이동로봇용 전방향 능동 거리 센서를 이용한 장애물 감지 및 자기 위치 추정

Abstract

이동로봇이 미지의 환경 속에서 성공적으로 자율 주행하기 위해서는 실시간으로 장애물을 감지할 수 있는 기능, 주변환경의 여러 변화에도 불구하고 이동로봇의 위치와 자세를 정확히 추정할 수 있는 자기 위치 추정 기능, 얻어진 여러 정보를 통해 변화하는 복잡한 주변 환경에 유연하게 대처할 수 있는 주행 경로 계획 기능 등의 기본적인 기능이 필요하다. 따라서 본 연구의 목적은 이러한 기능들을 개발하고 이들을 이동로봇에 부여하는데 있다. 이에 본 연구에서는 실시간으로 전(全)방향에 산재 되어 있는 장애물들의 정확한 위치를 측정해 낼 수 있는 개선된 이동로봇용 센서 시스템을 제안하고, 실제 환경에서의 실험을 통해 그 성능을 평가해 보았다. 제안된 시스템은 원뿔 거울과 CCD 카메라 및 원뿔형 레이저면을 이용하는 전(全)방향 능동 거리 센서 시스템 (active omni-directional range sensor system)이며, 삼각측정법 (triangulation method)에 의해 한번에 전(全)방향에 산재 되어 있는 장애물간의 거리를 정확히 구하고, 그 측정된 거리 정보는 이동로봇의 자율 주행뿐만 아니라 이동로봇의 절대적인 위치와 자세를 알아내는 자기 위치추정 작업에 있어서도 매우 중요한 정보로 이용된다. 또한, 원뿔형 레이저면 (conic laser plane)을 위 아래로 움직여서 측정한 2차원 거리 정보들을 조합하므로써 주변 환경에 대한 3차원 거리정보를 만들수 있으므로 물체 인식 작업도 수행할 수 있다. 이와 더불어 본 연구에서는 레이저에 의한 레인지 거리 정보와 거리 주행계 정보를 동시에 얻고, 그 정보들을 적절히 결합하므로써 주변 환경에 대한 사전 정보가 없이 이동 로봇의 정확한 위치 및 자세를 추정할 수 있는 새로운 자기 위치 추정 알고리즘도 제안하였다. 즉, 서로 다른 두 위치에서 얻어진 레인지 정보들을 정합하므로써 상대적인 위치와 자세의 변환 정보를 추정하고 이 추정값에 의해 테드렉콘 방법에 의해 구한 이동로봇의 현 위치 추정값을 보정해 준다. 또한 이동 로봇이 주변에 산재되어 있는 장애물들을 효과적으로 회피해 가면서 최적의 경로로 목표 지점까지 원활한 자율 주행을 할 수 있도록 하기 위하여 주변의 장애물 감지 및 그 동적 특성을 유추하는 알고리즘도 제안하였다. 제안된 알고리즘은 장애물의 형태에 무관하게 비교적 빠른 속도로 주변의 장애물들의 절대적인 위치를 감지할 수 있을 뿐만 아니라 정지된 장애물과 움직이는 장?岺갠湧? 서로 구별해 내고, 움직이는 물체의 경우에는 그 동적 특성도 추정해 낸다. 더욱 고무적인 것은 상기의 제안된 알고리즘들은 동시에 수행된다는 것이다. 즉, 주변 장애물에 대한 감지및 동적 특성 추정과 이동로봇의 자기 위치 추정을 동시에 수행하므로써 이동 로봇의 원활한 자율 주행을 위해 필요한 전체적인 작업 수행 시간이 많이 줄어들고, 이에 이동로봇이 장애물을 회피할 수 있는 충분한 시간을 주므로써 보다 효과적인 장애물 회피및 목적지 도달 능력을 발휘할 수 있게 해준다. 이에 상기에서 제안한 알고리즘들의 성능을 평가하기 위해 자작된 이동 로봇에 그 기능을 부여하여 실제 환경에서 많은 실험을 수행하였다. 실험 결과는 제안된 알고리즘들에 의해 이동로봇의 현재 위치와 자세를 추정할 수 있고, 움직이는 장애물들에 대한 동적 특성도 유추해 내므로써 이동로봇의 원활한 자율 주행을 위해 매우 중요한 역할을 할 수 있음을 보여주었다.