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Academic year: 2023

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(1)

프로젝트 계획서

자율주행 시스템 개발 : NXT로봇 접목

2014.03.16.일요일

팀명 동물농장

팀원 20094033 정진수

(2)

목 차

1. 개요 및 배경 ··· 3

2. 기존 사례 ··· 4

3. 주요 기능 ··· 5

4. 핵심 구현 기술 ··· 6

5. 사용 데이터 ··· 11

6. 시스템 구성도 ··· 12

7. 개발 일정 ··· 13

8. 업무 분담 ··· 15

(3)

1. 개요 및 배경

1-1. 프로젝트 개요

자율주행이란, 운전자 없이 센서, 카메라와 같은 ‘장애물 인식장치’와 GPS 모듈과 같은

‘자동 항법 장치’를 기반으로 조향, 변속, 가속, 브레이크를 도로 환경에 맞춰 스스로 제어해 목적지까지 스스로 주행하는 기술을 말한다. 최근 미래형 개인 교통수단에 대한 동향은 안 정성 및 환경 친화성, 운전 편의성을 주요 요구사항으로 삼고 있으며 자율주행은 이모든 기 능을 아우르는 기술로써 전 세계적으로 주목받고 있으며, 유명 자동차 제작업체와 구글 등 세계적 기업에서 기술개발에 앞 다투어 노력중이다. 본 프로젝트에서는 제한된 주행환경을 배경으로 하여 NXT로봇을 이용하여 자율주행시스템을 설계하고 구현할 것이다.

1-2. 프로젝트의 배경

1-2-1 시스템 개발의 필요성

소프트웨어는 다양한 분야에서 사용되고 있다. 또한, 단순 소프트웨어에 대한 개발뿐 만아니라 물리적인 하드웨어에 소프트웨어기술을 접목시키는 분야 또한 생겨나고 있다.

과거 물리적인 하드웨어에 치중되어 있던 자동차 산업이 크루즈 시스템을 만들거나 자율 주행자동차에 대해 연구하는 것도 그 예들 중 하나일 것이다. 소프트웨어의 비중이 커지 므로 컴퓨터공학과 학생들의 다양한 분야로의 취업도 가능하게 되었지만 물리적 시스템 을 사용하는 소프트웨어 개발해볼 기회가 없기 때문에 NXT로봇을 이용하여 자율주행 시 스템에 필요한 기능을 구현해볼 계획이다.

1-2-2 시스템 개발의 목적

1. 자율주행에 필요한 기능 구현

라인트레이서, 길 찾기, 교통신호인식 등의 기능 구현 * 단, 제한된 주행환경을 가정한다.

2. 개발된 소프트웨어를 하드웨어에 접목하는 과정을 이해

소프트웨어를 개발하여 하드웨어에 입력하여 물리적 시뮬레이션 검토

3. 자율주행을 위한 인공 지능 이론 적용

홉 필드 신경망, 퍼지이론, 탐색이론 등의 적용

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2. 기존 사례

2-1 상용화 사례

Google Driverless Car 1. 작동원리

Google의 자율주행차량1은 Google이 자랑하는 Google map이 탑재 되어 있으며 차량 앞과 뒤편에 4개의 레이더가 장착되어 있고 천장에 는 3차원 라이다2 GPS/INS/Encoder가 실내에는 전방을 주시하는 2개 의 카메라가 설치되어 차량, 보행자, 도로, 신호 등을 인식하며 자동으 로 주행한다.

2. 자율주행 차량의 상황

미국의 경우, 이미 네바다, 플로리다, 캘리포니아 주에서 관련 법안이 만들어졌고 현재 법안을 심사 중인 주도 10개나 된다고 합니다. 반면, 국내는 이러한 부분이 전혀 이루어지고 있지 않아 열악한 상황에 있 는 것이 현실이다.

3. 자율주행 차량의 상용화

2012년 9월에 발표된 IEEE의 보고서에 의하면, 2040년에는 전 세계 차량의 약 75%가 무인자동차로 전환 될 것으로 예상한다.

르노 자율주행 자동차(The Next Two) 1. 작동원리

우선 자율 주행 차의 겉모습은 일반 차량과 그다지 다른 점이 없다.

하지만 내부를 살펴보면 차이점들이 눈에 띈다. 차량 앞좌석 중앙에는 약 10인치 크기의 화면이 있고, 룸미러 앞쪽에는 카메라가 달려있다.

이 화면은 자율 주행차의 ‘뇌’와 같은 역할을 한다.

2. 특징

끼어드는 차량 실험에서 전면에 부착된 센서가 이를 인식하고 자율주 행차의 속도가 줄어들었다. 그 뿐만 아니라 보행자, 과속 방지턱 같은 장애물을 인식하고 대처한다. 또, 운전자의 동공을 체크하여 졸음운전 을 할 경우 음악을 틀거나 내부 공기를 조절하여 운전자가 최적의 상 태를 유지할 수 있도록 한다.

3. 자율주행 차량의 상용화

르노 관계자는 “자율 주행 차는 아직 시범단계이며 앞으로 발전할 여 지가 많다.”고 말하며 2016년에 사용화 될 것이라고 말했다.

2-2 경진 대회

국내 무인자율주행 자동차 경진대회 1. 대회 소개

미래형 자동차를 위한 기술 개발은 저탄소, 고연비 조건을 만족시키는 친환경 기술과 더불어 운전자의 안전성과 편의성을 극대화 할 수 있 는 지능형 기술에 집중되고 있습니다. 지능형 기술의 궁극적 목표는 운전자 없이도 주행이 가능한 무인자율주행 기술이며, 이는 로봇 및 컴퓨터공학, GPS, 정밀 센서, 전자제어 등 첨단 기술의 발전에 힘입어 가까운 미래의 자동차 산업을 이끌 기술로 주목을 받고 있습니다.

이번 대회는 무인자율주행의 핵심기술에 대한 참가 팀의 역량을 집중 시키고 관련 산업과의 협력을 통해 기술적 난제를 해결하여 국내 무 인자율주행 기술의 발전을 목표로 하고 있습니다.

2. 국내 대회

현대 자동차 그룹 자율주행자동차 경진대회 국제 무인 태양광 자동차 경주대회

(5)

3. 주요 기능

선을 따라 주행하는 라인트레이서 기능

- 라인트레이서의 개발 범위는 1차선 도로이고 중앙에 라인이 있는 상태에서 주행하는 것이다.

여러 갈림길에서 길을 찾아 목적지에 도착하는 길 찾기 기능

- 길 찾기 기능의 개발 범위는 정해진 맵을 기준으로 출발지와 도착지를 미리 설정하는 것이다.

교통신호 인식 기능

- 교통신호 인식 기능은 교통 신호등 앞에서 일단 정지하도록 하고 신호등은 3구 신호등으로 제한한다.

(6)

4. 핵심 구현 기술

4-1 자율 주행관련 기술 4-1-1 라인트레이서

라인트레이서는 광센서를 이용하여 바닥에 그려진 정해진 트랙을 따라 주행하는 로봇을 뜻한다. 오늘날에 라인트레이서는 주로 공장이나 병원 등에서 무거운 물체를 싣고 주행하 는 로봇으로 실용화 되어있다. 광센서를 이용하여 반사되어 돌아오는 광량으로 라인을 구 분하고 왼쪽과 오른쪽 바퀴의 속도를 조절하여 라인을 따라 주행하게 된다.

l 광센서를 이용한 라인 인식

광센서는 흑백을 회색 톤으로 구별할 수 있는데, RGB로 0에서 255까지의 레벨을 백분 율로 비례한 값으로 구분이 가능하다. 이 빛 센서의 작동원리는 발광부와 수광부로 이루 어진 적외선 센서에 의해 이루어진다. 발광부에서 빛을 지면에 뿌리에 되면 수광부에서 지면에서 반사되는 빛을 감지하여 라인을 인식할 수 있게 된다.

이와 같은 센서를 이용하게 된다면 라인트레이서의 동작을 수행하는 로봇이 지면에 그 려진 선을 인식하고 선에서 벗어나지 않는 방향으로 선을 따라 이동할 수 있게 된다.

(7)

4-1-2 길 찾기 알고리즘

아래의 시뮬레이션 맵을 보게 되면 지점에서 지점으로 이동하는 구간에는 적어도 1개 이상의 갈림길을 만나게 된다. 이와 같은 상황을 라인트레이서 만으로 해결하는데 한계 가 있기 때문에 우리는 AI 탐색알고리즘(A* 알고리즘)을 통해 문제를 해결해보고자 한다.

4-1-3 영상처리 & 패턴인식

첫 번째, 사진이 아닌 실시간 영상을 처리하는 기술을 실행한다.

두 번째, 실시간 영상 중 특정 영역의 R. G. B 값을 구분한다.

세 번째, 구분된 색깔을 인식하며, 색깔의 모양을 판별한다.

네 번째, 판별된 색깔과 모양을 인식하여 교통 신호등과 비교한다.

다섯 번째, 일치한 데이터에 대한 정보 처리를 한다.

위 사진은 실시간이 아닌 이미지에서 특정 색깔을 가지는 Ex)P1에서 P4 탐색

P1 - C1 - C2 - C3 - C6 - P4의 경로와 P1 - C1 - C2 - C5 - C6 - P4의 경로 산출.

노드 간의 거리의 총합으로 최단거리의 길을 선택하고 이동.

P1에서 출발하여

C1의 갈림길을 만났을 때 C2로 이동하는 방향을 산출.

(8)

4-2 NXT 로봇

4-2-1 NXT로봇의 기본설명

처음 제품이름은 Mindstorms Robotics Invention System kit 이였다. Lego사는 기존에 발 매된 마인드스톰보다 여러 기능 등을 추가한 변화한 제품으로 출시하면서 nxt 라는 말을 추 가하였다. NXT 는 Next generation 즉 차세대를 뜻한다.

4-2-2 기본 구성 및 제공 기능

NXT의 부품 구성은 NXT 2.0의 구성품은 울트라 소닉(약 2,3미터에 있는 물질을 파악)센서, RGB 컬러 센서, 2개의 터치 센서, 3개의 모터, 블루투스를 지원하는 NXT Bricks 으로

구성되어 있다.

(9)

l 컬러 센서

컬러 센서는 센서 앞면의 작은 창으로 들어오는 빛의 색이나 강도를 감지하는 디지털 센서이고 컬러 모드, 반사광 강도 모드, 주변광 강도 모드 등 세 가지 모드로 사용할 수 있다. 컬러 센서의 샘플 속도는 1kHz/초 이다. 최적의 정확도를 위해, 컬러 모드 및 반사광 강도 모드에서 센서는 실험중인 표면에 가깝지만 닿지 않도록 직각을 유지해야 한다.

l 라지 모터와 미니엄 모터

라지 모터는 160~170rpm에서 20Ncm 기동 토크 및 40Ncm 스톨토크로 구동.

미디엄 모터는 240~250rpm에서 8Ncm 기동 토크 및 12Ncm 스톨토크로 구동.

두 모터 모두 자동 ID를 지원한다.

4-3 스마트 폰과 NXT로봇 연동

(10)

4-4 개발환경 4-4-1 NXT-G

National Instruments사가 LabView를 기반으로 하여 프로그래밍을 할 수 있도록 제작한 NXT 개발 툴이다. 로봇의 기본적인 동작 등을 수행하도록 하는데 개발될 수 있다.

4-4-2 NXJ

NXT프로그래밍을 현재 가장 널리 사용되고 있는 프로그래밍 언어인

JAVA를 통해 프로그래밍을 수행할 수 있도록 지원해주는 툴로써 이클립스에 설치하여 사용할 수 있다.

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4-4-3 OpenCV

OpenCV(Open Computer Vision)은 오픈 소스 컴퓨터 비전 C 라이브러리이다.

원래는 인텔이 개발하였다. 윈도, 리눅스 등의 여러 플랫폼에서 사용할 수 있다.

실시간 이미지 프로세싱에 중점을 둔 라이브러리이다. 인텔 CPU에서 사용되는 경우 속도의 향상을 볼 수 있는 Intel Performance Primitives (IPP)를 지원한다.

5. 사용 데이터

5-1 맵 데이터

시뮬레이션 맵

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5-2 이미지 데이터

교통 신호등을 인식하는데 사용되는 이미지 데이터 EX)

6. 시스템 구성도

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7. 개발 일정

7-1 나선형 모델 프로세스

가. 프로토타입 1

1) 목표설정 : 기본적인 주행 시스템 개발

2) 위험분석 : NXT에 대한 무지 및 하드웨어와 소프트웨어의 오차 3) 개발과 검증 : 3주간, 라인 트레이서에 대한 개발

4) 다음단계 수립 : 지능형 알고리즘이 적용된 주행 시스템 개발

나. 프로토타입 2

1) 목표설정 : 지능형 알고리즘이 적용된 주행 시스템 개발 2) 위험분석 : 알고리즘의 적용과 응용에 대한 무지

3) 개발과 검증 : 3주간, 지능형 알고리즘 적용 4) 다음단계 수립 : 데이터 인식 및 전송 단계

다. 프로토타입 3

1) 목표설정 : 데이터 인식 및 전송 기능 적용

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일정 문서 진행

(폭포수 모델)

진행 내용

(나선형 모델)

3월 1주 프로젝트

제안서 작성

NXT-G 개발환경 설치, NXJ 개발환경 설치, OpenCV 개발환경 설치

3월 2주 자료조사

분석

NXT로봇 지시적 이동구현, 길 찾기 알고리즘 설계(1/2), OpenCV 예제 실행 및 이해

3월 3주 자료조사

분석서 작성

라인트레이서 개발(1/3), 길 찾기 알고리즘 설계(2/2), R. G. B 색상 인식 개발(1/3)

3월 4주 요구사항 분석

라인트레이서 개발(2/3), 길 찾기 프로그램 개발(1/2), R. G. B 색상 인식 개발(2/3)

4월 1주 요구사항서 작성

라인트레이서 개발(3/3), 길 찾기 프로그램 개발(2/2), R. G. B 색상 인식 개발(3/3)

4월 2주 구조 설계

인공지능 이론 도입 정확한 라인트레이서 구현(3/3), 길 찾기 프로그램 적용 및 물리적 테스팅 보완(1/3),

패턴 인식 개발(1/3)

4월 3주 구조 설계2

인공지능 이론 도입 정확한 라인트레이서 구현(3/3), 길 찾기 프로그램 적용 및 물리적 테스팅 보완(2/3),

패턴 인식 개발(2/3)

4월 4주 구조 설계서 작성

인공지능 이론 도입 정확한 라인트레이서 구현(3/3), 길 찾기 프로그램 적용 및 물리적 테스팅 보완(3/3),

패턴 인식 개발(3/3)

5월 1주 상세 설계1 데이터 전송 및 인식(1/2)

5월 2주 상세설계2 데이터 전송 및 인식(2/2)

5월 3주 상세 설계서 작성 통합 프로그램 환경 적용(1/2)

5월 4주 구현1 통합 프로그램 환경 적용(2/2)

5월 5주 구현2 최종 버전 구현

6월 1주 테스트 및 보안 테스트 및 보안

6월 2주 결과 보고서 작성 결과물 시연

매주 단계별 개발 및 단위 테스트를 통한 버그 최소화

7-2 개발 일정

(15)

8. 업무 분담

8-1 프로젝트 세부 사항

l 매일 프로젝트 회의 및 진행상태 확인 l WBS(Work Breakdown Structure)

8-2 업무분담 표

구분 세부내용 담당자

기획

Ÿ 프로젝트 기획

Ÿ 필요물품 구입 정 진수

Ÿ 자료 조사

Ÿ 개발환경 구축 김 길호, 이 하늘

참조

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