실내외 환경에서 안정적인 자율 주행을 위한 스마트 휠체어 시스템 및 주행 기술 개발 Development of Smart Wheelchair System and Navigation Technology For Stable Driving Performance In Indoor-Outdoor Environments원문보기
본 논문에서는 사회적 약자(노약자, 장애인 등)들의 사회 경제적 삶의 질 향상을 위한 기술개발(Quality of Life Technology, QoLT)의 일환으로, 다양한 실내외 환경에 대해서 안정적이고 안전한 주행이 가능한 스마트 휠체어 시스템을 개발하고, 이를 효과적으로 운영하기 위한 주행 프레임워크를 제안한다. 특히, 휠체어 탑승자(장애인, 노약자)의 인지/조작능력 부족에 따른 자동/수동 주행 시 편의성과 안전성을 보장하기 위해, 먼저 환경에 최적화된 센서들을 기반으로 사용자 중심의 스마트 휠체어 시스템을 개발하고, 다양한 주행 환경의 변화에 실시간 대응은 물론, 탑승시 안정성을 보장하기 위한 계층적 구조의 주행 프레임워크를 제안, 적용함으로써 보다 효과적인 운영이 가능하도록 하였다. 제안된 방법들에 대한 다양한 실험들을 통해 개발된 스마트 휠체어 시스템과 주행 시스템에 대한 안전성은 물론 효율성을 증명, 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 사회적 약자(노약자, 장애인 등)들의 사회 경제적 삶의 질 향상을 위한 기술개발(Quality of Life Technology, QoLT)의 일환으로, 다양한 실내외 환경에 대해서 안정적이고 안전한 주행이 가능한 스마트 휠체어 시스템을 개발하고, 이를 효과적으로 운영하기 위한 주행 프레임워크를 제안한다. 특히, 휠체어 탑승자(장애인, 노약자)의 인지/조작능력 부족에 따른 자동/수동 주행 시 편의성과 안전성을 보장하기 위해, 먼저 환경에 최적화된 센서들을 기반으로 사용자 중심의 스마트 휠체어 시스템을 개발하고, 다양한 주행 환경의 변화에 실시간 대응은 물론, 탑승시 안정성을 보장하기 위한 계층적 구조의 주행 프레임워크를 제안, 적용함으로써 보다 효과적인 운영이 가능하도록 하였다. 제안된 방법들에 대한 다양한 실험들을 통해 개발된 스마트 휠체어 시스템과 주행 시스템에 대한 안전성은 물론 효율성을 증명, 확인할 수 있었다.
In the present study, as part of the technology development (Quality of Life Technology, QoLT) to improve the socio-economic status of people with disabilities as an extension of these studies, we propose the development of the smart wheelchair system and navigation technology for stable and safe dr...
In the present study, as part of the technology development (Quality of Life Technology, QoLT) to improve the socio-economic status of people with disabilities as an extension of these studies, we propose the development of the smart wheelchair system and navigation technology for stable and safe driving in various environments. For the disabled and the elderly make driving easy and convenient with manual/autonomous driving condition, we firstly develop the user-oriented smart wheelchair system with optimized sensors for environment recognition, and then we propose a navigation framework of a hierarchical structure to ensure real-time response, as well as driving stability when traveling to various environmental changes, and to enable a more efficient operation. From the result of several independent experiments, we ensure efficiency and safety of smart wheelchair and its navigation system.
In the present study, as part of the technology development (Quality of Life Technology, QoLT) to improve the socio-economic status of people with disabilities as an extension of these studies, we propose the development of the smart wheelchair system and navigation technology for stable and safe driving in various environments. For the disabled and the elderly make driving easy and convenient with manual/autonomous driving condition, we firstly develop the user-oriented smart wheelchair system with optimized sensors for environment recognition, and then we propose a navigation framework of a hierarchical structure to ensure real-time response, as well as driving stability when traveling to various environmental changes, and to enable a more efficient operation. From the result of several independent experiments, we ensure efficiency and safety of smart wheelchair and its navigation system.
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문제 정의
본 논문에서는 이런 상황들을 고려하여, 기존 연구들과는 다르게 각 환경에 최적화된 중/저가 센서들의 효과적인 융합과 효율적인 활용 방안들을 제안하고, 이를 통한 탑승자의 안정적인 주행을 보장할 수 있는 최적화된 스마트 휠체어 시스템을 개발하고자 한다. 여기에 최신 IT기술들의 활용을 통해 보다 향상된 사용자 편의를 도모하면서, 본연의 목적인 실내외 환경에서 안전한 이송 능력과 사용자 중심의 편안한 주행 성능을 보장하기 위한 개선된 주행 기술들을 제안하였다.
본 논문에서는 휠체어 시스템의 효율적인 운영과 안정적인 주행 성능 관리를 위해, 그림 3과 같이 주행에 관련 기술들을 모듈화하여 관리/운영하는 스마트 휠체어용 주행 프레임워크를 제안한다. 제안된 주행 프레임워크를 바탕으로 사용자가 원하는 목적지를 선택하면, H/W모듈(센서, 플랫폼)로부터 얻어진 데이터들을 바탕으로, 주행 환경 조건에 최적화된 경로 생성 방법과 장애물 감지/회피 기술을 통해 편안하고 안전한 주행 경로를 생성하고, 주행 중 위치 인식 모듈을 통한 현재 위치 인식과 그에 따른 위치 보정 과정의 수행으로 보다 안전하게 목적지로의 이송 및 다양한 상황별 대응이 가능하도록 하였다.
본 단락에서는 앞서 개발된 스마트 휠체어 시스템의 효과적인 운영과 다양한 환경에서 안정적인 주행 성능을 보장하기 위한 연구로써, 스마트 휠체어용 주행 프레임워크 (Smart wheelchair Navigation Framework, SNavF)와 계층적 주행 기술에 대한 설명을 한다.
본 연구는 탑승자의 편의성과 안정성을 고려하는 동시에, 주행 환경에 최적화된 센서들이 장착된 스마트휠체어 시스템을 개발하고, 효과적인 주행을 위해 융합형 경로 생성/장애물 회피/위치보정 방법 등을 이용한 계층적 주행 기술 프레임워크를 제안하였다. 특히 목적지까지의 안정된 탑승자 이송 능력과 더불어, 주행 시 탑승자의 편안함과 안전성을 중요시하는 효과적인 경로생성 및 주행 능력을 바탕으로 휠체어용 주행 시스템으로써의 성능을 증명하였다.
본 논문에서는 이런 상황들을 고려하여, 기존 연구들과는 다르게 각 환경에 최적화된 중/저가 센서들의 효과적인 융합과 효율적인 활용 방안들을 제안하고, 이를 통한 탑승자의 안정적인 주행을 보장할 수 있는 최적화된 스마트 휠체어 시스템을 개발하고자 한다. 여기에 최신 IT기술들의 활용을 통해 보다 향상된 사용자 편의를 도모하면서, 본연의 목적인 실내외 환경에서 안전한 이송 능력과 사용자 중심의 편안한 주행 성능을 보장하기 위한 개선된 주행 기술들을 제안하였다. 그리고 이런 주행 기술들을 통합/운영 관리하는 주행 프레임워크(Framework)를 제안함으로써, 자율주행 휠체어 시스템의 운영 효율성과 주행의 안정성을 동시에 보장할 수 있도록 하였다.
앞서 경로 계획 및 장애물 검출/회피 과정이 성공적으로 진행이 되더라도, 주행 중 바닥면과의 마찰, 로봇의 회전/Odometry 불확실성 등에 의해 발생되는 로봇의 위치 및 방향 오차 문제가 원하는 목적지까지의 안전한 도착 여부에 중요한 영향을 미치게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 논문에서는 Extended Kalman filter(EKF)기반의 전역 위치 인식 기술[10]을 활용한 방법을 기반으로, 필요시 Stargazer를 통해 경로상에 부착된 랜드마크 정보로부터 로봇의 방향 보정하는 방법을 선택적으로 융합하여 사용함으로써, 보다 안정적인 위치/방향 개선이 가능하도록 하였다. 먼저 EKF 기반의 전역 인식 기술의 경우, 실내 환경이 직선(Line) 형태로 쉽게 모델링이 가능한 환경적 특성을 이용하여 추측 항법(Dead Reckoning)을 통한 odometry 정보로부터 로봇의 현재 위치를 예측하고, 여기에 현 위치에서 레이저 스캐너로부터 획득된 환경 정보로부터 보정되어야 하는 로봇의 위치/방향 보정값을 획득하게 된다.
이러한 분위기에 힘입어, 본 연구에서는 사회적 약자인 “장애인과 노약자들”의 삶의 질 향상을 위해 사회적 이슈로 부각되었던 “이동권 보장”에 대한 선행 연구의 일환으로, 이송 수단으로써의 지능형 전동 휠체어의 개발과 더불어 사용자 중심의 안전하고 편안한 주행 성능을 보장할 수 있는 새로운 주행 기술들의 개발을 통해서 보다 효과적인 스마트 휠체어 시스템을 개발하고자 한다.
실외 환경의 경우, 넓은 주행 공간적 특성 이외에도 일반적으로 다양한 장애물들이 빈번히 존재함에 따라 안정적인 지도 작성이 어렵다. 이에 본 논문에서는 DGPS 센서와 IT융합(위성지도-google/naver map)을 통해 별도의 지도 작성 없이도 효과적이고 안전한 실외 주행이 가능한 새로운 방법을 제안한다. 이를 위해 현재 위치에 대한 실시간 모니터링과 원하는 목적지 선택이 가능한 자체 개발된 GPS/위성지도 연동 S/W를 활용한다.
제안 방법
먼저 실내 주행 기술인 개선된 거리변환 기반 전역 경로 실험의 경우, 그림 8a, 8b와 같이 다양한 시뮬레이션 환경과 실제 환경 지도에 대해 안정적으로 최적화된 경로 생성 능력(연산시간 : 평균 180ms, 경로 특성 : 선형 & 최적화된 최단 경로 생성)을 보장하였다. 그리고 실외 주행 기술인 A* pruning방법과 S-RRT 조합에 대해서는 타 논문의 방법들과 실제적 비교가 어려운 상황을 고려하여, 앞서 과정과 같이 주어진 가상지도들에 대한 성능평가와 더불어 기존방법들과 상호 비교를 통해 적합성과 우수성 여부를 평가하였다. 그 결과, 제안된 방법들이 수행 속도면에서나 생성 경로 거리에 있어 보다 개선된 성능을 확인할 수 있었다(그림 8c, 8d, 표 1.
반면 상위 제어기에서는 하위제어기로부터의 전달된 정보와 각 센서/장치들로부터 획득된 정보들을 바탕으로 주행 프레임워크 기반의 휠체어 운영을 담당하도록 하였다. 또한, 여기에 IT기반의 정보 활용 능력(실내 주행-CAD지도, 실외 주행-Google/Naver 위성지도)과 LCD 터치 패널을 활용한 사용자의 인터페이스 기능(주행 목적지 선정, 휠체어의 현재 위치 및 시스템 상태에 대한 실시간 모니터링)을 통해, 사용자의 편의성을 향상시킨 스마트휠체어 시스템 환경 구축이 가능하도록 하였다. 이렇게 개발된 스마트 휠체어 시스템은 다양한 목적/운영 방식에 따른 시스템 확장 및 관리적인 측면의 편의성과 효율성을 바탕으로, 실내외 환경에서 안정적이고 편안한 주행 기능의 수행을 위한 중요한 시스템적 역할을 담당하고 있다.
마지막으로 앞선 시뮬레이션 실험과는 달리, 실제 휠체어 플랫폼에 통합된 상태에서 별도의 통제 없는 실내 환경들(Postech LG동, KIRO 복도)에서의 다양한 조건의 실험들(주행 거리, 장애물 회피, 탑승자 유무 등)을 수행함으로써 안정된 주행에 대한 통합적인 성능 평가를 수행하였다. 이를 위해 먼저 비교적 중/단거리 주행의 경우, 동적 장애물이 존재 확률이 낮다는 가정 하에서 목적지 도착 성공 여부에 따른 주행 성능의 평가를 하였으며, 장거리 주행의 경우는 장애물 존재에 따른 안정적인 장애물 회피 동작과 위치 보정 능력까지를 포함한 최종 목적지 도착 성공률을 평가하였다.
이를 위해 본 논문에서는 전동휠체어의 원초적 기능인 병약한 탑승자의 단순한 이동/이송용 수단으로서의 역할 이외에도 보다 편안하고 안전한 주행 성능을 보장하기 위한 시스템적 안정성을 최우선적으로 고려하여 구성하도록 하였다. 먼저 그림 1a과 같이, 상용 전동 휠체어 시스템을 개조하여 사용자의 수동 조작뿐만 아니라, 여러 종류의 센서들을 장착하여 실내외 공간에서 안전한 자율 주행이 가능한 스마트 휠체어 시스템을 개발하였다. 특히 휠체어의 주 사용 대상이 노약자나 장애인임을 감안하여, 경제적 측면이나 주행 환경의 특수성(실내-복도/로비, 실외-도로/인도)에 맞춰 가급적 불필요한 다수/고가의 센서를 배제하고, 환경에 최적화된 센서 선택 과정을 통해 보다 경량화된 스마트 휠체어 시스템의 구축이 가능하도록 하였다(그림 1b).
제안된 방법들에 대한 성능 평가를 위해, PC환경에서 실제 휠체어 플랫폼 및 사용 센서들과 유사하게 모델링 된 주행 시뮬레이터를 개발하고 이를 활용하여 실험들을 수행하였다. 먼저, 실내외 융합형 주행 기술의 경우, 시뮬레이터 상에서 평가용 지도들을 바탕으로 최적 경로의 생성 유무 및 장애물 회피 여부, 경로 생성 시 소요 시간들에 대한 정량적 평가를 수행하고, 이를 토대로 기존 방법과 비교를 통해 그 우수성 유무를 평가하도록 하였다.
실내 주행의 경우, 그림 9a와 같이 주행 상태에서 검출된 장애물에 대한 안정적인 회피 과정 수행과 더불어, 장애물 회피 이후 발생한 odometry오차를 line 특징 기반 EKF 위치 인식 방법을 통해 효과적으로 위치 보정을 수행하는 결과를 확인할 수 있었다. 반면 실외주행 기술의 경우, 공간적 특성상 DGPS 신호기반의 위치 인식 방식을 감안하여, 앞서 위성지도로부터 A*를 통해 추출된 전역 경로상의 지역 경로점들을 S-RRT를 통해 추종해가는 과정에서 발생하게 되는 장애물 회피 및 경로 추종에 대한 실험을 수행하였다. 자체 성능 평가 이외에 효과적인 평가를 위해 기존의 대표적 장애물 회피 기법인 벡터장 히스토그램(Vector Field Histogram, VFH)[12]과의 비교 실험을 통해 그 성능을 평가하였다.
이렇게 얻어진 경로 정보로부터 일정 간격상의 경로점들을 추출하고, 실시간 3D PMD센서로부터 생성된 지역 지도를 바탕으로 지역 주행 경로 생성 과정을 거치게 된다. 여기서 주행 시 사용자의 편안함과 안전을 보장하기 위해, 빠른 경로 생성 능력과 부드러운 모션 경로 생성이 가능한 Smoothed Rapidly-exploring random trees(S-RRT)방법을 개발, 적용하였다. 여기서 제안된 S-RRT방법의 경우, Single query기반 RRT[11]를 개선한 방법으로, 노드 등록 및 근접 이웃 탐색 과정에서 KD-tree 활용하여 연산시간을 최소화하고, 여기에 경로 수렴율과 최단 경로 생성을 위한 다양한 방법들(주행반경/목적지 방향성을 고려한 노드 각도 조건, 평균 필터기반 노드 등록/확장, 목적지 주변에서 단순화 등)을 제안/적용한 방법으로, 개선된 경로 최적화 특성(sub-optimal)을 바탕으로 최단 경로와 실시간 유선형 경로 생성이 동시에 가능한 특성을 가진다.
여기에 보다 강인하고 효과적인 경로 계획을 위해 “장애물 분포 및 회전 비율, 경로 길이, 연속된 경로 간 방향 일치성”의 요소로 구성된 비용함수와 다수의 샘플 경로들에 대한 토너먼트 기반 최적 경로 선택 과정, 그리고 B-spline기반 경로 보정을 추가적으로 적용함으로써, 앞서 제안된 RRT방법보다 한층 더 최적화된 유선형 주행 경로 생성을 개발하였다.
등)이 개발되어 왔고, 그 우수성들이 증명되었지만, 대부분의 기술들이 주행 환경의 다양성에 대한 일반화된 성능을 보장하기는 여러 가지 어려움이 존재하는 상황이다. 이러한 부분을 감안하여 본 논문에서는 기존 단일 주행 기술의 한계성을 극복하기 위한 방법으로, 이종 혹은 동종의 주행 기술을 활용한 융합형 주행 기술(Hybrid Navigation)을 제안하고, 그림 4와 같이 각 환경/센서에 맞춰 최적화된 주행 기술을 선택적으로 운영하는 계층적 주행 관리 구조를 제안한다.
일반적으로 사무실/복도/홀 영역들로 구분이 가능한 실내 환경은 근거리 2D 레이저 스캐너만으로도 충분히 인식 가능한 특성을 가진다. 이런 내용을 바탕으로 본 논문에서는 단일 레이저 스캐너만을 이용하여 실시간 전방 환경 모델링을 통해 전역 경로 생성과 위치 인식 과정을 수행한다. 특히 전역 경로 생성의 경우, 초기에는 실내 주행 환경 지도의 제공 유무 및 환경적 특성에 따라 개선된 거리변환(Distance Transform, DT)기반 최단 경로 계획법[8]과 Line Portal기반 경로 계획법[9]중에서 하나를 선택하여 적용하였으나, 대부분 환경 조건에 선형적 경로와 최적화된 최단거리 생성이 가능한 개선된 거리변환 기반의 경로 계획법을 개발하여 주로 사용하였다.
마지막으로 앞선 시뮬레이션 실험과는 달리, 실제 휠체어 플랫폼에 통합된 상태에서 별도의 통제 없는 실내 환경들(Postech LG동, KIRO 복도)에서의 다양한 조건의 실험들(주행 거리, 장애물 회피, 탑승자 유무 등)을 수행함으로써 안정된 주행에 대한 통합적인 성능 평가를 수행하였다. 이를 위해 먼저 비교적 중/단거리 주행의 경우, 동적 장애물이 존재 확률이 낮다는 가정 하에서 목적지 도착 성공 여부에 따른 주행 성능의 평가를 하였으며, 장거리 주행의 경우는 장애물 존재에 따른 안정적인 장애물 회피 동작과 위치 보정 능력까지를 포함한 최종 목적지 도착 성공률을 평가하였다. 그 결과, 그림 11과 표 2와 같은 다양한 조건들에서 안정된 주행 성능을 증명하였고, 목적지 도착 성공률에서도 탑승자/장애물 존재 유무에 상관없이 위치 인식 모듈 (EKF기반 Localization)을 통해서 여러 목적지에 대해 우수한 도착 성능을 확인할 수 있었다.
일반적으로 전동 휠체어의 경우, 기존 로봇들(실내외 이동로봇, 지능형 자동차)과는 달리 탑승자의 특성(인지/대응 능력의 부족, 신체적 제약에 따른 조작 능력 미숙 등)을 감안한 사용자 중심의 시스템 설계가 필수적으로 이루어져야한다. 이를 위해 본 논문에서는 전동휠체어의 원초적 기능인 병약한 탑승자의 단순한 이동/이송용 수단으로서의 역할 이외에도 보다 편안하고 안전한 주행 성능을 보장하기 위한 시스템적 안정성을 최우선적으로 고려하여 구성하도록 하였다. 먼저 그림 1a과 같이, 상용 전동 휠체어 시스템을 개조하여 사용자의 수동 조작뿐만 아니라, 여러 종류의 센서들을 장착하여 실내외 공간에서 안전한 자율 주행이 가능한 스마트 휠체어 시스템을 개발하였다.
제안된 방법들에 대한 성능 평가를 위해, PC환경에서 실제 휠체어 플랫폼 및 사용 센서들과 유사하게 모델링 된 주행 시뮬레이터를 개발하고 이를 활용하여 실험들을 수행하였다. 먼저, 실내외 융합형 주행 기술의 경우, 시뮬레이터 상에서 평가용 지도들을 바탕으로 최적 경로의 생성 유무 및 장애물 회피 여부, 경로 생성 시 소요 시간들에 대한 정량적 평가를 수행하고, 이를 토대로 기존 방법과 비교를 통해 그 우수성 유무를 평가하도록 하였다.
제안된 방법들에 대한 효과적인 성능 평가를 위해, 먼저 시뮬레이션 환경기반의 1차적 성능 평가와 실제 휠체어 플랫폼을 통한 다양한 실내 환경에서의 실험들을 병행하는 단계별 성능 평가를 수행하도록 하였다.
본 논문에서는 휠체어 시스템의 효율적인 운영과 안정적인 주행 성능 관리를 위해, 그림 3과 같이 주행에 관련 기술들을 모듈화하여 관리/운영하는 스마트 휠체어용 주행 프레임워크를 제안한다. 제안된 주행 프레임워크를 바탕으로 사용자가 원하는 목적지를 선택하면, H/W모듈(센서, 플랫폼)로부터 얻어진 데이터들을 바탕으로, 주행 환경 조건에 최적화된 경로 생성 방법과 장애물 감지/회피 기술을 통해 편안하고 안전한 주행 경로를 생성하고, 주행 중 위치 인식 모듈을 통한 현재 위치 인식과 그에 따른 위치 보정 과정의 수행으로 보다 안전하게 목적지로의 이송 및 다양한 상황별 대응이 가능하도록 하였다. 특히 이러한 모듈화된 주행 기술들로 구성된 주행 프레임워크 구조를 개발, 활용함으로써, 다양한 목적/사용 센서에 적합한 주행 기술들의 선택/추가하는 과정이 유연해지는 동시에, 하드웨어 플랫폼에 영향을 최소화함으로써 다용도/다목적 주행 모듈로써 활용성을 극대화 할 수 있도록 하였다.
주어진 전역 경로를 바탕으로 경로 추종 시 발생하는 정/동적 장애물에 대한 회피와 위치 보정에 관련된 실험을 수행하였다. 실내 주행의 경우, 그림 9a와 같이 주행 상태에서 검출된 장애물에 대한 안정적인 회피 과정 수행과 더불어, 장애물 회피 이후 발생한 odometry오차를 line 특징 기반 EKF 위치 인식 방법을 통해 효과적으로 위치 보정을 수행하는 결과를 확인할 수 있었다.
주어진 환경들에 대한 최적의 전역 경로 생성 여부를 효과적으로 판단하기 위해, 다양한 평가용 지도들(25m×25m 크기)을 제작하거나, 실제 지도를 활용하여 평가를 진행하였다.
먼저 EKF 기반의 전역 인식 기술의 경우, 실내 환경이 직선(Line) 형태로 쉽게 모델링이 가능한 환경적 특성을 이용하여 추측 항법(Dead Reckoning)을 통한 odometry 정보로부터 로봇의 현재 위치를 예측하고, 여기에 현 위치에서 레이저 스캐너로부터 획득된 환경 정보로부터 보정되어야 하는 로봇의 위치/방향 보정값을 획득하게 된다. 특히 실내 환경의 구조적 특성을 고려한 추출된 직선들의 특징 정보를 바탕으로, 지도상에 등록된 직선과의 매칭과정(직선간의 각도, 거리, 중첩 비율 고려)을 통해 위치 인식 보정을 위한 유효한 직선들을 추출하고, 이를 통해 현재 로봇 위치에서의 정확한 위치 예측과 보정과정이 가능하도록 하였다.
먼저 그림 1a과 같이, 상용 전동 휠체어 시스템을 개조하여 사용자의 수동 조작뿐만 아니라, 여러 종류의 센서들을 장착하여 실내외 공간에서 안전한 자율 주행이 가능한 스마트 휠체어 시스템을 개발하였다. 특히 휠체어의 주 사용 대상이 노약자나 장애인임을 감안하여, 경제적 측면이나 주행 환경의 특수성(실내-복도/로비, 실외-도로/인도)에 맞춰 가급적 불필요한 다수/고가의 센서를 배제하고, 환경에 최적화된 센서 선택 과정을 통해 보다 경량화된 스마트 휠체어 시스템의 구축이 가능하도록 하였다(그림 1b).
데이터처리
반면 실외주행 기술의 경우, 공간적 특성상 DGPS 신호기반의 위치 인식 방식을 감안하여, 앞서 위성지도로부터 A*를 통해 추출된 전역 경로상의 지역 경로점들을 S-RRT를 통해 추종해가는 과정에서 발생하게 되는 장애물 회피 및 경로 추종에 대한 실험을 수행하였다. 자체 성능 평가 이외에 효과적인 평가를 위해 기존의 대표적 장애물 회피 기법인 벡터장 히스토그램(Vector Field Histogram, VFH)[12]과의 비교 실험을 통해 그 성능을 평가하였다. 그 결과, 그림 10과 같이 연산시간(28%감소), 경로 수렴율(100%) 그리고 경로 길이(4.
이론/모형
이에 본 논문에서는 DGPS 센서와 IT융합(위성지도-google/naver map)을 통해 별도의 지도 작성 없이도 효과적이고 안전한 실외 주행이 가능한 새로운 방법을 제안한다. 이를 위해 현재 위치에 대한 실시간 모니터링과 원하는 목적지 선택이 가능한 자체 개발된 GPS/위성지도 연동 S/W를 활용한다. 먼저, 그림 6과 같이 희망 주행 영역이 포함된 위성 지도를 획득하고, 여기에 전처리 및 영역 분할 과정을 거쳐 지도 내 유효 주행 영역들(도로 영역)이 추출되면, 경로 단순화과정(path pruning)이 추가된 개선된 A*기법을 적용함으로써 목적지까지의 최단 경로를 생성하게 된다.
성능/효과
자체 성능 평가 이외에 효과적인 평가를 위해 기존의 대표적 장애물 회피 기법인 벡터장 히스토그램(Vector Field Histogram, VFH)[12]과의 비교 실험을 통해 그 성능을 평가하였다. 그 결과, 그림 10과 같이 연산시간(28%감소), 경로 수렴율(100%) 그리고 경로 길이(4.6% 감소) 등 모든 부분에서 기존 VFH보다 우수한 성능을 보이며, 이를 통해 동적 장애물에 대해서도 안정적인 장애물 회피 성능과 더불어 보다 안정적이고 부드러운 주행 경로 생성이 가능한 지역 경로 계획법임을 확인할 수 있었다.
이를 위해 먼저 비교적 중/단거리 주행의 경우, 동적 장애물이 존재 확률이 낮다는 가정 하에서 목적지 도착 성공 여부에 따른 주행 성능의 평가를 하였으며, 장거리 주행의 경우는 장애물 존재에 따른 안정적인 장애물 회피 동작과 위치 보정 능력까지를 포함한 최종 목적지 도착 성공률을 평가하였다. 그 결과, 그림 11과 표 2와 같은 다양한 조건들에서 안정된 주행 성능을 증명하였고, 목적지 도착 성공률에서도 탑승자/장애물 존재 유무에 상관없이 위치 인식 모듈 (EKF기반 Localization)을 통해서 여러 목적지에 대해 우수한 도착 성능을 확인할 수 있었다. 그리고 최종목적지의 위치 오차 범위도 전반적으로 안정적인 범위(±10cm이내)내에 존재함을 통해 위치 인식 성능의 안정성도 함께 검증 할 수 있었다.
그리고 실외 주행 기술인 A* pruning방법과 S-RRT 조합에 대해서는 타 논문의 방법들과 실제적 비교가 어려운 상황을 고려하여, 앞서 과정과 같이 주어진 가상지도들에 대한 성능평가와 더불어 기존방법들과 상호 비교를 통해 적합성과 우수성 여부를 평가하였다. 그 결과, 제안된 방법들이 수행 속도면에서나 생성 경로 거리에 있어 보다 개선된 성능을 확인할 수 있었다(그림 8c, 8d, 표 1.). 특히 실외환경 주행 시 요구되는 빠른 대응 능력과 효과적인 경로 생성 능력의 측면에서 일반적으로 검증된 A*와 제안된 S-RRT를 비교하면, A*대비 5%이내의 경로 차이로 최적 경로 생성 능력을 가지며, A*대비 10배 속도를 가지는 동시에 기존 RRT대비 84%의 연산시간 단축과 25.
여기에 최신 IT기술들의 활용을 통해 보다 향상된 사용자 편의를 도모하면서, 본연의 목적인 실내외 환경에서 안전한 이송 능력과 사용자 중심의 편안한 주행 성능을 보장하기 위한 개선된 주행 기술들을 제안하였다. 그리고 이런 주행 기술들을 통합/운영 관리하는 주행 프레임워크(Framework)를 제안함으로써, 자율주행 휠체어 시스템의 운영 효율성과 주행의 안정성을 동시에 보장할 수 있도록 하였다.
그리고 최종목적지의 위치 오차 범위도 전반적으로 안정적인 범위(±10cm이내)내에 존재함을 통해 위치 인식 성능의 안정성도 함께 검증 할 수 있었다.
주어진 전역 경로를 바탕으로 경로 추종 시 발생하는 정/동적 장애물에 대한 회피와 위치 보정에 관련된 실험을 수행하였다. 실내 주행의 경우, 그림 9a와 같이 주행 상태에서 검출된 장애물에 대한 안정적인 회피 과정 수행과 더불어, 장애물 회피 이후 발생한 odometry오차를 line 특징 기반 EKF 위치 인식 방법을 통해 효과적으로 위치 보정을 수행하는 결과를 확인할 수 있었다. 반면 실외주행 기술의 경우, 공간적 특성상 DGPS 신호기반의 위치 인식 방식을 감안하여, 앞서 위성지도로부터 A*를 통해 추출된 전역 경로상의 지역 경로점들을 S-RRT를 통해 추종해가는 과정에서 발생하게 되는 장애물 회피 및 경로 추종에 대한 실험을 수행하였다.
여기서 주행 시 사용자의 편안함과 안전을 보장하기 위해, 빠른 경로 생성 능력과 부드러운 모션 경로 생성이 가능한 Smoothed Rapidly-exploring random trees(S-RRT)방법을 개발, 적용하였다. 여기서 제안된 S-RRT방법의 경우, Single query기반 RRT[11]를 개선한 방법으로, 노드 등록 및 근접 이웃 탐색 과정에서 KD-tree 활용하여 연산시간을 최소화하고, 여기에 경로 수렴율과 최단 경로 생성을 위한 다양한 방법들(주행반경/목적지 방향성을 고려한 노드 각도 조건, 평균 필터기반 노드 등록/확장, 목적지 주변에서 단순화 등)을 제안/적용한 방법으로, 개선된 경로 최적화 특성(sub-optimal)을 바탕으로 최단 경로와 실시간 유선형 경로 생성이 동시에 가능한 특성을 가진다. 여기에 보다 강인하고 효과적인 경로 계획을 위해 “장애물 분포 및 회전 비율, 경로 길이, 연속된 경로 간 방향 일치성”의 요소로 구성된 비용함수와 다수의 샘플 경로들에 대한 토너먼트 기반 최적 경로 선택 과정, 그리고 B-spline기반 경로 보정을 추가적으로 적용함으로써, 앞서 제안된 RRT방법보다 한층 더 최적화된 유선형 주행 경로 생성을 개발하였다.
그리고 최종목적지의 위치 오차 범위도 전반적으로 안정적인 범위(±10cm이내)내에 존재함을 통해 위치 인식 성능의 안정성도 함께 검증 할 수 있었다. 이러한 실험 결과들을 바탕으로 제안된 시스템과 방법들이 탑승자의 주행에 필요한 목적지까지의 안정된 이송 능력 능력과 더불어, 최적화된 경로와 편안한 주행 경로 생성을 바탕으로 위치 안정성까지 보장해줌으로써, 스마트 휠체어 시스템과 그에 필요한 주행 프레임워크로서의 우수성을 확인할 수 있었다.
59%의 경로 단축 성능을 보인다. 이런 결과를 바탕으로 제안된 RRT방법이 효과적인 최적 경로 생성 방법임을 충분히 증명할 수 있었다.
본 연구는 탑승자의 편의성과 안정성을 고려하는 동시에, 주행 환경에 최적화된 센서들이 장착된 스마트휠체어 시스템을 개발하고, 효과적인 주행을 위해 융합형 경로 생성/장애물 회피/위치보정 방법 등을 이용한 계층적 주행 기술 프레임워크를 제안하였다. 특히 목적지까지의 안정된 탑승자 이송 능력과 더불어, 주행 시 탑승자의 편안함과 안전성을 중요시하는 효과적인 경로생성 및 주행 능력을 바탕으로 휠체어용 주행 시스템으로써의 성능을 증명하였다. 제안된 방법들은 시뮬레이션기반 성능 평가와 실제 제작된 휠체어 플랫폼을 통해서 그 우수성을 검증/확인할 수 있었으며, 앞으로 보다 다양한 실내외 환경에 대한 성능 개선과 더불어 최적/경량화된 스마트 휠체어 시스템을 구축할 예정이다.
). 특히 실외환경 주행 시 요구되는 빠른 대응 능력과 효과적인 경로 생성 능력의 측면에서 일반적으로 검증된 A*와 제안된 S-RRT를 비교하면, A*대비 5%이내의 경로 차이로 최적 경로 생성 능력을 가지며, A*대비 10배 속도를 가지는 동시에 기존 RRT대비 84%의 연산시간 단축과 25.59%의 경로 단축 성능을 보인다. 이런 결과를 바탕으로 제안된 RRT방법이 효과적인 최적 경로 생성 방법임을 충분히 증명할 수 있었다.
제안된 주행 프레임워크를 바탕으로 사용자가 원하는 목적지를 선택하면, H/W모듈(센서, 플랫폼)로부터 얻어진 데이터들을 바탕으로, 주행 환경 조건에 최적화된 경로 생성 방법과 장애물 감지/회피 기술을 통해 편안하고 안전한 주행 경로를 생성하고, 주행 중 위치 인식 모듈을 통한 현재 위치 인식과 그에 따른 위치 보정 과정의 수행으로 보다 안전하게 목적지로의 이송 및 다양한 상황별 대응이 가능하도록 하였다. 특히 이러한 모듈화된 주행 기술들로 구성된 주행 프레임워크 구조를 개발, 활용함으로써, 다양한 목적/사용 센서에 적합한 주행 기술들의 선택/추가하는 과정이 유연해지는 동시에, 하드웨어 플랫폼에 영향을 최소화함으로써 다용도/다목적 주행 모듈로써 활용성을 극대화 할 수 있도록 하였다.
개발된 휠체어 플랫폼에 대한 내부 구조를 살펴보면, 기존 상용 전동 휠체어를 기반으로 플랫폼의 모션/전원/사용자 조작 모드 등과 관련된 기능을 담당하기 위한 32bit DSP기반의 하위제어기와 더불어 휠체어 시스템 동작의 총괄적 관리와 주행 알고리즘의 동작, 센서/모션 데이터를 처리하는 SBC기반의 상위 제어기로 구성된다. 특히 플랫폼의 운영에 필수적인 전원 관리(전원 분배 및 상태, 충전 여부 등)와 사용자 의도에 따른 주행 모드 선택(급정지, 수동/자동 주행)에 관련된 기본적인 기능들을 하위제어기에서 1차적으로 관리함으로써, 데이터의 분산 및 역할 분담을 통해 보다 빠른 대응과 전체 시스템상의 안정성을 확보하도록 하였다. 반면 상위 제어기에서는 하위제어기로부터의 전달된 정보와 각 센서/장치들로부터 획득된 정보들을 바탕으로 주행 프레임워크 기반의 휠체어 운영을 담당하도록 하였다.
후속연구
특히 목적지까지의 안정된 탑승자 이송 능력과 더불어, 주행 시 탑승자의 편안함과 안전성을 중요시하는 효과적인 경로생성 및 주행 능력을 바탕으로 휠체어용 주행 시스템으로써의 성능을 증명하였다. 제안된 방법들은 시뮬레이션기반 성능 평가와 실제 제작된 휠체어 플랫폼을 통해서 그 우수성을 검증/확인할 수 있었으며, 앞으로 보다 다양한 실내외 환경에 대한 성능 개선과 더불어 최적/경량화된 스마트 휠체어 시스템을 구축할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
주행 기술들에는 무엇들이 있는가?
오랫동안 다양한 주행 기술들(Distance Transform,A*, RRT, PRM[7] 등)이 개발되어 왔고, 그 우수성들이 증명되었지만, 대부분의 기술들이 주행 환경의 다양성에 대한 일반화된 성능을 보장하기는 여러 가지 어려움이 존재하는 상황이다. 이러한 부분을 감안하여 본 논문에서는 기존 단일 주행 기술의 한계성을 극복하기 위한 방법으로, 이종 혹은 동종의 주행 기술을 활용한 융합형 주행 기술(Hybrid Navigation)을 제안하고, 그림 4와 같이 각 환경/센서에 맞춰 최적화된 주행 기술을 선택적으로 운영하는 계층적 주행 관리 구조를 제안한다.
본 논문의 스마트 휠체어 플랫폼 내부 구조는 무엇으로 구성되어 있는가?
개발된 휠체어 플랫폼에 대한 내부 구조를 살펴보면, 기존 상용 전동 휠체어를 기반으로 플랫폼의 모션/전원/사용자 조작 모드 등과 관련된 기능을 담당하기 위한 32bit DSP기반의 하위제어기와 더불어 휠체어 시스템 동작의 총괄적 관리와 주행 알고리즘의 동작, 센서/모션 데이터를 처리하는 SBC기반의 상위 제어기로 구성된다. 특히 플랫폼의 운영에 필수적인 전원 관리(전원 분배 및 상태, 충전 여부 등)와 사용자 의도에 따른 주행 모드 선택(급정지, 수동/자동 주행)에 관련된 기본적인 기능들을 하위제어기에서 1차적으로 관리함으로써, 데이터의 분산 및 역할 분담을 통해 보다 빠른 대응과 전체 시스템상의 안정성을 확보하도록 하였다.
로봇형 휠체어 Marcus는 어디서 누가 개발되었는가?
스마트 휠체어에 관련된 다양한 국내외 연구 사례들[1∼6]중에서, 일본 Tsukuba 대학의 Masashi Yokozuka. et. al[1]이 개발한 로봇형 휠체어 “Marcus" 는 3개의 레이저 스캐너를 이용하여 Fast SLAM기반의 3D 지도 작성 이외에도, 안정된 주행 성능을 보장하기 위해 전역 경로 생성 및 장애물 회피 (A*, Dynamic Window Approach[2])와 같은 기능들을 수행할 수 있는 휠체어기반 주행 시스템을 제안하고 있다. 이뿐만 아니라, Lehigh 대학의 C.
참고문헌 (12)
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