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문제 정의
- 본 논문에서는 오도메트리 보정성능 향상을 위한 주행 시험경로 설계기법에 대해 다루고자 한다. 주행시험경로는 여러 가지 오도메트리 오차 원인의 영향을 주행시험 후 나타나는 최종 위치 및 방향각 오차에 투영할 수 있어야 하며, 보정기법의 특성을 고려하여 설계되어야 한다.
- 본 논문에서는 오도메트리 보정실험을 위한 주행시험경로 설계기법을 제안하였다. 로봇 오도메트리의 시스템적 오차는 주행시험 후 최종 포즈 오차에 반영되어 나타나기 때문에 최종 포즈 오차에 영향을 미치는 주행시험경로의 형상과 크기는 오도메트리 보정 정밀도에 중대한 영향을 미친다.
- 본 논문의 목표는 로봇의 시스템적 오차를 충분히 반영할 수 있는 주행시험경로 설계기법을 제안하는 것이다. 오도메트리 보정기법으로는 선행연구에서 제안한 Jung[19] 의 기법을 사용한다.
제안 방법
- 4) 시스템적 오차와 비시스템적 오차를 반영하여 주행시뮬레이션을 수행한다.
- 주행시험경로 설계간 고려사항을 반영하여 본 논문에서는 주행시험경로의 형상으로서 정다각형 형태를 제안하였다. 또한, 주행시험경로의 최소크기를 결정하기 위하여 주행시뮬레이션을 통해 전체 방향각 오차 대비 시스템적 오차에 의한 방향각 오차의 상대적 크기와 보정 후 위치 오차를 비교하였다. 제안하는 주행시험설계기법은 시뮬레이션과 실험을 통해 증명되었다.
- 을 보였다. 또한, 최종 방향각 오차를 이용하는 새로운 오도메트리 보정기법[19]을 제안하였다. 새로운 보정기법은 최종 위치 오차가 아닌 최종 방향각 오차를 보정과정에 이용함으로써 근사식 사용에 의한 오차를 제거하여 보정성능을 향상시켰다.
- 로봇을 2m×2m 경로, 4m×4m 경로, 6m×6m 경로를 따라 각각 오픈-루프 제어로 주행시킨 후 기구학적 파라미터를 산출하였다. 로봇은 각 주행 경로를 시계 및 반시계방향으로 주행하였으며, 비시스템적 오차의 영향을 고려하여 주행방향별로 5회씩 하고, 평균값을 오차 보정에 사용하였다. Table 1은 각 주행시험경로에서 획득한 기구학적 파라미터를 나타낸다.
- 로봇을 2m×2m 경로, 4m×4m 경로, 6m×6m 경로를 따라 각각 오픈-루프 제어로 주행시킨 후 기구학적 파라미터를 산출하였다.
- 11은 Table 1의 기구학적 파라미터를 이용하여 오도메트리를 보정한 후의 위치 오차를 나타낸다. 보정 후의 로봇은 한 변의 길이가 5m인 정삼각형 경로를 시계방향으로 주행하였다. 2m×2m 경로에서 오도메트리를 보정한 경우에는 위치 오차가 평균 2.
- 2에 나타낸 것과 같은 정다각형 형태가 될 수 있다. 본 논문에서는 정사각형 형태가 사용되었다.
- 또한, 최종 방향각 오차를 이용하는 새로운 오도메트리 보정기법[19]을 제안하였다. 새로운 보정기법은 최종 위치 오차가 아닌 최종 방향각 오차를 보정과정에 이용함으로써 근사식 사용에 의한 오차를 제거하여 보정성능을 향상시켰다. 또한, 자이로 센서만으로도 오차 보정이 가능하여 시험환경에 별도의 절대 위치센서를 설치할 필요가 없으며, 실외에서도 보정실험이 가능하였다.
- 시스템적 오차 조건은 4m ×4m 정사각형 경로를 오픈-루프 제어로 주행시킨 후 최종 포즈 오차를 측정하여 기구학적 파라미터를 확인하였다.
- 오도메트리 보정 시뮬레이션은 정사각형 경로의 한 변의 길이를 0.5m부터 10m까지 변화시키며 각각의 주행시험경로에서 기구학적 파라미터를 산출한 후, 산출한 기구학적 파라미터를 반영하여 동일한 경로(4m× 4m 정사각형 경로)에서 보정 후 위치 오차를 비교하는 방식으로 진행되었다.
- 오도메트리 보정 시뮬레이션을 통해 확인한 주행시험경로의 조건이 실제로 유용한지 확인하기 위하여 세 가지 다른 주행시험경로를 이용하여 각각 오도메트리 보정을 수행하였다. 로봇을 2m×2m 경로, 4m×4m 경로, 6m×6m 경로를 따라 각각 오픈-루프 제어로 주행시킨 후 기구학적 파라미터를 산출하였다.
- Chong[16]은 로봇의 주행 경로를 원호로 나누고 오차 공분산 행렬을 표현하는 방법을 제안하였다. 오차 공분산 행렬을 계산하기 데 필요한 운동 불확실성에 대한 파라미터, 즉 비시스템적 오차 파라미터를 10m 직선 경로를 왕복 주행한 결과로부터 계산하는 실험방법 또한 함께 제안하였다.
- 제안하는 주행시험경로 설계기법을 이용하여 주행시험 경로의 설계조건을 획득하는 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 로봇은 상용 이륜차동구동형로봇(TETRA-DS II)[20] 를 참고하였으며, 주요 제원은 휠 직경 0.
- 주행시험경로 설계 시뮬레이션의 초기조건을 획득하기 위하여 예비실험을 수행하였다. 시스템적 오차 조건은 4m ×4m 정사각형 경로를 오픈-루프 제어로 주행시킨 후 최종 포즈 오차를 측정하여 기구학적 파라미터를 확인하였다.
- 주행시험경로는 로봇의 크기, 보정기법, 시스템적 오차 및 비시스템적 오차를 고려하여 신중하게 결정되어야 한다. 주행시험경로 설계간 고려사항을 반영하여 본 논문에서는 주행시험경로의 형상으로서 정다각형 형태를 제안하였다. 또한, 주행시험경로의 최소크기를 결정하기 위하여 주행시뮬레이션을 통해 전체 방향각 오차 대비 시스템적 오차에 의한 방향각 오차의 상대적 크기와 보정 후 위치 오차를 비교하였다.
대상 데이터
- 로봇은 상용 이륜차동구동형로봇인 TETRA-DS II[20] 를 사용하였다. 또한, 로봇의 위치 및 방향각을 측정하기 위해 상용절대위치인 식센서인 STARGAZER[21] 를 로봇에 설치하였다. 주행환경은 비교적 평탄한 실내환경이었다.
- 7은 실험 장비와 환경을 나타낸다. 로봇은 상용 이륜차동구동형로봇인 TETRA-DS II[20] 를 사용하였다. 또한, 로봇의 위치 및 방향각을 측정하기 위해 상용절대위치인 식센서인 STARGAZER[21] 를 로봇에 설치하였다.
- 제안하는 주행시험경로 설계기법을 이용하여 주행시험 경로의 설계조건을 획득하는 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 로봇은 상용 이륜차동구동형로봇(TETRA-DS II)[20] 를 참고하였으며, 주요 제원은 휠 직경 0.15m, 휠 간격 0.385m, 휠 너비 0.03m이다. 시뮬레이션에서 로봇의 위치와 방향각은 기구학적 모델링 오차를 고려한 로봇 기구학을 통해 계산되었다.
데이터처리
- Fig. 10-11에 나타낸 주행시험경로 별 위치 오차의 차이가 통계적으로 의미가 있는지 확인하기 위하여 독립 표본 t-검정[22]을 수행하였다.
이론/모형
- 시스템적 오차 조건은 4m ×4m 정사각형 경로를 오픈-루프 제어로 주행시킨 후 최종 포즈 오차를 측정하여 기구학적 파라미터를 확인하였다. 비시스템적 오차 조건은 Chong[16] 의 기법을 이용하여 확인하였다. 예비실험을 통해 확인한 오차 조건은 시스템적 오차 Eb= 1.
- 은 로봇과 노면간의 상호작용에 대한 확률적 파라미터 즉, 비시스템적 오차 파라미터를 의미한다. 비시스템적 오차 파라미터는 Chong[16]의 기법 등을 이용하여 실험적으로 확인할 수 있다. Chong[16]의 기법에서는 10m 직선경로를 왕복 주행하고 최종 포즈 오차를 측정하고 최종 포즈 오차의 분포를 모델링하였다.
- 03m이다. 시뮬레이션에서 로봇의 위치와 방향각은 기구학적 모델링 오차를 고려한 로봇 기구학을 통해 계산되었다.
- 오도메트리 보정기법으로는 선행연구에서 제안한 Jung[19] 의 기법을 사용한다.
- 휠의 기구학적 모델링 오차는 파라미터 값을 설정하여 시뮬레이션에 반영하였으며, 기구학적 오차 파라미터는 Eb와 Ed로 Borenstein[4] 의 연구에서 정의한 것과 같다.
성능/효과
- 따라서 제안하는 주행시 험경로 설계기법을 이용하여 얻은 4m×4m 경로, 즉 최소 주행거리 16m는 주행시험경로로서 적합함을 확인하였다.
- 69×10-6 m이었으며, 오도메트리 보정 시뮬레이션은 800회 반복하였다. 시뮬레이션 결과, 보정 후의 위치 오차는 주행시험경로의 크기에 영향을 받는 것으로 확인되었다. Fig 5에서 0.
- Fig 4에서는 주행거리가 증가함에 따라 전체 방향각 오차 대비 시스템적 오차에 의한 방향각 오차의 상대적 크기 또한 증가함을 확인할 수 있다. 시뮬레이션 조건에서는 한 변의 길이가 4m일 때 전체 방향각 오차 대비 시스템적 오차에 의한 방향각 오차의 상대적인 크기가 약 91%이었다.
- 시스템적 오차 조건은 Eb = 1.028, Ed = 0.999, 비시스템적 오차 조건은 kr= kl= 1.69×10-6 m이었으며, 오도메트리 보정 시뮬레이션은 800회 반복하였다.
- 예비실험에서 확인한 시스템적 오차 및 비시스템적 오차를 반영하였을때, 4m×4m 경로에서 전체 방향각 오차 대비 시스템적 오차에 의한 방향각 오차의 상대적인 크기가 약 91.5%이었다.
- Antonelli[10]는 최소자승법을 이용한 오도메트리 보정기법을 제안하였다. 오도메트리는 4개의 파라미터를 이용하여 모델링 되었으며, 미지의 파라미터와 센서 측정값 간의 선형관계를 보임으로써 최소자승법이 오도메트리 보정이 유효하게 사용될 수 있음을 보였다. 이후 Antonelli[11]는 추가적인 연구를 통해 오도메트리 모델을 3개의 파라미터로 모델링하고 보정하는 기법을 제안하였다.
- 또한, 주행시험경로의 최소크기를 결정하기 위하여 주행시뮬레이션을 통해 전체 방향각 오차 대비 시스템적 오차에 의한 방향각 오차의 상대적 크기와 보정 후 위치 오차를 비교하였다. 제안하는 주행시험설계기법은 시뮬레이션과 실험을 통해 증명되었다.
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