[논문]Passive RFID 시스템을 이용한 효율적인 영역 탐색 기법

이상엽; 이충용; 조원서; 남상엽; 김동한

doi:10.5573/ieie.2014.51.2.220

Passive RFID 시스템을 이용한 효율적인 영역 탐색 기법
Passive RFID system for Efficient Area Coverage Algorithm 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.51 no.2, 2014년, pp.220 - 226

이상엽 (경희대학교 전자전파공학과) , 이충용 (경희대학교 전자전파공학과) , 조원서 (경희대학교 전자전파공학과) , 남상엽 (국제대학교 IT계열) , 김동한 (경희대학교 전자전파공학과)

초록
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본 논문에서는 Passive RFID system으로 구성된 Smart Floor 환경에서 다 개체 로봇의 효율적인 영역 탐색 방법을 제안한다. 연구에서 사용된 Passive RFID system 은 RF 안테나의 인식 범위 내에 있는 RF 태그에 사용자가 원하는 정보를 저장하고 읽을 수 있다. 본 연구에서는 명시적인 위치정보를 저장한 RF 태그를 바닥에 매설한 Smart Floor 라는 환경을 구축하였고, 로봇에 설치되어 있는 안테나를 통하여 태그로부터 받아들인 위치정보를 논문에서 제안하는 방법으로 가공하여 모바일 로봇의 위치를 추정함과 동시에 Smart Floor 내의 다른 로봇에게 자신의 이동 흔적을 남김으로써 기존 탐색 기법에 비해 전체 영역 탐색 시간을 단축하여 효율을 높였다. 본 논문에서는 Smart Floor 환경을 활용하여 모바일 로봇의 효율적인 이동 알고리즘을 제안한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes an enhanced fast scanning method for multi-agent robot system. Passive RFID tag can read and store the information within the range of recognizable RF tag reader. Based on this information of Passive RFID tag, the position of mobile robot can be estimated and at the same time, the efficiency of scanning process can be improved because it provides a scanning trace for other mobile robots. This paper proposes an dfficient motion planning algorithm for mobile robots in a smart floor environment.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서 제안하는 방법의 궁극적 목표는 빠른 시간 안에 제한된 영역을 탐색하는 것이다. 이러한 목표를 달성하기 위하여 Smart Floor를 사용한 이동 알고리즘에 대해 소개한다.
본 논문에서는 Passive RFID system으로 구성된 Smart Floor 환경에서 이동 로봇의 효율적인 영역 탐색 방법을 제안한다. 우리가 제안하는 방법은 영상처리 기법과 비교하여 비용면에서 비싸다는 단점이 있다.
본 논문에서는 Passive RFID system으로 구성한 Smart Floor를 사용하여 모바일 로봇의 영역탐색 방법을 제안하였다. Smart Floor를 사용할 경우에 사용하지 않는 경우에 비하여 불필요한 로봇의 이동이 줄어듦에 따라 영역탐색 시간을 55.
본 논문에서 제안하는 방법의 궁극적 목표는 빠른 시간 안에 제한된 영역을 탐색하는 것이다. 이러한 목표를 달성하기 위하여 Smart Floor를 사용한 이동 알고리즘에 대해 소개한다.
향후 연구에서는 변화하는 실험 환경에서 본 알고리즘을 적용한 실험을 진행하고 다양한 환경에서의 적용 가능성을 확인하는 것을 목표로 한다.

가설 설정

1. Concept of Passive RFID system.

제안 방법

본 실험에 사용된 실험환경은 정사각형의 영역으로 구성하였고, 실험은 Smart Floor를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우로 구분하였다. Smart Floor를 사용한 경우 저자가 제안한 알고리즘을 사용하여 시뮬레이션을 진행하였으며, Smart Floor의 구성은 그림 6과 같이 바둑판 형태로 144개의 RF 태그를 12 x 12 배열하였다[11]. 각 태그 간의 간격은 실제 실험환경을 고려하여 30cm로 설정하였으며, 실험에서 사용한 로봇은 이륜구동 로봇으로서 양 바퀴간 거리는 30cm로 설정하였다.
로봇은 시작점에서 이동을 하기에 앞서 안테나를 이용하여 주변의 RF 태그들을 검색한다. 이 과정을 통하여 얻어진 주변 RF 태그들의 좌표 값을 바탕으로 로봇의 현재 전역 위치를 추정하게 된다.
로봇의 이동에 따른 영역 탐색 정도를 파악하기 위하여 지나간 위치의 픽셀을 음영처리 하였으며 전체 영역에서 음영 처리된 영역의 픽셀 수를 판단하여 영역 탐색률을 파악하였다. 파란색의 작은 원은 1번 로봇의 몸체이며 파란 외부원은 로봇의 탐색 영역이다.
먼저 Ⅱ 본론에서는 Passive RFID system으로 구성된 “Smart Floor”를 소개하고, Ⅲ Increment Value를 이용한 이동 알고리즘에서는 Smart Floor를 이용한 이동로봇의 영역 탐색 방법에 대해서 다룬다.
본 연구의 효율성을 입증하기 위하여 MATLAB을 사용하여 시뮬레이션을 진행하였다. 본 실험에 사용된 실험환경은 정사각형의 영역으로 구성하였고, 실험은 Smart Floor를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우로 구분하였다. Smart Floor를 사용한 경우 저자가 제안한 알고리즘을 사용하여 시뮬레이션을 진행하였으며, Smart Floor의 구성은 그림 6과 같이 바둑판 형태로 144개의 RF 태그를 12 x 12 배열하였다[11].
Smart Floor를 사용하지 않을 경우 외부원은 필요가 없다. 시뮬레이션은 로봇 몸체의 부피에 의하여 100% 탐색이 되지 않도록 설정하였으며 두 경우의 모두 90% 탐색율을 달성하면 시뮬레이션을 종료시키도록 설정하였다.

대상 데이터

Smart Floor를 사용한 경우 저자가 제안한 알고리즘을 사용하여 시뮬레이션을 진행하였으며, Smart Floor의 구성은 그림 6과 같이 바둑판 형태로 144개의 RF 태그를 12 x 12 배열하였다[11]. 각 태그 간의 간격은 실제 실험환경을 고려하여 30cm로 설정하였으며, 실험에서 사용한 로봇은 이륜구동 로봇으로서 양 바퀴간 거리는 30cm로 설정하였다. 이동 속도는 동일하게 설정하였으며 RF 안테나의 인식 영역은 직경 180cm로 구성하였다.

데이터처리

각기 다른 두 방법의 시뮬레이션을 10번씩 진행하여 아래의 표 1과 표 2에 정리하였다. 표 1과 표 2는 각각 Smart Floor를 사용하지 않은 경우와 사용한 경우의 시뮬레이션 결과 값을 평균, 최대, 최소 소요시간으로 정리하였다.

이론/모형

그림 8은 Smart Floor를 사용한 환경에서 두 로봇의 영역 탐색을 보여준다. 로봇의 이동에는 제안한 이동 알고리즘을 사용하였다. 두 로봇은 시작과 동시에 주변의 태그들을 검색하여 자신의 위치를 파악하고 이동 목표지점을 설정하게 된다.
본 연구에서 사용된 로봇 위치에 대한 추정법은 mean연산 방법을 사용하였다^[10]. mean 연산은 인식된 태그의 좌표 정보들의 평균을 구하여 위치를 추정하는 방식으로 식 (1)과 같이 표현된다.
본 연구의 효율성을 입증하기 위하여 MATLAB을 사용하여 시뮬레이션을 진행하였다. 본 실험에 사용된 실험환경은 정사각형의 영역으로 구성하였고, 실험은 Smart Floor를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우로 구분하였다.
안테나를 통해 전파를 송신하여 태그를 인식하게 되며 태그 안에 있는 정보를 읽고 저장할 수 있으며, 동시에 다수의 태그를 인식할 수 있다[9]. 이와 같이 데이터를 읽고 저장할 수 있는 장점을 활용하여본 연구에서 모바일 로봇의 위치 측위 및 이동 알고리즘 생성에 수동형 RFID를 사용한다^[8].

성능/효과

본 논문에서는 Passive RFID system으로 구성한 Smart Floor를 사용하여 모바일 로봇의 영역탐색 방법을 제안하였다. Smart Floor를 사용할 경우에 사용하지 않는 경우에 비하여 불필요한 로봇의 이동이 줄어듦에 따라 영역탐색 시간을 55.8% 감소시키는 것을 확인 하였다. 실제 환경에서 모바일 로봇의 이동 거리는 소모되는 배터리와 직결되기 때문에 시뮬레이션 결과를 바탕으로 제한된 자원을 효율적으로 사용할 수 있음을 확인하였다.
그림 9는 Smart Floor의 유무에 따라 시뮬레이션을 10번씩 실행하여 영역탐색에 걸린 시간을 그래프로 표현하였다. 그래프를 통하여 Smart Floor를 사용하였을 경우에 영역을 탐색 하는 시간이 감소한 것을 확인할 수 있고, 뿐만 아니라 소요시간의 변동 폭이 감소하는 것을 확인할 수 있다.
본 연구에서 진행된 알고리즘은 RF 태그로부터 명시적인 위치 값을 바탕으로 자신의 위치를 추정하여 진행 되었기 때문에 영상처리를 이용하여 영역을 탐색하는 모바일 로봇에 비하여 자신의 위치를 판단함에 있어 강인함을 보인다. 이러한 장점들은 모바일 로봇이 자신의 정확한 위치 값을 필요로 하는 분야에서 사용한다면 효과를 볼 수 있다.
8% 감소시키는 것을 확인 하였다. 실제 환경에서 모바일 로봇의 이동 거리는 소모되는 배터리와 직결되기 때문에 시뮬레이션 결과를 바탕으로 제한된 자원을 효율적으로 사용할 수 있음을 확인하였다.
그림 10과 그림 11에서 보여지는 Increment Value의 값을 보면 Smart Floor를 사용한 경우는 사용하지 않은 경우에 비하여 등고선이 완만한 것을 확인할 수 있다. 이 결과들은 영역 탐색이 모두 완료된 시점에서의 결과이고, 결국 Smart Floor를 사용 하였을 경우 사용하지 않은 경우에 비하여 불필요한 로봇의 이동이 감소한 것을 확인할 수 있다.
영역 탐색 70% 이전까지는 Smart Floor를 사용하지 않은 경우가 탐색 속도가 빠르지만 70% 이후부터 90%까지 도달하는 시간은 Smart Floor를 사용한 경우가 훨씬 빠른 것을 확인할 수 있다. 이는 곧 랜덤 탐색이 초기에는 영역 탐색이 빠를 수도 있지만 본 논문에서 제안하는 알고리즘을 사용하면 최종 목표를 달성하는 데에 더욱 효율적인 것을 확인할 수 있다. 뿐만 아니라 Smart Floor를 사용한 경우의 영역 탐색률이 더욱 고르게 진행되는 것을 확인 할 수 있다.
이러한 현상은 곧 Smart Floor를 사용할 경우 본 논문에서 제안한 알고리즘에 따라 움직임으로서 불필요한 이동을 감소시켜 영역 탐색의 시간을 단축하였음을 확인 할 수 있다.
표 1과 표 2에서 확인 할 수 있듯이 Smart Floor를 사용하여 10번씩 반복한 실험은 평균적으로 49.35초를 단축하였으며 이는 결과적으로 영역 탐색 시간을 55.8% 단축 시켰음을 확인할 수 있다. 그림 9는 Smart Floor의 유무에 따라 시뮬레이션을 10번씩 실행하여 영역탐색에 걸린 시간을 그래프로 표현하였다.
하지만 본 논문에서 제안하는“Increment Value”라는 새로운 개념을 통하여 다개체 로봇의 간접통신과 효율적인 영역 탐색이 가능하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	RFID 기술은 어떠한 기능을 가지는가?	RFID 기술은 다양한 개체의 정보를 관리할 수 있는 인식 기술이다. 안테나를 통해 전파를 송신하여 태그를 인식하게 되며 태그 안에 있는 정보를 읽고 저장할 수있으며, 동시에 다수의 태그를 인식할 수 있다[9]. 이와 같이 데이터를 읽고 저장할 수 있는 장점을 활용하여본 연구에서 모바일 로봇의 위치 측위 및 이동 알고리즘 생성에 수동형 RFID를 사용한다[8].
	mean 연산이란?	연구에서 사용된 로봇 위치에 대한 추정법은 mean연산 방법을 사용하였다[10]. mean 연산은 인식된 태그의 좌표 정보들의 평균을 구하여 위치를 추정하는 방식으로 식 (1)과 같이 표현된다. 여기서 n은 인식된 태그의 개수이며, Xreconized와 Yrecognized는 추정된 좌표값이다[8].
	Smart Floor 환경에서 로봇들은 어떻게 동작하는가?	하지만 로봇의 명시적인 위치를 Smart Floor로부터 얻어 이동 알고리즘을 구현하였기 때문에 영상처리 기법의 단점인 시계 불안정성과 위에 제시한 단점들을 극복할 수있으며[8] 임무를 수행할 수 없는 극한의 환경에서 비용과 상관없이 정확한 임무를 수행해야하는 상황에 본 기법이 사용될 수 있다. 뿐만 아니라 한 대 이상, 여러 대의 이동 로봇에도 구현 가능하며, 로봇들이 Smart Floor 환경에서 독립적으로 동작하기 때문에 RF system을 사용하는 어느 로봇이든지 영역 탐사가 가능 하다. 또한, RF 태그에 자신의 상태를 저장하여 다른 로봇에게 전달할 수 있어 간접 통신으로 사용 가능하다는 장점이 있다.

참고문헌 (11)

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상세보기
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Soonshin Han, "An Efficient Localization Scheme for a Differential-Driving Mobile Robot Based on RFID System", IEEE Transactions on industrial electronics, Volume 54, No. 6, December 2007.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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