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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 유혜정
- 발행연도
- 2022
- 저작권
- 강원대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수74
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모바일 로봇은 가정 청소, 유지 보수, 물품 배송 등과 같은 다양한 분야에서 사용되고 있으며 다양한 센서의 활용과 함께 점차 그 분야 및 영역을 확대해 나가고 있다. 모바일 로봇이 일상생활이나 산업에 밀접한 연관성을 가지고 성장해 나갈수록 복잡한 환경에서의 안전한 장애물 회피 기술에 대한 필요성도 함께 증가한다. 이때, 장애물은 벽이나 가구 등의 정적 장애물은 물론 사람이나 반려동물, 다른 로봇 등의 동적 장애물도 포함된다. 하지만, 전통적인 장애물 회피 알고리즘은 주로 정적 장애물을 회피하는 데 초점을 두고 발전해왔다. 때문에, 전통적 장애물 회피 알고리즘만을 이용한 안전한 주행에는 한계가 존재한다.
전통적 장애물 회피 알고리즘 중 하나인 smooth nearness diagram(SND) 알고리즘은 환경을 각도별 거리의 연속성을 기준으로 구분하고 로봇이 진출 가능한 구역(gap)을 선정하는 방식으로 장애물을 회피한다. 다른 장애물 회피 알고리즘과 달리 구역별 진출 가능성을 판단하기 때문에 ‘ㄷ’자 형태의 국소 최소점(local minima)에 쉽게 빠지지 않으며, 목표 지점으로 진출할 수 없는 경우에 정반대의 방향으로도 이동할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 안전거리 변수의 설정을 통해 근거리 장애물을 우선적으로 회피할 수 있으며 로봇의 이동속도를 낮추어 충돌 가능성을 줄인다는 장점을 가지고 있다. 하지만, 안전거리 변수의 설정값에 따라서 주행 경로나 안전성에 큰 영향을 받으며, 안전거리 변수가 장애물 분포에 따라서 다른 경향성을 보이기 때문에 적절한 값의 선정이 중요하다. 또한, 동적 장애물의 이동속도 및 경로를 고려하지 않으며 장애물과의 거리가 가까울수록 속도가 느려지는 특징 때문에 동적 환경에서의 사용에 한계가 존재한다는 단점이 있다.
본 연구에서는 안전거리 변수와 SND 알고리즘의 장애물 회피 성능에 대해 분석하고 더 나아가 SND 알고리즘의 장점을 활용하여 동적 장애물을 회피하는 방안을 제안한다. 동적 환경의 경우, 동적 장애물의 상대 속도를 계산하고, 이를 이용하여 충돌 예상 시간 및 충돌 가능 영역을 계산하며, 계산된 결과를 기존 SND 알고리즘에 적용하여 복잡하고 동적인 환경에서도 로봇의 안전한 주행이 가능한 알고리즘을 제안한다. 또한, 모바일 로봇과 동적 장애물의 상대 속도를 통해 동적 장애물이 로봇에 가장 근접하는 순간에서의 위치를 계산하고, 확률 분포로 표현된 예측 위치를 이용하여 각도별 거리 연속성을 파악하고 로봇의 진출 가능 구역을 계산한다. 따라서 계산된 진출 가능 구역을 바탕으로 SND 알고리즘을 통해 로봇의 이동속도를 계산하여 복잡하고 동적인 환경에서도 로봇의 안전하게 주행하도록 한다. 마지막으로 위 내용을 실험을 통해 검증한다.
전통적 장애물 회피 알고리즘 중 하나인 smooth nearness diagram(SND) 알고리즘은 환경을 각도별 거리의 연속성을 기준으로 구분하고 로봇이 진출 가능한 구역(gap)을 선정하는 방식으로 장애물을 회피한다. 다른 장애물 회피 알고리즘과 달리 구역별 진출 가능성을 판단하기 때문에 ‘ㄷ’자 형태의 국소 최소점(local minima)에 쉽게 빠지지 않으며, 목표 지점으로 진출할 수 없는 경우에 정반대의 방향으로도 이동할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 안전거리 변수의 설정을 통해 근거리 장애물을 우선적으로 회피할 수 있으며 로봇의 이동속도를 낮추어 충돌 가능성을 줄인다는 장점을 가지고 있다. 하지만, 안전거리 변수의 설정값에 따라서 주행 경로나 안전성에 큰 영향을 받으며, 안전거리 변수가 장애물 분포에 따라서 다른 경향성을 보이기 때문에 적절한 값의 선정이 중요하다. 또한, 동적 장애물의 이동속도 및 경로를 고려하지 않으며 장애물과의 거리가 가까울수록 속도가 느려지는 특징 때문에 동적 환경에서의 사용에 한계가 존재한다는 단점이 있다.
본 연구에서는 안전거리 변수와 SND 알고리즘의 장애물 회피 성능에 대해 분석하고 더 나아가 SND 알고리즘의 장점을 활용하여 동적 장애물을 회피하는 방안을 제안한다. 동적 환경의 경우, 동적 장애물의 상대 속도를 계산하고, 이를 이용하여 충돌 예상 시간 및 충돌 가능 영역을 계산하며, 계산된 결과를 기존 SND 알고리즘에 적용하여 복잡하고 동적인 환경에서도 로봇의 안전한 주행이 가능한 알고리즘을 제안한다. 또한, 모바일 로봇과 동적 장애물의 상대 속도를 통해 동적 장애물이 로봇에 가장 근접하는 순간에서의 위치를 계산하고, 확률 분포로 표현된 예측 위치를 이용하여 각도별 거리 연속성을 파악하고 로봇의 진출 가능 구역을 계산한다. 따라서 계산된 진출 가능 구역을 바탕으로 SND 알고리즘을 통해 로봇의 이동속도를 계산하여 복잡하고 동적인 환경에서도 로봇의 안전하게 주행하도록 한다. 마지막으로 위 내용을 실험을 통해 검증한다.
목차
Ⅰ. 서론 11. 연구 배경 및 목적 12. 연구 동향 41) 속도 기반 접근법 42) 구성 공간 접근법 53) 방향 접근법 63. 논문의 구성 11Ⅱ. 안전거리와 smooth nearness diagram의 장애물 회피 성능 121. 안전거리를 이용한 속도 및 방향 계산법 122. 주행 환경에 따른 안전거리의 설정 15Ⅲ. 상대 속도와 충돌 예측을 통한 동적 장애물 회피 171. 동적 장애물과의 충돌 예측 191) 상대 속도를 이용한 최단 거리 시간 계산 192) 시간 를 이용한 충돌 가능성 판별 222. 확률 분포를 이용한 동적 장애물 위치 예측 253. 충돌 확률 예측을 이용한 동적 장애물 회피 알고리즘 301) 기존 SND 알고리즘 302) 충돌 확률 예측을 이용한 동적 장애물 회피 알고리즘 32Ⅳ. 동적 환경에서의 장애물 회피 성능 실험 341. 실험 조건 342. 실험 결과 및 결과 분석 361) 실험 환경 1 ? 긴 복도 환경과 멀어지는 동적 장애물 362) 실험 환경 2 ? 짧은 복도와 멀어지는 동적 장애물 403) 실험 환경 3 ? 좁은 입구 환경과 다가오는 동적 장애물 444) 실험 환경 4 ? 길고 넓은 통로 환경과 측면에서 다가오는 장애물 48Ⅴ. 결론 52□ 참고문헌 54□ Abstract 57
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