KR101415879B1 - 이동 로봇을 도킹시키는 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

이동 로봇을 도킹시키는 방법 및 장치가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 이동 로봇을 도킹시키는 방법은 이동 로봇의 이동 중, 신호 발신부에서 발신된 도킹 신호를 상기 이동 로봇에 장착된 신호 수신부에서 수신하는 단계, 수신된 상기 도킹 신호로부터 상기 신호 발신부의 자세의 범위를 추정하는 단계, 추정된 상기 자세의 범위 내에 자세 추정 알고리즘에 의해 추정된 상기 신호 발신부의 자세가 존재하면, 추정된 상기 자세의 범위를 상기 자세 추정 알고리즘에 반영하여 추정된 상기 신호 발신부의 자세를 갱신하고, 추정된 상기 자세의 범위 내에 상기 자세 추정 알고리즘에 의해 추정된 상기 신호 발신부의 자세가 존재하지 않으면, 추정된 상기 자세의 범위를 반영하여 상기 자세 추정 알고리즘에 의해 추정된 상기 신호 발신부의 자세를 새롭게 추가하는 단계 및 상기 단계들을 반복하여 상기 자세 추정 알고리즘에 의해 추정된 복수의 상기 신호 발신부의 자세 중에서 정확도가 높은 순서로 상기 이동 로봇의 복귀를 시도하는 단계를 포함한다.
도킹, 이동 로봇, 충전 스테이션, 칼만 필터

Description

이동 로봇을 도킹시키는 방법 및 장치{Method and apparatus for docking moving robot}
본 발명은 이동 로봇을 도킹시키는 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이동 로봇의 이동 중 도킹 신호를 감지할 때마다 신호 발신부의 후보 추정 자세를 갱신 또는 추가하여 복수의 후보 추정 자세 중에서 정확도가 높은 순서로 도킹을 시도하는 것에 관한 것이다.
최근, 기술의 발달에 따라 다양한 형태의 로봇이 등장하게 되었고, 특히 가정 내에서 스스로 이동하면서 인간의 일을 대신 수행하는 청소 로봇, 방법 로봇 등과 같은 이동 로봇도 등장하게 되었다.
자율 주행을 하는 이동 로봇은 개별 배터리를 내장하고 있어서, 배터리의 전압이 낮아지면 다시 충전 스테이션으로 복귀하여 충전을 하게 된다.
전체 맵에서 충전 스테이션의 위치를 이동 로봇이 인지하고 있으면 해당 위치로 복귀하여 충전을 수행할 수 있다. 그러나, 충전 스테이션의 위치는 사용자에 의해 옮겨질 수 있고, 최초 충전 스테이션의 위치를 이동 로봇이 인지하지 못할 수도 있다. 이를 위해 충전 스테이션에서 도킹 신호를 발신하고, 이 신호를 감지하여 충전 스테이션으로 복귀하는 것이 시도 되고 있다.
그러나, 종래에는 이동 로봇이 충전 스테이션으로 복귀를 시도할 시점에서 도킹 신호를 감지할 수 없는 경우에는 도킹 신호를 감지할 때까지 무작위로 움직이거나 Wall-Following을 하게 되어 추가 이동 과정이 필요하게 된다는 문제점이 있다.
또한, 벽 또는 바닥에서 반사된 도킹 신호를 수신하면 충전 스테이션의 위치를 오인하여 잘못된 위치로 복귀를 시도하게 된다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 개선하기 위해 고안된 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 목적은 주행 중에 도킹 신호를 감지할 때마다 충전 스테이션의 자세를 추정 또는 갱신하여 충전 스테이션의 위치로 최초 복귀를 시도할 때 도킹 신호를 감지할 수 없더라도 바로 복귀가 가능하도록 하고, 복수의 추정된 자세 중에서 정확도 순으로 복귀를 시도함으로써 복귀의 정확도를 높이도록 하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 이동 로봇을 도킹시키는 방법은 (a) 이동 로봇의 이동 중, 신호 발신부에서 발신된 도킹 신호를 상기 이동 로봇에 장착된 신호 수신부에서 수신하는 단계; (b) 수신된 상기 도킹 신호로부터 상기 신호 발신부의 자세의 범위를 추정하는 단계; (c) 추정된 상기 자세의 범위 내에 자세 추정 알고리즘에 의해 추정된 상기 신호 발신부의 자세가 존재하면, 추정된 상기 자세의 범위를 상기 자세 추정 알고리즘에 반영하여 추정된 상기 신호 발신부의 자세를 갱신하고, 추정된 상기 자세의 범위 내에 상기 자세 추정 알고리즘에 의해 추정된 상기 신호 발신부의 자세가 존재하지 않으면, 추정된 상기 자세의 범위를 반영하여 상기 자세 추정 알고리즘에 의해 추정된 상기 신호 발신부의 자세를 새롭게 추가하는 단계; 및 (d) (a), (b), (c) 단계를 반복하여 상기 자세 추정 알고리즘에 의해 추정된 복수의 상기 신호 발신부의 자세 중에서 정확도가 높은 순서로 상기 이동 로봇의 복귀를 시도하는 단계를 포함한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 이동 로봇을 도킹시키는 장치는 도킹 신호를 발신하는 신호 발신부; 이동 로봇에 장착되어 상기 이동 로봇의 이동 중, 상기 도킹 신호를 수신하는 신호 수신부; 수신된 상기 도킹 신호로부터 상기 신호 발신부의 자세의 범위를 추정하는 자세 범위 추정부; 추정된 상기 자세의 범위 내에 자세 추정 알고리즘에 의해 추정된 상기 신호 발신부의 자세가 존재하는지를 판단하는 판단부; 상기 판단부의 판단에 따라, 추정된 상기 자세의 범위를 상기 자세 추정 알고리즘에 반영하여 추정된 상기 신호 발신부의 자세를 갱신하거나 추정된 상기 자세의 범위를 반영하여 상기 자세 추정 알고리즘에 의해 추정된 상기 신호 발신부의 자세를 새롭게 추가하는 신호 발신부의 자세 추가 갱신부; 및 상기 신호 발신부의 자세 추가 갱신부에서 추정된 복수의 상기 신호 발신부의 자세 중에서 정확도가 높은 순서로 상기 이동 로봇의 복귀를 시도하는 제어부를 포함한다.
실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하, 본 발명의 실시예들에 의한 이동 로봇을 도킹시키기 위한 방법 및 장치를 설명하기 위한 블록도 또는 처리 흐름도에 대한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다. 이 때, 처리 흐름도 도면들의 각 블록과 흐름도 도면들의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록은 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실행예들에서는 블록들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇을 도킹시키는 방법의 순서도이다.
먼저, 이동 로봇(200)은 생성된 경로를 따라 자율 주행을 하게 된다. 예를 들어, 청소 로봇의 경우에는 청소 경로에 따라 청소를 수행할 전체 영역을 움직이면서 청소를 수행한다.
이처럼 경로를 따라 자율 주행을 하며 이동하는 동안 이동 로봇(200)에 장착된 신호 수신부(220)는 신호 발신부(210)에서 발신된 도킹 신호를 수신할 수 있다(S110). 본 발명의 일 실시예에서는 이동 로봇(200)의 충전 스테이션에 신호 발신부(210)가 위치하여 도킹 신호를 발신할 수 있는데, 즉 충전 스테이션에 위치한 신호 발신부(210)의 위치를 찾아서 이동 로봇(200)이 충전 스테이션으로 복귀를 하여 배터리를 다시 충전시킬 수 있도록 할 수 있다. 이때, 신호 발신부(210)에서 발신되는 도킹 신호의 일 예로 적외선 신호가 사용될 수 있으며, 신호 수신부(220)는 적외선 감지 센서일 수 있다.
도 2는 소정의 발신 범위를 가지는 신호 발신부와 소정의 수신 범위를 가지 는 신호 수신부가 있을 때 도킹 신호를 감지하는 경우를 설명하기 위한 도면이다.
충전 스테이션의 신호 발신부(210)로부터 도킹 신호가 발신되고, 이는 이동 로봇(200)에 장착된 신호 수신부(220)에서 감지하게 된다. 도면에서 신호 발신부(210)에서 시작하는 부채꼴 영역은 신호 발신부(210)에서 발신되는 신호가 도달하는 발신 범위이다. 그리고, 이동 로봇(200)에 장착된 신호 수신부(220)에서 시작하는 부채꼴 영역은 신호 수신부(220)가 도킹 신호를 수신할 수 있는 수신 범위이다.
이동 로봇(200)이 충전 스테이션의 도킹 신호를 감지하기 위해서는 이동 로봇(200)에 장착된 신호 수신부(220)의 수신 범위 내에 충전 스테이션의 신호 발신부(210)가 있어야 하고, 신호 수신부(220)는 신호 발신부(210)의 발신 범위 내에 있어야 한다. 도 2에서 이동 로봇(200)이 A에 있을 때에는 전술한 바와 같이 신호 수신부(220)의 수신 범위 내에 신호 발신부(210)가 위치하고, 신호 발신부(210)의 발신 범위 내에 신호 수신부(220)가 위치하기 때문에 이동 로봇(200)은 도킹 신호를 감지할 수 있다. 그러나, 이동 로봇(200)이 B에 있을 때에는 신호 수신부(220)가 발신 범위 내에 있지만, 신호 수신부(220)의 수신 범위 내에 신호 발신부(210)가 위치하지 않아서 도킹 신호를 감지할 수 없다. 따라서, 이동 로봇(200)에서 도킹 신호를 감지한 경우, 충전 스테이션이 위치할 수 있는 영역은 이동 로봇(200)에 장착된 신호 수신부(220)의 수신 범위의 영역과 같을 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 주행 중 도킹 신호를 감지한 후, 자세 범위 추정부(230)는 수신된 도킹 신호로부터 신호 발신부(210)의 자세의 범위를 추정할 수 있다(S120). 여기서 자세란 신호 발신부(210)의 위치와 신호 발신부(210)가 도킹 신호를 발신하는 방향각을 의미한다. 즉, 자세의 범위라 함은 현재 이동 로봇(200)이 도킹 신호를 수신하였을 때 신호 발신부(210)가 위치할 수 있는 영역의 범위와 발신되는 도킹 신호의 방향각의 범위를 의미한다. 이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 발신부(210)의 위치 가능 영역의 범위와 발신되는 도킹 신호의 방향각의 범위를 구하는 방법을 설명하기로 한다.
일반적으로 적외선 신호의 수신 거리가 발신 거리 보다 크므로, 도킹 신호가 감지되었다는 것은 신호 수신부(220)에서 신호 발신부(210)의 발신 거리에 해당하는 거리 이내에 충전 스테이션이 위치함을 의미할 수 있다. 따라서 신호 수신부(220)에서 도킹 신호가 수신되었을 때, 신호 발신부(210)의 위치 가능 영역은 신호 발신부(210)의 발신 거리, 신호 수신부(220)에서 신호를 수신할 수 있는 각도 범위 및 이동 로봇(200)의 자세로 추정할 수 있다. 여기서, 이동 로봇(200)의 자세라 함은 이동 로봇(200)의 위치와 이동 로봇(200)의 방향각을 의미한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 수신부가 도킹 신호를 감지하였을 때 신호 발신부의 위치의 범위를 설명하기 위한 도면이다.
신호 수신부(220)가 도킹 신호를 감지하였을 때 신호 발신부(210)의 위치 가능 영역은 도 3과 같이 장축의 길이가 신호 발신부(210)의 발신 거리 D인 타원형 모양으로 근사화할 수 있다. 신호 수신부(220)의 위치를 (XR, YR)이라고 하고 신호 수신부(220)의 수신 각도를 ΘR이라고 정의한다. 신호 수신부(220)의 위치는 이동 로봇(200)의 위치에서 이동 로봇(200)의 중심에서 신호 수신부(220)의 위치를 고려하면 구할 수 있으나, 설명의 편의를 위해 이동 로봇(200)의 위치와 신호 수신부(220)의 위치는 동일한 것으로 본다. 그리고, 신호 수신부(220)의 방향은 이동 로봇(200)의 주행 방향과 일치하게 위치할 필요는 없으나 설명의 편의를 위해 동일한 것으로 본다.
신호 발신부(210)의 발신 거리가 D일 때, 타원의 중심점(XRDS , YRDS)은 아래의 수학식 1과 같이 구할 수 있다.
(수학식 1)
XRDS=XR + (D/2)*cos(ΘR)
YRDS=YR + (D/2)*sin(ΘR)
그리고, 단축의 길이는 2*(D/2)*tan(Θ/2)로 나타낼 수 있다. 여기서 Θ는 신호 수신부(220)에서 도킹 신호를 수신할 수 있는 각도의 범위를 의미한다. 따라서, 신호 수신부(220)가 도킹 신호를 감지하면, 신호 발신부(210)는 전술한 타원 영역 내에 위치할 수 있다고 판단할 수 있다. 이때, 타원의 크기는 로봇의 위치에 대한 정확도에 따라 추가로 증가시킬 수 있다. 로봇의 위치에 대한 정확도가 낮다고 판단되면 타원의 장축과 단축의 크기를 더 크게 정의할 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이 신호 발신부(210)의 위치 가능 영역을 타원형으로 근사화하지 않고, 반지름이 D이고 각도가 Θ인 부채꼴 영역 내에 존재하는 것으로 판단할 수도 있다. 즉, 신호 발신부(210)의 위치 가능 영역은 신호 수신부(220)에 서 신호를 수신하는 각도의 범위와 신호 발신부(210)의 발신 거리 및 이동 로봇(200)의 자세를 이용하여 다양한 방법으로 정의할 수 있다.
다음, 발신되는 도킹 신호의 방향각의 범위를 구하는 과정을 도 4 및 도 5를 참조로 설명하기로 한다.
도 4와 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 수신부(220)가 도킹 신호를 감지하였을 때 신호 발신부의 방향각의 범위를 설명하기 위한 도면이다.
도 4에서 신호의 수신 영역인 부채꼴의 호의 정중앙인 210a의 위치에서 신호 발신부(210)의 방향각을 ΘRDS라고 하면 이는 신호 수신부(220)와 마주보는 방향이므로 ΘRDS는 아래의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
(수학식 2)
ΘRDS = ΘR + 180˚
이때, 도 4의 210b와 같이 부채꼴 호의 한쪽 끝에서 신호 발신부(210)가 신호 수신부(220)를 바라보고 있다고 하면, 이때 신호 발신부(210)의 각도는 ΘRDS + (Θ/2)가 된다.
도 5의 210c에서 신호 발신부(210)의 위치는 도 4의 210b와 동일한 반면에, 도 5의 210c와 같이 신호 발신부(210)에서 발신된 신호를 신호 수신부(220)에서 감지할 수 있는 극한의 경우의 자세를 고려하면, 210c에서 신호 발신부(210)의 방향각은 210b와 비교하여 시계 방향으로 ΘDS/2만큼 회전한 것이다. 여기서 ΘDS는 신호 발신부(210)에서 도킹 신호를 발신하는 각도의 범위이다. 따라서, 210c의 방향각은 ΘRDS + (Θ/2) - (ΘDS/2)로 나타낼 수 있다.
그러므로, 신호 발신부(210)의 방향각은 ΘRDS를 중심으로 ±(Θ - ΘDS)/2의 범위 내의 값을 가질 수 있다. 이때, 신호 발신부(210)의 방향각의 범위는 로봇 위치에 대한 정확도를 고려하여 더 증가시킬 수도 있다.
신호 수신부(220)가 도킹 신호를 수신하면 전술한 바와 같이 신호 발신부(210)의 자세의 범위를 추정할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 신호 발신부(210)의 자세 범위를 추정한 후에, 추정된 자세 범위 내에 자세 추정 알고리즘에 의해 추정된 신호 발신부(210)의 자세가 존재하는 지를 판단한다(S130). 자세 추정 알고리즘은 수신한 도킹 신호로부터 신호 발신부(210)의 자세를 추정하는 알고리즘으로 칼만 필터를 예를 들어 사용할 수 있다. 이하, 칼만 필터를 이용하여 신호 발신부(210)의 자세를 갱신 및 추가하는 방법을 설명하기로 한다.
칼만 필터는 관측이 수행될 때마다 예측과 갱신을 반복함으로써 최적의 상태 변수값을 추정하는 공지된 알고리즘이다. 상태 변수 x의 시스템 방정식과 관측 방정식이 아래의 수학식 3과 같을 때,
(수학식 3)
xK = FKxK -1 +BKuK+wk - 시스템 방정식
zK = HKxK +vK - 관측 방정식
(여기서, FK 는 현재의 상태 변수와 다음 단계의 상태 변수를 연결하는 상태 전이 행렬, uK는 입력 변수, wk는 시스템 노이즈, zK는 관측값, vK 는 관측 노이즈이다.)
칼만 필터에서 상태 변수의 예측은 아래의 수학식 4, 상태 변수의 갱신은 아래의 수학식 5와 같이 정의될 수 있다.
(수학식 4)
Figure 112008000865214-pat00001
- 예측된 상태변수식
Figure 112008000865214-pat00002
- 예측된 공분산 행렬
(여기서
Figure 112008000865214-pat00003
는 예측된 상태 변수, P는 공분산 행렬이고, Q는 잡음에 대한 분산을 나타내는 행렬이다.)
(수학식 5)
Figure 112008000865214-pat00004
Figure 112008000865214-pat00005
- 갱신된 상태변수식
Figure 112008000865214-pat00006
- 갱신된 공분산 행렬
(여기서, K는 칼만 이득 행렬이다.)
본 발명의 일 실시예에서 충전 스테이션은 정지한 시스템이고 입력 변수가 0 이며, 신호 발신부(210)의 위치 및 방향각을 상태 변수로 설정한 경우에, 수학식 3, 4, 5는 각각 수학식 6, 7, 8과 같이 변형될 수 있다.
(수학식 6)
xK = xK -1 - 시스템 방정식
zK = xK +vK - 관측 방정식
(수학식 7)
Figure 112008000865214-pat00007
- 예측된 상태변수식
Figure 112008000865214-pat00008
- 예측된 공분산 행렬
(수학식 8)
Figure 112008000865214-pat00009
Figure 112008000865214-pat00010
- 갱신된 상태변수식
Figure 112008000865214-pat00011
- 갱신된 공분산 행렬
이와 같이 신호 수신부(220)가 도킹 신호를 감지할 때마다 측정값인 (XRDS , YRDS, ΘRDS)를 칼만 필터에 반영하여 칼만 필터에 의해 추정된 자세를 갱신할 수 있다.
전술한 바와 같이 신호 수신부(220)가 도킹 신호를 수신한 후에 신호 발신 부(210)의 자세의 범위를 추정하게 되는데, 추정된 자세의 범위 내에 칼만 필터에 의해 추정된 신호 발신부(210)의 자세가 존재하면, 수신한 측정값으로부터 칼만 필터를 갱신하여 새로운 신호 발신부(210)의 자세 추정값을 획득한다(S150). 이때, 추정된 자세의 범위 내에 칼만 필터에 의해 추정된 신호 발신부(210)의 자세가 복수 개 존재하면, 각각을 모두 갱신한다. 만약, 추정된 자세의 범위 내에 칼만 필터에 의해 추정된 신호 발신부(210)의 자세가 하나도 없을 경우에는 측정값으로부터 새롭게 칼만 필터에 의해 추정된 자세를 추가한다(S160).
칼만 필터에 의해 추정된 n번 째 신호 발신부(210)의 자세가 (XRDS , YRDS , ΘRDS)KFn일 때, (XRDS , YRDS)KFn이 현재 수신한 도킹 신호로부터 추정된 신호 발신부(210)의 위치의 범위(도 3에서는 타원 영역 내) 내에 존재하고(조건 1), |(ΘRDS)KFn - ΘRDS| < |(Θ - ΘRDS)/2|(조건 2)를 만족하면, 현재 도킹 신호로부터 추정된 신호 발신부(210)의 자세 범위 내에 칼만 필터에 의해 추정된 신호 발신부(210)의 자세가 존재하는 것으로 판단할 수 있다. 위의 두 조건을 만족하는 칼만 필터에 의해 추정된 신호 발신부(210)의 자세가 여러 개 존재하면 현재 도킹 신호로부터 측정한 (XRDS, YRDS , ΘRDS)를 반영하여 칼만 필터에 의해 추정된 각각의 신호 발신부(210)의 자세를 갱신한다.
이때, 현재 도킹 신호로부터 추정된 자세의 범위 내에 칼만 필터에 의해 추정된 신호 발신부(210)의 자세가 하나도 없을 경우에는 현재의 측정값인 (XRDS , YRDS , ΘRDS)를 상태 변수로, 공분산 함수
Figure 112008000865214-pat00012
를 초기값으로 가지면서 칼만 필터에 의해 추정된 신호 발신부(210)의 자세를 새롭게 추가할 수 있다.
이동 로봇(200)이 자율 주행을 하는 중에 도킹 신호가 감지되면, 전술한 바와 같이 칼만 필터에 의해 추정된 자세를 갱신 또는 추가함으로써, 본 발명에서는 이동 로봇(200)이 충전 스테이션으로 복귀를 시도할 시점에서 도킹 신호를 감지할 수 없는 경우에도 도킹 신호를 감지할 때까지 무작위로 움직이거나 Wall-Following을 할 필요가 없이 복수의 추정된 위치 중에서 정확도 순으로 복귀를 시도할 수 있다. 이하, 복수의 추정된 위치 중에서 이동 로봇(200)이 충전 스테이션으로 복귀를 시도하는 과정을 설명하기로 한다.
이동 로봇(200)이 주행 중에 배터리의 잔여량이 일정량 이하로 떨어지거나, 사용자로부터 충전 스테이션으로의 복귀 명령을 받았을 경우에 이동 로봇(200)은 전술한 방법으로 이동 중에 칼만 필터에 의해 추정된 복수의 자세 중에서 정확도 순으로 이동 로봇(200)의 복귀를 시도한다(S170).
충전 스테이션의 신호 발신부(210)에서 발신되는 신호는 벽이나 바닥 등에 의해 반사가 되는 경우가 있는데, 이동 로봇(200)의 신호 수신부(220)는 반사된 신호를 수신하는 경우가 종종 생긴다. 도 6은 신호 발신부(210)에서 발신된 신호가 벽에 반사되어 수신된 경우 신호 발신부(210)의 위치를 잘못 판단하는 경우를 도시 한 도면인데, 도 6과 같이 반사된 신호를 수신한 경우에는 벽과 대칭인 위치에 신호 발신부(210)가 위치하는 것으로 잘못 판단할 수가 있다. 벽이나 바닥 등에 의해 반사된 신호를 수신하는 경우는 발신된 신호가 반사되지 않고 직접적으로 수신되는 경우보다 적게 발생하며 불규칙적으로 감지된다. 또한, 신호가 반사될 확률은 신호의 세기가 강할수록 더 높고, 약할수록 낮으므로, 발신하는 신호의 세기에 따라서 반사되는 확률이 달라진다. 따라서, 신호 발신부(210)의 자세를 칼만 필터를 이용하여 갱신한 횟수가 많을수록 칼만 필터에 의해 추정된 자세가 실제 신호 발신부(210)의 자세에 가까울 확률이 높게 된다. 그리고, 신호 수신부(220)에서 수신한 신호의 세기가 약할수록 반사된 신호가 아닌 실제 신호로부터 감지한 측정값을 이용했을 확률이 높아진다. 또한, 충전 스테이션의 위치가 사용자에 의해 옮겨지거나 이동 로봇(200)의 위치가 슬립이나 다른 이유로 잘못 인식되어 충전 스테이션의 측정값이 처음 위치로부터 이동한 경우에는 최근에 칼만 필터에 의해 갱신한 횟수가 많을수록 실제 신호 발신부(210)의 자세에 가까울 확률이 높게 된다.
따라서, 전술한 바와 같이 복수의 칼만 필터에 의해 추정된 자세 중에서, 신호 발신부(210)의 자세를 갱신한 횟수가 많을수록, 신호 수신부(220)가 수신한 도킹 신호의 세기가 약할수록, 최근에 신호 발신부(210)의 자세를 갱신한 횟수가 많을수록 더 많은 가중치를 부여하여 정확도 순으로 신호 발신부(210)의 추정된 자세를 정렬할 수 있다. 정렬한 순서대로 이동 로봇(200)은 도킹을 시도한다. 도킹에 실패한 경우에는 다음 정확도를 가지는 자세로 도킹을 시도한다.
따라서 본 발명에서는 벽, 바닥 등에 반사된 신호에 의해 잘못 판단한 자세 를 복수개의 칼만 필터에 의해 추정된 자세 중에서 정확도 순으로 필터링을 하므로 도킹의 정확도를 높일 수 있다. 또한, 사용자가 충전 스테이션을 이동시키거나 이동 로봇(200)의 슬립 등으로 충전 스테이션의 위치가 바뀌는 경우에도, 새롭게 칼만 필터에 의해 추정된 자세를 추가시킴으로써 도킹의 정확도를 높일 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇을 도킹시키는 장치의 블록도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇(200)을 도킹시키는 장치는 신호 발신부(210), 신호 수신부(220), 자세 범위 추정부(230), 판단부(240), 신호 발신부의 자세 추가 갱신부(250), 및 도킹 제어부(260)를 포함할 수 있다.
이 때, 본 실시예에서 사용되는 '~부'는 일종의 모듈로 구현될 수 있다. 여기서 '모듈'은 소프트웨어 또는 Field Programmable Gate Array(FPGA) 또는 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC)와 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, 모듈은 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 모듈은 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. 모듈은 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 모듈은 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 모듈들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들 및 모듈들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 모듈들로 더 분리될 수 있다.
신호 발신부(210)는 도킹 신호를 발신한다. 이때, 도킹 신호로 적외선 신호를 사용할 수 있다. 그리고, 신호 발신부(210)는 충전 스테이션에 위치하며 도킹 신호를 발신할 수 있다.
신호 수신부(220)는 이동 로봇(200)에 장착되어 자율 주행을 하면서 신호 발신부(210)에서 발신된 신호를 수신한다.
자세 범위 추정부(230)는 수신된 도킹 신호로부터 신호 발신부(210)의 자세의 범위를 추정한다. 자세라 함은 신호 발신부(210)의 위치와 도킹 신호를 발신하는 방향각을 의미한다. 이때, 신호 발신부(210)의 위치의 범위는 이동 로봇(200)의 자세, 도킹 신호의 발신 거리, 및 신호 수신부(220)에서 신호를 수신할 수 있는 각도 범위를 이용해서 추정할 수 있다. 신호 발신부(210)에서 도킹 신호를 발신하는 방향각의 범위는 이동 로봇(200)의 방향각, 신호 수신부(220)에서 신호를 수신할 수 있는 각도 범위, 및 신호 발신부(210)에서 신호를 발신하는 각도 범위를 이용하여 추정할 수 있다. 신호 발신부(210)의 자세를 추정하는 방법은 전술하였으므로 생략하기로 한다.
판단부(240)는 추정된 자세의 범위 내에 자세 추정 알고리즘에 의해 추정된 신호 발신부(210)의 자세가 존재하는지를 판단한다. 이때 자세 추정 알고리즘으로 공지된 칼만 필터 알고리즘을 이용할 수 있다.
신호 발신부의 자세 추가 갱신부(250)는 판단부(240)의 판단에 따라서 자세 범위 추정부(230)에서 추정된 자세의 범위를 자세 추정 알고리즘에 반영하여 자세 추정 알로리즘으로 추정된 신호 발신부(210)의 자세를 갱신하거나 새롭게 추가시킨다. 이때, 판단부(240)에서는 자세 범위 추정부(230)에서 추정된 신호 발신부(210)의 자세의 범위 내에 자세 추정 알고리즘에 의해 추정된 신호 발신부(210)의 자세가 존재한다고 판단하면, 신호 발신부의 자세 추가 갱신부(250)는 신호 발신부(210)의 자세를 갱신하고, 자세 범위 추정부(230)에서 추정된 신호 발신부(210)의 자세의 범위 내에 자세 추정 알고리즘에 의해 추정된 신호 발신부(210)의 자세가 존재하지 않는다고 판단하면, 신호 발신부의 자세 추가 갱신부(250)는 신호 발신부(210)의 자세를 추가한다.
도킹 제어부(260)는 신호 발신부의 자세 추가 갱신부(250)에서 추정된 복수의 신호 발신부(210)의 자세 중에서 정확도가 높은 순서로 이동 로봇(200)의 복귀를 시도한다. 이때, 신호 발신부의 자세 추가 갱신부(250)에서 신호 발신부(210)의 자세를 갱신한 회수가 많을수록 정확도가 높다고 판단할 수 있다. 또한, 신호 수신부(220)가 수신한 도킹 신호의 세기가 약할수록 정확도가 높다고 판단할 수 있다. 또한, 신호 발신부의 자세 추가 갱신부(250)에서 최근에 신호 발신부(210)의 자세를 갱신한 횟수가 많을수록 정확도가 높다고 판단할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상 기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇을 도킹시키는 방법의 순서도이다.
도 2는 소정의 발신 범위를 가지는 신호 발신부와 소정의 수신 범위를 가지는 신호 수신부가 있을 때 도킹 신호를 감지하는 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 수신부가 도킹 신호를 감지하였을 때 신호 발신부의 위치의 범위를 설명하기 위한 도면이다.
도 4와 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 수신부가 도킹 신호를 감지하였을 때 신호 발신부의 방향각의 범위를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 신호 발신부에서 발신된 신호가 벽에 반사되어 수신된 경우 신호 발신부의 위치를 잘못 판단하는 경우를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇을 도킹시키는 장치의 블록도이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
210: 신호 발신부 220: 신호 수신부
230: 자세 범위 추정부 240: 판단부
250: 신호 발신부의 자세 추가 갱신부 260: 도킹 제어부

Claims (21)

  1. (a) 이동 로봇의 이동 중, 신호 발신부에서 발신된 도킹 신호를 상기 이동 로봇에 장착된 신호 수신부에서 수신하는 단계;
    (b) 수신된 상기 도킹 신호로부터 상기 신호 발신부의 자세의 범위를 추정하는 단계;
    (c) 추정된 상기 자세의 범위 내에 자세 추정 알고리즘에 의해 추정된 상기 신호 발신부의 자세가 존재하면, 추정된 상기 자세의 범위를 상기 자세 추정 알고리즘에 반영하여 추정된 상기 신호 발신부의 자세를 갱신하고, 추정된 상기 자세의 범위 내에 상기 자세 추정 알고리즘에 의해 추정된 상기 신호 발신부의 자세가 존재하지 않으면, 추정된 상기 자세의 범위를 반영하여 상기 자세 추정 알고리즘에 의해 추정할 상기 신호 발신부의 자세를 새롭게 추가하는 단계; 및
    (d) (a), (b), (c) 단계를 반복하여 상기 자세 추정 알고리즘에 의해 추정된 복수의 상기 신호 발신부의 자세 중에서 실제 신호 발신부의 자세에 가까운 정도인 정확도가 높은 순서로 상기 이동 로봇의 복귀를 시도하는 단계를 포함하는 이동 로봇을 도킹시키는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호 발신부는 상기 이동 로봇의 충전 스테이션에서 상기 도킹 신호를 발신하는 이동 로봇을 도킹시키는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호 발신부의 자세는 상기 신호 발신부의 위치와 상기 도킹 신호를 발신하는 방향각인 이동 로봇을 도킹시키는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 신호 발신부의 위치 범위는 상기 이동 로봇의 자세, 상기 도킹 신호의 발신 거리, 및 상기 신호 수신부에서 상기 신호를 수신할 수 있는 각도 범위를 이용하여 추정하는 이동 로봇을 도킹시키는 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 신호 발신부에서 상기 도킹 신호를 발신하는 방향각의 범위는 상기 이동 로봇의 방향각, 상기 신호 수신부에서 상기 도킹 신호를 수신할 수 있는 각도 범위, 및 상기 신호 발신부에서 상기 도킹 신호를 발신하는 각도 범위를 이용하여 추정하는 이동 로봇을 도킹시키는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 자세 추정 알고리즘은 칼만 필터(kalman filter)인 이동 로봇을 도킹시키는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 정확도는 상기 신호 발신부의 자세를 갱신한 횟수가 많을수록 높은 이동 로봇을 도킹시키는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 정확도는 상기 신호 수신부가 수신한 상기 도킹 신호의 세기가 약할수록 높은 이동 로봇을 도킹시키는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 정확도는 최근에 상기 신호 발신부의 자세를 갱신한 횟수가 많을수록 높은 이동 로봇을 도킹시키는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호 발신부에서 발신되는 도킹 신호는 적외선 신호인 이동 로봇을 도킹시키는 방법.
  11. 도킹 신호를 발신하는 신호 발신부;
    이동 로봇에 장착되어 상기 이동 로봇의 이동 중, 상기 도킹 신호를 수신하는 신호 수신부;
    수신된 상기 도킹 신호로부터 상기 신호 발신부의 자세의 범위를 추정하는 자세 범위 추정부;
    추정된 상기 자세의 범위 내에 자세 추정 알고리즘에 의해 추정된 상기 신호 발신부의 자세가 존재하는지를 판단하는 판단부;
    상기 판단부의 판단에 따라, 추정된 상기 자세의 범위를 상기 자세 추정 알고리즘에 반영하여 추정된 상기 신호 발신부의 자세를 갱신하거나 추정된 상기 자세의 범위를 반영하여 상기 자세 추정 알고리즘에 의해 추정할 상기 신호 발신부의 자세를 새롭게 추가하는 신호 발신부의 자세 추가 갱신부; 및
    상기 신호 발신부의 자세 추가 갱신부에서 추정된 복수의 상기 신호 발신부의 자세 중에서 실제 신호 발신부의 자세에 가까운 정도인 정확도가 높은 순서로 상기 이동 로봇의 복귀를 시도하는 도킹 제어부를 포함하는 이동 로봇을 도킹시키는 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 판단부가 추정된 상기 자세의 범위 내에 상기 자세 추정 알고리즘에 의해 추정된 상기 신호 발신부의 자세가 존재한다고 판단하면 상기 신호 발신부의 자세 추가 갱신부는 상기 신호 발신부의 자세를 갱신하고, 상기 판단부가 추정된 상기 자세의 범위 내에 상기 자세 추정 알고리즘에 의해 추정된 상기 신호 발신부의 자세가 존재하지 않는다고 판단하면 상기 신호 발신부의 자세 추가 생신부는 상기 신호 발신부의 자세를 새롭게 추가하는 이동 로봇을 도킹시키는 장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 신호 발신부는 상기 이동 로봇의 충전 스테이션에서 상기 도킹 신호를 발신하는 이동 로봇을 도킹시키는 장치.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 신호 발신부의 자세는 상기 신호 발신부의 위치와 상기 도킹 신호를 발신하는 방향각인 이동 로봇을 도킹시키는 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 자세 범위 추정부는 상기 신호 발신부의 위치의 범위를 상기 이동 로봇의 자세, 상기 도킹 신호의 발신 거리, 및 상기 신호 수신부에서 상기 도킹 신호를 수신할 수 있는 각도 범위를 이용하여 추정하는 이동 로봇을 도킹시키는 장치.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 자세 범위 추정부는 상기 신호 발신부에서 상기 도킹 신호를 발신하는 방향각의 범위를 상기 이동 로봇의 방향각, 상기 신호 수신부에서 상기 도킹 신호를 수신할 수 있는 각도 범위, 및 상기 신호 발신부에서 상기 도킹 신호를 발신하는 각도 범위를 이용하여 추정하는 이동 로봇을 도킹시키는 장치.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 자세 추정 알고리즘은 칼만 필터(kalman filter)인 이동 로봇을 도킹시키는 장치.
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 정확도는 상기 신호 발신부 자세 추가 갱신부에서 상기 신호 발신부의 자세를 갱신한 횟수가 많을수록 높은 이동 로봇을 도킹시키는 장치.
  19. 제 11 항에 있어서,
    상기 정확도는 상기 신호 수신부가 수신한 상기 도킹 신호의 세기가 약할수록 높은 이동 로봇을 도킹시키는 장치.
  20. 제 11 항에 있어서,
    상기 정확도는 상기 신호 발신부 추가 갱신부에서 최근에 상기 신호 발신부의 자세를 갱신한 횟수가 많을수록 높은 이동 로봇을 도킹시키는 장치.
  21. 제 11 항에 있어서,
    상기 신호 발신부에서 발신되는 도킹 신호는 적외선 신호인 이동 로봇을 도킹시키는 장치.
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