무한궤도형 자율주행 플랫폼의 GPS 기반 경로 추종 알고리즘 개발

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With the advent of the 4th industrial revolution, autonomous driving technology is being commercialized in various industries. However, research on autonomous driving so far has focused on platforms with wheel-type platform. Research on a tracked platform is at a relatively inadequate step. Since the tracked platform has a different driving and steering method from the wheel-type platform, the existing research cannot be applied as it is. Therefore, a path-tracking algorithm suitable for a tracked platform is required.
In this paper, we studied a path-tracking algorithm for a tracked platform based on a GPS sensor. The existing Pure Pursuit algorithm was applied in consideration of the characteristics of the tracked platform. And to compensate for “Cutting Corner”, which is a disadvantage of the existing Pure Pursuit algorithm, an algorithm that changes the LAD according to the radius of curvature of the path was developed. In the existing pure pursuit algorithm that used a tracked platform to drive a path including a right-angle turn, the RMS path error in the straight section was 0.1034m and the RMS error in the turning section was measured to be 0.2787m. On the other hand, in the variable LAD algorithm, the RMS path error in the straight section was 0.0987m, and the RMS path error in the turning section was measured to be 0.1396m. In the turning section, the RMS path error was reduced by 48.8971%. The validity of the algorithm was verified by measuring the path error by tracking the path using a tracked robot platform.

국문 초록 (Abstract)

4차 산업혁명을 맞이하면서 자율주행 기술이 다양한 산업에서 상용화가 진행 중이다. 하지만 지금까지 자율주행 연구는 차륜형 구동장치를 갖는 플랫폼을 중심으로 이루어졌다. 궤도형 구동장치를 갖는 무한궤도형 플랫폼에 관한 연구는 상대적으로 미흡한 단계이다. 무한궤도형 플랫폼은 차륜형 플랫폼과는 주행 및 조향 방식이 다르므로 기존의 연구를 그대로 적용할 수 없다. 따라서 무한궤도형 플랫폼에 적합한 경로 추종 기술이 요구된다.
본 논문에서는 무한궤도형 플랫폼이 GPS 센서를 기반으로 경로를 추종하는 주행 알고리즘에 관해 연구했다. 기존의 Pure Pursuit 알고리즘을 무한궤도형 플랫폼의 특성을 고려하여 적용했다. 그리고 기존의 Pure Pursuit의 알고리즘의 단점인 “Cutting Corner”을 보완하기 위해 경로의 곡률 반경에 따라 LAD를 변경하는 알고리즘을 개발했다. 무한궤도형 플랫폼을 이용하여 직각 선회가 포함된 경로를 주행한 기존의 알고리즘은 직선 구간에서의 RMS 경로 오차는 0.1034m이고 선회 구간에서의 RMS 오차는 0.2787m로 측정됐다. 반면 가변 LAD 알고리즘은 직선 구간에서의 RMS 경로 오차는 0.0987m이며, 선회 구간에서의 RMS 경로 오차는 0.1396m로 측정됐다. 선회 구간에서 RMS 경로 오차가 48.8971% 감소하였다. 무한궤도형 로봇 플랫폼을 이용하여 경로를 추종하여 경로 오차를 측정하여 알고리즘의 유효성을 검증했다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1장 서론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 연구동향 5
• 1.3 연구목적 8
• 제 2장 무한궤도형 플랫폼 이론 배경 9
• 2.1 무한궤도형 플랫폼 기구학적 모델 9
• 2.1.1 개요 9
• 2.1.2 기구학적 모델링 9
• 2.1.3 Skid Steering 10
• 2.2 속도 제어 알고리즘 12
• 2.2.1 개요 12
• 2.2.2 PID 제어 12
• 2.3 경로 추종 알고리즘 14
• 2.3.1 개요 14
• 2.3.2 Pure Pursuit 15
• 2.3.3 경로 오차 18
• 제 3장 무한궤도형 플랫폼 자율주행 알고리즘 20
• 3.1 무한궤도형 플랫폼 자율주행 시스템 20
• 3.1.1 개요 20
• 3.1.2 무한궤도형 플랫폼 제원 21
• 3.1.3 위치 인식 시스템(Positioning System) 23
• 3.1.4 경로 생성 시스템(Path Planning System) 26
• 3.1.5 항법 시스템(Navigation System) 27
• 3.1.6 제어 시스템(Control System) 28
• 3.2 속도 제어 알고리즘 30
• 3.2.1 속도 제어 알고리즘 구현 30
• 3.2.2 속도 제어 알고리즘 검증 실험 32
• 3.3 조향 제어 알고리즘 36
• 3.3.1 조향 제어 알고리즘 구현 36
• 3.3.2 조향 제어 알고리즘 검증 실험 37
• 3.4 선회 경로 추종 능력 향상을 위한 가변 LAD 알고리즘 42
• 3.4.1 개요 42
• 3.4.2 곡률 반경 계산을 위한 Look Ahead Distance 42
• 3.4.3 가변 LAD을 위한 경로상 곡률 반경 계산 및 판단 43
• 3.4.4 선회 경로 추종 능력 향상을 위한 가변 LAD 알고리즘 검증 실험 45
• 제 4장 경로 추종 실험 및 결과 48
• 4.1 실험 개요 48
• 4.2 도심 환경에서의 주행 실험 51
• 4.2.1 개요 51
• 4.2.2 직각 선회 경로 주행 51
• 4.2.3 U-turn 선회 경로 주행 53
• 4.3 비정형 환경에서의 주행 실험 55
• 4.3.1 개요 55
• 4.3.2 직각 선회 경로 주행 55
• 4.3.3 U-turn 선회 경로 주행 57
• 4.4 주행 실험 고찰 59
• 4.4.1 주행 환경에 따른 경로 오차 차이 59
• 4.4.2 Cutting Corner 현상 개선 60
• 4.4.3 다양한 경로 추종 실험 61
• 4.4.4 주행 시 플랫폼의 안전성 확보 62
• 제 5장 결론 63
• 참고문헌 65
• Abstract 69