KR20110027972A - 홀 센서를 이용한 모바일 로봇의 위치 오차 추정 및 보정 방법 - Google Patents

홀 센서를 이용한 모바일 로봇의 위치 오차 추정 및 보정 방법 Download PDF

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KR20110027972A KR1020090085842A KR20090085842A KR20110027972A KR 20110027972 A KR20110027972 A KR 20110027972A KR 1020090085842 A KR1020090085842 A KR 1020090085842A KR 20090085842 A KR20090085842 A KR 20090085842A KR 20110027972 A KR20110027972 A KR 20110027972A
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Abstract

본 발명은 모바일 로봇의 위치 오차 추정 및 보정 방법에 관한 것으로, 특히 모바일 로봇의 바닥면에 네 개의 홀 센서를 부착하고, 상기 모바일 로봇이 상기 각각의 홀 센서에 대응되는 네 개의 자석으로 구성되는 랜드 마크 상에 위치할(지나갈) 때, 상기 네 개의 홀 센서에 의하여 감지된 전압과 사전에 실험에 의하여 수립된 홀 센서 출력 전압-홀 센서 위치 관계식을 이용하여 상기 모바일 로봇의 중심이 상기 랜드 마크를 통해 규정되는 랜드 마크 좌표계의 원점으로부터의 벗어난 정도를 계산함으로써, 모바일 로봇의 위치 오차를 용이하게 추정할 수 있고, 소정의 이동 순서에 따라 상기 추정된 위치 오차만큼 모바일 로봇을 이동시켜 모바일 로봇의 위치 오차를 보정함으로써, 모바일 로봇의 구동을 위한 전력 소모를 최소화할 수 있고, 신속 정확하게 위치 오차를 보정할 수 있는 홀 센서를 이용한 모바일 로봇의 위치 오차 추정 및 보정 방법에 관한 것이다.
본 발명인 홀 센서를 이용한 모바일 로봇의 위치 오차 추정 및 보정 방법을 이루는 구성수단은, 홀 센서를 이용한 모바일 로봇의 위치 오차 추정 및 보정 방법에 있어서, 네 개의 자석으로 구성된 랜드 마크 상에 정지한 상기 모바일 로봇의 바닥면에 부착된 네 개의 홀 센서 각각에서 전압을 검출한 후, 홀 센서 출력 전압-홀 센서 위치 관계식을 이용하여, 각각의 홀 센서와, 이 각각의 홀 센서에 대응하는 각 자석의 중심선 사이의 수평 최단 거리들(l1, l2, l3, l4)을 구하고, 이 수평 최단 거리들을 이용하여 랜드 마크 좌표계의 원점에서 벗어난 상기 모바일 로봇의 위치 오차(xe, ye, θe)를 추정하는 단계, 상기 모바일 로봇이 상기 랜드 마크 좌표계의 원점으로 이동될 수 있도록, 상기 추정된 정 위치 오차만큼 상기 모바일 로봇을 이동시켜 위치 오차를 보정하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
모바일 로봇, 위치 오차, 보정, 추정

Description

홀 센서를 이용한 모바일 로봇의 위치 오차 추정 및 보정 방법{method for estimating and correcting position error of mobile robot with hall sensor}
본 발명은 모바일 로봇의 위치 오차 추정 및 보정 방법에 관한 것으로, 특히 모바일 로봇의 바닥면에 네 개의 홀 센서를 부착하고, 상기 모바일 로봇이 상기 각각의 홀 센서에 대응되는 네 개의 자석으로 구성되는 랜드 마크 상에 위치할(지나갈) 때, 상기 네 개의 홀 센서에 의하여 감지된 전압과 사전에 실험에 의하여 수립된 홀 센서 출력 전압-홀 센서 위치 관계식을 이용하여 상기 모바일 로봇의 중심이 상기 랜드 마크를 통해 규정되는 랜드 마크 좌표계의 원점으로부터의 벗어난 정도를 계산함으로써, 모바일 로봇의 위치 오차를 용이하게 추정할 수 있고, 소정의 이동 순서에 따라 상기 추정된 위치 오차만큼 모바일 로봇을 이동시켜 모바일 로봇의 위치 오차를 보정함으로써, 모바일 로봇의 구동을 위한 전력 소모를 최소화할 수 있고, 신속 정확하게 위치 오차를 보정할 수 있는 홀 센서를 이용한 모바일 로봇의 위치 오차 추정 및 보정 방법에 관한 것이다.
최근 로봇에 대한 관심이 높아지고 기술이 발전함에 따라 실생활에 적용이 가능한 로봇이 속속 등장하고 있다. 이러한 로봇은 이동을 바탕으로 주어진 역할을 수행하는데, 이동을 위한 하드웨어적 구조는 모바일 로봇에 기반하고 있고, 이동이 주 역할인 만큼 자율 이동을 위한 위치 인식 기술이 필수적이다.
그러나 위치 인식 기술 구현의 어려움으로 인하여 로봇이 개발된 이후 위치 인식 기술은 현재도 계속 연구되고 있다.
일반적인 모바일 로봇은 두 바퀴가 각각 구동되는 방식으로, 오도메트리(odormetery)를 이용하여 위치를 인식한다. 그러나 오도메트리는 오차를 가지며 오차 누적으로 인하여 시간이 지남에 따라 오차가 커지게 되는데, 이러한 문제를 해결하기 위하여 그동안 많은 연구가 있었으며, 대표적으로 로봇의 하드웨어적 특성을 실험을 통해 분석하여 오도메트리 오차를 제거하기 위한 UMBmark(University of Michigan Benchmark test)가 있다.
또한 오도메트리 이외의 여러 센서를 퓨전하여 확률, 통계적 접근을 통해 위치 인식 방법을 개선해왔다. 이외에도 RFID를 이용하여 특정 위치에 직접 아이디를 부여하여 이를 인식하거나 또는 비젼 카메라를 이용하여 이미지 프로세싱을 통해 위치를 분석하는 등 위치 인식 문제의 어려움을 해결하기 위하여 많은 연구가 진행되고 있다.
그러나 여전히 모바일 로봇의 정확한 위치 오차 추정 및 보정은 지속적으로 연구되어야 할 과제이고, 절대적인 위치를 정확히 파악하는 것은 어려우며, 또 다른 접근 통한 개발이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 모바일 로봇의 바닥면에 네 개의 홀 센서를 부착하고, 상기 모바일 로봇이 상기 각각의 홀 센서에 대응되는 네 개의 자석으로 구성되는 랜드 마크 상에 위치할(지나갈) 때, 상기 네 개의 홀 센서에 의하여 감지된 전압과 사전에 실험에 의하여 수립된 홀 센서 출력 전압-홀 센서 위치 관계식을 이용하여 상기 모바일 로봇의 중심이 상기 랜드 마크를 통해 규정되는 랜드 마크 좌표계의 원점으로부터의 벗어난 정도를 계산함으로써, 모바일 로봇의 위치 오차를 용이하게 추정할 수 있고, 소정의 이동 순서에 따라 상기 추정된 위치 오차만큼 모바일 로봇을 이동시켜 모바일 로봇의 위치 오차를 보정함으로써, 모바일 로봇의 구동을 위한 전력 소모를 최소화할 수 있고, 신속 정확하게 위치 오차를 보정할 수 있는 홀 센서를 이용한 모바일 로봇의 위치 오차 추정 및 보정 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 정지하지 않고 이동하는 모바일 로봇에 대하여 위치 오차가 발생한 경우, 곡선 경로를 생성한 후, 모바일 로봇이 상기 곡선 경로를 따라 이동하게 함으로써, 위치 오차를 효율적으로 보정할 수 있고, 곡선 경로를 이용함에 따라 추가적인 위치 오차 발생을 방지할 수 있는 홀 센서를 이용한 모바일 로봇의 위치 오차 추정 및 보정 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 제안된 본 발명인 홀 센서를 이용한 모바일 로봇의 위치 오차 추정 및 보정 방법을 이루는 구성수단은, 홀 센서를 이용한 모바일 로봇의 위치 오차 추정 및 보정 방법에 있어서, 네 개의 자석으로 구성된 랜드 마크 상에 정지한 상기 모바일 로봇의 바닥면에 부착된 네 개의 홀 센서 각각에서 전압을 검출한 후, 홀 센서 출력 전압-홀 센서 위치 관계식을 이용하여, 각각의 홀 센서와, 이 각각의 홀 센서에 대응하는 각 자석의 중심선 사이의 수평 최단 거리들(l1, l2, l3, l4)을 구하고, 이 수평 최단 거리들을 이용하여 랜드 마크 좌표계의 원점에서 벗어난 상기 모바일 로봇의 위치 오차(xe, ye, θe)를 추정하는 단계, 상기 모바일 로봇이 상기 랜드 마크 좌표계의 원점으로 이동될 수 있도록, 상기 추정된 정 위치 오차만큼 상기 모바일 로봇을 이동시켜 위치 오차를 보정하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 모바일 로봇의 위치 오차를 추정하는 단계와 상기 위치 오차를 보정하는 단계 사이에, 상기 추정된 위치 오차가 사전에 정해진 오차 허용 기준값 이하인지를 판단한 후, 상기 추정된 위치 오차가 상기 오차 허용 기준값 이하가 아닌 경우에만 상기 위치 오차를 보정하는 단계를 수행하도록 하는 위치 오차 확인 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 모바일 로봇의 위치 오차(xe, ye, θe) 는
Figure 112009056047757-PAT00001
,
Figure 112009056047757-PAT00002
,
Figure 112009056047757-PAT00003
의 수식을 이용하여 추정하되, 상기 l2 및 l4는 랜드 마크 좌표계의 y축과, 이 y축 상에 놓여 있는 두개의 자석에 각각 대응하는 홀 센서 사이의 수평 최단거리이고, 상기 l1 및 l3는 랜드 마크 좌표계의 x축과, 이 x축 상에 놓여 있는 두개의 자석에 각각 대응하는 홀 센서 사이의 수평 최단거리이며, 상기 d는 서로 대향하고 있는 홀 센서들 사이의 거리인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 θe 는 상기 모바일 로봇의 두 바퀴의 중심축과 랜드 마크 좌표계의 x축 사이의 각이거나 또는 상기 모바일 로봇의 두 바퀴의 중심축과 랜드 마크 좌표계의 y축 사이의 각인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 θe 는 상기 모바일 로봇의 두 바퀴의 중심축과 랜드 마크 좌표계의 x축 사이의 각과, 상기 모바일 로봇의 두 바퀴의 중심축과 랜드 마크 좌표계의 y축 사이의 각 중, 절대값이 작은 각인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 위치 오차를 보정하는 단계는, 상기 추정된 위치 오차 값들을 이용하여 상기 모바일 로봇의 이동 방향선이 상기 랜드 마크 좌표계의 원점을 지나도록, 상기 모바일 로봇을 회전시키는 과정, 상기 추정된 위치 오차 값들을 이용하여 상기 모바일 로봇을 상기 랜드 마크 좌표계의 원점으로 이동시키는 과정, 상기 추정된 위치 오차 값들을 이용하여 상기 모바일 로봇의 이동 방향선이 상기 랜드 마크 좌표계의 x축 또는 y축에 일치하도록, 상기 모바일 로봇을 회전시키는 과정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 모바일 로봇의 이동 방향선이 상기 랜드 마크 좌표계의 x축 또는 y축에 일치하도록 상기 모바일 로봇을 회전시키는 과정은, 상기 모바일 로봇의 이동 방향선이 상기 모바일 로봇의 다음 목적지 이동 방향을 향하도록 회전되는 과정인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 위치 오차를 보정하는 단계는, 상기 추정된 위치 오차 값들 중, 상기 θe 를 이용하여 상기 모바일 로봇의 이동 방향선이 상기 랜드 마크 좌표계의 x축(또는 y축)에 수평하도록, 상기 모바일 로봇을 회전시키는 제1 과정, 상기 모바일 로봇을 x축(또는 y축) 방향으로 xe(또는 ye)만큼 이동시켜 x축(또는 y축) 방향의 위치를 보정하는 제2 과정, 상기 모바일 로봇의 이동 방향선이 y축(또는 x축)과 일치하도록, 상기 모바일 로봇을 90 °회전시키는 제3 과정, 상기 모바일 로봇을 y축(또는 x축) 방향으로 ye(또는 xe)만큼 이동시켜 y축(또는 x축) 방향의 위치를 보정하는 제4 과정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 위치 오차를 보정하는 단계는, 다음 목적지 이동 방향이 x축 방향이라면, y축 방향의 위치 오차 보정을 먼저 수행한 후, x축 방향의 위치 오차 보정을 수행하고, 다음 목적지 이동 방향이 y축 방향이라면, x축 방향의 위치 오차 보정을 먼저 수행한 후, y축 방향의 위치 오차 보정을 수행하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상술한 해결 수단과 다른 해결 수단으로 구성되는 또 다른 본 발명의 구성수단은, 홀 센서를 이용한 모바일 로봇의 위치 오차 추정 및 보정 방법에 있어서, 이동판에서 정지하지 않고 이동하는 상기 모바일 로봇이 랜드 마크를 지나면서, 네 개의 홀 센서들에 의하여 전압을 검출하면, 상기 랜드 마크의 중심점에서 벗어난 상기 모바일 로봇의 위치 오차(xe, ye, θe)를 추정하는 단계, 상기 위치 오차를 추정한 직후, 상기 모바일 로봇이 상기 랜드 마크의 중심점과 다음 목적지에 해당하는 랜드 마크의 중심점을 직선으로 연결한 기준 궤도(reference trajectory)로 진입하기 위한 곡선 경로를 생성하여, 상기 모바일 로봇을 상기 곡선 경로를 따라 이동시키는 단계, 상기 곡선 경로를 따라 이동하는 모바일 로봇이 상기 기준 궤도에 진입하면, 상기 모바일 로봇을 상기 기준 궤도를 따라 이동시켜 위치 오차를 보정하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 곡선 경로는 반지름이 상수 r1인 제1 원(C1)의 호와 반지름이 상수 r2인 제2 원(C2)의 호로 이루어지고, 상기 제1 원(C1)은 상기 위치 오차를 추정하는 시점에 상기 모바일 로봇이 위치하는 지점을 지나가고, 상기 제1 원(C1)의 중심은 상기 위치 오차를 추정하는 시점에서의 상기 모바일 로봇의 이동 방향선(Lm)에 수직인 선에 존재하되, 상기 위치 오차를 추정하는 시점에 상기 모바일 로봇이 위치하는 지점에서 r1만큼 떨어진 지점에 위치하며, 상기 제2 원(C2)은 상기 제1 원(C1)과 접하고, 원의 중심이 상기 기준 궤도에 수직인 선에 존재하되, 상기 기준 궤도에서 r2만큼 떨어진 지점에 위치하되, 상기 모바일 로봇이 이동하는 곡선 경로 는 상기 위치 오차를 추정하는 시점에 상기 모바일 로봇이 위치하는 지점에서 제1 원(C1)과 제2 원(C2)의 접점(변곡점)을 지나, 상기 제2 원(C2)의 호를 따라 상기 기준 궤도에 진입하는 경로인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제1 원(C1)의 중심 좌표(xr1, yr1)와 제2 원(C2)의 중심 좌표(xr2, yr2)는 다음 수식에 의하여 구해지되,
Figure 112009056047757-PAT00004
여기서, yref는
Figure 112009056047757-PAT00005
에 의하여 결정되고, (xe, ye, θe)는 상기 추정된 위치 오차 값이고, (xc, yc)는 상기 위치 오차를 추정하는 시점에 상기 모바일 로봇이 위치하는 지점의 좌표 값이고, θc는 상기 위치 오차를 추정하는 시점에서의 상기 모바일 로봇의 이동 방향선이 모바일 로봇의 중심을 지나는 수평선으로부터 비틀어진 각이고, (xs, ys)는 상기 위치 오차를 추정하는 시점에서 상기 모바일 로봇이 위치하고 있는 랜드 마크의 중심점 좌표 값이고, (xg, yg)는 상기 모바일 로봇의 다음 목적지에 해당하는 랜드 마크의 중심점 좌표값인 것을 특징 으로 한다.
상기와 같은 과제 및 해결 수단을 가지는 본 발명인 홀 센서를 이용한 모바일 로봇의 위치 오차 추정 및 보정 방법에 의하면, 모바일 로봇의 바닥면에 네 개의 홀 센서를 부착하고, 상기 모바일 로봇이 상기 각각의 홀 센서에 대응되는 네 개의 자석으로 구성되는 랜드 마크 상에 위치할(지나갈) 때, 상기 네 개의 홀 센서에 의하여 감지된 전압과 사전에 실험에 의하여 수립된 홀 센서 출력 전압-홀 센서 위치 관계식을 이용하여 상기 모바일 로봇의 중심이 상기 랜드 마크를 통해 규정되는 랜드 마크 좌표계의 원점으로부터의 벗어난 정도를 계산하기 때문에, 모바일 로봇의 위치 오차를 용이하게 추정할 수 있는 장점이 있다.
또한, 모바일 로봇의 최소 이동을 고려한 소정의 이동 순서에 따라 상기 추정된 위치 오차만큼 모바일 로봇을 이동시켜 모바일 로봇의 위치 오차를 보정하기 때문에, 모바일 로봇의 구동을 위한 전력 소모를 최소화할 수 있고, 신속 정확하게 위치 오차를 보정할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 정지하지 않고 이동하는 모바일 로봇에 대하여 위치 오차가 발생한 경우, 곡선 경로를 생성한 후, 모바일 로봇이 상기 곡선 경로를 따라 이동하기 때문에, 위치 오차를 효율적으로 보정할 수 있고, 곡선 경로를 이용함에 따라 추가적인 위치 오차 발생을 방지할 수 있는 장점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 상기와 같은 과제, 해결 수단 및 효과를 가지는 본 발명인 홀 센서를 이용한 모바일 로봇의 위치 오차 추정 및 보정 방법에 관한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
본 발명인 홀 센서를 이용한 모바일 로봇의 위치 오차 추정 및 보정 방법에 관하여 설명하기 전에, 본 발명을 달성하기 위하여 갖추어야 할 환경 및 조건에 대하여 설명한다.
모바일 로봇은 두 바퀴 또는 네 바퀴 형태가 일반적이며, 두 바퀴 형태의 모바일 로봇이 가장 널리 이용되고 있다. 두 바퀴로 구동되는 모바일 로봇은 양쪽 바퀴의 각속도를 이용하여 로봇의 움직임을 동역학적으로 표현하는 것이 가능하다. 본 발명에서는 도 1 및 도 2에 도시된 두 바퀴가 각각 구동되는 방식(differential-drive)의 모바일 로봇을 이용한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 적용되는 두 바퀴를 가지는 모바일 로봇(10)은 두 개의 바퀴(1)가 바닥면 외부로 돌출되어 있다. 이 두 개의 바퀴(1)는 후술할 복수개의 랜드 마크가 형성된 이동판의 상부면에 접촉하여 상기 모바일 로봇이 이동할 수 있도록 한다.
한편, 상기 모바일 로봇의 바닥면에는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 두 개의 바퀴(1)를 연결하는 직선(이하 " 두 바퀴의 중심축"이라 함)과 수직한 직선 방향(이하 "모바일 로봇 이동 방향선"이라 함)에 두 개의 볼 캐스터(2)가 장착된다. 이러한 볼 캐스터(2)에 의하여 모바일 로봇이 이동할 때, 전후 방향으로 모바일 로 봇이 기울어지는 것을 방지할 수 있다.
한편, 상기 모바일 로봇(10)의 바닥면에는 네 개의 홀 센서(3)가 부착된다. 상기 네 개의 홀 센서(3) 중, 두 개는 상기 두 바퀴의 중심축(두 개의 바퀴를 연결하는 직선)선 상에 부착되고, 나머지 두 개는 상기 모바일 로봇 이동 방향선으로 부착된다. 결과적으로, 상기 네 개의 홀 센서(3)들은 사각형 행태로 배치되고, 서로 대향하고 있는 각 홀 센서들 사이의 거리(두 바퀴의 중심축선 상에 부착된 두 개의 홀 센서들 사이의 거리와 모바일 로봇의 이동 방향선으로 부착된 두 개의 홀 센서들 사이의 거리)는 동일하다.
상기 모바일 로봇(10)의 바닥면에 부착되는 네 개의 홀 센서(3)들은 후술할 랜드 마크를 구성하는 각각의 자석의 자기장을 전압으로 검출하는 기능을 수행한다. 홀 센서(3)는 홀 효과를 기반으로 제작된 마그네틱 센서로서, 자기장 내에서 자기력선속밀도(Magnetic Flux Density)를 전압으로 검출할 수 있다. 이 홀 센서(3)는 자기장의 세기에 따라 선형적으로 반응하고, 미세한 자기장에도 안정적인 전압을 출력하여 위치 인식에 적용할 때, 정확성을 높일 수 있는 장점이 있다.
여기서, 본 발명에 적용되는 홀 센서(3)의 선형성을 살펴보기 위하여, 자석 상측에 위치하는 홀 센서로부터 검출된 홀 센서 출력 전압과 홀 센서의 위치(자석의 중심선(도 3에서 "c"로 표기된 선)에서 이격된 홀 센서의 위치) 관계를 나타내는 특성 그래프(도 3에 도시된 그래프)를 살펴본다.
본 발명에서는 두 개의 바퀴를 가진 모바일 로봇이 복수 개의 랜드 마크로 구성된 이동판을 이동하기 때문에, 상기 모바일 로봇이 상기 각각의 랜드 마크 상 에 위치할 때, 상기 홀 센서(3)는 자석과 소정의 에어갭(air gap, 도 3에서 "h"로 표기됨)을 가지고, 5V의 전압 구동으로 0 ~ 5V 사이의 전압을 출력하도록 설정한다고 가정하자.
그러면, 도 3에 도시된 바와 같이, 홀 센서가 자기장의 영향을 받지 않는 경우(홀 센서가 자석의 중심선 상에 위치하는 경우)에는 약 2.47V, N극에서 최대 출력 전압인 약 4.7V, S극에서 최소 출력 전압인 약 0.3V가 나타남을 알 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, "ｌ"은 자석의 중심선에서 홀 센서 사이의 수평 최단 거리를 의미한다. 이 수평 최단 거리 "l"이 도 3에 도시된 그래프에서 홀 센서 위치를 의미한다. 홀 센서 출력 전압에 관한 홀 센서 위치(자석의 중심선에서 홀 센서 사이의 수평 최단 거리) "l"은 자석 표면 위에서 자석의 너비 방향에 거의 영향을 받지 않는다. 예를 들어, 상기 자석의 위에 위치한 홀 센서가 중심선 상의 어느 위치에 있더라도, 홀 센서에서 검출한 전압은 약 2.47V이다. 결과적으로, 자석의 중심선에서 홀 센서까지의 거리인 "l"은 자석의 중심선에서 홀 센서가 위치한 길이 방향(도 3에서 "길이방향"으로 표시됨)으로 인정해도 무방하다.
다음은 상기 모바일 로봇이 이동할 수 있는 공간을 제공하는 이동판에 대하여 살펴본다.
도 4는 본 발명에 적용되는 이동판의 예시를 보여준다. 이동판(20)은 모바일 로봇이 이동할 수 있는 공간을 제공한다. 만약, 모바일 로봇(10)이 산업 현장에서 작업을 수행한다면, 상기 이동판(20)은 작업 공간의 바닥면에 해당한다고 볼 수 있다.
상기 이동판(20)에는 이동하는 모바일 로봇(10)의 위치를 인식하기 위하여 제공하는 복수개의 랜드 마크(21)들이 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 구비된다. 그리고, 각 랜드 마크(21)는 네 개의 자석으로 구성된다. 상기 각각의 랜드 마크를 구성하는 네 개의 자석들은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 서로 대칭적으로 배치된다. 각각의 랜드 마크(21)는 이동판(20) 내에서 격자 형태로 소정의 간격을 유지하며 특정한 좌표를 갖는다.
상기 각각의 랜드 마크(21)를 구성하는 자석은 이동판 내에 삽입된 형태로 구성된다. 다만, 모바일 로봇(10)의 이동에 방해가 되지 않도록, 상기 자석들이 삽입된 후 상기 이동판(20)은 평평한 상태로 가공된다.
상기와 같이 이동판(20)에는 복수 개의 랜드 마크(21)들이 서로 소정의 간격을 유지하여 배치되고, 각각의 랜드 마크(21)들은 네 개의 자석이 서로 대칭적으로 배열되어 구성된다.
상기와 같이, 각각의 랜드 마크(21)는 이동판(20) 내에서 격자 형태로 소정의 간격을 유지하면서 특정한 좌표를 갖는데, 이에 대하여 도 5에 도시되어 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기와 같은 랜드 마크(21)의 배열을 통해 이동판(20) 전체는 그리드 맵(grid map) 형태의 절대 좌표계를 구성한다.
즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 각각의 랜드 마크에는 좌표계가 형성된다. 이를 이하에서는 "랜드 마크 좌표계"라 한다. 구체적으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 네 개의 자석으로 구성되는 랜드 마크에는 네 개의 자석들로 이루어진 공간의 중심점(서로 마주 보고 있는 각 자석들의 자석 중심선을 각각 연장하여 연결할 때, 두 개의 연장선이 교차하는 점)이 랜드 마크 좌표계의 원점("0"로 표기됨)이 되고, 가로 방향으로 서로 마주 보고 있는 자석들의 중심선을 연장하여 연결하는 선이 x축이 되며, 세로 방향으로 서로 마주 보고 있는 자석들의 중심선을 연장하여 연결하는 선이 y축이 되는 랜드 마크 좌표계가 형성된다. 결국, 각 랜드 마크를 구성하는 자석들의 중심선(도 3에서 "c"로 표기된 선)은 랜드 마크 좌표계의 x축 또는 y축과 일치된다.
한편, 본 발명은 모바일 로봇의 위치 오차를 추정하고 보정하는 방법에 관한 것이다. 즉, 모바일 로봇의 위치 오차가 발생되는 경우를 상정한 것이다. 여기서, 모바일 로봇의 위치 오차란 랜드 마크 좌표 원점(도 6에서 "0"으로 표기됨)에서 벗어나서 모바일 로봇이 위치하고 있을 때, 상기 모바일 로봇의 중심이 상기 랜드 마크 좌표 원점으로부터 벗어난 정도를 의미한다. 여기서, 위치 오차에 해당하는 벗어난 정도는 x축 방향 및 y축 방향으로의 벗어난 정도뿐만 아니라, 모바일 로봇의 두 바퀴의 중심축과 x축 또는 y축 사이의 이격된 각도 포함된다.
상기 모바일 로봇의 중심이란 네 개의 홀 센서에 의하여 형성되는 공간의 중심점(서로 대향하고 있는 홀 센서들 사이를 연결하는 각각의 가상선의 교차점)을 의미한다.
따라서, 모바일 로봇의 위치 오차가 없는 경우는 상기 모바일 로봇의 중심이 상기 랜드 마크 좌표계의 원점 상에 위치하고, 상기 모바일 로봇의 이동 방향선(또는 두 바퀴의 중심축)이 랜드 마크 좌표계의 x축 또는 y축에 일치할 때이다. 물론, 이와 같이 위치 오차가 없는 경우에는, 모바일 로봇의 네 개의 홀 센서들이 상기 모바일 로봇의 중심으로부터 동일한 거리에 위치하고, 각각의 자석 상에 위치하기 때문에, 상기 홀 센서들은 각각 대응되는 자석의 동일한 중심선 상에 위치할 것이다.
즉, 도 7에 도시된 바와 같이, 모바일 로봇의 중심(도 7에서 "OR"로 표기됨)이 랜드 마크 좌표계의 원점(O)과 일치하고, 모바일 로봇의 이동 방향선(도 7에서 "Lm"으로 표기됨)이 x축 또는 y축에 일치하며(도 7에서는 y축에 일치하는 것으로 예시함) 각각의 홀 센서(3)들은 각각 대응하는 자석의 중심선의 동일한 위치 상에 배치되는 경우가 위치 오차가 없는 경우이다.
모바일 로봇의 중심에서 각 홀 센서들까지의 거리와 랜드 마크의 원점에서 각 자석의 중심선의 중심까지의 거리는 약간 차이가 있을 수 있으나, 동일한 것이 바람직하다. 도 7에서는 모바일 로봇의 중심에서 각 홀 센서들까지의 거리와 랜드 마크의 원점에서 각 자석의 중심선의 중심까지의 거리가 동일하기 때문에, 각 홀 센서가 대응하는 자석의 중심선 중심 상에 위치하는 것을 볼 수 있다.
여기서, 각 홀 센서들에 대응하는 각각의 자석 또는 각 자석들에 대응하는 각각의 홀 센서란 위치 오차 추정 및 보정이 각 홀 센서가 상기 자석 상에 위치할 때에 수행되기 때문에, 서로 겹쳐지는 관계(즉 특정 홀 센서가 특정 자석 상에 존재하는 경우에 겹쳐지는 관계임)에 있는 경우에 대응한다고 정의한다.
한편, 본 발명은 모든 홀 센서들이 대응하는 각 자석 상에 위치하여 도 3에 도시된 "실제 사용하는 데이터 범위"를 이용하는 경우이다. 즉, 네 개의 홀 센서 중, 어느 하나라도 대응하는 자석에 벗어나서 위치하는 경우(도 3의 그래프에서 "실제 사용하는 데이터 범위"에서 벗어나서 위치하는 경우)에는 기본적으로 모바일 로봇 제어 시스템에 큰 문제가 있는 것이기 때문에, 오차 보정 문제로 다루지 않는다. 정리하면, 본 발명에서는 이동 중에 있는 모바일 로봇이 목적지인 특정 랜드 마크로 이동한 후 정지하면, 당연히 모든 홀 센서들은 자석 상에서 벗어나지 않고 대응하는 각 자석 위에 위치하게 된다.
다음은 상술한 환경 및 조건에서 본 발명인 홀 센서를 이용한 모바일 로봇의 위치 오차 추정 및 보정 방법에 관한 제1 실시예에 대하여 상세하게 설명한다. 상기 제1 실시예는 모바일 로봇이 이동판에서 특정 목적지에 해당하는 특정 랜드 마크로 이동한 후, 정지하고 있을 경우, 상기 특정 랜드 마크 좌표계의 원점에서 벗어난 오차를 추정한 후, 추정한 오차만큼 이동함으로써 랜드 마크 좌표계의 원점으로 이동시켜 오차를 보정하는 방법에 관한 것이다. 따라서, 이러한 제1 실시예에 따른 홀 센서를 이용한 모바일 로봇의 위치 오차 추정 및 보정 방법은 모바일 로봇이 작업장에서 특정 경로를 따라 정확하게 이동하는 경우에도 널리 이용될 수 있지만, 정확한 지점으로 이동해야 하는 경우, 예를 들어, 모바일 로봇이 충전을 하기 위하여 도킹과 같이 정확한 위치 인식이 필요한 경우 매우 유용하게 사용될 수 있다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 홀 센서를 이용한 모바일 로봇의 위치 오차 추정 및 보정 방법에 관한 절차도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 이동판을 이동하는 모바일 로봇은 특정 목적지에 해당하는 특정 랜드 마크 상에 도착하면, 정지한 후, 위치 오차를 추정한다(S100). 즉, 모바일 로봇의 중심이 해당 랜드 마크 좌표계의 원점으로부터 얼마나 벗어나서 위치하고 있는지를 계산한다.
상기 랜드 마크 상에 모바일 로봇이 위치하면, 네 개의 홀 센서는 각각 홀 센서 출력 전압을 발생한다. 즉, 네 개의 자석으로 구성된 랜드 마크 상에 정지한 상기 모바일 로봇의 바닥면에 부착된 네 개의 홀 센서 각각은 대응하는 자석에서 발생되는 자기장의 영향을 받아 전압을 검출한다. 그런 다음, 상기 네 개의 홀 센서에서 검출된 전압들과 사전에 실험에 의하여 결정된 홀 센서 출력 전압-홀 센서 위치 관계식을 이용하여 랜드 마크 좌표계의 원점에서 벗어난 상기 모바일 로봇의 위치 오차를 추정한다.
상기 홀 센서 출력 전압-홀 센서 위치 관계식은 아래 수식 (1)과 같다.
Figure 112009056047757-PAT00006
수식 (1)
이 수식은 각 홀 센서에서 검출한 전압과 앞에서 살펴본 자석의 중심선에서 홀 센서까지의 수평 최단 거리에 대한 관계식이다. 여기서 ki는 전압(Vi)과 수평 최단 거리(li)의 선형 비례 상수이다. 그리고, 각 랜드 마크를 구성하는 자석이 네 개이고, 홀 센서가 네 개이므로, i는 1 ~ 4의 범위 내에 있는 자연수이다.
상기 ki 값은 사전에 실험을 통하여 결정되는 값이다. 따라서, Vi 값이 검출 되면 수평 최단 거리인 li가 상기 홀 센서 출력 전압-홀 센서 위치 관계식에 의하여 결정된다.
구체적으로, 상기 홀 센서 출력 전압-홀 센서 위치 관계식은 도 3에 도시된 그래프(홀 센서 출력 전압과 홀 센서 위치에 관한 특성 그래프)를 통하여 결정된다. 즉, 도 3에 도시된 그래프를 통하여, 센서 출력 전압(Vi)와 수평 최단 거리(li)를 알 수 있고, 이 때 상기 센서 출력 전압과 수평 최단 거리 사이의 비례 상수 ki를 결정할 수 있다.
상기와 같이 네 개의 홀 센서들이 대응하고 있는 각 자석의 자기장 영향을 받아, 홀 센서 출력 전압을 발생한 후, 상기 홀 센서 출력 전압-홀 센서 위치 관계식을 이용하면, 각각의 홀 센서와, 이 각각의 홀 센서에 대응하는 각 자석의 중심선 사이의 수평 최단 거리들(l1, l2, l3, l4)을 구할 수 있다.
상기 수평 최단 거리들(l1, l2, l3, l4)이 구해지면, 이들을 이용하여 랜드 마크 좌표계의 원점에서 벗어난 상기 모바일 로봇의 위치 오차(xe, ye, θe)를 추정할 수 있다.
상기 위치 오차의 성분 중, xe 는 랜드 마크 좌표계의 원점에서 랜드 마크 좌표계의 x축으로 상기 모바일 로봇의 중심이 벗어난 정도를 의미하고, ye 는 랜드 마크 좌표계의 원점에서 랜드 마크 좌표계의 y축으로 상기 모바일 로봇의 중심이 벗어난 정도를 의미하며, θe 는 상기 랜드 마크 좌표계의 x축 또는 y축을 기준으로 상기 모바일 로봇의 두 바퀴 중심축이 기울어진 정도를 의미한다.
상기와 같은 단계(S100)를 통하여, 수평 최단 거리들을 이용하여 랜드 마크 좌표계의 원점에서 벗어난 상기 모바일 로봇의 오차를 추정하면, 상기 모바일 로봇이 상기 랜드 마크 좌표계의 원점으로 이동될 수 있도록, 상기 추정된 위치 오차만큼 상기 모바일 로봇을 구동 이동시켜 위치 오차를 보정하는 단계를 수행한다(S110).
상술한 단계 S110 및 S120을 통하여 특정 랜드 마크에서 모바일 로봇의 위치를 추정하고 보정한 후에는 다음 목적지(랜드 마크)로 이동한 후(S120), 다시 상술한 단계들을 반복 수행한다.
그런데, 상기 S110 단계에서 추정한 위치 오차 값이 무시할 정도가 작은 경우에는 상기와 같은 단계들을 수행하는 것보다 그냥 다음 목적지(랜드 마크)로 이동한 후, 위치 추정 및 보정 단계를 수행하는 것이 소비 전력, 작업 속도, 위치 추정 및 보정의 한계 등을 고려할 때, 더 바람직하다.
따라서, 상기 모바일 로봇의 위치 오차를 추정하는 단계(S100)와 상기 위치 오차를 보정하는 단계(S110) 사이에 위치 오차 확인 단계를 더 포함시키는 것이 바람직하다(S105)
즉, 상기 단계 S100을 통해 위치 오차 값이 추정되면, 추정된 위치 오차가 사전에 정해진 오차 허용 기준값의 이하인지를 판단한다. 상기 오차 허용 기준값은 사전의 실험을 통하여 결정되는 값으로, 위치 오차를 무시해도 될만한 위치 오차의 경계값이다. 이와 같은 오차 허용 기준값은 매우 정밀한 위치 인식이 필요한 경우에는 상대적으로 매우 작아질 것이고, 상대적으로 정밀도가 떨어져도 되는 위치 인식 시스템에서는 상대적으로 크게 결정할 수 있다.
상기와 같이 추정된 위치 오차(xe, ye, θe)가 사전에 결정된 오차 허용 기준값 이하인지를 판단하여, 상기 추정된 위치 오차가 상기 오차 허용 기준값 이하인 경우에는 오차 보정 없이 다음 목적지(랜드 마크)로 이동 한 후, 상술한 단계 S100을 수행하고, 만약 상기 추정된 위치 오차가 상기 오차 허용 기준값 이하가 아닌 경우(초과하는 경우)에는 위치 오차를 보정해야 하기 때문에, 위치 오차를 보정하는 단계인 S110 단계를 수행한다.
여기서, 추정된 위치 오차(xe, ye, θe)가 사전에 결정된 오차 허용 기준값 이하이다는 의미는, 추정된 위치 오차의 성분 모두가 성분에 대한 오차 허용 기준값 이하인 경우를 의미한다. 예를 들어, 위치 오차의 각 성분(xe, ye, θe)에 대한 오차 허용 기준값이 각각 (5mm, 5mm, 5°)로 결정했다면, 추정된 위치 오차의 각 성분은 상기 오차 허용 기분값의 각 성분 이하인 경우(예를 들어 (3mm, 3mm, 4°)인 경우)를 의미한다.
상술한 모바일 로봇의 위치 오차(xe, ye, θe) 추정은 다양한 수식에 의하여 구해질 수 있다. 본 발명에서는 도 9를 참조하여 상기 모바일 로봇의 오차 추정 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 모바일 로봇이 랜드 마크 상에 위치하되, 모바일 로봇의 중심이 랜드 마크 좌표계의 원점(O)에서 벗어나서 정지하고 있다고 하자. 이 때, 모바일 로봇의 중심은 랜드 마크 좌표계의 좌표 값 (xe, ye)에 위치하고 있고, 모바일 로봇의 바닥면에 부착된 네 개의 홀 센서(3)들은 각각 도 9에 도시된 바와 같이, 대응되는 각 자석 상에 위치한다(대응하는 자석의 중심선에서 벗어난 상태로 자석 상에 위치한다).
그리고, 상기 모바일 로봇의 두 바퀴(1) 중심축은 랜드 마크 좌표계의 x축으로부터 θe만큼 틀어져 있다. 따라서, 상기 모바일 로봇의 위치 오차는 (xe, ye, θe)가 된다.
상기 모바일 로봇의 위치 오차(xe, ye, θe)를 추정하기 위하여, 상기 홀 센서들에 의하여 검출된 전압들과, 사전에 결정된 수식 (1)의 홀 센서 출력 전압-홀 센서 위치 관계식을 이용하여 각 자석의 중심선에서 홀 센서까지의 수평 최단 거리를 구한다.
도 9에서, 양의 x축에 위치하고 있는 자석의 자기장에 의하여, 이 x축에 위치하고 있는 자석 상에 위치하고 있는 홀 센서가 검출한 전압이 V1이고, 양의 y축에 위치하고 있는 자석의 자기장에 의하여, 이 y축에 위치하고 있는 자석 상에 위치하고 있는 홀 센서가 검출한 전압이 V2이고, 음의 x축에 위치하고 있는 자석의 자기장에 의하여, 이 x축에 위치하고 있는 자석 상에 위치하고 있는 홀 센서가 검출한 전 압이 V3이며, 음의 y축에 위치하고 있는 자석의 자기장에 의하여, 이 y축에 위치하고 있는 자석 상에 위치하고 있는 홀 센서가 검출한 전압이 V4라 하자.
그러면, 수식 (1)의 홀 센서 출력 전압-홀 센서 위치 관계식에 의하여 각 자석의 중심선과, 이 각 자석에 대응하고 있는 홀 센서까지의 수평 최단 거리를 구할 수 있다. 이 때, 구해진 수평 최단 거리는 각각 순서대로 l1, l2, l3, l4가 된다.
그런 다음, 상기 l1, l2, l3, l4를 이용하여 상기 위치 오차(xe, ye, θe)를 다음 수식 (2) ~ (4)를 통하여 추정한다.
Figure 112009056047757-PAT00007
수식 (2)
Figure 112009056047757-PAT00008
수식 (3)
Figure 112009056047757-PAT00009
수식 (4)
상기 수식에서, x축의 오차인 xe 를 구하기 위하여 사용되는 l2 및 l4는 랜드 마크 좌표계의 y축과, 이 y축 상에 위치하고 있는 두 개의 자석에 각각 대응하는 홀 센서 사이의 수평 최단 거리이다. 즉, l2는 양의 y축과, 이 y축 상에 놓여 있는 자석에 대응하는 홀 센서 사이의 수평 최단 거리이고, l4는 음의 y축과, 이 y축 상에 놓여 있는 자석에 대응하는 홀 센서 사이의 수평 최단 거리이다.
또한, y축의 오차인 ye 를 구하기 위하여 사용되는 l1 및 l3는 랜드 마크 좌 표계의 x축과, 이 x축 상에 위치하고 있는 두 개의 자석에 각각 대응하는 홀 센서 사이의 수평 최단 거리이다. 즉, l1는 양의 x축과, 이 x축 상에 놓여 있는 자석에 대응하는 홀 센서 사이의 수평 최단 거리이고, l3는 음의 x축과, 이 x축 상에 놓여 있는 자석에 대응하는 홀 센서 사이의 수평 최단 거리이다.
또한, x축 또는 y축을 기준으로 모바일 로봇의 두 바퀴(1)의 중심선이 이격된 각에 해당하는 오차 θe를 구하기 위하여 사용되는 d는 도 9에 도시된 바와 같이, 서로 대향하고 있는(대각선 방향에 있는) 홀 센서들 사이의 거리이다. 그리고, l1, l2, l3, l4는 상기 xe, ye를 추정할 때 사용한 수평 최단 거리이다.
상기와 같이, 상기 θe는 상기 모바일 로봇의 두 바퀴의 중심축(도 10에서 "w"로 표기됨)과 랜드 마크 좌표계의 x축 또는 y축 사이의 각인데, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 모바일 로봇의 두 바퀴(1)의 중심축(w)과 랜드 마크 좌표계의 x축 사이의 각과, 상기 모바일 로봇의 두 바퀴(1)의 중심축(w)과 랜드 마크 좌표계의 y축 사이의 각 중, 절대값이 더 작은 각에 해당한다. 따라서, 도 10의 경우에는 모바일 로봇의 두 바퀴(1)의 중심축(w)과 랜드 마크 좌표계의 x축 사이의 각을 θe로 선택한다.
상기와 같이 위치 오차를 추정한 후에는 바로 단계 S110으로 이동하거나, 단계 S105를 거쳐서 단계 S110을 수행할 수 있다. 단계 S110은 추정된 위치 오차를 이용하여 오차를 보정하는 단계이다.
추정된 위치 오차를 이용하여 위치를 보정(모바일 로봇의 중심을 랜드 마크 좌표계의 원점으로 이동시킴과 동시에 모바일 로봇의 이동 방향선을 랜드 마크 좌표계의 x축 또는 y축에 일치시키는 보정)하는 방법은 크게 두 가지가 있다.
도 11을 참조하여 첫 번째 위치 오차 보정 방법에 대하여 설명한다.
먼저, 도 11의 (a)에 도시된 바와 같이, 모바일 로봇이 랜드 마크 상에 정지한 상태에서 위치 오차를 추정했다고 가정하자. 그런 다음, 추정된 위치 오차를 이용하여 위치 오차 보정을 수행한다.
위치 오차 보정을 위하여, 먼저 도 11의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 추정된 위치 오차 값들을 이용하여 상기 모바일 로봇의 이동 방향선이 상기 랜드 마크 좌표계의 원점을 지나도록(향하도록), 상기 모바일 로봇을 회전시킨다. 이 때의 회전 방향은 회전각이 작은 방향으로 회전한다. 따라서, 도 11의 (b)는 도 11의 (a)에서 시계 반대 방향으로 회전한 상태이다. 이 때의 회전 각도는 추정된 위치 오차 값들을 이용하여 다양한 수식에 따라 계산될 수 있다.
다음은, 상기 추정된 위치 오차 값들을 이용하여, 도 11의 (c)에 도시된 바와 같이, 상기 모바일 로봇을 상기 랜드 마크 좌표계의 원점으로 이동시킨다. 즉, 모바일 로봇의 중심을 상기 랜드 마크 좌표계의 원점으로 이동시킨다. 상기 랜드 마크 좌표계의 원점에서 좌표점 (xe, ye)까지의 거리는 상기 추정된 위치 오차 값들을 이용한 다양한 수식에 의하여 계산될 수 있다.
그런 다음, 상기 추정된 위치 오차 값들을 이용하여, 도 11의 (d)에 도시된 바와 같이, 상기 모바일 로봇의 이동 방향선이 상기 랜드 마크 좌표계의 x축 또는 y축에 일치하도록, 상기 모바일 로봇을 회전시킨다. 이 때의 회전은 모바일 로봇의 이동 방향선이 모바일 로봇의 다음 목적지(랜드 마크) 이동 방향(도 11의 (a)에서 MD로 표기됨)과 일치하도록(향하도록) 회전하는 것이다. 이 경우의 회전 방향 역시, 작은 회전각을 가지는 방향으로 회전한다. 따라서, 도 11의 (d)는 도 11의 (c)가 시계 방향으로 회전한 상태이다.
도 11에 도시된 위치 오차 보정 단계는 x축 및 y축 상의 위치 오차를 한 번의 이동으로 보정하는 단계이다. 즉, 랜드 마크 좌표계의 좌표점 (xe, ye)에서 랜드 마크 좌표계의 원점으로 이동하기 위하여, x축 이동 및 y축 이동을 따로 수행하지 않고, 바로 랜드 마크 좌표계의 원점으로 이동하여 위치 오차를 보정하는 단계이다.
다음은 도 12를 참조하여 두 번째 위치 오차 보정 방법에 대하여 설명한다.
먼저, 도 12의 (a)에 도시된 바와 같이, 모바일 로봇이 랜드 마크 상에 정지한 상태에서 위치 오차를 추정했다고 가정하자. 그런 다음, 추정된 위치 오차를 이용하여 위치 오차 보정을 수행한다.
상기 추정된 위치 오차 값(xe, ye, θe)들 중, θe를 이용하여, 도 12의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 모바일 로봇의 이동 방향선이 상기 랜드 마크 좌표계의 x축에 수평하도록, 상기 모바일 로봇을 회전시킨다.
회전 각도는 (90°- θe)를 이용하여 구할 수 있다. 예를 들어, θe가 30° 라면 회전 각도는 60°가 될 것이다. 이와 같은 결과는, 도 12의 (a)의 상태에서 도 12의 (b)의 상태로 변동되기 위해서는, 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 회전할 수 있는데, 두 방향 중에 작은 각만큼 회전하여 도 12의 (b) 상태로 간다는 것을 의미한다. 도 12의 (b)는 도 12의 (a) 상태에서 시계 방향으로 회전한 상태이다.
도 12의 (b)에 도시된 상태가 되면, x축 방향의 보정을 수행한다. 즉, 상기 모바일 로봇을 x축 방향으로 xe 만큼 이동시켜 x축 방향으로 위치 오차를 보정한다. 그러면, 도 12의 (c)에 도시된 상태가 된다. 여기서 x축 방향으로 이동이란 당연히 랜드 마크 좌표계의 x축의 보정을 위한 이동으로서, 도 12의 (c)에 도시된 바와 같이, 모바일 로봇의 두 바퀴의 중심축이 y축과 일치되도록 하는 이동을 의미한다.
x축 보정이 수행되었기 때문에, 다음은 y축 보정을 수행한다. 이를 위하여 상기 모바일 로봇의 이동 방향선이 y축과 일치하도록, 상기 모바일 로봇을 90°회전시킨다. 그러면 도 12의 (d)에 도시된 상태가 된다. 그런 다음, 상기 모바일 로봇을 y축 방향으로 ye 만큼 이동시켜 y축 방향의 위치를 보정한다. 그러면, 도 12의 (e)에 도시된 상태가 된다. 여기서 y축 방향으로 이동이란 당연히 랜드 마크 좌표계의 y축의 보정을 위한 이동으로서, 도 12의 (e)에 도시된 바와 같이, 모바일 로봇의 두 바퀴의 중심축이 x축과 일치되도록 하는 이동을 의미한다.
이와 같은 과정을 통하여, 모바일 로봇의 중심을 랜드 마크 좌표계의 원점으로 이동하여 위치 오차를 보정할 수 있다. 또한, 이와 같은 위치 오차 보정 과정을 수행하면, 모바일 로봇의 이동 방향선이 x축 또는 y축에 일치되기 때문에, 모바일 로봇의 두 바퀴 중심축도 x축 또는 y축에 일치한 상태가 된다.
상술한 절차는 x축 보정을 먼저 수행한 후에 y축 보정을 수행함으로써, 위치 오차 보정을 수행하는 과정이다. 물론 y축 보정을 먼저 수행한 후에 x축 보정을 수행함으로써, 위치 오차 보정을 수행할 수도 있다. 이에 대하여 간략하게 살펴보면 다음과 같다.
즉, 상기 추정된 위치 오차 값(xe, ye, θe)들 중, θe를 이용하여, 상기 모바일 로봇의 이동 방향선이 상기 랜드 마크 좌표계의 y축에 수평하도록, 상기 모바일 로봇을 회전시킨다. 그러면, 도 12의 (a)에서 모바일 로봇이 θe만큼 시계 반대 방향으로 회전한 상태가 될 것이다. 이 경우에도 최소 각도로 회전하여 상기 모바일 로봇의 이동 방향선이 상기 랜드 마크 좌표계의 y축에 수평하도록 하기 위하여 시계 반대 방향으로 모바일 로봇을 회전하도록 하는 것이다.
그런 다음, y축 방향의 보정을 수행한다. 즉, 상기 상태에서 상기 모바일 로봇을 y축 방향으로 ye 만큼 이동시켜 y축 방향으로 위치 오차를 보정한다. 여기서 y축 방향으로 이동이란 당연히 랜드 마크 좌표계의 y축의 보정을 위한 이동으로서, 모바일 로봇의 두 바퀴의 중심축이 x축과 일치되도록 하는 이동을 의미한다.
y축 보정이 수행되었기 때문에, 다음은 x축 보정을 수행한다. 이를 위하여 상기 모바일 로봇의 이동 방향선이 x축과 일치하도록, 상기 모바일 로봇을 90°회전시킨다. 그런 다음, 상기 모바일 로봇을 x축 방향으로 xe 만큼 이동시켜 x축 방향 의 위치를 보정한다. 여기서 x축 방향으로 이동이란 당연히 랜드 마크 좌표계의 x축의 보정을 위한 이동으로서, 모바일 로봇의 두 바퀴의 중심축이 y축과 일치되도록 하는 이동을 의미한다.
이와 같은 과정을 통하여, 모바일 로봇의 중심을 랜드 마크 좌표계의 원점으로 이동하여 위치 오차를 보정할 수 있다. 또한, 이와 같은 위치 오차 보정 과정을 수행하면, 모바일 로봇의 이동 방향선이 x축 또는 y축에 일치되기 때문에, 모바일 로봇의 두 바퀴 중심축도 x축 또는 y축에 일치한 상태가 된다.
상기와 같이 y축 위치 오차 보정을 수행한 후에 x축 위치 오차 보정을 수행한 경우에, 모바일 로봇의 최종 상태는, 위치 오차 보정이 완료된 상태에서 모바일 로봇의 이동 방향선이 x축과 일치된 상태에 있다.
상술한 바와 같이, 위치 오차 보정은 x축 보정 후에 y축 보정 순서로 수행할 수도 있고, y축 보정 후에 x축 보정 순서로 수행할 수도 있다. 다만, 위치 오차 보정 과정 중에, 모바일 이동 로봇의 총 회전각을 최소화시킴으로써, 전력 소모를 감소시키고 모바일 로봇의 작업 속도 또는 이동 속도를 향상시킬 필요가 있다.
따라서, 위치 오차 보정을 수행하는 현재의 랜드 마크에서 다음 목적지(랜드 마크) 이동 방향(도 12의 (a)에서 MD로 표기됨)을 고려하여 위치 오차 보정 순서를 결정하는 것이 바람직하다.
만약, 다음 목적지 이동 방향(MD)이 x축 방향이라면, y축 방향의 위치 오차 보정을 먼저 수행한 후, x축 방향의 위치 오차 보정을 수행하고, 다음 목적지 이동 방향(MD)이 y축 방향이라면, x축 방향의 위치 오차 보정을 먼저 수행한 후, y축 방향의 위치 오차 보정을 수행한다.
이와 같이, 다음 목적지 이동 방향을 고려하여 위치 오차 보정 순서를 결정함으로써, 위치 오차 보정 과정에서의 모바일 로봇의 총 회전각을 최소화할 수 있다. 예를 들어, 도 12의 (a)에 도시된 바와 같이, 다음 목적지 이동 방향(MD)이 y축 방향이라면, 도 12에 도시된 절차대로, x축 방향으로 위치 오차 보정을 먼저 수행한 후에 y축 방향으로 위치 오차 보정을 수행하여, 최종 위치 오차 보정을 수행하는 것이 바람직하다.
상기 도 12에 도시된 절차대로(x축 보정 후 y축 보정) 보정을 수행하면, θe가 30°라 가정할 때, 위치 오차 보정 과정에서 상기 모바일 로봇은 총 150°만큼 회전하여 위치 오차 보정을 완료하고, 다음 목적지로 이동할 수 있다. 즉, x축 보정을 하기 위하여 회전하는 각이 60°(도 12의 (a)에서 도 12의 (b)로 가기 위한 회전각)이고 y축 보정을 하기 위하여 회전하는 각이 90°(도 12의 (c)에서 도 12의 (d)로 가기 위한 회전각)이며, 위치 오차 보정이 완료되면, 별도의 회전 없이 다음 목적지로 이동하면 되기 때문에, 총 회전각은 150°가 된다.
그러나, 반대로, y축 방향으로 위치 오차 보정을 먼저 수행하고, x축 방향으로 위치 오차 보정을 수행하여 최종 위치 오차 보정을 완료한 후, 다음 목적지로 이동하기 위해서는 총 210°만큼 상기 모바일 로봇은 회전하게 된다. 즉, 최초 y축 보정을 수행하기 위하여 회전하는 각이 30°이고, 다음 x축 보정을 수행하기 위하 여 회전하는 각이 90°이며, 다음 목적지 이동 방향으로 상기 모바일 로봇의 이동 방향선을 향하게 하기 위하여 회전하는 각이 90°이기 때문에, 모바일 로봇의 총 회전각은 210°가 된다.
이와 같이, 위치 오차 보정과 다음 목적지(랜드 마크)로 이동을 반복하는 모바일 로봇의 위치 오차 보정은 상술한 바와 같은 규칙에 따라 수행하는 것이 전력 소모 등을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
지금까지는 모바일 로봇이 랜드 마크에 위치할 때, 정지 상태에서 위치 오차를 추정하고, 추정된 위치 오차 값들을 이용하여 위치 오차를 보정하는 방법에 대하여 설명하였다. 이러한 위치 오차 추정 및 보정 방법은 정확한 위치 인식의 장점이 있으나, 항상 랜드 마크 위에서 위치 오차 추정 및 보정이 이루어져야 하며, 로봇이 연속적으로 경로를 이동하는 경우에는 비효율적인 문제가 있을 수 있다.
따라서, 다음은 본 발명의 제2 실시예에 해당하는 모바일 로봇이 이동판에서 정지하지 않고 계속해서 이동하는 경우에 적용할 수 있는 홀 센서를 이용한 모바일 로봇의 위치 오차 추정 및 보정 방법에 대하여 살펴본다.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 홀 센서를 이용한 모바일 로봇의 위치 오차 추정 및 보정 방법에 관한 절차도이다.
특정 랜드 마크 중심에서 모바일 로봇이 출발하여, 정해진 이동 경로를 따라 다른 랜드 마크들을 거쳐 계속적으로 이동한다고 가정할 때, 가장 이상적인 이동은 각 랜드마크의 중심점을 연결하는 직선을 그대로 따라가면서 이동하고, 랜드 마크 에 도착할 때에는 모바일 로봇의 중심이 랜드 마크의 중심에 일치하는 경우일 것이다.
그러나, 다양한 변수에 의하여 상기와 같이 이상적인 이동을 하지 못하고, 위치 오차를 지속적으로 발생하게 된다. 따라서, 무시할 수 없을 정도의 위치 오차가 발생하면, 이동 중에 위치 오차를 추정하고, 이동하면서 위치 오차를 보정할 필요가 있다.
도 13에 도시된 바와 같이, 이동판에서 정지하지 않고 이동하는 모바일 로봇이 랜드 마크를 지나갈 때에 모바일 로봇의 위치 오차(xe, ye, θe)를 추정한다(S200). 즉, 모바일 로봇의 이동 중에, 모바일 로봇의 바닥면에 부착되는 네 개의 홀 센서에 의하여 전압이 검출되면, 현재의 랜드 마크의 중심점에서 벗어난 상기 모바일 로봇의 위치 오차(xe, ye, θe)를 추정한다.
구체적으로, 이동판에서 정지하지 않고 이동하는 상기 모바일 로봇이 랜드 마크를 지나면서, 네 개의 홀 센서들에 의하여 전압을 검출하면, 상기 랜드 마크의 중심점에서 벗어난 상기 모바일 로봇의 위치 오차(xe, ye, θe)를 추정한다. 이 위치 오차 추정 방법은 이동 중에 있는 모바일 로봇의 특정 시점에서 위치 오차를 추정하는 방법이기 때문에, 그 방법은 상술한 제1 실시예에서의 위치 오차 추정 방법과 동일하다. 따라서, 이에 대한 설명은 생략한다.
상기와 같은 단계 200에서 위치 오차를 추정하면, 이를 이용하여 위치 오차를 보정하는 단계를 수행해야 한다. 이를 위하여, 상기 위치 오차 추정 직후, 상기 모바일 로봇이 기준 궤도(reference trajectory)로 진입하기 위한 곡선 경로를 생성한다(S210). 상기 곡선 경로가 생성되면, 상기 모바일 로봇을 상기 생선된 곡선 경로를 따라 이동시킨다(S230).
상기 기준 궤도(reference trajectory)란 상기 위치 오차 추정이 이루어진 랜드 마크의 중심점과 다음 목적지에 해당하는 랜드 마크의 중심점을 직선으로 연결한 경로를 의미한다. 이 기준 궤도는 모바일 로봇의 가장 이상적인 이동 경로에 해당한다.
상기와 같이, 위치 오차가 발생한 경우에는 상기 기준 궤도에서 벗어난 상태로 모바일 로봇이 이동하고 있고, 그대로 이동시킨다면, 더 심각한 위치 오차가 발생할 것은 당연하다. 따라서, 위치 오차를 보정하기 위하여, 곡선 경로를 생성하여 상기 모바일 로봇이 상기 기준 궤도에 진입할 수 있도록 이동시킨다.
본 발명에서는 급격한 동작 변화에 의한 파생적인 위치 오차 발생을 억제하기 위하여 부드러운 곡선 경로를 이용한다. 상기와 같이 생성된 곡선 경로를 따라 모바일 로봇을 이동시키면서, 상기 모바일 로봇이 기준 궤도에 진입하는가를 판단한다(S240).
만약, 상기 곡선 경로를 따라 이동하는 모바일 로봇이 상기 기준 궤도에 진입한 것으로 판단되면, 상기 모바일 로봇이 상기 기준 궤도를 따라 이동하도록 구동한다. 즉, 모바일 로봇이 상기 곡선 경로를 따라 이동하다가 기준 궤도에 진입하면, 상기 모바일 로봇을 상기 기준 궤도를 따라 이동시켜 위치 오차를 최종적으로 보정한다(S250). 이와 같이 기준 궤도를 따라 모바일 로봇이 이동하게 되면, 다음 목적지에 해당하는 랜드 마크 위에서는 단계 S200에서 추정한 위치 오차보다 매우 작은 위치 오차가 발생할 것이다.
한편, 상기 단계 S200에서 추정한 위치 오차가 무시할 정도의 위치 오차이면(위치 오차 보정을 수행하지 않아도 다음 목적지에 해당하는 랜드 마크의 중심에 모바일 로봇이 위치할 수 있을 정도의 위치 오차), 많은 계산 및 판단이 요구되고 로봇 구동이 까다로운 위치 오차 보정 단계(S210, S230, S240, S250)를 수행하지 않고(즉, 곡선 경로를 생성한 후, 이 곡선 경로를 따라 모바일 로봇을 이동시키지 않고), 일반적인 이동 방법으로 다음 목적지로 모바일 로봇을 이동시킨다.
즉, S200 단계 다음에는, 추정된 위치 오차가 오차 허용 기준값 이하인지를 판단하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다(S205). 상기 오차 허용 기준값에 대한 설명은 상술한 제1 실시예에서의 오차 허용 기준값과 동일하기 때문에 생략한다.
상기와 같은 본 발명의 제2 실시예에 따른 홀 센서를 이용한 모바일 로봇의 위치 오차 추정 및 보정 방법에서는 단계 S210에서 수행되는 곡선 경로를 생성하는 단계가 중요한 특징이다.
상기 곡선 경로 생성 방법에 대하여 도 14를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 14에 도시된 바와 같이, 보여지는 두개의 랜드 마크 중에, 왼쪽에 있는 랜드 마크에 모바일 로봇이 위치할 때, 위치 오차(xe, ye, θe)를 추정한다. 이와 같이, 현 상태에서의 모바일 로봇은 랜드 마크 중심점(xs, ys)에서도 벗어나 있고, 가고자 하는 방향을 가리키는 모바일 로봇의 이동 방향선(Lm)도 다음 목적지에 해당하는 랜드 마크(도 14에서 오른쪽에 보여지는 랜드 마크)에서 많이 벗어나 있다.
따라서, 위치 오차 보정이 필요하고, 결과적으로 곡선 경로를 생성해야 한다. 상기 곡선 경로는 반지름이 상수 r1인 제1 원(C1)의 호와 반지름이 상수 r2인 제2 원(C2)의 호로 이루어진다. 더 상세하게 설명하면, 제1 원의 일부의 호와 제2 원의 일부의 호가 연결되어 이루어진다.
상기 제1 원(C1)은 도 14에 도시된 바와 같이, 상기 위치 오차를 추정하는 시점에 상기 모바일 로봇이 위치하는 지점(모바일 로봇의 중심점, (xc, yc))을 지나가고, 상기 제1 원(C1)의 중심(xr1, yr1)은 도 14에 도시된 바와 같이, 상기 위치 오차를 추정하는 시점에서의 상기 모바일 로봇의 이동 방향선(Lm)에 수직인 선에 존재하되, 상기 위치 오차를 추정하는 시점에 상기 모바일 로봇이 위치하는 지점(모바일 로봇의 중심점, (xc, yc))에서 r1만큼 떨어진 지점에 위치한다.
이때, 상기 위치 오차를 추정하는 시점에 상기 모바일 로봇이 위치하는 지점(모바일 로봇의 중심점, (xc, yc))에서 r1만큼 떨어진 지점은 두 개의 지점인데, 선택되는 지점은 당연히 다음 목적지에 해당하는 랜드 마크로 모바일 로봇이 유도될 수 있는 곡선 경로를 발생하는 지점이다.
상기 제2 원(C2)은 도 14에 도시된 바와 같이, 상기 제1 원(C1)과 반드시 외 접하고, 제2 원의 중심(xr2, yr2)이 도 14에 도시된 바와 같이, 상기 기준 궤도(yref)에 수직인 선에 존재하되, 상기 기준 궤도에서 r2만큼 떨어진 지점에 위치한다.
이때, 상기 기준 궤도에서 r2만큼 떨어진 지점은 두 개의 지점인데, 선택되는 지점은 당연히 다음 목적지에 해당하는 랜드 마크로 모바일 로봇이 유도될 수 있는 곡선 경로를 발생하는 지점이다.
상기 제1 원(C1)의 중심 좌표(xr1, yr1)와 제2 원(C2)의 중심 좌표(xr2, yr2)는 다음 수식 (5)에 의하여 구해진다.
Figure 112009056047757-PAT00010
수식 (5)
그리고, 상기 수식 (5)에 포함되어 있는 yref는 다음 수식 (6)에 의하여 구해진다.
Figure 112009056047757-PAT00011
수식 (6)
상기 수식 (5) 또는 수식 (6)에서 (xe, ye, θe)는 상기 추정된 위치 오차 값이고, (xc, yc)는 상기 위치 오차를 추정하는 시점에 상기 모바일 로봇이 위치하는 지점의 좌표 값이고, θc는 상기 위치 오차를 추정하는 시점에서의 상기 모바일 로봇의 이동 방향선이 모바일 로봇의 중심을 지나는 수평선으로부터 비틀어진 각이고(도 15에서 θc로 표기됨), (xs, ys)는 상기 위치 오차를 추정하는 시점에서 상기 모바일 로봇이 위치하고 있는 랜드 마크의 중심점 좌표 값이고, (xg, yg)는 상기 모바일 로봇의 다음 목적지에 해당하는 랜드 마크의 중심점 좌표값이다.
상기와 같이, 서로 외접하게 위치하는 제1 원(C1)과 제2 원(C2)이 결정되면, 상기 모바일 로봇이 이동하는 곡선 경로를 생성할 수 있는데, 그 곡선 경로(도 14에서 제1 원(C1)의 호와 제2 원(C2)의 호가 연결되어 형성되는 두꺼운 실선)는 상기 위치 오차를 추정하는 시점에 상기 모바일 로봇이 위치하는 지점에서 제1 원(C1)과 제2 원(C2)의 접점(변곡점)을 지나, 상기 제2 원(C2)의 호를 따라 상기 기준 궤도에 진입하는 데까지의 경로이다.
한편, 상기와 같이 곡선 경로를 따라 모바일 로봇을 이동시키는 동작은 다음과 같은 모바일 로봇의 동역학 특성을 통하여 이루어진다.
상기 모바일 로봇이 곡선 경로 중, 제1 원(C1)의 호에 해당하는 곡선 경로를 이동하는 경우에는 제1 원(C1)의 반지름인 상수 r1이 유지되는 상태로 모바일 로봇이 이동될 수 있도록 모바일 로봇을 제어하면 된다.
즉, 아래 수식 (7)을 이용하여 모바일 로봇을 구동 제어하면 된다.
Figure 112009056047757-PAT00012
수식 (7)
따라서, r1은 그대로 유지된 상태로 모바일 로봇이 곡선 경로를 따라 이동해야하기 때문에, 모바일 로봇의 동역학에 관련된 직선 속력(vc) 및 회전 속력(wc)을 조절하여 모바일 로봇이 곡선 경로를 따라 이동할 수 있도록 하면 된다.
도 15는 두 개의 바퀴가 각각 구동되는 모바일 로봇의 동역학을 설명하기 위한 이해도이다. 도 15에 도시된 바와 같이, vc는 모바일 로봇의 직선 속력을 의미하고, wc는 모바일 로봇의 회전 속력을 의미한다. 이와 같은 모바일 로봇의 직선 속력과 회전속력을 조절하여 상수인 반지름 r1을 유지하며 곡선 경로를 따라 이동할 수 있다.
한편, 상기 모바일 로봇의 직선 속력(vc) 및 회전 속력(wc)은 각각 다음과 같은 수식 (8) 및 수식 (9)에 의하여 계산될 수 있다.
Figure 112009056047757-PAT00013
수식 (8)
Figure 112009056047757-PAT00014
수식 (9)
여기서 rw, dw, wr 및 wl은 각각 도 15에 도시된 바와 같이, 모바일 로봇의 바퀴 반경, 모바일 로봇의 두 바퀴 사이의 거리, 모바일 로봇의 오른쪽 바퀴의 회전 속력, 모바일 로봇의 왼쪽 바퀴의 회전 속력을 의미한다.
한편, 상기와 같이 곡선 경로 중에, 상기 제1 원(C1)의 호를 따라 이동하는 모바일 로봇의 위치가 제1 원(C1)과 제2 원(C2)이 외접하는 점(변곡점)에 있으면, 상기 접점을 변곡점으로 하여, 모바일 로봇은 제2의 원(C2)의 호를 따라 이동한다. 제2의 원의 호를 따라 이동하는 경우에도 r2는 그대로 유지된 상태로 모바일 로봇의 직선 속력 및 회전 속력을 조절하여 곡선 경로를 따라 이동될 수 있도록 한다. 이때의 모바일 로봇의 동역학 특성은 제1 원의 호를 따라 이동하는 경우와 동일하므로 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명에 적용되는 모바일 로봇의 사시도이다.
도 2는 본 발명에 적용되는 모바일 로봇의 바닥면을 보여주는 상세도이다.
도 3은 본 발명에 적용되는 홀 센서 출력전압과 홀센서 위치 관계를 설명하기 위한 이해도이다.
도 4는 본 발명에 적용되는 이동판의 예시도이다.
도 5는 본 발명에 적용되는 이동판에 복수개의 랜드 마크가 형성된 것을 보여주는 예시도이다.
도 6은 본 발명에 적용되는 랜드 마크 좌표계이다.
도 7은 본 발명에 적용되는 위치 오차가 없는 경우를 설명하기 위한 이해도이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 절차도이다.
도 9는 본 발명에 적용되는 위치 오차 추정을 설명하기 위한 이해도이다.
도 10은 본 발명에 적용되는 위치 오차 값을 설명하기 위한 이해도이다.
도 11은 본 발명에 적용되는 위치 오차 보정 절차를 설명하기 위한 동작 절차도이다.
도 12는 본 발명에 적용되는 위치 오차 보정 절차를 설명하기 위한 또 다른 동작 절차도이다.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 절차도이다.
도 14는 본 발명의 제2 실시예에 적용되는 곡선 경로를 생성하는 방법을 설 명하기 위한 이해도이다.
도 15는 모바일 로봇의 동역학 특성을 설명하기 위한 이해도이다.

Claims (12)

  1. 홀 센서를 이용한 모바일 로봇의 위치 오차 추정 및 보정 방법에 있어서,
    네 개의 자석으로 구성된 랜드 마크 상에 정지한 상기 모바일 로봇의 바닥면에 부착된 네 개의 홀 센서 각각에서 전압을 검출한 후, 홀 센서 출력 전압-홀 센서 위치 관계식을 이용하여, 각각의 홀 센서와, 이 각각의 홀 센서에 대응하는 각 자석의 중심선 사이의 수평 최단 거리들(l1, l2, l3, l4)을 구하고, 이 수평 최단 거리들을 이용하여 랜드 마크 좌표계의 원점에서 벗어난 상기 모바일 로봇의 위치 오차(xe, ye, θe)를 추정하는 단계;
    상기 모바일 로봇이 상기 랜드 마크 좌표계의 원점으로 이동될 수 있도록, 상기 추정된 정 위치 오차만큼 상기 모바일 로봇을 이동시켜 위치 오차를 보정하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 홀 센서를 이용한 모바일 로봇의 위치 오차 추정 및 보정 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 모바일 로봇의 위치 오차를 추정하는 단계와 상기 위치 오차를 보정하는 단계 사이에, 상기 추정된 위치 오차가 사전에 정해진 오차 허용 기준값 이하인지를 판단한 후, 상기 추정된 위치 오차가 상기 오차 허용 기준값 이하가 아닌 경 우에만 상기 위치 오차를 보정하는 단계를 수행하도록 하는 위치 오차 확인 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 홀 센서를 이용한 모바일 로봇의 위치 오차 추정 및 보정 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 모바일 로봇의 위치 오차(xe, ye, θe) 는
    Figure 112009056047757-PAT00015
    ,
    Figure 112009056047757-PAT00016
    ,
    Figure 112009056047757-PAT00017
    의 수식을 이용하여 추정하되, 상기 l2 및 l4는 랜드 마크 좌표계의 y축과, 이 y축 상에 놓여 있는 두개의 자석에 각각 대응하는 홀 센서 사이의 수평 최단거리이고, 상기 l1 및 l3는 랜드 마크 좌표계의 x축과, 이 x축 상에 놓여 있는 두개의 자석에 각각 대응하는 홀 센서 사이의 수평 최단거리이며, 상기 d는 서로 대향하고 있는 홀 센서들 사이의 거리인 것을 특징으로 하는 홀 센서를 이용한 모바일 로봇의 위치 오차 추정 및 보정 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 θe 는 상기 모바일 로봇의 두 바퀴의 중심축과 랜드 마크 좌표계의 x 축 사이의 각이거나 또는 상기 모바일 로봇의 두 바퀴의 중심축과 랜드 마크 좌표계의 y축 사이의 각인 것을 특징으로 하는 홀 센서를 이용한 모바일 로봇의 위치 오차 추정 및 보정 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 θe 는 상기 모바일 로봇의 두 바퀴의 중심축과 랜드 마크 좌표계의 x축 사이의 각과, 상기 모바일 로봇의 두 바퀴의 중심축과 랜드 마크 좌표계의 y축 사이의 각 중, 절대값이 작은 각인 것을 특징으로 하는 홀 센서를 이용한 모바일 로봇의 위치 오차 추정 및 보정 방법.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 위치 오차를 보정하는 단계는,
    상기 추정된 위치 오차 값들을 이용하여 상기 모바일 로봇의 이동 방향선이 상기 랜드 마크 좌표계의 원점을 지나도록, 상기 모바일 로봇을 회전시키는 과정, 상기 추정된 위치 오차 값들을 이용하여 상기 모바일 로봇을 상기 랜드 마크 좌표계의 원점으로 이동시키는 과정, 상기 추정된 위치 오차 값들을 이용하여 상기 모바일 로봇의 이동 방향선이 상기 랜드 마크 좌표계의 x축 또는 y축에 일치하도록, 상기 모바일 로봇을 회전시키는 과정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 홀 센서를 이용한 모바일 로봇의 위치 오차 추정 및 보정 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 모바일 로봇의 이동 방향선이 상기 랜드 마크 좌표계의 x축 또는 y축에 일치하도록 상기 모바일 로봇을 회전시키는 과정은, 상기 모바일 로봇의 이동 방향선이 상기 모바일 로봇의 다음 목적지 이동 방향을 향하도록 회전되는 과정인 것을 특징으로 하는 홀 센서를 이용한 모바일 로봇의 위치 오차 추정 및 보정 방법.
  8. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 위치 오차를 보정하는 단계는,
    상기 추정된 위치 오차 값들 중, 상기 θe 를 이용하여 상기 모바일 로봇의 이동 방향선이 상기 랜드 마크 좌표계의 x축(또는 y축)에 수평하도록, 상기 모바일 로봇을 회전시키는 제1 과정, 상기 모바일 로봇을 x축(또는 y축) 방향으로 xe(또는 ye)만큼 이동시켜 x축(또는 y축) 방향의 위치를 보정하는 제2 과정, 상기 모바일 로봇의 이동 방향선이 y축(또는 x축)과 일치하도록, 상기 모바일 로봇을 90 °회전시키는 제3 과정, 상기 모바일 로봇을 y축(또는 x축) 방향으로 ye(또는 xe)만큼 이동시켜 y축(또는 x축) 방향의 위치를 보정하는 제4 과정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 홀 센서를 이용한 모바일 로봇의 위치 오차 추정 및 보정 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 위치 오차를 보정하는 단계는, 다음 목적지 이동 방향이 x축 방향이라면, y축 방향의 위치 오차 보정을 먼저 수행한 후, x축 방향의 위치 오차 보정을 수행하고, 다음 목적지 이동 방향이 y축 방향이라면, x축 방향의 위치 오차 보정을 먼저 수행한 후, y축 방향의 위치 오차 보정을 수행하는 것을 특징으로 하는 홀 센서를 이용한 모바일 로봇의 위치 오차 추정 및 보정 방법.
  10. 홀 센서를 이용한 모바일 로봇의 위치 오차 추정 및 보정 방법에 있어서,
    이동판에서 정지하지 않고 이동하는 상기 모바일 로봇이 랜드 마크를 지나면서, 네 개의 홀 센서들에 의하여 전압을 검출하면, 상기 랜드 마크의 중심점에서 벗어난 상기 모바일 로봇의 위치 오차(xe, ye, θe)를 추정하는 단계;
    상기 위치 오차를 추정한 직후, 상기 모바일 로봇이 상기 랜드 마크의 중심점과 다음 목적지에 해당하는 랜드 마크의 중심점을 직선으로 연결한 기준 궤도(reference trajectory)로 진입하기 위한 곡선 경로를 생성하여, 상기 모바일 로봇을 상기 곡선 경로를 따라 이동시키는 단계;
    상기 곡선 경로를 따라 이동하는 모바일 로봇이 상기 기준 궤도에 진입하면, 상기 모바일 로봇을 상기 기준 궤도를 따라 이동시켜 위치 오차를 보정하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 홀 센서를 이용한 모바일 로봇의 위치 오차 추정 및 보정 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 곡선 경로는 반지름이 상수 r1인 제1 원(C1)의 호와 반지름이 상수 r2인 제2 원(C2)의 호로 이루어지고,
    상기 제1 원(C1)은 상기 위치 오차를 추정하는 시점에 상기 모바일 로봇이 위치하는 지점을 지나가고, 상기 제1 원(C1)의 중심은 상기 위치 오차를 추정하는 시점에서의 상기 모바일 로봇의 이동 방향선(Lm)에 수직인 선에 존재하되, 상기 위치 오차를 추정하는 시점에 상기 모바일 로봇이 위치하는 지점에서 r1만큼 떨어진 지점에 위치하며,
    상기 제2 원(C2)은 상기 제1 원(C1)과 접하고, 원의 중심이 상기 기준 궤도에 수직인 선에 존재하되, 상기 기준 궤도에서 r2만큼 떨어진 지점에 위치하되,
    상기 모바일 로봇이 이동하는 곡선 경로는 상기 위치 오차를 추정하는 시점에 상기 모바일 로봇이 위치하는 지점에서 제1 원(C1)과 제2 원(C2)의 접점(변곡점)을 지나, 상기 제2 원(C2)의 호를 따라 상기 기준 궤도에 진입하는 경로인 것을 특징으로 하는 홀 센서를 이용한 모바일 로봇의 위치 오차 추정 및 보정 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 원(C1)의 중심 좌표(xr1, yr1)와 제2 원(C2)의 중심 좌표(xr2, yr2)는 다음 수식에 의하여 구해지되,
    Figure 112009056047757-PAT00018
    여기서, yref는
    Figure 112009056047757-PAT00019
    에 의하여 결정되고, (xe, ye, θe)는 상기 추정된 위치 오차 값이고, (xc, yc)는 상기 위치 오차를 추정하는 시점에 상기 모바일 로봇이 위치하는 지점의 좌표 값이고, θc는 상기 위치 오차를 추정하는 시점에서의 상기 모바일 로봇의 이동 방향선이 모바일 로봇의 중심을 지나는 수평선으로부터 비틀어진 각이고, (xs, ys)는 상기 위치 오차를 추정하는 시점에서 상기 모바일 로봇이 위치하고 있는 랜드 마크의 중심점 좌표 값이고, (xg, yg)는 상기 모바일 로봇의 다음 목적지에 해당하는 랜드 마크의 중심점 좌표값인 것을 특징으로 하는 홀 센서를 이용한 모바일 로봇의 위치 오차 추정 및 보정 방법.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107160397A (zh) * 2017-06-09 2017-09-15 杭州亚美利嘉科技有限公司 机器人行走的模块地标、地标及其机器人
CN112149675A (zh) * 2020-09-04 2020-12-29 雅客智慧（北京）科技有限公司 获取图表信息数据的方法、电子设备及可读存储介质
CN112147994A (zh) * 2019-06-28 2020-12-29 深圳市优必选科技股份有限公司 一种机器人及其回充控制方法和装置
CN113691190A (zh) * 2021-08-26 2021-11-23 聚辰半导体股份有限公司 一种提取误差法修正闭环音圈马达磁场两端非线性的方法
CN114942625A (zh) * 2021-02-09 2022-08-26 北京小米移动软件有限公司 机器人的充电控制方法、装置及机器人
CN117110952A (zh) * 2023-08-18 2023-11-24 南京中旭电子科技有限公司 用于霍尔传感器的信号处理方法以及信号处理装置

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030091572A (ko) * 2002-05-28 2003-12-03 동 규 김 반사기능을 갖는 우레탄 성형물 및 그 제조방법
WO2005092632A1 (en) 2004-03-27 2005-10-06 Microrobot Co., Ltd. Navigation system for position self control robot and floor materials for providing absolute coordinates used thereof
KR200391572Y1 (ko) 2005-03-21 2005-08-08 (주)세오전자 자석 센서를 이용한 자율 이동 로봇의 절대 좌표 인식장치
KR20070108618A (ko) * 2006-05-08 2007-11-13 주식회사 대우일렉트로닉스 로봇 청소기의 위치 인식 구조 및 이를 이용한 로봇 청소기
JP4379439B2 (ja) 2006-06-27 2009-12-09 株式会社豊田自動織機 位置検出システム

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107160397A (zh) * 2017-06-09 2017-09-15 杭州亚美利嘉科技有限公司 机器人行走的模块地标、地标及其机器人
CN112147994A (zh) * 2019-06-28 2020-12-29 深圳市优必选科技股份有限公司 一种机器人及其回充控制方法和装置
CN112149675A (zh) * 2020-09-04 2020-12-29 雅客智慧（北京）科技有限公司 获取图表信息数据的方法、电子设备及可读存储介质
CN112149675B (zh) * 2020-09-04 2024-01-12 雅客智慧（北京）科技有限公司 获取图表信息数据的方法、电子设备及可读存储介质
CN114942625A (zh) * 2021-02-09 2022-08-26 北京小米移动软件有限公司 机器人的充电控制方法、装置及机器人
CN113691190A (zh) * 2021-08-26 2021-11-23 聚辰半导体股份有限公司 一种提取误差法修正闭环音圈马达磁场两端非线性的方法
CN117110952A (zh) * 2023-08-18 2023-11-24 南京中旭电子科技有限公司 用于霍尔传感器的信号处理方法以及信号处理装置
CN117110952B (zh) * 2023-08-18 2024-02-02 南京中旭电子科技有限公司 用于霍尔传感器的信号处理方法以及信号处理装置

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