KR102288635B1

KR102288635B1 - 자율 이동 로봇의 장애물 감지 장치

Info

Publication number: KR102288635B1
Application number: KR1020190143213A
Authority: KR
Inventors: 이병국
Original assignee: (주)미래컴퍼니
Priority date: 2019-11-11
Filing date: 2019-11-11
Publication date: 2021-08-12
Also published as: KR20210056577A

Abstract

본 발명은 자율 이동 로봇의 장애물 감지 장치에 관한 것이다.
본 발명은 원거리 감지용의 제1 신호를 발신하는 제1 발신부, 근거리 감지용의 제2 신호를 발신하는 제2 발신부, 상기 제1 신호의 반사신호 및 상기 제2 신호의 반사신호를 수신하는 수신부 및 상기 제1 신호의 반사신호를 상기 수신부의 관측영역(Field Of View, FOV)의 제1 관심영역(Region Of Interest, ROI-1)에 매핑하고 상기 제2 신호의 반사신호를 상기 관측영역의 제2 관심영역(ROI-2)에 매핑하는 제어부를 포함한다.
본 발명에 따르면, 두개의 발신부와 하나의 수신부를 포함하는 단일 심도 카메라를 이용하여 근거리 장애물 감지, 원거리 장애물 감지, 바닥 장애물 감지를 정확하고 신속하게 수행할 수 있도록 하는 자율 이동 로봇의 장애물 감지 장치가 제공되는 효과가 있다.

Description

자율 이동 로봇의 장애물 감지 장치{OBSTACLE DETECTION APPARATUS OF AUTONOMOUS DRIVING ROBOT}

본 발명은 자율 이동 로봇의 장애물 감지 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 종래 기술의 단점인 바닥 장애물 감지 어려움을 개선하고, 근거리 장애물 감지, 원거리 장애물 감지, 바닥 장애물 감지를 위해 개별 센서를 사용하는 시스템의 복잡도를 개선하기 위한 것으로서, 두개의 발신부와 하나의 수신부를 포함하는 단일 심도 카메라를 이용하여 근거리 장애물 감지, 원거리 장애물 감지, 바닥 장애물 감지를 정확하고 신속하게 수행할 수 있도록 하는 자율 이동 로봇의 장애물 감지 장치에 관한 것이다.

최근 로봇 기술의 발전에 따라 스스로 경로를 설정하고 이동하는 자율 이동 로봇의 활용도가 높아지고 있다.

자율 이동 로봇이 이동 경로를 스스로 설정하기 위해서는 현재 위치와 목적지를 인식하고 이동할 수 있는 경로를 탐색할 수 있어야 할 뿐만 아니라, 이동 경로 상에 존재하는 장애물을 감지하여 회피할 수 있어야 한다. 따라서 장애물의 위치를 정확히 감지하는 것이 중요하다.

기존의 자율 이동 로봇은 전방향의 장애물을 감지하기 위해, 각각 지정된 서로 다른 방향을 감지하는 복수개의 검출 센서를 구비하였다. 이에 자율 이동 로봇의 제어부는 각 검출 센서가 감지한 장애물의 위치를 검출 센서의 배치 위치를 고려하여 장애물의 위치를 재분석해야 하는 번거로움이 있었다. 또한 다수의 검출 센서를 구비해야 하므로 제조 비용이 상승하고, 검출 센서를 배치하기 위한 공간을 확보하기 위해 설계가 어려워지는 문제가 있다.

한편, 알려진 바와 같이, 자율 이동 로봇의 동작에 있어서는 기본적으로 근거리 및 원거리 장애물 검출이 중요하며, 현재는 근거리 장애물 검출에는 주로 초음파 센서가 사용되고 있고, 원거리 장애물 검출에는 레이저 스캔 방식의 라이다(Lidar)가 사용되고 있다.

그러나 초음파 센서는 근거리에 존재하는 장애물의 유무는 검출할 수 있으나 바닥에 위치하는 낮은 높이의 장애물 검출은 불가능하여 별도의 센서를 추가 사용하여 바닥 장애물을 검출해야 하는 상황이며, 바닥 장애물 검출을 위해 심도 카메라를 사용하는 시도가 이루어지고 있으나 가격이 높아 초음파 센서를 대체하기 위한 기술적 수단으로 채용되기 어려운 상황이다.

대한민국 공개특허공보 제10-2016-0122520호(공개일자: 2016년 10월 24일, 명칭: 로봇 청소기 및 그의 제어방법) 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0087006호(공개일자: 2017년 07월 27일, 명칭: 전방향 장애물 감지 장치, 이를 이용한 자율 이동 로봇 및 자율 이동 로봇의 장애물 감지 방법) 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0034573호(공개일자: 2013년 04월 05일, 명칭: 장애물 감지 장치 및 이를 구비한 로봇 청소기)

본 발명의 기술적 과제는 종래 기술의 단점인 바닥 장애물 감지 어려움을 개선하고, 근거리 장애물 감지, 원거리 장애물 감지, 바닥 장애물 감지를 위해 개별 센서를 사용하는 시스템의 복잡도를 개선하기 위한 것으로서, 두개의 발신부와 하나의 수신부를 포함하는 단일 심도 카메라를 이용하여 근거리 장애물 감지, 원거리 장애물 감지, 바닥 장애물 감지를 정확하고 신속하게 수행할 수 있도록 하는 자율 이동 로봇의 장애물 감지 장치를 제공하는 것이다.

이러한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 자율 이동 로봇의 장애물 감지 장치는 원거리 감지용의 제1 신호를 발신하는 제1 발신부, 근거리 감지용의 제2 신호를 발신하는 제2 발신부, 상기 제1 신호의 반사신호 및 상기 제2 신호의 반사신호를 수신하는 수신부 및 상기 제1 신호의 반사신호를 상기 수신부의 관측영역(Field Of View, FOV)의 제1 관심영역(Region Of Interest, ROI-1)에 매핑하고 상기 제2 신호의 반사신호를 상기 관측영역의 제2 관심영역(ROI-2)에 매핑하는 제어부를 포함한다.

본 발명에 따른 자율 이동 로봇의 장애물 감지 장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 제1 신호의 프레임 번호와 상기 제2 신호의 프레임 번호를 기준으로 상기 제1 신호의 반사신호를 상기 제1 관심영역에 매핑하고 상기 제2 신호의 반사신호를 상기 제2 관심영역에 매핑하여 원거리 데이터와 근거리 데이터가 포함된 깊이 맵(Depth Map)을 생성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 자율 이동 로봇의 장애물 감지 장치에 있어서, 상기 제2 관심영역의 면적은 상기 제1 관심영역의 면적보다 큰 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 자율 이동 로봇의 장애물 감지 장치에 있어서, 상기 제1 신호의 변조 주파수(modulation frequency)는 상기 제2 신호의 변조 주파수보다 낮은 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 자율 이동 로봇의 장애물 감지 장치에 있어서, 상기 제1 신호의 발산각은 상기 제2 신호의 발산각보다 좁은 것을 특징으로 한다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 두개의 발신부와 하나의 수신부를 포함하는 단일 심도 카메라를 이용하여 근거리 장애물 감지, 원거리 장애물 감지, 바닥 장애물 감지를 정확하고 신속하게 수행할 수 있도록 하는 자율 이동 로봇의 장애물 감지 장치가 제공되는 효과가 있다.

또한, 낮은 높이의 바닥 장애물, 낮은 바닥 턱의 검출 능력을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 두개의 발신부와 하나의 수신부를 포함하는 단일 심도 카메라를 이용하여 근거리, 원거리, 바닥에 위치하는 장애물을 정확하고 신속하게 감지할 수 있기 때문에, 장애물 감지를 위해 요구되는 센서들의 수, 이와 관련한 비용 및 유지 관리 부담을 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 장애물 감지 장치를 단일 심도 카메라로 구현함으로써, 자율 이동 로봇과 같은 응용 완제품(application set)에 장매물 감지 장치를 설치하는 과정에서 고려되어야 하는 설치공간 확보 및 설치구조의 복잡도를 낮출 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자율 이동 로봇의 장애물 감지 장치를 나타낸 도면이고,
도 2는 본 발명의 일 실시 예가 자율 이동 로봇에 장착되어 동작하는 상태를 예시적으로 나타낸 도면이고,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 제1 관심영역과 제2 관심영역으로 구분되는 수신부의 관측영역(Field Of View, FOV)의 예시적인 구성을 나타낸 도면이고,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자율 이동 로봇의 장애물 감지 장치의 동작을 예시적으로 나타낸 도면이다.

본 명세서에 개시된 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.

본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.

제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고 유사하게 제2 구성 요소는 제1 구성 요소로도 명명될 수 있다.

어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에" 와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 나타낸다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의된 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자율 이동 로봇의 장애물 감지 장치를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예가 자율 이동 로봇에 장착되어 동작하는 상태를 예시적으로 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 제1 관심영역과 제2 관심영역으로 구분되는 수신부(30)의 관측영역(Field Of View, FOV)의 예시적인 구성을 나타낸 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 자율 이동 로봇(1)의 장애물 감지 장치(2)는 제1 발신부(10), 제2 발신부(20), 수신부(30) 및 제어부(40)를 포함한다.

예를 들어, 장애물 감지 장치(2)는 심도(Depth) 카메라, 구체적으로는, ToF(Time of Flight) 카메라일 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 장애물 감지 장치(2)는 피사체와의 거리를 측정할 수 있는 임의의 방식이 적용된 카메라 일 수 있다는 점을 밝혀둔다. 다만, 본 발명의 실시 예를 설명하기에 앞서, 본 발명의 일 실시 예가 적용될 수 있는 분야로 한정되지는 않으나 특히 효용성이 높은 ToF 카메라에 대하여 간략히 설명하면 다음과 같다. ToF는 비행 시간 즉, 빛을 쏘아서 반사되어 오는 시간을 측정하여 거리를 계산하는 방식으로서, ToF 카메라는 이러한 ToF 방식을 사용하여 객체와의 거리, 달리 말해 심도(depth) 이미지를 획득하는 카메라이다. 이러한 ToF 카메라는, 예를 들어, 쿼드콥터, 자율주행차, 모션인식 컨트롤, 가상현실, 게임, 3D 모델링, 인간-로봇 상호작용(Human Robot Interaction) 등의 매우 다양한 분야에 적용될 수 있는 주요한 기술적 수단이다.

제1 발신부(10)는 원거리에 위치하는 객체의 깊이 정보를 획득하기 위해 원거리 감지용의 제1 신호를 발신하는 구성요소이다.

예를 들어, 제1 신호 및 후술하는 제2 신호는 소정의 변조 주파수로 변조된 펄스 신호일 수 있으며, 보다 구체적으로는, 적외선 레이저 펄스일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

제2 발신부(20)는 근거리에 위치하는 객체의 깊이 정보를 획득하기 위해 근거리 감지용의 제2 신호를 발신하는 구성요소이다.

일반적인 사항이지만, 제1 발신부(10)는 원거리 객체 감지용 수단이므로 바닥면과 평행하거나 미세한 경사각을 갖는 제1 신호를 발신하고, 제2 발신부(20)는 근거리 객체 감지용 수단이므로 자율 이동 로봇(1)이 이동하는 경로인 근처 바닥면을 향하도록 바닥면에 대하여 제1 신호보다 큰 경사각을 갖는 제2 신호를 발신하도록 구성될 수 있다.

예를 들어, 감지 대상인 객체와 자율 이동 로봇(1)의 이격 거리 및 감지 시야를 고려하여 원거리 감지용의 제1 신호의 발산각은 근거리 감지용의 제2 신호의 발산각보다 좁도록 구성될 수 있다.

또한, 예를 들어, 제1 신호의 변조 주파수(modulation frequency)는 제2 신호의 변조 주파수보다 낮도록 구성될 수 있다.

이러한 구성에 따르면, 근거리. 특히, 자율 이동 로봇(1)의 바로 인근 바닥면에 위치하는 장애물, 바닥 턱 등에 대한 감지 정밀도가 높아진다.

수신부(30)는 제1 신호의 반사신호 및 제2 신호의 반사신호를 수신하는 구성요소이다. 예를 들어, 수신부(30)에 적용될 수 있는 이미지 센서로는 상보성 금속산화물 반도체인 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor), 전자결합소자인 CCD(Charge Coupled Device) 등이 적용될 수 있다.

제어부(40)는 제1 신호의 반사신호를 수신부(30)의 관측영역(Field Of View, FOV)의 제1 관심영역(Region Of Interest, ROI-1)에 매핑(mapping)하고, 제2 신호의 반사신호를 관측영역(FOV)의 제2 관심영역(ROI-2)에 매핑한다.

예를 들어, 도 3에 예시된 바와 같이, 제어부(40)는 원거리 감지용인 제1 신호의 프레임 번호와 근거리 감지용인 제2 신호의 프레임 번호를 기준으로, 제1 신호의 반사신호를 하나의 관측영역(FOV)제1 관심영역(ROI-1)에 매핑하고 제2 신호의 반사신호를 제2 관심영역(ROI-2)에 매핑하여 원거리 데이터와 근거리 데이터가 포함된 깊이 맵(Depth Map)을 생성하도록 구성될 수 있다.

예를 들어, 원거리에 비하여 근거리 감지에 상대적으로 많은 데이터 처리가 필요하다는 점을 고려하여, 제2 관심영역(ROI-2)의 면적은 제1 관심영역(ROI-2)의 면적보다 크도록 구성될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자율 이동 로봇(1)의 장애물 감지 장치의 동작을 예시적으로 나타낸 도면이다.

도 4를 추가로 참조하면, 단계 S10에서는, 사용자 등의 외부 입력, 설정된 이벤트 발생 등의 요건 충족에 의해 자율 이동 로봇(1)의 기동이 개시된다.

단계 S20에서는, 제1 신호와 제2 신호가 프레임 별로 구분되어 발신되는 과정이 수행된다.

예를 들어, 단계 S20의 과정은, 제어부(40)의 제어에 따라 제1 발신부(10)가 제1 신호를 발신하고 제2 발신부(20)가 다음 프레임에 제2 신호를 발신하는 방식으로 수행될 수 있다. 물로, 제1 발신부(10)와 제2 발신부(20)의 동작 순서는 반대로 수행될 수도 있으며, 제어부(40)에는 각 신호의 프레임 번호가 저장된다.

단계 S30에서는, 수신부(30)가 제1 신호의 반사신호 및 제2 신호의 반사신호를 수신하는 과정이 수행된다.

단계 S40에서는, 제어부(40)가 수신부(30)로부터 전달받은 신호의 프레임 번호를 확인하는 과정이 수행된다.

단계 S50에서는, 제어부(40)가 제1 신호의 반사신호를 수신부(30)의 관측영역(FOV)의 제1 관심영역(ROI-1)에 매핑하고, 제2 신호의 반사신호를 제2 관심영역(ROI-2)에 매핑하여 원거리 데이터와 근거리 데이터가 포함된 깊이 맵(Depth Map)을 생성하는 과정이 수행된다.

자율 이동 로봇(1)은 이 깊이 맵에 기초하여 장애물 등을 회피하면서 주행하게 된다.

1: 자율 이동 로봇
2: 장애물 감지 장치
10: 제1 발신부
20: 제2 발신부
30: 수신부
40: 제어부

Claims

자율 이동 로봇의 장애물 감지 장치로서,
원거리 감지용의 제1 신호를 발신하되, 바닥면에 대하여 제1 경사각 방향으로 상기 제1 신호를 발신하는 제1 발신부;
상기 자율 이동 로봇의 이동 경로인 바닥면을 향하도록 근거리 감지용의 제2 신호를 발신하되, 상기 바닥면에 대하여 상기 제1 경사각보다 큰 제2 경사각 방향으로 상기 제2 신호를 발신하는 제2 발신부;
상기 제1 신호의 반사 신호 및 상기 제2 신호의 반사신호를 수신하는 수신부; 및
상기 제1 신호와 상기 제2 신호를 프레임 별로 구분하여 발신하도록 상기 제1 발신부와 상기 제2 발신부를 제어하고, 상기 발신된 제1 신호와 상기 제2 신호의 프레임 번호를 저장하고, 상기 수신부로부터 전달받은 상기 제1 신호의 반사 신호와 상기 제2 신호의 반사 신호의 프레임 번호를 확인하고, 상기 제1 신호의 프레임 번호와 상기 제2 신호의 프레임 번호를 기준으로 상기 제1 신호의 반사신호를 상기 수신부의 관측영역(Field Of View, FOV)의 제1 관심영역(Region Of Interest, ROI-1)에 매핑하고 상기 제2 신호의 반사신호를 상기 관측영역의 제2 관심영역(ROI-2)에 매핑하여 원거리 데이터와 근거리 데이터가 포함된 깊이맵(Depth Map)을 생성하는 제어부;를 포함하는, 자율 이동 로봇의 장애물 감지 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제2 관심영역의 면적은 상기 제1 관심영역의 면적보다 큰 것을 특징으로 하는, 자율 이동 로봇의 장애물 감지 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 신호의 변조 주파수(modulation frequency)는 상기 제2 신호의 변조 주파수보다 낮은 것을 특징으로 하는, 자율 이동 로봇의 장애물 감지 장치.
삭제