1297.19 블랙보드 키 기반 조건 값 참조

1. 블랙보드 키의 개념

블랙보드(blackboard)는 행동 트리(Behavior Tree)에서 노드 간 데이터를 공유하기 위한 키-값(key-value) 저장소이다. 블랙보드 키(blackboard key)는 저장소 내의 데이터 항목을 식별하는 문자열이다. 조건 노드는 블랙보드 키를 통해 다른 노드가 저장한 데이터를 참조하여 조건 평가를 수행한다(Faconti & Colledanchise, 2022).

블랙보드 키 기반 참조는 조건 노드와 데이터 생산자(액션 노드, 외부 프로세스 등) 사이의 결합도(coupling)를 낮추는 역할을 한다. 조건 노드는 데이터의 출처를 알 필요 없이 블랙보드 키만을 통해 값을 획득한다.

2. XML에서의 블랙보드 키 매핑

XML 트리 정의에서 입력 포트에 블랙보드 키를 매핑할 때, 중괄호({})로 키 이름을 감싼다.

<Condition ID="IsBatteryOk" battery_level="{battery}" threshold="20.0"/>

위 예시에서 battery_level 포트는 블랙보드 키 battery에 매핑된다. tick() 호출 시 getInput("battery_level", value)를 실행하면, 블랙보드에서 battery 키에 저장된 값이 value에 전달된다.

정적 값("20.0")과 블랙보드 키 참조("{battery}")를 혼합하여 사용할 수 있다. 정적 값은 문자열에서 해당 타입으로 변환되어 매 tick마다 동일한 값을 반환하며, 블랙보드 키 참조는 매 tick마다 블랙보드의 최신 값을 읽는다.

3. 블랙보드 키 참조의 동작 메커니즘

3.1 값 읽기 과정

getInput<T>(port_name, destination) 호출 시 내부적으로 다음의 과정이 수행된다:

NodeConfig에서 port_name에 대응하는 포트 매핑 정보를 조회한다.
매핑이 정적 값이면 문자열을 T 타입으로 변환하여 반환한다.
매핑이 블랙보드 키 참조({key} 형식)이면, 블랙보드에서 해당 키의 값을 읽어 반환한다.
블랙보드에 해당 키가 존재하지 않으면 오류를 반환한다.

BT::NodeStatus IsDistanceSafe::tick()
{
    double distance;
    // 블랙보드 키 "obstacle_dist"에서 값 읽기
    auto result = getInput("distance", distance);

    if (!result)
    {
        // 키가 존재하지 않거나 타입 불일치
        return BT::NodeStatus::FAILURE;
    }

    double threshold;
    getInput("threshold", threshold);

    return (distance > threshold) ? BT::NodeStatus::SUCCESS : BT::NodeStatus::FAILURE;
}

3.2 값의 동적 갱신

블랙보드 키에 매핑된 포트는 매 tick마다 블랙보드의 최신 값을 읽는다. 따라서 다른 노드가 블랙보드 값을 갱신하면, 조건 노드는 다음 tick에서 갱신된 값을 참조하게 된다.

<ReactiveSequence>
    <Action ID="UpdateSensorData" output_distance="{obstacle_dist}"/>
    <Condition ID="IsDistanceSafe" distance="{obstacle_dist}" threshold="1.0"/>
    <Action ID="MoveForward"/>
</ReactiveSequence>

위 구조에서 UpdateSensorData 액션 노드가 블랙보드 키 obstacle_dist에 최신 센서 값을 저장하고, IsDistanceSafe 조건 노드가 매 tick마다 이 값을 읽어 평가한다.

4. 복수 블랙보드 키의 참조

하나의 조건 노드가 복수의 블랙보드 키를 참조할 수 있다. 각 입력 포트는 독립적으로 서로 다른 블랙보드 키에 매핑된다.

<Condition ID="IsGoalReached"
    robot_x="{robot_pose_x}"
    robot_y="{robot_pose_y}"
    goal_x="{goal_x}"
    goal_y="{goal_y}"
    tolerance="0.5"/>

BT::NodeStatus IsGoalReached::tick()
{
    double rx, ry, gx, gy, tolerance;
    getInput("robot_x", rx);
    getInput("robot_y", ry);
    getInput("goal_x", gx);
    getInput("goal_y", gy);
    getInput("tolerance", tolerance);

    double dist = std::hypot(rx - gx, ry - gy);
    return (dist <= tolerance) ? BT::NodeStatus::SUCCESS : BT::NodeStatus::FAILURE;
}

5. 블랙보드 키 부재 시의 처리

블랙보드에 참조하는 키가 존재하지 않는 경우는 다음과 같이 처리한다.

5.1 초기화 전 상태

시스템 시작 직후, 아직 데이터가 블랙보드에 저장되지 않은 상태에서 조건 노드가 호출될 수 있다. 이 경우 getInput()이 실패하며, 실패 안전 원칙에 따라 FAILURE를 반환한다.

BT::NodeStatus tick() override
{
    auto result = getInput<double>("value");
    if (!result)
    {
        // 키 미존재 또는 초기화 전: FAILURE 반환
        return BT::NodeStatus::FAILURE;
    }
    // ...
}

5.2 키 존재 확인 조건

특정 블랙보드 키의 존재 여부 자체를 조건으로 평가하는 패턴도 가능하다.

BT::NodeStatus IsKeySet::tick()
{
    std::string key_name;
    getInput("key", key_name);

    auto entry = config().blackboard->getEntry(key_name);
    return entry ? BT::NodeStatus::SUCCESS : BT::NodeStatus::FAILURE;
}

6. 블랙보드 키 명명 규칙

블랙보드 키는 트리 전체에서 공유되는 네임스페이스(namespace)를 사용하므로, 명확한 명명 규칙을 따라야 한다.

권장 패턴	예시	설명
`{도메인}_{속성}`	`robot_position_x`	도메인별 구분
`{센서}_{측정}`	`lidar_min_range`	센서 데이터
`{서브시스템}_{상태}`	`nav_goal_reached`	서브시스템 상태

키 이름의 충돌을 방지하기 위해 도메인 접두사를 사용하는 것이 바람직하다. 서브트리를 사용하는 경우, 블랙보드의 자동 매핑(autoremapping)이나 포트 매핑을 통해 키 이름의 격리를 달성할 수 있다.

7. 참고 문헌

Colledanchise, M., & Ogren, P. (2018). Behavior Trees in Robotics and AI: An Introduction. CRC Press.
Faconti, D., & Colledanchise, M. (2022). BehaviorTree.CPP Documentation. https://www.behaviortree.dev/

version: 0.1.0