본문 바로가기
HOME> 논문 > 논문 검색상세

학위논문 상세정보

이동로봇의 장애물 검지 및 자동충전을 위한 위치추정의 동시 수행에 관한 연구 원문보기
Simultaneous Obstacle Detection for Mobile Robots and Its Localization for Automatic Battery Recharging

  • 저자

    고상일

  • 학위수여기관

    고려대학교 대학원

  • 학위구분

    국내석사

  • 학과

    전기공학과

  • 지도교수

  • 발행년도

    2004

  • 총페이지

    80p.

  • 키워드

    이동로봇 위치추정 장애물탐지;

  • 언어

    kor

  • 원문 URL

    http://www.riss.kr/link?id=T10074255&outLink=K  

  • 초록

    최근 들어 지난 수년간 많은 종류의 이동로봇(Mobile Robot)이 개발 되어져 왔다. 많은 이동로봇들은 주어진 작업을 수행하기 위해서 내부적으로 배터리 파워 시스템을 갖고 있다. 그러나 기존의 배터리 파워 시스템은 큰 전기적 파워를 요구하거나 사용자가 원하는 만큼의 연속적인 일을 필요로 하는 작업 등에 대해서 충분한 파워를 제공하는데 대해 여전히 큰 한계를 갖고 있다. 그리고 여러 종류의 작업을 수행 한 후의 방전된 배터리를 충전하기 위해서는 많은 시간이 소요된다. 또한 직접 사용자가 로봇의 동작을 멈추고 배터리를 직접 제거하여 충전을 해주어야하는 문제점을 갖고 있다. 이것은 로봇이 작업을 수행하는 데에 있어서 완벽성(completeness)과 원활함(smoothness)을 위해서 반드시 해결돼야 할 문제점들 중에 하나이다. 이 문제점들을 극복하기 위해서 자동 충전을 위한 로봇과 충전 station 사이의 다양한 도킹 방법이 제안되어져 오고 있다. 본 논문의 중요 목적은 자율충전(autonomous recharging)을 위한 도킹 작업(docking task) 수행과 로봇 이동시 예기치 않게 발생할 수 있는 장애물 회피(obstacle avoidance) 기능을 동시에 제어할 수 있는 sensor system의 개발에 있다. 본 논문을 위해 개발된 시스템은 크게 두 부분으로 구성되어 있다. 첫 번째 부분은 두 개의 초음파 발생기(ultrasound transducer), 무선 통신을 위한 RF module, 그리고 제어보드로 구성되어 있는 충전 station 이다. 충전 station의 제어보드는 로봇과의 무선 통신(radio frequency communication) 제어와 초음파 발생(ultrasound emission) 제어를 위해 개발 되었다. 마지막 두 번째 부분은 로봇이다. 로봇에는 12개의 초음파 송수신 모듈(ultrasound transmitting-receiving module)이 로봇의 전, 후, 측방 4면에 각 각 3개 씩 장착되어 있다. 12개의 초음파 모듈은 로봇 구동 시 장애물 탐지(obstacle detecting)를 위해서 초음파 송수신을 동시에 수행할 수 있고, 충전 station과의 도킹(docking)을 위한 특정 위치로의 정밀 유도를 위해서 초음파 수신만을 수행할 수 있도록 기능 변환이 가능한 장치이다. 또한, 로봇에는 충전 station과 통신을 하기 위한 RF module이 포함 된 제어 보드가 장착되어 있다. 로봇에 장착 된 제어보드는 초음파 송수신 제어, 무선 통신 제어, 초음파 송수신 과정에서 발생하는 거리 정보 값 계산 및 처리, 로봇의 main computer와의 통신 제어 등을 수행하기 위해 개발되었다. 로봇 구동 시의 장애물 탐지(obstacle detecting)는 로봇으로부터 발사된 초음파가 장애물에 반사되어 돌아오는 시간을 공기 중 음속에 관해 계산하여 장애물과 로봇과의 거리 값을 얻음으로 해서 가능해진다. 충전 station과의 도킹(docking)을 위해서 로봇이 특정 위치로의 유도(target positioning)되는 작업은 충전 station에 장착 된 두 개의 초음파 발생기(ultrasound transducer)에서 발사(주사)된 두 개의 초음파 음원을 로봇에 장착 된 12개의 초음파 모듈의 수신 장치로 수신하여 이에 상응하는 거리 값을 계산하는 과정을 통해서 가능해진다. 본 논문에서는 로봇과 충전 station간의 거리 값 측정을 위한 시간 동기화(time synchronization) 방법, 로봇이 거리 값을 처리하여 로봇의 충전 station에 대한 상대적인 위치를 알아내는 algorithm과 초음파의 특성에 기인해서 발생되는 거리와 각도에 따른 거리측정 정확도의 문제점을 극복할 수 있는 제어 방법을 제시하였다. 본 논문에서 제시한 system은 경제성을 높이기 위해서 장애물 탐지를 위해 고안된 초음파 송수신 일체형의 초음파 모듈을 hardware적으로 수정하여 사용하였고, 그 방법을 제시하였다. 본 연구를 위해 개발된 system은 도킹(docking) 또는 장애물 탐지를 위해 이미 개발된 다른 장치들과 비교했을 때 가격과 성능 면에서 우월함을 갖고 있다. 이러한 성능을 확인하기 위해서 한국 과학 기술 연구원(KIST, Korea Institute Science and Technology)에서 개발된 home service robot인 Hombot에 탑재되어 실험되었다.


    Nowadays, a variety of mobile robots have been developed over the last few years. Many mobile robots have internal battery-powered systems for performing the given tasks. However, it is still hard for the robots to support such a sufficient power that enables special tasks needing either plentifully large electric power or continuous working to be performed as long as user wants. And it takes enormously much time to recharge the equipped batteries that have been discharged by performing a number of tasks. This is the one of the problems that should be solved for smoothness and completeness in performing tasks. For overcoming this problem, various docking methods between robot and station on the automatic recharging have been suggested. The main objective of this study is to develop a sensor system that enables robot to do both obstacle avoidance and automatic docking task. This system consists of two parts. The one is a part of station that has two ultrasonic transducers, a RF module for communicating with robot and a control board. And the other is a part of robot that has a RF module, a control board and the 12 ultrasonic modules that can be separately implemented in the front, the backside, the right side and the left side of robot. That is, each side can have exactly three modules. These 12 ultrasonic modules give a normal mode of the ultrasonic transmitting-receiving for the obstacle avoidance and an additional mode of the ultrasonic reception for the docking task as well. In the obstacle avoidance mode, the 12 modules can be used for detecting the obstacles while robot moves by getting the distance between robot and obstacle. The distance could be measured by multiplying the time of flight (the time that the sound waves take to travel to and from the object) with considering the speed of sound in air. In docking mode, the station, which is defined as the target position of robot, emits ultrasonic bursts of energy by two ultrasonic transducers. And robot just receives the ultrasonic bursts. A timer of the control board, which is implemented in robot, also records each time of flight that can be properly converted to distance when considering the speed of sound in air. Then 'Triangulation Algorithm' is suitably used for making robot approach to the station and find target position. The above procedure is continuously performed and compensated by the time point to get the target position. In this mode, the most important part is to make the time synchronization between robot's receiver and station's transmitter since they are separated each other. In this study, the synchronization problem of docking mode has been perfectly solved by using RF communication and simple SR latch circuit. There exist not only a continuously varying delay time of micro-controller to manage RF command, but also a fixed delay time between two RF modules of robot and station. Thus the RF signal is classified as two different sections: RF command packet and RF synch packet. RF command packet from the transmitter of robot gets station to decide one kind of ultrasonic emitting modes. And the RF synch packet from robot is directly transferred to one of the input terminals of micro-controller equipped in the station's control board. That is, robot emits the RF command packet to the station. And robot emits the RF synch packet again after a defined lapse of time. It is found by experiments that the time delay, which RF communication takes to transmit RF packet from robot to station, is a fixed value. Consequently, the proposed system could synchronized the time at which station bursts a ultrasonic energy and the start time at which robot is ready to receive the ultrasonic burst of energy from station by properly compensating the fixed time delay of RF communication. This study has completed the docking task as well as the obstacle avoidance not by adding any other systems to the robot but by modifying the existent ultrasonic modules, which had been already installed for obstacle detection, and RF communication. The sensing control devices, developed for this study, has the competitive factors in the aspect of the cost and the performance as compared with the other pre-developed devices for the docking or the obstacle avoidance. For the performance verification, the proposed system in this research is going to be applied and mounted to the home service robot, 'HOMBOT II' which was developed by Intelligence Robotics Research Center in KIST(Korea Institute of Science and Technology).


 활용도 분석

  • 상세보기

    amChart 영역
  • 원문보기

    amChart 영역