모바일 로봇의 장애물 회피 퍼지 제어기

모바일 로봇의 장애물 회피 퍼지 제어기{Fuzzy controller for obstacle avoidance of mobile robots}

본 발명은 로봇을 포함한 이동체의 자율주행에서 초음파센서를 이용한 장애물회피에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 초음파 센서를 이용하여 빠른 시간내에 장애물 회피 연산을 수행할 수 있는 모바일 로봇의 장애물 회피 퍼지 제어기에 관한 것이다.

종래의 모바일 로봇에서는 초음파 센서를 이용하여 장애물 회피 퍼지 제어기가 제안되기는 하였으나, 장애물 회피 연산의 수행 시간이 길어 모바일 로봇의 자율 주행 및 장애물 회피가 효율적이지 못한 문제점이 있었다.

따라서, 초음파 센서에 최적화된 장애물 회피 퍼지 제어기에 대한 필요성이 대두되고 있다.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 다수 개의 거리 센서 또는 초음파 센서를 이용하여 획득된 장애물과의 거리 정보를 이용하여 18-Rule 긍정/부정 법칙들에 따라 장애물 회피 각도를 추론하여 출력함으로써, 퍼지 연산량을 감소시켜 장애물 회피 연산의 수행시간을 단축시키는 모바일 로봇의 장애물 회피 퍼지 제어기를 제공하는 것이다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징은 장애물 회피 퍼지 제어기에 관한 것으로서, 상기 장애물 회피 퍼지 제어기는, 18-Rule 긍정 법칙 및 부정 법칙들로 이루어지는 퍼지 규칙 베이스; 다수 개의 거리 센서들로부터 장애물과의 거리 정보들이 입력되고, 입력된 정보들을 퍼지화시키는 퍼지화기; 상기 퍼지 규칙 베이스의 긍정/부정 법칙들을 이용하여 상기 퍼지화된 입력 정보들로부터 퍼지 출력값인 장애물 회피 각도를 추론하는 퍼지 추론 유니트; 상기 퍼지 추론 유니트에 의해 추론된 장애물 회피 각도를 비퍼지화하여 출력하는 비퍼지화기;를 구비한다.

전술한 특징에 따른 장애물 회피 퍼지 제어기에 있어서, 상기 퍼지화기로 입력되는 거리 정보들은 일정 각도 이격되어 배치된 다수 개의 거리 센서들로부터 측정된 장애물과의 거리 정보들이며, 상기 거리 센서는 초음파 센서인 것이 더욱 바람직하다.

전술한 특징에 따른 장애물 회피 퍼지 제어기에 있어서, 상기 퍼지 추론 유니트에 의해 추론되는 장애물 회피 각도(

본 발명에 의하여, 초음파 센서를 이용하여 모바일 로봇이 장애물을 회피하기 위한 퍼지연산에 있어 멤버함수의 값을 빠르게 얻도록 함으로써, 제어기의 연산량을 줄이고 더욱 빠른 장애물 회피 연산이 가능하게 된다.

또한, 본 발명에 의하여 초음파 센서에 최적화된 장애물 회피 퍼지 제어 방법을 제공할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 장애물 회피 퍼지 제어기는 초음파 센서에 대한 각도 정보의 멤버 함수값을 퍼지 연산에 최적화하여 사용하고, 퍼지제어기의 퍼지 연산량을 감소시켜 장애물회피 연산의 수행시간을 단축시키는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 장애물 회피 퍼지 제어기에 대하여 구체적으로 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 장애물 회피 퍼지 제어기의 구조를 개략적으로 도시한 블록도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 장애물 회피 퍼지 제어기(10)는 입력 퍼지 집합과 출력 퍼지 집합으로 구성되는 18개의 긍정 법칙 및 부정 법칙들로 이루어지는 퍼지 규칙 베이스(100), 다수 개의 거리 센서들로부터 장애물과의 거리 정보들이 입력되고, 입력된 정보들 을 퍼지화시키는 퍼지화기(110), 상기 퍼지 규칙 베이스의 긍정/부정 법칙들을 이용하여 상기 퍼지화된 입력 정보들로부터 퍼지 출력값인 장애물 회피 각도를 추론하는 퍼지 추론 유니트(120), 상기 퍼지 추론 유니트에 의해 추론된 퍼지 출력값을 비퍼지화하여 장애물 회피 각도를 출력하는 비퍼지화기(130)를 구비한다.

본 발명에 따른 퍼지 제어기는 로봇 장애물회피를 위하여 가우시안 곡선 형태의 퍼지 멤버 함수를 이용하여 18개의 법칙을 가지는 긍정/부정 법칙 퍼지 제어기를 사용한다. 아래의 표 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 퍼지 제어기의 퍼지 규칙 베이스가 기재되어 있다.

표 1에 있어서, 입력 퍼지 집합은 L, S, R, Z, N, F로 이루어지며, 입력 퍼지집합 L, S, R은 현재 로봇의 각도에 대한 목표지점의 상대적인 각도(Target Direction) 및 장애물의 상대적인 각도(Obstacle Direction)에 관계되는 것으로서,각각 왼쪽으로의 각도(Left), 정면에 해당하는 각도(Straight), 오른쪽으로의 각도(Right)를 나타낸다. 또한 입력 퍼지 집합 Z, N, F는 현재 로봇의 위치에 대한 목표지점의 상대적인 거리(Target Distance) 및 장애물의 상대적인 거리(Obstacle Distance)에 관계되는 것으로서, 각각 매우 인접한 거리(Zero), 가까운 거리(Near), 먼 거리(Far)를 나타낸다.

그리고 긍정법칙의 출력 퍼지집합은 HL, L, SL, S, SR, R, HR으로 이루어지며, 각각 왼쪽으로의 큰 각도(Hard Left), 왼쪽으로의 보통정도 각도(Left), 왼쪽으로의 작은 각도(Soft Left), 정면에 해당하는 각도(Straight), 오른쪽으로의 작은 각도(Soft Right), 오른쪽으로의 보통정도 각도(Right), 오른쪽으로의 큰 각도(Hard Right)를 나타낸다.

부정법칙의 퍼지집합은

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 퍼지 제어기의 입력 멤버 함수를 나타내며, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 처지 제어기의 출력 멤버 함수를 나타낸다. 전술한 입력 및 출력 멤버함수(Membership function)의 단위 중 각도의 단위는 0.5°각도이며 전면(0°)을 기준으로 하여 왼쪽이 (+)방향, 오른쪽이 (-)방향을 나타낸다. 또한 거리의 단위는 밀리미터(milli-meter)이며, 현재 로봇의 위치 좌표 (0, 0)을 기준으로 한 거리를 나타낸다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 퍼지 제어기가 적용되는 모바일 로봇의 거리 센서들의 방향 좌표를 도시한 그래프이다. 도 4의 (a)에 로봇의 위치 및 방향을 기준으로 한 좌표가 나타나 있으며, (b)에 거리 센서의 위치가 표시되어 있다. 본 발명에서는 도 4의 (b)에 나타낸 거리 센서의 배치로의 구현을 설명하지만, 센서의 종류 및 배치에 제한되지 않고 본 발명에서 제시되는 수학식을 통하여 다른 센서 배치 구현의 경우에도 적용할 수 있다. 한편, 본 발명에 따른 모바일 로봇의 거리 센서는 초음파 센서들을 사용하였으나, 거리 측정이 가능한 다른 종류의 센서도 사용 가능할 것이다. 도 4는 로봇의 방향을 기준으로 한 초음파 센서의 방향 좌표를 나타내며, 도 4에 도시된 바와 같이 센서는 20°각도 간격으로 배치되어 있다.

아래의 표 2는 입력 퍼지 집합에 대한 적합도(degree)의 표기법을 나타낸 것이며, 표 3은 방향과 관련된 부정법칙 퍼지 집합의 적합도를 나타낸 것이며, 표 4는 출력 퍼지 집합에 대한 적합도(degree)의 표기법을 나타낸 것이다.

본 발명에 따른 퍼지 제어기가 적용되는 모바일 로봇에서는 10개의 거리 센서가 사용되며 0번부터 9번까지의 센서에 대한 각도가 모두 고정되어 있으므로, 부정법칙 중 센서의 방향과 관련된 퍼지집합의 적합도(degree)는 상수로 둘 수 있다. 따라서 표 2의 μ _L ,μ _S ,μ _R 에 해당하는 값은 표 3에 나타나 있는 값으로 고정시킬 수 있다. 센서의 배치가 달라질 경우에는 입력 퍼지 집합에 대한 적합도는 수학식 1 에 따라 μ _L ,μ _S ,μ _R 에 해당하는 값을 구할 수 있다.

수학식 1에서의 변수값 x는 각 장애물 센서의 배치 각도가 되며 c의 값은

여기서 긍정법칙의 적합도에 가산한 오프셋(Offset) 값은 긍정법칙에 관련된 퍼지집합의 적합도에 어느 정도의 기본값을 줌으로써 장애물 밀집지역에서 부정법칙에 관련된 퍼지집합의 적합도가 지배적으로 작용하도록 한다. 만약 오프셋 값이 없다면 장애물 밀집 지역에서도 긍정법칙의 적합도가 시스템에 미치는 영향이 크다면 제어기는 적절하지 못한 출력을 보이게 된다. 본 제어기에서의 오프셋 값은 실험적인 결과를 토대로 0.3 ~ 0.4 으로 설정하였다.

한편, 퍼지 출력값인 회피 각도(

또한 좀 더 안정적인 회피를 위해서는 장애물의 밀집도를 고려하여 로봇의 속도를 결정해야 한다. 출력 퍼지집합에 대한 적합도의 합의 크기가 클수록 장애물의 밀집도가 낮은 것이 되므로 이 값을 이용하여 로봇의 속도를 조절할 수 있다. 수학식 4를 보면 최종 로봇의 속도는 출력 퍼지집합에 대한 적합도의 합에 대한 함수로 결정되며, 이 함수는 시스템에 적합하도록 선형 혹은 비선형의 형태의 함수를 사용할 수 있다. 예를 들어 수학식 4의 함수를 y절편이 0이고 기울기가 2인 수학식 5의 선형함수를 사용한다면 출력 퍼지집합의 적합도의 합의 2배에 해당하는 값이 로봇의 이동 속도가 된다.

이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명에 따른 퍼지 제어기는 모바일 로봇의 장애물 회피에 효율적으로 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 장애물 회피 퍼지 제어기의 구조를 개략적으로 도시한 블록도이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 퍼지 제어기의 입력 멤버 함수를 나타내며, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 처지 제어기의 출력 멤버 함수를 나타낸다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 퍼지 제어기가 적용되는 모바일 로봇의 거리 센서들의 방향 좌표를 도시한 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 장애물 회피 퍼지 제어기

100 : 퍼지 규칙 베이스

110 : 퍼지화기

120 : 퍼지 추론 유니트

130 : 비퍼지화기