[논문]포텐셜 필드 기법을 이용한 무인차량의 자율항법 개발

이상원; 문영근; 김성현; 이민철

포텐셜 필드 기법을 이용한 무인차량의 자율항법 개발
Navigation Technique of Unmanned Vehicle Using Potential Field Method 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.19 no.4, 2011년, pp.8 - 15

이상원 (부산대학교 기계공학부) , 문영근 (부산대학교 기계공학부) , 김성현 (부산정보대학 자동차계열) , 이민철 (부산대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a real-time navigation algorithm which integrates the artificial potential field (APF) for an unmanned vehicle in the unknown environment. This approach uses repulsive potential function around the obstacles to force the vehicle away and an attractive potential function around the goal to attract the vehicle. In this research, laser range finder is used as range sensor. An obstacle detected by the sensor creates repulsive vector. Differential global positioning system (DGPS) and digital compass are used to measure the current vehicle position and orientation. The measured vehicle position is also used to create attractive vector. This paper proposes a new concept of potential field based navigation which controls unmanned vehicle's speed and steering. The magnitude of repulsive force based on the proposed algorithm is designed not to be over the magnitude of attractive force while the magnitude is increased linearly as being closer to obstacle. Consequently, the vehicle experiences a generalized force toward the negative gradient of the total potential. This force drives the vehicle downhill towards its goal configuration until the vehicle reaches minimum potential and it stops. The effectiveness of the proposed APF for unmanned vehicle is verified through simulation and experiment.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

이때 척력의 크기는 인력의 절대값의 크기보다 크지 않도록 정의하여 과도한 회피를 방지하도록 한다. 또한 조향각도 및 주행속도 제어를 통해서 장애물과 충돌 없이 목적 지점까지 주행하기 위한 자율항법 시스템을 개발한다. 새로운 포텐셜 필드 기법의 검증을 위해서 시뮬레이션을 통한 주행 평가를 하였고, 실제 전기식 무인차량 시스템을 구성하여 실험을 수행하였다.
본 논문에서는 주로 이동로봇(mobile robot)의 경로계획법으로 연구되어온 포텐셜 필드(potential field)기법을 무인차량에 적용하기 위해서 척력이 발생하는 반경 범위와, 최소한의 차량의 회전반경만 보장하기 위한 반경 범위를 설정하여 차량의 위치에 따라 서로 다른 조건의 척력을 발생시켜 장애물과의 충돌 없이 목표지점으로 효율적으로 이동할 수 있는 알고리즘을 제안한다. 이때 척력의 크기는 인력의 절대값의 크기보다 크지 않도록 정의하여 과도한 회피를 방지하도록 한다.
본 연구에서는 레이저 레인지파인더, DGPS, 전자나침반을 이용한 무인자율주행차량의 자율주행을 위한 포텐셜 필드 기법을 제안하고 차량에 적용하였다. 구현한 자율주행 항법 알고리즘은 시뮬레 이션을 통해 알고리즘의 유효성을 확인하였고 주행실험을 통하여 입증하였다.
따라서 무인차량에 적합한 개선된 포텐셜 필드 기법이 요구된다. 본 연구에서는 포텐셜 함수를 무인차량의 방향전환을 위한 공간을 확보하기 위해 척력을 보다 강한 힘을 가질 수 있도록 재정의 한다.

제안 방법

차량제어시스템은 차량제어의 가장 기본이 되는 횡방향, 종방향 제어를 담당하게 된다. TI사의 TMS320F2812 DSP 프로세서를 이용하여 시리얼통신을 통해 횡방향 및 종방향의 제어가 가능하도록 구현하였다.
본 연구에서는 레이저 레인지파인더, DGPS, 전자나침반을 이용한 무인자율주행차량의 자율주행을 위한 포텐셜 필드 기법을 제안하고 차량에 적용하였다. 구현한 자율주행 항법 알고리즘은 시뮬레 이션을 통해 알고리즘의 유효성을 확인하였고 주행실험을 통하여 입증하였다.
실험 장소는 부산대학교 운동장이며, 시작점과 목표점의 떨어진 거리는 약 40m이다. 길이 5m, 폭 0.5m의 사각형 장애물과 지름 0.3m의 원형 장애물을 설치하고 각 파라미터 값은 Table 3와 같이 설정하여 주행실험을 시행하였다. 주행실험 결과 Fig.
무인차량에 적용하기 위해서 새로 제안한 포텐셜 필드 기법을 시뮬레이션 하였다. 우선 지름 30cm 원의 형태의 장애물과 길이 10m, 폭 1m의 사각형 장애물 2개의 종류에 대해 차량이 회피하는 시뮬레이션을 수행하였다.
또한 조향각도 및 주행속도 제어를 통해서 장애물과 충돌 없이 목적 지점까지 주행하기 위한 자율항법 시스템을 개발한다. 새로운 포텐셜 필드 기법의 검증을 위해서 시뮬레이션을 통한 주행 평가를 하였고, 실제 전기식 무인차량 시스템을 구성하여 실험을 수행하였다. 환경 인식 및 위치 인식을 위해서 DGPS(Differential Global Positioning System), 전자나침반, 레이저레인 지파인더(laser range finder)를 이용하였다.
무인차량에 적용하기 위해서 새로 제안한 포텐셜 필드 기법을 시뮬레이션 하였다. 우선 지름 30cm 원의 형태의 장애물과 길이 10m, 폭 1m의 사각형 장애물 2개의 종류에 대해 차량이 회피하는 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 영향에 미치는 각각의 파라미터들은 Table 2와 같이 설정하였다.
종방향 제어를 위해 구동용 DC모터의 드라이버에 0~5V의 입력을 통해 DC모터의 구동이 가능 하며 주행속도 감속 또는 정지를 위해 리니어 모터를 사용하여 구현하였다. Fig.

대상 데이터

실험 장소는 부산대학교 운동장이며, 시작점과 목표점의 떨어진 거리는 약 40m이다. 길이 5m, 폭 0.
실험 차량으로는 전기식 골프차량에 DGPS, 레이저레인지 파인더, 전자나침판 등의 센서를 부착하여 구성하였다. Fig.
이를 위한 거리센서로 Fig. 9와 같은 SICK사의 실외용 LMS291_S05 레이저레인지파인더를 사용하여 장애물인식 시스템을 구성하였고 LMS291_S05는 최대 각도 범위 180° 최대 측정거리 80m, 그리고 각도 분해능 0.25°/0.5°/1° 의 성능을 가지고 있다.

이론/모형

새로운 포텐셜 필드 기법의 검증을 위해서 시뮬레이션을 통한 주행 평가를 하였고, 실제 전기식 무인차량 시스템을 구성하여 실험을 수행하였다. 환경 인식 및 위치 인식을 위해서 DGPS(Differential Global Positioning System), 전자나침반, 레이저레인 지파인더(laser range finder)를 이용하였다.

성능/효과

로 주행되기 때문에 차량에 요구되는 조향각도 δ 에 따라 식 (11)과 같이 주행속도를 감속하여 목표지점을 지나침 없이 주행이 가능하도록 정의한다. 둘째, 척력이 발생할 경우 척력의 크기가 커질수록 V는 반비례하도록 식 (12)와 같이 속도를 제어하여 훨씬 안정적으로 장애물을 회피할 수 있도록 정의한다.
무인차량의 조향각속도와 회전반경을 고려하여 제안한 포텐셜 필드 기법으로 장애물에 의한 척력 발생에 따라 주행속도를 줄여 안정적으로 회피할 수 있었고, 차량에 교시되는 조향각도에 따라 주행 속도를 제어하여 보다 효율적인 경로로 주행할 수 있었다. 목표지점에 가까워짐에 따라 주행속도를 줄여 안전하게 정지할 수 있음을 확인할 수 있었다.
무인차량의 조향각속도와 회전반경을 고려하여 제안한 포텐셜 필드 기법으로 장애물에 의한 척력 발생에 따라 주행속도를 줄여 안정적으로 회피할 수 있었고, 차량에 교시되는 조향각도에 따라 주행 속도를 제어하여 보다 효율적인 경로로 주행할 수 있었다. 목표지점에 가까워짐에 따라 주행속도를 줄여 안전하게 정지할 수 있음을 확인할 수 있었다.
본 연구에서 제안한 포텐셜 알고리즘은 척력이 인력보다 커질 수 없으며 차량에서 장애물의 거리가 가까워질수록 선형적으로 증가하는 척력이 발생된다. 특히 조향각의 속도 및 회전반경을 고려하여 척력이 발생하는 제한된 범위 안에 차량이 진입하자마자 진행경로에 큰 영향력이 미친다.
12와 같이 목표지점에 장애물을 회피하여 안전하게 도달할 수 있었다. 차량이 장애물과 거리가 가까워짐에 따라 주행속도를 줄여 안정적으로 회피한 후, 목표지점을 도달하기 위해 차량의 회전 방향전환으로 감속하고 다시 주행속도를 높여 최대설정속도로 주행하다가 목표점에 가까워짐에 따라 설정된 반경 영역 내에서 감속하여 안전하게 정지하였다.
11과 같다. 차량이 장애물과 인접함에 따라 주행속도를 줄여 안정적으로 회피하였고 목표점에 접근함에 따라 감속하여 안전하게 정지함을 알 수 있다. 즉 무인차량에 적합하게 개선되어진 포텐셜 기법이 실제 차량에서도 충분히 적용 가능 하다는 것을 의미한다.

후속연구

향후 여러 개의 중간경로 지점 설정에 의한 연속 주행경로 생성기술과 고성능 관성센서를 이용한 위치정보 기술, 비전센서 등과 융합한 센싱기술을 통해 향상된 지형파악 정보와 제안한 포텐셜 필드 알고리즘을 접목하는 후속연구를 할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	포텐셜 필드 기법내 힘에는 무엇이 있는가?	포텐셜 필드 기법은 이동로봇의 경로계획 목적으로 Fig. 1과 같이 로봇을 장애물로부터 멀어지게 하는 척력의 포텐셜 FATT와 목표점으로 당기게 하는 인력의 포텐셜 FREP가 존재한다. 두 포텐셜의 합 FT에 의해 로봇은 포텐셜의 힘이 큰 쪽에서 작은 쪽으로 이동하여 장애물을 회피하며 목표점에 도달할 수 있다.
	포텐셜 필드 기법 연구 내 항법시스템 중 DGPS이 이용되는 부분은?	DGPS와 전자나침반으로 구성되어있고 DGPS는 Ublox사의 EVK-5H를 사용하였으며 현재위치에 대한 위도, 경도 데이터, 시간, 등의 정보를 얻을 수 있다. DGPS에 의해 획득된 절대 위치 좌표값은 목표 지점까지의 인력과 장애물과의 척력을 계산하는데 이용된다. 디지털 컴퍼스(digital compass)는 Honey Well사의 HMC6352칩을 사용하여 진북방향을 기준으로 시계방향으로 방위각을 얻을 수 있도록 하였으며, 이를 이용해 차량의 진행방향을 파악하여 조향 각도 제어에 활용된다.
	운전자 보조 시스템은 무엇이 있는가?	오늘날 자동차는 단순한 이동수단을 넘어서 전기, 전자, 기계, 등의 많은 분야의 첨단기술들이 집약된 첨단시스템으로 발전하고 있다. 현재 운전자의 편의와 안전을 위한 운전자 보조 시스템(driver assistant system) 개발이 급진전되고 있는 추세이며 대표적인 운전자 보조 시스템에는 안전 시스템 분야인 차선 이탈 경보(lane departure warning), 차선 유지(lane keeping), 사각지대 검출(blind spot detection), 주차 지원 시스템(parking assist system) 등이 개발되어 실용화되고 있다. 텔레매틱스와 지능형교통시스템 등과 같은 ITS(Intelligent Transport System) 기술이 개발되고 이러한 기술들의 융합을 통하여 무인자율주행차량 개발이 실용화되고 있다.

참고문헌 (13)

S. G. Kim, H. Y. Lim and J. H. Kim, "Research of the Unmanned Vehivle Control and Modeling for Lane Teacking," Transactions of KSAE, Vol.11, No.6, pp.213-211, 2003.

원문보기 상세보기
S. G. Kim, H. C. Moon, C. M. Kim and J. H. Kim, "Steering Control of Autonomous Vehicle by the Vision System," Proceeding of ICCAS, pp.615-618, 2001.
J. C. McCall and M. M. Trivedi, "Video-based Lane Estimation and Tracking for Driver Assistance : Survey, System, and Evaluation," IEEE Transactions on Intelligent Transportation System, Vol.7, No.1, pp.20-37, 2006.
K. R. S. Kodagoda, W. S. Wijesom and A. P. Balasuriya, "CuTE : Curb Tracking and Estimation," IEEE Transaction on Control System Technology, Vol.14, No.5, pp.951-957, 2006.

상세보기
K. R. S. Kodagoda, S. S. Ge and W. S. Wijesoma, "IMMPDAF Approach for Road-boundary Tracking," IEEE Transaction on Control System Technology, Vol.56, No.2, pp.478-486, 2007.
H. C. Moon, Y. J. Son and J. H. Kim, "Design of an Obstacle Detecting System for Unmanned Ground Vehicle Using Laser Scanner," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems, Vol.14, No.8, pp.809-817, 2008.

원문보기 상세보기
S. G. Kim, T. Galluzzo, D. Macarthur, S. Solanki, E. Zawodny, D. Kent, J. H. Kim and C. D. Crane, "Design of an Unmanned Ground Vehicle, Tailgator Theory and Practice," Int. J. Automotive Technology, Vol.7, No.1, pp.83- 91, 2006.
S. G. Kim and J. H. Kim, "Unmanned Vehicle Control and Modeling for Obstacle Avoidance," Int. J. Automotive Technology, Vol.4, No.4, pp.173-180, 2003.
E. Y. Park, H. C. Moon and J. H. Kim, "Practical Research for Obstacle Avoidance Algorithm for Unmanned Vehicle," Proceeding of the ICMIT2003, pp.739-742, 2003.
O. Khatib, "Real-time Obstacle Avoidance for Manipulators and Mobile Robots," International Journal of Robotics Research, Vol.5, No.1, pp.90-98, 1986.

상세보기
M. S. Kim, "The System Modeling for Unmanned Vehicle & Autonomous Driving Algorithm by Ultrasonic Sensors," M. S. Thesis, Graduate School of Automotive Engineering, Kookmin University, 2001.
Y. G. Moon, K. D. Kim and M. C. Lee, "Development of Autonomous Parallel Parking Control System for Electric Compact Car," 2009 Spring Annual Conference, KSAE, pp.1067-1072, 2009.
M. G. Park and M. C. Lee, "A New Technique to Escape Local Minimum in Artificial Potential Field Based Path Planning," KSME International Journal, Vol.17. No.12, pp.1876- 1885, 2003.

원문보기 상세보기

저자의 다른 논문 :

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].

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