KR20100079624A - Identification of transmitter of the ultrasonic sensor by using delay pattern and cross-correlation for mobile robot - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A transmission sensor classification method of an ultrasonic signal is provided to estimate the location of obstacles which are located near a robot by grasping a transmission sensor after analyzing a received ultrasonic signal. CONSTITUTION: An envelope data of an ultrasonic signal is saved in order to get over restrictive storage(S101). An ultrasonic signal data is uniformized by applying linear interpolation to the envelope data(S102). A voltage average is adjusted to zero so that signal processing is facilitated for uniform data(S103). A cross-correlation is sequentially executed with four reference signals where a delay pattern generating a processed signal in advance is applied(S104). A sensor which transmits an ultrasonic signal is classified by detecting the corresponding pattern of the received ultrasonic signal.

Description

모바일 로봇에서 지연 패턴과 교차 상관을 이용한 초음파 신호의 송신 센서 구분방법{Identification of transmitter of the ultrasonic sensor by using delay pattern and cross-correlation for mobile robot}Identification of transmitter of the ultrasonic sensor by using delay pattern and cross-correlation for mobile robot}

본 발명은 초음파 신호 처리 및 구분 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다수의 초음파 센서가 내장된 모바일 로봇에서 로봇 주변에 위치한 장애물의 위치를 정확하게 파악하기 위해 지연 패턴이 포함되어 송신된 초음파 신호를 수신하여 초음파 신호를 송신한 초음파 센서를 구분하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an ultrasonic signal processing and classification method, and more particularly, in a mobile robot in which a plurality of ultrasonic sensors are embedded, an ultrasonic signal including a delay pattern is received to accurately determine a position of an obstacle located around the robot. The present invention relates to a method of distinguishing an ultrasonic sensor that transmits an ultrasonic signal.

모바일 로봇 주변에 위치한 장애물을 추정하는 방법들에는 초음파 센서, 적외선 센서 및 접촉 센서 또는 비전 시스템을 사용하는 방법들과 이들을 혼합하는 방법들이 소개되고 있다. 하나의 센서만 사용할 경우 비전 시스템이나 센서들을 혼합하는 경우보다 장애물의 위치를 추정하기 어렵다는 단점이 있지만, 비전 시스템이나 센서들을 혼합할 경우 고성능의 마이크로 프로세서가 필요하고 전체 시스템의 가격이 상승하는 단점이 있었다. 모바일 로봇의 양산 단계에서 저가의 시스템이 요구되고 있으며, 이에 따라 가격이 저렴한 센서를 사용한 방법이 선호되고 있다. 특히, 초음파 센서는 가격이 저렴하고 크기가 작고 가벼워 널리 사용되고 있다.Methods of estimating obstacles located around mobile robots include methods using ultrasonic sensors, infrared sensors and touch sensors or vision systems, and methods of mixing them. If only one sensor is used, it is more difficult to estimate the position of obstacles than mixing vision systems or sensors. However, mixing vision systems or sensors requires a high performance microprocessor and the price of the entire system increases. there was. Inexpensive systems are required in the mass production phase of mobile robots, and thus methods using low cost sensors are preferred. In particular, ultrasonic sensors are widely used because of their low cost, small size, and light weight.

한편, 다수의 초음파 센서가 내장된 모바일 로봇에서 로봇 주변에 위치한 장애물을 파악하는 종래의 방법에는 송수신 센서가 함께 내장된 초음파 송수신 보드를 사용하여 한번에 하나씩 순차적으로 구동하는 방식이 있다. 이 방식에서는 초음파 수신 센서는 동일 보드의 송신 센서가 송신한 초음파 신호만을 수신한다. 이 경우, 수신된 초음파 신호의 TOF(Time of Flight)를 측정하여 간단하게 장애물과의 거리를 추정할 수 있지만 장애물의 위치를 더욱 정확하게 추정하기 위해 많은 수의 초음파 송수신 보드가 필요하고 한번에 하나씩 초음파 송수신 보드를 구동시켜야 하기 때문에 로봇 주변의 환경을 인식하기 위해 많은 시간이 소요되었다.On the other hand, the conventional method for identifying the obstacles located around the robot in a mobile robot with a plurality of ultrasonic sensors has a method of sequentially driving one at a time using an ultrasonic transceiver board with a transmission and reception sensor. In this method, the ultrasonic receiving sensor receives only the ultrasonic signal transmitted by the transmitting sensor of the same board. In this case, the distance to the obstacle can be estimated simply by measuring the time of flight (TOF) of the received ultrasonic signal, but a large number of ultrasonic transceiver boards are needed to estimate the position of the obstacle more accurately, and ultrasonic transmission and reception one at a time Because the board had to be driven, it took a lot of time to recognize the environment around the robot.

또한, 다수의 초음파 센서를 사용하는 또 다른 방법에는 인접 센서의 초음파 신호를 취합하여 장애물의 위치를 파악하는 방법이 있다. 이 경우, 초음파 수신 센서는 동일 보드의 송신 센서가 송신한 초음파 신호뿐만 아니라 인접 송신 센서가 송신한 초음파 신호도 수신할 수 있다. 이 방식에서는 초음파 신호를 송신한 송신 센서의 위치를 알고 있어야 송신 센서와 수신 센서의 위치를 고려하여 장애물의 위치를 추정할 수 있다.In addition, another method using a plurality of ultrasonic sensors includes a method of collecting the ultrasonic signal of the adjacent sensor to determine the position of the obstacle. In this case, the ultrasonic reception sensor may receive not only the ultrasonic signal transmitted by the transmission sensor of the same board but also the ultrasonic signal transmitted by the adjacent transmission sensor. In this method, the position of the obstacle can be estimated by considering the positions of the transmitting sensor and the receiving sensor only when the position of the transmitting sensor that has transmitted the ultrasonic signal is known.

본 발명은, 상기한 바와 같이 다수의 초음파 센서를 내장한 모바일 로봇이 로봇 주변에 위치한 장애물을 정확하게 파악하기 위해 초음파 신호를 송수신하는 방법에 관한 것으로, 인접한 송신 센서에서 송신된 초음파 신호를 수신하여 수신 측에서 초음파 신호를 송신한 센서를 구분하는 새로운 방법이다. 많은 수의 초음파 센서를 내장한 경우 비용과 부피가 증가하는 단점이 있었고, 적은 수의 초음파 센서를 내장한 경우 인접 송신 센서가 초음파를 송신하는 정보를 미리 알고 있어야 하는 단점이 있었다. 따라서 본 발명은, 적은 수의 센서를 사용하여 시스템의 비용을 줄이면서 인접 송신 센서의 정보를 미리 알고 있지 않더라도 모바일 로봇이 장애물의 위치를 파악하는데 이용할 수 있는 초음파 송신 센서를 구분할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention relates to a method for transmitting and receiving an ultrasonic signal to accurately identify an obstacle located around the robot by a mobile robot having a plurality of ultrasonic sensors as described above, and receiving and receiving an ultrasonic signal transmitted from an adjacent transmission sensor. It is a new method of identifying sensors that have sent ultrasonic signals from the side. In the case of embedding a large number of ultrasonic sensors, there is a disadvantage in that the cost and volume increase, and in the case of embedding a small number of ultrasonic sensors, there is a disadvantage in that neighboring transmitting sensors need to know information for transmitting ultrasonic waves in advance. Accordingly, the present invention provides a method of distinguishing an ultrasonic transmission sensor that can be used by a mobile robot to locate an obstacle even if the number of sensors is reduced and the cost of the system is reduced, even if the information of the adjacent transmission sensor is not known in advance. Its purpose is to.

상기한 과제를 해결하기 위한 기술적인 수단으로서, 본 발명은 지연 패턴이 적용된 참조 패턴을 미리 생성하고 지연 패턴을 적용한 초음파 신호를 송신함으로써 참조 패턴과 수신된 초음파 신호의 패턴을 비교하여 수신 신호의 패턴을 구분함으로써 결과적으로 이를 송신한 센서를 구분하는 방법이며, 구체적으로 제한적인 저장 공간을 극복하기 위해 초음파 신호의 포락선 데이터를 저장하는 단계; 상기 데이터에 선형 보간을 적용하여 초음파 신호 데이터를 균일하게 하는 단계; 신호 처리가 용이하도록 전압 평균이 0(zero)이 되도록 조정하는 단계; 최종적으로 처리 된 신호를 미리 생성한 지연 패턴이 적용된 4 가지 참조 신호와 차례로 교차 상관 (Cross-correlation)을 수행하는 단계; 상기 과정에서 수신된 초음파 신호의 해당 패턴을 검출함으로써 결과적으로 초음파 신호를 송신한 센서를 구분한다.As a technical means for solving the above problem, the present invention by generating a reference pattern to which the delay pattern is applied in advance and by transmitting the ultrasonic signal to which the delay pattern is applied, the pattern of the received signal by comparing the pattern of the reference pattern and the received ultrasonic signal As a result, a method for distinguishing a sensor that transmits the same, and specifically, storing envelope data of an ultrasonic signal to overcome a limited storage space; Applying linear interpolation to the data to uniform ultrasound signal data; Adjusting the voltage average to zero to facilitate signal processing; Performing cross-correlation with the four reference signals to which the delayed pattern, in which the processed signal is finally generated, is applied; By detecting the corresponding pattern of the ultrasonic signal received in the above process, as a result, the sensor transmitting the ultrasonic signal is distinguished.

본 발명에 의하면, 초음파 신호를 송신한 센서를 미리 알고 있지 않더라도 수신된 초음파 신호를 분석하여 송신 센서를 파악할 수 있는 장점이 있고, 이를 이용하여 적은 수의 초음파 센서를 사용하여 로봇 주변에 위치한 장애물의 위치를 추정하여 전체 시스템의 비용을 줄일 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, even if the sensor that transmits the ultrasonic signal is not known in advance, there is an advantage in that the transmitted sensor can be identified by analyzing the received ultrasonic signal. Estimation of the location has the advantage of reducing the overall cost of the system.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail the present invention.

도 1은 본 발명이 제시하는 지연 패턴을 이용하여 참조 패턴을 생성하는 예시 도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명을 수행하기 위한 지연 패턴은 4가지로 구성되어 있다. 즉, 1001(그래프a), 1011(그래프b), 1101(그래프c), 1111(그래프d)의 4가지 지연 패턴을 생성한다. 각 패턴은 4 사이클이 있는데 여기서 '1'은 한 사이클 동안 송신 센서가 초음파를 송신한 것을 의미하고, '0'은 송신 센서가 초음파를 송신하지 않고 한 사이클 동안 지연한 것을 의미한다. 4 사이클 중 처음과 마지막 사이클의 '1'은 지연 패턴의 시작과 끝을 나타내며 실질적으로 가운데 두 사이클을 이용해 4가지 패턴을 생성한다.1 is an exemplary diagram for generating a reference pattern using a delay pattern proposed by the present invention. As shown in FIG. 1, there are four delay patterns for carrying out the present invention. That is, four delay patterns of 1001 (graph a), 1011 (graph b), 1101 (graph c), and 1111 (graph d) are generated. Each pattern has four cycles, where '1' means that the transmitting sensor has sent ultrasonic waves for one cycle, and '0' means that the transmitting sensor has delayed for one cycle without transmitting ultrasonic waves. The '1' of the first and last of the four cycles represents the start and end of the delay pattern, creating four patterns using substantially two middle cycles.

도 2는 상기 참조 패턴을 이용하여 수신된 초음파 신호의 패턴을 구분하는 과정을 나타내는 예시 도이다. 도 2(a)는 수신된 초음파 신호 데이터를 나타내고 있으며 지연 패턴 1001이 포함되어 있다. 도 2(b)는 참조 패턴 1001, 도 2(c)는 참조 패턴 1111을 나타내고 있다. 상기 도 2(a)와 도 2(b)의 교차 상관 (Cross-correlation)은 4 사이클 모두에서 양의 결과가 나타나고, 도 2(d)와 같이 큰 양의 값을 출력한다. 상기 도 2(a)와 도 2(c)에 교차 상관 (Cross-correlation)을 적용하면 4 사이클 중 첫 번째와 네 번째 사이클의 결과가 양수이지만, 두 번째와 세 번째 사이클의 결과는 음수이므로 도 2(e)와 같이 상대적으로 적은 양의 결과를 출력한다. 결과적으로 4 가지 서로 다른 참조 패턴에 대해 교차 상관 (Cross-correlation)의 결과 값을 비교하여 가장 큰 값을 출력하는 패턴이 구분된 패턴으로 선택된다.2 is an exemplary diagram illustrating a process of classifying a pattern of a received ultrasonic signal using the reference pattern. 2 (a) shows the received ultrasonic signal data and includes a delay pattern 1001. FIG. 2B shows a reference pattern 1001 and FIG. 2C shows a reference pattern 1111. The cross-correlation of FIG. 2 (a) and FIG. 2 (b) yields positive results in all four cycles, and outputs a large positive value as shown in FIG. When cross-correlation is applied to FIGS. 2 (a) and 2 (c), the first and fourth cycles of four cycles are positive, but the second and third cycles are negative. A relatively small amount of output is output as shown in 2 (e). As a result, a pattern that outputs the largest value by comparing the result of cross-correlation with respect to four different reference patterns is selected as a separated pattern.

지연 패턴이 적용된 참조 패턴을 생성하기 위해서는 송신 센서가 패턴이 포함된 초음파 신호를 송신하고 중간에 어떠한 장애물 없이 수신 센서가 상기 신호를 직접 수신하여 상기의 과정을 적용한다. 이때, 4 가지 참조 패턴은 전체 전압 레벨이 거의 비슷하도록 송신 센서와 수신 센서의 간격을 조절하여 반복적으로 생성한다. 이는 서로 다른 패턴의 형태에 대해 교차 상관이 공평한 결과를 출력하기 위해 필요한 과정이다.In order to generate the reference pattern to which the delay pattern is applied, the transmitting sensor transmits the ultrasonic signal including the pattern, and the receiving sensor directly receives the signal without any obstacle in the middle and applies the above process. At this time, the four reference patterns are repeatedly generated by adjusting the distance between the transmitting sensor and the receiving sensor so that the overall voltage level is almost similar. This is a necessary process for outputting a result of fair cross correlation for different patterns.

도 3은 본 발명에 따른 송신 센서 구분방법을 나타낸 흐름도이다. 송신 센서가 지연 패턴이 포함된 초음파 신호를 송신하면 수신측에서는 수신 센서로부터 상기 초음파 신호를 수신하여 그 포락선 데이터를 저장한다(S101). 샘플링 데이터는 신호의 형태를 정확하게 파악할 수 있지만 데이터를 저장하기 위해 많은 저장 공간이 필요하므로 제한된 메모리를 활용하기 위해 초음파 신호의 위쪽 포락선 데이터를 수집하여 저장한다. 포락선 데이터는 전체 초음파 신호에서 신호의 크기가 임계 전압을 넘은 peak가 발견될 때에만 그 시간과 전압의 한 쌍으로 저장된다. 따라서 상기 포락선 데이터는 저장 형태가 불규칙적이므로 이후 과정에서 교차 상관 (Cross-correlation)을 적용하기 위해 선형 보간법(linear interpolation)을 적용하여 1mm 간격을 지니는 데이터로 변환한다(S102). 교차 상관 (Cross-correlation)을 이용하여 도 2에 나타난 과정을 수행하기 위해 상기 변환 데이터는 평균 전압이 0(zero)가 되도록 다시 조정된다(S103). 이는 교차 상관 (Cross-correlation)을 적용할 때, 양의 값과 음의 값이 교차되어 그 효과를 더욱 증가시키도록 만들기 위함이다. 상기 과정을 거쳐 변환된 초음파 데이터와 도 1과 같은 미리 생성한 4 가지 참조 패턴에 대해 교차 상관 (Cross-correlation)을 적용한다(S104). 4 가지 참조 패턴의 교차 상관의 결과값 중 가장 큰 값을 해당 패턴으로 선택하는데 교차 상관에 대한 임계값을 두어(S105), 4 가지 참조 패턴 중 가장 큰 결과값이 임계값보다 크다면 해당 패턴을 등록하고 검출된 장애물의 거리를 추정한다(S106). 장애물의 거리는 전체 초음파 신호 데이터에서 검출한 패턴에 대해 참조 패턴의 길이만큼 앞선 위치로 간주한다. 4 가지 교차 상관 (Cross-correlation)의 결과값이 모두 임계 값보다 작다면 검출된 물체가 없다고 간주한다(S107).3 is a flowchart illustrating a method of classifying a transmission sensor according to the present invention. When the transmitting sensor transmits the ultrasonic signal including the delay pattern, the receiving side receives the ultrasonic signal from the receiving sensor and stores the envelope data (S101). Sampling data can accurately determine the shape of the signal, but it requires a lot of storage space to store the data, so the upper envelope data of the ultrasonic signal is collected and stored to take advantage of limited memory. Envelope data is stored as a pair of time and voltage only when a peak is found in the entire ultrasonic signal whose magnitude exceeds the threshold voltage. Therefore, since the envelope data has an irregular storage form, it is converted into data having a 1 mm interval by applying linear interpolation in order to apply cross-correlation in the subsequent process (S102). In order to perform the process shown in FIG. 2 using cross-correlation, the converted data is readjusted so that the average voltage becomes zero (S103). This is so that when cross-correlation is applied, the positive and negative values intersect to increase the effect even more. The cross-correlation is applied to the ultrasound data converted through the above process and the four reference patterns previously generated as shown in FIG. 1 (S104). The largest value among the cross correlation results of the four reference patterns is selected as the corresponding pattern, and a threshold value for the cross correlation is set (S105). It registers and estimates the distance of the detected obstacle (S106). The distance of the obstacle is regarded as a position advanced by the length of the reference pattern with respect to the pattern detected from the entire ultrasonic signal data. If the result of the four cross-correlation is less than the threshold value it is considered that no object detected (S107).

이와 같이 지연 패턴이 적용된 초음파 신호를 송수신함으로써, 초음파 신호의 패턴을 구분할 수 있을 뿐만 아니라 상기 초음파 신호를 송신한 센서를 구분함으로써 송신 센서와 수신 센서의 기하학적 위치를 이용하여 측정된 장애물의 위치를 추정할 수 있다.By transmitting and receiving the ultrasonic signal to which the delay pattern is applied, not only the pattern of the ultrasonic signal can be distinguished, but also the sensor transmitting the ultrasonic signal can be distinguished to estimate the position of the measured obstacle using the geometric position of the transmitting sensor and the receiving sensor. can do.

도 1은 본 발명에 따른 4 가지 지연 패턴이 적용된 참조 패턴을 나타낸 그래프이다.1 is a graph illustrating a reference pattern to which four delay patterns according to the present invention are applied.

도 2는 본 발명에 따른 수신된 초음파 신호에 교차 상관을 적용하는 과정을 도시한 것이다.2 illustrates a process of applying cross correlation to a received ultrasonic signal according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 초음파 신호의 구분방법을 나타낸 흐름도이다.3 is a flowchart illustrating a method of classifying ultrasonic signals according to the present invention.

Claims (2)

다수의 초음파 센서가 내장된 모바일 로봇에서 로봇 주변에 위치한 장애물을 파악하기 위해 초음파 송신 센서를 구분하는 방법에 있어서In the method of distinguishing the ultrasonic transmission sensor to identify obstacles located around the robot in a mobile robot with a plurality of ultrasonic sensors 제한적인 저장 공간을 극복하기 위해 초음파 신호의 포락선 데이터를 저장하는 단계;Storing envelope data of the ultrasonic signal to overcome the limited storage space; 상기 포락선 데이터에 선형 보간을 적용하여 초음파 신호 데이터를 균일하게 하는 단계;Applying linear interpolation to the envelope data to make ultrasonic signal data uniform; 상기 균일 데이터에 신호 처리가 용이하도록 전압 평균이 0(zero)이 되도록 조정하는 단계;Adjusting a voltage average to zero to facilitate signal processing of the uniform data; 상기 처리된 신호를 미리 생성한 지연 패턴이 적용된 4 가지 참조 신호와 차례로 교차 상관 (Cross-correlation)을 수행하는 단계;Performing cross-correlation with the four reference signals to which the processed signal is previously applied; 상기 과정에서 수신된 초음파 신호의 해당 패턴을 검출함으로써 결과적으로 초음파 신호를 송신한 센서를 구분하는 방법.And detecting the corresponding pattern of the ultrasonic signal received in the above process, thereby distinguishing the sensor that transmitted the ultrasonic signal. 청구항 1에 있어서 상기 지연 패턴은,The method of claim 1, wherein the delay pattern is 4 사이클 동안 초음파를 송신하거나 송신하지 않고 지연하는 과정을 거쳐 생성하며 첫 사이클과 마지막 사이클은 고정적으로 송신하고 가운데 두 사이클을 이용하여 서로 다른 4 가지 패턴을 생성하고 각 패턴의 전체 전압 레벨이 4 가지 패 턴 모두 비슷하도록 패턴을 생성하는 방법.It is generated by delaying or not transmitting ultrasonic waves for 4 cycles.The first cycle and the last cycle are fixedly transmitted.The two cycles are used to generate four different patterns, and each pattern has four total voltage levels. How to create a pattern so that all patterns are similar.
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