KR100779510B1

KR100779510B1 - 정찰 로봇 및 정찰 로봇 운행 제어시스템

Info

Publication number: KR100779510B1
Application number: KR1020070050285A
Authority: KR
Inventors: 문용선
Original assignee: 문용선; 레드원테크놀로지(주)
Priority date: 2007-05-23
Filing date: 2007-05-23
Publication date: 2007-11-27

Abstract

본 발명에는 GPS 위성신호, USN의 센서노드들, RF ID 태그들에 의하여 정찰로봇의 정확한 위치제어 및 방향제어를 이루도록 하는 정찰로봇과 정찰로봇 운영 시스템이 개시된다.

본 발명의 구체적인 특징은 입력된 정찰경로(Patrol path)에 의하여 GIS 정보를 기반으로 한 정찰경로 데이터를 생성하여 무선 전송하는 관제서버와, 상기 정찰경로 데이터에 의하여 상기 정찰경로를 이동하는 정찰로봇으로 이루어진 정찰로봇 운행제어 시스템에 있어서: 상기 정찰로봇은 상기 정찰경로 데이터에 의하여 상기 정찰로봇이 주행하는 주행신호를 생성하는 메인프로세서; GPS 위성으로부터 GPS 신호를 수신하여 상기 정찰로봇의 절대 위치정보를 상기 메인프로세서에 전송하는 GPS 모듈; USN(Ubiquitous Sensor Network)를 형성하는 센서노드(Sensor node)들에 의하여 발신되는 신호에 상기 정찰로봇의 위치를 산출하는 USN 모듈을 포함하며, 상기 메인프로세서는 GPS 신호의 수신전계가 약한 음영지역에서 상기 USN 모듈로부터 수신되는 위치에 의하여 상기 정찰로봇이 상기 정찰경로를 이동하도록 하는 것이다.

정찰로봇, USN, GPS, GIS, RFID

Description

정찰 로봇 및 정찰 로봇 운행 제어시스템{patrol robot and control system therefor}

도 1은 본 발명의 일실시예를 설명하기 위한 시스템의 구성도이다.

도 2는 본 발명의 일실시예의 정찰로봇의 블록도이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에서 RSSI 기반 로봇위치 계산방법을 설명하는 구성도이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에서 정찰로봇의 몸체와 안테나 수신범위를 도시한 것이다.

도 5는 본 발명의 일실시예에서 RFID 태그 주변에서 정찰로봇의 위치, 방향 보정을 설명하기 위한 구성도이다.

도 6은 본 발명의 일실시예에서 LRF를 이용한 매핑방법을 설명하는 구성도이다.

도 7은 본 발명의 일실시예에서 정찰로봇의 바디 중심과 RFID 태그를 일치시키는 보정방법을 설명하는 구성도이다.

본 발명은 지정된 경로를 정찰하는 정찰로봇과, 정찰로봇의 정찰경로를 생성하고 위치를 보정할 수 있도록 하는 정찰로봇 운행 제어시스템에 관한 것이다.

최근 빌딩 또는 위험 건물 내를 무인 감시하기 위하여 정찰 로봇이 도입되고 있으나, 이러한 정찰 로봇은 지정된 경로를 정확히 정찰하기 위하여 GPS 위성신호를 수신받아 위치좌표를 검출하고, 이 위치좌표와 정찰경로상의 좌표와 오차를 보정하는 방법에 의하여 정찰경로를 따라서 정찰한다.

그러나, 이러한 GPS 위성신호를 이용한 정찰 로봇의 위치 추종방법은 GPS 위성신호의 전계강도가 약한 음영지역에서는 위성신호를 검출할 수 없기 때문에 정찰 로봇이 정찰경로를 따라서 정찰할 수 없었다.

이러한 문제점을 개선하기 위하여 GPS 위성신호가 약하거나 수신할 수 없는 장소에 USN(Ubiquitous Sensor Network)의 센서노드들을 설치하여 정찰로봇의 위치를 인식하도록 하였다.

그러나, 이러한 센서노드에 의한 정찰로봇의 위치 보정방법에 의해서는 대략적인 위치보정만이 가능하였고, 정밀한 위치측정이 곤란하였으며, 정찰로봇의 정찰에 중요 요소인 정찰로봇의 이동방향에 대한 보정이 어려웠다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 GPS 위성신호, USN의 센서노드들, RF ID 태그들에 의하여 정찰로봇의 정확한 위치제어 및 방향제어를 이루도록 하기 위한 것이다.

상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 시스템의 특징은 입력된 정찰경로(Patrol path)에 의하여 GIS 정보를 기반으로 한 정찰경로 데이터를 생성하여 무선 전송하는 관제서버와, 상기 정찰경로 데이터에 의하여 상기 정찰경로를 이동하는 정찰로봇으로 이루어진 정찰로봇 운행제어 시스템에 있어서: 상기 정찰로봇은 상기 정찰경로 데이터에 의하여 상기 정찰로봇이 주행하는 주행신호를 생성하는 메인프로세서; GPS 위성으로부터 GPS 신호를 수신하여 상기 정찰로봇의 위치를 상기 메인프로세서에 전송하는 GPS 모듈; USN(Ubiquitos Sensor Network)를 형성하는 센서노드(Senser node)들에 의하여 발신되는 신호에 상기 정찰로봇의 위치를 산출하는 USN 모듈을 포함하며, 상기 정찰경로 데이터는 상기 정찰로봇이 정찰경로 상에서 경유하는 지점에 대한 좌표정보인 경로점 정보와, 상기정찰 경로상의 경로점 (Waypoint) 들 간을 연결하는 선의 형태에 대한 정보인 네비게이션 모드 정보를 포함하며, 상기 메인프로세서는 GPS 신호의 수신전계가 약한 음영지역에서는 상기 USN 모듈로부터 수신되는 위치에 의하여 상기 정찰로봇이 상기 정찰경로를 이동하도록 하는 것이다.

또한, 본 발명에서 상기 정찰경로 데이터는 상기 정찰로봇이 정찰경로상에서 경유하는 지점에 대한 좌표정보인 경로점 정보와, 상기정찰 경로상의 경로점 (Waypoint) 들 간을 연결하는 선의 형태에 대한 정보인 네비게이션 모드 정보를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서 상기 정찰경로에는 태그 DB(Data base)가 구비된 RFID 태그가 적어도 하나 이상 설치되며, 상기 정찰로봇은 상기 RFID와 송수신하여 상기 태그 DB를 수신하는 RFID 모듈과, 상기 RFID 태그의 주변환경을 매핑하고, 매핑된 데이터의 특이점을 추출하는 추정모듈을 더 포함하고, 상기 메인 프로세서는 상기 태그 DB에 기설정된 특이점과 상기 추정모듈에서 추출되는 특이점을 비교하여 오차 를 보정하는 것이 바람직하다.

본 발명의 정찰로봇의 특징은 경유하는 지점에 대한 좌표 데이터로 이루어진 경로점(Waypoint) 정보와, 상기 경로점들 간을 연결하는 선의 형태를 규정하는 데이터인 네비게이션 모드 정보가 포함된 정찰경로 데이터를 관제서버로부터 입력받아 상기 정찰경로를 이동하는 정찰로봇에 있어서: 상기 정찰로봇의 구동수단을 구동시키는 모터 콘트롤러 모듈; GPS 위성신호를 수신하여 상기 정찰로봇의 위치를 추출하는 GPS 모듈; USN의 센서들로부터 상기 정찰로봇의 위치를 추출하는 USN 모듈; 상기 GPS 모듈과 상기 USN모듈로부터 상기 정찰로봇의 위치를 전송받고, 상기 정찰로봇의 위치와 상기 정찰경로 데이터에 의하여 상기 구동수단을 구동시키는 네비게이션 정보를 생성하는 메인 프로세서를 포함하는 것이다.

또한, 본 발명에서 상기 정찰경로에는 태그 DB(Data base)가 구비된 RFID 태그가 적어도 하나 이상 설치되며, 상기 정찰로봇은 상기 RFID 태그와 송수신하여 상기 RFID 태그 내에 저장된 공간정보를 수신하는 RFID 모듈과, 상기 RFID 태그의 공간정보와 Laser Range finder(LRF)를 통하여 매핑된 데이터의 특이점을 추출하여 현재의 상기 정찰로봇의 절대 위치정보를 상기 메인 프로세서에 제공하여 로봇의 현재 위치를 보정하게 하는 추정(Localization)모듈을 더 포함하고, 상기 메인 프로세서는 상기 태그 DB에 기설정된 특이점과 상기 추정모듈에서 추출되는 특이점을 비교하여 오차를 보정하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서 상기 RFID 태그는 상기 경로점에 설치되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서 상기 보정은 상기 정찰로봇의 바디(body)의 중심점과 상기 RFID 태그의 설치좌표와 일치하도록 이루어지는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면에 따라서 본 발명의 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예를 설명하기 위한 시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예의 정찰로봇의 블록도이다.

관제서버(1)는 사용자가 입력한 정찰경로(Patrol path)를 따라서 정찰로봇(2)을 주행시키기 위하여 기 입력된 빌딩 내외의 GIS 정보를 기반으로 한 정찰경로 데이터를 생성한다.

정찰경로 데이터는 사용자에 의해 입력된 정찰경로를 기반으로 실제 정찰로봇(2)의 주행에 필요한 정보로 변환된 데이터를 의미하며, 다음의 표 1과 같은 경로점(waypoint) 정보, 장애물 정보 및 네비게이션 모드 정보를 포함하고 있다.

[표 1] 정찰경로 데이터

또한, 정찰로봇(2)은 관제서버(1)로부터 정찰경로 데이터를 무선 입력받아 GPS 위성(3), USN(4), RFID 태그(5)와 같은 외부네트워크와 로봇의 정밀제어를 위한 내부 제어네트워크를 이용하여 로봇의 각종 상황에 따른 로봇의 최적의 주행을 실시하며, 도 2와 같이 정찰로봇(2)은 네비게이션 모듈(22), BGIS 모듈(23)로 이루어진 메인 프로세서(21)와, 메인 프로세서(21)에 네트워크로 연결되는 GPS 모듈(24), USN 모듈(25), 모터 콘트롤 모듈(26), 추정 모듈(Localization module)(27), RFID 모듈(28)로 이루어진다.

BGIS 모듈(23)은 관제서버(1)로부터 무선으로 수신되는 정찰경로 데이터에 의하여 네비게이션 데이터를 생성하고, 네비게이션 모듈(22)은 네비게이션 데이터와 후술되는 추정모듈(27)로부터 전송되는 보정 데이터에 의하여 정찰로봇(2)의 주행을 종합적으로 제어한다.

관제서버(1)로부터 수신되는 정찰경로 데이터는 정찰로봇이 정찰을 위해 이동해야 되는 경로점(way point)의 좌표정보, 직선, 사선, 곡선주행과 같은 주행정보, 고정장애물 정보, 기본속도 등이 규정된 기본정보인 것에 반해, 네비게이션 데이터는 정찰로봇이 실제로 주행하는 데에 필요한 휠의 조향각, 조향각 속도, 휠의 속도 등으로 구성된다.

이와 같이, 정찰경로 데이터는 관제서버(1)에 의하여 생성되는 정보로 정찰을 위한 지령 및 기본 정보를 포함하고 있지만 실제 정찰로봇(2)의 구동신호를 생성하는 구동정보를 포함하고 있지 않다. 그러나 BGIS 모듈(23)에서 생성되는 네비게이션 데이터는 관제서버(1)로 전송된 정찰경로 데이터와 GPS 모듈(24), USN 모듈(25)로부터 전송받은 로봇의 위치추정 데이터를 기반으로 실제 정찰로봇(2)의 구동신호를 생성한다.

GPS 모듈(24)은 GPS 위성(3)으로부터 GPS 신호를 수신 받아 정찰로봇(2)의 현재 위치좌표를 추출하고, 이를 BGIS 모듈(23)로 전송하며, USN 모듈(25)은 USN(Ubiquitous Sensor Network)를 형성하는 센서노드들로부터 발신되는 전계강도에 의하여 정찰로봇(2)과 센서노드들과의 거리차를 계산하여 정찰로봇의 위치를 추 정한다. USN 센서노드들은 GIS 정보를 통하여 사전에 입력된 절대 좌표가 내장되어 있고, GPS 위성(3)으로부터 수신되는 신호의 전계가 기설정된 값 보다 작거나, 수신되지 않는 음영지역에 설치되어 있어 GPS 수신모듈(24)로부터 정찰로봇(2)의 위치추적이 불가능할 때 보완적으로 사용된다.

4개의 센서노드들에 의한 로봇의 위치추정방법 이 도 3에 예시되어 있다. 분산된 센서노드들에 기 입력된 절대좌표는 (X1, Y1, Z1), (X2, Y2, Z2), (X3, Y3, Z3), (Xn, Yn, Zn)이며, 이 센서노드들은 상호 통신이 가능하다. 무선 센서노드들 간의 통신에서는 통신거리에 따라 전계강도의 변화가 발생하며, 전계강도의 크기에 따라 상대적인 위치의 파악이 가능하다. 이와 같은 방법으로 정찰로봇(2)이 하나의 센서 노드가 되어 3개 이상의 분산된 센서노드들과의 통신을 통한 전계강도를 측정한 후 삼각 측량법에 최종 교차점인 정찰로봇(2)의 절대 위치를 계산할 수 있다.

또한, 메인프로세서(21)와 연결된 RFID 모듈(28)은 RFID 태그로부터 태그 DB를 수신한다.

RFID 태그(5)는 정찰로봇(2)의 주행에러(주행간 위치에러, 방향에러)를 보정하기 위한 정보를 제공하며, 경로점(Waypoint)으로의 이동을 위한 참조 점으로 사용된다. 실제 정찰로봇(2)의 주행시 여러 가지 요인(바닥면, 휠의 상태 등)에 의하여 주행에러가 발생하고, 이중에서도 방향에러는 주행에 있어 큰 영향을 미치며, 정찰로봇(2)이 정확한 주행을 하기 위해서는 특정 구간별로 해당 로봇에 발생하는 에러를 보정해야한다. 에러 보정방법에 대하여는 후술하기로 한다.

RFID 모듈(28)에는 안테나(미도시)가 설치되어 있어 정찰경로에 설치된 RFID 태그(5)와 송수신하며, RFID 태그의 태그 DB를 수신하고, 추정모듈(27)은 추정모듈은 RIFD 태그의 특이점 정보(공간정보)와 LRF를 통하여 3D 매핑된 정보를 기반으로 로봇의 현재 위치 및 보정위치를 계산하며, 네이게이션 모듈은 추정모듈로부터 전송되는 로봇의 위치 및 보정정보 기반으로 로봇의 위치 및 방향을 보정제어(tv, rv 생성)한다.

도 4는 본 발명의 일실시예에서 정찰로봇의 몸체와 안테나 수신범위를 도시한 것이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에서 RFID 태그 주변에서 정찰로봇의 위치, 방향 보정을 설명하기 위한 모식도이다.

도 4에서와 같이, 정찰로봇(2)의 위치좌표는 정찰로봇(2)의 바디(body) 중심점으로 설정되고, RFID 모듈(28)에 연결된 안테나는 일정 범위의 전파를 수신하게 된다. 따라서 정찰로봇(2)의 중심점에 RFID 태그가 위치하지 않는 경우에도 안테나는 RFID 태그의 송신전파를 수신하게 되어 RFID의 좌표를 인식하게 되고, 정찰로봇(2)의 중심점과 RFID 태그로부터 인식되는 좌표에는 오차가 발생되게 된다. 즉, 도 5와 같이, 정찰로봇(2)의 바디 중심점(C)으로부터 안테나의 수신영역이 점선으로 표시될 때, 정찰로봇(2)은 점 P에 위치하는 RFID 태그로부터 발신되는 신호를 안테나 수신하게 되면 RFID 태그의 위치를 정찰로봇(2)의 바디 중심점(C)로 오인식하게 된다. 따라서 정찰로봇(2)은 중심점(C)로부터 점 P의 위치로 거리와 방향에 대한 보정이 이루어져야 한다.

정찰로봇(2)의 바디 중심점(C)와 RFID 태그의 절대좌표를 일치시키는 보정을 수행하기 위하여 RFID 태그들에는 표2와 같이 RFID 태그의 절대좌표와 주변의 특이 점들에 대한 좌표가 저장된 태그DB를 구비한다.

[표 2]

추정모듈(27)은 도 6과 같이, 정찰로봇(2)의 주변의 환경에 대하여 LRF(Lager Range Finder)를 이용하여 3D 매핑을 실시하고, 전송된 RFID 태그 DB 정보와 매핑된 정보를 비교하여 정찰로봇(2)의 현재 위치 및 보정위치를 계산한다. LRF는 레이저 송신기에서 나오는 레이저빔을 거울을 이용하여 주사하고, 반사체에서 수신되는 레이저빔을 수신기에서 수신하여 반사체의 이격거리를 산출하고, 거울을 회전시켜 물체의 형상을 추적하여 주변 환경에 대하여 3D 매핑하는 일반기술이다. 추정모듈(27)은 RFID 태그 DB 정보와 매핑된 정보를 비교하여 로봇의 현재 위치 및 보정위치를 계산 후 네비게이션 모듈(22)로 전송하고, 네비게이션 모듈(22)은 전송된 로봇의 위치 및 방향 정보를 기반으로 RFID 태그점과 정찰로봇 중심점과의 이격 거리를 계산한 후 위치 및 방향 보정제어를 실시하여 거리차를 0으로 만든다.

도 7에 도시된 바와 같이, 추정모듈(27)은 RFID 태그와 LRF에 가장 인접된 특이점2을 추출하고, RFID 태그와 특이점2의 방향과 거리의 공간거리 정보와 LRF와 특이점2의 방향과 거리인 측정된 거리를 비교하여 보정정보를 산출하여 네비게이션 모듈(22)에 전송하고, 네비게이션 모듈(22)은 보정정보에 의하여 구동정보를 생성하여 정찰로봇(2)을 구동시켜 RFID 태그의 위치와 정찰로봇(2)의 바디 중심점을 일치시며, 주행방향을 경로에 일치하도록 하는 보정을 수행한다.

이와 같은 RFID 태그들의 위치에서 정찰로봇(2)의 위치보정이 종료되면, 다음 기점으로 주행정보에 따라서 주행을 하며, 이와 같은 방법으로 주행을 시행하여 주행이 종료되면 주행내역(각 위치에서 주행속도, 주행시간, 주행거리, 주행구간 등)을 정찰로봇(2)의 저장부(미도시)에 저장한 후 다음 명령의 수신을 위하여 대기한다.

상기의 목적과 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 정찰로봇은 GPS 위치정보와 USN의 센서노들의 위치정보를 수신하여 이동함으로써 GPS 신호의 음영지역에서도 정확히 정찰로봇의 위치를 파악할 수 있어 지정된 정찰경로를 추종할 수 있도록 한다.

또한, 본 발명에서는 정찰경로 상에 설치된 RFID 태그에 정찰로봇이 인접될 때, 추종모듈에 의하여 정찰로봇의 바디 중심점과 RFID 위치를 일치시킴으로써 추종을 정밀성을 기할 수 있다.

Claims

입력된 정찰경로(Patrol path)에 의하여 GIS 정보를 기반으로 한 정찰경로 데이터를 생성하여 무선 전송하는 관제서버와, 상기 정찰경로 데이터에 의하여 상기 정찰경로를 이동하는 정찰로봇으로 이루어진 정찰로봇 운행제어 시스템에 있어서:

상기 정찰로봇은 상기 정찰경로 데이터에 의하여 상기 정찰로봇이 주행하는 주행신호를 생성하는 메인프로세서;

GPS 위성으로부터 GPS 신호를 수신하여 상기 정찰로봇의 위치를 상기 메인프로세서에 전송하는 GPS 모듈; USN(Ubiquitos Sensor Network)를 형성하는 센서노드(Senser node)들에 의하여 발신되는 신호에 상기 정찰로봇의 위치를 산출하는 USN 모듈을 포함하며,

상기 정찰경로 데이터는 상기 정찰로봇이 정찰경로 상에서 경유하는 지점에 대한 좌표정보인 경로점 정보와, 상기정찰 경로상의 경로점 (Waypoint) 들 간을 연결하는 선의 형태에 대한 정보인 네비게이션 모드 정보를 포함하며,

상기 메인프로세서는 GPS 신호의 수신전계가 약한 음영지역에서는 상기 USN 모듈로부터 수신되는 위치에 의하여 상기 정찰로봇이 상기 정찰경로를 이동하도록 하는 것을 특징으로 하는 정찰로봇 운행제어 시스템.
삭제
제1항에 있어서, 상기 정찰경로에는 태그 DB(Data base)가 구비된 RFID 태그가 적어도 하나 이상 설치되며, 상기 정찰로봇은 상기 RFID와 송수신하여 상기 태그 DB를 수신하는 RFID 모듈과, 상기 RFID 태그의 주변환경을 매핑하고, 매핑된 데이터의 특이점을 추출하는 추정모듈을 더 포함하고, 상기 메인 프로세서는 상기 태그 DB에 기설정된 특이점과 상기 추정모듈에서 추출되는 특이점을 비교하여 오차를 보정하는 것을 특징으로 하는 정찰로봇 운행제어 시스템.
경유하는 지점에 대한 좌표 데이터로 이루어진 경로점(Waypoint) 정보와, 상기 경로점들 간을 연결하는 선의 형태를 규정하는 데이터인 네비게이션 모드 정보가 포함된 정찰경로 데이터를 관제서버로부터 입력받아 상기 정찰경로를 이동하는 정찰로봇에 있어서:

상기 정찰로봇의 구동수단을 구동시키는 모터 콘트롤러 모듈;

GPS 위성신호를 수신하여 상기 정찰로봇의 위치를 추출하는 GPS 모듈;

USN의 센서들로부터 상기 정찰로봇의 위치를 추출하는 USN 모듈; 상기 GPS 모듈과 상기 USN모듈로부터 상기 정찰로봇의 위치를 전송받고, 상기 정찰로봇의 위치와 상기 정찰경로 데이터에 의하여 상기 구동수단을 구동시키는 네비게이션 정보를 생성하는 메인 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 정찰로봇.
제4항에 있어서, 상기 정찰경로에는 태그 DB(Data base)가 구비된 RFID 태그 가 적어도 하나 이상 설치되며, 상기 정찰로봇은 상기 RFID 태그와 송수신하여 상기 RFID 태그 내에 저장된 공간정보를 수신하는 RFID 모듈과, 상기 RFID 태그의 공간정보와 LRF(Laser Range finder)를 통하여 매핑된 데이터의 특이점을 추출하여 현재의 상기 정찰로봇의 절대 위치정보를 상기 메인 프로세서에 제공하여 로봇의 현재 위치를 보정하게 하는 추정(Localization)모듈을 더 포함하고, 상기 메인 프로세서는 상기 태그 DB에 기설정된 특이점과 상기 추정모듈에서 추출되는 특이점을 비교하여 오차를 보정하는 것을 특징으로 하는 정찰로봇.
제5항에 있어서, 상기 RFID는 상기 경로점에 설치되는 것을 특징으로 하는 정찰로봇.
제5항에 있어서, 상기 보정은 상기 정찰로봇의 바디(body)의 중심점과 상기 RFID 태그의 설치좌표와 일치하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 정찰로봇.