로봇 협업 임무 성공을 위한 중요 정보 생성 및 공유 메커니즘 연구
Generation of Critical Information and Sharing Mechanism for Robot Collaboration Mission Success
- 주제(키워드) robot collaboration , cooperative robotics , collaborative multi -robot systems , information sharing mechanism , AI-enabled robotics , CRS , MRS
- 주제(DDC) 658.5
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 권용진
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 8
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 산업공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000034954
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
본 논문은 재난 대응, 군사 작전, 구조 활동, 실내 탐색 등과 같이 불확 실하고 동적인 환경에서 다수의 로봇이 자율적으로 협력하여 미션을 수행 하는 로봇 협업 시스템(Collaboration Robotics System)을 위한 실시간 정보 공유 메커니즘과 사용자 정의 기반 임무 할당 전략을 제안하고, 시 뮬레이션 및 실제 로봇 실험을 통해 실효성을 검증하였다. 기존의 다중 로봇 시스템 연구는 일반적으로 SLAM 기반 지도 작성, 경로 계획, 작업 할당 등의 개별 요소에 집중되어 있어, 실시간 통신과 임무 수행 간 연계 가 부족하고, 정보의 중요도에 따라 동적으로 통신 정책을 조절하는 구조 는 상대적으로 미흡하였다. 특히, 모든 데이터를 동일한 방식으로 송수신 하거나, 정보 전달의 성공 여부에 대한 정량적 분석 없이 제한적인 개념 제안에 머무는 한계가 존재하였다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 ROS 2 프레임워크와 DDS(Data Distribution Service) 미들웨어의 QoS(Quality of Service) 기 능을 활용하여, 정보의 중요도에 따라 전송 우선순위를 차등화하고 메시 지 유형별로 다른 통신 설정을 적용하는 비동기 분산 구조의 실시간 정보 공유 시스템을 설계하였다. 긴급성과 시스템 영향도가 높은 정보는 RELIABLE, TRANSIENT_LOCAL, KEEP_LAST 등의 신뢰도 높은 QoS 설정을 통해 신속하게 전달되며, 상대적으로 중요도가 낮은 지도 업데이 트나 환경 변화 정보는 BEST_EFFORT, VOLATILE 설정을 통해 네트 워크 자원 낭비를 최소화하면서 비동기적으로 처리된다. 실험은 ROS 2 Humble과 Gazebo Classic을 기반으로 한 시뮬레이션 환 경과, 실제 모바일 로봇 2대를 활용한 하드웨어 실험을 병행하여 수행되 었다. 시나리오 구성은 선행 로봇이 SLAM을 수행하면서 장애물 및 위험 요소를 탐지하여 정보를 퍼블리시하고, 후속 로봇이 이를 수신하여 경로 를 재계획하는 구조로 설계되었다. 총 7가지 가상의 통신 환경 QoS 조건 (A~G)을 정의하였으며, 이 중 일부 조건은 지연, 손실, 불안정성 등이 존 재하는 열악한 네트워크 상황을 반영한 시나리오로 구성되었다. 각 조건 별로 메시지 지연 시간, 반응 시간, 패킷 손실률, 수신 성공률, 경로 재계 획 성공률 등 다양한 성능 지표를 측정하여, 통신 품질 변화가 로봇 협업 성능에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. 이를 통해 각 조건에서의 통신 신뢰성과 시스템 반응성의 차이를 정량적으로 비교하였다. 결과적으 로 RELIABLE + TRANSIENT_LOCAL 설정이 가장 안정적인 성능을 보 였으며, BEST_EFFORT 설정에서는 수신률 저하 및 반응 지연이 두드러 지게 나타났다. 특히, 시뮬레이션과 실제 환경 간 성능 차이를 비교함으로써 시스템 수 준 변수(예: 시간 동기화 오차, 무선 네트워크 간섭, 센서 노이즈 등)가 정 보 공유와 임무 성공에 미치는 영향을 정밀하게 분석하였다. 시뮬레이션 에서는 대부분의 메시지가 완벽하게 전달되었으나, 실제 환경에서는 무선 통신의 혼잡도, 패킷 충돌, 라우팅 지연 등으로 인해 메시지 손실이나 수 신 지연이 발생하였으며, 이는 후속 로봇의 행동 개시 지연 혹은 회피 실 패로 이어지는 사례로 관찰되었다. 이를 통해 실제 협업 로봇 시스템의 설계 시 고려해야 할 실질적인 통신 요소들을 도출할 수 있었으며, 제안 된 시스템의 유연성과 강인성을 실험적으로 입증하였다. 본 논문은 다음과 같은 학문적, 기술적 기여를 제공한다. 첫째, 정보의 중요도에 따라 QoS 설정을 차별화함으로써, 상황의 맥락에 따라 실시간 공유 여부와 빈도를 자동으로 조정할 수 있는 정보 중요도 기반 실시간 공유 메커니즘을 제안하고 정량적으로 구조화하였다. 둘째, ROS 2 기반 DDS 통신 구조의 주요 QoS 조합(Reliability, Durability, History, Depth)을 체계적으로 실험하여, 통신 지연, 메시지 손 실률, 반응 시간 등 실시간 통신 신뢰성에 미치는 영향을 분석하였다. 셋째, 시뮬레이션과 실제 환경을 병행함으로써 이론적 알고리즘 구조와 현실 적용 간의 차이를 통계적으로 비교하고, 실효성 있는 협업 시스템의 설계 근거를 제시하였다. 또한, 본 연구에서는 실험 자동화 도구, QoS 시 나리오별 구성 정보, 로봇 간 통신 로깅 코드 등 다양한 실험 데이터를 부록으로 정리하였으며, 이는 향후 다수 로봇 협업 구조 및 QoS 기반 통 신 연구의 표준 자료로 활용 가능하다. 협업 구조는 SLAM, 장애물 회피, 지도 동기화, 목표 좌표 전송 등을 포함하며, 퍼블리시-서브스크라이브 방식의 DDS 통신 모델을 기반으로 실시간으로 연동된다. 결론적으로, 본 연구에서 제안한 시스템은 기존의 단편적인 정보 공유나 SLAM 중심의 구조를 넘어서, 맥락 기반의 정보 중요도 판단, 자원 최적 화 기반의 우선순위 통신 정책, 실시간 협업 지능을 포함하는 지능형 로 봇 협업 프레임워크로의 발전 가능성을 입증하였다. 향후에는 이기종 로 봇 간 협업, 강화학습 기반 적응형 임무 재할당, 자연어 기반 지시 해석을 통한 LLM-연계 로봇 협업 구조, 대규모 탐사 네트워크 최적화 등으로의 확장이 가능할 것으로 기대된다. 특히, 협업이 필수적인 구조물 탐색, 군 사 감시, 재난 대응, 물류 자동화 분야 등에서 본 시스템은 실용적이고 확 장 가능한 기반 기술로서 유의미하게 기여할 수 있을 것으로 전망된다.
more초록/요약
This study proposes a real-time information-sharing mechanism and a user-defined task allocation strategy for a collaboration robotic system (CRS) operating autonomously in uncertain and dynamic environments, such as disaster response, military operations, search and rescue, and indoor exploration. While prior research in multi-robot systems has primarily focused on individual components—such as SLAM-based mapping, path planning, and task allocation—these approaches often lack integration between real-time communication and mission execution. Moreover, they rarely consider adaptive communication strategies that reflect the contextual importance of information, often transmitting all data uniformly without quantitative evaluation of message delivery success. To address these limitations, this study designs an asynchronous distributed communication framework using the ROS 2 middleware and DDS (Data Distribution Service), employing QoS (Quality of Service) policies that assign communication priorities based on the contextual importance of information. Critical messages are transmitted with high-reliability QoS profiles—such as RELIABLE, TRANSIENT_LOCAL, and KEEP_LAST—to ensure timely delivery, while less critical data, such as map updates or minor environmental changes, are handled via BEST_EFFORT and VOLATILE settings to conserve network bandwidth. Experiments were conducted in both simulation (ROS 2 Humble with Gazebo Classic) and real-world mobile robot platforms. The scenario consisted of a leading robot performing SLAM and publishing obstacle and hazard information, while a following robot received the shared data and dynamically re-planned its path. Seven virtual QoS configurations (Conditions A–G) were defined, with some deliberately constructed to simulate harsh network conditions such as latency, packet loss, and instability. Each configuration was used to measure system performance metrics such as message delay, reaction time, packet loss rate, message reception rate, and path replanning success, enabling a quantitative analysis of how communication quality affects collaborative robot performance. The results quantitatively compared communication reliability and system responsiveness across conditions, demonstrating that RELIABLE + TRANSIENT_LOCAL provided the most stable performance, whereas BEST_EFFORT led to noticeable degradation in reception and responsiveness. Furthermore, performance discrepancies between simulation and physical environments were analyzed to understand the impact of real-world variables such as time synchronization errors, wireless interference, and sensor noise on collaborative mission success. While simulations achieved near perfect message delivery, real-world experiments encountered issues like packet collisions and routing delays, resulting in delayed responses or failed obstacle avoidance by the follower robot. These findings emphasize the importance of accounting for real-world communication constraints in the design of collaborative robotic systems and validate the robustness and flexibility of the proposed architecture. The contributions of this study are as follows: 1. A context-aware real-time sharing mechanism that automatically adjusts the frequency and necessity of data transmission based on information priority, implemented and quantitatively modeled using differentiated QoS settings. 2. A systematic evaluation of DDS QoS combinations (Reliability, Durability, History, and Depth) in ROS 2 to analyze their impact on communication latency, message loss, and reaction time. 3. A comparative validation of theoretical algorithm performance in both simulated and real environments, providing empirical design insights for practical CRS deployments. Additionally, the study provides tools and resources such as automated experiment scripts, QoS configuration templates, and communication logging code. These assets can serve as foundational resources for future research in QoS aware multi-robot collaboration. The collaborative structure integrates SLAM, obstacle avoidance, map synchronization, and goal coordination, and is implemented as a real-time DDS-based publish-subscribe communication model. In conclusion, the proposed system demonstrates a shift from fragmented SLAM centric approaches to an intelligent collaborative robotics framework featuring context-based information prioritization, resource-optimized communication, and real-time cooperative intelligence. Future directions include extensions to heterogeneous robot collaboration, reinforcement learning-based adaptive task reallocation, LLM integrated natural language instruction processing, and large-scale exploration network optimization. The proposed system is expected to contribute meaningfully as a scalable and practical technology in domains requiring high-level robot cooperation, such as structural inspection, military surveillance, disaster response, and logistics automation.
more목차
Ⅰ. 서 론 1
1. 연구의 배경 및 필요성 1
2. 연구 목적 3
3. 연구 내용 및 구성 4
Ⅱ. 이론적 배경 및 문제 정의 6
1. 로봇 협업 시스템의 정보 공유 및 통신 기술 6
2. 로봇 협업을 위한 임무 할당 및 경로 계획 기법 12
3. ROS2 기반 전이학습 기술 및 AI 프레임워크 통합 16
4. 기존 연구 분석 및 본 연구의 차별성 20
5. 문제 정의 및 연구 방향 22
Ⅲ. 중요 정보 생성 및 공유 메커니즘 설계 26
1. 실시간 문제 감지 및 정보 공유 구조 26
2. 정보 우선순위 기반 공유 최적화 설계 33
3. 협업 기반 지도 생성 및 공유 프레임워크 40
Ⅳ. 실험 환경 및 방법 47
1. 실험 목적 및 시뮬레이션 환경 구성 47
2. 시뮬레이션 실험 결과 및 논의 52
3. 실제 로봇 실험 방법 및 구성 55
Ⅴ. 실험 결과 및 성능 분석 61
1. 실제 로봇 실험 결과 요약 61
2. 시스템 적용성 분석 및 성능 해석 62
Ⅵ. 결론 및 향후 연구 70
1. 연구 요약 70
2. 주요 연구 기여 및 성과 71
3. 연구의 한계 및 개선점 72
4. 향후 연구 방향 73
참고문헌(Reference) 75
부록(Appendix) 82
Abstract 94
