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KR20200063538A - Method for self-diagnosing localization status and autonomous mobile robot carrying out the same - Google Patents

Method for self-diagnosing localization status and autonomous mobile robot carrying out the same Download PDF

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KR20200063538A
KR20200063538A KR1020180149336A KR20180149336A KR20200063538A KR 20200063538 A KR20200063538 A KR 20200063538A KR 1020180149336 A KR1020180149336 A KR 1020180149336A KR 20180149336 A KR20180149336 A KR 20180149336A KR 20200063538 A KR20200063538 A KR 20200063538A
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South Korea
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distance
error
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정우진
김지웅
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고려대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 위치 추정 상태 자가 진단 방법에 관한 것으로, (a) 거리 오차 지표와, 방향각 오차 지표, 및 상기 거리 오차 지표 및 상기 방향각 오차 지표에 대한 위치 추정 성공 여부가 기 등록된 기계 학습 알고리즘의 학습 데이터로 등록되어 학습되는 단계와, (b) 자율주행로봇의 현 위치에서 복수의 거리 측정값이 측정되는 단계와, (c) 상기 자율주행로봇의 현 위치에서의 추정 방향각이 추정되는 단계와, (d) 복수의 상기 거리 측정값에 기초하여 현 위치에서의 거리 오차 지표가 산출되는 단계와, (e) 상기 추정 방향각에 기초하여 현 위치에서의 방향각 오차 지표가 산출되는 단계와, (f) 상기 (d) 단계 및 상기 (e) 단계에서 각각 산출된 상기 거리 오차 지표 및 상기 방향각 오차 지표가 상기 기계 학습 알고리즘에 입력되어 현 위치에서의 위치 추정 성공 여부가 출력되는 단계를 포함하며; 상기 (a) 단계 및 상기 (d) 단계에서 상기 거리 오차 지표는 현 위치에서 측정된 복수의 거리 측정값 중 신뢰성이 높은 상위 n %의 거리 측정값들의 오차 평균값에 기초하여 산출되고, 상기 (a) 단계 및 상기 (e) 단계에서 상기 방향각 오차 지표는 현 위치에서 추정된 추정 방향각과 현 위치에서의 허용 방향각 범위에 기초하여 산출되는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a method for self-diagnosing a position estimation state, (a) a distance error index, a direction angle error index, and a machine learning algorithm in which position estimation success for the distance error index and the direction angle error index is pre-registered. (B) measuring a plurality of distance measurements at the current position of the autonomous driving robot, and (c) estimating an estimated direction angle at the current position of the autonomous driving robot. Step, (d) calculating a distance error index at the current position based on the plurality of distance measurement values, and (e) calculating a direction angle error index at the current position based on the estimated direction angle. W, (f) The distance error index and the direction angle error index calculated in steps (d) and (e), respectively, are input to the machine learning algorithm to output whether the position estimation at the current position is successful. It includes; In the steps (a) and (d), the distance error index is calculated based on an error average value of the upper n% distance measurement values having high reliability among a plurality of distance measurement values measured at the current location, and the (a) ) And in the step (e), the direction angle error index is calculated based on the estimated direction angle estimated at the current position and the allowable direction angle range at the current position.

Description

위치 추정 상태 진단 방법 및 이를 수행하는 자율주행로봇{METHOD FOR SELF-DIAGNOSING LOCALIZATION STATUS AND AUTONOMOUS MOBILE ROBOT CARRYING OUT THE SAME}METHOD FOR SELF-DIAGNOSING LOCALIZATION STATUS AND AUTONOMOUS MOBILE ROBOT CARRYING OUT THE SAME

본 발명은 위치 추정 상태 진단 방법 및 이를 수행하는 자율주행로봇에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자율주행로봇의 주행시 자신의 위치 추정 상태가 성공인지 실패인지를 자가 진단할 수 있는 위치 추정 상태 진단 방법 및 이를 수행하는 자율주행로봇에 관한 것이다.The present invention relates to a method for diagnosing a position estimation state and an autonomous driving robot performing the same, and more specifically, a method for diagnosing a position estimation state capable of self-diagnosing whether the position estimation state of the autonomous driving robot is successful or failed when driving. It relates to an autonomous driving robot that performs this.

신뢰성 있는 위치 추정기술은 자율주행로봇의 자율주행을 위해 필수적이다. 자율주행로봇은 출발 위치로부터 목표 위치까지 위치 추정 결과를 바탕으로 주행한다. 따라서, 성공적인 경로생성과 운동제어를 위해 신뢰성 있는 위치 추정 결과가 제공되어야 한다.Reliable position estimation technology is essential for autonomous driving robots. The autonomous driving robot travels from the starting position to the target position based on the position estimation result. Therefore, reliable location estimation results must be provided for successful path creation and motion control.

지금까지 많은 연구는 위치 추정 성능을 주로 위치 추정 오차에 근거하여 평가해왔다. 하지만 위치 추정 오차가 어느 정도 수준 이하로 유지만 된다면, 많은 경우에 위치 추정 오차는 자율주행의 성능에 큰 영향을 미치지 않는다. 예를 들어, 자율주행로봇의 상대 좌표계에서 근접 장애물 또는 위험 지형을 정확히 감지할 수 있다면, 위치 추정 오차가 다소 부정확할지라도 적절한 운동제어가 가능하다.So far, many studies have evaluated location estimation performance mainly based on location estimation error. However, if the position estimation error is maintained to a certain level or less, in many cases, the position estimation error does not significantly affect the performance of autonomous driving. For example, if the relative coordinate system of the autonomous driving robot can accurately detect an obstacle or a dangerous terrain, proper motion control is possible even if the position estimation error is somewhat inaccurate.

실제 활용에 있어서는, 현재 추정된 자율주행로봇의 포즈, 즉 위치와 방향각이 믿을 만한지 아닌지를 판단하는 것이 더욱 중요하다. 다시 말해서, 위치 추정 상태를 판단하는 것이 중요하다. 만약, 추정된 포즈가 믿을 만하지 않다면, 추정된 포즈는 자율주행로봇의 주행 행동 결정에 활용되지 않아야 한다. 그렇지 않으면, 자율주행로봇은 임무에 실패하거나, 비정상적인 행동을 할지도 모른다.In actual use, it is more important to judge whether the currently estimated pose of the autonomous driving robot, that is, whether the position and the direction angle is reliable or not. In other words, it is important to judge the position estimation status. If the estimated pose is not reliable, the estimated pose should not be used to determine the driving behavior of the autonomous driving robot. Otherwise, the self-driving robot may fail the mission or behave abnormally.

한편, 라이다 센서와 같은 거리 센서를 이용한 위치 추정 기술은 많은 환경에서 강인하고 신뢰성 있는 위치 추정 결과를 보여왔다. 그럼에도 불구하고, 위치 센서 기반의 위치 추정기술을 이용할 때 위치 추정 실패가 때때로 발생한다. 위치 추정 실패는 다양한 원인에 의해 발생하는데, 극심한 환경 변화, 불충분한 자연표식, 바퀴의 미끄러짐은 위치 추정 실패의 주요 원인들이다.On the other hand, position estimation technology using a distance sensor such as a lidar sensor has shown robust and reliable position estimation results in many environments. Nevertheless, location estimation failures sometimes occur when using location sensor based location estimation techniques. Positioning failures are caused by a variety of causes, such as extreme environmental changes, insufficient natural markings, and slippage of the wheels.

모든 상황과 환경에서 강인하게 동작하는 위치 추정 기술을 개발하기는 어렵다. 따라서 자율주행로봇 스스로 현재 위치 추정 상태를 진단할 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있는 실정이다.It is difficult to develop a location estimation technique that works robustly in all situations and environments. Therefore, there is a need to develop a technology capable of diagnosing the current position estimation state of the autonomous driving robot itself.

위치 추정 상태의 진단과 관련된 다양한 연구들이 있었다. Moon 등의 논문 "Observation likelihood model design and failure recovery scheme toward reliable localization of mobile robots (Int. J. Adv. Robot. Syst., vol. 7, no. 4, pp. 113??122, 2010.)"에서는 바퀴의 미끄러짐에 의한 위치 추정 실패를 감지하기 위해 매칭 오차를 이용하였다. 슬라이딩 윈도우 기법을 이용하여 현재 매칭 오차가 과거 매칭 오차의 분포로부터 일정 범위를 초과하면, 위치 추정 상태는 실패로 분류된다. 이와 같은 방법은 바퀴가 미끄러졌을 때 매칭 오차가 순간적으로 크게 증가하는 특성을 고려한 것이다.There have been various studies related to the diagnosis of the position estimation status. Moon et al. "Observation likelihood model design and failure recovery scheme toward reliable localization of mobile robots (Int. J. Adv. Robot. Syst., vol. 7, no. 4, pp. 113??122, 2010.)" Estimation used a matching error to detect the failure to estimate the position due to wheel slip. If the current matching error exceeds a certain range from the distribution of past matching errors using the sliding window technique, the position estimation state is classified as failed. This method takes into account the property that the matching error increases momentarily when the wheel is slipped.

Lee 등의 논문 "Discrete-status-based localization for indoor service robots (IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 53, no. 5, pp. 1737??1746, 2006.)"에서는 10% 이상의 오차를 가지는 거리 측정값을 잘못된 측정값으로 정의하고, 잘못된 거리 측정값의 비율을 바탕으로 위치 추정의 신뢰성을 정의하였다. 이러한 신뢰성이 한계치 이하인 경우 추정된 포즈를 믿을 만한 것이 아닌 것으로 간주하고, 이를 업데이트 과정에 반영하지 않는다.Lee et al., “Discrete-status-based localization for indoor service robots (IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 53, no. 5, pp. 1737??1746, 2006.)” has an error of 10% or more. The distance measurement value was defined as an erroneous measurement value, and the reliability of the position estimation was defined based on the ratio of the erroneous distance measurement value. If the reliability is below the limit, the estimated pose is considered unreliable and is not reflected in the update process.

Zhang 등의 논문 "Self-adaptive Monte Carlo Localization for Mobile Robots Using Range Finders (Robotica, vol. 30, no. 2, pp. 229-244, 2012.)"에서는 샘플들의 최대 확률에 근거하여 위치 추정 실패를 감지한다. 샘플들의 최대 확률이 한계치 이하일 경우 로컬 샘플의 일부가 글로벌 샘플로 변환된다.In Zhang et al.'s "Self-adaptive Monte Carlo Localization for Mobile Robots Using Range Finders (Robotica, vol. 30, no. 2, pp. 229-244, 2012.)" Detect. When the maximum probability of samples is below a threshold, a part of the local sample is converted into a global sample.

Fujii 등의 논문 "Detection of localization failure using logistic regression (Proc. IEEE Int. Conf. Intell. Robots Syst., 2015.)"에서는 샘플들의 최대 확률과 표준편차를 이용한 로지스틱 회귀에 의해 위치 추정 실패를 분류하였다. 또한, 로지스틱 함수에 의해 계산된 위치 추정 실패 확률을 이용한 하이브리드 위치 추정기술을 제시하였다.In Fujii et al.'s paper "Detection of localization failure using logistic regression (Proc. IEEE Int. Conf. Intell. Robots Syst., 2015.)", location estimation failure was classified by logistic regression using the maximum probability and standard deviation of samples. . In addition, a hybrid position estimation technique using the probability of position estimation failure calculated by the logistic function is presented.

위치 추정 상태는 지도를 업데이트하기 위한 목적으로도 진단되었는데, 일 예로 Sun 등의 논문 "Towards Effective Localization in Dynamic Environments (Proc. IEEE Int. Conf. Intell. Robots Syst.,2016.)"에서는 매칭 점수(Matching score)를 이용하여 위치 추정 상태를 진단하였다. 매칭 점수가 한계치를 초과할 때 지도가 업데이트된다.The location estimation status was also diagnosed for the purpose of updating the map. For example, in Sun et al.'s paper "Towards Effective Localization in Dynamic Environments (Proc. IEEE Int. Conf. Intell. Robots Syst., 2016.)" Matching score) was used to diagnose location estimation. The map is updated when the matching score exceeds the limit.

상기와 같이, 기존의 연구들은 각자의 지표를 이용해서 목표 위치 추정 상태를 성공적으로 진단했다. 하지만, 기존의 지표들은 위치 추정 알고리즘에 크게 의존적일 수 있다. 예를 들어, Moon 등의 논문에서 정의된 매칭 오차와, Sun 등의 논문에서 정의된 매칭 점수는 각 위치 추정 알고리즘의 결과로서 얻을 수 있는 지표이다. 뿐만 아니라, 샘플의 최대 확률 또는 공분산의 크기는 센서 모델의 설계 전략 또는 환경조건에 따라 위치 추정 결과와 적은 관련성이 있을 수 있다.As described above, the existing studies have successfully diagnosed the target position estimation state using respective indicators. However, existing indicators can be highly dependent on the location estimation algorithm. For example, the matching error defined in a paper such as Moon and the matching score defined in a paper such as Sun are indicators that can be obtained as a result of each position estimation algorithm. In addition, the maximum probability or the size of the covariance of the sample may be less related to the position estimation result depending on the design strategy or environmental conditions of the sensor model.

따라서, 센서 모델의 설계 전략이나 환경 조건, 그리고 위치 추정 알고리즘의 종류와 무관하게 자율주행로봇이 자신의 위치 추정 상태가 성공인지 실패인지 여부를 자가 진단할 수 있다면, 보다 정확한 주행을 보장할 수 있어 바람직할 것이다.Therefore, if the autonomous driving robot can self-diagnose whether its position estimation status is success or failure, regardless of the design strategy of the sensor model, environmental conditions, and the type of location estimation algorithm, it can guarantee a more accurate driving. Would be desirable.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로써, 자율주행로봇의 주행시 자신의 위치 추정 상태가 성공인지 실패인지를 자가 진단할 수 있는 위치 추정 상태 진단 방법 및 이를 수행하는 자율주행로봇을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention was devised to solve the above problems, a method for diagnosing a position estimation state capable of self-diagnosing whether a position estimation state of a self-driving robot is a success or failure and an autonomous driving robot performing the same. The purpose is to provide.

상기 목적은 본 발명에 따라, 위치 추정 상태 자가 진단 방법에 있어서, (a) 거리 오차 지표와, 방향각 오차 지표, 및 상기 거리 오차 지표 및 상기 방향각 오차 지표에 대한 위치 추정 성공 여부가 기 등록된 기계 학습 알고리즘의 학습 데이터로 등록되어 학습되는 단계와, (b) 자율주행로봇의 현 위치에서 복수의 거리 측정값이 측정되는 단계와, (c) 상기 자율주행로봇의 현 위치에서의 추정 방향각이 추정되는 단계와, (d) 복수의 상기 거리 측정값에 기초하여 현 위치에서의 거리 오차 지표가 산출되는 단계와, (e) 상기 추정 방향각에 기초하여 현 위치에서의 방향각 오차 지표가 산출되는 단계와, (f) 상기 (d) 단계 및 상기 (e) 단계에서 각각 산출된 상기 거리 오차 지표 및 상기 방향각 오차 지표가 상기 기계 학습 알고리즘에 입력되어 현 위치에서의 위치 추정 성공 여부가 출력되는 단계를 포함하며; 상기 (a) 단계 및 상기 (d) 단계에서 상기 거리 오차 지표는 현 위치에서 측정된 복수의 거리 측정값 중 신뢰성이 높은 상위 n %의 거리 측정값들의 오차 평균값에 기초하여 산출되고, 상기 (a) 단계 및 상기 (e) 단계에서 상기 방향각 오차 지표는 현 위치에서 추정된 추정 방향각과 현 위치에서의 허용 방향각 범위에 기초하여 산출되는 것을 특징으로 하는 자율주행로봇의 위치 추정 상태 자가 진단 방법에 의해서 달성된다.In accordance with the present invention, in the self-diagnostic method of position estimation state, (a) the distance error indicator, the direction angle error indicator, and the success or failure of the position estimation for the distance error indicator and the direction angle error indicator are registered Registered and learned as learning data of the machine learning algorithm, (b) measuring a plurality of distance measurements at the current position of the autonomous driving robot, and (c) the estimated direction at the current position of the autonomous driving robot. The step of estimating the angle, and (d) calculating the distance error index at the current position based on the plurality of distance measurements, and (e) the direction angle error index at the current position based on the estimated direction angle. Is calculated, and (f) the distance error index and the direction angle error index calculated in steps (d) and (e), respectively, are input to the machine learning algorithm, and the position estimation at the current position is successful. It includes a step of outputting; In the steps (a) and (d), the distance error index is calculated based on the error average value of the high n% reliable distance measurement values among the plurality of distance measurement values measured at the current location, and the (a) The self-diagnosing method of the position estimation state of the autonomous driving robot, characterized in that the direction angle error index is calculated based on the estimated direction angle estimated at the current position and the allowable direction angle range at the current position in steps (e) and (e). Is achieved by.

또한, 상기 목적은 본 발명의 다른 실시 형태에 따라, 위치 추정 상태 자가 진단을 수행하는 자율주행로봇에 있어서, 거리 센서와, 상기 거리 센서에 의해 측정된 거리 측정값에 기초하여 주행을 제어하고, 기계 학습 알고리즘이 기 등록된 메인 프로세서를 포함하며; (a) 상기 메인 프로세서에 거리 오차 지표와, 방향각 오차 지표, 및 상기 거리 오차 지표 및 상기 방향각 오차 지표에 대한 위치 추정 성공 여부가 상기 기계 학습 알고리즘의 학습 데이터로 등록되어 학습되는 단계와, (b) 상기 거리 센서에 의해 현 위치에서 복수의 거리 측정값이 측정되는 단계와, (c) 상기 메인 프로세서에 의해 현 위치에서의 추정 방향각이 추정되는 단계와, (d) 상기 메인 프로세서에 의해 복수의 상기 거리 측정값에 기초하여 현 위치에서의 거리 오차 지표가 산출되는 단계와, (e) 상기 메인 프로세서에 의해 상기 추정 방향각에 기초하여 현 위치에서의 방향각 오차 지표가 산출되는 단계와, (f) 상기 메인 프로세서에 의해 상기 (d) 단계 및 상기 (e) 단계에서 각각 산출된 상기 거리 오차 지표 및 상기 방향각 오차 지표가 상기 기계 학습 알고리즘에 입력되어 현 위치에서의 위치 추정 성공 여부가 출력되는 단계가 수행되어, 위치 추정 상태가 자가 진단되며; 상기 메인 프로세서는 상기 (a) 단계 및 상기 (d) 단계에서 상기 거리 오차 지표를 현 위치에서 측정된 복수의 거리 측정값 중 신뢰성이 높은 상위 n %의 거리 측정값들의 오차 평균값에 기초하여 산출하고, 상기 (a) 단계 및 상기 (e) 단계에서 상기 방향각 오차 지표를 현 위치에서 추정된 추정 방향각과 현 위치에서의 허용 방향각 범위에 기초하여 산출하는 것을 특징으로 하는 위치 추정 상태 자가 진단을 수행하는 자율주행로봇에 의해서도 달성될 수 있다.In addition, the above object, in accordance with another embodiment of the present invention, in the self-driving robot performing a self-diagnosis position estimation state, and controls the driving based on the distance sensor and the distance measurement value measured by the distance sensor, The machine learning algorithm includes a pre-registered main processor; (a) registering and learning whether a distance error indicator, a direction angle error indicator, and a position error success for the distance error indicator and the direction angle error indicator are registered in the main processor as learning data of the machine learning algorithm; (b) measuring a plurality of distance measurements at the current position by the distance sensor, (c) estimating an estimated direction angle at the current position by the main processor, and (d) at the main processor. Calculating a distance error index at the current position based on a plurality of the distance measurement values, and (e) calculating a direction angle error index at the current position based on the estimated direction angle by the main processor. Wow, (f) the distance error index and the direction angle error index respectively calculated in the steps (d) and (e) by the main processor are input to the machine learning algorithm to successfully estimate the position at the current position. Whether or not a step of outputting is performed, the position estimation state is self-diagnosed; The main processor calculates the distance error index in steps (a) and (d) based on the error average value of the high n% reliable distance measurement values among the plurality of distance measurement values measured at the current location. In step (a) and (e), the position estimation state self-diagnosis is characterized by calculating the direction angle error index based on the estimated direction angle estimated at the current position and the allowable direction angle range at the current position. It can also be achieved by performing autonomous driving robots.

여기서, 상기 거리 오차 지표는 수학식Here, the distance error index is an equation

Figure pat00001
Figure pat00001

(여기서,

Figure pat00002
는 상기 거리 오차 지표이고,
Figure pat00003
는 상기 오차 평균값으로 수학식
Figure pat00004
(여기서,
Figure pat00005
는 시간 t에서 측정된 거리 센서의 i번째 거리 측정값이고,
Figure pat00006
는 상기 자율주행로봇에 등록된 지도로부터 계산된
Figure pat00007
의 레퍼런스 거리이고,
Figure pat00008
는 시간 t에서 측정된 복수의 거리 측정값 중 n%에 대응하는 개수이고,
Figure pat00009
는 시간 t에서 측정된 복수의 거리 측정값 중 n%에 속하는 거리 측정값의 식별번호 i의 집합이다)에 의해 산출되고,
Figure pat00010
는 시간 t에서의 상기 오차 평균값에 대한 가중치이다)에 의해 산출될 수 있다.(here,
Figure pat00002
Is the distance error indicator,
Figure pat00003
Is the equation of the error average
Figure pat00004
(here,
Figure pat00005
Is the i-th distance measurement of the distance sensor measured at time t,
Figure pat00006
Is calculated from the map registered in the autonomous driving robot.
Figure pat00007
Is the reference distance of
Figure pat00008
Is a number corresponding to n% of the plurality of distance measurements measured at time t,
Figure pat00009
Is a set of identification numbers i of distance measurement values belonging to n% among a plurality of distance measurement values measured at time t),
Figure pat00010
Is a weight for the error average value at time t).

또한, 상기 방향각 오차 지표는 수학식In addition, the direction angle error index is an equation

Figure pat00011
Figure pat00011

(여기서,

Figure pat00012
는 상기 방향각 오차 지표이고,
Figure pat00013
는 수학식(here,
Figure pat00012
Is the direction angle error index,
Figure pat00013
Is a mathematical expression

Figure pat00014
Figure pat00014

(여기서,

Figure pat00015
는 시간 t에서의 상기 추정 방향각이고,
Figure pat00016
는 시간 t에서의 상기 허용 방향각 범위의 최대 방향각이고,
Figure pat00017
는 시간 t에서의 상기 허용 방향각 범위의 최소 방향각이다)에 산출되고,
Figure pat00018
는 시간 t에서의
Figure pat00019
에 대한 가중치이다)에 의해 산출될 수 있다.(here,
Figure pat00015
Is the estimated direction angle at time t,
Figure pat00016
Is the maximum direction angle of the permissible direction angle range at time t,
Figure pat00017
Is the minimum direction angle of the permissible direction angle range at time t),
Figure pat00018
At time t
Figure pat00019
It can be calculated by).

여기서, 상기 최대 방향각은 수학식

Figure pat00020
에 의해 산출되고; 상기 최소 방향각은 수학식
Figure pat00021
에 의해 산출되며;
Figure pat00022
는 시간 t-s에서 추정된 추정 방향각이고,
Figure pat00023
에 의해 산출되고,
Figure pat00024
Figure pat00025
는 각각 시간 t 및 시간 t-s에서 상기 자율주행로봇에 등록된 오도메트리 상의 오도메트리 방향각이고,
Figure pat00026
는 상기 자율주행로봇의 불확실성을 반영한 매개변수이다.Here, the maximum direction angle is an equation
Figure pat00020
Is calculated by; The minimum direction angle is an equation
Figure pat00021
Is calculated by;
Figure pat00022
Is the estimated direction angle estimated at time ts ,
Figure pat00023
Is calculated by,
Figure pat00024
And
Figure pat00025
Is an odometric direction angle on the odometry registered to the autonomous driving robot at time t and time ts , respectively.
Figure pat00026
Is a parameter reflecting the uncertainty of the autonomous driving robot.

그리고, 상기 기계 학습 알고리즘은 지도학습이 적용된 이진 분류 알고리즘을 포함할 수 있다.In addition, the machine learning algorithm may include a binary classification algorithm to which supervised learning is applied.

상기 구성에 따라 본 발명에 따르면, 자율주행로봇의 주행시 자신의 위치 추정 상태가 성공인지 실패인지를 자가 진단할 수 있는 위치 추정 상태 진단 방법 및 이를 수행하는 자율주행로봇이 제공된다.According to the present invention according to the above configuration, there is provided a method for diagnosing a position estimation state capable of self-diagnosing whether a position estimation state of a self-driving robot is a success or failure and an autonomous driving robot performing the same.

도 1은 본 발명에 따른 자율주행로봇의 구성을 설명하기 위한 도면이고,
도 2은 본 발명에 따른 자율주행로봇의 위치 추정 상태 자가 진단 방법의 흐름도이고,
도 3는 도 2의 기계 학습 과정을 설명하기 위한 흐름도이고,
도 4 내지 도 7은 본 발명에 따른 자율주행로봇의 위치 추정 상태 자가 진단 방법을 설명하기 위한 도면이다.
1 is a view for explaining the configuration of an autonomous driving robot according to the present invention,
2 is a flowchart of a method for self-diagnosing a position estimation state of an autonomous driving robot according to the present invention,
3 is a flowchart for explaining the machine learning process of FIG. 2,
4 to 7 are views for explaining a method for self-diagnosing a position estimation state of an autonomous driving robot according to the present invention.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 자율주행로봇(100)의 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 자율주행로봇(100)은 휠 구동부(130), 휠 감지부(140), 거리 센서(120), 및 메인 프로세서(110)를 포함한다. 여기서, 전원 공급부(150)는 자율주행로봇(100)의 구동을 위한 전원을 휠 구동부(130), 휠 감지부(140), 거리 센서(120), 및 메인 프로세서(110)를 포함한 구성요소들에 공급한다.1 is a view for explaining the configuration of the autonomous driving robot 100 according to the present invention. Referring to FIG. 1, the autonomous driving robot 100 according to the present invention includes a wheel driving unit 130, a wheel sensing unit 140, a distance sensor 120, and a main processor 110. Here, the power supply unit 150 includes components for driving the autonomous driving robot 100, including a wheel driving unit 130, a wheel sensing unit 140, a distance sensor 120, and a main processor 110. To supply.

휠 구동부(130)는 자율주행로봇(100))의 주행을 위해 설치된 휠을 회전시킨다. 본 발명에 따른 자율주행로봇(100))이 2륜 차동 방식이 적용되는 경우, 각각의 휠의 회전수나 회전 여부에 의해 속도 및 회전각의 제어가 가능하게 된다.The wheel driving unit 130 rotates the wheel installed for driving of the autonomous driving robot 100. When the two-wheel differential method is applied to the autonomous driving robot 100 according to the present invention, it is possible to control the speed and the rotation angle depending on whether the number of revolutions or rotation of each wheel.

휠 감지부(140)는 각각의 휠의 회전수를 감지하게 도는데, 메인 프로세서(110)는 휠 감지부(140)에 의해 감지된 각 휠의 회전수를 이용하여 이동 거리 및 회전각을 산출하고, 이를 통해 자율주행로봇(100)의 오도메트리 상의 위치를 추정하게 된다.The wheel sensing unit 140 helps to detect the number of revolutions of each wheel, and the main processor 110 calculates a moving distance and a rotation angle using the number of revolutions of each wheel sensed by the wheel sensing unit 140 and , Through this, the position on the odometry of the autonomous driving robot 100 is estimated.

거리 센서(120)는 주변 환경이나 장애물 등과의 거리를 측정한다. 본 발명에서는 거리 센서(120)로 레이저 거리 센서(120)가 적용되는 것을 예로 하며, 현재 위치에서 일정 각도 범위, 예컨대, 1ㅀ단위로 회전하면서 각각의 각도에서의 거리 측정값을 측정할 수 있다.The distance sensor 120 measures the distance to the surrounding environment or obstacles. In the present invention, it is assumed that the laser distance sensor 120 is applied as the distance sensor 120, and it is possible to measure a distance measurement value at each angle while rotating in a certain angle range, for example, 1ㅀ unit from the current position. .

메인 프로세서(110)는 휠 감지부(140) 및 거리 센서(120)의 측정값들에 기초하여 자율주행로봇(100))이 경로를 따라 이동하도록 휠 구동부(130)를 제어한다. 본 발명에서는 메인 프로세서(110)에 위치 추정 상태 자가 진단에 적용되는 기계 학습 알고리즘이 등록되는데 이에 대한 상세한 설명은 후술한다.The main processor 110 controls the wheel driving unit 130 so that the autonomous driving robot 100 moves along the path based on the measured values of the wheel sensing unit 140 and the distance sensor 120. In the present invention, the machine learning algorithm applied to the position estimation state self-diagnosis is registered in the main processor 110, which will be described later in detail.

이하에서는 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 자율주행로봇(100)의 메인 프로세서(110)에 의해 수행되는 위치 추정 상태 자가 진단 방법에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, a method for self-diagnosing a position estimation state performed by the main processor 110 of the autonomous driving robot 100 according to the present invention will be described in detail with reference to FIG. 2.

도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 자율주행로봇(100)의 위치 추정 상태 자가 진단 방법에서는, 거리 오차 지표, 방향각 오차 지표 그리고 위치 추정 성공 여부가 메인 프로세서(110)의 기계 학습 알고리즘의 학습 데이터로 등록되어 기계 학습된다(S10).Referring to FIG. 2, in the self-diagnostic method of the position estimation state of the autonomous driving robot 100 according to an embodiment of the present invention, the distance error index, the direction angle error index, and the success or failure of the position estimation of the main processor 110 Machine learning is registered as machine learning algorithm training data (S10).

여기서, 거리 오차 지표는 현 위치에서 거리 센서(120)에 의해 측정된 복수의 거리 측정값 중 신뢰성이 높은 상위 n%의 거리 측정값의 오차 평균값에 기초하여 산출되고, 방향각 오차 지표는 현 위치에서 추정된 추정 방향각과 현 위치에서의 허용 방향각 범위에 기초하여 산출된다.Here, the distance error index is calculated based on the error average value of the distance measurement value of the upper n% having high reliability among the plurality of distance measurement values measured by the distance sensor 120 at the current position, and the direction angle error index is the current position It is calculated based on the estimated direction angle estimated at and the allowable direction angle range at the current position.

이하에서는, 본 발명에 따른 자율주행로봇(100)의 위치 추정 상태 자가 진단 방법에서 기계 학습 알고리즘를 통한 기계 학습 과정에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, the machine learning process through the machine learning algorithm in the self-diagnostic method of the position estimation state of the autonomous driving robot 100 according to the present invention will be described in detail.

먼저, 자율주행로봇(100)의 주행 환경, 예를 들어 도 4에 도시된 주차장에서 자율주행로봇(100)이 주행하는 과정에서 각 시간에서의 거리 측정값, 추정 방향각 및 위치 추정 성공 여부가 획득된다(S20). 도 4은 자율주행로봇(100)의 주행 환경으로 주차장의 실제 예를 나타낸 도면으로, 위치 추정 성공 여부는 주차장의 각 위치에 설치된 인공 표식(Reflector)을 기준으로 판단할 수 있다. 즉, 자율주행로봇(100)이 주행하는 과정에서 획득된 거리 측정값에 따른 위치와 추정된 방향각은 주차장에 설치된 인공 표식을 기준으로 위치 추정의 성공과 실패 여부를 확인할 수 있다.First, in the driving environment of the autonomous driving robot 100, for example, in the parking lot shown in FIG. 4, whether the distance measurement value at each time, the estimated direction angle, and the position estimation success in the process of driving the autonomous driving robot 100 It is obtained (S20). 4 is a view showing a real example of a parking lot as a driving environment of the autonomous driving robot 100, and whether the location estimation is successful can be determined based on an artificial marker installed at each location of the parking lot. That is, the position and the estimated direction angle according to the distance measurement value obtained in the course of the driving of the autonomous driving robot 100 can confirm the success or failure of the position estimation based on the artificial marker installed in the parking lot.

다시 도 3를 참조하여 설명하면, 자율주행로봇(100)의 주행 과정에서 현 위치에서의 거리 측정값들이 획득되면, 거리 측정값의 신뢰성이 산출된다(S21). 도 5를 참조하여 설명하면, 도 5의 (a)의 원으로 표시된 부분(RD)은 상대적으로 신뢰성이 높은 거리 측정값들을 나타내고 있다. 사람과 같은 동적 장애물(210)이나 상자와 같은 알려지지 않은 정적 장애물(220)에 의해 점선으로 나타낸 길이는 해당 거리 측정값에 대한 거리 오차가 된다. 도 5의 (a)에서는 전체 거리 측정값들에 대해서는 큰 거리 오차가 발생할지라도 상대적으로 신뢰성이 높은 거리 측정값들에 대한 거리 오차는 작다. 즉, 상대적으로 신뢰성이 높은 거리 측정값들은 정확하기 때문에 위치 추정이 성공적으로 수행될 수 있다.Referring again to FIG. 3, when distance measurement values at the current position are obtained during the driving process of the autonomous driving robot 100, reliability of the distance measurement value is calculated (S21 ). Referring to FIG. 5, the portion RD indicated by a circle in FIG. 5A shows relatively reliable distance measurement values. The length indicated by the dotted line by a dynamic obstacle 210 such as a person or an unknown static obstacle 220 such as a box becomes a distance error for the corresponding distance measurement. In (a) of FIG. 5, although a large distance error occurs for the entire distance measurement values, the distance error for the relatively reliable distance measurement values is small. That is, since the relatively reliable distance measurement values are accurate, the position estimation can be successfully performed.

반면, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 상대적으로 신뢰성이 높은 거리 측정값들에 대해서도 거리 오차가 크게 나타날 수 있는데, 이러한 결과로, 위치 추정 결과를 신뢰할 수 없게 된다.On the other hand, as shown in (b) of FIG. 5, the distance error may be large even for relatively reliable distance measurement values. As a result, the position estimation result becomes unreliable.

이에, 본 발명에서는 전체 거리 측정값들 중 신뢰성이 상대적으로 높은 거리 측정값들에 대한 오차 평균값을 이용하여 거리 오차 지표를 산출하게 되며, 거리 측정값들 중 신뢰성이 높은 상위 n%의 거리 측정값들을 추출하고(S22), 이를 이용하여 오차 평균값을 산출하는 것을 예로 한다. 여기서, 오차 평균값이 작으면 위치 추정이 성공적으로 수행되었다고 가정할 수 있으며, 반대의 경우에는 위치 추정이 실패한 것으로 가정할 수 있다. 본 발명에서 오차 평균값은 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.Accordingly, in the present invention, a distance error index is calculated using an error average value for distance measurement values having a relatively high reliability among all distance measurement values, and a distance measurement value of a top n% having high reliability among the distance measurement values For example, extracting them (S22) and calculating an error average value using the same. Here, if the error average value is small, it can be assumed that the position estimation has been successfully performed, and in the opposite case, it can be assumed that the position estimation has failed. In the present invention, the error average value can be expressed as [Equation 1].

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00027
Figure pat00027

[수학식 1]에서

Figure pat00028
는 오차 평균값이고,
Figure pat00029
는 시간 t에서 측정된 거리 센서(120)의 i번째 거리 측정값이고,
Figure pat00030
는 자율주행로봇(100)에 등록된 지도로부터 계산된
Figure pat00031
의 레퍼런스 거리이고,
Figure pat00032
는 시간 t에서 측정된 복수의 거리 측정값 중 n%에 대응하는 개수이고,
Figure pat00033
는 시간 t에서 측정된 복수의 거리 측정값 중 n%에 속하는 거리 측정값의 식별번호 i의 집합이다.In [Equation 1]
Figure pat00028
Is the mean value of the error,
Figure pat00029
Is the i-th distance measurement of the distance sensor 120 measured at time t,
Figure pat00030
Is calculated from the map registered in the autonomous driving robot (100)
Figure pat00031
Is the reference distance of
Figure pat00032
Is a number corresponding to n% of the plurality of distance measurements measured at time t,
Figure pat00033
Is a set of identification numbers i of distance measurements belonging to n% of the plurality of distance measurements measured at time t.

여기서, n 값이 크면 다수의 거리 측정값에 대한 오차가 계산된다. 그 결과, 실제로 위치 추정 오차가 증가하지 않는 상황에서 위치 추정 오차가 증가한다고 판단될 가능성이 증가한다. 반대로, n 값이 작아지면 실제로 위치 추정 오차가 증가하는 상황에 둔감해진다. 본 발명에서는 n 값으로 경험적으로 20%로 설정하는 것을 예로 한다.Here, if the value of n is large, errors for a number of distance measurements are calculated. As a result, the possibility that it is determined that the position estimation error increases in a situation in which the position estimation error does not actually increase increases. Conversely, when the value of n decreases, it becomes insensitive to the situation where the position estimation error actually increases. In the present invention, it is assumed that the value is set to 20% empirically.

본 발명에 따른 신뢰성 산출 방법은 본원 출원인에 의해 출원되어 등록된 한국등록특허공보 제10-1888295호에 개시된 "레이저 거리 센서(120)의 측정 거리에 대해 추정된 거리 유형의 신뢰성을 평가하는 방법 및 이를 이용한 이동 로봇의 위치 추정 방법"을 이용하여 산출하는 것을 예로 하는 바, 그 상세한 설명은 생략한다.The reliability calculation method according to the present invention is a method for evaluating the reliability of the estimated distance type with respect to the measured distance of the "laser distance sensor 120" disclosed in Korean Patent Registration No. 10-1888295 filed and registered by the applicant of the present application, and It is assumed that the calculation is performed using the "position estimation method of the mobile robot using this", and detailed description thereof is omitted.

여기서, 위치 추정 오차는 누적되어 증가하기 때문에, 오차 평균값

Figure pat00034
가 큰 값을 유지하는 동안, 위치 추정 유차는 계속 증가한다. 게다가, 오차 평균값
Figure pat00035
이 갑자기 감소하더라도, 위치 추정 오차는 바로 감소하지 않는다. 즉, 위치 추정 오차는 오차 평균값
Figure pat00036
의 과거 값에도 영향을 받게 되는 바, 본 발명에서는 거리 오차 지표를 [수학식 2]와 같이 산출하는 것을 예로 한다(S23).Here, since the position estimation error accumulates and increases, the error average value
Figure pat00034
While it maintains a large value, the position estimation error continues to increase. Moreover, the error average
Figure pat00035
Even if this sudden decrease, the position estimation error does not decrease immediately. That is, the position estimation error is the average error value.
Figure pat00036
Since it is also influenced by the past value of, it is assumed that the present invention calculates the distance error index as [Equation 2] (S23).

[수학식 2][Equation 2]

Figure pat00037
Figure pat00037

[수학식 2]에서 시간 t에서의

Figure pat00038
는 거리 오차 지표이고,
Figure pat00039
는 시간 t에서의 오차 평균값에 대한 가중치가 된다. 즉, 본 발명에서는 거리 오차 지표로 거리 추정 오차의 지수 가중 평균(Exponentially weighted moving average)을 사용하는 것을 예로 한다.In Equation 2, at time t
Figure pat00038
Is the distance error indicator,
Figure pat00039
Is the weight for the average error value at time t. That is, in the present invention, as an example of using an exponentially weighted moving average of the distance estimation error as a distance error index.

이하에서는 본 발명에 따른 자율주행로봇(100)의 위치 추정 상태 자가 진단 방법에서 방향각 오차 지표를 산출(S23)하는 방법에 대해 설명한다. 본 발명에서는 방향각 오차 지표가 현 위치에서 추정된 추정 방향각과, 현 위치에서의 허용 방향각 범위에 기초하여 산출된다.Hereinafter, a method of calculating the direction angle error index in the self-diagnostic method of the position estimation state of the autonomous driving robot 100 according to the present invention will be described (S23). In the present invention, the direction angle error index is calculated based on the estimated direction angle estimated at the current position and the allowable direction angle range at the current position.

보다 구체적으로 설명하면, 자율주행로봇(100)의 운동 불확실성과 오도메트리 각변위의 고려 하에 허용 가능한 자율주행로봇(100)의 방향각인 허용 방향각 범위가 산출될 수 있다. 만약, 추정된 방향각이 허용 가능한 범위를 벗어난다면, 비정상적인 위치 추정이 발생했을 가능성이 높다. 본 발명에서는 [수학식 3]을 통해 방향각 오차 지표를 산출하는 것을 예로 한다.In more detail, an allowable direction angle range that is an allowable direction angle of the autonomous driving robot 100 may be calculated in consideration of motion uncertainty and angular displacement of the autonomous driving robot 100. If the estimated direction angle is outside the allowable range, it is highly likely that an abnormal position estimation has occurred. In the present invention, it is assumed that the direction angle error index is calculated through [Equation 3].

[수학식 3][Equation 3]

Figure pat00040
Figure pat00040

[수학식 3]에서

Figure pat00041
는 방향각 오차 지표이고,
Figure pat00042
는 [수학식 4]를 통해 산출되고,
Figure pat00043
는 시간 t에서의
Figure pat00044
에 대한 가중치이다.In [Equation 3]
Figure pat00041
Is the direction angle error indicator,
Figure pat00042
Is calculated through [Equation 4],
Figure pat00043
At time t
Figure pat00044
Is the weight for.

[수학식 4][Equation 4]

Figure pat00045
Figure pat00045

여기서,

Figure pat00046
는 시간 t에서의 추정 방향각이고,
Figure pat00047
는 시간 t에서의 허용 방향각 범위의 최대 방향각이고,
Figure pat00048
는 시간 t에서의 허용 방향각 범위의 최소 방향각이다.here,
Figure pat00046
Is the estimated direction angle at time t,
Figure pat00047
Is the maximum direction angle of the permissible direction angle range at time t,
Figure pat00048
Is the minimum direction angle of the permissible direction angle range at time t.

그리고, 최대 방향각과, 최소 방향각은 각각 [수학식 5] 및 [수학식 6]에 의해 산출된다.Then, the maximum direction angle and the minimum direction angle are calculated by [Equation 5] and [Equation 6], respectively.

[수학식 5][Equation 5]

Figure pat00049
Figure pat00049

[수학식 6][Equation 6]

Figure pat00050
Figure pat00050

[수학식 5] 및 [수학식 6]에서

Figure pat00051
는 시간 t-s에서 추정된 추정 방향각이고, 수학식
Figure pat00052
에 의해 산출되고,
Figure pat00053
Figure pat00054
는 각각 시간 t 및 시간 t-s에서 자율주행로봇(100)에 등록된 오도메트리 상의 오도메트리 방향각이고,
Figure pat00055
는 자율주행로봇(100)의 불확실성을 반영한 매개변수이다. [수학식 4] 내지 [수학식 6]은 도 6와 같이 도식화할 수 있다.In [Equation 5] and [Equation 6]
Figure pat00051
Is the estimated direction angle estimated at time ts , the equation
Figure pat00052
Is calculated by,
Figure pat00053
And
Figure pat00054
Is an odometric direction angle on the odometry registered in the autonomous driving robot 100 at time t and time ts , respectively.
Figure pat00055
Is a parameter reflecting the uncertainty of the autonomous driving robot 100. [Equation 4] to [Equation 6] can be diagrammed as shown in FIG.

다시, 도 3를 참조하여 설명하면, 상기와 같이 현 위치에서의 거리 오차 지표와 방향각 오차 지표가 산출되면(S23), 산출된 거리 오차 지표, 방향각 오차 지표, 그리고 현 위치에서의 위치 추정 성공 여부를 기계 학습 알고리즘의 학습 데이터 세트로 생성하여(S24) 기계 학습 알고리즘에 등록한다(S26). 여기서, 학습 데이터 세트를 구성하는 거리 오차 지표와 방향각 오차 지표가 기계 학습 알고리즘의 입력 데이터로, 위치 추정 성공 여부가 출력 데이터로 등록된다.Referring again to FIG. 3, when the distance error index and the direction angle error index at the current position are calculated as described above (S23), the calculated distance error index, the direction angle error index, and the position estimation at the current position Success is generated as a learning data set of a machine learning algorithm (S24) and registered in the machine learning algorithm (S26). Here, the distance error index and the direction angle error index constituting the learning data set are registered as input data of the machine learning algorithm, and whether the position estimation is successful is registered as the output data.

상기와 같은 학습 데이터 세트 생성 과정은 자율주행로봇(100)의 주행 과정에서 지속적으로 생성되어 등록되며, 시간의 경과에 따른 주행 환경의 변화가 반영될 수 있도록 시간대별로 주행 과정을 반복하며 생성하는 것을 예로 한다. 도 7은 도 4에 도시된 주차장 환경에서 시간에 따른 환경 변화의 예를 나타내고 있다. 주차장 환경의 경우, 주차 구역에 주차된 차량이 시간이나 요일별로 다르기 때문에 환경 변화를 잘 반영할 수 있게 된다.The process of generating the learning data set as described above is continuously generated and registered in the driving process of the autonomous driving robot 100, and repeatedly generating the driving process for each time zone so that changes in the driving environment over time can be reflected. Yes. 7 shows an example of an environmental change over time in the parking lot environment shown in FIG. 4. In the case of a parking lot environment, the vehicle parked in the parking area is different for each hour or day, so it is possible to reflect environmental changes well.

상기와 같은 과정을 통해 학습 데이터 세트가 생성되고 기계 학습 알고리즘에 등록되면, 기계 학습 과정이 진행된다(S10). 본 발명에서는 기계 학습 알고리즘으로 지도학습(Supervised learning)이 적용된 이진 분류 알고리즘에 적용되는 것을 예로 한다.When the learning data set is generated through the above process and registered in the machine learning algorithm, the machine learning process proceeds (S10). In the present invention, an example is applied to a binary classification algorithm to which supervised learning is applied as a machine learning algorithm.

지도학습은 레이블이 주어진 데이터를 이용하는 기계 학습 알고리즘이다. 즉, 지도학습에서 각각의 학습 데이터는 입력 값과 원하는 출력의 쌍이다. 지도학습의 목적은 입력 값으로부터 출력 값을 맵핑하는 함수를 찾는 것이다.Supervised learning is a machine learning algorithm that uses labeled data. That is, in supervised learning, each learning data is a pair of an input value and a desired output. The purpose of supervised learning is to find a function that maps input values to output values.

본 발명은 위치 오차 지표와 방향각 오차 지표를 이용하여 위치 추정 상태, 즉 위치 추정 성공 여부를 성공과 실패로 분류하는 것이므로, 지도학습의 회기(Regression) 문제와 분류(Classificaton) 문제 중 분류 문제로 접근한다.Since the present invention classifies the position estimation status, that is, whether the position estimation is successful or not, by using the position error indicator and the direction angle error indicator, as a classification problem among regression problems and classification problems in supervised learning Approach.

실제 위치 추정 상태에 따라 위치 오차 지표와 방향각 오차 지표를 범주화시키기 위해서 실제 위치 추정 상태를 분류하기 위한 규칙이 요구되며, 본 발명에서는 위치 추정 상태를 분류하기 위한 규칙을 다음과 같이 정의한다.In order to categorize the position error indicator and the direction angle error indicator according to the actual position estimation state, a rule for classifying the actual position estimation state is required, and in the present invention, the rules for classifying the position estimation state are defined as follows.

- 위치 오차 지표와 방향각 오차 지표가 정해진 한계치를 초과하면, 위치 추정은 '실패'로 분류한다.-If the position error index and the direction angle error index exceed the prescribed limit, the position estimation is classified as'failure'.

- 실패가 아닌 모든 과정은 성공으로 분류한다.-All non-failure processes are classified as success.

즉, 위치 추정 오차가 일정 수준 이하일 때, 많은 경우에 위치 추정 오차는 자율주행 성능에 큰 영향을 미치지 않는다. 따라서, 위치 추정 오차가 정해진 한계치를 초과할 때만, 위치 추정 상태가 '실패'로 분류된다. 위치추정 오차의 한계치는 주행 목적 또는 임무에 따라 결정될 수 있다.That is, when the position estimation error is below a certain level, in many cases, the position estimation error does not significantly affect autonomous driving performance. Therefore, only when the position estimation error exceeds a predetermined threshold, the position estimation state is classified as'failed'. The limit value of the positioning error can be determined according to the driving purpose or task.

본 발명에서 위치추정 상태는 성공과 실패로 분류된다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같은 방법으로 생성 및 등록되는 위치추정 성공상태와 위치추정 실패상태에서 수집된 위치 오차 지표와 방향각 오차 지표가 기계 학습 알고리즘의 학습 데이터로 사용된다.In the present invention, the location estimation status is classified into success and failure. Accordingly, the position error index and the direction angle error index collected in the position estimation success state and the position estimation failure state generated and registered in the method as shown in FIG. 3 are used as learning data of the machine learning algorithm.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 기계 학습 알고리즘은 지도학습을 이용한 이진 분류 알고리즘이 적용되며, Altman의 저서 "An Introduction to Kernel and Nearest-Neighbor Nonparametric Regression (The American Statistician, vol. 46, no. 3, pp. 175-185, 1992.)"에 개시된 KNN 알고리즘, Pampel의 저서 "Logistic regression (a primer, Sage Publication, 2000.)"에 개시된 logistic regression 알고리즘, Cristianini 등의 논문 "An introduction to support vector machines and other kernel-based learning methods (Cambridge University Press, 2000.)"에 개시된 SVM 알고리즘이 적용될 수 있다.As described above, in the machine learning algorithm according to the present invention, a binary classification algorithm using supervised learning is applied, and Altman's book "An Introduction to Kernel and Nearest-Neighbor Nonparametric Regression (The American Statistician, vol. 46, no. 3 , pp. 175-185, 1992.), the logistic regression algorithm disclosed in Pampel's book "Logistic regression (a primer, Sage Publication, 2000.)", a paper by Cristianini et al. "An introduction to support vector machines and other kernel-based learning methods (Cambridge University Press, 2000.).

다시, 도 2을 참조하여 설명하면, 상기와 같은 과정을 통해 기계 학습이 완료된 상태에서(S10), 자율주행로봇(100)이 주행 환경을 주행하는 과정에서 거리 센서(120)에 의해 현 위치에서의 거리 측정값들이 측정된다(S11). 그리고, 현 위치에서의 추정 방향각이 추정된다(S12).Referring again to FIG. 2, in the state where the machine learning is completed through the above-described process (S10), the autonomous driving robot 100 is in the current position by the distance sensor 120 in the process of driving the driving environment. The distance measurement values of are measured (S11). Then, the estimated direction angle at the current position is estimated (S12).

그런 다음, 거리 측정값들에 대한 신뢰성이 산출되고(S13), 산출된 신뢰성을 기준으로 상위 n%의 거리 측정값이 추출된다(S14). 여기서, 신뢰성 산출과 상위 n%의 거리 측정값 추출은 상술한 기계 학습 과정에 대응하는 바, 그 상세한 설명은 생략한다.Then, the reliability of the distance measurement values is calculated (S13), and the upper n% distance measurement value is extracted based on the calculated reliability (S14). Here, the reliability calculation and extraction of the upper n% distance measurement value correspond to the above-described machine learning process, and detailed description thereof will be omitted.

그런 다음, 추출된 거리 측정값과 추정 방향각을 이용하여, 상술한 바와 같이, 거리 오차 지표와 방향각 오차 지표를 산출하고(S15), 산출된 거리 오차 지표와 방향각 오차 지표를 기계 학습 알고리즘에 입력하여 성공과 실패 중 어느 하나가 출력됨으로써(S16), 현재 추정된 자율주행로봇(100)의 포즈, 즉 위치와 방향각의 추정이 성공인지 실패인지 판단된다.Then, using the extracted distance measurement value and the estimated direction angle, as described above, the distance error index and the direction angle error index are calculated (S15), and the calculated distance error index and the direction angle error index are machine learning algorithms. By inputting to either one of success and failure is output (S16), it is determined whether the estimation of the current autonomous driving robot 100, that is, the estimation of the position and direction angle is success or failure.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following claims are also provided. It belongs to the scope of rights.

100 : 자율주행 로봇 110 : 메인 프로세서
120 : 거리 센서 130 : 휠 구동부
140 : 휠 감지부 150 : 전원 공급부
210 : 동적 장애물 220 : 정적 장애물
100: autonomous driving robot 110: main processor
120: distance sensor 130: wheel drive
140: wheel detection unit 150: power supply
210: dynamic obstacle 220: static obstacle

Claims (10)

위치 추정 상태 자가 진단 방법에 있어서,
(a) 거리 오차 지표와, 방향각 오차 지표, 및 상기 거리 오차 지표 및 상기 방향각 오차 지표에 대한 위치 추정 성공 여부가 기 등록된 기계 학습 알고리즘의 학습 데이터로 등록되어 학습되는 단계와,
(b) 자율주행로봇의 현 위치에서 복수의 거리 측정값이 측정되는 단계와,
(c) 상기 자율주행로봇의 현 위치에서의 추정 방향각이 추정되는 단계와,
(d) 복수의 상기 거리 측정값에 기초하여 현 위치에서의 거리 오차 지표가 산출되는 단계와,
(e) 상기 추정 방향각에 기초하여 현 위치에서의 방향각 오차 지표가 산출되는 단계와,
(f) 상기 (d) 단계 및 상기 (e) 단계에서 각각 산출된 상기 거리 오차 지표 및 상기 방향각 오차 지표가 상기 기계 학습 알고리즘에 입력되어 현 위치에서의 위치 추정 성공 여부가 출력되는 단계를 포함하며;
상기 (a) 단계 및 상기 (d) 단계에서 상기 거리 오차 지표는 현 위치에서 측정된 복수의 거리 측정값 중 신뢰성이 높은 상위 n %의 거리 측정값들의 오차 평균값에 기초하여 산출되고,
상기 (a) 단계 및 상기 (e) 단계에서 상기 방향각 오차 지표는 현 위치에서 추정된 추정 방향각과 현 위치에서의 허용 방향각 범위에 기초하여 산출되는 것을 특징으로 하는 위치 추정 상태 자가 진단 방법.
In the position estimation state self-diagnostic method,
(a) the distance error indicator, the direction angle error indicator, and the distance error indicator and the position estimation success with respect to the direction angle error indicator are registered and learned as learning data of a pre-registered machine learning algorithm,
(b) measuring a plurality of distance measurement values at the current position of the autonomous driving robot,
(c) estimating the estimated direction angle at the current position of the autonomous driving robot,
(d) calculating a distance error index at the current position based on the plurality of distance measurements;
(e) calculating a direction angle error index at the current position based on the estimated direction angle;
(f) the distance error index and the direction angle error index calculated in steps (d) and (e) are input to the machine learning algorithm, and outputting whether or not the position estimation is successful at the current position is output. And;
In the steps (a) and (d), the distance error index is calculated based on an error average value of the upper n% distance measurement values having high reliability among a plurality of distance measurement values measured at the current location,
In the step (a) and the step (e), the direction angle error indicator is calculated based on the estimated direction angle estimated at the current position and the allowable direction angle range at the current position.
제1항에 있어서,
상기 거리 오차 지표는 수학식
Figure pat00056

(여기서,
Figure pat00057
는 상기 거리 오차 지표이고,
Figure pat00058
는 상기 오차 평균값으로 수학식
Figure pat00059
(여기서,
Figure pat00060
는 시간 t에서 측정된 거리 센서의 i번째 거리 측정값이고,
Figure pat00061
는 상기 자율주행로봇에 등록된 지도로부터 계산된
Figure pat00062
의 레퍼런스 거리이고,
Figure pat00063
는 시간 t에서 측정된 복수의 거리 측정값 중 n%에 대응하는 개수이고,
Figure pat00064
는 시간 t에서 측정된 복수의 거리 측정값 중 n%에 속하는 거리 측정값의 식별번호 i의 집합이다)에 의해 산출되고,
Figure pat00065
는 시간 t에서의 상기 오차 평균값에 대한 가중치이다)에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 위치 추정 상태 자가 진단 방법.
According to claim 1,
The distance error index is an equation
Figure pat00056

(here,
Figure pat00057
Is the distance error indicator,
Figure pat00058
Is the equation of the error average
Figure pat00059
(here,
Figure pat00060
Is the i-th distance measurement of the distance sensor measured at time t,
Figure pat00061
Is calculated from the map registered in the autonomous driving robot.
Figure pat00062
Is the reference distance of
Figure pat00063
Is a number corresponding to n% of the plurality of distance measurements measured at time t,
Figure pat00064
Is a set of identification numbers i of distance measurement values belonging to n% among a plurality of distance measurement values measured at time t),
Figure pat00065
Is a weight for the error average value at time t).
제1항에 있어서,
상기 방향각 오차 지표는 수학식
Figure pat00066

(여기서,
Figure pat00067
는 상기 방향각 오차 지표이고,
Figure pat00068
는 수학식
Figure pat00069

(여기서,
Figure pat00070
는 시간 t에서의 상기 추정 방향각이고,
Figure pat00071
는 시간 t에서의 상기 허용 방향각 범위의 최대 방향각이고,
Figure pat00072
는 시간 t에서의 상기 허용 방향각 범위의 최소 방향각이다)에 산출되고,
Figure pat00073
는 시간 t에서의
Figure pat00074
에 대한 가중치이다)에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 위치 추정 상태 자가 진단 방법.
According to claim 1,
The direction angle error index is an equation
Figure pat00066

(here,
Figure pat00067
Is the direction angle error index,
Figure pat00068
Is a mathematical expression
Figure pat00069

(here,
Figure pat00070
Is the estimated direction angle at time t,
Figure pat00071
Is the maximum direction angle of the permissible direction angle range at time t,
Figure pat00072
Is the minimum direction angle of the permissible direction angle range at time t),
Figure pat00073
At time t
Figure pat00074
It is calculated by the weight) for position estimation status self-diagnostic method.
제3항에 있어서,
상기 최대 방향각은 수학식
Figure pat00075
에 의해 산출되고;
상기 최소 방향각은 수학식
Figure pat00076
에 의해 산출되며;
Figure pat00077
는 시간 t-s에서 추정된 추정 방향각이고,
Figure pat00078
에 의해 산출되고,
Figure pat00079
Figure pat00080
는 각각 시간 t 및 시간 t-s에서 상기 자율주행로봇에 등록된 오도메트리 상의 오도메트리 방향각이고,
Figure pat00081
는 상기 자율주행로봇의 불확실성을 반영한 매개변수인 것을 특징으로 하는 위치 추정 상태 자가 진단 방법.
According to claim 3,
The maximum direction angle is equation
Figure pat00075
Is calculated by;
The minimum direction angle is an equation
Figure pat00076
Is calculated by;
Figure pat00077
Is the estimated direction angle estimated at time ts ,
Figure pat00078
Is calculated by,
Figure pat00079
And
Figure pat00080
Is an odometric direction angle on the odometry registered to the autonomous driving robot at time t and time ts , respectively.
Figure pat00081
Is a self-diagnostic method for position estimation, characterized in that it is a parameter reflecting the uncertainty of the autonomous driving robot.
제1항에 있어서,
상기 기계 학습 알고리즘은 지도학습이 적용된 이진 분류 알고리즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 추정 상태 자가 진단 방법.
According to claim 1,
The machine learning algorithm includes a binary classification algorithm to which supervised learning is applied.
위치 추정 상태 자가 진단을 수행하는 자율주행로봇에 있어서,
거리 센서와,
상기 거리 센서에 의해 측정된 거리 측정값에 기초하여 주행을 제어하고, 기계 학습 알고리즘이 기 등록된 메인 프로세서를 포함하며;
(a) 상기 메인 프로세서에 거리 오차 지표와, 방향각 오차 지표, 및 상기 거리 오차 지표 및 상기 방향각 오차 지표에 대한 위치 추정 성공 여부가 상기 기계 학습 알고리즘의 학습 데이터로 등록되어 학습되는 단계와,
(b) 상기 거리 센서에 의해 현 위치에서 복수의 거리 측정값이 측정되는 단계와,
(c) 상기 메인 프로세서에 의해 현 위치에서의 추정 방향각이 추정되는 단계와,
(d) 상기 메인 프로세서에 의해 복수의 상기 거리 측정값에 기초하여 현 위치에서의 거리 오차 지표가 산출되는 단계와,
(e) 상기 메인 프로세서에 의해 상기 추정 방향각에 기초하여 현 위치에서의 방향각 오차 지표가 산출되는 단계와,
(f) 상기 메인 프로세서에 의해 상기 (d) 단계 및 상기 (e) 단계에서 각각 산출된 상기 거리 오차 지표 및 상기 방향각 오차 지표가 상기 기계 학습 알고리즘에 입력되어 현 위치에서의 위치 추정 성공 여부가 출력되는 단계가 수행되어, 위치 추정 상태가 자가 진단되며;
상기 메인 프로세서는
상기 (a) 단계 및 상기 (d) 단계에서 상기 거리 오차 지표를 현 위치에서 측정된 복수의 거리 측정값 중 신뢰성이 높은 상위 n %의 거리 측정값들의 오차 평균값에 기초하여 산출하고,
상기 (a) 단계 및 상기 (e) 단계에서 상기 방향각 오차 지표를 현 위치에서 추정된 추정 방향각과 현 위치에서의 허용 방향각 범위에 기초하여 산출하는 것을 특징으로 하는 위치 추정 상태 자가 진단을 수행하는 자율주행로봇.
In the self-driving robot performing a self-diagnosis position estimation state,
Distance sensor,
Controlling a driving based on the distance measurement value measured by the distance sensor, the machine learning algorithm includes a pre-registered main processor;
(a) registering and learning whether a distance error indicator, a direction angle error indicator, and a position error success for the distance error indicator and the direction angle error indicator are registered in the main processor as learning data of the machine learning algorithm;
(b) measuring a plurality of distance measurements at the current position by the distance sensor;
(c) estimating an estimated direction angle at the current position by the main processor,
(d) calculating, by the main processor, a distance error index at the current location based on the plurality of distance measurements;
(e) calculating, by the main processor, a direction angle error index at the current position based on the estimated direction angle;
(f) The distance error index and the direction angle error index respectively calculated in steps (d) and (e) by the main processor are input to the machine learning algorithm to determine whether the position estimation at the current position is successful. The outputting step is performed, and the position estimation status is self-diagnosed;
The main processor
In the steps (a) and (d), the distance error index is calculated based on an error average value of the upper n% distance measurement values having high reliability among a plurality of distance measurement values measured at the current position,
Position estimation state self-diagnosis is performed in steps (a) and (e), wherein the direction angle error index is calculated based on the estimated direction angle estimated at the current position and the allowable direction angle range at the current position. Self-driving robot.
제6항에 있어서,
상기 거리 오차 지표는 수학식
Figure pat00082

(여기서,
Figure pat00083
는 상기 거리 오차 지표이고,
Figure pat00084
는 상기 오차 평균값으로 수학식
Figure pat00085
(여기서,
Figure pat00086
는 시간 t에서 측정된 거리 센서의 i번째 거리 측정값이고,
Figure pat00087
는 상기 자율주행로봇에 등록된 지도로부터 계산된
Figure pat00088
의 레퍼런스 거리이고,
Figure pat00089
는 시간 t에서 측정된 복수의 거리 측정값 중 n%에 대응하는 개수이고,
Figure pat00090
는 시간 t에서 측정된 복수의 거리 측정값 중 n%에 속하는 거리 측정값의 식별번호 i의 집합이다)에 의해 산출되고,
Figure pat00091
는 시간 t에서의 상기 오차 평균값에 대한 가중치이다)에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 위치 추정 상태 자가 진단을 수행하는 자율주행로봇.
The method of claim 6,
The distance error index is an equation
Figure pat00082

(here,
Figure pat00083
Is the distance error indicator,
Figure pat00084
Is the equation of the error average
Figure pat00085
(here,
Figure pat00086
Is the i-th distance measurement of the distance sensor measured at time t,
Figure pat00087
Is calculated from the map registered in the autonomous driving robot.
Figure pat00088
Is the reference distance of
Figure pat00089
Is a number corresponding to n% of the plurality of distance measurements measured at time t,
Figure pat00090
Is a set of identification numbers i of distance measurement values belonging to n% among a plurality of distance measurement values measured at time t),
Figure pat00091
Is a weight for the error average value at time t).
제6항에 있어서,
상기 방향각 오차 지표는 수학식
Figure pat00092

(여기서,
Figure pat00093
는 상기 방향각 오차 지표이고,
Figure pat00094
는 수학식
Figure pat00095

(여기서,
Figure pat00096
는 시간 t에서의 상기 추정 방향각이고,
Figure pat00097
는 시간 t에서의 상기 허용 방향각 범위의 최대 방향각이고,
Figure pat00098
는 시간 t에서의 상기 허용 방향각 범위의 최소 방향각이다)에 산출되고,
Figure pat00099
는 시간 t에서의
Figure pat00100
에 대한 가중치이다)에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 위치 추정 상태 자가 진단을 수행하는 자율주행로봇.
The method of claim 6,
The direction angle error index is an equation
Figure pat00092

(here,
Figure pat00093
Is the direction angle error index,
Figure pat00094
Is a mathematical expression
Figure pat00095

(here,
Figure pat00096
Is the estimated direction angle at time t,
Figure pat00097
Is the maximum direction angle of the permissible direction angle range at time t,
Figure pat00098
Is the minimum direction angle of the permissible direction angle range at time t),
Figure pat00099
At time t
Figure pat00100
Autonomous driving robot that performs self-diagnosis of the position estimation state, characterized in that it is calculated by the weight.
제8항에 있어서,
상기 최대 방향각은 수학식
Figure pat00101
에 의해 산출되고;
상기 최소 방향각은 수학식
Figure pat00102
에 의해 산출되며;
Figure pat00103
는 시간 t-s에서 추정된 추정 방향각이고,
Figure pat00104
에 의해 산출되고,
Figure pat00105
Figure pat00106
는 각각 시간 t 및 시간 t-s에서 상기 자율주행로봇에 등록된 오도메트리 상의 오도메트리 방향각이고,
Figure pat00107
는 상기 자율주행로봇의 불확실성을 반영한 매개변수인 것을 특징으로 하는 위치 추정 상태 자가 진단을 수행하는 자율주행로봇.
The method of claim 8,
The maximum direction angle is equation
Figure pat00101
Is calculated by;
The minimum direction angle is an equation
Figure pat00102
Is calculated by;
Figure pat00103
Is the estimated direction angle estimated at time ts ,
Figure pat00104
Is calculated by,
Figure pat00105
And
Figure pat00106
Is an odometric direction angle on the odometry registered to the autonomous driving robot at time t and time ts , respectively.
Figure pat00107
Is a parameter reflecting the uncertainty of the autonomous driving robot.
제6항에 있어서,
상기 기계 학습 알고리즘은 지도학습이 적용된 이진 분류 알고리즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 추정 상태 자가 진단을 수행하는 자율주행로봇.
The method of claim 6,
The machine learning algorithm includes a binary classification algorithm to which supervised learning is applied.
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