이동 로봇의 장애물 회피를 위한 조향각 보상기 연구 :

이재성

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이재성 (대구대학교, 대구대학교 대학원)

지도교수: 유준혁

발행연도: 2015

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2015

장애물 회피 조향각 보상기를 이용한 모바일 로봇 주행성능 평가

이재성 , 김윤구 , 위성길 외 1명 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 2015.12 학술대회자료

Null Space 기반 모바일 로봇 제어기의 장애물 회피 성능 향상을 위한 조향각 전향 보상기 설계

이재성 , 유준혁 제어로봇시스템학회 국내학술대회 논문집 2015.05 학술대회자료

이동 로봇의 장애물 회피를 위한 조향각 보상기 연구

이재성 정보통신공학과 2015.01 학위논문

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본 논문에서는 모바일 로봇의 정·동적 장애물 회피를 위해 기존의 NSB(Null-Space-based Behavioral)제어기와 조향각 보상기를 단점을 상호 보완하는 하이브리드 조향각 보상기를 제안한다.
기존의 NSB 제어기는 포텐셜 필드(Potential Field)의 인력(Attractive Force)과 척력(Repulsive Force)을 태스크로 구성하여 NSB 제어기를 통해 통합 속도벡터를 생성하고 장애물을 회피하는 구조이다. 하지만 기존의 NSB 제어기의 단점은 모바일 로봇의 조향각을 고려하지 않고 통합 속도벡터의 생성하기 때문에 지역 최소점(Local Minima)상황에 근접할수록 장애물 회피 성능의 저하와 목적지 도착시간 증가 등의 문제를 가졌다. 이를 개선하기 위해 조향각 보상기는 NSB 제어기에서 생성하는 통합 속도벡터와 모바일 로봇의 조향각을 함께 합성하여 지역 최소점에서 발생하는 성능 저하와 도착시간 증가 등의 문제를 해결하였다. 하지만 조향각 보상기는 다중 장애물 환경에서 모바일 로봇이 장애물에 임계 거리 이상으로 접근해 장애물을 회피할 경우 모바일 로봇이 장애물을 회피하지 못하고 최소 회피반경 안으로 로봇이 주행하는 불안정성 지녔다. 이러한 NSB 제어기와 조향각 보상기의 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 모바일 로봇의 조향각과 장애물이 이루는 각도를 기반으로 임계 거리를 결정하고, 임계거리 이상으로 모바일 로봇이 장애물에 접근하면 기존 NSB 제어기의 통합 속도벡터를 생성해 장애물을 회피하고 임계거리 미만일 경우 조향각 보상기의 통합 속도벡터를 생성하여 정·동적 장애물을 회피한다.
제안하는 하이브리드 조향각 보상기는 정적 장애물 회피 환경에서 모바일 로봇이 장애물에 임계거리이상 접근해서 회피할 때 장애물 회피의 안정성을 높이고, 지역 최소점 상황에서는 목표지점에 도달하는 시간을 감소시켜 NSB 제어기에 비해 최대 35%의 성능 향상과 매끄러운 궤적 생성을 보여주었다. 동적 장애물 상황에서도 목표지점에 도달하는 시간을 NSB 제어기 대비 최대 10%의 성능 향상이 있었고 기존 조향각 보상기보다 동적 장애물 회피의 정확성을 향상시켰다. 마지막으로 복도환경에서 직사각형의 4(m)×2(m) 크기의 장애물 회피를 할 수 있을 다양한 성능평가를 통해서 입증하였다.

In this paper, we propose the hybrid heading angle compensator to solve the problem of existing NSB (Null-Space-based Behavioral) controller and heading angle compensator for static and dynamic obstacle avoidance of a mobile robot.
By using attractive force and repulsive force in potential field, existing NSB controller produces unified velocity vector and avoids obstacles through NSB controller. However, since existing NSB controller produces the unified velocity vector without considering the heading angle of a mobile robot, it has the problems, such as decreasing the performance of avoiding obstacles and increasing the time of arrival in local minima situation. To solve these problems, the heading angle compensator combines the unified velocity vector NSB controller produces and the head angle of the mobile robot. However, in multi obstacles situation, when the mobile robot avoids obstacles with over critical distance, the robot can’t avoid obstacles and drives in the minimum radius of avoidance. To address the problem of NSB controller and heading angle compensator, in this paper, the critical distance is defined based on the angle between the heading angle of the mobile robot and obstacles. When the mobile robot approaches obstacles with over critical distance, the unified velocity vector of existing NSB controller is produced to avoid obstacles. On the other hand, when the mobile robot approaches obstacle with under critical distance, the unified velocity vector of heading angle compensator is produced to avoid static and dynamic obstacles.
In static obstacle avoidance situation, the proposed hybrid heading angle compensator shows the stability of obstacle avoidance is improved when the mobile robot approaches and avoids obstacles with over critical distance. In the local minima situation, by decreasing the time of arrival, the proposed compensator shows the improved performance of 35% and smooth trajectory compared to the NSB controller. In dynamic obstacle situation, it shows the improved performance of 10% for the time to arrival compared to NSB controller. It has more accurate performance of dynamic obstacle avoidance than existing heading angle compensator. Lastly, we verified the performance by conducting the evaluation avoiding the rectangle obstacle (4m x 2m) in hallway situation.

I. 서 론 1
II. 모바일 이동 로봇의 모델링 3
III. NSB 제어기 개요 5
IV. 하이브리드 조향각 보상기 설계 7
1. NSB 제어기의 태스크 정의 8
1) 목표지점으로 이동하는 태스크 8
2) 장애물 회피를 위한 태스크 10
2. NSB 제어기에서 조향각 보상 방법 13
3. 회피궤적을 개선하기 위한 시프트 함수 17
4. 하이브리드 조향각 보상기의 통합 속도벡터 생성 19
V. 실험 결과 및 분석 20
1. 단일 장애물 상황에서의 장애물 회피 성능 평가 20
2. 다중 장애물 상황에서의 장애물 회피 성능 평가 24
3. 동적 장애물 상황에서의 장애물 회피 성능 평가 26
4. 복도 환경에서의 장애물 회피 성능 평가 29
VI. 결 론 30
참고 문헌 32
영문초록 34

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