[논문]가시광통신을 이용한 로봇 위치확인 시스템

김응수

doi:10.6117/kmeps.2016.23.4.119

가시광통신을 이용한 로봇 위치확인 시스템
Position Detection System of Robot by using Visible Light Communication (VLC) 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.23 no.4, 2016년, pp.119 - 123

초록
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본 논문에서는 이동 로봇의 위치 추정을 위해 LED를 이용한 가시광 통신에 의해 로봇의 위치를 확인하고 광센서를 이용하여 로봇의 이동 경로를 추정하는 시스템을 제작 하였다. 제작된 위치확인 시스템은 외부 빛인 태양광과 형광등의 영향은 없었으며, 실험에 사용된 4개의 LED는 다른 신호를 전송하므로 로봇의 위치를 확인할 수 있었고, 광센서를 사용하여 로봇의 이동경로를 실시간으로 추적 할 수 있음을 실험을 통하여 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we have fabricated the position detection system with LED and optical sensor to detect a position and trace of robot through visible light communication (VLC). The fabricated position detection system did not have been affected by sunlight in outdoor and a fluorescent light in building. Because 4 LEDs, respectively, transmitted different signals, we have known the position of robot. And we have also observed a trajectory of robot in real time.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 여러 가지 장점이 있는 LED를 이용하여 실내에서 이동하는 로봇의 위치를 추정할 수 있는 시스템을 제작하였다.
본 논문에서는 LED를 사용하여 가시광통신에 의해 로봇의 위치를 검출하고자 한다. 이를 위해서는 Fig.
본 논문에서는 이동 로봇의 위치 추정을 위해 LED 조명등을 이용한 가시광 통신 시스템을 구현하여 로봇의 위치를 확인하고 로봇의 이동 경로를 추정하는 시스템을 제작 하였다. 가시광통신은 우리눈에 보이는 광원을 사용하므로 일반적으로 실내에서 사용하는 형광등이나 낮시간에 실내로 들어오는 태양광의 영향을 조사하였다.
이런 단점을 극복하기 위한 방법으로 본 논문에서는 친환경적이며 저렴한 LED (light emitting diode)를 이용하여 로봇의 초기위치를 인식하고 로봇의 경로를 추적할 수 있는 시스템을 제작하여 실험으로 검증하였다.

가설 설정

8. 오실로스코프에서 관찰한 (a) 송신신호와 (b) 수신신호 파형.

제안 방법

그래서 LED가 조명으로 사용되면서 신호를 전송하게 되더라도 LED 빛의 깜빡임이 육안으로도 구분이 되지 않도록 하였다. LED로 실내위치를 확인하기 위하여 4개 LED로 실험구성을 하였으며, 각각의 LED로부터 기준위치를 파악하는 16진수의 데이터를 전송하고, 수광소자에서 수광된 데이터를 기반으로 자율주행 로봇의 위치를 파악할 수 있다. 송신 신호는 아두이노 우노 보드를 사용하여 16진수 데이터로 전송함으로써 데이터의 정확성과 이동 로봇의 위치 정보를 효율적으로 활용할 수 있었다.
LED를 이용하여 로봇의 초기 위치를 인식하고 난 후, 로봇의 이동경로를 추적하기 위해 로봇에 설치된 광센서를 이용하여 로봇의 이동데이터를 Zigbee 통신을 이용하여 컴퓨터에 전송하여 실시간 경로추적이 가능하게 된다. 실시간으로 로봇의 위치확인을 위한 전체 시스템 구성은 Fig.
본 논문에서는 이동 로봇의 위치 추정을 위해 LED 조명등을 이용한 가시광 통신 시스템을 구현하여 로봇의 위치를 확인하고 로봇의 이동 경로를 추정하는 시스템을 제작 하였다. 가시광통신은 우리눈에 보이는 광원을 사용하므로 일반적으로 실내에서 사용하는 형광등이나 낮시간에 실내로 들어오는 태양광의 영향을 조사하였다. 외부 빛인 태양광과 실내 형광등의 영향을 조사하기 위해 실외와 실내에서 실험을 한 결과, 대낮의 태양광 아래에서도 LED신호를 수신할 수 있음을 확인하였다.
실내에 설치되어 있는 LED는 조명역할하면서 신호를 보낼 수 있으며, 각각의 LED는 서로 다른 신호를 보낼 수 있으므로 로봇의 기준 위치를 확인 할 수 있다. 로봇 위치가 확인된 후, 광센서를 사용하여 로봇의 이동경로를 실시간으로 추적 할 수 있었다. 본 논문에서 제작한 로봇 위치확인 시스템은 태양이나 형광등과 같은 조명등에 영향을 받지 않았으며 로봇 위치추적에 적합함을 확인 하였으며, 본 시스템은 재난현장에 활동중인 로봇의 위치추적에 적용가능하며, 또한 LED 가로등이 설치된 장소에서 사람의 위치추적에도 사용할 수 있어 미아 방지나 치매노인등의 위치 확인시스템에도 적용 가능할 것으로 생각된다.
본 논문에서 송신과 수신 신호를 처리하기 위해 아두이노 우노보드를 사용하였으며, 송신과 수신을 위해 아두이노 프로그램으로 코딩하였다. 로봇의 위치 추정을 위해 LED로부터 송신되는 신호로 16진수 데이터를 전송하여 로봇에 있는 수광소자가 신호를 받아서 로봇의 위치를 확인 할 수 있었다. Fig.
본 논문에서는 아두이노 Xbee Pro 모듈을 통하여 기존의 모듈과 비교하여 효율을 높여 서버에 전송된다. 로봇의 이동경로를 추적하기 위해 Zigbee 모듈로 수신받은 X, Y 이동 데이터는 National Instrument 사의 LabVIEW를 사용하여 Robot의 이동경로를 추적할 수 있는 시스템을 구축하였다.
본 논문에서 송신과 수신 신호를 처리하기 위해 아두이노 우노보드를 사용하였으며, 송신과 수신을 위해 아두이노 프로그램으로 코딩하였다. 로봇의 위치 추정을 위해 LED로부터 송신되는 신호로 16진수 데이터를 전송하여 로봇에 있는 수광소자가 신호를 받아서 로봇의 위치를 확인 할 수 있었다.
로봇의 이동에 의해 검출된 광센서 데이터는 Zigbee 통신으로 서버에 보내게 된다. 본 논문에서는 아두이노 Xbee Pro 모듈을 통하여 기존의 모듈과 비교하여 효율을 높여 서버에 전송된다. 로봇의 이동경로를 추적하기 위해 Zigbee 모듈로 수신받은 X, Y 이동 데이터는 National Instrument 사의 LabVIEW를 사용하여 Robot의 이동경로를 추적할 수 있는 시스템을 구축하였다.
이들 로봇은 고정형이 아니고 이동형이므로 로봇의 위치확인이 중요한 요소이다. 본 논문에서는 이동 로봇의 위치를 확인하기 위해 가시광통신을 이용하였다. 실내에 설치되어 있는 LED는 조명역할하면서 신호를 보낼 수 있으며, 각각의 LED는 서로 다른 신호를 보낼 수 있으므로 로봇의 기준 위치를 확인 할 수 있다.
3(a)와 같이 구성하였으며, 반송주파수는 38kHz로 해서 ASK 변조시켜 LED로 발신하였다. 송신신호 데이터 포맷은 Fig. 4와 같이 데이타 전송 폭이 짧고 반복표시용 코드를 사용하지 않는다는 장점이 있는 IrDA 포맷을 수정하여 사용하였다.
본 논문에서는 1W급의 백색 LED를 사용하였으므로 4m까지 신호 전송이 가능하여 일반적인 실내에서는 충분히 사용할 수 있을 것으로 생각된다. 이렇게 제작된 가시광 시스템을 이용하여 로봇의 초기 위치에 대한 실험을 하였다. 각 LED는 아두이노 우노보드를 사용하여 송신되는 데이터가 서로 다르므로 특정 LED의 신호가 로봇에 수신되면 로봇의 위치정보를 알 수 있다.

대상 데이터

일반적으로 수광소자는 파장에 대한 수신감도가 다르므로 각 송신 파장에 반응하는 수광소자를 선택하여야 한다. 본 논문에서는 LED의 송신 신호를 수신하기 위해 가시광을 받아들이는 있는 수광소자를 사용하였다. 본 논문에서 사용한 수신단의 구성은 Fig.
송신부에는 빛을 전송하는 광원과 광원을 구동하기 위한 드라이브가 필요하다. 본 논문에서는 송신부에 4개의 LED를 사용하였으며, 각 LED에서 수신부로 송신신호를 보내게 된다. 이때 LED로부터 나오는 송신 신호는 반전기를 사용하여 파형을 반전시켰다.
송신부에는 LED를 사용하여 조명과 동시에 통신신호를 보내게 된다. 신호를 송신하기 위한 송신광원으로는 Peck Wavelength가 450nm인 1W 백색 LED를 사용하였다. 송신부에는 광원인 LED와 LED를 구동하기 위한 구동회로로 구성하였다.
각 LED는 아두이노 우노보드를 사용하여 송신되는 데이터가 서로 다르므로 특정 LED의 신호가 로봇에 수신되면 로봇의 위치정보를 알 수 있다. 실험을 위해서 LED 4개를 설치하였으며, LED가 설치된 곳에 이동 로봇이 있다면 임의의 위치에서 가시광 신호를 수신하는 위치를 기준위치로 설정하게 된다. 로봇이 LED 바로 아래에 있지 않더라도 강한 신호를 수신하게 되므로 간섭에 의한 영향은 별로 없었다.
또한 실내의 형광등 아래에서도 실험을 하였지만 가시광통신을 이용한 신호전송과 수신에는 전혀 문제가 되지 않았다. 위와 같은 실험결과를 바탕으로 제작된 가시광 통신시스템을 이용하여 실내에서 Fig. 7과 같이 4개의 LED를 가로 82.5 cm, 세로 80 cm 간격으로 배치하여 실험하였다.

성능/효과

LED로 실내위치를 확인하기 위하여 4개 LED로 실험구성을 하였으며, 각각의 LED로부터 기준위치를 파악하는 16진수의 데이터를 전송하고, 수광소자에서 수광된 데이터를 기반으로 자율주행 로봇의 위치를 파악할 수 있다. 송신 신호는 아두이노 우노 보드를 사용하여 16진수 데이터로 전송함으로써 데이터의 정확성과 이동 로봇의 위치 정보를 효율적으로 활용할 수 있었다. LED를 구동하기 위한 구동회로는 Fig.
가시광통신은 우리눈에 보이는 광원을 사용하므로 일반적으로 실내에서 사용하는 형광등이나 낮시간에 실내로 들어오는 태양광의 영향을 조사하였다. 외부 빛인 태양광과 실내 형광등의 영향을 조사하기 위해 실외와 실내에서 실험을 한 결과, 대낮의 태양광 아래에서도 LED신호를 수신할 수 있음을 확인하였다. 실외의 태양광 아래의 실험에서는 LED의 power로 인해 광원과 수신기 사이 거리를 30 cm 정도로 하였지만, LED 파워가 크다면 더 먼 거리에서도 통신이 가능할 것으로 생각된다.

후속연구

로봇 위치가 확인된 후, 광센서를 사용하여 로봇의 이동경로를 실시간으로 추적 할 수 있었다. 본 논문에서 제작한 로봇 위치확인 시스템은 태양이나 형광등과 같은 조명등에 영향을 받지 않았으며 로봇 위치추적에 적합함을 확인 하였으며, 본 시스템은 재난현장에 활동중인 로봇의 위치추적에 적용가능하며, 또한 LED 가로등이 설치된 장소에서 사람의 위치추적에도 사용할 수 있어 미아 방지나 치매노인등의 위치 확인시스템에도 적용 가능할 것으로 생각된다.
본 논문에서는 1W급의 백색 LED를 사용하였으므로 4m까지 신호 전송이 가능하여 일반적인 실내에서는 충분히 사용할 수 있을 것으로 생각된다. 이렇게 제작된 가시광 시스템을 이용하여 로봇의 초기 위치에 대한 실험을 하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가시광을 이용하여 통신을 실현하기 위해서는 무엇이 필요한가?	가시광을 이용하여 통신을 실현하기 위해서는 송신부와 수신부가 필요하다. 송신부에는 빛을 전송하는 광원과 광원을 구동하기 위한 드라이브가 필요하다.
	로봇은 어떻게 구분되는가?	현재 로봇은 산업용 로봇, 가정용 로봇, 의료용 로봇, 군사용 로봇, 우주 로봇, 재난구조용 로봇, 해양 로봇 등으로 구분되어 여러 분야에서 활용되고 있다.1-4) 이렇게 다양한 분야에 적용되는 로봇은 각 분야의 요구조건에 맞는 특성에 맞게 개발되어야 한다.
	로봇 위치를 확인하기 위한 기술 중 GPS를 이용하는 방법한 벙법의 단점은?	이와같이 이동 로봇을 제어, 통제, 관리 하기 위해서는 현재의 로봇 위치 확인이 중요하며, 로봇 위치를 확인하기 위한 기술로는 GPS를 이용하는 방법, wifi를 이용하는 방법, bluetooth를 이용하는 방법, RFID를 이용하는 방법에 대한 연구가 이루어졌다. GPS를 이용한 방법은 비용이 비싸며 실내에서는 사용할 수 없다는 단점이 있으며, 그 외 방법도 인체유해성이나 주파수대역의 제한으로 어려움이 있다.

참고문헌 (13)

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상세보기
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상세보기
Wikipedia, Wikipedia Foundation. Inc. from https://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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