SLAM 기반 로봇의 네비게이션 장애물 회피 방식 

[원문] https://www.slamtec.com/cn/News/Detail/579

실제 로봇 내비게이션 운영에서 지도 작성과 위치 선정을 돕는 SLAM은 매우 중요한 기술이지만 그 외에도 경로 탐색 및 움직임 제어가 필요합니다. SLAM 기술로 로봇 자신의 위치 확인과 지도 작성 후에 목표 지점까지 경로 탐색을 진행해야 하는데, 쉽게 말해 A 지점에서 B 지점으로 가는 경로를 탐색 후에 로봇은 이동할 수 있습니다.

 운동 계획(Motion planning)이란 하나의 큰 개념으로 로봇 팔의 움직임, 비행 장치의 비행, 로봇청소기의 청소나 로봇의 이동과 같은 모든 것이 운동 계획 범주에 속합니다.

 SLAM+경로 탐색과 움직임 제어=로봇 네비게이션

 운동 계획은 전체적인 경로 계획과 부분 경로 계획으로 나뉩니다. 전체적인 경로 계획은 운동 계획의 최상위 로직으로 로봇이 사전에 기록해둔 지도와 현재 위치 및 작업 목표 지점을 결합하여 목표 지점으로 가는 가장 빠른 경로를 찾는 능력입니다. 쉽게 말해 A 지점에서 B 지점까지의 경로를 찾아 로봇을 이동시키는 것입니다.

 부분 경로 계획은 로봇이 있는 환경에 변화가 생겼거나 사전에 계획해둔 경로가 로봇 실제 주행에 불리할 경우(로봇 이동 과정에서 장애물이 존재할 경우), 부분 경로 계획을 통해 경로를 조정합니다.

 부분 경로 탐색은 최종 목적지는 모를 수 있지만, 현재 눈앞의 장애물은 어떻게 회피해 갈지는 정확하게 안다는 것이 전체적인 경로 탐색과의 가장 큰 차이점입니다.

이 두 단계 모듈의 협동 작업은 로봇이 A 지점으로부터 B 지점까지 원활하게 움직일 수 있도록 실현합니다. 하지만 실제 작업 환경에서는 정지되어 있는 상태의 지도와 움직이는 상태의 지도 두 가지 상황이 존재하기 때문에 해당 모듈만으로 로봇이 장애물을 회피하며 이동하기에는 부족합니다. 

 A*(A-Star) 알고리즘 

A*(A-Star) 알고리즘은 정적 경로에서 최단 경로를 찾아내기 위한 경로 탐색 알고리즘으로 경로를 찾는 효율적인 알고리즘 중 하나입니다. 거리 추정 값과 실제 값이 근접할수록 최종 경로 탐색 속도는 빨라집니다. A*알고리즘은 동적 경로 계획에서도 사용될 수 있지만 환경에 변화가 생길 경우 경로를 재설정해야 합니다.

 D*알고리즘

D*알고리즘은 동적 경로 탐색 알고리즘으로 로봇이 낯선 환경이나 급변하는 환경에서도 자유자재로 움직일 수 있도록 합니다. D*알고리즘의 가장 큰 장점은 사전에 지도 확인이 필요 없고 사람처럼 미지의 환경에서도 이동이 가능하며 로봇이 탐색할수록 경로 또한 실시간으로 조정한다는 것입니다.

 두 종류의 알고리즘은 현재 대부분 로봇의 경로 계획 알고리즘으로 사용되어 로봇이 사람처럼 A 지점에서 B 지점까지의 최단 경로를 빠르게 탐색하고 장애물을 회피할 수 있도록 합니다. 서비스 로봇의 경우 일반 상업 환경에서의 경로 계획은 더욱 복잡하기 때문에 이를 구현해 내는 것이 로봇 업계의 난제가 되었습니다.

 SLAM기술을 바탕으로 만든 로봇 내비게이션 장애물 회피 솔루션

 SLAMTEC은 로봇 자율 주행 업계의 선도 기업으로 두 가지 솔루션을 제공합니다. 첫째는 SLAM 알고리즘을 기반으로 한 로봇 위치 선정 모듈인 SLAM Cube입니다. SLAM Cube는 모듈화 설계를 통해 실내외 여러 장소에서 사용 가능한 상용 로봇의 위치 선정 및 내비게이션 기능을 제공할 뿐만 아니라 전원 제어 관리, 센서 신호 수집 관리, 모터 제어 관리, 자동/긴급 충전 관리 등 일체화된 기능도 제공합니다. 여러 종류의 센서와 모터, 배터리 등으로 고객이 모듈러 방식으로 로봇 플랫폼 시스템을 구축해 커스터마이즈를 할 수 있도록 도와주는 역할을 합니다.

 다른 하나는 SLAMTEC에서 자체 개발한 로봇 플랫폼 제품입니다. SLAMTEC의 Apollo 제품은 라이다, 뎁스 카메라, 초음파 센서, 클리프 센서 등 융합 센서 기술이 적용되었습니다. 라이다는 로봇이 실시간으로 주위 환경에서 얻은 데이터로 고정밀 지도를 작성하여 그 지도를 토대로 자율주행을 실현합니다. 유리나 거울 같은 투명한 장애물의 경우 초음파 센서를 통해 실시간으로 식별하고 회피할 수 있습니다. 뎁스 카메라는 라이다가 스캔할 수 없는 상단 부분에 위치한 장애물을 탐지하는 데 사용되며 장애물이 감지되면 즉시 신호를 보내 로봇이 회피할 수 있도록 합니다. Apollo의 클리프 센서는 변두리나 계단, 지면 경사도 등을 측정하여 로봇이 추락하지 않도록 하는 역할을 합니다.

 이 외에도 Apollo는 별도의 보조 프로그램 없이 소프트웨어로 하나만으로 가상 벽과 가상 경로로 활동 범위를 지정할 수 있습니다. 또한 자동 충전 기능과 클라우드 원격 관리 및 기타 액세서리도 지원합니다. Apollo는 네트워크, 전력 공급 및 각종 제어 관련 인터페이스가 통합되어 고객이 쉽게 개발할 수 있으며 유선 네트워크 또는 WIFI를 통한 외부와의 통신이 가능합니다. 제품 내부에 장착된 배터리는 외부 확장 모듈에 전력 공급도 가능하기 때문에 제어 인터페이스를 통해 Apollo와 상단부 모듈을 제어할 수 있습니다. SLAMTEC 자체 연구 개발한 고성능 위치 선정 및 내비게이션 기술을 바탕으로 서비스 로봇이 복잡한 환경에서의 자율주행을 실현합니다. 중국 Country Garden 사의 서빙 로봇 “Candou”, 중국 Cloudminds 사의 간호 보조 로봇 “Pepper”, 중국 Alibaba Group 사의 순찰 재고조사 로봇 “Diana” 등 현재 Apollo 제품을 기반으로 한 서비스 로봇은 이미 널리 사용되고 있습니다. 

(22년 기준 Apollo 모델은 단종되었습니다.)