1294.68 이동 로봇의 순차 임무 수행 Sequence

1294.68 이동 로봇의 순차 임무 수행 Sequence

1. 이동 로봇 임무의 순차적 특성

이동 로봇(mobile robot)의 임무는 본질적으로 순차적 구조를 가진다. 목표 지점까지의 이동, 환경 인식, 작업 수행, 귀환 등의 단계가 명확한 선후 관계를 형성하며, 이전 단계가 완료되어야 다음 단계를 시작할 수 있다. Sequence 노드는 이러한 순차적 의존 관계를 행동 트리 수준에서 자연스럽게 표현한다(Colledanchise & Ogren, 2018).

2. 기본 네비게이션 시퀀스

2.1 단일 목표 지점 네비게이션

<SequenceWithMemory>
    <Action ID="ComputePathToPose" goal="{target_pose}"/>
    <Action ID="FollowPath"/>
    <Action ID="AdjustFinalPose"/>
</SequenceWithMemory>

Tick 1: ComputePathToPose→R (경로 계산 중)
Tick 2: ComputePathToPose→S, FollowPath→R (경로 추종 시작)
Tick 3: FollowPath→R (이동 중)
...
Tick N: FollowPath→S, AdjustFinalPose→R (최종 자세 조정)
Tick N+1: AdjustFinalPose→S → SUCCESS (도착 완료)

SequenceWithMemory를 사용하므로, FollowPath가 RUNNING인 동안 ComputePathToPose를 반복 실행하지 않는다. 이미 성공한 경로 계산 단계를 건너뛰고, 경로 추종 단계부터 재진입한다.

2.2 다중 경유지 네비게이션

<SequenceWithMemory>
    <Action ID="NavigateToPose" goal="{waypoint_1}"/>
    <Action ID="NavigateToPose" goal="{waypoint_2}"/>
    <Action ID="NavigateToPose" goal="{waypoint_3}"/>
    <Action ID="NavigateToPose" goal="{final_destination}"/>
</SequenceWithMemory>

경유지를 순차적으로 방문하며, 각 경유지 도달은 비동기 액션으로 여러 Tick에 걸쳐 수행된다. SequenceWithMemory의 기억 기능에 의해, 이미 도달한 경유지로의 네비게이션은 재실행되지 않는다.

3. ROS2 Nav2 기반 네비게이션 시퀀스

3.1 Nav2의 기본 네비게이션 시퀀스 구조

ROS2 Nav2(Navigation2) 프레임워크는 행동 트리 기반의 네비게이션 시스템으로, 핵심 네비게이션 로직이 Sequence 노드로 구성되어 있다(Macenski et al., 2020).

<SequenceWithMemory name="NavigateWithReplanning">
    <RateController hz="1.0">
        <Action ID="ComputePathToPose"
                goal="{goal}" path="{path}"
                planner_id="GridBased"/>
    </RateController>
    <Action ID="FollowPath"
            path="{path}"
            controller_id="FollowPath"/>
</SequenceWithMemory>

이 구조에서 RateController 데코레이터는 경로 재계산 빈도를 제한하며, 블랙보드의 {path} 포트를 통해 ComputePathToPose의 출력이 FollowPath의 입력으로 전달된다.

3.2 안전 감시를 포함한 Nav2 네비게이션

<ReactiveSequence>
    <Condition ID="IsBatteryOK"/>
    <Condition ID="IsLocalizationValid"/>
    <SequenceWithMemory>
        <Action ID="ComputePathToPose" goal="{goal}" path="{path}"/>
        <Action ID="FollowPath" path="{path}"/>
    </SequenceWithMemory>
</ReactiveSequence>

외부 ReactiveSequence가 매 Tick마다 배터리와 위치 추정 상태를 검사하고, 내부 SequenceWithMemory가 실제 네비게이션 단계를 순차적으로 수행한다. 배터리 부족이나 위치 추정 실패 시 네비게이션이 즉시 중단된다.

4. 순찰 임무 시퀀스

4.1 기본 순찰 시퀀스

<SequenceWithMemory>
    <Action ID="NavigateToPose" goal="{patrol_point_A}"/>
    <Action ID="PerformSurveillance" duration="30"/>
    <Action ID="NavigateToPose" goal="{patrol_point_B}"/>
    <Action ID="PerformSurveillance" duration="30"/>
    <Action ID="NavigateToPose" goal="{patrol_point_C}"/>
    <Action ID="PerformSurveillance" duration="30"/>
    <Action ID="NavigateToPose" goal="{base_station}"/>
</SequenceWithMemory>

각 순찰 지점으로 이동한 후 일정 시간 감시를 수행하고, 모든 순찰 지점을 방문한 후 기지로 복귀한다.

4.2 조건부 순찰 시퀀스

<SequenceWithMemory>
    <Action ID="NavigateToPose" goal="{patrol_point_A}"/>
    <Fallback>
        <Sequence>
            <Condition ID="IsAnomalyDetected"/>
            <Action ID="DetailedInspection"/>
            <Action ID="ReportAnomaly"/>
        </Sequence>
        <Action ID="LogNormalStatus"/>
    </Fallback>
    <Action ID="NavigateToPose" goal="{patrol_point_B}"/>
    <!-- 이하 동일 패턴 반복 -->
</SequenceWithMemory>

각 순찰 지점에서 이상이 감지되면 정밀 조사 후 보고하고, 이상이 없으면 정상 상태를 기록한다. Sequence 내부에 Fallback을 중첩하여 조건부 행동을 구현하였다.

5. 탐사 임무 시퀀스

5.1 미지 환경 탐사 시퀀스

<SequenceWithMemory>
    <!-- 1단계: 탐사 준비 -->
    <Action ID="InitializeSLAM"/>
    <Action ID="PerformSelfCheck"/>
    <!-- 2단계: 탐사 수행 -->
    <Action ID="ExploreFrontier"/>
    <!-- 3단계: 탐사 완료 처리 -->
    <Action ID="SaveMap" filename="{map_file}"/>
    <Action ID="NavigateToPose" goal="{start_position}"/>
    <Action ID="ReportExplorationComplete"/>
</SequenceWithMemory>

SLAM 초기화 → 자가 진단 → 프론티어 기반 탐사 → 지도 저장 → 출발 지점 복귀 → 완료 보고의 순서로 탐사 임무를 수행한다.

5.2 다중 구역 탐사 시퀀스

<SequenceWithMemory>
    <SubTree ID="ExploreZoneA"/>
    <SubTree ID="ExploreZoneB"/>
    <SubTree ID="ExploreZoneC"/>
    <Action ID="MergeMaps"/>
    <Action ID="ReturnToBase"/>
</SequenceWithMemory>

각 구역의 탐사를 서브트리로 모듈화하고, 모든 구역 탐사 완료 후 지도를 병합한다.

6. 배송 임무 시퀀스

6.1 단일 배송 임무

<SequenceWithMemory>
    <!-- 1단계: 적재 -->
    <Action ID="NavigateToPose" goal="{pickup_station}"/>
    <Action ID="DockToStation"/>
    <Action ID="WaitForLoading" timeout="60000"/>
    <Action ID="ConfirmLoadComplete"/>
    <Action ID="UndockFromStation"/>
    <!-- 2단계: 배송 -->
    <Action ID="NavigateToPose" goal="{delivery_station}"/>
    <Action ID="DockToStation"/>
    <Action ID="WaitForUnloading" timeout="60000"/>
    <Action ID="ConfirmUnloadComplete"/>
    <Action ID="UndockFromStation"/>
    <!-- 3단계: 복귀 -->
    <Action ID="NavigateToPose" goal="{home_station}"/>
</SequenceWithMemory>

적재 스테이션에서의 도킹, 적재 대기, 적재 확인, 언도킹, 배송 지점으로의 이동, 하역, 복귀까지의 전체 배송 과정이 하나의 Sequence로 구성된다.

7. 실행 흐름의 Tick별 분석

7.1 네비게이션 시퀀스의 Tick 흐름

[SequenceWithMemory: NavigateTo(A) → Inspect(A) → NavigateTo(B)]

Tick 1:  NavigateTo(A)→R                              (idx=0, 이동 중)
Tick 2:  NavigateTo(A)→R                              (idx=0, 이동 중)
Tick 3:  NavigateTo(A)→S, Inspect(A)→R                (idx=1, 점검 중)
Tick 4:  Inspect(A)→R                                 (idx=1, 점검 중)
Tick 5:  Inspect(A)→S, NavigateTo(B)→R                (idx=2, 이동 중)
Tick 6:  NavigateTo(B)→R                              (idx=2, 이동 중)
Tick 7:  NavigateTo(B)→S                              → SUCCESS

SequenceWithMemory의 current_child_idx가 진행 상황을 기억하므로, 각 Tick에서 현재 활성 단계만 실행된다.

7.2 실패 시의 Tick 흐름

Tick 1:  NavigateTo(A)→R                              (이동 중)
Tick 2:  NavigateTo(A)→R                              (이동 중)
Tick 3:  NavigateTo(A)→F                              (경로 차단됨)
         → FAILURE                                     (시퀀스 전체 실패)

네비게이션이 실패하면 Sequence 전체가 FAILURE를 반환한다. 이를 Fallback으로 감싸서 복구 행동을 연결하는 것이 일반적인 패턴이다.

8. 설계 시 고려 사항

  1. Sequence 변형 선택: 이동 로봇의 네비게이션은 비동기 액션이므로, SequenceWithMemory를 사용하여 완료된 단계를 반복하지 않도록 한다. ReactiveSequence는 안전 조건의 지속적 감시가 필요한 경우에만 외부 래퍼로 사용한다.

  2. 블랙보드를 통한 데이터 전달: 경로 계획 결과, 현재 위치, 목표 지점 등의 데이터는 블랙보드 포트를 통해 시퀀스 내의 노드 간에 전달한다.

  3. 타임아웃 관리: 네비게이션이나 도킹 등 비동기 액션에는 Timeout 데코레이터를 적용하여 무한 대기를 방지해야 한다.

  4. 서브트리 분해: 임무가 복잡한 경우, 논리적 단위별로 서브트리를 구성하여 최상위 Sequence의 가독성을 유지한다(Faconti, 2022).

참고 문헌

  • Colledanchise, M., & Ogren, P. (2018). Behavior Trees in Robotics and AI: An Introduction. CRC Press.
  • Faconti, D. (2022). BehaviorTree.CPP documentation and API reference. https://www.behaviortree.dev/
  • Macenski, S., Martín, F., White, R., & Clavero, J. G. (2020). The Marathon 2: A Navigation System. 2020 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), 2718–2725.