다중 로봇을 위한 분산형 무충돌 제어와 탐색 알고리즘

초록

본 논문은 2차원·3차원 임의의 미지 영역에서 다수의 로봇이 충돌 없이 완전 커버리지와 목표 탐색을 수행하도록 설계된 분산형 알고리즘들을 제시한다. 격자 선택, 엄격·완화 요구조건, 거리 기반 우선순위, 반발력 및 너비우선탐색(BFS) 등을 결합해 수학적 수렴을 증명하고, MATLAB 시뮬레이션 및 Pioneer 3‑DX 실험을 통해 효율성을 검증한다.

상세 분석

이 연구는 로봇 팀이 중앙 제어 없이도 안전하게 움직일 수 있는 근본적인 프레임워크를 제공한다는 점에서 의미가 크다. 먼저 2D 영역에서는 정삼각형 격자를, 3D 영역에서는 정사면체·정육면체·정팔면체 등 최소 정점 수를 갖는 격자를 선택한다. ‘엄격 요구조건(strict requirement)’은 로봇이 인접 격자 사이에 충분한 여유 공간을 확보하도록 설계되어, 로봇 크기와 센서 범위에 따라 격자 간격을 자동 조정한다. 반면 ‘완화 요구조건(loose requirement)’은 경계 효과를 무시하고 최소 정점 수를 목표로 하여, 넓은 영역에서의 탐색 효율을 극대화한다.

완전 커버리지 알고리즘은 각 로봇이 현재 위치에서 가장 먼 미방문 섹션을 선택하도록 하는 ‘최대 거리 우선’ 전략을 사용한다. 이때 로봇은 자신이 차지한 격자와 인접 격자 정보를 로컬에서만 교환하므로 통신 부하가 최소화된다. 충돌 회피는 이동 전 ‘예비 충돌 검사(pre‑collision check)’와 ‘우선순위 기반 이동 결정’으로 구현되며, 수학적 증명을 통해 모든 로봇이 결국 목표 영역을 완전히 커버함을 보인다.

탐색 단계에서는 세 가지 무작위 기반 알고리즘을 제시한다. 첫 번째는 ‘빈 인접 격자 무작위 선택’이며, 방문 여부에 따라 가중치를 부여한다. 두 번째는 로봇 간 거리를 실시간으로 측정해 반발력을 계산, 군집화를 방지하고 탐색 속도를 높인다. 세 번째는 로봇이 주변이 모두 방문된 경우 BFS를 수행해 가장 가까운 미방문 격자로 이동한다. 특히 2D 실험에서 반발력 기반 알고리즘(RW)은 목표물 수와 로봇 수에 따라 탐색 시간이 선형에 가깝게 증가함을 보여, 확장성 측면에서 우수함을 입증한다.

시뮬레이션 결과는 기존 5가지 알고리즘 대비 평균 20~35% 빠른 탐색 시간을 기록했으며, 실제 Pioneer 3‑DX 로봇 실험에서도 충돌 없이 목표물을 성공적으로 탐색했다. 그러나 알고리즘이 격자 기반이기에 복잡한 비정형 장애물이나 동적 환경에서는 격자 재구성 비용이 발생할 수 있다. 또한 센서 오차와 통신 지연을 고려한 견고성 분석이 부족한 점은 향후 연구 과제로 남는다.