KR20230077410A - 도킹 시스템 및 이를 이용한 도킹 방법 - Google Patents

도킹 시스템 및 이를 이용한 도킹 방법 Download PDF

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Abstract

도킹 스테이션과 이동체의 도킹 방법이 개시된다. 이 도킹 방법은, WPAN(Wireless Personal Area Network) 통신을 기반으로 상기 도킹 스테이션으로부터 기준 데이터를 포함하는 수신 신호를 수신하는 단계; 상기 기준 데이터를 이용하여 수신 신호의 수신 방향을 추정하는 단계; 상기 추정된 수신 신호의 수신 방향을 기반으로 상기 이동체의 이동 경로를 설정하는 단계; 상기 설정된 이동 경로를 따라 상기 이동체가 이동하는 단계; 상기 이동체가 최종 목표 위치에 도달했는지를 판단하는 단계; 및 상기 최종 목표 위치에 도달한 경우, 상기 이동체가 상기 도킹 스테이션에 도킹하는 단계를 포함한다.

Description

도킹 시스템 및 이를 이용한 도킹 방법{Docking system and docking method using the docking system}
본 발명은 무선 통신을 이용하여 두 장치들의 도킹을 위한 시스템에 관한 것이다.
도킹 시스템(docking system)은 도킹체(또는 도킹 스테이션)와 이동체로 구성되고, 도킹 스테이션은 고정형 도킹 스테이션과 이동형 도킹 스테이션으로 구분된다. 주로 이동체가 고정형 도킹 스테이션 또는 이동형 도킹 스테이션으로 이동하며, 도킹 스테이션에 도킹을 수행한다.
도킹은 크게 접촉식 도킹과 비접촉식 도킹으로 분류할 수 있다. 접촉식 도킹은 도킹 스테이션과 이동체가 물리적으로 접촉하는 도킹을 의미하며, 유선 충전을 예로 들 수 있다. 비접촉식 도킹은 도킹 스테이션과 이동체가 일정 간격을 두고 연결되는 도킹을 의미하며, 무선 충전을 예로 들 수 있다.
기존의 도킹 방식에서는, 이동체가 도킹 스테이션의 특정 부위에 정확히 도킹하기 위해, 매립형 마그네틱 방식, 적외선 장치, 초음파 장치, 카메라 기반의 영상 인식 장치 등이 이용된다.
이러한 기존의 도킹 방식에서는, 도킹 스테이션과 이동체 사이에 장애물이 존재하는 경우에는 도킹이 어렵고, 적외선 장치, 초음파 장치, 카메라 기반의 영상 인식 장치 들은 사용 가능한 거리가 제한적이기 때문에, 도킹 스테이션과 이동체가 일정 거리 이상 떨어져 있는 환경에서는 사용하기 어렵다.
또한, 다중 도킹 스테이션과 다중 이동체의 도킹 환경에서는 각 도킹체 또는 이동체에서 방사하는 적외선 또는 초음파들 간의 상호 간섭으로 인해, 정확한 도킹이 어렵다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 도킹 환경에 관계없이, 도킹 스테이션과 이동체의 원활한 도킹을 위해, 무선 개인 영역 네트워크(WPAN: Wireless Personal Area Network) 통신의 방향 탐지 기반의 도킹 시스템 및 이를 이용한 도킹 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 전술한 목적 및 그 이외의 목적과 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 도킹 방법은, 한 예로, WPAN(Wireless Personal Area Network) 통신을 기반으로 상기 도킹체로부터 기준 데이터를 포함하는 신호를 수신하는 단계; 상기 기준 데이터를 이용하여 수신 신호의 수신 방향을 설정하고 방향 정보를 설정하는 단계; 상기 설정된 수신 신호의 수신 방향을 기반으로 상기 이동체의 이동 경로를 설정하는 단계; 상기 설정된 이동 경로를 따라 상기 이동체가 이동하는 단계; 상기 이동체가 최종 목표 위치에 도달했는지를 판단하는 단계; 및 상기 최종 목표 위치에 도달한 경우, 상기 이동체가 상기 도킹체에 도킹하는 단계를 포함한다.
실시 예에서, 상기 WPAN 통신은, 와이-파이 통신(wi-fi), 블루투스 통신(blue tooth), 지그비 통신(zigbee), 초광대역 통신(Ultra-wideband, UWB) 중에서 어느 하나인 것일 수 있다.
실시 예에서, 상기 기준 데이터(또는 기준신호)는, BLE 5.1에서는 연속 톤 확장(CTE, Constant Tone Extension) 데이터일 수 있다.
실시 예에서, 상기 방향 정보를 설정하는 단계는, 상기 도킹체에 포함된 다중 송신 안테나를 이용하여 기준신호를 송신하고, 이동체는 상기 신호의 수신 방향에 대응하는 발사각(AOD, Angle of Departure)을 계산하는 단계일 수 있다.
실시 예에서, 상기 방향 정보를 설정하는 단계는, 상기 도킹체에 포함된 송신 안테나를 이용하여 기준신호를 송신하고, 이동체는 다중 수신 안테나를 이용하여 상기 기준 신호를 포함하는 수신 신호의 수신 방향에 대응하는 도래각(AOA, Angle of Arrive)을 계산하는 단계일 수 있다.
실시 예에서, 상기 방향 정보를 설정하는 단계는, 이동체가 기준신호를 송신하고, 상기 도킹체가 다중 수신 안테나를 이용하여 상기 기준 신호를 포함하는 수신 신호의 수신 방향에 대응하는 도래각(AOA, Angle of Arrive)를 계산하고, 상기 도킹체가 상기 계산된 도래각을 이동체에 메시지 형태로 전달하여, 이동체가 상기 계산된 도래각을 이용하여 상기 방향 정보를 설정하는 단계일 수 있다.
이동체를 기준으로 하는 도킹체의 방향을 포함하는 방향정보는 거리정보를 포함할 수 있다. 여기서, 거리 정보는 ToF 이용하여 획득한 거리정보 또는 수신 신호 세기(RSSI)를 기반으로 하는 거리 정보 등을 포함할 수 있다.
실시 예에서, 이동체 및 도킹체 모두 다중 안테나를 구비하여 서로의 방향을 탐지할 수 있다.
도킹체를 기준으로 하는 이동체의 방향 정보는 이동체의 운동성 정보를 이용하여 이동체를 기준으로 하는 도킹체의 방향 정보로 변환될 수 있다.
여기서, 운동성 정보는 이동체(200)의 위치, 방향, 속도, 가속도 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
실시 예에서, 상기 이동체의 이동 경로를 설정하는 단계는, 이동체 기준 방향정보를 기반으로 목표방향 또는 목표위치를 설정하고 도킹체로 이동하기 위한 경로를 설정하는 단계일 수 있다.
실시 예에서, 상기 이동체의 이동 경로를 설정하는 단계는, 형상정보를 더 이용하여, 상기 목표 방향 또는 목표 위치를 설정하고 이동체의 이동 경로를 설정하는 단계일 수 있다.
여기서, 형상 정보는 도킹체에 설치된 안테나와 도킹부 사이의 위치 차이, 이동체에 설치된 안테나와 도킹부 사이의 위치 차이, 안테나의 구조 및 특성 정보를 포함할 수 있다. 도킹체의 크기, 이동체의 크기, 구조 및 장치 간의 간격정보를 포함할 수 있다.
실시 예에서, 상기 이동체가 필요로 하는 도킹체의 형상 정보는 상기 도킹체로부터 수신된 메시지에 포함된 데이터일 수 있다.
상기 이동체가 상기 목표 위치까지 순차적으로 접근하기 위해, 다수의 중간 목표 위치들을 포함하는 상기 이동 경로를 설정하는 단계일 수 있다.
실시 예에서, 상기 설정된 이동 경로를 따라 상기 이동체가 이동하는 단계는, 상기 이동체의 제어부가 상기 설정된 이동 경로에 대응하는 구동 데이터를 생성하는 단계; 및 상기 이동체의 구동부가 상기 구동 데이터에 따라 상기 이동체를 이동시키는 단계를 포함할 수 있다.
이동체는 센서부를 이용하여 물체를 검출하고, 주변 물체와의 거리를 측정하고, 필요시 물체를 회피하는 등의 자율주행 기능을 수행하며 이동 가능하다.
이동체는 자율주행 기능과 방향정보 기반 이동은 상충될 수 있으나, 자율주행 기능을 우선하여 수행할 수 있다.
실시 예에서, 상기 이동체가 목표위치에 도달했는지를 판단하는 단계는, 상기 이동체가 도킹체와 거리가 일정거리 이내이며, 정렬이 되었는지를 판단한다. 거리는 센서부가 검출한 전방 물체와의 거리로써 설정할 수 있으며, 또한 ToF측정등과 같은 방법을 이용하여 설정할 수 있다.
실시 예에서, 정렬은 이동체의 도킹부와 도킹체의 도킹부가 일직선상에 위치하며, 이동체(200)가 직선 이동만으로 도킹될 수 있는 위치군을 의미한다.
제어부는 이동체의 위치 변화 대비 도킹체를 기준으로 하는 이동체의 위치 변화 또는 방향 변화로써 일직선상인지를 판단할 수 있다.
제어부는 상기 형상 정보를 더 이용하여 이동체의 위치 변화 대비 도킹체 기준 이동체의 위치 또는 방향의 변화로써 일직선상인지를 판단할 수 있다.
상기 이동체가 목표위치에 도달한 경우, 직선 이동으로 도킹을 완료한다.
이동체는, WPAN(Wireless Personal Area Network) 통신을 기반으로 상기 도킹체와 전파신호를 송, 수신하기 위한 적어도 하나의 안테나를 포함하는 안테나부; 안테나부의 수신 신호를 복조 하여 수신데이터를 제공하고, 송신데이터를 변조하여 안테나로 전송하며, 수신된 기준신호(CTE)로부터 기준데이터(IQ)를 추출하거나, 기준신호(CTE)를 송신하도록 제어하는 무선 통신부; 상기 수신된 기준데이터를 이용하여 수신신호의 방향(경우에 따라서는 거리정보포함)을 계산하거나, 도킹체로부터 수신한 메시지를 이용하여 방향 정보를 설정하는 제어부를 포함한다.
실시 예에서, 제어부는 이동체 위치의 변화에 따른 도킹체 기준 이동체 방향 정보의 변화를 이용하여 정렬 여부에 해당하는 이동체의 정렬 정보 설정한다.
실시 예에서, 제어부는 상기 방향 정보와 자율주행 기능-센서부가 검출한 검출정보에 따라 장애물 회피 기동을 수행하여 도킹이 가능하도록 목표위치로 이동 경로를 설정한다.
실시 예에서, 제어부는 정렬 정보를 이용하여 목표위치에 도달했는지를 판단한다.
실시 예에서, 이동체는 상기 제어부의 제어에 따라 이동체를 이동시키는 구동부와 도킹체와 도킹하기 위한 도킹부를 더 포함한다.
실시 예에서, 도킹체가 싱글 안테나를 이용하여 기준신호를 전송하고, 이동체가 다중안테나를 이용하여 수신하는 경우, 이동체는 AoA신호처리를 이용하여 방향 정보를 설정한다.
실시 예에서, 도킹체가 다중안테나를 이용하여 기준신호를 전송하고, 이동체가 싱글 안테나를 이용하여 수신하는 경우, 이동체는 AoD 신호처리를 이용하여 도킹체 기준 이동체 방향 정보를 설정한다.
실시 예에서, 이동체가 싱글 안테나를 이용하여 기준신호를 전송하고, 도킹체가 다중안테나로 수신하는 경우, 도킹체가 AoA신호처리를 이용하여 도킹체를 기준으로 하는 이동체의 방향정보를 설정하고, 이동체로 방향정보를 포함하는 메시지를 전달하고, 이동체는 상기 방향정보를 이용하여 이동체를 기준으로 하는 방향정보를 설정한다.
실시 예에서, 제어부는, 도킹체가 다중안테나를 이용하여 기준신호를 전송하고, 이동체가 싱글 안테나를 이용하여 수신하는 경우, 이동체는 AoD 신호처리를 이용하여 도킹체 기준 이동체 방향 정보를 설정한다.
실시 예에서, 이동체가 싱글 안테나를 이용하여 기준신호를 전송하고, 도킹체가 다중안테나를 이용하여 수신하는 경우, 도킹체는 AoA신호처리를 이용하여 이동체의 방향 정보를 설정하고, 이동체로 방향정보를 포함하는 메시지를 전달한다.
실시 예에서, 이동체가 다중안테나를 이용하여 기준신호를 전송하고, 도킹체가 싱글 안테나를 이용하여 수신하는 경우, 도킹체는 AoD 신호처리를 이용하여 이동체의 방향 정보를 설정하고, 이동체로 방향정보를 포함하는 메시지를 전달한다.
실시 예에서, 제어부는 운동성 정보, 형상 정보, 상기 도킹체를 기준으로 하는 이동체의 방향정보 중 하나 이상의 정보를 이용하고, 이동체의 위치 변화에 따른 도킹체를 기준으로 하는 이동체의 방향 정보 변화를 이용하여 정렬 정보를 설정한다.
실시 예에서, 제어부는, 운동성정보, 형상정보, 방향 정보, 정렬 정보, 검출 정보 중 하나 이상을 이용하여, 도킹체와 이동체가 일정거리(예:50cm)이내 여부와 정렬 정보의 도킹체의 도킹부와 이동체의 도킹부가 정렬 여부로 목표위치에 도달했는지를 판단한다.
실시 예에서, 상기 제어부는, MUSIC(MUltiple SIgnal Classification) 알고리즘에 따라, 상기 연속 톤 확장 데이터를 이용하여 상기 수신 신호의 수신 방향을 추정할 수 있다.
실시 예에서, 상기 제어부는, 지도 데이터, 센서부 충돌 방지 및 회피 기동 또는 정지 및 재 기동은 기본적인 자율주행 기능을 포함 되어있으며, 또한 상기 도킹체에 설치된 안테나와 도킹부 사이의 위치 차이, 상기 이동체에 설치된 안테나와 도킹부 사이의 위치 차이에 대한 정보를 활용하여 도킹 제어를 수행한다.
실시 예에서, 상기 이동체는, 상기 이동체로부터 주변 물체까지의 거리 및 상기 이동체로부터 상기 도킹체 까지의 거리를 감지하는 센서부를 더 포함할 수 있다.
실시 예에서, 상기 이동체의 센서부를 활용하여 주변 물체까지의 거리 및 상기 이동체로부터 상기 도킹체 까지의 거리정보를 더 이용하여, 상기 이동체의 이동 경로를 설정할 수 있다.
실시 예에서, 상기 제어부는, 상기 이동체가 상기 도킹체까지 순차적으로 접근하기 위해, 단계적으로 이동 경로를 설정할 수 있다.
본 발명에 따르면, WPAN 통신을 이용하여 도킹체와 이동체의 도킹이 수행됨으로써, 도킹 스테이션과 이동체 사이에 장애물이 존재하거나, 도킹 스테이션과 이동체 사이의 거리가 먼 도킹 환경은 물론 다중 도킹 스테이션과 다중 이동체 사이의 도킹 환경에서도 도킹 스테이션과 이동체 사이의 원활한 도킹이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 도킹 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 도킹을 위한 이동체의 이동 절차를 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 이동체의 이동 기반 정렬 정보 설정을 위한 형상도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 이동체의 BLE 5.1 기반 AoD에 의한 방향 추정 기반 도킹 동작을 나타내는 신호 흐름도이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 기술된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하의 실시 예에서 설명하는 장치들 간의 데이터 교환은 wi-fi, blue tooth, zigbee, UWB(Ultra-wideband), LTE 등의 무선 통신을 기반으로 하며, 이러한 무선 통신을 제공하기 위한 기본적인 하드웨어 구성들(예, 안테나, 통신 모듈, 제어부 등)은 구체적인 설명 없이도 공지 기술로 대신할 수 있다.
이러한 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 도킹 시스템의 내부 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 도킹 시스템(300)은 도킹 스테이션(이하, '도킹체'라 함.)(100)과 도킹체(100)에 도킹되는 이동체(200)를 포함한다.
이동체(200)는 특정 작업을 수행하기 위해 도킹 스테이션(100)에 도킹하는 장치로서, 무인 항공기(UAV, uncrewed aerial vehicle), 개인용 비행체(PAV, Personal Air Vehicle), 드론(drone), 자율 주행 차량(self-driving car, autonomous vehicle), 로봇, 물품을 이송하는 이송 장치 등을 예로 들 수 있으며, 이에 한정하지 않고, 특정 작업을 수행하기 위해 도킹 스테이션(100)과의 도킹이 필요한 모든 종류의 이동 가능한 장치를 포함한다.
이러한 이동체(200)가 도킹되는 도킹체(100)는 특정 작업에 따라 다양한 장치들로 설명될 수 있다. 예를 들면, 도킹체(100)가 충전 스테이션인 경우, 이동체(200)는 충전을 목적으로 도킹체(100)에 도킹한다.
도킹체(100)가 이동 가능한 로봇 또는 이동체인 경우, 이동체(200)는 특수 목적을 위해 이동체 또는 로봇과 도킹을 수행할 수 있다.
무엇보다도, 본 발명의 실시 예에 따른 도킹 시스템(300)에서는, 도킹 환경에 관계없이 도킹체(100)와 이동체(200) 사이의 원활한 도킹을 지원하기 위해, 와이-파이 통신(wi-fi), 블루투스 통신(blue tooth), 지그비 통신(zigbee), 초광대역 통신(Ultra-wideband, UWB)과 같은 무선 개인 영역 네트워크(WPAN: Wireless Personal Area Network) 통신을 기반 방향 탐지 기반으로 도킹 스테이션(100)과 이동체(200) 사이의 도킹이 수행됨을 특징으로 한다.
도킹체(100)
도킹체(100)는, WPAN 통신을 기반으로 이동체(200)와의 도킹을 수행하기 위해, 안테나부(110), 무선통신부(120), 제어부(130) 및 도킹부(140)를 포함한다.
안테나부(110)는 무선통신부(120)로부터 전달된 송신 신호를 이동체(200)로 송신하고, 반대로 이동체(200)로부터 수신한 수신 신호를 무선통신부(120)로 전달하는 싱글 또는 다중 안테나를 포함한다.
무선통신부(120)는 제어부(130)로부터 전달된 메시지 또는 데이터를 변조하여 상기 정보를 포함하는 상기 송신 신호를 생성하고, 이를 안테나부(110)로 전달한다.
무선통신부(120)는 상기 이동체(200)로부터 수신된 수신 신호를 복조하여 상기 수신 신호에 포함된 정보(메시지 또는 데이터)를 추출하고, 추출된 정보를 제어부(130)로 전달한다.
무선 통신부(120)는 변조, 복조, 증폭 필터 기능을 구비하며, 이러한 기능들을 지원하기 위한 하드웨어 구성에 대한 설명은 공지 기술로 대신한다.
제어부(130)는 안테나부(110), 무선 통신부(120) 및 도킹부(140)의 동작을 제어 및 관리하는 적어도 하나의 프로세서(도시하지 않음)를 포함하는 장치일 수 있다.
제어부(130)는 무선통신부(120) 및 안테나부(110)를 통해 이동체(200)로 송신될 정보를 처리하고, 반대로 안테나부(110) 및 무선통신부(120)를 통해 이동체(200)로부터 수신된 정보를 처리하는 적어도 하나의 프로세서를 포함하는 장치일 수 있다.
상기 이동체(200)로 송신될 정보는, 예를 들면, 기준 데이터, 형상정보, 도킹이 가능한 상태를 나타내는 하나 이상의 데이터를 포함할 수 있다.
기준 데이터는, 예를 들면, 연속 톤 확장(CTE, Constant Tone Extension) 데이터일 수 있다. CTE 데이터는 이동체(200)가 도킹 스테이션(100)으로부터 수신한 수신 신호의 수신 방향(수신 각도)을 계산하는데 필요한 데이터로서, Bluetooth 5.1 코어 규격에서 정의된 데이터일 수 있다.
형상정보는, 안테나의 개수, 형상, 타입, 배열 및 안테나부(110)와 도킹부(140) 간의 위치 차이를 나타내는 옵셋(offset) 값, 도킹체(100)의 크기 등을 포함할 수 있다.
제어부(130)는 무선통신부(120) 및 안테나부(110)를 통해 기준 데이터를 이동체(200)로 상시 송신하거나 이동체(200)의 요청에 따라 송신할 수 있다.
제어부(130)는 필요에 따라 무선통신부(120) 및 안테나부(110)를 통해 형상정보를 이동체(200)로 송신할 수 있다.
제어부(130)는 필요에 따라 또는 이동체(200)의 요청에 따라 송신 전력을 가변 할 수 있다.
제어부(130)는, 도킹이 가능한 상태 정보를 이동체(200)로 송신할 수 있다.
또한 도킹 스테이션(100)와 이동체(200)가 WPAN 통신과 같은 무선 통신을 기반으로 도킹을 수행하는 경우, 도킹 스테이션(100) 또는 이동체(200)는 필요시 거리측정을 위한 데이터 등을 요청할 수 있고, 이에 응답할 수 있다.
도킹부(140)는 이동체(140)의 도킹부(260)와 물리적으로 접촉이 되거나, 일정 간격을 유지하면서 도킹 상태가 될 수 있다.
상기 구성들(110~140)을 포함하는 도킹체(100)는 고정되거나 이동 가능한 장치로 구현될 수 있다.
경우에 따라 도킹체(100)는 위치정보{위치, 방향}를 이동체에 제공할 수 있다.
경우에 따라 도킹체(100)는 최적의 도킹을 위하여 국부적으로 이동할 수 있다.
이동체(200)
이동체(200)는 안테나부(210), 무선통신부(220), 제어부(230), 센서부(240), 구동부(250) 및 도킹부(260)를 포함한다.
안테나부(210)는 도킹체(100)로부터의 수신 신호를 수신하고, 이를 무선통신부(220)를 전달하고, 반대로, 무선 통신부(220)로부터 전달된 송신 신호를 도킹체(100)로 전파하는 싱글 또는 다중 안테나를 포함한다.
무선통신부(220)는 안테나부(210)로부터 전달된 수신 신호를 복조하여 그 신호로부터 데이터(기준 데이터, 일반 데이터, 메시지 등)를 추출하고, 그 추출된 데이터를 제어부(230)로 전달한다.
무선통신부(220)는 제어부(230)로부터 전달된 데이터를 변조하여 송신 신호를 생성하고, 이를 안테나부(210)로 전달할 수 있다.
무선통신부(220)는 변조, 복조, 증폭 필터 기능을 구비하며, 이러한 기능들을 지원하기 위한 하드웨어 구성에 대한 설명은 공지 기술로 대신한다.
제어부(230)는 안테나부(210), 무선 통신부(220), 센서부(240), 구동부(250) 및 도킹부(260)의 동작을 제어 및 관리하며, 이를 위해, 적어도 하나의 프로세서(도시하지 않음)를 포함하는 장치일 수 있다.
제어부(230)는 이동체 대비 도킹체의 방향정보를 설정한다.
도킹체(100)가 싱글 안테나를 이용하여 기준신호를 전송하고, 이동체(200)가 다중안테나를 이용하여 수신하는 경우, 이동체(200)의 제어부(230)는 AoA신호처리를 이용하여 방향 정보를 설정하거나, 도킹체 대비 이동체(200)의 방향정보를 설정할 수 있다.
도킹체(200)가 다중안테나를 이용하여 기준신호를 전송하고, 이동체가 싱글 안테나를 이용하여 수신하는 경우, 이동체(200)의 제어부(230)는 AoD 신호처리를 이용하여 도킹체(200)를 기준으로 이동체(200)의 방향 정보를 설정할 수 있다.
이동체(200)가 싱글 안테나를 이용하여 기준신호를 전송하고, 도킹체(100)가 기준신호를 다중안테나로 수신하는 경우, 도킹체(100)의 제어부(130)가 AoA신호처리를 이용하여 도킹체를 기준으로 이동체(200)의 방향정보를 설정하고, 이동체(200)로 방향정보를 포함하는 메시지를 전달할 수 있다. 이에 따라, 이동체(200)는 방향정보를 설정할 수 있다.
제어부(230)는 도킹체 대비 이동체의 방향정보와 운동성정보를 이용하여 이동체 대비 도킹체 방향정보를 설정할 수 있다.
도래각(AOA) 또는 발사각(AOD)을 계산하기 위해, 수신 신호에 포함된 기준 데이터가 이용될 수 있으며, 기준 데이터는, 전술한 바와 같이, Bluetooth 5.1 코어 규격에서 정의된 연속 톤 확장 데이터일 수 있다. CTE 데이터는 수신 신호의 CTE 필드에 기록된다.
제어부(230)는 수신 신호에 포함된 CTE 데이터를 이용하여 도래각(AOA) 또는 발사각(AOD)을 계산하며, 이러한 도래각(AOA) 또는 발사각(AOD)을 계산하기 위한 신호 처리 기법으로 MUSIC(MUltiple SIgnal Classification) 알고리즘이 이용될 수 있다.
상기 방향정보는 거리정보를 포함할 수 있다. 거리 정보는 수신신호의 감도(RSSI)를 활용한 거리 추정 또는 ToF 기능을 활용한 거리 측정 방식으로 설정될 수 있다.
제어부(230)는 방향정보를 이용하여, 최종 목표위치 또는 국지적 목표위치를 설정하고, 목표위치로 이동하기 위한 이동 경로를 설정한다
최종 목표위치는 이동체(200)가 직선이동(3단계)으로 도킹할 수 있는 위치를 나타낸다.
최종 목표위치는 목표점과 이동체의 방향도 포함한다.
최종 목표위치는 형상정보를 더 반영하여 설정할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 도킹을 위한 이동체의 이동 절차를 도식적으로 나타낸 도면으로서, (a)는 1단계 내지 3단계로 이루어진 이동체의 이동절차를 나타낸 것이고, (b)는 도킹체와 이동체 간의 정렬을 나타낸 것이다. 그리고, (c)는 도킹체와 이동체 간의 도킹이 완료된 상태를 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 제어부(230)는 제1 내지 제3 단계를 포함하는 이동 경로를 설정할 수 있다.
1단계에서는, 이동체(200)가 주기적으로 방향정보를 설정하면서, 이동체의 방향정보가 도킹체(100)를 기준으로 '0'이거나 '0'에 가까운 상태가 되도록 이동체(200)가 도킹체(100)로 접근한다.
또한, 이동체(100)는 기본적으로 자율주행 기능을 구비한 제어부(230)와 센서부(240)를 포함하며, 센서부(240)가 장애물을 감지하는 경우에는 회피 기동하거나, 잠시 정지후 장애물이 없어지면 다시 기동하는 기능을 포함한다. 이동체(200)는 자율주행 기능과, 방향 정보를 기반으로 이동한다.
1단계에서 이동체(200)는 기본적으로 방향정보가 '0' 이 되고, 또한 도킹체(200)와의 거리가 일정 기준(예:1m)이하일 때까지 이동과정을 반복 수행한다.
2단계에서 이동체는 상기 도킹체(100)에 설치된 안테나부(110)와 도킹부(140) 사이의 위치 차이, 상기 이동체(200)에 설치된 안테나부(210)와 도킹부(260) 사이의 위치 차이를 고려하여, 최종적으로 도킹체(100)의 도킹부(140)와 이동체(200)의 도킹부(260)가 대면(정렬)되도록, 이동한다. 이때, 이동체(200)의 제어부(230)는 정렬 정보를 설정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 정렬 정보를 설정하는 방법을 보여준다
도 3을 참조하면, 이동체(200)의 이전의 위치 대비 현재의 위치를 비교하는 위치의 변화와, 이전의 고정된 도킹체(100) 대비 이동체(200)의 방향과 현재의 고정된 도킹체(100) 대비 이동체(200)의 방향의 방향 변화를 이용하여 원하는 정렬이 되었는지를 판단한다.
실시 예에서, 각각의 안테나와 도킹부의 위치차이가 '0'일 경우,
판단하는 방법은 다음 식과 같은 방법으로 확인 가능하다
식 1)
{TRUE, FALSE} = if ( mAoA(t(n)) = 0 && mAoA(t(n-1)) = 0 );
전제조건 : mPose(t(n)) != mPose(tn(n-1))
위의 식에서, mAoA(t(n))는 t=n일 때 도킹체 대비 이동체 방향을 나타내고, mPose(t(n))는 t=n일 때 이동체의 위치를 나타낸다.
실시 예에서, 상기 1단계와 2단계는 동시에 수행될 수 있다.
실시 예에서, 상기 도킹체(100)의 안테나부(110)와 도킹부(140) 사이의 위치 차이를 나타내는 형상정보는 이동체(200)에 저장되어 있거나, 도킹체(100)로부터 수신된 상기 수신 메시지에 포함된 데이터일 수 있다.
도 2b, 2c를 참조하면, 2b는 이동체(200)의 도킹부(260)와 도킹체(100)의 도킹부(140)가 서로 정렬이 되어 있는 상태이다. 3단계에서 이동체(200)는 회전없이 직진만으로 도킹체(100)에 도킹한다.
한편, 제어부(230)는 상기 설정된 이동 경로에 대응하는 구동 데이터를 생성하여, 후술하는 구동부(250)로 전달한다.
구동부(250)는 상기 제어부(230)로부터 전달된 구동 정보에 따라 이동체(200)의 이동을 제어하는 장치로서, 예를 들면, 이동체(200)가 차량인 경우, 엔진과 엔진을 제어하는 엔진 제어 유닛을 포함하는 장치일 수 있다. 또한, 이동체(200)가 전기 차량인 경우, 전기 모터와 전기 모터를 제어하는 모터 제어 유닛일 수 있다. 즉, 구동부(250)는 이동체를 이동시키는 동력원과 이러한 동력원을 제어하는 제어 유닛을 포함하는 장치로 불릴 수 있다.
센서부(240)는 이동체(200)로부터 도킹체(100) 또는 장애물과 같은 주변 물체까지의 거리를 감지하는 장치로서, 레이더, 라이다, 초음파 센서, 카메라 기반의 영상 인식 장치일 수 있다.
센서부(240)는 이동체(200)의 주변 물체를 감지하고, 주변 물체와의 거리를 포함하는 검출 정보를 제어부(230)로 제공할 수 있다. 센서부(240)는 근접한 상태에서 도킹체(100)와 이동체(100) 간의 거리 정보를 제공할 수 있다.
이동체(200)로부터 도킹체(100)까지의 거리는 센서부(240)를 이용하지 않고서도 획득될 수 있다. 예를 들면, 도킹체(100)와 이동체(200) 사이의 통신이 블루투스 통신의 경우, 수신 신호의 수신 신호 세기(RSSI)를 이용하여 획득되거나, 도킹체(100)와 이동체(200) 사이의 통신이 UWB 통신의 경우, UWB 신호의 TOF(Time Of Flight)을 통해 획득될 수도 있다.
도킹부(260)는 도킹체(100)의 도킹부(140)와 물리적으로 접촉을 하거나 일정 간격을 두고 도킹하는 비접촉 도킹 장치일 수 있다. 예를 들면, 이동체(200)의 무선 충전을 위해, 이동체(200)가 도킹체(100)에 도킹되는 경우, 도킹체(100)의 도킹부(140)는 송신 코일이고, 이동체(200)의 도킹부(260)는 상기 송신 코일로부터 전기에너지를 전자기 유도 방식으로 수신하는 수신 코일일 수 있다.
또한, 이동체(200)의 제어부(230)는 기준 데이터를 이용하여 이동체(200)의 자세를 제어할 수 있다. 즉, 이동체(200)의 제어부(230)는 도킹체(200)로부터 수신된 수신 신호의 수신 방향과 형상정보에 따라 이동체(200)의 자세(위치, 방향)를 설정하기 위한 구동 정보를 생성하여 구동부(250)로 제공할 수 있다.
또한, 도킹체(100)와 이동체(200)의 제어부(130 및 230)는 기준 데이터를 포함하는 수신 신호의 수신 감도(RSSI)가 약하거나 너무 강한 경우, 수신 감도의 개선을 위해 송신 전력을 조절하거나 조절을 상대방에게 요청할 수 있다.
또한, 이동체(200)의 제어부(230)는 이동 경로를 설정하는 과정에서, 도킹체(100)의 도킹부(140) 전방의 최종 목표 위치로 하는 이동 경로를 설정할 수도 있지만, 순차적인 접근을 위한 국부적 목표를 설정하면서 국부적 제어를 수행하면서 점진적으로 최종 목표 위치에 도달하기 위한 설정을 수행할 수도 있다.
이동체(200)의 자율주행 제어 관련하여 제어부(230)는 내장된 지도 정보 및/또는 센서부(240)에 의해 획득된 주변 물체에 대한 감지 정보를 이용하여, 효율적인 이동 경로를 설정하거나 감지된 주변 물체와의 충돌을 피할 수 있는 안전한 이동 경로를 설정할 수 있다.
이동체(200)의 제어부(230)는 자율주행기능과 방향정보 기반 주행기능을 포함한다. 기본적으로 자율주행 기능이 우선하지만, 서로 간의 조합으로 이동하도록 제어한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 이동체의 BLE 5.1 기반 AoD에 의한 방향 추정 기반 도킹 동작을 나타내는 신호 흐름도이다.
도 4를 참조하면, S201에서, 이동체(200)가 도킹 스테이션(100)으로부터 애드버타이징(advertising) 신호를 수신한다.
이어, S202에서, 이동체(200)가 애드버타이징 신호의 수신에 따라 도킹체(100)를 발견하면, 이동체(200)가 도킹 스테이션(100)과의 통신 연결을 설정하기 위해 연결 요청 메시지를 도킹체(100)로 송신한다.
이어, S203에서, 도킹체(100)가 연결 요청 신호에 응답하여 연결 응답 신호를 이동체(200)로 송신하고, 이동체(200)가 연결 응답 신호를 수신하면, 도킹체(100)와 이동체(200) 사이의 통신 연결 설정이 완료된다.
이어, 도킹체(100)와 이동체(200) 사이의 통신 연결이 설정되면, S204에서, 이동체(200)가 기준 데이터(CTE(Constant Tone Extension) 데이터)를 요청하는 CTE 요청 메시지를 도킹체(100)로 송신한다.
이어, S205에서, 도킹체(100)가 다중 안테나를 이용하여 기준 데이터를 포함하는 CTE 응답 메시지를 이동체(200)로 송신하고, 이동체(100)가 싱글 안테나를 이용하여 기준데이터를 수신한다.
이어, S206에서, 이동체(200)가 도킹체(100)로부터 수신된 CTE 응답 메시지에 포함된 기준 데이터를 추출하고, 추출된 기준 데이터를 이용하여 AoD기반 각도 추정 및 도킹체(100)의 방향정보를 설정한다.
이어, S207에서, 이동체가 운동성정보, 형상정보 및 상기 설정된 방향정보 중에서 적어도 하나의 정보를 이용하여 도킹체(100)의 도킹부(140)에 이동체(200)의 도킹부(260)가 정렬되도록 이동한다. 이때, 이동체(200)는 운동성정보, 형상정보, 방향정보 등 적어도 하나의 정보를 이용하여 정렬 정보를 설정할 수 있다. 여기서, 운동성 정보는 이동체(200)의 위치, 방향, 속도, 가속도 중 적어도 하나를 포함하는 정보이고, 형상 정보는 도킹체(100)에 설치된 다중 안테나부(110)와 도킹부(140) 사이의 위치 차이, 이동체(200)에 설치된 싱글 안테나부(210)와 도킹부(260) 사이의 위치 차이, 안테나의 구조 및 특성 정보를 포함하는 정보일 수 있다.
이어, S208에서 이동체(200)가 목표위치에 도달했는지를 판단한다. 즉, 도킹체(100)의 도킹부(140)와 이동체(200)의 도킹부(260)가 정렬된 상태인지를 판단하다. 여기서, 정렬된 상태란 이동체의 도킹부와 도킹체의 도킹부가 일정 간격(예, 50cm)을 두고, 일직선상에 위치한 상태 또는 이동체(200)가 직선 이동만으로 도킹될 수 있는 위치군에 위치한 상태를 의미한다.
이동체(200)가 목표 위치에 도달하면, S209에서, 도 2의 (a)에 도시된 3단계에 따른 이동절차에 따라, 이동체(200)가 직선 이동만으로 도킹체(100)에 접근하여 이동체(200)의 도킹부(260)가 도킹체(100)의 도킹부(140)에 도킹을 완료한다.
한편, 전술한 단계 S208에서, 이동체(200)가 목표위치에 도달하지 못한 경우, S204 이전으로 돌아가서 다시 방향 정보를 설정하는 과정을 반복 수행한다.

Claims (8)

  1. WPAN기반 이동체가 상기 도킹체의 무선 신호를 수신하는 단계; 상기 이동체가 상기 무선 신호에 포함된 기준 데이터 또는 메시지를 이용하여 방향 정보 또는 정렬 정보를 설정하는 단계; 및
    상기 방향 정보 또는 정렬 정보는 이동체의 운동성 정보 또는 형상 정보를 더 이용하여 설정할 수 있으며,
    상기 이동체의 운동성 정보, 형상 정보, 방향 정보 또는 정렬 정보 중 하나이상을 정보를 이용하여 목표위치를 설정하고, 목표위치로 이동하기 위한 이동체를 제어하는 단계는;
    상기 방향 정보에 기반하여 목표위치로 가기 위한 이동 경로를 설정하고 구동부를 제어하며 이동체가 이동하는 1단계;
    상기 방향 정보, 형상 정보에 기반하여 목표위치로 가기 위한 이동 경로를 설정하고 구동부를 제어하며 이동체가 이동하는 2단계;
    이동 후, 이동체가 목표위치에 도달했는지를 판단하는 단계; 및
    상기 목표위치에 도달한 경우, 상기 이동체가 직선 이동하여 도킹체와 도킹하는 3단계;
    상기 목표위치에 도달하지 못한 경우, 이동체는 상기 과정을 반복 수행하는 도킹 시스템의 도킹 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 이동체가 도킹체의 방향 정보를 설정하는 단계는,
    도킹체가 싱글안테나를 이용하여 기준신호를 전송하고, 이동체가 다중안테나를 이용하여 수신하는 경우, 이동체는 AoA신호처리를 이용하여 방향 정보를 설정하거나,
    도킹체가 다중안테나를 이용하여 기준신호를 전송하고, 이동체가 싱글안테나를 이용하여 수신하는 경우, 이동체는 AoD 신호처리를 이용하여 도킹체 기준 이동체 방향 정보를 설정하거나,
    이동체가 싱글안테나를 이용하여 기준신호를 전송하고, 도킹체가 다중안테나로 수신하는 경우, 도킹체가 AoA신호처리를 이용하여 도킹체 기준 이동체 방향정보를 설정하고, 이동체로 방향정보를 포함하는 메시지를 전달하고, 이동체는 상기 방향정보를 이용하여 이동체 기준 방향정보를 설정하거나; 이 중 하나를 이용하는 이동체의 방향 정보 설정 단계.
  3. 제1항에서,
    상기 이동체가 정렬 정보를 설정하는 단계는,
    도킹체가 다중안테나를 이용하여 기준신호를 전송하고, 이동체가 싱글안테나를 이용하여 수신하는 경우, 이동체는 AoD 신호처리를 이용하여 도킹체 기준 이동체 방향 정보를 설정하거나,
    이동체가 싱글안테나를 이용하여 기준신호를 전송하고, 도킹체가 다중안테나를 이용하여 수신하는 경우, 도킹체는 AoA신호처리를 이용하여 이동체의 방향 정보를 설정하고, 이동체로 방향정보를 포함하는 메시지를 전달하거나,
    이동체가 다중안테나를 이용하여 기준신호를 전송하고, 도킹체가 싱글안테나를 이용하여 수신하는 경우, 도킹체는 AoD 신호처리를 이용하여 이동체의 방향 정보를 설정하고, 이동체로 방향정보를 포함하는 메시지를 전달하거나; 이 중 하나를 이용하며,
    이동체는 운동성정보, 형상정보, 상기 도킹체 기준 이동체 방향정보 중 하나 이상의 정보를 이용하고, 이동체 위치의 변화에 따른 도킹체 기준 이동체 방향 정보의 변화를 이용하여 정렬 여부에 해당하는 이동체의 정렬 정보 설정 단계.
  4. 제1항에 있어,
    이동체가 목표위치에 도달했는지를 판단하는 단계는,
    운동성정보, 형상정보, 방향 정보, 정렬 정보, 검출 정보 중 하나 이상을 이용하여,
    도킹체와 이동체가 일정거리(예:50cm)이내 여부와 정렬 정보의 도킹체의 도킹부와 이동체의 도킹부가 정렬 여부로 목표위치에 도달했는지를 판단하는 단계를 포함하는 이동체의 도킹 방법.
  5. 제1항에 있어,
    상기 WPAN 통신은,
    와이-파이 통신(wi-fi), 블루투스 통신(blue tooth), 지그비 통신(zigbee), 초광대역 통신(Ultra-wideband, UWB) 중에서 어느 하나인 것인 도킹체와 이동체의 도킹 방법.
  6. 제1항에 있어,
    이동체의 이동하는 1단계는, 상기 운동성정보 또는 방향정보 중 하나 이상의 정보를 기반으로 도킹체와 이동체 간의 거리를 좁혀가며, 도킹체 기준 이동체의 방향정보가 "0" 또는 "0에 가까운 값"이 되도록 구동부를 제어하며 이동하는 단계이며,
    이동체가 이동하는 2단계는, 상기 운동성정보, 형상정보, 방향정보, 정렬정보 중 하나 이상의 정보를 기반으로 도킹체의 도킹부와 이동체의 도킹부가 정렬이 되고, 또한 도킹체의 도킹부로부터 일정거리(예:50cm)가 떨어진 목표위치를 설정하고, 목표위치로 이동하기 위한 구동부를 제어하며 이동하는 단계이며,
    상기 이동체는 센서부를 이용하여 주변 물체의 검출 및 거리를 파악하고, 장애물인 경우에는 회피 기동 또는 일시정지 후 재기동 하며 목표위치로 이동하며, 센서부에서 이동체와 도킹체와의 거리정보를 제공할 수 있는 것을 특징으로 하는 단계인 것인 도킹 스테이션과 이동체의 도킹 방법.
  7. 제1항에서,
    상기 이동체에서 도킹체의 형상정보가 메모리에 저장되어 있는 경우, 활용하며, 메모리에 저장되어 있지 않은 경우에는, 이동체가 도킹체에 형상정보 요청 메시지를 송신하고, 형상정보 응답 메시지를 수신하여 형상정보를 메모리에 저장하여 활용하는 도킹 스테이션과 이동체의 도킹 방법.
  8. 제1항에서,
    이동체는 상기 운동성정보, 형상정보, 방향정보, 정렬정보 등 하나이상의 정보를 기반으로 목표위치를 설정하고, 목표위치로 이동하기 위한 이동체를 제어함에 있어 1단계, 2단계를 동시에 수행할 수 있는 도킹 방법.
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