작품 내용요약

자율주행 기술은 여러 면에서 각광받고 있지만 자폭 테러 등 새로운 형태의 범죄를 낳을 수 있다는 우려도 존재한다. 한편, 범죄 방지 분야에서도 자율주행 경찰차 등이 여러 임무 수행을 할 수 있으리라고 예상된다. 따라서 가까운 미래에 도래할 자율주행 시대에서는 자율주행 경찰차가 범죄자에게 악용당하는 자율주행 차량 등의 도망치는 목표물을 추격할 상황이 발생할 수 있다. 특히 도심 환경은 수많은 시설과 사람들이 밀접한 공간이기에 위협이 될 수 있는 요소를 정확하게 추적하는 것이 중요하다.

우리 팀은 이러한 상황 중 여러 건물과 그 사이의 길이 존재하는 도심 환경에서 추적을 피해 도망치는 유인/무인 차량을 무인 로봇들이 협동하여 추적할 수 있는 알고리즘을 만들고, 모형 도시와 아두이노를 이용한 로봇으로 직접 시뮬레이션을 하여 알고리즘의 효용성을 시험하였다. 이 작품은 블록과 길로 이루어진 모형 도시 공간에서, 추적 로봇 3대가 자신들보다 속력이 더 빠른, 임의로 정해진 4개의 출구 중 하나를 찾아 도망치는 로봇 1대를 쫓아가는 시뮬레이션을 진행한다. 시뮬레이션은 도망치는 로봇이 정해진 출구에 도착하거나 추적 로봇이 도망치는 로봇에 충분히 가까이 도달하면 종료된다. 모든 로봇들은 1대의 컴퓨터에 연결되어 있으며, 이 컴퓨터는 정해진 알고리즘을 따라 도망자와 추적자의 위치 정보를 파악해 로봇들에게 명령을 내린다. 이러한 명령 구조는 실제 상황에서 추적 센서 등을 통해 도망치는 로봇의 위치를 파악할 수 있고 추적 로봇이 메인 컴퓨터와 서로 정보 교환할 수 있다고 가정한 것이다.

과제의 목적, 개발동기 및 필요성

이미 세계 여러 나라에서 불법 비행을 하거나 염탐, 기밀 정보 수집 및 기타 불법 행위를 저지르는 무인 드론을 다른 드론들을 이용하여 추격하는 시스템이 연구중이다. 하지만 무인 추격자-무인 피추격자 시나리오를 공중 환경이 아닌 지상 환경에서 연구한 결과는 많지 않다. 또한, 비교적 자유롭게 최단 시간 안에 목표물에 도달하는 궤적을 따라 날 수 있는 무인 드론과 달리, 정해진 길을 따라서만 주행 할 수 있는 제한된 상황 내에서 추적 상황을 연구하였다는 점, 여러 대의 추적로봇이 서로 협력하여 목표물을 추적한다는 점에서 차별성을 가진다.

과제의 해결방안 및 수행과정

과제를 해결하기 위해 각 로봇의 입장에서 최선의 이동 경로를 선택을 할 수 있는 알고리즘을 마련하고, 연산을 수행하는 메인 컴퓨터와 필요한 정보를 주고(각 로봇의 위치와 상황), 필요한 정보를 받을(알고리즘을 수행하여 계산된 최적의 이동 경로) 수 있도록 로봇을 설계하였다. 실제 추적상황에서는 도망치는 로봇의 경우 메인 컴퓨터와 정보를 주고받지 않겠지만, 실험 진행과 알고리즘 연구의 편의를 위해 실제 상황에서 추적자 측의 센서 등으로 도망자의 위치를 파악하는 것과 도망자가 추적자의 정보를 알고 도망치는 것을 본 작품에서는 메인 컴퓨터와 도망치는 로봇 간의 정보교환으로 간략화시켰다.

과제에 사용될 로봇은 아두이노를 기반으로 격자점 위치 파악을 위해 초음파 센서를 4방향으로 장착하고, 메인 컴퓨터와 정보를 주고받기 위해 블루투스 모듈을 장착하였다. 원활한 모형 제작을 위해 최대한 로봇의 넓이를 줄이기 위해 로봇을 3층 구조로 설계하고 한정된 공간에 필요한 부품이 들어갈 수 있도록 치수를 조절하였다. 3D 프린팅용 도면 제작은 Onshape로 진행하였다.

과제의 내용

메인 컴퓨터와 로봇의 상호작용 원리는 다음과 같다. 먼저 시뮬레이션 시작 전 각 로봇의 초기 위치와 초기 방향을 메인 컴퓨터에 입력한다. 이후 시뮬레이션 중 로봇이 교차점에 도달하여 메인 컴퓨터에 정보를 주면, 메인 컴퓨터는 각각 로봇들의 위치를 업데이트한다. 이후 지도에서 각각 로봇들의 위치 정보를 바탕으로 최적의 경로를 판단하여 로봇에게 회전할 방향(이동할 방향)을 전송한다. 로봇은 이를 바탕으로 회전을 한 다음 길을 따라 이동하고 시뮬레이션이 종료될 때(도망치는 로봇이 탈출구 위치에 도달하거나 추적 로봇이 도망치는 로봇을 따라잡는 때)까지 이를 반복한다.

기대효과 및 활용 방안

작품은 도심 환경에서 자율주행 로봇들이 협동하여 움직이는 목표물을 추적하는 시스템을 모형으로 만든 것이다. 이러한 시스템은 아직 추상적인 단계이지만, 자율주행 시대에 더 빈번하게 발생할 목표물 추적 상황에서, 지금까지 비교적 덜 연구된 도심 환경에서 여러 대의 로봇이 협동하여 목표물을 추적하는 방식을 새롭게 제시하여 향후 진행될 연구들의 방향성에 도움을 주어 더욱 안전한 사회에 이바지할 수 있을 것으로 예상된다. 특히 도심 환경은 수많은 시설들이 밀집하고 우리의 삶과 밀접한 연관을 가진 공간이기에 위협이 될 수 있는 요소를 정확하게 추적하는 것이 중요하고, 한 대의 추적자만으로는 복잡한 도시 공간에서의 추적이 한계가 있을 수 있지만 여러 대의 추적자가 서로 정보 교환을 하며 협동하는 방식은 더 확실한 추적을 할 수 있을 것이므로 본 과제가 실용성을 가질 수 있을 것이다.