KR102068688B1 - 멀티 로봇 위치인식 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 라이다 센서를 이용하는 위치 인식에 관련되는 기술이되, 구체적으로는 라이다 센서를 갖는 마스터 로봇; 등간격으로 복수의 수광센서가 구비되어 상기 라이다 센서로부터 발생되는 레이저 신호를 수신하게 되는 하나 이상의 슬레이브 로봇;을 포함하여 이루어지되, 상기 수광센서가 상기 레이저 신호를 수신하게 되면 상기 슬레이브 로봇은 무선통신을 통해 상기 마스터 로봇측으로 위치정보를 전송하도록 하는 것을 특징으로 하는 멀티 로봇 위치인식 시스템에 관한 것이다.

Description

멀티 로봇 위치인식 시스템{location recognition system of multi-robot}

본 발명은 라이다 센서를 이용하는 위치 인식에 관련되는 기술이되, 특히 하나의 마스터 로봇과 복수의 슬레이브 로봇으로 구성될 수 있는 멀티 로봇에 대한 제어가 가능하도록 하는 멀티 로봇 위치인식 시스템에 관한 것이다.

다수의 로봇들이 상호간 대형을 유지하는 멀티 로봇 제어는 근래에 가장 각광받는 연구분야 중 하나이다. 하나의 로봇이 단독으로 작업을 할 때와 비교하여 멀티 로봇은 로봇의 바디 보다 크거나 무거운 물체에 대한 알려지지 않은 지역의 정찰 혹은 로봇에 손상을 줄 가능성이 높은 군사지역이나 재난지역에서의 어떠한 임무를 위해 사용될 수 있다. 이러한 멀티 로봇간의 상호 협동 작업은 보다 큰 효률성을 달성할 수 있다.

복수의 로봇 상호간 협동이 이루어질 때 로봇간 거리 및 대형 유지를 위해서는 상호간 위치 인식이 필요하다. 위치인식은 주로 두가지 방법에 의해 연구되고 있다.

첫번째 방법은 이미지 처리를 통해 로봇의 위치를 인식하는 것인데, 천정에 설치되는 카메라나 로봇의 전체 위치를 측정하는 드론을 이용할 수 있다. 두번째 방법은 로봇들간 거리인식 센서를 이용하여 직접 측정하는 것이다.

첫번째 방법은 측정 가능한 카메라의 제한된 영역 내에서만 로봇의 대형이 유지될 수 있으며, 이동하는 드론에 카메라가 설치되게 하여도 천정이 낮은 실내 환경에서는 적합하지 않다.

두번째 방법은 초음파 센서, RF센서, 비전센서와 같은 센서에 기반을 두고 직접적으로 위치를 인식하는 것이다. 초음파 센서는 입력시 많은 노이즈를 만드는 음파와 비효율적인 통신의 결과간에 간섭을 유발한다.

로봇에 장착된 비전센서는 물체의 외형을 알고자 할 때 유용하나 모든 방향에서 로봇의 거리 측정하기에 어려움이 있고, 오인식을 유발하는 조도 문제 및 이러한 문제점을 해결하기 위한 높은 비용이 문제가 된다.

자율 주행차량의 장애물 인식 기술로 폭넓게 사용되는 LIDAR 센서는 높은 해상도와 실내 및 실외 환경에서서의 측정능력 및 다른 센서들의 위치인식 문제를 해결할 수 있는 실시간 시스템 때문에 매력적이다.

라이다(LiDAR:Light Detection and Ranging) 기술은 1960년대 레이저의 발명 및 거리 측정기술과 함께 발전되어 1970년대에 항공지도 제작 등에 활용되었다. 1970년대 이후 레이저 기술의 발전과 함께 다양한 분야에 응용 가능한 라이다 센서 기술들이 개발되었으며, 선박 설계 및 제작, 우주선 및 탐사로봇에도 장착되는 등 응용 범위를 넓히고 있다.

라이다 센서는 마이크로웨이브 기기에 비해 측정 가능거리 및 공간 분해능이 매우 높은 편이며, 실시간 관측으로 2차원 및 3차원 공간 분포 측정이 가능한 장점이 있다.

라이다 시스템은 레이저 송수신 모듈 및 신호처리 모듈로 구성되며, 레이저 신호의 변조 방법에 따라 ToF(Time of Flight) 방식과 PS(Phase Shift) 방식으로 구분될 수 있다. ToF(Time of Flight) 방식은 레이저 펄스 신호가 측정 범위내의 물체에서 반사되어 수신기에 도착하는 시간을 측정함으로써 거리를 측정하는 원리이며, PS 방식은 특정 주파수를 가지고 연속적으로 변조되는 레이저 빔을 방출하고 물체로부터 반사되어 오는 레이저 신호의 위상 변화량을 측정하여 거리를 측정하는 방식이다.

라이다 기술의 구체적인 사용예를 살펴보면, 첫째 항공측량 및 재난방재에 사용될 수 있는데, 레이저 펄스의 지상 도달시간을 측정함으로써 반사지점의 공간위치 좌표를 계산하여 3차원의 정보를 추출하는 측량기법을 이용할 경우 대상물의 특성에 따라 반사되는 시간이 모두 다르기 때문에 건물 및 지형지물의 정확한 수치표고모델 생성이 가능하며, 고해상도 영상과 융합되어 건물 레이어의 자동 구축, 광학영상에서 획득이 어려운 정보의 획득, 취득된 고정밀 수치표고모델을 이용하여 지형과 건물 및 구조물을 구분하여 정보를 생성함으로써 신속하고 효율적으로 3차원 모델을 생성할 수 있다.

그리고 접근하기 어려운 재난지역의 신속한 자료 획득과 처리가 가능한 장점을 이용하여 광범위한 재난지역에 대한 대처방안을 마련하기 위한 정확한 데이터를 제공할 수 있다.

둘째 라이다 기술은 대기원격 탐사 및 기상 측정에도 사용될 수 있는데, 레이저를 대기 중에 조사한 후 되돌아오는 광신호를 원격으로 분석하여 대기 중에 존재하는 오염물질의 농도를 거리별로 측정할 수 있으므로 대기오염 측정 및 감시에 있어서 시공간적 제약을 극복하는 대기오염 측정 기술로 활용될 수 있다.

그 외에도 라이다 기술은 다양한 활용이 가능하다.

대표적인 종래기술로 대한민국 등록특허 제10-1417431호의 "LIDAR 센서를 이용한 3차원 공간정보 생성시스템"이 알려져 있다.

도 1은 LIDAR 센서를 이용한 3차원 공간정보 생성시스템의 예시도이다.

도시된 바와 같이 차량 휠(W)의 외측 중심에 장착되어 휠(W)과 함께 회전되는 2차원 LIDAR센서부와, 차량 휠(W)의 회전각을 측정하는 각도센서와, LIDAR센서부에서 측정된 2차원 정보에 각도센서에서 측정된 회전각을 반영함으로써 3차원 공간정보를 생성하는 가공부를 포함하고, 상기 가공부는 각도센서에서 측정된 회전각을 이용하여 주행거리를 산출하고, LIDAR센서부에서 측정된 2차원 정보에 회전각을 반영하며 주행거리를 이용하여 특정 시점으로 시프팅 함으로써 3차원 공간정보를 생성하는 것을 특징으로 한다.

대한민국 등록특허 제10-1417431호

본 발명에서는 복수의 로봇들이 상호간 특정 포메이션을 이루면서 이동이 가능하도록 하기 위한 멀티 로봇 상호간 위치인식 시스템을 제공하고자 한다.

제시한 바와 같은 과제 달성을 위한 본 발명의 멀티 로봇 위치인식 시스템은, 라이다 센서를 갖는 마스터 로봇; 등간격으로 복수의 수광센서가 구비되어 상기 라이다 센서로부터 발생되는 레이저 신호를 수신하게 되는 하나 이상의 슬레이브 로봇;을 포함하여 이루어지되, 상기 수광센서가 상기 레이저 신호를 수신하게 되면 상기 슬레이브 로봇은 무선통신을 통해 상기 마스터 로봇측으로 위치정보를 전송하도록 하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 마스터 로봇은 통신을 위한 Zigbee 모듈을 포함하며, 상기 슬레이브 로봇에도 Zigbee 모듈이 구비되어 상호간 무선 통신이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 복수의 슬레이브 로봇들은 각각 고유의 ID를 가지고 있으며, 상기 마스터 로봇과 상기 슬레이브 로봇 각각에는 지자기 센서가 구비되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 마스터 로봇이 상기 슬레이브 로봇으로부터 상기 위치정보를 수신하게 되면 수신시간을 기초로 슬레이브 로봇의 상대각도를 계산함으로써 계산으로 통해 구한 상대각도에서의 상기 라이다 센서의 거리 측정값을 추출하여 상기 슬레이브 로봇들의 거리 및 각도를 획득하도록 하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 상대각도는 하기의 식을 통해 획득되는 것을 특징으로 한다. 즉,

여기서,

,

본 발명에 의한 멀티 로봇 위치인식 시스템은 라이다 센서를 이용함에 따라 분해능이 높고 시스템 구성비용을 최소화할 수 있다는 효과가 있다.

그리고 슬레이브 로봇은 마스터 로봇으로부터 레이저 신호를 받음과 동시에 자신의 위치정보를 마스터 로봇으로 전송하도록 함으로써 복수의 슬레이브 로봇이 동시에 군집을 이루더라도 비교적 정확하게 멀티 로봇은 상호간 일정한 대형을 유지하면서 이동 및 주어진 기능을 수행할 수 있다는 효과가 있다.

도 1은 LIDAR 센서를 이용한 3차원 공간정보 생성시스템의 예시도.
도 2는 본 발명에 의한 멀티 로봇 위치인식 시스템에 대한 개략적인 구성도.
도 3은 슬레이브 로봇에 구비되는 수광센서의 구성 예시도.

이하 본 발명에 의한 멀티 로봇 위치인식 시스템에 대해 보다 상세한 설명을 하도록 하며, 첨부되는 도면을 참조하는 것으로 한다. 단, 제시되는 도면 및 이에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 기술적 사상에 따른 하나의 실시 가능한 예를 설명하는 것인 바, 본 발명의 기술적 보호범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

도 2는 본 발명에 의한 멀티 로봇 위치인식 시스템에 대한 개략적인 구성도이며, 도 3은 슬레이브 로봇에 구비되는 수광센서의 구성 예시도이다.

도시된 바와 같이 본 발명에 의한 멀티 로봇 위치인식 시스템은, 마스터 로봇(M)과 복수의 슬레이브 로봇(ID)으로 구성될 수 있으며, 하나의 마스터 로봇(M)을 중심으로 복수의 슬레이브 로봇(ID)들이 배치되어 하나의 군집을 이루면서 이동될 수 있는 것이다.

본 실시예의 경우 멀티 로봇은 지상에서 주행하는 로봇을 예로 하여 설명하지만, 본 발명은 드론과 같이 공중에서 이동할 수 있는 이동체에도 적용될 수 있는 것이다.

하나의 마스터 로봇(M)을 중심으로 복수의 슬레이브 로봇(ID)들이 배치되며, 마스터 로봇(M)에는 라이다 센서(110), 지자기 센서(120), Zigbee 모듈(130)이 포함된다. 라이다 센서(110)는 360도 전방향으로 레이저를 방사하도록 일정한 속도로 회전 동작한다.

바람직하게 마스터 로봇(M)에는 GPS가 내장되도록 하며, 지자기 센서(120)도 구비되어 현재 위치를 정확하게 인식할 수 있도록 한다. 그리고 Zigbee 모듈(130)을 이용하여 후술될 슬레이브 로봇(ID)과 통신이 이루어질 수 있도록 구성된다.

슬레이브 로봇(ID)은 하나 이상 사용될 수 있으며, 본 실시예에서는 하나의 마스터 로봇(M) 주위로 3개의 슬레이브 로봇(ID)이 배치되는 경우를 설명하도록 한다. 즉, 슬레이브 로봇(ID)은 얼마든지 그 갯수가 증가될 수 있는 것이며, 멀티 로봇의 사용 환경이나 사용 목적에 맞게 슬레이브 로봇의 갯수는 변할 수 있다.

각각의 슬레이브 로봇(ID)에는 복수의 수광센서(210)가 구비되는데, 예를 들어 30도 각도로 12개의 수광센서(210)가 원을 이루면서 하나의 모듈을 형성하는 형태로 구성될 수 있다. 각 슬레이브 로봇(ID)에 복수의 수광센서(210)가 구비됨으로써 360도 어떠한 방향에서 라이다 센서(110)의 레이저 신호를 받을 수 있음으로써 사각지대가 발생되지 않게 된다.

각각의 슬레이브 로봇(ID)에는 고유의 ID가 부여되며, 본 실시예와 같이 마스터 로봇 주위로 3개의 슬레이브 로봇(ID)이 배치되는 경우, 제1슬레이브 로봇(ID-1), 제2슬레이브 로봇(ID-2), 제3슬레이브 로봇(ID-3)으로 고유한 식별번호를 부여하도록 한다.

그리고 슬레이브 로봇(ID)에는 Zigbee 모듈(230)이 각각 구비되며, 지자기 센서(220)가 구비될 수 있다. Zigbee 모듈(230)을 통해 마스터 로봇(M)과 무선 통신이 가능하며, 각 슬레이브 로봇(ID)은 자신의 위치정보를 마스터 로봇(M)측으로 전송하게 된다.

보다 구체적으로 마스터 로봇(M)의 라이다 센서(110)가 방출하는 레이저 신호가 각각의 슬레이브 로봇(ID)에 구비되는 수광센서(210)를 통해 수신이 되면, 이와 동시에 각각의 슬레이브 로봇(ID)에서는 레이저 신호가 수신된 시점에서의 자신의 위치정보를 Zigbee 모듈(230)을 통해 마스터 로봇(M)으로 전송하게 되고, 마스터 로봇(M)의 Zigbee 모듈(130)이 이 정보를 수신하게 된다.

한편, 마스터 로봇(M)의 라이다 센서(110)가 레이저 신호를 송출하는 시점과 각각의 슬레이브 로봇(ID)이 레이저 신호를 수신 후 자신의 위치정보를 마스터 로봇(M)으로 전송하는 시점간에 시간적 간격이 발생하게 된다.

마스터 로봇(M)을 기준으로 각각의 슬레이브 로봇(ID)의 정확한 위치를 계산하기 위해서는 이러한 시간 지연에 대한 보상이 필요하게 된다.

이를 위해 본 발명에서는 마스터 로봇(M)이 슬레이브 로봇(ID)으로부터 위치정보를 수신하게 되면 수신시간을 기초로 해당 슬레이브 로봇(ID)의 상대각도를 계산함으로써 해당 상대각도에서의 라이다 센서(110)의 거리 측정값을 추출하여 슬레이브 로봇(ID)의 거리 및 각도를 얻을 수 있도록 한다.

마스터 로봇(M)에 대한 슬레이브 로봇(ID)의 상대각도는 다음과 같은 식을 통해 얻을 수 있다.

즉, 특정 슬레이브 로봇의

, 여기서

이고,

과 같다.

상기 식을 통해 각각의 슬레이브 로봇(ID)의 상대각도를 구하게 되면 마스터 로봇(M)을 중심으로 한 각 슬레이브 로봇(ID)의 좌표를 알 수 있기 때문에 각 슬레이브 로봇의 위치(거리, 각도)를 구할 수 있게 된다.

보다 바람직하게 라이다 센서(110)를 이용하여 구해지는 슬레이브 로봇(ID)의 위치정보 데이타를 이미지 데이터로 변환하여 영상처리 알고리즘을 수행하도록 한다.

즉, 라이다 센서를 이용한 측정 데이터 값은 (가로:각도, 세로:거리) 형태로 이미지 정보로 변환시키도록 한다.

그 다음으로 영상처리 알고리즘인 가우시안 블러링, 이진화, 모폴로지 영상 등으로 혼자 동떨어진 노이즈 등을 제거하며 비교적 가까운 거리에 모여있는 픽셀들은 덩어리로 인식하여 묶어주도록 한다.

이어서 미리 지정해놓은 원기둥 모양의 이미지 패턴을 인식된 덩어리들(blob)과 비교하여 기준값 보다 매칭률이 낮은 덩어리들을 이미지 상에서 제거하여 준다. 최종적으로 남은 슬레이브 로봇 후보 덩어리들은 통신 시점의 노이즈 각도와 비교하여 가장 가까운, 확률이 높은 슬레이브 로봇 후보가 최종적으로 로봇으로 확정이 되며 정확한 로봇들의 위치값을 얻을 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 멀티 로봇 위치인식 시스템은 하나의 마스터 로봇과 복수의 슬레이브 로봇이 하나의 군집을 이루어 이동될 수 있도록 하기 위한 것이며, 이를 위해서 마스터 로봇을 기준으로 한 각각의 슬레이브 로봇의 정확한 위치 인식이 요구된다.

이에 기본적으로 마스터 로봇에 구비되는 라이다 센서와 각 슬레이브 로봇에 구비되는 수광센서를 통해 레이저 신호가 수광센서에 수신되게 하고, 수광센서의 레이저 신호 수신 후 슬레이브 로봇에서 지그비 통신을 통해 위치정보를 마스터 로봇에 전송하도록 한다.

이러한 정보를 통해 마스터 로봇을 기준으로 한 각 슬레이브 로봇의 정보(거리, 각도)를 계산하게 되고, 각종 노이즈 제거를 위해 이미지 처리를 하도록 하는 것이다.

본 발명은 복수의 로봇으로 구성되는 멀티 로봇의 제어를 위한 목적으로 사용될 수 있다.

M : 마스터 로봇
ID : 슬레이브 로봇
ID-1 : 제1슬레이브 로봇
ID-2 : 제2슬레이브 로봇
ID-3 : 제3슬레이브 로봇
110 : 라이다 센서
120 : 지자기 센서
130 : Zigbee 모듈
210 : 수광센서
220 : 지자기 센서
230 : Zigbee 모듈

Claims (5)

1. 라이다 센서를 갖는 마스터 로봇;
   등간격으로 복수의 수광센서가 원을 이루면서 하나의 모듈로 구비되어 상기 라이다 센서로부터 발생되는 레이저 신호를 수신하게 되는 하나 이상의 슬레이브 로봇;을 포함하여 이루어지되,
   상기 수광센서는 다수 개가 360°로 원을 이루면서 하나의 모듈을 형성하는 형태로 구성되며, 상기 수광센서가 상기 레이저 신호를 수신하게 되면 상기 슬레이브 로봇은 무선통신을 통해 상기 마스터 로봇측으로 위치정보를 전송하며,
   상기 마스터 로봇이 상기 슬레이브 로봇으로부터 상기 위치정보를 수신하게 되면 수신시간을 기초로 슬레이브 로봇의 상대각도를 계산함으로써 계산으로 통해 구한 상대각도에서의 상기 라이다 센서의 거리 측정값을 추출하여 상기 슬레이브 로봇들의 거리 및 각도를 획득하되, 상기 상대각도는 하기의 식을 통해 획득되며,
   

   

   
   여기서,
   

   

   ,
   

   

   
   상기 라이다 센서를 이용하여 구해지는 슬레이브 로봇의 위치정보 데이타를 이미지 데이터로 변환하고 영상처리 알고리즘을 수행하여 정확한 로봇들의 위치값을 얻는 것을 특징으로 하는 멀티 로봇 위치인식 시스템.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 마스터 로봇은 통신을 위한 Zigbee 모듈을 포함하며, 상기 슬레이브 로봇에도 Zigbee 모듈이 구비되어 상호간 무선 통신이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 멀티 로봇 위치인식 시스템.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 복수의 슬레이브 로봇들은 각각 고유의 ID를 가지고 있으며, 상기 마스터 로봇과 상기 슬레이브 로봇 각각에는 지자기 센서가 구비되는 것을 특징으로 하는 멀티 로봇 위치인식 시스템.
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