본 논문에서는 빔 폭이 중첩된 초음파 센서 링을 이용하여 초음파 센서의 위치 불확실성을 감소시키고 이를 토대로 이동로봇이 효율적으로 장애물을 탐지하도록 하는 방안에 대해 기술하도록 한다. 기본적으로, 원형 이동로봇 측면에 상대적으로 적은 개수의 중저가의 저지향성 초음파 센서들이 일정 간격으로 상호 빔 폭이 중첩되도록 배치되어 있다고 가정한다. 첫째, 단일 및 이중 장애물에 대해 빔 폭 중첩 상태를 이용하여 초음파 센서 고유의 위치 불확실성을 감소시킬 수 있음을 보이고 또한 그 향상 정도를 정량적으로 제시한다. 둘째, 2개 또는 1개의 초음파 센서로부터 장애물 측정 거리 데이터가 주어질 때, 이동로봇의 중심을 기준으로 하여 장애물의 위치를 산정하는 기하학적 방법을 고안한다. 셋째, 정규 분포, 포물선 분포, 균일 분포, 임펄스 등 기존의 단일 초음파 센서 모델을 비교 검토한 후, 위치 불확실성 및 소요 연산량 측면에서 장애물 탐지에 적합한 중첩 초음파 센서 모델을 수립한다. 마지막으로, 자체 제작된 초음파 센서 링을 이용한 단일 장애물 및 복수 장애물 탐지 실험을 통해 제안된 중첩 초음파 센서의 효용성을 입증한다.
This paper presents the reduction of the positional uncertainty of an ultrasonic sensor ring with overlapped beam pattern for the efficient obstacle detection of a mobile robot. Basically, it is assumed that a relatively small number of inexpensive low directivity ultrasonic sensors are installed at regular spacings along the side of a circular mobile robot with their beams overlapped. First, for both single and double obstacles, we show that the positional uncertainty inherent to an ultrasonic sensor can be reduced using the overlapped beam pattern, and also quantify the relative improvement in positional uncertainty. Second, given measured distance data from one or two ultrasonic sensors, we devise the geometric method to determine the position of an obstacle with respect to the center of a mobile robot. Third, we examine and compare existing ultrasonic sensor models, including Gaussian distribution, parabolic distribution, uniform distribution, and impulse, and then build the sensor model of overlapped ultrasonic sensors, adequate for obstacle detection in terms of positional uncertainty and computational requirement. Finally, through experiments using our prototype ultrasonic sensor ring, the validity of overlapped beam pattern for reduced positional uncertainty and efficient obstacle detection is demonstrated.
