[논문]충돌 벡터를 이용한 이동로봇의 동적 장애물 회피

서대근; 류은태; 이장명

doi:10.5302/j.icros.2007.13.7.631

충돌 벡터를 이용한 이동로봇의 동적 장애물 회피
Dynamic Obstacle Avoidance of a Mobile Robot Using a Collision Vector 원문보기

제어·자동화·시스템공학 논문지 = Journal of control, automation and systems engineering, v.13 no.7, 2007년, pp.631 - 636

서대근 (부산대학교 전자공학과) , 류은태 (부산대학교 전자공학과) , 이장명 (부산대학교 전자공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

An efficient obstacle avoidance algorithm is proposed in this paper to avoid dynamic obstacles using a collision vector while a tele-operated mobile robot is moving. For the verification of the algorithm, an operator watches through a monitor and controls the mobile robot with a force-reflection joystick. The force-reflection joystick transmits a virtual force to the operator through the Inter-net, which is generated by an adaptive impedance algorithm. To keep the mobile robot safe from collisions in an uncertain environment, the adaptive impedance algorithm generates the virtual force which changes the command of the operator by pushing the operator's hand to a direction to avoid the obstacle. In the conventional virtual force algorithm, the avoidance of moving obstacles was not solved since the operator cannot recognize the environment realistically by the limited communication bandwidth and the narrow view-angle of the camera. To achieve the dynamic obstacle avoidance, the adaptive virtual force algorithm is proposed based on the collision vector that is a normal vector from the obstacle to the mobile robot. To verify the effectiveness of the proposed algorithm, mobile robot navigation experiments with multiple moving obstacles have been performed, and the results are demonstrated.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 일반적인 가상 임피던스 방법에서 이동로봇과 장애물간의 속도차로서 댐퍼를 정의하는 것과 달리 그 충돌 벡터의 변화분(즉, 접근속도)으로 댐퍼를 정의하는 새로운 가상 임피던스 방법을 제안하였다.
이를 통하여 일반적인 PFM 알고리즘을 적용 시 갑작스런 장애물의 출현 시 부적합한 속도제어를 하게 되어 충동 가능성이 여전히 존재함을 극복하게 되었다. 본 논문에서는 충돌벡터를 이용한 가상 임피던스 제어알고리즘이 동적 장애물 회피에 유용함을 충돌 벡터를 적용했을 경우와 적용하지 않았을 경우의 비교를 통해 확인할 수 있었다. 실제 이동로봇과 동적 장애물이 존재하는 실험환경을 구성하고 제시한 알고리즘의 유용성을 두 가지 형태의 이동 장애물이 존재하는 상황에서 실험을 통해 검증했다.
갈 수 있음을 알 수 있다. 충돌벡터를 이용하여 동적 장애물과의 수직방향 벡터를 충돌회피에 활용하기 때문에 충돌 벡터를 적용하지 않은 경우보다 동적 장애물 회피에 보다 효율적임을 시뮬레이션을 통하여 검증한 것을 실험을 통하여 확인하고자 한다.
과정을 거쳤다. 충돌벡터의 효용성을 보이기 위하여 두 가지 종류의 장애물의 이동경로에 대해 검증하였다.

제안 방법

설계되어 있다. 두 개의 DC 모터로 각 바퀴를 구동시키며, 앞뒤로 두 개의 무지향성 수동 바퀴를 장착하였다. 모터를 제어하기 위해 PID 알고리즘을 사용하였고 각각
두 번째 경우는 한대는 이동로봇의 진행 방향에 수직으로 또 한대는 대각선 방향으로 이동하는 경우를 살펴보았다. 그림 10에 알 수 있듯이 이동 로봇은 충돌을 피하면서 원하는 목표 방향으로 진행한다.
2개의 초음파 센서가 부착되어 있다. 따라서, 초음파센서가 감지하는 이동 장애물이 원거리에 위치하는 경우와 근거리에 위치하는 경우 즉, 2가지 형태로 이동 장애물을 분류하였다. 본 논문에서 실험에서 사용된 이동로봇은 사각 형태의 로봇을 사용하였지만, 장애물은 그 형상이 복잡할 수있으므로 원통형태로 근사화한다.
정확한 거리 정보를 구한다. 또한, 이 정보들을 이용하여 가상의 척력을 구하는 가상 임피던스 방법을 제안하였다.
따라서, 초음파센서가 감지하는 이동 장애물이 원거리에 위치하는 경우와 근거리에 위치하는 경우 즉, 2가지 형태로 이동 장애물을 분류하였다. 본 논문에서 실험에서 사용된 이동로봇은 사각 형태의 로봇을 사용하였지만, 장애물은 그 형상이 복잡할 수있으므로 원통형태로 근사화한다.
본 논문에서는 충돌벡터를 이용한 가상 임피던스 제어알고리즘이 동적 장애물 회피에 유용함을 충돌 벡터를 적용했을 경우와 적용하지 않았을 경우의 비교를 통해 확인할 수 있었다. 실제 이동로봇과 동적 장애물이 존재하는 실험환경을 구성하고 제시한 알고리즘의 유용성을 두 가지 형태의 이동 장애물이 존재하는 상황에서 실험을 통해 검증했다. 즉, 이동 장애물과의 수직 방향의 충돌벡터를 활용하여 충돌회피를 위한 속도 및 회전속도와 같은 새로운 행동계획을 수립하므로 기존의 PFM 보다 동적 장애물 회피에보다 효율적이라는 것을 실험을 통해 확인하였다.
원격제어 시스템은 그림 3과 같이 Internet과 Wireless-LAN 을 통하여 서버 시스템과 클라이언트 시스템으로 구성되었고, 로봇의 위치 정보들은 Internet을 통하여 실시간 교환이 가능하도록 했다.
하지만, 경로계획에 임피던스제어 알고리즘을 사용할 경우 동적 장애물의 출현 시 비정상적인 속도증가로 충돌회피 알고리즘으로 직접 적용하기에 적합하지 못한 문제점이 존재한다. 이를 보완하기 위해 본 논문에서는 장애물과 이동로봇의 충돌 가능성에 따라 적절한 속도제어가 가능하도록 하기 위해서 충돌 벡터 검출법을 적용하여 개선된 가상 임피던스제어 알고리즘을 사용하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 초음파 센서 시스템을 갖춘 이동로봇 시스템을 이용하였다. 초음파 센서 시스템은 자율주행 및 장애물 회피에 필요한 외부 환경 정보를 얻는다.
실험에서 사용한 이동로봇은 전방에 초음파센서가 3개 양측 면에 2개의 초음파 센서가 부착되어 있다. 따라서, 초음파센서가 감지하는 이동 장애물이 원거리에 위치하는 경우와 근거리에 위치하는 경우 즉, 2가지 형태로 이동 장애물을 분류하였다.

이론/모형

가능성이 존재하고 있다. 본 연구에서는 이동로봇과 장애물간의 동적 특성을 충돌벡터로 정의하여 가상 임피던스 제어 알고리즘에 적용하였다. 이를 통하여 일반적인 PFM 알고리즘을 적용 시 갑작스런 장애물의 출현 시 부적합한 속도제어를 하게 되어 충동 가능성이 여전히 존재함을 극복하게 되었다.
이를 위해 경로계획에 임피던스제어 알고리즘을 사용하였다. 임피던스제어란 불확실한 환경과 로봇과의 상호작용을 임피던스로 모델링하여 피드백 되는 힘에 의해 위치를 조정하며 일정한 힘을 유지해 나가는 알고리즘이다[6].

성능/효과

결과적으로 (6)~(12)에서 정의된 충돌벡터를 적용한 가상임피던스 알고리즘을 이용하면 이동로봇과 동적 장애물 사이에서 존재하는 충돌가능성을 줄이고 효율적으로 목표점으로 갈 수 있음을 알 수 있다. 충돌벡터를 이용하여 동적 장애물과의 수직방향 벡터를 충돌회피에 활용하기 때문에 충돌 벡터를 적용하지 않은 경우보다 동적 장애물 회피에 보다 효율적임을 시뮬레이션을 통하여 검증한 것을 실험을 통하여 확인하고자 한다.
그리고 Ⅴ장과 Ⅵ장에서는 충돌벡터를 이용한 가상 임피던스 제어 알고리즘에 대해 설명하고 이를 시뮬레이션과 실험을 통해 알고리즘의 타당성을 검증하고 마지막으로 Ⅶ장에서 결론을 맺는다.
실제 이동로봇과 동적 장애물이 존재하는 실험환경을 구성하고 제시한 알고리즘의 유용성을 두 가지 형태의 이동 장애물이 존재하는 상황에서 실험을 통해 검증했다. 즉, 이동 장애물과의 수직 방향의 충돌벡터를 활용하여 충돌회피를 위한 속도 및 회전속도와 같은 새로운 행동계획을 수립하므로 기존의 PFM 보다 동적 장애물 회피에보다 효율적이라는 것을 실험을 통해 확인하였다.

참고문헌 (14)

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상세보기
J. Borenstein and Y. Koren, 'Histogramic in-motion mapping for mobile robot obstacle avoidance,' IEEE Trans. on Robotics and Automation, vol. 7, pp. 535-539, Aug. 1991

상세보기
고낙용, '관측 시간 개념을 이용한 로봇 매니퓰레이터의 시변 장애물 회피 동작 계획,' 서울대학교 박사학위 논문, 1993
N. Hogan, 'Impedance control: An approach to manipulation,' IEEE J. Dynamic Systems, Measurement, & Control, pp, 1-23, 1985
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T. Arai, H. Ogata, and T. Suzuki, 'Collision avoidance among multiple robots using virtual impedance,' Proc. of IEEE/RSJ Int. Workshop on Intelligent Robots and Systems, pp. 479-485, Sept. 1989
J. Ota, T. Arai, E. Yoshida, D. Kurabayashi, and T. Mori, 'Real time planning method for multiple mobile robots,' Proc. of IEEE Int. Symposium on, Assembly and Task Planning, pp. 406-411, 1995
Y. Zhao and S. L. BeMent, 'Kinematics, dynamics and control of wheeled mobile robots,' Proc. of IEEE Conf. Robotics and Automation, pp. 91-96, May. 1992
D. K. Roh, I. M. Kim, B. H. Kim, and J. M. Lee, 'Localization of a mobile robot using the information of a moving object,' J. of Control, Automation and Systems Engineering, vol. 7, no. 11, Nov. 2001
S. K. An, S. J. Han, H. R. Hur, and J. M. Lee, 'Implementation of a remote peg-in-hole operation using a two degrees of freedom force-reflective joystick,' J. of Electrical Engineering and Information Science, vol. 4, no. 3, pp. 315-322, Jun. 1999

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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