KR20100119442A - 이동 로봇, 로봇 청소기 및 이동 로봇의 각도 검출 방법 - Google Patents

이동 로봇, 로봇 청소기 및 이동 로봇의 각도 검출 방법 Download PDF

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Abstract

이동 로봇, 로봇 청소기와, 이동 로봇, 로봇 청소기의 각도 검출 방법이 개시된다. 본 발명에 따라 영상으로부터 추출된 직선을 기반으로 이동 로봇 또는 로봇 청소기의 각도를 검출하거나, 또는 거리 센서를 이용하여 검출된 직선을 기반으로 각도를 검출하고, 옵티컬 플로우 센서, 인코더, 자이로 센서 등의 오도메트리를 이용한 예측값과, 영상 또는 거리센서를 이용하여 검출된 값을 근거로 이동 로봇의 각도를 보정한다.
이동 로봇, 각도, 영상, 거리 센서

Description

이동 로봇, 로봇 청소기 및 이동 로봇의 각도 검출 방법{MOBILE ROBOT, ROBOT CLEANER AND METHOD FOR DETECTING ANGLES OF THE MOBILE ROBOT}
본 발명은 영상이나 거리 센서를 이용하여 자신의 각도를 검출할 수 있는 이동 로봇 또는 로봇 청소기 및 이동 로봇의 각도 검출 방법에 관한 것이다.
일반적으로 로봇은 산업용으로 개발되어 공장 자동화의 일 부분을 담당하여 왔다. 최근에는 로봇을 응용한 분야가 더욱 확대되어, 의료용 로봇, 우주 항공 로봇 등이 개발되고, 일반 가정에서 사용할 수 있는 가정용 로봇도 만들어지고 있다.
상기 가정용 로봇의 대표적인 예는 로봇 청소기로서, 일정 영역을 스스로 주행하면서 주변의 먼지 또는 이물질을 흡입하여 청소하는 가전기기의 일종이다. 이러한 로봇 청소기는 일반적으로 충전 가능한 배터리를 구비하고, 주행 중 장애물을 피할 수 있는 장애물 센서를 구비하여 스스로 주행하며 청소할 수 있다.
상기 로봇 청소기가 스스로 주행하면서 영역을 모두 청소하기 위해서는 청소가 된 영역과 청소를 하여야 할 영역 등 청소 영역을 판단할 수 있어야 하고, 이러한 청소 영역을 파악하기 위해서는 자기 위치를 파악하는 기능을 보유하여야 한다.
상기 로봇 청소기는 구동 모터에 연결된 인코더(Encoder), 자이로스코 프(Gyroscope, 자이로 센서, 각속도 센서)등의 로봇의 상대적인 동작의 변화를 추정할 수 있는 센서들을 통해 위치를 검출한다.
한편, 종래 기술에 따른 이동 로봇 또는 로봇 청소기는 2차원 평면상에서의 이동 로봇 또는 로봇 청소기의 위치와 이동 로봇 또는 로봇 청소기의 각도를 같이 고려한 3차원 위치를 기반으로 하여 위치를 보정하거나, 맵을 작성한다. 이때 상기 이동 로봇 또는 로봇 청소기는 각도 성분으로 인해 비선형 특성을 가지고, 많은 연산량이 필요한 문제점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결한 것으로서, 영상으로부터 추출된 직선을 기반으로 이동 로봇 또는 로봇 청소기의 각도를 검출하는 이동 로봇, 로봇 청소기 및 이동 로봇의 각도 검출 방법을 제공함에 일 목적이 있다.
또한, 본 발명은 거리센서를 이용하여 검출된 직선을 기반으로 자신의 각도를 검출하는 이동 로봇, 로봇 청소기 및 이동 로봇의 각도 검출 방법을 제공함에 다른 목적이 있다.
아울러, 본 발명은 옵티컬 플로우 센서, 인코더, 자이로 센서 등의 오도메트리를 이용한 예측값과, 영상 또는 거리센서를 이용하여 검출된 값을 근거로 이동 로봇의 각도를 보정할 수 있는 이동 로봇, 로봇 청소기 및 이동 로봇의 각도 검출 방법을 제공함에 또 다른 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 이동 로봇은, 상방 영상의 정보들로부터 직선들을 추출하는 직선추출유닛과, 상기 직선들 중 직교하거나 평행한 직선들을 추출하여 직선집합들을 생성하는 직선집합생성유닛과, 상기 직선집합들을 근거로 상기 상방 영상의 기울기 또는 이동 로봇의 각도를 검출하는 각도검출유닛을 포함하여 구성된다. 또한, 본 발명의 다른 예에 따른 이동 로봇은, 상기의 구성에 빛을 이용하여 하방 영상 정보를 획득하는 옵티컬 플로우 센서와, 이동 로봇의 바퀴를 구동하는 휠모터와 연결되어 속도를 검출하는 인코더와, 이동 로 봇의 회전 속도를 검출하는 자이로 센서를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 각도검출유닛은, 상기 하방 영상 정보, 상기 휠모터에 의한 속도, 또는 상기 회전 속도를 근거로 연산된 예측 각도와 상기 검출된 각도를 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 상기 검출된 각도를 보정한다. 또한, 본 발명의 또 다른 예에 따른 이동 로봇은, 이동 공간 내의 장애물들과의 거리를 감지하는 거리 센서를 더 포함할 수 있고, 이동 공간의 각도를 검출하고, 틀어짐을 보정할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 로봇 청소기는, 상방을 촬영하여 상방 영상 정보를 출력하는 카메라와, 상기 상방 영상 정보로부터 특징점을 추출하고, 상기 특징점을 근거로 직선들을 추출하는 직선추출유닛과, 상기 직선들 중 직교하거나 평행한 직선들을 추출하여 직선집합들을 생성하고, 상기 직선집합들을 근거로 상기 상방 영상의 기울기 또는 로봇 청소기의 각도를 검출하는 제어유닛을 포함하여 구성된다. 또한, 본 발명의 다른 예에 따른 로봇 청소기는, 상기의 구성에 빛을 이용하여 하방 영상 정보를 획득하는 옵티컬 플로우 센서와, 이동 로봇의 바퀴를 구동하는 휠모터와 연결되어 속도를 검출하는 인코더와, 이동 로봇의 회전 속도를 검출하는 자이로 센서를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 각도검출유닛은, 상기 하방 영상 정보, 상기 휠모터에 의한 속도, 또는 상기 회전 속도를 근거로 연산된 예측 각도와 상기 검출된 각도를 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 상기 검출된 각도를 보정한다. 또한, 본 발명의 또 다른 예에 따른 로봇 청소기는, 이동 공간 내의 장애물들과의 거리를 감지하는 거리 센서를 더 포함할 수 있고, 이동 공간의 각도를 검출하고, 틀어짐을 보정할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 이동 로봇의 각도 검출 방법은, 상방 영상의 정보들로부터 직선들을 추출하는 직선추출단계와, 상기 직선들 중 직교하거나 평행한 직선들을 추출하여 직선집합들을 생성하는 직선집합생성단계와, 상기 직선집합들을 근거로 이동 로봇의 각도를 검출하는 각도검출단계를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 각도검출단계는, 상기 직선집합들 내의 직선들의 길이의 합과 미리 설정된 기준값을 비교하는 비교과정과, 상기 비교결과, 상기 길이의 합이 상기 기준값보다 큰 유효직선집합을 검출하는 유효직선집합검출과정과, 상기 유효직선집합의 기울기를 연산하는 기울기연산과정을 포함하고, 상기 유효직선집합의 기울기를 근거로 상기 상방 영상의 기울기 또는 이동 로봇의 각도를 검출한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 예에 따른 이동 로봇의 각도 검출 방법은, 상방 영상의 정보들로부터 직선들을 추출하는 직선추출단계와, 상기 직선들 중 직교하거나 평행한 직선들을 추출하여 직선집합들을 생성하는 직선집합생성단계와, 상기 직선집합들을 근거로 이동 로봇의 각도를 검출하는 각도검출단계와, 빛을 이용하여 하방 영상 정보를 획득하는 하방영상획득단계와, 이동 로봇의 바퀴를 구동하는 휠모터와 연결되어 속도를 검출하는 속도검출단계와, 이동 로봇의 회전 속도를 검출하는 회전속도검출단계를 포함한다. 여기서, 상기 각도검출단계는, 상기 하방 영상 정보, 상기 휠모터에 의한 바퀴속도, 또는 상기 회전 속도를 근거로 연산된 예측 각도와 상기 검출된 각도를 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 상기 검출된 각도를 보정하는 각도보정과정을 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 예에 따른 이동 로봇의 각도 검출 방법은, 상방 영상의 정보들로부터 직선들을 추출하는 제1 직선추출단계와, 상기 직선들 중 직교하거나 평행한 직선들을 추출하여 직선집합들을 생성하는 제1 직선집합생성단계와, 상기 직선집합들을 근거로 상기 상방 영상의 기울기를 검출하고, 상기 기울기를 영점각도로 설정하는 영점각도검출단계와, 상기 상방 영상을 재촬영하는 재촬영단계와, 상기 재촬영된 상방 영상의 정보들을 근거로 이동 로봇의 각도를 검출하는 각도검출단계를 포함하여 구성된다.
물론, 상기한 이동 로봇의 각도 검출 방법은 로봇 청소기에 그대로 적용할 수 있다.
본 발명에 따라 상방 영상이나 거리센서를 이용하여 추출된 직선을 기반으로 이동 로봇 또는 로봇 청소기의 각도를 검출할 수 있다.
또한, 본 발명은 옵티컬 플로우 센서, 인코더, 자이로 센서 등의 오도메트리를 이용한 예측값과, 영상 또는 거리센서를 이용하여 검출된 값을 근거로 이동 로봇의 각도를 보정할 수 있다.
본 발명에 따른 각도 검출 방법을 이용하면, 위치 인식, 지도 제작 시에 연산량을 줄일 수 있고 이동 로봇이나 로봇 청소기를 용이하게 제어할 수 있다.
본 발명에 따라 고정된 연산량이 필요하나, 위치 보정 및 지도 작성 기술을 2차원의 로봇 위치 기반의 선형 시스템으로 변환이 가능하고, 선형화에 필요한 연 산량을 줄이는 효과가 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 이동 로봇 및 로봇 청소기와, 그들의 각도 검출 방법을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 예에 따른 이동 로봇의 구성을 개략적으로 보인 블록도로서, 이에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 예에 따른 이동 로봇은, 상방 영상의 정보들로부터 직선들을 추출하는 직선추출유닛(120)과, 상기 직선들 중 직교하거나 평행한 직선들을 추출하여 직선집합들을 생성하는 직선집합생성유닛(131)과, 상기 직선집합들을 근거로 상기 상방 영상의 기울기 또는 이동 로봇의 각도를 검출하는 각도검출유닛(133)을 포함하여 구성된다. 또한, 상방을 촬영하여 상방 영상 정보를 획득하는 카메라(110)를 더 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 카메라(110)는 소정의 위치에서도 상방의 모든 영역, 예를 들어 천장의 모든 영역이 촬영될 수 있도록 화각이 넓은 렌즈를 사용할 수 있다. 예를 들어 화각이 160도 이상인 렌즈를 포함한다. 상기 직선추출유닛(120)은 임의의 표식으로부터 특징점을 추출할 수 있는데, 특히 천장면을 포함하는 상방 영역에 존재하는 형광등, 인테리어 구조물 등의 자연 표식을 이용하여 특징점을 추출하고, 이러한 특징점들로 부터 직선들을 추출한다.
본 발명의 다른 예에 따른 이동 로봇은, 상방을 촬영하여 상방 영상 정보를 획득하는 카메라(110)와, 상기 상방 영상의 정보들로부터 직선들을 추출하는 직선추출유닛(120)과, 상기 직선들 중 직교하거나 평행한 직선들을 추출하여 직선집합 들을 생성하는 직선집합생성유닛(131)과, 상기 직선집합들을 근거로 상기 상방 영상의 기울기 또는 이동 로봇의 각도를 검출하는 각도검출유닛(133)을 포함하여 구성되고, 빛을 이용하여 하방 영상 정보를 획득하는 옵티컬 플로우 센서(미도시)와, 이동 로봇의 바퀴를 구동하는 휠모터와 연결되어 속도를 검출하는 인코더(미도시)와, 이동 로봇의 회전 속도를 검출하는 자이로 센서(미도시)를 더 포함하여 구성된다.
상기 옵티컬 플로우 센서는 이동 로봇의 배면에 구비되어, 이동 중 하방, 즉 바닥을 촬영한다. 상기 옵티컬 플로우 센서는 센서 내에 구비된 이미지센서로부터 입력되는 하방 영상을 변환하여 소정 형식의 하방 영상 정보를 생성한다. 이때, 상기 옵티컬 플로우 센서는 렌즈와 상기 렌즈를 조절하는 렌즈조절부를 더 구비하는데, 상기 렌즈로는 초점거리가 짧고 심도가 깊은 팬포커스형 렌즈를 사용하는 것이 적절하고, 상기 렌즈조절부는 전후 이동되도록 하는 소정 모터와 이동수단을 구비하여 상기 렌즈를 조절한다. 또한, 하나 이상의 광원이 상기 이미지센서에 인접하여 설치되고, 상기 이미지센서에 의해 촬영되는 바닥면의 영역에 빛을 조사한다. 즉, 이동 로봇이 평탄한 바닥을 이동하는 경우에는 상기 이미지센서가 바닥면까지 일정한 거리가 유지되는 반면, 불균일한 표면의 바닥면을 이동하는 경우에는 바닥물의 요철 및 장애물에 의해 일정 거리 이상 멀어지게 된다. 이때 상기 하나 이상의 광원은 상기 조사되는 빛의 양을 조절한다. 반면, 상기 옵티컬 플로우 센서는 미끄러짐과 무관하에 이동 로봇의 위치를 검출할 수 있다. 즉, 상기 옵티컬 플로우 센서를 이용하여 이동 로봇의 하방을 관찰하도록 함으로써, 미끄러짐에 강인한 위 치 보정이 가능하다.
이동 로봇의 바퀴를 구동하는 휠모터와 연결되어 직진속도와 회전속도를 검출하는 인코더(Encoder)는 상기 모터의 직진속도와 회전속도를 이용하여 위치를 연산하고, 이동 로봇의 각도를 예측할 수 있다.
이동 로봇의 회전 속도를 검출하는 자이로 센서(Gyro Sensor)는 회전속도로부터 연산된 방향 정보를 이용하여 위치를 검출하고, 이를 이용하여 이동 로봇의 각도를 검출한다.
상기 각도검출유닛(133)은, 상기 하방 영상 정보, 상기 휠모터에 의한 속도, 또는 상기 회전 속도를 근거로 연산된 예측 각도와 상기 검출된 각도를 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 상기 검출된 각도를 보정한다.
또한, 본 발명의 또 다른 예에 따른 이동 로봇은, 상방을 촬영하여 상방 영상 정보를 획득하는 카메라(110)와, 상기 상방 영상의 정보들로부터 직선들을 추출하는 직선추출유닛(120)과, 상기 직선들 중 직교하거나 평행한 직선들을 추출하여 직선집합들을 생성하는 직선집합생성유닛(131)과, 상기 직선집합들을 근거로 상기 상방 영상의 기울기 또는 이동 로봇의 각도를 검출하는 각도검출유닛(133)을 포함하여 구성되고, 이동 공간 내의 장애물들과의 거리를 감지하는 거리 센서(미도시)를 더 포함하여 구성된다. 상기 거리 센서를 이용하여 이동 공간의 각도를 검출하고, 틀어짐을 보정할 수 있다. 이때, 이동 공간을 복수 개의 섹터로 구분하면 각 섹터에서의 거리 정보를 근거로 장애물 등의 유무를 판단할 수 있고, 직선들을 추출하여 이동 공간 상의 섹터들의 각도를 검출하고, 섹터들간의 틀어짐을 보정할 수 있다.
여기서, 상기 거리 센서로는 흔히 반도체 표면저항을 이용해서 1개의 p-n접합으로 입사광의 단장거리 위치를 검출하는 PSD(Position Sensitive Device) 센서를 사용한다. 이때, 상기 PSD 센서에는 일축방향만의 광을 검출하는 1차원 PSD 센서와, 평면상의 광위치를 검출할 수 있는 2차원 PSD 센서가 있으며, 모두 pin 포토다이오드 구조를 갖는다. 또한, 상기 거리 센서로 IR(Infra Red) 센서, 또는 RF(Radio Frequency) 센서 등을 사용할 수 있다. 한편, 상기 거리 센서로 laser 센서를 사용하는 경우에 상기 카메라(110)를 이용하여 상방 영상 정보로부터 직선을 추출하는 대신 주변 영상을 획득하여 그 영상의 정보로부터 직선을 추출할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 예에 따른 로봇 청소기의 구성을 개략적으로 보인 블록도이고, 도 3은 본 발명에 따른 로봇 청소기의 외관을 개략적으로 보인 사시도이다. 도 2 및 도 3을 함께 참조하면, 본 발명의 일 예에 따른 로봇 청소기는, 상방을 촬영하여 상방 영상 정보를 출력하는 카메라(210)와, 상기 상방 영상 정보로부터 특징점을 추출하고, 상기 특징점을 근거로 직선들을 추출하는 직선추출유닛(220)과, 상기 직선들 중 직교하거나 평행한 직선들을 추출하여 직선집합들을 생성하고, 상기 직선집합들을 근거로 상기 상방 영상의 기울기 또는 로봇 청소기의 각도를 검출하는 제어유닛(230)을 포함하여 구성된다. 또한, 본 발명의 일 예에 따른 로봇 청소기는, 충전 가능한 배터리 형식의 전원 공급 수단을 구비한 전원유닛(240)과, 다수의 바퀴를 구비하여 이동시키는 주행유닛(250)과, 이동 중 주변과 바닥면의 먼지 및 이물질을 흡입하는 청소유닛(260)과, 하나 이상의 버튼을 구비하여 데이터 입력이 가능한 입력유닛(270)과, 현재 동작 상태 및 설정 모드에 대한 정보 등을 표시하는 출력유닛(280)을 더 포함한다. 또한, 경로나 제어 프로그램 등을 저장하는 저장유닛(290)을 더 포함할 수 있다.
즉, 상기 전원유닛(240)은 로봇 청소기가 이동하고, 청소를 수행하는데 따른 동작 전원을 공급하며, 상기 배터리 잔량이 부족하면 충전대로부터 충전 전류를 공급받아 충전한다. 상기 주행유닛(250)은 상기 다수의 바퀴와, 상기 바퀴를 회전시키는 소정의 휠모터를 구비하고, 상기 제어유닛(230)은 상기 휠모터를 구동하여 로봇 청소기가 이동하도록 한다. 상기 청소유닛(260)은 공기를 빨이들이기 위한 소정의 흡입 모터와, 먼지를 응집하는 수단을 구비하고, 주행 중 발생되는 주변의 먼지 또는 이물질을 흡입한다.
상기 제어유닛(230)은 상기 직선들 중 직교하거나 평행한 직선들을 추출하여 직선집합들을 생성하는 직선집합생성유닛(231)과, 상기 직선집합들을 근거로 상기 상방 영상의 기울기 또는 로봇 청소기의 각도를 검출하는 각도검출유닛(233)을 포함한다.
상기 카메라(210)는 소정의 위치에서도 상방의 모든 영역, 예를 들어 천장의 모든 영역이 촬영될 수 있도록 화각이 넓은 렌즈를 사용할 수 있다. 예를 들어 화각이 160도 이상인 렌즈를 포함한다. 상기 직선추출유닛(220)은 임의의 표식으로부터 특징점을 추출할 수 있는데, 특히 천장면을 포함하는 상방 영역에 존재하는 형광등, 인테리어 구조물 등의 자연 표식을 이용하여 특징점을 추출하고, 이러한 특 징점들로 부터 직선들을 추출한다.
본 발명의 다른 예에 따른 로봇 청소기는, 상방을 촬영하여 상방 영상 정보를 출력하는 카메라(210)와, 상기 상방 영상 정보로부터 특징점을 추출하고, 상기 특징점을 근거로 직선들을 추출하는 직선추출유닛(220)과, 상기 직선들 중 직교하거나 평행한 직선들을 추출하여 직선집합들을 생성하고, 상기 직선집합들을 근거로 상기 상방 영상의 기울기 또는 로봇 청소기의 각도를 검출하는 제어유닛(230)을 포함하여 구성되고, 빛을 이용하여 하방 영상 정보를 획득하는 옵티컬 플로우 센서(211)와, 로봇 청소기의 바퀴를 구동하는 휠모터와 연결되어 속도를 검출하는 인코더(213)와, 로봇 청소기의 회전 속도를 검출하는 자이로 센서(215)를 더 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 제어유닛(230)은 상기 직선들 중 직교하거나 평행한 직선들을 추출하여 직선집합들을 생성하는 직선집합생성유닛(231)과, 상기 직선집합들을 근거로 상기 상방 영상의 기울기 또는 로봇 청소기의 각도를 검출하는 각도검출유닛(233)을 포함한다.
상기 옵티컬 플로우 센서는 로봇 청소기의 배면에 구비되어, 이동 중 하방, 즉 바닥을 촬영한다. 상기 옵티컬 플로우 센서는 센서 내에 구비된 이미지센서로부터 입력되는 하방 영상을 변환하여 소정 형식의 하방 영상 정보를 생성한다. 이때, 상기 옵티컬 플로우 센서는 렌즈와 상기 렌즈를 조절하는 렌즈조절부를 더 구비하는데, 상기 렌즈로는 초점거리가 짧고 심도가 깊은 팬포커스형 렌즈를 사용하는 것이 적절하고, 상기 렌즈조절부는 전후 이동되도록 하는 소정 모터와 이동수단을 구비하여 상기 렌즈를 조절한다. 또한, 하나 이상의 광원은 상기 이미지센서에 인접 하여 설치되고, 상기 이미지센서에 의해 촬영되는 바닥면의 영역에 빛을 조사한다. 즉, 로봇 청소기이 평탄한 바닥을 이동하는 경우에는 상기 이미지센서가 바닥면까지 일정한 거리가 유지되는 반면, 불균일한 표면의 바닥면을 이동하는 경우에는 바닥물의 요철 및 장애물에 의해 일정 거리 이상 멀어지게 된다. 이때 상기 하나 이상의 광원은 상기 조사되는 빛의 양을 조절한다. 반면, 상기 옵티컬 플로우 센서는 미끄러짐과 무관하에 상대 위치를 검출할 수 있다. 즉, 상기 옵티컬 플로우 센서를 이용하여 로봇 청소기의 하방을 관찰하도록 함으로써, 미끄러짐에 강인한 위치 보정이 가능하다.
로봇 청소기의 바퀴를 구동하는 휠모터와 연결되어 직진속도와 회전속도를 검출하는 인코더(Encoder)는 상기 모터의 직진속도와 회전속도를 이용하여 위치를 연산하고, 로봇 청소기의 각도를 예측할 수 있다.
로봇 청소기의 회전 속도를 검출하는 자이로 센서(Gyro Sensor)는 회전속도로부터 연산된 방향 정보를 이용하여 위치를 검출하고, 이를 이용하여 로봇 청소기의 각도를 검출한다.
상기 각도검출유닛(233)은, 상기 하방 영상 정보, 상기 휠모터에 의한 속도, 또는 상기 회전 속도를 근거로 연산된 예측 각도와 상기 검출된 각도를 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 상기 검출된 각도를 보정한다.
본 발명의 또 다른 예에 따른 로봇 청소기는, 상방을 촬영하여 상방 영상 정보를 출력하는 카메라(210)와, 상기 상방 영상 정보로부터 특징점을 추출하고, 상기 특징점을 근거로 직선들을 추출하는 직선추출유닛(220)과, 직선 집합 생성 유 닛(231) 및 각도 검출 유닛(233)을 구비하고, 상기 직선들 중 직교하거나 평행한 직선들을 추출하여 직선집합들을 생성하고, 상기 직선집합들을 근거로 상기 상방 영상의 기울기 또는 로봇 청소기의 각도를 검출하는 제어유닛(230)을 포함하여 구성되고, 이동 공간 내의 장애물들과의 거리를 감지하는 거리 센서(미도시)를 더 포함하여 구성된다. 상기 거리 센서를 이용하여 이동 공간의 각도를 검출하고, 틀어짐을 보정할 수 있다. 이때, 이동 공간을 복수 개의 섹터로 구분하면 각 섹터에서의 거리 정보를 근거로 장애물 등의 유무를 판단할 수 있고, 직선들을 추출하여 이동 공간 상의 섹터들의 각도를 검출하고, 섹터들간의 틀어짐을 보정할 수 있다.
여기서, 상기 거리 센서로는 흔히 반도체 표면저항을 이용해서 1개의 p-n접합으로 입사광의 단장거리 위치를 검출하는 PSD(Position Sensitive Device) 센서를 사용한다. 이때, 상기 PSD 센서에는 일축방향만의 광을 검출하는 1차원 PSD 센서와, 평면상의 광위치를 검출할 수 있는 2차원 PSD 센서가 있으며, 모두 pin 포토다이오드 구조를 갖는다. 또한, 상기 거리 센서로 IR(Infra Red) 센서, 또는 RF(Radio Frequency) 센서 등을 사용할 수 있다. 한편, 상기 거리 센서로 laser 센서를 사용하는 경우에 상기 카메라(210)를 이용하여 영상 정보로부터 직선을 추출하는 동작을 대체하여 주변 영상 정보로부터 직선을 추출할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 이동 로봇의 각도 검출 방법을 개략적으로 보인 흐름도이고, 도 6은 도 5에서의 각도검출단계를 세부적으로 보인 흐름도이며, 도 7은 본 발명에 따른 이동 로봇의 각도 검출 방법에서의 오도메트리를 이용한 검출 각도의 보정 과정을 개략적으로 보인 흐름도이다. 이하 장치의 구성은 도 1 내지 도 3 을 참조한다.
도 5 내지 도 7을 함께 참조하면, 본 발명의 일 예에 따른 이동 로봇의 각도 검출 방법은, 상방 영상의 정보들로부터 직선들을 추출하는 직선추출단계(S200)와, 상기 직선들 중 직교하거나 평행한 직선들을 추출하여 직선집합들을 생성하는 직선집합생성단계(S300)와, 상기 직선집합들을 근거로 이동 로봇의 각도를 검출하는 각도검출단계(S400)를 포함하여 구성된다.
즉, 본 발명의 일 예에 따른 이동 로봇의 각도 검출 방법은, 카메라를 이용하여 획득한(S100) 천장과 같은 상방 영상 정보로부터 직선들을 추출한다(S200). 추출된 직선들중에 직교, 평행 관계를 가지는 직선들의 클러스터링하여 직선 집합들을 생성한다(S300). 상기 직선 집합(Cluster; 클러스터)들을 근거로 이동 로봇의 각도를 검출하게 되는데, 상기 직선 집합들 내의 직선들의 평균 기울기를 구하여 이를 수행한다.
여기서, 상기 각도검출단계(S400)는, 영상의 기울기를 산출하거나, 또는 이동 로봇의 각도를 검출하는 데에 동일하게 적용될 수 있다. 즉, 상기 각도검출단계(S400)는, 상기 직선집합들 내의 직선들의 길이의 합과 미리 설정된 기준값을 비교하는 비교과정(S411/S441)과, 상기 비교결과, 상기 길이의 합이 상기 기준값보다 큰 유효직선집합을 검출하는 유효직선집합검출과정(S413/S443)과, 상기 유효직선집합의 기울기를 연산하는 기울기연산과정(S415/S445)을 포함하고, 상기 유효직선집합의 기울기를 근거로 상기 상방 영상의 기울기 또는 이동 로봇의 각도를 검출한다(S417/S447).
상기 직선 집합들에 속한 직선들의 길이의 합이 특정 임계값, 즉 미리 설정된 기준값보다 크면, 해당 직선 집합에 속한 직선들의 평균 기울기를 구한다. 평균을 구할 때는 직선의 기울기를 90으로 나눈 나머지 값의 평균을 구한다. 이는 해당 직선 집합의 대표 각도를 구하기 위함이다. 상기 직선 집합들 중에 다른 직선 집합들보다 해당 직선 집합 내에 포함된 직선들의 길이의 합이 큰 경우에 해당 직선 집합의 각도를 현재 이동 로봇의 각도로 검출할 수 있다.
이때, 본 발명에 따른 이동 로봇의 각도 검출 방법은, 최초로 유효한 직선 집합이 추출되면, 해당 직선 집합의 평균 각도를 영상 기울기 각도로 판단하고, 이를 영점 각도로 설정한다(S420 및 S430). 영점 각도를 설정한 후 부터 이동 로봇의 움직임이 있거나, 다른 요인이 발생하는 경우에는 상기의 과정을 반복하여 평균 각도와 영점각도를 이용해 현재 이동 로봇의 각도를 검출한다.
본 발명의 다른 예에 따른 이동 로봇의 각도 검출 방법은, 상방 영상의 정보들로부터 직선들을 추출하는 직선추출단계(S200)와, 상기 직선들 중 직교하거나 평행한 직선들을 추출하여 직선집합들을 생성하는 직선집합생성단계(S300)와, 상기 직선집합들을 근거로 이동 로봇의 각도를 검출하는 각도검출단계(S400)와, 빛을 이용하여 하방 영상 정보를 획득하는 하방영상획득단계(S510 내지 S520)와, 이동 로봇의 바퀴를 구동하는 휠모터와 연결되어 속도를 검출하는 속도검출단계(S540)와, 이동 로봇의 회전 속도를 검출하는 회전속도검출단계(S560)를 포함한다.
여기서, 상기 각도검출단계(S200)는, 상기 하방 영상 정보, 상기 휠모터에 의한 바퀴속도, 또는 상기 회전 속도를 근거로 연산된 예측 각도(S530, S550, S570)와 상기 검출된 각도를 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 상기 검출된 각도를 보정하는 각도보정과정(S580 및 S590)을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 예에 따른 이동 로봇의 각도 검출 방법은, 상방 영상의 정보들로부터 직선들을 추출하는 제1 직선추출단계(S200)와, 상기 직선들 중 직교하거나 평행한 직선들을 추출하여 직선집합들을 생성하는 제1 직선집합생성단계(S300)와, 상기 직선집합들을 근거로 상기 상방 영상의 기울기를 검출하고(S410), 상기 기울기를 영점각도로 설정하는 영점각도검출단계(S430)와, 상기 상방 영상을 재촬영하는 재촬영단계(S100)와, 상기 재촬영된 상방 영상의 정보들을 근거로 이동 로봇의 각도를 검출하는 각도검출단계(S200 내지 S400)를 포함하여 구성된다.
최초 영점 각도를 설정한 후 이동 로봇의 움직임이 있거나, 다른 요인이 발생하는 경우에는 상방 영상을 재촬영하여, 획득한 상방 영상 정보로부터 직선들을 추출하고, 직선 집합들을 생성하여 이로 부터 평균 각도와 영점각도를 이용해 현재 이동 로봇의 각도를 검출한다.
물론, 상기 본 발명에 따른 이동 로봇의 각도 검출 방법들은 로봇 청소기에 그대로 적용될 수 있다.
이하, 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 이동 로봇, 로봇 청소기의 동작과 이들의 각도 검출 방법을 상세히 설명한다. 도 4는 본 발명에 따른 이동 로봇 또는 로봇 청소기의 각도 검출 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
먼저 상방 영상 정보로부터 추출한 직선들을 이용하여 직선 집합들을 생성하 고, 유효 직선 집합으로부터 영점 각도를 검출하는 과정을 살펴본다.
Figure 112009026587001-PAT00001
그런 다음 오도메트리를 이용하여 예측된 이동 로봇의 각도를 근거로 본 발명에 따라 검출된 이동 로봇의 각도를 보정한다.
Figure 112009026587001-PAT00002
여기서,
Figure 112009026587001-PAT00003
이고,
Figure 112009026587001-PAT00004
이다.
또한,
Figure 112009026587001-PAT00005
,
Figure 112009026587001-PAT00006
이다.
또한,
Figure 112009026587001-PAT00007
이다.
즉, 본 발명에 따른 이동 로봇 및 이동 로봇의 각도 검출 방법은, 카메라를 이용하여 획득한 천장과 같은 상방 영상 정보로부터 직선들(Li)을 추출한다. 추출된 직선들중에 직교, 평행 관계를 가지는 직선들의 클러스터링하여 직선 집합들을 생성한다. 상기 직선 집합들을 근거로 이동 로봇의 각도를 검출하게 되는데, 상기 직선 집합들 내의 직선들의 평균 기울기를 구하여 이를 수행한다.
상기 직선 집합들에 속한 직선들의 길이의 합이 특정 임계값, 즉 미리 설정된 기준값보다 크면, 해당 직선 집합에 속한 직선들의 평균 기울기를 구한다. 평균을 구할 때는 직선의 기울기를 90으로 나눈 나머지 값의 평균을 구한다. 이는 해당 직선 집합의 대표 각도를 구하기 위함이다. 상기 직선 집합들 중에 다른 직선 집합들보다 내에 포함된 직선들의 길이의 합이 큰 경우에 해당 직선 집합의 각도를 현재 이동 로봇의 각도로 검출할 수 있다.
이때, 본 발명에 따른 이동 로봇의 각도 검출 방법은, 최초로 유효한 직선 집합이 추출되면, 해당 직선 집합의 평균 각도를 영상 기울기 각도로 판단하고, 이를 영점 각도로 설정한다. 여기서, 영점 각도는 직각 좌표계(x_world, y_world)에 대하여 이동 공간 또는 영상, 즉 구조물의 각도를 의미한다. 상기 영점 각도를 설정한 후 부터 이동 로봇의 움직임이 있거나, 다른 요인이 발생하는 경우에는 상기의 과정을 반복하여 평균 각도와 영점각도를 이용해 현재 이동 로봇의 각도를 검출하고, 상기 오도메트리에 의한 예측값에 따라 보정한다. 상기에서
Figure 112009026587001-PAT00008
는 실험에 의해 정해지거나, 사용자가 설정할 수 있다. 이 값을 조정함으로써 검출 각도를 보정할 수 있다.
다만, 상기 수학식들은 본 발명에 따른 각도 검출 방법을 설명하기 위한 수식들로서, 본 발명의 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다른 수학식들을 이용할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이동 로봇, 로봇 청소기와, 이동 로봇의 각도 검출 방법, 로봇 청소기의 각도 검출 방법에 따라 상방 영상이나 거리센서를 이용하여 추출된 직선을 기반으로 이동 로봇 또는 로봇 청소기의 각도를 검출할 수 있고, 옵티컬 플로우 센서, 인코더, 자이로 센서 등의 오도메트리를 이용한 예측값과, 영상 또는 거리센서를 이용하여 검출된 값을 근거로 이동 로봇의 각도를 보정할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 각도 검출 방법을 이용하면, 위치 인식, 지도 제작 시에 연산량을 줄일 수 있고 이동 로봇이나 로봇 청소기를 용이하게 제어할 수 있고, 고정된 연산량이 필요하나, 위치 보정 및 지도 작성 기술을 2차원의 로봇 위치 기반의 선형 시스템으로 변환이 가능하고, 선형화에 필요한 연산량을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 예에 따른 이동 로봇의 구성을 개략적으로 보인 블록도;
도 2는 본 발명의 일 예에 따른 로봇 청소기의 구성을 개략적으로 보인 블록도;
도 3은 본 발명에 따른 로봇 청소기의 외관을 개략적으로 보인 사시도;
도 4는 본 발명에 따른 이동 로봇 또는 로봇 청소기의 각도 검출 방법을 설명하기 위한 그래프;
도 5는 본 발명에 따른 이동 로봇의 각도 검출 방법을 개략적으로 보인 흐름도;
도 6은 도 5에서의 각도검출단계를 세부적으로 보인 흐름도;
도 7은 본 발명에 따른 이동 로봇의 각도 검출 방법에서의 오도메트리를 이용한 검출 각도의 보정 과정을 개략적으로 보인 흐름도이다.
<도면의 주요부분에 대한 설명>
110, 210 : 카메라 120, 220 : 직선추출유닛
130, 230 : 제어유닛 131, 231 : 직선집합생성유닛
133, 233 : 각도검출유닛 211 : 옵티컬 플로우 센서
213 : 인코더 215 : 자이로 센서
240 : 전원유닛 250 : 주행유닛
260 : 청소유닛 270 : 입력유닛
280 : 출력유닛 290 : 저장유닛

Claims (24)

  1. 상방 영상의 정보들로부터 직선들을 추출하는 직선추출유닛;
    상기 직선들 중 직교하거나 평행한 직선들을 추출하여 직선집합들을 생성하는 직선집합생성유닛; 및
    상기 직선집합들을 근거로 상기 상방 영상의 기울기 또는 이동 로봇의 각도를 검출하는 각도검출유닛;을 포함하는 이동 로봇.
  2. 제1 항에 있어서,
    상방을 촬영하여 상기 상방 영상 정보를 출력하는 카메라;를 더 포함하는 이동 로봇.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 직선추출유닛은,
    상기 상방 영상 정보로부터 특징점을 추출하고, 상기 특징점을 근거로 상기 직선들을 추출하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 각도검출유닛은,
    상기 직선집합들 내의 직선들의 길이의 합과 미리 설정된 기준값을 비교하여 상기 길이의 합이 상기 기준값보다 큰 유효직선집합을 검출하고, 상기 유효직선집합의 기울기를 연산하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 각도검출유닛은,
    상기 유효직선집합의 기울기를 근거로 상기 상방 영상의 기울기 또는 상기 이동 로봇의 각도를 검출하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 유효직선집합의 기울기는,
    영도 내지 구십도로 변환된 상기 유효직선집합 내의 직선들의 기울기의 평균값인 것을 특징으로 하는 이동 로봇.
  7. 제4 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    빛을 이용하여 하방 영상 정보를 획득하는 옵티컬 플로우 센서;
    이동 로봇의 바퀴를 구동하는 휠모터와 연결되어 속도를 검출하는 인코더; 및
    이동 로봇의 회전 속도를 검출하는 자이로 센서;를 더 포함하는 이동 로봇.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 각도검출유닛은,
    상기 하방 영상 정보, 상기 휠모터에 의한 속도, 또는 상기 회전 속도를 근거로 연산된 예측 각도와 상기 검출된 각도를 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 상기 검출된 각도를 보정하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇.
  9. 제1 항에 있어서,
    이동 공간 내의 장애물들과의 거리를 감지하는 거리 센서;를 더 포함하는 이동 로봇.
  10. 상방을 촬영하여 상방 영상 정보를 출력하는 카메라;
    상기 상방 영상 정보로부터 특징점을 추출하고, 상기 특징점을 근거로 직선들을 추출하는 직선추출유닛; 및
    상기 직선들 중 직교하거나 평행한 직선들을 추출하여 직선집합들을 생성하고, 상기 직선집합들을 근거로 상기 상방 영상의 기울기 또는 로봇 청소기의 각도를 검출하는 제어유닛;을 포함하는 로봇 청소기.
  11. 제10 항에 있어서,
    충전 가능한 배터리 형식의 전원 공급 수단을 구비한 전원유닛;
    다수의 바퀴를 구비하여 이동시키는 주행유닛;
    이동 중 주변과 바닥면의 먼지 및 이물질을 흡입하는 청소유닛;
    하나 이상의 버튼을 구비하여 데이터 입력이 가능한 입력유닛; 및
    현재 동작 상태 및 설정 모드에 대한 정보 등을 표시하는 출력유닛;을 더 포함하는 로봇 청소기.
  12. 제11 항에 있어서, 상기 제어유닛은,
    상기 직선집합들 내의 직선들의 길이의 합과 미리 설정된 기준값을 비교하여 상기 길이의 합이 상기 기준값보다 큰 유효직선집합을 검출하고, 상기 유효직선집합의 기울기를 연산하는 것을 특징으로 하는 로봇 청소기.
  13. 제12 항에 있어서, 상기 제어유닛은,
    상기 유효직선집합의 기울기를 근거로 상기 상방 영상의 기울기 또는 로봇 청소기의 각도를 검출하는 것을 특징으로 하는 로봇 청소기.
  14. 제13 항에 있어서, 상기 유효직선집합의 기울기는,
    영도 내지 구십도로 변환된 상기 유효직선집합 내의 직선들의 기울기의 평균값인 것을 특징으로 하는 로봇 청소기.
  15. 제12 항 내지 제14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    빛을 이용하여 하방 영상 정보를 획득하는 옵티컬 플로우 센서;
    로봇 청소기의 바퀴를 구동하는 휠모터와 연결되어 속도를 검출하는 인코더; 및
    로봇 청소기의 회전 속도를 검출하는 자이로 센서;를 더 포함하는 로봇 청소기.
  16. 제15 항에 있어서, 상기 제어유닛은,
    상기 하방 영상 정보, 상기 휠모터에 의한 속도, 또는 상기 회전 속도를 근거로 연산된 예측 각도와 상기 검출된 각도를 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 상기 검출된 각도를 보정하는 것을 특징으로 하는 로봇 청소기.
  17. 제10 항에 있어서,
    이동 공간 내의 장애물들과의 거리를 감지하는 거리 센서;를 더 포함하는 로봇 청소기.
  18. 상방 영상의 정보들로부터 직선들을 추출하는 직선추출단계;
    상기 직선들 중 직교하거나 평행한 직선들을 추출하여 직선집합들을 생성하는 직선집합생성단계; 및
    상기 직선집합들을 근거로 이동 로봇의 각도를 검출하는 각도검출단계;를 포함하는 이동 로봇의 각도 검출 방법.
  19. 제18 항에 있어서, 상기 각도검출단계는,
    상기 직선집합들 내의 직선들의 길이의 합과 미리 설정된 기준값을 비교하는 비교과정;
    상기 비교결과, 상기 길이의 합이 상기 기준값보다 큰 유효직선집합을 검출하는 유효직선집합검출과정; 및
    상기 유효직선집합의 기울기를 연산하는 기울기연산과정;을 포함하고,
    상기 유효직선집합의 기울기를 근거로 상기 상방 영상의 기울기 또는 이동 로봇의 각도를 검출하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇의 각도 검출 방법.
  20. 제19 항에 있어서, 상기 유효직선집합의 기울기는,
    영도 내지 구십도로 변환된 상기 유효직선집합 내의 직선들의 기울기의 평균값인 것을 특징으로 하는 이동 로봇의 각도 검출 방법.
  21. 제18 항 내지 제20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    빛을 이용하여 하방 영상 정보를 획득하는 하방영상획득단계;
    이동 로봇의 바퀴를 구동하는 휠모터와 연결되어 속도를 검출하는 속도검출단계;
    이동 로봇의 회전 속도를 검출하는 회전속도검출단계;를 더 포함하는 이동 로봇의 각도 검출 방법.
  22. 제21 항에 있어서, 상기 각도검출단계는,
    상기 하방 영상 정보, 상기 휠모터에 의한 바퀴속도, 또는 상기 회전 속도를 근거로 연산된 예측 각도와 상기 검출된 각도를 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 상기 검출된 각도를 보정하는 각도보정과정;을 더 포함하는 이동 로봇의 각도 검출 방법.
  23. 상방 영상의 정보들로부터 직선들을 추출하는 제1 직선추출단계;
    상기 직선들 중 직교하거나 평행한 직선들을 추출하여 직선집합들을 생성하는 제1 직선집합생성단계;
    상기 직선집합들을 근거로 상기 상방 영상의 기울기를 검출하고, 상기 기울기를 영점각도로 설정하는 영점각도검출단계;
    상기 상방 영상을 재촬영하는 재촬영단계; 및
    상기 재촬영된 상방 영상의 정보들을 근거로 이동 로봇의 각도를 검출하는 각도검출단계;를 포함하는 이동 로봇의 각도 검출 방법.
  24. 제23 항에 있어서, 상기 각도검출단계는,
    상기 재촬영된 상방 영상의 정보들로부터 직선들을 추출하는 제2 직선추출단계; 및
    상기 직선들 중 직교하거나 평행한 직선들을 추출하여 직선집합들을 생성하는 제2 직선집합생성단계;를 포함하고,
    상기 직선집합들을 근거로 상기 영점각도에 대한 상기 이동 로봇의 각도 변화를 검출하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇의 각도 검출 방법.
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