무선 모터 제어기의 신호 손실 보상 장치 및 방법{System and Method for compensating Packet loss of Wireless motor controller}
본 발명은 무선 네트워크 제어 시스템에 관한 것으로, 구체적으로 무선으로 모터를 제어할 때 무선 환경에서 발생 된 제어 데이터 손실을 효율적으로 보상할 수 있도록 한 무선 모터 제어기의 신호 손실 보상 장치 및 방법에 관한 것이다.
서보(Servo)란 '물체의 위치, 방위, 자세등을 제어량으로 하고, 목표치의 임의 변화에 추종하도록 구성된 제어계' 라고 정의된다. 그리고 서보 모터란 빈번하게 변화하는 위치나 속도의 지령치에 대해서 신속하고 정확하게 추종할 수 있도록 설계된 모터를 의미한다. 이와 같은 서보 모터는 큰 가감속을 가져야하며 그렇게 하기 위해서는 토크가 크고 관성모멘트가 작아야 한다. 최근 산업 현장에는 다양한 종류의 로봇이 사용되고 있는데, 로봇의 동작(Motion) 제어, 상세하게는 위치 제어, 속도 제어, 전류 제어를 통해 로봇의 동작을 제어한다. 이러한 로봇의 동작의 직접적 제어는 로봇에 탑재된 서보 드라이브가 서보 모터 구동 동작을 수행함으로써 이뤄질 수 있다. 로봇 장치에는 다수의 구동부가 설치되어 많은 모터 제어기가 설치되어 내부 회로가 매우 복잡해지고 있는 실정이다. 이러한 모터 제어기에는 마이크로 프로세서 유닛(Micro Processor Unit:MPU)과 모터 드라이버(Motor Driver)가 구성되는데, 마이크로 프로세서는 모터 드라이버에 제어 신호를 전달하여 모터 드라이버가 모터를 구동하도록 하는 역할을 한다. 이러한 모터 제어기에 무선으로 제어 신호를 입력하기 위한 무선 제어 네트워크가 사용되고 있다. 무선 제어 네트워크(Wireless Control Network)는 이동 디바이스(Device)들간에 자율적으로 구성되는 네트워크로서, 기지국과 같은 다른 기반의 네트워크 장치를 필요로 하지 않는다. 이러한 특징의 무선 제어 네트워크는 디바이스의 이동성으로 인해, 망 토폴로지(Topology)가 변화하여 무선 제어 네트워크의 복잡도를 증가시키기는 하나, 복잡한 유선을 간단한 무선으로 대체할 수 있다는 장점으로 인해 무선 제어 네트워크에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 무선 제어 네트워크 시스템을 모터 제어기에 적용하는 경우에는 무선 제어 특성상 제어 데이터의 손실을 보상하는 기술이 필요하다. 그러나 패킷 손실을 실시간으로 보상하기 위해서 계산량이 많은 알고리즘을 사용하면 고성능 CPU를 사용해야 한다. 따라서 무선센서 노드와 같은 마이크로 컨트롤러에서도 사용 가능한 보상 방법이 필요하다. 무선 모터 제어 과정에서 제어 데이터의 손실은 모터 제어에 치명적 영향을 끼쳐 시스템 안정성이 크게 저하되는 문제를 일으킨다.
본 발명은 종래 기술의 무선 네트워크 제어 시스템의 제어 데이터 손실 보상 방법의 문제를 해결하기 위한 것으로, 무선으로 모터를 제어할 때 무선 환경에서 발생 된 제어 데이터 손실을 효율적으로 보상할 수 있도록 한 무선 모터 제어기의 신호 손실 보상 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 본 발명은 무선 모터 제어기의 신호 손실 보상 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 본 발명은 무선으로 제어되는 다양한 모터 제어분야에 활용하여 시스템의 안정성을 향상시켜 견고한 무선제어시스템을 구축할 수 있도록 한 무선 모터 제어기의 신호 손실 보상 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 모터 제어기의 신호 손실 보상 장치는 모터 동작 상태 및 모터 무선 제어 과정을 모니터링하고, 무선 모터 제어를 위한 제어 명령을 출력하는 무선 제어 모듈;상기 무선 제어 모듈로부터 모터 제어 명령어를 받아 전송하고, 수신된 모터 정보값의 패킷 손실이 있는 경우 모터 정보 평균 필터 알고리즘을 적용하여 패킷 손실을 보상하는 제 1 무선 센서 노드;모터로부터 모터 정보값을 받아 전송하고, 수신된 모터 제어 명령값의 패킷 손실이 있는 경우 제어 명령어 평균 필터 알고리즘을 적용하여 패킷 손실을 보상하는 제 2 무선 센서 노드;상기 모터 제어 명령어에 따라 구동되고 구동에 따른 모터 정보값을 제공하는 모터 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 무선 제어 모듈은, 모터의 동작 상태 및 모터 무선 제어 과정의 모니터링을 위한 모니터링 PC와,상기 모터로 전달되는 모터 동작 상태에 따른 모터 무선 제어를 수행하는 무선 모터 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다. 그리고 상기 모터 모듈은, 모터 구동을 위한 서보 앰프와,서보 앰프에 의해 구동되고 서보 앰프로 모터 정보 값을 제공하는 모터를 포함하는 것을 특징으로 한다. 그리고 상기 제 1 무선 센서 노드는, 무선 제어 모듈측에 구성되어, 무선 제어 모듈과 SPI(Serial Peripheral Interface) 통신으로 모터 제어 명령어를 받아 제 2 무선 센서 노드로 전달하는 제 1 RF 노드와,수신된 모터 정보값의 패킷 손실이 있는 경우 모터 정보 평균 필터 알고리즘을 적용하여 패킷 손실을 보상하는 제 1 마이크로컨트롤러(MSP430)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 그리고 상기 제 2 무선 센서 노드는, 상기 모터 모듈측에 구성되어, 제 1 무선 센서 노드의 제 1 RF 노드로부터 모터 제어 명령을 수신하여 서보 앰프로 전달하고, 모터 모듈로부터 받은 모터 정보값을 제 1 무선 센서 노드의 제 1 RF 노드로 전달하는 제 2 RF 노드와,수신된 모터 제어 명령값의 패킷 손실이 있는 경우 제어 명령어 평균 필터 알고리즘을 적용하여 패킷 손실을 보상하는 제 2 마이크로컨트롤러(MSP430)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 모터 제어기의 신호 손실 보상 방법은 무선 제어 모듈과 모터 모듈이 무선 통신으로 제어 및 현재 상태를 모니터링 하는 방법에 있어서,무선 모터 제어기에서 출력되는 모터 제어 명령어(Uk)를 제 1 무선 센서 노드의 제 1 RF 노드를 통하여 무선 전송하는 단계;상기 모터 제어 명령어(Uk)를 제 2 무선 센서 노드의 제 2 RF 노드를 통하여 수신하고 패킷 손실이 있는 경우 제어 명령어 평균 필터 알고리즘을 적용하여 패킷 손실을 보상하는 단계;손실이 보상된 모터 제어 명령어(Uk)에 따라 모터를 구동하고, 모터 정보 값(Yk)을 제 2 무선 센서 노드의 제 2 RF 노드를 통하여 무선 전송하는 단계;모터 정보 값(Yk)을 제 1 무선 센서 노드의 제 1 RF 노드를 통하여 수신하고 패킷 손실이 있는 경우 모터 정보 평균 필터 알고리즘을 적용하여 패킷 손실을 보상하는 단계;패킷 손실이 보상된 모터 정보 값(Yk)을 기초하여 현재 모터 정보를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 모터 제어 명령어(Uk)의 패킷 손실이 있는 경우에는, 제 2 무선 센서 노드에 구성되는 제 2 마이크로컨트롤러(MSP430)에서 제어 명령어 평균 필터 알고리즘을 적용하여 패킷 손실을 보상하는 것을 특징으로 한다. 그리고 상기 모터 정보 값(Yk)의 패킷 손실이 있는 경우에는, 제 1 무선 센서 노드에 구성되는 제 1 마이크로컨트롤러(MSP430)에서 모터 정보 평균 필터 알고리즘을 적용하여 패킷 손실을 보상하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 무선 모터 제어기의 신호 손실 보상 장치 및 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다. 첫째, 무선으로 모터를 제어할 때 무선 환경에서 발생 된 제어 데이터 손실을 효율적으로 보상할 수 있다. 둘째, 무섬 모터 제어기를 제어하기 위한 제어 시스템의 안정성을 크게 향상시킬 수 있다. 셋째, 무선 네트워크 제어 시스템의 제어 데이터 손실 보상을 위한 새로운 알고리즘을 적용하여 연산효율과 에너지 절감 부분에서 향상된 성능을 구현한다. 넷째, 무선으로 제어되는 다양한 모터 제어분야에 활용하여 시스템의 안정성을 향상시켜 견고한 무선제어시스템을 구축할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 무선 모터 제어기의 신호 손실 보상 장치의 구성도
도 2는 본 발명에 따른 무선 모터 제어기의 신호 손실 보상 방법을 위한 플로우 차트
이하, 본 발명에 따른 무선 모터 제어기의 신호 손실 보상 장치 및 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명에 따른 무선 모터 제어기의 신호 손실 보상 장치 및 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다. 도 1은 본 발명에 따른 무선 모터 제어기의 신호 손실 보상 장치의 구성도이다. 본 발명은 무선 네트워크 제어 시스템의 제어 데이터 손실 보상을 위한 새로운 알고리즘을 적용하여 제어 시스템의 안정성을 크게 향상시키고 연산효율과 에너지 절감 부분에서 향상된 성능을 갖도록 한 것이다. 본 발명에 따른 무선 모터 제어기의 신호 손실 보상 장치는 크게 무선 제어 모듈(100), 모터 모듈(200), 제 1 무선 센서 노드(300), 제 2 무선 센서 노드(400)를 포함한다. 무선 제어 모듈(100)은 모터 동작 상태 및 모터 무선 제어 과정의 모니터링을 위한 모니터링 PC(10)와, 모터(40)로 전달되는 모터 동작 상태에 따른 모터 무선 제어를 수행하는 무선 모터 제어기(20)를 포함한다. 그리고 모터 모듈(200)은 모터 구동을 위한 서보 앰프(30)와, 서보 앰프(30)에 의해 구동되고 서보 앰프(30)로 모터 정보 값을 전달하는 모터(40)를 포함한다. 그리고 제 1 무선 센서 노드(300)는 무선 제어 모듈(100)측에 구성되어, 무선 제어 모듈(100)과 SPI(Serial Peripheral Interface) 통신으로 모터 제어 명령어를 받아 제 2 무선 센서 노드(400)로 전달하는 제 1 RF 노드(50) 및 수신된 모터 정보값의 패킷 손실이 있는 경우 모터 정보 평균 필터 알고리즘을 적용하여 패킷 손실을 보상하는 제 1 마이크로컨트롤러(MSP430)(60)를 포함한다. 그리고 제 2 무선 센서 노드(400)는 모터 모듈(200)측에 구성되어, 제 1 RF 노드(50)로부터 모터 제어 명령을 수신하여 서보 앰프(30)로 전달하고, 모터 모듈(200)로부터 받은 모터 정보값을 제 1 무선 센서 노드(300)의 제 1 RF 노드(50)로 전달하는 제 2 RF 노드(70) 및 수신된 모터 제어 명령값의 패킷 손실이 있는 경우 제어 명령어 평균 필터 알고리즘을 적용하여 패킷 손실을 보상하는 제 2 마이크로컨트롤러(MSP430)(80)을 포함한다. 이와 같이 시스템 안정성을 향상시키기 위하여 패킷 손실을 보상하기 위하여 제 1 마이크로컨트롤러(MSP430)(60) 및 제 2 마이크로컨트롤러(MSP430)(80)에서 시용하는 평균 필터 알고리즘은 수학식 1에서와 같다.
여기서, Yk는 모터 정보이다. 제어 명령어(Uk) 평균 필터 알고리즘의 경우에는 동일한 수학식으로 나타낼 수 있다. 이와 같은 본 발명에 따른 무선 모터 제어기의 신호 손실 보상 장치의 신호 손실 보상 방법은 다음과 같다. 도 2는 본 발명에 따른 무선 모터 제어기의 신호 손실 보상 방법을 위한 플로우 차트이다. 무선 제어 모듈(100)과 모터 모듈(200)은 무선 환경을 이용하여 통신을 하고, 무선 제어 모듈(100)과 모터 모듈(200)은 각각 제 1 무선 센서 노드(300),제 2 무선 센서 노드(400)로 연결된다. 먼저, 무선 제어 모듈(100)의 무선 모터 제어기(20)에서 모터 제어 명령어(Uk)를 출력하면(S201), 제 1 무선 센서 노드(300)의 제 1 RF 노드(50)에서 모터 제어 명령어(Uk)를 제 2 무선 센서 노드(400)의 제 2 RF 노드(70)로 전송한다.(S202) 그리고 제 2 RF 노드(70)를 통하여 수신된 모터 제어 명령어(Uk)의 패킷 손실이 있는지를 판단한다.(S203) 모터 제어 명령어(Uk)의 패킷 손실이 있는 경우에는 제 2 마이크로컨트롤러(MSP430)(80)에서 제어 명령어 평균 필터 알고리즘을 적용하여 패킷 손실을 보상한다.(S204) 모터 제어 명령어(Uk)를 받은 서보 앰프(30)가 모터 제어 명령어(Uk)에 따라 모터(40)를 구동한다.(S205) 그리고 모터(40)는 서보 앰프(30)로 모터 정보 값(Yk)을 전달하고(S206), 서보 앰프(30)로 전달된 모터 정보 값(Yk)은 제 2 무선 센서 노드(400)의 제 2 RF 노드(70)가 제 1 무선 센서 노드(300)의 제 1 RF 노드(50)로 무선 전송한다.(S207) 이어, 제 1 무선 센서 노드(300)의 제 1 RF 노드(50)에서 수신한 모터 정보 값(Yk)의 패킷 손실이 있는지를 판단한다.(S208) 모터 정보 값(Yk)의 패킷 손실이 있는 경우에는 제 1 마이크로컨트롤러(MSP430)(60)에서 모터 정보 평균 필터 알고리즘을 적용하여 패킷 손실을 보상한다.(S209) 그리고 무선 제어 모듈(100)의 무선 모터 제어기(20)에서는 패킷 손실이 보상된 모터 정보 값(Yk)을 기초하여 현재 모터 정보를 생성한다.(S210) 이와 같은 본 발명은 무선 네트워크 제어 시스템의 제어 데이터 손실 보상을 위한 새로운 알고리즘을 적용하여 제어 시스템의 안정성을 크게 향상시키고 연산효율과 에너지 절감 부분에서 향상된 성능을 갖도록 한 것이다. 이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100. 무선 제어 모듈 200. 모터 모듈
300. 제 1 무선 센서 노드 400. 제 2 무선 센서 노드 |
