KR100915527B1

KR100915527B1 - 경로 탐색 방법

Info

Publication number: KR100915527B1
Application number: KR1020070066477A
Authority: KR
Inventors: 이재영; 유원필
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2007-07-03
Filing date: 2007-07-03
Publication date: 2009-09-04
Also published as: US20110010083A1; KR20090003644A; WO2009005188A1; US8296064B2

Abstract

본 발명은 최적 경로 검색 시간을 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라 큰 격자 맵에 적용 가능한 경로 탐색 방법에 관한 것으로, 이를 위하여 본 발명에 따른 경로 탐색 방법은, 이동체가 격자 맵 상에서 차지하는 격자 셀의 크기를 토대로 격자 맵의 막힘 영역을 확장한 전처리 맵을 생성하는 단계와, 전처리 맵에서 기 설정된 크기의 셀들을 병합하여 블록 맵을 생성하는 단계와, 블록 맵을 이용하여 출발지에서 목적지까지의 블록 경로를 산출하는 단계와, 산출된 블록 경로에 속하는 각 블록 내 셀들에 대해서 다시 셀 단위로 경로 탐색을 수행하여 상세 경로를 산출하는 단계를 포함한다.

이와 같이, 본 발명은 경로 탐색에 소요되는 시간을 개선할 수 있기 때문에 넓은 탐색 공간에서도 실시간 경로 탐색이 가능해져 이동 로봇 및 게임 분야에 유용하게 활용될 수 있다.

Description

경로 탐색 방법{METHOD FOR SEARCHING A PATH}

본 발명은 이동체의 경로 탐색 방법으로서, 특히 탐색 영역 축소를 통해 주어진 격자 맵의 정보를 이용하여 출발지에서 원하는 목적지까지의 최적 경로 탐색 시간을 단축시킬 수 있는 경로 탐색 방법에 관한 것이다.

본 발명은 정보통신부 및 LG전자, (주)넥스트아이, (주)레인콤, (주)지토, 아모텍, 다담마이크로, 다사테크, 비전에스티, 한양대학교, 포항공대, 서울대학교의 URC를 위한 내장형 컴포넌트 기술개발 사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호 : 2005-S-033-03, 과제명: URC를 위한 내장형 컴포넌트 기술개발 및 표준화].

일반적으로 경로 탐색은 로봇이 서비스 제공을 위해 목적지로 이동하거나 컴퓨터 게임 상에서 인공지능 유닛들을 이동시킬 때 또는 무인 정찰기의 경로를 결정할 때 등과 같은 폭넓은 분야에 적용된다.

경로 탐색 알고리즘에서 중요한 요소는 탐색 시간과 최적 경로를 보장하는 것이다.

한편, 경로 탐색의 실시간성이 요구되는 경우는 맵 정보가 불완전하여 이동하는 도중에 감지된 주변 환경 정보에 따라서 경로를 수정해야할 때, 이동체가 이동하는 도중에 사람 등의 동적 장애물을 만나서 경로를 수정해야할 때, 주행 중 제어 오차에 의해 경로를 벗어난 경우 등 다양하다. 특히, 동적 장애물을 만나거나 미리 알고 있는 맵 정보와 실제 주행 중 감지된 환경 정보가 다른 경우에 경로 탐색이 지연되면, 출동이 지연되기 때문에 빠른 경로 탐색이 매우 중요하다.

또한, 컴퓨터 게임 등에서는 수많은 유닛들의 경로를 동시에 탐색하고 제어해야 하기 때문에 고속의 경로 탐색 알고리즘이 필요하다.

통상적으로, 경로 탐색에는 격자 맵(grid map)을 기반으로 한 A* 알고리즘이 사용된다. A*알고리즘은 출발지로부터 목적지까지 경로가 존재할 경우 항상 최적 경로를 찾아 주는 것을 보장하지만, 높은 연산 비용으로 인하여 실시간 경로 탐색이 어려운 문제점을 갖는다.

특히, A* 알고리즘은 맵의 크기가 커지면 경로 탐색에 소요되는 시간이 기하급수적으로 증가하기 때문에 적용이 힘들다.

최근까지 A*알고리즘의 탐색 시간을 개선하기 위한 여러 연구들이 있었다. 대표적인 것으로 애니타임(Anytime) A*와 다이나믹(Dynamic) A* 방법이 그 예이다.

애니타임 A*는 경로 탐색에 할당된 제한 시간 내에 가능한 가장 좋은 해를 찾기 위해 고안된 방법으로 처음에는 최적해에 대한 조건을 완화하여 일단 대략적인 경로를 찾은 후에 시간이 남으면 다시 조건을 강화하여 A*알고리즘을 적용함으로써 좀더 개선된 해를 찾고, 이러한 과정을 경로 탐색에 사용 가능한 시간 동안 반복하는 방법이다.

다이나믹 A*는 처음 출발지에서 목적지까지의 경로를 A*알고리즘을 이용하여 찾은 후에 로봇이 이동 도중에 장애물 등으로 인해 경로를 변경해야 하는 경우에 A*알고리즘을 다시 새로 적용하여 경로를 찾는 것이 아니라 처음 출발지에서 찾았던 경로를 재활용하여 일부만 수정함으로써 빠른 시간 내에 경로를 변경할 수 있도록 하는 방법이다.

상기와 같은 종래의 경로 탐색 방법들은 경로 탐색 시간을 일정 부분 개선시키는 효과를 갖지만, 이러한 효과는 상수배의 탐색 시간 개선이기 때문에 맵의 크기 증가함에 따라 탐색 시간이 기하급수적으로 증가하는 단점이 있다. 특히, 애니타임 A*알고리즘은 맵의 크기가 커짐에 따라 탐색 시간이 증가하기 때문에 최적해를 보장하지 못할 뿐만 아니라 초기 탐색에서 아무리 최적 경로에 대한 조건을 완화하더라도 맵의 크기가 증가하면 여전히 실시간 경로 탐색이 어려운 문제점이 있다.

또한, 다이나믹 A*알고리즘의 경우에는 목적지가 수시로 변경되는 경우 새로 경로 탐색을 해야 하기 때문에 큰 맵에 적용하기 힘든 문제점이 있다.

본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 격자 맵을 블록 단위의 블록 맵으로 변환한 후 이를 토대로 블록 경로를 생성하고, 블록 경로 상의 각 블록 내 셀들을 이용하여 최적 경로를 검색함으로서, 최적 경로 검색 시간을 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라 큰 격자 맵에 적용 가능한 경로 탐색 방법을 제공한다.

본 발명은, 전처리된 격자 맵을 블록 단위의 블록 맵으로 변환한 후 블록 맵을 토대로 블록 경로를 생성하고, 블록 경로 상의 각 블록 내 셀들을 이용하여 최적 경로를 검색함으로서, 최적 경로 검색 시간을 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라 큰 격자 맵에 적용 가능한 경로 탐색 방법을 제공한다.

본 발명은, (a) 이동체가 격자 맵 상에서 차지하는 격자 셀의 크기를 토대로 상기 격자 맵의 막힘 영역을 확장한 전처리 맵을 생성하는 단계와, (b) 상기 전처리 맵에서 기 설정된 크기의 셀들을 병합하여 블록 맵을 생성하는 단계와, (c) 상기 블록 맵을 이용하여 출발지에서 목적지까지의 블록 경로를 산출하는 단계와, (d) 상기 산출된 블록 경로에 속하는 각 블록 내 셀들에 대해서 다시 셀 단위로 경로 탐색을 수행하여 상세 경로를 산출하는 단계를 포함한다.

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본 발명은 격자 맵을 블록 맵으로 변환한 후 블록 경로를 설정하고, 각 블록 내 셀들을 이용하여 최적 경로를 탐색함으로서, 경로 탐색에 소요 시간을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 이를 통해 큰 격자 맵에서 실시간 경로 탐색이 가능한 잇점이 있다.

또한, 본 발명에 의하면 경로 탐색의 결과로서 찾아진 경로는 죄적 경로를 보장하기 때문에 경로 탐색 속도를 높이기 위해 경로 탐색의 품질을 희생할 필요가 없다.

한편, 본 발명에 따른 경로 탐색 방법을 이동 로봇에 적용할 경우 로봇이 주행 도중 동적 장애물 등을 만났을 때 실시간으로 경로 변경이 가능하기 때문에 장애물과의 충돌 가능성을 최소화하여 유연한 모션 제어가 가능하다.

또한, 본 발명은 실시간 경로 탐색이 가능하기 때문에 다수의 이동체에 대한 경로 탐색을 동시에 수행하는 것이 가능해져 로봇 축구와 같은 멀티 로봇 제어나 컴퓨터 게임 등에서 다수의 유닛 제거를 매우 유연하게 처리할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 경로 탐색 방법을 설명하기 위한 이동체 내부의 경로 탐색 장치를 도시한 블록도이며,

도 2는 본 발명에 적용되는 2차원 격자 맵을 도시한 도면이며,

도 3은 도 2의 격자 맵에 대해 전처리시킨 결과를 도시한 도면이며,

도 4는 전처리된 격자 맵을 토대로 생성된 블록 맵을 도시한 도면이며,

도 5는 도 4의 블록 맵 설정 시 블록의 크기에 따른 문제점을 설명하기 위한 도면이며,

도 6은 본 발명이 적용된 경로 탐색 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 경로 탐색 방법에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 경로 탐색 방법을 설명하기 위한 이동체 내부의 경로 탐색 장치를 도시한 블록도이다.

도 1을 참조하면, 경로 탐색 장치는, 일반적으로 이동체, 예컨대 로봇, 유닛, 무인 정찰기 등에 탑재되는 것으로, 전처리 모듈(100), 블록 맵 생성 모듈(110), 블록 경로 탐색 모듈(120), 최종 경로 탐색 모듈(130)을 포함한다.

전처리 모듈(100)은 격자 맵을 입력받으며, 이동체의 중심이 실제로 이동 가능한 셀만을 비어있는 영역으로 표시되도록 입력받은 격자 맵을 변경시킨다. 즉, 이동체의 크기가 격자 맵 내 하나의 셀의 크기보다 클 경우에는 실제로 이동할 수 있는 셀인지를 여부를 판단하기 위해서 인접한 주변 셀들도 비어 있는 공간인지를 검사해야 한다. 예를 들어, 셀의 크기가 10×10cm인 격자 맵에서 직경이 50cm인 이동체가 특정 셀로 이동하기 위해서는 해당 셀 뿐만 아니라 주변의 5×5 셀들도 모두 비어 있는 공간이어야 한다. 따라서, 본 발명에서의 전처리 모듈(100)은 비어 있는 영역을 축소(막힌 영역을 확대)함으로써, 이동체의 중심이 실제로 이동 가능한 셀만을 비어 있는 영역으로 나타내도록 격자 맵을 변경시킨다.

이와 같은 전처리 모듈(100)이 이동체의 크기에 의거하여 격자 맵을 전처리하는 방법은 다양하지만 한 예로서 아래와 같은 방법을 사용할 수 있다.

먼저, 전처리 모듈(100)은 이동체의 크기가 m×m(m은 자연수) 격자 셀을 차지한다고 할 경우 각 셀에 대하여 해당 셀을 중심으로 하는 m×m 크기의 윈도우룰 설정한다.

그런 다음, 전처리 모듈(100)은 설정된 윈도우 내에 포함되는 셀들 중에서 하나라도 막혀 있는 셀이 존재할 경우에 해당 셀을 막혀 있는 셀로 설정하고, 설정된 윈도우 내에 포함되는 셀들 모두가 비어 있는 셀인 경우 비어 있는 셀로 설정함으로서, 격자 맵에 대한 전처리 과정을 수행하여 막힌 영역이 확장된 맵을 생성한다.

즉, 전처리 모듈(100)은 이동체의 크기가 m×m인 경우 입력받은 격자 맵에 비해 막힌 영역이 (m-1)/2만큼 확장된 맵을 생성한다.

예를 들면, 도 2에 도시된 바와 같이, 막혀 있는 영역이 검정색 셀로 구성되고, 막혀 있지 않은 영역이 흰색 셀로 구성된 격자 맵을 입력받은 경우 전처리 모듈(100)은 5×5의 크기를 갖는 이동체를 토대로 입력받은 격자 맵을 도 3에 도시된 바와 같은 막힌 영역이 확장된 맵, 즉 전처리된 맵으로 변환시킨다.

이와 같이, 격자 맵에 대해 전처리 과정을 거침으로서, 경로 탐색 과정의 매 단계마다 주변 셀을 검사할 필요가 없기 때문에 탐색 속도의 향상을 도모할 수 있다.

블록 맵 생성 모듈(110)은 전처리된 맵, 즉 막힌 영역이 확장된 맵을 입력받아 블록 맵을 생성하는 수단으로, 전처리된 맵으로부터 이웃한 셀들을 하나의 블록으로 병합하여 블록 맵을 생성한다. 여기서, 블록 맵에서 각 블록 상태는 해당 블록에 속하는 셀들 중에서 하나라도 비어 있는 셀이 있을 경우에는 빈 블록으로, 모두 막힌 셀들일 경우에는 막힌 블록으로 설정한다. 이때, 블록의 크기는 이동체의 크기가 m×m 격자 셀을 차지한다고 했을 때, 막힌 영역이 확장된 크기, 예컨대 (m+1)/2×(m+1)/2 이하로 설정한다.

블록 맵 생성 모듈(110)이 도 3과 같은 전처리된 맵을 토대로 블록 맵을 생성하는 과정은 아래와 같다.

먼저, 도 3은 이동체의 크기가 5×5이고, 도 2에 도시된 바와 같은 격자 맵을 이용하여 생성된 전처리된 맵이기 때문에 이에 따라 블록 맵 생성 모듈(110)은 블록의 크기를 3×3으로 설정한 후 설정된 블록 내에 하나라도 비어 있는 셀(흰색 셀)이 존재하는 경우 해당 블록을 비어 있는 블록하고, 모두 막힌 셀인 경우 해당 블록을 막힌 블록으로 설정함으로서, 도 4에 도시된 바와 같은 블록 맵을 생성한다.

여기서, 이동체 크기에서의 m은 통상적으로 홀수 값으로 정의되는데, 그 이유는 통상적으로 경로 탐색이 이동체의 중심을 기준으로 이루어지기 때문이다.

이와 같이 블록 맵 생성 모듈(100)이 블록 맵을 생성하는데 있어서 중요한 파라미터는 블록의 크기와 블록의 상태 설정 방법이다. 파라미터는 이동체가 실제로 갈 수 있는 영역인대도 가지 못하거나 실제로는 갈수 없는 영역을 통과하여 경로를 생성하는 경우가 발생하지 않도록 설정되어야 한다. 먼저, 블록에 속하는 셀들 중에서 하나라도 비어 있는 셀이 있는 있으면 블록의 상태값을 갈수 있는 블록으로 설정하기 때문에 실제로 갈 수 있는 영역을 이동하지 못하는 경우는 발생하지 않는다. 반대로, 이동할 수 없는 영역을 통과하여 경로가 생성되는 경우는 블록의 크기 설정과 밀접한 관계를 갖는다. 블록의 크기가 크면 블록 경로 탐색 시간은 줄어들지만, 도 5에 도시된 바와 같이, 막혀있던 공간이 블록 맵에서는 빈공간으로 설정되어 원래의 공간 정보를 잃어버리는 경우가 발생할 수 있다.

도 5의 (a)는 셀 단위의 격자 맵을, (b)은 블록 크기를 2×2로 설정한 경우에 블록 맵을 나타낸다. (b)에 도시된 바와 같이, A 지점에서 B 지점으로 경로를 탐색할 경우, 블록 맵에서는 장애물 정보가 사라졌지 때문에 위에서 아래로 곧바로 경로가 생기는 문제가 발생하게 된다.

따라서, 본 발명에서는 블록의 크기를 상기의 수학식인 (m+1)/2×(m+1)/2 이하로 설정한다. 그 이유는 전처리 과정을 통해 격자 맵에서의 막힌 영역들이 확장되었기 때문이다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 중앙 가로 방향에 두께가 1인 막힌 영역이 존재하지만, 전처리 과정을 거치면 막힌 영역의 두께가 m으로 변환된다. 이때, 막힌 영역의 셀들을 포함하면서 상하 방향으로 인접한 두 블록을 고려하면, 두 블록의 상하 길이의 합은 2*(m+1)/2=m+1이기 때문에 블록의 경계가 어디에 존재하더라고 두 블록 중 하나는 반드시 막힌 공간 내부에 완전히 포함되게 된다.

상기와 같은 과정을 통해 생성된 블록 맵은 블록 경로 탐색 모듈(120)에 입력되며, 블록 경로 탐색 모듈(120)은 블록 맵을 토대로 출발지로부터 목적지까지의 블록 경로를 탐색한다. 즉, 격자 맵에서의 출발점을 s, 목적지를 g라 하면, 블록 맵에서의 출발지는 셀 s를 포함하는 블록으로 설정하고, 목적지는 셀 g를 포함하는 블록으로 설정한다. 이후, 블록 경로 탐색 모듈(120)은 출발지에서 목적지까지의 블록 경로를 소정의 알고리즘, 예컨대 A* 알고리즘, Dijkstra D*, 너비우선(breadth-first) 그래프 탐색, 깊이 우선(depth-first) 그래프 탐색 등 최적해를 보장하는 경로 탐색 알고리즘들 중에서 임의의 것을 사용하여 산출한다.

블록 경로 탐색 모듈(120)에 의해서 산출된 블록 경로는 최종 경로 탐색 모듈(130)에 입력되며, 최종 경로 탐색 모듈(130)은 산출된 블록 경로 상에 속하는 셀들에 대해 다시 경로 탐색을 수행함으로서, 셀 단위의 최종 경로를 산출한다. 좀 더 상세하게는, 전처리된 격자 맵에서 경로 탐색을 수행하되 탐색 대상이 되는 셀들을 블록 경로에 속하는 셀들로 한정한 후 경로 탐색 알고리즘, 예컨대 A* 알고리즘, Dijkstra D*, 너비우선(breadth-first) 그래프 탐색, 깊이 우선(depth-first) 그래프 탐색 등 최적해를 보장하는 경로 탐색 알고리즘들 중에서 임의의 것을 사용한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에서는 격자 맵을 전처리한 후 블록 맵을 생성하고, 블록 맵을 토대로 블록 경로 및 최종 경로를 탐색하는 것으로 예를 들어 설명하였지만, 다른 실시 예로서 블록 맵을 생성할 때 전처리 과정을 없이 격자 맵을 이용하여 블록 맵을 생성할 수 있다. 본 발명의 다른 실시 예에서 블록 맵을 설정할 때에는 블록 상태를 블록에 속하는 셀들이 모두 비어 있는 셀인 경우를 비어 있는 블록으로 설정하고, 하나의 셀이라도 막힌 셀이 존재할 경우 막힌 블록으로 설정한다.

본 발명의 다른 실시예의 경우에는 격자 맵에서 비어 있는 영역의 폭이 이동체의 크기에 비해 매우 큰 경우에 적용 가능한 방법이다.

상기에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시 예를 적용한 경우, 도 6에 도시된 바와 같이, 격자 맵에서 지점 P에서 지점 Q까지의 경로를 탐색했을 때의 처리 결과3Ghz의 일반 펜티엄 PC에서 0.047초가 걸렸다, 이때 이동체의 크기는 7×7이고, 블록의 크기는 4×4로 설정하였다. 이러한 처리 결과는 기존의 A* 알고리즘을 동일한 조건에서 그대로 적용하였때의 처리 시간 21.234초에 비해 약 450배의 속도 개선 효과를 보여준다.

본 발명에 따르면, 격자 맵을 전처리 과정을 통해 막힌 영역을 확장한 후 전처리된 맵을 일정 간격의 블록으로 분할하여 블록 맵을 생성하고, 블록 맵을 토대로 블록 경로를 설정한 후 블록 경로 상의 각 블록 내 셀들에 대한 최종 경로 탐색함으로서, 탐색 속도를 향상시킬 수 있다.

한편, 본 발명에서는 종래와 달리 전처리 단계 및 블록 맵 생성 단계가 더 포함되지만, 초기 격자 맵이 주어지면 사전에 한번만을 수행하면 되기 때문에 이들 맵을 생성하기 위한 처리 시간이 실제 경로 탐색 시간에 영향을 미치지 않음은 주지의 사실이다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시 예에서는 2차원 맵을 대상으로 설명되었으나 3차원 맵에 대해서도 동일하게 적용되는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 첨부한 특허청구범위의 범위 및 정신을 벗어나지 않고 다양한 수정 및 변형이 가능함은 명백한 것이다.

Claims

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(a) 이동체가 격자 맵 상에서 차지하는 격자 셀의 크기를 토대로 상기 격자 맵의 막힘 영역을 확장한 전처리 맵을 생성하는 단계와,

(b) 상기 전처리 맵에서 기 설정된 크기의 셀들을 병합하여 블록 맵을 생성하는 단계와,

(c) 상기 블록 맵을 이용하여 출발지에서 목적지까지의 블록 경로를 산출하는 단계와,

(d) 상기 산출된 블록 경로에 속하는 각 블록 내 셀들에 대해서 다시 셀 단위로 경로 탐색을 수행하여 상세 경로를 산출하는 단계

를 포함하는 경로 탐색 방법.
제 5 항에 있어서,

상기 (a) 단계는,

(a-1) 상기 이동체가 차지하는 격자 셀의 크기를 윈도우로 설정하는 단계와,

(a-2) 상기 윈도우 내의 모든 셀들이 비어 있는 셀인 경우 빈 셀로 설정하고, 그렇지 않을 경우 막힌 셀로 설정하는 단계

를 더 포함하는 경로 탐색 방법.
제 5 항에 있어서,

상기 (b) 단계는,

(b-1) 상기 전처리 맵에서 블록 크기를 설정하는 단계와,

(b-2) 상기 설정된 블록 크기 내 셀들의 상태를 토대로 상기 블록 맵 내 각 블록을 막힌 블록 또는 빈 블록으로 설정하는 단계

를 더 포함하는 경로 탐색 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 블록 크기는, 상기 격자 맵에서의 막힌 영역의 확장 크기 이하로 설정되는 것을 특징으로 하는 경로 탐색 방법.
제 8 항에 있어서,

상기 막힌 영역의 확장 크기는, 상기 이동체가 차지하는 셀의 크기가 m×m인 경우 (m-1)/2인 것을 특징으로 하는 경로 탐색 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 (b-2) 단계는,

상기 블록 크기 내의 모든 셀이 막힌 셀인 경우 상기 막힌 블록으로 설정하고, 그 외의 경우 상기 빈 블록으로 설정하는 것을 특징으로 하는 경로 탐색 방법.