KR101323750B1 - 관성센서를 이용한 차량형 무인로봇의 실내위치 추적장치 및 방법 - Google Patents

관성센서를 이용한 차량형 무인로봇의 실내위치 추적장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 관성센서를 이용하여 차량형 무인로봇의 실내위치 추적방법에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 GPS가 불통 혹은 음영지역인 실내 등에서 무인로봇의 이동에 다른 위치정보를 필터링을 통하여 잡음 및 외란을 제거한 후, 관성센서를 통하여 무인로봇의 자세방위각, 가속도 및 각속도를 측정하고 엔코더를 통하여 이동속도, 이동거리 및 회전량을 측정하여 실내위치를 추적하는 방법에 관한 것이다. 또한, 관성센서로 측정된 로봇의 자세정보를 이용하여 무인로봇이 계단(혹은 경사면)을 사용하고 있는지 판단하고, Z축 가속도의 변화를 이용하여 엘리베이터를 이용하는 지를 판단하여 고도를 연산함으로써 3차원의 실내위치 추적이 가능한 방법이다.

Description

관성센서를 이용한 차량형 무인로봇의 실내위치 추적장치 및 방법{INDOOR TRACKING DEVICE AND METHOD FOR UGV USING INERTIAL SENSOR}
본 발명은 관성센서를 이용한 차량형 무인로봇의 실내위치 추적장치 및 방법에 관한 것으로, GPS가 불통 혹은 음영지역인 실내 등에서 이동하는 무인로봇의 3차원적의 실내위치를 추적하는 것이다.
일반적으로 실내위치 추적은 Radar/Laser, 무선 랜, RFID 및 영상 등을 위주로 연구 및 기술 개발이 이루어지고 있으며, 상기 방법 중 Radar/Laser를 이용한 방법은 난반사로 인하여 정확한 위치추적이 불가한 경우가 발생하는 문제가 있으며, 또한 측정대상과의 상대거리를 이용해야 하므로 사전에 준비된 지도 등이 필요한 불편이 있다.
그리고 상기 방법 중 무선 랜 방법은 접속을 위하여 중계기가 미리 설치되어 있어야 하므로 인프라 구축에 많은 비용 소요 예상되며, 건물 붕괴 등으로 인하여 중계기의 위치가 변경되면 위치오차가 발생함으로써 정확한 실내 위치추적이 어렵고, 중계기가 없는 장소에서는 실내위치 추적이 불가능한 문제가 있다.
또한 상기 방법 중 RFID 방법은 RFID 태크, 리더기 등 관련 장비가 없는 장소에서 위치추적 불가하므로 장소에 제한이 있고, 금속, 액체 및 사람 등의 장애물이 있는 경우 전파 장애가 발생하여 위치 추적이 어렵다는 문제점을 가지고 있으며, 상기 방법 중 영상을 이용한 방법은 연기 및 불길 등과 같이 시각적 구분이 어려운 환경에서는 실내 위치추적을 할 수 없는 문제가 있게 된다.
이와 같이 종래의 실내 위치추적 방법 중 영상을 이용한 방법은 환경(연기 및 불길 등)에 따라 제약을 받으며, 전술 된 다른 방법은 사전에 필요한 장비들이 구축된 제한된 범위 내에서만 실내위치 추적이 가능하다는 문제점을 가지고 있다.
따라서 본 발명은 관성센서 이외에 특정한 관련 장비없이 실내위치 추적이 가능하며, 관성센서가 가지고 있는 이동거리에 대한 오차에 대한 문제점을 해결하기 위하여 엔코더를 적용하고 고도 등을 포함한 3차원의 실내위치 추적방법이다.
본 발명은 상기의 문제점들을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 실내 추적을 위해 필요한 외부 장비의 설치 및 환경에 관계없이 내장된 관성센서와 엔코더를 이용하여 무인로봇이 평지뿐만 아니라, 계단 및 엘리베이터를 통하여 이동하는 경우에도 3차원 공간상의 정확한 실내 위치를 제공하도록 하는 것이다.
본 발명은 무인로봇의 자세방위각과, 각속도 및 가속도를 측정하는 관성센서와, 이동속도와 이동거리 및 회전량을 측정하는 엔코더와, 계단을 이용하는 경우에 고도 및 층을 식별하기 위한 알고리즘과 엘리베이터를 통하여 이동하는 이동로봇의 고도를 측정하기 위한 알고리즘을 포함하는 프로세서와, 무인로봇의 실내위치 정보를 송신하는 RF 모뎀과 측정된 실내위치 추적정보를 수신하는 데이터 수신부를 구비함으로써 이루어지는 것으로, 본 발명은 최초 위치정보는 잡음 및 외란을 가지고 있으므로 필터링을 통하여 이들을 제거한 후, 관성센서를 통하여 무인로봇의 자세방위각, 가속도 및 각속도를 측정하고 엔코더를 통하여 이동속도, 이동거리 및 회전량을 측정하여 실내위치를 추적하되 관성센서로 측정된 로봇의 자세정보를 이용하여 무인로봇이 계단(혹은 경사면)을 사용하고 있는지 판단하고 이에 따라 고도 및 층을 식별하며, Z축 가속도의 변화를 이용하여 엘리베이터를 이용하는 지를 판단하여 고도를 연산함으로써 3차원의 실내위치 추적이 가능한 것이다.
본 발명은 관성센서 이외에 특정한 관련 장비를 필요로 하지 않고, 주변 환경에 관계없이 실내위치 추적이 가능한 이점이 있으며, 특히 무인 로봇의 관성센서가 가지고 있는 이동거리에 대한 오차가 발생하는 문제점을 해결하기 위하여 엔코더를 적용하고 평지와 계단 및 엘리베이터 등의 위치 이동을 3차원 적으로 정확히 추적할 수 있는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 실내위치 추적장치의 구성도이고
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 실내위치 추적 흐름도이며,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 계단(경사면) 이동시 위치추적의 알고리즘 설명을 나타내며,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 엘리베이터를 이용하는 경우의 위치추적의 알고리즘 설명이고,
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 데이터 수신부에서 확인하게 되는 실내위치추적에 대한 예를 나타낸다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 실내위치 추적방법의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 실내위치 추적 흐름도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 계단(경사면) 이동시 위치추적의 알고리즘 설명이며, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 엘리베이터를 이용하는 경우의 위치추적의 알고리즘 설명이고, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 데이터 수신부에서 확인하게 되는 실내위치 추적에 대한 예를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 무인로봇 실내위치 추적방법의 구성도로서, 관성센서(100), 엔코더(101), 프로세서(102), RF 모뎀(103) 및 데이터 수신부(104)로 구성된다.
본 발명의 관성센서(100)는 가속도센서, 자이로센서 및 지자기센서로 구성되며, 잡음 및 외란을 제거하기 위하여 필터링을 수행한 무인로봇의 자세방위각, 가속도 및 각속도를 연산하게 된다.
본 발명의 엔코더(101)는 잡음 및 외란을 제거하기 위하여 필터링을 수행한 무인로봇의 이동속도, 이동거리 및 회전량을 측정한다.
본 발명의 프로세서(102)는 관성센서(100)와 엔코더(101)로부터 획득한 정보를 바탕으로 무인로봇의 위치 정보를 연산하며, 계단(경사면) 및 엘리베이터를 이용하여 무인로봇이 이동하는지를 판단하여 3차원 실내 위치정보를 위한 설정 및 연산한다.
본 발명의 RF 모뎀(103)은 프로세서(102)로부터 연산된 실내 위치정보 및 센서 데이터들을 무인로봇의 외부에 있는 데이터 수신부로 전송하고, 본 발명의 데이터 수신부(104)는 외부로부터 무인로봇의 실내 위치 정보를 전송받는다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 실내위치 추적 흐름도를 나타낸다.
무인로봇이 실내에서 이동(200)한 위치정보 자료는 잡음 및 외란이 포함되어 있기 때문에 그대로 사용하는 경우 위치정보에 오류가 발생하기 때문에 필터링(201)을 통하여 잡음 및 외란을 제거한 후 사용하도록 한다.
필터링(201)을 통하여 잡음이 제거된 정보는 이동속도, 이동거리 및 회전량(202)을 측정하거나 자세방위각, 가속도 및 각속도 연산(203)을 수행하게 된다.
먼저 이동속도, 이동거리 및 회전량(202)은 일정한 시간 간격동안 엔코더(101)에 발생하는 펄스를 카운트하고, 측정된 엔코더(101)의 회전수와 무인로봇의 제작시 설정되어 있는 궤도와 기어비를 통하여 무인로봇의 회전속도 및 이동거리를 연산하며, 무인로봇의 좌,우측에 각각 설치된 엔코더(101)의 회전량을 비교하여 무인 로봇에 대한 좌우 회전량을 측정한다.
그리고, 자세방위각, 가속도 및 각속도 연산(203)은 잡음 및 외란이 제거된 위치정보를 관성센서(100)에 있는 가속도센서, 자이로센서 및 지자기센서를 통하여 절대 롤(Roll)과 피치(Pitch) 및 방위각(Azimuth)을 측정하고, 자이로센서를 이용하여 3축의 회전량을 측정한다.
위와 같이 이동속도, 이동거리 및 회전량(202)에서 양 쪽 엔코더(101)의 회전량을 비교하여 얻어낸 무인로봇의 좌우 회전량과, 자세방위각, 가속도 및 각속도 연산(203)에서 측정된 3축의 회전량에 대한 정보는 Kalman Filter를 적용하여 보정함으로써 측정 오차를 줄이도록 한다.
본 발명에서 무인로봇이 엘리베이터를 통한 이동이 이루어질 경우 이에 대한 식별(204)은 Z축의 가속도의 변화를 살펴 식별하는 것으로, 무인로봇의 엘리베이터 이동을 식별하기 위한 판단기준은 엘리베이터가 움직이는 경우 최초 움직이는 순간에서부터 등속구간에 이르기까지 Z축 가속도가 일정레벨로 움직이므로 이 구간이 미리 정해 놓은 조건을 만족하는 경우 엘리베이터로 이동한다는 것으로 식별하는 것이다.
본 발명에서 무인 로봇이 엘리베이터를 통한 이동이 이루어지는 경우 상기 엘리베이터를 통한 이동에 대한 고도(205)는 엘리베이터의 이동이 시작된 순간과 정지 상태에 이르기까지의 시간동안 측정된 엘리베이터의 속도를 시간으로 적분함으로써 엘리베이터로 이동하는 무인로봇의 고도를 측정하게 된다.
한편 본 발명 무인로봇의 자세변화(206)는 로봇이 평지를 이동하지 않는 경우 발생하며, 무인로봇의 자세변화(206)는 관성센서의 자세정보를 이용하여 판단하게 되는 것으로, 무인로봇은 관성센서의 자세정보를 통하여 평지 이동인지 혹은 계단(경사면) 이동인지를 판단하게 된다.
상기 된 판단 결과 자세변화가 없는 경우에는 고도가 일정하므로 평지이동(207)으로 판단하고, 이와 같이 평지이동으로 판단된 경우는 관성센서(100)를 이용한 방위각 정보와 엔코더(101)를 이용한 이동거리 및 무인로봇의 회전량을 이용하여 2차원의 위치정보(208)를 산출한다.
상기와 달리 자세변화가 있는 경우로 판단되면, 관성센서(100)의 자세정보와 엔코더(101)의 이동거리를 이용하여 수평 이동거리와 수직 이동거리를 산출하여 고도(209)를 측정한다.
무인로봇이 계단(경사면)으로 이동하는 경우에는 관성센서(100)를 이용한 자세방위각과 엔코더(101)의 이동거리를 판단하여 고도정보(210)를 연산하고, 엘리베이터로 이동하는 경우에는 관성센서(100)내의 가속도센서를 이용하여 엘리베이터 상승 및 하강에 대한 연산을 수행하여 엘리베이터의 이동속도 측정 및 고도 연산을 통하여 고도정보(210)를 연산한다.
이와 같이 무인로봇의 계단이나 엘리베이터 이동에 따른 고도정보(210)와 평지 이동에 따른 2차원의 위치정보(208)에 의하여 연산된 3차원 위치정보(211)는 RF 모뎀(103)을 통하여 외부의 데이터 수신부로 위치정보를 송부(212)하게 된다.
즉, 무선로봇에서 추적된 실내위치 정보는 RF 모뎀(103)을 통하여 외부로 무선 전송하게 되고, 도 2의 흐름도에는 나타나 있지 않으나, 데이터 수신부(104)를 통하여 외부로부터 실내 위치정보를 수신 받도록 함으로써, 외부에서는 무선 로봇의 정확한 이동 경로를 알 수 있으며, 이 같은 정확한 위치정보를 바탕으로 외부에서 작업 명령을 내려 정확한 작업이 이루어지게 할 수 있는 것이다,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 계단(경사면) 이동시 위치추적의 알고리즘을 나타낸다.
본 발명의 관성센서(100)로부터 측정된 무인로봇의 자세정보를 이용하여 평지에서 주행하는지 계단(경사면)을 주행하는지를 판단한다.
무선로봇이 평지에서 주행(300)하는 경우에는 고도가 일정하게 측정되고, 또한 무인로봇이 가질 수 있는 자세각에 대한 한계가 있으므로, 일정한 고도 이하로 측정되는 경우 평지이동으로 판단한다.
그러나 무인로봇의 자세정보를 이용하여 미리 경사면으로 인식할 수 있도록 설정해 놓은 조건변수(
Figure 112011018975736-pat00001
)를 넘어서는 각도로 무인로봇이 기울어져 잇는 경우, 즉, 무인로봇의 자세정보를 측정한 경우 조건식(|
Figure 112011018975736-pat00002
|≥경사면 조건각도)을 만족하는 경우 무인로봇은 계단(301) 혹은 경사면(302)을 이동하고 있는 것으로 판단하고, 이 같이 계단이나 경사면을 이용한 이동일 경우 관성센서(100)의 자세정보와 엔코더(101)의 이동거리를 활용하여 수평 이동거리와 수직 이동거리를 산출함으로써 무인로봇의 위치정보를 나타낸다.
여기서, 무인로봇의 수평 이동거리와 수직 이동거리 판단을 경사면 이동(302)으로 설명하면, 도 3에 도시된 바와 같이 엔코더(101)로 측정된 이동거리(l)와 조건변수(
Figure 112012101878844-pat00003
)를 이용하여 수평 이동거리(d)는 lcos
Figure 112012101878844-pat00004
로 산출하고, 수직 이동거리는 lsin
Figure 112012101878844-pat00005
로 산출하면 된다.
한편 본 발명에서 무인로봇의 층간 이동 판단은 계단을 오를 때와 평지에서의 무인로봇의 자세정보를 이용하여 일정 구간(설정한 조건변수) 이상 계단을 이동한 후 평지이동의 상태로 복귀할 때 1층 혹은 반층 이동으로 판단한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 엘리베이터를 이용하는 경우의 위치추적의 알고리즘 설명을 나타낸다.
본 발명은 무인로봇이 엘리베이터에 탑승하고 상승 혹은 하강하는 경우, z축 가속도의 변화를 판단하여 엘리베이터 이동을 판단하는 것으로, 이러한 엘리베이터 이동에 대한 판단기준은 엘리베이터가 움직이는 경우 최초 움직이는 순간부터 등속구간에 이르기까지 z축 가속도가 일정 수준(400)으로 유지되므로, 미리 설정해놓은 조건(|az|≥az(el) 및 t[|az|≥az(el)]≥dt(el))을 만족할 경우, 엘리베이터 이동으로 판단하게 되며,
여기서,
Figure 112012101878844-pat00016
은 설정한 수직 가속도 값
Figure 112012101878844-pat00017
은 설정한 가속 시간
Figure 112012101878844-pat00018
은 설정한 수직 가속도 값보다 큰 가속이 지속된 시간이다.
이와 같이 엘리베이터 이동을 판단하면 시작시간부터 엘리베이터가 등속운동에 이르는 시간까지의 구간까지의 시간동안 z축 가속도를 시간으로 적분하여 엘리베이터 이동속도를 연산하여 이동에 대한 조건변수를 1로 설정한다.
이와 달리 조건변수가 0인 상태에서의 z축 가속도의 변화가 감지되면 이동을 시작하는 단계로 판단되며, 등속구간에서도 엘리베이터가 이동 중이라는 것을 판단(401)한다.
엘리베이터가 이동 후 정지 상태에 이르는 순간 z축의 가속도 변화를 측정하여 엘리베이터 정지동작을 판단하게 되고, 이러한 엘리베이터 정지의 판단은 엘리베이터의 움직임이 시작되는 때와 z축 가속도의 패턴이 같으므로(402) 설정된 조건변수에 의해 엘리베이터의 정지를 위해 발생한 z축 가속도 성분으로 판단하면 된다.
본 발명에서 엘리베이터의 이동이 시작된 순간부터 정지 상태에 이르기까지의 시간동안 특정된 엘리베이터 속도를 시간 적분하여 이동한 고도를 측정(403)한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 데이터 수신부에서 확인하게 되는 실내위치추적에 대한 예를 나타낸다.
본 발명에 따른 실내위치 추적정보는 RF 모뎀(103)을 통하여 데이터 수신부로 무인로봇이 실시간 움직인 궤적을 실시간으로 전송(500)하여 무인로봇의 탈출시 정확한 경로를 제공할 수 있도록 한다.
100 : 관성센서 101 : 엔코더
102 : 프로세서 103 : RF 모뎀
104 : 데이터 수신부

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 무인로봇의 위치정보 자료는 잡음 및 외란을 제거한 후 사용하고;
    무인로봇의 이동속도와 이동거리 및 회전량에 대한 자료는 일정한 시간 간격동안 엔코더(101)에 발생하는 펄스를 카운트하고, 측정된 엔코더(101)의 회전수와 무인로봇의 설정 궤도와 기어비로 무인로봇의 회전속도 및 이동거리를 연산하며, 무인로봇의 좌,우측에 설치된 엔코더(101)의 회전량을 비교하여 무인 로봇에 대한 좌우 회전량을 측정하여 연산하며;
    무인로봇의 자세방위각과 가속도 및 각속도는 위치정보를 관성센서(100)에 있는 가속도센서, 자이로센서 및 지자기센서를 통하여 절대 롤(Roll)과 피치(Pitch) 및 방위각(Azimuth)을 측정한 후 자이로센서를 이용하여 3축의 회전량을 측정하여 연산하고;
    무인 로봇이 엘리베이터를 통한 이동하는 경우 엘리베이터가 최초 움직이는 순간에서부터 등속구간에 이르기까지 Z축 가속도가 일정레벨로 움직이므로 이 구간이 미리 정해 놓은 조건을 만족하는 경우 엘리베이터로 이동한다는 것으로 식별하고, 엘리베이터의 이동에 대한 고도는 엘리베이터의 이동이 시작된 순간과 정지 상태에 이르기까지의 시간동안 측정된 엘리베이터의 속도를 시간으로 적분함으로써 엘리베이터로 이동하는 무인로봇의 고도를 측정하여 연산하며;
    무인로봇의 관성센서의 자세정보를 판단하여 자세변화가 없으면, 평지이동으로 판단하여 관성센서를 이용한 방위각 정보와 엔코더를 이용한 이동거리 및 무인로봇의 회전량을 이용하여 2차원의 위치정보를 산출하는 한편 자세변화가 있는 경우로 판단되면, 관성센서의 자세정보와 엔코더의 이동거리를 이용하여 수평 이동거리와 수직 이동거리를 산출하여 고도를 측정 연산하고;
    무인로봇의 계단이나 엘리베이터 이동에 따른 고도정보와 평지 이동에 따른 2차원의 위치정보에 의하여 연산된 3차원 위치정보는 외부로 전송되게 하는 것을 특징으로 하는 관성센서를 이용한 차량형 무인로봇의 실내위치 추적방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 무인로봇의 양 쪽 엔코더의 회전량을 비교하여 얻어낸 무인로봇의 좌우 회전량은 3축의 회전량에 대한 정보와 함께 Kalman Filter를 적용하여 보정하는 것을 특징으로 하는 관성센서를 이용한 차량형 무인로봇의 실내위치 추적방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 무인로봇의 자세정보는 경사면으로 인식하게 미리 설정해 놓은 조건변수(
    Figure 112012101878844-pat00006
    )를 넘어서는 각도로 무인로봇이 기울어지는 경우 무인로봇의 자세정보를 측정하여 조건식(|
    Figure 112012101878844-pat00007
    |≥경사면 조건각도)을 만족하면 계단이나 경사면을 이동하는 것으로 판단하고, 무인로봇의 수평 이동거리 판단은 엔코더(101)로 측정된 이동거리(l)와 조건변수(
    Figure 112012101878844-pat00008
    )를 이용하여 수평 이동거리(d)는 lcos
    Figure 112012101878844-pat00009
    로 산출하고, 수직 이동거리는 lsin
    Figure 112012101878844-pat00010
    로 산출하는 것을 특징으로 하는 관성센서를 이용한 차량형 무인로봇의 실내위치 추적방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 무인로봇의 층간 이동 판단은 계단을 오를 때와 평지에서의 무인로봇의 자세정보를 이용하여 설정한 조건변수를 갖는 일정구간 이상 계단을 이동한 후 평지이동의 상태로 복귀할 때 1층 혹은 반층 이동으로 판단하는 것을 특징으로 하는 관성센서를 이용한 차량형 무인로봇의 실내위치 추적방법.
  6. 제 2 항에 있어서, 엘리베이터 이동에 대한 판단기준은 엘리베이터가 움직이는 경우 최초 움직이는 순간부터 등속구간에 이르기까지 z축 가속도가 일정 수준(400)으로 유지되므로, 미리 설정해놓은 조건(|az|≥az(el) 및 t[|az|≥az(el)]≥dt(el))을 만족할 경우, 엘리베이터 이동으로 판단하는 것을 특징으로 하는 관성센서를 이용한 차량형 무인로봇의 실내위치 추적방법. 여기서,
    Figure 112012101878844-pat00022
    은 설정한 수직 가속도 값,
    Figure 112012101878844-pat00023
    은 설정한 가속 시간,
    Figure 112012101878844-pat00024
    은 설정한 수직 가속도 값보다 큰 가속이 지속된 시간.
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