KR20160001009A - 로봇 청소기 및 로봇 청소기의 제어방법 - Google Patents

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KR20160001009A
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Abstract

개시된 발명은 로봇 청소기 및 로봇 청소기의 제어방법에 관한 것으로서, 본체; 복수의 방향으로부터 전송되는 발신장치의 IR(Infrared Ray) 신호를 수신하는 IR 센서; 제어부의 제어에 따라 본체를 발신장치 측으로 이동시키는 구동 모터; 및 발신장치 방향 추정값을 생성하여 복수의 IR 신호 중 반사파 신호를 제거하고, 검증된 발신장치의 방향 추정값을 기초로 구동 모터를 통해 본체의 구동을 제어하는 제어부;를 포함할 수 있다.

Description

로봇 청소기 및 로봇 청소기의 제어방법{ROBOT CLEANER AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}
로봇 청소기 및 로봇 청소기의 제어방법에 관한 것이다.
로봇 청소기는 사용자의 조작 없이도 청소해야하는 영역을 스스로 주행하면서 바닥으로부터 먼지와 같은 이물질을 청소하는 장치로, 미리 설정된 주행 패턴에 따라 주행하면서 청소 작업을 수행한다. 로봇 청소기는 센서를 통해 청소 구역 내에 설치된 가구, 벽, 가전제품 등의 장애물까지의 거리를 판별하고, 좌측 모터와 우측 모터를 선택적으로 구동시켜 스스로 방향을 전환할 수 있다.
또한, 로봇 청소기는 리모트 콘트롤러 제어 신호 수신 및 충전기 신호용으로 적외선을 사용하고 있다. 대부분의 로봇 청소기에서는 여러 방면에서 리모트 콘트롤러 또는 충전기 신호를 수신하기 위해 하나 이상의 IR 센서를 사용하고 있다. 로봇 청소기에 복수 개의 IR 센서가 구비되어 있는 경우, 적외선이 수신된 센서를 바탕으로 신호를 송출한 방향을 측정할 수 있다. 측정된 송출 방향은 로봇 청소기가 충전기 위치로 복귀하거나, 또는 제어 신호가 송출된 방향을 빠르게 파악하는 데 중요하게 작용할 수 있다.
한편, 적외선은 광이기 때문에, 벽, 바닥, 물체 등에 의해서 반사되는 성질을 지니고 있어, 로봇 청소기는 종종 반사파를 수신할 수 있다.
일 측면의 로봇 청소기는, 본체; 복수의 방향으로부터 전송되는 발신장치의 IR(Infrared Ray) 신호를 수신하는 IR 센서; 제어부의 제어에 따라 상기 본체를 상기 발신장치 측으로 이동시키는 구동 모터; 및 발신장치 방향 추정값을 생성하여 복수의 IR 신호 중 반사파 신호를 제거하고, 검증된 상기 발신장치의 방향 추정값을 기초로 상기 구동 모터를 통해 상기 본체의 구동을 제어하는 제어부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 칼만(Kalman) 필터를 이용하여 상기 발신장치의 방향에 대한 시스템 모델 추정값을 생성한 후, 추정된 상기 시스템 모델 추정값과 관측 모델을 기초로 예측 센서값을 산출하고, 산출된 상기 예측 센서값과 측정 센서값의 차를 통해 상기 시스템 모델 추정값을 보정하여 발신장치 방향 추정값을 산출하는 발신장치 방향 추정부; 및 상기 발신장치 방향 추정값을 기 설정된 기준치와 비교하여 검증을 수행하는 발신장치 방향 검증부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 발신장치 방향 추정부는 수학식 1을 통해 상기 발신장치의 방향에 대한 상기 시스템 모델 추정값을 생성하며,
상기 수학식 1은
Figure pat00001
이고,
상기
Figure pat00002
는 시간 k에서의 발신장치 방향이고, 상기
Figure pat00003
는 칼만 필터를 위한 상태 천이 행렬(State Transition Matrix)이며, 상기
Figure pat00004
는 필터 랜덤 노이즈로, 상기
Figure pat00005
는 시간 k+1에서의 발신장치 방향의 예측값일 수 있다.
또한, 상기 발신장치 방향 추정부는 수학식2를 통해 상기 발신장치의 방향에 대한 관측 모델을 추정하며,
상기 수학식 2는
Figure pat00006
이고,
상기
Figure pat00007
는 상기 IR 센서가 수신할 센서값의 예측값인 예측 센서값이고, 상기
Figure pat00008
는 출력 천이 행렬(Output Transition Matrix)을 의미하며, 상기
Figure pat00009
는 시간 k에서의 발신장치 방향이고, 상기
Figure pat00010
는 상기 IR 센서 노이즈일 수 있다.
또한, 상기 발신장치 방향 추정부는, 상기 시스템 모델 추정값을 보정할 때,
상기 예측 센서값과 상기 IR 센서로부터 수신되는 측정 센서값의 차이를 계산하여 칼만 이득(Kalman Gain)을 산출하고, 산출된 값을 기초로 발신장치 방향 추정값을 업데이트할 수 있다.
또한, 상기 발신장치 방향 추정부는, 상기 칼만 필터를 이용하여 상기 발신장치 방향의 에러 공분산을 추정할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 IR 센서로부터 수신하는 IR 신호의 발신장치 방향 중 상기 발신장치 방향 검증부를 통해 검증된 상기 발신장치 방향 추정값과의 차가 허용 기준치를 초과하는 경우, 해당 IR 신호를 신호 추정 대상에서 제거하는 반사파 신호 제거부;를 더 포함할 수 있다.
상기 발신장치가 충전기인 경우, 상기 제어부는, 상기 반사파 신호 제거부에 의해서 필터링된 상기 발신장치 방향 추정값을 기초로 상기 본체를 상기 발신장치 측으로 복귀시키는 구동 제어부;를 더 포함할 수 있다.
상기 발신장치가 리모트 콘트롤러인 경우, 상기 제어부는, 상기 반사파 신호 제거부에 의해서 필터링된 상기 발신장치 방향 추정값의 IR 신호를 기초로 상기 본체의 구동을 제어하는 구동 제어부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 IR 센서는 상기 본체 내 복수 개가 배치되되 각각의 위치를 식별할 수 있도록 서로 이격되게 위치할 수 있다.
상기 발신장치는 충전기 또는 리모트 콘트롤러일 수 있다.
다른 측면의 로봇 청소기의 제어방법은, 발신장치로부터 전송되는 IR 신호를 수신하는 단계; 발신장치 방향 추정값을 생성하는 단계; 생성된 상기 발신장치 방향 추정값을 검증하는 단계; 및 검증된 상기 발신장치 방향 추정값을 기초로 상기 발신장치로부터 전송되는 IR 신호 중 반사파 신호를 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 발신장치가 충전기인 경우, 상기 반사파 신호를 제거하는 단계 이후에,
반사파 신호가 필터링된 발신장치 방향 추정값을 기초로 본체를 상기 발신장치로 복귀시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 발신장치가 리모트 콘트롤러인 경우, 상기 반사파 신호를 제거하는 단계 이후에, 반사파 신호가 필터링된 발신장치 방향 추정값의 IR 신호를 기초로 상기 본체의 구동을 제어하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 발신장치 방향 추정값을 생성하는 단계는, 칼만(Kalman) 필터를 이용하여 상기 발신장치의 방향에 대한 시스템 모델 추정값을 생성하는 단계; 생성된 상기 시스템 모델 추정값과 관측 모델을 기초로 예측 센서값 산출하는 단계; 및 산출된 예측 센서값과 측정 센서값의 차를 통해 상기 시스템 모델 추정값을 보정하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 시스템 모델 추정값을 보정할 때, 상기 예측 센서값과 상기 IR 센서로부터 수신되는 측정 센서값의 차이를 계산하여 칼만 이득(Kalman Gain)을 산출하고, 산출된 값을 기초로 발신장치 방향 추정값을 업데이트할 수 있다.
상기 발신장치의 방향에 대한 시스템 모델 추정값을 생성하는 단계에서, 수학식 1을 통해 상기 발신장치의 방향에 대한 시스템 모델 추정값을 생성하며,
상기 수학식 1은
Figure pat00011
이고,
상기
Figure pat00012
는 시간 k에서의 발신장치 방향이고, 상기
Figure pat00013
는 칼만 필터를 위한 상태 천이 행렬(State Transition Matrix)이며, 상기
Figure pat00014
는 필터 랜덤 노이즈로, 상기
Figure pat00015
는 시간 k+1에서의 발신장치 방향의 예측값일 수 있다.
상기 발신장치의 방향에 대한 시스템 모델 추정값을 생성하는 단계에서,
수학식2를 통해 상기 발신장치의 방향에 대한 관측 모델을 추정하며,
상기 수학식 2는
Figure pat00016
이고,
상기
Figure pat00017
는 상기 IR 센서가 수신할 센서값의 예측값인 예측 센서값이고, 상기
Figure pat00018
는 출력 천이 행렬(Output Transition Matrix)을 의미하며, 상기
Figure pat00019
는 시간 k에서의 발신장치 방향이고, 상기
Figure pat00020
는 상기 IR 센서 노이즈일 수 있다.
상기 발신장치 방향 추정값을 생성하는 단계에서, 칼만 필터를 이용하여 충전기 방향의 에러 공분산을 추정할 수 있다.
상기 IR 신호 중 반사파 신호를 제거하는 단계에서, 수신된 IR 신호의 발신장치 방향과 검증된 발신장치 방향 추정값의 차가 허용 기준치를 초과하는 경우, 해당 IR 신호를 신호 추정 대상에서 제거할 수 있다.
개시된 로봇 청소기는 발신장치측으로부터 전송되는 IR 신호 중 비정상적으로 수신한 반사파를 발신장치 방향의 추정 시 추정대상에서 제거하기 때문에, 추정된 발신장치 방향에 대한 신뢰도를 향상시킬 수 있으며, 이로 인해 제품에 대한 고객 만족도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 로봇 청소기의 평면도이다.
도 2 및 도 3은 일 실시예에 따른 로봇 청소기의 저면 사시도이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 로봇 청소기의 저면 사시도이다.
도 5는 로봇 청소기의 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5의 제어부의 구성을 상세하게 나타내는 도면이다.
도 7은 로봇 청소기의 제어방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8은 도 7의 일부를 상세하게 설명하기 위한 흐름도이다.
도 9는 로봇 청소기에 IR 센서가 장착된 예를 나타내기 위한 도면이다.
도 10은 충전기 신호영역과 로봇 청소기의 신호 수신 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 리모트 콘트롤러 신호영역과 로봇 청소기의 신호 수신 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 반사파로 인해 비정상 신호를 수신하는 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 로봇 청소기의 제어 방법을 설명하기 위한 일 예를 나타내는 도면이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 로봇 청소기의 평면도를 나타내는 도면이고, 도 2 및 도 3은 개시된 발명의 일 실시예에 따른 로봇 청소기 저면의 사시도를 나타내는 도면이며, 도 4는 개시된 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 청소기 저면의 사시도를 나타내는 도면이다.
도 1 내지 도 4에서 도시하는 바와 같이, 로봇 청소기(1)는 본체(2), 감지 센서(3), 통신부(5), 디스플레이(6), 집진부(7), 브러시 유닛(10, 20), 구동 바퀴(31, 33, 35), 전원부(40) 및 추락 검출부(50)를 포함할 수 있다.
보다 상세히 설명하면, 감지 센서(3)는 본체(2)가 주행하는 경로 상에 존재하는 장애물을 감지하기 위한 센서로 거리 인식이 가능한 근접 센서 형태일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다. 이 외에도, 로봇 청소기(1)의 주행을 위한 맵을 형성하기 위해 위치 인식이 가능한 비전 센서(4)를 더 포함할 수 있다.
통신부(5)는 로봇 청소기(1)가 도킹 스테이션(미도시) 및 버추얼 가드(미도시)와 같은 외부 기기와 통신을 수행할 수 있도록 한다. 이때, 도킹 스테이션은 로봇 청소기(1)의 청소 주행 모드가 완료되거나, 배터리의 양이 기준치보다 낮아지게 되면 본체(2)가 도킹되는 구성으로, 본체(2)로 전력을 공급할 수 있다. 또한, 도킹 스테이션은 본체(2)의 도킹을 유도하기 위해 본체(2)와 도킹 신호를 송수신하는 통신부를 포함할 수 있다. 또한, 버추얼 가드는 로봇 청소기(1)의 주행 시 주행 제한 영역을 구분하기 위한 가상벽 기능을 수행하는 구성으로, 로봇 청소기(1)가 특정 영역으로 진입하는 것을 막기 위해 현재의 청소 영역과 특정 영역 사이의 연결 통로를 향해 진입 제한 신호를 송신할 수 있다.
디스플레이(6)는 본체(2)의 일측에 형성되어, 로봇 청소기(1)의 각종 상태를 표시할 수 있다. 예를 들어, 배터리 충전 상태 또는 집진부(7)에 먼지가 가득 찼는지 여부, 로봇 청소기(1)의 청소 주행 모드, 휴면 모드 등이 표시될 수 있다.
집진부(7)는 브러시 유닛(10, 20) 등을 통해 집진되어 흡입구(23)를 통해 유입되는 먼지와 같은 이물질을 모을 수 있다.
브러시 유닛(10, 20)은 사이드 브러시 유닛(10)과 메인 브러시 유닛(20)을 포함할 수 있으며, 사이드 브러시 유닛(10)은 회전을 통해 청소 영역을 확장할 수 있다. 사이드 브러시 유닛(10)은 본체(2)의 전방 양 측면에 설치되어 바닥면을 기준으로 수평면으로 회전할 수 있는 구성으로, 회전 방향 및 본체(2)에서의 설치 위치는 이에 한정되지 않는다. 또한, 사이드 브러시 유닛(10)은 회전축(11) 및 사이드 브러시(12)를 포함할 수 있다. 이때, 사이드 브러시 유닛(10)은 돌출형 사이드 브러시 유닛과 고정형 사이드 브러시 유닛을 포함할 수 있다. 도 2 및 도 3에서 도시하는 바와 같이, 돌출형 사이드 브러시 유닛은 본체(2)에 장착된 사이드 암(13)을 통해 회전축(11) 및 사이드 브러시(12)가 본체(2)로부터 돌출(도 3) 및 복귀(도 2)가 가능한 구조이다. 또한, 고정형 사이드 브러시 유닛은 도 4에서 도시하는 바와 같이, 사이드 브러시(12)가 본체(2)에 부착된 회전축(11)에 형성되어 본체(2)에 고정된 구조이다.
메인 브러시 유닛(20)은 본체(2)의 저면에 형성된 흡입구(23)에 부착될 수 있다. 메인 브러시 유닛(20)은 메인 브러시(21)와 롤러(22)를 포함할 수 있으며, 메인 브러시(21)는 롤러(22)의 외면에 형성될 수 있다. 롤러(22)가 회전함에 따라 메인 브러시(21)는 바닥면에 쌓인 먼지를 비산시켜 흡입구(23)로 유도시킬 수 있다. 이때, 메인 브러시(21)는 탄성력을 가진 재질이라면 모두 적용 가능할 수 있다.
구동 바퀴(31, 33, 35)는 본체(2) 저면의 중앙 영역의 좌우 가장자리에 서로 대칭되는 위치 및 본체(2) 저면의 전방 영역에 형성될 수 있으며, 이에 한정되지 않고, 운용자의 필요에 따라 다른 영역에 장착되는 것도 가능하다. 이때, 구동 바퀴(31, 33, 35)는 본체(2)의 청소 주행 모드 중 전진, 후진 또는 회전 등 다양한 방향으로 이동이 가능하도록 하는 구성으로, 휠 모터(미도시)를 통해 이동력을 인가받을 수 있다. 상술한 구동 바퀴 중 참조 번호 35는 본체(2) 저면의 전방 영역에 형성되어, 본체(2)가 주행하는 바닥면의 상태에 따라 회전하여 각도가 변화할 수 있다. 참조 번호 35의 구동 바퀴는 본체(2)의 자세 안정 및 추락 방지 등에 활용되어 로봇 청소기(1)를 지지하며, 롤러나 캐스터 형상의 휠로 이루어질 수 있다. 또한, 구동 바퀴(31, 33, 35)는 모듈화되어 후크 결합, 스크류 결합, 끼워맞춤 등과 같은 방식을 통해 본체(2)의 저면에 착탈 가능 하도록 장착될 수 있다.
전원부(40)는 본체(2)를 구동시키기 위한 전원을 공급하는 장치로, 본체(2) 이외에도 본체(2)에 장착된 각종 부품을 구동시키기 위한 구동 처리부와 전기적으로 연결되어 구동 전원을 공급하는 배터리를 포함할 수 있다. 이때, 배터리는 재충전이 가능한 2차 배터리일 수 있으며, 본체(2)가 청소 주행 모드를 완료하여 도킹 스테이션(미도시)에 결합된 경우 도킹 스테이션으로부터의 전력 공급을 통해 충전될 수 있다.
추락 검출부(50)는 본체(2)의 추락을 방지하기 위한 구성으로 복수 개의 센서(미도시)를 포함할 수 있다.
도 5는 로봇 청소기의 구성을 나타내는 도면이고, 도 6은 도 5의 제어부의 구성을 상세하게 나타내는 도면이다.
이하에서는, 로봇 청소기에 IR 센서가 장착된 예를 나타내기 위한 도 9, 충전기 신호영역과 로봇 청소기의 신호 수신 예를 설명하기 위한 도 10, 리모트 콘트롤러 신호영역과 로봇 청소기의 신호 수신 예를 설명하기 위한 도 11, 반사파로 인해 비정상 신호를 수신하는 경우를 설명하기 위한 도 12, 로봇 청소기의 제어 방법을 설명하기 위한 일 예를 나타내는 도 13을 참조하여 설명하기로 한다.
도 5에서 도시하는 바와 같이, 로봇 청소기(100)는 본체(110), 입력부(120), 출력부(130), 저장부(140), IR 센서(150), 구동 모터(160) 및 제어부(170)를 포함할 수 있다.
보다 상세히 설명하면, 입력부(120)는 버튼 스위치, 필름과 같이 평평한 형태의 스위치인 멤브레인 스위치(membrane switch) 또는 터치 방식의 스위치 등을 통해 정보를 입력할 수 있도록 하는 구성으로, 본체(110)에 위치하여 사용자에 의한 조작을 가능하도록 할 수 있다.
출력부(130)는 로봇 청소기(100) 상에서 이루어지는 각종 동작 정보를 출력할 수 있다.
저장부(140)는 로봇 청소기(100)와 관련된 정보를 저장하는 구성으로, 예를 들어, IR 센서(150)로부터 전송되는 IR 신호 중 반사파 신호를 제거할 수 있는 각종 기준, 본체(110)의 구동 제어 정보 등을 저장할 수 있다.
IR 센서(150)는 복수의 방향으로부터 전송되는 발신장치(200)의 IR(Infrared Ray) 신호를 수신할 수 있다. 이때, 발신장치(200)는 로봇 청소기(100)의 배터리 충전을 위한 충전기이거나 또는 원격 제어가 가능하도록 하는 리모트 콘트롤러일 수 있으며, IR 신호를 전송하는 IR 센서(210)를 구비할 수 있다. 이때, IR 센서(150, 210)는 로봇 청소기(100)와 발신장치(200) 간에 근거리 정보를 송수신할 수 있는 다른 방식의 통신 감지 센서로 대체 가능하다.
도 9에서 도시하는 바와 같이, IR 센서(150)는 본체(110) 내 복수 개(S1, S2, S3, S4, S5, S6)가 배치되되 각각의 위치를 식별할 수 있도록 서로 이격되게 위치할 수 있다. 예를 들어, 도 9와 같이, IR 센서(150)는 본체(110)의 테두리를 따라 일정 간격으로 배치될 수 있으며, 이에 한정되지 않고 발신장치(200)로부터 전송되는 IR 신호를 수신할 수 있는 위치라면 어디든 가능할 수 있다. 또한, IR 센서(150)의 개수는 도 9에 개시된 개수 이외에도 운용자의 필요에 따라 변경 가능하다.
구동 모터(160)는 로봇 청소기(100)의 본체(110)를 주행시키기 위한 구성으로, 제어부(170)의 제어에 따라 본체(110)를 발신장치(200) 측으로 이동시킬 수 있다.
제어부(170)는 발신장치 방향 추정값을 생성하여 복수의 IR 신호 중 반사파신호를 제거하고, 검증된 상기 발신장치의 방향 추정값을 기초로 구동 모터(160)를 통해 본체(110)의 구동을 제어할 수 있다.
도 10 및 도 11에서 도시하는 바와 같이, 충전기 또는 리모트 콘트롤러는 로봇 청소기(100)와의 무선 근거리 통신이 가능한 기능을 구비하여 로봇 청소기(100) 측으로 IR 신호를 전송함에 따라 신호영역(A1, A2) 내에 위치하는 로봇 청소기(100)의 해당 IR 센서(150)가 IR 신호를 수신한다. 예를 들어, 도 10의 S2와 도 11의 S1 및 S6가 충전기 또는 리모트 콘트롤러로부터 전송된 IR 신호를 수신할 수 있다. 도 12에서 도시하는 바와 같이, 로봇 청소기(100)는 수신된 IR 신호를 통해 충전기 방향을 추정하여 충전기측으로 복귀할 수 있다.
한편, 도 12에서 도시하는 바와 같이, 로봇 청소기(100)의 IR 센서는 S2 및 S3와 같이 정상적인 IR 신호를 수신하거나, 또는 S4와 같이 벽등의 장애물에 의한 반사파 신호와 같은 비정상 IR 신호를 수신하는 경우도 종종 발생할 수 있다. 이러한 비정상 IR 신호는 발신장치(200)의 방향을 추정하는 결과값의 신뢰도를 낮출 수 있기 때문에, 제어부(170)는 발신장치 방향 추정 시 비정상 IR 신호를 추정 대상에서 제외시킬 수 있으며, 이에 대한 자세한 내용은 후술하기로 한다.
도 6에서 도시하는 바와 같이, 제어부(170)는 발신장치 방향 추정부(171), 발신장치 방향 검증부(173), 반사파 신호 제거부(175) 및 구동 제어부(177)를 포함할 수 있다.
발신장치 방향 추정부(171)는 칼만(Kalman) 필터를 이용하여 발신장치(200)의 방향에 대한 시스템 모델 추정값을 생성한 후, 추정된 시스템 모델 추정값과 관측 모델을 기초로 예측 센서값을 산출하고, 산출된 예측 센서값과 측정 센서값의 차를 통해 시스템 모델 추정값을 보정하여 발신장치 방향 추정값을 산출할 수 있다. 이때, 칼만 필터는 시간 변화, 비정상(nonstationary), 다중 채널 시스템을 포함한 모든 선형 시스템에 적용 가능한 순환 필터로, 개시된 발명에서는 신호 소스 추정을 위해 적용된다.
상술한 시스템 모델 추정값은 IR 센서(150)가 실제 수신한 측정값 없이 시스템 모델을 통해 다음 상태를 예측하는 값으로 예측 모델(prediction model)이라고도 한다. 또한, 상기 예측 센서값은 시스템 모델 추정값과 관측 모델(observation model)을 이용하여 IR 센서(150)에 의해서 측정될 IR 센서값을 예측하는 값을 의미하는 것으로 실제 센서값이 아니고 모델에 의한 예측값이므로, 실제 측정을 통해 획득한 측정 센서값과는 차이가 날 수 있다.
발신장치 방향 추정부(171)는 수학식 1을 통해 발신장치의 방향에 대한 시스템 모델(system model) 추정값을 생성할 수 있다.
Figure pat00021
상기
Figure pat00022
는 추정하고자 하는 상태(state)로, 시간 k에서의 발신장치 방향이고, 상기
Figure pat00023
는 칼만 필터를 위한 상태 천이 행렬(state transition matrix)로 개시된 발명에서는 1로 설정하며, 상기
Figure pat00024
는 필터 랜덤 노이즈로, 상기
Figure pat00025
은 시간 k+1에서의 발신장치 방향의 예측값일 수 있다. 이때,
Figure pat00026
(필터 랜덤 노이즈)는 다양한 방향에 대한 IR 신호를 수신할 수 있도록 하기 위한 것으로, 발신장치 방향 추정값 설정 시 특정 방향에만 치우치지 않도록 하기 위한 것이다.
또한, 발신장치 방향 추정부(171)는 수학식 2를 통해 발신장치의 방향에 대한 관측 모델(observation model)을 추정할 수 있다. 이때, 관측 모델은 시스템 모델 추정값을 보정하기 위한 것이다.
Figure pat00027
상기
Figure pat00028
는 IR 센서(150)가 수신할 센서값의 예측값인 예측 센서값이고, 상기
Figure pat00029
는 출력 천이 행렬(Output Transition Matrix)을 의미하며, 상기
Figure pat00030
는 시스템 모델에서 예측한 값으로 시간 k에서의 발신장치 방향이고, 상기
Figure pat00031
는 IR 센서(150) 노이즈일 수 있다. 즉,
Figure pat00032
는 시스템 모델로 예측한 새로운
Figure pat00033
(수학식 1의
Figure pat00034
)를 가지고 관측 모델을 이용하여 예측 센서값 Z를 예측한 값이다.
또한, 발신장치 방향 추정부(171)는 시스템 모델 추정값을 보정할 때, 예측 센서값과 IR 센서(150)로부터 수신되는 측정 센서값의 차이를 계산하여 칼만 이득(Kalman Gain)을 산출하고, 산출된 값을 기초로 시간 k에서의 발신장치 방향 추정값을 업데이트할 수 있다. 발신장치 방향 추정부(171)는 상술한 과정을 반복하여 발신장치(200)의 연속적인 방향을 추정한다.
또한, 발신장치 방향 추정부(171)는 칼만 필터를 이용하여 발신장치 방향의 에러 공분산(error covariance)을 추정할 수 있다. 이때, 에러 공분산은 칼만필터로 추정한 발신장치 방향값의 에러 범위를 나타내는 것으로, 추정한 발신장치 방향값이 매순간 크게 변한다면 에러 공분산도 커지고 변환가 작다면 에러 공분산도 작아진다.
발신장치 방향 검증부(173)는 발신장치 방향 추정값을 기 설정된 기준치와 비교하여 검증을 수행할 수 있다.
보다 상세히 설명하면, 발신장치 방향 검증부(173)는 칼만 필터의 에러 공분산이 신뢰 기준범위(T1)를 초과하지 않고, 측정 센서값(Z)과 예측 센서값(Zk)의 차(Vk = Z-Zk)의 크기가 ±2σ 내인 경우, 필터가 발신장치 방향을 정상적으로 추정했다고 판단하는 것이다. 만약, 칼만 필터의 에러 공분산이 초기화 기준범위(Tu)를 초과하고, 측정 센서값(Z)과 예측 센서값(Zk)의 차(Vk = Z-Zk)의 크기가 ±2σ를 초과하는 경우, 발신장치 방향 검증부(173)는 해당 발신장치 방향 추정값에 대한 검증 실패로 판단하고, 이를 발신장치 방향 추정부(171)로 전달하여 칼만 필터를 초기화할 수 있도록 한다. 이때, 신뢰 기준범위(T1)와 초기화 기준범위(Tu)는 도 13에서 도시하는 바와 같이 초기화 기준범위가 신뢰 기준범위 보다 넓은 범위로 설정되어, 도 13과 같이 발신장치 방향 추정값이 초기화 기준범위를 초과하는 칼만 필터를 초기화하여 발신장치 방향 추정값이 처음부터 다시 이루어질 수 있도록 하는 것이다.
반사파 신호 제거부(175)는 IR 센서(150)로부터 수신하는 IR 신호의 발신장치 방향 중 발신장치 방향 검증부(173)를 통해 검증된 발신장치 방향 추정값과의 차가 허용 기준치를 초과하는 경우, 해당 IR 신호를 신호 추정 대상에서 제거할 수 있다.
구동 제어부(177)는 발신장치(200)가 충전기인 경우, 반사파 신호 제거부(175)에 의해서 필터링된 발신장치 방향 추정값을 기초로 본체(110)를 발신장치(200) 측으로 복귀시킬 수 있다.
또한, 구동 제어부(177)는 발신장치(200)가 리모트 콘트롤러인 경우, 반사파 신호 제거부(175)에 의해서 필터링된 발신장치 방향 추정값의 IR 신호를 기초로 본체(110)의 구동을 제어할 수 있다.
도 7은 로봇 청소기의 제어방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 8은 도 7의 일부를 상세하게 설명하기 위한 흐름도이다.
이하에서는, 로봇 청소기에 IR 센서가 장착된 예를 나타내기 위한 도 9, 충전기 신호영역과 로봇 청소기의 신호 수신 예를 설명하기 위한 도 10, 리모트 콘트롤러 신호영역과 로봇 청소기의 신호 수신 예를 설명하기 위한 도 11, 반사파로 인해 비정상 신호를 수신하는 경우를 설명하기 위한 도 12, 로봇 청소기의 제어 방법을 설명하기 위한 일 예를 나타내는 도 13을 참조하여 설명하기로 한다.
먼저, 로봇 청소기(100)는 발신장치(200)로부터 전송되는 IR 신호를 수신할 수 있다(S110). 이때, 발신장치(200)는 로봇 청소기(100)의 배터리 충전을 위한 충전기이거나 또는 원격 제어가 가능하도록 하는 리모트 콘트롤러일 수 있으며, IR 신호를 전송하는 IR 센서(210)를 구비할 수 있다.
다음, 로봇 청소기(100)는 발신장치 방향 추정값을 생성할 수 있다(S120).
도 8에서 도시하는 바와 같이, 로봇 청소기(100)는 칼만(Kalman) 필터를 이용하여 발신장치(200)의 방향에 대한 시스템 모델 추정값을 생성할 수 있다(S121).
단계 S121에서, 로봇 청소기(100)는 수학식 1을 통해 발신장치의 방향에 대한 시스템 모델 추정값을 생성할 수 있다.
상기
Figure pat00035
는 추정하고자 하는 상태(state)로, 시간 k에서의 발신장치 방향이고, 상기
Figure pat00036
는 칼만 필터를 위한 상태 천이 행렬(state transition matrix)로 개시된 발명에서는 1로 설정하며, 상기
Figure pat00037
는 필터 랜덤 노이즈로, 상기
Figure pat00038
은 시간 k+1에서의 발신장치 방향의 예측값일 수 있다.
다음, 로봇 청소기(100)는 생성된 시스템 모델 추정값과 관측 모델을 기초로 예측 센서값 산출할 수 있다(S123).
단계 S123에서, 로봇 청소기(100)는 수학식 2를 통해 발신장치의 방향에 대한 관측 모델을 추정할 수 있다. 이때, 관측 모델은 시스템 모델 추정값을 보정하기 위한 것이다.
또한, 수학식 2는
Figure pat00039
이고, 상기
Figure pat00040
는 IR 센서(150)가 수신할 센서값의 예측값인 예측 센서값이고, 상기
Figure pat00041
는 출력 천이 행렬(Output Transition Matrix)을 의미하며, 상기
Figure pat00042
는 시스템 모델에서 예측한 값으로 시간 k에서의 발신장치 방향이고, 상기
Figure pat00043
는 IR 센서(150) 노이즈일 수 있다.
다음, 로봇 청소기(100)는 산출된 예측 센서값과 측정 센서값의 차를 통해 시스템 모델 추정값을 보정할 수 있다(S125). 이때, 시스템 모델 추정값을 보정할 때, 로봇 청소기(100)는 예측 센서값과 IR 센서(150)로부터 수신되는 측정 센서값의 차이를 계산하고 칼만 이득(Kalman Gain)을 산출하여 발신장치 방향 추정값을 업데이트할 수 있다. 로봇 청소기(100)는 상술한 단계 S121 ~ 단계 S125를 반복하여 발신장치(200)의 연속적인 방향을 추정한다.
한편, 로봇 청소기(100)는 단계 S120에서, 칼만 필터를 이용하여 충전기 방향의 에러 공분산을 추정할 수 있다. 이때, 에러 공분산은 칼만필터로 추정한 발신장치 방향값의 에러 범위를 나타내는 것으로, 추정한 발신장치 방향값이 매순간 크게 변한다면 에러 공분산도 커지고 변환가 작다면 에러 공분산도 작아진다.
다음, 로봇 청소기(100)는 생성된 발신장치 방향 추정값을 검증할 수 있다.
보다 상세히 설명하면, 로봇 청소기(100)는 칼만 필터의 에러 공분산이 신뢰 기준범위(T1)를 초과하지 않고, 측정 센서값(Z)과 예측 센서값(Zk)의 차(Vk = Z-Zk)의 크기가 ±2σ 내인지 여부를 확인하고(S130), 확인 결과, 에러 공분산이 신뢰 기준범위를 초과하지 않고, 측정 센서값과 예측 센서값의 차가 기준치 내인 경우, 필터가 발신장치 방향을 정상적으로 추정했다고 판단한다.
만약, 칼만 필터의 에러 공분산이 초기화 기준범위(Tu)를 초과하고, 측정 센서값(Z)과 예측 센서값(Zk)의 차(Vk = Z-Zk)의 크기가 ±2σ를 초과하는 경우, 로봇 청소기(100)는 해당 발신장치 방향 추정값에 대한 검증 실패로 판단하고(S160), 이를 발신장치 방향 추정부(171)로 전달하여 칼만 필터를 초기화할 수 있도록 한다(S170). 이때, 신뢰 기준범위(T1)와 초기화 기준범위(Tu)는 도 13에서 도시하는 바와 같이 초기화 기준범위가 신뢰 기준범위 보다 넓은 범위로 설정되어, 도 13과 같이 발신장치 방향 추정값이 초기화 기준범위를 초과하는 칼만 필터를 초기화하여 발신장치 방향 추정값이 처음부터 다시 이루어질 수 있도록 하는 것이다.
다음, 로봇 청소기(100)는 검증된 상기 발신장치 방향 추정값을 기초로 상기 발신장치(200)로부터 전송되는 IR 신호 중 반사파 신호를 제거할 수 있다(S140).
단계 S140에서 로봇 청소기(100)는 수신된 IR 신호의 발신장치 방향과 검증된 발신장치 방향 추정값의 차가 허용 기준치를 초과하는 경우, 해당 IR 신호를 신호 추정 대상에서 제거할 수 있다.
다음, 발신장치(200)가 충전기인 경우, 로봇 청소기(100)는 반사파 신호가 필터링된 발신장치 방향 추정값을 기초로 본체(110)를 발신장치(200)로 복귀시키고, 발신장치(200)가 리모트 콘트롤러인 경우, 반사파 신호가 필터링된 발신장치 방향 추정값의 IR 신호를 기초로 본체(110)의 구동을 제어할 수 있다(S150).
개시된 로봇 청소기(100)는 장애물에 의한 반사파를 제거하여 신호 전송방향을 정확히 추정하기 때문에, 발신장치(예를 들어, 충전기 등)로의 복귀 성공률을 높이고, 복귀 시간을 단축시킬 수 있는 것이다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
1, 100 : 로봇 청소기 2 : 본체
3 : 감지 센서 4 : 비전 센서
5 : 통신부 6 : 디스플레이
7 : 집진부 10 : 사이드 브러시 유닛
11 : 회전축 12 : 사이드 브러시
13 : 사이드 암 20 : 메인 브러시 유닛
21 : 메인 브러시 22 : 롤러
23 : 흡입구 31, 33, 35 : 구동바퀴
40 : 전원부 50 : 추락 검출부
110 : 본체 120 : 입력부
130 : 출력부 140 : 저장부
150, 210 : IR 센서 160 : 구동 모터
170 : 제어부 200 : 발신장치

Claims (20)

  1. 본체;
    복수의 방향으로부터 전송되는 발신장치의 IR(Infrared Ray) 신호를 수신하는 IR 센서;
    제어부의 제어에 따라 상기 본체를 상기 발신장치 측으로 이동시키는 구동 모터; 및
    발신장치 방향 추정값을 생성하여 복수의 IR 신호 중 반사파 신호를 제거하고, 검증된 상기 발신장치의 방향 추정값을 기초로 상기 구동 모터를 통해 상기 본체의 구동을 제어하는 제어부;
    를 포함하는 로봇 청소기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    칼만(Kalman) 필터를 이용하여 상기 발신장치의 방향에 대한 시스템 모델 추정값을 생성한 후, 추정된 상기 시스템 모델 추정값과 관측 모델을 기초로 예측 센서값을 산출하고, 산출된 상기 예측 센서값과 측정 센서값의 차를 통해 상기 시스템 모델 추정값을 보정하여 발신장치 방향 추정값을 산출하는 발신장치 방향 추정부; 및
    상기 발신장치 방향 추정값을 기 설정된 기준치와 비교하여 검증을 수행하는 발신장치 방향 검증부;
    를 포함하는 로봇 청소기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 발신장치 방향 추정부는 수학식 1을 통해 상기 발신장치의 방향에 대한 상기 시스템 모델 추정값을 생성하며,
    상기 수학식 1은
    Figure pat00044
    이고,
    상기
    Figure pat00045
    는 시간 k에서의 발신장치 방향이고, 상기
    Figure pat00046
    는 칼만 필터를 위한 상태 천이 행렬(State Transition Matrix)이며, 상기
    Figure pat00047
    는 필터 랜덤 노이즈로, 상기
    Figure pat00048
    는 시간 k+1에서의 발신장치 방향의 예측값인 로봇 청소기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 발신장치 방향 추정부는 수학식2를 통해 상기 발신장치의 방향에 대한 관측 모델을 추정하며,
    상기 수학식 2는
    Figure pat00049
    이고,
    상기
    Figure pat00050
    는 상기 IR 센서가 수신할 센서값의 예측값인 예측 센서값이고, 상기
    Figure pat00051
    는 출력 천이 행렬(Output Transition Matrix)을 의미하며, 상기
    Figure pat00052
    는 시간 k에서의 발신장치 방향이고, 상기
    Figure pat00053
    는 상기 IR 센서 노이즈인 로봇 청소기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 발신장치 방향 추정부는,
    상기 시스템 모델 추정값을 보정할 때,
    상기 예측 센서값과 상기 IR 센서로부터 수신되는 측정 센서값의 차이를 계산하여 칼만 이득(Kalman Gain)을 산출하고, 산출된 값을 기초로 발신장치 방향 추정값을 업데이트하는 로봇 청소기.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 발신장치 방향 추정부는,
    상기 칼만 필터를 이용하여 상기 발신장치 방향의 에러 공분산을 추정하는 로봇 청소기.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 IR 센서로부터 수신하는 IR 신호의 발신장치 방향 중 상기 발신장치 방향 검증부를 통해 검증된 상기 발신장치 방향 추정값과의 차가 허용 기준치를 초과하는 경우, 해당 IR 신호를 신호 추정 대상에서 제거하는 반사파 신호 제거부;
    를 더 포함하는 로봇 청소기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 발신장치가 충전기인 경우,
    상기 제어부는,
    상기 반사파 신호 제거부에 의해서 필터링된 상기 발신장치 방향 추정값을 기초로 상기 본체를 상기 발신장치 측으로 복귀시키는 구동 제어부;
    를 더 포함하는 로봇 청소기.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 발신장치가 리모트 콘트롤러인 경우,
    상기 제어부는,
    상기 반사파 신호 제거부에 의해서 필터링된 상기 발신장치 방향 추정값의 IR 신호를 기초로 상기 본체의 구동을 제어하는 구동 제어부;
    를 더 포함하는 로봇 청소기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 IR 센서는 상기 본체 내 복수 개가 배치되되 각각의 위치를 식별할 수 있도록 서로 이격되게 위치하는 로봇 청소기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 발신장치는 충전기 또는 리모트 콘트롤러인 로봇 청소기.
  12. 발신장치로부터 전송되는 IR 신호를 수신하는 단계;
    발신장치 방향 추정값을 생성하는 단계;
    생성된 상기 발신장치 방향 추정값을 검증하는 단계; 및
    검증된 상기 발신장치 방향 추정값을 기초로 상기 발신장치로부터 전송되는 IR 신호 중 반사파 신호를 제거하는 단계;
    를 포함하는 로봇 청소기의 제어방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 발신장치가 충전기인 경우,
    상기 반사파 신호를 제거하는 단계 이후에,
    반사파 신호가 필터링된 발신장치 방향 추정값을 기초로 본체를 상기 발신장치로 복귀시키는 단계;
    를 더 포함하는 로봇 청소기의 제어방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 발신장치가 리모트 콘트롤러인 경우,
    상기 반사파 신호를 제거하는 단계 이후에,
    반사파 신호가 필터링된 발신장치 방향 추정값의 IR 신호를 기초로 상기 본체의 구동을 제어하는 단계;
    를 더 포함하는 로봇 청소기의 제어방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 발신장치 방향 추정값을 생성하는 단계는,
    칼만(Kalman) 필터를 이용하여 상기 발신장치의 방향에 대한 시스템 모델 추정값을 생성하는 단계;
    생성된 상기 시스템 모델 추정값과 관측 모델을 기초로 예측 센서값 산출하는 단계; 및
    산출된 예측 센서값과 측정 센서값의 차를 통해 상기 시스템 모델 추정값을 보정하는 단계;
    를 포함하는 로봇 청소기의 제어방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 시스템 모델 추정값을 보정할 때,
    상기 예측 센서값과 상기 IR 센서로부터 수신되는 측정 센서값의 차이를 계산하여 칼만 이득(Kalman Gain)을 산출하고, 산출된 값을 기초로 발신장치 방향 추정값을 업데이트하는 로봇 청소기의 제어방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 발신장치의 방향에 대한 시스템 모델 추정값을 생성하는 단계에서,
    수학식 1을 통해 상기 발신장치의 방향에 대한 시스템 모델 추정값을 생성하며,
    상기 수학식 1은
    Figure pat00054
    이고,
    상기
    Figure pat00055
    는 시간 k에서의 발신장치 방향이고, 상기
    Figure pat00056
    는 칼만 필터를 위한 상태 천이 행렬(State Transition Matrix)이며, 상기
    Figure pat00057
    는 필터 랜덤 노이즈로, 상기
    Figure pat00058
    는 시간 k+1에서의 발신장치 방향의 예측값인 로봇 청소기의 제어방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 발신장치의 방향에 대한 시스템 모델 추정값을 생성하는 단계에서,
    수학식2를 통해 상기 발신장치의 방향에 대한 관측 모델을 추정하며,
    상기 수학식 2는
    Figure pat00059
    이고,
    상기
    Figure pat00060
    는 상기 IR 센서가 수신할 센서값의 예측값인 예측 센서값이고, 상기
    Figure pat00061
    는 출력 천이 행렬(Output Transition Matrix)을 의미하며, 상기
    Figure pat00062
    는 시간 k에서의 발신장치 방향이고, 상기
    Figure pat00063
    는 상기 IR 센서 노이즈인 로봇 청소기의 제어방법.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 발신장치 방향 추정값을 생성하는 단계에서,
    칼만 필터를 이용하여 충전기 방향의 에러 공분산을 추정하는 로봇 청소기의 제어방법.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 IR 신호 중 반사파 신호를 제거하는 단계에서,
    수신된 IR 신호의 발신장치 방향과 검증된 발신장치 방향 추정값의 차가 허용 기준치를 초과하는 경우, 해당 IR 신호를 신호 추정 대상에서 제거하는 로봇 청소기의 제어방법.
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