첫 번째 실험은 수중 로봇의 지도 확장 실험이다. 본 실험에 서는 초음파 거리 센서에 의한 지도 작성, 경계지역 검출을 통 한 탐사 목적지 선정, 경로 생성, 로봇 이동 등의 요소 기술이 실시간 수행되는 것을 확인하고자 한다. [Fig. 6]에서 보듯이 개방된 수조 공간에 대해 지도 작성 및 확장이 수행되며, 로봇 은 수조 왼쪽 아래 부분에서 실험이 시작된다.

Fig. 6 

Experimental set-up for map-expansion test

첫 번째 실험은 약 13분 간 진행되었으며, [Fig. 7]은 수중 로 봇의 전체 이동 경로를 보여준다. 시작 지점을 포함하여 총 4 곳의 목적지에서 초음파 거리 센서를 통해 주변 영역을 탐색 한다. 초음파 거리 센서는 로봇에 고정되어 있기 때문에 해당 탐색지에서 로봇은 회전운동을 수행한다.

Fig. 7 

Robot path at map-expansion test

[Fig. 8 (a)]는 초기 시작지점에서 수행한 주변 탐색 및 경계 지역 검출 결과이다. 초음파 거리 센서에 의해 업데이트된 영 역은 마치 부채살과 같은 형태를 갖는다. 이는 초음파 거리 센 서의 잡음으로 인해 필터링 되어 제대로 업데이트가 되지 않 은 영역이다. 경계지역이 검출되면 로봇의 크기에 따라 경계 지역이 그룹화 되고, 로봇으로부터 거리가 먼 그룹의 위치 중 심으로 ‘다음 목적지’가 선택된다. [Fig. 8 (b)]는 이렇게 선택 된 목적지까지 경로 계획이 완료되고 이동하는 모습을 보여준 다. [Fig. 8 (b)]의 오른쪽과 [Fig. 8 (c)]의 왼쪽과 같이 로봇과 목적지까지 공간이 개방되어 있으면 RRT 경로는 일직선으로 생성되는 것을 볼 수 있다. [Fig. 8 (c)]의 오른쪽은 로봇과 목적 지 사이에 장애물이 존재하여 이를 회피하기 위한 경로가 생 성된 것을 볼 수 있다. 이를 통해 올바른 경로 생성이 수행 되고 있음을 확인할 수 있다.

Fig. 8 

Map at map-expansion test

[Fig. 8 (c)]의 오른쪽은 세 번째 목적지를 거쳐 네 번째 목적 지에 도착한 결과이다. 네 번째 목적지는 [Fig. 6]의 수조에서 오른쪽 아래 부분으로 수조의 모서리이다. 해당 장소에서 주 변 영역 탐색을 위해 로봇 회전을 수행하였으나 주변 지도가 확장되지 않았고 ‘다음목적지’로 이동하기 위한 경로 생성이 되지 못하여 실험이 종료되었다. 본 실험 외에 추가 실험에서 위와 같이 수조의 모서리 진입 후 탈출하지 못하는 사례가 여 러차례 발생하였다. 이는 초음파 거리 센서의 잡음으로 인한 올바른 지도 업데이트가 발생하지 못한 점과 정밀한 경로 생 성이 되지 못한 점을 문제점으로 말할 수 있다.

두 번째 실험은 수중로봇의 지도 확장과 위치 정확도 유지 를 위한 위치 보정 과정이 동시에 수행되는 수중 로봇의 전체 자율탐사(Active SLAM) 실험이다. 1차 실험에서 수행된 지도 확장과 함께 로봇의 위치 정확도 보정 과정이 추가되고, [Fig. 1]에 나타낸 자율탐사 흐름에 맞추어 로봇은 판단하고 탐사를 수행한다. 로봇의 위치 보정을 위해 자기 위치 불확실성이 일 정한 임계값 이상보다 크면 등록된 인공표식물 중 위치 불확 실성이 가장 작은 인공표식물로 재방문(재인식)하여 로봇의 위치 불확실성을 낮추는 과정을 수행한다. 여기서 위치 불확 실성은 확장형 칼만 필터의 오차 공분산를 사용하고 임계값은 0.3 m을 사용한다.

실험 환경은 가로 14 m, 세로 10 m의 수조를 사용하며, 수조 가운데 영역분할을 위한 플라스틱 가벽을 설치하여 전체적인 탐사 영역이 ‘ㄷ’ 모양이 되도록 하였다. 수조 바닥에는 임의 의 위치에 소나용 인공 표식물을 설치하였다. 로봇은 [Fig. 9] 의 오른쪽 하단에서 출발한다. 지도 확장률의 계산을 위해 실 험 시작 전 지도 크기를 X축(로봇의 전후방향)으로는 –3 m부 터 13 m, Y축(로봇의 좌우방향)으로는 –3 m부터 10 m까지로 미리 정의 한다. 점유 격자지도의 점유 상태별 단위 복셀 (voxel, v)의 개수를 통해 지도 확장률(η)를 정의한다. 식(1)은 지도 확장률 수식을 나타낸다. 본 실험에서는 η가 0.01이하가 되면 탐사를 종료하도록 정의하였다.

Fig. 9 

Experimental set-up for overall test

두 번째 실험에서 수중 로봇은 46분 48초 동안 107.15 m를 이동하였다[Table 2]. 로봇이 이동하는 동안 수조 바닥에 설치 된 총 9개의 인공 표식물 중에 8개의 인공 표식물이 지도에 등 록되었다. [Fig. 10]은 수중 로봇의 전체 이동 경로 및 지도에 등록된 인공 표식물을 보여준다. 로봇은 이동 중에 첫 번째 인 공 표식물(First landmark)을 5회 재방문하였다. 이것은 앞서 언급하였듯이 탐사 중 자기 위치 오차가 증가하여 첫 번째 인 공 표식물을 인식하고 자기 위치 오차를 감소, 보정하기 위해 재방문한 것이다. 로봇의 지도 확장 및 자기 위치 정확도 유지 를 위한 자율탐사(Active SLAM) 기법이 올바르게 수행되었 다고 평가할 수 있다.

Fig. 10 

Robot path at overall test

[Fig. 10]의 첫 번째 인공 표식물은 로봇이 탐사를 시작하고 첫 번째로 지도에 등록한 인공 표식물이다. 이는 로봇의 자기 위치 오차가 가장 작을 때 등록된 인공 표식물로서 나머지 인 공 표식물보다 가장 작은 위치 오차를 가질 수 밖에 없다. 결과 적으로 로봇은 매번 자기 위치 보정을 위해 첫 번째 인공 표식 물을 방문하게 된다. 이것은 탐사 영역이 넓어질수록 효율이 떨어지는 단점을 갖는다.

실험 중 작성된 격자 지도는 [Fig. 11]에서 볼 수 있다. 실험 초기에 지도의 전체 크기를 지정하였다. 이러한 지도 영역에 서 전체 탐사 영역과 유사한 ‘ㄷ’자 형의 지도가 작성되었다. 격자지도의 상단과 하단의 검은 선 부분은 수조의 벽면을 나 타낸다. 하단의 벽면은 본래 하단의 좌, 우 벽이 연결되어 일렬 로 작성되어야 하지만 우측 벽을 작성할 때는 로봇의 위치 정 확도 오차가 증가하여 벽면의 지도 작성 오차로 반영되었다. 지도의 우측면은 본래 수조의 개방된 지역으로 벽이 검출될 수 없다. 반대로 지도의 좌측면은 벽이 검출되어야 한다. 실제 실험 시에는 초음파 거리센서를 통해 수조 벽면이 검출되었으 나 초기 지도 작성을 위해 주어진 지도의 영역(pre-defined area)을 벗어나는 영역이기 때문에 지도에 벽이 작성되지 않았 다. 수조의 중앙에는 가벽이 설치되어 있다. 가벽은 지도 상에 올바르게 일렬로 표현되지 않고 점과 같이 늘어서 있다. 가벽 은 수조의 좌측 영역을 탐색할 때와 우측 영역을 탐색 할 때 초 음파 거리 센서에 의해 중복 탐지된다. 하지만 우측 영역을 탐 색 할 때와 좌측 영역을 탐색할 때 로봇의 위치오차가 발생하 여 이를 통해 작성된 가벽이 삭제되거나 다른 위치에 작성되 는 문제가 발생하였다. 로봇의 위치 오차가 지도의 품질에 영 향을 미치고 있음을 확인할 수 있다. [Fig. 12]는 실험 중에 나 타난 실제 위치와 로봇의 추정된 위치 사이의 오차를 보여준 다. SLAM과 관성항법(dead-reckoning) 오차는 실험 중반까지 비슷한 경향을 보이나 그 이후에 관성항법 오차는 서서히 발 산하고 SLAM 오차는 1 m 아래에서 유지됨을 확인할 수 있다.

Fig. 11 

Map at overall test

Fig. 12 

Position error of robot