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문제 정의
- 2장에서는 수중로봇에서 소프트웨어 시스템에 요구되는 사항들에 대응하기 위한 아키텍처를 설계 방법을 제안하고, 3장에서는 소프트웨어 시스템의 구현을 위한 ROS 프레임워크의 적용 및 컴포넌트 단위의 디자인 패턴을 설명한다. 결론에서는 실제 소프트웨어 시스템의 구현에 대한 컴포넌트 간의 통신 속도 및 서비스 호출의 안정도 등의 성능 평가를 수행하여 요구 사항을 만족하는 설계가 이루어졌는지를 기술한다.
제안 방법
- OpenRTM은 CORBA (Common Object Request Broker Architecture) 기반으로 분산 실행 환경에서 컴포넌트를 표준화한 아키텍처를 제시하고 있으며, RTC (RT Component)를 국제 표준으로 제정하였다. 그러나 컴포넌트에 대한 실행 환경만 있고 개발 환경 등의 툴은 제공하지 않아 컴포넌트 개발과 구현, 연동 실행에 어려움이 있다.
- 기 설계한 내용에 따라 계층적 구조에 소프트웨어 컴포넌트들을 배치하였고, 제어기 간의 상위 계층끼리는 ROS 프레임워크의 중개자 구조를 사용하여 데이터를 송수신하도록 하고 있다.
- 따라서 수중로봇 소프트웨어 시스템의 아키텍처를 구현하는데 있어서, 여러 소프트웨어 프레임워크 중에서 ROS 프레임워크를 선택하여 적용하도록 하며, 논리적인 계층적 구조에 소프트웨어 컴포넌트들을 배치하고 중개자 구조에 대해서는 ROS 프레임 워크를 이용하도록 하였다. 그림 4에서 소프트웨어 시스템의 컴포넌트들의 배치를 보이고 있다.
- 또한 여러 소프트웨어 요소들의 모니터링을 구현하기 위한 XMLRPC 프로토콜 기반의 별도 통신 채널의 구현에 대한 성능 측정을 위해 정량적으로 측정할 수 있는 응답 속도와 모니터링 데이터의 대용량 전송 속도를 시험을 통해 구하였다.
- 또한 컴포넌트 내부의 구현을 위해 MVC 디자인 패턴 (Model-View-Controller Design Pattern) [13]을 사용하였으며, 이는 컴포넌트의 자료 구조와 데이터 및 상태를 유지 관리하는 역할의 모델과, 모델의 상태를 UI 등으로 표현하는 역할을 담당하는 뷰, 그리고 모델과 뷰를 컴포넌트 외부와 인터페이스하기 위한 역할의 컨트롤러로서 소프트웨어 컴포넌트의 내부 구조를 디자인한다. 이러한 역할의 구분을 두어 구현을 하게 되면 개발자 간의 이해도를 향상시키고 유지 관리도 쉬워진다.
- 모니터링 데이터 전송 속도를 측정하기 위해서, 실해역 내에서 수상의 관제부와 수중로봇의 제어기 간에 XMLRPC 프로토콜에 의한 전송 데이터 크기 별로 연속 전송 시 소요된 시간을 평균하여 구하였다.
- 따라서 소프트웨어 시스템의 구조 설계시 분산된 소프트웨어 실행 환경에 대응할 수 있도록 하여야 한다. 분산 환경에서의 소프트웨어 요소들은 모듈화 되어야하며 제어기 간의 데이터 전송이 가능해야 하는 요구사항을 충족시키기 위해, 여러 소프트웨어 아키텍처 설계 패턴 중 [1, 2], 그림 3의 중개자 구조 패턴 (Broker Architecture Pattern) [1, 3]을 적용하여 한 제어기 내의 모든 소프트웨어 요소들이 중개자 역할을 하는 모듈을 통해 다른 제어기의 소프트웨어 요소들과 통신할 수 있도록 설계하였다. 실제 소프트웨어 시스템의 실행에서는 중개자에 해당하는 모듈을 통해 제어기 간의 데이터 통신이 이루어지므로 기능 정지 등의 상황이 발생하지 않도록 구현 및 검증을 수행하여야 한다.
- 수중로봇 소프트웨어 시스템은 요구되는 사항들을 분석하여 공통된 구성 요소의 재활용성과 분산 제어기 간의 통신 체계의 필요성을 만족하기 위하여, 계층적 구조와 중개자 구조를 반영하여 소프트웨어 아키텍처를 설계하였고, ROS 프레임워크 기반으로 실제 소프트웨어 요소들을 구현하였다.
- 수중로봇의 소프트웨어 시스템에 요구되는 사항들을 분석하고 이에 대응하는 아키텍처를 적용하여 ROS 프레임워크 기반으로 구현한 결과, 하드웨어 종속적인 소프트웨어 컴포넌트와 비종속적인 컴포넌트를 분리하여 개발함으로서 재사용성을 높였고, 복수의 제어기로 구성된 분산 실행 환경에 대응하도록 하였으며, 향후 유지보수성을 높이기 위한 여러 디자인 패턴을 소프트웨어 개발에 적용하였다. 구현 후에는 수중로봇에서 요구되는 응답 속도와 고속 모니터링을 위한 전송 속도의 성능 향상을 위해 최적화를 수행하여 요구 성능을 만족하였다.
- 수중로봇은 그림 1과 같이 RS232/485, CAN, Ethernet 등의 다양한 통신 방식을 사용하는 센서들을 장착하며 복수의 제어기 내에서 영상센서 또는 소나센서 데이터를 분산 처리하거나 자율주행 이동을 위한 알고리즘을 실행하고, 목적으로 하는 다양한 미션을 수행하여야 한다. 이를 위해서 통신과 제어, 연산처리 알고리즘 등의 요소들을 로봇 플랫폼의 종속적 또는 비종속적인 컴포넌트 단위로 분류 및 정의하여 다양한 미션들에 대해 재사용성을 확보하며, 분산된 하드웨어 실행 환경을 대응하고 제약된 운용 환경에서의 유지보수성과 안정성을 위한 소프트웨어 아키텍처 설계와, ROS 프레임워크를 사용하는 소프트웨어 시스템의 구현을 제안하고자 한다.
이론/모형
- 하드웨어 통신 계층에는 센서 및 구동부가 물리 통신 채널을 통해 제어기별로 연결되며, 해당 물리 장치와의 통신을 담당하는 소프트웨어 컴포넌트들이 종속적으로 배치된다. 이 계층의 소프트웨어 컴포넌트들은 하드웨어 자원을 점유하여 사용하며 중복된 자원의 접근을 제한하여야 하므로, 중복된 인스턴스의 실행을 막고 단일 접속점을 제공하는 싱글톤 디자인 패턴 (Singleton Design Pattern)을 적용하여 구현한다.
성능/효과
- 한 제어기와 수상 제어부 간의 전송에서는, 초당 2메가바이트 전송시 최대 29 밀리세컨드가 소요되었고, 초당 2킬로바이트 전송시에는 최대 6 밀리세컨드가 소요되었다. 4킬로바이트 내외의 모니터링을 위한 데이터의 전송은 100Hz 이상으로 가능하고, 영상 등 대용량 데이터 전송은 약 30Hz 전후로 가능하여 수중로봇 소프트웨어 시스템에서 요구되는 모니터링과 관련한 기능 구현이 적정하였음을 확인하였다.
- 각 센서와 구동 부별로 통신을 하기 위한 물리적 채널의 하드웨어 자원을 점유 및 관리하는 소프트웨어 요소들을 배치하여 센서 데이터와 상태 정보를 소프트웨어 시스템 내부로 출력하며, 이는 상위의 제어 및 데이터 처리 알고리즘에 대한 소프트웨어 요소들의 입력으로서 사용되므로, 소프트웨어 아키텍처의 설계에서 주로 사용되는 여러 패턴들 중 [1, 2], 그림 2의 계층적 구조 패턴 (Layered Architecture Pattern) [1, 3, 4, 5]을 적용하는 것이 적절할 것으로 판단된다.
- 수중로봇의 소프트웨어 시스템에 요구되는 사항들을 분석하고 이에 대응하는 아키텍처를 적용하여 ROS 프레임워크 기반으로 구현한 결과, 하드웨어 종속적인 소프트웨어 컴포넌트와 비종속적인 컴포넌트를 분리하여 개발함으로서 재사용성을 높였고, 복수의 제어기로 구성된 분산 실행 환경에 대응하도록 하였으며, 향후 유지보수성을 높이기 위한 여러 디자인 패턴을 소프트웨어 개발에 적용하였다. 구현 후에는 수중로봇에서 요구되는 응답 속도와 고속 모니터링을 위한 전송 속도의 성능 향상을 위해 최적화를 수행하여 요구 성능을 만족하였다. 향후에는 실해역에서의 운용 결과를 바탕으로 개별 소프트웨어 컴포넌트의 안정화를 수행할 예정이다.
- 응답 속도는 두 제어기 사이에 소프트웨어 요소 간의 서비스 호출 시점에서부터 서비스를 실행하여 응답을 받기까지의 시간차를 구하였으며, 그림 7과 같이 평균 850ms 소요되어 1KHz 이상의 제어 네트워크 주기를 가지는 것으로 측정되었고 대상으로 하는 수중로봇에서 필요로 하는 제어 주기를 만족하였다.
- 5 밀리세컨드로 측정되었다. 한 제어기와 수상 제어부 간의 전송에서는, 초당 2메가바이트 전송시 최대 29 밀리세컨드가 소요되었고, 초당 2킬로바이트 전송시에는 최대 6 밀리세컨드가 소요되었다. 4킬로바이트 내외의 모니터링을 위한 데이터의 전송은 100Hz 이상으로 가능하고, 영상 등 대용량 데이터 전송은 약 30Hz 전후로 가능하여 수중로봇 소프트웨어 시스템에서 요구되는 모니터링과 관련한 기능 구현이 적정하였음을 확인하였다.
후속연구
- 구현 후에는 수중로봇에서 요구되는 응답 속도와 고속 모니터링을 위한 전송 속도의 성능 향상을 위해 최적화를 수행하여 요구 성능을 만족하였다. 향후에는 실해역에서의 운용 결과를 바탕으로 개별 소프트웨어 컴포넌트의 안정화를 수행할 예정이다.
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