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KR100581086B1 - ＲＦＩＤ Ｔａｇ ＬＥＤ를 이용한 로봇 위치 측정 방법 및장치 - Google Patents

ＲＦＩＤ Ｔａｇ ＬＥＤ를 이용한 로봇 위치 측정 방법 및장치 Download PDF

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Publication number
KR100581086B1
KR100581086B1 KR1020050036831A KR20050036831A KR100581086B1 KR 100581086 B1 KR100581086 B1 KR 100581086B1 KR 1020050036831 A KR1020050036831 A KR 1020050036831A KR 20050036831 A KR20050036831 A KR 20050036831A KR 100581086 B1 KR100581086 B1 KR 100581086B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
robot
rfid tag
led
angle
rfid
Prior art date
Application number
KR1020050036831A
Other languages
English (en)
Inventor
채희성
유원필
소정
나상익
Original Assignee
한국전자통신연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전자통신연구원 filed Critical 한국전자통신연구원
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Publication of KR100581086B1 publication Critical patent/KR100581086B1/ko

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은 ＲＦＩＤ Ｔａｇ ＬＥＤ를 이용한 로봇 위치 측정 방법 및 장치에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은, 로봇이 활동하는 동적 환경에서 카메라를 이용하여 획득한 3개의 RFID Tag LED 사이의 각도를 변수로 코사인 법칙과 삼각법을 이용하여 로봇의 위치를 측정함으로써, 목적지까지의 이동경로를 설정하고 주행하는데 필수적인 로봇의 위치를 측정하기 위한 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있음.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은, RFID Tag LED를 이용한 로봇 위치 측정 방법에 있어서, 로봇에 장착된 카메라를 이용하여 검출된 RFID Tag LED 사이의 각도를 획득하는 단계와 상기 획득한 각도를 변수로 코사인 법칙과 삼각법을 이용하여 로봇의 위치를 측정하는 단계를 포함한다.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 로봇 위치 측정 방법 등에 이용됨.
어안 렌즈(Fish Lens), RFID, RFID Tag, 삼각법(Triangulation), 경로 설정(Path Planning), 주행(Navigation)

Description

ＲＦＩＤ Ｔａｇ ＬＥＤ를 이용한 로봇 위치 측정 방법 및 장치{Method and apparatus for mobile robot localization using LED of RFID Tag}
도 1은 카메라를 이용하여 획득한 RFID Tag가 포함된 영상을 나타낸 도면,
도 2는 획득한 영상으로부터 검출된 RFID Tag LED를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 로봇에 탑재된 카메라와 RFID Tag LED 사이의 기하학적 관계를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 로봇의 위치를 계산하기 위한 절대좌표계 및 로봇좌표계를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 RFID Tag 의 설치도,
도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 RFID Tag 설치도를 기반으로 작성된 토폴로지 맵 예시도이다.
본 발명은 RFID Tag LED를 이용한 로봇 위치 측정 방법 및 장치에 관한 것으 로, 더욱 상세하게는 실내환경에서 카메라를 이용하여 획득한 3개의 RFID Tag LED 사이의 각도를 변수로 삼각법과 코사인 법칙을 이용하여 로봇의 위치를 측정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 자율적인 로봇 주행(autonomous robot navigation)을 실현하기 위해서는, 로봇의 동작 환경 내에서 로봇의 위치 정보를 즉각적으로 파악할 수 있는 측위(localization)가 선행되어야 하며, 로봇의 동작 환경에 대한 정보를 수집하고 관리하는 환경지도를 작성(environment map building)하고, 로봇의 위치정보를 기반으로 동작 환경 내에서의 이동 경로를 생성하고 해당 경로를 따라 로봇 플랫폼을 제어(guidance)해야 한다.
상기 환경지도는 크게 매트릭 맵(metric map)과 토폴로지 맵(topological map)으로 구분할 수 있다. 우선, 매트릭(metric) 경로 생성 방법이라 함은, 정량적으로 표현된 로봇 환경 데이터로부터 생성된 로봇 경로에 대하여 미리 설정되어 있는 임의의 성능지수를 최적화하는 방식으로 로봇 경로를 선택하는 일련의 방법을 지칭한다. 대표적인 형태로, 그리드(grid) 구조를 가지는 실내 평면도 형태의 환경지도와 상기 환경지도 내에서의 최적 경로 혹은 로봇 플랫폼의 기구학적 구조 (kinematic structure)를 고려하여 최적 제어방식을 선택하는 경우를 들 수 있다.
반면, 토폴로지(topological) 경로 생성 방법이라 함은, 로봇 환경내의 특징적인 위치를 기준으로 이동경로를 생성하는 방법을 지칭한다. 예를 들어, 가구나 가전제품 또는 문 입구 등을 기준으로 각 특징점간의 공간적 관계(spatial relationship)를 기술하는 그래프(graph)형태로 환경 지도를 작성하고, 이러한 환경 지도를 바탕으로 “문을 지나 냉장고 옆으로 이동”과 같은 형태의 경로를 작성할 수 있다.
전술한 바와 같이 주어진 경로를 따라 로봇이 주행하거나 새로이 경로를 작성하기 위해서는 로봇의 현재 위치에 대한 정보가 필수적이며, 또한 로봇은 올바른 주행을 위하여 자신의 위치에 대한 정보를 언제든지 확인할 수 있어야 한다.
이를 위해, 로봇의 동작 환경 내에 인공 특징점(artificial landmark)을 설치하거나 자연 특징점(natural landmark)을 환경 내에서 추출하는 방식을 취할 수 있으며, 또한 인위적으로 설치한 능동 표식점으로부터 빛이나 RF 신호를 발사하도록 하고 수신단에서 해당 신호의 수신 방향(direction of arrival)등을 측정하여 로봇의 위치를 파악하는 방법을 사용할 수 있다.
로봇 측위(localization) 방법에서 대상으로 하는 위치 정보는 로봇의 2차원 좌표값 (xR, yR)과 로봇의 진행 방향(heading direction)을 의미하는 로봇의 방향각
Figure 112005023155016-pat00001
에 대한 정보다. 상기 위치 정보는, 도 1에 예시한 바와 같은 로봇 환경내에 설정된 임의의 전역 좌표계(world coordinate frame) {XR, YR, ZR}을 기준으로 정의된다.
로봇 측위 방법과 관련하여 대한민국 특허(출원번호 10-2001-0059500)에서는, 인공 표식점(artificial landmark)을 영상처리 과정을 통해 발견하고 이로부터 로봇의 측위 정보를 계산하는 경우에 있어서 특히 인공 표식점에 대한 조명 조도값을 일정하게 유지하기 위한 방법 및 장치에 대하여 기술하고 있다. 상기 발명에서는 카메라를 이용한 인공 표식점 발견 단계에서 주변 조도값에 따라 영상 처리 결과가 매우 밀접한 영향을 받게 되므로, 조도값이 기설정한 최저치보다 낮게 측정되거나 사용자가 임의로 조도값을 조정하는 경우에는 인공 표식점 인근에 함께 설치된 발광부에 전원을 공급하는 등의 방법으로 인공 표식점이 항상 발견될 수 있도록 하였다.
또한, 대한민국 특허(출원번호: 10-2001-0059501)에서는, 로봇의 위치정보를 계산하기 위해 천장에 설치된 인공표식점을 관측하기 위한 천장지향형(ceiling directed)카메라와 전방의 장애물이나 사물을 인식하기 위한 전방지향형(forward looking)카메라를 구분하여 설치하고, 천장에서 발견된 인공표식점으로부터 로봇의 현재 위치를 계산하는 일련의 방법을 기술하고 있다. 또 다른 선행 특허로 대한민국 특허(출원번호:10-2002-0019039)에서는, 고유의 위치정보를 내장한 다수개의 센서 셀을 로봇 환경내의 바닥면에 설치하고, 로봇이 주행 중 RF(Radio Frequency) 신호를 송수신하여 로봇 플랫폼 하부에 설치된 센서 셀의 위치정보를 판독함으로써 로봇 위치 정보를 추정하는 방식에 대해 기술하고 있다.
한편, 미국 특허(US2004/0158354, Lee et al.)에서는, 로봇이 전원 충전을 위하여 도킹 스테이션(docking station)으로의 호밍(homing)을 할 경우에 로봇과 도킹 스테이션간의 상대적인 거리와 방향각을 측정할 수 있는 초음파 측위 방법에 대하여 기술하고 있다. 상기 발명은 로봇의 도킹 단계에 있어서 로봇 위치 정보의 계산을 두 개의 초음파 센서를 이용하여 해결하는 방법에 대하여 기술하고 있다.
이하, RFID 기술을 이용하여 로봇 위치를 측정하기 위한 종래 기술을 살펴본다.
최근 RFID(Radio Frequency IDentification)기술의 활발한 전개와 함께 RFID와 관련된 국제 표준화가 진행되고 있을 뿐만 아니라, 이미 물류 및 위치 인식 등의 분야에서 RFID 기술이 활발하게 적용되고 있다. 일반적으로, RFID 시스템은, RF 신호를 발생하고 주변의 RFID 태그(Tag)로부터 RF 신호를 수신하여 해석하는 판독기 (reader), RFID 판독기로부터 송신된 신호에 커플링 (coupling)되어 자체 내장된 고유 식별번호(ID)를 송신하는 RFID 태그(RFID Tag), 그리고 RFID 판독기에 장착되는 안테나(Antenna)로 구성된다. 그리고, RFID 판독기를 운용하는 컴퓨터는 자체적으로 또는 원격 서버와 연결되어 태그 정보에 기반한 다양한 서비스(물류 관리, 위치 확인 등)를 제공할 수 있다. RFID 시스템은 판독기 안테나의 감지 영역 (detection area)내에 위치한 RFID 태그만을 활성화시킬 수 있으며 이러한 이유로 특정 RFID 태그가 RFID 판독기 주변에 존재하는지 여부에 대한 정보만을 제공할 수 있다.
RFID를 이용한 로봇 측위와 관련하여 미국 특허(US 2003/0236590, Park et al.)에서는, RFID 태그를 어레이 형태로 제작하여 로봇 환경내의 바닥면에 설치하고 로봇 플랫폼의 밑면(bottom surface)에는 다수의 RFID 판독기를 장착하여, 로봇이 진행하면서 감지되는 RFID 태그의 고유식별번호로부터 로봇의 현재 위치
Figure 112005023155016-pat00002
를 추정하는 방법에 대해 기술하고 있다.
RFID를 이용한 다른 사례로 일본 특허(P2004-230539A)에서는, RFID 태그로부터 수신된 신호 강도를 직선을 이루지 않는 서로 다른 세 지점에서 삼각측량의 방법으로 측량하여 해당 RFID 태그에 대한 상대적인 로봇 매니퓰레이터 (manipulator)의 위치와 자세를 추정하는 방법에 대해 기술하고 있다. 또한, 일본 특허(P2004-160630A)에서는 RFID 태그로부터 읽혀진 정보를 바탕으로 이에 상응하여 로봇 행동을 제어하는 방법에 대해 기술하고 있으며, 일본 특허(P2004-216513A)에서는 RFID 태그를 부착한 다수의 사용자를 수신된 RFID를 이용하여 구분하고 동시에 RFID 태그로부터의 신호 강도를 이용하여 가장 가까운 사용자와 로봇간 커뮤니케이션을 하는 방법에 대해 기술한 바 있다.
또한, 선행논문 “D. Hanhel et al., 'Mapping and localization with RFID technology,' IEEE Int. conf. Robotics and Automation, pp. 1015-1020, 2004”에서는, 미리 구해진 로봇 환경지도 내에 부착된 RFID 태그의 2차원 위치를 추정하고 지도상에 맵핑(mapping)하는 방식으로 입자 필터링(particle filtering)의 방법을 적용한 사례가 있다. 한편, 선행논문 “T. Tsukiyama, “Global navigation system with RFID tags,” Proc. SPIE, vol. 4573, pp. 256-264, 2002”에서는, 로봇 환경내에 부착된 RFID 태그에 대한 토폴로지 맵(topological map)을 구하고 이로부터 로봇 주행을 위한 경로를 계산하는 방법을 제시하였다. 이 때, 로봇의 방향각은 로봇에 탑재된 카메라로부터 벽면과 바닥면으로 이루어진 에지(edge) 성분의 방향을 추출하여 보정하고 있다.
이 외, 선행논문 “V. Kulyukin et al, “RFID in robot-assisted indoor navigation for the visually impaired,” IEEE Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems, PP. 1979-1984, 2004”에서 로봇 환경내에 RFID 태그를 설치한 후, 로봇 경로를 지나야 할 RFID 시퀀스로 작성한 바 있다. 이 때, 로봇에 탑재된 레이저 스캐너로부터 획득한 거리 정보로부터 potential field를 계산함으로써 로봇의 진행 방향을 결정하는 방법이 보고되었다. 또한, 선행 논문 “K. Yamano et al, “Self localization of mobile robots with RFID system by using support vector machine,” IEEE Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems, pp. 3756-3761, 2004,”에서는, 로봇의 정량적인 위치를 추정하기 위해 RFID 판독기에 의해 수신된 복수개의 RFID 태그 신호의 패턴을 support vector machine에 의해 분류하여 로봇의 정성적 위치를 추정하는 방식을 보고하였다.
전술한 바와 같은 종래의 로봇 측위 방법 및 로봇 주행 방법에서는, 로봇의 정성적 위치를 판단하고 로봇의 방향각을 추정하기 위해 카메라 혹은 레이저 스캐너와 같은 이종 센서를 사용하고 있는 실정이다. 하지만, 센서를 사용하여 로봇 위치 또는 방향각을 측정하는 경우, 해당 센서에 내재하는 한계, 예를 들어 카메라의 경우 제한된 시야각이나 조도 변화에 따른 불확실성과 같은 물리적한계, 레이저 스캐너의 경우 센서 자체의 높은 가격 등의 이유로 손쉽게 구현하기가 매우 어렵다.
최근의 RFID 기술의 폭넓은 응용으로 인하여 RFID 태그 및 판독기의 가격이 지속적으로 낮아질 것으로 예상된다. 현재 RFID 판독기를 내장한 휴대폰의 출시를 포함하여 다양한 RFID 응용 제품들이 출시되고 있고, 이러한 경향에 힘입어 향후 가전 제품을 포함하여 가정 내의 가구나 기타 다양한 소품들에도 RFID 태그가 부착되어 출시될 수 있을 것이다. 따라서 상기 RFID 기술의 접목으로 기존 로봇 센서의 한계점인 로봇 환경내의 사물인식 문제가 매우 단순하게 해결될 것으로 예상된다. 하지만, 무지향성을 가지는 RFID의 전파 특성으로 인해, 기존의 RFID 기술을 이용한 로봇의 위치 측정 방법들은 다수의 RFID를 설치해야 하는 문제점이 있었으며, 이를 실제로 구현하는 데는 한계가 있을 수 밖에 없었다.
상기와 같은 RFID 시스템의 특성상 로봇은 RFID 태그에 대한 정성적인 위치 정보만을 획득할 수 있으므로, RFID 기술을 로봇 위치 측정의 목적으로 사용하기 위해서는 로봇이 활동하는 동적 환경 내에서의 로봇의 위치 및 로봇의 방향각에 대한 정보를 구할 수 있는 수단이 필요하다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 로봇이 활동하는 동적 환경에서 카메라를 이용하여 획득한 3개의 RFID Tag LED 사이의 각도를 변수로 코사인 법칙과 삼각법을 이용하여 로봇의 위치를 측정함으로써, 목적지까지의 이동경로를 설정하고 주행하는데 필수적인 로봇의 위치를 측정하기 위한 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은 RFID Tag LED를 이용하여 로봇의 위치를 측정하는 방법으로서, 로봇에 장착된 카메라를 이용하여 검출된 RFID Tag LED 사이의 각도를 획득하는 단계와 상기 획득한 각도와 RFID Tag LED 사이의 거리를 이용하여 로봇과 RFID Tag LED 사이의 거리를 구하고 구해진 로봇과 RFID Tag LED 사이의 거리와 절대좌표계 상의 RFID Tag LED 좌표값을 이용하여 로봇의 위치를 계산하는 단계를 포함하여 이루어진다. 상기 로봇의 위치는 코사인 법칙과 삼각법을 이용하여 계산된다. 상기 카메라는 어안 렌즈를 사용함으로써 넓은 시야각을 확보할 수 있다.
상기 RFID Ta LED 사이의 각도는, 로봇에 장착된 카메라를 이용하여 RFID Tag가 포함된 영상을 획득하고, 상기 획득한 영상의 픽셀에 대해 RGB(Red, Green, and Blue)값을 확인 하여 RFID Tag LED의 위치를 검출하며, 이렇게 검출된 위치와 카메라의 초점거리를 변수로 계산되는 방위각을 이용하여 구한다. 만약, 카메라가 획득한 영상에서 로봇의 위치 측정에 필요한 3개의 RFID Tag LED를 검출하지 못한 경우에는, 로봇은 제자리에서 회전하며 영상을 획득함과 동시에 각도를 저장하고, 로봇의 오도메터리(Odometry)정보를 이용함으로써 3개의 RFID Tag LED 사이의 각도 를 획득한다. 이렇게 획득된 RFID Tag LED 간의 각도는 로봇과 RFID Tag LED 사이의 거리를 구하기 위해 이용되며, 이렇게 구해진 로봇과 RFID Tag LED 사이의 거리는 RFID Tag LED의 좌표값과 함께 로봇의 위치를 계산하는데 이용된다.
또한, 본 발명의 방법은, RFID 설치도 상에서 3개 이상의 RFID Tag가 교차하는 지점에 교차점을 설정하고, 각 교차점을 연결하여 RFID Tag가 위치한 방향에 따라 RFID Tag의 ID를 저장함으로써 토폴로지 맵을 작성하는 단계와 상기 작성된 토폴로지 맵을 이용하여 목적지까지의 주행경로를 설정하고, RFID Tag의 ID를 확인하며 목적지까지 주행하는 단계를 포함한다.
한편, 본 발명의 장치는 로봇 위치 측정 장치로서, RFID Tag가 포함된 영상을 획득하는 카메라부, 상기 획득한 영상의 각 픽셀에 대하여 RGB값을 확인하여 RFID Tag LED를 검출하는 검출부, 상기 검출된 RFID Tag LED 사이의 각도를 구하고 상기 각도를 변수로 코사인 법칙과 삼각법을 이용하여 로봇의 위치를 계산하는 제어부를 포함하여 이루어진다. RFID Tag LED 사이의 각도는, 이미지 평면상에서 RFID Tag LED의 좌표값과 카메라 초점거리를 변수로 계산되는 방위각을 이용하여 구한다. 이렇게 구해진 RFID Tag LED 간의 각도와 주어진 RFID Tag LED 사이의 거리를 변수로 코사인 법칙을 이용하여 로봇과 RFID Tag LED 사이의 거리를 구하고,로봇과 RFID Tag LED 사이의 거리와 RFID Tag LED의 좌표값을 변수로 삼각법을 이용하여 계산함으로써 동적 환경 내에서의 로봇의 2차원 위치를 획득한다. 한편, 카메라가 획득한 영상에서 로봇의 위치 측정에 필요한 3개의 RFID Tag LED를 검출하 지 못한 경우에는, 로봇은 제자리에서 회전하며 영상을 획득함과 동시에 각도를 저장하고, 오도메터리(Odometry)정보를 이용함으로써 3개의 RFID Tag LED 사이의 각도를 획득한다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
본 발명은, 1개 이상의 RFID Tag이 포함된 영상을 획득하는 단계, 획득된 영상에서 2차원 이미지 평면상에 나타난 RFID Tag의 LED를 검출하여 각각의 각도로 환산하는 단계, 환산된 3개의 각도를 변수로 삼각법을 이용하여 로봇의 2차원 위치를 계산하는 단계로 구성된다. 또한, 본 발명은 미리 주어진 RFID Tag의 정보를 이용하여 토폴로지맵을 작성하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 로봇은 상기 작성된 토폴로지 맵과 상기 계산된 로봇의 위치정보를 이용하여 목적지까지의 이동경로를 설정하고 설정된 경로에 주행할 수 있다.
본 발명의 하드웨어적인 구성은, 실내의 적당한 위치에 부착되는 RFID Tag, 로봇에 탑재되는 RFID 수신기와 카메라, 그리고 상기 RFID 수신기와 카메라의 정보 를 처리할 수 있는 프로세서로 이루어진다. 여기서, 상기 정보의 처리는 PC나 노트북 또는 기타 프로세서에 의해서도 수행될 수 있다.
RFID의 전파특성은 무지향성을 가지므로, 로봇에 탑재된 수신기에서 RFID Tag을 탐지했다 하더라도 RFID Tag의 방향이나 수신기에서 RFID Tag까지의 거리 등의 정보는 알 수 없다. 즉, RFID 수신기가 전파를 탐지했을때 로봇은 RFID Tag가 존재하는 특정 영역에 진입했다는 사실만을 알 수 있다. 결국, RFID만을 이용해서는 On-Off 기능만을 수행 할 수 있을 뿐이다.
따라서, 본 발명에서는 RFID Tag에 부착된 LED(이하, RFID Tag LED라 지칭한다.)와 로봇에 장착된 비젼 센서(카메라와 같은 사물을 인식하기 위한 센서를 지칭한다.)를 이용하여 로봇의 위치를 인식하고, 인식된 로봇의 위치정보를 바탕으로 주행경로를 설정하는 방법을 제안한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.
우선, 도 1과 같이 카메라를 이용하여 RFID Tag가 포함된 영상을 획득한다. 이 때, 상기 카메라는 어안렌즈를 사용하도록 함으로써 보다 넓은 시야각을 확보할 수 있다.
보다 상세한 과정을 설명하면, 우선 RFID의 Tag에 신호를 보내서 Tag가 인식되는 순간 RFID Tag에 부착된 LED가 깜박거리도록 하고, LED가 켜지는 순간 로봇에 장착된 카메라는 어안렌즈를 이용하여 RFID Tag의 LED가 포함된 360도 방향의 영상 을 획득한다.
다음으로, 상기와 같이 카메라를 통해 획득한 영상의 모든 픽셀에 대하여 RGB(Red, Green, and Blue)값을 확인한다. 즉, (RGB(255±K, 0, 0) ⊃ 영상의 모든 픽셀)을 확인함으로써, RFID Tag LED의 위치를 검출한다. 여기서, 변수 K는 카메라의 계산(캘리브레이션)을 거쳐 결정한다. 상기 식에서 RGB값을 포함하는 픽셀이 위치한 곳이 RFID Tag의 LED가 위치하는 곳이며. 상기와 같은 과정을 거쳐 도 2와 같은 RFID Tag LED를 검출한 영상을 얻을 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 로봇에 탑재된 카메라와 RFID Tag LED 사이의 기하학적 관계를 나타낸 도면이다. 도 3에서 {XC, YC, ZC}는 로봇에 탑재된 카메라의 렌즈 중심에서 정면(ZC축에 해당함)을 바라보고 설정한 카메라 좌표계를 나타내며, {U, V}는 2차원 이미지 평면의 좌표계를 나타낸다. 도 3에서, (xT, yT, zT)는 RFID 태그(RFID Tag)에 장착한 LED 의 상기 카메라 좌표계에 대한 좌표값이다. 한편, 2차원 이미지 평면상(Image Plane)에 맺히는 LED의 픽셀 좌표값은 (u, v)로 나타내었다. 도 3에서 f는 카메라의 초점거리, θAZ과 θEL은 각각 카메라 좌표계에서 RFID 태그의 방위각 (azimuth angle)과 고도각 (elevation angle)을 나타낸다. 본 발명은 RFID Tag LED 간의 2차원 각도를 필요로 하고, 상기 각도는 RFID 태그의 방위각을 이용하여 구한다. RFID Tag LED의 θAZ(방위각)은 수학식 1 에 의하여 구 해진다.
Figure 112005023155016-pat00003
상기와 같은 수학식 1을 이용하여 3개의 RFID Tag LED의 방위각을 획득할 수 있으며, 상기 획득한 RFID Tag LED의 방위각을 이용하여 3개의 RFID Tag LED 사이의 각도를 구한다. 이렇게 구해진 RFID Tag LED 사이의 각도는, 도 4에서 정의하는 좌표계에서 코사인법칙과 삼각법을 통하여 로봇의 위치를 계산하는데 이용된다.
로봇의 위치를 계산하기 위해서는 한 영상에서 3개의 RFID Tag LED를 검출하여야 한다. 만약, 하나의 영상에서(동시에) 로봇의 위치를 계산하는데 필요한 3개의 RFID Tag LED가 검출되지 않은 경우에는, 로봇은 제자리에서 회전하면서 영상을 획득함과 동시에 각도를 저장하고, 로봇의 오도메터리(odometry)정보를 이용함으로써 RFID Tag LED 사이의 각도를 구한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 로봇의 위치를 계산하기 위한 절대좌표계 및 로봇좌표계를 나타낸 도면이다. 도 4의 예에서, 절대좌표계(Base coordinate) {XB, YB}는 로봇이 움직이는 환경인 실내 공간을 2차원으로 표현한 좌표계이며, 로 봇과 RFID Tag LED의 상대적인 위치를 표현하기 위하여 절대좌표계 위에 2차원 로봇 좌표계(Robot coordinate) {XR, YR} 을 표시하였다.
우선, 도 4에서 사용하는 각 변수에 대하여 설명한다. R(rX, rY)는 절대 좌표계에서 로봇의 위치 좌표다. T 1(x 1, y 1)는 절대 좌표계에서 RFID Tag 1 의 좌표, T 2(x 2, y 2)는 절대 좌표계에서 RFID Tag 2 의 좌표, T 3(x 3, y 3) 는 절대 좌표계에서 RFID Tag 2 의 좌표를 의미한다. 한편, θ12 는 Tag 1과 Tag 2 사이의 각도, θ23 는 Tag 2과 Tag 3 사이의 각도, θ31 는 Tag 3과 Tag 1 사이의 각도를 지칭한다. 각 태그(Tag) 간의 각도는 상기 도 3에서 설명한 바와 같이 각 태그(Tag) 의 방위각을 통해 계산되며, 3개의 각도 가운데 2개가 계산되면 나머지 각도는 쉽게 구할 수 있다. 마지막으로, d12 는 Tag 1과 Tag 2 사이의 거리, d23 는 Tag 2과 Tag 3 사이의 거리, d31 는 Tag 3 와 Tag 1 사이의 거리를 지칭한다.
로봇의 위치는 절대좌표계에서 코사인 법칙과 삼각법을 이용하여 구한다. 이하 도 4를 참조하여 절대좌표계에서 로봇의 위치를 구하는 과정을 설명한다. 로봇의 위치를 계산하기 위한 전제로, 절대 좌표계에서의 태그(Tag)의 위치정보(T 1(x 1, y 1), T 2(x 2, y 2), T 3(x 3, y 3))는 미리 주어지며, 따라서 2차원 평면 상에서의 태그(Tag)간의 거리정보(d12, d23, d31) 역시 상기 위치정보에 의해 쉽게 획득할 수 있다.
우선, 도 4에서 코사인 법칙을 이용하여 다음의 수학식 2를 작성할 수 있다.
Figure 112005023155016-pat00004
Figure 112005023155016-pat00005
Figure 112005023155016-pat00006
상기 식에서 'θ31'은 'θ12 + θ23' 과 같다. 즉, 태그(Tag)사이의 각도는 2개만 알면, 나머지 각도는 바로 구할 수 있다.
태그(Tag)사이의 거리(d12, d23, d31)와 Tag간의 이미 알고 있다고 가정했으며 태그(Tag) 사이의 각도(θ12 ,θ23 ,θ31 )는 각 태그의 방위각을 이용하여 구해지므로, 상기 수학식 2를 통해 로봇과 태그 사이의 거리(d(T1)R, d(T2)R, d(T3)R)가 구해진다.
다음으로, 도 4에서 삼각법을 이용하여 수학식 3을 작성할 수 있다.
Figure 112005023155016-pat00007
Figure 112005023155016-pat00008
Figure 112005023155016-pat00009
각 태그(Tag)의 좌표 (T 1(x 1, y 1), T 2(x 2, y 2), T 3(x 3, y 3))는 미리 주지며 로봇과 태그 사이의 거리(d(T1)R, d(T2)R, d(T3)R)는 수학식 2를 통해 구해지므로, 상기 수학식 3을 통하여 로봇의 위치정보(rX, rY)를 구해낼 수 있다.
이하, 상기와 같이 얻어진 로봇의 위치 정보를 바탕으로 토폴로지 맵을 작성하고 주어진 목적지까지의 로봇의 주행경로를 결정하는 방법을 도 5와 도 6을 참조하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 RFID Tag 의 설치도이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 상기 RFID Tag 설치도를 기반으로 작성된 토폴로지 맵의 예시도이다.
토폴로지 맵을 작성하기 위하여, 우선 도 5 도시한 바와 같이 3개 이상의 RFID Tag가 교차하는 지점에 교차점(a, b, c, d)을 설정한다. 그리고, 도 6에 도시한 바와 같이 각 교차점을 연결한 후, 태그(Tag)가 위치한 방향에 따라 RFID Tag의 ID를 저장함으로써 토폴로지 맵을 완성한다. 이동할 목적지가 결정되면, 로봇은 토폴로지 맵을 이용하여 경로를 설정하고, RFID Tag의 ID를 확인하며 목적지까지 주행한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 형태로 기록매체(씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다. 이러한 과정은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있으므로 더 이상 상세히 설명하지 않기로 한다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
상기와 같은 본 발명은, 기타 이종 센서보다 저렴한 비용의 RFID Tag LED와 카메라를 이용하여 로봇의 위치를 정확하게 계산할 수 있는 장점이 있다. 또한, RFID 태그(Tag)에 LED를 부착하여 이를 이용함으로써, 무지향성을 가지는 RFID의 전파특성을 극복하고 정확하게 로봇의 위치를 측정해낼 수 있는 장점을 가진다.
카메라를 이용한 기존의 영상처리의 경우에는, 역광이나 빛이 없는 밤에는 사용할 수 없다는 단점이 있었으나, 본 발명은 RFID Tag의 LED를 이용하기 때문에 역광이 발생할 염려가 없으며, 조명이 없는 경우에도 카메라를 이용하여 로봇의 위치를 측정할 수 있다는 장점을 가진다. 이러한 특징을 가진 본 발명은 로봇의 자기 위치 인식 및 주행(Navigation)에 적용될 수 있다.
한편, 본 발명에서는 RFID Tag의 위치정보를 기반으로 토폴로지맵을 작성할 수 있기 때문에, 로봇의 목적지까지의 이동경로를 효과적으로 설계(Path Planning)할 수 있다는 장점을 가진다. 또한, 토폴로지 맵 상에서 RFID Tag 가 위치한 방향에 따라 Tag의 ID를 저장함으로써, 로봇이 올바른 경로로 가고 있는지를 확인하며 목적지까지 효과적으로 주행할 수 있다는 장점이 있다.

Claims (11)

  1. RFID Tag LED를 이용한 로봇 위치 측정 방법에 있어서,
    로봇에 장착된 카메라를 이용하여 검출된 RFID Tag LED 사이의 각도를 획득하는 단계;
    상기 획득한 각도와 RFID Tag LED 사이의 거리를 이용하여 로봇과 RFID Tag LED 사이의 거리를 구하고, 구해진 로봇과 RFID Tag LED 사이의 거리와 절대좌표계 상의 RFID Tag LED 좌표값을 이용하여 로봇의 위치를 계산하는 단계
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 로봇 위치 측정 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    RFID Tag LED 사이의 각도를 획득하는 단계는,
    로봇에 장착된 카메라를 이용하여 RFID Tag가 포함된 영상을 획득하는 단계;
    상기 획득한 영상의 픽셀에 대해 RGB(Red, Green, and Blue)값을 확인 하여 RFID Tag LED의 위치를 검출하는 단계;
    상기 검출된 위치와 카메라의 초점거리를 이용하여 RFID Tag LED 사이의 각도를 획득하는 단계
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 로봇 위치 측정 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 RFID Tag LED 사이의 각도는,
    이미지 평면상에서 RFID Tag LED의 좌표값과 카메라 초점거리를 이용하여 구한 RFID Tag LED의 방위각을 이용하여 구하는 것을 특징으로 하는
    로봇 위치 측정 방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    카메라가 획득한 영상에서 3개의 RFID Tag LED를 검출하지 못한 경우에는,
    로봇이 제자리에서 회전하며 영상을 획득함과 동시에 각도를 저장하고, 로봇의 오도메터리(Odometry)정보를 이용함으로써 3개의 RFID Tag LED 사이의 각도를 구하는 것을 특징으로 하는
    로봇 위치 측정 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    RFID 설치도 상에서 3개 이상의 RFID Tag가 교차하는 지점에 교차점을 설정하고, 각 교차점을 연결하여 RFID Tag가 위치한 방향에 따라 RFID Tag의 ID를 저장함으로써 토폴로지 맵을 작성하는 단계
    를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 로봇 위치 측정 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 작성된 토폴로지 맵을 이용하여 목적지까지의 주행경로를 설정하고, RFID Tag의 ID를 확인하며 목적지까지 주행하는 단계
    를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 로봇 위치 측정 방법.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    로봇의 위치는 코사인 법칙과 삼각법을 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는
    로봇 위치 측정 방법.
  8. RFID Tag가 포함된 영상을 획득하는 카메라부;
    상기 획득한 영상의 각 픽셀에 대하여 RGB값을 확인하여 RFID Tag LED를 검출하는 검출부;
    상기 검출된 RFID Tag LED 사이의 각도를 구하고, 상기 각도와 RFID Tag LED 사이의 거리를 이용하여 로봇과 RFID Tag LED 사이의 거리를 구하고, 구해진 로봇 과 RFID Tag LED 사이의 거리와 절대좌표계 상의 RFID Tag LED 좌표값을 이용하여 로봇의 위치를 계산하는 제어부
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 로봇 위치 측정 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 RFID Tag LED 사이의 각도는,
    이미지 평면상에서 RFID Tag LED의 좌표값과 카메라 초점거리를 이용하여 구한 RFID Tag LED의 방위각을 이용하여 구하는 것을 특징으로 하는
    로봇 위치 측정 장치.
  10. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,
    상기 제어부는,
    코사인 법칙과 삼각법을 이용하여 로봇의 위치를 계산하는 것을 특징으로 하는
    로봇 위치 측정 장치.
  11. 제 8항에 있어서,
    카메라가 획득한 영상에서 3개의 RFID Tag LED를 검출하지 못한 경우에는,
    로봇이 제자리에서 회전하며 영상을 획득함과 동시에 각도를 저장하고, 로봇의 오도메터리(Odometry)정보를 이용함으로써 3개의 RFID Tag LED 사이의 각도를 구하는 것을 특징으로 하는
    로봇 위치 측정 장치.
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