KR101436555B1 - 무인비행로봇의 인터넷 기반 원격제어 시스템 - Google Patents

무인비행로봇의 인터넷 기반 원격제어 시스템 Download PDF

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KR101436555B1 KR1020130073020A KR20130073020A KR101436555B1 KR 101436555 B1 KR101436555 B1 KR 101436555B1 KR 1020130073020 A KR1020130073020 A KR 1020130073020A KR 20130073020 A KR20130073020 A KR 20130073020A KR 101436555 B1 KR101436555 B1 KR 101436555B1
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이동준
하창수
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Abstract

본 발명은 슬레이브컴퓨터(500)의 제어신호에 따라 비행을 하는 무인비행로봇(100); 상기 무인비행로봇(100)의 원격조정을 위한 위치정보를 생성하는 햅틱장치(200); 상기 무인비행로봇(100)의 모션정보를 감지하는 모션캡쳐장치(300); 상기 햅틱장치(200)와 유선 또는 무선으로 연결되어 상기 햅틱장치(200)에서 생성된 위치정보를 전달받고, 인터넷을 통하여 후술하는 슬레이브컴퓨터(500)로 위치정보를 전송하는 마스터컴퓨터(400); 및, 상기 모션캡쳐장치(300)와 유선 또는 무선으로 연결되어 상기 모션캡쳐장치(300)에서 감지한 모션정보를 전달받고, 상기 마스터컴퓨터(400)로부터 전송받은 위치정보 및 상기 모션캡쳐장치(300)로부터 전달받은 모션정보를 이용하여 상기 무인비행로봇(100)의 비행을 제어하는 제어신호를 연산하여 무선통신의 방법으로 상기 무인비행로봇(100)으로 전송하는 슬레이브컴퓨터(500);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 무인비행로봇의 인터넷 기반 원격제어 시스템에 관한 것이다.

Description

무인비행로봇의 인터넷 기반 원격제어 시스템{Internet based Teleoperation System of UAV}
본 발명은 무인비행로봇을 원격지에서도 제어할 수 있는 인터넷 기반 원격제어 시스템에 관한 것으로서 무인비행로봇이 추종하는 가상점(virtual point)과 장애물 사이에 잠재함수를 사용하여 충돌을 회피하고, 인터넷 통신 환경에서 수반되는 패킷손실과 지연문제를 해결하여 안정적인 햅틱장치의 운용을 가능하게 함을 특징으로 한다.
무인비행로봇을 원격제어하는 시스템은 이미 다양하게 제시되고 있는데, 구체적인 예시를 살펴보면 다음과 같다.
미국 특허출원(US 11/041831, NAVIGATING A UAV WITH OBSTACLE AVOIDANCE ALGORITHMS)의 경우 도1에 도시된 바와 같이 GPS데이터를 읽어들이는 수단; 연속적인 GPS데이터로부터 무인기가 나아갈 비행 경로 상의 미래 위치를 예측하는 수단; 무인기의 미래 위치로부터 비행 경로 상에 존재하는 장애물을 확인하는 수단; 장애물을 회피하기 위한 알고리즘을 선택하는 수단; 및 선택된 알고리즘에 따라 무인기를 조정하는 수단;을 포함하여 구성되며, 무인기를 조종하는 수단은 비행 경로 상의 중간 위치를 확인하는 수단; 중간 위치를 통과하도록 조종하는 수단; 및 최초 목표점을 향하도록 새롭게 무인기의 진행 방향을 조종하는 수단;을 포함하게 된다.
국내 특허출원(10-2009-0135729, 무인 비행체 원격 제어 시스템 및 방법)의 경우 도2에 도시된 바와 같이 무인 비행체 원격 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 무인 비행체(400)의 상태 정보를 받고 명령 정보를 전송하는 지상 통신 제어부(110) 및 영상 신호를 처리하는 지상 영상 처리부(130)를 포함하는 지상통신 제어장치(100); 무인 비행체(400)의 명령 정보를 생성하는 지상 통제부(220), 지상 통신 제어부(110)와 인터넷(300)을 통하여 연결되어 상태 정보 및 명령 정보를 송수신하는 관제 통신 제어부(210), 및 관제 영상 정보를 획득하고 무인 비행체 또는 지상 영상 처리부(130)에서 생성된 영상 신호를 재생하는 관제 영상 처리부(230)를 포함하는 지상관제 장치(200);로 구성되어 원격지에 있는 조종사가 인터넷에 접속된 지상관제 장치(200)를 이용하여 지상통신 제어 장치(100)에 연결된 무인 비행체(400)에 대한 점검 및 제어를 수행한다.
이러한 선행기술의 경우 햅틱장치 또는 인터넷 통신을 활용하고 있으나 무인비행로봇과 주변 장애물의 충돌을 회피하도록 가상점(virtual point)과 주변 장애물 사이에 일정한 거리가 유지되도록 잠재함수를 설정하여 제어하는 기술, 및 무인비행로봇의 속도정보, 주변 장애물과의 척력 정보와 무인비행로봇으로부터의 불연속적 측정 정보를 과도한 에너지 변화가 없도록 조절하는 알고리즘을 이용하여 인터넷기반 통신환경에서도 안정적인 햅틱 장치 운용을 가능하게 하는 기술은 선행기술들에 구체적으로 제시되지 않고 있다.
상기한 바와 같은 선행기술의 한계점을 극복하기 위하여 창작된 본 발명은 무인비행로봇과 주변 장애물의 충돌을 회피하도록 가상점(virtual point)과 주변 장애물 사이에 일정한 거리가 유지되도록 잠재함수를 설정하여 제어하고, 인터넷 전송 과정에서 수반되는 불연속적인 신호를 과도한 에너지 변화가 없도록 조절하는 알고리즘을 이용하여 인터넷기반 통신환경에서도 안정적인 햅틱 장치 운용이 가능하도록 함을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 창작된 본 발명의 기술적 구성은 다음과 같다.
본 발명은 슬레이브컴퓨터(500)의 제어신호에 따라 비행을 하는 무인비행로봇(100); 상기 무인비행로봇(100)의 원격조정을 위한 위치정보를 생성하는 햅틱장치(200); 상기 무인비행로봇(100)의 모션정보를 감지하는 모션캡쳐장치(300); 상기 햅틱장치(200)와 유선 또는 무선으로 연결되어 상기 햅틱장치(200)에서 생성된 위치정보를 전달받고, 인터넷을 통하여 후술하는 슬레이브컴퓨터(500)로 위치정보를 전송하는 마스터컴퓨터(400); 및, 상기 모션캡쳐장치(300)와 유선 또는 무선으로 연결되어 상기 모션캡쳐장치(300)에서 감지한 모션정보를 전달받고, 상기 마스터컴퓨터(400)로부터 전송받은 위치정보 및 상기 모션캡쳐장치(300)로부터 전달받은 모션정보를 이용하여 상기 무인비행로봇(100)의 비행을 제어하는 제어신호를 연산하여 무선통신의 방법으로 상기 무인비행로봇(100)으로 전송하는 슬레이브컴퓨터(500);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 구성에 따르면 가상점(virtual point)과 주변 장애물 사이에 일정한 거리가 유지되도록 잠재함수를 설정하여 제어함으로써 무인비행로봇과 주변 장애물의 충돌을 효과적으로 회피하고, 인터넷 전송 과정에서 수반되는 불연속적인 신호를 과도한 에너지 변화가 없도록 조절하는 알고리즘을 이용하여 인터넷기반 통신환경에서도 안정적인 햅틱 장치 운용이 가능하다.
도1 및 도2는 종래 기술의 실시예를 도시한다.
도3은 본 발명의 구체적 실시예에 따른 구성을 도시한다.
이하에서는 본 발명의 구체적 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명은 무인비행로봇의 안정적인 비행을 제어하는 시스템에 관한 것으로서, 슬레이브컴퓨터(500)의 제어신호에 따라 비행을 하는 무인비행로봇(100); 상기 무인비행로봇(100)의 원격조정을 위한 위치정보를 생성하는 햅틱장치(200); 상기 무인비행로봇(100)의 모션정보를 감지하는 모션캡쳐장치(300); 상기 햅틱장치(200)와 유선 또는 무선으로 연결되어 상기 햅틱장치(200)에서 생성된 위치정보를 전달받고, 인터넷을 통하여 후술하는 슬레이브컴퓨터(500)로 위치정보를 전송하는 마스터컴퓨터(400); 상기 모션캡쳐장치(300)와 유선 또는 무선으로 연결되어 상기 모션캡쳐장치(300)에서 감지한 모션정보를 전달받고, 상기 마스터컴퓨터(400)로부터 전송받은 위치정보 및 상기 모션캡쳐장치(300)로부터 전달받은 모션정보를 이용하여 상기 무인비행로봇(100)의 비행을 제어하는 제어신호를 연산하여 무선통신의 방법으로 상기 무인비행로봇(100)으로 전송하는 슬레이브컴퓨터(500);를 포함하여 구성된다.
무인비행로봇(100)은 다양한 종류가 사용될 수 있는데, 무인비행로봇(100)에는 외부로부터 제어신호를 수신하는 제어신호 수신부, 수신된 제어신호에 따라 무인비행로봇의 자세와 추력을 제어하는 제어부, 추력을 발생시키는 동력장치 및 자세 제어 장치 등이 구비되어야 하는데, 이에 관하여는 이미 상용화된 제품 사용이 가능한 바 별도의 자세한 설명은 생략한다.
본 발명의 구체적 실시예에서는 회전4익(quadrotor) 무인비행체를 사용하는데, 회전4익의 경우 비행체에 구비된 4개의 로터를 이용하여 필요한 추력 발생 및 자세 제어가 가능하다.
모션캡쳐장치(300)는 무인비행로봇(100)의 모션정보를 감지하는 역할을 한다. 이러한 모션캡쳐장치(300)에는 무인비행로봇(100)의 모션정보(위치, 속도, 회전)를 감지하기 위한 카메라가 사용되는데, 적외선엘이디(LED)가 구비된 다수 개의 카메라로 이루어지며, 적외선엘이디에서 나온 적외선이 무인비행로봇(100)에 반사되어 돌아오는 정보를 이용하여 무인비행로봇(100)의 위치, 속도 및 회전각속도를 감지하게 된다.
햅틱장치(200)는 무인비행로봇(100)의 원격조정을 위한 위치정보를 생성하는 원격조정기 역할을 하는데, 햅틱장치(200)를 작동시키면 이에 따라 무인비행로봇(100)이 추종해야 할 위치정보(3차원 벡터)가 생성된다. 햅틱장치(200)는 현재 상용화된 제품 가운데 적절한 것을 선택하면 되며, 햅틱장치(200)의 구성에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
마스터컴퓨터(400)는 햅틱장치(200)와 유선 또는 무선으로 연결되어 햅틱장치(200)에서 생성된 위치정보를 전달받고, 인터넷을 통하여 슬레이브컴퓨터(500)로 위치정보를 전송하는 역할을 하는데, 인터텟 통신이 가능한 일반적인 PC가 활용될 수 있다.
슬레이브컴퓨터(500)는 모션캡쳐장치(300)와 유선 또는 무선으로 연결되어 모션캡쳐장치(300)에서 감지한 모션정보를 전달받는다. 즉 모션캡쳐장치(300)에서 감지한 무인비행로봇(100)의 위치, 속도, 및 회전각속도를 전달받게 된다.
슬레이브컴퓨터(500)는 마스터컴퓨터(400)로부터 전송받은 햅틱장치(200)의 위치정보 및 모션캡쳐장치(300)로부터 전달받은 모션정보를 이용하여 무인비행로봇(100)의 비행을 제어하는 제어신호를 연산하여 무선통신의 방법으로 무인비행로봇(100)으로 전송하게 되는데, 마스터컴퓨터(400)에서 슬레이브컴퓨터(500)로 햅틱장치(200)의 연속적인 위치정보가 인터넷을 통하여 전송되는 과정에서 패킷손실(packet loss) 및 지연(delay)으로 인하여 이산화(discrete)되어 불연속적인 위치정보로 변하게 되는 바, 먼저 인터넷 전송 과정에서 이산화된 불연속적인 위치정보를 평활(smoothing)하여 연속적인 위치정보를 산출하는 필터링 과정을 거치게 된다.
즉, 슬레이브컴퓨터(500)는 필터링을 거친 연속적인 위치정보 및 모션캡쳐장치(300)에서 전달된 모션정보를 이용하여 무인비행로봇(100)의 추력(λ), x축 회전각속도(ω1), 및 y 축 회전각속도(ω2)를 포함하는 제어신호를 연산하여 무인비행로봇(100)으로 전송하게 된다.
슬레이브컴퓨터(500)에서 이루어지는 연산 과정은 다음과 같다.
먼저 햅틱장치(200)가 생성하는 연속적인 위치정보가 q(t)이고, 이러한 위치정보 q(t)가 마스터컴퓨터(400)에서 슬레이브컴퓨터(500)로 인터넷 전송 과정에서 이산화된 불연속적인 위치정보는 q(k)라고 하면 슬레이브컴퓨터(500)는 이러한 불연속적인 위치정보 q(k)를 평활(smoothing)하여 연속적인 위치정보(
Figure 112013056724653-pat00001
)를 산출하게 되는데, 관계식은 다음과 같다.
Figure 112013056724653-pat00002
여기서,
b'는 속도와 관련된 게인(gain)이고, k'는 위치와 관련된 게인(gain)인데, 셋팅시 실험적으로 적절한 수치를 사용하게 된다.
이러한 과정을 통하여 연속적인 위치정보(
Figure 112013056724653-pat00003
)가 산출되면 슬레이브컴퓨터(500)는 아래의 관계식을 이용하여 무인비행로봇(100)이 추종하는 가상점(virtual point)의 속도(
Figure 112013056724653-pat00004
)를 산출한다.
Figure 112013056724653-pat00005
여기서 ,
Figure 112013056724653-pat00006
는 스케일 상수
Figure 112013056724653-pat00007
는 외부 장애물과의 척력
p 는 가상점의 위치
p o 는 미리 알고 있는 장애물의 위치
를 의미하는데, 외부 장애물과의 척력은 가상점의 위치(p)가 장애물의 위치(p o ) 에 접근할수록 증가되어 무인비행로봇(100)이 추종하는 가상점의 속도(
Figure 112013056724653-pat00008
)가 감소되며 충돌이 회피된다.
본 발명의 구체적 실시예에서 사용된 무인비행로봇(100)은 회전4익(quadrotor) 무인비행체로서 움직임은 6자유도이나 제어 가능한 액츄에이터는 4개로 언더액츄에이터 시스템(under-actuated system)이다. 따라서 간단한 선형 제어기를 바로 적용할 수 없는 바, 언더액츄에이터 시스템의 피드백 제어기 설계에 많이 사용되는 대표적인 비선형 제어기법인 백스탭핑방법(backstepping)을 사용하여 다음과 같은 제어기를 정의한다.
Figure 112013056724653-pat00009
여기서
Figure 112013056724653-pat00010
는 무인비행로봇(100)의 일반적인 역학식을 의미하고,
Figure 112013056724653-pat00011
는 언더액츄에이터 시스템으로 인하여 발생하는 제어 에러를 의미한다.
이러한 제어기 정의에 따른 무인비행로봇(100)의 추력(λ), 무인비행로봇 좌표계에서 x축 회전각속도(ω1) 및 y축 회전각속도(ω2)는 다음과 같은 관계식에서 산출된다. 여기서 x축과 y축은 무인비행로봇 좌표계의 아랫방향(z축)과 수직한 평면상에서 직교하는 임의의 2개 축을 의미하는데, 일반적으로 x축은 종방향으로, y축은 횡방향으로 지정된다.
Figure 112013056724653-pat00012
여기서,
Figure 112013056724653-pat00013
는 관성좌표계에 대한 무인비행로봇 좌표계의 회전행렬의 전치행렬
Figure 112013056724653-pat00014
,
Figure 112013056724653-pat00015
,
Figure 112013056724653-pat00016
는 게인(gain)이며,
Figure 112013056724653-pat00017
＞0,
Figure 112013056724653-pat00018
＞0,
Figure 112013056724653-pat00019
/
Figure 112013056724653-pat00020
＞
Figure 112013056724653-pat00021
＞0
(
Figure 112013056724653-pat00022
은 무인비행로봇(100)의 질량,
Figure 112013056724653-pat00023
는 속도와 관련된 게인)
Figure 112013056724653-pat00024
는 모션캡쳐장치(300)에서 감지한 무인비행로봇(100)의 위치와 가상점 위치의 차이값
Figure 112013056724653-pat00025
는 모션캡쳐장치(300)에서 감지한 무인비행로봇(100)의 속도와 가상점 속도의 차이값
Figure 112013056724653-pat00026
=
Figure 112013056724653-pat00027
Figure 112013056724653-pat00028
은 무인비행로봇(100)의 질량
Figure 112013056724653-pat00029
는 모션캡쳐장치(300)에서 감지한 무인비행로봇(100)의 위치
Figure 112013056724653-pat00030
는 모션캡쳐장치(300)에서 감지한 무인비행로봇(100)의 속도
Figure 112013056724653-pat00031
는 무인비행로봇(100)이 추종하는 가상점의 위치
Figure 112013056724653-pat00032
는 무인비행로봇(100)이 추종하는 가상점의 속도
Figure 112013056724653-pat00033
는 무인비행로봇(100)이 추종하는 가상점의 가속도
Figure 112013056724653-pat00034
는 속도와 관련된 게인
Figure 112013056724653-pat00035
는 위치와 관련된 게인
을 의미한다.
슬레이브컴퓨터(500)에서 산출된 무인비행로봇(100)의 추력(λ), x축 회전각속도(ω1), 및 y 축 회전각속도(ω2)는 무선통신 수단을 이용하여 무인비행로봇(100)에 전달되고 무인비행로봇(100)은 슬레이브컴퓨터(500)로부터 전달된 제어신호에 따라 가상점을 추종하는 비행을 하게 된다.
슬레이브컴퓨터(500)는 모션캡쳐장치(300)에서 감지한 무인비행로봇(100)의 속도와 외부 장애물과의 척력을 이용한 피드백 정보를 생성하여 마스터컴퓨터(400)로 전송하고, 마스터컴퓨터(400)는 슬레이브컴퓨터(500)에서 마스터컴퓨터(400)로 인터넷 전송과정에서 이산화된 불연속적인 피드백 정보를 연속적인 피드백 정보로 평활(smoothing)하고, 평활(smoothing)된 연속적인 피드백 정보 및 햅틱장치(200)에서 전달된 위치정보를 이용하여 햅틱장치(200)로 피드백되는 힘 피드백 신호를 산출하는데, 구체적인 과정은 다음과 같다.
슬레이브컴퓨터(500)가 마스터컴퓨터(400)로 전송하는 피드백 정보는 아래의 관계식과 같다.
Figure 112013056724653-pat00036
여기서,
Figure 112013056724653-pat00037
는 피드백 정보
Figure 112013056724653-pat00038
는 모션캡쳐장치(300)에서 감지한 무인비행로봇(100)의 속도
를 의미하고,
Figure 112013056724653-pat00039
는 이미 살펴본 바와 같이 외부 장애물의 존재에 따른 척력을 의미한다.
이러한 피드백 정보도 인터넷 통신 과정에서 패킷 손실 및 지연으로 인하여 이산화된다. 이러한 이산화된 피드백 정보는 마스터컴퓨터(400)에서 PSPM(Passive-Set-Position-Modulation) 알고리즘에 의하여 과도한 에너지 변화가 없는 연속적인 피드백 정보로 조절(modulating))되는데, 구체적인 관계식은 다음과 같다.
Figure 112013056724653-pat00040
여기서,
Figure 112013056724653-pat00041
는 상기 마스터컴퓨터(400)로 인터넷 전송 과정에서 이산화된 불연속적인 피드백 정보
Figure 112013056724653-pat00042
는 상기 마스터컴퓨터(400)에서 PSPM 알고리즘에 의하여 조절(modulating)되는 연속적인 피드백 정보
Figure 112013056724653-pat00043
는
Figure 112013056724653-pat00044
가 들어온 현재의 시점에서 안정한
Figure 112013056724653-pat00045
를 구하기 위한 가상의 에너지 저장소의 에너지량
Figure 112013056724653-pat00046
는
Figure 112013056724653-pat00047
가 들어오기 이전 단계의 가상의 에너지 저장소의 에너지량
Figure 112013056724653-pat00048
는 햅틱장치의 마찰과 같은 댐핑(damping)으로 소멸된 에너지
Figure 112013056724653-pat00049
는
Figure 112013056724653-pat00050
의 이산화에 기인한 에너지 점핑(jumping)에 의한 에너지 상승
을 의미하는데,
Figure 112013056724653-pat00051
에 관한 식이 만족되는 조건에서
Figure 112013056724653-pat00052
와
Figure 112013056724653-pat00053
의 차이가 최소가 되는
Figure 112013056724653-pat00054
를 선택하게 된다.
아울러
Figure 112013056724653-pat00055
는,
Figure 112013056724653-pat00056
가 되는데, 여기서,
Figure 112013056724653-pat00057
는
Figure 112013056724653-pat00058
가 들어온 시간
Figure 112013056724653-pat00059
는
Figure 112013056724653-pat00060
가 들어온 시간
Figure 112013056724653-pat00061
는 게인행렬
Figure 112013056724653-pat00062
의 i번째 성분
Figure 112013056724653-pat00063
는
Figure 112013056724653-pat00064
와
Figure 112013056724653-pat00065
사이에 들어온
Figure 112013056724653-pat00066
중 가장 큰 값의 i번째 성분
Figure 112013056724653-pat00067
는
Figure 112013056724653-pat00068
와
Figure 112013056724653-pat00069
사이에 들어온
Figure 112013056724653-pat00070
중 가장 작은 값의 i번째 성분
을 의미하고,
Figure 112013056724653-pat00071
는,
Figure 112013056724653-pat00072
가 된다.
마스터컴퓨터(400)에서 산출하는 힘 피드백 정보는 다음과 같다.
Figure 112013056724653-pat00073
여기서
Figure 112013056724653-pat00074
는 힘 피드백 정보
Figure 112013056724653-pat00075
는 햅틱장치(200)가 생성하는 위치정보
Figure 112013056724653-pat00076
는 햅틱장치(200)가 생성하는 속도정보
Figure 112013056724653-pat00077
는 마스터컴퓨터(400)에서 PSPM 알고리즘에 의하여 조절(modulating)되는 연속적인 피드백 정보
Figure 112013056724653-pat00078
,
Figure 112013056724653-pat00079
, 및
Figure 112013056724653-pat00080
는 각각 게인(gain)행렬
을 의미한다.
여기서
Figure 112013056724653-pat00081
와
Figure 112013056724653-pat00082
는 햅틱장치(200) 자체의 안정화에 도움이 되는 게인인데,
Figure 112013056724653-pat00083
와
Figure 112013056724653-pat00084
가 너무 높이면 사용자가 햅틱장치(200)가 뻑뻑해진 것을 느끼게 되고 조종하기 힘들어지며, 반대로 너무 낮으면 장치가 너무 가벼워져 역시 조종하기 힘들어진다. 따라서 실험적으로 적당한 값을 선택하여 셋팅하게 된다.
Figure 112013056724653-pat00085
는 신호
Figure 112013056724653-pat00086
와 관련성이 있으므로
Figure 112013056724653-pat00087
를 올리면 무인비행로봇(100)의 속도 및 장애물 정보를 보다 크게 느끼게 되고, 낮추면 해당 정보를 작게 느끼게 된다. 그렇다고 너무 크게 설정하면 무인비행로봇(100)이 장애물에 접근할 경우 너무 큰 힘이 사람에게 전달될 수 있으므로 이 역시 실험적으로 적당한 값을 선택하여 셋팅하게 된다.
이와 같은 방법으로 힘 피드백 정보가 햅틱장치(200)로 전달됨에 따라 불연속적인 정보에 따른 햅틱장치(200)의 불안정한 동작을 방지하여 햅틱장치(200)의 안정화를 이루며 원활한 조종이 가능하게 된다.
본 발명의 구체적 실시예에 사용된 PSPM 알고리즘의 이론적 배경은 아래의 논문을 참조하면 보다 상세히 알 수 있다.
<논문 정보>
저자: 이동준(Lee, Dongjun) 외 1인
논문명: "Passive-set-position-modulation framework for interactive robotic systems."
저널명: Robotics, IEEE Transactions on 26.2 (2010): 354-369.
웹사이트:http://ieeexplore.ieee.org/xpl/freeabs_all.jsp?arnumber=5422739&reason=concurrency
아울러, 본 발명의 구체적 실시예에 적용된 수식들의 이론적 배경은 아래의 논문을 참조하면 보다 상세히 알 수 있다.
저자: 이동준(Lee, Dongjun) 외 2인
논문명: "Backstepping Control of Quadrotor-Type UAVs and Its Application to Teleoperation over the Internet"
저널명: Intelligent Autonomous System 12 Volume 2 (2013) : 217-225
웹사이트:http://link.springer.com/book/10.1007/978-3-642-33932-5/page/2
상기한 바와 같이 본 발명의 구체적 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하였으나 본 발명의 보호범위가 반드시 이러한 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명의 기술적 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양한 설계변경, 공지기술의 부가나 삭제, 단순한 수치한정 등의 경우 본 발명의 보호범위에 속함을 분명히 한다.
100:무인비행로봇
200:햅틱장치
300:모션캡쳐장치
400:마스터컴퓨터
500:슬레이브컴퓨터

Claims (7)

  1. 후술하는 슬레이브컴퓨터(500)의 제어신호에 따라 비행을 하는 무인비행로봇(100);
    상기 무인비행로봇(100)의 원격조정을 위한 위치정보를 생성하는 햅틱장치(200);
    상기 무인비행로봇(100)의 모션정보를 감지하는 모션캡쳐장치(300);
    상기 햅틱장치(200)와 유선 또는 무선으로 연결되어 상기 햅틱장치(200)에서 생성된 위치정보를 전달받고, 인터넷을 통하여 후술하는 슬레이브컴퓨터(500)로 위치정보를 전송하는 마스터컴퓨터(400);
    상기 모션캡쳐장치(300)와 유선 또는 무선으로 연결되어 상기 모션캡쳐장치(300)에서 감지한 모션정보를 전달받고, 상기 마스터컴퓨터(400)로부터 전송받은 위치정보 및 상기 모션캡쳐장치(300)로부터 전달받은 모션정보를 이용하여 상기 무인비행로봇(100)의 비행을 제어하는 제어신호를 연산하여 무선통신의 방법으로 상기 무인비행로봇(100)으로 전송하는 슬레이브컴퓨터(500);
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 무인비행로봇의 인터넷 기반 원격제어 시스템.
  2. 제1항에서, 상기 슬레이브컴퓨터(500)는,
    상기 마스터컴퓨터(400)에서 상기 슬레이브컴퓨터(500)로 인터넷 전송 과정에서 이산화된 불연속적인 위치정보를 평활(smoothing)하여 연속적인 위치정보를 산출하고, 이러한 연속적인 위치정보 및 상기 모션캡쳐장치(300)에서 전달된 모션정보를 이용하여 상기 무인비행로봇(100)의 추력(λ), x축 회전각속도(ω1), 및 y 축 회전각속도(ω2)를 포함하는 제어신호를 연산하여 상기 무인비행로봇(100)으로 전송하는 것을 특징으로 하는 무인비행로봇의 인터넷 기반 원격제어 시스템.
  3. 제2항에서,
    상기 햅틱장치(200)가 생성하는 위치정보가 q(t)이고,
    상기 슬레이브컴퓨터(500)로 인터넷 전송 과정에서 이산화된 불연속적인 위치정보는 q(k)인 경우,
    상기 슬레이브컴퓨터(500)는 평활(smoothing)된 연속적인 위치정보(
    Figure 112013056724653-pat00088
    )를,
    Figure 112013056724653-pat00089

    여기서,
    b'는 속도와 관련된 게인(gain)
    k'는 위치와 관련된 게인(gain)
    라는 관계식으로 산출하는 것을 특징으로 하는 무인비행로봇의 인터넷 기반 원격제어 시스템.
  4. 제3항에서, 상기 슬레이브컴퓨터(500)는,
    상기 무인비행로봇(100)이 추종하는 가상점(virtual point)의 속도(
    Figure 112013056724653-pat00090
    )를,
    Figure 112013056724653-pat00091

    여기서 ,
    Figure 112013056724653-pat00092
    는 스케일 상수
    Figure 112013056724653-pat00093
    는 외부 장애물과의 척력
    p 는 가상점의 위치
    p o 는 미리 알고 있는 장애물의 위치
    라는 관계식으로 산출하고,
    상기 무인비행로봇(100)의 추력(λ), 무인비행로봇 좌표계의 x축 회전각속도(ω1) 및 y 축 회전각속도(ω2)를,
    Figure 112013056724653-pat00094

    여기서,
    Figure 112013056724653-pat00095
    는 관성좌표계에 대한 무인비행로봇 좌표계의 회전행렬의 전치행렬
    Figure 112013056724653-pat00096
    ,
    Figure 112013056724653-pat00097
    ,
    Figure 112013056724653-pat00098
    는 게인(gain)이며,
    Figure 112013056724653-pat00099
    ＞0,
    Figure 112013056724653-pat00100
    ＞0,
    Figure 112013056724653-pat00101
    /
    Figure 112013056724653-pat00102
    ＞
    Figure 112013056724653-pat00103
    ＞0
    (
    Figure 112013056724653-pat00104
    은 무인비행로봇(100)의 질량,
    Figure 112013056724653-pat00105
    는 속도와 관련된 게인)
    Figure 112013056724653-pat00106
    는 모션캡쳐장치(300)에서 감지한 무인비행로봇(100)의 위치와 가상점 위치의 차이값
    Figure 112013056724653-pat00107
    는 모션캡쳐장치(300)에서 감지한 무인비행로봇(100)의 속도와 가상점 속도의 차이값
    Figure 112013056724653-pat00108
    =
    Figure 112013056724653-pat00109

    Figure 112013056724653-pat00110
    는 무인비행로봇(100)의 질량
    Figure 112013056724653-pat00111
    는 모션캡쳐장치(300)에서 감지한 무인비행로봇(100)의 위치
    Figure 112013056724653-pat00112
    는 모션캡쳐장치(300)에서 감지한 무인비행로봇(100)의 속도
    Figure 112013056724653-pat00113
    는 무인비행로봇(100)이 추종하는 가상점의 위치
    Figure 112013056724653-pat00114
    는 무인비행로봇(100)이 추종하는 가상점의 속도
    Figure 112013056724653-pat00115
    는 무인비행로봇(100)이 추종하는 가상점의 가속도
    Figure 112013056724653-pat00116
    는 속도와 관련된 게인
    Figure 112013056724653-pat00117
    는 위치와 관련된 게인
    라는 관계식으로 산출하는 것을 특징으로 하는 무인비행로봇의 인터넷 기반 원격제어 시스템.
  5. 제4항에서, 상기 슬레이브컴퓨터(500)는,
    상기 모션캡쳐장치(300)에서 감지한 무인비행로봇(100)의 속도와 외부 장애물과의 척력을 이용한 피드백 정보를 생성하여 상기 마스터컴퓨터(400)로 전송하고,
    상기 마스터컴퓨터(400)는 상기 슬레이브컴퓨터(500)에서 상기 마스터컴퓨터(400)로 인터넷 전송과정에서 이산화된 불연속적인 피드백 정보를 연속적인 피드백 정보로 평활(smoothing)하고, 평활(smoothing)된 연속적인 피드백 정보 및 상기 햅틱장치(200)에서 전달된 위치정보를 이용하여 상기 햅틱장치(200)로 피드백되는 힘 피드백 신호를 산출하는 것을 특징으로 하는 무인비행로봇의 인터넷 기반 원격제어 시스템.
  6. 제5항에서,
    상기 슬레이브컴퓨터(500)가 상기 마스터컴퓨터(400)로 전송하는 피드백 정보는,
    Figure 112013056724653-pat00118

    여기서,
    Figure 112013056724653-pat00119
    는 피드백 정보
    Figure 112013056724653-pat00120
    는 모션캡쳐장치(300)에서 감지한 무인비행로봇(100)의 속도
    이고,
    상기 마스터컴퓨터(400)에서 평활(smoothing)되는 연속적인 피드백 정보는,
    Figure 112013056724653-pat00121

    여기서,
    Figure 112013056724653-pat00122
    는 상기 마스터컴퓨터(400)로 인터넷 전송 과정에서 이산화된 불연속적인 피드백 정보
    Figure 112013056724653-pat00123
    는 상기 마스터컴퓨터(400)에서 PSPM 알고리즘에 의하여 조절(modulating)되는 연속적인 피드백 정보
    Figure 112013056724653-pat00124
    는
    Figure 112013056724653-pat00125
    가 들어온 현재의 시점에서 안정한
    Figure 112013056724653-pat00126
    를 구하기 위한 가상의 에너지 저장소의 에너지량
    Figure 112013056724653-pat00127
    는
    Figure 112013056724653-pat00128
    가 들어오기 이전 단계의 가상의 에너지 저장소의 에너지량
    Figure 112013056724653-pat00129
    는 햅틱장치의 마찰과 같은 댐핑(damping)으로 소멸된 에너지
    Figure 112013056724653-pat00130
    는
    Figure 112013056724653-pat00131
    의 이산화에 기인한 에너지 점핑(jumping)에 의한 에너지 상승
    이고,
    상기 마스터컴퓨터(400)에서 산출하는 힘 피드백 정보는,
    Figure 112013056724653-pat00132

    여기서
    Figure 112013056724653-pat00133
    는 힘 피드백 정보
    Figure 112013056724653-pat00134
    는 햅틱장치(200)가 생성하는 위치정보
    Figure 112013056724653-pat00135
    는 햅틱장치(200)가 생성하는 속도정보
    Figure 112013056724653-pat00136
    는 마스터컴퓨터(400)에서 평활(smoothing)되는 연속적인 피드백 정보
    Figure 112013056724653-pat00137
    ,
    Figure 112013056724653-pat00138
    , 및
    Figure 112013056724653-pat00139
    는 각각 게인(gain)행렬
    인 것을 특징으로 하는 무인비행로봇의 인터넷 기반 원격제어 시스템.
  7. 제6항에서,
    Figure 112013056724653-pat00140
    는,
    Figure 112013056724653-pat00141

    여기서,
    Figure 112013056724653-pat00142
    는
    Figure 112013056724653-pat00143
    가 들어온 시간
    Figure 112013056724653-pat00144
    는
    Figure 112013056724653-pat00145
    가 들어온 시간
    Figure 112013056724653-pat00146
    는 게인행렬
    Figure 112013056724653-pat00147
    의 i번째 성분
    Figure 112013056724653-pat00148
    는
    Figure 112013056724653-pat00149
    와
    Figure 112013056724653-pat00150
    사이에 들어온
    Figure 112013056724653-pat00151
    중 가장 큰 값의 i번째 성분
    Figure 112013056724653-pat00152
    는
    Figure 112013056724653-pat00153
    와
    Figure 112013056724653-pat00154
    사이에 들어온
    Figure 112013056724653-pat00155
    중 가장 작은 값의 i번째 성분
    이고,
    Figure 112013056724653-pat00156
    는,
    Figure 112013056724653-pat00157

    인 것을 특징으로 하는 무인비행로봇의 인터넷 기반 원격제어 시스템.
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