자율 이동 로봇의 지역 장애물 회피 방법

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이동 장애물에 대한 자율 이동 로봇의
지역 장애물 회피 방법
장애물 회피 방법(1/2)
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자율 이동 로봇의 지역 장애물 회피 방법(1/2)
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작업 공간에 시간 차원을 확장한 공간-시간 공간(space-time
space)을 만들어 이동 장애물을 고정 장애물(stationary
obstacle)로 취급하여 동작 계획하는 방법
두 물체 간의 거리함수(distance function)을 정의하여 물체 사
이의 거리를 항상 주어진 여유 값 이상으로 유지하도록 하는
거리 함수를 이용하는 방법
시변 장애물을 고정 장애물로 평가하기 위해 관측 시간 개념
(view-time concept)을 도입하여 각 관측 시간마다 장애물이
움직인 부피를 고정 장애물로 간주하여 한번의 관측 시간에
나타난 장애물의 부피만큼 회피하도록 하는 방법
장애물 회피 방법(2/2)
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자율 이동 로봇의 지역 장애물 회피 방법(2/2)
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공간상의 물체 사이에 가상의 힘이 작용하여 그 힘에 의해 운
동하도록 하는 인공 전위계(artificial potential field : APF) 방
법
인공전위계 방법에 확실성 격자 개념을 합성한 가상 역장
(virtual force field) 방법
VFF 방법을 발전시킨 벡터장 히스토그램(vector field
histogram : VFH) 개념을 이용한 방법
관측 시가 개념과 장애물의 이동성에 대한 확률적 표현을 인
공 전위계 방법에 이용한 시변 장애물 회피방법
Virtual Distance Function(1/2)

VDF(1/2)
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

이동 장애물에 대한 충돌 회피 동작을 위해 이동 장애물의 운
동성 고려
이동 장애물의 경우 인공 전위계 방법을 이용하여 구해지는
포텐셜(Potential)의 형태는 고정 장애물 때와 달라야 한다는
전제 하에서 문제에 접근
이동하는 장애물의 운동 방향 및 속도의 크기에 따라 포텐셜
의 형태가 다르게 나타나고 이 포텐셜로부터 생성되는 힘에
의해서 로봇의 충돌 회피 동작이 달라짐.
Virtual Distance Function(2/2)

VDF(2/2)


각 샘플링 시각마다 이동하는 장애물로부터 얻어지는 장애물
의 운동 방향 및 속도에 관한 정보를 이용하여 가상 거리 함수
를 세우고 이를 바탕으로 하여 인공 전위계(Artificial Potential
Field)를 구성.
로봇과 목표점 간의 경우에 대해서도 가상거리 함수를 이용한
인공 전위계를 적용
Artificial Potential Field(1/4)

인공전위계(Artificial Potential Field)(1/2)
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
로봇과 장애물 사이에는 척력(Repulsive Force)이 작용
로봇과 목표점 사이에는 인력(Attractive Force)이 작용하는
가상의 역장(Force Field)을 구성
로봇이 척력과 인력에 의해 운동하도록 하는 방법
공간 상의 점 X(x,y)에 작용하는 인공 전위계 함수

로봇의 운동을 위해서는 아래의 2개의 Potential로 부터 발생하
는 척력과 인력을 구해서 이들을 합성
Artificial Potential Field(2/4)

점 X(x,y)에서의 척력과 인력

가상의 역장에서 로봇에 가해지는 힘
Artificial Potential Field(3/4)

척력 :


인력은 척력의 반대개념이므로 아래의 식을 이용하면서 부호만
반대로 적용.
(식 4)는 매 샘플링 시각에서 로봇과 장애물 간의 거리 정보만으
로 구성하였으므로 장애물의 운동성은 반영되어 있지 않음.
Artificial Potential Field(4/4)

장애물의 운동성을 반영한 가상 거리 함수 d(x) 를 구하여 기존
의  를 d(x)로 대치하여 인공 전위 함수를 구성하면
Virtual Distance Function 유도(1/6)

이동 장애물 (moving obstacle)이 존재할 경우
1. 로봇은 장애물이 운동 속도 및 방향의 변화에 적응하여 운동하여야
하므로 이동 장애물의 운동성을 고려
2. 로봇과 장애물,로봇과 목표 점간의 실제 거리와 운동 성분의 변화
관계 등으로 가상 거리 함수 d(x)를 구성
3. d(x)를 이용하여 인공 전위계를 만들면,이 포텐셜은 장애물의 운동
성이 반영되므로 장애물이 정지해 있는 경우의 포텐셜과는 다른 형
태가 됨.
4. 장애물이 진행하는 방향 쪽의 포텐셜이 다른 방향에서의 포텐셜보
다 크게 되면 로봇에 작용하는 척력도 클 것이므로 충돌 가능성은
작아짐.
Virtual Distance Function 유도(2/6)
5. 단위 샘플링 시각에서 장애물의 운동 속도가 빠른 속도, 혹은 느린
속도의 값으로 변화하더라도 이 변화는 가상 거리 함수에 반영되어
전위계의 형태는 다르게 나타나며 장애물의 이동 속도에 따라서 로
봇의 회피 동작도 달라짐
6. 이와 같은 특성을 표현하는 수단으로서  를 정의하고, 운동성을
반영하여 인공 전위계에 적용이 가능한 가상 거리 함수를 유도.
7. 식 (6)으로부터 물체가 다가오는 경우(+v ) 에  는 커짐
8. 물체가 멀어지는 경우(+v ) 에  는 작아짐
Virtual Distance Function 유도(3/6)
9. 운동하는 음원을 중심으로· 운동 방향과 운동의 반대 방향 쪽으로 동일한
거리 L 내에 나타나는 파장의 길이
10.
와




로봇과 장애물간의 실제 거리를 이용 새로운 가상 거리함수 d(x) 정의
상수  0 를 크게 정해주면 가상 거리 함수 d(x)가 작아짐.
상수  0 를 작게 정해주면 가장 거리 함수 d(x)가 커짐
v 0 는 움직이는 장애물의 속도에 영향을 주어 이 속도에 의한 로봇의
회피 동작에도 영향을 주므로 v 0 는 적절한 값으로 설정
상대속도 : v

로봇에 대한 이동 장애물의 상대 속도 V OR 과 목표점에 대한 로
봇의 상대 속도 V RG 로 표현
Virtual Distance Function 유도(4/6)

공간상에 위치해 있는 장애물과 로봇, 로봇과 목표점 간의 상대적
운동으로부터 가상 거리 함수 유도 과정

가상 거리 함수 : d ( x )
 장애물과 로봇간의 가상 거리 함수 : d
( x)
OR
 로봇과 목표점간의 가상 거리 함수 : d RG ( x )

가상 거리로 표현된 제한 거리 : d O ( x )


vld
장애물과 로봇간의 가상 제한 거리 : d OR ( x )
vld
장애물과 목표점간의 가상 제한 거리 : d RG
( x)
Virtual Distance Function 유도(5/6)
Virtual Distance Function 유도(6/6)
1. 공간상에서 운동하는 장애물과 로봇을 점 O ( o x , o y )
와
R ( rx , r y ) 로
설정
2. 점 O ( o x , o y ) 의 속도 V o ( v ox , v oy ) 대하여 점 R ( rx , r y ) 가 느끼는 상대
속도 V OR 와 가상 거리함수 d OR ( x ) 는
VDF를 이용한 인공 전위 함수의 구성(1/2)

Artificial Potential Function
VDF를 이용한 인공 전위 함수의 구성(2/2)

Artificial Potential Field의 전위계 형태

정지 및 운동 장애물 주변에 생성되는 potential field

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