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다중 카메라와 절대 공간 좌표를 활용한 이동 로봇의 강인한 실내 위치 인식 시스템 연구
Study of Robust Position Recognition System of a Mobile Robot Using Multiple Cameras and Absolute Space Coordinates 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.41 no.7, 2017년, pp.655 - 663  

모세현 (아모텍) ,  전영필 (삼성전자) ,  박종호 (서남대학교 전기전자공학과) ,  정길도 (전북대학교 전자정보공학부)

초록
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ICT 기술의 발달로 로봇의 실내 활용이 증가하고 있다. 현재 이용되거나 향후 이용 범위가 증가할 수 있는 운반, 청소, 안내 로봇 등의 연구가 고도화 될 것이다. 실내 공간에서 이동 로봇 활용을 원활히 하기 위해 자기 위치 인식 문제는 가장 먼저 해결되어야 하는 중요한 연구이다. 추가적으로 이동 로봇의 위치가 인위적으로 이동되거나 예기치 못한 충돌로 인해 기존의 경로에서 이탈하였을 경우 등에서도 이동 로봇이 이런 상황을 인지하고 판단하여 목적지로 정확히 이동할 수 있는 강인한 시스템이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 이동 로봇의 자기 위치 관련 여러 문제들을 해결하고자 실내에 설치되어 있는 다수의 CCTV 등 외부 영상 및 이를 절대 공간 좌표 변환한 정보와 더불어 이동 로봇의 엔코더 정보 등을 융합하여 강인한 위치 인식 시스템을 구현하였다. 추가로 이동 로봇 시스템에 경로 주행 알고리즘인 벡터 필드 히스토그램 기법을 적용하였고 실제 실험 수행 후 연구 결과를 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

With the development of ICT technology, the indoor utilization of robots is increasing. Research on transportation, cleaning, guidance robots, etc., that can be used now or increase the scope of future use will be advanced. To facilitate the use of mobile robots in indoor spaces, the problem of self...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 논문에서는 외부 환경에 영향을 덜 받는 영상 정보를 이용하여 실내 이동 로봇의 자기 위치 인식을 수행하며 절대 공간 좌표를 활용하여 위치 인식을 수행하기 때문에 이동 로봇의 헤더 방향을 정확히 파악할 수 있어 임무 수행 중 이동 로봇의 진행 방향을 잃어버리지 않는다. 영상 획득은 방범용으로 많이 사용되는 CCTV 등을 이용하여 획득할 수 있다.
  • 본 논문에서 사용한 벡터 필드 히스토그램 기법은 버추얼 포스 필드 기법으로 히스토그램 그리드(Histogram gird)로부터 나오는 각 척력을 더할 때 생기는 데이터 축소, 즉 이동 로봇의 주위 장애물로부터 발생되는 척력을 모두 합하여 1개의 척력 벡터로 나타내기 때문에 장애물 정보에 대한 손실이 발생하는 문제점을 보완하기 위해 개발되었고 2차원의 카시안 히스토그램 그리드(Cartesian histogram grid)를 기반으로 한다.(8)
  • 본 논문에서는 다중의 외부 영상정보와 마커를 이용하여 로봇의 실내 주행 능력 향상과 더불어 영상 정보를 통해 확보된 절대 공간 좌표를 활용하여 이동 로봇의 강인한 실내 위치 인식 결과를 확인하고자 몇가지 실험을 수행하였다.
  • 본 논문에서는 이동 로봇의 헤더 위치를 정확하게 파악하기 위해 마커의 좌표가 아니라 절대 좌표인 월드좌표계가 필요하다.
  • 실내 이동 로봇은 출발점부터 목표점까지 이동하며 주어진 임무를 수행할 수 있는 강인한 시스템 구성이 중요하다. 본 연구에서는 이미 실내에 설치되어있는 외부 영상 획득 장치(CCTV) 등과 같은 카메라(Vision system)를 기반으로 실내 이동로봇에 부착된 마커와 탑재된 엔코더 센서 등을 통하여 위치를 인식하는 시스템을 제시하였다. 카메라와 엔코더의 정보는 확장 칼만 필터를 통해 융합하였고 융합되어진 새로운 정보를 기반으로 벡터 필드 히스토그램 알고리즘을 이용하여 이동 로봇의 경로 주행을 실험으로 검증하였다.
  • 이를 위해 엔코더 정보만을 이용했을 때와 엔코더, 외부 영상 정보를 융합한 정보를 이용하여 주행하는 경우를 비교하였다. 이동 로봇의 슬립(Slip) 현상을 알아보기 위한 실험으로 이동 로봇이 슬립으로 인해 항상 일정하게 주어진 원 궤적을 주행할 수 없다는 점을 보완하기 위한 것으로 외부 영상 정보의 필요성을 확인하는 실험이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
실내 이동 로봇의 위치 인식 기법은 어떠한 것이 있는가 기존 실내 이동 로봇의 위치 인식 기법은 초음파, 적외선, Zigbee, Bluetooth 등 외부 센서 데이터를 활용하는 방법이 대부분이며 특히 초음파를 이용하는 방법으로 MIT의 Cricket 무선 측위 시스템이 잘 알려져 있다. 이는 초음파 송신기와 수신기를 이용하여 각 송 · 수신기들의 거리를 계산하는 방법으로 로봇의 위치를 인식한다.
이동 로봇의 문제점은 무엇인가 이동 로봇이 경계, 운반, 안내 등의 다양한 업무를 수행하게 됨에 따라 업무 수행 중 충돌이나 임의로 위치가 옮겨졌을 경우에 기존의 이동 로봇의 경우 절대적인 자기 위치 정보를 알지 못할 뿐 아니라 이동 로봇의 헤딩값을 알지 못하는 문제점을 가지고 있다.(4) 이러한 문제점을 해결하기 위해 실외에서는 이동 로봇의 위치 인식을 위하여 GPS를 통해 정확한 위치 인식이 구현되고 있다.
실내 이동 로봇의 위치 인식 기법 중 Zigbee와 Bluetooth를 사용하는 방법을 설명하라 이는 초음파 송신기와 수신기를 이용하여 각 송 · 수신기들의 거리를 계산하는 방법으로 로봇의 위치를 인식한다. Zigbee와 Bluetooth를 이용하는 방법은 수신 신호 세기인 RSSI(Received Signal Strength Indicator)를 이용하여 기준이 되는 Bluetooth 수신 장치를 기준으로 삼각 측량을 이용하여 위치를 계산하면 되는 것으로 다수의 센서를 배치하면 정확도가 향상되지만, 동적 환경에서의 사용은 정확도가 떨어진다는 단점이 있다.(5,6) 또한 위의 방법들은 온도, 태양광 등 주위의 환경에 의해 많은 영향을 받게 되므로 상황에 따라서 정확한 위치 인식을 수행하지 못하는 문제가 있을 수 있다.
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참고문헌 (11)

  1. Yoo, J. J. and Cho, Y. S., 1974, "Trends in Technical Development and Standardization of Indoor Location Based Services," ETRI, Vol. 29, No. 5, pp. 51-61. 

  2. Lee, J. K., So, W. S., Lee, J. S. and Yoo, S. J., 2014, "High Accuracy of Indoor Hybrid Positioning Method based on Mobile Device," ETRI, Vol. 29, No. 6, pp. 113-125. 

  3. Hong, S. H. and Jung, S. Y., 2010, "Localization Algorithm in Wireless Sensor Networks using the Acceleration sensor," Journal of KAIS, Vol. 11, No. 4, pp. 1294-1300. 

  4. Jeon, Y. P., Park, J. H., Lim, S. T. and Chong, K. T., 2015, "Research for Robot Kinap Problem in the Indoor of Utilizing External Image Information and the Absolute Spatial Coordinates," Journal of KAIS, Vol. 16, No. 3, pp. 2123-2130. 

  5. Mazuelas, S., Bahillo, A., Lorenzo, R. M., Fernandez, P., Lago, F. A. and Garcia, E., 2009, "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. 

  6. Roh, H. C., 2010, "Mobile Robot Localization based on Active Beacon System using Infrared Sensor in Indoor Environment," KAIST master's thesis. 

  7. Lee, K. Chung, C. and Chung, W., 2011, "Accurate Calibration of Kinematic Parameters for Two Wheel Differntial Mobile Robots," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol 25, No. 6, pp. 1603-1611. 

  8. Borenstein, J. and Koren, Y., 1991, "The Vector Field Histogram - Fast Obstacle-Avoidance for Mobile Robots," IEEE Journal of Robotics and Automation, Vol. 7, No. 3, pp. 278-288. 

  9. Yoon, S. J. and Han, W. S., 2007, "Global Localization of Mobile Robots Using Omnidirectional Images," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol 31, No. 4, pp. 517-524. 

  10. Yu, D. H., Park, J. H., Ryu, J. H. and Chong, K. T., 2015, "Attitude Control of Quad- rotor by Improving the Reliability of Multi -Sensor System," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 39, No. 5, pp. 517-526 

  11. Seung, J. H., Lee, D. J., Ryu, J. H. and Chong, K. T., 2013, "Precise Positioning Algorithm Development for Quadrotor Flying Robots Using Dual Extended Kalman Filter," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems, Vol. 19, No. 2, pp. 158-163. 

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