KR20080082711A - 청소로봇의 위치 인식 알고리즘을 적용한 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 청소로봇을 위한 새로운 개념의 위치인식 시스템의 개발이다. 즉, 실내 공간에서 움직이는 청소로봇의 위치 및 방향을 결정하기 위해 사용하는 자기위치 인식을 위한 시스템을 개발한 것으로 특정 파장의 빛을 발생하는 IrED를 이용한 인식마크, 특정 파장의 빛을 선택적으로 수광하여 인식마크의 위치를 판독하여 로봇의 절대 위치를 계산하는 전용 DSP 시스템을 설계하였다. 개발된 위치인식 시스템을 검증하기 위하여 인식마크를 천정에 부착하고 카메라 렌즈가 부착된 위치인식 시스템을 데모용 이동체의 몸체에 설치하여 검증 실험을 통하여 초음파를 이용한 Active Beacon 방식등의 여러 위치인식 제품에 비하여 획기적으로 우수한 성능의 위치인식 시스템임을 입증하였다.

청소로봇(Cleaning robot), 위치인식(Position knowledge), 인식마크(Knowledge mark)

Description

청소로봇의 위치 인식 알고리즘을 적용한 시스템{System using Position knowledge Algorism of Cleaning Robot}

도1. 제안된 위치인식 시스템 개념도

도2. 위치인식 시스템 구성도 및 인식마크

도3. 위치인식 시스템 알고리즘 순서도

가) Camera를 이용한 풍경인식 기술(scene analysis)

카메라로 실내의 모든 위치를 촬영하여 인식하는 기술로, 대단히 복잡하고 방대한 영상신호 처리용 알고리즘을 필요로 하고 camera 및 기억장치 등 시스템 규모도 커지므로 고비용이 든다. 홍보용 또는 연구용 로봇에 적용되어 전시 소개된 사례가 있으나 아직 대중화, 실용화 가능한 기술은 개발되지 않았다. 또한 청소로봇, 방범로봇과 같이 야간에 운전이 요구되는 경우 인식할 수 없다는 단점이 있다.

나) 초음파를 이용한 기술

초음파를 이용한 위치인식 기술은 Active beacon 방식이 있는데 이들은 위성을 이용한 GPS와 유사한 방식으로 전자파 대신 초음파를 이용한 것이다. 초음파는 전자파와 달리 그 전파속도가 느리므로 작은 공간의 navigation system으로 응용하기가 비교적 손쉬운데 3 point 이상의 발신기를 배치하고 그 수신세력과 도달시간을 연산하여 현재 위치를 파악하는 방식이다. 이는 위치 인식을 위해서 송신단 초음파 센서들과 수신단 센서들의 동기회로가 추가로 필요하고, 발신 장치를 설치할 때 송신단사이의 위치와 거리를 정확히 측정해서 입력해야 하는 번거로움이 있다.

다) RFID (radio frequency identification)위치 인식기술

RFID 혹은 바코드를 이용한 위치인식 시스템으로 코드(RFID 태그, 바코드 등)가 장착 또는 인쇄된 장판이나 바닥재를 로봇 아랫면에 장치된 무선 card reader나 광학적 스캐너로 인식하여 위치를 판별하는 방식이다. 이는 로봇이 코드가 있는 바닥재 위에 있는 한 어떤 위치로 이동하여도 항시 위치 인식이 용이하게 되는 장점이 있다. 그러나 바닥에 좌표 코드가 장치된 바닥재를 필수적으로 사용해야 하므로, 비용이 대단히 고가로 되고 신축 주택이나 건물과 같이 시공 시 설치되어야 하거나, 입주 이후에는 가구들을 모두 들어내고 설치해야 하는 대공사가 불가피하므로 상당한 적용상의 한계를 가지고 있다. 또한 이는 사용자의 인테리어 취향이나 선택권이 배제되고 오염 및 훼손에 대한 수명의 단축, 카펫 등의 사용이 불가한 점 등이 실용성, 편의성 면에서 상당한 취약점을 지닌 기술이라 할 수 있다.

본 발명에서 제안된 위치인식 시스템은 움직이는 청소로봇의 위치 및 방향을 결정하기 위한 자기위치 인식을 위한 시스템으로서 도 1과 같다. 천정에 부착된 인식마크에서 발사되는 적외선을 위치인식 시스템에 부착된 카메라 렌즈로 촬영하여 청소로봇이 이동된 위치를 인식하는 것이다.

본 발명에서는 IrED 소자를 이용하여 근적외선을 발사시키는 인식마크는 영상처리 시간을 최소화하고 청소로봇의 위치 및 방향을 영상처리를 통해 인식할 수 있도록 효과적으로 배치하였다.

본 발명의 구성 및 작용을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

도 2에서 청소로봇용 위치인식 시스템으로 사용될 고속 Image Processing DSP Controller는 다수의 Narrow BGA Type 부품으로 구성되고 로봇센서로써의 특성상 최적화된 Layout 설계 및 EMI Noise 방지책이 고려되도록 발명하였다.

도 2에서 Memory로 구분되는 Flash Rom(1)과 SRAM(2)은 영상신호 처리 프로그램을 적재하도록 하였고 메모리 사이즈는 Program Memory(2Mbytes), External RAM(16Mbytes)로 구성하였다. MCU(3)은 영상 신호 처리 및 Localization 알고리즘 수행하며 3200MIPS fixed point processor, Video Port 내장하도록 하였고 TMS320DM640GDK, Texas Instrument Co., Ltd.을 사용하였다. 또한 개발환경은 Windows 환경의 TI사의 Code-Composer 및 JTAG Emulator로 발명하였다. RS232(5)는 영상 신호를 처리하여 계산된 결과값을 청소로봇 Platform에 전송하는 기능을 가지면 McBSP port, EDMA, interrupt를 통한 software UART 의 모델을 사용하였다. CMOS(4)는 영상 신호를 생성하여 DSP 에 전송하면 OmniVision Technologies, Inc. 의 CMOS 모델을 사용하였다. 인식마크(6)은 5×5㎠의 범위에서 구성가능하도록 되었으며 IrED로 구성하였다. 그 밖의 Power Controller(7)은 인식마크용, 5V 단일 전원으로 내부 I/O전원 해결하면 되고 5/3.3/2.3/1.8/1.3V로 구성하였다.

위치인식 시스템의 알고리즘 순서도를 보면 청소로봇용 위치인식 시스템을 위한 DSP보드에서는 도3과 같이 진행된다. 첫번째 단계(9)에서는 원 영상(8)을 획득하여 이미지 전처리 과정을 수행하고, 두번째 단계(10)에서 Edge Detection 및 Contour Edge Generation을 통해 Image Plane상의 인식마크의 중심위치를 계산한다. 세 번째 단계(11)에서 Spatial Wrapping 알고리즘을 통해 Barrel Distortion에 의해 왜곡된 인식마크의 중심위치(x방향 위치, y방향 위치, 각도)를 보정한다. 네 번째 단계(12)에서 카메라 모듈의 Roll, Pitch 정렬 오차에 대한 Perspective Wrapping 보정을 수행하고, 다섯번째 단계(13)에서 Homogeneous Coordinate Translation Matrix에 의해 회전각도에 따른 인식마크의 중심위치를 보정하도록 한다.

본 발명은 청소로봇을 위한 새로운 개념의 위치인식 시스템의 개발이다. 즉, 실내 공간에서 움직이는 청소로봇의 위치 및 방향을 결정하기 위해 사용하는 자기위치 인식을 위한 시스템을 개발한 것으로 특정 파장의 빛을 발생하는 IrED를 이용한 인 식마크, 특정 파장의 빛을 선택적으로 수광하여 인식마크의 위치를 판독하여 로봇의 절대 위치를 계산하는 전용 DSP 시스템을 설계하였다. 개발된 위치인식 시스템을 검증하기 위하여 인식마크를 천정에 부착하고 카메라 렌즈가 부착된 위치인식 시스템을 데모용 이동체의 몸체에 설치하여 검증 실험을 통하여 초음파를 이용한 Active Beacon 방식등의 여러 위치인식 제품에 비하여 획기적으로 우수한 성능을 가진 위치인식 시스템으로 예상된다.

Claims (2)

1. 위치인식 시스템의 알고리즘 순서도를 보면 청소로봇용 위치인식 시스템을 위한 DSP보드에서는 도3과 같이 진행된다. 첫번째 단계(9)에서는 원 영상(8)을 획득하여 이미지 전처리 과정을 수행하고, 두번째 단계(10)에서 Edge Detection 및 Contour Edge Generation을 통해 Image Plane상의 인식마크의 중심위치를 계산한다. 세 번째 단계(11)에서 Spatial Wrapping 알고리즘을 통해 Barrel Distortion에 의해 왜곡된 인식마크의 중심위치(x방향 위치, y방향 위치, 각도)를 보정한다. 네 번째 단계(12)에서 카메라 모듈의 Roll, Pitch 정렬 오차에 대한 Perspective Wrapping 보정을 수행하고, 다섯번째 단계(13)에서 Homogeneous Coordinate Translation Matrix에 의해 회전각도에 따른 인식마크의 중심위치를 보정하도록 하도록 하는 위치인식 시스템의 알고리즘.
2. 1항에서의 위치인식시스템 알고리즘을 응용하여 청소로봇에 적용 방법

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