KR100791386B1 - 이동 로봇의 영역 분리 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이동 로봇의 영역 분리 방법 및 장치로, 더욱 상세하게는 이동 로봇이 작업을 수행할 공간지도를 작성하고 이를 하나 이상의 영역으로 분리하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇의 영역분리 방법은 장애물과의 거리를 감지하여 확률적으로 분포하는 격자점(Grid points)으로 이루어지는 점유율(Occupancy) 격자지도를 작성하는 단계, 로봇의 반경 또는 크기에 근거하여 점유율 격자지도내의 장애물과 벽면의 두께를 두껍게 함으로써 구성(Configuration) 공간지도를 작성하는 단계 및 구성 공간지도내에서 밴드형 슬라이스(Slice)를 일방향으로 스윕(Sweep)함에 의해 영역을 분리하는 단계를 포함한다.

공간 지도, Configuration map, 영역분리, 셀 분리, Cell Decomposition, 슬라이스(Slice)

Description

이동 로봇의 영역 분리 방법 및 장치{Method and system of cell decomposition in mobile robot}

도 1은 종래 기술에 따른 영역 분리 방법을 보여주는 개략도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇의 영역 분리 방법을 보여주는 흐름도이다.

도 3은 구성 공간지도의 개념을 보여주는 도면이다.

도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따라 점유율 격자지도를 작성한 도면이다.

도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따라 자유공간과 장애물로만 이루어지는 격자지도를 작성한 도면이다.

도 5a는 도 4b의 결과에 침식(Erosion) 과정을 거친 격자지도를 작성한 도면이다.

도 5b는 도 5a의 결과에 팽창(Dilation) 과정을 거쳐 자유공간의 노이즈를 제거한 도면이다.

도 6은 본 발명의 일 실시에에 따라 침식 과정에 의해 구성 공간지도를 작성한 도면이다.

도 7a는 본 발명의 일 실시에에 따라 밴드형 슬라이스(Slice)를 구성 공간지도에 적용하는 과정을 보여주는 도면이다.

도 7b는 본 발명의 일 실시에에 따라 밴드형 슬라이스(Slice)를 적용하여 영역을 분리한 결과를 보여주는 도면이다.

도 8은 본 발명의 일 실시에에 따라 밴드형 슬라이스를 적용하면서 아이디를 부여하는 네가지 경우를 보여주는 도면이다.

도 9는 본 발명의 일 실시에에 따라 도 6에서 작성된 구성 공간지도에 밴드형 슬라이스를 적용하여 영역을 분리한 결과를 보여주는 도면이다.

도 10은 노이즈 셀을 제거하고 영역을 병합하는 과정을 보여주는 도면이다.

도 11은 도 9에서 얻어진 결과에 노이즈 셀을 제거하고 영역을 병합한 결과를 보여주는 도면이다.

도 12a는 도 9의 영역 분리의 결과중에서 왼쪽 하단 부분을 확대하여 보여주는 도면이다.

도 12b는 도 11의 영역 병합의 결과중에서 왼쪽 하단 부분을 확대하여 보여주는 도면이다.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇의 영역분리 장치를 보여주는 블록도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 설명*

1300: 점유율 격자지도 작성부 1310: 임계치 적용부

1320: 자유공간 노이즈 제거부 1330: 구성 공간지도 작성부

1340: 스윕 방향 추출부 1350: 영역 분리부

1360: 셀 노이즈 제거부 1370: 영역 병합부

본 발명은 이동 로봇의 영역 분리 방법 및 장치로, 더욱 상세하게는 이동 로봇이 작업을 수행할 공간지도를 작성하고 이를 하나 이상의 영역으로 분리하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

일반적으로 로봇은 공장이나 산업체에서 자동화 공정에 대한 방안으로 개발되었다. 자동제어기술과 원격조종기술 등이 진보함에 따라 고온, 저온 등의 극한의 환경이나 우주나 해저 등의 위험한 환경에서 작업하거나 단조로운 작업을 반복하는 경우에 로봇이 주로 응용되었다.

최근에는 산업체에서 이용되는 산업용 로봇뿐만 아니라 일반 가정이나 사무실 등에서 가사일이나 사무 보조로서 로봇이 실용화되고 있다. 이에 해당하는 대표적인 예로서 청소용 로봇, 안내 로봇, 방범 로봇 등을 들 수 있다.

이러한 로봇들은 일정한 영역내에서 로봇에게 부여된 작업을 수행할 수 있다. 다만 영역이 넓어지는 경우에는 랜덤(Random)하게 궤적을 그리거나 영역내의 아무데에서 작업을 수행하면 효율적으로 전체 영역에 대한 작업을 수행할 수 없다. 그리하여 주어진 공간내에서 영역을 효과적으로 분리하고, 분리된 영역에 대하여 작업을 수행함으로서 효율을 높이려는 시도가 있었다.

도 1은 종래 기술에 따른 영역 분리 방법을 보여주는 개략도이다.

종래의 영역을 분리하는 방법으로는 주어진 격자지도에 대하여 스윕 라 인(100)이라는 직선을 격자지도 내에서 스캔하면서 영역을 분리하였다. 도 1에서 도시하는 바와 같이 격자지도 내에서는 스윕라인(100)과 크리티컬 포인트(Critical point, 150)가 만나는 지점에서 영역을 나눌수 있다. 크리티컬 포인트는 스윕라인이 장애물과 만나면서 상하로 장애물이 없게 되는 점을 말한다. 따라서 도 1에서는 원칙적으로 2 개의 크리티컬 포인트(150)가 생성되고, 이에 의하여 4개의 영역이 생성될 수 있다.

하지만 로봇이 거리를 측정하는 센서 등에 의하여 인식하는 격자지도는 벽면이나 장애물이 매끄럽지 못하고 굴곡이 심하게 발생할 수 있다. 예를 들어 도 1에서와 같이 좌측과 우측면에서 굴곡이나 요철이 다수 발생하고 이는 스윕 라인에 의하여 스캔시에 다수의 불필요한 크리티컬 포인트(160)를 발생시켜 영역 분리시에 불필요한 영역이 생성될 수 있는 문제가 있었다.

이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로 격자지도를 매끄럽게 생성하는 방법과 영역 분리시에 불필요한 크리티컬 포인트를 고려하면서 영역 분리를 하는 방법이 있다.

다만, 격자지도를 매끄럽게 생성하는 방법은 로봇에 장착되어 있는 센서에 의해 거리를 측정하여 격자지도를 작성하는 것으로써 센서의 오차 범위 내에서 항상 가변적으로 움직일 수 있고, 로봇이 움직임에 의하여 로봇의 정확한 위치 감지가 어렵고 따라서 이에 대한 상대적인 벽면 또는 장애물과의 거리에 대한 오차가 발생할 수 있는 상황이므로, 매끄러운 격자지도 작성에는 한계가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 안출된 것으로서, 구성(Configuration) 공간지도를 작성하고, 작성된 공간지도에 대하여 밴드형 슬라이스(Slice)를 사용하여 스캔하면서 영역을 분리하는 것을 목적으로 한다.

이와 함께, 노이즈 셀을 제거하고 불필요하게 분리된 영역을 병합함으로써 이동 로봇이 효율적으로 작업할 수 있는 영역을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇의 영역분리 방법은 (a) 장애물과의 거리를 감지하여 확률적으로 분포하는 격자점(Grid points)으로 이루어지는 점유율(Occupancy) 격자지도를 작성하는 단계; (b) 로봇의 반경 또는 크기에 근거하여 상기 점유율 격자지도내의 장애물과 벽면의 두께를 두껍게 함으로써 구성(Configuration) 공간지도를 작성하는 단계; 및 (c) 상기 구성 공간지도내에서 밴드형 슬라이스(Slice)를 일방향으로 스윕(Sweep)함에 의해 영역을 분리하는 단계를 포함한다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇의 영역분리 장치는 장애물과의 거리를 감지하여 확률적으로 분포하는 격자점(Grid points)으로 이루어지는 점유율(Occupancy) 격자지도를 작성하는 점유율 격자지도 작성부; 로봇의 반경 또는 크기에 근거하여 상기 점유율 격자지도내의 장애물과 벽 면의 두께를 두껍게 함으로써 구성(Configuration) 공간지도를 작성하는 구성 공간지도 작성부; 및 상기 구성 공간지도내에서 밴드형 슬라이스(Slice)를 일방향으로 스윕(Sweep)함에 의해 영역을 분리하는 영역 분리부를 포함한다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇의 영역 분리 방법을 보여주는 흐름도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇의 영역분리 방법은 점유율(Occupancy) 격자지도 작성 단계(S210), 임계치 적용하여 격자지도 보정 단계(S220), 자유공간(Free space) 노이즈 제거 단계(S230), 구성(Configuration) 공간지도 작성 단계(S240), 스윕 방향(Sweep-direction) 추출단계(S250), 영역 분리 단계(S260), 셀 노이즈 제거 단계(S270) 및 영역 병합 단계(S280)를 포함할 수 있 다.

영역을 분리하기 위하여는 먼저 영역을 분리할 지도를 작성할 수 있다. 로봇이 작업을 수행할 공간에 대하여 지도를 작성하는 방법은 로봇이 자율적으로 주행하면서 위치 및 거리 정보를 활용하여 지도를 작성할 수 있다.

도 3은 구성 공간지도의 개념을 보여주는 도면이다.

일반적은 격자지도(Gridmap)는 일정한 영역내에서 벽면 또는 장애물과 자유공간을 표시하는 역할을 한다. 이러한 격자지도는 로봇의 크기를 고려하지 않는 것으로서 로봇이 주행하면서 로봇의 테두리 부분과 부딪히거나 로봇으로 하여금 과도한 전진 또는 후진을 시킬 수 있다. 따라서 도 3의 오른쪽 도면에서와 같이 로봇의 크기를 고려하는 구성(Configuration) 공간지도(Space)를 정의하여 로봇을 한 점으로 축소시키고 벽면이나 장애물을 로봇의 크기를 고려하는 자유공간(Free space)을 생성할 수 있다. 구성 공간지도를 작성함으로써 로봇의 크기를 고려하지 아니하고 로봇의 이동 경로를 생성하거나 또는 로봇의 작업 영역을 분리할 수 있다.

먼저, 로봇이 자율 주행을 하면서 주위의 장애물을 인식하는 점유율(Occupancy) 격자지도 작성 한다(S210). 점유율(Occupancy) 격자지도는 로봇이 거리를 감지할 수 있는 하나 이상의 센서를 장착하여 장애물 또는 벽면을 확률적으로 인식하는 지도를 의미한다. 로봇의 센서 등이 정확도와 로봇의 주행에 의한 위치 오차가 발생할 수 있으므로 장애물의 위치와 존재에 대하여 0에서 1사이의 확률적인 값으로 지정할 수 있다. 편의상 본 발명에서는 장애물 또는 벽면을 형성하는 다수의 격자점이 확률적인 값으로 지정된 경우에 이를 확률 격자점(Probabilty grid points)으로 정의한다. 다시 말해서, 0이 주어지면 자유공간이 되고, 1이 주어지면 장애물이 100% 확률로 있게 되면 기타 0에서 1사이의 수는 확률적으로 장애물이 존재함을 의미한다. 원칙적으로는 공간상에서는 장애물이 있거나 자유공간이 되거나 둘 중에 하나이며, 0과 1사이의 수로 맵이 형성되는 것은 센서의 거리 감지 오차와 로봇이 자신의 위치 인식에 대한 오차에 의해 장애물의 위치에 대한 오차를 가질수 있기 때문이다.

도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따라 점유율 격자지도를 작성한 도면이며, 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따라 자유공간과 장애물로만 이루어지는 격자지도를 작성한 도면이다.

예를 들어, 도 4a에서와 아파트 내부공간에서 점유율 격자지도를 얻을 수 있다. 먼저, 이동로봇은 탐색하고자 하는 지역에 대해 자율적으로 주행을 하게 된다. 이동로봇은 거리를 감지할 수 있는 초음파, 적외선 또는 레이져 센서 등의 거리 감지 센서를 이용하여 이동로봇의 전방에 있는 장애물을 감지할 수 있다. 로봇으로부터 구조물 또는 벽면까지의 거리를 감지하여 다수의 점들로 구성하게 하는 격자점들(Grid points)을 획득할 수 있고, 이러한 격자점들을 이용하여 점유율 격자지도를 완성할 수 있다. 다만 점유율 격자지도에서는 지도상의 점들의 분포는 절대적인 것이 아니라 0과 1사이에 확률을 가질 수 있다.

점유율 격자지도에서 공간 상의 모든 점들이 가지는 0과 1사이의 확률분포에 소정의 임계치(threshold)를 적용하여 자유공간(Free space)과 장애물(Abstacle)로만 이루어진 격자지도를 얻을 수 있다(S220).

임계치를 적용하는 방법은 0과 1사이의 값을 가지는 점들에 대하여 예를 들어 임계치로서 0.5를 적용하면, 격자점 중에서 0.5이상인 값에 대하여는 1이 되고, 0.5 미만인 값에 대하여는 0이 된다. 따라서 1이 되는 점들은 장애물이 되는 격자점이 되고, 0이 되는 점들은 자유공간이 된다. 따라서 임계치를 적용하여 얻어지는 격자지도는, 도 4b에서 도시하는 바와 같이, 점유율 격자지도를 상대적으로 명확하게 할 수 있다. 이는 확률적으로 분포하는 격자점들에 대하여 존재(1) 또는 무존재(0)로 변환하게 되므로 보정된 격자지도는 자유공간과 장애물이 분명하게 나누어 질 수 있다. 다만 임계치는 센서의 오차 등을 고려하여 본 발명에 속하는 통상의 지식을 가진자에 의해 다양하게 변경될 수 있다.

도 5a는 도 4b의 결과에 침식(Erosion) 과정을 거친 격자지도를 작성한 도면이며, 도 5b는 도 5a의 결과에 팽창(Dilation) 과정을 거쳐 자유공간의 노이즈를 제거한 도면이다.

장애물과 자유공간으로 이루어진 격자지도를 얻은 후에는 자유공간에 있는 노이즈를 제거하기 위해 영상 처리 과정을 수행할 수 있다(S230). 영상 처리는 침식(Erosion) 및 팽창(Dilation)을 통하여 수행할 수 있다.

침식 및 팽창은 자유공간 상에 있는 노이즈를 제거하는 것으로써 침식과 팽창을 순차적으로 사용할 수 있다. 침식을 먼저 적용하면, 장애물 또는 벽면으로 인식되는 격자점에 대하여 각각 일정크기만큼 두께를 두껍게 하여 자유공간을 축소시킬 수 있다. 예를 들어 도 5a에서 도시하는 바와 같이 도 4b의 격자지도에 대하여 침식(Erosion) 처리를 하면 각 장애물의 두께 또는 넓이가 일정크기만큼 커질 수 있다. 도 5a에서 흰색 부분이 자유공간이며, 검은색 부분이 장애물에 해당된다.

팽창(Dilatation) 처리는 장애물 또는 벽면으로 인식되는 격자점에 대하여 일정한 크기 또는 두께만큼 줄어들게 하여, 자유공간을 장애물이 줄어드는 만큼 늘릴 수 있다. 예를 들어, 도 5b에서는 도 5a에서 침식 처리에 의해 처리된 격자지도에 대하여 팽창 처리를 하여 자유공간을 팽창시킴으로 노이즈가 제거된 자유공간 및 장애물로만 이루어진 격자지도를 얻을 수 있다.

이와 함께, 팽창 처리 후에 침식 처리를 할 수도 있다. 이러한 경우에도 자유공간상의 존재하는 점이나 미세한 크기의 면적을 노이즈로 처리하여 제거할 수 있다.

위와 같이 침식(Erosion) 및 팽창(Dilation)의 영상 처리에 의하여 자유공간 상에 있는 노이즈를 제거할 수 있다. 노이즈가 처리된 격자지도에 대하여 로봇의 크기를 고려한 침식(Erosion) 처리를 함으로써 구성(Configuration) 공간지도를 획득할 수 있다(S240). 노이즈 처리가 된 격자지도는 장애물의 크기 및 위치를 추정할 수 있고, 이를 다시 침식(Erosion) 처리를 하여 장애물 및 벽면의 두께 또는 면적을 크게 하여 자유공간을 줄일 수 있다. 그리하여 영역 분리에 있어서 로봇이 하나의 점으로 변환될 수 있어 더 이상 로봇의 크기 등이 문제가 되지 않는 구성 공간지도를 얻을 수 있다(S240).

획득된 구성 공간지도를 이용하여 영역 분리를 수행한다. 이러한 영역 분리를 위해서는 일정한 방향으로 전체 영역을 스윕(Sweep)할 수 있다. 스윕하는 도구는 선(Line)이 아니라 밴드형 슬라이스(Slice)를 이용하여 자유공간 조각(Segment) 을 얻을 수 있다. 따라서 이러한 밴드형 슬라이스를 사용하여 자유공간을 분리함으로써 벽면이나 장애물에 발생할 수 있는 불필요한 크리티컬 포인트에 의해 생겨나는 좁은 영역의 수를 줄일 수 있다.

밴드형 슬라이스를 적용하여 스윕하는 단계를 적용하기 전에 먼저 스윕하는 방향을 결정할 수 있다(S250). 구성 공간지도의 영역내에서 다양한 방법을 사용하여 전체 영역내에서 우세한 빈도를 가지는 라인(Line)의 각도를 구할 수 있다. 예를 들어, 이를 위해 먼저 영역내에 존재하는 하나 이상의 라인을 검출한 후에, 이를 각도가 동일한 그룹으로 나누어 그 중에서 가장 가중치가 높은 라인 그룹의 각도를 스윕라인이 이루는 각도로 결정할 수 있다. 이를 구현하기 위해서는 허프 변환(Hough Transform), 라돈 변환(Radon Transform) 또는 히스토그램 기법(Histogram Method)를 사용할 수 있다. 허프 변환, 라돈 변환 또는 히스토그램 기법은 이차원 영상의 데이터 점들을 계수 공간(Parameter Space)으로 변환시켜 계수 공간에서 직선이나 윤곽선을 검출할 수 있다. 따라서 검출된 다수의 직선에 대하여 가장 빈도가 높은 직선 방향을 스윕 각도로 정할 수 있다.

산출된 스윕 각도를 구성 공간지도 영역에서 밴드형 슬라이스의 스윕 각도로 사용할 수 있다. 산출된 스윕 각도에 수직 방향이 밴드형 슬라이스의 스윕 방향(Sweep-direction)이 된다.

도 7a는 본 발명의 일 실시에에 따라 밴드형 슬라이스(Slice)를 구성 공간지도에 적용하는 과정을 보여주는 도면이며, 도 7b는 본 발명의 일 실시에에 따라 밴드형 슬라이스(Slice)를 적용하여 영역을 분리한 결과를 보여주는 도면이다.

스윕 방향이 정해지면, 밴드형의 슬라이스를 구성 공간지도에 적용하여 영역 분리를 한다(S260). 밴드형 슬라이스를 스윕 방향에 따라 이동시키면서 자유공간(Free space) 조각(Segment)을 얻을 수 있다. 예를 들어, 도 7a에서와 같이 구성 공간지도에서 밴드형 슬라이스의 스윕 각도가 90도이고 스윕 방향이 오른쪽 방향(즉 0도)이라고 가정하자. 밴드형 슬라이스를 차례로 이동시키면서 자유공간 조각에 대하여 아이디(ID)를 할당한다. 이와 함께, 밴드형 슬라이스가 자유공간 내부의 장애물을 만나는 경우에는 자유공간 조각이 분리될 수 있다.

도 7a를 참조하면, 슬라이스를 오른쪽으로 스윕하면서 자유공간 조각(700)이 형성되고, 이렇게 형성된 자유공간 조각(700)이 장애물에 방해되지 않고 인접해 있다면 자유공간 조각을 하나로 하여 하나의 아이디(ID)를 부여할 수 있다. 다시 말해, 도 7a의 왼쪽에 있는 2 개의 자유공간 조각을 하나의 아이디(ID)인 '1'을 부여하여 하나의 영역으로 할 수 있다.

이에 반하여, 장애물에 의해 자유공간 조각(710, 720)이 나누어 지는 경우에는 각 자유공간 조각에 아이디를 각각 부여할 수 있다. 예를 들어, 도 7a에서 장애물에 의해 자유공간 조각이 2 개로 나누어지는 경우에 상부에 있는 자유공간 조각에는 '2'인 아이디(710)를 할당하고 하부에 있는 자유공간 조각에는 '3'인 아이디(720)를 할당할 수 있다.

그리하여, 슬라이스에 의하여 구성 공간지도를 스윕하면서 자유공간 조각을 얻고, 이러한 자유공간 조각에 아이디를 부여함으로써 도 7b에서와 같이 영역을 분리할 수 있다.

이러한 영역 분리는 도 7b에서와 같이 구성 공간지도가 벽면(320)이나 장애물(310)을 매끄럽게 인식하는 경우에는 종래에 라인(Line)에 의한 스윕 방식과 차이가 없을 수 있다. 하지만, 도 1에서 이미 도시한 바와 같이 센서 등의 오차로 인하여 획득된 구성 공간지도에서 벽면이나 장애물의 테두리가 균일하지 아니하는 경우에는 다수의 불필요한 크리티컬 포인트(160)가 생성되어 이로 인하여 벽면 또는 장애물 근방에서 다수의 작은 영역이 생성되는 문제가 있었다. 본 발명의 일 실시예에서 적용하는 밴드형 슬라이스에 의해 구성 공간지도를 스윕함으로써 벽면 또는 장애물에서의 불필요한 크리티컬 포인트에 의한 효과를 차단할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시에에 따라 밴드형 슬라이스를 적용하면서 아이디를 부여하는 네가지 경우를 보여주는 도면이며, 도 9는 본 발명의 일 실시에에 따라 도 6에서 작성된 구성 공간지도에 밴드형 슬라이스를 적용하여 영역을 분리한 결과를 보여주는 도면이다.

도 8을 참조하면, 자유공간 조각에 아이디를 부여하는 방법은 다음의 네가지 경우로 나눌 수 있다.

첫째는 2개 이상의 자유공간 조각이 공통된 이전의 자유공간 조각과 접해 있는 경우이다. 예를 들어, 도 8-1에서 도시하는 바와 같이 아이디가 '1'이 할당된 공통된 자유공간 조각에 대하여 2개의 자유공간 조각이 접해 있는 경우에는 각 자유공간 조각에 대하여 새로운 아이디를 부여할 수 있다. 그리하여 하나의 자유공간 조각에는 '2'라는 아이디를 부여하고, 다른 하나에는 '3'이라는 아이디를 부여한다.

둘째는 자유공간 조각이 이전의 다수개 자유공간 조각과 접해 있는 경우이다. 예를 들어, 도 8-2에서 보는 바와 같이 상부와 하부에 각각 '1'과 '2'의 아이디가 할당된 자유공간 조각들에 대하여 새로운 자유공간 조각이 접해 있다. 이러한 경우에는 새로운 자유공간 조각에 새로운 아이디를 부여할 수 있다. 따라서 새로운 자유공간 조각에는 '3'이라는 아이디를 부여할 수 있다.

셋째는 자유공간 조각이 오직 장애물이나 벽면과 접해 있는 경우이다. 이 경우는 슬라이스에 의한 스윕을 시작하는 것이므로 새로운 아이디를 부여한다. 예를 들어, 도 8-3에서도 새로운 아이디인 '1'을 부여할 수 있다.

네번째는 자유공간 조각에 이전의 자유공간 조각에 접해 있는 경우이다. 다시 말해, 자유공간 조각이 일대일로 붙어 있다는 의미이다. 이렇게 연속적으로 접해 있는 자유공간에 대해서는 이전의 아이디를 부여한다. 예를 들어, 도 8-4에서와 같이 연속적으로 연결되어 있는 자유공간 조각에 대하여는 이전의 아이디인 '1'을 부여할 수 있다.

위와 같은 네 가지의 자유공간 조각에 아이디를 할당하는 방법에 의해 영역 분리를 할 수 있다. 예를 들어, 도 7a에 도시된 구성 공간지도상에서 상술한 네 가지의 경우를 나누어 영역 분리를 한다고 가정하자. 오른쪽 방향으로 스윕하면서 초기에는 셋째와 넷째의 경우에 해당하여 아이디가 1이 할당될 수 있다. 계속적인 스윕에 의해 장애물을 만나 자유공간 조각이 위와 아래로 나누어 지면서 첫번째 경우가 될 수 있다. 따라서 위의 자유공간 조각에는 2라는 아이디를 부여하고, 아래의 자유공간 조각에는 3이라는 아이디를 부여할 수 있다. 장애물이 끝나는 지점에서의 스윕은 두번째 경우에 해당된다. 따라서 새로운 아이디인 4를 할당할 수 있다.

아이디가 할당된 후에 밴드형 슬라이스에 의해 다음의 자유공간 조각이 형성된다. 형성된 자유공간 조각이 이전의 자유공간 조각과 일대일로 접해 있으면 새로운 아이디를 부여하지 아니하므로 도 7a에서의 자유공간 영역에서는 각 아이디가 할당된 후에는 넷째 경우에 해당되어 장애물을 만나거나 장애물이 없어지기 전까지의 슬라이스에 의한 스윕에서 새로운 아이디를 부여하지 않는다. 따라서, 도 7b에서와 같이 '4'까지의 아이디가 할당되어, 4개의 영역으로 분리될 수 있다.

상술한 바와 같은 밴드형 슬라이스에 의한 스윕에 의해 영역분리를 하는 방법을 일반적인 아파트 공간에 적용하여 영역 분리를 한 도면이 도 9에서 보여진다. 이러한 영역 분리는 도 6에서 도시된 구성 공간지도를 이용하여 이루어진다. 작성된 구성 공간지도에 대하여 우세한 방향을 추출하여 스윕 각도를 결정한다. 예를 들어, 스윕 각도가 90도로 선택된 경우에 스윕 방향이 오른쪽이 되고, 따라서 도 9에서와 같이 다수의 영역으로 분리될 수 있다.

밴드형 슬라이스를 사용함으로써 벽면 또는 장애물의 경계 지점에서 다수의 영역 분리가 되는 문제점이 줄어 들수 있다. 도 9에서 보는 바와 같이, 영역 내의 좌측과 우측 끝면에서의 영역이 다수개로 나누어 지지 아니하고 하나 또는 두개 정도로 나누어져 벽면 또는 장애물의 경계 지점에서의 노이즈에 의해 영역이 다수개로 분리되는 문제가 줄어듬을 알 수 있다. 다만 슬라이스의 너비(Width)의 크기에 따라 벽면 또는 구석 부분에서 좁은 면적의 영역이 생성될 수 있다.

도 10은 노이즈 셀을 제거하고 영역을 병합하는 과정을 보여주는 도면이며, 도 11은 도 9에서 얻어진 결과에 노이즈 셀을 제거하고 영역을 병합한 결과를 보여주는 도면이다.

슬라이스를 이용한 스윕에 의해 영역 분리를 한 후에는 셀 노이즈를 제거하고(S270), 셀 노이즈가 제거되면서 영역 병합하는 단계를 거친다(S280).

벽면에 굴곡이 심하거나 벽면에 기둥이 있어 벽면이 일부 뛰어 나온 경우에는 슬라이스에 의하여 영역 분리를 하더라도 다수개의 영역이 만들어 질 수 있다. 예를 들어, 도 10-1에서 왼쪽 도면에 도시된 바와 같이 자유공간 조각이 형성되었다고 가정하자. 3이라는 아이디가 할당된 부분은 상당히 작은 공간이므로 영역으로 인정하기에 부족할 수 있고, 이를 노이즈 셀로 처리함으로써 기존의 영역에 병합할 수 있다.

셀의 너비 또는 셀의 면적을 기준으로 임계치 이하에 해당되는 셀에 대하여는 노이즈 셀로 지정할 수 있다. 노이즈 셀로 지정이 되면 인접하는 타 영역과 병합할 수 있다(S270). 이와 함께, 노이즈 셀이 제거됨으로 인하여 영역상의 분리가 올바른지 확인하고, 노이즈 셀로 인하여 영역이 분리된 부분이 있으면 이를 병합할 수 있다(S280).

도 10-1에서 보는 바와 같이, 노이즈 셀을 제외하고 두개의 영역이 접하고 있거나 또는 하나의 영역만 있는 경우에는 노이즈 셀을 제외하면 하나의 영역이 될 수 있다. 따라서 노이즈 셀을 병합하면서 전체로 하나의 영역으로 병합할 수 있다. 도 10-1은 노이즈 셀이 병합되면서 노이즈 셀을 제외한 두개의 영역이 노이즈 셀에 의해서 나누어진 경우이므로 이를 병합하여 하나의 영역이 되게 한다.

반면에 노이즈 셀을 제외하더라도 접해 있는 영역이 세 개 이상이 되는 경우에는 노이즈 셀이 없는 경우에도 세 개 이상의 영역으로 나누어 질 수 있으므로 노이즈 셀에 대해서만 병합할 수 있다. 도 10-2에서 도시하는 바와 같이, 노이즈 셀을 접하고 있는 영역에 병합한 후에도 세 개의 영역으로 나누어 질 수 있으므로 다른 영역과는 병합할 수 없다.

도 9에서 얻어진 결과에 위와 같은 셀 노이즈 제거 및 영역 병합 단계를 적용하여 도 11을 얻을 수 있다. 도 11에서는 밴드형 슬라이스의 스윕에 의해 영역 분리를 하였으며, 영역 일부에 너비가 작거나 면적이 좁은 노이즈 셀이 존재한다. 이러한 노이즈 셀을 위에서 상술한 노이즈 제거 방법에 의해 병합하고, 노이즈 제거 후에 영역들에 대한 병합을 함으로써 전체 영역의 개수를 줄일 수 있다. 이와 함께 노이즈 셀을 제거하고 영역을 병합함으로써 하나의 영역으로 인식되는 영역의 넓이를 넓혀주어 로봇으로 하여금 하나의 영역에서 효율적으로 작업을 수행하도록 할 수 있다.

도 12a와 도 12b는 도 9 및 도 11의 영역 분리의 결과중에서 왼쪽 하단 부분을 확대하여 보여주는 도면이다.

도 12a에서는 밴드형 슬라이스에 의해 영역 분리를 한 결과를 보여주는 도면으로, 비교적 영역 분리가 효과적으로 되지만 영역 2, 11 및 25의 노이즈 셀에 의해서 영역이 좀 더 잘게 분리될 수 있다.

이러한 노이즈 셀(2, 11, 25)을 접해 있는 영역에 병합시키고(S270), 노이즈 셀 제거 후에 영역 병합을 수행함으로써(S280) 다수개의 영역으로 분리된 부분이 하나의 영역으로 병함됨을 볼 수 있다.

예를 들어, 로봇이 청소용 로봇인 경우에는 도 12b에서와 같이 장애물이 없는 방 하나를 슬라이스의 스윕에 의해 영역을 분리하고 셀 노이즈를 제거하면서 영역 병합함에 의해 분리되는 영역의 수를 줄일 수 있다. 그리하여 청소용 로봇이 방 내부를 영역의 수만큼 나누어서 청소를 하게 되는데, 영역의 수가 줄어들게 되므로 효율적으로 청소할 수 있다.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇의 영역분리 장치를 보여주는 블록도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇의 영역분리 장치는 점유율 격자지도 작성부(1300), 임계치 적용부(1310), 자유공간 노이즈 제거부(1320), 구성 공간지도 작성부(1330), 스윕 방향 추출부(1340), 영역 분리부(1350), 셀 노이즈 제거부(1360) 및 영역 병합부(1370)를 포함할 수 있다.

점유율(Occupancy) 격자지도 작성부(1300)는 작업을 수행할 공간에 대하여 로봇이 자율적으로 주행하면서 격자지도를 작성하는 역할을 한다. 점유율(Occupancy) 격자지도 작성부에 의해서 다수의 격자점들이 추출될 수 있고, 이러한 격자점들은 0에서 1사이에 확률값으로 표현되는 확률 격자점이다.

임계치 적용부(1310)는 확률 격자점들에 대하여 임계치를 적용함으로써 각 점의 확률값과 임계치를 비교함으로써 0또는 1값들로 변환한다. 따라서 1이 되는 격자점들은 벽 또는 장애물 등의 물체가 점유하는 부분이 되고, 0이 되는 격자점들은 자유공간이 된다.

자유공간 노이즈 제거부(1320)는 침식(Erosion) 또는 팽창(Dilatation)을 통하여 자유공간의 노이즈를 제거하는 역할을 한다. 따라서 침식 후 팽창 과정을 거치거나 팽창 후 침식 과정을 통하여 노이즈를 제거함으로써 장애물이 있는 부분과 자유공간으로 이루어지는 지도를 얻을 수 있다.

구성(Configuration) 공간지도 작성부(1330)는 침식(Erosion) 처리에 의해 구성(Configuration) 공간지도를 작성하는 역할을 한다. 침식 처리는 장애물 또는 벽면에 대하여 로봇의 크기를 고려하여 장애물 또는 벽멱을 두껍게 처리함으로써 자유공간을 줄인다. 따라서 작성된 구성(Configuration) 공간지도를 이용하여 로봇이 하나의 점으로 변환될 수 있고, 자유공간상에서 영역 분리를 수행할 수 있다.

스윕 방향 추출부(1340)는 획득된 구성(Configuration) 공간지도에서 가장 우세한 선 그룹을 찾아서 이를 스윕 각도로 추출하는 역할을 한다. 공간지도에서 선을 검색하기 위해 허프 변환(Hough Transform), 라돈 변환(Radon Transform) 또는 히스토그램 기법(Histogram Method)를 사용할 수 있다.

영역 분리부(1350)는 획득된 구성(Configuration) 공간지도를 스윕 방향에 따라 스윕하면서 영역을 분리하는 역할을 한다. 밴드형 슬라이스를 이용하여 공간지도를 스윕함으로써 센서 등의 오차로 인하여 구성(Configuration) 공간지도상의 벽면 또는 장애물 근방에서 불필요한 영역 분리를 줄일 수 있다. 영역 분리부는 자유공간 조각에 아이디를 부여하는 방식을 이용하여 영역을 효율적으로 나눌 수 있다.

셀 노이즈 제거부(1360)는 영역 분리부에 의해 나누어진 영역 중에서 너 비(width) 또는 면적이 일정값보다 작은 영역을 노이즈로 지정하고 이를 제거하는 역할을 한다. 노이즈 셀로 지정되면, 이러한 노이즈 셀을 인접한 영역에 병합할 수 있다.

영역 병합부(1370)는 노이즈 셀을 병합후에 영역 분리가 올바른지 판단하고, 올바르지 않게 분리된 영역을 병합하는 역할을 한다. 노이즈 셀에 의하여 서로 다른 영역으로 나누어지는 경우에는 영역 병합부가 이를 판단하여 하나의 영역으로 병합할 수 있다. 그리하여, 굴곡이 심한 환경에서 다수의 노이즈 셀이 생겨나고 이로 인하여 다수의 영역도 발생한 경우에는 노이즈 셀을 제거하면서 다수의 영역에 대하여도 병합을 시도함으로써 노이즈 셀에 의한 영역 분리 효과를 제거하고 로봇이 효율적으로 작업을 수행하는 영역을 제공할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

상기한 바와 같은 본 발명은 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상이 있다.

첫째, 밴드형 슬라이스에 의하여 영역 분리를 함으로써 벽면 또는 장애물 감지의 오차로 인하여 벽면 또는 장애물 근방에 다수의 영역이 생성되는 것을 줄일 수 있다.

둘째, 구성(Configuration) 맵을 작성함으로서 로봇의 크기를 고려하지 아니하고 영역 분리를 할 수 있다.

셋째, 영역 분리를 하면서 발생하는 다수의 작은 영역인 노이즈 셀을 병합하여 로봇이 효율적으로 작업할 수 있다.

넷째, 노이즈 셀 제거 및 영역 분리된 다수의 영역에 대하여 병합함으로써 로봇이 실직적으로 작업할 수 있는 영역으로 분리할 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

Claims (20)

1. (a) 장애물과의 거리를 감지하여 확률적으로 분포하는 격자점(Grid points)으로 이루어지는 점유율(Occupancy) 격자지도를 작성하는 단계;

   (b) 로봇의 반경 또는 크기에 근거하여 상기 점유율 격자지도내의 장애물과 벽면의 두께를 두껍게 함으로써 구성(Configuration) 공간지도를 작성하는 단계; 및

   (c) 상기 구성 공간지도내에서 밴드형 슬라이스(Slice)를 일방향으로 스윕(Sweep)함에 의해 영역을 분리하는 단계를 포함하는, 이동로봇의 영역분리 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 (a) 단계는

   초음파, 적외선 또는 레이저 센서와 같은 거리 측정 센서를 이용하여 거리를 감지하는, 이동로봇의 영역분리 방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 점유율 격자지도로부터 임계치를 적용하여 자유공간 또는 장애물 영역으로 구분되는 격자지도를 작성하는 단계를 더 포함하는, 이동로봇의 영역분리 방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 자유공간 또는 장애물 영역으로 구분되는 격자지도로부터 자유공간 노이즈를 제거하는 단계를 더 포함하는, 이동로봇의 영역분리 방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기 자유공간 노이즈를 제거하는 단계는

   장애물과 벽면의 두께를 일정 크기만큼 두껍게 하는 침식(Erosion) 처리 및 장애물과 벽면의 두께를 일정 크기만큼 얇게 하는 팽창(Dilatation) 처리에 의해 수행되는, 이동로봇의 영역분리 방법.
6. 제 1항에 있어서, 상기 (b) 단계는

   장애물 및 벽면의 두께를 로봇의 반경만큼 두껍게 하는 침식(Erosion) 처리에 의해 구성 공간지도를 작성하는 단계를 포함하는, 이동로봇의 영역분리 방법.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 구성 공간지도로부터 빈도가 가장 높은 라인(Line) 방향의 수직 방향에 대하여 밴드형 슬라이스의 스윕 방향으로 추출하는 단계를 더 포함하는, 이동로봇의 영역분리 방법.
8. 제 7항에 있어서, 상기 스윕 방향으로 추출하는 단계는

   허프 변환(Hough Transform), 라돈 변환(Radon Transform) 및 히스토그램 기법(Histogram Method) 중 어느 하나를 사용하여 상기 구성 공간지도로부터 빈도가 가장 높은 라인 방향의 수직 방향에 대하여 밴드형 슬라이스의 스윕 방향으로 추출하는 단계를 포함하는, 이동로봇의 영역분리 방법.
9. 제 1항에 있어서,

   영역의 너비(Width)가 제1 임계치 보다 작거나 또는 영역의 면적이 제2 임계치 보다 좁은 노이즈 셀을 인접한 영역으로 병합하는 단계를 더 포함하는, 이동로봇의 영역분리 방법.
10. 제 9항에 있어서,

    노이즈 셀 병합 후에 두 개의 상호 접하고 있는 영역을 하나로 병합하는 단계를 더 포함하는, 이동로봇의 영역분리 방법.
11. 장애물과의 거리를 감지하여 확률적으로 분포하는 격자점(Grid points)으로 이루어지는 점유율(Occupancy) 격자지도를 작성하는 점유율 격자지도 작성부;

    로봇의 반경 또는 크기에 근거하여 상기 점유율 격자지도내의 장애물과 벽면의 두께를 두껍게 함으로써 구성(Configuration) 공간지도를 작성하는 구성 공간지도 작성부; 및

    상기 구성 공간지도내에서 밴드형 슬라이스(Slice)를 일방향으로 스윕(Sweep)함에 의해 영역을 분리하는 영역 분리부를 포함하는, 이동로봇의 영역분리 장치.
12. 제 11항에 있어서, 상기 점유율 격자지도 작성부는

    초음파, 적외선 또는 레이저 센서와 같은 거리 측정 센서를 이용하여 거리를 감지하는, 이동로봇의 영역분리 장치.
13. 제 11항에 있어서,

    상기 점유율 격자지도로부터 임계치를 적용하여 자유공간 또는 장애물 영역으로 구분되는 격자지도를 작성하는 임계치 적용부를 더 포함하는, 이동로봇의 영역분리 장치.
14. 제 11항에 있어서,

    상기 자유공간 또는 장애물 영역으로 구분되는 격자지도로부터 자유공간 노이즈를 제거하는 자유공간 노이즈 제거부를 더 포함하는, 이동로봇의 영역분리 장치.
15. 제 14항에 있어서, 상기 자유공간 노이즈 제거부는

    장애물과 벽면의 두께를 일정 크기만큼 두껍게 하는 침식(Erosion) 처리 및 장애물과 벽면의 두께를 일정 크기만큼 얇게 하는 팽창(Dilatation) 처리를 수행하는, 이동로봇의 영역분리 장치.
16. 제 11항에 있어서, 상기 구성 공간지도 작성부는

    장애물 및 벽면의 두께를 로봇의 반경만큼 두껍게 하는 침식(Erosion) 처리에 의해 구성 공간지도를 작성하는, 이동로봇의 영역분리 장치.
17. 제 11항에 있어서,

    상기 구성 공간지도로부터 빈도가 가장 높은 라인(Line) 방향의 수직 방향에 대하여 밴드형 슬라이스의 스윕 방향으로 추출하는 스윕 방향 추출부를 더 포함하는, 이동로봇의 영역분리 장치.
18. 제 17항에 있어서, 상기 스윕 방향 추출부는

    허프 변환(Hough Transform), 라돈 변환(Radon Transform) 및 히스토그램 기법(Histogram Method) 중 어느 하나를 사용하여 상기 구성 공간지도로부터 빈도가 가장 높은 라인 방향의 수직 방향에 대하여 밴드형 슬라이스의 스윕 방향으로 추출하는, 이동로봇의 영역분리 장치.
19. 제 11항에 있어서,

    영역의 너비(Width)가 제1 임계치 보다 작거나 또는 영역의 면적이 제2 임계치 보다 좁은 노이즈 셀을 인접한 영역으로 병합하는 단계를 더 포함하는, 이동로봇의 영역분리 장치.
20. 제 19항에 있어서,

    노이즈 셀 병합 후에 두 개의 상호 접하고 있는 영역을 하나로 병합하는 영역 병합부를 더 포함하는, 이동로봇의 영역분리 장치.

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