KR102487374B1 - 무인이동체 이동경로 설정방법 및 설정장치 - Google Patents

Abstract

시작벡터와 도착벡터를 설정하는 위치설정단계, 상기 시작벡터가 포함되는 시작원과 상기 도착벡터가 포함되는 도착원을 설정하는 원설정단계 및 상기 시작원 및 상기 도착원과 접하는 이동선을 설정하는 이동선설정단계를 포함하는 무인이동체 이동경로 설정방법이 개시된다.

Description

무인이동체 이동경로 설정방법 및 설정장치{METHOD OF MAKING TRACK FOR AUTONOMOUS VEHICLE AND DEVICE OF THE SAME}

본 발명은 무인이동체의 이동경로를 설정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

특히 비홀로노믹 특성을 가지는 무인이동체의 이동경로를 설정할 수 있는 방법 및 장치에 관한 것이다.

무인이동체는 미국을 중심으로 기술이 발전하였으며, 컴퓨터 기술의 발전과, 민군의 접근 및 이용성이 증가되면서 급속한 발전을 하고 있다. 최근에는 무인이동체를 이용하여 수중의 해저 지형 탐사 작업에 활용되고 있다.

무인이동체는 홀로노믹 특성, 비홀로노믹 특성을 가질 수 있다. 홀로노믹과 비홀로노믹(Holonomic & Non Holonomic)은 무인이동체의 구속조건을 의미할 수 있다.

홀로노믹은 이동 방향에 제약이 없는 것을 의미한다. 따라서 홀로노믹 특성의 무인이동체는 모션 제어가 쉬울 수 있다. 비홀로노믹은 순간적으로 특정 방향으로 이동할 수 없는 것을 의미한다. 당연하게도 비홀로노믹 특성을 가지는 무인이동체는 모션 제어가 다소 어려울 수 있다. 대부분의 무인이동체는 비홀로노믹 특성을 가지며, 이의 일례로는 어뢰형자율잠수정이 있다.

한편, 최근에는 무인이동체를 도킹 스테이션에 도킹하는 기술에 대한 관심이 급증하고 있다. 무인이동체는 무인으로 동작되며 탐사로 취득된 데이터를 관제서버로 전송하여야 하는데 무인이동체를 도킹 스테이션에 도킹하는 것은 이것들을 한 번에 해결할 수 있다.

무인이동체를 도킹 스테이션에 도킹하는 기술에 대한 관심이 급겹하게 증가함에 따라 무인이동체의 경로 추적 또는 설계에 대한 기술도 역시 마찬가지로 급격한 관심을 받고 있다. 무인이동체의 도킹 스테이션 도킹하는 것은 무인이동체의 정교한 위치 제어를 통하여 가능하기 때문이다.

그러나 전술한 바와 같이, 대부분의 무인이동체는 비홀로노믹 특성을 가지므로, 모션 제어가 어려운 바, 이동경로 설계 및 추적이 어려운 문제점이 있었다. 이 문제점을 고려하여 종래에는 무인이동체의 이동경로 설계 및 추적에 LOS(Line Of Sight) 기법을 활용하고는 하였다. 이 기법은 경로점들을 미리 알고 있을 때, 경로점을 연결하는 직선을 추종하기 위한 선수각을 도출하는 알고리즘이다.

LOS는 간결성 때문에 활용도가 높지만, (i) 직선 궤적 이외에는 추종이 어렵다는 점, (ii) 수용원의 반경을 사전에 설정하여야 한다는 점, (iii) 수용원과 직선 교점이 없는 경우 처리가 문제되는 점, (iv) 직선이 원 내부에 위치된 경우 처리의 문제점, (iv) 직선 궤적을 지속적으로 업데이트 하여야 한다는 점, (v) 경로점이 변경될 때, 선수각 경로 계획 값이 연속되지 않게 변화된다는 점 등의 문제점이 발생되었다.

이에 새로운 무인이동체 이동 경로 설계 및 추적 알고리즘에 대한 필요의 목소리가 높아지고 있는 실정이다.

국내 등록특허 등록번호 10-1370649

본 발명은 전술한 LOS 방식의 문제점을 해결한 무인이동체 이동경로 설정방법 및 그 장치를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 비홀로노믹 특성을 가지는 무인이동체에 특화된 이동경로 설정방법 및 그 장치를 제공하는데 목적이 있다.

무인이동체 이동경로 설정방법은 시작벡터와 도착벡터를 설정하는 위치설정단계, 상기 시작벡터가 포함되는 시작원과 상기 도착벡터가 포함되는 도착원을 설정하는 원설정단계 및 상기 시작원 및 상기 도착원과 접하는 이동선을 설정하는 이동선설정단계를 포함한다.

상기 원설정단계 이전에, 상기 시작벡터와 이격된 위치에 상기 시작원의 중심위치를 설정하고, 상기 도착벡터와 이격된 위치에 상기 도착원의 중심위치를 설정하는 중심위치설정단계를 더 포함한다.

상기 원설정단계는 상기 시작원의 회전방향을 설정하는 시작방향설정단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 원설정단계는 상기 도착원의 회전방향을 설정하는 도착방향설정단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 이동선설정단계에서 상기 이동선은 시작원과 접하는 지점에서 도착원과 접하는 지점으로 방향성을 가지며, 상기 이동선은 상기 시작원의 회전방향과 상기 도착원의 회전방향을 거스르지 않는 위치에서 상기 시작원과 상기 도착원에 접하도록 설정되는 것을 특징으로 한다.

상기 시작원의 회전방향이 일방향이고, 상기 도착원의 회전방향이 상기 일방향과 반대되는 타방향이며, 상기 시작원과 상기 도착원이 적어도 두 지점에서 맞닿게 되는 경우에는 이동선을 설정할 수 없는 에러판단단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

무인이동체 이동경로 설정장치는 시작벡터와 도착벡터를 설정하는 위치설정부, 상기 시작벡터가 둘레에 위치되는 시작원과 도착벡터가 둘레에 위치되는 도착원을 설정하는 원설정부 및 상기 시작원과 상기 도착원에 접하는 이동선을 설정하는 이동선설정부를 포함한다.

상기 원설정부는 상기 시작원의 회전방향과 상기 도착원의 회전방향을 설정하는 것을 특징으로 한다.

상기 이동선설정부는 이동선이 시작원과 접하는 지점에서 도착원과 접하는 지점으로 방향성을 가지며, 상기 이동선은 상기 시작원의 회전방향과 상기 도착원의 회전방향을 거스르지 않는 위치에서 상기 시작원과 상기 도착원에 접하도록 설정하는 것을 특징으로 한다.

상기 시작원의 회전방향이 일방향이고, 상기 도착원의 회전방향이 상기 일방향과 반대되는 타방향이며, 상기 시작원과 상기 도착원의 둘레가 적어도 한 지점에서 맞닿게 되는 경우에는 이동선을 설정할 수 없는 에러신호를 생성하는 경로에러판단부를 더 포함한다.

본 발명은 무인이동체의 이동경로를 정교하게 설정할 수 있다.

특히나 본 발명은 비홀로노믹 특성을 가지는 무인이동체의 이동경로의 설계 또는 추적을 정교하게 할 수 있다.

도 1은 본 발명인 무인이동체 이동경로 설정방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명에서 원의 중심위치와 반지름의 중요성을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에서 그려지는 원이 경우의 수를 가지고 있음을 도시한 것이다.
도 4는 (a)는 시작원과 도착원에 동시에 접하는 이동선을 복수개 도시한 것이고, (b)는 (a)에서 설정될 수 없는 이동선을 도시한 것이며, (c)는 (a)에서 설정될 수 있는 이동선을 도시한 것이다.
도 5는 회전방향이 다른 시작원과 도착원이 한 지점에서 맞닿는 경우 이동선이 설정될 수 있음을 도시한 것이다.
도 6은 회전방향이 다른 시작원과 도착원이 두 지점에서 맞닿는 경우 이동선이 설정될 수 없음을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명인 무인이동체 이동경로 설정장치의 구성의 블록도이다.

이하, 본 발명의 일실시예를 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 그러나 이는 본 발명의 범위를 한정하려고 의도된 것은 아니다.

각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 것일 뿐이고, 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.

이하에서 기술되는 무인이동체는 비홀로노믹(Non Holonomic) 특성을 가진다. 즉, 이하에서 기술되는 무인이동체는 일례로 후방에 동력발생원이 배치되어 무인이동체를 일방향으로 이동시키며, 동력발생원의 각도가 변화되어 이동을 한다. 따라서 무인이동체는 직선방향 또는 유선방향으로 이동된다.

도 1은 본 발명인 무인이동체 이동경로 설정방법의 순서도이다.

도 2는 본 발명에서 원의 중심위치와 반지름의 중요성을 도시한 것이다.

도 3은 본 발명에서 그려지는 원이 경우의 수를 가지고 있음을 도시한 것이다.

도 4는 (a)는 시작원과 도착원에 동시에 접하는 이동선을 복수개 도시한 것이고, (b)는 (a)에서 설정될 수 없는 이동선을 도시한 것이며, (c)는 (a)에서 설정될 수 있는 이동선을 도시한 것이다.

도 5는 회전방향이 다른 시작원과 도착원이 한 지점에서 맞닿는 경우 이동선이 설정될 수 있음을 도시한 것이다.

도 6은 회전방향이 다른 시작원과 도착원이 두 지점에서 맞닿는 경우 이동선이 설정될 수 없음을 도시한 것이다.

본 발명인 무인이동체 이동경로 설정방법은 위치설정단계(S1), 원설정단계(S2), 이동선설정단계(S3)를 포함한다.

위치설정단계(S1)는 시작벡터와 도착벡터를 설정하는 단계이다.

무인이동체의 이동경로는 2차원 좌표 평면에서 설정될 수 있다. 시작벡터는 무인이동체가 이동하기 전의 위치를 의미한다. 도착벡터는 무인이동체가 이동한 후 위치되는 최종 위치를 의미한다. 여기서, 시작벡터와 도착벡터는 방향성을 가질 수 있다.

즉, 시작벡터와 도착벡터는 시점과 종점을 가지는 평면벡터 성분으로 표시될 수 있다.

원설정단계는 시작벡터의 시점이 둘레에 위치되는 시작원과 도착벡터의 시점이 둘레에 위치되는 도착원을 설정하는 단계이다. 시작원과 도착원은 반지름, 중심위치, 그리고 회전방향이 고려되어 설정된다.

무인이동체는 유선형 움직임이 가능하지만, 급격한 이동 각도 전환은 불가능할 것이다. 일례로 이동방향이 90도로 각도를 이루며 급격하게 변화되는 것은 불가능하다. 이러한 무인이동체의 특성을 고려하여 기설정된 크기 이상의 반지름을 가지도록 시작원 또는 도착원을 설정하여야 할 것이다. 만약 시작원과 도착원의 반지름이 매우 작으면 무인이동체는 90도에 준하는 이동을 한다고 이동경로가 설정되기 때문이다.

따라서 시작원과 도착원의 최소 크기의 반지름은 무인이동체의 종류가 고려되어 기설정되어 있을 수 있다.

이동선설정단계(S3)는 시작원과 도착원에 접하는 이동선을 설정하는 단계이다. 즉, 이동선은 일측이 시작원과 접하고, 타측이 도착원과 접한다. 이동선은 직선의 형태로 설정된다. 이동선도 역시 방향성을 갖는다. 이동선은 시작원에서 도착원을 향하는 방향을 갖는다.

본 발명은 위와 같은 방법으로 무인이동체의 이동경로를 설정할 수 있다. 무인이동체는 시작벡터의 시점에서 출발하여, 시작원의 둘레를 따라 이동선으로 이동한 후, 도착원의 둘레를 따라 이동한 후, 최종적으로 도착벡터로 도착할 수 있을 것이다.

본 발명은 중심위치설정단계(S4)를 더 포함할 수 있다.

중심위치설정단계(S4)는 시작원과 도착원의 중심위치를 설정하는 단계이다. 이는 전술한 바와 같이 무인이동체은 방향 전환 시 유선형 이동을 하기 때문이다.

중심위치설정단계(S4)에서는 무인이동체의 유선형 이동을 고려하여 시작벡터와 도착벡터로부터 이격된 위치가 설정되며, 시작벡터와 도착벡터의 방향을 고려하여 그려지는 시작원, 도착원의 방향을 고려하여 시작벡터, 도착벡터로부터 이격된 방향이 고려되어 설정된다.

일례로 도 3과 같은 경우, 시작벡터를 포함하는 시작원은 시계방향 또는 반시계방향을 가지도록 설정될 수 있을 것이다. 시계방향으로 시작원이 그려지는 경우, 중심위치는 시작벡터로부터 하부에 위치되며, 반시계방향으로 시작원이 그려지는 경우, 중심위치는 시작벡터로부터 상부에 위치될 것이다. 이는 도착원도 마찬가지인 바, 도착벡터와 이격된 중심위치도 마찬가지일 것이다.

이처럼 중심위치는 경우의 수를 가진다. 중심위치의 설정은 후술할 에러판단단계에서 이동경로 설정이 불가능하다고 판단되면 수정될 수 있다.

원설정단계(S2)는 시작원의 회전방향을 설정하는 시작방향설정단계, 도착원의 회전방향을 설정하는 도착방향설정단계를 포함한다.

시작방향설정단계는 시작원과 도착원의 회전방향은 시계(일방향) 또는 반시계(타방향)일 수 있을 것이다.

시작방향설정단계는 중심위치를 기준으로 설정된 반지름을 가지는 시작원과 도착원을 설정하되, 회전방향을 고려하여 시작원과 도착원을 설정한다.

본 발명이 이와 같은 단계를 거치는 이유는 방향성이 없는 경우 경로를 설정하는데는 문제가 없으나, 본 발명이 설정하는 무인이동체의 이동경로는 무인이동체의 지속적인 이동을 고려하는 방향성이 있는 경로 설정이기 때문이다.

이동경로 설정 시 방향성을 고려하지 않으면, 도 4의 (a)와 같이 시작원과 도착원에 접하는 이동선을 복수개 설정할 수 있다. 그러나 무인이동체의 이동을 고려하면 이동선의 수는 그렇지 않다. 일례로 시작원의 둘레인 A지점, C지점에서 시작되어 도착원에 접하는 이동선은 시작원이 반시계방향으로 회전되는 회전방향을 가지고, 도착원이 시계방향으로 회전방향을 가지면 이동선은 설정되어도 문제되지 않는다.

그러나 만약 도착원이 반시계방향으로 회전방향을 가지면 이 이동선은 설정될 수 없다. 왜냐하면, 이동선과 도착원이 접하는 지점에서 무인이동체는 급격하게 방향을 선회하여야 하는데 이는 물리적으로 불가능하기 때문이다. 즉, A지점에 이동선이 설정되면 도착원의 회전방향을 거스르고, C지점에서 이동선이 설정되면 시작원의 회전방향을 거스른다.

만약 도착원이 반시계방향으로 회전방향을 가지면, 시작원의 B지점에서 시작되는 이동선으로 설정됨이 바람직할 것이다. 이 경우, 무인이동체는 시작벡터에서 이동되어, 시작원의 둘레를 따라 이동 후, 이동선을 따라 이동한 후, 도착원의 둘레를 따라서 이동될 수 있기 때문이다.

이처럼 이동선설정단계에서 설정되는 이동선은 시작원의 회전방향과 도착원의 회전방향을 고려하여 설정되어져야 할 것이다. 그리고 이동선 자체의 방향성도 고려되어져야 한다.

또한, 본 발명은 에러판단단계(S5)를 포함한다.

에러판단단계(S5)는 무인이동체의 이동경로를 설계할 수 없는 경우를 판단하는 단계이다.

회전방향을 가지는 시작원과 도착원은 맞닿는 지점을 가질 수 있다. 즉, 도 6에서 도시된 바와 같이 시작벡터 도착벡터가 가깝게 위치되는 경우, 시작원과 도착원은 중첩되게 되어 적어도 두 지점에서 만나게 될 것이다.

이 경우, 본 발명은 시작원과 도착원이 두 지점에서 만나되, 시작원과 도착원의 회전방향이 상호 반대 방향인 경우(예를 들면 시작원의 회전방향은 반시계방향, 도착원의 회전방향은 시계방향)에 이동선을 설정할 수 없음으로 판단할 것이다.

이는 모든 경우의 수를 다 검토해본 결과, 회전방향을 가지는 두 원이 두 개의 접점을 가지는 경우에 회전방향을 거스르지 않으며 두 원과 동시에 접하는 이동선을 접할 수 없기 때문이다.

도 5와 같이 회전방향이 다른 시작원과 도착원이 한지점에서 만난다면, 만나는 그 지점에 시작원과 도착원의 회전방향을 거스르지 않으며 접하는 이동선을 그릴 수 있다. (여기서 이동선은 이동점으로 표시될 수 있다.)

그러나 시작원과 도착원이 두 지점에서 맞닿게 되면, 회전방향을 고려 시 시작원과 도착원을 동시에 접하는 이동선은 존재하지 않게 된다. 따라서 이 경우에는 이동경로 설정을 할 수 없으므로 본 발명은 에러판단단계를 수행하여, 이동선설정단계를 수행하지 않는다.

도 7은 본 발명인 무인이동체 이동경로 설정장치의 구성의 블록도이다.

본 발명인 무인이동체 이동경로 설정장치는 위치설정부(10), 원설정부(20), 이동선설정부(30)를 포함한다.

위치설정부(10)는 무인이동체의 시작벡터와 도착벡터를 설정할 수 있다.

시작벡터와 도착벡터는 전술한 바와 같이 각각 방향성을 가지는 벡터로 표시될 수 있다.

원설정부(20)는 시작원과 도착원을 설정한다.

시작원과 도착원 각각은 시작벡터와 도착벡터에서 설정된 반지름만큼 이격된 위치에서 시작원의 시점과 도착원의 시점이 둘레에 포함되도록 설정될 수 있다. 시작원과 도착원은 전술한 바와 같이 회전방향을 포함한다. 여기서 시작원과 도착원의 회전방향은 전술한 바와 같이 시작벡터와 도착벡터의 방향성을 거스르지 않도록 설정된다.

또한, 당연하게도 시작원과 도착원을 설정하기 위하여, 원설정부는 반지름, 중심위치를 설정할 수 있다. 반지름과 중심위치 설정은 전술한 바와 같다.

이동선설정부(30)는 시작원과 도착원에 접하는 이동선을 설정한다. 이동선은 시작원에서 시작되어 도착원으로 향하는 방향성을 갖도록 설정된다. 이 이동선의 방향성은 시작원과 도착원의 회전방향을 거스르지 않도록 설정된다. 이동선에 대한 설명은 전술한 바와 같다.

또한, 본 발명인 무인이동체 이동경로 설정장치는 경로에러판단부(40)를 포함한다. 경로에러판단부(40)는 무인이동체의 이동경로를 설정할 수 없는 경우를 판단하여 에러신호를 생성한다.

경로에러판단부(40)는 원설정부가 설정한 시작원의 회전방향이 일방향(일례로 시계방향)이고, 도착원의 회전방향이 일방향과 반대되는 타방향(일례로 일방향이 시계면 반시계방향)이며, 시작원과 도착원이 두 지점에서 만나면 이동경로를 설정할 수 없다고 판단하여 에러신호를 생성한다. 이와 같은 경우 무인이동체의 이동경로를 설정할 수 없음은 전술한 바와 같다.

본 발명은 특정한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

10 : 위치설정부
20 : 원설정부
30 : 이동선설정부
40 : 경로에러판단부

Claims (10)

1. 시작벡터와 도착벡터를 설정하는 위치설정단계;
   상기 시작벡터가 포함되는 시작원과 상기 도착벡터가 포함되는 도착원을 2차원으로 설정하는 원설정단계; 및
   상기 시작원 및 상기 도착원과 접하는 이동선을 설정하는 이동선설정단계를 포함하며,
   상기 원설정단계 이전에,
   상기 시작벡터와 이격된 위치에 상기 시작원의 중심위치를 설정하고, 상기 도착벡터와 이격된 위치에 상기 도착원의 중심위치를 설정하는 중심위치설정단계
   를 더 포함하며,
   상기 원설정단계는
   상기 시작원의 회전방향을 설정하는 시작방향설정단계 및
   상기 도착원의 회전방향을 설정하는 도착방향설정단계를 포함하며,
   상기 시작원의 회전방향이 일방향이고, 상기 도착원의 회전방향이 상기 일방향과 반대되는 타방향이며, 상기 시작원과 상기 도착원이 적어도 두 지점에서 맞닿게 되는 경우에는 이동선을 설정할 수 없는 에러판단단계를 더 포함하는 것
   을 특징으로 하는 무인이동체 이동경로 설정방법.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 이동선설정단계에서
   상기 이동선은
   시작원과 접하는 지점에서 도착원과 접하는 지점으로 방향성을 가지며, 상기 이동선은 상기 시작원의 회전방향과 상기 도착원의 회전방향을 거스르지 않는 위치에서 상기 시작원과 상기 도착원에 접하도록 설정되는 것
   을 특징으로 하는 무인이동체 이동경로 설정방법.
   
6. 삭제
7. 시작벡터와 도착벡터를 설정하는 위치설정부;
   상기 시작벡터가 둘레에 위치되는 시작원과 도착벡터가 둘레에 위치되는 도착원을 2차원으로 설정하는 원설정부; 및
   상기 시작원과 상기 도착원에 접하는 이동선을 설정하는 이동선설정부를 포함하며,
   상기 원설정부는
   상기 시작원의 회전방향과 상기 도착원의 회전방향을 설정하며,
   상기 이동선설정부는
   이동선이 시작원과 접하는 지점에서 도착원과 접하는 지점으로 방향성을 가지며, 상기 이동선은 상기 시작원의 회전방향과 상기 도착원의 회전방향을 거스르지 않는 위치에서 상기 시작원과 상기 도착원에 접하도록 설정하되,
   상기 시작원의 회전방향이 일방향이고, 상기 도착원의 회전방향이 상기 일방향과 반대되는 타방향이며, 상기 시작원과 상기 도착원의 둘레가 적어도 한 지점에서 맞닿게 되는 경우에는 이동선을 설정할 수 없는 에러신호를 생성하는 경로에러판단부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무인이동체 이동경로 설정장치.
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제

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