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로봇형 차량의 자율주행을 위한 센서 기반 운동 계획법 개발
Development of Sensor-based Motion Planning Method for an Autonomous Navigation of Robotic Vehicles 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.17 no.6, 2011년, pp.513 - 520  

김동형 (한양대학교 기계공학과) ,  김창준 (한양대학교 기계공학과) ,  이지영 (한양대학교 기계공학과) ,  한창수 (한양대학교 기계공학과)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper presents the motion planning of robotic vehicles for the path tracking and the obstacle avoidance. To follow the given path, the vehicle moves through the turning radius obtained through the pure pursuit method, which is a geometric path tracking method. In this paper, we assume that the ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 값의 선택에 의존한다. 따라서 본 논문은 기하학적으로 장애물과 충돌하지 않는 경로를 찾는 대신, 장애물과 충돌하지 않는 순간 운동을 만들기 위한 조건을 찾는다. 이를 위해, 그림 9의 왼쪽 그림과 같이 등가 장애물 점의 방향이 차량 좌표계 기준으로 음의 방향일 경우를 고려한다.
  • 경로를 정확하게 추종하게 만들기 위해서는 반대로 예견 거리는 짧아져야 하지만, 예견거리를 짧게 선정할 경우 차량은 작은 선회 반경으로 인하여 차량에 큰 횡 가속도 및 요 레이트가 발생한다. 따라서 본 논문은 이를 고려하기 위하여 요 레이트를 제한하기 위한 예견거리 선정방법을 제안한다.
  • 차량의 운동 구속 조건으로 인하여 식 (12)를 가지고 일반적인 포텐셜 필드 방법을 통한 장애물 회피 운동 생성은 불가능하다. 따라서 본 논문은 장애물 회피 운동 생성을 위해 다음 식과 같이 장애물 회피 선회 반경 생성을 제안한다.
  • 본 논문은 로봇형 차량의 자율주행을 위한 센서 기반 운동 계획법을 제안하였다. 기하학적인 경로 추종 방법을 사용하여 차량이 경유점들로 주어진 경로를 추종하기 위한 운동을 생성하였다.
  • 본 논문은 전륜 조향이 가능한 일반 차량의 운동 계획을 다룬다. 목표 지점까지 경로는 경유점들로 이루어지며, 이 경로를 추종하기 위해 기하학적 경로 추종 방법인 pure pursuit 을 사용한다.
  • 본 논문은 차량에 장착된 거리 센서로부터의 장애물 감지를 고려한다. 장애물의 경계는 장애물 점(obstacle point) 들의 집합으로 표현된다.
  • 본 논문이 제안하는 차량의 운동 계획 방법의 성능을 확인하기 위하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션은 식 (2) 로 주어진 차량 모델을 대상으로 경유점들을 순서대로 따라 목적지까지 도착하도록 차량의 운동을 계획하는 것이다.
  • 로봇형 차량의 자율 주행을 수행하기 위해서는 차량의 위치 및 방향이 정확히 추정되어야 하며, 주어진 경로를 추종할 수 있도록 차량을 제어해야 하고, 주변 환경을 파악함으로써 경로 위 예상치 못한 장애물을 회피해야 한다. 이러한 로봇형 차량의 자율주행을 위한 기술 중, 본 논문은 차량의 운동 계획(motion planning)을 다룬다. 차량의 운동 계획은 차량이 장애물과 충돌하지 않으면서 목적지까지 도달할 수 있는 운동(motion)을 실시간으로 생성하는 것을 의미하며, 차량이 추종할 경로가 대략적인 경유점들로 주어졌다 하더라도 주변 환경이 실시간으로 바뀌므로 많은 어려움을 내포하고 있다.
  • 시뮬레이션은 식 (2) 로 주어진 차량 모델을 대상으로 경유점들을 순서대로 따라 목적지까지 도착하도록 차량의 운동을 계획하는 것이다. 이를 통하여 차량이 주어진 경로를 각 속도 및 횡 가속도와 같은 구속 조건을 만족하면서 주행하는 것과 경로 상에 장애물과 충돌하지 않으며 주행하는 것을 동시에 만족시킴을 검증토록 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
차량의 운동 계획의 특징은 무엇인가? 이러한 로봇형 차량의 자율주행을 위한 기술 중, 본 논문은 차량의 운동 계획(motion planning)을 다룬다. 차량의 운동 계획은 차량이 장애물과 충돌하지 않으면서 목적지까지 도달할 수 있는 운동(motion)을 실시간으로 생성하는 것을 의미하며, 차량이 추종할 경로가 대략적인 경유점들로 주어졌다 하더라도 주변 환경이 실시간으로 바뀌므로 많은 어려움을 내포하고 있다.
현재 차량에서 기준 경로까지 위치 오차와 방향 오차를 줄이는 기술인 기하학적 경로 추종 방법은 무엇인가? 이를 위하여 무인 주행 차량 및 이동 로봇의 경로 추종 제어기 설계 시에 복잡한 연산을 피하기 위하여 기하학적 경로 추종 방법이 사용된다[2-7]. 마치 운전자가 일정 거리 앞을 보면서 운전하는 것처럼, 기하학적 경로 추종 방법은 차량에서부터 예견 거리 (look-ahead distance)만큼 떨어진 경로상의 예견점(look-ahead point)을 정의하고 이를 추종할 수 있도록 차량의 목표 선회반경을 알려준다.
로봇형 차량이 자율주행을 위해 가져야 할 능력은 무엇인가? 미국 DARPA (Defense Advanced Research Project Agency) 주관 2004년, 2005년 Grand Challenge 및 2007년 Urban Challenge 총 세 차례의 무인 자동차 대회에서 알 수 있듯이, 기존 지능형 자동차(intelligent vehicle)의 운전 보조기술은 로봇형 차량(robotic vehicle)의 자율주행 기술로 발전을 도모하고 있다[1]. 로봇형 차량의 자율 주행을 수행하기 위해서는 차량의 위치 및 방향이 정확히 추정되어야 하며, 주어진 경로를 추종할수 있도록 차량을 제어해야 하고, 주변 환경을 파악함으로써 경로 위 예상치 못한 장애물을 회피해야 한다. 이러한 로봇형 차량의 자율주행을 위한 기술 중, 본 논문은 차량의 운동 계획(motion planning)을 다룬다.
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참고문헌 (18)

  1. M. Buehler, K. lagnemma, and S. Singh, The DARPA Urban Challenge, Springer, 2009. 

  2. A. Rankin, C. Crane, A. Armstrong, A. Nease, and H. E. Brown, "Autonomous path planning navigation system used for site characterization," Proc. of the SPIE 10th Annual Aero Sense Symposium, Orlando, FL, vol. 2738, pp. 176-186, Apr. 1996. 

  3. A. Ollero and G. Heredia, "Stability analysis of mobile robot path tracking," Proc. of the International Conference on Intelligent Robots and Systems, Pittsburgh, PA, pp. 461-466, Aug. 1995. 

  4. T. Hellstrom and O. Ringdahl, "Follow the past - a path tracking algorithm for autonomous vehicles," Int. J. Vehicle Autonomous Systems, vol. 4, pp. 216-224, 2006. 

  5. R. Craig Coulter, "Implementation of the pure pursuit path tracking algorithm," Technical Report CMU-RI-TR-92-01, Robotics Institute, Carnegie Mellon University, 1992. 

  6. J. Witt, C. D.III Crane, and D. Armstrong, "Autonomous ground vehicle path tracking," Journal of Robotic Systems, vol. 21, no. 8, pp. 439-449, Aug. 2004. 

  7. J. Giesbrecht, D. Mackay, J. Collier, and S. Verret, "Path tracking for unmanned ground vehicle navigation," DRDC Suffield TM 2005-224, Defence R&D Canada-Suffield, Dec. 2005. 

  8. O. Khatib, "Realtime obstacle avoidance for manipulators and mobile robots," IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp. 500-505, Mar. 1985. 

  9. S. S. Ge and Y. J. Cui, "Dynamic motion planning for mobile robots using potential field method," Autonomous Robots, vol. 13, no. 3, pp. 207-222, Nov. 2002. 

  10. J. Borenstein and Y. Koren, "The vector field histogram - fast obstacle avoidance for mobile robots," Journal of Robotics and Automation, vol. 7, pp. 278-288, Jun. 1991. 

  11. I. Ulrich and J. Borenstein, " $VFH^{\ast}$ : local obstacle avoidance with look-ahead verification," IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, San Francisco, CA, pp. 2505-2511, Apr. 2000. 

  12. R. Simmons, "The curvature-velocity method for local obstacle avoidance," IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp. 3375-3382, Apr. 1996. 

  13. D. Fox, W. Burgard, and S. Thrun, "The dynamic window approach to collision avoidance," IEEE Robotics and Automation Magazine, vol. 4, pp. 23-33, Mar. 1997. 

  14. K. O. Arras, J. Persson, N. Tomatis, and R. Siegwart, "Real-time obstacle avoidance for polygonal robots with a reduced dynamic window," IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, Washington, DC, vol. 170, pp. 3050-3055, May. 2002. 

  15. F. Lamiraux, D. Bonnafous, and O. Lefebvre, "Reactive path deformation for nonholonomic mobile robots," IEEE Transactions on Robotics, vol. 20, no. 6, pp. 967-977, 2004. 

  16. D. Kim, C. Kim, and C. Han, "Geometric path tracking and obstacle avoidance methods for an autonomous navigation of nonholonomic mobile robot," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems(in Korean), vol. 16, no. 8, pp. 771-779, Aug. 2010. 

  17. I. Kim, "Obstacle avoidance and local path planning for mobile robots using the fast elastic band," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems(in Korean), vol. 16, no. 8, pp. 794-798, Aug. 2010. 

  18. J. Minguez and L. Montano, "Extending collision avoidance methods to consider the vehicle shape, kinematics, and dynamics of a mobile robot," IEEE Transactions on Robotics, vol. 25, no. 2, Apr. 2009. 

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