효과적인 빔 폭 중첩을 이용한 고성능 장애물 탐지용 중첩 초음파 센서 링의 최적 설계

김성복,김현빈,Kim, Sung-Bok,Kim, Hyun-Bin 한국융합신호처리학회 2011 융합신호처리학회 논문지 (JISPS) Vol.12 No.1

본 논문에서는 인접 초음파 센서간 효과적인 빔 폭 중첩을 이용하여 고성능 장애물 탐지를 위한 중첩 초음파 센서 링을 최적 설계하는 방법에 대해 체계적으로 기술하도록 한다. 기본적으로 일군의 동종 저지향성 초음파 센서들이 일정 간격으로 상호 빔 폭이 중첩되도록 원형 배치된다고 가정한다. 첫째 초음파 센서의 실제와 단순화된 빔 패턴 그리고 빔 폭 내의 장애물 위치 추정을 위한 여러 센서 모델에 대해 소개한다. 둘째, 중첩 초음파 센서 링의 장애물 탐지 범위와 장애물 위치 추정을 위한 간단한 센서 모델에 대해 기술한다. 셋째, 타원과 비타원 형태의 빔 패턴에 대해 각각, 장애물 탐지 시 위치 불확실성이 최소화되도록 중첩 초음파 센서 링을 설계하기 위한 지수를 정의한다. 넷째, 최소한의 빔 폭 중첩 보장과 과도한 빔 폭 중첩 회피를 위해 요구되는 중첩 초음파 센서 링의 구조적 사양에 대한 제한 조건을 유도한다. 다섯째, 주어진 중첩 초음파 센서 링의 반경에 대한 초음파 센서의 최적 사용 개수와 주어진 초음파 센서의 사용 개수에 대한 중첩 초음파 센서 링의 최적 반경을 결정한다. 본 논문 전반에 걸쳐, 대표적인 상용 저지향성 초음파 센서로서 Murata사의 MA40B8이 채택되었다. This paper presents the systematic optimal design of an overlapped ultrasonic sensor ring for high performance obstacle detection using effective beam overlap. Basically, a set of low directivity ultrasonic sensors of the same type are arranged in a circle at regular intervals with their beams overlapped. First, both real and simplified beam patterns of an ultrasonic sensor and several sensor models for obstacle position estimation within its beam pattern are introduced. Second, the obstacle detection range of an overlapped ultrasonic sensor ring and its simple sensor model for obstacle position estimation are described. Third, for both conic and non-conic shaped beam pattern, the design indices of an overlapped ultrasonic sensor ring for minimal positional uncertainty in obstacle detection are defined. Fourth, the constraints imposed on the structural parameters of an overlapped ultrasonic sensor ring to guarantee non empty beam overlap and to avoid excessive beam overlap are derived. Fifth, the optimal number of ultrasonic sensors for a given radius of an overlapped ultrasonic sensor ring and the optimal radius of an overlapped ultrasonic sensor ring are determined. Throughout this paper, the MA40B8 from Murata Inc. is taken as a representative commercial low directivity ultrasonic sensor.

효율적인 이동로봇의 장애물 탐지를 위한 중첩 초음파 센서 링의 위치 불확실성 감소

김성복,이상협,Kim, Sung-Bok,Lee, Sang-Hyup 한국융합신호처리학회 2009 융합신호처리학회 논문지 (JISPS) Vol.10 No.3

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.

수동 RFID 환경에서의 공간/시간 정보를 이용한 이동로봇의 효율적 위치 추정 기법

김성복,이상협,Kim, Sung-Bok,Lee, Sang-Hyup 한국융합신호처리학회 2008 융합신호처리학회 논문지 (JISPS) Vol.9 No.2

본 논문에서는 수동 RFID 환경에서 획득되는 위치 및 시간 정보를 이용하여, 태그가 배치된 노면을 주행하는 이동로봇의 위치를 효과적으로 추정하는 기법을 제안한다. 본 논문에서 제안된 위치 추정 기법은 기존 연구에 비해 위치 추정 오차를 감소시키고 또한 초기 태그 배치 비용을 감소시키는 효과가 있다. 기본적으로 이동로봇이 일련의 직선 구간을 구간별로 일정한 속도로 주행하며, 또한 매 순간 이동로봇에 의해 감지되는 태그의 수는 한 개 이하라고 가정한다. 첫째, 이미 알려진 지점을 출발하여 정속 직선 주행하는 이동로봇의 속도 및 위치를 추정하는 알고리즘을 개발하는데, 이는 최초를 제외한 여타 구간의 경우에 유효하다. 다음, 최초 구간의 경우 출발 위치를 모르는 상태이므로, 이동로봇이 두 개 이상의 태그를 정속 직선 주행하도록 하여 이동로봇의 속도 및 위치를 추정한다. 마지막으로, 제작된 수동 RFID 위치 추정 시스템을 이용한 실험을 통해 본 논문에서 제안된 이동로봇 위치 추정 기법의 유효성 및 성능을 입증한다. This paper presents the efficient localization of a mobile robot traveling on the floor with tags installed, using the spatial and temporal information acquired from passive RFID environment. Compared to previous research, the proposed localization method can reduce the position estimation error and also cut down the initial cost tag installation cost. Basically, it is assumed that a mobile robot is traveling over a series of straight line segments, each at a certain constant velocity, and that the number of tags sensed by a mobile robot at each sampling instant is at most one. First, the velocity and position estimation of a mobile robot starting from a known position, which is valid for all segments except the first one. Second, for the first segment in which the starting position is unknown, the velocity and position estimation is made possible by enforcing a mobile robot to traverse at least two tags at a constant velocity with the steering angle unchanged. Third, through experiments using our passive RFID localization system, the validity and performance of the mobile robot localization proposed in this paper is demonstrated.

중첩 초음파 센서 링의 성능 평가, 최적 설계 및 복합 장애물 탐지

김성복,김현빈,Kim, Sung-Bok,Kim, Hyun-Bin 한국융합신호처리학회 2011 융합신호처리학회 논문지 (JISPS) Vol.12 No.4

This paper presents the performance evaluation. optimal design. and complex obstacle detection of an overlapped ultrasonic sensor ring by introducing a new concept of effective beam width. It is assumed that a set of ultrasonic sensors of the same type are arranged along a circle of nonzero radius at regular spacings with their beams overlapped. First, the global positional uncertainty of an overlapped ultrasonic sensor ring is expressed by the average value of local positional uncertainty over the entire obstacle detection range. The effective beam width of an overlapped ultrasonic sensor ring is assessed as the beam width of a single ultrasonic sensor having the same amount of global positional uncertainty, from which a normalized obstacle detection performance index is defined. Second. using the defined index, the design parameters of an overlapped ultrasonic sensor ring are optimized for minimal positional uncertainty in obstacle detection. For a given number of ultrasonic sensors, the optimal radius of an overlapped ultrasonic sensor ring is determined, and for a given radius of an overlapped ultrasonic sensor ring, the optimal number of ultrasonic sensors is determined. Third, the decision rules of positional uncertainty zone for multiple obstacle detection are provided based on the inequality relationships among obstacle distances by three adjacent ultrasonic sensors. Using the provided rules, the obstacle outline detection is performed in a rather complex environment consisting of several obstacles of different shapes. 본 논문에서는 유효 빔 폭 개념을 새로이 도입하여 중첩 초음파 센서 링의 성능 평가, 최적 설계, 그리고 복합 장애물 탐지에 대해 기술하도록 한다. 일군의 동종 저지향성 초음파 센서들이 반경이 영이 아닌 원주 상에 일정 간격으로 상호 빔 폭이 중첩되도록 배치된다고 가정한다. 첫째, 중첩 초음파 센서 링의 전역 위치 불확실성을 전체 장애물 탐지 범위 내에서의 국부적 위치 불확실성의 평균값으로 나타낸다. 중첩 초음파 센서 링의 유효 빔 폭을 동일한 전역 위치 불확실성을 갖는 단일 초음파 센서의 빔 폭으로 산정하고 이를 바탕으로 정규화된 장애물 탐지 성능 평가 지수를 정의한다. 둘째, 정의된 성능 평가 지수를 이용하여 장애물 탐지 시 위치 불확실성이 최소화되도록 중첩 초음파 센서 링의 설계 사양을 최적화한다. 주어진 초음파 센서의 사용 개수에 대한 중첩 초음파 센서 링의 최적 반경 그리고 주어진 중첩 초음파 센서 링의 반경에 대한 초음파 센서의 최적 사용 개수를 결정한다. 셋째, 3개의 인접 초음파 센서로부터의 장애물 거리 간의 대소 관계에 의거한 복수 장애물의 위치 불확실성 영역 판정 기준을 제시한다. 제시된 위치 불확실성 영역판정 기준을 이용하여 다양한 형태의 장애물로 구성된 복합 장애물 환경에서의 장애물 윤곽 추출 결과를 보인다.

Systematic Isotropy Analysis of Caster Wheeled Mobile Robot with Steering Link Offset Different from Wheel Radius

김성복,Kim, Sung-Bok The Korea Institute of Convergence Signal Processi 2006 융합신호처리학회 논문지 (JISPS) Vol.7 No.4

This paper presents the systematic isotropy analysis of a fully actuated caster wheeled omnidirectional mobile robot (COMR) with the steering link offset different from the wheel radius, which can be considered as the generalization of the previous analysis. First with the characteristic length introduced, the kinematic model of a COMR is obtained based on the orthogonal decomposition of the wheel velocities. Second, the necessary and sufficient conditions for the isotropy of a COMR are derived and examined to categorize there different groups, each of which can be dealt with in a similar way. Third, for each group, the isotropy conditions are further explored so as to identify four different sets of all possible isotropic configurations. Fourth, for each set the expressions of the isotropic characteristic length required for the isotropy of a COMR are elaborated.

중첩 초음파 센서 링의 설계 및 장애물 탐지에의 응용

김성복,이상협,Kim, Sung-Bok,Lee, Sang-Hyup 한국융합신호처리학회 2010 융합신호처리학회 논문지 (JISPS) Vol.11 No.1

본 논문에서는 위치 불확실성이 최소화되도록 중첩 초음파 센서 링을 최적 설계하는 방법과 이를 향상된 해상도의 장애물 탐지에 응용하는 방안에 대해 기술하도록 한다. 기본적으로 일군의 초음파 센서들이 일정 간격으로 상호 빔 폭이 중첩되도록 원형으로 배치된다고 가정한다. 첫째, 빔 폭 중첩 상태를 활용함으로써 초음파 센서 고유의 위치 불확실성을 현저히 감소시킬 수 있음을 보인다. 둘째, 반경이 영인 이상적인 중첩 초음파 센서 링에 대해, 위치 불확실성을 나타낼 수 있도록 유효 빔 폭의 개념을 도입하고, 유효 빔 폭을 최소화하기 위해 필요한 초음파 센서의 최적 개수를 구한다. 셋째, 일정 반경의 실제 중첩 초음파 센서 링을 대상으로, 위치 불확실성 정도를 표현하는 설계 지수를 정의하고, 상용 저지향성 초음파 센서를 구성되는 중첩 초음파 센서 링의 최적 설계 예를 제시한다. 넷째, 초음파 센서의 측정 거리로부터 이동로봇 중심 기준 장애물의 위치를 산정하기 위한 기하학적 방법을 기술한다. 마지막으로, 한 쪽이 열린 평면 장애물 탐지 실험을 통해, 자체 제작된 초음파 센서 링의 장애물 탐지 해상도가 향상됨을 입증한다. This paper presents the optimal design method of an overlapped ultrasonic sensor ring for reduced positional uncertainty, and its application to the obstacle detection with improved resolution. Basically, it is assumed that a set of ultrasonic sensors are installed to form a circle at regular intervals with their beams overlapped. First, exploiting the overlapped beam pattern, the positional uncertainty inherent to an ultrasonic sensor is shown to be significantly reduced. Second, for an ideal ultrasonic sensor ring of zero radius, the effective beam width is defined to represent the positional uncertainty, and the optimal number of ultrasonic sensors required for minimal effective beam width is obtained. Third, for an actual ultrasonic sensor ring of nonzero radius, the design index is defined to represent the degree of positional uncertainty, and an optimal design of an overlapped ultrasonic sensor ring consisting of commercial ultrasonic sensors with low directivity is given. Fourth, given measured distances from ultrasonic sensors, the geometric method is described to compute the obstacle position with reference to the center of a mobile robot. Finally, through experiments using our overlapped ultrasonic sensor ring prototype, the validity and performance of the proposed method is demonstrated.

고분해능 장애물 탐지를 위한 중첩 초음파 센서 링의 최적 설계

김성복,김현빈,Kim, Sung-Bok,Kim, Hyun-Bin 제어로봇시스템학회 2011 제어·로봇·시스템학회 논문지 Vol.17 No.2

This paper presents the optimal design of an overlapped ultrasonic sensor ring for high resolution obstacle detection of an autonomous mobile robot. It is assumed that a set of low directivity ultrasonic sensors of the same type are arranged along a circle of nonzero radius at a regular spacing with their beams overlapped. First, taking into account the dead angle region, the entire range of obstacle detection is determined with reference to the center of an overlapped ultrasonic sensor ring. Second, the optimal design index of an overlapped ultrasonic sensor ring is defined as the area closeness of three sensing subzones resulting from beam overlap. Third, the lower and upper bounds on the number of ultrasonic sensors are derived, which can guarantee minimal beam overlap and also avoid excessive beam overlap among adjacent ultrasonic sensors. Fourth, employing a commercial low directivity ultrasonic sensor, an optimal design example of an overlapped ultrasonic sensor ring is given along with the ultrasonic sensor ring prototype mounted on top of a mobile robot. Finally, some experimental results using our prototype ultrasonic sensor ring are given to demonstrate the validity and performance of an optimally overlapped ultrasonic sensor ring for high resolution obstacle detection.

증발부에 편심 가열부를 사용한 버블젯 루프 히트파이프의 열성능

김성복(Sung-bok Kim),오인택(In-taek Oh),배재영(Jae-young Bae),김종수(Jong-soo Kim) 대한설비공학회 2015 대한설비공학회 학술발표대회논문집 Vol.2015 No.6

ABA가 ‘巨峰’ 葡萄의 Anthocyanoplast 生成 및 發達에 미치는 影響

金成福(Kim Sung-Bok),李彰厚(Lee Chang-Hoo),韓銅炫(Han Dong-Hyeon) 한국원예학회 1997 Horticulture, Environment, and Biotechnology Vol.38 No.1

昇溫處理가 低溫貯藏中의 복숭아 果實의 品質에 미치는 影響

金成福(Kim Sung-Bok),洪性好(Hong Seong-Ho),韓銅炫(Han Dong-Hyeon),姜成求(Kang Sung-Ku),李彰厚(Lee Chang-Hoo) 한국원예학회 1998 Horticulture, Environment, and Biotechnology Vol.39 No.1