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KR101008360B1 - 이동 로봇에서의 자이로 센서 오차를 교정하는 장치 및방법 - Google Patents

이동 로봇에서의 자이로 센서 오차를 교정하는 장치 및방법 Download PDF

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KR101008360B1
KR101008360B1 KR1020080063541A KR20080063541A KR101008360B1 KR 101008360 B1 KR101008360 B1 KR 101008360B1 KR 1020080063541 A KR1020080063541 A KR 1020080063541A KR 20080063541 A KR20080063541 A KR 20080063541A KR 101008360 B1 KR101008360 B1 KR 101008360B1
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South Korea
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mobile robot
gyro sensor
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bias
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정학영
송진우
류근록
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(주)마이크로인피니티
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Abstract

본 발명은 자이로 센서 오차를 교정하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이동 로봇에 장착된 자이로 센서를 교정할 수 있는 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇에서의 자이로 센서 오차를 교정하는 장치는 이동 로봇을 정지시키거나 주행시키는 제어부, 및 상기 이동 로봇이 정지된 상태를 판단하여 정지된 상태에서의 자이로 센서로부터 획득된 출력 값들을 이용하여 자이로 센서 오차를 교정하는 교정부를 포함하며, 상기 교정부는 상기 자이로 센서의 출력 값들의 편차를 이용하여 상기 이동 로봇의 정지 상태를 판단하는 상태 판단부, 및 상기 이동 로봇이 정지된 상태로 판단된 경우에 상기 자이로 센서의 출력 값들을 이용하여 바이어스 값을 산출하는 바이어스 산출부를 포함한다.
자이로 센서, 자이로스코프, 드리프트 교정, 센서 교정, 이동 로봇

Description

이동 로봇에서의 자이로 센서 오차를 교정하는 장치 및 방법{Appratus and method of calibration of a gyro sensor in a mobile robot.}
본 발명은 자이로 센서 오차를 교정하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이동 로봇에 장착된 자이로 센서 오차를 교정할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
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 로봇은 기본적으로 주어진 공간 내에서 이동을 하면서 로봇 자신의 고유한 기능을 수행할 수 있다.
한편, 이동 로봇은 이동 로봇에 장착되어 이동 로봇의 자세를 감지하는 자세 감지부를 포함할 수 있다. 여기서, '자세'라 함은 이동 로봇의 위치 및 방향각을 의미하는 것으로서, 예를 들어 평면 상에서 주행하는 이동 로봇이 있다면 2차원적인 위치 및 방향각으로 지칭될 수 있다. 이러한 이동 로봇의 자세를 추정하기 위하여 자이로 센서(Gyro sensor), 가속도 센서, 인코더(Encoder) 등이 사용될 수 있 다.
자이로 센서는 물체의 각속도를 감지하는 센서로서 물체 또는 항체의 회전 각속도를 측정하며, 자이로스코프(Gyroscope)로 불려질 수도 있다. 적용되는 예로서, 캠코더의 손떨림 방지 장치, 3차원 마우스, RC 헬기의 자세 제어 장치, 자동차의 주행안정화 장치(EPS), 항공기의 관성 항법 장치 등에 적용될 수 있다.
기존의 자이로 센서는 항공기 또는 무기 관련된 공격 또는 방어 기기 등과 같이 고정밀 항법 시스템에 사용되어, 자이로 센서의 다양한 유형의 오차는 크게 문제 되지 않았다.
하지만, MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술을 바탕으로 제작되는 저가의 자이로 센서에서는 기존의 고성능을 가지는 고가의 자이로 센서와 비교하여 상대적으로 성능이 떨어지기 때문에, 이러한 MEMS 기법에 의하여 제작되는 자이로 센서의 성능을 향상시킬 필요가 있다.
도 1a는 일반적인 자이로 센서가 장착된 동적 장치가 정지된 상태에서 출력될 수 있는 이론적 값이다. 도 1a를 참조하면, 자이로 센서는 물체의 회전 각속도를 측정하는 센서이기 때문에, 자이로 센서가 장착되어 있는 동적 장치(예를 들어, 청소용 이동 로봇)가 회전하지 아니하고 정지된 상태에서는 회전 각속도가 영이기 때문에 자이로 센서의 출력 값이 일정한 값을 가진다. 여기서, 이러한 일정한 출력 값을 '바이어스 값'으로 칭한다.
도 1b는 일반적인 자이로 센서가 장착된 동적 장치가 회전하는 경우에 자이로 센서의 출력 값을 시간에 따라 보여준다. 도 1b를 참조하면, 동적 장치가 회전 중인 상태에서는 동적 장치가 각속도가 영이 아니어서, 자이로 센서의 출력 값에서 바이어스 값을 빼 준 값에 의하여 동적 장치의 회전 각속도를 측정할 수 있다.
따라서, 바이어스 값을 기준으로 자이로 센서의 출력 값에 의하여 동적 장치의 회전 각속도를 감지하기 때문에 바이어스 값을 상대적으로 정확히 추정하는 것이 필요하다. 이와 함께, 자이로 센서가 장착되는 이동 로봇에서 이동 로봇의 자세를 상대적으로 정확히 추정하기 위하여는 실시간으로 자이로 센서의 출력 값을 이용하여 교정하는 방법 및 장치가 필요하다.
본 발명은 주행 중인 이동 로봇에 장착되어 있는 자이로 센서 오차를 교정하는 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이와 함께, 자이로 센서의 출력 값을 실시간으로 교정할 수 있는 이동 로봇을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 이동 로봇이 주행 중에 자이로 센서의 바이어스 값을 교정하여 이동 로봇의 회전각을 상대적으로 정확히 추정할 수 있는 방법 및 장치를 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.
상기 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇에서의 자이로 센서 오차를 교정하는 장치는 이동 로봇을 정지시키거나 주행시키는 제어부; 및 상기 이동 로봇이 정지된 상태를 판단하여 정지된 상태에서의 자이로 센서로부터 획득된 출력 값들을 이용하여 자이로 센서 오차를 교정하는 교정부를 포함하며, 상기 교정부는 상기 자이로 센서의 출력 값들의 편차를 이용하여 상기 이동 로봇의 정지 상태를 판단하는 상태 판단부; 및 상기 이동 로봇이 정지된 상태로 판단된 경우에 상기 자이로 센서의 출력 값들을 이용하여 바이어스 값을 산출하는 바이어스 산출부를 포함한다.
상기 다른 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 회전각을 추정하는 이동 로봇은 이동 로봇의 정지 상태를 판단하는 상태 교정부; 상기 상태 교정부에서 이동 로봇이 정지 상태로 판단되는 경우 상기 이동 로봇에 장착된 자이로 센서의 출력 값들을 이용하여 바이어스 값을 산출하는 바이어스 산출부; 및 상기 이동 로봇이 주행하는 경우에 상기 산출된 바이어스 값과 상기 자이로 센서의 출력 값을 이용하여 상기 이동 로봇의 회전각을 추정하는 회전각 추정부를 포함한다.
상기 또다른 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 또다른 실시예에 따른 이동 로봇에서의 자이로 센서 오차를 교정하는 방법은 상기 이동 로봇에 장착된 자이로 센서의 출력 값들의 편차를 이용하여 상기 이동 로봇이 정지 상태인지를 판단하는 단계; 상기 이동 로봇이 정지 상태로 판단되는 경우 상기 자이로 센서의 출력 값들을 이용하여 바이어스 값을 산출하는 단계; 및 상기 이동 로봇이 주행하는 경우 상기 자이로 센서의 출력 값 및 상기 바이어스 값을 이용하여 이동 로봇의 각속도를 산출하는 단계를 포함한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따르면, 이동 로봇의 주행 중에 바이어스 값을 갱신하여 이동 로봇에 장착된 자이로 센서의 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 이동 로봇이 주행 중에 자이로 센서 오차를 실시간으로 교정하여, 이동 로봇의 방향각 추정에 오류를 줄일 수 있다.
이와 함께, 이동 로봇의 정지 상태를 판단하여 외부로부터 정지 신호를 제공받지 않더라도 자이로 센서 오차를 교정할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
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 실시예들에 의한 이동 로봇에서의 자이로 센서 오차를 교정하는 장치 및 방법을 설명하기 위한 블록도 또는 처리 흐름도에 대한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다. 이 때, 처리 흐름도 도면들의 각 블록과 흐름도 도면들의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
본 실시예에서 사용되는 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소 들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함할 수 있다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 2는 정지 상태에 있는 동적 장치에서 나타날 수 있는 자이로 센서의 출력값을 보여준다. 도 2를 참조하면, 자이로 센서의 바이어스 값이 시간에 따라 변동됨을 알 수 있다. 상기와 같이, 정지 상태에 있는 동적 장치에 장착된 자이로 센서는 이론적으로는 시간에 따라 동일한 바이어스 값을 가져야 하지만, 시간에 따라 바이어스 값은 변동될 수 있다. 예를 들어, 동작 온도가 변하거나, 전원의 갑작스런 인가, 자이로 센서의 저항값의 변화 등에 의하여 바이어스 값이 변동될 수 있다.
하지만, 도 2에서와 같이 자이로 센서로부터 출력되는 값이 초기 정해진 바이어스 값으로부터 이탈되는 경우에는 동적 장치가 소정의 각속도를 가지고 있는 것으로 판단되어 시간이 지남에 따라 동적 장치의 회전각이 증가되거나 감소되는 것으로 측정될 수 있다. 동적 장치가 정지 상태 임에도 불구하고, 동적 장치가 회전하고 있는 상태로 판단하는 오류 및 시간에 따라 동적 장치의 회전각이 증가하거 나 감소하여 오차가 증가할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 이러한 오류 및/또는 오차를 '자이로 센서 오차'로 칭하기로 한다.
따라서, 실시간으로 변동되는 바이어스 값을 정확히 추정하는 방안이 필요하다. 한편, 자이로 센서 입장에서는 자이로 센서에 의한 출력 값이 동적 장치의 회전에 의한 것인지 아니면 자이로 센서의 오차에 의한 것인지를 구분하기가 쉽지 않다. 자이로 센서는 바이어스 값에서 벗어난 값을 이용하여 동적 센서의 각속도를 측정하기 때문에, 동적 장치의 정지 상태를 구분할 수 있는 경우에 자이로 센서로부터 출력되는 신호 값이 동적 장치의 회전에 의한 것인지 아니면 자이로 센서 오차에 의한 것인지를 판단할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자이로 센서 오차를 교정하는 장치를 포함하는 이동 로봇의 블록도를 보여준다.
도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 자이로 센서를 교정하는 장치를 포함하는 이동 로봇(500)은 본체(300), 구동부(400), 제어부(450), 교정부(100), 각속도 산출부(200) 및 회전각 추정부(350)를 포함할 수 있다. 교정부(100)는 자이로 센서(110), 상태 판단부(120), 바이어스 산출부(130)를 포함할 수 있다.
본체(300)는 이동 로봇(500)을 구동시키는 구동부(120)와 이동 로봇(500)의 이동을 제어하는 제어부(450) 등을 탑재할 수 있는 공간을 제공한다. 이와 함께 이동 로봇(500)의 다양한 기능을 제공하는 각 구성을 포함할 수 있다.
구동부(400)는 구동력을 발휘하기 위한 구동모터와, 상기 구동모터에 의해 구동되는 무한궤도 또는 소정직경의 바퀴와, 구동을 제어하기 위한 구동 제어회로 등을 포함할 수 있다. 이동 로봇이 주행 시에 바퀴를 사용시에는 구동부에 의해 구동되는 좌우 양측의 바퀴들과 로봇의 앞부분 또는 앞 뒷부분에 장착되는 수동바퀴를 사용할 수 있다.
제어부(450)는 이동 로봇(500)의 이동 및/또는 이동 로봇(500)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(450)는 이동 로봇(500)의 이동 궤적을 조정하거나 또는 이동 로봇(500) 주위의 장애물을 감지하여 이동 로봇의 이동 궤적을 수정할 수 있다. 이와 함께, 제어부(450)는 이동 로봇의 이동 패턴 등을 조정할 수 있다. 예를 들어, 제어부(450)는 이동 로봇(500)으로 하여금 소정의 시간 간격마다 일시 정지하게 하거나, 일정한 거리만큼 이동한 후에 일시 정지하거나 또는 정해진 시간마다 소정의 시간 동안 정지 상태에 있다가 주행하도록 할 수 있다.
교정부(100)는 이동 로봇(500)에 부착되어 있는 자이로 센서(110)의 출력 값을 교정하는 역할을 한다. 교정부(100)는 자이로 센서(110)의 출력 값 중에서 자이로 센서 오차를 교정할 수 있다.
교정부(100)는 자이로 센서(110), 상태 판단부(120) 및 바이어스 산출부(130)를 포함할 수 있다. 자이로 센서(110)는 물체의 각속도를 감지하는 센서로서 물체 또는 항체의 회전 각속도를 측정하는 센서이다. 자이로 센서(110)는 이동 로봇의 본체(300)에 장착되어, 서로 수직하는 세 방향에 대한 회전 각속도를 측정할 수 있다.
상태 판단부(120)는 자이로 센서(110)의 출력 값을 이용하여 이동 로봇(500)이 정지 상태인지를 판단한다. 상태 판단부(120)는 자이로 센서(110)의 출력 값들 의 상대적인 편차를 이용하여 이동 로봇의 정지 상태 여부를 판단할 수 있다. 여기서, 상대적인 편차는 자이로 센서의 출력 값들의 편차를 말하는 것으로서, 예를 들어 표준 편차 또는 분산 등이 될 수 있으며, 기타 평균값 또는 소정의 값을 기준으로 자이로 센서의 출력 값에 대한 상대적인 변동량을 포함할 수 있다.
바이어스 산출부(130)는 자이로 센서(110)의 출력 값에 의하여 바이어스 값을 산출하는 역할을 한다. 여기서, '바이어스(bias) 값'은 이동 로봇이 회전하지 않는 상태로 유지될 때에 자이로 센서에서 발생되는 기본 값으로 지칭될 수 있다. 예를 들어, 이동 로봇이 회전하지 않는 경우에는 이론적으로 0 deg/sec 여야 하지만, 자이로 센서의 출력 값이 7 deg/sec 의 회전 각속도 값이 감지되거나 또는 이에 대응되는 전압 값이 측정되는 경우에는 바이어스 값이 '7 deg/sec'로 될 수 있다. 이와 같이, 바이어스 값은 이동체 또는 본체의 회전이 없는 상태에서도 소정의 값을 가지는 것으로 감지되는 오프셋(offset) 값이며, 이러한 바이어스 값은 고정된 값이 아니라 시간에 따라 가변적으로 변동될 수 있는 값이다.
바이어스 산출부(130)는 상태 판단부(120)의 이동 로봇의 정지 상태 여부에 대한 판단이 이루어지면, 이를 기초로 바이어스 값을 산출할 수 있다. 예를 들어, 상태 판단부(120)에서 이동 로봇이 정지 상태로 판단이 되면 바이어스 산출부(130)는 정지 상태 중에 획득된 자이로 센서(110)의 출력 값을 이용하여 바이어스 값을 산출한다.
한편, 바이어스 산출부(130)는 이동 로봇이 정지 상태로 판단되는 경우에 이동 로봇의 출력부 또는 계기판에 상기 이동 로봇의 각속도를 '0 deg/sec'로 표시하 는 등의 이동 로봇이 정지 상태임을 표시할 수 있다. 또는 이동 로봇을 제어하는 리모콘 등에 이동 로봇이 정지 상태임을 나타내는 표시 또는 신호를 제공할 수도 있다.
각속도 산출부(200)는 자이로 센서(110)의 출력 값을 이용하여 이동 로봇(500)의 각속도를 산출한다. 각속도 산출부(200)는 자이로 센서(110)의 출력 값을 이용하여 각속도를 산출하면서, 바이어스 산출부(130)에 의해 산출된 바이어스 값을 이용할 수 있다. 예를 들어, 자이로 센서(110)로부터 획득된 출력 값이 '30 deg/sec'이고, 바이어스 값이 '7 deg/sec'라면, 각속도 산출부는 자이로 센서의 출력 값에 바이어스 값을 뺀 나머지 값인 '23 deg/sec'를 이동 로봇의 각속도로 산출할 수 있다.
회전각 추정부(250)는 산출된 각속도를 적분하여 회전각을 추정한다. 예를 들어, 이동 로봇이 평면상으로 주행한다면, 추정된 회전각은 이동 로봇이 주행하는 방향이 될 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 시간에 따라 변동될 수 있는 바이어스 값을 실시간으로 갱신하여 교정함으로써 이동 로봇에 장착된 자이로 센서 오차를 줄일 수 있다. 이와 함께, 이동 로봇이 정지 상태인지 주행 상태인지에 대하여 판단하여 바이어스 값을 교정함으로써 바이어스 값의 변동에 의하여 발생할 수 있는 자이로 센서의 오차를 줄일 수 있다. 자이로 센서의 오차를 줄임에 의하여 자이로 센서를 장착하고 있는 이동 로봇의 회전각을 상대적으로 정확히 추정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇의 주행 중에 자이로 센서에서 출력되는 출력 값을 보여준다. 도 4를 참조하면, 이동 로봇이 주행함에 따라 자이로 센서의 출력 값이 실시간으로 변동하고 있다. 자이로 센서의 출력 값이 상대적으로 크게 나타나는 영역에서는 이동 로봇이 주행 방향을 변경하는 영역이다. 이에 비하여, 이동 로봇이 정지된 상태(예를 들어, 제1 정지 상태, 제2 정지 상태, 제3 정지 상태)에서는 자이로 센서의 출력 값이 상대적으로 현저히 낮은 값을 가짐과 동시에 시간에 따른 출력 값의 변동량이 상대적으로 작음을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 이러한 자이로 센서의 출력 특성을 반영하여 이동 로봇의 정지 상태를 판단할 수 있다. 이동 로봇이 정지된 상태에서는 자이로 센서의 출력 값은 이론적으로는 초기에 이미 정해진 바이어스 값을 가져야 한다. 하지만, 자이로 센서의 자체적인 오차에 의하여 초기의 바이어스 값과는 차이가 나는 바이어스 값을 가질 수 있다. 하지만, 바이어스 값은 일정하게 정해진 것이 아니라, 다양한 인자에 의하여 가변적으로 변동되는 값으로서 본 발명의 일 실시예에서는 시간에 따라 변동되는 값으로 지칭될 수 있다.
도 4에서와 같이, 이동 로봇이 정지된 상태에서는 자이로 센서의 출력 값이 일정한 범위에서 변동하고 있어 출력 값의 편차가 이동 로봇의 이동 시보다 작음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 자이로 센서의 출력 값의 편차를 이용하여 이동 로봇이 정지 상태인지를 판단할 수 있다. 자이로 센서의 출력 값을 소정의 시간 동안 샘플링하여, n 개의 출력 데이터에 대하여 표준 편차 또는 분산을 계산하고, 계산된 표준 편차 또는 분산 값이 임계값(Threshold) 이하인 경우에 는 이동 로봇이 정지된 상태로 판단할 수 있다. 여기서, 임계값이란 실험적 또는 이론적 해석에 의하여 자이로 센서가 장착된 이동체가 정지된 상태에서 획득된 자이로 센서의 출력 값들의 편차를 이용하여 적절하게 선택될 수 있다.
상기와 같이, 자이로 센서의 입장에서는 이동 로봇이 정지 상태인지 주행 상태인지를 판단할 수 없지만 본 발명의 일 실시예에 의하면 자이로 센서의 출력 값을 분석하여 이동 로봇의 정지 상태 여부를 판단할 수 있다. 이동 로봇의 정지 상태를 판단할 수 있다면, 정지 상태의 자이로 센서의 출력 값은 오프셋 값으로 판단할 수 있으므로 '바이어스 값'을 용이하게 추출할 수 있다.
바이어스 값은 이동 로봇이 정지 상태로 판단되는 시간 동안의 자이로 센서의 출력 값들의 대표 값을 산출함으로써 정해질 수 있다. 산출된 바이어스 값은 이동 로봇이 주기적 또는 비주기적으로 정지되는 시간 동안의 자이로 센서의 출력 값을 이용하여 계속적으로 갱신될 수 있다. 따라서, 이동 로봇의 정지 상태에서의 획득된 대표 값에 의하여 바이어스 값을 갱신하며, 이동 로봇의 후속 주행 시에 이동 로봇의 회전 각속도는 자이로 센서의 출력 값 및 갱신된 바이어스 값을 이용하여 계산될 수 있다.
이동 로봇이 정지 상태에서 측정된 자이로 센서의 출력 값에 대한 대표 값을 산출하는 기법은 다양하게 적용될 수 있다. 예를 들어, 표준 편차의 값이 임계치 이하로 판단된 데이터에 대한 평균 값 또는 일정한 가중치를 부여한 가중치 평균값 등이 대표 값으로 산출될 수 있다.
이와 함께, 실시간으로 평균 값을 구하면서 바이어스 값을 산출할 수 있다. 이동 로봇이 정지 상태에서도 시간이 지남에 따라 자이로 센서의 출력 값이 계속적으로 변동되어 이로 인하여 대표 값도 계속적으로 변동될 수 있다. 따라서, 다음의 수학식에 의하여 대표 값을 계속적으로 갱신할 수 있다.
Figure 112008047603899-pat00001
여기서, E[k+1]는 k+1 시간 단계에서의 대표 값을 나타내며, k 는 시간 단위를 나타내는 인덱스를 나타낸다. vk +1은 k+1 시간 단계에서 자이로 센서로부터 획득된 출력 값을 나타낸다.
예를 들어, k+1 시간 단계를 현재 단계의 시간으로 가정하면 현재 시간 단계의 자이로 출력 값의 대표 값은 이전 시간 단계(k)에서의 대표 값에 현재 시간 단계에서 획득된 자이로 센서의 출력 값을 이용하여 계산될 수 있다. 따라서, 이동 로봇이 정지된 상태로 판단된 경우에 획득된 자이로 센서의 출력 값은 시간에 따라 계속적으로 변동될 수 있으므로, 이를 실시간으로 반영하여 바이어스 값을 산출할 수 있다. 또한, 정지 중의 바이어스 값을 실시간으로 반영하여 대표 값을 구하는 경우에는 데이터를 저정할 메모리가 줄어들거나 또는 데이터를 저장할 메모리가 필요하지 않을 수 있다. 예를 들어, 10개의 데이터에 대하여 평균 값을 대표 값으로 하는 경우에는 10개의 데이터를 저장하여 이를 평균하는 기법이 사용될 수 있으나, 수학식 1에 의하여 실시간으로 평균을 취하는 경우에는 현재 시간 단계(k+1 시간 단계)에서의 출력 값 및 이전 시간 단계(k 시간 단계)에서의 대표 값인 2개의 값 만을 이용하여 현재 시간 단계의 대표 값을 산출할 수 있다. 따라서, 소량의 메모리가 사용되는 임베디드 시스템에서 이러한 실시간 평균 값 산출 기법이 효율적으로 사용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇에서의 자이로 센서를 교정하는 방법에 대한 흐름도를 보여준다. 도 5를 참조하면, 먼저 자이로 센서(110)는 이동 로봇(500)의 정지 상태를 판단한다(S510). 이동 로봇(500)이 정지 상태인지 여부는 자이로 센서(110)의 출력 값의 편차를 이용할 수 있다. 자이로 센서(110)의 출력 값의 편차가 임계치 이하인 경우에는 이동 로봇(500)은 정지 상태로 판단되며, 임계치는 자이로 센서의 동작 환경 및 이동 로봇의 환경 요소 등에 따라 달라질 수 있기에 실험 및/또는 이론에 의하여 적절히 조정될 수 있다.
이동 로봇(500)이 정지 상태로 판단되는 경우에는 바이어스 값을 산출한다(S520). 바이어스 값은 이동 로봇(500)이 정지 상태에 있는 경우에 자이로 센서의 출력 값들에 대한 대표 값을 말하는 것으로서, 이동 로봇(500)의 정지 시에 바이어스 값을 정확히 추정함으로써 동작 중인 자이로 센서 오차를 줄일 수 있다. 바이어스 값은 시간에 따라 가변적으로 변동될 수 있어, 수학식 1과 같이 출력 값들을 계속적으로 수집하여 대표 값을 구하는 기법이 적용될 수 있다. 또는 자이로 센서(110)의 출력 값의 편차가 임계치 이하로 판단되는 시간 구간에서 상기 자이로 센서로부터 획득된 출력 값에 대한 평균, 가중치 평균 등의 다양한 통계적 기법에 의하여 대표 값을 산출할 수 도 있다.
바이어스 값이 산출되면, 산출된 바이어스 값과 자이로 센서(110)의 출력 값을 이용하여 이동 로봇의 각속도를 측정한다(S530). 예를 들어, 자이로 센서(110)의 출력 값에 대한 편차가 임계치 이상으로 커지는 경우에는 이동 로봇(500)이 정지 상태가 아닌 이동 상태로 판단할 수 있다. 이 때에는 자이로 센서(110)의 출력 값에 바이어스 값을 뺀 준 값을 이용하여 이동 로봇(500)의 각속도를 측정할 수 있다. 측정된 각속도를 적분함으로써 이동 로봇의 회전 각을 산출할 수 있다.
상기와 같이, 이동 로봇이 일시적으로 정지된 상태임을 판단하고 정지된 구간에서의 자이로 센서의 출력 값을 이용하여 바이어스 값을 산출함으로써 이동 로봇의 각속도를 상대적으로 정확히 추정할 수 있다. 이동 로봇(500)이 주기적 또는 비주기적으로 일시 정지함에 의하여 바이어스 값을 계속적으로 갱신할 수 있으며, 이에 따라 시간적으로 변동하는 바이어스 값을 반영함으로써 이동 로봇의 회전 각 추정에 대한 오차를 줄일 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇에서의 자이로 센서를 교정하는 방법의 흐름도를 보여준다. 도 6을 참조하면, 먼저 이동 로봇의 제어부(450)는 구동부(400)를 제어하여 주행 중인 이동 로봇(500)을 정지시킨다(S610). 이러한 일시 정지는 주기적 또는 비주기적으로 이루어질 수 있다.
이동 로봇(500)에 장착된 자이로 센서(110)는 출력 값의 편차를 이용하여 이동 로봇(500)이 정지 상태 인지를 판단할 수 있다(S620). 이동 로봇(500)이 정지 상태로 판단되면 자이로 센서(110)의 출력 값을 이용하여 바이어스 값을 산출한다(S630). 정지 상태에서의 자이로 센서(110)의 출력 값들에 대한 대표 값을 바이 어스 값으로 산출할 수 있다.
제어부(450)는 이동 로봇(500)을 일시 정지 시킨 후 소정의 시간이 경과된 이후에는 자동적으로 이동 로봇을 주행시킨다(S640). 이동 로봇(500)이 주행하면서, 계속적으로 자이로 센서로부터 감지된 출력 값을 획득하고, 출력 값과 이미 산출된 바이어스 값을 이용하여 이동 로봇의 각속도를 실시간으로 측정한다(S650). 측정된 각속도를 적분함으로써 이동 로봇의 회전각을 산출한다(S660).
상기와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면 이동 로봇이 주행 중에 일시 정지하여 바이어스 값을 갱신함으로써 이동 로봇의 회전각을 추정하는 자이로 센서의 자체적인 오차를 실시간으로 교정할 수 있다. 따라서, 시간적으로 변동될 수 있는 자이로 센서의 오차를 실시간으로 교정함으로써, 이동 로봇의 회전각을 상대적으로 정확히 추정할 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.
도 1a는 일반적인 자이로 센서가 장착된 동적 장치가 정지된 상태에서 출력될 수 있는 이론적 값을 보여주는 도면이다.
도 1b는 일반적인 자이로 센서가 장착된 동적 장치가 회전하는 경우에 자이로 센서의 출력 값을 시간에 따라 보여주는 도면이다.
도 2는 정지 상태에 있는 동적 장치에서 나타날 수 있는 자이로 센서의 출력값을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자이로 센서 오차를 교정하는 장치를 포함하는 이동 로봇의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇의 주행 중에 자이로 센서에서 출력되는 출력 값을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇에서의 자이로 센서를 교정하는 방법에 대한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇에서의 자이로 센서를 교정하는 방법의 흐름도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 설명>
100: 교정부 110: 자이로 센서
120: 상태 판단부 130: 바이어스 산출부
200: 각속도 산출부 250: 회전각 추정부
300: 본체 400: 구동부
450: 제어부

Claims (11)

  1. 이동 로봇을 정지시키거나 주행시키는 제어부; 및
    상기 이동 로봇이 정지된 상태를 판단하여 정지된 상태에서의 자이로 센서로부터 획득된 출력 값들을 이용하여 자이로 센서 오차를 교정하는 교정부를 포함하며,
    상기 교정부는
    상기 자이로 센서의 출력 값들의 편차를 이용하여 상기 이동 로봇의 정지 상태를 판단하는 상태 판단부; 및
    상기 이동 로봇이 정지된 상태로 판단된 경우에 상기 자이로 센서의 출력 값들을 이용하여 바이어스 값을 산출하는 바이어스 산출부를 포함하며,
    상기 상태 판단부는 상기 자이로 센서의 출력 값들의 편차가 임계치 이하인 경우에 상기 이동 로봇의 상태를 정지 상태로 판단하는, 이동 로봇에서의 자이로 센서 오차를 교정하는 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 자이로 센서의 출력 값들에서 상기 산출된 바이어스 값을 빼 준 값에 의하여 상기 이동 로봇의 각속도를 산출하는 각속도 산출부를 더 포함하는, 이동 로봇에서의 자이로 센서 오차를 교정하는 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 바이어스 산출부는
    상기 자이로 센서의 출력 값들을 연속적으로 획득하면서 상기 바이어스 값을 갱신하여 산출하는, 이동 로봇에서의 자이로 센서 오차를 교정하는 장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 바이어스 산출부는
    Figure 112008047603899-pat00002
    식을 이용하여 바이어스 값을 산출하며, E[k+1]은 k+1 시간 단계에서의 산출된 바이어스 값, k 는 시간 단위를 나타내는 인덱스 및 vk +1은 k+1 시간 단계에서 자이로 센서로부터 획득된 출력 값인, 이동 로봇에서의 자이로 센서 오차를 교정하는 장치.
  6. 이동 로봇의 정지 상태를 판단하는 상태 교정부;
    상기 상태 교정부에서 이동 로봇이 정지 상태로 판단되는 경우 상기 이동 로봇에 장착된 자이로 센서의 출력 값들을 이용하여 바이어스 값을 산출하는 바이어스 산출부; 및
    상기 이동 로봇이 주행하는 경우에 상기 산출된 바이어스 값과 상기 자이로 센서의 출력 값을 이용하여 상기 이동 로봇의 회전각을 추정하는 회전각 추정부를 포함하며,
    상기 상태 교정부는 상기 자이로 센서의 출력 값들의 편차가 임계치 이하인 경우에 상기 이동 로봇의 상태를 정지 상태로 판단하는, 회전각을 추정하는 이동 로봇.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 바이어스 산출부는 상기 이동 로봇이 정지 상태로 판단되는 경우 상기 이동 로봇의 출력부 또는 계기판에 상기 이동 로봇이 정지 상태임을 표시하거나 또는 상기 이동 로봇을 제어하는 리모콘에 상기 이동 로봇이 정지 상태임을 표시하는, 회전각을 추정하는 이동 로봇.
  8. 이동 로봇에 장착된 자이로 센서의 출력 값들의 편차를 이용하여 상기 이동 로봇이 정지 상태인지를 판단하는 단계;
    상기 이동 로봇이 정지 상태로 판단되는 경우 상기 자이로 센서의 출력 값들을 이용하여 바이어스 값을 산출하는 단계; 및
    상기 이동 로봇이 주행하는 경우 상기 자이로 센서의 출력 값 및 상기 바이어스 값을 이용하여 이동 로봇의 각속도를 산출하는 단계를 포함하며,
    상기 이동 로봇이 정지 상태인지를 판단하는 단계는 소정의 시간 또는 소정의 개수로 획득된 상기 자이로 센서의 출력 값들의 표준 편차 또는 분산이 임계치 이하인 경우에 상기 이동 로봇은 정지 상태인 것으로 판단하는 단계인, 이동 로봇에서의 자이로 센서 오차를 교정하는 방법.
  9. 삭제
  10. 제 8항에 있어서, 상기 바이어스 값을 산출하는 단계는
    상기 이동 로봇이 정지 상태로 판단되는 경우에 상기 자이로 센서로부터 획득된 출력 값들의 대표 값을 상기 바이어스 값으로 산출하며,
    상기 대표 값은
    상기 이동 로봇이 정지 상태로 판단되는 시간 동안 획득되는 상기 자이로 센서의 출력 값들에 의해 계속적으로 갱신되는, 이동 로봇에서의 자이로 센서 오차를 교정하는 방법
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 이동 로봇의 정지 상태를 판단하여 상기 이동 로봇의 바이어스 값을 산출하여 이전에 산출된 바이어스 값을 갱신하는 단계를 더 포함하는, 이동 로봇에서의 자이로 센서 오차를 교정하는 방법.
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