[논문]광 마우스 기반 주행 표면 특성 시험 장치의 분석 및 구현

김성복

doi:10.5302/j.icros.2016.16.0054

문제 정의

먼저, 주어진 주행 표면에 대하여, 주행 표면 특성 시험장치에 의해 추출된 통계적 파라미터의 활용에 대해 고려해 보자. 통상, 이동로봇에는 구동 바퀴의 회전 속도를 감지하기 위한 엔코더가 설치되어 있어, 엔코더의 측정 속도를 이용하여 이동로봇의 주행 속도를 추정할 수 있다.
본 논문에서는 광 마우스를 이용한 주행 표면 특성 시험장치의 분석과 구현에 대해 다루도록 한다. 본 논문의 구성은 다음과 같다.
본 논문에서는 이동로봇 속도 추정과 관련하여, 광 마우스를 이용한 주행 표면 특성시험 장치의 분석 및 구현에 대해 논하였다. 분석 관련하여, 동작 원리, 속도 기구학, 파라미터 설정 등에 대해 기술하였으며, 그리고 구현 관련하여, 기구부 설계 및 제작, 하드웨어 및 소프트웨어 개발 둥에 대해 기술하였다.
이제까지는 주행 표면 특성 시험 장치의 분석 및 구현, 그리고 통계적 파라미터 추출의 실험 결과에 대해 기술 하였다. 본 장에서는 개발된 주행 표면 특성 시험 장치의 몇가지 활용 방안에 대해서 간략히 검토해 보도록 한다.

가설 설정

그림 3은 이동로봇과 3개의 광 마우스의 기술을 위해 정의된 이동로봇 좌표계, XrYr, 그리고 i 번째 광 마우스 좌표겨L 尤匕* = 1, 2, 3, 을 보이고 있다. 그림 3(a)에 보인것과 같이, 3개의 광 마우스는 정삼각형 형태로 이동 로봇중심에 대해 대칭적으로 설치되어 있다고 가정한다. 그림 3(a) 를 참조하여, i 번째 광 마우스의 위치 벡터, P, = I运 % E « = 1, 2, 3 을 표현하면

제안 방법

상단 원판에는 3개의 광 마우스가 설치되어 있으며, 아래 쪽 주행 표면 샘플의 회전 운동을 감지하는 역할을 한다. 3개의 광 마우스는 정삼각형 형태를 이루고 있는더〕, 광 마우스별로 설치 위치가 고정되어 있는 반면 설치 각도를 변경할 수 있도록 하였다. 광 마우스의 설치 각도에 따라 광 마우스에 의해 감지되는 속도 벡터가 달라지게 되며, 결과적으로 3개 광 마우스의 설치 각도를 조정함으로써 실험 장치인 광 마우스 장착 이동로봇의 주행 속도를 변경하는 효과를 얻을 수 있게 된다.
이를 피하기 위해, 일단 이미지센서 PAN₃₂04DB로부터 연속 전송되는 데이터 패킷을 개발 보드 STW2F103ZE의 원형 큐 버퍼에 저장시킨다. 다음, 데이터 패킷 40개씩을 한 그룹으로 취급하여, 데이터 패킷내 / 방향 및 g 방향 변위 값을 누적 계산한 후 그 결과값을 매초 10회(0.1 sec 마다 1회) 호스트 PC로 전송하도록 하였다.
주행 표면 특성 시험 장치에서는, 광 마우스 장착 이동로봇이 주행 표면을 움직이는 대신, 주행표면 샘플이 정지 상태의 광 마우스에 대해 제자리 회전운동을 하게 되어 있다. 또한, 광 마우스의 설치 각도를 변경함으로써, 선속도 및 각속도 조합을 달리하며 다양한 이동로봇 주행 실험이 가능하도록 하였다. 제작된 주행 표면특성 시험 장치를 사용하면, 주어진 주행 표면의 통계적 특성 추출을 위한 고정밀의 반복적 이동로봇 주행 실험을 용이하게 할 수 있을 뿐 아니라 공간적, 시간적 비용을 현저히 줄일 수 있게 된다.
광 마우스의 설치 각도에 따라 광 마우스에 의해 감지되는 속도 벡터가 달라지게 되며, 결과적으로 3개 광 마우스의 설치 각도를 조정함으로써 실험 장치인 광 마우스 장착 이동로봇의 주행 속도를 변경하는 효과를 얻을 수 있게 된다. 또한, 회전 원판의 상하 위치를 조절함으로써 광 마우스와 주행 표면 샘플 사이의 간격을 변경할 수 있도록 하였다.
변경하도록 되어 있다. 먼저, 구입된 3개의 상용 광 마우스의 덮개를 제거한 후, 내장 이미지 센서로부터 직접데이터를 획득하고, 아울러 외부로부터 전원 공급이 가능하도록 광 마우스의 구조를 개조한다.
논하였다. 분석 관련하여, 동작 원리, 속도 기구학, 파라미터 설정 등에 대해 기술하였으며, 그리고 구현 관련하여, 기구부 설계 및 제작, 하드웨어 및 소프트웨어 개발 둥에 대해 기술하였다. 주행 표면 특성 시험 장치에서는, 광 마우스 장착 이동로봇이 주행 표면을 움직이는 대신, 주행표면 샘플이 정지 상태의 광 마우스에 대해 제자리 회전운동을 하게 되어 있다.
0 cm/sec 간격으로 변화되도록 하였다. 스티로폼 재질, 목재 재질, 모래 재질, 그리고 마블 재질 등 4개의 주행 표면 샘플을 대상으로 첫번째 광 마우스의 감지 속도를 내부 단위인 카운트로 측정하였다. 그림 11은 주행 표면 샘플별로 6개 주행 속도에서 획득된 200개의 첫 번째 광 마우스의 감지 속도 데이터의플롯을 보이는데, 여기서 샘플 간격은 0.
Inc.의 STM32F103ZE를 채택하였는데, 이는 고집적, 고성능의 ARM 기반 72 MHz 32-bit MCU이다 , [13] STm32F103ZE는 다양한 통신 인터페이스를 지원하고 있는데, 그 중 3개의 SPI (Serial Peripheral Interface)® 사용하여 3개 광 마우스의 이미지 센서로부터의 데이터를 수신을 하였고, 1개의 GPIO (General Purpose Input/Output)를 사용하여 DC 모터 및 엔코더와 통신을 하였으며, 1개의 USART (Universal Synchronous/Asynchronous Receivers/Transmitter) 를 사용하여 호스트 PC와 통신을 하였다. 그림 7은 주행 표면특성 시험 장치를 구성하는 주요 요소간의 데이터 통신 양상을 보이고 있다.

대상 데이터

9. The prototype of traveling surface characteristics test equipment.

데이터처리

4개 주행 표면 샘플에 대해, 6개 주행 속도별로 총 6, 000 개의 첫 번째 광 마우스의 감지 속도 데이터를 이용하여 평균값 % 와 분산값 尤을 산출하였다. 그림 12는 주행 표면 샘플별로 산출된 평균값 ㈤와 분산값 此의 변화를 주행 속도 함수로서 보이고 있다.

성능/효과

3개의 광 마우스는 정삼각형 형태를 이루고 있는더〕, 광 마우스별로 설치 위치가 고정되어 있는 반면 설치 각도를 변경할 수 있도록 하였다. 광 마우스의 설치 각도에 따라 광 마우스에 의해 감지되는 속도 벡터가 달라지게 되며, 결과적으로 3개 광 마우스의 설치 각도를 조정함으로써 실험 장치인 광 마우스 장착 이동로봇의 주행 속도를 변경하는 효과를 얻을 수 있게 된다. 또한, 회전 원판의 상하 위치를 조절함으로써 광 마우스와 주행 표면 샘플 사이의 간격을 변경할 수 있도록 하였다.
연속 영상 취득이 안정된 상황에서는 연속 영상으로부터의 이동 변위 산출 시 수반되는 측정 오차가 적게 되는 반면, 불안정한 상황에서는 산출된 이동 변위에 수반되는 측정 오차가 커지게 될 것이다. 다음, 4개주행 표면 샘플 경우 모두, 주행 속도에 따라 분산값 崖이 증가되고 경향임을 관찰할 수 있는데, 이는 주행 속도가 커질수록 안정된 연속 영상 취득이 어려워짐을 의미한다고 하겠다.
1 sec) 동안의 이동 변위 누적 합이 실제보다 적게 되어 그 결과 평균값 ㈤이 감소되게 될 것이다. 마지막으皂 4개 주행 표면 샘플경우 모두, 주행 속도에 따라 평균값 ㈤가 선형적으로 증가되고 있음을 관찰할 수 있는데, 이러한 선형성은 광 마우스의 감지 속도를 실제 속도를 변환시키는 과정에 있어 바람직한 결과라 하겠다.
먼저, 그림 12(a)로부터, 4개주행 표면 샘플의 평균값 ㈤를 비교 분석하면 다음과 같다. 먼저, 4개 주행 표면 샘플 가운데 스티로폼 재질 경우 평균값 ㈤가 가장 크게 나타나고, 이어 목재 재질 경우 그 보다는 약간 적게 나타나고 있음을 관찰할 수 있다. 주행 표면이 매끈하고 비반사/무광택 재질이면, 광 마우스 LED에서 투사된 빛이 주행 표면에서 거의 대부분 정반사되게 되므로, 이미지 센서 PAN₃₂04DB에 의한 연속 영상 취득이 정상적으로 이루어지고 이에 따라 이동 변위 산출도 정확히 이루어질 것으로 짐작된다.
비교 분석하면 다음과 같다. 먼저, 4개 주행 표면 샘플가운데 스티로폼 재질과 목재 재질의 경우에는, 분산값 <尤 이 적게 나타난데 반해, 모래 재질과 마블 재질 경우에는그 값이 매우 크게 나타나고 있음을 관찰할 수 있다. 이러한 결과는, 스티로폼 재질과 목재 재질의 경우, 주행 표면에서 빛의 정반사로 연속 영상이 안정적으로 취득될 수 있는 반면, 모래 재질이나 마블 재질 경우, 주행 표면에서의 빛의 난반사로 인해 연속 영상 취득이 불안정해지기 때문인 것으로 추정된다.

후속연구

비정상적 상황에 대한 가장 효과적인 대처 방안을 찾기 위해서는 가능한 여러 대안들을 공정히 비교 평가할 수 있어야 하며, 이를 위해서는 비정상적 상황을 인위적으로 반복해서 발생시킬 필요성이 있다. 개발된 주행 표면 특성 시험 장치를 일부 변경하여 활용하면, 국부 센서 오작동, 바퀴 미끄러짐 둥 비정상적 상황을 용이하게 반복적으로 유발시킬 수 있으며, 결과적으로 강건한 이동로봇 속도 추정을 이룰 수 있을 것이다.
이들은 개발 단계인 또는 기 개발 된 자사 광 마우스의 모션 감지 성능 평가를 위해, 다양한 재질(종이, 목재, 검정, 광택, 플라스틱 둥)의 주행 표면을 대상으로, 다양한 모드(직선, 회전, 그리고 혼합)의 광 마우스 이동 실험을 주행 표면으로부터의 간격을 달리하며 해야 할 필요성이 있다[7]. 개발된 주행 표면 특성 시험 장치를 일부 변경하여 활용하면, 요구되는 반복, 정밀 광 마우스 이동 실험을 용이하고 효과적으로 행할 수 있을 것이다.
마지막으로 주행 표면 특성 시험 장치의 가장 기대되는 사용자의 하나로 상용 광 마우스 제조 회사를 들 수 있을것이다. 이들은 개발 단계인 또는 기 개발 된 자사 광 마우스의 모션 감지 성능 평가를 위해, 다양한 재질(종이, 목재, 검정, 광택, 플라스틱 둥)의 주행 표면을 대상으로, 다양한 모드(직선, 회전, 그리고 혼합)의 광 마우스 이동 실험을 주행 표면으로부터의 간격을 달리하며 해야 할 필요성이 있다[7].
제작된 주행 표면특성 시험 장치를 사용하면, 주어진 주행 표면의 통계적 특성 추출을 위한 고정밀의 반복적 이동로봇 주행 실험을 용이하게 할 수 있을 뿐 아니라 공간적, 시간적 비용을 현저히 줄일 수 있게 된다. 본 논문의 결과가 특히 개인용 서비스 로봇의 이동 플랫폼에 적합한 광 마우스 기반 이동 로봇속도 추정 기법 개발을 위한 도구로 활용되기를 기대한다.
기존 연구의 실험 결과를 살펴보면[7], 주행 표면의 재질이 무광택이고 고운 경우에 한해, 광 마우스의 속도 측정값이 실제값과 매우 근사하게 나타나고 있음을 알 수 있다. 이러한 주행 표면 유형 의존성에 대한 통계적 고찰이 전제되어야 비로소 광 마우스 기반 이동로봇 속도 추정의 성공적인 실용화를 기대할 수 있을 것이다.
주어진 주행 표면 샘플의 통계적 특성 추출을 위해 주행 표면 특성 시험 장치가 활용된다면, 실제 이동로봇 주행 실험 시 소요되는 공간적, 시간적 비용을 현저히 감소 시키면서 동시에 고신뢰성 특성 추출을 위한 정밀, 반복 주행실험이 용이하게 진행될 수 있을 것이다.

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