KR101049906B1 - 자율 이동 장치 및 이의 충돌 회피 방법 - Google Patents
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Abstract
자율 이동 장치 및 이의 충돌 회피 방법이 개시된다. 본 발명은 장애물과 자신의 절대위치를 인식하고, 이동 장애물의 이동경로를 산출하여 미래 시점에서의 이동 장애물과의 충돌을 회피한다. 또, 본 발명은 이동 장애물의 이동경로를 3차 함수로 근사화함으로써 원하는 일정 시점에서의 이동 장애물의 위치를 신뢰성 있게 예측함으로써 이동 장애물과의 충돌을 회피하여 시스템의 안정성을 제고한다.
Description
본 발명은 장애물의 이동경로를 예측하여 고정 장애물 및 이동 장애물과의 충돌을 회피하는 자율 이동 장치 및 이의 충돌 회피 방법에 관한 것이다.
미래 전장은 인구감소와 인명중시 사상에 의해 필수 불가결하게 로봇의 활용이 예상된다. 특히, 미국은 미래 전장에 로봇을 활용하기 위해 미래전투체계(Future Combat System) 사업을 수행 중이며, 이를 통해 SUGV(Small Unmanned Ground Vehicle), MULE (Multi-function Utility/Logistics and Equipment) 등의 무인차량을 개발하고 있다.
이러한 무인차량은 크게 감지센서와 인지/처리를 수행하는 인식계층, 임무통제와 자율제어를 수행하는 판단계층, 구조/메커니즘, 추진/에너지 및 임무장비를 담당하는 작동계층으로 분류할 수 있다. 무인차량이 자율 주행을 하기 위한 가장 핵심기술은 판단계층의 자율제어 부분에 속한 경로계획 기술이다.
경로계획 기술은 인식계층에서 기지의 정보나 센서 정보를 처리하여 생성된 기동 지도과 장애물 지도를 바탕으로 미리 계획된 경로를 가능한 추종하고 장애물을 회피하며 최대한 시간, 거리 혹은 에너지 면에서 효율적인 경로를 생성하고 이를 작동계층이 제어할 수 있는 조향, 가/감속, 제동 명령으로 변환시켜 생성된 경로를 추종하도록 제어명령을 발생시키는 것이다.
한국특허등록번호 제899820호의 자율이동차량용 지면/장애물 판별장치, 일본공개특허 제2007-199965호의 자율 이동 장치 등을 포함한 종래기술은, 무인차량에 장착된 전방 감지센서로 측정된 거리 데이터들을 이용하여 장애물을 판별, 회피하도록 하고 있다.
이러한 종래기술에 의하면, 이동 장애물의 이동경로를 무인차량에 장착된 센서의 감지영역 이내에 한하여 실시간 또는 미래의 일정한 단시간에 걸쳐서만 적용할 수 있으며, 2차원적으로만 이동 장애물의 미래 이동경로를 예측가능하므로 이동경로 예측의 신뢰성이 낮다는 한계가 있었다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 임의의 이동경로로 이동중인 이동 장애물의 미래 이동경로를 보다 신뢰성 있게 예측하고, 장애물과의 충돌 회피를 더욱 안정적으로 수행하는 자율 이동 장치 및 이의 충돌 회피 방법을 제공함에 일 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자율 이동 장치는, 자율 이동 장치 본체에 구비된 복수의 바퀴와, 미리 설정된 기준점과, 상기 자율 이동 장치의 위치정보와 하나 이상의 장애물의 위치정보를 이용하여, 일정 시간 간격으로 상기 자율 이동 장치의 절대위치와 상기 장애물의 절대위치를 인식하는 절대위치 인식유닛과, 일정 시점에서의 상기 자율 이동 장치의 예상위치와 상기 장애물의 예상위치를 근거로 상기 장애물과의 충돌 여부를 판단하고, 상기 장애물과의 충돌을 회피하도록 상기 자율 이동 장치의 이동방향 또는 이동속도를 제어하여 상기 바퀴를 구동하는 제어유닛을 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 자율 이동 장치는, 하나 이상의 센서를 구비하고, 상기 자율 이동 장치의 위치정보와 상기 장애물의 위치정보를 검출하는 위치정보 검출유닛을 더 포함하여 구성된다.
또한, 상기 자율 이동 장치는, 일정 시간 간격으로 인식한 상기 장애물의 절대위치가 동일하면 고정 장애물로, 동일하지 아니하면 이동 장애물로 판단하는 장애물 판단유닛을 더 포함하여 구성된다.
또한, 상기 자율 이동 장치는, 상기 일정 시간 간격으로 인식한 상기 장애물의 절대위치를 이용하여 일정 시점에서의 상기 장애물의 예상위치를 연산하는 장애물 위치 연산유닛을 더 포함하여 구성된다. 또, 상기 자율 이동 장치는, 일정 시간 간격으로 인식한 상기 장애물의 절대위치를 이용하여 장애물의 이동경로를 산출하는 장애물 이동경로 산출유닛을 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 장애물 위치 연산유닛은, 상기 장애물의 이동경로와 상기 장애물의 이동속도를 이용하여 상기 장애물의 예상위치를 연산한다.
본 발명에 따른 자율 이동 장치에 있어서, 상기 장애물 이동경로 산출유닛은, 상기 장애물의 절대위치를 이용하여 산출한 이동경로를 3차 함수로 곡선 맞춤하여 산출한다.
본 발명에 따른 자율 이동 장치는, 상기 자율 이동 장치의 이동방향과 상기 자율 이동 장치의 이동속도를 이용하여 상기 자율 이동 장치의 예상위치를 연산하는 장치 위치 연산유닛을 더 포함한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자율 이동 장치의 충돌 회피 방법은, 미리 설정된 기준점과, 자율 이동 장치의 위치정보와 하나 이상의 장애물의 위치정보를 이용하여 일정 시간 간격으로 상기 자율 이동 장치의 절대위치와 상기 장애물의 절대위치를 인식하는 절대위치 인식 단계와, 상기 일정 시간 간격으로 인식한 상기 장애물의 절대위치를 이용하여 일정 시점에서의 상기 장애물의 예상위치를 연산하는 장애물 위치 연산 단계와, 상기 자율 이동 장치의 이동방향과 이동속도, 및 상기 장애물의 예상위치를 근거로 상기 장애물과의 충돌 여부를 판단하는 충돌 판단 단계와, 상기 충돌 판단 단계의 판단 결과를 근거로 상기 장애물과의 충돌을 회피하는 동작을 수행하는 충돌 회피 단계를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 자율 이동 장치의 충돌 회피 방법은, 상기 자율 이동 장치의 위치정보와 상기 장애물의 위치정보를 검출하는 위치정보 검출 단계를 더 포함하여 구성된다.
또한, 상기 충돌 회피 방법은, 일정 시간 간격으로 인식한 상기 장애물의 절대위치가 동일하면 고정 장애물로, 동일하지 아니하면 이동 장애물로 판단하는 장애물 판단 단계를 더 포함하여 구성된다.
또한, 상기 충돌 회피 방법은, 일정 시간 간격으로 인식한 상기 장애물의 절대위치를 이용하여 장애물의 이동경로를 산출하는 장애물 이동경로 산출 단계를 더 포함하여 구성된다. 여기서, 제11 항에 있어서, 상기 장애물 위치 연산 단계는, 상기 장애물의 이동경로와 상기 장애물의 이동속도를 이용하여 상기 장애물의 예상위치를 연산한다.
본 발명에 따른 자율 이동 장치의 충돌 회피 방법에 있어서, 상기 장애물 이동경로 산출 단계는, 상기 장애물의 절대위치를 이용하여 산출한 이동경로를 3차 함수로 곡선 맞춤하여 산출한다.
본 발명에 따른 자율 이동 장치의 충돌 회피 방법은, 상기 자율 이동 장치의 이동방향과 상기 자율 이동 장치의 이동속도를 근거로 상기 자율 이동 장치의 예상위치를 연산하는 장치 위치 연산 단계를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 충돌 판단 단계는, 일정 시점에서의 상기 자율 이동 장치의 예상위치와 상기 장애물의 예상위치의 중복 여부로 충돌을 판단한다.
본 발명에 따른 자율 이동 장치의 충돌 회피 방법에 있어서, 상기 충돌 회피 단계는, 상기 충돌 판단 단계의 판단 결과, 충돌이 판단되면 상기 자율 이동 장치를 정지하거나, 상기 자율 이동 장치의 이동속도를 가감하거나, 또는 상기 자율 이동 장치의 이동 방향을 변경한다.
본 발명은 장애물과 자신의 절대위치를 인식하고, 이동 장애물의 이동경로를 산출하여 미래 시점에서의 이동 장애물과의 충돌을 회피한다.
본 발명은 이동 장애물의 이동경로를 3차 함수로 근사화함으로써 원하는 일정 시점에서의 이동 장애물의 위치를 신뢰성 있게 예측함으로써 이동 장애물과의 충돌을 회피하여 시스템의 안정성을 제고한다.
도 1은 본 발명에 따른 자율 이동 장치를 보인 사시도;
도 2는 도 1에서의 자율 이동 장치의 정면도;
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 자율 이동 장치의 구성을 개략적으로 보인 블록도;
도 5는 본 발명에 따른 자율 이동 장치의 충돌 회피 방법을 개략적으로 도시한 흐름도;
도 6은 도 5에서의 충돌 회피 방법의 일 예를 보인 세부 흐름도;
도 7은 본 발명에 있어서, 위치정보 검출유닛의 감지 영역 내에 고정 장애물과 이동 장애물이 존재하는 경우의 예를 보인 도;
도 8은 본 발명에 있어서, 이동 장애물의 이동경로를 3차 함수로 곡선 맞춤한 예를 보인 그래프;
도 9는 본 발명에 있어서, 일정 시점에서의 이동 장애물의 위치 변화를 설명하기 위한 도이다.
도 2는 도 1에서의 자율 이동 장치의 정면도;
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 자율 이동 장치의 구성을 개략적으로 보인 블록도;
도 5는 본 발명에 따른 자율 이동 장치의 충돌 회피 방법을 개략적으로 도시한 흐름도;
도 6은 도 5에서의 충돌 회피 방법의 일 예를 보인 세부 흐름도;
도 7은 본 발명에 있어서, 위치정보 검출유닛의 감지 영역 내에 고정 장애물과 이동 장애물이 존재하는 경우의 예를 보인 도;
도 8은 본 발명에 있어서, 이동 장애물의 이동경로를 3차 함수로 곡선 맞춤한 예를 보인 그래프;
도 9는 본 발명에 있어서, 일정 시점에서의 이동 장애물의 위치 변화를 설명하기 위한 도이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 자율 이동 장치 및 이의 장애물 회피 방법을 상세히 설명한다.
자율 이동 장치의 경로계획 기술은 세부적으로 임무계획, 전역 경로계획, 지역 경로계획, 이동 장애물 회피, 실시간 충돌 회피로 나눌 수 있다. 임무계획은 무인차량이 임무 수행에 앞서 임무와 관련된 다양한 정보(속성이 부여된 위성지도 혹은 지형 고도 자료 등)를 바탕으로 장애물, 통신 가시성, 주행 가능성 등을 분석하여 목표점 또는 중요 경유점을 계획하는 것이다.
또한, 경로계획 기술은 목표점 또는 중요 경유점에서 구체적인 임무(감시, 경계 등)를 할당한다. 전역 경로계획은 임무계획에서 생성된 목표점 또는 중요 경유점과 분석된 정보(주행 가능성, 장애물 등)를 활용하여 차량이 이미 알고 있는 장애물을 회피하여 안전하게 주행할 수 있는 중요 경유점 간의 촘촘한 경로를 생성하는 것이다.
지역 경로계획은 전역 경로계획에서 생성된 경로를 따라 주행하면서 무인차량의 전방에 장착된 센서의 인지 범위 내에 실제 습득된 정보를 바탕으로 장애물 정보를 획득하고 이를 바탕으로 해당 구간 내의 전역 경로를 실시간으로 갱신한다.
이동 장애물 회피는 무인차량에 탑재된 다중센서 정보를 활용하여 이동 물체를 탐지하고 시간에 따라 추적하며 예상 이동 지역을 추정하며, 이를 바탕으로 무인차량에 위험 정도를 판단하고 위험 정도가 높은 이동 장애물에 대해 회피를 수행하는 경로를 생성한다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 자율 이동 장치는, 자율 이동 장치 본체에 구비된 복수의 바퀴(300)와, 미리 설정된 기준점과, 상기 자율 이동 장치의 위치정보와 하나 이상의 장애물의 위치정보를 이용하여, 일정 시간 간격으로 상기 자율 이동 장치의 절대위치와 상기 장애물의 절대위치를 인식하는 절대위치 인식유닛(210)과, 일정 시점에서의 상기 자율 이동 장치의 예상위치와 상기 장애물의 예상위치를 근거로 상기 장애물과의 충돌 여부를 판단하고, 상기 장애물과의 충돌을 회피하도록 상기 자율 이동 장치의 이동방향 또는 이동속도를 제어하여 상기 바퀴를 구동하는 제어유닛(220)을 포함하여 구성된다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 본체는 자율이동 플랫폼이 지면을 이동할 수 있도록 복수의 바퀴(300)들을 구비한다. 바퀴(300)들은 자율 이동 장치가 야지 및 험지에서 주행할 수 있도록 본체에 회전 가능하게 연결된 암에 연결될 수 있다. 상기 본체에는 자율 이동 장치의 자율 이동을 제어하는 제어부(200)와, 무선통신을 위한 무선통신모듈 등이 전자부품의 형태로 내장된다. 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 제어부(200)는 상기 절대위치 인식유닛(210)과 상기 제어유닛(220)을 포함한다.
상기 절대위치 인식유닛(210)은, 자율 이동 장치 자체의 절대위치와 피검출 대상물, 즉 장애물(이하, '장애물')의 절대위치를 인식한다. 절대위치 인식유닛(210)은, 자율 이동 장치(A)와 장애물(B, C)의 상대좌표(x, y), 또는 상기 자율 이동 장치(A)와 장애물(B,C) 간의 거리(d), 상대각도(θ) 등의 위치 데이터를, 절대좌표(X, Y)로 연산하고, 인식한다.
상기 절대위치 인식유닛(210)은, 절대좌표 (X,Y)=(0,0)로 기설정된 지점을 기준으로 하여, 자율 이동 장치(A) 차체의 위치와 폭을 각각 절대좌표 AC(X, Y), AW(X, Y)로 인식하고, 상기 자율 이동 장치(A) 차체에 대한 상기 장애물(B, C)의 상대위치와 폭을 각각 절대좌표 BC(X, Y), BW(X, Y), CC(X, Y), CW(X, Y)로 연산하고, 인식한다.
본 발명에 따른 자율 이동 장치는, 하나 이상의 센서를 구비하고, 상기 자율 이동 장치의 위치정보와 상기 장애물의 위치정보를 검출하는 위치정보 검출유닛(100)을 더 포함하여 구성된다.
상기 위치정보 검출유닛(100)은 일반적으로 2D 레이더(radar)를 사용하는데, 상기 자율 이동 장치의 전면에 수평방향으로 전방을 지향하게 장착된 경우, 상기 2D 레이더는 상기 자율 이동 장치의 위치 정보 및 상기 자율 이동 장치 전방의 대상물, 즉 장애물의 위치 정보를 (x, y) 2차원 좌표로 검출한다.
도 7을 참조하면, 상기 자율 이동 장치(A)는, 상기 위치정보 검출유닛(100)을 이용하여 자율 이동 장치(A) 자체의 위치 정보와, 상기 자율 이동 장치(A) 전방의 대상물(B, C)의 위치 정보를 실시간으로 획득한다. 상기 위치정보 검출유닛(100)이 전면에 수평방향으로 전방을 지향하게 장착된 경우, 상기 자율 이동 장치(A)의 위치 정보 및 상기 자율 이동 장치(A) 전방의 대상물(B, C)의 위치 정보, 상대 위치를 (x, y)의 2차원 좌표로 획득한다. 상기 절대위치 인식유닛(210)은, 상기 위치정보 검출유닛(100)이 검출한 자율 이동 장치(A)와 장애물(B, C)의 상대좌표(x, y), 또는 상기 자율 이동 장치(A)와 장애물(B,C) 간의 거리(d), 상대각도(θ) 등의 위치 데이터를, 절대좌표(X, Y)로 연산하여 인식한다.
상기 위치정보 검출유닛(100)은 도 1 또는 도 2에 도시한 바와 같이, 제1 스캐너(120) 또는 카메라(130)를 포함할 수 있다.
제1 스캐너(120)는 본체 전방의 일정 거리까지 스캐닝하여 제1정보를 생성한다. 제1 스캐너(120)는 본체의 전방을 향하여 레이저 빔을 조사하여 대상 물체로부터 반사된 레이저를 수광하는 2D 레이저 스캐너의 형태로 구현될 수 있다. 이러한 경우, 제1정보는 레이저빔이 도달하는 대상까지의 거리 정보의 형태를 갖는다.
카메라(130)는 본체의 전방 영상을 촬영하여 제2정보를 생성하기 위한 것이다. 카메라(130)는 복수의 CCD 카메라들이 하나의 마운트에 고정된 형태를 갖는 스테레오 카메라의 형태를 가질 수 있다. 즉, 상기 카메라(130)는 제1 및 제2 촬영부(131,132)를 구비하는 스테레오 카메라의 형태로 구현될 수 있다. 이러한 경우, 제2정보는 동일 촬영 대상에 대하여 제1 및 제2 촬영부(131,132)가 각각 촬영한 한 쌍의 영상 정보일 수 있으며, 이러한 영상 정보는 스테레오 매칭을 통해 대상의 촬영대상의 위치 정보를 추정하는데 사용된다.
마운트(140)는 제1 스캐너(120)와 카메라(130)를 함께 안착시키기 위한 구조로서, 본체의 전면에 고정된다. 마운트(140)에는 제1 스캐너(120)와 카메라(130)의 지향 방향을 조절할 수 있도록 제1 스캐너(120)와 카메라(130)가 회전 가능하게 장착된다.
상기 위치정보 검출유닛(100)은 도 1 또는 도 2에 도시한 바와 같이, 본체에 지면과 평행한 방향으로 전방을 스캐닝하여 제3정보를 생성하는 제2 스캐너(160)가 추가로 장착될 수 있다. 제2 스캐너(160)는 본체의 마운트(140)의 장착 위치에서 하측 방향으로 일정 간격만큼 이격된 위치에 추가적으로 장착되어, 제1 스캐너(120)의 사각지역에 있는 대상물의 거리 정보를 측정한다. 제2 스캐너(160)로서 제1 스캐너(120)와 마찬가지로 2D 레이저 스캐너가 사용될 수 있으며, 제3정보는 지면과 평행한 방향에 위치한 지형 및 장애물 등에 관한 거리 정보일 수 있다. 제2 스캐너(160)는 지면을 기준으로 수평 방향을 지향하도록 배치되며, 그로부터 본체의 이동시 전방의 일정 높이 이상의 장애물에 대한 거리 및 폭 정보를 획득한다. 이러한 정보는 장애물 인식의 요청이 들어오면 2차원 데이터로 구성된 장애물 맵으로 변환 활용할 수 있다. 이동 장애물의 경우 장애물 인식에 대한 빠른 응답성이 요구되기 때문에 계산량이 많고 복잡한 3차원 데이터 대신 2차원 데이터가 사용된다. 제어부(200)는 제2 스캐너(160)로부터 제공된 제3정보에 의해 근거리 장애물과 이동 경로를 정확히 판단함과 아울러 근거리에서 갑자기 출현하는 이동 장애물 등을 인식하여 신속히 회피할 수 있다. 제2 스캐너(160)는 도 2에 도시한 바와 같이, 지면으로부터 바퀴(300)의 반경(R)에 대응되는 높이에 위치하여 바퀴(300)의 반경(R)보다 낮은 높이의 장애물을 넘을 수 있도록 설계될 수 있다. 이러한 경우, 반경(R)에 대응되는 높이에 위치한 제2 스캐너(160)가 제공한 거리 정보는 자율이동 플랫폼이 장애물을 넘어서 이동할 것인지 아니면 장애물을 회피하여 이동할 것인지를 결정하기 위한 기초 자료로서 사용될 수 있다.
상기 위치정보 검출유닛(100)은 도 1 또는 도 2에 도시한 바와 같이, 제1 스캐너(120)의 스캐닝 거리보다 원거리까지 스캐닝하여 제4정보를 생성하는 제3 스캐너(170)가 추가로 포함할 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 자율 이동 장치는, 일정 시간 간격으로 인식한 상기 장애물의 절대위치가 동일하면 고정 장애물로, 동일하지 아니하면 이동 장애물로 판단하는 장애물 판단유닛(230)을 더 포함하여 구성된다. 상기 장애물 판단유닛(230)은, 상기 절대위치 인식유닛(210)이 절대좌표(X, Y)로 인식한 자율 이동 장치(A)와 장애물(B, C)의 위치와 폭을 이용한다. 상기 장애물 판단유닛(230)은, 상기 장애물(B, C)의 절대위치의 변화에 따라 상기 장애물이 고정 장애물인지 또는 이동 장애물인지를 판단한다. 즉, 상기 장애물 판단유닛(230)은, t2-t1=t3-t2=t4 -t3=Δt 에 해당하는 일정한 시간 간격(Δt)(이하, 단위시간)으로 장애물을 검출하는 과정에서, 최종 검출 시점보다 단위시간 이전 시점(t3)에서의 절대위치와, 최종 검출 시점(t4)에서의 절대위치가 동일한 장애물(B)은 고정 장애물로 판단하고, t3에서의 절대위치와 t4에서의 절대위치가 다른 장애물(C)은 이동 장애물로 판단한다.
도 4를 참조하면, 상기 자율 이동 장치는, 상기 일정 시간 간격으로 인식한 상기 장애물의 절대위치를 이용하여 일정 시점에서의 상기 장애물의 예상위치를 연산하는 장애물 위치 연산유닛(250)을 더 포함하여 구성된다. 또, 상기 자율 이동 장치는, 일정 시간 간격으로 인식한 상기 장애물의 절대위치를 이용하여 장애물의 이동경로를 산출하는 장애물 이동경로 산출유닛(240)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 장애물 위치 연산유닛(250)은, 상기 장애물의 이동경로와 상기 장애물의 이동속도를 이용하여 상기 장애물의 예상위치를 연산한다.
상기 장애물 이동경로 산출유닛(240)은, 상기 장애물의 절대위치를 이용하여 산출한 이동경로를 3차 함수로 곡선 맞춤(Curve Fitting)하여 산출한다. 즉, 장애물 이동경로 산출유닛(240)은, 상기 장애물 판단유닛(230)이 이동 장애물로 판단한 장애물(C)의 t1, t2, t3, t4 등의 시점에서의 절대위치 데이터들을 곡선 맞춤 방법을 이용하여 이동 장애물(C)의 이동 경로를 3차함수(y=ax3+bx2+cx+d)의 형태로 산출한다.
도 8은, 장애물 이동경로 산출유닛(240)이 곡선 맞춤에 의해 이동 장애물의 경로로 도출된 3차 함수에 따른 근사곡선의 일 예를 도시한 그래프이고, 도 9는 일정 미래 시점(tm = t4 + Δt×n(변수)) 중 n=1인 시점에서의 이동 장애물의 위치를 도시한 도이다.
도 8을 참조하면, 장애물 이동경로 산출유닛(240)은, 절대위치 인식유닛(210)이 t1, t2, t3, t4 시점에서 인식한 장애물(C)의 절대위치 좌표 t1C(X, Y), t2C(X, Y), t3C(X, Y), t4C(X, Y)를 이용하여, 미래의 일정 시점(tm = t4 + Δt×n(변수)) 중 n=1인 시점을 포함하는 절대위치 좌표 데이터 영역 내에서 3차 함수 y=ax3+x2+cx+d를 산출할 수 있다. 도 8의 그래프에서, a = 0.325, b = -3.177, c = 11.04, d = -12.57이다. 상기 값들은 현장에 따라 달라질 수 있다. 도 8에서, 점선은 종래 기술에 따라 t3, t4 시점에서의 위치 정보를 이용하여 예측된 이동 장애물(C)의 이동경로로서, 1차 함수 형태를 가진다.
상기 장애물 위치 연산유닛(250)은, 상기 장애물 이동경로 산출유닛(240)이 산출한 3차 함수를 이용하여 일정 시간(Δt×n) 후의 이동 장애물의 위치를 연산한다. 상기 이동 장애물(C)이 현재 속도를 유지하는 것으로 전제하면, 상기 3차 함수 근사곡선상의 t3, t4 시점 간의 거리, t4 과 n=1인 미래 시점(tm1) 간의 거리, tm1과 n=2인 미래시점(tm2) 간의 거리, tm2와 n=3인 미래시점(tm3) 간의 거리가 동일하다. 즉, 상기 이동 장애물은, 도 8에 도시된 바와 같이, n=1인 미래 시점(tm)에서, t3시점과 t4 시점간의 거리와 동일한 거리만큼, t4 시점으로부터 진행된 절대위치를 가진다.
도 8의 y축을 t3, t4시점에서의 자율 이동 장치(A)의 진행방향이라 하고, Δt를 1sec로 하여 t3, t4 시점에서의 y축 좌표간 거리(20-5=15)에 해당되는 속도를 그대로 유지한다고 전제했을 때, t4, tm1 시점에서의 상기 이동 장애물의 y축 좌표간 거리는 (40-20=20)이 된다. 이에 따라, tm1 시점에서, 상기 이동 장애물은, 도 9에 도시된 바와 같이, y축 방향의 진행거리 차 5에 해당되는 만큼 상기 자율 이동 장치(A)의 전방에 위치함과 동시에, x축 방향의 진행거리 차 1에 해당되는 만큼 상기 자율 이동 장치(A)로 부터 우측에 위치하게 된다.
상기 자율 이동 장치는, 상기 자율 이동 장치의 이동방향과 상기 자율 이동 장치의 이동속도를 이용하여 상기 자율 이동 장치의 예상위치를 연산하는 장치 위치 연산유닛(260)을 더 포함한다. 장치 위치 연산유닛(260)은 상기 장애물 위치 연산유닛(250)과 동일한 방식으로 자율 이동 장치 자체의 예상위치를 연산한다.
상기 제어유닛(220)은, 일정 시점, 즉 지정 시간(Δt×n) 후에 자율 이동 장치의 예상 절대위치와 고정 장애물 또는 이동 장애물의 예상 절대위치가 중복되는지를 판단한다. 상기 자율 이동 장치(A)의 진행 방향에 대한 상기 자율 이동 장치(A)의 폭 양단의 절대좌표와, 자율 이동 장치의 진행방향에 대한 상기 고정 장애물(B)의 폭 양단의 절대좌표, 또는 상기 자율 이동 장치의 진행방향에 대한 상기 이동 장애물(C)의 폭 양단의 절대좌표의 중복 여부를 판단한다.
상기 제어유닛(220)은, 또한, 절대위치의 중복 여부의 판단 결과, 자율 이동 장치(A)의 절대위치와 상기 고정 장애물 또는 이동 장애물의 절대위치가 중복되면 상기 자율 이동 장치(A)의 기설정 경로 또는 진행속도를 전환하고, 중복되지 않으면 상기 자율 이동 장치(A)를 기설정된 경로 및 속도로 진행시킨다.
상기 제어유닛(220)은, 상기 자율 이동 장치(A)의 절대위치와 상기 고정 장애물의 절대위치가 중복되면, 상기 고정 장애물의 중앙부를 기준으로 하여 중복이 이루어진 방향 측으로 상기 자율 이동 장치(A) 또는 위치정보 검출유닛(100)을 회전시키면서 충돌 회피 경로를 재탐색한다. 예를 들어, 상기 제어유닛(220)은, 전방으로 진행하는 자율 이동 장치의 좌측부와 고정 장애물의 우측부의 절대위치가 중복되는 경우에는, 우측으로 자율 이동 장치의 방향을 틀거나, 상기 위치정보 검출유닛(100)을 회전시키면서 충돌 회피 경로를 재탐색한다.
또한, 상기 제어유닛(220)은 자율 이동 장치(A)의 절대위치와 상기 이동 장애물의 절대위치가 중복되면, 상기 이동 장애물의 이동으로 인해 상기 이동 장애물과의 절대위치가 중복되지 않을 때까지 자율 이동 장치(A)를 정지시키거나 진행속도를 가감시킨다.
상기 제어유닛(220)은 자율 이동 장치의 절대위치와 상기 고정 장애물 및 이동 장애물의 절대위치와 동시에 중복되면, 상기 이동 장애물의 진행방향에 반대되는 방향 측으로 자율 이동 장치 또는 위치정보 검출유닛(100)을 회전시키면서 충돌 회피 경로를 재탐색한다. 예를 들어, 상기 제어유닛(220)은 전방으로 진행중인 자율 이동 장치(A)의 전방에 고정 장애물이 있고, 좌측으로의 진행 방향을 가지는 이동 장애물이 일정 시점에서 자율 이동 장치의 전방에 위치하게 되는 경우, 이동 장애물 및 고정 장애물과의 절대위치가 중복되지 않을 때까지 우측으로 자율 이동 장치의 방향을 틀거나, 상기 위치정보 검출유닛(100)을 회전시키면서 충돌 회피 경로를 재탐색한다.
상기 제어유닛(220)은 자율 이동 장치와 장애물과의 충돌을 회피하는 알고리즘으로서, 상기 위치정보 검출유닛(100)이 검출한 전방 환경의 거리 정보를 이용하여 장애물에 대해 차량의 폭, 장애물과의 거리를 고려하여 생성된 잠재장과, 사전에 계획되거나 원격에서 운용자에 의해 실시간으로 발생되는 조향 명령을 기준으로 생성된 잠재장이 합쳐진 통합 잠재장을 사용하는 알고리즘을 사용할 수 있다. 이에 따라, 전역/지역경로계획 및 이동 장애물 회피와 상관없이, 자율 이동 장치의 센서 범위 내에 존재하는 장애물에 대해 실시간 강제 회피를 수행하게 하는 조향, 감속, 제동 명령을 발생시킬 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 자율 이동 장치의 충돌 회피 방법은, 미리 설정된 기준점과, 자율 이동 장치의 위치정보와 하나 이상의 장애물의 위치정보를 이용하여 일정 시간 간격으로 상기 자율 이동 장치의 절대위치와 상기 장애물의 절대위치를 인식하는 절대위치 인식 단계(S200)와, 상기 일정 시간 간격으로 인식한 상기 장애물의 절대위치를 이용하여 일정 시점에서의 상기 장애물의 예상위치를 연산하는 장애물 위치 연산 단계(S500)와, 상기 자율 이동 장치의 이동방향과 이동속도, 및 상기 장애물의 예상위치를 근거로 상기 장애물과의 충돌 여부를 판단하는 충돌 판단 단계(S700)와, 상기 충돌 판단 단계의 판단 결과를 근거로 상기 장애물과의 충돌을 회피하는 동작을 수행하는 충돌 회피 단계(S800)를 포함하여 구성된다. 이하 장치의 구성은 도 1 내지 도 4를 참조한다.
도 5를 참조하면, 상기 충돌 회피 방법은, 상기 자율 이동 장치의 위치정보와 상기 장애물의 위치정보를 검출하여 획득하는 위치정보 검출 단계(S100)를 더 포함하여 구성된다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 자율 이동 장치는 자신의 위치를 초기화하고(S110), 장애물의 상대위치를 획득한 다음(S120), 자율 이동 장치 자체의 절대위치와 장애물의 절대위치를 인식한다(S200). 상기 자율 이동 장치는, 자신과 장애물(B, C)의 상대좌표(x, y), 또는 자신(A)과 장애물(B,C) 간의 거리(d), 상대각도(θ) 등의 위치 데이터를, 절대좌표(X, Y)로 연산하고, 인식한다. 즉, 상기 자율 이동 장치는, 절대좌표 (X,Y)=(0,0)로 기설정된 지점을 기준으로 하여, 차체의 위치와 폭을 각각 절대좌표 AC(X, Y), AW(X, Y)로 인식하고, 이에 대한 장애물(B, C)의 상대위치와 폭을 각각 절대좌표 BC(X, Y), BW(X, Y), CC(X, Y), CW(X, Y)로 연산하고, 인식한다(S200). 상기 자율 이동 장치는, 2D 레이더(radar)와 같은 하나 이상의 센서를 구비하고, 자율 이동 장치의 위치정보와 상기 장애물의 위치정보를 검출한다(S100). 상기 2D 레이더가 자율 이동 장치의 전면에 수평방향으로 전방을 지향하게 장착된 경우, 상기 2D 레이더는 자율 이동 장치의 위치 정보 및 장애물의 위치 정보를 (x, y) 2차원 좌표로 검출한다.
또한, 상기 충돌 회피 방법은, 일정 시간 간격으로 인식한 상기 장애물의 절대위치가 동일하면 고정 장애물로, 동일하지 아니하면 이동 장애물로 판단하는 장애물 판단 단계(S300)를 더 포함하여 구성된다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 자율 이동 장치는, 일정 시간 간격으로 인식한 상기 장애물의 절대위치가 동일하면 고정 장애물로, 동일하지 아니하면 이동 장애물로 판단한다(S300). 즉, 상기 자율 이동 장치는, 절대좌표(X, Y)로 인식한 자율 이동 장치(A)와 장애물(B, C)의 위치와 폭을 이용하여 상기 장애물(B, C)의 절대위치의 변화에 따라 상기 장애물이 고정 장애물인지 또는 이동 장애물인지를 판단한다. 즉, 상기 자율 이동 장치는, t2-t1=t3-t2=t4 -t3 =Δt 에 해당하는 단위시간으로 장애물을 검출하는 과정에서, 최종 검출 시점보다 단위시간 이전 시점(t3)에서의 절대위치와, 최종 검출 시점(t4)에서의 절대위치가 동일한 장애물(B)은 고정 장애물로 판단하고(S330), t3에서의 절대위치와 t4에서의 절대위치가 다른 장애물(C)은 이동 장애물로 판단한다(S320).
또한, 상기 충돌 회피 방법은, 일정 시간 간격으로 인식한 상기 장애물의 절대위치를 이용하여 장애물의 이동경로를 산출하는 장애물 이동경로 산출 단계(S400)를 더 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 장애물 위치 연산 단계(S500)는, 상기 장애물의 이동경로와 상기 장애물의 이동속도를 이용하여 상기 장애물의 예상위치를 연산한다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 충돌 회피 방법에 있어서, 상기 장애물 이동경로 산출 단계(S400)는, 상기 장애물의 절대위치를 이용하여 산출한 이동경로를 3차 함수로 곡선 맞춤(Curve Fitting)하여 산출한다(S410).
상기 자율 이동 장치는, 상기 장애물의 절대위치를 이용하여 산출한 이동경로를 3차 함수로 곡선 맞춤(Curve Fitting)하여 산출한다. 즉, 상기 자율 이동 장치는, 이동 장애물로 판단한 장애물(C)의 t1, t2, t3, t4 등의 시점에서의 절대위치 데이터들을 곡선 맞춤 방법을 이용하여 이동 장애물(C)의 이동 경로를 다차 함수, 예를 들어 3차 함수(y=ax3+bx2+cx+d)의 형태로 산출한다.
도 8은, 장애물 이동경로 산출유닛(240)이 곡선 맞춤에 의해 이동 장애물의 경로로 도출된 3차 함수에 따른 근사곡선의 일 예를 도시한 그래프이고, 도 9는 일정 미래 시점(tm = t4 + Δt×n(변수)) 중 n=1인 시점에서의 이동 장애물의 위치를 도시한 도이다.
도 8을 참조하면, 상기 자율 이동 장치는 t1, t2, t3, t4 시점에서의 장애물(C)의 절대위치 좌표 t1C(X, Y), t2C(X, Y), t3C(X, Y), t4C(X, Y)를 이용하여, 미래의 일정 시점(tm = t4 + Δt×n(변수)) 중 n=1인 시점을 포함하는 절대위치 좌표 데이터 영역 내에서 3차 함수 y=ax3+x2+cx+d를 산출한다(S410). 도 8의 그래프에서, a = 0.325, b = -3.177, c = 11.04, d = -12.57이다. 상기 값들은 현장에 따라 달라질 수 있다. 도 8에서, 점선은 종래 기술에 따라 t3, t4 시점에서의 위치 정보를 이용하여 예측된 이동 장애물(C)의 이동경로로서, 1차 함수 형태를 가진다.
상기 자율 이동 장치는, 상기와 같은 3차 함수를 이용하여 일정 시간(Δt×n) 후의 이동 장애물의 위치를 연산한다(S520). 상기 이동 장애물(C)이 현재 속도를 유지하는 것으로 전제하면, 상기 3차 함수 근사곡선상의 t3, t4 시점 간의 거리, t4 과 n=1인 미래 시점(tm1) 간의 거리, tm1과 n=2인 미래시점(tm2) 간의 거리, tm2와 n=3인 미래시점(tm3) 간의 거리가 동일하다. 즉, 상기 이동 장애물은, 도 8에 도시된 바와 같이, n=1인 미래 시점(tm)에서, t3시점과 t4 시점간의 거리와 동일한 거리만큼, t4 시점으로부터 진행된 절대위치를 가진다.
상기 충돌 회피 방법은, 상기 자율 이동 장치의 이동방향과 상기 자율 이동 장치의 이동속도를 근거로 상기 자율 이동 장치의 예상위치를 연산하는 장치 위치 연산 단계(S600)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 충돌 판단 단계(S700)는, 일정 시점에서의 상기 자율 이동 장치의 예상위치와 상기 장애물의 예상위치의 중복 여부로 충돌을 판단한다.
상기 충돌 회피 방법에 있어서, 상기 충돌 회피 단계(S800)는, 상기 충돌 판단 단계의 판단 결과, 충돌이 판단되면 상기 자율 이동 장치를 정지하거나, 상기 자율 이동 장치의 이동속도를 가감하거나, 또는 상기 자율 이동 장치의 이동 방향을 변경한다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 자율 이동 장치는 장애물의 예상 위치를 연산하는 방식과 동일한 방식으로 자율 이동 장치 자체의 예상위치를 연산한다(S650). 이때, 상기 자율 이동 장치는 기설정 경로로 현재 속도를 유지하면(S610, S620), 이에 따라 예상위치를 연산하고, 변경 내용이 있으면, 이를 확인, 입력하고, 변경된 내용을 기설정 경로, 현재 속도로 설정한다(S630, S640).
상기 자율 이동 장치는, 일정 시점, 즉 지정 시간(Δt×n) 후에 자율 이동 장치의 예상 절대위치와 고정 장애물 또는 이동 장애물의 예상 절대위치가 중복되는지를 판단한다(S700). 상기 자율 이동 장치(A)의 진행 방향에 대한 상기 자율 이동 장치(A)의 폭 양단의 절대좌표와, 자율 이동 장치의 진행방향에 대한 상기 고정 장애물(B)의 폭 양단의 절대좌표, 또는 상기 자율 이동 장치의 진행방향에 대한 상기 이동 장애물(C)의 폭 양단의 절대좌표의 중복 여부를 판단한다.
상기 자율 이동 장치는, 또한, 절대위치의 중복 여부의 판단 결과, 자율 이동 장치(A)의 절대위치와 상기 고정 장애물 또는 이동 장애물의 절대위치가 중복되면 상기 자율 이동 장치(A)의 기설정 경로 또는 진행속도를 전환하고(S800), 중복되지 않으면 상기 자율 이동 장치(A)를 기설정된 경로 및 속도로 진행시킨다(S810).
상기 자율 이동 장치는, 자신의 절대위치와 상기 고정 장애물의 절대위치가 중복되면, 상기 고정 장애물의 중앙부를 기준으로 하여 중복이 이루어진 방향 측으로 회전하거나, 또는 충돌 회피 경로를 재탐색한다. 예를 들어, 상기 자율 이동 장치는, 전방으로 진행할 때 좌측부와 고정 장애물의 우측부의 절대위치가 중복되는 경우에는, 우측으로 자율 이동 장치의 방향을 틀거나, 상기 위치정보 검출유닛(100)을 회전시키면서 충돌 회피 경로를 재탐색한다.
또한, 상기 자율 이동 장치는, 상기 이동 장애물의 절대위치와 절대위치가 중복되면, 상기 이동 장애물의 이동으로 인해 상기 이동 장애물과의 절대위치가 중복되지 않을 때까지 정지하거나 진행속도를 가감한다(S800).
상기 자율 이동 장치는 고정 장애물 및 이동 장애물의 절대위치와 절대위치가 동시에 중복되면, 상기 이동 장애물의 진행방향에 반대되는 방향 측으로 회전하거나, 충돌 회피 경로를 재탐색한다. 예를 들어, 상기 자율 이동 장치는 전방으로 진행중에 전방에 고정 장애물이 있고, 좌측으로의 진행 방향을 가지는 이동 장애물이 일정 시점에서 전방에 위치하게 되는 경우, 이동 장애물 및 고정 장애물과의 절대위치가 중복되지 않을 때까지 우측으로 방향을 틀거나, 충돌 회피 경로를 재탐색한다. 그런 다음, 상기 자율 이동 장치는, 목적지에 도착하면, 절대위치를 저장한다(S900, S910).
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 자율 이동 장치 및 이의 충돌 회피 방법은, 장애물과 자신의 절대위치를 인식하고, 이동 장애물의 이동경로를 산출하여 미래 시점에서의 이동 장애물과의 충돌을 회피한다. 또, 본 발명은 이동 장애물의 이동경로를 3차 함수로 근사화함으로써 원하는 일정 시점에서의 이동 장애물의 위치를 신뢰성 있게 예측함으로써 이동 장애물과의 충돌을 회피하여 시스템의 안정성을 제고한다.
100: 위치정보 검출유닛 120: 제1 스캐너
130: 카메라 140: 마운트
160: 제2 스캐너 200: 제어부
210: 절대위치 인식유닛 220: 제어유닛
230: 장애물 판단유닛 240: 장애물 이동경로 산출유닛
250: 장애물 위치 연산유닛 260: 장치 위치 연산유닛
300: 바퀴
130: 카메라 140: 마운트
160: 제2 스캐너 200: 제어부
210: 절대위치 인식유닛 220: 제어유닛
230: 장애물 판단유닛 240: 장애물 이동경로 산출유닛
250: 장애물 위치 연산유닛 260: 장치 위치 연산유닛
300: 바퀴
Claims (15)
- 자율 이동 장치 본체에 구비된 복수의 바퀴;
미리 설정된 기준점과, 상기 자율 이동 장치의 위치정보와 하나 이상의 장애물의 위치정보를 이용하여, 일정 시간 간격으로 상기 자율 이동 장치의 절대위치와 상기 장애물의 절대위치를 인식하는 절대위치 인식유닛;
상기 일정 시간 간격으로 인식한 상기 장애물의 절대위치를 이용하고, 3차 함수로 곡선 맞춤하여 장애물의 이동경로를 산출하는 장애물 이동경로 산출유닛;
상기 장애물의 이동경로와 상기 장애물의 이동속도를 이용하여 일정 시점에서의 상기 장애물의 예상위치를 연산하는 장애물 위치 연산유닛; 및
일정 시점에서의 상기 자율 이동 장치의 예상위치와 상기 장애물의 예상위치를 근거로 상기 장애물과의 충돌 여부를 판단하고, 상기 장애물과의 충돌을 회피하도록 상기 자율 이동 장치의 이동방향 또는 이동속도를 제어하여 상기 바퀴를 구동하는 제어유닛;을 포함하는 자율 이동 장치. - 제1 항에 있어서,
하나 이상의 센서를 구비하고, 상기 자율 이동 장치의 위치정보와 상기 장애물의 위치정보를 검출하는 위치정보 검출유닛;을 더 포함하는 자율 이동 장치. - 제1 항에 있어서,
일정 시간 간격으로 인식한 상기 장애물의 절대위치가 동일하면 고정 장애물로, 동일하지 아니하면 이동 장애물로 판단하는 장애물 판단유닛;을 더 포함하는 자율 이동 장치. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1 항에 있어서,
상기 자율 이동 장치의 이동방향과 상기 자율 이동 장치의 이동속도를 이용하여 상기 자율 이동 장치의 예상위치를 연산하는 장치 위치 연산유닛;을 더 포함하는 자율 이동 장치. - 미리 설정된 기준점과, 자율 이동 장치의 위치정보와 하나 이상의 장애물의 위치정보를 이용하여 일정 시간 간격으로 상기 자율 이동 장치의 절대위치와 상기 장애물의 절대위치를 인식하는 절대위치 인식 단계;
상기 일정 시간 간격으로 인식한 상기 장애물의 절대위치를 이용하고, 3차 함수로 곡선 맞춤하여 장애물의 이동경로를 산출하는 장애물 이동경로 산출 단계;
상기 장애물의 이동경로와 상기 장애물의 이동속도를 이용하여 일정 시점에서의 상기 장애물의 예상위치를 연산하는 장애물 위치 연산 단계;
상기 자율 이동 장치의 이동방향과 이동속도, 및 상기 장애물의 예상위치를 근거로 상기 장애물과의 충돌 여부를 판단하는 충돌 판단 단계; 및
상기 충돌 판단 단계의 판단 결과를 근거로 상기 장애물과의 충돌을 회피하는 동작을 수행하는 충돌 회피 단계;를 포함하는 자율 이동 장치의 충돌 회피 방법. - 제8 항에 있어서,
상기 자율 이동 장치의 위치정보와 상기 장애물의 위치정보를 검출하는 위치정보 검출 단계;를 더 포함하는 자율 이동 장치의 충돌 회피 방법. - 제8 항에 있어서,
일정 시간 간격으로 인식한 상기 장애물의 절대위치가 동일하면 고정 장애물로, 동일하지 아니하면 이동 장애물로 판단하는 장애물 판단 단계;를 더 포함하는 자율 이동 장치의 충돌 회피 방법. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제8 항에 있어서,
상기 자율 이동 장치의 이동방향과 상기 자율 이동 장치의 이동속도를 근거로 상기 자율 이동 장치의 예상위치를 연산하는 장치 위치 연산 단계;를 더 포함하고,
상기 충돌 판단 단계는,
일정 시점에서의 상기 자율 이동 장치의 예상위치와 상기 장애물의 예상위치의 중복 여부로 충돌을 판단하는 것을 특징으로 하는 자율 이동 장치의 충돌 회피 방법. - 제8 항에 있어서, 상기 충돌 회피 단계는,
상기 충돌 판단 단계의 판단 결과, 충돌이 판단되면 상기 자율 이동 장치를 정지하거나, 상기 자율 이동 장치의 이동속도를 가감하거나, 또는 상기 자율 이동 장치의 이동 방향을 변경하는 것을 특징으로 하는 자율 이동 장치의 충돌 회피 방법.
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|---|---|---|---|
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Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020100139538A KR101049906B1 (ko) | 2010-12-30 | 2010-12-30 | 자율 이동 장치 및 이의 충돌 회피 방법 |
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| KR1020100139538A Expired - Fee Related KR101049906B1 (ko) | 2010-12-30 | 2010-12-30 | 자율 이동 장치 및 이의 충돌 회피 방법 |
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