자율 주행 로봇은 스스로 운행할 능력이 있으므로 사람이 접근하기 어려운 위험한 장소 또는 좁은 장소 등에 갈 수 있고 센서를 이용하여 사람이나 프로그램이 지시하는 명령을 수행할 수도 있다. 그리고 센서를 이용해 얻은 데이터를 다시 전송해 줄 수 있다. 지시된 장소까지 주행하기 위해 장애물이나 다른 이웃 로봇에 충돌하지 않고 원하는 목적지까지 진행 하여야 한다. 본 연구에서는 로봇의 자율 주행을 위한 충돌 회피 방법을 설계하고 구현하였다. 충돌회피를 위해 더듬이, IR 및 초음파 센서를 사용하여 근거리 장애물과 원거리 장애물을 감지하여 회피 할 수 있게 하였다. 또한 임무 수행 후 데이터를 전송하기 위해 유, 무선 통신을 이용하였다.
자율 주행 로봇은 스스로 운행할 능력이 있으므로 사람이 접근하기 어려운 위험한 장소 또는 좁은 장소 등에 갈 수 있고 센서를 이용하여 사람이나 프로그램이 지시하는 명령을 수행할 수도 있다. 그리고 센서를 이용해 얻은 데이터를 다시 전송해 줄 수 있다. 지시된 장소까지 주행하기 위해 장애물이나 다른 이웃 로봇에 충돌하지 않고 원하는 목적지까지 진행 하여야 한다. 본 연구에서는 로봇의 자율 주행을 위한 충돌 회피 방법을 설계하고 구현하였다. 충돌회피를 위해 더듬이, IR 및 초음파 센서를 사용하여 근거리 장애물과 원거리 장애물을 감지하여 회피 할 수 있게 하였다. 또한 임무 수행 후 데이터를 전송하기 위해 유, 무선 통신을 이용하였다.
Autonomous mobile robot has ability to move itself so it can access to danger area or narrow place, and send acquired data by sensors at the same time. In order to drive to directed place, it should progress to the destination without any collision to other robot. In this study, we built and realize...
Autonomous mobile robot has ability to move itself so it can access to danger area or narrow place, and send acquired data by sensors at the same time. In order to drive to directed place, it should progress to the destination without any collision to other robot. In this study, we built and realized the collision avoidance system for autonomous mobile robot. By using antenna, IR and ultrasonic Sensors for collision avoidance, we made it possible to sense the attached and long-distance obstacle, and can avoid. Also, we used wired and wireless network to send the data after the mission.
Autonomous mobile robot has ability to move itself so it can access to danger area or narrow place, and send acquired data by sensors at the same time. In order to drive to directed place, it should progress to the destination without any collision to other robot. In this study, we built and realized the collision avoidance system for autonomous mobile robot. By using antenna, IR and ultrasonic Sensors for collision avoidance, we made it possible to sense the attached and long-distance obstacle, and can avoid. Also, we used wired and wireless network to send the data after the mission.
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문제 정의
그리고 로봇과 장애물과의 충돌을 방지하기 위한 연구로는 가속도 센서를 이용한 방법[8], 초음파 센서를 이용한 방법[4], 카메라를 이용한 방법[9]등이 있다. 가속도 센서를 이용하는 방법은 비 접촉 센서로 물고기 로봇의 충돌을 방지하기 위한 연구이다. 가속도 센서는 장애물에 부딪힌 후 반응 할 수 있는 방법이며, 속도의 변화가 뚜렷할 때 장애물 충돌을 정확히 감지하는 특징이 있으나 자율 로봇이 물체에 충돌하기 전에 감지하기 어려운 점이 있다.
IR 송수신기를 이용하면 먼 거리를 측정 할 수 있으나 각도에 따라 측정 범위가 달라지므로 가까운 거리의 장애물 감지에도 유용하게 사용할 수 있다. 그리고 초음파 센서는 검출 거리가 길기 때문에 먼 거리의 장애물을 감지하고자 한다.
더듬이 센서는 장애물이 닿았을 경우 명령된 대로 주행하는지 실험해 보았다. 더듬이 센서는 속도가 빠른 경우 장애물에 대한 인식도가 낮을 수 있다.
본 연구에서는 Boe-Bot 로봇에 부착하여 사용하기 쉬운 패럴랙스[12] 사의 센서들을 살펴본다. 표 3은 보봇 로봇에 사용할 수 있는 센서들의 분류이다.
본 연구에서는 IR 송수신기와 초음파 센서를 부착하여 자율 주행 할 수 있는 로봇을 만들고 장애물을 감지할 수 있게 하였다. IR 송수신기와 초음파 센서를 이용하여 50cm 내의 가까운 거리는 IR 송수신기가 감지하고 그 이상 먼 거리는 초음파 센서가 장애 물을 감지한다.
공장의 생산라인에서 물건을 감지하고 작업을 할 때 사용 적용할 수 있다. 본 연구에서는 보봇의 더듬이 센서를 고찰해 본다. 더듬이 센서는 안테나처럼 길게 생겼으며 더듬이 센서의 회로도는 그림 2와 같다.
이 세 가지의 센서들에 이용하여 근거리와 원거리 또는 장애물과 접촉했을 때 장애물을 인식하고 회피할 수 있게 하였다. 본 연구에서는 이러한 센서들을 사용하여 로봇이 주변 환경의 변화에 즉시 대응할 수 있도록 하였다. 따라서 로봇의 주행 경로 상에 어떤 장애물이 있더라도 스스로 판단하여 피해갈 수 있으며 충돌없이 안전하게 목적지까지 도달할 수 있게 된다.
이와 같이 다양한 방법으로 로봇의 자율 주행을 도와주고 있지만 본 연구에서 제안하는 충돌 회피에 어려운 측면이 있다. 본 연구에서는 자율 로봇이 주행 중 장애물이 있을 경우 센서를 이용하여 장애물을 회피하여 원하는 목적지까지 주행하거나 임무를 수행하도록 하고자 한다. 기존의 연구 방법별 비교는 표 1과 같다.
본 연구에서는 자율로봇의 충돌 회피에 필요한 센서의 종류 및 특징을 조사하고 그 중 3가지를 선택하여 직접 구현하였다. 기존 연구에서 색상 검출 또는 차선을 인식하는 방법은 정해진 길을 주행하는데 비하여 본 연구는 장애물의 종류에 관계없이 충돌을 회피할 수 있는 장점이 있다.
제안 방법
IR송수신기에 걸리는 저항 값을 달리하여 최대 탐지 거리를 측정하였다. 송신기와 수신기의 각도는 수직을 유지하였다.
장애물을 접촉하지 않고 감지하기 위해서 IR 송수신기와 초음파 센서를 이용한다. 그리고 로봇이 직접 접촉하는 센서인 더듬이 센서를 이용하여 장애물에 닿았을 경우 회피하도록 하였다.
더듬이 센서는 속도가 빠른 경우 장애물에 대한 인식도가 낮을 수 있다. 더듬이 센서에 장애물이 닿았을 경우 로봇의 속도에 따라서 로봇이 얼마만큼 빨리 반응하는가를 측정하였다. 프로그램 상 로봇이 전진하기 위한 최대속도는 850(반대편:650 ,정지:750)이고, 속도를 30씩 감소시키며 장애물에 부딪히고 반응하는 동안의 시간을 측정 하여 표 7과 같은 결과를 얻었다.
서로 다른 기능의 센서를 이용하여 근거리와 원거리의 장애물을 회피 할 수 있도록 하였다. 또한 로봇이 임무 수행 후 측정된 데이터는 무선으로 전송하고 관찰자는 웹과 스마트 폰을 이용하여 모니터 할 수 있게유, 무선 통신을 통합하여 이용하였다.
또한 빛에 반응하기 위해서는 포토센서 그리고 기울어지는 것에 대해서는 기울기 센서 등이 사용될 수 있다. 본 연구에 서는 더듬이센서, IR 및 초음파 센서를 이용하여 로봇의 충돌회피 방법의 설계 및 구현을 하였다. 서로 다른 기능의 센서를 이용하여 근거리와 원거리의 장애물을 회피 할 수 있도록 하였다.
4 표준의 물리층(PHY) 계층과 매체접근제어(MAC)계층을 기반으로 상위 프로토콜(Protocol)과 응용을 규격화한 기술이다. 본 연구에서는 XBee Pro를 사용하여 일대일 또는 일대 다 통신이 가능하도록 하였다. 그림 1은 XBee Pro이다.
본 연구에서는 로봇의 통신을 위하여 무선과 유선네트워크를 이용하였다. 로봇에게 명령을 전달할 때 무선으로 전달하기 위해서 지그비를 사용하였다.
본 연구에서는 자율 주행 로봇의 장애물 회피를 위하여 세 가지 센서를 이용한다. 장애물을 접촉하지 않고 감지하기 위해서 IR 송수신기와 초음파 센서를 이용한다.
본 연구에 서는 더듬이센서, IR 및 초음파 센서를 이용하여 로봇의 충돌회피 방법의 설계 및 구현을 하였다. 서로 다른 기능의 센서를 이용하여 근거리와 원거리의 장애물을 회피 할 수 있도록 하였다. 또한 로봇이 임무 수행 후 측정된 데이터는 무선으로 전송하고 관찰자는 웹과 스마트 폰을 이용하여 모니터 할 수 있게유, 무선 통신을 통합하여 이용하였다.
본 연구에서는 표 8과 같은 결과를 얻었다. 실험 결과 저항이 220Ω인 경우 평균적으로 가장 먼 거리를 측정하며 일반적인 저항인 220Ω을 적용하였다. 저항을 220Ω을 사용했을 때 평균 측정 거리는 51.
초음파 센서는 로봇으로 부터 약 50cm 부터 370cm 까지 거리를 측정 할 수 있었다. 이 세 가지의 센서들에 이용하여 근거리와 원거리 또는 장애물과 접촉했을 때 장애물을 인식하고 회피할 수 있게 하였다. 본 연구에서는 이러한 센서들을 사용하여 로봇이 주변 환경의 변화에 즉시 대응할 수 있도록 하였다.
카메라를 이용하여 색상 이미지를 분석하여 이동 로봇의 이동 경로를 처리하는 연구가 있다[6]. 이 연구는 인도와 보도사이에서 도로변의 잔디 색상이 다른 점에 착안하여 색상 차이에 따른 영상처리를 하여 보도와 도로변을 추출하였다. 로봇은 영상처리를 통하여 추출된 보도를 이동 할수 있게 하였다.
자율 로봇의 데이터를 서버 컴퓨터에 보내기 위해서 무선과 유선 네트워크를 통합하여 이용하였다. 먼저 자율 로봇이 수행한 작업에 대한 데이터들은 지그비를 이용하여 무선으로 서버 컴퓨터에 전송한다.
그러므로 장애물 감지 범위는 60°가 된다. 좀 더 넓은범위를 감지하기 위해서 서보 모터를 이용하여 초음파 센서가 회전하면서 장애물을 감지하게 하였다. 초음파 센서가 왼쪽 90°, 오른쪽 90°를 회전할 수 있으므로 약 240°의 범위에서 장애물을 감지하게 된다.
카메라를 이용한 연구는 디지털 카메라를 이용하여 영상을 통하여 그려진 라인을 찾아서 로봇이 이동하는 방향을 결정하도록 하였다. 주변의 색보다 밝은 픽셀을 검출하여 라인을 분류하는 방법을 사용하였다. 또한 한 가지 기술이 아니라 여러 가지 방법을 복합적으로 이용한 방법도 제안되고 있다[10].
그리고 이동경로를 차선을 인식하는 알고리즘을 이용하여 도로를 주행 할 수 있는 연구가 있다[7]. 차선을 검출하기 위해 차선경계, 시작위치, 방향 등 세 가지 특징을 이용하여 여러 개의 차선 경계 후보 중 통계 가중 치에 따라 최적의 차선을 찾는 알고리즘을 제안하였다. 실험 차량이 차선을 따라 주행하도록 하였으나 장애물에 대한 연구는 부족한 특징이 있다.
그림 5는 초음파 센서의 장애물 탐지 과정을 나타낸다. 초음파 센서가 초음파를 발생 시킨 다음 장애물에 부딪힌 후 반사되어 돌아오는 초음파를 측정하여 거리를 계산한다.
초음파 센서를 이용한 연구는 큰 장애물 뿐 아니라 작은 장애물을 감지할 수 있도록 한 연구이다. 카메라를 이용한 연구는 디지털 카메라를 이용하여 영상을 통하여 그려진 라인을 찾아서 로봇이 이동하는 방향을 결정하도록 하였다. 주변의 색보다 밝은 픽셀을 검출하여 라인을 분류하는 방법을 사용하였다.
대상 데이터
적외선은 가시광선의 붉은색보다 긴 전자파로 우리 눈에는 보이지 않는다. 본 연구에서 이용하는 IR LED 는 908nm 파장을 사용하고 근적외선을 사용한다. IR 센서는 광학필터가 있어 980nm 의 적외선을 제외한 빛을 걸러낸다.
본 연구에서는 두 -개의 서보 모터로 작동되는 바퀴가 달린 소형 보봇 로봇[11]을 사용하였다. 보봇 로봇(BoeBot)은 Parallax 사[12]에서 판매하는 로봇 키트이다.
제안된 시스템에 무선 통신을 하기 위하여 지그비모듈을 설치하였다. 사용된 모듈은 XBee Pro이고 XBee Pro는 빠른 일대 일 또는 일대 다 통신을 할 수 있다. 그림 9는 지그비센서를 연결한 시스템이다.
데이터처리
표 11에서 본 연구에서 구현한 시스템과 기존의 시스템과의 성능을 비교하였다. 기존의 시스템에서는 자율주행이 가능하고 시스템에 따라 차선을 인식하여 정해진 길을 따라가는 특징이 있다.
이론/모형
기존의 연구 방법별 비교는 표 1과 같다. 또한 각 센서를 이용한 방법을 구현하고 로봇에게 명령을 내리거나 임무 중 얻은 데이터의 송수신을 위해 무선 통신 방식을 이용한다. 무선 통신 방식으로는 지그비 통신을 이용하였다.
더듬이 센서, IR 송수신기, 초음파 센서를 이용한다. 또한 통신을 위해 무선 통신과 LAN을 이용한 유, 무선 통합 방식을 이용한다.
또한 각 센서를 이용한 방법을 구현하고 로봇에게 명령을 내리거나 임무 중 얻은 데이터의 송수신을 위해 무선 통신 방식을 이용한다. 무선 통신 방식으로는 지그비 통신을 이용하였다. 이 장에서는 본 연구에서 사용하는 보봇 로봇과 센서들에 대해서 살펴보고 3장에서는 시스템의 구성에 대해서 기술하고 4장에서 실험 및 고찰 그리고 결론을 기술한다.
지그비를 이용하여 로봇에 명령을 주기위해서는 Boe-Bot 로봇에 사용하는 PBASIC을 이용하였다. 표 10은 로봇에 명령하기 위한 명령어의 예이다.
성능/효과
IR 송수신기는 약 50cm 초음파 센서는 약 370cm 정도까지 장애물을 감지 할 수 있고, IR 센서는 중심에서부터 42°정도 장애물을 감지하고 초음파 센서는 중심으로 부터 약 30°정도 감지하였다.
기존의 시스템에서는 자율주행이 가능하고 시스템에 따라 차선을 인식하여 정해진 길을 따라가는 특징이 있다. 본 연구에서는 차선을 따라가는 것을 제외하고 자율주행, 충돌전 장애물 감지, 총돌 회피 및 근거리와 원거리의 장애물을 감지할 수 있었다.
IR 송수신기는 측정 거리가 길어 멀리 있는 장애물 측정이 매우 용이하며 저항의 크기가 클수록 최대 측정 거리가 짧아지므로 저항의 크기를 변화시킴으로써 최대 측정 거리의 조절이 가능하다. 실험 결과 저항 값이 220Ω일 때 가장 먼 거리를 측정하는 결과가 나타났다. 초음파 센서는 주파수가 높고 파장이 짧기 때문에 높은 분해력을 가져 측정하고자 하는 거리의 정확성을 높일 수 있고 검출거리가 긴 특징이 있다.
후속연구
따라서 로봇의 주행 경로 상에 어떤 장애물이 있더라도 스스로 판단하여 피해갈 수 있으며 충돌없이 안전하게 목적지까지 도달할 수 있게 된다. 향후 연구에서는 센서와 카메라를 이용하여 가변적이 장애물의 특징을 스스로 판단할 수있도록 성능을 향상시킬 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
초음파 센서는 어떻게 거리를 측정하는가?
초음파 센서는 초음파를 발생하여 보내고 장애물에 부딪힌 후 다시 돌아오는 파장을 감지하여 시간차를 계산하여 거리를 측정한다. 예를 들어 자동차가 후진할 때 나오는 경보음도 초음파 센서를 이용한 것이다.
지그비는 무엇인가?
로봇에게 명령을 전달할 때무선으로 전달하기 위해서 지그비를 사용하였다. 지그비는 저전력, 근거리, 저속 무선통신으로 IEEE 802.15.4 표준의 물리층(PHY) 계층과 매체접근제어 (MAC)계층을 기반으로 상위 프로토콜(Protocol)과응용을 규격화한 기술이다. 본 연구에서는 XBee Pro 를 사용하여 일대일 또는 일대 다 통신이 가능하도록 하였다.
자율 주행 로봇이 환경에 빠르게 대응하기 위해 사용하는 센서들의 종류에는 무엇이 있는가?
환경에 빠르게 대응하기 위해서는 주로 센서들을 사용한다. 거리를 측정할 때는 주로 레이저 센서, 초음파 센서를 사용하고, 가까운 지점에 접촉할 때 반응하기 위해서 더듬이센서도 사용할 수 있다. 또한 빛에 반응 하기 위해서는 포토센서 그리고 기울어지는 것에 대해서는 기울기 센서 등이 사용될 수 있다. 본 연구에 서는 더듬이센서, IR 및 초음파 센서를 이용하여 로봇의 충돌회피 방법의 설계 및 구현을 하였다.
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