로봇 플랫폼 내비게이션 방식

​[원문] https://www.slamtec.com/en/News/Detail/623 

로봇 플랫폼은 자율 주행을 기반으로 하지만 실제로 로봇 스스로 이동하는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 스스로 위치를 선정하고 장애물을 회피하는 기능 등을 필요로 합니다.

현재 시중에 알려진 내비게이션 방식으로는 가이드 주행, QR코드 주행 및 라이다 SLAM 주행이 있습니다.

가이드 주행

가이드 주행이란 이동 로봇 내부 센서에 정보 입력을 통해 마크를 식별하여 주행하는 것입니다. 마크는 고정된 위치에 설정하며, 기하학적 형상이나 알파벳 혹은 QR코드 등이 사용됩니다. 

로봇에 입력되는 마크의 종류에 따라 동선 가이드 주행과 환경 가이드 주행 이렇게 두 종류로 분류할 수 있습니다.

 동선 가이드 주행은 사전에 특수 설계된 색깔이나 텍스처 구조물, 인포그래픽 등을 출력해 제작하여 동선을 표시한 후 로봇이 카메라 센서를 통해 식별합니다. 로봇이 이러한 동선을 따라 주행하도록 하는 것은 상대적으로 구현하기는 쉽지만 환경 조도에 영향을 많이 받기 때문에 안정성이 떨어집니다.

 환경 가이드 주행의 경우 로봇이 기존 경로의 환경을 바꾸는 것이 아닌 주변 환경 특징을 인식해 내비게이션을 구현하는 방식입니다. 자주 이용되는 방법은 지도의 기하학적 특징을 이용하여 보로노이 다이어그램의 교차점을 이용하는 것입니다. 이런 내비게이션 방식은 기존 환경을 파괴하지 않고 보편적이지만 계산이 복잡하고 안정적이지 않습니다. 그 이유는 환경 특징을 측정하여 추출하는 과정이 매우 복잡하고 항상 로봇 시야의 모든 이미지 데이터를 저장해 두어야 합니다. 또한 모든 데이터를 저장한 후 인식한 데이터의 특징 추출, 저장, 검사, 일치 여부 등의 과정을 필요로 합니다. 적용하려는 실내 환경에서 종종 특징이 너무 많거나 데이터 베이스에 유사한 장면이 존재하거나 일부 특징의 차원 등을 고려한다면 알고리즘 방식이 너무 복잡해질 수밖에 없습니다.

관성 항법

관성 항법은 정밀한 기계, 컴퓨터 공학, 마이크로 전자, 광학, 자동 제어 등 많은 학과와 분야와 관련된 종합적인 기술입니다. 로봇의 방위각과 어떤 출발점에서 주행 거리로 현재의 위치를 확인하는 방법 중 하나입니다. 이 방법은 미리 정해진 경로를 이동하는 것과 비교했을 때 이동하는 로봇의 주행 방향과 거리를 제어하므로 로봇의 자율 주행을 가능하게 합니다.

 작업 원리는 뉴턴의 역학 법칙을 기초로 하여 측정하고자 하는 물체가 관성 좌표계에서 가속도, 각가속도를 측정하여 시간에 1차 적분해 물체의 속도, 각속도를 얻고 2차 적분을 통해 얻은 위치 정보를 항법 좌표계로 변환하여 항법 좌표계의 속도, 기울기, 위치 정보 등을 얻는 방법입니다.

 이러한 주행 방식은 기후 조건 및 외부 정보의 영향을 받지 않는다는 장점이 있지만 시간이 누적될수록 적분하여 계산할 때 작은 상수라도 오차가 커지기 때문에 관성 항법에서 사용하는 센서는 장시간 정확한 위치 측정에 적합하지 않습니다.

레이저SLAM 주행

 레이저 SLAM 주행은 현재 업계에서 로봇 자율 주행으로 가장 널리 사용되고 있는 주행 방식입니다. SLAMTEC의 Apollo 로봇 플랫폼 역시 레이저 SLAM 주행 방식을 기반으로 사용 환경에 대한 추가적인 설치가 필요 없으며 임의의 환경에서도 실시간으로 로봇 스스로 위치를 찾고 고정밀 지도 작성 기술 SharpEdge™로 더욱 정밀하고 cm급 분별력 있는 지도로 추가 오차가 없습니다. 또한 작성된 지도는 규칙적이고 정밀하기 때문에 추가 최적화 없이 바로 사용이 가능합니다. 복잡한 환경에서도 주행이 가능한 Apollo 로봇 플랫폼은 사람과 다른 장애물을 실시간으로 인식하여 회피하고 경로 탐색이 가능합니다.

 Apollo 로봇 플랫폼은 초음파 센서, 클리프 센서(낙하방지 센서), 뎁스 카메라 등 센서를 탑재하였으며, 라이다 센서를 통한 주위 환경 스캔 데이터를 제공하여 5cm 급 정밀한 지도로 실시간 경로 탐색 및 주행기능을 구현합니다. 유리, 거울과 같은 투명한 재질의 장애물의 경우 초음파 센서를 통해 식별하여 회피가 가능합니다. 뎁스 카메라는 라이다가 스캔하지 못한 상단부분의 장애물을 탐지하여 신호를 보내 회피할 수 있도록 해줍니다. 클리프 센서는 주위 환경에 단차, 계단, 경사진 곳이 없는지 측정하여 낙하를 방지합니다.

 이상 핵심 기능 외에도 별도의 프로그램 없이 기본 소프트웨어만으로도 가상 벽과 가상 궤도를 설정할 수 있어 Apollo의 이동 범위와 경로를 설정할 수 있습니다. 그 외에도 자율 충전과 클라우드 원격 관리 및 추가 확장 하드웨어를 지원합니다.