KR20030095492A

KR20030095492A - 이동 로봇의 위치 및 방향 인식 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20030095492A
Application number: KR1020020032714A
Authority: KR
Inventors: 박산헌; 고원준; 박기철
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2002-06-12
Filing date: 2002-06-12
Publication date: 2003-12-24
Also published as: CN1202404C; CN1467480A; JP2004021978A; US20030236590A1; KR100478452B1

Abstract

본 발명은 이동 로봇의 위치 및 방향 인식 장치 및 방법에 관한 것으로, 현재 위치에 대한 절대 좌표와 이동 변위에 대한 상대 좌표를 획득하고, 이 절대 좌표에 상대 좌표를 부가하여 현재의 위치 및 방향을 인식한다. 이와 같은 본 발명에 따른 이동 로봇의 위치 및 방향 인식 장치 및 방법은 오도메트리 좌표계와 RFID 좌표계를 통합 운영함으로써 RFID에 의해 오차 범위가 일정 크기 이내로 제한되면서 동시에 오도메트리에 의해 높은 샘플링 속도를 얻을 수 있다. 이처럼 이동 로봇의 위치 및 방향 인식에 있어서 RFID 좌표계와 오도메트리 좌표계의 각각의 장점을 모두 취하고 서로의 단점을 보완함으로써 빠른 샘플링 속도와 제한적인 오차 범위를 갖는 안정적인 위치 및 방향 인식이 가능하다.

Description

이동 로봇의 위치 및 방향 인식 장치 및 방법{LOCALIZATION APPARATUS AND METHOD FOR MOBILE ROBOT}

본 발명은 이동 로봇에 관한 것으로, 특히 이동 로봇의 위치 및 방향 인식에 관한 것이다.

로봇(Robot)은 여러 산업 분야에서 사람을 대신하여 다양한 작업을 수행하고 있다. 일례로, 제품 생산 현장에서 수행되는 용접 작업이나 부품 조립 작업 등이 있는데, 이와 같은 작업을 수행하는 로봇은 로봇 암(Robot Arm)의 구조를 갖는다. 여러 개의 관절을 가진 로봇 암이 한 장소에 고정 설치되어 지시된 작업을 수행하는데, 이 때문에 로봇 암의 작업 공간은 지극히 제한적일 수밖에 없다.

이동 로봇(Mobile Robot)은 로봇 암과는 달리 한 장소에 고정 설치되지 않아 자유롭게 이동할 수 있는 로봇이다. 이동 로봇은 제품 생산에 필요한 부품이나 작업 도구 등을 필요한 위치로 옮기는 데 이용된다. 또한 옮긴 부품 등을 조립하여 제품을 생산하는 작업도 수행할 수도 있다. 근래에는 산업 분야뿐만 아니라 가정에서의 이동로봇의 활용 사례도 많이 발표되고 있다.

이처럼 산업 분야 뿐만 아니라 가정에서도 이동 로봇을 적극적으로 활용하기 위해서는 이동 로봇이 자신의 현재 위치를 정확히 인식해야 한다. 산업 분야에서는 정상적인 제품 생산을 위해, 가정에서는 사용자의 안전 및 재산 보호를 위해 이동로봇의 정확한 위치 인식이 절실히 요구된다.

이동 로봇의 위치 및 방향을 인식하는 가장 고전적인 개념은 오도메트리(odometry)를 들 수 있는데, 다른 이름으로는 자율 항법(Dead-Reckoning)이라고도 한다. 오도메트리가 적용된 이동 로봇은 주행 거리계(odometer) 또는 휠 센서(wheel sensor)를 이용하여 속도 정보를 얻고 자성 센서 등을 이용하여 방위각 정보를 얻어 초기 위치에서 다음 위치까지의 이동 거리 및 방향에 대한 정보를 계산해 이동 로봇 자신의 위치와 방향을 인식한다.

도 1는 일반적인 오도메트리 좌표계에서의 위치 및 방향 인식 개념을 나타낸 도면이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 오도메트리 좌표계에서 이동 로봇(102)의 위치는 이동 로봇(102)의 회전 중심(108)이 위치한 지점의 좌표 x_r와 y_r로 결정되며, 방향은 이동 로봇(102)의 정면 방향과 x축 사이의 각도 t_r로 결정된다.

오도메트리는 외부로부터 별도의 정보 입력 없이 자체적으로 발생하는 정보만을 이용한다. 오도메트리는 매우 높은 샘플링 속도로 위치 정보를 획득하기 때문에 위치 정보의 업데이트가 빠르다. 뿐만 아니라 비교적 짧은 거리에서는 정확도가 매우 높으며, 비용 또한 저렴하다. 그러나 오도메트리는 적분을 통해 위치와 방향을 계산하기 때문에 주행 거리가 증가할수록 측정 오차가 누적되는 큰 단점을 가지고 있다. 특히 이동 로봇은 작업 영역의 바닥재의 상태에 따라 미끄러짐 등이 발생할 수 있는데, 이로인해 발생하는 오차가 전혀 보정되지 못하고 그대로 누적되기 때문에 문제가 된다.

이동 로봇의 위치 및 방향을 인식하는 또 다른 개념으로 RFID 카드 및 RFID 리더를 이용한 것이 있다. 이 개념에서는 고유의 위치 정보가 부여된 다수개의 RFID 카드를 이동 로봇이 작업할 영역의 바닥에 매설해 놓으면, 이동 로봇이 이 작업 영역의 바닥면을 이동하면서 RFID 리더를 통해 RFID 카드를 검출하여 고유의 위치 정보를 판독함으로써 이동 로봇 자신의 현재 위치(절대 위치)를 인식할 수 있다. RFID 카드는 패시브 방식이기 때문에 별도의 전력 공급이 필요치 않다. RFID 카드 및 RFID 리더를 이용한 위치 인식 장치 및 방법은 대한민국 특허출원 제2002-0019039 호에 개시되어 있다.

도 2는 종래의 RFID 좌표계에서의 위치 및 방향 인식 개념을 나타낸 도면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 작업 영역의 바닥에 격자 모양으로 매설된 다수의 RFID 카드들(202) 가운데 현재 이동 로봇(도시하지 않았음)에 의해 검출된 RFID 카드(204)의 좌표 x_c와 y_c로 결정된다. 각각의 RFID 카드(202)에는 고유 번호가 저장되어 있으며, 이동 로봇에는 이 고유 번호에 대응하는 RFID 좌표 값을 참조 테이블의 형태로 가지고 있다. 이동 로봇은 RFID 리더를 통해 RFID 카드를 검출하여 고유 번호를 획득하고, 참조 테이블에서 해당 고유 번호에 대응하는 RFID 좌표 값을 찾아내 자신의 현재 위치를 인식한다.

이와 같은 RFID를 이용한 위치 및 방향 인식 방법은 RFID 카드의 분포 밀도에 따라 이동 로봇의 위치 및 방향 인식의 정밀도가 결정된다. RFID 카드의 분포 밀도가 지나치게 낮으면 이동 로봇의 정밀한 위치 및 방향 인식은 기대할 수 없다. 반대로 RFID 카드의 분포 밀도가 지나치게 높으면 RFID 카드에서 출력되는 RF 신호들 사이의 상호 간섭에 의해 고유 번호 판독 오류가 발생할 수 있다.

도 3은 종래의 RFID를 이용한 위치 및 방향 인식 개념에서, 지나치게 높은 분포 밀도를 갖는 RFID 카드의 상호 간섭에 의한 오류 발생 개념을 나타낸 도면이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, RFID 리더(308)로부터 전력용 RF 신호가 출력되면 바닥재(304)에 매설된 RFID 카드들(302)은 데이터를 가진 RF 신호를 RFID 리더(308)로 출력한다.

도 3의 경우, RFID 리더(308)는 RFID 카드(302b)만을 인식해서 그 고유 번호를 판독해야 하는데, 이웃한 다른 RFID 카드들(302a, 302c)로부터 출력되는 RF 신호들의 간섭 때문에 RFID 리더(308)가 목적하는 RFID 카드(302b)의 고유 번호만을 정확히 판독하지 못하는 오류가 발생할 수 있다. 따라서 오류가 발생하지 않도록 하기 위해서는 RFID 카드의 매설 분포 밀도를 적절한 범위로 제한할 수밖에 없는데, 이 제한은 RFID를 이용한 위치 및 방향 인식 방법의 정밀도를 떨어뜨리는 원인이 된다. 또한 RFID 카드들이 매설된 장소에 자기장을 흡수하는 물체가 있는 경우에도 오류가 발생할 수 있다. 뿐만 아니라 RFID 방법에서는 방향을 인식하기 위해 적어도 두 개의 RFID 카드를 동시에 인식해야 하는데 RFID 카드의 분포 밀도가 충분히 높지 않으면 방향을 인식하는 것이 곤란하다.

이와 같은 종래의 오도메트리 방법과 RFID 방법의 오차 특성을 도 4에 나타내었다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 오도메트리 방법은 각도 센서의 샘플링 속도가 높아서 위치 및 방향 정보의 업데이트가 빠르지만, 주행 거리가 증가할수록 적분 오차 역시 증가한다. RFID 방법은 오차가 누적되지 않기 때문에 오차 범위가 일정 크기 이내로 제한적이지만, 위치 및 방향 센서의 샘플링이 간헐적으로 이루어지기 때문에 새로운 위치 및 방향 정보의 업데이트가 상대적으로 느리다.

따라서 본 발명에 따른 이동 로봇의 위치 및 방향 인식 장치 및 방법은, 오도메트리 방법과 RFID 방법을 통합 운영하여 이동 로봇의 위치 및 방향 인식에 있어서 두 방법의 장점을 모두 취하고 서로의 단점을 보완함으로써 빠른 샘플링 속도와제한적인 오차 범위를 갖는 안정적인 위치 및 방향 인식이 가능하도록 하는데 그 목적이 있다.

도 1는 일반적인 오도메트리 좌표계에서의 위치 및 방향 인식 개념을 나타낸 도면.

도 2는 종래의 RFID 좌표계에서의 위치 및 방향 인식 개념을 나타낸 도면.

도 3는 종래의 RFID를 이용한 위치 인식 개념에서, 지나치게 높은 분포 밀도를 갖는 RFID 카드의 상호 간섭에 의한 오류 발생 개념을 나타낸 도면.

도 4는 종래의 오도메트리 방법과 RFID 방법의 각각의 오차 특성을 나타낸 도면.

도 5는 본 발명에 따른 이동 로봇의 제어 장치를 나타낸 블록도.

도 6a는 본 발명에 따른 이동 로봇의 메인 시스템에 직접 연결되는 복수의 RFID 리더 모듈 구조를 나타낸 도면.

도 6b는 본 발명에 따른 이동 로봇의 메인 시스템과 복수의 RFID 리더 모듈 사이에 RFID 리더 시스템이 연결된 구조를 나타낸 도면.

도 7는 본 발명에 따른 RFID 카드의 모양을 나타낸 도면.

도 8a는 본 발명에 따른 이동 로봇의 오도메트리 좌표와 RFID 좌표가 일치하지 않는 상태를 나타낸 도면.

도 8b는 본 발명에 따른 이동 로봇의 위치 및 방향 인식 방법을 통해 오도메트리 좌표와 RFID 좌표가 일치된 상태를 나타낸 도면.

도 9는 본 발명에 따른 이동 로봇의 위치 및 방향 인식 방법에서, 로봇의 k번째 RFID 리더에 의해 i번째 RFID 카드가 검출된 경우의 오도메트리 좌표계를 나타낸 도면.

도 10은 본 발명에 따른 이동 로봇의 오도메트리 좌표와 RFID 좌표를 일치시키기 위한 테스트 모션을 나타낸 도면.

도 11은 본 발명에 따른 이동 로봇의 위치 및 방향 인식에 있어서, 오도메트리 좌표와 RFID 좌표를 일치시키는데 필요한 미지수의 관련 식을 나타낸 도면.

도 12a는 통신량을 보다 감소시키기 위한 본 발명에 따른 RFID 리더 모듈의 알고리즘을 나타낸 순서도.

도 12b는 RFID 카드가 감지되지 않은 경우의 본 발명에 따른 RFID 리더 모듈의 알고리즘을 나타낸 순서도.

도 13은 본 발명에 따른 이동 로봇의 위치 및 방향 인식 방법에 따른 오차 특성을 나타낸 도면.

이와 같은 목적의 본 발명에 따른 이동 로봇의 위치 및 방향 인식 장치는 현재 위치에 대한 절대 좌표와 이동 변위에 대한 상대 좌표를 획득하고, 이 절대 좌표에 상대 좌표를 부가하여 현재의 위치 및 방향을 인식한다.

본 발명에 따른 이동 로봇의 위치 및 방향 인식 장치 및 방법의 바람직한 실시예를 도 5 내지 도 13을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 먼저 도 5는 본 발명에 따른 이동 로봇의 제어 장치를 나타낸 블록도이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 제어부(502)의 입력 측에는 RFID 리더(504)와 인코더(506)가 연결된다. RFID 리더(504)는 RFID 카드를 검출하고, 검출한 RFID 카드의 고유 번호를 획득하여 제어부(502)로 전송한다. RFID 리더(504)를 통해 검출되는 RFID 카드의 고유 번호는 이동 로봇의 RFID 좌표를 구하기 위한 것이다. 인코더(506)는 이동 로봇의 휠의 회전 속도와 회전 방향을 검출하여 그 값을 제어부(502)로 전송한다. 인코더(506)를 통해 검출되는 휠의 회전 속도와 회전 방향은 이동 로봇의 오도메트리 좌표를 구하기 위한 것이다. 이동 로봇은 RFID 리더(504)와 인코더(506)를 통해 획득한 위치 정보를 통해 현재 위치를 인식하고, 휠 구동부(508) 및 휠 모터(510)를 구동하여 목적지까지 이동한다.

도 6a는 본 발명에 따른 이동 로봇의 제어부(602)에 직접 연결되는 복수의 RFID 리더 모듈 구조를 나타낸 도면이다. 도 6a에 나타낸 바와 같이, 다수의 RFID리더 모듈(604)들을 통해 RFID 카드(606)를 검출하여 고유 번호를 획득하고, 이 고유 번호를 제어부(602)로 직접 전송한다. 제어부(602)는 참조 테이블에서 해당 고유 번호에 대응하는 RFID 좌표 값을 획득함으로써 이동 로봇의 RFID 좌표 상에서 현재 위치를 인식한다. 이와 같이 이동 로봇의 제어부(602)와 RFID 리더 모듈(604)들 사이에 직접 통신이 이루어짐으로써 통신 속도가 현저히 향상될 수 있다.

다만, 이동 로봇의 제어부(602)가 너무 많은 수의 RFID 리더 모듈(604)들과 통신하면 제어부(602)의 부하가 지나치게 증가하므로, 도 6b에 나타낸 것처럼 제어부(612)와 RFID 리더 모듈(614)들 사이에 RFID 리더 시스템(618)을 추가하여 RFID 리더 모듈(604)들이 RFID 리더 시스템(618)과 통신하도록 함으로써 제어부(612)의 부하를 줄일 수 있다.

도 7는 본 발명에 따른 RFID 카드의 모양을 나타낸 도면이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 RFID 카드(700)는 비교적 얇은 두 장의 사각 패널(706) 사이에 원형의 코일(702)을 형성시키고, 그 양 단을 코일(702)의 내부로 유도하여 여기에 회로부(704)를 연결한다. 본 발명에 따른 이동 로봇이 이동중에 RFID 카드를 검출하는데 있어 이동 방향에 따른 검출 오차를 없애기 위해 코일(702)의 형태를 원형으로 형성시킨다. 즉, 코일을 사각형 등으로 형성하면 이동 로봇이 코일의 모서리쪽에서 접근하는 경우와 변 쪽에서 접근하는 경우 RFID 카드의 검출 시점이 달라질 수 있어 측정 오차에 방향성이 발생하게 된다. 따라서 코일(702)을 원형으로 형성시켜 이동 로봇의 접근 방향에 관계없이 동일한 검출 시점을 얻을 수 있도록 한다. 도 7의 회로부(704)에는 저항과 캐패시터, 마이크로 칩이 포함된다(도시하지 않았음). 이 가운데 마이크로 칩은 정류 장치와 기본적인 RF 변조 장치, 비휘발성 메모리로 구성된다. 마이크로 칩에 내장되는 비휘발성 메모리는 RFID 카드(700)의 위치를 나타내는 고유 번호를 저장하기 위한 것이다. 비휘발성 메모리는 읽기와 쓰기가 모두 가능한 EEPROM(Electrical Erasable and Programmable Read Only Memory)을 사용하거나, 읽기 동작만이 가능한 EPROM(Electrical Programmable ROM) 등을 사용한다. EEPROM은 쓰기/읽기가 모두 가능하므로 RFID 카드(700)의 위치 정보를 필요에 따라 자유롭게 변경할 수 있어, 본 발명에 따른 이동로봇의 활용에 커다란 유연성을 제공한다. 이와 달리 EPROM의 경우는 이미 저장되어 있는 고유 번호를 읽는 것만이 가능하지만 EEPROM보다 가격이 저렴하기 때문에 설치 및 유지, 보수에 따른 비용을 줄일 수 있도록 한다.

이와 같이 구성되는 본 발명에 따른 이동 로봇은 오도메트리 방법과 RFID 방법을 통합 운영하기 때문에 두 개의 좌표계를 갖는다. 오도메트리 좌표계는 상대 좌표계로서, 좌표 값을 초기화할 때의 이동 로봇의 위치에 따라 그 최종 위치 및 방향이 달라질 수 있다. 이와 달리 RFID 좌표계는 절대 좌표계로서, 작업 영역의 바닥에 매설된 RFID 카드들의 위치가 고정되어 있고 각 RFID 카드마다 고유 번호가 부여되어 있기 때문에 매설된 RFID 카드를 검출하기만 하면 이동 로봇의 절대 위치를 인식할 수 있다.

따라서 본 발명에 따른 이동 로봇에서 오도메트리 방법과 RFID 방법을 통합 운영하기 위해서는 절대 좌표계인 RFID 좌표계와 상대 좌표계인 오도메트리 좌표계를 어느 한 쪽으로 정렬할 필요가 있다. 오도메트리 좌표계의 초기화 상태가 RFID의 좌표축과 일치하지 않으면 오도메트리 좌표계와 RFID 좌표계를 통합 운영할 수 없기 때문에 오도메트리 좌표계와 RFID 좌표계의 좌표축 정렬이 필요하다.

도 8a는 본 발명에 따른 이동 로봇의 오도메트리 좌표와 RFID 좌표가 일치하지 않는 상태를 나타낸 도면이다. 도 8a에 나타낸 바와 같이, 오도메트리와 RFID를 통합 운영하여 위치 및 방향을 인식하는 이동 로봇에 있어서 오도메트리 좌표(802)와 RFID 좌표(804)가 항상 일치하는 것은 아니다. 이동 로봇의 오도메트리 좌표(802)와 RFID 좌표(804)가 일치하지 않으면 각각의 장점을 취할 수 없으므로, 두 좌표를 일치시켜야만 오도메트리와 RFID 각각의 장점을 취할 수 있어 정확한 위치 및 방향의 인식이 가능하다.

도 8a의 경우, 오도메트리 좌표계(802)의 원점은 RFID 좌표계(804)의 원점으로부터 x 방향으로 d_x만큼, y 방향으로 d_y만큼 떨어져 있으며, 방향은 RFID 좌표계(804)에 대해 α만큼 회전한 상태이다. 따라서 거리 d_x와 d_y, 각도 α를 구하여 오도메트리 좌표계(802)를 x 방향으로 -d_x만큼, y 방향으로 -d_y만큼 이동시키고 -α만큼 회전시키면 도 8b에 나타낸 것처럼 오도메트리 좌표계(802)를 RFID 좌표계(804)에 일치시킬 수 있다.

그런데, 오도메트리 좌표계의 원점은 이동 로봇의 회전 중심에 맞춰져 있기 때문에 이와 같은 좌표 정렬은 단순히 이동 로봇의 회전 중심과 방향을 RFID 좌표계에 일치시킨 것에 불과하다. 만약 RFID 리더가 이동 로봇의 회전 중심에서 벗어난 위치에 장착되어 있으면, 이동 로봇의 회전 중심과 RFID 리더의 장착 위치 사이의 거리와 각도까지 고려하여 위치와 방향을 계산해야 정확한 이동 로봇의 위치 및 방향 인식이 가능하다.

도 9는 본 발명에 따른 이동 로봇의 위치 및 방향 인식 방법에서, 로봇의 k번째 RFID 리더에 의해 i번째 RFID 카드가 검출된 경우의 오도메트리 좌표를 나타낸 도면이다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 이동 로봇(904)은 좌측 휠(902a) 및 우측 휠(902b)의 정회전과 역회전을 통해 이동하고, 두 휠(902a, 902b)의 회전 편차를 통해 방향을 전환한다. 따라서 두 휠(902a, 902b)의 장착 위치에 따라 결정되는 회전 중심(906)의 위치에 RFID 카드(910)를 검출한 k번째 RFID 리더(908)의 위치를 반영한 것이 이동 로봇(904)의 실제 위치이다.

도 9에서, 이동 로봇(904)의 회전 중심(906)은 오도메트리 좌표의 x 방향으로^Ax_ri만큼, y 방향으로^Ay_ri만큼 떨어진 거리에 위치해 있다. 이 회전 중심(906)과 k번째 RFID 리더(908) 사이의 거리 r_k와 각도 β_k는 이동 로봇(904)의 스펙에 따라 이미 알려진 값이다. 여기서 β_k는 이동 로봇(904)의 정면 방향과 k번째 RFID 리더(908) 사이의 각도이므로, 오도메트리 좌표계의 x축과 k번째 RFID 리더(908) 사이의 실제 각도는 β_k에 θ_i를 더한 것이 된다.

결론적으로, 오도메트리 좌표계(802)를 RFID 좌표(804)에 일치시키기 위하여 도 8a의 거리 d_x와 d_y, 각도 α를 구하여 여기에 도 9의 오도메트리 좌표 값^Ax_ri와^Ay_ri를 반영하고, 이동 로봇의 회전중심과 RFID 리더 사이의 거리 r_k와 각도 β_k+θ_i를 추가로 반영하면 이동 로봇의 오도메트리 좌표와 RFID 좌표를 일치시키는데 필요한 정보를 얻을 수 있다.

이동 로봇의 오도메트리 좌표와 RFID 좌표를 일치시키는데 필요한 정보를 정리하면 다음과 같다. 먼저 RFID 좌표에서, i번째 카드를 검출한 k 번째 RFID 리더의 위치 벡터는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(1)

또, 오도메트리 좌표에서, 이동 로봇의 회전 중심의 위치 벡터는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(2)

오도메트리 좌표에서, i번째 카드를 검출한 k 번째 RFID 리더의 위치 벡터는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(3)

식 (3)의는 다시로 나타낼 수 있는데, 여기서는 이동 로봇의 회전 중심에서 k 번째 RFID 리더의 오도메트리 좌표로서, 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(4)

결국,는 다음과 같이 정리할 수 있다.

(5)

식 (5)에서,는를에 일치시키기 위한 변환 행렬이며, 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(6)

따라서, 다음에 설명하는 도 10에 나타낸 이동 로봇의 테스트 모션을 실시한 후 그 결과를 분석하여 식 (5)의 값들을 구하면 오도메트리 좌표를 RFID 좌표에 일치시키는데 필요한 정보를 얻을 수 있다. 이를 위하여 이동 로봇은 반드시 두 개 이상의 RFID 카드를 인식해야 하고, 또 이동 로봇의 모션 중에 발생하는 오도메트리 좌표계에서의 누적 오차가 RFID 카드의 크기보다 작아야 한다.

도 10은 본 발명에 따른 이동 로봇의 오도메트리 좌표와 RFID 좌표를 일치시키기 위한 테스트 모션을 나타낸 도면으로서, 본 발명에 따른 이동 로봇(1008)이 출발지점(1002)에서 도착지점(1004) 사이를 이동하면서 모두 n개의 RFID 카드(1006)를 검출한 경우이다. 본 발명에 따른 이동 로봇의 테스트 모션 경로는 임의로 지정할 수 있다.

도 10에 나타낸 바와 같이, 이동 로봇(1008)이 테스트 모션을 시작하는 출발지점(1002)의 오도메트리 좌표는 (^Ax_rs,^Ay_rs,^Aθ_rs)인데 일반적으로 (0, 0, 0)의 값으로 초기화한다. 이동 로봇(1008)이 모션을 수행하면서 모두 n개의 RFID 카드(1006)들을 검출하고, 각 RFID 카드 검출 지점에서의 RFID 좌표 및 오도메트리 좌표를 각각 획득한다. 이동 로봇(1008)의 도착지점(1004)에서의 오도메트리 좌표는 (^Ax_re,^Ay_re,^Aθ_re)이며, 이를 수정한 좌표가 (^Cx_re,^Cy_re,^Cθ_re)이다. 이를 정리하면 다음의 표 1과 같다.

RFID #	RFID 좌표	오도메트리 좌표	수정된 오도메트리 좌표
출발지점	-	^Ax_rs,^Ay_rs,^Aθ_rs	-
1	^Cx₁,^Cy₁	^Ax_r1,^Ay_r1,^Aθ_r1	-
2	^Cx₂,^Cy₂	^Ax_r2,^Ay_r2,^Aθ_r2	-
· · ·	· · ·	· · ·	-
n	^Cx_n,^Cy_n	^Ax_rn,^Ay_rn,^Aθ_rn	-
도착지점	-	^Ax_re,^Ay_re,^Aθ_re	^Cx_re,^Cy_re,^Cθ_re

[ 표 1 ]

이와 같은 이동 로봇의 테스트 모션을 통한 데이터가 구해지면, 다음과 같은알고리즘을 통해 미지수 d_x와 d_y, α를 구할 수 있다.

먼저 위에 언급한 식 (5)를 풀어쓰면 다음과 같은 두 개의 식으로 나타낼 수 있다.

(7)

(8)

식 (7)과 (8)에서 구하고자 하는 파라미터를 추출하고, 이를 행렬로 나타내면 도 11과 같은 결과를 얻을 수 있다. 또한 도 11의 각 행렬을 각각,,로 나타내면 다음과 같은 관계식을 얻을 수 있다.

(9)

도 11의 식에서, 벡터 행렬는 오도메트리 좌표계와 RFID 좌표계를 일치시키기 위해 구해야 하는 미지수이며, 나머지와은 측정을 통해 알 수 있는 값이다. 미지수인 벡터 행렬의 원소 가운데 각도 α와 관련된 미지수가 cα와 sα로 증가한 것은와가 비선형식이어서 α만을 구하는 것이 어렵기 때문에 이를 cα와 sα의 또 다른 미지수로 나타낸 것이다.

최소 자승법(Least Square Method)은 측정한 실험 데이터들로부터 그 데이터들을 가장 대표할 수 있는 함수를 구하는 방법이다. 이 최소 자승법을 이용하면 도 11에 나타낸 식으로부터 다음과 같은 파라미터 벡터를 구할 수 있다.

(10)

식 (10)에서는 가중치 벡터로서 다음과 같은 값을 갖는다.

(11)

또한, 두 좌표계 사이의 각도 α는 다음과 같이 구해진다.

(12)

이와 같이 구해진 d_x와 d_y, α를 이용하면 다음과 같은 이동 로봇의 절대위치와 방향을 구할 수 있다.

(13)

도 12a는 RFID 카드가 감지되지 않은 경우의 본 발명에 따른 RFID 리더 모듈의 알고리즘을 나타낸 순서도이다. 이 경우, 다음의 표 2에 나타낸 것처럼, RFID 리더 모듈은 RFID 카드를 검출하면 그 ID를 저장하고, RFID 카드가 검출되지 않으면 0을 저장한다. 단, 이전에 검출된 고유 번호(0도 포함)가 아닌 새로운 RFID 카드의 고유 번호를 검출한 경우에만 상위 시스템으로 데이터를 전송함으로서 통신량을 감소시킨다.

검출시도회수	1	2	3	4	5	6	7	8	9
검출결과	○	×	○	×	×	○	○	×	○
검출된 고유번호	37	-	39	-	-	54	56	-	63
상위 시스템으로전송된 고유번호	37	0	39	0	-	54	56	0	63

[ 표 2]

도 12a에 나타낸 바와 같이, 이미 검출되어 이동 로봇의 제어부에 저장되어 있는 이전 고유 번호 IDA를 0으로 초기화시킨다(S1202). RFID 카드의 검출을 시도하여 RFID 카드가 검출되면(S1204~S1206) 검출된 새로운 RFID 카드의 고유 번호 CardID를 현재의 고유 번호 IDC에 할당한다(S1208). 만약 RFID 카드의 검출을 시도하여 RFID 카드가 검출되지 않으면(S1204~S1206) 현재의 고유 번호 IDC에 0을 할당하여 새로운 RFID 카드가 검출되지 않았음을 나타내도록 한다(S1210).

현재의 고유 번호 IDC의 값이 업데이트되면 IDC와 IDA가 같은 값인지를 비교한다(S1212). IDC와 IDA가 동일한 경우, 즉, 새로운 RFID 카드가 검출되지 않은 경우에는 RFID 카드 검출 시도 단계(S1204)로 복귀한다. 반대로 IDC와 IDA가 동일하지 않은 경우, 즉, 새로운 RFID 카드가 검출되어 IDC에 0이 아닌 새로운 고유 번호가 할당된 경우에는 이전 고유 번호 IDA에 새로 검출된 현재의 고유 번호 IDC를 할당한 다음(S1214), 새로운 값이 할당된 IDA를 상위 시스템으로 전송한다(S1216). 새로운 IDA의 전송이 완료되면 또 다른 RFID 카드 검출을 시도하거나 작업을 종료한다(S1218).

도 12b는 통신량을 보다 감소시키기 위한 본 발명에 따른 RFID 리더 모듈의알고리즘을 나타낸 순서도이다. 이 경우, 다음의 표 3에 나타낸 것처럼, RFID 리더 모듈은 RFID 카드가 검출되지 않은 경우를 나타내는 ID=0은 자체 저장이나 상위 시스템으로의 전송도 하지 않아서 통신량을 감소시킨다. 나머지 기능은 도12a와 같다.

검출순서	1	2	3	4	5	6	7	8	9
검출결과	○	×	○	×	×	○	○	×	○
검출된 고유번호	37	-	39	-	-	54	56	-	63
상위 시스템으로전송된 고유번호	37	-	39	-	-	54	56	-	63

[ 표 3]

도 12b에 나타낸 바와 같이, 이미 검출되어 이동 로봇의 제어부에 저장되어 있는 이전 고유 번호 IDA를 0으로 초기화시킨다(S1252). RFID 카드의 검출을 시도하여 RFID 카드가 검출되면(S1254~S1256) 검출된 새로운 RFID 카드의 고유 번호 CardID를 현재의 고유 번호 IDC에 할당한다(S1258). 만약 RFID 카드의 검출을 시도하여 RFID 카드가 검출되지 않으면(S1254~S1256) RFID 카드 검출 시도 단계(S1254)를 다시 반복한다.

새로운 RFID 카드가 검출되어 현재의 고유 번호 IDC의 값이 업데이트되면 IDC와 IDA가 같은 값인지를 비교한다(S1262). IDC와 IDA가 동일한 경우, 즉, 새로운 RFID 카드가 검출되지 않은 경우에는 RFID 카드 검출 시도 단계(S1254)로 복귀한다. 반대로 IDC와 IDA가 동일하지 않은 경우, 즉, 새로운 RFID 카드가 검출되어 IDC에 새로운 고유 번호가 할당된 경우에는 이전 고유 번호 IDA에 새로 검출된 현재의 고유 번호 IDC를 할당한 다음(S1264), 새로운 값이 할당된 IDA를 상위 시스템으로 전송한다(S1266). 새로운 IDA의 전송이 완료되면 또 다른 RFID 카드 검출을 시도하거나 작업을 종료한다(S1268).

도 13은 본 발명에 따른 이동 로봇의 위치 및 방향 인식 방법에 따른 오차 특성을 나타낸 도면이다. 도 13에 나타낸 바와 같이, 오도메트리와 RFID를 통합 운영하면 짧은 이동 거리에서는 오도메트리를 통해 위치 및 방향을 인식하고, RFID 카드가 검출될 때마다 RFID 카드로부터 제공되는 절대 위치로 위치 및 방향 정보를 업데이트하여 오도메트리에 의해 누적된 오차를 보정한다. 이처럼 오도메트리와 RFID를 통합 운영함으로써 RFID에 의해 오차 범위가 일정 크기 이내로 제한되면서 동시에 오도메트리에 의해 높은 샘플링 속도를 얻는 상승효과를 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 이동 로봇의 위치 및 방향 인식 장치 및 방법은, 오도메트리 좌표계와 RFID 좌표계를 통합 운영함으로써 RFID에 의해 오차 범위가 일정 크기 이내로 제한되면서 동시에 오도메트리에 의해 높은 샘플링 속도를 얻을 수 있다. 이처럼 이동 로봇의 위치 및 방향 인식에 있어서 RFID 좌표계와 오도메트리 좌표계의 각각의 장점을 모두 취하고 서로의 단점을 보완함으로써 빠른 샘플링 속도와 제한적인 오차 범위를 갖는 안정적인 위치 및 방향 인식이 가능하다.

Claims

이동 로봇에 있어서,

현재 위치에 대한 절대 좌표를 획득하기 위한 절대 좌표 검출부와;

이동 변위에 대한 상대 좌표를 획득하기 위한 상대 좌표 검출부와;

상기 절대 좌표에 상기 상대 좌표를 부가하여 위치 및 방향을 인식하기 위한 제어부를 포함하는 이동 로봇.
제 1 항에 있어서,

상기 절대 좌표 검출부는 상기 이동 로봇의 작업 영역에 매설된 RFID 카드로부터 고유 번호를 획득하는 RFID 검출부인 이동 로봇.
제 2 항에 있어서, 상기 RFID 카드는,

원형으로 권선되어 RF 신호를 송수신하기 위한 인덕터와;

상기 고유 번호를 저장하기 위한 저장 수단을 포함하는 것이 특징인 이동 로봇.
제 1 항에 있어서, 상기 상대 좌표 검출부는,

상기 이동 로봇의 이동 속도를 검출하기 위한 속도 센서와;

상기 이동 로봇의 진행 방향을 검출하기 위한 방위 센서를 포함하는 자율 항법 장치인 이동 로봇.
이동 로봇의 위치 및 방향 인식 방법에 있어서,

현재 위치에 대한 절대 좌표를 획득하는 단계와;

이동 변위에 대한 상대 좌표를 획득하는 단계와;

상기 절대 좌표에 상기 상대 좌표를 부가하여 위치 및 방향을 인식하는 단계를 포함하는 이동 로봇의 위치 및 방향 인식 방법.
제 5 항에 있어서,

상기 절대 좌표계와 상기 상대 좌표계의 좌표 정렬을 실시하는 단계를 더 포함하는 이동 로봇의 위치 및 방향 인식 방법.
제 5 항에 있어서, 상기 절대 좌표 획득 단계는,

상기 이동 로봇의 작업 영역에 매설된 RFID 카드를 검출하여 상기 RFID 카드에 부여된 고유 번호를 획득하는 단계와;

상기 고유 번호에 대응하는 절대 좌표를 획득하는 단계를 포함하는 이동 로봇의 위치 및 방향 인식 방법.