Development of distance sensor module with object tracking function using radial arrangement of phototransistor for educational robot

교육용 로봇을 위한 포토트랜지스터의 방사형 배열을 이용한 물체추적기능을 갖는 거리 센서 모듈 개발

Abstract

Radial distance sensors are widely used for surveying and autonomous navigation. It is necessary to train the operation principle of these sensors and how to apply them. Although commercialization of radial distance sensor continues to be cost-effective through lower performance, but it is still expensive for educational purposes. In this paper, we propose a distance sensor module with object tracking using radial array of low cost phototransistor which can be used for educational robot. The proposed method is able to detect the position of a fast moving object immediately by arranging the phototransistor in the range of 180 degrees and improve the sensing angle range and track the object by the sensor rotation using the servo motor. The scan speed of the proposed sensor is 50~200 times faster than the commercial distance sensor, thus it can be applied to a high performance educational mobile robot with 1ms control loop.

방사형 거리 센서는 측량 및 자율 주행에 널리 사용된다. 이러한 센서의 작동 원리 및 적용 방법의 교육이 필요하다. 상용 방사형 거리 센서의 저성능화를 통한 저가화가 계속되고 있지만, 교육 목적으로 사용하기에는 여전히 고가이다. 본 논문에서는 교육용 로봇에 활용할 수 있는 저가의 포토트랜지스터의 방사형 배열을 이용한 물체추적기능을 갖는 거리 센서 모듈을 제안한다. 제안하는 방법은 포토트랜지스터를 180도 범위의 배열로 배치하여 빠르게 움직이는 물체의 위치를 즉시 감지할 수 있으며 서보 모터를 사용한 센서 회전으로 감지 각도 범위를 향상하고 물체를 추적한다. 제안된 센서의 스캔 속도는 상업용 거리 센서보다 50~200배 빨라서 1ms의 제어 루프를 가지는 고성능의 교육용 모바일 로봇에 적용할 수 있다.

Fig. 1. Low cost 1D displacement sensors(Phototransistor, Photodiode array, Ultrasonic, Laser TOF). 그림 1. 저가 1차원 거리 센서(포토트랜지스터, 포토다이오드 배열, 초음파, 레이저 ToF)

Fig. 2. Schematic of the light emitting part and the light receiving part of the infrared sensor module. 그림 2. 적외선 센서 모듈의 발광부와 수광부 회로도

Fig. 3. Experimental environment to check output of infrared sensor by measurement distance and direction. 그림 3. 적외선 센서의 출력을 측정 거리, 방향별로 확인하기 위한 실험 환경

Fig. 4. Reflected light intensity according to direction and distance of object. The x and y axes are direction and distance, respectively, and the z axis is the intensity of the reflected light. 그림 4. 물체의 방향과 거리에 따른 반사광 세기. x축과 y축은 각각 방향과 거리이며 z축은 반사광 세기이다.

Fig. 5. Output of phototransistor according to measurement distance. There is a deviation for each sensor. 그림 5. 측정거리에 따른 포토트랜지스터의 출력. 센서마다 편차가 존재한다.

Fig. 6. Radial distance sensor module using radial arrangement of phototransistor and servo motor. 그림 6. 포토트랜지스터의 방사형 배열과 서보모터를 이용한 방사형 거리 센서 모듈

Fig. 7. Educational robot using radial distance sensor module. The sensor should be calibrated to the given object. 그림 7. 방사형 거리 센서 모듈을 이용한 교육용 응용 로봇. 센서는 주어진 물체에 맞게 캘리브레이션 되어야 한다.

Fig. 8. Recognizing direction of object of radial sensor. The x and y axes are the actual values of the distances from the direction of the object, respectively, and the z axis is the direction of the object sensed by the sensor. It detects the angle correctly up to 35cm. 그림 8. 방사형 센서의 물체의 방향 인식. x축과 y축은 각각 물체가 존재하는 방향과 떨어진 거리의 실제값이며 z축은 센서가 감지한 물체의 방향이다. 35cm까지 각도를 제대로 감지한다.

Fig. 9. Directional recognition of objects in a radial sensor. The x-axis and the y-axis are the actual values of the direction and distance at which the object exists, respectively, and the z-axis is the directional error of the sensor. It was recognized that the angular error was within 2° to the sensor’s measuring range of 35cm. The error around 90° is due to a part of the object going out of the sensor’s angular range of measurement. 그림 9. 방사형 센서의 물체의 방향 인식. x축과 y축은 각각 물체가 존재하는 방향, 떨어진 거리의 실제값이며 z축은 센서의 방향 오차이다. 센서의 측정범위인 35cm까지 각도 오차 2° 이내로 인식되었다. 90° 근처의 오차는 물체 일부분이 센서의 측정 각도 범위 밖으로 나가서 생긴 것이다.

Fig. 10. Recognition of reflected light intensity of a radial sensor object. The x-axis and the y-axis are the actual values of the distance in the direction in which the object exists, and the z-axis is the sum of the intensity of the reflected light measured by each sensor. 그림 10. 방사형 센서의 물체의 반사광량 인식. x축과 y축은 각각 물체가 존재하는 방향, 떨어진 거리의 실제값이며 z축은 각각의 센서에 측정된 반사광세기의 합계이다.

Fig. 11. The direction and distance trajectory of the object detected by the radial distance sensor. 그림 11. 방사형 거리 센서에 감지된 물체의 방향과 거리 궤적

Fig. 12. Shows the trajectory of the object detected by the radial distance sensor on the Cartesian coordinates. There are angles where the distance is incorrect. 그림 12.. 방사형 거리 센서에 감지된 물체의 궤적을 직교 좌표 상에 나타냄. 거리가 부정확하게 나오는 각도가 있다.

Fig. 13. The direction and distance trajectory of the object detected by the radial distance sensor. 그림 13. 방사형 거리 센서에 감지된 물체의 방향과 거리 궤적

Fig. 14. Shows the trajectory of the object detected by the radial distance sensor on the Cartesian coordinates. Some areas of the rectangle are distorted. 그림 14. 방사형 거리 센서에 감지된 물체의 궤적을 직교좌표 상에 나타냄. 사각형의 일부 영역이 왜곡되었다.

Fig. 15. Operation structure of rotatable radial sensor module. 그림 15. 회전 가능한 방사형 센서 모듈의 동작 구조

Fig. 16. Radial sensor module with object tracking and control structure of mobile robot using it. 그림 16. 물체 추적 기능을 갖는 방사형 센서 모듈과 이를 이용한 모바일 로봇의 제어 구조

Fig. 17. Tracking control of radial range sensor module. 그림 17. 방사형 센서 모듈의 트래킹 제어

Fig. 18. The direction and distance trajectory of the object detected by the radial distance sensor. If the object moves outside the servomotor operating range, continue tracking to the measuring range of the radial sensor. 그림 18. 방사형 거리 센서에 감지된 물체의 방향과 거리 궤적. 물체가 서보모터 가동범위 밖으로 이동하면 방사형 센서의 측정 범위로 추적을 계속한다.

Fig. 19. Shows the trajectory of the object detected by the radial distance sensor on the Cartesian coordinates. Unlike Fig. 12, object tracking using servo motor has no distance distortion. 그림 19. 방사형 거리 센서에 감지된 물체의 궤적을 직교 좌표 상에 나타냄. 그림 12와 달리 서보모터를 이용한 물체 추적은 거리 왜곡이 없다.

Fig. 20. The direction and distance trajectory of the object detected by the radial distance sensor. 그림 20. 방사형 거리 센서에 감지된 물체의 방향과 거리 궤적

Fig. 21. Shows the trajectory of the object detected by the radial distance sensor on the Cartesian coordinates. Unlike Fig. 14, object tracking using a servo motor has no distortion. 그림 21. 방사형 거리 센서에 감지된 물체의 궤적을 직교 좌표 상에 나타냄. 그림 14와 달리 서보모터를 이용한 물체 추적은 왜곡이 없다.

Fig. 22.. Object position recognition and movement path tracking robot using radial infrared sensor module. 그림 22.. 방사형 적외선 센서모듈을 이용한 물체 위치 인식 및 이동 경로 추적 로봇

Table 1. Specification of low cost 1D displacement sensors. The phototransistor is inexpensive and fast in operation. 표 1. 저가 1차원 거리 센서의 사양. 포토트랜지스터는 저가이면서 동작이 빠르다.