KR101297608B1

KR101297608B1 - 미지 환경에서의 로봇 커버리지 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR101297608B1
Application number: KR1020110090933A
Authority: KR
Inventors: 국태용; 지상훈; 문용선
Original assignee: 레드원테크놀러지 주식회사
Priority date: 2011-09-07
Filing date: 2011-09-07
Publication date: 2013-09-06
Also published as: KR20130027384A

Abstract

본 발명은 작업 공간의 모든 지점을 로봇이 커버리지하도록 하는 로봇 커버리지 방법에 관한 것이다. 본 로봇 커버리지 방법은, 작업 공간을 미리 정해진 크기의 그리드 셀로 분할하고, 로봇을 인접한 셀로 이동시켜 로봇이 스윕(sweep)한 영역을 확장하면서 상기 작업 공간을 탐색하며, 로봇의 이동에 따라 작업 공간을 모델링하는 그레이코드로 이루어진 셀 그룹을 생성한다. 본 발명에 따르면, 미지의 환경에서 로봇이 작업 공간에 대한 맵을 생성할 수 있으며, 생성한 맵을 기반으로 로봇이 작업 공간의 모든 지점을 커버리지할 수 있다.

Description

미지 환경에서의 로봇 커버리지 방법 및 시스템{Method and system for robot coverage of unknown environment}

본 발명은 미리 알려진 환경뿐만 아니라 미지의 환경에서도 로봇이 작업 공간의 모든 지점을 커버리지할 수 있도록 하는 로봇 커버리지 방법 및 시스템에 관한 것이다.

로봇에 대한 커버리지(coverage) 방법은 미리 알려진 또는 알려지지 않은 타겟 작업 공간의 모든 지점으로 로봇을 안내할 수 있도록 한다. 효과적인 커버리지 방법이 구축되면, 영역 커버리지 업무뿐만 아니라 센서 커버리지(sensor coverage) 문제에도 적용이 가능하다. 이와 같은 커버리지 방법은 지역 검사, 지도 구축, 감시, 정찰, 바닥 청소, 페인트 분사, 잔디 깍는 현장, 수확 등에서 로봇 자동화를 위해 필요하다.

그런데, 일반적으로 로봇이 동작하는 작업 공간을 완벽하게 커버리지하기 위해서는 전체 환경에 대한 맵을 가지고 있어야 하므로, 대부분의 커버리지 방법은 미리 생성된 작업 공간에 대한 맵이 있어야 동작이 가능하다. 이러한 이유로 기존의 커버리지 방법은 미지의 환경에 바로 적용할 수 없다. 즉, 미지의 환경에서 로봇이 모든 영역을 커버리지 하기 위해서는, 로봇 스스로 작업 공간에 대한 맵을 생성할 수 있어야 한다.

이와 같은 커버리지 문제의 해결을 위해, 다양한 전략을 사용하여 많은 연구자에 의해 연구가 진행되어 왔다. 로봇 커버리지를 위한 작업 공간의 모델링으로 널리 알려진 셀적 분해와 그리드 기반 표현의 방법으로, H. Choset and P. Pignon 의 “Coverage path planning: The boustrophedon cellular decomposition,” Int. Conf. on Field and Service Robotics, Canberra, Australia, 1997 와, H. Choset, “Coverage of known space: The boustrophedon cellular decomposition,” Autonomous Robots, vol.9, pp.247-253, 2000 등의 연구가 있다.

이외에도 다양한 방법으로 커버리지를 수행하는 방법이 연구되어 왔으나, 셀적 분해 방법이나 그리드 기반의 커버리지 방법 등은 로봇이 누락없이 모든 셀을 방문하여 작업 공간의 완전한 커버리지를 보장하기 위하여 주로 로봇의 경로 계획에 중점을 두고 있다.

따라서, 미지의 환경에서 로봇이 작업 공간에 대한 맵을 생성하고, 생성된 맵을 기반으로 작업 공간의 모든 지점을 커버리지할 수 있도록 하는 보다 효율적인 방안이 필요하다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 미지의 환경에서 로봇이 작업 공간의 모든 지점을 커버리지할 수 있도록 하는 로봇 커버리지 방법 및 시스템을 제공함에 있다.

이러한 과제를 해결하기 위해 본 발명에 따라 작업 공간을 로봇이 커버리지하도록 하는 로봇 커버리지 방법은, 상기 작업 공간을 미리 정해진 크기의 그리드 셀로 분할하는 단계, 상기 로봇을 인접한 셀로 이동시켜 상기 로봇이 스윕(sweep)한 영역을 확장하면서 상기 작업 공간을 탐색하는 단계, 그리고 상기 로봇의 이동에 따라 상기 작업 공간을 모델링하는 그레이코드로 이루어진 셀 그룹을 생성하는 단계를 포함한다.

또한 본 발명의 다른 실시예에서는, 상기 방법을 프로세서에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 프로세서로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.

그리고 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 커버리지 시스템은, 제어 신호에 따라 작업 공간을 주행하는 로봇, 그리고 상기 작업 공간을 미리 정해진 크기의 그리드 셀로 분할하고, 상기 로봇이 인접한 셀로 이동하면서 상기 로봇이 스윕한 영역이 확장되도록 상기 작업 공간을 탐색하는 상기 제어 신호를 출력하며, 상기 로봇의 이동에 따라 상기 작업 공간을 모델링하는 그레이코드로 이루어진 셀 그룹을 생성하는 로봇 제어기를 포함한다.

본 발명에 따르면, 미지의 환경에서 로봇이 작업 공간에 대한 맵을 생성할 수 있으며, 생성한 맵을 기반으로 로봇이 작업 공간의 모든 지점을 커버리지할 수 있도록 한다. 또한, 그리드 셀 탐색과 커버리지 업무의 수행시, 그레이코드 그룹으로 인코딩하는 방식을 사용하여, 전체적인 메모리 사용을 감소시킬 수 있다.

도 1 및 도 2는 작업 공간의 셀적 분해에 대한 설명에 참조되는 도면이다.
도 3은 브리지 셀을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 4는 정션 셀을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 로봇 커버리지 방법에 대한 설명에 제공되는 흐름도이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명에 따른 로봇 커버리지 방법에 대한 설명에 참조되는 도면이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명에 따른 로봇 커버리지 방법을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 로봇 커버리지 방법은, 작업 공간의 분해를 위해 공간 그리드 기반 모델을 도입한다. 먼저, 작업 공간의 모델링에 대하여 설명하면 다음과 같다.

도 1 및 도 2는 본 발명에서 사용되는 작업 공간의 셀적 분해에 대한 설명에 참조되는 도면이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 타겟 작업 공간은 미리 정해진 크기의 영역 A = W ×W로 이루어진 그리드 셀(grid cell)로 나누어진다. 여기서 각 셀이 정방형이고 그 크기가 동일한 것으로 하였으나 이에 한정되지 않으며 정방형이 아니거나 임의의 크기로 이루어질 수도 있다. 한편, 로봇이 차지하는 영역은 영역의 커버리지 문제를 위해 영역 A보다 크거나 같은 것으로 가정하고, 또한, 센서 커버리지 작업에 대한 즉각적인 센서 측정의 범위 R에 대한

에 대해서도 크거나 같은 것으로 가정한다.

도 1에서 좌표 프레임의 원점은 커버리지 업무를 위하여 센터 그리드(center grid)라고 불리는 그리드 셀 상에서 로봇의 스타트 위치(starting position)에 대응한다.

위치에서 그리드 셀

의 중심 좌표는

로 나타내고,

의 서브 골(sub-goal)이라 하며,

이다. 따라서,

는 스타트 위치에서 그리드 셀

의 중심을 나타낸다.

작업 공간의 셀 분해를 통해 그리드들은 다음과 같이 인접 셀의 집합으로 그룹화된다.

여기서, 두 개의 좌표값 (i, j)는 다음과 같이 순열

로부터 반복적으로 선택된다.

여기서,

이다.

예를 들면, 처음 세 개의 셀 그룹은 다음과 같이 결정된다.

이와 같은 정의에서,

위첨자 1은 시작 위치

로부터 North CW(북쪽 시계방향)이나 East CCW(동쪽 반시계 방향)으로 로봇 이동의 초기 방향에 대한 제1 사분면을 나타낸다.

셀 집합의 증분은 다음과 같이 정의할 수 있다.

여기서,

이다.

또한, 짝수 k에 대하여,

ⅰ)

는 y축에 대하여

의 대칭 변위로

ⅱ)

는 y = -x 에 대하여

의 대칭 변위로

ⅲ)

는 x축에 대하여

의 대칭 변위로 정의한다.

홀수 k에 대하여,

ⅰ)

는 y = -x 에 대하여

의 대칭 변위로

ⅱ)

는 x축에 대하여

의 대칭 변위로

ⅲ)

는 y축에 대하여

의 대칭 변위로 정의한다.

이에 따라, 다음과 같이 된다.

여기서 위첨자 i는 i 번째 사분면을 나타내고, 각

는 다음의 [표 1]에서 네가지 케이스 중 하나를 나타낸다.

로봇 주행의 이동 방향 측면에서, 첨자 i는 다음의 네가지 케이스와 탐색 가능한 8 방향을 구별한다.

이와 같은 정의에 따른 사분면 및 로봇 이동의 8 방향은 도 2에 도시한 바와 같다.

공간 셀 분해 모델에 대한 예로서, 제4 분면의 처음 세 개의 셀 그룹

는 다음과 같이 표현된다.

초기 위치에서 South CW 또는 West CCW로 로봇의 이동 방향은 다음과 같이 그리드 셀의 집합을 모델로 선택할 수 있다.

여기서 두 좌표값 (i, j)는 순열

로부터 반복적으로 선택된다.

여기서,

이다.

그리드 셀 집합의 증분은 다음과 같이 정의된다.

여기서,

이다.

다른 사분면에서

는 [수학식 4]와 같이 정의된다.

한편, 셀 타입은 다음과 같다.

: 는 장애물이 없는 지역에 속하는 셀,

: 셀이 부분적으로 장애물이나 작업 공간의 경계에 중첩되고, 서브 골

에 도달할 수 있도록 중심이 있는 셀,

: 셀이 부분적으로 장애물이나 작업 공간의 경계에 중첩되고, 중심은 서브 골에 도달할 수 없도록 중심이 있는 셀, 그리고

: 장애물에 의해 완전히 점유된 셀을 의미한다.

이와 같은 분류에서, 셀

에 대한 좌표의 서브 골

는 이동 로봇에 의해 도달할 수 있고,

은 도달할 수 없다. 또한,

은 네개의 방향으로 접근가능하지만,

은 적어도 하나의 접근 가능한 방향을 가지며,

는 접근 방향이 없다.

이와 같은 작업 공간의 모델에 기초하여 본 발명은 공간 셀 확산(spatial cell diffusion) 커버리지 방법을 사용한다.

장애물이 없는 자유 공간의 문제를 고려하면, 자유 지역 셀

와, 경계 셀

로 분류할 수 있으며, 경계 셀은 다음과 같이 브리지 셀(bridge cell), 정션 셀(junction cell), 브룩 셀(brook cell)로 분류되다.

여기서, 브리지 셀은 로봇이 CW 로부터 CCW 혹은 그 반대로 이동 방향을 변경하는 경계 셀로 정의된다. 정션 셀은 두 개 이상의 서브 그룹으로 향후 스윕 영역(sweep region)을 분리하는 경계 셀로 정의된다. 브룩 셀(brook cell)은 스윕 방향이 장애물 경계나 작업 공간의 경계선에 부합하는 셀로 정의한다.

이와 같은 정의에 따라, 도 3은 브리지 셀의 일 예를 나타낸 것이고, 도 4는 정션 셀의 일 예를 나타낸 것이다.

도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 로봇 커버리지 방법에 대한 설명에 제공되는 흐름도이다.

도 5를 참조하면, 먼저, 커버리지를 위한 탐색 초기화 과정이 수행된다(S200). 탐색 초기화 과정에서, 로봇의 현재 위치 및 방향, 알려진 작업 공간에서 수행되는 오프라인(off-line) 커버리지의 경우 그레이코드화된 그리드 맵, 미지의 작업 공간에서 수행되는 온라인(on-line) 커버리지의 경우 그레이코드의 인코딩 규칙 및 서치 등이 로봇의 입력으로 사용될 수 있다. 또한, 필요한 경우 두 개 이상의 서브 영역으로 타겟 작업 공간을 나누어, 각 서브 영역에서 독립적으로 탐색 과정을 수행할 수 있다.

탐색 초기화 과정에서, 로봇 커버리지의 스타트 위치를 센터 그리드로 설정한다. 그리고, 센터 그리드에서 전역 x-y 좌표계를 설정하고, 로봇에 구비된 전역 x-카운터와 y-카운터를 리셋한다. 또한, 사분 번호 i (i= 1, 2, 3, 4)를 선택한다. 사분면 번호가 i 가 선택된 경우, 탐색을 위한 하나의 방향을 결정한다.

탐색 초기화가 완료되면, 타겟 작업 공간에 대한 탐색을 시작한다(S220). 로봇은 스타트 위치에서 인접한 셀로 이동하여 탐색을 수행한다. 예를 들면, 로봇은 바깥쪽으로 나선형으로 셀 간 이동하여 로봇이 스윕(sweep)한 영역이 확장되도록 작업 공간을 탐색한다. 로봇의 이동에 따라, 글로벌 및 로컬 x-y 카운터를 증가 또는 감소시키고, 방문한 셀들을 카운트한다.

오프라인 탐색의 경우, 셀 그룹

을 참조하여 로봇의 주변 그리드 셀에 대하여 선택된 탐색 방향에 따라 그레이코드화된 셀을 주행한다. 두 인접 셀은 서로 하나의 첨자 숫자만이 다르므로, 그레이코드는 탐색 트리에 대응한다. 오프라인 탐색의 경우, 로봇은 장애물의 크기를 파악하기 위해 장애물을 일주할 수 있으며, 장애물 주위를 커버리지 경로로 계획할 수 있다.

온라인 탐색의 경우, 선택된 탐색 방향에 따라 로봇을 둘러싼 그리드 셀을 주행하면서 그레이코드로 이루어진 셀 그룹

을 생성한다.

이와 같은 과정에 의해, 작업 공간에 대한 맵 탐색이 완료되는 경우까지, 작업 공간에 대한 맵 탐색을 진행한다(S240, S260). 즉, 그레이코드의 관점에서, 모든 그리드 셀에 대한 탐색이 완료되면 맵 탐색은 완료된다.

도 6은 맵 탐색 과정에서, 로봇이 경계 셀에 도달한 경우를 나타낸 것이다. 로봇이 경계 셀에 도달한 경우, 경계 셀의 종류에 따라 다음과 같은 과정이 수행된다.

도 6을 참조하면, 두 개 이상의 소그룹으로 향후 스윕할 그리드 셀을 분리하는 정션 셀의 경우(S241), 정션 셀과 분리된 셀 그룹의 개수를 기록한 후, 셀 확산의 방향과 일치하는 셀을 포함하는 제1 영역을 커버한다(S243). 제1 영역을 커버한 후, 로봇은 기록된 정션 셀로 돌아간다(S245). 로봇이 분리된 영역의 커버리지에서 기록된 정션 셀로 돌아가기 위해 로봇에 카운터가 사용될 수 있다.

그리고, 로봇이 나머지 영역을 커버한다(S247). 나머지 영역을 커버한 후, 로봇은 기록된 정션 셀로 돌아간다.

만일, 지역을 커버하기 전에 일치하지 않는 셀이 나타나는 경우, 그 셀을 새로운 로컬 좌표 시스템과 지역 x-y 카운터를 갖는 새로운 시작 셀로 설정할 수 있다.

경계 셀이 브리지 셀인 경우(S249), 로봇의 탐색 방향을 변경한다(S251). 즉, CW에서 CCW, 또는 CCW에서 CW로 로봇의 탐색 방향을 변경한다. 브룩 셀인 경우에는(S253), 그래도 셀을 커버한다(S255).

새로운 시작 셀인 경우에는(S257), 새로운 로컬 좌표 시스템과 x-y 카운터를 설정하도록 한다(S259).

이와 같은 과정에 의해, 작업 공간에 대한 탐색이 완료되어, 그레이코드 그룹으로 작업 공간을 모델링할 수 있으며, 작업 공간의 모든 지점을 커버리지할 수 있다.

도 7 내지 도 9는 본 발명에 따른 로봇 커버리지 방법에 대한 설명에 참조되는 도면이다. 도 7은 장애물이 없는 자유 영역에서 본 발명에 따른 커버리지 방법을 나타낸 것이고, 도 8 및 도 9는 비자유 영역에서 본 발명에 따른 커버리지 방법을 나타낸 것이다.

도 7에서, 로봇의 초기 방향은 North CW로 설정되어 있다. 도 7에서,

는 커버리지 영역을 확장하면서 로봇이 CW에서 CCW로 자신의 이동 방향을 변경하는 브릿지 셀에 해당한다. 도 7에서,

은 정션 셀에 해당하며, 브룩 셀은 작업 공간의 경계를 따라 표시된다.

탐색을 위해 순서대로 정렬된 셀 그룹은 다음과 같이 그레이코드의 집합으로 표현된다.

셀 그룹

,

는 [표 1]의 표준 공간 셀 분해와 다르며, 이는 CW에서 CCW 혹은 그 반대로 브릿지 셀에서 탐색 방향이 변경되기 때문이다. 그러나, 경계 셀 주변의 셀 확산은 셀 그룹의 방문에 대한 이동의 방향 순서와 일치한다. 그렇지 않으면, 정션 셀 후 새로 시작하는 셀이 생성되었을 것이다.

도 8 및 도 9의 경우, 비자유 공간에서 본 발명에 따른 로봇 커버리지 방법을 나타낸 것이다. 도 8에서, 로봇은 장애물을 피하면서 일관된 탐색 방향으로 다음 셀로 주행한다. 도 9의 경우에는 그리드 셀보다 작은 장애물을 포함하는 작업 공간에서 본 발명에 따른 로봇 커버리지 방법을 나타낸다.

한편, 본 발명에 따른 커버리지 방법에서, 그레이코드 대신 검색 트리의 표현이 사용되기 때문에, 메모리 요구 사항은 시작과 정션 셀을 포함하는 중요한 셀에 대하여

로 줄여준다. 또한, 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 로봇 커버리지 시스템을 구성하는 경우, 본 발명에 따른 방법은 로봇 제어기에 의해 수행될 수 있으며, 이와 같은 로봇 제어기는 로봇 내에 설치할 수도 있다.

도 10 내지 도 12는 본 발명에 따른 로봇 커버리지 방법을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면이다.

도 10의 경우, 도 7과 같은 장애물이 없는 자유 영역에서 시뮬레이션한 결과를 나타낸 것이다. 도 10의 (a)의 경우, 초기 탐색 방향이 East CW 이며, 정션 셀 없이 브리지 셀만이 존재하는 경우이며, 도 10의 (b)의 경우, 정션 셀이 존재하는 경우이다.

도 11은 작업 영역에 고정 장애물이 있는 경우이다. 도 11에서, 경계 셀에 대한 탐색 후, 새로운 시작 셀이 생성된 것을 알 수 있다. 도 12는 여러 공간이 있는 오피스 환경에서 시뮬레이션한 결과를 나타낸 것이다.

이와 같이 본 발명에 따른 로봇 커버리지 방법은 작업 공간의 구성과 무관하게 작업 공간의 모든 지점을 로봇이 커버리지할 수 있도록 한다.

한편, 본 발명은 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체에 프로세서가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체는 프로세서에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 인터넷을 통한 전송 등과 같은 캐리어 웨이브의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 프로세서가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.

Claims

작업 공간을 로봇이 커버리지하도록 하는 로봇 커버리지 방법으로서,
상기 작업 공간을 미리 정해진 크기의 그리드 셀로 분할하는 단계,
상기 로봇을 인접한 셀로 이동시켜 상기 로봇이 스윕(sweep)한 영역을 확장하면서 상기 작업 공간을 탐색하는 단계,
상기 로봇의 이동에 따라 상기 작업 공간을 모델링하는 그레이코드로 이루어진 셀 그룹을 생성하는 단계, 그리고
상기 셀 그룹에 기초하여 생성된 맵에 따라 상기 로봇 주행을 제어하는 단계
를 포함하는 로봇 커버리지 방법.
제1항에서,
상기 탐색 단계는 상기 로봇을 스타트 셀에서 바깥쪽으로 나선형으로 셀 간 이동시켜 상기 작업 공간을 탐색하는 단계를 포함하는 로봇 커버리지 방법.
제1항에서,
상기 로봇이 이동하여 경계 셀 중 브리지 셀(bridge cell)에 도달하면 탐색 방향을 변경하는 로봇 커버리지 방법.
제1항에서,
상기 로봇의 이동하여 경계 셀 중 정션 셀(junction cell)에 도달하면 향후 스윕할 영역을 두 개 이상의 영역으로 분할하여 분할된 영역을 순차적으로 탐색하는 로봇 커버리지 방법.
삭제
제1항에서,
상기 셀 그룹은

으로 표현되며,

,
,

인 로봇 커버리지 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 방법을 프로세서에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체.
제어 신호에 따라 작업 공간을 주행하는 로봇, 그리고
상기 작업 공간을 미리 정해진 크기의 그리드 셀로 분할하고, 상기 로봇이 인접한 셀로 이동하면서 상기 로봇이 스윕한 영역이 확장되도록 상기 작업 공간을 탐색하는 상기 제어 신호를 출력하며, 상기 로봇의 이동에 따라 상기 작업 공간을 모델링하는 그레이코드로 이루어진 셀 그룹을 생성하고, 상기 셀 그룹에 기초하여 생성된 맵에 따라 상기 로봇 주행을 제어하는 로봇 제어기
를 포함하는 로봇 커버리지 시스템.
제8항에서,
상기 로봇은 스타트 셀에서 바깥쪽으로 나선형으로 셀 간 이동하며 상기 작업 공간을 탐색하는 로봇 커버리지 시스템.
제8항에서,
상기 로봇 제어기는 상기 로봇이 이동하여 경계 셀 중 브리지 셀(bridge cell)에 도달하면 탐색 방향을 변경하도록 상기 제어 신호를 출력하는 로봇 커버리지 시스템.
제8항에서,
상기 로봇 제어기는 상기 로봇이 이동하여 경계 셀 중 정션 셀(junction cell)에 도달하면 향후 스윕할 영역을 두 개 이상의 영역으로 분할하여 분할된 영역을 순차적으로 탐색하도록 상기 제어신호를 출력하는 로봇 커버리지 시스템.
제8항에서,
상기 셀 그룹은

으로 표현되며,

,
,

인 로봇 커버리지 시스템.