KR20030093387A - 이동체의 위치 및 방향 추정을 위한 초음파 센서 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파 센서를 이용한 이동체, 예를들면 이동 로봇의 자기 위치 추정 센서 시스템에 관한 것이다.

이를 위해 본 발명은 실내의 고정 위치에 설치되는 초음파 송신기들, 이 송신기들과 쌍을 이루어 설치되는 무선 수신기들, 이동체에 설치되는 초음파 수신기들, 이동체에 설치되는 무선 송신기로 구성되어, 무선 송신기에서 각각의 무선 수신기를 차례로 호출하고, 호출된 무선 수신기와 쌍을 이루는 초음파 송신기에서 초음파를 발사하여 이 초음파를 이동체의 초음파 수신기들에서 수신하여 이동체의 실내에서의 위치와 방향을 추정하게 된다.

이상과 같은 본 발명에 의하면, 반사파를 처리하는 기존의 방법 대신 직접파를 처리하므로 잡음에 강하며, 순차적으로 호출되는 특정의 초음파 송신기에서만 초음파가 발생하도록 구성하여 초음파 신호들 간에 혼신이 없고 초음파 송신 신호 식별 및 동기화가 가능한 이동 로봇용 위치 및 방향 추정 시스템이 가능해 진다.

Description

이동체의 위치 및 방향 추정을 위한 초음파 센서 시스템{ULTRASONIC SENSOR SYSTEM FOR POSITION AND DIRECTION ESTIMATION OF MOBILE OBJECT}

본 발명은 초음파 센서를 이용한 이동체, 예를들면 이동 로봇의 자기 위치 추정 센서 시스템에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 위치를 미리 알고 있는 실내의 몇 군데 고정 지점에 설치된 초음파 송신기들에서 송신된 초음파 신호를 이동체에 설치된 초음파 수신기에서 수신하여 초음파 송신기들까지의 거리를 측정하므로써 실내 공간상에서 이동체의 절대 위치와 방향을 추정하기 위한 초음파 센서 시스템에 관한 것이다.

근래 들어 홈 서비스 로봇이나 완구 로봇등 개인용 로봇에 대한 관심이 높아지고 있다. 기존의 산업용 로봇에 비해 개인용 로봇이 갖는 큰 특징중의 하나는 이동성을 가진다는 것이다.

그런데, 이동 로봇이 공간상을 자율 주행하기 위해서는 절대 공간상에서 로봇 자신의 위치와 방향을 알아야 하는데, 이를 로봇의 자기 위치 추정 문제라고 부른다. 로봇의 자기 위치 추정을 위해서는 로봇 자신과 주변 물체와의 거리를 측정하는 거리 센서가 필요한데, 일반적으로 사람의 눈과 같은 카메라 비젼 센서가 이러한 거리 센서로 많이 사용된다.

그러나 카메라 센서는 값이 매우 비싸고 신호를 처리하는데 많은 계산 시간이 소요되며, 주변의 조명 잡음에 큰 영향을 받는다는 단점이 있다. 따라서 근래에는 값이 매우 싸고, 비교적 측정 정밀도가 높으며 신호 처리가 쉬운 초음파 거리 센서가 많이 사용되고 있다.

초음파 센서를 이용한 종래기술에 따른 거리 측정 방식은 도 1에서 도시한 바와 같이 초음파를 발사한 시점으로부터 초음파가 물체에 반사되어 되돌아오는 시점까지의 체공 시간(TOF: Time-Of-Flight)을 측정하고, 여기에 공기중에서의 초음파 속도를 곱하여 반사체까지의 거리를 구하는 것이다. 체공 시간 측정은 초음파를발사한 시점부터 반사파가 감지된 시점까지 일정한 주파수의 클록 신호를 카운트하므로써 이루어지며, 하나의 초음파 센서는 일반적으로 송수신 겸용으로 사용될 수 있다. 초음파는 일정한 빔폭을 가지며, 센서면에 수직한 방향성을 가지므로, 로봇과 주변 물체와의 거리를 측정하기 위해 이러한 초음파 센서를 사용할 경우에는 일반적으로 로봇 둘레에 초음파 센서를 일정한 간격으로 배치한 다중 배열 구조나 하나의 초음파 센서를 구동축에 의해 일정한 각도로 회전시키므로써 주변을 스캔하는 구조를 사용한다.

초음파 센서를 이용한 기존의 이동 로봇 자기 위치 추정 방식은 다음과 같이 크게 두 부류로 나눌 수 있다.

(1) 모양을 미리 알고 있는 물체(예로서 지름이 다른 두 개의 원기둥 반사체)를 전역 좌표계상의 몇 개 지점에 설치하고, 이동 로봇의 초음파 송수신기에 의해 이 반사체로부터의 반사파가 감지되면 물체와 로봇과의 상대 거리를 측정하고, 반사체의 전역 좌표계 상의 좌표값으로부터 로봇의 절대 위치를 추정하는 방식.

(2) 정해진 반사체를 미리 설치하지 않고 원, 직선, 모서리등의 특징점으로 한정된 일반 물체에 의한 초음파 반사 패턴에 따라 로봇 주변의 국부 지도를 작성하고, 전역 좌표계상의 물체 배치 지도 데이터베이스와의 정합(matching)을 통하여 로봇의 절대 위치를 추정하는 방식.

그러나 위와 같은 종래기술의 위치 추정 방식들은 이동 로봇의 주변을 스캔하고 미리 구축된 데이터베이스와 정합하는 과정에서 많은 계산 시간을 요할 뿐만 아니라, 물체로부터 반사된 초음파 신호를 처리하므로 잡음에 약하고 빔폭내에 위치한 또 다른 물체로부터 반사된 신호나 이중 반사된 간접파 신호를 구별하기 어렵다는 문제점이 있다.

본 발명은 이와 같은 종래기술에서의 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 종래기술에서 발생하는 반사 초음파 신호 처리에 따르는 잡음 문제와 스캔 및 정합 과정에서의 계산 시간 문제를 극복하기 위한 전역 초음파 센서 장치 및 방법을 제공하고, 특히 이러한 장치 및 방법에 사용되는 초음파 신호 혼신 방지 및 식별, 그리고 초음파 송, 수신기의 동기화 장치를 제공한다.

도 1은 초음파 센서를 이용한 종래기술에서의 거리 측정 방식의 타이밍도.

도 2는 본 발명의 센서 시스템.

도 3은 도 1에 무선 송수신기를 부가한 본 발명의 초음파 센서 시스템.

도 4는 도 3에 따른 본 발명의 타이밍도.

도 5는 본 발명에서 위치 보정 및 방향 추정을 하는 방법을 도시함.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

TS1, TS2, TS3, TS4 : 초음파 송신기

RS1, RS2, RS3 : 초음파 수신기

RX1, RX2, RX3, RX4 : 무선 수신기

TX : 무선 송신기

먼저 도 2를 참고로 하여 본 발명의 원리와 동작을 간단히 설명하고자 한다. 도 2에서 X-Y-Z 좌표계는 실내 공간의 절대 좌표계를 의미하며, TS1-TS4는 공간상의 미리 알고 있는 지점(예로서 방의 4개의 모서리)에 각각 설치된 초음파 송신기이며, RS1-RS3는 이동 로봇에 장착된 초음파 수신기를 나타낸다.

초음파 송신기(TS1-TS4)의 개수는 이동 로봇이 평면상에 있는 경우 기본적으로 2개가 있으면 이를 토대로 이동로봇의 위치를 알 수 있지만, 하나의 초음파 송신기(TS)로부터의 신호가 도달하는 영역의 크기에 제한이 있으므로 실내 공간의 크기에 따라 초음파 송신기(TS)의 개수를 조정할 필요가 있다. 초음파 수신기(TS)의 경우에도 위치만을 알기 위해서는 1개로 충분하지만 이하에서 설명하는 바와 같이 위치 오차 보정과 방향 추정을 위해서 3개를 사용하는 것으로 가정한다.

각각의 초음파 수신기(RS)에서의 처리 과정은 동일하므로 이하에서는 하나의 초음파 수신기(RS)에 대해서만 설명한다.

각각의 초음파 송신기(TS1-TS4)로부터 발사된 초음파가 지면에 있는 이동 로봇상의 초음파 수신기(RS)까지 전달되는 체공 시간(TOF)을 이동 로봇에서 측정하면 간단한 삼각법에 의해 절대 좌표계에서의 로봇의 위치를 추정할 수 있다.

이러한 방식은 종래기술에서와 같이 피사체로부터 반사된 신호를 처리하는 것이 아니고, 초음파 송신기(TS1-TS4)로부터의 직접파 신호를 처리하는 것이므로 신호의 세기가 종래기술에서 이용하는 반사파에 비해 강하고, 또한 간접 신호 잡음 문제를 피할 수 있다.

그러나 이러한 방식에서는 각 초음파 송신기들(TS1-TS4)간의 신호의 혼신을 방지하여 초음파 수신기(RS)에서 수신된 신호가 어느 송신기(TS)에서 온 것인지 알 수 있는 방법이 필요하다. 또한 송신 초음파 신호의 체공 시간(TOF)를 알기 위해서는 초음파 송신기(TS)에서의 송신 초음파 발사 시점을 수신기(RS)에서 알아야하고, 이를 위해서는 초음파 송신기(TS)와 초음파 수신기(RS)가 동기화 되어야 한다.

초음파 송신기들(TS1-TS4)의 신호들의 혼신을 막고, 수신기(RS)에서 각 송신 신호들을 식별하기 위해서는 각 초음파 송신기들(TS1-TS4)의 구동 주파수를 다르게 하는 방법도 있지만, 일반적으로 구동 주파수가 다른 초음파 송수신기는 가격이 매우 비싸고 신호 처리도 복잡하므로 효율적이지 못하다.

그러므로 본 발명에서는 도 3에서 도시한 바와 같이 초음파 송신기(TS1-TS4)와 초음파 수신기(RS)에 부가적으로 간단한 무선 수신기(RX1-RX4) 및 무선 송신기(TX)를 설치하여 각 초음파 송신기(TS1-TS4)의 송신 시점을 순차화하므로써혼신을 막고, 또한 초음파 송신기들(TS1-TS4)과 초음파 수신기(RS)를 동기화할 수 있는 방법을 사용한다.

이를 보다 자세히 설명하면, 도 3에서와 같이 이동 로봇에는 초음파 수신기(RS)와 함께 무선 송신기(TX)가 장착되어 있으며, 실내 공간상에 고정된 각각의 초음파 송신기(TS1-TS4)에도 고유 번호들(ID1-ID4)이 부여되어 있는 무선 수신기(RX1-RX4)가 장착되어 있다. 이동 로봇은 순차적으로 고유 번호(ID)를 무선 전송하고, 초음파 송신기(TS1-TS4)에 장착된 무선 수신기들(RX1-RX4)은 자신의 고유 번호(ID)가 호출된 경우에만 초음파 송신기(TS)를 구동하여 초음파 신호를 발생시킨다. 여기서, 무선 신호 전송에 따른 시간 지연은 초음파 신호 체공 시간에 비해 무시할 수 있을 만큼 짧으므로, 이동 로봇에서 특정의 초음파 송신기들(TS)를 위한 고유 번호(ID)를 무선으로 발생시키는 시점에 즉시 특정의 초음파 송신기(TS)에서 초음파 신호를 발생시킨다고 볼 수 있다. 따라서 이동 로봇에서 고유 번호(ID) 신호 발생 시점에 초음파 체공 시간 계측을 위한 클록 신호를 카운트하기 시작하면 초음파 송신기(TS)와 수신기(RS)의 동기화 문제가 해결될 수 있다.

도 4에서는 이러한 과정을 타이밍도로 설명한다.

먼저 이동 로봇에서 무선 송신기(TX)를 통해 고유 번호(ID)를 전송하고, 이 시점부터 클록 신호를 카운트하기 시작한다. 고유 번호(ID) 전송용 무선 신호는 전송 시간 지연 없이 실내 공간의 고정 위치에 설치된 각각의 무선 수신기(RX1-RX4)에 전달되고, 고유 번호(ID)로 호출된 특정 무선 수신기(RX)만 초음파 송신기(TS)를 구동하여 초음파 신호를 발생시킨다. 이 초음파 신호가 이동 로봇의 초음파 수신기(RS)에서 감지되면 로봇은 클록 신호 카운트를 멈추고, 체공 시간으로부터 호출한 초음파 송신기(TS)까지의 거리를 계산한다. 이러한 과정을 설치한 초음파 송신기(TS)의 개수만큼 반복하고 각각의 초음파 송신기(TS)까지의 거리로부터 삼각법에 의해 실내 공간상에서의 이동 로봇의 절대 위치를 구하게 된다.

이제, 이동 로봇의 절대 위치뿐만 아니라 방향각도 및 위치 오차 보정을 위해 이동 로봇상에 3개의 초음파 수신기(RS1-RS3)를 설치한다고 하면, 각각의 초음파 수신기(RS)에서의 처리 과정은 동일하므로, 이상의 과정을 이동 로봇에 장착된 3개의 초음파 수신기(RS1-RS3)에 대하여 동시에 적용할 수 있고, 따라서 각 초음파 수신기(RS1-RS3)의 좌표값을 모두 얻을 수 있다.

도 5를 통해 자세히 설명하면, 이상의 과정을 통해 얻은 각각의 초음파 수신기 좌표값들인 RS1= (x1, y1), RS2= (x2, y2), RS3= (x3, y3)에 대해서(여기서 이동 로봇은 평면상에서 운동한다고 가정하고 z축 좌표값은 0으로 한다), 이동 로봇의 위치(xm, ym)= ( (x1+x2)/2, (y1+y2)/2)로 하면 위치 보정이 되고, 이동로봇의 방향각 θ= tan^-1( (y1-ym)/(x1-xm) )이 된다. 만일 위치 보정이 필요없고 단지 위치와 방향만 얻고자 하면 2개의 초음파 수신기만 설치하면 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 근거하여 이 발명을 설명하였지만, 이러한 실시예는 이 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것이다. 이 발명이 속하는 분야의 숙련자에게는 이 발명의 기술사상을 벗어남이 없이 위 실시예에 대한 다양한 변화나 변경 또는 조절이 가능함이 자명할 것이다. 예를들면, 본 발명은 이동로봇 뿐만 아니라 이동 자동차(실물 또는 완구)에도 적용이 가능하다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 반사파를 처리하는 기존의 방법 대신 직접파를 처리하므로 잡음에 강하며, 순차적으로 호출되는 특정의 초음파 송신기에서만 초음파가 발생하도록 구성하여 초음파 신호들 간에 혼신이 없고 초음파 송신 신호 식별 및 동기화가 가능한 이동 로봇용 위치 및 방향 추정 시스템이 가능해 진다.

Claims (12)

1. 평면상을 이동하는 이동체의 위치를 추정하는 시스템에 있어서,

   상기 이동체에 설치된 무선 송신기;

   상기 이동체에서 이격되고, 상호 상이한 위치에 배치되어 상기 무선 송신기에서의 각각의 호출신호를 차례로 수신하는 적어도 2개의 무선 수신기들;

   상기 이동체에서 이격되고, 상호 이격된 위치에 배치되며, 상기 무선 수신기들과 연동되게 쌍을 이루어 배치되며, 상기 각각의 호출신호가 수신되면 차례로 초음파를 송신하는 적어도 2개의 초음파 송신기들;

   상기 초음파 송신기들에서의 초음파를 차례로 수신하는 이동체상의 상호 이격된 적어도 1개의 초음파 수신기를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동체의 위치 추정 시스템.
2. 평면상을 이동하는 이동체의 위치 및 방향을 추정하는 시스템에 있어서,

   상기 이동체에 설치된 무선 송신기;

   상기 이동체에서 이격되고, 상호 이격된 위치에 배치되어 상기 무선 송신기에서의 각각의 호출신호를 차례로 수신하는 적어도 2개의 무선 수신기들;

   상기 이동체에서 이격되고, 상호 상이한 위치에 배치되며, 상기 무선 수신기들과 연동되게 쌍을 이루어 배치되며, 상기 각각의 호출신호가 수신되면 차례로 초음파를 송신하는 적어도 2개의 초음파 송신기들;

   상기 초음파 송신기들에서의 초음파를 차례로 수신하는 이동체상의 상호 이격된 적어도 2개의 초음파 수신기를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동체의 위치 및 방향 추정 시스템.
3. 평면상을 이동하는 이동체에 있어서,

   상기 이동체에 설치된 무선 송신기;

   이동체에서 이격되고, 상호 이격된 위치에 배치되어 상기 무선 송신기에서의 각각의 호출신호를 차례로 수신하는 적어도 2개의 무선 수신기들과 연동되게 쌍을 이루어 배치되며, 상기 각각의 호출신호가 수신되면 차례로 초음파를 송신하는 상호 이격된 적어도 2개의 초음파 송신기들에서의 초음파를 수신하는 상기 이동체상의 상호 이격된 적어도 1개의 초음파 수신기를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동체의 위치 추정 시스템.
4. 평면상을 이동하는 이동체에 있어서,

   상기 이동체에 설치된 무선 송신기;

   이동체에서 이격되고, 상호 상이한 위치에 배치되어 상기 무선 송신기에서의 각각의 호출신호를 차례로 수신하는 적어도 2개의 무선 수신기들과 연동되게 쌍을 이루어 배치되며, 상기 각각의 호출신호가 수신되면 차례로 초음파를 송신하는 상호 이격된 적어도 2개의 초음파 송신기들에서의 초음파를 차례로 수신하는 상기 이동체 상의 상호 이격된 적어도 2개의 초음파 수신기를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동체의 위치 및 방향 추정 시스템.
5. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 각각의 호출신호가 각 무선 수신기의 고유번호인 것을 특징으로 하는 이동체의 위치 추정 시스템.
6. 제2항 또는 제4항에 있어서, 상기 각각의 호출신호가 각 무선 수신기의 고유번호인 것을 특징으로 하는 이동체의 위치 및 방향 추정 시스템.
7. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 이동체가 이동로봇인 것을 특징으로 하는 이동체의 위치 추정 시스템.
8. 제2항 또는 제4항에 있어서, 상기 이동체가 이동로봇인 것을 특징으로 하는 이동체의 위치 및 방향 추정 시스템.
9. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 이동체의 무선 송신기에서의 호출신호 송신시점부터 상기 초음파의 수신시점까지를 카운트 하는 카운터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이동체의 위치 추정 시스템.
10. 제2항 또는 제4항에 있어서, 상기 이동체의 무선 송신기에서의 호출신호 송신시점부터 상기 초음파의 수신시점까지를 카운트하는 카운터를 더 포함하는 것을특징으로 하는 이동체의 위치 및 방향 추정 시스템.
11. 평면상을 이동하는 이동체의 위치를 추정하는 방법에 있어서,

    상기 이동체 상의 무선 송신기에서의 각각의 호출신호를 차례로 송신하는 단계;

    상기 이동체에서 이격되고 상호 이격된 위치에 배치되며, 상기 각각의 호출신호에 대응하는 적어도 2개의 무선 수신기에서 상기 각각의 호출신호를 차례로 수신하는 단계;

    상기 이동체에서 이격되고 상호 이격된 위치에 배치되며, 상기 무선 수신기들과 연동되게 쌍을 이루어 배치되는 상호 이격된 적어도 2개의 초음파 송신기들에서 상기 각각의 호출신호에 대응하여 차례로 초음파를 송신하는 단계;

    상기 이동체 상의 상호 이격된 적어도 1개의 초음파 수신기에서 상기 차례로 송신된 초음파를 수신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동체의 위치 추정 시스템.
12. 평면상을 이동하는 이동체의 위치 및 방향을 추정하는 시스템에 있어서,

    상기 이동체 상의 무선 송신기에서의 각각의 호출신호를 차례로 송신하는 단계;

    상기 이동체에서 이격되고 상호 이격된 위치에 배치되며, 상기 각각의 호출신호에 대응하는 적어도 2개의 무선 수신기에서 상기 각각의 호출신호를 차례로 수신하는 단계;

    상기 이동체에서 이격되고 상호 이격된 위치에 배치되며, 상기 무선 수신기들과 연동되게 쌍을 이루어 배치되는 상호 이격된 적어도 2개의 초음파 송신기들에서 상기 각각의 호출신호에 대응하여 차례로 초음파를 송신하는 단계;

    상기 이동체 상의 상호 이격된 적어도 2개의 초음파 수신기에서 상기 차례로 송신된 초음파를 수신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 및 방향 추정 방법.