WO2023090653A1

WO2023090653A1 - 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치 및 방법

Info

Publication number: WO2023090653A1
Application number: PCT/KR2022/015674
Authority: WO
Inventors: 정진우; 강진구; 강태원; 최용식
Original assignee: 동국대학교 산학협력단
Priority date: 2021-11-16
Filing date: 2022-10-17
Publication date: 2023-05-25

Abstract

본 발명은 샘플링 기반 경로 계획 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 삼각부등식 기법을 이용하여 장애물을 가진 환경에서도 보다 빠르고 짧은 경로 계획을 생성할 수 있다.

Description

삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치 및 방법

본 발명은 샘플링 기반 경로 계획 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치 및 방법에 관한 것이다.

로봇산업은 지능형로봇 완성품이나 로봇부품을 제조, 판매 및 서비스하는 산업을 의미하며 의료, 가정용, 산업용 등 다양한 분야에서 이용되고 있다. 로봇은 특정 임무를 수행하기 위해 자신의 이동 경로를 계획하며, 이를 경로 계획(Path Planning)이라 한다.

경로 계획 중에서, 일반적으로 사용되고 있는 샘플링 기반 경로 계획 방식은 지정되지 않은 위치에 샘플링이 이루어진다. 해당 샘플링을 기준으로 새로운 경유지 노드를 생성하여 기존에 생성된 경로와 연결하는 과정을 거치면서 시작 지점과 목표 지점에 경로를 생성하는 것을 특징으로 한다.

샘플링 기반 경로 계획 방법은 어떤 장애물을 가진 환경에서도 보다 빠르게 경로를 생성할 수 있다는 장점이 있지만, 샘플링이 무작위로 진행되기 때문에 생성된 경로의 최적성을 고려하지 않고 다양한 방향으로 진행되는 문제점이 있다.

본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허 제10-1339480호에 게시되어 있다.

본 발명은 삼각부등식 기법을 이용하여 장애물을 가진 환경에서도 보다 빠르고 짧은 경로 계획을 생성하는 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치 및 방법을 제공한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 방법이 제공된다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치 및 방법은 샘플링 기반 경로를 계획하는 기준이 되는 좌표를 무작위 위치에 샘플링하여 입력하는 샘플링부, 샘플링부로부터 입력된 좌표를 기준으로 새로운 노드를 생성하는 노드 생성부 및 노드 생성부로부터 경로를 파악하여 경로를 계획하고 파악된 경로의 시작 지점과 목적 지점의 연결 여부를 판단하고 새로운 경로를 감지하여 최단 경로를 설정하는 경로 설정부를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 삼각부등식 기법을 이용하여 장애물을 가진 환경에서도 보다 빠르고 짧은 경로 계획을 생성할 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치 및 방법의 삼각부등식 기법을 설명하기 위한 도면이다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 방법을 설명하기 위한 도면들이다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치의 경로 설정 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치로부터 도출된 최적의 최단 경로 예시를 나타낸 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서 및 청구항에서 사용되는 단수 표현은, 달리 언급하지 않는 한 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우 뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치는 샘플링부(110), 노드 생성부(130) 및 경로 생성부(150)을 포함한다.

샘플링부(110)는 샘플링 기반 경로를 계획하는 기준이 되는 좌표를 무작위 위치에 샘플링하여 입력한다. 샘플링부(110)는 샘플링 기반 경로를 계획하는 기준이 되는 적어도 3개의 좌표 노드를 포함하는 집합으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 샘플링부(110)는 좌표 노드를 포함하는 집합은 다수의 노드로 이루어져 있으며 삼각부등식을 이용하기 위한 요소가 될 수 있다.

노드 생성부(130)는 샘플링부로부터 입력된 좌표를 기준으로 새로운 노드(child)를 생성한다. 노드 생성부(130)는 새로운 기준 노드를 기준으로 새로운 노드의 상위 노드인 부모 노드와 부모 노드의 상위 노드인 조상 노드를 찾을 수 있다. 예를 들면, 노드 생성부(130)는 기준 노드(Child)를 Node 0으로 하면 부모 노드(Parent)와 조상 노드(Ancestor; 부모 노드의 부모 노드)를 Node 1과 Node 2로 설정할 수 있다.

경로 생성부(150)는 노드 생성부로부터 생성된 새로운 노드(child)에 기초하여 경로를 파악하고 경로를 계획하고 파악된 경로의 시작 지점과 목적 지점의 연결 여부를 판단하고 새로운 경로를 감지하여 최단 경로를 설정한다. 또한, 경로 생성부(150)는 빗변의 길이가 다른 두 변의 합보다 작아지는 삼각부등식 기법을 사용하여 경로를 계획할 수 있다.

경로 생성부(150)는 기준 노드와 조상 노드의 간선 사이에 장애물이 있는지 판단하고 간선에 장애물이 존재할 경우, 최단 경로 노드 집합(T)에서 기준 노드와 부모 노드를 최단 경로 노드 집합(T)에 추가할 수 있다.

경로 생성부(150)는 기준 노드와 조상 노드의 간선 사이에 장애물이 없는 경우, 기준 노드와 조상 노드를 최단 경로 집합(T)에 추가할 수 있다.

경로 생성부(150)는 예를 들면, 기준 노드 Node 0과 조상 노드 Node 2 사이에 겹치는 장애물이 없으므로 바로 연결해주고 부모 노드인 Node 1을 최단 경로 노드 집합(T)에서 삭제할 수 있다.

경로 생성부(150)는 예를 들면, 부모 노드Node 1의 조상 노드인 Node 2를 부모 노드로 업데이트하고 Node 2의 상위 노드인 Node 3을 조상 노드로 업데이트할 수 있다.

이후, 경로 생성부(150)는 예를 들면, 기준 노드인 Node 0과 조상 노드인 Node 3 사이의 간선인 제 4간선이 장애물과 겹치는지 판단하고 제 4간선이 장애물과 겹치지 않는 경우, Node 2를 최단 경로 노드 집합 T에서 제거하고 Node 3을 최단 경로 집합에 업데이트할 수 있다. 경로 생성부(150)는 예를 들면, Node 3을 부모 노드로 업데이트하고, Node 3의 부모 노드인 Node 4를 조상 노드로 업데이트할 수 있다.

이 때, 경로 생성부(150)는 예를 들면, 기준 노드인 Node 0과 Node 4의 제 5간선이 장애물과의 겹치는 여부를 판단하고, 제 5간선이 장애물과 겹치는 경우, Node 4를 최단 경로 집합에 업데이트하고 경로를 변경하지 않고, 최단 경로 노드 집합(T)를 반환 후 종료할 수 있다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 방법은 빗변의 길이(

)가 다른 두 변의 길이의 합(

)보다 작아지는 삼각 부등식을 활용하여 이를 샘플링 기반 경로 계획 방식을 통해 만들어진 경로에 적용할 수 있다. 예를 들면, 도2의 (a), (b) 및 (c)의 형태가 될 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.

도 3을 참조하면, 단계 S310에서 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치는 무작위 위치에 샘플링하는 단계가 우선시된다.

단계 S330에서 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치는 무작위 위치에 샘플링하는 단계에 의해 새로운 노드를 생성한다.

단계 S350에서 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치는 새로운 노드를 생성하는 단계에 의해 삼각부등식 기법에 기반하여 경로 계획을 생성한다.

단계 S370에서 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치는 노드의 시작 지점과 목적 지점이 연결되어 있는지를 판단하고, 시작 지점과 목적 지점이 연결되어 있지 않은 경우, 단계 S310으로 귀환한다. 단계 S370에서 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치는 노드의 시작 지점과 목적 지점이 연결되어 있는 경우 단계 S390을 실시한다.

단계 S390에서 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치는 시작 지점과 목적 지점이 연결되어 있는 것을 판단하여 경로를 생성한다.

도 4를 참조하면, 단계 S411에서 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치는 생성된 새로운 노드인 Node 0을 기준으로 삼아서 기준 노드의 부모 노드인 Node 1과 부모 노드의 부모 노드인 조상 노드로 Node 2를 찾을 수 있다.

단계 S413에서 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치는 기준 노드인 Node 0과 조상 노드인 Node 2사이의 간선인 제 1간선이 장애물과 겹치는지를 판단한다. 단계 S413에서 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치는 장애물이 제1간선과 겹칠 경우, 단계 S415를 진행한다.

단계 S415에서 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치는 조상 노드인 Node 2를 최단 경로 노드 집합 T에 업데이트를 진행하고 최단 경로 노드의 집합 T로 반환하는 단계 S417을 실시한다. 이때, 본 발명에 따른 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치는 무작위 위치를 이루고 있는 노드의 집합인 최단 경로 집합 T를 포함한다.

단계 S413에서 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치는 기준 노드인 Node 0과 조상 노드인 Node 2사이의 간선인 제 1간선이 장애물과 겹치지 않는 경우, 단계 S419를 실시한다.

단계 S419에서 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치는 기준 노드인 Node 0과 조상 노드인 Node 2사이의 간선인 제 1간선이 장애물과 겹치지 않는다면, 먼저, 최단 경로 노드 집합 T에서 부모 노드인 Node 1을 제거한다.

단계 S421에서 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치는 Node 2를 부모 노드로 업데이트한다.

단계 S423에서 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치는 조상 노드인 Node 3이 존재하는지 판단하고 조상 노드가 존재하지 않는다면, 삼각형을 이룰 수 없으므로 최단 경로 집합 T를 반환하고 과정을 종료하는 단계 S417을 실시한다.

단계 S425에서 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치는 조상 노드인 Node 3이 존재한다면, 기준 노드인 Node 0과 조상 노드인 Node 3사이의 제 4간선이 장애물과 겹쳐지는 여부를 판단한다. 단계 S425에서 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치는 Node 0과 Node 3의 간선 사이에 장애물이 없는 경우, 다시 최단 경로 노드 집합T에서 부모 노드를 제거하는 단계 S419로 귀환한다.

단계 S425에서 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치는 Node 0과 Node 3의 제 4간선 사이에 장애물이 존재할 경우, 최단 경로 노드 집합T를 반환하고 종료하는 단계 S417을 진행한다.

도 5의 (a)를 참조하면, 본 발명에 따른 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치는 경로의 일부에서 도 5의 (b)와 같이, 기준 노드(Child)를 Node 0으로 하면 부모 노드(Parent)와 조상 노드(Ancestor; 부모 노드의 부모 노드)를 Node 1과 Node 2로 설정한다.

이 때, 본 발명에 따른 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치는 기준 노드 Node 0과 조상 노드 Node 2 사이에 겹치는 장애물이 없으므로 도 5의 (c)와 같이 바로 연결해주고 부모 노드인 Node 2를 최단 경로 노드 집합(T)에서 제거한다.

본 발명에 따른 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치는 도 5의 (d)와 같이, 부모 노드의 부모 노드인 조상 노드 Node 2를 부모 노드로 업데이트하고 Node 2의 상위 노드인 Node 3을 조상 노드로 업데이트한다.

이후, 본 발명에 따른 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치는 도 5의 (e) 및 도 5의 (f)와 같이 앞선 과정을 반복한다. 도 5의 (e)를 참조하면, 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치는 기준 노드인 Node 0과 조상 노드인 Node 3 사이의 간선인 제 4간선이 장애물과 겹치는지 판단하고, 제 4간선이 장애물과 겹치지 않는 경우, Node 2를 최단 경로 집합(T)에서 제거하고 Node 3을 최단 경로 집합에 업데이트한다. 이후, 본 발명에 따른 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치는 도 5의 (f)와 같이, Node 3을 부모 노드로 업데이트하고, Node 3의 부모 노드인 Node 4를 조상 노드로 업데이트한다.

이 때, 본 발명에 따른 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치는 도 5 (g)와 같이, 기준 노드인 Node 0과 Node 4의 제 5간선이 장애물과의 겹치는 여부를 판단한다. 이후, 본 발명에 따른 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치는 제 5간선이 장애물과 겹치는 경우, Node 4를 최단 경로 집합에 업데이트하고 도 5 (h)에서처럼 경로를 변경하지 않고 최단 경로 노드 집합(T)를 반환 후 종료한다. 여기서, 본 발명에 따른 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치는 Node 0, Node 3 및 Node 4가 최단 경로이다.

도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치는 방법 (b)와 (d)는 경로 계획 방법 (a), (c)에 비해 짧고 단순한 최단 경로를 생성할 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

발명의 실시를 위한 형태는 위의 발명의 실시를 위한 최선의 형태에서 함께 기술되었다.

본 발명은 샘플링 기반 경로 계획 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 방법에 관한 것으로 다양하게 이용가능하므로 산업상 이용가능성이 있다.

Claims

삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치에 있어서,

샘플링 기반 경로를 계획하는 기준이 되는 좌표를 무작위 위치에 샘플링하여 입력하는 샘플링부;

입력된 좌표를 기준으로 새로운 노드를 생성하는 노드 생성부; 및

생성된 노드를 이용하여 시작 지점에서 목적 지점까지의 경로를 계획하고 계획된 경로의 시작 지점과 목적 지점의 연결 여부를 판단하여 판단된 새로운 경로를 감지하여 최단 경로를 설정하는 경로 생성부를 포함하는 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치.
제1항에 있어서,

상기 샘플링부는 샘플링 기반 경로를 계획하는 기준이 되는 적어도 3개의 노드를 포함하는 집합으로 이루어진 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치.
제2항에 있어서,

상기 집합은 노드로 이루어지는 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치.
제1항에 있어서,

상기 노드 생성부는 상기 새로운 노드의 상위 노드인 부모 노드와 부모 노드의 상위 노드인 조상 노드를 찾는 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치.
제1항에 있어서,

상기 경로 생성부는 빗변의 길이가 다른 두 변의 합보다 작아지는 삼각부등식 기법을 사용하여 경로를 계획하는 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치.
제5항에 있어서,

상기 경로 생성부는 상기 부모 노드를 현재의 조상 노드로 설정하고, 조상 노드의 존재 여부를 판단하여 조상 노드가 존재하지 않을 경우, 삼각형이 이루어지지 않는 것을 판단하여 종료하는 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 장치.
샘플링 기반 경로 계획 장치가 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 방법에 있어서,

새로운 노드인 제0 노드를 생성하는 단계;

상기 제0 노드를 자식 노드로 기준 삼아 부모 노드인 제1 노드와 조상 노드인 제2 노드를 찾는 단계;

상기 제0 노드와 상기 제2 노드의 제1 간선이 장애물과 겹치는지 판단하는 단계; 및

상기 제1 간선이 장애물과 겹치지 않는 경우, 상기 제0 노드 및 상기 제2 노드를 최단 경로 집합에 포함하는 단계를 포함하는 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 방법.
제7항에 있어서,

상기 제1 노드를 상기 최단 경로 집합에서 제거하는 단계를 더 포함하는 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 방법.
제7항에 있어서,

상기 제2 노드를 부모 노드로 업데이트하고, 상기 제2 노드의 부모 노드인 제3 노드를 조상 노드로 업데이트하는 단계를 더 포함하는 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 방법.
제9항에 있어서,

상기 제0 노드와 상기 제3 노드의 제4 간선이 장애물과 겹치는지 판단하는 단계를 더 포함하는 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 방법.
제10항에 있어서,

상기 제4 간선이 장애물과 겹치지 않는 경우, 상기 제2 노드를 상기 최단 경로 집합에서 제거하고, 상기 제3 노드를 상기 최단 경로 집합에 포함하는 단계를 포함하는 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 방법.
제7항 내지 제11항 중 어느 하나의 삼각부등식을 이용한 샘플링 기반 경로 계획 방법을 실행하고 컴퓨터가 판독 가능한 기록매체에 기록된 컴퓨터 프로그램.