KR20230140131A - Local path planning method based on bezier curve using spiral optimization and golden section search - Google Patents

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충북대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 나선형 최적화 기법과 황금 분할 탐색 기법을 활용한 베지어 곡선 기반의 지역 경로 계획 방법에 관한 것으로서, 최적화한 3차 베지어 곡선을 통해서 복잡한 환경에서도 만족스러운 자율주행이 가능한 경로를 생성할 수 있는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a local route planning method based on a Bezier curve using a spiral optimization technique and a golden section search technique. The optimized third-order Bezier curve can be used to create a route that enables satisfactory autonomous driving even in a complex environment. It's about technology.

Description

나선형 최적화 기법과 황금 분할 탐색 기법을 활용한 베지어 곡선 기반의 지역 경로 계획 방법 {Local path planning method based on bezier curve using spiral optimization and golden section search}Local path planning method based on bezier curve using spiral optimization and golden section search}

본 발명은 나선형 최적화 기법과 황금 분할 탐색 기법을 활용한 베지어 곡선 기반의 지역 경로 계획 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광역 경로 계획 결과를 바탕으로 나선형 최적화 기법과 황금 분할 탐색 기법을 혼합 활용하여 3차 베지어 곡선을 최적화할 수 있는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a local route planning method based on a Bézier curve using a spiral optimization technique and a golden section search technique. More specifically, a method of planning a local route based on a Bézier curve using a spiral optimization technique and a golden section search technique is used in combination with the spiral optimization technique and the golden section search technique based on the results of regional route planning. It is about technology that can optimize cubic Bezier curves.

이러한 최적화한 3차 베지어 곡선을 통해서 복잡한 환경에서도 만족스러운 자율주행이 가능한 경로를 생성할 수 있는 나선형 최적화 기법과 황금 분할 탐색 기법을 활용한 베지어 곡선 기반의 지역 경로 계획 방법에 관한 것이다.This study is about a local route planning method based on Bezier curves using spiral optimization and golden section search techniques that can generate routes that enable satisfactory autonomous driving even in complex environments through these optimized cubic Bezier curves.

모바일 로봇, 드론 및 무인 자동차 등 무인 이동 체계는 지속적인 발전을 거듭하고 있다. 이와 같은 지속적인 발전으로 인해 무인 이동체는 서비스 분야에서 운송, 안내 등의 서비스를 제공하고 있다. 또한, 산업 분야에서는 넓은 범위를 감시, 측량하거나, 위험 시설 점검 등 사람이 직접 수행하기에는 위험한 작업을 대신하는 용도로 사용되고 있다.Unmanned mobility systems such as mobile robots, drones, and unmanned cars are continuously evolving. Due to this continuous development, unmanned vehicles are providing services such as transportation and guidance in the service field. Additionally, in the industrial field, it is used to replace tasks that are dangerous for humans to perform directly, such as monitoring and surveying a wide area or inspecting hazardous facilities.

자율 기술은 크게 이동체의 위치와 주변의 장애물과 같은 환경 조건을 인식하는 환경 인식 기술, 인식된 위치와 장애물 정보를 바탕으로 목적지까지의 경로를 생성하는 경로 계획 기술, 생성된 경로(속도, 자세)를 추종하기 위한 제어 기술로 구분된다.Autonomous technologies are largely environmental recognition technology that recognizes environmental conditions such as the location of the moving object and surrounding obstacles, path planning technology that creates a path to the destination based on the recognized location and obstacle information, and generated path (speed, posture) It is divided into control technologies to follow.

이 중, 경로 계획 기술은 제어하는 대상과 환경에 따라 다양한 변수를 고려하여 주어진 조건에서 최적의 경로를 생성하게 되는데, 단계에 따라 광역 경로 계획(GPP, Global Path Planning)과 지역 경로 계획(LPP, Local Path Planning)으로 나뉜다.Among these, path planning technology considers various variables depending on the object and environment to be controlled and creates the optimal path under given conditions. Depending on the stage, it is divided into global path planning (GPP) and local path planning (LPP). Local Path Planning).

광역 경로 계획은 비교적 먼 거리의 경로를 단순한 경로의 형태로 생성하는 것으로, 미리 확보된 지도 정보를 기반으로 무인 이동체가 궁극적으로 이동해야 할 최종 목적지까지의 경로를 생성하는 기술이다.Wide-area route planning is a technology that creates a relatively long distance route in the form of a simple route, and creates a route to the final destination where the unmanned vehicle ultimately needs to travel based on map information obtained in advance.

지역 경로 계획은 광역 경로 계획에서 고려하지 못하는 정적/동적 장애물에 대한 회피, 이동체의 동역학/기구학적 구속 조건을 고려하여 국부적인 경로를 생성하는 기술이다. 이 때, 이동체 주변에 위치하고 있는 장애물의 인식이 필요하므로, 장착되어 있는 센서를 기반으로 지도를 생성하고, 생성된 지도를 고려한 경로를 생성하게 된다.Local route planning is a technology that generates a local route by avoiding static/dynamic obstacles that cannot be considered in wide-area route planning and considering the dynamics/kinematic constraints of the moving object. At this time, recognition of obstacles located around the moving object is required, so a map is created based on the installed sensor, and a path is created considering the generated map.

일반적으로 무인 이동체의 광역 경로 계획은 그래프 또는 격자 지도를 기반으로 수행된다. 그래프를 기반으로 최단 거리를 찾는 알고리즘은 Dijkstra 알고리즘과 A* 알고리즘을 기초로 하며, 주변의 이웃한 node들을 현재까지 계산된 경로가 가까운 순으로 tree에 포함시킨다. 최종 목표 지점이 tree에 포함된 경우, tree를 거꾸로 올라가며 최종 경로를 생성하게 된다. 또한, 격자 지도를 기반 경로 계획은 중심 node를 기준으로 진행 방향이 8방향(상하좌우 및 대각선)으로 제한되며, 격자 지도의 크기에 따라 다수의 불필요한 node를 포함하기 때문에 효율적인 경로 생성이 어려울 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, Bresenham's line 알고리즘을 통한 LOS(Line Of Sight)를 경로 계획과 결합한 알고리즘들이 제안되고 있다.Generally, wide-area route planning for unmanned vehicles is performed based on graphs or grid maps. The algorithm for finding the shortest distance based on a graph is based on the Dijkstra algorithm and the A* algorithm, and neighboring nodes are included in the tree in order of the closest path calculated to date. If the final goal point is included in the tree, the final path is created by going backwards up the tree. In addition, route planning based on a grid map is limited to 8 directions (up, down, left, right and diagonal) based on the central node, and depending on the size of the grid map, it may be difficult to create an efficient route because it includes a large number of unnecessary nodes. . To solve this problem, algorithms that combine LOS (Line of Sight) with path planning through Bresenham's line algorithm are being proposed.

최근, 베지어 곡선(bezier curve)을 활용한 경로 계획 기법이 제안되고 있다. 베지어 곡선은 2차원 상의 다수의 제어점으로부터 다항식의 형태로 곡선의 방정식이 유도되며, 3차 이상의 베지어 곡선의 경우 곡률 역시 연속적인 다항식의 형태로 유도되기 때문에, 많은 경로 계획 기법에서 사용되었다.Recently, a route planning technique using Bezier curves has been proposed. Bezier curves are used in many path planning techniques because the curve equation is derived in the form of a polynomial from a number of control points in two dimensions, and in the case of Bezier curves of degree 3 or higher, the curvature is also derived in the form of a continuous polynomial.

그렇지만, 종래의 베지어 곡선을 활용한 경로 계획 기법들은 베지어 곡선을 생성함에 있어서 곡률 조건만을 고려하는 경우가 대부분으로 베지어 곡선의 중간 제어점의 위치가 광역 경로점 사이의 각도로부터 유도되기에 고정된 각도 값을 가지는 베지어 곡선이 생성된다. 이에 따라, 곡선의 형태가 고정되어 있으며, 일부 환경에서는 장애물을 고려한 경로를 생성하지 못하는 문제점이 있다.However, most path planning techniques using conventional Bézier curves only consider curvature conditions when generating Bézier curves, and the location of the middle control point of the Bézier curve is fixed because it is derived from the angle between wide path points. A Bezier curve with the specified angle value is created. Accordingly, the shape of the curve is fixed, and in some environments, there is a problem in that it is not possible to create a path that takes obstacles into account.

국내공개특허 제10-2020-0037738호(공개일자 2020.04.09.)Domestic Public Patent No. 10-2020-0037738 (publication date 2020.04.09.)

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 종래의 베지어 곡선을 활용한 경로 계획 기법의 경우, 베지어 곡선 생성에 있어서 제어점 각도 제한으로 인해 복잡한 장애물 환경에서 적절한 경로 생성이 불가능한 점을 해소하기 위한, 본 발명의 목적은 나선형 최적화 기법과 황금 분할 탐색 기법을 활용하여 제어점 각도 변수를 모두 포함하여 베지어 곡선의 최적화를 수행하고, 이를 기반으로 복잡한 환경에서도 만족스러운 자율주행이 가능한 경로를 생성할 수 있는 나선형 최적화 기법과 황금 분할 탐색 기법을 활용한 베지어 곡선 기반의 지역 경로 계획 방법을 제공하는 것이다.The present invention was developed to solve the problems of the prior art as described above. In the case of a path planning technique using a conventional Bezier curve, an appropriate path is achieved in a complex obstacle environment due to control point angle restrictions in generating the Bezier curve. In order to solve the impossibility of generating It provides a Bezier curve-based regional route planning method using spiral optimization techniques and golden section search techniques that can generate drivable routes.

본 발명의 일 실시예에 따른 컴퓨터를 포함하는 연산 처리 수단에 의해 각 단계가 수행되는 나선형 최적화 기법과 황금 분할 탐색 기법을 활용한 베지어 곡선 기반의 지역 경로 계획 방법으로서, 기진행된 광역 경로 계획 기법(GPP, Global Path Planning)에 의해 생성된 적어도 두 개의 광역 경로점을 입력받아, 3차 베지어 곡선(piecewise bezier curve)의 초기 제어점의 일부를 설정하는 광역 경로점 인가 단계(S100), 나선형 최적화 기법을 이용하여, 상기 광역 경로점 인가 단계(S100)에 의해 설정한 초기 제어점을 통해서 해당하는 베지어 곡선이 연속하게 이어지는 조건을 갖는 나머지 초기 제어점을 설정하고, 각 베지어 곡선 별 해당하는 제어점들의 파라미터를 포함하는 다수의 파티클을 생성하는 SPO 파티클 생성 단계(S200), 기저장된 비용함수를 통해서 각 파티클 별 비용을 연산하는 비용 연산 단계(S300), 상기 비용 연산 단계(S300)에 의한 연산 결과를 이용하여, 가장 최소 비용을 갖는 파티클을 센터(center) 파티클로 설정하는 센터 파티클 설정 단계(S400), 설정한 상기 센터 파티클을 중심으로, 기설정된 수학식을 기반으로 나머지 모든 파티클의 회전을 통해 파티클 업데이트를 수행하는 파티클 회전 단계(S500) 및 상기 파티클 회전 단계(S500)에 의해 회전된 파티클과 상기 센터 파티클들 간의 거리를 계산하여, 기설정된 소정값 이하일 경우, 지역 경로 계획의 종료 조건으로 판단하여, 해당하는 센터 파티클을 최적화된 베지어 곡선의 파라미터로 설정하여, 지역 경로 계획(LPP, Local Path Planning) 기법에 적용하는 최적화 파라미터 도출 단계(S600)를 포함하는 것이 바람직하다.A local route planning method based on a Bezier curve using a spiral optimization technique and a golden section search technique in which each step is performed by an arithmetic processing means including a computer according to an embodiment of the present invention, which is an existing wide-area route planning technique. A global path point application step (S100) in which at least two global path points generated by (GPP, Global Path Planning) are input and some of the initial control points of the cubic Bezier curve are set (S100), spiral optimization Using the technique, the remaining initial control points are set with the condition that the corresponding Bezier curve continues through the initial control point set in the wide area path point application step (S100), and the corresponding control points for each Bezier curve are set. SPO particle creation step (S200) for generating a number of particles containing parameters, cost calculation step (S300) for calculating the cost for each particle through a pre-stored cost function, and calculation results by the cost calculation step (S300). Using the center particle setting step (S400), which sets the particle with the lowest cost as the center particle, the particles are rotated around the set center particle and all remaining particles are rotated based on a preset equation. Calculate the particle rotation step (S500) of performing the update and the distance between the particles rotated by the particle rotation step (S500) and the center particles, and if it is less than a preset value, determine it as an end condition for local path planning. , It is desirable to include an optimization parameter derivation step (S600) that sets the corresponding center particle as the parameter of the optimized Bezier curve and applies it to the local path planning (LPP) technique.

더 나아가, 상기 3차 베지어 곡선은 다수의 베지어 곡선으로 이루어진 곡선으로, 각 베지어 곡선은 4개의 제어점 좌표로 정의되며, 상기 광역 경로점 인가 단계(S100)에서는 각 베지어 곡선의 시작점인 1번 제어점과 종료점인 4번 제어점을 설정하고, 상기 SPO 파티클 생성 단계(S200)에서는 각 베지어 곡선 별 1번 제어점과 4번 제어점을 고려하여, 2번 제어점과 3번 제어점을 설정하는 것이 바람직하다.Furthermore, the cubic Bezier curve is a curve composed of a plurality of Bezier curves, and each Bezier curve is defined by the coordinates of four control points. In the global path point application step (S100), the starting point of each Bezier curve is It is desirable to set control point No. 1 and control point No. 4, which is the end point, and set control point No. 2 and control point No. 3, considering control point No. 1 and control point No. 4 for each Bezier curve in the SPO particle creation step (S200). do.

더 나아가, 상기 SPO 파티클 생성 단계(S200)는 각 베지어 곡선 별 설정한 4개의 제어점의 위치 좌표를 이용하여, 4개의 제어점 간의 위치 관계와 장애물과 4개의 제어점과의 위치 관계를 특정하는 다수의 파라미터를 생성하는 것이 바람직하다.Furthermore, the SPO particle creation step (S200) uses the position coordinates of the four control points set for each Bezier curve to specify the positional relationship between the four control points and the positional relationship between the obstacle and the four control points. It is desirable to create parameters.

더 나아가, 상기 나선형 최적화 기법과 황금 분할 탐색 기법을 활용한 베지어 곡선 기반의 지역 경로 계획 방법은 상기 SPO 파티클 생성 단계(S200)를 수행하고 난 후, 황금 분할 탐색 기법을 이용하여, 각 베지어 곡선 별 생성한 파티클에 포함되는 다수의 파라미터 중 선택되는 어느 하나의 파라미터에 대한 최적화를 수행하는 GSS 최적화 단계(S210)를 더 포함하는 것이 바람직하다.Furthermore, the Bezier curve-based local path planning method using the spiral optimization technique and the golden section search technique, after performing the SPO particle creation step (S200), uses the golden section search technique to It is desirable to further include a GSS optimization step (S210) in which optimization is performed on one parameter selected from among a plurality of parameters included in particles generated for each curve.

더 나아가, 상기 파티클 회전 단계(S500)는 설정한 상기 센터 파티클을 중심으로, 나머지 모든 파티클의 회전을 통해 파티클 업데이트를 수행하여, 상기 나머지 모든 파티클의 제어점의 위치 좌표가 이동되는 것이 바람직하다.Furthermore, the particle rotation step (S500) preferably performs particle update through rotation of all remaining particles around the set center particle, so that the position coordinates of control points of all remaining particles are moved.

더 나아가, 상기 최적화 파라미터 도출 단계(S600)는 상기 파티클 회전 단계(S500)에 의해 회전되어 위치 좌표가 이동된 파티클과 상기 센터 파티클 간의 거리를 계산하여, 지역 경로 계획의 종료 조건을 판단하되, 계산한 거리값이 기설정된 소정값 초과일 경우, 상기 센터 파티클과 회전되어 위치 좌표가 이동된 파티클을 이용하여 상기 비용 연산 단계(S300)부터 반복 수행하는 것이 바람직하다.Furthermore, the optimization parameter derivation step (S600) calculates the distance between the center particle and the particle whose position coordinates are moved by being rotated by the particle rotation step (S500) to determine the end condition of the local path plan. If one distance value exceeds a preset predetermined value, it is preferable to repeat the cost calculation step (S300) using the center particle and the particle whose position coordinates have been moved.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 나선형 최적화 기법과 황금 분할 탐색 기법을 활용한 베지어 곡선 기반의 지역 경로 계획 방법은 좁은 통로를 지나가는 경로를 계획하기 위해서, 곡률 뿐 아니라, 장애물과의 거리를 비용함수에 추가하여, 최적화를 진행함으로써, 효율적인 지역 경로 계획 생성이 가능하다.The Bezier curve-based local path planning method using the spiral optimization technique and the golden section search technique of the present invention according to the above configuration takes into account not only the curvature but also the distance to obstacles in order to plan a route passing through a narrow passage. By adding optimization to the function, it is possible to create an efficient local route plan.

또한, 제어점들이 이루는 각도 역시 최적화 파라미터로 추가하여 최적화를 진행함으로써, 다양한 환경조건에서 보다 나은 지역 경로 계획 생성이 가능하다.In addition, by adding the angles formed by the control points as optimization parameters and performing optimization, it is possible to create better local route plans under various environmental conditions.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나선형 최적화 기법과 황금 분할 탐색 기법을 활용한 베지어 곡선 기반의 지역 경로 계획 방법을 나타낸 순서 예시도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나선형 최적화 기법과 황금 분할 탐색 기법을 활용한 베지어 곡선 기반의 지역 경로 계획 방법에서, 광역 경로점 인가 단계와 SPO 파티클 생성 단계에 의해 설정되는 베지어 곡선의 제어점을 나타낸 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 나선형 최적화 기법과 황금 분할 탐색 기법을 활용한 베지어 곡선 기반의 지역 경로 계획 방법에서, GSS 최적화 단계에 의해 설정되는 파티클 파라미터 최적화를 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 나선형 최적화 기법과 황금 분할 탐색 기법을 활용한 베지어 곡선 기반의 지역 경로 계획 방법에서, 비용 연산 단계에 의해 각 파티클 별 비용을 연산하는 과정에서 베지어 곡선과 장애물과의 거리를 확인하는 방법을 나타낸 예시도이다.
Figure 1 is a sequence diagram showing a Bezier curve-based local path planning method using a spiral optimization technique and a golden section search technique according to an embodiment of the present invention.
Figures 2 and 3 show a local route planning method based on a Bezier curve using a spiral optimization technique and a golden section search technique according to an embodiment of the present invention, which is set by the global route point application step and the SPO particle creation step. This is an example diagram showing the control points of a Bezier curve.
Figure 4 is an example diagram showing particle parameter optimization set by the GSS optimization step in the Bezier curve-based local path planning method using the spiral optimization technique and the golden section search technique according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 shows a Bezier curve in the process of calculating the cost for each particle by the cost calculation step in the Bezier curve-based local path planning method using the spiral optimization technique and the golden section search technique according to an embodiment of the present invention. This is an example diagram showing how to check the distance to an obstacle.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 나선형 최적화 기법과 황금 분할 탐색 기법을 활용한 베지어 곡선 기반의 지역 경로 계획 방법을 상세히 설명한다. 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.Hereinafter, the Bezier curve-based regional path planning method using the spiral optimization technique and the golden section search technique of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. The drawings introduced below are provided as examples so that the idea of the present invention can be sufficiently conveyed to those skilled in the art. Accordingly, the present invention is not limited to the drawings presented below and may be embodied in other forms. Additionally, like reference numerals refer to like elements throughout the specification.

이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 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.At this time, if there is no other definition in the technical and scientific terms used, they have the meaning commonly understood by those skilled in the art to which this invention pertains, and the gist of the present invention is summarized in the following description and attached drawings. Descriptions of known functions and configurations that may be unnecessarily obscure are omitted.

더불어, 시스템은 필요한 기능을 수행하기 위하여 조직화되고 규칙적으로 상호 작용하는 장치, 기구 및 수단 등을 포함하는 구성 요소들의 집합을 의미한다.In addition, a system refers to a set of components including devices, mechanisms, and means that are organized and interact regularly to perform necessary functions.

상술한 바와 같이, 경로 계획 기술은 제어하는 대상과 환경에 따라 다양한 변수를 고려하여 주어진 조건에서 최적의 경로를 생성하게 되는데, 단계에 따라 광역 경로 계획(GPP, Global Path Planning)과 지역 경로 계획(LPP, Local Path Planning)으로 나뉜다.As described above, path planning technology considers various variables depending on the object and environment to be controlled and creates an optimal path under given conditions. Depending on the stage, it is divided into global path planning (GPP) and regional path planning (GPP). It is divided into LPP (Local Path Planning).

지역 경로 계획 기법 중 하나인 최적화 기반 경로 계획 방법은, 경로의 생성 방법을 다수의 최적화 파라미터로 나타내며, 이들 중 최적화 알고리즘을 통해 정의된 비용함수가 최소화되는 파라미터를 도출하는 방법으로 수행된다. 이를 위해서는 최적화 알고리즘과 경로를 비교적 적은 파라미터를 통해 생성하는 방법이 요구된다.The optimization-based route planning method, which is one of the local route planning techniques, represents the route creation method with a number of optimization parameters, and is performed by deriving the parameter that minimizes the cost function defined through an optimization algorithm. To achieve this, an optimization algorithm and a method for generating a path using relatively few parameters are required.

나선형 최적화 기법(SPO, Spiral Optimization)은 메타휴리스틱(meta-heuristic) 최적화 기법 중 하나로, 최적화 대상의 미분값을 사용하지 않으며 최적화 대상에 관계없이 일반적으로 대상으로 최적화할 수 있는 알고리즘이다.Spiral Optimization (SPO) is one of the meta-heuristic optimization techniques. It is an algorithm that does not use the differential value of the optimization target and can be generally optimized regardless of the optimization target.

이러한 나선형 최적화 기법은 랜덤한 최적화 파라미터들을 particle 형태로 흩뿌리며 이 중 가장 비용함수를 낮게하는 particle을 중심으로 회전하며 최적화가 진행된다.This spiral optimization technique scatters random optimization parameters in the form of particles, and optimization proceeds by rotating around the particle with the lowest cost function.

베지어 곡선(bezier curve)은 다수의 n개의 제어점으로부터 유도되는 다향식을 통해 정의되는 곡선으로, 2차 이상의 베지어 곡선의 경우, 곡률의 계산 역시 다항식으로 유도되며, 연속적이고 비교적 쉽게 구할 수 있다는 장점이 있다.A Bezier curve is a curve defined through a polynomial derived from a number of n control points. In the case of a Bezier curve of degree 2 or higher, the calculation of curvature is also derived by a polynomial, and is continuous and relatively easy to obtain. There is an advantage.

다수의 베지어 곡선을 이은 piecewise bezier curve 생성시에도, 단순한 조건만을 만족할 경우, 연속성이 유지되는 장점이 있다.Even when creating a piecewise Bezier curve connecting multiple Bezier curves, there is an advantage in maintaining continuity if only simple conditions are met.

그렇지만, 상술한 바와 같이, 이를 실제 경로 계획에 활용할 경우, 각각의 제어점이 곡류 조건, 장애물 회피 등을 고려한 곡선을 생성할 수 있도록 위치시키는 것은 쉽지 않으며, 특히, 생성되는 곡선이 장애물과 충돌하지 않는 것을 보장하기 힘들다.However, as described above, when using this for actual route planning, it is not easy to position each control point to generate a curve that takes into account wind conditions, obstacle avoidance, etc. In particular, it is not easy to ensure that the generated curve does not collide with obstacles. It is difficult to guarantee that

이에 따라, 대부분의 베지어 곡선 기반 경로 계획 기법의 경우, 최적화 기법을 이용하기 보다는 충분한 안전거리를 유지하는 조건에서 곡률 조건 등 일부 제약 조건만을 고려한 최적화 기반 경로 계획을 수행하거나, 안전거리 내에서 결정론적인 제어점 생성 규칙을 정의하여 경로 계획을 수행하는 등 한정적으로 활용되고 있다.Accordingly, in the case of most Bézier curve-based path planning techniques, rather than using optimization techniques, optimization-based path planning is performed considering only some constraints such as curvature conditions under the condition of maintaining a sufficient safety distance, or determinism is performed within the safety distance. It is used in a limited way, such as performing path planning by defining rules for creating control points.

이러한 점을 고려하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 나선형 최적화 기법과 황금 분할 탐색 기법을 활용한 베지어 곡선 기반의 지역 경로 계획 방법은, 나선형 최적화 기법과 황금 분할 탐색 기법을 활용하여 최적화한 베지어 곡선 기반의 지역 경로 계획 기법에 관한 것이다.Considering this, the Bezier curve-based local path planning method using the spiral optimization technique and the golden section search technique according to an embodiment of the present invention is a Bezier curve optimized using the spiral optimization technique and the golden section search technique. It is about a curve-based regional route planning technique.

이 때, 나선형 최적화 기법은 다른 메타 휴리스틱 기법과 비교하여 단순하여 코드의 관리가 용이하면서도 다른 알고리즘과 유사한 성능을 가지고 있는 장점이 있다. 또한, 수렴율 r값을 사용하여 매 스텝마다 비용함수가 가장 낮은 파티클인 중앙 파티클(center particle)을 기준으로 모든 파티클이 이동되기 때문에, 언제나 수렴을 보장한다는 장점이 있다.At this time, the spiral optimization technique has the advantage of being simple compared to other meta-heuristic techniques, making it easy to manage the code, and having performance similar to other algorithms. In addition, since all particles are moved based on the center particle, which is the particle with the lowest cost function, at each step using the convergence rate r value, there is an advantage in ensuring convergence at all times.

정리하자면, 본 발명의 일 실시예에 따른 나선형 최적화 기법과 황금 분할 탐색 기법을 활용한 베지어 곡선 기반의 지역 경로 계획 방법은, piecewise bezier curve 생성 및 GSS, SPO 알고리즘으로 이루어지며, 주어진 조건하에서 비용함수를 최소화하는 곡선을 생성하는 것을 기술적 목적으로 한다.In summary, the Bezier curve-based regional path planning method using the spiral optimization technique and the golden section search technique according to an embodiment of the present invention consists of piecewise Bezier curve generation and GSS and SPO algorithms, and the cost under given conditions is The technical purpose is to create a curve that minimizes the function.

여기서, piecewise bezier curve란, 다수의 베지어 곡선으로 이루어진 곡선으로 본 발명에서는 각각을 이루는 베지어 곡선으로 3차 곡선을 사용하였다. 최적화된 베지어 곡선을 구하기 위해서는, 어떠한 변수를 조절해야 할 것인가 역시 지정해야 한다. 3차 베지어 곡선은 4개의 제어점으로부터 생성되며, 4개의 제어점을 생성할 수 있는 최적화 파라미터는 Φ, dp 및 do의 세가지 변수로 정의되며, 최적화 알고리즘은 비용함수를 최소화하는 Φ, dp 및 do의 세가지 변수값을 찾게 된다.Here, the piecewise Bezier curve is a curve composed of multiple Bezier curves, and in the present invention, a cubic curve is used as each Bezier curve. In order to obtain an optimized Bezier curve, you must also specify which variables should be adjusted. A cubic Bezier curve is created from four control points, and the optimization parameters that can create four control points are defined as three variables, Φ, d p , and d o , and the optimization algorithm is Φ, d p that minimizes the cost function. and d o are found.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나선형 최적화 기법과 황금 분할 탐색 기법을 활용한 베지어 곡선 기반의 지역 경로 계획 방법을 나타낸 순서 예시도이다. 도 1을 참조로 하여 본 발명의 일 실시예에 따른 나선형 최적화 기법과 황금 분할 탐색 기법을 활용한 베지어 곡선 기반의 지역 경로 계획 방법을 상세히 설명한다.Figure 1 is a sequence diagram showing a Bezier curve-based local path planning method using a spiral optimization technique and a golden section search technique according to an embodiment of the present invention. With reference to Figure 1, a Bezier curve-based local path planning method using a spiral optimization technique and a golden section search technique according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

본 발명의 일 실시예에 따른 나선형 최적화 기법과 황금 분할 탐색 기법을 활용한 베지어 곡선 기반의 지역 경로 계획 방법은 컴퓨터를 포함하는 연산 처리 수단에 의해 각 단계가 수행되는 기술로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 광역 경로점 인가 단계(S100), SPO 파티클 생성 단계(S200), 비용 연산 단계(S300), 센터 파티클 설정 단계(S400), 파티클 회전 단계(S500) 및 최적화 파라미터 도출 단계(S600)를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.The Bezier curve-based local path planning method using the spiral optimization technique and the golden section search technique according to an embodiment of the present invention is a technology in which each step is performed by an arithmetic processing means including a computer, and is shown in FIG. 1 As described above, the wide-area path point application step (S100), the SPO particle creation step (S200), the cost calculation step (S300), the center particle setting step (S400), the particle rotation step (S500), and the optimization parameter derivation step (S600). It is desirable to be configured to include.

이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 나선형 최적화 기법과 황금 분할 탐색 기법을 활용한 베지어 곡선 기반의 지역 경로 계획 방법을 간략하게 정리하자면, 최적화 SPO 파티클이란 Φ, dp 및 do로 이루어진 다차원 벡터로, SPO 최적화를 위해서는 다수의 파티클이 필요하다. 다수의 파티클은 초기값으로부터 랜덤하게 생성된다.To briefly summarize the Bezier curve-based local path planning method using the spiral optimization technique and the golden section search technique according to an embodiment of the present invention, the optimized SPO particle is a multidimensional vector consisting of Φ, d p , and d o . Therefore, a large number of particles are required for SPO optimization. Multiple particles are randomly generated from initial values.

파티클 생성 후, SPO 내부의 GSS는 dp에 대한 최적화를 진행하며 SPO는 Φ, dp에 대한 최적화를 진행한다.After particle creation, GSS inside SPO performs optimization for d p , and SPO performs optimization for Φ and d p .

즉 Φ, dp를 우선적으로 SPO를 통해 생성하고 이 후에 GSS를 통한 dp를 최적화한다. 이 후 전체 비용함수를 계산한 후 그중 가장 작은 비용함수를 생성하는 center 파티클을 선정하여 모든 파티클이 center 파티클을 중심으로 회전하게 되며 전체적인 SPO의 1 사이클이 돌게 된다.That is, Φ, d p are first generated through SPO, and then d p is optimized through GSS. After calculating the entire cost function, the center particle that generates the smallest cost function is selected, and all particles rotate around the center particle, resulting in one cycle of the overall SPO.

각 단계에 대해서 자세히 알아보자면,To learn more about each step,

상기 광역 경로점 인가 단계(S100)는 연산 처리 수단에서, 미리 진행된 광역 경로 계획 기법(GPP, Global Path Planning)에 의해 생성된 적어두 두 개의 광역 경로점을 입력받아, 3차 베지어 곡선(piecewise bezier curve)의 초기 제어 점의 일부를 설정하게 된다.In the global path point application step (S100), the calculation processing means receives at least two global path points generated by a global path planning technique (GPP, Global Path Planning) in advance, and generates a cubic Bezier curve (piecewise). This sets some of the initial control points of the Bezier curve.

이 때, 상기 광역 경로점 인가 단계(S100)에 의해 입력받은 미리 진행된 광역 경로 계획 기법에 의해 생성된 광역 경로에 의한 적어도 두 개의 광역 경로점의 일 예를 들자면, RPF 기반 광역 경로계획 알고리즘을 통한 광역 경로를 들 수 있다.At this time, as an example of at least two wide-area route points by a wide-area route generated by a wide-area route planning technique inputted in the wide-area route point authorization step (S100), the RPF-based wide-area route planning algorithm A wide area route is possible.

상세하게는, RPF 기반 광역 경로계획 알고리즘은 장애물의 모서리를 특징점으로 하여 경로를 생성하는 기법으로서, 지도 내의 장애물 모서리 부분 탐색 및 node 생성 과정, node와의 LOS(Line Of Sight) 확인 과정을 반복적으로 수행하게 된다. 이러한 RPF 알고리즘은 2차원 지도상의 최단거리 생성을 위한 방향 전환 지점은 언제나 장애물의 모서리에 위치한다는 것을 전제로 하며, RPF 알고리즘의 주요 개념은 격자 지도로부터 장애물의 모서리를 검출하고, 검출된 node와 기존의 tree 사이의 LOS 확인을 통해 경로를 생성하는 것으로 요약할 수 있다.In detail, the RPF-based wide-area route planning algorithm is a technique that generates a route using the edges of obstacles as feature points. It repeatedly performs the process of searching the edge of obstacles in the map, creating nodes, and confirming LOS (Line Of Sight) with nodes. I do it. This RPF algorithm assumes that the direction change point for creating the shortest distance on a 2D map is always located at the edge of the obstacle. The main concept of the RPF algorithm is to detect the edge of the obstacle from the grid map and connect the detected node and the existing It can be summarized as creating a path by checking the LOS between trees.

상기 SPO 파티클 생성 단계(S200)는 연산 처리 수단에서, 나선형 최적화 기법(SPO, Spiral Optimization)을 이용하여, 상기 광역 경로점 인가 단계(S100)에 의해 설정한 초기 제어점을 통해서 해당하는 베지어 곡선이 연속하게 이어지는 조건을 갖는 나머지 초기 제어점을 설정하고, 각 베지어 곡선 별 해당하는 제어점들의 파라미터를 포함하는 다수의 파리클을 생성하게 된다.The SPO particle creation step (S200) uses a spiral optimization technique (SPO, Spiral Optimization) in the calculation processing means to create a corresponding Bezier curve through the initial control point set in the wide-area path point application step (S100). The remaining initial control points with consecutive conditions are set, and a number of paricles containing the parameters of the corresponding control points for each Bezier curve are created.

즉, 3차 베지어 곡선은 상술한 바와 같이, 다수의 베지어 곡선으로 이루어진 곡선으로, 각 베지어 곡선은 4개의 제어점 좌표로 정의되게 된다.That is, as described above, a cubic Bézier curve is a curve composed of multiple Bézier curves, and each Bézier curve is defined by four control point coordinates.

상기 광역 경로점 인가 단계(S100)에서는 각 베지어 곡선의 시작점인 1번 제어점과 종료점(목적지)인 4번 제어점을 설정하고, 상기 SPO 파티클 생성 단계(S200)에서는 각 베지어 곡선 별 1번 제어점과 4번 제어점을 고려하여, 2번 제어점과 3번 제어점을 설정하게 된다.In the global path point application step (S100), control point No. 1, which is the starting point of each Bezier curve, and control point No. 4, which is the end point (destination), are set, and in the SPO particle creation step (S200), control point No. 1 is set for each Bezier curve. Taking control points 2 and 4 into consideration, control points 2 and 3 are set.

먼저, 3차 베지어 곡선은 4개의 제어점 좌표와 매개변수 t를 이용하여 정의되며, 이는 하기의 수학식 1과 같다.First, the cubic Bezier curve is defined using the coordinates of four control points and the parameter t, which is expressed in Equation 1 below.

Figure pat00001
Figure pat00001

(

Figure pat00002
)(
Figure pat00002
)

t는 0~1 범위 내 실수 값으로 정의되며, P(t)를 통해 베지어 곡선 상의 좌표를 반환한다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 나선형 최적화 기법과 황금 분할 탐색 기법을 활용한 베지어 곡선 기반의 지역 경로 계획 방법은 최종적으로 비용함수를 최소화시키는 최적의 P1, P2, P3, P4를 찾게 된다. 최적의 P1, P2, P3, P4를 찾으면, 임의의 t를 활용하여 범위 내 모든 경로점을 생성할 수 있다.t is defined as a real number in the range of 0 to 1, and returns the coordinates on the Bezier curve through P(t). Therefore, the Bezier curve-based local path planning method using the spiral optimization technique and the golden section search technique according to an embodiment of the present invention ultimately finds the optimal P1, P2, P3, and P4 that minimize the cost function. . Once we find the optimal P1, P2, P3, and P4, we can use a random t to generate all path points in the range.

상세하게는, 최적화 기법을 통한 경로 계획을 위해서는, 베지어 곡선의 제어점을 몇 개의 최적화 파라미터로 나누어야 한다. 이 때, 3차 베지어 곡선이 연속할 조건을 통해 베지어 곡선의 제어점 위치를 나타낼 수 있다.In detail, for path planning through optimization techniques, the control points of the Bezier curve must be divided into several optimization parameters. At this time, the position of the control point of the Bezier curve can be indicated through the condition that the cubic Bezier curve is continuous.

도 2는 이러한 3차 베지어 곡선에서 앞의 곡선과 뒤의 곡선이 서로 연속하게 이어질 조건을 나타낸다. 도 2의 a)는 하나의 베지어 곡선을 나타내며, 도 2의 b)는 두 곡선이 이어진 형태이다.Figure 2 shows the conditions under which the front and back curves in this third-order Bezier curve will continue to each other. Figure 2a) represents one Bezier curve, and Figure 2b) is two curves connected.

자세히 알아보자면, 도 2의 a)에서

Figure pat00003
는 상기 광역 경로점 인가 단계(S100)에 의해 입력받은 광역 경로 계획의 한 점 위에 생성되며
Figure pat00004
는 상기 SPO 파티클 생성 단계(S200)에 의해
Figure pat00005
로부터 일정거리 만큼 떨어진 위치에 생성된다. 이때, 도 2의 b)와 같이 인접한 두 곡선이 서로 연속적이기 위해서는 k번째 곡선의
Figure pat00006
제어점과 k+1번째 곡선의
Figure pat00007
제어점은 같은 위치에 존재하여야 하며,
Figure pat00008
는 같은 직선상에 위치하여야 한다.In detail, in a) of Figure 2
Figure pat00003
is created on a point of the wide-area route plan input by the wide-area route point authorization step (S100),
Figure pat00004
By the SPO particle creation step (S200)
Figure pat00005
It is created at a certain distance away from . At this time, in order for two adjacent curves to be continuous, as shown in b) of Figure 2, the kth curve
Figure pat00006
Control point and k+1th curve
Figure pat00007
Control points must exist at the same location,
Figure pat00008
must be located on the same straight line.

Figure pat00009
제어점인 시작점과 도착점이 광역 경로점 위에 생성되므로
Figure pat00010
제어점의 위치를 알 수 있으며,
Figure pat00011
제어점의 경우, 3차 베지어 곡선(piecewise bezier curve)이 연속하게 이어질 조건에 따라서
Figure pat00012
를 지나는 직선 상에 높이게 되므로
Figure pat00013
의 위치를
Figure pat00014
를 중심으로 하는 극 좌표계를 통해 나타낼 수 있다.
Figure pat00009
Since the starting point and destination point, which are control points, are created on the wide route point,
Figure pat00010
You can know the location of the control point,
Figure pat00011
In the case of control points, according to the condition that the cubic Bezier curve (piecewise Bezier curve) continues continuously,
Figure pat00012
Because it is raised on a straight line passing through
Figure pat00013
location of
Figure pat00014
It can be expressed through a polar coordinate system centered on .

이를 통해서, 도 3에 도시된 바와 같이, 제어점 위치 표현을 나타낼 수 있다.Through this, as shown in FIG. 3, a control point position expression can be displayed.

상세하게는,

Figure pat00015
에서 각도
Figure pat00016
,
Figure pat00017
점으로부터 떨어진 거리
Figure pat00018
를 통해 나타낼 수 있다. In detail,
Figure pat00015
angle from
Figure pat00016
,
Figure pat00017
distance from point
Figure pat00018
It can be expressed through .

또한, 본 발명에서는 곡선이 장애물로부터 떨어진 거리를 고려하므로 제어점

Figure pat00019
이 장애물로부터 떨어진 거리를 나타낼 필요가 있다.Additionally, in the present invention, the curve considers the distance away from the obstacle, so the control point
Figure pat00019
We need to indicate the distance away from this obstacle.

이를

Figure pat00020
라 할 때, 하나의 베지어 곡선 생성을 위한 파라미터는
Figure pat00021
의 3가지 파라미터가 되며, 다수의 곡선을 연결할 때는 3n개의 파라미터가 생성되게 된다.This
Figure pat00020
In this case, the parameters for creating one Bezier curve are
Figure pat00021
There are three parameters, and when connecting multiple curves, 3n parameters are created.

즉, 도 3에 도시된 바와 같이,

Figure pat00022
는 각각
Figure pat00023
제어점과 직선이 이루는 각도,
Figure pat00024
제어점이 장애물로부터 떨어진 거리,
Figure pat00025
제어점이
Figure pat00026
제어점으로부터 떨어진 거리를 나타내며, 광역 경로점을
Figure pat00027
라 할 때,
Figure pat00028
는 하기의 수학식 2와 같이 정의된다. That is, as shown in Figure 3,
Figure pat00022
are respectively
Figure pat00023
The angle between the control point and the straight line,
Figure pat00024
The distance the control point is from the obstacle,
Figure pat00025
control point
Figure pat00026
Indicates the distance from the control point and represents the wide route point.
Figure pat00027
When you say,
Figure pat00028
is defined as Equation 2 below.

(여기서, 회전행렬 임.)(Here, the rotation matrix Is lim.)

이에 따라, 베지어 곡선을 생성하는 변수는 로 정의되며, 임의의 j 개의 베지어 곡선을 연결하여 경로를 생성하는 경우, 총 3j 개의 변수가 필요하게 된다.Accordingly, the variable that generates the Bezier curve is It is defined as , and when creating a path by connecting j arbitrary Bezier curves, a total of 3j variables are required.

한편, 최적화를 위해서는 의 초깃값을 정해줄 필요가 있다. 의 초깃값은 k 번째 광역 경로점과 k+1 번째 광역 경로점이 이루는 각도의 절반으로 정해지며, 의 초깃값은 0으로 초기화된다. 두 값은 장애물과의 거리와 제어점의 위치를 나타내기에 광역 경로점과 동일하도록 0으로 초기화되며, 최적화가 진행됨에 따라 증가하게 된다.Meanwhile, for optimization It is necessary to set the initial value of . The initial value of is set as half the angle formed by the kth global path point and the k+1th global path point, The initial value of is initialized to 0. The two values are the distance to the obstacle and Since it indicates the location of the control point, it is initialized to 0 to be the same as the global route point, and increases as optimization progresses.

상기 SPO 파티클 생성 단계(S200)는 상술한 과정을 통해서 각 베지어 곡선 별 설정한 4개의 제어점의 위치 좌표를 이용하여, 4개의 제어점 간의 위치 관계와 장애물과 4개의 제어점과의 위치 관계를 특정하는 다수의 파라미터를 생성하게 된다.The SPO particle creation step (S200) uses the positional coordinates of the four control points set for each Bezier curve through the above-described process to specify the positional relationship between the four control points and the positional relationship between the obstacle and the four control points. Multiple parameters are created.

다시 말하자면, 상기 SPO 파티클 생성 단계(S200)에 의한 SPO 기법은, 파티클을 기반하여 최적화를 진행하는 알고리즘으로 최적화 진행의 시작과 동시에 다수의 파티클을 생성한다. 파티클은 으로 이루어져 있으며 베지어 곡선의 개수만큼 가 존재하며, 하기의 수학식 3과 같이 정의하게 된다.In other words, the SPO technique in the SPO particle generation step (S200) is an algorithm that performs optimization based on particles, and generates a number of particles at the start of the optimization process. The particles are It consists of as many as the number of Bezier curves. exists, and is defined as Equation 3 below.

상기의 수학식 3과 같은 파티클을 m개 생성하게 되며, SPO는 랜덤성에 기반하여 파티클을 생성한다. 이는 파티클의 초깃값의 차이로부터 center 파티클 선정 및 업데이트가 이루어지며 최적화가 진행되기 때문으로 따라서 각 파티클들은 초깃값으로부터 일정 수준의 랜덤값을 포함하게 된다.M particles as in Equation 3 above are generated, and SPO generates particles based on randomness. This is because the center particle is selected and updated based on the difference in the initial value of the particle, and optimization is carried out. Therefore, each particle contains a certain level of random value from the initial value.

본 발명의 일 실시예에 따른 나선형 최적화 기법과 황금 분할 탐색 기법을 활용한 베지어 곡선 기반의 지역 경로 계획 방법은 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 SPO 파티클 생성 단계(S200)를 수행하고 난 후, GSS 최적화 단계(S210)를 더 수행하게 된다.As shown in Figure 1, the Bezier curve-based local path planning method using the spiral optimization technique and the golden section search technique according to an embodiment of the present invention is performed after performing the SPO particle creation step (S200). , the GSS optimization step (S210) is further performed.

상기 GSS 최적화 단계(S210)는 황금 분할 탐색 기법(GSS, Golden Section Search)을 이용하여, 각 베지어 곡선 별 생성한 파티클에 포함되는 다수의 파라미터 중 선택되는 어느 하나의 파라미터에 대한 최적화를 수행하게 된다.The GSS optimization step (S210) uses the Golden Section Search (GSS) technique to optimize one parameter selected among a number of parameters included in the particles generated for each Bezier curve. do.

먼저, 황금 분할 탐색 기법에 대해서 알아보자면, 이는 주로 1차원 파라미터를 최적화하는 최적화 알고리즘으로 주어진 범위 사이에서 Unimodal function의 최솟값을 찾는 알고리즘이다.First, let's look at the golden section search technique. It is an optimization algorithm that mainly optimizes one-dimensional parameters, This is an algorithm that finds the minimum value of the unimodal function.

GSS는 이분 탐색법과 유사한 방법으로 대상의 극값을 찾아내지만 대상의 중앙값을 기준으로 구역을 나누는 이분 탐색과 달리 황금비에 따라 양쪽 구역을 나눈다는 차이를 가지고 있으며 하기의 수학식 4와 같이 정의하게 된다.GSS finds the extreme values of an object in a similar way to the bipartite search method, but unlike the bipartite search that divides the region based on the median value of the object, GSS divides both regions according to the golden ratio and is defined as Equation 4 below. .

여기서 는 x1과 x4를 황금비로 내분하기 위한 값이다. 최솟값을 구하고자 하는 함수를 f(x)라 할 때 황금분할 탐색은 하기의 수학식 5를 계산하여 다음 스텝을 위한 범위 x1, x4를 갱신한다.here is the value for dividing x 1 and x 4 into the golden ratio. When the function for which the minimum value is to be sought is f(x), the golden section search calculates Equation 5 below to update the ranges x 1 and x 4 for the next step.

이렇게, GSS는 새로운 영역 x1, x4에 대해서 재귀적으로 반복하며 이는 종료 조건이 만족될 때까지 반복된다. 최종적으로 영역 x1, x4의 사잇값을 최적화된 값으로 반환한다.In this way, GSS repeats recursively for new areas x 1 and x 4 , and this is repeated until the termination condition is satisfied. Finally, the intersection value of areas x 1 and x 4 is returned as the optimized value.

이러한 점을 고려하여, 상기 GSS 최적화 단계(S210)는 dp의 최적화를 위해 사용된다. 즉 세가지 파라미터 중 dp만을 GSS를 이용한 최적화를 진행하며 나머지 파라미터에 대한 최적화는 SPO를 통해 이루어진다.Considering this, the GSS optimization step (S210) is used to optimize d p . in other words Among the three parameters, only d p is optimized using GSS, and the remaining parameters are optimized through SPO.

GSS는 구간 x1, x4사이에서 진행되는 최적화 알고리즘으로 x1, x4를 황금비율로 내분하는 두 점 x2, x3를 생성하며 다음과 같이 이루어진다.GSS is an optimization algorithm that runs between the intervals x 1 and x 4. It creates two points x 2 and x 3 that divide x 1 and x 4 into the golden ratio, and is done as follows.

도 4의 a)는 GSS 알고리즘의 진행과정 첫 번째 iteration이며, 도 4의 b)는 두 번째 iteration을 의미한다.Figure 4a) indicates the first iteration of the GSS algorithm, and Figure 4b) indicates the second iteration.

도 4를 참고로, 상기 GSS 최적화 단계(S210)의 수행 과정을 정리하자면, 하기의 7단계와 같다.Referring to FIG. 4, the process of performing the GSS optimization step (S210) is summarized as the following seven steps.

1. 구간 x1, x4를 황금비율로 내분하는 x2, x3생성1. Create x 2 , x 3 by dividing the interval x 1 , x 4 by the golden ratio

2. x2, x3두 지점 중 비용함수를 낮게하는 점을 찾는다.2. Find the point that lowers the cost function among the two points x 2 and x 3 .

3. 만약 x3가 x2보다 낮을 경우 x2는 다음 iteration의 구간 x1으로 지정3. If x 3 is lower than x 2 , x 2 is designated as the section x 1 of the next iteration.

4. 반대로 x2가 더욱 낮을 경우 x3을 다음 iteration의 구간 x4으로 지정4. Conversely, if x 2 is lower, designate x 3 as the section x 4 of the next iteration.

5. 새로운 x1, x4를 황금비율로 분할하는 x2, x3생성 5. Create new x 1 and x 4 by dividing them by the golden ratio

6. 종료 조건 확인, 불충족시 2부터 반복6. Check termination conditions, if not met, repeat from 2

7. 종료 조건 만족시 구간 x1, x4의 중간점을 최적화된 변수로 출력7. When the termination condition is satisfied, the midpoint of the interval x 1 and x 4 is output as an optimized variable.

상기 비용 연산 단계(S300)는 미리 저장된 비용 함수를 통해서 각 파티클 별 비용을 연산하게 된다.In the cost calculation step (S300), the cost for each particle is calculated using a pre-stored cost function.

즉, 파라미터를 최적화 하기 위한 비용함수는 총 3가지 항으로 구성되며, 하기의 수학식 6과 같다.That is, the cost function for optimizing parameters consists of a total of three terms, and is shown in Equation 6 below.

여기서, costmap은 장애물과의 거리를 나타내는 비용, costdistance는 광역 경로와 베지어 곡선의 길이에 의한 비용, costcurvature는 곡률에 의한 비용이다. Here, cost map is the cost representing the distance to the obstacle, cost distance is the cost due to the length of the wide path and Bezier curve, and cost curvature is the cost due to curvature.

costmap은 주어진 파라미터로부터 생성된 곡선으로부터 주변의 장애물과의 거리를 측정하여 계산된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 매개변수 t로부터 생성된 베지어 곡선상의 점을 C라 할 때, C로부터 가장 가까운 장애물과의 거리를 측정한다. 이때, C점으로부터 지도상의 모든 장애물과의 거리를 측정할 경우 계산이 매우 오래 걸리게 되므로, C점으로부터 일정거리만큼을 잘라 그 내부의 장애물과의 거리계산만 이루어진다. The cost map is calculated by measuring the distance to surrounding obstacles from a curve generated from given parameters. As shown in Figure 5, when the point on the Bezier curve generated from the parameter t is C, the distance from C to the nearest obstacle is measured. At this time, when measuring the distance from point C to all obstacles on the map, the calculation takes a very long time, so only the distance to the obstacles within it is calculated by cutting a certain distance from point C.

도 5는 이러한 C점으로부터 일정 영역을 자르는 방법을 나타낸다. 위와 같은 계산은 베지어 곡선 위의 매개변수 t에 의해 생성되는 모든 C점에서 계산된다. 따라서 C점은 무한정 늘릴 수는 없으며, 설계에 따라 달라지게 된다.Figure 5 shows a method of cutting a certain area from point C. The above calculation is performed at all C points generated by the parameter t on the Bézier curve. Therefore, point C cannot be increased indefinitely and varies depending on the design.

하나의 C 점으로 부터는 가장 가까운 장애물과의 거리 z가 생성된다. z의 역수를 xc라 하고 xc의 집합을 X라 할 때, costmap은 하기의 수학식 7과 같이 구해진다.From one point C, the distance z to the nearest obstacle is generated. When the reciprocal of z is called x c and the set of x c is called X, the cost map is obtained as shown in Equation 7 below.

여기서 c는 장애물과의 거리의 역수 xc의 인덱스값을 나타내며, 집합 X는 내림차순으로 정렬되어 있다고 가정한다. 즉, 집합 X에 저장된 xc중 가장 큰 약 30%의 값의 평균을 이용하여 costmap를 산출한다.Here, c represents the index value of x c , the reciprocal of the distance to the obstacle, and it is assumed that the set X is sorted in descending order. In other words, the cost map is calculated using the average of the largest 30% of the values of x c stored in the set

이와 같은 산출 방법은 일반적인 평균의 경우 가장 가까운 장애물과의 거리 z가 무시될 수 있으며 반대로 최소거리를 사용할 경우, 전체적인 곡선과 장애물과의 거리가 무시될 수 있기에 다음과 같이 정하였다.This calculation method was established as follows because, in the case of a general average, the distance z to the nearest obstacle can be ignored, and conversely, if the minimum distance is used, the overall curve and the distance to the obstacle can be ignored.

거리 비용 costdistance이다. costdistance는 광역 경로점의 직선거리 대비 bezier 곡선이 얼마나 길어졌는가를 나타내는 비용으로 곡선이 기존의 경로점으로부터 너무 멀어지는 것을 방지하는 항으로 광역 경로점 사이의 거리를 , bezier 곡선의 길이가 일 때 하기의 수학식 8과 같이 나타낸다.Distance cost is cost distance . The cost distance is a cost that indicates how long the Bezier curve has become compared to the straight line distance of the wide-area route points. It is a term that prevents the curve from moving too far away from the existing route points, and is the distance between the wide-area route points. , the length of the bezier curve is When , it is expressed as Equation 8 below.

다음은 곡률 비용이다. 는 베지어 곡선의 곡률 계산식으로부터 구해지며 하기의 수학식 9와 같이 나타낸다.Next is the curvature cost am. is obtained from the curvature calculation formula of the Bezier curve and is expressed as Equation 9 below.

항의 계수는 하기의 수학식 10과 같다. The coefficient of the term is as shown in Equation 10 below.

곡률 는 하기의 수학식 11로 계산된다.curvature is calculated using Equation 11 below.

는 하기의 수학식 12와 같이, 곡률 의 최댓값으로 정의한다. is the curvature, as shown in Equation 12 below: It is defined as the maximum value of .

상기 센터 파티클 설정 단계(S400)는 상기 비용 연산 단계(S300)에 의한 연산 결과를 이용하여, 가장 최소 비용을 갖는 파티클을 센터(center) 파리클로 설정하게 된다.The center particle setting step (S400) uses the calculation result from the cost calculation step (S300) to set the particle with the lowest cost as the center particle.

즉, 상기 센터 파티클 설정 단계(S400)는 SPO의 최적화는 생성된 다수의 파티클 중 비용함수를 가장 작게 하는 파티클을 선정하는 것으로 시작한다. 다시 말하자면, m개의 파티클 파라미터에 대해 비용함수를 계산하며 이중 가장 작은 비용을 생성하는 파티클이 center 파티클로 지정된다.That is, in the center particle setting step (S400), optimization of SPO begins with selecting the particle with the smallest cost function among the plurality of generated particles. In other words, the cost function is calculated for m particle parameters, and the particle that generates the smallest cost is designated as the center particle.

상기 파티클 회전 단계(S500)는 상기 센터 파티클 설정 단계(S400)에 의해 설정한 상기 센터 파티클을 중심으로 미리 설정된 수학식을 기반으로 나머지 모든 파티클의 회전을 통해 파티클 업데이트를 수행하게 된다.The particle rotation step (S500) performs particle update through rotation of all remaining particles based on a preset mathematical equation centered on the center particle set by the center particle setting step (S400).

상기 파티클 회전 단계(S500)는 상기 센터 파티클 설정 단계(S400)에 의해 설정한 상기 센터 파티클을 중심으로, 나머지 모든 파티클의 회전을 통해 파티클 업데이트를 수행하여, 상기 나머지 모든 파티클의 제어점의 위치 좌표가 이동되게 된다.The particle rotation step (S500) performs particle update through rotation of all remaining particles around the center particle set in the center particle setting step (S400), so that the position coordinates of the control points of all remaining particles are will be moved.

상세하게는, 파티클 회전은 center 파티클을 중심으로 나머지 파티클을 업데이트 하는 과정으로 SPO는 center 파티클을 중심으로 한 회전을 통해 다음 iteration의 파티클들을 업데이트한다. 파티클 회전식은 하기의 수학식 13과 같다.In detail, particle rotation is a process of updating the remaining particles around the center particle, and SPO updates the particles of the next iteration through rotation around the center particle. The particle rotation equation is as shown in Equation 13 below.

여기서, 는 다음 iteration의 파티클이며 은 center 파티클, 는 현재 iteration의 파티클이다.here, is the particle of the next iteration. silver center particle, is the particle of the current iteration.

즉, 센터 파티클을 중심으로 모든 Particle들을 회전시키며 수렴률 R 값을 곱하여 모든 Particle들이 Center Particle로 약간씩 이동하도록 한다. 회전된 위치의 Particle을 나타내며 는 회전 이전의 Particle의 위치를 나타낸다. 각각의 Particle은 2차원 벡터로 표현되며 는 회전각이다.In other words, all particles are rotated around the center particle and the convergence rate R value is multiplied so that all particles move slightly to the center particle. Represents a particle in a rotated position. indicates the position of the particle before rotation. Each particle is expressed as a two-dimensional vector. is the rotation angle.

상기의 수학식 13은 회전각 를 가지는 2차원 파티클의 회전을 나타낸 것으로 회전시 수렴율 값을 곱하여 모든 파티클들이 center 파티클을 향해 약간 움직이도록 한다.Equation 13 above is the rotation angle This represents the rotation of a two-dimensional particle with a convergence rate during rotation. Multiply the values so that all particles move slightly towards the center particle.

파티클의 차원이 2차원을 넘는 경우, 하기의 수학식 14와 같은 회전행렬을 사용하게 된다.If the dimension of the particle exceeds 2 dimensions, a rotation matrix such as Equation 14 below is used.

여기서, 는 identity matrix를 나타내며 차원은 파티클의 차원 - 1로 지정된다(즉 회전행렬의 차원은 파티클의 차원과 같음).here, represents the identity matrix, and the dimension is specified as the dimension of the particle - 1 (i.e., the dimension of the rotation matrix is the same as the dimension of the particle).

SPO는 파티클의 회전을 통해 새로운 파티클을 생성하며 새 파티클 중 다시 center 파티클을 선정하여 회전을 계속한다.SPO creates new particles through particle rotation, and selects the center particle among the new particles to continue rotation.

상기 최적화 파라미터 도출 단계(S600)는 상기 파티클 회전 단계(S500)에 의해 회전된 파티클과 상기 센터 파티클들 간의 거리를 계산하여, 미리 설정된 소정값 이하일 경우, 지역 경로 계획의 종료 조건으로 판단하여, 해당하는 센터 파티클을 최적화된 베지어 곡선의 파라미터로 설정하여, 지역 경로 계획(LPP, Local Path Planning) 기법에 적용하는 최적화 파라미터를 도출하게 된다.The optimization parameter derivation step (S600) calculates the distance between the particles rotated by the particle rotation step (S500) and the center particles, and if it is less than a preset value, determines it as an end condition for local path planning, By setting the center particle as the parameter of the optimized Bezier curve, the optimization parameters applied to the local path planning (LPP, Local Path Planning) technique are derived.

즉, 상기 최적화 파라미터 도출 단계(S600)는 상기 파티클 회전 단계(S500)에 의해 회전되어 위치 좌표가 이동된 파티클과 상기 센터 파티클 간의 거리를 계산하여, 지역 경로 계획의 종료 조건을 판단하되, 계산한 거리값이 미리 설정된 소정값 초과일 경우, 상기 센터 파티클과 회전되어 위치 좌표가 이동된 파티클을 이용하여, 상기 비용 연산 단계(S300)부터 반복 수행하게 된다.That is, the optimization parameter derivation step (S600) calculates the distance between the center particle and the particle whose position coordinates are moved by being rotated by the particle rotation step (S500) to determine the end condition of the local path plan. If the distance value exceeds a preset value, the cost calculation step (S300) is repeated using the center particle and a particle whose position coordinates have moved by rotating.

상세하게는, Particle의 회전 후 다시 비용함수를 계산하여 새로운 를 선정하며 회전이 반복된다. 최종적으로 모든 particle이 를 중심으로 일정 거리 내로 모이게 되면 최적화가 종료된다. Spiral Optimization은 수렴률 R을 사용하기 때문에 일정 Iteration 이후 반드시 수렴한다는 특징을 가진다. In detail, after rotating the particle, the cost function is calculated again and a new Select and the rotation is repeated. Ultimately, all particles a certain distance centered on Once they come together, optimization ends. Because Spiral Optimization uses a convergence rate R, it has the characteristic of always converging after a certain iteration.

이를 토대로, 파티클 회전 이후 종료조건 확인이 이루어진다. 종료조건 확인은 전체 파티클들이 얼마나 서로 가까운가를 계산하며, 그 값이 일정 값 보다 작을 경우 최적화 알고리즘이 종료되며, center 파티클을 최적화된 파라미터로 반환한다. 이후 반환된 값을 이용하여 bezier 곡선을 생성하며 경로계획이 마무리된다.Based on this, the termination condition is checked after particle rotation. Checking the termination condition calculates how close all particles are to each other, and the value is a certain value. If it is smaller than , the optimization algorithm ends and returns the center particle as the optimized parameter. Afterwards, the returned value is used to create a Bezier curve and the route planning is completed.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것 일 뿐, 본 발명은 상기의 일 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.As described above, the present invention has been described with reference to specific details such as specific components and drawings of limited embodiments, but this is only provided to facilitate a more general understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the above-mentioned embodiment. No, those skilled in the art can make various modifications and variations from this description.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Accordingly, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and all matters that are equivalent or equivalent to the claims of this patent as well as the claims described below shall fall within the scope of the spirit of the present invention. .

Claims (6)

컴퓨터를 포함하는 연산 처리 수단에 의해 각 단계가 수행되는 나선형 최적화 기법과 황금 분할 탐색 기법을 활용한 베지어 곡선 기반의 지역 경로 계획 방법으로서,
기진행된 광역 경로 계획 기법(GPP, Global Path Planning)에 의해 생성된 적어도 두 개의 광역 경로점을 입력받아, 3차 베지어 곡선(piecewise bezier curve)의 초기 제어점의 일부를 설정하는 광역 경로점 인가 단계(S100);
나선형 최적화 기법을 이용하여, 상기 광역 경로점 인가 단계(S100)에 의해 설정한 초기 제어점을 통해서 해당하는 베지어 곡선이 연속하게 이어지는 조건을 갖는 나머지 초기 제어점을 설정하고, 각 베지어 곡선 별 해당하는 제어점들의 파라미터를 포함하는 다수의 파티클을 생성하는 SPO 파티클 생성 단계(S200);
기저장된 비용함수를 통해서 각 파티클 별 비용을 연산하는 비용 연산 단계(S300);
상기 비용 연산 단계(S300)에 의한 연산 결과를 이용하여, 가장 최소 비용을 갖는 파티클을 센터(center) 파티클로 설정하는 센터 파티클 설정 단계(S400);
설정한 상기 센터 파티클을 중심으로, 기설정된 수학식을 기반으로 나머지 모든 파티클의 회전을 통해 파티클 업데이트를 수행하는 파티클 회전 단계(S500); 및
상기 파티클 회전 단계(S500)에 의해 회전된 파티클과 상기 센터 파티클들 간의 거리를 계산하여, 기설정된 소정값 이하일 경우, 지역 경로 계획의 종료 조건으로 판단하여, 해당하는 센터 파티클을 최적화된 베지어 곡선의 파라미터로 설정하여, 지역 경로 계획(LPP, Local Path Planning) 기법에 적용하는 최적화 파라미터 도출 단계(S600);
를 포함하는, 나선형 최적화 기법과 황금 분할 탐색 기법을 활용한 베지어 곡선 기반의 지역 경로 계획 방법.
A local path planning method based on a Bezier curve using a spiral optimization technique and a golden section search technique in which each step is performed by computational processing means including a computer,
A global path point authorization step that receives at least two global path points generated by an existing global path planning technique (GPP) and sets some of the initial control points of the third-order Bezier curve. (S100);
Using the spiral optimization technique, the remaining initial control points are set under the condition that the corresponding Bezier curve continues through the initial control point set in the wide area path point application step (S100), and the corresponding Bezier curve for each Bezier curve is set. SPO particle generation step (S200) of generating a plurality of particles including parameters of control points;
A cost calculation step (S300) of calculating the cost for each particle through a pre-stored cost function;
A center particle setting step (S400) of setting the particle with the lowest cost as a center particle using the calculation result of the cost calculation step (S300);
A particle rotation step (S500) of performing particle update through rotation of all remaining particles based on a preset mathematical equation, centering on the set center particle; and
Calculate the distance between the particles rotated by the particle rotation step (S500) and the center particles, and if it is less than a preset value, determine it as an end condition for local path planning, and apply the corresponding center particle to an optimized Bezier curve. An optimization parameter derivation step (S600) set as a parameter and applied to a local path planning (LPP) technique;
A Bezier curve-based local path planning method using a spiral optimization technique and a golden section search technique, including.
제 1항에 있어서,
상기 3차 베지어 곡선은 다수의 베지어 곡선으로 이루어진 곡선으로, 각 베지어 곡선은 4개의 제어점 좌표로 정의되며,
상기 광역 경로점 인가 단계(S100)에서는
각 베지어 곡선의 시작점인 1번 제어점과 종료점인 4번 제어점을 설정하고,
상기 SPO 파티클 생성 단계(S200)에서는
각 베지어 곡선 별 1번 제어점과 4번 제어점을 고려하여, 2번 제어점과 3번 제어점을 설정하는, 나선형 최적화 기법과 황금 분할 탐색 기법을 활용한 베지어 곡선 기반의 지역 경로 계획 방법.
According to clause 1,
The cubic Bezier curve is a curve composed of multiple Bezier curves, and each Bezier curve is defined by the coordinates of four control points,
In the wide area route point authorization step (S100),
Set control point 1, which is the starting point of each Bezier curve, and control point 4, which is the ending point,
In the SPO particle creation step (S200),
A Bezier curve-based regional path planning method using spiral optimization and golden section search techniques to set control points 2 and 3 by considering control points 1 and 4 for each Bézier curve.
제 2항에 있어서,
상기 SPO 파티클 생성 단계(S200)는
각 베지어 곡선 별 설정한 4개의 제어점의 위치 좌표를 이용하여, 4개의 제어점 간의 위치 관계와 장애물과 4개의 제어점과의 위치 관계를 특정하는 다수의 파라미터를 생성하는, 나선형 최적화 기법과 황금 분할 탐색 기법을 활용한 베지어 곡선 기반의 지역 경로 계획 방법.
According to clause 2,
The SPO particle creation step (S200) is
Spiral optimization technique and golden section search that use the position coordinates of the four control points set for each Bezier curve to generate a number of parameters that specify the positional relationship between the four control points and the positional relationship between the obstacle and the four control points. Bezier curve-based regional route planning method using the technique.
제 3항에 있어서,
상기 나선형 최적화 기법과 황금 분할 탐색 기법을 활용한 베지어 곡선 기반의 지역 경로 계획 방법은
상기 SPO 파티클 생성 단계(S200)를 수행하고 난 후,
황금 분할 탐색 기법을 이용하여, 각 베지어 곡선 별 생성한 파티클에 포함되는 다수의 파라미터 중 선택되는 어느 하나의 파라미터에 대한 최적화를 수행하는 GSS 최적화 단계(S210);
를 더 포함하는, 나선형 최적화 기법과 황금 분할 탐색 기법을 활용한 베지어 곡선 기반의 지역 경로 계획 방법.
According to clause 3,
The Bezier curve-based regional route planning method using the spiral optimization technique and the golden section search technique is
After performing the SPO particle creation step (S200),
A GSS optimization step (S210) of performing optimization on one parameter selected from among a plurality of parameters included in the particles generated for each Bezier curve using the golden section search technique;
A Bezier curve-based local path planning method using a spiral optimization technique and a golden section search technique, further comprising:
제 1항에 있어서,
상기 파티클 회전 단계(S500)는
설정한 상기 센터 파티클을 중심으로, 나머지 모든 파티클의 회전을 통해 파티클 업데이트를 수행하여, 상기 나머지 모든 파티클의 제어점의 위치 좌표가 이동되는, 나선형 최적화 기법과 황금 분할 탐색 기법을 활용한 베지어 곡선 기반의 지역 경로 계획 방법.
According to clause 1,
The particle rotation step (S500) is
Centering on the set center particle, particle update is performed through the rotation of all remaining particles, and the position coordinates of the control points of all remaining particles are moved, based on a Bezier curve using a spiral optimization technique and a golden section search technique. Local route planning method.
제 5항에 있어서,
상기 최적화 파라미터 도출 단계(S600)는
상기 파티클 회전 단계(S500)에 의해 회전되어 위치 좌표가 이동된 파티클과 상기 센터 파티클 간의 거리를 계산하여, 지역 경로 계획의 종료 조건을 판단하되,
계산한 거리값이 기설정된 소정값 초과일 경우, 상기 센터 파티클과 회전되어 위치 좌표가 이동된 파티클을 이용하여 상기 비용 연산 단계(S300)부터 반복 수행하는, 나선형 최적화 기법과 황금 분할 탐색 기법을 활용한 베지어 곡선 기반의 지역 경로 계획 방법.
According to clause 5,
The optimization parameter derivation step (S600) is
Calculate the distance between the center particle and the particle whose position coordinates are moved by being rotated by the particle rotation step (S500) to determine the end condition of the local path plan,
If the calculated distance value exceeds a preset value, a spiral optimization technique and a golden section search technique are used to repeatedly perform the cost calculation step (S300) using the center particle and the particles whose position coordinates have moved. A local route planning method based on a Bezier curve.
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