KR101987868B1 - 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법, 이를 구현하기 위한 프로그램이 저장된 기록매체 및 이를 구현하기 위해 매체에 저장된 컴퓨터프로그램 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법, 이를 구현하기 위한 프로그램이 저장된 기록매체 및 이를 구현하기 위해 매체에 저장된 컴퓨터프로그램에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 시간배위안전영역을 근거로 순방향경로를 계산하되, 충돌이 예상되면 계산되었던 순방향경로 일부를 취소하고 임시목표를 통과하는 순방향경로를 계산함으로써, 경로계산에 필요한 시간 및 도착 목표 상태의 성공률을 보장하여, 더 나은 성능을 보장하는 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법, 이를 구현하기 위한 프로그램이 저장된 기록매체 및 이를 구현하기 위해 매체에 저장된 컴퓨터프로그램을 제공한다.

Description

시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법, 이를 구현하기 위한 프로그램이 저장된 기록매체 및 이를 구현하기 위해 매체에 저장된 컴퓨터프로그램 {OBSTACLE AVOIDANCE METHOD IN STATE-TIME SPACE AND RECORDING MEDIUM STORING PROGRAM FOR EXECUTING THE SAME, AND COMPUTER PROGRAM STORED IN RECORDING MEDIUM FOR EXECUTING THE SAME}

본 발명은 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법, 이를 구현하기 위한 프로그램이 저장된 기록매체 및 이를 구현하기 위해 매체에 저장된 컴퓨터프로그램에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 시간배위안전영역을 근거로 순방향경로를 계산하되, 충돌이 예상되면 계산되었던 순방향경로 일부를 취소하고 임시목표를 통과하는 순방향경로를 계산함으로써, 경로계산에 필요한 시간 및 도착 목표 상태의 성공률을 보장하여, 더 나은 성능을 보장하는 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법, 이를 구현하기 위한 프로그램이 저장된 기록매체 및 이를 구현하기 위해 매체에 저장된 컴퓨터프로그램에 관한 것이다.

자율주행 로봇은 스스로 주변을 살피고 장애물을 감지하면서 바퀴나 다리를 이용하여 목적지까지 최적 경로를 찾아가는 로봇을 말한다.

경로계획 또는 장애물 회피는 이동로봇의 자율주행에 있어서 중요한 요소기술이다. 로봇은 목적지까지 경로를 생성하여 이동하되 주변 장애물과 충돌하지 않고 목적지에 도달해야 한다. 좋은 경로라 함은 목적지까지의 이동 경로를 최소로 하는 최단경로이거나 또는 주변 장애물과의 충돌 가능성을 최소로 하는 안전 경로를 의미한다.

통상적으로 로봇 응용에 있어서는 안전경로가 보다 중요하지만 가장 이상적인 경로는 안전하면서도 가능한 한 최단인 경로일 것이다.

통상적으로 안전경로를 확보하는 방법으로는 로봇에 장착된 장애물 감지 센서(레이져, 초음파 등 주변 장애물과 의 거리를 측정할 수 있는 장치 등)를 이용하여 빈 공간이 가장 많은 방향을 찾고 목적지 방향을 같이 고려하여 로봇의 이동 방향을 결정하는 방법이 주로 사용되어 왔다. 빈 공간을 향한 방향과 목적지를 향한 방향과의 가중치는 실험적으로 결정된다. 빈 공간에 가중치를 많이 주면 장애물과의 충돌 가능성을 최소화할 수 있지만 긴 경로를 돌아야 하거나 극단적인 경우에는 목적지에 도착하지 못하는 경우가 발생한다. 반대로 목적지에 대한 가중치를 많이 주면 안전성이 떨어진다.

자율주행 로봇이 갖추어야 할 기본적인 주행능력은 원하는 목표지점까지 충돌없이 최적의 경로로 이동할 수 있는 지능적 항법 능력이며, 이러한 지능적 항법을 위해서는 경로계획 기술과 위치인식 요소기술이 필요하다.

여기서, 경로계획 기술은, 전역 경로계획과 지역 경로계획 기술로 나누어진다.

먼저, 전역 경로계획은, 주어진 환경지도를 이용하여 출발점에서 목표 지점까지의 최적의 경로를 탐색하는 것이고,

지역 경로계획은, 동적 환경에서 실시간성을 고려한 장애물 회피를 의미한다.

아울러, 위치인식 기술은, 주행시 로봇의 현재 위치를 지도상에서 알아내는 위치결정 기술이다.

상기한 바와 같은 전역 경로계획 방법에 대한 종래기술의 예로서, 대표적으로, 예를 들면, "A note on two problems in connexion with graphs(E. W. Dijkstra, Numerische Mathematik, Volume 1, Number 1, 269-271, 1959)"에 게시된 바와 같은 "Dijkstra 알고리즘"이 있다.

더 상세하게는, 상기한 Dijkstra 알고리즘은, 최초의 경로계획으로 제시되어 현재까지 여러 분야에서 많이 사용되고 있으나, 모든 공간을 탐색하므로 많은 연산시간이 요구된다는 단점이 있다.

또한, 상기한 바와 같은 전역 경로계획 방법에 대한 종래기술의 다른 예로서, 예를 들면, "A Formal Basis for the Heuristic Determination of Minimum Cost Paths in Graphs_A star(PETER E. HART, VOL. ssc-4 ,NO 2, 1968)"에 게시된 바와 같은 A* 알고리즘이 있다.

더 상세하게는, 상기한 A* 알고리즘은, Dijkstra 알고리즘의 보완 형태로, 평가함수를 추가함으로써 깊이 탐색과 넓이 탐색을 기반으로 Dijkstra 알고리즘에 비해 더 빠른 탐색 시간을 달성하였으나, 실시간 계산이 어려운 문제가 있었다.

아울러, 상기한 바와 같은 전역 경로계획 방법에 대한 종래기술의 다른 예로서, 예를 들면, "The Focussed D Algorithm for Real-Time Replanning(Stentz, Anthony, Proceedings of the International Joint Conference on Artificial Intelligence, 1652-1659, 1995)"에 게시된 바와 같은 D* 알고리즘이 있다.

더 상세하게는, 상기한 D* 알고리즘은, 종래의 실시간성 문제를 해결함으로써 현재까지 가장 널리 사용되는 전역 경로계획 알고리즘으로 알려져 있다.

상기한 바와 같이, 종래, 거리와 시간에 따른 비용 문제를 최적화하기 위하여 경로계획 알고리즘에 대하여 많은 연구가 이루어졌으며, 그러한 연구들을 통하여 최소의 거리와 시간 비용은 도출되었지만, 계획된 경로 상에서 이동 중에 다른 이동물체나 장애물 등과의 충돌 가능성에 대하여는 고려된 바가 없었다.

즉, 상기한 바와 같은 종래의 경로계획 방법들은, 단지 최단 거리와 시간만을 고려하여 경로를 계획할 뿐, 장애물의 유무에 따른 회피 경로나 충돌 방지와 같은 안전 문제에 대하여는 고려하지 않고 있으므로, 진정한 의미로 최적의 경로계획을 이룰 수 없다는 문제가 있는 것이었다.

즉, 로봇 시야는 지역 폐쇄성에 기인하여 제한되게 되며, 이러한 시야 제한의 문제로 인해 미리 준비된 경로가 아닌 실제의 도로와 같은 경우는 이동로봇의 자율주행이 어려울 뿐 아니라, 충돌 문제를 피할 수 없으며, 따라서 상기한 바와 같은 종래기술의 방법들로는 최적의 자율주행을 이룰 수 없게 되는 문제점이 발생된다.

따라서 상기한 바와 같은 종래기술의 경로계획의 문제점을 해결하기 위하여는, 최단거리와 최단시간을 위한 경로뿐만 아니라, 이동중에 장애물의 존재 유무를 파악하여 이에 대한 회피계획을 수립하여 충돌을 방지함으로써 이동로봇의 안전한 주행을 가능하게 하는 새로운 이동로봇의 경로계획 알고리즘을 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제공되지 못하고 있는 실정이다.

한국등록특허 [10-1664575]에서는 모바일 로봇의 장애물 회피 시스템 및 방법이 개시되어 있다.

한국등록특허 [10-1664575](등록일자: 2016.10.04)

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 시간배위안전영역을 근거로 순방향경로를 계산하되, 충돌이 예상되면 계산되었던 순방향경로 일부를 취소하고 임시목표를 통과하는 순방향경로를 계산함으로써, 경로계산에 필요한 시간 및 도착 목표 상태의 성공률을 보장하여, 더 나은 성능을 보장하는 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법, 이를 구현하기 위한 프로그램이 저장된 기록매체 및 이를 구현하기 위해 매체에 저장된 컴퓨터프로그램를 제공하는 것이다.

본 발명의 실 시예들의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법은, 컴퓨터를 포함하는 연산처리수단에 의하여 실행되는 프로그램 형태로 이루어지는 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법에 있어서, 로봇의 현재 위치 또는 순방향경로의 마지막 계산 지점에서 현재 목표 웨이포인트를 향한, 상태값(s)과 시간값(타임인덱스 n)을 고려한 시간상태 영역에서의 순방향경로 계산을 하며, 순방향경로를 계획하는데 이용되는 시간상태 영역에서의 상태값 (s_n)은 위치, 방위에 대한 배위값을 포함하고 조향각, 속도, 가속도 중 선택되는 어느 하나 또는 복수의 정보를 포함하는 것을 특징으로 하고, 정적장애물 및 동적장애물과 충돌하지 않는 배위영역 상의 안전한 영역인 시간배위안전영역

을 근거로 순방향경로를 계산하되, 시간배위안전영역은

이 존재하지 않아 충돌을 피할 수 없는 경우 필연적충돌상태(ICS; Inevitable collision state)가 발생될 것으로 판단하며, 필연적충돌상태가 발생되면, 순방향경로 계획의 일부를 취소하고, 임시목표(Interim Goal)를 통과하는 순방향경로를 계획하여 충돌을 회피하는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법은 현재 목표 웨이포인트에 로봇의 도착 시 로봇의 상태값(g_w)을 설정하는 웨이포인트설정 단계(S20); 순방향경로를 계산하는 순방향경로계산 단계(S50); 및 상기 순방향경로계산 단계(S50)가 정해진 회수만큼 반복 수행되면, 상기 순방향경로에 따라 로봇을 제어하는 명령을 계산하는 로봇제어명령생성 단계(S60);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 웨이포인트설정 단계(S20)는 다음 식

(여기서,

는 현재 목표 웨이포인트의 상태값,

는

를 세팅하는 동안 다음 목표 웨이포인트의 상태값, G_w는 현재 목표 웨이포인트의 상태 범위, G_w+1는 다음 목표 웨이포인트의 상태 범위, H(a, b)는 a에서 b까지 이동에 대한 비용함수,

는 로봇의 현재 위치

는 현재 목표 웨이포인트

는 현재 목표 웨이포인트 다음 웨이포인트를 나타낸다.)과 같이 이동비용을 최소화 시킬 수 있는 현재 목표 웨이포인트의 상태값(g_w)이 설정되는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 웨이포인트설정 단계(S20)는 최초 경로 계산 시, 순방향경로의 시간변수를 정해진 값으로 초기화 하고, 최초 경로 계산 이후의 경로 계산 시, 타임인덱스(n) 에서 로봇의 배위값(

)이 시간배위안전영역은

에 포함되지 않아 필연적충돌상태가 발생되면, 충돌을 회피할 수 있는 가장 큰 값으로 순방향경로의 시간변수를 계산하여 설정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 순방향경로계산 단계(S50)는 시간배위안전영역은

이 존재하면 순방향경로를 계산하는 증분경로계획 단계(S51); 및 필연적충돌상태가 발생되면, 순방향경로의 마지막 계산 지점에서 시간배위안전영역은

이 존재하는 지점까지 순방향경로 계획을 취소하며, 시간배위안전영역은

이 존재하는 순방향경로의 마지막 계산 지점을 기준으로 시간배위안전영역은

내에서 임시목표(Interim Goal)를 설정하고, 상기 임시목표(Interim Goal)를 통과하는 경로를 계획하여 충돌을 회피하는 부분경로수정 단계(S52);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 부분경로수정 단계(S52)는 임시목표의 상태값이 다음식

(여기서, z_f(-d)는 임시목표의 상태값,

는

를 세팅하는 동안 다음 목표 웨이포인트의 상태값, G_w는 현재 목표 웨이포인트의 상태 범위, G_w+1는 다음 목표 웨이포인트의 상태 범위, N(a, b, c)는 a 에서 b 까지 c 타임스텝 동안의 이동에 대한 경로를 계산하는 근사 최적 상태 시간 함수, s_f-d는 순방향경로의 충돌예상 타임스텝 f에서 순방향경로 계획을 취소한 d 타임스텝을 뺀 순방향경로의 상태값, s_-B는 역방향경로의 B스텝에서의 상태값이며 역방향경로가 없을 경우는 현재 목표 웨이포인트 에서의 상태값, d는 순방향경로 계획을 취소한 타임스텝을 나타낸다.)과 같이 결정되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 부분경로수정 단계(S52)는 시간배위안전영역은

이 존재하는 순방향경로의 마지막 계산 지점에 해당되는 타임인덱스부터 타임인덱스를 증가시키면서 시간배위안전영역은

이 존재하는 경로를 계획하는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 부분경로수정 단계(S52)는 동일한 로봇의 입력값으로 계산하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법을 구현하기 위한 프로그램이 저장된 컴퓨터 판독 가능한 기록매체가 제공되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법을 구현하기 위해, 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장된 프로그램이 제공되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법, 이를 구현하기 위한 프로그램이 저장된 기록매체 및 이를 구현하기 위해 매체에 저장된 컴퓨터프로그램에 의하면, 시간배위안전영역을 근거로 순방향경로를 계산하되, 충돌이 예상되면 계산되었던 순방향경로 일부를 취소하고 임시목표를 통과하는 순방향경로를 계산함으로써, 경로계산에 필요한 시간 및 도착 목표 상태의 성공률을 보장하여, 더 나은 성능을 보장하는 효과가 있다.

또한, 목표 웨이포인트에 로봇의 도착 시 로봇의 상태값을 설정한 후 순방향경로를 계산함으로써, 웨이포인트를 보다 부드럽게 지나가도록 경로를 계획할 수 있는 효과가 있다.

또, 목표 웨이포인트에 로봇의 도착 시 로봇의 상태값을 그 다음 목표 웨이포인트까지 고려하여 설정함으로써, 웨이포인트를 보다 부드럽게 지나가도록 경로를 계획할 수 있는 효과가 있다.

또한, 필연적충돌상태가 발생되는 것을 고려하여 순방향경로의 시간변수를 초기화함으로써, 경로계산에 필요한 연산량을 더욱 줄일 수 있는 효과가 있다.

또, 순방향경로계산 단계에 증분경로계획 단계와 부분경로수정 단계를 포함시킴으로써, 임시목표를 통과하여 장애물과의 충돌을 회피할 수 있는 안전한 순방향경로를 실시간으로 계산할 수 있는 효과가 있다.

또, 부분경로수정 단계의 임시목표 상태값을 근사 최적 상태 시간 함수 N 을 이용하여 계산함으로써, 보다 빠른 장애물 회피 순방향경로를 생성할 수 있는 효과가 있다.

또한, 동일한 로봇의 입력값으로 부분경로수정 단계를 계산함으로써, 경로계산에 필요한 연산량을 더욱 줄일 수 있는 효과가 있다.

아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 시간상태 영역에서의 온라인 양방향 경로 계획 방법, 이를 구현하기 위한 프로그램이 저장된 기록매체 및 이를 구현하기 위해 매체에 저장된 컴퓨터프로그램에 의하면, 많은 이동 장애물이 있어도 실행 시간 및 도착 목표 상태의 성공률에 대해 더 나은 성능을 보장하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법의 흐름도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법의 흐름도.
도 3은 부분경로수정 단계를 설명하기 위한 예시도.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 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 이해되어야한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

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 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법의 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법의 흐름도이며, 도 3은 부분경로수정 단계를 설명하기 위한 예시도이다.

설명에 앞서, 본 명세서( 및 특허청구범위)에서 사용되는 용어에 대해 간단히 설명하도록 한다.

'시간상태 영역'이란 시간에 대해 고려된 상태값의 집합을 말한다.

'상태값'이란 위치, 방위(헤딩각 등)에 대한 배위값을 포함하고 조향각, 속도(선속도, 각속도), 가속도 중 선택되는 어느 하나 또는 복수의 정보를 포함하는 값을 말한다. 예를 들면, (x 좌표, y좌표, 방위, 속도, 가속도) 등이 될 수 있다.

'시간배위 영역'이란 시간에 대해 고려된 배위값의 집합을 말한다.

'배위값'이란 위치, 방위(헤딩각 등)을 포함하는 값을 말한다. 예를 들면, (x 좌표, y좌표, 방위) 등이 될 수 있다.

'웨이포인트'란 로봇의 주행경로 계산 시 로봇이 경유하도록 지정된 위치를 말한다.

설명을 위해 다양한 변수 및 용어를 지정하여 설명하였으며, 그 변수 및 용어들은 아래와 같다.

로봇의 현재 위치의 상태값은 's_k'으로 표기하였고,

로봇의 현재 위치에서 순방향경로로 f 스텝 계산된 상태값은 's_f'으로 표기하였고,

현재 목표 웨이포인트에 로봇의 도착 시 로봇의 상태값은 'g_w'로 표기하였고,

현재 목표 웨이포인트에서 역방향경로로 b 스텝 계산된 상태값은 's_-b'으로 표기하였고,

몇 스텝에 해당되는 계산인지 표시하는 타임인덱스는 'n'으로 표기하였고,

한 스텝을 계산하는데 부여된 시간 주기는 'T'로 표기하였고,

타임인덱스 n에서의 시간은 't'(t = nT)로 표기하였고,

로봇의 상태값은 's'(소문자 s)로 표기하였고,

로봇의 상태값의 집합인 상태영역은 'S'(대문자 S)로 표기하였고,

타임스텝 n 에서의 상태값인 시간상태값을 s_n(소문자 s)이라 표기하였고,

시간상태 영역은 'S_n'(s_n ∈ S_n)으로 표기하였고,

로봇의 배위값은 'q'(소문자 q)로 표기하였고,

로봇의 배위값의 집합인 배위영역은 'Q'(대문자 Q)로 표기하였고,

타임스텝 n 에서의 배위값인 시간배위값을 q_n(소문자 q)이라 표기하였고,

시간배위 영역은 'Q_n'(q_n ∈ Q_n)으로 표기하였고,

정적 장애물과 충돌하는 배위영역은 '

'로 표기하였고,

정적 장애물과 충돌하지 않는 여유정적배위영역은

(

= Q -

)로 표기하였고,

타임인덱스 n에서 동적장애물과 충돌하는 배위영역은

으로 표기하였고,

정적 장애물 및 동적 장애물과 충돌하지 않는 여유동적배위영역은 '

'(

=

-

)으로 표기하였고,

충돌을 피할 수 없는 상태를 '필연적충돌상태'라 하였다.

기본적인 변수 및 용어를 정리하였으나, 설명에 필요한 모든 변수 및 용어를 정리한 것은 아니며, 상기에 정의된 변수 및 용어 이외에 새로이 등장되는 변수 및 용어들은 추후 설명하도록 한다.

이하, 설명에서는 상태값 s_k 에 해당되는 현재 상태의 지점에서 상태값 g_w 에 해당되는 목표지점(현재 목표 웨이포인트)으로 로봇을 이동시키는 것을 가정하여 설명하도록 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법은 컴퓨터를 포함하는 연산처리수단에 의하여 실행되는 프로그램 형태로 이루어지는 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법에 있어서,

로봇의 현재 위치 또는 순방향경로의 마지막 계산 지점에서 현재 목표 웨이포인트를 향한, 상태값(s)과 시간값(타임인덱스 n)을 고려한 시간상태 영역에서의 순방향경로 계산을 하며,

순방향경로를 계획하는데 이용되는 시간상태 영역에서의 상태값 (s_n)은 위치, 방위(헤딩각)에 대한 배위값을 포함하고 조향각, 속도(선속도, 각속도), 가속도 중 선택되는 어느 하나 또는 복수의 정보를 포함하는 것을 특징으로 하고,

정적장애물 및 동적장애물과 충돌하지 않는 배위영역 상의 안전한 영역인 시간배위안전영역

을 근거로 순방향경로를 계산하되, 시간배위안전영역

이 존재하지 않아 충돌을 피할 수 없는 경우 필연적충돌상태(ICS; Inevitable collision state)가 발생될 것으로 판단하며,

필연적충돌상태가 발생되면, 순방향경로 계획의 일부를 취소하고, 임시목표(Interim Goal)를 통과하는 순방향경로를 계획하여 충돌을 회피하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 시간값은 현재 시간부터 진행되는 앞으로의 시간을 확인할 수 있는 값으로, 타임인덱스(n) 만으로 사용할 수도 있지만, 한 스텝을 계산하는 계산주기에 타임인덱스(n)을 곱하여(계산주기 * 타임인덱스(n)) 사용할 수 있는 등 실제 진행 시간을 확인할 수 있다면 다양한 방법을 사용할 수 있음은 물론이다.

상기 순방향경로 계산은 최초 로봇의 현재 위치에서 현재 목표 웨이포인트를 향한 시간상태 영역에서의 순방향경로를 계산 하며, 이후, 순방향경로의 마지막 계산 지점에서 현재 목표 웨이포인트를 향한 시간상태 영역에서의 순방향경로 계산 한다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법은 순차적으로 순방향경로를 계산하며, 순방향경로의 계산 중 필연적충돌상태가 발생되면 그동안 계획(계산)된 순방향경로 계획의 일부를 취소하고, 필연적충돌상태를 피할 수 있는 임시목표(Interim Goal)를 설정한 뒤 상기 임시목표(Interim Goal)를 통과하는 순방향경로를 재 계획하여 충돌을 회피 한다.

이때, 필연적충돌상태(ICS; Inevitable collision state)는 발생여부는 시간배위안전영역

이 존재하지 않는 것으로 확인할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법의 순방향경로 계산은

이동에 필요한 비용 함수(H)를 분해하고, 분해된 비용 함수(H^r)에 우선순위 (r(r은 자연수))를 부여하며,

미리 정해진 기준에 따라(r* 값을 설정하거나 계산에 의해 정할 수 있음) 상기 분해된 비용 함수(H^r)를 합한 값이 최소가 되도록 경로를 계산하는 근사 최적 상태 시간 함수(N)를 적용하여,

n(n은 자연수) 스텝에서의 주어진 상태값(s_n), 목표지점에서의 상태 값(s^to) 및 계산하고자 하는 스텝 수(m)를 근거로, 상태값(s_n)이 주어진 지점에서 목표지점(s^to)을 향해 계산하고자 하는 스텝 수(m) 만큼 진행될 스텝에서의 상태값(s_n+m)을 구하는 것을 특징으로 할 수 있다.

이때, 각각의 상기 분해된 비용 함수(H^r)에 가중치를 부여하고, 상기 분해된 비용 함수(H^r)에 가중치를 곱한 값들을 합한 값이 최소가 되도록 경로를 계산하는 근사 최적 상태 시간 함수(N)를 적용하는 것도 가능함은 물론이다.

또는, 순방향경로 계산 및 역방향경로 계산은

이동에 필요한 비용 함수(H)를 분해하고, 분해된 비용 함수(H^r)에 우선순위 (r(r은 자연수))를 부여하며,

우선순위에 따라(r* 값을 설정하거나 계산에 의해 정할 수 있음) 상기 분해된 비용 함수(H^r)를 순차적으로 적용하여, 상기 분해된 비용 함수(H^r) 각각의 값이 최소가 되도록 경로를 계산하는 근사 최적 상태 시간 함수(N)를 적용하여,

n 스텝에서의 주어진 상태값(s_n), 목표지점에서의 상태 값(s^to) 및 계산하고자 하는 스텝 수(m)를 근거로, 상태값(s_n)이 주어진 지점에서 목표지점(s^to)을 향해 계산하고자 하는 스텝 수 만큼 진행될 스텝에서의 상태값(s_n+m)을 구하는 것을 특징으로 할 수 있다.

주어진 상태값 s_n을 가진 상태값 s_n+m을 계획 할 때, 상태값 s_n+m에서 목표 상태값 s^to에 해당되는 지점으로 이동하기 위한 이동비용을 최소화하려고 노력한다.

즉, 순방향경로 계산은 다음과 같이 정의할 수 있다.

(여기서, s_n+m은 n+m 시간에서의 상태값, H는 비용 최소화 함수, s는 주어진 상태 값, s^to는 목표지점에서의 상태 값, m은 계산하고자 하는 스텝 수)

비용 최소화 함수 H를 사용하게 되면, 계산에 소요되는 시간이 많아 실시간 경로계산에 적용이 어려운 문제가 있다.

로봇의 입력값 u_n은 다음과 같이 얻을 수 있다.

여기서

은 최소 노력에 대한 입력에 대한 주어진 이동비용 함수이다.

사용 가능한 로봇의 입력영역으로 제한되는 동적안전상태 내부에 s_n+m을 계획하므로 사용 가능한 입력이 항상 존재한다.

이동 비용을 최소화 시키는 이동비용 함수가 너무 복잡하여 실시간으로 경로를 계산할 수 없는 경우, 함수 분해 기반 최적화 방법을 사용할 수 있다.

함수 분해 기반 최적화 방법은 함수를 단순한 부분으로 분해 한 다음 우선 지배적인 부분을 최소화한다. H가 다음과 같이 R 부분으로 구성된다고 가정한다.

여기서 H^r은 우세한 순서로 배열된다. 즉, r이 작은 H^r이 더 우세하다. H¹에서 H^R까지 하나씩 순차적으로 최소화 할 때 사용 가능한 안전 영역은 더 작아지며, 결국 하나의 상태값이 도출될 때 까지 r 값을 증가시키면서 분해된 비용 함수(H^r)를 최소화 시킨다.

H¹에서 H^r까지의 r 부분을 최소화하는 시간상태안전영역

을 다음과 같이 정의할 수 있다.

분해되지 않은 이동비용함수로 계산되는 시간상태안전영역

은 시간상태안전영역

과 동일하다.

하나의 상태값이 도출되는 r 값을

이라 하며,

을 찾을 때까지 분해된 이동비용함수를 계속 최소화 시킨다. 여기서 사용 가능한 시간상태안전영역은 다음과 같이 단일 상태로 축소된다.

여기서,

함수 분해 기반 최소화로부터 얻은 시간상태값이 H를 최소화하지 않을지라도 함수의 지배적 인 부분을 최소화하기 때문에 결과는 최소에 가깝다.

또한, 실시간으로 실행이 가능하며, 계산이 효율적이다.

따라서, 근사 최적 상태 시간 함수(N)를 적용하면 다음과 같이

(여기서, s_n+m은 n+m 스텝에서의 상태값, N은 근사 최적 시간상태값 계산 함수, s_n은 n 스텝에서의 주어진 상태 값, s^to는 목표지점에서의 상태 값, m은 계산하고자 하는 스텝 수)

으로 순방향경로 계산을 할 수 있다.

전방향 이동이 가능한 로봇의 예를 들면,

상기 근사 최적 상태 시간 함수(N)는 다음식

(여기서, H¹는 속독 독립적인 이동 비용 함수, H²는 각도-이동 방향 부분 비용 함수, H³는 속도 크기 부분 이동 비용 함수)

을 이용하여 계산할 수 있다.

로봇이 목표물 쪽으로 빠르게 움직이도록 유도하고 목표 지점을 효과적으로 통과하기 위해, 이동 비용 함수 H(s^from, s^to)는 세 부분으로 구성될 수 있되며, D는 사전 정의 된 임계 거리이다.

도달 가능한 영역의 각 위치는 허용 가능한 속도 영역과 1 : 1로 매칭 되기 때문에 각 시간 상태는 속도 독립적인 이동 비용 함수 H¹을 기반으로 결정된다.

이동 방향 부분 이동 비용 함수 H² 및 속도 크기 부분 이동 비용 함수 H³는 현재 목표 웨이포인트의 상태를 설정하는 데 사용된다.

H¹에 기초하여, 각 시간 설정은 목표에 가장 가까운 것으로 결정된다.

H²와 H³은 현재 목표 웨이포인트의 상태를 설정하기 위해 설계되었다.

현재 목표 웨이포인트에서의 속도는 로봇의 위치, 목표 웨이포인트의 위치 및 그 다음의 웨이포인트의 위치를 고려하여 결정된다.

방향은 로봇의 위치, 목표 웨이포인트의 위치까지 그리고 목표 웨이포인트의 위치 및 그 다음의 웨이포인트의 위치까지의 두 벡터의 평균 방향으로 결정된다.

또한 목표 웨이포인트에서 속도의 크기는 목표 웨이포인트에서 경로의 내각에 따라 결정된다.

각도가 클수록 속도가 빨라지거나 그 반대로 된다.

로봇의 위치와 목표 웨이포인트 사이 또는 목표 웨이포인트와 그 다음의 웨이포인트 사이의 유클리드 거리가 D보다 작으면, 현재 목표 웨이포인트의 속도의 크기는 웨이포인트 근처에서 진동하지 않도록 거리에 비례하여 설정된다.

바퀴로 이동이 가능한 로봇의 예를 들면, 상기 근사 최적 상태 시간 함수(N)는

다음식

(여기서, H¹는 속독 독립적인 이동 비용 함수, H²는 각도-이동 방향 부분 비용 함수, H³는 속도 크기 부분 이동 비용 함수)

을 이용하여 계산할 수 있다.

전방향 이동이 가능한 로봇의 예에서와 같이, 각 시간 상태는 속도 독립적인 이동 비용 함수 H¹을 기반으로 결정된다.

목표 위치에 가까운 위치와 목표 위치를 향한 방향을 모두 고려하기 위해 H¹은 미리 정의 된 가중치 α를 갖는 두 부분으로 구성된다.

이동 방향 부분 이동 비용 함수 H² 및 속도 크기 부분 이동 비용 함수 H³은 전방향 이동이 가능한 로봇의 예와 유사한 방식으로 현재 목표 웨이포인트의 선형 및 각속도를 설정하는 데 사용된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법의 순방향경로 계산은 정적장애물 및 동적장애물과 충돌하지 않는 배위영역 상의 안전한 영역인 시간배위안전영역

이 존재하면, 타임인덱스(n) 에서 로봇의 배위값(

)과 타임인덱스(n) 에서 시간배위안전영역

을 근거로 순방향경로를 계산하는 것을 특징으로 할 수 있다.

벽과 같은 정적 환경 장애물과 충돌하는 배위값들의 집합을

이라 하고 '환경장애물영역'(

⊂ Q)이라 하면, 배위영역 Q에서 환경장애물영역

을 뺀 차집합을 '여유정적배위영역'

이라 할 수 있다.

로봇은 센서 데이터를 이용한 추적 알고리즘을 기반으로 사람과 다른 로봇과 같은 각각의 동적 장애물의 경로를 예측할 수 있다.

따라서, 시간 인덱스 n에서 사람과 같은 동적 장애물과 충돌이 예상되는 배위값들의 집합을

이라 하고 '동적장애물영역'(

⊂ Q)이라 하면, 여유정적배위영역

에서 동적장애물영역

을 뺀 차집합을 '여유동적배위영역'

이라 할 수 있다.

즉, 타임인덱스 n 에서의 여유동적배위영역

은 타임인덱스 n에서 동적장애물 및 정적장애물을 포함하는 장애물과 충돌하지 않는 로봇을 위한 안전한 영역이라 할 수 있다.

로봇의 입력영역 U에서 타임인덱스 n 에서의 로봇의 입력값 u_n(u_n ∈ U)를 갖는 로봇 시스템의 운동은 다음과 같이 정의할 수 있다.

(여기서, f는 로봇의 운동 모델 함수)

로봇의 상태영역 S와 로봇의 입력영역 U는 경계가 정해져 있기 때문에 로봇 동작은 구속되어 있으며 이를 동작 구속 이라고 한다.

환경 검출기(센서)는 비전 센서 또는 레이저 거리 측정기(LRF) 등 같은 센서를 사용하여 센서 시스템을 기반으로 장애물을 탐지하고 추적하며 정적 장애물(환경 장애물) 및 동적 장애물(비 환경 장애물)로 분류하여

및

을 얻을 수 있다.

웨이포인트를 부여하여 경로를 계획하는 글로벌 경로 플래너(Global path planner)는 여유정적배위영역은

내부에 일련의 웨이포인트와 목표를 계획한다.

매 순간 t = kT, k = 0, 1,.. . 알고리즘은 참조 입력 k를 사용하여 경로를 계획한다.

이 입력을 통해 로봇은 웨이포인트를 순차적으로 통과하고

및

을 사용하여 충돌 없이 목표에 도달하는 경로를 계획할 수 있다.

시간상태값 s_n이 주어질 때, 타임인덱스 n + m에서의 도달 가능한 시간상태 영역을 정의할 수 있으며, 이때, 도달 가능한 시간배위 영역 역시 정의할 수 있다.

실시간 경로 계획을 위해, 도달 할 수 있는 시간상태 영역 또는 시간배위 영역을 근사화 하여 계산량을 줄이는 것이 바람직하다.

도달 할 수 있는 시간상태 영역 또는 시간배위 영역을 정확하게 계산하여 사용하는 것은 실시간 계산이 어려울 수 있기 때문이다.

도달 가능한 영역을 단순화하기 위해, m 개의 타임스텝에 대해 균일 한 로봇의 입력값으로 로봇을 제어할 수 있다.

균일 한 로봇의 입력값에 의해 접근 가능한 도달 가능한 시간상태 영역은 다음과 같이 정의할 수 있다.

(여기서, g는 근사화 시킨 로봇의 운동 모델 함수)

이때, 균일 한 로봇의 입력값에 의해 근사화 된 도달 가능한 시간배위 영역은 다음과 같이 정의할 수 있다.

과

은 실제 도달 가능 영역 전체를 커버하지 않지만, 실제 도달 가능 영역 전체를 계산하는 것에 비해 계산 부하가 매우 작기 때문에 실시간 경로 계획에 유용하다.

상태값 s_n이 주어지면, 시간 인덱스 n + m에서 안전한 시간상태안전영역

은 다음과 같이 정의할 수 있다.

또한, 상태값 s_n이 주어지면, 시간 인덱스 n + m에서 안전한 시간배위안전영역

은 다음과 같이 정의할 수 있다.

은

내에서 계획되지만

은 예상 충돌을 확인하고 사용 가능한 안전 영역이 있는지 확인하는 것으로 충분하다.

현재 목표 웨이포인트에서 역방향경로의 상기 시간배위안전영역

계산 시,

은

로 대체된다.

이는,

에 대한 실제 시간을 알 수 없기 때문에 동적 장애물의 데이터를 확인할 수 없기 때문이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법은 웨이포인트설정 단계(S20), 순방향경로계산 단계(S50) 및 로봇제어명령생성 단계(S60)를 포함할 수 있다.

웨이포인트설정 단계(S20)는 현재 목표 웨이포인트에 로봇의 도착 시 로봇의 상태값(g_w)을 설정한다.

현재 목표 웨이포인트는 순방향 궤적이 통과하기 위해 향하는 웨이포인트이다.

상기 웨이포인트설정 단계(S20)는 현재 목표 웨이포인트를 로봇이 지날 때의 로봇의 상태를 설정하는 것으로, 로봇의 위치, 목표 웨이포인트의 위치 및 그 다음의 웨이포인트의 위치를 고려하여 현재 목표 웨이포인트를 로봇이 지날 때의 로봇의 상태를 설정 하는 것이 바람직하다.

순방향경로계산 단계(S50)는 순방향경로를 계산한다.

상기 순방향경로계산 단계(S50)는 현재 로봇의 현재위치에서 목표 웨이포인트를 향해 순차적으로 경로를 계획한다.

상기 순방향경로의 계산은

다음식

으로 계산하거나, 다음식

으로 계산 할 수 있다.

로봇제어명령생성 단계(S60)는 상기 순방향경로계산 단계(S50)가 정해진 회수만큼 반복 수행되면, 상기 순방향경로에 따라 로봇을 제어하는 명령을 계산한다.

상기 로봇제어명령생성 단계(S60)에서 생성되는 로봇의 입력값은 다음과 같이 계산될 수 있다.

(여기서,

는 k시간에서의 로봇의 입력값,

는 k 번째 스텝에서 1 스텝 진행 가능한 로봇의 입력영역에 포함되는 로봇의 입력값,

는 로봇의 입력값에 대한 최소 비용 함수,

는 k시간에서의 로봇의 상태값,

는 k+1 시간에서의 로봇의 상태값을 나타낸다.)

본 발명의 일 실시예에 따른 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법의 웨이포인트설정 단계(S20)는

다음 식

(여기서,

는 현재 목표 웨이포인트의 상태값,

는

를 세팅하는 동안 다음 목표 웨이포인트의 상태값, G_w는 현재 목표 웨이포인트의 상태 범위, G_w+1는 다음 목표 웨이포인트의 상태 범위, H(a, b)는 a에서 b까지 이동에 대한 비용함수,

는 로봇의 현재 위치

는 현재 목표 웨이포인트

는 현재 목표 웨이포인트 다음 웨이포인트를 나타낸다.)

과 같이 이동비용을 최소화 시킬 수 있는 현재 목표 웨이포인트의 상태값(g_w)이 설정되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법의 웨이포인트설정 단계(S20)는 최초 경로 계산 시, 순방향경로의 시간변수를 정해진 값으로 초기화 하고, 최초 경로 계산 이후의 경로 계산 시, 타임인덱스(n) 에서 로봇의 배위값(

)이 시간배위안전영역

에 포함되지 않아 필연적충돌상태가 발생되면, 충돌을 회피할 수 있는 가장 큰 값으로 순방향경로의 시간변수를 계산하여 설정하는 것을 특징으로 할 수 있다.

순방향경로의 정해진 스텝만큼 계산이 완료되면 로봇을 작동시키는 것이 바람직하다.

순방향경로 전체를 계산하는 것은 동적장애물의 예측 불가능한 상황에 의해 필연적충돌상태가 발생되면, 경로수정에 필요로 하는 계산량이 많아지기 때문이다.

따라서, 순방향경로의 정해진 스텝만큼 한 세트의 순방향경로 계산이 완료되면 로봇을 작동시키는 것이 바람직하다.

이후, 다음 세트의 순방향경로 계산 시 충돌의 우려가 없다면 그동안 계산된 경로를 다시 계산하는 것은 불필요한 연산을 수행하는 것이 될 수 있다.

따라서, 최초 경로 계산 이후의 경로 계산 시, 필연적충돌상태가 발생되지 않으면, 다음 세트의 순방향경로 계산 시 다음 순방향경로의 정해진 스텝 중 중복되지 않은 구간만 순방향경로를 계산하도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 최초 경로 계산 이후의 경로 계산 시, 필연적충돌상태가 발생되면, 충돌을 회피할 수 있는 가장 큰 값으로 순방향경로의 시간변수를 계산하여 순방향경로의 정해진 스텝만큼 한 세트 전부를 계산하도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법의 순방향경로계산 단계(S50)는 증분경로계획 단계(S51) 및 부분경로수정 단계(S52)를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

증분경로계획 단계(S51)는 시간배위안전영역

이 존재하면 순방향경로를 계산한다.

사용할 수 있는 시간배위안전영역

이 있으면 각 시간이 지정된 상태가 시간배위안전영역

내부에서 계획된다.

로봇이 충돌 없이 s_-B쪽으로 움직이도록 유도하기 위해 시간상태값 s_f는 시간배위안전영역

내부의 s_-B를 향해 다음 식과 같이 한 스텝을 계산할 수 있다.

시간배위안전영역

이 없을 때(

), 위 식을 사용하여 충돌 없는 시간 상태를 얻을 수 없기 때문에 순방향경로의 일부를 수정하여야 한다.

시간배위안전영역

이 없을 때(

), 후술하는 부분경로수정 단계(S52)를 통해 계획된 순방향경로의 일부를 수정한다.

부분경로수정 단계(S52)는 필연적충돌상태가 발생되면, 순방향경로의 마지막 계산 지점에서 시간배위안전영역

이 존재하는 지점까지 순방향경로 계획을 취소하며, 시간배위안전영역

이 존재하는 순방향경로의 마지막 계산 지점을 기준으로 시간배위안전영역

내에서 임시목표(Interim Goal)를 설정하고, 상기 임시목표(Interim Goal)를 통과하는 경로를 계획하여 충돌을 회피할 수 있록 한다.

먼저 수정하는 데 필요한 최소한의 타임스텝 수 P_min를 다음식과 같이 구할 수 있다.

사용 가능한 시간배위안전영역

가 있을 경우 로봇은 시간 인덱스 f에서 충돌 없이

동안 일정한 입력으로 움직일 수 있다.

은 필연적충돌상태에 빠지지 않을 것으로 기대할 수 있다.

선행 계획된 순방향경로를 역으로 따라 가면서 P_min을 얻을 수 있다.

충돌을 회피할 수 있는 가장 큰 값(f-p)으로 순방향경로의 시간변수를 설정하는 것은, 계산된 경로 중 취소되는 경로를 최소화시키기 위함이다.

매 타임스텝마다 필연적충돌상태를 확인하는 것도 가능하지만, 시간배위안전영역

이 없을 때 경로가 필연적충돌상태에 빠졌음을 알 수 있다.

이 경우, 계산된 순방향경로의 일부는 순방향경로가 필연적충돌상태에 빠지지 않도록 수정되어 미리 충돌을 피해야 한다.

로봇이 각 장애물을 피할 필요가 있는 시점을 실시간으로 고려할 때 로봇은 장애물이 많은 경우에도 더 유연하고 적절한 조치를 취할 수 있다.

이때, 시간배위안전영역

내에서 상기 현재 목표 웨이포인트와 가장 근접한 상태값이 임시목표로 설정될 수 있다.

이는, 목표물을 피해 갈 수 있는 순방향경로를 재 계획하더라도, 처음 계획된 순방향경로와 차이를 최소화 하여, 목표물을 피해 갈 수 있는 최적의 순방향경로로 재 계획하기 위함이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법의 부분경로수정 단계(S52)는

임시목표의 상태값이 다음식

(여기서, z_f(-d)는 임시목표의 상태값,

는

를 세팅하는 동안 다음 목표 웨이포인트의 상태값, G_w는 현재 목표 웨이포인트의 상태 범위, G_w+1는 다음 목표 웨이포인트의 상태 범위, N(a, b, c)는 a 에서 b 까지 c 타임스텝 동안의 이동에 대한 경로를 계산하는 근사 최적 상태 시간 함수, s_f-d는 순방향경로의 충돌예상 타임스텝 f에서 순방향경로 계획을 취소한 d 타임스텝을 뺀 순방향경로의 상태값, s_-B는 역방향경로의 B스텝에서의 상태값이며 역방향경로가 없을 경우는 현재 목표 웨이포인트 에서의 상태값, d는 순방향경로 계획을 취소한 타임스텝을 나타낸다.)

과 같이 결정되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법의 부분경로수정 단계(S52)는 시간배위안전영역

이 존재하는 순방향경로의 마지막 계산 지점에 해당되는 타임인덱스부터 타임인덱스를 증가시키면서 시간배위안전영역

이 존재하는 경로를 계획하는 것을 특징으로 할 수 있다.

경로의 수정 부분은 최소 P_min이고 최대 순방향경로를 계산한 타임스텝 f에서 현재 로봇이 위치한 타임스텝 k를 뺀 시간 간격(f-k)이다.

P_min에서 f-k로 수정 될 타임스텝의 수 J를 증가시키면서 시간 인덱스 f가 될 때까지 충돌 없는 경로의 해를 찾는다.

J가 f-k가 될 때까지 해결책이 없다면, 로봇은 장애물과 충돌 할 것으로 예상된다.

순방향경로 s_f-d+1, d = J, J-1,. . . , 1, 임시 목표 z_f(-d) 및 임시 시간 상태

를 사용하여 계산된다.

색인(아래첨자) d는 f로부터의 역방향 시간 간격의 수 이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법의 부분경로수정 단계(S52)는 동일(일정, 균일)한 로봇의 입력값으로 계산하는 것을 특징으로 할 수 있다.

이는, 계산을 간소화시키기 위함이다.

임시목표 z_f(-d)는 일시적인 목표로,

동안 균일 한 입력으로 시간 인덱스 f에서 움직이는 로봇의 예상 상태 이다.

로봇을 s_-B쪽으로 안전하게 유도하기 위해 z_f(-d)를 다음과 같이 계산할 수 있다.

임시목표를 결정한 후, 임시 입력 상태

와 함께 로봇이 움직이는 궤도상의 시간 인덱스 f - d + 1에서의 시간 상태 인 임시 시간 상태

를 다음식을 이용하여 구할 수 있다.

이때, 로봇의 입력값

는 다음식을 이용하여 구할 수 있다.

마지막으로

의 내부에서

방향으로 수정 된 시간 상태 s_f-d+1을 다음식과 같이 결정할 수 있다.

이면,

는 이전 값과 동일하기 때문에, z_f(-d)를 계산할 필요가 없다.

즉, z_f(-d) = z_f(-d-1) 및

=

이다.

부분경로수정 단계(S52)를 도 3을 참조하여 보다 상세하게 설명하도록 한다.

도 3에서 배위영역은 이해를 돕기 위해 수직 방향 1 차원(세로축)으로 표시하였다.

즉, 도 3의 세로축은 배위영역을 나타내고, 가로축은 시간영역을 나타낸다.

경로를 수정하기 전에 P_min은

로 얻어지고, J는 P_min으로 설정된다.

그런 다음 수정 된 경로 s_f-d+1, d = J, J - 1, ... 1 을 얻는다.

수정을 위해 먼저 중간 목표 z_f(-4)가

내에서 s_-B쪽으로 설정된다.

그런 다음 s_f-3은 방해 장애물이 없으므로 시간상태값

로 결정된다.

그러나 s_f-2는 장애물로 인해

로 결정되지 않지만 장애물을 피하는

내부의

에 가장 근접한 상태로 결정된다.

그런 다음 s_f-2를 결정하는 동안 z_f(-4)에 대한 경로가 수정되기 때문에 중간 목표 z_f(-2)를 설정한다.

이후 d = 2, 1, s_f-1, s_f는 장애물의 교란이 없으므로 z_f(-2)를 기반으로 결정된다.

이는 로봇이

동안 균일 한 입력으로 움직이는 시간 인덱스 f에서 z_f(-2)를 통과해야 함을 의미한다.

각 시간 단계의 상태 계획 시 부분경로수정이 수행되고 P_min이 f-k로 결정될 때 (즉, 모든 계획된 경로 수정 시) 가장 많은 계산이 발생된다.

이상에서 본 발명의 일 실시예에 따른 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법에 대하여 설명하였지만, 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법을 구현하기 위한 프로그램이 저장된 컴퓨터 판독 가능한 기록매체 및 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법을 구현하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장된 프로그램 역시 구현 가능함은 물론이다.

즉, 상술한 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법은 이를 구현하기 위한 명령어들의 프로그램이 유형적으로 구현됨으로써, 컴퓨터를 통해 판독될 수 있는 기록매체에 포함되어 제공될 수도 있음을 당업자들이 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 다시 말해, 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어, 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리, USB 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

S20: 웨이포인트설정 단계
S50: 순방향경로계산 단계
S51: 증분경로계획 단계
S52: 부분경로수정 단계
S60: 로봇제어명령생성 단계

Claims (10)

1. 컴퓨터를 포함하는 연산처리수단에 의하여 실행되는 프로그램 형태로 이루어지는 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법에 있어서,
   로봇의 현재 위치 또는 순방향경로의 마지막 계산 지점에서 현재 목표 웨이포인트를 향한, 상태값(s)과 시간값(타임인덱스 n)을 고려한 시간상태 영역에서의 순방향경로 계산을 하며,
   순방향경로를 계획하는데 이용되는 시간상태 영역에서의 상태값 (s_n)은 위치, 방위에 대한 배위값을 포함하고 조향각, 속도, 가속도 중 선택되는 어느 하나 또는 복수의 정보를 포함하는 것을 특징으로 하고,
   정적장애물 및 동적장애물과 충돌하지 않는 배위영역 상의 안전한 영역인 시간배위안전영역

   

   을 근거로 순방향경로를 계산하되, 시간배위안전영역

   

   이 존재하지 않아 충돌을 피할 수 없는 경우 필연적충돌상태(ICS; Inevitable collision state)가 발생될 것으로 판단하며,
   필연적충돌상태가 발생되면, 순방향경로 계획의 일부를 취소하고, 임시목표(Interim Goal)를 통과하는 순방향경로를 계획하여 충돌을 회피하는 것을 특징으로 하고,
   상기 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법은
   현재 목표 웨이포인트에 로봇의 도착 시 로봇의 상태값(g_w)을 설정하는 웨이포인트설정 단계(S20); 및
   순방향경로를 계산하는 순방향경로계산 단계(S50);
   상기 순방향경로계산 단계(S50)가 정해진 회수만큼 반복 수행되면, 상기 순방향경로에 따라 로봇을 제어하는 명령을 계산하는 로봇제어명령생성 단계(S60);
   를 포함하며,
   상기 순방향경로계산 단계(S50)는
   시간배위안전영역

   

   이 존재하면 순방향경로를 (한 스텝) 계산하는 증분경로계획 단계(S51); 및
   필연적충돌상태가 발생되면, 순방향경로의 마지막 계산 지점에서 시간배위안전영역

   

   이 존재하는 지점까지 순방향경로 계획을 취소하며, 시간배위안전영역

   

   이 존재하는 순방향경로의 마지막 계산 지점을 기준으로 시간배위안전영역

   

   내에서 임시목표(Interim Goal)를 설정하고, 상기 임시목표(Interim Goal)를 통과하는 경로를 계획하여 충돌을 회피하는 부분경로수정 단계(S52);
   를 포함하고,
   상기 부분경로수정 단계(S52)는
   임시목표의 상태값이 다음식
   

   

   
   (여기서, z_f(-d)는 임시목표의 상태값,

   

   는

   

   를 세팅하는 동안 다음 목표 웨이포인트의 상태값, G_w는 현재 목표 웨이포인트의 상태 범위, G_w+1는 다음 목표 웨이포인트의 상태 범위, N(a, b, c)는 a 에서 b 까지 c 타임스텝 동안의 이동에 대한 경로를 계산하는 근사 최적 상태 시간 함수, s_f-d는 순방향경로의 충돌예상 타임스텝 f에서 순방향경로 계획을 취소한 d 타임스텝을 뺀 순방향경로의 상태값, s_-B는 역방향경로의 B스텝에서의 상태값이며 역방향경로가 없을 경우는 현재 목표 웨이포인트 에서의 상태값, d는 순방향경로 계획을 취소한 타임스텝을 나타낸다.)
   과 같이 결정되는 것을 특징으로 하는 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 웨이포인트설정 단계(S20)는
   다음 식
   

   

   
   (여기서,

   

   는 현재 목표 웨이포인트의 상태값,

   

   는

   

   를 세팅하는 동안 다음 목표 웨이포인트의 상태값, G_w는 현재 목표 웨이포인트의 상태 범위, G_w+1는 다음 목표 웨이포인트의 상태 범위, H(a, b)는 a에서 b까지 이동에 대한 비용함수,

   

   는 로봇의 현재 위치

   

   는 현재 목표 웨이포인트

   

   는 현재 목표 웨이포인트 다음 웨이포인트를 나타낸다.)
   과 같이 이동비용을 최소화 시킬 수 있는 현재 목표 웨이포인트의 상태값(g_w)이 설정되는 것을 특징으로 하는 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 웨이포인트설정 단계(S20)는
   최초 경로 계산 시, 순방향경로의 시간변수를 정해진 값으로 초기화 하고,
   최초 경로 계산 이후의 경로 계산 시, 타임인덱스(n) 에서 로봇의 배위값(

   

   )이 시간배위안전영역

   

   에 포함되지 않아 필연적충돌상태가 발생되면, 충돌을 회피할 수 있는 가장 큰 값으로 순방향경로의 시간변수를 계산하여 설정하는 것을 특징으로 하는 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법.
   
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 부분경로수정 단계(S52)는
   시간배위안전영역

   

   이 존재하는 순방향경로의 마지막 계산 지점에 해당되는 타임인덱스부터 타임인덱스를 증가시키면서 시간배위안전영역

   

   이 존재하는 경로를 계획하는 것을 특징으로 하는 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 부분경로수정 단계(S52)는
   동일한 로봇의 입력값으로 계산하는 것을 특징으로 하는 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법.
   
9. 제 1항, 제 3항, 제 4항, 제 7항 또는 제 8항에 기재된 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법을 구현하기 위한 프로그램이 저장된 컴퓨터 판독 가능한 기록매체.
   
10. 제 1항, 제 3항, 제 4항, 제 7항 또는 제 8항에 기재된 시간상태 영역에서의 장애물 회피 방법을 구현하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장된 프로그램.

Images