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KR100561855B1 - 로봇용 로컬라이제이션 시스템 - Google Patents

로봇용 로컬라이제이션 시스템 Download PDF

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KR100561855B1
KR100561855B1 KR1020030099052A KR20030099052A KR100561855B1 KR 100561855 B1 KR100561855 B1 KR 100561855B1 KR 1020030099052 A KR1020030099052 A KR 1020030099052A KR 20030099052 A KR20030099052 A KR 20030099052A KR 100561855 B1 KR100561855 B1 KR 100561855B1
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KR
South Korea
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robot
docking station
time
radio wave
distance
Prior art date
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KR1020030099052A
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이형기
김재우
방석원
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삼성전자주식회사
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Publication date
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Abstract

로봇용 로컬라이제이션 시스템이 개시된다. 소정 공간을 움직이며 소정 임무를 수행하는 로봇과 상기 로봇의 홈 포지션에 해당하는 도킹 스테이션을 포함하는 본 발명에 의한 로봇용 로컬라이제이션 시스템에 있어서, 도킹 스테이션은, 로봇의 위치를 검출하기 위하여 음파를 발신하는 제1발신부; 및 음파가 발신되는 순간에 시간 동기 신호를 발신하는 제2발신부를 포함하며, 로봇은, 로봇으로 입사되는 음파를 수신하는 적어도 2개 이상 음파 센서가 마련된 제1수신부; 로봇으로 입사되는 시간 동기 신호를 수신하는 제2수신부; 시간 동기 신호가 수신된 시간과 음파가 수신된 시간의 시간차를 이용하여 제1발신부로부터 제1수신부까지의 거리를 계산하는 거리계산부; 제1수신부에 마련된 2개 이상의 음파 센서간의 음파 수신 시간차를 이용하여 로봇으로의 음파 입사각을 계산하는 입사각 계산부을 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 도킹 스테이션에 마련되는 하나의 비컨과 로봇에 마련되는 음파 센서에 의하여, 움직이는 로봇을 기준으로, 고정된 도킹 스테이션의 위치와 방향을 측정할 수 있다. 또한 칼만 필터가 추가된 구성으로서, 도킹 스테이션 좌표를 기준으로 한 로봇의 로컬라이제이션이 가능하다.

Description

로봇용 로컬라이제이션 시스템{Robot localization system}
도 1은 3개의 비컨(Beacon)을 사용하여 위치를 검출하는 종래 기술을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도킹 스테이션과 로봇과의 위치관계를 (x, y, γ)에 의해 표현하는 좌표계이다.
도 3은 본 발명에 의한 로봇용 로컬라이제이션 시스템의 바람직한 일 실시예를 설명하기 위한 블록도이다.
도 4는 도킹 스테이션과 로봇과의 위치관계를 (L, θ, γ)에 의해 표현하는 좌표계이다.
도 5는 본 발명에 의한 로봇용 로컬라이제이션 시스템이 수행하는 거리 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 로봇에 마련된 제1수신부에서 수신한 음파를 이용하여 입사각 θ를 계산하는 방법을 도시한 것이다.
도 7은 칼만 필터의 일 예를 설명하기 위한 블록도이다.
도 8은 칼만 필터를 포함하는 상태 관측기의 일 예를 설명하기 위한 블록도이다.
도 9는 본 발명에 의한 로봇용 로컬라이제이션 시스템의 바람직한 다른 실시 예를 설명하기 위한 블록도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
300, 900......도킹 스테이션
301, 901......제1발신부
302, 902......제2발신부
310, 910......로봇
311, 911......제1수신부
312, 912......제2수신부
313, 913......입사각 계산부
314, 914......거리계산부
315......엔코더
316......상태 관측기
915......절대 방위각 측정부
916......칼만 필터
본 발명은 로봇 제어에 관한 것으로서, 특히 로봇의 위치 및 방향 제어를 위한 로컬라이제이션(Localization)에 관한 것이다.
로봇의 로컬라이제이션에 관한 방법 또는 장치로는, 상대적인 위치를 측정하 기 위한 추측항법(Dead-Reckoning) 및 관성항법(Inertial Navigation), 절대적인 위치를 측정하기 위한 GPS(Global Positioning System) 및 Active Beacons, 절대적인 방향을 측정하기 위한 마그네틱 콤파스(Magnetic Compass) 등이 있으며, 이에 관해서는 J. Borenstein, H.R. Everett, L. Feng, and D. Wehe "Mobile Robot Positioning Sensors and Techniques" 에 상세히 설명되어 있다.
도 1은 3개의 비컨(Beacon)을 사용하여 위치를 검출하는 종래 기술을 설명하기 위한 도면이다. 비컨1과 비컨2에 의해서 검출할 수 있는 위치는 A, B 이다. 따라서 A위치라는 것을 정확히 검출하기 위해서는 비컨3이 필요하다. 그러나, 이것은 위치만을 검출하는 기술이며, GPS도 같은 원리이다.
한국공개특허공보 제2000-66728호 "음향방향과 동작방향 검출 및 지능형 자동 충전 기능을 갖는 로봇 및 그 동작 방법" 은 음향의 방향을 측정하여 자동 충전기에 귀환하는 알고리즘을 제안하고 있다. 특정 주파수를 갖는 음향을 발생하여 충전기 등에서 음향을 발생하면 로봇에서는 그 음향의 방향을 검출하여 충전기에 도킹할 수 있도록 하는데, 이 기술은 로봇의 방향만을 측정하고 제어할 수 있다.
한국공개특허공보 제2002-33303호 "로봇 축구 게임기에서 로봇 위치 인식 장치" 는 여러 개의 비컨(Beacon)을 사용하여 로봇의 위치만을 인식하도록 하는 장치를 제안하고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 하나의 신호발신 장치만을 사용하는 로봇용 로컬라이제이션 시스템을 제공하는 데 있다.
또한 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 전파를 이용한 로봇용 로컬라이제이션 시스템을 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 이루기 위해, 소정 공간을 움직이며 소정 임무를 수행하는 로봇과 상기 로봇의 홈 포지션에 해당하는 도킹 스테이션을 포함하는 본 발명에 의한 로봇용 로컬라이제이션 시스템에 있어서, 상기 도킹 스테이션은, 상기 로봇의 위치를 검출하기 위하여 음파를 발신하는 제1발신부; 및 상기 음파가 발신되는 순간에 시간 동기 신호를 발신하는 제2발신부를 포함하며, 상기 로봇은, 상기 로봇으로 입사되는 상기 음파를 수신하는 적어도 2개 이상 음파 센서가 마련된 제1수신부; 상기 로봇으로 입사되는 상기 시간 동기 신호를 수신하는 제2수신부; 상기 시간 동기 신호가 수신된 시간과 상기 음파가 수신된 시간의 시간차를 이용하여 상기 제1발신부로부터 상기 제1수신부까지의 거리를 계산하는 거리계산부; 및 상기 제1수신부에 마련된 상기 2개 이상의 음파 센서간의 음파 수신 시간차를 이용하여 상기 로봇으로의 음파 입사각을 계산하는 입사각 계산부를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 음파는 초음파일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 로봇은, 이전 위치와 현재 위치 사이의 위치 변화 및 방향 변화를 측정하는 엔코더를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 로봇은, 상기 거리, 상기 로봇으로의 음파 입사각, 상기 위치 변화, 상기 방향 변화를 이용하여, 상기 도킹스테이션으로부터 상기 로봇의 현재 위치 및 방향을 추정하는 상태 관측기를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 상태 관측기는, 상기 엔코더 측정값에 의해 상기 로봇의 방향을 추정하는 칼만 필터를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 로봇은, 상기 로봇이 지향하고 있는 절대 방위각을 계측하는 절대방위각 측정부를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 로봇은, 상기 절대 방위각 측정부의 측정잡음을 필터링하는 칼만 필터를 더 포함할 수 있다.
상기한 다른 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 의한 로봇용 로컬라이제이션 시스템은 로봇과 도킹 스테이션을 포함하며, 상기 로봇은, 제1전파를 발신하는 제1발신부; 제2전파를 수신하는 제2수신부; 및 상기 로봇과 상기 도킹 스테이션의 거리를 계산하는 거리계산부를 포함하고, 상기 도킹스테이션은, 상기 제1전파를 수신하는 제1수신부; 및 상기 제1전파 수신후 소정시간 경과후에 상기 제2전파를 발신하는 제2발신부를 포함하고, 상기 거리계산부는, 상기 제1전파 발신시점으로부터 상기 제2전파 수신시점까지의 시간 및 기 제1전파 수신후 상기 제2전파를 발신하기까지의 소정시간을 이용하여 상기 거리를 계산하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2수신부는, 상기 제2전파를 수신하는 센서를 적어도 2개 이상 포함하고, 상기 로봇은, 상기 제2수신부에 마련된 상기 2개 이상의 센서간의 제2전파 수신 시간차를 이용하여 상기 로봇으로의 상기 제2전파 입사각을 계산하는 입사각 계산부를 더 포함할 수 있다.
상기 시스템은, 이전 위치와 현재 위치 사이의 위치 변화 및 방향 변화를 측정하는 엔코더를 더 포함한다.
상기 시스템은, 상기 거리, 상기 입사각, 상기 위치 변화, 상기 방향 변화를 이용하여 상기 도킹스테이션으로부터 상기 로봇의 현재 위치 및 방향을 추정하는 상태 관측기를 더 포함할 수 있다. 여기서 상기 상태 관측기는, 상기 엔코더 측정값에 의해 상기 로봇의 방향을 추정하는 칼만 필터를 포함할 수 있다.
상기 시스템은, 상기 로봇이 지향하고 있는 절대 방위각을 계측하는 절대방위각 측정부를 더 포함할 수 있다. 여기서 상기 시스템은, 상기 절대 방위각 측정부의 측정잡음을 필터링하는 칼만 필터를 더 포함할 수 있다.
이하, 본 발명에 의한 로봇용 로컬라이제이션 시스템의 구성과 동작을 첨부한 도면들을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
본 발명은 소정 공간을 움직이며 소정 임무를 수행하는 로봇과 상기 로봇의 홈 포지션(home position)에 해당하는 도킹 스테이션을 포함하는 로봇용 로컬라이제이션 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 의한 로봇용 로컬라이제이션 시스템은, 소정 공간을 움직이며 소정 임무를 수행하는 로봇과 상기 로봇의 홈 포지션에 해당하는 도킹 스테이션을 포함한다.
도 2는 도킹 스테이션과 로봇과의 위치ㆍ방향 관계를 정의하기 위한 (x, y, γ) 좌표계이다. 여기서 (x, y)는 도킹 스테이션을 원점(O)으로 한 로봇(O')의 평면 위치를 나타내며, γ는 로봇의 현재 자세에서 지향하는 방향을 나타낸다. 여기서 (x, y)는 도면에 도시된 극 좌표계 표현인 (L, φ)에 의해서 대체될 수도 있다.
도 3은 본 발명에 의한 로봇용 로컬라이제이션 시스템의 바람직한 일 실시예를 설명하기 위한 블록도로서, 도킹 스테이션(300)과 로봇(310)을 포함한다. 도킹 스테이션(300)은 제1발신부(301) 및 제2발신부(302)을 포함하는 것이 바람직하다. 또한 로봇(310)은 제1수신부(311), 제2수신부(312), 거리 계산부(314), 입사각 계산부(313), 엔코더(315) 및 상태 관측기(316)를 포함하는 것이 바람직하다.
제1발신부(301)은, 로봇의 위치를 검출하기 위하여 음파 예컨대 초음파를 발신한다. 제2발신부(302)은, 초음파가 발신되는 순간에 시간 동기 신호를 발신한다. 시간 동기 신호는 초음파의 발신과 수신간의 시간차를 이용하여 도킹 스테이션(300)과 로봇(310)과의 위치 관계를 측정하기 위한 것이다. 시간 동기 신호는 초음파보다 전파 속도가 매우 큰 신호로서, 예컨대 적외선(IR, Infra-Red) 또는 고주파 신호(RF, Radio Frequency)이다.
제1수신부(311)은, 도킹 스테이션(300)에서 발신되어 로봇(310)으로 입사되는 초음파를 수신하는 적어도 2개 이상 초음파 센서를 포함한다.
제2수신부(312)은, 도킹 스테이션(300)에서 발신되어 로봇(310)으로 입사되는 로봇(310)으로 입사되는 시간 동기 신호를 수신한다.
거리 계산부(314)은, 시간 동기 신호가 수신된 시간과 초음파가 수신된 시간의 시간차를 이용하여 제1발신부(301)으로부터 제1수신부(311)까지의 거리(L)를 계산한다. 다시 말해 도킹 스테이션(300)과 로봇(310) 사이의 거리(L)를 계산한다.
입사각 계산부(313)는, 제1수신부(311)에 마련된 2개 이상의 초음파 센서간의 초음파 수신 시간차를 이용하여 로봇(310)으로의 초음파 입사각을 계산한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 도킹 스테이션(300)과 로봇(310)과의 위치관계는 (L, θ, γ)에 의해 완전히 표현될 수 있다. 여기서 L은 도킹 스테이션(300)의 기 준 위치로부터 로봇(310)까지의 거리이며, θ는 로봇(310)의 각도 기준 축인 로봇(310)의 x축에 대한 초음파 입사각이며, γ는 로봇(310)이 지향하고 있는 방향을 나타낸다.
도 5는 본 발명에 의한 로봇용 로컬라이제이션 시스템이 수행하는 거리 측정 방법을 설명하기 위한 도면이며, 거리 계산부(313)는 수신된 초음파와 시간 동기 신호를 이용하여, 다음 수학식 1과 같이 거리 L을 계산한다.
Figure 112003050390655-pat00001
여기서, cS는 음속을 의미하며 그 크기는 340m/sec 이고, Δt 는 도킹 스테이션에서 초음파를 발신한 시점부터 로봇이 초음파를 수신한 시점간의 시간차를 의미한다.
도 5를 참조하면, 도킹 스테이션(300)의 제1발신부(301)에서 초음파를 발신하는 동시에, 제2발신부(302)에서 시간 동기 신호 예컨대 고주파(RF, radio frequency) 신호 또는 적외선(IR, infra red) 신호를 발신하다. 이 때, 로봇(310)은 제2수신부(312)에서 시간 동기 신호를 수신한 순간으로부터 제1 수신부(311)에서 초음파를 수신한 순간까지의 시간차 Δt를 측정할 수 있다. 따라서, 측정된 Δt 와 음속(c=340 m/sec)을 곱셈하여 거리(L)를 계산할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 로봇에 마련된 제1 수신부(311)에서 수신한 초음파를 이용하여, 초음파 입사각 계산부(313)에서 입사각 θ를 계산하는 방법을 도시한 것이 다.
초음파 입사각 계산부(313)는 제1수신부(311)에 마련된 2개 이상의 초음파 센서간의 초음파 수신 시간차를 이용하여 로봇으로의 초음파 입사각 θ를 예컨대 다음 수학식 2 또는 수학식 3과 같이 계산한다. 도 6a는 수학식 2에 해당하는 도면이고, 도6b는 수학식 3에 해당하는 도면이다.
Figure 112003050390655-pat00002
인 경우,
Figure 112003050390655-pat00003
여기서, t1 은 첫 번째 초음파 센서에 초음파가 수신된 시간이고, t2 는 두 번째 초음파 센서에 초음파가 수신된 시간이다. R은 로봇의 중심 좌표로부터 초음파 센서가 설치된 원의 반지름이고, M은 설치된 초음파 센서 개수이고, c 는 음속인 340 m/sec 이다. n은 로봇(310)의 중심 좌표(O')로부터 초음파 입사 각도 측정의 기준 센서를 1번째 센서로 지정할 때, 초음파가 수신되는 초음파 센서의 차례이다.
그러나,
Figure 112003050390655-pat00004
인 경우, 예컨대 제1수신부(311)에 2개의 초음파 센서가 마련된 경우에는 다음 수학식 3과 같이 입사각 θ가 구해진다.
Figure 112003050390655-pat00005
로봇(310)은 수학식 1 내지 수학식 3에 의하여 구해진 (L, θ)에 의하여 도킹 스테이션(300)의 위치 및 방향을 결정할 수 있다. 그러나, 도킹 스테이션(300)은 (L, θ)만으로는 로봇(310)의 현재 위치를 결정할 수 없다. 도 4를 참조하면, (L, θ)에 의해 결정되는 로봇(310)의 위치는 무수히 많다. 이 때 γ가 정해짐으로써, 로봇(310)의 현재 위치가 결정된다. 그와 동시에 로봇(310)이 지향하는 방향도 결정된다.
이하에서는 칼만필터를 사용하여 엔코더 신호에 의해 γ를 추정하는 방법을 설명한다.
엔코더(315)는 로봇의 이전 위치와 현재 위치 사이의 위치 변화 및 방향 변화를 측정한다. 엔코더(315)는 일반적으로 로봇의 위치 이동 또는 방향 변화 지령을 내리고 로봇이 이에 추종하여 움직일 때 그 움직임을 제어할 목적으로 설치된다. 엔코더(315)를 이용하면 움직인 위치 및 방향을 적분하여 현재의 로봇의 로컬라이제이션을 알 수 있다. 만일 적분 오차가 없다면 엔코더(315)만으로도 로봇의 로컬라이제이션이 가능하다. 이것은 주행 거리계(odometry)와 같이 짧은 기간에는 비교적 정확하지만 오차의 샘플링시 마다 오차가 누적된다.
상태 관측기(316)는 거리(L), 입사각(θ), 엔코더(315)에 의해 측정된 위치 변화 및 방향 변화를 이용하여 도킹 스테이션(300)에 대한 로봇(310) 현재 위치 및 방향을 추정한다. 여기서, 상태 관측기(316)는 칼만 필터(Kalman Filter)를 포함할 수 있다.
도 7은 칼만 필터의 일 예를 설명하기 위한 블록도이다. 시스템의 동태 방정식이 y = Cx + Du + Hw 일 때, 칼만 필터는 알려진 입력값(u)과 측정잡음(n)을 내포하는 측정치(yn)를 이용하여 최적화된 출력과 상태 추정치를 구한다.
도 3에 도시된 로봇의 로컬라이제이션을 위한 시스템 모델링 및 이산 시스템 모델링을 이용하여 다음과 같이 상세히 설명한다.
도 3에 도시된 본 발명에 의한 로봇의 위치 방향 추정 시스템에 있어서 로봇(310)의 위치ㆍ방향은, 도 4에 도시된, 도킹 스테이션(300)을 원점으로 한 좌표계에 의하여 다음 수학식 4와 같이 모델링될 수 있다.
Figure 112003050390655-pat00006
Figure 112003050390655-pat00007
Figure 112003050390655-pat00008
여기서 v(t)는 선속도 명령이고, ω(t)는 각속도 명령이다. 이상적인 시스템에 있어서는, 위치ㆍ방향 이동의 명령값과 로봇의 실제 이동 위치가 동일하다.
따라서, 본 발명에 의한 로봇의 로컬라이제이션 시스템의 이산 시스템 모델링은 다음 수학식 5와 같다.
Figure 112003050390655-pat00009
여기서
Figure 112003050390655-pat00010
Figure 112003050390655-pat00011
Figure 112003050390655-pat00012
Figure 112003050390655-pat00013
여기서 η(t)는 이산 시스템 모델에서의 프로세스 잡음이며, E(* )는 *의 평균값이며, Q(t)는 프로세스 잡음의 공분산 행렬(covariance matrix)이다.
또한, 본 발명에 의한 로봇의 로컬라이제이션 시스템의 측정 모델링은 다음 수학식 6과 같다.
Figure 112003050390655-pat00014
Figure 112003050390655-pat00015
Figure 112003050390655-pat00016
여기서 μ(kT)는 엔코더(315) 또는 초음파 센서(311) 등에 의한 측정 잡음이며, T는 샘플링 타임(sampling time)이다. x(kT), y(kT), γ(kT)는 엔코더에 의한 위치 및 방향 측정값이다. L(kT), θ(kT)는 초음파 센서(312)에 의한 거리 및 방향 측정값이다.
만일 로봇이 지향하고 있는 절대 방위각을 계측하는 수단 예컨대 자이로스코프나 마그네틱 콤파스가 마련된다면, γ(kT)는 이들 절대 방위각 계측 수단에 의한 측정값으로 대치될 수 있다.
도 8은 칼만 필터를 포함하는 상태 관측기의 일 예를 설명하기 위한 블록도로서, 로봇 움직임 제어부(800), 계측부(810), 상태 관측기(820)를 포함한다. 상태 관측기(820)는 시스템 추정부(821), 관측 추정부(822), 합산부(823), 칼만 필터(824) 및 단위 시간 지연부(825)를 포함한다.
로봇 움직임 제어부(800)는, 로봇(310)의 위치 및 방향을 움직이기 위하여 선속도 명령(v(t))과 각속도 명령(w(t))을 출력한다.
시스템 추정부(821)는 선속도 명령 및 각속도 명령에 응답하여, 시스템 추정(System Prediction)값
Figure 112003050390655-pat00017
를 출력한다. 시스템 추정부(821)에 의한 시스템 추정값은 다음 수학식 7과 같이 표현된다.
Figure 112003050390655-pat00018
Figure 112003050390655-pat00019
여기서 L(k)는 U(k)를 선형화하는 변환행렬이다.
관측 추정부(822)는 시스템 추정값
Figure 112003050390655-pat00020
을 관측 추정값(Observation Prediction) 표현인
Figure 112003050390655-pat00021
으로 변환한다. 관측 추정부(822)에 의한 관측 추정값 표현은 샘플링 타임이 1인 경우에 다음 수학식 8과 같다.
Figure 112003050390655-pat00022
계측부(810)는 엔코더(811), 초음파 센서(812) 등에 의하여 로봇의 위치 측정값 Z(k+1)을 출력한다.
합산부(823)는 위치 측정값Z(k+1)와 관측 추정값
Figure 112003050390655-pat00023
의 차를 구한다.
칼만 필터(824)는 다음 수학식 9에 의하여 최적의 추정값
Figure 112003050390655-pat00024
을 구한다.
Figure 112003050390655-pat00025
이 때, 칼만 필터(824)가
Figure 112003050390655-pat00026
를 계산하는데 사용하는 매개 변수들은 다음 수학식 10과 같다.
Figure 112003050390655-pat00027
Figure 112003050390655-pat00028
Figure 112003050390655-pat00029
Figure 112003050390655-pat00030
Figure 112003050390655-pat00031
Figure 112003050390655-pat00032
Figure 112003050390655-pat00033
단위 시간 지연부(825)는 시간 진행(time marching)하는 이산치 해석에 있어서, 시간 단계를 갱신하는 수단이다. 즉, 단위 시간 지연부(825)를 거치므로서, 현 재 계산 단계
Figure 112003050390655-pat00034
는 이전 계산 단계
Figure 112003050390655-pat00035
가 되어, 다음 계산 단계에 이용된다.
도 9는 본 발명에 의한 로봇용 로컬라이제이션 시스템의 바람직한 다른 실시예를 설명하기 위한 블록도로서, 도킹 스테이션(900)과 로봇(910)을 포함한다. 도킹 스테이션(900)은 제1 발신부(901) 및 제2 발신부(902)를 포함하는 것이 바람직하다. 또한 로봇(910)은 제1 수신부(911), 제2 수신부(912), 거리 계산부(914), 초음파 입사각 계산부(913), 절대 방위각(γ) 측정부(915), 엔코더(917) 및 상태 관측기(916)를 포함하는 것이 바람직하다.
엔코더(917)는 로봇의 이전 위치와 현재 위치 사이의 위치 변화 및 방향 변화를 측정한다.
절대 방위각 측정부(915)는 로봇(910)이 지향하고 있는 절대 방위각(γ)을 계측하는 수단으로서, 예컨대 자이로스코프(gyroscope)나 마그네틱 콤파스(Magnetic compass) 등이 있다. 자이로 스코프 등에 의해 측정된 절대 방위각은 측정 잡음을 포함하므로, 칼만 필터를 포함하는 상태 관측기(916)에 의하여 더욱 최적화된 출력을 얻을 수 있다.
전술한 실시예들은, 음파 특히 초음파에 의하여 수행되는 로봇용 로컬라이제이션 시스템의 구성 및 동작을 중심으로 설명되었다.
이하에서는, 전파에 의한 로봇용 로컬라이제이션 시스템의 실시예를 설명한다. 도 10은 전파를 이용한 로봇과 도킹 스테이션 사이의 거리를 측정하는 방법을 설명하기 위한 타이밍 차트이다.
Figure 112003050390655-pat00036
여기서, cL은 광속을 의미하며, Δt 는 로봇에서 제1전파를 발신한 시점으로부터 도킹 스테이션에서 제1전파를 수신한 시점까지의 시간을 의미한다.
여기서 전파를 이용하여 Δt를 측정하는 방법을 도 10을 참조하여 설명한다.
도 10을 참조하면, 로봇은 제1전파(S1)를 발신하고, 도킹 스테이션은 Δt 후에 제1전파(S1)를 수신한다. 도킹 스테이션은, 제1전파(S1)를 수신후 소정시간 TM 경과후에 제2전파(S2)를 발신하고, 로봇은 Δt 후에 제2전파(S2)를 수신한다. 따라서, 로봇의 제1전파(S1) 발신시점으로부터 제2전파(S2) 수신시점까지의 시간을 Tround 라 할 때, 다음 수학식 12와 같이 Δt가 결정될 수 있다.
Figure 112003050390655-pat00037
여기서 로봇 입장에서, Tround 는 측정되는 값이며, TM 은 알고있는 값이 된다.
수학식 11 및 수학식 12에서 설명한, 로봇과 도킹 스테이션의 거리측정을 수행하기 위하여, 로봇은 제1발신부, 제2수신부, 및 거리계산부를 포함하고, 도킹 스 테이션은 제1수신부 및 제2발신부를 포함할 수 있다.
제1발신부는 제1전파를 발신한다. 제1발신부는 로봇내의 적당한 위치 예컨대 도 5의 참조번호 312 위치에 구비될 수 있다.
제2수신부는 제2전파를 수신한다. 제2수신부는 로봇내의 적당한 위치 예컨대 도 5의 참조번호 311 위치에 구비될 수 있다. 단지 거리만을 측정하기 위해서는, 제2수신부는 하나의 전파 수신 센서만을 구비하면 된다. 따라서, 도 5의 참조번호 311 의 위치 중에서 적당한 위치에 하나만이 구비되면 된다.
거리계산부는, 수학식 11 및 수학식 12에 의하여 예컨대 도 5에 도시된 로봇(310)과 도킹 스테이션(300)간의 거리(L)을 계산한다.
제1수신부는 제1전파를 수신한다. 제1수신부는 도킹 스테이션내의 적당한 위치 예컨대 도 5의 참조번호 301 위치에 구비될 수 있다.
제2발신부는 제2전파를 발신한다. 제2발신부는 도킹 스테이션내의 적당한 위치 예컨대 도 5의 참조번호 302 위치에 구비될 수 있다.
그리고, 상기 전파에 의한 로봇용 로컬라이제이션 시스템에는, 로봇은 도킹스테이션의 방향을 결정하기 위하여, 제2수신부에 제2전파를 수신하는 센서를 적어도 2개 이상 포함할 수 있다. 상기 센서는 예컨대 도 5에 도시된 참조번호 311 과 같은 위치에 구비될 수 있다. 또한 전파를 이용한 로봇으로의 제2전파 입사각 계산 방법은, 도 6a, 수학식 2, 도 6b, 수학식 3에서 초음파를 예로들어 설명한 바와 동일하다.
전파를 이용한 로봇용 로컬라이제이션 시스템의 구성 및 동작은, 도 7이하에 서 설명된 초음파를 이용한 로봇용 로컬라이제이션 시스템에서 초음파를 전파로 대체한 것과 동일한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 로봇용 로컬라이제이션 시스템에 의하면, 도킹 스테이션에 마련되는 하나의 비컨과 로봇에 마련되는 초음파 센서에 의하여, 움직이는 로봇을 기준으로, 고정된 도킹 스테이션의 위치와 방향을 측정할 수 있다. 또한 칼만 필터가 추가된 구성으로서, 도킹 스테이션 좌표를 기준으로 한 로봇의 로컬라이제이션이 가능하다.
또한 전파를 이용한 로봇용 로컬라이제이션이 가능하다.
본 발명은 이상에서 설명되고 도면에 예시된 것에 의해 한정되는 것은 아니며, 당업자라면 다음에 기재되는 청구의 범위 내에서 더 많은 변형 및 변용예가 가능한 것이다.

Claims (14)

  1. 음파를 발신하고, 상기 음파가 발신되는 순간에 시간동기신호를 발신하는 도킹 스테이션을 포함하는 로봇용 로컬라이제이션 시스템에 있어서,
    상기 로봇에서 상기 시간동기신호가 수신된 시간과 상기 음파가 수신된 시간의 시간차를 이용하여 상기 도킹 스테이션으로부터 상기 로봇까지의 거리를 계산하는 거리계산부;
    2개 이상의 음파 센서간의 음파 수신 시간차를 이용하여 상기 로봇으로의 음파 입사각을 계산하는 입사각 계산부;
    상기 로봇의 이전 위치와 현재 위치 사이의 위치 변화 및 방향 변화를 측정하는 엔코더; 및
    상기 거리, 상기 입사각, 상기 위치 변화, 상기 방향 변화를 이용하여 상기 도킹스테이션으로부터 상기 로봇의 현재 위치 및 방향을 추정하는 상태 관측기를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇용 로컬라이제이션 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 음파는 초음파인 것을 특징으로 하는 로봇용 로컬라이제이션 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 상태 관측기는,
    상기 엔코더 측정값에 의해 상기 로봇의 방향을 추정하는 칼만 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇용 로컬라이제이션 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 로봇이 지향하고 있는 절대 방위각을 계측하는 절대방위각 측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇용 로컬라이제이션 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 절대 방위각 측정부의 측정잡음을 필터링하는 칼만 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇용 로컬라이제이션 시스템.
  8. 제1전파를 수신하고, 상기 제1전파 수신후 소정시간 경과후에 제2전파를 발신하는 도킹 스테이션을 포함하는 로봇용 로컬라이제이션 시스템에 있어서,
    상기 로봇에서 상기 제1전파 발신시점으로부터 상기 제2전파 수신시점까지의 시간 및 상기 제1전파 수신후 상기 제2전파를 발신하기까지의 소정시간을 이용하여 상기 로봇과 상기 도킹 스테이션의 거리를 계산하는 거리계산부;
    상기 제2전파를 수신하는 적어도 2개 이상의 센서간의 제2전파 수신 시간차를 이용하여 상기 로봇으로의 상기 제2전파 입사각을 계산하는 입사각 계산부;
    상기 로봇의 이전 위치와 현재 위치 사이의 위치 변화 및 방향 변화를 측정하는 엔코더; 및
    상기 거리, 상기 입사각, 상기 위치 변화, 상기 방향 변화를 이용하여 상기 도킹스테이션으로부터 상기 로봇의 현재 위치 및 방향을 추정하는 상태 관측기를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇용 로컬라이제이션 시스템.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제8항에 있어서, 상기 상태 관측기는,
    상기 엔코더 측정값에 의해 상기 로봇의 방향을 추정하는 칼만 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇용 로컬라이제이션 시스템.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 로봇이 지향하고 있는 절대 방위각을 계측하는 절대방위각 측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇용 로컬라이제이션 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 절대 방위각 측정부의 측정잡음을 필터링하는 칼만 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇용 로컬라이제이션 시스템.
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