구조로봇의 국소 지역 자율주행을 위한 장애물 극복 및 회피

Abstract

구조로봇은 지진이나 화재, 건물 붕괴와 같은 재난이 발생했을 때 인간 대신 재난 환경에 투입되어 추가 인명 피해를 차단함과 동시에 희생자의 위치와 상태를 파악하고 조종자의 명령에 따라 조치를 취하는 특수목적용 로봇(Special-purpose Robot)이다. 본 연구에서는 이러한 구조로봇의 국소 지역 자율주행을 위한 장애물 극복 및 회피 기능 구현을 연구 목표로 상정하고 이에 대한 방법론 제시와 실험적 검증을 연구 내용으로 다루고자 한다. 연구 결과의 검증을 위한 Testbed는 VSTR(Variable Single-tracked Robot)이라는 이름을 가진 트랙형 주행로봇으로 한다. VSTR은 대칭형 구조와 단일 트랙 메커니즘을 기본으로 설계되어 재난 환경에 산재해있는 험로를 주행하기에 유리한 조건을 지니고 있을 뿐 아니라 2개의 주행모드를 갖고 있어서 유사시에는 주행모드 변형과 함께 장애물 극복을 수행할 수 있는 장점이 있다. 이에 본 연구에서는 VSTR의 장점을 극대화하면서 실용적인 구조로봇으로의 발전을 이루기 위해 국소 지역 자율주행의 기반 기술이라 할 수 있는 자율적인 장애물 극복 및 회피 기능을 구현하였다. VSTR의 자율적인 장애물 극복은 근거리 탐지용 적외선 센서인 PSD 센서를 이용하여 전방에 존재하는 장애물의 높이와 경사각을 추정하고 자율 주행모드 변형을 수행함으로써 완성된다. 이 과정에서 VSTR의 입사각을 빠르고 안정적으로 제어해야 하는 문제가 발생하는데 이는 VSTR의 주행모드 변형을 동역학 모델로 정의하여 시스템 특성에 적합한 제어기를 삽입함으로써 해결할 수 있다. 한편 개발된 알고리즘의 타당성을 검증하기 위해 실시한 성능 실험에서는 VSTR이 낮은 높이의 장애물, 계단 장애물, 극복 불가능한 장애물에 대해 각각 알맞은 주행모드를 결정한 뒤 대처하는 것을 확인할 수 있었다. VSTR의 자율적인 장애물 회피는 PSD 센서 외에 2차원 거리 정보를 제공하는 LMS를 추가로 고려하는 것으로부터 시작된다. LMS는 VSTR의 주행모드 결정 알고리즘이 장애물 극복 불가능을 판단하면 PSD 센서 시스템으로부터 정보 처리의 우선순위를 넘겨받아 로봇을 중심으로 한 방사형 거리를 산출한다. 이후에는 VSTR의 장애물 회피를 위해 개발된 ELA가 구동되어 주변 환경이 로봇에게 얼마만큼의 영향력을 발휘하는지 가늠하고 이를 바탕으로 회피를 위한 조향각을 생성한다. 개발된 ELA의 성능을 검증하기 위해 실시된 모의실험에서는 초기 위치 변화, 장애물 개수의 변화, 작업 구역 크기의 변화 등의 변인에 대해서도 ELA가 강건하게 대응하며 VSTR의 안전하고 신속한 장애물 회피에 일조하는 것을 확인하였다. VSTR의 자율적인 장애물 극복 및 회피 기능이 완성된 후에는 각각의 알고리즘을 병합하고 시스템 구축을 위한 하드웨어 및 소프트웨어를 추가하여 국소 지역 자율주행을 실험적으로 검증하였다. 그 결과, VSTR의 국소 지역 자율주행 시스템은 각종 장애물이 산재한 실내/외 환경에서 직진 주행과 제자리 회전을 통한 연속 주행으로 신속하면서도 꼼꼼한 탐사를 실현하였고 조종자 기반 주행에서는 신뢰도가 급감할 수 있는 암흑 환경에 대해서도 변함 없는 성능을 유지함으로써 구조로봇의 필요성 및 효용성을 재차 증명하였다.