KR20130043305A - 실내 천장 영상을 이용한 이동 로봇 위치 측정 장치 및 방법 - Google Patents

실내 천장 영상을 이용한 이동 로봇 위치 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 CCD 카메라 등의 영상촬영장치를 이용하여 천장 영상을 통해 실내용 이동 로봇의 위치를 측정하는 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 이동 로봇 위치 측정 장치는 실내 천장의 영상을 촬영하기 위한 영상촬영부, 상기 영상촬영부에 장착되어 천장의 모서리를 포함하는 전체 천장 영상을 얻기 위한 광각 렌즈부, 상기 영상촬영부에서 촬영된 영상을 디지털 영상신호로 처리하기 위한 영상신호 처리부 및 상기 영상신호 처리부에서 나온 영상신호를 이용하여 이동로봇의 위치를 측정하되, 상기 영상신호 중에서 천장의 모서리 및 천장에 위치한 실내등을 인식하고, 인식된 모서리 정보 및 실내등 정보를 이용하여 이동 로봇의 현재 위치를 측정하는 제어부를 포함한다. 본 발명에 의하면, 천장에 인공표식이 부착되어 있는 특정한 공간이 아니라 하더라도, 실내등이 있는 실내 공간이면 어디든지 이동 로봇의 위치를 파악할 수 있는 효과가 있다.

Description

실내 천장 영상을 이용한 이동 로봇 위치 측정 장치 및 방법 {Position estimation apparatus of mobile robot using indoor ceiling image}
본 발명은 CCD 카메라 등의 영상촬영장치를 이용하여 천장 영상을 통해 실내용 이동 로봇의 위치를 측정하는 방법에 관한 것으로, 천장에 인공표식을 부착하여 로봇의 위치를 파악하는 기존의 방법과는 달리, 천장에 있는 모서리와 실내등인 자연 표식을 사용하여 이동 로봇의 위치를 측정하는 방법에 관한 것이다.
비전 센서를 이용하여 이동 로봇이 자신의 위치를 측정하는 방법에는 크게 인공표식과 자연표식을 이용하여 위치를 측정하는 방법이 있다. 그 중에서도 천장 영상을 통해 이동 로봇의 위치를 측정하는 방법에는 천장에 인공표식을 부착하여 그 표식을 통해 로봇의 위치를 측정하는 방법이 많이 개발되고 있다. 이 방법은 인공표식을 적외선 센서를 통해 인식할 수 있는 표식을 사용하거나 특정 인공표식을 사용한다. 이는 천장에 인공표식을 부착하여 로봇의 위치를 측정해야 하므로, 천장에 인공표식을 부착하는데 어려움이 있고, 또한 천장에 인공표식이 부착된 곳에서만 이동 로봇의 위치를 측정할 수 있으므로 한정적인 공간에서만 사용할 수 있다는 문제점이 있다.
또한 자연표식을 사용하여 이동로봇의 위치를 측정하는 방법 또한 많이 개발 되고 있다. 문, 복도, 게시판 등과 같은 자연표식으로 이동 로봇의 위치를 측정하는 방법이 있지만, 이 방법은 주변과 경계가 뚜렷한 문이나 복도를 찾아서 자연표식으로 사용하여야 하므로, 특정 실내에서만 사용해야 한다는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 특2003-0026497 대한민국 공개특허공보 10-2006-0015163
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 천장 영상 중에서 모서리와 실내등을 이용하여 이동 로봇의 위치를 측정할 수 있는 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
즉, 본 발명은 비전 센서인 CCD 카메라에 어안렌즈를 부착하여 천장의 전체 영상을 받아와 천장과 벽의 경계면을 추출하고, 천장에 있는 실내등을 구분하여 각각에 ID를 부여하여 이동 로봇의 위치를 파악하며, 실내 천장에 있는 천장 모서리와 실내등만으로 이동 로봇의 위치를 측정하므로, 실내의 어느 공간에 가더라도 천장의 모서리와 실내등을 통해 이동로봇의 위치를 파악할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이동 로봇 위치 측정 장치는 실내 천장의 영상을 촬영하기 위한 영상촬영부, 상기 영상촬영부에 장착되어 천장의 모서리를 포함하는 전체 천장 영상을 얻기 위한 광각 렌즈부, 상기 영상촬영부에서 촬영된 영상을 디지털 영상신호로 처리하기 위한 영상신호 처리부 및 상기 영상신호 처리부에서 나온 영상신호를 이용하여 이동로봇의 위치를 측정하되, 상기 영상신호 중에서 천장의 모서리 및 천장에 위치한 실내등을 인식하고, 인식된 모서리 정보 및 실내등 정보를 이용하여 이동 로봇의 현재 위치를 측정하는 제어부를 포함한다.
상기 제어부는, 상기 천장의 모서리를 기준으로 상기 실내등에 고유 번호를 부여하고, 고유 번호가 있는 실내등 정보를 이용하여 이동 로봇의 현재 위치를 측정할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 영상신호 처리부에서 전처리된 영상신호에 대하여 상기 모서리를 추출하는 과정과, 상기 실내등을 추출하는 과정을 수행하고, 추출된 모서리 영상과 실내등 영상을 합성하고, 합성된 영상에서 각 실내등 별로 고유번호를 부여할 수 있다.
상기 광각 렌즈부는 어안 렌즈(fish-eye lens)인 것이 바람직하다.
본 발명의 이동 로봇 위치 측정 장치에서의 위치 측정 방법에 있어서, 상기 이동 로봇 위치 측정 장치는 천장 영상을 획득하는 단계, 상기 이동 로봇 위치 측정 장치는 획득된 천장 영상에서 모서리 영상을 검출하는 단계, 상기 이동 로봇 위치 측정 장치는 획득된 천장 영상에서 실내등 영상을 검출하는 단계, 상기 이동 로봇 위치 측정 장치는 상기 모서리 영상과 상기 실내등 영상을 합성하는 단계, 상기 이동 로봇 위치 측정 장치는 상기 합성된 영상에서 상기 실내등의 위치를 계산하는 단계, 상기 이동 로봇 위치 측정 장치는 상기 실내등의 위치를 기반으로 이동 로봇과의 상대적 거리를 계산하는 단계, 상기 이동 로봇 위치 측정 장치는 상기 상대적 거리를 이용하여 이동 로봇의 현재 위치를 측정하는 단계를 포함한다.
상기 천장 영상을 획득하는 단계 후에, 상기 이동 로봇 위치 측정 장치는 모서리 영상 검출과 실내등 영상 검출을 동시에 수행할 수 있도록, 상기 천장 영상을 이진화하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 모서리 영상을 검출하는 단계는, 상기 천장 영상에서 에지(edge) 알고리즘을 실행하는 단계, 상기 에지 알고리즘의 수행 결과, 경계선을 추출하는 단계 및 상기 경계선을 이용하여 천장의 구석 부분을 검출하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 실내등 영상을 검출하는 단계는, 상기 천장 영상에서 실내등을 구별하는 단계, 구별된 실내등에 대한 영상 레이블링(labeling)을 실시하는 단계 및 상기 실내등 각각을 구분하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 천장에 인공표식이 부착되어 있는 특정한 공간이 아니라 하더라도, 실내등이 있는 실내 공간이면 어디든지 이동 로봇의 위치를 파악할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실내에 이동 로봇이 위치한 모습을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 촬영된 영상을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실내등의 중심 좌표를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 실내등의 중심점 좌표를 이용하여 이동 로봇의 위치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇 위치 측정 장치의 내부 구성을 보여주는 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇 위치 측정 장치에서의 이동 로봇 위치 측정 방법을 보여주는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조해서 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실내에 이동 로봇이 위치한 모습을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 실내용 이동 로봇(100)은 천장을 향한 CCD(Charge Coupled Device) 카메라(110)가 부착되어 있다.
본 발명의 일 실시예에서 CCD 카메라(110)는 천장 영상을 촬영하기 위한 영상촬영부의 일례이며, 실시예에 따라서 천장 영상을 촬영할 수 있는 다른 기기가 사용될 수 있음은 당연하다. 본 발명에서는 설명의 편의를 위하여 영상촬영부의 일례로 CCD 카메라(110)의 예를 들어 설명하기로 한다.
CCD 카메라(110) 위에는 광각렌즈부(120)가 부착되어 있다.
광각렌즈부(120)는 실내등(40)과 천장과 벽면을 구분하는 모서리(50)를 모두 포함할 수 있도록 광각 영상을 얻기 위함이다. 본 발명의 일 실시예에서 광각렌즈부(120)는 어안 렌즈(fish-eye lens)인 것이 바람직하다.
참고로 어안 렌즈(fish-eye lens)는 전천(全天)렌즈·스카이렌즈라고도 하며, 보통의 광각렌즈와 달라 화상(畵像)이 비뚤어지게 찍히는 성질, 즉 술통형의 만곡을 남기고 전화면에 균등한 밝기의 상(像)을 맺도록 만든다. 빛이 물 속으로 입사(入射)할 때 굴절하므로, 물고기가 물 속에서 수면을 보면, 180°의 시야를 가진다고 생각되는 점에 착안하여 명명되었다.
이동 로봇(100)은 CCD 카메라(110)와 광각 렌즈부(120)를 통하여 실내등(40) 영상과, 천장과 벽면을 구분하는 모서리(50) 영상을 얻을 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 촬영된 영상을 보여주는 도면이다.
도 2는 광각 렌즈부(120)와 CCD 카메라(110)를 통해 얻어진 천장 영상의 예시도이다.
도 2를 참조하면, 이동 로봇 위치 측정 장치는 천장의 모서리(50)를 인식하고, 인식된 모서리(50)를 기준으로 실내등(40) 각각에 고유번호를 부여하게 된다.
본 발명의 이동 로봇 측정 장치는, 이렇게 실내등(40)에 고유번호를 부여하게 되면, 이를 기준으로 이동 로봇(100)의 위치를 측정할 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실내등의 중심 좌표를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 실내등(40)의 중심점을 좌표로 나타낸 것을 확인할 수있다.
도 3의 실시예에서 실내등(40)의 중심점을 x축, y축 및 방위각으로 표현할 수 있다. 즉, 실내등(40)의 중심점 좌표값은 (Xc, Yc, θc)로 표현할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 실내등의 중심점 좌표를 이용하여 이동 로봇의 위치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 실내등(40)의 중심점 좌표값은 (Xc, Yc, θc)이고, 이동 로봇(100)의 중심점 좌표값은 (X, Y, θ)이다. 양측의 좌표값을 알기 때문에, 양 즉의 거리를 구할 수 있다. 이로써, 이동 로봇(100)의 위치를 측정할 수 있다. 즉, 실내등(40)의 중심점 좌표값은 고정된 값으로 저장되어 있고, 이에 이동 로봇(100)의 상대적인 비례 관계를 통하여 이동 로봇(100)의 위치를 알 수 있는 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇 위치 측정 장치의 내부 구성을 보여주는 블록도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 이동 로봇 위치 측정 장치는 CCD 카메라(110), 광각 렌즈부(120), 영상신호 처리부(130), 제어부(140)를 포함한다.
CCD 카메라(110)는 실내 천장의 영상을 촬영하는 역할을 한다. CCD 카메라(110)는 영상촬영장치의 일례이며, 본 발명의 다른 실시예에서 CCD 카메라가 아닌 다른 영상촬영장치가 사용될 수 있음은 당연하다.
광각 렌즈부(120) CCD 카메라(110)에 장착되어 천장의 모서리를 포함하는 전체 천장 영상을 얻기 위해 사용된다. 본 발명의 일 실시예에서 광각 렌즈부(120)는 어안 렌즈인 것이 바람직하다.
영상신호 처리부(130)는 CCD 카메라(110)에서 촬영된 영상을 디지털 영상신호로 처리하는 역할을 한다.
제어부(140)는 영상신호 처리부에서 나온 영상신호를 이용하여 이동로봇의 위치를 측정하되, 영상신호 중에서 천장의 모서리(50) 및 천장에 위치한 실내등(40)을 인식하고, 인식된 모서리 정보 및 실내등 정보를 이용하여 이동 로봇의 현재 위치를 측정한다.
본 발명에서 제어부(140)는, 천장의 모서리(50)를 기준으로 실내등(40)에 고유 번호를 부여하고, 고유 번호가 있는 실내등 정보를 이용하여 이동 로봇(100)의 현재 위치를 측정할 수 있다.
이때, 제어부(140)는 영상신호 처리부(130)에서 전처리된 영상신호에 대하여 모서리(50)를 추출하는 과정과, 실내등(40)을 추출하는 과정을 수행하고, 추출된 모서리 영상과 실내등 영상을 합성하고, 합성된 영상에서 각 실내등 별로 고유번호를 부여하는 방식으로 절차를 수행할 수 있다.
구동부(150)는 이동 로봇(100)을 구동시키는 역할을 하며, 제어부(140)의 제어에 따라 이동 로봇(100)을 구동시킬 수 있다.
이러한 구조를 갖는 이동 로봇 위치 측정 장치에서의 이동 로봇 위치 측정 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇 위치 측정 장치에서의 이동 로봇 위치 측정 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 이동 로봇 위치 측정 장치는 천장 영상을 획득한다(S601).
그리고, 천장 영상의 왜곡 현상을 보정한다(S603). 그리고, 이동 로봇 위치 측정 장치는 영상 이진화를 수행한다(S605).
영상 이진화 결과, 실내등(40) 영상 추출과 모서리(50) 영상 추출을 동시에 진행한다.
먼저, 천장 영상에서 실내등(40)을 구별한다(S607). 그리고, 실내등(40) 영상에 영상 레이블링(labeling)을 실시한다(S609). 그리고, 실내등(40) 각각을 구분한다(S611).
다음, 천장 영상에서 에지(Edge) 알고리즘을 실행한다(S613). 그리고, 경계선을 추출한다(S615), 그리고, 천장의 구석을 검출한다(S617).
이렇게 추출된 실내등 영상과 모서리 영상을 합성한다(S619).
합성 영상에서 실내등(40) 중심값을 계산한다(S621).
각각의 실내등(40)에 고유 번호(ID)를 부여한다(S623).
그리고, 실내등(40)과 이동 로봇(100)의 상대적 거리를 계산한다(S625). 본 발명에서 S625 단계의 상대적 거리 계산 과정은, 앞서 도 4에서 설명한 바 있다.
다음, 계산된 상대적 거리를 이용하여 현재 이동 로봇(100)의 위치를 파악한다(S627).
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
110 CCD 카메라 120 광각 렌즈부
130 영상신호 처리부 140 제어부
150 구동부 40 실내등
50 모서리

Claims (8)

  1. 실내 천장의 영상을 촬영하기 위한 영상촬영부;
    상기 영상촬영부에 장착되어 천장의 모서리를 포함하는 전체 천장 영상을 얻기 위한 광각 렌즈부;
    상기 영상촬영부에서 촬영된 영상을 디지털 영상신호로 처리하기 위한 영상신호 처리부; 및
    상기 영상신호 처리부에서 나온 영상신호를 이용하여 이동로봇의 위치를 측정하되, 상기 영상신호 중에서 천장의 모서리 및 천장에 위치한 실내등을 인식하고, 인식된 모서리 정보 및 실내등 정보를 이용하여 이동 로봇의 현재 위치를 측정하는 제어부를 포함하는 이동 로봇의 위치 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 천장의 모서리를 기준으로 상기 실내등에 고유 번호를 부여하고, 고유 번호가 있는 실내등 정보를 이용하여 이동 로봇의 현재 위치를 측정하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇의 위치 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 영상신호 처리부에서 전처리된 영상신호에 대하여 상기 모서리를 추출하는 과정과, 상기 실내등을 추출하는 과정을 수행하고, 추출된 모서리 영상과 실내등 영상을 합성하고, 합성된 영상에서 각 실내등 별로 고유번호를 부여하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇의 위치 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광각 렌즈부는 어안 렌즈(fish-eye lens)인 것임을 특징으로 하는 이동 로봇의 위치 측정 장치.
  5. 이동 로봇 위치 측정 장치에서의 위치 측정 방법에 있어서,
    상기 이동 로봇 위치 측정 장치는 천장 영상을 획득하는 단계;
    상기 이동 로봇 위치 측정 장치는 획득된 천장 영상에서 모서리 영상을 검출하는 단계;
    상기 이동 로봇 위치 측정 장치는 획득된 천장 영상에서 실내등 영상을 검출하는 단계;
    상기 이동 로봇 위치 측정 장치는 상기 모서리 영상과 상기 실내등 영상을 합성하는 단계;
    상기 이동 로봇 위치 측정 장치는 상기 합성된 영상에서 상기 실내등의 위치를 계산하는 단계;
    상기 이동 로봇 위치 측정 장치는 상기 실내등의 위치를 기반으로 이동 로봇과의 상대적 거리를 계산하는 단계;
    상기 이동 로봇 위치 측정 장치는 상기 상대적 거리를 이용하여 이동 로봇의 현재 위치를 측정하는 단계를 포함하는 이동 로봇 위치 측정 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 천장 영상을 획득하는 단계 후에,
    상기 이동 로봇 위치 측정 장치는 모서리 영상 검출과 실내등 영상 검출을 동시에 수행할 수 있도록, 상기 천장 영상을 이진화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇 위치 측정 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 모서리 영상을 검출하는 단계는,
    상기 천장 영상에서 에지(edge) 알고리즘을 실행하는 단계;
    상기 에지 알고리즘의 수행 결과, 경계선을 추출하는 단계; 및
    상기 경계선을 이용하여 천장의 구석 부분을 검출하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이동 로봇 위치 측정 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 실내등 영상을 검출하는 단계는,
    상기 천장 영상에서 실내등을 구별하는 단계;
    구별된 실내등에 대한 영상 레이블링(labeling)을 실시하는 단계; 및
    상기 실내등 각각을 구분하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이동 로봇 위치 측정 방법.
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