KR20030091310A - 무선신호를 이용한 로봇의 상대적 위치 추정 장치 및 방법 - Google Patents

무선신호를 이용한 로봇의 상대적 위치 추정 장치 및 방법 Download PDF

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KR20030091310A
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Abstract

본 발명은 로봇과 사용자의 사이에 장애물이 존재하더라도 로봇이 사용자의 위치를 추정할 수 있는 무선신호를 이용한 로봇의 위치 추정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 로봇에 대한 사용자의 상대위치를 로봇호출수단으로 기준하고, 로봇호출수단에서 소정 대역으로 무변조신호를 송출하게 하고, 이를 로봇 측에서 지향성 안테나를 회전시키면서 수신하여, 전계강도가 가장 큰 신호가 수신되는 방향을 로봇호출수단의 방향으로 인식하고, 해당 방향각에서의 전계강도를 거리변화에 따른 전계강도변화를 학습한 신경회로망에 입력하고, 이들 결과를 칼만 필터로 필터링하여 로봇호출수단과의 거리를 추정하도록 한 것이다.

Description

무선신호를 이용한 로봇의 상대적 위치 추정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ESTIMATING THE RELATIVE POSITION BY RADIO FREQUENCY}
본 발명은 서비스 로봇에 관한 것으로, 보다 상세하게는 사용자와 로봇사이에 방해물이 존재하더라도 로봇측에서 사용자의 상대위치를 추정할 수 있는 무선신호를 이용한 로봇의 위치 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.
로봇 관련 기술은 1990년대에 들어와, 산업용 로봇에서 비산업용 로봇으로의 전환이 시도되면서 많은 발전을 가져오고 있지만, 일반 가정에서 사용되어지기까지는 제어기술이나, 네비게이션 기술등 아직 해결되어야 할 많은 문제점이 남아 있다.
이러한 해결 과제 중에서, 로봇이 사용자의 위치를 추정할 수 있도록 하는 기술은 로봇을 단순한 장난감 수준으로부터 가정내에서 소정의 일을 담당할 수 있는 가전기기의 수준으로 끌어올리는데 꼭 필요한 기술이다.
기존에 제안된 로봇에서의 사용자 혹은 특정 물체에 대한 상대 위치 추정 방법으로는 다음의 세 가지 방법을 들 수 있다.
1. 비이콘(beacon)을 이용한 방법
외부의 기준점(비이콘)에 대한 로봇과 사용자정보를 얻어, 사용자의 로봇에 대한 상대적인 위치를 추정하는 방법으로서, 삼각법 등을 이용하여 위치를 측정하는 경우, 비이콘에 대한 방향정보나 거리 정보 등이 상대적인 위치를 추정하기 위한 정보가 된다. 그러나, 이 방법은 기준점에 대한 로봇의 정보는 얻기 쉬우나, 반대로 비이콘에 대한 사용자의 정보를 획득하기가 매우 힘들다는 단점이 있으며, 특정한 신호를 발산하는 비이콘 등을 로봇이 작업할 공간에 미리 설치해야 하기 때문에, 시설물 설치에 따른 비용추가 및 사용의 불편함이 발생한다는 문제점이 있다.
특히, 초음파나 적외선 카메라를 이용하여 비이콘을 설치하는 경우, 사용자와 로봇사이에 장애물이 있으면, 신호전달이 안되어 위치 추정이 불가능하다.
2. 거리측정장치를 이용한 직접 거리 측정 방법.
이 방법은 로봇에 레이저나 초음파를 이용한 거리측정장치를 장착하여, 사용자에 대한 거리를 직접 측정하는 것으로, 이때 이용하는 거리측정수단은 단지 목표물까지의 거리 정보만을 나타내는 것이기 때문에, 그 목표물이 사용자인지 아닌지를 판단할 수 없으며, 따라서 거리가 측정되고 있는 목표물이 사용자인지를 판단하는 별도의 인식수단이 필요하다.
또한, 상기 기준점 이용 방법과 마찬가지로 사용자와 로봇 사이에 장애물이존재할 경우 측정이 불가능하다는 단점이 있다.
3. 영상 정보를 이용한 위치 인식 방법
이 방법은 목표를 카메라로 촬영후, 영상처리기법에 의해 촬영된 영상으로부터 위치를 추정하는 것으로서, 고정된 환경 하에서 깨끗한 영상 정보를 얻을 수 있어야 좋은 결과가 얻어진다. 그러나, 빛의 양이나 밝기, 세기 등이 시간에 따라 변하는 실제 환경에서는, 저가의 카메라의 경우, 원거리 피사체에 대한 영상 정보에 왜곡이 심하게 발생하기 때문에, 주 처리 방법으로 이용하는 것은 부적합하며, 부차적인 수단으로 많이 이용된다.
따라서, 장애물이나 기타 장애에 관계없이 위치추정이 가능한 새로운 방법이 요구되고 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 그 목적은 로봇과 사용자의 사이에 장애물이 존재하더라도 로봇이 사용자의 위치를 추정할 수 있는 무선신호를 이용한 로봇의 위치 추정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 로봇 위치 추정 장치의 전체 구성을 간단하게 보인 블럭도이다.
도 2는 본 발명에 의한 로봇 위치 추정 장치에서 로봇호출수단의 상세 구성도이다.
도 3은 본 발명에 의한 로봇 위치 추정 장치에서 로봇에 장착되는 위치추정수단의 상세 구성도이다.
도 4는 지향성 안테나의 감도특성을 보인 그래프이다.
도 5는 본 발명의 위치추정수단에서의 위치에 따른 파워검출특성을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명에 의한 위치 추정 과정을 보인 플로우챠트이다.
도 7은 안테나의 방향각 변화에 따른 전계강도 변화를 보인 그래프이다.
도 8은 본 발명에 의한 위치 추정 과정에서 적용되는 신경회로망의 구조를 보인 도면이다.
도 9는 로봇으로부터 상대 위치 추정 원리를 설명하기 위한 도면이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100 : 로봇호출수단200 : 위치추정수단
110 : 버튼부120 : 마이크로프로세서
130 : 무선신호송신부140, 150 : 데이타송수신부
160 : 듀플렉스 필터170, 180 : 제1,2무지향성 안테나
210 : 마이크로프로세서220 : 파워검출부
230, 240 : 데이타송수신부250 : RF스위치부
260 : 듀플렉스 필터270 : 지향성 안테나
280 : 제3무지향성 안테나
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 구성수단으로서, 본 발명은
무선신호를 이용한 로봇의 위치 추정 장치에 있어서,
사용자의 요구에 따라 로봇 원격 제어신호를 송출하고, 위치추정을 위한 기준신호로서 위치추정용 무선신호를 송출하는 로봇호출수단; 및,
상기 로봇호출수단으로부터 송출된 위치추정용 무선신호를 수신하고, 수신된위치추정용 무선신호를 분석하여 로봇으로부터 로봇호출수단까지의 방향 및 상대거리를 산출하는 위치추정수단으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
더하여, 본 발명에 의한 무선신호를 이용한 로봇의 위치 추정 방법은
무선신호를 송수신하여 로봇에서 로봇호출수단의 상대 위치를 추정하는 무선신호를 이용한 로봇의 위치 추정 방법에 있어서,
로봇호출수단에서 소정 대역으로 위치추정용 무선신호를 송출하는 제1단계;
로봇측에서 하나 이상의 지향성 안테나를 회전시켜 전 방향각에 대해 위치추정용 무선신호를 수신하는 제2단계;
지향성 안테나가 회전하는 동안, 설정된 샘플링 주기마다 수신된 위치추정용 무선신호의 전계강도와, 해당 시점의 지향성 안테나의 방향각, 로봇의 위치 정보를 검출하여 저장하는 제3단계;
지향성 안테나가 전 방향에 대한 신호수신을 완료하면, 검출된 전계강도를 분석하여, 전계강도가 최고치 인 방향각을 검출하고, 획득된 방향각을 로봇의 현재위치에 따라 보정하여 로봇호출수단의 방향각을 획득하는 제4단계; 및
거리에 따른 전계강도변화가 학습된 신경회로망에 상기 검출된 전계강도 값과 거리변화량과 이전 거리측정값을 입력하여 현재 로봇호출수단과의 거리를 산출하는 제5단계; 및
상기 획득된 로봇호출수단의 방향과 거리정보로 목표의 상대위치를 갱신하는 제6단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상술한 본 발명의 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 기존에 제안된 위치 추정 방법들의 가장 큰 문제는 로봇과 사용자 사이에 장애물이 있을 경우, 위치추정이 불가능하다는 것으로서, 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 무선신호(Radio Frequency)를 이용하고자 한다.
일반적으로, 무선신호(RF)는 송수신기 사이에 장애물이 있더라도 전파될 수 있기 때문에, 빛이나 초음파를 사용하는 것에 비하여 많은 이점이 있다. 또한, 반사와 회절 등을 통해서, 로봇과 사용자가 서로 다른 방에 있더라도 송수신이 가능하다.
그러나, 기존에 알려져 있는 RF를 이용한 위치추적방법은 송신기와 수신기 사이의 거리가 매우 멀고 반사파등에 의한 방해가 없는 열린 공간에서 사용 가능한 방법이다. 즉, 거의 밀폐된 실내에서 움직이는 로봇의 경우는, 송신기와 수신기의 사이가 매우 가깝고(최대 수미터 이내), 실내의 닫힌 공간이기 때문에, 반사파에 의한 간섭이 일어나기 때문에 위상 차나 시간지연등을 이용해서 위치를 추정하기가 어렵다는 문제를 갖고 있다. 따라서, 기존의 방법은 실내환경에 적용할 수 없었다.
따라서, 본 발명에서는 이와 같은 문제점을 해결하도록, 무선신호의 전계강도를 지향성 안테나 어레이와, 신경회로망과 필터를 이용하여 상대적인 위치를 추정하는 장치를 제안한 것이다.
이하, 첨부된 도면에 보인 실시예에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 로봇의 위치 추정 장치를 보인 개략 구성도로서, 본발명은 크게 사용자가 로봇을 원격조정하거나 각종 정보를 로봇과 주고받기 위한 조작기로서, 원격제어를 위한 제어데이타를 송수신함은 물론 위치 추정을 위한 무선신호를 송신하는 로봇호출수단(100)과, 로봇에 장착되어, 로봇호출수단(100)에서 송출된 무선신호를 수신하고, 수신된 신호의 전계강도를 분석하여 위치를 추정하는 위치추정수단(200)으로 이루어진다.
상기 로봇호출수단(100)은 다수개가 구비될 수 있으며, 각 로봇호출수단(100)에서 각각 다른 주파수대역의 무선신호를 사용하는 주파수분할방식이나, 위치추정수단(200)의 허가에 의하여 지정된 시간동안만 무선신호를 송신하도록 하는 시분할방식을 사용하여, 2개 지역 이상의 위치로부터 각각의 무선신호를 송출할 수 있도록 한다.
도 2 및 도 3은 상술한 로봇호출수단(100)과 위치추정수단(200)에 대한 각각의 상세구성도로서, 이를 참조하면 그 구체적인 구성은 다음과 같이 이루어진다.
상기 로봇호출수단(100)은 도 2에 도시된 바와 같이, 사용자가 명령을 입력하기 위한 입력수단인 버튼부(110)와, 상기 버튼부(110)에 의해 입력된 지시 및 수신된 제어데이타를 판단하여 무선신호 및 제어데이타를 송출시키는 제1마이크로프로세서(120)와, 상기 제1마이크로프로세서(120)의 지시에 따라 설정된 무선신호를 발생하여 송신시키는 무선신호송신부(130)와, 로봇과의 사이에 제어데이타를 송수신하기 위한 제1데이타송수신부(140,150)와, 하나의 안테나를 통해 송수신되는 데이타를 송신단/수신단에 각각 전달하는 제1듀플렉스 필터부(160)와, 제어데이타를 방사/수신하는 제1무지향성 안테나(170)와, 상기 무선신호송신부(130)에서 발생된신호를 방사시키는 제2무지향성 안테나(180)로 구성된다.
상기에서, 위치추정을 위하여 송출되는 무선신호는 무변조신호로 하는 것이 전계강도검출에 용이하지만, 변조신호를 이용할 수 도 있다.
그리고, 위치추정수단(200)은 도 3에 도시된 바와 같이, 원격제어명령에 따라 로봇의 동작을 제어하면서 파워검출부(220)에서 수신된 무선신호의 전계강도를 분석하여 사용자(즉, 로봇호출수단(100))의 위치를 추정하는 제2마이크로프로세서(210)와, 수신된 무선신호의 전계강도를 검출하는 파워검출부(220)와, 상기 로봇호출수단(100)과의 제어데이타 송수신을 위한 제2데이타송수신부(230,240)와, 제3무지향성 안테나(280)를 통해 송수신되는 원격제어데이타를 각각 송수신단에 전달하는 제2듀플렉스 필터(260)와, 3개의 지향성 안테나(270)중 하나를 상기 파워검출부(220)에 연결하는 RF스위치부(250)와, 위치추정용 무선신호를 수신하는 3개의 지향성 안테나(270)와, 상기 로봇호출수단(100)과 원격제어데이타를 송수신하기 위한 제3무지향성 안테나(280)로 구성된다.
앞서 설명한 주파수분할방식에 의하여 다수 위치를 추정하고자 하는 경우, 상기 위치추정수단(200)의 파워검출기(220)는 PLL합성기를 구비하여, 다수 주파수대역에 대한 무선신호를 수신하여 파워를 검출하도록 구성된다.
이러한 구성에 있어서, 로봇이 사용자의 위치를 추적하기 위해서는, 사용자측의 로봇호출수단(100)으로부터 위치추정용 무선신호가 방사되고, 로봇에 장착된 위치추정수단(200)에서 상기 위치추정용 무선신호를 수신하여야 한다.
상기 로봇호출수단(100)으로부터의 위치추정용 무선신호의 송출은 로봇호출수단(100)의 버튼부(110)에 구비된 관련 버튼(예를 들어, 로봇 호출버튼)을 누르거나, 양방향 데이타통신에 의해, 로봇으로부터 위치추정용 무선신호 송신요구가 로봇호출수단(100)의 제1마이크로프로세서(120)로 전달되면, 제1마이크로프로세서(120)가 위치추정용 무선신호송신부(130)를 동작시킨다.
즉, 로봇호출수단(100)에서의 위치추정용 무선신호 송출은 다음의 두 가지 경우로 구분할 수 있다. 첫째, 사용자가 의도적으로 로봇을 호출하기 위한 경우와, 둘째 로봇측에서 사용자의 위치를 추적할 필요가 있는 경우로서, 첫 번째의 경우는 사용자가 로봇호출수단(100)에 구비된 버튼부(110)에서 해당 버튼(예를 들어, 호출버튼)을 누르면, 이를 인식한 제1마이크로프로세서(120)가 호출데이타를 제1데이타송신부(140), 듀플렉스 필터(160) 및 제1무지향성 안테나(170)를 통해 전송하고, 로봇 측으로부터 이에 대한 응답메시지를 기다린다. 그리고, 상기와 같이 송출된 호출데이타는 위치추정수단(200)의 제3무지향성 안테나(280)에 수신되어, 듀플렉스 필터(260)를 통해 제2데이타수신부(240)로 전달되고, 상기 제2데이타수신부(240)에서 복조되어 제2마이크로프로세서(210)로 전달된다. 상기 제2마이크로프로세서(210)는 수신된 명령을 판단하여, 호출데이타를 인식하고, 그에 따라 위치추정용 무선신호에 대한 송출 요구를 로봇호출수단(100)으로 보낸다. 따라서, 대기상태의 로봇호출수단(100)의 제1마이크로프로세서(120)는 로봇 측의 위치추정수단(200)으로부터 정상적인 위치추정용 무선송출요구가 수신되었다고 판단되면, 위치추정용 무선신호송신부(130)에 송출명령을 내리고, 이에 위치추정용 무선신호송신부(130)는 제2무지향성 안테나(180)를 통해 위치추정용 무선신호를 방사시킨다. 상기에서, 호출데이타와 위치추정용 무선신호의 송출은 동시에 행해질 수 도 있다.
그리고, 두 번째 경우는, 사용자의 버튼조작없이 로봇측에서 사용자 위치를 판단할 필요가 있는 경우로서, 먼저, 위치추정수단(200)의 제2마이크로프로세서(210)에서 위치추정용 무선신호 송출 요구 데이타를 출력하면, 상기 데이타가 제2데이타송신부(230)를 통해 무선신호로 변환된 후, 듀플렉서 필터(230)를 통해 제3무지향성안테나(280)로 전달되어 방사되고, 이렇게 방사된 로봇의 위치추정용 무선신호 송출 요구 데이타는 로봇호출수단(100)의 제1무지향성 안테나(170)로 수신된 후, 듀플렉스 필터(160)를 통해 제1데이타수신부(150)로 전달되고, 상기 제1데이타수신부(150)는 수신데이타를 복조하여 제1마이크로프로세서(120)로 전달한다. 이에, 제1마이크로프로세서(120)는 입력된 수신데이타를 분석하여, 위치추정용 무선송출요구로 판단될 때, 앞서 설명한 과정처럼 위치추정용 무선신호송신부(130)로 송출명령을 내린다. 그리고, 상기 위치추정용 무선신호송신부(130)는 제1마이크로프로세서(120)의 지시에 따라 동작하여 소정의 고정주파수대의 위치추정용 무선신호를 발생시켜, 제2무지향성 안테나(170)를 통해 방사시킨다.
상술한 바와 같이, 로봇 측에 장착된 위치추정수단(200)의 제2마이크로프로세서(210)는 응답메시지 또는 위치추정용 무선 송출 요구를 로봇호출수단(100)으로 보낸 후, 위치추정용 무선신호를 수신할 수 있도록 파워검출제어신호(212)와 RF스위치 제어신호(213)를 출력하여, 파워검출부(220)와 RF스위치부(250)를 동작시킨다.
그리고, 로봇호출수단(100)에서 송출된 위치추정용 무선신호는 위치추정수단(200)의 3개의 지향성안테나(270)중 하나 또는 모두를 통해서 수신된다. 상기 지향성 안테나(270)는 도 4에 도시한 바와 같은 감도특성을 갖는다.
상기 도 4의 감도특성을 살펴보면, 대략 +60/-60도의 영역에서는 0도에 비하여 -10dB 정도의 감쇄를 갖는다. 따라서, 상기 지향성 안테나(270)를 통해 수신된 신호의 전계강도가 가장 큰 방향이 로봇호출수단(100)이 위치한 방향이 된다.
따라서, 상기와 같은 지향성안테나(270)로 수신된 위치추정용 무선신호는 RF스위치부(250)를 통해 파워검출부(220)로 전달되고, 상기 파워검출부(220)는 입력된 위치추정용 무선신호의 전계강도를 검출하여, 전계강도에 비례한 전압을 출력한다. 그리고, 제2마이크로프로세서(210)는 파워검출부(220)의 출력값으로 방향각에 대한 전계강도의 프로파일을 생성하여, 전계강도가 가장 큰 방향각을 로봇호출수단(100)이 위치한 방향으로 판단한다.
도 5의 그래프는 상기 파워검출부(220)에서 출력되는 전압과 수신된 위치추정용 무선신호의 전계강도와의 관계의 일 예를 보인 것이다.
상기 제2마이크로프로세서(210)의 위치 추정 방법을 도 6의 플로우챠트를 참조하여 설명한다.
앞서 설명한 과정을 통해 로봇호출수단(100)에서 위치추정용 무선신호가 송출되고, 위치추정수단(200)은 위치추정용 무선신호 송출을 허가하는 것으로 사용자의 위치 추정이 시작되면(601), 제2마이크로프로세서(210)가 지향성 안테나(270)를미리 설정된 일정한 속도, 설정된 방향(예를 들어, 시계방향 또는 반시계방향)으로 회전시킨다(602).
그와 동시에, 위치 추정이 종료되거나, 지향성 안테나(270)가 한바퀴(360도) 회전할 때까지, 미리 설정된 샘플링 시간마다, 수신된 위치추정용 무선신호의 전계강도를 읽는다(603~605).
이때, 상기 실시예에 보인 바와 같이, 지향성 안테나(270)가 두개 이상인 경우에는, 샘플링시간마다 순차적으로 각각 다른 지향성안테나(270)를 선택하여, 신호를 수신하고 그 전계강도를 읽는다(606).
그리고, 선택된 안테나에 수신된 전계강도를 읽는 것과 동시에, 신호 수신 방향을 탐지하기 위해서, 그때의 안테나의 위치와 방향각을 검출한다(607).
더 구체적으로는 지향성 안테나(270)를 회전시키는 모터에 장착된 엔코더를 통해서 안테나의 회전각을 측정한다. 또한, 위치추정수단(200)이 장착된 로봇의 움직임을 통해 안테나의 방향각이 변화되므로, 로봇의 위치 및 자세정보도 같이 읽는다. 이 정보는 로봇에 구비된 구동장치중, 주행모터의 엔코더나 지자기 센서 등과 같은 각종 센서를 통해 얻어질 수 있다.
도 9는 로봇의 자세를 2차원 평면으로 나타낸 그림으로서, 이 도면을 참조하면, 로봇의 자세(P)는 다음의 수학식 1과 같이 원점에 대한 위치(x, y)와 방향각(θ)의 3개 변수로 나타낼 수 있다.
엔코더만을 사용하는 경우, 다음의 수학식 2를 이용하여 로봇의 자세 정보를 연속적으로 얻을 수 있다.
여기서, ΔT는 샘플링 타임, r은 로봇을 움직이는 바퀴의 반지름,는 오른쪽 바퀴 엔코더의 변화량,는 왼쪽 바퀴의 엔코더 변화량, N은 기어비, M은 로봇의 바퀴를 움직이는 모터의 한 회전당 나오게 되는 전체 엔코더의 펄스 수, D는 로봇을 움직이는 바퀴사이의 거리이다.
상기와 같이, 안테나가 회전하는 동안, 미리 정해진 샘플링 시간마다, 읽어들인 전계강도와, 안테나 및 로봇의 위치정보가 저장된다(608).
그리고, 안테나가 360도 회전하여, 모든 방향에서의 정보가 채집되면, 수집된 정보를 분석하여 위치추정용 무선신호를 송출한 로봇호출수단(100)의 상대위치를 계산한다.
구체적으로는, 먼저, 각 샘플링 시간에 얻어진 안테나의 방향각 정보를 로봇의 현재 위치를 기준으로 하여 다음 수학식 1과 같이 안테나의 방향각을 보정한다.
예를 들어, 상기 도 9와 같은 자세에서, i-2, i-1, i0의 샘플링 시간동안 로봇이 이동했다고 가정하자. 그리고, 각 샘플링 시각에서의 로봇의 위치를 Pi-2, Pi-1, Pi0라고 하고, 각 샘플링 시각에서의 안테나 방향각을 각각 αi-2, αi-1, αi0라고 하며, i0 시점을 완료시점이라고 하자.
상기에서, 만약 샘플링 시간 간격이 짧아서 각 샘플링 시각에서의 변위량이 작다면, 다음의 수학식 3을 통해서, 로봇의 움직임을 보상하여, i0시점에서의 로봇의 자세에 대한 방향각으로 변환할 수 있다.
여기에서,는 i번째 샘플링 시간에 얻어진 안테나의 방향각이고,는 i번째 샘플링시의 로봇의 방향각이고, θ는 현재의 로봇방향각이고,는 로봇의 현재 위치를 기준으로 보정된 안테나의 방향각이다.
상기와 같이, 로봇의 현재위치에 따라 안테나의 방향각을 변환하면, 이상적으로는 보정된 안테나의 방향각의 변화에 따라 얻어진 전계강도 곡선 V(α)는 도 7과 같은 프로파일을 갖게 된다. 그러나, 실제로는 잡음의 영향을 받게 되어, 도 7과 같이 부드러운 곡선을 갖지 않고, 잡음이 실린 형태가 된다. 따라서, 수학식 4와 같이 α축을 시간축으로 생각하여, 로우패스필터를 이용하여 잡음을 제거하여 상기 도 7과 같은 곡선이 얻어지도록 한다.
이와 같이, 안테나 방향각에 따른 전계강도 프로파일이 얻어지면, 이 곡선을 수학식 5와 같이 분석하여, 전계강도가 최대인 방향각 αmax와 그때의 전계강도 Vmax를 얻는다(609, 160).
이때, 얻어진 방향각αmax는 샘플링 시점마다의 로봇의 움직임 변이량이 작다고 가정해서 얻어진 결과이므로, 실제로는 정확한 값을 갖지 못하고, 어느 정도의 오차를 갖게 된다. 그래서, 거리정보가 얻어진 이후, 칼만 필터를 이용하여 오차를 보정하게 된다.
그 다음, 거리 추정 방법에 대해서 설명한다.
일반적으로 전파는 방해물이 없다고 가정할 때, 공간상을 직진하게 되므로, 수신부에서 측정하는 전파의 전계강도는 발신측과 수신측 사이의 거리의 제곱에 반비례하게 된다. 이때 비례상수는 유전율등에 의해서 결정된다.
그러나, 열려진 공간이 아닌 실내에서는 장애물등에 의해서 반사파가 많아지기 때문에, 실제적으로 거리의 제곱에 반비례하지는 않게 된다. 따라서, 측정된 전계강도를 바탕으로 하여 단순한 계산식을 바탕으로 한 거리의 산출은 거의 불가능하다. 또한, 예를 들어, 400MHz 대역의 주파수를 사용할 경우, 반사파에 의해 정상파가 형성되게 되어 1/2 파장인 대략 30㎝를 단위로 전계강도가 커졌다 작아졌다 하면서 출렁이게 된다.
따라서, 거리에 대한 전계강도의 함수가 단조 감소 함수 형태가 되지 못하기 때문에, 단순히 전계강도만을 가지고는 거리를 검출할 수 없다. 이런 문제를 해결하기 위해, 본 발명에서는 2.4 GHz대역의 전파를 사용하여, 반사파의 크기가 급격히 줄어들어 정상파 형성을 제거하였으며, 반사파에 의한 정상파가 형성되더라도 그 파장을 굉장히 짧게 하여, 오차범위내에서는 단조함수형태를 띄도록 한다.
그리고, 단순한 수식에 의한 계산이 아닌 거리에 따른 전계강도의 변화를 미리 학습에 의해 기억한 신경회로망을 사용하여 거리를 계산하도록 한다. 또한, 단조 감수 형태가 아닌 정상파에 의한 멀티-모달 특성을 극복하기 위해서, 순환적인 입력형태를 갖는 신경회로망을 사용한다.
도 8은 본 발명에서 전계강도에 따른 위치 추정을 위해 적용된 신경회로망의 구조를 보인 것으로서, 본 발명에 사용된 신경회로망은 총 3개의 층을 가지고 있으며, 각 층의 각 노드는 시그모이드(sigmoid)함수를 이용하여 출력을 제한한다.
먼저, 첫 번째 층은 입력 층으로서, 3개의 입력노드를 가지는데, 첫 번째 노드는 현재(k 스텝) 전계강도의 최고치가 입력되고, 두 번째 입력노드에는 신경회로망의 출력값, 즉 이전(k-1 스텝) 칼만 필터를 통과하여 얻어진 거리정보가 입력되며, 세 번째 입력노드에는 이전측정과 현재 측정시 간의 거리변화량이 입력되는데, 이는 로봇의 주행구동장치의 엔코더를 이용하여 얻어진다.
신경회로망의 두 번째 층은 은닉층으로 5개의 노드를 가지고 있으며, 세 번째 층은 출력층으로, 계산된 거리정보가 출력된다.
상기 출력층의 출력노드에서 출력된 신호는 상대적인 거리값이 출력되게 된다. 이 출력값은 시그모이드 함수에 의해서 0에서 무한대까지의 거리를 0에서 1사이의 값으로 정규화한 것으로, 미리 결정된 노미널(nominal) 값을 곱하여, 거리정보로 환산한다.
학습된 신경회로망이라 해도, 실제 환경과는 어느 정도 모델링 오차를 갖게 된다. 따라서, 신경회로망을 통하여 얻어진 거리정보에도 오차가 있게 된다. 상기 실시예에서는 이 오차를 방향각 정보와 함께 칼만 필터를 이용하여 제거한다.
상기 실시예에서, 로봇호출수단(100)을 통해 로봇을 호출하는 사용자는 로봇이 도착할 때까지 제자리에 가만히 있다고 가정한다. 그러면, 로봇과 사용자의 상대적인 위치는 다음의 수학식 6과 같은 상태방정식으로 표현된다.
여기서, UR(k)는 수학식 2와 같은 계산을 통해 얻어진 로봇의 위치변이량이고, v(k)는 이때의 오차항이며, T(k)는 로봇의 회전에 의해 생기는 회전 변화량으로 다음의 수학식 7과 같이 정의된다.
그리고, 앞서 수신된 위치추정용 무선 신호의 전계강도를 분석하여 얻어진 최대 전계강도를 갖는 방향각 αmax와 ρ에 대한 로봇과 사용자의 상대적인 위치 PT(k)는 다음의 수학식 8과 같은 관계를 갖는다.
상기 수학식 8에서, w(k)는 측정오차를 나타낸다.
이상 설명한 수학식 2,6,7,8 을 이용하면, 다음의 수학식 9와 같은 확장 칼만 필터를 구현할 수 있다.
여기서, Q(k)와 R(k)는 각각 센서정보로부터 추정된 로봇의 위치변이량에 대한 오차와, 수신된 위치추정용 무선신호로부터 추정된 상대적인 위치정보에 대한 오차의 공분산 값이다.
이와 같은 칼만 필터를 통해서, 로봇에 대한 사용자의 상대적인 위치를 매시간 업데이트 할 수 있다.
상기 사용된 신경회로망은 업데이트된 칼만 필터 출력을 입력으로 사용하고 있다. 그러므로, 크게 보면 재귀적인 구조를 가지고 있으나, 학습 시에는 순환부분을 제거하고, 일반적인 오차 역전파 학습법을 이용하여 학습가능하다.
앞서 보인 실시 예와 같이, 지향성 안테나를 하나이상 사용할 경우, 보다 효과적으로 방향과 거리를 얻을 수 있다. 예를 들어, 지향성 안테나를 서로 다른 방향으로 N개 설치하면, 각 안테나별로 360/N도만 회전시키면, N개의 지향성 안테나로부터 전 방향(360도)에 대한 전계강도 프로파일을 얻을 수 있게 된다. 따라서, 로봇의 회전범위를 줄일 수 있으며, 결과적으로 보다 빨리 전계강도 프로파일을 얻을 수 있게 된다. 또한, N개의 지향성 안테나를 모두 360도 회전시키면, N개의 독립된 데이타를 얻을 수 있으므로, 정밀도를 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 위치(방향각)와 거리정보가 획득되면, 획득된 정보를 이용하여 타깃(사용자 즉, 로봇호출수단(100))의 상대적 위치를 업데이트하고(612), 그 다음 목표물에 도달할 때까지 위치추정을 계속하기 위하여, 안테나를 반대방향으로 회전시키고, 상술한 과정을 다시 반복한다(613).
상술한 바와 같이, 본 발명은 위치추정을 위해 무선신호를 이용함으로서, 로봇과 사용자 사이에 장애물이나 벽이 존재하더라도 로봇에서 사용자의 상대위치를 추정할 수 있으며, 더하여, 전체 방향별로 수신된 신호의 전계강도를 신경회로망에 의해 분석함으로서, 실내환경에서도 정확한 위치를 추정할 수 있는 효과가 있다.

Claims (11)

  1. 무선신호를 이용한 로봇의 위치 추정 장치에 있어서,
    사용자의 요구에 따라 로봇 원격 제어신호를 송출하고, 위치추정을 위한 기준신호로서 위치추정용 무선신호를 송출하는 로봇호출수단; 및,
    상기 로봇호출수단으로부터 송출된 위치추정용 무선신호를 수신하고, 수신된 위치추정용 무선신호를 분석하여 로봇으로부터 로봇호출수단까지의 방향 및 상대거리를 산출하는 위치추정수단으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무선신호를 이용한 로봇의 위치 추정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 로봇호출수단은
    사용자가 로봇에 대한 원격제어명령을 지시하기 위한 버튼부와,
    상기 버튼부의 조작에 따라 대응되는 로봇 원격 제어명령을 생성하고, 상기 버튼부의 조작 및 수신데이타를 분석하여 위치추정이 필요하다고 판단될 때 위치추정용 무선신호 송출을 지시하는 제1마이크로프로세서와,
    상기 제1마이크로프로세서로부터 출력된 원격제어데이타를 무선신호를 변조하고, 수신된 무선신호를 수신데이타로 복조하여 제1마이크로프로세서에 인가하는 제1데이타송수신부와,
    상기 제1마이크로프로세서의 지시에 따라 설정된 주파수대역으로 위치추정용 무선신호를 송출하는 위치추정용 무선신호송신부와,
    상기 제1데이타송수신부로 입출력되는 신호를 송수신하는 제1무지향성 안테나와,
    상기 위치추정용 무선신호송신부로부터 출력된 위치추정용 무선신호를 방사시키는 제2무지향성 안테나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무선신호를 이용한 로봇의 위치 추정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 위치추정수단은
    상기 로봇호출수단으로부터 송출된 위치추정용 무선신호를 수신하며, 특정 방향에 대해 수신능력이 높은 n(n은 1이상의 자연수)개의 지향성 안테나와,
    상기 로봇호출수단과 데이타를 송수신하는 제3무지향성 안테나와,
    상기 n개의 지향성 안테나중 하나 이상을 선택하여 파워검출부에 연결하는 RF스위치부와,
    상기 RF스위치부를 통해 연결된 지향성 안테나로 수신된 위치추정용 무선신호의 전계강도를 검출하는 파워검출부와,
    상기 파워검출부로부터 제공된 위치추정용 무선수신신호의 전계강도를 비교하여, 전계강도가 가장 높은 방향각을 구하고, 해당 전계강도의 크기로부터 로봇호출수단과의 상대거리를 산출하는 제2마이크로프로세서와,
    상기 제3무지향성 안테나와 제2마이크로프로세서사이에 구비되어 송수신데이타를 변복조하는 제2데이타송수신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선신호를 이용한 로봇의 위치 추정 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 위치추정용 무선신호송신부는 위치추정용 무선송신 주파수대역으로 2.4GHz를 사용하는 것을 특징으로 하는 무선신호를 이용한 로봇의 위치 추정 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 n개의 지향성 안테나는 서로 다른 방향에 대한 지향성을 가지며, 각각 360/n 도 만큼씩 회전하는 것을 특징으로 하는 무선신호를 이용한 로봇의 위치 추정 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 n개의 지향성 안테나는 모두 360도로 회전하고,
    제2마이크로프로세서는 모든 지향성 안테나로 수신된 위치추정용 무선신호의 평균전계강도를 이용하는 것을 특징으로 하는 무선신호를 이용한 로봇의 위치 추정 장치.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 제2마이크로프로세서는
    전계강도 최고치, 이전에 산출된 거리정보, 거리변화량이 입력되는 세개의 입력노드를 갖는 입력층과,
    상기 입력층의 각 입력노드와 연결되는 다섯개의 노드를 갖는 은닉층과,
    상기 은닉층과 연결되고 거리정보가 산출되는 하나의 출력노드를 갖는 출력층을 갖고, 각 층의 각 노드에서 시그모드함수를 이용하여 출력을 제한하는 신경회로망을 구비하고,
    상기 신경회로망을 통해 전계강도로부터 로봇호출수단과의 상대거리를 산출하는 것을 특징으로 하는 무선신호를 이용한 로봇의 위치 추정 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 제2마이크로프로세서는
    상기 신경회로망에서 산출된 상대거리정보에 대한 오차를 보정하는 칼만필터를 더 구비하고, 상기 칼만 필터의 출력이 상기 입력층의 산출거리정보 입력노드로 연결하여 구성되는 것을 특징으로 하는 무선신호를 이용한 로봇의 위치 추정 장치.
  9. 무선신호를 송수신하여 로봇에서 로봇호출수단의 상대 위치를 추정하는 무선신호를 이용한 로봇의 위치 추정 방법에 있어서,
    로봇호출수단에서 소정 대역으로 위치추정용 무선신호를 송출하는 제1단계;
    로봇측에서 하나 이상의 지향성 안테나를 회전시켜 전 방향각에 대해 위치추정용 무선신호를 수신하는 제2단계;
    지향성 안테나가 회전하는 동안, 설정된 샘플링 주기마다 수신된 위치추정용 무선신호의 전계강도와, 해당 시점의 지향성 안테나의 방향각, 로봇의 위치 정보를 검출하여 저장하는 제3단계;
    지향성 안테나가 전 방향에 대한 신호수신을 완료하면, 검출된 전계강도를분석하여, 전계강도가 최고치 인 방향각을 검출하고, 획득된 방향각을 로봇의 현재위치에 따라 보정하여 로봇호출수단의 방향각을 획득하는 제4단계; 및
    거리에 따른 전계강도변화가 학습된 신경회로망에 상기 검출된 전계강도 값과 거리변화량과 이전 거리측정값을 입력하여 현재 로봇호출수단과의 거리를 산출하는 제5단계; 및
    상기 획득된 로봇호출수단의 방향과 거리정보로 목표의 상대위치를 갱신하는 제6단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무선신호를 이용한 로봇의 위치 추정 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 방법은 위치추정을 위한 위치추정용 무선신호로서 2.4GHz 대역을 사용하는 것을 특징으로 하는 무선신호를 이용한 로봇의 위치 추정 방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 방법에서 위치추정용 무선신호는 무변조신호인 것을 특징으로 하는 무선신호를 이용한 로봇의 위치 추정 방법.
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