KR20050011055A - 다수개의 거리 측정용 센서를 이용한 이동로봇의 장애물검출 및 자세보정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다수개의 거리 측정용 센서를 이용한 이동로봇의 장애물 검출 및 자세보정방법에 관한 것으로, 그 목적은 두개 이상의 거리 측정용 센서를 통해 거리데이터를 측정하고, 이들 측정값의 대비에 의해 데이터의 신뢰성을 높이며, 측정데이터를 이용하여 로봇의 위치를 파악하고, 자세를 검출할 수 있는 다수개의 거리 측정용 센서를 이용한 이동로봇의 장애물 검출 및 자세보정방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 이동로봇의 주행방향에 다수개의 거리측정센서를 설치하는 단계; 상기 다수개의 거리측정용 센서에 의해 측정된 거리데이터의 유효값 여부를 판단하는 유효값 인식단계; 상기 유효값 판단에 의해 측정된 거리데이터로 부터 이동로봇과 장애물의 각도를 측정하는 각도측정단계; 상기 측정된 각도에 따라 로봇의 위치를 인식하여 각도에 따라 이동로봇의 위치를 보정하는 자세보정단계를 포함하는 다수개의 거리 측정용 센서를 이용한 이동로봇의 장애물 검출 및 자세보정방법을 제공함에 있다.

Description

다수개의 거리 측정용 센서를 이용한 이동로봇의 장애물 검출 및 자세보정방법 {Disposition of range detection sensor for obstacle detection and attitude correction of mobile robot}

본 발명은 다수개의 거리 측정용 센서를 이용한 이동로봇의 장애물 검출 및 자세보정방법에 관한 것으로, 다수개의 거리측정용 센서에 의해 이동로봇의 자율주행 경로상에 존재하는 장애물을 검출하고, 측정된 두개 이상의 거리 데이터를 서로 비교하면서 거리데이터의 신뢰성을 높이며, 별도의 복잡한 알고리즘 없이도 측정된 두개 이상의 거리 데이터를 통해 장애물과 로봇의 자세를 보정할 수 있는 다수개의 거리 측정용 센서를 이용한 이동로봇의 장애물 검출 및 자세보정방법에 관한 것이다.

일반적인 거리 측정용 센서의 배치는 측정하고자 하는 방향에 대해 하나의 센서만을 사용하며 측정된 거리 데이터의 신뢰성을 높이기 위해 이전에 측정된 거리 데이터들을 제어기에 저장하여 현재 측정된 거리 측정용 센서 데이터와 비교하여 갑작스런 데이터의 변화를 로봇이 인지할 수 있도록 하고, 장애물과 로봇의 자세를 보정 및 제어하기 위해서 측정된 거리 데이터를 제어기에서 인식할 수 있도록 도 6 에 도시된 바와 같은 흐름을 구비하는 별도의 복잡한 알고리즘이 적용되어 왔다.

즉, 측정하고자 하는 방향에 하나의 거리 측정 센서를 배치한 뒤 거리 측정 데이터의 신뢰성을 높이기 위한 방법으로, 현재 데이터를 위한 버퍼(N)를 지정하고, 이전 거리 데이터(N-1, N-2, N-3, N-4)를 저장하기 위한 버퍼를 지정한 뒤, 현재 데이터(N)와 이전 거리 데이터(N-1, N-2, N-3, N-4)를 순차적으로 비교하면서 현재 측정된 거리 데이터가 이전 데이터와 현저한 차이를 보이는지를 확인하도록 되어 있었다. 그러나, 이와 같은 종래의 방법은 이전에 측정된 거리 데이터를 비교하기 위한 별도의 알고리즘과 많은 메모리 공간을 필요로 하고 복잡한 알고리즘을 처리하기 위한 시간이 소요되므로 실시간으로 제어해야 하는 이동로봇에 적용하기에는 부적합함을 구비하고 있었다. 일례로 이동로봇의 진행방향이 장애물과 수평을 이루고 있다면 장애물과 충돌하는 현상은 발생하지 않을 것이므로 이동로봇이 장애물과 이루고 있는 각도를 간단하게 알아낼 수 있다면 장애물을 회피하기 위한 복잡한 알고리즘이 필요치 않게 된다. 그러나, 종래의 방법은 하나의 거리 측정용 센서를 배치하고 이로부터 얻어진 거리 데이터를 통해 이동로봇의 자세를 제어하여야 하며, 또한 이동로봇이 정지된 상태에서 거리를 측정하지 않고 로봇을 이동시키면서 얻어지는 데이터들을 계속 비교해 나가야 하므로, 이를 고려할 경우, 복잡한 알고리즘이 반드시 필요하게 되며, 이로 인해 실시간 제어 및 제어시스템의 고성능화가 곤란하고, 설계의 곤란성이 증대되는 등 여러가지 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 그 목적은 두개 이상의 거리 측정용 센서를 통해 거리데이터를 측정하고, 이들 측정값의 대비에 의해 데이터의 신뢰성을 높이며, 측정데이터를 이용하여 로봇의 위치를 파악하고, 자세를 검출할 수 있는 다수개의 거리 측정용 센서를 이용한 이동로봇의 장애물 검출및 자세보정방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 이동로봇의 주행방향에 다수개의 거리측정센서를 설치하는 단계; 상기 다수개의 거리측정용 센서에 의해 측정된 거리데이터의 유효값 여부를 판단하는 유효값 인식단계; 상기 유효값 판단에 의해 측정된 거리데이터로 부터 이동로봇과 장애물의 각도를 측정하는 각도측정단계; 상기 측정된 각도에 따라 로봇의 위치를 인식하여 각도에 따라 이동로봇의 위치를 보정하는 자세보정단계를 포함하는 다수개의 거리 측정용 센서를 이용한 이동로봇의 장애물 검출 및 자세보정방법을 제공함에 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 거리 측정용 센서의 배치상태를 보인 예시도

도 2 는 이동로봇에 적용하기 위한 거리 측정용 센서의 배치상태를 보인 예시도

도 3 은 본 발명에 따른 이동로봇과 장애물의 각도측정 개념도

도 4 는 본 발명에 따른 이동로봇의 자세보정을 보인 예시도

도 5 는 본 발명에 따른 거리데이터의 처리 흐름을 보인 예시도

도 6 은 종래의 방법에 의한 거리데이터의 처리 흐름을 보인 예시도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

(101,102,103,104,105,106,107,108) : 거리측정용 센서

(200) : 이동로봇

(300) : 장애물

도 1 은 본 발명에 따른 거리 측정용 센서의 배치상태를 보인 예시도를, 도 2 는 이동로봇에 적용하기 위한 거리 측정용 센서의 배치상태를 보인 예시도를 도시한 것으로, 본 발명은 이동로봇의 주행방향(측정하고자 하는 방향)에 대해 두개 이상의 거리 측정용 센서를 배치하고 측정된 두개 이상의 거리 데이터를 서로 비교하여 측정하고자 했던 방향에 대한 거리 측정용 데이터의 신뢰성을 높이고, 별도의 복잡한 알고리즘 없이 두개 이상의 거리 데이터와 간단한 알고리즘을 통해 로봇과 검출된 장애물이 이루고 있는 각도를 얻어 이동로봇의 자세를 보정하거나 장애물의 윤곽을 추종하며 회피 할 수 있도록 되어 있다. 이때, 상기 센서는 이동로봇의 자율주행과 관련되어 이동경로 상에 존재하는 장애물의 검출 및 로봇의 자세 보정과 거리 측정을 위한 거리 측정용 센서를 사용한다.

이와 같은 본 발명은 두개의 거리측정용 센서에 의해 측정된 거리데이터의 유효값 여부를 판단하고, 측정된 거리데이터와 일정거리 설정값의 대비에 따라 이동로봇과 장애물의 각도를 측정하며, 측정된 각도에 따라 로봇의 위치를 인식 또는 보정하도록 되어 있다. 즉, 본 발명은 측정값의 최대 편차값 Max-offset, 일정거리 설정값 Dmax, 두개의 거리측정용 센서간의 거리를 D_S, 로봇과 장애물이 이루는 최대 각도 θmax 를 설정하고, 상기 설정값과 두개의 거리측정용 센서로 부터 측정된 값을 대비하여 측정값의 유효성 및 신뢰성을 향상시키고, 이동로봇의 위치를 파악하며, 자세를 보정하도록 되어 있다.

이하 본 발명을 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3 은 본 발명에 따른 이동로봇과 장애물의 각도측정 개념도를 도시한 것으로, 두개의 거리측정용 센서간의 거리를 D_S, 제 1 센서와 장애물과의 거리 측정값을 S₁, 제 2 센서와 장애물과의 거리 측정값을 S₂, 장애물과 이동로봇이 이루는 각도를 θ 라 할 경우, 상기 θ 는,

θ = tan^-1{{S₂-S₁)/D_S} 가 된다.

이때, 상기 로봇과 장애물이 이룰 수 있는 최대 각도를 θmax 라 하면, 측정값의 최대 편차값 Max-offset 는

Max-offset = tan(θmax)×D_S로 표현된다.

즉, 장애물과 이동로봇이 이룰 수 있는 최대각도 θmax 를 45 도로 설정하고, 센서간 거리 D_S가 10㎝ 일 경우, Max-offset = 10 ㎝ 가 된다. 또한, 장애물과 이동로봇이 이룰 수 있는 최대각도 θmax 를 60 도로 설정하고, 센서간 거리 D_S가 10㎝ 일 경우, Max-offset 는 약 17 ㎝ 가 된다

상기와 같은 측정값의 최대 편차값 Max-offset는 거리 데이터의 유효성 판단의 기준범위로서, 이동로봇의 센서간 거리 및 이동로봇이 적용되는 실제 장소의 각도를 고려하여, 측정값의 최대 편차값 Max-offset 을 설정할 경우, 상기 측정값의 최대 편차값 Max-offset 과 실제 거리 측정값의 차이를 대비하여, 두 센서의 차이값(S₂-S₁)이 Max-offset 값보다 작거나 같을 경우, 유효한 값이 되며, 두 센서의 차이값(S₂-S₁)이 Max-offset 값보다 클 경우, 유효하지 않은 값이 된다. 또한, Max-offset 값보다 커서 유효하지 않은 값으로 판단되었을 경우, 제어기를 통하여 주변환경을 다시 인식하여야 한다.

이와 같이 본 발명은 두 센서로 부터 측정될 수 있는 최대 편차값을 미리 설정하는 수단을 통해 측정된 거리 측정값의 유효성을 판단할 수 있도록 되어 있다. 즉, 현재 측정된 거리 측정값의 차이에 대한 크기 여부에 따라 차이의 크기가 Max-offset 보다 크다면 두개의 센서 데이터중 하나는 잘못된 값으로 인지하게 된다.

상기 일정거리 설정값 Dmax 는 측정값 활용의 효율성을 향상시키기 위한 것으로, 로봇의 이동속도와 시스템의 제어속도 및 로봇이 사용되는 장소를 고려하여설정된다. 거리측정용 센서는 센서 자체만으로 거리를 알 수 없고, 거리 측정을 위한 신호를 송신한 순간부터 송신된 신호가 수신될 때 까지의 시간을 측정하여 거리를 계산하도록 되어 있다. 즉, 거리 측정센서의 사용 시, 로봇의 이동속도에 따라 다르겠지만, 저속(약 20㎝/sec)으로 움직이는 로봇에서 측정된 측정값이 2 m 일 경우, 로봇이 약 10 초 동안 움직인 거리를 나타내게 된다. 따라서 로봇의 이동속도와 시스템의 제어속도 및 로봇이 사용되는 장소를 고려할 경우, 측정값이 2 m 이면, 상기 측정값내에는 장애물이 없다는 것으로 판단할 수 있다. 그러므로, 일정거리 설정값을 2 m 로 하고, 측정값이 2 m 이하 일 경우, 이동로봇의 근거리에 장애물이 있는 것으로 판단되며, 측정값이 2 m 초과할 경우, 이동로봇의 근거리에 장애물이 없는 것으로 판단할 수 있다. 또한, 측정값이 모두 일정 설정값 Dmax 이하일 경우, 측정값은 모두 유효값으로 처리되며, 이로부터 측정되는 이동로봇과 장애물과의 각도 θ 는 제어기로 전달되어 인식되게 된다.

또한, 측정값 중, 하나라도 Dmax 보다 클 경우, 이동로봇과 장애물과의 각도 θ 를 산출하고, 상기 산출된 각도값 θ를 로봇과 장애물이 이루는 최대 각도 θmax 와 대비하여 θ＜＝θmax 일 경우, 유효 각도로 판단하여 제어기로 전달되어 인식되고, θ＞θmax 일 경우, 유효하지 않은 각도(잘못된 값으로 니식)로 판단되어 제어기에서 스톱명령을 내리게 된다.

도 4 는 본 발명에 따른 이동로봇의 자세보정을 보인 예시도를 도시한 것으로, 이동로봇은 바닥면에 접촉되는 양측 구동수단의 동기화를 통해, 설정된 값에따라 일직선으로 이동되도록 되어 있다. 그러나, 바닥면의 상태 및 구동수단의 상태에 따라 일측 구동수단이 미끄러지거나 헛돌게 될 경우, 이동로봇의 진행방향이 변경되는 현상이 발생된다. 본 발명은 두개의 센서로 부터 측정된 이동로봇과 벽면과의 각도측정값에 따라 이를 보정하도록 되어 있다. 즉, 벽면을 기준으로 벽면과 수평되게 이동로봇을 주행하고자 할 경우, 이동로봇의 측면에 설치된 두개의 거리측정용 센서로 부터 이동로봇과 벽면이 이루는 각도 θ를 측정한다. 이때, 벽면을 따라 이동로봇이 주행하기 위해서는 이동로봇과 벽면이 이루는 각도 θ 가 0 이 되어야 하므로, 측정각도 θ 만큼 벽면에 대하여 이동로봇이 기울어져 있음을 알 수 있게 된다.

도 5 는 본 발명에 따른 거리데이터의 처리 흐름을 보인 예시도를 도시한 것으로, 본 발명은 먼저 거리데이터 처리에 필요한 설정값인 θmax(로봇과 장애물이 이루는 최대 각도), Ds(두개의 거리측정용 센서간의 거리), Max_offset(측정값의 최대 편차값), Dmax(일정거리 설정값) 값을 설정하고, 두개의 센서를 통해 거리측정값 [S₁, S₂]을 측정한다. 이때, 상기 측정값을 읽어들이는 순서 및 처리하는 순서는 센서의 중요도에 따라 결정된다. 즉, 이동로봇에는 진행방향으로 각각 두개 이상의 거리측정용 센서가 설치되어 있으며, 상기 거리측정용 센서로 부터 측정되는 측정값은 이동로봇의 동작에 따라 결정된다. (이동로봇의 진행방향에 설치되어 있는 센서의 측정값이 최우선순위를 갖는다.)

이와 같이, [S₁, S₂]이 측정되면, 상기 측정값의 차(S₁- S₂)와 Max_offset 을 비교하고, 측정값의 차가 Max_offset 보다 클 경우, 유효하지 않은 값으로 판단하여 제어기에서 이동로봇을 스톱하게 되며, 측정값의 차가 Max_offset 보다 작을 경우, 유효값으로 판단되어 다음 단계로 진행된다.

측정값의 차(S₁- S₂)가 유효값으로 판단되면, Dmax 와 측정값 [S₁, S₂]을 각각 비교하고, S₁, S₂가 모두 Dmax 보다 작을 경우, 유효거리 측정값으로 판단되어 이동로봇과 장애물의 각도 θ 를 산출한 후, 이를 제어기로 입력하도록 되어 있다.

또한, S₁, S₂중, 어느 하나의 값이라도 Dmax 보다 클 경우, 이동로봇과 장애물의 각도 θ 를 산출하고 산출된 각도값 θ를 θmax 와 비교하여 θ＜＝θmax 경우, 산출된 θ이 제어기로 입력되며, θ＞θmax 일 경우, 제어기에서 스톱 명령을 전달하여 이동로봇을 정지시키도록 되어 있다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

상기와 같은 구성 및 작용에 의해 기대할 수 있는 본 발명의 효과는 하나의거리 측정용 센서를 사용할 때 발생할 수 있는 거리 데이터를 신뢰할 수 없는 문제점과 로봇의 자세 보정을 위해 요구되는 고성능의 시스템을 구성하는 문제점을 해결하기 위해 측정하고자 하는 방향에 두개 이상의 거리 측정용 센서를 배치하고 이를 통해 측정된 두개 이상의 거리 데이터의 신뢰성을 높이고, 간단한 알고리즘의 구현으로 인한 저 사양의 시스템으로도 로봇의 자세를 보정할 수 있는 방법을 제시하는 매우 유용한 발명이다. 또한, 본 발명에 사용되는 거리측정용 센서는 실시간 처리가 가능하고 가능한 부피가 작고 가격이 저렴하므로, 경제적 부담을 해소할 수 있다.

또한, 본 발명은 측정값의 최대 편차값 Max-offset, 일정거리 설정값 Dmax, 두개의 거리측정용 센서간의 거리를 D_S, 로봇과 장애물이 이루는 최대 각도 θmax 를 설정하고, 상기 설정값과 두개의 거리측정용 센서로 부터 측정된 값을 대비하도록 되어 있어, 측정값의 유효성 및 신뢰성을 향상시켰으며, 이동로봇의 위치를 정확히 파악하고, 이를 통해 자세를 보정을 용이하게 할 수 있는 등 많은 효과가 있다.

Claims (4)

1. 이동로봇의 주행방향에 다수개의 거리측정센서를 설치하는 단계;

   상기 다수개의 거리측정용 센서에 의해 측정된 거리데이터의 유효값 여부를 판단하는 유효값 인식단계;

   상기 유효값 판단에 의해 측정된 거리데이터로 부터 이동로봇과 장애물의 각도를 측정하는 각도측정단계;

   상기 측정된 각도에 따라 로봇의 위치를 인식하여 각도에 따라 이동로봇의 위치를 보정하는 자세보정단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다수개의 거리 측정용 센서를 이용한 이동로봇의 장애물 검출 및 자세보정방법.
2. 제 1 항에 있어서;

   상기 유효값 인식단계는 측정값의 최대 편차값 Max-offset, 거리측정용 센서간의 거리를 D_S, 로봇과 장애물이 이루는 최대 각도 θmax 를 설정하는 단계;

   상기 거리측정용 센서에 의해 거리데이터를 측정하는 단계;

   상기 측정된 거리데이터의 차와 측정값의 최대 편차값 Max-offset을 대비하는 단계를 통해,

   측정된 거리데이터의 차가 측정값의 최대 편차값 Max-offset 이하일 경우,유효값으로 판단하는 것을 특징으로 하는 다수개의 거리 측정용 센서를 이용한 이동로봇의 장애물 검출 및 자세보정방법.
3. 제 1 항에 있어서;

   상기 각도측정단계는 일정거리 설정값 Dmax 를 설정하는 단계;

   상기 일정거리 설정값 Dmax 과 거리측정용 센서로부터 측정된 거리 데이터를 대비하여, 거리데이터가 모두 Dmax 보다 작으면 유효한 거리데이터로 판단하는 단계;

   상기 유효한 거리데이타로 부터 이동로봇과 장애물이 이루는 각도 θ를 산출하고 이를 제어기로 입력하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 다수개의 거리 측정용 센서를 이용한 이동로봇의 장애물 검출 및 자세보정방법.
4. 제 1 항에 있어서;

   상기 각도측정단계는 일정거리 설정값 Dmax 를 설정하는 단계;

   상기 일정거리 설정값 Dmax 과 거리측정용 센서로부터 측정된 거리 데이터를 대비하여, 거리 데이터 중 어느 하나라도 Dmax 보다 크면 유효하지 않은 거리데이터로 판단하는 단계;

   상기 유효하지 않은 거리데이터로부터 이동로봇과 장애물이 이루는 각도 θ를 산출하는 단계;

   상기 산출된 각도 θ와 최대 각도 θmax 와 비교하여 θ＜＝θmax 경우, 산출된 θ을 제어기로 입력하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 다수개의 거리 측정용 센서를 이용한 이동로봇의 장애물 검출 및 자세보정방법.