과수원 자율주행 제초로봇을 위한 작업 경로 생성 기법 연구

전진택 ( Jintack Jeon ),장호승 ( Hoseung Jang ),양창주 ( Changju Yang ),권경도 ( Kyung-do Kwon ),홍영기 ( Youngki Hong ),김국환 ( Gookhwan Kim ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.2

사과 과수 재배 현장은 가지치기와 꽃따기 등 기계화 도입으로 작업 시간 단축의 효과를 보고 있다. 그 외 수행되는 방제, 제초, 운반 등의 작업을 자동화하기 위해 자율주행 기반 무인로봇을 개발하고 있다. 노지에서 사용되는 자율주행 기술은 인공위성을 이용한 측위정보시스템인 위성항법시스템(GNSS, Global Navigation Satellite System)를 기반으로 작업 경로를 계획한다. 과수원 환경에서 농작업 로봇의 경로 계획을 위해서 3~4m 폭의 과수열 사이의 위치 좌표가 필요하다. 이를 기반으로 작업폭이 약 1.8m의 제초 로봇이 투입 되는 경우 2~3회 반복 작업이 필요하다. 한편 과수열을 반복 이동하여 경로를 생성하는 방법은 비효율적이다. 본 연구에서 과수 재배 환경에 적합한 경로를 효율적으로 생성하기 위한 방법을 제안하고자 하였다. 본 연구에서는 과원용 제초로봇이 추종할 경로를 생성하기 위해 약 4m 폭의 직선 및 선회구간을 포함하는 가상의 경로점(way-point)을 생성하였다. 경로점의 좌표값을 이용하여 경로점 사이의 벡터 각도 차를 기준으로 직선구간과 선회구간을 구분할 수 있다. 경로점 사이의 벡터 각도 차는 30도로 설정하였고, 이를 기반으로 구분된 직선 및 선회구간은 작업 폭, 작업기 폭, 작업 횟수 입력을 기반으로 작업 구간에 대한 경로를 자동 생성한다. 작업 구간의 경로 생성은 작업폭 4m을 기준으로 작업기 폭을 고려하여 과수열 사이에 2, 3, 4회 주행할 수 있는 총 3개의 경로를 생성하였다. 이렇게 생성된 경로는 스플라인 보간법을 사용하여 제초 로봇의 주행경로를 보다 유연하게 생성하였다. 본 연구를 통해 개발된 작업 경로 생성 기법은 1번의 주행으로 작업기의 폭을 고려하여 과수열 사이의 다횟수 주행이 가능하도록 경로를 생성할 수 있다. 이렇게 획득한 주행 경로를 활용하여 제초 로봇의 작업 경로 생성 외에도 방제, 운반 등의 작업 로봇의 경로로 활용이 가능할 것이라 판단된다. 본 경로 생성 기법은 자율주행 기반 무인로봇의 기초 기법으로 다양한 현장 조건에서 실험 및 검증 과정을 통해 최적화 기법 연구 등으로 발전시키고자 한다.

곡물 배출 경로를 포함한 자율주행 콤바인의 작업 경로 생성 알고리즘 연구

최효혁 ( Hyo-hyuk Choi ),이규호 ( Kyu-ho Lee ),김정훈 ( Jung-hun Kim ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2

농업의 지속 가능한 발전을 위한 방안으로 자율주행 기술을 기반으로 한 정밀 농업 작업 기술에 관한 관심이 고조되고 있다. 다만 지금까지의 농기계 자율주행은 트랙터와 같이 차륜형 구동장치를 갖는 차량을 중심으로 이루어졌으며, 수확 작업에 사용되고 있는 콤바인과 같은 궤도형 차량의 자율주행 기술에 대한 연구개발은 상대적으로 미흡한 단계에 머물고 있다. 궤도형 차량의 경우 차륜형 차량과는 다른 주행 및 선회 특성을 가지므로 기존의 차륜형 차량을 대상으로 한 자율주행 기술이 그대로 적용되기 어렵기에 궤도형 차량의 특성을 고려한 주행경로 생성 기술이 요구된다. 본 연구에서는 콤바인이 자율로 수확 작업을 할 수 있는 waypoint 기반의 주행 경로 생성 알고리즘 개발을 목표로 한다. Labview 환경에서 작동하는 콤바인 자율주행 경로 생성 알고리즘은 직사각형 포장의 꼭짓점 좌표, 배출 영역 좌표, 예취부의 폭, 경로 오차 보정을 위한 겹친 양, 선회 회전반경, Waypoint 간격, 곡물 탱크 한계 용량, 단위 거리당 수확량 정보를 이용해 Homogeneous Transformation Matrix, Dubin’s curve를 활용하여 선회형 작업 경로 생성하였으며, 경로점마다 콤바인의 전, 후진 상태와 작업기 올림, 내림 등 작업기 제어 상태를 나타낸 RDDF(Route Data Definition File)을 제작하였다. 콤바인의 선회 특성 파악을 위해 대동공업의 6조 콤바인을 이용한 조향 특성 시험을 시행하였으며, 콤바인의 주행속도, 좌우 궤도의 속도 차의 변화에 따른 선회 반경 및 선회 거리를 비교하여 경로 생성 알고리즘에 반영하였다. 80m×25m 크기의 포장에서 6조 콤바인 제원을 이용하여 경로를 생성한 결과 총 주행거리는 1877.57m, 곡물 배출을 위한 이동 거리는 41.05m로 총 주행거리의 2.18%이며 작업 효율은 78.2%, 경로 생성 시간의 평균은 6.538ms, 표준편차는 0.363ms로 측정되었다. 궤도형 로봇 플랫폼을 이용하여 생성된 자율주행 경로를 추종하여 주행한 후 작업 경로의 추종 성능 및 오차, 작업 시간을 평가하여 알고리즘의 유효성을 검증하였다.

자율운항선박의 항계 내 계층적 경로 생성 프레임워크에 관한 기초 연구

박정홍,강민주,윤원근,김혜진 한국항해항만학회 2023 한국항해항만학회 학술대회논문집 Vol.2023 No.1

본 연구에서는 자율운항선박이 복잡한 항계 내에서 다양한 해상 객체와의 충돌을 회피하기 위하여 계층적 경로 생성 기법을 연계하는 프레임워크를 제안한다. 항계 내에는 항로를 항행하는 선박 외에도 정박 영역 내 정박 또는 묘박 중인 선박뿐만 아니라 항로 표지나 부표와같은 정적 객체들이 다양하게 분포되어 있다. 자율운항선박의 효율적 운항을 위해서는 운항 중에 조우하게 되는 객체의 정적/동적 속성에 따라경로 생성 기법이 달리 적용되어야 한다. 본 연구에서 제안한 경로 생성 프레임워크는 항계 내의 정적 객체나 항행 가항 영역 및 항행 불가항영역 등에 대한 위치 정보들은 사전적 정보로 활용 가능하므로, 샘플링 기반의 전역 경로 생성 기법을 적용하여, 초기 출발지에서 최종 목적지까지의 예상 경로를 생성한다. 그리고 생성된 전역 경로를 추종하며 운항하는 과정에서 조우하게 되는 동적 객체들과의 조우 상황별 국제해상충돌예방규칙(COLREGs)을 고려한 지역 경로를 생성한다. 샘플링 기반의 전역 경로와 국소 영역에서의 충돌 회피를 위한 지역 경로를 연계하기 위한 계층적 경로 생성 프레임워크를 설계하고, 수치 시뮬레이션을 통해 제안한 프레임워크의 유용성을 검증하였다.

PSF-HS 알고리즘을 이용한 신발 갑피의 점착제 도포 경로 생성

이우영(Woo-Young Lee),이성원(Sung-Won Lee),박승민(Seung-Min Park),김태형(Tae-Hyoung Kim),김종우(Zong-Woo Geem),장인훈(Geem, In-Hoon Jang),심귀보(Kwee-Bo Sim) 한국지능시스템학회 2018 한국지능시스템학회논문지 Vol.28 No.1

스칼라 로봇을 이용한 신발 갑피의 열용융 접착재봉 자동화 공정에는 점착제를 이용하여 갑피 조각을 고정하는 작업이 필요하다. 본 논문에서는 신발 갑피의 모양을 고려하여 점착제 도포용 경로점을 생성하는 방법과 경로점을 이용하여 경로를 생성했을 때 스칼라 로봇의 유클리디안 거리가 가장 짧도록 경로를 최적화하는 방법을 제안한다. 자동으로 점착제 도포를 위한 경로점을 생성하기 위하여 갑피에 모폴로지 연산을 이용하여 스켈레톤을 적용하였고 스켈레톤의 끝점과 분기점을 점착제 도포를 위한 경로점으로 사용하였다. 또한 경로점들을 연결한 유클리디안 거리가 최소가 되도록 PSF-HS 알고리즘의 목적 함수로 각 경로점간의 유클리디안 거리를 사용하였다. 제안하는 방법을 이용하여 점착제 도포를 위한 경로를 생성한 결과 경로점이 갑피 표면에 골고루 분포되어있었고 별도의 설정 없이 자동으로 경로를 생성할 수 있었다. It is necessary to fix the shoe-upper piece by using the adhesive in the fuse sewing automation process of the shoe-upper using the scalar robot. In this paper, we propose a method to create a path point for application of adhesive by considering the shape of a shoe upper and a method to optimize the path so that the euclidean distance of the scalar robot is the shortest when the path is created using the path points. The skeleton was applied by using morphology operation on the shoe-upper to automatically create the path point for applying the adhesive, and the end points and the branch points of the skeleton were used as the path points for applying the adhesive. In order to optimize the path, we used euclidean distance between each path point as the objective function of the parameter-setting-free harmony search (PSF-HS) algorithm. As a result of applying the proposed method, the path points for applying adhesive was uniformly distributed on the surface ofh et shoe-upper, and the path was automatically generated withou atny setting.

비대칭차량경로문제의 경로분할모형에 관한 연구

강성민(Sungmin Kang) 한국생산관리학회 2007 韓國生産管理學會誌 Vol.18 No.4

  차량경로문제의 Set-Partitioning모형에 적용된 열생성과정에서 차량경로를 생성하는 하위문제는 순회외판원문제와 같은 조합구조를 가지므로 연산상의 어려움이 크다. 본 논문은 각 차량경로를 분할하여, 하위문제에서 분할된 부분경로를 생성하고 주문제에서 다시 결합하는 경로분할모형을 소개한다. 열생성이 용이해지는 반면 주문제는 복잡해진다. 실험예제로 모형의 LP하한값을 비교분석하였으며, 분지열생성을 통하여 최대 100개 수요지의 비대칭차량경로문제의 최적화실험을 수행하였다.   The Capacitated Vehicle Routing Problem (VRP) is to determine a set of feasible vehicle routes. one for each vehicle. such that each customer is visited exactly once and the total distance travelled by the vehicles is minimized. A feasible route is defined as a simple circuit including the depot such that the total demand of the customers in the route does not exceed the vehicle capacity. We introduce a new modelling approach. termed route-splitting. for the VRP that allows us to address problems whose size is beyond the current computational range of the Set-Partitioning model. The route-splitting model splits each vehicle route into segments. and results in more tractable subproblems. Lifting much of the burden of solving combinatorially hard subproblems. the route-splitting approach puts more weight on the LP master problem Recent advances in solving LP problems bode well for our approach. The route-splitting model can deal with non-identical vehicles. Given the ability of the route-splitting model to address a wider range of applications and its good performance on asymmetric instances. we find the model promising and valuable for further research.

자율주행 트랙터의 경로점 생성 알고리즘 개발

김기덕 ( Ki Duck Kim ),이현승 ( Hyeon Seung Lee ),이영주 ( Young Ju Lee ),김기동 ( Dong Ki Kim ),신범수 ( Beom Soo Shin ) 한국농업기계학회 2017 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.22 No.1

본 연구에서는 농작업지내 모서리 점을 이용하여 자율주행 트랙터의 경로점을 생성하는 알고리즘을 개발하였다. 작업지는 직사각형의 형태에서 거리가 긴 방향으로 직선주행 경로로 하고, 직선경로의 수는 작업폭에 의해 결정되며 홀수 또는 짝수 개일 수 있다. 또한 TM좌표계에서 직선주행 경로의 기울기는 양수 또는 음수 일 수 있으며, 선회시 전체적으로 좌회전 또는 우회전하는 경우로 구분하여, 즉 총 8가지의 경우에 대하여 조건이 주어지면 경로점을 구할 수 있도록 프로그램하였다. 선회를 위한 곡선경로 생성에는 트랙터의 최소 회전반경 데이터를 사용하였으며, 이때 새로 진입할 다음 경로가 충분히 떨어져 있는 경우에는 선회 구간에서도 직선 경로 구간이 생길 수 있음을 고려하였다. 한 주기의 경로점은 직선 경로구간의 시작점과 끝점, 선회 구간의 시작점과 끝점, 다음 직선경로로 진입을 위해 선회하기 직전까지의 직선 구간에 대한 시작점과 끝점 등 6가지의 경우로 구분할 수 있다. 이때 어떤 끝점 경로점은 다음 조작구간의 시작점 경로점이 되므로 최종적인 경로점 데이터는 4개가 된다. 여기서, 첫 번째 경로점 생성에서는 직선구간 진입을 위한 선회구간의 시작점과 끝점은 제외하였으며, 작업지로 진입할 수 있는 입구와 출구는 동일한 것으로 가정하여, 작업이 완료되는 지점에서 선회하여 다시 출발점으로 돌아올 수 있도록 추가 구성하였다. 실제 상황에서는 직선주행 경로의 수가 정수가 되지 않을 수 있으며, 이때는 작업 구간이 약간씩 오버랩되도록 작업폭을 조정하여 경로의 수가 항상 정수가 되도록 하였다. 알고리즘 평가에 사용된 작업 패턴은 관행적인 방법으로서 작업 포장을 반으로 나누어 8자형 패턴을 이용하였다.

차선 정보를 활용하는 멀티모달 차량 미래 경로 예측 기법

김병도(ByeoungDo Kim),최준원(Jun Won Choi) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6

본 논문은 예측 대상 차량의 과거 경로와 주변 다른 차량들의 과거 경로 정보 및 주변 지도 정보 같은 주변 환경 정보로부터 예측에 도움이 되는 정보를 추출하고 이를 반영하여 다양한 주행 가능한 미래 경로를 생성하는 기법을 제안한다. 자율 주행을 위한 경로 예측에서 차량을 둘러싼 주변 환경 정보를 분석하고 이를 반영하여 복잡한 교통 상황에서 가능성 있는 미래 경로를 생성하는 것은 매우 중요한 요소이다. 제안하는 기법은 주변 환경 정보 중 정밀 지도 정보로부터 차선 정보를 추출하고 이를 반영하여 보다 정확한 미래 경로를 예측한다. 제안하는 기법은 우선 예측 대상 차량의 과거 경로를 바탕으로 정밀 지도 정보에서 미래에 주행 가능한 차선 정보를 추출하고 추출한 차선들은 미래에 주행 가능한 차선 후보들로 설정한다. 좌표 시퀀스로 구성된 차선 후보들은 각 차선을 주행하는 다른 주변차량들과 함께 딥러닝 구조를 이용하여 처리되어 특성 벡터를 생성하고 예측 대상 차량의 과거 경로를 바탕으로 해당 후보 차선을 따라 주행 가능성을 계산한다. 다음으로 각 차선 후보들의 특성 벡터는 계산한 주행 가능성을 바탕으로 하나의 특성 벡터로 종합되고 종합한 특성 벡터를 이용하여 딥러닝 기반의 멀티모달 경로 생성기를 이용하여 다양한 미래 예측 경로를 생성한다. 위 과정을 통해 생성한 미래 예측 경로는 예측 대상 차량이 여러 차선 후보들 사이에서 특정 차선을 따라 주행하는 경향을 보이도록 생성되며 이는 차선을 따라 주행하는 차량 주행의 특성을 잘 반영하고 각 후보 차선별로 따라서 주행할 확률을 반영하여 예측하기 때문에 보다 정확한 미래 경로를 예측할 수 있다. 본 논문은 Argoverse와 nuScenes 데이터셋을 이용하여 제안하는 기법의 성능을 검증하였으며 지도 정보를 2D 래스터라이즈 이미지 형태로 사용하는 등의 기존의 다른 방법들과 비교하여 좋은 성능을 보이는 것을 확인하였다.

도로 네트워크 환경에서 사용자의 이동 성향을 고려한 경로 생성 기법

황동교(Donggyo Hwang),박혁(Hyuk Park),김동주(Dongjoo Kim),리하(He Li),박준호(Junho Park),박용훈(Yonghoon Park),복경수(Kyoungsoo Bok),유재수(Jaesoo Yoo) 한국콘텐츠학회 2012 한국콘텐츠학회논문지 Vol.12 No.9

사용자들은 시간, 거리, 도로 혼잡도와 같은 속성들에 의해 선호하는 경로가 있기 때문에 사용자의 이동성향에 맞는 경로를 생성하는 기법들이 필요하다. 기존의 기법들은 이동 성향을 고려하여 경로를 생성하기 위해서는 사용자의 이동 성향 정보를 추가적으로 입력하여야 한다. 그러나 네비게이션 및 모바일 장치의 불편한 인터페이스 특성상 이러한 정보 입력은 거의 하지 않고 출발지와 목적지만을 입력하여 경로를 추천받는 경향이 있다. 본 논문에서는 추가적인 이동 성향에 대한 정보 입력 없이 이동 성향에 맞는 경로를 생성하는 기법을 제안한다. 성능평가를 통해 최소 시간 경로나 최단 거리 경로와 비교하여 제안하는 기법이 사용자의 이동 성향을 고려한 경로가 생성됨을 입증한다. A path generation method considering the tendencies of users is required because users has the preferred routes through the properties such as time, distance, and congest. The existing method must input the additional information about users tendency to generate path considering moving tendencies. However, mobile device have the inconvenient interface. Therefore users are reluctant to input additional information for path generation. In this paper, we propose the path generation method considering the tendencies of users without additional input of users tendencies. To show the superiority of the proposed method, we compared it with shortest distance or time path through performance evaluation.

Framed -Quadtree 파면전파 기법과 항법함수 기법을 이용한 항공기 위협회피 궤적 설계

김필준(Piljun Kim),최종욱(Jonguk Choi),김유단(Youdan Kim) 한국항공우주학회 2007 韓國航空宇宙學會誌 Vol.35 No.10

군용 항공기는 임무수행 지역의 방어 시스템을 효과적으로 우회하여 비행해야 성공적으로 임무를 수행할 수 있다. 이를 위해 항공기가 위협을 회피하며 비행하는 경로를 생성하는 알고리듬이 요구된다. 본 논문에서는 포텐셜 기법을 이용하여 다수의 위협과 예상하지 못한 위협을 고려하여 비행경로를 생성하는 경로생성 기법을 제안하였다. 파면전파 기법과 항법함수를 함께 사용하여 포텐셜 기법에서 발생하는 국부최적해 문제를 해결하였다. 비행거리가 제한된 무인항공기에 적용이 가능한 비행경로를 생성하기 위해 최대이동거리를 고려한 경로생성 기법과 예상하지 못한 위협이 발생한 상황에 부드러운 경로를 생성하는 효율적인 경로전환 기법을 제안하였다. 제안한 기법의 성능을 검증하기 위해 중첩된 위협이 존재하는 상황에 대해 수치 시뮬레이션을 수행하였다. Military aircrafts usually operate at the area with lots of threats such as radars and surface-to-air missiles. Aircraft also faces with the unexpected or pop-up threats. Under this environment, a safe flight path should be generated to lead a mission successful. In this paper, a new path planning algorithm is proposed to provide less dangerous flight path efficiently. Of many path planning algorithms, a potential method is considered, because it has advantages of computation efficiency and smooth path generation. Trajectory generation under the condition of maximum range is studied so that the aircraft may reach the target area without refueling. The algorithm to cope with an unexpected situation is also proposed by adopting the concept of initial direction vector, additional force, and a new mapping function. The performance of the proposed algorithms is demonstrated for SEAD (Suppression of Enemy Air Defences) mission by numerical simulation.

각속도 제한을 고려한 무인기의 Dubins 경로 생성 및 추적

양유영(You-young Yang),장석호(Seok-ho Jang),이현재(Henzeh Leeghim) 한국항공우주학회 2021 韓國航空宇宙學會誌 Vol.49 No.2

본 논문에서는 초기지점과 최종지점이 주어졌을 때 2차원 평면에서 무인기의 경로 생성 및 추적 문제에 대해 제안한다. Dubins 곡선을 이용한 경로 생성 알고리즘은 계산 속도가 빨라 무인기에 실시간으로 적용 가능하다는 장점이 있다. 경로 추적 알고리즘은 가시거리 유도 알고리즘과 유사한 알고리즘으로 효율적으로 방향각을 제어하기 위해 전방주시거리 개념과 관련된 이득 값을 추가하였다. 무인기의 경우 최대 곡률이 제한된다. 정밀한 제어를 위해 쿼드로터 모델을 사용하였다. 각속도 제한을 고려한 슬라이딩 모드 제어기를 통해 최대 곡률을 벗어나지 않고 경로를 추종하는 시뮬레이션을 진행하였다. 제약조건이 없는 제어기와 제약조건이 있는 제어기를 비교하여 경로 생성 및 추적 성능을 검증하였다. In this paper, we propose a path generation and tracking algorithm of an unmanned air vehicle in a two-dimensional plane given the initial and final points. The path generation algorithm using the Dubins curve proposed in this work has the advantage that it can be applied in real time to an unmanned air vehicle. The path tracking algorithm is an algorithm similar to the line-of-sight induction algorithm. In order to efficiently control the direction angle, a gain related to the look ahead distance concept is introduced. Most of UAVs have the limited maximum curvature due to the structural constraints. A numerical simulation is conducted to follow the path generated by the sliding mode controller considering the angular velocity limit. The path generation and tracking performance is verified by comparing the suggested controller with conventional control techniques