KR101309527B1 - 네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 방법 및 시스템 - Google Patents

네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 방법 및 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 상기 탐색 로봇이 주행경로 상에 장애물의 존재 여부를 탐지하고, 탐지된 장애물을 회피하여 주행하는 단계; 상기 탐색 로봇의 주행이동에 따라, 상기 베이스 로봇이 상기 중계 로봇에 대한 중계 위치를 생성하여, 상기 중계 로봇으로 생성된 중계 위치를 할당하는 단계; 및 상기 중계 로봇이 할당받은 중계 위치로 이동하여, 상기 베이스 로봇과 상기 탐색 로봇 간에 네트워크를 중계하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 방법 및 시스템은 군집 로봇이 목표 위치로 주행 이동 시, 상기 군집 로봇을 구성하고 있는 탐색 로봇과 베이스 로봇 간 네트워크의 연결이 단절되지 않고, 지속적으로 유지될 수 있는 효과가 있다.

Description

네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 방법 및 시스템{Behavior control method and system of swarm robots for maintaining network connectivity}
본 발명은 네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 방법 및 시스템에 관한 것으로, 특히 군집 로봇이 이동하고자 하는 목표 위치를 향해 주행 중에 이웃하는 로봇 간 네트워크의 연결성을 유지시키는 네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 방법 및 시스템에 관한 것이다.
최근 들어, 다수의 로봇으로 이루어진 군집 로봇을 다양한 분야에 적용하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 군집 로봇은 단일 로봇 시스템의 단점을 보완하기 위한 개발된 새로운 접근 방법으로서, 로봇이 임무 또는 작업 수행 시 작업의 효율성, 시스템의 강인함 및 유연성 등을 확보할 수 있다는 장점을 갖는다.
이러한 장점을 갖는 군집 로봇은 동적인 환경에서 로봇간 네트워크가 동적 또는 정적 토폴로지를 구성할 수 있어야 하며, 통신 두절이 되는 로봇이 존재하지 않는 네트워크 환경에서 주어진 작업을 수행하도록 로봇을 제어해야 한다. 특히, 상기 네트워크 환경에서 로봇 간에 송수신되는 무선신호는 장애물에 의한 반사, 회절, 굴절, 분산에 의해 왜곡되기 쉽다. 이에 따라, 무선 네트워크 노드 사이의 시야가 확보되지 않아 송신한 신호를 직접 수신하지 못하는 NLOS(Non-Line Of Sight), 신호간 간섭으로 인하여 수신 신호의 진폭과 위상이 불규칙적으로 변화하는 다중 경로 페이딩(Multi-Path Fading) 등과 같은 무선 신호의 감쇠문제가 빈번히 발생하는 문제점이 발생했다.
특히, 군집 로봇이 작업 공간 내 목표 위치로 이동할 때, 상기 군집 로봇 내 베이스 로봇 및 중계 로봇이 상기 탐색 로봇과 일정거리 이상 떨어지는 경우에, 상기 군집 로봇 내 네트워크의 연결이 단절되는 문제점이 발생했다.
상술한 바와 같이, 네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 방법 및 시스템에 대한 선행기술을 살펴보면 다음과 같다.
선행기술 1은 한국등록특허 제10-1104544(2012.01.03)로서, 네트워크 기반 군집로봇의 이동경로 제어 시스템 및 그 방법에 관한 것이다. 이러한 선행기술 1은 사용자로부터 상기 군집로봇이 이동하고자 하는 목적지에 대한 목적지 정보를 입력받는 클라이언트부와; 상기 클라이언트부로 부터 입력받은 목적지정보에 따라, 상기 군집로봇의 운동수학식을 연산하는 중앙제어부;를 포함하며, 상기 군집로봇은 인접하는 로봇과 탄성부재로 연결되는 하나 이상의 마스터로봇과 다수의 슬레이브로봇을 포함하여 이루어지며, 상기 마스터로봇은 상기 군집로봇이 목적지로 이동하는 이동경로를 제어하고, 상기 다수의 슬레이브로봇은 상기 마스터로봇에 의해 제어되되, 상기 중앙제어부는 상기 군집로봇간에 상호 연결된 탄성부재의 댐퍼 임피던스에 기초하여 상기 운동수학식을 연산하고 그 연산결과를 상기 마스터로봇으로 전송하여 상기 군집로봇의 이동경로가 제어되도록 하여, 군집로봇의 간단한 운동수학식 연산을 통해 빠른 이동 경로 연산을 수행하여, 군집로봇의 경로제어를 용이하게 할 수 있다.
또한, 선행기술 2는 한국공개특허 제2012-0067649(2012.06.26)호로서, 군집 로봇의 상태 관리 장치 및 방법에 관한 것이다. 이러한 선행기술 2는 군집 로봇 환경하에서 각 로봇의 상태를 종합적으로 파악하여, 주어진 임무를 원활하게 수행하도록 군집 로봇에 대한 상태를 관리하기 위해 군집 로봇 내에 있는 모든 로봇들의 상태를 지속적으로 파악하고, 오류가 있는 로봇에 대한 기능 점검 및 가용한 자원 탐색, 역할 수행 가능 여부를 판단하여, 전체 군집 로봇의 임무 수행에 차질이 없도록 임무 설정을 수정하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 군집 로봇 각각에 대한 상태를 종합적으로 파악하여, 주어진 임무를 원활하게 수행할 수 있도록 제어할 수 있으며, 이를 통해 효과적인 관리 체계를 제공할 수 있다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 군집 로봇이 목표 위치로 주행이동하더라도 군집 로봇의 네트워크 연결이 단절되지 않고, 유지되는 네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 방법 및 시스템을 제공하고자 한다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 실시 예에 따른 탐색 로봇, 중계 로봇 및 베이스 로봇으로 이루어지며, 목표 위치로 주행하여 이동하는 군집 로봇의 네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 방법은 상기 탐색 로봇이 주행경로 상에 장애물의 존재 여부를 탐지하고, 탐지된 장애물을 회피하여 주행하는 단계; 상기 탐색 로봇의 주행이동에 따라, 상기 베이스 로봇이 상기 중계 로봇에 대한 중계 위치를 생성하여, 상기 중계 로봇으로 생성된 중계 위치를 할당하는 단계; 및 상기 중계 로봇이 할당받은 중계 위치로 이동하여, 상기 베이스 로봇과 상기 탐색 로봇 간에 네트워크를 중계하는 단계;를 포함한다.
보다 바람직하게는 상기 탐색 로봇이 지역 경로 계획(Local Path Planning)에 기초하여 목표위치로 주행하는 탐색 로봇이 주행하는 단계를 포함할 수 있다.
특히, 상기 탐색 로봇에 작용하는 가상의 힘에 따른 방향으로 상기 탐색 로봇을 주행시키는 지역 경로 계획을 포함할 수 있다.
특히, 상기 탐색 로봇의 목표 위치로부터 작용하는 인력과, 상기 탐색 로봇이 감지한 장애물의 위치로부터 작용하는 척력의 합에 해당하는 방향으로 주행하는 탐색 로봇이 주행하는 단계를 포함할 수 있다.
보다 바람직하게는 상기 베이스 로봇이 전역 경로 계획(Global Path Planning)에 기초하여 상기 탐색 로봇의 주행에 따른 중계 로봇의 중계 위치를 생성하여 할당하는 중계 로봇의 위치를 할당하는 단계를 포함할 수 있다.
보다 바람직하게는 들로네(Delaunay) 삼각형의 무게중심을 이용하여 이웃하는 로봇들과 균등한 거리를 갖도록 중계 로봇의 중계 위치를 생성하는 전역 경로 계획을 포함할 수 있다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 실시 예에 따른 탐색 로봇, 중계 로봇 및 베이스 로봇으로 이루어지며, 목표 위치로 주행하여 이동하는 군집 로봇의 네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 시스템은 주행 경로 상에 존재하는 장애물을 탐지하고, 탐지된 장애물을 회피하여 목표 위치로 주행하는 탐색 로봇; 상기 탐색 로봇으로 사용자의 명령을 전달하여 상기 탐색 로봇의 주행을 제어하는 베이스 로봇; 및 상기 베이스 로봇과 상기 탐색 로봇 사이에 적어도 하나 배치되어, 상기 베이스 로봇과 상기 탐색 로봇 간 네트워크를 중계하는 중계 로봇;을 포함하되, 상기 베이스 로봇은 상기 탐색 로봇의 주행이동에 따라 상기 중계 로봇의 중계 위치를 생성하고, 생성된 중계위치를 상기 중계 로봇으로 할당하는 것을 특징으로 한다.
보다 바람직하게는 주행 중 발생하는 장애물의 존재여부를 탐지하는 장애물 탐지모듈; 및 탐지된 장애물을 회피하여, 지역 경로 계획(Local Path Planning)에 따라 목표 위치로 주행하도록 제어하는 주행제어모듈;을 포함하는 탐색 로봇을 포함할 수 있다.
특히, 상기 탐색 로봇에 작용하는 가상의 힘에 따른 방향으로 상기 탐색 로봇을 주행시키는 지역 경로 계획을 포함할 수 있다.
특히, 상기 탐색 로봇의 목표 위치로부터 작용하는 인력과, 상기 탐색 로봇이 감지한 장애물의 위치로부터 작용하는 척력의 합에 해당하는 방향으로 주행하는 탐색 로봇을 포함할 수 있다.
보다 바람직하게는 전역 경로 계획(Global Path Planning)에 기초하여 탐색 로봇의 주행에 따른 중계 로봇의 중계 위치를 생성하는 위치생성모듈; 및 생성된 중계위치를 상기 중계 로봇에 할당하는 위치할당모듈;을 포함하는 베이스 로봇을 포함할 수 있다.
특히, 들로네(Delaunay) 삼각형의 무게중심을 이용하여 이웃하는 로봇들과 균등한 거리를 갖도록 중계 로봇의 중계 위치를 생성하는 전역 경로 계획을 포함할 수 있다.
본 발명의 네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 방법 및 시스템은 군집 로봇이 목표 위치로 주행 이동 시, 상기 군집 로봇을 구성하고 있는 탐색 로봇과 베이스 로봇 간 네트워크의 연결이 단절되지 않고, 지속적으로 유지될 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 방법 및 시스템은 군집 로봇이 목표 위치로 주행 중에도 발생하는 장애물을 회피하여 원활하게 목표 위치로 이동할 수 있는 효과가 있다.
더불어, 본 발명의 네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 방법 및 시스템은 목표 위치로 이동 중인 군집 로봇의 중계 로봇에 대하여 전역 경로 계획을 통해 군집 로봇의 이동에 따른 보다 효과적인 중계 위치를 생성 및 할당할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 방법의 순서도이다.
도 3은 작업 공간 좌표계 {W}에 기준한 로봇계 {M}의 기구학 모델링을 나타낸 도면이다.
도 4는 군집 로봇에서 구현되는 전역 경로 계획과, 지역 경로 계획을 나타낸 도면이다.
도 5는 군집 로봇 내 이웃 로봇과의 연결관계를 나타낸 도면이다.
도 6은 군집 로봇의 전역 경로 계획을 나타낸 도면이다.
도 7은 군집 로봇의 전역 경로 계획에 따라 주행 이동 시, 중계 로봇과 베이스 로봇이 상호 균등한 거리를 유지하며 이동하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 8은 군집 로봇에 작용하는 척력거리 및 회피거리에 따른 특성 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 9는 군집 로봇에 작용하는 가상의 힘을 나타내는 도면이다.
도 10은 군집 로봇이 장애물을 피해 목표 위치로 이동하는 과정을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면이다.
도 11은 군집 로봇의 이웃로봇간 RSSI 감도변화를 나타낸 그래프이다.
도 12는 군집 로봇에 연결가능한 네트워크의 수를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시 예와 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되는 것은 아니다.
이하, 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 시스템에 대하여 자세히 살펴보도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 시스템의 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 시스템(100)은 탐색 로봇(120), 중계 로봇(140) 및 베이스 로봇(160)으로 이루어지는 군집 로봇을 포함하며, 이때, 상기 탐색 로봇(120), 중계 로봇(140) 및 베이스 로봇(160)은 데이터 송수신을 위해 무선 네트워크를 통해 상호 연결되어 있다.
탐색 로봇(120)은 주행 중에 발생하는 장애물을 탐지하고, 탐지된 장애물을 회피하여 목표 위치로 주행한다. 이러한 탐색 로봇(120)은 장애물 탐지모듈(122) 및 주행제어모듈(124)을 포함한다.
장애물 탐지모듈(122)은 주행 중 발생하는 장애물의 존재여부를 탐지한다.
주행제어모듈(124)은 탐지된 장애물을 회피하여, 지역 경로 계획(Local Path Planning)에 따라 목표 위치로 주행하도록 제어한다. 상기 지역 경로 계획은 상기 탐색 로봇(120)에 작용하는 가상의 힘에 따른 방향으로 상기 탐색 로봇(120)을 주행시킨다. 이때, 상기 가상의 힘이란, 상기 탐색 로봇(120)의 목표 위치로부터 작용하는 인력과, 상기 탐색 로봇(120)이 감지한 장애물의 위치로부터 작용하는 척력의 합을 나타낸다.
중계 로봇(140)은 상기 베이스 로봇(160)과 탐색 로봇(120) 사이에 적어도 하나 배치되어, 상기 탐색 로봇(120)이 상기 목표 위치로 주행함에 따라 중계 위치가 변화하며, 상기 탐색 로봇(120)과 베이스 로봇(160) 사이에 네트워크를 중계한다.
베이스 로봇(160)은 상기 탐색 로봇(120)으로 사용자의 명령을 전달하여, 상기 탐색 로봇(120)의 주행을 제어하며, 상기 탐색 로봇의 주행이동에 따라 상기 중계 로봇의 중계 위치를 생성하고, 생성된 중계위치를 상기 중계 로봇으로 할당한다. 이러한 베이스 로봇(160)은 위치생성모듈(162) 및 위치할당모듈(164)을 포함한다.
위치생성모듈(162)은 전역 경로 계획(Global Path Planning)에 기초하여 탐색 로봇의 주행에 따른 중계 로봇(140)의 중계 위치를 생성한다. 이때, 상기 전역 경로 계획은 들로네(Delaunay) 삼각형의 무게중심을 이용하여 이웃하는 로봇들과 균등한 거리를 갖도록 중계 로봇의 중계 위치를 생성한다.
위치할당모듈(164)은 생성된 중계위치를 상기 중계 로봇(140)에 할당한다.
이하, 도 2를 참조하여, 본 발명의 네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 방법에 대하여 자세히 살펴보도록 한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 방법의 순서도이다.
탐색 로봇, 중계 로봇 및 베이스 로봇으로 이루어지며, 목표 위치로 주행하여 이동하는 군집 로봇이 존재하고, 이때, 상기 군집 로봇은 무선 네트워크를 통해 상호 연결되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 방법은 먼저, 탐색 로봇이 주행경로 상에 장애물의 존재 여부를 탐지하고, 탐지된 장애물을 회피하여 목표 위치로 주행한다(S210).
상기 탐색 로봇의 주행이동에 따라, 상기 베이스 로봇이 상기 중계 로봇에 대한 중계 위치를 생성하여, 상기 중계 로봇으로 생성된 중계 위치를 할당한다(S220).
상기 중계 로봇이 할당받은 중계 위치로 이동하여, 상기 베이스 로봇과 탐색 로봇 간에 네트워크를 중계한다(S230).
먼저, 군집 로봇의 행동 제어를 위해, 작업 공간 좌표계 {W} 상에서 로봇 좌표계 {M}로 군집 로봇의 상태를 표현할 수 있다.
도 3은 작업 공간 좌표계 {W}에 기준한 로봇 좌표계 {M}의 기구학 모델링을 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 작업 공간 좌표계 {W} 상에서 군집 로봇의 현재 위치는
Figure 112012079716502-pat00001
만큼 전위하고,
Figure 112012079716502-pat00002
만큼 회전한
Figure 112012079716502-pat00003
으로 표현할 수 있으며, 상기 군집 로봇이 이동하고자 하는 목표 위치는
Figure 112012079716502-pat00004
으로 표현하였다.
이때, 작업 공간 좌표계 {W} 상에서 표현된 군집 로봇의 목표 위치를 역변환
Figure 112012079716502-pat00005
를 이용하여 로봇 좌표계로 변환하면, 하기의 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
Figure 112012079716502-pat00006
이때, 상기
Figure 112012079716502-pat00007
는
Figure 112012079716502-pat00008
이다.
또한, 군집 로봇의 진행방향
Figure 112012079716502-pat00009
으로부터 목표 위치
Figure 112012079716502-pat00010
의 거리
Figure 112012079716502-pat00011
와 주행 방향
Figure 112012079716502-pat00012
는 하기의 수학식 2 내지 3과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112012079716502-pat00013
[수학식 3]
Figure 112012079716502-pat00014
이때,
Figure 112012079716502-pat00015
이면 시계 방향의 주행 방향을 나타내고,
Figure 112012079716502-pat00016
이면 시계 반대 방향의 주행방향을 나타낸다.
따라서, 이러한 군집 로봇은 작업 공간 좌표계(WFS)를 기준으로 군집 로봇의 현재 위치
Figure 112012079716502-pat00017
, 회전각
Figure 112012079716502-pat00018
및 속도
Figure 112012079716502-pat00019
를 가지며, 로봇 좌표계(RFS)에서는 목표 위치
Figure 112012079716502-pat00020
방향
Figure 112012079716502-pat00021
및 거리
Figure 112012079716502-pat00022
를 가지게 되고, 하기의 수학식 4 내지 5와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112012079716502-pat00023
[수학식 5]
Figure 112012079716502-pat00024
즉, 군집 로봇이 작업 공간 내에서 이동하는 정보는 상기의 수학식 4를 통해 알 수 있고, 상기 군집 로봇 내 각 로봇이 이동해야할 위치, 주행각 및 속도는 상기의 수학식 5를 통해 알 수 있다.
상술한 같이 표현되는 군집 로봇은 전역 경로 계획 및 지역 경로 계획에 따라 행동이 제어된다.
도 4는 군집 로봇에서 구현되는 전역 경로 계획 및 지역 경로 계획을 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 전역 경로 계획(Global Path Planning)은 들로네(Delaunay) 삼각형을 이용하여 군집 로봇 내 이웃하는 다른 로봇과의 통신 중계를 위해 중계 로봇의 중계 위치
Figure 112012079716502-pat00025
를 생성하고, 생성된 중계 위치
Figure 112012079716502-pat00026
를 중계 로봇에 할당한다.
또한, 지역 경로 계획(Local Path Planning)은 로봇에 작용하는 가상의 힘을 기반으로 수행되어, 인력
Figure 112012079716502-pat00027
와, 척력
Figure 112012079716502-pat00028
의 합의 방향인
Figure 112012079716502-pat00029
방향으로 로봇을 주행시키도록 한다. 이때, 상기 인력
Figure 112012079716502-pat00030
는 할당받은 중계 위치
Figure 112012079716502-pat00031
의 각 로봇 좌표계
Figure 112012079716502-pat00032
로부터 발생하고, 척력은 각 로봇이 탐지한 장애물의 위치
Figure 112012079716502-pat00033
로부터 발생된다.
특히, 전역 경로 계획을 구현하기 위해서, 중계 로봇의 네트워크 연결성을 유지하기 위해 들로네(Delaunay) 삼각형의 무게중심을 이용한다. 이러한 들로네 삼각형의 무게중심은 이웃하는 로봇과의 균등한 거리를 생성하고, 베이스 로봇과 탐색 로봇간의 최단거리를 중계 위치를 생성할 수 있다.
이하, 중계 로봇의 중계 위치를 할당하기 위해 사용되는 전역 경로 계획에 대하여 보다 자세히 살펴보도록 한다.
도 5는 군집 로봇 내 이웃 로봇과의 연결관계를 나타낸 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 베이스 로봇과 탐색 로봇간에 적어도 하나의 중계 로봇이 이웃하도록 상호 연결하고, 상기 적어도 하나의 중계 로봇 중 하나의 중계 로봇은 베이스 로봇과 상호 연결되고, 또한 하나의 중계 로봇은 탐색 로봇과 상호 연결된다.
이하, 도 6을 참조하여 전역 경로 계획을 적용한 군집 로봇에 대하여 구체적으로 살펴보도록 한다.
도 6은 군집 로봇의 전역 경로 계획을 나타낸 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 탐색 로봇 1대, 중계 로봇 5 대, 베이스 로봇 1 대로 이루어진 총 7개의 군집 로봇이 존재한다.
이에 따라, 상기 들로네 삼각형의 무게중심 위치
Figure 112012079716502-pat00034
는 하기의 수학식 6과 같이, 군집 로봇 내 이웃하는 중계 로봇들의 현재 위치
Figure 112012079716502-pat00035
과, 중계 위치를 새로 할당하고자 하는 특정 중계 로봇의 현재 위치
Figure 112012079716502-pat00036
에 기초하여 연산할 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112012079716502-pat00037
이때, 상기 k는 로봇번호이고, i는 중계 로봇의 번호이며, 0 < i < k 의 크기를 갖는다.
이와 같이, 연산된 무게중심의 위치
Figure 112012079716502-pat00038
는 중계 로봇이 이동해야 하는 작업 공간 상의 목표 위치
Figure 112012079716502-pat00039
가 되고, 앞서 설명한 수학식 1을 이용하여 로봇 좌표계로 변환되고, 변환된 중계 위치
Figure 112012079716502-pat00040
가 각각의 중계 로봇으로 할당된다.
결과적으로, 상기 군집 로봇 중에서 1번 중계 로봇의 목표 위치가
Figure 112012079716502-pat00041
으로 할당되는 것을 알 수 있다.
도 7은 군집 로봇의 전역 경로 계획에 따라 주행 이동 시, 중계 로봇과 베이스 로봇이 상호 균등한 거리를 유지하며 이동하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 앞서 도 6과 같이 구성되는 군집 로봇에서 탐색 로봇(삼각형으로 표시됨)이 목표 위치로 이동하기 전, 중계 로봇(원형으로 표시됨)과 베이스 로봇(사각형으로 표시됨)이 간격이 균일하지 않았으나, 시간이 흐름에 따라 중계 로봇이 베이스 로봇과 탐색 로봇간 중계 위치를 균등하게 분할하며 이동하는 것을 알 수 있다.
이러한 군집 로봇은 지역 경로 계획에 의해, 가상의 힘을 이용하여 주행 도중 발생하는 각종 장애물 (예를 들면, 다른 로봇, 벽 등)을 회피하고, 목표 위치까지 이동하는 과정에 대하여 자세히 살펴보도록 한다.
이러한 상기 가상의 힘은 인력과, 척력의 합에 해당하는 방향으로 로봇의 주행방향이 결정된다. 이때, 상기 인력이란, 로봇이 목표 위치로 이동하기 위해서, 로봇의 목표 위치
Figure 112012079716502-pat00042
로부터 작용되는 힘을 말하며, 이러한 인력
Figure 112012079716502-pat00043
는 하기의 수학식 7과 같이, 사용자가 미리 정의한 인력 상수
Figure 112012079716502-pat00044
와 로봇간의 거리
Figure 112012079716502-pat00045
및 방향 벡터
Figure 112012079716502-pat00046
를 이용하여 발생된다.
[수학식 7]
Figure 112012079716502-pat00047
이때, 상기 i는 중계 로봇의 번호를 나타낸다.
또한 상기 척력이란, 탐지 로봇이 탐지한 장애물의 위치로부터 작용되는 힘을 말하며, 이러한 척력
Figure 112012079716502-pat00048
는 로봇의 주행 중에 탐지된 모든 장애물에 있어서, 사용자가 미리 정의한 회피 거리
Figure 112012079716502-pat00049
내 상기 장애물이 존재하는 경우에 발생된다.
즉, 장애물의 위치는 장애물 탐지 모듈이 획득한 j 번째 데이터는 하기의 수학식 8과 같이, 거리
Figure 112012079716502-pat00050
와, 측정각
Figure 112012079716502-pat00051
를 이용하여 탐지한 로봇의 기준 좌표계로 변환한다.
[수학식 8]
Figure 112012079716502-pat00052
이처럼, 탐지된 로봇 좌표계 기준 장애물의 위치
Figure 112012079716502-pat00053
에 의한 척력은 하기의 수학식 9과 같이, 회피 거리
Figure 112012079716502-pat00054
거리와 로봇과 장애물간 유클리디언 거리
Figure 112012079716502-pat00055
및 사용자가 정의한 척력 상수
Figure 112012079716502-pat00056
를 이용하여 발생된다.
[수학식 9]
Figure 112012079716502-pat00057
이때, 상기 j는 탐지된 장애물 번호를 나타내고, 상기 i는 로봇 번호, 상기 N은 탐지된 장애물의 총 개수를 나타낸다.
도 8은 군집 로봇에 작용하는 척력거리 및 회피거리에 따른 특성 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 탐지된 장애물이 1개이고, 사용자가 미리 정의한 척력 상수
Figure 112012079716502-pat00058
일 때, 회피 거리와 탐지된 장애물과의 거리에 따라 척력이 변화하는 것을 알 수 있다.
결과적으로, 중계 로봇은 인력과 척력의 합인
Figure 112012079716502-pat00059
방향으로 주행하는 것을 알 수 있다.
도 9는 군집 로봇에 작용하는 가상의 힘을 나타내는 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 특정 로봇
Figure 112012079716502-pat00060
의 목표 위치
Figure 112012079716502-pat00061
에 대한 인력과 탐지한 장애물
Figure 112012079716502-pat00062
에 의해 발생된 척력
Figure 112012079716502-pat00063
의 합인
Figure 112012079716502-pat00064
를 나타내는 것을 알 수 있다.
이하, 도 10을 통해 군집 로봇의 행동 제어 방법을 시뮬레이션을 통해 적용한 실험 예를 살펴보도록 한다.
도 10은 군집 로봇이 장애물을 피해 목표 위치로 이동하는 과정을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면이다.
본 시뮬레이션의 실험 조건을 살펴보면, 쿼드코어 3.4GHz, 8GByte RAM에서 "Rootics-Lab"이라는 시뮬레이션 SDK를 이용하여 실험을 진행하였다. 시뮬레이션 환경은 단층 구조의 실내에서 진행되고, 군집 로봇의 구성은 베이스 로봇 1대, 탐색 로봇 1대 및 중계 로봇 8대로 이루어지며, 사용자에 의한 상수는 각각
Figure 112012079716502-pat00065
로 설정하였다.
또한, 군집 로봇 내 탐색 로봇을 주행시키는 동안 군집 로봇의 네트워크 연결성 및 네트워크 연결 유지 여부를 확인하기 위해, 이웃하는 중계 로봇의 무선 신호 감쇠비(dbm)의 변화 및 네트워크로 연결된 로봇의 개수를 확인하는 실험을 진행하였다.
도 10의 (a) 내지 (d)는 군집 로봇이 목표 위치로 이동하는데 있어서, 80초, 190초, 240초, 630초, 800초의 주행시간별 군집로봇의 이동상태에 따른 네트워크 연결상태를 나타낸다.
시뮬레이션 검토 결과, 탐색 로봇이 이동함에 따라 중계 로봇이 전역 경로 계획에 의해 할당된 중계 위치로 이동하면서, 탐지된 장애물을 지역 경로 계획에 따라 회피하는 것을 알 수 있다.
도 11은 군집 로봇의 이웃로봇간 수신신호세기 (RSSI: Received Signal Strength Indication)의 감도변화를 나타낸 그래프이다.
상기 수신신호세기란, 상대방 장비로부터 받는 무선신호의 세기를 나타내는 것으로서, 최대 0부터 최소 -60까지로 표시될 수 있으며, 만약 두 장비 사이의 거리가 0일 경우 (무선 신호의 감쇠가 없는 이상적인 거리) 수신신호세기는 0이 되며, 이는 가장 이상적인 값이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 탐색 로봇이 베이스 로봇과 멀어질 수록 각 중계 로봇의 수신신호세기(RSSI)의 감도가 비교적 균등하게 낮아지는 것을 알 수 있으며, 이러한 그래프 결과를 통해 탐색 로봇이 베이스 로봇과 멀어질 수록 군집 로봇의 네트워크 연결이 균일하게 이루어지지 않는 것을 알 수 있다.
결과적으로, 본 발명에 따른 네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 방법을 이용하여 시뮬레이션하는 동안에는 이웃 로봇간에 네트워크 연결이 단절되지 않고, 네트워크 연결성이 연속하여 유지되는 것을 알 수 있다.
도 12는 군집 로봇에 연결가능한 네트워크의 수를 나타낸 그래프이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 시뮬레이션 환경에서 동작 중인 각 로봇이 연결가능한 네트워크 노드의 수를 나타내며, 군집 로봇 중 베이스 로봇을 제외한 중계 로봇들이 이웃하는 로봇과의 연결에 필요한 최소 2개의 네트워크 연결을 갖는 것을 알 수 있다.
또한, 이러한 본 발명은 컴퓨터로 실행하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독가능 기록매체에 저장될 수 있다. 이때, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 장치의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, DVD±ROM, DVD-RAM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 하드 디스크(hard disk), 광데이터 저장장치 등이 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 장치에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
본 발명의 네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 방법 및 시스템은 군집 로봇이 목표 위치로 주행 이동 시, 상기 군집 로봇을 구성하고 있는 탐색 로봇과 베이스 로봇 간 네트워크의 연결이 단절되지 않고, 지속적으로 유지될 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 방법 및 시스템은 군집 로봇이 목표 위치로 주행 중에도 발생하는 장애물을 회피하여 원활하게 목표 위치로 이동할 수 있는 효과가 있다.
더불어, 본 발명의 네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 방법 및 시스템은 목표 위치로 이동 중인 군집 로봇의 중계 로봇에 대하여 전역 경로 계획을 통해 군집 로봇의 이동에 따른 보다 효과적인 중계 위치를 생성 및 할당할 수 있는 효과가 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 첨부된 특허청구범위에 속하는 것은 당연하다.
120: 탐색 로봇 140: 중계 로봇
160: 베이스 로봇

Claims (13)

  1. 탐색 로봇, 중계 로봇 및 베이스 로봇으로 이루어지며, 목표 위치로 주행하여 이동하는 군집 로봇의 네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 방법에 있어서,
    상기 탐색 로봇이 주행경로 상에 장애물의 존재 여부를 탐지하고, 탐지된 장애물을 회피하여 주행하는 단계;
    상기 탐색 로봇의 주행이동에 따라, 상기 베이스 로봇이 상기 중계 로봇에 대한 중계 위치를 생성하여, 상기 중계 로봇으로 생성된 중계 위치를 할당하는 단계; 및
    상기 중계 로봇이 할당받은 중계 위치로 이동하여, 상기 베이스 로봇과 상기 탐색 로봇 간에 네트워크를 중계하는 단계;
    를 포함하되,
    상기 탐색 로봇이 주행하는 단계는
    상기 탐색 로봇에 작용하는 가상의 힘에 따른 방향으로 상기 탐색 로봇을 주행시키는 지역 경로 계획(Local Path Planning)에 기초하여 상기 탐색 로봇이 목표위치로 주행하는 것을 특징으로 하는 네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탐색 로봇이 주행하는 단계는
    상기 탐색 로봇이 지역 경로 계획(Local Path Planning)에 기초하여 목표위치로 주행하는 것을 특징으로 하는 네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 지역 경로 계획은
    상기 탐색 로봇에 작용하는 가상의 힘에 따른 방향으로 상기 탐색 로봇을 주행시키는 것을 특징으로 하는 네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탐색 로봇이 주행하는 단계는
    상기 탐색 로봇의 목표 위치로부터 작용하는 인력과, 상기 탐색 로봇이 감지한 장애물의 위치로부터 작용하는 척력의 합에 해당하는 방향으로 주행하는 것을 특징으로 하는 네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 중계 로봇의 위치를 할당하는 단계는
    상기 베이스 로봇이 전역 경로 계획(Global Path Planning)에 기초하여 상기 탐색 로봇의 주행에 따른 상기 중계 로봇의 중계 위치를 생성하여 할당하는 것을 특징으로 하는 네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전역 경로 계획은
    들로네(Delaunay) 삼각형의 무게중심을 이용하여 이웃하는 로봇들과 균등한 거리를 갖도록 상기 중계 로봇의 중계 위치를 생성하는 것을 특징으로 하는 네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 방법.
  7. 제1항 또는 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 방법을 컴퓨터로 실행하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독가능 기록매체.
  8. 탐색 로봇, 중계 로봇 및 베이스 로봇으로 이루어지며, 목표 위치로 주행하여 이동하는 군집 로봇의 네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 시스템에 있어서,
    주행 경로 상에 존재하는 장애물을 탐지하고, 탐지된 장애물을 회피하여 목표 위치로 주행하는 탐색 로봇;
    상기 탐색 로봇으로 사용자의 명령을 전달하여 상기 탐색 로봇의 주행을 제어하는 베이스 로봇; 및
    상기 베이스 로봇과 상기 탐색 로봇 사이에 적어도 하나 배치되어, 상기 베이스 로봇과 상기 탐색 로봇 간 네트워크를 중계하는 중계 로봇;
    을 포함하되,
    상기 베이스 로봇은
    상기 탐색 로봇의 주행이동에 따라 상기 중계 로봇의 중계 위치를 생성하고, 생성된 중계위치를 상기 중계 로봇으로 할당하며,
    상기 탐색 로봇은
    주행 중 발생하는 장애물의 존재여부를 탐지하는 장애물 탐지모듈; 및 탐지된 상기 장애물을 회피하여, 지역 경로 계획(Local Path Planning)에 따라 목표 위치로 주행하도록 제어하는 주행제어모듈;을 포함하며,
    상기 지역 경로 계획은
    상기 탐색 로봇에 작용하는 가상의 힘에 따른 방향으로 상기 탐색 로봇을 주행시키는 것을 특징으로 하는 네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 탐색 로봇은
    주행 중 발생하는 장애물의 존재여부를 탐지하는 장애물 탐지모듈; 및
    탐지된 상기 장애물을 회피하여, 지역 경로 계획(Local Path Planning)에 따라 목표 위치로 주행하도록 제어하는 주행제어모듈;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 지역 경로 계획은
    상기 탐색 로봇에 작용하는 가상의 힘에 따른 방향으로 상기 탐색 로봇을 주행시키는 것을 특징으로 하는 네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 시스템.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 탐색 로봇은
    상기 탐색 로봇의 목표 위치로부터 작용하는 인력과, 상기 탐색 로봇이 감지한 장애물의 위치로부터 작용하는 척력의 합에 해당하는 방향으로 주행하는 것을 특징으로 하는 네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 시스템.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 베이스 로봇은
    전역 경로 계획(Global Path Planning)에 기초하여 상기 탐색 로봇의 주행에 따른 상기 중계 로봇의 중계 위치를 생성하는 위치생성모듈; 및
    생성된 중계위치를 상기 중계 로봇에 할당하는 위치할당모듈;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 전역 경로 계획은
    들로네(Delaunay) 삼각형의 무게중심을 이용하여 이웃하는 로봇들과 균등한 거리를 갖도록 상기 중계 로봇의 중계 위치를 생성하는 것을 특징으로 하는 네트워크 유지를 위한 군집 로봇의 행동 제어 시스템.
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