[논문]시뮬레이션을 이용한 이동 로봇의 충돌회피 알고리즘 비교

김광진; 고낙용; 박세승

doi:10.13067/jkiecs.2012.7.1.187

시뮬레이션을 이용한 이동 로봇의 충돌회피 알고리즘 비교
Comparison of Collision Avoidance Algorithm for a Mobile Robot using a Simulation 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.7 no.1, 2012년, pp.187 - 194

김광진 (조선대학교 대학원 정보통신공학과) , 고낙용 (조선대학교 제어계측로봇공학과) , 박세승 (조선대학교 전자공학과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 이동 로봇이 자율주행을 하기 위해 사용되는 충돌회피 알고리즘을 실제 로봇과 똑같은 환경에 적용된 시뮬레이터를 통해 성능을 알아본다. 이동 로봇의 충돌회피를 위해 기존에 인공전위계 알고리즘과 Elastic force 알고리즘 등이 제안되어져있다. 본 연구에서는 시뮬레이션을 통해 이 두 가지 방법에 의한 동작시간과 경로의 이동 길이를 비교하였다. 시뮬레이터는 IPC(Inter Process Communication)를 기반으로 개발되어졌으며, 알고리즘의 비교에는 차륜형 이동 로봇을 사용하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper compares two collision avoidance algorithms using a simulator. The collision avoidance is vital for autonomous navigation of a mobile robot. Artificial potential field method and elastic force method are major approaches for the collision avoidance. The two algorithms are compared in the respect of the time for motion completion and the length of the motion path. The simulator is developed based on IPC(Inter Process Communication) and a differential drive mobile robot is used for the comparison.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 이동 로봇의 충돌회피 알고리즘의 성능을 비교해보기 위하여 실제 로봇과 똑같은 환경에 적용하여 각각의 성능을 실험을 통해 살펴보았다. 실험에 적용된 두 알고리즘의 특성은 다음과 같다.
본 논문에서는 이동 로봇이 자율주행을 하기 위해 사용되는 충돌회피 알고리즘을 실제 로봇과 똑같은 환경에 적용하여 시뮬레이션을 통해 성능을 알아본다. 이동 로봇의 충돌회피를 위해 다양한 방법들이 연구되고 있으며, 기존에 제안된 방법 중 인공전위계 알고리즘과, Elastic force 알고리즘을 시뮬레이션을 통해 비교해본다.

제안 방법

두 번째 실험은 출발점에서 목표점까지 중간에 장애물이 2개 위치해있을 때 각각의 알고리즘을 적용하여 시뮬레이션 하였으며, 장애물이 2개일 경우 APF 알고리즘을 적용했을 경우 로봇이 장애물과의 거리를 가까이 유지하며 이동하였으며 로봇의 이동 경로는 그림9, 그림10과 같다.
이동 로봇의 자율주행을 위해 로봇은 자신의 위치를 외부정보를 이용하여 스스로 유추하는 위치인식기술(Localization)과, 출발위치에서 목표위치까지 안전하게 이동하기 위해서 주변의 장애물을 검출하고 충돌을 피할 수 있는 충돌 회피(Collision avoidance) 기술이 반드시 필요하다[1-2]. 로봇이 장애물을 검출하기 위해서 초음파 센서, 레이저 센서(Laser range finder) 등을 장착하고 센서로부터 획득된 데이터를 기반으로 장애물의 유무 판별과, 장애물과의 거리를 판단한다[3].
본 논문에서 사용된 이동 로봇 시뮬레이션 프로그램은 TCP-IP를 이용한 통신 방법 중의 한 가지인 IPC(Inter process communication)를 사용하여 로봇을 제어할 수 있도록 개발되었다. 시뮬레이터는 서버-클라이언트 구조로 되어 있으며, 육안으로 확인이 어려운 부분도 쉽게 확인할 수 있도록 개발되었다.
세 번째 실험은 출발점에서 목표점까지 중간에 장애물이 3개 위치해있을 때 각각의 알고리즘을 적용하여 시뮬레이션 하였으며, 장애물이 3개일 경우 EF 알고리즘을 적용했을 경우 로봇이 보다 유연하게 이동하였으며 로봇의 이동 경로는 그림11, 그림12와 같다.
본 논문에서 사용된 이동 로봇 시뮬레이션 프로그램은 TCP-IP를 이용한 통신 방법 중의 한 가지인 IPC(Inter process communication)를 사용하여 로봇을 제어할 수 있도록 개발되었다. 시뮬레이터는 서버-클라이언트 구조로 되어 있으며, 육안으로 확인이 어려운 부분도 쉽게 확인할 수 있도록 개발되었다.
실험을 위해 두 충돌회피 알고리즘을 시뮬레이터에 적용하여 같은 목표위치로 로봇을 이동시키면서 각각의 알고리즘에 의한 로봇의 이동궤적과 이동시간을 측정하여 비교해보았다.
본 논문에서는 이동 로봇이 자율주행을 하기 위해 사용되는 충돌회피 알고리즘을 실제 로봇과 똑같은 환경에 적용하여 시뮬레이션을 통해 성능을 알아본다. 이동 로봇의 충돌회피를 위해 다양한 방법들이 연구되고 있으며, 기존에 제안된 방법 중 인공전위계 알고리즘과, Elastic force 알고리즘을 시뮬레이션을 통해 비교해본다. 실험을 위해서 차륜형 이동 로봇의 운동성을 포함하는 로봇 시뮬레이터를 활용한다.
첫 번째 실험은 출발점에서 목표점까지 중간에 장애물이 1개 위치해있을 때 각각의 알고리즘을 적용하여 시뮬레이션 하였으며, 로봇의 이동 경로는 그림7, 그림8과 같다.

대상 데이터

이동 로봇의 충돌회피를 위해 다양한 방법들이 연구되고 있으며, 기존에 제안된 방법 중 인공전위계 알고리즘과, Elastic force 알고리즘을 시뮬레이션을 통해 비교해본다. 실험을 위해서 차륜형 이동 로봇의 운동성을 포함하는 로봇 시뮬레이터를 활용한다.

성능/효과

(1) 인공전위계 알고리즘의 경우, 장애물의 위치가 로봇의 시작점과 목표점의 최단거리 경로와 가까이 있을 때는 멀리 회피하지 못하고 장애물 가까이 이동하는 것을 확인하였다.
(2) 또한, 2개 이상의 장애물이 위치해 있으면 로컬 미니멈(Local minimum)에 빠질 확률이 증가하였다. 로봇의 주변 환경에 장애물이 많아질수록 로봇의 움직임이 유연하지 못하였으며, 장애물과 충돌의 위험이 증가됨을 알 수 있었다.
(3) Elastic force 알고리즘의 경우, 인공전위계 알고리즘을 적용한 실험보다는 로봇이 목표점까지 이동하는데 소요되는 시간은 다소 줄어들었다.
(4) 그리고, 다수의 장애물이 위치해 있더라도 장애물과의 충돌위험이 크게 증가하지 않음을 확인할 수 있었다.
또한, 시뮬레이터는 실제 로봇을 가지고 실험한 결과와 큰 차이를 보이지 않아 알고리즘의 개발 및 연구를 하는데 많은 시간단축과 비용을 절감할 수 있게 되었다. 시뮬레이터의 형태는 그림4와 같다.
(2) 또한, 2개 이상의 장애물이 위치해 있으면 로컬 미니멈(Local minimum)에 빠질 확률이 증가하였다. 로봇의 주변 환경에 장애물이 많아질수록 로봇의 움직임이 유연하지 못하였으며, 장애물과 충돌의 위험이 증가됨을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이동 로봇의 자율주행을 위해 로봇 제작을 위한 필수 기술은?	이동 로봇은 주어진 역할에 충실하기 위해서 자율주행능력을 보유하여야 한다. 이동 로봇의 자율주행을 위해 로봇은 자신의 위치를 외부정보를 이용하여 스스로 유추하는 위치인식기술(Localization)과, 출발위치에서 목표위치까지 안전하게 이동하기 위해서 주변의 장애물을 검출하고 충돌을 피할 수 있는 충돌 회피(Collision avoidance) 기술이 반드시 필요하다[1-2]. 로봇이 장애물을 검출하기 위해서 초음파 센서, 레이저 센서(Laser range finder) 등을 장착하고 센서로부터 획득된 데이터를 기반으로 장애물의 유무 판별과, 장애물과의 거리를 판단한다[3].
	로봇이 장애물을 검출하고 충돌을 피하기 위해 연구된 방법들은 무엇이 있나요?	로봇이 장애물을 검출하고 충돌을 피하기 위해 연구된 방법들로는, 인공전위계(Artificial potential field) 알고리즘, 가상역장(Virtual force field) 알고리즘, 벡터장 히스토그램(Vector field histogram) 알고리즘 등의 방향명령 방식의 알고리즘들과, 곡률-속도 방법, 차선-곡률 방법 등과 같은 속도/공간 명령 방식의 알고리즘, 충돌회피 가능도를 적용한 알고리즘, 탄성력(Elastic force)을 이용한 충돌회피 방법들이 연구되어왔다[4-9].
	인공전위계를 이용한 로봇의 장애물 회피 방법은 어떤 방법인가요?	인공전위계를 이용한 로봇의 장애물 회피 방법은 로봇과 장애물 사이에서는 척력(Repulsive potential)을 발생시키고, 로봇과 목표점 사이에는 인력(Attractive potential)을 발생시키는 가상의 역장(Force field)을 만든다. 인력과 척력이 동시에 작용하며 두 힘의 합으로 표현되는 힘에 의해서 장애물과의 충돌을 피하며 로봇이 움직이도록 하는 방법이다.

참고문헌 (12)

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서동진, 노성우, 고낙용, "두 개의 거리 센서를 이용한 차륜형 로봇의 이동물체 추종제어", 한국전자통신학회논문지, 6권, 5호, pp. 765-773, 10, 2011.

원문보기 상세보기
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상세보기
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상세보기
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Nak Yong Ko, Dong Jin Seo et al, "3-Dimensional Simulator for Multiple Robot System using TCP-IP," The IASTED Conference on Software Engineering, pp. 130-135, 2007.
배영철, 박종규, "카오스 이론에 기반한 포메이 션 제어를 위한 다중 카오스 로봇의 장해물 회피 및 동기화에 관한 연구", 한국전자통신학회논문지, 5권, 5호, pp. 534-540, 10, 2010.

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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].

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