KR20110114975A - 이동 로봇용 영상 안정화 장치 - Google Patents

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KR20110114975A
KR20110114975A KR1020100034395A KR20100034395A KR20110114975A KR 20110114975 A KR20110114975 A KR 20110114975A KR 1020100034395 A KR1020100034395 A KR 1020100034395A KR 20100034395 A KR20100034395 A KR 20100034395A KR 20110114975 A KR20110114975 A KR 20110114975A
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Abstract

이동 로봇의 주행 중 안정된 영상을 획득하게 하는 영상 안정화 장치를 개시한다. 영상 안정화 장치는 베이스 프레임과, 자세 방위 기준장치와, 카메라와, 3축 구동 유닛과, 조종부, 통신부, 및 제어부를 포함한다. 베이스 프레임은 이동 로봇에 고정된다. 자세 방위 기준장치는 베이스 프레임 상에 장착되어 이동 로봇의 요(yaw), 피치(pitch), 및 롤(roll) 동작을 검출한다. 카메라는 베이스 프레임의 상부에 배치되어 목표물에 대한 영상을 촬영한다. 3축 구동 유닛은 베이스 프레임 상에 장착되어 카메라를 요 축, 피치 축, 및 롤 축의 3축으로 회전시키며, 3축은 공통 점(common point)을 지나도록 배치된다. 조종부는 카메라의 시선을 목표물에 대해 원격 조종하기 위한 것이다. 통신부는 조종부와의 원격 통신을 위해 베이스 프레임에 장착된다. 제어부는 베이스 프레임 상에 장착되어 자세 방위 기준장치로부터 검출된 요, 피치, 및 롤 동작과 통신부를 거쳐 조종부에 의해 조종된 카메라의 시선 방향을 기초로, 이동 로봇의 주행 중 카메라의 시선이 목표물에 대해 항상 지향하도록 카메라의 요, 피치, 및 롤의 각도를 산출해서 3축 구동 유닛을 제어한다.

Description

이동 로봇용 영상 안정화 장치{Vision stabilization apparatus for mobile robot}
본 발명은 이동 로봇용 영상 안정화 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이동 로봇의 주행 중 안정된 영상을 획득하게 하는 영상 안정화 장치에 관한 것이다.
로봇이란 외부환경의 변화를 인식하고 스스로 상황을 판단하여 자율적으로 동작하거나, 인간과의 상호작용을 하는 기계 또는 시스템을 일컫는다. 로봇은 작업 목적에 따라 다양한 형태로 개발되어 활용되고 있다.
이 중에서, 무인 이동 로봇은 바퀴 또는 다리를 이용해서 자유롭게 이동할 수 있는 것으로, 원경조종제어 또는 자율제어에 의해 인간을 대신해서 위험 지역을 탐사하는데 이용된다. 예를 들면, 무인 이동 로봇은 행성 표면의 탐사나 군사운영 지역의 감시 등에 이용되고 있다.
이러한 무인 이동 로봇을 위해서는 비전 시스템이 필수적인 요소이다. 이는 비전 시스템이 촬영된 영상을 조종자 또는 제어 유닛에 제공하여 무인 이동 로봇의 주행을 제어할 수 있도록 하기 때문이다.
그런데, 전술한 무인 이동 로봇은 험지에서 운용되는 것이 일반적이다. 따라서, 무인 이동 로봇은 험지를 주행하는 과정에서 지면의 굴곡에 따라 자세의 변동이 있게 되며, 이로 인해 비전 시스템의 시선 또한 변동이 있게 된다. 그러면, 비전 시스템은 목표물에 대해 안정된 영상을 획득할 수 없게 되므로, 주행 제어, 탐사, 감시 기능 등이 제대로 수행되기 어렵다. 따라서, 무인 이동 로봇의 주행 중에, 비전 시스템은 안정된 영상을 얻기 위해 안정화될 필요가 있다.
본 발명의 과제는 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 이동 로봇의 주행 중 안정된 영상을 획득하여 원격 조종, 탐사, 감시 기능 등이 제대로 수행될 수 있게 하는 이동 로봇용 영상 안정화 장치를 제공함에 있다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 이동 로봇용 영상 안정화 장치는, 이동 로봇에 고정되는 베이스 프레임; 상기 베이스 프레임 상에 장착되어 상기 이동 로봇의 요(yaw), 피치(pitch), 및 롤(roll) 동작을 검출하는 자세 방위 기준장치; 상기 베이스 프레임의 상부에 배치되어 목표물에 대한 영상을 촬영하는 카메라; 상기 베이스 프레임 상에 장착되어 상기 카메라를 요 축, 피치 축, 및 롤 축의 3축으로 회전시키며, 상기 3축은 공통 점(common point)을 지나도록 배치되는 3축 구동 유닛; 상기 카메라의 시선을 목표물에 대해 원격 조종하기 위한 조종부; 상기 조종부와의 원격 통신을 위해 상기 베이스 프레임에 장착된 통신부; 및 상기 베이스 프레임 상에 장착되어 상기 자세 방위 기준장치로부터 검출된 요, 피치, 및 롤 동작과 상기 통신부를 거쳐 상기 조종부에 의해 조종된 카메라의 시선 방향을 기초로, 상기 이동 로봇의 주행 중 상기 카메라의 시선이 목표물에 대해 항상 지향하도록 상기 카메라의 요, 피치, 및 롤의 각도를 산출해서 상기 3축 구동 유닛을 제어하는 제어부;를 포함한다.
본 발명에 따르면, 이동 로봇이 험지에서 주행하는 과정에서, 지면의 굴곡에 따라 자세의 변동이 있게 되더라도, 카메라의 시선이 목표물에 대해 항상 지향하도록 제어될 수 있으므로, 카메라로부터 안정된 영상이 확보될 수 있다. 따라서, 안정되게 확보된 영상을 통해 이동 로봇의 주행 제어, 탐사, 감시 기능 등이 제대로 수행될 수 있다.
본 발명에 따르면, 3축 구동 유닛에서 3축은 공통 점을 지나도록 배치되므로, 제어부에서 카메라의 요, 피치, 및 롤의 각도를 산출하는 안정화 알고리즘이 보다 단순화될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 영상 안정화 장치는 모듈화된 구성을 갖기 때문에, 사용자가 이동 로봇으로부터 영상 안정화 장치만을 떼어내어 다른 이동 로봇에 장착하여 적용할 수 있는바, 활용성이 뛰어날 수 있다.
본 발명에 따르면, 3축 구동 유닛에서 각 회전부의 무게 중심이 각 회전 축선 상에 위치하므로, 각 구동부의 토크를 줄이는데 유리할 수 있다. 또한, 방진부재에 의해 이동 로봇으로부터 카메라로 전달되는 진동이 차단되므로, 카메라로부터 보다 안정된 영상이 획득될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇용 영상 안정화 장치에 대한 정면도.
도 2는 도 1의 이동 로봇용 영상 안정화 장치에 대한 사시도.
도 3은 도 2에 대한 측면도.
도 4는 도 2에 대한 분해 사시도.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 따른 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇용 영상 안정화 장치에 대한 정면도이고, 도 2는 도 1의 이동 로봇용 영상 안정화 장치에 대한 사시도이다. 그리고, 도 3은 도 2에 대한 측면도이며, 도 4는 도 2에 대한 분해 사시도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 이동 로봇용 영상 안정화 장치(100)는 이동 로봇(10)의 주행 중 안정된 영상을 획득할 수 있게 하는 것으로, 베이스 프레임(110)과, 자세 방위 기준장치(attitude and heading reference system; AHTS, 120)와, 카메라(130)와, 3축 구동 유닛(140)과, 조종부(150)와, 제어부(160), 및 통신부(170)를 포함한다.
베이스 프레임(110)은 이동 로봇(10)에 고정되며, 영상 안정화 장치(100) 전체가 이동 로봇(10)에 장착된 상태로 지지될 수 있게 한다. 자세 방위 기준장치(120)는 베이스 프레임(110) 상에 장착되어 이동 로봇(10)의 요(yaw), 피치(pitch), 및 롤(roll) 동작을 검출하기 위한 것이다. 즉, 이동 로봇(10)의 주행 중에, 이동 로봇(10)은 지형에 따라 자세와 방위가 변할 수 있는데, 이때 자세 방위 기준장치(120)는 이동 로봇(10)의 자세 및 방위를 검출하게 된다.
카메라(130)는 베이스 프레임(110)의 상부에 배치되어, 목표물에 대한 영상을 촬영한다. 카메라(130)는 촬영된 영상을 무선 송출할 경우 무선 카메라로 구성될 수 있다. 3축 구동 유닛(140)은 베이스 프레임(110) 상에 장착되어 카메라(130)를 롤 축(X 축), 피치 축(Y 축), 및 요 축(Z 축)의 3축으로 회전시키기 위한 것이다.
여기서, 3축 구동 유닛(140)에서 3축은 공통 점(common point)을 지나도록 배치된다. 이에 따라, 카메라(130)는 공통 점을 중심으로 롤, 피치, 및 요 동작하게 되므로, 제어부(160)에서 카메라(130)의 롤, 피치, 및 요의 각도를 산출하는 안정화 알고리즘이 보다 단순화될 수 있다. 일 예로, 3축 구동 유닛(140)에서, 롤 축(X 축)의 회전 범위는 -30°~ 30°, 피치 축(Y 축)의 회전 범위는 -20°~ 40°, 요 축(Z 축)의 회전 범위는 -60°~ 60°로 설정될 수 있다.
조종부(150)는 카메라(130)의 시선을 목표물에 대해 원격 조종하기 위한 것이다. 즉, 조종부(150)는 사용자로 하여금 카메라(130)의 시선을 원하는 목표물을 향하도록 원격 조종할 수 있게 한다. 조종부(150)로는 조이스틱 등의 입력장치가 이용될 수 있다.
통신부(170)는 조종부(150)와의 원격 통신을 위해 베이스 프레임에 장착된다. 통신부(170)로는 무선 통신 모듈, 예컨대 블루투스 통신 모듈 등이 이용될 수 있으며, 무선 통신 모듈에 의해 조이스틱의 명령을 제어부(160)로 송신할 수 있다.
제어부(160)는 이동 로봇(10)의 주행 중 카메라(130)의 시선이 목표물에 대해 항상 지향하도록 제어함으로써 카메라(130)로부터 안정된 영상을 획득할 수 있게 한다. 즉, 제어부(160)는 베이스 프레임(110) 상에 장착되어 자세 방위 기준장치(120)로부터 검출된 롤, 피치, 및 요 동작 정보와 통신부(170)를 거쳐 조종부(150)에 의해 조종된 카메라(130)의 시선 방향 정보를 제공받는다.
그러면, 제어부(160)는 제공받은 정보들을 기초로, 이동 로봇(10)의 주행 중 카메라(130)의 시선이 목표물에 대해 항상 지향하도록 카메라(130)의 롤, 피치, 및 요의 각도를 산출한다. 그 다음, 제어부(160)는 산출된 각도 값에 따른 제어 신호를 3축 구동 유닛(140)으로 출력해서 3축 구동 유닛(140)을 제어한다. 그 결과, 이동 로봇(10)의 주행 중 카메라(130)의 시선은 목표물에 대해 항상 지향하게 되므로, 카메라(130)로부터 안정된 영상이 획득될 수 있는 것이다.
제어부(160)에서 카메라(130)의 롤, 피치, 및 요의 각도를 산출하기 위한 안정화 알고리즘의 수학식들은 다음과 같이 이루어질 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
여기서, θx 는 롤의 각도, θy 는 피치의 각도, θz는 요의 각도를 나타낸다. 그리고, kx, ky, kz의 구성요소로 이루어진 k 벡터는 이동 로봇의 롤, 피치, 요 동작에 대한 함수이며, Px, Py, Pz의 구성요소를 갖는 P 벡터는 카메라의 시선 방향에 대한 함수를 나타낸다.
전술한 구성의 이동 로봇용 영상 안정화 장치(100)는, 이동 로봇(10)이 험지에서 주행하는 과정에서, 지면의 굴곡에 따라 자세의 변동이 있게 되더라도, 카메라(130)의 시선이 목표물에 대해 항상 지향하도록 제어될 수 있다. 따라서, 카메라(130)로부터 안정된 영상이 확보될 수 있으므로, 확보된 영상을 통해 이동 로봇(10)의 주행 제어, 탐사, 감시 기능 등이 제대로 수행될 수 있다. 또한, 본 실시예의 영상 안정화 장치(100)는 모듈화된 구성을 갖기 때문에, 사용자가 이동 로봇(10)으로부터 영상 안정화 장치(100)만을 떼어내어 다른 이동 로봇에 장착하여 적용할 수 있는바, 활용성이 뛰어날 수 있다.
한편, 3축 구동 유닛(140)은 다양하게 구성될 수 있는데, 일 예로, 회전 지지부(141)와, 요 축 회전부(142)와, 요 축 구동부(143)와, 피치 축 회전부(144)와, 피치 축 구동부(145), 및 롤 축 구동부(146)를 포함할 수 있다.
회전 지지부(141)는 베이스 프레임(110) 상에 장착된다. 회전 지지부(141)는 요 축 회전부(142)의 회전을 지지하기 위한 것이다. 회전 지지부(141)는 원판 형상으로 이루어지고, 중앙에 요 축 회전부(142)의 회전 축을 끼워서 지지하는 축 홀이 형성된 구조로 이루어질 수 있다. 요 축 회전부(142)는 회전 지지부(141) 상에 요 축(Z 축)으로 회전 가능하도록 설치된다. 요 축 회전부(142)는 원판 형상의 베이스(142a)와, 베이스(142a) 상에 피치 축 회전부(144)의 회전을 지지하기 위한 한 쌍의 지지 칼럼(142b)들, 및 지지 칼럼(142b)들에 각각 설치된 지지 축(142c)들이 형성된 구조로 이루어질 수 있다.
요 축 구동부(143)는 요 축 회전부(142)를 회전시키기 위한 것이다. 요 축 구동부(143)는 제1 회전 모터(143a)와, 제1 구동 풀리(143b), 제1 종동 풀리(143c), 및 제1 벨트(143d)를 포함하여 구성될 수 있다. 제1 회전 모터(143a)는 정,역 회전 가능하게 구성된다. 제1 회전 모터(143a)는 BLDC(Brushless DC) 모터가 이용될 수 있으며, BLDC 모터를 제어하기 위한 모터 드라이브가 구비될 수 있다. 이 경우, 제어부(160)는 DSP(Digital Signal Processor)를 기반으로 제1 회전 모터(143a)를 제어할 수 있다. 후술할 제2 회전 모터(145a) 및 제3 회전 모터(146a)의 경우도 마찬가지이다.
제1 구동 풀리(143b)는 제1 회전 모터(143a)의 구동 축에 고정된다. 여기서, 제1 회전 모터(143a)의 구동 축은 회전 지지부(141)를 관통하여 설치되고, 회전 지지부(141) 상에 제1 구동 풀리(143b)가 배치된다. 제1 종동 풀리(143c)는 요 축 회전부(142)의 회전 중심과 동축 상으로 배치되어 요 축 회전부(142)의 하면에 고정된다. 제1 벨트(143d)는 제1 구동 풀리(143b)와 제1 종동 풀리(143c)에 걸쳐져 제1 구동 풀리(143b)의 구동력이 제1 종동 풀리(143c)에 전달되게 한다. 한편, 제1 벨트(143d)의 텐션을 조정하기 위한 제1 텐션 롤러(143e)가 회전 지지부(141) 상에 설치될 수 있다.
피치 축 회전부(144)는 요 축 회전부(142) 상에 피치 축(Y 축)으로 회전 가능하도록 설치된다. 피치 축 회전부(144)는 요 축 회전부(142)의 지지 축(142c)들에 각각 끼워져 회전 지지되도록 축 홀들이 형성된 구조로 이루어질 수 있다. 그리고, 피치 축 회전부(144)는 카메라(130)를 롤 축(X 축)으로 회전 가능하도록 지지한다.
피치 축 구동부(145)는 피치 축 회전부(144)를 회전시키기 위한 것이다. 피치 축 구동부(145)는, 피치 축 회전부(144)에 장착되고 정,역 회전 가능한 제2 회전 모터(145a)와, 제2 회전 모터(145a)의 구동 축에 고정된 제2 구동 풀리(145b)와, 요 축 회전부(142)의 지지 축(142c)들 중 하나에 설치된 제2 종동 풀리(145c), 및 제2 구동 풀리(145b)와 제2 종동 풀리(145c)에 걸쳐지는 제2 벨트(145d)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 제2 벨트(145d)의 텐션을 조정하기 위한 제2 텐션 롤러(145e)가 피치 축 회전부(144)에 설치될 수 있다.
롤 축 구동부(146)는 카메라(130)를 롤 축(X 축)으로 회전시키기 위한 것이다. 롤 축 구동부(146)는, 피치 축 회전부(144)에 장착되고 정,역 회전 가능한 제3 회전 모터(146a)와, 제3 회전 모터(146a)의 구동 축에 고정된 제3 구동 풀리(146b)와, 피치 축 회전부(144)에 설치된 제3 종동 풀리(146c), 및 제3 구동 풀리(146b)와 제3 종동 풀리(146c)에 걸쳐지는 제3 벨트(146d)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 제3 벨트(146d)의 텐션을 조정하기 위한 제3 텐션 롤러(146e)가 피치 축 회전부(144)에 설치될 수 있다.
구동 토크를 줄이기 위해, 축(X 축), 피치 축(Y 축), 및 요 축(Z 축)을 중심으로 회전하는 각 부분은 각각의 회전 축선 상에 위치할 수 있다. 즉, 요 축 회전부(142), 피치 축 회전부(144), 및 카메라(130)의 각 무게 중심은 각각의 회전 축선 상에 위치할 수 있다. 이에 따라, 제1 내지 제3 회전 모터(143a)(145a)(146a)의 토크를 줄이는 데 유리할 수 있다.
한편, 카메라(130)로부터 촬영된 영상은 통신부(170)에 의해 모니터링 장치로 전송될 수 있다. 이에 따라, 사용자는 모니터링 장치로부터 출력되는 영상을 통해 이동 로봇(10)을 원격 조종할 수 있게 된다.
영상 안정화 장치(100)는 이동 로봇(10)으로부터 전원을 공급받아서 구동할 수 있다. 영상 안정화 장치(100)가 이동 로봇(10)으로부터 12V의 전원을 공급받는다면, 영상 안정화 장치(100)는 12V로 제1 내지 제3 회전 모터(143a)(145a)(146a)로 구동시키고, 레귤레이터를 통해 12V를 5V로 변환시켜 카메라(130), 제어부(160), 통신부(170) 등에 공급하도록 구성될 수 있다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 베이스 프레임(110)과 이동 로봇(10) 사이에는 방진부재(180)가 설치될 수 있다. 방진부재(180)는 이동 로봇(10)으로부터 카메라(130)로 전달되는 진동을 차단하여, 카메라(130)로부터 보다 안정된 영상을 획득할 수 있게 한다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
110..베이스 프레임 120..자세 방위 기준장치
130..카메라 140..3축 구동 유닛
150..조종부 160..제어부
170..통신부 180..방진부재

Claims (5)

  1. 이동 로봇에 고정되는 베이스 프레임;
    상기 베이스 프레임 상에 장착되어 상기 이동 로봇의 요(yaw), 피치(pitch), 및 롤(roll) 동작을 검출하는 자세 방위 기준장치;
    상기 베이스 프레임의 상부에 배치되어 목표물에 대한 영상을 촬영하는 카메라;
    상기 베이스 프레임 상에 장착되어 상기 카메라를 요 축, 피치 축, 및 롤 축의 3축으로 회전시키며, 상기 3축은 공통 점(common point)을 지나도록 배치되는 3축 구동 유닛;
    상기 카메라의 시선을 목표물에 대해 원격 조종하기 위한 조종부;
    상기 조종부와의 원격 통신을 위해 상기 베이스 프레임에 장착된 통신부; 및
    상기 베이스 프레임 상에 장착되어 상기 자세 방위 기준장치로부터 검출된 요, 피치, 및 롤 동작과 상기 통신부를 거쳐 상기 조종부에 의해 조종된 카메라의 시선 방향을 기초로, 상기 이동 로봇의 주행 중 상기 카메라의 시선이 목표물에 대해 항상 지향하도록 상기 카메라의 요, 피치, 및 롤의 각도를 산출해서 상기 3축 구동 유닛을 제어하는 제어부;
    를 포함하는 이동 로봇용 영상 안정화 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 3축 구동 유닛은:
    상기 베이스 프레임 상에 장착되는 회전 지지부와,
    상기 회전 지지부 상에 요 축으로 회전 가능하도록 설치된 요 축 회전부와,
    상기 요 축 회전부를 회전시키는 요 축 구동부와,
    상기 요 축 회전부 상에 피치 축으로 회전 가능하도록 설치되며 상기 카메라를 롤 축으로 회전 가능하도록 지지하는 피치 축 회전부와,
    상기 피치 축 회전부를 회전시키는 피치 축 구동부와,
    상기 카메라를 롤 축으로 회전시키는 롤 축 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇용 영상 안정화 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 요 축 회전부, 피치 축 회전부, 및 카메라의 각 무게 중심은 각각의 회전 축선 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇용 영상 안정화 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 프레임과 이동 로봇 사이에는 상기 이동 로봇으로부터 상기 카메라로 전달되는 진동을 차단하기 위한 방진부재가 설치되는 것을 특징으로 하는 이동 로봇용 영상 안정화 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 통신부는 상기 카메라로부터 촬영된 영상을 모니터링 장치로 전송하여 사용자가 상기 모니터링 장치로부터 출력되는 영상을 통해 상기 이동 로봇을 원격 조종하도록 된 것을 특징으로 하는 이동 로봇용 영상 안정화 장치.
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