[논문]가시광 통신과 퍼지 논리를 이용한 모바일 로봇의 실내 위치 인식 시스템

김준영; 김지수; 강근택; 이원창

doi:10.5302/j.icros.2016.15.0192

가시광 통신과 퍼지 논리를 이용한 모바일 로봇의 실내 위치 인식 시스템
An Indoor Positioning System for Mobile Robots Using Visible Light Communication and Fuzzy Logic 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.22 no.2, 2016년, pp.75 - 82

김준영 (부경대학교 전자공학과) , 김지수 (부경대학교 전자공학과) , 강근택 (부경대학교 전자공학과) , 이원창 (부경대학교 전자공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Visible light communication (VLC) using LED lamps is suitable for implementing an indoor positioning system in an indoor environment where the global positioning system (GPS) signal does not reach. In this paper, we present an indoor positioning system for mobile robots using a VLC beacon and fuzzy rules. This system consists of an autonomous mobile robot, VLC modules, and device application software. Fuzzy rules are applied to plan the global and local paths along which the mobile robot navigates indoors. The VLC transmitter modules are attached to the wall or the ceiling as beacons to transmit their own location information. The variable pulse position modulation (VPPM) algorithm is used to transmit data, which is a new modulation scheme for VLC providing a dimming control mechanism for flicker-free optical communication. The mobile robot has a receiver module to receive the location information while performing its mission in the environment where VLC transmitters are deployed.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 위치인식의 대상이 되는 모바일 로봇의 주행 경로계획을 위해 퍼지 논리를 이용하였으몌 12-14], 이를 가시광 통신 비컨과 연계한 실내 위치 인식 시스템을 제안하고자 한다. 제안된 시스템은 클라이언트 디바이스 애플리케이션을 통해 모바일 로봇의 위치를 확인할 수 있으며 그 결과를 제시하였다.
본 논문에서는 자율주행 모바일 로봇을 설계하고 이를 가시광 통신 비컨과 연계하여 실내 위치 인식 시스템을 제안하였다. 종래의 가시광 통신을 통한 RSSI 방식의 위치 인식은 높은 인식률을 보이기 위해 광출력 편차, 수신감도 편차, LED의 방사각 등 까다로운 환경 조성이 필요하였고 환경의 변화에 유연하지 못하였다.

가설 설정

실험 공간의 크기는 지름이 0.3m인 모바일 로봇의 이동에 제약이 없고 가시광 송신 조명이 설치되는 생활 공간의 천장을 가정하여 가로 2m, 세로 2m, 높이 2m로 제한한다. 실험 환경 천장의 조명은 10W의 소비 전력을 가지는 9개의 LED로 격자를 형성하도록 설치하며 SMPS를 이용하여 전원을 공급 한다.

제안 방법

그림 4. LRF를 이용한 장애물 탐지.
두 번째 상황은 동일한 공간에 장애물을 설정하지 않고 주행함으로써 전역 경로 퍼지 시스템의 특성을 확인하고 주행 경로에 대한 위치 변화를 모니터링 애플리케이션을 통해 확인한다. 모바일 로봇의 초기 시작 위치는 (0.
모바일 로봇은 LRF를 이용하여 장애물을 탐지한다. LRF 로부터 탐지된 장애물과의 거리는 모바일 로봇의 좌표 계로 변환이 필요하다.
한다. 제안된 시스템은 클라이언트 디바이스 애플리케이션을 통해 모바일 로봇의 위치를 확인할 수 있으며 그 결과를 제시하였다.

대상 데이터

가시광 수신 모듈의 광다이오드는 Centronic 社의 OSD-15E 제품을 사용한다. 광다이오드는 LED 조명과 같이 상단부에 렌즈를 장착하여 수광을 높인다.
모바일 로봇의 지역 경로 결정에는 앞서 2.2절에서 획득된 LRF 데이터가 사용된다. LRF로부터 측정된 거리 Deti2 는 모바일 로봇을 중심으로 以"“마큼 제한한다.
시스템은 가시광을 통해 위치 정보를 전송하는 가시광 송신부, 퍼지 로직을 이용해 자율주행하는 모바일 로봇 그리고 가시광 송신부 및 모바일 로봇을 관찰, 조작하는 클라이언트 애플리케이션으로 구성된다. 가시광 송신부는 조명 및 통신 매체 기능을 하는 백색 LED (Light Emitting Diode) 와 데이터의 변조를 수행하는 MCU (Micro Controller Unit) 로 이루어져 있으며 조명이 설치된 곳의 위치 정보를 전송한다.
3m인 모바일 로봇의 이동에 제약이 없고 가시광 송신 조명이 설치되는 생활 공간의 천장을 가정하여 가로 2m, 세로 2m, 높이 2m로 제한한다. 실험 환경 천장의 조명은 10W의 소비 전력을 가지는 9개의 LED로 격자를 형성하도록 설치하며 SMPS를 이용하여 전원을 공급 한다. 이는 그림 12와 같다.

성능/효과

시스템이다. 두 개의 퍼지 시스템을 단일 퍼지 시스템으로 설계하면 전체 구조는 간단해지는 반면 퍼지 입력의 개수 증가로 퍼지룰 설계의 복잡도가 증가한다. 이를 피하기 위해 q 의 값에 따라 장애물 식별 여부를 결정짓고 두 개의 퍼지 시스템을 가변한다.
종래의 가시광 통신을 통한 RSSI 방식의 위치 인식은 높은 인식률을 보이기 위해 광출력 편차, 수신감도 편차, LED의 방사각 등 까다로운 환경 조성이 필요하였고 환경의 변화에 유연하지 못하였다. 반면에 제안된 시스템은 디지털 신호를 통한 ID 기반의 서비스로 자연광과 같은 외부 영향과 빛의 세기에 대한 편차에 강인한 성능을 보였다. 또한 VPPM을 통하여 조명 본연의 기능을 상실하지 않았고 클라이언트 애플리케이션과의 연동을 통해 높은 활용 가능성을 보여준다.
초기 위치에서 목표 위치까지 이동하면서 3개의 위치 ID를 수신하였고 해당 결과는 그림 15와 같은 형태로 안드로이드 애플리케이션을 통해 확인할 수 있다. 이를 통해 가시광 통신 비컨이 설치된 환경에서 주행하는 모바일 로봇의 위치 인식이 가능하였다.

후속연구

반면에 제안된 시스템은 디지털 신호를 통한 ID 기반의 서비스로 자연광과 같은 외부 영향과 빛의 세기에 대한 편차에 강인한 성능을 보였다. 또한 VPPM을 통하여 조명 본연의 기능을 상실하지 않았고 클라이언트 애플리케이션과의 연동을 통해 높은 활용 가능성을 보여준다.

참고문헌 (14)

J. Borenstein and L. Feng, "Gyrodometry: A new method for combining data from gyros and odometry in mobile robots," Proc. of IEEE Conference on Robotics and Automation, vol. 1, pp. 423-428, Apr. 1996.
S. Mazuelas, A. Bahillo, R. M. Lorenzo, P. Fernandez, F. A. Lago, E. Garcia, J. Blas, and E. J. Abril, "Robust indoor positioning provided by real-time RSSI values in unmodified WLAN networks," IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, vol. 3, no. 5, pp. 821-831, Oct. 2009.

상세보기
M. Alsehaili, S. Noghanian, D. A. Buchanan, and A. R. Sebak, "Angle-of-arrival statistics of a three-dimensional geometrical scattering channel model for indoor and outdoor propagation environments," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 9, pp. 946-949, Sep. 2010.

상세보기
M. Vossiek, L. Wiebking, P. Gulden, J. Wieghardt, C. Hoffmann, and P. Heide, "Wireless local positioning," IEEE Microwave Magazine, vol. 4, no. 4, pp. 77-86, Dec. 2003.

상세보기
J. B. Song and S. Y. Hwang, "Past and state-of-the-art SLAM technologies," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 20, no. 3, pp. 372-379, Mar. 2014.

원문보기 상세보기
J. Borenstein, "Measurement and correction of systematic odometry errors in mobile robots," IEEE Transaction on Robotics and Automation, vol. 12, no. 6, pp. 869-880, Dec. 1996.

상세보기
N. B. Soni and P. Devendra, "The transition to LED illumination: A case study on energy conservation," Journal of Theoretical and Applied Information Technology, vol. 4, no. 11, pp. 1083-1087, Nov. 2008.
G. John, E. Hany, and D. C. Thomas, "Impact of lighting requirements on VLC systems," IEEE Communications Magazine, vol. 51, no. 12, pp. 34-41, Dec. 2013.

상세보기
IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks - Part 15.7: Short-Range Wireless Optical - Communication Using Visible Light, IEEE, NewYork, Sep. 2011.
J. Y. Kim, J. S. Kim, S. H. Park, and W. C. Lee, "Implementation of variable pulse position modulation using a Cortex-M processor for visible light communication," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 21, no. 1, pp. 76-79, Jan. 2015.

원문보기 상세보기
K. Lee and H. Park, "Modulations for visible light communications with dimming control," IEEE Photonics Technology Letters, vol. 23, no. 16, pp. 1136-1138, Aug. 2011.

상세보기
M. Trabia, L. Z. Shi, and N. E. Hodge, "A fuzzy logic controller for autonomous wheeled vehicles," Advanced Robotic Systems International, pp. 175-200. Dec. 2006.
V. Sezer, Z. Ercan, H. Heceoglu, S. Bogosyan, and M. Gokasan, "A new fuzzy speed planning method for safe navigation," Proc. of IEEE International Conference on Vehicular Electronics and Safety, pp. 381-386, Jul. 2012.
N. Ouadah, L. Ourak, and F. Boudjema, "Car-like mobile robot oriented positioning by fuzzy controllers," International Journal of Advanced Robotic Systems, vol. 5, no. 3, pp. 249-256. Sep. 2008.

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