KR20080001003A - 로봇 청소기 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

로봇 청소기 시스템 및 그 제어 방법 Download PDF

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KR20080001003A
KR20080001003A KR1020060058982A KR20060058982A KR20080001003A KR 20080001003 A KR20080001003 A KR 20080001003A KR 1020060058982 A KR1020060058982 A KR 1020060058982A KR 20060058982 A KR20060058982 A KR 20060058982A KR 20080001003 A KR20080001003 A KR 20080001003A
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signal
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정우람
주재만
위훈
김동원
홍준표
김용태
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삼성전자주식회사
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Abstract

로봇 청소기 시스템 및 그 제어 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 로봇 청소기 시스템 및 그 제어 방법은, 도플러 쉬프트 효과를 이용하여 방향 및/또는 거리를 검출함으로써, 생산 비용을 낮추고, 감지 거리를 향상시키며, 보다 정확한 로봇 청소기의 이동 및 위치 제어가 가능하도록 하는데 그 목적이 있다. 이와 같은 목적의 본 발명에 따른 로봇 청소기 시스템은, 미리 설정된 주파수의 신호를 발신하는 로봇 청소기와; 로봇 청소기로부터 발신되는 신호를 수신하면서 수신되는 신호의 도플러 쉬프트 효과를 관측할 수 있도록 이동 가능하게 설치되는 수신부를 구비하고, 수신부에서 관측되는 도플러 쉬프트 효과에 근거하여 로봇 청소기가 위치하고 있는 방향 및 거리를 검출하는 스테이션을 포함한다.

Description

로봇 청소기 시스템 및 그 제어 방법{ROBOT CLEANER SYSTEM AND METHOD OF CONTROLLING THE SAME}
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 로봇 청소기 시스템을 나타낸 사시도.
도 2는 도 1에 나타낸 로봇 청소기 시스템의 제어 계통을 나타낸 블록도.
도 3은 본 발명에 따른 로봇 청소기 시스템에서 도플러 쉬프트 효과를 이용한 방향 검출 원리를 설명하기 위한 도면.
도 4는 하나의 회전하는 안테나에 있어서 시간에 대한 주파수의 변화를 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 로봇 청소기가 정지 상태일 때 도플러 쉬프트 효과의 관측을 통한 방향 검출을 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 로봇 청소기 시스템에서 도플러 쉬프트 효과의 관측을 통한 거리 및 방향 검출을 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 로봇 청소기 시스템의 제어 방법을 나타낸 순서도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100 : 로봇 청소기
102 : 도킹 스테이션
150 : 발신부
160 : 수신부
160a-160d : 안테나
160e : 회전체
본 발명은 로봇 청소기 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 청소하고자 하는 구역을 자율적으로 이동하며 자동 청소를 수행하는 로봇 청소기의 이동 및/또는 위치 제어에 관한 것이다.
로봇 청소기는 사용자의 조작 없이 일정 범위의 작업 영역을 스스로 주행하면서 바닥 면으로부터 먼지, 이물질 등을 흡입하는 청소 작업을 수행하는 장치를 말한다. 로봇 청소기는 센서 또는 카메라를 통해 집 안이나 사무실과 같은 작업 영역 내에 설치된 가구, 사무 용품, 벽과 같은 장애물까지의 거리를 판별하고, 판별된 정보를 이용하여 장애물과 충돌하지 않도록 주행하면서 지시된 작업을 수행한다.
로봇 청소기가 청소하고자 하는 구역을 자율적으로 이동하며 자동 청소를 수행하다가 구역 내의 특정 위치로 이동해야 하는 경우, 종래에는 특정 위치에 설정된 RF(Radio Frequency) 신호 발생 장치로부터 발생되는 RF 신호의 감지를 통해 RF 신호 발생 장치의 설치 위치를 검출하여 그 방향으로 로봇 청소기의 이동하거나, 카메라를 통해 구역 내의 전체 영상을 획득하고 그 영상을 분석하여 로봇 청소기의 이동 및/또는 위치 제어를 수행하였다.
그러나 RF 신호의 검출을 이용하는 경우, RF 신호의 전달 거리가 비교적 짧고 장애물에 의한 수신 감도의 감소가 커서 청소할 구역이 넓거나 복잡한 구조일 때에는 적합하지 않으며, 카메라를 이용하는 경우에는 고가의 카메라 설치와 영상 분석을 위한 복잡한 알고리즘의 소프트웨어가 요구되어 이에 따른 높은 비용 발생이 초래된다.
본 발명에 따른 로봇 청소기 시스템 및 그 제어 방법은, 도플러 쉬프트 효과를 이용하여 방향 및/또는 거리를 검출함으로써, 생산 비용을 낮추고, 감지 거리를 향상시키며, 보다 정확한 로봇 청소기의 이동 및 위치 제어가 가능하도록 하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적의 본 발명에 따른 로봇 청소기 시스템은, 미리 설정된 주파수의 신호를 발신하는 로봇 청소기와; 로봇 청소기로부터 발신되는 신호를 수신하면서 수신되는 신호의 도플러 쉬프트 효과를 관측할 수 있도록 이동 가능하게 설치되는 수신부를 구비하고, 수신부에서 관측되는 도플러 쉬프트 효과에 근거하여 로봇 청소기가 위치하고 있는 방향 및 거리를 검출하는 스테이션을 포함한다.
또한, 상술한 수신부는, 로봇 청소기로부터 발신되는 신호를 수신하기 위한 안테나를 더 포함한다.
또한, 상술한 수신부는, 안테나가 고정 설치되고, 스테이션에 자전 가능하도록 마련되는 회전체를 더 포함하고; 수신부의 회전은, 회전체의 자전에 의해 수신부의 안테나가 회전체의 자전 궤도를 따라 이동하는 것이다.
또한, 상술한 수신부는, 수신부에 수신되는 신호의 주파수를 검출하는 주파수 검출부와; 주파수 검출부에서 검출한 주파수와 로봇 청소기로부터 발신되는 신호의 주파수의 비교를 통해 로봇 청소기가 위치한 방향 및 거리를 검출하여 그 방향 및 거리 정보를 발생시키는 방향 검출부를 더 포함한다.
또한, 상술한 방향 검출부는, 주파수 검출부에 의해 검출되는 주파수에서 도플러 쉬프트 효과가 관측되지 않을 때의 안테나가 지시하는 방향을 로봇 청소기가 위치한 방향으로 인정한다.
또한, 상술한 안테나가 회전체의 자전 궤도를 따라 이동함으로써 도플러 쉬프트 효과의 관측이 이루어질 때, 안테나가 지시하는 방향과 로봇 청소기가 위치한 방향 사이의 각도
Figure 112006046517519-PAT00001
이 다음의 수식으로 표현된다.
Figure 112006046517519-PAT00002
(단, 수식에서 r은 회전체의 자전 축으로부터 안테나까지의 거리이고,
Figure 112006046517519-PAT00003
은
Figure 112006046517519-PAT00004
의 각속도이며,
Figure 112006046517519-PAT00005
은 자전 궤도를 따라 이동하는 안테나가 지시 방향에 위치할 때의 신호의 진행 방향과 평행한 방향의 안테나의 선속도)
또한, 상술한 수신부의 중점으로부터 로봇 청소기의 발신부까지의 거리 R이 다음의 식으로 표현된다.
Figure 112006046517519-PAT00006
(단, r은 수신부의 중점에서 안테나까지의 거리이고,
Figure 112006046517519-PAT00007
는 수신부에 정해진 기준 방향과 로봇 청소기가 위치한 방향 사이의 각도이며,
Figure 112006046517519-PAT00008
는 기준 방향과 안테나가 향하는 방향 사이의 각도)
또한, 상술한 안테나가 두 개 이상일 때 두 개 이상의 안테나가 서로 균등한 간격을 두고 설치된다.
또한, 상술한 스테이션은 로봇 청소기의 충전과 이물질 배출을 위한 도킹 스테이션이다.
상술한 목적의 본 발명에 따른 로봇 청소기 시스템의 제어 방법은. 로봇 청소기에서 미리 설정된 주파수의 신호를 발신하고; 스테이션이 로봇 청소기로부터 발신되는 신호를 수신부를 통해 수신하며; 수신부에서 도플러 쉬프트 효과가 관측되는지를 판별하고; 도플러 쉬프트 효과의 관측 결과에 근거하여 로봇 청소기가 위치하고 있는 방향 및 거리를 검출한다.
또한, 상술한 수신부는, 로봇 청소기로부터 발신되는 신호를 수신하기 위한 안테나를 더 포함한다.
또한, 상술한 수신부는, 안테나가 고정 설치되고, 스테이션에 자전 가능하도록 마련되는 회전체를 더 포함하고; 수신부의 회전은, 회전체의 자전에 의해 수신 부의 안테나가 회전체의 자전 궤도를 따라 이동하는 것이다.
또한, 상술한 수신부에 수신되는 신호의 주파수에서 도플러 쉬프트 효과가 관측되지 않을 때의 안테나가 지시하는 방향을 로봇 청소기가 위치한 방향으로 인정한다.
또한, 상술한 안테나가 회전체의 자전 궤도를 따라 이동함으로써 도플러 쉬프트 효과의 관측이 이루어질 때, 안테나가 지시하는 방향과 로봇 청소기가 위치한 방향 사이의 각도
Figure 112006046517519-PAT00009
이 다음의 수식으로 표현된다.
Figure 112006046517519-PAT00010
(단, 수식에서 r은 회전체의 자전 축으로부터 안테나까지의 거리이고,
Figure 112006046517519-PAT00011
은
Figure 112006046517519-PAT00012
의 각속도이며,
Figure 112006046517519-PAT00013
은 자전 궤도를 따라 이동하는 안테나가 지시 방향에 위치할 때의 신호의 진행 방향과 평행한 방향의 선속도)
또한, 상술한 수신부의 중점으로부터 로봇 청소기의 발신부까지의 거리 R이 다음의 식으로 표현된다.
Figure 112006046517519-PAT00014
(단, r은 수신부의 중점에서 안테나까지의 거리이고,
Figure 112006046517519-PAT00015
는 수신부에 정해진 기준 방향과 로봇 청소기 방향 사이의 각도이며,
Figure 112006046517519-PAT00016
는 기준 방향과 안테나가 향하는 방향 사이의 각도)
이와 같이 이루어지는 본 발명의 바람직한 실시 예를 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 먼저 도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 로봇 청소기 시스템을 나타낸 사시도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 로봇 청소기 시스템은 로봇 청소기(100)와 도킹 스테이션(102)으로 이루어진다. 로봇 청소기(100)는 실내 공간을 이동하면서 팬의 회전에 의한 흡입력 및/또는 대전 장치에 의한 정전기를 이용하여 바닥에 있는 이물질을 흡입하여 청소하는데, 도킹 스테이션(102)은 이 로봇 청소기(100)의 배터리 충전과 이물질 배출을 위한 것이다.
로봇 본체(104)의 하부에는 로봇 청소기(100)가 이동하도록 전동 바퀴(미도시)가 설치되는데, 이 전동 바퀴는 구동 모터(미도시)에 의해 구동되어 로봇 청소기(100)가 직선 운동 및 회전 운동, 자전 운동을 할 수 있도록 한다. 또, 로봇 본체(104)의 외측에는 적외선 센서나 초음파 센서 등과 같은 장애물 감지 센서(106)가 설치되어 이동 중에 장애물을 회피할 수 있도록 한다. 로봇 본체(104)의 측면에는 로봇 청소기(100) 내부에 보관되어 있는 흡입된 이물질을 배출하여 도킹 스테이션(100)으로 옮기기 위한 개구부(108)가 마련된다. 로봇 청소기(100)는 이 개구부(108)를 도킹 스테이션(102)의 흡입 포트(110)에 결합시킨 후 로봇 청소기(100) 내부의 이물질을 도킹 스테이션(102)으로 배출한다.
도킹 스테이션(102)의 전방에는 로봇 청소기(100)가 도킹되는 것을 안내하는 가이드 부재(112)가 마련된다. 이 가이드 부재(112)에는 로봇 청소기(100)에 마련되는 충전 배터리를 충전시키기 위해 접속 단자(114)가 마련된다.
로봇 청소기(100)는 청소하고자 하는 구역을 자율적으로 이동하며 자동 청소 를 수행하다가 흡입된 이물질의 양이 많아 이를 배출할 필요가 있거나 충전 배터리의 용량이 감소하여 충전 배터리를 충전할 필요가 있을 때, 또는 청소를 완료하였을 때 도킹 스테이션(102)으로 귀환하여 목적하는 작업(이물질 배출이나 배터리 충전, 다음 작업 대기 등)을 수행한다. 도킹 스테이션(102)으로부터 멀리 떨어진 임의의 장소에서 도킹 스테이션(102)으로 귀환하기 위해서는 로봇 청소기(100)가 적어도 도킹 스테이션(102)의 방향 정보는 획득해야만 한다. 본 발명의 실시 예에 따른 로봇 청소기 시스템에서는 로봇 청소기(100)가 도킹 스테이션(102)의 방향 정보를 획득하기 위해 도플러 쉬프트 효과(Doppler Shift Effect)가 이용된다. 즉, 로봇 청소기(100)와 도킹 스테이션(102) 사이의 신호의 송수신 시 신호의 수신 측에서 관측되는 도플러 쉬프트 효과에 근거하여 송신 측의 방향 정보를 획득하고, 이 방향 정보에 근거하여 로봇 청소기(100)의 이동 방향과 위치를 제어한다.
이를 위해 도 1에 나타낸 로봇 청소기 시스템의 로봇 청소기(100)에는 미리 정해진 일정한 주파수의 전파를 발신하는 발신부(150)가 마련되고, 도킹 스테이션(102)에는 로봇 청소기(100)의 발신부(150)에서 발신되는 전파를 수신하기 위한 수신부(160)가 마련된다. 물론 전파 대신 음파를 이용할 수도 있다. 도킹 스테이션(102)의 수신부(160)에는 모두 네 개의 안테나(160a-160d)가 링 형상의 회전체(160e) 상에 균등한 간격을 두고 설치되며, 회전체(160e)가 미리 정해진 일정한 속도로 자전함에 따라 이 네 개의 안테나(160a-160d) 역시 일정한 궤도를 따라 이동하게 된다. 안테나(160a-160d)를 일정 궤도 상에서 이동시키기 위한 회전체(160e) 역시 반드시 링 형상일 필요는 없으며, 안테나(160a-160d)를 일정한 궤도 를 따라 이동시킬 수 있는 구조라면 다른 어떤 형태라도 좋다. 도 1에 나타낸 수신부(160)는 안테나(160a-160d)와 회전체(160e) 이외에 주파수 검출부와 방향 검출부를 더 포함하는데, 주파수 검출부와 관측부에 대해서는 도 2의 설명에서 언급하고자 한다.
또한 도킹 스테이션(102)에는 데이터 송신부(172)가 마련되고, 로봇 청소기(100)에는 데이터 수신부(170)가 마련된다. 도킹 스테이션(102)의 데이터 송신부(172)는 도킹 스테이션(102)에서 로봇 청소기(100)로의 데이터 신호 송신을 위한 것이고, 로봇 청소기(100)의 데이터 수신부(170)는 도킹 스테이션(102)으로부터 송신되는 데이터 신호를 수신하기 위한 것이다.
도 2는 도 1에 나타낸 로봇 청소기 시스템의 제어 계통을 나타낸 블록도이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 도킹 스테이션(102)은 제어부(222)와 주파수 검출부(204), 방향 검출부(206), 회전체(160e), 충전부(202), 데이터 송신부(172)를 포함한다. 주파수 검출부(204)는 로봇 청소기(100)의 발신부(150)로부터 발신되는 일정 주파수의 전파를 수신하여 수신된 전파의 주파수를 검출한다. 도킹 스테이션(102)의 안테나(160a-160d)가 이동하기 때문에 안테나(160a-160d)에서 실제로 검출되는 전파의 주파수(도플러 주파수)는 안테나(160a-160d)의 위치에 따라 도플러 쉬프트 효과에 의해 발신부(150)에서 발신된 전파의 주파수(원 주파수)와는 다른 값을 가질 수 있다. 방향 검출부(206)는 주파수 검출부(204)에서 검출한 주파수에 근거하여 로봇 청소기(100)의 발신부(150)의 방향(즉 전파 발신 위치의 방향)을 검출하여 그 방향 정보를 제어부(222)에 제공한다. 회전체(160e)는 도 1에서 언급한 수신부(160)의 구성 요소 가운데 하나로서, 안테나(160a-160d)를 일정한 궤도 상에서 이동시키기 위한 것이다. 충전부(202)는 외부로부터 입력되는 상용 교류 전력을 로봇 청소기(100)의 충전 배터리(210)를 충전하기 위한 전력으로 변환하여 로봇 청소기(100)의 충전 배터리(210)가 충전될 수 있도록 한다. 데이터 송신부(172)는, 도 1의 설명에서 언급한 바와 같이, 도킹 스테이션(102)에서 로봇 청소기(100)로의 데이터 신호 송신을 위한 것이다. 특히 도킹 스테이션(102)이 도플러 쉬프트 효과의 관측을 통해 로봇 청소기(100)의 방향과 거리를 검출하면 이 로봇 청소기(100)의 방향 및 거리 정보를 포함하는 데이터 신호를 이 데이터 송신부(172)를 통해 로봇 청소기(100)에 송신함으로써, 로봇 청소기(100)로 하여금 도킹 스테이션(102)에 대한 자신의 현재 위치와 거리를 알 수 있도록 한다.
로봇 청소기(100)의 제어 계통은 로봇 청소기(100)의 동작 전반을 제어하는 제어부(214)를 중심으로 이루어진다. 제어부(214)의 입력 측에는 데이터 수신부(170)와 이동 거리 검출부(208), 배터리 잔량 검출부(212), 장애물 검출부(106), 이물질 수거량 검출부(216) 등이 제어부(214)에 통신 가능하도록 전기적으로 연결된다. 데이터 수신부(170)는, 도 1의 설명에서 언급한 바와 같이, 도킹 스테이션(102)으로부터 송신되는 데이터 신호를 수신하기 위한 것이다. 이동 거리 검출부(208)는 로봇 청소기(208)가 이동한 거리를 검출하여 그 정보를 제어부(214)에 제공하는데, 로봇 청소기(100)의 이동 거리는 인코더를 통해 전동 바퀴(218)의 회전량을 검출하여 파악할 수도 있다. 배터리 잔량 검출부(212)는 충전 배터리(210)의 충전 잔량을 검출하여 그 충전 잔량 정보를 제어부(214)에 제공한다. 제어 부(214)는, 충전 배터리(210)의 충전 잔량이 적어 충전이 요구된다고 판단되면, 로봇 청소기(100)의 현재 수행중인 작업을 중단하고 도킹 스테이션(102)으로 귀환하여 충전 배터리(210)를 충전하도록 로봇 청소기(100)를 제어한다. 장애물 검출부(106)는 로봇 청소기(100)가 이동하는 동안 전방에 장애물이 존재하는지를 검출하여 장애물 정보를 제어부(214)에 제공한다. 제어부(214)는 이 장애물 정보에 근거하여 로봇 청소기(100)가 장애물을 우회하도록 이동 경로를 변경함으로써 로봇 청소기(100)가 장애물로 인하여 운행을 중단하는 일이 발생하지 않도록 한다. 이물질 수거량 검출부(216)는 로봇 청소기(100) 내에 수거되어 있는 이물질의 양을 검출하여 이물질 수거량 정보를 제어부(214)에 제공한다. 제어부(214)는 이물질 수거량 정보를 통해 현재 로봇 청소기(100) 내에 적재되어 있는 이물질의 양을 확인하고, 현재 적재되어 있는 이물질의 양이 로봇 청소기(100) 자신이 보관할 수 있는 최대 적재량에 도달하면 더 이상의 청소 작업을 중단하고 도킹 스테이션(102)으로 귀환하여 이물질 배출 작업을 실시하도록 로봇 청소기(100)를 제어한다.
제어부(214)의 출력 측에는 발신부(150)와 전동 바퀴(218), 흡진부(220)가 연결된다. 발신부(150)는, 도 1의 설명에서 언급한 바와 같이, 미리 설정된 주파수의 전파를 발신한다. 전동 바퀴(218)는 로봇 청소기(100)의 이동을 위한 것으로서, 전진 또는 후진을 위한 구동륜과 방향 전환을 위한 방향 전환륜을 포함한다. 흡진부(220)는 로봇 청소기(100)의 하부를 향하도록 마련되며, 청소하고자 하는 구역의 바닥 면에 있는 이물질을 흡입하여 로봇 청소기(100) 내부의 이물질 적재 공간에 적재되도록 한다.
도 3은 본 발명에 따른 로봇 청소기 시스템에서 도플러 쉬프트 효과를 이용한 방향 검출 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도플러 쉬프트 효과는 신호원과 수신자 사이에 상대적인 움직임이 존재할 때 수신자 측에서 관측된다. 신호원과 수신자가 서로 가까워질 때 수신자가 수신하는 신호의 주파수는 신호원이 발신하는 신호의 원 주파수보다 상대적으로 증가한다. 반대로 신호원과 수신자가 서로 멀어질 때에는 수신자가 수신하는 신호의 주파수는 신호원이 발신하는 신호의 원 주파수보다 상대적으로 감소한다. 신호원과 수신자 사이에 상대적인 움직임이 존재하지 않으면 신호원에서 발신되는 신호의 주파수와 수신자가 수신하는 신호의 주파수는 동일하여 수신자 측에서 도플러 쉬프트 효과는 관측되지 않는다.
도 3에서, 중점(302)을 갖는 원(304)은 도 1의 안테나(160a-160d)가 화살표(306) 방향을 따라 물리적으로 회전하면서 만들어지는 궤도에 해당되고, 화살표(308)는 발신부(150)로부터 발신되는 신호(전파)의 진행 방향이다.
네 개의 안테나(160a-160d) 가운데 어느 하나의 안테나(예를 들면 160a)가 a 지점에 위치할 때 안테나(160a)의 순시 성분은 A 화살표 방향으로서, a 지점에서의 안테나(160a)의 속도 성분은 발신부(150)에서 발신되는 신호(전파)가 진행하는 방향(308)에 직교한다. 따라서 a 지점에서는 도플러 쉬프트 효과가 전혀 관측되지 않는다.
안테나(160a)가 a 지점에 대해 90°인 b 지점에 위치할 때 안테나(160a)는 발신부(150)로부터 발신되는 신호(전파)의 진행 방향(308)과 동일한 B 화살표 방향으로 이동하면서 발신부(150)로부터 멀어진다. 따라서 안테나(160a)가 b 지점에 위 치할 때 안테나(160a)에 의해 수신되는 신호(전파)에서 주파수의 최대 감소가 발생하는데, 이는 앞서 설명한 도플러 쉬프트 효과에 기인한 것이다.
안테나(160a)가 b 지점에 대해 90°인 c 지점에 위치할 때 안테나(160a)는 C 화살표 방향의 속도 성분을 갖는다. 안테나(160a)가 a 지점에 위치할 때와 마찬가지로, c 지점에 위치할 때의 안테나(160a)의 속도 성분은 발신부(150)에서 발신되는 신호(전파)의 진행 방향(308)과 직각을 이루게 된다. 따라서 안테나(160a)가 c 지점에 위치할 때에도 a 지점의 경우와 마찬가지로 도플러 쉬프트 효과는 관측되지 않는다.
안테나(160a)가 d 지점에 위치할 때, 안테나(160a)는 발신부(150) 쪽으로 향하는 D 화살표 방향의 속도 성분을 갖는다. 따라서 안테나(160a)에 수신되는 신호(전파)에서 주파수의 최대 증가가 발생하는데, 이 역시 앞서 설명한 도플러 쉬프트 효과에 기인한 것이다.
물론 안테나(160a-160d)가 회전하는 궤도 상의 a, b, c, d 지점 이외의 다른 위치에서도 도플러 쉬프트 효과가 관측되겠지만, 특별히, 앞서 설명한 b 위치와 d 위치에서 각각 주파수의 최대 감소와 최대 증가가 관측되고, a 위치 및 c 위치에서 주파수의 증가 또는 감소는 전혀 관측되지 않는다.
도 4는 하나의 회전하는 안테나에 있어서 시간에 대한 주파수의 변화를 나타낸 그래프로서, 이 그래프를 통해 회전하는 안테나의 각 위치에 대응되는 주파수 값을 알 수 있다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 네 개의 안테나(160a-160) 가운데 어느 하나의 안테나가 b 지점에 위치할 때 수신 주파수가 최소로 되고, d 지점에 위 치할 때 수신 주파수가 최대로 된다. 즉, a 지점에서의 기준 위치에 대한 안테나(160a-160d)의 회전 각도를 확인함으로써 발신부(150)로부터 발신되는 신호(전파)의 진행 방향을 판별할 수 있으므로 안테나(160a-160d)에 대한 발신부(150)의 방향도 판별할 수 있다.
도 4에 나타낸 것과 같은 그래프를 얻기 위해서는 네 개의 안테나(160a-160d) 각각으로부터의 신호 정보를 모두 종합하면 된다. 즉, 하나의 안테나만을 회전시켜서 도플러 쉬프트 효과를 관측하게 되면 안테나가 회전 궤도 상을 완전히 일주해야만 도 4와 같은 그래프를 얻을 수 있지만, 도 1에 나타낸 것과 같이 네 개의 안테나(160a-160d)를 회전체(160e) 상에 등 간격으로 설치하여 회전체(160e)를 회전시키면 회전체(160e)의 1/4 회전만으로도 도 4와 같은 그래프를 얻을 수 있다.
또 다른 관점에서 볼 때, 도 1에 나타낸 것과 같은 수신부(160)의 회전체(160e)를 1회전시키면 도 3에 a, b, c, d로 구분된 각 구간 별 관측이 4회에 걸쳐 반복 실시될 수 있어서 보다 정확한 도플러 쉬프트 효과의 관측이 이루어질 수 있다. 결과적으로, 안테나의 수가 증가할수록 도플러 쉬프트 효과의 관측 시간이 단축되고, 또 더욱 정확한 도플러 쉬프트 효과의 관측이 가능하다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 로봇 청소기 시스템에서 도플러 쉬프트 효과의 관측을 통한 방향 검출을 설명하기 위한 도면이다. 도 5에서, x축은 로봇 청소기(100)의 발신부(150)로부터 발신되는 전파(502)의 진행 방향과 평행하며, 도킹 스테이션(102)에 마련되는 수신부(160)의 회전체(160e)가 등속 회전함에 따라 네 개의 안테나(160a-160d) 역시 화살표(504) 방향으로 등속 회전한다. 이 때 등속 회 전하는 네 개의 안테나(160a-160d) 가운데 적어도 어느 하나의 안테나(예를 들면, 160a)는 x축 상의 a 지점을 지나 a' 지점에 도달하게 된다. 도 5의 a 지점은 도 3의 a 지점과 마찬가지로 도플러 쉬프트 효과가 전혀 관측되지 않는 지점이며, a' 지점은 안테나(160a)의 Δd 만큼의 변위에 의해 도플러 쉬프트 효과(주파수 감소)가 관측되는 위치이다. 도 5에서 a 지점과 a' 지점 사이의 각도
Figure 112006046517519-PAT00017
은 다음의 식 1과 같이 나타낼 수 있다.
(식 1)
Figure 112006046517519-PAT00018
식 1에서,
Figure 112006046517519-PAT00019
는 a 지점에서 a' 지점으로 이동하는 안테나(160a)의 x 방향의 선속도이고,
Figure 112006046517519-PAT00020
는 a 지점에서 a' 지점으로 이동하는 안테나(160a)의 각속도이며, r은 회전체(160e)의 자전 축(506)에서 안테나(160a)까지의 거리이다. 안테나(160a)는 일정한 궤도 상에서 등속 회전하기 때문에 수신부(160)의 제품 규격을 통해 각속도
Figure 112006046517519-PAT00021
과 거리 r을 모두 알 수 있다.
또한 선속도
Figure 112006046517519-PAT00022
은 다음의 식 (2)를 통해 알 수 있다.
(식 2)
Figure 112006046517519-PAT00023
위의 식 2에서, f는 신호원으로부터 발신되는 신호의 원 주파수이고, f'은 수신자가 수신한 주파수(도플러 주파수)이며,
Figure 112006046517519-PAT00024
는 매질에서의 신호의 진행 속도 이고,
Figure 112006046517519-PAT00025
는 수신자의 속도이며, ±는 신호원과 수신자가 서로 가까워질 때(+)와 서로 멀어질 때(-)를 의미한다. 도 5에 나타낸 실시 예에서,
Figure 112006046517519-PAT00026
는 공기 중에서의 전파의 진행 속도이고,
Figure 112006046517519-PAT00027
는 안테나(160a-160d)의 회전 속도에 해당된다. 다만 도플러 쉬프트 효과는 신호원과 수신자 사이의 상대적인 속도 즉, 도 5의 x 축 방향의 속도 성분에만 영향을 받으므로 식 2의
Figure 112006046517519-PAT00028
(수신자의 속도)는 곧 식 1의
Figure 112006046517519-PAT00029
(안테나의 x축 방향 속도)과 같다고 할 수 있다. 결국 식 2에서 f와 f',
Figure 112006046517519-PAT00030
의 값을 알고 있으므로 이를 통해
Figure 112006046517519-PAT00031
(=
Figure 112006046517519-PAT00032
)의 값을 알 수 있다. 이와 같은 조건들을 식 1에 대입하면 각도
Figure 112006046517519-PAT00033
의 크기를 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 로봇 청소기 시스템에서 도플러 쉬프트 효과의 관측을 통한 거리 및 방향 검출을 설명하기 위한 도면이다. 도 6에서 y축은 도킹 스테이션에 설정된 기준 방향이다. 먼저 상술한 도 5 및 식 1, 2를 통해 설명한 방법에 따라
Figure 112006046517519-PAT00034
를 구하여 로봇 청소기(100)의 방향을 검출하고, 다음의 식 3을 이용하여 도킹 스테이션(102)의 수신부(160)의 중점(602)으로부터 로봇 청소기(100)의 발신부(150)까지의 거리(R)를 구한다.
(식 3)
Figure 112006046517519-PAT00035
식 3에서, r은 수신부(160)의 중점(602)에서 안테나(예를 들면 160a)까지의 거리이고,
Figure 112006046517519-PAT00036
는 기준 방향(y축)과 로봇 청소기(100) 방향 사이의 각도이며,
Figure 112006046517519-PAT00037
는 기준 방향(y축)과 안테나(160a)가 향하는 방향 사이의 각도이다.
도 6에서, 안테나(160a)가 위치한 지점(Vmax)은 도 3의 b 지점에 해당되어 안테나(160a)가 발신부(150)로부터 멀어지는 방향으로 최대 속도를 가지며, 전파의 진행 방향과 안테나(160a)의 이동 방향이 평행하여 이 지점에서 안테나(160a)에 수신되는 전파의 주파수가 최대 감소된 주파수인 지점이다. 또한 점선으로 표시된 안테나(160a)가 위치한 지점(V0)은 도 3의 a 지점에 해당되어 안테나(160a)와 발신부(150) 사이에 상대적 이동이 발생하지 않으며, 전파의 진행 방향과 안테나(160a)의 이동 방향이 직교하여 이 지점에서 안테나(160a)에 수신되는 전파의 주파수는 발신 주파수와 동일하기 때문에 도플러 쉬프트 효과는 관측되지 않는 지점이다.
도킹 스테이션(102)의 제어부(222)는, 식 1 내지 식 3을 통해 발신부(150)의 방향과 발신부(150)와 수신부(160) 사이의 거리(R)를 획득하면 이 방향 및 거리 정보를 데이터 송신부(172)를 통해 로봇 청소기(100)에 송신한다. 로봇 청소기(100)의 제어부(214)는 데이터 수신부(170)를 통해 이 방향 및 거리 정보를 수신하고, 수신된 방향 및 거리 정보에 근거하여 로봇 청소기(100)의 이동 및 위치를 제어한다.
예를 들면, 로봇 청소기(100)가 도킹 스테이션(102)으로 귀환할 필요가 있을 때 상술한 바와 같은 방법으로 도킹 스테이션(102)과 로봇 청소기(100) 사이의 거리 및 방향을 구하여 로봇 청소기(100)에 제공하면 로봇 청소기(100)가 이 거리 및 방향 정보에 근거하여 이동함으로써 도킹 스테이션(102)까지 신속하고 정확하게 귀환할 수 있다.
또 다른 예를 들면, 로봇 청소기(100)가 청소하고자 하는 구역 내의 특정 위치에서 신속한 오염 제거가 요구되어 해당 위치로 이동할 필요가 있을 때 도킹 스테이션(102)과 로봇 청소기(100) 사이의 거리 및 방향을 파악하여 로봇 청소기(100)의 현재 위치의 좌표를 구하고, 이동하고자 하는 특정 위치의 좌표와 비교하여 필요한 이동 경로를 산출하여 산출된 경로를 따라 이동함으로써 로봇 청소기(100)는 목적하는 위치까지 신속하고 정확하게 이동할 수 있다.
일정 구역 내의 임의의 위치의 좌표를 구하는 것은, 로봇 청소기(100)가 구역 전체를 고르게 이동하면서 도킹 스테이션(102)에 대한 로봇 청소기(100) 자신의 거리 및 방향을 구하여 저장하고, 저장된 각각의 거리 및 방향에 대응되는 좌표값을 설정해 둠으로써 구현 가능하다. 이후 임의의 좌표가 설정되어 로봇 청소기(100)가 해당 좌표로 이동해야 하는 경우에는, 해당 좌표에 대응되는 거리 및 방향 정보를 만족하는 위치로 로봇 청소기(100)가 이동하면 된다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 로봇 청소기 시스템의 제어 방법을 나타낸 순서도로서, 로봇 청소기(100)가 현재 위치에서 다른 위치로 이동해야 하는 경우 로봇 청소기(100)의 현재 위치(거리 및 방향)와 목적지 좌표를 로봇 청소기(100)에 송신하여 로봇 청소기(100)로 하여금 목적지 좌표로 이동하도록 제어하는 방법을 나타낸 것이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 로봇 청소기(100)는 청소하고자 하는 구역을 자율적으로 이동하거나 어느 임의의 위치에서 대기 중인 동안 미리 설정된 주 파수의 전파를 발신한다(702). 이와 같은 로봇 청소기(100)가 현재 위치에서 다른 위치로 이동해야 하는 경우 도킹 스테이션(102)은 로봇 청소기(100)의 방향 및 거리(도킹 스테이션(102)의 위치를 기준으로 한)를 파악하기 위해 수신부(160)의 안테나(160a-160d)를 회전시켜서 수신되는 전파의 도플러 쉬프트 효과를 관측한다(704). 도킹 스테이션(102)은 수신부(160)에 의해 관측되는 도플러 쉬프트 효과(주파수의 변화)를 상술한 식 1, 2, 3에 대입하여 로봇 청소기(100)의 방향과 거리를 검출한다(706).
도킹 스테이션(102)은 검출한 로봇 청소기(100)의 현재의 방향 및 거리 정보를 데이터 송신부(172)를 통해 로봇 청소기(100)로 송신한다(708). 또한 도킹 스테이션(102)은 로봇 청소기(100)가 이동해야 할 목적지 좌표를 역시 데이터 송신부(172)를 통해 로봇 청소기(100)로 송신한다(710). 로봇 청소기(100)는 도킹 스테이션(102)으로부터 송신되는 자신의 방향 및 거리 정보와 목적지 좌표를 데이터 수신부(170)를 통해 수신하고, 이에 근거하여 목적지 좌표의 위치로 이동한다(712).
로봇 청소기(100)는 목적지로 이동하는 동안 진행하고자 하는 경로 상에 장애물이 존재하는지를 확인한다(714). 만약 진행하고자 하는 경로 상에 장애물이 존재하는 것으로 확인되면(714의 ‘예’) 장애물 회피 운전을 수행한다(716). 또한, 장애물 회피 운전 과정에서 목적지로 향하는 방향 정보를 잃어버릴 수 있으므로, 블록 712로 복귀하여 목적지 좌표에 근거한 새로운 이동 방향을 설정한다. 만약 진행하고자 하는 경로 상에 장애물이 존재하지 않으면(714의 ‘아니오’) 현재의 방향 정보에 따라 목적지까지 이동하고, 목적지에 도착하면 이동을 종료한다(718). 목적지에 도착한 이후에는 이동 목적에 따라 이물질 배출이나 배터리 충전, 자동 청소, 대기 모드 등을 수행한다.
본 발명에 따른 로봇 청소기 시스템 및 그 제어 방법은, 도플러 쉬프트 효과를 이용하여 방향 및/또는 거리를 검출함으로써, 생산 비용을 낮추고, 감지 거리를 향상시키며, 보다 정확한 로봇 청소기의 이동 및 위치 제어가 가능하도록 한다.

Claims (15)

  1. 미리 설정된 주파수의 신호를 발신하는 로봇 청소기와;
    상기 로봇 청소기로부터 발신되는 신호를 수신하면서 상기 수신되는 신호의 도플러 쉬프트 효과를 관측할 수 있도록 이동 가능하게 설치되는 수신부를 구비하고, 상기 수신부에서 관측되는 도플러 쉬프트 효과에 근거하여 상기 로봇 청소기가 위치하고 있는 방향 및 거리를 검출하는 스테이션을 포함하는 로봇 청소기 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 수신부는,
    상기 로봇 청소기로부터 발신되는 신호를 수신하기 위한 안테나를 더 포함하는 로봇 청소기 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 수신부는,
    상기 안테나가 고정 설치되고, 상기 스테이션에 자전 가능하도록 마련되는 회전체를 더 포함하고;
    상기 수신부의 회전은, 상기 회전체의 자전에 의해 상기 수신부의 안테나가 상기 회전체의 자전 궤도를 따라 이동하는 것인 로봇 청소기 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 수신부는,
    상기 수신부에 수신되는 신호의 주파수를 검출하는 주파수 검출부와;
    상기 주파수 검출부에서 검출한 주파수와 상기 로봇 청소기로부터 발신되는 신호의 주파수의 비교를 통해 상기 로봇 청소기가 위치한 방향 및 거리를 검출하여 그 방향 및 거리 정보를 발생시키는 방향 검출부를 더 포함하는 로봇 청소기 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 방향 검출부는,
    상기 주파수 검출부에 의해 검출되는 주파수에서 도플러 쉬프트 효과가 관측되지 않을 때의 상기 안테나가 지시하는 방향을 상기 로봇 청소기가 위치한 방향으로 인정하는 로봇 청소기 시스템.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 안테나가 상기 회전체의 자전 궤도를 따라 이동함으로써 상기 도플러 쉬프트 효과의 관측이 이루어질 때, 상기 안테나가 지시하는 방향과 상기 로봇 청소기가 위치한 방향 사이의 각도
    Figure 112006046517519-PAT00038
    이 다음의 수식으로 표현되는 로봇 청소기 시스템.
    Figure 112006046517519-PAT00039
    (단, 상기 수식에서 상기 r은 상기 회전체의 자전 축으로부터 상기 안테나까지의 거리이고, 상기
    Figure 112006046517519-PAT00040
    은 상기
    Figure 112006046517519-PAT00041
    의 각속도이며, 상기
    Figure 112006046517519-PAT00042
    은 상기 자전 궤도 를 따라 이동하는 상기 안테나가 상기 지시 방향에 위치할 때의 상기 신호의 진행 방향과 평행한 방향의 안테나의 선속도)
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 수신부의 중점으로부터 상기 로봇 청소기의 발신부까지의 거리 R이 다음의 식으로 표현되는 로봇 청소기 시스템.
    Figure 112006046517519-PAT00043
    (단, 상기 r은 상기 수신부의 중점에서 상기 안테나까지의 거리이고, 상기
    Figure 112006046517519-PAT00044
    는 상기 수신부에 정해진 기준 방향과 상기 로봇 청소기가 위치한 방향 사이의 각도이며, 상기
    Figure 112006046517519-PAT00045
    는 상기 기준 방향과 상기 안테나가 향하는 방향 사이의 각도)
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 안테나가 두 개 이상일 때 상기 두 개 이상의 안테나가 서로 균등한 간격을 두고 설치되는 로봇 청소기 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 스테이션은 상기 로봇 청소기의 충전과 이물질 배출을 위한 도킹 스테이션인 로봇 청소기 시스템.
  10. 로봇 청소기에서 미리 설정된 주파수의 신호를 발신하고;
    스테이션이 상기 로봇 청소기로부터 발신되는 신호를 수신부를 통해 수신하며;
    상기 수신부에서 도플러 쉬프트 효과가 관측되는지를 판별하고;
    상기 도플러 쉬프트 효과의 관측 결과에 근거하여 상기 로봇 청소기가 위치하고 있는 방향 및 거리를 검출하는 로봇 청소기 시스템의 제어 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 수신부는,
    상기 로봇 청소기로부터 발신되는 상기 신호를 수신하기 위한 안테나를 더 포함하는 로봇 청소기 시스템의 제어 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 수신부는,
    상기 안테나가 고정 설치되고, 상기 스테이션에 자전 가능하도록 마련되는 회전체를 더 포함하고;
    상기 수신부의 회전은, 상기 회전체의 자전에 의해 상기 수신부의 안테나가 상기 회전체의 자전 궤도를 따라 이동하는 것인 로봇 청소기 시스템의 제어 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 수신부에 수신되는 신호의 주파수에서 도플러 쉬프트 효과가 관측되지 않을 때의 상기 안테나가 지시하는 방향을 상기 로봇 청소기가 위치한 방향으로 인정하는 로봇 청소기 시스템의 제어 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 안테나가 상기 회전체의 자전 궤도를 따라 이동함으로써 상기 도플러 쉬프트 효과의 관측이 이루어질 때, 상기 안테나가 지시하는 방향과 상기 로봇 청소기가 위치한 방향 사이의 각도
    Figure 112006046517519-PAT00046
    이 다음의 수식으로 표현되는 로봇 청소기 시스템의 제어 방법.
    Figure 112006046517519-PAT00047
    (단, 상기 수식에서 상기 r은 상기 회전체의 자전 축으로부터 상기 안테나까지의 거리이고, 상기
    Figure 112006046517519-PAT00048
    은 상기
    Figure 112006046517519-PAT00049
    의 각속도이며, 상기
    Figure 112006046517519-PAT00050
    은 상기 자전 궤도를 따라 이동하는 상기 안테나가 상기 지시 방향에 위치할 때의 상기 신호의 진행 방향과 평행한 방향의 선속도)
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 수신부의 중점으로부터 상기 로봇 청소기의 발신부까지의 거리 R이 다음의 식으로 표현되는 로봇 청소기 시스템의 제어 방법.
    Figure 112006046517519-PAT00051
    (단, 상기 r은 상기 수신부의 중점에서 상기 안테나까지의 거리이고, 상기
    Figure 112006046517519-PAT00052
    는 상기 수신부에 정해진 기준 방향과 상기 로봇 청소기 방향 사이의 각도이며, 상기
    Figure 112006046517519-PAT00053
    는 상기 기준 방향과 상기 안테나가 향하는 방향 사이의 각도)
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