KR20120098152A - 이동 로봇의 경로 생성 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이동 로봇의 경로 생성 시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는, 베지어 곡선을 이용하여 이동 로봇의 경로를 생성하고 평가하여, 주어진 목표 위치까지 이동하기 위한 최적의 경로를 생성하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇의 경로 생성 시스템은, 현재 위치에서 목표 위치까지 베지어 곡선을 이용하여 복수의 경로 후보들을 생성하는 경로 생성부; 상기 경로 생성부에서 생성된 복수의 경로 후보들을 평가 함수에 따라 평가하여 최적의 경로를 선택하는 경로 평가부; 및 상기 경로 평가부에서 선택된 최적의 경로를 이용하여 차량을 제어할 수 있는 속도와 조향각 프로파일로 변환하는 궤적 생성부를 포함한다.
Description
본 발명은 이동 로봇의 경로 생성 시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는, 베지어 곡선을 이용하여 이동 로봇의 경로를 생성하고 평가하여, 주어진 목표 위치까지 이동하기 위한 최적의 경로를 생성하는 방법에 관한 것이다.
이동 로봇은 주어진 목표 위치까지 경로를 탐색하여 움직이는 로봇이다. 최근 이동 로봇은 실외 도로에서도 주행 가능하도록 연구가 진행되고 있다. 실외에서 주행 가능한 로봇의 가장 대표적인 예는 차량형 로봇이다.
차량형 로봇은 전륜의 조향각에 의한 제약조건을 가진다. 차량형 로봇의 경로 생성시, 이러한 제약 조건을 고려하여 차량형 로봇이 추종할 수 있는 경로를 계획하여야 한다.
종래의 경로 계획 방법은 조향각 조건을 만족하는 속도와 조향각 프로파일을 생성하고 이를 이용하여 모의주행 후 로봇이 목표 위치에 도착할 때까지 속도와 조향각 프로파일을 조절하는 과정을 반복하여 경로를 생성한다. 이러한 방법은 매번 목표 위치까지의 도착을 확인해야 하고 복잡한 계산과정을 통하여 차량의 주행 결과를 예측하여야 하는 문제점이 있었다.
본 발명은 위와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 복잡한 계산을 거치지 않고 이동 로봇의 조향각 조건을 만족하는 최적의 경로를 생성한 후, 주어진 경로를 추종할 수 있는 속도와 조향각 프로파일을 생성하는 이동 로봇의 경로 생성 시스템을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇의 경로 생성 시스템은, 현재 위치에서 목표 위치까지 베지어 곡선을 이용하여 복수의 경로 후보들을 생성하는 경로 생성부; 상기 경로 생성부에서 생성된 복수의 경로 후보들을 평가 함수에 따라 평가하여 최적의 경로를 선택하는 경로 평가부; 및 상기 경로 평가부에서 선택된 최적의 경로를 이용하여 차량을 제어할 수 있는 속도와 조향각 프로파일로 변환하는 궤적 생성부를 포함한다.
상기 경로 생성부의 작동은, 현재 위치 및 목표 위치를 설정하는 과정과, 베이저 제어점을 선택하여 베지어 곡선을 생성하는 과정과, 상기 베지어 곡선을 이용하여 생성된 후보 경로를 저장하여 상기 경로 평가부로 전달하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 경로 평가부의 작동은, 이동 로봇의 기구학 조건을 검사하는 과정과, 주어진 경로 상에 장애물이 존재하는지 여부를 검사하는 과정과, 주어진 경로의 매끄러운 정도를 평가하는 과정과, 주어진 경로가 주변 환경 도로에 부합하는지 여부를 평가하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 궤적 생성부의 작동은, 상기 경로 평가부에서 선택된 최적의 경로를 전달받아, 이동 로봇에 역기구학을 적용하여 조향각의 입력값을 산출하는 과정과, 이동 경로의 곡률을 기초로 속도의 입력값을 산출하는 과정을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 이동 로봇의 경로 생성 시스템은, 간단한 방법으로 경로 후보를 생성하여 선택함으로써 이동 로봇의 조향각 제약 조건과 반복되는 계산과정 없이 이동 로봇을 제어할 수 있는 속도와 조향각 프로파일을 쉽게 얻을 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇의 경로 생성 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 경로 생성부의 작동 순서도이다.
도 3는 베지어 곡선(Bezier curve)을 이용한 경로 생성 방법의 개념을 도시한 그래프이다.
도 4는 이동 로봇의 좌표계를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 경로 평가부의 작동 순서도이다.
도 6은 본 발명의 궤적 생성부의 작동 순서도이다.
도 2는 본 발명의 경로 생성부의 작동 순서도이다.
도 3는 베지어 곡선(Bezier curve)을 이용한 경로 생성 방법의 개념을 도시한 그래프이다.
도 4는 이동 로봇의 좌표계를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 경로 평가부의 작동 순서도이다.
도 6은 본 발명의 궤적 생성부의 작동 순서도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 이동 로봇의 경로 생성 시스템에 대하여 상세하게 설명한다.
이동 로봇이 자율 주행하도록 스스로 경로를 생성하기 위해서는 주변 환경의 인식이 필요하다. 이동 로봇은, 레이저 센서나 카메라를 통해 주변 환경을 인식할 수 있으며, 이동 로봇 주변의 주행 가능한 영역을 표시한 주변 환경 지도를 생성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 이동 로봇의 경로 생성 시스템의 구성도이며, 도 2는 본 발명의 경로 생성부의 작동 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 이동 로봇의 경로 생성 시스템(100)은 경로 생성부(110), 경로 평가부(120) 및 궤적 생성부(130)를 포함한다. 궤적 생성부(130)에서 산출된 이동 로봇의 조향각 및 속도의 입력값은 제어기(200)로 전달되어, 이동 로봇을 제어하게 된다.
도 2를 참조하면, 경로 생성부(110)는 이동 로봇의 현재 주변 환경 지도에서 현재 위치 및 목표 위치를 탐색하여 검출한다(S110). 실외 도로 주행을 하는 이동 로봇의 경우, 도로 차선의 방향을 따라 1개 이상의 목표 위치를 설정할 수 있다. 이어서, 베지어 제어점을 선택한 후(S120), 설정된 목표 위치에 대하여 현재 위치를 시작점으로 하는 베지어 곡선(Bezier curve)을 생성한다(S130). n개의 제어점 P를 가지는 n차 베지어 곡선은 하기의 수학식 1과 같이 표현되는 곡선이다.
여기서, t는 시간이며, Pi는 i번째 제어점에서의 위치를 나타낸다.
계속하여, 상기 베어지 곡선을 이용하여 생성된 후보 경로를 저장할지 여부를 판단하여(S140), 후보 경로를 폐지하는 경우, 상기 S120 단계부터 반복하며, 후보 경로를 저장하는 경우, 경로 평가부(120)로 후보 경로들을 전달한다.
본 발명에서는, 도 3에 도시한 바와 같이, 3차 베지어 곡선을 이용하여, 예를 들어, 4개의 제어점을 결정할 수 있다. 4개의 제어점을 결정하기 위해, 우선 제1 제어점은 이동 로봇의 현재 위치로 결정하며, 제4 제어점은 이동 로봇의 목표 위치로 결정한다. 한편, 제2 제어점과 제3 제어점을 이동시키면서 이동 로봇이 현재 위치로부터 목표 위치까지 도달할 수 있는 복수의 경로를 생성한다.
도 4는 이동 로봇의 좌표계를 도시한 도면으로, 도 4를 참조하여, 제2 제어점과 제3 제어점이 움직일 수 있는 위치가 결정될 수 있다. 도 4에서, L은 전륜과 후륜 사이의 거리이며, W는 이동 로봇의 폭이며, D는 이동 로봇의 길이이며, (x, y)는 X-Y 좌표계에서 이동 로봇의 위치이며, Φ는 조향각이며, θ는 이동 로봇의 이동각이다.
제2 제어점은 이동 로봇의 현재 위치에서 시작하여 기울기 θ0의 직선을 따라 θ0방향으로 거리 d 사이에 위치할 수 있다. 제3 제어점은 이동 로봇의 목표 위치에서 시작하여 기울기 θ3의 직선을 따라 -θ3방향으로 거리 d 사이에 위치할 수 있다. 여기서, 거리 d는 이동 로봇의 현재 위치와 목표 위치 사이의 직선 거리이다.
즉, 상기 제2 제어점과 제3 제어점을 결정하는 방법은 하기 수학식 2에 의해 결정된다.
여기서, 제2 제어점과 제3 제어점들은 현재 위치와 목표 위치에서 연장선을 각각 b와 c구간으로 나누어, 각 구간마다 제어점을 위치시킬 수 있다. 제2 제어점은 b개, 제3 제어점은 c개가 만들어지면, 후보 경로는 모두 b*c개가 생성된다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 경로 생성부(110)는 위 단계를 통하여 목표 위치까지 최적의 경로 후보들을 생성한다. 이후 생성된 경로들은 경로 평가부(120)에서 평가를 하여 최적의 경로를 생성하게 된다.
도 5는 본 발명의 경로 평가부의 작동 순서도이다.
도 5를 참조하면, 우선 경로 평가는 하기와 같은 4가지 조건의 충족 여부를 판단하여 이루어진다.
1. 이동 로봇의 기구학을 만족하는가?(S410)
2. 주어진 경로 상에 장애물이 존재하는가?(S420)
3. 주어진 경로가 얼마나 매끄러운가?(S440)
4. 주어진 경로가 주변 환경 도로에 부합하는가?(S450)
위 단계 중 S410 단계는 이동 로봇의 특징인 제약조건을 만족시키는지 여부를 판단하는 것이다. 이동 로봇은 조향축과 구동축이 분리되어 있어 로봇의 이동시, 조향각에 의해 제약을 받게 된다. 주로 이동 로봇이 회전할 수 있는 최소 회전 반경을 검사하게 된다. S410 단계에서, 이동 로봇의 기구학 제약조건을 만족시키지 못할 경우 후보 경로를 폐기한다(S430).
상기 S420 단계는 생성된 경로 상의 장애물이 존재하는지 판단하는 것이다. 생성된 경로 상에 장애물이 존재하여 이동이 불가능할 경우 후보 경로를 폐기한다(S430).
상기 S440 단계는 생성된 경로가 목표 위치까지 이동하면서 얼마나 부드럽게 이동하는지를 평가한다. 본 발명에서는 경로의 매끄러운 정도 h를 하기 수학식 3과 같이 정의한다. 점수가 낮을수록 차량의 방위(orientation)가 덜 움직이므로 더 부드러운 경로라고 할 수 있다.
여기서, 
는 i번째 제어점에서 이동 로봇의 각속도를 나타낸다.
상기 S450 단계는 주어진 환경 지도에서 이동 로봇이 주행 영역의 중앙에 위치할수록 낮은 점수를 받게 된다. 이동 로봇의 이동시, 주행 영역의 중앙에서 이동하는 것이 안전한 경로라고 판단하여 목표 위치까지 장애물이나 기구학을 고려하지 않고 원하는 라인(desired line)을 생성하여, 그 라인에서 벗어난 정도를 점수화 한다.
상기와 같이, 본 발명의 경로 평가부(120)는 각 후보 경로에 대하여 모두 평가를 하여 가장 낮은 점수를 받은 경로를 최적의 경로로 선택하게 된다. 한편, 상기 경로 평가부(120)에서 평가하는 4가지 조건은 그 적용 순서가 변경될 수 있으며, 그 외 추가적인 평가 조건들이 부가될 수도 있다.
경로 평가부(120)에서 선택된 최적의 경로는 궤적 생성부(130)로 전달된다. 궤적 생성부(130)는 상기 최적의 경로를 이동 로봇의 속도와 조향각의 입력값으로 변환하여 제어기(200)로 전달함으로써, 실제 이동 로봇을 제어하도록 한다.
도 6은 본 발명의 궤적 생성부의 작동 순서도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 궤적 생성부(130)는 주어진 경로를 따라 이동 로봇을 제어할 수 있도록 조향각과 속도의 입력값을 생성한다.
이동 경로를 궤적으로 변환하는 방법은 차량형 로봇의 역기구학을 이용한다. 이동 로봇의 기구학 방정식은 하기의 수학식 4와 같다.
여기서, v1은 이동 로봇의 속도이며, v2는 이동 로봇의 조향각 속도를 나타낸다.
상기 수학식 4에서 이동 로봇의 기구학은 특이점이 존재한다. Φ=±π/2일 경우 특이점이 존재하지만 실제 이동 로봇에서 조향각 제한 조건이 있기 때문에 이 특이점은 무시할 수 있다. 상기 기구학 방정식에서 속도와 조향각을 구하기 위한 역기구학 방정식은 하기의 수학식 5와 같다.
이동 로봇의 조향각(Φ)은 역기구학을 적용한 상기 수학식 5를 이용하여 얻을 수 있으며(S510), 속도(
)는 현재 이동 경로의 곡률에 반비례하는 값으로 계산할 수 있다(S520). 즉, 궤적 생성부(130)는 주어진 경로를 속도와 조향각의 입력값으로 변환하여 이동 로봇의 제어기로 값을 전달한다.
본 발명은 경로 생성부(110), 경로 평가부(120) 및 궤적 생성부(130)를 구비하며, 이동 로봇의 현재 위치에서 목표 위치까지 베지어 곡선을 이용하여 최적의 경로를 생성하고, 속도와 조향각 프로파일을 생성한 후, 제어기(200)로 전달하여, 이동 로봇의 주어진 경로에 따른 이동을 제어할 수 있다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 단지 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100: 경로 생성 시스템
110: 경로 생성부
120: 경로 평가부
130: 궤적 생성부
200: 제어기
110: 경로 생성부
120: 경로 평가부
130: 궤적 생성부
200: 제어기
Claims (4)
- 현재 위치에서 목표 위치까지 베지어 곡선을 이용하여 복수의 경로 후보들을 생성하는 경로 생성부;
상기 경로 생성부에서 생성된 복수의 경로 후보들을 평가 함수에 따라 평가하여 최적의 경로를 선택하는 경로 평가부; 및
상기 경로 평가부에서 선택된 최적의 경로를 이용하여 차량을 제어할 수 있는 속도와 조향각 프로파일로 변환하는 궤적 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇의 경로 생성 시스템. - 제 1 항에 있어서, 상기 경로 생성부의 작동은, 현재 위치 및 목표 위치를 설정하는 과정과, 베이저 제어점을 선택하여 베지어 곡선을 생성하는 과정과, 상기 베지어 곡선을 이용하여 생성된 후보 경로를 저장하여 상기 경로 평가부로 전달하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇의 경로 생성 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 경로 평가부의 작동은, 이동 로봇의 기구학 조건을 검사하는 과정과, 주어진 경로 상에 장애물이 존재하는지 여부를 검사하는 과정과, 주어진 경로의 매끄러운 정도를 평가하는 과정과, 주어진 경로가 주변 환경 도로에 부합하는지 여부를 평가하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇의 경로 생성 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 궤적 생성부의 작동은, 상기 경로 평가부에서 선택된 최적의 경로를 전달받아, 이동 로봇에 역기구학을 적용하여 조향각의 입력값을 산출하는 과정과, 이동 경로의 곡률을 기초로 속도의 입력값을 산출하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇의 경로 생성 시스템.
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