실내 환경에서 위치 인식 센서 기반의 무인 택배 시스템 구현

2.1 시스템 구성

본 논문에서 제안하는 실내 환경에서 위치 인식 센서 기반의 무인 택배 시스템을 구현하기 위하여 그림 1과 같이 시스템을 구성하였다. 그림 1에 나타낸 바와 같이 전체 시스템은 택배로봇의 이동체 부분, 서버 부분, 관리 모니터링 부분으로 나뉜다.

Fig. 1.

System configuration diagram

택배로봇의 이동체 내부에는 엔코더, 바퀴 속도 제어 장치가 외부에는 다양한 위치 인식 센서가 설치되어있다. 외부에 설치된 위치 인식 센서들은 처음 위치 인식을 하고 주행 중 발생되는 돌발 상황 및 장애물을 피하는데 사용되었다.

서버부분은 지도 생성 및 주행 정보를 저장하기 위한 데이터베이스를 가지며 데이터베이스의 정보를 이용하여 지도 생성과 자율 주행 서비스를 제공하도록 구성하였다. 관리 모니터링 부분은 모니터링 화면의 택배 목적지 위치를 클릭하면 택배가 전달되고 이를 관리자가 알 수 있게 관리 모니터링 화면을 구성하였다.

2.2 자율 주행 택배로봇

자율 주행이 가능한 택배로봇은 ATmega128보드를 사용하였으며 그림 2와 같이 시스템을 구성하였다. 택배로봇 내부정보를 얻을 수 있게 엔코더와 모터 컨트롤러를 설치하였다. 그리고 초기 위치 인식, 돌발상황, 장애물 회피 등을 위한 초음파센서, LRF 센서, PSD 센서 그리고 컬러 센서 등을 택배로봇 외부에 설치하여 외부 정보를 취득할 수 있게 하였다.

Fig. 2.

System block diagram

엔코더 장치는 접촉식 방식과 비접촉식 방식 두 가지가 있다. 접촉식 방식의 경우 바퀴 홈과 동판이 접촉이 안되는 경우와 한 번의 접촉을 여러 번의 신호로 인지하는 채터링 현상이 발생하는데, 이로 인해 오작동이 발생할 수도 있다.

이에 본 논문에서는 그림 3과 같이 접촉식 방식 대신 바퀴회전 감지 엔코더를 사용하여 바퀴 회전을 감지하는 비접촉식 방식을 사용하였다. 바퀴회전 감지 엔코더는 포토인터럽터와 홈이 있는 디스크로 구성되며 디스크는 바퀴에 연결되어, 바퀴가 돌 때마다 작은 홈 사이로 적외선이 통과되어 회전을 인식할 수 있으며 이를 통해서 바퀴의 회전수를 측정할 수 있다.

Fig. 3.

Design of mobile robot

자율 주행을 위해서는 위치 인식 보정, 장애물 감지, 돌발 상황 회피, 경로 탐색, 택배함 위치 인식 등의 기술이 필요하다. 택배로봇의 내부정보만을 가지고는 지도생성 및 무인 배송이 어렵다. 이에 이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 그림 4와 같이 택배로봇 외부에 초음파센서, PSD 센서, LRF 센서 그리고 컬러 센서 등을 설치하였다.

Fig. 4.

Controller configuration of delivery robot

2.3 택배로봇의 주행 알고리즘

본 논문에서 자율 주행 알고리즘 구현을 위해 고려한 요소로는 차륜 구동 로봇의 항법 요소, 항법에 있어 실제 환경에서 발생하는 오차 그리고 외부에 연결된 다양한 위치 인식 센서에 의한 센서 정보 등이 있다. 차륜 구동 로봇의 항법 요소는 택배로봇의 이전 위치 정보와 내부정보이다. 즉, 택배로봇의 이전 위치 정보와 내부정보를 이용하여 일정시간이 지난 후 위치를 추정한다.

그림 5는 차륜 구동 항법 알고리즘으로 t시각에서 택배로봇의 위치 X_t는 x_t, y_t, θ_t로 표시된다. x_t, y_t는 직교 좌표상의 택배로봇의 좌표 값이다. 그리고 θ_t는 직교좌표의 x축과 로봇의 방향이 이루는 각을 나타낸다. 차륜 구동 항법 알고리즘에서 입력으로 사용되는 값은 이전 위치 정보 X_t-1, 직진속도 ν와 회전속도 ω, 그리고 시간 간격 Δt이다. 입력에 의해 x_t, y_t, θ_t 값을 계산하고 그 결과로 추정된 위치 정보 X_t를 반환한다[9].

Fig. 5.

Navigation algorithm of delivery robot

택배로봇의 위치 정보를 추정하는 방법은 로봇의 내부정보만으로도 로봇의 위치를 예측할 수 있으나, 실제 환경에서 주행하는 로봇은 많은 오차를 갖는다. 이 오차는 모터의 엔코더로부터 얻게 되는 속도정보의 오차, 바퀴와 바닥면의 마찰력에 의한 미끄러짐에 대한 오차 등이 있다. 이러한 오차가 지속적으로 누적되면 자율 주행에 문제가 발생된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 로봇의 내부정보로부터 수집한 속도정보에 오차율을 적용하여 속도 정보를 X_t의 값을 이용하여 보정한다[10].

2.4 지도 생성 및 배송 알고리즘

실내 공간을 이동하는 택배로봇이 어느 위치에 있는지 인식하고 주변의 장애물을 감지하고, 택배함의 위치를 인식하여 경로 탐색을 하기에는 로봇의 내부 정보만으로는 어렵다. 이에 본 논문에서는 택배로봇 외부에 다양한 위치 인식 센서를 설치하여 자동 지도 생성, 위치 인식 보정, 장애물 감지, 돌발 상황 회피, 경로 탐색, 택배함 위치 인식 등을 할 수 있는 알고리즘을 설계한다.

그림 6은 지도 생성 알고리즘을 나타내는 플로우차트이다. 실내 환경 지도 생성을 위해 사용자가 건물의 면적과 택배로봇이 출발하는 위치만을 입력하게 하여 사용자가 최소한의 작업을 통해 지도를 생성할 수 있게 한다. 사용자 입력이 이루어지면 택배로봇은 내부정보와 외부정보를 이용하여 건물 내부를 이동한다. 택배로봇은 건물 내부를 주행하면서 수집한 경로 정보를 서버로 전송하고 서버는 이를 데이터베이스에 저장한다.

Fig. 6.

The flowchart for map create algorithm

주행이 종료되면 서버는 데이터베이스의 데이터를 추출, 분석하여 지도를 생성한다. 택배로봇이 주행 중 수집한 정보를 이용하여 지도를 생성하기 위해 서버로 주행 정보를 전송하기도 하지만 택배로봇이 실시간으로 동작하는 것을 확인하기 위해 스마트 폰으로도 주행 패킷을 전송한다.

지도 생성을 통해 데이터베이스에 저장된 경로 정보를 이용하여 목적지까지 택배가 정확하고 효율적으로 배송되게 하기 위해 데이터베이스의 정보를 바탕으로 계산된 정보와 충돌회피, 위치인식 등에 대한 센싱 정보를 사용한다. 그림 7은 배송 알고리즘을 나타낸 것으로 택배 로봇이 배송 목적지 정보를 수신하면 서버로부터 수신한 경로 정보를 토대로 이동한다. 이동 중 장애물을 감지하면 이를 회피할 수 있게 설계하였다. 또한 수동 모드 제어를 위해 센싱되는 정보 및 이동 정보를 스마트 폰으로 전송할 수 있다. 택배로봇의 오동작이나 경로 외의 곳으로 이동을 위해 수동 모드 기능을 추가로 설계하였다. 수동 모드 제어는 스마트 폰을 이용하여 제어할 수 있다. 또한 스마트 폰으로 제어되는 주행, 센싱 데이터들은 패킷화하여 스마트 폰을 통해 서버로 전송할 수 있다.

Fig. 7.

The flowchart for delivery algorithm

3.1 무인 택배 배송 시스템 구현 및 성능 분석

그림 8은 관리자 PC에서 사용되는 배송 관리 모니터링 프로그램으로 개발 환경은 Windows7을 기반으로 Java jdk1.8.0을 이용해 구축하였으며, DB는 MySQL 5.7을 사용하였다.

Fig. 8.

Monitoring screen of delivery service system

본 논문에서 구현한 무인 택배 시스템 화면에서 제공하는 기능으로는 지도생성 버튼을 통해 건물 내부 지도를 생성하는 기능과 건물 내부 구조 변경이 있을 경우 기존 지도를 삭제할 수 있는 기능을 그림 8과 같이 구현하였다.

또한 건물 내 경로를 지도로 나타내었으며 지도 위에 택배함의 위치를 색으로 구분지어 표시할 수 있다. 지도 위에 생성된 택배함 색과 동일한 색의 택배 장소 선택 버튼이 활성화되어 버튼을 클릭하면 택배로봇이 택배 배송지로 이동하게 되고 택배 택배 배송이 완료되면 도착 메시지를 알릴 수 있으며 이와 동시에 사용자에게 택배 배송 정보를 제공할 수 있게 구현하였다.

택배로봇의 실내 환경 지도 생성 및 배송을 위한 주행 알고리즘 테스트를 위하여 가로 3m, 세로 2.5m 크기의 실내 모형을 그림 9과 같이 제작하였다. 그림 9의 실내 모형은 실제 건물의 경로를 본떠 설계하였으며, 건물 내부에 택배함의 위치를 설정하여 지도 생성 과정에서 건물 내 경로와 택배함의 위치를 정확히 찾아내는지에 대한 테스트가 이루어졌다.

Fig. 9.

Indoor environment model

그림 10은 택배로봇의 주행 정보를 이용하여 서버에서 지도를 생성하는 과정을 나타낸 화면이다. a)에서 지도 생성 버튼을 클릭하면 서버는 택배로봇에게 주행 시작 명령을 전달한다. 택배로봇은 주행이 시작되면 주행 정보를 서버로 전달하고 서버는 이 정보를 이용하여 b)와 같이 지도를 생성한다. c)는 지도생성이 완료된 화면으로 지도 생성이 완료되면 각 택배함의 위치가 버튼으로 활성화된다. 택배 배송은 시스템 관리자가 택배함의 위치를 클릭하면 서버는 배송 위치를 택배로봇에게 전송하고 택배로봇은 이를 이용하여 택배를 배송하게 된다. 택배 배송이 완료되면 d)와 같이 택배 도착 메시지가 나타나는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 10.

Map creation and delivery process, (a) Map creation button click, (b) Map creation process, (c) Map generation complete, (d) Delivery process

3.2 택배로봇의 구현 및 성능 분석

택배로봇은 그림 11과 같이 구현하였으며 택배로봇의 규격은 표 1과 같다. 택배로봇의 외형 크기는 W1700*D2400*H1700(mm)이며, 본체 중량은 50kg이하이며 적재 중량은 25kg이하로 설계하였다.

Fig. 11.

Delivery robot, (a) Delivery robot outside, (b) Delivery robot inside

Table 1.

Delivery service robot standard

실내 모형에서 이루어진 무인 택배 배송 시스템의 지도 생성 및 택배 배송이 실제 환경에서 얼마나 정확히 동작하는지를 분석하기 위해 그림 12와 같이 실제 건물에서 택배로봇의 지도 생성 및 배송을 위한 주행 테스트를 위해 건물 내부에 택배함의 위치를 설정하고 실험을 진행하였다.

Fig. 12.

Experiment environment of delivery robot

실제 환경에서의 성능 테스트는 지도 생성 및 배송을 위해 택배로봇이 이동하는 주행 경로 정보를 기록하였으며 주행 실험은 3차례 반복적으로 진행하였으며 그 결과 택배로봇이 이동한 경로를 그림 13과 같이 확인할 수 있었다. 또한 택배함의 위치를 좌표 정보와 컬러 정보를 이용하여 찾는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 13.

The traveling route of delivery robot