[논문]최적 경유점을 갖는 전역 DWA에 기반한 이동로봇의 주행

함종규; 박중태; 송재복

doi:10.5302/j.icros.2007.13.7.624

최적 경유점을 갖는 전역 DWA에 기반한 이동로봇의 주행
Mobile Robot Navigation based on Global DWA with Optimal Waypoints 원문보기

제어·자동화·시스템공학 논문지 = Journal of control, automation and systems engineering, v.13 no.7, 2007년, pp.624 - 630

함종규 (고려대학교 메카트로닉스 협동과정 대학원) , 박중태 (고려대학교 메카트로닉스 협동과정 대학원) , 송재복 (고려대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The dynamic window approach(DWA) is a well known technique for reactive collision avoidance. It shows safe and efficient performance in real-world experiments. However, a robot can get stuck in local minima because no information about the connectivity of the free space is used to determine the motion. The global DWA can solve this problem of local minima by adding a navigation function. Even with the global DWA, it is still difficult for a robot to execute an abrupt change in its direction, for example, entering from the corridor to a doorway. This paper proposes a modified global DWA using the included angles of waypoints extracted from an optimal path. This scheme enables the robot to decelerate in advance before turning into the doorway. Therefore the robot can reach the goal position more safely and efficiently at high speeds.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 구배법으로 작성한 최적경로에서 경유 점을 추출하고, 이들 경유점 사이의 각도 정보로부터 경유점 근처에서의 로봇의 속도를 사전에 조절함으로써, 신속하고도 자연스러운 주행이 가능한 전역 D粉 기법을 제시하였다. 로봇이 각 경유점에 도착하게 될 시간을 계산하여 최대 정지 시간보다 짧을 때, 경유점 사이의 각도에 따라 DWA의 speed otjjective의 변환식을 이용하여 경유점에서 감속함으로써 로봇은 경유점 근처에서도 경로를 크게 벗어나지 않고 목표점에 안정적으로 도달할 수 있다.
이에 본 논문에서는 구배법의 최적경로를 이용하여 국부 최소에 빠지지 않는 경유점을 제공하고 경유점들을 연결하는 직선의 각도를 이용하여 speed objective fiinction의 정규화식을 새로이 제안한다. 이로써 로봇은 경유점에서 회전할 수 있도록 충분히 감속시킬 수 있는 근거를 마련하였다.
진입에 실패하는 문제점을 갖고 있다. 이에 본 논문에서는 국부최소에 빠지지 않으며 최적경로를 계획하는 구배법(貧adient method)[8]에서 경유점을 주줄하고, 경유 점들의 사이 각도를 이용하여 감속이 필요한 부분에서 충분히 감속할 수 있는 전역 DWA를 제안한다. 이로써 로봇은 보다 안정적인 고속주행을 할 수 있다.

제안 방법

주어진 격자지도의 한 격자는 lOcmxlOcm이므로, 이 환경은 100x100개의 점유 격자로 구성되어 있다. 격자지도를 바탕으로 구배법에 의하여 계획된 최적경로에서 경유점을 추출하고, 경유점을 차례로 주행하는 전역 DWA를 실험하였다.
이로써 로봇은 경유점에서 회전할 수 있도록 충분히 감속시킬 수 있는 근거를 마련하였다. 또한, 경유점 전환 시점은 동적 윈도우 내의(由 V, )에 의하여 경유 점에 도착할 수 있는 시간을 예측하고, 최단 도착시간이 최대 정지시간(琨*)보다 짧을 때로 규정하였다.
로봇과 장애물의 충돌에 대한 계산은 로봇과 장애물 사이의 거리[5]를 이용한 방식과 충돌시간[9]을 이용한 방식으로 구분된다. 로봇과 장애물 간의 거리를 이용한 방법은 로봇 회전 시와 고속주행 시에 발생하는 충돌 회피에 취약하므로 충돌까지 소요되는 시간을■사용하여 충돌 계산을 수행하였다.
D阿는 Wbead와 에 의하여 로봇이 목표점을 향하여 빠르게 이동하게 하기 때문에 경유점 사이에 장애물이 존재하지 않는 직선으로 연결된다면, 로봇은 D阪의 특성에 잘 부합하며 주행할 수 있다. 이에 구배법의 결과로 얻는 최적경로에서 이러한 장애물에 걸리지 않는 직선을 찾아 직선의 시작점과 끝점을 경유점으로 설정하도록 하였다. 이에 대하여 아래에 자세히 설명한다.

대상 데이터

그림 13(a)와 같이 복도 환경이 포함된 실험환경(lOmxlOm) 을 대상으로 주행 실험을 수행하였다. 주어진 격자지도의 한 격자는 lOcmxlOcm이므로, 이 환경은 100x100개의 점유 격자로 구성되어 있다.

데이터처리

그림 14. 기존의 전역 DMl와 제안한 전역 DWA에서의 로봇 이동 경로의 비교(최고속도 = 900mm/s).

이론/모형

也匾를 크게 한다. 로봇과 장애물의 충돌에 대한 계산은 로봇과 장애물 사이의 거리[5]를 이용한 방식과 충돌시간[9]을 이용한 방식으로 구분된다. 로봇과 장애물 간의 거리를 이용한 방법은 로봇 회전 시와 고속주행 시에 발생하는 충돌 회피에 취약하므로 충돌까지 소요되는 시간을■사용하여 충돌 계산을 수행하였다.
즉, 목표점을 한 점으로 설정하면, 목표점으로부터의 거리에 비례하여 증가하는 비용이 각 셀에 부여된다. 이때, 각 셀에 부여할 비용을 계산하기 위하여, 목표점으로부터주변의 셀로 확장해 나가면서 거리를 산출하여야 하는 체계적인 방법이 필요한데, 이를 위하여 본 연구에서는 Konolige 에 의해서 제안된 LPN 알고리듬을 사용하였다. LPN 알고리듬은 셀과 셀 사이의 거리를 유클리드 거리로 계산하며, 상하좌우 및 대각선의 8방향으로 확장하여 근접비용을 갱신해나가는 방법이다.
그림 6. 직선 분할 기법을 이용한 경유점 추출.

성능/효과

DWA 는 로봇의 기구학적 구속조건을 포함시켜, 로봇에 의하여 변화할 수 있는 속도영역에서 로봇과 충돌하는 장애물을 회피하면서 목표점으로 빠르게 주행할 수 있는 속도를 선택하는 방법이다. 결과적으로 DWA는 적은 연산량에 의한 빠른 수행속도로 실제 환경에서 우수한 장애물 충돌 회피 성능을 보인다. 그러나 실시간 장애물 회피 알고리듬만을 이용한 로봇 주행은 전체 공간에 대한 정보 결여로, 주행 중 국부최소 (local minimum)에 빠져 목표점에 도달하지 못할 수 있는 단점을 가지고 있다.
통과하여 목표점으로 주행한 모습이다. 로봇은 복도에서 최고속도로 주행하다 방안으로 들어오기 전 경유 점에서 점차 감속하여 최적 경유점을 통과하면서 DWX로 생성된 경로를 따라 자연스러운 주행을 하고 있음을 관찰할 수 있다.
로봇이 각 경유점에 도착하게 될 시간을 계산하여 최대 정지 시간보다 짧을 때, 경유점 사이의 각도에 따라 DWA의 speed otjjective의 변환식을 이용하여 경유점에서 감속함으로써 로봇은 경유점 근처에서도 경로를 크게 벗어나지 않고 목표점에 안정적으로 도달할 수 있다.
위의 실험 결과에서 보듯이 본 논문에서 제안한 방법은 각 경유 점을 연결한 각도를 이용하여 Wq瑚를 조절함으로써, 매 경유 점에서 신속한 감속이 가능해져 기존의 전역 DWA보다빠르면서도 안정된 주행으로 목표점에 도달할 수 있다.
새로이 제안한다. 이로써 로봇은 경유점에서 회전할 수 있도록 충분히 감속시킬 수 있는 근거를 마련하였다. 또한, 경유점 전환 시점은 동적 윈도우 내의(由 V, )에 의하여 경유 점에 도착할 수 있는 시간을 예측하고, 최단 도착시간이 최대 정지시간(琨*)보다 짧을 때로 규정하였다.
이와 같이 경유점 간의 사잇각을 이용한 speed objective function의 변환과 다음 경유점에 대한 정보를 제공하는 시점의 명확한 근거를 통하여 로봇은 목표점까지 안정적인 고속주행을 할 수 있다.
그림 16에서 보듯이 기존의 방법에서는 瞄를 400mm/s로 제한하여야만 목표점까지 도달할 수 있었기에 약 27초의 주행 시간이 걸렸으나, 제안한 방법에서는 16초에 목표점까지 도착하였다. 이와 같이 제안된 방법을 사용하면 로봇은 직선 구간에서 고속주행이 가능하며 회전이 필요한 영역에서는 충분히 감속할 수 있다.

참고문헌 (10)

R. Siegwart, Introduction to Autonomous Mobile Robots, A Bradford Book, pp. 258-290, 2004
O. Khatib, 'Real-time obstacle avoidance for manipulators and mobile robots,' International Journal of Robotics Research, vol. 5, pp. 90-98, 1986
J. Bornstein and Y. Koren, 'The vector field histogram-fast obstacle avoidance for mobile robots,' IEEE Journal of Robotics and Automation, vol. 7, no. 3, pp. 278-288, 1991

상세보기
R. Simmons, 'The curvature-velocity method for local obstacle Avoidance,' Proc. of International Conf. on Robotics and Automation, 1996
D. Fox, W. Burgard, and S. Thrun. 'The dynamic window approach to collision avoidance,' IEEE Robotics and Automation Magazine, pp. 23-33, 1997
O. Brock and O. Khatib, 'High-speed navigation using the global dynamic window approach,' Proc. of IEEE International Conf. on Robtics and Automation, 1999
J.-C. Latombe, Robot motion planning, 4th Edition, Kluwer academic publishers, 1996
K. Konolige, 'A gradient method for real-time robot control,' Proc. of International Conf. on Intelligent Robots and Systems, pp. 639-646, 2000
R. Philippsen and R. Siegwart, 'Smooth and efficient obstacle avoidance for a tour guide robot,' Proc. of International Conf. on Robtics and Automation, pp. 13-19, 2003
L. Zhang, 'Line segment based map building and localization using 2D laser rangefinder,' Proc. of International Conf. on Robotics and Automation, vol. 3, pp. 2538, 2000

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증