[논문]초음파센서를 이용한 로봇의 소형장애물 감지 및 회피방법연구

김갑순

doi:10.5369/jsst.2005.14.2.101

문제 정의

따라서 본 연구에서는 초음파센서의 특성을 파악하기 위하여 정적실험을 실시하고, 그 특성실험 결과를 토대로 소형장애물을 회피할 수 있도록 실험에 사용된 로봇의 폭을 기준으로 최소한의 초음파센서를 나란히 배열하여 소형장애물 감지장치를 제작하며, 이 장치의 설치높이와 각도를 결정하여 그 감지장치를 탑재한 이동로봇을 구성하였다. 그리고 소형 장애물인 플라스틱 병, 구 등을 이용하여 감지장치를 탑재한 이동로봇의 소형장애물 회피에 관한 동적실험을 실시하였다.
본 연구에서 제작한 소형장애물 감지장치를 부착한 이동로봇이 이동 중에 소형장애물을 회피할 수 있는지를 확인하기 위하여 동적실험을 실시하였다. 동적실험을 위한 소형장애물로는 0.
본 연구에서는 이동로봇의 경로에 있는 소형장애물을 감지할 수 있는 초음파 감지장치를 제작하였고, 이를 이동로봇에 장착하여 그 동적실험을 실시하였다.
5의 플라스틱 병, 직경 7 cm인 구를 선택하였다. 이와 같이 장애물을 선택한 것은 정적실험시 사용한 4각판은 물론이고 원통형 및 구형 장애물을 감지할 수 있는지를 확인하기 위해서이다. 동적실험은 2가지의 장애물에 대해서 각각 10회씩 실시하였으며, Fig.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 초음파센서의 특성을 파악하기 위하여 정적실험을 실시하고, 그 특성실험 결과를 토대로 소형장애물을 회피할 수 있도록 실험에 사용된 로봇의 폭을 기준으로 최소한의 초음파센서를 나란히 배열하여 소형장애물 감지장치를 제작하며, 이 장치의 설치높이와 각도를 결정하여 그 감지장치를 탑재한 이동로봇을 구성하였다. 그리고 소형 장애물인 플라스틱 병, 구 등을 이용하여 감지장치를 탑재한 이동로봇의 소형장애물 회피에 관한 동적실험을 실시하였다.
그리고 이동로봇의 상부에 제작한 소형장애물 감지장치를 정적특성의 결과 소형장애물의 감지 가능성이 가장 높은 지점(43 cm)과 이동로봇의 속도(10 cm/s) 등을 고려하여 수평거리 50 cm지점(경사각: 40.7°)을 송신 초음파의 중심부가 도달될 수 있도록 장착하였다.
따라서 본 연구에서는 정적 특성실험의 결과에서 시험편의 면적이 5x5 cm²인 경우 측정폭이 13 cm이므로 소형장애물을 2개의 초음파 수신기가 감지할 수 있도록 초음파센서가 부착되어 있는 드라이버를 6.5 cm 간격으로 평행으로 4개를 아크릴판에 부착하여 Fig. 10에 나타낸 것과 같이 소형장애물 감지장치를 제작하였다. 그리고 이동로봇의 상부에 제작한 소형장애물 감지장치를 정적특성의 결과 소형장애물의 감지 가능성이 가장 높은 지점(43 cm)과 이동로봇의 속도(10 cm/s) 등을 고려하여 수평거리 50 cm지점(경사각: 40.
정적실험은 초음파센서의 실험높이를 실험에 사용될 로봇에 장애물 감지장치를 설치 가능한 높이인 지면으로부터 43 cm에 고정하고, 경사각(중심초음파와 지면이 이루는 각)을 40.7°, 35.6°, 31.6°, 28.3°, 25.5°, 23.3°(초음파센서로부터 수평방향으로 시험 판까지의 수평거리는 각 각도에서 50 cm, 60 cm, 70 cm, 80 cm, 90 cm, 100 cm임)로 변경하면서, 초음파 센서로부터 시험판까지의 수평거리가 10 cm부터 135 cm까지 5 cm 간격으로 시험편을 이동하여 실시하였다.

대상 데이터

본 연구에서 제작한 소형장애물 감지장치를 부착한 이동로봇이 이동 중에 소형장애물을 회피할 수 있는지를 확인하기 위하여 동적실험을 실시하였다. 동적실험을 위한 소형장애물로는 0.5의 플라스틱 병, 직경 7 cm인 구를 선택하였다. 이와 같이 장애물을 선택한 것은 정적실험시 사용한 4각판은 물론이고 원통형 및 구형 장애물을 감지할 수 있는지를 확인하기 위해서이다.
본 연구에 사용된 이동로봇은 쯔꾸바대학교의 인공지능로봇실에서 보유하고 있는 YAMABICO K1이며, 이 로봇의 사진을 Fig. 3에 나타내 었다.
이동로봇이 소형장애물을 정확하게 회피하기 위해서는 장애물의 위치를 파악하기 위한 이론식이 필요하다. 본 연구에서는 Fig. 1과 같이 송수신 초음파센서로 구성된 소형장애물 감지장치를 구성하였다. 이것을 이동로봇에 Fig.
소형장애물을 정확하게 감지할 수 있는 초음파센서를 이용한 감지장치를 제작하고, 이를 로봇에 설치하는 위치와 각도를 결정하기 위해서는 초음파센서의 정적 특성실험을 실시해야 한다. 본 연구의 정적특성실험장치는 Fig. 5(a)에서 나타낸 것과 같이 초음파 송수신기가 부착된 초음파 드라이버, 초음파 드라이버를 수평으로부터 일정한 각을 갖도록 고정시킬 수 있는 고정장치, 초음파 드라이버를 제어하고 초음파센서가 검줄한 값을 나타낼 수 있는 노트북 컴퓨터, 정적인 상태에서 초음파센서가 감지할 수 있는 폭, 거리, 각도를 줄 수 있는 면적이 5x5 cm²와 10x10 cm²의 2개의 아크릴판 등으로 구성된다. 초음파센서는 수평거리 135 cm까지 감지할 수 있도록 감도를 조절하였다.
초음파측정장치는 초음파센서 드라이버(NE555P, FDA-H608009), 초음파센서 드라이버 유닛(ultrasonic sensor driver unit, TE14-76)과 초음파센서 드라이버(ultrasonic sensor driver) 전원 장치 등으로 구성된다. Fig.

성능/효과

8과 9에서도 마찬가지다. 감지장치의 횡 방향 축으로부터의 좌우경사각은 수평거리가 작을수록 감지장치의 가까운 부분에서 큰 각에서 초음파센서가 반사파를 검출할 수 있는 것으로 나타났다. 좌우경사각은 면적이 5x5 cm²와 10x10 cm² 아크릴판인 경우에 모두 수평거리 50 cm가 되도록 초음파센서를 설치하였을 경우, 각각 최대 10°와 18°를 나타내었다.
경사각이 (-)인 경우가 (+)인 경우보다 10° 정도 큰 각에서 측정할 수 있음을 나타내고 있으며, 경사각이 (-)인 경우와 (+)인 경우에서 시험편의 면적이 5x5 cm²와 10x 10 cm² 아크릴판인 경우에서 각각 최고점은 11°, 18°, 7°, 9°로 나타났으며, 모든 경우 수평거리로부터 0~30 cm 앞 지점에서 최고점을 나타내고 있다. 모든 특성실험에서 나타난 것과 같이 대체적으로 수평거리 70 cm 이하가 이상보다 측정폭과 각들이 큰 것으로 나타났다.
실험결과 이동로봇은 소형장애물을 안전하게 회피하여 이동함을 확인하였다. 정적실험에서 감지장치의 횡 방향 축으로부터의 좌우경사각이 15°, 감지장치의 수직인 면으로부터 감지장치 쪽으로 기울어지는 경사각(-)이 17°, 그리고 감지장치의 수직인 면으로부터 감지장치와 반대쪽으로 기울어지는 경사각(+)이 9° 이상인 경우에는 장애물을 감지할 수 없을 것으로 예상되었다.
실험실의 환경조건에서 동적실험결과, 실험한 3종류의 소형장애물들을 모두 안전하게 회피할 수 있었음을 알 수 있었다. 따라서 본 연구에서 제작한 소형장애물 감지장치는 실험한 실내 환경조건과 비슷한 조건에서 이동로봇에 장착하여 소형장애물 회피에 사용될 수 있을 것으로 생각된다.
아크릴판 2개 모두 초음파의 진행방향(종 방향)으로 소형 장애물 감지장치로부터의 수평거리가 50 cm(경사각: 40.7°)가 되도록 초음파센서를 설치하였을 경우에는 25 cm 지점부터 아크릴판으로부터 반사되는 반사파를 수신기가 검출할 수 있고, 수평거리가 100 cm(23.3°)가 되도록 초음파센서를 설치하였을 경우에는 55 cm 지점부터 검출할 수 있으며, 수평거리가 증가함에 따라 검출하는 지점이 멀어지는 경항을 나타내고 있다.
정적실험에서 감지장치의 횡 방향 축으로부터의 좌우경사각이 15°, 감지장치의 수직인 면으로부터 감지장치 쪽으로 기울어지는 경사각(-)이 17°, 그리고 감지장치의 수직인 면으로부터 감지장치와 반대쪽으로 기울어지는 경사각(+)이 9° 이상인 경우에는 장애물을 감지할 수 없을 것으로 예상되었다.
3°의 경사로 기울인 상태에서 실험을 하였기 때문에 아크릴판에 초음파가 도달하지 못하였거나 반사파가 수신기에 수신되지 못하기 때문이다. 최대 측정 폭은 면적이 5x5 cm²인 아크릴판인 경우 각각의 수평거리의 15~30 cm 앞인 지점에서 12~15 cm 정도로 나타났고, 10x10 cm²인 아크릴 판인 경우에는 0~25 cm 앞인 지점에서 20~25 cm 정도로 나타났으며, 그리고 수평거리가 길수록 감지장치로부터 먼 지점에서 최고의 측정폭을 얻을 수 있었다. 면적이 5x5 cm²인 아크릴판에서의 각 수평거리에 따른 최고 측정폭의 순서와 10x10 cm²인 아크릴판에서의 순서가 약간 다르고, 이것은 실험의 오차와 실험장치의 오차에 의한 것으로 생각된다.

후속연구

따라서 본 연구에서 제작한 소형장애물 감지장치는 실험한 실내 환경조건과 비슷한 조건에서 이동로봇에 장착하여 소형장애물 회피에 사용될 수 있을 것으로 생각된다. 그리고 본 연구에서 실시한 초음파센서의 정적특성평가방법을 이용하면 각종 산업에서 종류가 다른 초음파센서를 이용한 거리측정 등을 정확하게 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
실험실의 환경조건에서 동적실험결과, 실험한 3종류의 소형장애물들을 모두 안전하게 회피할 수 있었음을 알 수 있었다. 따라서 본 연구에서 제작한 소형장애물 감지장치는 실험한 실내 환경조건과 비슷한 조건에서 이동로봇에 장착하여 소형장애물 회피에 사용될 수 있을 것으로 생각된다. 그리고 본 연구에서 실시한 초음파센서의 정적특성평가방법을 이용하면 각종 산업에서 종류가 다른 초음파센서를 이용한 거리측정 등을 정확하게 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구에서 제작한 소형장애물 감지장치를 탑재한 이동로봇의 동적실험을 실시하기 위해서는 소형장애물 감지장치가 장애물까지의 거리를 측정하고 이를 이용하여 로봇이 장애물을 회피하는 프로그램과 장애물 회피방법이 필요하다. Fig.

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