I nte rna t io na l J o urna l o f   Ro bo t ics a nd   Aut o m a t io n ( I J R A)   Vo l. 9 ,   No . 2 ,  J u n e   2 0 2 0 ,   p p .   1 23 ~ 1 34   I SS N:  2089 - 4 8 5 6 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j r a . v9 i 2 . pp 1 23 - 1 34     123       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij r a . ia esco r e. co m   Co ntrol sy ste m  d esig n of duc t  clea ning  robo t  ca pa bl e of  o v erco m ing  L an d T - sha ped  ducts       M y eo ng   I n Seo ,  Wo o   J in   J a n g ,  J un hw a n H a ,  K y o ng t a e  P a rk ,  Do ng   H w a n K i m   De p a rtme n t  o f   M e c h a n ica l  d e sig n   a n d   r o b o t  e n g in e e ri n g ,   S e o u l  Na t io n a l  U n iv .   o f   S c ien c e   a n d   T e c h n o lo g y ,   Ko re a       Art icle  I nfo     AB ST RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Dec   17 ,   2 0 1 9   R ev i s ed   F eb   13 ,   2 0 2 0   A cc ep ted   Mar   4 ,   2 0 20       T h is  stu d y   in tro d u c e s  th e   c o n tro l   m e th o d   o f   d u c t  c lea n in g   ro b o t  t h a t  e n a b les   re a l - ti m e   p o siti o n   trac k in g   a n d   se lf - d riv in g   o v e r  L - sh a p e d   a n d   T - sh a p e d   d u c t   se c ti o n s.  T h e   d e v e lo p e d   ro b o t  h a s  th re e   leg s  a n d   is  d e si g n e d   to   f lex ib l y   re sp o n d   to   d u c t  siz e s.  T h e   p o sit i o n   o f   th e   ro b o t   in si d e   t h e   d u c t  is   id e n ti f ied   u sin g   th e   UW B  c o m m u n ica ti o n   m o d u le  a n d   t h e   lo c a ti o n   e sti m a ti o n   a lg o rit h m .   A lt h o u g h   UW B  c o m m u n ica ti o n   h a s  re lativ e l y   larg e   d ist a n c e   e rro r  w it h in   th e   m e tal,   th e   p o siti o n a l  e rro r  w a s   re d u c e d   b y   in tro d u c i n g   a p p r o p riate   f il ters   to   e sti m a te  th e   ro b o t  p o siti o n   a c c u ra tely .   T CP /I P   c o m m u n ica ti o n   a ll o w s  c o m m a n d s  to   b e   se n t  b e tw e e n   th e   P C   a n d   t h e   ro b o t   a n d   t o   r e c e iv e   li v e   im a g e s  o f   th e   c a m e ra   a tt a c h e d   to   th e   r o b o t.   Us i n g   Ha a r - li k e   a n d   c las si f iers ,   th e   ro b o t  c a n   re c o g n ize   th e   t y p e   o f   d u c t  th a t  is  d if f icu lt   to   o v e rc o m e ,   su c h   a s   L - sh a p e d   a n d   T - sh a p e d   d u c t,   a n d   it   m o v e s  su c c e ss f u ll y   in sid e   th e   d u c t   a c c o r d in g   to   th e   c o rre sp o n d in g   m o v in g   a lg o rit h m s.   K ey w o r d s :   Au to n o m o u s   Dr iv i n g   Du ct  C lean i n g   R o b o t   I m ag e  P r o ce s s i n g   L o ca tio n   I d en ti f icat io n   T h is  is  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   l ice n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Do n g   H w a n   Ki m ,   Dep ar t m en t o f   Me ch a n ical  s y s te m   d esi g n   e n g in ee r i n g ,   Seo u l N atio n a l U n i v er s i t y   o f   Scien ce   a n d   T ec h n o lo g y ,   2 3 2   Go n g n eu n g - r o ,   No w o n - g u ,   Seo u l 0 1 8 1 1 ,   Ko r ea .   E m ail: d h k i m @ s eo u ltech . ac . k r       1.   I NT RO D UCT I O N   I n   b u ild in g s   an d   k i tch e n s ,   air   is   s u p p lied   o r   cir cu lated   th r o u g h   d u ct s   w it h   v ar io u s   f ac ilit ie s .   S m o k e   an d   d u s t  co n tai n ed   in   t h e  air   p ass i n g   t h r o u g h   t h e  d u ct  i n   th e  en clo s ed   s p ac e  ac cu m u la te  in   th e  d u cts  a n d   b u ild   u p   m o r e  in   t h e  f le x io n s .   T h ese  ca u s e  in d o o r   air   p o llu tio n   an d   s h o u ld   b e  clea n ed   r eg u lar l y .   E s p ec iall y ,   in   ca s e   o f   k itc h e n   d u cts,  d u s t a n d   o il st ain   d ep o s its   p r ev e n t c ir cu la ti o n   o r   ca u s e  f ir e  ac cid en ts   d u e  to   h ig h   te m p er at u r e   air .   T h er m al  e f f icie n c y   o f   h e atin g   an d   co o lin g   d u cts  f o r   air   co n d itio n i n g   a n d   h ea tin g   d ec r ea s es  w h e n   d u s t   b u ild s   u p .   D u ct  clea n in g   ar e  l ar g el y   cla s s i f ied   as  d r y   a n d   wet  [ 1 ]   m et h o d s .   Sin ce   it  is   v ir t u all y   i m p o s s ib le  f o r   h u m a n s   to   clea n   d u cts   t h e m s elv e s ,   t h e  i n tr o d u ctio n   o f   a   d u ct - clea n in g   r o b o t  is   r eq u i r ed .   T h e  s h ap e  o f     th e  r o b o t c an   b e  d eter m i n ed   ac co r d in g   to   th e  m eth o d   o f   clea n in g   t h e  d u ct.   Du e  to   t h e  n atu r e  o f   d u ct s ,   es p ec iall y   i n   t h e  clo s ed   s p ac e,   w ir e - t w i s ti n g   p r o b lem s   o cc u r   w h e n   u s i n g   a  w ir e  d r iv en   r o b o t.  T h u s ,   it  i s   n ec es s ar y   to   b u ild   a  w ir eles s - d r iv e n   r o b o t  an d   d ev elo p   a   r o b o t  th at   ca n   m o v e   au to n o m o u s l y   alo n g   t h e  d u ct s .   A t  t h e  s a m e  ti m e,   th e  lo c atio n   o f   th e  r o b o t  n ee d s   to   b e  id en tif ied   w h ile   m o v i n g   alo n g   co m p le x   d u ct  s tr u ctu r e  i n   o r d er   to   m o n i to r   th e  o p er atio n .   Me an w h ile,   e x i s tin g   d u ct  clea n in g   r o b o ts   [ 2 - 4 ]   a r e  d if f icu l t to   co p e  w it h   w h e n   t h e  d u ct  d ia m e te r s   v ar y   b y   lo ca tio n .   I n   g e n er al,   air   co n d itio n in g   d u cts  ar e  co n ce aled   an d   in s t alled   in s id e  th e  ce i lin g .   A s   th e  s h ap e    an d   d i m e n s io n s   o f   t h e  air   c o n d itio n er   f r o m   t h e  f ac ilit y   t o   th e  i n let  a n d   o u tle t  o f   ea c h   c h a m b er   c h an g e ,     th e  f le x io n s   ar e  f o r m ed ,   an d   th e  s u cc ess f u l  p ass i n g   th ese  f lex io n s   f o r   th e  r o b o t  s h o u ld   b e  ca r r ied   o u t  ev en   w it h   f le x io n s .   T y p ical  f le x io n   is   eith er   L   o r   T - s h ap ed   an d   th e  r o b o t  s h o u ld   b e  ab le  t o   p ass   th r o u g h   t h is     n o n - u n i f o r m   s h ap ed   d u cts.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N : 2 0 8 9 - 4856   I n t  J   R o b   &   A u to m ,  Vo l.  9 ,   No .   2 ,  J u n e  2 0 2 0   :   1 23   –   1 34   124   T h e  d u ct - clea n i n g   r o b o t  in tr o d u ce d   in   th is   w o r k   i s   s i m ilar   t o   th e  e x i s ti n g   d u ct - clea n in g   r o b o t  [ 5 - 6 ] ,   b u t  it  i s   d esi g n ed   w i th   a  t h r ee - le g g ed   ( it  lo o k s   li k e  t h r ee   tr a ck s   i n   ap p ea r an ce )   r o b o t  th at  i s   m o r e  s u itab le  f o r   cir cu lar   d u ct s ,   th er eb y   allo win g   s tab le  m o v e m e n t  o n   th e   w al ls   i n s i d e  th e  c u r v ed   d u cts.  I t  ca n   a ls o   b e  w ir ele s s l y   o p er ated   to   p r ev e n t   w ir e  t w i s ti n g ,   w h ic h   o cc u r s   f r eq u en tl y   i n s id e  lo n g   a n d   w i n d in g   d u ct s .   U n li k e   co n v e n tio n al   d u ct - clea n in g   r o b o ts ,   it  is   d esi g n ed   to   p r o ce ed   au to n o m o u s l y   u s i n g   P SD  ( P o s itio n   Sen s iti v e  Dev ice)   s e n s o r s   an d   ca m er as  w it h o u t  b ein g   m a n ip u lated   b y   u s er s .   T h e  P SD  s en s o r   m ea s u r es  th e  d i s tan ce   to   ed g es  o f   L   o r   T - s h ap ed   d u ct   an d   th e  ca m er a  is   u s ed   to   d is ti n g u is h   b et w ee n   t h e  L   a n d   T - s h ap ed   d u ct  f o r     s elf - d r iv i n g .   T h e  u s er   j u s t c o n tr o ls   th e  s tar t b u tto n   an d   t h e  s t o p   b u tto n   an d   v ie w s   th e  i m a g e s   in s id e  t h e  d u ct  to   ch ec k   t h e  r o b o t' s   c u r r en t  lo ca tio n   an d   clea n in g   s tat u s .   I m ag es  o f   th e  d u c t  in s id e  th e  e n cl o s ed   s p ac e  ar e  s en t  w ir ele s s l y   to   th e  u s er 's  P C   v i a  W if i  th r o u g h   t h e  e m b ed d ed   P C ,   R asp b er r y   P i.  I n   th is   s t u d y ,   UW B   m o d u les   w er e  in s talled   o n   th e  o u ts id e  o f   th e  d u ct  to   esti m ate  th e  cu r r en t  p o s itio n   o f   th e  r o b o t  in   th e  d u ct  an d     th e  co r r ec t  id en tif icat io n   o f   T - s h ap ed   d u ct  u s i n g   th e  cla s s if ier   al g o r ith m   b ased   o n   th e   ac q u ir ed   im a g es  to   en ab le  au to n o m o u s   d r iv i n g   i s   p er f o r m ed .       2.   SYST E M   CO NF I G URA T I O N  AND  I NT E RF AC E   W h en   t h e  p u lle y   r ad iu s   is       an d   th e  a n g u lar   v e lo cit y   o f   ea ch   m o to r   f o r   d r iv in g   t h e  leg   is                         ,   th e  r o b o t  ce n ter   tr av el  v elo cit y         ca n   b e  o b tain ed   as  th e  p r o d u ct  o f   th e  p u lle y   r ad iu s   an d     th e  an g u lar   v elo cit y .   U s in g   th ese  v ar iab les,  th e  r o b o t  ce n ter   v elo cit y   ca n   b e  d eter m i n ed   ac co r d in g   to   th e  ea ch   ca s e  s u c h   as  th r ee   w h ee ls   ar e  at  th e  s a m e  s p ee d ,   o n e  w h ee l  s to p s   an d   th e  o th er   t w o   w h e els  d r iv e,   o n l y   o n e   w h ee l  i s   d r iv e n ,   a n d   th r ee   w h ee l  s p ee d s   ar e  d if f er en t.   On ce   t h e  t h r ee   w h ee ls   ar e  at  th e  s a m e  s p ee d ,     th e  v elo c it y   o f   th e  r o b o t  is         =        =        =      .   I n   ca s e  o f   d if f er en t   v elo cit y   o n   th r ee   leg s ,   t h e  v elo cit y   o f     th e  ce n tr al  b o d y   is   e x p r ess ed   a s   v elo cit y   g r ad ien t see n   f r o m   t h e  p ip elin e  s id e  as  s h o w n   in   F ig u r e  1 .   T h u s ,   th e  r o b o t  b o d y   v elo cit y   is   d eter m in ed   b y   t h e  av er a g e  o f   an g u lar   v elo cities  f r o m   t h r ee   m o to r s .   Fig u r e  2   s h o w s   t h e  ap p ea r an c e  o f   t h e  m a n u f ac tu r ed   d u c t  cl ea n in g   r o b o t.  T h e  f r o n t  o f   t h e   r o b o t  is   eq u ip p ed   w it h   a  ca m er a  w h ile   t h e  r ea r   is   eq u ip p ed   w i th   a  b r u s h   f o r   d u s ti n g .   T h e  r o b o t  is   d r iv e n   b y   t h e  u s er 's  s tar ti n g   s ig n al   f r o m   t h e  P C ,   w h ich   is   s e n t  to   th e   m icr o   co n tr o ller   A r d u i n o   f r o m   t h e  R asp b er r y   P i  th r o u g h   T C P /I P  co m m u n icatio n .   T h e  P SD  s e n s o r   co n n ec ted   to   th e   A r d u i n o   m ea s u r es  t h e   d ia m eter   o f   th e   d u ct,   w h ich   is   i m p o r tan t i n f o r m atio n   f o r   au to n o m o u s   d r iv i n g   i n   th e  d u ct.   I n   ad d itio n ,   th e  ca m er a  co n n ec te d   to   th e  R asp b er r y   P i  co n tin u o u s l y   ca p tu r es  i m a g es  i n s id e  t h e  d u ct  a n d   s en d s   th e  r es u lt s   to   th e  P C .   A t  t h is   ti m e,   t h e  L   an d     T - s h ap ed   s tr u ct u r es  in s id e  d u ct  th at  ar e  d if f icu l t  to   d etec t  o n l y   b y   P SD  s e n s o r s   ar e  d is t in g u i s h ed   t h r o u g h     th e  ca m er a ' s   i m a g e  p r o ce s s in g   tec h n o lo g ies,  a n d   t h e  co r r esp o n d in g   m o v e m e n ts   o f   t h e  r o b o t  ac co r d in g   t o     th e  r ec o g n ized   d u ct   s tr u ctu r e  ar e  in tr o d u ce d   to   h elp   a u to n o m o u s   d r iv i n g   o f   th e   r o b o t.  User s   ca n   co n ti n u e  to   o b s er v e  th e  in s id e  o f   t h e  d u ct  b y   p r es s in g   t h e  s tar t b u tto n   o f   th e  P C .   I n   o r d er   to   k n o w   th e  ex ac t  lo ca tio n   o f   th e  r o b o t  in s id e  t h e  d u ct,   UW B   an ch o r s   in s tal led   o n   th e   o u ts id e  o f   t h e  d u ct  an d   a  UW B   tag   o n   th e  r o b o t  b o d y   ar e  u s ed .   T h e  d is tan ce   v alu e s   b et wee n   an c h o r s   an d   tag   ar e  tr an s m it ted   b y   B lu eto o t h   co m m u n ica tio n   to   th e  P C   an d   th e  lo ca tio n   o f   th e  r o b o t  is   esti m ated   b y   th e   tr ilater atio n   alg o r it h m   o n   th e  P C .     T h er e  ar e  th r ee   m ain   ca teg o r ies  o f   co n tr o l   s y s te m   d ev elo p ed   in   th i s   w o r k .   A   UW B   m o d u le  f o r   esti m ati n g   th e  r o b o t's   r ea l - ti m e  p o s itio n ,   an   A r d u i n o   Me g ab o ar d   f o r   co n tr o llin g   th e  r o b o t,  an d   a  R a s p b er r y   P i   Z er o   f o r   tr an s m itti n g   i m ag e s   v ia  P C   a n d   T C P /I P   co m m u n i ca tio n   to   co n tr o l  t h e  r o b o t  r e m o tel y .   Fi g u r e  3   i s     th e  o v er all  co n tr o l  s y s te m   co n f ig u r atio n   o f   th e   r o b o t  u s ed   in   t h e  r o b o t  s y s te m .   A r d u i n o   c o n tr o ls   t h e  m o to r   an d   L E D   li g h t s   f o r   r o b o t  d r iv in g   a n d   r ec eiv e s   t h e  v alu e s   f r o m   t h e  P SD  s e n s o r s .   T h e  UW B   m o d u le  tr an s m its   th e  d is tan ce   v alu e s   to   th e  P C   v ia  B lu eto o th   co m m u n icat io n .   R asp b er r y   P i  tr an s m it s   im ag e s   ca p tu r ed   b y     th e  ca m er a  m o u n ted   o n   th e  r o b o t  to   th e  P C   v ia  T C P /I P  co m m u n icat io n   an d   also   s en d s   co m m an d   s i g n a ls   f r o m   th e  P C   to   A r d u in o .                                                              ( 1 )               Fig u r e  1 .   Velo cit y   p r o fi le  at  t h e  s id e  v ie w   o f   t h e  p ip elin e.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t  J   R o b   &   A u to m   I SS N:  2089 - 4856       C o n tr o l sys tem  d esig n   o f d u ct  clea n in g   r o b o t c a p a b le  o f  o ve r co min g   L a n d   T - sh a p ed   d u cts   ( Myeo n g   I n   S e o )   125     ( a)       ( b )       ( c)       ( d )     Fig u r e  2 .  ( a)   Ov er all  v ie w   o f   d u ct   clea n in g   r o b o t,  ( b )   ass e m b led   r o b o t ,   ( c)   an d   p ictu r e   o f   r o b o t r u n n i n g   in   a  d u ct,   ( d )   d r a w i n g s   o f   d u ct  clea n in g   r o b o t           Fig u r e  3 .   C o n tr o l s y s te m   s tr u c tu r e       2 . 1 .   UWB   m o d ule c o nfig ura t io n   As  m e n tio n ed   ea r lier ,   UW B   co m m u n ica tio n   i s   u s ed   f o r   in d o o r   lo ca tio n   m ea s u r e m en t,  an d     th e  DW M1 0 0 0   [ 7 ]   u s ed   f o r   co m m u n icatio n   is   a  C MO S c h ip   f o r   m ea s u r i n g   p r ec is e  d is ta n ce s   w ith   a n   ac c u r ac y   o f   1 0 cm .   T h e  A r d u i n o   P r o   Min i  i s   ad o p ted   to   o p er ate  t h e  UW B   m o d u le.   On e  ta g   o n   th e  r o b o t  an d   f o u r   an ch o r s   o u t s id e  th e  d u ct  ar e  p lace d ,   as  s h o w n   i n   Fig u r e  4 ,   an d   th e  P C B   ( P r in ted   C ir cu it  B o ar d )   is   u s ed   to   r ed u ce   th e  s ize  o f   a n ch o r   an d   tag   m o d u le  s o   t h at  t h e y   ca n   b e  p lace d   in s id e  th e  r o b o t.  B lu eto o th   m o d u le s   ar e  also   attac h ed   to   th e  P C   to   r ec eiv e  d is ta n ce   v al u es  f r o m   UW B   m o d u le s   w ir eles s l y .             Fig u r e  4 .   UW B   m o d u les p lace m en t f o r   p o s itio n i n g   in   d u c t e n v ir o n m e n t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N : 2 0 8 9 - 4856   I n t  J   R o b   &   A u to m ,  Vo l.  9 ,   No .   2 ,  J u n e  2 0 2 0   :   1 23   –   1 34   126   2 . 2 .   Co ntr o ller  co nfig ura t io n   I n   th i s   w o r k ,   th e  A T m e g a2 5 6 0   b ased   A r d u in o   Me g a  w a s   u s ed   to   ac q u ir e  th e  v alu e s   o f   t h e   n in e  P SD  s en s o r s   w h ic h   ar e  u s ed   to   id en ti f y   t h e  i n ter n al  s h ap e  o f   t h e   d u ct.   T o   s i m p lify   t h e  cir cu it,   a  P C B   co m p atib le  w it h   t h e  A r d u in o   Me g a  w as  cr ea ted .   On e  DC   m o to r   f o r   ea ch   w h ee l  an d   t w o   s m a ller   DC   m o to r s   f o r   w ir e   co n tr o l  w er e  co n n ec ted   to   th e  DC   m o to r   d r iv er s .       2 . 3 .   I nfr a re d sen s o r   As  s ta ted   ea r lier ,   P SD  s e n s o r s   ar e  u s ed   to   id en ti f y   t h e  s tr u ct u r e  in s id e  th e   d u ct  w h ic h   i s   c r u cial  f o r   an   a u to n o m o u s   d r iv i n g   o f   t h e  r o b o t.  T h e  in f r ar ed   s e n s o r s   w i th   a  r a n g e   o f   2 c m   to   1 5 c m   ca n   b e  u s ed   to   d etec t   s tr u ct u r al  ch a n g es  in s id e  th e   d u ct  w h ile  t h e  r o b o t  i s   d r iv in g .   T h e  Kal m a n   f ilter   ca n   b e  u s ed   to   m o r e   ef f ec tiv e l y   h a n d le  th e  a n alo g   v alu e s   r ec ei v ed   th r o u g h   th e  i n f r ar ed   s e n s o r ,   s i n ce   t h e  s e n s o r ' s   s ig n al  it s el f   is   p ar tly   ab s o r b ed   in to   t h e  d u ct  i n ter n al  m etal  p ar ts ,   p o ten tiall y   d is to r tin g   t h e  s e n s o r   v a lu e s .   T h e  Kal m an   f ilter   eq u atio n s   u s ed   h er e  ar e  as f o ll o w s .                                                     ( 2 )       ̂                                                 ( 3 )                                                     ( 4 )     w h er e            is   th e  Kal m an   g ai n ,         is   th e  er r o r   co v ar ian ce ,         is   th e  p r o ce s s   n o i s e  v ar ia n ce ,   an d         is     th e  m ea s u r e m e n t  n o is e  v ar ian ce .         is   th e  m ea s u r ed   s tate  v ar iab le  an d         is   th e  esti m ated   s t ate  v ar iab le  at    k - th   s tep ,   r esp ec tiv el y .     B ased   o n   th e  ab o v e  eq u atio n s   ( 2 - 4 ) ,   w e  ap p lied   th e  p r o p o s ed   Kal m an   f ilter   to   th e  m icr o   co n tr o ller .   I n   Fi g u r e  4 ,   th e   o u t p u t  d ata  b ef o r e  an d   a f ter   t h e  f il ter   p ass es  f o r   th e  in f r ar ed   s e n s o r   s i g n al  w er e  co m p ar ed .   T h e  b lu e  lin e  s h o w s   t h e  v alu e   o f   th e  d ata  b ef o r e  g o i n g   th r o u g h   t h e  f ilter ,   an d   t h e  r ed   lin e   s h o w s   t h e  v al u e  o f   th e  d ata  co m i n g   t h r o u g h   th e  f ilter .   I n   th is   ca s e,       =0 . 2 5 ,       =0 . 0 1 ,       =0 . 0 9   w er e  u s ed   an d       =1 . 0   w a s   u s ed   as  in i tial  v a lu e.   T h e  ex p er i m e n tal  r es u lt s   co n f ir m ed   t h at  t h e  v alu e  th at  ca m e  f r o m   t h e  Kal m an   f i lter   w as  m o r e   s tab le  th a n   o r ig i n al  s i g n al   ( Fig u r e  5 ) .           Fig u r e  5 .   Dis tan ce   d ata  co m p a r is o n   u s in g   Kal m a n   f ilter   (x - a x is   : ti m e  [ m s ] ,   y - a x is   : D i s ta n ce   [ cm ] )       3.   DIS T ANC E   M E ASURE M E NT   US I N G   UWB   CO M M U NICA T I O N   3 . 1 .   UWB   co m m u nica t io n   UW B   ( Ultr a  W id e  B an d )   c o m m u n icatio n   i s   a  w ir eles s   co m m u n icatio n   tec h n o lo g y   th at  ca n   g u ar a n tee  tr a n s m is s io n   d i s tan ce   o f   1 0 m   to   1 k m   o v er   a  w id e   f r eq u e n c y   r a n g e  f r o m   3 . 1   GH z  to   1 0 . 6   GHz ,   an d   h as  b ee n   d e v elo p ed   an d   ap p lied   f o r   s p ec ial  p u r p o s es  b y   th e  m ilit ar y ,   b u t  h as  r ec en tl y   g ain ed   atten tio n   as  it   o p en ed   to   th e  p r iv ate  s ec to r .   UW B ,   w h ic h   tr an s m it s   lar g e  a m o u n ts   o f   in f o r m atio n   at  lo w   p o w er ,   is   a  n e w  tech n o lo g y   w it h   a   v er y   w id e  ap p licatio n   r a n g e,   in cl u d i n g   i n d o o r   o b s er v atio n ,   s p o r ts   tr ac k i n g ,   i n tr u d er   d etec tio n   s y s te m ,   a n d   p r ev en tio n   o f   h ea v y   eq u ip m e n t   v eh icle  ac cid en t s .   I n   th i s   s tu d y ,   th e  UW B   co m m u n icatio n   a n d   R ea l - T im e  L o ca tin g   S y s te m s   ( R T L S )   w er e  ap p lied   to   im p le m en t  a  s y s te m   t h at  co u ld   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t  J   R o b   &   A u to m   I SS N:  2089 - 4856       C o n tr o l sys tem  d esig n   o f d u ct  clea n in g   r o b o t c a p a b le  o f  o ve r co min g   L a n d   T - sh a p ed   d u cts   ( Myeo n g   I n   S e o )   127   au to m at icall y   id en ti f y   an d   tr ac k   t h e  p o s it io n   o f   o b j ec ts .   T h e  co m m u n icat io n   m o d u l es  u s ed   f o r   UW B   co m m u n icatio n   ar e  DW M1 0 0 0   f r o m   DE C A W A VE   a n d   T im e  o f   Fli g h t  ( T OF)   m e th o d   f o r   d is ta n ce   m ea s u r e m e n t   i s   a  m ai n   p r in cip le  o f   th e  s e n s o r .   Fig u r e  6   is   a  r ep r esen tatio n   o f   t h e  T OF - t y p e  d i s ta n ce   m ea s u r e m e n t  p r o ce d u r e,   w h ic h   i s   ch ar ac ter ized   b y   DS - T W R   ( Do u b le - s id ed   T w o   W a y   R an g in g )   [ 8 ]   ex te n d in g   th e  m ea s u r e m en t  r a n g e  o f     SS - T W R   ( Sin g le  Sid ed   T w o   W ay   R an g i n g ) ,   i n   w h ic h   t w o   r o u n d - tr ip   ti m e  m ea s u r e m e n ts   ar e  u s ed   to   o b tain   th e  T OF  r es u lt s .   E r r o r s   ar e  r ed u ce d   d esp ite  s ig n i f ica n tl y   l o n g   r e s p o n s e   d ela y s   a n d   t h e   T OF  is   3 3 3   n s   in     th e  r elati v el y   lar g e  UW B   o p er atin g   r an g e  o f   1 0 0   m .           Fig u r e  6 .   Seq u en ce   o f   T W R   u s in g   T O F       3 . 2 .   E s t i m a t ing   t he  lo ca t io n o f   t h e  ro bo t   by   t rila t er a t io n m ea s ure m ent   T o   id en tify   t h e  p o s itio n   o f   t h e  r o b o t  in s id e  th e  d u ct,   a  tr ila ter atio n   m e th o d   w as   ap p lied   to   esti m a te   th e  ce n ter   p o s itio n   o f   th e  r o b o t  w h ile  it  m o v e s   ar o u n d   u s in g   an ch o r s   t h at  ar e  p lace d   o u ts id e  th e  d u ct  an d   a  tag   o n   th e  r o b o t  b o d y .   Her e,   th e  g r ad ien t  d ec en t  m et h o d   is   ap p lied   to   r ed u ce   th e  er r o r   b etw ee n   t h e  ac tu al  a n d     th e  e s ti m ated   v alu e s   f o r   t h e   r o b o t  lo ca tio n .   Fi g u r e  7   s h o w s   th e   b asic  e n v ir o n m en t   f o r   ap p l y i n g   t h e   tr ilater atio n   m e t h o d   to   o b tain   th e  r o b o t' s   ce n tr al  p o s itio n   ( x,   y ) ,   u s in g   t h e  d is ta n ce   v al u es  f r o m   f o u r   an c h o r s   an d   o n e  tag .   T h e  tr u e  v al u e  o f   th e  ce n ter   p o s itio n   o f   t h e  r o b o t is co n s tr u cted   b y   th e  f o llo w i n g   f o r m u la.                                                                 ( 5 )     w h er e      is   th e  n u m b er   o f   an c h o r s ,   an d         is   m ea s u r ed   d is ta n ce   b et w ee n   t h e  an c h o r       an d   tag .   Nex t,        w h ic h   is   th e  es ti m ated   d is tan ce   to   t h e   r o b o t f r o m   an c h o r       is   ex p r ess ed   as f o llo w .             √                                 ( 6 )     E r r o r   b et w ee n   t h e  ac t u al  v al u e   an d   th e  esti m ated   v alu e  b et wee n   an c h o r       an d   tag   is                   ,   an d   th e  co s t f u n ctio n       th at  m i n i m iz es th e  er r o r   at  ea ch   s tep   ca n   b e  d ef in ed   as ;             ∑                         (7 )     B y   u s i n g   th e  g r ad ien t  d esce n t  m et h o d ,   th e  r o b o t' s   ce n tr al  p o s itio n   is   u p d ated   in   ea ch   s tep   as   f o llo w s .                                      [         ]                 (8 )     T h e  f in al  u p d ate  la w   f o r   th e  es ti m ated   2 D  lo ca tio n   is   d eter m i n ed   in   ( 9 ) .     [                 ]   [         ]     [     ∑                                             ∑                                         ]   ( 9 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N : 2 0 8 9 - 4856   I n t  J   R o b   &   A u to m ,  Vo l.  9 ,   No .   2 ,  J u n e  2 0 2 0   :   1 23   –   1 34   128   As  s h o w n   i n   ( 9 )   is   an   eq u ati o n   d eter m i n ed   b y   th e  g r ad ien t  d escen t  m et h o d   th at  ca lc u la tes  s p atial   co o r d in ates  t h at  m i n i m ize  th e   d is tan ce   er r o r   b etw ee n   th e  a n ch o r s   an d   th e  ta g .               th e  n ex t  p o in t  to   m o v e   f r o m   th e  c u r r en t  co o r d in ate  v alu e        is   ca lcu lated ,   an d       is   a  p ar a m eter   th at  co n tr o ls   t h e  u p d ate  s p ee d .   W h en   UW B   m o d u le s   ar e  u s ed   in   a  d u ct  m ad e  o f   m e tal  in   p ar t,  lo ca tio n   er r o r s   o cc u r   d u e  to   th e  f ac t  th at  t h e  w av e s   d o   n o t p en etr ate  th e   m e tal  p ar t s   w ell   b u t   r ef lect   t h e m   [ 9 ] .   T o   o v er co m e  t h is ,   th e   f o llo w in g   m et h o d s   h a v e   b ee n   tr ied .   W e  ap p lied   g en er al  s ig n a l  f ilter s   to   i n co m in g   d a ta  v al u es,   ad d ed   th e  n u m b e r   o f   a n ch o r s ,   a n d   s u p p le m e n ted   t h e  s h o r tco m in g s   o f   t h e  g r ad ien t d esce n t   m et h o d .   T h e  d is ad v an ta g e  o f   g r ad ien t d esce n t  m et h o d   is   th at  it  d o es  n o t  escap e  th e  ze r o   s lo p e  w ell  an d   co n v er g e n ce   is   s lo w .   T o   s o lv e  th is   p r o b l e m ,   th e  co m m o n l y   u s ed   m eth o d   is   to   ap p l y   t h e   s to ch ast ic  g r ad ie n t  d ec en t  w it h   m o m e n t u m   m eth o d   [ 1 0 ] .   I n   o th er   w o r d s ,     th e  s p ee d   co n s ta n t  is   co r r ec ted   to   r ea ch   th e  m i n i m u m   v alu e  f aster   an d   t h e  in f lect io n   p o in t  ca n   b e  s m o o th l y   p ass ed   o v er   d u e  to   th e  m o m en tu m .                               ( 1 0 )                           ( 1 1 )     I n   ( 1 0 ) ,         r ep r esen ts   v elo cit y   at   k - th   s tep ,   an d   η   r ep r esen ts   a  d ec ay i n g   r ate.   I n   th is   ca s e,   η =0 . 9 ,   an d       =0 . 9 5   is   u s ed   r esp ec tiv el y ,   w h ic h   s h o w ed   th at  co n v er g e n ce   w as  ab o u t   1 0   ti m es   f a s t er   th an   b e f o r e.   I n   ad d itio n ,   th e  v al u e  o f         is   a  v a r iab le  to   w h ic h   t h e  g r ad ien t  d escen t  m et h o d   is   ap p lied ,   th at  is ,   a  co o r d in ate   v alu e  u p d ated   b y   s u b s titu tin g   th e  x   co o r d in ate  o r   th e  y   c o o r d in ate  o b tain ed   th r o u g h   th e  g r ad ien t  d ec en t  w i th   m o m e n t u m   m et h o d   ca n   b e  o b tain ed .   Fig u r e  8   s h o w s   t h e  r es u lt s   o f   ex p er i m e n ts   ca r r ied   o u t  in   m e ta l  d u cts.  T h e  r ed   cir cles  i n   F i g u r e   7   ar e   th e  r esu l ts   o f   th e  co n v e n tio n a l  g r ad ien t  d escen t  m eth o d   an d   th e  b lu e  cir cles  ar e  th e  r es u lts   o f   t h e  g r ad ien t   d escen t  m e th o d   co n s id er in g   t h e  ac ce ler atio n .   I t  ca n   b e  s ee n   t h at  t h e  er r o r   is   r ed u ce d   an d   clo s er   to   th e  ac tu al   p o s itio n s   b y   e m p lo y i n g   th e  g r ad ien t  d ec en t  w i th   m o m en tu m   m et h o d   th a n   t h e  g r ad ie n t  d ec en t  m et h o d .     T h e  ac tu al   er r o r s   ar e  u p   to   a b o u t  3 0   c m   f o r   b o th   m et h o d s ,   w h ich   ar e  r eliab le   to   b e  a d o p ted   to   lo ca tio n   esti m atio n   i n s id e  d u ct s .           Fig u r e  7 .   Dis tan ce s   b et w ee n   f o u r   an ch o r s   a n d   o n e  tag       Fig u r e  8 .   E x p er i m en tal  r esu lts   o f   g r ad ien t    d escen t  m eth o d   an d   co n s id er in g   ac ce ler atio n       4.   O P E RAT I O N  SO F T WAR E   DE S I G N   4 . 1 .   Aut o no m o u s   driv ing   T h e  r o b o t b asically   m o v es  f o r w ar d   t h r o u g h   t h r ee   m o to r s .   W h en   th e   P C   g iv e s   co m m a n d s   t o   th e  r o b o t   th r o u g h   T C P   /  I T   co m m u n ic atio n ,   t h e  r o b o t  m o v es   o r   s to p s .   W h en   th e  r o b o t  s tar t s   to   m o v e,   t h e  L E D   an d     th e  b r u s h   m o to r   s tar t  to   w o r k   to g eth er ,   an d   at  th e  s a m e  ti m e,   th e  in ter n a l  s h ap e  o f   t h e  d u ct   is   r ec o g n ized   b y   th e  d is ta n ce   i n f o r m atio n   o f   t h e  i n f r ar ed   s e n s o r s   attac h ed   to   th e  f r o n t  an d   b ac k   o f   t h e  r o b o t  as  s h o w n   i n     Fig u r e   9 .   I n f r ar ed   s en s o r   v alu es  u s u all y   co m e  o u t  w it h   a  co n s ta n t  v alu e  w h e n   th e  r o b o t  m o v es  alo n g   s tr ai g h t   d u ct.   W h en   th e  c u r v ed   s e ctio n   is   f o u n d ,   th e  v al u es  f r o m   t h e  in f r ar ed   s en s o r s   ch an g e.   T h r o u g h   t h ese  v alu e s ,     th e  r o b o t c an   b e  a u to m a ticall y   r o tated   ac co r d in g   to   t h e  le f t a n d   r ig h t  f le x io n   w h ich   is   ca lle d   L - s h ap ed   d u ct,   o r   t w o - w a y   p at h ,   ca lled   T - s h ap ed   d u ct  as  s h o w n   i n   Fi g u r e  10 .   T h e  p r ec is e  s ch e m e s   f o r   p ass i n g   t h r o u g h   L   o r     T - s h ap ed   d u ct  w ill b e  ex p lai n ed   in   th e  later   s ec tio n .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t  J   R o b   &   A u to m   I SS N:  2089 - 4856       C o n tr o l sys tem  d esig n   o f d u ct  clea n in g   r o b o t c a p a b le  o f  o ve r co min g   L a n d   T - sh a p ed   d u cts   ( Myeo n g   I n   S e o )   129         Fig u r e  9 .   I R   Sen s o r s   p lace m e n t in   r o b o t       F ig u r e  10 .   R o b o t a u to n o m o u s   d r iv in g   alg o r it h m   u s in g   I R   s en s o r s   o n l y       4 . 2 .   L ef t   a nd   rig ht  driv ing   in t he  L - s ha ped  du ct     W h en   t h e  r o b o t  m ee ts   th e  c u r v ed   s ec tio n ,   it  o p er ates  in   th e  o r d er   as  s h o w n   i n   F ig u r e  1 1 .   First,  ch ec k   th e  lef t  an d   r ig h t  s id es  t h r o u g h   th e  i n f r ar ed   s en s o r .   W h en   th e  r o b o t  en co u n ter s   a  cu r v ed   s e ctio n   w h ile  m o v i n g   f o r w ar d ,   o n e  o f   t h e  t w o   s en s o r s   h as  a  d is ta n ce   o f   m o r e  t h an   ce r tai n   d is ta n ce   ( h er e,   1 2 . 5 cm )   as  s h o w n   i n   Fig u r e  10 ,   m ak in g   t h e  r o b o t  d etec t  e m p t y   s p ac e.   T h en ,   t h e  r o b o t  s to p s   th e  w h ee l  th a t  b ec o m es  t h e  p i v o t  ax i s   an d   m o v e s   th e  r est  o f   th e  w h ee l  s o   th at  it  ca n   t u r n   w i th o u t   h ea v y   r esis ta n ce   i n s id e  t h e  d u ct.   A f ter   th e  r o b o t   tu r n s ,   if   th e  v al u e  o f   o n e  in f r ar ed   s en s o r   is   less   th a n   ab o u t   th e  p r eset  d is tan ce   ( h er e,   f o r   in s ta n ce   1 2 . 5 cm ) ,     th e  r o b o t  w ill  s tar t  m o v i n g   f o r w ar d   ag ai n .   I n   t h is   w a y ,   th e   lef t  a n d   r i g h t   d r iv e  i n   t h e  L - s h ap ed   d u ct  ca n   b e   a u to m at icall y   ca r r ied   o u t.           Fig u r e  1 1 .   Seq u en ce   o f   L - s h a p ed   d u ct  r u n n i n g       4 . 3 .   O v er co m ing   T - s ha ped d uct   w it h T i m er s   I n   t h e  T - s h ap ed   d u ct,   th e   r o b o t  ca n   m o v e  f o r w ar d ,   le f t   an d   r ig h t.  I n   o r d er   f o r   th e   r o b o t  to   t u r n   in     th e  T - s h ap ed   d u ct,   it  m u s t  b e  tu r n e d   i n   a  d if f er en t  w a y   th a n   th e  L - s h ap ed   d u ct  m o v e m en t   m en t io n ed   ea r lier .   W h en   t u r n i n g   o n   a  T - s h ap ed   d u ct,   th e  w h ee l  b o d y   w ill  u n f o ld   d u e  to   th e  r o b o t' s   s p r in g   s tr u ctu r e  i n   t h e  o p en   s p ac e.   I n   o th er   w o r d s ,   b ec au s e  o n e  s id e  is   o p en   an d   th e  w h ee l  ca n n o t  r ea ch   t h e  w all  a n d   th e  r o b o t' s   w h ee ls   ca n   g et  s tu c k .   T h er ef o r e,   f o r   th is   p u r p o s e,   th e  r o b o t  m u s t  b e  co n tr o lled   to   escap e  th e  s ec tio n   b y   g i v i n g   it    a  r ev er s e  t u r n .   I n   ca s e  o f   u s i n g   i n f r ar ed   s en s o r s   f o r   s el f - d r i v in g ,   as  s h o w n   in   Fi g u r e  1 2 ,   wh en   th e   r o b o t  m ee ts   a  T - s h ap ed   d u ct  it  ca n   d etec t   a  s id e  e m p t y   s p ac e,   j u s t  li k e   th e  L - s h ap ed   d u ct,   b u t  n o t  a  f r o n t  e m p t y   s p ac e.   T h er ef o r e,   in f r ar ed   s en s o r s   alo n e  ca u s e  th e  r o b o t  to   m o v e   in   th e  s a m e  w a y   a s   L - s h ap e d   d u ct,   w h ic h   lets     th e  r o b o t  g et  s tu c k   i n   t h e  b o tto m   o f   t h e  T - s h ap e d   d u ct.   T o   s o lv e  t h i s   p r o b lem ,   th e  ac c u r ate  r ec o g n itio n   o f     th e  T - s h ap ed   d u ct  s h o u ld   b e  estab lis h ed .   I f   T - s h ap ed   d u ct  is   d etec ted   th r o u g h   i m a g e  p r o ce s s in g   w i th o u t     th e  u s e  o f   d is tan ce   s en s o r s ,   th e  r o b o t  r ec o g n izes  t h at  t h er e  i s   a  T - s h ap ed   d u ct  i n   f r o n t.  T h e  d etail  alg o r ith m   to   f i n d   th e  T - s h ap e  d u ct  b y   i m a g e  p r o ce s s in g   i s   ex p lai n ed   in   t h e  f o llo w in g   s ec tio n .     W h en   a n   in f r ar ed   s e n s o r   d et ec ts   e m p t y   s p ac e,   T 1   ti m er   in s id e   MCU   s tar t s .   An d   w h i le  d r iv i n g     th e  g ea r ed   m o to r ,   t h e  w ir e   is   w o u n d   to   clo s e  th e   f r o n t  o f   th e   th r ee   leg s .   T h e  r o b o t  m o v es  f o r w ar d   u n til     th e  ti m er   r ea ch e s   a  p r ed eter m in ed   ti m e.   A t  th i s   ti m e,   t h e  T 2   ti m er   ( Fi g u r e  1 2 )   s tar ts ,   r o tatin g   t h e  w h ee l  o n     th e  ax i s   o f   tu r n   r ev er s el y ,   as  s h o w n   i n   ( 4 ) .   W h en   th e  T 2   tim er   r ea ch es  a  p r eset  ti m e,   th e   T 3   tim er   s t ar ts   an d   r o tates  th e   r o b o t' s   to p   w h ee l   i n   r ev er s e  o r d er   to   tu r n   t h e  r o b o t.  W h en   t h e  T 3   ti m er   r ea ch es  a  p r ed eter m i n ed   ti m e,   all  th e  w h ee ls   o f   t h e  r o b o t  m o v e  f o r w ar d   an d   s tar ts   s elf - d r iv in g   ag ai n   o n   s tr ai g h t  s ec tio n .   T h r o u g h     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N : 2 0 8 9 - 4856   I n t  J   R o b   &   A u to m ,  Vo l.  9 ,   No .   2 ,  J u n e  2 0 2 0   :   1 23   –   1 34   130   th e  e x p er i m e n ts ,   th e  ti m es  o f   ea ch   ti m er   w a s   f o u n d   to   b e  ab o u t  4 . 8   s ec o n d s ,   6 . 4   s ec o n d s   a n d   8   s ec o n d s   r esp ec tiv el y ,   an d   it  w as  p r o v ed   th e  r o b o t  co u ld   au to m at ic all y   o v er co m e  t h e  T - s h ap ed   d u ct  s u cc es s f u ll y .   B ased   o n   th e  ex p er i m en ta l  r esu lts ,   t h e  s etti n g   ti m e s   o f   th e  ti m er s   ca n   b e  ad j u s ted   ac co r d in g   to   th e  co n d itio n s   o f   th e  d u ct.           Fig u r e  1 2 .   Seq u en ce   o f   T - s h a p ed   d u ct  r u n n i n g   u s i n g   ti m er s       4 . 4 .   Self - driv ing   in T - s ha ped d uc t   us ing   i m a g e  pro ce s s ing   As  m e n tio n ed   ea r lier ,   th e  d u ct   t y p es  t h at  r o b o t  n ee d s   to   o v e r co m e  ar e  L - s h ap ed   d u cts  a n d   T - s h ap ed   d u cts,  w h ic h   ar e  d if f er en t  in   th e  d r iv in g   co n tr o l  m et h o d   to   o v er co m e  th e  t w o   t y p es.  T h er ef o r e,   th e  r o b o t's   u lti m ate  g o al  is   to   ac cu r atel y   r ec o g n ize  an d   p r o p er ly   o v er co m e  t h e  f le x io n s .   T h e  u s e  o f   d is ta n ce   s e n s o r s   alo n e  m a y   r es u lt  i n   s i g n i f ica n t  er r o r s   d u e  to   m i s p er ce p tio n   at  th e  f le x io n ,   r esu lt in g   i n   th e  w r o n g   ch o ice  o f   h o w   to   o v er co m e  t h e  s h ap e,   w h ic h   m a y   ca u s e  it  to   f all   i n t o   ce r tain   s ec tio n s   o r   b ec o m e  s tu c k   t h er e.   I f   i m a g e   in f o r m atio n   t h r o u g h   a  ca m er a  is   s u p p le m e n ted   w it h   id en tif icat io n   alg o r it h m s ,   it  is   ce r tain l y   h elp f u l  f o r     th e  r o b o t  to   ac cu r atel y   r ec o g n ize  th e  f le x io n   w h eth er   it  is   L   o r   T - s h ap ed   an d   to   ch o o s e  t h e  r ig h t  m et h o d   to   o v er co m e  th e  d u c t sh ap e.   I f   th e  i m a g e  i n f o r m atio n   i s   u s ed ,   th e  s h ap es  o f   t h e  t w o   d u cts  w i ll  b e  d is ti n g u i s h ed   as   s h o w n   i n  Fig u r e  1 3 .   Dis tan ce   s en s o r   v a lu es  ca n   b e  s i m ilar   f o r   b o th   s h ap es,  an d   in   f ac t,  th r ee   w h ee ls   to u ch   t h e  w al l  i n   th e  L - d u ct,   b u t  i n   t h e  T - d u c t,  o n e  w h ee l  m u s t  b e  r u n   w it h o u t  to u c h in g   th e  w all.   D u e  to   th e  p r o b lem   o f   w h ee l   an d   n o t b ein g   ab le  to   o p er ate,   ad d it io n al  w ir e  m o to r   w a s   to   b e  u s ed   as s h o w n   i n   F i g u r e  1 4 .         ( a)     ( b )     ( a)     ( b )     Fig u r e  1 3 .   I m a g e  d if f er en ce   b et w ee n   ( a)   L - s h ap ed   an d   ( b )   T - s h ap ed   d u ct     Fig u r e  1 4 .   R o b o t w ir e   attac h m en t d r a w i n g   an d   p ictu r e,   ( a)   w ir e  an d   w ir e - d r i v in g   m o to r ,   ( b )   s h ap e  o f   c lo s ed   f r o n t p ar t o f   r o b o t       T h er e  ar e  s ix   w ir e s ,   t w o   f o r   e ac h   le g .   T h ese  w ir e s   ar e  u s ed   to   f o ld   t h e  f r o n t   an d   r ea r   p ar ts   o f   a  le g   w h e n   m o v i n g   in   a  T   o r   L   – s h ap ed   d u ct.   B ef o r e  th e  r o b o t  en ter s   t h e  d u ct,   t h e  g ea r ed   m o t o r s   ar e  ac tiv ated   to   f o ld   th e  le g s   b y   w i n d in g   t h e   w ir e s .   I n   o r d er   to   d is tin g u i s h   L - s h ap ed   d u ct  f r o m   T - s h a p ed   d u ct  b y   i m a g e,     th e  o u t lin e   o f   T - s h ap ed   d u ct  ed g e  w as  s elec ted   as  c h ar ac te r is tic  p o in t.  I t  w a s   d eter m i n ed   th at  t h e  t w o   t y p es   co u ld   b e  r ec o g n ized   d if f er e n tl y   d ep en d in g   o n   w h eth er   t h e  o u tl i n e  s h o w n   i n   Fi g u r e  1 5   w as   d etec ted .   A t  f ir s t,  w e  tr ied   to   d etec t th e  o u tlin e,   b u t th er e  w er e  th e  f o ll o w i n g   p r o b le m s .   a.   T h er e  w er e  to o   m a n y   co n to u r s   d etec ted .   b.   I t  w as d i f f icu l t to   u s e  t h e  d esir ed   p ix el  co o r d in ates.   c.   T h er e  w a s   p o o r   r ea l - ti m e  p er f o r m a n ce   b ec au s e   i t to o k   a  lo n g   ti m e  to   ca lcu late.     T h er ef o r e,   w e  d ec id ed   to   u s e  t h e  ca m er a  i m a g e  it s el f   r ath er   t h an   th e  p i x el  co o r d in ates  o f   t h e  o u tli n e,   an d   w e  u s ed   te m p late  m atc h in g   [ 1 1 ] .   T em p late  m a tch i n g   h as   th e   ad v a n tag e   o f   o b tai n in g   co o r d in ates  o f   m atc h in g   i m ag e  f r o m   r ef er e n c e  i m ag e,   w h ich   ca n   b e  v er if ie d   in   r ea l  ti m e  d u e  to   s h o r ter   co m p u tatio n al  ti m e,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t  J   R o b   &   A u to m   I SS N:  2089 - 4856       C o n tr o l sys tem  d esig n   o f d u ct  clea n in g   r o b o t c a p a b le  o f  o ve r co min g   L a n d   T - sh a p ed   d u cts   ( Myeo n g   I n   S e o )   131   an d   th e  d eg r ee   o f   m atc h in g   with   t h e  th r es h o ld   v al u e  ca n   b e   ad j u s ted .   Ho w e v er ,   th er e  w er e  d is ad v an ta g es  o f   r eq u ir in g   p r o p er   r ef er en ce   im ag e s   i n   ad v a n ce ,   ch a n g i n g   th e  t h r es h o ld   v al u e  ev er y   t i m e  d ep en d i n g   o n     th e  en v ir o n m e n t,  an d   b ein g   v e r y   s u s ce p tib le  to   b r ig h t n es s   ch an g e s   an d   g eo m etr ical  r o tatio n s .   T h er ef o r e,   th e  Har r - l ik e   f ea t u r es  [ 1 2 ]   m eth o d   t h at  d o es  n o t  r eq u ir e  a  r e f er en ce   i m a g e  b ef o r eh an d   w a s   u s ed   to   d etec t  th e  o u t l in e  o f   th e  i m a g e.   Usi n g   Har r - li k e  f ea t u r es  a s   s h o w n   i n   F ig u r e  1 6 ,   an   o b j ec t  is   r ec o g n ized   b y   co m b i n in g   e le m en tar y   f ea t u r es  th at   ar e  co n s tr u cted   b ased   o n   p ix e l  b r ig h tn es s   d i f f er e n ce s   in     th e  i m a g e.   T h e  o u tli n e  to   b e  d etec ted   w as   f o u n d   to   b e  s u i t ab le  f o r   th e  k e y   p o in t  r ec o g n i tio n   o f   th e   T - s h ap e   d u ct  b ec au s e  it  b asicall y   r etai n s   t h e  g eo m etr ic  in f o r m at io n   as  s h o w n   i n   F ig u r e  1 5 ,   an d   th e  ar ea   h as  a  d is tin c t   b r ig h t n es s   d if f er en ce .   I n   o r d er   to   ex tr ac t th e  f ea t u r e  to   clas s i f y   th e  i n p u t i m ag e,   t h e  d i f f er e n ce   i n   b r ig h tn e s s   o f   all  p ix els  m u s t b e  ca lcu la ted   an d   co m p ar ed   w it h   th e  t h r es h o l d s   o f   th e  ele m en tar y   f ea tu r e s .   I f   w e  ca lc u late  t h e  b r ig h t n es s   d if f er en ce s   f o r   all  p i x els,  t h e  co m p u tatio n a l  v o l u m e  b ec o m e s   v er y   lar g e,   s o   in te g r ated   i m a g es  [ 1 3 ]   ca n   b e  u s ed   to   q u ick l y   ca lcu late  th e  p i x el  b r ig h t n es s   d if f er en ce s   in     th e  d esire d   ar ea .   T h is   allo w s   th e  b r ig h t n es s   o f   all  ar ea s   to   b e   ca lcu lated   in   o n l y   f o u r   ca lcu latio n s ,   w h ic h   en ab les  r ap id   co m p u ta tio n .   I f   th e  f ea tu r e  o f   t h e  T - s h ap ed   d u ct  is   e x tr ac ted   d u e  to   t h e  d if f e r en ce   in   b r i g h tn e s s ,   a  class if ier   is   m ad e  an d   co m p ar ed   w it h   ea c h   i n p u t  i m a g e  to   d etec t  t h e  T - s h ap ed   d u ct.   Fo r   th i s   o p er atio n ,     th e  f u n ctio n s   p r o v id ed   b y   Op en C V  w er e  u s ed   w i th   t h e  ele m en tar y   f ea t u r es  an d   t h r es h o l d   v alu e s .   T o   cr ea te   th e  clas s i f ier ,   an   x m l  f ile  [ 1 4 ]   w a s   m ad e  u s in g   t h e  C a s ca d e  C las s i f ier   p r o v id ed   in s id e  t h e  Op en C V.   Fig u r e  1 7   s h o w s   t h e  p r o ce s s   o f   cr ea ti n g   an   x m l  f ile  as  a  f lo w   ch ar t  a n d   r ep r esen ts   th e  i m ag e  d ata  u s ed .   Fo r   th e  P o s itiv e  s a m p les,  t h e  s a m p les  w er e  c o n s tr u cted   b ased   o n   t h e  s h ap es  th at  r eq u ir ed   r ec o g n i tio n   w it h i n   t h e  d u ct,   an d     th e  p o in ts   to   b e  u s ed   a s   a   f ea t u r e  w er e  m ar k ed .   Fo r   t h e  Ne g ativ e  s a m p les,  i m a g es   t h at  h ad   n o t h in g   to   d o   w it h   th e  d u ct  w er e  s elec ted ,   i.e .   b ac k g r o u n d s ,   a n i m als,  o r   ca r s .   I n   th e  ea r l y   s ta g es  o f   tr ai n in g ,   th e  n u m b er   o f   s a m p le s   w a s   te s ted   u s in g   5 0   P o s itiv e  an d   2 0 0   Neg ati v e   s a m p les  r esp ec ti v el y ,   an d   f o u n d   th a t  n o n - T - s h ap ed   d u cts  s u ch   as  L - s h ap ed   d u cts  o r   s tr aig h t  d u cts  w er e   s o m eti m es  j u d g ed   to   b e  a  T - s h ap ed   d u ct.   T o   s o lv e  th is   p r o b lem ,   t h e  n u m b er   o f   s a m p le s   f o r   P o s itiv e  an d   Neg a ti v e  w er e  in cr ea s ed   to   3 0 0   an d   9 0 0 ,   r esp ec tiv el y ,   a n d   th e  i m ag e  s ize  w as  m o d if ied   s o   th at  p i x el   b r ig h t n es s   co u ld   b e   clea r l y   d is tin g u is h ed .   L ater ,   a f ter   c h ec k in g   t h e  r ea l - ti m e  d etec tio n ,   it   w a s   co n f ir m ed   t h at   th e  T - b r an ch   s ec tio n   w as   r elativ el y   ac c u r atel y   d etec ted   an d   o v er co m e   th e   er r o r s   o f   t h e   T - s h ap ed   s tr u c tu r e   r ec o g n itio n   b y   ac c u r atel y   d etec tin g   t h e  T - s h ap ed   d u ct,   a n d   co n f ir m ed   th at  it  w as  r ec o g n ized   n o t  o n l y   i n     th e  e x is tin g   e n v ir o n m en t  b u t   also   i n   t h e  n e w   e n v ir o n m en t.  T ab le  1   s h o w s   t h e  r es u lt s   o f   t h e  e x p er i m e n t s   ac co r d in g   to   th e  n u m b er   o f   s a m p les.           Fig u r e  1 5 .   Dete cted   T - b r an ch   s ec tio n       Fig u r e  1 6 .   E x a m p le  o f   ele m en tar y   f ea t u r es           Fig u r e  1 7 .   Seq u en ce   o f   m ak i n g   x m l  f ile  a n d   i m a g e  d ata   T ab le  1 .   Su cc ess   r ate  b ased   o n   n u m b er   o f   s a m p les   P o si t i v e   50   30 0   N e g a t i v e   2 0 0   9 0 0   R e su l t s       S u c c e ss  Rate   0%   9 5 %         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N : 2 0 8 9 - 4856   I n t  J   R o b   &   A u to m ,  Vo l.  9 ,   No .   2 ,  J u n e  2 0 2 0   :   1 23   –   1 34   132   5.   E XP E R I M E NT S AN D  RE S UL T S   Af ter   t h e  r o b o t  w as  m a n u f ac t u r ed ,   a  lo t  o f   test s   w er e  co n d u cted   f o r   ea ch   s ec tio n   to   en s u r e  n o r m al   d r iv in g   w as  p o s s ib le  o n   s tr ai g h t  d u ct,   L - s h ap ed   an d   T - s h ap ed   d u cts.  Fo r   s tr aig h t  an d   L - s h ap ed   d u cts,  r o b o t   d r iv in g   w as  s m o o t h   w it h   i m a g e  ca p tu r i n g ,   a n d   b r u s h in g   w i th   t h e  h elp   o f   d is tan ce   s en s o r s   an d   alg o r ith m s .   I n   ca s e  o f   T - s h ap ed   d u cts,  t h e  r o b o t  co u ld   m o v e  n o r m all y   w it h o u t  f all in g   i n to   th e  d u ct  w h e n   it  w a s   d r iv en   w i t h   th e  f r o n t   p ar ts   o f   t h e  w h ee l s   f o ld ed   b y   w ir es.   I n   s o m e  ca s es,  th e  m o v e m e n t  f ailed   in   t h e  T - s h ap ed   d u ct,   m ai n l y   i f   th e  w ir e s   w er e  n o t  s u f f ic ien t l y   ti g h t  o r   im a g e  p r o ce s s in g   w a s   n o t  s ec u r ed .   T ab le   2   r ep r esen ts     th e  s u cc es s   r ate  f o r   ea ch   d u ct  s eg m e n t.   Usi n g   t h e  UW B ,   m a n y   e x p er i m e n ts   h a v e  b ee n   co n d u cted   t o   id en tify   t h e  lo ca tio n   o f   m o v in g   r o b o t  in s id e  th e   d u ct   m ad e   o f   m etal   o r   an d   p last ic   d ep en d in g   o n   t h e  s ec tio n .   Fo r   t h e  p las tic  s ec ti o n ,   th e   tr ilater atio n   alg o r ith m   b ased   o n   g r ad ie n t  d escen t  m et h o d   g u ar an teed   g r ea t  ac cu r ac y   w i th   an   er r o r   o f   les s   t h an   5 c m .   Ho w e v er ,   w ith   t h e  ap p licatio n   o f   tr ilater atio n   al g o r ith m   f o r   m etal  s ec tio n ,   t h e  T OF  b et w e en   an c h o r s   an d   ta g s   v ar ied   g r ea tl y ,   p r ev en t in g   ac c u r ate  p o s itio n i n g .   W ith   t h e  i n tr o d u ctio n   o f   m o m e n t u m   ter m   s h o w n   in   ( 9 - 1 0 )   an d   in c r ea s e  th e  n u m b er   o f   an ch o r s   f r o m   t h r ee   to   f o u r ,   t h e  er r o r   co u ld   b e  r ed u ce d   to   3 0   cm .   T ab le  3   is     th e  UW B   p o s itio n   m ea s u r e m e n t e r r o r s   ac co r d in g   to   th e  m a te r ial  o f   th e  d u ct.   T ab le   4   s h o w s   th e  p er f o r m a n ce   to   tr an s m it  r ea l  ti m e  i m ag e  f r o m   th e  r o b o t’   ca m er a  to   P C .   Du e  to     th e  p er f o r m a n ce   li m itatio n s   o f   R asp b er r y   P i  Z er o ,   t h e  i m a g e  f r a m e  r ate   h ad   to   b e  lo w er ed .   I n   ad d itio n ,   th e   v id eo   co u ld   b e  in s ta n tl y   v ie wed   b y   s tr ea m i n g   it  l iv e  o n   i n te r n et.   Ho w e v er ,   d u e  to   th e  in te r n et  en v ir o n m en t  o r   p er f o r m a n ce   p r o b lem s   w ith   R asp b er r y   P i,  th er e  w er e  s lig h t   d elay   in   v ie w i n g   t h e  v id eo .   On   th e  o th er   h a n d ,     th e  ca m er a  u s ed   in   th e  r o b o t  w a s   a  s m all   s ize  m o d el  w it h   P i  C a m er a,   s o   it  h ad   a  lo w   r es o lu tio n .   W h e n   u s i n g   C #   p r o g r am   to   id en ti f y   T - s h a p ed   d u ct  b y   i m a g e  p r o ce s s in g   s tated   p r ev io u s l y ,   t h e  id en ti f i ca tio n   s u cc e s s   r ate   f o r   T - s h ap e  d u ct  w as a r o u n d   9 5 %.    So m e  o f   th e   r ea s o n s   f o r   t h e  f ail u r e  o f   th e  m i s r ec o g n iti o n   o f   T - s h ap ed   d u ct  w er e  t h at  w h e n   tr an s p ar en t  d u cts   w er e  u s ed ,   ex ter n al   li g h t   w as   tr an s m itted   in to   t h e  d u ct,   w h ich   r es u lted   in   f ail u r e  o f   i m ag e   p r o ce s s in g   d u e  to   d if f er en ce   in   illu m i n atio n   i n s id e  th e  d u ct,   an d   a  d elay   in   i m a g e  tr an s m i s s io n   d u e  to   p er f o r m a n ce   o f   w ir ele s s   co m m u n icat io n   m o d u les.   I n   Fig u r e  1 8   th e  im a g e s   s h o w  th at  th e  r o b o t  o p er ates  in   th e  v er tical  d u ct  th at  is   m o r e  d if f ic u lt  th a n   th e  h o r izo n tal  d u ct.   T ests   s h o w ed   t h at  t h e  r o b o t  w a s   cli m b in g   u p   u s i n g   t h e  f r ictio n   f o r ce   b et w ee n   t h e  b elt   co n n ec ted   to   th e  d r iv es h a f t  a n d   in n er   w al ls   o f   t h e  d u ct.   Fi g u r e  1 9   s h o w s   t h e  i m ag e s   th at  th e  r o b o t  m o v e s   th r o u g h   t h e  L - s h ap ed   d u ct  an d   th e  r o b o t  m o v e m en t s   i n   t h e  T - s h ap ed   d u ct  ar e  s h o w n   i n   Fi g u r e  20 .   A ll  m o v i n g   p er f o r m a n ce   f o r   th r ee   t y p es o f   d u ct  ar e  co m p ar ed   in   T ab le  5 .   Fin all y ,   T ab le  5   is   a  m ea s u r e   o f   d r iv in g   s p ee d   m ea s u r ed   a cc o r d in g   to   s h ap e  o f   d u cts.  T h e  r o b o t's   d r iv in g   s p ee d   w as  m o d er a te  en o u g h   to   clea n   it  u p   w it h   a  b r u s h .   As  w e  g u e s s ,   th e  r o b o t  s p ee d   is   s lo w est  i n     th e  T - s h ap ed   d u ct  b ec au s e  it  tak es  lo n g er   to   r ec o g n ize  th e   T - s h ap e  d u ct  th r o u g h   i m a g e   p r o ce s s in g   an d   to   s af el y   o v er co m e  i t th r o u g h   s u b s eq u en t ti m er   o p er atio n s   an d   w ir e  o p er a tio n .       T ab le  2 .   Su cc ess   r ates f o r   m o v in g   i n   d u ct    in   ac co r d an ce   w ith   d u ct  s h ap es   D u c t   Ty p e s   S t r a i g h t   D u c t   L - sh a p e d   T - sh a p e d   S u c c e ss  R a t e   1 0 0 %   1 0 0 %   8 0 %     T ab le  3 .   L o ca tio n   er r o r s   o f   r o b o t in s id e  d u ct    in   ac co r d an ce   w ith   d i f f er en t  m ater ials     U W B   P o si t i o n i n g   Er r o r   Emp t y   S p a c e   5   ~   1 0   c m   P l a st i c   D u c t   5   ~   1 0   c m   M e t a l l i c   D u c t   3 0   ~   5 0   c m         T ab le  4 .   I m ag e  p r o ce s s i n g   a n d   p er f o r m a n ce   f ig u r es   V i d e o   F r a me   V i d e o   T r a n smiss i o n   D e l a y   R e so l u t i o n   ( P i x e l )   I mg a e   P r o c e ssi n g   S u c c e ss  R a t e   2 0   F P S   0   ~   1 . 5   se c   3 2 0   x   2 4 0   9 5 %     T ab le  5 .   R o b o t a v er ag e  s p ee d   in   s e v er al  cir cu m s ta n ce s   D u c t   T y p e   S t r a i g h t   L - sh a p e d   T - sh a p e d   S p e e d ( mm / s)   20   12   5             Fig u r e  1 8 .  Mo v in g   s ce n e s   o f   a   r o b o t    in   a  v er tical  d u ct       Fig u r e  1 9 .  Mo v in g   s ce n e s   o f   a   r o b o t    in   a  L - s h ap ed   d u ct   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.