KR20040087171A - 이동로봇의 경로자취에 의한 맵핑방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이동로봇의 경로자취에 의한 맵핑방법에 관한 것으로, 장애물 인식용센서와 구동륜에 설치된 거리계에 의해 감지되는 경로의 위상학과 기하학적 특성을 적용하여 복잡한 형상의 실내공간에 대한 맵핑을 수행할 수 있도록 한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 이동 로봇에 있어서, 장애물 인식센서 및 거리계를 이용하여 초기 경로자취를 생성하는 과정과; 상기 초기 경로자취를 최적 변환경로로 변환하는 과정과; 상기 최적 변환경로의 시작점과 끝점이 일치되도록 변환하여, 폐형상의 실내지도로 맵핑하는 과정으로 이루어진다.

Description

이동로봇의 경로자취에 의한 맵핑방법{MAPPING METHOD BY PATH TRACE FOR MOBILE ROBOT}

본 발명은 이동로봇의 경로자취에 의한 맵핑방법에 관한 것으로, 특히 장애물 인식용센서와 구동륜에 설치된 거리계에 의해 감지되는 경로의 위상학과 기하학적 특성을 적용하여 복잡한 형상의 실내공간에 대한 맵핑을 수행할 수 있도록 한 이동로봇의 경로자취에 의한 맵핑방법에 관한 것이다.

일반적으로, 이동로봇은, 자체에 부착된 다수의 초음파센서에서 초음파를 발생하여, 반사되는 초음파를 탐지하여 거리를 탐지하거나 방향을 감지한다.

이동로봇의 대표적인 예인 로봇청소기는, 사용자의 조작 없이도 청소하고자 하는 구역내를 스스로 주행하면서 바닥면으로부터 먼지 등의 이물질을 흡입함으로써, 청소하고자 하는 구역을 자동으로 청소한다.

즉, 로봇 청소기는 거리 및 방향을 탐지하는 다수의 초음파센서를 통해 청소구역 내에 설치된 가구나 사무용품, 벽 등의 장애물까지의 거리를 판별하여, 로봇 청소기의 좌륜모터와 우륜모터를 선택적으로 구동시킴으로써, 스스로 방향을 전환해 가면서 청소구역을 청소한다.

도 1은 일반적인 로봇 청소기를 보인 종단면도이고, 도 2는 도 1의 개략도이다.

이에 도시된 바와 같이, 종래의 로봇 청소기는 청소기 본체(1)의 내측에 흡입력을 발생시키기 위한 팬 모터(2)가 장착되어 있고, 그 팬 모터(2)의 전방에는 팬 모터(2)에 의해 흡입되는 먼지나 오물을 집진하는 필터(3)가 내장된 필터 컨테이너(4)가 착,탈가능하게 설치되어 있다.

그리고, 상기 필터 컨테이너(4)의 전면에는 흡입되는 먼지나 오물이 흡입되는 흡입관(5)이 연통되도록 설치되어 있고, 그 흡입관(5)의 하단부에는 바닥(6)의 먼지나 오물을 쓸어 올리기 위한 브러쉬(7)가 회전가능하게 설치된 흡입헤드(8)가 구비되어 있다.

또한, 상기 팬 모터(2)의 하측에는 정,역회전이 가능한 한쌍의 구동바퀴(9)가 일정간격으로 두고 설치되어 있고, 상기 흡입헤드(8)의 후위에는 청소기 본체(1)의 후위를 지지하도록 보조바퀴(10)가 설치되어 있다.

그리고, 상기 청소기 본체(1)의 후면에는 충전단자(11)를 구비한 충전단자부 (12)가 설치되어 있고, 실내의 벽면(13)에 설치된 전원단자부(14)에는 충전단자부 (12)에 접속될 수 있도록 접속단자(15)가 구비되어 있어서, 충전단자(11)가 접속단자(15)에 접속된 상태에서 본체(1) 내측의 충전 밧데리(16)에 충전을 할 수 있도록 되어 있다.

또한, 상기 청소기 본체(1)의 전면 중앙부에는 초음파를 송수신하는 초음파센서(17)가 설치되어 있고, 그 초음파센서(17)의 좌,우측에, 초음파를 송신한후 반사되는 초음파를 수신하여 장애물을 감지하거나 목표물과의 거리를 측정하기 위한 다수개의 초음파센서(31~35)가, 도2와 같이 일정간격으로 이격되어 설치되어 있다.

그리고, 상기 전원단자부(14)의 하측에는 충전단자부(12)를 전원단자부(14)쪽으로 유도하기 위한 광신호를 발광하는 발광부(19)가 설치되어 있고, 상기 충전단자부(12)의 하측에는 상기 발광부(19)에서 발광되는 광신호를 수광할 수 있도록 수광부(20)가 설치되어 있다.

도면중 미설명 부호 21은 제어수단이고, 22는 배기구이다.

상기와 같은 구성되어 있는 종래의 로봇 청소기를 이용하여 청소를 할때는, 사용자가 동작버튼을 누르면 충전 밧데리(16)의 전원이 팬 모터(2)에 인가되어 팬 모터(2)가 구동이 되어 지는데, 그와 같이 구동되어지는 팬 모터(2)에 의해 필터 컨테이너(4)에 흡입력이 발생되고, 그 흡입력에 의해 바닥(6)의 먼지나 오물이 흡입헤드(8)로 흡입된 후, 흡입관(5)을 통하여 필터(3)에서 포집되어 진다.

또한, 제어수단(21)의 제어신호에 의해 구동바퀴(9)를 구동시켜서 청소기 본체(1)를 이동시킴에 따라 일정영역의 청소가 자동으로 이루어지게 된다.

한편, 자동청소를 수행하는 동안 충전 밧데리(16)의 전압레벨이 도시 생략된 전압감지부를 통해 감지되고, 제어수단(21)에서 전압감지부를 통해 감지된 충전 밧데리(16)의 전압레벨이 설정된 소정레벨 이하로 되면 제어수단에 의해 자동청소기의 청소가 정지되는 한편, 제어수단(21)은 현재위치를 내부 메모리에 기억시킨 다음, 메모리에 저장되어 있는 복귀조정에 의해 청소기를 복귀시키기 위한 제어신호를 발생한다.

따라서, 제어수단(21)의 제어신호에 의해 청소기 본체(1)가 전원단자부(14)측으로 이동되고, 청소기 본체(1)가 전원단자부(14)의 근처에 이르면, 전원단자부 (14)의 하측에 설치된 발광부(19)에서 발광되는 광신호가 충전단자부(12)의 하측에 설치된 수광부(20)에서 수광되고, 그 수광부(20)에서 수광되는 광신호에 의해 제어수단이 구동바퀴(9)를 구동제어함으로써, 충전단자부(12)가 전원단자부(14)측으로 접근된다.

그 다음, 충전단자부(12)의 충전단자(11)가 전원단자부(14)의 접속단자(15)에 접촉이 되고, 전원단자부(14)에 의해 공급되어지는 전원에 의해 청소기 본체(1) 내의 충전 밧데리(16)의 충전이 이루어진다.

이러한 로봇청소기는 주어진 명령에 의해서 자체에 저장되어 있는 맵 정보로 주행하여 청소작업을 수행하는데, 사용자의 명령에 의해 작업을 수행하는 이러한방식은 레이아웃이 변경되지 않는 한 반복된다.

그러나, 작업공간의 레이아웃이 변화되어 장애물이 위치가 바뀌는 경우에, 상기 로봇청소기의 주행 등을 제어하기 위해서는 변경된 레이아웃에 맞는 맵을 다시 작성한다.

도2는 종래 비콘(Beacon)을 이용한 로봇청소기의 직사각형 영역맵핑을 보인 실시예도로서, 로봇청소기가 장애물이 존재하는 직사각형 영역의 실내를 시작점에서 출발하여 장애물 인식센서로 장애물을 회피하면서 주행하여 거리계에 의한 경로자취를 생성한다.

이때, 상기 로봇청소기는 실내환경을 이동하는 중에 특별한 지점에 설치된 비콘(41~47)으로부터 신호를 받아 실내영역의 부가적인 정보를 획득한다.

따라서, 상기 로봇 청소기는 거리계에 의한 경로자취와 비콘신호를 바탕으로 직사각형 영역을 맵핑한다.

그러나, 상술한 종래 이동로봇의 실내 영역 맵핑방법은, 구동륜에 부착된 거리계에서 획득되는 정보이외에도 부가적인 정보를 얻을 수 있는 부가적인 센서(자이로센서,비콘,레이저 거리계,이미지센서)를 사용해야 하므로 비용이 증가되는 문제점이 있다.

또한, 이동로봇이 복잡한 장애물이 있는 실내공간을 주행하는 경우에, 그 이동로봇에 설치된 거리계에 의해 지도를 작성하면 이동로봇의 회전운동이 많이 발생하여 오차가 누적되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 장애물 인식용센서와 구동륜에 설치된 거리계에 의해 감지되는 경로의 위상학과 기하학적 특성을 적용하여 복잡한 형상의 실내공간에 대한 맵핑을 수행할 수 있도록 한 이동로봇의 경로자취에 의한 맵핑방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도1은 일반적인 로봇 청소기를 보인 종단면도

도2는 종래 비콘(Beacon)을 이용한 로봇청소기의 직사각형 영역맵핑을 보인 실시예도.

도3은 본 발명 이동로봇의 경로자취에 의한 맵핑방법에 대한 동작흐름도.

도4는 도3에 있어서, 초기 경로자취를 생성하는 모습을 보인도.

도5는 도3에 있어서, 최적 변환경로로 변환하는 모습을 보인도.

도6은 도3에 있어서, 폐형상의 실내지도를 작성하는 모습을 보인도.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 이동 로봇에 있어서, 장애물 인식센서 및 거리계를 이용하여 초기 경로자취를 생성하는 과정과; 상기 초기 경로자취를 최적 변환경로로 변환하는 과정과; 상기 최적 변환경로의 시작점과 끝점이 일치되도록 변환하여, 폐형상의 실내지도로 맵핑하는 과정으로 수행함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 의한 이동로봇의 경로자취에 의한 맵핑방법에 대한 작용 및 효과를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도3은 본 발명 이동로봇의 직사각형 영역 맵핑방법에 대한 동작흐름도이다.

도3에 도시한 바와같이, 본 발명은 장애물 인식센서 및 거리계를 이용하여 초기 경로자취를 생성하는 과정(SP1)과; 상기 초기 경로자취를 최적 변환경로로 변환하는 과정(SP2)과; 상기 최적 변환경로의 시작점과 끝점이 일치되도록 변환하여, 폐형상의 실내지도로 맵핑하는 과정(SP3)으로 이루어지며, 이와같은 같은 본 발명의 동작을 설명한다.

먼저, 장애물 인식센서 및 거리계를 이용하여 초기 경로자취를 생성한후, 그 초기 경로자취를 이동로봇에 설치된 거리계의 정보를 바탕으로, 도4와 같은 벡터(1,2,3...N)들의 연결로 표시한다(SP1).

즉, 장애물 인식센서로 장애물을 회피하여 이동하면서 경로를 생성하고, 그 경로를, 거리계의 정보를 바탕으로 벡터로 연결하여 초기 경로자취를 생성한다.

그 다음, 상기 초기 경로자취를 최적의 변환경로로 변환한다(SP2).

즉, 초기 경로자취의 첫번째 벡터와 마지막 벡터 사이의 각도(α)를 계산하고, 상기 첫번째 벡터와 마지막 벡터를 평행하게 만들기 위한 각 벡터의 변환각(β)을 계산한 다음, 그 각각의 변환각(β)에 대하여 경로를 변환하여 변환된 경로 (1',2',...N')를 얻은 다음, 각각의 변환된 경로에 대하여 위상학적 조건을 계산하고, 각각의 변환된 경로들의 거리조건을 계산한후, 상기 변환된 경로들중 위상학적 조건이 최대가 되고 거리 조건이 최소가 되는 최적 변환경로를, 도5와 같이 검출한다.

여기서, 상기 각 벡터의 변환각에 의해 경로를 변환하는 경우에, 경로의 첫번째 벡터는 회전시키지 않고, 소정번째 벡터는 소정의 변환각 만큼 회전하여 변환시키거나, 변환된 경로의 첫번째 벡터와 마지막 벡터는 평행하고 동일한 방향으로 변환시킨다.

또한, 상기 각각의 변환된 경로에 대하여 위상학적 조건을 계산하는 방법은, 우선 변환된 경로의 시작점과 종료점을 연결하는 벡터(N+1)'를 가산하고, 변환된 경로의 각각의 선분에 대하여, 각 선분의 내부의 시작과 끝점이 아닌 임의의 점에 대하여 각도를 계산한 다음, 그 계산된 각도들의 합을 계산한후, 그 각도들의 합으로 위상학적 조건을 계산한다.

그 다음, 상기 최적 변환경로의 시작점과 끝점이 일치되도록 변환하면, 도6과 같은 경로를 나타내는 폐형상의 실내지도로 맵핑되는데(SP3), 상기 최적 변환경로의 첫번째 벡터와 마지막 벡터를 제외한 나머지 벡터들은 각각 일정각도 만큼 회전시켜, 미리 정해둔 좌표축에 대하여 각각의 벡터의 투영길이들의 합이 영이되도록 수행하는데, 즉 하기의 수학식을 만족하도록 하여 폐형상의 실내지도를 맵핑한다.

[수학식]

이때,,

여기서,는 각각 최적 변환경로의 각각의 벡터들이 X,Y축에 투영된 길이.

는 최적 변환경로들의 각각의벡터와 X축 사이의 각.

는 변환된 최적변환경로의 각각의 벡터들과 X축사이의 각

다시 말해서,본 발명은 장애물 인식센서 및 거리계를 이용하여 초기 경로자취를 생성하고, 초기 경로자취를 최적 변환경로로 변환하여 그 최적 변환경로의 시작점과 끝점이 일치되도록 변환하여, 폐형상의 실내지도로 맵핑한다.

상기 본 발명의 상세한 설명에서 행해진 구체적인 실시 양태 또는 실시예는 어디까지나 본 발명의 기술 내용을 명확하게 하기 위한 것으로 이러한 구체적 실시예에 한정해서 협의로 해석해서는 안되며, 본 발명의 정신과 다음에 기재된 특허 청구의 범위내에서 여러가지 변경 실시가 가능한 것이다.

이상에서 상세히 설명한 바와같이 본 발명은, 장애물 인식용센서와 구동륜에 설치된 거리계에 의해 감지되는 경로의 위상학과 기하학적 특성을 적용하여 복잡한 형상의 실내공간에 대한 맵핑을 수행함으로써, 거리계에 의한 누적오차를 제거하여정밀한 실내지도를 작성하는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 이동 로봇에 있어서

   장애물 인식센서 및 거리계를 이용하여 초기 경로자취를 생성하는 과정과;

   상기 초기 경로자취를 최적 변환경로로 변환하는 과정과;

   상기 최적 변환경로의 시작점과 끝점이 일치되도록 변환하여, 폐형상의 실내지도로 맵핑하는 과정으로 수행함을 특징으로 하는 이동로봇의 경로 자취에 의한 맵핑방법.
2. 제1 항에 있어서, 장애물 인식센서 및 거리계를 이용하여 초기 경로자취를 생성하는 과정은,

   장애물 인식센서로 장애물을 회피하여 이동하면서 경로를 생성하는 단계와;

   상기 경로를, 거리계의 정보를 바탕으로 벡터로 연결하여 초기 경로자취를 생성하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 이동로봇의 경로자취에 의한 맵핑방법.
3. 제1 항에 있어서, 상기 초기 경로자취를 최적 변환경로로 변환하는 과정은,

   초기 경로자취의 첫번째 벡터와 마지막 벡터 사이의 각도를 계산하는 단계와;

   상기 첫번째 벡터와 마지막 벡터를 평행하게 만들기 위한 각 벡터의 변환각을 계산하는 단계와;

   상기 각 벡터의 변환각에 의해 경로를 변환하는 단계와;

   각각의 변환된 경로에 대하여 위상학적 조건을 계산하는 단계와;

   각각의 변환된 경로들의 거리조건을 계산하는 단계와;

   상기 변환된 경로들중 위상학적 조건이 최대가 되고,거리조건이 최소가 되는 최적변환경로를 검출하는 단계로 수행함을 특징으로 하는 이동로봇의 경로자취에 의한 맵핑방법.
4. 제1 항에 있어서, 상기 최적 변환경로의 시작점과 끝점이 일치되도록 변환하여, 폐형상의 실내지도로 맵핑하는 과정은,

   상기 최적 변환경로의 첫번째 벡터와 마지막 벡터를 제외한 나머지 벡터들은 각각 일정각도 만큼 회전시켜, 미리 정해둔 좌표축에 대하여 각각의 벡터의 투영길이들의 합이 영이되도록, 하기의 수학식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 이동로봇의 경로자취에 의한 맵핑방법.

   [수학식]

   이때,,

   여기서,는 각각 최적 변환경로의 각각의 벡터들이 X,Y축에 투영된 길이.

   는 최적 변환경로들의 각각의벡터와 X축 사이의 각.

   는 변환된 최적변환경로의 각각의 벡터들과 X축사이의 각.
5. 제3 항에 있어서, 상기 각 벡터의 변환각에 의해 경로를 변환하는 단계는,

   경로의 첫번째 벡터는 회전시키지 않고, 소정번째 벡터는 소정의 변환각 만큼 회전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동로봇의 경로자취에 의한 맵핑방법.
6. 제3 항에 있어서, 상기 각 벡터의 변환각에 의해 경로를 변환하는 단계는

   변환된 경로의 첫번째 벡터와 마지막 벡터는 평행하고 동일한 방향으로 변환시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동로봇의 경로자취에 의한 맵핑방법.
7. 제3 항에 있어서,각각의 변환된 경로에 대하여 위상학적 조건을 계산하는 단계는,

   변환된 경로의 시작점과 종료점을 연결하는 벡터를 가산하는 단계와;

   변환된 경로의 각각의 선분에 대하여, 각 선분의 내부의 시작과 끝점이 아닌 임의의 점에 대하여 각도를 계산하는 단계와;

   상기에서 계산된 각도들의 합을 계산하고, 그 각도들의 합으로 위상학적 조건을 계산하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 이동로봇의 경로자취에 의한맵핑방법.