KR20140145033A - Device for searching area and mapping for path of intelligent robot in unknown environments - Google Patents

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KR20140145033A
KR20140145033A KR1020130067425A KR20130067425A KR20140145033A KR 20140145033 A KR20140145033 A KR 20140145033A KR 1020130067425 A KR1020130067425 A KR 1020130067425A KR 20130067425 A KR20130067425 A KR 20130067425A KR 20140145033 A KR20140145033 A KR 20140145033A
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Abstract

According to the present invention, the path-mapping and area-searching method in an unknown environment using a search algorithm comprises: a first step of searching for surrounding area information around an intelligent robot from the current location using a plurality of sensor modules installed in the intelligent robot; a second step of assigning state information of each cell, which forms a grid map, to a corresponding cell and generating the grid map based on the searched surrounding area information; a third step of setting up a minimum bounding rectangle (MBR) area from the generated grid map, wherein the MBR area is a minimum rectangle area that the robot can search; a fourth step of setting up a plurality of rectangle areas for the set-up MBR area using a rectangle tiling technique; a fifth step of generating a hybrid map mixed with the grid map and a topology map base on the set-up rectangle areas; a sixth step of storing the generated grid map and hybrid map; a seventh step of setting the largest area among the rectangle areas set up in the fourth step as a rectangle-based hybrid (R1) area; an eighth step of searching for new surrounding area information using the sensor modules while the robot moves around within the set R1 area; and a ninth step of updating the stored grid map and hybrid map with the new surrounding area information searched in the eighth step.

Description

탐색 알고리즘을 이용한 미지 환경에서의 경로 매핑 및 영역 탐색방법{DEVICE FOR SEARCHING AREA AND MAPPING FOR PATH OF INTELLIGENT ROBOT IN UNKNOWN ENVIRONMENTS}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and apparatus for searching for a path in an unknown environment using a search algorithm,

본 발명은 미지에서의 로봇의 이동경로 생성을 위한 경로 매핑 및 영역 탐색방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 탐색 알고리즘을 이용하여 미지의 환경에서 로봇의 이동경로 생성을 위해 그리드와 토폴로지 맵의 특성을 모두 갖는 하이브리드 맵을 생성하고, 모든 영역을 탐색할 수 있는 탐색 알고리즘을 이용한 미지 환경에서의 경로 매핑 및 영역 탐색방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a path mapping and a region search method for generating a moving path of a robot in an unknown environment, and more particularly, The present invention relates to a path mapping method and a region search method in an unknown environment using a search algorithm capable of searching all areas.

일반적으로 로봇은 자동 조절에 의해 조작이나 이동 등의 작업을 수행하고, 특히 인간을 대신하여 여러 작업을 수행하는 데 사용되어 왔다.
In general, robots have been used to perform operations such as manipulation or movement by automatic adjustment, and in particular to carry out various tasks on behalf of humans.

최근, 전 세계의 로봇 시장이 매년 35% 이상 지속적인 성장세를 보이고 있으며 이 중에서 서비스 로봇은 매년 17% 성장률을 보이고 있다. 특히, 로봇 시장의 통계 결과와 예측을 종합하면 기업용 로봇 시장에서 잔디 깎기 로봇, 청소 로봇, 감시 로봇 등의 실생활에서 사용되는 서비스 로봇으로 이동되는 것을 알 수 있다.
In recent years, the global robot market has been growing at more than 35% annually, with service robots growing by 17% annually. In particular, the statistical results and forecasts of the robots market show that the robot moves to the service robots used in real life such as mowing robots, cleaning robots, and surveillance robots in the enterprise robot market.

실생활에 도움이 되는 서비스 로봇은 스스로 움직이며 주어진 임무를 수행하는 모바일 로봇(Mobile robot)을 의미한다. 예를 들어 잔디 깎기 로봇은 잔디 깍기를 수행해야할 범위를 파악하고 스스로 이동 경로를 정하여 잔디 깎기 임무를 수행해야 한다.
A service robot that is useful for real life means a mobile robot that moves by itself and performs a given task. For example, a lawn mower should determine the extent to which lawn mowing is to be performed, and set up a self-guided mowing mission.

모바일 로봇이 이런 임무를 수행하기 위해서 지도 작성(Mapping), 위치 추정(Localization), 경로 계획(Path Planning), 장애물 회피 및 추적(Obstacle avoidance and tracking)과 같은 핵심 기술을 가지고 있어야 한다.
Mobile robots must have core technologies such as mapping, localization, path planning, obstacle avoidance and tracking in order to perform these tasks.

특히, 모바일 로봇이 갖추어야 할 기술 중에 가장 중요한 기술로 경로 계획을 들 수 있다. 모바일 로봇에서 경로 계획은 크게 두 가지로 구분할 수 있다.
Especially, the most important technology that mobile robots should have is path planning. The path planning in the mobile robot can be classified into two types.

첫 번째로 지도에서 출발지와 목적지의 효율적인 경로를 찾는 것이다. 효율적인 경로 찾기는 경로 계획 연구의 대부분을 차지하는 것으로 두 지점 간의 짧은 경로나 빠른 이동 경로를 생성하는데 주력하였다.The first is to find an efficient route to the origin and destination on the map. Effective path finding is a major part of path planning research and focuses on creating short path or fast path between two points.

두 번째로 두 지점간의 경로를 찾는 것이 아니라 새로운 영역을 찾아내는 탐색(Exploration)이다. 두 가지의 경로 계획의 가장 다른 점은 로봇이 동작하는 환경에 대한 정보, 즉 지도를 가지고 시작하거나 지도가 없는 상태로 시작하는지의 차이이다.
The second is exploration, not finding the path between two points, but finding a new one. The difference between the two path plans is the difference in the information about the environment in which the robot is operating, whether it starts with a map or starts without a map.

로봇이 지도를 가지고 있는 상태를 알려진 환경(Known Environment)이라 하고, 지도가 없는 상태를 미지의 환경(Unknown Environment)이라 할 수 있다. 알려진 환경에서 탐색은 미리 제공된 지도를 기반으로 경로 생성이 완료된 이후 시작하고, 미지의 환경에서 탐색은 지도가 없이 탐색을 시작한다.The state in which the robot has a map is referred to as a known environment, and the state without a map can be referred to as an unknown environment. In the known environment, the search starts after the path creation is completed based on the previously provided map, and in the unknown environment, the search starts searching without the map.

미지의 환경에서는 로봇이 가지고 있는 센서를 사용하여 환경 정보를 획득, 이 정보를 기반으로 지도를 생성하고 탐색을 수행할 수 있다.
In the unknown environment, it is possible to acquire environmental information by using the sensor that the robot has, to generate a map based on the information, and to perform the search.

특히, 로봇이 환경에 대한 사전 정보가 없는 상태에서 작업을 수행하기 위해서는, 로봇 스스로 지도를 생성할 수 있어야 한다. 이를 수행하기 위해서 SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)알고리즘이 사용될 수 있다.In particular, in order for a robot to perform an operation without prior knowledge of the environment, the robot itself must be able to generate a map. To do this, SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) algorithm can be used.

SLAM 알고리즘은 로봇이 가지고 있는 센서를 사용하여 주변 환경 정보를 파악하고 그 내용을 바탕으로 지도를 생성하며 동시에 지도에서 자신의 위치를 추정할 수 있다.
The SLAM algorithm uses the sensor of the robot to grasp the surrounding environment information, generate the map based on the information, and estimate the position of the robot on the map at the same time.

예를 들어 SLAM 기술과 관련하여, 공개특허 제10-2010-0040234호는 SLAM 장치 및 방법에 관한 것으로, 주변으로부터 영상을 취득하고 여상에서 특징 정보를 추출하여 추출된 특징정보와 등록된 특징 정보를 매칭하여 로봇의 위치 및 특징 정보의 위치를 추정할 수 있는 기술이 개시되고 있다.
For example, in relation to the SLAM technology, the disclosure of Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-2010-0040234 relates to an SLAM apparatus and method, which acquires an image from the surroundings, extracts feature information from the image and extracts the extracted feature information and registered feature information And the position of the robot and the position of the feature information are matched with each other.

그러나, 종래의 SLAM 알고리즘에 의해 생성되는 지도는 대부분 고해상도의 그리드 지도(Grid Map)를 사용하기 때문에 지도의 크기에 따라 지도의 업데이트 시간과 이동 경로 생성에 계산 시간이 많이 소비되는 문제점을 가지고 있다.However, since most of the maps generated by the conventional SLAM algorithm use a high-resolution grid map, there is a problem that the update time of the map and the calculation time are often consumed for generating the route according to the size of the map.

이러한 그리드 맵은 저사양의 범용적인 모바일 로봇에서 사용이 어렵고, 또한 SLAM 알고리즘은 미지의 환경을 모두 매핑하기 위해서 로봇이 어떻게 이동해야 하는가에 대한 방법은 제시하지는 않는다는 문제점이 있다. 따라서, SLAM 알고리즘만을 사용해서 미지의 환경을 모두 표현할 수 있는 지도의 생성을 보장할 수 없다.
These grid maps are difficult to use in low-end general-purpose mobile robots, and the SLAM algorithm does not provide a method of how to move the robot in order to map all the unknown environments. Therefore, it is not possible to guarantee the generation of a map that can express all unknown environments using only the SLAM algorithm.

또한, 로봇이 이동 경로를 생성하기 위해 토폴로지 지도 (Topological Map)를 사용할 수 있다. 그리도 지도가 환경을 작게 나누어진 그리드로 표현하여, 각 그리드의 셀이 환경에서의 물체의 유무 또는 물체의 유무에 대한 확률을 표현할 수 있다면, 토폴로지 지도는 환경을 노드와 링크의 그래프 형태로 표현할 수 있다. 노드는 영역 또는 랜드마크를 표현한다. 노드와 노드 사이의 연결은 링크로 표현한다.
In addition, the robot can use a topological map to generate a movement path. If the map is represented by a grid of small divisions of the environment and each cell of the grid can represent the probability of an object in the environment or the presence or absence of an object, the topology map can represent the environment as a graph of nodes and links have. A node represents a region or a landmark. The connection between a node and a node is represented by a link.

이러한, 토폴로지 지도는 환경을 그래프 형태로 유지하기 때문에 그리드 지도 보다 작은 양의 메모리를 사용하여 더 큰 환경을 표현할 수 있지만, 그래프의 노드는 해당 영역의 정확한 환경을 표현하지 못하는 것으로, 노드 내에서 로봇의 정확한 위치를 모르고, 노드 내의 이동이 불가능하여 로봇의 정확한 임무 수행에 적합하지 않다는 문제점이 있다.
Since the topology map maintains the environment in the form of a graph, it can express a larger environment by using a smaller amount of memory than the grid map. However, since the nodes of the graph do not represent the correct environment of the area, It is not possible to move within the node, and thus it is not suitable for performing the accurate mission of the robot.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 탐색 알고리즘을 사용하여 환경의 표현력을 갖는 그리드 맵과 저 메모리 사용 및 빠른 경로 검색의 특징을 가지는 토폴로지 맵의 특성을 포함하는 하이브리드 맵을 생성하고, 생성된 하이브리드 맵을 사용하여 미지의 환경에 대해서 로봇이 모든 영역을 탐색할 수 있는 탐색 알고리즘을 이용한 미지 환경에서의 경로 매핑 및 영역 탐색방법의 제공을 목적으로 한다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a hybrid map including characteristics of a topology map having characteristics of a grid map, And to provide a path mapping method and an area search method in an unknown environment using a search algorithm that enables the robot to search all areas for an unknown environment by using the generated hybrid map.

그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
However, the object of the present invention is not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 탐색 알고리즘을 이용한 미지 환경에서의 경로 매핑 및 영역 탐색방법은, 지능형 로봇에 장착된 다수개의 센서모듈로부터 현재 위치에서 상기 로봇의 주변 영역정보를 탐색하는 제 1 단계와, 상기 탐색된 주변 영역정보에 근거하여 그리드 맵를 이루는 각 셀의 상태정보를 해당 셀에 할당하여 그리드 맵을 생성하는 제 2 단계와, 생성된 그리드 맵으로부터 상기 로봇이 탐색할 수 있는 최소 사각형 영역인 MBR(Minimum Bounding Rectangle) 영역을 설정하는 제 3 단계와, 설정된 MBR 영역에 대해 Rectangle Tiling 기법을 사용하여 다수개의 사각형 영역을 설정하는 제 4 단계와, 설정된 다수개의 사각형 영역에 근거하여, 그리드 맵과 토폴로지 맵이 혼용된 하이브리드 맵을 생성하는 제 5 단계와, 생성된 그리드 맵과 하이브리드 맵을 저장하는 제 6 단계와, 상기 제 4 단계에서 설정된 다수개의 사각형 영역 중 가장 큰 영역을 R1(Rectangle-Based Hybrid) 영역으로 설정하는 제 7 단계와, 설정된 R1 영역 내에서 상기 로봇이 이동하면서 상기 다수의 센서모듈을 이용하여 새로운 주변 영역정보를 탐색하는 제 8 단계 및 상기 제 8 단계에서 탐색된 새로운 주변 영역정보를 저장된 상기 그리드 맵과 하이브리드 맵에 업데이트하는 제 9 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
According to another aspect of the present invention, there is provided a method of searching for a path in an unknown environment using a search algorithm according to an embodiment of the present invention, A second step of generating a grid map by allocating state information of each cell constituting a grid map to the corresponding cell based on the searched peripheral area information; A fourth step of setting a plurality of rectangular areas using a Rectangle Tiling technique for the set MBR area, and a fourth step of setting a plurality of rectangular areas using the Rectangle Tiling technique, A fifth step of generating a hybrid map in which a grid map and a topology map are mixed based on the generated grid map, A sixth step of storing the hybrid map, a seventh step of setting the largest area among the plurality of rectangular areas set in the fourth step as R1 (Rectangle-Based Hybrid) area, An eighth step of searching for new peripheral information using the plurality of sensor modules, and a ninth updating step of updating the new peripheral information detected in the eighth step to the stored grid map and the hybrid map. .

또한, 본 발명에 따른 탐색 알고리즘을 이용한 미지 환경에서의 경로 매핑 및 영역 탐색방법은, 상기 제 9 단계 이후, 업데이트된 그리드 맵과 하이브리드 맵을 기반으로 상기 MBR 영역의 변경 유무를 확인하여, MBR 영역의 변경이 결정되면 새로운 MBR 영역에 근거하여 상기 R1 영역에 인접한 R2 영역을 새로운 탐색영역으로 설정하는 제 10 단계 및 설정된 R2 영역에 근거하여 상기 로봇의 주변 영역정보를 탐색하는 제 11 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
In addition, the path mapping and area search method in the unknown environment using the search algorithm according to the present invention may further include checking whether the MBR area has been changed based on the updated grid map and the hybrid map, The method comprising the steps of: setting an R2 region adjacent to the R1 region as a new search region based on a new MBR region; and searching the surrounding region information of the robot based on the set R2 region .

또한, 본 발명에 따른 탐색 알고리즘을 이용한 미지 환경에서의 경로 매핑 및 영역 탐색방법은, 상기 제 3 단계에서 설정되는 상기 MBR 영역은 공백 영역 및 장애물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
Also, the path mapping and area search method in the unknown environment using the search algorithm according to the present invention is characterized in that the MBR area set in the third step includes a blank area and an obstacle.

또한, 본 발명에 따른 탐색 알고리즘을 이용한 미지 환경에서의 경로 매핑 및 영역 탐색방법은, 상기 제 4 단계에서 설정되는 각 사각형 영역은 하나의 노드로 정의되면서 해당 영역의 좌표 정보를 포함하는 것을 특징으로 한다.
In addition, the path mapping and area search method in the unknown environment using the search algorithm according to the present invention is characterized in that each rectangular area set in the fourth step is defined as one node and includes coordinate information of the corresponding area do.

또한, 본 발명에 따른 탐색 알고리즘을 이용한 미지 환경에서의 경로 매핑 및 영역 탐색방법은, 상기 제 8 단계에서, 상기 로봇의 이동은 설정된 R1 영역 내에서 Wall following으로 이동되어 탐색을 수행하는 것을 특징으로 한다.
In addition, the path mapping and area searching method in the unknown environment using the search algorithm according to the present invention is characterized in that, in the eighth step, the movement of the robot is moved to Wall following in the set R1 area, do.

또한, 본 발명에 따른 탐색 알고리즘을 이용한 미지 환경에서의 경로 매핑 및 영역 탐색방법은, 상기 제 8 단계에서, 상기 로봇의 이동은 설정된 R1 영역 내에서 커버리지 알고리즘을 이용하여 바둑판식(boustrophedon)으로 이동되어 탐색을 수행하는 것을 특징으로 한다.
In addition, the path mapping and area search method in the unknown environment using the search algorithm according to the present invention is characterized in that in the eighth step, the movement of the robot is shifted to a boustrophedon using a coverage algorithm in the set R1 area So that the search is performed.

또한, 본 발명에 따른 탐색 알고리즘을 이용한 미지 환경에서의 경로 매핑 및 영역 탐색방법은, 상기 제 10 단계에서, 새로운 MBR 영역에 대해 Rectangle Tiling 기법을 사용하여 새로운 R1 영역을 설정하는 것을 특징으로 한다.
In addition, the path mapping and area search method in the unknown environment using the search algorithm according to the present invention is characterized in that, in the tenth step, a new R1 area is set using a Rectangle Tiling technique for a new MBR area.

또한, 본 발명에 따른 탐색 알고리즘을 이용한 미지 환경에서의 경로 매핑 및 영역 탐색방법은, 상기 제 10 단계에서, 상기 R1 영역의 크기와 R2 영역의 크기를 비교하여, R1 영역이 R2 영역보다 큰 경우 R2 영역을 탐색영역으로 설정하는 것을 특징으로 한다.
In addition, the path mapping and area search method in the unknown environment using the search algorithm according to the present invention is characterized in that, in the tenth step, the size of the R1 area is compared with the size of the R2 area, And the R2 region is set as the search region.

또한, 본 발명의 탐색 알고리즘을 이용한 미지 환경에서의 경로 매핑 및 영역 탐색방법은, 상기 제 10 단계에서, 상기 R1 영역의 크기와 R2 영역의 크기를 비교하여, R1 영역과 R2 영역이 동일하고, 상기 로봇의 현재 위치로부터 R1 영역 내에서의 이동거리가 R2 영역으로의 이동거리보다 작은 경우 R2 영역을 탐색영역으로 설정하는 것을 특징으로 한다.
Also, the path mapping and the area searching method in the unknown environment using the search algorithm of the present invention is characterized in that, in the tenth step, the size of the R1 area is compared with the size of the R2 area, And sets the R2 region as the search region when the movement distance in the R1 region is smaller than the movement distance to the R2 region from the current position of the robot.

아울러, 본 발명의 탐색 알고리즘을 이용한 미지 환경에서의 경로 매핑 및 영역 탐색방법은, 상기 각 셀에 할당되는 상태정보는 프리영역(free area), 미지영역(unkown area) 및 장애물(obstacle) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는
In addition, in the path mapping and area search method in the unknown environment using the search algorithm of the present invention, the state information allocated to each cell may be any one of a free area, an unkown area, and an obstacle Characterized in that

본 발명의 탐색 알고리즘을 이용한 미지 환경에서의 경로 매핑 및 영역 탐색방법에 따르면, 탐색 알고리즘을 사용하여 하이브리드 맵을 생성하고, 생성된 하이브리드 맵을 사용하여 미지의 환경에 대해서 로봇이 동작하는 모든 영역을 탐색할 수 있는 이점이 있다.
According to the path mapping and the area search method in the unknown environment using the search algorithm of the present invention, a hybrid map is generated by using a search algorithm, and all areas where the robot operates in an unknown environment using the generated hybrid map There is an advantage to be able to navigate.

또한, 본 발명의 탐색 알고리즘을 이용한 미지 환경에서의 경로 매핑 및 영역 탐색방법에 따르면, 그리드 맵의 특징과 토폴로지 맵의 특징을 통합한 하이브리드 맵을 사용함으로써, 환경의 표현력을 증대시키고 동시에 저 메모리의 사용 및 빠른 경로 검색을 수행할 수 있으며, 또한, 본 발명에 따른 탐색 알고리즘을 활용하면, 다양한 범위에 적용할 수 있는 이점이 있다.
According to the path mapping and area search method in the unknown environment using the search algorithm of the present invention, by using the hybrid map combining the features of the grid map and the features of the topology map, the expression power of the environment is increased, Use and fast path search can be performed. Moreover, utilizing the search algorithm according to the present invention has an advantage that it can be applied to various ranges.

도 1은, 본 발명의 실시예에 따른 탐색 알고리즘을 이용한 미지 환경에서의 경로 매핑 및 영역 탐색방법을 구현하는 경로 매핑 및 영역 탐색장치의 구성을 개략적으로 나타내는 블럭도이다.
도 2는, 본 발명의 실시예에 따른 탐색 알고리즘을 이용한 미지 환경에서의 경로 매핑 및 영역 탐색방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은, 그리드 맵 생성부를 통해 생성되는 그리드 맵을 예시적으로 나타내는 예시도이다.
도 4는, Cache를 사용하여 가장 큰 사각형을 구하는 예를 나타내는 예시도이다
도 5는, 본 발명에 따라 생성된 그리드 맵과 하이브리드 맵을 예시적으로 나타내는 예시도이다.
도 6은, 본 발명에 따른 인접하는 노드와 ACP(Adjacent Center Point)의 관계를 예시적으로 나타내는 예시도이다.
도 7은, 본 발명에 따른 알고리즘을 사용하여 미지의 환경에 대한 탐색 방법을 예시적으로 나타내는 예시도이다.
도 8은, 본 발명에 따라 MBR(Minimum Bounding Rectangle) 영역을 그리드 맵에 적용한 예시도이다.
도 9는, 본 발명에 따른 R1 영역에서 커버리지 알고리즘을 사용하여 커버리지를 수행하는 예시도이다.
FIG. 1 is a block diagram schematically illustrating the configuration of a path mapping and area searching apparatus for implementing a path mapping and area searching method in an unknown environment using a searching algorithm according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart illustrating a path mapping and a region searching method in an unknown environment using a search algorithm according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an exemplary diagram illustrating a grid map generated through the grid map generation unit. FIG.
4 is an exemplary diagram showing an example of obtaining the largest rectangle by using Cache
5 is an exemplary diagram illustrating a grid map and a hybrid map generated in accordance with the present invention.
6 is an exemplary diagram illustrating the relationship between an adjacent node and an adjacent center point (ACP) according to the present invention.
7 is an exemplary diagram illustrating an exemplary search method for an unknown environment using an algorithm according to the present invention.
FIG. 8 is an example of applying an MBR (Minimum Bounding Rectangle) area to a grid map according to the present invention.
Figure 9 is an exemplary diagram of performing coverage using a coverage algorithm in the R1 region according to the present invention.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a detailed description of preferred embodiments of the present invention will be given with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
Embodiments in accordance with the concepts of the present invention can make various changes and have various forms, so that specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in this specification or application. It is to be understood, however, that it is not intended to limit the embodiments according to the concepts of the present invention to the particular forms of disclosure, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, . On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between. Other expressions that describe the relationship between components, such as "between" and "between" or "neighboring to" and "directly adjacent to" should be interpreted as well.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprises ",or" having ", or the like, specify that there is a stated feature, number, step, operation, , Steps, operations, components, parts, or combinations thereof, as a matter of principle.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 지능형 로봇의 이동경로 생성을 위한 영역탐색 및 매핑 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 블럭도이다.FIG. 1 is a block diagram schematically showing the configuration of a region searching and mapping apparatus for generating a movement path of an intelligent robot according to an embodiment of the present invention.

도면에 나타낸 바와 같이, 영역탐색 및 매핑 장치(10)는 센서부(110), 그리드 맵 생성부(120), 하이브리드 맵 생성부(140), 맵 저장부(150), 영역 탐색부(130), 이동경로 생성부(160) 및 맵 업데이트부(170)를 포함할 수 있다.
3, the region searching and mapping apparatus 10 includes a sensor unit 110, a grid map generating unit 120, a hybrid map generating unit 140, a map storing unit 150, an area searching unit 130, A movement path generation unit 160, and a map update unit 170. [

센서부(110)는 다수의 센서모듈(111)로 이루어지는 것으로, 지능형 로봇에 장착되어 로봇이 이동할 수 있는 공백 영역과 장애물을 포함하는 주변 영역정보를 탐색할 수 있도록 예를 들어, 레이저 스캐너, 초음파 센서 등으로 이루어질 수 있다.
The sensor unit 110 includes a plurality of sensor modules 111. The sensor unit 110 may include a sensor such as a laser scanner, an ultrasonic sensor, or the like, which can be mounted on the intelligent robot and can search for a blank area in which the robot can move, Sensor or the like.

그리드 맵 생성부(120)는 센서부(110)에서 탐색된 로봇의 주변 영역정보에 근거하여, 그리드 맵(grid map)을 생성할 수 있다. 특히, 그리드 맵 생성부(120)는 SLAM(Simultaneous Localization and Mapping) 알고리즘을 사용하여 그리드 맵을 생성할 수 있다. 그리드 맵 생성부(120)에서 사용되는 SLAM은 로봇이 환경에 대한 사전 정보가 없는 상태에서 로봇 스스로 지도를 생성하고 생성한 지도를 기반으로 자신의 위치를 추정하는 것을 말한다
The grid map generation unit 120 may generate a grid map based on the peripheral area information of the robot detected by the sensor unit 110. [ In particular, the grid map generation unit 120 may generate a grid map using a SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) algorithm. The SLAM used in the grid map generation unit 120 refers to the robot itself generating a map in a state in which the robot has no prior information on the environment and estimating its position based on the generated map

영역 탐색부(130)는 생성된 그리드 맵으로부터 로봇이 탐색할 수 있는 최소 사각형 영역인 MBR(Minimum Bounding Rectangle) 영역을 설정할 수 있다. 이 MBR 영역에는 공백 영역과 장애물을 포함할 수 있다.The region searching unit 130 can set a minimum bounding rectangle (MBR) region, which is a minimum rectangular region that the robot can search, from the generated grid map. This MBR area may contain blank areas and obstacles.

또한, 영역 탐색부(130)에서는, 설정된 MBR 영역에 대해 Rectangle Tiling 기법을 사용하여 다수개의 사각형 영역을 설정할 수 있다.
In addition, the area searching unit 130 can set a plurality of rectangular areas using the Rectangle Tiling technique for the set MBR area.

하이브리드 맵 생성부(140)는 그리드 맵 생성부(120)에서 생성된 그리드 맵으로부터, 영역 탐색부(130)를 통해 추출된 다수개의 사각형 영역을 이용하여 하이브리드 맵을 생성할 수 있다. 예를 들어, 사각형 영역은 현재 로봇의 위치를 포함하는 제 1 사각형 영역과, 제 1사각형 영역에 인접한 제 2 사각형 영역 내지 제 n 사각형 영역으로 각각 분해될 수 있다. 여기에서, n은 자연수이다.
The hybrid map generator 140 may generate a hybrid map using a plurality of rectangular regions extracted from the grid map generated by the grid map generator 120 through the region searching unit 130. [ For example, the rectangular area may be divided into a first rectangular area including the position of the current robot and a second rectangular area to an n-th rectangular area adjacent to the first rectangular area, respectively. Here, n is a natural number.

맵 저장부(150)는 그리드 맵 생성부(120)에서 생성된 그리드 맵과 하이브리드 맵 생성부(140)에서 생성된 하이브리드 맵을 저장할 수 있다.
The map storage unit 150 may store the grid map generated by the grid map generation unit 120 and the hybrid map generated by the hybrid map generation unit 140.

이동경로 생성부(160)에서는 하이브리드 맵에 근거하여 로봇의 이동경로를 생성할 수 있다.
The movement path generation unit 160 can generate the movement path of the robot based on the hybrid map.

또한, 맵 업데이트부(160)는 이동경로를 따라 지능형 로봇이 이동된 경우, 영역 탐색부(130)에 의해 새로 추출되는 제 m 사각형 영역을 맵 저장부(150)에 저장된 하이브리드 맵에 업데이트할 수 있다(여기에서, m은 자연수이고, m 〉n).
When the intelligent robot moves along the movement path, the map update unit 160 updates the m-th rectangular area newly extracted by the area search unit 130 to the hybrid map stored in the map storage unit 150 (Where m is a natural number, m > n).

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 탐색 알고리즘을 이용한 미지 환경에서의 경로 매핑 및 영역 탐색방법을 나타내는 흐름도이다.FIG. 2 is a flowchart illustrating a path mapping and a region searching method in an unknown environment using a search algorithm according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2를 참조하면, 먼저, 지능형 로봇(도시하지 않음)에 장착된 다수개의 센서모듈(111)로 이루어진 센서부(110)로부터 로봇의 현재 위치에서 주변 영역정보를 탐색한다(S101).Referring to FIGS. 1 and 2, peripheral region information is searched at a current position of the robot from a sensor unit 110 including a plurality of sensor modules 111 mounted on an intelligent robot (not shown) (S101) .

로봇의 현재 좌표가 Xt(x, y)이고, 센서의 한 점의 거리 측정값이 d, 해당 각도가 θ일 때, t 시간의 센서 측정값은 Zt(x,y,d,θ)로 표현할 수 있다.When the current coordinate of the robot is X t (x, y), and the distance measurement value of one point of the sensor is d and the corresponding angle is θ, the sensor measurement value of t time is Zt (x, y, d, Can be expressed.

센서값(d)이 센서의 최대 측정(r)보다 작을 때는 0.7의 확률을 부여하고, 현재 셀의 확률값과 더한 값을 최근 값으로 업데이트한다. 그리고, 다음 센서값(d)과 r의 값이 같을 때는 0.05의 확률 값을 할당하여 셀을 업데이트하고, 마지막으로 d가 r보다 클 경우에는 센서값의 오류로 취급하여 확률값을 0으로 부여하고 셀의 값은 업데이트 하지 않는다.
When the sensor value d is smaller than the maximum measurement value r of the sensor, a probability of 0.7 is given, and the probability value of the current cell plus the value is updated to the latest value. If the next sensor value d and r are the same, a probability value of 0.05 is assigned and the cell is updated. Finally, if d is greater than r, the probability value is treated as an error of the sensor value, Do not update the value of.

그리드 맵 생성부(120)에서는 센서부(110)에서 탐색된 주변 영역정보에 근거하여 그리드 맵를 이루는 각 셀의 상태정보를 해당 셀에 할당하여(S102), 그리드 맵을 생성한다(S103). 특히, 그리드 맵 생성부(120)는 SLAM(Simultaneous Localization and Mapping) 알고리즘을 사용하여 그리드 맵을 생성할 수 있다.The grid map generator 120 allocates state information of each cell forming the grid map to the corresponding cell based on the peripheral area information searched by the sensor unit 110 (S102), and generates a grid map (S103). In particular, the grid map generation unit 120 may generate a grid map using a SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) algorithm.

그리드 맵에서 환경은 일정한 크기의 셀의 집합으로 표시된다.In the grid map, the environment is represented by a set of cells of constant size.

도 3에 나타낸 바와 같이, 일정한 크기의 셀은 공백과 장애물 등의 물체를 표시하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 각 셀은 물체를 표현하기 위해 상태 값을 갖는다. 이 상태 값은 이진 숫자 값이나 확률 값을 가질 수 있다. 그리드 맵은 커버리지 알고리즘에서 공간을 표현하기 위해서 사용될 수 있다.
As shown in Fig. 3, cells of constant size can be used to display objects such as blank spaces and obstacles. In addition, each cell has a state value to represent an object. This state value can have a binary number value or a probability value. The grid map can be used to represent space in a coverage algorithm.

일반적으로 로봇이 가지고 있는 자원을 사용하는 경우, 다음과 같은 오류가 발생될 수 있다. 첫 번째는, 로봇이 환경 정보를 획득할 때 사용하는 센서의 오류이다. 센서를 사용하여 환경 정보(대부분 거리 정보)를 얻을 때 센서의 특성 및 주변 환경에 따라 잘못된 값을 얻게 될 수 있다. 예를 들어, 초음파 센서를 사용할 경우 초음파가 반사되는 재질에 따라 정확한 값을 측정하거나 값을 아주 측정을 못하거나 또는 잘못된 값을 얻을 수 있다. 따라서, 센서 측정값의 오류로 인해 잘못된 지도를 생성할 수 있다.Generally, when using the resources the robot has, the following errors may occur. The first is the sensor error that the robot uses to acquire environmental information. When acquiring environmental information (mostly distance information) using a sensor, it is possible to obtain an erroneous value depending on the characteristics of the sensor and the surrounding environment. For example, when an ultrasonic sensor is used, it is possible to measure an accurate value depending on the material to be reflected by the ultrasonic wave, to not measure the value very much, or to obtain a wrong value. Therefore, an error in the sensor measurement value can lead to an incorrect map.

두 번째는, 로봇의 주행 정보의 오류이다. 주행 로봇은 모터를 이용하여 이동하게 된다. 로봇이 이동할 때 엔코더를 사용하여 모터의 회전수를 측정하여 로봇의 이동 거리를 측정할 수 있다. 그러나 모터의 기계적인 문제로 측정에 문제가 발생할 수 있으며, 로봇이 동작하는 환경의 바닥이 일정하지 못하여 로봇이 미끄러지거나, 좌/우 바퀴의 회전이 일정하지 않아 엔코더를 사용하여 로봇의 이동 거리를 측정하는데 알아내는데 문제가 발생할 수 있다. 또한 로봇이 움직이는 시간이 늘어날수록 엔코더를 사용하여 얻은 주행 정보는 오류가 누적되어 실제 주행 정보와 오차가 커지게 된다.The second is an error in the running information of the robot. The traveling robot moves using a motor. When the robot moves, it is possible to measure the moving distance of the robot by measuring the number of rotations of the motor using an encoder. However, there is a problem in the measurement due to the mechanical problem of the motor. The robot is slipping due to the unevenness of the floor of the environment where the robot operates, or the rotation of the left and right wheels is not constant. There may be a problem in figuring out what to measure. Also, as the robot moves more and more time, error information is accumulated in the driving information obtained by using the encoder.

따라서, SLAM에서는 확률 기법을 도입하여 SLAM에서 발생되는 문제를 해결할 수 있다. 이러한 SLAM에서 발생되는 문제는 다음의 관계식과 같이 시간 k에서 계산될 수 있는 확률 분포로 표현할 수 있다.
Therefore, SLAM can solve the problems occurring in SLAM by introducing probability technique. The problem occurring in this SLAM can be expressed as a probability distribution that can be calculated at time k as follows.

[식 1][Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

여기에서, xk는 k시점의 로봇의 상태 벡터, m은 모든 랜드마크 집합, Z0 :k는 k시간까지의 기록한 관찰 값, U0 :k는 k시간까지의 제어벡터, x0는 로봇의 초기 상태벡터를 나타낸다.
Here, x k is the k time of the robot state vector, m is any landmark set, Z 0: k is recorded observations to k time, U 0: k is up to k times the control vector, x 0 is a robot Lt; / RTI >

상기 [식 1]의 확률 분포를 구하기 위해서 재귀적인 방법이 필요하다. 재귀적인 방법으로 xk를 구하기 위해서는 k-1의 시점에서 결합 확률(

Figure pat00002
), 제어 벡터(uk), 관찰값(zk)을 Bayes정리를 사용하여 계산될 수 있다. 이 계산은 상태 전이 모델(State transition model)과 관찰 모델(Observation model)이 필요하다.
A recursive method is needed to find the probability distribution of [Equation 1] above. In order to obtain x k in a recursive way, the joint probability at k-1
Figure pat00002
), The control vector (u k ), and the observation value (z k ) can be calculated using Bayes' theorem. This calculation requires a state transition model and an observational model.

관찰 모델은 로봇의 위치와 랜드마크 위치를 알고 있을 때 관찰값(zk)의 확률 값을 의미한다. 이 관찰 모델은 다음의 관계식으로 표현될 수 있다.
Observation model means the probability value of observation value (z k ) when knowing the position of the robot and the landmark position. This observation model can be expressed by the following relation.

[식 2][Formula 2]

Figure pat00003
Figure pat00003

로봇의 위치와 지도가 정의되어 있다면 관찰값은 주어진 지도와 현재 로봇의 상태와 독립적임을 가정할 수 있다. 로봇의 모션 모델은 다음의 관계식과 같이 상태 전이의 확률 모델로 정의할 수 있다.
If the position and the map of the robot are defined, the observation value can be assumed to be independent of the state of the current map and the current robot. The motion model of the robot can be defined as a probability model of state transition as the following relation.

[식 3][Formula 3]

Figure pat00004
Figure pat00004

상태 전이는 마코브 과정(Markov Process)을 가정한다. 로봇의 현재 위치(xk)는 바로 이전 위치(xk -1)와 제어 벡터(uk)로 구할 수 있다. 또한 관찰값과 지도 모두 독립적이다.The state transition assumes a Markov process. The current position (x k ) of the robot can be obtained from the previous position (x k -1 ) and the control vector (u k ). It is also independent of observation and map.

SLAM은 재귀적인 두 단계로, 다음의 관계식을 통해 예측(time-update)과 수정(measurement-update)으로 표현할 수 있다.
SLAM is a recursive two-step process that can be expressed as a time-update and a measurement-update through the following relation.

[식 4][Formula 4]

Figure pat00005

Figure pat00005

[식 5][Formula 5]

Figure pat00006

Figure pat00006

상기 [식 4]와 [식 5]는 결합 확률(

Figure pat00007
)을 구하기 위한 재귀적인 단계를 제공할 수 있다.[Equation 4] and [Equation 5]
Figure pat00007
) Can be provided in a recursive step.

상기 [식 4]는 예측의 단계로, k-1 시점에 제어 벡터(uk)를 로봇에 전달했을 때 로봇의 위치를 예측하는 것으로 상기 [식 3]의 모션 모델을 사용할 수 있다.
[Equation 4] is a prediction step. The motion model of Equation 3 can be used by predicting the position of the robot when the control vector u k is transmitted to the robot at time k-1.

상기 [식 5]는 수정 단계로, k 시점의 관찰값을 이용하여 로봇의 위치와 지도를 동시에 수정하는 것으로 상기 [식 2]의 관찰 모델을 이용하여 계산할 수 있다.
[Equation 5] is a correction step, and the position and the map of the robot are simultaneously corrected using the observation value at time k, and can be calculated using the observation model of the above-mentioned [Equation 2].

그리드 맵 생성 이후, 영역 탐색부(130)에서는 로봇이 탐색할 수 있는 최소 사각형 영역으로 공백 영역과 장애물을 포함하는 MBR(Minimum Bounding Rectangle) 영역을 설정하고(S104), 설정된 MBR 영역에 대해 Rectangle Tiling 기법을 사용하여 다수개의 사각형 영역, 예를 들어 현재 로봇의 위치를 포함하는 제 1 사각형 영역과, 제 1사각형 영역에 인접한 제 2 사각형 영역 내지 제 n 사각형 영역을 설정한다(S105). 여기에서, n은 자연수이다.
After generating the grid map, the area searching unit 130 sets a minimum bounding rectangle (MBR) area including a blank area and an obstacle as a minimum rectangular area that can be searched by the robot in step S104, and sets Rectangle Tiling A first rectangular area including a position of a current robot and a second rectangular area to an n-th rectangular area adjacent to the first rectangular area are set (S105). Here, n is a natural number.

Rectangle Tiling이란 m × n 셀로 나누어진 사각형에서 내부에 존재하는 서브-사각형 N(m, n)개를 찾는 것을 의미한다. 사각형을 두 개의 좌표로 표시한다고 하면 오른쪽의 위쪽 좌표를 (m, n)으로 할 때, 왼쪽 아래 좌표를 (i, j)로 표시할 수 있다. 이때 사각형의 서브-사각형 개수는 다음의 관계식으로 구할 수 있다.
Rectangle Tiling means finding a sub-rectangle N (m, n) inside the rectangle divided by m × n cells. If the rectangle is represented by two coordinates, the upper right coordinate (m, n) and the lower left coordinate (i, j) can be displayed. At this time, the number of sub-squares of the rectangle can be obtained by the following relation.

[식 6][Formula 6]

Figure pat00008

Figure pat00008

본 발명에서는 Cache 개념을 도입하여 Rectangle Tiling 기법의 사용시 큰 사각형을 선택하도록 하였다. Cache에는 현재 열을 기준으로 현재 행에 Free인 셀의 개수를 저장한다. 그리고 각 열에서 세로 방향으로 탐색하면서, 연속되는 Free셀의 수와 Cache에 저장된 값을 이용하여 사각형의 크기를 비교할 수 있다.
In the present invention, the concept of Cache is introduced and a large square is selected when using the Rectangle Tiling technique. Cache stores the number of free cells in the current row based on the current row. The size of the rectangle can be compared using the number of consecutive free cells and the value stored in the cache while searching in each column in the vertical direction.

이와 같은 과정이 모든 열에서 수행된 후, 대상 공간에서의 가장 큰 사각형을 찾아낼 수 있다. 도 4의 (a) 및 (b)는 Cache를 사용하여 가장 큰 사각형을 구하는 예를 나타내는 예시도이다. 도 4의 (a)에서 16×12 셀로 구성된 사각형으로 서브-사각형으로 구성될 수 있는 Free 셀(파란색, True)과 서브-사각형으로 구성될 수 없는 Occupied 셀(흰색, False)로 구성되고 있다.After this process is performed on all columns, the largest rectangle in the target space can be found. 4 (a) and 4 (b) are diagrams showing an example of finding the largest rectangle using Cache. In FIG. 4 (a), a square composed of 16 × 12 cells is composed of a free cell (blue, True) which can be composed of a sub-rectangle and an Occupied cell (white, false) which can not be composed of a sub-rectangle.

이때 Cache는 사격형의 한 열을 의미하고, cache의 각 셀에는 현재 열에서부터 끝 열까지에 있는 Free 셀을 포함하고 있다.
At this time, Cache means a column of fire type, and each cell of the cache contains Free cells from the current column to the end column.

도 4의 (b)는 16×12 사각형 4 번째 열의 Cache 내용을 보여주고 있다. 가장 큰 사각형을 구하기 위해 현재 열의 Cache를 구하고, Cache의 셀을 아래쪽에서 위쪽으로 이동하며 현재 셀의 좌표와 Cache의 크기 좌표를 이용하여 사각형 넓이를 구하여 가장 큰 사각형을 찾을 수 있다.
4 (b) shows the contents of the cache in the fourth column of the 16 × 12 square. To find the largest rectangle, find the current column's cache, move the cell of the cache from bottom to top, find the largest rectangle by using the coordinates of the current cell and the size of the cache to find the rectangle width.

하이브리드 맵 생성부(140)는 영역 탐색부(130)에서 설정된 다수개의 사각형 영역에 근거하여, 그 사각형 영역을 새로운 자료 구조로 변경하여 하이브리드 맵으로 생성할 수 있다. 이 하이브리드 맵은 그리드 맵의 특징과 토폴로지 맵의 특징이 혼용된다.
The hybrid map generation unit 140 may generate a hybrid map by changing the rectangular area into a new data structure based on a plurality of rectangular areas set by the area search unit 130. [ This hybrid map is a combination of the characteristics of the grid map and the characteristics of the topology map.

맵 저장부(150)는 하이브리드 맵 생성부(140)에서 생성된 하이브리드 맵과 그리드 맵 생성부(120)에서 생성된 그리드 맵을 저장한다(S107).
The map storage unit 150 stores the hybrid map generated by the hybrid map generation unit 140 and the grid map generated by the grid map generation unit 120 (S107).

이후, 영역 탐색부(130)를 통해 하이브리드 맵을 이루는 다수개 사각형 영역 중 가장 큰 영역을 R(Rectangle-Based Hybrid)1 영역으로 설정하고(S108), 이동경로 생성부(160)를 통해 생성되는 로봇의 이동경로를 따라, 즉, 설정된 R1 영역 내에서 로봇이 이동하면서 다수의 센서모듈을 이용하여 새로운 주변 영역정보를 탐색한다(S109).Thereafter, the largest area among the plurality of rectangular areas constituting the hybrid map is set as R (Rectangle-Based Hybrid) 1 area through the area searching unit 130 (S108) In operation S109, the robot moves along the movement path of the robot, that is, within the set R1 area, and searches for new peripheral information using a plurality of sensor modules.

이동경로 생성부(160)에서는 맵 저장부(150)에 저장된 하이브리드 맵에 근거하여 로봇의 이동경로를 생성할 수 있다.
The movement path generation unit 160 can generate a robot movement path based on the hybrid map stored in the map storage unit 150.

또한, 로봇이 이동되면서 탐색된 새로운 주변 영역정보는, 맵 업데이트부(170)를 통해 맵 저장부(150)에 저장된 그리드 맵과 하이브리드 맵을 업데이트한다(S110).
In addition, the new peripheral area information that is searched while the robot is moved is updated at step S110 by the map updating unit 170, and the grid map and the hybrid map stored in the map storing unit 150 are updated.

본 발명의 영역 탐색부(130)에서는 업데이트된 그리드 맵과 하이브리드 맵을 기반으로 MBR 영역의 변경 유무를 확인한다(S111). 이때, MBR 영역의 변경이 결정되면 새로운 MBR 영역에 근거하여 R1 영역에 인접한 R2 영역을 제 m 사각형 영역으로서, 새로운 탐색영역으로 설정한다(S112). 또한, 제 m 사각형 영역을 맵 저장부(150)에 저장된 하이브리드 맵에 업데이트할 수 있다(여기에서, m은 자연수이고, m 〉n).
The area searching unit 130 of the present invention checks whether the MBR area has been changed based on the updated grid map and the hybrid map (S111). At this time, when the MBR area is changed, the R2 area adjacent to the R1 area is set as a m-th rectangular area as a new search area based on the new MBR area (S112). In addition, the mth rectangular area can be updated to the hybrid map stored in the map storage unit 150 (where m is a natural number, m > n).

설정된 R2 영역에 근거하여 로봇의 주변 영역정보를 계속 탐색하여(S113), 새로운 탐색영역이 없으면 로봇을 통한 탐색작업을 종료한다. 하는 제 11 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탐색 알고리즘을 이용한 미지 환경에서의 경로 매핑 및 영역
The surrounding area information of the robot is continuously searched based on the set R2 region (S113), and if there is no new search area, the search operation through the robot is terminated. The path mapping and the area mapping in the unknown environment using the search algorithm,

본 발명에서의 하이브리드 맵에서는 하나의 사각형 정보를 하나의 노드로 표현할 수 있다. 특히, 하이브리드 맵은 노드와 인접 중심점(ACP, Adjacent Center Point)의 구조를 가지고 있다. 노드는 그리드 맵에서 공백인 사각형을 표현하고, ACP는 인접하는 두 노드 접합면의 중심점을 의미한다.
In the hybrid map of the present invention, one square information can be represented by one node. In particular, the hybrid map has a structure of a node and an adjacent center point (ACP). A node represents a blank rectangle in a grid map, and an ACP represents a center point of two adjoining nodes.

도 6는 하이브리드 맵에서의 노드와 ACP의 관계를 나타내는 예시도로, 노드 A 및 B는 다음과 같이 정의할 수 있다.6 is an example of a relationship between a node and an ACP in the hybrid map, and nodes A and B can be defined as follows.

A(Ax1, Ay1, Ax2, Ay2)A (A x1 , A y1 , A x2 , A y2 )

B(Bx1, By1, Bx2, By2)B ( Bx1 , By1 , Bx2 , By2 )

따라서, 도 6의 (a)에 나타낸 바와 같이, A, B 노드가 좌우로 인접하는 경우, ACP는 다음의 관계식을 통해 구할 수 있다.Therefore, when the nodes A and B are adjacent to each other as shown in FIG. 6A, the ACP can be obtained through the following relational expression.

[식 7][Equation 7]

Figure pat00009

Figure pat00009

또한, 도 6의 (b)에 나타낸 바와 같이, A, B 노드가 상하로 인접하는 경우, ACP는 다음의 관계식을 통해 구할 수 있다.6B, when the nodes A and B are vertically adjacent to each other, the ACP can be obtained through the following relational expression.

[식 8][Equation 8]

Figure pat00010

Figure pat00010

일반적으로 토폴로지 맵에서 노드는 표현하고자 하는 영역의 기본 정보만을 유지하지만, 본 발명에 따른 하이브리드 맵에서는 사각형을 하나의 노드로 지칭하고, 해당 영역의 좌표 정보를 유지하기 때문에 그리드 맵의 정확한 표현력을 유지할 수 있다.Generally, in a topology map, a node maintains only basic information of an area to be expressed. However, in the hybrid map according to the present invention, a rectangle is referred to as a node and the coordinate information of the area is maintained. .

또한, ACP를 사용하여 노드간의 연결을 나타내고, 노드 간 이동 경로 생성에 사용될 수 있다.
In addition, ACP is used to indicate the connection between nodes and can be used to generate the movement path between nodes.

본 발명에 따른 하이브리드 맵은 다음의 식과 같이 표현될 수 있다.The hybrid map according to the present invention can be expressed as the following expression.

[식 9][Equation 9]

Figure pat00011

Figure pat00011

여기에서, V는 노드의 리스트로 다음의 식과 같이 노드의 ID, 사각형 R의 좌표 정보, 노드간의 리스트, 인접 노드 리스트로 표시할 수 있다.Here, V is a list of nodes, and can be displayed by the ID of the node, the coordinate information of the rectangle R, the list between nodes, and the adjacent node list as shown in the following expression.

[식 10][Equation 10]

Figure pat00012

Figure pat00012

또한, A는 V 노드와 인접한 노드들의 리스트로, 다음의 식과 같이, V 노드의 ID, ACP, V 노드와 ACP의 거리 값, A 노드 리스트를 포함하도록 표시할 수 있다.A is a list of nodes adjacent to the V node and can be displayed to include the V node ID, the ACP, the distance between the V node and the ACP, and the A node list as shown in the following equation.

[식 11][Equation 11]

Figure pat00013

Figure pat00013

특히, 로봇이 동작하며 하이브리드 맵이 업데이트 될 때 V 노드가 새로 생기면, 저장된 V 노드 리스트에 새로운 V 노드를 추가하고, 이때 기존 V 노드 리스트 내의 V 노드들과 인접 여부를 확인하여 A 노드 리스트를 업데이트 할 수 있다. 맵 업데이트부(170)에서는 다음의 업데이트 알고리즘을 통해 업데이트를 수행할 수 있다.In particular, when the robot operates and the V-node is updated when the hybrid map is updated, a new V-node is added to the stored V-node list, and at this time, the A-node list is updated can do. The map updating unit 170 may perform the update through the following update algorithm.

Figure pat00014

Figure pat00014

본 발명에 따르면, 도 7의 (a)에 나타낸 바와 같이, 미지의 환경에 로봇이 위치하면 로봇은 자신의 센서를 사용하여 환경을 파악하고, 그 정보를 이용하여 맵을 생성하며, 생성된 맵으로부터 자신의 위치를 파악하고 맵을 확장할 수 있도록 이동 경로를 생성할 수 있어야 한다.
According to the present invention, as shown in FIG. 7A, when a robot is located in an unknown environment, the robot uses its own sensor to grasp the environment, generates a map using the information, It is necessary to be able to grasp the position of the user and create the movement path so that the map can be expanded.

영역 탐색부(130)에서는 생성된 맵을 기반으로, 도 7의 (b)에 나타낸 바와 같이, 최소의 사각형(Minimum Bounding Rectangle, MBR)영역을 설정할 수 있다.The area searching unit 130 can set a minimum bounding rectangle (MBR) area as shown in FIG. 7B based on the generated map.

MBR 영역은 다음의 알고리즘을 이용하여 구할 수 있다.The MBR area can be obtained using the following algorithm.

Figure pat00015

Figure pat00015

상기 알고리즘으로 구해진 MBR 영역은 현재 환경 상태를 표현하는 최소의 영역으로 환경이 변할 때 계속 변경될 수 있는 특징이 있다.
The MBR area obtained by the algorithm has a characteristic that it can be continuously changed when the environment changes to the minimum area representing the current environmental condition.

도 7의 (b)에 나타낸 MBR 영역을 그리드 맵으로 표현하면, 도 8과 같다. MBR 영역이 설정되면, 이동 경로 생성부(160)를 통해 로봇의 이동 경로를 생성하고, 생성된 이동 경로를 따라 새로운 정보를 획득하여 맵을 확장할 수 있다. 특히, 새로운 이동 경로를 선택하기 위해 MBR 영역에 대해 Rectangle Tiling 기법을 사용하여 그리드 맵을 사각형 형태의 영역으로 분해할 수 있다.
The MBR area shown in FIG. 7 (b) is represented by a grid map as shown in FIG. When the MBR area is set, the movement path of the robot is generated through the movement path generation unit 160, and new information is acquired along the generated movement path to extend the map. In particular, to select a new path, the grid map can be decomposed into rectangular regions using the Rectangle Tiling technique for the MBR region.

도 8에 나타낸 바와 같이, 분해된 사각형 중에서 장애물을 포함하지 않은 가장 큰 영역을 선택하여 R1 영역이라 명하고, 이 영역을 로봇의 탐색 영역으로 선택할 수 있다. 도 8에서는 로봇이 위치한 가운데 점선 사각형(초록색)이 R1 영역으로 선택되고, 선택된 R1 영역의 정보를 이용하여 하이브리드 맵을 업데이트 할 수 있다. 이때 하이브리드 맵에는 [식 10]에 나타낸 V 노드 정보가 저장될 수 있다.
As shown in Fig. 8, the largest area not including the obstacle among the resolved rectangles is selected as R1 area, and this area can be selected as the search area of the robot. In FIG. 8, a dotted rectangle (green) is selected as the R1 area in the center of the robot, and the hybrid map can be updated using the information of the selected R1 area. At this time, the V node information shown in [Equation 10] can be stored in the hybrid map.

장애물이 없는 Free 영역으로 로봇이 자유롭게 이동할 수 있는 R1 영역이 선택되면 해당 영역의 탐색을 통해서 로봇은 주변 환경을 확장하게 되고, 도 7의 (c)와 같이 선택된 R1 영역을 빠르게 이동하며 많은 정보를 획득하기 위해 Wall following으로 이동을 수행할 수 있다. 따라서, 이동 중 새로운 주변 정보를 획득하고, 맵 업데이트부(170)를 통해 획득된 정보를 업데이트 할 수 있다.When the R1 area is selected to allow the robot to freely move to the free area free from obstacles, the robot expands its surroundings through the search of the corresponding area, and moves the selected R1 area rapidly as shown in FIG. 7 (c) You can move to Wall following to acquire. Accordingly, it is possible to acquire new peripheral information while moving, and update the information obtained through the map updating unit 170. [

R1 영역의 탐색이 끝나고 맵이 업데이트되면, 로봇은 새로 업데이트된 맵을 기반으로 MBR 영역의 변경 유무를 확인하여 도 7의 (d)와 같이 MBR 영역이 변경되었다면 새로운 MBR 영역을 기반으로 Rectangle Tiling을 수행하여 새로운 탐색영역으로 R2 영역을 선택할 수 있다.
When the R1 area is searched and the map is updated, the robot checks whether the MBR area has been changed based on the newly updated map. If the MBR area is changed as shown in FIG. 7 (d), the robot performs Rectangle tiling To select the R2 area as a new search area.

탐색이 완료된 R1 영역은 장애물이 없는 Free 영역이지만 탐색이 완료된 영역이기 때문에 장애물 영역으로 간주하여 새로운 R2 영역을 구할 때 Free 영역에 포함하지 않는 것이 특징이다. R1영역은 다음의 알고리즘을 이용해서 구할 수 있다.The R1 area that is completed is the free area without obstacle but it is considered as the obstacle area because it is the area where the search is completed and is not included in the free area when a new R2 area is sought. R1 area can be obtained by using the following algorithm.

Figure pat00016

Figure pat00016

본 발명에 따른 탐색 알고리즘을 이용한 미지 환경에서의 경로 매핑 및 영역 탐색방법은 다음의 알고리즘을 표현될 수 있다.The path mapping and the area search method in the unknown environment using the search algorithm according to the present invention can be represented by the following algorithm.

Figure pat00017

Figure pat00017

상술한 바와 같이, 미지 환경에 대한 탐색과 더불어, 로봇이 동작하는 환경의 모든 영역을 빠지지 않고 지나가야할 필요성이 있다.
As described above, there is a need to pass all areas of the environment in which the robot operates, in addition to searching for the unknown environment.

따라서, 이동경로 생성부(160)는 도 9에 나타낸 바와 같이, 도 7의 (c)에서 선택된 R1 영역에 대해 커버리지를 수행할 수 있도록 바둑판식(Boustrophedon) 알고리즘을 사용하여 커버리지를 수행할 수 있다.9, the movement path generation unit 160 can perform coverage using a Beoustrophedon algorithm so as to perform coverage on the R1 area selected in FIG. 7 (c) .

예를 들어, 청소 로봇의 경우, 커버리지 알고리즘을 수행함으로써 모든 영역에 대한 청소를 할 수 있는 특징이 있다. 특히, 상기와 같은 커버리지 알고리즘을 통해, 장애물이 없는 영역에서 커버리지를 수행하는 경우, 가장 좋은 효율을 가질 수 있다.
For example, in the case of a cleaning robot, it is possible to perform cleaning for all areas by performing a coverage algorithm. Particularly, through the above-described coverage algorithm, it is possible to achieve the best efficiency when performing coverage in an obstacle-free area.

본 발명에 따른 탐색 알고리즘을 이용한 미지 환경에서의 경로 매핑 및 영역 탐색방법에서는 미지 환경에 동작하는 커버리지 알고리즘에 대해 다음과 같이 표현할 수 있다.In the path mapping and area search method in the unknown environment using the search algorithm according to the present invention, the coverage algorithm operating in the unknown environment can be expressed as follows.

Figure pat00018

Figure pat00018

상술한 바와 같이, 본 발명의 탐색 알고리즘을 이용한 미지 환경에서의 경로 매핑 및 영역 탐색방법에 의하면 로봇이 환경의 표현력을 갖는 그리드 맵과 저 메모리 사용 및 빠른 경로 검색의 특징을 가지는 토폴로지 맵의 특성을 포함하는 하이브리드 맵을 사용함으로써, 저 메모리 및 저 사양의 환경에서 동작할 수 있는 특징이 있다.
As described above, according to the path mapping and the area search method in the unknown environment using the search algorithm of the present invention, the characteristics of the topology map having features of grid map, low memory usage, and fast path search, By using the hybrid map including the feature, it is possible to operate in an environment of low memory and low specification.

상기 본 발명의 내용은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. will be. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

10 : 경로 매핑 및 영역 탐색 장치
110 : 센서부
111 : 센서모듈
120 : 그리드 맵 생성부
130 : 영역 탐색부
140 : 하이브리드 맵 생성부
150 : 맵 저장부
160 : 이동경로 생성부
170 : 맵 업데이트부
10: Path mapping and area search device
110:
111: Sensor module
120: grid map generating unit
130:
140: Hybrid map generator
150: map storage unit
160:
170: map update section

Claims (11)

지능형 로봇에 장착된 다수개의 센서모듈로부터 현재 위치에서 상기 로봇의 주변 영역정보를 탐색하는 제 1 단계;
상기 탐색된 주변 영역정보에 근거하여 그리드 맵를 이루는 각 셀의 상태정보를 해당 셀에 할당하여 그리드 맵을 생성하는 제 2 단계;
생성된 그리드 맵으로부터 상기 로봇이 탐색할 수 있는 최소 사각형 영역인 MBR(Minimum Bounding Rectangle) 영역을 설정하는 제 3 단계;
설정된 MBR 영역에 대해 Rectangle Tiling 기법을 사용하여 다수개의 사각형 영역을 설정하는 제 4 단계;
설정된 다수개의 사각형 영역에 근거하여, 그리드 맵과 토폴로지 맵이 혼용된 하이브리드 맵을 생성하는 제 5 단계;
생성된 그리드 맵과 하이브리드 맵을 저장하는 제 6 단계;
상기 제 4 단계에서 설정된 다수개의 사각형 영역 중 가장 큰 영역을 R1(Rectangle-Based Hybrid) 영역으로 설정하는 제 7 단계;
설정된 R1 영역 내에서 상기 로봇이 이동하면서 상기 다수의 센서모듈을 이용하여 새로운 주변 영역정보를 탐색하는 제 8 단계; 및
상기 제 8 단계에서 탐색된 새로운 주변 영역정보를 저장된 상기 그리드 맵과 하이브리드 맵에 업데이트하는 제 9 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탐색 알고리즘을 이용한 미지 환경에서의 경로 매핑 및 영역 탐색방법.
A first step of searching for peripheral region information of the robot at a current position from a plurality of sensor modules mounted on the intelligent robot;
A second step of generating a grid map by allocating state information of each cell constituting a grid map to a corresponding cell based on the searched peripheral area information;
A third step of setting an MBR (Minimum Bounding Rectangle) region, which is a minimum rectangular region that can be searched by the robot, from the generated grid map;
A fourth step of setting a plurality of rectangular areas using the Rectangle Tiling technique for the set MBR area;
A fifth step of generating a hybrid map in which a grid map and a topology map are mixed based on a plurality of rectangular areas set;
A sixth step of storing the generated grid map and the hybrid map;
A seventh step of setting the largest area among the plurality of rectangular areas set in the fourth step as a Rectangle-Based Hybrid area;
An eighth step of searching for new peripheral area information using the plurality of sensor modules while the robot is moving within a set R1 area; And
And updating the new peripheral region information found in the eighth step to the stored grid map and the hybrid map.
제 1 항에 있어서,
상기 제 9 단계 이후,
업데이트된 그리드 맵과 하이브리드 맵을 기반으로 상기 MBR 영역의 변경 유무를 확인하여, MBR 영역의 변경이 결정되면 새로운 MBR 영역에 근거하여 상기 R1 영역에 인접한 R2 영역을 새로운 탐색영역으로 설정하는 제 10 단계; 및
설정된 R2 영역에 근거하여 상기 로봇의 주변 영역정보를 탐색하는 제 11 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탐색 알고리즘을 이용한 미지 환경에서의 경로 매핑 및 영역 탐색방법.
The method according to claim 1,
After the ninth step,
Checking whether the MBR area is changed based on the updated grid map and the hybrid map, and setting the R2 area adjacent to the R1 area as a new search area based on the new MBR area when the MBR area is changed ; And
And searching the surrounding area information of the robot based on the set R2 area. The method of claim 1, further comprising:
제 1 항에 있어서,
상기 제 3 단계에서 설정되는 상기 MBR 영역은 공백 영역 및 장애물을 포함하는 것을 특징으로 하는 탐색 알고리즘을 이용한 미지 환경에서의 경로 매핑 및 영역 탐색방법.
The method according to claim 1,
Wherein the MBR area set in the third step includes a blank area and an obstacle.
제 1 항에 있어서,
상기 제 4 단계에서 설정되는 각 사각형 영역은 하나의 노드로 정의되면서 해당 영역의 좌표 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 탐색 알고리즘을 이용한 미지 환경에서의 경로 매핑 및 영역 탐색방법.
The method according to claim 1,
Wherein each of the rectangular areas set in the fourth step is defined as one node and includes coordinate information of the corresponding area.
제 1 항에 있어서,
상기 제 8 단계에서, 상기 로봇의 이동은 설정된 R1 영역 내에서 Wall following으로 이동되어 탐색을 수행하는 것을 특징으로 하는 탐색 알고리즘을 이용한 미지 환경에서의 경로 매핑 및 영역 탐색방법.
The method according to claim 1,
In the eighth step, the movement of the robot is moved to Wall following in the set R1 area, and the searching is performed. In this way, the path mapping and the area searching method in the unknown environment using the search algorithm.
제 1 항에 있어서,
상기 제 8 단계에서, 상기 로봇의 이동은 설정된 R1 영역 내에서 커버리지 알고리즘을 이용하여 바둑판식(boustrophedon)으로 이동되어 탐색을 수행하는 것을 특징으로 하는 탐색 알고리즘을 이용한 미지 환경에서의 경로 매핑 및 영역 탐색방법.
The method according to claim 1,
Wherein, in the eighth step, the movement of the robot is moved to a bustrophedon using a coverage algorithm in a set R1 area to perform a search. In the eighth step, Way.
제 2 항에 있어서,
상기 제 10 단계에서,
새로운 MBR 영역에 대해 Rectangle Tiling 기법을 사용하여 새로운 R1 영역을 설정하는 것을 특징으로 하는 탐색 알고리즘을 이용한 미지 환경에서의 경로 매핑 및 영역 탐색방법.
3. The method of claim 2,
In the tenth step,
And a new R1 area is set using a Rectangle Tiling technique for a new MBR area.
제 2 항에 있어서,
상기 제 10 단계에서,
상기 R1 영역의 크기와 R2 영역의 크기를 비교하여, R1 영역이 R2 영역보다 큰 경우 R2 영역을 탐색영역으로 설정하는 것을 특징으로 하는 탐색 알고리즘을 이용한 미지 환경에서의 경로 매핑 및 영역 탐색방법.
3. The method of claim 2,
In the tenth step,
Comparing the size of the R1 area with the size of the R2 area, and setting the R2 area as a search area when the R1 area is larger than the R2 area.
제 2 항에 있어서,
상기 제 10 단계에서,
상기 R1 영역의 크기와 R2 영역의 크기를 비교하여, R1 영역과 R2 영역이 동일하고, 상기 로봇의 현재 위치로부터 R1 영역 내에서의 이동거리가 R2 영역으로의 이동거리보다 작은 경우 R2 영역을 탐색영역으로 설정하는 것을 특징으로 하는 탐색 알고리즘을 이용한 미지 환경에서의 경로 매핑 및 영역 탐색방법.
3. The method of claim 2,
In the tenth step,
If the R1 area and the R2 area are equal to each other and the moving distance in the R1 area is smaller than the moving distance to the R2 area from the current position of the robot, Wherein the step of searching for a path in the unknown environment using the search algorithm is performed.
제 1 항에 있어서,
상기 그리드 맵은 SLAM(Simultaneous Localization and Mapping) 알고리즘을 이용하여 생성되는 것을 특징으로 하는 탐색 알고리즘을 이용한 미지 환경에서의 경로 매핑 및 영역 탐색방법.
The method according to claim 1,
Wherein the grid map is generated using a SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) algorithm.
제 1 항에 있어서,
상기 각 셀에 할당되는 상태정보는 프리영역(free area), 미지영역(unkown area) 및 장애물(obstacle) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탐색 알고리즘을 이용한 미지 환경에서의 경로 매핑 및 영역 탐색방법.
The method according to claim 1,
Wherein the state information allocated to each cell is one of a free area, an unkown area, and an obstacle.
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