개방형 아키텍처를 기반으로 한 무인차량의 자율주행기술 구현 = Implementation of Autonomous Navigation based on the Open Architecture for Unmanned Vehicle

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 군사용 무인자율차량을 대상으로 미래의 다양한 기술의 진화를 고려한 개방형 아키텍처를 구현하기 위해 공통 통신 환경을 제공하는 미들웨어 개념의 노드 매니저를 새롭게 개발하여 여러 무인차량과 운용통제장치(Operation Control Unit)가 통합 운용되는 시스템 도메인 및 범용 컴퓨터 기반의 노드에 적용하여 그 신뢰성을 입증하였다.
제안된 개방형 아키텍처는 무인시스템의 지속적인 연구개발 및 상호운용성을 목적으로 응용계층에서 S/W 컴포넌트 사이의 메시지나 동작과 같은 인터페이스를 정의하는 하나의 표준형식이다. 본 아키텍처는 단위로봇을 하나의 시스템으로 간주하는 것이 아니라 다양한 로봇이 운용되는 도메인(Domain)을 하나의 시스템으로 정의하여 각 로봇을 부체계(subsystem)로 정의하고 부체계는 여러 개의 노드로 구성된다. 각 노드는 다양한 컴포넌트들로 구성된다.
본 연구에서는 개방형 아키텍처를 구현하기 위해 최근에 JAUS(Joint Architecture for Unmanned System) Working Group에서 제안된 참고구조를 적용하고 효율적인 통신 인터페이스를 위해 각 단위 Node 내에 운용체계와 컴포넌트들 사이에서 공통 통신 환경을 제공해주는 미들웨어 개념의 노드 매니저를 독창적으로 개발하였다. 노드 매니저는 응용계층에서 하드웨어(CPU 등), 운영체계(O/S)에 독립적인 통신 인터페이스를 관장하여 새로운 인터페이스나 응용계층에서 구현된 핵심기술의 발전을 쉽게 수용할 수 있도록 구현하여 3종의 실험차량을 통해 아키텍처의 개방성을 입증하였다.
또한, 야지 및 험지에서 군사용으로 운용가능한 자율주행기술을 개방구조에서 통합적으로 구현하기 위해 추가적으로 기존의 경로계획 방법에서는 고려되지 않았던 지형의 경사도를 고려한 거리변환 알고리즘을 적용하여 새로운 최적경로검색 방법을 제안하여 그 타당성을 입증하였다. 그리고 지역경로계획과 상관없이 센서 인지 범위 내에서 무인자율차량에 근접한 장애물에 대해 긴급회피 가능한 실시간 알고리즘을 제안하여 실험을 통해 입증하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this dissertation, We newly developed a node manager of middleware concept providing common communication environments to apply a system domain where several unmanned vehicles are operated together with OCU(Operation Control Unit) and nodes based on general computers to implement open architecture considering the advancement of a variety of technologies for unmanned autonomous vehicles in the future and validated the reliability of the node manager.

The proposed open architecture is a standard format defining interfaces such as messages or actions between S/W components in the application layer for the purpose of continuous research, development and mutual operation of unmanned systems. The architecture defines domain operated with various robots as a system and defines each robot as a subsystem composed of several nodes. In this study, we adopted a reference structure recently proposed by JAUS(Joint Architecture for Unmanned System) Working Group and newly developed a node manager of middleware concept providing common communication environments among nodes and components for effective communication interfaces to implement a open architecture. The node manager was developed to easily absolve new interfaces or core technology advancement in the application layer by managing communication interfaces independent of hardware(CPU, etc.) or operation system(O/S) in the application layer. We verified the effectiveness of the newly proposed node manager and the openness of the architecture through three kinds of unmanned experimental vehicles.

In addition, we proposed a new optimal path planning method appling distance transform algorithm based on the terrain gradient not considered in the classical path planning methods to implement the autonomous technologies for military on rough terrain in the open architecture. And we proposed and verified a real time emergency avoidance algorithm against obstacles lying within unmanned vehicle's sensing range regardless of the local path plan.

목차 (Table of Contents)

• 차 례
• ABSTRACT
• 국문요약
• 차 례
• 그림 목차
• 표 목차
• 1. 서 론
• 1.1. 연구 배경
• 1.1. 논문 개요
• 1.2. 논문의 구성
• 2. 시스템 구성
• 2.1. 무인자율차량
• 2.2. 원격제어시스템
• 2.3. 시스템 운용모드
• 2.4. 실험환경 구축
• 3. 개방형 아키텍처 설계
• 3.1. 개방형 아키텍처
• 3.2. 컴포넌트 기반의 S/W 개발
• 3.3. 개방형 아키텍처 참고모델
• 3.4. 무인자율시스템 설계
• 4. 자율주행기술 구현
• 4.1. 전역경로계획
• 4.2. 지역경로계획
• 4.3. 경로 추적
• 4.4. 긴급 장애물 회피
• 4.5. 실험 결과
• 5. 주행 안정성
• 5.1. 차량의 운동성능
• 5.2. 차량 운동방정식
• 5.3. 모의 실험
• 5.4. 실험 결과
• 6. 결론 및 향후 연구방향
• 6.1. 결 론
• 6.2. 추가연구
• 참고문헌