KR101529026B1

KR101529026B1 - 가중치 기반의 임무지향 전역경로 생성 방법

Info

Publication number: KR101529026B1
Application number: KR1020130137511A
Authority: KR
Inventors: 박원익; 이호주; 김도종
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2013-11-13
Filing date: 2013-11-13
Publication date: 2015-06-15
Also published as: KR20150055318A

Abstract

본 발명은 로봇의 전역 경로 계획 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 지형 정보 분석 정보와 임무 유형과의 관련성을 사전에 다수의 전문가를 통해 획득하여 임무 유형 및 지형 정보 분석 정보에 대한 가중치를 수치적으로 부여하여 임무 지향 전역경로를 생성하는 방법에 대한 것이다.

Description

가중치 기반의 임무지향 전역경로 생성 방법{Method for producing mission-critical global paths based weights of geographic analysis information}

오늘날 인명손실을 최소화하면서 작전 목적을 달성케 하여 그 활용도가 큰 무인 전투 체계에 대한 관심이 크다. 이러한 무인 전투 체계는 유인 체계 대비 경제적이고 작전의 지속성을 보장 할 수 있다는 장점을 지닌다.

또한, 각종 첨단기술이 망라된 복합 시스템으로 부가 가치가 매우 큰 것으로서 타 분야의 기술을 선도하고 기존의 로봇산업을 견인할 수 있을 것으로 기대되는 무기체계이다.

이러한 무인 전투 체계의 효과적인 운용을 위해서는 무엇보다 지휘통제의 주체가 되는 지휘 통제 차량에서 군사적 운용개념이 적용된 로봇의 임무통제 방법이 중요하다.

임무통제는 근접제어, 원격통제 및 자율 방법이 있으며 기 계획된 임무에 따라 각기 다른 방법으로 운용이 가능하지만 무인 전투 체계의 운용 개념상 자율 임무 통제 방법이 가장 의미가 있는 통제 방법이라 할 수 있다. 이러한 자율 임무통제 방법을 수행함에 있어서 로봇의 임무에 따라 로봇의 주행경로를 설정하는 경로계획(Path Planning) 기술은 필수적이다.

일반적으로 경로계획 기술은 비교적 넓은 지역을 대상으로 하여 주행경로를 최적화하는 전역경로계획(GPP: Global Path Planning)과 전역경로계획의 결과로 얻어진 경로점(Way Points)들을 대상으로 센서 및 항법장치를 이용하여 실시간 경로 최적화를 수행하는 지역경로계획(LPP: Local Path Planning)으로 구분된다.

일반적으로 전역경로계획 기술은 많은 연구가 진행된 상태이며 어느 정도 최적화된 상태이다. Dijkstra, A*, D* 등과 같은 알고리즘이 대표적이다.

하지만 이러한 일반적인 알고리즘은 무인 전투 체계 도메인의 특성을 반영하지 못하며 일반적인 경로탐색만을 제공한다. 실제 무인 전투 체계에서 로봇의 효과적인 전역 경로 계획을 위해서는 다양한 임무유형을 반영한 경로탐색이 이루어져야 한다.

관련 연구로 격자기반의 지형 정보 분석 정보(주행정도, 위협정도, 통신정도)를 활용하여 임무유형에 따라 전역 경로 계획을 제공하는 연구가 있다. 하지만 이와 같은 방법은 임무유형에 따른 전역경로계획을 제공하기 위해 필요한 3개의 지형 정보 분석 정보에 대한 가중치 부여가 지휘자 및/또는 운용자 한사람의 경험적 선택으로 결정되어 그 정확도 및 일관성이 떨어지는 문제점이 있었다.

1. 한국공개특허번호 제10-2013-0106161호 2. 한국공개특허번호 제10-2010-0108093호 3. 한국등록특허번호 제10-1091723호 4. 한국등록특허번호 제10-1179075호

1. 이호주외, "디지털지형정보 기반의 실시간 자율주행 격자지도 생성 연구"한국군사과학기술학회지 제14권 제4호 통권 제53호 (2011년 8월) pp.539-547 1598-9127 KCI.

본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 지휘자 및 운용자 한사람의 경험적 선택으로 가중치의 부여를 결정하지 않고, 대신에 지형 정보 분석 정보와 임무유형과의 관련성을 사전에 다수의 전문가를 통해 획득하여 임무유형 및 지형 정보 분석 정보에 대한 가중치를 수치적으로 부여하는 가중치 기반의 임무지향 전역경로 생성 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 지형 정보 분석 정보와 임무유형과의 관련성을 사전에 다수의 전문가를 통해 획득하여 임무유형 및 지형 정보 분석 정보에 대한 가중치를 수치적으로 부여하는 가중치 기반의 임무지향 전역경로 생성 방법을 제공한다.

상기 임무지향 전역경로 생성 방법은,

정보를 송수신하는 통신부, 명령을 입력받는 입력부, 상기 입력부 및 통신부를 통해 입력된 정보 및 명령을 처리하는 프로세서, 및 처리된 정보를 출력하는 디스플레이를 갖는 지휘 통제 차량에서 임무 유형 및 지형 정보 분석 정보에 따라 로봇의 주행경로를 설정하는 가중치 기반의 임무지향 전역경로 생성 방법으로서,

임무 유형 및 지형 정보 분석 정보로 이루어진 연관 노들간의 쌍대 비교 행렬을 산출하는 단계;

쌍대 비교 행렬의 상대 중요도 지표를 이용하여 쌍대 비교표를 산출하는 단계;

쌍대 비교표를 정방행렬로 변환하는 단계;

정방 행렬을 이용하여 고유치 및 고유 벡터를 산출하는 단계;

가장 큰 고유치를 갖는 고유 벡터를 가중치로 결정하는 단계; 및

결정된 가중치를 이용하여 임무지향 전역 경로 계획(GPP)을 계층도로 표현하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 계층도는, 임무 지향 전역 경로 계획계층과, 임무지향 전역 경로와 관련되는 임무 유형 계층과, 상기 임무 유형과의 관련성을 갖는 지형 분석 정보 계층으로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 가중치는 임무 유형 가중치(w)와 해당 지형분석 정보에 대한 가중치(w, u, t, s)로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 임무지향 전역 경로 계획(GPP)은 수학식 GPP = (w₁x 이동(M)) + (w₂x 감시경계(W)) + (w₃x 지뢰탐지(D)) + (w₄x 임무대기(S))로 정의되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 상대 중요도 지표는 매우중요, 중요, 보통, 중요하지않음, 및 전혀중요하지않음으로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 고유치 및 고유 벡터는 수학식

(여기서, A = n x n 행렬, x = n x 1 행렬,

=scalar이며, x ≠ 0 일 때 해를 구하면

값이 구해지며 이를 행렬 A의 고유치라 한다)로 정의되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따르면, 지형 정보 분석 정보와 임무유형과의 관련성을 사전에 다수의 전문가를 통해 획득하여 임무유형 및 지형 정보 분석 정보에 대한 가중치를 수치적으로 부여함으로써 소수의 지휘자 및 운용자를 통해 부여되던 가중치로 인한 경로계획의 정확도 결여 및 일관성 결여 문제를 보완할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 효과로서는 소수의 지휘자 및 운용자의 경험에 의한 로봇 통제 시 보다 효과적인 운용이 가능하다는 점을 들 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 임무지향 전역 경로 계획을 위한 계층도를 보여주는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 level 1(L1)의 노들에 대한 쌍대 비교표의 예를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 level 2(L2)의 노들에 대한 쌍대 비교표의 예를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 가중치 부여의 예를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 임무지향 전역경로 생성을 위한 가중치를 산출하여 부여하는 과정을 보여주는 흐름도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.

제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 가중치 기반의 임무지향 전역경로 생성 방법을 상세하게 설명하기로 한다.

일반적으로 임무유형에 따른 전역경로계획 방법은 격자 기반의 지형 정보 분석 정보(예를 들면, 주행 정도, 위협 정도, 통신 정도 등을 들 수 있음)를 이용하여 전역 경로를 최적화하기 위해서는 다음 수학식 1 및 수학식 2에서처럼 A* 목적 함수 계산식을 통하여 가능하다.

여기서,

이고,

는 주행정도 가중치를,

는 위협정도 가중치를,

는 통신정도 가중치를 의미한다. 즉, 여기서,

,

는 다양한 지형분석정보의 가중치를 의미한다.

목적함수 f(n)는 로봇이 출발점으로부터 n번째 격자까지의 비용값 g(n)와 현재의 격자에서 목표점까지의 비용 예측값인 h(n)의 합으로 구성되며 이러한 f(n)가 최소가 되는 n+1 격자를 찾는 과정을 통해 경로탐색이 이뤄진다.

이때, 다양한 지형분석 정보(주행 정도, 위협 정도, 통신 정도)를 반영한 전역 경로 계획을 위해서는 주행 정도, 위협 정도, 통신 정도를 수학식 1에 적용하여 각각의 목적함수(t, r, u)를 수학식 2와 같이 선형 조합함으로써 최적경로 생성이 가능하다.

지휘자 및 운용자는 임무에 따른 각각의 가중치를 임의로 조절하여 경로생성이 가능하다. 이러한 경로생성 방법은 각각의 가중치에 따라 생성된 경로의 정확도가 결정된다. 따라서 경로탐색 시 임무유형에 따른 가중치 부여 방법이 무엇보다 중요하다고 할 수 있다. 그러나, 앞서 기술한 바와 같이, 이러한 방법은 지휘자 및/또는 운용자 한 두 사람의 경험적 지식만으로 가중치가 결정되기 때문에 정확도 및/또는 일관성이 떨어지는 문제를 갖는다.

따라서, 본 발명의 일실시예에서는 가중치 기반의 임무지향 전역경로를 생성하기 위한 임무 및 지형분석 정보에 대한 가중치 부여방법 및 그 적용방법에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 임무지향 전역 경로 계획을 위한 계층도를 보여주는 개념도이다. 부연하면, 임무지향 전역 경로 계획은 도 1에 도시된 바와 같이 관련 요소를 계층화하여 표현가능하다.

도 1을 참조하면, 계층도(100)의 맨 위층이 임무 지향(110)이고, 그 다음 계층이 임무(120)이며, 맨 아래층이 지형 분석 정보(130)이다. 임무지향 전역 경로 계획 계층(GPP: Global Path Planning)(110) 생성시 관련된 임무 유형 계층(120)에는 이동 임무(121), 감시 경계 임무(122), 지뢰탐지 임무(123), 임무대기 임무(124) 등이 구성되며, 각각 지형분석 정보 계층(130)이 관련된다. 지형분석 정보 계층(130)으로는 주행(131), 안전(132), 통신(133) 등을 들 수 있다.

즉, 가중치 기반의 임무지향 전역경로계획을 생성하기 위해서는 level 1의 임무유형 가중치(w)와 level 2의 해당 지형분석 정보에 대한 가중치(v, u, t, s)가 필요하다. 각각의 가중치를 기지했을 때 가중치 기반의 임무지향 경로계획은 아래와 같이 가능하다.

[수학식 1]

(임무지향) GPP = (w₁ x 이동(M)) + (w₂ x 감시경계(W)) + (w₃ x 지뢰탐지(D)) + (w₄ x 임무대기(S))

여기서, 이동(M) = (v₁ x v) + (v₂ x r) + (v₃ x c),

감시경계(W) = (u₁ x v) + (u₂ x r) + (u₃ x c),

지뢰탐지(D) = (t₁ x v) + (t₂ x r) + (t₃ x c),

임무대기(S) = (s₁x v) + (s₂x r) + (s₃x c)이다.

또한, w1 내지 w4, v1 내지 v3, u1 내지 u3, t1 내지 t3, 및 s1 내지 s3의 값을 보여주는 예가 도 2 내지 도 3에 도시된다.

계속 도 1을 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따라 도 1에 도시된 level 1(L1), level 2(L2)의 노드들에 대한 가중치 결정 방법에 대해 설명한다. 각 노드에 대한 가중치는 연관(sibling) 노드들 간의 쌍대 비교 행렬을 이용하여 계산되며 쌍대 비교 행렬을 구성하는 값들은 정의한 상대 중요도 지표로 작성된다. 아래는 정의한 상대 중요도 지표이다.

▶ 중요도 지표

- 매우중요 (IF A is absolutely more important than B): 3점

- 중요 (If A is very strongly more important than B): 2점

- 보통 (If A is strongly more important than B): 1점

- 중요하지않음 (If A is weakly more important than B): 1/2

- 전혀중요하지않음 (If A is equally important with B): 1/3

중요도 지표를 이용하여 전문가 집단으로부터 도 2 내지 도 3과 같은 쌍대 비교표를 구한다. 획득한 쌍대 비교표는 가중치 계산을 위해 4x4, 3x3 정방행렬 형태로 변환한다. 예로든 도 2 내지 도 3을 행렬형태로 변경하여 작성하면 다음식과 같다.

[수학식 2]

[수학식 3]

[수학식 4]

[수학식 5]

[수학식 6]

쌍대 비교표를 이용하여 변경한 행렬은 고유치(Eigenvalue)와 고유벡터(Eigenvector)를 이용하여 최종 가중치를 구한다.

가장 큰 고유치를 갖는 고유벡터를 가중치로 결정한다. 고유치와 고유벡터는 다음 수학식과같이 정의된다.

[수학식 7]

여기서, A = n x n 행렬, x = n x 1 행렬,

=scalar이다. x ≠ 0 일 때 해를 구하면

값이 구해지며 이를 행렬 A의 고유치라 한다.

가장 큰 고유치를 수학식 7에 대입하여 계산하여 얻어진 nx1 행렬 x가 행렬 A의 고유벡터가 된다. 본 발명의 일실시예에서는 가장 큰 고유치일 때의 고유벡터를 가중치로 적용한다.

즉, 쌍대비교표를 이용하여 획득한 행렬(L_1,L_{2_M,}L_{2_W,}L_{2_D,}L_{2_S})들을 대상으로 고유벡터를 각각 구하고 이를 도 1에서의 각 노드들의 가중치로 부여한다. 예로든 도 2 내지 도 3에 대한 가중치를 부여한 결과를 보여주는 도면이 도 4에 도시된다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 가중치 부여의 예를 보여주는 도면이다. 도 4를 참조하면, level 1의 임무 유형 가중치(w)(331 내지 334)와 level 2의 해당 지형분석 정보에 대한 가중치(w, u, t, s)(341 내지 143)가 적용되는 개념도이다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 임무지향 전역경로 생성을 위한 가중치를 산출하여 부여하는 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 5를 참조하면, level 1(도 1의 L1)의 임무 유형(121 내지 124) 및 level 2(도 1의 L2)의 지형 정보 분석 정보(131 내지 133)로 이루어진 연관 노들간의 쌍대 비교 행렬을 산출한다(단계 S510).

쌍대 비교 행렬의 상대 중요도 지표를 이용하여 쌍대 비교표(도 2 내지 도 3)를 산출하고, 쌍대 비교표를 정방행렬로 변환한다(단계 S520,S530).

변환된 정방 행렬을 이용하여 고유치 및 고유 벡터를 산출하고, 산출된 고유치들 중 가장 큰 고유치를 갖는 고유 벡터를 가중치로 결정하여 가중치를 부여한다(단계 S540,S550,S560).

100: 계층도
121,122,123,124: 임무 유형
131,132,133: 지형 분석 정보
331,332,333,334: 임무 유형 가중치
341,342,343: 해당 지형분석 정보에 대한 가중치

Claims

정보를 송수신하는 통신부, 명령을 입력받는 입력부, 상기 입력부 및 통신부를 통해 입력된 정보 및 명령을 처리하는 프로세서, 및 처리된 정보를 출력하는 디스플레이를 갖는 지휘 통제 차량에서 임무 유형 및 지형 정보 분석 정보에 따라 로봇의 주행경로를 설정하는 가중치 기반의 임무지향 전역경로 생성 방법에 있어서,
상기 프로세서는, 상기 통신부 및 입력부를 통해 입력되는 임무 유형 및 지형 정보 분석 정보로 이루어진 연관 노드들간의 쌍대 비교 행렬을 산출하는 단계;
상기 프로세서는, 쌍대 비교 행렬의 상대 중요도 지표를 이용하여 쌍대 비교표를 산출하는 단계;
상기 프로세서는, 쌍대 비교표를 정방행렬로 변환하는 단계;
상기 프로세서는, 정방 행렬을 이용하여 고유치 및 고유 벡터를 산출하는 단계;
상기 프로세서는, 가장 큰 고유치를 갖는 고유 벡터를 가중치로 결정하는 단계; 및
상기 프로세서는, 결정된 가중치를 이용하여 임무지향 전역 경로 계획(GPP)을 계층도로 표현하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 가중치 기반의 임무지향 전역경로 생성 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 계층도는, 임무 지향 전역 경로 계획계층과, 임무지향 전역 경로와 관련되는 임무 유형 계층과, 상기 임무 유형과의 관련성을 갖는 지형 분석 정보 계층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가중치 기반의 임무지향 전역경로 생성 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 가중치는 임무 유형 가중치(w)와 해당 지형분석 정보에 대한 가중치(v, u, t, s)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가중치 기반의 임무지향 전역경로 생성 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 임무지향 전역 경로 계획(GPP)은 수학식 GPP = (w₁x 이동(M)) + (w₂x 감시경계(W)) + (w₃x 지뢰탐지(D)) + (w₄x 임무대기(S))로 정의되는 것을 특징으로 하는 가중치 기반의 임무지향 전역경로 생성 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 상대 중요도 지표는 매우중요, 중요, 보통, 중요하지않음, 및 전혀중요하지않음으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가중치 기반의 임무지향 전역경로 생성 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 고유치 및 고유 벡터는 수학식
(여기서, A = n x n 행렬, x = n x 1 행렬,
=scalar이며, x ≠ 0 일 때 해를 구하면
값이 구해지며 이를 행렬 A의 고유치라 한다)로 정의되는 것을 특징으로 하는 가중치 기반의 임무지향 전역경로 생성 방법.