KR20000051838A - Localization method for an automated guided vehicle navigating on the vertical wall - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 2차원 수직 벽면 위에서 주행하는 이동체가 자신의 절대 위치를 인식하도록 하는 위치 인식장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 경사각 센서와 레이저 스캐너를 이용하여 2차원 수직 평면 상에서의 이동체의 절대 위치를 계산하도록 하는 수직 벽면 이동체의 위치 인식장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a position recognition device and a method for allowing a moving object traveling on a two-dimensional vertical wall to recognize its own absolute position. In particular, an absolute position of the moving object on a two-dimensional vertical plane is calculated using an inclination sensor and a laser scanner. The present invention relates to an apparatus and a method for recognizing a position of a vertical wall moving object.
종래 기술로는 미합중국 특허 4,811,228호(등록일 1989년 3월 7일) "Method of navigating an automated guided vehicle" 가 있다. 이 종래 기술에는 평면 위를 주행하는 이동체의 절대위치 인식을 위해서 회전하는 레이저광을 이용하는 방법이 제안되고 있다. 이를 위하여 이 종래 특허는 이동체를 둘러싸고 있는 적어도 3개 이상의 고정된 반사체를 이용한다.The prior art is US Pat. No. 4,811,228, registered March 7, 1989, entitled "Method of navigating an automated guided vehicle." In this prior art, a method of using a rotating laser light for the absolute position recognition of a moving object traveling on a plane has been proposed. To this end, this prior patent uses at least three or more fixed reflectors surrounding the moving body.
이러한 종래 기술을 2차원 수직 평면에 적용하려면, 이동체가 주행하는 2차원 수직 평면 위의 임의의 위치에 다수의 반사체를 설치하고, 회전하는 레이저광을 이용하여 이동체와 다수의 반사체와의 상대적인 방향각을 검출하여 이동체의 위치를 알아내어야 한다. 이때, 다수의 반사체는 적어도 3개 이상이어야 하고, 동일한 직선 위에 놓이지 않아야 한다.In order to apply such a prior art to a two-dimensional vertical plane, a plurality of reflectors are provided at arbitrary positions on a two-dimensional vertical plane on which the moving object travels, and a relative direction angle between the moving object and the plurality of reflectors using a rotating laser light is provided. The position of the moving object should be detected by detecting In this case, the plurality of reflectors should be at least three or more, and not on the same straight line.
즉, 이동체의 절대 위치(X,Y)와 방향각(Θ) 등 3가지 미지수를 알아내기 위해서는 적어도 3개의 반사체가 필요하다. 또한, 적어도 3개의 반사체는 이동체의 좌우에 고루 분포되게 설치하여야 충분한 위치 인식의 분해능을 얻을 수 있다. 이와 같은 위치 인식장치를 벽면 주행 로봇과 같이 수직 벽면을 주행하는 이동체에 적용하려면, 수직 벽면의 위와 아래에 골고루 반사체를 설치하여야 한다.That is, at least three reflectors are required to determine three unknowns such as the absolute positions (X, Y) and the direction angle (Θ) of the moving object. In addition, at least three reflectors should be provided evenly distributed on the left and right sides of the moving body to obtain sufficient resolution of position recognition. In order to apply such a position recognition device to a moving object traveling on a vertical wall like a wall traveling robot, a reflector should be installed evenly above and below the vertical wall.
그러나, 수직 벽면을 주행하는 차량의 경우에는 여러 개의 반사체를 원하는 위치에 설치하기가 곤란한 경우가 종종 있다. 특히, 유해한 환경이나 수중 벽면과 같은 환경, 예를 들어 방사성 물질이 존재하는 원자력 발전시설 내부의 수조에서는 접근이 용이한 수직 벽면의 윗부분 외에는 반사체를 설치하기가 곤란하여 원하는 위치 인식 분해능을 얻기 어려운 문제점이 있었다.However, in the case of a vehicle traveling on a vertical wall, it is often difficult to install a plurality of reflectors at a desired position. In particular, in a hazardous environment or an environment such as an underwater wall, for example, in a tank inside a nuclear power plant where radioactive materials exist, it is difficult to install a reflector except for the upper part of an easily accessible vertical wall, and thus it is difficult to obtain a desired position recognition resolution. There was this.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 이동체가 경사각 센서를 이용하여 자신의 지향각을 검출하고 이 지향각을 기준으로 재귀반사체의 방향각을 검출하여, 이를 이용하여 자신의 절대 위치를 알아냄으로써, 수직 벽면을 자율적으로 주행 가능할 수 있도록 한 수직 주행 이동체의 위치 인식장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made in order to solve the problems of the prior art, the moving object detects its own direction angle using the inclination angle sensor and detects the direction angle of the retroreflector based on the direction angle, It is an object of the present invention to provide an apparatus and a method for recognizing a position of a vertical traveling moving body that enables autonomous driving of a vertical wall surface by finding an absolute position thereof.
도 1은 본 발명에 따른 이동체의 절대 위치 인식장치의 원리를 설명하기 위한 도면,1 is a view for explaining the principle of the absolute position recognition apparatus of the moving body according to the present invention,
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 수직 주행 이동체의 위치 인식장치의 레이저 스캐너를 도시한 개략적인 구성도,2 is a schematic diagram illustrating a laser scanner of a position recognizing apparatus of a vertical traveling moving body according to an embodiment of the present invention;
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 원점 검출수단을 도시한 구성도,3 is a block diagram showing the origin detection means according to an embodiment of the present invention,
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 반사광 검출수단을 도시한 구성도,4 is a block diagram showing reflected light detecting means according to an embodiment of the present invention;
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 연산 처리부를 도시한 구성도,5 is a block diagram showing an operation processing unit according to an embodiment of the present invention;
도 6의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 실시예에 따라 구성된 절대 위치 인식장치의 타이밍 그래프도이다.6A to 6C are timing charts of an absolute position recognition device constructed in accordance with an embodiment of the present invention.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※※ Explanation of code about main part of drawing ※
10 : 레이저 스캐너 11 : 레이저 다이오드10 laser scanner 11: laser diode
12 : 빔 스플리터 13 : 회전반사경12: beam splitter 13: rotating reflector
14 : 광학 밴드패스 필터 15 : 집광용 볼록렌즈14 optical band pass filter 15 convex lens for condensing
16 : 광 검출소자 17 : 반사경16 optical detection element 17 reflector
18 : 산란용 볼록렌즈 19 : 엔코더18: convex lens for scattering 19: encoder
20 : 모터 21 : 제1풀리20: motor 21: first pulley
22 : 벨트 23 : 제2풀리22: belt 23: second pulley
24 : 재귀반사체 31 : 회전원판24: retroreflective body 31: rotating disk
32 : 포토커플러 33 : 발광부32: photo coupler 33: light emitting unit
34 : 수광부 35 : 엔코더34: light receiver 35: encoder
41 : 비교기 51 : 마이크로 프로세서41: comparator 51: microprocessor
54 : 펄스 카운터 56 : 경사각 센서54 pulse counter 56 tilt angle sensor
57 : 아날로그/디지털 변환기57: analog to digital converter
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 수직 주행 이동체의 위치 인식장치는, 수직 평면을 주행하는 이동체의 위치를 인식하는 장치에 있어서,In order to achieve the above object, the position recognizing apparatus of the vertical traveling moving body according to the present invention is a device for recognizing the position of the moving object traveling on a vertical plane,
상기 이동체가 주행하는 수직 평면과 평행하게 상기 이동체에 설치되어, 상기 이동체의 지향각을 검출하는 경사각 센서와,An inclination angle sensor installed in the movable body in parallel with a vertical plane on which the movable body travels, and detecting an orientation angle of the movable body;
상기 수직 평면에 설치된 적어도 2개 이상의 재귀반사체,At least two retroreflectors installed in the vertical plane,
상기 이동체에 설치되어 회전하는 레이저광을 출력하고, 상기 각각의 재귀반사체로부터 반사되는 반사광을 입력받는 레이저 스캐너, 및A laser scanner mounted on the movable body to output rotating laser light, and receiving reflected light reflected from each retroreflective body;
상기 경사각 센서에 의해 감지된 이동체의 지향각과 상기 레이저 스캐너에 의해 감지된 반사광으로부터 상기 각각의 재귀반사체의 방향각을 계산하고, 상기 이동체의 절대 위치를 계산하는 연산 처리부를 포함한 것을 특징으로 한다.And an arithmetic processing unit for calculating a direction angle of each retroreflective body from the direction angle of the moving object detected by the tilt angle sensor and the reflected light detected by the laser scanner, and calculating an absolute position of the moving object.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명에 따른 수직 주행 이동체의 위치 인식장치는, 이동체에 장착된 경사각 센서(tilt angle sensor)와, 이동체에 장착된 레이저 스캐너(laser scanner), 이동체가 주행하는 수직 평면에 설치된 2개의 재귀반사체(retro-reflector), 반사광 검출부, 및 연산 처리부로 구성된다. 경사각 센서는 수평면에 대한 이동체의 지향각을 측정하고, 레이저 스캐너는 회전하는 레이저광을 출력하며 재귀반사체로부터 반사되는 반사광을 검출한다. 반사광 검출부는 레이저 스캐너에서 검출된 반사광을 전기적인 신호로 변환시켜 재귀반사체의 상대적 방향각을 검출한다. 연산 처리부는 측정된 이동체의 지향각과, 재귀반사체의 상대적 방향각으로부터 이동체의 절대 위치를 계산한다.The position recognition apparatus of the vertical traveling moving body according to the present invention includes a tilt angle sensor mounted on the moving body, a laser scanner mounted on the moving body, and two retro-reflective bodies installed on a vertical plane on which the moving body travels ( retro-reflector), a reflected light detector, and an arithmetic processor. The inclination angle sensor measures the directing angle of the moving object with respect to the horizontal plane, and the laser scanner outputs the rotating laser light and detects the reflected light reflected from the retroreflective body. The reflected light detector detects the relative direction angle of the retroreflector by converting the reflected light detected by the laser scanner into an electrical signal. The calculation processing unit calculates the absolute position of the moving object from the measured direction angle of the moving object and the relative direction angle of the retroreflective body.
여기서, 경사각 센서는 중력 방향에 대해 센서가 기울어진 각도에 해당되는 만큼의 전압신호를 출력하는 센서이다. 이 경사각 센서는 일반적으로 수중 로봇이나 비행체 등의 방향각을 재는 데 널리 이용되는 센서이며, 일 예로서 Lucas Electronics(미국)에서 생산하고 있는 인클리노미터(inclinmeter)와 같은 센서를 들 수 있다. 이 경사각 센서를 수직 벽면을 주행하는 이동체에 설치하면 이동체의 지향각을 알 수 있다.Here, the inclination angle sensor is a sensor that outputs a voltage signal corresponding to the inclination angle of the sensor with respect to the gravity direction. This inclination sensor is generally used to measure the direction angle of an underwater robot or a flying vehicle, and an example is an inclinometer manufactured by Lucas Electronics (USA). If the inclination angle sensor is installed on the movable body traveling on the vertical wall, the orientation angle of the movable body can be known.
즉, 경사각 센서는 중력 방향에 대해 센서의 기준면이 기울어진 각도가 ψ일 때, sin(ψ)에 비례하는 전압신호를 출력한다. 따라서, 경사각 센서를 이동체가 주행하는 수직 평면에 평행하도록 설치하면, 이동체의 지향각이 변함에 따라 경사각 센서의 출력 전압신호가 변하면서 수평면에 대한 이동체의 지향각을 알 수 있게 된다. 이렇게 측정된 이동체의 지향각을 기준으로 이동체에 대한 재귀반사체의 방향각이 검출된다.That is, the inclination angle sensor outputs a voltage signal proportional to sin (ψ) when the inclination angle of the reference plane of the sensor with respect to the gravity direction is ψ. Therefore, when the inclination angle sensor is installed to be parallel to the vertical plane on which the moving object travels, as the direction angle of the moving object changes, the output voltage signal of the inclination angle sensor changes so that the moving angle of the moving object with respect to the horizontal plane can be known. The orientation angle of the retroreflective body relative to the movable body is detected based on the orientation angle of the movable body measured in this way.
도 1은 본 발명에 따른 이동체의 절대 위치 인식장치의 원리를 설명하기 위한 도면이다. 이동체가 주행하는 2차원 수직 평면, 즉 운행 환경 내의 임의 지점에 절대 좌표계 {X, Y}의 원점이 고정되며, 이동체의 절대 위치는 절대 좌표계{X, Y} 상에서 절대 좌표값 Ov(Xv, Yv)으로 표시한다. 아울러, 이동체에 장착된 레이저 스캐너의 위치를 이동체 기준 좌표계 {x, y}의 원점으로 정의한다. 이동체 기준 좌표계 {x, y}는 경사각 센서에서 감지되는 이동체의 지향각(ψ)에 따라 회전한다.1 is a view for explaining the principle of the absolute position recognition apparatus of the moving body according to the present invention. The origin of the absolute coordinate system {X, Y} is fixed to a two-dimensional vertical plane in which the moving object travels, that is, at any point in the driving environment, and the absolute position of the moving object is the absolute coordinate value O v (X v in the absolute coordinate system {X, Y}. , Y v ). In addition, the position of the laser scanner mounted on the moving object is defined as the origin of the moving object reference coordinate system {x, y}. The moving object reference coordinate system {x, y} rotates according to the orientation angle ψ of the moving object detected by the tilt angle sensor.
레이저 스캐너는 두 개의 재귀반사체 A, B의 방향각 θ1, θ2를 이동체 기준 좌표계 {x, y} 상에서 측정한다. 즉, 이동체의 지향각(ψ)을 기준으로 재귀반사체 B의 방향각(θ1)과 재귀반사체 A의 방향각(θ2)을 구하고, 이 재귀반사체 A, B의 방향각(θ1, θ2)을 이용하여 절대 좌표계 {X, Y}에서의 재귀반사체 B의 방향각(α), 재귀반사체 A와 재귀반사체 B 사이의 각도(β)를 구한다. 또한, 절대 좌표계에서 재귀반사체 A와 재귀반사체 B 사이의 X축 방향 거리(D)와, 재귀반사체 A와 재귀반사체 B 사이의 Y축 방향 거리(H)를 구한다.The laser scanner measures the direction angles θ 1 and θ 2 of the two retroreflectors A and B on the moving object reference coordinate system {x, y}. That is, based on the orientation angles of the moving object (ψ) directions of the recursive reflector B angle (θ 1) and orientation of the recursive reflector A to obtain the respective (θ 2), the recursive reflector A, direction B, each (θ 1, θ 2 ), the direction angle α of the retroreflector B in the absolute coordinate system {X, Y} and the angle β between the retroreflector A and the retroreflector B are obtained. In addition, the X axis direction distance D between the retroreflector A and the retroreflector B and the Y axis direction H between the retroreflector A and the retroreflector B are obtained in the absolute coordinate system.
상기와 같은 변수의 값이 구해지면, 이를 수학식 1에 적용하여 재귀반사체 A로부터 이동체 기준 좌표계의 원점까지의 X방향 거리(dX)와 Y방향 거리(dY)를 구한다.When the value of the variable, such as the determined, applying it to Equation 1 to calculate the X-direction distance (X d) and the Y direction distance (Y d) from the origin of the moving object based on the coordinate system from the recursive reflector A.
위에서 언급하였듯이, dX, dY는 재귀반사체 A로부터 이동체 기준 좌표계의 원점까지의 X방향 및 Y방향 거리이고, ψ(-π＜ψ≤π)는 경사각 센서를 이용하여 측정된 절대 좌표계에서의 이동체의 지향각이다. 즉, ψ는 절대 좌표계 {X, Y}의 X축으로부터 이동체 기준 좌표계 {x, y}의 x축 까지의 각도를 의미한다. α(-π＜α≤π)는 레이저 스캐너로 검출하는 절대 좌표계{X, Y}에서의 재귀반사체 B의 방향각이고, β(0＜β≤π)는 이동체 기준 좌표계{x, y}에서의 재귀반사체 A와 재귀반사체 B 사이의 각도이며, D는 재귀반사체 A에서 재귀반사체 B까지의 X방향 거리이고, H는 재귀반사체 A에서 재귀반사체 B까지의 Y방향 거리이다.As mentioned above, d X , d Y are the distances in the X and Y directions from the retroreflector A to the origin of the moving object coordinate system, and ψ (-π <ψ≤π) in the absolute coordinate system measured using the tilt angle sensor. The orientation angle of the moving object. That is, ψ means an angle from the X axis of the absolute coordinate system {X, Y} to the x axis of the moving object reference coordinate system {x, y}. α (-π <α≤π) is the direction angle of the retroreflector B in the absolute coordinate system {X, Y} detected by the laser scanner, and β (0 <β≤π) in the moving object reference coordinate system {x, y} Is the angle between the retroreflector A and the retroreflector B, where D is the distance in the X direction from the retroreflector A to the retroreflector B, and H is the distance in the Y direction from the retroreflector A to the retroreflector B.
이와 같이 재귀반사체 A로부터 이동체 기준 좌표계의 원점까지의 X방향 및 Y방향 거리(dX, dY)가 구해지면, 이미 알려진 재귀반사체 A의 절대 좌표값으로부터 이동체의 절대 좌표값을 구할 수 있다.In this way, when the X and Y direction distances (d X , d Y ) from the retroreflective body A to the origin of the moving object reference coordinate system are obtained, the absolute coordinate values of the moving object can be obtained from the known absolute coordinate values of the retroreflective body A.
상기와 같은 원리를 적용하기 위하여, 레이저 스캐너는 회전하는 레이저광을 출력하여 재귀반사체로부터 반사되는 반사광을 입력받고, 연산 처리부는 이를 이용하여 상기 재귀반사체의 방향각을 계산하는데, 이를 보다 상세하게 살펴보기로 한다.In order to apply the above principle, the laser scanner outputs the rotating laser light and receives the reflected light reflected from the retroreflector, and the calculation processor calculates the direction angle of the retroreflector using the same. Let's look at it.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 레이저 스캐너를 도시한 구성도이고, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 원점 검출수단을 도시한 구성도이며, 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 반사광 검출수단을 도시한 구성도이며, 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 연산 처리부를 도시한 구성도이고, 도 6의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 실시예에 따라 구성된 절대 위치 인식장치의 타이밍 그래프도이며, 도 7은 마이크로 프로세서의 제어 흐름도이다.2 is a block diagram showing a laser scanner according to an embodiment of the present invention, Figure 3 is a block diagram showing the origin detection means according to an embodiment of the present invention, Figure 4 is an embodiment of the present invention 5 is a block diagram showing a reflected light detecting means according to the present invention, FIG. 5 is a block diagram showing an arithmetic processing unit according to an embodiment of the present invention, and FIGS. Fig. 7 is a timing graph of the configured absolute position recognition device, and Fig. 7 is a control flowchart of the microprocessor.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 레이저 스캐너는 레이저 다이오드(11)와, 빔 스플리터(12), 회전반사경(13), 광학 밴드패스 필터(14), 집광용 볼록렌즈(15), 광 검출소자(16), 반사광 검출수단, 회전반사경 구동수단, 광 제거수단 및 원점 검출수단으로 구성된다.2, a laser scanner according to the present invention includes a laser diode 11, a beam splitter 12, a rotating reflector 13, an optical band pass filter 14, a convex lens 15 for condensing, and light detection. Element 16, reflected light detecting means, rotating reflector driving means, light removing means, and origin detecting means.
여기서, 회전반사경 구동수단은 구동원인 모터(20)와, 모터(20)가 회전함에 따라 펄스신호를 출력하는 엔코더(19), 모터(20)의 회전력을 회전반사경(13)에게 제공하는 제1풀리(21), 벨트(22), 및 제2풀리(23)로 구성된다.Here, the rotation reflector driving means includes a motor 20, which is a driving source, an encoder 19 that outputs a pulse signal as the motor 20 rotates, and a first rotational force of the motor 20 to the rotation reflector 13. It consists of the pulley 21, the belt 22, and the 2nd pulley 23.
상기한 회전반사경에는 원점 검출수단이 장착되는데, 이 원점 검출수단은 도 3에 도시된 바와 같이 일부 구간이 반경방향으로 돌출된 회전원판(31)과, 상기 회전반사경이 회전하여 회전원판(31)의 돌출된 구간을 감지하는 포토 커플러(32)로 구성된다. 이 포토 커플러(32)는 발광부(33)와 수광부(34)로 구성되며, 회전원판(31)의 돌출되지 않은 구간에서는 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 발광부(33)에서 출사된 빛이 수광부(34)에 감지된다. 한편, 회전원판(31)의 돌출된 구간에서는 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이 발광부(33)와 수광부(34) 사이가 차단되면서 수광부(34)로는 빛이 감지되지 않는다. 이 포토 커플러(32)는 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 회전원판(31)의 돌출된 구간에서는 하이 레벨, 그 외의 구간에서는 로우 레벨이 출력되며, 이 포토 커플러(32)의 출력신호는 연산 처리부의 마이크로 프로세서(51)에 입력된다.The rotation reflecting mirror is equipped with an origin detecting means, which is a rotation disc 31 in which some sections protrude radially as shown in FIG. 3, and the rotation reflector rotates to rotate the rotation disc 31. It consists of a photo coupler 32 for detecting the protruding section of the. The photo coupler 32 is composed of a light emitting part 33 and a light receiving part 34, and is emitted from the light emitting part 33 in the non-protruding section of the rotating disc 31, as shown in (b) of FIG. The light is detected by the light receiver 34. On the other hand, in the protruding section of the rotating disc 31, as shown in (c) of FIG. 3 is blocked between the light emitting unit 33 and the light receiving unit 34, the light is not detected by the light receiving unit 34. As shown in FIG. 6A, the photo coupler 32 outputs a high level in the protruding section of the rotating disc 31 and a low level in the other section. The output signal of the photo coupler 32 is output. Is input to the microprocessor 51 of the arithmetic processing unit.
광 제거수단은 빔 스플리터(12)에서 분리되어 반사되는 레이저광의 이동 경로를 바꾸는 반사경(17)과, 상기 반사경에 의해 반사된 레이저광을 산란시키는 산란용 볼록렌즈(18)로 구성된다.The light removing means is composed of a reflecting mirror 17 for changing the movement path of the laser light separated and reflected by the beam splitter 12, and a scattering convex lens 18 for scattering the laser light reflected by the reflecting mirror.
레이저 다이오드(11)는 빛의 단면이 원형인 점(spot) 형태의 레이저광을 생성한다. 빔 스플리터(12)는 레이저광을 분리하여 절반 세기의 빛은 그대로 투과시키고 나머지 절반 세기의 빛은 거울면 반사와 같은 방향으로 반사시킨다. 즉, 빔 스플리터(12)에서 분리된 레이저광 중 절반은 회전반사경(13) 쪽으로 투과되고 나머지 절반은 반사경(17) 쪽으로 반사된다.The laser diode 11 generates a laser beam in the form of a spot having a circular cross section of light. The beam splitter 12 separates the laser light and transmits the light of half intensity as it is and reflects the other half light in the same direction as the mirror reflection. That is, half of the laser light separated from the beam splitter 12 is transmitted toward the rotation reflector 13 and the other half is reflected toward the reflector 17.
회전반사경(13)은 레이저광 축에 대해 45° 기울어져 있으며, 모터(20)에 의해 일정 속도로 회전한다. 빔 스플리터(12)를 투과한 레이저광은 회전반사경(13)에 의해 반사되는데, 광축에 수직인 평면을 따라 점 형태의 레이저광이 레이저 스캐너의 수직축을 중심으로 회전하면서 비추게 된다. 회전하는 레이저광 중 재귀반사체(24)에 도달한 빛은 재귀반사체(24)에 의해 반사되어 상기 회전반사경(13) 쪽으로 되돌아온다.The rotating reflector 13 is inclined at 45 ° with respect to the laser beam axis, and rotates at a constant speed by the motor 20. The laser beam transmitted through the beam splitter 12 is reflected by the rotation reflector 13, and the laser beam in the form of a dot is reflected while rotating about the vertical axis of the laser scanner along a plane perpendicular to the optical axis. The light reaching the retroreflective body 24 among the rotating laser light is reflected by the retroreflective body 24 and returned to the rotary reflector 13.
일반적으로 물체는 난반사를 일으키기 때문에 입사하는 빛이 여러 각도로 퍼지는 성질이 있으며, 거울과 같은 경면 물체는 입사하는 빛이 입사각과 같은 크기의 반사각으로 반사되는 특징을 갖는다. 그러나, 재귀반사체(24)는 일반적인 물체와는 달리 입사된 빛의 거의 대부분을 입사된 방향으로 되돌려 보내는데, 이때 반사광은 입사광보다 퍼진 형태가 된다. 이러한 재귀반사체(24)는 도로 표지판이나 중앙선 표식용 도로 매설물, 자동차나 자전거의 후면 반사체 등에 매우 유용하게 활용된다.In general, since an object causes diffuse reflection, incident light is spread at various angles, and a mirrored object such as a mirror has a characteristic that the incident light is reflected at a reflection angle of the same size as the incident angle. However, unlike the general object, the retroreflective body 24 sends back most of the incident light in the incident direction, where the reflected light is spread more than the incident light. Such a retroreflective body 24 is very usefully used for road signs, road markings for centerline markings, rear reflectors of automobiles and bicycles.
회전반사경(13)을 통해 레이저광이 재귀반사체(24)에 비추어지면, 재귀반사체(24)로 입사되는 동일한 경로를 따라 반사광이 회전반사경(13) 쪽으로 되돌아간다. 이 반사광은 회전반사경(13)을 거쳐서 빔 스플리터(12) 쪽으로 반사된다. 빔 스플리터(12)는 반사광을 분리하여 절반의 반사광은 레이저 다이오드(11) 쪽으로 투과시키고, 나머지 절반의 반사광은 광 검출소자(16) 쪽으로 반사시킨다.When the laser light is projected onto the retroreflector 24 through the rotary reflector 13, the reflected light is returned to the rotary reflector 13 along the same path incident on the retroreflector 24. The reflected light is reflected toward the beam splitter 12 via the rotation reflector 13. The beam splitter 12 separates the reflected light so that half of the reflected light is transmitted toward the laser diode 11 and the other half of the reflected light is reflected toward the photodetector 16.
빔 스플리터(12)에서 반사된 반사광은 광학 밴드패스 필터(14)를 통과하는데, 이 광학 밴드패스 필터(14)는 단색광인 반사광의 파장대 빛만 통과시키고, 다른 파장대의 빛은 차단하여 빛에 의한 노이즈를 최소화시키는 소자이다. 이 광학 밴드패스 필터(14)를 통과한 반사광은 집광렌즈(15)에서 집광되는데, 이 집광렌즈(15)는 반사광의 초점이 광 검출소자(16) 표면에 맺도록 하여 빛 신호의 세기를 강화시킴으로써 신호대 잡음비를 향상시킨다.Reflected light reflected by the beam splitter 12 passes through the optical bandpass filter 14. The optical bandpass filter 14 passes only the light in the wavelength band of the reflected light, which is monochromatic light, and blocks the light in the other wavelength bands, thereby preventing noise from the light. This element is minimized. The reflected light passing through the optical band pass filter 14 is collected by the condenser lens 15, which focuses the reflected light on the surface of the photodetector 16 to enhance the intensity of the light signal. This improves the signal-to-noise ratio.
수직 주행하는 이동체의 작업 환경에서 일반적인 물체의 표면은 대부분의 빛을 입사각의 반대쪽으로 반사시키기 때문에 회전반사경(13)을 통해 반사된 레이저광은 회전반사경(13)으로 입사되지 않는다. 그러나, 레이저광이 회전반사경(13)을 통해 재귀반사체(24)로 입사되는 순간에는 레이저광이 재귀반사체(24)로부터 회전반사경(13)으로 입사되기 때문에 광 검출소자(16)에는 매우 강도가 높은 반사광이 검출된다.Since the surface of a general object reflects most of the light to the opposite side of the angle of incidence in the working environment of the vertically moving moving object, the laser light reflected through the rotation reflector 13 is not incident on the rotation reflector 13. However, since the laser light is incident from the retroreflector 24 to the rotary reflector 13 at the moment when the laser light is incident on the retroreflector 24 through the rotary reflector 13, the intensity of the light detecting element 16 is very high. High reflected light is detected.
이 광 검출소자(12)에 의해 감지된 반사광은 도 4에 도시된 바와 같이 반사광 검출수단에 의해 신호 처리된다. 이 반사광 검출수단은, 광 검출소자에 수광되는 광량이 많아지면 출력전압이 커지는데, 이 출력전압과 기준전압을 비교하는 비교기(41)을 이용한다. 이때, 광 검출소자의 출력전압은 저항(R31)에 의해 인가되고, 기준전압은 가변저항(R32), 저항(R34)에 의해 인가된다. 비교기(41)는 출력전압이 기준전압보다 커지면 하이 레벨의 신호를 출력하고 출력전압이 기준전압보다 작으면 로우 레벨의 신호를 출력하는데, 출력단자로부터 도 6의 (c)에 도시된 바와 같은 신호가 출력된다.The reflected light sensed by the light detecting element 12 is signal processed by the reflected light detecting means as shown in FIG. The reflected light detecting means increases the output voltage when the amount of light received by the photodetecting device increases, and uses a comparator 41 for comparing the output voltage with the reference voltage. At this time, the output voltage of the photodetecting device is applied by the resistor R31, and the reference voltage is applied by the variable resistor R32 and the resistor R34. The comparator 41 outputs a high level signal when the output voltage is greater than the reference voltage, and outputs a low level signal when the output voltage is less than the reference voltage. The signal as shown in FIG. Is output.
한편, 회전반사경(13)은 모터(20)에 의해 구동되는데, 모터(20)에는 모터(20)와 동일한 회전축을 가지는 로터리 엔코더(19)가 부착되어 있다. 이 로터리 엔코더(19)는 모터(20)가 회전함에 따라 도 6의 (b)에 도시된 바와 같은 펄스신호를 출력하고, 연산 처리부는 이 펄스신호의 펄스를 계수하면서 모터(20)의 회전각도를 감지한다.On the other hand, the rotary reflector 13 is driven by the motor 20, the rotary encoder 19 having the same rotation axis as the motor 20 is attached to the motor 20. The rotary encoder 19 outputs a pulse signal as shown in FIG. 6 (b) as the motor 20 rotates, and the arithmetic processing unit counts the pulse of the pulse signal and rotates the rotation angle of the motor 20. Detect it.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 연산 처리부는, 엔코더(19)로부터 입력되는 펄스신호의 펄스를 계수하는 펄스 카운터(54)와, 경사각 센서(56)에서 감지되는 이동체의 지향각을 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환기(57), 상기 펄스의 카운터값과 이동체의 지향각과 반사광 검출수단(40)으로부터 감지된 신호와 포토커플러(32)에서 감지되는 원점 감지신호를 입력받아서 이를 이용하여 재귀반사체의 방향각을 계산하고 이동체의 절대 위치를 계산하는 마이크로 프로세서(51)로 구성된다.Referring to FIG. 5, the arithmetic processing unit according to the present invention includes a pulse counter 54 for counting pulses of a pulse signal input from the encoder 19 and a direction angle of the moving object detected by the tilt angle sensor 56. Analog-to-digital converter 57 for converting the signal, the counter value of the pulse, the direction angle of the moving object and the signal detected from the reflected light detecting means 40 and the origin detection signal detected by the photocoupler 32 are inputted and recursively used. It consists of a microprocessor 51 which calculates the direction angle of the reflector and calculates the absolute position of the moving object.
레이저 다이오드(11)에서 빔 스플리터(12)로 비추어진 레이저광은 빔 스플리터(12)에서 분리되어 절반의 레이저광이 빔 스플리터(12) 표면에서 왼쪽으로 반사되는데, 이 반사된 레이저광이 임의의 물체에 의해 반사되어 빔 스플리터(12)를 통해 광 검출소자(16) 쪽으로 입사될 가능성이 있기 때문에 광 제거수단을 이용하여 반사된 레이저광을 제거한다.The laser light emitted from the laser diode 11 to the beam splitter 12 is separated from the beam splitter 12 so that half of the laser light is reflected from the surface of the beam splitter 12 to the left, and the reflected laser light Since there is a possibility of being reflected by the object and incident on the photodetecting device 16 through the beam splitter 12, the reflected laser light is removed using the light removing means.
즉, 빔 스플리터(12)에 의해 반사된 레이저광을 제거하기 위하여 반사경(17)과 산란용 볼록렌즈(18)를 이용한다. 이 반사경(17)은 레이저광을 산란용 볼록렌즈(18) 방향으로 반사시키고 산란용 볼록렌즈(18)는 초점 흐름을 이용하여 레이저광을 산란시킨다. 이로써, 빔 스플리터(12)에서 분리된 불필요한 레이저광의 영향을 제거할 수 있다.That is, the reflector 17 and the scattering convex lens 18 are used to remove the laser light reflected by the beam splitter 12. The reflector 17 reflects the laser light in the direction of the scattering convex lens 18, and the scattering convex lens 18 scatters the laser light by using a focal flow. Thereby, the influence of the unnecessary laser light separated by the beam splitter 12 can be eliminated.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 이동체의 절대 위치 인식장치의 작용 및 효과는 다음과 같다.The operation and effect of the absolute position recognition device of the moving body according to the present invention configured as described above are as follows.
이동체가 수직 주행 벽면을 주행하면, 이동체에 상기 수직 벽면과 평행하게 설치된 경사각 센서는 이동체의 지향각을 측정하여 이를 마이크로 프로세서(51)로 제공한다. 이와 아울러 이동체에 설치된 레이저 스캐너(10)는 회전하는 레이저광을 출사한다. 이 레이저광은 두 개의 재귀반사체(24)에 의해 반사되어 레이저 스캐너(10)로 입사되는데, 레이저광의 회전속도는 광속보다 훨씬 더 느리기 때문에 레이저광의 입사는 출사와 거의 동시에 이루어진다. 즉, 레이저 스캐너로부터 재귀반사체로 레이저광이 출사되는 동시에, 상기 재귀반사체로부터 반사광이 레이저 스캐너로 입사된다.When the movable body travels on the vertical traveling wall, the inclination angle sensor installed in parallel with the vertical wall surface on the movable body measures the direction angle of the movable body and provides it to the microprocessor 51. In addition, the laser scanner 10 installed in the moving object emits a rotating laser light. This laser light is reflected by the two retroreflectors 24 and enters the laser scanner 10. Since the rotation speed of the laser light is much slower than the luminous flux, the incident of the laser light is made almost simultaneously with the emission. That is, the laser light is emitted from the laser scanner to the retroreflector, and the reflected light is incident from the retroreflector to the laser scanner.
이를 상세하게 설명하면, 레이저 다이오드(11)에서 발사된 레이저광은 빔 스플리터(12)에서 분리되어 일부의 레이저광은 회전반사경(13) 쪽으로 투과되고, 나머지 레이저광은 반사경(17) 쪽으로 반사된다. 반사경(17) 쪽으로 반사된 레이저광은 산란용 볼록렌즈(18) 쪽으로 다시 반사되어 산란된다.In detail, the laser light emitted from the laser diode 11 is separated from the beam splitter 12 so that a part of the laser light is transmitted toward the rotating reflector 13 and the other laser light is reflected toward the reflector 17. . The laser light reflected toward the reflector 17 is reflected back to the scattering convex lens 18 and scattered.
회전반사경(13) 쪽으로 투과된 레이저광은 360°회전하는 회전반사경(13)에 의해 반사되어 360° 회전하면서 출사된다. 이와 같은 경로로 레이저 스캐너(10)에서 출사된 레이저광가 재귀반사체(24)에 도달하면 재귀반사체(24)의 특성에 따라 입사광보다 퍼진 형태의 반사광이 레이저 스캐너(10)로 입사된다.The laser beam transmitted toward the rotating reflector 13 is reflected by the rotating reflector 13 which rotates 360 degrees and is emitted while rotating 360 degrees. When the laser light emitted from the laser scanner 10 reaches the retroreflector 24 through the path as described above, the reflected light having a shape spreading from the incident light is incident on the laser scanner 10 according to the characteristics of the retroreflector 24.
즉, 스폿 형태의 레이저광이 회전반사경(13)을 통해 재귀반사체(24)에 도달하는 순간, 재귀반사체(24)로부터 퍼진 형태의 반사광이 회전반사경(13)으로 반사된다. 이 반사광은 회전반사경(13)에서 반사되어 빔 스플리터(12)에서 분리되는데, 일부의 반사광은 레이저 다이오드(11) 쪽으로 투과되고, 나머지 반사광은 광학 밴드패스 필터(14) 쪽으로 반사된다. 광학 밴드패스 필터(14)는 레이저의 단색광 영역만 통과시켜서 주위에서 발생한 여러 파장대의 빛 노이즈를 제거한다. 광학 밴드패스 필터(14)에 의해 필터링된 반사광은 집광용 볼록렌즈에서 집광되어 광 검출소자(16)의 표면에 비추어진다.That is, at the moment when the spot type laser light reaches the retroreflective body 24 through the rotary reflector 13, the reflected light spread from the retroreflective body 24 is reflected by the rotary reflector 13. This reflected light is reflected by the rotating reflector 13 and separated by the beam splitter 12, some of which is transmitted toward the laser diode 11, and the other is reflected toward the optical bandpass filter 14. The optical bandpass filter 14 passes only the monochromatic light region of the laser to remove light noise in various wavelength bands generated from the surroundings. The reflected light filtered by the optical band pass filter 14 is collected by the condensing lens for condensing and is reflected on the surface of the light detecting element 16.
이때, 광 검출소자(16)를 포함하는 반사광 검출수단의 상세한 회로도가 도 4에 도시되어 있다. 광 검출소자(16)로 입사되는 광량이 많아질수록 광 검출소자(16)의 출력전압은 증가하며, 이 출력전압은 비교기(41)로 입력된다. 비교기(41)로 입력되는 전압이 문턱값(threshold)보다 낮은 구간, 즉 회전반사경(13)이 재귀반사체(24)를 비추지 않은 구간에서는 비교기(41)는 로우 레벨의 신호를 출력한다. 한편, 회전반사경(13)이 재귀반사체(24)를 비추고 재귀반사체(24)로부터 반사광이 입사되는 순간에는 비교기(41)로 입력되는 광 검출소자(16)의 출력전압이 문턱값보다 높아지면서 비교기(41)는 하이 레벨의 신호를 출력한다. 이때, 가변저항(R32)의 저항값을 조절하여 문턱값을 조절하면 반사광의 검출감도를 조절할 수 있다.At this time, a detailed circuit diagram of the reflected light detecting means including the light detecting element 16 is shown in FIG. As the amount of light incident on the photodetecting device 16 increases, the output voltage of the photodetecting device 16 increases, and this output voltage is input to the comparator 41. The comparator 41 outputs a low level signal in a section in which the voltage input to the comparator 41 is lower than a threshold, that is, in a section in which the rotation reflector 13 does not illuminate the retroreflector 24. On the other hand, when the rotating reflector 13 illuminates the retroreflector 24 and the reflected light is incident from the retroreflector 24, the output voltage of the photodetector 16 input to the comparator 41 becomes higher than the threshold value and thus the comparator. 41 outputs a high level signal. At this time, by adjusting the resistance value of the variable resistor (R32) it is possible to adjust the detection sensitivity of the reflected light.
이러한 비교기(41)에서 출력되는 디지털신호는 도 6의 (c)에 도시된 바와 같으며, 도 5에 도시된 마이크로 프로세서(51)로 입력된다.The digital signal output from the comparator 41 is as shown in FIG. 6C and is input to the microprocessor 51 shown in FIG.
한편, 회전반사경(13)은 모터(20)의 구동력을 제1풀리(21), 벨트(22), 제2풀리(23)를 통해 전달받아서 회전하는데, 모터(20)가 회전함에 따라 모터(20)와 연동하는 로터리 엔코더(19)는 도 6의 (b)에 도시된 펄스신호를 출력한다. 이 펄스신호는 도 5에 도시된 펄스 카운터(54)에서 계수되어 카운터값이 마이크로 프로세서(51)로 입력된다. 이 카운터값은 재귀반사체의 방향각을 검출하는데 사용된다.On the other hand, the rotation reflector 13 is rotated by receiving the driving force of the motor 20 through the first pulley 21, belt 22, the second pulley 23, as the motor 20 rotates the motor ( The rotary encoder 19 interlocked with 20 outputs the pulse signal shown in FIG. This pulse signal is counted by the pulse counter 54 shown in Fig. 5, and the counter value is input to the microprocessor 51. This counter value is used to detect the direction angle of the retroreflector.
회전반사경(13)이 1회전할 때마다 두 개의 재귀반사체(24)로부터 반사되는 반사광이 검출되기 때문에 반사광 검출수단(40)의 출력신호는 도 6의 (c)에 도시된 바와 같다. 회전반사경(13)이 1회전하면, 펄스 카운터(54)의 카운터값을 리셋시키기 위하여 원점 검출수단을 이용한다.Since the reflected light reflected from the two retroreflectors 24 is detected each time the rotating reflector 13 rotates once, the output signal of the reflected light detecting means 40 is as shown in Fig. 6C. When the rotation reflector 13 rotates once, the origin detecting means is used to reset the counter value of the pulse counter 54.
도 3의 (a) 내지 (c)를 참조하면, 회전반사경(13)에는 원점을 검출하기 위한 회전원판(31)이 고정되어 있으며, 이 회전원판(31)은 돌출된 구간을 가진다. 회전반사경(13)과 함께 회전원판(31)이 한바퀴 회전할 때마다 회전원판(31)의 돌출된 구간은 포토 커플러(32) 사이를 지나간다. 포토 커플러(32)는 적외선 발광부(33)와 수광부(34)가 아래 위로 배치되어 있어서, 그 사이가 회전원판(31)의 돌출된 구간에 의해 가려지면, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 로우 레벨에서 하이 레벨로 천이하는 디지털신호를 출력한다. 즉, 포토 커플러(32)는 회전원판(31) 즉, 회전반사경(13)이 1회전할 때마다 하나의 펄스를 출력하며, 마이크로 프로세서(51)는 포토 커플러(32)의 출력 디지털신호를 이용하여 펄스 카운터(54)의 카운터값을 리셋한다.Referring to (a) to (c) of FIG. 3, a rotating disk 31 for detecting an origin is fixed to the rotating reflector 13, and the rotating disk 31 has a protruding section. Each time the rotating disc 31 rotates with the rotating reflector 13, the protruding section of the rotating disc 31 passes between the photo couplers 32. In the photo coupler 32, the infrared light emitting portion 33 and the light receiving portion 34 are disposed up and down, and when the space between the photo coupler 32 is covered by the protruding section of the rotating disc 31 is shown in Fig. 6A. As described above, a digital signal that transitions from a low level to a high level is output. That is, the photo coupler 32 outputs one pulse each time the rotating disc 31, that is, the rotating reflector 13, and the microprocessor 51 uses the output digital signal of the photo coupler 32. To reset the counter value of the pulse counter 54.
반사광 검출수단에 의해 제공되는 디지털신호를 이용하여 재귀반사체(13)의 방향각(θ1, θ2)을 알아내기 위해서는 이 디지털신호의 하이 레벨의 중심을 구해야 한다. 이 중심의 위치는 디지털신호가 로우 레벨에서 하이 레벨로 천이하는 상승 에지에서의 카운터값과 디지털신호가 하이 레벨에서 로우 레벨로 천이하는 하강 에지에서의 카운터값을 읽어서 그 평균을 구함으로써 얻을 수 있다.In order to find out the direction angles θ 1 and θ 2 of the retroreflective body 13 using the digital signal provided by the reflected light detecting means, the center of the high level of the digital signal must be obtained. This central position can be obtained by reading the counter value at the rising edge where the digital signal transitions from the low level to the high level and the average of the counter value at the falling edge where the digital signal transitions from the high level to the low level. .
이 재귀반사체의 방향각(θ1, θ2)이 얻어지면, 이를 이용하여 도 1에 도시된 바와 같이 재귀반사체 B의 방향각(α)과, 재귀반사체 A와 재귀반사체 B 사이의 각도(β)를 구한다. 이때, 방향각의 차(θ2-θ1)가 π보다 크면, 수학식 2와 같이 α와 β를 구한다.When the direction angles θ 1 and θ 2 of the retroreflector are obtained, the angle of refraction B of the retroreflector B and the angle between the retroreflector A and the retroreflector B as shown in FIG. ) At this time, if the difference between the direction angles θ 2 -θ 1 is larger than π, α and β are obtained as shown in Equation (2).
또한, 방향각의 차(θ2-θ1)가 π보다 작거나 같으면서, 방향각(θ1)이 π보다 크면 수학식 3을 적용하고, 방향각(θ1)이 π보다 작거나 같으면 수학식 4를 적용하여 α와 β를 구한다.In addition, when the direction angle θ 2 -θ 1 is less than or equal to π and the direction angle θ 1 is greater than π, Equation 3 is applied, and when the direction angle θ 1 is less than or equal to π, Apply Equation 4 to find α and β.
마이크로 프로세서(51)는 상기와 같이 구해진 α, β 값과, 경사각 센서(56)에서 검출된 이동체의 지향각을 수학식 1에 적용하여 이동체의 절대 위치를 계산한다.The microprocessor 51 calculates the absolute position of the moving object by applying the α and β values obtained as described above and the direction angle of the moving object detected by the inclination angle sensor 56 to equation (1).
이상과 같이 본 발명에 의하면, 하나의 경사각 센서를 이용하여 이동체의 지향각을 검출하고, 두 개의 재귀반사체를 주행하는 수직 벽면에 설치하고 회전하는 레이저광을 이용하여 두 재귀반사체의 방향각을 검출함으로써, 이동체의 절대 위치를 계산할 수 있다. 수직 벽면을 주행하는 이동체나 로봇은 건축물이나 대형 구조물의 안전도 검사, 선박의 외벽 검사, 원자로의 노심 수조의 잔류 방사능 검사 등 그 필요성이 점차적으로 늘어가고 있다. 본 발명을 수직 벽면을 주행하는 이동체에 적용하면, 자신의 절대 위치를 계산할 수 있기 때문에 자동 제어 및 자율 주행이 가능해지는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, the tilt angle of the moving object is detected using one tilt angle sensor, and the tilt angle of the two retroreflectors is detected by using a laser beam which is installed on a vertical wall running two retro reflectors and rotates. By doing this, the absolute position of the moving object can be calculated. Moving bodies and robots traveling on vertical walls are increasingly required for safety inspection of buildings and large structures, inspection of outer walls of ships, and inspection of residual radioactivity in core tanks of nuclear reactors. Applying the present invention to a moving object traveling on a vertical wall, it is possible to calculate its absolute position, there is an effect that automatic control and autonomous running is possible.
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