효율적인 이동로봇의 장애물 탐지를 위한 중첩 초음파 센서 링의 위치 불확실성 감소 Positional Uncertainty Reduction of Overlapped Ultrasonic Sensor Ring for Efficient Mobile Robot Obstacle Detection원문보기
본 논문에서는 빔 폭이 중첩된 초음파 센서 링을 이용하여 초음파 센서의 위치 불확실성을 감소시키고 이를 토대로 이동로봇이 효율적으로 장애물을 탐지하도록 하는 방안에 대해 기술하도록 한다. 기본적으로, 원형 이동로봇 측면에 상대적으로 적은 개수의 중저가의 저지향성 초음파 센서들이 일정 간격으로 상호 빔 폭이 중첩되도록 배치되어 있다고 가정한다. 첫째, 단일 및 이중 장애물에 대해 빔 폭 중첩 상태를 이용하여 초음파 센서 고유의 위치 불확실성을 감소시킬 수 있음을 보이고 또한 그 향상 정도를 정량적으로 제시한다. 둘째, 2개 또는 1개의 초음파 센서로부터 장애물 측정 거리 데이터가 주어질 때, 이동로봇의 중심을 기준으로 하여 장애물의 위치를 산정하는 기하학적 방법을 고안한다. 셋째, 정규 분포, 포물선 분포, 균일 분포, 임펄스 등 기존의 단일 초음파 센서 모델을 비교 검토한 후, 위치 불확실성 및 소요 연산량 측면에서 장애물 탐지에 적합한 중첩 초음파 센서 모델을 수립한다. 마지막으로, 자체 제작된 초음파 센서 링을 이용한 단일 장애물 및 복수 장애물 탐지 실험을 통해 제안된 중첩 초음파 센서의 효용성을 입증한다.
본 논문에서는 빔 폭이 중첩된 초음파 센서 링을 이용하여 초음파 센서의 위치 불확실성을 감소시키고 이를 토대로 이동로봇이 효율적으로 장애물을 탐지하도록 하는 방안에 대해 기술하도록 한다. 기본적으로, 원형 이동로봇 측면에 상대적으로 적은 개수의 중저가의 저지향성 초음파 센서들이 일정 간격으로 상호 빔 폭이 중첩되도록 배치되어 있다고 가정한다. 첫째, 단일 및 이중 장애물에 대해 빔 폭 중첩 상태를 이용하여 초음파 센서 고유의 위치 불확실성을 감소시킬 수 있음을 보이고 또한 그 향상 정도를 정량적으로 제시한다. 둘째, 2개 또는 1개의 초음파 센서로부터 장애물 측정 거리 데이터가 주어질 때, 이동로봇의 중심을 기준으로 하여 장애물의 위치를 산정하는 기하학적 방법을 고안한다. 셋째, 정규 분포, 포물선 분포, 균일 분포, 임펄스 등 기존의 단일 초음파 센서 모델을 비교 검토한 후, 위치 불확실성 및 소요 연산량 측면에서 장애물 탐지에 적합한 중첩 초음파 센서 모델을 수립한다. 마지막으로, 자체 제작된 초음파 센서 링을 이용한 단일 장애물 및 복수 장애물 탐지 실험을 통해 제안된 중첩 초음파 센서의 효용성을 입증한다.
This paper presents the reduction of the positional uncertainty of an ultrasonic sensor ring with overlapped beam pattern for the efficient obstacle detection of a mobile robot. Basically, it is assumed that a relatively small number of inexpensive low directivity ultrasonic sensors are installed at...
This paper presents the reduction of the positional uncertainty of an ultrasonic sensor ring with overlapped beam pattern for the efficient obstacle detection of a mobile robot. Basically, it is assumed that a relatively small number of inexpensive low directivity ultrasonic sensors are installed at regular spacings along the side of a circular mobile robot with their beams overlapped. First, for both single and double obstacles, we show that the positional uncertainty inherent to an ultrasonic sensor can be reduced using the overlapped beam pattern, and also quantify the relative improvement in positional uncertainty. Second, given measured distance data from one or two ultrasonic sensors, we devise the geometric method to determine the position of an obstacle with respect to the center of a mobile robot. Third, we examine and compare existing ultrasonic sensor models, including Gaussian distribution, parabolic distribution, uniform distribution, and impulse, and then build the sensor model of overlapped ultrasonic sensors, adequate for obstacle detection in terms of positional uncertainty and computational requirement. Finally, through experiments using our prototype ultrasonic sensor ring, the validity of overlapped beam pattern for reduced positional uncertainty and efficient obstacle detection is demonstrated.
This paper presents the reduction of the positional uncertainty of an ultrasonic sensor ring with overlapped beam pattern for the efficient obstacle detection of a mobile robot. Basically, it is assumed that a relatively small number of inexpensive low directivity ultrasonic sensors are installed at regular spacings along the side of a circular mobile robot with their beams overlapped. First, for both single and double obstacles, we show that the positional uncertainty inherent to an ultrasonic sensor can be reduced using the overlapped beam pattern, and also quantify the relative improvement in positional uncertainty. Second, given measured distance data from one or two ultrasonic sensors, we devise the geometric method to determine the position of an obstacle with respect to the center of a mobile robot. Third, we examine and compare existing ultrasonic sensor models, including Gaussian distribution, parabolic distribution, uniform distribution, and impulse, and then build the sensor model of overlapped ultrasonic sensors, adequate for obstacle detection in terms of positional uncertainty and computational requirement. Finally, through experiments using our prototype ultrasonic sensor ring, the validity of overlapped beam pattern for reduced positional uncertainty and efficient obstacle detection is demonstrated.
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문제 정의
경우에 대해 고려해 보도록 한다. 기술 편의상, 첫 번째 초음파 센서를 중심으로 N 번째와 두 번째 초음파 센서가 인접 초음파 센서를 구성하고 있다고 하자. 그림 7은 첫 번째 초음파 센서가 장애물을 탐지한 반면 나머지 좌, 우즉의 초음파 센서들은 장애물을 탐지하지 못하는 상황을 보이고 있다.
경우에 대해 고려해 보도록 한다. 기술 편의상, 첫 번째와 두 번째 초음파 센서가 인접 초음파 센서 쌍을 이루고 있다고 하자. 첫 번째 초음파 센서로부터의 장애물측정 거리를 A 이라 하면, 탐지된 장애물 P는 초음파 센서의 위치 불확실성에 따라 다음 원호 상에 존재하게 된다.
본 논문에서는 상대적으로 적은 개수의 중저가대의 저 지향성 초음파 센서를 사용하되, 빔 폭 중첩을 활용하여 초음파 센서 고유의 위치 불확실성을 감소시키고, 이를 활용하여 장애물 탐지 능력을 향상시키는 방안을 제안하였다. 본 논문의 구체적인 기여로서는 1) 빔 폭 중첩을 이용한 위치 불확실성 감소 원리 규명, 2) 초음파 센서 측정 데이터로부터 이동로봇 기준 장애물 위치 산정, 3) 이동로봇 장애물탐지에 적합한 중첩 초음파 센서 모델 수립 등을 들 수 있다.
그러나 고가의 고지향성 초음파 센서를 다수 사용하게 되면 센서 장치 비용이 상승할 뿐 아니라 데이터 처리 연산량도 증가하게 된다. 본 논문에서는 상대적으로 적은 개수의 중저가대의 저지향성 초음파 센서를 사용하되, 인접 초음파센서 간의 빔 폭 중첩을 활용하여 초음파 센서의 위치 불확실성을 감소시키고, 이를 토대로 장애물 탐지 능력을 향상시키고자 한다.
그림 2에서 보듯, 빔 폭 중첩 결과 두 초음파 센서 빔 폭의 합집합인 전체감지 영역이 I 영역, n 영역, m 영역 등 3개의 세부 영역으로 나뉠 수 있게 된다. 우선, 단일 장애물에 대해 고려하여 보자. 그림 2a)에서와 같이 장애물이 I 영역에 존재하는 경우 좌측 초음파 센서만이 장애물을 탐지하게 된다.
부분에 존재하여야 한다. 이를 고려하여 이동로봇 중심으로부터 장애물까지의 거리를 산정해 보도록 하자. 구체적으로, 첫 번째 초음파 센서 중심 S1으로부터의 거리가 4인 장애물에 대해 이동로봇 중심 O로부터 거리를 결정해야 한다.
가설 설정
또한, 좌측에 위치한 초음파 센서의 빔 폭 우측 경계선과 우측에 위치한 초음파 센서의 빔 폭 좌측 경계선과의 교점을 각각 J 과 F] 이라 흐}-자. 여기서, 초음파 센서의 빔 폭은 중앙선을 기준으로 좌우 대칭이라고 가정한다.
제안 방법
그림 16과 같이 이동로봇 전방의 장애물의 위치를 변화시키면서 인접한 3개 초음파 센서의 측정 거리값을 읽고, 이를 이용하여 식 (5) 또는 (10)에 의거 장애물의 위치 또는 거리를 산정하는 실험을 행하였다. 표 2는 5회에 걸쳐 실시한 실험 데이터와 연산 결과를 보이고 있다.
그림 4에 보인 빔 폭이 50 ° 인 초음파 센서 모듈 12개를 사용하여 그림 5와 같이 전방향 시계를 갖는 중첩 초음파 센서 링을 제작하였다. 그림 11은 제작된 초음파 센서링을 장착한 원형 이동로봇을 보이고 있다.
다음, 인접한 3개의 초음파 센서 중 하나 만이 장애물을 탐지하는 경우에 대해 고려해 보도록 한다. 기술 편의상, 첫 번째 초음파 센서를 중심으로 N 번째와 두 번째 초음파 센서가 인접 초음파 센서를 구성하고 있다고 하자.
먼저, 인접한 한 쌍의 초음파 센서가 동시에 장애물을 탐지하는 경우에 대해 고려해 보도록 한다. 기술 편의상, 첫 번째와 두 번째 초음파 센서가 인접 초음파 센서 쌍을 이루고 있다고 하자.
먼저, 제작된 초음파 센서 링을 장착한 이동로봇이 단일장애물 앞을 직선 주행하도록 하며 초음파 센서의 거리 측정값의 변화를 살펴보았다. 이동로봇의 궤도 추정 오차, 모터 및 초음파 센서간의 간섭 등 외부 영향을 없애기 위해, 이동로봇은 정지 상태로 유지하고 대신 장애물을 직선을 따라 이동시키도록 하였다.
앞에서 비교 검토한 단일 초음파 센서 모델을 바탕으로, 위치 불확실성 및 소요 연산량 측면에서 장애물 탐지에 적합한 중첩 초음파 센서 모델을 수립하도록 한다.
변화를 살펴보았다. 이동로봇의 궤도 추정 오차, 모터 및 초음파 센서간의 간섭 등 외부 영향을 없애기 위해, 이동로봇은 정지 상태로 유지하고 대신 장애물을 직선을 따라 이동시키도록 하였다. 그림 12에 보인 바와 같이 지름이 12.
중첩 초음파 센서 링를 이용한 이 중 장애물에 대한 위치 불확실성 감소를 확인하기 위해 그림 15에 보인 바와 같이 이동로봇 전방에 2개의 장애물을 두고 좌측(SQ, 중앙(SQ, 우측(%) 초음파 센서로부터의 거리 측정값을 관찰하였다. 표 1은 3개의 인접 초음파 센서의 측정 거리값인 % Pc, 및 质 을 보이고 있다.
그림 11은 제작된 초음파 센서링을 장착한 원형 이동로봇을 보이고 있다. 초음파 센서 모듈을 이동로봇 측면에 직접 부착하기가 용이치 않아 먼저 반지름이 19 cm인 원통형 아크릴판 2장을 지지대로 삼아 12개의 초음파 센서 모듈을 30° 간격으로 배열한 후, 다음 제작된 초음파 센서 링을 이동로봇의 상단에 고정시켰다.
대상 데이터
초음파센서는 그 구성에 따라 송수신 분리형 반사 방식, 송수신 일체형 반사 방식, 직접파 방식 등으로 구분할 수 있다. [3, 4], 본 논문에서는 이동로봇의 장애물 탐지 용도로 주로 사용되는 분리형 반사 방식을 논의 대상으로 한다.
표 1. 이 중 장애물 탐지 실험 데이터.
표 2. 장애물 위치 산정 실험 데이터.
성능/효과
그림 16으로부터, 장애물의 거리가 멀어질수록, 또한 빔 폭의 가장자리에 가까울수록 실제 위치와 산정 위치간의 오차가 커지는 경향이 있음을 관찰할 수 있다. 반복 실험 결과 오차는 최대 10 cm 이내로 한정되는 것을 확인할 수 있었다.
[1]. 본 논문에서 다루고자 하는 이동로봇의 장애물 탐지를 위해서 사용되는 대표적인 센서로는 카메라, 적외선 센서, 초음파 센서 등을 들 수 있다 [1-4], 카메라의 경우 데이터 처리를 위한 연산이 복잡하여 실시간 적용에 한계가 따르고, 적외선 센서의 경우 주변 빛에 민감하여 통상 장애물까지의 거리 보다는 존재 유무 판정에 적합하다고 할 수 있다. 대안으로 초음파 센서가 널리 채택되고 있는데, 이는 빛에 비해 초음파는 반사가 용이하고 또한 전파 속도(음속 340 m/sec)가 늦다는 사실에 기인한다.
참고문헌 (21)
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