KR20100073190A - 이동체의 위치 및 방향 인식 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이동체의 위치 및 방향인식 장치 및 방법에 관한 것으로, 절대위치 인식수단과 이동 변위에 대한 상대위치 인식수단을 결합하여 이동체의 현재 위치와 방향을 인식한다. 본 발명에 따른 위치 및 방향 인식 장치 및 방법에서는 절대위치 인식수단에서 방향정보를 제공하지 않는 경우에도 이동체의 이동 변위에 대한 상대위치를 인식하는 상대위치 인식수단과의 결합을 통한 위치 및 방향 보정을 통해 이동체에 대한 보다 정밀한 위치 및 방향 산출이 가능하다.
방향인식, 이동체, 로봇, 위치인식

Description

이동체의 위치 및 방향 인식 장치 및 그 방법{METHOD AND APPARATUS FOR DETECTING POSITION AND ORIENTATION}
본 발명은 이동체(mobile object)의 위치 및 방향인식에 관한 것으로, 특히 이동체의 절대 위치(absolute position)를 인식하는 절대위치 인식수단과 이동체의 이동에 따른 상대적 위치변화를 인식하는 상대위치 인식수단을 결합하여 이동체의 위치 및 방향을 정확하게 보정함으로써, 이동체의 위치 뿐만 아니라 방향 정보도 정확하게 제공할 수 있는 이동체의 위치/방향 인식장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT신성장동력핵심기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2008-S-031-01, 과제명: u-Robot 인지인프라 기술 개발].
통상적으로, 이동로봇 및 지능형 차량 등과 같은 이동체의 자율주행을 위해서는 이동체가 현재 지도상에 어떤 지점에 있는지와 어떤 방향을 바라보고 있는지를 실시간으로 인식할 수 있어야 한다. 특히, 로봇 및 차량의 방향에 따라 동일한 제어 명령에도 다음의 진행 방향이 완전히 달라지기 때문에 방향정보는 로봇 및 차 량 등과 같은 이동체의 이동제어에 있어 매우 중요한 요소이다.
위와 같은 이동체의 위치를 인식하는 위치인식 수단에는 전파, 초음파, RFID, 영상인식, 오도메트리 등 매우 다양한 방식들이 사용되는데, 일부 위치인식 수단들은 위치정보와 함께 방향정보도 제공하지만 대부분은 위치정보만을 제공한다.
예를 들어, GPS(global positioning system)의 경우 매우 넓은 범위에 걸쳐 절대위치를 줄 수 있지만 이동체의 방향 정보는 제공하지 못한다. 원격 카메라를 이용하는 경우 영상인식을 통해 이동체를 검출하고 위치를 파악하는 것은 비교적 용이하게 할 수 있지만 이동체의 방향까지 파악하기 위해서는 고도의 영상처리를 필요로 하거나 이동체에 방향성을 가진 표식을 부착하는 방법을 사용해야 한다.
또한, 방향정보를 제공하지 못하는 상기 위치인식 수단을 이용하는 경우, 이동체의 방향을 결정하기 위해 시간에 따른 이동체의 위치 차이로부터 이동방향 벡터를 구하고 이를 이동체의 현재 정면 방향으로 인식하는 방법이 통상적으로 사용되어 왔다. 그러나 이 방법은 이동체가 제자리에서 회전하거나 곡선을 그리며 이동할 경우에 정확한 방향정보를 제공하지 못하는 문제점을 갖는다.
위와 같은, 절대위치 인식수단의 또 하나의 문제점은 비교적 낮은 샘플링 속도로 인해 위치 갱신이 늦게 이루어짐에 따라 이동체가 고속으로 이동할 경우에는 위치인식 수단에 의해 제공되는 위치정보와 실제 위치와의 위치오차가 크게 발생할 수 있다는 점이다.
또한, 이동체의 위치인식을 위한 또 하나의 방법으로 주행거리계(odometer) 를 이용한 오도메트리(odometry) 방법이 있다. 이는 바퀴에 부착되는 엔코더(encoder) 센서를 이용하여 바퀴의 회전수를 측정하고 바퀴간의 간격, 바퀴 직경을 이용해 이동체의 상대적인 위치변화를 산출하는 방법이다. 그러나, 오도메트리를 이용한 방법은 매우 높은 샘플링 속도를 제공하며 단거리에서 비교적 높은 정확도를 제공하지만 이전 위치를 기준으로 상대적인 위치변화만을 반영하기 때문에 주행 거리가 늘어남에 따라 바퀴의 미끄러짐 등에 의해 오차가 누적되는 문제점을 갖는다.
즉, 전술한 바와 같이, 종래의 초음파, 전파, 원격카메라 등 대부분의 위치인식 방법은 방향정보를 제공하지 못하고, 샘플링 속도가 느려서 이동로봇이나 지능형 차량 등과 같은 이동체의 자율주행을 위한 위치인식 수단으로 적용하기 어려운 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 종래 위치인식 수단들의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 절대위치 인식수단과 상대위치 인식수단을 상보적으로 결합하여 이동체의 위치와 방향을 높은 샘플링 속도로 보다 정확하게 실시간 산출할 수 있도록 하는 이동체의 위치/방향 인식 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
상술한 본 발명은 이동체의 위치 및 방향인식 장치로서, 이동체의 이동에 따른 상대위치를 산출하는 상대위치 인식부와, 상기 이동체의 초기 위치와 상기 상대위치를 이용해 상기 이동체의 위치 및 방향을 갱신하는 위치 갱신부와, 상기 이동체의 절대위치를 획득하는 절대위치 인식부와, 상기 절대위치로 상기 이동체의 현재 위치를 보정하고, 상기 상대위치에서의 상기 이동체의 방향과 상기 절대위치에서의 상기 이동체의 방향을 일치시켜 상기 이동체의 방향을 보정하는 위치 보정부를 포함하되,
상기 위치 보정부는, 상기 이동체의 절대위치 획득 시, 상기 획득된 절대위치와 이전 획득된 상기 절대위치간 거리를 산출하여, 절대위치간 거리가 기 설정된 일정 거리 이상이 되는 경우 상기 이동체의 방향 보정을 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 이동체의 위치 및 방향인식 방법으로서, 이동체의 이동에 따른 상대위치를 산출하는 단계와, 상기 이동체의 초기 위치와 상기 상대위치를 이용해 상기 이동체의 위치 및 방향을 갱신하는 단계와, 상기 이동체의 절대위치를 산출하는 단계와, 상기 절대위치로 상기 이동체의 현재 위치를 보정하는 단계와, 상기 상대위치에서의 상기 이동체의 방향과 상기 절대위치에서의 상기 이동체의 방향을 일치시켜 상기 이동체의 방향을 보정하는 단계를 포함하되,
상기 방향 보정 단계는, 상기 이동체의 절대위치 획득 시, 상기 획득된 절대위치와 이전 획득된 상기 절대위치간 거리를 산출하는 단계와, 상기 절대위치간 거리가 기 설정된 일정 거리 이상이 되는 경우 상기 이동체의 방향 보정을 수행하는 단계를 포함한다.
본 발명에서는 이동체의 위치 및 방향 인식 장치 및 방법에서 절대위치 인식수단에서 방향정보를 제공하지 않는 경우에도 이동체의 이동 변위에 대한 상대위치를 인식하는 상대위치 인식수단과의 결합을 통한 위치 및 방향 보정을 통해 이동체에 대한 보다 정밀한 위치 및 방향 산출이 가능한 이점이 있다.
또한, 본 발명에서는 위치 및 방향인식 오차가 시간에 따라 누적되지 않으며 일정 범위 이내로 제한되므로 안정적인 위치인식 시스템을 구축할 수 있으며, 다양한 위치인식 수단들을 이동로봇 및 지능형 차량 등과 같은 이동체의 자율주행을 위한 위치인식 수단으로 활용할 수 있는 이점이 있다. 또한, 방향정보를 제공하는 절대위치 인식수단일지라도 방향정보의 정확도가 떨어지는 경우에 본 발명의 방법을 적용하면 방향정보의 정확도를 크게 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그 러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이동체의 위치 및 방향 인식 장치의 블록 구성을 도시한 것으로, 본 발명의 실시 예에 따른 이동체의 위치 및 방향 인식장치(150)는 절대위치 인식부(100)와 상대위치 인식부(102), 위치 갱신부(104)와 위치 보정부(106)를 포함한다.
도 1을 참조하면, 절대위치 인식부(100)는 이동체의 절대위치(xa, ya)를 제공한다. 이때 이동체가 3차원인 경우는 이동체의 위치에 대한 3차원 좌표(xa, ya, za) 정보를 제공한다.
상대위치 인식부(102)는 이동체가 이동하는 경우, 일정한 주기로 오도메트리를 통해 이동체의 이동에 따른 상대적 위치 변화를 산출하여 이동체의 상대위치(xo, yo, θo)를 제공한다. 이때, 위에서 아래첨자 a는 절대위치(absolute)를 의미하며, 아래첨자 o는 오도메트리(odoemetry)를 의미한다.
위치 갱신부(104)는 이동체의 초기 위치와 상대위치 인식부(102)로부터 산출된 상대위치를 이용해 이동체의 위치 및 방향을 갱신한다. 위치 보정부(106)는 절대위치 인식부(100)로부터 인식된 이동체의 절대위치를 이용하여 이동체의 현재 위치를 보정하고, 상대위치 인식부(102)에서 산출된 상대위치에서의 이동체의 방향과 절대위치에서의 이동체의 방향을 일치시켜 이동체의 방향을 보정하여, 이동체의 위치와 방향(x, y, θ)을 산출한다.
이때, 위 절대위치 인식부(100)는 이동체의 절대위치 인식을 위한 수단으로, 종래의 다양한 위치인식 수단 및 제품들을 활용할 수 있으며, 상대위치 인식부(102)는 이동체의 상대위치를 인식하기 위한 수단으로, 자이로스코프나 이동로봇 등에 포함되어 있는 엔코더 센서를 통한 오도메트리 정보 등을 활용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 이동체의 위치 및 방향을 인식하는 동작 제어흐름 도시한 것이다. 이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이하 본 발명에 따른 이동체의 위치인식 과정에 대한 설명에 있어서는 설명의 편의를 위해 2차원 이동체에 대한 위치인식 과정을 예로써 설명하나, 2차원의 이동체 뿐만 아니라 날아다니는 3차원 이동체에도 동일하게 적용 가능하다.
먼저, 이동체의 위치 및 방향 인식장치(150)는 최초 절대위치를 이용하여 이동체의 초기 위치를 결정한다(S200). 이동체의 방향은 이동체가 초기 위치로부터 일정 거리 이상 이동한 이후 결정된다.
위와 같이, 일단 이동체의 위치 및 방향이 모두 결정되면 이동체의 위치 인식 및 방향 인식장치(150)는 이동체가 이동하는 경우, 상대위치 인식부(102)를 통해 이동체의 상대위치 인식수단의 하나인 오도메트리 정보를 이용하여 이동체의 상대위치를 산출하고(S202), 이동체의 초기 위치/방향과 상대위치를 이용하여 이동체의 위치 및 방향을 갱신한다(S204).
이어, 이동체의 위치 및 방향 인식장치(150)는 절대위치 인식부(100)를 통해 절대위치가 획득될 때마다 이동체의 위치를 획득된 절대위치로 재설정하고(S206), 획득된 절대위치가 과거 절대위치에 비해 일정 거리 이상 떨어진 경우에는 상대위치의 궤적과 절대위치의 궤적을 정합하여 이동체의 방향을 보정한다(S208).
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 이동체의 위치 및 방향 인식방법에 있어서, 기본적으로는 오도메트리를 기반으로 위치갱신이 이루어지나, 중간 중간 절대위치가 들어올 때 이동체의 위치 및 방향이 보정되도록 하는 방식이다. 이때, 오도메트리는 단거리에서는 오차가 거의 없기 때문에 중간 중간 보정되는 절대위치가 정확하다면 항상 정확한 위치를 얻을 수 있다.
이하에서는, 이동체의 위치 및 방향 인식장치(150)의 위치 갱신부(104)와 위치 보정부(106)에서 이동체의 위치와 방향을 갱신하고, 보정하는 과정을 보다 상세히 설명하도록 한다.
먼저, 상대위치인 오도메트리를 이용한 이동체의 위치갱신 과정을 기술한다.
통상적으로 오도메트리는 로봇 등의 이동체를 처음 구동시킬 때 (0, 0, 0)으로 초기화되며, 이동체가 이동함에 따라 양쪽 바퀴의 굴러간 정도를 이용해 실시간으로 갱신된다. 그러나, 이 오도메트리 값은 실제 이동체의 절대위치는 아니며 이동체의 구동 시작점을 기준으로 한 상대적 위치 및 방향임은 주지의 사실이다.
예를 들어, 도 3에서와 같이 시각 t에서의 이동체의 위치 및 방향을 (
Figure 112008088116422-PAT00001
), 오도메트리 위치를 (
Figure 112008088116422-PAT00002
)라 하고, 이때 시각 t+1에서의 오도메트리 값을 (
Figure 112008088116422-PAT00003
)라 하면, 시각 t+1에서의 이동체의 위치 및 방향은 아래의 [수학식 1]에서와 같이 갱신된다.
Figure 112008088116422-PAT00004
단,
Figure 112008088116422-PAT00005
위 [수학식 1]에서
Figure 112008088116422-PAT00006
는 이동거리를,
Figure 112008088116422-PAT00007
는 시각 t에서의 이동체의 정면 방향을 기준으로 했을 때 어느 방향으로 이동체가 이동했는지를 나타낸다.
다음으로, 절대위치를 이용한 이동체의 위치보정 과정을 기술한다.
전술한 위치갱신 과정과 마찬가지로, 위치보정 과정에서도 예를 들어, 도 3에서와 같이 시각 t에서의 이동체의 위치 및 방향을 (
Figure 112008088116422-PAT00008
), 오도메트리 위치를 (
Figure 112008088116422-PAT00009
), 시각 t+1에서의 오도메트리 위치를 (
Figure 112008088116422-PAT00010
)라 하고, 이때, 시각 t+1에서 획득된 절대위치를 (
Figure 112008088116422-PAT00011
)라 하면 이동체의 시각 t+1에서의 위치 및 방향은 아래의 [수학식 2]에서와 같이 보정된다.
Figure 112008088116422-PAT00012
Figure 112008088116422-PAT00013
Figure 112008088116422-PAT00014
단,
Figure 112008088116422-PAT00015
위 [수학식 2]에서
Figure 112008088116422-PAT00016
는 시각 t에서 시각 t+1까지의 이동체의 진행방향을 기준으로 했을 때 시각 t+1에서 이동체의 정면 방향이 얼마만큼 회전되어 있는지를 나타낸다.
즉, 위와 같은 위치보정 과정의 개념은 다음과 같다. 먼저, 오도메트리를 이용하면 빠른 샘플링 속도로 이동체의 위치 및 방향을 구할 수 있지만, 위치 갱신이 이전 위치를 기준으로 상대적인 위치 변화값을 반영하여 이루어지기 때문에 시간이 지남에 따라 오차가 누적되게 된다. 따라서, 절대위치가 획득될 때마다 이동체의 위치를 보정해주면 누적된 오차를 제거할 수 있고, 이후 오도메트리를 이용한 위치 갱신은 새롭게 보정된 위치를 기준으로 해서 갱신되기 때문에 오차가 늘어나지 않게 된다.
그러나, 획득되는 절대위치에는 방향정보가 없기 때문에 위치값만을 보정하게 되면 방향에 대한 오차는 여전히 누적된다. 이를 해결하기 위해 시각 t에서 t+1동안 이동체가 이동한 방향을 고려하여 오도메트리를 통해 계산된 이동방향이 절대위치를 통해 계산된 이동방향과 일치되도록 이동체의 방향을 보정함으로써 오차 누적을 피하고 정밀한 방향 정보를 산출을 가능하게 한다.
한편, 이동체에 대한 방향 보정 방법은 로봇 등의 이동체가 제자리에 정지해 있을 경우나, 절대위치 획득 수단의 샘플링 속도가 높아서 시각 t와 시각 t+1 사이의 위치 변화가 작을 경우에는 이동체의 이동방향을 산출하기 곤란한 문제점을 갖는다. 따라서, 절대위치가 획득될 때마다 매번 이동체의 방향을 보정하는 것보다는 과거의 절대위치 및 오도메트리 정보를 기억해 놓고, 새로 획득된 절대위치가 일정 거리 이상 변화된 경우에만 방향을 보정하는 것이 바람직하다. 이를 좀더 상세하게 기술하면 다음과 같다.
먼저, 최초로 절대위치가 획득되면 해당 절대위치와 해당 시점에서의 오도메트리 위치를 같이 저장해 놓는다. 이후 절대위치가 획득되면 저장된 절대위치와의 거리를 계산하여 미리 정의된 임계치값보다 크면 전술한 방법에 따라 방향을 보정하고 저장해 놓은 절대위치와 오도메트리 위치를 현재 시점의 값으로 갱신한다. 만일, 계산된 거리가 임계치값보다 작으면 이동체의 위치만 새로운 절대위치로 보정하고 이동체의 방향은 보정하지 않는다. 이 경우, 기존에 저장되어 있는 절대위치와 오도메트리 값은 갱신하지 않고 그대로 둔다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 위치 및 방향 인식 장치 및 방법에서는, 절대위치 인식수단에서 방향정보를 제공하지 않는 경우에도 이동체의 이동 변위에 대한 상대위치를 인식하는 상대위치 인식수단과의 결합을 통한 위치 및 방향 보정을 통해 이동체에 대한 보다 정밀한 위치 및 방향 산출이 가능하다.
한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 발명 의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위에 의해 정하여져야 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이동체의 위치 및 방향 인식 장치의 블록 구성도,
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 이동체의 위치 및 방향 인식을 위한 동작 제어 흐름도.
<도면의 주요 부호에 대한 간략한 설명>
100 : 절대위치 인식부 102 : 상대위치 인식부
104 : 위치 갱신부 106 : 위치 보정부

Claims (16)

  1. 이동체의 이동에 따른 상대위치를 산출하는 상대위치 인식부와,
    상기 이동체의 초기 위치와 상기 상대위치를 이용해 상기 이동체의 위치 및 방향을 갱신하는 위치 갱신부와,
    상기 이동체의 절대위치를 획득하는 절대위치 인식부와,
    상기 절대위치로 상기 이동체의 현재 위치를 보정하고, 상기 상대위치에서의 상기 이동체의 방향과 상기 절대위치에서의 상기 이동체의 방향을 일치시켜 상기 이동체의 방향을 보정하는 위치 보정부
    를 포함하는 이동체의 위치 및 방향인식 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 위치 보정부는,
    상기 이동체의 절대위치가 획득될 때마다 상기 이동체의 위치를 보정하는 이동체의 위치 및 방향인식 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 위치 보정부는,
    상기 이동체의 절대위치 획득 시, 상기 획득된 절대위치와 이전 획득된 상기 절대위치간 거리를 산출하여, 절대위치간 거리가 기 설정된 일정 거리 이상이 되는 경우 상기 이동체의 방향 보정을 수행하는 이동체의 위치 및 방향인식 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 절대위치 인식부는,
    상기 이동체의 최초 획득된 절대위치를 상기 이동체의 초기 위치로 제공하는 이동체의 위치 및 방향인식 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 절대위치 인식부는,
    기 설정된 일정 주기로 상기 이동체의 절대위치를 획득하는 이동체의 위치 및 방향인식 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 상대위치 인식부는,
    오도메트리 또는 자이로스코프를 이용하여 상기 이동체의 상대위치를 산출하 는 이동체의 위치 및 방향인식 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 절대위치 인식부는,
    GPS 또는 원격 카메라 인 이동체의 위치 및 방향인식 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 이동체는,
    이동 가능한 로봇 또는 차량인 이동체의 위치 및 방향인식 장치.
  9. 이동체의 이동에 따른 상대위치를 산출하는 단계와,
    상기 이동체의 초기 위치와 상기 상대위치를 이용해 상기 이동체의 위치 및 방향을 갱신하는 단계와,
    상기 이동체의 절대위치를 산출하는 단계와,
    상기 절대위치로 상기 이동체의 현재 위치를 보정하는 단계와,
    상기 상대위치에서의 상기 이동체의 방향과 상기 절대위치에서의 상기 이동체의 방향을 일치시켜 상기 이동체의 방향을 보정하는 단계
    를 포함하는 이동체의 위치 및 방향인식 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 위치 보정 단계는,
    상기 이동체의 절대위치가 획득될 때마다 수행되는 이동체의 위치 및 방향인식 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 방향 보정 단계는,
    상기 이동체의 절대위치 획득 시, 상기 획득된 절대위치와 이전 획득된 상기 절대위치간 거리를 산출하는 단계와,
    상기 절대위치간 거리가 기 설정된 일정 거리 이상이 되는 경우 상기 이동체의 방향 보정을 수행하는 단계
    를 포함하는 이동체의 위치 및 방향인식 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 이동체의 초기 위치는,
    상기 이동체의 이동 시작 시 최초 획득된 절대위치로 설정되는 이동체의 위치 및 방향인식 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 이동체의 절대위치는,
    상기 이동체의 이동 시 기 설정된 일정 주기로 획득되는 이동체의 위치 및 방향인식 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 이동체의 상대위치는,
    오도메트리 또는 자이로스코프를 통해 산출되는 이동체의 위치 및 방향인식 방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 이동체의 절대위치는,
    GPS 또는 원격 카메라를 통해 획득되는 이동체의 위치 및 방향인식 방법.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 이동체는,
    이동 가능한 로봇 또는 차량인 이동체의 위치 및 방향인식 방법.
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