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RRT*를 활용하여 향상된 이종의 개미군집 기반 경로 계획 알고리즘
Improved Heterogeneous-Ants-Based Path Planner using RRT* 원문보기

로봇학회논문지 = The journal of Korea Robotics Society, v.14 no.4, 2019년, pp.285 - 292  

이준우 (Electrical Engineering, Kyungpook National University)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Path planning is an important problem to solve in robotics and there has been many related studies so far. In the previous research, we proposed the Heterogeneous-Ants-Based Path Planner (HAB-PP) for the global path planning of mobile robots. The conventional path planners using grid map had discret...

주제어

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문제 정의

  • 이러한 과정을 재귀적으로 반복하면서 최적 경로를 찾게 된다. RRT*에대해서도 많은 파생 알고리즘들이 존재하지만, 본 연구에서는 지난 연구에서 제안한 HAB-PP의 성능 개선에 RRT*를 활용하고자 한다.
  • 주안점은 HAB-PP가 가진 기존의 성능을 훼손하지 않는 것이다. 따라서 본 논문에서는 RRT*를 활용한 성능 향상 방법으로, [Fig. 4]과 같이,RRT*의 탐색 방법을 기반으로 한 개미의 종을 하나 새롭게 추가하는 것이 주된 아이디어이다. 이는 단순한 종의 추가로서 완료되는 것이 아니라, RRT* 기반의 개미들이 찾은 경로의 정보를 기존의 HAB-PP의 개미들이 활용하고, 반대로, HAB-PP가 찾은 경로의 정보를 RRT* 기반의 개미들도 활용할 수 있어야 한다.
  • 따라서 전역 경로 계획에서는 지역 경로 계획과는 달리, 경로 계산 시간보다는 경로의 질을 더 우선순위에 두고 탐색을 하는 경우가 흔하다. 반면, 지역 경로 계획은 이동 로봇에 탑재된 센서들(예를 들면,초음파, 적외선, 레이다, 라이다, 카메라 등)을 통해 실시간으로 획득한 정보를 바탕으로, 갑자기 나타난 장애물을 회피하는 경로를 빠른 시간 내에 찾아내는 것을 그 목표로 한다. 본 논문은 개미 군집 최적화(Ant Colony Optimization, ACO) 알고리즘에 기반한 전역 경로 계획 방법을 제안한다.
  • 반면, 지역 경로 계획은 이동 로봇에 탑재된 센서들(예를 들면,초음파, 적외선, 레이다, 라이다, 카메라 등)을 통해 실시간으로 획득한 정보를 바탕으로, 갑자기 나타난 장애물을 회피하는 경로를 빠른 시간 내에 찾아내는 것을 그 목표로 한다. 본 논문은 개미 군집 최적화(Ant Colony Optimization, ACO) 알고리즘에 기반한 전역 경로 계획 방법을 제안한다.
  • 본 논문은 앞선 연구에서 제안한 이종의 개미군집 기반 경로 계획(HAB-PP) 알고리즘의 개선점인 첫 경로 탐색 시간 단축, 국소 최소해 회피라는 성능 향상 목적을 달성하기 위해 RRT*를 활용하는 방안에 대해 연구하고, 그 결과 성능 향상된 HAB-PP를 제안하였다. 그 방법론에 있어서는 기존의 HAB-PP가 가진 우수한 성능을 훼손하지 않도록 하기 위해, RRT*의 탐색 방법에 기반에 경로 탐색을 실시하는 새로운 개미의 종을 하나 추가하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
경로 계획은 어떻게 구분되는가? 경로 계획은 크게 전역 경로 계획(Global Path Planning)[1-4]과 지역 경로 계획(Local Path Planning)[5-7]으로 구분한다. 전역 경로 계획의 주목적은 출발점에서 도착점까지 이동 로봇이 주행 가능한 최적의 경로를 찾는 것이다.
경로 계획이란? 이에 발맞춰 이동 로봇과 자율 주행 분야에서 가장 중요하고 활발하게 연구되어 왔고, 연구 중은 부문이 경로 계획(Path Planning)이다. 경로 계획은 특정한 공간에서 움직이는 이동 로봇이 출발점에서 도착점까지 안전하면서도 사용자의 여러 가지 요구 조건들을 충족시키는 최적 경로(Optimal Path)를 찾는 문제를 푸는 것이다.
Rapidly-exploring Random Tree (RRT)의 단점은? RRT는 국소 최적해에 빠지지 않으면서도 고차원환경에도 적용이 가능한 샘플링 기반 알고리즘으로 그 활용성이 높다. 하지만, 한번 생성된 트리를 수정하는 과정이 없기 때문에, 경로의 최단거리에 대한 보장이 되지 않는다. 이를 개선하여 제안한 알고리즘이 바로 RRT*[21]이다.
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참고문헌 (21)

  1. G.-H. Kim, H. Kim, B.-S. Kim, and S.-G. Lee, "Path Planning for an Intelligent Robot Using Flow Networks," Journal of Korea Robotics Society, vol. 6, no. 3, pp. 255-262, Sept., 2011. 

  2. J.-H. Suh and S.-H. Oh, "A Cost-Aware RRT Planning Algorithm," Journal of Korea Robotics Society, vol. 7, no. 2, pp. 150-159, Jun., 2012. 

  3. C.-B. Noh, M.-H. Kim, and M.-C. Lee, "Path Planning for the Shortest Driving Time Considering UGV Driving Characteristic and Driving Time and Its Driving Algorithm," Journal of Korea Robotics Society, vol. 8, no. 1, pp. 43-50, Mar., 2013. 

  4. Y. Park and H. Ryu, "Improved Path Planning Algorithm based on Informed RRT* using Gridmap Skeletonization," Journal of Korea Robotics Society, vol. 13, no. 2, pp. 142-149, Jun., 2018. 

  5. D.-J. Kang and D. G. Kim, "Optimal Path Planning of Mobile Robot for Multiple Moving Obstacles," Journal of Korea Robotics Society, vol. 2, no. 2, pp. 183-190, Jun., 2007. 

  6. S.-J. Kim, J.-W. Kang, and M.-J. Chung, "Efficient Coverage Path Planning and Path Following in Dynamic Environments," Journal of Korea Robotics Society, vol. 2, no. 4, pp. 304-309, Dec., 2007. 

  7. J.-Y. Moon, H.-W. Chae, and J.-B. Song, "Planning of Safe and Efficient Local Path based on Path Prediction Using a RGB-D Sensor," Journal of Korea Robotics Society, vol. 13, no. 2, pp. 121-128, Jun., 2018. 

  8. S. Bandi and D. Thalmann, "Space discretization for efficient human navigation," Computer Graphic Forums, vol. 17, no. 3, pp. 195-206, 1998. 

  9. P. Melchior, B. Orsoni, O. Lavialle, A. Poty, and A. Oustaloup, "Consideration of obstacle danger level in path planning using A* and Fast-Marching optimization: comparative study," Signal Processing, vol. 83, no. 11, pp. 2387-2396, Nov., 2003. 

  10. J. Yao, C. Lin, X. Xie, A. J. Wang, and C.-C. Hung, "Path planning for virtual human motion using improved A* algorithm," 2010 Seventh International Conference on Information Technology: New Generations, Las Vegas, USA, pp. 1154-1158, 2010. 

  11. J.-H. Seok, J.-W. Lee, J.-H. Wang, J.-J. Lee, and H. J. Lee, "A temporal path planner for solving information inconsistency in an integrated path planner," International Journal of Control, Automation and Systems, vol. 11, no. 6, pp. 1232-1240, 2013. 

  12. T. W. Manikas, K. Ashenayi, and R. L. Wainwright, "Genetic Algorithms for Autonomous Robot Navigation," IEEE Instrumentation and Measurement Magazine, vol. 10, no. 6, pp. 26-31, Dec., 2007. 

  13. J. Zhao, L. Zhu, G. Liu, and Z. Han, "A modified genetic algorithm for global path planning of searching robot in mine disasters," 2009 International Conference on Mechatronics and Automation, Changchun, China, pp. 4936-4940, 2000. 

  14. J. Berger, K. Jabeur, A. Boukhtouta, A. Guitouni, and A. Ghanmi, "A hybrid genetic algorithm for rescue path planning in uncertain adversarial environment," IEEE Congress on Evolutionary Computation, Barcelona, Spain, pp. 1-8, 2010. 

  15. S. C. Yun, V. Ganapathy, and L. O. Chong, "Improved Genetic Algorithms based Optimum Path Planning for Mobile Robot," 2010 11th International Conference on Control Automation Robotics & Vision, Singapore, pp. 1565-1570, 2010. 

  16. D. Zhao and J. Yi, "Robot planning with artificial potential field guided ant colony optimization algorithm," International Conference on Natural Computation, Xian, China, pp. 222-231, 2006. 

  17. M. A. P. Garcia, O. Montiel, O. Castillo, R. Sepulveda, and P. Melin, "Path planning for autonomous mobile robot navigation with ant colony optimization and fuzzy cost function evaluation," Applied Soft Computing, vol. 9, no. 3, pp. 1102-1110, Jun., 2009. 

  18. K. Ioannidis, G. Ch. Sirakoulis, and I. Andreadis, “Cellularants: A method to create collision free trajectories for acooperative robot team,” Robotics and Autonomous Systems,vol. 59, no. 2, pp. 113-127, Feb., 2011. 

  19. J. Lee, “Heterogeneous-ants-based Path Planner for Global PathPlanning of Mobile Robot Applications,” International Journalof Control, Automation and Systems, vol. 15, no. 4, pp. 1754-1769,Aug., 2017. 

  20. S. M. LaValle and J. J. Kuffner, “Randomized KinodynamicPlanning,” International Journal of Robotics Research, vol. 20,no. 5, pp. 378-400, 2001. 

  21. S. Karaman and E. Frazzoli, “Sampling-based algorithms foroptimal motion planning,” International Journal of RoboticsResearch, vol. 30, no. 7, pp. 846-894, 2011. 

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