초록 ▼

3. 개발결과 요약
□ 최종목표
• 최종 목표: 2,000m² 이상의 일상적인 생활환경에 적용 가능한 휠구동형 서비스 로봇을 위한 멀티모달 센서 기반의 위치 정밀도 30cm급 자율주행 통합모듈 기술 개발
• 주요 목표 사양
· 통합 모듈 크기: 체적 – 1,200cm³,길이의 합 - 39.0cm 이하
· 자율 주행 미션 성공률: 목표도달 10cm 이내 도달 95%
· 위치추정 평균 오차: ± 15cm 이하 (평균 RMSE)
· 위치 추정 및 로컬지도 업데이트 처리 주기:

3. 개발결과 요약
□ 최종목표
• 최종 목표: 2,000m² 이상의 일상적인 생활환경에 적용 가능한 휠구동형 서비스 로봇을 위한 멀티모달 센서 기반의 위치 정밀도 30cm급 자율주행 통합모듈 기술 개발
• 주요 목표 사양
· 통합 모듈 크기: 체적 – 1,200cm³,길이의 합 - 39.0cm 이하
· 자율 주행 미션 성공률: 목표도달 10cm 이내 도달 95%
· 위치추정 평균 오차: ± 15cm 이하 (평균 RMSE)
· 위치 추정 및 로컬지도 업데이트 처리 주기: 15 Hz 이상
· 센서의 부착 위치: 지면으로부터 15, 50, 100, 150cm에 부착

□ 개발내용 및 결과
• 정량적 성능의 결과
• 자율주행 염가형 하드웨어 모듈 제작: 멀티 모달 센서와 센서 데이터를 처리하는 컴퓨팅 보드를 포함하는 염가형 자율주행 통합 센서를 설계 및 시제품 개발
• 멀티 모달 센서 모듈의 소형화 및 최적화: 개발된 멀티모달 센서의 개선 및 소형화 실시하고, 부품들의 최적화 및 패키징을 통하여 상용화가가능한 형태의 시제품을 개발함
• 정확한 모양의 메트릭 공간을 만드는 것 에 집중하는 것이 아닌, 사람같은 위치추정을 위해 Topological Map을 핵심 기술로 사용
· 전방 영상을 통한 장소단위의 위치추론이 가능한 영상기반 장소인식(Scene-based Place Recognition(SPR))을 이용, Topological Map 상에서 빠른 전역적인 위치 탐색이 가능
· 장소인식을 통해 추론된 로봇의 위치에서 관찰된 로컬 메트릭 지도(Local Metric Map(LMM))와 현재 관찰되는 로컬 메트릭 지도를 이용하여 로봇의 정밀한 자세를 추정
· 위의 두 기술을 핵심적으로 이용하여, 전역에서 빠른 탐색이 가능하면서도, 정밀한 자세를 추론할 수 있는 자율주행모듈 개발함
· 로봇의 위치, 자세 추종을 위한 전역적인 메트릭맵을 이용하지 않기 때문에, 저가형의 Laser sensor로 센서 모듈 개발
· 실시간 영상 처리를 저가 보드에서 연산하기 위한 알고리즘 최적화
• 센서 모듈 이외의 외부 프로세서가 필요 하지 않은, Stand Alone의 염가형 자율주행 시스템 개발
· 센서 모듈 자체에 내장된 저전력 프로세서만으로 맵 제작, 초기 위치 추론 목적지 지정 등 자율주행에 필요한 모든 기능 수행가능
· 센서 모듈 자체에 GUI를 탑재하여 모듈을 직접 조작 가능하며 직관적인 인터페이스로 자율주행작업 지시 가능.
· 자율주행도중 로봇행동제어 파라미터(로봇최대속도, 장애물 회피 단계조절 등)를 GUI로 조작 가능
· 염가형 보드를 이용한 자율주행모듈 최적화를 위해, 센서 모듈간 통신방법 자체 개발
• 상용화가 가능한 정도의 약 1m/s의 로봇 이동 속도로 주행이 가능하며, 장애물을 감지해서 회피가 가능함. 또한, 로봇 주행간 예외 상황에 대처하는 기술 개발
· 지루함을 느끼지 않는 로봇속도인 Body Length per Second를 달성하기 위한 소프트웨어 시스템 개발을 통해, 본 과제의 지정플랫폼 최대속도인 1.0m/s로 주행 가능.
· 장애물을 빠르게 감지하고 실시간으로 회피기동이 가능한 경로계획 알고리즘 개발
· 사용자 개입을 최소화하기 위한 경로이탈 자동 감지&복구기술과, 납치상황을 감지하고 스스로 탐색하여 위치추정을 수행하여 목표에 도달할 수 있는 기술 개발

□ 기술개발 배경
• 위치추정 및 자율주행 기술은 휠구동형 서비스로봇의 핵심기술이며, 다양한 적용분야의 로봇에게 필요한 핵심기술이지만, 손쉽게 활용이 가능한 자율주행 솔루션을확보하는데 어려움이 많음
• 기술적 문제: 사람의 주행능력은 정확한 3차원 메트릭 공간정보(3D metric map)를 사용하지 않음에도, 대부분의 자율주행로봇들은 정확한3차원 환경 표현과 이에 기반한 주행기술 연구에 목표를 두고 있음. 이러한 3D-SLAM 기술은 때때로 실수로 인해 운용자의 관리가 많이필요함.
• 영상기반의 비전 SLAM: 조도의 변화(태양광, 조명의 영향이 많은 공간)와 카메라의 이동 속도, 환경의 텍스처 복잡도에 따라 주행성능이 현격하게 떨어짐(PerceptIn – 현재는 단종됨)
• 천장기반의 비전 SLAM: 정해진 높이와 제한된 환경에서 Visual Odometry를 기반으로 천장의 특징을 이용한 메트릭 지도(metric map)를 이용함. 이 경우 로봇이 예외상황 (키드냅, 미끄러짐) 에서 대처하기 힘들고, 높이 변화에 민감해짐. 천장을 지향해야만 하기 때문에 다양한 로봇에 적용하기 힘들고, 응용 서비스분야가제한적임(청소기 로봇)
• 고가의 자율주행 센서: 레이저 기반의 지도 제작 및 주행 기술은 지도의 정밀도를 높이기 위해서 센서 자체 가격이 비싸짐 (저가: 20만
- 80만원, 중가 : 150 - 300만원, 고가: 1,000 - 10,000만원)
• 멀티모달 센서를 기반으로 기술적 문제를 해결하고, 저가의 센서와 연산장치를 활용하여 염가의 자율 주행 모듈을 개발이 필요함.
• 염가의 모듈형태 자율주행 솔루션 개발이 완료되면 서비스 로봇의 폭발적 성장이 기대됨. 따라서, 실제 환경에서 운용이 가능한 멀티모달 센서 시스템 기반의 염가형 자율주행통합모듈을 개발하고자 함.

□ 핵심개발 기술의 의의
• 자율주행 염가형 하드웨어 모듈 개발 완료
· 멀티 모달 센서와 센서 데이터를 처리하는 컴퓨팅 보드를 포함하는 염가형 자율주행 통합 센서를 설계, 시제품 제작함. 기존에 사용하는 방식인 PC에서 저전력 싱글보드형태의 염가형 보드를 이용하여 1/3 규모로 비용절감 및 크기를 축소하여 소형화함
• 멀티모달 융합센서 국산화를 위한 시제품 개발
· 멀티모달 센서를 국산화 및 소형화를 위하여 자체적으로 센서모듈(카메라, 레이저 스캐너, IMU를 포함)을 설계하고 시제품을 개발
• 자체 개발한 정면 이미지를 이용하는 장소인식 기술을 염가형 보드에 적용
· 장소인식기술은 영상의 직선정보를 이용하여 위치추정 정확도를 높이고 (실내 구조물에는 직선이 많이 검출, 보행자에서는 직선이 검출되지 않음, 따라서 보행자에 의한 센서 가려짐에 강인함)있으며, 3차원 정보를 이용하지 않지만 목표지점의 반경 1m 이내에 99%이상의 성공률로 위치를 추론함. 이 기술을 다양한 기업에서 기술적 요구가 발생하고 있으며, 다양한 로봇에 테스트 및 상용화 중에 있음.
· 실시간으로 로봇의 위치를 추정하기 위한 알고리즘 최적화 및 병렬화 실시. 4배 이상의 연산시간 단축을 통해 염가형 보드에서실시간 성능을 확보함. 이는 장소인식이 필요한 국내외 다양한 어플리케이션에 임베디드 칩으로서 해당 기술을 제공 할 수 있는 가능성이 있음.
• 멀티모달 센서 퓨전 위치추정 기술: 영상기반의 장소인식 기술과 저가형 레이저 스캔을 이용하여 보다 정교한 로봇위치 추정 기술 확보
· 장면 기반의 장소인식 기술을 이용하여 대략적인(1m이내) 로봇의 위치를 식별하고, 영상(장면)과 동시에 저장된 레이저 스캔된 지역적 메트릭 지도(Local metric map)와 현재 관측된 레이저 스캔의 스캔 매칭을 통해 수 cm 이내의 오차를 가지는 위치 추정 기술을 개발함. 영상기반 자율주행과 레이저기반 자율주행의 장점을 통합하여 보다 정교한 자율 주행이 가능해 짐.
• 인공 랜드마크, 환경 인프라를 사용하지 않는 Stand Alone형 멀티모달센서 자율주행 모듈 개발교육
· 개발된 자율주행 센서모듈은 인공 랜드마크(QR code 등)나 환경 Infra(마그네틱 라인, WiFi 신호 등)를 이용하지 않음. 예외상황에 처하면, 경로이탈을 스스로 감지하고 자율 탐색(Exploration)을 통한 위치 재인식 기술이 적용되어 있어 엔지니어의 개입을 최소화 할 수 있음.
· 개발된 자율주행모듈은 Stand Alone 형태로 개발되어 있어, 운용시 별도의 외부 프로세서가 필요 하지 않음. 이는 개발된 자율주행모듈 자체의 GUI 만으로도 다양한 어플리케이션 수행을 위한 맵 제작, 목적지 지정, 옵션 설정 등이 가능한 하나의 완성된 시스템임을 의미함. 자율주행플랫폼의 컴퓨팅 능력 또는 외부 컴퓨터 등이 전혀 요구되지 않기 때문에 적용 가능 어플리케이션 경쟁력이 있음.

□ 적용 분야
• 서비스로봇 분야:
· 전시장, 박물관, 공항 안내서비스 등의 자율주행로봇
· 텔레프레전스 로봇
· 스마트 토이, 교육용 로봇
· 상업공간에서 배달 로봇
· 홈서비스 로봇
• 산업시설 이송 로봇분야:
· 대형시설, 물류창고 등에 이송로봇
· 발전시설 등에 감시경계 안전로봇

(출처 : 초록-3. 개발결과 요약 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 최종보고서 초록 ... 3
• 기술개발사업 주요 연구 성과 ... 14
• 목차 ... 17
• 제1장 서론 ... 18
• 제1절 과제의 개요 ... 18
• 제2장 기술개발 내용 및 방법 ... 19
• 제1절 최종 목표 및 평가 방법 ... 19
• 제2절 단계 목표 및 평가 방법 ... 23
• 제3절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 28
• 제4절 수행결과의 보안등급 ... 34
• 제5절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리 현황 ... 34
• 제3장 결과 ... 35
• 제1절 연구개발 최종 결과 ... 35
• 1. 연구개발 추진 일정 ... 35
• 2. 연구개발 추진 실적 ... 37
• 3. 기술개발 결과의 유형 및 무형 성과 ... 43
• 제2절 연구개발 추진 체계 ... 44
• 1. 1단계 연구개발 추진 역할 및 추진내역 ... 44
• 2. 2단계 연구개발 추진 실적 및 결과내역 ... 76
• 제3절 R&D 도전과 배움 ... 93
• 1. R&D 전주기별 경험 ... 93
• 2. 연구개발 중 발생한 파생성과 ... 94
• 제4절 고용창출 효과 ... 95
• 제5절 자체보안관리진단표 ... 96
• 제6절 안전관리 이행 현황 ... 98
• 1. 연구실 안전조치 ... 98
• 2. 과제관련 안전관리 (안전관리형 과제에 한함) ... 99
• 제4장 사업화 계획 ... 100
• 제1절 시장 현황 및 전망 ... 100
• 제2절 사업화 계획 ... 100
• 1. 사업화 소요기간 ... 100
• 2. 예상 매출 규모 ... 101
• 3. 시장 점유율 ... 101
• 4. 마케팅 계획 ... 101
• 제3절 향후 추가 기술 개발 계획(개발기술 응용 등) ... 102
• 끝페이지 ... 104