KR20140089240A - 군집지능로봇의 전파맵 기반 위치 제어 장치 및 방법 - Google Patents

군집지능로봇의 전파맵 기반 위치 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 군집지능로봇의 전파맵 기반 위치 제어 장치로, 군집지능로봇간 생성된 전파맵을 획득하는 전파맵 획득부와, 로봇간 통신 경로인 라우팅 정보를 획득하는 라우팅 정보 획득부와, 상기 전파맵과 라우팅 정보를 이용하여 타깃지점까지의 이동 경로를 결정하는 로봇 경로 생성부와, 상기 로봇 경로 생성부에 의해 생성된 이동 경로에 따라 로봇의 위치 이동을 제어하는 위치 제어부를 포함한다.

Description

군집지능로봇의 전파맵 기반 위치 제어 장치 및 방법{Apparatus and Method for Navigating Cooperative Intelligent Robots based on Radio Map}
본 발명은 군집지능로봇에 관한 것으로, 군집지능 로봇들 간의 전파맵을 이용하여 경로를 생성하고 타깃지점까지 이동하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
일상생활에서의 로봇의 활용도가 증가함에 따라 각종 분야에서 로봇에 관한 연구가 증가하고 있다. 여러 연구를 통해 작업의 범위가 넓고 복잡도가 높은 경우, 단일 로봇보다 복수의 군집지능 로봇을 활용하는 것이 더 효율적이라는 것이 알려짐에 따라 최근 군집 로봇에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
건설, 국방, 보안, 재난, 방재 등의 분야는 복수의 군집지능 로봇을 활용하여 작업 효용성을 높일 수 있는 대표적인 분야이다. 이러한 분야는 비정형화된 작업 환경을 많이 포함하고 있어 이에 대응하기 위한 군집지능 기술의 탑재가 필수적이다. 또한, 이러한 환경에서는 기존의 통신 인프라를 사용하기 어려워 군집지능 네트워크에 대한 필요성이 증가되고, 환경의 변화에 따른 전파의 단절에 대응하기 위한 방안이 필요하다.
이러한 군집지능 로봇의 임무수행에 있어 가장 기본적인 기능은 로봇 간의 의사소통이다. 로봇의 통신능력은 로봇 간 협력 정책을 수립하기 위해 가장 큰 이슈가 되는 항목이다. 탐색, 구조 등의 임무를 수행함에 있어 로봇 간의 끊김없는 네트워크 구축은 필수항목이다.
기존 군집지능로봇을 위한 통신은 하나의 액세스 포인트(Access Point : AP)를 기반으로 한 단일 홉 통신이거나, 애드혹 매쉬(Ad-hoc mesh) 네트워크를 이용한 다중 홉 라우팅 방식이 연구되고 있다. 하지만, 하나의 액세스 포인트를 기반으로 하는 단일 홉 통신의 경우 통신 반경에 제약이 있으며, 애드혹 매쉬(Ad-hoc mesh) 네트워크의 경우 전파의 변화에 따른 통신 장애가 빈번하여 통신이 단절된다.
또한, 이동로봇을 제어하기 위해서는 타깃지점까지 어떤 경로를 통해 어떻게 이동할 지가 중요한 이슈가 되었다. 기존 경로 생성 알고리즘은 실외의 경우 GPS 수신기를 사용하여 글로벌 위치를 제공받고, 실내의 경우 로컬맵을 제공받아 최적의 경로를 생성하였다. 하지만, 군집지능로봇의 주요 활용 분야인 재난, 방재, 건설 등의 비정형 환경에서는 환경 맵을 제공받기 어려워 기존의 알고리즘을 사용하지 못하는 문제점이 있다.
본 발명은 환경 맵과 좌표가 없는 상황에서 전파를 분석하여 로봇의 이동 경로를 제어하는 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명은 군집지능로봇의 전파맵 기반 위치 제어 장치로, 군집지능로봇간 생성된 전파맵을 획득하는 전파맵 획득부와, 로봇간 통신 경로인 라우팅 정보를 획득하는 라우팅 정보 획득부와, 상기 전파맵과 라우팅 정보를 이용하여 타깃지점까지의 이동 경로를 결정하는 로봇 경로 생성부와, 상기 로봇 경로 생성부에 의해 생성된 이동 경로에 따라 로봇의 위치 이동을 제어하는 위치 제어부를 포함한다.
본 발명은 라우팅 로봇에서의 군집지능로봇의 전파맵 기반 위치 제어 방법으로, 전파신호를 이용하여 전체구간의 전파맵을 생성하는 단계와, 생성된 전파맵에서의 신호의 세기에 따라 구간을 분류하고, 해당 영역의 대표 라우팅로봇을 선정하는 단계와, 타깃 구간 알림 정보 및 대표 로봇 선정 정보를 미션 로봇에 전송하는 단계를 포함한다.
본 발명은 미션 로봇에서의 군집지능로봇의 전파맵 기반 위치 제어 방법으로, 군집지능로봇간 생성된 전파맵을 획득하는 단계와, 로봇간 통신 경로인 라우팅 정보를 획득하는 단계와, 상기 전파맵과 라우팅 정보를 이용하여 타깃지점까지의 이동 경로를 결정하는 단계와, 상기 로봇 경로 생성부에 의해 생성된 이동 경로에 따라 로봇의 위치 이동을 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 절대 좌표를 얻기 위한 정확한 환경 맵이 없더라도 타깃지점까지 로봇을 이동시킬 수 있다. 따라서, 군집지능 로봇들은 기반 인프라가 없는 환경에서도 별도의 사전 작업 없이 실시간 생성되는 전파맵과 라우팅 정보를 이용하여 타깃지점까지 이동할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전파맵의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 로봇의 이동 구간 설정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 군집지능로봇의 전파맵 기반 위치 제어 장치의 구성도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 군집지능로봇의 전파맵 기반 위치 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시 예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다.
본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명 실시 예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
명세서 전반에 걸쳐 사용되는 용어들은 본 발명 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 사용자 또는 운용자의 의도, 관례 등에 따라 충분히 변형될 수 있는 사항이므로, 이 용어들의 정의는 본 발명의 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
일반적으로 로봇은 신호를 라우팅시키는 라우팅 로봇(Routing Robot)과 특정 임무를 수행하는 미션 로봇(Mission Robot)으로 분류될 수 있다.
라우팅 로봇은 로봇간 통신이 끊기지 않는 방향으로 이동하여 통신 네트워크 환경을 구축한다. 미션 로봇은 라우팅 로봇에 의해 구축된 통신 네트워크 환경에서 통신 가능한 영역 내에서 정해진 타깃지점로 이동하기 위하여 최적(혹은 최단거리)의 경로를 찾아 이동한다.
본 발명은 위치를 획득하기 위한 기반 시설이 없는 환경에서 미션 로봇의 위치를 제어하기 위한 장치 및 방법으로, 로봇간 전파신호를 기반으로 클러스터링 된 환경에서 전파환경과 미션 로봇이 자신의 움직임만을 모니터링하면서 타깃지점까지 이동하기 위한 메커니즘을 제공한다.
이를 위해 라우팅 로봇은 본 발명의 실시 예에 따라, 네트워크가 확보된 구간을 클러스터링하여 다수의 라우팅 로봇들 중 대표로봇을 설정하고, 각 구간 정보 및 각 구간별 대표 로봇 정보를 미션 로봇에 전달한다. 그러면, 우선 본 발명의 이해를 돕기 위해 라우팅 로봇에 의해 생성되는 전파맵에 대해 도 1을 참조하여 설명하고, 대표 로봇 선정에 대해 도 2를 참조하여 살펴보기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 전파맵의 일 예를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 전파맵은 하나 이상의 군집지능로봇들이 위치하는 소정 영역을 다수의 격자셀로 분할하고, 각 격자셀에 군집지능로봇간의 전파세기가 표시된 형태의 맵이다. 여기서, 전파세기는 절대수치로 표현될 수도 있으나, 그 전파 세기의 정도에 따라 분류될 수도 있다. 도 1에서는 통신 양호 영역(Good Region)(10), 통신 가능 영역(Free Region)(20), 통신 불능 영역(Prohibitive Region)(30)으로 분류된 예가 도시되어 있다.
라우팅 로봇(40-1, 40-2, 40-3, 40-4)은 전파맵을 이용하여 로봇간 통신이 끊기지 않는 방향으로 이동한다. 예컨대, 도 1에서 라우팅 로봇들(40-1, 40-2, 40-3, 40-4) 간에는 통신 양호 영역(Good Region)(10)으로 연결되어야 전파 단절을 방지할 수 있는데, 라우팅 로봇(40-1)과 라우팅 로봇(40-2) 간에 통신 양호 영역이 끊겨 있으므로, 라우팅 로봇(40-2)은 로봇간 전파가 단절될 수 있음을 인지한다. 따라서, 라우팅 로봇(40-2)은 이를 예방하기 위해 ①의 방향으로 이동한다. 이를 위하여 각각의 로봇간의 전파 세기를 기준으로 한 포텐셜 필드기반의 행동제어 알고리즘이 활용될 수 있다.
미션 로봇(50)은 전파맵을 이용하여 통신 가능한 영역 내에서 정해진 타깃지점로 이동하기 위하여 최적(혹은 최단거리)의 경로를 찾아 이동한다. 즉, 도 1과 같은 전파맵을 활용하여 통신 양호 영역(Good Region)(10) 및 통신 가능 영역(Free Region)(20)만을 이동할 수 있는 통로로 정의하고, 타깃지점(60)까지의 최적의 경로를 찾아 이동한다. 도 1에서 ②는 통신 가능한 범위에서 타깃지점(60)까지 이동할 수 있는 최적의 경로를 의미한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 로봇의 이동 구간 설정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 구간 A(Region A), 구간 B(Region B), 구간 C(Region C), 구간 D(Region D)가 도시되어 있다. 구간들 각각에는 하나 이상의 라우팅 로봇들(미도시)이 위치하는데, 이와 같은 하나 이상의 라우팅 로봇들 중 대표 로봇이 선정된다. 도 2에는 각 구간별로 선정된 대표 라우팅 로봇(R-bot)이 도시되어 있다.
라우팅 로봇은 하기의 <표 1>과 같은 대표 로봇 선정 정보를 미션 로봇에 전송한다.
Region 대표 로봇
A R-bot 1
B R-bot 2
C R-bot 3
D R-bot 4
다음으로, 미션 로봇에 장착되어 타깃 지점까지의 이동을 제어하는 위치 제어 장치에 대해 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 군집지능로봇의 전파맵 기반 위치 제어 장치의 구성도이다.
도 3을 참조하면, 전파맵 기반의 위치 제어 장치는 전파맵 획득부(110), 라우팅 정보 획득부(120), 로봇 경로 제어부(130) 및 위치 제어부(140)를 포함한다.
전파맵 획득부(110)는 라우팅 로봇으로부터 군집지능로봇간 생성된 전파맵을 획득한다. 이때, 구간 정보 및 각 구간에서의 대표 로봇 선정 정보도 함께 수신한다.
라우팅 정보 획득부(120)는 이동해야할 타깃 구간 정보 및 로봇간 통신 경로인 라우팅 정보를 획득한다. 라우팅정보는 통신을 하고자 하는 최종 목적지 로봇까지의 홉수, 최종 목적지까지 가기 위해 거쳐야 할 다음로봇 정보, 경로에 대한 생명주기등으로 구성되어있다.
로봇 경로 생성부(130)는 전파맵 획득부(110)에 의해 획득된 전파맵과 라우팅 정보 획득부(320)에 의해 획득된 라우팅 정보를 융합하여 타깃지점까지 이동하기 위하여 거쳐야 할 클러스터를 결정한다. 이를 위해 로봇 경로 생성부(130)는 로봇이 이동할 때마다 전파맵 획득부(110)에 의해 획득된 전파맵 정보와 라우팅 정보 획득부(120)에 의해 획득된 라우팅 정보를 분석한다.
도 2에 도시된 통신 환경에서의 전파맵 및 라우팅 분석 결과의 일 예는 각각 <표 2> 및 <표 3>과 같다.
Start Dest 세기
R-bot1 R-bot2 20
R-bot2 R-bot3 21
R-bot3 R-bot4 19
... ... ...
M-bot R-bot1 30
M-bot R-bot2 15
Robot ID Nest Hop Dest Hop Hop
R-bot 1 R-bot 2 R-bot 4 3
R-bot 2 R-bot 3 R-bot 4 2
R-bot 3 R-bot 4 R-bot 4 1
... ... ... ...
그리고, 로봇 경로 생성부(130)는 분석 결과를 이용하여 이동 구간을 생성한다. 도 2에 도시된 통신 환경에서의 전파맵 및 라우팅 분석 결과를 이용한 이동 구간 생성의 일 예는 하기의 <표 4>와 같다.
현재 구간 타깃 구간 이동구간 생성
A D A-B-C-D
위치 제어부(140)는 생성된 경로로 이동하기 위하여 로봇의 이동할 방향과 이동거리를 결정한다. 이를 위해 위치 제어부(140)는 자신이 위치한 현재 구간의 대표 로봇의 주위를 선회하도록 로봇을 구동시키면서, 전파 신호를 획득하여 전파맵과 비교한다. 전파맵과 비교 결과, 다음으로 이동해야 할 구간의 대표 로봇의 신호가 발견되면, 해당 로봇과의 전파의 세기가 커지는 방향으로 이동경로를 설정한다. 그리고, 위치 제어부(140)는 설정된 이동 경로로 이동하도록 로봇을 구동시킨다. 위치 제어부(140)는 다음 구간이 발견되면 신호의 경계지역에서 선회를 하는 것이 아니고, 전파맵상의 안전지역까지 이동 후 선회를 시작한다.
그러면, 로봇의 소속 구간이 변경되는데, 위치 제어부(140)는 소속 구간이 변경될 경우, 변경된 소속 구간이 타깃 구간인지를 판단한다. 위치 제어부(140)는 소속 구간이 타깃구간이 아닐 경우, 타깃 구간에 도달할 때까지 전술한 동작을 반복 수행하도록 제어한다. 그러나, 소속 구간이 타깃 구간일 경우, 위치 제어부(140)는 위치 제어 동작을 종료한다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 군집지능로봇의 전파맵 기반 위치 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 도 4는 라우팅 로봇에 의해 수행되는 방법이고, 도 5는 미션 로봇에서 수행되는 방법이다.
도 4를 참조하면, 410 단계에서 끊김없는 통신을 구축하기 위해 투입된 라우팅 로봇은 전파신호를 이용하여 전체구간의 전파맵을 생성한다. 420 단계에서 생성된 전파맵에서의 신호의 세기에 따라 구간을 분류하고, 해당 영역의 대표 라우팅로봇을 선정한다. 그리고, 430 단계에서 라우팅 로봇은 타깃 구간 알림 정보 및 대표 로봇 선정 정보를 미션 로봇에 전송한다.
도 5를 참조하면, 미션 로봇은 510 단계에서 타깃 지점의 정확한 좌표를 알 수 없지만 타깃 지점의 구간 정보, 대표 로봇 선정 정보, 전파맵 및 라우팅 정보를 획득한다. 그리고, 520 단계에서 미션 로봇은 타깃구간까지 이동하기 위하여 전파맵과 라우팅 정보를 분석하여 타깃구간까지 가기 위해 거쳐야 할 이동 구간을 생성한다.
530 단계에서 미션 로봇은 현재 소속된 구간의 대표 로봇과의 신호세기를 유지하면서 그 주위를 선회하고, 다음 구간의 대표 로봇의 전파 세기를 획득한다.
그리고, 540 단계에서 미션 로봇은 선회 중 이동해야 할 구간의 대표 로봇의 신호가 감지되는지 판단한다. 즉, 전파맵과 비교 결과 수신되는 신호의 크기가 다음 구간의 대표 로봇의 신호의 세기와 동일한지를 판단한다. 또한 다음 구간의 대표 로봇으로부터 수신되는 신호의 크기가 이전에 수신된 값들보다 큰지를 판단하여, 최단 경로로 이동할 수 있는 위치를 검색한다.
540 단계의 판단 결과 이동해야할 구간의 대표 로봇의 신호가 감지되지 않을 경우, 미션 로봇은 530 단계를 계속적으로 수행한다.
540 단계의 판단 결과 이동해야할 구간의 대표 로봇의 신호가 감지될 경우, 미션 로봇은 550 단계에서 다음 구간의 대표 로봇간의 전파값이 커지는 방향으로 경로를 생성한다. 즉, 소속 구간이 변경되도록 경로를 생성한다.
그리고, 560 단계에서 소속 구간이 변경됨에 따라, 소속 구간이 타깃구간인지를 판단한다.
560 단계의 판단 결과 소속 구간이 타깃구간이 아닐 경우, 미션 로봇은 530 단계로 진행한다. 즉, 타깃 구간에 도달할 때까지 530 단계 내지 560 단계를 반복 수행하게 된다.
560 단계의 판단 결과 소속 구간이 타깃 구간일 경우, 미션 로봇은 동작을 종료한다.

Claims (11)

  1. 군집지능로봇간 생성된 전파맵을 획득하는 전파맵 획득부와,
    로봇간 통신 경로인 라우팅 정보를 획득하는 라우팅 정보 획득부와,
    상기 전파맵과 라우팅 정보를 이용하여 타깃지점까지의 이동 경로를 결정하는 로봇 경로 생성부와,
    상기 로봇 경로 생성부에 의해 생성된 이동 경로에 따라 로봇의 위치 이동을 제어하는 위치 제어부를 포함함을 특징으로 하는 군집지능로봇의 전파맵 기반 위치 제어 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 전파맵 획득부는
    라우팅 로봇으로부터 전파맵을 수신함을 특징으로 하는 군집지능로봇의 전파맵 기반 위치 제어 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 전파맵 획득부는
    라우팅 로봇으로부터 구간 정보 및 각 구간에서의 대표 로봇 선정 정보를 수신함을 특징으로 하는 군집지능로봇의 전파맵 기반 위치 제어 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 위치 제어부는
    위치한 현재 구간의 대표 로봇의 주위를 선회하면서 전파 신호를 획득하여 상기 전파맵과 비교하고, 다음으로 이동해야 할 구간의 대표 로봇의 신호가 발견되면, 해당 대표 로봇과의 전파의 세기가 커지는 방향으로 이동경로를 설정하고, 설정된 이동 경로로 이동하도록 로봇을 구동함을 특징으로 하는 군집지능로봇의 전파맵 기반 위치 제어 장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 위치 제어부는
    로봇의 이동에 따라 소속 구간이 변경됨에 따라 소속 구간이 타깃구간인지를 판단하고, 소속 구간이 타깃 구간일 경우 위치 제어를 종료함을 특징으로 하는 군집지능로봇의 전파맵 기반 위치 제어 장치.
  6. 라우팅 로봇에서의 군집지능로봇의 전파맵 기반 위치 제어 방법에 있어서,
    전파신호를 이용하여 전체구간의 전파맵을 생성하는 단계와,
    생성된 전파맵에서의 신호의 세기에 따라 구간을 분류하고, 해당 영역의 대표 라우팅로봇을 선정하는 단계와,
    타깃 구간 알림 정보 및 대표 로봇 선정 정보를 미션 로봇에 전송하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 군집지능로봇의 전파맵 기반 위치 제어 방법.
  7. 미션 로봇에서의 군집지능로봇의 전파맵 기반 위치 제어 방법에 있어서,
    군집지능로봇간 생성된 전파맵을 획득하는 단계와,
    로봇간 통신 경로인 라우팅 정보를 획득하는 단계와,
    상기 전파맵과 라우팅 정보를 이용하여 상기 미션 로봇의 이동 목표 지점인 타깃지점까지의 이동 경로를 결정하는 단계와,
    상기 로봇 경로 생성부에 의해 생성된 이동 경로에 따라 로봇의 위치 이동을 제어하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 군집지능로봇의 전파맵 기반 위치 제어 방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 전파맵을 획득하는 단계는
    라우팅 로봇으로부터 전파맵을 수신함을 특징으로 하는 군집지능로봇의 전파맵 기반 위치 제어 방법.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 전파맵을 획득하는 단계는
    라우팅 로봇으로부터 구간 정보 및 각 구간에서의 대표 로봇 선정 정보를 수신함을 특징으로 하는 군집지능로봇의 전파맵 기반 위치 제어 방법.
  10. 제 7항에 있어서, 상기 제어하는 단계는
    위치한 현재 구간의 대표 로봇의 주위를 선회하면서 전파 신호를 획득하는 단계와,
    상기 획득한 전파 신호를 전파맵과 비교하는 단계와,
    전파맵과 비교한 결과, 다음으로 이동해야 할 구간의 대표 로봇의 신호가 발견되는지 판단하는 단계와,
    이동해야할 구간의 대표 로봇의 신호가 발견되면, 해당 대표 로봇과의 전파의 세기가 커지는 방향으로 이동경로를 설정하는 단계와,
    설정된 이동 경로로 이동하도록 로봇을 구동하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 군집지능로봇의 전파맵 기반 위치 제어 방법.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 제어하는 단계는
    상기 로봇의 이동에 의해 소속 구간이 변경됨에 따라 소속 구간이 타깃구간인지를 판단하는 단계를 더 포함하고, 판단 결과 소속 구간이 타깃 구간일 경우 위치 제어를 종료을 특징으로 하는 군집지능로봇의 전파맵 기반 위치 제어 방법.
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