KR20170027767A - 수평 평면을 이용해 장애물을 검출하는 장치 및 이러한 장치 구현 검출 방법 - Google Patents
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Abstract
수평 평면에 의해 장애물의 검출을 위한 방법 및 이러한 장치를 구현하는 검출 방법
본 발명은 기준 평면(12)에 평행하게 이동할 수 있는 이동체(11)에 구비되는 장애물 검출 장치(10)와 관련되며, 상기 장치는 다음을 포함한다:
기준 평면(12)에 평행인 제1 가상 평면(22)에서 뻗어 있는 제1 수평 전자기 빔(15)의 수평 이미터(14)인 제1 이미터,
제1 가상 평면(22)과 교차하도록 구성된 필드(36)를 커버하여 검출 표면(71)을 형성할 수 있는 제1 이미지 센서(5),
검출 표면(71) 상의 이미지의 존재를 검출함으로써, 장애물의 존재를 결정할 수 있는 이미지 분석 수단.
본 발명은 또한 이러한 장치를 이용하는 검출 방법과 관련된다.
본 발명은 기준 평면(12)에 평행하게 이동할 수 있는 이동체(11)에 구비되는 장애물 검출 장치(10)와 관련되며, 상기 장치는 다음을 포함한다:
기준 평면(12)에 평행인 제1 가상 평면(22)에서 뻗어 있는 제1 수평 전자기 빔(15)의 수평 이미터(14)인 제1 이미터,
제1 가상 평면(22)과 교차하도록 구성된 필드(36)를 커버하여 검출 표면(71)을 형성할 수 있는 제1 이미지 센서(5),
검출 표면(71) 상의 이미지의 존재를 검출함으로써, 장애물의 존재를 결정할 수 있는 이미지 분석 수단.
본 발명은 또한 이러한 장치를 이용하는 검출 방법과 관련된다.
Description
본 발명은 이동체(mobile vehicle)에 배열되는 장애물 검출 장치와 관련되며 특히 내비게이션 분야에 적용된다. 본 발명은 또한 이러한 장치를 이용하는 장애물 검출 방법과 관련된다.
이동체(mobile vehicle), 가령, 로봇이 움직일 때, 가령, 이동체 및/또는 장애물에 손상을 주지 않기 위해 이동체와 이동체가 이동하는 환경에 위치하는 장애물 간 임의의 충돌을 피하는 것이 바람직할 수 있다.
임의의 이동체뿐 아니라 이동할 수 있는 로봇의 경우도, 이동체 및 환경 내 요소들의 안전을 고려하는 것이 매우 중요하다. 이동체 및 환경 내 요소의 안전이 특히 환경에서 장애물을 검출하고 이들 장애물과의 충돌을 피하는 것을 포함한다. 충돌을 피하기 위한 다양한 기법이 존재한다. 이들 기법 중 대부분이 예를 들어, 특정 기준계에서 로봇의 위치를 결정하기 위한 상당한 구현 비용을 포함하며 상당한 계산 파워를 필요로 한다. 그 밖의 다른 기존 기법은 매우 고비용이고 따라서 로봇에서 사용되기에 부적합하다.
본 발명은 이동체의 주위 환경에 위치하는 장애물을 검출하기 위한 장치 및 이러한 장치를 이용하는 방법을 제안함으로써 앞서 언급된 문제 중 전부 또는 일부를 해결할 수 있다.
이를 위해, 본 발명의 한 가지 대상이 기준 평면에 평행하게 이동할 수 있는 이동체에 장착되는 장애물 검출 장치이며, 상기 장치는 다음을 포함한다:
기준 평면에 평행인 제1 가상 평면에서 뻗어 있는 제1 수평 전자기 빔의 수평 이미터인 제1 이미터,
제1 가상 평면과 교차하도록 구성된 필드를 커버하여 검출 표면을 형성할 수 있는 제1 이미지 센서,
검출 표면 상의 이미지의 존재를 검출함으로써, 장애물의 존재를 결정할 수 있는 이미지 분석 수단.
하나의 실시예에 따라, 이동체는 축 X를 따르는 제1 방향으로 선호되는 이동 방향을 가지며 상기 장치는 제1 사선 가상 평면에서 축 X을 따르며 기준 평면을 분할하는 제1 방향으로으로 뻗어 있는 제1 사선 빔의 사선 이미터인 제1 이미터, 및 제2 사선 가상 평면에서 축 X를 따르면 기준 평면을 분할하는 제1 방향으로 뻗어 있는 제2 사선 빔의 사선 이미터인 제2 이미터를 더 포함한다. 장치는 제1 및 제2 사선 가상 평면과 기준 평면과의 교차부 주위의 이미지를 생성할 수 있는 제1 이미지 센서를 더 포함한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 장치는 기준 평면과 실질적으로 평행인 제1 가상 평면으로 뻗어 있는 제1 수평 전자기 빔의 수평 이미터인 제1 이미터를 포함하고 제1 이미지 센서는 제1 가상 평면과 장애물의 교차부의 이미지를 생성할 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 제1 가상 평면은 축 X를 중심으로 각 섹터(angular sector)를 형성하며, 장치는 제2 가상 평면에서 제1 방향으로 뻗어 있고 축 X에 수직이며 기준 평면에 실질적으로 평행인 축 Y를 중심으로 각 섹터를 형성하는 제2 수평 빔의 수평 이미터인 제2 이미터를 더 포함한다. 장치는 제2 가상 평면과 장애물의 교차부의 이미지를 생성할 수 있는 제2 이미지 센서를 포함한다. 장치는 제3 가상 평면에서 제1 방향의 반대인 제2 방향으로 뻗어 있고 축 Y를 중심으로 각 섹터를 형성하며 기준 평면에 실질적으로 평행인 제3 수평 빔의 수평 이미터인 제3 이미터, 및 장애물의 제3 가상 평면의 교차부의 이미지를 생성할 수 있는 제3 이미지 센서를 포함한다.
바람직하게는, 제1 수평 빔에 의해 형성된 각도 섹터는 제2 및 제3 수평 빔에 의해 형성된 각도 섹터와, 지정 각도만큼 이격되어 있다.
바람직하게는, 각 섹터는 120°이다.
또 다른 실시예에 따라, 장치는 기준 평면을 교차하지 않도록 수평 평면인 가상 평면을 위치설정하도록 의도된 수평 평면인 가상 평면을 위치설정하기 위한 위치설정 수단을 더 포함한다.
위치설정 수단은 기준 평면에 대한 수평 평면의 가상 평면의 각 위치를 결정하고, 수평 평면의 가상 평면을 형성하는 수평 이미터인 이미터로 새 각 위치를 전송할 수 있는 제어 루프로 구성될 수 있다.
배치 수단은 수평 평면이라고 지칭되는 가상 평면과 기준 평면 간 양의 각도로 구성된다.
또 다른 실시예에 따라, 장치는 축 X에 수직인 직선을 따라 기준 평면과 교차하도록 구성된 가상 평면에서 뻗어 있는 셔블 빔의 셔블 이미터인 이미터를 더 포함하고, 제1 이미지 센서는 직선의 이미지를 생성할 수 있다.
바람직하게는, 빔은 레이저 빔이다.
바람직하게는, 장치는 이동체의 이동 방향에 따라 이미터 및 센서를 선택적으로 비활성화하도록 구성된 제어 수단을 포함한다.
장치는 이미터에 의해 빔의 발산을 시퀀싱하고 센서에 의한 이미지의 캡처와 함께 빔의 발산을 동기화하도록 구성된 처리 회로를 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 주제는 이러한 장치를 이용하는 이동체이다.
본 발명의 또 다른 주제는 이러한 장치를 이용하는 장애물 검출 방법이며, 상기 방법은 다음의 단계를 포함한다:
장애물과 교차할 수 있는 가상 평면을 형성할 수 있는 빔을 발산하는 단계,
가상 평면과 장애물의 교차부의 이미지를 이미지 캡처하고 생성하는 단계,
장애물을 이미지 분석하고 결정하는 단계.
하나의 실시예에 따르면, 본 발명에 따르는 방법은 다음의 단계를 더 포함할 수 있다:
셔블 빔에 의해 형성된 가상 평면과 기준 평면의 교차부의 제1 이미지를 메모리 저장하는 단계,
셔블 빔에 의해 형성된 가상 평면과 장애물의 교차부의 제2 이미지를 메모리 저장하는 단계,
제1 이미지와 제2 이미지를 비교하여 장애물의 위치를 결정하는 단계.
이동체는, 예를 들어, 로봇이다. 이 로봇은 기준 평면 상에서 이동할 수 있도록 하는 휠(wheel)을 가질 수 있다. 본 발명은 또한 다리(leg)로 이동하는 휴머노이드 로봇에 적용된다.
또는, 이동체는 휠을 통해 기준 평면과 접촉하거나 공기 부상 방식으로 기준 평면에 평행하게 움직이는 임의의 유형의 이동체일 수 있다.
본 발명의 또 다른 대안은 본 발명에 따르는 검출 장치를 포함하는 휴머노이드 로봇이다.
휴머노이드 로봇은 인간의 신체와 유사성을 보이는 로봇을 의미한다. 이는 신체 중 상부, 또는 인간의 손을 흉내 낼 수 있는 그리퍼(gripper)로 종료되는 관절 팔일 수 있다. 본 발명에서, 로봇 몸체의 상부가 인간의 몸통과 유사하다. 본 발명에 따르는 검출 장치에 의해 로봇의 환경에서 장애물을 결정할 수 있다.
본 발명은 도면과 함께 예시로서 제공된 실시예의 상세한 설명을 읽음으로써 더 잘 이해될 것이고 추가 이점이 자명해질 것이다.
도 1은 2개의 빔에 의해 형성된 가상 평면을 도시한다.
도 2a는 기준 평면에 평행인 빔의 가상 평면을 보여주는 본 발명에 따르는 장치의 평면도이다.
도 2b는 기준 평면에 실질적으로 평행인 빔의 가상 평면을 보여주는 본 발명에 따르는 장치의 단면을 보여준다.
도 2c는 가상 평면의 각 위치가 기준 평면에 대해 조절될 수 있도록 하는 제어 루프를 도시한다.
도 3은 하나의 빔에 의해 형성되는 가상 평면 및 2개의 빔에 의해 형성되는 가상 평면을 도시한다.
도 4a, 4b, 4c는 본 발명에 따르는, 장애물과 가상 평면의 교차를 도시한다.
도 5는 빔에 의해 형성되는 가상 평면 및 이미지 캡처 장치에 의해 커버되는 필드를 도시한다.
도 6은 가상 평면을 형성할 수 있는 빔의 발산체를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따르는 장애물 검출 장치를 이용하는 휴머노이드 로봇을 도시한다.
도 8은 본 발명에 따르는 장애물 검출 장치를 이용하는 휴머노이드 로봇에 대한 휠을 포함하는 베이스의 예시를 도시한다.
도 9는 빔 발산 및 이미지 캡처를 처리 및 동기화하는 기능을 수행하는 프로세서를 개략적으로 도시한다.
도 10은 본 발명에 따르는 장애물 검출 방법에서의 단계들을 개략적으로 도시한다.
도 11a 및 11b는 2개의 장애물 검출 구성을 도시한다.
도 12는 수평선, 사선 및 셔블 가상 평면을 보여주는 본 발명에 따르는 장치의 측면도를 개략적으로 도시된다.
도 1은 2개의 빔에 의해 형성된 가상 평면을 도시한다.
도 2a는 기준 평면에 평행인 빔의 가상 평면을 보여주는 본 발명에 따르는 장치의 평면도이다.
도 2b는 기준 평면에 실질적으로 평행인 빔의 가상 평면을 보여주는 본 발명에 따르는 장치의 단면을 보여준다.
도 2c는 가상 평면의 각 위치가 기준 평면에 대해 조절될 수 있도록 하는 제어 루프를 도시한다.
도 3은 하나의 빔에 의해 형성되는 가상 평면 및 2개의 빔에 의해 형성되는 가상 평면을 도시한다.
도 4a, 4b, 4c는 본 발명에 따르는, 장애물과 가상 평면의 교차를 도시한다.
도 5는 빔에 의해 형성되는 가상 평면 및 이미지 캡처 장치에 의해 커버되는 필드를 도시한다.
도 6은 가상 평면을 형성할 수 있는 빔의 발산체를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따르는 장애물 검출 장치를 이용하는 휴머노이드 로봇을 도시한다.
도 8은 본 발명에 따르는 장애물 검출 장치를 이용하는 휴머노이드 로봇에 대한 휠을 포함하는 베이스의 예시를 도시한다.
도 9는 빔 발산 및 이미지 캡처를 처리 및 동기화하는 기능을 수행하는 프로세서를 개략적으로 도시한다.
도 10은 본 발명에 따르는 장애물 검출 방법에서의 단계들을 개략적으로 도시한다.
도 11a 및 11b는 2개의 장애물 검출 구성을 도시한다.
도 12는 수평선, 사선 및 셔블 가상 평면을 보여주는 본 발명에 따르는 장치의 측면도를 개략적으로 도시된다.
명료성을 위해, 다양한 도면에서 동일한 요소가 동일한 도면부호로 표시될 것이다.
본 발명은 로봇 상에서, 더 구체적으로 휠을 이용해 움직이는 로봇 상에서의 구현 예시와 함께 기재된다. 그러나 본 발명은 임의의 이동체에 적용된다. 이동체(11)는 축 X를 따르는 제1 방향에서 선호되는 이동 방향을 가진다.
도 1은 본 발명에 따르는 장치(10)의 도면이다. 기준 평면(12)에 평행하게 이동할 수 있는 이동체(11)에 부착되는 장애물 검출 장치(10)가, 가능한 장애물과 교차할 수 있는 2개의 서로 다른 방향의 2개의 가상 평면을 형성할 수 있는 적어도 2개의 전자기 빔 이미터(34, 35)와, 가상 평면과 장애물의 교차부의 이미지를 생성할 수 있는 적어도 하나의 이미지 센서(5)(도 1에 도시되지 않음)와, 이미지를 기준 이미지에 비교하여 장애물을 결정할 수 있는 이미지 분석 수단(66)(도 1에 도시되지 않음)을 포함한다. 다시 말하면, 형성된 가상 평면은 기준 평면(12)과 교차하여 직선을 형성한다. 장애물이 존재하는 경우 직선이 변형되며, 직선의 변형은 장애물의 존재를 드러내는 것이다. 따라서 가상 평면이 영사되며, 획득된 이미지가 연구되고, 가상 평면과 장애물 간 교차 선의 변형의 존재를 통해 장애물 검출이 이뤄진다.
도 1은 사선 이미터(oblique emitter)(34, 35)라고 지칭되는 이미터에 의해 형성된 가상 평면(28, 29)을 도시한다. 상기 장치(10)는 축 X를 따르며 기준 평면(12)을 분할하는 제1 방향에서 제1 사선 가상 평면(28)으로 뻗어 있는 제1 사선 빔(oblique beam)(30)의 사선 이미터(oblique emitter)(34)라고 지칭되는 제1 이미터를 포함한다. 장치(10)는 축 X를 따르고 기준 평면(12)을 분할하는 제1 방향에서 제2 사선 가상 평면(29)으로 뻗어 있는 제2 사선 빔(31)의 사선 이미터(35)라고 지칭되는 제2 이미터를 포함한다. 제1 이미지 센서(5)가 기준 평면(12)과 사선 가상 평면(28, 29)의 교차부 주위의 이미지를 생성할 수 있다.
도 2a는 기준 평면(12)에 평행인 빔의 가상 평면을 보여주는 본 발명에 따르는 장치의 평면도이다.
장치(10)는 기준 평면(12)에 실질적으로 평행인 제1 가상 평면(22)에서 뻗어 있는 제1 수평 빔(15)의 수평 이미터(14)라고 지칭되는 제1 이미터 및 제1 가상 평면(22)과 장애물의 교차부의 이미지를 생성할 수 있는 제1 이미지 센서(5)를 포함한다.
이동체(11)는 축 X를 따르는 제1 방향의 선호 이동 방향을 갖기 때문에, 제1 가상 평면(22)은 축 X를 중심으로 각 섹터(angular sector)를 형성하고, 장치(10)는 축 X에 수직이며 기준 평면(12)에 실질적으로 평행인 축 Y를 중심으로 각 섹터를 형성하며, 제1 방향에서 제2 가상 평면(23)으로 뻗어 있는 제2 수평 빔(17)의 수평 이미터(16)라고 지칭되는 제2 이미터를 더 포함한다. 장치(10)는 제2 가상 평면(23)과 장애물의 교차부의 이미지를 생성할 수 있는 제2 이미지 센서(6)를 포함한다. 장치는 제3 가상 평면(24)에서 제1 방향의 반대인 제2 방향으로 뻗어 있는 제3 수평 빔(20)의 수평 이미터(19)로 지칭되며, 기준 평면(12)에 실질적으로 평행인 축 Y를 중심으로 각 섹터를 형성하는 제3 이미터를 포함한다. 장치(10)는 제3 가상 평면(23)과 장애물의 교차부의 이미지를 생성할 수 있는 제3 이미지 센서(7)를 포함한다.
바람직하게는, 제1 수평 빔(15)에 의해 형성된 각 섹터(22)는 제2 및 제3 수평 빔(17, 20)에 의해 형성된 각 섹터(23, 24)와, 지정 각도만큼 이격되어 있다.
각 섹터는 60°이고 지정 각도는 30°일 수 있다. 또한 90°의 각 섹터를 갖는 것이 가능할 수 있다. 각 섹터가 120°이고 지정 각도가 0°인 것이 바람직할 수 있다. 이 설정은 이동체(11) 주위 환경의 완전한 커버리지를 제공한다.
수평 이미터(14, 16, 19)라고 지칭되는 제1, 제2 및 제3 이미터가 이동체(11) 상에 기준 평면(12)으로부터 특정 높이(25)에서 배치된다(도 2b에 도시). 높이(25)는 15cm 또는 10cm일 수 있다. 작은 장애물을 검출하기 위해, 높이(25)가 5 또는 3cm일 수 있다. 이미터(14, 16, 19)에 의해 각각 형성된 가상 평면(22, 23, 24)이 높이(25)보다 높은 곳에 위치하는 장애물, 또는 그 일부가 가상 평면(22, 23 또는 24)의 높이에 놓인 장애물과 교차할 수 있다. 이미터(14, 16, 19)에 의해 가능한 장애물 검출은 파노라마 검출일 수 있다.
이미지 센서(5)는 단독으로 3개의 가상 평면(22, 23 및 24)의 이미지를 캡처할 수 있는 "광각" 이미지 센서일 수 있다.
도 2b는 기준 평면(12)에 실질적으로 평행인 빔(15)의 가상 평면(22)을 보여주는 장치의 횡단면을 도시한다. 여기서 기재되는 것은 가상 평면(22)이지만, 이 기재 모두 가상 평면(23 및 24)에 대해 동일하게 유효하다.
바람직하게는, 본 발명에 따르는 검출 장치가 이미지 센서(5)에 의해 커버되는 필드(36)에서 가상 평면(22)이 기준 평면(12)보다 항상 위에 있도록 하는 수단(67)을 포함한다.
필드(36)에서 가상 평면(22)이 항상 기준 평면(12) 위에 있도록 하는 수단(67)은, 이동체(11)가 이동 중일 때 가상 평면(22)을 자신의 배향을 따라 배향하도록 빔(15)의 이미터(14)가 배향되게 하는 제어 루프로 구성될 수 있다. 따라서 도 2c에 도시된 바와 같이 이동체(11)가 고르지 못한 기준 평면 위를 이동 중인 경우, 가상 평면(22)은 기준 평면(12)을 교차하게 될 수 있다. 자이로스코프(68)가 기준 평면(12)에 대한 가상 평면(22)의 각 위치(angular position)(73)를 캡처할 수 있다. 제어 루프 내 분석 수단(69)은 이 정보를 수집하고, 새로운 각 위치(74)를 이미터(14)로 전송하고, 그 후 이미터(14)는 가상 평면(22)을 기준 평면(12) 위에 위치하도록 배향된다. 이동체(11)가 다시 완전히 평평한 표면 위를 이동 중일 때, 가상 평면(22)이 기준 평면(12)에 실질적으로 평행하게 다시 위치되도록 분석 수단(69)은 이미터(14)로 새 각도 위치를 전송한다.
또 다른 구성에 따르면, 위치설정 수단은 수평 평면(22)이라고 지칭되는 가상 평면과 기준 평면(12) 간 각도(72)로 구성된다. 따라서 가상 평면(22)은 약간 위로 배향될 수 있다. 다시 말하면, 기준 평면(12)에 대해 양의 각도인 각도(72)를 형성한다. 따라서, 이동체(11)가 이동 중일 때조차 가상 평면(22)은 기준 평면(12)과 결코 교차하지 않는다. 이미지 센서(5)는 가상 평면(22)과 가능한 장애물의 교차부의 이미지를 생성할 수 있다.
가상 평면(22)과 이미지 센서(5)에 의해 커버되는 필드(36)에 의해 형성된 원뿔의 교차부에 대응하는 검출 표면(71)을 형성하는 것이 또한 가능하다. 가상 평면(22)은 대략 무한대로 위치할 수 있는 높이(25) 이상의 높이를 갖는 가능한 장애물과 교차할 수 있다. 양의 각도(72) 및 이미지 센서(5)의 필드(36) 때문에, 검출 표면(71)은 이동체(11) 근방에 위치한다. 따라서 가능한 장애물을 검출하는 것이 검출 표면(71)에서의 이미지의 외관을 검출하는 것에 이른다.
사선 빔(30, 31)은 수평 빔(15, 17, 20)이 교차하지 못할 수 있는 작은 장애물, 구멍 또는 더 큰 장애물과 교차할 수 있다.
도 3은 셔블 이미터(shovel emitter)(32)라고 지칭되는 이미터에 의해 발산되는 셔블 빔(shovel beam)(27)에 의해 형성된 가상 평면(26)을 도시한다. 장치(10)는 축 X에 수직인 직선을 따라 기준 평면(12)과 교차하도록 구성된 가상 평면(26)으로 뻗어 있는 셔블 빔(27)의 셔블 이미터(32)라고 지칭되는 이미터를 포함한다. 제1 이미지 센서(5)는 가상 평면(26)과 기준 평면(12)의 교차부로부터 도출된 직선의 이미지를 생성할 수 있다. 이미터(32)에 의해 형성된 가상 평면(26)이 가상 평면(26)과 기준 평면(12) 간 거리(33)에 대응하는 높이에 위치하는 장애물과 교차할 수 있다. 이는 기준 평면(12) 상에 배치된 큰 크기 또는 작은 크기의 장애물일 수 있다. 특히 수평 가상 평면으로부터 기준 평면(12)을 분리하는 높이(25)보다 낮은 높이의 장애물에 대한 바람직한 경우를 찾는다. 장애물의 예시로서 구멍 또는 문 버팀쇠가 언급될 수 있다.
도 4a, 4b, 4c는 본 발명에 따르는, 장애물과 가상 평면(26)의 교차를 도시한다. 이동체(11)는 기준 평면(12)에 평행하게 이동할 수 있다. 셔블 빔(27)의 셔블 이미터(32)가 가상 평면(26)에서 뻗어 있다. 가상 평면(26)은 도 4a에 도시된 바와 같이 축 X에 수직인 직선(70)을 따라 기준 평면(12)과 교차하도록 구성된다.
다시 말하면, 셔블 빔(27)에 의해 형성된 가상 평면(26)에 의해, 스캔이 기준 평면(12)으로 만들어질 수 있다. 이미지 센서(5)는 직선(70)의 이미지를 생성할 수 있다. 이미지 분석 수단은 장애물의 존재를 결정할 수 있으며, 분석 수단은 센서(5)로부터의 이미지를 기준 이미지와 비교하도록 구성된다. 따라서 이미지 센서(5)의 필드(36)에 기준 평면(12) 상에 선을 투영하는 문제이다. 가상 평면(26)을 사용함으로써, 장애물이 존재하는 경우, 선(70)의 변형을 검출하는 것이 가능할 수 있다. 덧붙여, 메모리에 가상 평면(26)과 기준 평면(12) 사이의 공간 내에 놓이는 모든 것을 저장하는 것이 가능하다. 따라서 시간(즉, 이동체(11)의 연속 위치) 및 메모리 저장소와 관련하여 사용될 때, 이동체(11)의 주위에 장애물이 존재하는 순간이 알려져 있다. 다시 말하면, 서로 다른 시점에서 메모리에, 기준 평면(12)에 대한 셔블 빔(27)에 의해 형성되는 가상 평면(26)의 교차부의 제1 이미지 및 제2 이미지를 저장하는 것이 가능하다. 제1 이미지와 제2 이미지가 비교되어 장애물의 위치를 결정할 수 있다. 고정 기준 프레임 또는 이동체(11)와 연결된 기준 프레임에서 장애물의 위치가 파악될 수 있다. 이동체가 축 X를 따라 제1 방향뿐 아니라 제1 방향과 대향하는 방향으로도 이동 중일 때(즉, 왕복 이동 중일 때) 이 장애물 검출 및 위치 찾기가 수행될 수 있다. 그 후 이동체(11)의 속도를 늦추고 이동체가 장애물과 충돌하기 전에 멈추거나 경로를 우회시킬 수 있는 것이 가능하다. 마지막으로, 선(70)이 사라지는 극단적인 경우, 이미지 센서(5)가 더는 기준 평면(12)보다 낮은 높이에 있는 직선(70)의 이미지를 생성할 수 없기 때문에 이동체(1)가 절벽 또는 계단 근처에 있음을 의미한다. 역으로, 이미지 센서(5)가 이미지를 생성할 수 있자마자, 즉, 가상 평면(26)이 분할되자마자, 빈 공간(절벽, 계단 등)으로 떨어질 위험 없이 이동체(11)가 기준 평면(12) 상에서 왕복으로 이동할 수 있음을 의미하거나 이동체(11)가 장애물 근처에 있음을 의미한다.
그 밖의 다른 사선 빔 및 수평 빔에 독립적으로, 셔블 빔이 홀로 사용될 수 있음을 알 것이다. 마찬가지로 전적으로 사선 빔만 이용하는 것이 가능하다. 마지막으로, 복수의 빔을 함께 이용하는 것이 가능한데, 예를 들어 셔블 빔과 수평 빔, 셔블 빔과 사선 빔, 사선 빔과 수평 빔 또는 둘 이상의 빔의 그 밖의 다른 조합을 함께 이용할 수 있다.
따라서 6개의 빔(15, 17, 20, 27, 30, 31)에 의해 장치(10)가 가상 평면과 임의의 가까운 주위에 위치하는 장애물의 교차부를 형성할 수 있다.
도 5는 사선 빔(30, 31)에 의해 형성된 가상 평면(28, 29) 및 이미지 센서(5)에 의해 커버되는 필드(36)의 측방도를 도시한다. 빔(30, 31)에 의해 각각 형성된 가상 평면(28, 29)이 장애물과 교차할 수 있다. 이미지 센서(5)는 가상 평면(22)과 가능한 장애물의 교차부의 이미지를 생성할 수 있다. 그 후 이미지 분석 수단(도면에 도시되지 않음)이 획득된 이미지를 기준 이미지와 비교하도록 구성된 장애물을 결정할 수 있다.
더 구체적으로, 가상 평면(26, 28, 29)이 기준 평면(12)(대부분의 경우 이동체(11)가 이동 중인 지면에 대응)과 교차하고 따라서 직선을 형성한다. 장애물이 존재하는 경우, 형성된 선이 교란되고, 장애물의 존재를 드러내는 선의 교란이다.
이미지 센서(5), 가령, 카메라가 빔 이미터와 동기화되는 것이 바람직하며, 이로 인해 이미지 센서(5)의 노출 시간 동안만 빔 이미터가 활성화될 수 있다. 노출 시점(가령, 이동체(11) 내에 배열되는 프로세서 PROC의 일부분)과 이미지 센서가 이미지를 실제로 캡처한 시점 간 오프셋을 고려할 필요가 있다.
공통 펄스를 이용함으로써 모든 빔-발산 장치를 나열하는 것이 특히 가능하다. 이 동기화에 의해, 이미지 캡처 및 이미지 분석 장치로 잘못된 정보를 공급할 다양한 빔들 간 간섭을 피하는 것이 가능할 수 있다.
이를 위해, 도 9에 도시된 바와 같이, 장치(10)는 이동체(11)의 이동 방향에 따라 이미터 및 센서를 선택적으로 비활성화하도록 구성된 제어 수단(8)을 포함한다. 장치(10)의 에너지 소비량을 감소시키는 것이 가능할 수 있다.
장치(10)는 이미터에 의해 빔의 발산을 시퀀싱하고 센서에 의한 이미지의 캡처와 함께 빔의 발산을 동기화하도록 구성된 처리 회로(9)를 더 포함한다. 따라서 빔은 이동체 (11)의 설정에 따라 차례대로 또는 동시에 발산된다. 그리고 각각의 빔 발산에서, 연관된 이미지 센서가 이미지를 캡처한다. 예를 들어, 이동체(11)의 주위 환경의 파노라마 뷰를 획득하기 위해, 3개의 수평 빔(15, 17, 20)이 동시에 발산되고 3개의 이미지 센서(5, 6, 7) 각각이 하나의 이미지를 생성한다. 축 X를 따르는 선호되는 이동 방향의 관점이 바람직한 경우, 셔블 빔이라고 지칭되는 빔 전에 제1 수평 빔이 발산될 수 있고, 수평 빔이 발산되는 것과 동시에 제1 이미지를 캡처하고, 그 후 셔블 빔이라고 지칭되는 빔이 발산되는 것과 동시에 제2 이미지를 캡처하는 시퀀스로 이미지 센서(5)가 활성화된다.
도 6은 가상 평면(28)을 형성할 수 있는 빔(30)을 발산하는 이미터(34)를 도시한다. 바람직하게는, 빔 이미터가 이동체(11) 상에 고정되어, 이동체(11) 내에 및/또는 상에서 움직이는 부분을 갖는 것을 피할 수 있다. 따라서 이동체(11)가 이동 중인 동안 움직이는 부분의 진동에 대해 빔 이미터의 부착이 우수한 강건성을 제공한다.
바람직하게는, 빔은 레이저 빔이다.
본 발명에 따르는 장치(10)는 이용 가능한 노출 제어 수단을 가질 수 있고 이는 발산되는 빔의 광과 주변 환경 간 콘트라스트를 증가시키는 콘트라스트-증가 알고리즘을 포함할 수 있다. 이러한 제어 수단에 의해 장치(10)는 이동체(11)의 폐쇄 환경 내 안전 구역이라고 지칭된 구역을 고려할 수 있다. 따라서 장애물이 결정되는 정밀도가 개선된다.
엄밀히 정확한 지오메트리 및 치수에 의해 구성요소가 생성될 수 없고, 구성요소가 자신의 기능을 수행할 수 있기 때문에, 공차(치수 및 지오메트리)가 정의된다. 이들 공차는 측정의 정밀도에 영향을 미칠 수 있다. 장치(10)는 이미지 센서(5)의 경사각 및 빔(15, 17, 20)의 이미터(14, 16, 19)의 경사각을 교정하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 일반적으로 이러한 교정 수단은 알려진 환경에서 채용되고 측정의 우수한 정밀도를 보장하며 따라서 장애물의 결정의 우수한 정밀도를 보장한다.
도 7은 본 발명에 따르는 장애물 검출 장치(10)를 이용하는 휴머노이드 로봇(37)을 도시한다.
도 8은 본 발명에 따르는 장애물 검출 장치를 이용하는 휴머노이드 로봇에 대한 휠(51)을 포함하는 베이스(50)의 하나의 예시를 도시한다.
도 9는 빔의 발산 및 이미지 캡처를 처리 및 동기화하는 기능을 수행하는 프로세서 PROC를 개략적으로 도시한다.
도 10은 본 발명에 따르는 장애물 검출 방법에서 단계를 개략적으로 도시한다. 검출 방법은 앞서 기재된 검출 장치를 채용한다. 상기 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
장애물과 교차할 수 있는 가상 평면을 형성할 수 있는 빔을 발산하는 단계(단계(100)),
가상 평면과 장애물의 교차부의 이미지의 이미지 캡처 및 생성(단계(110)),
장애물의 이미지 분석 및 결정(단계(120)).
상기 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
셔블 빔(27)에 의해 형성되는 가상 평면(26)과 기준 평면(12)의 교차부의 제1 이미지를 메모리에 저장하는 단계(단계(130)),
셔블 빔(27)에 의해 형성되는 가상 평면(26)과 기준 평면(12)의 교차부의 제1 이미지를 메모리에 저장하는 단계(단계(130)),
제1 이미지와 제2 이미지를 비교하여(단계(140)) 장애물의 위치를 정의하는 단계(단계150)).
도 11a 및 11b는 2개의 장애물 검출 구성을 도시한다. 도 11a에서, 단일 가상 평면(60)은 장애물과 교차한다. 도 11b에서, 2개의 가상 평면(65, 66)이 서로 교차하고, 장애물과 교차하며, 본 발명에 따르는 검출 장치와 교차한다. 2개의 유사한 장애물(61, 62)(도시된 예시에서 2개의 입방체)이 2개의 구성에 존재한다: 이들 중 하나(61)는 작고 이동체(11)에 가까이 있으며, 두 번째 장애물(62)은 크고 이동체(11)에 더 멀리 있다. 도 11a에서, 가상 평면(60)은 작은 입방체(61)와 교차한다. 마찬가지로, 가상 평면(60)이 큰 입방체(62)와 교차한다. 가장 평면(60)과 작은 입방체(61) 간 교차부(63) 및 가상 평면(60)과 큰 입방체(62) 간 교차부(64) 각각이 선을 형성한다. 그럼에도, 2개의 입방체(61, 62) 간 크기의 차이와 작은 입방체(61)와 비교할 때 큰 입방체(62)의 이동체(11)까지의 더 긴 거리 때문에, 교차부(63, 64)의 2개의 선이 이미지 센서에 의해 동일하게 인지된다. 도 11b에서, 2개의 가상 평면(65, 66)이 서로 교차하며, 한편으로는 이동체(11)에 가까운 작은 입방체(61)와 교차하여, 교차부(67)의 선을 형성할 수 있다. 2개의 가상 평면(65, 66)이 서로 교차하지만 2개의 가상 평면(65, 66) 간 교차부(68)에 대해 지나치게 먼 큰 입방체(62)와는 교차하지 않아서, 큰 입방체(62)와 교차부와 일치할 수 있다. 따라서 서로 다른 방향에서의 서로 교차하는 2개의 가상 평면에 의한 장애물 검출에 의해 장애물의 더 정밀한 결정이 가능해진다.
장애물이 결정된 후(단계(120)), 이동체(11)가 추가 동작을 수행하는 것이 가능하다. 내비게이션 동작의 예시로서 경로의 변경 또는 멈춤이 언급될 수 있다. 본 발명에 따르는 장치(10)는 장치가 이용 가능한 기준 이미지의 라이브러리를 가질 수 있다. 이들 기준 이미지는 지정 이미지에 대응하며, 장애물 검출에 추가로, 이미지 센서(5)에 의해 생성된 이미지를 기준 이미지에 비교함으로써 장애물 인식을 가능하게 한다. 따라서 수행되는 이미지 분석은 특히 이동체(11)가 배터리를 재충전하기 위한 방향으로 이의 재충전 베이스 및 헤드를 인식할 수 있게 한다.
도 12는 수평 가상 평면(평면(22)만 도시), 사선 가상 평면(28, 29) 및 셔블 가상 평면(26)을 보여주는 발명에 따르는 장치(10)의 측방도를 개략적으로 도시한다.
바람직하게는, 이미지 캡처 및 장애물 결정(단계(110)) 후에, 장애물의 위치가 축 X 및 Y를 포함하는 기준계의 카테시안 좌표로 통신된다. 이로 인해 전송되는 정보가 압축될 수 있다.
마지막으로, 장치(10)의 비용을 낮추기 위해 이미지 센서에 의해 캡처되는 이미지의 해상도를 낮출 수 있다. 도 10의 비용을 감소시키는 관점에서 또한 하나의 단일 프로세서를 이용해 모든 빔 이미터 및 이미지 센서를 관리하는 것이 또한 가능하다.
Claims (14)
- 기준 평면(12)에 평행인 축 X를 따르는 제1 방향으로 선호 이동 방향을 갖는 이동체(11)에 장착되는 장애물 검출 장치(10)로서, 상기 장치는:
기준 평면(12)에 평행인 제1 가상 평면(22)으로 뻗어 있는 제1 수평 전자기 빔(15)의 수평 이미터(14)인 제1 이미터,
제1 가상 평면(22)과 교차하도록 구성된 필드(36)를 커버하여 검출 표면(71)을 형성할 수 있는 제1 이미지 센서(5),
검출 표면(71) 상의 이미지의 존재를 검출함으로써, 장애물의 존재를 결정할 수 있는 이미지 분석 수단
을 포함하며,
제1 가상 평면(22)은 축 X를 중심으로 각 섹터(angular sector)를 형성하며, 장애물 검출 장치(10)는:
제1 방향의 제2 가상 평면(23)으로 뻗어 있으며, 상기 축 X에 수직이며 기준 평면(12)에 실질적으로 평행인 축 Y를 중심으로 각 섹터를 형성하는 제2 수평 빔(17)의 수평 이미터(16)인 제2 이미터,
제2 가상 평면(23)과 장애물의 교차부의 이미지를 생성할 수 있는 제2 이미지 센서(6),
제1 방향과 반대인 제2 방향의 제3 가상 평면(24)으로 뻗어 있으며, 기준 평면(12)에 평행하게 축 Y를 중심으로 각 섹터를 형성하는 제3 수평 빔(20)의 수평 이미터(19)인 제3 이미터,
제3 가상 평면(24)과 장애물의 교차부의 이미지를 생성할 수 있는 제3 이미지 센서(7)
를 더 포함하는, 장애물 검출 장치. - 제1항에 있어서, 이동체(11)는:
축 X를 따르며 기준 평면(12)을 분할하는 제1 방향의 제1 사선 가상 평면(28)으로 뻗어 있는 제1 사선 빔(oblique beam)(30)의 사선 이미터(oblique emitter)(34)인 제1 이미터, 및
축 X를 따르고 기준 평면(12)을 분할하는 제1 방향의 제2 사선 가상 평면(29)으로 뻗어 있는 제2 사선 빔(31)의 사선 이미터(35)인 제2 이미터
를 더 포함하며,
제1 이미지 센서(5)는 제1 사선 가상 평면 및 제2 사선 가상 평면(28, 29)과 기준 평면(12)의 교차부 주변의 이미지를 생성할 수 있는, 장애물 검출 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 수평 빔(15)에 의해 형성되는 각 섹터(22)는, 제2 수평 빔과 제3 수평 빔(17, 20)에 의해 형성되는 각 섹터(23, 24)로부터 지정 각도만큼 이격되는, 장애물 검출 장치.
- 제3항에 있어서, 각 섹터는 120°인, 장애물 검출 장치.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 가상 수평 평면(22)이 기준 평면(12)과 교차하지 않도록 가상 수평 평면(22)을 위치설정하기 위한 위치설정 수단을 더 포함하는, 장애물 검출 장치.
- 제5항에 있어서, 상기 위치설정 수단은 기준 평면(12)에 대한 가상 수평 평면(22)의 각 위치(angular position)(73)를 결정하고, 가상 수평 평면(22)을 형성하는 수평 이미터(14)인 이미터로 새 각 위치(74)를 전송하기 위한 제어 루프를 포함하는, 장애물 검출 장치.
- 제5항에 있어서, 위치설정 수단은 가상 수평 평면(22)과 기준 평면(12) 간에 양의 각(positive angle)(72)을 형성하도록 가상 수평 평면(22)을 배향하도록 빔(15)의 이미터(14)를 배향하는, 장애물 검출 장치.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 이동체(11)는 축 X를 따르는 제1 방향으로 주 이동 방향을 가지며,
축 X에 수직인 직선을 따르는 기준 평면(12)과 교차하도록 구성된 가상 평면(26)에 뻗어 있는 셔블 빔(shovel beam)(27)의 셔블 이미터(32)인 이미터,
이미지 분석 수단
을 더 포함하며,
제1 이미지 센서(5)는 직선의 이미지를 생성할 수 있고, 이미지 분석 수단은 직선의 변형을 검출함으로써 장애물의 존재 여부를 결정할 수 있는, 장애물 검출 장치. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 이동체(11)의 이동 방향에 따라 이미터(14, 16, 19, 32, 34, 35) 및 센서(5)를 선택적으로 비활성화하도록 구성된 제어 수단(8)을 포함하는, 장애물 검출 장치.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 이미터(14, 16, 19, 32, 34, 35)에 의한 빔(15, 17, 20, 27, 30, 31)의 발산을 시퀀싱하고 센서(5, 6, 7)에 의한 이미지의 캡처와 빔(15, 17, 20, 27, 30, 31)의 발산을 동기화하도록 구성된 처리 회로(9)를 더 포함하는, 장애물 검출 장치.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 빔(15, 17, 20, 27, 30, 31)은 레이저 빔인, 장애물 검출 장치.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따르는 장애물 검출 장치를 포함하는 이동체(11).
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따르는 장애물 검출 장치(10)를 이용하는 장애물 검출 방법으로서, 상기 방법은
장애물과 교차할 수 있는 가상 평면(22, 23, 24, 26, 28, 29)을 형성할 수 있는 빔(15, 17, 20, 27, 30, 31)을 발산하는 단계,
가상 평면(22, 23, 24, 26, 28, 29)과 장애물의 교차부의 이미지를 캡처하고 생성하는 단계, 및
장애물을 이미지 분석하고 결정하는 단계
를 포함하는, 장애물 검출 방법. - 제13항에 있어서,
셔블 빔(shovel beam)(27)에 의해 형성된 가상 평면(26)과 기준 평면(12)의 교차부의 제1 이미지를 메모리 저장하는 단계,
셔블 빔(27)에 의해 형성된 가상 평면(26)과 장애물의 교차부의 제2 이미지를 메모리 저장하는 단계,
제1 이미지와 제2 이미지를 비교하여 장애물의 위치를 결정하는 단계
를 더 포함하는, 장애물 검출 방법.
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