KR20230122349A

KR20230122349A - 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법

Info

Publication number: KR20230122349A
Application number: KR1020220018886A
Authority: KR
Inventors: 봉종오; 박봉석
Original assignee: 공주대학교 산학협력단
Priority date: 2022-02-14
Filing date: 2022-02-14
Publication date: 2023-08-22
Also published as: KR102684631B1

Abstract

본 발명은 이동로봇의 충돌회피를 위한 제어방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 포텐셜 함수(potential function)를 통해 장애물을 회피할 때 경우에 따라 발생하는 국부 최소점 문제(Local Minimum Problem)를 해결하기 위해 벽추종(wall following) 기법을 이용하여 국부 최소점 문제를 회피하거나, 국부 최소점 문제에 갇히는 경우 지나온 경로로 다시 돌아간 후 되돌아 나오도록 구성됨으로 인해 국부 최소점 문제를 탈출하는 데 시간이 오래 걸리고 비효율적이며, 단순한 선형제어 기술인 PI 제어기법을 사용하는 것에 불과한 한계가 있었던 종래기술의 이동로봇 및 그 제어방법들의 문제점을 해결하기 위해, 포텐셜 함수와 점 안정화(point stabilization)를 이용한 지역경로계획 기법을 이용하여, 장애물에 의해 생성된 포텐셜 함수를 오차 정의에 포함시켜 장애물을 회피하고, 국부 최소점 문제는 가상 장애물을 생성하여 해소하는 비선형 제어 알고리즘으로 구성됨으로써, 비교적 간단한 구성으로 국부 최소점 문제를 효과적으로 해결하여 보다 빠르고 안전한 운행이 가능하도록 구성되는 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법이 제공된다.

Description

가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법{Method for collision avoidance control of mobile robot based on virtual obstacles}

본 발명은 이동로봇 및 이동로봇의 충돌회피를 위한 제어방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 종래, 미리 정해진 경로를 따라 목적지까지 스스로 판단하여 주행하도록 이루어지는 자율주행형 이동로봇에 있어서, 주행을 시작하기 전에 장애물을 피해서 경로를 생성하는 전역경로계획(global path planning) 방법은 실시간으로 움직이는 장애물이나 주변환경이 바뀌면 잘못된 경로로 주행하거나 장애물과 충돌할 수 있는 문제가 있고, 각종 센서를 통해 주행중 주변환경 및 장애물을 감지하여 실시간으로 경로를 계획하는 지역경로계획(local path planning) 방법은 갑자기 나타나는 장애물이나 이동하는 장애물도 회피할 수 있는 장점이 있으나, 포텐셜 함수(potential function)를 통해 장애물을 회피할 때 경우에 따라 국부 최소점 문제(Local Minimum Problem)가 발생하는 단점이 있었던 종래기술의 이동로봇 및 그 제어방법들의 문제점을 해결하기 위해, 비교적 간단한 구성으로 다중 장애물에 의해 발생하는 국부 최소점 문제를 효과적으로 회피하고 해결할 수 있도록 구성되는 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은, 종래, 상기한 바와 같이 포텐셜 함수를 이용한 장애물 회피중 발생하는 국부 최소점 문제를 해결하기 위해 벽추종(wall following) 기법을 이용하여 벽을 따라 주행하는 것으로 국부 최소점 문제를 회피하거나, 국부 최소점 문제에 갇히는 경우 지나온 경로로 다시 돌아간 후 되돌아 나오도록 구성됨으로 인해 국부 최소점 문제를 탈출하는 데 시간이 오래 걸리고 비효율적이며, 단순한 선형제어 기술인 PI 제어기법을 사용하는 것에 불과한 등의 한계가 있었던 종래기술의 이동로봇 및 그 제어방법들의 문제점을 해결하기 위해, 포텐셜 함수와 점 안정화(point stabilization)를 이용한 지역경로계획 기법을 이용하여, 장애물에 의해 생성된 포텐셜 함수를 오차 정의에 포함시켜 장애물을 회피하고 장애물 회피 도중 특정 상황에서 발생하는 국부 최소점 문제는 가상 장애물을 생성하여 해소하는 처리가 수행되도록 이루어지는 비선형 제어 알고리즘으로 구성됨으로써, 비교적 간단한 구성으로 국부 최소점 문제를 효과적으로 해결할 수 있으며, 그것에 의해, 이동로봇이 목적지까지 보다 빠르고 안전하게 주행할 수 있도록 구성되는 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법에 관한 것이다.

아울러, 본 발명은, 상기한 바와 같이 장애물 회피 도중 특정 상황에서 발생하는 국부 최소점 문제를 가상 장애물을 생성하여 효율적으로 해결할 수 있도록 구성되는 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법을 이용하여, 국부 최소점 문제에 갇히지 않고 목적지까지 보다 빠르고 안전하게 운행 가능하도록 구성되는 이동로봇에 관한 것이다.

최근, 정보통신기술(IT) 기술이 발전함에 따라, 로봇 분야에 있어서도 단순히 고정된 위치에서 특정 작업을 반복 수행하도록 구성되는 기존의 고정 설치형 로봇에서 벗어나 스스로 자율주행이 가능한 이동로봇에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

여기서, 이러한 이동로봇은, 대표적으로, 스티어링 휠이 없이 2개 또는 4개의 바퀴를 사용하여 전후좌우 방향전환 및 제자리 회전이 가능하여 좁은 공간에서도 활용이 가능하도록 구성되는 차륜형 로봇이 있다.

또한, 최근에는, 상기한 바와 같이 스스로 자율주행이 가능한 이동로봇을 이용하여, 예를 들면, 물품의 배송이나 서빙 등과 같이, 사람을 대신하여 다양한 서비스를 제공하기 위한 무인 자동화 서비스가 주목받고 있다.

즉, 최근, 산업 발전으로 생산 및 제조공장에 있어서도 설계，개발，유통 등 전 과정에 걸쳐 정보통신기술(IT)을 결합하여 생산성을 높이고 품질을 향상시키는 스마트 팩토리로 발전하였고，이에 따라, 물류창고나 생산시설 등에서 물류 자동화를 위해 스스로 장애물을 피해 목적지까지 주행하여 물품을 운반하는 이동로봇이 적용되고 있다.

아울러，현재 코로나 19(COVID-19)로 인해 방역에 관심이 커지면서, 예를 들면, 공항이나 호텔 또는 식당 등과 같은 다중 이용시설에서 사람을 대신하여 자율주행이 가능한 이동로봇을 통해 소독이나 서빙 또는 배달 등과 같은 작업이 자동으로 이루어질 수 있도록 하기 위한 무인 자동화 서비스가 다양한 분야에 적용되고 있다.

여기서, 상기한 바와 같이 무인 자동화 서비스를 제공하기 위한 자율주행 이동로봇에 대한 종래기술의 예로는, 먼저, 예를 들면, 한국 공개특허공보 제10-2021-0119886호에 제시된 바와 같은 "기능확장이 용이한 이동로봇 및 그 제공방법"이 있다.

더 상세하게는, 상기한 한국 공개특허공보 제10-2021-0119886호는, 이동로봇에 있어서, 이동로봇의 프레임; 프레임에 연결되어 적재물이 적재될 수 있는 적어도 하나의 트레이; 이동로봇의 동작을 제어하기 위한 제어부; 및 제어부와 연결되어 소정의 위치에서 외부로 노출되도록 형성되는 적어도 하나의 확장단자를 포함하며, 상기 이동로봇은, 적어도 하나의 확장단자를 통해 연결되는 연결장치에 따라 연결장치에 상응하는 기능이 추가될 수 있도록 구성됨으로써, 이동로봇에 전원과 데이터 연결을 위한 확장단자를 설치하여 각종 추가기능을 위한 하드웨어나 액세서리 등을 용이하게 설치 및/또는 제거할 수 있도록 구성되는 기능확장이 용이한 이동로봇 및 그 제공방법에 관한 것이다.

또한, 상기한 바와 같이 무인 자동화 서비스를 제공하기 위한 자율주행 이동로봇에 대한 종래기술의 다른 예로는, 예를 들면, 한국 공개특허공보 제10-2021-0083813호에 제시된 바와 같은 "자율주행 이동로봇 및 이의 동작 방법"이 있다.

더 상세하게는, 상기한 한국 공개특허공보 제10-2021-0083813호는, 자율주행 이동로봇에 있어서, 적어도 하나의 적재 공간을 포함하는 적재함; 신호를 주고받도록 구성되는 통신회로; 주변환경을 감지하도록 구성되는 정보수집장치; 자율주행 이동로봇의 움직임을 구현하도록 구성되는 구동장치; 및 적재함, 통신회로 및 정보수집장치를 제어하도록 구성된 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는, 자율주행 이동로봇이 이동경로에 따라 이동하는 중 배송이벤트를 감지하는 것에 응답하여 이벤트 처리자의 배송권한 정보와 위치정보를 확인하고, 배송권한 정보와 위치정보에 기초하여 적재함에 대한 개방여부를 판단하도록 제어하며, 상기 배송권한 정보는, 이벤트 처리자에 대한 이벤트 처리권한이 부여된 권한영역에 대한 정보를 포함하여 구성됨으로써, 사전에 지정진 배송지점 이외에도 권한이 설정된 영역에서 물품의 인수나 인계가 가능하여 편의성을 높이고, 물품 인계시 수취인 인증을 통해 물품의 인계여부를 판단하여 수취인이 아닌 다른 사람에게 물품이 배송되거나 분실되는 문제를 방지할 수 있도록 구성되는 자율주행 이동로봇 및 그 동작방법에 관한 것이다.

상기한 바와 같이, 종래, 자율주행이 가능한 이동로봇에 대하여 다양한 장치 및 방법들이 제시된 바 있으나, 상기한 바와 같은 종래기술의 내용들은 다음과 같은 한계가 있는 것이었다.

즉, 이동로봇이 정해진 목적지까지 안전하게 주행하기 위해서는 목적지까지 최적의 이동경로를 생성하는 경로계획(path planning)이 수행되어야 하며, 이와 함께 주행 중 발생할 수 있는 충돌사고를 방지학 위한 장애물 회피(obstacle avoidance)가 효율적으로 이루어져야 한다.

더 상세하게는, 종래, 장애물 회피는, 크게 나누어, 전역경로계획계획(global path planning)을 통해 이동로봇이 주행을 시작하기 전에 장애물을 피해서 경로를 생성하는 방법과, 지역경로계획(local path planning)을 통해 주변환경 인식센서를 기반으로 주행중 장애물을 감지하여 실시간으로 경로를 계획하는 방법이 있다.

여기서, 전역경로계획은 실시간으로 움직이는 장애물이나 주변환경이 바뀌면 잘못된 경로로 주행하거나 장애물과 충돌 할 수 있는 문제가 있으며, 반면, 지역경로계획으로 경로를 계획하면 갑자기 나타나는 장애물이나 이동하는 장애물도 회피할 수 있는 장점이 있으나, 지역경로계획 방법은 포텐셜 함수(potential function)를 통해 장애물을 회피할 때 경우에 따라 국부 최소점 문제(Local Minimum Problem)가 발생하는 단점이 있다.

그러나 상기한 바와 같은 종래기술의 내용들에는 단순히 이동로봇을 통해 다양한 무인 자동화 서비스를 제공하는 것에만 초점을 두고 있을 뿐, 이와 같이 장애물 회피 도중 특정 상황에서 발생하는 국부 최소점 문제를 효과적으로 해결할 수 있는 방안에 대하여는 제시된 바 없었다.

따라서 상기한 바와 같이 장애물 회피 도중 특정 상황에서 발생하는 국부 최소점 문제를 효과적으로 해결할 수 있는 방법이 제시되지 못하였던 종래기술의 이동로봇 및 그 제어방법들의 한계를 해결하기 위하여는, 비교적 간단한 구성으로 다중 장애물에 의해 발생하는 국부 최소점 문제를 효과적으로 회피하고 해결할 수 있도록 구성되는 제어 알고리즘을 통해 목적지까지 보다 빠르고 안전하게 운행이 가능하도록 구성되는 새로운 구성의 이동로봇 및 그 제어방법을 제시하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제시되지 못하고 있는 실정이다.

한국 공개특허공보 제10-2021-0119886호 (2021.10.06.) 한국 공개특허공보 제10-2021-0083813호 (2021.07.07.)

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 종래, 미리 정해진 경로를 따라 목적지까지 스스로 판단하여 주행하도록 이루어지는 자율주행형 이동로봇에 있어서, 주행을 시작하기 전에 장애물을 피해서 경로를 생성하는 전역경로계획(global path planning) 방법은 실시간으로 움직이는 장애물이나 주변환경이 바뀌면 잘못된 경로로 주행하거나 장애물과 충돌할 수 있는 문제가 있고, 각종 센서를 통해 주행중 주변환경 및 장애물을 감지하여 실시간으로 경로를 계획하는 지역경로계획(local path planning) 방법은 갑자기 나타나는 장애물이나 이동하는 장애물도 회피할 수 있는 장점이 있으나, 포텐셜 함수(potential function)를 통해 장애물을 회피할 때 경우에 따라 국부 최소점 문제(Local Minimum Problem)가 발생하는 단점이 있었던 종래기술의 이동로봇 및 그 제어방법들의 문제점을 해결하기 위해, 비교적 간단한 구성으로 다중 장애물에 의해 발생하는 국부 최소점 문제를 효과적으로 회피하고 해결할 수 있도록 구성되는 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법을 제시하고자 하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같이 포텐셜 함수를 이용한 장애물 회피중 발생하는 국부 최소점 문제를 해결하기 위해 벽추종(wall following) 기법을 이용하여 벽을 따라 주행하는 것으로 국부 최소점 문제를 회피하거나, 국부 최소점 문제에 갇히는 경우 지나온 경로로 다시 돌아간 후 되돌아 나오도록 구성됨으로 인해 국부 최소점 문제를 탈출하는 데 시간이 오래 걸리고 비효율적이며, 단순한 선형제어 기술인 PI 제어기법을 사용하는 것에 불과한 등의 한계가 있었던 종래기술의 이동로봇 및 그 제어방법들의 문제점을 해결하기 위해, 포텐셜 함수와 점 안정화(point stabilization)를 이용한 지역경로계획 기법을 이용하여, 장애물에 의해 생성된 포텐셜 함수를 오차 정의에 포함시켜 장애물을 회피하고, 장애물 회피 도중 특정 상황에서 발생하는 국부 최소점 문제는 가상 장애물을 생성하여 해소하는 처리가 수행되도록 이루어지는 비선형 제어 알고리즘으로 구성됨으로써, 비교적 간단한 구성으로 국부 최소점 문제를 효과적으로 해결할 수 있으며, 그것에 의해, 이동로봇이 목적지까지 보다 빠르고 안전하게 주행할 수 있도록 구성되는 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법을 제시하고자 하는 것이다.

아울러, 본 발명의 또 다른 목적은, 상기한 바와 같이 장애물 회피 도중 특정 상황에서 발생하는 국부 최소점 문제를 가상 장애물을 생성하여 효율적으로 해결할 수 있도록 구성되는 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법을 이용하여, 국부 최소점 문제에 갇히지 않고 목적지까지 보다 빠르고 안전하게 운행 가능하도록 구성되는 이동로봇을 제시하고자 하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 포텐셜 함수(potential function)를 이용하여 장애물을 회피시 발생하는 국부 최소점 문제(Local Minimum Problem)를 해결할 수 있도록 구성되는 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법에 있어서, 이동로봇의 주행중에 장애물을 인식하는 처리가 수행되는 장애물 인식단계; 상기 장애물 인식단계에서 인식된 장애물에 미리 정해진 일정 거리 이내로 근접하면 가상 장애물 생성조건을 만족하는지를 판단하는 처리가 수행되는 장애물 판단단계; 상기 장애물 판단단계의 판단결과에 따라 가상 장애물을 생성하여 국부 최소점 문제를 회피하고 장애물을 회피하는 처리가 수행되는 장애물회피 처리단계를 포함하는 처리가 컴퓨터나 전용의 하드웨어 또는 상기 이동로봇의 제어부를 통해 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법이 제공된다.

여기서, 상기 장애물 인식단계는, 라이다(LiDAR) 센서를 포함하는 상기 이동로봇에 설치된 각종 센서를 이용하여 주행중에 장애물의 유무를 감지하고 해당 장애물에 대한 거리 및 각도를 측정하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 장애물 판단단계는, 이하의 수학식을 이용하여 상기 가상 장애물 생성조건을 만족하는지를 판단하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

(여기서, 은 장애물 a와 장애물 b 사이의 거리, R은 장애물 감지범위, D는 장애물 a와 이동로봇과의 거리(l_a)와 장애물 b와 이동로봇과의 거리(l_b) 사이의 차이(｜l_a - l_b｜), l_v.o는 두 장애물의 중점 V.O(x_v.0, y_v.0)와 이동로봇과의 거리, R_l은 이동로봇이 국부 최소점 문제에 빠지지 않는 여유거리를 각각 의미함)

아울러, 상기 장애물회피 처리단계는, 상기 장애물 판단단계의 판단결과에 근거하여, 상기 가상 장애물 생성조건을 모두 만족하는 경우 국부 최소점 문제가 발생하는 것으로 판단하여 가상 장애물을 생성하고, 생성된 가상 장애물에 기반하여 장애물을 회피하는 처리가 수행되는 가상 장애물 생성 및 회피단계; 및 상기 장애물 판단단계의 판단결과에 근거하여, 상기 가상 장애물 생성조건을 만족하지 않는 경우는 가상 장애물을 생성하지 않고 장애물을 직접 회피하는 처리가 수행되는 장애물 회피단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 가상 장애물 생성 및 회피단계는, 상기 장애물 판단단계에서 상기 가상 장애물 생성조건을 만족하는 경우 이하의 수학식을 이용하여 장애물 a와 장애물 b의 중점 V.O(x_v.0, y_v.0)의 위치에 가상 장애물을 생성하고,

(여기서, x_a, x_b는 각각 장애물 a와 장애물 b의 x 좌표이고, y_a, y_b는 각각 장애물 a와 장애물 b의 y 좌표를 의미함)

생성된 상기 가상 장애물의 포텐셜 함수를 V_v.o라 할 때, 이하의 수학식을 이용하여 장애물 회피를 위한 포텐셜 함수 V_s를 산출하며,

산출된 상기 포텐셜 함수 V_s에 근거하여 국부 최소점 문제를 회피하고 장애물을 회피하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

더욱이, 상기 가상 장애물 생성 및 회피단계는, 이하의 수학식을 이용하여 상기 가상 장애물의 포텐셜 함수 V_v.o를 산출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

(여기서, l_v.o는 이동로봇과 가상 장애물과의 거리, R은 이동로봇의 장애물 감지범위，r은 이동로봇이 장애물과 충돌하지 않는 최소반경을 각각 의미함)

또한, 상기 장애물 회피단계는, 상기 장애물 판단단계에서 상기 가상 장애물 생성조건을 만족하지 않는 경우, 장애물 a와 장애물 b의 포텐셜 함수를 각각 V_a 및 V_b라 할 때 이하의 수학식을 이용하여 장애물 회피를 위한 포텐셜 함수 V_s를 산출하고,

산출된 상기 포텐셜 함수 V_s에 근거하여 장애물을 회피하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 장애물 회피단계는, 이하의 수학식을 이용하여 각 장애물의 포텐셜 함수 V_a 및 V_b를 각각 산출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

(여기서, l_a 및 l_b는 각각 이동로봇과 장애물 a 및 장애물 b와의 거리, R은 이동로봇의 장애물 감지범위，r은 이동로봇이 장애물과 충돌하지 않는 최소반경을 각각 의미함)

더욱이, 상기 장애물회피 처리단계는, 이하의 수학식을 이용하여 산출된 선속도 v와 각속도 ω를 상기 이동로봇의 제어입력으로 적용하여 상기 이동로봇을 제어하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

(여기서,

이고, k₁, k₂, λ₁, λ₂는 각각 상수이며, t는 시간, x, y는 각각 이동로봇의 위치좌표, θ는 이동로봇의 헤딩각도, x_d와 y_d는 목표좌표를 각각 의미하고, 임)

또한, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법을 컴퓨터에 실행시키도록 구성되는 프로그램이 기록된 컴퓨터에서 판독 가능한 기록매체가 제공된다.

아울러, 본 발명에 따르면, 이동로봇의 제어시스템에 있어서, 이동로봇에 설치된 센서를 통해 상기 이동로봇의 주행경로상의 장애물에 대한 정보를 수집하는 처리가 수행되도록 이루어지는 정보수집부; 및 상기 정보수집부를 통해 수집된 데이터에 근거하여 이동로봇의 주행 및 장애물 회피를 제어하는 처리가 수행되도록 이루어지는 제어부를 포함하여 구성되고, 상기 제어부는, 상기에 기재된 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법을 이용하여 이동로봇의 주행 및 장애물 회피를 제어하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 이동로봇의 제어시스템이 제공된다.

더욱이, 본 발명에 따르면, 이동로봇에 있어서, 상기 이동로봇의 주행 및 장애물 회피를 제어하는 처리가 수행되도록 이루어지는 제어부; 및 상기 제어부의 제어에 따라 자율주행이 가능하도록 이루어지는 이동로봇 본체를 포함하여 구성되고, 상기 제어부는, 상기 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법을 이용하여 이동로봇의 주행 및 장애물 회피를 제어하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 이동로봇이 제공된다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 포텐셜 함수와 점 안정화를 이용한 지역경로계획 기법을 이용하여, 장애물에 의해 생성된 포텐셜 함수를 오차 정의에 포함시켜 장애물을 회피하고 장애물 회피 도중 특정 상황에서 발생하는 국부 최소점 문제는 가상 장애물을 생성하여 해소하는 처리가 수행되도록 이루어지는 비선형 제어 알고리즘을 통해 비교적 간단한 구성으로 국부 최소점 문제를 효과적으로 해결할 수 있도록 구성되는 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법이 제공됨으로써, 포텐셜 함수를 이용한 장애물 회피중 발생하는 국부 최소점 문제를 해결하기 위해 벽추종(wall following) 기법을 이용하여 벽을 따라 주행하는 것으로 국부 최소점 문제를 회피하거나, 국부 최소점 문제에 갇히는 경우 지나온 경로로 다시 돌아간 후 되돌아 나오도록 구성됨으로 인해 국부 최소점 문제를 탈출하는 데 시간이 오래 걸리고 비효율적이며, 단순한 선형제어 기술인 PI 제어기법을 사용하는 등의 한계가 있었던 종래기술의 이동로봇 및 그 제어방법들의 문제점을 해결할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 장애물 회피 도중 특정 상황에서 발생하는 국부 최소점 문제를 가상 장애물을 생성하여 효율적으로 해결할 수 있도록 구성되는 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법이 제공됨으로써, 주행을 시작하기 전에 장애물을 피해서 경로를 생성함으로 인해 실시간으로 움직이는 장애물이나 주변환경이 바뀌면 잘못된 경로로 주행하거나 장애물과 충돌할 수 있는 문제가 있었던 종래의 전역경로계획 방법과, 각종 센서를 통해 주행중 주변환경 및 장애물을 감지하여 실시간으로 경로를 계획함으로 인해 갑자기 나타나는 장애물이나 이동하는 장애물도 회피할 수 있는 장점이 있으나 포텐셜 함수를 통해 장애물을 회피할 때 경우에 따라 국부 최소점 문제가 발생하는 단점이 있었던 종래기술의 지역경로계획 방법의 문제점을 모두 해결할 수 있다.

아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 비교적 간단한 구성으로 다중 장애물에 의해 발생하는 국부 최소점 문제를 효과적으로 회피하고 해결할 수 있도록 구성되는 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법이 제공됨으로써, 국부 최소점 문제에 갇히지 않고 목적지까지 보다 빠르고 안전하게 운행이 가능하도록 구성되는 이동로봇을 용이하게 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명에 적용된 이동로봇과 좌표계의 구조를 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 적용된 이동로봇의 장애물 감지범위 및 포텐셜 함수를 각각 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 이동로봇이 정해진 경로를 따라 주행할 때 두 개의 장애물이 이동경로상에 위치하여 주행을 방해하는 경우를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 충돌회피 제어방법의 검증시험을 위한 이동로봇 시스템의 각종 매개변수를 표로 정리하여 나타낸 도면이다.
도 6은 가상 장애물의 생성이 필요 없는 경우에 대한 모의실험 결과로서 장애물 a와 장애물 b를 회피하여 주행한 경로를 나타내는 도면이다.
도 7은 가상 장애물의 생성이 필요 없는 경우에 대한 모의실험 결과로서 장애물 a와 장애물 b의 회피를 위한 제어입력을 나타내는 도면이다.
도 8은 가상 장애물의 생성이 필요 없는 경우에 대한 모의실험 결과로서 장애물 a와 장애물 b의 회피에 대한 위치오차를 나타내는 도면이다.
도 9는 가상 장애물의 생성이 필요 없는 경우에 대한 모의실험 결과로서 이동로봇과 장애물 사이의 거리를 각각 나타내는 도면이다.
도 10은 가상 장애물의 생성이 필요한 경우에 가상 장애물이 없는 경우에 대한 모의실험 결과로서, 주행중 장애물 회피시 국부 최소점 문제에 빠진 이동로봇의 경로를 나타내는 도면이다.
도 11은 국부 최소점 문제에 빠진 이동로봇의 제어입력을 나타내는 도면이다.
도 12는 국부 최소점 문제에 빠진 이동로봇의 위치오차를 나타내는 도면이다.
도 13은 국부 최소점 문제에 빠진이동로봇과 장애물 사이의 거리를 나타내는 도면이다.
도 14는 가상 장애물의 생성이 필요한 경우에 가상 장애물을 생성하여 장애물을 회피하는 경우에 대한 모의실험 결과로서, 가상 장애물을 이용한 이동로봇의 회피경로를 나타내는 도면이다.
도 15는 가상 장애물을 이용한 이동로봇의 제어입력을 나타내는 도면이다.
도 16은 가상 장애물을 이용한 이동로봇의 위치오차를 나타내는 도면이다.
도 17은 가상 장애물을 이용한 이동로봇과 장애물 사이의 거리를 나타내는 도면이다.
도 18은 장애물 회피 중 가상 장애물이 없는 경우에 대한 모의실험 결과를 나타내는 도면으로, 장애물 회피 중 국부 최소점 문제에 빠진 이동로봇의 경로를 나타내는 도면이다
도 19는 국부 최소점 문제에 빠진 이동로봇의 제어입력을 나타내는 도면이다.
도 20은 국부 최소점 문제에 빠진 이동로봇의 위치오차를 나타내는 도면이다.
도 21은 이동로봇과 장애물 사이의 거리를 나타내는 도면이다.
도 22는 이동로봇이 장애물을 회피하는 도중 발생하는 국부 최소점 문제를 가상 장애물을 통해 회피하는 경우에 대한 모의실험 결과를 나타내는 도면으로, 장애물 회피 중 가상 장애물을 생성하여 국부 최소점 문제를 회피하는 이동로봇의 회피경로를 나타내는 도면이다.
도 23은 가상 장애물을 생성하여 회피하는 이동로봇의 제어입력을 나타내는 도면이다.
도 24는 가상 장애물을 생성하여 회피하는 이동로봇의 위치오차를 나타내는 도면이다.
도 25는 가상 장애물을 생성하여 회피하는 이동로봇과 장애물 사이의 거리를 나타내는 도면이다.
도 26은 이동로봇의 점 안정화 및 장애물 회피에 대한 모의실험 결과를 나타내는 도면으로, 점 안정화에 대한 이동로봇의 주행경로를 나타내는 도면이다.
도 27은 점 안정화에 대한 이동로봇의 제어입력을 나타내는 도면이다.
도 28은 점 안정화에 대한 이동로봇의 위치오차를 나타내는 도면이다.
도 29는 이동로봇과 장애물 사이의 거리를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.

여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.

또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.

즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 종래, 미리 정해진 경로를 따라 목적지까지 스스로 판단하여 주행하도록 이루어지는 자율주행형 이동로봇에 있어서, 주행을 시작하기 전에 장애물을 피해서 경로를 생성하는 전역경로계획(global path planning) 방법은 실시간으로 움직이는 장애물이나 주변환경이 바뀌면 잘못된 경로로 주행하거나 장애물과 충돌할 수 있는 문제가 있고, 각종 센서를 통해 주행중 주변환경 및 장애물을 감지하여 실시간으로 경로를 계획하는 지역경로계획(local path planning) 방법은 갑자기 나타나는 장애물이나 이동하는 장애물도 회피할 수 있는 장점이 있으나, 포텐셜 함수(potential function)를 통해 장애물을 회피할 때 경우에 따라 국부 최소점 문제(Local Minimum Problem)가 발생하는 단점이 있었던 종래기술의 이동로봇 및 그 제어방법들의 문제점을 해결하기 위해, 비교적 간단한 구성으로 다중 장애물에 의해 발생하는 국부 최소점 문제를 효과적으로 회피하고 해결할 수 있도록 구성되는 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법에 관한 것이다.

아울러, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 종래, 포텐셜 함수를 이용한 장애물 회피중 발생하는 국부 최소점 문제를 해결하기 위해 벽추종(wall following) 기법을 이용하여 벽을 따라 주행하는 것으로 국부 최소점 문제를 회피하거나, 국부 최소점 문제에 갇히는 경우 지나온 경로로 다시 돌아간 후 되돌아 나오도록 구성됨으로 인해 국부 최소점 문제를 탈출하는 데 시간이 오래 걸리고 비효율적이며, 단순한 선형제어 기술인 PI 제어기법을 사용하는 것에 불과한 등의 한계가 있었던 종래기술의 이동로봇 및 그 제어방법들의 문제점을 해결하기 위해, 포텐셜 함수와 점 안정화(point stabilization)를 이용한 지역경로계획 기법을 이용하여, 장애물에 의해 생성된 포텐셜 함수를 오차 정의에 포함시켜 장애물을 회피하고, 장애물 회피 도중 특정 상황에서 발생하는 국부 최소점 문제는 가상 장애물을 생성하여 해소하는 처리가 수행되도록 이루어지는 비선형 제어 알고리즘으로 구성됨으로써, 비교적 간단한 구성으로 국부 최소점 문제를 효과적으로 해결할 수 있으며, 그것에 의해, 이동로봇이 목적지까지 보다 빠르고 안전하게 주행할 수 있도록 구성되는 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법에 관한 것이다.

더욱이, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 장애물 회피 도중 특정 상황에서 발생하는 국부 최소점 문제를 가상 장애물을 생성하여 효율적으로 해결할 수 있도록 구성되는 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법을 이용하여, 국부 최소점 문제에 갇히지 않고 목적지까지 보다 빠르고 안전하게 운행 가능하도록 구성되는 이동로봇에 관한 것이다.

계속해서, 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법의 구체적인 내용에 대하여 설명한다.

먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명에 적용된 이동로봇과 좌표계의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 적용된 이동로봇은 두 개의 DC 모터에 연결된 바퀴와 동력이 없는 보조바퀴를 포함하여 구성되고 두 개의 바퀴를 이용하여 전진, 후진 및 방향전환이 가능하도록 이루어지는 비홀로노믹(nonholonomic) 시스템으로 구성될 수 있으며, 이때, 제어 입력은 이동로봇의 선속도와 각속도이고，이를 통해 이동로봇의 위치와 로봇의 진행방향 각도를 제어하도록 구성될 수 있다.

즉, 도 1에 있어서, 이동로봇은 X-Y 절대좌표계에 위치하며, x와 y는 이동로봇의 위치좌표이고，θ는 이동로봇의 전면부가 향하는 방향(각도)을 각각 나타낸다.

또한, 이동로봇은，이하의 [수학식 1]에 나타낸 바와 같이, 총 3개의 변수를 가지는 벡터 q로 표현할 수 있다.

[수학식 1]

여기서, 비홀로노믹(nonholonomic) 이동로봇 시스템의 제약조건으로, 주행중 이동로봇의 바퀴는 Ym 축의 수직인 방향으로만 회전하며 수평방향으로의 미끄러짐은 없다고 가정하며, 이하의 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 2]

아울러, 상기한 제약조건은 이하의 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 3]

이동로봇의 기구학(kinematics)은 제어벡터필드 S(q) = [s₁, s₂]와 제어입력 을 통해 이하의 [수학식 4]와 같이 유도될 수 있다.

[수학식 4]

여기서, 상기한 [수학식 4]에 있어서, v는 이동로봇의 선속도이고，ω는 이동로봇의 각속도를 각각 의미하며, 이동로봇의 변환행렬 S(q)는 이하의 [수학식 5]와 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 5]

또한, 상기한 [수학식 5]를 통해 유도되는 이동로봇의 기구학 모델링은 이하의 [수학식 6]과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 6]

또한, 상기한 [수학식 6]을 정리하면 이하의 [수학식 7]과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 7]

다음으로, 포텐셜 함수(potential function)에 대하여 설명하면, 포텐셜 함수는 이동로봇과 같은 자율주행 로봇에서 장애물을 회피하기 위한 방법으로 사용되는 것으로, 장애물과 이동로봇 사이에 발생하는 가상의 힘(즉, 장애물 회피를 위한 반발력)으로 정의된다.

더 상세하게는, 도 2를 참조하면, 도 2는 본 발명에 적용된 이동로봇의 장애물 감지범위 및 포텐셜 함수를 각각 나타내는 도면이다.

도 2에 있어서, 좌측은 이동로봇이 장애물을 감지하는 범위를 나타낸 것으로, 범위 R은 이동로봇이 장애물을 감지하여 포텐셜 함수 V_v.o가 커지기 시작하는 범위이고，범위 r은 장애물과 충돌하기 직전의 최소 반경을 나타낸다.

또한, 도 2의 우측은 포텐셜 함수의 식을 그래프로 나타낸 것으로, 즉, 이동로봇이 주행중 장애물에 근접하여 장애물과의 거리가 R 보다 작아질 경우는 포텐셜 함수의 값이 커지고, r에 근접하면 발산하게 된다.

따라서 도 2에 나타낸 바와 같이 포텐셜 함수를 원 또는 타원으로 설정할 수 있으며, 이때, 이동로봇과 가상 장애물 사이의 거리는 이하의 [수학식 8]과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 8]

여기서, [수학식 8]에 있어서, x_v,0는 가상 장애물의 x 좌표이고，y_v,0는 y좌표를 각각 의미하며, α와 β는 각각 양의 값을 가지는 상수이다.

또한, 도 2의 우측 그래프에 나타낸 바와 같이, 가상 장애물에 의한 포텐셜 함수는 이동로봇과 가상 장애물과의 거리 l_v.o와 범위 R 및 범위 r을 통해 유도될 수 있으며, 즉, 가상 장애물에 대한 포텐셜 함수는 이하의 [수학식 9]와 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 9]

아울러, 포텐셜 함수를 x 성분과 y 성분으로 분해하기 위해 각 성분에 대하여 부분 도함수로 미분한 결과는 이하의 [수학식 10]과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 10]

상기한 바와 같이 하여 유도된 포텐셜 함수를 이용하여, 후술하는 바와 같이 제어기 설계시 오차정의에 포함되도록 하고 장애물이 이동로봇에 가까워질수록 반발하는 가상의 힘을 만들어 내는 것에 의해 장애물을 회피하도록 구성될 수 있다.

즉, 종래, 포텐셜 함수를 이용한 장애물 회피시 경우에 따라 국부 최소점 문제가 발생할 가능성이 있었으나，본 발명에서는, 이를 해결하기 위해 가상 장애물을 이용한 장애물 회피방법을 제안하였으며, 이에 더하여，가상 장애물 생성조건과 회피방법을 제안하고 이동로봇의 기구학 모델을 기반으로 점 안정화(point stabilization)가 가능하며 가상 장애물과 포텐셜 함수를 통해 충돌회피가 가능한 제어 알고리즘을 설계하고 안정도 이론을 바탕으로 제어 알고리즘의 안정도를 분석하였다.

계속해서, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 가상 장애물을 이용한 장애물 회피방법의 구체적인 내용에 대하여 설명한다.

먼저, 장애물 인식에 대하여 설명하면, 일반적으로, 이동로봇은 주변환경을 인식하기 위해 대부분 라이다(LiDAR) 센서를 사용하고 있으며, 모의실험에서는 설계자가 장애물의 위치를 임의의 좌표로 설정할 수 있으므로 장애물의 위치를 절대좌표계에 표시할 수 있지만，실제 이동로봇의 주행시에는 라이더 센서를 통해 이동로봇으로부터 떨어진 거리와 해당 위치에 대한 각도만을 측정할 수 있으므로 거리와 각도를 통해 장애물의 위치좌표를 계산하여야 한다.

더 상세하게는, 장애물 a = [x_a, y_a]와 장애물 b = [x_b, y_b]의 절대좌표 각도 θ_a와 θ_b는 각각 이하의 [수학식 11]과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 11]

또한, [수학식 11]에서 계산된 각도와 센서로 측정된 장애물과의 거리를 통해 실제 장애물의 좌표를 절대좌표계로 표현할 수 있으며, 즉, 장애물 a와 장애물 b의 좌표는 [수학식 12]와 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 12]

아울러, 각 장애물과 이동로봇과의 거리를 각각 l_a와 l_b로 정의하면, 상기한 [수학식 12]에서 구해진 장애물의 절대좌표를 통해 이동로봇과 장애물 사이의 거리를 이하의 [수학식 13]과 같이 정의할 수 있다.

[수학식 13]

이때, 장애물 a와 장애물 b의 포텐셜 함수는 이하의 [수학식 14]와 같이 유도될 수 있다.

[수학식 14]

이어서, 상기한 포텐셜 함수를 x 성분과 y 성분으로 분해하기 위해 각 성분을 부분 도함수로 미분하며, 즉, 은 각각 이하의 [수학식 15]에 나타낸 바와 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 15]

상기한 바와 같이 정의된 포텐셜 함수는 장애물 a와 장애물 b에 대한 포텐셜 함수로서 각 장애물의 충돌회피시 반발력으로 작용하게 되며, 계속해서, 국부 최소점 문제 회피를 위한 가상 장애물 생성에 대하여 설명한다.

일반적으로, 이동로봇의 경로계획 방법은 크게 나누어 전역경로계획 기법과 지역경로계획 기법으로 구분되며, 전역경로계획 기법은 사전에 취득한 지도데이터를 통해 오프라인 상태에서 최적의 경로를 찾은 후 주행하는 방식이고, 지역경로계획 기법은 주변환경을 인식하기 위해 이동로봇에 장착된 각종 센서를 통해 최적의 경로를 분석 및 파악하고 실시간으로 경로를 생성하여 주행하는 방식으로, 사전에 취득한 지도데이터 없이 실시간으로 경로를 생성할 수 있고 실시간으로 위치가 변하거나 주행중 접근하는 장애물도 회피할 수 있으므로 전역경로계획 기법에 비해 장점이 있다.

그러나 지역경로계획 기법을 사용하면 장애물에 근접할 때 경우에 따라 국부 최소점 문제가 발생할 수 있다는 큰 단점이 있으며, 이와 같이 이동로봇이 주행중 국부 최소점 문제에 갇히게 되면 최종 목적지까지 도달하는 데 많은 시간이 걸리거나 정지하게 되는 문제가 발생하게 된다.

이에, 본 발명에서는, 상기한 바와 같은 국부 최소점 문제를 해결하기 위해, 후술하는 바와 같이 기본적으로는 지역경로계획 기법을 적용하면서도 국부 최소점 문제가 발생하지 않도록 가상 장애물 개념을 도입하여 이동로봇이 최종 목적지까지 안전하게 주행할 수 있도록 제어하는 방법을 제안하였다.

즉, 도 3을 참조하면, 도 3은 실제 장애물과 가상 장애물을 각각 개념적으로 나타내는 개념도이다.

도 3에 있어서, 장애물 a와 장애물 b는 실제 장애물의 좌표를 각각 나타내고, 이동로봇의 진행방향 각도는 θ이며，장애물 a와 장애물 b의 각도 θ_a와 θ_b는 각각 이동로봇 좌표계 X_m - Y_m을 기준으로 정의된다.

또한, 각 장애물과의 거리는 l_a와 l_b로 각각 정의되고, ｜D｜ = ｜l_a - l_b｜이며, 두 장애물 사이의 거리는 이고, 가상 장애물(V.0)과 이동로봇 사이 거리는 l_v.o로 각각 정의된다.

아울러, 이동로봇은 이하의 [조건 1]의 경우에 국부 최소점 문제에 갇히게 된다.

[조건 1] : x ≠ x_d 이고 y ≠ y_d 일 때，제어오차와 포텐셜 함수의 합이 0인 경우.

여기서, 본 실시예에서는, 상기한 [조건 1]을 만족하는 여러 가지 경우 중 이하의 [조건 2]에서 [조건 4]까지를 모두 만족하는 경우 포텐셜 함수를 사용한 이동로봇의 장애물 회피 알고리즘이 국부 최소점 문제에 갇혀 장애물을 회피하지 못한다고 가정하고, 이를 기준으로 국부 최소점 문제의 회피방법을 제안하였다.

[조건 2] : 이 포텐셜 함수의 지름인 2R 보다 작은 경우.

[조건 3] : 두 장애물과 이동 로봇의 거리가 ｜l_a - l_b｜= 0 인 경우.

[조건 4] : l_v.o가 R 보다 작을 경우.

따라서 상기한 조건 1 ~ 4를 모두 만족하는 경우 이동로봇은 국부 최소점 문제에 빠지게 되며，국부 최소점 문제에 빠지는 경우 오차와 포텐셜 함수의 합이 0이 되어 이동로봇이 정지하는 문제가 발생한다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명에서는, 이하의 1 단계에서 4 단계의 처리과정을 통해 가상 장애물을 생성하여 두 장애물에 의해 발생하는 국부 최소점 문제를 회피하는 방법을 제안하였다.

1 단계 : 도 3에서 두 장애물 사이의 거리를 , 두 장애물의 중점을 x_v.0 및 y_v.0, V.O와 이동로봇과의 거리는 l_v.o로 각각 정의하면, 두 장애물의 거리 이 이동로봇의 포텐셜 함수 장애물 회피반경의 지름 2R 보다 큰 경우 이동로봇은 장애물 사이를 통과할 수 있고，이 2R 보다 작은 경우 두 장애물의 포텐셜 함수에 의해 국부 최소점 문제가 발생하므로, 따라서 이 2R 보다 작은지를 판별하며, 이때, r은 r < (R/2)의 조건을 만족하도록 설정한다.

2 단계 : 장애물 a와 이동로봇과의 거리를 l_a, 장애물 b와 이동로봇과의 거리를 l_b, 이동로봇과 장애물 a, b 사이의 거리의 차이를 D로 각각 정의하고, 이동로봇이 경로를 따라 주행하는 도중 1 단계와 같이 장애물을 통과하지 못했을 경우에 두 장애물과 이동로봇과의 거리인 l_a와 l_b가 같으면 국부 최소점 문제가 발생할 수 있으므로, 가상 장애물 생성조건에서 l_a와 l_b가 같은지를 판별한다.

3 단계 : 이동로봇과 두 개의 장애물 사이의 거리인 l_a와 l_b의 거리가 같고, 두 장애물 사이의 거리 이 2R 보다 작으면서 이동로봇과 두 장애물의 중점과의 거리 l_v.o가 R 보다 작을 경우이동로봇은 국부 최소점 문제에 빠지게 되므로, 따라서 이동로봇이 국부 최소점 문제에 빠지기 전 여유거리 R_l에 근접하는 경우를 가상 장애물 생성조건에 추가한다.（R_l > R)

4 단계 : 위 조건을 만족하는 경우 V.O에 장애물 a와 장애물 b를 포함한 크기의 가상 장애물이 생성되고，가상 장애물을 통해 국부 최소점 문제에 빠지지 않고 모든 장애물을 회피한다.

상기한 1 단계부터 4 단계까지를 정리，요약하여 국부 최소점 문제를 피해 실제 장애물을 회피하는 기준을 제시하면, 가상 장애물 생성조건은 이하의 [수학식 16]과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 16]

상기한 [수학식 16]의 조건을 만족할 경우 이하의 [수학식 17]과 같이 x_v.o, y_v.o의 위치에 가상 장애물이 생성된다.

[수학식 17]

여기서, 각각의 장애물을 회피하거나 생성된 가상 장애물을 회피하기 위해 각 장애물과 가상 장애물에 의해 생성된 포텐셜 함수를 더한 값을 V_s로 정의하면 이하의 [수학식 18]과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 18]

[수학식 18]에 있어서, 가상 장애물 생성조건인 [수학식 16]에서 모든 조건을 만족하는 경우 가상 장애물이 생성되어 V_a와 V_b는 0이 되고，조건을 만족하지 않는 경우 V_v.o는 0이 되며, 가상 장애물의 포텐셜 함수의 미분값의 합은 이하의 [수학식 19]와 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 19]

상기한 [수학식 19]는 후술하는 제어기 설계에서 오차정의에 포함되며, 주행중 장애물에 근접할 경우 오차값이 증가하게 되고，제어기는 장애물 회피를 통해 오차를 줄이도록 제어한다.

또한, 가상 장애물이 생성되면 각 장애물에 대한 포텐셜 함수의 미분값은 0이 되며, 이동로봇은 이하의 [수학식 20]에 나타낸 바와 같이 가상 장애물에 대한 포텐셜 함수에만 영향을 받는다.

[수학식 20]

여기서, 가상 장애물 생성조건이 성립되지 않는 경우 이동로봇은 각 장애물을 회피해야 하므로, 이동로봇은 이하의 [수학식 21]에 나타낸 바와 같이 각 장애물에 의한 포텐셜 함수에 영향을 받는다.

[수학식 21]

따라서 상기한 바와 같이, 이동로봇은 가상 장애물 생성조건에 따라 각각의 장애물을 회피하거나 가상 장애물을 생성하여 회피하도록 구성될 수 있다.

즉, 도 4를 참조하면, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법에 적용되는 장애물 회피 알고리즘의 전체적인 처리 흐름을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법은, 크게 나누어, 주행을 시작하여 주행중에 장애물을 인식하는 처리가 수행되는 장애물 인식단계와, 미리 정해진 설정에 따라 장애물에 근접하면 상기한 바와 같은 가상 장애물 생성조건을 만족하는지를 판단하는 처리가 수행되는 장애물 판단단계와, 장애물 판단단계의 판단결과에 따라 장애물을 회피하는 처리가 수행되는 장애물회피 처리단계를 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 상기한 장애물회피 처리단계는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 장애물 판단단계의 판단결과 가상 장애물 생성조건을 만족하지 않는 경우 해당 장애물을 직접 회피하는 처리가 수행되는 장애물 회피단계 및 장애물 판단단계의 판단결과 가상 장애물 생성조건을 만족하는 경우 가상 장애물을 생성하여 국부 최소점 문제를 회피하고 장애물을 회피하는 처리가 수행되는 가상 장애물 생성 및 회피단계를 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기한 장애물 인식단계는, 예를 들면, 라이다(LiDAR) 센서 등과 같이, 이동로봇에 설치되는 각종 센서를 통해 주행중에 장애물의 유무를 감지하고 감지된 장애물에 대한 거리 및 각도를 각각 측정하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.

아울러, 상기한 장애물 판단단계는 상기한 [수학식 16]을 이용하여 가상 장애물의 생성 여부를 판단하는 처리가 수행되고, 상기한 장애물회피 처리단계는 상기한 [수학식 17] 및 [수학식 18]을 이용하여 가상 장애물을 생성하여 회피하거나 또는 가상 장애물을 생성하지 않고 직접 회피하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.

즉, 가상 장애물은 상기한 [수학식 16]의 가상 장애물 생성조건에 의해 생성되고, 이때, 각 장애물 사이의 간격이 2R 보다 작은 경우에 조건을 만족하므로 가상 장애물은 실제 장애물을 포함하는 것이며, 따라서 가상 장애물을 통해 실제 장애물과 충돌하지 않고 주행할 수 있다.

계속해서, 상기한 바와 같은 충돌회피 알고리즘을 구현하기 위한 제어기 설계에 대하여 설명한다.

먼저, X-Y 평면에서 이동로봇의 위치오차 x_e와 y_e는 이하의 [수학식 22]와 같이 정의된다.

[수학식 22]

여기서, 점 안정화(point stabilization) 제어에서 이 되며, 본 발명에서는 이동로봇이 주행중 장애물을 회피하기 위해 위치오차에 포텐셜 함수를 포함하여 이하의 [수학식 23]과 같이 정의한다.

[수학식 23]

다음으로, 이동로봇 시스템의 제어기를 설계할 때 제어입력에 삼각함수의 역수가 포함되어 발산하는 문제를 해결하기 위해 이하의 [수학식 24]와 같은 변환행렬을 이용하여 오차를 다시 정의한다.

[수학식 24]

여기서, θ_e는 가상각으로，추후 정의되며, E_x와 E_y는 이하의 [수학식 25]에 나타낸 바와 같이 변환행렬을 통해 정의된 e_x와 e_y에 포텐셜 함수를 포함한 오차정의이다.

[수학식 25]

또한, 원하는 방향 θ_v는 위치오차와 포텐셜 함수가 포함된 X_e와 Y_e로 이하의 [수학식 26]과 같이 정의된다.

[수학식 26]

아울러, 이동로봇의 제어기 설계에 있어서, 상기한 [수학식 7]을 참조하여 설명한 바와 같이 선속도와 각속도를 이용하여 제어시 이동로봇의 특성상 입력은 2개이고 제어할 대상은 3개이므로 과소부족(underactuated) 문제가 발생하며, 이를 해결하기 위해 θ_e의 상태변환을 통해 e_y를 안정화하고, 상태변환된 z_e는 이하의 [수학식 27]과 같이 정의된다.

[수학식 27]

여기서, t는 시간이고, λ₁과 λ₂는 각각 양의 상수이며, 이고, 추종오차의 미분은 이하의 [수학식 28]과 같이 정의된다.

[수학식 28]

따라서 이동로봇의 제어입력인 선속도 v와 각속도 ω는 이하의 [수학식 29]와 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 29]

계속해서, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 충돌회피 알고리즘의 안정성을 검증한 내용에 대하여 설명한다.

즉, 본 발명자들은, 상기한 바와 같이 구성되는 이동로봇의 제어입력의 안정도를 검증하기 위해 리아프노프의 안정도 이론을 통해 시스템의 안정도를 분석하였으며, 이때, 리아프노프 함수는 장애물이 있는 경우와 없는 경우를 나누어 검증을 수행하였다.

더 상세하게는, 본 발명자들은, 본 발명의 실시예에 적용된 이동로봇 모델에 대하여 제어입력으로 상기한 [수학식 29]에 제시된 선속도와 각속도를 적용하면 장애물이 있는 경우 바운드되고，장애물이 없는 경우는 시스템의 점근 안정함을 나타내는 것을 후술하는 바와 같이 입증하였다.

이에 대한 증명으로, 먼저，장애물이 있는 경우 리아프노프 함수 V₀는 위치오차와 포텐셜 함수를 포함하여 이하의 [수학식 30]과 같이 정의된다.

[수학식 30]

또한, 리아프노프 함수를 미분하면 이하의 [수학식 31]과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 31]

여기서, [수학식 31]을 상기한 [수학식 29]를 이용하여 정리하면 각각 이하의 [수학식 32] 및 [수학식 33]과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 32]

[수학식 33]

장애물이 있는 경우 V₀ > 0 이고 이므로 포텐셜 함수 V_s는 바운드되어 있으며, 이동로봇이 장애물에 충돌하는 경우는 V_s가 발산하는 경우이고 정의된 모든 포텐셜 함수는 바운드 되어 있으므로 장애물에 충돌하지 않고 회피 주행이 가능함을 나타낼 수 있다.

아울러, 장애물이 없는 경우는 이므로，리아프노프 함수는 이하의 [수학식 34]와 같이 정의될 수 있다.

[수학식 34]

상기한 리아프노프 함수를 미분하면 이하의 [수학식 35]와 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 35]

상기한 [수학식 35]에 제어입력을 대입하여 정리하면 이하의 [수학식 36]과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 36]

상기한 [수학식 36]에 있어서, e_x와 z_e가 0으로 수렴하는 것을 확인할 수 있으나, e_y는 [수학식 36]에 포함되어 있지 않으므로 0으로의 수렴은 나타내지 못하고 바운드 됨을 나타낼 수 있으며, 따라서 e_x와 z_e가 0으로 수렴했을 때 e_y의 수렴을 나타내기 위해 이하의 과정을 통해 증명한다.

먼저, e_x가 0으로 수렴할 때의 e_y의 상태를 확인하기 위해 상기한 [수학식 28]과 [수학식 29]를 통해 증명한다.

즉, 에 제어입력 v와 ω를 대입하면 이하의 [수학식 37]과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 37]

여기서, 상기한 [수학식 37]은 로 표현되며, 는 이하의 [수학식 38]과 같이 정의된다.

[수학식 38]

또한, 상기한 [수학식 38]은 후술하는 [보조정리 1]을 이용하여 t → ∞ 일 때 이 0으로 수렴함을 나타낼 수 있다.

[보조정리 1]

k₁ > 0이고, 는 바운드 되어 있고 균일하게 연속적인 함수일 경우, 임의의 초기시간 t(0) ≥ 0 및 임의의 초기조건 x(t₀)에서 x(t)가 바운드 되어 있고 시간 t → ∞ 일 때 0으로 수렴하면 는 이하의 [수학식 39]와 같다.

[수학식 39]

또한, 상기한 [수학식 39]는 이하의 [수학식 40]과 같이 정리될 수 있다.

[수학식 40]

여기서, 상기한 [수학식 28]에서 e_x = 0일 때 이므로, 상기한 [수학식 40]을 다시 정리하면 이하의 [수학식 41]과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 41]

여기서, [수학식 41]에 있어서, λ₁과 λ₂는 상수이고sin(λ₂t)는 모든 시간에 대하여 0이 아니므로 e_y = 0 임을 증명할 수 있다.

다음으로, z_e가 0으로 수렴할 때 e_y의 상태를 확인하기 위해 상기한 [수학식 27]을 이용하면, [수학식 27]에서 z_e가 0이 되는 경우 θ_e와 e_y가 0이 됨을 확인할 수 있으므로 e_x, z_e가 t → ∞ 임에 따라 0으로 수렴할 때 e_y = 0이 되는 것을 증명할 수 있으며, 따라서 장애물이 없는 경우 시스템이 리아프노프 안정도 이론에 따라 점근 안정함을 증명할 수 있다.

계속해서, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법의 실제 성능을 실험을 통해 검증한 내용에 대하여 설명한다.

즉, 본 발명자들은, 본 발명에서 제시된 가상 장애물에 의한 장애물 회피능력과 점 안정화(point stabilization) 제어기의 성능을 검증하기 위해 모의실험을 실시하였으며, 이러한 모의실험을 통하여 가상 장애물이 존재하는 경우와 존재하지 않는 경우를 비교 분석하고 점 안정화가 잘 이루어지지 확인하였다.

이를 위해, 모의실험은 이동로봇이 주행할 때 가상 장애물이 필요한 경우와 필요하지 않은 경우로 나누어 실시되었고, 필요한 경우 세부적으로 가상 장애물이 존재하는 경우와 존재하지 않는 경우로 나누어 실험이 수행되었다.

더 상세하게는, 먼저, 도 5를 참조하면, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 충돌회피 제어방법의 검증시험을 위한 이동로봇 시스템의 각종 매개변수를 표로 정리하여 나타낸 도면이다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 각 실험은 장애물의 위치와 이동로봇의 초기위치를 변경하여 실시하였으며，이때, 각각의 모의실험에서 각 변수값과 제어이득은 도 5의 표에 나타낸 바와 같이 동일한 조건으로 실시되었고, 모의실험에서 사용된 장애물의 크기는 r의 크기와 같은 지름 0.5m 크기의 원형 장애물로 설정되었다.

또한, 도 6 내지 도 9를 참조하면, 도 6 내지 도 9는 가상 장애물의 생성이 필요 없는 경우 가상 장애물을 생성하지 않고 각 장애물을 직접 회피하여 주행하는 경우에 대한 모의실험 결과를 각각 나타내는 도면이다.

여기서, 도 6은 장애물 a와 장애물 b를 회피하여 주행한 경로를 나타내는 도면이고, 도 7은 장애물 a와 장애물 b의 회피를 위한 제어입력을 나타내는 도면이며, 도 8은 장애물 a와 장애물 b의 회피에 대한 위치오차를 나타내는 도면이고, 도 9는 이동로봇과 장애물 사이의 거리를 각각 나타내는 도면이다.

도 6 내지 도 9에 나타낸 바와 같이, 먼저, 본 발명자들은, 이동로봇이 주행중 장애물에 근접했을 때 장애물 a와 장애물 b의 거리가 충분히 먼 경우 가상 장애물 생성조건을 만족하지 않으므로 가상 장애물 없이 각각의 장애물을 직접 회피하는 경우에 대하여 모의실험을 수행하였으며, 이때 이동로봇의 초기 상태는 [x, y, θ] = [-2, -2, π/4]로 설정하였다.

그 결과, 도 6에 나타낸 바와 같이, 각각의 장애물 a와 장애물 b를 회피하여 안전한 주행이 가능함을 확인할 수 있으며, 또한, 도 9에 있어서, la는 이동로봇과 장애물 a와의 거리이고 lb는 이동로봇과 장애물 b와의 거리를 나타낸 것으로, 그래프에서 포텐셜 함수의 장애물 감지범위 R과 충돌최소반경 r을 확인할 수 있고，이를 통하여 주행중 장애물이 장애물 감지범위 R에 들어오면 회피하여 장애물과 충돌하지 않음을 확인할 수 있다.

다음으로, 가상 장애물이 필요한 경우에 대한 모의실험 결과에 대하여 설명한다.

즉, 본 발명자들은, 이동로봇이 주행중 장애물에 근접했을 경우 상기한 바와 같은 가상 장애물 생성조건에 의해 가상 장애물이 생성되는 조건과 생성되지 않는 조건을 나누어 각각 모의실험을 실시하였다.

먼저, 가상 장애물이 없는 경우에 대한 모의실험을 위해, 이동로봇이 두 기준점을 목적지로 하여 주행할 때 장애물에 의해 국부 최소점 문제에 빠지는 경우를 시뮬레이션 하였으며, 이를 위해 이동로봇의 초기상태는 [x, y, θ] = [0, 0, 0]으로 설정하였다.

즉, 도 10 내지 도 13을 참조하면, 도 10 내지 도 13은 가상 장애물의 생성이 필요한 경우에 가상 장애물을 생성하지 않고 장애물을 회피하는 경우에 대한 모의실험 결과를 각각 나타내는 도면이다.

여기서, 도 10은 주행중 장애물 회피시 국부 최소점 문제에 빠진 이동로봇의 경로를 나타내는 도면이고, 도 11은 국부 최소점 문제에 빠진 이동로봇의 제어입력을 나타내는 도면이며, 도 12는 국부 최소점 문제에 빠진 이동로봇의 위치오차를 나타내는 도면이고, 도 13은 이동로봇과 장애물 사이의 거리를 각각 나타내는 도면이다.

도 10에 나타낸 바와 같이, 상기한 조건 2에서 조건 4를 만족하는 경우 국부 최소점 문제가 발생하는 것을 검증하기 위해 가상 장애물이 필요한 경우에 가상 장애물이 생성되지 않은 경우에 대하여 모의실험을 실시한 결과 국부 최소점 문제가 발생하는 것을 확인할 수 있다.

즉, 이동로봇이 두 기준점을 목적지로 하여 주행할 때 장애물 a와 장애물 b에 근접하는 경우 D = 0 , = 1, 2R = 2, l_v.o = 0.839 이므로 가상 장애물 생성조건에 의해 국부 최소점 문제가 발생하며, 이때，E_x 또는 E_y가 0이 되어 제어입력은 0이 되고 장애물 앞에서 정지한다.

아울러, 도 13을 참조하면, 이동로봇이 장애물에는 충돌하지 않았지만 국부 최소점 문제에 빠져 이동로봇과 장애물 사이의 거리가 변하지 않는 것을 확인할 수 있다.

계속해서, 도 14 내지 도 17을 참조하면, 도 14 내지 도 17은 가상 장애물의 생성이 필요한 경우에 가상 장애물을 생성하여 장애물을 회피하는 경우에 대한 모의실험 결과를 각각 나타내는 도면이다.

여기서, 도 14는 가상 장애물을 이용한 이동로봇의 회피경로를 나타내는 도면이고, 도 15는 가상 장애물을 이용한 이동로봇의 제어입력을 나타내는 도면이며, 도 16은 가상 장애물을 이용한 이동로봇의 위치오차를 나타내는 도면이고, 도 17은 가상 장애물을 이용한 이동로봇과 장애물 사이의 거리를 각각 나타내는 도면이다.

도 14 내지 도 17에 나타낸 바와 같이, 본 발명자들은, 가상 장애물을 통해 이동 로봇이 국부 최소점 문제에 빠지지 않고 장애물을 회피하여 주행하는 경우에 대하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 이를 위해, 이동로봇의 초기상태를 [x, y, θ] = [-2, -2, π/4]로 설정하였다.

그 결과, 도 14 내지 도 16에 나타낸 바와 같이, 이동로봇이 두 기준점을 목적지로 하여 주행할 때 장애물 a와 장애물 b에 근접하면 상기한 바와 같은 가상 장애물 생성조건에 따라 가상 장애물이 생성되고, 가상 장애물과 가까워지면서 이동로봇의 선속도는 감소하고 각속도는 증가하면서 장애물 회피주행이 가능함을 확인하였다.

또한, 도 17에 나타낸 바와 같이, 이동로봇과 가상 장애물 사이의 거리를 나타낸 그래프를 통하여 가상 장애물 또한 장애물 감지범위 R에 들어오면 회피하는 모습을 확인할 수 있다.

다음으로, 도 18 내지 도 21을 참조하면, 도 18 내지 도 21은 장애물 회피 중 가상 장애물이 없는 경우에 대한 모의실험 결과를 각각 나타내는 도면이다.

여기서, 도 18은 장애물 회피 중 국부 최소점 문제에 빠진 이동로봇의 경로를 나타내는 도면이고, 도 19는 국부 최소점 문제에 빠진 이동로봇의 제어입력을 나타내는 도면이며, 도 20은 국부 최소점 문제에 빠진 이동로봇의 위치오차를 나타내는 도면이고, 도 21은 이동로봇과 장애물 사이의 거리를 각각 나타내는 도면이다.

도 18 내지 도 21에 나타낸 바와 같이, 본 발명자들은, 이동로봇이 장애물을 회피하는 도중에 국부 최소점 문제에 빠지는 경우에 대하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 이를 위해, 이동로봇의 초기상태를 [x, y, θ] = [-2, -2, π/4]로 설정하였다.

여기서, 이동로봇이 장애물 a와 장애물 b를 순차적으로 회피하는 도중 국부 최소점 문제가 발생하는 경우에 대한 모의실험에 있어서, 도 10 내지 도 13에 나타낸 모의실험 결과는 두 장애물이 이동로봇의 주행경로를 직접적으로 방해하고 있는 경우이고, 도 18 내지 도 21에 나타낸 모의실험 결과는 이동로봇이 장애물 a를 회피하면서 실시간으로 생성되는 경로를 장애물 a와 장애물 b가 방해하여 국부 최소점 문제에 빠지는 경우를 나타내고 있으며, 따라서 이러한 경우에도 가상 장애물의 생성이 필요하다.

즉, 도 18 내지 도 21에 나타낸 바와 같이, 장애물 a가 장애물 감지범위 R에 먼저 들어간 후 회피하는 도중 장애물 b가 장애물 감지범위 R에 들어가는 경우 국부 최소점 문제에 빠져 정지하는 모습을 확인할 수 있다.

계속해서, 도 22 내지 도 25를 참조하면, 도 22 내지 도 25는 이동로봇이 장애물을 회피하는 도중 발생하는 국부 최소점 문제를 가상 장애물을 통해 회피하는 경우에 대한 모의실험 결과를 각각 나타내는 도면이다.

여기서, 도 22는 장애물 회피 중 가상 장애물을 생성하여 국부 최소점 문제를 회피하는 이동로봇의 회피경로를 나타내는 도면이고, 도 23은 가상 장애물을 생성하여 회피하는 이동로봇의 제어입력을 나타내는 도면이며, 도 24는 가상 장애물을 생성하여 회피하는 이동로봇의 위치오차를 나타내는 도면이고, 도 25는 가상 장애물을 생성하여 회피하는 이동로봇과 장애물 사이의 거리를 각각 나타내는 도면이다.

도 22 내지 도 25에 나타낸 바와 같이, 본 발명자들은, 이동로봇이 장애물을 회피하는 도중 발생하는 국부 최소점 문제를 가상 장애물을 통해 회피하는 경우에 대하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 이를 위해, 이동로봇의 초기상태를 [x, y, θ] = [-2, -2, π/4]로 설정하였다.

즉, 도 22 내지 도 25에 나타낸 바와 같이, 이동로봇이 장애물 a와 장애물 b를 순차적으로 회피하는 도중 발생하는 국부 최소점 문제를 해결하기 위해 가상 장애물을 생성하여 회피 주행하는 경우를 모의실험한 결과, 각각의 장애물을 인식하고 가상 장애물 생성조건에 따라 가상 장애물을 생성하여 회피주행이 가능함을 확인할 수 있다.

여기서, 도 14 내지 도 17을 참조하여 상기한 모의실험 결과는 이동로봇이 장애물에 근접하면 국부 최소점 문제에 바로 빠지므로 주행 시작과 동시에 ｜D｜ = 0 이므로 가상 장애물 생성조건을 만족하는 반면, 이번 모의실험에서는 초기에는 ｜D｜ ≠ 0 이지만 이동로봇이 장애물을 회피하면서 ｜D｜가 0이 되는 순간이 발생하는데，이때 가상 장애물 생성조건에 의해 가상 장애물이 생성되어 국부 최소점 문제를 해결할 수 있다.

즉, 도 25에 나타낸 바와 같이, 이동로봇이 장애물을 회피할 때 가상 장애물이 생성되어 가상 장애물과 충돌하지 않음을 확인할 수 있다.

다음으로, 도 26 내지 도 29를 참조하면, 도 26 내지 도 29는 이동로봇의 점 안정화(point-stabilization) 및 장애물 회피에 대한 모의실험 결과를 각각 나타내는 도면으로, 도 26은 점 안정화에 대한 이동로봇의 주행경로를 나타내는 도면이고, 도 27은 점 안정화에 대한 이동로봇의 제어입력을 나타내는 도면이며, 도 28은 점 안정화에 대한 이동로봇의 위치오차를 나타내는 도면이고, 도 29는 이동로봇과 장애물 사이의 거리를 각각 나타내는 도면이다.

도 26 내지 도 29에 나타낸 바와 같이, 본 발명자들은, 이동로봇의 점 안정화 및 장애물 회피에 대한 모의실험을 수행하였으며, 이를 위해 이동로봇의 초기상태를 [x, y, θ] = [0, 0, -(π/4)]로 설정하였다.

도 26 내지 도 29에 나타낸 바와 같이, 이동로봇이 7개의 목표 기준점을 추종하면서 가상 장애물을 회피하는 경우를 모의실험한 결과, 이동로봇이 가상 장애물과 충돌하지 않고 회피하였음을 확인할 수 있으며, 따라서 원하는 경로를 점으로 추출하여 이동로봇을 원하는 목적지까지 주행하도록 하는 것이 가능함을 알 수 있다.

따라서 상기한 바와 같은 내용을 통하여 본 발명의 실시예에 따른 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법을 용이하게 구현할 수 있으며, 즉, 본 발명에 따르면, 가상 장애물을 이용한 장애물 회피방법과 이동로봇의 점 안정화가 가능한 제어기법을 제안하였으며, 종래기술의 포텐셜 함수를 이용한 이동로봇의 장애물 회피방법에서 발생하는 국부 최소점 문제를 해결하기 위해 가상 장애물을 이용한 장애물 회피방법을 제안하였고，국부 최소점 문제가 발생하는 조건을 바탕으로 가상 장애물 생성조건을 4 단계에 걸쳐 정리하였다.

또한, 본 발명에 따르면, 리아프노프 안정도 이론을 바탕으로 장애물이 있는 경우와 장애물이 없는 경우를 나누어 본 발명의 제어방법에 따라 설계된 제어기에 대한 분석을 수행하였으며, 장애물이 있는 경우 포텐셜 함수가 바운드됨을 보여 장애물과 충돌하지 않음을 증명하였고, 장애물이 없는 경우 e_x와 z_e가 시간이 무한대로 감에 따라 0으로 수렴함을 보였으며, e_x와 z_e가 0으로 수렴할 때 e_y 또한 0으로 수렴하여 점근 안정함을 나타내었고, 모의실험을 통해 가상 장애물을 이용한 장애물 회피능력과 점 추종이 가능한 제어기의 성능을 검증하였다.

아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법을 이용하여 가상 장애물을 이용하여 국부 최소점 문제를 효과적으로 회피할 수 있도록 구성되는 이동로봇 및 이동로봇의 제어시스템을 용이하게 구현할 수 있으며, 즉, 본 발명은, 상기한 본 발명의 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 취지 및 본질을 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 필요에 따라 다양하게 수정 및 변경하여 구성될 수 있는 것임에 유념해야 한다.

따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명의 실시예에 따른 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법을 구현할 수 있으며, 그것에 의해, 본 발명에 따르면, 포텐셜 함수와 점 안정화를 이용한 지역경로계획 기법을 이용하여, 장애물에 의해 생성된 포텐셜 함수를 오차 정의에 포함시켜 장애물을 회피하고 장애물 회피 도중 특정 상황에서 발생하는 국부 최소점 문제는 가상 장애물을 생성하여 해소하는 처리가 수행되도록 이루어지는 비선형 제어 알고리즘을 통해 비교적 간단한 구성으로 국부 최소점 문제를 효과적으로 해결할 수 있도록 구성되는 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법이 제공됨으로써, 포텐셜 함수를 이용한 장애물 회피중 발생하는 국부 최소점 문제를 해결하기 위해 벽추종(wall following) 기법을 이용하여 벽을 따라 주행하는 것으로 국부 최소점 문제를 회피하거나, 국부 최소점 문제에 갇히는 경우 지나온 경로로 다시 돌아간 후 되돌아 나오도록 구성됨으로 인해 국부 최소점 문제를 탈출하는 데 시간이 오래 걸리고 비효율적이며, 단순한 선형제어 기술인 PI 제어기법을 사용하는 등의 한계가 있었던 종래기술의 이동로봇 및 그 제어방법들의 문제점을 해결할 수 있다.

이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.

Claims

포텐셜 함수(potential function)를 이용하여 장애물을 회피시 발생하는 국부 최소점 문제(Local Minimum Problem)를 해결할 수 있도록 구성되는 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법에 있어서,
이동로봇의 주행중에 장애물을 인식하는 처리가 수행되는 장애물 인식단계;
상기 장애물 인식단계에서 인식된 장애물에 미리 정해진 일정 거리 이내로 근접하면 가상 장애물 생성조건을 만족하는지를 판단하는 처리가 수행되는 장애물 판단단계;
상기 장애물 판단단계의 판단결과에 따라 가상 장애물을 생성하여 국부 최소점 문제를 회피하고 장애물을 회피하는 처리가 수행되는 장애물회피 처리단계를 포함하는 처리가 컴퓨터나 전용의 하드웨어 또는 상기 이동로봇의 제어부를 통해 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법.
제 1항에 있어서,
상기 장애물 인식단계는,
라이다(LiDAR) 센서를 포함하는 상기 이동로봇에 설치된 각종 센서를 이용하여 주행중에 장애물의 유무를 감지하고 해당 장애물에 대한 거리 및 각도를 측정하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법.
제 1항에 있어서,
상기 장애물 판단단계는,
이하의 수학식을 이용하여 상기 가상 장애물 생성조건을 만족하는지를 판단하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법.

(여기서, 은 장애물 a와 장애물 b 사이의 거리, R은 장애물 감지범위, D는 장애물 a와 이동로봇과의 거리(l_a)와 장애물 b와 이동로봇과의 거리(l_b) 사이의 차이(｜l_a - l_b｜), l_v.o는 두 장애물의 중점 V.O(x_v.0, y_v.0)와 이동로봇과의 거리, R_l은 이동로봇이 국부 최소점 문제에 빠지지 않는 여유거리를 각각 의미함)
제 1항에 있어서,
상기 장애물회피 처리단계는,
상기 장애물 판단단계의 판단결과에 근거하여, 상기 가상 장애물 생성조건을 모두 만족하는 경우 국부 최소점 문제가 발생하는 것으로 판단하여 가상 장애물을 생성하고, 생성된 가상 장애물에 기반하여 장애물을 회피하는 처리가 수행되는 가상 장애물 생성 및 회피단계; 및
상기 장애물 판단단계의 판단결과에 근거하여, 상기 가상 장애물 생성조건을 만족하지 않는 경우는 가상 장애물을 생성하지 않고 장애물을 직접 회피하는 처리가 수행되는 장애물 회피단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법.
제 4항에 있어서,
상기 가상 장애물 생성 및 회피단계는,
상기 장애물 판단단계에서 상기 가상 장애물 생성조건을 만족하는 경우 이하의 수학식을 이용하여 장애물 a와 장애물 b의 중점 V.O(x_v.0, y_v.0)의 위치에 가상 장애물을 생성하고,

(여기서, x_a, x_b는 각각 장애물 a와 장애물 b의 x 좌표이고, y_a, y_b는 각각 장애물 a와 장애물 b의 y 좌표를 의미함)

생성된 상기 가상 장애물의 포텐셜 함수를 V_v.o라 할 때, 이하의 수학식을 이용하여 장애물 회피를 위한 포텐셜 함수 V_s를 산출하며,

산출된 상기 포텐셜 함수 V_s에 근거하여 국부 최소점 문제를 회피하고 장애물을 회피하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법.
제 5항에 있어서,
상기 가상 장애물 생성 및 회피단계는,
이하의 수학식을 이용하여 상기 가상 장애물의 포텐셜 함수 V_v.o를 산출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법.

(여기서, l_v.o는 이동로봇과 가상 장애물과의 거리, R은 이동로봇의 장애물 감지범위，r은 이동로봇이 장애물과 충돌하지 않는 최소반경을 각각 의미함)
제 4항에 있어서,
상기 장애물 회피단계는,
상기 장애물 판단단계에서 상기 가상 장애물 생성조건을 만족하지 않는 경우, 장애물 a와 장애물 b의 포텐셜 함수를 각각 V_a 및 V_b라 할 때 이하의 수학식을 이용하여 장애물 회피를 위한 포텐셜 함수 V_s를 산출하고,

산출된 상기 포텐셜 함수 V_s에 근거하여 장애물을 회피하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법.
제 7항에 있어서,
상기 장애물 회피단계는,
이하의 수학식을 이용하여 각 장애물의 포텐셜 함수 V_a 및 V_b를 각각 산출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법.

(여기서, l_a 및 l_b는 각각 이동로봇과 장애물 a 및 장애물 b와의 거리, R은 이동로봇의 장애물 감지범위，r은 이동로봇이 장애물과 충돌하지 않는 최소반경을 각각 의미함)
제 1항에 있어서,
상기 장애물회피 처리단계는,
이하의 수학식을 이용하여 산출된 선속도 v와 각속도 ω를 상기 이동로봇의 제어입력으로 적용하여 상기 이동로봇을 제어하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법.

(여기서,

이고, k₁, k₂, λ₁, λ₂는 각각 상수이며, t는 시간, x, y는 각각 이동로봇의 위치좌표, θ는 이동로봇의 헤딩각도, x_d와 y_d는 목표좌표를 각각 의미하고, 임)
청구항 1항 내지 청구항 9항 중 어느 한 항에 기재된 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법을 컴퓨터에 실행시키도록 구성되는 프로그램이 기록된 컴퓨터에서 판독 가능한 기록매체.
이동로봇의 제어시스템에 있어서,
이동로봇에 설치된 센서를 통해 상기 이동로봇의 주행경로상의 장애물에 대한 정보를 수집하는 처리가 수행되도록 이루어지는 정보수집부; 및
상기 정보수집부를 통해 수집된 데이터에 근거하여 이동로봇의 주행 및 장애물 회피를 제어하는 처리가 수행되도록 이루어지는 제어부를 포함하여 구성되고,
상기 제어부는,
청구항 1항 내지 청구항 9항 중 어느 한 항에 기재된 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법을 이용하여 이동로봇의 주행 및 장애물 회피를 제어하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 이동로봇의 제어시스템.
이동로봇에 있어서,
상기 이동로봇의 주행 및 장애물 회피를 제어하는 처리가 수행되도록 이루어지는 제어부; 및
상기 제어부의 제어에 따라 자율주행이 가능하도록 이루어지는 이동로봇 본체를 포함하여 구성되고,
상기 제어부는,
청구항 1항 내지 청구항 9항 중 어느 한 항에 기재된 가상 장애물 기반 이동로봇의 충돌회피 제어방법을 이용하여 이동로봇의 주행 및 장애물 회피를 제어하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 이동로봇.