KR101155500B1 - 복수 개의 이동체를 제어하는 장치 및 방법 - Google Patents

복수 개의 이동체를 제어하는 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복수 개의 이동체를 제어하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 복수 개의 이동체를 제어하는 방법은 추종 이동체가 선도 이동체로부터 선도 이동체가 지향하고 있는 절대 방위각을 수신하고, 전자 나침반을 이용하여 기준 방향을 측정하고, 측정된 기준 방향과 추종 이동체가 이루는 방향으로부터 기준각을 산출하며, 절대 방위각과 기준각의 차이에 기초하여 지향 방향을 변화시킨다.

Description

복수 개의 이동체를 제어하는 장치 및 방법{Apparatus and method for controlling a plurality of moving bodies}
본 발명은 복수 개의 이동체를 제어하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 무선 통신 환경 하에서 복수 개의 이동체를 통해 일련의 군집을 형성하고 이러한 군집의 동작을 일률적으로 제어하는 장치, 방법 그 방법을 기록한 기록매체에 관한 것이다.
미래의 핵심 산업으로서 주목받고 있는 지능형 로봇 시장은 가정용 로봇과 국방 로봇을 중심으로 거대 시장으로 부각되고 있다. 지능형 로봇 중 이동이 가능한 로봇은 신속한 이동성을 가지므로 탐사 로봇, 청소 로봇, 안내 로봇 등에 상용화되고 있다. 이러한 이동 로봇들이 실생활에 보편적으로 사용되기 위해서는 주행 시스템의 신뢰성과 주행 성능이 보장되어야 하므로, 이러한 로봇의 주행과 관련하여 다양한 환경 변화에 강인하며 안정성을 유지하기 위해 강인성과 안정성을 갖춘 제어 기술을 바탕으로 한 이동 로봇 시스템의 자동 운행 기술 개발이 현재 활발하게 진행되고 있다.
또한, 최근에는 이종 센서 혹은 저가형 센서를 장착한 다수의 자율 이동 로봇이 다양한 응용 분야에 확대 적용되고 있는 추세이다. 다수의 자율 이동 로봇은 고가의 센서를 장착한 단일 시스템을 대체하기 위해 제안된 것으로, 다수의 자율 이동 로봇에 장착된 센서 측정치를 이용하여 단일 로봇으로는 불가능했던 광범위한 지역에 대한 감시, 정찰 등의 임무를 수행할 수 있으며, 신호 처리 및 정보 융합 기술을 이용하여 이종 혹은 동종의 저가 센서를 사용하더라도 고정밀 정보를 획득할 수 있다는 점에서 각광을 받고 있다. 그 외에도 일부 자율 이동 로봇의 고장 상황 하에서도 주어진 임무의 완수가 가능하므로 시스템의 신뢰도 및 생존성 향상이 우선시되는 응용 분야에 매우 적합하다.
이러한 다수의 이동 로봇 시스템을 운영하기 위해서는 실제 환경에 적용 가능해야 하고 불확실성에 강인해야 하며, 장애물 및 로봇간의 충돌을 피할 수 있는 제어 기술이 필요한데, 이러한 기술적 수단으로 군집 제어(formation control) 기술이 활용 가능하다. 군집 제어 기술은 다수의 이동체(moving body)들을 효과적으로 제어하기 위한 기술을 통칭하는 것으로, 이동체들의 위치, 방향, 움직임, 고유 동작, 상호 동작 등의 다양한 수행 동작들을 제어하는 방법들을 제시한다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 복수 개의 이동체들을 군집 제어하기 위해 이동체 상호 간의 방위각을 산출하고 이동 방향을 제어하기 위해 복잡한 연산이 수반되어야 하는 문제점을 해결하고, 선도 이동체의 방향 전환에 따라 추종 이동체가 방향 전환할 경우 정확한 동기화가 이루어지지 않는 한계를 극복하며, 상대적인 위치 관계에 기반한 복잡한 알고리즘으로 인해 다수의 이동체들의 움직임을 수시로 보정, 제어하여야 하는 불편함을 해소하고자 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 복수 개의 이동체를 제어하는 방법은 추종 이동체가 선도 이동체로부터 상기 선도 이동체가 지향하고 있는 절대 방위각을 수신하는 단계; 상기 추종 이동체가 전자 나침반을 이용하여 기준 방향을 측정하는 단계; 상기 측정된 기준 방향과 상기 추종 이동체가 이루는 방향으로부터 기준각을 산출하는 단계; 및 상기 추종 이동체가 상기 수신된 절대 방위각과 상기 산출된 기준각의 차이에 기초하여 지향 방향을 변화시키는 단계를 포함한다.
상기된 복수 개의 이동체를 제어하는 방법에서 상기 지향 방향을 변화시키는 단계는, 상기 수신된 절대 방위각과 상기 산출된 기준각의 차이를 산출하는 단계; 및 상기 추종 이동체가 상기 산출된 차이만큼 회전하는 단계를 포함하고, 이 때 상기 산출된 차이의 절대값이 π보다 큰 경우 상기 회전하는 단계는, 2π로부터 상기 산출된 차이의 절대값을 감산하는 단계; 및 상기 추종 이동체가 상기 산출된 차이에 기초한 방향과 반대 방향으로 상기 감산 결과만큼 회전하는 단계를 포함한다.
또한, 상기된 복수 개의 이동체를 제어하는 방법은 이동체 간의 간격을 미리 설정하는 단계; 상기 추종 이동체가 상기 선도 이동체로부터 자신과의 거리 정보를 수신하는 단계; 및 상기 설정된 간격과 상기 수신된 거리 정보에 기초하여 상기 추종 이동체의 위치를 변화시키는 단계를 더 포함한다. 이 때, 상기 이동체들 간의 거리 정보는 신호의 도착 시간, 신호의 도착 시간 차이 또는 수신된 신호의 강도 중 적어도 하나의 방법을 이용하여 산출되는 것이 바람직하다.
나아가, 상기된 복수 개의 이동체를 제어하는 방법은 상기 추종 이동체가 상기 선도 이동체 및 적어도 하나 이상의 다른 추종 이동체로부터 자신과의 거리 정보를 수신하는 단계; 및 상기 추종 이동체가 상기 수신된 거리 정보를 이용하여 소정 거리 이하로 접근한 이동체와의 충돌을 회피하는 단계를 더 포함한다.
또한, 상기된 복수 개의 이동체를 제어하는 방법은 상기 추종 이동체가 인접 장애물에 대한 정보를 수신하는 단계; 및 상기 추종 이동체가 상기 수신된 장애물 정보를 고려하여 상기 선도 이동체와의 간격을 유지하는 단계를 더 포함한다.
한편, 상기된 복수 개의 이동체를 제어하는 방법은 상기 추종 이동체가 상기 선도 이동체로부터 상기 선도 이동체가 기울어진 경사각을 수신하는 단계; 상기 추종 이동체가 중력 센서를 이용하여 자신이 기울어진 경사각을 측정하는 단계; 및 상기 추종 이동체가 상기 수신된 경사각과 상기 측정된 경사각의 차이에 기초하여 자신의 기울어진 각도를 변화시키는 단계를 더 포함한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 복수 개의 이동체를 제어하는 방법은 선도 이동체가 전자 나침반을 이용하여 기준 방향을 측정하는 단계; 상기 측정된 기준 방향과 상기 선도 이동체가 지향하는 방향으로부터 절대 방위각을 산출하는 단계; 및 상기 선도 이동체가 적어도 하나 이상의 추종 이동체에 상기 산출된 절대 방위각을 전송하는 단계를 포함한다.
상기된 복수 개의 이동체를 제어하는 방법은 상기 선도 이동체가 상기 적어도 하나 이상의 추종 이동체에 상기 추종 이동체로부터 자신과의 거리 정보를 전송하는 단계를 더 포함하고, 상기 추종 이동체는 상기 전송된 거리 정보를 이용하여 미리 설정된 이동체 간의 간격을 유지하는 명령 또는 소정 거리 이하로 접근한 상기 선도 이동체와의 충돌을 회피하는 명령 중 적어도 하나의 명령을 수행한다. 이 때, 상기 이동체들 간의 거리 정보는 신호의 도착 시간, 신호의 도착 시간 차이 또는 수신된 신호의 강도 중 적어도 하나의 방법을 이용하여 산출되는 것이 바람직하다.
또한, 상기된 복수 개의 이동체를 제어하는 방법은 상기 선도 이동체가 중력 센서를 이용하여 자신이 기울어진 경사각을 측정하는 단계; 및 상기 선도 이동체가 상기 적어도 하나 이상의 추종 이동체에 상기 측정된 경사각을 전송하는 단계를 더 포함하고, 상기 적어도 하나 이상의 추종 이동체는 상기 수신된 경사각을 이용하여 자신의 기울어진 각도를 변화시킨다.
본 발명은 선도 이동체 및 추종 이동체가 각각 통신 수단 및 전자 나침반을 이용하여 절대 방위각을 산출함으로써 상대적인 위치 관계를 고려한 방위각 연산없이 추종 이동체가 선도 이동체의 지향 방향을 간단하게 획득할 수 있고, 이동체들 간의 통신 수단을 통해 선도 이동체의 방향 전환을 추종 이동체에 전달함으로써 정확한 군집 제어 및 동기화가 가능하며, 절대 방위각을 이용하여 이동체의 지향 방향을 결정함으로써 이동체의 움직임에 따른 지향 방향에 대한 보정이 불필요하다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 선도 이동체 및 추종 이동체를 제어하는 방법의 기본 아이디어를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 이동체를 제어하는 방법을 추종 이동체를 중심으로 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 이동체를 제어하는 방법에서 추종 이동체가 회전하여야 하는 각도가 π보다 큰 경우에 지향 방향을 변화시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 이동체를 제어하는 방법에서 이동체 간의 거리를 산출하는 방법들을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 이동체를 제어하는 방법을 선도 이동체를 중심으로 도시한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 이동체를 제어하는 방법에서 활용될 수 있는 이동체를 도시한 블록도이다.
본 발명의 실시예들을 설명하기에 앞서 실시예들이 구현되는 환경 및 기본 개념들에 대해 개괄적으로 소개하도록 한다.
이하에서 소개될 본 발명의 실시예들은 무선 통신에서의 군집 제어를 위해 사용되는 다양한 기술들 중 가장 간편하고 확장성이 높은 선도-추종(leader-following) 방법에 기초하고 있다. 선도-추종 방법은 2개 이상의 움직이는 모바일 디바이스(로봇의 형태로 구현될 수 있으나, 보다 포괄적인 용어로서 이하에서는 이동체라고 명명하겠다.)들이 함께 움직여야 할 경우 이들 이동체를 선도 이동체와 추종 이동체의 2가지 유형으로 분류하고, 선도 이동체가 이동하는 경로를 추종 이동체가 추적하여 따라가게 하는 방식이다. 즉, 선도-추종 방법에서 선도 이동체가 리더(leader)가 되어 이동하면, 추종 이동체는 선도 이동체를 쫓아 선도 이동체의 이동 동작에 대응하여 이동하게 된다.
이 때, 추종 이동체는 선도 이동체와 일정한 거리를 유지하며 이동하게 되는데, 선도-추종 방법에서는 선도 이동체가 이동한 거리와 지향 방향을 파악한 상태에서 추종 이동체 자신이 이동하여야 할 위치를 계산한 후, 선도 이동체의 움직임에 따라 이동함으로써 양자간의 거리를 일정하게 유지하게 된다. 이러한 방식을 통해 군집 제어를 하기 위해서는 선도 이동체의 이동 방향(보다 정확하게는 이동체가 지향하고 있는 방향의 방위각을 의미한다.)과 선도 이동체와 추종 이동체 간의 거리를 알아내는 것이 무엇보다 중요하다.
선도-추종 방법은 이상과 같은 선도-추종 동작을 수행하기 위해 이동체 상호간의 각도를 측정하고 이로부터 상대적인 방위각을 산출한다. 이 때, 방위각 산출 과정에서 주위 지형의 문제, 통신 오류 및 잘못된 측정 등과 같은 다양한 요인에 기반한 잘못된 정보로 인해 추종 이동체의 방위각에 대한 정확한 산출 과정에 문제가 발생하는 경우가 많다. 또한, 선도-추종 알고리즘은 이동체가 평지에서 일정속도로 움직이며 정확한 각속도를 알 수 있는 것을 전제로 하고 있으나, 현실적으로 이는 있을 수 없는 일이다. 따라서, 실제 알고리즘을 적용시에 선도 이동체와 추종 이동체 간의 거리 및 위치가 크게 벌어지거나 어긋나며, 추종 이동체가 엉뚱한 방향으로 나아가는 현상 등이 발생하고 있다. 나아가, 이러한 오류를 수정하기 위해 다양한 보정 방법과 복잡한 알고리즘이 활용되면서, 이동체 자신의 연산 부하 및 이동체 간의 통신 부하가 증가하는 부차적인 문제점들도 대두되고 있다.
따라서, 본 발명의 실시예들은 이러한 상대적인 방위각 연산에 따른 복잡한 연산을 배제하며 정확하고 간단한 방법으로 이동체의 지향 방향을 산출하는 방법을 제안하고자 한다. 이하에서 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 구체적으로 설명한다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 선도 이동체 및 추종 이동체를 제어하는 방법의 기본 아이디어를 설명하기 위한 도면으로, 이하의 도면들에서 영문자 N은 공통적으로 자북 방향을 의미하는 기호로서 사용될 것이다. Xp 및 Yp는 각각 선도 이동체(10) 및 추종 이동체(20)의 중심점의 위치를 나타내며, 화살표는 각각의 이동체들이 지향하고 있는 방향을 나타낸다.
본 실시예에서는 이동체의 절대적인 지향 방향을 산출하기 위해 전자 나침반(electric compass)을 활용할 것을 제안한다. 전자 나침반은 지자기 센서를 이용하여 지구의 자북을 측정하고, 그 결과를 전자적 수치로서 제공하는 장치로서, 매우 정밀한 분해능을 가지고 있다. 따라서, 이러한 전자 나침반을 이용하면 이동체가 지향하고 있는 정확한 수치를 얻을 수 있으므로 이로부터 이동체 자신이 지향하고 있는 절대적인 방위각을 빠르고 정확하게 얻을 수 있다.
앞서 소개한 바와 같이 통상적인 선도-추종 방법에서는 선도 이동체가 지향하는 방향과 이동으로 인해 바뀐 지향 방향과의 각도 차이를 상대적인 방위각으로 측정하고 이를 추종 이동체가 반영하였는데, 이러한 구조로 인해 이동체 간의 거리에 따라 끊임없이 방위각이 변하는 특성이 있었다. 즉, 방위각이 고정되지 않으므로 선도-추종 방법에서 각각의 이동체 간의 위치 관계를 파악하기 위해서는 끊임없이 상대적인 위치 관계를 연산해야 하는 불편함이 있었다.
그러나, 본 발명의 실시예들은 전자 나침반을 이용하여 절대적인 방위각을 측정하게 되므로, 어느 위치에서, 또한 어떤 상황에서도 절대적인 값을 가진 방위각을 통해 이동체의 지향 방향을 파악할 수 있으므로 추종 이동체를 선도 이동체의 지향 방향에 정확하게 동기화시킬 수 있다. 따라서, 절대 방위각을 통해 외부의 특수한 환경적 요인 등을 고려할 필요가 없으며, 상대적으로 간단한 연산을 사용하여 추종 이동체의 이동 방향을 결정할 수 있으므로 보다 효율적인 군집 제어 알고리즘을 구성할 수 있다.
도 1a는 선도 이동체(10)와 추종 이동체(20)의 최초 위치를 도시하고 있다. 양자 간의 거리는 L로서 유지되고 있으며, 각각의 이동체는 자북 방향에 대해 Θ1 및 Θ2의 각도를 이루고 있다. 앞서 소개한 바와 같이 선도-추종 방식의 군집 제어의 목적 중 하나는 선도 이동체와 추종 이동체 각각의 중심점 간의 거리 L을 일정하게 유지하는 데 있다.
다음으로, 도 1b는 먼저 선도 이동체(10)가 회전한 상황을 예시하고 있다. 이러한 지향 방향의 변화로 인해 선도 이동체(10)가 지구의 자북 방향과 이루는 방위각은 Θ1 + Θ3 이 되었다. 통상적인 선도-추종 방식의 군집 제어 방법에서는 이러한 Θ3 를 통해 추종 이동체의 지향 방향을 변화시켰지만, Θ3의 값은 상대적인 값이기 때문에 지형이나 내부적으로 방향을 전환한 정도를 측정하는 측정 장비의 오류 등에 의해 쉽게 오차가 발생할 수 있다. 이에 반해 Θ1 + Θ3 의 값은 전자 나침반을 통해 알 수 있는 절대 방위각으로서, 특별한 지형이나 내부의 복잡한 측정 장비 등이 없이도 알 수 있기 때문에 오차의 가능성이 거의 존재하지 않는다.
이제, 선도 이동체(10)는 자신의 위치 변화를 추종 이동체(20)에 전달함으로써 추종 이동체(20)의 방향 전환을 요청하게 된다. 즉, 선도 이동체(10)가 Θ1 + Θ3 의 값을 추종 이동체(20)에 전달하면, 추종 이동체(20)는 이를 통해 Θ1 + Θ3 - Θ2 의 값인 Θ4만큼 방향 전환을 하게 된다. 도 1c는 추종 이동체(20)가 선도 이동체(10)의 요청에 따라 Θ4 만큼 방향을 전환함으로써 선도 이동체(10)와 지향 방향을 동기화시킨 상황을 예시하고 있다. 따라서, 다음의 수학식 1이 성립하게 됨을 알 수 있다.
Figure 112010086400788-pat00001
즉, 이동 후에 선도 이동체(10) 및 추종 이동체(20)의 최종적인 절대 방위각은 같다. 또한, 도 1c에서 이동체들 간의 간격 역시 L로 유지되고 있는 것을 볼 수 있다.
이상과 같은 기본 아이디어에 기초하여 이하에서는 추종 이동체 및 선도 이동체의 구체적인 수행 동작들을 각각의 주체별로 순서대로 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 이동체를 제어하는 방법을 추종 이동체를 중심으로 도시한 흐름도로서, 다음과 같은 단계들을 포함한다.
210 단계에서 추종 이동체는 선도 이동체로부터 선도 이동체가 지향하고 있는 절대 방위각을 수신한다. 여기서 절대 방위각은 선도 이동체의 지향 방향과 지구의 자북이 형성하는 방위각을 의미하는 것이나, 필요에 따라서는 지구의 자북 방향 이외의 특정 방향을 기준으로 할 수도 있을 것이다. 다만, 이러한 특정 방향은 반드시 어느 장소에서 측정하더라도 고정된 절대적인 방향이어야 할 것이다. 절대 방위각을 수신하기 위해 다양한 무선 통신 방법이 활용될 수 있을 것이며, 그 실천적인 기술적 수단은 본 발명의 본질적인 내용을 벗어나는 것이므로 여기서는 구체적인 설명을 생략한다.
220 단계에서 추종 이동체는 전자 나침반을 이용하여 기준 방향을 측정한다. 이제 추종 이동체는 자신이 현재 지향하고 있는 방향을 파악해야 할 필요가 있으므로 전자 나침반을 이용해 기준 방향을 측정한다. 이 때, 기준 방향이 210 단계에서 설명한 바 있는 방위각 측정의 기준 방향과 동일한 방향이어야 함은 당연하다.
230 단계에서는 220 단계를 통해 측정된 기준 방향과 추종 이동체가 이루는 방향으로부터 기준각을 산출한다. 여기서 산출된 기준각은 추종 이동체 자신의 절대 방위각을 의미하나, 앞서 210 단계를 통해 수신한 선도 이동체의 절대 방위각과의 혼동을 피하기 위해 용어를 바꾸어 표현하였다.
240 단계에서 추종 이동체는 210 단계를 통해 수신된 절대 방위각과 230 단계를 통해 산출된 기준각의 차이에 기초하여 지향 방향을 변화시킨다. 구체적으로 지향 방향을 변화시키는 과정은 수신된 방위각과 기준각의 차이를 산출하고, 추종 이동체가 산출된 차이값만큼 회전함으로써 이루어진다. 즉, 도 1a 내지 도 1c를 통해 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예들이 채택하고 있는 기본 아이디어는 추종 이동체로 하여금 선도 이동체의 지향 방향과 일치시키는 것이다. 따라서, 240 단계에서 우선 선도 이동체의 절대 방위각과 추종 이동체의 절대 방위각의 차이를 산출한 후, 이 차이만큼 추종 이동체를 회전시킴으로써 양자의 지향 방향을 일치시킨다.
이러한 회전 동작은 이동체의 이동 동작에 수반되어 이루어질 수도 있으며, 회전 동작 그 자체만으로 독립적으로 수행될 수도 있을 것이다. 통상적으로 이동체를 바퀴를 구비한 로봇으로써 구현할 경우, 이러한 군집 제어를 위해서는 운동학 모델(kinematic model) 및 동역학 모델(dynamic model)을 활용할 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 이러한 모델들을 활용하여 이동 로봇의 움직임을 제어하는 다양한 방법을 활용 가능할 것이다.
상기된 실시예에 따르면, 전자 나침반을 이용하여 선도 이동체가 지향하는 방향을 절대적 방위각의 형태로 산출하고, 이를 통신 수단을 통해 추종 이동체에게 전달함으로써 추종 이동체로 하여금 선도 이동체가 지향하는 방향을 정확하게 알 수 있게 하며, 이를 추종 이동체 자신의 이동에 반영시킴으로써 기존의 상대적인 방위각 개념으로부터 발생하는 각도 오류 문제와 불필요한 방위각 연산 과정을 배제시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 이동체를 제어하는 방법에서 추종 이동체가 회전하여야 하는 각도가 π보다 큰 경우에 지향 방향을 변화시키는 방법을 설명하기 위한 도면으로, 화살표로 표시된 H1과 H2는 각각 선도 이동체(10) 및 추종 이동체(20)가 현재 지향하고 있는 방향을 나타낸다.
우선 선도 이동체(10)를 살펴보면, 선도 이동체(10)의 절대 방위각은 Θ1 임을 알 수 있다. 따라서, 선도 이동체는 절대 방위각 Θ1 을 추종 이동체(20)에 전송한다. 그러면, 추종 이동체(20)는 자신의 현재의 지향 방향인 H2으로부터 선도 이동체(10)의 지향 방향인 H1까지 방향 전환을 수행하려 할 것이다. 이 때, 앞서 도 2를 통해 설명한 회전 방법에 따르면 추종 이동체(20)는 산출된 Θ2 만큼 시계 반대 방향으로 회전을 하게 될 것이다. 그러나, 도 3에서 확인할 수 있듯이 이러한 회전보다는 오히려 시계 방향으로 반향 전환하여 H2의 위치로부터 H1의 위치까지 회전하는 것이 유리하다는 사실을 알 수 있다. 즉, 2π에서 Θ2 만큼을 뺀 나머지인 Θ3 만큼 반대 방향으로 회전하는 것이 보다 경제적이다.
상기된 회전 과정을 요약하면 다음과 같다. 즉, 추종 이동체(20)의 절대 방위각과 선도 이동체(10)의 절대 방위각의 차이를 산출하여 산출된 차이의 절대값이 π보다 큰 경우에는, 2π로부터 산출된 차이의 절대값을 감산하고, 추종 이동체(20)가 원래의 산출된 차이에 기초한 방향과 반대 방향으로 이상의 감산 결과만큼 회전하는 것이 바람직하다. 이상과 같은 방법을 통해 이동체가 불필요하게 큰 각도만큼 방향 전환하는 것을 막음으로써, 보다 빠른 방향 전환을 달성할 수 있다.
한편, 선도-추종 방식의 군집 제어 방법에서는 선도 이동체 및 추종 이동체 간의 거리를 일정하게 유지하기 위해 다음과 같은 방법들을 활용 가능하다.
우선, 선도 이동체는 적어도 하나 이상의 추종 이동체에 상기 추종 이동체로부터 자신과의 거리 정보를 전송한다. 한편, 추종 이동체는 이동체 간의 간격을 미리 설정하고, 선도 이동체로부터 자신과의 거리 정보를 수신한다. 그러면, 추종 이동체는 미리 설정된 간격과 이상에서 수신된 거리 정보에 기초하여 자신의 위치를 변화시키는 것이 가능하다.
이 때, 상기 이동체들 간의 거리 정보는 신호의 도착 시간(time of arrival, TOA), 신호의 도착 시간 차이(time difference of arrival, TDOA) 또는 수신된 신호의 강도(received signal strength indicator, RSSI) 중 적어도 하나의 방법을 이용하여 산출될 수 있다. 즉, 이상의 거리 측정 방법을 이용하여 이동체들 간의 거리가 획득되면, 이미 전자 나침반 및 안테나를 통해 측정된 절대 방위각을 이용함으로써 이동체들 간의 위치를 보다 용이하게 동기화시킬 수 있는 것이다. 이하에서는 이동체들간의 거리를 산출하는 2가지 방법을 예시하도록 하겠다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 이동체를 제어하는 방법에서 이동체 간의 거리를 산출하는 방법들을 설명하기 위한 도면으로서, 각각은 신호의 도착 시간 및 신호의 도착 시간 차이를 이용하여 거리를 산출하는 방법을 예시하고 있다. 도 4a 및 도 4b에서 노드 T는 송신기(transmitter)를 나타내고, 노드 R은 수신기(receiver)를 나타내며, 세로축은 시간을 나타낸다. 이하에서 순서대로 설명한다.
도 4a에서는 신호가 도달하는 시간을 측정하여 두 무선 노드간의 거리를 추정하는 방법을 소개한다. 두 노드 간의 거리는 하나의 송신 노드에서 수신 노드로 신호가 전파된 시간에 정비례한다. 만약 송신 노드에서 신호가 시간 t1에 전송되었고, 수신 노드에는 시간 t2에 도착했다면, 송신 노드에서 수신 노드까지 신호를 전송하는데 걸린 시간 t2-t1에 빛의 속도 sr(일반 무선 신호는 빛의 속도로 전파되기 때문이다.)을 승산함으로써 송신 노드와 수신 노드 간의 거리 d를 다음의 수학식 2와 같이 산출할 수 있다.
Figure 112010086400788-pat00002
도 4a에서는 송신 노드로부터 신호가 전송된 시간과 수신 노드가 신호를 수신한 시간의 차이를 이용하기 때문에 송/수신 노드들의 클럭이 동기화되어야만 한다.
도 4b에서는 적어도 2개의 신호가 도착하는 각각의 시간 차이를 이용하여 두 무선 노드간의 거리를 추정하는 방법을 소개한다. 이러한 시간 차이를 이용하는 방법은 2 가지 경우로 구분될 수 있는데, 첫째는 하나의 노드로부터 전송된 하나의 신호가 3개 또는 그 이상의 노드들에게 도착한 시간 차이를 이용하는 방법이며, 둘째는 하나의 노드로부터 전송된 다수의 신호가 다른 하나의 노드에 도착한 시간의 차이를 이용하는 방법이다.
첫 번째 경우는 셀룰러(cellular) 네트워크 등에서 타겟 노드가 주기적으로 신호를 전송하고 절대 위치가 알려진 앵커 노드들 중에서 가장 먼저 신호가 수신된 앵커 노드를 중심으로 각 앵커 노드마다 수신된 신호의 시간 차이를 가지고 타겟 노드와의 거리를 산출하는 방법이다. 따라서, 송신 노드와 수신 노드들 간의 클럭 동기화는 필요하지 않으며 수신 앵커 노드들 간의 동기화만 필요하다. 가장 먼저 신호를 받은 앵커 노드를 A1이라 가정하고, 각 앵커 노드가 타겟 노드의 신호를 받은 시간을 ti라 하면, A1과 타겟 노드의 신호를 받은 다른 앵커 노드 Ai에 신호가 도달한 시간의 차이는 ti-t1이다. 이것을 거리로 환산하면, 타겟 노드와 앵커 노드 A1 사이의 측정된 거리와 타겟 노드와 앵커 노드 Ai 사이의 측정된 거리의 차이 ri1은 다음의 수학식 3과 같이 정리된다.
Figure 112010086400788-pat00003
이상의 수학식 3과 도 4a로부터 산출할 수 있는 ri를 이용하면 다수의 노드에서 하나의 송신 노드까지의 거리를 산출할 수 있다.
두 번째 경우는 송신 노드가 적어도 2가지 종류의 신호를 동시에 전송할 수 있어야 하며, 이들 신호를 각각 전파 속도가 상이해야만 한다. 도 4b에서는 각각의 신호를 전파 신호(radio signal)와 초음파 펄스(ultrasound pulse)라고 가정하였다. 전파는 약 300,000km/s의 빛의 속도를 가지며, 초음파는 약 340m/s의 상대적으로 느린 속도를 갖는다.
도 4b에서 전파와 초음파는 동시에 송신 노드로부터 수신 노드로 전송되었다. 노드들은 두 시호의 도착 시간의 차이를 계산하여 양자 간의 거리 d를 다음의 수학식 4와 같이 산출할 수 있다.
Figure 112010086400788-pat00004
수학식 4에서 sr은 전파의 전달 속도이고, ss는 초음파의 전달 속도이며, t1과 t2는 각각 전파 및 초음파의 도착 시간을 나타낸다.
이상에서 예시한 2 가지 방법 이외에 수신된 신호의 강도를 이용해서도 거리를 측정할 수 있다. 이론적으로 신호의 세기는 거리에 반비례하는데, 이를 반영한 신호 전파 모델을 세우면 신호 세기를 거리로 변환할 수 있다. 송신 노드는 일정한 세기로 신호를 전송하고 이를 수신한 노드에서는 감쇠된 신호의 세기를 이용해서 거리를 측정하는 것이다. 즉, 송신 노드로부터 수신 노드까지의 거리가 멀수록 신호의 세기가 약해진다는 자연 현상을 이용하는 것이다. 보다 실천적인 구현 방법은 본 발명의 본질을 넘어서는 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 파악이 가능한 것이므로, 여기서는 그 구체적인 방법을 생략한다.
이상과 같은 다양한 거리 측정 방법은 삼변측량(trilateration) 방법과 다양하게 결합되어 이동체의 위치를 추정하는데 활용될 수 있다.
이러한 이동체간의 거리를 이용하면 군집 제어시 특히 문제가 되는 충돌 제어도 가능하다. 이를 위해 본 발명의 실시예들은 추종 이동체가 선도 이동체 및 적어도 하나 이상의 다른 추종 이동체로부터 자신과의 거리 정보를 수신한다. 그러면, 추종 이동체는 수신된 거리 정보를 이용하여 일정한 거리 이하로 접근한 이동체와의 충돌을 회피할 수 있다. 충돌 회피를 위해서는 장애물과 이동체 간의 거리와 최소 회피 거리를 입력받고, 이로부터 장애물을 회피하기 위한 이상적인 방향각을 선택함으로써 충돌 회피 함수를 설계할 수 있다. 보다 실천적인 충돌 회피 함수의 설계는 본 발명의 본질을 벗어나는 것으로서 여기서는 구체적인 설명을 생략한다. 이렇나 이동체에서의 충돌 회피 함수는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 실시예의 구현 환경을 고려하여 적절하게 설계할 수 있는 것이다.
또한, 이상과 같은 충돌 회피 함수는 이동체들 간의 충돌뿐만 아니라, 인접한 주위 환경 내에 존재하는 장애물에 대한 충돌 회피에도 활용할 수 있다. 이를 위해 상기된 실시예에서 추종 이동체는 인접 장애물에 대한 정보를 수신하고, 수신된 장애물 정보를 고려하여 선도 이동체와의 간격을 유지할 수도 있을 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 이동체를 제어하는 방법을 선도 이동체를 중심으로 도시한 흐름도로서, 다음과 같은 단계들을 포함한다. 도 5는 도 2의 단계들에 대응하는 것으로 대응되는 구성에 대해서는 간단히 설명하도록 한다.
510 단계에서 선도 이동체는 전자 나침반을 이용하여 기준 방향을 측정한다. 이 때의 기준 방향은 지구 자북이 될 수 있다.
520 단계에서는 510 단계를 통해 측정된 기준 방향과 선도 이동체가 지향하는 방향으로부터 절대 방위각을 산출한다. 즉, 산출된 각도는 선도 이동체의 절대 방위각을 의미하는 것으로 필요에 따라서는 지향 방향에 변화가 발생할 때마다 반복하여 산출되어 추종 이동체에 전달될 수 있다.
530 단계에서 선도 이동체는 적어도 하나 이상의 추종 이동체에 520 단계를 통해 산출된 절대 방위각을 전송한다. 그러면, 추종 이동체는 수신된 절대 방위각에 기초하여 방향 전환을 수행하게 된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 이동체를 제어하는 방법에서 활용될 수 있는 이동체(600)를 도시한 블록도로서, 도 2 및 도 5를 통해 소개한 이동체의 제어 방법에 대응하여 해당 방법을 하드웨어로서 구현한 예이다. 선도 이동체 및 추종 이동체는 물리적으로 다소 다른 구성들을 포함할 수 있으나, 여기서는 공통된 특징만을 추출하여 소개하도록 한다.
전자 나침반(620)은 이동체의 기준 방향을 측정하고, 측정된 기준 방향과 이동체가 이루는 지향 방향으로부터 절대 방위각을 산출한다. 앞서 설명한 바와 같이 전자 자침반(620)은 자신이 구비하고 있는 지자기 센서를 이용하여 지구의 자북을 측정한 후, 이동체가 지향하고 있는 방향과 이루는 기준각을 산출한다. 산출된 기준각은 전자적 형태의 데이터로서 제어부(640)를 통해 연산부(630)에 전달된다.
안테나(610)는 적어도 하나 이상의 이동체로부터 신호를 수신한다. 안테나(610)를 통해 수신된 신호는 제어부(640)를 통해 연산부(630)에 전달된다. 이러한, 안테나는 지향성 안테나 또는 복수 개의 안테나로 구성된 안테나 어레이(array)로서 구현될 수도 있다.
연산부(630)는 전자 나침반(620)을 통해 산출된 기준각으로부터 기준 방향과 이동체 자신이 이루는 절대 방위각을 산출하거나, 수신된 선도 이동체의 절대 방위각과 산출된 추종 이동체의 절대 방위각의 차이를 산출한다. 이러한 연산부(630)는 이상의 일련의 연산을 처리할 수 있는 프로세서(processor) 및 이러한 연산에 따른 데이터를 기록하는데 필요한 기억공간(memory)을 활용하여 구현될 수 있다. 이러한 프로세서 및 기억공간은 본 발명이 속하는 기술분야의 활용 환경이나 동작 환경을 고려하여 통상의 지식을 가진 기술자에 의해 적절하게 선택될 수 있을 것이다.
나아가, 이러한 처리 과정에는 이상에서 예시된 하드웨어들을 제어하기 위해 제어부(640)가 별도로 활용될 수 있다. 구현의 관점에서 이러한 제어부(640)는 안테나(610), 전자 나침반(620) 및 연산부(630)와 전기적으로 연결되어 각각의 입력과 출력값을 제어하는 역할을 수행한다. 이를 위해 제어부(640)는 제어 및 연산에 필요한 프로세서와 소프트웨어 코드(code)를 통해 구현될 수 있다.
마지막으로 구동부(650)는 연산부(630)의 연산 결과 및 제어부(640)의 제어 신호에 따라 실질적으로 이동체(600)를 구동시킨다. 즉, 회전 운동이나 전진 및 후진 운동을 수행한다.
나아가, 본 발명의 실시예들은 도시된 2차원 좌표 상의 개념뿐만 아니라 3차원 좌표 상의 군집 제어까지 확장될 수 있다. 즉, 이상의 실시예들은 평지에서의 이동체의 움직임뿐만 아니라 하늘이나 물 속에서의 이동체의 움직임을 제어하기 위해서도 활용될 수 있다.
이를 위해 본 발명의 실시예에서 선도 이동체는 중력 센서를 이용하여 자신이 기울어진 경사각을 측정하는 과정이 필요하다. 그러면, 선도 이동체는 적어도 하나 이상의 추종 이동체에 이상에서 측정된 경사각을 전송함으로써, 적어도 하나 이상의 추종 이동체로 하여금 수신된 경사각을 이용하여 자신의 기울어진 각도를 변화시키게 할 수 있다.
따라서, 추종 이동체는 선도 이동체로부터 선도 이동체가 기울어진 경사각을 수신하고, 추종 이동체 자신도 중력 센서를 이용하여 자신이 기울어진 경사각을 측정할 필요가 있다. 이제, 수신된 선도 이동체의 경사각과 측정된 추종 이동체의 경사각이 모두 확보되었다면, 양자의 차이를 산출한다. 즉, 추종 이동체는 산출된 차이값에 기초하여 자신의 기울어진 각도를 변화시킴으로써 3차원 환경에서도 선도 이동체와 추동 이동체의 움직임을 동기화시킬 수 있다.
상기된 본 발명의 실시예들에 따르면 상대적인 위치 관계를 고려한 방위각 연산없이 추종 이동체가 선도 이동체의 지향 방향을 간단하게 획득할 수 있고, 정확한 군집 제어 및 동기화가 가능하며, 절대 방위각을 이용하여 이동체의 지향 방향을 결정함으로써 이동체의 움직임에 따른 지향 방향에 대한 보정이 불필요하다.
한편, 본 발명은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현하는 것을 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 다양한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명에 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 선도 이동체 20 : 추종 이동체
600 : 이동체(선도 이동체 및 추종 이동체)
610 : 안테나 620 : 전자 나침반
630 : 연산부 640 : 제어부
650 : 구동부

Claims (12)

  1. 복수 개의 이동체를 제어하는 방법에 있어서,
    추종 이동체가 선도 이동체로부터 상기 선도 이동체가 지향하고 있는 절대 방위각을 수신하는 단계;
    상기 추종 이동체가 전자 나침반을 이용하여 기준 방향을 측정하는 단계;
    상기 측정된 기준 방향과 상기 추종 이동체가 이루는 방향으로부터 기준각을 산출하는 단계; 및
    상기 추종 이동체가 상기 수신된 절대 방위각과 상기 산출된 기준각의 차이에 기초하여 지향 방향을 변화시키는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 지향 방향을 변화시키는 단계는,
    상기 수신된 절대 방위각과 상기 산출된 기준각의 차이를 산출하는 단계; 및
    상기 추종 이동체가 상기 산출된 차이만큼 회전하는 단계를 포함하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 산출된 차이의 절대값이 π보다 큰 경우 상기 회전하는 단계는,
    2π로부터 상기 산출된 차이의 절대값을 감산하는 단계; 및
    상기 추종 이동체가 상기 산출된 차이에 기초한 방향과 반대 방향으로 상기 감산 결과만큼 회전하는 단계를 포함하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    이동체 간의 간격을 미리 설정하는 단계;
    상기 추종 이동체가 상기 선도 이동체로부터 자신과의 거리 정보를 수신하는 단계; 및
    상기 설정된 간격과 상기 수신된 거리 정보에 기초하여 상기 추종 이동체의 위치를 변화시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 이동체들 간의 거리 정보는 신호의 도착 시간, 신호의 도착 시간 차이 또는 수신된 신호의 강도 중 적어도 하나의 방법을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 추종 이동체가 상기 선도 이동체로부터 상기 선도 이동체가 기울어진 경사각을 수신하는 단계;
    상기 추종 이동체가 중력 센서를 이용하여 자신이 기울어진 경사각을 측정하는 단계; 및
    상기 추종 이동체가 상기 수신된 경사각과 상기 측정된 경사각의 차이에 기초하여 자신의 기울어진 각도를 변화시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 추종 이동체가 상기 선도 이동체 및 적어도 하나 이상의 다른 추종 이동체로부터 자신과의 거리 정보를 수신하는 단계; 및
    상기 추종 이동체가 상기 수신된 거리 정보를 이용하여 소정 거리 이하로 접근한 이동체와의 충돌을 회피하는 단계를 더 포함하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 추종 이동체가 인접 장애물에 대한 정보를 수신하는 단계; 및
    상기 추종 이동체가 상기 수신된 장애물 정보를 고려하여 상기 선도 이동체와의 간격을 유지하는 단계를 더 포함하는 방법.
  9. 복수 개의 이동체를 제어하는 방법에 있어서,
    선도 이동체가 전자 나침반을 이용하여 기준 방향을 측정하는 단계;
    상기 측정된 기준 방향과 상기 선도 이동체가 지향하는 방향으로부터 절대 방위각을 산출하는 단계;
    상기 선도 이동체가 적어도 하나 이상의 추종 이동체에 상기 산출된 절대 방위각을 전송하는 단계; 및
    상기 선도 이동체가 상기 적어도 하나 이상의 추종 이동체에 상기 추종 이동체로부터 자신과의 거리 정보를 전송하는 단계를 포함하고,
    상기 추종 이동체는 상기 전송된 거리 정보를 이용하여 미리 설정된 이동체 간의 간격을 유지하는 명령 또는 소정 거리 이하로 접근한 상기 선도 이동체와의 충돌을 회피하는 명령 중 적어도 하나의 명령을 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 삭제
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 이동체들 간의 거리 정보는 신호의 도착 시간, 신호의 도착 시간 차이 또는 수신된 신호의 강도 중 적어도 하나의 방법을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 선도 이동체가 중력 센서를 이용하여 자신이 기울어진 경사각을 측정하는 단계; 및
    상기 선도 이동체가 상기 적어도 하나 이상의 추종 이동체에 상기 측정된 경사각을 전송하는 단계를 더 포함하고,
    상기 적어도 하나 이상의 추종 이동체는 수신된 상기 경사각을 이용하여 자신의 기울어진 각도를 변화시키는 것을 특징으로 하는 방법.
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