고, 제2 이동로봇(20)은 제1 이동로봇(10)까지의 거리값을 측정하였을 때 거리값이 같은 두 초음파 센서 쌍을 도시하고 있다. 이 경우 역시 두 초음파 센서 쌍은 서로 마주보고 있지 않아 방향 추정에 오류가 발생하게 된다. In FIG. 5B, when the first mobile robot 10 measures a distance to a specific obstacle, and the second mobile robot 20 measures a distance value to the first mobile robot 10, two ultrasonic sensors having the same distance value are used. The pair is shown. In this case, too, the two ultrasonic sensor pairs do not face each other, resulting in an error in the direction estimation.

본 발명은 이러한 오류의 발생을 막기 위해 전자 나침반을 이용하여 장애물과 타 이동로봇을 구분한다. 전자 나침반(14, 24)은 제1 이동로봇의 전방 각도(Heding angle)

Figure 112011082929051-pat00009
및 제2 이동로봇의 전방 각도
Figure 112011082929051-pat00010
를 검출한다. 다음의 수학식 3에 의해서 두 이동 로봇(10, 20)의 전방 각도의 차이
Figure 112011082929051-pat00011
가 결정된다.The present invention distinguishes obstacles from other mobile robots by using an electronic compass to prevent the occurrence of such an error. Electronic compasses (14, 24) is the front angle (Heding angle) of the first mobile robot
Figure 112011082929051-pat00009
And the front angle of the second mobile robot
Figure 112011082929051-pat00010
. Difference between the front angles of the two mobile robots 10 and 20 by the following equation (3)
Figure 112011082929051-pat00011
Is determined.

Figure 112011082929051-pat00012
Figure 112011082929051-pat00012

이렇게 전자 나침반(14, 24)에 의해서 획득된 전방 각도의 차이

Figure 112011082929051-pat00013
는 다음의 수학식 4의 조건을 만족하여야 한다.The difference in front angle thus obtained by the electronic compasses 14 and 24
Figure 112011082929051-pat00013
Must satisfy the condition of Equation 4 below.

Figure 112011082929051-pat00014
Figure 112011082929051-pat00014

즉, 초음파 센서(12, 22)로부터 측정된 두 이동 로봇(10, 20)의 전방 각도의 차이와, 전자 나침반에 의해서 측정된 두 이동 로봇(10, 20)의 전방 각도의 차이가 같아야 함을 의미한다. 따라서, 두 값이 거의 같아야 신뢰할 수 있는 초음파 센서 쌍이 되는 것이다.That is, the difference between the front angles of the two mobile robots 10 and 20 measured from the ultrasonic sensors 12 and 22 and the difference between the front angles of the two mobile robots 10 and 20 measured by the electronic compass should be the same. it means. Therefore, the two values must be approximately equal to a reliable pair of ultrasonic sensors.

따라서, 본 발명은 초음파 센서 쌍을 기준으로 한 제1 이동로봇(10)의 방위각 및 제2 이동로봇(20)의 방위각의 합, 제1 이동로봇(10) 및 제2 이동로봇(20) 각각의 전자 나침반(14, 24)에서 측정되는 제1 이동로봇의 전방 각도 및 상기 제2 이동로봇의 전방 각도의 차이값과의 차이가 미리 설정된 임계값 이상인 초음파 센서 쌍은 위치 및 방향 추정을 위한 초음파 센서 쌍에서 제외시킨다. Therefore, according to the present invention, the sum of the azimuth angle of the first mobile robot 10 and the azimuth angle of the second mobile robot 20 based on the pair of ultrasonic sensors, respectively, the first mobile robot 10 and the second mobile robot 20, respectively. The pair of ultrasonic sensors whose difference between the front angle of the first mobile robot and the front angle of the second mobile robot measured by the electronic compass 14 and 24 of the second compass is greater than or equal to a preset threshold, is an ultrasonic wave for position and direction estimation. Exclude from sensor pair.

이러한 방법으로, 장애물과 타 이동 로봇을 혼동하지 않고 정확하게 위치 및 방향을 추정할 수 있다. 하지만, 초음파 센서의 특성상 센싱하는 샘플링 주기가 길기 때문에 위치 추정 시스템의 위치 및 방향 검출의 샘플링 주기가 더 짧은 경우가 많아 세밀하고 정확한 위치 및 방향 추정에 한계가 있게 된다.In this way, the position and direction can be estimated accurately without confusing the obstacle with the other mobile robot. However, due to the characteristics of the ultrasonic sensor, the sampling period for sensing is long, and thus, the sampling period of position and direction detection of the position estimation system is often shorter, thereby limiting detailed and accurate position and direction estimation.

즉, 초음파 센서의 한 샘플링 시간에서 측정값이 획득된 경우 다음 샘플링 시간까지는 시스템에서 새로이 위치 및 방향 추정을 위한 샘플링 시간이 되어서 새로운 값으로 업데이트 될 수 없다. 본 발명은 이러한 단점을 극복하기 위해 오도메트리 정보를 이용하여 이를 보완한다.
That is, if the measured value is acquired at one sampling time of the ultrasonic sensor, the new sampling time for the position and direction estimation may not be updated to the new value until the next sampling time. The present invention compensates for this by using odometry information to overcome this disadvantage.

도 6a 내지 도 6c는 오도메트리 정보를 이용하여 이동 로봇간 상대 위치를 추정하는 방법을 나타내는 도면이다.6A to 6C are diagrams illustrating a method of estimating relative positions between mobile robots using odometry information.

본 발명에서는 GPS와 같은 글로벌 좌표(Global coordinate)를 사용하지 않고, 상대적인 위치만 알 수 있는 로컬 좌표(Local coordinate)를 사용한다. 즉, 리더가 되는 이동 로봇의 좌표와 전방 각도를 추종하는 이동 로봇을 기준으로 나타내기 위해, 추종하는 이동 로봇의 좌표와 진행 방향을 기준으로 하는 로컬 좌표를 정의한다. In the present invention, rather than using global coordinates such as GPS, local coordinates that can know only relative positions are used. That is, in order to represent the coordinates of the mobile robot to be the leader and the mobile robot following the front angle, the local coordinates are defined based on the coordinates and the moving direction of the following mobile robot.

도 6a에 도시된 바와 같이 추종하는 제1 이동로봇(10)의 좌표는 항상 (0,0)이 되고, 리더인 제2 이동로봇(20)의 좌표는 이 제1 이동로봇(10)의 좌표를 원점으로 한 상대적인 좌표가 된다.As shown in FIG. 6A, the coordinate of the following first mobile robot 10 is always (0,0), and the coordinate of the second mobile robot 20 as a leader is the coordinate of the first mobile robot 10. It is relative coordinates with the origin.

이때, 도 6b에 도시된 바와 같이 두 이동 로봇(10, 20)이 각각 이동하게 되면, 오도메트리(16, 26)에 의해 획득된 이동 로봇(10, 20)의 속도 및 각속도 정보를 이용하여 제1 이동로봇(10) 및 제2 이동로봇(20)의 새로운 좌표를 알 수 있다. In this case, as shown in FIG. 6B, when the two mobile robots 10 and 20 move, respectively, the speed and the angular velocity information of the mobile robots 10 and 20 acquired by the odometry 16 and 26 are used. The new coordinates of the first mobile robot 10 and the second mobile robot 20 can be known.

이 경우, 도 6c에 도시된 것처럼 이동한 후의 새로운 제1 이동로봇(10)의 좌표를 새로운 원점으로 설정하고, 제1 이동로봇(10)의 좌표 이동에 따른 좌표계 변환 매트릭스를 구하여 제2 이동로봇(20)의 좌표 또한 구할 수 있게 된다. In this case, as shown in FIG. 6C, the coordinates of the new first mobile robot 10 after moving are set to a new origin, and a coordinate system transformation matrix according to the coordinate movement of the first mobile robot 10 is obtained to obtain a second mobile robot. The coordinates of (20) can also be obtained.

하지만, 이러한 오도메트리16, 26)를 이용한 상대 위치 추정 방법도 바퀴가 미끄러지거나 하는 등의 상황이 발생하는 경우 오차가 누적되어 큰 오류를 발생할 수 가 있다. 따라서, 이렇게 오도메트리 정보를 이용해서 구한 상대 위치 및 방향이 신뢰할 수 있는 값인지 검증할 필요가 있다.
However, in the relative position estimation method using such odometry 16, 26, errors may accumulate when a situation such as wheel slippage occurs and a large error may occur. Therefore, it is necessary to verify whether the relative position and direction obtained using the odometry information are reliable values.

도 7은 오도메트리를 이용한 상대 위치 및 초음파 센서의 측정 범위의 허용 오차 범위를 이용한 이동 로봇간 상대 위치를 결정하는 방법을 나타내는 도면이다.7 is a diagram illustrating a method of determining a relative position between mobile robots using a relative position using an odometry and a tolerance range of a measurement range of an ultrasonic sensor.

도 7을 참조하면, 제1 이동로봇(10)의 특정 초음파 센서에서 측정 가능한 감지 영역에서, 음영 부분은 소나 빔의 폭과 거리 오차를 감안한 허용 오차 범위이다. 만약, 오도메트리 정보를 이용하여 구한 제2 이동로봇(20)의 위치

Figure 112011082929051-pat00015
가 도 7의 ①의 음역 영역에 위치한다면 이 값을 신뢰하여
Figure 112011082929051-pat00016
를 제2 이동로봇(20)의 위치로 추정한다. 만약,
Figure 112011082929051-pat00017
가 ②의 영역과 같이 허용 오차 범위를 벗어난 곳에 위치하는 경우네는 허용 오차 범위인 음영 부분에 가장 가까운 곳의 좌표(즉, 경계면에서의 좌표)를 제2 이동로봇(20)의 추정 위치로 결정한다. Referring to FIG. 7, in the detection area that can be measured by a specific ultrasonic sensor of the first mobile robot 10, the shaded portion is a tolerance range in consideration of the width and distance error of the sonar beam. If, the position of the second mobile robot 20 obtained using the odometry information
Figure 112011082929051-pat00015
If is located in the range of ① of Fig. 7 trust this value
Figure 112011082929051-pat00016
Is estimated as the position of the second mobile robot 20. if,
Figure 112011082929051-pat00017
If is located outside the tolerance range, such as the area of ②, yes determines the coordinates (ie, the coordinates at the boundary surface) closest to the shaded portion that is the tolerance range as the estimated position of the second mobile robot 20. do.

이렇게 오도메트리 정보를 이용하여 로봇의 상대 위치를 추정을 보완하는 것은 초음파 센서의 샘플링 시간 이외에서 수행되고, 초음파 센서의 샘플링 시간에서 초음파 센서의 값에 기초한 상대 위치가 결정되는 이 값을 우선한다.
Compensating the estimation of the relative position of the robot by using the odometry information is performed in addition to the sampling time of the ultrasonic sensor, and takes precedence over this value, which is determined based on the value of the ultrasonic sensor at the sampling time of the ultrasonic sensor. .

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 위치 추정 방법을 설명하는 순서도이다.8 is a flowchart illustrating a position estimation method according to an embodiment of the present invention.

먼저, 제1 이동로봇(10) 및 제2 이동로봇(20)의 초음파 세서(12, 22)로부터 거리 정보를 획득한다(800). 거리 정보가 획득되면 같은 거리 측정값을 갖는 초음 센서 쌍을 결정한다(810). 이때, 결정된 초음파 센서 쌍의 신뢰성을 검증하기 위해서 제1 이동로봇(10) 및 제2 이동로봇(20)의 전자 나침반(14, 24)으로부터 전방 각도를 획득하고(812), 초음파 센서 상이 유효한 것인지를 판단한다(814).First, the distance information is obtained from the ultrasonic parsers 12 and 22 of the first mobile robot 10 and the second mobile robot 20 (800). When the distance information is obtained, a pair of ultrasonic sensors having the same distance measurement value is determined (810). In this case, in order to verify the reliability of the determined ultrasonic sensor pair, the front angle is obtained from the electronic compasses 14 and 24 of the first and second mobile robots 10 and 20 (812), and whether the ultrasonic sensor image is valid. Determine (814).

이때, 초음파 센서 쌍이 유효한지 판단하는 방법은 앞에서 설명한 바와 같이, 초음파 센서(12, 22)로부터 획득된 이동 로봇(10, 20) 간의 전방 각도의 차이와, 전자 나침반(14, 24)로부터 획득된 이동 로봇(10, 20) 간의 전방 각도의 차이가 같은 지를 이용하여 판단한다.At this time, the method of determining whether the ultrasonic sensor pair is valid as described above, the difference in the front angle between the mobile robot (10, 20) obtained from the ultrasonic sensors 12, 22, and obtained from the electronic compass (14, 24) The difference between the front angles between the mobile robots 10 and 20 is determined using the same.

만약, 유효하지 않다고 판단되면, 해당 초음파 센서 쌍은 위치 결정을 위한 센서 쌍에서 제외하고(816), 오도메트리 정보에 기초하여 위치 추정을 한다(818).If it is determined that it is not valid, the ultrasonic sensor pair excludes the sensor pair for position determination (816), and estimates the position based on the odometry information (818).

초음파 센서 쌍이 유효하다고 판단되면, 현재 초음파 센서(12, 22)의 샘플링 시간에서의 측정값인지를 판단한다(820). 만약, 초음파 센서(12, 22)의 샘플링 시간에서의 측정값이라고 판단되면, 앞에서 결정된 초음파 센서 쌍에 기초하여 바로 상대 위치 및 방향을 추정한다(828).If it is determined that the ultrasonic sensor pair is valid, it is determined whether it is a measured value at the sampling time of the ultrasonic sensors 12 and 22 (820). If it is determined that the measured value at the sampling time of the ultrasonic sensors 12 and 22 is determined, the relative position and direction are immediately estimated based on the pair of ultrasonic sensors determined above (828).

반면, 초음파 센서의 샘플링 시간에서의 측정값이 아니라고 판단되면, 오도메트리 정보에 기초하여 상대 위치를 계산하고(822), 오도메트리 정보에 기초로한 상대 위치가 초음파 센서쌍을 기초로 한 측정 범위의 허용 오차범위 이내에 위치하는 지를 판단한다(824).On the other hand, if it is determined that it is not a measured value at the sampling time of the ultrasonic sensor, the relative position is calculated based on the odometry information (822), and the relative position based on the odometry information is based on the ultrasonic sensor pair. It is determined whether it is located within the tolerance range of the measurement range (824).

이때, 허용 오차 범위 이내인 경우에는 오도메트리 정보에 기초한 상대 위치를 추정 위치로 결정하고(826), 허용 오차 범위 밖인 경우에는 그 지점에서 가장 가까운 허용 오차 범위 영역의 위치를 추정 위치로 결정한다(827).In this case, if the position is within the tolerance range, the relative position based on the odometry information is determined as the estimated position (826), and if it is outside the tolerance range, the position of the tolerance region closest to the point is determined as the estimated position. (827).

본 발명은 이러한 방법으로 초음파 센서의 낮은 해상도를 보완하고, 오차가 누적되는 오도메트리 정보를 보완할 수 있다. 이렇게 상대방 로봇의 상대적인 위치 및 방향이 결정되면 두 이동 로봇(10, 20)이 일정한 대형을 유지하면 주행할 수 있게 된다.In this way, the present invention can compensate for the low resolution of the ultrasonic sensor and compensate for the error of cumulative odometry information. In this way, when the relative position and direction of the other robot is determined, the two mobile robots 10 and 20 can travel when they maintain a constant formation.

10 : 제1 이동로봇 20 : 제 2 이동로봇
30 : 서버부 10: first mobile robot 20: second mobile robot
30: server unit

Claims (9)

복수의 초음파 센서가 설치되어 주변 물체까지의 거리 정보를 획득하는 제1 이동로봇;
복수의 초음파 센서가 설치되어 주변 물체까지의 거리 정보를 획득하는 제2 이동로봇; 및
상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇에 각각 설치된 복수의 초음파 센서로부터 획득된 거리 정보를 수신하고, 상기 제1 이동로봇에 설치된 복수의 초음파 센서와, 상기 제2 이동로봇에 설치된 복수의 초음파 센서 중 같은 거리 측정값을 갖는 초음파 센서 쌍을 결정하고, 상기 결정된 초음파 센서 쌍을 기초로 상기 제1 이동로봇과 상기 제2 이동로봇 사이의 상대적인 위치 및 방향을 추정하는 서버부를 포함하는 위치 추정 시스템.A first mobile robot, in which a plurality of ultrasonic sensors are installed to obtain distance information to surrounding objects;
A second mobile robot installed with a plurality of ultrasonic sensors to obtain distance information to a surrounding object; And
Receives distance information obtained from a plurality of ultrasonic sensors installed on the first mobile robot and the second mobile robot, respectively, a plurality of ultrasonic sensors installed on the first mobile robot and a plurality of ultrasonic waves installed on the second mobile robot. A position estimating system including a server unit for determining an ultrasonic sensor pair having the same distance measurement value among the sensors, and estimating a relative position and direction between the first mobile robot and the second mobile robot based on the determined ultrasonic sensor pair. . 제1항에 있어서,
상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇은 각각 로봇의 전방 각도를 검출하는 전자 나침반을 더 포함하고,
상기 서버부는 상기 결정된 초음파 센서 쌍 중에서, 상기 결정된 초음파 센서 쌍을 기준으로 한 상기 제1 이동로봇의 방위각 및 상기 제2 이동로봇의 방위각의 합과 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇 각각의 전자 나침반에서 측정되는 상기 제1 이동로봇의 전방 각도 및 상기 제2 이동로봇의 전방 각도의 합의 차이가 미리 설정된 임계값 이상인 초음파 센서 쌍은 위치 및 방향 추정을 위한 초음파 센서 쌍에서 제외시키는 것을 특징으로 하는 위치 추정 시스템.The method of claim 1,
The first mobile robot and the second mobile robot each further comprises an electronic compass for detecting the front angle of the robot,
The server unit may include a sum of azimuth angles of the first mobile robot and azimuth angles of the second mobile robot and the first mobile robot and the second mobile robot based on the determined ultrasonic sensor pair. The ultrasonic sensor pair whose difference between the sum of the front angle of the first mobile robot and the front angle of the second mobile robot measured by the electronic compass is greater than or equal to a preset threshold is excluded from the ultrasonic sensor pair for position and direction estimation. Position estimation system. 제1항에 있어서,
상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇은 각각 로봇의 속도 및 각속도를 검출하는 오도메트리를 더 포함하고,
상기 서버부는 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇 각각의 오도메트리에서 검출된 로봇의 속도 및 각속도를 기초로 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇의 상대 위치를 결정하고,
상기 결정된 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇의 상대 위치가, 상기 결정된 초음파 센서 쌍을 기초로 한 측정 범위의 허용 오차 범위 이내에 위치한 경우에는 이 상대 위치를 추정 위치로 결정하고, 허용 오차 범위 밖에 위치한 경우에는 가장 가까운 허용 오차 범위의 경계값을 추정 위치로 결정하는 것을 특징으로 하는 위치 추정 시스템.The method of claim 1,
The first mobile robot and the second mobile robot further comprises an odometry for detecting the speed and the angular velocity of the robot, respectively
The server unit determines a relative position of the first mobile robot and the second mobile robot based on the speed and the angular velocity of the robot detected in each of the odometry of the first and second mobile robot,
When the determined relative position of the first mobile robot and the second mobile robot is located within the tolerance range of the measurement range based on the determined ultrasonic sensor pair, the relative position is determined as an estimated position, and the tolerance range If the position is located outside, the position estimation system, characterized in that for determining the boundary value of the closest tolerance range as the estimated position. 제3항에 있어서,
상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇 각각의 오도메트리에서 검출된 로봇의 속도 및 각속도를 이용하여 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇 간의 상대 위치를 추정하는 것은,
상기 초음파 센서의 샘플링 시간 이외의 구간에서 수행되며,
상기 초음파 센서의 샘플링 시간에서는 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇 간의 상대 위치는 상기 초음파 센서에서 측정된 값으로 업데이트 되는 것을 특징으로 하는 위치 추정 시스템.The method of claim 3,
Estimating the relative position between the first mobile robot and the second mobile robot by using the speed and the angular velocity of the robot detected in each of the odometry of the first and second mobile robot,
In the section other than the sampling time of the ultrasonic sensor,
And at a sampling time of the ultrasonic sensor, a relative position between the first mobile robot and the second mobile robot is updated with a value measured by the ultrasonic sensor. 제1항에 있어서,
상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇에 설치되는 복수의 초음파 센서의 개수가 동일한 것을 특징으로 하는 위치 추정 시스템.The method of claim 1,
Position estimation system, characterized in that the same number of the plurality of ultrasonic sensors installed in the first mobile robot and the second mobile robot. 제1 이동로봇이 상기 제1 이동로봇에 설치된 초음파 센서로 주변 물체까지의 거리 정보를 획득하는 단계;
제2 이동로봇이 상기 제2 이동로봇에 설치된 초음파 센서로 주변 물체까지의 거리 정보를 획득하는 단계;
상기 제1 이동로봇에 설치된 복수의 초음파 센서와, 상기 제2 이동로봇에 설치된 복수의 초음파 센서 중 같은 거리 측정값을 갖는 초음파 센서 쌍을 결정하는 단계; 및
상기 결정된 초음파 센서 쌍을 기초로 상기 제1 이동로봇과 상기 제2 이동로봇 사이의 상대적인 위치 및 방향을 결정하는 단계를 포함하는 위치 추정 방법.Obtaining, by a first mobile robot, distance information to surrounding objects with an ultrasonic sensor installed in the first mobile robot;
Obtaining, by a second mobile robot, distance information to surrounding objects with an ultrasonic sensor installed in the second mobile robot;
Determining a pair of ultrasonic sensors having the same distance measurement value among the plurality of ultrasonic sensors installed in the first mobile robot and the plurality of ultrasonic sensors installed in the second mobile robot; And
And determining a relative position and direction between the first mobile robot and the second mobile robot based on the determined pair of ultrasonic sensors. 제6항에 있어서,
상기 제1 이동로봇이 상기 제1 이동로봇에 설치되는 전자 나침반을 이용하여 상기 제1 이동로봇의 전방 각도를 측정하는 단계;
상기 제2 이동로봇이 상기 제2 이동로봇에 설치되는 전자 나침반을 이용하여 상기 제2 이동로봇의 전방 각도를 측정하는 단계;
상기 결정된 초음파 센서 쌍을 기준으로 한 상기 제1 이동로봇의 방위각 및 상기 제2 이동로봇의 방위각의 합이 상기 제1 이동로봇의 전방 각도 및 상기 제2 이동로봇의 전방 각도의 차이값과의 차이가 미리 설정된 임계값 이상인지 판단하는 단계; 및
상기 차이가 미리 설정된 임계값 이상이라고 판단되는 경우, 상기 결정된 초음파 센서 쌍을 위치 및 방향 추정을 위한 초음파 센서 쌍에서 제외시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 추정 방법.The method according to claim 6,
Measuring, by the first mobile robot, the front angle of the first mobile robot using an electronic compass installed in the first mobile robot;
Measuring, by the second mobile robot, the front angle of the second mobile robot using an electronic compass installed in the second mobile robot;
The sum of the azimuth angle of the first mobile robot and the azimuth angle of the second mobile robot based on the determined ultrasonic sensor pair is different from a difference between the front angle of the first mobile robot and the front angle of the second mobile robot. Determining whether is equal to or greater than a preset threshold; And
And if the difference is determined to be greater than or equal to a preset threshold, excluding the determined ultrasonic sensor pair from the ultrasonic sensor pair for position and direction estimation. 제6항에 있어서,
상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇 각각의 오도메트리에서 검출된 로봇의 속도 및 각속도를 기초로 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇의 상대 위치를 결정하는 단계;
상기 결정된 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇의 상대 위치가, 상기 결정된 초음파 센서 쌍을 기초로 한 측정 범위의 허용 오차 범위 이내인지를 판단하는 단계;
상기 허용 오차 범위 이내라고 판단되는 경우에는 상기 결정된 상대 위치를 추정 위치로 결정하는 단계; 및
상기 허용 오차 범위 밖이라고 판단되는 경우에는 가장 가까운 허용 오차 범위의 경계값을 추정 위치로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 추정 방법.The method according to claim 6,
Determining a relative position of the first mobile robot and the second mobile robot based on the speed and the angular velocity of the robot detected in the odometry of each of the first and second mobile robots;
Determining whether the determined relative positions of the first mobile robot and the second mobile robot are within an allowable error range of a measurement range based on the determined ultrasonic sensor pair;
Determining the determined relative position as an estimated position when it is determined to be within the allowable error range; And
And determining the boundary value of the closest allowable error range as the estimated position when it is determined to be out of the allowable error range. 제8항에 있어서,
상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇 각각의 오도메트리에서 검출된 로봇의 속도 및 각속도를 이용하여 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇 간의 상대 위치를 추정하는 것은,
상기 초음파 센서의 샘플링 시간 이외의 구간에서 수행되며,
상기 초음파 센서의 샘플링 시간에서는 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇 간의 상대 위치는 상기 초음파 센서에서 측정된 값으로 업데이트 되는 것을 특징으로 하는 위치 추정 방법.9. The method of claim 8,
Estimating the relative position between the first mobile robot and the second mobile robot by using the speed and the angular velocity of the robot detected in each of the odometry of the first and second mobile robot,
In the section other than the sampling time of the ultrasonic sensor,
And at a sampling time of the ultrasonic sensor, a relative position between the first mobile robot and the second mobile robot is updated with a value measured by the ultrasonic sensor.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160090022A (en) * 2015-01-21 2016-07-29 한국과학기술연구원 Localization system and method of robot
KR102075844B1 (en) 2018-10-10 2020-02-10 한국로봇융합연구원 Localization system merging results of multi-modal sensor based positioning and method thereof
KR20200103203A (en) * 2019-02-20 2020-09-02 엘지전자 주식회사 A plurality of autonomous mobile robots and a controlling method for the same

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030093387A (en) * 2002-05-29 2003-12-11 이수영 Ultrasonic sensor system for position and direction estimation of mobile object
JP2006214992A (en) 2005-02-07 2006-08-17 Matsushita Electric Ind Co Ltd Tracking system and self-traveling body used therefor
KR20070015082A (en) * 2005-07-29 2007-02-01 지멘스 악티엔게젤샤프트 Method for determining a relative position of a mobile unit by comparing scans of an environment and mobile unit

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030093387A (en) * 2002-05-29 2003-12-11 이수영 Ultrasonic sensor system for position and direction estimation of mobile object
JP2006214992A (en) 2005-02-07 2006-08-17 Matsushita Electric Ind Co Ltd Tracking system and self-traveling body used therefor
KR20070015082A (en) * 2005-07-29 2007-02-01 지멘스 악티엔게젤샤프트 Method for determining a relative position of a mobile unit by comparing scans of an environment and mobile unit

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160090022A (en) * 2015-01-21 2016-07-29 한국과학기술연구원 Localization system and method of robot
KR101681187B1 (en) 2015-01-21 2016-12-01 한국과학기술연구원 Localization system and method of robot
KR102075844B1 (en) 2018-10-10 2020-02-10 한국로봇융합연구원 Localization system merging results of multi-modal sensor based positioning and method thereof
KR20200103203A (en) * 2019-02-20 2020-09-02 엘지전자 주식회사 A plurality of autonomous mobile robots and a controlling method for the same
KR102267690B1 (en) * 2019-02-20 2021-06-22 엘지전자 주식회사 A plurality of autonomous mobile robots and a controlling method for the same
KR20210075948A (en) * 2019-02-20 2021-06-23 엘지전자 주식회사 A plurality of autonomous mobile robots and a controlling method for the same
US11256250B2 (en) 2019-02-20 2022-02-22 Lg Electronics Inc. Plurality of autonomous mobile robots and controlling method for the same
KR102427015B1 (en) 2019-02-20 2022-07-29 엘지전자 주식회사 A plurality of autonomous mobile robots and a controlling method for the same
US11740625B2 (en) 2019-02-20 2023-08-29 Lg Electronics Inc. Plurality of autonomous mobile robots and controlling method for the same

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