KR101968127B1 - 군집 무인체계 자율탐색 및 지도생성 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탐색용 격자 지도상에 위치하는 복수의 포인트 중 로봇과 최단거리에 위치한 오픈포인트를 타깃포인트로 선정하는 타깃포인트 선정단계, 상기 타깃포인트가 중복 선정된 상태가 아닌지 확인하는 타깃포인트 중복 판단단계, 상기 로봇이 상기 타깃포인트로 이동하는 이동단계, 상기 이동단계의 진행시간이 기설정 된 시간 미만인지 판단하는 이동시간 판단단계, 상기 타깃포인트의 상태를 변경하는 타깃포인트 상태변경단계, 상기 격자 지도상에 상기 오픈포인트가 존재하는지 판단하는 잔여 오픈포인트 판단단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 로봇을 이용한 자율탐색 및 지도생성 방법에 관한 것이다.

Description

군집 무인체계 자율탐색 및 지도생성 방법{THE METHOD OF EXPLORATION AND MAP BUILDING WITH MULTI-ROBOT}
본 발명은 군사용 탐색 알고리즘으로, 구체적으로는 복수의 로봇을 이용한 자율탐색 및 지도생성 방법에 관한 것이다.
종래의 기술인 특허 1(등록특허 제0877072호)과 특허 2(등록특허 제1372482호)는 청소로봇에 관한 것으로서, 청소로봇이 모든 영역을 빠짐없이 돌아다녀야 청소가 완료된 것이다. 상기 특허 1,2는 단일 로봇을 이용한 물채우기 방식(청소를 수행해야 할 폐곡선 내의 공간이 하단부에서부터 상단부까지 모두 채워지면 청소가 완료되는 방식)을 적용하여 격자 지도의 모든 격자를 청소하여 지도를 생성한다. 하지만 상기 물채우기 방식은 간단하지만 시간을 절약하는 면에서 최적화된 탐험방식은 아니며 상기 특허 1,2는 한 대의 로봇을 이용한 탐험만을 다루고 있다.
한국 등록특허공보 KR10-0877072 한국 등록특허공보 KR10-1372482
상술한 문제점을 해결하고자, 본 발명은 로봇이 반복적으로 가장 가까운 미지의 영역을 찾고 최단거리 경로로 이동함으로써 시간을 절약하는 탐색방법을 제공한다. 또, 기존의 로봇을 이용한 민간 자율 탐험 기술은 한 대의 로봇을 이용하여 주어진 영역을 탐험하는 것을 다루었지만 본 발명에서는 여러 대의 로봇을 이용하여 주어진 영역을 더 신속하게 탐험할 수 있으며 하나의 로봇이 고장 나더라도 다른 로봇이 임무를 계속 수행할 수 있는 군집 무인체계 자율탐색 및 지도생성 방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 탐색용 격자 지도상에 위치하는 복수의 포인트 중 로봇과 최단거리에 위치한 오픈포인트를 타깃포인트로 선정하는 타깃포인트 선정단계, 상기 타깃포인트가 중복 선정된 상태가 아닌지 확인하는 타깃포인트 중복 판단단계, 상기 로봇이 상기 타깃포인트로 이동하는 이동단계, 상기 이동단계의 진행시간이 기설정 된 시간 미만인지 판단하는 이동시간 판단단계, 상기 타깃포인트의 상태를 변경하는 타깃포인트 상태변경단계, 상기 격자 지도상에 상기 오픈포인트가 존재하는지 판단하는 잔여 오픈포인트 판단단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 로봇을 이용한 자율탐색 및 지도생성 방법이다.
본 발명은 로봇이 반복적으로 가장 가까운 미지의 영역을 찾고 최단거리 경로로 이동함으로써 탐색 시간을 절약할 수 있으며 여러 대의 로봇을 동시에 운용하여 주어진 영역을 더 신속하게 탐색할 수 있고 만약 하나의 로봇이 고장 나더라도 다른 로봇이 임무를 계속 수행하고 완료할 수 있다. 또한 본 기술을 이용하면 로봇의 움직임 패턴이 불규칙하여 침입자가 미리 간파할 수 없으므로 침입자 포착에도 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 타깃포인트 선정 방법을 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 로봇 한 대를 적용한 경우의 탐색루트(a)와 로봇 두 대를 적용한 탐색루트(b)를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 자율탐색 및 지도생성 방법의 순서도이다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시 예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 구성은 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
본 발명은 탐색용 격자 지도상에 위치하는 복수의 포인트 중 로봇(100)과 최단거리에 위치한 오픈포인트를 타깃포인트로 선정하는 타깃포인트 선정단계(S10), 상기 타깃포인트가 중복 선정된 상태가 아닌지 확인하는 타깃포인트 중복 판단단계(S20), 상기 로봇이 상기 타깃포인트로 이동하는 이동단계(S30), 상기 이동단계의 진행시간이 기설정 된 시간 미만인지 판단하는 이동시간 판단단계(S40), 상기 타깃포인트의 상태를 변경하는 타깃포인트 상태변경단계(S50), 상기 격자 지도상에 상기 오픈포인트가 존재하는지 판단하는 잔여 오픈포인트 판단단계(S70) 등을 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 로봇을 이용한 자율탐색 및 지도생성 방법이다.
상기 오픈포인트는 복수의 상기 포인트 중 장애물(300)과의 최단거리가 필수확보거리 이상이어야 하며, 상기 필수확보거리는 상기 로봇(100)이 이동하는데 필요한 최소 회전반경이다. 상기 로봇(100)은 상기 로봇의 외측둘레를 따라 등각 이격되어 위치하는 센서를 포함하며 상기 센서는 일정거리와 일정 폭의 커버영역(110)을 갖는다.
상기 타깃포인트 선정단계(S10)에서는 상기 로봇의 진행방향을 기준으로 -90°에서 90°의 범위에 위치하는 상기 센서의 커버영역(110)에 포함되는 상기 오픈포인트 중에서 상기 타깃포인트를 선정한다. 도 1은 상기 타깃포인트를 설정하는 방식을 보여주는 개념도로 원형의 로봇에 총 8개의 센서가 설치되어 있는 경우이다. 상기 로봇(100)의 좌-우에 장애물(300)이 존재하며 상기 센서가 상기 장애물을 인식하면 센서는 해당 장애물까지 거리를 측정한다. 상기 로봇(100)은 오른쪽에서 왼쪽으로 이동 중이며, 상기 로봇의 이동방향을 기준으로 상기 로봇의 좌-우 센서는 상기 센서의 커버영역(110)에 포함되므로 상기 장애물(300)을 인식하지만 다른 센서들은 장애물을 인식하지 않는다. 상기 센서가 상기 장애물(300)을 인식하면 상기 장애물 위치에 해당하는 격자 지도의 격자에서 상기 장애물이 존재할 확률을 일정 값만큼 증가시킨다. 상기 로봇(100)의 센서 잡음을 고려하여, 상기 센서가 상기 장애물(300)로 인식했다고 바로 해당 격자를 장애물로 판단하지 않고 상기 로봇이 움직임에 따라서 센서로 인식한 격자의 장애물 존재확률이 증가하여 기설정 된 확률값 이상이 되면 해당 격자에는 장애물이 존재하는 것으로 판단한다. 상기의 내용들을 바탕으로 하면 도 1에서 상기 로봇(100)으로부터 등거리 이격된 포인트 3개 중 P2, P3는 상기 장애물(300)과의 최단거리가 상기 필수확보거리 이하이므로 상기 타깃포인트로 선정될 수 없어 P1이 타깃포인트로 선정되는 것이다.
상기 타깃포인트 상태변경단계와 상기 타깃포인트의 정보가 갱신되는 타깃포인트 정보갱신단계가 동시에 진행되며(S50), 상기 타깃포인트 상태변경은 상기 타깃포인트가 클로즈드포인트(closed point) 상태로 변경되는 것이다.
상기 타깃포인트 정보갱신단계(S50)는 상기 이동시간 판단단계(S40)를 만족할 경우 상기 타깃포인트의 정상정보를 갱신하고, 상기 이동시간 판단단계를 만족하지 못할 경우 상기 장애물에 의한 정지상태로 판단하고 상기 타깃포인트의 장애정보를 갱신하며 상기 타깃포인트 정보갱신단계 및 상기 타깃포인트 정보갱신단계(S50)를 완료하면 취득한 최신 정보를 운용중인 복수의 상기 로봇과 공유하는 최신정보 공유단계(S60)를 진행한다.
상기 로봇(100)이 이동을 시작하고 상기 센서의 커버영역(110)에 포함되는 상기 오픈포인트가 발생하면 상기 오픈포인트의 상태를 변경하는 오픈포인트 상태변경단계(S50')가 진행된다.
상기 오픈포인트 상태변경단계(S50')는 상기 오픈포인트(open point)가 클로즈드포인트(closed point) 상태로 변경되는 것이다.
상기 센서의 커버영역(110)에 포함되는 상기 오픈포인트에서 장애정보가 검출되면 상기 오픈포인트의 장애물 존재확률을 갱신하는 오픈포인트 정보갱신단계(S50')가 진행되며, 상기 장애물(300) 존재확률이 기설정 된 확률치 이상이 되면 상기 탐색용 격자 지도상의 상기 오픈포인트에 해당 격자의 위치에 상기 장애물이 있다고 판단한다.
상기 오픈포인트 정보갱신단계 및 상기 오픈포인트 상태변경단계(S50')를 완료하면 취득한 최신 정보를 운용중인 복수의 상기 로봇과 공유하는 최신정보 공유단계(S60)를 진행한다.
상기 센서는 레이더 또는 소나일 수 있다.
도 3의 (a)는 본 발명에 따른 MATLAB 시뮬레이션 결과로 로봇 한 대(A)를 이용해 탐색한 경우이다. 상기 장애물(300,E)은 가는 선의 원형으로 나타냈고 상기 로봇이 방문한 오픈포인트는 상기 격자 지도상의 점으로 나타냈다. 상기 로봇이 오픈포인트를 방문했을 때 상기 센서의 커버영역은 상기 점을 중심으로 형성된 가는 원으로 단순화하여 나타내었다. 상기 로봇의 센서 커버영역이 상기 장애물을 제외한 모든 지역을 커버하므로 탐색이 완료된 것을 확인할 수 있으며 전체 탐색 시간은 103.2 time unit이다.
도 3의 (b)는 본 발명에 따른 MATLAB 시뮬레이션 결과로 로봇 두 대(A,B)를 이용해 탐색한 경우이다. 상기 로봇의 경로는 각각 실선(A)과 파선(B)으로 나타났다. 도 3의 (b)의 경우 역시, 상기 로봇의 센서 커버영역이 장애물(300,E)을 제외한 모든 지역을 커버하므로 탐색이 완료된 것을 확인할 수 있으며 전체 탐색시간은 50.9 time unit로 상기 로봇 한 대를 이용한 경우보다 탐색 시간이 확연히 감소한 것을 알 수 있다.
이상에서 설명된 본 발명의 실시 예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
100 : 로봇
300 : 장애물
110 : 센서의 커버영역
P1 : 타깃포인트
P2,P3 : 포인트
t : 설정 이동시간

Claims (14)

  1. 탐색용 격자 지도상에 위치하는 복수의 포인트 중 복수의 로봇과 최단거리에 위치한 오픈포인트를 타깃포인트로 선정하는 타깃포인트 선정단계;
    상기 타깃포인트가 중복 선정된 상태가 아닌지 확인하는 타깃포인트 중복 판단단계;
    중복된 상태가 아니면 상기 로봇이 상기 타깃포인트로 이동하는 이동단계;
    상기 이동단계의 진행시간이 기설정 된 시간 미만인지 판단하는 이동시간 판단단계;
    상기 타깃포인트의 상태를 변경하는 타깃포인트 상태변경단계;
    상기 격자 지도상에 상기 오픈포인트가 존재하는지 판단하는 잔여 오픈포인트 판단단계; 를 포함하며,
    상기 오픈포인트는 상기 포인트 중 장애물과의 최단거리가 필수확보거리 이상이며,
    상기 필수확보거리는 상기 로봇이 이동하는데 필요한 최소 회전반경이고,
    상기 로봇은 상기 로봇의 외측 둘레를 따라 등각 이격되어 위치하는 센서를 갖는 것을 특징으로 하는 복수의 로봇을 이용한 자율탐색 및 지도생성 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 타깃포인트 선정단계에서 상기 로봇의 진행방향을 기준으로 -90°에서 90°의 범위에 위치하는 상기 센서의 커버영역에 포함되는 상기 오픈포인트 중에서 상기 타깃포인트를 선정하는 것을 특징으로 하는 복수의 로봇을 이용한 자율탐색 및 지도생성 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 타깃포인트 상태변경단계에서 상기 타깃포인트의 정보가 갱신되는 타깃포인트 정보갱신단계가 동시에 진행되는 것을 특징으로 하는 복수의 로봇을 이용한 자율탐색 및 지도생성 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 타깃포인트 정보갱신단계는 상기 이동시간 판단단계를 만족할 경우 상기 타깃포인트의 정상정보를 갱신하고,
    상기 이동시간 판단단계를 만족하지 못할 경우 상기 장애물에 의한 정지상태로 판단하고 상기 타깃포인트의 장애정보를 갱신하는 것을 특징으로 하는 복수의 로봇을 이용한 자율탐색 및 지도생성 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 로봇이 이동을 시작하고 상기 센서의 커버영역에 포함되는 상기 오픈포인트가 발생하면 상기 오픈포인트의 상태를 변경하는 오픈포인트 상태변경단계가 진행되는 것을 특징으로 하는 복수의 로봇을 이용한 자율탐색 및 지도생성 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 센서의 커버영역에 포함되는 상기 오픈포인트에서 장애정보가 검출되면 상기 오픈포인트의 장애물 존재확률을 갱신하는 오픈포인트 정보갱신단계가 진행되는 것을 특징으로 하는 복수의 로봇을 이용한 자율탐색 및 지도생성 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 장애물 존재확률이 기설정 된 확률치 이상이 되면 상기 탐색용 격자 지도상의 상기 오픈포인트에 해당 격자의 위치에 장애물이 존재한다고 판단하는 것을 특징으로 하는 복수의 로봇을 이용한 자율탐색 및 지도생성 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 타깃포인트 정보갱신단계, 상기 오픈포인트 정보갱신단계, 및 상기 오픈포인트 상태변경단계를 완료하면 취득한 최신 정보를 운용중인 복수의 상기 로봇과 공유하는 최신정보 공유단계를 진행하는 것을 특징으로 하는 복수의 로봇을 이용한 자율탐색 및 지도생성 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 타깃포인트 상태변경단계는 상기 타깃포인트가 클로즈드포인트 상태로 변경되는 것을 특징으로 하는 복수의 로봇을 이용한 자율탐색 및 지도생성 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 오픈포인트 상태변경단계는 상기 오픈포인트가 클로즈드포인트 상태로 변경되는 것을 특징으로 하는 복수의 로봇을 이용한 자율탐색 및 지도생성 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 센서는 레이더 또는 소나인 것을 특징으로 하는 복수의 로봇을 이용한 자율탐색 및 지도생성 방법.
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