KR101273245B1 - 자율이동 차량용 자율주행 시스템 및 이를 이용한 주행가능 경로 생성방법 - Google Patents

자율이동 차량용 자율주행 시스템 및 이를 이용한 주행가능 경로 생성방법 Download PDF

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박용운
신종호
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Abstract

본 발명은 수평면으로부터 서로 다른 지향각도를 갖는 제1 및 제2 경로로 레이저를 조사하여 목표지점과의 거리 데이터들을 수집하는 다중 스캔 레이다 및 상기 지향각도들 및 거리 데이터들에 근거하여, 상기 목표지점의 경사를 계산하여 주행가능 영역을 판별하고, 주행가능 영역의 경계값들로부터 주행가능 경로를 계산하는 연산유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 자율주행 시스템을 제공한다.

Description

자율이동 차량용 자율주행 시스템 및 이를 이용한 주행가능 경로 생성방법{AUTONOMOUS VEHICLE SYSTEM AND PATH DECISION METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 다중 스캔 레이다를 이용하여 주행가능 영역을 추출하는 자율이동 차량용 자율주행 시스템에 관한 것이다.
실외 이동로봇의 주행가능 영역을 찾고 주행가능 영역에 있어서 주행가능 경로점을 생성하는 기존의 방법들은 크게 2가지로 구분할 수 있다.
하나는 다양한 센서들(쌍안카메라, 2차원 또는 3차원 라이다 등)을 활용하여 3차원의 높이정보를 가지는 월드모델을 생성하고 생성된 월드모델에서 각각의 격자에 대해서 경사도를 계산하고 일정 경사도 아래의 격자를 지면 또는 주행가능 격자로 판단하고 주행가능 격자들에 대해서 다시 경로계획을 수행하는 방법이다.
대표적인 개념은 도 1과 같다. 도 1의 왼쪽과 같이 높이 정보를 가지는 3차원 월드모델을 생성하고 경사도를 분석하여 파란색과 같이 주행가능 영역을 계산한다. 계산된 주행가능 영역에 대해 차량이 주행할 수 있는 경로점을 생성하고 생성된 경로점을 추종함으로써 차량이 자율주행을 수행하게 된다.
다른 한가지는 영상 정보를 활용하여 주행가능 영역을 찾는 방법이다. 이 방법은 영상의 색이나 질감정보를 활용한 분류 알고리듬을 통해 주행가능 영역을 찾거나 영상에서 경계선을 찾아서 주행가능 영역을 찾는 방법, V-disparity를 활용하여 주행가능 영역을 찾는 등 다양한 방법이 있다.
대표적인 개념은 도 2와 같다. 도 2의 (a)는 쌍안카메라의 한 쪽 영상이고 (b)는 영상의 각 픽셀을 하나의 Texton을 할당한 결과이다. (c)는 Texton들에 대한 각각의 히스토그램 프로파일을 할당한 결과이다. (d)는 결과적으로 주행가능이라고 분류된 것을 노란색으로 나타내었다.
상기와 같은 종래기술들에 의하면, 경로점을 생성하기 위한 계산량이 많아지고, 이에 따라 CPU의 부하가 높아지므로 SBC(Single Board Computer)가 처리하는데 무리가 생길 수 있다. 이로 인해, 복잡한 지형에서 운용되거나 빠른 속도로 주행할 경우 자율주행에 문제가 발생할 수 있다.
본 발명은 다중 스캔 레이다를 이용하여 보다 쉽고 빠르게 주행가능 영역을 추출하는 자율이동 차량용 자율주행 시스템을 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일실시예에 따르는 차량 자율주행 시스템은, 수평면으로부터 서로 다른 지향각도를 갖는 제1 및 제2 경로로 레이저를 조사하여 목표지점과의 거리 데이터들을 수집하는 다중 스캔 레이다 및 상기 지향각도들 및 거리 데이터들에 근거하여, 상기 목표지점의 경사를 계산하여 주행가능 영역을 판별하고, 주행가능 영역의 경계값들로부터 주행가능 경로를 계산하는 연산유닛을 포함한다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 차량 자율주행 시스템은 상기 주행가능 경로에 근거하여 차량의 자율이동을 제어하는 자율주행 처리장치를 더 포함한다.
본 발명과 관련된 다른 일 예로서, 상기 연산유닛은 상기 다중 스캔 레이다로부터 지향각도들 및 거리 데이터들을 수신하는 수신부와, 상기 지향각도들 및 거리 데이터들을 이용하여 주행가능 영역을 추출하는 제1 처리부와, 상기 주행가능 영역으로부터 주행가능 경로점을 계산하는 제2 처리부 및 상기 주행가능 경로점을 상기 자율주행 처리장치에 송신하는 송신부를 포함한다.
본 발명과 관련된 또 다른 일 예로서, 상기 제1 처리부는 제1 경로의 레이저에서 획득되는 목표지점과의 거리(d1)와 지향각도(θ1) 및 제2 경로의 레이저에서 획득되는 목표지점과의 거리(d2)와 지향각도(θ2)를 이용하여 목표지점의 수평거리(dH)와 수직거리(dV)를 계산하고, 상기 수평거리(dH) 및 수직거리(dV)를 이용하여 목표지점의 기울기를 계산하여 주행가능 영역을 추출해 내는 것을 특징으로 한다.
본 발명과 관련된 또 다른 일 예로서, 상기 제2 처리부는 주행가능 영역의 시작 각도와 거리 및 주행가능 영역의 끝 각도와 거리를 이용하여 각도 및 거리의 중간 값을 계산하고, 차량의 현재위치와 상기 중간 값을 비교하여 주행가능 경로점을 계산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명과 관련된 또 다른 일 예로서, 상기 다중 스캔 레이다는 서로 다른 지향각도를 갖는 제3 및 제4 경로로 레이저를 더 조사하며, 상기 제1 처리부는 상기 경로들 중 임의의 2개의 경로를 선택하여 주행가능 영역을 추출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 다중 스캔 레이다를 이용하여, 제1 경로의 레이저에서 획득되는 목표지점과의 거리(d1)와 지향각도(θ1) 정보 및 제2 경로의 레이저에서 획득되는 목표지점과의 거리(d2)와 지향각도(θ2) 정보를 획득하는 단계와, 상기 정보들을 이용하여 목표지점의 수평거리(dH) 및 수직거리(dV)를 계산하는 단계와, 상기 수평거리(dH) 및 수직거리(dV)를 이용하여 목표지점의 기울기(a)를 계산하는 단계 및 상기 기울기(a)가 기준 기울기보다 크면 주행불가능 영역으로 판정하고, 기준 기울기보다 작으면 주행가능 영역으로 판정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자율이동차량용 주행가능 경로 생성방법을 개시한다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 자율이동차량용 주행가능 경로 생성방법은 상기 주행가능 영역의 시작 각도와 거리 및 주행가능 영역의 끝 각도와 거리를 이용하여 각도 및 거리의 중간 값을 계산하고, 차량의 현재위치와 상기 중간 값을 비교하여 주행가능 경로점을 계산하는 단계를 더 포함한다.
본 발명과 관련된 다른 일 예로서, 상기 자율이동차량용 주행가능 경로 생성방법은 상기 경로점을 따라 차량이 이동하는 단계를 더 포함한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 관련된 차량 자율주행 시스템 및 주행가능 경로 생성방법은 다중 스캔 레이다를 이용하여 주행가능 영역을 추출하고 주행가능 경로점을 생성하여, 3차원 월드모델 또는 영상 정보를 활용하는 종래 기술들에 비해 계산량을 줄일 수 있다. 이를 통해 SBC(Single Board Computer) 내에 CPU에 적은 부하를 주어 차량이 포장도로, 비포장도로 및 야지에서 고속으로 자율주행할 수 있게 한다.
도 1은 3차원 월드모델을 이용하여 주행가능 영역을 찾는 종래 기술의 개념도.
도 2는 영상 정보를 활용하여 주행가능 영역을 찾는 종래 기술의 개념도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자율주행 시스템을 구비한 자율이동 차량의 사시도.
도 4는 본 발명의 다중 스캔 레이다 기반 경사 계산 개념도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자율주행 시스템의 장치 구성도.
도 6은 다중 스캔 레이다에 의하여 수집된 각도별 거리데이터.
도 7은 도 6의 거리데이터를 처리하여 주행가능 영역만 획득한 데이터.
도 8은 주행가능 영역 추출방법의 기능 흐름도.
도 9는 주행가능 경로점 생성방법의 기능 흐름도.
도 10은 본 발명의 테스트 지역 사진.
도 11 및 도 12는 도10의 테스트 지역에 대한 테스트 결과를 나타낸 도면.
이하, 본 발명과 관련된 차량(100) 자율주행 시스템 및 주행가능 경로 생성방법에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자율주행 시스템을 구비한 자율이동 차량(100)의 사시도이다.
도 3을 참조하면, 자율이동 차량(100)은 다중 스캔 레이다(110)를 이용하여 주변의 지형정보를 센싱하고 판단하여 이동할 수 있도록 이루어진다. 자율이동 차량(100)은 본체와 상기 본체에 장착되는 자율주행 시스템을 포함한다.
본체는 차량(100)이 지면을 이동할 수 있도록 복수의 바퀴(101)들을 구비한다. 바퀴(101)들은 차량(100)이 야지 및 험지에서 주행할 수 있도록 본체에 회전 가능하게 연결된 암에 결합될 수 있다.
본체에는 차량(100)의 자율주행 경로를 판별하여 제어하는 자율주행 시스템이 장착된다.
자율주행 시스템은 다중 스캔 레이다(110)와, 연산유닛(120) 및 자율주행 처리장치(130)를 포함한다.
다중 스캔 레이다(110)는 차량(100) 전방의 주행 경로를 빠르게 탐색하기 위해 차량(100)은 전방에 장착된다. 또한, 주행 가능 영역을 잘 인식할 수 있도록 아래를 향하도록 기울어져 있는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 다중 스캔 레이다(110) 기반 경사 계산 개념도이다.
도 4를 참조하면, 차량(100)에 탑재된 다중 스캔 레이다(110)는 아래를 향하도록 기울어져 있다. 다중 스캔 레이다(110)는 수평면으로부터 서로 다른 지향각도를 갖는 제1 및 제2 경로로 레이저를 조사하여 목표지점과의 거리 데이터들을 수집한다.
제1 경로의 레이저를 통해 획득되는 목표지점과의 거리는 d1, 수평과 기울어진 각도는 θ1로 정의하고, 제2 경로의 레이저를 통해 획득되는 목표지점과의 거리는 d2, 수평과 기울어진 각도는 θ2로 정의한다.
도시된 바에 따르면, 목표지점과 수평거리(dH)와, 수직거리(dV) 및 경사(a)는 다음과 같이 계산된다.
Figure 112013017165064-pat00001
Figure 112013017165064-pat00002
Figure 112013017165064-pat00003
이 때 목표지점의 경사 a는 상기 수식에서 볼 수 있는 바와 같이 % 값으로 계산된다. 자율주행 시스템은 상기 계산된 a값을 설정된 값과 비교하여 주행가능 영역을 판별한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자율주행 시스템의 장치 구성도이다.
도 5를 참조하면, 자율주행 시스템은 다중 스캔 레이다(110)와, 연산유닛(120) 및 자율주행 처리장치(130) 등을 포함한다.
다중 스캔 레이다(110)는 목표지점과의 거리 및 각도값을 측정하여 연산유닛(120)에 전달한다.
연산유닛(120)은 수신부(121), 제1 처리부(122), 제2 처리부(123) 및 송신부(124) 등을 포함한다.
수신부(121)는 다중 스캔 레이다(110)로부터 수집된 데이터들을 수신한다.
제1 처리부(122)는 지향각도들 및 거리 데이터들을 이용하여 주행가능 영역을 추출해 낸다. 보다 구체적으로, 제1 처리부(122)는 제1 경로의 레이저에서 획득되는 목표지점과의 거리(d1)와 지향각도(θ1) 및 제2 경로의 레이저에서 획득되는 목표지점과의 거리(d2)와 지향각도(θ2)를 이용하여 목표지점의 수평거리(dH)와 수직거리(dV)를 계산하고, 상기 수평거리(dH) 및 수직거리(dV)를 이용하여 목표지점의 기울기를 계산하여 주행가능 영역을 추출해 낸다. 제1 처리부(122)가 수행하는 계산은 위에서 설명한 수식에 의한다.
제2 처리부(123)는 제1 처리부(122)에서 추출해 낸 주행가능 영역으로부터 주행가능 경로점을 계산한다. 보다 구체적으로, 제2 처리부(123)는 주행가능 영역의 시작 각도와 거리 및 주행가능 영역의 끝 각도와 거리를 이용하여 각도 및 거리의 중간 값을 계산한다.
계산된 주행가능 경로점은 차량(100)이 고속일 경우 경로점 계산 오차에 의한 차량(100)의 좌우 떨림 현상을 줄이기 위해 차량(100)의 현재 위치와 계산된 주행가능 경로점을 잇는 일정한 거리로 선분을 연장해서 새로운 주행가능 경로점을 생성한다.
도 6은 다중 스캔 레이다(110)에 의하여 수집된 각도별 거리데이터이고, 도 7은 도 6의 거리데이터를 처리하여 주행가능 영역만 획득한 데이터이다.
본 실시예에 따르면, 다중 스캔 레이다(110)는 제1 경로 및 제2 경로와 서로 다른 지향각도를 갖는 제3 및 제4 경로로 레이저를 더 조사한다. 또한, 제1 처리부(122)는 제1 내지 제4 경로 중 임의의 2개의 경로를 선택하여 주행가능 영역을 추출해 낸다. 본 실시예에서는 레이저가 4개의 경로를 통해 조사되지만 본 발명의 권리 범위는 4개의 경로를 갖는 다중 스캔 레이저에 한정되지 않는다.
도 6에서는 임의 철책 주행로에 대해 다중 스캔 레이다(110)로부터 획득된 각도별 거리데이터를 나타낸다. 이 때, 다중 스캔 레이다(110)는 상기 4개의 경로 중 임의의 2개 경로를 선택하여 목표지점의 경사를 계산하고, 주행 가능하다고 판단된 선택에 대해서만 가상센서에 데이터를 저장한다.
도 7은 해당 데이터를 처리하여 주행가능 영역만 획득한 데이터이다. 가상센서의 각도별 거리 데이터를 활용하여 주행 가능영역을 추출한다. 가상센서의 각도별 거리 데이터에서 연속된 거리 데이터들을 추출하고 추출된 데이터들로부터 시작 각도 및 거리, 끝 각도 및 거리를 찾아낸다. 이로부터 주행 가능영역을 알아낸다.
도 8은 주행가능 영역 추출방법의 기능 흐름도이고, 도 9는 주행가능 경로점 생성방법의 기능 흐름도이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 주행가능 경로점은 주행가능 영역의 시작 각도 및 거리, 끝 각도 및 거리를 바탕으로 시작 각도 및 끝 각도의 중간 각도와, 시작 거리 및 끝 거리의 중간 값을 계산하고 차량(100)의 현재 위치와 센서의 위치를 고려하여 계산된 각도와 거리를 절대좌표에서의 위치로 변환하여 계산해낸다. 계산된 주행가능 경로점은 차량(100)이 고속일 경우 경로점 계산 오차에 의한 차량(100)의 좌우 떨림 현상을 줄이기 위해 차량(100)의 현재 위치와 계산된 주행가능 경로점을 잇는 일정한 거리로 선분을 연장해서 새로운 주행가능 경로점을 생성한다.
도 10은 본 발명의 테스트 지역 사진이고, 도 11 및 도 12는 도10의 테스트 지역에 대한 테스트 결과를 나타낸 도면이다.
도 10의 주행 시나리오 (a)에 대해서 주행가능 경로점을 생성한 결과는 도 11과 같다. 파란색 선이 차량(100)의 위치를 나타내고, 빨간색 선은 필터링 되지 않은 주행가능 경로점이고 하늘색 선은 필터링된 주행가능 경로점을 나타낸다. 생성된 주행가능 경로점은 대체로 도로의 중앙에 생성되고 차량(100)은 왕복 2차선 도로의 우측을 주행함으로 인해 하늘색 선과 파란색 선간에 약간의 차이가 생기게 된다.
도 10의 주행 시나리오 (b)에 대해서 주행가능 경로점을 생성한 결과는 도 12와 같다. 주행 시나리오(b)의 비포장 도로는 폭이 일정하지 않으므로 차량(100)의 주행 위치와 주행가능 경로점 사이에 차이가 생긴다. 특히 맨 마지막 지점에서 큰 차이를 보이는 것은 마지막 지점이 넓은 공터 지역이기 때문인 것으로 추정할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 관련된 차량(100) 자율주행 시스템 및 주행가능 경로 생성방법은 다중 스캔 레이다(110)를 이용하여 주행가능 영역을 추출하고 주행가능 경로점을 생성하여, 3차원 월드모델 또는 영상 정보를 활용하는 종래 기술들에 비해 계산량을 줄일 수 있다. 이를 통해 SBC(Single Board Computer) 내에 CPU에 적은 부하를 주어 차량(100)이 포장도로, 비포장도로 및 야지에서 고속으로 자율주행할 수 있게 한다.
상기와 같이 설명된 차량(100) 자율주행 시스템은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (9)

  1. 수평면으로부터 서로 다른 지향각도를 갖는 제1 및 제2 경로로 레이저를 조사하여 목표지점과의 거리 데이터들을 수집하는 다중 스캔 레이다;
    상기 지향각도들 및 거리 데이터들에 근거하여, 상기 목표지점의 경사를 계산하여 주행가능 영역을 판별하고, 주행가능 영역의 경계값들로부터 주행가능 경로를 계산하는 연산유닛; 및
    상기 주행가능 경로에 근거하여 차량의 자율이동을 제어하는 자율주행 처리장치를 포함하며,
    상기 연산유닛은,
    상기 다중 스캔 레이다로부터 지향각도들 및 거리 데이터들을 수신하는 수신부;
    상기 지향각도들 및 거리 데이터들을 이용하여 주행가능 영역을 추출하는 제1 처리부;
    상기 주행가능 영역의 시작 각도와 거리 및 주행가능 영역의 끝 각도와 거리를 이용하여 각도 및 거리의 중간 값을 계산하고, 차량의 현재위치와 상기 중간 값을 비교하여 주행가능 경로점을 계산하는 제2 처리부; 및
    상기 주행가능 경로점을 상기 자율주행 처리장치에 송신하는 송신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 자율주행 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 처리부는,
    제1 경로의 레이저에서 획득되는 목표지점과의 거리(d1)와 지향각도(θ1) 및 제2 경로의 레이저에서 획득되는 목표지점과의 거리(d2)와 지향각도(θ2)를 이용하여 목표지점의 수평거리(dH)와 수직거리(dV)를 계산하고, 상기 수평거리(dH) 및 수직거리(dV)를 이용하여 목표지점의 기울기를 계산하여 주행가능 영역을 추출해 내는 것을 특징으로 하는 차량 자율주행 시스템.
  5. 삭제
  6. 수평면으로부터 서로 다른 지향각도를 갖는 제1 내지 제4 경로로 레이저를 조사하여 목표지점과의 거리 데이터들을 수집하는 다중 스캔 레이다;
    상기 지향각도들 및 거리 데이터들에 근거하여, 상기 목표지점의 경사를 계산하여 주행가능 영역을 판별하고, 주행가능 영역의 경계값들로부터 주행가능 경로를 계산하는 연산유닛; 및
    상기 주행가능 경로에 근거하여 차량의 자율이동을 제어하는 자율주행 처리장치를 포함하며,
    상기 연산유닛은,
    상기 다중 스캔 레이다로부터 지향각도들 및 거리 데이터들을 수신하는 수신부;
    상기 경로들 중 임의의 2개의 경로를 선택하고 상기 지향각도들 및 거리 데이터들을 이용하여 주행가능 영역을 추출하는 제1 처리부;
    상기 주행가능 영역으로부터 주행가능 경로점을 계산하는 제2 처리부; 및
    상기 주행가능 경로점을 상기 자율주행 처리장치에 송신하는 송신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 자율주행 시스템.
  7. 다중 스캔 레이다를 이용하여, 제1 경로의 레이저에서 획득되는 목표지점과의 거리(d1)와 지향각도(θ1) 정보 및 제2 경로의 레이저에서 획득되는 목표지점과의 거리(d2)와 지향각도(θ2) 정보를 획득하는 단계;
    상기 정보들을 이용하여 목표지점의 수평거리(dH) 및 수직거리(dV)를 계산하는 단계;
    상기 수평거리(dH) 및 수직거리(dV)를 이용하여 목표지점의 기울기(a)를 계산하는 단계;
    상기 기울기(a)가 기준 기울기보다 크면 주행불가능 영역으로 판정하고, 기준 기울기보다 작으면 주행가능 영역으로 판정하는 단계; 및
    상기 주행가능 영역의 시작 각도와 거리 및 주행가능 영역의 끝 각도와 거리를 이용하여 각도 및 거리의 중간 값을 계산하고, 차량의 현재위치와 상기 중간 값을 비교하여 주행가능 경로점을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자율이동차량용 주행가능 경로 생성방법.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상기 경로점을 따라 차량이 자율이동하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자율이동차량용 주행가능 경로 생성방법.
KR1020130020496A 2013-02-26 2013-02-26 자율이동 차량용 자율주행 시스템 및 이를 이용한 주행가능 경로 생성방법 KR101273245B1 (ko)

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