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유비쿼터스 로봇의 지능형 위치 추정기술

유비쿼터스 로봇의 지능형 위치 추정기술. 부산대학교 지능로봇 실험실 이장명. I n t e l l I g e n t R o b o t S e n s o r s. PUSAN NATIONAL UNIVERSITY Intelligent Robot Lab. - http://robotics.ee.pusan.ac.kr -. 2. 1. 유비쿼터스 로봇 (Ubi-bot) 등장. 유비쿼터스 환경. 3. 지능형 위치 인식기술 - RFID. 유비쿼터스 기술의 동향과 전망. PART 1.

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유비쿼터스 로봇의 지능형 위치 추정기술

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  1. 유비쿼터스 로봇의 지능형 위치 추정기술 부산대학교 지능로봇 실험실 이장명 I n t e l l I g e n t R o b o t S e n s o r s PUSAN NATIONAL UNIVERSITY Intelligent Robot Lab. -http://robotics.ee.pusan.ac.kr-

  2. 2 1 유비쿼터스 로봇(Ubi-bot) 등장 유비쿼터스 환경 3 지능형 위치 인식기술 - RFID 유비쿼터스 기술의 동향과 전망 PART 1 Pusan Nat’l Univ.

  3. Ubiquitous 1. 유비쿼터스 환경 (Ubiquitous Environment) • ‘언제 어디에나 존재한다’ 라는 뜻의 라틴어 • 사용자가 장소에 상관없이 자유롭게 • 네트워크에 접속할 수 있는 정보통신 환경 • 유비쿼터스 컴퓨팅, 유비쿼터스 네트워크 Pusan Nat’l Univ.

  4. Ubiquitous 유비쿼터스(Ubiquitous)란?  Ubiquitous의 언어적 의미: 라틴어에서 유래한 것으로 「도처에 널려있다」,「언제 어디서나 동시에 존재한다」라는 의미로 사용  일반적으로 물, 공기처럼 도처에 편재해 있는 자연자원이나 종교적으로는 “신이 언제 어디서나 시공을 초월하여 존재한다”는 것을 상징할 때 이용 유비쿼터스 컴퓨팅(Ubiquitous Computing) 이란?  Ubiquitous computing의 기본개념 •  다종 다양한 컴퓨터가 전자기기, 사물과 환경 속으로 내장되고 그것이 • 상호 연결되어 언제, 어디서나, 어떤 단말로도 네트워크와 컴퓨터를 • 활용할 수 있는 인간‧사물‧공간 간의 최적 컴퓨팅 & 네트워킹 환경 Pusan Nat’l Univ.

  5. Ubiquitous 유비쿼터스(Ubiquitous)란? Pusan Nat’l Univ.

  6. 화분 자판기 화장실 디지털TV 커튼 건물 침대 Ubiquitous Computing 컴퓨터 진화의 3단계 물결 제1의 물결 제2의 물결 제3의 물결 <메인프레임의 시대> <PC의 시대> <유비쿼터스 IT 사회> 컴퓨터 > 인간 컴퓨터 = 인간 컴퓨터 < 인간 여러 장소에 숨어 있는 컴퓨터를 사람들이 컴퓨터를 사용하고 있다는 자각이 없는 상태로 이용한다. 거대하고 고가인 컴퓨터 한대를 복수의 사람들이 공동으로 사용했다. PC가 보급돼 1인 1대씩 컴퓨터를 사용할 수 있게 됐다. Pusan Nat’l Univ.

  7. Application of Ubiquitous 지능형 구매 시스템 (Autonomous Purchasing Object) 상황인식과 자체판단에 의한 자동화 구매 서비스 이동형 의사 결정 지원 (Mobile Decision Support) 모바일 기기를 통해 구매, 길찾기 등 의사결정 지원 서비스 가상 업무 협조 시스템 (Virtual Collaborative Design) 원거리에서도 Face-to-face 작업 환경을 구현한 서비스 위치 기반 서비스 (Location Based Services) 다양한 Interface에서 구현되는 위치기반서비스 가상 위치 인식 도구 (Visual Location Awareness Tool) 시각적 센서기능이 부가된 친구 찾기 서비스 지식 검색 도구 (Knowledge Discovery Tool) 사용자의 물음을 지능적으로 해석하여 해답을 찾아내는 서비스 지능형 판촉 서비스 (Shopper’s Eye) 상점 근처를 지나는 고객에게 개인화된 Promotion을 제공하는 양방향 서비스 가상 인테리어 (Augmented Reality) 실제 환경에 디지털 이미지 첨가로 새로운 환경 창출 서비스 Pusan Nat’l Univ.

  8. Ubi-bot 2. 유비봇(Ubi-bot)의 등장 • 유비쿼터스 공간 속에서 사용자가 • 원하는 서비스를 제공할 수 있는 로봇 • 네트워크를 통해 언제 어디서든지 • 접속 가능 • 네트워크 기반의 로봇 Pusan Nat’l Univ.

  9. Ubi-bot 유비봇(Ubi-Bot)의 개념 - 유비쿼터스 공간 속에서 언제, 어디서나, 어떤 단말기로든 임의의 네트워크 를 통해서 사용자가 원하는 서비스를 제공할 수 있는 로봇 - 인간계와 환경계 사이에 이음새 없이(seamless), 인식되지 않으며(calmly), 상황에 맞는(context-aware) 서비스를 제공하는 네트워크 기반의 로봇 유비봇의 구분 Software robot Embeded robot Mobile robot Pusan Nat’l Univ.

  10. UbiBot-Sobot 소프트웨어 로봇 (SoBot) - SW 기반의 자율 시스템 • 네트워크를 통해 이동할 수 있고 언제 어디서나 다른 시스템과 연결 •  상황을 파악하여 사용자와 상호작용을 하며, 다른 환경과 로봇에 이식 •  자율 시스템으로 자신의 행동을 외부 명령 없이 스스로 결정하고 통제 • Sobot은 사용자를 대신해 행동하고 통신을 할 수 있으며 • Sobot은 Embot이나 Mobot에 이식되어 활동 •  네트워크 기능과 고유의 IP를 부여해 언제 어디서든 접속을 통해 • 사용자의 위치로 가져올 수 있음 Pusan Nat’l Univ.

  11. UbiBot-Embot 임베디드 로봇 (EmBot) - 외부환경을 정밀하게 읽는 시스템 다양한 센서들과 협력하여 사용자 또는 Mobot의 위치를 인식하고 통합하여 외부환경을 이해  인간 행동의 패턴을 인식할 뿐만 아니라 날씨와 시간, 기후 등 사람의 행동과 상태에 영향을 줄 수 있는 환경 요인들도 인식  모봇과 인간, 물체, 그리고 다른 환경의 위치를 파악하고 사용자 인증  자료를 가공하는 능력을 가지고 있다. 인간 행동과 상태, 환경에 대한 정보를 수집하고 가공하여 정보 검색 과정에서 능력을 발휘  정보를 수집·저장·가공하여 로봇과 인간의 의사소통 Pusan Nat’l Univ.

  12. UbiBot-Mobot 모바일 로봇 (MoBot) - 움직이는 서비스 에이전트 • 모봇은 움직일 수 있기 때문에 임봇보다 더 많은 기능 • 임봇이 제공한 정보에 근거하여 실제 서비스를 제공하기 위해 소봇과 커뮤니케이션 • 바퀴나 두 다리를 가지고 있는 다목적 서비스 로봇으로 사용 • 소봇, 임봇, 모봇은 인간과 함께 존재할 것이고 우리에게 유비쿼터스 네트워크를 통해 우리에게 인식되지 않으면서 상황에 맞는 서비스를 언제 어디서나 이음새 없이 제공 Pusan Nat’l Univ.

  13. RFID 시스템 3. 지능형 위치 인식 센서 기술 - RFID • 유비쿼터스 환경하에서 RFID 시스템의 도입 • RFID 시스템의 특성 및 분류 • 네크워크를 통해 주변의 상황 변화를 능동적 • 으로 인식하고 자기 임무 처리 • 유비쿼터스 환경이 점차 가시화 되면서 유비 • 쿼터스 네트워크 개념이 현실로 드러남 Pusan Nat’l Univ.

  14. RFID System 구성 • 태그 (Tag, 꼬리표) - 상품에 부착되어 ID와 Data를 가지고 다니는 역할을 수행함 - 능동형(건전지 내장)과 수동형(판독기로 부터 동력을 얻음) 태그로 구분 - 읽기만 가능한 태그와 읽기/쓰기가 가능한 태그로 구분 - 내장 칩의 저장용량, 인식거리 등에 따라서 가격이 전차만별임 • 판독기 (Interrogator, Reader) - 태그의 정보를 해독하여 네트워크를 통해 호스트 컴퓨터와 교신함 - 호스트 컴퓨터의 지시를 받아 태그에 정보를 기록함 • 안테나 - 태그를 읽기 위한 신호 발신, 태그를 활성화, 태그에 데이터 입력을 담당한다 - 저주파(30~500㎑) 시스템은 인식거리가 짧고(10㎝ 이내) 비용이 낮음 현재 교통카드 등에 많이 사용되며, 국제표준도 어느 정도 정착됨 - 고주파(850~950㎑, 2.4~2.5㎓) 시스템은 인식거리가 길고 비용이 높음 다양한 형태의 개발이 가능하며 국제표준 제정을 위한 논의가 활발함 Pusan Nat’l Univ.

  15. Tag Insert RFID System 구성도 Reader Antenna Asset/Tag Asset Firmware TCP/IP ~ Host Power Application Software Customer’s MIS API Pusan Nat’l Univ.

  16. Smart Cards Tags Bar Codes Laser Cards Contact Memory Buttons Passive Tags Active Tags Pusan Nat’l Univ.

  17. Tags Pusan Nat’l Univ.

  18. Readers Pusan Nat’l Univ.

  19. Tag Printer Pusan Nat’l Univ.

  20. RFID System 의 개발 실태 • 동시에 여러 태그를 고속으로 인식이 가능하다 (충돌방지기술) - 바코드와 마그네틱 카드에 비해 인식속도가 개선됨 • 감지거리가 길다- 수㎝(저주파)~100m(고주파) 안팎까지 감지가 가능하다. • 내환경성이 우수하여 수명이 길다 - 고객이 Reader에 삽입하거나 기계적인 접촉이 없기 때문에 손상이나 먼지, 습기, 온도, 눈, 비 등의 악조건 하에서도 에러율이 낮다. • 비금속 재료를 통과할 수 있다는 장점이 있다-유리, 섬유, 목재를 통과해 정보를 전달하기 때문에 인식율이 높다) • 인식시간이 0.01~0.1sec에 불과하다-고속도로 톨케이트, 주차장 등에 무정차 통행료징수가 가능하다. Pusan Nat’l Univ.

  21. Classification of RFID System Pusan Nat’l Univ.

  22. Development TargetsU.S. RFID: Retail Supply Chain, 2002–2008 Source: IDC, 2004 (#30490, U.S. RFID for the Retail Supply Chain Spending Forecast and Analysis, 2003–2008) Pusan Nat’l Univ.

  23. 2 1 Active Beacon Sensor System RFID 위치인식 (효율적인 Tag 배치) 3 결 론 RFID 응용에 의한 위치 인식 기술 PART 2 Pusan Nat’l Univ.

  24. 위치 인식의 필요성 • 로봇기술의 향상 - 기존의 로봇 형태 (산업용 로봇) : 제한된 작업공간을 가짐 –로봇 매니퓰레이터 - 모바일 로봇 (Wheeled Mobile or Humanoid Robot) : 이동성으로 인한 로봇의 위치 인식 문제 Conventional Robots Mobile Robots (WMR, Humanoid) Pusan Nat’l Univ.

  25. 유비쿼터스 환경에서 위치 인식 필요 ▣ 유비쿼터스 시대의 도립 ① 언제 어디서나 유용한 서비스를 제공 ② 홈 로봇, 서비스 로봇, 청소 로봇 등 ③ 로봇의 위치 인식  기본적이며 중요한 기술로 대두 ▣ 목 적 ① 실내의 물체의 위치를 추정 ② 대형 건물 안에서 자신의 위치 추정 ③ 항만에서 AGV 의 위치 추정 등 여기가 어디지? 1. 모바일 로봇은 이동하면서 다양한 업무를 수행하기 때문에 산업 분야나 가정에서 광범위한 적용 범위 2. 위험하거나 어려운 환경에서 인간을 대신하여 작업을 수행 3. 실내 환경에서 인간에게 유용한 서비스 제공 4. 환경 내에서 이동 로봇에 지령을 할 경우 현재 자신의 위치를 알아야 한다. 5. 위치 측정은 범위에 따라 실내와 실외, 측정 방법에 따라 상대 및 절대 위치 측정 방법으로 구분 Pusan Nat’l Univ.

  26. 실외 위치 인식 기술 • 상대 위치 측정 방법 • - Odometry • - 관성 항법 (Inertial Navigation) • 절대 위치 측정 방법 • - Global Positioning Systems • - 이정표 항법 (Landmark Navigation) • -> ITS • - 모델 정합법(Model Matching) Pusan Nat’l Univ.

  27. 실내 위치 인식 기술 • 절대 위치 측정 방법 • - 삼각 측량법 (Triangulation) • GPS System • - 풍경 분석법 (Scene Analysis) • 모델 정합법 • - 근접성 (Proximity) • Landmark Navigation • RFID System Pusan Nat’l Univ.

  28. 위치 인식 시스템 - 절대 위치 인식 - 상대 위치 인식 Ultra-Sonic, CCD Camera, LASER sensor IR Sensor, GPS and Active Beacon Gyro Sensor, Encoder Pusan Nat’l Univ.

  29. More than one type of sensor Computational Complexity Disturbance & Sensor Noise Sensor signal Interference Different S/W for each robot 위치인식 문제 - 기존 모바일 로봇의 위치 인식 Pusan Nat’l Univ.

  30. 위치 추정 발전 동향 최근 연구 선행 연구 RFID 응용 • 상대 위치 추정 • - 추측 항법(Dead reckoning) • - 로봇 양 바퀴의 회전량 이용 • - 간단하고, 저가이며, 실시간 • 처리 용이 • - 위치의 누적 오차 • - 컴파스, 자이로, 속도 가속도 • 센서를 추가하여 보정 • 절대 위치 추정 • - GPS(Global Positioning • System): 실내 사용 불가능 • - 광학파와 초음파 사용: • 정지하여 스캔닝 필요하여 • 실시간 처리의 어려움 • - CCD 카메라와 표식점을 • 사용: 카메라 켈리브레이션, • 높은 영상 감도, 높은 연산 RFID 위치 인식 시스템 Pusan Nat’l Univ.

  31. RFID System 의 필요성 RF-ID System 도입 Pusan Nat’l Univ.

  32. 2 Active Beacon Sensor System 1 RFID 위치인식 (효율적인 Tag 배치) 3 결 론 RFID 응용에 의한 로봇의 위치인식 PART 2 Pusan Nat’l Univ.

  33. Ubi-Bot Project 연구과제명 연구년도 - 1, 2차년도 : 2003.09~2005.08 - 3차년도 : 현재 진행 중 Ubiquitous Positioning Embedded Robot 개발 - 유비쿼터스 위치기반 로봇에 대한 연구 - 2005년 09월 01일 ~ 2006년 08월 31일 (12개월) Pusan Nat’l Univ.

  34. Experimental Environment Pusan Nat’l Univ.

  35. Monitor Program The Program of R/W RFID Tag Data 태그에 정보 입력 시 저장될 데이터 순차적으로 저장된 태그 데이터 • PC와 리더기 간의 통신 연결 • RS232 시리얼 • 통신 태그의 위치 데이터를 이용해 계측된 안테나(로봇)의 위치 리더기의 읽기 영역 내에서 인식된 태그의 시리얼 번호 태그에 저장된 데이터 정보 - 위치 좌표 첫 2 바이트 : x 다음 2바이트 : y Pusan Nat’l Univ.

  36. Outline • Localization • Size of Space • - 1m x 1m • Gap of RF-ID Tag • - 0.1m • Number of Tag • - 10 x 10 = 100 • Size of Antenna • - 0.4m x 0.3m Pusan Nat’l Univ.

  37. Localization-(1) • Position of Robot -Position of the Center of Robot using the RFID System - Position of the Center of Robot Pusan Nat’l Univ.

  38. (X1, Y1) (X2, Y2) (X3, Y3) (X4, Y4) Localization –(2) • 테스트를 위한 기존 위치 인식 알고리즘 - Reading range 내의 태그들 간의 무게중심을 리더기의 위치로 간주, 읽는 주기마다 선택되는 태그수의 다양성 고려 - 임의로 나눠진 격자에서 인식된 태그의 영역 Counting, 중첩되는 부분은 여러 번 Counting, 리더기 위치로 간주 Pusan Nat’l Univ.

  39. Simulation Path-1 S.P=(0.2, 0.8) E.P=(0.8, 0.2) Velocity=0.2/0.28 Radius=0.6[m] Path-2 S.P=(0.2, 0.2) E.P=(0.7, 0.7) Velocity=0.2/0.3 Radius=0.5[m] Pusan Nat’l Univ.

  40. Simulation Square Space = 1 x 1 [m] Tag 간격 = 0.1 [m] 총 Tag 개수 = 100개 시간 = 0.1 [s] Read Range = 2.5 x 2.5 [m] Pusan Nat’l Univ.

  41. Simulation Triangle Space = 1 x 1 [m] Tag 간격 = 0.1 [m] 총 Tag 개수 = 100개 시간 = 0.1 [s] Read Range = 2.5 x 2.5 [m] Pusan Nat’l Univ.

  42. Localization-path(1) Pusan Nat’l Univ.

  43. Localization-path(2) Pusan Nat’l Univ.

  44. 1 RFID 위치인식 (효율적인 Tag 배치) 2 Active Beacon Sensor System 3 결 론 RFID 응용에 의한 위치 인식 기술 PART 2 Pusan Nat’l Univ.

  45. URC Project 연구과제명 연구년도 - 1차년도 : 2004.06~2005.05 - 2차년도 URC 사업을 위한 인프라 시스템 개발 - 지능형 로봇의 위치 추정을 위한 Active Beacon Sensor 개발 - 2005년 06월 01일 ~ 2006년 05월 31일 (12개월) Pusan Nat’l Univ.

  46. 위치 추정 알고리즘개발 노이즈 필터 알고리즘개발 연구 개발 내용 요약 네트워크 기반 위치 파악용 액티브 비컨 개발 액티브 비컨 H/W 개발 System 설계 수신부/송신부 개발 측정 시스템 및 Data 액티브 비컨 S/W 개발 Pusan Nat’l Univ.

  47. 위치 추정 방법 Pusan Nat’l Univ.

  48. ABS 시스템 구조 Pusan Nat’l Univ.

  49. 초음파 거리 측정 T : temperature f : count clock rate N : timer count td : circuit delay S :total time of flight v : velocity of wave d : range data Pusan Nat’l Univ.

  50. 삼각 측량법 Pusan Nat’l Univ.

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