[논문]탑승자의 안전을 고려한 지능형 휠체어의 단일 이동 장애물 충돌회피 알고리즘

김용휘; 윤태성; 박진배

doi:10.5302/j.icros.2013.13.1905

Abstract ▼ AI-Helper

As the ageing population grows around the world, the demand for electric wheelchairs, an important mobility assistance device for the disabled and elderly, is gradually increasing. Therefore, a number of studies related to intelligent wheelchairs are actively underway to improve safety and comfort f...

As the ageing population grows around the world, the demand for electric wheelchairs, an important mobility assistance device for the disabled and elderly, is gradually increasing. Therefore, a number of studies related to intelligent wheelchairs are actively underway to improve safety and comfort for wheelchair users. However, previous collision avoidance studies for intelligent wheelchairs have concentrated on collision avoidance methods with the shortest distance and by only changing either velocity or heading angle, rather than considering the forces exerted on the user. If a collision avoidance algorithm that does not consider these forces is applied to an intelligent wheelchair, there is a possibility of an accident due to falling as wheelchair users are generally disabled and elderly people. In this paper, we propose a collision avoidance algorithm which minimizes the forces exerted on a wheelchair user by minimizing the variation of the wheelchair's velocity and heading angle when the sizes, positions, velocities, and heading angles of a wheelchair and a moving obstacle are known.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 논문은 휠체어 탑승자들의 안전을 위하여 단일이동 장애물에 대한 충돌회피 시 주행 속력 및 주행 각도 변화를 최소화하여 탑승자에게 가해지는 힘을 최소로 하는 실시간 충돌회피 알고리즘을 제안한다. 본 논문의 II 장에서 전동 휠체어의 구조를 간략히 기술하였고, III 장에서는 제안한 알고리즘에 적용되는 충돌회피 알고리즘을 설명한다.
또한, 휠체어의 속도 벡터 v_t를 RV 영역을 지나는 VO 외곽선 위의 한 점으로 변화시킬 때 충돌회피 시 탑승자에게 미치는 힘이 가장 적게 발생하며, 본 논문에서는 최적화 이론을 이용하여 그 점을 찾는다.
본 논문에서는 휠체어의 단일 이동장애물 환경에서 탑승자의 안전을 우선적으로 고려하여 탑승자에게 가해지는 힘을 최소로 하는 충돌회피 알고리즘을 제시하였다. 제시된 충돌회피 알고리즘은 등속 직선 운동 중인 휠체어와 장애물의 크기, 위치, 속도, 헤딩방향이 주어졌을 경우 최적화 이론을 이용하여 단일 변수 함수로 정의한 탑승자에게 가해지는 힘을 최소로 하는 속력 변화량과 헤딩각도 변화량을 찾는다.

가설 설정

휠체어와 이동 장애물은 등속 직선 운동을 하고 있으며 각각의 위치와 속도 벡터 (v_t,v₁)가 주어지고, 각각 반지름 r_t와 r₁ 크기의 원형 형태라고 가정한다. 먼저 휠체어의 크기를 이동 장애물로 전가하여 휠체어의 크기를 점으로 축소시키고 이동 장애물은 반지름 # 크기로 확대시킨다.

제안 방법

본 논문의 II 장에서 전동 휠체어의 구조를 간략히 기술하였고, III 장에서는 제안한 알고리즘에 적용되는 충돌회피 알고리즘을 설명한다. 그리고 IV 장과 V 장에서는 충돌회피 시 탑승자에게 미치는 힘에 관한 연구와 최적화 이론을 이용하여 그 힘을 최소화하는 속력과 헤딩각도의 변화량 계산 방법을 소개하였다. 또한 모의실험을 통한 제안한 알고리즘의 성능 검증은 VI 장에 기술하였으며, VII 장에서 본 논문의 결론을 맺는다.
본 논문에서는 충돌회피 시 탑승자에게 미치는 힘을 최소화하는 주행 속력과 주행 각도를 찾기 위해 최적화 이론을 이용한다.
표 2와 같이 휠체어와 이동 장애물을 설정하면 그림 5의MVO에서 볼 수 있듯이 벡터변환 전의 휠체어의 속도 벡터가 충돌가능영역인 VO에 들어가 있기 때문에 충돌이 일어난다. 따라서 휠체어는 본 논문에서 제안한 알고리즘에 따라 충돌회피 시 탑승자에게 가해지는 힘을 최소로 하도록 휠체어의 속력과 헤딩각도 변화를 하고, 속도 벡터는 RAV로 들어가게 됨으로써 충돌회피를 수행한다.
본 논문에서는 휠체어의 단일 이동장애물 환경에서 탑승자의 안전을 우선적으로 고려하여 탑승자에게 가해지는 힘을 최소로 하는 충돌회피 알고리즘을 제시하였다. 제시된 충돌회피 알고리즘은 등속 직선 운동 중인 휠체어와 장애물의 크기, 위치, 속도, 헤딩방향이 주어졌을 경우 최적화 이론을 이용하여 단일 변수 함수로 정의한 탑승자에게 가해지는 힘을 최소로 하는 속력 변화량과 헤딩각도 변화량을 찾는다. 또한 모의실험을 통하여 휠체어의 속력 변화 및 헤딩각도 변화에 따른 탑승자에게 가해지는 힘의 분포 및 최소점을 확인하였으며, 그 때의 속력 변화량과 헤딩각도 변화량 또한 확인하였다.
제시된 충돌회피 알고리즘은 등속 직선 운동 중인 휠체어와 장애물의 크기, 위치, 속도, 헤딩방향이 주어졌을 경우 최적화 이론을 이용하여 단일 변수 함수로 정의한 탑승자에게 가해지는 힘을 최소로 하는 속력 변화량과 헤딩각도 변화량을 찾는다. 또한 모의실험을 통하여 휠체어의 속력 변화 및 헤딩각도 변화에 따른 탑승자에게 가해지는 힘의 분포 및 최소점을 확인하였으며, 그 때의 속력 변화량과 헤딩각도 변화량 또한 확인하였다.

대상 데이터

본 논문에서 다루고자 하는 휠체어는 논홀로노믹(non-holonomic) 시스템으로[10] 다음의 그림 1과 같이 2개의 구동 바퀴(driving wheel)와 2개의 보조바퀴(free wheel)를 가진 4바퀴 2자유도(4 wheeled 2 DOF)형태이다.

데이터처리

제안한 알고리즘의 성능 평가를 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 모의실험을 하였으며, 실험 조건은 다음의 표 2에 나타내었다. 휠체어와 이동 장애물의 크기는 원형으로 가정하였을 경우 지름의 길이를 의미하고, 휠체어의 가능 최대속도와 최대 회전각도는 실제 휠체어의 성능을 고려하여 각각 3.

이론/모형

본 논문에서 제안한 충돌회피 알고리즘은 최근 Megda [11] 에 의해 개발된 MVO (Modified Velocity Obstacle) 이론을 기반으로 한다. MVO를 설명하기 위해 먼저 VO에 관한 이해가 필요하다.
본 논문의 목표인 탑승자의 안전을 고려한 충돌회피를 달성하기 위해서는 탑승자가 받는 힘 f_ca(x)가 최소가 되어야 하며, 식 (5)로부터 황금분할 탐색법(golden section search method)과 포물선 보간법(parabolic interpolation) 기반의 최적화 기법 [12]을 이용하여 f_ca(x)가 최소가 될 때의 x 값을 찾는 것이 가능하다. 여기서, #를 단일 변수 함수 f_ca(x)가 최소값일 때의 x 로 정의한다.

성능/효과

두 힘의 분포를 비교해본 결과, A선을 따라 속도 벡터를 움직였을 경우의 힘의 최소값은 30.6920, B선을 따라 속도 벡터를 움직였을 경우의 힘의 최소값은 39.3129 였다. 따라서 그림 5에서 보여지듯이 속도 벡터는 더 적은 힘을 받는 A선 방향인 위쪽으로 변환되었고, 최종적인 속력 변화량과 헤딩 각도 변화량 각각 1.

후속연구

본 논문에서 제안한 알고리즘은 실제 휠체어에 적용될 경우 휠체어 탑승자는 최소한의 힘을 느끼면서 충돌회피를 할 수 있으며, 낙상사고를 줄이는 등 안전성을 높일 것으로 기대된다. 또한 휠체어뿐 아니라 여러 이동기기의 안전성을 높이는 충돌회피에 적용 가능할 것으로 예상된다
본 논문에서 제안한 알고리즘은 실제 휠체어에 적용될 경우 휠체어 탑승자는 최소한의 힘을 느끼면서 충돌회피를 할 수 있으며, 낙상사고를 줄이는 등 안전성을 높일 것으로 기대된다. 또한 휠체어뿐 아니라 여러 이동기기의 안전성을 높이는 충돌회피에 적용 가능할 것으로 예상된다

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	다양한 기능을 갖춘 진보된 지능형 휠체어의 개발이 필요한 것은 일반적인 전동 휠체어의 어떠한 한계를 벗어나기 위함인가?	그러나 일반적인 전동 휠체어는 탑승자의 세밀하고 정확한 수준의 제어를 필요로 하기 때문에 감각 능력이나 조작능력이 부족한 사람에게는 사용이 제한될 수 밖에 없고, 사용자의 안전성, 편리성 등 계속 높아지는 요구수준을 만족시킬 수가 없다. 이러한 한계를 벗어나기 위하여 다양한 기능을 갖춘 진보된 지능형 휠체어(intelligent wheelchair)의 개발은 필수 불가결하다.
	전동휠체어란 무엇인가?	세계적으로 인구 고령화가 진행되고 있는 가운데, 노인과 장애인들을 위한 다양한 제품들이 등장하고 있으며 그 대표적인 것으로 전동 휠체어를 들 수 있다. 전동휠체어는 스스로의 힘으로 이동하기 어려운 노인이나 장애인을 위해 개발된 이동 보조 시스템으로 그들의 생활의 질을 대폭 향상시킬수 있고, 재활에도 큰 도움을 줄 수 있다. 와병 생활을 해야만 했던 사람들 사이에서 높아지는 이동 수단에 대한 관심과, 선진국 정부의 의료보험 등의 보상 제도로 인해 전동 휠체어에 대한 수요는 갈수록 증가하고 있다.
	전동 휠체어에 대한 수요가 갈수록 증가하고 있는 이유는 무엇인가?	전동휠체어는 스스로의 힘으로 이동하기 어려운 노인이나 장애인을 위해 개발된 이동 보조 시스템으로 그들의 생활의 질을 대폭 향상시킬수 있고, 재활에도 큰 도움을 줄 수 있다. 와병 생활을 해야만 했던 사람들 사이에서 높아지는 이동 수단에 대한 관심과, 선진국 정부의 의료보험 등의 보상 제도로 인해 전동 휠체어에 대한 수요는 갈수록 증가하고 있다.

참고문헌 (12)

J. Boernstein and Y. Koren, "The vector field histogram-fast obstacle avoidance for mobile robots," IEEE Trans. on Robotics and Automation, vol. 7, no. 3, pp. 278-288, Jun. 1991.

상세보기
H. Seraji and B. Bon, "Real-time collision avoidance for position-controlled manipulators," IEEE Trans. on Robotics and Automation, vol. 15, no. 4, pp. 670-677, Aug. 1999.

상세보기
O. Khatib, "Real-time obstacle avoidance for manipulators and mobile robots," International Journal of Robotics Research, vol. 5, no. 1, pp. 90-99, Mar. 1986.

상세보기
P. Fiorini and Z. Shiller, "Motion planning in dynamic environments using the relative velocity paradigm," Proc. of IEEE International Conference on Automation and Robotics, vol. 1, pp. 560-566, May 1993.
P. Fiorini and Z. Shiller, "Motion planning in dynamic environments using velocity obstacles," International Journal of Robotics Research, vol. 17, no. 7, pp.760-772, Jul. 1998.

상세보기
A. Dong and W. Hong, "VPH: a new laser radar based obstacle avoidance method for intelligent mobile robots," Proc. of IEEE International Conference on Intelligent Control and Automation, vol. 5, pp. 4681-4685, 2004.
O. Brock and O. Khatib, "Elastic strips : a framework for motion generation in human environments," International Journal of Robotics Research, vol. 21, no. 12, pp. 1031-1052, Dec. 2002.

상세보기
S.-B. Hong, Y. J. Shin, and W. J. Chung, "Motion control of an outdoor patrol robot using a single laser range finder," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 16, no. 4, pp. 361-367, Apr. 2011.

원문보기 상세보기
J.-J. Park, H.-S. Kim, and J.-B. Song, "Collision-free path planning for a redundant manipulator based on PRM and potentional field methods," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 17, no. 4, pp. 362-367, Apr. 2010.
H. Choset, K. M. Lynch, S. Hutchinson, G. Kantor, W. Burgard, L. E. Kavrak, and S. Thrun, Principles of Robot Motion, The MIT Press. Cambridge, 2005.
P. Megda, B. Esteves, and M. Becker, "Determining forbidden steering directions for a passenger car in urban environments based on the velocity obstacle approach and use of trackers," Proc. of Robotics Symposium, 2011 IEEE IX Latin American and IEEE Colombian Conference on Automatic Control and Industry Applications (LARC), Bogota, Colombia, pp. 1-6, Oct. 2011.
G. E. Forsythe, M. A. Malcolm, and C. B. Moler, Computer Methods for Mathematical Computations, Prentice-Hall, New Jersey, 1977.

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