[논문]아이폰 기반의 이동로봇 시뮬레이터 개발

김동헌

doi:10.5391/jkiis.2013.23.1.29

[국내논문] 아이폰 기반의 이동로봇 시뮬레이터 개발
Development of a Simulator for a Mobile Robot Based on iPhone 원문보기

한국지능시스템학회 논문지 = Journal of Korean institute of intelligent systems, v.23 no.1, 2013년, pp.29 - 34

초록
AI-Helper

본 논문은 애드혹 통신을 기반으로 아이폰의 가속도 센서를 사용하여 이동로봇을 무선 제어하는 연구에 대하여 다룬다. 이동로봇을 아이폰으로 무선제어하기 위한 방법으로 사용자 원격제어와 자율제어 방법이 제안되었다. 궤적 추종제어 알고리즘의 효율성을 평가하기 위하여 아이폰의 인터페이스를 기반으로 모니터에 그려진 궤적을 가상로봇이 추종하는 시뮬레이터를 개발하였다. 제안된 시뮬레이터에서는 궤적 추종제어를 위해 이동로봇을 제어할 때 컴퓨터에서 해당 알고리즘을 이용하여 미리 시뮬레이션이 가능하며 사용자에 의한 원격제어와의 결과 비교도 보여준다. 연구의 결과로 제안된 시뮬레이터가 이동로봇에 자율이동제어 방법을 사용할 때, 자율추종 알고리즘의 적합성과 효율성을 미리 검사 하는데 사용될 수 있음을 보여준다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study presents the remote control of a mobile robot using iPhone based on ad hoc communication. Two control interfaces are proposed to control a mobile robot using iPhone : Remote control by a user and autonomous control. To evaluate the effectiveness of algorithms for trajectory following, a simulator are developed where a virtual robot follows a referenced trajectory in a monitor by iPhone interface. In the proposed simulator, some algorithms are tested how they work well or not for trajectory following of a mobile robot. Comparative results by remote user control and autonomous control are shown. Results of an experiment show that the proposed simulator can be effectively used for testing the effectiveness of autonomous tracking algorithms.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이 논문에서 제안된 자율이동로봇 알고리즘은 사용자에 의한 직접 원격제어와 비교용으로 사용되었고, 이 알고리즘이 최선의 방법이라는 것을 보여주는 것은 아니다. 이 연구의 목적은 사용자에 의한 원격제어와 다양한 자율이동로봇 알고리즘이 제안된 시뮬레이터로 테스트 될 수 있다는 것에 있다. 제안된 시뮬레이터는 아이폰에 내장된 기울기 센서를 이용하여 자율이동로봇의 궤적추적 제어를 시험 할 수 있으며, 비교적 간단하고 저렴하게 제작된 하드웨어 환경을 제공한다.
본 논문에서는 애드혹 통신을 기반으로 아이폰의 가속도 센서를 사용하여 이동로봇을 무선 제어하는 방법으로 사용자 원격제어와 자율제어 방법이 제안되었다. 궤적 추종제어 알고리즘의 효율성을 평가하기 위하여 모니터에 그려진 궤적을 아이폰의 인터페이스로 추종하는 시뮬레이터를 개발하였다.
본 논문에서는 애드혹 통신을 기반으로 아이폰의 가속도 센서를 사용하여 이동로봇을 무선 제어하는 방법으로 사용자 원격제어와 자율제어 방법이 제안되었다. 궤적 추종제어 알고리즘의 효율성을 평가하기 위하여 모니터에 그려진 궤적을 아이폰의 인터페이스로 추종하는 시뮬레이터를 개발하였다. 제안된 시뮬레이터에서는 궤적 추종제어를 위해 이동로봇을 제어할 때 컴퓨터에서 해당 알고리즘을 이용하여 미리 시뮬레이션이 가능하며 사용자에 의한 원격제어와의 결과 비교도 보여 주었다.

제안 방법

본 논문에서 개발하는 시스템은 이동로봇의 제어를 위해 애드혹 무선통신을 사용한다. 차등구동로봇을 대상으로 아이폰의 가속도 센서를 사용하여 아이폰을 무선 핸들처럼 사용 한다.
무선통신을 통해 로봇을 제어할 때 사용자의 제어기 조작은 빠르게 반영 되어야 하기 때문에 최소한의 데이터양을 사용하는 무선통신 제어 방법을 채택한다. 따라서, 본 연구에서는 애드혹 통신을 기반으로 아이폰을 이용한 무선제어와 자율이동제어를 통해 이동로봇을 제어하는 방법을 다룬다. 사용자에 의한 무선 원격제어와 자율이동제어 방법을 개발된 시뮬레이터를 통하여 비교하고, 알고리즘의 유효성을 검사하기 위하여 가상의 이동로봇을 컴퓨터에서 사용하는 시뮬레이터를 제안한다.
따라서, 본 연구에서는 애드혹 통신을 기반으로 아이폰을 이용한 무선제어와 자율이동제어를 통해 이동로봇을 제어하는 방법을 다룬다. 사용자에 의한 무선 원격제어와 자율이동제어 방법을 개발된 시뮬레이터를 통하여 비교하고, 알고리즘의 유효성을 검사하기 위하여 가상의 이동로봇을 컴퓨터에서 사용하는 시뮬레이터를 제안한다.
3장에서는 아이폰과 PC간의 통신을 위한 개발 환경 구축 및 로봇과 아이폰의 통신 방법에 대해 제시한다. 또한, 제안된 시뮬레이터를 통하여 아이폰으로 로봇을 제어하기 위한 무선원격제어 방법과 자율이동 방법에 대한 방법을 보여준다. 4장에서는 하드웨어 구성과 실험 결과들을 보여준다.
따라서 가속도 센서는 흔들기나 갑작스런 움직임을 인식할 때도 사용될 수 있다. 본 논문에서는 아이폰을 무선제어기로 사용하여 원격으로 차등 구동 로봇을 제어한다.
차등 구동 로봇은 아이폰의 가속도 축 변화에 의해 그림 2처럼 제어된다. 본 연구에서는 차등 구동 로봇의 원격 제어를 위해 아이폰에 내장된 가속도 센서 두 축인 y, z축을 사용한다. 아이폰의 화면을 앞으로 숙이게 되면 가속도센서의 z축 값이 -1값으로 점점 변화되고 로봇은 정면으로 이동한다.
제안된 시뮬레이터에서는 모니터에서 그려지는 가상 이동로봇이 그림2의 실제 이동로봇을 대신한다. 가상 이동로봇을 제어하기 위하여 사용자가 직접 모니터를 보면서 가상 이동로봇을 제어하는 사용자에 의한 무선 원격제어와 서보모터에 연결된 아이폰이 희망궤적과 현재의 위치를 줄이기 위해 자율 제어하는 자율 이동로봇 궤적추종의 두 가지 방법에 대해 다룬다.
본 연구에서 아이폰과 로봇의 통신 방법으로 다음과 같이 최소의 데이터를 사용하는 데이터 패킷을 설계한다. 그림 3은 이때 사용한 통신패킷을 보여준다.
로봇의 연산시간을 최대한 줄이고 로봇의 실시간 제어에 용이 하도록 아이폰에서 로봇의 왼쪽, 오른쪽 모터 입력값을 계산한다. 그림 3은 이 연구에서 사용된 데이터 패킷을 보여준다.
자율제어 방법에 의한 이동로봇 궤적제어는 그림 8의 방법을 사용하여 사용자 원격제어에 의한 방법과 결과와 비교된다. 표준 편차와 오차 누적치는 그림 8처럼 희망궤적과의 편차 계산으로 구하였다. 즉, 오차는 원하는 경로(D_k)와 이동 경로(R_k)와의 거리차이 이다.
이 논문에서 제안된 자율이동로봇 알고리즘은 사용자에 의한 직접 원격제어와 비교용으로 사용되었고, 이 알고리즘이 최선의 방법이라는 것을 보여주는 것은 아니다. 이 연구의 목적은 사용자에 의한 원격제어와 다양한 자율이동로봇 알고리즘이 제안된 시뮬레이터로 테스트 될 수 있다는 것에 있다.
이 연구의 목적은 사용자에 의한 원격제어와 다양한 자율이동로봇 알고리즘이 제안된 시뮬레이터로 테스트 될 수 있다는 것에 있다. 제안된 시뮬레이터는 아이폰에 내장된 기울기 센서를 이용하여 자율이동로봇의 궤적추적 제어를 시험 할 수 있으며, 비교적 간단하고 저렴하게 제작된 하드웨어 환경을 제공한다. 본 실험을 통하여 아이폰으로 제어하는 자율 이동로봇 설계시 사용할 수 있는 제어 알고리즘을 제안된 시뮬레이터를 통하여 미리 테스트가 가능하다.

대상 데이터

제안된 아이폰 기반의 자율이동로봇 시뮬레이터 제작을 위해 그림 8과 같이 아이폰 거치대와 서보모터가 사용되었다. 서보모터는 Atmega128에 의해 제어되며 RS232c 단자에 의해 PC와 연결되었다.

데이터처리

궤적 추종제어 알고리즘의 효율성을 평가하기 위하여 모니터에 그려진 궤적을 아이폰의 인터페이스로 추종하는 시뮬레이터를 개발하였다. 제안된 시뮬레이터에서는 궤적 추종제어를 위해 이동로봇을 제어할 때 컴퓨터에서 해당 알고리즘을 이용하여 미리 시뮬레이션이 가능하며 사용자에 의한 원격제어와의 결과 비교도 보여 주었다. 연구의 결과로 제안된 시뮬레이터가 이동로봇에 자율이동제어 방법을 사용할 때, 자율추종 알고리즘의 적합성과 효율성을 미리 검사 하는데 사용될 수 있음을 보여주었다.

성능/효과

3552 이다. 따라서, 사용자가 직접 제어하는것 보다는 알고리즘에 의한 자율이동로봇이 더 좋은 결과를 보여주었다. 표 2는 사용자 원격제어와 자율이동로봇제어에 의한 표준편차와 오차 누적치를 보여준다.
제안된 시뮬레이터는 아이폰에 내장된 기울기 센서를 이용하여 자율이동로봇의 궤적추적 제어를 시험 할 수 있으며, 비교적 간단하고 저렴하게 제작된 하드웨어 환경을 제공한다. 본 실험을 통하여 아이폰으로 제어하는 자율 이동로봇 설계시 사용할 수 있는 제어 알고리즘을 제안된 시뮬레이터를 통하여 미리 테스트가 가능하다. 또한.
또한. 핸들로 조정하는 이동로봇 궤적추종 제어시 제안된 시뮬레이터를 통하여 실제 이동로봇이 없어도 모니터에 있는 가상로봇으로 이동로봇 조정을 가능하게 해준다.
제안된 시뮬레이터에서는 궤적 추종제어를 위해 이동로봇을 제어할 때 컴퓨터에서 해당 알고리즘을 이용하여 미리 시뮬레이션이 가능하며 사용자에 의한 원격제어와의 결과 비교도 보여 주었다. 연구의 결과로 제안된 시뮬레이터가 이동로봇에 자율이동제어 방법을 사용할 때, 자율추종 알고리즘의 적합성과 효율성을 미리 검사 하는데 사용될 수 있음을 보여주었다. 추후 연구는 제안된 아이폰 인터페이스를 사용하여 두 사람에서 네 사람의 사용자가 하나의 컴퓨터 모니터에서 게임을 할 수 있는 시스템을 개발하는 것이다.

후속연구

연구의 결과로 제안된 시뮬레이터가 이동로봇에 자율이동제어 방법을 사용할 때, 자율추종 알고리즘의 적합성과 효율성을 미리 검사 하는데 사용될 수 있음을 보여주었다. 추후 연구는 제안된 아이폰 인터페이스를 사용하여 두 사람에서 네 사람의 사용자가 하나의 컴퓨터 모니터에서 게임을 할 수 있는 시스템을 개발하는 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서의 가상의 이동로봇이 자율적 으로 궤적을 따라가기 위한 과정은 무엇인가?	a. PC에서 희망궤적을 기준으로 로봇과의 위치편차를 확인한다. b. PC에 있는 알고리즘을 기반으로 RS232C로 연결된 모터 컨트롤러에 회전 명령을 전송한다. c. 모터에 연결된 아이폰이 기울어진다. d. 아이폰의 가속도센서에서 읽은 기울기 값이 아이폰과 PC 와 연결된 WiFi 모듈을 통해서 아이폰의 명령패킷이 PC 로 전송된다. e. PC에 있는 가상 이동로봇이 희망궤적으로 움직인다. a 부터 e 까지 계속 반복한다.
	이동로봇의 제어방식은 어떻게 분류되는가?	이동로봇은 산업용, 군사용, 의료용등 많은 분야에서 현재 광범위하게 사용되어 오고 있다[1]. 이동로봇을 직접 사용자가 제어기로 조정할 때 선의 존재에 따라 유선제어, 무선제어로 분류된다. 현재는 적외선, 초음파, 블루투스(Blue tooth), 직비(Zigbee), 애드혹(Ad hoc) 등 무선통신 기술의 발달로 다양한 무선제어 방식으로 이동로봇을 원격 제어 하고 있다.
	이동로봇은 어떠한 분야에서 사용되어 오고 있는가?	이동로봇은 산업용, 군사용, 의료용등 많은 분야에서 현재 광범위하게 사용되어 오고 있다[1]. 이동로봇을 직접 사용자가 제어기로 조정할 때 선의 존재에 따라 유선제어, 무선제어로 분류된다.

참고문헌 (13)

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http://en.wikipedia.org/wiki/Low-pass_filter, [Accessed: August 10, ,2011]

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표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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