KR101784500B1 - Distance determination method for normally distributed obstacle avoidance of mobile robots in stochastic environments - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 이동로봇의 장애물 회피를 위한 거리 결정 방법에 있어서, 상기 이동로봇의 위치 및 공분산, 상기 장애물의 위치 및 공분산을 산출하는 (a)단계; 상기 이동로봇과 상기 장애물의 상대적인 충돌확률 분포를 공분산의 변수로 표현하고, 상기 충돌확률 분포의 좌표계를 고유벡터로 변환하여 충돌확률 분포 밀도를 산출하는 (b)단계; 상기 충돌확률 분포 밀도와 상기 이동로봇의 위치 간 마할라노비스(Mahalanobis distance)의 거리 및 상기 충돌확률 분포 밀도의 역치 조건을 이용하여 상기 이동로봇의 위치가 상기 장애물의 영역 외에 존재하는지 판단하는 (c)단계; 및 상기 (c)단계에서 상기 이동로봇의 위치가 상기 장애물의 영역 외에 존재하는 것으로 판단되는 경우, 라그랑주 승수를 이용하여 상기 이동로봇과 상기 장애물 사이의 거리를 산출하는 (d)단계를 포함하여, 위치의 불확실성을 고려하여 이동 경로를 산출한다.According to the present invention, there is provided a distance determining method for avoiding obstacles of a mobile robot, the method comprising: (a) calculating a position and a covariance of the mobile robot, a position and a covariance of the obstacle; (B) calculating a collision probability distribution density by expressing a relative collision probability distribution of the mobile robot and the obstacle as variables of a covariance and converting a coordinate system of the collision probability distribution to an eigenvector; Determining whether a position of the mobile robot exists outside the area of the obstacle using the collision probability distribution density, the distance between the position of the mobile robot and the distance of the Mahalanobis distance, )step; And (d) calculating a distance between the mobile robot and the obstacle using the Lagrangian multiplier if it is determined that the position of the mobile robot is outside the area of the obstacle in step (c) The movement path is calculated in consideration of the uncertainty of the position.
Description
본 발명은 이동로봇의 장애물 회피를 위한 거리 결정 방법에 관한 것으로서, 특히 장애물 위치의 불확실성을 고려하여 확률론적 환경에서 이동로봇의 장애물 회피를 가능하게 하는 거리 결정 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a distance determination method for avoiding obstacles of a mobile robot, and more particularly, to a distance determination method capable of avoiding obstacles of a mobile robot in a stochastic environment in consideration of an uncertainty of an obstacle position.
이동 로봇은 목표 지점까지 장애물과의 충돌 없이 이동이 가능해야 한다. 이를 위해서 이동 로봇의 장애물 회피를 위한 많은 접근법들이 제안되어 왔다. 로봇은 장애물의 위치와 로봇의 위치가 정확하게 결정된다면 충돌없이 이동 경로를 설정할 수 있다. 하지만, 로봇은 측정시의 노이즈가 존재하는 환경 하에서 제어되는 것이 일반적이다. 이에 따라, 로봇은 장애물의 위치를 확률론적인 센서 모델에 의존하여 평가하여야 한다.The mobile robot should be able to move to the target point without collision with the obstacle. Many approaches to avoid obstacles have been proposed for mobile robots. If the position of the obstacle and the position of the robot are accurately determined, the robot can set the movement path without collision. However, it is general that the robot is controlled under an environment where there is noise during measurement. Accordingly, the robot must evaluate the position of the obstacle depending on the stochastic sensor model.
충돌 확률의 분포는 위치에 대한 공분산과 연관될 수 있다. 그러나, 충돌 확률 분포는 경계가 없기 때문에 로봇은 장애물로부터 의도한 거리를 유지할 수 없게 된다. 그러므로, 로봇은 충돌 확률 분포의 경계 조건(boundary)을 결정하는 능력을 소유해야 하고, 이 경우 거리 계산은 경계로부터의 거리로 계산될 수 있을 것이다. 종래의 거리결정 접근법을 살펴보면 다음과 같다. The distribution of collision probabilities may be associated with a covariance to the location. However, since the collision probability distribution has no bounds, the robot can not maintain the intended distance from the obstacle. Therefore, the robot must possess the ability to determine the boundary conditions of the collision probability distribution, in which case the distance calculation may be calculated as the distance from the boundary. A conventional distance determination approach is as follows.
가장 간단한 접근법으로, 위치에 대한 공분산을 계산하지 않고 거리를 산출하는 방법이 있다. 만약, 높은 정확도의 측정 장비, 센서 등의 사용이 가능하다면 이동 로봇의 장애물 회피에 있어서 공분산의 고려 없이 거리를 계산하는 본 방법이 가장 빠르고 손쉬운 해결책이 될 수 있다. 그러나, 공분산은 주변 환경에 영향을 고려하는 변수로서, 장애물의 이동이나 예측은 공분산을 증가시킨다. 이러한 환경적 요인을 생각하면, 위치의 불확실성을 고려할 수 있는 다른 접근법을 고려함이 바람직하다.In the simplest approach, there is a way to calculate the distance without computing the covariance for the location. If it is possible to use high accuracy measurement equipment and sensors, it is the fastest and easiest solution to calculate distances without consideration of covariance in obstacle avoidance of mobile robot. However, the covariance is a parameter that considers the influence on the surrounding environment, and the movement or prediction of the obstacle increases the covariance. Given these environmental factors, it is desirable to consider other approaches that can take into account uncertainties in location.
다른 접근법으로, 점유 격자(occupancy grid)를 사용하여 충돌 확률 분포를 계산하는 방법이 있다. 장애물들은 점유 격자 내에 표현되고, 장애물과의 거리는 가장 근접한 점유 격자 유닛까지의 거리로 표현된다. 점유 격자는 전술한 첫 번째 방법과는 달리 위치의 불확실성을 고려한 접근법이다. 그러나, 점유 격자를 이용한 이동 로봇의 경로 계산은 많은 연산량 때문에 다수의 시간을 요하는 단점이 있다. In another approach, there is a method of calculating the collision probability distribution using an occupancy grid. Obstacles are represented within the occupancy grid, and the distance from the obstacle is expressed as the distance to the nearest occupied lattice unit. Unlike the first method described above, the occupancy grid is an approach considering the uncertainty of the position. However, the path calculation of the mobile robot using the occupancy grid has a disadvantage in that it takes a lot of time because of a large amount of computation.
또 다른 접근법으로, 오차 타원(Error ellipsoid) 방법이 있다. 그러나, 오차 타원 방법은 통계학 기반의 중요성에 의존한 접근법이다. 오차 타원 방법에는 거리 또는 충돌 확률과 같은 물리학적 개념이 포함되지 않아, 실제 적용시 비교적 큰 오차가 유발되는 단점이 있다.As another approach, there is an error ellipsoid method. However, the error ellipse method is an approach that depends on the importance of statistical bases. The error ellipse method does not include a physical concept such as a distance or a collision probability, which causes a relatively large error in practical application.
전술한 세 가지의 대표적인 접근 방법은 이동 로봇과 장애물의 거리를 결정함에 있어서 적합하지 못한 한계를 갖는다. 위치의 불확실성 때문에, 연산 시간과 충돌 확률은 충돌의 확률을 무시할 수 있을 때까지 계산되어야 한다. 장애물 회피 방법은 이동 로봇과 장애물 사이에서 환경을 고려하여 거리를 계산하는 것이 요구된다. The three representative approaches described above have limitations in determining the distance between the mobile robot and the obstacle. Due to the uncertainty of the position, the computation time and the collision probability must be calculated until the probability of collision can be ignored. The obstacle avoidance method is required to calculate the distance between the mobile robot and the obstacle in consideration of the environment.
따라서 본 발명은 위치의 불확실성을 고려한 이동로봇의 장애물 회피를 위한 거리 결정 방법을 제공하고자 한다. 보다 상세하게, 본 발명은 이동로봇과 장애물 사이의 상대적인 위치와 공분산을 파악하여, 특정 충돌확률 밀도를 기준으로 할 때 상대적인 분포와의 거리를 라그랑주 승수법을 이용하여 계산할 수 있는 거리 결정 방법을 제공하고자 한다. 이 경우, 연산 범위를 설정하여 해를 계산함으로써 적은 연산량과 빠른 속도로 충돌확률을 고려한 거리 결정 방법을 제공하고자 한다.Accordingly, the present invention provides a distance determination method for avoiding obstacles of a mobile robot taking into account uncertainty of a position. More specifically, the present invention provides a distance determination method capable of calculating a relative position and a covariance between a mobile robot and an obstacle, and calculating a distance from a relative distribution based on a specific collision probability density using a Lagrangian multiplier method I want to. In this case, it is desired to provide a distance determination method considering the collision probability with a small amount of computation and a high speed by calculating the calculation range and calculating the solution.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 이동로봇의 장애물 회피를 위한 거리 결정 방법에 있어서, 상기 이동로봇의 위치 및 공분산, 상기 장애물의 위치 및 공분산을 산출하는 (a)단계; 상기 이동로봇과 상기 장애물의 상대적인 충돌확률 분포를 공분산의 변수로 표현하고, 상기 충돌확률 분포의 좌표계를 고유벡터로 변환하여 충돌확률 분포 밀도를 산출하는 (b)단계; 상기 충돌확률 분포 밀도와 상기 이동로봇의 위치 간 마할라노비스(Mahalanobis distance)의 거리 및 상기 충돌확률 분포 밀도의 역치 조건을 이용하여 상기 이동로봇의 위치가 상기 장애물의 영역 외에 존재하는지 판단하는 (c)단계; 및 상기 (c)단계에서 상기 이동로봇의 위치가 상기 장애물의 영역 외에 존재하는 것으로 판단되는 경우, 라그랑주 승수를 이용하여 상기 이동로봇과 상기 장애물 사이의 거리를 산출하는 (d)단계를 포함하여, 위치의 불확실성을 고려한 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a distance determining method for avoiding an obstacle in a mobile robot, the method comprising: (a) calculating a position and a covariance of the mobile robot, a position and a covariance of the obstacle; (B) calculating a collision probability distribution density by expressing a relative collision probability distribution of the mobile robot and the obstacle as variables of a covariance and converting a coordinate system of the collision probability distribution to an eigenvector; Determining whether a position of the mobile robot exists outside the area of the obstacle using the collision probability distribution density, the distance between the position of the mobile robot and the distance of the Mahalanobis distance, )step; And (d) calculating a distance between the mobile robot and the obstacle using the Lagrangian multiplier if it is determined that the position of the mobile robot is outside the area of the obstacle in step (c) And the uncertainty of the position is taken into consideration.
바람직하게, 상기 (c)단계는 하기의 [관계식 1]에 따라 마할라노비스(Mahalanobis distance)의 거리와 상기 충돌확률 분포 밀도의 역치 조건을 판단할 수 있다.Preferably, the step (c) may determine a threshold value of the distance of the Mahalanobis distance and the collision probability distribution density according to the following relational expression (1).
[관계식 1][Relation 1]
여기서, 은 마할라노비스(Mahalanobis distance)의 거리, s는 상기 이동로봇의 상대적 위치, S는 상기 충돌확률 분포 밀도, 는 상기 충돌확률 분포 밀도의 역치를 의미한다.here, Is the distance of the Mahalanobis distance, s is the relative position of the mobile robot, S is the collision probability distribution density, Denotes a threshold value of the collision probability distribution density.
바람직하게, 상기 (d)단계는 상기 (c)단계에서 상기 충돌확률 분포 밀도가 역치보다 높은 조건에서 최단 거리를 하기의 [수학식 1]에 따라 산출할 수 있다.In the step (d), the shortest distance may be calculated according to the following equation (1) under the condition that the collision probability distribution density is higher than the threshold value in the step (c).
[수학식 1] [Equation 1]
여기서, 는 상기 이동로봇과 상기 장애물 사이의 거리, s는 상기 이동로봇의 상대적 위치, S는 상기 충돌확률 분포 밀도, 는 상기 충돌확률 분포 밀도의 역치, e는 E에 포함된 점, E는 상기 장애물의 영역을 의미한다. here, Is the distance between the mobile robot and the obstacle, s is the relative position of the mobile robot, S is the collision probability distribution density, Is a threshold value of the collision probability distribution density, e is a point included in E, and E is a region of the obstacle.
바람직하게, 상기 (d)단계는 상기 [수학식 1]의 해를 산출하기 위하여 라그랑주 승수를 이용한 알고리즘(root-finding algorithm)을 사용하고, 상기 알고리즘은 하기의 [수학식 2]에 따른 것일 수 있다.Preferably, the step (d) uses a root-finding algorithm to calculate the solution of Equation (1), and the algorithm may be according to the following equation (2) have.
[수학식 2]&Quot; (2) "
여기서, L은 [수학식 1]에 대한 라그랑지언(Lagrangian), s는 상기 이동로봇의 상대적 위치, S는 상기 충돌확률 분포 밀도, 는 라그랑주 승수, 는 상기 충돌확률 분포 밀도의 역치, g는 제약조건 함수, f는 최적화 대상함수, e는 장애물의 영역에 포함된 점을 의미한다.Where L is the Lagrangian for (1), s is the relative position of the mobile robot, S is the collision probability distribution density, The Lagrange multiplier, G is a constraint function, f is an optimization object function, and e is a point included in the obstacle area.
바람직하게, 상기 (d)단계는 상기 [수학식 2]의 연산 범위 조건을 하기의 [수학식 3]에 따라 산출할 수 있다.Preferably, in the step (d), the calculation range condition of the expression (2) can be calculated according to the following expression (3).
[수학식 3]&Quot; (3) "
여기서, g는 제약조건 함수, s는 상기 이동로봇의 상대적 위치, S는 상기 충돌확률 분포 밀도, 는 상기 충돌확률 분포 밀도의 역치, 는 라그랑주 승수를 의미한다.Where g is the constraint function, s is the relative position of the mobile robot, S is the collision probability distribution density, Is a threshold value of the collision probability distribution density, Means the Lagrangian multiplier.
본 발명에 따르면, 로봇과 장애물의 공분산을 입력 변수로 하여 위치의 불확실성을 고려한 거리를 라그랑주 지수 및 연산 범위의 조건을 설정하여 재귀적 알고리즘으로 해를 산출한다. 따라서, 본 발명은 노이즈가 존재하는 환경 하에서 제어될 수 밖에 없는 이동로봇에 있어서, 확률론적 환경을 고려하여 거리를 계산하기 때문에 이동로봇의 무인 제어, 이동로봇의 자체 경로 설정에 특히 적합한 방법을 제공한다.According to the present invention, the covariance between the robot and the obstacle is used as an input variable, and the distance considering the uncertainty of the position is calculated by the recursive algorithm by setting the conditions of the Lagrangian index and the calculation range. Accordingly, the present invention provides a method particularly suitable for setting the self-path control of the mobile robot and the self-path of the mobile robot since the distance is calculated in consideration of the probabilistic environment in the mobile robot which can only be controlled under the environment where noise exists. do.
또한, 본 발명에 따른 방법은 거리 계산의 개념으로, 적용에 대한 별도의 고려가 필요하지 않다. 이 경우, 유클리드 거리 대신 본 발명에 따라 계산된 거리를 사용한다면 기존의 경로계획법에도 위치 불확실성을 고려하는 기능을 추가할 수 있다. 이동로봇은 자신과 장애물의 위치 추정상태에 따라 여유거리를 조절할 수 있을 것이다.Further, the method according to the present invention is a concept of distance calculation, and there is no need to consider the application separately. In this case, if the distance calculated according to the present invention is used instead of the Euclidean distance, a function considering the location uncertainty can be added to the existing path planning method. The mobile robot will be able to adjust the clearance distance according to the position estimation state of the obstacle and itself.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이동로봇의 장애물 회피를 위한 거리 결정 방법의 흐름도를 나타낸다.
도 2는 (a)단계의 수행결과 표현된 이동로봇과 장애물의 각 영역 및 장애물 영역에 대한 로봇의 상대적인 위치를 그래프로 출력한 모습이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이동로봇의 장애물 회피를 위한 거리 결정 방법의 알고리즘을 수행한 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 4는 실험을 위한 무작위로 장애물이 배치된 상황의 시작점 환경과 이동로봇을 컴퓨터 상에 맵핑한 디스플레이 화면을 나타낸다.
도 5는 도 4의 실험환경에서 장애물의 각 영역을 설정하여 이를 회피하는 이동로봇 경로지점 및 목표지점까지의 이동결과를 표시한 실험 결과를 나타낸다.1 is a flowchart illustrating a method of determining a distance for avoiding an obstacle of a mobile robot according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the relative positions of the robots relative to the respective regions and obstacle regions of the mobile robot and the obstacle expressed as a result of performing the step (a).
3 shows a simulation result of an algorithm of a distance determination method for obstacle avoidance of a mobile robot according to an embodiment of the present invention.
4 shows a display screen in which a starting point environment of a situation in which obstacles are randomly arranged for an experiment and a mobile robot is mapped on a computer.
FIG. 5 shows experimental results showing the movement path to the mobile robot path point and the target point, which are set to avoid obstacles in the experimental environment of FIG.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to or limited by the exemplary embodiments. Like reference numerals in the drawings denote members performing substantially the same function.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.The objects and effects of the present invention can be understood or clarified naturally by the following description, and the purpose and effect of the present invention are not limited by the following description. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이동로봇의 장애물 회피를 위한 거리 결정 방법의 흐름도를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이동로봇의 장애물 회피를 위한 거리 결정 방법은 공분산을 산출하는 (a)단계(S10), 충돌확률 분포 밀도를 산출하는 (b)단계(S30), 충돌확률 분포 밀도의 역치 조건을 판단하는 (c)단계(S50), 및 이동로봇과 장애물의 거리를 산출하는 (d)단계(S70)를 포함할 수 있다.1 is a flowchart illustrating a method of determining a distance for avoiding an obstacle of a mobile robot according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, a distance determination method for avoiding obstacles of a mobile robot according to an embodiment of the present invention includes calculating a covariance (step S10), calculating a collision probability distribution density (step S30) (C) determining (S50) a threshold value condition of the collision probability distribution density, and (d) calculating a distance between the mobile robot and the obstacle (S70).
본 발명의 실시예에 따른 상기의 (a) 내지 (d)단계는 컴퓨터 수단을 통해 수행되는 프로그램 명령 형태로 수행될 수 있으며, 이는 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 포함한다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 설계되거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크, 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(Optical media), 플롭티컬 디스크(Floptical disk)와 같은 자기-광 매체(Magneto-optical media), 롬(ROM), 램(RAM), 및 플래시 메모리 등의 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 구성되는 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 인터프리터 등을 사용하는 컴퓨터의 고급 언어 코드를 포함한다. 본 실시예로, (a) 내지 (d)단계는 컴퓨터 프로세서에 의하여 수행되며 이동로봇의 장애물 회피를 위한 거리결정 프로그램이 저장된 기록매체에저장될 수 있다. 이하, 컴퓨터에서 수행되는 각 단계를 설명한다.The above steps (a) to (d) according to the embodiment of the present invention may be performed in the form of a program command which is executed by a computer means, which may be recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium includes program instructions, data files, data structures, and the like. The program instructions to be recorded on the medium may be designed for an embodiment or may be available to those skilled in the computer software. Examples of the computer-readable recording medium include a magneto-optical medium such as a hard disk, a floppy disk, a magnetic medium, an optical medium such as a CD-ROM and a DVD, a floppy disk, ), ROM (Read Only Memory), RAM (RAM), and flash memory. An example of a program command includes a high-level language code of a computer using an interpreter or the like. In this embodiment, steps (a) to (d) may be performed by a computer processor and stored in a storage medium on which a distance determination program for obstacle avoidance of the mobile robot is stored. Hereinafter, each step performed in the computer will be described.
(a)단계(S10)는 이동로봇의 위치 및 공분산, 장애물의 위치 및 공분산을 산출할 수 있다. 도 2는 (a)단계(S10)의 수행결과 표현된 이동로봇과 장애물의 각 영역 및 장애물 영역에 대한 로봇의 상대적인 위치를 그래프로 출력한 모습이다. (a) Step S10 may calculate the position, covariance, position and covariance of the mobile robot. FIG. 2 is a graph showing the relative positions of the robots with respect to the respective regions and obstacle regions of the mobile robot and the obstacle expressed as a result of performing (a) step (S10).
N(r,R)는 이동 로봇의 평가된 위치를 나타낸다. 여기서 'N'은 다변수의 정규 분포이고, 'r'은 위치 벡터의 평균이며, 'R'은 공분산 행렬을 의미한다. 이와 유사하게 N(q,Q)는 장애물의 평가된 위치를 나타낸다. 도 2의 (a)를 참조하면, 이동로봇의 위치는 , 장애물의 위치는 로 나타낼 수 있다. 도 2의 (b)는 상대적인 위치를 나타낸 것으로, Relative position은 로서 푸른색 ‘+’로 표현되었고, 장애물의 영역인 Obstacle region은 로서 붉은색 타원형으로 표현되었다. 본 예시에서 상대적인 위치와 장애물 영역의 가장 가까운 거리는 0.0768[m]로 계산된다. N (r, R) represents the evaluated position of the mobile robot. Where 'N' is the normal distribution of multivariate, 'r' is the mean of the position vector and 'R' is the covariance matrix. Similarly, N (q, Q) represents the estimated location of the obstacle. 2 (a), the position of the mobile robot is , The position of the obstacle . 2 (b) shows a relative position, and the relative position is And the Obstacle region, which is the area of the obstacle, And was expressed as a red oval. In this example, the closest distance between the relative position and the obstacle area is calculated as 0.0768 [m].
(a)단계(S10)는 이동로봇의 거리 결정 계산에 요구되는 입력 변수값을 설정하는 단계로 이해될 수 있다. 거리 계산을 위해서 설정되어야 하는 변수로는 이동로봇의 위치와 공분산(r,R), 장애물의 위치와 공분산(q,Q), 충돌확률 분포 밀도의 역치(), 허용 거리오차()가 될 수 있다. (a) Step S10 can be understood as a step of setting an input variable value required for distance calculation of the mobile robot. The parameters to be set for the distance calculation include the position of the mobile robot, the covariance (r, R), the obstacle position and the covariance (q, Q) ), Allowable distance error ( ).
(b)단계(S30)는 이동로봇과 장애물의 상대적인 충돌확률 분포를 공분산의 변수로 표현하고, 충돌확률 분포의 좌표계를 고유벡터로 변환하여 충돌확률 분포 밀도를 산출할 수 있다.(b) Step (S30) can represent the relative collision probability distribution of the mobile robot and the obstacle as variables of the covariance, and convert the coordinate system of the collision probability distribution to the eigenvector to calculate the collision probability distribution density.
(b)단계(S30)에서는 (a)단계(S30)에서 설정된 이동로봇의 위치와 공분산 N(r,R) 및 장애물의 위치와 공분산 N(q,Q)을 토대로 상대적인 충돌확률 분포를 표현할 수 있는데, 이는 N(r-q,R+Q)와 같이 나타낼 수 있다. 이후, N(r-q,R+Q)는 충돌 회피를 위해 분석된다.(b) In step S30, it is possible to express a relative collision probability distribution based on the position and the covariance N (r, R) of the mobile robot set in (a) and the obstacle position and the covariance N (q, Q) , Which can be expressed as N (rq, R + Q). Then, N (r-q, R + Q) is analyzed for collision avoidance.
분석을 위해서, 새로운 좌표 시스템이 수행된다. 공분산의 고유 벡터는 충돌확률 분포를 나타내는 (고유값 분해)로 표현될 수 있다. 여기서 이고, Q+R의 고유벡터 ''를 구성성분으로 하는 의 스퀘어 행렬이다. 'S'는 충돌확률 분포 밀도이며 이고, 표준 편차 의 대각 행렬이다. 새로운 좌표계에서 'V'를 사용하면, 충돌 확률 분포는 로 표현될 수 있다. 여기서 '0'은 제로 벡터를 의미한다. 또한, 이동 로봇의 상대 위치는 로 표현될 수 있다. 이후, 충돌확률 분포 밀도는 's' 위치에서의 밀도를 의미한다. 실제로, 이동로봇은 항상 충돌확률 분포 밀도가 0이 아닌 값을 갖는다. 그러므로 이동로봇을 위치시킬 타겟 지점을 충돌확률 없이 설정시키기란 불가능하다. 이러한 상황에서, 높은 충돌 확률의 영역을 피하는 것으로 경로를 설정하는 것이 가장 바람직할 것이다. 이러한 영역은 충돌확률 분포 밀도의 역치 ‘’로 설정된다. 만약 어느 위치이든 역치 ‘’값보다 충돌확률 분포 밀도가 높다면, 이는 장애물이 존재하는 영역으로 이해될 수 있다. 상기의 비교 과정은 하기의 (c)단계(S50)에서 수행된다.For analysis, a new coordinate system is performed. The eigenvector of the covariance represents the collision probability distribution (Eigenvalue decomposition). here , And the eigenvector of Q + R ' &Quot; . 'S' is the collision probability distribution density And the standard deviation Lt; / RTI > Using 'V' in the new coordinate system, the collision probability distribution is . ≪ / RTI > Here, '0' means a zero vector. Further, the relative position of the mobile robot is . ≪ / RTI > Hereinafter, the collision probability distribution density means the density at the 's' position. Actually, the mobile robot always has a value of the collision probability distribution density not equal to zero. Therefore, it is impossible to set the target point at which the mobile robot is to be placed without a collision probability. In this situation, it would be most desirable to set the path by avoiding areas of high collision probability. This region is the threshold of collision probability distribution density ' '. If any location is a threshold value, If the collision probability distribution density is higher than the value, it can be understood as an area where an obstacle exists. The above comparison process is performed in the following step (c) (S50).
(c)단계(S50)는 충돌확률 분포 밀도와 이동로봇의 위치 간 마할라노비스의 거리 및 충돌확률 분포 밀도의 역치 조건을 이용하여 이동로봇의 위치가 장애물의 영역 외에 존재하는지 판단할 수 있다.(c) Step (S50) can determine whether the position of the mobile robot exists outside the area of the obstacle by using the collision probability distribution density, the distance of the Mahalanobis between the position of the mobile robot and the threshold value of the collision probability distribution density.
(c)단계(S50)는 하기의 [관계식 1]에 따라 마할라노비스(Mahalanobis)의 거리와 충돌확률 분포 밀도의 역치 조건을 판단할 수 있다.(c) Step (S50) can determine the threshold value of the distance and collision probability distribution density of Mahalanobis according to the following
[관계식 1][Relation 1]
여기서, 은 마할라노비스(Mahalanobis)의 거리, s는 이동로봇의 상대적 위치, S는 충돌확률 분포 밀도, 는 충돌확률 분포 밀도의 역치를 의미한다. 장애물 영역의 경계는 의 마할라노비스 거리와 동일하므로, 상기의 [관계식]을 통해 이동로봇의 상대적 위치가 장애물 영역의 내외에 있는지 여부를 판단할 수 있다. here, Mahalanobis distance, s the relative position of the mobile robot, S the collision probability distribution density, Is the threshold value of the collision probability distribution density. The boundary of the obstacle area It is possible to determine whether the relative position of the mobile robot is inside or outside the obstacle region through the above [relational expression].
(d)단계(S70)는 (c)단계(S50)에서 이동로봇의 위치가 장애물의 영역 외에 존재하는 것으로 판단되는 경우, 라그랑주 승수를 이용하여 이동로봇과 장애물 사이의 거리를 산출할 수 있다.(d) If it is determined in step (c) that the position of the mobile robot exists outside the area of the obstacle in step (c), the distance between the mobile robot and the obstacle can be calculated using the Lagrangian multiplier.
(d)단계(S70)는 (c)단계(S50)에서 상기 충돌확률 분포 밀도가 역치보다 높은 조건에서 최단 거리를 하기의 [수학식 1]에 따라 산출할 수 있다.(d) Step (S70) can be performed according to the following equation (1) in the step (c) and the shortest distance under the condition that the collision probability distribution density is higher than the threshold value.
[수학식 1][Equation 1]
여기서, 는 이동로봇과 장애물 사이의 거리, s는 상기 이동로봇의 상대적 위치, S는 충돌확률 분포 밀도, 는 충돌확률 분포 밀도의 역치, e는 E에 포함된 점, E는 상기 장애물의 영역을 의미한다. here, S is the relative position of the mobile robot, S is the collision probability distribution density, Is the threshold value of the collision probability distribution density, e is the point included in E, and E is the area of the obstacle.
여기서 역치 ‘’는 하기의 [관계식 2]의 조건을 만족한다.Here, Satisfy the condition of [Relation 2] below.
[관계식 2][Relation 2]
여기서, 는 장애물의 경계 영역을 의미한다. 장애물 E는 확률론적인 환경하에 주의가 요구되는 영역상에 부피를 갖고 존재한다. 만약, 값이 알려졌다면 상기의 [관계식 2]에 따라 역치의 범위가 결정된다. 값은 센서 모델 또는 실험을 통해서 획득될 수 있다.here, Means the boundary region of the obstacle. The obstacle E exists in a volume on a region requiring attention under a stochastic environment. if, If the value is known, the range of the threshold value is determined according to [Relation 2] above. The value can be obtained through a sensor model or experiment.
(d)단계(S70)는 [수학식 1]의 해를 산출하기 위하여 라그랑주 승수를 이용한 알고리즘(root-finding algorithm)을 사용하고, 상기 알고리즘은 하기의 [수학식 2]에 따른다.(d) In step S70, a root-finding algorithm is used to calculate the solution of Equation (1), and the algorithm is as shown in Equation (2) below.
[수학식 2]&Quot; (2) "
여기서, L은 [수학식 1]에 대한 라그랑지언(Lagrangian), s는 상기 이동로봇의 상대적 위치, S는 상기 충돌확률 분포 밀도, 는 라그랑주 승수, 는 상기 충돌확률 분포 밀도의 역치, g는 제약조건 함수, f는 최적화 대상함수, e는 장애물의 영역에 포함된 점을 의미한다.Where L is the Lagrangian for (1), s is the relative position of the mobile robot, S is the collision probability distribution density, The Lagrange multiplier, G is a constraint function, f is an optimization object function, and e is a point included in the obstacle area.
(d)단계(S70)는 [수학식 2]의 연산 범위 조건을 하기의 [수학식 3]에 따라 산출할 수 있다.(d) Step S70 can calculate the calculation range condition of the formula (2) according to the following formula (3).
[수학식 3]&Quot; (3) "
여기서, g는 제약조건 함수, s는 상기 이동로봇의 상대적 위치, S는 상기 충돌확률 분포 밀도, 는 상기 충돌확률 분포 밀도의 역치, 는 라그랑주 승수를 의미한다.Where g is the constraint function, s is the relative position of the mobile robot, S is the collision probability distribution density, Is a threshold value of the collision probability distribution density, Means the Lagrangian multiplier.
즉, [수학식 2]의 해를 찾는 알고리즘(root-finding algorithm)은 [수학식 3]의 연산 범위 내에서 조건을 만족하는 해를 구하게 된다. [수학식 3]에서 는 (조건 1)에서 연속적이고, (조건 2)를 만족해야 한다. 따라서 [a, b]의 간격은 조건 1,2를 만족할 수 있도록 설정되어야 한다.That is, the root-finding algorithm for finding the solution of (2) finds a solution satisfying the condition within the calculation range of (3). In Equation (3) The (Condition 1) (Condition 2). Therefore, the interval of [a, b] should be set to satisfy
연산 범위의 초기화 및 상기 [a, b]를 산출하기 위한 알고리즘의 실시예는 하기의 [그림 1]과 같다.An example of the algorithm for initializing the calculation range and calculating the above [a, b] is shown in [Figure 1] below.
[그림 1][Figure 1]
상기의 알고리즘으로 초기화된 연산 범위 내에서 조건을 만족시키는 해를 구하는 root-finding 알고리즘을 구현한 실시예는 [그림 2]와 같다.Figure 2 shows an implementation of a root-finding algorithm that obtains a solution that satisfies conditions within the computation range initialized by the algorithm described above.
[그림 2][Figure 2]
전술한 [그림 1]의 [a, b]를 산출하기 위한 알고리즘과 [그림 2]의 root-finding 알고리즘을 포함하여, (a) 내지 (d)단계를 수행하는 알고리즘의 실시예는 [그림 3]과 같다.An embodiment of the algorithm for performing the steps (a) to (d), including the algorithm for calculating [a, b] in [Figure 1] and the root- finding algorithm in [Figure 2] ].
[그림 3][Figure 3]
도 3은 상기의 알고리즘을 컴퓨터 프로세서 상에서 수행하여 본 발명의 실시예에 따른 이동로봇의 장애물 회피를 위한 거리를 결정한 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 3의 (a)에서 이동로봇의 위치는 이고, 장애물의 위치는 이다. 이들의 확률분포는 도 3의 (a)에서 푸른 영역(이동로봇의 영역) 또는 붉은 영역(장애물의 영역)으로 표현되었다. 도 3의 (b)에서 이동로봇의 상대적 위치는 이고, 푸른색 ‘+’로 표현되었으며, 장애물의 영역은 이고 타원체로 표현되었다. 도 3의 (c)에서 [그림 1]의 [a, b]를 산출하기 위한 알고리즘을 사용하여 연산 범위(searching interval)를 표현하였으며, 도 3의 (d)에서 도 3(c)의 연산 범위 내의 조건으로 [그림 2]의 root-finding algorithm을 사용하여 라그랑주 승수를 산출한 것을 표현하였다. 3 shows simulation results of determining the distance for obstacle avoidance of the mobile robot according to the embodiment of the present invention by executing the above algorithm on a computer processor. In Fig. 3 (a), the position of the mobile robot is And the position of the obstacle is to be. These probability distributions are represented by a blue region (a region of a mobile robot) or a red region (an obstacle region) in FIG. 3A. In Fig. 3 (b), the relative position of the mobile robot is , And is represented by a blue '+'. The area of the obstacle is And expressed as an ellipsoid. 3 (c), a searching interval is expressed using an algorithm for calculating [a, b] in [Figure 1], and the calculation range of Figure 3 (c) The Lagrangian multiplier was calculated using the root-finding algorithm shown in [Figure 2].
본 알고리즘을 적용하여 이동로봇의 장애물 회피를 위한 거리결정 방법을 실험하였으며, 그 결과는 도 4 및 도 5와 같다. 도 4는 실험을 위한 무작위로 장애물이 배치된 상황의 시작점 환경과 이동로봇을 컴퓨터 상에 맵핑한 디스플레이 화면을 나타낸다. 도 5는 도 4의 실험환경에서 장애물의 각 영역을 설정하여 이를 회피하는 이동로봇 경로지점 및 목표지점까지의 이동결과를 표시한 실험 결과를 나타낸다. 도 5를 참조하면, 장애물의 영역에서 위치의 불확실성을 타원체로 표현되며, 장애물과의 가장 근접한 지점을 판단하여 장애물을 회피하는 경로가 설정됨을 확인할 수 있다.By applying this algorithm, a distance determination method for obstacle avoidance of a mobile robot was experimented. The results are shown in FIGS. 4 and 5. 4 shows a display screen in which a starting point environment of a situation in which obstacles are randomly arranged for an experiment and a mobile robot is mapped on a computer. FIG. 5 shows experimental results showing the movement path to the mobile robot path point and the target point, which are set to avoid obstacles in the experimental environment of FIG. Referring to FIG. 5, the uncertainty of the position in the region of the obstacle is represented by an ellipsoid, and a path for avoiding the obstacle is determined by determining the closest point to the obstacle.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. will be. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the above-described embodiments, but should be determined by all changes or modifications derived from the scope of the appended claims and equivalents of the following claims.
S10: 공분산을 산출하는 (a)단계
S30: 충돌확률 분포 밀도를 산출하는 (b)단계
S50: 충돌확률 분포 밀도의 역치 조건을 판단하는 (c)단계
S70: 이동로봇과 장애물의 거리를 산출하는 (d)단계S10: Step (a) of calculating the covariance
S30: Step (b) of calculating the collision probability distribution density
S50: Step (c) of determining a threshold value condition of the collision probability distribution density
S70: Step (d) of calculating the distance between the mobile robot and the obstacle
Claims (5)
(a) 상기 이동로봇의 위치 및 공분산, 상기 장애물의 위치 및 공분산을 산출하는 단계;
(b) 상기 이동로봇과 상기 장애물의 상대적인 충돌확률 분포를 공분산의 변수로 표현하고, 상기 충돌확률 분포의 좌표계를 고유벡터로 변환하여 충돌확률 분포 밀도를 산출하는 단계;
(c) 상기 충돌확률 분포 밀도와 상기 이동로봇의 위치 간 마할라노비스(Mahalanobis distance)의 거리 및 상기 충돌확률 분포 밀도의 역치 조건을 이용하여 상기 이동로봇의 위치가 상기 장애물의 영역 외에 존재하는지 판단하는 단계; 및
(d) 상기 (c)단계에서 상기 이동로봇의 위치가 상기 장애물의 영역 외에 존재하는 것으로 판단되는 경우, 라그랑주 승수를 이용하여 상기 이동로봇과 상기 장애물 사이의 거리를 산출하는 단계를 포함하여,
위치의 불확실성을 고려한 것을 특징으로 하는 이동로봇의 장애물 회피를 위한 거리 결정 방법.
A method for determining a distance for obstacle avoidance of a mobile robot,
(a) calculating a position and a covariance of the mobile robot, a position and a covariance of the obstacle;
(b) calculating a collision probability distribution density by expressing a relative collision probability distribution of the mobile robot and the obstacle as variables of covariance, converting a coordinate system of the collision probability distribution into an eigenvector,
(c) determining whether the position of the mobile robot exists outside the area of the obstacle by using the collision probability distribution density, the distance of the Mahalanobis distance between the position of the mobile robot and the threshold value of the collision probability distribution density ; And
(d) calculating a distance between the mobile robot and the obstacle using the Lagrangian multiplier if it is determined in the step (c) that the position of the mobile robot exists outside the area of the obstacle,
A method for distance determination for avoiding obstacles of a mobile robot characterized by uncertainty of position.
상기 (c)단계는,
하기의 [관계식 1]에 따라 마할라노비스(Mahalanobis distance)의 거리와 상기 충돌확률 분포 밀도의 역치 조건을 판단하는 것을 특징으로 하는 이동로봇의 장애물 회피를 위한 거리 결정 방법.
[관계식 1]
여기서, 은 마할라노비스(Mahalanobis distance)의 거리, s는 상기 이동로봇의 상대적 위치, S는 상기 충돌확률 분포 밀도, 는 상기 충돌확률 분포 밀도의 역치를 의미한다.
The method according to claim 1,
The step (c)
And determining a threshold value of the distance of the Mahalanobis distance and the threshold value of the collision probability distribution density according to the following relational expression (1).
[Relation 1]
here, Is the distance of the Mahalanobis distance, s is the relative position of the mobile robot, S is the collision probability distribution density, Denotes a threshold value of the collision probability distribution density.
상기 (d)단계는,
상기 (c)단계에서 상기 충돌확률 분포 밀도가 역치보다 높은 조건에서 최단 거리를 하기의 [수학식 1]에 따라 산출하는 것을 특징으로 하는 이동로봇의 장애물 회피를 위한 거리 결정 방법.
[수학식 1]
여기서, 는 상기 이동로봇과 상기 장애물 사이의 거리, s는 상기 이동로봇의 상대적 위치, S는 상기 충돌확률 분포 밀도, 는 상기 충돌확률 분포 밀도의 역치, e는 E에 포함된 점, E는 상기 장애물의 영역을 의미한다.
The method according to claim 1,
The step (d)
Wherein the shortest distance is calculated according to Equation (1) under the condition that the collision probability distribution density is higher than the threshold value in the step (c).
[Equation 1]
here, Is the distance between the mobile robot and the obstacle, s is the relative position of the mobile robot, S is the collision probability distribution density, Is a threshold value of the collision probability distribution density, e is a point included in E, and E is a region of the obstacle.
상기 (d)단계는,
상기 [수학식 1]의 해를 산출하기 위하여 라그랑주 승수를 이용한 알고리즘(root-finding algorithm)을 사용하고, 상기 알고리즘은 하기의 [수학식 2]에 따른 것을 특징으로 하는 이동로봇의 장애물 회피를 위한 거리 결정 방법.
[수학식 2]
여기서, L은 [수학식 1]에 대한 라그랑지언(Lagrangian), s는 상기 이동로봇의 상대적 위치, S는 상기 충돌확률 분포 밀도, 는 라그랑주 승수, 는 상기 충돌확률 분포 밀도의 역치, g는 제약조건 함수, f는 최적화 대상함수, e는 장애물의 영역에 포함된 점을 의미한다.
The method of claim 3,
The step (d)
(1), a root-finding algorithm is used to calculate the solution of Equation (1), and the algorithm is according to Equation (2) below. Distance Determination Method.
&Quot; (2) "
Where L is the Lagrangian for (1), s is the relative position of the mobile robot, S is the collision probability distribution density, The Lagrange multiplier, G is a constraint function, f is an optimization object function, and e is a point included in the obstacle area.
상기 (d)단계는,
상기 [수학식 2]의 연산 범위 조건을 하기의 [수학식 3]에 따라 산출하는 것을 특징으로 하는 이동로봇의 장애물 회피를 위한 거리 결정 방법.
[수학식 3]
여기서, g는 제약조건 함수, s는 상기 이동로봇의 상대적 위치, S는 상기 충돌확률 분포 밀도, 는 상기 충돌확률 분포 밀도의 역치, 는 라그랑주 승수를 의미한다.
5. The method of claim 4,
The step (d)
Wherein the calculation range condition of the equation (2) is calculated according to the following equation (3): " (3) "
&Quot; (3) "
Where g is the constraint function, s is the relative position of the mobile robot, S is the collision probability distribution density, Is a threshold value of the collision probability distribution density, Means the Lagrangian multiplier.
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2016
- 2016-06-14 KR KR1020160073692A patent/KR101784500B1/en active IP Right Grant
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